JP4670588B2 - ジメチルエーテルを燃料とするディーゼルエンジン - Google Patents

Description

本発明は、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）を燃料として使用するディーゼルエンジン、詳しくは、いわゆるコモンレール式燃料供給装置を備え、液体状態のＤＭＥをシリンダ内に噴射するディーゼルエンジンに関するものである。

エネルギーの安定供給あるいはエネルギー源となる燃料の多様化等の観点から、近年、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）が燃焼機関の燃料として注目を浴びている。ＤＭＥは天然ガス、石炭又はバイオマス等から製造され、人体には無害であり、燃焼によって煤やＳＯｘなどを排出することはなく、環境面でも優れた燃料である。

ＤＭＥは、化学式がＣＨ₃ＯＣＨ₃の構造を有するエーテルであり、沸点が約−２５℃、加圧又は低温とすることによって容易に液化が可能である。このため、輸送及び貯蔵が簡便であり、また、排気ガス中の有害成分が少なく、ディーセルエンジンの燃料適合性の指標であるセタン価も高いことから、軽油などに代わりＤＭＥをディーセルエンジンの燃料とする研究開発が実用化に向け推進されている。

ところで、ディーセルエンジンにおいては、最近では、コモンレール式燃料供給装置を採用するものが増加している。この燃料供給装置は、図１に示されるとおり、燃料噴射ポンプ１とエンジンの各シリンダに取り付けられた燃料噴射弁２との間に、コモンレールと呼ばれる高圧の燃料の蓄圧管３を備えており、燃料噴射ポンプ１から送られる高圧燃料を一旦コモンレール３に蓄圧した後、蓄圧された燃料を燃料噴射弁２によって各シリンダ内へ噴射するものである。

コモンレール式燃料供給装置における燃料噴射弁２は、図３に示すとおり、燃料噴射を制御する電磁弁２１を有している。燃料噴射ポンプ１から圧送される高圧燃料は、ニードル弁２２が摺動するホルダ２３の孔に形成された燃料溜まりに送られるとともに、コントロールピストン２４の上部のコントロールチャンバ２５に送られる。ニードル弁２２は、ばね２６によって下方に押されその先端がシール部２７に着座している。
燃料噴射時期になると電磁弁２１がオリフィス２８を開き、コントロールチャンバ２５の高圧燃料を低圧の燃料戻し管に開放する。この結果、コントロールピストン２４の上部の圧力が低下し、ニードル弁２２が燃料溜まりの高圧燃料により押し上げられてシール部２７から離れ、高圧燃料は噴口２９からシリンダ内に噴射される。燃料噴射の終了時には電磁弁２１によりオリフィス２８を閉じ、コントロールチャンバ２５の圧力を高めてニードル弁２２をシール部２７に着座させる。なお、ニードル弁により噴口を開閉する燃料噴射弁は、コモンレール式燃料供給装置に限らず、ディーゼルエンジンでは全般的に使用されるものである。

コモンレール式燃料供給装置は、噴射燃料の高圧化が容易であり、燃料噴射量及び噴射時期の精密な制御も容易であって、粒子状物質（ＰＭ）あるいは酸化窒素（ＮＯｘ）などの、ディーセルエンジンの排気ガス有害成分の生成を抑制するために有効な燃料供給装置である。このようなコモンレール式燃料供給装置を、燃料としてＤＭＥを使用するディーセルエンジンに適用することは公知であり、例えば特開２００３−５６４１０号公報に開示されている。
特開２００３−５６４１０号公報

ＤＭＥは常温、常圧では気体となる燃料であり、加圧することによって液化するが、ディーゼルエンジンの燃料として通常用いられる軽油等に比べると、その粘度が低い。ディーゼルエンジンの燃料供給系統には種々の個所に高圧燃料の漏洩防止のためのシール部分が存在し、この点は、コモンレール式燃料供給装置であっても変わりはない。例えば、燃料噴射弁は、コモンレール式の場合は電磁弁を用いて制御されるものであって、前述したとおり、燃料が噴射されないときにニードル弁が着座するシール部、あるいは電磁弁がオリフィスを閉じるシール部が存在する。液化したＤＭＥは粘度が低いので、通常のディーゼルエンジンの燃料と比較すると燃料供給系統のシール部において漏洩が生じやすい傾向にある。

つまり、軽油を燃料とする場合にあっては問題とならないシール部の不具合でも、ＤＭＥを燃料としたときには大量の漏洩に繋がる虞れがある。特に、燃料噴射弁においてニードル弁が着座するシール部に僅かな漏洩があった場合には、エンジンの通常運転には格別の変調を来たさないものの、エンジンを一定時間停止したときには、漏洩したＤＭＥが気体状態でシリンダ内に蓄積される事態が生じることがある。ＤＭＥがシリンダ内に蓄積された状態でエンジンの再始動が行われると、ＤＭＥは、セタン価が高く着火温度が低い燃焼性の優れた燃料であるから、シリンダ内のＤＭＥが一気に爆発的な燃焼を起こしてエンジンの損傷の原因となりかねない。これを回避するために、エンジンの動弁機構にいわゆるデコンプ装置を設け、始動時の初期に吸気弁等を開放して蓄積したＤＭＥをパージすることが考えられるが、デコンプ装置の設置はエンジン構造を複雑化させる。
本発明は、コモンレール式燃料供給装置を備えＤＭＥを燃料として使用するディーゼルエンジンにおいて、エンジン停止後の再始動時、漏洩したＤＭＥによりエンジンが損傷する事態を、簡易な手段によって防ぐことを課題とする。

上記の課題に鑑み、本発明は、ＤＭＥを燃料とするコモンレール式燃料供給装置を備えたディーゼルエンジンにおいて、コモンレール等、燃料供給装置の内部の圧力を検出してエンジンの停止時にはその圧力を記憶し、再始動時に検出した圧力が所定値以上低下している場合はエンジンの始動を禁止するものである。すなわち、本発明は、
「ジメチルエーテルを燃料とするディーゼルエンジンであって、
前記ディーゼルエンジンは、ジメチルエーテルを貯蔵する燃料タンクと、燃料を高圧化する燃料噴射ポンプと、高圧化した燃料を蓄圧するコモンレールと、そのコモンレールの燃料をシリンダ内に噴射する燃料噴射弁とを有する燃料供給装置を備え、さらに、
前記ディーゼルエンジンは、前記燃料供給装置の内部の圧力を検出する圧力検出手段と、検出された圧力を記憶する記憶手段とを有する制御装置を備えており、
その制御装置は、エンジンの作動停止時には前記記憶手段が停止時の圧力を記憶するとともに、エンジンの再始動時には前記圧力検出手段が前記燃料供給装置内の圧力を検出し、その圧力が記憶された圧力よりも所定値以上低下しているときは、エンジンの再始動を禁止する」
ことを特徴とするディーゼルエンジンとなっている。

請求項２に記載のように、前記圧力検出手段が前記コモンレール内の圧力を検出するものであることが好ましい。

請求項３に記載のように、前記エンジンの再始動が禁止される圧力低下の所定値は、エンジンの作動が停止している時間に応じて可変であるように構成することができる。

ＤＭＥを燃料とする高圧の燃料供給系統では、ＤＭＥの低粘性の特性に由来して燃料の漏洩が生じやすく、特に、シール部に僅かでも機能不全があるときは、エンジンの作動停止時において大量の漏洩が発生する。エンジンの作動停止時には燃料噴射ポンプが停止して燃料噴射弁が閉鎖されており、高圧の燃料供給系統が閉鎖空間となっているから、燃料が漏出すると内部の圧力は低下する。
本発明では、エンジンの制御装置に、コモンレール等燃料供給装置の内部の圧力を検出する検出手段と、エンジンの停止時にはその圧力を記憶する記憶手段とを設けている。そして、エンジンの再始動時にはまず前記燃料供給装置内の圧力を検出し、その圧力がエンジン停止時の圧力よりも所定値以上低下しているときは、エンジンの始動が禁止されるように構成されている。そのため、燃料噴射弁のシール部に不具合がありコモンレール等の圧力が低下しているとエンジンを始動させることができなくなり、漏出したＤＭＥがシリンダ内に大量に溜まっていたとしても、その燃焼によりエンジンが損傷を受けることは回避される。

また、本発明はエンジン停止時における燃料供給装置内の圧力低下を検知するものであり、したがって、燃料噴射弁のシール部の不具合に限らず、配管継手部や電磁弁等のシール不良に起因する圧力低下も検知可能である。ディーゼルエンジンの作動中には燃料噴射ポンプ等が駆動され、コモンレール内の圧力や燃料噴射ポンプ入口側の配管内の圧力は設定値以上に保持されているので、シール部に多少の不具合があっても圧力は低下せず、その不具合を検知することが困難な面がある。これに対し、本発明では、圧力センサを所望の個所に取り付けることにより燃料供給装置の様々な個所のシール不良を検出でき、不具合の対策を講じることが可能となる。

コモンレール式燃料供給装置においては、一般的に、噴射量等の精密な制御のためにコモンレール内圧力のコントロールが行われ、コモンレールには圧力を検出する圧力センサが設置されている。請求項２の発明のように、圧力検出手段がコモンレール内の圧力を検出する場合には、既存の圧力センサを利用することができる。

請求項３の発明のように、エンジンの再始動時に際して、再始動が禁止される圧力低下の所定値を、エンジンの作動が停止している時間に応じて可変であるように構成したときは、燃料供給装置のシール不良の状況に対して、より一層正確な対処が可能となる。すなわち、エンジンの作動が停止すると、シール装置に格別の不具合が存在しないときでも極く少量ではあるが不可避的な燃料の漏洩が起こり、作動停止が長時間に亘る場合には、一定の圧力低下が生じてしまう。こうしたときには、シリンダ内に漏出したＤＭＥは作動停止のうちに自然に排出され、シリンダ内に残存していない。したがって、前記の所定値をエンジンの作動停止時間に応じて可変とすると、不必要な再始動禁止を防止できる。

以下、図面によってＤＭＥを燃料とする本発明の燃料供給装置の実施例について説明する。図１は、本発明が適用されるコモンレール式燃料供給装置の概要を示すものであるが、その基本的な機器の構成及び作動は、背景技術の項で説明した一般的なコモンレール式燃料供給装置と変わりはない。つまり、燃料を高圧化する燃料噴射ポンプ１と燃料噴射弁２との間に、燃料の蓄圧管であるコモンレール３を備えており、蓄圧された燃料を燃料噴射弁２によって各シリンダ内へ噴射する。燃料噴射弁２の構成も、図３に示される一般的なコモンレール式燃料供給装置で使用される燃料噴射弁と基本的には変わらず、燃料噴射を制御するための電磁弁を有し、噴射用の噴口を開閉するニードル弁を備えている。

燃料であるＤＭＥは、加圧され液体の状態でボンベ状の形態の燃料タンク４に貯蔵されている。燃料タンク４にはタンク内ポンプが内蔵されており、ＤＭＥはこのポンプによって燃料給送ポンプ５に送られる。燃料給送ポンプ５はＤＭＥを一定の圧力に昇圧して燃料噴射ポンプ１の燃料入口に供給するが、その管路の途中には燃料クーラー６が設置されている。燃料クーラー６は、沸点が低く蒸発、気化しやすいＤＭＥを冷却ファン等を用いて冷却するものであって、燃料噴射ポンプ１に到る管路で気泡が生じ燃料噴射ポンプ１等が損傷を受けることを防止する。

燃料噴射ポンプ１に供給されたＤＭＥはこのポンプによって高圧となり、ポンプ出口からコモンレール３に送られ、ここで蓄圧される。コモンレール３には各シリンダに燃料を分配する高圧配管が接続され、各高圧配管は各シリンダの燃料噴射弁２にそれぞれ連結されている。また、燃料噴射ポンプ１及びコモンレール３には、燃料圧力を調整するために生じる余剰燃料を回収し燃料タンク４に戻すための燃料戻り管７が連結される。

ディーゼルエンジンの各シリンダへ噴射するＤＭＥの噴射量及び噴射時期は、燃料噴射弁２の電磁弁２１（図３）を開閉することにより、エンジンの負荷や回転数等に応じて制御される。そのため、エンジンには制御装置８が備えられ、制御装置８の出力に応じて電磁弁２１の開弁時期及び開弁時間が決定される。ＤＭＥの噴射圧力についてもエンジンの負荷や回転数等に対応した制御が行われ、そのため、コモンレール３には圧力センサ９が取り付けてあり、制御装置８には圧力センサ９の出力信号が入力されている。

本発明の制御装置８は、圧力センサ９からの入力信号に基づきコモンレール３内の圧力を決定する圧力検出手段８１と、検出された圧力を記憶する記憶手段８２とを有する。記憶手段８２は、エンジンが作動を停止した時点におけるコモンレール３内の圧力を記憶するものである。具体的には、車両に搭載されたディーゼルエンジンであれば、運転者が操作するエンジンキーの状態を監視し、エンジンキーがＯＮからＯＦＦに操作されたときにエンジンの作動を停止させた後、そのときの圧力値を記憶する。

作動の停止後エンジンを再始動するときは、制御装置８において、作動の停止時に記憶された圧力値と再始動時に圧力センサ９により検出される圧力値との比較が行われる。再始動時における圧力値が記憶された圧力値よりも所定値以上低下しているときは、制御装置がエンジンの再始動を禁止する処置を実行する。具体的には、再始動時にエンジンキーがＯＦＦからＯＮに操作された時点で、エンジンを始動するスタータモータの駆動に先立ってコモンレール３内の圧力を検出し、検出した値が所定値以上低下している場合は、スタータモータへの通電を阻止すると同時に、警告灯あるいは警報音などの手段で運転者に異常を伝える。このようにエンジンの再始動が禁止されたときは、車両を修理工場等に搬入して修理等を行うようにする。

再始動の禁止を判断する所定値は、燃料噴射弁２のニードル弁２２が着座するシール部２７（図３）においてシール不良が発生し、ＤＭＥが漏洩したときに生じるコモンレール３内の圧力低下を、実験等で確認することによって定められる。エンジンが長時間作動停止の状態であると、シール不良が存在しない場合でも不可避的な圧力低下を起こすので、この点を勘案しながら、停止時間に応じて所定値を変えるようにしてもよい。燃料噴射弁のニードル弁着座部のシール不良を想定した所定値を用いることにより、漏出したＤＭＥの爆発的な燃焼に起因するエンジンの損傷を防止することができる。

本発明の制御装置８における作動手順のフローチャートを図２に示す。エンジンの運転中は、図２（Ａ）に示すように、コモンレール圧を常に検出し（ＳＡ１）、また、エンジンキーのＯＮ−ＯＦＦ状態を検出する。ステップＳＡ２では、エンジンキーがＯＦＦであるか否かを判定して、ＯＮの状態であればＳＡ１に戻ってコモンレール圧を再度検出する。エンジンキーがＯＦＦに操作されると、ステップＳＡ３に進んでエンジンの停止が実行され、さらに、エンジン停止直後のコモンレール圧（ＣＲＰｅ）が記憶される（ＳＡ４）。このようにして、エンジン停止時における作動手順は終了する。

エンジン再始動時に運転者がエンジンキーをＯＮとすると、図２（Ｂ）に示すように、まずその時点のコモンレール圧（ＣＲＰｓ）を検出する（ＳＢ１）。次いで、ステップＳＢ２に進み、エンジン停止時に記憶されたコモンレール圧（ＣＲＰｅ）との差を演算して、それが予め定められた所定値（Ｐｄ）よりも小さいか否かを判定する。所定値（Ｐｄ）よりも小さいときは、ＤＭＥの漏洩がないと判断してエンジンの再始動が実行される（ＳＢ３）。しかし、所定値よりも大きいときは、シール部の不良に起因してシリンダ内に漏洩したＤＭＥが蓄積している可能性があるので、ステップ（ＳＢ４）に進み、異常警報を作動させるとともにエンジンの始動を不可とする。ちなみに、停止時間によって上記の所定値（Ｐｄ）を変更するときは、（Ａ）と（Ｂ）のフローチャートを連続させ、途中に停止時間をカウントするステップと所定値を変更するステップとを加えるようにする。

以上詳述したように、本発明は、ＤＭＥを燃料とするディーゼルエンジンにおいて、ＤＭＥの漏洩によるエンジンの損傷等を防ぐため、燃料供給装置の内部の圧力を検出してエンジンの停止時にはその圧力を記憶し、再始動時の圧力が所定値以上低下している場合はエンジンの始動を禁止するものである。上記実施例では、コモンレール内の圧力を検出しているが、検出する圧力はこの部分に限られるものではなく、例えば、燃料噴射ポンプ入口側の配管の圧力を検出すると、燃料クーラーのシール不良による不具合を防止できる。また、本発明は、定置ディーゼルエンジン等、車両用のディーゼルエンジン以外のものにも適用できることは明らかである。

本発明によるディーゼルエンジンの燃料供給装置の概要を示す図である。 本発明の作動手順を示すフローチャートである。 コモンレール式燃料供給装置の燃料噴射弁を示す図である。

符号の説明

１ 燃料噴射ポンプ
２ 燃料噴射弁
２１ 電磁弁
２２ ニードル弁
３ コモンレール
４ 燃料タンク
５ 燃料給送ポンプ
６ 燃料クーラー
８ 制御装置
８１ 圧力検出手段
８２ 記憶手段
９ 圧力センサ

Claims (3)

1. ジメチルエーテルを燃料とするディーゼルエンジンであって、
   前記ディーゼルエンジンは、ジメチルエーテルを貯蔵する燃料タンク（４）と、燃料を高圧化する燃料噴射ポンプ（１）と、高圧化した燃料を蓄圧するコモンレール（３）と、そのコモンレール（３）の燃料をシリンダ内に噴射する燃料噴射弁（２）とを有する燃料供給装置を備え、さらに、
   前記ディーゼルエンジンは、前記燃料供給装置の内部の圧力を検出する圧力検出手段（８１）と、検出された圧力を記憶する記憶手段（８２）とを有する制御装置（８）を備えており、
   その制御装置（８）は、エンジンの作動停止時には前記記憶手段（８２）が停止時の圧力を記憶するとともに、エンジンの再始動時には前記圧力検出手段（８１）が前記燃料供給装置内の圧力を検出し、その圧力が記憶された圧力よりも所定値以上低下しているときは、エンジンの再始動を禁止することを特徴とするディーゼルエンジン。
2. 前記圧力検出手段（８１）が、前記コモンレール（３）内の圧力を検出する請求項１に記載のディーゼルエンジン。
3. 前記エンジンの再始動が禁止される圧力低下の所定値は、エンジンの作動が停止している時間に応じて可変であるように構成された請求項１又は請求項２に記載のディーゼルエンジン。

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