JP4912471B2 - 加圧低粘度燃料とともに使用するための内燃エンジン - Google Patents

Description

本発明は、加圧低粘度燃料とともに使用するための内燃圧縮点火エンジンの分野に関連し、このエンジンは、関連のガス流路を備えるエンジンパワーシリンダと、エンジンパワーシリンダとガス流路との間の流体連通を開くためのバルブシステムと、エンジン管理システム（ＥＭＳ）とを包含する。本発明はまた、加圧低粘度燃料とともに使用するための内燃圧縮点火エンジンを作動させる方法に関連する。

一般的なディーゼル燃料に代わる環境に優しい代替物として非化石燃料が使用されることが多い。ジメチルエーテル（ＤＭＥ）のような高い水蒸気圧を持つ燃料は、一般的に、従来のディーゼル燃料油と比較して非常に低い粘度を持ち、バルブの密閉面が破損していない時でも閉じたノズルバルブから燃料が漏出するほどの低さである。さらに、このような低粘度燃料のための燃料噴射供給システムは、エンジンが停止している時でも、気圧を充分に上回る燃料圧力が燃料システムの内部で維持されるように設計されていることが多い。こうして、エンジンが回転しておらず、実際の噴射のための燃料圧力が存在していない時でも、エンジンパワーシリンダへ燃料が漏出する条件が発生する。

停止エンジンにおける噴射ノズルでの漏出に対する専用の保護手段が採用された、電子制御遮断バルブと自動遮断バルブのいずれかの形の先行技術による燃料噴射システムが開示されている。自動遮断バルブを備える先行技術システムは、例えば特許文献１に開示されている。周知の漏出保護システムは概ね有効であるが、使用中に機能性を失うことが依然としてあり得る。その理由の一つは、漏出保護バルブの密閉面の間に詰まった破片である。これが起こると、相当量の燃料がエンジンパワーシリンダへ漏出する。漏出が発生したエンジンを始動させようとすると、この相当量の漏出燃料に点火して、影響を受けるシリンダに過圧および過剰な温度を引き起こし、これに続いて様々なエンジン部品に破損が生じる可能性がある。

米国特許第６，１８９，５１７号明細書

本発明の目的は、揮発性燃料がパワーシリンダへ漏出したエンジンを始動させる際に破損を回避して安全性を高める手段を提供することである。

上述の目的は、請求項１に記載の特徴によって達成される。

本発明はまた、安全性を高め、信頼性を向上させ、ＤＭＥなど高い水蒸気圧を持つ燃料を使用するエンジンの中断時間を減少させることを目的とする、エンジン始動・診断方法およびシステムにおける改良にも関する。噴射器間の燃料供給の均等性を正確に測定しながら、このような測定を実行するのに特別な検査装置または準備作業を必要としない便利な診断方法も取り入れている。

上述した目的は、請求項１５に記載の特徴によって達成される。

本発明の目的は、エンジンパワーシリンダで漏出した高揮発性燃料の有無の検出のためと、このような漏出が検出された場合の安全なエンジン始動のためのシステムおよび方法を提供することである。本発明の別の目的は、最低のコストおよび複雑度によって必要な機能性が達成されるシステムを提供することである。本発明のまた別の目的は、ＤＭＥなどの高揮発性燃料の噴射器間での吐出均等性を測定する簡単かつ正確な方法を提供することである。

ｉ）ＤＭＥなどの高揮発性燃料が供給されるエンジンの動作安全性を高める、ｉｉ）このようなエンジンの信頼性を向上させる、ｉｉｉ）維持コストを低下させるという長所が、本発明により得られる。始動時のエンジンにおいて圧力および温度が未制御で上昇することが防止されるため、エンジン動作の安全性が高められる。それなしでは始動が不可能であるか始動時に破損するエンジンを安全に始動させる手段が本発明では提供されるため、信頼性が向上する。遮断バルブの故障を引き起こす破片が燃料の流れによって洗い流され、燃料噴射システムの漏出保護機能が回復するため回転中のエンジンにおける噴射システムの自己浄化が可能であるという事実により、信頼性がさらに高められる。エンジン／車両からいずれかの部品を取り外さずに、燃料供給の校正値との偏差によって噴射器を検出することのできる燃料供給均等性診断機能を利用することにより、維持コストの低下とともに信頼性の向上にさらに寄与することになる。この方法は、回転中のエンジンで排気ポート温度を測定／比較する周知の方法よりも著しく正確であるが、それは、後者では、噴射パターンの不規則性および燃焼作用が機能して、排気ガス温度のシリンダ間均等性の分析によって得られる実像を歪めるからである。

以下、添付図面を参照し、さらに本発明を非限定的に説明する。

本発明の第一実施例による内燃エンジンを示す。 本発明の第二実施例による内燃エンジンを示す。 本発明の第三実施例による内燃エンジンを示す。

図１に示された実施例において、加圧低粘度燃料とともに使用するための内燃エンジン１は、ＤＭＥなどの高揮発性燃料をエンジンのパワーシリンダへ噴射するための燃料システム（不図示）を装備している。エンジンの各個別排気ポート３には温度センサ２が設置され、排気ポート３は、エンジンの個別パワーシリンダの各々に接続されたガス流路を表す。センサ２は、燃料噴射システムと本発明による漏出検出／始動システムの両方を制御するＥＭＳ４による読み取りに適している。エンジンはさらに、スタータモータ５とスタータモータ制御装置６とが組み込まれた二速クランクシステムを装備している。

好適なエンジン漏出検出・安全始動方法は、以下の段階を含む。
１．エンジンを始動させる命令をドライバから受け取ると、温度センサ２により行われるエンジン排気ポートの温度の測定を実施して、この温度をＥＭＳメモリに記憶する段階。
２．エンジンパワーシリンダにおいて燃料点火温度以上まで温度を上昇させるのに十分な高圧に達するのを防止する比較的低いクランク速度を特徴とする第１エンジンクランクモードに切り換える段階。一般的な低クランク速度は３０ｒｐｍ程度である。このモード中には燃料噴射が開始されないことが好ましい。
３．クランク前に測定された数値からの偏差に関して、また別々の温度センサの間の温度差に関して、温度データを分析する段階。
４．測定された温度差が所定値を下回るまで（その場合には段階５へ進む）か、最長の許容低速クランク時間に達するまで（その場合にはすべてをオフに切り換えてドライバに故障を報告する）、低速クランクモードを維持する段階。典型的な最長許容低速クランク時間は３０秒程度である。
５．従来の高いクランク速度へ切り換えて、エンジンを始動させるため燃料噴射を開始する段階。

段階２では、比較的低速のエンジンのクランクによっても、流入ポートからパワーシリンダへ、そして排気ポートへの空気の通過が見られる。シリンダへ漏出してここで収集されることになる、燃料から放出された燃料蒸気が、この流れによって運び去られる。蒸発燃料の冷却作用は燃料の量に比例し、これは温度センサによって検出される。段階４では、センサ間で重大な温度差が検出された場合に、低速クランクによってエンジンに空気がポンプ供給され、これとともに燃料蒸気が排気システム内で運ばれる。この時点での漏出速度がエンジンからの燃料蒸気の大量排出の速度より低いと仮定すると、漏出した燃料は最終的にシリンダから除去されて、段階５に記載の安全なエンジン始動が可能となる。漏出速度が段階４でのシリンダからの燃料排出の速度よりも高い場合には、測定された温度の均一化は達成されず、始動の試みを手動で終了させる決定をドライバが行わない限り、予め設定された時間遅延が、最長低速クランク時間を左右する。

比較的低速のエンジンのクランクが可能であるため、噴射器燃料供給の均等性の診断を実施することも可能である。これを実施するため、上述した段階１から４が行われてから、いずれのシリンダにも明白な漏出が見られないことが実証されると、燃料噴射が開始される。この燃料の点火が防止されるのは明らかで、噴射燃料の気化による冷却作用は噴射量に比例し、行われる燃料噴射の均等性について結論を下すことが可能となる。低速クランクモードとは対照的な通常のエンジン回転中の燃料噴射システムの様々な運転条件を考慮すると特に、この結論はあまり正確ではないが、それでも比較的深刻な噴射器の性能低下を検出する機会が得られるはずである。

エンジン内での空気の流れを制限することによりシリンダ空気温度が燃料点火のレベルまで上昇するのを防ぐ可変バルブ操作（ＶＶＡ）システムをエンジンが装備する場合には、燃料噴射システムの有効検査範囲を広げるため第１クランクモードよりも高い速度での燃料吐出均等性を測定するのに、このシステムが使用されてもよい。しかし、測定結果の精度は、（一方ではピーク温度を制限するため、他方では燃料蒸気に温度センサを通過させるのに必要な流れを実現するために）エンジンを通過させることのできる空気の量を精密に制御するというＶＶＡシステムの能力に左右される。

説明している本発明の第一実施例では、スタータモータ制御装置６によってスタータモータ５に印加される電力の減少を制御することのみによって第１クランクモードが設定される。エンジンクランクシャフトの回転速度が回転角全体にわたって均一ではない傾向があることと、クランク速度が低くなるにつれて、スタータモータのクランク中には特に、一回の回転中の変動が大きくなることは知られている。変動が大きすぎると、エンジンシリンダの一つのピストンが平均よりはるかに高い速度まで加速されることがあり、これに応じて高い圧力と温度が燃焼室で発生して、スタータモータに供給される電力をさらに減少させる必要が生まれ、今度はこれが、より大きな速度変動を意味する。

図２に示された本発明の別の実施例では、この不都合な傾向を解消してクランク速度の変動を安定させるために、第１クランクモードでクランク速度を制御するための付加的手段が含まれる。この実施例では、第１クランクモード中に、ＥＭＳ４はエンジンブレーキをクランク角依存動作と連動させる。

クランクシャフトの回転速度変動はエンジンピストンの圧縮および膨張の行程により生じて、クランクシャフトまたはカムシャフトの角位置のみによって各行程の状態が決定されることは知られている。クランクシャフトの角位置と行程の状態との間の一定関係は、図２に見られるように、エンジンフライホイール９にボルト締結されたクラッチハウジング８に取り付けることのできるカムディスク７の形状を決定するのに使用される。位置制御機構１１を備える摩擦ブレーキシュー１０が、エンジン１にボルト締結されたトランスミッションハウジング１２に設置されている。第１クランクモード中、膨張行程でエンジンピストンが加速される傾向にある時にはカムディスク７とシュー１０との間の摩擦力が発生するように、カムディスクへのブレーキシューの延出をＥＭＳが制御する。こうして、クランクシャフト回転速度の変動が効果的に減衰され、パワーシリンダで燃料点火温度に達する危険を伴わずに、より高い平均回転速度が可能となるのである。

クランク角に依存したブレーキ力の印加を達成するのに必要な実時間の制御または追跡機能が存在しないため、上述したこのようなクランク角依存エンジンブレーキの複雑度はかなり低いことが理解できるだろう。ＥＭＳは、カムディスクへのブレーキシューの突出度を制御するに過ぎず、クランク角依存動作は機械的手段によって達成される。弾性手段１３が所定箇所にあってブレーキシュー１０とカムディスク７とのスムーズな嵌合を達成するように設計されていると仮定すると、この突出制御は最も単純な形では２位置つまりオン／オフ制御である。代替例として、平均的ブレーキ力の良好な制御が必要とされる場合には、エンジン速度センサからのフィードバックによって段階的、連続的な、または実時間でのシューの突出制御に、ＥＭＳを容易に適応させることが可能である。

第１クランクモードでエンジンブレーキを使用することにより、エンジンの回転速度変動を減少させるのと同時に平均回転速度を上昇させて、システムからの漏出燃料およびその蒸気の排出を加速させて、エンジンをより早期に始動させることが可能である。

スタータモータ制御装置６に代わってクランク角依存エンジンブレーキを使用することにより、本発明によるシステムをさらに単純化することができる。このような実施例では、スタータモータは従来のようにフル電力で起動し、エンジンブレーキを使用することによって低いクランク速度が達成される。この実施例では、電力供給制御装置が省略されるので、システムのコストの低下が可能である。

クランク角依存エンジンブレーキの設計の変形例は、車両のギヤが入っていて駐車ブレーキで固定されている状態での車両のトランスミッションクラッチ８の嵌合の制御に基づいている。このような設計の原理は図２に示された代替実施例で使用されたものに類似しているが、位置情報、パイロット力、クラッチ嵌合のための機構を制御するのに使用される（例えば機械または油圧リンクを介した）実際の力を付与するのに、カムディスク７が使用される。ブレーキシュー１０を包含する付加的エンジンブレーキシステムの代わりに、車両のクラッチ、トランスミッション、従来のブレーキシステムを使用すると、システムのコストおよび複雑度を低下させることができる。

クランク角依存エンジンブレーキをエンジンが装備する時には、上述した漏出検出および安全なエンジン始動の方法はさらに、段階２に記載の第１エンジンクランクモードの切り換えの前または切り換え時にこのブレーキをオンに切り換えることを含む。

図３に図示された本発明の別の代替実施例では、エンジンがまだ停止している間にシリンダと排気ポートとの連通を開くことにより、始動前モードが達成される。この実施例では、高揮発性燃料の自然蒸発によってシリンダからの漏出燃料の排出が実施される。蒸発は、排気ポートに設置された温度センサの周囲の温度を低下させ、これがＥＭＳ４によって検知され、ＥＭＳは上述したのと同じように始動前モード起動の時間を決定する。ＥＭＳからの命令を受けてエンジン排気バルブ（不図示）を開く力を付与する、アクチュエータ１４とリンク機構１５とレバー１６とで構成される付加的減圧機構によって、シリンダと排気ポート３との連通が制御されることができる。エンジンの始動の準備ができると、機構が作動停止してエンジンが従来のように始動する。

ＤＭＥなどの高揮発性燃料を使用し、エンジンが停止している間にパワーシリンダへの燃料の漏出が発生する可能性があるエンジンの動作安全性の向上における別の面は、このような燃料の一部の点火温度が比較的低いことにより、エンジンが停止した時に排気システムの要素の温度が燃料点火温度よりも高くなり得ることである。その時にエンジンの始動がこのような状況で試みられて停止中エンジンで燃料の漏出が見られる場合には、第１クランクモード中に、影響を受けるパワーシリンダから移動した燃料およびその蒸気が着火して、エンジンを故障させる。これを防ぐため、時間が終了するまでエンジンの始動を許可しないようにＥＭＳがプログラムされて、燃料が接触している表面の温度が確実に点火温度を下回るようにするか、周知のエンジン高温箇所の付近に温度センサが設置され、この測定に基づいて始動の手続きを取る決定がＥＭＳにより行われるようにすることができる。

本発明は上述した実施例に限定されず、以下の請求項の範囲内で多くの改変が可能である。このような改変は例えば、クランクシャフトに接続された他のエンジン部品またはシャフトにカムディスク７を配置すること、説明したのとは異なる方法でクランク角依存エンジンブレーキのための機構を設計すること、燃料噴射が開始してエンジンを始動する前に排気システムから燃料蒸気を確実に除去するため様々な時間遅延を導入することなどを含んでもよい。

１ 内燃エンジン
２ 温度センサ
３ 排気ポート
４ エンジン管理システム（ＥＭＳ）
５ スタータモータ
６ スタータモータ制御装置
７ カムディスク
８ クラッチハウジング、トランスミッションクラッチ
９ エンジンフライホイール
１０ 摩擦ブレーキシュー
１１ 位置制御機構
１２ トランスミッションハウジング
１３ 弾性手段
１４ アクチュエータ
１５ リンク機構
１６ レバー

Claims (13)

1. 加圧低粘度燃料とともに使用するための内燃圧縮点火エンジン（１）であって、関連のガス流路（３）を備えるエンジンパワーシリンダと、該エンジンパワーシリンダと該ガス流路との間の流体連通を開くためのバルブシステムと、エンジン管理システム（ＥＭＳ）（４）と、該エンジン管理システム（ＥＭＳ）（４）により制御され前記エンジンを始動するためのスタータモータ（５）と、を有する該エンジンであり、
   該エンジンパワーシリンダの内部に存在する燃料が該燃料の燃料点火温度に到達するのを防止するように、前記エンジン管理システム（ＥＭＳ）（４）によって、該エンジンパワーシリンダと該ガス流路との間の流体連通が開かれる始動前モードが設定されるとともに、該始動前モード間において、前記スタータモータ（５）を制御して、前記エンジンのクランク速度が高速度に変更されるまで低速度に維持されるようになっていることを特徴とする、エンジン。
2. 前記始動前モードにおいて前記エンジンパワーシリンダと前記ガス流路（３）との間の前記流体連通を開くため前記バルブシステムを起動させる手段を包含することを特徴とする、請求項１に記載の内燃エンジン。
3. 前記バルブシステムを起動させる前記手段が減圧機構を包含することを特徴とする、請求項２に記載の内燃エンジン。
4. 前記バルブシステムを起動させる前記手段が前記スタータモータ（５）を包含することを特徴とする、請求項２または３に記載の内燃エンジン。
5. 前記始動前モード中に前記エンジン（１）のクランク速度を制御するため前記ＥＭＳ（４）と通信するのに適した制御装置に前記スタータモータ（５）が接続されることを特徴とする、請求項４に記載の内燃エンジン。
6. 前記制御装置が、前記ＥＭＳ（４）からの入力を受けて前記スタータモータへの電力供給を制御するのに適していることを特徴とする、請求項５に記載の内燃エンジン。
7. 前記ＥＭＳ（４）が、前記始動前モード中に前記エンジンを制動する手段を制御するのに適していることを特徴とする、請求項４乃至６のいずれかに記載の内燃エンジン。
8. 前記エンジンを制動する前記手段が、クラッチ（８）を備える車両トランスミッションと車両制動システムとを有することを特徴とする、請求項７に記載の内燃エンジン。
9. 前記エンジンを制動する前記手段が、クランク角度に従う制動動作を実施するのに適していることを特徴とする、請求項７または８に記載の内燃エンジン。
10. 前記始動前モード中に前記バルブシステムを起動させる前記手段を前記センサの出力を参照して制御するため、前記ガス流路（３）に設置されたセンサ（２）に前記ＥＭＳ（４）が接続されることを特徴とする、請求項１ないし９のいずれかに記載の内燃エンジン。
11. 前記センサ（２）が温度センサであることを特徴とする、請求項１０に記載の内燃エンジン。
12. 加圧低粘度燃料とともに使用するため内燃圧縮点火エンジン（１）を作動させる方法であって、該エンジンが、関連のガス流路（３）を備えるエンジンパワーシリンダと、該エンジンパワーシリンダと該ガス流路との間の流体連通を開くためのバルブシステムと、エンジン管理システム（ＥＭＳ）（４）と、該エンジンパワーシリンダの各々の該ガス流路のセンサ（２）と、該エンジン管理システム（ＥＭＳ）（４）により制御され前記エンジンを始動するためのスタータモータ（５）とを包含し、
    センサ（２）出力を測定して前記ＥＭＳメモリに測定データを記憶する段階と、
    前記燃料点火温度への到達を阻止する始動前モード間において、前記エンジン管理システム（ＥＭＳ）（４）によって、前記バルブシステムを起動させ、漏出した燃料を前記エンジンパワーシリンダから除去させるとともに、前記スタータモータ（５）を制御して、エンジンのクランク速度が高速度に変更されるまで低速度に維持されるようになっている段階と、
    記憶された前記データに関して、また個別センサ（２）の出力の差に関して、前記始動前モード中に該センサ（２）により提供される新たな測定データを比較する段階と、
    前記測定された差が所定値を下回るまでか最大許容時間に到達するまで、前記始動前モードを維持する段階と、
    を包含することを特徴とする方法。
13. 噴射器間の燃料吐出均等性の評価のため前記個別センサ（２）の出力の差を測定する段階を包含することを特徴とする、請求項１２に記載の方法。

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