JP5879999B2 - ディーゼルエンジンの異常燃焼防止システム及び内燃機関 - Google Patents

ディーゼルエンジンの異常燃焼防止システム及び内燃機関 Download PDF

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Description

本発明は、ディーゼルエンジンの異常燃焼防止システムに関し、更に詳しくは、液化ガスを燃料とするディーゼルエンジンにおける燃焼室内への燃料リークによるエンジン始動時の異常燃焼の発生を、低コストで防止することができるディーゼルエンジンの異常燃焼防止システムに関する。
ディーゼルエンジンの排ガスによる大気汚染の対策として、従来からの燃料である軽油の代わりに、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）などの液化ガスを使用することが検討されている（例えば、特許文献１を参照）。
この液化ガスは、燃焼室内に燃料を噴射する噴射ノズルのシート部からガス状となって外部へリークしやすいという性質がある。更に、液化ガスは軽油よりも粘度が低いので、噴射ノズルのシート部が摩耗しやすくなるため、外部へのリークが助長されることになる。
特に、エンジン停止時においては、噴射ノズル内に残留した液化ガスが、圧力の低下により気化することで、シート部から燃焼室内へのリークが発生する。このようにエンジン停止時に液化ガスの燃料リークが発生すると、エンジン始動時に初爆で異常燃焼を起こして、最悪の場合にはシリンダライナやピストンリングが破損するおそれがある。このことは、高圧で燃料を噴射するコモンレール式の噴射装置を用いた場合に一層顕著になる。
このような問題を解決するためには、エンジン始動時に吸排気バルブを開閉させて燃焼室内に滞留する液化ガスを掃気することが考えられるが、可変動弁機構の追加やそれを制御する制御ロジックが必要となるため、エンジンの構成が複雑となってコストが大幅に増加することになる。
そのため、液化ガスを燃料とするディーゼルエンジンについて、エンジン始動時の異常燃焼の発生を、簡易な構成と機能によって低コストで防止することができるシステムが求められている。
特開２００７−２３９６５１号公報
本発明の目的は、液化ガスを燃料とするディーゼルエンジンにおけるエンジン始動時の異常燃焼の発生を、低コストで防止することができるディーゼルエンジンの異常燃焼防止システムを提供することにある。
上記の目的を達成する本発明のディーゼルエンジンの異常燃焼防止システムは、液化ガスを燃料とするディーゼルエンジンの気筒に設置された噴射ノズルから燃焼室内への燃料リークに起因する異常燃焼を防止するディーゼルエンジンの異常燃焼防止システムであって、互いに行程が１８０°位相が異なる一対の気筒を接続する連結管と、前記連結管と前記一対の気筒との接続部をそれぞれ開閉する逃がし弁と、それら両方の逃がし弁を操作する開閉手段と、前記開閉手段を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記ディーゼルエンジンの始動要求を受けると、スタータでクランク軸を回転駆動させるとともに、前記一対の気筒のうち片方の気筒が少なくとも圧縮行程にあるときに前記開閉手段により前記両方の逃がし弁を開弁し、所定の期間後にそれらの逃がし弁を常時閉弁する制御を行うことを特徴とするものである。
上記のディーゼルエンジンの異常燃焼防止システムにおいては、連結管の途中に逆止弁を取り付けることにより、一対の気筒のうち特定の気筒を対象にして異常燃焼を防止することができる。
また、上記の連結管を両端部が合流する２本の支管から構成するとともに、それらの支管に互いに逆向きになるように逆止弁をそれぞれ取り付けることで、燃料リークにより気筒内に貯留する液化ガスの予混合気を効果的に掃気することができる。
ディーゼルエンジンの異常燃焼防止システムが燃料リーク検知手段を有し、制御手段は燃料リーク検知手段が液化ガスの燃料リークを検知した場合にのみ、一対の気筒のうち片方の気筒が少なくとも圧縮行程にあるときに開閉手段により両方の逃がし弁を開弁し、所定の期間後にそれらの逃がし弁を常時閉弁する制御を行うことで、ディーゼルエンジンの始動が遅れるのを防ぐことができる。
また、制御手段は、両方の逃がし弁を気筒の２〜３サイクル後に常時閉弁することで、燃料リークにより燃焼室内に貯留する液化ガスの予混合気を完全に掃気できるとともに、始動後のディーゼルエンジンの運転に影響を与えないようにすることができる。
本発明のディーゼルエンジンの異常燃焼防止システムは、液化ガスを燃料とする一般の内燃機関に好適に用いられる。
本発明のディーゼルエンジンの異常燃焼防止システムによれば、エンジン始動時において一対の気筒の片方が少なくとも圧縮行程にあるときに、その燃焼室内の気体を互いに行程が１８０°位相が異なる他方へ移動して外部へ排気させるようにしたので、燃料リークにより片方の気筒内に貯留している液化ガスの予混合気が、外部へ掃気されて圧縮着火が抑制されるため、異常燃焼の発生を防止することができる。
また、異常燃焼防止システムの構成及び機能が簡易であるため、コストの増加を抑えることができる。
本発明の第１の実施形態からなるディーゼルエンジンの異常燃焼防止システムの構成図である。 図１における一対の気筒部分の構成を示す拡大図である。 図２において１番気筒が圧縮行程にあるときの説明図である。 第１の実施形態における制御手段の機能を示すフロー図である。 図２において３番気筒が圧縮行程にあるときの説明図である。 図１における一対の気筒部分の構成の別の例を示す拡大図である。 図６において１番気筒が圧縮行程にあるときの説明図である。 図１における一対の気筒部分の構成の更に別の例を示す拡大図である。 本発明の第２の実施形態からなるディーゼルエンジンの異常燃焼防止システムの構成図である。 第２の実施形態における制御手段の機能を示すフロー図である。
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１、２は、本発明の第１の実施形態からなるディーゼルエンジンの異常燃焼防止システムを示す。
このディーゼルエンジンの異常燃焼防止システム（以下、「異常燃焼防止システム」という。）が装備されるディーゼルエンジン１では、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）などの液化ガス２が、高圧ポンプ（図示せず）によりコモンレール３内で蓄圧され、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）４により制御された噴射ノズル５を通じて複数（図１では４個）の気筒６Ａ〜６Ｄの燃焼室７内の圧縮空気中にそれぞれ噴射されて燃焼・膨張することで、シリンダ８内のピストン９を往復動させるようになっている。それら４個の気筒６Ａ〜６Ｄは、１番気筒６Ａ→３番気筒６Ｃ→４番気筒６Ｄ→２番気筒６Ｂの順に液化ガス２が自着火する。
燃焼後のガスは、排気弁１０の開放時に燃焼室７から排気管１１へ送られて大気中へ放出される。その一方で、吸気弁１２の開放時に吸気管１３から燃焼室７内へ空気が導入されてピストン９により圧縮される。
エンジン始動時においては、スタータ１４のセルモータ１５により回転駆動されたピニオン１６が伸長してリングギア１７に嵌合させることで、クランク軸１８を回転させてクランキングを行うようになっている。
本発明の異常燃焼防止システムは、互いに行程がクランク角度で１８０°位相が異なっている一対の気筒６、具体的には１番気筒６Ａと３番気筒６Ｃの組み合わせ、及び２番気筒６Ｂと４番気筒６Ｄの組み合わせにおける燃焼室７同士を接続する連結管１９と、その連結管１９と気筒６Ａ〜６Ｄとの接続部に取り付けられて開閉手段２０により操作される逃がし弁２１と、制御手段２２とから構成される。
逃がし弁２１の開閉手段２０としては、油圧又は空圧を利用したアクチュエーターやモータなどが例示される。制御手段２２は、記憶部を備えたＣＰＵ（中央演算処理装置）から構成され、開閉手段２０、スタータ１４、気筒６Ａ〜６Ｄの行程状態を検知する回転位置センサ２３及びＥＣＵ４のそれぞれに信号線（一点鎖線で示す）を通じて接続している。なお、図１の構成では、制御手段２２とＥＣＵ４とを別体としているが、ＥＣＵ４に制御手段２２の機能を持たせて一体化するようにしてもよい。
このような構成を有する異常燃焼防止システムの機能を、図３に示す１番気筒６Ａ及び３番気筒６Ｃの組み合わせを例にして、図４のフロー図を基に以下に説明する。
制御手段２２は、停止状態にあるディーゼルエンジン１に対して始動要求が発せられたことがＥＣＵ４から入力されると（Ｓ１０）、スタータ１４のセルモータ１５でピニオン１６を回転駆動するとともに、そのピニオン１６を伸長してリングギア１７に嵌合させてクランク軸１８を回転させる（Ｓ２０）。なお、このとき１番気筒６Ａ及び３番気筒６Ｃにおける逃がし弁２１ａ、２１ｃは両方とも閉弁している。
次に、各気筒６Ａ〜６Ｄの行程を回転位置センサ２３から検知し（Ｓ３０）、１番気筒６Ａが圧縮行程にあるときに、開閉手段２０ａ、２０ｃにより逃がし弁２１ａ、２１ｃを両方とも開弁する（Ｓ４０）。その結果、ピストン９ａの上昇により生じたシリンダ８ａ内の圧力増加により、１番気筒６Ａの燃焼室７ａ内の気体は、連結管１９を通じて３番気筒６Ｃの燃焼室７ｃへ移動して、排気管１１ｃから外部へ排気されることになる。従って、エンジン停止時に噴射ノズル５ａから１番気筒６Ａの燃焼室７ａ内に液化ガス２の燃料リークがあった場合には、燃焼室７ａ内に滞留する液化ガス２の予混合気の少なくとも一部が、連結管１９を通じて３番気筒６Ｃの排気管１１ｃから外部へ掃気されることになる。そして、所定の期間後に両方の逃がし弁２１ａ、２１ｃを常時閉弁した状態にする（Ｓ５０）。
なお、上記では１番気筒６Ａが圧縮行程にあるときを例示したが、他方の３番気筒６Ｃが圧縮行程にあるときには、図５に示すように、ピストン９ｃの上昇により生じたシリンダ８ｃ内の圧力増加により、エンジン停止時に噴射ノズル５ｃから３番気筒６Ｃの燃焼室７ｃ内に液化ガス２の燃料リークがあった場合には、燃焼室７ｃ内に滞留する液化ガス２の予混合気の少なくとも一部が、連結管１９を通じて１番気筒６Ａの燃焼室７ａへ流れて、排気管１１ａから外部へ掃気されることになる。
このように、エンジン始動時において、互いに行程が１８０°位相が異なる一対の気筒６Ａ、６Ｃのうち片方の気筒６Ａが少なくとも圧縮行程にあるときに、その燃焼室７ａ内の気体を他方の気筒６Ｃへ移動して外部へ排気させるようにしたので、燃料リークにより片方の気筒６Ａ内に貯留している液化ガス２の予混合気が、外部へ掃気されて圧縮着火が抑制されるため、異常燃焼の発生を防止することができる。
また、一対の気筒６Ａ、６Ｃ間を連結管１９で接続し、その両端に逃がし弁２１ａ、２１ｃを設けて単純制御するだけでよいため、異常燃焼防止システムの構成及び機能が簡易となるのでコストの増加を抑えることができる。
逃がし弁２１を常時閉弁するまでの所定の期間は、エンジン始動開始から気筒６の２〜３サイクル後とすることが望ましい。そのようにすることで、燃料リークにより燃焼室７内に貯留する液化ガス２の予混合気を完全にエンジン外部へ掃気できるとともに、ディーゼルエンジン１の運転に影響を与えないようにすることができる。
逃がし弁２１は、気筒６の圧縮行程以外の行程においても開弁するようにしてもよい。例えば、圧縮行程に続く膨張行程、排気行程及び吸気行程、つまり全行程で逃がし弁２１を開弁することで、燃料リークにより燃焼室７内に貯留する液化ガス２の予混合気を完全に掃気することができるとともに、開閉手段２０の制御をより容易に行うことが可能になる。
上記の連結管１９の途中には、図６に示すように、逆止弁２４を取り付けるようにしてもよい。なお、図６では、上流側が１番気筒６Ａに向くように、つまり１番気筒６Ａから３番気筒６Ｃへ向けて連結管１９内を気体が流れるように、逆止弁２４を取り付けている。また、逆止弁２４の形式としてボールキャッチ式の弁を例示しているが、これに限るものではない。
このようにすることで、逆止弁２４の取付方向を変えることにより、一対の気筒６のうち特定の気筒６を対象にして、エンジン始動時における異常燃焼の発生を防止する効果を及ぼすことができる。つまり、図６のケースでは、３番気筒６Ｃの状態の如何にかかわらず、図７に示すように、連結管１９内の気体の流れが常に１番気筒６Ａから３番気筒６Ｃへ向かうので、１番気筒６Ａのみを対象としてエンジン始動時における異常燃焼の発生を防止できるのである。
また、図８に示すように、連結管１９を、両端が合流する２本の支管２５Ｘ、２５Ｙから構成するとともに、それらの支管２５Ｘ、２５Ｙにそれぞれ逆止弁２４Ｘ、２４Ｙを互いに逆向きになるように取り付けるようにしてもよい。このようにすることで、１番気筒６Ａからの予混合気が連結管１９を通過するときに、３番気筒６Ｃからの逆流が発生しないため、１番気筒６Ａの燃焼室７ａ内に貯留する液化ガス２の予混合気を効果的に掃気することができる。このことは、３番気筒６Ｃに貯留する液化ガス２の予混合気を掃気する場合も同様である。
図９は、本発明の第２の実施形態からなるディーゼルエンジンの異常燃焼防止システムを示す。
この異常燃焼防止システムは、図１に示す実施形態について、各気筒６Ａ〜６Ｄに連通する吸気管１３及び排気管１１のそれぞれに燃料リーク検知手段である酸素センサ２６を取り付けて、制御手段２２と信号線で接続したものである。
このような構成を有する異常燃焼防止システムの機能を、図３に示す１番気筒６Ａ及び３番気筒６Ｃの組み合わせを例にして、図１０に示すフロー図を基に以下に説明する。
制御手段２２は、停止状態にあるディーゼルエンジンに対して始動要求が発せられたことをＥＣＵ４から入力されると（Ｓ１０）、スタータ１４のセルモータ１５でピニオン１６を回転駆動するとともに、ピニオン１６を伸長してリングギア１７に嵌合させることでクランク軸１８を回転させる（Ｓ２０）。なお、このとき両方の逃がし弁２１ａ、２１ｃは閉弁している。
次に、吸気管１３及び排気管１１に取り付けられた酸素センサ２６の測定値を比較し（Ｓ２２）、その差が所定の値以上である場合には（Ｓ２４）、エンジン停止中に燃焼室７内への液化ガス２の燃料リークがあったものと判断し、各気筒６Ａ〜６Ｄの行程を回転位置センサ２７から検知して（Ｓ３０）、１番気筒６Ａが圧縮行程にあるときに、開閉手段２０により１番気筒６Ａ及び３番気筒６Ｃにおける逃がし弁２１ａ、２１ｃを両方とも開弁する（Ｓ４０）。そして、所定の期間後に両方の逃がし弁２１ａ、２１ｃを常時閉弁した状態にする（Ｓ５０）。
一方、酸素センサ２６の測定値の差が所定の値未満である場合には（Ｓ２４）、燃料リークがなかったものと判断し、両方の逃がし弁２１ａ、２１ｃを常時閉弁したままにする（Ｓ６０）。
このようにすることで、噴射ノズル５からの液化ガス２の燃料リークがなかった場合には、エンジン始動時の初爆が通常の圧縮比で正常に行われるため、ディーゼルエンジン１の始動が遅れる（もたつく）のを防ぐことができる。
酸素センサ２６の吸気管１３及び排気管１１における取付位置は特に限定するものではなく、例えば、各気筒６Ａ〜６Ｄから延びる吸気管１３及び排気管１１がそれぞれ１本に収束する太径部であってもよい。
本発明の異常燃焼防止システムの用途は、上述したような自動車用のディーゼルエンジン１に限るものではなく、液化ガス２を燃料とするその他の内燃機関にも適用することができる。
１ ディーゼルエンジン
２ 液化ガス
３ コモンレール
４ ＥＣＵ
５ 噴射ノズル
６ 気筒
６Ａ １番気筒
６Ｂ ２番気筒
６Ｃ ３番気筒
６Ｄ ４番気筒
７ 燃焼室
８ シリンダ
９ ピストン
１０ 排気弁
１１ 排気管
１２ 吸気弁
１３ 吸気管
１４ スタータ
１５ セルモータ
１６ ピニオン
１７ リングギア
１８ クランク軸
１９ 連結管
２０ 開閉手段
２１ 逃がし弁
２２ 制御手段
２３ 回転位置センサ
２４ 逆止弁
２５ｘ、２５ｙ 支管
２６ 酸素センサ

Claims (6)

  1. 液化ガスを燃料とするディーゼルエンジンの気筒に設置された噴射ノズルから燃焼室内への燃料リークに起因する異常燃焼を防止するディーゼルエンジンの異常燃焼防止システムであって、
    互いに行程が１８０°位相が異なる一対の気筒を接続する連結管と、前記連結管と前記一対の気筒との接続部をそれぞれ開閉する逃がし弁と、それら両方の逃がし弁を操作する開閉手段と、前記開閉手段を制御する制御手段とを備え、
    前記制御手段は、前記ディーゼルエンジンの始動要求を受けると、スタータでクランク軸を回転駆動させるとともに、前記一対の気筒のうち片方の気筒が少なくとも圧縮行程にあるときに前記開閉手段により前記両方の逃がし弁を開弁し、所定の期間後にそれらの逃がし弁を常時閉弁する制御を行うことを特徴とするディーゼルエンジンの異常燃焼防止システム。
  2. 前記連結管の途中に逆止弁を取り付けた請求項１に記載のディーゼルエンジンの異常燃焼防止システム。
  3. 前記連結管を両端部が合流する２本の支管から構成するとともに、それらの支管に互いに逆向きになるように逆止弁をそれぞれ取り付けた請求項１に記載のディーゼルエンジンの異常燃焼防止システム。
  4. 前記ディーゼルエンジンの異常燃焼防止システムが燃料リーク検知手段を有し、
    前記制御手段は、前記燃料リーク検知手段が前記液化ガスの燃料リークを検知した場合にのみ、前記一対の気筒のうち片方の気筒が少なくとも圧縮行程にあるときに前記開閉手段により前記両方の逃がし弁を開弁し、所定の期間後にそれらの逃がし弁を常時閉弁する制御を行う請求項１〜３のいずれかに記載のディーゼルエンジンの異常燃焼防止システム。
  5. 前記制御手段は、前記両方の逃がし弁を前記片方の気筒の２〜３サイクル後に常時閉弁する請求項１〜４のいずれかに記載のディーゼルエンジンの異常燃焼防止システム。
  6. 請求項１〜５のいずれかに記載のディーゼルエンジンの異常燃焼防止システムを搭載したことを特徴とする内燃機関。
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