JP6001527B2 - 内燃機関及び該内燃機関の運転の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関及び該内燃機関の運転の制御方法に関する。

例えばコモンレールディーゼルエンジンなどの内燃機関は、その運転を制御するために、定常運転（運転負荷の突然の変化、又は、運転負荷の突然の追加がない内燃機関の運転）用に最適化されたさまざまな特性マップを有している。

ターボチャージャによりチャージされる内燃機関においては今日、突然の運転負荷追加の際にターボチャージャのコンプレッサの回転数を高めるために圧縮空気支援システムが導入されている。ジェットアシストとも呼ばれるこのような形でのコンプレッサの回転数上昇の際には、圧縮空気が、ノズル形状の空気供給開口部を通じてコンプレッサホイールのブレードに吹き付けられる。それによりコンプレッサホイールが加速されてより多くの空気が内燃機関に送り込まれ、それにより突然の運転負荷追加の際のレスポンス挙動が改善される。そのような圧縮空気支援システム又はジェットアシストシステムの例は、非特許文献１に記載されている。

しかしながら圧縮空気支援システムが使用されると、その際に消費される圧縮空気のために内燃機関の運転コストが大きく上昇する。さらに、そのような圧縮空気支援システムも、コンプレッサホイールを所望通りに加速するには一定の時間が必要であるため、内燃機関の回転数低下を完全に回避することはできない。

マン・ディーゼルＳＥ社（所在地：アウグスブルク（ドイツ））のプロジェクトハンドブック77ページ（段落0410.02）

本発明の課題は、内燃機関の運転負荷追加挙動を簡単に改善できる方法を提供することである。さらに、本発明の方法を実施するよう設定された内燃機関を提供することも本発明の課題である。

上記の課題は請求項１に記載の方法、又は、請求項８に記載の内燃機関により解決される。本発明の発展形はそれぞれの従属請求項により定義される。

本発明の一つの態様により内燃機関の運転を制御するための方法が提供され、該方法には、内燃機関の運転負荷を決定するステップ、内燃機関の運転負荷が一定である場合、及び、内燃機関の運転負荷の上昇が所与の限度内である場合に、決定された内燃機関の駆動力を実現する標準制御特性マップに基づいて内燃機関の運転を制御するステップ、および内燃機関の駆動力を高めるために、標準制御特性マップを修正するための少なくとも一つの制御特性曲線を作動させるステップ、を有する。

標準制御特性マップを修正するために少なくとも一つの、望ましくは複数の制御特性曲線を作動させることにより、簡単、迅速、コスト節約的なやり方で、内燃機関のより高い駆動力、たとえば、より高い指示モーメントを達成することができ、それは、突然の運転負荷追加における回転数低下をより小さくすること、及び、内燃機関からの有害物質排出の上昇をより小さくすることにつながる。

本発明の方法の一つの実施形態において、少なくとも一つの制御特性曲線を作動させることにより、標準制御特性マップが修正されて、内燃機関燃料のインジェクションタイミングを時間的に早めること、及び／又は、内燃機関燃料の噴射圧力を高めてその結果として内燃機関燃料の点火圧力を高めることが行われる。

内燃機関の駆動力を最適に高めるために、望ましくは先述の２つの手法のすべてが実施される。

本発明の方法のさらなる一つの実施形態において、内燃機関燃料のインジェクションタイミングを時間的に早めるために、内燃機関燃料のインジェクションタイミングは、内燃機関のクランクシャフトの回転角度に関して２〜４度だけ早められる。

本発明の方法のさらなる一つの実施形態においては、内燃機関燃料の噴射圧力を高める際、内燃機関燃料の噴射圧力は２００〜４００ｂａｒだけ高められる。

本発明の方法のさらなる一つの実施形態においては、内燃機関の運転負荷が所与の期間において一定である場合、及び／又は、決定された内燃機関の駆動力を超えた場合には、前記少なくとも一つの追加的な制御特性曲線が非作動にされ、内燃機関の運転は、修正されていない標準制御特性マップにより制御される。

本発明の方法の一つの実施形態において内燃機関の運転負荷を決定する際、以下の場合に運転負荷は所与の限度内で上昇していると決定される。すなわち、内燃機関で燃焼させるための燃料充てんの時間依存性の増加が、時間依存性の充てん量上昇の所与の限界値を超えた場合、又は、内燃機関内における燃焼のための燃料充てん量と空気量との比率が、燃料空気比率の所与の限界値を超えた場合、又は、内燃機関の回転数の時間依存性の低下が、時間依存性の内燃機関回転数低下の所与の限界値を超えた場合、又は、電気機器消費電力の時間依存性の上昇が、時間依存性の負荷上昇の所与の限界値を超えた場合。

換言すると本発明の実施形態においては、時間依存性の燃料充てん増加を用いて、又は、空気量（たとえばブーストエア量など）を介した燃料充てん量の時間依存性の関数を用いて、又は、内燃機関の回転数低下に基づいて、又は、時間依存性の負荷上昇を用いて、突然の運転負荷追加が認識される。

本発明の方法のさらなる一つの実施形態においては、内燃機関の運転負荷上昇の際、内燃機関の運転負荷の上昇の程度及び／又は期間に依存して、内燃機関に供給される空気量を高めるための支援システム、及び／又は、標準制御特性マップを修正するための少なくとも一つの制御特性曲線が作動される。

換言すると、内燃機関の運転負荷の突然の上昇の程度及び／又は期間に応じて、たとえば圧縮空気支援システムなどの支援システムのみ、又は、標準制御特性マップを修正するための制御特性曲線のみを使用できるか、又はこの両方の手法を使用することができる。内燃機関の運転負荷の突然の上昇の際には、加速時間をより短くすることにより内燃機関の回転数低下及び支援システムのエネルギー消費（たとえば圧縮空気消費）を縮小するために、望ましくは、内燃機関に供給される空気量を高めるための支援システム、及び、標準制御特性マップを修正するための制御特性曲線が作動される。

たとえば圧縮空気消費量が低下すると、支援システムの圧縮空気供給の規模をより小さくすることができ、それにより追加的にコストを削減することができる。

先述の手法によってエンジン回転トルクがより高く指示されることにより、有害物質排出の上昇、たとえばディーゼルエンジンにおいてはスス発生を、低下させることができる。有害物質排出の上昇は特に、（たとえば船舶ディーゼルエンジン又はディーゼル電気発電システムなどにおいて）突然の運転負荷追加の際に、駆動システムが、燃料供給量の上昇により高まった出力要求に反応し、回転数が低下したときに燃焼混合物内の燃料超過が有害物質排出の上昇、たとえばスス発生の上昇などにつながることから起こる。誘導されたエンジン回転トルクを上昇させることにより、有害物質排出の上昇を大幅に回避できるか、又は、決定的に低下させることができる。

本発明の第２の態様において内燃機関は、本発明の先述の一つの実施形態、複数の実施形態、又はすべての実施形態のあらゆる組み合わせによる方法を実施するために設定された制御装置を有している。

本発明において制御装置は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はこれらの組み合わせの形で構成することができる。制御装置は望ましくは、電子的なエンジン制御機器内に組み込まれている。定常運転又は運転負荷が一定である運転のために最適化された、付属の特性曲線を持つ標準制御特性マップ、及び、望ましくは標準制御特性マップを修正するための複数の追加的な特性曲線は、制御装置内のたとえば電子的記憶装置に記憶されている。

本発明の内燃機関の一つの実施形態において、内燃機関は大型ディーゼルエンジンで構成されており、制御に関して制御装置に連結されたコモンレール燃料インジェクションシステム、及び、内燃機関内で燃焼させるための空気量を圧力によりチャージするためのターボチャージャを有している。

本発明において大型ディーゼルエンジンとは、船舶を駆動するため、又は、発電所において発電機駆動に使われる大型ディーゼルエンジンを指す。

本発明の内燃機関のさらなる一つの実施形態において、ターボチャージャは圧縮空気支援システムを有しており、この圧縮空気支援システムは制御に関して制御装置に連結されており、該制御装置は、内燃機関の運転負荷に特定の上昇がみられた場合に圧縮空気支援システムを作動させるよう設定されているため、内燃機関内での燃焼のためにターボチャージャから供給された空気量が増加し、制御装置はまた、内燃機関の運転負荷の上昇の程度及び／又は期間に応じて圧縮空気支援システムの作動を始動するよう、及び／又は、本発明の方法を実施して標準制御特性マップを修正するための少なくとも一つの制御特性曲線の作動を始動するよう、設定されている。

本発明の一つの実施例の内燃機関を図式的に表した図である。

以下、本発明について、望ましい実施例及び付属の図を用いて詳細に説明する。

図１に示された内燃機関１は、船舶（図示されず）を運転（駆動及び／又は発電）するための大型ディーゼルエンジン（本図ではたとえば１２気筒Ｖ型エンジン）で構成されている。

内燃機関１は、制御装置１０、コモンレール燃料インジェクションシステム２０、内燃機関１内での燃焼のために用意された空気量を圧力によりチャージするためのターボチャージャ３０、内燃機関１の運転負荷が突然上昇した場合（運転負荷追加）に、ターボチャージャ３０により供給される空気量を急速に増加させるための圧縮空気支援システム４０を備えている。

内燃機関１の運転負荷が所与の程度だけそのように上昇することは、たとえば、船舶のブリッジで船舶の推力増強又は速度上昇が行われることにより、又は、たとえばディーゼル電気システムにおいて関連する電気機器が突然接続されることによっても引き起こされる可能性がある。

コモンレール燃料インジェクションシステム２０は２つの主燃料管２１、２２を有しており、この２つの主燃料管２１、２２は、コモンレール燃料インジェクションシステム２０により制御される燃料ポンプ（図示されず）を介して、コモンレール燃料インジェクションシステム２０の２つの燃料レール管２３、２４に、燃料タンク（図示されず）から高圧（１６００ｂａｒ以下）のディーゼル燃料を供給している。

燃料レール管２３、２４のそれぞれは、６つの燃料供給管２５又は２６を介して、１２気筒内燃機関１の長いほうの側面のそれぞれの６つの気筒にある制御可能な燃料インジェクタ（図示されず）に連結されている。

内燃機関１（特にその燃料インジェクタも）及びそのコモンレール燃料インジェクションシステム２０は、制御ライン１ａ又は２７を介して制御に関してそれぞれ制御装置１０に連結されており、制御装置１０の電子的記憶装置（図示されず）には内燃機関１の定常運転（一定の運転負荷）のための複数の標準制御特性マップが記憶されている。これら標準制御特性マップを用いてとりわけ、内燃機関１の決定された駆動力が実現される。

電気機器の負荷４３は制御ライン４４を介して制御装置１０に接続されている。

ターボチャージャ３０は、排気管３２を介して内燃機関１の排気出口（符号なし）に接続されている排気タービン３１を有しており、また、連結シャフト３１ａを介して排気タービン３１により駆動されるコンプレッサ３３を有しており、コンプレッサ３３はブーストエアライン３４を介して内燃機関１のエアインテーク（符号なし）に接続されている。

ターボチャージャ３０は制御ライン３５を介して制御に関して制御装置１０に連結されており、望ましくはたとえば調整可能なコントロール装置を介してやはり制御装置１０内に記憶された標準制御特性マップを介して制御される。

圧縮空気支援システム４０は圧縮空気ライン４１を介してコンプレッサ３３に流体接続されているため、必要な場合（つまり運転負荷上昇時）にはコンプレッサ３３内のノズル形状の空気供給開口部（図示されず）を通じて圧縮空気がコンプレッサホイール（図示されず）のブレードに吹き付けられ、それによりコンプレッサホイールを加速することが可能となるため、より多くのブーストエアが内燃機関１に供給される。圧縮空気支援システム４０を制御するために、圧縮空気支援システム４０は制御ライン４２を介して制御装置１０に連結されている。

本発明による制御装置１０は、内燃機関１の運転負荷に特定の上昇がみられた場合に圧縮空気支援システム４０を作動させるよう設定されているため、内燃機関１内での燃焼のためにターボチャージャ３０から供給されるブーストエア量が増加する。

本発明においては制御装置１０の記憶装置内にはさらに、複数の追加的な制御特性曲線が記憶されている。これら追加的な制御特性曲線は、運転負荷追加により内燃機関１の運転負荷が所与の限度内で上昇した場合に、内燃機関１の駆動力を高めてそれにより運転負荷上昇を補償するために、追加的な制御特性曲線を作動させて標準制御特性マップを修正するよう規定されている。

本発明の一つの実施形態における内燃機関１の運転制御方法では、内燃機関１の運転において制御装置１０内のセンサー（図示されず）により継続的に内燃機関１の運転負荷が特定される。

内燃機関１の運転負荷が一定（定常運転）である場合、内燃機関１の運転は制御装置１０内に記憶された標準制御特性マップに基づいて制御される。

内燃機関１の運転負荷が所与の限度内で上昇した場合、制御装置１０により、標準制御特性マップを修正するための追加的な制御特性曲線が作動され、内燃機関１の駆動力が上昇する。

追加的な制御特性曲線の作動により、標準制御特性マップは、内燃機関燃料（ここではディーゼル燃料）のインジェクションタイミングを時間的に早めるよう、及び／又は、内燃機関燃料の噴射圧力を高めてその結果として内燃機関の点火圧力を高めるよう修正される。

内燃機関燃料のインジェクションタイミングを時間的に早めるために、制御装置１０により内燃機関燃料のインジェクションタイミングは、内燃機関１のクランクシャフト（図示されず）の回転角度に関して望ましくは２〜４度だけ早められる。

内燃機関燃料の噴射圧力を高める際、内燃機関燃料の噴射圧力は望ましくは２００〜４００ｂａｒだけ高められる。

インジェクションタイミングを時間的に早めること、噴射圧力及び／又は点火圧力を高めることは、制御装置１０により、燃料インジェクタ及び燃料ポンプを相応に制御することにより達成できる。

本発明においては、内燃機関１の運転負荷が所与の期間一定である場合、及び／又は、決定された内燃機関１の駆動力を超えた場合に、制御装置１０により追加的な制御特性曲線が非作動化され、内燃機関１の運転は、修正されていない標準制御特性マップを用いて制御される。

内燃機関１の運転負荷を決定する際、制御装置１０により運転負荷は、以下の場合に、所与の限度内で上昇するものと決定される。すなわち、内燃機関１内での燃焼のための燃料充てんの時間依存性の増加が、所与の時間依存性の充てん量増加限界値を超えた場合、又は、内燃機関１内での燃焼のための、燃料充てん量とブーストエア量との比率が所与の燃料空気比率限界値を超えた場合、又は、時間依存性の電気機器消費電力の上昇が所与の時間依存性の負荷上昇限界値を超えた場合、又は、内燃機関１のクランクシャフト回転数の時間依存性の低下が、所与の時間依存性の内燃機関回転数低下限界値を超えた場合、である。

本発明の一つの実施例においては内燃機関１の運転負荷が上昇した場合、内燃機関１の運転負荷の上昇の程度及び／又は期間に応じて、制御装置１０により、圧縮空気支援システム４０の作動、及び／又は、標準制御特性マップを修正するための追加的な制御特性曲線の作動が行われる。

この場合、制御装置１０は、内燃機関１の運転負荷の上昇の程度及び／又は期間に応じて、圧縮空気支援システム４０の作動化、及び／又は、本発明の方法を実施して標準制御特性マップを修正するための追加的な制御特性マップの作動化を始動するように、設定されている。

１ 内燃機関
１ａ 制御ライン
１０ 制御装置
２０ コモンレール燃料噴射システム
２１ 主燃料管
２２ 主燃料管
２３ 燃料レール管
２４ 燃料レール管
２５ 燃料供給管
２６ 燃料供給管
３０ ターボチャージャ
３１ 排気タービン
３１ａ 連結シャフト
３２ 排ガスライン
３３ コンプレッサ
３４ ブーストエアライン
３５ 制御ライン
４０ 圧縮空気支援システム
４１ 圧縮空気ライン
４２ 制御ライン
４３ 電気機器／発電機
４４ 制御ライン

Claims (6)

1. ディーゼルエンジン（１）の運転を制御するための方法であって；
   前記ディーゼルエンジンの運転負荷（１）を特定するステップ、
   前記ディーゼルエンジン（１）の運転負荷が一定であるときに、決定された前記ディーゼルエンジン（１）の駆動力を実現する標準制御特性マップに基づいて前記ディーゼルエンジン（１）の運転を制御するステップ、及び、
   前記ディーゼルエンジン（１）の運転負荷が所与の限度内で上昇したときに、前記ディーゼルエンジン（１）の駆動力を高めるように、前記標準制御特性マップを修正するための少なくとも一つの制御特性曲線を適用させるステップ、
   を有し、
   前記少なくとも一つの制御特性曲線が適用されることにより、ディーゼルエンジン燃料のインジェクションタイミングを時間的に早めるように、及び燃料ポンプを制御することによってディーゼルエンジン燃料の噴射圧力を高めてその結果としてディーゼルエンジンの着火圧力を高めるように、前記標準制御特性マップが修正され、
   前記ディーゼルエンジン燃料のインジェクションタイミングを時間的に早めるために、前記ディーゼルエンジン燃料のインジェクションタイミングが前記ディーゼルエンジン（１）のクランクシャフトの回転角度に関して２〜４度だけ早められ、
   前記ディーゼルエンジン燃料の噴射圧力を高める際に、前記ディーゼルエンジン燃料の噴射圧力が２００〜４００ｂａｒだけ高められ、
   前記ディーゼルエンジン（１）の運転負荷が所与の期間一定である場合、及び／又は、前記ディーゼルエンジン（１）の前記高められた駆動力を超えた場合に、前記少なくとも一つの追加的な制御特性曲線に基づいた標準制御特性マップの修正が解除され、前記ディーゼルエンジン（１）の運転が、未修整の標準制御特性マップを用いて制御されることを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、
   前記ディーゼルエンジン（１）内における燃焼のための燃焼シリンダ内への燃料充てんの時間依存性の上昇が、所与の時間依存性の充てん量上昇の限界値を超えた場合、又は、
   前記ディーゼルエンジン（１）内における燃焼のための燃料充てん量と空気量との比率が、所与の燃料空気比率限界値を超えた場合、又は、
   電気機器消費電力の時間依存的な上昇が、所与の時間依存的な負荷上昇限界値を超えた場合、又は、
   前記ディーゼルエンジン（１）の回転数の時間依存的な低下が、所与の時間依存的なディーゼルエンジン回転数低下の限界値を超えた場合に、
   前記ディーゼルエンジン（１）の運転負荷を特定する際に、所与の限度内で運転負荷が上昇していると決定されることを特徴とする方法。
3. 請求項２に記載の方法であって、
   前記ディーゼルエンジン（１）の運転負荷の上昇の際、前記ディーゼルエンジン（１）の運転負荷の上昇の程度及び／又は期間に応じて、前記ディーゼルエンジン（１）に供給される空気量を増加させるための支援システムの作動、及び／又は、標準制御特性マップを修正するための前記少なくとも一つの制御特性曲線の作動、が行われることを特徴とする方法。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の方法を実施するように設定された制御装置（１０）を有することを特徴とするディーゼルエンジン（１）。
5. 前記ディーゼルエンジン（１）が大型ディーゼルエンジンで構成されており、前記ディーゼルエンジン（１）内で燃焼するために圧力をかけて空気量をチャージするためのターボチャージャ（３０）、及び制御に関して前記制御装置（１０）に連結されたコモンレール燃料インジェクションシステム（２０）を有することを特徴とする、請求項４に記載のディーゼルエンジン（１）。
6. ターボチャージャ（３０）が圧縮空気支援システム（４０）を有していること、
   該圧縮空気支援システム（４０）が、制御に関して制御装置（１０）が連結されていること、
   前記ディーゼルエンジン（１）の運転負荷に特定の上昇がみられる際に、前記ディーゼルエンジン（１）内での燃焼のために前記ターボチャージャ（３０）により供給される空気量を増加させるように、前記制御装置（１０）が、前記圧縮空気支援システム（４０）を作動させるよう設定されていること、及び、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の方法を実施するように設定された前記制御装置（１０）が、前記ディーゼルエンジン（１）の運転負荷上昇の程度及び期間に応じて前記圧縮空気支援システム（４０）の作動、及び前記標準制御特性マップを修正するための少なくとも一つの制御特性曲線の適用を始動するよう設定されている、ディーゼルエンジン（１）が大型ディーゼルエンジンで構成されており、前記ディーゼルエンジン（１）内で燃焼するために圧力をかけて空気量をチャージするためのターボチャージャ（３０）、及び制御に関して前記制御装置（１０）に連結されたコモンレール燃料インジェクションシステム（２０）を有することを特徴とするディーゼルエンジン（１）。

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