JP6074885B2 - ディーゼルエンジンの異常燃焼防止システム - Google Patents
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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、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。
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第１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、一端部が配管で燃焼室に接続された貯留容器と、前記配管を開閉する逃がし弁と、前記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、ディーゼルエンジンの吸気管に配置される酸素濃度センサの検出値と排気管に配置される酸素濃度センサの検出値を比較することにより燃料リークを検知する燃料リーク手段とを備え、前記貯留容器は、その内面に沿って摺動可能であって他端部との間で弾性体を挟持するピストンと、前記他端部に形成された貫通孔とを有し、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、前記始動要求から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するまで前記開閉手段により前記逃がし弁を閉弁させた状態でスタータでクランク軸を回転駆動させるとともに、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、前記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逃がし弁を開弁する制御を行い、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ない場合に、前記開閉手段により前記逃がし弁を閉弁する制御を行うことを特徴とするものである。
上記の目的を達成する第２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、前記燃焼室に配管を通じて連通する貯留容器と、前記配管を開閉する逃がし弁と、前記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、ディーゼルエンジンの吸気管に配置される酸素濃度センサの検出値と排気管に配置される酸素濃度センサの検出値を比較することにより燃料リークを検知する燃料リーク手段とを備え、前記貯留容器は、その内面に沿って摺動可能であって他端部との間で弾性体を挟持するピストンと、前記他端部に形成された貫通孔とを有し、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逃がし弁を開弁し、所定の期間後に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であって、前記弾性体の弾性力は、前記スタータで前記クランク軸を回転駆動している時の前記ディーゼルエンジンの圧縮行程の混合気の圧力よりも低く、かつ、排気行程の混合気の圧力よりも高いことを特徴とするものである。
また、上記の第１発明のディーゼルエンジンの異常燃焼防止システムは、燃料リーク検知手段を有し、制御手段は、その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、気筒が少なくとも圧縮行程及び膨張行程にあるときに前記開閉手段により前記逃がし弁を開弁し、所定の期間後に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。
更に、制御手段は、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。
第１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、気筒が少なくとも圧縮行程及び膨張行程にあるときに、一定の大きさを有する貯留容器を燃焼室に連通させるようにしたので、シリンダ内の圧縮比が一時的に低下して、燃料リークにより貯留している液化ガスの予混合気の温度上昇が抑制されて圧縮着火に至らなくなるため、異常燃焼の発生を防止することができるとともに、その液化ガスの予混合気をエンジン外部へ掃気して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。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。また、第２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、更に貯留容器内に混合気が逆流するのを防ぐことができる。
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、第１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を通じて気筒６の燃焼室７内の圧縮空気中に噴射されて燃焼・膨張することで、シリンダ８内のエンジンピストン９を往復動させるようになっている。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エンジンピストン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、リングギア１７に向けて伸長して嵌合することで、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。
異常燃焼防止システムは、シリンダ８のヘッド部に配管１９を通じて接続する貯留容器２０と、その配管１９の開口部に取り付けられて開閉手段２１により操作される逃がし弁２２と、制御手段２３とから構成される。
貯留容器２０は円筒形状を有しており、配管１９が接続する一端部２０ａとは反対側の他端部２０ｂには貫通孔２４が形成されているとともに、その内部には内面に沿って摺動可能な円盤状のピストン２５が、気密リング２６を装着した状態で設置されている。また、ピストン２５と他端部２０ｂとの間には、弾性体であるバネ２７が配置されている。
制御手段２３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２１、スタータ１４、気筒６の行程状態を検知する回転位置センサー２８及びＥＣＵ４のそれぞれに信号線２９ａ〜２９ｄを通じて接続している。
なお、図１の構成では、制御手段２３とＥＣＵ４とを別体としているが、ＥＣＵ４に制御手段２３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に示すフロー図を基に以下に説明する。
制御手段２３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、そのピニオン１６をリングギア１７へ向けて伸長して嵌合させることでクランク軸１８を回転させる（Ｓ２０）。なお、このとき逃がし弁２２は閉弁している。
次に、各気筒６の行程を回転位置センサー２８から検知し（Ｓ３０）、気筒６が圧縮行程にあるときに、図４に示すように、開閉手段２１により逃がし弁２２を開弁する（Ｓ４０）。これにより、エンジン停止時に噴射ノズル５から燃焼室７内に液化ガス２の燃料リークがあった場合には、燃焼室７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、一時的に貯留容器２０内に送り込まれる。このとき、貯留容器２０内のピストン２５は、液化ガス２の予混合気の圧力と、貫通孔２４から抜ける空気とによって他端部２０ｂ側へ容易に押し込まれるので、予混合気を待避させるための貯留容器２０の容積が増加することになる。
次に、気筒６の膨張行程においても、図５に示すように、引き続き逃がし弁２２を開弁状態にする（Ｓ５０）。そのため、貯留容器２０内に待避された液化ガス２の予混合気は、エンジンピストン９が下がることによるシリンダ８内の圧力低下と、貯留容器２０内のピストン２５を支持するバネ２７の反力とによって、シリンダ８内へ押し戻される。
次に、気筒６の排気行程においては、図６に示すように、逃がし弁２２を閉弁する（Ｓ６０）。そのため、シリンダ８内に押し戻されていた液化ガス２の予混合気は、開弁した排気弁１０を通過して排気管１１からエンジン外部へ掃気される。最後に、所定の期間後に逃がし弁２２を常時閉弁した状態にする（Ｓ７０）。
このように、エンジン始動時の圧縮行程において逃がし弁２２を開弁して、一定の大きさを有する貯留容器２０を燃焼室７に連通させるようにしたので、シリンダ８内の圧縮比が一時的に低下して、燃料リークにより貯留している液化ガス２の予混合気の温度上昇が抑制されて圧縮着火に至らなくなるため、異常燃焼の発生を防止することができる。また、その圧縮行程に続く膨張行程でも逃がし弁２２を開弁するようにしたので、その後の排気行程で貯留容器２０内に待避された液化ガス２の予混合気をエンジン外部へ掃気して、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。更には、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。
上記の実施形態では、排気行程において逃がし弁２２を閉弁するようにしているので、貯留容器２０内に待避された液化ガス２の予混合気を、貯留容器２０内へ逆流させることなくエンジン外部へ効果的に掃気することができる。
第２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では、逃がし弁２２は排気行程においても開弁する場合に、貯留容器２０内に予混合気が逆流しないように、ピストン２５を支持するバネ２７の弾性力を、エンジンピストン９により押し出される予混合気の圧力よりも高く設定する。
特に、エンジン始動時の全ての行程において逃がし弁２２を開弁する場合には、開閉手段２１の制御を簡単な機構で容易に行うことが可能になる。
逃がし弁２２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。
また、確実に異常燃焼の発生を防止するためには、ピストン２５が他端部２０ｂ側へ押し込まれたときの貯留容器２０内の空間容積は、燃料リークにより貯留している液化ガス２の予混合気の温度が、圧縮着火を引き起こす温度よりも低い温度となるような大きさにする必要がある。具体的には、貯留容器２０自体の容積を、圧縮行程において逃がし弁２２が開弁した際の圧縮比が９以下、好ましくは５以下となるような大きさを超えるものにするのがよい。
図７は、第１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６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ー３０を取り付けて、制御手段２３と信号線２９ｅ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８に示すフロー図を基に以下に説明する。
制御手段２３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、リングギア１７へ向けてピニオン１６を伸長して嵌合させることでクランク軸１８を回転させる（Ｓ２０）。なお、このとき逃がし弁２２は閉弁している。
そして、吸気管１３及び排気管１１に取り付けられた酸素センサー３０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、気筒６が圧縮行程及び膨張行程にあるときに逃がし弁２２を開弁し（Ｓ３０〜Ｓ５０）、排気行程にあるときに逃がし弁を閉弁し（Ｓ６０）、所定の期間後に常時閉弁する（Ｓ７０）。
一方、酸素センサー３０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、逃がし弁２２を常時閉弁したままにする（Ｓ７０）。
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。
酸素センサー３０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６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
７ 燃焼室
８ シリンダ
９ エンジンピストン
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 配管
２０ 貯留容器
２１ 開閉手段
２２ 逃がし弁
２３ 制御手段
２４ 貫通孔
２５ ピストン
２６ 気密リング
２７ バネ
２８ 回転位置センサー
２９ａ〜２９ｅ 信号線
３０ 酸素センサー
２ 液化ガス
３ コモンレール
４ ＥＣＵ
５ 噴射ノズル
６ 気筒
７ 燃焼室
８ シリンダ
９ エンジンピストン
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 配管
２０ 貯留容器
２１ 開閉手段
２２ 逃がし弁
２３ 制御手段
２４ 貫通孔
２５ ピストン
２６ 気密リング
２７ バネ
２８ 回転位置センサー
２９ａ〜２９ｅ 信号線
３０ 酸素センサー
Claims (4)
- 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、
一端部が配管で燃焼室に接続された貯留容器と、前記配管を開閉する逃がし弁と、前記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、ディーゼルエンジンの吸気管に配置される酸素濃度センサの検出値と排気管に配置される酸素濃度センサの検出値を比較することにより燃料リークを検知する燃料リーク手段とを備え、
前記貯留容器は、その内面に沿って摺動可能であって他端部との間で弾性体を挟持するピストンと、前記他端部に形成された貫通孔とを有し、
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、前記始動要求から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するまで前記開閉手段により前記逃がし弁を閉弁させた状態でスタータでクランク軸を回転駆動させるとともに、
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、前記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逃がし弁を開弁する制御を行い、
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ない場合に、前記開閉手段により前記逃がし弁を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。 - 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、
前記燃焼室に配管を通じて連通する貯留容器と、前記配管を開閉する逃がし弁と、前記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、ディーゼルエンジンの吸気管に配置される酸素濃度センサの検出値と排気管に配置される酸素濃度センサの検出値を比較することにより燃料リークを検知する燃料リーク手段とを備え、
前記貯留容器は、その内面に沿って摺動可能であって他端部との間で弾性体を挟持するピストンと、前記他端部に形成された貫通孔とを有し、
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
により前記逃がし弁を開弁し、所定の期間後に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であって、
前記弾性体の弾性力は、前記スタータで前記クランク軸を回転駆動している時の前記ディーゼルエンジンの圧縮行程の混合気の圧力よりも低く、かつ、排気行程の混合気の圧力よりも高い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。 - 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、前記気筒が少なくとも圧縮行程及び膨張行程にあるときに前記開閉手段により前記逃がし弁を開弁し、所定の期間後に常時閉弁する制御を行う請求項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。 - 前記制御手段は、前記逃がし弁を前記気筒の２〜３サイクル後に常時閉弁する請求項１又は２に記載のディーゼルエンジンの異常燃焼防止システム。
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