JP7375883B1 - 内燃機関の始動制御装置 - Google Patents

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Abstract

Figure 0007375883000001
【課題】液化ガス燃料の漏出に起因するエンジンの損傷を防止する。
【解決手段】液化ガス燃料を使用する内燃機関1の始動制御装置は、燃焼室9付近の位置において、ガス化した当該液化ガス燃料のガス濃度を検出するガスセンサ43と、燃焼室より上流側の位置から下流側の位置にかけて掃気を行うための掃気ポンプ23と、内燃機関の始動前にガスセンサにより検出された当該ガス濃度が所定のしきい値以上であるとき、内燃機関の始動を禁止すると共に掃気ポンプを作動させるように構成された制御ユニット100とを備える。
【選択図】図1

Description

本開示は内燃機関の始動制御装置に関する。
液化ガス燃料、特にDME(ジメチルエーテル)燃料を使用する内燃機関、特にディーゼルエンジン(圧縮着火式内燃機関)は、軽油を燃料に使用する通常のディーゼルエンジンとほぼ同様に構成され、その始動方法についても同様である。
特開2017-150437号公報
ところで、DME燃料は常温で気体であり、軽油に比べ着火容易な特性を有している。一方、インジェクタの不具合、例えばインジェクタノズルのシート不良等が起こったとき、エンジン停止時においてノズルのシート部より燃料が漏れ出すことがある。この場合、次にエンジンを始動しようとしてスタータモータをオンし、クランキングを開始した際、ピストンが圧縮を開始した直後などに、設計的に意図しない場所において、漏れ出ていた燃料が着火することがある。このような場合、ピストンやライナーに衝撃を与え、これを繰り返すと、ピストンリングやライナーが破損する虞がある。
そこで本開示は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、液化ガス燃料の漏出に起因するエンジンの損傷を防止することができる内燃機関の始動制御装置を提供することにある。
本開示の一の態様によれば、
液化ガス燃料を使用する内燃機関の始動制御装置であって、
燃焼室付近の位置において、ガス化した当該液化ガス燃料のガス濃度を検出するガスセンサと、
前記燃焼室より上流側の位置から下流側の位置にかけて掃気を行うための掃気ポンプと、
前記内燃機関の始動前に前記ガスセンサにより検出された当該ガス濃度が所定のしきい値以上であるとき、前記内燃機関の始動を禁止すると共に前記掃気ポンプを作動させるように構成された制御ユニットと、
を備え、
前記制御ユニットは、前記掃気ポンプの作動開始から所定時間経過後にEGRバルブを開く、
内燃機関の始動制御装置が提供される。
好ましくは、前記ガスセンサは、前記燃焼室より上流側の位置に設けられる。
好ましくは、前記始動制御装置は、前記燃焼室より下流側の位置において、ガス化した前記液化ガス燃料のガス濃度を検出する追加ガスセンサをさらに備え、
前記制御ユニットは、前記掃気ポンプの作動開始後に、前記ガスセンサにより検出されたガス濃度が所定のしきい値以下となり、かつ前記追加ガスセンサにより検出されたガス濃度が所定のしきい値以下となったとき、前記内燃機関の始動を許可すると共に前記掃気ポンプを停止させる。
本開示によれば、液化ガス燃料の漏出に起因するエンジンの損傷を防止することができる。
本実施形態に係る内燃機関を示す概略図である。 本実施形態の制御方法を示すフローチャートである。
以下、添付図面を参照して本開示の実施形態を説明する。なお本開示は以下の実施形態に限定されない点に留意されたい。
図1は、本開示の実施形態に係る内燃機関の概略図である。内燃機関1は車両用の多気筒(4気筒)ディーゼルエンジンであり、特に、液化ガス燃料であるDME燃料を使用するディーゼルエンジンである。車両はトラック等の大型車両である。なお車両の種類はこれに限定されず、例えば乗用車等の小型車両であってもよい。
なおエンジンは、車両以外の移動体、例えば船舶、建設機械、または産業機械に適用されるものであってもよいし、定置式のものであってもよい。
エンジン1は、エンジン本体2と、エンジン本体2に接続された吸気通路3および排気通路4と、燃料噴射装置5とを備える。エンジン本体2は、シリンダヘッド、シリンダブロック、クランクケース等の構造部品と、その内部に収容されたピストン、クランクシャフト、バルブ等の可動部品とを含む。吸気と排気の流れをそれぞれ白抜き矢印と黒塗り矢印で示す。
燃料噴射装置5は、コモンレール式燃料噴射装置からなり、各気筒に設けられた燃料噴射弁すなわちインジェクタ7と、各インジェクタ7に接続されたコモンレール8とを備える。また燃料噴射装置5は、燃料タンク50内の燃料を吸引し吐出するフィードポンプ51と、フィードポンプ51から吐出された燃料を高圧に加圧してコモンレール8に供給するサプライポンプ52とを備える。本実施形態のフィードポンプ51は、燃料タンク50内に配置されたインタンクポンプにより構成されている。サプライポンプ52は、エンジン1のクランクシャフトにより駆動されると共に、吐出燃料量を調量するための調量弁を含む。
吸気通路3は、エンジン本体2(特にシリンダヘッド)に接続された吸気マニホールド10と、吸気マニホールド10の上流端に接続された吸気管11とにより主に画成される。吸気管11には、上流側から順に、エアクリーナ12、エアフローメータ13、ターボチャージャ14のコンプレッサ14C、インタークーラ15、および電子制御式の吸気スロットルバルブ16が設けられる。エアフローメータ13は、エンジン1の単位時間当たりの吸入空気量(吸気流量)を検出するためのセンサ(吸気量センサ)である。
排気通路4は、エンジン本体2(特にシリンダヘッド)に接続された排気マニホールド20と、排気マニホールド20の下流側に配置された排気管21とにより主に画成される。排気管21、もしくは排気マニホールド20と排気管21の間には、ターボチャージャ14のタービン14Tが設けられる。タービン14Tより下流側の排気管21には、図示しない排気後処理装置が設けられる。排気後処理装置は、例えば上流側から順に配置された酸化触媒、パティキュレートフィルタ、SCR触媒およびアンモニア酸化触媒を含む。
エンジン1はEGR(Exhaust Gas Recirculation)装置30も備える。EGR装置30は、排気通路4内(特に排気マニホールド20内)の排気の一部(EGRガスという)を吸気通路3内(特に吸気マニホールド10内)に還流させるためのEGR通路31と、EGR通路31を流れるEGRガスを冷却するEGRクーラ32と、EGRガスの流量を調節するためのEGRバルブ33とを備える。
また、エンジン1を制御するための制御ユニット、回路要素(circuitry)もしくはコントローラである電子制御ユニット(ECU(Electronic Control Unit)という)100が設けられる。ECU100は、演算機能を有するCPU(Central Processing Unit)、記憶媒体であるROM(Read Only Memory)およびRAM(Random Access Memory)、入出力ポート、ならびにROMおよびRAM以外の記憶装置等を含む。
また、上述のエアフローメータ13の他、クランク角およびエンジンの回転速度(具体的には毎分当たりの回転数(rpm))を検出するためのクランク角センサ40と、アクセル開度を検出するためのアクセル開度センサ41と、コモンレール圧を検出するためのコモンレール圧センサ54とが設けられる。これらセンサ類の出力信号はECU100に送られる。
ECU100は、これらセンサ類の出力に基づき各種デバイス、すなわちインジェクタ7、サプライポンプ52の調量弁、吸気スロットルバルブ16、EGRバルブ33を制御する。
エンジン本体2に、エンジンを始動させるためのスタータモータ22が設けられる。ECU100に、エンジンの始動および停止を指示するためのエンジンスイッチ42が接続される。
さて、前述したように、DME燃料は常温で気体であり、軽油に比べ着火容易な特性を有している。一方、インジェクタ7の不具合、例えばインジェクタノズルのシート不良等が起こったとき、エンジン停止時においてノズルのシート部より燃料が漏れ出すことがある。この場合、次にエンジンを始動しようとしてスタータモータ22をオンし、クランキングを開始した際、ピストンが圧縮を開始した直後などに、異常燃焼を起こし、設計的に意図しない場所において、漏れ出ていた燃料が着火することがある。このような場合、ピストンやライナーに衝撃を与え、これを繰り返すと、ピストンリングやライナーが破損する虞がある。
そこで本実施形態の始動制御装置は、この課題を解決すべく構成されている。本実施形態の始動制御装置は、燃焼室9付近の位置において、ガス化したDME燃料のガス濃度を検出する第1ガスセンサ43(特許請求の範囲にいうガスセンサに相当)と、燃焼室9より上流側の位置から下流側の位置にかけて掃気を行うための掃気ポンプ23と、前述のECU100とを備える。ECU100は、エンジンの始動前に第1ガスセンサ43により検出されたDMEガス濃度C1が所定のしきい値C1s以上であるとき、エンジン1の始動を禁止すると共に掃気ポンプ23を作動させるように構成されている。
また本実施形態の始動制御装置は、燃焼室9より下流側の位置において、ガス化したDME燃料のガス濃度C2を検出する第2ガスセンサ44(特許請求の範囲にいう追加ガスセンサに相当)をさらに備える。
本実施形態において、第1ガスセンサ43は燃焼室9より上流側の位置に設けられ、具体的には吸気マニホールド10に設けられている。燃焼室9内の異常燃焼を回避するためには、仮にクランキングが開始された場合にその直後に燃焼室9内に流入してくるガス、すなわち燃焼室9付近の上流側におけるDMEガスの濃度C1を検出するのが好ましい。よって本実施形態のように、第1ガスセンサ43を吸気マニホールド10に設けるのが好ましい。但し、第1ガスセンサ43の設置位置は変更も可能である。
インジェクタ7の不具合により気筒内で漏れ出したDMEは、吸排気弁が開いている気筒内から気筒外へと漏れ出し、主に吸気マニホールド10および排気マニホールド20内に滞留する。本実施形態では、この滞留したDMEを掃気により除去すべく掃気ポンプ23が設けられている。掃気ポンプ23はECU100により制御される。
本実施形態では、吸気マニホールド10と吸気管11とが、掃気管24で接続され、この掃気管24に掃気ポンプ23が設けられている。掃気管24の一端(入口端)は、吸気管11の入口部、具体的にはエアクリーナ12およびエアフローメータ13の間の位置における吸気管11に接続されているが、この接続位置は変更可能である。
本実施形態において、第2ガスセンサ44は排気管21に設けられ、特に、タービン14Tより下流側、かつ図示しない排気後処理装置より上流側の位置における排気管21に設けられている。本実施形態の場合、第2ガスセンサ44は排気マニホールド20に設けられておらず、それより燃焼室9から離れたタービン14Tより下流側の位置に設けられている。但し、第2ガスセンサ44の設置位置も変更可能であり、例えば排気マニホールド20に設けてもよい。
次に、本実施形態の制御を説明する。
図2に本実施形態の制御方法を示す。図示するルーチンはECU100により所定の演算周期τ(例えば10msec)毎に繰り返し実行される。
エンジン停止中、EGRバルブ33は全閉である。このエンジン停止状態から、運転手がエンジン始動のためにエンジンスイッチ42をオンすると、ルーチンが開始する。
まずステップS101において、ECU100は、燃焼室9付近のDMEガス濃度が高濃度であるか否かを判定する。便宜上、高濃度であると判定することを「高濃度判定」といい、高濃度でない(すなわち低濃度である)と判定することを「低濃度判定」という。高濃度判定は、以下に述べる高濃度判定開始条件が最初に成立した時から、高濃度判定終了条件が成立する時まで、継続して行われる。
本実施形態において、高濃度判定開始条件は、第1ガスセンサ43により検出されたDMEガス濃度C1が所定のしきい値(第1開始しきい値)C1sH以上であるとき、成立する。しきい値C1sHは、仮にクランキングが開始されてしまうと異常燃焼が起こり得るようなDMEガス濃度C1の最小値またはその付近の値に予め設定されている。
ステップS101で高濃度判定したとき(ステップS101:イエス)、すなわちDMEガス濃度C1がしきい値C1sH以上と判定したとき、ECU100はステップS102に進んでエンジンの始動を禁止すると共に、ステップS103において掃気ポンプ23を作動(オン(ON))させる。
すると、図1に破線矢印aで示すように、空気が吸気管11から掃気管24に導入され、掃気管24を通じた後、吸気マニホールド10内に流入し、吸排気弁が開いている気筒の燃焼室9を通過した後、排気マニホールド20、タービン14T、排気管21を順に通過する。この空気の流れに乗せて、主に吸気マニホールド10よび排気マニホールド20内に滞留したDMEガスを排気側に排出し、DMEガスを掃気することができる。
このように、掃気ポンプ23は、燃焼室9より上流側の位置から下流側の位置にかけて掃気を行う。
エンジンの始動禁止は、例えばスタータモータ22の作動を禁止することにより行われる。
次にステップS104において、ECU100は、掃気ポンプ23の作動開始時からの経過時間tが所定時間ts以上に達したか否かを判断する。達してなければステップS105をスキップし、達していればステップS105に進んでEGRバルブ33を開く。このときの開度は好ましくは全開であるが、全開より小さい中間開度であってもよい。
これによりEGRバルブ33は、掃気ポンプ23の作動開始から所定時間ts経過後に開弁され、言い換えれば、掃気ポンプ23の作動開始時から遅れて、あるいは時間差を以て開弁される。
燃焼室9の付近(吸気マニホールド10および排気マニホールド20)にDMEガスが滞留している場合、EGR通路31内にもDMEガスが滞留していると想定される。しかし、掃気ポンプ23の作動開始と同時にEGRバルブ33を開弁してしまうと、作動開始直後に空気が専らEGR通路31内を流れてしまい、燃焼室9内を通過しづらくなってしまう。
そこで本実施形態では、EGRバルブ33の開弁に時間差を設けている。こうすると掃気ポンプ23の作動開始直後は空気が専ら燃焼室9内を通過し、吸気マニホールド10、燃焼室9および排気マニホールド20の掃気を高効率で行うことができる。そして所定時間ts経過後は、EGRバルブ33を開弁してEGR通路31内を掃気することができる。従って全体の掃気を効率よく行うことができる。
ステップS105を終えたらステップS101に戻り、燃焼室9付近のDMEガス濃度が依然として高濃度であるか否かを判定する。このとき、次に述べる高濃度判定終了条件を満たしていなければ高濃度と判定し、高濃度判定終了条件を満たしていれば高濃度でないと判定する。高濃度と判定した場合にはステップS102に進み前述の制御を繰り返す。
高濃度判定終了条件は、次の条件1および2が満たされたときに成立する。
条件1:第1ガスセンサ43により検出されたDMEガス濃度C1が所定のしきい値(第1終了しきい値)C1sL以下である(C1≦C1sL)。
条件2:第2ガスセンサ44により検出されたDMEガス濃度C2が所定のしきい値(第2終了しきい値)C2sL以下である(C2≦C2sL)。
第1終了しきい値C1sLは、前述の第1開始しきい値C1sHより小さい値であり、仮にクランキングが行われたとしても異常燃焼が起こり得ないような十分小さいDMEガス濃度C1の値に予め設定されており、例えばゼロ付近の値に設定されている。
第2終了しきい値C2sLは、第1終了しきい値C1sLと等しいかほぼ同等の値に予め設定されている。
掃気ポンプ23の作動開始時以降、第1ガスセンサ43により検出されたDMEガス濃度C1の値は次第に減少していく。一方、第2ガスセンサ44により検出されたDMEガス濃度C2の値は、掃気により上流側から送られてきたDMEガスの影響により最初のうちは一旦増加するが、その後減少し、やがて第1ガスセンサ43により検出されたDMEガス濃度C1の値に近づいていくと考えられる。そこで、C1≦C1sLかつC2≦C2sLが満たされたときに、DMEガスの掃気が終了し、燃焼室9付近のDMEガス濃度は高濃度でないと判定する。こうすることで、燃焼室9付近のDMEガス濃度が十分低下したことを、第2ガスセンサ44の検出値を用いてバックアップ的に保証し、クランキングを行ったときの異常燃焼を確実に防止することができる。
まとめると、高濃度判定開始条件(C1≧C1sH)が最初に成立した時から、燃焼室9付近のDMEガス濃度が高濃度であるとの判定(高濃度判定)が開始し、ステップS101はイエスとなる。そしてその後、高濃度判定終了条件(C1≦C1sLかつC2≦C2sL)が成立するまで、高濃度であるとの判定は継続する。その後、高濃度判定終了条件(C1≦C1sLかつC2≦C2sL)が成立すると、その時から、高濃度でないとの判定(ステップS101:ノー)、すなわち低濃度判定が開始する。
さて、ステップS101で高濃度でないと判定(ステップS101:ノー)すると、ECU100は、ステップS106に進んでエンジンの始動を許可すると共に、ステップS107において通常始動モードに移行し、エンジンの始動を行う。エンジンの始動許可は、例えばスタータモータ22の作動を許可することにより行われる。
ステップS107の通常始動モードにおいて、ECU100は、次に述べるようなシーケンスに従い、エンジンの始動を行う。本実施形態のシーケンスは、通常のエンジンの始動シーケンスと大略同様である。
ステップS201:EGRバルブ33を全閉にし、掃気ポンプ23を停止させ(オフ(OFF)にし)、フィードポンプ51をオンにする。フィードポンプ51のオンにより所定のフィード圧のDME燃料がサプライポンプ52に供給される。
ステップS202:スタータモータ22をオンし、クランキングすなわちクランクシャフトの回転を開始する。ここでエンジンスイッチ42が通常のキースイッチの場合、運転手がキースイッチをスタータオンの位置にしたときにスタータモータ22をオンしてもよい。クランクシャフトの回転によりサプライポンプ52が作動し、コモンレール8に燃料が圧送される。
ステップS203:クランク角センサ40の出力に基づき、エンジン回転数と基準気筒(本実施形態では#1気筒)の上死点位置とを検出する。そしてエンジン回転数に応じた目標燃料噴射時期と、始動に必要な目標コモンレール圧とを算出する。コモンレール圧センサ54により検出された実際のコモンレール圧が目標コモンレール圧に近づくよう、サプライポンプ52の調量弁を制御する。
ステップS204:実際のコモンレール圧が目標コモンレール圧付近に達し、クランク角センサ40により検出された実際のクランク角が目標燃料噴射時期に達したら、始動に最適な所定量の燃料をインジェクタ7から噴射させる。
ステップS205:エンジンが自力運転するようになったら、スタータモータ22をオフする。なおエンジンスイッチ42がキースイッチの場合、運転手が自力運転を確認してキースイッチをスタータオンの位置から戻したときにスタータモータ22をオフしてもよい。
このように本実施形態によれば、エンジンの始動前に第1ガスセンサ43により検出されたDMEガス濃度C1が第1開始しきい値C1sH以上であるとき、エンジンの始動を禁止すると共に掃気ポンプ23を作動させる。これにより、燃焼室9付近に滞留したDMEガスをエンジン始動前に予め掃気した上でエンジン始動を行うことができ、DME燃料の漏出に起因するエンジンの損傷を確実に防止することができる。
以上、本開示の実施形態を詳細に述べたが、本開示の実施形態および変形例は様々考えられる。
(1)例えば、ターボチャージャ14として電動ターボチャージャを用い、電動ターボチャージャのコンプレッサを掃気ポンプとして使用してもよい。この場合、電動ターボチャージャをオンすると、コンプレッサの下流側でかつ吸気マニホールド10より上流側の吸気通路3内も掃気でき(図1の仮想線矢印b参照)、DMEガスの掃気をより確実かつ広範囲で行うことができる。なお、この場合には当然に掃気管24が省略される。
(2)第2ガスセンサ44を燃焼室9により近い位置、例えば排気マニホールド20に設け、この第2ガスセンサ44により検出された第2ガス濃度C2に基づいて、高濃度判定開始条件を設定してもよい。例えば、第2ガスセンサ44により検出されたDMEガス濃度C2が所定のしきい値(第2開始しきい値)C2sH以上であるとき、高濃度と判定し(ステップS101:イエス)、エンジンの始動を禁止する(ステップS102)と共に掃気ポンプ23をオン(ステップS103)してもよい。
あるいは、第1ガスセンサ43により検出されたDMEガス濃度C1と、第2ガスセンサ44により検出されたDMEガス濃度C2との両方がそれぞれしきい値C1sH,C2sH以上であるとき、高濃度と判定してもよい。
あるいは、第1ガスセンサ43により検出されたDMEガス濃度C1と、第2ガスセンサ44により検出されたDMEガス濃度C2とのいずれか一方がしきい値C1sH,C2sH以上であるとき、高濃度と判定してもよい。
(3)第2ガスセンサ44を省略し、第1ガスセンサ43の検出値のみによって高濃度判定終了条件を設定してもよい。例えば、第1ガスセンサ43により検出されたDMEガス濃度C1が第1終了しきい値C1sL以下であること(前述の条件1)のみを以て、高濃度でないと判定してもよい。
(4)逆に、第2ガスセンサ44の検出値のみによって高濃度判定終了条件を設定してもよい。例えば、第2ガスセンサ44により検出されたDMEガス濃度C2が第2終了しきい値C2sL以下であること(前述の条件2)のみを以て、高濃度でないと判定してもよい。
(5)前記実施形態では掃気ポンプを燃焼室の上流側に設け、空気を押し出すことによってDMEガスの掃気を行った。しかしこれとは逆に、掃気ポンプを燃焼室の下流側に設け、空気を吸引することによってDMEガスの掃気を行ってもよい。
(6)液化ガス燃料はDME燃料に限らず、任意の液化ガス燃料であってよい。例えば、天然ガス、水素等であってもよい。
本開示の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本開示の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本開示に含まれる。従って本開示は、限定的に解釈されるべきではなく、本開示の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。
1 エンジン
9 燃焼室
23 掃気ポンプ
33 EGRバルブ
43 第1ガスセンサ
44 第2ガスセンサ
100 電子制御ユニット(ECU)

Claims (3)

  1. 液化ガス燃料を使用する内燃機関の始動制御装置であって、
    燃焼室付近の位置において、ガス化した当該液化ガス燃料のガス濃度を検出するガスセンサと、
    前記燃焼室より上流側の位置から下流側の位置にかけて掃気を行うための掃気ポンプと、
    前記内燃機関の始動前に前記ガスセンサにより検出された当該ガス濃度が所定のしきい値以上であるとき、前記内燃機関の始動を禁止すると共に前記掃気ポンプを作動させるように構成された制御ユニットと、
    を備え、
    前記制御ユニットは、前記掃気ポンプの作動開始から所定時間経過後にEGRバルブを開く
    内燃機関の始動制御装置。
  2. 前記ガスセンサは、前記燃焼室より上流側の位置に設けられる
    請求項1に記載の内燃機関の始動制御装置。
  3. 前記燃焼室より下流側の位置において、ガス化した前記液化ガス燃料のガス濃度を検出する追加ガスセンサをさらに備え、
    前記制御ユニットは、前記掃気ポンプの作動開始後に、前記ガスセンサにより検出されたガス濃度が所定のしきい値以下となり、かつ前記追加ガスセンサにより検出されたガス濃度が所定のしきい値以下となったとき、前記内燃機関の始動を許可すると共に前記掃気ポンプを停止させる
    請求項に記載の内燃機関の始動制御装置。
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