JP6920429B2 - 内燃機関を始動する方法 - Google Patents

Description

本発明は、エアスタータシステムにより内燃機関を始動する方法であって、第１の始動シーケンスにおいて、圧縮空気によりスタータが係入せしめられ、第２の始動シーケンスにおいて、圧縮空気がスタータに供給される方法に関する。

内燃機関は、電気的に動作するスタータ（セルスタータ）か或いは圧縮空気式スタータ（エアスタータ）のいずれかを用いて構成される。一つのエアスタータシステムが例えば特許文献１から公知である。エアスタータシステムにおける始動プロセスは、典型的には第１と第２の始動シーケンスからなる。第１の始動シーケンスでは、スタータが圧縮空気を用いて係入され（ｅｉｎｇｅｒｕｅｃｋｔ）、第２の始動シーケンスでは、スタータが圧縮空気により回転させられる。内燃機関がアイドリング回転数（Ｌｅｅｒｌａｕｆｄｒｅｈｚａｈｌ）（例えば３５０回転／分）に達すると第２の始動シーケンスは終了する。その後、燃料が噴射されることで内燃機関が運転を開始する。舶用推進機関として使用される内燃機関では、シリンダは、シリンダ燃焼室を開放（負荷軽減）するためにデコンプバルブを有して形成されている。第２の始動シーケンスでは、場合によっては入り込んでいるかもしれない水がこのデコンプバルブを介してシリンダ室から追い出される。実際にはこのとき、内燃機関の初期クランキング（回転させ始め・回転がけ）に際しては、スタータがかなりのブレーカウェイトルクを加えなければならないという問題が発生する。ブレーカウェイトルク（（初期）動き始めトルク）を克服すると内燃機関は短期間に高回転数で回転する。これは、シリンダ室内の残留水に結び付くとピストンロッドにとっては危険なことである。

独国特許出願公開第２６３２０１５号明細書

従って、本発明は、圧縮空気システムを用いて内燃機関を始動する改善された方法を提供することを課題とする。

この課題は、第１の始動シーケンスにおいて、圧縮空気によりスタータが係入せしめられ、デコンプバルブがシリンダ燃焼室を開放するように開方向に操作され、パルスの圧縮空気がスタータに供給されることで内燃機関のクランキングを初導する方法によって解決される。第２の始動シーケンスにおいて、デコンプバルブが閉方向に操作され、一定不変の圧縮空気がスタータに供給される。

このとき、システムコントローラにより、スタータを係入するための圧縮空気経路が係入バルブを介して設定され、第１の始動シーケンスにおけるスタータのクランキングのため並びに第２の始動シーケンスにおけるスタータの回転のための圧縮空気経路が始動バルブを介して設定される。パルスの圧縮空気は、第１の始動シーケンスの間、始動バルブが目標エンジン回転数に応じてＰＷＭ信号により制御されることで生成される。言い換えると、スタータは、ＰＷＭ信号とパルスの圧縮空気とにより連続的に緩やかにクランキングされる。こうして、静止している内燃機関から回転している内燃機関への急激な移行が回避される。

さらに、目標回転数が、第１の目標回転数値から第２の目標回転数値へと傾きを持った直線状に高められる。第１の始動シーケンスは、目標回転数から実際回転数への回転数制御偏差が許容域（例えば１０回転／分）以内であることが検出されたら正しく終了する

この方法は、全体として高いプロセス信頼性を提供し、追加の安全対策として販売を促進するような主張を可能にする。純粋なソフトウェアソリューションとして、これはほとんどコストがかからない。さらに、この機能は既存の構成要素にのみ介入するので、本発明は容易に後付けすることができる。

図には、好ましい実施形態が示されている。

システム図である。 プログラムのフローチャートである。 プログラムのフローチャートである。 プログラムのフローチャートである。 プログラムのフローチャートの一部を示す図である。

図１は、エアスタータシステム２を有する内燃機関１のシステム図を示す。エアスタータシステム２は、圧縮空気を準備する空気だめ１０と、係入バルブ５と、始動バルブ６を備える。係入バルブ５と始動バルブ６は、２／２バルブとして形成されている。代替的に、３／２バルブも使用可能である。図１では、係入バルブ５は位置１で図示されているので、空気だめ１０から係入バルブ５を経てスタータ３に至る一連の圧縮空気経路が形成されている。この位置においてスタータが係入される。始動バルブ６は位置０で図示されており、この位置では、空気だめ１０からスタータに至る圧縮空気経路は遮断されている。つまりスタータは回転しない。システム全体の運転状態は、システムコントローラ４によって決定される。オペレータは、システムコントローラ４を通して自らの運転開始／停止の要望や自らの出力値の要望を入力する。ＣＡＮバスを介してモニタリングユニット７（ＥＭＵ）、インターフェースユニット８（ＥＩＭ）およびエンジンコントロールユニット９がシステムコントローラ４に接続されている。モニタリングユニット７はまた、係入バルブ５と始動バルブ６の切換状態を決める。これは通常、ＰＷＭ信号を介して行なわれる。モニタリングユニット７とインターフェースユニット８の機能は、図２に関連して詳細に説明される。エンジンコントロールユニット９は、内燃機関１の状態を開ループ制御および閉ループ制御する。内燃機関の運転においては、これは例えばレール圧（Ｒａｉｌｄｒｕｃｋ）、噴射開始および噴射終了である。この図では、他の入力量および出力量（例えばレジスタ充電における切換え可能な排気ガスターボチャージャ用の切換え信号）が入力／出力の符号で示されている。

図２には、プログラムのフローチャートが図示されている。図２は、部分図２Ａ，２Ｂ，２Ｃからなる。ここで、図２Ａは始動プロセスを準備しかつチェックするためのプログラム部分を示し、図２Ｂは第１の始動シーケンスのプログラム部分を示し、図２Ｃは第２の始動シーケンスのプログラム部分を示す。符号ＥＭＵによりモニタリングユニット７内のプログラムのフローが表されている。符号ＥＩＭによりインターフェースユニット８内のプログラムのフローが表されている。インターフェースユニット８（ＥＩＭ）とモニタリングユニット７（ＥＭＵ）はＣＡＮバスを介して通信する。ＣＡＮバスに載せられる（設定される）或いは照会される（問い合わされる）情報は、破線の矢印として示されている。例えば、ステップＳ２Ａでは、空気圧センサがその状態信号（符号Ｂ）をＣＡＮバス上に載せる。ＣＡＮバスのこの状態信号（符号Ｂ）は、インターフェースユニット８（ＥＩＭ）のステップＳ３において読み取られる。

以下に、モニタリングユニット（ＥＭＵ）のプログラムの実行について先ず説明する。Ｓ１Ａでは、デコンプバルブの状態の開／閉が確かめられ、ＣＡＮバス上における値として載せられる（符号Ａ）。Ｓ２Ａでは、圧縮空気センサならびに圧縮空気の状態が確かめられ、状態値（符号Ｂ）としてＣＡＮバス上に載せられる。ステップＳ３Ａ〜Ｓ８Ａは、エラーの照会（エラークエリ）の内容を表すものであるとともにモニタリングユニットの動作準備完了を示す。先ずＳ３Ａにおいてエラーが認識されたかどうかがチェックされる。エラー検出時（照会結果Ｓ３Ａ：はい）、Ｓ４Ａにおいてアラームが表示され、これが後続の処理のためにＣＡＮバス上に符号Ｃで載せられる。Ｓ３Ａでエラーなしが確認されると、Ｓ５Ａにおいて機能使用可能（機能開放）の情報が提供され（符号Ｃ）、次にＳ６Ａにおいて係入バルブの状態（図１：５）、Ｓ７Ａにおいて始動バルブの状態（図１：６）およびＳ８Ａにおいて回転数センサの状態が照会される。それから最後にステップＳ３Ａに戻る。ステップＳ９Ａ〜Ｓ１１Ａは、始動中断の手順を表す。Ｓ９Ａでは、モニタリングユニット（ＥＩＭ）がＣＡＮバス上に始動中断を載せたか（符号Ｄ）どうかが確かめられる。始動中断が改めて設定されると、次にＳ１０Ａにおいて始動バルブが、またＳ１１Ａにおいて係入バルブがオフにされ、そのことが後続の処理のためにＣＡＮバス上に提示される（符号Ｅ）。

インタフェースユニット（ＥＩＭ）のプログラムは、始動モードの照会とともにＳ１において実行を開始する。これはシステムコントローラを介してオペレータが入力する。発電機によるエンジン始動（ステップＳ２）か或いは圧縮空気システムによる始動のいずれかが選択される。Ｓ３では始動阻止が照会される。そのために、デコンプバルブの状態（符号Ａ）、空気圧センサの状態（符号Ｂ）、および外部からの停止信号がＣＡＮバス上で照会される。この停止信号（符号Ｆ）は、システムコントローラによってＣＡＮバス上に載せられる。次に、Ｓ４において始動阻止の結果が照会される。切換遮断（Ｓｃｈａｌｔｓｐｅｒｒｅ）が載っていれば、始動はＳ９で中断され、ＣＡＮバスに提示される（符号Ｄ）。切換遮断が無ければ、Ｓ５でオイル差しのサブルーチンに分岐し、Ｓ６で油圧ｐＯ^”Ｌが閾値ＧＷより大きいかどうかがチェックされる。エラーがある場合（照会結果Ｓ６：いいえ）には、Ｓ７でオペレータにアラームが設定され、Ｓ８に分岐する。正しくオイルが差されて（照会結果Ｓ６：はい）いれば、引き続きモニタリングユニット（ＥＭＵ）の動作準備が完了しているかどうかＳ８でチェックされる。そのために、ＣＡＮバス上の動作準備完了（符号Ｃ）が読み出される。モニタリングユニット（ＥＭＵ）が動作準備完了であることがＳ８において確かめられたら、図２Ｂに分岐する。チェックの結果が否定的であるとき、すなわちモニタリングユニット（ＥＭＵ）の動作準備が完了していないときは、Ｓ９に分岐し、始動プロセスを中断し、さらにこの状態をＣＡＮバス上に載せる（符号Ｄ）。

図２Ｂは、第１の始動シーケンスのプログラム部分を示す。以下に、モニタリングユニット（ＥＭＵ）のプログラムの実行について先ず説明する。Ｓ１２Ａでは、実際回転数ｎＩＳＴが閾値ＧＷより大きいか否かをチェックする。閾値は、ここではクランキング中の最大許容回転数、例えば２０回転／分に相当する。加えて、モニタリングユニット（ＥＩＭ）の状態（符号Ｇ）が照会される。過度に高い実際回転数が検出された場合（照会結果Ｓ１２Ａ：はい）、ステップＳ２０ＡからＳ２２Ａによるプログラム部分に分岐する。実際回転数ｎＩＳＴが閾値ＧＷより大きくない場合（照会結果Ｓ１２Ａ：いいえ）、Ｓ１３Ａで係入バルブが起動され、それによりスタータに圧縮空気が供給されて動作体勢に入る。Ｓ１４Ａでは、動作体勢に入る期間に相当する猶予段階を経過させる。Ｓ１５Ａにおいて制御が起動される。この制御の大まかな骨格が図３に示されている。ＰＩコントローラ１１には以下の操作量が並んでいる：係入バルブ（図１：５）および始動バルブ（図１：６）を制御するためのＰＷＭ周波数ｆＰＷＭ、最小パルスデューティー比ＰＷＭ（ｍｉｎ）、係入バルブおよび始動バルブを操作するための最大パルスデューティー比ＰＷＭ（ｍａｘ）、二つの回転数目標値ｎＳＬ１およびｎＳＬ２、回転数の許容域、比例ゲインｋｐおよび積分ゲインｋｉ。これらの操作量の典型的な値は次のとおりである：ｆＰＷＭ＝８Ｈｚ、ＰＷＭ（ｍｉｎ）＝０％、ＰＷＭ（ｍａｘ）＝２０％、ｎＳＬ１＝２ １／分；ｎＳＬ２＝１０ １／分および許容域＝１０ １／分。加えて、ＰＩコントローラ１１には、実際回転数ｎＩＳＴが入力される。この値はＣＡＮバス上で利用可能である（符号Ｋ）（図２Ｂ）。代替的に、モニタリングユニットは、自身の回転数センサを用いることもできる。ＰＩコントローラ１１の出力値は、クランキングの状態と、第１の閾値ＧＷ１と第２の閾値ＧＷ２に対する回転数の目標‐実際値偏差ｄｎの関係とである。

ＰＩコントローラの出力値は、次に図２Ｂのステップ１６Ａにおいてさらに評価される。期間ｄｔの間に回転数制御偏差ｄｎが許容域ＴＢ内にある場合（照会結果Ｓ１６Ａ：はい）、Ｓ１８においてクランキングが完了したと認識され、データ値としてＣＡＮバス上に載せられる（符号Ｊ）。これに対して、Ｓ１６Ａにおいて安定した回転数制御偏差が認められなかった場合には、Ｓ１７Ａにおいて猶予段階ｔが閾値ＧＷと比較される。猶予段階ｔが満了していたら（照会結果Ｓ１７Ａ：はい）、Ｓ２０Ａにおけるプログラムのフローに進む。これに対して、猶予段階ｔがまだ進行している場合（照会結果Ｓ１７Ａ：いいえ）、Ｓ１５Ａに分岐して戻る。Ｓ１８Ａにおいてクランキングが完了したものとして載せられたら、Ｓ１９Ａにおいて猶予段階が起動される。この猶予段階の間、第１の始動シーケンスから第２の始動シーケンス（図２Ｃ）に切換えられるべきかどうか、猶予段階が成果なしで満了したかどうか、或いは状態をアイドリングに設定すべきかどうかがチェックされる。そのために、猶予段階の間、ＣＡＮバス上の状態（符号Ｌ）が照会される。猶予段階が成果なくして満了したり、状態がアイドリングに設定されているときには、Ｓ２０Ａにおいて始動バルブが停止され、Ｓ２１Ａにおいて係入バルブが停止され、Ｓ２２Ａにおいてクランキングが終了させられる。

Ｓ１０において、インタフェースユニット（ＥＩＭ）は、ＣＡＮバス上に次の状態（符号Ｇ）を載せる：噴射なし、デコンプバルブ起動、すなわち開位置に操作、クランキングにした状態変数ＣＴＳ。そして、Ｓ１１においてクランキングが進行しているか否かがチェックされる。この目的のために、ＣＡＮバス上において然るべき値（符号Ｈ）が読み込まれる。チェックの結果が否定的であれば、始動を中断してＳ１０に分岐する。Ｓ１１でクランキングが起動されているものとして認識された場合（照会結果Ｓ１１：はい）、Ｓ１２で状態変数ＣＴＳがそれに対応して設定され、Ｓ１３でクランキングが完全に行なわれたかどうかがチェックされる。このチェックでは、モニタリングユニット（ＥＭＵ）の状態（符号Ｊ）が照会される。クランキングがまだ完了していない場合は、分岐してＳ１２に戻る。加えて、始動を中断させることができるエラー照会が行なわれる。クランキングが終了したら（照会結果Ｓ１３：はい）、図２Ｃの第２の始動シーケンスが行なわれるべきかどうかがＳ１４において決定されるか或いは走行変数ＣＴＳをアイドリングに設定すべきかどうかがＳ１５で決定される。クランキングを終了すべき場合は、Ｓ１５において状態変数ＣＴＳをアイドリングに設定し、さらにＣＡＮバス上に載せる（符号Ｌ）。次に、Ｓ１６において実際回転数ｎＩＳＴが停止状態（ｎＩＳＴ＝０）にあるかチェックされる。チェックの結果が否定的である場合、すなわち内燃機関が既に回転している場合、プログラムのフローを中断する（ステップＳ１９および符号Ｍ）。Ｓ１６におけるチェックが肯定的であれば、Ｓ１７においてデコンプバルブを閉方向に操作し、Ｓ１８においてクランキングを終了に設定する。

図２Ｃは、第２の始動シーケンスのプログラム部分を示す。先ず、モニタリングユニット（ＥＭＵ）のプログラムの実行について説明する。Ｓ２３Ａにおいて、第２の始動シーケンスが設定され、ＣＡＮバス上に状態として載せられる（符号Ｎ）。その後、Ｓ２４Ａにおいて、パルスデューティー比を１００％（ＰＷＭ＝１００％）に設定して始動バルブを作動させる。これにより、スタータにまさにそのとき完全な圧縮空気が供給される。Ｓ２５Ａにおいて、実回転速度ｎＩＳＴがアイドリング回転数ＬＬ（例えばＬＬ＝３５０ １／分）よりも大きいか否かがチェックされる。まだそうでない場合には（照会結果Ｓ２５Ａ：いいえ）、次いでＳ２６Ａにおいて、猶予段階ｔ（例えばｔ＝２０秒）が設定される。この猶予段階がまだ満了していなければ、分岐してＳ２５Ａに戻る。それ以外の場合、プログラムのフローはＳ２７Ａに進む。Ｓ２５Ａにおいて実回転数がアイドリング回転数ＬＬより大きいことが認められた場合には、Ｓ２７Ａにおいて始動バルブを停止し、Ｓ２８Ａにおいて係入バルブを停止し、Ｓ２９Ａにおいて第２始動シーケンスが完了したものとして設定される（符号Ｏ）。Ｓ３０Ａでこのプログラムのフローは終了する。

Ｓ２０では、インターフェースユニット（ＥＩＭ）はデコンプバルブを停止、すなわちデコンプバルブを閉方向に操作する。Ｓ２１では、状態変数ＣＴＳを始動の状態に設定する。その後、Ｓ２２において、第２の始動シーケンスが進行しているか否かがチェックされる。この目的のために、ＣＡＮバス上の状態（符号Ｎ）が参照される。始動プロセスがまだ設定されていなければ、分岐してＳ２１に戻る。Ｓ２２においてエラーが認識された場合は、Ｓ２７で始動プロセスを中断する。Ｓ２２において始動プロセスが進行していると認められた場合には、Ｓ２３において状態変数ＣＴＳが始動に設定され、Ｓ２４において始動プロセスが完了したものとして設定される。Ｓ２４において、さらにＣＡＮバス上の状態が一緒に参照される（符号Ｏ）。次に、Ｓ２５において状態がアイドリングに設定され、Ｓ２６において始動プロセスが終了し、内燃機関の運転に切換えられる。

１ 内燃機関
２ エアスタータシステム（圧縮空気式始動システム）
３ スタータ（始動部）
４ システムコントローラ（装置制御部）
５ 係入バルブ
６ 始動バルブ
７ モニタリングユニット（ＥＭＵ）
８ インターフェースユニット（ＥＩＭ）
９ エンジンコントロールユニット（エンジン制御装置）
１０ 空気だめ
１１ ＰＩコントローラ

Claims (5)

1. エアスタータシステム（２）により内燃機関（１）を始動する方法であって、
   第１の始動シーケンスにおいて、スタータ（３）を係入するための圧縮空気経路が係入バルブ（５）を介して設定され、圧縮空気によりスタータ（３）が係入せしめられ、デコンプバルブがシリンダ燃焼室を開放するように開方向に操作され、スタータ（３）の係入後、第１の始動シーケンスにおけるスタータ（３）のクランキングの回転のための圧縮空気経路が始動バルブ（６）を介して設定され、第１の始動シーケンスの間、始動バルブ（６）は、目標エンジン回転数（ｎＳＬ）に応じてＰＷＭ信号により制御され、始動バルブ（６）により制御されたパルスの圧縮空気がスタータ（３）に供給され、パルスの圧縮空気によりスタータが連続的に緩やかにクランキングされることで内燃機関（１）のクランキングを初導し、
   第２の始動シーケンスにおいて、デコンプバルブが閉方向に操作され、第２の始動シーケンスにおけるスタータ（３）の回転のための圧縮空気経路が始動バルブ（６）を介して設定され、一定不変の圧縮空気がスタータ（３）に供給される方法。
2. 請求項１に記載の方法において、目標エンジン回転数（ｎＳＬ）が、第１の目標回転数値（ｎＳＬ１）から第２の目標回転数値（ｎＳＬ２）へと傾きをもった直線状に高められることを特徴とする方法。
3. 請求項２に記載の方法において、目標回転数（ｎＳＬ）から実際回転数（ｎＩＳＴ）までの回転数制御偏差（ｄｎ）が算出され、第１の始動シーケンスは、第２の目標回転数値（ｎＳＬ２）から実際回転数（ｎＩＳＴ）までの回転数制御偏差（ｄｎ）が許容域（ＴＢ）以内であることが確かめられたら正しく終了することを特徴とする方法。
4. 請求項３に記載の方法において、さらに回転数制御偏差（ｄｎ）が或る期間（ｄｔ）の間に許容域（ＴＢ）以内にあるかどうか回転数制御偏差（ｄｎ）が検査されることを特徴とする方法。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の方法において、第２の始動シーケンスの間、実際回転数（ｎＩＳＴ）がアイドリング回転数（ＬＬ）と比較され、アイドリング回転数を上回ったら（ｎＩＳＴ＞ＬＬ）、第２の始動シーケンスは正しく終了し、内燃機関の運転に転換されることを特徴とする方法。

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