(57)【要約】【課題】装置の製造コストを低減し、始動手順に必要なエネルギー条件も同時に少なくするディーゼル・エンジンを提供すること。【解決手段】ディーゼル・エンジン１は、電子的に駆動する制御システム７を有している。シリンダ２及びピストン３によって形成される作動空間２０は、燃料用噴射ノズル２６と始動空気用供給ノズル２５とガス状の作動空間内容物用のガス交換弁２３と関連している。この噴射及び供給ノズルとガス交換弁を作動する時間間隔は自由に設定可能な制御時間である。これらの制御時間は、制御システムによって、圧縮によって燃料の着火条件が第１の作動空間でもたらされるよう電子的に調整することができる。始動空気を供給して仕事を行うことにより、これに必要なエネルギーを第２の作動空間に与えることができる。各ガス交換弁は、関連している作動空間で起きるプロセスに応じて作動させることができる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一部を電子的に操作する制御システム（７）を備え、且つ、各シリンダ（２）によって形成され且つ各ピストン（３）によっても形成されている複数の作動空間（２０）であって、そのおのおのと、少なくとも１つの燃料用噴射ノズル（２６）、始動空気用供給ノズル（２５）及びガス状の作動空間内容物用のガス交換弁（２３）が関連している作動空間（２０）を備え、
前記噴射ノズル及び供給ノズルを作動し前記ガス交換弁も作動する時間間隔は自由に設定可能な制御時間であること、これらの制御時間は前記制御システムによって電子的に、理想的に、すなわち、圧縮によって燃料の着火条件が第１の作動空間でもたらされるように調整することができること、少なくとも１つの第２の作動空間に始動空気を供給して仕事を行うことによりこれに必要なエネルギーを少なくとも第２の作動空間に与えることができること、及び各ガス交換弁は、関連している作動空間で起きるプロセスに応じて、すなわち圧縮、仕事の遂行及び圧力を周囲圧力と等しくさせ燃料を噴射しない都合よく行われる受動的挙動のプロセスに応じて作動させることができることをそれぞれ特徴とするディーゼル・エンジン（１）、特に大型ディーゼル・エンジン。
【請求項２】
貯留槽（５）を用いて始動のための始動空気を利用できるようにすること、少なくとも２０バール、好ましくは３０バールの前記貯留槽の初期圧力から始め、貯留槽の圧力低下を伴う始動の手順を所定回数行うことができ、且つもし必要であれば、アキュムレータ圧力を低下することによりエネルギーを与える前記作動空間（２０）の数を前記制御システム（７）によって増加させることができることを特徴とする請求項１に記載のディーゼル・エンジン。
【請求項３】
前記始動手順は１０バール以下、好ましくは８バールまで減少するアキュムレータ圧力で行うことができることを特徴とする請求項２に記載のディーゼル・エンジン。
【請求項４】
前記制御システム（７）は、シリンダ（２）に関係する局部機能及びエンジン（１）全体に関係する全体機能に影響を及ぼすことができる電子モジュールを備えること、それぞれのシリンダが１つのモジュールに関連づけられていること、これらのモジュールはそれぞれ、第１の機能部領域と第２の機能部領域を備えた同一の設計の論理回路を備えていること、関連しているシリンダは前記第１の機能部領域を用いて制御することができること、モジュール上に配分された制御手段によって、すなわち、別のモジュールの第２の機能部領域と協力して前記第２の機能部領域を使用する各ケースのモジュールの少なくとも１つの部分に対して、全体制御を冗長方式で実行することができるようなやり方で全体機能、特に始動に影響を及ぼすことができることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一項に記載のディーゼル・エンジン。
【請求項５】
相互モジュール方式のバス・システムを使用して情報を各モジュール間で送信することができ、交換モジュールが前記制御システム（７）の故障の修復に利用できること、交換モジュール用の少なくとも１つの接続点が前記相互モジュール方式のバス・システムに設けられており、この接続点において、接続された交換モジュールが前記制御システムにより、すなわち、特定の運転プログラムを読み込み、運転パラメータを現実化することにより自動的に事前調整することができること、この交換モジュールは、アイドリング・モードにおいて受動的状態を維持しながら、盛んに実行している前記制御システムと並んで一緒に操作することができること、及び活動中のモジュールが故障すると、直ちに故障モジュールの置き換えとして前記交換モジュール使用の準備ができ、事前に調整された前記交換モジュールが、置き換えられる前記モジュールの前記相互モジュール方式バス・システムの接続点に挿入され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。
【請求項６】
前記制御システム（１）の前記各モジュール（１０）がそれぞれ、信号送信の面（１００）で以下のエンジン部品：
関連している前記シリンダ（２）内へ始動空気を供給する弁と、
燃料を送り込む噴射システム、ガス交換システム及び燃料と制御媒体を供給するポンプと、
各アキュムレータが前記ポンプ、前記噴射システム及び前記ガス交換システムに連結されているいわゆる「コモン・レール」である、始動空気用アキュムレータ（５）、制御媒体用アキュムレータ（７１）及び燃料用アキュムレータ（６）と、
噴射とガス交換を行う部材（６２）及び（７２）を備えた油圧システムと、
局部機能及び全体機能を前記エンジン（４）の回転と同期させるための角度判定システム（７４）とに接続されていることを特徴とする請求項４又は５に記載のディーゼル・エンジン。
【請求項７】
前記制御システム（１）が、実施する手順−圧縮、仕事の遂行及び受動的維持−を考慮し、検出された駆動軸の回転角度を参照して前記シリンダ（２）を選択し、前記エンジンを始動するのに必要なステップが開始され、また制御もされ、前記シリンダ、すなわち、前記第１及び第２の作動空間（２０）の選択が前記ピストンの位置を考慮して行われ、前記ピストンが下死点に最も近い位置にあるシリンダが圧縮シリンダとして選択され、ピストンが上死点の近傍の位置にある少なくとも１つのシリンダがこの上死点を通り過ぎた後に動力行程として選択されることを特徴とする請求項６に記載のディーゼル・エンジン（１）の始動方法。
【請求項８】
前記エンジンの制動及び／又は前記エンジンの逆転のために前記制御システム（７）が前記始動空気を使用することもできることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
受動状態に維持される前記作動空間（２０）の前記ガス交換弁（２３）が開放され、圧縮され、始動空気が充填される前記作動空間（２０）、又は複数のこのような作動空間の前記ガス交換弁（２３）が閉止されることを特徴とする請求項８又は９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼル・エンジン、特に特許請求範囲の請求項１の前文による電子制御システムを備えた大型ディーゼル・エンジンに関する。本発明はまた、本発明によるディーゼル・エンジンの始動方法に関する。エンジン始動のために設けたこの手段（短時間始動手段）は、エンジンの制動又は逆転時に使用することもできる。
【背景技術】
【０００２】
基本的に、エンジンは何時間又は何日か続けて運転する。それゆえ、この種のエンジンの始動は比較的まれなことである。したがって、始動するための始動手段は、コスト的な理由から必要最小限に抑えられる。
【０００３】
始動には圧縮空気が有利であることが分かっている。別のシリンダの作動空間内に含まれる空気を圧縮するために、始動に使用し制動と逆転にも使用する圧縮空気を指して呼ぶ始動空気を使用して、エンジン・シリンダを個別に作動させて始動することができる。この構成においては、温度と圧力の高い値が、シリンダ内に噴射された燃料の着火条件を可能にする熱力学的状態が別のシリンダの作動空間内に生成される。
【０００４】
貯留槽（アキュムレータ）を用いて利用できるようになる始動空気の量は、３０バールの初期圧力から始めて８バールまで減少する貯蔵／アキュムレータ圧力で始動を所定回数、たとえば１０回行うことを可能にしなければならない。外洋航行船では特別に設計した始動空気分配器が使用されている。簡単な実施例では、始動空気分配器には間欠的な空気の通過を目的とする開口部を備えた回転円板が備えられており、開口部は円板の回転軸と同軸に配置され、環状セグメント状である。このような機械的な始動空気分配器、又は今日使用されているような別のものによって、駆動するシリンダの供給ライン内に圧縮空気を入れる時間間隔、これらは一部がオーバーラップしている、が設定される。
【０００５】
機械的手段を使用する結果、外洋航行船に分配器を設置後には、これらの時間間隔、すなわち始動空気分配器の制御時間は変更不可能な所定のものになる。この固定された制御時間は、圧縮空気の一部がピストン位置の不都合なシリンダに供給される結果になり、得られた仕事の性能は始動プロセスに対して小さな貢献しかできない。低性能な仕事は比較的多量の圧縮空気の代償を払って不利な条件を獲ることになる。この量は作動空間の最大容量によって指定される。極端な場合、作動空間に圧縮空気が充填される効率は非常に低い。すなわち、ピストンが下死点に近づいたときに作動空間の内容物が大気中に逃げ、その結果無くなってしまう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、電子制御を使用して始動空気の消費量を低減し、その結果、始動手段として使用する装置の製造コストを低減し、始動手順に必要なエネルギー条件も同時に少なくなるディーゼル・エンジンを作ることにある。この目的は請求項１に記載のエンジンによってかなえられる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
ディーゼル・エンジン、特に大型ディーゼル・エンジンは、少なくとも一部が電子的に操作される制御システムを有している。少なくとも１つの燃料用噴射ノズルと始動空気用供給ノズルとガス状の作動空間内容物用のガス交換弁はそれぞれ、各シリンダによって形成され且つ各ピストンによっても形成されている複数の作動空間のおのおのと関連している。この噴射ノズル及び供給ノズルを作動しガス交換弁も作動する時間間隔は自由に設定可能な制御時間である。これらの制御時間は、制御システムによって電子的に、理想的に調整することができる。圧縮によって燃料の着火条件が第１の作動空間でもたらされる。これに必要なエネルギーは、少なくとも１つの第２の作動空間に始動空気を供給して仕事を行うことにより与えることができる。各ガス交換弁は、関連している作動空間で起きるプロセスに応じて、すなわち圧縮、仕事の遂行及び圧力を周囲圧力と等しくさせ燃料を噴射しない都合よく行われる受動的挙動のプロセスに応じて作動させることができる。
【０００８】
本発明によるディーゼル・エンジンにおいて、電子制御の使用を始動手順に限定することができる−しかしながらこれは例外と理解すべきである。
【０００９】
従属項２から６までは本発明によるディーゼル・エンジンの有利な実施例に関する。ディーゼル・エンジンを始動する方法は請求項７から９までの主題である。
【００１０】
本発明を図面を参照して以下に説明する。
【実施例】
【００１１】
図１は、６気筒を備えた、既知のディーゼル・エンジンの始動手段の線図を示す。６つの線図はそれぞれ、クランク・シャフトの回転角度を横軸にとって、始動空気用供給ノズルの開放状態すなわち開放期間を示したものである。台形曲線の各要素は供給ノズルの作動、すなわち供給ノズルが開いて再び閉まる場合の作動を示す。線図の配置は、エンジンにおけるシリンダの位置に対応しておらず、始動時に供給ノズルが作動する時間順になっている。図１は、結果的に圧縮空気消費の効率が低下する固定した制御時間及びオーバーラップを示す。
【００１２】
ディーゼル・エンジン１の部品（図２及び３参照）は次の通りである。すなわち、作動空間２０を含むシリンダ２とピストン３、ガス交換弁２３を備えたシリンダ２のヘッド部２１、ガス交換弁２３用の空気供給通路２１０及び駆動装置２１１、ピストン３が下死点に位置したとき或いはその近傍に位置したときに作動空間２０からシリンダ空間２４への通路を形成する、シリンダ２下部のガス交換用開口部２２、エンジン室又はクランクケース４２内のピストン３から出ているピストン・ロッド３０等であり、このピストン・ロッド３０は、ディーゼル・エンジン１の運転時にクロスヘッド３１及びコネクティング・ロッド４０を介してエンジン又は駆動系４の駆動軸に作用を及ぼし、したがって角速度ω（回転角α）でクランク・シャフト４１を回転させる。クロスヘッド３１（クロスヘッド・ピン３２）は、上死点位置と下死点位置の間を移動するピストン３によって駆動され、レール３４上を上下に走るスライディング・シューズ３３を有している。複数の燃料供給ノズル２６（図５参照）及び始動空気用供給ノズル２５は、シリンダ２のガス交換弁２３の高さに配置されている。
【００１３】
コネクティング・ロッド４０は、ピストン３が及ぼす力Ｋと図示してないガイド上の通常の力であるレールが及ぼす反力とによって構成される力Ｓでクランク・ジャーナル４３に作用を及ぼす（ＤＵＢＢＥＬ、Ｔａｓｃｈｅｎｂｕｃｈ  ｆｕｒ  ｄｅｎ  Ｍａｓｃｈｉｎｅｎｂａｕ、２巻、２６３頁、１３版、１９７４年参照）。力Ｋはピストン３の荷重面Ａと作動空間２０内の過大な圧力の積であり（Ｋ＝Ａ×（ｐ−ｐ０））、ｐは作動空間２０の圧力、ｐ０は周囲の圧力である。図４に示すクランク・シャフト４１に存在する力の比が示すように、一対の力＋Ｓ、−Ｓに対応して有効トルクＭｔが生じる原因であるクランクのレバー・アームｒを用いて回転力Ｔが生成される。この有効トルクＭｔは一対の力によってはさまれる斜線の面積に等しい大きさを有している。見て分かるように、有効トルクＭｔはピストンが死点位置（すなわち、α＝０°又は１８０°）に達したときに消失する。
【００１４】
図５に示す制御配置は、圧縮空気を使用するディーゼル・エンジン（「コモン・レール」を備えた）を始動するための本発明によって提供される手段を例として示すものである。電子制御複合体７０は、制御信号用リード線７０ａ及び測定信号用リード線７０ｂを経由して別の制御システム７の種々の部品と接続している。これらの部品は以下の通りである。
【００１５】
すなわち、燃料をアキュムレータ６（＝「コモン・レール」、アキュムレータ圧力はたとえば、１０００バール）から外へ供給ライン６２ａ及び分配器ライン２６ａを経由して供給ノズル２６に供給し、プログラムに従って制御する制御装置６２、ガス交換弁２３に作用を及ぼすアクチュエータ７２、貯留槽５（貯留槽圧力はたとえば、３０バール）から外へ供給する始動空気用供給ノズル２５等である。リザーバ７１（リザーバ圧力はたとえば、２００バール）からのサーボ制御油は、制御装置６２及びアクチュエータ７２を励磁するために使用し、この構成においては圧力を伝送するようにライン７２ａ及び７２ｂを通って前後に移動する。アクチュエータ７２においてこのサーボ制御油は、ライン２１ａ経由でガス交換弁２３を動作させることができる低品質の第２オイルと分離膜によって分離される。角度αを位置合わせするセンサ７４もまた制御複合体７０に接続している。
【００１６】
噴射ノズル２６及び供給ノズル２５を作動しガス交換弁２３も作動する時間間隔は従来のディーゼル・エンジン（図１参照）では固定パラメータとして存在している。本発明によれば、これらの制御時間は設定可能な時間間隔である。これらは制御システムによって理想的に調整することができる。可変制御であるこの制御に基づいて、第１の作動空間に含まれる空気を圧縮することによって燃料の着火条件が第１の作動空間で生成される。これに必要なエネルギーは、作動空間２０に始動空気を供給して仕事を発生することにより第２の作動空間２０によって、エンジン又はすべてのピストン３を相互に機械的に結合している駆動系統４を経由して供給される。圧縮のために第１の作動空間２０で必要な仕事は２つ以上のシリンダ２を用いて達成することもできる。始動手順に関与しない別の複数作動空間２０は、好都合なことに受動的な状態に保たれている。この受動的挙動では燃料はまったく噴射されず、ガス交換弁２３を開放することによって圧力が周囲圧力に等しくなる。各ガス交換弁２３は、関連している作動空間２０で起きるプロセスに応じて、すなわち圧縮、仕事の遂行及び受動的挙動のプロセスに応じて制御システムによって作動させることができる。
【００１７】
圧縮の間、第１の作動空間２０の圧力ｐは圧力曲線上で増加し、その勾配は、作動空間２０の体積減少と共に増加する。ピストンの上死点において最高圧力に達し、そのときトルクＭｔは、高圧においてもゼロに向かって着実に減少する。容易に分かるように、圧縮される第１の作動空間２０の空気は、シリンダ２の作動空間、すなわち第２の作動空間２０内に導かれる、たとえば、３０バールの始動空気を用いて、エネルギー生成シリンダ２により３０バールよりかなり高くなる可能性がある。
【００１８】
始動手順に用いる始動空気は複数アキュムレータ又は１つのアキュムレータ５を用いて利用できるようになる。少なくとも２０バール、好ましくは３０バールの初期圧力から始め、減少するアキュムレータ圧力で始動手順を所定回数行うことができる。アキュムレータ圧力がある値以下に低下した場合は、圧縮に必要なエネルギーはもはや１つのシリンダ２だけで供給することができない。必要であれは、エネルギーを与えるシリンダ２の数（すなわち、第２の作動空間２０の数）を制御システム７によって２つ以上に増加させることができる。それゆえ、始動手順は１０バール又は好ましくはそれ以下の、たとえば８バールまで減少するアキュムレータ圧力で行うことができる。
【００１９】
制御複合体７０は有利なことに電子モジュールで構成されている。すべて同一に設計することができるこれらのモジュールを用いて、シリンダ２に関係する局部機能及びエンジン１全体に関係する全体機能を説明することができる。この構成において、それぞれのシリンダが１つのモジュールに関連づけられている。同一の設計の論理回路を備えた各モジュールはそれぞれ、第１の機能部領域と第２の機能部領域を備えている。関連しているシリンダ２はこの第１の機能部領域によって制御することができる。特に始動空気の供給においては、モジュール上に配分された制御部によって全体機能に影響を及ぼすことができる。この構成において、冗長方式で、すなわち、別のモジュールの第２の機能部領域と協力して第２の機能部領域を使用する各ケースにおいて各モジュールの少なくとも１つの部分によって全体機能を実行することができるように、全体機能を実行することができる。
【００２０】
モジュール方式の制御複合体７０を備えた冗長制御が未公開の欧州特許出願第０４４０５０７３号に記述されている。別のまだ公開されていない欧州特許出願第０４４０５２５５．３号は、交換モジュールが制御システムの故障の修復に利用できるモジュール方式の制御複合体を開示している。情報は、相互モジュール方式のバス・システムを使用して各モジュール間で送信することができる。交換モジュール用の少なくとも１つの接続点が相互モジュール方式のバス・システムに設けられており、この接続点において、接続した交換モジュールは制御システムにより、すなわち、特定の運転プログラムをロードし、運転パラメータを現実化することにより自動的に事前調整することができる。この交換モジュールは、アイドリング・モードにおいて受動的状態を維持しながら、盛んに実行しているオペレーティング・システムと並んで一緒に操作することができる。活動中のモジュールが故障すると、直ちに故障モジュールの置き換えとして交換モジュール使用の準備ができる。事前に調整した交換モジュールが、置き換えられるモジュールの相互モジュール方式バス・システムの接続点に挿入される。
【００２１】
モジュール方式の制御複合体７０を備えた本発明によるディーゼル・エンジン１において、各モジュールはそれぞれ、エンジン１の以下の部品に対して信号を送信する結線７０ａ、７０ｂを有している。
【００２２】
すなわち、
−関連しているシリンダ２内へ始動空気を供給する弁２５と、
−噴射弁２６を含む噴射システムと、
−ガス交換弁及びガス交換開口部２２を含むガス交換システムと、
−燃料及びサーボ制御油を供給するポンプ（図示してない）と、
−各アキュムレータがポンプ、噴射システム及びガス交換システムに連結されているいわゆる「コモン・レール」である、始動空気用アキュムレータ５、制御媒体すなわちサーボ制御油用アキュムレータ７１、及び燃料用アキュムレータ６のそれぞれと、
−噴射とガス交換を行う機関６２及び７２を備えた油圧システムと、及び
−局部機能及び全体機能をエンジンの回転４と同期させるための角度判定システム７４とに対してである。
【００２３】
本発明によるエンジン１の始動方法において、制御システム７は以下の機能を遂行する。すなわち、実施する手順−圧縮、仕事の発生及び（圧力を周囲圧力と等しくさせ燃料を噴射しない）受動的維持−を考慮し、クランク・シャフト４１の回転αの角度を参照してシリンダ２が選択される。エンジン１を始動するのに必要な段階、特に始動空気の送り込みが開始、制御される。この構成において、第１及び第２の作動空間２０の選択は、ピストンの位置を基準にして行われる。有利なことに、ピストンが下死点に最も近い位置にある圧縮工程のシリンダが、この下死点を通り過ぎた後に選択される。有利なことに、ピストン３が上死点を過ぎ、且つその近傍の位置にある少なくとも１つのシリンダ２が仕事の発生として選択される。それゆえこのシリンダ２の作動空間２０である第２の作動空間２０に導かれた始動空気は、実際上完全に第１の作動空間２０における圧縮に使用される。
【００２４】
前に説明したように、エンジン１の制動及び／又は逆転のために本発明による方法によって提供されるような可変制御を備えた制御システム７によって、この始動空気を使用することもできる。制動又は逆転のために可変制御の始動空気を用いることによってこれらの操作の促進及びより効率的な実施が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】始動空気用供給ノズルの開放状態をそれぞれ示す、既知の始動手段の線図である。
【図２】ディーゼル・エンジンの詳細をシリンダの一部を切り欠いて示した非常に簡略化した説明図である。
【図３】シリンダを通る縦断面図である。
【図４】ディーゼル・エンジン・クランクシャフトに存在する力の関係を示す図である。
【図５】圧縮空気を使用して本発明によるディーゼル・エンジンを始動するための始動手段の制御の概略図である。
【符号の説明】
【００２６】
１  ディーゼル・エンジン
２  シリンダ
３  ピストン
５  貯留槽
７  制御システム
１０  モジュール
２０  作動空間
２３  ガス交換弁
２５  始動空気用供給ノズル
２６  燃料用噴射ノズル
【図１】
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【図２】
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【図３】
2006125401.tif 000005
【図４】
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【図５】
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