JP2001003793A - 内燃機関の燃焼制御システム、及び、内燃機関の燃焼制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 多気筒内燃機関を適切に制御可能し、多気筒
内燃機関の効率向上、長寿命化等を図ることである。 【解決手段】 内燃機関の燃焼制御システムＣＣＳは、
複数のシリンダＣ１〜Ｃ４内で燃料を燃焼させてクラン
ク軸Ｓを回転駆動する多気筒内燃機関Ｄに適用され、各
シリンダＣ１〜Ｃ４内における燃料の点火タイミング若
しくは燃料噴射タイミングを制御するものであり、クラ
ンク軸Ｓのねじり角θを計測する回転成分計測装置１
と、回転成分計測装置１によって計測されたねじり角θ
に基づいて、各シリンダＣ１〜Ｃ４ごとの点火タイミン
グ若しくは燃料噴射タイミングを設定する制御装置３０
とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数のシリンダ内
で点火若しくは着火させた燃料を燃焼させて回転軸を回
転駆動する多気筒内燃機関に適用される内燃機関の燃焼
制御システム及び内燃機関の燃焼制御方法に関し、特
に、多気筒内燃機関の各シリンダ内における燃料の点火
タイミング若しくは燃料噴射タイミングを制御する内燃
機関の燃焼制御システム及び内燃機関の燃焼制御方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、ガソリンエンジン、ディーゼ
ルエンジン等の内燃機関が様々な分野において駆動源と
して広範に活用されていることはいうまでもない。この
ような内燃機関は、一般に、複数のシリンダと、各シリ
ンダ内に配されるピストンと連結された回転軸（クラン
ク軸）とを備える。ガソリン、重油等の燃料は気化され
た上で、空気（酸素）と混合させられ、各シリンダ内で
火花点火または圧縮着火させられる。そして、各シリン
ダ内で、気化燃料と空気との混合気が燃焼（爆発）する
と、各シリンダ内で各ピストンが往復運動し、これに伴
って、回転軸（クランク軸）が回転駆動されることにな
る。

【０００３】ここで、このような多気筒内燃機関に備え
られる回転軸は、質量分布を有する弾性体からなり、無
限自由度の振動系を形成するものである。また、回転軸
には、各シリンダ内における混合気の燃焼（爆発）によ
る力、及び、ピストンの往復運動による力によってトル
ク変動が作用し、例えば、２サイクル−ディーゼルエン
ジンの場合、（回転軸の回転数×シリンダ数）倍のトル
ク変動を生じる。従って、各種多気筒内燃機関の回転軸
には、いわゆる、ねじり振動が発生することになる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このように、各種多気
筒内燃機関では、回転軸にねじり振動が発生することを
避けることはできず、多気筒内燃機関の運転中、トルク
変動周波数と回転軸のねじり固有振動数とが一致すると
共振現象を生じ、ねじり振動が励振されてしまう。回転
軸に発生したねじり振動が励振されると、回転軸の外表
面には、軸方向に互いに離間する２点で回転速度（回転
数）が異なる、いわゆる、回転速度むらが表出すること
になる。そして、このようなねじり振動に起因する回転
速度むらは、各種多気筒内燃機関の効率等を低下させる
要因となる。

【０００５】すなわち、多気筒内燃機関としてのディー
ゼルエンジンを例にとれば、ディーゼルエンジンを制御
するに際しては、設計段階で、エンジン出力と回転軸の
回転速度との関係を示す特性曲線を定め、各運転出力と
対応する回転速度を求めておく。そして、エンジン側又
は負荷側で回転軸（クランク軸の一端、又は、連結軸
等）の回転速度（回転数）を計測し、計測した回転速度
と、設定しようとする出力に対応する回転数との偏差に
基づいて、各シリンダ内における燃料の着火（圧縮着
火）のタイミング、すなわち、燃料の噴射タイミングを
設定するのが一般的である。

【０００６】しかしながら、上述したように、回転軸の
外表面には、回転速度むらが表出するので、回転軸（ク
ランク軸）から直接計測される回転速度（以下「実回転
速度」という）には、ねじりの影響を除外した正味の回
転速度（以下「真回転速度」という）と、ねじり振動成
分（ねじり振動のモーダル応答）とが含まれることにな
る。すなわち、燃料の点火タイミングを設定する際の制
御パラメータとなる実回転速度に、ねじり振動成分が含
まれてしまう。このため、実回転速度と運転出力（負
荷）に対応する回転速度との偏差がゼロになったとして
も、設定された燃料の点火タイミング若しくは燃料噴射
タイミングは、実際には、設定しようとした出力に対し
て精度よく適応していないことになることから、ディー
ゼルエンジンの効率を向上させることは困難となる。

【０００７】また、回転軸に発生したねじり振動は、種
々の要因によって励振される傾向にあることから、多気
筒内燃機関の運転中、回転軸（クランク軸）のねじれは
両端部間でおよそ１〜３°程度まで達してしまう。従っ
て、このような状態で多気筒内燃機関の運転を継続して
も、多気筒内燃機関の効率を向上させることは困難であ
り、また、多気筒内燃機関の耐久性を低下させるおそれ
もある。

【０００８】そこで、本発明は、多気筒内燃機関を適切
に制御可能であり、多気筒内燃機関の効率向上、長寿命
化等に寄与する内燃機関の燃焼制御システム、及び、内
燃機関の燃焼制御方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の本発明
による内燃機関の燃焼制御システムは、複数のシリンダ
内で点火若しくは着火させた燃料を燃焼させて回転軸を
回転駆動する多気筒内燃機関に適用され、各シリンダ内
における燃料の点火タイミング若しくは燃料噴射タイミ
ングを制御する内燃機関の燃焼制御システムであって、
回転軸のねじり角を計測する回転成分計測手段と、回転
成分計測手段によって計測されたねじり角に基づいて、
各シリンダごとの点火タイミング若しくは燃料噴射タイ
ミングを設定する制御手段とを備えることを特徴とす
る。

【００１０】この内燃機関の燃焼制御システムは、ガソ
リンエンジン、ディーゼルエンジン等の少なくとも２以
上のシリンダを有する多気筒内燃機関に対して適用され
るものであり、回転成分計測手段は、多気筒内燃機関の
回転軸（クランク軸）に対して配され、制御手段は、ガ
ソリンエンジンでは各シリンダに配された点火装置に、
ディーゼルエンジンでは燃料噴射装置（各シリンダに配
された燃料噴射弁）に接続される。多気筒内燃機関の運
転中、回転成分計測手段は、回転軸のねじり角を計測
し、計測したねじり角を示す信号を制御手段に与える。

【００１１】制御手段は、回転成分計測手段から受け取
った信号に基づいて、燃料点火装置の作動時期や燃料噴
射装置の作動時期（噴射タイミング）、すなわち、各シ
リンダにおける火花点火若しくは圧縮着火のタイミング
を設定する。これにより、回転軸のねじり角を相殺する
ように多気筒内燃機関を適切に制御することができる。
この結果、多気筒内燃機関の効率を向上させることが可
能となると共に、ねじり振動に起因する大きなねじり応
力の発生を低減することができる。

【００１２】また、回転成分計測手段は、回転軸に設定
された第１計測点と、この第１計測点から離間するよう
に設定された回転軸の第２計測点との間における回転軸
の相対ねじり角を計測するものであり、制御手段は、回
転成分計測手段によって計測された相対ねじり角に基づ
いて、各シリンダに対応する位置における回転軸のねじ
り角を算出し、算出した各シリンダに対応する位置にお
ける回転軸のねじり角に基づいて、各シリンダごとの点
火タイミング若しくは燃料噴射タイミングを設定するも
のであると好ましい。

【００１３】この場合、制御対象となる多気筒内燃機関
の回転軸の例えば一端側に第１計測点を設定し、また、
第１計測点から回転軸の軸方向に離間する位置（例え
ば、当該回転軸の他端側）に第２計測点を設定する。こ
の際、第１計測点と第２計測点とを、各シリンダが両者
の間に位置するように（全シリンダを両側から挟むよう
に）設定すると好ましい。回転成分計測手段は、このよ
うに設定された第１計測点と第２計測点との間における
回転軸の相対ねじり角（例えば、第２計測点に対する第
１計測点のねじり角）を計測し、計測値を示す信号を制
御手段に与える。

【００１４】制御手段は、回転成分計測手段から受け取
った信号に示される相対ねじり角に、回転軸の各シリン
ダに対応する位置ごとに定められた係数（以下、「ねじ
り角モード」という）を乗じることにより、各シリンダ
に対応する位置における回転軸のねじり角を算出する。
ここで、各種多気筒内燃機関の回転軸のねじり剛性は、
設計段階で計算によって求めることができるものであ
り、計算値と実測値とが概ね一致することは経験的に知
られている。また、各シリンダに対応する位置で回転軸
に加わる回転力（各ピストンの往復運動によって回転軸
に作用する力）も設計段階で計算によって求めることが
できる。従って、これらから、回転成分計測手段によっ
て計測された相対ねじり角と、各シリンダに対応する位
置における回転軸のねじり角との関係を規定する関係式
も計算によって求めることが可能であり、このような関
係式から、ねじり角モードを各シリンダごとに定めるこ
とができる。

【００１５】そして、制御手段は、算出した回転軸の各
シリンダに対応する位置におけるねじり角に基づいて、
各シリンダごとの点火タイミング若しくは燃料噴射タイ
ミングを設定する。このような構成を採用すれば、回転
軸の各シリンダに対応する位置におけるねじり角が容易
に定められることになり、火花点火若しくは圧縮着火の
タイミングを各シリンダごとに極めて適切に設定するこ
とが可能となる。

【００１６】更に、回転成分計測手段は、第１計測点若
しくは第２計測点で回転軸が所定角度だけ回転するのに
要する第１周期若しくは第２周期を計測する周期計測手
段と、第１計測点と第２計測点との間で回転軸に発生す
る回転位相差を計測する位相差計測手段と、周期計測手
段によって計測された第１周期及び第２周期のうちの何
れか一方と、位相差計測手段によって計測された回転位
相差とに基づいて第１計測点と第２計測点との間におけ
る相対ねじり角を算出するねじり角演算手段とを備える
と好ましい。

【００１７】この場合、回転成分計測手段に含まれる周
期計測手段は、第１計測点若しくは第２計測点において
回転軸が所定角度だけ回転するのに要する第１周期若し
くは第２周期を計測する。この際、第１計測点（第２計
測点）における回転軸の回転をパルス変換すれば、得ら
れたパルス波（第１パルス波若しくは第２パルス波）の
周期Ｔ１（Ｔ２）が第１周期（第２周期）に相当する。
また、回転成分計測手段の位相差計測手段は、第１計測
点と第２計測点との間で回転軸に発生する回転位相差を
計測する。すなわち、第１計測点における回転軸の回転
と、第２計測点における回転軸の回転とをそれぞれパル
ス変換すれば、第１計測点から得られたパルス波（第１
パルス波）と、第２計測点から得られたパルス波（第２
パルス波）との位相差△Ｔが回転位相差に相当する。

【００１８】そして、回転成分計測手段のねじり角演算
手段は、位相差計測手段によって計測された回転位相差
（△Ｔ）を、周期計測手段によって計測された第１周期
若しくは第２周期（Ｔ１，Ｔ２）で除する。すなわち、
ねじり角演算手段は、△Ｔ／Ｔ１、若しくは、△Ｔ／Ｔ
２なる値を算出する。ここで、回転位相差を第１周期若
しくは第２周期で除することにより得られた値は、回転
軸の相対ねじり角に比例するものである。これにより、
第１計測点と第２計測点との間における回転軸の相対ね
じり角を容易かつ的確に計測することができる。なお、
本明細書では、ねじり角（相対ねじり角）という用語
を、ねじり角に比例する成分をも含むものとして用いる
こととする。

【００１９】請求項４に記載の本発明による内燃機関の
燃焼制御方法は、複数のシリンダ内で点火若しくは着火
させた燃料を燃焼させて回転軸を回転駆動する多気筒内
燃機関に適用され、各シリンダ内における燃料の点火タ
イミング若しくは燃料噴射タイミングを制御する内燃機
関の燃焼制御システム方法であって、回転軸のねじり角
を計測する回転成分計測工程と、回転成分計工程で計測
したねじり角に基づいて、各シリンダごとの点火タイミ
ング若しくは燃料噴射タイミングを設定する燃焼制御工
程とを含むものである。

【００２０】また、回転成分計測工程では、回転軸に設
定した第１計測点と、この第１計測点から離間するよう
に設定した回転軸の第２計測点との間における回転軸の
相対ねじり角を計測し、燃焼制御工程では、回転成分計
測工程で計測した相対ねじり角に基づいて、各シリンダ
に対応する位置における回転軸のねじり角を算出すると
共に、算出した各シリンダに対応する位置における回転
軸のねじり角に基づいて、各シリンダごとの点火タイミ
ング若しくは燃料噴射タイミングを設定すると好まし
い。

【００２１】更に、回転成分計測工程では、第１計測点
若しくは第２計測点で回転軸が所定角度だけ回転するの
に要する第１周期若しくは第２周期を計測すると共に、
第１計測点と第２計測点との間で回転軸に発生する回転
位相差を計測し、第１周期及び第２周期のうちの何れか
一方と、回転位相差とに基づいて第１計測点と第２計測
点との間における相対ねじり角を算出すると好ましい。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、図面と共に本発明による内
燃機関の燃焼制御システム、及び、内燃機関の燃焼制御
方法の好適な実施形態について詳細に説明する。

【００２３】図１は、本発明による内燃機関の燃焼制御
システム（以下、単に「燃焼制御システム」という）の
ブロック構成図である。同図は、本発明による燃焼制御
システムＣＣＳを、ディーゼルエンジンの燃料噴射タイ
ミングを制御するシステムとして適用した例を示すもの
である。この燃焼制御システムＣＣＳを適用したディー
ゼルエンジンＤは、船舶の推進動力源として用いられる
ものであり、クランク軸Ｓは、連結軸５２を介して、先
端にスクリュープロペラ５０が固定されたプロペラ軸５
１と連結されている。

【００２４】図２に示すように、ディーゼルエンジンＤ
は、複数（この場合、４体）のシリンダＣ１，Ｃ２，Ｃ
３，Ｃ４を有する。各シリンダＣ１〜Ｃ４には、それぞ
れ、吸気弁、排気弁が設けられると共に、蓄圧器（燃料
供給ポンプ）５３に接続された燃料噴射弁（電磁弁）Ｅ
Ｖ１，ＥＶ２，ＥＶ３，ＥＶ４が各１体ずつ取り付けら
れている。また、各シリンダＣ１〜Ｃ４内には、それぞ
れ、ピストンｒ１，ｒ２，ｒ３，ｒ４が配されており、
各ピストンｒ１〜ｒ４は、ピストンロッドを介してクラ
ンク軸Ｓの各クランク部ｓ１、ｓ２、ｓ３、ｓ４と連結
されている。これにより、各燃料噴射弁ＥＶ１〜ＥＶ４
から各シリンダＣ１〜Ｃ４内に重油等の燃料を供給すれ
ば、燃料は圧縮着火して燃焼し、各シリンダＣ１〜Ｃ４
内で各ピストンｒ１〜ｒ４が往復運動する。そして、各
ピストンｒ１〜ｒ４の往復運動に伴って、回転軸として
のクランク軸Ｓが回転駆動されることになる。

【００２５】このようなディーゼルエンジンＤに適用さ
れた燃焼制御システムＣＣＳには、図１に示すように、
回転成分計測装置１が含まれる。この回転成分計測装置
１には、クランク軸Ｓに設定された第１計測点Ｌ１に対
して配され、第１計測点Ｌ１におけるクランク軸Ｓの第
１実回転速度Ｖ１（ｔ）を計測するための第１検出部３
と、クランク軸Ｓに設定された第２計測点Ｌ２に対して
配され、第２計測点Ｌ２におけるクランク軸Ｓの第２実
回転速度Ｖ２（ｔ）を計測するための第２検出部４とが
含まれる。

【００２６】ここで、第１計測点Ｌ１は、図１に示すよ
うに、クランク軸Ｓの一端部（スクリュープロペラ５０
の反対側）に設定され、第２計測点Ｌ２は、第１計測点
Ｌ１から所定距離だけ離間しており、ねじり振動モード
φが第１計測点Ｌ１とは異なるクランク軸Ｓの他端側
（この場合、連結軸５２の端部）に設定される。このよ
うに、第１計測点Ｌ１と第２計測点Ｌ２とをクランク軸
Ｓの両端に設け、各シリンダＣ１〜Ｃ４が両者の間に位
置するように、すなわち、全シリンダＣ１〜Ｃ４を両側
から挟むように設定すると好ましい。

【００２７】図１に示すように、第１検出部３は、クラ
ンク軸Ｓの第１計測点Ｌ１に固定される第１回転体５
と、第１回転体５と対向するように配置される第１検出
器７とからなる。第１回転体５は、金属によって形成さ
れた回転歯車であり、その外周には、所定ピッチ（例え
ば、６°）を隔てて多数の外歯が形成されている。一
方、第１検出器７は、電磁ピックアップ等からなり、ク
ランク軸Ｓと共に回転する第１回転体５の歯先と谷との
間で発生する磁界の変化を利用し、第１回転体５の外歯
が通過するのを検知してパルス信号Ｐ１を発生する。す
なわち、クランク軸Ｓの第１計測点Ｌ１における回転
は、第１検出部３（第１回転体５及び第１検出器７）に
よってパルス変換される。

【００２８】同様に、第２検出部４も、クランク軸Ｓの
第２計測点Ｌ２に固定される第２回転体６と、第２回転
体６と対向するように配置される第２検出器８とからな
る。第２回転体６も、金属によって形成された回転歯車
であり、その外周には、所定ピッチを隔てて多数の外歯
が形成されている。また、第２検出器８も、電磁ピック
アップ等からなり、第１検出器７と同様に、クランク軸
Ｓと共に回転する第２回転体６の歯先と谷との間で発生
する磁界の変化を利用し、第２回転体６の外歯を検知し
てパルス信号Ｐ２を発生する。すなわち、クランク軸Ｓ
の第２計測点Ｌ２における回転も、第２検出部４（第２
回転体６及び第２検出器８）によってパルス変換され
る。

【００２９】なお、第２回転体６の歯数ｎ２と、第１回
転体５の歯数ｎ１とを一致させる必要はなく、例えば、
歯数ｎ２を歯数ｎ１の整数倍等に設定してもよいが、こ
の燃焼制御システムＣＣＳでは、演算処理の容易性に鑑
みて、第１回転体５の歯数ｎ１と第２回転体６の歯数ｎ
２とを同数に設定している。また、この燃焼制御システ
ムＣＣＳでは、ディーゼルエンジンＤのクランク軸Ｓに
設けられるフライホイールを第２回転体６として兼用し
ている。更に、第１検出部３及び第２検出部４として
は、ロータリーエンコーダ等の光学式検出器を用いるこ
とも可能である。

【００３０】回転成分計測装置１は、第１検出部３から
送出されるパルス信号Ｐ１と、第２検出部４から送出さ
れるパルス信号Ｐ２とに基づいてディーゼルエンジンＤ
に含まれて回転駆動されるクランク軸Ｓの回転成分のう
ち、ねじり角（相対ねじり角）θ、真回転速度（真回転
数）Ｖ（ｔ）、ねじり振動成分（ねじり振動のモーダル
応答）ｙ（ｔ）を計測可能なものである。回転成分計測
装置１が計測する各種回転成分のうち、この燃焼制御シ
ステムＣＣＳでは、ねじり角（相対ねじり角）θが制御
パラメータとして用いられる。

【００３１】燃焼制御システムＣＣＳは、図１に示すよ
うに、回転成分計測装置１と接続されており、燃料噴射
のタイミングを制御する制御装置３０を含む。回転成分
計測装置１からは、ねじり角（相対ねじり角）θを示す
信号が制御装置３０に対して連続的に送出される。制御
装置３０は、演算器３１を有し、回転成分計測装置１の
出力信号は、この演算器３１によって受け取られる。演
算器３１は、回転成分計測装置１の出力信号に示されて
いる値にディーゼルエンジンＤのシリンダ数（この場
合、４体）に応じた数だけ所定の係数を乗じる演算処理
を行い、演算結果を示す信号をシリンダ数に応じた数だ
け出力する。

【００３２】演算器３１には、遅延回路３２が接続され
ており、この遅延回路３２は、演算器３１の出力信号に
示された値に基づく所定の信号をシリンダ数に応じた数
だけ出力する。遅延回路３２は、主制御部３３と接続さ
れており、主制御部３３は、各シリンダＣ１〜Ｃ４に設
けられている各燃料噴射弁ＥＶ１〜ＥＶ４と接続されて
いる。主制御部３３は、ディーゼルエンジンＤの回転速
度（真回転速度Ｖ（ｔ）を用いると好ましい）及び負荷
の少なくとも何れか一方に基づいて、各シリンダＣ１〜
Ｃ４について燃料の噴射タイミングを設定する設定器
（図示せず）を有しており、この設定器から発せられる
信号と、遅延回路３２から受け取った信号とに基づいて
各燃料噴射弁ＥＶ１〜ＥＶ４を開閉させる。

【００３３】次に、本発明による燃焼制御システムＣＣ
Ｓに含まれる回転成分計測装置１について説明する。図
３は、回転成分計測装置１のブロック構成図であり、同
図に示すように、回転成分計測装置１は、第１検出部３
及び第２検出部４を含む計測ブロック２と、計測ブロッ
ク２による計測値を演算処理してクランク軸Ｓの各種回
転成分を算出する演算ブロック２０とに大別される。

【００３４】計測ブロック２には、第１検出部３の第１
検出器７に接続された第１波形整形器９と、第１波形整
形器９に接続された第１カウンタ１１とが含まれる。第
１検出器７によって発生されたパルス信号Ｐ１は、第１
波形整形器９によって矩形波状に整形された後（図４参
照）、第１カウンタ１１に送られる。同様に、計測ブロ
ック２には、第２検出部４の第２検出器８に接続された
第２波形整形器１０と、第２波形整形器１０に接続され
た第２カウンタ１２とが含まれる。第２検出器８によっ
て発生されたパルス信号Ｐ２も、第２波形整形器１０に
よって矩形波状に整形された後（図５参照）、第２カウ
ンタ１２に送られる。

【００３５】第１カウンタ１１には、図３に示すよう
に、例えば、１ＭＨｚの高周波パルス信号を発生する高
周波基準信号発生器１４が接続されている。第１カウン
タ１１は、第１検出器７から第１波形整形器９を介して
受け取るパルス信号Ｐ１をゲート信号として作動し、一
旦パルス信号Ｐ１を受け取ってから次のパルス信号Ｐ１
を受け取るまでの間、高周波基準信号発生器１４から受
け取った高周波パルス信号をカウントする。同様に、第
２カウンタ１２にも、高周波基準信号発生器１４が接続
されており、第２カウンタ１２は、第２検出器８から第
２波形整形器１０を介して受け取るパルス信号Ｐ２をゲ
ート信号として作動し、一旦パルス信号Ｐ２を受け取っ
てから次のパルス信号Ｐ２を受け取るまでの間、高周波
基準信号発生器１４から受け取った高周波パルス信号を
カウントする。

【００３６】また、計測ブロック２には、第３カウンタ
１３が含まれている。第３カウンタ１３は、第１波形整
形器９、第２波形整形器１０、及び、高周波基準信号発
生器１４と接続されている。第３カウンタ１３は、第１
波形整形器９及び第２波形整形器１０を介して、第１検
出器７及び第２検出器８から受け取ったパルス信号Ｐ
１，Ｐ２をゲート信号として作動し、パルス信号Ｐ１を
受け取ってから、パルス信号Ｐ２を受け取るまでの間、
高周波基準信号発生器１４から受け取った高周波パルス
信号をカウントするものである。

【００３７】第３カウンタ１３は、演算ブロック２０に
含まれるねじり角演算器２１に接続されている。そし
て、第３カウンタ１３は、カウント数を示す信号をねじ
り角演算器２１に与える。また、ねじり角演算器２１に
は、計測ブロック２の第２カウンタ１２が接続されてお
り、第２カウンタ１２は、カウント数を示す信号を、ね
じり角演算器２１に与える。ねじり角演算器２１は、第
２カウンタ１２の出力信号と、第３カウンタ１３の出力
信号とに基づいて所定の演算を行い、第１計測点Ｌ１と
第２計測点Ｌ２との間におけるクランク軸Ｓの相対ねじ
り角θを算出する。なお、ねじり角演算器２１と第２カ
ウンタ１２とを接続する代わりに、ねじり角演算器２１
と第１カウンタ１１とを接続してもよい。

【００３８】なお、この回転成分計測装置１の計測ブロ
ック２には、第１演算器１５と、第２演算器１６とが更
に含まれている。第１演算器１５は、第１カウンタ１１
に接続されており、第１カウンタ１１は、カウント数を
示す信号を第１演算器１５に与える。第１演算器１５
は、第１カウンタ１１から信号を受け取ると、第１カウ
ンタ１１が計数したカウント数の逆数を算出する。ま
た、第２演算器１６は、第１カウンタ１２に接続されて
おり、第２カウンタ１２は、カウント数を示す信号を第
２演算器１６に与える。第２演算器１６は、第２カウン
タ１２から信号を受け取ると、第２カウンタ１２が計数
したカウント数の逆数を算出する。

【００３９】これらの第１演算器１５と第２演算器１６
とは、それぞれ、演算ブロック２０に含まれる副演算器
２２に接続されている。第１演算器１５は、第１カウン
タ１１が計数したカウント数の逆数を示す信号を、第２
演算器１６は、第２カウンタ１２が計数したカウント数
の逆数を示す信号を、演算ブロック２０の副演算器２２
に与える。副演算器２２は、第１演算器１５と第２演算
器１６とから受け取った信号に基づいて所定の演算を行
い、真回転速度Ｖ（ｔ）と、ねじり振動成分ｙ（ｔ）と
を算出可能なものである。従って、副演算器２２によっ
て算出された真回転速度Ｖ（ｔ）と、ねじり振動成分ｙ
（ｔ）とを、ディーゼルエンジンＤの制御パラメータと
して用いることも可能である。

【００４０】以下、上述した燃焼制御システムＣＣＳに
よるディーゼルエンジンＤの燃焼制御手順（燃焼制御方
法）について説明する。

【００４１】燃焼制御システムＣＣＳを用いる場合、デ
ィーゼルエンジンＤのクランク軸Ｓに対して、回転成分
計測装置１の計測ブロック２を配する。すなわち、クラ
ンク軸Ｓの第１計測点Ｌ１には、第１検出部３に含まれ
る第１回転体５を固定し、第１計測点Ｌ１から離間する
クランク軸Ｓの第２計測点Ｌ２には、第２検出部４に含
まれる第２回転体６を固定する。この際、第２回転体６
は、何れか１の外歯の延在方向（深さ方向）が、第１回
転体５に含まれる何れか１の外歯の延在方向（深さ方
向）と一致する状態でクランク軸Ｓに固定される。ま
た、第１検出器７は、第１回転体５と対向するように配
置され、第２検出器８は、第２回転体６と対向するよう
に配置される。

【００４２】この状態からディーゼルエンジンＤを作動
させてクランク軸Ｓを回転駆動した場合、クランク軸Ｓ
にねじり振動が発生しなければ、クランク軸Ｓの第１計
測点Ｌ１における第１実回転速度Ｖ１（ｔ）と、第２計
測点Ｌ２における第２実回転速度Ｖ２（ｔ）とは、いず
れも図４に示すように一定となって両者は一致するはず
である。そして、この場合は、第１検出器７と第２検出
器８とからは、パルス信号Ｐ１，Ｐ２が同一間隔（同一
周期）で発せられることになる。

【００４３】しかしながら、実際には、クランク軸Ｓの
任意の箇所で、図５に示すようなねじり振動が発生し、
クランク軸Ｓから直接計測される第１実回転速度Ｖ１
（ｔ）と、第２実回転速度Ｖ２（ｔ）とには、図６に示
すように、ねじりの影響を除外した正味の回転速度であ
る真回転速度Ｖ（ｔ）と、ねじり振動成分ｙ（ｔ）とが
含まれる。このため、クランク軸Ｓの表面には、いわゆ
る回転速度むらが表出するので、第１検出部３の第１検
出器７から発せられるパルス信号Ｐ１と、第２検出部４
の第２検出器８から発せられるパルス信号Ｐ２とを波形
化すると、図７に示すように、第１計測点Ｌ１に対応す
る第１パルス波Ｗ１の周期Ｔ１と、第２計測点Ｌ２に対
応する第２パルス波Ｗ２の周期Ｔ２とは異なる値とな
る。

【００４４】ここで、高周波基準信号発生器１４が発す
る高周波パルス信号の周期は一定であるから、第１カウ
ンタ１１のカウント数は、実質的に、パルス信号Ｐ１を
波形化することにより得られる第１パルス波Ｗ１の周期
Ｔ１に相当し、第２カウンタ１２のカウント数は、実質
的に、パルス信号Ｐ２を波形化することにより得られる
第２パルス波Ｗ２の周期Ｔ２に相当することになる。こ
の結果、第１カウンタ１１は、周期計測手段として機能
し、第１パルス波Ｗ１の周期Ｔ１、すなわち、第１計測
点Ｌ１においてクランク軸Ｓが２π／ｎ１（ｒａｄ）だ
け回転するのに要する時間（第１周期）を計測すること
になる。同様に、第２カウンタ１２も、周期計測手段と
して機能し、第２パルス波Ｗ２の周期Ｔ２、すなわち、
第２計測点Ｌ２においてクランク軸Ｓが２π／ｎ２（ｒ
ａｄ）だけ回転するのに要する時間（第２周期）を計測
することになる。

【００４５】一方、クランク軸Ｓにねじり振動が発生す
ると、クランク軸Ｓの第１計測点Ｌ１と第２計測点Ｌ２
との間には、回転位相差が生じることになる。これに起
因して、パルス信号Ｐ１とパルス信号Ｐ２とを波形化す
ると、第１パルス波Ｗ１と第２パルス波Ｗ２との間に
は、図７に示すように、位相差△Ｔが生じる。この位相
差△Ｔは、第１カウンタ１１に対するパルス信号Ｐ１の
入力タイミングと、第２カウンタ１２に対するパルス信
号Ｐ２の入力タイミングとの時間差、すなわち、第１カ
ウンタ１１による第１周期（Ｔ１）の計測タイミング
と、第２カウンタ１２による第２周期（Ｔ２）の計測タ
イミングのずれとして第３カウンタ１３によって計測さ
れることになる。このように第３カウンタ１３は、クラ
ンク軸Ｓの第１計測点Ｌ１と第２計測点Ｌ２との間にお
ける回転位相差（△Ｔ）を計測する位相差計測手段とし
て機能する。

【００４６】従って、第３カウンタ１３から演算ブロッ
ク２０のねじり角演算器２１に与えられる信号には、ク
ランク軸Ｓの第１計測点Ｌ１と第２計測点Ｌ２との間の
回転位相差（△Ｔ）が示されている。また、第２カウン
タ１２からねじり角演算器２１に与えられる信号には、
第２パルス波Ｗ２の周期Ｔ２、すなわち、第２計測点Ｌ
２においてクランク軸Ｓが２π／ｎ２（ｒａｄ）だけ回
転するのに要する時間（第２周期）が示されている。演
算ブロック２０のねじり角演算器２１は、第２カウンタ
１２と第３カウンタ１３とから受け取った信号に基づい
て、回転位相差を第２周期で除する。すなわち、ねじり
角演算器２１は、△Ｔ／Ｔ２なる値を算出する。ここ
で、回転位相差（△Ｔ）を第２周期（Ｔ２）で除するこ
とにより得られた値は、第１計測点Ｌ１と第２計測点Ｌ
２との間におけるクランク軸Ｓの相対ねじり角θ（第２
計測点Ｌ２に対する第１計測点Ｌ１のねじり角）に比例
するものである。この結果、クランク軸Ｓの相対ねじり
角θが容易かつ的確に算出されることになる。

【００４７】回転成分計測装置１は、ディーゼルエンジ
ンＤの運転中、第１計測点Ｌ１と第２計測点Ｌ２との間
におけるクランク軸Ｓの相対ねじり角θを計測（算出）
し、計測（算出）した相対ねじり角θを示す信号を制御
装置３０に与える。そして、制御装置３０は、回転成分
計測装置１から受け取った信号に基づいて、各シリンダ
Ｃ１〜Ｃ４に設けられている各燃料噴射弁ＥＶ１〜ＥＶ
４の作動時期（燃料の噴射タイミング）を、各シリンダ
Ｃ１〜Ｃ４ごとに設定する。すなわち、制御装置３０の
演算器３１は、回転成分計測装置１から受け取った信号
に示される相対ねじり角θに、クランク軸Ｓの各シリン
ダＣ１〜Ｃ４に対応する位置Ｘ１〜Ｘ４（図２参照）ご
とに定められた係数である、ねじり角モードβ１，β
２，β３，β４を乗じる演算処理を行う。

【００４８】ここで、ディーゼルエンジンＤのクランク
軸Ｓのねじり剛性は、設計段階で計算によって求めるこ
とができるものであり、計算値と実測値とが概ね一致す
ることは経験的に知られている。また、各シリンダＣ１
〜Ｃ４に対応する位置Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４でクラン
ク軸Ｓに加わる回転力（各ピストンｒ１〜ｒ２の往復運
動によってクランク軸Ｓに作用する力）も設計段階で計
算によって求めることができる。そして、これらから、
回転成分計測装置１によって算出された相対ねじり角θ
と、各シリンダＣ１〜Ｃ４に対応する位置Ｘ１〜Ｘ４に
おけるクランク軸Ｓのねじり角との関係を規定する関係
式（図２の曲線β参照）も計算によって求めることが可
能である。従って、このような関係式から、ねじり角モ
ードβ１〜β４を各シリンダＣ１〜Ｃ４ごとに定めるこ
とができるので、クランク軸Ｓの各シリンダＣ１〜Ｃ４
に対応する位置Ｘ１〜Ｘ４におけるねじり角も容易に定
められることになる。

【００４９】制御装置３０の演算器３１は、このような
演算処理を行い、回転成分計測装置１によって計測され
た相対ねじり角θに基づいて、各シリンダＣ１〜Ｃ４に
対応する位置Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４におけるクランク
軸Ｓのねじり角を、それぞれ、β１・θ，β２・θ，β
３・θ，β４・θとして算出する。そして、演算器３１
は、ディーゼルエンジンＤのシリンダ数に応じた数の信
号、すなわち、（β１・θ）なる値を示す信号、（β２
・θ）なる値を示す信号、（β３・θ）なる値を示す信
号、（β４・θ）なる値を示す信号を遅延回路３２に与
える。

【００５０】制御装置３０の遅延回路３２は、演算器３
１から受け取った各信号に示されている値に所定の係数
を乗じる等の演算処理を行い、設定器によって設定され
ている各シリンダＣ１〜Ｃ４についての噴射タイミング
を遅延又は早めるための補正時間（補正成分）を算出す
る。そして、遅延回路３２は、演算結果を示す信号をシ
リンダ数に応じた数だけ主制御部３３に与える。主制御
部３３は、遅延回路３２から受け取った信号と、図示し
ない設定器から発せられる信号とに基づいて各燃料噴射
弁ＥＶ１〜ＥＶ４を開閉させる。

【００５１】これにより、制御装置３０によって、各シ
リンダＣ１〜Ｃ４ごとの点火タイミング、すなわち、各
シリンダＣ１〜Ｃ４内における圧縮着火のタイミング
が、クランク軸Ｓのねじり角、すなわち、各シリンダＣ
１〜Ｃ４に対応する位置Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４におけ
るクランク軸Ｓのねじり角を相殺するように設定される
ことになる。この結果、多気筒内燃機関としてのディー
ゼルエンジンＤが適切に制御されることになり、ディー
ゼルエンジンＤの効率を向上させることが可能となると
共に、ねじり振動に起因する大きなねじり応力の発生を
低減することができる。

【００５２】なお、回転成分計測装置１による真回転速
度Ｖ（ｔ）、ねじり振動成分ｙ（ｔ）の算出手順につい
ても併せて説明する。この場合、第１演算器１５が算出
する値は、第１カウンタ１１が計数したカウント数の逆
数であるが、かかる値は、第１パルス波Ｗ１の周期Ｔ１
の逆数、すなわち、第１計測点Ｌ１における第１実回転
速度Ｖ１（ｔ）に比例する。更に、第２演算器１６が算
出する値は、第２カウンタ１２が計数したカウント数の
逆数であるが、かかる値は、第２パルス波Ｗ２の周期Ｔ
２の逆数、すなわち、第２計測点Ｌ２における第２実回
転速度Ｖ２（ｔ）に比例する。従って、第１演算器１５
による演算結果及び第２演算器１６による演算結果（ま
たは、これらに適宜定数を乗じた値）を、第１計測点Ｌ
１におけるクランク軸Ｓの第１実回転速度Ｖ１（ｔ）及
び、第２計測点Ｌ２におけるクランク軸Ｓの第２実回転
速度Ｖ２（ｔ）として用いることができる。計測ブロッ
ク２は、このような手順で、クランク軸Ｓの複数箇所
（第１計測点Ｌ１及び第２計測点Ｌ２）における実回転
速度Ｖ１（ｔ）、Ｖ２（ｔ）を算出する。

【００５３】このようにして、クランク軸Ｓの複数箇所
における実回転速度Ｖ１（ｔ）、Ｖ２（ｔ）が求められ
ると、真回転速度Ｖ（ｔ）と、ねじり振動成分ｙ（ｔ）
とを未知数とする次のような連立方程式を立てることが
できる。 Ｖ１（ｔ）＝Ｖ（ｔ）＋φ１・ｙ（ｔ） …（１） Ｖ２（ｔ）＝Ｖ（ｔ）＋φ２・ｙ（ｔ） …（２） そして、上記（１）及び（２）式からなる連立方程式の
解である真回転速度Ｖ（ｔ）と、ねじり振動成分ｙ
（ｔ）とは、 Ｖ（ｔ）＝Ｋ１・Ｖ１（ｔ）−Ｋ２・Ｖ２（ｔ） …（３） ｙ（ｔ）＝｛Ｖ１（ｔ）−Ｖ２（ｔ）｝／｛φ１−φ２｝ …（４） として表せる。なお、Ｋ１及びＫ２は、ねじり振動モー
ドφ１とφ２とによって表される定数であり、 Ｋ１＝１／｛１−φ１／φ２｝ …（５） Ｋ２＝｛φ１／φ２｝／｛１−φ１／φ２｝ …（６） として求めることができる。演算ブロック２０の副演算
器２２は、第１演算器１５及び第２演算器１６から受け
取った信号によって示される第１実回転速度Ｖ１（ｔ）
及び第２実回転速度Ｖ２（ｔ）を、上記（３）及び
（４）式に代入し、真回転速度Ｖ（ｔ）とねじり振動成
分ｙ（ｔ）とを算出する。このように、回転成分計測装
置１によれば、クランク軸Ｓの各種回転成分のうち、真
回転速度Ｖ（ｔ）及びねじり振動成分ｙ（ｔ）をも容易
かつ的確に求めることができる。

【００５４】なお、本実施形態では、回転軸Ｓの２箇所
における実回転速度Ｖ１（ｔ）、Ｖ２（ｔ）を計測して
いるが、これに限られるものではなく、回転軸Ｓの３箇
所（異なるねじり振動モードを有する３箇所）以上につ
いて実回転速度を計測してもよい。これにより、算出さ
れるねじり角等の精度を向上させることができる。

【００５５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
次のような効果を得ることができる。すなわち、多気筒
内燃機関の回転軸のねじり角を計測すると共に、計測し
たねじり角に基づいて、各シリンダごとの点火タイミン
グ若しくは燃料噴射タイミングを設定することにより、
各シリンダ内における燃料の点火タイミング若しくは燃
料噴射タイミングを、回転軸のねじり角を相殺するよう
に設定することが可能となる。従って、多気筒内燃機関
が適切に制御されることになり、多気筒内燃機関の効率
を向上させることが可能となると共に、ねじり振動に起
因する大きなねじり応力の発生を低減することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による内燃機関の燃焼制御システムのブ
ロック構成図である。

【図２】本発明による内燃機関の燃焼制御システムが適
用される多気筒内燃機関の一例を説明する模式図であ
る。

【図３】回転成分計測装置のブロック構成図である。

【図４】クランク軸Ｓにねじり振動が発生しないと仮定
した場合の実回転速度を説明するための図表である。

【図５】クランク軸Ｓに発生したねじり振動を説明する
ための図表である。

【図６】クランク軸Ｓの実回転速度を説明するための図
表である。

【図７】クランク軸Ｓの回転をパルス変化することによ
って得られるパルス信号のタイムチャートである。

【符号の説明】

ＣＣＳ…燃焼制御システム、１…回転成分計測装置、２
…計測ブロック、３…第１検出部、４…第２検出部、５
…第１回転体、６…第２回転体、７…第１検出器、８…
第２検出器、９…第１波形整形器、１０…第２波形整形
器、１１…第１カウンタ、１２…第２カウンタ、１３…
第３カウンタ、１４…高周波基準信号発生器、２０…演
算ブロック、２１…ねじり角演算器、３０…制御装置、
３１…演算器、３２…遅延回路、３３…主制御部、Ｃ
１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４…シリンダ、Ｄ…ディーゼルエン
ジン（多気筒内燃機関）、ＥＶ１，ＥＶ２，ＥＶ３，Ｅ
Ｖ４…燃料噴射弁、Ｌ１…第１計測点、Ｌ２…第２計測
点、Ｐ１，Ｐ２…パルス信号、Ｓ…クランク軸（回転
軸）、Ｔ１…第１パルス波の周期（第１周期）、Ｔ２…
第２パルス波の周期（第２周期）、△Ｔ…第１パルス波
と第２パルス波との位相差（回転位相差）、Ｗ１…第１
パルス波、Ｗ２…第２パルス波、β１，β２，β３，β
４…ねじり角モード、θ…相対ねじり角（ねじり角）。

フロントページの続き (72)発明者 満山 慶明 長崎県長崎市深堀町五丁目717番１号 三 菱重工業株式会社長崎研究所内 (72)発明者 細川 直史 兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１ 号 三菱重工業株式会社神戸造船所内 Ｆターム(参考） 2F063 AA34 AA35 CA09 DA01 DA04 DB07 DC08 DD03 GA52 GA69 LA08 LA15 3G022 AA03 DA01 DA02 EA07 GA05 3G084 AA01 AA03 AA08 BA15 BA17 DA02 DA19 EA01 EA04 FA34 3G301 HA01 HA02 HA26 JA02 JA05 MA18 NE11 NE12 PE02Z

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のシリンダ内で点火若しくは着火さ
   せた燃料を燃焼させて回転軸を回転駆動する多気筒内燃
   機関に適用され、前記各シリンダ内における燃料の点火
   タイミング若しくは燃料噴射タイミングを制御する内燃
   機関の燃焼制御システムであって、 前記回転軸のねじり角を計測する回転成分計測手段と、 前記回転成分計測手段によって計測された前記ねじり角
   に基づいて、前記各シリンダごとの点火タイミング若し
   くは燃料噴射タイミングを設定する制御手段とを備える
   ことを特徴とする内燃機関の燃焼制御システム。
2. 【請求項２】 前記回転成分計測手段は、前記回転軸に
   設定された第１計測点と、この第１計測点から離間する
   ように設定された前記回転軸の第２計測点との間におけ
   る前記回転軸の相対ねじり角を計測し、 前記制御手段は、前記回転成分計測手段によって計測さ
   れた前記相対ねじり角に基づいて、前記各シリンダに対
   応する位置における前記回転軸のねじり角を算出し、算
   出した前記各シリンダに対応する位置における前記回転
   軸のねじり角に基づいて、前記各シリンダごとの点火タ
   イミング若しくは燃料噴射タイミングを設定することを
   特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃焼制御システ
   ム。
3. 【請求項３】 前記回転成分計測手段は、 前記第１計測点若しくは前記第２計測点で前記回転軸が
   所定角度だけ回転するのに要する第１周期若しくは第２
   周期を計測する周期計測手段と、 前記第１計測点と前記第２計測点との間で前記回転軸に
   発生する回転位相差を計測する位相差計測手段と、 前記周期計測手段によって計測された前記第１周期及び
   前記第２周期のうちの何れか一方と、前記位相差計測手
   段によって計測された前記回転位相差とに基づいて前記
   相対ねじり角を算出するねじり角演算手段とを備えるこ
   とを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の燃焼制御シ
   ステム。
4. 【請求項４】 複数のシリンダ内で点火若しくは着火さ
   せた燃料を燃焼させて回転軸を回転駆動する多気筒内燃
   機関に適用され、前記各シリンダ内における燃料の点火
   タイミング若しくは燃料噴射タイミングを制御する内燃
   機関の燃焼制御方法であって、 前記回転軸のねじり角を計測する回転成分計測工程と、 前記回転成分計工程で計測した前記ねじり角に基づい
   て、前記各シリンダごとの点火タイミング若しくは燃料
   噴射タイミングを設定する燃焼制御工程とを含む内燃機
   関の燃焼制御方法。
5. 【請求項５】 前記回転成分計測工程では、前記回転軸
   に設定した第１計測点と、この第１計測点から離間する
   ように設定した前記回転軸の第２計測点との間における
   前記回転軸の相対ねじり角を計測し、 前記燃焼制御工程では、前記回転成分計測工程で計測し
   た前記相対ねじり角に基づいて、前記各シリンダに対応
   する位置における前記回転軸のねじり角を算出すると共
   に、算出した前記各シリンダに対応する位置における前
   記回転軸のねじり角に基づいて、前記各シリンダごとの
   点火タイミング若しくは燃料噴射タイミングを設定する
   ことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の燃焼制御
   方法。
6. 【請求項６】 前記回転成分計測工程では、前記第１計
   測点若しくは前記第２計測点で前記回転軸が所定角度だ
   け回転するのに要する第１周期若しくは第２周期を計測
   すると共に、前記第１計測点と前記第２計測点との間で
   前記回転軸に発生する回転位相差を計測し、前記第１周
   期及び前記第２周期のうちの何れか一方と、前記回転位
   相差とに基づいて前記相対ねじり角を算出することを特
   徴とする請求項５に記載の内燃機関の燃焼制御方法。