JP2006257949A - 燃料噴射システム - Google Patents

Abstract

【課題】 エンジンの始動性は、燃料噴射時期が進角側にあるほど良いことが一般的に知られている。
しかし、従来の燃料噴射システムおいてエンジンの停止処理が行われると、燃料噴射時期を決定するタイマピストンは、該停止処理が行われたときの位置に留まることとなる。
そのため、次回のエンジン始動時において、該タイマピストンが進角側にない場合が多く、始動性が悪い場合があった。
【解決手段】 ＥＣＭ２１は、タイマピストン５２を進角側へ移動させ、実位相差Ｃが停止時目標位相差Ｚに達したときに、燃料噴射ポンプ４０の燃料噴射を停止させることによって、エンジン２０を停止させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、エンジンのシリンダに対する燃料噴射時期を制御する制御手段を具備する燃料噴射システムに関するものである。

従来のディーゼルエンジンにおいては、燃料噴射ポンプにおける燃料噴射の駆動源であって燃料噴射時期を決定するカム軸の位相と、エンジンのクランク軸の位相とは、ある位相差をもって運転されている。
この位相差をエンジンの状態に合わせて進角側又は遅角側となるように変化させることによって、効率良くエンジンを運転することが可能となる。
この燃料噴射ポンプのカム軸の位相を変化させる装置としては、油圧式タイマユニットが知られており、例えば下記特許文献１に示すようなものがある。
該油圧式タイマユニットには、燃料噴射ポンプのカム軸に固設されるカム軸カップリングと、クランク軸の回転が伝達されるポンプ駆動歯車との間に、両軸の位相角を変化するためのタイマピストン（「シャトルピストン」とも称される場合がある）が設けられている。
これらは、カム軸カップリングの外周面にストレートでスプライン嵌合するようにタイマピストンが設けられ、更に該タイマピストンの外周面にヘリカルでスプライン嵌合するようにポンプ駆動歯車が設けられている。
この構成により、タイマピストンをカム軸カップリングのスプライン方向に摺動させることで、カム軸カップリングとポンプ駆動歯車との位相差を変化させることが可能となる。
また、このタイマピストンの摺動は油圧で行われており、該油圧の制御はエンジンを制御するＥＣＭが行っている。
したがって、ＥＣＭが、エンジンの状況に応じてタイマピストンを進角側又は遅角側に制御することによって、燃料の噴射時期を適切にすることができる。
特開２００４−２１８６３６号公報

ところで、上述のような燃料噴射システムにおいて、エンジンを停止させる処理は、例えば、操作者によってキースイッチ等の操作部が停止操作なされることにより、ＥＣＭがエンジンに対する燃料噴射を停止することによってエンジンを停止させる。
従来、この停止処理において、タイマピストンは、操作者によって停止操作がなされたときの位置、或いは、燃料噴射が停止するときの位置で停止することになる。
即ち、タイマピストンはエンジンを通常運転している時の位置に留まることとなる。
また、タイマピストンは一般的に油圧制御されるため、エンジン始動時にはタイマピストンを制御することができない。
そのため、エンジン始動時においても、タイマピストンは上述の停止処理が行われた位置（即ち、上述のエンジンを通常運転している時の位置）にあることになる。
しかしながら、エンジンを始動させる場合には、燃料噴射時期を進角側で始動させた方が始動特性が良いことが一般的に知られている。
そのため、従来の燃料噴射システムは、エンジンを始動させる場合の始動性が必ずしも良くないため、セルモータの動作時間が長くなり、バッテリの負荷が大きくなる問題があった。
そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、エンジンの始動性を向上させる燃料噴射システムを提供することである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

請求項１においては、エンジンのシリンダに対する燃料噴射時期を制御する制御手段を具備する燃料噴射システムにおいて、前記制御手段は、エンジンの停止処理要求があった場合に、燃料噴射時期を進角させて前記停止処理を行うものである。

請求項２においては、燃料噴射時期をタイマピストンで変化させるものである。

請求項３においては、燃料噴射時期を進角させる場合に、制御手段はエンジンのクランク軸に対する燃料噴射時期の位相差を所定の位相差以上となるように制御するものである。

請求項４においては、エンジンを緊急停止させる場合には、前記制御手段は燃料噴射時期を進角側に変化する処理を行わずに前記停止処理を行うものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１の構成により、エンジンの停止時に、燃料噴射時期をエンジンの始動性が良い進角側で停止させることとなり、次回エンジンを始動させる際の始動性が良くなるので、従来よりもセルモータの始動時間を短くすることが可能となって、バッテリの負荷を軽減することが可能となる。

請求項２の構成により、従来から用いられるタイマピストンを利用することができるので、低コスト化を図ることが可能となる。

請求項３の構成により、エンジンの始動性が良いとされる位相差を制御手段に具体的に設定することが可能となる。

請求項４の構成により、エンジン等に異常が発生して緊急停止させる必要がある場合に、燃料噴射時期を進角側にする処理を行わないので、エンジンを緊急停止させることが可能となる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について説明し、本発明の理解に供する。尚、以下の本発明を実施するための最良の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
図１は燃料噴射システムの概略構成を示したブロック図、図２は燃料噴射ポンプとそれに関連する装置等の概略構成図、図３はクランク軸パルス、カム軸パルス、及び燃料噴射時期の関係を示した図、図４はエンジンを停止させる際に行う一連の処理の一例を示したフローチャート、図５はキースイッチの状態、実位相差、燃料噴射の状態、及びエンジン回転数の関係を示した図、である。

＜概略構成＞
先ず、図１を用いて本発明の燃料噴射システム１の概略構成について説明する。
尚、ここで説明する燃料噴射システム１は、例えば船舶が具備するエンジンの燃料噴射ポンプの制御システムとして採用する場合について説明するが、本システムを利用することで同様の効果が得られるものであれば如何なるものに採用しても良い。
燃料噴射システム１は、図１に示すように、操作部１０とエンジン２０とに大別される。
操作部１０は、船舶の運転室に設けられるものであって、例えば表示部１１、主スロットル１２、副スロットル１３等が設けられるものである。
表示部１１は、本システムを採用する船舶の状態や警告等を表示するものであり、スピーカ等を内臓することによって音声による警告を発することも可能なものである。
主スロットル１２は、例えばエンジン２０のスロットルバルブ２９を操作するものであって船舶が正常運転状態である場合に操作されるものであり、例えばレバー式のものである。
また、エンジン２０を起動するためのキースイッチ１２ａが、主スロットル１２と一体的に又は別途操作部１０に設けられる。
副スロットル１３は、主スロットル１２と同様にスロットルバルブ２９を操作するものであるが、船舶が正常運転状態でない場合に操作されるものである点で主スロットル１２とは使用態様が異なる。また、この副スロットル１３の形状は、例えばつまみ式（ボリューム式）のスイッチである。
また、表示部１１及び主スロットル１２は各々独自の制御部を具備しており、エンジン２０側の制御部であるＥＣＭ２１（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｍｏｄｕｌｅ）と通信することによって、操作部１０とエンジン２０との全体制御を行っている。
尚、操作部１０とエンジン２０とでプロトコル等の通信方式が異なる場合には、図１に示すように通信方式の整合を図るための通信中継器１５を設ける。
また、副スロットル１３は、エンジン２０側のＥＣＭ２１に直接接続される構成となっており、通信方式はエンジン２０側と同じである。
エンジン２０は、例えばディーゼルエンジンであり、ＥＣＭ２１、クランク軸回転数センサ２２、カム軸回転数センサ２３、遅角用電磁弁２４、進角用電磁弁２５、ラック２８等が設けられるものである。
ＥＣＭ２１は、エンジン２０に関するセンサや上述した操作部１０等の操作系の状態に基づいて、エンジン２０に関するアクチュエータ等を制御するものである。
クランク軸回転数センサ２２は、エンジン２０のクランク軸の回転数を検出するものであって、その検出結果をクランク軸パルスとしてＥＣＭ２１に出力している。
即ち、エンジン２０の回転数は、クランク軸回転数センサ２２を用いて検出することは可能である。
カム軸回転数センサ２３は、エンジン２０のカム軸の回転数を検出するものであって、その検出結果をカム軸パルスとしてＥＣＭ２１に出力している。
また、クランク軸回転数センサ２２及びカム軸回転数センサ２３は光学センサで構成することが可能であり、例えばクランク軸やカム軸の軸自体又はギヤ等に予め製造時に所定間隔で所定数のマークを記しておくことで、このマークを上記光学センサ検出することによって、ＥＣＭ２１はクランク軸とカム軸４１の回転数を算出することができる。
遅角用電磁弁２４及び進角用電磁弁２５は、図２に示すような燃料噴射ポンプ４０のカム軸の位相を変化させるための油圧式タイマユニットのタイマピストンを、進角側又は遅角側に摺動させる油圧を制御するための油圧制御弁である。
ラック２８は、燃料噴射ポンプ４０から噴射する燃料の量を調節するものである。

＜燃料噴射ポンプ＞
次に、図２を用いて燃料噴射ポンプ４０とそれに関連する装置等の概略構成について説明する。
尚、この図２における油圧式タイマユニット５０に関しては断面を示している。
特に、タイマピストン５２に関しては便宜的に一点鎖線で上下に２分割した状態で示しており、遅角側位置に移動した状態をタイマピストン５２ａで示し、他方、進角側位置に移動した状態をタイマピストン５２ｂで示している。
勿論、実際のタイマピストン５２は、上述のように一点鎖線で２分割されるものではなく一体的に形成されるものであって、図２においてはあくまでもタイマピストン５２の移動状態を説明するために一点鎖線で２分割しているのである。
燃料噴射ポンプ４０は、燃料タンクに貯蔵される燃料をエンジン２０のシリンダに設けた噴射ノズルへ圧送するためのものであり、カム軸４１により駆動され、該カム軸４１の先端部分にはカム軸カップリング５１をカム軸４１に固定するためのカップリング固定部材４２が固設されている。
また、燃料噴射ポンプ４０には、エンジン２０のシリンダへ燃料を供給するための供給口４３が気筒分設けられており、図２に示す例においては６気筒ある場合を示している。
更に、燃料噴射ポンプ４０には、ガバナ３０及び油圧式タイマユニット５０が一体的に設けられている。
ガバナ３０は、上記ラック２８を具備し、該ラック２８はＥＣＭ２１によって駆動制御される比例ソレノイドによって駆動される構造となっている。
油圧式タイマユニット５０は、カム軸カップリング５１の外周面にストレートでスプライン嵌合するタイマピストン５２が設けられており、更に該タイマピストン５２の外周面にヘリカルでスプライン嵌合するポンプ駆動歯車５３が設けられている。
このポンプ駆動歯車５３は、エンジン２０のクランク軸からの回転力を受ける受歯車５５とボルト５６によって固設されている。
このように構成されているので、クランク軸の回転によってカム軸４１を回転させることが可能となると共に、タイマピストン５２をカム軸カップリング５１のスプライン方向（図２に向って左右方向）に摺動させることによって、カム軸カップリング５１とポンプ駆動歯車５３との位相差を変化させることが可能となる。
尚、ここでは既に上述したとおり、タイマピストン５２を５２ａ側へ摺動させることでカム軸は遅角し、５２ｂ側へ摺動させることで進角するようにスプライン嵌合のヘリカル形状を構成している。
また、ポンプ駆動歯車５３と嵌合するタイマピストン５２の外周側にできる空間を遅角室５７ａ、他方、カム軸カップリング５１と嵌合するタイマピストン５２の内周側の空間を進角室５７ｂと各々称する。
この場合に、遅角室５７ａに圧油を圧送することでタイマピストン５２を遅角側（５２ａ側）へ摺動させることができ、他方、進角室５７ｂに圧油を圧送することでタイマピストン５２を進角側（５２ｂ側）へ摺動させることができる。
また、遅角室５７ａへ通じる遅角用圧油経路５８ａと、進角室５７ｂへ通じる進角用圧油経路５８ｂにはそれぞれ上述した遅角用電磁弁２４及び進角用電磁弁２５が配設されて、該遅角用電磁弁２４と進角用電磁弁２５をＥＣＭ２１で制御して作動し、圧油を送油してタイマピストン５２を摺動させるのである。
このように構成されているので、ＥＣＭ２１は、エンジン２０の状況に応じてタイマピストン５２を油圧で制御する制御手段として機能し、エンジン２０のクランク軸とカム軸４１との位相差を自在に遅角又は進角させることが可能となる。

＜実位相差＞
既に上述したように、クランク軸及びカム軸４１の軸自体又はギヤ等には予めマークが記されており、このマークをクランク軸回転数センサ２２及びカム軸回転数センサ２３で検出し、その検出結果であるクランク軸パルス及びカム軸パルスに基づいてＥＣＭ２１はクランク軸及びカム軸４１の回転数を算出している。
したがって、ＥＣＭ２１は、クランク軸パルス及びカム軸パルスの検出時間の差に基づいて、クランク軸とカム軸との位相差を算出することもできる。
そこで、図３を用いて、クランク軸パルス、カム軸パルス、及び実際の燃料噴射時期の関係について図３を用いて説明する。
この図３は、クランク軸パルスＪ１・Ｊ２・Ｊ３と、ある一つの供給口４３から噴射される実際の燃料噴射時期（以下、「ＦＩＣ」と表記する）と、そのＦＩＣに対応するカム軸パルスＴ２との関係を示したものである。
尚、図３（ａ）はカム軸４１がクランク軸に対して進角している状態におけるパルスの検出時間の関係（位相差）を示しており、図３（ｂ）はカム軸４１がクランク軸に対して遅角している状態におけるパルスの検出時間の関係（位相差）を示している。
図３に示すように、例えばクランク軸パルスＪ１・Ｊ２・Ｊ３は、角度にして３０［ｄｅｇ］毎に検出されるようにクランク軸に予め記されるマークに対応している。
また、カム軸パルスＴ２の位相に関しては、該カム軸パルスＴ２に対応するクランク軸パルスＪ２からの位相差である角度Ｂを算出することで求まるものである。
ところで、カム軸パルスＴ２の位相で燃料噴射が実際に行われれば、この角度Ｂが燃料噴射時期とクランク軸との位相差となるが、図３に示す例は、油圧式タイマユニット５０や燃料噴射ポンプ４０等の設計上の都合で、カム軸パルスＴ２とＦＩＣとは一致せず、ＦＩＣはカム軸パルスＴ２よりも角度にして１０［ｄｅｇ］ずれている。
つまり、実際の燃料噴射時期の位相は、カム軸パルスＴ２の検出時期よりも角度にして１０［ｄｅｇ］相当分早い時期に行われることになる。
そこで、ＥＣＭ２１は、上記１０［ｄｅｇ］分のずれも考慮して、ＦＩＣとクランク軸パルスＪ２との位相差を「実位相差Ｃ」として最終的に算出している。
即ち、この実位相差Ｃが、カム軸４１によって定まる燃料噴射時期とクランク軸との位相差である。

＜実位相差Ｃ算出＞
次に、クランク軸パルスＪ２に対する実位相差Ｃの算出方法について説明する。
先ず、ＥＣＭ２１は、クランク軸パルスＪ２の一つ前のクランク軸パルスＪ１を検出した時点からカム軸パルスＴ２を検出するまでの時間を計測し、その計測時間に相当する位相差を角度Ａとして算出する。
そして、ＥＣＭ２１は、予め定められるクランク軸パルスＪ１とクランク軸パルスＪ２との位相差である角度３０［ｄｅｇ］から上記角度Ａの差を角度Ｂとして算出する。
即ち、（３０−Ａ）＝Ｂの演算を行う。
この角度Ｂは、クランク軸パルスＪ２に対するカム軸パルスＴ２の位相差であるから、ＥＣＭ２１は、この角度Ｂに予め定められるカム軸パルスＴ２とＦＩＣとの位相差（上述した１０［ｄｅｇ］）を足すことで、実位相差Ｃを算出する。
即ち、Ｂ＋１０の演算を行う。
このようにパルスの検出及び演算処理を行うことで、実位相差Ｃを算出することができる。
尚、ＥＣＭ２１は、クランク軸パルスＪ２と他のクランク軸パルスＪ１との識別は以下のようにして可能となる。
例えば、クランク軸パルスＪ２のみに近接し、３０［ｄｅｇ］以下の間隔でリセットパルスＪＸを検出できるように予めマークを記しておく。
このようにリセットパルスＪＸに対応するマークを記しておくことで、ＥＣＭ２１はクランク軸パルスの間隔である３０［ｄｅｇ］よりも短い間隔で２つのパルスを検出したときに、１つめのパルスをクランク軸パルスＪ２と認識することが可能となる。
以上のようにして算出される実位相差Ｃを、ＥＣＭ２１が、エンジン２０の状態に応じて変化させることで、エンジン２０の状態に適した燃料噴射時期を決定することが可能となる。

＜処理の流れ＞
ところで、従来の燃料噴射システムにおいては、エンジンを停止する操作を行った場合に、タイマピストンは、例えば操作者によって停止操作がなされたときの位置で停止することになる。
そのため、エンジン始動時においても、タイマピストンは上述の停止処理が行われた位置にあるため、従来の燃料噴射システムは、エンジンを始動させる場合の始動性が必ずしも良くないものであった。
そこで、上述の問題を解消する一連の処理について、図４に示すフローチャートを用いて説明する。
また、この停止処理におけるキースイッチ１２ａの操作状態、実位相差Ｃ、燃料の噴射状態、及びエンジン２０の回転数等の変化例について図５を用いて説明する。
尚、図５（ａ）はキースイッチ１２ａのＯＮ・ＯＦＦの操作状態を示している。
図５（ｂ）は実位相差Ｃの時間的変化を実位相差曲線Ｌとして示している。
図５（ｃ）は燃料噴射ポンプ４０による燃料の噴射状態を示している。
図５（ｄ）エンジン２０の回転数を示している。

先ず、ＥＣＭ２１は、エンジン２０を通常運転している（Ｓ１０）。
このときの燃料噴射システム１の各部は、図５における時刻Ｕ１以前の状態であり、キースイッチ１２ａと燃料噴射はＯＮ状態で、実位相差Ｃが時間と共に若干揺らいでおり、エンジン２０の回転数は回転数Ｙで運転されている。
次に、ＥＣＭ２１は、エンジン２０の停止処理の要求の有無を判断する（Ｓ１２）。
この処理は、例えば操作者によってキースイッチ１２ａがＯＦＦにされることにより、エンジン２０の停止処理の要求が発せられたか否かを判断することによって行う。
この処理によって、停止処理要求が有ると判断された場合は処理がステップＳ１４へ移行し、他方、停止処理要求が無いと判断された場合は上記ステップＳ１２の処理を繰り返す。
エンジン２０の停止処理要求がある場合に、ＥＣＭ２１は、タイマピストン５２を進角側へ移動させる（Ｓ１４）。
即ち、ＥＣＭ２１は、燃料噴射時期を進角させる。
このときの実位相差Ｃは、図５（ｂ）の実位相差曲線Ｌに示すように、時刻Ｕ１を基点に変化し、実位相差Ｃの値は次第に大きくなる。即ち、実位相差Ｃは進角側へ変化する。
そして、時刻Ｕ２のときに、実位相差Ｃは、エンジン２０を停止させるときの所定の位相差（即ち、停止時目標位相差Ｚ）に達する。
この停止時目標位相差Ｚは、エンジン２０の始動性が良いとされる位相差の一例であって、予めＥＣＭ２１に記憶されるものである。

上記ステップＳ１４の処理後、ＥＣＭ２１は、実位相差Ｃが停止時目標位相差Ｚに達したか否かを判断する（Ｓ１６）。
つまり、実位相差Ｃが停止時目標位相差Ｚ以上となったか否かを判断している。
そして、ＥＣＭ２１は、エンジン２０のシリンダへの燃料噴射を停止する（Ｓ１８）。
この処理は例えば、ＥＣＭ２１が、ラック２８、燃料噴射ポンプ４０内の電磁弁、又は燃料噴射ポンプ４０への燃料供給用電磁弁等を閉鎖することによって行うことができる。
このステップＳ１８の処理によって、エンジン２０の停止処理を行うことができる。
例えば、図５に示すように、時刻Ｕ２で燃料噴射が停止すると、エンジン回転数が下がり始めて、最終的に時刻Ｕ３にてエンジン回転数が０となって停止する。
上述のように制御することによって、エンジン２０の停止時に、燃料噴射時期をエンジン２０の始動性が良い進角側で停止させることとなり、次回エンジン２０を始動させる際の始動性が良くなるので、従来よりもセルモータの始動時間を短くすることが可能となって、バッテリの負荷を軽減することが可能となる。
また、燃料噴射時期とエンジン２０のクランク軸との位相差を、ＥＣＭ２１が上記停止時目標位相差Ｚ以上となるように制御するので、エンジン２０の始動性が良いとされる位相差をＥＣＭ２１に具体的に設定することが可能となる。

＜エンジン２０を緊急停止させる場合＞
エンジン２０、油圧式タイマユニット５０、操作部１０、通信中継器１５、又は接続用ハーネスの断線・短絡等の異常によりエンジン２０を緊急停止させる必要が場合には、上述の一連の処理（ステップＳ１２からステップＳ１８までの処理）を行わないようにすることもできる。
これは、異常による緊急停止が必要であるにも拘らず、上述の一連の処理を行っていると停止までに時間が掛かるためである。
そこで上述のようにすることで、異常が発生した場合にエンジン２０を緊急停止させることが可能となる。

燃料噴射システムの概略構成を示したブロック図。 燃料噴射ポンプとそれに関連する装置等の概略構成図。 クランク軸パルス、カム軸パルス、及び燃料噴射時期の関係を示した図。 エンジンを停止させる際に行う一連の処理の一例を示したフローチャート。 キースイッチの状態、実位相差、燃料噴射の状態、及びエンジン回転数の関係を示した図。

符号の説明

１ 燃料噴射システム
１０ 操作部
１５ 通信中継器
２０ エンジン
２１ ＥＣＭ
２２ クランク軸回転数センサ
２２ クランク軸回転数センサ
２３ カム軸回転数センサ
２４ 遅角用電磁弁
２５ 進角用電磁弁
２８ ラック
２９ スロットルバルブ

Claims (4)

1. エンジンのシリンダに対する燃料噴射時期を制御する制御手段を具備する燃料噴射システムにおいて、
   前記制御手段は、エンジンの停止処理要求があった場合に、燃料噴射時期を進角させて前記停止処理を行うことを特徴とする燃料噴射システム。
2. 燃料噴射時期をタイマピストンで変化させてなる請求項１記載の燃料噴射システム。
3. 燃料噴射時期を進角させる場合に、制御手段はエンジンのクランク軸に対する燃料噴射時期の位相差を所定の位相差以上となるように制御してなる請求項１又は請求項２のいずれかに記載の燃料噴射システム。
4. エンジンを緊急停止させる場合には、前記制御手段は燃料噴射時期を進角側に変化する処理を行わずに前記停止処理を行う請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料噴射システム。
   
   

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