JP2006257954A - 燃料噴射システム - Google Patents

Abstract

【課題】 エンジンに負荷がかかっていない無負荷時は、負荷がかかっている場合とは異なって、負荷による追従遅れが少なく、スロットル操作による実エンジン回転数の変化の応答性が良い。
そのため、無負荷時にスロットルを増速する急操作が行われた場合には、負荷がかかっている場合とは逆に実エンジン回転数は直ぐに目標回転数に達するものの、オーバーシュートしたり、黒煙を排出する等の問題があった。
【解決手段】
ＥＣＭ２１は、エンジン２０に負荷がかかっているか否かを判断する（Ｓ１０）。
ＥＣＭ２１は、エンジン２０に負荷がかかっていると判断された場合に、目標値フィルタ６１の制御係数として上述した負荷用係数を選択し（Ｓ２０）、他方、無負荷の状態であると判断された場合に、目標値フィルタ６１の制御係数として上述した無負荷用係数を選択する（Ｓ３０）。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料噴射システムにおけるスロットル操作とＥＣＭの指令値である目標回転数との追従関係に関するものである。

従来より、ディーゼルエンジンのシリンダに対して燃料を噴射する燃料噴射ポンプ、燃料噴射時期の位相を変化するための油圧式タイマユニット、及び燃料噴射量を調節するガバナ等を駆動制御する燃料噴射システムがある。
このような従来の燃料噴射システムの一例としては、下記特許文献１に記載されるようなものがある。
このような燃料噴射システムにおいては、例えば、燃料噴射システムの制御手段の一例であるＥＣＭが、スロットル指示値に基づいてエンジン回転数を制御する指令値の１つである目標回転数を算出する処理を行っている。
例えば、スロットル指示値に対応する目標回転数等が予めＥＣＭに記憶され、これに基づいて、ＥＣＭはエンジン回転数を制御するのである。
ところで、スロットル指示値と目標回転数とを単に一対一に対応させただけであると、以下のような問題がある。
例えば、船舶が航行しているようなエンジンに負荷がかかっている状態であるとき、スロットルを増速する急操作が行われた場合には、短時間に目標回転数は大きく上昇し、実際のエンジン回転数（以下、「実エンジン回転数」と表記）との偏差が大きくなってしまう。
このとき、ＥＣＭは、この大きな偏差を早く解消するため、燃料噴射量を急増してエンジン回転数を上げるための処理を行うのであるが、負荷による追従遅れが生じて実エンジン回転数の上昇に時間がかかるため、未燃燃料を多く排出してしまう等の問題が生じてしまう。
そこで、従来はこのような問題を解消するため、図３に示すように、スロットル指示値と目標回転数との間に「なまし処理」というフィルタ処理を行う目標値フィルタ６１を設ける。
この「なまし処理」とは、スロットル指示値の変化に対する目標回転数の変化をなだらかにする又は弱めるようなフィルタ処理のことある。
「なまし処理」の一例としては、上述したスロットル指示値と目標回転数との対応関係で目標回転数を暫定的に決定した後に、その暫定的に決定した目標回転数にスロットル操作に対して遅れ要素となる制御係数を掛けた値を最終的な目標回転数として出力することである。
つまり、目標値フィルタ６１は、該遅れ要素となる制御係数の一例であって、ＥＣＭが行う演算処理に用いられる係数の１つである。
そして、目標値フィルタ６１の出力である目標回転数がラック、油圧式タイマユニット等の制御対象６２に入力される。
特開２００４−２１８６３６号公報

ところで、無負荷時は、負荷がかかっている場合とは異なって、負荷による追従遅れが少なく、スロットル操作による実エンジン回転数の変化の応答性が良い。
そのため、無負荷時にスロットルを増速する急操作が行われた場合には、負荷がかかっている場合とは逆に実エンジン回転数は直ぐに目標回転数に達するものの、オーバーシュートしたり、黒煙を排出する等の問題があった。
この問題の原因としては、従来から目標値フィルタ６１としては、一般的にエンジンに負荷がかかった状態で良好な燃焼を実現するような値のみが定められたため、無負荷時には対応していなかったからである。
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、負荷がかかっている場合、又は無負荷時にも対応でき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、スロットル指示値に基づいてエンジンの目標回転数を算出する際にフィルタ処理を行う制御手段を具備する燃料噴射システムにおいて、無負荷時に対応したフィルタ処理を行うための無負荷用係数と、負荷がかかっている場合に対応したフィルタ処理を行うための負荷用係数と、を具備し、負荷の有無に応じて、前記無負荷用係数又は前記負荷用係数のいずれかを選択する係数選択手段を具備するものである。

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、従来のように負荷がかかった状態で良好な燃焼を実現するようなフィルタ処理の制御係数のみならず、無負荷時にも適切な燃焼を実現し得る制御係数（無負荷用係数）を新たに設け、負荷の有無に応じて該制御係数を選択することで、燃料噴射量が目標値以上にオーバーシュートする等などによって多くの黒煙を外気へ排出することを防止す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はスロットル指示値と目標回転数との間における情報伝達の関係を示したブロック図、図４は負荷の有無に応じて制御係数を選択する処理の一例を示したフローチャート、図５は負荷用係数又は無負荷用係数のいずれかが目標値フィルタの制御係数として選択された場合における、エンジンの目標回転数の時間的変化の一例を示したグラフ、図６は無負荷時における燃料噴射量及び実エンジン回転数の時間的変化を従来の場合と本発明の処理を実行した場合とを比較した一例を示したグラフ、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。
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。

＜目標値フィルタ＞
ところで、既に上述したように、エンジン２０に負荷がかからない無負荷時は、主スロットル１２の操作による実エンジン回転数の変化の応答性が良い。
そのため、無負荷時にスロットルを増速する急操作が行われた場合には、実エンジン回転数は急速に目標回転数に達するものの、目標回転数をオーバーシュートしたり、黒煙を排出する等の問題があった。
この問題の原因としては、従来から目標値フィルタ６１（図３参照）として、エンジン２０に負荷がかかった状態で良好な燃焼を実現するような制御係数のみが一般的に定められたためである。
そこで、本発明の燃料噴射システム１では、目標値フィルタ６１の値として、無負荷時に対応した無負荷用係数と、負荷がかかっている場合に対応した負荷用係数とをＥＣＭ２１に予め記憶し、負荷の有無に応じて、無負荷用係数又は負荷用係数のいずれかを選択する処理を行っている。

＜負荷の有無の判断＞
ここで、図４を用いて、負荷の有無に応じて制御係数を選択する処理の一例について説明する。
ＥＣＭ２１は、エンジン２０に負荷がかかっているか否かを判断する（Ｓ１０）。
このステップＳ１０における判断は、例えばエンジン２０と負荷側とを接続するクラッチが入状態であるか否かをセンサ等で検出することによって判断することができる。
このステップＳ１０の判断で、エンジン２０に負荷がかかっていると判断された場合に処理はステップＳ２０へ移行し、他方、エンジン２０に負荷がかかっていない無負荷の状態であると判断された場合に処理はステップＳ３０へ移行する。
処理がステップＳ２０へ移行した場合に、ＥＣＭ２１は、目標値フィルタ６１の制御係数として上述した負荷用係数を選択する（Ｓ２０）。
処理がステップＳ３０へ移行した場合に、ＥＣＭ２１は、目標値フィルタ６１の制御係数として上述した無負荷用係数を選択する（Ｓ３０）。
つまり、ＥＣＭ２１は、負荷の有無に応じて、負荷用係数又は無負荷用係数のいずれかを選択する係数選択手段としての機能も具備している。

＜目標回転数の変化例＞
ここで、図５を用いて、負荷用係数又は無負荷用係数のいずれかが目標値フィルタ６１の制御係数として選択された場合における、エンジン２０の目標回転数の時間的変化の一例について説明する。
この図５において、Ｎ１は、目標値フィルタ６１の制御係数として負荷用係数が選択された場合における、エンジン２０の目標回転数の時間的変化を示した負荷時目標回転数曲線である。
他方、Ｎ２は、目標値フィルタ６１の制御係数として無負荷用係数が選択された場合における、エンジン２０の目標回転数の時間的変化を示した無負荷時目標回転数曲線である。
また図５は、例えば時刻Ｕ１以前においては主スロットル１２が停止位置にあってエンジン２０が目標回転数Ｍ１で安定してアイドリング状態である場合に、時刻Ｕ１で主スロットル１２が１００パーセントの出力を出すための位置に操作されて目標回転数がＭ２とされた時の目標回転数の変化を示したものである。
この場合に、負荷時目標回転数曲線Ｎ１は、無負荷時目標回転数曲線Ｎ２と比較して立ち上がりが鋭く、時刻Ｕ２には目標回転数がＭ２に達するような「なまし処理」が施されていることがわかる。
他方、無負荷時目標回転数曲線Ｎ２は、負荷時目標回転数曲線Ｎ１と比較して立ち上がりが鈍く、時刻Ｕ２よりも遅い時刻Ｕ３に目標回転数がＭ２に達するような「なまし処理」が施されていることがわかる。
以上より、負荷がかかっているときと比較して無負荷時の方が、スロットル指示値の変化に対する目標回転数の変化をなだらかにするようなフィルタ処理が強めに行われていることがわかる。
つまり、無負荷時におけるスロットル操作に対する実エンジン回転数の応答性は、負荷がかかっている場合と比較して鈍くなるが、以下の点で良い効果が生じる。
これについて図６を用いて説明する。

＜他のパラメータの変化例＞
図６（ａ）は、無負荷時における燃料噴射量の時間的変化を従来の場合と本発明の処理を実行した場合とを比較した一例を示したものである。
図６（ｂ）は、無負荷時における実エンジン回転数の時間的変化を従来の場合と本発明の処理を実行した場合とを比較した一例を示したものである。
また、図６（ａ）及び図６（ｂ）における時刻Ｕ４は、例えば、図５における時刻Ｕ１と同様に、主スロットル１２が停止位置から１００パーセントの出力を出すための位置に操作されたものとする。
図６（ａ）において、Ｇ１は、従来の無負荷時における燃料噴射量の時間的変化である従来燃料噴射量曲線を示したものである。
他方、Ｇ２は、目標値フィルタ６１の制御係数として前記無負荷用係数が選択された場合における燃料噴射量の時間的変化である選択燃料噴射量曲線を示したものである。
図６（ｂ）において、Ｌ１は、従来の無負荷時における実エンジン回転数の時間的変化である従来実エンジン回転数曲線を示したものである。
他方、Ｌ２は、目標値フィルタ６１の制御係数として前記無負荷用係数が選択された場合における実エンジン回転数の時間的変化である選択実エンジン回転数曲線を示したものである。

＜燃料噴射量＞
従来の燃料噴射量に関しては、図６（ａ）に示すように、従来燃料噴射量曲線Ｇ１は時刻Ｕ４の直後の時刻Ｕ５で目標値である燃料噴射料Ｆ２を大きくオーバーシュートして極大となり、一旦低下した後、時刻Ｕ６で再度大きくオーバーシュートし、燃料噴射量が大きく乱高下してしまう。
この場合に、時刻Ｕ５及び時刻Ｕ６において、多くの黒煙が外気に排出されることとなる。
他方、目標値フィルタ６１の制御係数として無負荷用係数が選択された場合における選択燃料噴射量曲線Ｇ２は、従来燃料噴射量曲線Ｇ１のようにオーバーシュートが発生して乱高下せず、早くから目標値である燃料噴射料Ｆ２に収束するので、多くの黒煙を外気に排出するような問題は生じない。

＜実エンジン回転数＞
また、実エンジン回転数に関しては、図６（ｂ）に示すように、従来実エンジン回転数曲線Ｌ１は時刻Ｕ７で目標値である目標回転数Ｍ６を大きくオーバーシュートして極大となり、一旦低下した後、時刻Ｕ８で再度大きくオーバーシュートし、実エンジン回転数が大きく乱高下してしまう。
他方、目標値フィルタ６１の制御係数として無負荷用係数が選択された場合における選択実エンジン回転数曲線Ｌ２は、目標回転数Ｍ６へ達するまでの時間はかかるものの、従来実エンジン回転数曲線Ｌ１のようにオーバーシュートが発生して乱高下することなく、穏やかに目標回転数Ｍ６へ収束する。

以上より、従来のように負荷がかかった状態で良好な燃焼を実現するような目標値フィルタ６１の制御係数のみならず、無負荷時にも適切な燃焼を実現し得る制御係数（無負荷用係数）を新たに設け、負荷の有無に応じて該制御係数を選択することで、燃料噴射量が目標値以上にオーバーシュートする等などによって多くの黒煙を外気へ排出することを防止す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。 スロットル指示値と目標回転数との間における情報伝達の関係を示したブロック図。 負荷の有無に応じて制御係数を選択する処理の一例を示したフローチャート。 負荷用係数又は無負荷用係数のいずれかが目標値フィルタの制御係数として選択された場合における、エンジンの目標回転数の時間的変化の一例を示したグラフ。 無負荷時における燃料噴射量及び実エンジン回転数の時間的変化を従来の場合と本発明の処理を実行した場合とを比較した一例を示したグラフ

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
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
３０ ガバナ
４０ 燃料噴射ポンプ

Claims (1)

1. スロットル指示値に基づいてエンジンの目標回転数を算出する際にフィルタ処理を行う制御手段を具備する燃料噴射システムにおいて、
   無負荷時に対応したフィルタ処理を行うための無負荷用係数と、
   負荷がかかっている場合に対応したフィルタ処理を行うための負荷用係数と、を具備し、
   負荷の有無に応じて、前記無負荷用係数又は前記負荷用係数のいずれかを選択する係数選択手段を具備することを特徴とする燃料噴射システム。
   
   
   

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