JP2007321623A - エンジンの始動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン始動時の外気温とバッテリ電圧を検出して噴射圧を制御することで適切な燃料消費量で安定した回転を確保することを課題とする。
【解決手段】蓄圧式燃料噴射制御を行うエンジンの始動制御装置において、エンジン回転数Ｎと出力トルクＴからレール圧Ｐを演算する手段を設けると共に、エンジンの起動時に吸入空気温度Ａによって前記レール圧Ｐを補正するようにしたエンジンの始動制御装置の構成とする。又、蓄圧式燃料噴射制御を行うエンジンの始動制御装置において、エンジン回転数Ｎと出力トルクＴからレール圧Ｐを演算する手段を設けると共に、エンジンの起動時にバッテリ電圧Ｖによって前記レール圧Ｐを補正するようにしたエンジンの始動制御装置の構成とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、コモンレール式燃料噴射制御を行うエンジンの始動制御に関する。

エンジンの始動時には燃料やエンジンが冷却している為に始動性が悪く、回転が不調で黒煙を発生する。
このようなエンジンにおける始動時の不調を防ぐ手段として、特開２００５−２８２３８１号公報にはエンジンの乱爆状態を検出して燃料噴射圧を上昇させる技術が記載されている。また、特許第３０８３３３２号公報にはエンジン自体の温度を検出して始動時の低温状態で燃料噴射圧を上昇させる技術が記載されている。
特開２００５−２８２３８１号公報 特許第３０８３３３２号公報

特開２００５−２８２３８１号公報に記載の技術では、乱爆状態を検出して制御する為にエンジンの不調が一時的に生じてしまう。また、特許第３０８３３３２号に記載の技術では、エンジン自体が冷却していても外気温が高くて着火し易い場合に燃料噴射圧を上昇させて燃料を使い過ぎる状態になる。

そこで、本発明では、エンジン始動時の外気温とバッテリ電圧を検出して噴射圧を制御することで適切な燃料消費量で安定した回転を確保することを課題とする。

本発明の上記課題は次の構成によって達成される。
すなわち、請求項１の発明は、蓄圧式燃料噴射制御を行うエンジンの始動制御装置において、エンジン回転数（Ｎ）と出力トルク（Ｔ）からレール圧（Ｐ）を演算する手段を設けると共に、エンジンの起動時に吸入空気温度（Ａ）によって前記レール圧（Ｐ）を補正するようにしたエンジンの始動制御装置とした。

請求項１記載の発明では、吸入空気温度Ａが低い場合にはレール圧を上昇させて着火性をよくしてエンジンの所定回転数を維持する。
請求項２の発明は、蓄圧式燃料噴射制御を行うエンジンの始動制御装置において、エンジン回転数（Ｎ）と出力トルク（Ｔ）からレール圧（Ｐ）を演算する手段を設けると共に、エンジンの起動時にバッテリ電圧（Ｖ）によって前記レール圧（Ｐ）を補正するようにしたエンジンの始動制御装置とした。

請求項２記載の発明では、バッテリ電圧Ｖが低い場合にはレール圧を上昇させて着火性をよくしてエンジンの所定回転数を維持する。

請求項１に記載の発明によると、エンジンの始動時に外気温が低い場合にはレール圧を上昇させて燃料噴射圧を高くし燃料の微細化を促進して燃料への着火性を良くするので、回転が不調になったり黒煙を発生することが無くなる。

請求項２に記載の発明によると、エンジンの始動時にバッテリ電圧Ｖが低い場合にはレール圧を上昇させて燃料噴射圧を高くし燃料の微細化を促進して燃料への着火性を良くするので、回転が不調になったり黒煙を発生することが無くなる

まず、蓄圧式燃料噴射ディーゼルエンジンについてその概要を説明する。蓄圧式燃料噴射ディーゼルエンジンとは、各気筒へ燃料を噴射するインジェクタ１０への燃料供給を必要な圧力に制御したコモンレール（蓄圧室）１１を介して行うもので、図６に示すシステム図で燃料噴射制御状態を説明する。

燃料タンク１２内の燃料は吸入通路１３により燃料フィルタ１４を介してエンジンで駆動される高圧ポンプ９に吸入され、この高圧ポンプ９によって加圧された高圧燃料はエンジンコントロールユニット（以下「ＥＣＵ」という）１７からの指令に基づき流入圧制御弁２０で圧をコントロールされて吐出通路１５によりコモンレール１１に導かれて蓄えられる。

コモンレール１１内の高圧燃料は各高圧燃料供給通路１６により気筒数分のインジェクタ（燃料噴射弁）１０に供給され、ＥＣＵ１７からの指令に基づき、気筒ごとにインジェクタ１０の電磁弁が開弁作動して、高圧燃料がエンジンの各燃焼室内に噴射供給される。

各インジェクタ１０での余剰燃料（リターン燃料）は各リターン通路１８により共通のリターン通路１９へ導かれ、燃料タンク１２へ戻される。
また、コモンレール１１内の燃料圧力（コモンレール圧力）を制御するため、コモンレール１１の端部に圧力制御弁２２が設けられている。この圧力制御弁２２はＥＣＵ１７からのデューティ信号によって燃料タンク１２への余剰燃料のリターン通路１９の戻り圧力を調整するものであり、これによりコモンレール１１内の燃料吐出圧力を制御することが出来る。具体的には、エンジン運転条件に応じて目標コモンレール圧力を設定し、コモンレール圧センサ２１により検出されるコモンレール圧力がこの目標コモンレール圧力と一致するように、流入圧制御弁２０と圧力制御弁２２の開度を制御する。

図７は、ＥＣＵ１７の信号入出力制御ブロック図である。
手動変速レバーの回動位置を検出するポテンショメータ２３からの変速信号とフットペダルの回動位置を検出するポテンショメータ２４からの変速信号がＥＣＵ１７に入力する。エンジン回転数センサ４２からエンジンの回転数が、気筒判別センサ２５から燃焼している気筒の噴射タイミングが、吸入空気のターボ圧センサ２６から吸入空気の圧縮圧力が、吸入温度センサ２７から吸入する外気温度が、ラジエータ水温センサ２８から冷却水の温度が、吸入空気量センサ２９からターボによって吸入する空気量が、コモンレール圧センサ２１からレール圧Ｐが、タイマー３０からインジェクタ１０の燃料噴射時間が、走行速度センサ３１から作業機の走行速度が、ブレーキセンサ３２からブレーキ作用信号が、シリンダヘッドに取り付けた筒内圧センサ３７から筒内の圧力変動値が、クランク角センサ３８から各気筒のピストン位置情報が、左右単独に設けるブレーキペダルを連結して路上走行をする場合に連結すると連結センサ３９からその信号が、作業機を駆動すると作業機出力センサ４０からその信号が、さらにＧＰＳ（グローバルポジショニングシステム）４１から作業機の作業位置情報がＥＣＵ１７へそれぞれ入力する。

このＥＣＵ１７からはグロープラグ制御３３信号、インジェクタ制御３４信号、コモンレール圧制御３５信号、走行クラッチ制御３６信号、ブレーキ制御４３信号が出力される。

エンジン回転数Ｎと出力トルクＴの関係において、ＥＣＵ１７には、図８に示すアイソクロナス制御Ａとドループ制御Ｂ及び重負荷制御Ｃの三種類の制御モードを設けている。
アイソクロナス制御Ａは、負荷が変動しても回転数が一定になるように出力を負荷に応じて変更する制御で、手動変速レバーの回動すなわちレバー用ポテンショメータ２３によって設定回転数を変更するようにして、通常の農作業を行う場合に使用する。例えば、コンバインであれば収穫作業であり、トラクタであれば耕運作業であって、収穫物が多くて負荷が増大しても耕地が固くて耕運刃に抵抗がかかっても出力が変動して回転数を維持するので、最適作業状態を維持しながら運転作業者が楽に操縦できる。出力の変動はインジェクタ制御３４信号とコモンレール圧制御３５信号でインジェクタ１０への燃料噴射量の変更と噴射タイミングの変更によって行う。

ドループ制御Ｂは、負荷による回転数の変動で出力も変動する制御で、フットペダルの踏み込みによるフットペダル用ポテンショメータ２４の回動で回転数を変更するようにして、農作業を行わず移動走行する場合に使用する。単なる移動のために走行する場合には、例えばブレーキをかけて走行速度を減速したり停止したりしようとすると、この走行負荷の増大に伴ってエンジン回転数が低下するため、この走行速度の減速ないし停止を安全に行うことができ、また、例えば、登坂時におけるエンジンの負荷状態を操縦者が察知できる。

重負荷制御Ｃは、アイソクロナス制御Ａで出力を負荷に応じて変更しようとしても一定の回転数を維持できなくなった場合に回転数を上昇させて出力を上げる制御で、特にエンジンの負荷限界近くで農作業を行う場合に使用する。例えば、トラクタで耕運作業を行っている際に特に硬い耕地に出くわした場合にこの重負荷制御Ｃを用いるとエンジン出力が通常の限界を越えて増大するので作業を中断することがない。

この重負荷制御Ｃは、ドループ制御Ｂで増速したにもかかわらず負荷が大きくて減速する場合に使用しても良い。
なお、このエンジン出力限界近くでの作業時にはエンジン回転数が増加するので、走行速度も速くなるが、これを防ぐために走行伝動経路に変速機を設けて走行速度を一定にするよう制御すれば良い。

さらに、アイソクロナス制御Ａは通常の作業に使用する制御でドループ制御Ｂは路上走行に使用する制御で重負荷制御Ｃは作業の中で特に負荷が多い場合に使用する制御で、これらの使用機会は作業機の地理上位置で大体決まるので、ＧＰＳ４１からの情報で各制御モードに自動で切り換えるようにしておけば作業者の手動操作を減らせることになる。

インジェクタ１０の燃料噴射は、メイン噴射の前に１、２回のパイロット噴射を行って始動性を良くすることが行われているが、回転を上げてメイン噴射のみに切り換える場合にメイン噴射量を直線的に増やしていたのではパイロット噴射が無くなった分の出力トルクが低下することになるため、このパイロット噴射を止めるタイミングにメイン噴射を段階的に急増してパイロット噴射が無くなった出力を補って出力トルクの変動を防ぐようにしている。

次に、このディーゼルエンジンの制御状態をフローチャートで説明する。
図１は、エンジンの始動時における制御で、ステップＳ１で前記の制御モードすなわちアイソクロナス制御Ａかドループ制御Ｂ或いは重負荷制御Ｃのどれかを選択する。この選択した制御モードによってステップＳ２でコモンレル圧を設定する。そして、ステップＳ３で吸入空気の温度を測定し、ステップＳ４でバッテリの電圧を測定する。ステップＳ５の吸気温度判定で例えば５°Ｃ未満であればステップＳ７の設定レール圧を上昇変更し、ステップＳ６のバッテリ電圧判定で例えば１１Ｖ未満であればステップＳ７の設定レール圧を上昇変更する。ステップＳ５とステップＳ６の判定が「ＮＯ」すなわち吸気温度が５°Ｃ以上でバッテリ電圧が１１Ｖ以上であれば設定レール圧を変更することはない。ステップＳ８で高圧ポンプ９を駆動し、ステップＳ９でレール圧が設定レール圧以上になれば、ステップＳ１０でインジェクタ１０から燃料を噴射してエンジンを始動する。

このように、吸入空気すなわち外気温が低い場合やバッテリ電圧が低い場合は燃料を高圧でシリンダ内へ噴射することで、燃料の微細霧状化が促進されて着火し易くなり、始動性が良好になる。

ＥＣＵのインジェクタ噴射タイミングはクランク角センサ３８の上死点検出結果に基ずいて制御しているためにその上死点の検出がずれてくると、インジェクタ噴射タイミングが正規のタイミングからずれてきて出力低下になる。図２は、クランク角センサ３８の取付誤差等による上死点検出誤差を筒内圧センサ３７からの情報で修正する制御で、ステップＳ１１でクランク角センサ３８が検出する上死点タイミングをＥＣＵ１７に記憶し、ステップＳ１２でエンジンの回転が安定してインジェクタ１０の噴射がシングル噴射状態になると、ステップＳ１３で筒内圧センサ３７で最大内圧になるタイミングを検出し、ステップＳ１４でこの最大内圧タイミングがクランク角センサ３８の上死点タイミングと一致しているかを判定し、誤差が有るとステップＳ１５でＥＣＵ１７に記憶した上死点タイミングを修正する。

図３は、気筒の内圧が事前に記憶した内圧データと異なってきた場合にインジェクタ１０の噴射タイミングや噴射量を修正する制御で、長時間の使用によってインジェクタ１０が磨耗して騒音が大きくなった場合に有効である。ステップＳ１７で制御マップによるインジェクタの噴射タイミングと噴射量を読み出し、ステップＳ１８でＥＣＵに記憶した筒内圧Ｐを読み出し、ステップＳ１９で筒内圧センサ３７で実際の内圧を測定し、ステップＳ２０でその測定内圧が所定誤差αの範囲を越えていれば、ステップＳ２１でインジェクタの噴射タイミングと噴射量を修正する。

図４は、吸入空気のターボ圧が所定値より高くなってＮＯｘが多くなるのを防ぐ制御で、ステップＳ２２で制御マップからレール圧を読み出し、ステップＳ２３で制御マップからターボ圧ＴＰ０を読み出して、ステップＳ２４でターボ圧センサ２６で吸入空気のターボ圧ＴＰを測定し、ステップＳ２５のターボ圧比較で測定ターボ圧ＴＰが設定ターボ圧ＴＰ０より大きければ、ステップＳ２６でレール圧を低下すると共に噴射時間を長くしてＮＯｘ低減を図る。

作業機を路上走行させる場合には高速で走行することを可能にしているが、対地作業中に高速走行をすると車体が不安定になって危険である。図５は、走行最高速度を制限する制御で、ステップＳ２８で走行速度を測定し、ステップＳ２９で作業機出力センサ４０からＯＮ信号が入力していればステップＳ３１の最高速度制限に移行し、ステップＳ３０で左右ブレーキ連結センサ３９からＯＮ信号が入力していなくてもステップＳ３１の最高速度制限に移行してステップＳ３２の走行を行う。すなわち、作業機を駆動していても路上走行でない場合でも最高速度を制限して危険を回避するのである。

前述したような制御はディーゼルエンジンにかかわらず、その他の内燃機関、例えば、ガソリンエンジンにおいても適用可能である。
図９は、インジェクタ１０の構造を示している。ノズルボディ５０にニードル５１を挿入し、ソレノイド４９で該ニードル５１をスライドしてノズル先端部５３のノズル５５から燃料を噴射する構造になっている。

ノズルボディ５０の先端に設けるノズル５５は円周方向三等配或いは四等配で設けられているが、ノズルボディ５０の燃料供給路５２が片側から軸方向へやや傾いて供給されるようになっているために、円周方向に設ける各ノズル５５からの燃料噴射が均一にならずシリンダ内での燃焼が偏ったものになる。

そこで、図１０に示す実施例では、ニードル５１のノズルボディ５０への嵌合部に螺旋状の溝５５を設けて溝５５上端の供給路５６へ燃料を供給し、燃料溜り５４への燃料供給中に燃料に螺旋回転運動を与えてノズル５５からの噴射が円周方向で均一になるようにしている。なお、ニードル５１の溝５５に代えてノズルボディ５０の孔側に螺旋溝を形成しても同様な効果を期待できる。

図１１に示す実施例では、燃料溜り５４へ燃料を送る燃料供給路５２をニードル５１を取り巻くように螺旋状に形成して燃料溜り５４で燃料が旋回するようにしている。
図１２に示す実施例では、ニードル５１の燃料溜り５４相当位置に軸方に対して傾けた案内フィン５７を設けて、この案内フィン５７で燃料が旋回するようにしている。

図１３は、ノズル先端部５３のノズルを噴射角を変えて二重に設けた構造で、上下のノズル５５，５８をそれぞれ円周方向三等配或いは四等配で設けている。パイロット噴射は先端側ノズル５５で主に燃料が噴射され、メイン噴射は両ノズル５５，５８で噴射されることで燃焼状態が良くなる。

図１４に示す実施例は、上下ノズル５５，５８を離して設けた実施例で、ニードル先端部６０がノズルボディ５０先端の嵌合部５９から抜け切らない内に上ノズル５８から燃料がパイロット噴射され、やがてニードル先端部６０がノズルボディ５０先端の嵌合部５９から抜けて下ノズル５５からも燃料がメイン噴射を開始することで、初期着火が良くなる。

図１５は、四気筒エンジンに五気筒エンジン用コモンレール１１を流用した実施例で、インジェクタ１０への燃料供給孔の一つに栓６１を取り付けて使用することで一種類のコモンレール１１を四気筒エンジンと五気筒エンジンに利用でき、製造コストを低減できる。

本発明実施例の始動制御フローチャート図 本発明実施例のデータ修正制御フローチャート図 本発明実施例の噴射修正制御フローチャート図 本発明実施例のレール圧修正制御フローチャート図 本発明実施例の最高速度制限制御フローチャート図 本発明による蓄圧式燃料噴射ディーゼルエンジンの概略構成図 本発明実施例の制御ブロック図 本発明実施例の制御モード図 本発明実施例の部分正断面図 本発明実施例の部分拡大正断面図 本発明実施例の部分拡大正断面図 本発明実施例の部分拡大正断面図 本発明実施例の部分拡大正断面図 本発明別実施例の部分拡大正断面図 本発明別実施例の斜視図

符号の説明

Ｎ エンジン回転数
Ｔ 出力トルク
Ｐ レール圧
Ａ 吸入空気温度
Ｖ バッテリ電圧

Claims (2)

1. 蓄圧式燃料噴射制御を行うエンジンの始動制御装置において、エンジン回転数（Ｎ）と出力トルク（Ｔ）からレール圧（Ｐ）を演算する手段を設けると共に、エンジンの起動時に吸入空気温度（Ａ）によって前記レール圧（Ｐ）を補正するようにしたエンジンの始動制御装置。
2. 蓄圧式燃料噴射制御を行うエンジンの始動制御装置において、エンジン回転数（Ｎ）と出力トルク（Ｔ）からレール圧（Ｐ）を演算する手段を設けると共に、エンジンの起動時にバッテリ電圧（Ｖ）によって前記レール圧（Ｐ）を補正するようにしたエンジンの始動制御装置。

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