JP3982506B2 - 内燃機関の噴射量制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、建設用機械及び農業用機械等に好適な内燃機関の噴射量制御装置に関する。

従来、ディーゼル機関用のコモンレール式燃料噴射システムが公知である（特許文献１参照）。この燃料噴射システムでは、燃料供給ポンプから圧送された燃料を所定の噴射圧に蓄えるコモンレールと、このコモンレールより供給された高圧燃料をディーゼル機関の筒内に噴射するインジェクタとを有し、インジェクタより噴射される噴射量及び噴射タイミングがＥＣＵ（電子制御装置）により制御される。
特開昭６２−２５８１６０号公報

上記のコモンレール式燃料噴射システムでは、センサ類等の電気的な異常はＥＣＵが検出して対応できるが、例えば、インジェクタの経時変化（ノズルシートのなじみ摩耗）によって生じる噴射量の増加（エンジン出力の増加）と言った、ハード側の変化を検出することまでは、出来ないのが現状である。この問題に対処するため、例えば、ノズルシートの摩耗量を低減させる設計変更等は行われているが、その他の変化要因も存在すること等から、完全な解決には至っていない。

また、ハード側の経時変化は、個体毎に進行度合いが異なり、図６に示す様に、進行の早いものでは、数十時間でエンジン出力にして１５〜２０％程度まで増加するケースも確認されている。特に、建設用機械や農業用機械等に使用されるエンジンでは、ピークトルクから最大出力点域を常用するため、ハード側の経時変化により定格出力を超える噴射が行われると、エンジンの信頼性に悪影響を及ぼす恐れがある。このため、エンジンメーカでは、ハード側の経時変化による出力増加分を見越して最大出力を設定（１０〜１５％程度下げた設定）するケースもあり、出力ＵＰ競争の妨げとなってきている。

本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、ハード側の経時変化に起因して生じる噴射量の増加傾向（増加パターン）を予測し、その増加傾向に応じて噴射量の低減補正を早期に実施することにより、出力増加による内燃機関へのダメージを未然に防止できる内燃機関の噴射量制御装置を提供することにある。

（請求項１の発明）
請求項１に記載した内燃機関の噴射量制御装置は、内燃機関のアイドリング回転数をモニタしながら、アイドリング回転数の初期増加傾向より、将来の噴射量の増加傾向を予測し、アイドリング回転数が予め設定された基準回転数を超えた場合に、噴射量の増加傾向を相殺する噴射量の低減補正を実施することを特徴とする。

上記の構成によれば、アイドリング回転数が基準回転数を超えた場合に、噴射量の低減補正を早期に実施することで、ハード側の経時変化により生じる噴射量の増加を抑えることができる。その結果、噴射量の増加による内燃機関の出力増加を抑制できるので、過大な出力増加による内燃機関へのダメージを防止できる。
また、本発明では、アイドリング回転数の初期増加傾向より噴射量の増加傾向を予測し、その増加傾向を相殺する噴射量の低減補正を実施するので、アイドルモードに入る度に補正プログラムを作動させる必要がなく、噴射量制御装置の負担を軽減できる。

（請求項２の発明）
請求項２に記載した内燃機関の噴射量制御装置は、噴射量の増加傾向が異なる幾つかの噴射量増加パターンを予め記憶する記憶手段と、幾つかの噴射量増加パターンより、アイドリング回転数の初期増加傾向に対応する１つの噴射量増加パターンを判定する判定手段と、アイドリング回転数が基準回転数を超えた場合に、判定手段で判定された噴射量増加パターンを相殺する噴射量の低減補正を実施する噴射量補正手段とを備えることを特徴とする。

上記の構成によれば、予め記憶された幾つかの噴射量増加パターンの中から、アイドリング回転数の初期増加傾向に対応する１つの噴射量増加パターンを選択できるので、噴射量の増加傾向を容易に推定できる。また、選択された噴射量増加パターンを相殺する噴射量の低減補正を実施することにより、精度の高い補正が可能である。

（請求項３の発明）
請求項２に記載した内燃機関の噴射量制御装置において、判定手段は、アイドリング回転数が基準回転数に到達するまでの時間に基づき、アイドリング回転数の初期増加傾向に対応する１つの噴射量増加パターンを判定することを特徴とする。
この場合、アイドリング回転数が基準回転数に到達するまでの時間が短くなる程、噴射量の増加割合が大きく、アイドリング回転数が基準回転数に到達するまでの時間が長くなる程、噴射量の増加割合が小さくなるため、その噴射量の増加割合に応じて噴射量増加パターンを選択することができる。

本発明を実施するための最良の形態を以下の実施例により詳細に説明する。

図３はコモンレール式燃料噴射システムの全体構成図である。
このコモンレール式燃料噴射システムは、例えば、建設用機械あるいは農業用機械に搭載されるディーゼル機関（図示せず）に適用されるもので、図３に示す様に、高圧燃料を蓄えるコモンレール１と、このコモンレール１に燃料を供給する燃料供給ポンプ２と、コモンレール１から供給される高圧燃料をディーゼル機関の筒内に噴射するインジェクタ３と、本システムの作動を電子制御するエンジン制御装置（ＥＣＵ４と呼ぶ）等より構成される。

コモンレール１は、機関回転数と負荷（アクセル開度）に応じて設定される目標レール圧に基づいて、燃料供給ポンプ２より供給される高圧燃料を蓄圧する。このコモンレール１には、燃料圧力（レール圧）を検出してＥＣＵ４に出力する圧力センサ５と、レール圧の上限値を制限するプレッシャリミッタ６が取り付けられている。
燃料供給ポンプ２は、燃料タンク７から燃料を汲み上げるフィードポンプ（図示せず）と、このフィードポンプが送り出す燃料量を調量する電磁調量弁２ａと、調量された燃料を加圧してコモンレール１へ圧送するポンプ機能（図示せず）等を有している。

インジェクタ３は、ディーゼル機関の気筒毎に取り付けられ、高圧配管８を介してコモンレール１の吐出口１ａに接続されている。このインジェクタ３は、ＥＣＵ４の指令に基づいて作動する電磁弁３ａと、この電磁弁３ａの開閉動作に応じて、噴射量及び噴射時期が制御されるノズル３ｂとを備えている。なお、ノズル３ｂから噴射されない余剰燃料は、リーク通路９を通って燃料タンク７へ還流する。

ＥＣＵ４は、機関回転数を検出する回転数センサ１０と、アクセル開度（機関負荷）を検出するアクセル開度センサ（図示せず）、及び上記の圧力センサ５等が接続され、これらのセンサで検出された情報に基づいて、コモンレール１の目標レール圧と、機関の運転状態に最適な噴射時期及び噴射量等を演算し、その演算結果に従って、燃料供給ポンプ２の電磁調量弁２ａ、インジェクタ３の電磁弁３ａ等を電子制御する。

また、ＥＣＵ４は、本システムを構成するハード側の経時変化による噴射量の増加（機関出力の増加）を抑えるために、機関のアイドリング回転数が予め設定された基準回転数（図２参照）を超えた時に、後述する噴射量の低減補正（カウンタ制御と呼ぶ）を実施する。このＥＣＵ４は、カウンタ制御を実施するために、本発明（請求項２）に記載した記憶手段、判定手段、噴射量補正手段の機能を有している。
なお、ハード側の経時変化としては、インジェクタ３を繰り返し使用することにより生じるなじみ摩耗（以下に説明する）が代表的である。

インジェクタ３は、電磁弁３ａが通電されていない時、つまり噴射停止期間では、図４（ａ）に示す様に、荷重Ｆ２により、ニードル１１のシート部１１ａがノズルボディ１２のシート面１２ａに押し付けられており、電磁弁３ａが通電されると、図４（ｂ）に示す様に、荷重Ｆ１（＞Ｆ２）によりニードル１１が押し上げられ、シート部１１ａがシート面１２ａから離れることで、高圧燃料が噴孔１３より噴射される。

このニードル１１の往復動作が繰り返し行われると、シート部１１ａがシート面１２ａに着座する毎に、荷重Ｆ２がシート面１２ａに加わるため、図４（ｃ）に示す様に、シート部１１ａの形状に倣って、次第にシート面１２ａが摩耗（なじみ摩耗）する。このシート面１２ａの摩耗が進行すると、図４（ｄ）に示す様に、ニードル１１がリフトを開始した直後に、図示上向きに燃料圧力を受けるニードル１１の受圧面積が拡大するため、ニードル１１を押し上げる荷重Ｆ１が大きくなる。その結果、噴射率が大きくなり、且つ、ニードル１１のリフト量も増大するため、噴射量が増加する。

ＥＣＵ４では、インジェクタ３の経時変化（シート面１２ａの摩耗）による噴射量の増加を直接検出することはできないが、図２に示す様に、無負荷状態であるアイドリング時の機関回転数（アイドリング回転数）をモニタして、噴射量の変化を検出することは公知である。
ＥＣＵ４によるカウンタ制御は、上記の公知技術（アイドリング回転数の変化から噴射量の変化を推定する）を利用して行われる。

以下に、カウンタ制御を実施するＥＣＵ４の処理手順を、図５のフローチャートに基づき説明する。
ステップ１０…回転数センサ１０より、機関のアイドリング回転数ＮＥを検出する。
ステップ２０…アイドリング回転数ＮＥが予め設定された基準回転数Ｎｘを超えたか否かを判定する。基準回転数Ｎｘは、噴射量の増加割合からみたディーゼル機関の強度限界をアイドリング回転数に置き換えた閾値として設定される。この判定結果がＹＥＳの時は、次のステップ３０へ進み、判定結果がＮＯの時は、カウンタ制御を実施することなく、本処理を終了する。

ステップ３０…カウンタ制御を実施する。
ＥＣＵ４は、噴射量（機関出力）の増加傾向が異なる幾つかの噴射量増加パターン（例えば、図１に示す急増パターンと緩増パターン）を予めメモリに記憶しており、アイドリング回転数ＮＥが基準回転数Ｎｘに到達するまでに要した時間より、急増パターンか緩増パターンかを判定する。なお、噴射量増加パターンは、噴射量の増加割合が飽和するまでの噴射量増加傾向を表し、予め実機により測定された噴射量の増加傾向（噴射量の増加割合が飽和するまでの傾向）をベースとして、初期の噴射量増加傾向が異なる幾つかのモデルを想定してシミュレーションした結果である。

噴射量増加パターンが判定されると、その噴射量増加パターンを相殺する噴射量低減パターンに従って、インジェクタ３（電磁弁３ａ）に指令する噴射パルス幅を低減補正する。噴射量低減パターンは、噴射量増加パターンの裏返しであり、例えば、急増パターンに対応する急減パターンと、緩増パターンに対応する緩減パターンとが予めメモリに記憶されている。

（実施例１の効果）
上記のカウンタ制御を実施することにより、ハード側の経時変化に起因して生じる、将来の噴射量増加を回避できる。その結果、噴射量の増加によるディーゼル機関の過大な出力増加を抑制でき、出力増加によるディーゼル機関へのダメージを防止できる。
この実施例１によれば、アイドリング回転数ＮＥの初期増加傾向より、噴射量の増加割合が飽和するまでの傾向を予測し、その増加傾向を相殺するカウンタ制御を早期に実施するので、アイドルモードに入る度に補正プログラム（カウンタ制御）を作動させる必要がなく、ＥＣＵ４の負担を軽減できる。

また、噴射量の増加傾向が異なる幾つかの噴射量増加パターンを予めメモリに記憶しておくので、ＥＣＵ４の演算負荷を大幅に軽減できる。
なお、実施例１では、アイドリング回転数ＮＥが基準回転数Ｎｘに到達するまでの時間によって噴射量増加パターンを判定しているが、アイドリング回転数ＮＥが基準回転数Ｎｘに到達する前に、アイドリング回転数ＮＥの初期増加傾向より噴射量増加パターンを推定しても良い。
また、ＥＣＵ４に記憶される噴射量増加パターンの種類を多くする（実施例１では急増パターンと緩増パターンの２種類）ことで、より精度の高いカウンタ制御が可能になる。

実施例１では、早期にカウンタ制御を実施するため、インジェクタ３（電磁弁３ａ）に指令する噴射パルス幅を過大に低減すると、正規の機関出力を下回ることがある。そこで、カウンタ制御を実施する際に、一度に全補正量を低減するのではなく、最初は少なめに補正し、その後、次第に補正量を増大する様な、なまし処理を行っても良い。

出力増加パターンとカウンタ制御特性とを示す図である。 噴射量とアイドリング回転数との関係を示す特性図である。 コモンレール式燃料噴射システムの全体構成図である。 インジェクタの経時変化を説明する図である。 カウンタ制御を実施するＥＣＵの処理手順を示すフローチャートである。 時間経過に対する機関出力の増加割合を示す図である。

符号の説明

３ インジェクタ
４ ＥＣＵ（噴射量制御装置）
１０ 回転数センサ

Claims (3)

1. 内燃機関のアイドリング回転数をモニタしながら、前記アイドリング回転数の初期増加傾向より、将来の噴射量の増加傾向を予測し、前記アイドリング回転数が予め設定された基準回転数を超えた場合に、前記噴射量の増加傾向を相殺する噴射量の低減補正を実施することを特徴とする内燃機関の噴射量制御装置。
2. 請求項１に記載した内燃機関の噴射量制御装置において、
   噴射量の増加傾向が異なる幾つかの噴射量増加パターンを予め記憶する記憶手段と、
   前記幾つかの噴射量増加パターンより、前記アイドリング回転数の初期増加傾向に対応する１つの噴射量増加パターンを判定する判定手段と、
   前記アイドリング回転数が前記基準回転数を超えた場合に、前記判定手段で判定された前記噴射量増加パターンを相殺する噴射量の低減補正を実施する噴射量補正手段とを備えることを特徴とする内燃機関の噴射量制御装置。
3. 請求項２に記載した内燃機関の噴射量制御装置において、
   前記判定手段は、前記アイドリング回転数が前記基準回転数に到達するまでの時間に基づき、前記アイドリング回転数の初期増加傾向に対応する１つの噴射量増加パターンを判定することを特徴とする内燃機関の噴射量制御装置。
   

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