JP4352013B2 - 燃料噴射システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料噴射量を調節するラックの駆動制御を行う燃料噴射システム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は、例えば、ガバナに内蔵されるラックの位置は、一般的にエンジン回転数又は過給器（ターボ）の吸気圧力に応じて駆動制御され、これらの関係はエンジンや燃料噴射システムの制御手段の一例であるＥＣＭに予め記憶されており、例えば図３に示すようになる。
この図３に示すグラフは、横軸に「エンジン回転数」と過給器の「吸気圧力」をとり、縦軸にラック位置をとったものであり、以下のような曲線を示している。
吸気ラック位置制限曲線ＲＴは、過給器の吸気圧力とラック位置との関係において、各吸気圧力と燃料噴射量を最大にするラック位置との関係を示したものであり、言わばラック位置の上限ラインである。
回転数ラック位置制限曲線ＲＭは、エンジン回転数とラック位置との関係において、各エンジン回転数と燃料噴射量を最大にするラック位置との関係を示したものであり、言わばラック位置の上限ラインである。
回転数ラック位置最小曲線ＲＳは、エンジン回転数とラック位置との関係において、各エンジン回転数と燃料噴射量を最小にするラック位置との関係を示したものであり、言わばラック位置の下限ラインである。
尚、吸気ラック位置制限曲線ＲＴは直接的にエンジン回転数に依存するものではないが、吸気ラック位置制限曲線ＲＴ及び回転数ラック位置制限曲線ＲＭが共に同じラック位置ＲＣ（点ＥＣ）をとる場合があるので、この点ＥＣを基準に考えると、吸気ラック位置制限曲線ＲＴ及び回転数ラック位置制限曲線ＲＭを１つのグラフで示すことができる。
即ち、吸気ラック位置制限曲線ＲＴも、おおよそエンジン回転数によって変化するかの如く記載することが可能である。
また、図３は船舶等の燃料噴射システムの一例を示したものである。

ところで、従来においては、ＥＣＭが、吸気ラック位置制限曲線ＲＴ又は回転数ラック位置制限曲線ＲＭのいずれをラック位置の上限ラインとするかは、次のようにして決められていた。
ＥＣＭは、エンジン回転数や吸気圧力の状態に応じて、両曲線のうちラック位置の制御範囲が狭くなる方の曲線を上限ラインとしていた。
例えば、エンジンがアイドリング状態で回転数が低い場合、即ちエンジン回転数がＭ１で吸気圧力がＦ１のときは、回転数ラック位置制限曲線ＲＭよりもラック位置の制御範囲が狭くなる吸気ラック位置制限曲線ＲＴを上限ラインとして選択していた。
このように選択が行われることにより、最大燃料噴射量を制限することが可能となり、未燃ガスや黒煙の排出を抑制することが可能となる。
したがって、実際の運用においてＥＣＭは、例えばエンジン回転数がＭ１からＭＣの間では吸気ラック位置制限曲線ＲＴを上限ラインとして選択し、他方、エンジン回転数がＭＣからＭ２の間では回転数ラック位置制限曲線ＲＭを上限ラインとして選択していた。
つまり、点ＥＴ１、点ＥＣ、点ＥＭ２を結んだ曲線がラック位置の上限ラインとなる。
特開２００４−２１８６３６号公報

しかしながら、ＥＣＭが、上記両曲線のうちラック位置の制御範囲が狭くなる方の曲線を上限ラインとして選択するような処理を画一的に行うと、以下のような場合に、最大燃料噴射量が必要以上に制限されるためエンストが発生する等の問題があった。
例えば、エンジンがアイドリング時の目標回転数で安定して動作している状態において、負荷を投入するとエンストが発生する場合がある。
これは、アイドリング時のようなエンジンの回転数が低い状態の場合においても、上限ラインとしては吸気ラック位置制限曲線ＲＴが選択されているために、最大燃料噴射量が制限されて、エンジン回転数の急低下に対処できずにエンストに至ってしまう場合がある。
また、図３に示すように、エンジン回転数が予めＥＣＭに記憶される最低設定回転数Ｍｍｉｎに達した場合に、ラック位置を回転数ラック位置最小曲線ＲＳに従うように制御しても、回転数が低くなるほど燃料噴射量を増加させる制御が行われるため、未燃の燃料の排出が増加する等の問題があった。
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、アイドリング時のようなエンジン回転数が低い場合に負荷投入等が行われても、エンスト等を発生させない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、エンジンに燃料を噴射する燃料噴射ポンプの燃料噴射量を調節するラックと、過給器の吸気圧力と燃料噴射量を最大にするラック位置との関係を定めた吸気ラック位置制限曲線、或いは、エンジンの回転数と燃料噴射量を最大にするラック位置との関係を定めた回転数ラック位置制限曲線に基づいて前記ラックを制御する制御手段と、を具備する燃料噴射システムにおいて、該制御手段は、エンジンの回転数が目標回転数から所定の回転数以上低下した場合に、前記吸気ラック位置制限曲線又は前記回転数ラック位置制限曲線のいずれかのうち、ラック位置の制御範囲が広くなる方の曲線を選択する曲線選択手段を具備するものである。

請求項２においては、エンジンに燃料を噴射する燃料噴射ポンプの燃料噴射量を調節するラックと、過給器の吸気圧力と燃料噴射量を最大にするラック位置との関係を定めた吸気ラック位置制限曲線、或いは、エンジンの回転数と燃料噴射量を最大にするラック位置との関係を定めた回転数ラック位置制限曲線に基づいて前記ラックを制御する制御手段と、を具備する燃料噴射システムにおいて、該制御手段は、エンジン起動後の経過時間が所定時間の範囲内である場合は、前記吸気ラック位置制限曲線又は前記回転数ラック位置制限曲線のいずれかのうち、ラック位置の制御範囲が広くなる方の曲線を選択する曲線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、エンジンの回転数が目標回転数よりも所定回転数以上低下した場合に、ラック位置の制御範囲が広くなる方の曲線が選択されるので、燃料噴射量を適切に増加させることで、エンストを防止することが可能となる。

請求項２の構成により、エンジンを起動してから所定時間内は、ラック位置の制御範囲が広くなる方の曲線が選択されるので、燃料噴射量を適切に増加させることでエンスト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は燃料噴射量を最大若しくは最小にするラック位置、エンジン回転数、及び過給器の関係を示した図、図４はエンストを防止するための一連の処理を示したフローチャート、図５はエンジン起動時における時間とエンジン回転数との関係の変化例を示した図、図６はエンジンの回転数が低下したときの時間とエンジン回転数との関係の変化例を示した図、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、吸気圧力センサ２７、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。
吸気圧力センサ２７は、エンジン２０に設けられる過給器の吸気圧力を検出するものである。
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。

＜エンスト防止処理＞
ところで、既に図３を用いて説明したように、燃料噴射量を最大にするラック位置（上限ライン）は、ＥＣＭ２１に予め記憶される吸気ラック位置制限曲線ＲＴ又は回転数ラック位置制限曲線ＲＭによって定められる。
そして、いずれの曲線を上限ラインとするかは、エンジン２０の回転数や過給器の吸気圧力に応じて、両曲線のうちラック位置の制御範囲が狭くなる方の曲線を上限ラインとしていた。
そのため、最大燃料噴射量が制限されるので、負荷投入時等のエンジン回転数の急低下に対処できずにエンストに至ってしまう場合があった。
そこで、図４を用いて、上述のような場合にエンストを防止する一連の処理について説明する。

＜エンジン起動時＞
先ず、キースイッチ１２ａが操作されることによってエンジン２０が起動した場合に、ＥＣＭ２１は、エンジン２０の起動後の経過時間が所定時間の範囲内か否かを判断する（Ｓ１０）。
該所定時間とは、例えば、ＥＣＭ２１等に予め記憶されるものであり、約２秒程度の時間のことである。
即ち、上記ステップＳ１０の処理において、ＥＣＭ２１は、起動後の経過時間が２秒以内か否かを判断しているのである。
このステップＳ１０の処理で、エンジン２０の起動後の経過時間が所定時間の範囲内と判断された場合に処理はステップＳ２０へ移行し、他方、範囲外と判断された場合に処理はステップＳ１２へ移行する。
処理がステップＳ２０へ移行した場合は、起動直後でアイドリング状態にあるので、エンジン回転数は、図３に示すＭ１からＭＣの間であるといえる。
このとき、吸気ラック位置制限曲線ＲＴよりも回転数ラック位置制限曲線ＲＭが選択された方がラック位置の制御範囲は広くなるので、ＥＣＭ２１は、燃料噴射量を最大にするラック位置を定める上限ラインとして、回転数ラック位置制限曲線ＲＭを選択する（Ｓ２０）。
つまり、ＥＣＭ２１は、吸気ラック位置制限曲線ＲＴ又は回転数ラック位置制限曲線ＲＭのいずれかのうち、ラック位置の制御範囲が広くなる方の曲線を選択する曲線選択手段の一例としても機能している。
ここで、処理がステップＳ１０からステップＳ２０へ移行した場合に、エンジン起動時における時間とエンジン回転数との関係の変化例を図５を用いて説明する。
尚、図５に示される時刻Ｕ１、従来エンジン回転数曲線ＭＡ１、処理後エンジン回転数曲線ＭＡ２は下記のような意味を示すものである。
時刻Ｕ１は、エンジン２０が起動した時刻。
従来エンジン回転数曲線ＭＡ１は、従来のようにラック位置の制御範囲が狭くなる方の曲線を上限ラインとして選択した場合におけるエンジン回転数の時間的変化を示したもの。
処理後エンジン回転数曲線ＭＡ２は、上記ステップＳ１０からステップＳ２０の処理を行って、ラック位置の制御範囲が広くなる方の曲線を上限ラインとして選択した場合におけるエンジン回転数の時間的変化を示したもの。
この場合に、時刻Ｕ１でエンジン２０が起動した直後おいては、処理後エンジン回転数曲線ＭＡ２の方が従来エンジン回転数曲線ＭＡ１よりも大きな値となっている。
即ち、従来エンジン回転数曲線ＭＡ１は時刻Ｕ２までエンジン回転数Ｍ２の近傍に留まるが、処理後エンジン回転数曲線ＭＡ２は時刻Ｕ１直後に該エンジン回転数Ｍ２よりも大きなエンジン回転数Ｍ３にまで達して十分な出力をだしている。
また、ステップＳ１０における所定時間の範囲としては、例えば時刻Ｕ１から時刻Ｕ３までの範囲であり、この間上限ラインとしては回転数ラック位置制限曲線ＲＭが選択される。
以上より、上記ステップＳ１０からステップＳ２０の処理を行うことによって、エンジン２０を起動してから所定時間内は、ラック位置の制御範囲が広くなる回転数ラック位置制限曲線ＲＭが選択されるので、燃料噴射量を適切に増加させることでエンストを防止することが可能となる。

＜所定回転数以下＞
処理がステップＳ１２へ移行した場合に、ＥＣＭ２１は、エンジン２０の回転数が目標回転数から所定の回転数以上低下したか否かを判断する（Ｓ１２）
該所定の回転数とは、例えば、ＥＣＭ２１等に予め記憶されるものであり、約５０回転程度の回転数のことである。
このステップＳ１２の処理で、エンジン２０の回転数が目標回転数から所定の回転数以上低下したと判断された場合に処理はステップＳ２０へ移行し、他方、低下していないと判断された場合に処理はステップＳ３０へ移行する。
ここで、処理がステップＳ１２からステップＳ２０へ移行した場合に、エンジンの回転数が低下したときの時間とエンジン回転数との関係の変化例を示した図６を用いて説明する。
尚、図６に示される時刻Ｕ５、従来エンジン回転数曲線ＭＡ３、処理後エンジン回転数曲線ＭＡ４は下記のような意味を示すものである。
時刻Ｕ５は、エンジン２０の回転数が目標回転数を下回った時刻。
従来エンジン回転数曲線ＭＡ３は、従来のようにラック位置の制御範囲が狭くなる方の曲線を上限ラインとして選択した場合におけるエンジン回転数の時間的変化を示したもの。
処理後エンジン回転数曲線ＭＡ４は、上記ステップＳ１２からステップＳ２０の処理を行って、ラック位置の制御範囲が広くなる方の曲線を上限ラインとして選択した場合におけるエンジン回転数の時間的変化を示したもの。
この図６に示すように、時刻Ｕ５でエンジン回転数が目標回転数Ｍ８を下回った場合に、処理後エンジン回転数曲線ＭＡ４の方が従来エンジン回転数曲線ＭＡ３よりも大きな値となっており、目標回転数Ｍ８への復帰も早い。
即ち、従来エンジン回転数曲線ＭＡ３は時刻Ｕ６で目標回転数Ｍ８よりも大幅に下回ったエンジン回転数Ｍ６に達するが、処理後エンジン回転数曲線ＭＡ４は時刻Ｕ６以前にエンジン回転数Ｍ６よりも大きな値であるエンジン回転数Ｍ９で切り返して目標回転数Ｍ８に復帰している。
また、ステップＳ１２における所定回転数の範囲としては、例えば目標回転数Ｍ８からエンジン回転数Ｍ５までの範囲であり、エンジン回転数が該エンジン回転数Ｍ５を下回っている間は回転数ラック位置制限曲線ＲＭが選択される。
以上より、上記ステップＳ１２からステップＳ２０の処理を行うことによって、エンジン２０の回転数が目標回転数よりも所定回転数以上低下した場合に、ラック位置の制御範囲が広くなる回転数ラック位置制限曲線ＲＭが選択されるので、燃料噴射量を適切に増加させることで、エンストを防止することが可能となる。

＜通常制御＞
処理がステップＳ３０へ移行した場合には、従来から行っているような通常の制御に戻る。
即ち、燃料噴射量を最大にするラック位置（上限ライン）を、吸気ラック位置制限曲線ＲＴ又は回転数ラック位置制限曲線ＲＭのいずれかのうち、ラック位置の制御範囲が狭くなる方の曲線を上限ラインとして、ＥＣＭ２１はラック位置を制御する。

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。 燃料噴射量を最大若しくは最小にするラック位置、エンジン回転数、及び過給器の関係を示した図。 エンストを防止するための一連の処理を示したフローチャート。 エンジン起動時における時間とエンジン回転数との関係の変化例を示した図。 エンジンの回転数が低下したときの時間とエンジン回転数との関係の変化例を示した図。

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
２３ カム軸回転数センサ
２４ 遅角用電磁弁
２５ 進角用電磁弁
２７ 吸気圧力センサ
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 (2)

1. エンジンに燃料を噴射する燃料噴射ポンプの燃料噴射量を調節するラックと、
   過給器の吸気圧力と燃料噴射量を最大にするラック位置との関係を定めた吸気ラック位置制限曲線、或いは、エンジンの回転数と燃料噴射量を最大にするラック位置との関係を定めた回転数ラック位置制限曲線に基づいて前記ラックを制御する制御手段と、を具備する燃料噴射システムにおいて、
   該制御手段は、エンジンの回転数が目標回転数から所定の回転数以上低下した場合に、前記吸気ラック位置制限曲線又は前記回転数ラック位置制限曲線のいずれかのうち、ラック位置の制御範囲が広くなる方の曲線を選択する曲線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。
2. エンジンに燃料を噴射する燃料噴射ポンプの燃料噴射量を調節するラックと、
   過給器の吸気圧力と燃料噴射量を最大にするラック位置との関係を定めた吸気ラック位置制限曲線、或いは、エンジンの回転数と燃料噴射量を最大にするラック位置との関係を定めた回転数ラック位置制限曲線に基づいて前記ラックを制御する制御手段と、を具備する燃料噴射システムにおいて、
   該制御手段は、エンジン起動後の経過時間が所定時間の範囲内である場合は、前記吸気ラック位置制限曲線又は前記回転数ラック位置制限曲線のいずれかのうち、ラック位置の制御範囲が広くなる方の曲線を選択する曲線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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