JP4490844B2

JP4490844B2 - エンジン制御装置

Info

Publication number: JP4490844B2
Application number: JP2005033378A
Authority: JP
Inventors: 佳三坂本; 晃史黒田; 泰治水倉; 章広西村; 岳志高橋
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2005-02-09
Filing date: 2005-02-09
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2025-02-09
Also published as: JP2006220043A

Description

本発明は、電子制御式燃料噴射装置を具備したディーゼルエンジンを搭載した作業車両において、負荷を正確に検知して、エンストやスリップ等を防止するための技術に関する。

従来から、作業機を装着した作業車両において、負荷を検出して作業効率が向上するように制御する技術はいろいろ知られている。
例えば、トラクタの後部に３点リンク式の作業機装着装置を配置し、この作業機装着装置のトップリンク基部に歪みゲージ式のドラフトセンサを設けて牽引負荷を検出するように構成し、このドラフトセンサにより検出された牽引負荷が一定以上となるとリフトアームを一定量だけ上昇するように制御していた（例えば、特許文献１参照）。

また、ドラフト制御モードにおいては、ドラフトセンサで検知された牽引負荷と、ドラフト設定器で設定した負荷とを比較して、牽引負荷が目標牽引負荷となるように油圧シリンダを制御して昇降するとともに、電子ガバナによりトルク変動率が大きい場合であって、最大トルク点が低速側に偏位させて、高負荷領域でねばりのあるトルクカーブ特性となるように制御するように制御して、プラウ作業に適するようにエンジンを制御することも行われている（例えば特許文献２参照）。

一方、エンジンの回転数検出手段、エンジン負荷検出手段、車両速度検出手段、車両走行状態検出手段、回転数変化率検出手段を有し、回転数の変化率に応じて供給燃料の補正値を演算して、その補正値に応じて燃料を供給して安定した運転が得られるようにした技術も公知となっている（例えば特許文献３）。

また、目標燃料噴射量と現在の燃料噴射量、つまりコントロールラック位置を検知して負荷率を演算し、ドラフトセンサを用いることなく負荷を検出して、設定負荷率となるように昇降用油圧シリンダを制御する技術も公知となっている（例えば特許文献４）。

更に、機関回転数とラック位置から機関にかかっている負荷を検出し、この任意のスパンにおける回転数の第一機関負荷トルクと、その後の任意スパンにおける第二機関負荷トルクとから、負荷偏差を求め、耕深偏差を負荷偏差に基づく補正量で補正する技術も公知となっている（例えば特許文献５）。

また、第一機関負荷トルクと第二機関負荷トルクとを一定サイクル毎に求めて機関負荷変化を求めて、機関回転数の回転変動や誤差の影響を小さくして負荷を正確に検出して作業部にかかる負荷を一定に保つようにしたり、回転数を一定に保持するようにする技術も公知となっている（例えば特許文献６）。
特開２０００−１７０５６４号公報特開２０００−３１２５０５号公報特開平１０−３０４７０号公報特開平１０−３０９１０６号公報特開２０００−９２９１３号公報特開２０００−９７１００号公報

上述のように、ドラフト制御を行う場合において、牽引力を直接歪みゲージ等の負荷検知手段を用いて検知する構成では、検知手段が必要となり部品点数が増加して、配線も必要なため組み立て工数も増加し、コストアップとなってしまう。
また、機関の回転数とコントロールラックの位置とにより負荷を算出して、作業機の高さや速度を変更する場合には、回転数は瞬時に検知できるが、コントロールラックはソレノイドにより駆動し、その移動後のコントロールラックの位置をセンサで検知する構成のため、応答遅れが生じて負荷が大きくなり過ぎてエンストしたり、作業機の昇降の遅れにより仕上がりが微妙に変化したりすることがあり、更に、燃料噴射量を変更する場合であっても燃料ラックを駆動するため、更に遅れが生じていた。
そこで本発明は、内燃機関として電子制御式燃料噴射装置を具備したディーゼルエンジンの回転数と燃料噴射量を検知して、回転速度の変化から負荷を検出し、負荷が増大した時に回転数を上げてトルクの増加を図ろうとするものである。

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。

即ち、請求項１においては、サプライポンプ（２８）からコモンレール（２６）に燃料を圧送し、電磁式インジェクタ（２２）の開弁により燃焼室に燃料を噴射する電子制御式燃料噴射装置を備えるコモンレール式ディーゼルエンジンにおいて、クランク軸（２５）の回転数を検知する回転数センサ（３３）と、回転数を設定する手段と、サイクル毎の噴射量を演算する手段と、電子制御式燃料噴射装置の噴射量制御装置（３１）とを備え、回転数を設定した状態で、各サイクル毎のピストン（２１）の所定位置（θ）での回転速度を検知して、前回のサイクルにおけるピストン（２１）の所定位置（θ）での回転速度と現サイクルのピストン（２１）の所定位置（θ）での回転速度を比較して、現サイクルのピストン（２１）の所定位置（θ）での回転速度が前回よりも減少した場合には、燃料噴射量を所定量増加し、前記現サイクルのピストン（２１）の所定位置（θ）での回転速度が前回よりも増加した場合には、設定回転数と制御後の設定回転数を比較して、設定回転数が同じ場合にはその状態を維持し、前記制御後の設定回転数が設定回転数より小さい場合には更に燃料噴射量を増加させ、制御後の設定回転数が設定回転数の時よりも大きい場合には燃料噴射量を減少させるととともに、該コモンレール式ディーゼルエンジンの１サイクルにおいての噴射形態を、主噴射（ｄ）と、該主噴射（ｄ）の前に行う前噴射（ｃ）と、主噴射（ｄ）の後に行う後噴射（ｅ）とを行う形態とし、前記電子制御式燃料噴射装置からの燃料噴射の増量は、１サイクルにおける主噴射（ｄ）と、前噴射（ｃ）と、後噴射（ｅ）のいずれか一つ、または、いずれか２つ、または、３つの噴射量を増加させるものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
トルクまたは負荷を直接検出するセンサを配置する必要がなく、急激なトルク変動または負荷変動を素早く検知して、コスト低減化を図りながら、負荷を軽減し、スリップをできるだけ少なくして、作業効率を向上できるように迅速に対処できるようになる。エンジンのクランク軸の回転サイクル毎に速度変動が検知できるようになり、負荷変動が従来よりも格段に速く検知でき、負荷変動に対する対応も速くできるようになる。

また、負荷が増大することによるスリップの発生を瞬時に判断して、出力を増大させて、スリップの発生を防止し、作業ロスや耕耘作業における地面を荒らすことをなくすことができる。また、回転数の低下を防止して、仕上をきれいにすることができる。

また、負荷が増大したときに１サイクル毎に燃料噴射量の増減が可能なため、瞬時にトルクの回復が可能となり、例えばトラクタのエンジンとして搭載した場合には、作業速度を落としたり、耕耘深さを浅くしたりして作業状態が変化するようなことがなく、スリップを防止して、作業を効率よく、きれいに仕上げることができるようになる。

次に、発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の負荷制御装置を装備したトラクタの全体側面図、図２は制御ブロック図、図３は制御フローチャートを示す図、図４はエンジンの通常回転と負荷が増加したときの時間とピストン位置との関係を示す図、図５は１サイクルにおける時間と燃料噴射量との関係を示す図である。

本実施例では、作業車両をトラクタとし、該トラクタに装着する作業機としてプラウを採用し、内燃機関として電子制御式燃料噴射装置を具備したディーゼルエンジンを採用した場合について説明する。

まず、トラクタ１は図１に示すように、機体前部のフロントフレーム２上に内燃機関としてディーゼルエンジン１１を載置し、該エンジン１１はボンネット６により覆われている。該ボンネット６の後部にハンドル１０が配置され、その後方に座席シート１２が配置されている。前記フロントフレーム２下方に前輪４が支承され、座席シート１２下部のミッションケース１３にリアアクスルハウジングを介して後輪５が支承されている。前記ハンドル１０近傍には回転数設定手段としてのアクセルレバーが配置され、座席シート１２近傍には変速手段としての変速レバー１４や負荷設定手段となる負荷設定器（耕深設定レバー）３６等が配置され、このハンドル１０や座席シート１２等はキャビン１５により覆われ、運転操作部９としている。

また、トラクタ１の後部には３点リンク式の作業機装着装置３を介して牽引作業機としてのプラウ７が装着されている。但し、作業機はプラウに限定するものではなく、ロータリ耕耘装置やモアや掘削機やローダ等を装着することができる。作業機装着装置３は、ミッションケース１３後面に取り付けたヒッチブラケットに枢支されるトップリンク１６と、ミッションケース１３後下部に枢支されるロアリンク１７・１７と、該ロアリンク１７とリフトアーム１８と間を連結するリフトロッド１９等から構成される。

前記エンジン１１は電子制御式燃料噴射装置を具備しており、制御装置３１により電磁式インジェクタ２２の開弁を制御して、クランク軸２５の回転を制御できるようにしている。例えばコモンレール式エンジンの場合、サプライポンプ（高圧ポンプ）２８からコモンレール２６に燃料を圧送し、電磁式インジェクタ２２の開弁により燃焼室に噴射され、燃焼することでピストン２１を往復駆動してクランク軸２５を回転させるようにしている。その概略構成は図２に示すように、シリンダ２０内にピストン２１を上下昇降自在に内嵌し、シリンダ２０上部のシリンダヘッドに燃料噴射弁（インジェクタ）２２を設けて燃焼室に燃料を噴射できるようにしている。該燃料噴射弁２２には燃料噴射制御用のソレノイド２２ａを備えており電磁制御弁（電磁式インジェクタ）を構成し、該ソレノイド２２ａに制御電圧を印加することにより燃料噴射弁２２を開閉して燃料を所定のタイミングで所定量噴射して燃焼させ、前記ピストン２１を上下往復駆動させる。該ピストン２１にはコンロッド２４の上端を枢支し、該コンロッドの下部に出力軸となるクランク軸２５を連結して、前記ピストン２１の往復動をクランク軸２５の回転に変換して駆動するようにしている。つまり、前記燃料噴射弁２２の開閉を制御することにより燃料噴射量及び噴射時期を調整してエンジン１１の出力回転を制御することができる。
前記クランク軸２５にはクラッチやミッションケース１３内の変速装置を介して駆動輪となる後輪５または前輪４に動力を伝達する。

そして、前記燃料噴射弁２２には燃料高圧アキュムレータとなるコモンレール２６と接続され、該コモンレール２６には配管２７を介して高圧ポンプ２８と接続され、該コモンレール２６と高圧ポンプ２８との間にはコモンレール２６内に所定の圧力に維持するための弁が介装されている。該高圧ポンプ２８にはフィルタを介して燃料タンク２９と接続されている。なお、高圧ポンプ２８及び燃料噴射弁２２には余剰燃料を燃料タンク２９に戻す配管がそれぞれ接続されている。また、本実施例では一つの気筒について説明するが、多気筒の機関の場合にも適用できる。

また、前記ソレノイド２２ａには制御装置３１と接続され、該制御装置３１には前記コモンレール２６内の圧力を検知する手段となる圧力センサ３０と、高圧ポンプ２８の燃料圧送量を調節するための圧力制御電磁弁３２と、クランク軸２５の回転数を検知する回転数センサ３３と、クランク軸２５またはカム軸の角度を検知する角度センサ３４と、回転数を設定する手段としてのアクセルペダルまたはアクセルレバーの回動と連動する回転数設定器３５と、目標となる負荷（牽引力、または耕深）を設定レバーまたはツマミと連動する目標負荷設定器３６とを接続している。

更に、制御装置３１には作業機を昇降するための油圧シリンダ３８への圧油の送油を制御する電磁バルブ３７が接続されている。該電磁バルブ３７の開閉を制御してシリンダ３８に圧油を送油してリフトアーム１８を昇降回動して作業機を昇降できるようにしている。該リフトアーム１８の回動はその基部に配置した角度センサ４２により検知されている。前記制御装置３１はＣＰＵ（中央演算処理ユニット）やメモリ（ＲＯＭやＲＡＭ等）や入出力回路や駆動回路等を備えている。

このようにして、前記センサからの出力信号は制御装置３１に入力されて、目標回転数や運転にかかる各種状態を演算して、回転数設定器３５で設定した回転数となるように燃料噴射弁２２や圧力制御電磁弁３２を制御して、燃料噴射量と噴射タイミングを制御するようにしている。

次に、エンジンのトルクを演算して、負荷変動があると負荷が設定された負荷となるように制御するための具体的実施例を説明する。
電子制御式燃料噴射装置を具備したエンジンの場合、エンジンの回転数を前記回転数設定器３５で設定して駆動すると、その回転数になるように制御装置は働き、その時のエンジンの回転数と燃料噴射量を検知することによりトルクを演算することができる。つまり、エンジン回転数を前記回転数センサ３３により検知し、燃料噴射量を燃料噴射弁２２の開き量、即ちソレノイド２２ａへの制御信号より演算できる。このエンジン回転数と燃料噴射量によりマップ等を用いて任意の時間におけるトルクを演算する。

そして、作業機装着装置３にプラウ７等を装着して、設定回転数で牽引作業をしている時には負荷が変化し、回転数も変化するので、本発明はこの回転数の変化からトルク変動を検知して、このトルク変動から負荷を判断して、作業が続行できるようにするのである。
つまり、回転数設定器３５により回転数を設定した状態で運転した場合、図４の如く示すことができる。エンジンの燃焼行程の１サイクルＸ（吸気・圧縮・燃焼・排気）のうち、ピストン２１の上死点（ＴＤＣ）から下死点（ＢＤＣ）までの間の任意の所定位置θ（またはクランク軸の任意の所定角度）での、各サイクル毎の所定位置θでの回転速度変化（回転変化、角速度変化）を検知して、その回転速度（回転数）変化が減少するように変化する場合には負荷が増加した、または、スリップしたと判断する。そして、スリップ（負荷が増加）したと判断すると燃料噴射量を所定量増加して回転数を増加させて設定回転数に維持できるように制御する。

図３に示すフローチャートに従って説明すると、作業時において、回転数設定器３５で設定した回転数を読み込み（Ｓ１０１）、制御装置３１は燃料噴射弁２２の燃料噴射時期と燃料噴射量を制御して設定回転数となるようにする。そして、各サイクル毎のピストン２１の所定位置θでの回転速度を検知して（Ｓ１０２）、前回のサイクルにおけるピストン２１の所定位置θでの回転速度と現サイクルのピストン２１の所定位置θでの回転速度を比較して（Ｓ１０３）、現サイクルのピストン２１の所定位置θでの回転速度が前回よりも減少した場合には、燃料噴射量を所定量増加する（Ｓ１０４）。また、前記現サイクルのピストン２１の所定位置θでの回転速度が前回よりも増加した場合には（Ｓ１０５）、負荷が上昇して前述の制御により増加させた場合と、負荷が減少して増加する場合があるので、増加した場合には設定回転数と制御後の設定回転数とを比較して（Ｓ１０６）、設定回転数が同じ場合にはその状態を維持し、制御後の設定回転数が設定回転数より小さい場合には更に増加させ（Ｓ１０７）、制御後の設定回転数が設定回転数の時よりも大きい場合には減少させる（Ｓ１０８）。また、ステップＳ１０５において、回転速度が増加していない場合には、現サイクルでの回転速度は変化していないこととなり維持する。

前述のピストン２１の所定位置θでの回転数が減少するかどうか、つまり、負荷が増加したかどうかを判断するための方法について説明すると、ピストン２１の位置と時間の関係において、図４に示すように、１サイクル毎のピストン２１の所定位置θでの傾斜から回転速度が得られ、その回転速度の変化は回転数の増減と略一致するので、この回転数の変化によって負荷の増減を判断することができる。その回転速度の変化はピストン２１の所定位置θでの傾斜の変化としても表すことができる。例えば、通常の作業では（Ａ）のような特性となるが、負荷が大きくなると（Ｂ）のような特性となり、ピストン２１の所定位置θにおける（Ａ）及び（Ｂ）の傾斜角度はそれぞれｔａｎ（Δωａ／Δｔ）とｔａｎ（Δωｂ／Δｔ）で表され、（Ｂ）の傾斜は（Ａ）の傾斜角よりも小さく、（Ｂ）の負荷が増加したことが容易に判断できるのである。

よって、傾斜角度が小さくなっていくことは回転数は減少傾向にあり、負荷が増加しており、この傾斜角度が所定角度以上小さくなれば、言い換えれば、回転数が設定回転数以下になると、負荷が増加したと判断して、燃料噴射量を増加して設定回転数を維持するように制御するのである。つまり、負荷が増加した場合に、燃料噴射量を増加することにより発生トルクを増大させて、回転数の減少を抑える。このとき傾斜角度の減少量に合わせて燃料噴射量も増大させて、回転数が設定回転数となるようにすることで、回転数の変化の度合いを小さくすることができる。

このように制御することによって、負荷が増大してスリップが発生する前に、瞬時に負荷増大を検知して出力を増大させ、スリップの発生による作業ロスの減少や耕耘面を荒らすことを防止できるのである。

また、電子制御式燃料噴射装置を具備したエンジン、特に、コモンレール式エンジンの場合、１サイクルにおいての噴射形態は主噴射のみでなく、多段噴射も可能としている。この多段噴射は従来から排ガスに含まれるＮＯｘの低減や煤の排出を低減する目的で、主噴射の前にパイロット噴射（前噴射）を行ったり、主噴射の後に後噴射を行ったりしていた。本発明は、図５に示すように、前述のような負荷が大きくなったと判断した場合に、前噴射ｃ、または、主噴射ｄ、または、後噴射ｅのいずれか一つの燃料噴射量を増加するように制御して、回転数の減少を防止してトルクの増大化を図るのである。
また、負荷が大きくなったと判断した場合には、前噴射ｃ、または、主噴射ｄ、または、後噴射ｅのいずれか二つ、または、三つ全ての噴射量を増加することも可能である。

この主噴射ｄの燃料噴射量、及び、前噴射ｃと後噴射ｅの噴射量は予め負荷の大きさや回転数等に合わせてマップ等により設定されており、作業時に負荷が増大すると、その回転数から最適燃料噴射量を演算して、前噴射ｃ、主噴射ｄ、後噴射ｅそれぞれが設定された量の燃料を噴射するのである。そして、この燃料噴射は、１サイクル毎に変更することができるので、精度良く負荷変動に応じて回転数変動が生じないように制御することができるのである。
更に、１サイクルにおいて同じ噴射量であっても、前噴射ｃと後噴射ｅの燃料噴射時期を変更することによっても、トルクを増加することもできる。

このように制御することによって、従来では負荷の増加は、回転数を設定した状態でエンジンを駆動し、設定したスパンの回転数の変化とその回転数と燃料噴射量によりトルクを演算して、そのスパンのトルクと次のスパンのトルクから負荷の変化を求める構成であったが、このスパンは所定時間内の数サイクルの回転数を検知するものであり、１サイクルで判断することは難しい。本発明のように１サイクル毎に負荷の増減が判断できるため、負荷増加後の対応が速やかに精度良くできるのである。なお、本発明の１サイクルは吸気・圧縮・燃焼・排気の１行程を１サイクルとしており、従来の技術は、数行程のサイクルをスパンとしている。
また、本実施例では負荷が増加したときに、エンジンの回転数を維持するように燃料噴射量を増加するように制御しているが、回転数が減少しないように変速装置を所定変速比大きくなるようにして減速してトルクの増加を図るように構成することもできる。また、作業機を装着している場合には、作業機を所定量上昇させたり、ＰＴＯの回転数を所定量減少させたりするように制御することも可能である。

本発明の負荷制御装置を装備したトラクタの全体側面図。制御ブロック図。制御フローチャートを示す図。エンジンの通常回転と負荷が増加したときの時間とピストン位置との関係を示す図。１サイクルにおける時間と燃料噴射量との関係を示す図。

１トラクタ
３作業機装着装置
１１エンジン
２５クランク軸
３１制御装置
３３回転数センサ
３５回転数設定器

Claims

サプライポンプ（２８）からコモンレール（２６）に燃料を圧送し、電磁式インジェクタ（２２）の開弁により燃焼室に燃料を噴射する電子制御式燃料噴射装置を備えるコモンレール式ディーゼルエンジンにおいて、クランク軸（２５）の回転数を検知する回転数センサ（３３）と、回転数を設定する手段と、サイクル毎の噴射量を演算する手段と、電子制御式燃料噴射装置の噴射量制御装置（３１）とを備え、回転数を設定した状態で、各サイクル毎のピストン（２１）の所定位置（θ）での回転速度を検知して、前回のサイクルにおけるピストン（２１）の所定位置（θ）での回転速度と現サイクルのピストン（２１）の所定位置（θ）での回転速度を比較して、現サイクルのピストン（２１）の所定位置（θ）での回転速度が前回よりも減少した場合には、燃料噴射量を所定量増加し、前記現サイクルのピストン（２１）の所定位置（θ）での回転速度が前回よりも増加した場合には、設定回転数と制御後の設定回転数を比較して、設定回転数が同じ場合にはその状態を維持し、前記制御後の設定回転数が設定回転数より小さい場合には更に燃料噴射量を増加させ、制御後の設定回転数が設定回転数の時よりも大きい場合には燃料噴射量を減少させるととともに、該コモンレール式ディーゼルエンジンの１サイクルにおいての噴射形態を、主噴射（ｄ）と、該主噴射（ｄ）の前に行う前噴射（ｃ）と、主噴射（ｄ）の後に行う後噴射（ｅ）とを行う形態とし、前記電子制御式燃料噴射装置からの燃料噴射の増量は、１サイクルにおける主噴射（ｄ）と、前噴射（ｃ）と、後噴射（ｅ）のいずれか一つ、または、いずれか２つ、または、３つの噴射量を増加させることを特徴とするエンジン制御装置。