JP4826339B2

JP4826339B2 - トラクターのエンジン制御装置

Info

Publication number: JP4826339B2
Application number: JP2006145509A
Authority: JP
Inventors: 憲司足立; 英範服部; 公明菅; 善直大久保; 純二中田; 真司大久保
Original assignee: Iseki and Co Ltd
Current assignee: Iseki and Co Ltd
Priority date: 2006-05-25
Filing date: 2006-05-25
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2026-05-25
Also published as: JP2007315280A

Description

この発明は、トラクターのエンジン制御装置に関する。

トラクターは、単なる移動のための走行や作業機を駆動させながらの走行等種々の負荷条件に対応してエンジン出力を制御することが行われている。
例えば、ガバナに制御調節用のアクチュエーターを接続し、作業機の作業モードに応じてアクチェーターを作動してガバナによって燃料の噴射量を変更しエンジンの出力を制御することが行われている。
特開２０００−２２０４８６号公報

トラクターは、移動走行時と耕運作業等の作業時におけるエンジンにかかる負荷変動が大きく違っている。さらに作業時には耕地の固さによってもエンジンの負荷が大きく変動してエンジンの回転数が変化し易く作業運転者の操縦操作を困難にしている。

そこで、本発明では、作業に応じてエンジンの出力を自動的に制御して作業運転者の操縦負担を少なくすることを目的とするもので、従来では前記の如く作業モードに応じてガバナを調整しエンジンの回転制御が行われるが、このガバナを自動調節する方法は制御機構が複雑になり制御応答性が悪い問題がある。

そこで、本発明では、燃料混合気体を高圧で蓄積した蓄圧室からエンジンの各気筒への燃料噴射量や噴射タイミングをマイコン制御で行うコモンレールシステムを利用することで制御機構を簡単にして、制御応答性をよくすると共に燃費の向上や騒音の低減を図ることを課題とする。また、作業中における重作業モードへの切り換えを行えることを課題とする。トラクタの操作に関連して通常作業モード、重作業モード、走行モードに切り換える。

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、エンジンの制御モードを走行モードＳと通常作業モードＷと重作業モードＨＷの三つのモードに設定し、走行モードＳは負荷が加わると出力トルクが低下するモードで使用し、通常作業モードＷは負荷が加わっても限界まではエンジン回転を一定に保つモードで使用し、重作業モードＨＷは出力トルクが限界に達すると回転数を上昇させて限界を高めるモードで使用する構成とし、
これらの制御モードはそれぞれ専用の回転数と出力トルクの関係を示すアクセルトルクマップＡＭ、メイン噴射のタイミングを回転数と燃料噴射量の関係で示す噴射タイミングマップＴＭ、レール圧を回転数と燃料噴射量の関係で示すレール圧マップＬＭ、及びパイロット噴射回数を回転数と燃料噴射量の関係で示すパイロットマップＰＭを備え、
前記走行モードＳ、通常作業モードＷ、重作業モードＨＷの切り換えによって各制御モードが備えるそれぞれ専用のアクセルトルクマップＡＭ、噴射タイミングマップＴＭ、レール圧マップＬＭ、及びパイロットマップＰＭを切り換えてエンジンを制御すべく構成し、
耕耘作業レバーの作業位置への切り換え、又は作業機を駆動するＰＴＯ駆動クラッチの入りと作業機昇降レバーの降下信号に連動して通常作業モードＷに切り換えて作業を行うとともに通常作業モードＷで作業中にアクセルペダルを踏み込むと重作業モードＨＷへ切り換わるように構成し、
踏んだ側に旋回する左右ブレーキペダルを設け、左側又は右側のブレーキペダルを踏むと通常作業モードＷ維持し、左右の両ブレーキペダルを踏むと走行モードＳに切り換わる構成としたことを特徴とするトラクターのエンジン制御装置の構成とした。

請求項１に記載の発明によると、エンジンの制御モードを走行モードＳと通常作業モードＷと重作業モードＨＷの三つのモードに切り換えて作業条件に応じたエンジンの出力で制御できるのである。即ち、走行モードＳ、通常作業モードＷ、重作業モードＨＷの切り換えによって各制御モードが備えるそれぞれ専用のアクセルトルクマップＡＭ、噴射タイミングマップＴＭ、レール圧マップＬＭ、及びパイロットマップＰＭを切り換えてエンジンを制御するので、その制御がレール圧の制御だけでなく、メイン噴射のタイミングとパイロット噴射回数を加味した制御で行われるので、燃料消費量を低減し騒音を低下できる。

そして、通常作業モードＷで作業中にアクセルペダルを踏み込むと重作業モードＨＷへ切り換わるように構成したので、操作性が向上する。また、作業機を駆動するＰＴＯ駆動クラッチの入りと作業機昇降レバーの降下信号で作業開始を確実に検出できる。

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、ディーゼルエンジンにおいて各気筒へ燃料を噴射するインジェクタへの燃料供給を要求された圧力にしたコモンレール（蓄圧室）を介して行うもので、図１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１０内の燃料は吸入路１１により燃料フィルタ１２を介してエンジンで駆動される高圧ポンプ１３に吸入され、この高圧ポンプ１３によって加圧された高圧燃料は吐出路１４によりコモンレール１５に導かれて蓄えられる。

コモンレール１５内の高圧燃料は各高圧燃料供給路１６により気筒数分のインジェクタ（燃料噴射弁）１７に供給され、エンジンコントロールユニット（以下「ＥＣＵ」という）１８からの指令に基づき、各気筒ごとにインジェクタ１７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１７での余剰燃料（リターン燃料）は各リターン路１９により共通リターン路２０へ導かれ、燃料タンク１０へ戻される。
また、コモンレール１５内の燃料圧力（コモンレール圧力）を制御するため、高圧ポンプ１３に圧力制御弁２１が設けられている。この圧力制御弁２１はエンジンコントロールユニットＥＣＵ１８からのデューティ信号によって高圧ポンプ１３から燃料タンク１０への余剰燃料のリターン路２０の流路面積を調整するものであり、これによりコモンレール１５側への燃料吐出量を調整して、コモンレール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２２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、圧力制御弁２１を介してコモンレール圧力をフィードバック制御する。

このように、コモンレール圧力を変更することで燃料噴射量を変更してエンジン回転数を制御できるので、例えば、回転数変動を監視して０．１秒間に１００ｒｐｍ以上の回転変動があればコモンレール圧力を低下させて回転数の変動を緩やかにするようなことが出来る。

図２は、エンジンコントロールユニットＥＣＵ１８の信号入力制御ブロック図である。
エンジン回転数センサ２３、気筒判別センサ２４、アクセルペダルやアクセルレバーの開度センサ２５、吸入空気のターボ圧センサ２６、吸気温度センサ２７、ラジエター水温センサ２８、吸入空気量センサ２９、作業レバーの位置センサ３０、コモンレール圧センサ２２、タイマー６０の情報がエンジンコントロールユニットＥＣＵ１８へ入力し、このＥＣＵからグロープラグ制御信号３１、インジェクタ制御信号３２、コモンレール圧制御信号３３が出力される。

このディーゼルエンジンは、データマップから導かれるレール圧やメイン噴射タイミング及びパイロット噴射回数で出力を制御されている。
まず、エンジンの出力を制御するパターンを図３に示す走行モードＳと通常作業モードＷ及び重作業モードＨＷの三種類のアクセルトルクマップＡＭに設定している。このアクセルトルクマップＡＭは回転数と出力トルクとの関係からなり、走行モードＳは負荷が加わると出力トルクが低下するモードで単なる走行時に使用し、作業モードＷは負荷が加わっても限界までは出力トルクを一定に保つモードで通常の作業時に使用し、重作業モードＨＷは出力トルクが限界に達すると回転数を上昇させて限界を高めるモードで特に作業負荷が大きくなるような場合に使用して作業限界を高める。

既に説明したように燃料の噴射量は、コモンレール１５の圧力によって決められるが、このコモンレール圧を決めるために回転数と燃料噴射量との関係からコモンレール圧を表すデータ表としてレール圧マップＬＭがある。図５が走行モードＳ用のレール圧マップＬＭで、図６が作業モードＷ用のレール圧マップＬＭで、図７が重作業モードＨＷ用のレール圧マップＬＭである。

エンジンの出力は、インジェクタ１７のメイン噴射タイミング（上死点からの噴射タイミング角度）によって変化するので、回転数と燃料噴射量との関係から噴射タイミングを表すデータ表として噴射タイミングマップＴＭがある。図８が走行モードＳ用の噴射タイミングマップＴＭで、図９が作業モードＷ用の噴射タイミングマップＴＭで、図１０が重作業モードＨＷ用の噴射タイミングマップＴＭである。

ディーゼルエンジンでは、メイン噴射に先立って少量の燃料をパルス的に噴射するパイロット噴射を行うことにより、着火遅れを短縮し、ディーゼルエンジン特有のいわゆるノック音を低減することが知られている。このパイロット噴射の回数を回転数と燃料噴射量との関係から表すデータ表としてパイロット噴射マップＰＭがある。図１１が走行モードＳ用のパイロット噴射マップＰＭで、図１２が作業モードＷ用のパイロット噴射マップＰＭで、図１３が重作業モードＨＷ用のパイロット噴射マップＰＭである。

レール圧と噴射タイミング及びパイロット回数は、相互に関連しあってエンジンの出力トルクと燃料噴射量及び騒音に影響しているが、例えば、エンジンの回転数が２４００ｒｐｍの場合の各モードにおける制御値は、図１４の如くなり、出力が２０％上昇する重負荷モードＨＷで燃料噴射量が約４ｍｇ／ｃｙｃ低下する。

以上に述べた走行モードＳと通常作業モードＷ及び重作業モードＨＷへの切り換えは、モード切替ダイアルで行ったり、トラクターであれば耕耘作業レバーの作業位置への切り換えに連動して通常作業モードＷに切り換えて作業中にアクセルペダルを強く踏み込むことで重作業モードＨＷへ切り換わるようにしても良い。

また、湿田作業設定スイッチを設けている場合には、湿田作業時に負荷が増大する為、この湿田作業設定スイッチを「入」にすることで重作業モードＨＷへ切り換わるようにしても良い。

また、トラクターにおいて、ＰＴＯ駆動クラッチの「入」と作業機昇降レバーの「降下」信号で作業開始を確実に検出して通常作業モードＷに切り換えるようにしても良い。
さらに、トラクターやコンバインで左右ブレーキペダルを設けて踏み込んだ側へ旋回するようにした場合には、片側のブレーキペダルを踏み込んだだけでは通常作業モードＷを持続し両ブレーキペダルを踏み込むことで走行モードＳに切り換わるようにしても良い。

図１５にインジェクタ１７の構造を示す。インジェクタ１７本体内には上下にバルブチャンバ３４とノズルチャンバ３５とからなる燃料の溜り部を設け、それぞれの圧力を保持するアーマチャ３６とニードル３７がバネ３８，３９でその出口を押圧して閉鎖している。４０は燃料供給路、４１は燃料戻り路、４２が燃料噴射のノズル、４３がソレノイドである。

ソレノイド４３に通電するとアーマチャ３６が引き上げられアーマチャ３６先端のボール４４が浮き上がってバルブチャンバ３４内の燃料が燃料戻り路４１からリークする。すると、ニードル３７が上昇しノズルチャンバ３５内の燃料がノズル４２からエンジンのシリンダ内へ噴射されるのである。

図１６は、上記インジェクタ１７における燃料噴射に到る電流とニードル３７の上昇とバルブチャンバ３４内圧力と燃料噴射タイミングの時間経過状態であるが、通電開始と燃料噴射には時間差が生じて燃料噴射前にノズルチャンバ３５内の圧力が低下する。従って、短時間のパイロット噴射時にメイン噴射時より圧力が低下するのである。この現象はパイロット噴射圧をメイン噴射圧より低下させる制御に好都合であるが、エンジンがオーバーランした場合にもレール圧を低下させるよう作用して騒音の低減になる。

パイロット噴射は図１１から図１３に示すパイロットマップによって噴射回数が１回から３回まで変更されるが、そのパイロット回数変更は、気筒ごとに時間をずらすことで騒音の急激な増加が防がれる。例えば、４気筒エンジンの場合、パイロット無しからパイロット１回に切り替える際に、まず１気筒でパイロット噴射を開始し順次２気筒、３気筒、４気筒と段階的に等時間間隔でパイロット噴射を行う気筒を増やして行くことで、騒音の急激な増加を抑えることが出来る。なお、このパイロット噴射開始は着火順序を気筒順番或いは気筒を一つ飛ばして２気筒ずつ等間隔で開始してもよい。

図１７は、レール圧補正マップである。レール圧マップは燃料噴射量の制御に用いられるが、急激なアクセルワークによって燃料噴射量を急激に増加させるとエンジンの回転が追いつかず黒煙発生の原因になる。そこで、このレール圧補正マップを用いて急激なアクセルワークのレール圧増加率を低下させて黒煙発生を抑える。

急激なアクセルワークによる黒煙発生対策としては、アクセルペダルの動きを検出する開度センサ２５の信号を直接入力データとして利用するのではなく、時間遅れで制御信号に入力させたり変化率を低下させたりして入力データとして使用することも考えられる。

図１８は、排気ガスの一部をシリンダ内に再度循環させてシリンダ内での燃焼を緩やかにし燃焼温度をさげて、ＮＯｘ（窒素酸化物）とＰＭ（ディーゼル黒煙）の発生を低減させるＥＧＲシステムの改良構造を示す。その改良点は吸入路４７に吸気絞り弁５１を設けたことであり、これにより従来の排気路にＥＧＲバルブを設けた構成よりも構造が単純化され低コストで生産できる。その構造は、吸入と排気の共通路５２に設けたＶＧターボ４５により給気を加圧し、シリンダ４８に吸気路４７から新鮮空気を供給しシリンダ４８から排気路４９から排気ガスを排出する。排気路４７にはインタークーラ４６と吸気絞り弁５１を設けている。吸気バルブ５３と排気バルブ５４は別駆動によって開閉し、排気バルブ５４は排気二段リフトカム５０によって排気途中で開き排気の一部をシリンダ４８内へ逆流する。吸気絞り弁５１は新鮮空気の供給量を調節することによってＥＧＲ率を変更する。ＶＧターボ４５の加圧率はエンジンコントロールユニットＥＣＵで調整するようにしても良い。また、ＶＧターボ４５の加圧率でパイロット噴射の回数を調整するようにしても良い。すなわち、なんらかの原因で加圧率が低下すると、パイロット噴射の回数を多くしてエンジン出力の低下及び排気ガスの悪化を防ぐのである。

以上の如く出力制御をおこなうディーゼルエンジンで、走行モードＳと通常作業モードＷ及び重作業モードＨＷは、次の如く使い分けるのである。
走行モードＳは、回転数の変動で出力も変動するドループ制御で、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。

通常作業モードＷは、負荷が変動しても回転数が一定で出力を負荷に応じて変更するアイソクロナス制御で、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、トラクターであれば乾田での耕運作業であって、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、運転作業者が楽に操縦できる。

重作業モードＨＷは、通常作業モードＷと同様に負荷が変動しても回転数一定で出力を負荷に応じて変更するアイソクロナス制御に負荷限界近くになると回転数を上昇させて出力を上げる重負荷制御を加えた制御で、特に負荷限界近くで農作業を行う場合に使用する。例えば、トラクターで耕運作業を行っている際に特に硬い耕地に出くわしても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。

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走行速度を一定にするよう制御すれば良い。

本発明によるディーゼルエンジンの燃料供給構成図である。本発明実施例の制御ブロック図である。本発明実施例のエンジン制御モード図である。モード切り換えの模式図である。走行モード用レール圧マップである。作業モード用レール圧マップである。重作業モード用レール圧マップである。走行モード用噴射タイミングマップである。作業モード用噴射タイミングマップである。重作業モード用噴射タイミングマップである。走行モード用パイロット噴射マップである。作業モード用パイロット噴射マップである。重作業モード用パイロット噴射マップである。各制御モードによるレール圧と噴射タイミング及びパイロット回数の最適設定値を表す表である。インジェクタの実施例である。インジェクタの実施例における制御地のタイムチャートである。別実施例のテール圧マップである。ＥＧＲシステムの実施例模式図である。

Ｓ走行モード
Ｗ通常作業モード
ＨＷ重作業モード
ＡＭアクセルトルクマップ
ＴＭ噴射タイミングマップ
ＬＭレール圧マップ
ＰＭパイロットマップ

Claims

エンジンの制御モードを走行モード（Ｓ）と通常作業モード（Ｗ）と重作業モード（ＨＷ）の三つのモードに設定し、走行モード（Ｓ）は負荷が加わると出力トルクが低下するモードで使用し、通常作業モード（Ｗ）は負荷が加わっても限界まではエンジン回転を一定に保つモードで使用し、重作業モード（ＨＷ）は出力トルクが限界に達すると回転数を上昇させて限界を高めるモードで使用する構成とし、
これらの制御モードはそれぞれ専用の回転数と出力トルクの関係を示すアクセルトルクマップ（ＡＭ）、メイン噴射のタイミングを回転数と燃料噴射量の関係で示す噴射タイミングマップ（ＴＭ）、レール圧を回転数と燃料噴射量の関係で示すレール圧マップ（ＬＭ）、及びパイロット噴射回数を回転数と燃料噴射量の関係で示すパイロットマップ（ＰＭ）を備え、
前記走行モード（Ｓ）、通常作業モード（Ｗ）、重作業モード（ＨＷ）の切り換えによって各制御モードが備えるそれぞれ専用のアクセルトルクマップ（ＡＭ）、噴射タイミングマップ（ＴＭ）、レール圧マップ（ＬＭ）、及びパイロットマップ（ＰＭ）を切り換えてエンジンを制御すべく構成し、
耕耘作業レバーの作業位置への切り換え、又は作業機を駆動するＰＴＯ駆動クラッチの入りと作業機昇降レバーの降下信号に連動して通常作業モード（Ｗ）に切り換えて作業を行うとともに通常作業モード（Ｗ）で作業中にアクセルペダルを踏み込むと重作業モード（ＨＷ）へ切り換わる構成とし、
さらに、踏んだ側に旋回する左右ブレーキペダルを設け、左側又は右側のブレーキペダルを踏むと通常作業モード（Ｗ）を維持し、左右の両ブレーキペダルを踏み込むと走行モード（Ｓ）に切り換わる構成としたことを特徴とするトラクターのエンジン制御装置。