JP6369276B2 - 内燃機関及び内燃機関の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関及び燃機関の制御方法に関し、より詳細には、アイソクロナス制御中のエンジンの異常運転状態を正確に検知でき、検知したときに、インテークスロットル等のデバイスを操作することで安全かつ確実にエンジンを停止させることができる内燃機関及び内燃機関の制御方法に関する。

ディーゼルエンジン等の内燃機関においては、運転者の意図しないところで、エンジン回転数が運転目標の目標回転数を大きく上回る状態で運転されるオーバーランの異常運転時にインテークスロットル等の機器を操作してエンジンを停止することが行われている。

例えば、蓄圧式燃料噴射制御を行うエンジンを搭載した作業車において、インジェクタの弁が異常により開弁したままになるとエンジンの回転が上昇するが、この現象に対して、設定回転数以上の回転をエンジン回転数センサで検出した場合に、空気供給路に設けた吸気制御弁を閉じることでエンジンを停止する作業車が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この作業車等の、設定回転数以上の回転をエンジン回転数センサで検出したときにエンジン停止を行う制御では、エンジン回転数が目標エンジン回転数を大きく上回るような、即ち、エンジン回転数が５０００ｒｐｍ〜６０００ｒｐｍにも達するような、吹き上がり現象に対しては、これを検知して対応することはできる。

一方、産業エンジン向けのディーゼルエンジンなどの内燃機関では、負荷が変動しても回転数が一定の目標エンジン回転数になるように、エンジン出力を負荷に応じて変化させるアイソクロナス制御が採用されており、このアイソクロナス制御においても、吹上現象までには至らないが、１０００ｒｐｍ〜４０００ｒｐｍ程度の目標エンジン回転数よりもエンジン回転数は増加するが、この増加量が比較的小さいオイル燃焼のような異常状態が発生する場合があるので、これを検知して、エンジンを停止することも重要になっている。

しかしながら、アイソクロナス制御中に、内燃機関が、エンジンオイルが燃焼室に入り込んで燃焼するオイル燃焼のような、通常使用範囲で運転される異常運転状態が発生した際には、エンジン回転数の増加は、オーバーランの回転数の増加に比べて小さく、運転者の意図に従って、ディーゼル燃料噴射を意識的に行ってエンジンを回転させているのか、あるいは、運転者の意図によらず、燃料以外のオイル等が燃焼して意図せずにエンジンが回転しているのかを見分けることが難しいという問題がある。

言い換えれば、従来技術においては、このオイル燃焼のような大幅の回転数増加を伴わない異常運転状態を検出する手段が、エンジンを制御するＥＣＭ（エンジンコントロールモジュール）と呼ばれる制御装置に備わっておらず、オイル燃焼時に強制的にエンジンを停止する機能が備わっていなかった。

特開２００７−１９８３００号公報

本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、実エンジン回転数と、目標エンジン回転数と目標燃料噴射量とを用いて、より正確に、オイル燃焼などの内燃機関の異常状態を検知することができ、異常状態を検知したときはエンジン停止作業を開始できる内燃機関及び内燃機関の制御方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の内燃機関は、アイソクロナス運転を行う機能を有する内燃機関において、当該内燃機関を制御する制御装置が、実際に測定される実エンジン回転数が予め設定した第１判定用回転数より大きい場合には、第１異常状態と判定して、エンジン停止制御を行うと共に、アイソクロナス運転中に、目標エンジン回転数に、予め設定されているか、若しくは、前記目標エンジン回転数から算出される回転数増分を加えて、第２判定用回転数を設定し、アイソクロナス運転中に測定された実エンジン回転数が、前記第２判定用回転数を超えた場合に、この第１時点で気筒内への供給目標燃料噴射量をゼロにし、前記第１時点から、前記実エンジン回転数が前記第２判定用回転数を超えている運転時間が、予め設定された判定用時間を経過したときに、第２異常状態であると判定して、エンジン停止用の機器を用いてエンジン停止を目指す作業を行うエンジン停止作業制御を行うように構成される。

この構成によれば、エンジン回転数が５０００ｒｐｍ〜６０００ｒｐｍのような数値に設定される第１判定用回転数を超えるような第１異常状態を検出してエンジンを停止できるのみならず、アイソクロナス運転中に、エンジン回転数が増加するが、第１判定用回転数を超えないようなオイル燃焼等の第２異常状態も検知できて、エンジン停止作業制御を開始することができる。特に、低いエンジン回転数から異常運転状態の検出が可能なため、より早く内燃機関の停止制御に入れる。

なお、この第１判定用回転数は、予め実験などにより設定され、また、目標エンジン回転数に加える回転数増分は、予め実験などにより、目標エンジン回転数に対応させて予め設定しておいたり、若しくは、目標エンジン回転数の１．１〜１．２倍程度（予め設定された数値）にして算出したりする。また、判定用時間も、予め実験などにより設定されるが、この判定用時間は、１ｓ〜５ｓ程度の値とするのが好ましい。

また、上記の内燃機関において、前記エンジン停止用の機器として、インテークスロットル、エキゾーストスロットル、ＥＧＲバルブ、ターボチャージャの１つ又はいくつかの組み合わせを使用すると、容易に内燃機関を停止させることができる。

また、上記の内燃機関において、前記制御装置が、前記エンジン停止作業制御の制御中、又は、前記第１時点以後に、イグニッション・キイーがＯＦＦされた信号若しくはエンジン非常停止信号を受けたときには、即時に、前記エンジン停止用の機器をエンジン停止側にする制御を行い、前記イグニッション・キイーがＯＦＦされた信号も前記エンジン非常停止信号も受けない場合には、予め設定した猶予時間の間で徐々に、前記エンジン停止用の機器をエンジン停止側にする制御を行うように構成されると、エンジン回転数の変化を感じた運転者が内燃機関を停止させるためにイグニッション・キイーをＯＦＦにした場合、若しくは、エンジン非常停止ボタンを押した場合には、運転者の意図に沿って即時に内燃機関を停止させることができ、イグニッション・キイーをＯＦＦにしていない場合で、かつ、エンジン非常停止ボタンが押されていない場合には、エンジン回転数の時間的な変化を見ながら、徐々に内燃機関を停止させることができる。つまり、イグニッション・キイーのＯＮ／ＯＦＦと、エンジン非常停止ボタンのＯＮ／ＯＦＦに応じてエンジン停止のタイミングを変更できる。

更に、上記の内燃機関において、前記制御装置が、前記エンジン停止作業制御の制御中で、前記イグニッション・キイーがＯＦＦされた信号もエンジン非常停止信号も受けない場合において、前記実エンジン回転数が前記目標エンジン回転数以下になったときには、前記エンジン停止作業制御を中断すると共に、気筒内への供給目標燃料噴射量を元に戻して、アイソクロナス運転を再開する制御を行うように構成されると、気筒内の燃焼状態が多少回復した状態になった場合にエンジン停止ではなくエンジン運転を再開させることができるので、中断した作業を完了させたり、この内燃機関を搭載した車両を修理工場に自力で移動させたりすることができるようになる。

そして、上記の目的を達成するための内燃機関の制御方法は、アイソクロナス運転を行う機能を有する内燃機関の制御方法において、実際に測定される実エンジン回転数が予め設定した第１判定用回転数より大きい場合には、第１異常状態と判定して、エンジン停止制御を行うと共に、アイソクロナス運転中に、目標エンジン回転数に、予め設定されているか、若しくは、前記目標エンジン回転数から算出される回転数増分を加えて、第２判定用回転数を設定し、アイソクロナス運転中に測定された実エンジン回転数が、前記第２判定用回転数を超えた場合に、この第１時点で気筒内への供給目標燃料噴射量をゼロにし、前記第１時点から、前記実エンジン回転数が前記第２判定用回転数を超えている運転時間が、予め設定された判定用時間を経過したときに、第２異常状態であると判定して、エンジン停止用の機器を用いてエンジンの停止を目指す作業を行うエンジン停止作業制御を行うことを特徴とする方法である。

この方法によれば、産業エンジン向けディーゼルエンジン等のアイソクロナス制御中において、目標エンジン回転数が第２判定用回転数を超えてから、目標燃料噴射量がゼロの状態で、目標エンジン回転数が第２判定用回転数を超える時間が判定用時間以上継続したときに、第２異常状態であるとし、エンジン停止用の機器を用いて内燃機関を停止させる作業を開始することができるので、エンジン回転数が５０００ｒｐｍ〜６０００ｒｐｍのような数値に設定される第１判定用回転数を超えるような第１異常状態を検出してエンジン停止ができるのみならず、アイソクロナス運転中に、エンジン回転数が増加するが、第１判定用回転数を超えないようなオイル燃焼等の第２異常状態も検知できて、エンジン停止作業制御を開始することができる。

本発明の内燃機関及び内燃機関の制御方法によれば、実エンジン回転数と、目標エンジン回転数と目標燃料噴射量とを用いることで、より正確に、オイル燃焼などの内燃機関の異常運転状態を検知することができ、この異常状態を検知することで、インテークスロットル等の機器を操作することで内燃機関を停止できる。特に、低いエンジン回転数から異常運転状態の検出が可能なため、より早く内燃機関の停止制御に入れる。

その結果、内燃機関が異常状態になったときに、内燃機関が搭載されている車両や、内燃機関を駆動源にしている各装置の制限量や制限速度を制御しながら、安全かつ確実に内燃機関を停止させることができる。

本発明に係る実施の形態の内燃機関の構成を示す図である。 異常運転時で、運転者がイグニッションをＯＦＦした場合の、エンジン停止制御のタイムチャートを示す図である。 異常運転時で、運転者がイグニッションをＯＦＦしない場合の、エンジン停止制御のタイムチャートを示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関及び内燃機関の制御方法について図面を参照しながら説明する。図１に示すように、この実施の形態の内燃機関（以下エンジンという）１０は、エンジン本体１１に吸気通路１２と排気通路１３とＥＧＲ通路１４を設けて構成されている。

この吸気通路１２に関して、大気から導入される新気Ａは、エアクリーナー２１を通過して、ターボチャージャ２２のコンプレッサ２２ａで加圧され、インタークーラー２３とインテークスロットル（吸気絞り弁）２４を通って吸気マニホールド１１ａに入り、気筒１１ｃに入り、インジェクタ（燃料噴射弁）１１ｄから噴射される燃料を燃焼する。

また、排気通路１３に関して、気筒１１ｃの燃焼で発生した排気ガスＧは、排気マニホールド１１ｂから排気通路１３に流出し、ターボチャージャ２２のタービン２２ｂを駆動してから、エキゾーストスロットル（排気絞り弁）２５を通って、排気ガス浄化装置２６に入り、浄化された後、サイレンサー２７を経由して大気中へ放出される。

また、ＥＧＲ通路１４に関しては、気筒１１ｃで発生した排気ガスＧの一部を、必要に応じて排気マニホールド１１ｂからＥＧＲクーラー２８とＥＧＲバルブ２９を通して、吸気マニホールド１１ａに流入させて気筒１１ｃに再循環させる。

また、図１に示すように、エンジン１０を制御する制御装置５０を設ける。この制御装置５０は、通常は、エンジン本体１１に設けられたブーストセンサ（過給圧センサ）３１、クランク角センサ３２、及び、車両の制御のためのアクセルセンサ３３等の各種センサ、または、エンジン１０を搭載した車両に備えた各種センサの情報に基づいて、エンジン１０の全般の制御を行う制御装置（ＥＣＭ：エンジンコントロールモジュール）として設けられる。

この制御装置５０は、ターボチャージャ２２を制御するターボコントローラ５１、車両とこの車両に搭載されている各装備品を制御する車体コントローラ（ＭＣＵ）５２ともデータ交換しながら、エンジン１０の運転を制御する。

そして、この制御装置５０は、アクセルセンサ３３及び車体コントローラ５２から目標エンジン回転数Ｎｅｔの指示を受け取り、この目標エンジン回転数Ｎｅｔになるように制御装置５０は、インジェクタ１１ｄに燃料の噴射指示を送る。また、実エンジン回転数Ｎｅｍはクランク角センサ３２の検出値から算出する。

そして、本発明においては、エンジン１０は、アイソクロナス運転を行う機能を有して構成されると共に、制御装置５０は、次の制御を行うように構成される。先ず、実際に測定される実エンジン回転数Ｎｅｍが予め設定した第１判定用回転数Ｎｅｃ１より大きい場合には、第１異常状態と判定して、エンジン停止制御を行う。

また、それと共に、アイソクロナス運転中に、目標エンジン回転数Ｎｅｔに、予め設定されているか、若しくは、この目標エンジン回転数Ｎｅｔから算出される回転数増分ΔＮｅｃを加えて、第２判定用回転数Ｎｅｃ２を設定する。そして、アイソクロナス運転中に測定された実エンジン回転数Ｎｅｍが、第２判定用回転数Ｎｅｃ２を超えた場合に、この第１時点ｔ１で気筒１１ｃ内への供給目標燃料噴射量Ｗｆをゼロにする。

更に、第１時点ｔ１から、実エンジン回転数Ｎｅｍが第２判定用回転数Ｎｅｃ２を超えている運転時間（ｔ２−ｔ１）が、予め設定された判定用時間ｔｃを経過したときに（時点ｔ２）、第２異常状態であると判定する。この判定により、エンジン停止用の機器を用いてエンジン停止を目指す作業を行うエンジン停止作業制御を行う。

これにより、エンジン回転数Ｎｅが５０００ｒｐｍ〜６０００ｒｐｍのような数値に設定される第１判定用回転数Ｎｅｃ１を超えるような第１異常状態を検出してエンジン１０を停止できるのみならず、アイソクロナス運転中に、実エンジン回転数Ｎｅｍが増加するが、第１判定用回転数Ｎｅｃ１を超えないようなオイル燃焼等の第２異常状態も検知できて、エンジン停止作業制御を開始することができる。つまり、インジェクタ１１への噴射量をゼロに減らしているのみも関わらず、実エンジン回転数Ｎｅｍが下がらないことを検出すると、第２異常状態であると判定する。

なお、この第１判定用回転数Ｎｅｃ１は、予め実験などにより設定され、目標エンジン回転数Ｎｅｔに加える回転数増分ΔＮｅｃは、予め実験などにより、目標エンジン回転数Ｎｅｔに対応させて予め設定しておいたり、若しくは、目標エンジン回転数Ｎｅｔの１．１〜１．２倍程度（予め設定された倍数）にして算出したりする。また、判定用時間ｔｃも、予め実験などにより設定されるが、この判定用時間ｔｃは、１ｓ〜５ｓ程度の値に設定することが好ましい。

また、エンジン停止用の機器としては、インテークスロットル２４、エキゾーストスロットル２５、ＥＧＲバルブ２９、ターボチャージャ２２の１つ又はいくつかの組み合わせを使用する。つまり、インテークスロットル２４を閉じて吸気量を制限してエンジン内の燃焼を停止させたり、エキゾーストスロットル２５を閉じて排気抵抗を上げたりして、強制的に実エンジン回転数Ｎｅｍが下がるように、これらの機器を制御する。また、必要に応じて、ＥＧＲバルブ２９、ターボチャージャ２２の制御も行うことが好ましい。これらのエンジン停止作業により、エンジン１０の運転を停止させることができる。

なお、これらの機器を制御する速度や開度に関しては、エンジン回転数Ｎｅや偏差量やエンジン搭載機種により最適値は変化するので、これらの要因の変化に対応して変更可能なように設計することが好ましい。

また、制御装置５０は、エンジン停止作業制御の制御中、又は、第１時点ｔ１以後に、イグニッション・キイーがＯＦＦされた信号若しくはエンジン非常停止信号を受けたときには（ｔ３）、図２に示すように、即時に、エンジン停止用の機器をエンジン停止側にする制御を行う。つまり、運転者からイグニッション・キイーをＯＦＦする、若しくはエンジン非常停止ボタンを押すなどの、明確にエンジンを止めたいという意思表示があった場合には、即時エンジン１０を停止できるように各装置を操作する。

また、図３に示すように、イグニッション・キイーがＯＦＦされた信号もエンジン非常停止信号も受けない場合には、予め設定した猶予時間の間で徐々に、エンジン停止用の機器をエンジン停止側にする制御を行う。

更に、図３に示すように、エンジン停止作業制御の制御中で、イグニッション・キイーがＯＦＦされた信号もエンジン非常停止信号も受けない場合において、実エンジン回転数Ｎｅｍが目標エンジン回転数Ｎｅｔ以下になったときには（ｔ５）、エンジン停止作業制御を中断すると共に、気筒１１ｃ内への供給目標燃料噴射量Ｗｆを元に戻して、アイソクロナス運転を再開する制御を行う（図３の点線）。

これにより、実エンジン回転数Ｎｅｍの変化を感じた運転者がエンジン運転を停止させるためにイグニッション・キイーをＯＦＦにした場合、若しくはエンジン非常停止ボタンを押した場合には、運転者の意図に沿って即時にエンジン運転を停止させることができ、イグニッション・キイーをＯＦＦにしていない場合で、かつ、エンジン非常停止ボタンを押していない場合には、実エンジン回転数Ｎｅｍの時間的な変化を見ながら、徐々にエンジンを停止させることができる。

つまり、イグニッション・キイーのＯＮ／ＯＦＦ、及び、エンジン非常停止ボタンのＯＮ／ＯＦＦに応じてエンジン停止のタイミングを変更できる。この通常制御への復帰タイミングに関しては、最適な処理はエンジン搭載機種により異なるため、復帰するか、エンジン停止するまで制御を続けるかのいずれかにするか、また、そのタイミング等を選択可能にすることが好ましい。

また、エンジン停止作業制御中に気筒１１ｃ内の燃焼状態が多少回復した状態になった場合にエンジン停止ではなくエンジン１０の運転を再開させることができるので、中断した作業を完了したり、このエンジン１０を搭載した車両を修理工場に自力で移動させたりすることができるようになる。

次に、本発明の実施の形態の内燃機関の制御方法について説明する。この方法は、アイソクロナス運転を行う機能を有する内燃機関の制御方法であり、実際に測定される実エンジン回転数Ｎｅｍが予め設定した第１判定用回転数Ｎｅｃ１より大きい場合には、第１異常状態と判定して、エンジン停止制御を行う。それと共に、アイソクロナス運転中に、目標エンジン回転数Ｍｅｔに、予め設定されているか、若しくは、目標エンジン回転数Ｎｅｔから算出される回転数増分ΔＮｅｃを加えて、第２判定用回転数Ｎｅｃ２を設定し、アイソクロナス運転中に測定された実エンジン回転数Ｎｅｍが、第２判定用回転数Ｎｅｃ２を超えた場合に、この第１時点ｔ１で気筒１１ｃ内への供給目標燃料噴射量Ｗｆをゼロにする。更に、この第１時点ｔ１から、実エンジン回転数Ｎｅｍが第２判定用回転数Ｎｅｃ２を超えている運転時間（ｔ２−ｔ１）が、予め設定された判定用時間ｔｃを経過したときに、第２異常状態であると判定して、エンジン停止用の機器を用いてエンジン１０の停止を目指す作業を行うエンジン停止作業制御を行う。

従って、上記の構成のエンジン１０及び内燃機関の制御方法によれば、実エンジン回転数Ｎｅｍと、目標エンジン回転数Ｎｅｔと目標燃料噴射量Ｗｆとを用いることで、より正確に、オイル燃焼などのエンジン１０の異常運転状態を検知することができ、この異常状態を検知することで、インテークスロットル２４等の機器を操作することでエンジン１０を停止できる。特に、低いエンジン回転数から異常運転状態の検出が可能なため、より早くエンジン１０の停止制御に入れる。

その結果、エンジン１０が異常状態になったときに、このエンジン１０が搭載されている車両や、このエンジン１０を駆動源にしている各装置の制限量や制限速度をコントロールしながら、安全かつ確実に内燃機関を停止させることができる。

１０ エンジン（内燃機関）
１１ エンジン本体
１１ｃ 気筒
１１ｄ インジェクタ
１２ 吸気通路
１３ 排気通路
２２ ターボチャージャ
２４ インテークスロットル
２５ エキゾーストスロットル
２９ ＥＧＲバルブ
５０ 制御装置（ＥＣＭ）
５１ ターボコントローラ
５２ 車体コントローラ（ＭＣＵ）
Ｎｅ エンジン回転数
Ｎｅｃ１ 第１判定用回転数
Ｎｅｃ２ 第２判定用回転数
Ｎｅｍ 実エンジン回転数
Ｎｅｔ 目標エンジン回転数
ΔＮｅｃ 回転数増分

Claims (5)

1. アイソクロナス運転を行う機能を有する内燃機関において、
   当該内燃機関を制御する制御装置が、
   実際に測定される実エンジン回転数が予め設定した第１判定用回転数より大きい場合には、第１異常状態と判定して、エンジン停止制御を行うと共に、
   アイソクロナス運転中に、目標エンジン回転数に、予め設定されているか、若しくは、前記目標エンジン回転数から算出される回転数増分を加えて、第２判定用回転数を設定し、アイソクロナス運転中に測定された実エンジン回転数が、前記第２判定用回転数を超えた場合に、この第１時点で気筒内への供給目標燃料噴射量をゼロにし、前記第１時点から、前記実エンジン回転数が前記第２判定用回転数を超えている運転時間が、予め設定された判定用時間を経過したときに、第２異常状態であると判定して、エンジン停止用の機器を用いてエンジン停止を目指す作業を行うエンジン停止作業制御を行うように構成されたことを特徴とする内燃機関。
2. 前記エンジン停止用の機器として、インテークスロットル、エキゾーストスロットル、ＥＧＲバルブ、ターボチャージャの１つ又はいくつかの組み合わせを使用する請求項１記載の内燃機関。
3. 前記制御装置が、
   前記エンジン停止作業制御の制御中、又は、前記第１時点以後に、
   イグニッション・キイーがＯＦＦされた信号若しくはエンジン非常停止信号を受けたときには、即時に、前記エンジン停止用の機器をエンジン停止側にする制御を行い、
   前記イグニッション・キイーがＯＦＦされた信号も前記エンジン非常停止信号も受けない場合には、予め設定した猶予時間の間で徐々に、前記エンジン停止用の機器をエンジン停止側にする制御を行うように構成された請求項１又は２に記載の内燃機関。
4. 前記制御装置が、
   前記エンジン停止作業制御の制御中で、前記イグニッション・キイーがＯＦＦされた信号も前記エンジン非常停止信号も受けない場合において、前記実エンジン回転数が前記目標エンジン回転数以下になったときには、前記エンジン停止作業制御を中断すると共に、気筒内への供給目標燃料噴射量を元に戻して、アイソクロナス運転を再開する制御を行うように構成された請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関。
5. アイソクロナス運転を行う機能を有する内燃機関の制御方法において、
   実際に測定される実エンジン回転数が予め設定した第１判定用回転数より大きい場合には、第１異常状態と判定して、エンジン停止制御を行うと共に、
   アイソクロナス運転中に、目標エンジン回転数に、予め設定されているか、若しくは、前記目標エンジン回転数から算出される回転数増分を加えて、第２判定用回転数を設定し、アイソクロナス運転中に測定された実エンジン回転数が、前記第２判定用回転数を超えた場合に、この第１時点で気筒内への供給目標燃料噴射量をゼロにし、前記第１時点から、前記実エンジン回転数が前記第２判定用回転数を超えている運転時間が、予め設定された判定用時間を経過したときに、第２異常状態であると判定して、エンジン停止用の機器を用いてエンジン停止を目指す作業を行うエンジン停止作業制御を行うことを特徴とする内燃機関の制御方法。

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