JPH0629592B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は、負荷が増大したときの内燃機関の動作の不
安定性をなくすようにした内燃機関の制御装置に関する
ものである。

〈従来の技術〉 一般に内燃機関は、ピークトルク回転数以下で運転して
いる場合に負荷が増大すると回転数が下がり、回転数が
下がると軸トルクが低下するため益々回転数が下がると
いう悪循環が生ずる可能がある。そこで本出願人は、負
荷の急増時に自動的に回転数を上げて負荷の増加に対処
することを特願昭59−196170（特開昭61−72846）とし
て既に提案している。以下、このような制御をこの明細
書においては逆ドループ制御という。

〈発明が解決しようとする問題点〉 上記提案の装置では、負荷が許容値を超えた場合に適用
する回転数の増加量を回転数の設定値に対応したマツプ
の形で設定しており、増加量に見合う分だけ回転数を変
化させている。しかし回転数の変化が急激であるため、
ショックがあって操作フィーリングが悪く、また例えば
農業機械における芋堀り作業のように定速運転の必要な
作業では、回転数が急に高くなると収穫物に土が混入し
やすくなる等の不都合が生ずる場合があり、また回転数
の急激な変化は機関の寿命にも悪影響を与える可能性が
あった。

この発明は上述のような問題点に着目し、逆ドループ制
御時の回転数の変化が滑らかな内燃機関の制御装置を提
供することを目的としてなされたものである。

〈問題点を解決するための手段〉 上記の目的を達成するために、本発明の制御装置は、機
関回転数の実際値を検出する機関回転数検出手段と、機
関回転数の設定値を検出する設定回転数検出手段と、実
負荷率があらかじめ設定された許容値を超えたか否か、
及び許容値を超えた状態から許容値以下に下がったか否
かの判定基準として用いられる回転数の実際値と判定負
荷率との関係を記憶する記憶手段と、実負荷率が上記許
容値を超えた場合における回転数の設定値の増加量を規
定する増加量設定手段と、前記記憶手段の記憶データに
より、実負荷率が許容値を超えているか否か、及び許容
値を超えた状態から許容値以下に下がったか否かを判定
し、超えた場合には前記増加量設定手段による増加量を
加えた値にまで設定値を徐々に増加させ、また許容値を
超えた状態から許容値以下に下がった場合には増加量を
加えた値から増加量を加えない値まで設定値を徐々に減
少させ、この設定値に対応して徐々に変化する目標燃料
供給量を決定して制御出力を出す演算手段と、演算手段
の制御出力により燃料供給量を調整する燃料制御手段、
とを備えている。

〈作用〉 この発明の内燃機関の制御装置は上述のように構成され
ており、実負荷率が一定値を超えると回転数の実際値が
自動的に増加して負荷の増大に対処することができ、し
かも回転数は急激でなく徐々に変化するので、オペレー
タがショックを受けたり、作業性に悪影響が出たりする
ことがない。

なお、この明細書で実負荷率とは、現在の機関回転数に
おける最大トルクに対する比率で示される負荷の大きさ
を言い、実施例では後述の(1)式で求められる。また、
実施例の表４における回転アップ負荷率及び表５におけ
る回転復帰負荷率が上記の判定負荷率に対応している。

〈実施例〉 以下、ディーゼルエンジンの制御に関する図示の実施例
について説明する。

〔Ａ〕全体の構成と基本的な制御 第１図の概念系統図において、１は機関、２は燃料噴射
ポンプ、３はラック用アクチュエータ、４はタイマ用ア
クチュエータ、５及び６は各アクチュエータ用の位置セ
ンサ、７は回転数センサ、８はアクセル位置センサ、９
はアクセルである。

機関１は、燃料噴射ポンプ２の噴射量及び噴射時期なら
びに機関回転数によって機関出力とトルクが決定され
る。燃料噴射量は、燃料噴射ポンプ２の燃料ラック（図
示せず）を噴射量調整レバー１０を介してリニアソレノ
イド、ステッピングモータ等を用いたアクチュエータ３
によって移動させることにより調整される。このラック
用アクチュエータ３等を含むガバナとしては、例えば前
述の特開昭61−72846の第２図に示したようなものが用
いられる。

また噴射時期は、プリストロークの変更やカム位相の変
更により調整され、これらの変更は機械的にあるいは油
圧を利用し、タイミング調整レバー１１を介してリニア
ソレノイド、ステッピングモータ、電磁弁等を用いたア
クチュエータ４により行なう。機関回転数の検出は、例
えばカム軸に取付けた磁性回転体１２の凹溝１３の動き
を電磁ピックアップからなる回転数センサ７で検出する
ことにより行われ、また燃料噴射量は、予めラック位置
と機関回転数による噴射量を測定しておくことにより、
アクチュエータ３の作動位置を差動トランス等の位置セ
ンサ５で検出し、同時に機関回転数を検出することによ
り知ることができる。１４はノズルを示す。

２０は制御部であり、オペレータの指示に従い機関の運
転状態を制御する。この制御部としてはマイクロコンピ
ュータが用いられており、各種入出力信号のA/D及びD/A
変換、パルスカウント、パルス出力等への変換を行うI/
O制御ROM２１、制御演算及び入出力指示を与えるCPU２
２、CPU２２の制御演算に使用されるRAM２３、制御プロ
グラムを記憶しているプログラムROM２４、後術の速度
変動率特性など制御演算に必要な諸データを記憶してい
るデータROM２５等で構成されている。

データROM２５には、オペレータが自分の意思で操作す
るアクセルの位置によって任意に設定される機関回転数
の設定値と、負荷に応じて実際の回転数（実際値）がど
うなるかという速度変動率特性を、要求される速度変動
率特性が異なる作業内容ごとに演算式または数表の形で
それぞれ記憶させてある。以下数表の場合について説明
する。表１はｉ番目の数表（以下ドループ率マップとい
う）の例であり、設定値Nsetと実際値Nactの交点のＤｉ
はそれぞれの場合のドループ係数を示している。

このほか、設定値Nsetに対応する無負荷時のアイドリン
グ回転数Nidlと、これに対するラック位置すなわち無負
荷相当ラック位置Ridlの関係を定めた表２に示す無負荷
相当ラック位置マップと、各回転数における最大噴射量
を制限するために定められた表３に示す最大ラック位置
マップがそれぞれデータROM２５に記載されている。

なお、上記の表２におけるNidlはNsetと、また表３にお
けるNmaxはNactとそれぞれ書き換えて考えても実質的に
は同じである。

上述のように、ドループ率マップは速度変動率特性の異
なる複数の制御モードごとにそれぞれ作成されている
が、以下説明を簡単にするために、ｉ＝１及びｉ＝２、
すなわち制御モード１及び制御モード２の二つのマップ
が用いられている場合について述べる。第１図におい
て、２７はこれらの複数のモードのうちから所定のもの
を選択するための制御モード選択スイッチであり、選択
指示はスイッチのオンオフ状態により認識し、制御プロ
グラム上の論理判断により行われ、常にいずれかのモー
ド一つを選択する機能を有している。

第２図は、これらのマップによる機関回転数と機関の軸
トルク及びラック位置の関係を例示したものであり、表
にない中間値は補間法により求められる。第２図におい
て、A₁及びA₂はそれぞれ表１による特性を示し、またＢ
は表２による無負荷相当トラック位置を、Ｃは表３によ
る最大ラック位置をそれぞれ示している。

次に、第３図に示す制御フローチャートを参照しながら
動作を説明する。

機関の状態を認識するための各種の信号はI/O制御ROM２
１に管理され、認識可能な信号に変換されてCPU２２に
入力される。そしてCPU２２は、所定のプログラムに従
って制御演算を行い、各種の制御信号を出力する。

速度変動率については、第３図のようにまず機関回転数
の設定値Nsetと実際値Nactを認識し、また表２より無負
荷相当ラック位置Ridlを読出し、次いでオペレータによ
って設定された制御モード選択スイッチ２７の状態を読
取り、モードに応じてｉ＝１あるいはｉ＝２のドループ
率マップにより設定されるべき目標ラック位置Rsetを計
算する。この目標ラック位置Rsetは、機関回転数の設定
値Nsetに対する所定の実際値Nactを得るための目標燃焼
供給量に対応するものであって、検出されたNset及びNa
ctから表１により求められるドループ係数Ｄｉと表２を
用い、次のような演算式 Rset＝（Nset−Nact）×Di＋Ridl で求められる。

続いて、表３から最大ラック位置Rmaxを読出して今求め
たRsetと比較し、もしRset＞Rmaxでなければ、実際のラ
ック位置RactをRsetにするための制御信号がCPU２２か
らラック用アクチュエータ３に対して出力され、またRs
et＞Rmaxであれば、回転数が許容値を越えないようにす
るためにRset＝Rmaxに修正し、実際のラック位置Ractを
修正後の目標ラック位置Rsetにするための制御信号CPU
２２からラック用アクチュエータ３に対して出力され
る。こうして燃料ポンプ２のラック位置が自動的に調整
され、所定の速度変動率による運転が行われるのであ
る。

以上の説明における複数の速度変動率特性は作業内容に
応じて選定されるものであり、第２図では、制御モード
２を速度変動率が零の特殊なケース、すなわち定速度制
御特性とした場合を示している。このような定速度制御
は、ロータリー、プラウ、芋堀り等のように定速度運転
の必要な作業の場合に用いられる。

このように制御モードの一つを定速度特性とする場合、
前記の表１に示すマップの一つを速度変動のない定速度
特性のものとしてもよいが、次に補正係数Nsiftを用い
る例について述べる。

第４図は制御モードの選択手順を示したものであって、
定速度制御はオペレータがアクセルを操作していないこ
とが前提となるので、制御モード選択スイッチ２７がモ
ード２となっている時には、アクセルが固定されている
か否かがまずチェックされ、アクセルが固定されている
場合にのみモード２が選択され、アクセルが加減速され
ていれば、制御モード選択スイッチ２７に関係なくモー
ド１のドループ制御が選択される。

モード２が選択された場合には、第５図に示すようにま
ず設定値Nsetと実際値Nactとを比較し、補正設定値Nse
t′が次の演算式 Nset′＝Nset＋（Nset−Nact）×Nsift によって求められる。補正係数Nsiftは機関の構造や定
格等に応じて予備実験により予め設定される数値であ
る。次いで目標ラック位置Rsetの演算が第４図の場合に
準じて行われるが、Nset′が求められた時にはアクセル
によって設定された設定値Nsetの代りにこのNset′が用
いられる。こうしてラックは補正された設定値に基づく
目標ラック位置まで動かされ、定速度制御が行われるの
である。

〔Ｂ〕この発明による逆ドループ制御 次にこの発明の基本的な逆ドループ制御について説明す
る。

上述の手順によってドループ制御あるいは定速度制御が
行われている時に負荷が増加したとする。その時の回転
数が、第２図に示すピークトルク回転数Ｎｐと定格回転
数Ｎｒの間にあれば、負荷の増加によって回転数が下が
ると軸トルクは逆に大きくなるので、回転数と軸トルク
がバランスできる範囲の負荷であれば、回転数がある程
度低下して負荷とバランスする位置で運転が継続され
る。しかし、負荷が小さい作業内容の場合でピークトル
ク回転数Ｎｐより低い回転数で運転されている時に負荷
が増加すると、回転数が下がるとともに最大トルク線
（最大ラック線）までは軸トルクが上がるが、負荷が更
に加わり、最大トルク線（最大ラック線）の制約を受け
ると、軸トルクは急激に低下し、それに伴い回転数は急
激に低下して安定した運転ができなくなってしまう。本
実施例ではこの現象を次のような逆ドループ制御によっ
て防止している。

第２図において、Ｄは実負荷率が許容体を超えたか否か
の判定基準線、Ｅは実負荷率が許容値内に戻ったか否か
の判定基準線であり、次の表４に示すような回転アップ
負荷率マップ、及び表５に示すような回転復帰負荷率マ
ップとしてそれぞれデータROM２５に記憶させてある。
また図には示されていないが、表６の回転アップ量マッ
プもR0M２５に記憶させてあり、これらの各マップを用
いて次のような制御が行われる。

まず、第６図(a)に示すように機関回転数の実際値Mact
と実際のラック位置Ractを認識し、表２及び表３から無
負荷相当ラック位置Ridl及び最大ラック位置Rmaxを計算
し、次の式でその時の実負荷率Lactが求められる。なお
表２及び３の中間値は補間計算で求める。

次に、第６図(b)に示すように回転数の実際値Nactを表
４に適用し、その時の回転数に対する実負荷率が許容値
を超えたか否かの判定基準となる負荷率Lupを求める。

また、第６図(c)に示すように回転数の設定値Nsetを表
６に適用し、設定値をどれだけ増加させるかというアッ
プ量Nnupを求める。表の中間値はそれぞれ補間計算で求
める。

これらの計算は一定の間隔でｔ_１時間ごとに行われ、求
められたLact、Lup、Nnupを用いて第７図に示す手順で
回転数の設定値が制御される。第７図において、Nnup′
は各回における設定値アップ値、Nup₁は各回ごとの単位
アップ量であり、Nnup′は最初は０、Nup₁は予め設定さ
れた一定の小さい値である。まず、その時の実負荷率La
ctを今求めた判定用の負荷率Lupと比較し、Lact＞Lupと
なった場合には、前回のNnup′にNup₁を加え、このNnu
p′＋Nup₁をアクセルによって設定されている設定値Nse
tに加えた補正設定値Nset２が計算される。そしてこの
補正設定値Nset２に対応する目標ラック位置Rsetが第３
図の場合と同様に計算されて制御信号が出力され、例え
ば制御モード２の定速度制御の状態から自動的にNup₁に
見合う量だけ回転数が上がる。

この動作がｔ_１時間ごとに繰り返されてNnup′がNup₁ず
つ増加し、それに応じて回転数が段階的に上がって行
く。このNnup′は表６による最終アップ量Nnupと毎回比
較されており、Nnup′≧Nnupに達すると、Nnup′はNnup
に固定され、機関１はNset2＝Nset＋Nnupの回転数で運
転される状態となる。こうして動作点が第２図中の線Ｆ
に沿って移動し、負荷の一時的な増加に対処した運転が
行われるのである。なおLact＞Lupでない場合には、Nse
t２＝Nsetとして設定値は変更されない。

このように、一時的に回転数を増加させる逆ドループ制
御が行われた場合には、第６図(d)に示すように回転数
の実際値Nactを表５に適用して、その時の回転数に対す
る実負荷率が許容値内に戻ったか否かの判定基準となる
負荷率Ldownが計算され、このLdownと先のLact、Nnupと
を用いて、第８図に示す手順で回転数を元に戻す制御が
なされる。表の中間値は補間計算で求める。

すなわち、その時の実負荷率Lactを今求めた判定用の負
荷率Ldownと比較し、動作点が線Ｇに沿って移動してLac
t＜Ldownとなった場合には、予め設定された単位ダウン
量Nup₂を用いて、補正設定値Nset２が本来の設定値Nset
となるまでｔ_２時間ごとにNnup′をNnup₂ずつ段階的に
減少させる。従って動作点は線Ｈに沿って移動して元の
位置に戻り、機関１はアクセルによって設定されている
設定値Nsetの回転数で運転される状態に復するものであ
る。なおLact＜Ldownにならず大きな負荷が引続きかか
っている時には、Nset２＝Nset＋Nnupのままで設定値は
高い状態に保持される。

なお上記の実施例では、最終アップ量Nnupの設定をROM
２５に記憶させてある表６を用いて演算によって行って
いるが、これは例えば外部設定ボリユームのような別の
設定手段によることもできる。

〔Ｃ〕逆ドループ制御の解除 上述のように、この発明は、負荷が大きくなった場合に
自動的に機関回転数を高くして出力を大きくすることに
より、一時的な負荷の増加に耐え得るようにするもので
あって、負荷変動に対する余裕度が大きくなるため、全
体としては運転状態が安定して作業能率を向上すること
が可能となり、特にピークトルク回転数より低い回転数
での運転の際には大きな効果が得られる。そして回転数
の増加は段階的に行われるので、オペレータにショック
を与えることはなく、良好な操作性が得られるのであ
る。なお、オペレータのアクセル操作によらないで回転
数を高めることは、自動車の場合には非常に危険である
ので避けなければならないが、トラクターなどの作業機
の場合には危険性はない。

しかし、例えば旋回時の片ブレーキ操作時にこれが負荷
の増加と判断されると、逆ドループ制御が行われて車速
が上がり、旋回しにくくなることが考えられる。また、
ＰＴＯ回転数を重視して負荷の限界まで回転数を変えた
くない場合や、負荷の変動が一時的なものであることが
予測できるような場合には、この逆ドループ制御を行う
必要がなかったり、あるいは行いたくないことがある。

そこで、この実施例では、ブレーキが操作された場合に
はこの逆ドループ制御が行われないようにしてあり、ま
たオペレータの意思によってこの制御を行うか否かを選
択できるようにしている。

第１図において３０は逆ドループ制御オンオフスイッ
チ、３１はブレーキスイッチであり、これらのオンオフ
状態がI/O制御ROM２１を介して制御部２０に入力され、
第９図及び第１０図に示す手順で制御が行われる。これ
らの手順は、第７図及び第８図に各スイッチのオンオフ
状態の判定のステップがそれぞれ追加されたものであ
る。

すなわち第９図においては、機関回転数の設定値Nsetを
認識した後、逆ドループ制御オンオフスイッチ３０とブ
レーキスイッチ３１の状態が判定され、前者がオン、後
者がオフの時にのみ第７図の回転数を段階的に高くする
制御に移るのであり、いずれかのスイッチのオンオフが
上記の逆であればこの制御は行われない。

また一旦逆ドループ制御に移った場合が第１０図であ
り、逆ドループ制御オンオフスイッチ３０がオン、ブレ
ーキスイッチ３１がオフの時にのみ第８図の回転数を段
階的に元に戻す制御が行われる。そして、逆ドループ制
御オンオフスイッチ３０がオフにされたり、ブレーキが
操作されてブレーキスイッチ３１がオンになると、直ち
に逆ドループ制御は解除されて回転数は元の値に戻るの
である。

以上の実施例は機関がディーゼルエンジンの場合である
が、本発明による制御は機関の種類に応じて修正を加え
ることによって、例えばカソリンエンジンに対しても同
様に実施することが可能であり、この場合にはスロット
ル開度が実施例におけるラック位置に相当することにな
る。

〈発明の効果〉 以上の説明から明らかなように、この発明は、負荷の増
加時に回転数を高めて出力を大きくすることにより、一
時的な負荷の増加に対処する逆ドループ制御において、
回転数を段階的に変化させるようにしたのであり、負荷
変動に対する余裕度が大きくなって運転状態が安定する
ため、個々の作業における作業性を向上できるという逆
ドループ制御の特長はそのままで、更に回転数の変化が
滑らかになって作業機の操作フィーリングや作業性が良
好となり、また機関に大きな力が瞬間的に加わって機関
寿命に悪影響を与えるような可能性も少なくなる等の効
果がある。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示すもので、第１図は概念系
統図、第２図は機関回転数とラック位置及び軸トルクの
関係を示す特性図、第３図乃至第５図は基本的な制御の
フローチャート、第６図(a)〜(d)乃至第８図は本発明に
よる基本的な制御のフローチャート、第９図及び第１０
図は実施例の制御のフローチャートである。 １……機関、２……燃料噴射ポンプ、３……ラック用ア
クチュエータ、７……回転数センサ、８……アクチュエ
ータ位置センサ、９……アクセル、２０……制御部、２
２……CPU、２５……データROM、３０……逆ドループ制
御オンオフスイッチ、３１……ブレーキスイッチ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】機関回転数の実際値を検出する機関回転数
   検出手段と、 機関回転数の設定値を検出する設定回転数検出手段と、 実負荷率があらかじめ設定された許容値を超えたか否
   か、及び許容値を超えた状態から許容値以下に下がった
   か否かの判定基準として用いられる回転数の実際値と判
   定負荷率との関係を記憶する記憶手段と、 実負荷率が上記許容値を超えた場合における回転数の設
   定値の増加量を規定する増加量設定手段と、 前記記憶手段の記憶データにより、実負荷率が許容値を
   超えているか否か、及び許容値を超えた状態から許容値
   以下に下がったか否かを判定し、超えた場合には前記増
   加量設定手段による増加量を加えた値にまで設定値を徐
   々に増加させ、また許容値を超えた状態から許容値以下
   に下がった場合には増加量を加えた値から増加量を加え
   ない値まで設定値を徐々に減少させ、この設定値に対応
   して徐々に変化する目標燃料供給量を決定して制御出力
   を出す演算手段と、 演算手段の制御出力により燃料供給量を調整する燃料制
   御手段、 とを備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 【請求項２】ブレーキ検出手段を備え、実負荷率が許容
   値を超えた場合に回転数の設定値を増加させる制御を、
   ブレーキが操作された時に自動的に停止するようにした
   特許請求の範囲第１項記載の内燃機関の制御装置。
3. 【請求項３】手動の制御停止手段を備え、実負荷率が許
   容値を超えた場合に回転数の設定値を増加させる制御を
   行うか否かを選択できるようにした特許請求の範囲第１
   項記載の内燃機関の制御装置。