JPS6172846A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、負荷率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、内燃機関は定格回転数より低い回転数で最大軸
ｌ・ルクが得られるような軸１−ルク特性を有しており
、このピークトルク回転数以下での運転の場合には、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
生ずる可能性があるため、ピークトルク回転数以下の領
域は基本的には不安定な領域であると言える。

ところで、農業機械や建設機械などにおいては、種々の
周辺機器を取付けることによって同一の作業機を多種の
作業に用いることが一般に行われているが、作業形態は
多様で負荷率は作業内容により異なり上記の不安定値域
で運転されることも多く、また作業によっては一時的に
大きな負荷がかかるような使われ方も少なくない。

これらの作業機の原！ＪＩ機として用いられる内燃機関
には、一般に機械式あるいは電子制御式ガバナが用いら
れているが、適度の速度変動率を有するように調整され
たいわゆるオールスピードガバナど称されるものが多く
用いられており、上記の不安定領域で使用された場合に
おける動作の不安定さをなくす機能は特には備えていな
い。

〈発明が解決しようとする問題点〉 ｆ、Ｙ−って、ピーク１ヘルク回転数以下での運転時に
負荷が急増すると、機関回転数が大幅に低下したり、極
端な場合には機関が停＋Ｌしてしまうという事態を防１
１−できず、作業性が低下するとともに操１　　　　　
作フィーリングが悪くなり、また機関に無理な運転を強
いるような結果となることが多かった。

本発明（Ｊ上述のような問題点に着目し、作業中に負荷
が急増したような場合には、自動的に回転数の設定値を
高めて回転数を上げることによって負荷の増加に対処し
、操作フィーリングの悪化や作業性の低下を防止できる
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、負荷率が許容
値を超えたか否かの判定基準として用いられる回転数と
負荷率との関係を記憶する記憶手段と、負荷率が許容値
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、検出された機関回転数の実際値と
設定値との差から負荷率を算出し、前記記憶手段の記憶
データにより負荷率が許容値を超えているか否かを判定
し、超えた場合には前記増加量設定手段による増加量を
加えた設定値に対応した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
としている。

〈作用〉 本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、算出された負荷率に応じて回転数の設定値が増加
されて負荷の増大に対処し、例えば同一の作業機を広範
囲な作業に用いても常に安定した運転状態が得られるの
である。

〈実施例〉 以下、ディーゼルエンジンの制御に関する図示の一実施
例により本発明を具体的に説明する。

［Ａ’ｌ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）　（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、燃料ラック（第１図には図示
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。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Ｉ１０制御ＲＯＭ（２１）、制御演算及び入出
力指示を与えるＣＰＵ（２２）、ＣＰＵ（２２）の制御
演算に使用されるＲＡＭ（２３）　、制御プログラムを
記憶しているプログラムＲＯＭ（２４）、後述の速度変
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ＲＯＭ（２５）等で構成されている。

第２図は上述のラック用アクチュエータ（３）等を含む
ガバナ部分の具体的な構成の一例を示したものであり、
燃料噴射ポンプ（２）のガバナケース（３１）内に突出
した燃料ラック（３２）の一端に、連結部（３３）を介
してリニアソレノイド式のラック用アクチュエータ（３
）と差動トランス式の位置センサ（５）が同軸的に連結
され、またカム軸（３４）に磁性回転体（１２）が取付
けられ、そのフランジ状端縁に複数個の凹溝（１３）が
形成されている。アクチュエータ（３）は作動コイル（
３５）、固定コア（３６）、シャツ！−（３７）に取付
けられた可動コア（３８）等からなり、位置センサ（５
）は複数個のコイルからなる検出コイル（３９）、シャ
フト（３７）に取付けられた可動コア（４０）等からな
っている。回転数センサ（７）は電磁ピックアップであ
って磁性回転体（１２）に接近して配置され、凹溝（１
３）の通過に伴う磁気の変化回数から回転数を検知する
ようになっている。

データＲＯＭ（２５）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である。以下数表の場合につい
て説明する。表１はｉ番目の数表（以下ドループ率マツ
プという）の例であり、設定値Ｎ５ｅｔと実際値Ｎａｃ
ｔ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Ｎ５ｅｔ、に対応する無負荷時のアイ
ドリング回転数Ｎ１ｄｌ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ツプと、各回転数にお
ける最大噴射量を制限するた一７＝ めに定められた表３に示す最大ラック位置マツプがそれ
ぞれデータＲＯＭ（２５）に記憶されている。

なお、上記の表２におけるＮ１ｄｌはＮ５ｅｔ、と、ま
た表３におけるＮｌｌ１ａｘはＮａｃｔとそれぞれ置き
換えて考えても実質的には同じである。

上述のように、ドループ率マツ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の二つのマツプが
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３図は、これらのマツ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３図におい
て、Ａ、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。

また、噴射時期を決定するタイミング特性等の他の制御
用データもデータＲＯＭ　（２５）に記憶されているが
１本実施例に直接の関係がないので説明は省略する。

次に、第４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Ｉ１０制御Ｒ
ＯＭ（２１）に管理され、認識可能な信号に変換されて
ＣＰＵ（２２）に入力される。そしてＣＰＵ　（２２）
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４図のようにまず機関回転数
の設定値Ｎ５ｅｔと実際値Ｎ　ａｃｔ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モード選択スイッチ（２
７）の状態を読取り、モードに応じてｉ＝１あるいはｉ
＝２のドループ率マツ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Ｎ
　ｓｅｔに対する所定の実際値Ｎ　ａｃｔ、を得るため
の目標燃料供給量に対応するものであって、検出された
Ｎ　ｓｅｔ、及びＮａｃｔ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１次のような演算式％式％ 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Ｒ５５ｔにする
ための制御信号がＣＰＵ（２２）からラック用アクチュ
エータ（３）に対して出力され、またＲ　ｓｅｔ　）　
Ｒｗａｘ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Ｒｓｅ七にす
るための制御信号が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３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、プへ１１− ラウ、芋掘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に示すマツ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Ｎ　５ｉｆｔ
を用いる例について述べる。

第５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、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、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６図に示すようにま
ず設定値Ｎ５ｅｔと実際値Ｎａｃｔとを比較し、補正設
定値Ｎ５ｅｔ’が次の演算式 ％式％ によって求められる。補正係数Ｎ　５ｉｆｔ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、Ｎ５ｅｔ、’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Ｎ５ｅｔの代
りにこのＮ５ｅｔ’　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）本発明による制御 さて１以上のような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３図に示すピークトルク回転数Ｎ
ｐ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。

このような現象を本実施例では次のようにして防止して
いる。

第３図において、Ｄは負荷率が許容値を超えたか否かの
判定基準線、Ｅは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
率マツプ、及び表５に示すような回転復帰負荷率マツプ
としてそれぞれデータＲＯＭ　（２５）に記憶させであ
る。また図には示されていないが、表６の回転アップ量
マツプもＲＯＭ（２５）に記憶させてあり、これらの各
マツプを用いて次のような制御が行われる。

まず、第７図（ａ）に示すように機関回転数の実際値Ｎ
ａｃｔと実際のラック位＠Ｒａｃ七を認識し、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［Ｒｍａｘを計算し、次の式でその時の負荷率Ｌ　ａ
ｃｔが求められる。

なお表２及び３の中間値は次のような補間計算を行う。

次に、第７図（ｂ）に示すように回転数の実際値Ｎａｃ
ｔを表４に適用し、その時の回転数に対する負荷率が許
容値を超えたか否かの判定基準となる負荷率い】ｐを求
める。表の中間値は次の補間計算を行う。

また、第７図（ｃ）に示すように回転数の設定値Ｎ５ｅ
ｌ：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Ｎ　ｎｕｐを求める。表の中間値は次の捕
間計算を行う。

こうして求められたＬａｃｔ、　Ｌ口ｐ、　Ｎｎｕｐを
用いて、第８図（ａ）に示す手順で回転数の設定値が制
御される。すなわち、その時の負荷率Ｌａｃｔを今求め
た基準値Ｌｕｐと比較し、Ｌａｃｔ＞Ｌｕｐとなった場
合には、アクセルよって設定されている設定値Ｎ５ｅｔ
、にアップ量Ｎｎｕｐを加えたＮ５ｅｊ２が計算される
。そしてこの補正設定値Ｎ　５ｅｔ２に対応する目標ラ
ック位置Ｒｓ牡が第４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
態から自動的に回転数が」二かり、動作点が第１図中の
線Ｆに沿って移動して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Ｌ　ａｃｔ　＞　Ｌ　ｕｐでない場合には、Ｎ　５
ｅｔ２　＝　Ｎ　ｓｅｔ。

として設定値は変更されない。

こうして一時的に回転数を増加させた場合には、第７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Ｌ　ｄｏｗｎが計
算される。表の中間値は次の補間計算を行う。

こうして求められたＬ　ｄｏｗｎと先のＬａｃｔ、Ｎｎ
ｕｐとを用いて、第８図（ｂ）に示す手順で回転数を元
に戻す制御がなされ−る。すなわち、その時の負荷率Ｌ
　ａｃシを今求めた基準値Ｌ　ｄｏｗｎと比較し、動作
点が線Ｇに沿って移動してＬａｃｔ＜Ｌｄｏνｎとなっ
た場合には、補正設定値Ｎ５ｅｔ２を本来の設定値Ｎ　
ｓｅｔとし、この設定値に見合う制御信号が出力される
。従ってラックは元の位置に戻って動作点は線ト■に沿
って移動し、機関はアクセルによって設定されている設
定値Ｎ　ｓｅｔの回転数で運転される。なおＬ　ａｃｔ
　＜　Ｌ　ｄｏｗｎにならず大きな負荷が引続きかかっ
ている■寺には、Ｎｓｅ七２＝Ｎｓｅ七十Ｎ　ｎｕｐの
ままで設定値は高い状態に保持される。

なお、前記表４及び５におけるＮｕｐ及びＮ　ｄｏｗｎ
はＮ　ａｃｔと、また表６におけるＮ　ｓｕｐはＮ５ｅ
ｔとそれぞれ置き換えて考えても実質的には同じである
。

また、上記の実施例では、回転アップ量Ｎｎｕｐの設定
をＲＯＭ（２５）に記憶させた表６を用いた演算によっ
て行っているが、これは例えば外部設定ボリュームのよ
うな別の増加量設定手段によることもできる。

」二連のように、本発明は、負荷率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ｑ　　　　　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
。このように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
業機の場合には特に危険性はなく、制御特性を知って操
作すれば極めて良好な操作性が得られるのである。なお
、上記の実施例のように、本発明は例えばドループ制御
や定速度制御が行われている機関に実施できるが、負荷
が変動しても回転数を一定に保とうとする定速度制御の
場合には、負荷がかかった時の速度の低下を防ぐ意味で
特に効果が大きいと考えられる。

〔Ｃ〕実施例の変形例 上述の実施例は、負荷率の増加を検出して回転数を上げ
るものであるが、場合によってはそこまでの制御が不要
なこともある。次にそのような場合に適した例について
述べる。

第９図は、フルスロットル作業の場合を線ＦＳで、ハー
フスロットル作業の場合を線Ｈ８でそれぞれ示した運転
状態の例示図である。前述したように、ピークトルク回
転数ＮＰより低い回転数の領域で運転されている時には
、出力の限界に達した後はトルクの低下により急激に回
転数が下がり、一方、回転数Ｎｐより高い領域では、出
力の限界に達した後回転数Ｎｐまではトルクが上がるが
、回転数がＮｐ以下になると上記と同様に回転数は急激
に低下するので、オペレータは通常この急激な回転数の
低下で過負荷状態を判定している。第１０図は、機関回
転数に対する燃料噴射量（Ｑ）、燃料ラック位置（Ｒ）
、軸出力（Ｐｓ）の関係をそれぞれ示す図である。

これに対してこの変形例では、表７のような過負荷判定
負荷率マツプ、あるいは表８のような過負荷判定ラック
位置マツプをＲＯＭ（２５）に記憶させておき、これを
用いて過負荷を検出し、負荷を軽くする等の処置を促す
ための警報をオペレータに対して発するのである。第９
図の線Ｊは表７あるいは８に対応する過負荷判定線であ
り、斜線部分は過負荷警報ゾーンを示す。

表７を用いる場合について説明すると、まず、第７図（
ａ）に示した手順により実負荷率Ｌ　ａｃｔを求め、次
にその時の回転数の実際値Ｎ　ａｃｔを表７に適用して
判定基準となる負荷率Ｌ　ｏｖｅｒを求め、第１１図（
ａ）に示すようにＬ　ａｃｔとＬ　ｏｖｅｒとを比較し
、Ｌ　Ｂｃ−ｔ＞Ｌ　ｏｖｅｒの時にＣＰＵ（２２）よ
り過負荷警報信号を出力するのである。第１図の（２８
）はこの信号で作動する表示灯、ブザー等の警報手段で
ある。

また表８を用いる制御では、まず第１１図（ｂ）に示す
ように機関回転数の実際値Ｎａｃｔと実際のラック位置
Ｒａｃ七を認識し、次に表８からその時の回転数に対す
るラック位置Ｒｏｖｅｒを求める。そしてＲａｃｔとＲ
ｏｖｅｒとを比較し、Ｒａｃｔ）　Ｒｏｖｅｒの時にＣ
ＰＵ（２２）より過負荷警報信号を出力するのである。

以」二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た修正を加
えることによって、例えばガ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、本発明は、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って、一
時的な負荷の増加に耐えて運転を継続することができる
ようにしたものであり、負荷率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
る作業性が向上するとともに作業機の操作フィーリング
が良好となり、また機関に無理な運転を強いて燃費や機
関寿命に悪影響を与えるような可能性も少なくなり、更
に一台の作業機を各種の作業に用いて効率よく稼動させ
ることができる等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第８図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（ａ）及び（ｂ）はガバナ部分
の構成を例示する一部破断側面図及び正面図、第３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４図乃至第６図は基本的な制御のフローチャート
、第７図（ａ）〜（ｄ）及び第８図（ａ）（ｂ）は本発
明による制御のフローチャートである。また、第９図は
機関回転数と軸１〜ルク及び軸出力の関係を示す特性図
、第１０図は機関回転数と燃料噴射量、燃料ラック位置
及び軸出力の関係を示す特性図、第１１図（ａ）　（ｂ
）は実施例の変形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）・・・アクセル位置センサ、（９）・・
・アクセル、（２０）・・・制御部、（２２）・・・ｃ
ｐｕ、（２５）・・・データＲＯＭ。 特許出願人　ヤンマーディーゼル株式会社代　理　人　
弁理士　　篠　　１）　　實第１１図（ａ） 第１１図（ｂ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （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、 負荷率が許容値を超えたか否かの判定基準として用いら
   れる回転数と負荷率との関係を記憶する記憶手段と、 負荷率が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、検出された機関回
   転数の実際値と設定値との差から負荷率を算出し、前記
   記憶手段の記憶データにより負荷率が許容値を超えてい
   るか否かを判定し、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設定値に対応した目標燃料供給量
   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。