JP4557760B2 - 燃料噴射システム - Google Patents

Description

本発明は、エンジン制御の基準の１つである無負荷時のラック位置を、自動的に校正する燃料噴射システムに関するものである。

従来のディーゼルエンジンにおいては、燃料噴射ポンプにおける燃料噴射の駆動源であって燃料噴射時期を決定するカム軸の位相と、エンジンのクランク軸の位相とは、ある位相差をもって運転されている。この位相差をエンジンの状態に合わせて進角側又は遅角側となるように変化させることによって燃料噴射時期を変化し、効率良くエンジンを運転することが可能となる。この燃料噴射ポンプのカム軸の位相を変化させる装置としては、油圧式タイマユニットが知られており、例えば下記特許文献１に示すようなものがある。該油圧式タイマユニットには、燃料噴射ポンプのカム軸に固設されるカム軸カップリングと、クランク軸の回転が伝達されるポンプ駆動歯車との間に、両軸の位相角を変化するためのタイマピストン（「シャトルピストン」とも称される場合がある）が設けられている。これらは、カム軸カップリングの外周面に、ストレートでスプライン嵌合するようにタイマピストンが設けられ、更に該タイマピストンの外周面にヘリカルでスプライン嵌合するようにポンプ駆動歯車が設けられている。この構成により、タイマピストンをカム軸カップリングのスプライン方向に摺動させることで、カム軸カップリングとポンプ駆動歯車との位相差を変化させることが可能となる。また、このタイマピストンの摺動は油圧で行われており、該油圧の制御はエンジンを制御するＥＣＭが行っている。したがって、ＥＣＭが、エンジンの状況に応じてタイマピストンを進角側又は遅角側に制御することによって、燃料の噴射時期を適切にすることができる。

ところで、ＥＣＭの指令値の１つである目標位相差は、負荷率に基づいて定められる。この負荷率とは、あるエンジンの回転数におけるラック位置と、最大噴射時のラック位置と、無負荷時のラック位置との関係で定まる。この関係について、図３を用いて説明する。この図３は、例えば、ある負荷が掛かっている状態において、エンジン回転数がＭ１のときの実際のラック位置である実ラック位置はＲ１となる（点Ｅ１）。また、無負荷時のラック位置を「無負荷ラック位置」と称し、この無負荷ラック位置は予めエンジン回転数毎に求められ、無負荷ラック位置曲線ＲＳとしてＥＣＭに記憶されている。例えば、エンジン回転数Ｍ１のときの無負荷ラック位置はＲ２として求まる。他方、燃料を最大限噴射するときのラック位置を「最大ラック位置」と称し、この最大ラック位置は予めエンジン回転数毎に定められ、最大ラック位置曲線ＲＭとしてＥＣＭに記憶されている。例えば、エンジン回転数Ｍ１のときの最大ラック位置はＲ３として求まる。尚、この最大ラック位置は、エンジンや燃料噴射ポンプ等の仕様や特性上定まるもので、ラック位置が、該最大ラック位置よりも大きな値（増量側）となることはない。つまり、この最大ラック位置曲線ＲＭは、言わばラック位置の上限ラインを示すものである。この図３において、例えば、点Ｅ１の負荷率は次のようにして算出されるものである。
負荷率＝（実ラック位置Ｒ１−無負荷ラック位置Ｒ２）÷（最大ラック位置Ｒ３−無負荷ラック位置Ｒ２）
つまり、負荷率は、「実ラック位置から無負荷ラック位置までの差」と、「最大ラック位置から無負荷ラック位置までの差」との比率で定義されるものである。したがって、ＥＣＭは上述の関係より負荷率を算出し、その算出した負荷率に対応する位相差を予め記憶するマップ等から抽出することで目標位相差を決定する処理を行っている。
特開２００４−２１８６３６号公報

しかしながら、上述における無負荷ラック位置曲線ＲＳは、予めＥＣＭ等に記憶されるものであるが、無負荷時における実ラック位置である実無負荷ラック位置の軌跡とは、往々にして一致せず異なることが一般的に知られている。そのため、上述の関係で負荷率を算出しても、実際のエンジンの状態にマッチする負荷率を求めることができないため、この負荷率によって定められる燃料噴射時期も実際のエンジンの状態に整合するものではなくなる。そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、実無負荷ラック位置の軌跡と無負荷ラック位置曲線ＲＳとの整合性をとることによって、制御精度を向上させる燃料噴射システムを提供することである。

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。

請求項１においては、燃料噴射ポンプの燃料噴射量を調節するラックを具備し、無負荷時におけるラック位置を予め無負荷ラック位置曲線として記憶する燃料噴射システムにおいて、無負荷時の所定のエンジン回転数における実際のラック位置と、該エンジン回転数に対応する前記無負荷ラック位置曲線上のラック位置との差である調整量を算出する調整量算出手段と、該調整量算出手段によって算出された調整量を記憶する調整量記憶手段と、を具備し、前記無負荷時の所定のエンジン回転数とは、最小回転数から増加した場合に、回転数の増加量に対するラック位置の変化量が漸減し始める回転数であって、前記調整量算出手段は、校正処理要求を受信して、前記無負荷時の所定のエンジン回転数に設定して、前記調整量を算出するものである。

請求項２においては、前記調整量算出手段は、前記調整量を１つ算出するものである。

請求項３においては、前記調整量算出手段は、前記調整量を複数算出するものである。

請求項４においては、前記無負荷ラック位置曲線を前記調整量に基づいて遷移したものである校正無負荷ラック位置曲線を、マップ化して記憶するものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１に記載の如く、燃料噴射ポンプの燃料噴射量を調節するラックを具備し、無負荷時におけるラック位置を予め無負荷ラック位置曲線として記憶する燃料噴射システムにおいて、無負荷時の所定のエンジン回転数における実際のラック位置と、該エンジン回転数に対応する前記無負荷ラック位置曲線上のラック位置との差である調整量を算出する調整量算出手段と、該調整量算出手段によって算出された調整量を記憶する調整量記憶手段と、を具備し、前記無負荷時の所定のエンジン回転数とは、最小回転数から増加した場合に、回転数の増加量に対するラック位置の変化量が漸減し始める回転数であって、前記調整量算出手段は、校正処理要求を受信して、前記無負荷時の所定のエンジン回転数に設定して、前記調整量を算出するので、予め記憶する無負荷ラック位置曲線に調整量分だけ遷移させた曲線に基づいて、エンジン回転数に対応する適切な無負荷ラック位置を算出することが可能となって、従来よりも実機と整合性のとれた負荷率を精度良く算出することが可能となって、エンジンの制御性能を向上することが可能となる。
また、燃料噴射ポンプと油圧式タイマユニットとの組立完成品間で組み付け誤差によるばらつきが生じていたとしても、実機と整合性のとれた負荷率を算出できるので、どのような組立完成品間でもエンジンの制御性能を向上させることが可能となって、制御性能を均一にすることが可能となる。

請求項２の構成により、簡単なアルゴリズムで容易に調整量を算出することが可能となる。

請求項３の構成により、予め記憶する無負荷ラック位置曲線を調整量に基づいて遷移させて実無負荷ラック位置の軌跡に一致させる場合に、複数の調整量を用いた場合の方が１つの場合と比較して精度良く一致させることが可能となる。

請求項４の構成により、校正無負荷ラック位置曲線をマップ化して記憶するので、実際のエンジン回転数に対応する無負荷ラック位置を高速で抽出することが可能となり、従来よりも精度良好な負荷率を高速で算出することが可能となる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について説明し、本発明の理解に供する。尚、以下の本発明を実施するための最良の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。図１は燃料噴射システムの概略構成を示したブロック図、図２は燃料噴射ポンプとそれに関連する装置等の概略構成図、図３はエンジン回転数とラック位置との関係を示したグラフ、図４は調整量Ｇを算出して、無負荷ラック位置曲線を校正するための一連の校正処理を示したフローチャート、図５は校正処理で無負荷ラック位置曲線を遷移させたときの一例を示したグラフ、である。

＜概略構成＞
先ず、図１を用いて本発明の燃料噴射システム１の概略構成について説明する。尚、ここで説明する燃料噴射システム１は、例えば船舶が具備するエンジンの燃料噴射ポンプの制御システムとして採用する場合について説明するが、本システムを利用することで同様の効果が得られるものであれば如何なるものに採用しても良い。燃料噴射システム１は、図１に示すように、操作部１０とエンジン２０とに大別される。操作部１０は、船舶の運転室に設けられるものであって、例えば表示部１１、主スロットル１２、副スロットル１３等が設けられるものである。表示部１１は、本システムを採用する船舶の状態や警告等を表示するものであり、スピーカ等を内臓することによって音声による警告を発することも可能なものである。主スロットル１２は、例えばエンジン２０のスロットルバルブ２９を操作するものであって、船舶が正常運転状態である場合に操作されるものであり、例えばレバー式のものである。副スロットル１３は、主スロットル１２と同様にスロットルバルブ２９を操作するものであるが、船舶が正常運転状態でない場合に操作されるものである点で主スロットル１２とは使用態様が異なる。また、この副スロットル１３の形状は、例えばつまみ式（ボリューム式）のスイッチである。また、表示部１１及び主スロットル１２は各々独自の制御部を具備しており、エンジン２０側の制御部であるＥＣＭ２１（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｍｏｄｕｌｅ）と通信することによって、操作部１０とエンジン２０との全体制御を行っている。尚、操作部１０とエンジン２０とでプロトコル等の通信方式が異なる場合には、図１に示すように通信方式の整合を図るための通信中継器１５を設ける。また、副スロットル１３は、エンジン２０側のＥＣＭ２１に直接接続される構成となっており、通信方式はエンジン２０側と同じである。エンジン２０は、例えばディーゼルエンジンであり、ＥＣＭ２１、クランク軸回転数センサ２２、カム軸回転数センサ２３、遅角用電磁弁２４、進角用電磁弁２５、ラック２８等が設けられるものである。ＥＣＭ２１は、エンジン２０に関するセンサや上述した操作部１０等の操作系の状態に基づいて、エンジン２０に関するアクチュエータ等を制御するものである。クランク軸回転数センサ２２は、エンジン２０のクランク軸の回転数を検出するものであって、その検出結果をクランク軸パルスとしてＥＣＭ２１に出力している。即ち、エンジン２０の回転数は、クランク軸回転数センサ２２を用いて検出することは可能である。カム軸回転数センサ２３は、エンジン２０のカム軸の回転数を検出するものであって、その検出結果をカム軸パルスとしてＥＣＭ２１に出力している。また、クランク軸回転数センサ２２及びカム軸回転数センサ２３は光学センサで構成することが可能であり、例えばクランク軸やカム軸の軸自体又はギヤ等に予め製造時に所定間隔で所定数のマークを記しておくことで、このマークを上記光学センサ検出することによって、ＥＣＭ２１はクランク軸とカム軸４１の回転数を算出することができる。遅角用電磁弁２４及び進角用電磁弁２５は、図２に示すような燃料噴射ポンプ４０のカム軸の位相を変化させるための油圧式タイマユニットのタイマピストンを、進角側又は遅角側に摺動させる油圧を制御するための油圧制御弁である。ラック２８は、燃料噴射ポンプ４０から噴射する燃料の量を調節するものである。

＜燃料噴射ポンプ＞
次に、図２を用いて燃料噴射ポンプ４０とそれに関連する装置等の概略構成について説明する。尚、この図２における油圧式タイマユニット５０に関しては断面を示している。特に、タイマピストン５２に関しては便宜的に一点鎖線で、上下に２分割した状態で示しており、遅角側位置に移動した状態をタイマピストン５２ａで示し、他方、進角側位置に移動した状態をタイマピストン５２ｂで示している。勿論、実際のタイマピストン５２は、上述のように一点鎖線で２分割されるものではなく一体的に形成されるものであって、図２においてはあくまでもタイマピストン５２の移動状態を説明するために一点鎖線で２分割しているのである。燃料噴射ポンプ４０は、燃料タンクに貯蔵される燃料をエンジン２０のシリンダに設けた噴射ノズルへ圧送するためのものであり、カム軸４１により駆動され、該カム軸４１の先端部分にはカム軸カップリング５１をカム軸４１に固定するためのカップリング固定部材４２が固設されている。また、燃料噴射ポンプ４０には、エンジン２０のシリンダへ燃料を供給するための供給口４３が気筒分設けられており、図２に示す例においては６気筒ある場合を示している。更に、燃料噴射ポンプ４０には、ガバナ３０及び油圧式タイマユニット５０が一体的に設けられている。ガバナ３０は、上記ラック２８を具備し、該ラック２８はＥＣＭ２１によって駆動制御される比例ソレノイドによって駆動される構造となっている。油圧式タイマユニット５０は、カム軸カップリング５１の外周面にストレートでスプライン嵌合するタイマピストン５２が設けられており、更に該タイマピストン５２の外周面にヘリカルでスプライン嵌合するポンプ駆動歯車５３が設けられている。このポンプ駆動歯車５３は、エンジン２０のクランク軸からの回転力を受ける受歯車５５とボルト５６によって固設されている。このように構成されているので、クランク軸の回転によってカム軸４１を回転させることが可能となると共に、タイマピストン５２をカム軸カップリング５１のスプライン方向（図２に向って左右方向）に摺動させることによって、カム軸カップリング５１とポンプ駆動歯車５３との位相差を変化させることが可能となる。尚、ここでは既に上述したとおり、タイマピストン５２を５２ａ側へ摺動させることでカム軸は遅角し、５２ｂ側へ摺動させることで進角するようにスプライン嵌合のヘリカル形状を構成している。また、ポンプ駆動歯車５３と嵌合するタイマピストン５２の外周側にできる空間を遅角室５７ａ、他方、カム軸カップリング５１と嵌合するタイマピストン５２の内周側の空間を進角室５７ｂと各々称する。この場合に、遅角室５７ａに圧油を圧送することでタイマピストン５２を遅角側（５２ａ側）へ摺動させることができ、他方、進角室５７ｂに圧油を圧送することでタイマピストン５２を進角側（５２ｂ側）へ摺動させることができる。また、遅角室５７ａへ通じる遅角用圧油経路５８ａと、進角室５７ｂへ通じる進角用圧油経路５８ｂにはそれぞれ上述した遅角用電磁弁２４及び進角用電磁弁２５が配設されて、該遅角用電磁弁２４と進角用電磁弁２５をＥＣＭ２１で制御して作動し、圧油を送油してタイマピストン５２を摺動させるのである。このように構成されているので、ＥＣＭ２１は、エンジン２０の状況に応じてタイマピストン５２を油圧で制御する制御手段として機能し、エンジン２０のクランク軸とカム軸４１との位相差を自在に遅角又は進角させることが可能となる。

また、既に図３を用いて説明したように、負荷率は、「実ラック位置から無負荷ラック位置までの差」と、「最大ラック位置から無負荷ラック位置までの差」との比率で定義されるものである。この負荷率を算出するための無負荷ラック位置は、ＥＣＭ２１に予め記憶する無負荷ラック位置曲線ＲＳから算出されるものであるが、無負荷時における実際のラック位置である実無負荷ラック位置の軌跡とは一致しない。そこで、無負荷ラック位置曲線ＲＳを実無負荷ラック位置に一致させるための校正処理について、図４に示すフローチャートを用いて説明する。また、この校正処理における無負荷ラック位置曲線ＲＳ、最大ラック位置曲線ＲＭ、及びエンジン回転数等の変化例を図５を用いて説明する。

先ず、ＥＣＭ２１は、校正処理要求を受信する（Ｓ１０）。このステップＳ１０における校正処理要求の受信は、専用のメンテナンスチェッカー等の装置によってＥＣＭ２１に対して校正処理要求の入力が実行されることにより行われる。そして、ＥＣＭ２１は、クラッチが入状態であるか否かをクラッチ検知センサ等で検出することによって判断する（Ｓ１２）。上記ステップＳ１２の判断で、クラッチが入状態であると判断された場合は、通常制御を行う通常モードとなるため、処理がステップＳ２４へ移行し、他方、クラッチが入状態でないと判断された場合は校正処理を行う校正モードとなるため、処理がステップＳ１４へ移行する。処理がステップＳ１４へ移行した場合に、ＥＣＭ２１は、エンジン２０の回転数を予め定められた校正用回転数に設定する（Ｓ１４）。以下においては、図５に示すように校正用回転数の一例をエンジン回転数Ｍ２として説明する。

ＥＣＭ２１は、ラック２８の位置検出センサの出力値に基づいて、実際の無負荷ラック位置（即ち、実無負荷ラック位置）を検出する（Ｓ１６）。つまり、エンジン２０は無負荷の状態（クラッチ切状態）であるので、上記ステップＳ１６で計測した実ラック位置が実無負荷ラック位置となる。また、このステップＳ１６で計測した実無負荷ラック位置を、例えば図５におけるＲ６（点Ｅ６）とし、この実無負荷ラック位置の軌跡を実無負荷ラック位置軌跡ＲＲ１として以下説明する。

＜水温補正量＞
ところで、装置全体の温度（例えば、冷却水温度）等の影響によって、無負荷におけるラック位置が変化することが知られている。そこで、ＥＣＭ２１には予め開発段階等で求められた基準温度における無負荷ラック位置曲線ＲＳが記憶されており、冷却水温度に応じて該無負荷ラック位置曲線ＲＳを遷移することで負荷率を算出していた。例えば、無負荷ラック位置曲線ＲＳが基準温度を５０度として定められたものとするとき、実際にエンジン２０を無負荷で運転しているときの冷却水温度が８０度である場合に、ＥＣＭ２１は、温度差３０度分だけ無負荷ラック位置曲線ＲＳを遷移させたもの（無負荷ラック位置曲線ＲＳ１）を用いて負荷率を算出する。つまり、無負荷ラック位置曲線ＲＳ１は、無負荷ラック位置曲線ＲＳを冷却水温度に応じて補正したものと言える。そこで、以下、エンジン回転数Ｍ２における、無負荷ラック位置曲線ＲＳ１（点Ｅ５）と無負荷ラック位置曲線ＲＳ（点Ｅ４）との差（即ち、Ｒ５−Ｒ４）を水温補正量Ｆと称する。尚、この水温補正量Ｆは、例えばＥＣＭ２１に基準温度（５０度）からの温度差と対応付けられて記憶されるものであり、ＥＣＭ２１は冷却水温度を検出することによって、水温補正量Ｆを決定することができる。

＜調整量＞
ＥＣＭ２１は、ステップＳ１６で計測した実無負荷ラック位置Ｒ６（点Ｅ６）と、エンジン回転数Ｍ２における無負荷ラック位置曲線ＲＳ１（点Ｅ５）との差（即ち、Ｒ６−Ｒ５）を調整量Ｇとして１つ算出する（Ｓ１８）。即ち、ＥＣＭ２１は、無負荷時の所定のエンジン回転数における実際のラック位置と、そのエンジン回転数に対応する無負荷ラック位置曲線上のラック位置との差である調整量を算出する調整量算出手段としても機能するものである。そして、ＥＣＭ２１は、上記ステップＳ１８で算出した調整量Ｇを記憶する（Ｓ２０）。即ち、ＥＣＭ２１は、調整量Ｇを記憶するための調整量記憶手段としても機能するものである。

上記ステップＳ１８で算出した調整量Ｇは、言わば、実無負荷ラック位置軌跡ＲＲ１と無負荷ラック位置曲線ＲＳ１との差である。換言すれば、無負荷ラック位置曲線ＲＳ１を調整量Ｇだけ遷移したものは、実無負荷ラック位置軌跡ＲＲ１と一致することとなる。そこで、ＥＣＭ２１は、無負荷ラック位置曲線ＲＳ１を調整量Ｇだけ遷移したものを校正無負荷ラック位置曲線ＲＳ２として算出し、記憶する（Ｓ２２）。そして、ＥＣＭ２１は、無負荷ラック位置曲線ＲＳを実無負荷ラック位置に一致させるための校正モードを終了して、通常制御を行う通常モードへ移行する（Ｓ２４）。このような処理が行われることによって、ＥＣＭ２１は、通常制御において、エンジン回転数に対応する無負荷ラック位置を校正無負荷ラック位置曲線ＲＳ２に基づいて算出することが可能となって、従来よりも実機と整合性のとれた負荷率を精度良く算出することが可能となって、エンジンの制御性能を向上することが可能となる。また、校正無負荷ラック位置曲線ＲＳ２をマップ化してＥＣＭ２１に記憶することで、ＥＣＭ２１は実際のエンジン回転数に対応する無負荷ラック位置を高速で抽出することが可能となり、通常制御において従来よりも精度良好な負荷率を高速で算出することが可能となる。

＜複数の調整量＞
上述のステップＳ１８の処理においては、ＥＣＭ２１は、エンジン回転数Ｍ２における調整量Ｇを１つだけ算出しているが、複数算出することもできる。例えば、ＥＣＭ２１は、初回の校正処理においては、エンジン回転数Ｍ２を校正用回転数としてステップＳ１６からステップＳ２０の処理を行った後、校正用回転数をエンジン回転数Ｍ２以外の他の回転数に設定してステップＳ１６からステップＳ２０の処理を行う。つまり、図４において点線で示したようなループで処理をステップＳ１４へ複数回移行させて各回とも異なる校正用回転数を設定することで、図５に示す実無負荷ラック位置軌跡ＲＲ１と無負荷ラック位置曲線ＲＳ１との差である調整量を、横軸方向（エンジン回転数軸方向）に複数箇所でサンプリングすることが可能となる。したがって、無負荷ラック位置曲線ＲＳ１を調整量に基づいて遷移させて実無負荷ラック位置軌跡ＲＲ１に一致させる場合に、複数の調整量を用いた場合の方が１つの場合と比較して精度良く一致させることが可能となる。したがって、アルゴリズムを簡略化したい場合は調整量を１つだけ算出し、他方、精度良く無負荷ラック位置曲線ＲＳ１を遷移させたい場合は調整量を複数算出することが望ましい。

燃料噴射システムの概略構成を示したブロック図。 燃料噴射ポンプとそれに関連する装置等の概略構成図。 エンジン回転数とラック位置との関係を示したグラフ。 調整量Ｇを算出して無負荷ラック位置曲線を校正するための一連の校正処理を示したフローチャート。 校正処理で無負荷ラック位置曲線を遷移させたときの一例を示したグラフ。

１ 燃料噴射システム
１０ 操作部
１５ 通信中継器
２０ エンジン
２１ ＥＣＭ
２２ クランク軸回転数センサ
２３ カム軸回転数センサ
２４ 遅角用電磁弁
２５ 進角用電磁弁
２８ ラック
２９ スロットルバルブ
３０ ガバナ
４０ 燃料噴射ポンプ

Claims (4)

1. 燃料噴射ポンプの燃料噴射量を調節するラックを具備し、無負荷時におけるラック位置を予め無負荷ラック位置曲線として記憶する燃料噴射システムにおいて、無負荷時の所定のエンジン回転数における実際のラック位置と、該エンジン回転数に対応する前記無負荷ラック位置曲線上のラック位置との差である調整量を算出する調整量算出手段と、該調整量算出手段によって算出された調整量を記憶する調整量記憶手段と、を具備し、前記無負荷時の所定のエンジン回転数とは、最小回転数から増加した場合に、回転数の増加量に対するラック位置の変化量が漸減し始める回転数であって、前記調整量算出手段は、校正処理要求を受信して、前記無負荷時の所定のエンジン回転数に設定して、前記調整量を算出することを特徴とする燃料噴射システム。
2. 前記調整量算出手段は、前記調整量を１つ算出してなる請求項１記載の燃料噴射システム。
3. 前記調整量算出手段は、前記調整量を複数算出してなる請求項１記載の燃料噴射システム。
4. 前記無負荷ラック位置曲線を、前記調整量に基づいて遷移したものである校正無負荷ラック位置曲線を、マップ化して記憶してなる請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料噴射システム。

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