JPH0580584B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〈産業上の利用分野〉 本発明は、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、内燃機関は定格回転数より低い回転数
で最大軸トルクが得られるような軸トルク特性を
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つて同一
の作業機を多種の作業に用いることが一般に行わ
ているが、作業形態は多様で負荷は作業内容によ
り異なり上記の不安定領域で運転されることも多
く、また作業によつ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動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
ナと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〉 従つて、ピークト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止してしまうという
事態を防止できず、作業性が低下するとともに操
作フイ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つた。 本発明は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つて
負荷の増加に対処し、操作フイーリングの悪化や
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、実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超過判定負荷率
との関係を記憶する記憶手段と、実負荷率が許容
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、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、算出された実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。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(1)式及び(2)式で求め
られる。 〈実施例〉 以下、デイ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〕 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はラツク用アクチユエータ、
４はタイマ用アクチユエータ、５，６は各アクチ
ユ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つて機関出力とトル
クが決定される。燃料噴射量は、燃料ラツク（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、ステツピングモータ等を
用いたアクチユエータ３によつて移動させること
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、ステツピングモータ、電磁弁等を用いたアク
チユエータ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の動きを電磁ピツクアツプからなる回転数
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、予めラツ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、アクチユエータ
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
マイクロコンピユ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
CPU２２、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
ROM２５等で構成されている。 第２図は上述のラツク用アクチユエータ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ツク３２の一端に、連結部３
３を介してリニアソレノイド式のラツク用アクチ
ユエータ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１
２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。アクチユエータ３は
作動コイル３５、固定コア３６、シヤフト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、
シヤフト３７に取付けられた可動コア４０等から
なつている。回転数センサ７は電磁ピツクアツプ
であつて磁性回転体１２に接近して配置され、凹
溝１３の通過に伴う磁気の変化回数から回転数を
検知するようになつている。 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つて任意に設定
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（以下ドループ率マツプ
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、これに対するラツ
ク位置すなわち無負荷相当ラツク位置Ridlの関係
を定めた表２に示す無負荷相当ラツク位置Ridlの
関係を定めた表２に示す無負荷相当ラツク位置マ
ツプと、各回転数における最大噴射量を制限する
ために定められた表３に示す最大ラツク位置マツ
プがそれぞれデータROM２５に記憶されてい
る。

【表】

【表】

【表】 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ツチであり、選択指示はス
イツ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ツ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、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
荷相当ラツク位置を、Ｃは表３による最大ラツク
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ROM２５に記憶され
ているが、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ヤートを参照
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ROM２１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CPU
２２は、所定のプログラムに従つて制御演算を行
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Nsetと実際値Nactを認識し、
また表２により無負荷相当ラツク位置Ridlを読出
し、次いでオペレータによつて設定されたモード
選択スイツチ２７の状態を読取り、モードに応じ
てｉ＝１あるいはｉ＝２のドループ率マツプによ
り設定されるべき目標ラツク位置Rsetを計算す
る。この目標ラツク位置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
めの目標燃料供給量に対応するものであつて、検
出されたNset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、次のような演
算式 Rset＝（Nset−Nact）×Di＋Ridl …(1) で求められる。 続いて、表３から最大ラツク位置Rmaxを読出
して今求めたRsetと比較し、もしRset＞Rmaxで
なければ、実際のラツク位置RactをRsetにする
ための制御信号がCPU２２からラツク用アクチ
ユエータ３に対して出力され、またRset＞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、実際のラツク位置
Ractを修正後の目標ラツク位置Rsetにするため
の制御信号がCPU２２からラツク用アクチユエ
ータ３に対して出力される。こうして燃料ポンプ
２のラツ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
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Nsift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
あつて、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
スイツチ２７がモード２となつている時には、ア
クセルが固定されているか否かがまずチエツクさ
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、
モード選択スイツチ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Nsetと実際値Nactとを比較
し、補正設定値Nset′が次の演算式 Nset′＝Nset＋（Nset−Nact）×Nsift によつて求められる。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。次いで目標ラツク位置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つて設定された設
定値Nsetの代りにこのNset′が用いられる。こう
してラツクは補正された設定値に基づく目標ラツ
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、以上のような手順によつてドループ制御
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Npと定格回転数Nrの間にあ
れば、負荷の増加によつ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（最大ラツク線）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（最大ラツク線）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つてしま
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は実負荷率が許容値を超え
たか否かの判定基準線、Ｅは実負荷率が許容値内
に戻つたか否かの判定基準線であり、次の表４に
示すような回転アツプ負荷率マツプ、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の回転アツプ量マツプも
ROM２５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。

【表】

【表】

【表】 まず、第７図ａに示すように機関回転数の実際
値Nactと実際のラツク位置Ractを認識し、表２
及び表３から無負荷相当ラツク位置Ridl及び最大
ラツク位置Rmaxを計算し、次の式でその時の負
荷率Lactが求められる。 Lact＝Ract−Ridl／Rmax−Ridl …(2) なお表２及び３の中間値は次のような補間計算
を行う。 Ridl＝Ridl（ｉ）＋〔Ridl（ｉ）−Ridl（ｉ＋１）〕×
Nact−Nidl（ｉ）／Nidl（ｉ＋１）−Nidl（ｉ） Rmax＝Rmax（ｊ）＋〔Rmax（ｊ）−Rmax（ｊ＋
１）〕×Nact−Nmax（ｊ）／Nmax（ｊ＋１）−Nmax（ｊ
） 次に、第７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
る超過判定負荷率Lupを求める。表の中間値は次
の補間計算を行う。 Lup＝Lup（ｋ）＋〔Lup（ｋ）−Lup（ｋ＋１）〕×
Nact−Nup（ｋ）／Nup（ｋ＋１）−Nup（ｋ） また、第７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
せるというアツプ量Nnupを求める。表の中間値
は次の補間計算を行う。 Nnup＝Nnup（ｋ）＋〔Nnup（ｋ）Nnup（ｋ＋１）〕
×Nset−Nsup（ｋ）／Nsup（ｋ＋１）−Nsup（ｋ） こうして求められたLact、Lup、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、その時の実負荷率Lactを今
求めた基準値Lupと比較し、Lact＞Lupとなつた
場合には、アクセルによつて設定されている設定
値Nsetにアツプ量Nnupを加えたNset２が計算さ
れる。そしてこの補正設定値Nset２に対応する
目標ラツク位置Rset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上が
り、動作点が第３図中の線Ｆに沿つて移動して負
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Lact＞Lupでない場合には、Nset２
＝Nset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
率が許容値内に戻つたか否かの判定基準となる復
帰判定負荷率Ldownが計算される。表の中間値
は次の補間計算を行う。 Ldown＝Ldown（ｋ）＋〔Ldown（ｋ）−Ldown（ｋ
＋１）〕×Nact−Ldown（ｋ）／Ndown（ｋ＋１）−Ldow
n（ｋ） こうして求められたLdownと先のLact、Nnup
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、その時の実負荷
率Lactを今求めた基準値Ldownと比較し、動作
点が線Ｇに沿つて移動してLact＜Ldownとなつ
た場合には、補正設定値Nset２を本来の設定値
Nsetとし、この設定値に見合う制御信号が出力
される。従つてラツクは元の位置に戻つて動作点
は線Ｈに沿つて移動し、機関はアクセルによつて
設定されている設定値Nsetの回転数で運転され
る。なおLact＜Ldownにならず大きな負荷が引
続きかかつている時には、Nset２＝Nset＋Nnup
のままで設定値は高い状態に保持される。 なお、前記４及び５におけるNup及びNdown
はNactと、また表６におけるNsupはNset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、回転アツプ量Nnup
の設定をROM２５に記憶させた表６を用いた演
算によつて行つているが、これは例えば外部設定
ボリユームのような別の増加量設定手段によるこ
ともできる。 上述のように、本発明は、負荷が大きくなつた
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つて、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
つ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
がかかつ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、場合によつてはそこまで
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、フルスロツトル作業の場合を線FS
で、ハーフスロツトル作業の場合を線HS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供給量
Ｑ、燃料ラツク位置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
負荷判定ラツク位置マツプをROM２５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Lactを求
め、次にその時の回転数の実際値Nactを表７に
適用して判定基準となる超過判定負荷率Loverを
求め、第１１図ａに示すようにLactとLoverとを
比較し、Lact＞Loverの時にCPU２２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。

【表】

【表】 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
ツク位置Ractを認識し、次に表８からその時の
回転数に対するラツク位置Roverを求める。そし
てRactとRoverとを比較し、Ract＞Roverの時
にCPU２２より過負荷警警報信号を出力するの
である。 以上の実施例は機関がデイ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つて、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、この場合にはスロツトル開度が実施例にお
けるラツ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
とによつて、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
荷変動に対する余裕度が大きくなつて運転状態が
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イーリングが良好と
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の示すもの
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ツク位置及び軸トル
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ヤート、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ヤート
である。また、第９図は機関回転数と軸トルク及
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、燃料ラツ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ヤートである。 １…機関、２…燃料噴射ポンプ、３…ラツク用
アクチユエータ、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、２
２…CPU、２５…データROM。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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超過判定負荷率との関係
   を記憶する記憶手段と、 実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、 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。