JPH0680298B2 - 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、電子制御式ガバナを備えた内燃機関の制御
装置の改良に関するものである。

〈従来の技術〉 ディーゼルエンジンにおいて、機関回転数の実際値と設
定値及び燃料噴射量の実際値を検出し、所定の速度変動
率特性（ドループ特性）に対応した機関回転数の実際値
を得るべく、あらかじめ記憶させたマップを用いて上記
各検出値ら燃料噴射量の設定値を演算し、燃料ラック駆
動用のアクチュエータを制御するようにした電子制御式
ガバナは、例えば特開昭60−256529号公報等によって公
知である。

〈発明が解決しようとする問題点〉 この種の電子制御式ガバナを採用した場合には、燃料噴
射量の実際値に対応する量として例えば燃料ラックの位
置を検出しており、このラック位置検出ができなくなる
と制御不能となる。従って、ラック位置センサやその関
連回路が故障した時には機関を停止させるようにプログ
ラムされるのが普通であり、各種の建設機械や農業機械
では作業はもちろん修理可能な場所への自力移動もでき
なくなり、現場に放置せざるを得なくなるという問題点
があった。

なお、故障時に燃料噴射量を最低量に絞って一定の低速
度で機関を運転できるようにしたものもあるが（例えば
特開昭57−24437号公報参照）、これでは出力が不足す
るためエンストを起したり、坂を登れないなどの不都合
がじやすく、実用的でない。

この発明は上述のような問題点に着目し、故障時でもア
クセル操作に応じた速度で機関の運転を一応可能とする
よう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手段〉 上記の目的を達成するために、この発明の制御装置は、
機関回転数の実際値と設定値及び燃料噴射量の実際値を
検出し、所定の速度変動率特性に対応した機関回転数の
実際値を得るべく、上記各検出値から燃料噴射量の設定
値を演算して燃料量制御用アクチュエータを制御する電
子制御式ガバナを備えており、更に、燃料噴射量検出手
段が正常か否かを判断する故障判定手段と、燃料噴射量
検出手段が正常でないと判断された場合に適用される機
関回転数の実際値と燃料噴射量の最大値との関係を記憶
した記憶手段と、燃料噴射量検出手段が正常でないと判
断された場合に機関回転数の実際値をアクセル操作に応
じた設定値に合わせるべく、上記記憶手段に記憶された
最大値を限度として燃料量制御用アクチュエータに対す
る制御信号を正常時の制御信号に代えて出力する演算手
段、とを備えている。

第１図はこの発明の基本構成を示す図であり、Ａは回転
センサ等の機関回転数の実際値検出手段、Ｂはアクセル
センサ等の機関回転数の設定検出値手段、Ｃはラック位
置センサ等の燃料噴射量の実際値検出手段、Ｄは故障判
定手段、Ｅは記憶手段、Ｆは演算手段、Ｇは演算手段Ｆ
から出力される制御信号、Ｈはラック用アクチュエータ
等の燃料量制御用アクチュエータ、Ｉは燃料噴射ポンプ
である。記憶手段Ｅには正常時用の速度変動率特性マッ
プE₁と故障時用のアクチュエータＨへの制御信号量最大
値マップE₂が記憶させてあり、正常時にはマップE₁を用
いて、また故障時にはマップE₂を用いて制御信号Ｇが算
出され、この信号によりアクチュエータＨが駆動されて
燃料噴射ポンプＩから所定量の燃料が機関に供給され
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、ラック位置センサ等の燃料噴射量検出手段が故
障した時には、機関回転数の実際値を設定値に合わせる
制御が行われてアクセス操作に応じた速度によって機関
の運転は一応継続される。従って、故障場所から修理工
場や安全な場所等への移動が可能となり、この場合には
あらかじめ設定された最大値を限度として燃料噴射量が
制限されるので、機関の出力が必要以上に高くなること
はなく安全性が確保される。

〈実施例〉 以下、図示の実施例について説明する。

〔Ａ〕全体の構成と正常時の制御 第２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60−256529号の第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アクセル位置ラ
ック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
ポート21、制御演算及び入出力指示を与えるCPU22、タ
イマ23、CPU22の制御演算に使用されるRAM24、制御プロ
グラムや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ROM25等で構成されている。

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ROM25に記憶されている。

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おり、
制御モード選択スイッチ27により所定のものが選択使用
される。

第３図（ａ）は、これらのマップによる機関回転数とラ
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。図において、Ａは表１によ
るドループ特性（速度変動率特性）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。

次に、正常時の動作を第４図に示す制御フローチャート
を参照しながら説明する。

機関の状態を認識するための各種の信号はI/Oポート21
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。

まず、噴射量センサであるラック位置センサ５の故障の
有無が判断される。この判断は、例えば次の表４に示す
故障モード１または２のいずれかが500msec以上続いた
か否かで行われる。

なお、アクチュエータへの制御信号Qoutは第５図に示す
ようなパルス信号であり、周期Tdに対するパルス幅Tpの
比、すなわちデューティ量（Tp/Td×100％）が制御され
る。

このステップでラック位置センサ５が正常と判定される
と、速度変動率の演算に移る。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、制御モード選択スイッチ27によ
って選定された制御モードに応たドループ係数Diと表２
を用いて、設定されるべき目標ラック位置Rsetを次のよ
うな演算式で計算する。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
ための目標燃料噴射量に対応するものである。

Rset＝（Nset−Nact）×Di＋Ridl 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Qout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
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に修正して出力される。この制御
信号Qoutは次のような比例積分計算によって算出され
る。

RCI₁＝（Rset−Ract）×GainRI＋RCI₁ Qout＝RCI₁＋（Rset−Ract）×GainRP ここでRCI₁は制御量積分値 GainRIは制御量積分係数 GainRPは制御量比例係数 以上のような手順によって燃料ポンプ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。

〔Ｂ〕故障時の制御 次に、この発明によるラック位置センサ５の故障時の制
御について説明する。

上述のように本来の制御では、ラック用アクチュエータ
３に対して出力される制御信号Qoutの計算にラック位置
の実際値Ractが用いられるので、ラック位置センサ５が
故障すると計算ができない。そこで、第４図の故障判定
ステップでラック位置センサ５が故障と判定されると、
機関回転数の設定値Nsetと実際値Nactを認識し、Nactを
Nsetに合わせる制御が行われる。

まず、次のような比例積分計算によって制御信号Qoutを
算出する。

RCI₂＝（Nset−Nact）×GainNI＋RCI₂ Qout＝RCI₂＋（Nset−Nact）×GainNP ここでRCI₂は制御量積分値 GainNIは制御量積分係数 GainNPは制御量比例係数 次いで、得られた結果をラック位置センサ５が故障した
場合に適用される制御信号Qoutの最大値Qmaxと比較す
る。このQmaxは、各回転ごとに次の表５に示すマップの
形でROM25にあらかじめ記憶させてある。

そして、もしQout＞Qmaxでなければ、計算で求められた
Qoutがそのままラック用アクチュエータ３に対して出力
され、またQout＞QmaxであればQout＝Qmaxに修正して出
力される。

第６図は制御信号Qoutとラック位置の関係を例示したも
のであり、このような関係が保たれているので、ラック
位置の実際値Ractが検出できなくてもQoutを制御するこ
とにより機関の運転は一応可能であり、正常時のような
ドループ制御、すなわち所定の速度変動率による運転は
できないとしても、自力走行で作業機を移動させる等の
目的は十分果たすことができるのである。

第３図（ｂ）は表５による機関回転数とラック位置の関
係を例示した図であり、Ｄは最大値Qmaxに対応したラッ
ク位置の実際値Ractを示し、線Ｄで囲まれた領域がラッ
ク位置センサ５が故障した時の運転可能域となる。この
ように、Qmaxはこれに対応するRactが表３による最大ラ
ック位置Ｃを超えないように小さめの値に設定してある
ので、故障時の機関回転数はQmaxで自動的に制限される
ことになり、機関の出力が許容値を超えて増大すること
は未然に防止される。

なお第４図に示したように、ラック位置センサ５が故障
した時にはCPU22から警報信号が出力されるようになっ
ている。第２図の28はこの警報信号で作動する表示灯、
ブザー等の警報手段であり、これによってオペレータは
故障を知ることができる。

〔Ｃ〕他の実施例 次に、故障時の機関回転数の制限を噴射期間によって行
うようにした実施例を示す。

ディーゼルエンジンでは高圧の燃料を噴射弁から噴射し
ており、噴射期間と燃料噴射量の間には第８図に例示し
たような一定の関係があるので、ラック位置でなく噴射
期間によっても燃料噴射量を知ることができる。

そこで、この実施例では第７図に示すように噴射弁14に
噴射期間センサ31が取付けられている。この噴射期間セ
ンサ31としては、ホール素子を利用したリフトセンサ、
ギャップセンサ等の各種の方式のセンサが使用できる。

次に、第９図に示す制御フローチャートによりこの実施
例の動作を説明する。この実施例における故障判定ステ
ップでの判断、ラック位置センサ５が正常な場合のそれ
以降の手順、及び故障時に比例積分計算により制御信号
Qoutを算出するまでの手順は、第４図の場合と同様であ
る。

故障時には、制御信号Qoutの算出後、噴射期間センサ31
の検出値Idurを認識し、これをラック位置センサ５が故
障した場合に適用される噴射期間の最大値Imaxと比較す
る。このImaxは、各回転数ごとに次の表６に示すような
マップの形でROM25にあらかじめ記憶させてある。

そして、もしIdur＞Imaxでなければ、計算で求められた
Qoutがそのままラック用アクチュエータ３に対して出力
され、またIdur＞Imaxであればそれ以降のQoutの変化を
止め、それまでに求めたQoutがそのまま出力される。

第10図は表６による機関回転数とラック位置の関係を例
示した図であり、Ｄ′は最大値Imaxに対応したラック位
置の実際値Ractを示し、線Ｄ′で囲まれた領域が運転可
能域となる。このようにラック位置の実際値Ractが検出
できなくても、IdurがImaxを超えないようにQoutを制御
することによって機関の運転は一応可能となり、作業機
を移動させる等の目的は十分果たすことができるのであ
る。なお第８図に示すように噴射期間と燃料噴射量の間
には、第６図に示した制御信号の最大値とラック位置の
関係のようなヒステリシスがなく、かなり正確に噴射量
を検出できるので、第３図（ｂ）の場合よりImaxに対応
する線Ｄ′を最大ラック位置の線Ｃに近づけて設定する
ことができる。

〈発明の効果〉 以上の説明から明らかなように、この発明は、ラック位
置センサ等の燃料噴射量検出手段が故障した時には、機
関回転数の実際値を設定値に合わせる制御により最低の
出力をはるかに越えた十分な出力で機関を運転できるよ
うにしたものである。

従って、アクセル操作によって速度を調整しながら作業
機を故障場所から例えば修理工場や安全な場所等へ自力
で速やかに移動させることが可能となり、しかも制御の
プログラムを若干変更する程度でよいので、制御回路の
複雑化や部品点数の増加、コストアップ等を招くことが
なく、既製の制御装置にも容易に適用でき、また上限が
制限されるだけでそれ以外アクセル操作による速度調整
を正常時とほぼ同様に行うことができるので操作性がよ
く、またあらかじめ設定された最大値を限度として燃料
噴射量が制限されるので機関の出力が許容値を超えて増
大することがなく、安全に上記の移動等を行うことがで
きるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の基本構成を示す図である。第２図乃
至第６図はこの発明の一実施例を示すもので、第２図は
概念系統図、第３図（ａ）及び（ｂ）は機関回転数とラ
ック位置の関係を例示した図、第４図は制御のフローチ
ャート、第５図は制御信号の波形図、第６図は制御信号
とラック位置の関係を例示した図である。第７図乃至第
10図はこの発明の別の実施例を示すもので、第７図は概
念系統図、第８図は噴射期間と燃料噴射量の関係を例示
した図、第９図は制御のフローチャート、第10図は機関
回転数とラック位置の関係を例示した図である。 １……機関、２……燃料噴射ポンプ、３……ラック用ア
クチュエータ、５……ラック位置センサ、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……CPU、25……ROM、31……噴射期間
センサ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】機関回転数の実際値と設定値及び燃料噴射
   量の実際値を検出し、所定の速度変動率特性に対応した
   機関回転数の実際値を得るべく、上記各検出値から燃料
   噴射量の設定値を演算する演算手段を備え、この演算手
   段から出力される制御信号で燃料量制御用アクチュエー
   タを制御するようにした内燃機関の制御装置において、 燃料噴射量検出手段が正常か否かを判断する故障判定手
   段と、 燃料噴射量検出手段が正常でないと判断された場合に適
   用される機関回転数の実際値と上記燃料量制御用アクチ
   ュエータへの制御信号量の最大値との関係を記憶した記
   憶手段と、 燃料噴射量検出手段が正常でないと判断された場合に機
   関回転数の実際値をアクセル操作に応じた設定値に合わ
   せるべく、上記記憶手段に記憶された最大値を限度とし
   て燃料量制御用アクチュエータに対する制御信号を上記
   正常時の制御信号に代えて出力するように構成された演
   算手段、 とを備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。