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KR100817199B1 - 내연 기관의 회전수 제어 장치 및 그 회전수 제어 장치를구비한 내연 기관 - Google Patents

내연 기관의 회전수 제어 장치 및 그 회전수 제어 장치를구비한 내연 기관 Download PDF

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KR100817199B1
KR100817199B1 KR1020067017421A KR20067017421A KR100817199B1 KR 100817199 B1 KR100817199 B1 KR 100817199B1 KR 1020067017421 A KR1020067017421 A KR 1020067017421A KR 20067017421 A KR20067017421 A KR 20067017421A KR 100817199 B1 KR100817199 B1 KR 100817199B1
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KR
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cylinder
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internal combustion
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히토시 아다치
토모히로 오타니
후미야 코토우
히데오 시오미
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얀마 가부시키가이샤
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Abstract

각 기통의 압축 상사점으로부터 소정 각도까지 크랭크 각도가 회전하는데 요하는 시간으로부터 그 기통의 팽창 행정에서의 엔진 회전수를 기억하고, 연료 분사량을 결정하기 위하여 피드백하는 엔진 회전수로서 그 기억된 회전수를 직전 기통분으로부터 직전 이전의 기통분까지 평균한 회전수로 하는 것에 즈음하여 어느 정도까지 과거의 기통분까지 소급하여 평균화하는 것인지를 엔진 운전 상태에 따라 스위칭한다.
Figure R1020067017421
내연 기관, 회전수 제어 장치, 회전수 산출 기억 수단, 피드백 회전수 스위칭 수단

Description

내연 기관의 회전수 제어 장치 및 그 회전수 제어 장치를 구비한 내연 기관{ENGINE SPEED CONTROLLER OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE, AND INTERNAL COMBUSTION ENGINE COMPRISING IT}
본 발명은 내연 기관(예컨대, 디젤 엔진)의 회전수 제어 장치 및 그 회전수 제어 장치를 구비한 내연 기관(이하, 엔진이라 함)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 소위 회전수 피드백 제어에 의해 연료 분사량을 결정하는 연료 분사계 응답성의 향상과 기관 운전의 안정성을 양립하기 위한 대책에 관한 것이다.
종래부터 예컨대, 하기의 특허 문헌 1이나 특허 문헌 2에 개시되어 있는 다기통 디젤 엔진 연료 공급계로서 전자 제어에 의해 연료 분사 밸브로부터의 연료 분사량을 결정하는 것이 행해지고 있다. 또한, 이 연료 분사량의 결정 수법으로서 엔진 회전수의 변동 상태에 따라 연료 분사량을 조정하는 것도 행해지고 있다. 즉, 필요 연료 분사량을 연산할 때에, 그 이전의 엔진 회전수를 인식하고, 이 인식된 엔진 회전수가 목표 회전수보다도 낮은 경우에는 연료 분사량을 증량하는 한편, 이 엔진 회전수가 목표 회전수보다도 높은 경우에는 연료 분사량을 감량한다는 소위 엔진 회전수 피드백 제어가 행해지고 있다.
지금까지의 엔진 회전수 피드백 제어의 하나로서 각 기통의 압축 상사점으로 부터 소정 각도까지 크랭크축이 회전하는데 요하는 시간으로부터 그 기통의 팽창 행정에서의 엔진 회전수를 산출하여 현 엔진 회전수를 인식하고, 이 현 엔진 회전수와 목표 회전수를 비교하여 연료 분사량을 결정하는 것이 행해지고 있다. 이하, 이 엔진 회전수 피드백 제어를 「직전 기통 피드백 제어」라 칭한다.
또한, 각 기통의 압축 상사점으로부터 소정 각도까지 크랭크축이 회전하는데 요하는 시간으로부터 그 기통의 팽창 행정에서의 엔진 회전수를 산출하여, 직전 기통분으로부터 직전 이전의 기통분까지의 평균값을 현 엔진 회전수인 것으로 인식하고, 이 현 엔진 회전수와 목표 회전수를 비교하여 연료 분사량을 결정하는 것도 행해지고 있다. 이하, 이 엔진 회전수 피드백 제어를 「복수회 평균 피드백 제어」라 칭한다.
특허 문헌 1: 일본 특허 공개 제 2001-41090호 공보
특허 문헌 2: 일본 특허 공개 제 2002-371889호 공보
그러나, 상술한 종래의 엔진 회전수 피드백 제어에 있어서는 이하에 서술하는 각 문제점이 있었다.
「직전 기통 피드백 제어」를 행하는 경우, 목표 회전수의 변화에 대한 응답성은 향상되지만 엔진이 정상 운전 상태일 때에 이 제어를 행하면 각 기통의 연료 분사량이 교대로 대소 관계를 발생해버려 각 기통간의 배기 온도의 편차가 커진다. 도 6은 4기통 엔진에 있어서 각 기통간에서의 배기 온도의 편차가 커진 상태의 기통 번호와 배기 온도의 관계를 나타내는 도면이다. 이 도 6에 나타낸 것에서는 제 1, 제 3, 제 4, 제 2 기통의 순으로 팽창 행정이 행하여진다. 여기서, 예컨대, 엔 진 부하가 일시적으로 감소하면 제 1 기통에서의 연료 분사량이 감소하고, 그에 따라 엔진 회전수가 감소함과 아울러 배기 온도가 저하한다. 그리고, 이어서 팽창 행정을 행하는 제 3 기통에서는 제 1 기통에서의 엔진 회전수의 감소를 회복하도록 연료 분사량이 증가하고, 그에 따라 엔진 회전수가 증가함과 아울러 배기 온도가 상승한다. 이후, 각 기통의 연료 분사량이 교대로 대소 관계를 발생해버려, 각 기통간 배기 온도의 편차가 커지는 상태를 나타내고 있다.
또한, 고장 등에 의해 감통 운전(減筒運轉)을 행하는 경우에는, 정지 기통 직후의 기통에서의 연료 분사량이 과잉으로 되고, 헌팅(hunting)이 발생하는 경우가 있다. 도 7은, 예컨대, 제 1 기통의 연료 분사 밸브에 카본 플라우어(carbon flour)가 발생하는 등으로 해서 이 제 1 기통에 연료 공급이 행하여지지 않게 되는 경우(= 감통 운전 상태)의 기관 회전수의 변동 상태를 나타내고 있다. 이 도면에서는 「＃」은 기통 번호를 나타내고 있으며, 「TDC」는 그 기통의 피스톤이 압축 행정 상사점에 달하는 타이밍을 나타내고 있다. 이 도 7로부터도 알 수 있는 바와 같이, 제 1 기통의 압축 행정 상사점으로부터 다음의 압축 행정 상사점인 제 3 기통의 압축 행정 상사점에 달할 때에[도면 중의 범위(t1)], 제 1 기통에서의 연소가 충분하지 않기 때문에 엔진 회전수가 저하한다. 그리고, 다음의 제 3 기통에 대해서는 제 1 기통에서의 엔진 회전수 저하를 회복하도록 연료 분사량이 대폭 증량되기 때문에 엔진 회전수가 급상승하고 있다[도면 중의 점(p1) 참조]. 이후, 각 기통의 연료 분사량의 변동이 커짐으로써 엔진 회전수의 급변이 반복되어 헌팅이 발생하는 것을 나타내고 있다.
한편, 「복수회 평균 피드백 제어」를 행하는 연료 분사계의 경우, 상술한 「직전 기통 피드백 제어」와 같은 문제는 발생하지 않지만 부하 변동이나 가감속시의 목표 회전수 변경 지령에 대한 응답성이 저하한다. 즉, 각 기통의 압축 상사점으로부터 소정 각도까지 크랭크축이 회전하는데 요하는 시간으로부터 그 기통의 팽창 행정에서의 엔진 회전수를 산출하여, 직전 기통분으로부터 직전 이전의 기통분까지의 평균값을 현 엔진 회전수라고 인식하고, 이 현 엔진 회전수와 목표 회전수를 비교하여 연료 분사량을 결정하기 때문에, 이 급격한 부하 변동이나 가감속시의 목표 회전수 변경 지령을 반영한 제어(연료 분사량을 신속하게 증대하여 엔진 회전수를 목표 회전수에 수렴시키는 제어)을 행할 때까지 타임 래그(time lag)가 발생해버린다. 도 5(b)는 「복수회 평균 피드백 제어」를 행하는 연료 분사계에 있어서 지령 회전수(목표 회전수)가 급격하게 상승한 경우의 엔진 회전수의 변동 상태를 나타내고 있다[도 5(a)는 지령 회전수 신호의 변화를 나타내고 있다). 이 도 5(b)로부터도 알 수 있는 바와 같이, 지령 회전수 신호가 급격하게 상승했다고 하여도 실제의 지령 회전수가 상승할 때까지는 타임 래그[도면 중의 시간(t2)]가 발생하고, 그 후에도, 실제의 지령 회전수가 지령 회전수로 안정될 때까지 긴 시간[도면 중의 시간(t3)]을 필요로 하게 된다.
본 발명은 이러한 점을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은 부하 변동이나 가감속 지령 등의 과도 상태에 있어서의 응답성의 향상과, 엔진이 정상 상태에 있을 때의 운전 안정성의 향상의 양립을 도모하는 것이 가능한 연료 분사 동작을 실현하는 회전수 제어 장치 및 그 회전수 제어 장치를 구비한 내연 기관을 제공하는 것에 있다.
-발명의 개요-
상기 목적을 달성하기 위하여 강구되어진 본 발명의 해결 수단은 연료 분사량을 결정하기 위한 제어 수법을 엔진 운전 상태에 따라 스위칭하도록 하고 있다. 예컨대, 각 기통간에서의 배기 온도의 편차가 작은 운전 상태에서는 급격한 부하 변동에 추종하는 것이 가능한 제어 수법(「직전 기통 피드백 제어」)에 의해 연료 분사량을 결정하고, 각 기통간에서의 배기 온도의 편차가 커지는 운전 상태에서는 부하 변동의 추종성보다도 배기 온도 편차의 억제를 우선하는 제어 수법(「복수회 평균 피드백 제어」)으로 스위칭하여 연료 분사량을 결정하도록 하고 있다.
-해결 수단-
구체적으로, 본 발명은, 복수의 기통을 갖는 내연 기관의 기관 회전수를 검지하여, 이 검지된 기관 회전수가 목표 회전수에 근접하도록 연료 분사 수단으로부터의 연료 분사량을 제어하는 기관 회전수 피드백 제어를 행하는 내연 기관의 회전수 제어 장치를 전제로 하고 있다. 이 회전수 제어 장치에 대하여, 상기 각 기통의 압축 상사점으로부터 소정 각도까지 크랭크축이 회전하는데 요하는 시간으로부터 그 기통의 팽창 행정에서의 기관 회전수를 산출하여 그 기통 번호와 관련지어 기억하는 회전수 산출 기억 수단과, 이 기통 번호와 관련지어진 기관 회전수와 목표 회전수에 의거하여 연료 분사량을 결정하는 것에 즈음하여, 이 기억된 회전수를 직전 기통분으로부터 직전 이전의 기통분까지 소급하여 평균한 회전수를 기관 회전수로서 피드백함과 아울러, 상기 내연 기관의 운전 상태에 따라서 소급 기통수를 스위칭하여 피드백 회전수를 산출하는 피드백 회전수 스위칭 수단을 구비시키고 있다.
이 특정 사항에 의해, 상기 내연 기관의 운전 상태에 따른 적절한 피드백 회전수를 선정할 수 있다. 예컨대 급격한 부하 변동이 발생한 경우에는 직전 기통분만에 의해 연료 분사량을 결정하고, 이 부하 변동에 따른 양의 연료를 타이밍 지연 없이 상기 연료 분사 수단으로부터 분사하는 것이 가능해진다. 역으로, 정상 운전 상태 등의 목표 회전수나 기관 부하가 안정되어 있을 때에는 직전 이전의 기통분까지 소급하여 평균한 회전수에 의해 연료 분사량을 결정하고, 순발적(瞬發的)인 외란에 대한 과민한 연료 분사량의 변동을 억제하여 안정된 기관 운전이 가능해진다.
또한, 여기서 소정 각도로는 어떤 기통의 압축 상사점으로부터 그 다음 기통의 압축 상사점까지의 각도를 2분의 1한 것이다.
이하, 상기 피드백 회전수 스위칭 수단에 의한 피드백 회전수의 스위칭 동작에 대해서 구체적으로 설명한다.
상기 구성에 있어서 상기 피드백 회전수 스위칭 수단이 피드백하는 평균 회전수를 산출하기 위한 소급 기통수를 기관 부하에 따라 스위칭하는 구성으로서도 좋다. 이 경우, 기관 부하에 따라 평균화를 위한 소급 기통수를 스위칭하므로, 기관 부하 상태에 따른 응답성과 안정성이 좋은 운전이 실현될 수 있다.
직전 기통분으로부터 직전 이전의 기통분까지의 회전수를 평균한 회전수를 피드백할 것인지 여부의 판정 조건으로서는 내연 기관이 정상 운전 상태가 아니어도 좋다.
또한, 목표 회전수의 변동에 따라 피드백 회전수를 선정하는 것으로서는 상기 피드백 회전수 스위칭 수단이 목표 회전수와 직전 기통의 기관 회전수의 편차량에 따라 스위칭하는 것이어도 좋다. 이 때, 편차량이 커지면 소급 기통수를 감소시키고, 편차량이 작아지면 소급 기통수를 증가시킴으로써 목표 회전수의 변동에 추종한 연료 분사량을 신속하게 얻을 수 있고, 급가속과 같은 기관 회전수의 급상승이 요구되는 상황에 있어서는 그 요구에 신속하게 따를 수 있는 응답성이 양호한 운전 상태를 실현할 수 있다.
또한, 기관 부하의 변동에 따라서 피드백 제어 수법을 선정하는 것으로서는 상기 피드백 회전수 스위칭 수단이 기관 부하의 변동량에 따라서 스위칭하는 것이어도 좋다. 변동량이 커지면 소급 기통수를 감소시키고, 변동량이 작아지면 소급 기통수를 증가시킴으로써 부하 변동에 추종한 연료 분사량을 신속에 얻을 수 있고, 특히, 내연 기관의 저회전 운전시에 부하가 급격하게 커져서 기관 회전수가 급저하하는 상황이어도 신속하게 연료 분사량을 증대시켜서 기관 회전수를 유지할 수 있으므로, 기관 부하가 변동하여도 응답성이 좋은 운전을 실현할 수 있다.
더욱이, 상기 피드백 회전수 스위칭 수단이 감통 운전시에는 직전 기통분으로부터 직전 이전의 기통분까지 소급하여 평균한 회전수를 피드백하는 것이어도 좋다. 이에 따라, 정지 기통 직후의 기통에서 연료 분사량이 현저하게 증대하여 연료 분사량의 헌팅을 초래해 버린다는 것이 회피되어, 각 기통간에서의 배기 온도의 편차를 완화할 수 있다.
그리고, 직전 기통분으로부터 직전 이전의 기통분까지의 회전수를 평균하는 것에 즈음하여 소급 기통수를 기관 기통수의 정수배로 하여도 좋다. 이에 따르면, 내연 기관 전기통의 팽창 행정에서의 기관 회전수가 피드백 회전수에 반영되기 때문에, 목표 회전수나 기관 부하에 기인하지 않고 회전 변동의 영향을 완화할 수 있다.
또한, 상기 피드백 회전수 스위칭 수단이 내연 기관의 아이들링(idling) 운전시, 직전 기통의 기관 회전수를 피드백하여도 좋다. 이에 따르면, 가속 지령이나 기관 부하의 변동에 대한 응답성이 향상된다.
또한, 상기 피드백 회전수 스위칭 수단이 클러치 단접 신호 등으로부터 기관 부하의 변동을 예측한 경우에, 직전 기통의 기관 회전수를 미리 설정된 부하 대응 기간동안 피드백해도 좋다. 이에 따르면, 부하 변동에 있어서의 기관 회전의 저하를 억제할 수 있다. 이 경우, 부하 대응 기간을 임의로 설정가능하게 하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 부하 변동이 발생함으로부터 정상 상태로 이행될 때까지의 기간이 기종차, 개체차나 경년 열화 등에 의해 각 내연 기관에서 다른 경우에도 그러한 개별 또는 경년 상태별 조정이 가능해 진다.
더욱이, 상술한 각 해결 수단 중 어느 하나에 기재된 회전수 제어 장치를 구비한 내연 기관도 본 발명의 기술적 사상의 범주이다.
이상과 같이, 본 발명에서는 연료 분사량을 결정하기 위하여 피드백하는 기관 회전수를 직전 기통분으로부터 직전 이전의 기통분까지 평균한 회전수로 하는 것에 즈음하여, 어느 정도 과거의 기통분까지 소급하여 평균을 산출할 것인지를 기관 운전 상태에 따라 스위칭가능하게 하고, 이 피드백 회전수의 선정에 의해 부하 변동이나 가감속 지령 등의 과도 상태에 있어서의 응답성의 향상과, 내연 기관이 정상 상태에 있을 때의 운전 안정성의 향상의 양립을 도모할 수 있다.
도 1은 실시형태에 의한 축압식 연료 분사 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 연료 분사량을 결정하기 위한 제어 블럭도이다.
도 3은 실시형태에 있어서의 엔진 회전수의 변동 상태를 나타내는 도면이다.
도 4는 실시형태에 있어서의 기통 번호와 배기 온도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5는 지령 회전수가 급격하게 상승한 경우의 엔진 회전수 변화를 설명하기 위한 도이며, 도 5(a)는 지령 회전수 신호를, 도 5(b)는 「복수회 평균 피드백 제어」에 있어서의 엔진 회전수의 변화를, 도 5(c)는 「직전 기통 피드백 제어」에 있어서의 엔진 회전수의 변화를 각각 나타내는 도면이다.
도 6은 종래의 4기통 엔진에 있어서 각 기통간에서의 배기 온도의 편차가 커진 상태의 기통 번호와 배기 온도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 7은 종래예에 있어서 제 1 기통의 연료 분사 밸브에 고장이 발생한 경우의 엔진 회전수의 변동 상태를 나타내는 도면이다.
[부호의 설명]
1: 인젝터(연료 분사 밸브) 12C: 회전수 산출 기억 수단
12D: 피드백 회전수 스위칭 수단 12E: 목표 회전수 판정 수단
12F: 부하 변동 판정 수단 12G: 감통 운전 판정 수단
E: 엔진(내연 기관)
이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 의거하여 설명한다. 본 실시형태에서는 축압 배관(소위, 커먼 레일)을 구비한 축압식(커먼 레일식) 연료 분사 장치를 구비한 4기통 선박용 디젤 엔진에 본 발명을 적용한 경우에 대해서 설명한다.
-연료 분사 장치의 구성 설명-
우선, 본 실시형태에 의한 엔진에 적용되는 연료 분사 장치의 전체 구성에 대해서 설명한다. 도 1은 4기통 선박용 디젤 엔진에 구비되어진 축압식 연료 분사 장치를 나타내고 있다.
이 축압식 연료 분사 장치는 디젤 엔진(이하, 단지 엔진이라 함)의 각 기통에 대응하여 설치된 복수의 연료 분사 밸브(이하, 인젝터라 함)(1,1ㆍㆍㆍ), 비교적 높은 압력(커먼 레일 내압: 예컨대 100㎫)의 고압 연료를 축압하는 커먼 레일(2), 연료 탱크(4)로부터 저압 펌프(피드 펌프)(6)을 경유하여 흡입한 연료를 고압으로 가압하여 커먼 레일(2) 내에 토출하는 고압 펌프(8), 및 상기 인젝터(1,1ㆍㆍㆍ) 및 고압 펌프(8)를 전자 제어하는 컨트롤러(ECU)(12)를 구비하고 있다.
상기 고압 펌프(8)는 예컨대, 엔진에 의해 구동되어, 연료를 운전 상태 등에 의거하여 정해지는 고압으로 승압하여 연료 공급 배관(9)을 통하여 커먼 레일(2)에 공급하는 소위 플런저(plunger)식의 서플라이용 연료 공급 펌프이다.
각 인젝터(1,1,ㆍㆍㆍ)는 커먼 레일(2)에 각각 연통(連通)하는 연료 배관의 하류단에 설치되어 있다. 이 인젝터(1)로부터의 연료의 분사는 예컨대, 이 인젝터 에 일체적으로 조립된 도시되지 않은 분사 제어용 전자 밸브로의 통전 및 통전 정지(ON/OFF)에 의해 제어된다. 즉, 인젝터(1)는 이 분사 제어용 전자 밸브가 개방되어 있는 사이, 커먼 레일(2)로부터 공급된 고압 연료를 엔진의 연소실을 향하여 분사한다.
또한, 상기 컨트롤러(12)는 엔진 회전수나 엔진 부하 등의 각종 엔진 정보가 입력되어, 이들의 신호로부터 판단되는 최적 연료 분사 시기 및 연료 분사량이 얻어지도록 상기 분사 제어용 전자 밸브에 제어 신호를 출력한다. 동시에, 컨트롤러(12)는 엔진 회전수나 엔진 부하에 따라서 연료 분사 압력이 최적값으로 되도록 고압 펌프(8)에 대하여 제어 신호를 출력한다. 또한, 커먼 레일(2)에는 커먼 레일 내압을 검출하기 위한 압력 센서(13)가 설치되어 있고, 이 압력 센서(13)의 신호가 엔진 회전수나 엔진 부하에 따라서 미리 설정된 최적값으로 되도록 고압 펌프(8)로부터 커먼 레일(2)로 토출되는 연료 토출량이 제어된다.
각 인젝터(1)로의 연료 공급 동작은 커먼 레일(2)로부터 연료 유로의 일부를 구성하는 분기관(3)을 통하여 행하여진다. 즉, 연료 탱크(4)로부터 필터(5)를 경유하여 저압 펌프(6)에 의해 인출되어 소정의 흡입 압력으로 가압된 연료는 연료관(7)을 통하여 고압 펌프(8)로 공급된다. 그리고, 이 고압 펌프(8)에 공급된 연료는 소정 압력으로 승압된 상태로 커먼 레일(2)에 저류되어, 커먼 레일(2)로부터 각 인젝터(1,1,ㆍㆍㆍ)에 공급된다. 인젝터(1)는 엔진의 형식(기통수, 본 형태에서는 4기통)에 따라 복수개 설치되어 있고, 컨트롤러(12)의 제어에 의해 커먼 레일(2)로부터 공급된 연료를 최적의 분사 시기에 최적의 연료 분사량으로써 대응하는 연소 실 내에 분사한다(이 연료 분사량의 결정 수법에 대해서는 후술함). 인젝터(1)로부터 분사되는 연료의 분사압은 커먼 레일(2)에 저류되어 있는 연료의 압력과 거의 마찬가지이므로, 커먼 레일(2) 내의 압력을 제어하여 연료 분사압을 제어한다.
또한, 분기관(3)으로부터 인젝터(1)에 공급된 연료 중 연소실로의 분사에 소비되지 않은 연료나 커먼 레일 내압이 과상승된 경우의 잉여 연료는 복귀관(11)을 통하여 연료 탱크(4)에 되돌려진다.
전자 제어 유닛인 상기 컨트롤러(12)에는 기통 번호 및 크랭크 각도의 정보가 입력되어 있다. 이 컨트롤러(12)는 엔진 출력이 운전 상태에 맞는 최적 출력이 되도록 엔진 운전 상태에 의거하여 미리 정해진 목표 연료 분사 조건(예컨대 ,목표 연료 분사 시기, 목표 연료 분사량, 목표 커먼 레일 내압)을 함수로서 기억하고 있으며, 각종 센서가 검출한 현재의 엔진 운전 상태를 나타내는 신호에 대응하여 목표 연료 분사 조건[즉, 인젝터(1)에 의한 연료 분사 타이밍 및 분사량]을 연산에 의해 구하고, 그 조건으로 연료 분사가 행하여지도록 인젝터(1)의 작동과 커먼 레일내 연료 압력을 제어하고 있다.
도 2는 연료 분사량을 결정하기 위한 컨트롤러(12)의 제어 블럭이다. 이 도 2에 나타낸 바와 같이, 연료 분사량의 산출은 유저가 조작하는 레귤레이터의 개도 신호를 지령 회전수 산출 수단(12A)이 수신하고, 이 지령 회전수 산출 수단(12A)이 레귤레이터의 개도에 따른 「지령 회전수(목표 회전수)」를 산출한다. 그리고, 엔진 회전수가 이 지령 회전수로 되도록 분사량 연산 수단(12B)이 연료 분사량을 연산한다. 엔진(E)의 인젝터(1)에서는 이 연산에 의해 구해진 연료 분사량으로 연료 분사 동작이 행하여져, 이 상태에서 회전수 산출 기억 수단(12C)이 실제의 엔진 회전수를 산출하고, 이 실제의 엔진 회전수와 상기 지령 회전수를 비교하여 이 실제의 엔진 회전수가 지령 회전수에 근접하도록 연료 분사량을 보정(엔진 회전수 피드백 제어)하도록 되어 있다. 여기서, 회전수 산출 기억 수단(12C)은 각 기통의 압축 상사점으로부터 소정 각도까지 크랭크축이 회전하는데 요하는 시간으로부터 그 기통의 팽창 행정에서의 기관 회전수를 산출하여 그 기통 번호와 관련지어 기억한다. 또한, 이 산출된 회전수를 일정분 일시적으로 기억하여 둔다.
-연료 분사 제어에 있어서의 피드백 회전수의 스위칭 수법-
이어서, 본 형태의 특징인 연료 분사 제어에 있어서의 피드백 회전수의 스위칭 수법에 대하여 설명한다. 본 형태의 특징으로 하는 점은 연료 분사 제어에 있어서의 피드백 회전수를 직전 기통분으로부터 직전 이전의 기통분까지 평균한 회전수로 하는 것에 즈음하여, 어느 정도까지 과거의 기통분까지 소급하여 평균을 산출하는 것인지를 기관 운전 상태에 따라 스위칭하는 점에 있다. 이하, 이 연료 분사 제어에 있어서의 피드백 회전수를 스위칭하기 위한 구성 및 그 동작에 대해서 설명한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 컨트롤러(12)의 분사량 연산 수단(12B)은 피드백 회전수 스위칭 수단(12D)를 구비하고 있다. 또한, 이 컨트롤러(12)는 목표 회전수 판정 수단(12E), 부하 변동 판정 수단(12F), 감통 운전 판정 수단(12G)을 구비하고 있다.
상기 피드백 회전수 스위칭 수단(12D)은 이들 판정 수단(12E~12G)의 출력을 수신하고, 그 수신 신호에 따라서 어느 정도의 과거 기통분까지 소급하여 기관 회전수를 평균하는 것인지를 결정하고, 피드백 회전수를 스위칭하고, 분사량 연산 수단(12B)에 연료 분사량 결정을 위한 제어 동작(연산 처리 동작)을 실행시키도록 되어 있다.
또한, 컨트롤러(12)에는 엔진 회전수 검출 수단(100)로부터의 엔진 회전수 신호가 입력되도록 되어 있으며, 이 입력된 엔진 회전수 신호를 상기 회전수 산출 기억 수단(12C)이 수신함으로써 엔진 회전수를 산출하고, 이 산출된 회전수를 기통 번호와 관련지어, 일정분, 일시적으로 기억한다.
그리고, 레귤레이터 개도에 따른 목표 회전수에 의거하여 연료 분사량을 결정하는 것에 즈음하여, 기억된 회전수를 직전 기통분으로부터 직전 이전의 기통분까지 평균한 회전수를 기관 회전수로서 피드백함으로써 상기 분사량 연산 수단(12B)이 연료 분사량을 연산에 의해 결정한다.
또한, 상기 엔진 회전수 검출 수단(100)은 엔진(E)의 크랭크축에 회전 일체로 설치된 도시되지 않은 크랭크축 동기 회전체의 외주위(外周圍)에 형성된 복수의 돌기를 전자 픽업식의 검출기에 의해 검출하고, 이 검출기를 소정 매수의 돌기가 통과하는데 요하는 시간에 의거하여 엔진 회전수를 산출하도록 되어 있다. 특히, 본 형태의 연료 분사 제어에 있어서 사용되는 엔진 회전수는 상기 회전수 산출 기억 수단(12C)이 어떤 기통의 압축 상사점에 도달한 시점을 「기점」으로 하여 소정 각도를 회전하는데 요하는 시간(기점으로부터 소정 개수분의 돌기를 검출하는데 요하는 시간)에 의거하여 산출한 것이다. 또한, 소정 각도로는 어떤 기통의 압축 상 사점으로부터 다음 기통의 압축 상사점에 도달할 때까지의 크랭크 각도를 2분의 1한 것이다.
이어서, 상술한 각 판정 수단(12E~12G)의 출력에 따른 피드백 회전수의 선정 동작에 대해서 설명한다.
(A) 목표 회전수 판정 수단(12E)은 목표 회전수의 변동이 수렴하고 있다고 판정하고, 또한, 부하 변동 판정 수단(12F)이 부하의 변동이 수렴하고 있다고 판정했을 때에 내연 기관이 정상 상태에 있다고 판정한다. 이 경우에는 피드백 회전수로서 회전수 산출 기억 수단(12C)이 직전 기통의 회전수로부터 직전 이전의 기통분까지의 회전수를 평균한 회전수를 피드백한다.
이러한 피드백 회전수의 선정에 의해 순발적인 외란에 대한 과민한 연료 분사량의 변동을 억제하여 안정된 기관 운전이 가능해진다.
(B) 목표 회전수 판정 수단(12E)에 의해 판정된 목표 회전수와 회전수 산출 기억 수단(12C)이 산출하여 기억한 직전 기통의 회전수의 편차량에 따라서, 피드백 회전수를 산출하기 위한 소급 기통수를 스위칭한다. 이 때에, 편차량이 커지면 소급 기통수를 감소시키고, 즉, 보다 직전 기통의 회전수를 피드백 회전수에 반영시키고, 편차량이 작아지면 소급 기통수를 증가시키고, 즉, 보다 직전 이전 기통의 회전수를 피드백 회전수에 반영시킨다.
이러한 피드백 회전수의 선정에 의해 조종자의 레귤레이터 조작 등에 따르는 목표 회전수의 변동에 추종한 연료 분사량을 신속하게 얻을 수 있고, 엔진 회전수의 급상승이 요구되는 상황에 있어서 그 요구에 신속하게 따를 수 있어 응답성이 양호한 운전 상태를 실현할 수 있다.
(C) 상기 부하 변동 판정 수단(12F)이 엔진에 가해지는 부하의 변동을 검지하고, 그 변동 신호를 피드백 회전수 스위칭 수단(12D)이 수신하고, 엔진에 걸리는 부하가 변동했을 때 그 변동량에 따라서 피드백 회전수를 산출하기 위한 소급 기통수를 스위칭한다. 이 때에, 변동량이 커지면 소급 기통수를 감소시키고, 변동량이 작아지면 소급 기통수를 증가시킨다.
이러한 피드백 회전수의 선정에 의해 부하 변동(선박에 있어서는 클러치 감입이나 파 등의 영향에 의해 엔진 부하가 급변동하는 것이 있음)에 추종한 연료 분사량을 신속하게 얻을 수 있다. 특히, 엔진의 저회전 운전시에 부하가 급격하게 커져서 엔진 회전수가 급저하하는 상황이어도 신속하게 연료 분사량을 증대시켜서 엔진 회전수를 유지할 수 있으므로, 엔진 스톱(engine stop)을 회피할 수 있다.
(D) 상기 감통 운전 판정 수단(12G)이 적어도 어느 하나의 기통에서의 연소 정지를 판정했을 때 직전 기통분으로부터 직전 이전의 기통분까지 소급하여 평균한 회전수를 피드백한다.
이러한 피드백 회전수의 선정에 의해 연소 정지 기통 직후의 기통에서 연료 분사량이 현저하게 증대하여 연료 분사량의 헌팅을 초래해 버린다는 것이 회피되어, 각 기통간에서의 배기 온도의 편차를 완화할 수 있다.
(E) 또한, 소급 기통수를 엔진 기통수의 정수배로 하면 엔진의 전기통의 팽창 행정에서의 회전수가 피드백 회전수에 반영되기 때문에 목표 회전수나 기관 부하에 기인하지 않고, 회전 변동의 영향을 완화할 수 있다.
(F) 엔진 아이들링 운전시에는 직전 기통의 엔진 회전수를 피드백한다.
이러한 피드백 회전수의 선정에 의해 가속 지령이나 기관 부하의 변동에 대한 응답성이 향상된다.
(G) 또한, 클러치 단접 신호 등에 의거하여 엔진 부하의 변동을 예측하고, 직전 기통의 엔진 회전수를 미리 설정된 부하 대응 기간 중 피드백하면, 부하 변동에 있어서의 엔진 회전의 저하를 억제할 수 있다. 이 경우, 부하 대응 기간을 임의로 설정가능하게 함으로써, 부하 변동이 발생하고 나서 정상 상태로 이행할 때까지의 기간이 기종차, 개체차나 경년 열화 등에 의해 각 내연 기관에서 다른 경우에도 그러한 개별 또는 경년 상태별 조정이 가능해 진다.
이상과 같이 본 형태에서는 연료 분사량을 결정하기 위하여 피드백하는 엔진 회전수를 직전 기통분으로부터 직전 이전의 기통분까지 평균한 회전수로 하는 것에 즈음하여, 어느 정도의 과거 기통분까지 소급하여 평균을 산출하는 것인지를 엔진 운전 상태에 따라서 스위칭가능하게 하고, 이 피드백 회전수의 선정에 의해 부하 변동이나 가감속 지령 등의 과도 상태에 있어서의 응답성의 향상과, 엔진이 정상 상태에 있을 때의 운전 안정성의 향상의 양립을 도모할 수 있다.
구체적으로 본 형태에 가해지는 제어 동작을 실시한 경우의 엔진의 운전 상태(엔진 회전 속도의 변동, 배기 온도의 편차)에 대해서 이하에 설명한다.
도 7은, 예컨대, 제 1 기통의 연료 분사 밸브에 카본 플라우어 등이 발생하여 이 제 1 기통에 연료 공급이 행하여지지 않게 된 경우(= 감통 운전 상태)의 엔진 회전수의 변동 상태를 나타내고 있다. 이 도면에서는 「＃」은 기통 번호를 나 타내고 있으며, 「TDC」는 그 기통의 피스톤이 압축 행정 상사점에 도달하는 타이밍을 나타내고 있다. 이 도 7로부터도 알 수 있는 바와 같이, 제 1 기통에서는 연료 분사 불량에 의해, 팽창 행정에서의 연소가 충분하지 않기 때문에[도면 중의 범위(t1)] 엔진 회전수가 저하한다.
도 3은 제 1 기통의 인젝터(1)에 고장이 발생하여 이 제 1 기통에 연료 공급이 행하여지지 않게 된 경우의 엔진 회전수의 변동 상태를 나타내고 있다. 이 도면에서는 「＃」은 기통 번호를 나타내고 있으며, 「TDC」는 그 기통의 피스톤이 상사점에 도달하는 타이밍을 나타내고 있다. 이 도 3로부터도 알 수 있는 바와 같이, 제 1 기통에서는 연료 분사 불량에 의해 팽창 행정에서의 연소가 충분하지 않기 때문에[도면 중의 범위(t1)] 엔진 회전수가 저하한다. 이 경우에는, 감통 운전으로 판정되어, 상술한 것 같이, 직전 기통분으로부터 직전 이전의 기통분까지 소급하여 평균한 회전수를 피드백한다. 따라서, 도 7과 비교하여 제 1 기통에서의 저하된 엔진 회전수만이 피드백되는 것이 아니고, 연소가 정상으로 행하여져 있는 제 2, 4, 3 기통의 엔진 회전수도 반영된 회전수가 피드백되기 때문에, 목표 회전수와의 편차가 과대해지는 것을 완화할 수 있다. 따라서, 이어서 팽창 행정을 맞이하는 제 3 기통에 대한 연료 분사량이 대폭 증량되는 일은 없고, 엔진 회전수는 비교적 안정하게 유지되어 있다[도면 중의 점(P1) 참조]. 또한, 그 후에 팽창 행정을 맞이하는 제 4 기통 및 제 2 기통에 대해서도 마찬가지이다.
도 4는 정상 운전 상태에 있어서의 기통 번호와 배기 온도의 관계를 나타내는 도면이다. 이 경우도, 상술한 것 같이, 직전 기통분으로부터 직전 이전의 기통 분까지 소급하여 평균한 회전수를 피드백한다. 따라서, 예컨대, 엔진 부하가 일시적으로 감소하여도 그 직후에 팽창 행정으로 되는 기통에서의 연료 분사량의 과잉 감소를 회피할 수 있다. 따라서, 기통간에서 연료 분사량이 교대로 대소 관계를 발생하는 것을 회피할 수 있으므로, 도 4에 나타낸 것 같이, 각 기통간에서의 배기 온도의 편차를 억제할 수 있다.
도 5는 레귤레이터 조작에 의해 지령 회전수(목표 회전수)가 급격하게 상승한 경우에 소급 기통수를 감소하여 보다 직전 기통의 회전수(예컨대, 직전 기통분만)를 반영한 회전수를 피드백한 경우의 엔진 회전수의 변동 상태를 설명하기 위한 도면이다. 상술한 바와 같이, 종래의 「복수회 평균 피드백 제어」에서는 목표 회전수가 급격하게 상승한 경우에 그것에 추종할 수 없었다[도 5(b) 참조]. 본 형태에서는 이러한 상황에 있어서는 보다 직전 기통의 회전수(예컨대, 직전 기통분만)를 반영한 회전수를 피드백하여 연료 분사 제어를 행한다. 이 때문에, 도 5(c)에 나타낸 바와 같이, 지령 회전수 신호의 급격 상승에 대응하여 실제의 지령 회전수도 타임 래그가 거의 없이 신속하게 상승하고, 그 지령 회전수도 변동하는 것 없이 단시간에 적정값으로 안정하게 된다.
-그 밖의 실시형태-
상술한 실시형태에 있어서는 축압식 연료 분사 장치를 구비한 4기통 선박용 디젤 엔진에 본 발명을 적용한 경우에 대해서 설명하였다. 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 축압식 연료 분사 장치를 구비하지 않은 디젤 엔진이나, 6기통 디젤 엔진 등, 여러가지 형식의 엔진에 대해서 적용가능하다. 또한, 선박용 엔진에 한정되 지 않고, 차량용이나 발전기용 등 다른 용도에 사용되는 엔진으로의 적용도 가능하다. 또한, 발전기용으로서 적용한 경우, 엔진 목표 회전수는 일정값으로 된다.
또한, 본 발명은 그 정신 또는 주요 특징으로부터 일탈하는 것 없이, 다른 여러가지 형태로 실시할 수 있다. 그 때문에, 상술한 실시형태는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않고, 한정적으로 해석하여서는 안된다.
본 발명은 내연 기관, 특히 디젤 엔진에 유용하다.

Claims (11)

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  4. 복수의 기통을 갖는 내연 기관의 기관 회전수를 검지하고, 이 검지된 기관 회전수가 목표 회전수에 접근하도록 연료 분사 수단으로부터의 연료 분사량을 제어하는 기관 회전수 피드백 제어를 행하는 내연 기관의 회전수 제어 장치에 있어서:
    상기 각 기통의 압축 상사점으로부터 소정 각도까지 크랭크축이 회전하는데 요하는 시간으로부터 그 기통의 팽창 행정에서의 기관 회전수를 산출하여 그 기통 번호와 관련지어 기억하는 회전수 산출 기억 수단과, 이 기통 번호와 관련지어진 기관 회전수와 목표 회전수에 의거하여 연료 분사량을 결정하는 것에 즈음하여 이 기억된 회전수를 직전 기통분으로부터 직전 이전의 기통분까지 소급하여 평균한 회전수를 기관 회전수로서 피드백함과 아울러 상기 내연 기관의 운전 상태에 따라서 소급 기통수를 스위칭하여 피드백 회전수를 산출하는 피드백 회전수 스위칭 수단을 구비하며,
    상기 피드백 회전수 스위칭 수단은 목표 회전수와 직전 기통의 기관 회전수의 편차량에 따라서 평균 회전수를 산출하기 위한 소급 기통수를 스위칭함과 아울러 편차량이 커지면 평균 회전수를 산출하기 위한 소급 기통수를 감소시키고, 편차량이 작아지면 평균 회전수를 산출하기 위한 소급 기통수를 증가시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 회전수 제어 장치.
  5. 복수의 기통을 갖는 내연 기관의 기관 회전수를 검지하고, 이 검지된 기관 회전수가 목표 회전수에 접근하도록 연료 분사 수단으로부터의 연료 분사량을 제어하는 기관 회전수 피드백 제어를 행하는 내연 기관의 회전수 제어 장치에 있어서:
    상기 각 기통의 압축 상사점으로부터 소정 각도까지 크랭크축이 회전하는데 요하는 시간으로부터 그 기통의 팽창 행정에서의 기관 회전수를 산출하여 그 기통 번호와 관련지어 기억하는 회전수 산출 기억 수단과, 이 기통 번호와 관련지어진 기관 회전수와 목표 회전수에 의거하여 연료 분사량을 결정하는 것에 즈음하여 이 기억된 회전수를 직전 기통분으로부터 직전 이전의 기통분까지 소급하여 평균한 회전수를 기관 회전수로서 피드백함과 아울러 상기 내연 기관의 운전 상태에 따라서 소급 기통수를 스위칭하여 피드백 회전수를 산출하는 피드백 회전수 스위칭 수단을 구비하며,
    상기 피드백 회전수 스위칭 수단은 기관 부하의 변동량에 따라서 평균 회전수를 산출하기 위한 소급 기통수를 스위칭함과 아울러 변동량이 커지면 평균 회전수를 산출하기 위한 소급 기통수를 감소시키고, 변동량이 작아지면 평균 회전수를 산출하기 위한 소급 기통수를 증가시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 회전수 제어 장치.
  6. 복수의 기통을 갖는 내연 기관의 기관 회전수를 검지하고, 이 검지된 기관 회전수가 목표 회전수에 접근하도록 연료 분사 수단으로부터의 연료 분사량을 제어하는 기관 회전수 피드백 제어를 행하는 내연 기관의 회전수 제어 장치에 있어서:
    상기 각 기통의 압축 상사점으로부터 소정 각도까지 크랭크축이 회전하는데 요하는 시간으로부터 그 기통의 팽창 행정에서의 기관 회전수를 산출하여 그 기통 번호와 관련지어 기억하는 회전수 산출 기억 수단과, 이 기통 번호와 관련지어진 기관 회전수와 목표 회전수에 의거하여 연료 분사량을 결정하는 것에 즈음하여 이 기억된 회전수를 직전 기통분으로부터 직전 이전의 기통분까지 소급하여 평균한 회전수를 기관 회전수로서 피드백함과 아울러 상기 내연 기관의 운전 상태에 따라서 소급 기통수를 스위칭하여 피드백 회전수를 산출하는 피드백 회전수 스위칭 수단을 구비하며,
    상기 피드백 회전수 스위칭 수단은 감통 운전시에는 직전 기통분으로부터 직전 이전의 기통분까지 소급하여 평균한 회전수를 피드백하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 회전수 제어 장치.
  7. 제 4 항, 제 5 항 또는 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    평균 회전수를 산출하기 위한 소급 기통수를 기관 기통수의 정수배로 하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 회전수 제어 장치.
  8. 복수의 기통을 갖는 내연 기관의 기관 회전수를 검지하고, 이 검지된 기관 회전수가 목표 회전수에 접근하도록 연료 분사 수단으로부터의 연료 분사량을 제어하는 기관 회전수 피드백 제어를 행하는 내연 기관의 회전수 제어 장치에 있어서:
    상기 각 기통의 압축 상사점으로부터 소정 각도까지 크랭크축이 회전하는데 요하는 시간으로부터 그 기통의 팽창 행정에서의 기관 회전수를 산출하여 그 기통 번호와 관련지어 기억하는 회전수 산출 기억 수단과, 이 기통 번호와 관련지어진 기관 회전수와 목표 회전수에 의거하여 연료 분사량을 결정하는 것에 즈음하여 이 기억된 회전수를 직전 기통분으로부터 직전 이전의 기통분까지 소급하여 평균한 회전수를 기관 회전수로서 피드백함과 아울러 상기 내연 기관의 운전 상태에 따라서 소급 기통수를 스위칭하여 피드백 회전수를 산출하는 피드백 회전수 스위칭 수단을 구비하며,
    상기 피드백 회전수 스위칭 수단은 상기 내연 기관 아이들링 운전시에는 직전 기통의 기관 회전수를 피드백하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 회전수 제어 장치.
  9. 복수의 기통을 갖는 내연 기관의 기관 회전수를 검지하고, 이 검지된 기관 회전수가 목표 회전수에 접근하도록 연료 분사 수단으로부터의 연료 분사량을 제어하는 기관 회전수 피드백 제어를 행하는 내연 기관의 회전수 제어 장치에 있어서:
    상기 각 기통의 압축 상사점으로부터 소정 각도까지 크랭크축이 회전하는데 요하는 시간으로부터 그 기통의 팽창 행정에서의 기관 회전수를 산출하여 그 기통 번호와 관련지어 기억하는 회전수 산출 기억 수단과, 이 기통 번호와 관련지어진 기관 회전수와 목표 회전수에 의거하여 연료 분사량을 결정하는 것에 즈음하여 이 기억된 회전수를 직전 기통분으로부터 직전 이전의 기통분까지 소급하여 평균한 회전수를 기관 회전수로서 피드백함과 아울러 상기 내연 기관의 운전 상태에 따라서 소급 기통수를 스위칭하여 피드백 회전수를 산출하는 피드백 회전수 스위칭 수단을 구비하며,
    상기 피드백 회전수 스위칭 수단은 평균 회전수를 산출하기 위한 소급 기통수를 기관 부하에 따라 스위칭하고, 기관 부하의 변동을 예측한 경우에는 직전 기통의 기관 회전수를 소정의 부하 대응 기간 피드백하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 회전수 제어 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 부하 대응 기간은 임의로 설정가능한 것을 특징으로 하는 내연 기관의 회전수 제어 장치.
  11. 제 4 항, 제 5 항, 제 6 항, 제 8 항, 제 9 항 또는 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 회전수 제어 장치를 구비한 것을 특징으로 하는 내연 기관.
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JPH0777091A (ja) * 1993-09-08 1995-03-20 Tokyo Gas Co Ltd 内燃機関の空燃比制御方法及びその装置
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