(57)【要約】【課題】エンジンの負荷変動に応じて出力を自動的に制御して作業運転者の操縦負担を少なくすると共に、蓄圧室からの燃料噴射制御によって制御機構を簡単にし制御応答性をよくすると共に燃費の向上や騒音の低減を図る。【解決手段】エンジンにかかる負荷が変動しても一定のエンジン回転数を維持するアイソクロナス制御用ドライブマップ（Ａ）と負荷に応じてエンジン回転数が変動するドループ制御用ドライブマップ（Ｂ）とを設定し、通常負荷作業時にはアイソクロナス制御用ドライブマップ（Ａ）を用いて負荷が変動してもエンジン回転数を一定に維持し、非作業時にはドループ制御用ドライブマップ（Ｂ）を用いて負荷の増加に伴ってエンジン回転数の低下を許容するよう蓄圧室から各気筒への燃料噴射量を自動調節する制御装置を備えたエンジンの構成とした。【選択図】図２１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンにかかる負荷が変動しても一定のエンジン回転数を維持するアイソクロナス制御用ドライブマップ（Ａ）と負荷に応じてエンジン回転数が変動するドループ制御用ドライブマップ（Ｂ）とを設定し、通常負荷作業時にはアイソクロナス制御用ドライブマップ（Ａ）を用いて負荷が変動してもエンジン回転数を一定に維持し、非作業時にはドループ制御用ドライブマップ（Ｂ）を用いて負荷の増加に伴ってエンジン回転数の低下を許容するよう蓄圧室から各気筒への燃料噴射量を自動調節する制御装置を備えたことを特徴とする作業機用エンジン。
【請求項２】
負荷の増加に伴ってエンジンの回転数を増加させる重負荷制御用ドライブマップ（Ｃ）を設定し、重負荷作業時にこの重負荷制御用ドライブマップ（Ｃ）に基づいて蓄圧室から各気筒への燃料噴射量を制御することを特徴とする請求項１に記載の作業機用エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、コンバインやトラクター或いは田植機等の作業機に搭載するエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
トラクターやコンバイン等の農作業機は、単なる移動のための走行や作業機を駆動させながらの走行等種々の負荷条件に対応してエンジン出力を制御することが行われている。
例えば、ガバナに制御調節用のアクチュエーターを接続し、作業機の作業モードに応じてアクチェーターを作動してガバナによって燃料の噴射量を変更しエンジンの出力を制御することが行われている。
【特許文献１】特開２０００−２２０４８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
農作業機は、移動走行時と刈取り作業や耕うん作業等の作業時におけるエンジンにかかる負荷変動が大きく違っている。さらに作業時には収穫物の多寡や耕地の固さによってもエンジンの負荷が大きく変動してエンジンの回転数が変化し易く作業運転者の操縦操作を困難にしている。
【０００４】
そこで、本発明では、エンジンの負荷変動に応じて出力を自動的に制御して作業運転者の操縦負担を少なくすることを目的とするもので、従来では前記の如く作業モードに応じてガバナを調整しエンジンの回転制御が行われるが、このガバナを自動調節する方法は制御機構が複雑になり制御応答性が悪い問題がある。
【０００５】
そこで、本発明では、蓄圧室からエンジンの各気筒への燃料噴射制御を行うコモンレールシステムを利用することで制御機構を簡単にし制御応答性をよくすると共に燃費の向上や騒音の低減を図ることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の上記課題は次の構成によって達成される。
すなわち、請求項１の発明は、エンジンにかかる負荷が変動しても一定のエンジン回転数を維持するアイソクロナス制御用ドライブマップＡと負荷に応じてエンジン回転数が変動するドループ制御用ドライブマップＢとを設定し、通常負荷作業時にはアイソクロナス制御用ドライブマップＡを用いて負荷が変動してもエンジン回転数を一定に維持し、非作業時にはドループ制御用ドライブマップＢを用いて負荷の増加に伴ってエンジン回転数の低下を許容するよう蓄圧室から各気筒への燃料噴射量を自動調節する制御装置を備えたことを特徴とする作業機用エンジンに構成した。
【０００７】
この請求項１記載の発明では、作業機を通常作業と非作業に切り替えることによってエンジンの制御モードを変更するのである。
また、請求項２の発明の如く、負荷の増加に伴ってエンジンの回転数を増加させる重負荷制御用ドライブマップＣを設定し、重負荷作業時にこの重負荷制御用ドライブマップＣに基づいて蓄圧室から各気筒への燃料噴射量を制御するようにエンジンを構成することで、特に負荷の大きい作業に対応するようにしたのである。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１に記載の発明によると、通常負荷作業時には、負荷が変動しても一定のエンジン回転数を常に維持して一定の作業速度で作業が安定して行えるので、作業能率を高めることができ、操縦が安全で楽に行える。また、非作業時に走行する場合には、例えばブレーキをかけて走行速度を減速したり停止したりしようとすると、この走行負荷の増大に伴ってエンジン回転数が低下するため、この走行速度の減速ないし停止を安全に行うことができ、また、例えば、登坂時におけるエンジンの負荷状態を操縦者が察知できる。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明では、作業負荷が通常の作業負荷よりも大きい場合にエンジン回転数を上げることで出力を上げて乗り切るので、作業限界を広げることが出来、幅広い状況に対応できて作業能率を高めることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
まず、蓄圧式燃料噴射ディーゼルエンジンについてその概要を説明する。蓄圧式燃料噴射ディーゼルエンジンとは、ディーゼルエンジンにおいて各気筒へ燃料を噴射するインジェクタへの燃料供給を要求された圧力にしたコモンレール（蓄圧室）を介して行うもので、図１に示すシステム図で燃料噴射制御状態を説明する。
【００１１】
燃料タンク１０内の燃料は吸入通路１１により燃料フィルタ１２を介してエンジンで駆動される高圧ポンプ１３に吸入され、この高圧ポンプ１３によって加圧された高圧燃料は吐出通路１４によりコモンレール１５に導かれて蓄えられる。
【００１２】
コモンレール１５内の高圧燃料は各高圧燃料供給通路１６により気筒数分のインジェクタ（燃料噴射弁）１７に供給され、エンジンコントロールユニット（以下「ＥＣＵ」という）１８からの指令に基づき、各気筒ごとにインジェクタ１７が開弁作動して、高圧燃料がエンジンの各燃焼室内に噴射供給される。
【００１３】
各インジェクタ１７での余剰燃料（リターン燃料）は各リターン通路１９により共通のリターン通路２０へ導かれ、このリターン通路２０によって燃料タンク１０へ戻される。
また、コモンレール１５内の燃料圧力（コモンレール圧力）を制御するため、高圧ポンプ１３に圧力制御弁２１が設けられている。この圧力制御弁２１はＥＣＵ１８からのデューティ信号によって高圧ポンプ１３から燃料タンク１０への余剰燃料のリターン通路２０の流路面積を調整するものであり、これによりコモンレール１５側への燃料吐出量を調整して、コモンレール圧力を制御することが出来る。具体的には、エンジン運転条件に応じて目標コモンレール圧力を設定し、コモンレール圧センサ２２により検出されるコモンレール圧力がこの目標コモンレール圧力と一致するように、圧力制御弁２１を介してコモンレール圧力をフィードバック制御する。
【００１４】
図２は、ＥＣＵ１８の信号入力制御ブロック図である。
エンジン回転数センサ３０、気筒判別センサ３１、アクセルペダルやアクセルレバーの開度センサ２５、吸入空気のターボ圧センサ３３、吸入温度センサ３４、ラジエター水温センサ３５、吸入空気温度センサ３６、作業レバーの位置センサ３７、コモンレール圧センサ２２、タイマー４２の情報がＥＣＵ１８へ入力し、このＥＣＵからグロープラグ制御信号３８、インジェクタ制御信号３９、コモンレール圧制御信号４０が出力される。
【００１５】
次に、このディーゼルエンジンの制御状態をデータマップやフローチャートで説明する。
ディーゼルエンジンでは、メイン噴射に先立って少量の燃料をパルス的に噴射するパイロット噴射を行うことにより、着火遅れを短縮し、ディーゼルエンジン特有のいわゆるノック音を低減することが知られている。
【００１６】
従来においては、パイロット噴射はメイン噴射の前に１回或いは２回行うよう固定されていたが、本発明実施例ではこれをエンジンの状況に応じて変化させることで騒音の低減と不完全燃焼による白煙や黒煙の発生を抑えている。
【００１７】
エンジンの暖機状態をラジエター水温センサ３５で検出し次の如くパイロット噴射を制御する。
ＥＣＵに図３の如き水温と噴射タイミングとコモンレールレール圧５２及びパイロット噴射回数の関係からなるパイロット噴射制御マップを記憶させ、検出した水温センサ３５の温度によってパイロット噴射の噴射タイミングと回数及びコモンレール圧を次のように変更制御する。
【００１８】
エンジンが冷えている場合には噴射タイミングを早くすると共に噴射回数を多くしコモンレール圧を高めて燃料の微粒化を図り、着火性を良くすることで騒音を低くすると共に白煙の発生を抑えている。
【００１９】
このパイロット噴射制御マップ（図３）には、エンジンの始動時に使用する始動時噴射タイミングデータ５０をもっている。この始動時噴射タイミングデータ５０は、水温が低く所定回転数に達するまで使用するデータで通常データ５１よりも遅角している。このデータを使用することで始動時の黒煙発生を抑えることが出来る。
【００２０】
なお、始動時には、コモンレール圧が低いのでイグニッションキーを回しても燃料噴射を直ちには行わない。グローにより燃焼室を暖めると共にコモンレール圧が所定の圧力になるまで待つことになる。
【００２１】
また、水温と噴射タイミングとコモンレールレール圧及びパイロット噴射回数の関係は、マップでなく計算式として記憶しておくことも出来るが、この場合は記憶部の容量を小さく出来る。
【００２２】
さらに、水温によって変更する噴射タイミングはパイロット噴射だけでなくメイン噴射も同様に変更しても良い。
エンジンが起動した後は、パイロット噴射は図４のエンジン回転数と燃料噴射量の関係を示すパイロット噴射制御マップによって制御する。パイロット噴射は１回から２回まであるが、各パイロット回数域の間には、気筒ごとに時間をずらしてパイロット回数を切り替える為の遷移領域を設けている。
【００２３】
遷移領域では、例えば、４気筒エンジンの場合、図５に示すようにパイロット無しからパイロット１回に切り替える際に、まず１気筒でパイロット噴射を開始し順次２気筒、３気筒、４気筒と段階的に等間隔でパイロット噴射を行う気筒を増やして行くことで、騒音の急激な増加を抑えることが出来る。
【００２４】
なお、この遷移領域でのパイロット噴射開始は、図６に示すように着火順序を気筒順番或いは気筒を一つ飛ばして２気筒ずつ等間隔で開始してもよい。
ディーゼルエンジンは、急加速などの場合に黒煙が生じたり騒音が激しくなったりするので、これを防ぐために、アクセルペダルの開き速度を検出して、パイロット噴射の回数とメイン噴射との間隔を変えるようにしている。
【００２５】
図７の如き加速状態で、それぞれ図８のようなパイロット噴射制御を行う。すなわち、急激な加速からゆっくりした加速になるにしたがってパイロット噴射を少なくすると共にパイロット噴射時期を短くし、一回のパイロット噴射量を増やす。
【００２６】
定常回転においてエンジン回転数センサ３０で失火を検出した場合にもパイロット噴射を行う。図９は、失火検出時のパイロット噴射を示すもので、１回目の失火検出では、パイロット噴射の量を少なくメイン噴射との間隔も短いが、これでも失火する場合にはパイロット噴射の量を多くしてメイン噴射との間隔を広げる。これにより燃焼騒音の増加を抑えて白煙発生を抑えられる。図中のＴＤＣはクランクの上死点を示す。
【００２７】
図１０は、外気温度すなわち吸入温度センサ３４とラジエター水温度センサ３５の測定温度からコモンレール圧を補正するマップで、寒冷地でエンジンを始動する場合にはコモンレール圧を高くして燃料の微粒子化を図っている。これにより始動時の白煙発生を抑えることが出来る。また、上記のコモンレール圧に達するまで燃料噴射を行わないことで、無駄な燃料の燃焼室滞留を防いで着火性を良くし、黒煙の発生を抑えることが出来る。
【００２８】
コモンレール圧を制御しているディーゼルエンジンでは、コモンレール圧を変更することで噴射時間を変えなくても燃料噴射量を変更できるので、ラジエター温度センサ３５等でエンジンのオーバーヒートを検出した場合には、コモンレール圧を低下させるようにすれば燃料の噴射量が少なくなって回転を低下させられる。この際にコモンレール圧を直接低下させることなく、コモンレール圧検出信号に擬似の異常高圧信号を送り異常高圧時の自動低下機能を用いてレール圧を低下させるようにしても良い。
【００２９】
エンジンを長時間停止しているとエンジン内の摺動部にオイルがきれた状態になって始動時の急激な回転上昇がエンジン焼き付きの原因になる場合があるので、これを防ぐためにエンジン停止からの時間をタイマー４２で計測し所定時間が経過するとアクセルの急激な開き操作に関係なく回転上昇を緩やかにしてエンジンの損傷を防いでいる。
【００３０】
図１１は始動回転時の燃料噴射制御マップで、通常始動時には急激な回転上昇を可能にする通常アクセル制御Ｆを使用し、長時間停止後の始動は緩やかな回転上昇制御Ｇを使用して燃料噴射量を制御する。
【００３１】
図１２は、アクセルを開いても数秒間はエンジンの回転を上昇させず潤滑油の送り込み時間を持たせるようにした無噴射クランキング制御Ｈを長時間停止後の始動に使用するようにして例である。この場合には所定時間経過でなく潤滑油の油圧が上昇したことを検出して回転を上昇するようにすることも出来る。
【００３２】
図１３は、上記の各アクセルマップを使用する制御フローチャートで、エンジン停止後の設定経過時間で使用する制御Ｆ，Ｇ，Ｈを選定する。
この始動制御は、アクセルを手動にすることがある農作業機において、手動アクセルを開いたままで始動するようなことがある場合にも有効である。
【００３３】
農作業機では作業機をフル回転しながら走行と停止を繰り返すことがある。この場合には手動アクセルでエンジンをフル回転させたままで停止から走行にすることになり、この場合に急発進にならないようクラッチ操作で走行速度を調整するが慣れないと危険である。そこで、図１４の如く燃料噴射制御マップに通常ドライブ用Ｌと発進ドライブ用Ｍを設け、図１５のフローチャートの如く手動アクセルをフルにしたままで発進する場合には発進ドライブ用Ｍを用いて駆動トルクを通常よりも低下させて発進ショックを和らげるようにしている。
【００３４】
上記の場合に、別の手段として、図１６に示すように燃料噴射制御マップに回転数を低下した発進ドライブ用Ｓを設け、図１７の如く発進時のエンジン回転を低下させて発進ショックを和らげるようにしてもよい。
【００３５】
コンバインやトラクター等の農作業機においては旋回半径を小さくするためにその場旋回や急旋回を行うがこの時にエンジンに負荷がかかり騒音が上昇する。これを防ぐためにパイロット噴射を利用する。ハンドルなどの旋回情報としてその場旋回や急旋回を開始したとの信号によりパイロット噴射を開始し旋回終了と共にパイロット噴射を終了しメイン噴射のみにする。パイロット噴射回数は１回から２回まで上昇し減少させる。
【００３６】
ディーゼルエンジンは、急激なアクセル開動作で燃料噴射量を増やすと回転が追いつかず黒煙を生ずることになるが、図１８の制御を行うことで、急なアクセル開操作をしても燃料噴射を抑えるようにしている。すなわち、アクセル開速度が設定値よりも大きいと燃料噴射量を５０ｒｐｍ分低下させた回転数に応じた燃料噴射を行うようにしている。
【００３７】
また、吸入空気を圧縮するターボチャージャ付のディーゼルエンジンでターボチャージャの過給圧が低くて黒煙を生ずることを防ぐために、図１９のフローチャートの如く過給圧が設定値よりも低い場合には正規の燃料噴射量マップよりも低い噴射量マップで燃料噴射を制御する。この場合に、図２０のフローチャートの如く過給圧が低くければコモンレール圧を上昇させて燃料を微粒化して黒煙発生を抑えることも出来る。
【００３８】
ディーゼルエンジンを搭載した農作業機は、エンジンが暖機していてもコンバインやトラクター等の本体部の油圧機器等が暖機していない状態で作業を開始したら、負荷が異常に高くてエンジン停止に至ったりすることがある。そこで、本体部の油圧温度を検出してＥＣＵに送り、油圧温度が低い場合にトルクが高くなるように噴射タイミングを調整する。
【００３９】
農作業機の蓄圧式燃料噴射ディーゼルエンジンのＥＣＵには、図２１の如く回転数と出力トルクの関係において走行モードＭ１と通常作業モードＭ２及び重作業モードＭ３の三種類の制御モードを設けている。
【００４０】
走行モードＭ１は、回転数の変動で出力も変動するドループ制御Ｂで、農作業を行わず移動走行する場合に使用する。単なる移動のために走行する場合には、例えばブレーキをかけて走行速度を減速したり停止したりしようとすると、この走行負荷の増大に伴ってエンジン回転数が低下するため、この走行速度の減速ないし停止を安全に行うことができ、また、例えば、登坂時におけるエンジンの負荷状態を操縦者が察知できる。
【００４１】
通常作業モードＭ２は、負荷が変動しても回転数が一定で出力を負荷に応じて変更するアイソクロナス制御Ａで、通常の農作業を行う場合に使用する。例えば、コンバインであれば収穫作業であり、トラクターであれば耕運作業であって、収穫物が多くて負荷が増大しても耕地が固くて耕運刃に抵抗がかかっても出力が変動して回転数を維持するので、運転作業者が楽に操縦できる。
【００４２】
重作業モードＭ３は、通常作業モードＭ２と同様に負荷が変動しても回転数一定で出力を負荷に応じて変更するアイソクロナス制御Ａに負荷限界近くになると回転数を上昇させて出力を上げる重負荷制御Ｃを加えた制御で、特に負荷限界近くで農作業を行う場合に使用する。例えば、トラクターで耕運作業を行っている際に特に硬い耕地に出くわしてもエンジン出力が通常の限界を越えて増大するので作業を中断することがない。
【００４３】
なお、このエンジン出力限界近くでの作業時にはエンジン回転数が増加するので、走行速度も速くなるが、これを防ぐために走行伝動経路に変速機を設け走行速度を一定にするよう制御すれば良い。
【００４４】
これらの作業モードＭ１，Ｍ２，Ｍ３は、作業モード切換スイッチの操作、又は、走行変速レバーの変速操作、作業クラッチの入り切り操作等によって切り換わるように構成する。
【００４５】
即ち、作業モード切換スイッチの操作によって、走行モードＭ１と通常作業モードＭ２と重作業モードＭ３とを任意に切り換えられるように構成してもよい。
また、副変速レバーを「高速」位置に変速操作した場合に、この変速操作をリミットスイッチ又はポテンショメータにより検出して、走行モードＭ１へ自動的に切り換わるように構成してもよい。
【００４６】
また、車速センサーを設け、実際の車速が設定速度を越えたときに、走行モードＭ１へ自動的に切り換わるように構成してもよい。
また、例えばコンバインにおいて、刈取クラッチと脱穀クラッチとが共に入り操作されたときに、この状態をリミットスイッチ又はポテンショメータにより検出して、通常作業モードＭ２へ自動的に切り換わるように構成してもよい。これにより、通常の刈取脱穀作業において、負荷が増加してもエンジン回転数を一定に維持して、脱穀部の扱胴の回転数や揺動棚の揺動速度や唐箕の風量などを一定に維持しながら、高い能率で作業を行うことができる。
【００４７】
また、例えばトラクターにおいて、変速レバーが高速レンジに入った場合に、これをリミットスイッチ又はポテンショメータによって検出して、重作業モードＭ３へ自動的に切り換わるように構成してもよい。即ち、トラクターにおいては、路上又は圃場などにおいて、変速レバーを高速レンジに入れたまま発進しようとする場合があるが、このような重負荷状態において、エンジン回転を負荷に抗して上昇させることによって、発進の円滑化やエンストの発生を防止することができる。
【００４８】
また、例えばトラクターにおいて、耕耘クラッチが入り操作されたときに、この状態をリミットスイッチ又はポテンショメータによって検出して、重作業モードＭ３へ自動的に切り換わるように構成してもよい。即ち、耕耘ロータリーを低速で回転させて騒音を抑えながら耕耘作業を行っている状態において、硬盤に至った場合に、エンジン回転数を上昇させることによって、この重負荷を乗り切って耕耘作業を行うことができ、作業能率を向上させることができる。
【００４９】
重作業モードＭ３における過負荷近くでの重負荷は、出力限界に近づき回転が低下しようとすると図２２のようにエンジントルクリミット値まで回転を上げるのである。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明による蓄圧式燃料噴射ディーゼルエンジンの概略構成図
【図２】本発明実施例の制御ブロック図
【図３】本発明実施例の水温による最適レール圧と噴射タイミングマップ。
【図４】本発明実施例のエンジン回転数とパイロット噴射回数の制御マップ
【図５】始動時におけるパイロット噴射を行う気筒の制御マップ
【図６】別実施例の始動時におけるパイロット噴射を行う気筒の制御マップ
【図７】本発明実施例の回転上昇パターン図
【図８】本発明実施例の回転上昇時パイロット噴射パターン図
【図９】本発明実施例の失火時における噴射タイミング図
【図１０】本発明実施例のコモンレール圧補正図
【図１１】本発明実施例の始動制御マップ
【図１２】本発明別実施例の始動制御マップ
【図１３】本発明実施例のエンジン始動時の制御フローチャート図
【図１４】本発明実施例のドライブマップ
【図１５】本発明実施例の発進制御フローチャート図
【図１６】本発明別実施例のドライブマップ
【図１７】本発明別実施例の発進制御フローチャート図
【図１８】本発明実施例の急アクセル発進制御フローチャート図
【図１９】本発明実施例のブースター圧制御フローチャート図
【図２０】本発明別実施例のブースター圧制御フローチャート図
【図２１】本発明実施例の回転数と出力の制御モード図
【図２２】本発明別実施例の回転数と出力の制御マップ
【符号の説明】
【００５１】
Ａ    アイソクロナス制御用ドライブマップ
Ｂ    ドループ制御用ドライブマップ
Ｃ    重負荷制御用ドライブマップ
１０  燃料タンク
１１  吸入通路
１２  燃料フィルタ
１３  サプライポンプ
１４  吐出通路
１５  コモンレール（蓄圧室）
１６  高圧燃料供給通路
１７  インジェクタ（燃料噴射弁）
１８  エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
１９  リターン通路
２０  リターン通路
２１  圧力制御弁
２２  コモンレール圧センサ
２５  開度センサ
３０  エンジン回転数センサ
３１  気筒判別センサ
３３  ターボ圧センサ
３４  吸入温度センサ
３５  ラジエター水温センサ
３６  吸入空気温度センサ
３７  作業レバーの位置センサ
３８  グロープラグ制御信号
３９  インジェクタ制御信号
４０  コモンレール圧制御信号
４２  タイマー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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