JP2006132484A - 空燃比制御システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】空燃比センサ50の出力に基づいてエンジン60を制御する制御手段(10)は、混合気の空燃比が通常よりも濃い状態でエンジン60が停止したと判断した場合に、エンジン60を再起動し、所定時間を経過した後に、空燃比センサ50基づく空燃比の制御を行う。
【選択図】図2
Description
この酸素濃度を計測するのが、所謂、空燃比センサ又は酸素センサと称されるものであり(以下、単に「空燃比センサ」とする)、ECU(Electronic Control Unit)に接続されている。
このように構成されているため、空燃比センサの検出結果と、予め記憶されるデータやプログラムとに基づいて、ECUは、スロットル弁や燃料制御弁等の開度をアクチュエータを介して制御することによって、混合気の空燃比を適切な値となるように制御している。
このような空燃比制御システムの一例としては、特許文献1、2に示すようなものがある。
そのため、排気ガス中の酸素濃度を検出するために排気管内に設けられる空燃比センサには、該ミスト状の油分又は水分が付着してしまう。
このような現象を以下では単に「被油」として説明する。
例えば、エンジンが定常運転状態で安定している状況においては、排気ガスの熱や具備するヒータ等によって空燃比センサが加熱されて高温となり、しかも排気ガスの流速もあるため、空燃比センサに被油が発生しても、油分や水分は直ぐに蒸発又は燃やされてしまう。
したがって、エンジンが定常運転状態においては、被油による空燃比センサの精度低下等は発生しにくい。
しかしながら、エンジンが起動直後で空燃比センサ自体が高温でない場合や、何らかの原因によって空燃比センサに多量の被油が発生した場合等においては、付着した油分や水分が直ぐには蒸発しないような場合も考えられる。
この場合には、空燃比センサは、実際の排気ガス中の酸素を計測できず、誤って付着した油分や水分の成分を計測して、酸素が非常に少ない状態として検出結果を出力する。
このように排気ガス中に酸素が少ない状態となるのは、エンジンに供給される混合気の空燃比がリッチ(燃料が濃い)の場合に対応するため、ECUは混合気の空燃比がリッチな状態を回避するための制御を開始する。
即ち、ECUは、混合気の空燃比をリーン(燃料が薄い)となるように制御することになる。
このような制御を行ってしまうと、実際の混合気の空燃比が正常な範囲内である場合においては、混合気の空燃比が必要以上にリーン(燃料が薄い)側に制御され過ぎてしまうため、エンストが発生してしまう問題点がある。
つまり、単に空燃比センサに被油が発生しただけで、エンストが発生してしまうことは、エンジンの稼動効率を著しく低下させ、しかも被油を原因とするエンストによって警報が発報されると、本来の故障ではないにも拘らずメンテナンス等を行う可能性もあるので使い勝手が悪かった。
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、空燃比センサの被油によって、エンストが発生した場合に、自立的に該被油の影響を解消して正常運転に復帰できる空燃比制御システムを提供することである。
図1は本発明を実施するための最良の形態に係る空燃比制御システムの概略構成を示した模式図、図2は空燃比制御システムが行う一連の処理の一例を示したフローチャート、である。
先ず、図1を用いて、本発明を実施するための最良の形態に係る空燃比制御システムの概略構成とその機能について説明する。
また、以下で説明する空燃比制御システムが適用されるエンジン60は、例えば、GHP(Gas Heat Pump)等の動力であるガスエンジンであっても良いし、ガソリンエンジンであっても良い。
先ず、エアクリーナ30より取り入れた空気(外気)と、ガス等の燃料とを混合させることによって混合気を生成するミキサ20について説明する。
ミキサ20は、主として、図1に示すようにベンチュリ23、燃料制御弁22、固定弁21、燃料増量弁27、及びスロットル弁25を具備して概略構成されるものである。
先ず、ベンチュリ23は、エアクリーナ30を介して空気を取り入れる吸気通路に配置され、吸気通路が部分的に狭い構造となっている。
また、ベンチュリ23においては、該狭い部分に燃料供給路が連通されているので、この空気流の流れが速くなる該狭い部分の負圧を利用して、燃料供給路から燃料を吸入して空気と燃料との混合気を生成することが可能となる。
上記ベンチュリ23に供給される燃料は、燃料制御弁22によってその量が調節される。
具体的には、燃料制御弁22の弁体を駆動するアクチュエータとしてのソレノイドを、制御手段の一例であるECU10(電子制御装置)で制御することによって、該燃料の量を調節している。この燃料制御弁22は略称「GVM」と表記される場合もある。
また、図1に示すように、ベンチュリ23に燃料を供給する系統としては、上記燃料制御弁22を通過する系統の他に固定弁21を通過する系統がある。
この固定弁21は、予め定められた量の燃料だけをベンチュリ23に供給するためのものである。
つまり、固定弁21は、ECU10等によって制御されることなく、ミキサ20の製造時若しくは据え付け時等のメンテナンス時に予め調整されるのみであり、運用時は一定の開度で固定されるものである。
つまり、ECU10が燃料制御弁22を制御することによって、ベンチュリ23で生成される混合気中の空燃比を変化させることが可能となる。
このようにして生成された混合気は、スロットル弁25に到達し、該スロットル弁25の開度によってスロットル弁25を通過する混合気の流量が変化する。
具体的には、スロットル弁25の弁体はアクチュエータとしてのステッピングモータの駆動によりその開度が変更され、該ステッピングモータは上記ECU10によって制御される。
このように構成されているので、スロットル弁25の開度を開くことによって通過する混合気の流量が増加させ、他方該開度を閉じることによって通過する混合気の流量が減少させることが可能となる。
更に、スロットル弁25の下流側(エンジン60側)には、燃料増量弁27が設けられる構成であっても良い。
この燃料増量弁27の機能は、燃料制御弁22より供給される燃料のみでは混合気中に含まれる燃料が不足する場合に開くものである。
具体的には、スロットル弁25の開度(スロットル開度)が全開に近い状態である場合等において、特に混合気の空燃比をリッチ(濃く)にしたい場合に作動するものであって、燃料制御弁22で燃料を補い切れない制御状態において補完的に動作するものである。
つまり、この図1に示す燃料増量弁27は、本発明の空燃比制御システムには必ずしも必要な構成要素ではないといえるが、図1においては燃料増量弁27を設けた場合の一例を示している。
次に、エンジン60について説明する。
更に、スロットル弁25を通過した混合気は、エンジン60のシリンダ40内に吸入弁41を介して吸入され、吸入弁41及び排気弁42が閉じた状態でピストン45によって圧縮されて点火プラグ43による点火によって爆発し、該爆発後の排気ガスは排気弁42を介して排出される。
そして、このピストン45の昇降によりクランク軸が回転され、その回転角及び回転数が回転数センサ44により検知され、ECU10に入力される。
また、排気ガス中の酸素を計測するのが空燃比センサ50であり、排気マニホールド等の排気路に設けられ、ECU10は、上記空燃比センサ50の検出結果に基づいて、シリンダ40に吸入される混合気の空燃比を算出することを可能にしている。
具体的には、空燃比センサ50が計測した結果である計測値(出力)は、電流の大きさ(以下、単に「IP値」とする)として出力されるものであり、このIP値がECU10に入力されることになる。
更に、ここで説明する空燃比センサ50は、排気ガス中に含まれる酸素量が多いほどIP値を大きな値として出力し、他方、排気ガス中に含まれる酸素量が少ないほどIP値を小さな値として出力する特性を有しているものとする。即ち、IP値と実際にエンジン60に供給される混合気の空燃比とは比例する関係にある。
そこで、ECU10は、実際の混合気の空燃比を目標空燃比に近づけるべく、空燃比センサ50で計測された結果であるIP値が、予めECU10に記憶される目標IP値となるように燃料制御弁22やスロットル弁25の開度を制御している。
即ち、ECU10は、空燃比センサ50の出力に基づいてエンジン60を制御する制御手段の一例である。
また、以下において「空燃比制御」とは、空燃比センサ50の検出結果に基づいて、ECU10が、燃料制御弁22やスロットル弁25の開度を制御することで混合気の空燃比を制御することを意味するものとする。
また、この目標IP値は、回転数センサ44で検出されるエンジンの回転数や負荷と対応付けられてECU10の記憶手段(例えばROM)に予めマップとして記憶されるものであっても良い。
また、上記空燃比センサ50は、計測を開始する場合は素子自体の温度をある一定の温度にして活性化させる必要があるためヒータ等で暖められ、該温度もECU10等によって制御される。
次に、上述のように構成された空燃比制御システムにおいて、制御手段の一例であるECU10が行う一連の処理の一例について図2を用いて説明する。
エンジン60が正常な通常運転又は起動状態にある状況(S10)で、ECU10は、エンジンが停止したか(即ち、所謂「エンスト」が発生したか)を、回転数センサ44等に基づいて判断する(S20)。
尚、以下において、エンジン60が何らかの原因で意図することなく停止することを「エンスト」と称して説明する。
このステップS20の判断において、エンストが発生したと判断された場合に処理はステップS25へ移行し、他方、エンストが発生していないと判断された場合はステップS20の判断を繰り返してエンストの発生を監視する。
上記ステップS20の判断でエンストが発生したと判断された場合に、ECU10は、空燃比センサ50の検出結果に基づいて、混合気の空燃比が通常よりもリッチ(濃い)の状態であったかを判断する(S25)。
この判断は次のようにして行っても良い。
ECU10が、既に上述したように、空燃比センサ50のIP値が混合気の空燃比を通常よりもリッチと判断するための基準となるリッチ基準値よりも小さいか否かを判断することによって行っても良く、このリッチ基準値は予めECU10に記憶されるものであっても良い。
このステップS25の判断で、混合気がリッチであると判断された場合に処理はステップS30へ移行し、他方、混合気がリッチでないと判断された場合に処理はステップS60へ移行する。
ここでは、先ず処理がステップS30へ移行した場合について説明する。
エンストが発生し(S20)、且つ、そのエンストの発生時に混合気の空燃比がリッチであると判断された(S25)場合に、ECU10は、エンジン60を自動的に再起動する(S30)。
そして、上記ステップS30における再起動時からの所定時間中は、ECU10は、燃料制御弁22等の開度を予め定められた開度にしてエンジン60を運転する。
即ち、該所定時間中において、ECU10は混合気の空燃比制御を行わず、燃料制御弁22等を予め定められた開度に固定して運転するのみである。
この所定時間の具体的な長さとしては、例えば数分から数十分程度としても良い。
このように所定時間の間、燃料制御弁22等を予め定められた開度に固定して運転することで、空燃比センサ50を用いなくともエンジン60を運転することが可能となる。
したがって、例えば、上記ステップS20・25の判断により、混合気の空燃比がリッチな状態でエンストした原因が、被油による空燃比センサ50の一時的な性能低下によるものである場合には、エンジン60を該所定時間運転することで、空燃比センサ50に付着した油分を蒸発させて被油の影響を解消することが可能となる。
即ち、燃料制御弁22等を所定の開度で固定して運転することで、空燃比センサ50に付着した油分等を蒸発させるための最小限のエンジン60の運転が可能となる。
次に、ECU10は、該所定時間中にエンストが発生したか否かを判断する(S35)。
このステップS35の判断で、エンストが発生したと判断された場合に処理はステップS36へ移行し、他方、エンストが発生していないと判断された場合に処理はステップS40へ移行する。
ここで、処理がステップS36へ移行する場合は、燃料制御弁22等を所定の開度に固定して運転する空燃比センサ50に基づかない運転状態にも拘らずエンストが発生したので、その原因が空燃比センサ50以外のエンジン60の構造等によるものと推測される。
そこで、ステップS36の処理において、ECU10は、エンジン60に異常が発生したと判断した場合に行う処理を実行する(S36)。
このステップS36の処理において、ECU10は、例えば、予め定めた所定回数分だけエンジン60の再起動を試みても良いし、或いは、エンジン60に異常が発生した旨を利用者に知らせるための警告を図示しない操作パネル等に表示しても良いし、その他エンジン60に異常が発生した場合に行う処理を行っても良い。
このようにエンジン60に異常があることを制御手段であるECU10が認識することで、早期にエンジン60の異常を外部に知らせることが可能となる。
上記ステップS35の判断でエンストが発生していないと判断された場合は、空燃比センサ50に基づかない運転状態を正常に行えるから、エンジン60の構造等には異常がないといえる。
そこで、ECU10は、上述した燃料制御弁22等を予め定められた開度に固定する運転を行う所定時間の経過後、空燃比センサ50を用いて混合気の空燃比制御を実行する(S40)。
即ち、上記ステップS30におけるエンジン60起動後の所定時間中において、燃料制御弁22等の開度を予め定められた開度で運転することによって、被油の影響を解消しているはずなので、該ステップS40にて空燃比制御を開始するのである。
そして、ECU10は、空燃比制御を行っている状態でエンストが発生したか否かを判断する(S45)。
このステップS45の判断で、エンストが発生したと判断された場合に処理はステップS50へ移行し、他方、エンストが発生していないと判断された場合に処理はステップS46へ移行する。
ステップS50へ処理が移行する状況では、上記ステップS35の判断で上記所定時間中にエンストが発生しなかったにも拘らず、上記ステップS40で空燃比制御を開始してエンストが発生(即ち、再停止)している。
換言するならば、エンジン60の構造には異常はなく、空燃比センサ50の被油による影響も解消されているはずなのに、空燃比センサ50を用いて空燃比制御を開始するとエンストが発生している。
これは空燃比センサ50の使用による経時変化等によって、感度や計測帯域が変化したことが原因でエンストが発生している可能性があるためである。
つまり、一般的に空燃比センサ50は経時変化するとIP値が小さくなる特性があるため、空燃比センサ50が排気ガス中の酸素濃度を実際よりも薄め(即ち、混合気がリッチ)であると検出したために、ECU10が混合気の空燃比を必要以上に混合気をリーンとなるように制御した結果エンストが発生したと考えられる。
したがって、上記ステップS20及びステップS25の判断において、混合気がリッチの状態でエンストが発生したのは、空燃比センサ50の経時変化による感度や計測帯域の変化が原因で、ECU10が混合気の空燃比をリーンにする制御を行ったためと考えられる。
このような空燃比センサ50の経時変化による感度や計測帯域の変化は、故障とは異なるので、ECU10は、該経時変化に応じて空燃比制御を行う際における空燃比センサ50の出力IP値と、制御対象である燃料制御弁22等の制御パラメータとの対応関係を補正する(S50)ことで、該経時変化の影響を解消することが可能となる。
このステップS50で行う空燃比センサ50の感度や計測帯域の補正手法としては、例えば、次のようにして行っても良い。
一般的に空燃比センサ50の性能や特性は予め製造段階で知られているので、エンジン60の使用環境に合わせて該空燃比センサ50を利用した場合における空燃比センサ50の経時変化特性も、当該本発明の空燃比制御システムの開発段階で予測して定めることは可能である。
そこで、空燃比制御システムの開発段階で定めた空燃比センサ50の経時変化特性をECU10等に記憶させておくことで、ECU10は、該空燃比センサ50の経時変化特性とエンジン60の通算発停回数や通算運転時間等とのパラメータとの対応より、上記ステップS50における補正を実行するようにしても良い。
このように空燃比センサ50の感度や計測帯域を補正することで、空燃比センサ50の経時変化による影響を解消して、適切にエンジン60を運転制御することが可能となる。
そして、ECU10は、空燃比センサ50の補正処理の後、自動的にエンジン60を再起動させる(S50→S10)。
これにより、空燃比センサ50の補正した後に、自動的にエンジン60を起動して、通常の運転を再開することが可能となる。
上記ステップS45の判断で、処理がステップS46へ移行する状況は、エンジン60の構造には異常はなく、しかも空燃比センサ50を用いて空燃比制御を開始しても正常にエンジン60が作動してエンストが発生しない状況である。
このような状況では、エンジン60及び空燃比センサ50とも正常であると言えるが、上記ステップS20及びS25の判断で、少なくとも混合気がリッチでエンストが発生しているので、空燃比センサ50において被油の影響が完全に解消しているとは限らず、空燃比センサ50の経時変化による影響が多少残っていることも考えられる。
そこで、被油による影響を完全に払拭するために、燃料制御弁22等を予め定められた開度に固定して運転する処理を行うため、一旦エンジン60を再停止させた(S46)後に、エンジン60を再起動させて(S30)、上述したステップS35、ステップS40、ステップS45の処理ループを実行する。
尚、この処理ループにおけるステップS45の判断においてエンストが発生していないと判断されると、当該処理ループを延々と繰り返すこととなる不都合が生じる。
そこで、このような不都合を解消するために、該処理ループが予め定められた回数だけ繰り返されると自動的にステップS50の処理に移行する、或いは、該処理ループの継続時間が予め定められる時間を経過すると自動的にステップS50の処理に移行するようにECU10にプログラムしても良い。
このように構成することによって、空燃比センサ50における被油による影響を確実に払拭して、空燃比センサ50の経時変化による補正も適切に行うことが可能となる。
このステップS25の判断で、混合気がリッチでないと判断されて、処理がステップS60へ移行する場合について説明する。
ステップS60へ処理が移行する場合は、混合気の空燃比がリッチ(濃い)ではなく比較的適切な状態で推移していた状況でエンストが発生したと考えられ、空燃比センサ50が被油したためエンストが発生したとは考えにくい状況である。
このような状況においては、何らかの原因でエンジン60又はミキサ20が故障している可能性がある。
そこで先ず、ECU10は、エンストが発生した回数をカウントし(S60)、空燃比センサ50の補正を行って、その補正が適切か否かを判断する(S65)。
ステップS65の処理における空燃比センサ50の補正が適切か否かの判断は次のようにして行っても良い。
既に上述したように、ステップS60へ処理が移行する場合は、空燃比制御が比較的適切に行われていたと考えられるため、空燃比センサ50の感度や計測帯域も比較的適切な領域にあったと考えられる。
したがって、該ステップS65における補正処理における補正量は、本来僅かな量で済むはずである。
そこで、ECU10は、ステップS65の補正処理における補正量が、予め定められた範囲内で行われた場合にはその空燃比センサ50の補正を適切と判断し、他方、該範囲を逸脱して行われた場合には適切でないと判断するのである。
処理がステップS75へ移行した場合には、空燃比センサ50の補正が適切に行われなかったので、空燃比センサ50自体に何らかの故障があると判断して、ECU10は、空燃比センサ50を用いずにエンジン60を作動させる制御を行う(S75)。
この制御は、具体的にはエンジン60の回転数(出力)等に応じて、スロットル弁25や燃料制御弁22の開度を制御する手法であっても良く、空燃比制御ほどの精度では制御できないものの応急的にはエンジン60を作動させることが可能となる。
勿論、この場合に空燃比センサ50に異常が発生した旨を利用者に知らせるための警告を図示しない操作パネル等で示しても良い。
他方、処理がステップS70へ移行した場合には、空燃比センサ50の補正が適切に行われたにも拘らずエンストが発生したので、ミキサ20又はエンジン60自体に異常が発生していると考えられるため、上述同様にECU10警告等を発しても良い(S75)。
20 ミキサ
22 燃料制御弁
60 エンジン
Claims (6)
- 空燃比センサの出力に基づいてエンジンを制御する制御手段を有する空燃比制御システムにおいて、
空燃比が通常よりも濃い状態でエンジンが停止した際に、
前記制御手段は、エンジンを再起動し、所定時間を経過した後に、前記空燃比センサに基づく空燃比の制御を行うことを特徴とする空燃比制御システム。 - 前記所定時間中は、前記制御手段は、燃料制御弁を所定の開度でエンジンを運転してなる請求項1記載の空燃比制御システム。
- 前記所定時間を経過した後に、前記空燃比センサに基づく空燃比の制御を開始することによってエンジンが停止した場合には、前記制御手段は、空燃比センサの感度又は計測帯域を補正してなる請求項1、又は請求項2のいずれかに記載の空燃比制御システム。
- 前記制御手段は、前記空燃比センサの感度又は計測帯域を補正した後にエンジンを再起動させてなる請求項3記載の空燃比制御システム。
- 前記所定時間を経過した後に、前記空燃比センサに基づく空燃比の制御を開始してエンジンを正常に運転できる場合は、前記制御手段は、一旦エンジンを停止させて再起動してなる請求項1から請求項4のいずれかに記載の空燃比制御システム。
- 前記所定時間中にエンジンが再停止した場合は、前記制御手段は、エンジンに異常があると判断してなる請求項1から請求項5のいずれかに記載の空燃比制御システム。
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