JP2011089471A - 気化器の空燃比制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】気化器のスロットルバルブの開度と負荷に合わせて、チョークバルブを開閉駆動させることにより、可変的な燃料噴出ができるようにして、内燃機関の運転可能範囲全域(回転数、負荷)で所望の空燃比を得ることにより、低コスト、排気ガスのクリーン化及び省燃費化させることのできる内燃機関の空燃比制御装置を提供することを目的とする。
【解決手段】内燃機関1の吸気路に配置された気化器5のチョークバルブ6の開度を駆動制御する第一ステッピングモータ8と、スロットルバルブ7の開度を駆動制御する第二ステッピングモータ9と、スロットルバルブ7の開度に伴う内燃機関1の回転数の変化に基づいてチョークバルブ6を開度制御すると共に、内燃機関1の回転数が一定の場合は内燃機関1の負荷によりチョークバルブ6の開度を決めるマップに基づいてチョークバルブ6を開度制御して所望の空燃比を得るコントローラ12とを備える。
【選択図】図2

Description

本発明は、汎用内燃機関の排気ガスクリーン化及び省燃費のため、チョークバルブを駆動制御して任意の空燃比を得る気化器に関する。
発電機や、農業機械など様々の用途で駆動源として使用される汎用内燃機関において、冷間始動時の始動性を向上させるためにオートチョーク装置を用いた内燃機関が提案されている。オートチョーク装置は内燃機関始動時にアクチュエータによって、気化器内のチョークバルブを開閉駆動して、空気に混合される燃料の割合(以後「空燃比」と称す)を多くして、内燃機関の始動性をよくする技術が開示されている。
その先行技術文献として、特開2007−23838号公報(特許文献1)が提案されている。
特開2007−23838号公報
しかしながら、オートチョーク装置は内燃機関始動時に空燃比を低く(燃料の混合割合を多く)しているだけで、内燃機関の稼動中は全開して、チョークバルブを全開して内燃機関回転調整を行わない状態である。
一方、要求使用の変化、所謂、内燃機関の省燃費化、及び排気ガスのクリーン化が求められている。乗用車等の内燃機関の場合は、電子制御された燃料噴射装置が提案されているが、大量に同一仕様の装置を作る場合は、コストも低く、品質も安定させることが可能であるが、少量多種の動力源となる汎用内燃機関ではコストが高くなる不具合がある。
ところが、一般の気化器は気化器の構造上(ベンチュリ部が固定構造)低速運転と高速運転を両立させることができない。従って、汎用内燃機関は発電機や、農業機械など様々の用途における最適運転状態の回転数及び負荷(出力)範囲において効率よく稼働するようにセットされる構造であるため、内燃機関の運転可能範囲全域(回転数、負荷)で所望する値の空燃比にすることができない。
従って、今後予測される排気ガス規制及び省燃費に対応することができない状況である。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、気化器のスロットルバルブの開度と負荷に合わせて、チョークバルブを開閉駆動させることにより、可変的な燃料噴出ができるようにして、内燃機関の運転可能範囲全域(回転数、負荷)で所望の空燃比を得ることにより、低コスト、排気ガスのクリーン化及び省燃費化させることのできる内燃機関の空燃比制御装置を提供することを目的とする。
本発明はかかる目的を達成するもので、内燃機関の吸気路に配置されたチョークバルブと、該チョークバルブの前記吸気路下流側に配置されたスロットルバルブと、前記チョークバルブの開度を駆動制御する第一ステッピングモータと、前記スロットルバルブの開度を駆動制御する第二ステッピングモータとを備え、前記スロットルバルブの開度に基づく前記内燃機関の回転数の変化に伴って前記チョークバルブを開度制御すると共に、前記内燃機関の回転数が一定の場合は、前記内燃機関の負荷により前記チョークバルブの開度を決めるマップに基づいてチョークバルブを開度制御して所望の空燃比を得るようにしたことを特徴とする。
このような構成により、内燃機関の回転数及び、負荷に対し、スロットルバルブの開度に伴い、チョークバルブとを駆動制御することにより、気化器での理想的な空燃比を内燃機関の広い範囲(回転数及び負荷)で維持可能となり、排気ガスのクリーン化及び、省エネルギー化の向上を図れる効果を有する。
また、オートチョーク装置の内燃機関の場合には新たに追加する部品も少なく低コストで実施できる。
また、本発明において好ましくは、前記マップは前記内燃機関の回転数が一定の場合に、排気ガスのクリーン化を優先して前記チョークバルブ開度を制御するマップと、前記内燃機関の回転数が一定の場合に、省燃費を優先して前記チョークバルブ開度を制御するマップとを備え、前記内燃機関の使用目的によりいずれかを選択可能にするとよい。
このような構成により、内燃機関の負荷側の状況により空燃比を調整できるので、内燃機関の広い範囲において使用目的に適合したよりきめこまかい空燃比制御ができ、環境、省燃費に良い効果が得られる。
また、本発明において好ましくは、前記気化器の空燃比制御装置の前記マップは前記スロットルバルブ開度と前記回転数から出力を推定する出力マップと、該推定した前記出力と前記回転数からチョークバルブの開度を決定するチョークバルブ開度マップとを備え、前記内燃機関の回転数に基づいて前記チョークバルブの開閉を制御して、前記空燃比を制御するとよい。
このような構成により、内燃機関の負荷は回転数とスロットルバルブの開度から推定することができるので、空燃比を検出するためのセンサを別途設ける必要がないので、装置のコストを低減できる。
また、本発明において好ましくは、前記気化器の空燃比制御装置の前記マップは前記出力を推定する出力マップと、該推定した出力と前記回転数から空燃比を決定する空燃比マップと、前記内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を測定するO2センサとを備え、前記排気ガス中の酸素濃度値から前記空燃比が前記空燃比マップの値になるよう前記チョークバルブの開度をフィードバック制御するとよい。
このような構成により、排気ガス中の酸素濃度を直接検知して、空燃比がマップの値になるよう前記チョークバルブの開度をフィードバック制御する方法なので、キャブレターでのチョークバルブ開度の誤差等を吸収でき、内燃機関作動の略全域において、排気ガスのクリーン化、省燃費向上に精度よい制御が可能となる。
また、本発明において好ましくは、前記内燃機関の前記吸気路に配置された前記チョークバルブと前記スロットルバルブとの間には前記吸気路に燃料を噴出させるメインジェットと、スロージェットとを備え、前記メインジェットからの燃料噴出量を前記スロットルバルブ開度に対して前記内燃機関が滑らかに回転する最小必要量に設定するとよい。
このような構成により、目標(要望)回転数に対する負荷変動に対応した空燃比の制御はチョークバルブで行うため、対応が早く、メインジェットから必要以上に燃料が噴出されないので、任意の空燃比が得られ、排気ガスのクリーン化及び省燃費向上が可能となる。
本発明によれば、内燃機関の回転数及び、負荷に対し、スロットルバルブの開度に伴い、チョークバルブを駆動制御することにより、気化器での理想的な空燃比が内燃機関の広い範囲(回転数及び負荷)で維持可能となり、排気ガスのクリーン化(一酸化炭素COの削減)及び、省エネルギー化の向上を図れる効果を有する。
また、オートチョーク装置付の内燃機関の場合には新たに追加する部品も少なく低コストで実施できる。
本発明の第1実施形態に係る内燃機関全体構造概略図を示す。 本発明の第1実施形態に係る気化器縦方向の概略断面図を示す。 本発明の第1実施形態に係るチョークバルブ開度を求めるマップの一例で(A)は出力マップ、(B)はチョークバルブ開度マップを示す。 本発明の第1実施形態に係るチョークバルブ開度制御のフロー図を示す。 本発明の第1実施形態に係る内燃機関6モードの比較試験結果で、(C)は負荷に対するチョークバルブ開度、(D)は排気ガス中のCO濃度、(E)は燃料消費比較を示す。 本発明の第2実施形態に係る内燃機関全体構造概略図を示す。 本発明の第2実施形態に係る排気ガス中の酸素濃度に基づいて空燃比を求めるマップの一例で、(F)は出力マップ、(G)は空燃比マップを示す。 本発明の第2実施形態に係る空燃比のフィードバック制御のフロー図を示す。
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。
但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
(第1実施形態)
図1から図5にて本発明に係る第1実施形態を説明する。
図1は本発明に係る内燃機関全体構造概略図を示す。1は内燃機関全体を示す。2は内燃機関1の機関本体で、機関本体2の上部には機関本体2内の燃焼室21へ燃料と吸気とが混合した混合気を導く吸気管3が配置されている。さらに、機関本体2の上部には機関本体2内の燃焼室21で燃焼した燃焼ガス(排気ガス)を機関本体2の外部に導く排気管4が配置されている。吸気管3にはベンチュリ部53が固定構造の気化器5が介装されている。気化器5で空気と燃料との混合を行う作用を有している。11は機関本体1の温度を検知する温度センサで、機関本体2の暖気状態を検出する。12は気化器5のチョークバルブ6及びスロットルバルブ7の開度の駆動制御、温度センサ11及び機関本体2の回転数等を受けて、内燃機関1の始動時のオートチョーク制御及び内燃機関稼働時の空燃比制御を行うコントローラである。
気化器5は図2に示すように、給気路13の上流側にチョークバルブ6と、チョークバルブ6の下流側にベンチュリ部53をはさんでスロットルバルブ7が配置されている。チョークバルブ6はチョークバルブ駆動軸61に固定され、チョークバルブ駆動軸61は第一ステッピングモータ8に連結されている。第一ステッピングモータ8はコントローラ12からの信号に基づいてチョークバルブ駆動軸61を駆動してチョークバルブ6の開閉制御を行う。
スロットルバルブ7はスロットルバルブ駆動軸71に固定され、スロットルバルブ駆動軸71は第2ステッピングモータ9に連結されている。第二ステッピングモータ9はコントローラ12からの信号に基づいてスロットルバルブ駆動軸71を駆動してスロットルバルブ7の開閉制御を行う。
気化器5二は、チョークバルブ6とスロットルバルブ7の間のベンチュリ部53に燃料を噴霧する図示されないサブノズルを介して噴出するスロージェット52と、メインノズル54を介して燃料を噴出するメインジェット51とが配設されている。
スロージェット52は内燃機関1のアイドリング時又は低回転時の燃料を調整するもので、ある一定以上の燃料は噴出されない。メインジェット51は中高速回転時に主体となって燃料を噴出する。
尚、メインジェット51及び、スロージェット52は気化器5のフロートチャンバ55に連通している。フロートチャンバ55内は燃料タンク(図示省略)から送油された燃料を一定レベルに保持する機能を有すると共に、メインジェット51及び、スロージェット52に燃料を供給して、ベンチュリ部53に燃料が噴霧状に噴出されるようになっている。
また、これは後述するが、内燃機関1の負荷変動に対応するためチョークバルブ6の開閉駆動制御を行うので、チョークバルブ6では燃料を濃くすることは可能であるが、薄くすることはできない。従って、メインジェット51及び、スロージェット52は現行の燃料の噴出孔より縮小して燃料の噴出量を抑制してある。これは燃料が必要以上に濃くなるのを防止して省燃費及び排気ガスのクリーン化を図るものである。
コントローラ12には回転数センサ10から回転数が入力され、温度センサ11から機関本体2の温度が入力される。機関本体2の温度が任意の温度より低い場合は内燃機関1の回転を円滑にすると共に、暖気の促進をするためチョークバルブ6を閉状態にする。
次に機関本体2の暖気が進み、機関本体2の出力が可能となった時の空燃比制御が開始される。
使用されるマップは内燃機関1の回転数とスロットルバルブ7の開度に基づく内燃機関1の負荷(出力)分布を実験値にて作成する。〔図3(A)の出力マップ〕
更に、内燃機関1の回転数と出力に基づいてチョークバルブ6の開度を実験値にて作成する。〔図3の(B)チョークバルブ開度マップ〕
制御のフローは図4に示すように、ステップS1において、コントローラ12に作業機(発電機、農業機械等)側からの要求負荷に基づいて回転数Nをインプットする。ステップS2において、当該内燃機関1の性能特性から回転数Nに相当するスロットルバルブ7の開度が算出される。ステップS3にてコントローラ12から第二ステッピングモータ9にスロットルバルブ7の駆動信号が送られ、第二ステッピングモータ9はスロットルバルブ7を駆動して、内燃機関1の回転数が要求回転数Nになる位置まで駆動される。
ステップS4において、図3(A)のマップからスロットルバルブ7の開度と内燃機関1の回転数から内燃機関1の出力状態を推測する。ステップS5において、図3(B)のマップから推定された該出力とインプットされた回転数Nからチョークバルブ6の開度を決定する。
ステップS6にてコントローラ12から第一ステッピングモータ8にチョークバルブ6の駆動信号が送られ、第一ステッピングモータ8はチョークバルブ6を駆動して、決定されたチョークバルブ6を開度位置まで駆動される。ステップS7において、回転数センサ10が検出した回転数と要求された回転数Nとを比較する。回転数に差があると、NとしてステップS2に戻り、スロットルバルブ7の開度を修正して、空燃比を変更して内燃機関1の負荷を調整する。回転数に差がない場合には、Yとなりスタートに戻る。
図5に本実施形態の試験結果を示す。試験方法は36000RPM時の6モード試験法で実施したもので、◆印の線は現用の気化器(STD)、△印の線は排気ガス狙い(メインジェット51及びスロージェット52共に縮小+チョークバルブ制御〔排気ガス(CO)のクリーン化を主目標にした〕、●印の線は省燃費狙い(メインジェット51及びスロージェット52共に縮小+チョークバルブ制御〔省燃費を主目標にした〕を示す。
また、図5(C)は横軸に6モード試験法の負荷(%)を示し、縦軸にチョークバルブ開度(度)を示す。◆印はチョークバルブ制御を行わないので、全負荷範囲にてチョークバルブ開度は90度になっている。△印と●印はチョークバルブ制御を行っていることを示している。図5(D)は横軸に負荷(%)を示し、縦軸にCOの濃度(%)(内燃機関の排気管で測定)を示している。図5(E)は横軸に負荷(%)を示し、縦軸に燃料流量L/hを示している。
これらの試験結果から、特に負荷として多く使われる出力帯である負荷50及び、75(%)における燃費狙い(省燃費化)はチョークバルブ6の開度を排気ガス狙いより大きくして、チョークバルブ6による燃料噴出を少なくなっているのが図5(E)の燃料流量から読み取ることができる。
また、負荷50及び、75(%)における排ガス狙い(排気ガス(COの削減)のクリーン化)はチョークバルブ6の開度を燃費狙いより閉方向にして燃料噴出を若干多くしている。図5(D)及び、図5(E)排気ガス中のCO及び燃料流量が燃費狙いより多くなっている。
これは、燃料を多くすることにより、筒内ガス温度を低く保ち、内燃機関1から大気に放出される時に排気ガス(NOx)のクリーン化を達成できるように制御したものである。
これらの試験結果から排気ガス中のCO削減及び、省燃費に効果があることがわかる。尚、ジェット縮小+チョークバルブ制御において、排気ガスのクリーン化(COの削減)を主目標にする場合と、省燃費を主目標にする場合とがあるが、これはマップでチョークバルブ6の開度を決定する際に、目的に沿った開度を決定するようにして、マップは排気ガスのクリーン化(COの削減)用と、省燃費用と2種類のマップを用意することになる。
従って、内燃機関1の出荷時に目的に合わせてマップを選択することができる。
本実施形態では、内燃機関1の稼働中は回転数及び、負荷に対し、スロットルバルブ7の開度を一定にして、チョークバルブ6を駆動制御することにより、気化器5での理想的な空燃比を内燃機関1の広い範囲(回転数及び負荷)で制御可能となり、排気ガスのクリーン化及び、省エネルギー化の向上を図れる効果を有する。
また、スロットルバルブ7の開度を一定にして、内燃機関1の回転数制御をチョークバルブ6の駆動制御だけなので、制御方法が簡単となり、制御の信頼性が増す。
更に、オートチョーク装置付の内燃機関の場合には新たに追加する部品も少なく低コストで実施できる。
(第2実施形態)
図6から図8にて、本発明に係る第2実施形態を説明する。
図6は本発明の第2実施形態に係る内燃機関全体構造概略図を示す。
尚、第1実施形態と同じ部品には同じ符号を付す。
30は内燃機関全体を示す。2は内燃機関30の機関本体で、機関本体2の上部には機関本体2内の燃焼室21へ燃料と吸気とが混合した混合気を導く吸気管3が配置されている。さらに、機関本体2の上部には機関本体2内の燃焼室21で燃焼した混合気を排出に導く排気管4が配置されている。吸気管3には気化器5が介装されている。気化器5で空気と燃料との混合を行う作用を有している。11は機関本体1の温度を検知する温度センサで、機関本体2の暖気状態を検出する。14は燃焼室21で燃焼した排気ガス中の酸素濃度を検出するO2センサである。15は気化器5のチョークバルブ6及びスロットルバルブ7の開度の駆動制御、温度センサ11、O2センサ14及び機関本体2の回転数等を受けて、内燃機関30始動時のオートチョーク制御及び、内燃機関30稼働時の排気ガス中の酸素濃度に基づいて精度の高い空燃比のフィードバック制御を行うコントローラである。
尚、部品構成として、第1実施形態と異なる部品はO2センサ4が追加になり、それに伴いコントローラの制御方法が変わった以外は同じなので、これらを除いた各部品の説明は省略する。
コントローラ15には回転数センサ10から回転数が入力され、温度センサ11から機関本体2の温度が入力される。機関本体2の温度が任意の温度より低い場合は内燃機関30の回転を円滑にすると共に、暖気の促進をするためチョークバルブ6を閉状態にする。
次に機関本体2の暖気が進み、機関本体2の出力が可能となった時の空燃比制御が開始される。
図7に示されるように、使用されるマップは内燃機関1の回転数とスロットルバルブ7の開度に基づく内燃機関1の負荷(出力)分布を実験値からマップ(F)を作成する。〔マップ(F)は図3の出力マップ(A)に同じ〕
更に、負荷と回転数に基づいて所望の空燃比分布を実験値から作成する。〔図7の(G)〕
図7の(G)は所望の空燃比になるようチョークバルブを操作して空燃比を調整するものである。
内燃機関30の暖機運転が完了するまでは第1実施形態と同じなので省略する。暖気運転完了後は、制御フローは図8に示すように、ステップS1において、回転数センサ10からの信号で回転数を算出する。ステップS2で回転数とスロットルバルブ7の開度に基づいてマップ(F)から負荷を算出する。ステップS3にて内燃機関30の現状の回転数nと所望の回転数Nとを比較する。回転数nを加速させる場合はYとしてステップS8に進み、ステップS8にてチョークバルブ6を閉方向に駆動して、燃料をリッチ化して回転数を上げる。
ステップS3にて回転数nを加速させない場合はNとしてステップS4に進む。
この場合、スロットルバルブ7の開度を比較(内燃機関30の現状の開度と所望の開度)しても同様の制御は実施できる。
ステップS4にて回転数nと所望回転数Nとを比較して回転数nを減速させる場合はYとしてステップS9に進み、チョークバルブ6を開方向に駆動して、燃料をリーン化して回転数を下げる。ステップS4にて回転数nが所望回転数Nと変化ない場合はステップ5に進む。ステップ5にて空燃比マップを読込む。ステップ5にてステップS2で算出された負荷と回転数に基づいて図7(G)から所望の空燃比を決定する。ステップ6にてO2センサからの酸素濃度値が大きい場合、即ち、空燃比が大きい(燃料が薄い)場合には、YとしてステップS10に進み、ステップS10にてチョークバルブ6を閉じ方向に駆動して、燃料のリッチ化をはかり内燃機関の回転を安定させる。ステップS6において空燃比が小さい(燃料が濃い)場合には、Nとして省燃費のためチョークバルブ6を開方向に駆動して燃料のリーン化を図る。
第2実施形態では、スロットルバルブ7を一定にして、負荷変動に伴う回転数の変化をチェックしながら、チョークバルブ6を駆動して、排気ガス中の酸素量(%)から空燃比が所望通りになっているかをチェックする方法なので、省燃費及び排気ガスのクリーン化がより精度よく制御でき、内燃機関30の排気ガスのクリーン化及び省燃費を効果的に得ることができる。
省燃費化及び、排気ガスのクリーン化を図る農業機械又は、発電機用駆動源としてのキャブレター式の汎用内燃機関。
1、30 内燃機関
2 機関本体
3 吸気管
4 排気管
5 気化器
6 チョークバルブ
7 スロットルバルブ
8 第一ステッピングモータ
9 第二ステッピングモータ
10 回転数センサ
11 温度センサ
12、15 コントローラ
13 吸気路
14 O2センサ

Claims (5)

  1. 内燃機関の吸気路に配置されたチョークバルブと、該チョークバルブの前記吸気路下流側に配置されたスロットルバルブと、前記チョークバルブの開度を駆動制御する第一ステッピングモータと、前記スロットルバルブの開度を駆動制御する第二ステッピングモータとを備え、前記スロットルバルブの開度に基づく前記内燃機関の回転数の変化に伴って前記チョークバルブを開度制御すると共に、前記内燃機関の回転数が一定の場合は、前記内燃機関の負荷により前記チョークバルブの開度を決めるマップに基づいて前記チョークバルブを開度制御して所望の空燃比を得るようにしたことを特徴とする気化器の空燃比制御装置。
  2. 前記マップは前記内燃機関の回転数が一定の場合に、排気ガスのクリーン化を優先して前記チョークバルブ開度を制御するマップと、前記内燃機関の回転数が一定の場合に、省燃費を優先して前記チョークバルブ開度を制御するマップとを備え、前記内燃機関の使用目的によりいずれかを選択可能としたことを特徴とする請求項1記載の気化器の空燃比制御装置。
  3. 前記気化器の空燃比制御装置の前記マップは前記スロットルバルブ開度と前記回転数から出力を推定する出力マップと、該推定した前記出力と前記回転数からチョークバルブの開度を決定するチョークバルブ開度マップとを備え、前記内燃機関の回転数に基づいて前記チョークバルブの開閉を制御して、前記空燃比を制御することを特徴とする請求項1又は2のいずれか記載の気化器の空燃比制御装置。
  4. 前記気化器の空燃比制御装置の前記マップは出力を推定する前記出力マップと、該推定した出力と前記回転数から空燃比を決定する空燃比マップと、前記内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を測定するO2センサとを備え、前記排気ガス中の酸素濃度値から前記空燃比が前記空燃比マップの値になるよう前記チョークバルブの開度をフィードバック制御するようにしたことを特徴とする請求項1又は2のいずれか記載の気化器の空燃比制御装置。
  5. 前記内燃機関の前記吸気路に配置された前記チョークバルブと前記スロットルバルブとの間には前記吸気路に燃料を噴出させるメインジェットと、スロージェットとを備え、前記メインジェットからの燃料噴出量を前記スロットルバルブ開度に対して前記内燃機関が滑らかに回転する最小必要量に設定したことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか記載の気化器の空燃比制御装置。
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