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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