JP2614766B2 - ガスエンジンの空燃比制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は都市ガスなどを燃料とするガスエンジンに関
し、特にそのようなエンジンにおいて空燃比を制御する
ための装置に関する。

［従来の技術］ 一般にガスエンジンでは、エンジンの燃焼室に接続す
る吸気通路の入口を大気に連通させ、その通路の途中に
設けた混合部により吸気通路内の空気に燃料ガスを混入
させるようになっている。又、そのようにして形成され
る混合気の空燃比の設定及び制御は、エンジン出力の向
上だけではなく、排気ガスの浄化（特に窒素酸化物など
の低減）を考慮して行なわれる。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、従来の過給機を備えたガスエンジンでは、
燃料ガス混合部を過給機のコンプレッサーよりも下流側
に設けている。そのために燃料ガスは、コンプレッサー
により加圧された空気に混入させる必要があり、燃料ガ
スの所要圧力が比較的高い。一方、燃料ガスは一般に都
市ガスが使用されるので、その供給圧力は比較的低く、
従って、空気への混入に必要な高い圧力まで燃料ガスの
圧力を高めることが困難な場合が多い。又、過給機のコ
ンプレッサーは、その下流側で燃料ガスが混入されるこ
とを考慮して、空気だけを比較的高い圧力まで加圧する
必要があるので、過給機の動力損失が比較的大きいとい
う不具合もある。

本発明は、上述の不具合を解決した装置を提供しよう
とするものである。

［課題を解決するための手段］ 第１の発明は、大気に連通する入口からエンジンの燃
焼室まで延びる吸気通路の途中に過給機のコンプレッサ
ーを設け、コンプレッサーよりも上流側において吸気通
路にベンチュリを設け、燃料ガス供給通路には、一定の
開度でベンチュリに開口すると共に第１のレギュレータ
ーを有する第１の燃料出口通路が接続し、第１のレギュ
レーターよりも上流側には、該第１のレギュレーターへ
供給されるガス圧力を調整する第２のレギュレーターを
設け、両レギュレーター間の燃料ガス供給通路部分から
は、下流側から順に、アクチュエータにより駆動される
流量制御弁を設けた第２の燃料出口通路と、アイドルア
ジャストを有する補助燃料通路を分岐し、第２の燃料出
口通路はベンチュリに開口し、補助燃料通路はベンチュ
リよりも下流側の吸気通路部分に開口し、上記アクチュ
エータの動作を制御するコントローラーを設け、排気通
路に設置されて排気ガスの酸素濃度を検出するリーンバ
ーンセンサーを設け、リーンバーンセンサーからの信号
に基づいてコントローラーがアクチュエータを制御する
ようにしたことを特徴としている。

第２の発明は、大気に連通する入口からエンジンの燃
焼室まで延びる吸気通路の途中に過給機のコンプレッサ
ーを設け、コンプレッサーよりも上流側において吸気通
路にベンチュリを設け、燃料ガス供給通路に第１及び第
２の出口通路を設け、両出口通路をベンチュリに開口さ
せ、第１の出口通路内に混合気通路の出口を併設し、混
合気通路の入口をベンチュリとコンプレッサーとの間に
おいて吸気通路に接続したことを特徴としている。

［作用］ 上記第１の発明によると、過給機のコンプレッサーよ
りも上流側において、吸気通路に燃料ガスが供給される
ので、燃料ガスとして低圧のガスを使用することができ
る。

又、エンジン始動時あるいはアイドル運転時におい
て、第１の燃料出口通路から燃料ガスを流入させること
が困難となった場合でも、第１のレギュレーターで減圧
されていない比較的高圧の燃料ガスを、補助燃料通路か
ら吸気通路に供給する。

第２の発明においても、過給機のコンプレッサーより
も上流側において、吸気通路に燃料ガスが供給されるの
で、燃料ガスとして低圧のガスを使用することができ
る。

又、第２の発明では、エンジン負荷が増加してブース
ト圧が増加すると、下流側の吸気通路から混合気通路を
経てベンチュリへ戻される混合気の量が増加し、それに
対応して、燃料ガスの出口通路からベンチュリへ流入す
る燃料ガスの量が相対的に低下する。そのために、ベン
チュリで形成される混合気の空燃比が増加する。このよ
うにエンジン負荷の増加に対応して空燃比が増大するの
で、エンジン負荷とは無関係に燃焼状態を最適の状態に
維持し、排気の浄化を図ることができる。

詳しく説明すると、リーンバーンエンジンでは、エン
ジン負荷が増大すると同一の空燃比ではNOxが高くな
る。しかし、低負荷では定格出力で十分NOxが規制値以
下になるように大きな空燃比（リーン）にセットすると
スロットルが開くため、負荷の投入性が悪化する。した
がって、低負荷ではNOxが規制値を越えないレベルで空
燃比を小さくし、負荷の増大と共に空燃比を大きくする
とエンジンにとって最適な状態に維持することができ
る。

［実施例］ 第１図において、吸気通路１は図示されていない入口
が大気に連通しており、出口が排気過給機２のコンプレ
ッサー３を介して吸気通路４に接続している。吸気通路
４は途中にインタークーラー５を備え、その下流側にガ
バナ６により制御されるスロットル弁７を備え、出口が
吸気弁８を介して燃焼室９に接続している。

吸気通路１の途中にはベンチュリ10が設けてある。ベ
ンチュリ10には燃料ガス通路11の第１の燃料出口通路12
が開口しており、吸気通路１内を流れる空気に対して第
１の燃料出口通路12から燃料ガスがベンチュリ効果によ
り混入するようになっている。第１の燃料出口通路12に
は第１のレギュレーター13が設けてある。明確には図示
されていないが、第１のレギュレーター13はダイヤフラ
ムにより開度が制御される弁であり、所定の制御特性を
維持するために、そのダイヤフラムの両側の室に、それ
ぞれ、パイロット圧通路15及び16により吸気圧力が導入
される。パイロット圧通路15の入口はインタークーラー
５とスロットル弁７の間において吸気通路４に接続して
いる。他方のパイロット圧通路16の入口は、スロットル
弁７と吸気弁８の間において吸気通路４に接続してい
る。

第１のレギュレーター13よりも上流側には別の第２の
レギュレーター20が設けてある。第２のレギュレーター
20は第１のレギュレーター13へ供給されるガス圧力を調
整するためのもので、基本的な構造は第１のレギュレー
ター13と概ね同様であり、内部のダイヤフラムに面する
一方の室だけがパイロット圧通路21を介して吸気通路１
のベンチュリ10よりも上流側の部分に接続している。

第１のレギュレーター13と第２のレギュレーター20の
間において、燃料ガス供給通路11からは補助燃料通路22
が分岐している。補助燃料通路22は途中にアイドルアジ
ャスト23（制御弁）を備え、出口がベンチュリ10よりも
下流側において吸気通路１に開口している。この補助燃
料通路22はエンジンの始動時やアイドル運転時に機能す
る。すなわち、低速運転時には吸気通路１内の空気流速
が低いので、第１の燃料出口通路12から燃料ガスを流入
させることが困難である。そのような場合に、補助燃料
通路22から比較的高圧の（第１のレギュレーター13で減
圧されていない）燃料ガスを吸気通路１へ供給する。

補助燃料通路22と第１のレギュレーター13の間におい
て、上述の燃料ガス通路11からは第２の燃料出口通路30
が分岐している。該出口通路30は出口がベンチュリ10に
開口しており、途中に流量制御弁31を備えている。流量
制御弁31はアクチュエータ32により駆動されて第２の燃
料出口通路30の開度を後述するごとく制御する。

流量制御弁31とベンチュリ10の間において、第２の燃
料出口通路30からは補助通路33が分岐している。補助通
路33は、ベンチュリ10で形成されて混合気の空燃比を補
正するためのもので、途中に固定絞り34を備えている。

上記アクチュエータ32はライン41を介してコントロー
ラー40に電気的に接続している。コントローラー40は、
エンジンの種々の運転状態を検知して、アクチュエータ
32を制御するためのもので、上述の出力ライン41の他
に、入力ライン43、44、45がコントローラー40に接続し
ている。

ライン43はリーンバーンセンサー50に接続している。
リーンバーンセンサー50は排気通路51の途中に設けてあ
り、排気ガス中の酸素濃度を検知して、それに対応する
電流を出力としてコントローラー40へ送る。排気通路51
は図示されていない出口が別の排気ダクトに接続してお
り、入口が排気過給機２のタービン52に接続している。
むろん、タービン52の入口は、別の排気通路53及び排気
弁54を介して燃焼室９に接続している。

前記ライン44はブーストセンサー55に接続している。
ブーストセンサー55は、吸気弁８の上流近傍から導入さ
れた給気圧を検知する。

ライン45はセンサー56に接続している。センサー56は
磁気センサーであり、クランク軸57に設けたギヤ58又は
その他の回転体の回転角度位置を検知してその検知信号
をコントローラー40へ送る。これによりコントローラー
40はセンサー56を介してクランク軸57の回転角度位置及
び回転数を検出することができる。

更に前述のコンプレッサー３とインタークーラー５の
吸気通路部分には、安全弁装置60が設けてある。安全弁
装置60は、吸気通路４の上記部分と吸気通路１のコンプ
レッサー３と補助燃料通路22の間の部分とをつなぐ通路
61と、その通路61を閉鎖するばね付勢式の安全弁62とを
備えている。安全弁62は、通常の運転状態では、通路61
を閉鎖しているが、吸気通路４の圧力が以上に上昇する
と、その圧力を受けて通路61を開き、吸気通路４を吸気
通路１に連通させる。

上述のコントローラー40はアクチュエーター32の動作
を制御し、それにより流量制御弁31が以下のように作動
するが、その制御は、リーバーンセンサー50及び三元触
媒70の特性を考慮して以下のように行われる。

上記三元触媒70は、リーンバーンセンサー50よりも下
流側において排気通路51に設けてある。そして三元触媒
70自体は周知の構成であり、従って、排気浄化効果を有
効に発揮させるためには、第２図に示す最大値ａと最少
値ｂとの狭い範囲に吸気の空燃比を設定する必要があ
る。一方、リーンバーンセンサー50自体も周知の構造で
あり、空燃比の値ｃを境にして動作状態がオンとオフの
間で切り換わり、従って、空燃比が値ｃまで減少あるい
は増加したときに、コントローラー40へ信号を送る。そ
して、値ｃは上記最小値ｂよりも僅かに小さい。

以上を考慮すると、三元触媒70を有効に作用させ、し
かも、リーンバーンセンサー50により空燃比を監視する
ためには、第２図に示す曲線Ｍのように空燃比を時間的
に変化させる必要がある。この特性Ｍでは空燃比が上記
値ａと上記値ｃの間で周期的に変化する。このように大
部分の時間範囲において値ａと値ｂの間に維持されるの
で、三元触媒70は充分に排気浄化効果を発揮する。又、
空燃比が周期的かつ一時的に値ｃまで低下した時に、コ
ントローラー40はリーンバーンセンサー50からの信号に
より、空燃比が適当な範囲、すなわち、三元触媒70が確
実に機能する範囲に空燃比が維持されていることを確認
する。

そして上記特性Ｍを実現するために、アクチュエータ
ー32はコントローラー40からの信号により、流量制御弁
31の開度を周期的に変化させる。これにより第２の燃料
出口通路30から吸気通路１へ流入する燃料ガスの量が周
期的に変化する。一方、第１の燃料出口通路12からは、
レギュレーター13の作用により、ブースト圧（すなわち
エンジン負荷）に対応した量の燃料ガスが吸気通路１へ
流入する。このようにして両出口通路12、30からの燃料
ガス流量が制御されることにより、最適の燃焼特性及び
排気浄化特性が得られるように空燃比が制御される。

次の別の実施例を説明する。

第３図の実施例では、第１図の流量制御弁31やアクチ
ュエーター32が廃止されており、第２の燃料出口通路30
は固定絞り備えた一定の開度の通路となっている。

そして、第１の燃料出口通路12には混合気通路75の出
口が併設されている。混合気通路75は入口が、コンプレ
ッサー３とインタークーラー５の間において、吸気通路
４に接続している。

第４図の如く、混合気通路75の出口部はノズル76を形
成しており、出口通路12の中心部に配置されてベンチュ
リ10に向かって開口している。

この構造によると、エンジン負荷が増加してブースト
圧が増加すると、吸気通路４から混合気通路75を介して
吸気通路１へ戻される混合気の両が増加し、それに対応
して、第１、第２の燃料出口通路12、30から吸気通路１
へ流入する燃料ガスの量が相対的に低下する。そのため
に、ベンチュリ10で形成される混合気の空燃比が増大す
る。このようにエンジン負荷の増加に対応して空燃比が
増大するので、エンジン負荷とは無関係に燃焼状態を最
適の状態に維持し、排気の浄化を図ることができる。

詳しく説明すると、リーンバーンエンジンでは、エン
ジン負荷が増大すると同一の空燃比ではNOxが高くな
る。しかし、低負荷では定格出力で十分NOxが規制値以
下になるように大きな空燃比（リーン）にセットすると
スロットルが開くため、負荷の投入性が悪化する。した
がって、低負荷ではNOxが規制値を越えないレベルで空
燃比を小さくし、負荷の増大と共に空燃比を大きくする
とエンジンにとって最適な状態に維持することができ
る。

［発明の効果］ 第１図及び第２図に示す第１の発明では、過給機２の
コンプレッサー３よりも上流側において、吸気通路１に
燃料ガスが供給されるので、燃料ガスとして低圧のガス
を使用することができる。又、吸気の空燃比を制御する
流量制御弁31は排気ガス中の酸素濃度に基づいて制御さ
れるので、所要のエンジン出力特性及び排気浄化特性の
両方を維持するように空燃比を制御できる。

特にこの形式の制御装置は、燃料ガスの量を調整して
空燃比を制御する形式であるので、三元触媒方式のエン
ジン、すなわち、空気の量と比べて燃料の量が比較的多
い混合気を使用するエンジンに、特に有効であり、具体
的には、空燃比の制御精度を向上させることができる。

また、過給器付きのリーンバーンエンジンの場合に
は、エンジン始動時やアイドル運転時には吸気通路１内
の空気流速が低くなることにより、第１の出口通路12か
ら燃料ガスを流入させることが困難となるが、第１のレ
ギュレーター13よりも上流側の燃料ガス供給通路11部分
から補助燃料通路22を分岐して、吸気通路１に開口して
いるので、上記のようにエンジン始動時等でも、第１の
レギュレーター13で減圧されていない比較的高圧の燃料
ガスを、補助燃料通路22から吸気通路１に供給でき、エ
ンジン始動性能及びアイドリング性能を維持することが
できる。

第３図及び第４図に示す第２の発明でも、過給機２の
コンプレッサー３よりも上流側において、吸気通路１に
燃料ガスが供給されるので、燃料ガスとして低圧のガス
を使用することができる。又、この発明では、下流側の
吸気通路４からベンチュリ10へ混合気を流入させる形式
であるので、ブースト圧に対応させて空燃比を制御し、
それにより、所望の燃焼特性や排気浄化特性を得ること
ができるとともに、流量流制御弁やそれに関連する駆動
・制御機構が不要であり、従って、構造を簡単化でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の略図、第２図は空燃比特性を示
すグラフ、第３図は別の実施例の略図、第４図は第３図
の拡大部分図略図である。 １……吸気通路、２……排気過給機、３……コンプレッ
サー、４……吸気通路、10……ベンチュリ、11……燃料
ガス通路、12……第１の燃料出口通路、13……第１のレ
ギュレーター、20……第２のレギュレーター、30……第
２の燃料出口通路、31……流量制御弁、32……アクチュ
エータ、40……コントローラー、50……リーンバーンセ
ンサー、75……混合気通路

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】大気に連通する入口からエンジンの燃焼室
   まで延びる吸気通路の途中に過給機のコンプレッサーを
   設け、コンプレッサーよりも上流側において吸気通路に
   ベンチュリを設け、燃料ガス供給通路には、一定の開度
   でベンチュリに開口すると共に第１のレギュレーターを
   有する第１の燃料出口通路が接続し、第１のレギュレー
   ターよりも上流側には、該第１のレギュレーターへ供給
   されるガス圧力を調整する第２のレギュレーターを設
   け、両レギュレーター間の燃料ガス供給通路部分から
   は、下流側から順に、アクチュエータにより駆動される
   流量制御弁を設けた第２の燃料出口通路と、アイドルア
   ジャストを有する補助燃料通路を分岐し、第２の燃料出
   口通路はベンチュリに開口し、補助燃料通路はベンチュ
   リよりも下流側の吸気通路部分に開口し、上記アクチュ
   エータの動作を制御するコントローラーを設け、排気通
   路に設置されて排気ガスの酸素濃度を検出するリーンバ
   ーンセンサーを設け、リーンバーンセンサーからの信号
   に基づいてコントローラーがアクチュエータを制御する
   ようにしたことを特徴とするガスエンジンの空燃比制御
   装置。
2. 【請求項２】大気に連通する入口からエンジンの燃焼室
   まで延びる吸気通路の途中に過給機のコンプレッサーを
   設け、コンプレッサーよりも上流側において吸気通路に
   ベンチュリを設け、燃料ガス供給通路に第１及び第２の
   燃料出口通路を設け、両出口通路をベンチュリに開口さ
   せ、第１の燃料出口通路内に混合気通路の出口を併設
   し、混合気通路の入口をベンチュリとコンプレッサーと
   の間において吸気通路に接続したことを特徴とするガス
   エンジンの空燃比制御装置。