JP2981690B2

JP2981690B2 - 希薄燃焼ガス機関の空燃比制御装置

Info

Publication number: JP2981690B2
Application number: JP3116717A
Authority: JP
Inventors: 徹中園; 孝司古田; 廣紀西澤
Original assignee: Yanmar Diesel Engine Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 1991-04-19
Filing date: 1991-04-19
Publication date: 1999-11-22
Anticipated expiration: 2014-11-22
Also published as: JPH04321739A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は希薄燃焼ガス機関の空
燃比制御装置の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】機関の回転数と負荷を検出し、検出され
た結果に応じてマイコンで燃料の供給量を制御すること
により、空燃比を所定の値に維持するようにした電子制
御式の空燃比制御装置は周知である。また、リーンな空
燃比で運転するようにした希薄燃焼ガス機関も周知であ
って、リーンな領域で運転することにより特に窒素酸化
物の生成が抑えられる。

【０００３】このような希薄燃焼ガス機関であっても、
機関の始動時には確実に始動させるために空燃比をリッ
チにして燃料の比率を高め、あるいは燃料の供給量を増
加させる等の始動制御が一般に行われる。この場合に
は、回転が立ち上がってこれらの始動制御が不要な状態
になってからリーンな空燃比領域での定常運転制御に切
り替えるのであるが、従来は、この定常運転制御への切
り替えを機関回転数が一定の基準回転数に達したことを
検出して行っていた。しかし、切り替えに適した回転数
は機関ごとのバラツキが大きいため一律に決めることが
困難であり、確実な立ち上がりを期するために基準回転
数を高めに設定するのが普通である。このため、上述の
ように空燃比をリッチにしたり燃料を増量したりしてい
る始動制御から定常運転制御に切り替えた際には、一時
的に燃料供給が過剰になって機関回転数がオーバーシュ
ートすることが多く、回転数の安定した定常運転に速や
かに切り替えることが容易ではなかった。

【０００４】また、この種の制御は機関の回転数と負荷
及び燃料の供給量の関係を定めたマップをマイコンに記
憶させておき、このマップを用いて空燃比を所定値に維
持するようにしており、従来は始動制御用マップと定常
運転制御用マップとが一体になったマップを使用してい
る。また、定常運転制御用のマップの部分は負荷の増加
につれて燃料の供給量を増加するように構成されている
のは当然であるが、従来は機関回転数に対しては燃料供
給量を変化させないようなマップ構成となっていた。こ
のため、始動制御が行われる領域の回転数にまで機関回
転数が低下した場合には、自動的に始動制御用マップが
適用されて定常運転としては不適切な制御が行われる可
能性があり、また機関回転数が変化しても燃料供給量が
一定であるため負荷の投入や遮断時に回転数が変動しや
すく、例えば発電機駆動用の機関のように特に回転数を
一定に保つ必要のある用途の場合には大きな問題とな
る。

【０００５】更に、この種の装置ではガバナによるスロ
ットル弁の開閉制御と空燃比制御による燃料供給量の制
御とが同時に行われるので、この２種類の制御が重なる
と機関回転数の変動が増幅される可能性がある。このた
め、各制御の周期が偶然一致するとこれに起因するハン
チングが発生してすぐには収束しないという状態になる
ことがあり、これも前述のように回転数を一定に保つ必
要のある用途では大きな問題となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この発明はこれらの点
に着目し、希薄燃焼式のガス機関において空燃比制御が
適正に行われると共に回転数の安定した運転を可能とす
ることを課題としてなされたものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を達成するた
めに、第１の発明では、空燃比をリッチな状態にして始
動制御を行うと共に、始動制御中に機関回転数と吸気負
圧を検出し、機関回転数があらかじめ設定された基準回
転数以上に上昇し、且つ吸気負圧があらかじめ設定され
た基準吸気負圧以下に低下したことがそれぞれ検出され
ると、始動制御から定常運転制御に切り替えるようにし
ている。

【０００８】また第２の発明では、始動制御用のマップ
と定常運転制御用のマップが、対象とする回転数の少な
くとも一部が重なる状態でそれぞれ独立に設定されてお
り、且つ定常運転制御用のマップが定常運転時の負荷の
全域にわたって機関回転数の上昇につれて空燃比がより
リーンとなるように構成している。更に第３の発明で
は、定常運転制御において機関回転数の変動幅を検出
し、検出される変動幅の大きさに対応して空燃比の制御
周期を変化させるように構成している。図１は以上の各
発明の基本的な構成を示すブロック図である。Ａは機
関、Ｂはマイコン、Ｃは始動制御用マップ、Ｄは定常運
転制御用マップ、Ｅは機関回転数検出手段、Ｆは吸気負
圧検出手段、Ｇは燃焼供給手段、Ｈはガバナである。

【０００９】

【作用】始動時の初期にはガバナ作用によりスロットル
弁はほぼ全開となっているが、回転数が上昇すると次第
にスロットル弁は閉まり、無負荷運転であるから目標と
する回転数付近ではほぼ全閉となる。これに応じて吸気
負圧が低下するが、この吸気負圧の変化特性は機関によ
るバラツキがほとんどないため基準吸気負圧を一律に決
めても特に問題がなく、基準回転数と基準吸気負圧の両
方を用いて切り替え時期を判断することにより、回転数
のオーバーシュートが小さくなって回転数の安定した定
常運転に速やかに切り替えられる。

【００１０】また、始動制御用のマップと定常運転制御
用のマップを別々に設けることによって、機関回転数が
低下しても定常運転制御が適正に行われる。また定常運
転制御用のマップを回転数が高くなるとリーンになり、
低くなるとリッチになるように構成することにより、回
転数の変動が小さくなる。更に、機関回転数の変動幅に
対応して空燃比の制御周期を変化させることによって、
ガバナ制御と空燃比制御の周期が一致した時に発生する
ハンチングが防止される。

【００１１】

【実施例】以下、図示の実施例について説明する。図１
は各発明に共通のブロック図であり、１は機関、２はガ
スレギュレータ、３はステップモータ３ａによって開度
を調整する構造のガス調量弁、４はミキサー、５はスロ
ットル弁、６はガバナ、７は吸気管、８は吸気弁、９は
排気管、１０は排気弁、１１はマイコンを用いた制御部
である。機関１は希薄燃焼状態で運転して排気中の窒素
酸化物を低減するように調整されており、燃料のガス１
２はガスレギュレータ２で所定の圧力に調整され、ガス
調量弁３を経てミキサー４で空気１３と混合された後、
吸気管７を経て機関１に供給され、燃焼後の排気ガス１
４は排気管９を経て排出される。

【００１２】１６はスロットル弁５の下流に設けられて
吸気管７内の圧力を検出する吸気負圧センサ、１７は機
関回転数を検出する回転センサであり、これらの出力信
号はいずれも制御部１１に入力されている。また１８は
同じく回転センサであり、この出力信号はガバナ６に入
力されている。１９はこれらの回転センサ１７，１８が
近接配置されている回転検出用のギアである。制御部１
１はＣＰＵ１１ａやメモリ１１ｂを備えており、メモリ
１１ｂにはこの発明に係る制御に用いる基準回転数と基
準吸気負圧のデータ、始動制御用及び定常運転制御用の
マップ等のほか、機関１の運転全般の制御のためのマッ
プ類や各種制御に必要なプログラム類等が記憶されてい
る。

【００１３】まず、第１の発明について図３に示すタイ
ムチャートにより説明する。図において、Ｎ₀は定格回
転数、Ｎｓは基準回転数、Ｐｓは基準吸気負圧である。
時刻ｔ₀に始動が開始されて図外のスタータにより機関
１が駆動されて始動すると、機関回転数は(a)のように
次第に上昇する。この時にはスロットル弁５は(b)のよ
うにほぼ全開になっており、また吸気負圧は(c)のよう
にほぼ大気圧と等しく、制御は(d)のように始動制御が
選択されている。やがて回転数が上昇して時刻ｔ₁に基
準回転数Ｎｓに達する頃には、スロットル弁５は少し閉
じ、吸気負圧センサ１６で検出される吸気負圧も低下す
るが、この時にはまだ基準吸気負圧Ｐｓには達していな
い。そして時刻ｔ₂に吸気負圧が基準吸気負圧Ｐｓに達
すると、マイコン１１は(d)のように制御を定常運転制
御に切り替え、以後は定常運転制御用マップを用いた制
御が行われるのである。

【００１４】なお、この切り替えの直後は無負荷である
ため、図のようにスロットル弁５はほぼ全閉状態とな
り、また吸気負圧は例えば−５６０mmHg程度の最低値に
まで下がる。そして、その後の負荷の投入と共にスロッ
トル弁５は負荷に応じた開度に制御され、吸気負圧もそ
れに応じた値となる。

【００１５】上記の基準回転数は例えば定格回転数が
１，５００ｒｐｍであれば１，５５０ｒｐｍ程度に選定
されるが、この値は従来の基準回転数のみによって切り
替え判定を行う場合よりも低い値でよい。これは、前述
したように従来は基準回転数を高めに設定していたのに
対して、この発明の場合は立ち上がりの判定にバラツキ
の少ない吸気負圧も利用しており、基準回転数を高めに
設定する必要がないためである。従って、従来は図の
(a)に実線で示してあるように大きくオーバーシュート
し、切り替え後の回転数の変動が大きくなっていたのに
対して、この発明によれば破線のようにオーバーシュー
トが小さくなり、定常運転に速やかに移ることができる
のである。

【００１６】次に第２の発明について説明する。図５は
マップをグラフ化して示したものであり、(a)及び(b)は
実施例の定常運転制御用及び始動制御用のマップ、(c)
は従来例のマップの例である。縦軸は燃料供給量をガス
調量弁３のステップモータ３ａの駆動ステップ数で表わ
したものであり、ステップ数が大きいほどリッチとな
る。図中の吸気負圧と回転数の数値は一例を示したもの
である。なお、希薄燃焼ガス機関では負荷の増大につれ
て空燃比をリーンにすることによって、大きな負荷の時
により多く発生しやすくなる窒素酸化物を抑制してお
り、上記のマップ３１あるいは３１ａは吸気負圧が高く
なるほどステップ数が小さくなるように吸気負圧の軸に
対して傾斜したものとなっている。

【００１７】(ｃ)に示すように、従来は始動制御用のマ
ップ３２ａと定常運転制御用のマップ３１ａが一体に構
成されており、前述のように機関回転数が何らかの理由
で始動制御の領域の回転数(図示の例では１，２００ｒ
ｐｍ以下)に低下すると、自動的に始動制御用マップ３
２ａが適用されることにより、制御が正常に行われない
状態になる可能性があったのである。これに対して、こ
の実施例では２種類のマップ３１及び３２が別に用意さ
れてこれを選択して用いるようにしているので、定常運
転制御に移行した後に始動制御が行われるような領域ま
で機関回転数が低下することがあっても、始動制御用マ
ップ３２が使用されることはない。

【００１８】また、従来例の定常運転制御用マップ３１
ａは、矢印で示したように機関回転数の軸に平行で回転
数が変化してもステップ数が変わらず、１サイクル当た
りの燃料供給量が一定である。このため、例えば大きな
負荷が急に投入されて回転数が低下するとガバナの作用
でスロットル弁が開くが、吸気負圧が高くなって空燃比
がリーン側に移動するため燃料が不足気味となって回転
数が回復せず、結果的に回転数が大きく低下してしま
う。また一旦回転数が回復するとスロットル弁が閉じ、
吸気負圧が低くなって空燃比がリッチ側に移動するため
今度は燃料が過剰気味になり、馬力が出過ぎて回転数が
上昇してしまう。このような経過で負荷の変化に伴って
回転数が変動しやすいのである。

【００１９】これに対して、この実施例のマップ３１
は、矢印で示したように機関回転数が増加するにつれて
ステップ数が減少するようにステップ数の設定を傾斜さ
せているので、負荷の変化に伴う回転数の変動が小さく
なる。すなわち、基本的な動作は上述の従来例と同様で
あるが、大きな負荷が急に投入されて回転数が低下する
と、吸気負圧が高くなって空燃比がリーン側に移動する
だけでなく、回転数の低下に応じてステップ数が増加し
てリッチ側に移動するという動作が同時に行われるの
で、回転数の低下幅が従来の場合よりも小さくなり、ま
た回転数が回復するとステップ数が減少してリーン側に
移動するため回転数の上昇が抑えられることになる。こ
れらの結果、実施例では負荷の変化に伴う回転数の変動
が小さくなって、安定した運転状態に速やかに戻ること
ができるのであり、図４は以上の動作を示したタイムチ
ャートである。なお、この図４において(a)の機関回転
数及び(c)の空燃比の実線は従来例の場合を、また破線
は実施例の場合をそれぞれ示している。

【００２０】次に第３の発明について説明する。図６は
負荷と窒素酸化物(ＮＯｘ)及び空燃比の３者の関係を例
示したものであり、(a)及び(b)のようにＮＯｘの発生は
負荷が大きいほど多く、また空燃比がリーンであるほど
少なくなる。そこで希薄燃焼ガス機関ではリーンな空燃
比で運転し、しかも負荷の増大につれて空燃比をリーン
側に移動するように制御しているわけである。

【００２１】ところで、既に述べたように、ガバナによ
るスロットル弁の開閉制御と空燃比制御による燃焼供給
量の制御とが同時に行われた場合、この２種類の制御が
機関回転数の変動を増幅するタイミングで重なる可能性
があり、各制御の周期が一致するとこれに起因するハン
チングが発生する。そこで、この発明では機関回転数の
変動幅に対応して空燃比の制御速度を変化させることに
よって制御周期を変化させ、ガバナ制御と空燃比制御の
周期が一致しないようにしてハンチングを防止している
のであり、図７及び図８にその制御手順の一例を示す。

【００２２】図８の(a)はメインルーチンであって、ス
テップＳ１はカウント数算出のサブルーチンである。こ
のサブルーチンでは、(b)のようにまずステップＳ１１
で機関回転数を読み取り、次のステップＳ１２で一定期
間、例えば１５秒間程度の期間の平均振幅を求めること
によって回転数振幅Ｗを算出し、これをステップＳ１３
であらかじめ設定された基準値Ｋと比較する。そしてＷ
＞ＫであればステップＳ１４で(c)のようなカウント数
算出用マップから回転数振幅Ｗに対応するカウント数
Ｃ、例えば図に例示したように振幅Ｗ₂に対してカウン
ト数Ｃ₂を算出し、またＷ₂より小さな振幅Ｗ₁に対して
Ｃ₂より小さなカウント数Ｃ₁を算出する。

【００２３】メインルーチンでは、次のステップＳ２で
上記のカウント数Ｃだけクロックのカウントを読み取っ
た後、ステップＳ３に進んで吸気負圧を読み取る。そし
て次のステップＳ４で、この吸気負圧と先に読み取った
機関回転数に対応するステップ数を前述の実施例で説明
した図４のマップから読み取り、更にステップＳ５で前
回のステップ数と今回のステップ数の移動平均値を算出
し、この結果がステップＳ６で出力されてガス調量弁３
のステップモータ３ａが駆動される。

【００２４】すなわち、ステップＳ１４で求めたカウン
ト数に応じてステップＳ２でクロックをカウントしてい
るので、このカウント数だけステップモータ３ａを駆動
するタイミングが遅れるのであり、このような制御手順
によって、制御速度は回転数の振幅が大きければ遅くな
り、小さければ速くなる。従って、ガバナによる制御と
空燃比制御の周期が偶然一致してこれに起因するハンチ
ングが発生しても、振幅がある程度大きくなると空燃比
制御の周期が自動的に変更されて周期の一致が崩れ、ハ
ンチングの継続を防止して回転数の安定した運転状態に
戻すことができるのである。

【００２５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、この出
願の第１の発明は、機関回転数が基準回転数以上に上昇
し、且つ吸気負圧が基準吸気負圧以下に低下した時に始
動制御から定常運転制御への切り替えを行うようにした
ものである。このように、切り替え判定に機関によるバ
ラツキがほとんどない吸気負圧を利用することにより、
回転数のオーバーシュートを小さくして回転数の安定し
た定常運転に速やかに切り替えることができる。

【００２６】また第２の発明は、始動制御用と定常運転
制御用のマップを別々に設けると共に、定常運転制御用
のマップを機関回転数の上昇につれて空燃比がリーンと
なるようにしたものである。従って、定常運転中に機関
回転数が低下しても始動制御に戻るようなことがなく、
定常運転制御が適正に行われると共に、定常運転中に回
転数が変動した場合に変動を抑える方向に空燃比が制御
されるので、負荷が急変した時でも回転数の変動が小さ
く、発電機駆動用のように特に回転数を一定に保つ必要
のある用途に適した制御が可能となる。また第３の発明
は、機関回転数の変動幅に対応して空燃比の制御周期を
変化させるようにしたものであり、ガバナ制御と空燃比
制御の周期の一致に起因して発生するハンチングを防止
して安定した回転数で運転することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】各発明の基本的な構成を示すブロック図であ
る。

【図２】各発明に共通した一実施例の概略構成図であ
る。

【図３】第１の発明の実施例の動作を説明するタイムチ
ャートである。

【図４】第２の発明の実施例の動作を説明するタイムチ
ャートである。

【図５】同実施例と従来例の各マップをグラフ化して示
した図である。

【図６】負荷、窒素酸化物及び空燃比の関係を例示した
図である。

【図７】第３の発明の実施例の動作を説明するタイムチ
ャートである。

【図８】同実施例の制御手順を示すフローチャート及び
マップを示す図である。

【符号の説明】

１機関３ガス調量弁３ａステップモータ４ミキサー５スロットル弁６ガバナ７吸気管１１制御部１１ａＣＰＵ１１ｂメモリ１６吸気負圧センサ１７，１８回転センサ

フロントページの続き (56)参考文献特開昭64−77734（ＪＰ，Ａ) 特開平２−95743（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−38853（ＪＰ，Ａ) 特開平２−81728（ＪＰ，Ａ) 実開平２−103146（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F02D 41/14 310 F02D 19/02 F02D 41/06 305

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】検出された機関の回転数と負荷に応じて
マイコンによりガス燃料の供給量を制御し、定常状態で
は空燃比のリーンな領域で運転される希薄燃焼ガス機関
の空燃比制御装置であって、空燃比をリッチな状態にし
て始動制御を行うと共に、始動制御中に機関回転数と吸
気負圧を検出し、機関回転数があらかじめ設定された基
準回転数以上に上昇し、且つ吸気負圧があらかじめ設定
された基準吸気負圧以下に低下したことがそれぞれ検出
されると、始動制御から定常運転制御に切り替えること
を特徴とする希薄燃焼ガス機関の空燃比制御装置。
【請求項２】検出された機関の回転数と負荷に応じて
マイコンによりガス燃料の供給量を制御し、定常状態で
は空燃比のリーンな領域で運転される希薄燃焼ガス機関
の空燃比制御装置であって、始動制御用のマップと定常
運転制御用のマップが、対象とする回転数の少なくとも
一部が重なる状態でそれぞれ独立に設定されており、且
つ定常運転制御用のマップが定常運転時の負荷の全域に
わたって機関回転数の上昇につれて空燃比がよりリーン
となるように構成されていることを特徴とする希薄燃焼
ガス機関の空燃比制御装置。
【請求項３】検出された機関の回転数と負荷に応じて
マイコンによりガス燃料の供給量を制御し、定常状態で
は空燃比のリーンな領域で運転される希薄燃焼ガス機関
の空燃比制御装置であって、定常運転制御において機関
回転数の変動幅を検出し、検出される変動幅の大きさに
対応して空燃比の制御周期を変化させるように構成され
ていることを特徴とする希薄燃焼ガス機関の空燃比制御
装置。