JP3139592B2 - ガス燃料エンジンの混合気形成装置 - Google Patents

ガス燃料エンジンの混合気形成装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ガス燃料エンジンの混
合気形成装置に関し、詳細には、始動後のファーストア
イドル状態でリーン運転するようにした場合の、Ｏ2 セ
ンサの活性判断方法の改善に関する。
【０００２】
【従来の技術】ガス燃料エンジンの混合気形成装置とし
て、吸気通路のガス燃料通路接続部に可変ベンチュリ型
ミキサを配設し、上記ガス燃料通路にブリードエア通路
を接続するとともに該ブリードエア通路の通路面積を可
変制御するブリードエア制御弁を設けたものがある。こ
の種の装置では、排気ガス中の酸素濃度を用いたフィー
ドバック制御によってλ＝１になるようにブリードエア
制御弁の開度が制御される。なお、上記λは、実際の空
燃比Ｆ／理論空燃比Ｆｃで定義され、ストイキ状態の混
合気では、ガス燃料の種類，及び組成の如何にかかわら
ず常にλ＝１である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記混合気
形成装置では、例えばエンジン冷間始動時のようにＯ2
センサが活性化するまでは上記フィードバック制御がで
きないという問題がある。しかも上記Ｏ2 センサは、一
般にリッチ混合気を供給したときにのみ検出信号を出力
することから、ファーストアイドル時にリーン運転を行
うエンジンの場合、センサが活性化していないために出
力がないのか、あるいは混合気がリーンであるために出
力がないのかの判別ができない。そこで本件出願人はＯ
2 センサの活性化状態を判断するために専用のバルブを
設け、上記リーン運転をしながら時々上記専用バルブに
よりリッチの混合気を供給して上記λを１より大きく
し、これによりＯ2 センサが活性化しているか否かの判
断を行うものを提案している。
【０００４】しかし上記提案に係る装置では、上述のよ
うに専用のバルブが必要であり、部品点数が増すととも
に構造の複雑化を招き、コスト増となる問題がある。
【０００５】本発明は上記問題点に鑑みてなされたもの
で、専用のバルブを必要とすることなく、リーン運転を
継続しながらリッチ混合気を供給でき、Ｏ2 センサの活
性化状態を判断できるガス燃料エンジンの混合気形成装
置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、吸気弁開口に
連なる吸気通路の途中にガス燃料通路を接続し、該ガス
燃料通路の途中にブリードエア通路を接続し、上記吸気
通路のガス燃料通路接続部に可変ベンチュリ型ミキサを
配設し、上記ブリードエア通路の通路面積を可変制御す
るブリードエア制御弁を設け、ブリードエア量によりガ
ス燃料量を制御することにより所定空燃比の混合気を形
成するようにしたガス燃料エンジンの混合気形成装置に
おいて、ファーストアイドル域にて上記ブリードエア制
御弁の開度を理論空燃比時の開度より大きくしてリーン
運転を行うとともに、該ブリードエア制御弁の開度を、
間隔をあけて短時間ずつ理論空燃比時の開度より小さく
してリッチ空燃比の混合気を供給する空燃比制御手段を
備えたことを特徴としている。
【０００７】ここで本発明におけるファーストアイドル
域とは、エンジン冷間始動後、暖機運転完了までの比較
的高いエンジン回転数で行われるアイドル運転域のこと
である。
【０００８】
【作用】本発明に係るガス燃料エンジンの混合気形成装
置によれば、リーン運転を継続しながら間隔をあけて短
時間ずつブリードエア制御弁を絞り込むことによりリッ
チ空燃比の混合気を供給するようにしたので、Ｏ2 セン
サの反応により該センサの活性化状態を判断することが
できる。即ち、Ｏ2 センサはリッチ混合気の供給により
出力するのであるから、上記リッチ空燃比の混合気を供
給してもセンサ出力がない場合は、該センサは不活性状
態であると判断できる。
【０００９】そして本実施例では、上記リッチ混合気の
供給を、ブリードエア制御弁を理論空燃比時開度より小
さくすることによって実現したので、リッチ混合気供給
用専用バルブは不要である。
【００１０】
【実施例】以下本発明の実施例を添付図面に基づいて説
明する。図１ないし図５は本発明の一実施例によるＬＰ
Ｇエンジンの混合気形成装置を説明するための図であ
り、図１は全体構成図、図２は要部の拡大断面図、図３
は吸入空気流量と燃料流量との関係を示す特性図、図４
は動作を説明するためのフローチャート図、図５はリッ
チ混合気を供給するためのステップ数特性図である。
【００１１】図において、１は本発明の一実施例装置を
備えた水冷式４気筒４バルブ型ＬＰＧエンジンであり、
該エンジン１のシリンダブロック２上にはシリンダヘッ
ド３がヘッドボルトで締結されており、該シリンダヘッ
ド３上にはヘッドカバー４が装着されている。また上記
シリンダブロック２のシリンダボア２ａ内に挿入配置さ
れたピストン５はコンロッドでクランク軸に連結されて
いる。
【００１２】また上記シリンダヘッド３の燃焼凹部３ａ
に開口する吸気弁開口３ｂ，排気弁開口３ｃには、それ
ぞれ吸気弁６，排気弁７が配設されている。該各弁６，
７は弁ばね８により上記各開口３ｂ，３ｃを閉じる方向
に付勢されており、かつリフタ９を介して吸気，排気カ
ム１０，１１により開側に押圧駆動される。
【００１３】上記排気弁開口３ｃは排気ポート１２によ
りシリンダヘッド前壁に導出されている。該排気ポート
１２の壁面開口部には排気マニホールド１３が接続され
ており、該排気マニホールド１３の合流部には上流側，
下流側触媒１４，１５が介設されている。また上記排気
マニホールド１３の上流側触媒１４より少し上流側には
排気ガス中の酸素濃度を検出するＯ2 センサ１６が配設
されている。このＯ2センサ１６は、混合気の空燃比
（Ａ／Ｆ）がリッチ側にあるときに検出信号を出力する
タイプのものが採用されている。なお、上記Ｏ2 センサ
として、勿論リーン側にあるとき検出信号を出力するタ
イプのものを採用しても良い。
【００１４】上記吸気弁開口３ｂは吸気ポート１７によ
りシリンダヘッド後壁側に導出されている。この吸気ポ
ート１７の壁面開口にはプリナムチャンバ１８ａを有す
る吸気マニホールド１８が接続されている。上記プリナ
ムチャンバ１８ａはＥＧＲバルブ３７を有するＥＧＲ通
路３８によって上記排気マニホールド１３に連通接続さ
れており、該ＥＧＲバルブ３７はＥＧＲレギュレータ３
９からの吸気負圧で開閉駆動され、上記プリナムチャン
バ１８ａにＥＧＲガスを導入する。
【００１５】また上記プリナムチャンバ１８ａの上流側
開口には本実施例の混合気形成装置１９を介してエアク
リーナ２０が接続されている。この混合気形成装置１９
は、上記エアクリーナ２０と上記プリナムチャンバ１８
ａとを連通する吸気通路２１と、該吸気通路２１に一体
的に形成された燃料供給チャンバ２２とガス燃料源とを
連通接続するガス燃料通路２３と、上記燃料供給チャン
バ２２のガス燃料通路接続部より上流側部分と上記エア
クリーナ２０内とを連通接続するブリードエア通路２４
と、上記吸気通路２１のベンチュリ部２１ａの通路面積
を可変制御する可変ベンチュリ型ミキサ（混合器）２５
と、上記燃料供給チャンバ２２に供給される燃料圧力を
調整するレギュレータ２６と、ブリードエア量を制御す
ることにより燃料供給チャンバ２２に供給される燃料量
を制御するブリードエア制御弁２７とを備えている。
【００１６】上記ミキサ２５は、吸気通路２１の上記ベ
ンチュリ部２１ａ部分に配設されており、密閉ボックス
状のチャンバ２８と、該チャンバ２８内に摺動自在に配
設され、上記ベンチュリ部２１ａ内に出没するピストン
２９とを備えている。該ピストン２９は上記チャンバ２
８内に配置されたばね３０により閉方向に付勢されてい
る。また上記チャンバ２８の上記ピストン２９で画成さ
れた一方の空気室Ａは連通孔２９ａを介して上記ベンチ
ュリ部２１ａ部分に、他方の空気室Ｂは連通パイプ２８
ａを介して上記ベンチュリ部２１ａより上流側に連通し
ている。
【００１７】また上記吸気通路２１のミキサ下流側に
は、スロットルバルブ３２が配設されており、該スロッ
トルバルブ３２を開くことにより吸気流量が増大して上
記ベンチュリ部２１ａ部分が負圧になると、この負圧が
上記空気室Ａ内に導入されることからピストン２９は上
記ばね３０の付勢力に抗して上記ベンチュリ部２１ａの
通路面積を拡大するよう移動する。
【００１８】さらにまた上記吸気通路２１にはスロット
ルバルブ３２を迂回するようにアイドルバイパス通路４
０が形成されており、該通路４０には通路面積を可変制
御するアイドル制御弁４１が配設されている。アイドル
回転数が所定値以下になるとアイドル制御弁４１が上記
アイドルバイパス通路４０を開き、アイドル回転数を上
昇させる。
【００１９】上記レギュレータ２６は、燃料源からのガ
ス燃料圧力を所定圧力に減圧する第１圧力調整弁と、該
調整弁により減圧されたガス燃料の圧力をさらに大気圧
よりもわずかに低い圧力に減圧する第２圧力調整弁を備
えた２段階減圧式のものである。
【００２０】また上記ガス燃料通路２３のレギュレータ
２６より下流側には、燃料遮断弁３３が介設されてい
る。この燃料遮断弁３３は、エンジンの急減速時におい
て燃焼室内への燃料供給を遮断することにより、燃料が
不完全燃焼のまま触媒１４に流入するのを回避するため
のものである。急減速時、即ちエンジン高速回転中にス
ロットルバルブ３２を急激に絞った場合には、プリナム
チャンバ１８ａ内の負圧が切換弁３４を介して燃料遮断
弁３３に導入され、これにより該遮断弁３３がガス燃料
通路２３を遮断する。
【００２１】上記ブリードエア制御弁２７は、弁体２７
ａをステップモータ２７ｂによって進退させることによ
り、ブリードエア通路２４の燃料供給チャンバ２２への
開口２２ｂの面積を制御するように構成されている。該
ブリードエア制御弁２７は、ステップモータ２７ａのス
テップ数が０の場合に上記開口２２ｂを全閉（開度０
％）とし、ステップ数１００の場合に全開（開度１００
％）とする。
【００２２】また上記ピストン２９の先端には、上記燃
料供給チャンバ２２と上記ベンチュリ部２１ａとの境界
壁に形成された主ジェット２２ａと協働するニードル弁
（メータリングロッド）３１が設けられている。この主
ジェット２２ａ及びニードル弁３１は、通常の運転状態
において吸入空気量が変化しても上記ブリードエア制御
弁２７のステップ数が略基準ステップ数のままＡ／Ｆを
略一定（λ＝１）に保持できるようにその形状，寸法が
設定されている。
【００２３】この点を図３を参照しながら詳細に説明す
ると、図３（ａ）において、横軸は吸入空気流量、縦軸
は燃料流量であり、破線は燃料がプロパンの場合のλ＝
１における流量特性（計算値）を示している。曲線Ａ〜
Ｃはブリードエア制御弁２７による上記開口２２ｂの開
度（以下ブリードエア制御弁開度と記す）を０％（ステ
ップ数０），５０％（ステップ数５０），１００％（ス
テップ数１００）に変化させた場合の実験結果を示す。
この実験結果から、ブリードエア制御弁開度を５０％
（ステップ数５０）に設定しておけば、吸入空気流量Ｑ
の変化に対して燃料流量ｑは略上記λ＝１に沿って変化
し、換言すればスロットルバルブ３２の開閉に関わらず
ブリードエア制御弁２７のステップ数は略５０に保持さ
れることが判る。
【００２４】そして上記吸気通路２１のベンチュリ部２
１ａより上流側部分と上記燃料供給チャンバ２２内とは
補助エア通路３５によって連通している。またこの補助
エア通路３５には手動式ニードル弁３６が配設されてい
る。このニードル弁３６は、ねじ込み量を調整すること
によってその弁体３６ａが補助エア導入口３５ａの開口
面積を調整するように構成されている。例えばこのニー
ドル弁３６を開けると燃料供給チャンバ２２内に導入さ
れる空気流量が増加し、上記ブリードエア制御弁開度が
一定であればそれだけガス燃料量が減少してＡ／Ｆはリ
ーン側に変化する。但し、フィードバック制御が作動し
ている場合は、λ＝１になるようにブリードエア制御弁
２７のステップ数が変化する。
【００２５】４２はＥＣＵであり、このＥＣＵ４２は、
上記Ｏ2 センサ１６からの酸素濃度，水温センサ４３か
らのエンジン温度，負圧センサ４４からの吸気負圧，エ
ンジン回転数，スロットル開度，吸気流量等のエンジン
運転状態を表す各種信号が入力され、上記ブリードエア
制御弁２７，燃料遮断弁３３用切換弁３４，及びアイド
ル制御弁４１等の動作を以下詳述するように制御する。
【００２６】次に本実施例の作用効果について説明す
る。スロットルバルブ３２が略全閉（アイドル位置）の
場合はベンチュリ部２１ａを流れる吸入空気流量が最少
であることから該ベンチュリ部２１ａは略大気圧に近い
アイドル時の負圧状態であり、従ってミキサ２５のピス
トン２９がばね３０の付勢力により突出して上記ベンチ
ュリ部２１ａが略全閉となり、主ジェット２２ｂとニー
ドル弁３１との隙間が最少となり、燃料流量も最少とな
る。この状態からスロットルバルブ３２を開いていくに
つれてベンチュリ部２１ａを流れる吸入空気流量が増大
し、該部分の流速が増加して該ベンチュリ部２１ａ部分
の負圧が大きくなり、ピストン２９がばね３０の付勢力
に抗して該ベンチュリ部２１ａを開き、燃料流量も増加
する。
【００２７】ここで、エンジン始動後のファーストアイ
ドリング時のリーン運転等においては、上記Ｏ2 センサ
１６の活性化状態が不明の場合がある。そこで本実施例
では以下図４，５に基づいて説明する方法によって活性
化しているか否かの判断を行うようにしている。
【００２８】上記Ｏ2 センサ１６の活性化状態の判断
は、リッチ空燃比の混合気（ダミーのリッチ信号）を周
期的に供給し、該混合気に対する上記センサ１６の反応
により判断される。なお、上記ダミーのリッチ信号の周
期，長さはエンジン運転状態に応じて可変制御される。
具体的には、まず、上記Ｏ2 センサ１６によるフィード
バック制御がされていない場合、即ち、上記センサ１６
から信号が出力されていない場合は、上記水温センサ４
３からのエンジン温度に応じた補正係数によってダミー
リッチ信号周期を補正算出する（ステップＳ１〜Ｓ
２）。これは、例えば低温時ほど、上記供給されるダミ
ーのリッチ信号の発生周期を長くするとともに、発生時
間を長くする等のエンジンの温度に対する信号要素の補
正を行うためである。
【００２９】次に、上記補正された周期の信号発生タイ
ミングが到来したら上記リッチ信号の発生処理を行う
（ステップＳ３〜Ｓ４）。この処理は、上記ブリードエ
ア制御弁２７のステップモータ２７ｂのステップ数を、
理論空燃比時のステップ数より小さい側に、例えば図５
に示すステップ数ＳＯに周期的に短時間だけ制御し、こ
れによりリッチ空燃比の混合気が塊状に供給される。こ
の時、図５に示すように、ダミーリッチ信号の発生周期
はｔ１に、発生時間はｔ２に制御されている。なお、上
記塊状の混合気は、いわゆるパルス状をなしている場合
だけでなく、形状が比較的不明確な場合もある。
【００３０】そして、上記噴射供給されたリッチ混合気
に対するＯ2 センサ１６の反応により活性化状態を判断
する。即ち、上記リッチ混合気を供給したにもかかわら
ずセンサ出力がない場合は活性化していないと判断し
（ステップＳ５）、ステップＳ３に戻ってダミーリッチ
信号の供給を繰り返す。
【００３１】ステップＳ５でＯ2 センサ１６の出力があ
った場合は、ステップＳ６に移行し、アイドルスイッチ
のオン，オフによってそれぞれアイドル運転，通常運転
におけるフィードバック制御を行い各状態に適したブリ
ードエア制御弁（ＡＢＣＶ）２７のステップ数を算出
し、上記制御弁２７を該ステップ数に駆動処理する（ス
テップＳ７，Ｓ８）。
【００３２】上述のように、Ｏ2 センサ１６が活性状態
となり、上記スロットルバルブ３２の開度変化によって
吸入空気流量が変化すると、上記ＥＣＵ４２は、Ｏ2 セ
ンサ１６の出力を受けて、ブリードエア制御弁２７用ス
テップモータ２７ｂのステップ数を、λ＝１となるよう
にフィードバック制御する。この場合、上述のように、
ブリードエア制御弁開度が５０％の場合に略λ＝１とな
るように装置全体が設計されているので、上記ステップ
モータ２７ｂのステップ数は略５０となる。
【００３３】また急減速時、例えばエンジン高速回転中
にスロットルバルブ３２が急激に絞られたとき等には、
この急減速状態が負圧センサ４４によって検出され、こ
の検出信号により上記ＥＣＵ４２が切換弁３４に開信号
を出力し、これにより上記負圧が燃料遮断弁３３に導入
され、該遮断弁３３がガス燃料通路２３を遮断し、燃料
が不完全燃焼のまま触媒１４に流入するのが回避され
る。
【００３４】一方、上記主ジェット２２ａ，ニードル弁
３１等の製造時のばらつき、エアクリーナの目詰まり、
あるいは経年変化によって上記λ＝１の場合のブリード
エア制御弁２７のステップ数が例えば図３（ｂ）に示す
ように５０から７０程度にずれる場合がある。なおこの
場合に、ステップ数が５０のままであれば、吸入空気流
量Ｑ時の燃料流量は設計値ｑに対してｑ′と増加し、空
燃比はリッチ側にずれてしまう。このような場合にはフ
ィードバック制御により、λ＝１を実現するためにステ
ップ数は５０から上記７０程度に調整される訳である
が、その結果、ブリードエア制御弁開度の開側への余裕
が設計値５０％から３０％に制約され、従ってリーン側
への制御可能範囲が狭くなる。
【００３５】一方、主ジェット２２ａの開口面積がカー
ボン付着等によって狭くなった場合は、そのままでは空
燃比はリーン側にずれてしまうので、ステップ数は５０
から３０程度に調整され、その結果リッチ側への制御可
能範囲が狭くなる。
【００３６】このような場合、本実施例では、補助エア
通路３５の開口面積を手動弁３６によって調整すること
により、上記λ＝１におけるステップ数を当初の基準ス
テップ数５０に調整できる。上述のステップ数７０にず
れた場合の調整方法を具体的に説明すれば、まずエンジ
ンをホットアイドル状態とし、かつフィードバック制御
が作動した状態とする。この状態で、上記手動弁３６を
上記開口３６の面積が大きくなるように調整して燃料供
給チャンバ２２内に供給される空気流量を増加させる。
するとこの空気流量増加の分だけガス燃料流量が減少し
て空燃比がリーン側に変化するので、ＥＣＵ４２がフィ
ードバック制御によりブリードエア制御弁開度が狭くな
るようにステップ数を制御する。その結果、λ＝１のと
きのステップ数が図３（ｃ）に示すように基準ステップ
数５０に戻ることとなる。
【００３７】
【発明の効果】本発明に係るガス燃料エンジンの混合気
形成装置によれば、周期的にリッチ空燃比の混合気を供
給するようにしたので、リーン運転時においてもＯ2 セ
ンサの活性化状態の判断を行うことができ、ひいてはフ
ィードバック制御開始時の判定ができる効果があり、ま
た上記リッチ混合気の供給をブリードエア制御弁の開度
を制御することによって行うようにしたので、専用バル
ブを不要にでき、部品点数を低減して、機構を簡略化で
き、コストを削減できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例によるＬＰＧエンジン用混合
気形成装置の全体構成図である。
【図２】上記実施例装置の要部拡大図である。
【図３】上記実施例装置の動作を説明するためのブリー
ドエア制御弁開度−吸入空気流量−燃料流量特性図であ
る。
【図４】上記実施例におけるＯ2 センサの活性化状態の
判断を説明するためのフローチャート図である。
【図５】上記実施例におけるダミーのリッチ信号を説明
するための模式図である。
【符号の説明】
１ ＬＰＧエンジン（ガス燃料エンジン） ３ｂ 吸気弁開口 ３ｃ 排気弁開口 １９ 混合気形成装置 ２１ 吸気通路 ２３ ガス燃料通路 ２４ ブリードエア通路 ２５ 可変ベンチュリ型ミキサ ２７ ブリードエア制御弁 ４２ ＥＣＵ（空燃比制御手段）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｍ 21/04 Ｆ０２Ｍ 21/04 Ｌ (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F02M 21/02 301 F02M 21/02 311 F02D 19/02 F02D 41/14 310 F02M 21/04

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 吸気弁開口に連なる吸気通路の途中にガ
    ス燃料通路を接続し、該ガス燃料通路の途中にブリード
    エア通路を接続し、上記吸気通路のガス燃料通路接続部
    に可変ベンチュリ型ミキサを配設し、上記ブリードエア
    通路の通路面積を可変制御するブリードエア制御弁を設
    け、ブリードエア量によりガス燃料量を制御することに
    より所定空燃比の混合気を形成するようにしたガス燃料
    エンジンの混合気形成装置において、ファーストアイド
    ル域にて上記ブリードエア制御弁の開度を理論空燃比時
    の開度より大きくしてリーン運転を行うとともに、該ブ
    リードエア制御弁の開度を、間隔をあけて短時間ずつ理
    論空燃比時の開度より小さくしてリッチ空燃比の混合気
    を供給する空燃比制御手段を備えたことを特徴とするガ
    ス燃料エンジンの混合気形成装置。
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