JP3191691B2 - ガス燃料内燃機関の制御装置 - Google Patents

ガス燃料内燃機関の制御装置

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    • Y02T10/40—Engine management systems

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はガス燃料内燃機関の
制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】実開平６−８０８２５号公報に記載され
ているようなガス燃料内燃機関は通常点火栓を具備し、
燃焼室内に形成される混合気をこの点火栓により着火す
るようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、ガス燃料は
その産地や産出時期、季節などによってガス組成にバラ
ツキがあることが知られている。ところが、ガス燃料の
最適点火時期はガス燃料のガス組成に応じて定まり、し
たがってガス燃料のガス組成にバラツキがあると点火時
期をもはや最適点火時期に一致させることができない。
このため、実際の出力トルクが目標出力トルクからずれ
ることになり、ドライバビリティが悪化するという問題
点がある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明によれば、点火栓を具備したガス燃料内燃機関
において、空燃比が理論空燃比よりもリーンであるかリ
ッチであるかを表す出力信号を発生する酸素センサと、
空燃比と一対一対応の出力電圧を発生する空燃比センサ
とを機関排気通路内に配置し、酸素センサの出力電圧に
基づいて燃料噴射量を制御することにより空燃比が理論
空燃比となるようにする空燃比制御手段を設け、空燃比
制御手段により空燃比が理論空燃比にされたときに空燃
比センサにより、ガス燃料のガス組成に応じて定まる理
論空燃比を検出し、理論空燃比に応じて点火時期を制御
する点火時期制御手段を具備している。すなわち、ガス
燃料の理論空燃比はガス燃料のガス組成に応じて定まる
ので実際の空燃比を理論空燃比に一致させてこの理論空
燃比を検出し、この理論空燃比に応じて点火時期を制御
することによりガス燃料のガス組成に関わらず点火時期
が最適にされる。
【０００５】
【発明の実施の形態】図１を参照すると、１はシリンダ
ブロック、２はピストン、３はシリンダヘッド、４は燃
焼室、５は吸気弁、６は排気弁、７は吸気ポート、８は
排気ポート、９は燃焼室４内に配置された点火栓をそれ
ぞれ示す。各吸気ポート７はそれぞれ対応する吸気枝管
１０を介して共通のサージタンク１１に接続され、サー
ジタンク１１は吸気ダクト１２を介してエアクリーナ１
３に接続される。各吸気枝管１０内には対応する吸気枝
管１０内に、ガス燃料としての圧縮天然ガス（以下ＣＮ
Ｇと称する）を噴射する燃料噴射弁１４が配置される。
また、吸気ダクト１２内にはアクセルペダルの踏み込み
量が大きくなると開度が大きくなるスロットル弁１５が
配置される。一方、排気ポート８は共通の排気マニホル
ド１６を介して三元触媒１７を収容した触媒コンバータ
１８に接続され、触媒コンバータ１８は排気管１９に接
続される。
【０００６】電子制御ユニット２０はデジタルコンピュ
ータからなり、双方向性バス２１を介して相互に接続さ
れたＲＯＭ（リードオンリメモリ）２２、ＲＡＭ（ラン
ダムアクセスメモリ）２３、ＣＰＵ（マイクロプロセッ
サ）２４、入力ポート２５、および出力ポート２６を具
備する。各吸気枝管１０には吸気圧に比例した出力電圧
を発生する吸気圧センサ２７が取り付けられ、この吸気
圧センサ２７の出力電圧はＡＤ変換器２８を介して入力
ポート２５に入力される。ＣＰＵ２４ではＡＤ変換器２
８からの出力信号に基づいて吸入空気量が算出される。
シリンダヘッド３には筒内圧に比例した出力電圧を発生
する筒内圧センサ２９が取り付けられ、この筒内圧セン
サ２９の出力電圧はＡＤ変換器３０を介して入力ポート
２５に入力される。
【０００７】また、排気マニホルド１６の集合部には排
気ガス中の酸素濃度に応じて出力電圧が変化する酸素セ
ンサ３１が取り付けられ、排気管１９には空燃比を検出
するための空燃比センサ３２が取り付けられ、これら酸
素センサ３１および空燃比センサ３２の出力電圧はそれ
ぞれ対応するＡＤ変換器３３，３４を介して入力ポート
２５に入力される。この酸素センサ３１はジルコニア素
子またはチタニア素子を備えており、空燃比が理論空燃
比（Ａ／Ｆ）Ｓよりもリッチ側のときに０．９ボルト程
度の出力電圧を発生し、空燃比が理論空燃比（Ａ／Ｆ）
Ｓよりもリーン側のときに０．１ボルト程度の出力電圧
を発生する。即ち、空燃比が理論空燃比よりもリーンで
あるかリッチであるかを表す出力信号を発生する。一
方、空燃比センサ３２は図２に示されるように空燃比に
対応した出力電圧を発生する。即ち、空燃比と一対一対
応の出力電圧を発生する。したがって空燃比センサ３２
の出力電圧から実際の空燃比を検出することができる。
【０００８】さらに、入力ポート２５にはクランクシャ
フトが例えば３０度回転する毎に出力パルスを発生する
クランク角センサ３５が接続される。ＣＰＵ２４ではこ
の出力パルスに基づいて機関回転数が算出される。一
方、出力ポート２６はそれぞれ対応する駆動回路３６を
介して各点火栓９および各燃料噴射弁１４に接続され
る。
【０００９】ところで、図１の内燃機関では次式に基づ
いて燃料噴射時間ＴＡＵが算出される。 ＴＡＵ＝ＴＢ・ＣＣ・ＦＡＦ ここで各係数は次のものを表している。 ＴＢ：基本燃料噴射時間 ＣＣ：補正係数 ＦＡＦ：フィードバック補正係数 基本燃料噴射時間ＴＢはＣＮＧのガス組成が後述する基
準ガス組成のときに空燃比を理論空燃比（Ａ／Ｆ）Ｓと
するのに必要な実験により求められた噴射時間であって
機関運転状態、すなわち例えば機関負荷Ｑ／Ｎ（吸入空
気量Ｑ／機関回転数Ｎ）と機関回転数Ｎとの関数として
予めＲＯＭ２２内に記憶されている。
【００１０】補正係数ＣＣはガス組成補正係数、暖機増
量係数、加速増量係数などを一まとめにして表したもの
であり、補正する必要がない場合にはＣＣ＝１となる。
フィードバック補正係数ＦＡＦは酸素センサ３１の出力
信号に基づいて実際の空燃比を理論空燃比（Ａ／Ｆ）Ｓ
に一致させるためのものである。次に、図３および図４
を参照してフィードバック補正係数ＦＡＦの制御につい
て説明する。
【００１１】図３はフィードバック補正係数ＦＡＦの算
出ルーチンを示しており、このルーチンは例えばメイン
ルーチン内で実行される。図３を参照すると、まずステ
ップ４０では酸素センサ３１の出力電圧Ｖが基準値であ
る０．４５ボルトよりも高いか否か、すなわちリッチで
あるか否かが判別される。Ｖ≧０．４５、すなわちリッ
チのときには次いでステップ４１に進んで前回の処理サ
イクル時にリーンであったか否かが判別される。前回の
処理サイクル時にリーンであったとき、すなわちリーン
からリッチに変化したときにはステップ４２に進んでフ
ィードバック補正係数ＦＡＦがＦＡＦＬとされ、次いで
ステップ４３に進む。ステップ４３ではフィードバック
補正係数ＦＡＦからスキップ値Ｓが減算され、したがっ
て図４に示されるようにフィードバック補正係数ＦＡＦ
はスキップ値Ｓだけ急激に減少せしめられる。続くステ
ップ４４ではＦＡＦＬとＦＡＦＲの平均値ＦＡＦＡＶが
算出される。一方、ステップ４１において前回の処理サ
イクル時にリッチであったと判別されたときには次いで
ステップ４５に進んでフィードバック補正係数ＦＡＦか
ら積分値Ｋ（Ｋ≪Ｓ）が減算される。したがって図４に
示されるようにフィードバック補正係数ＦＡＦは徐々に
減少せしめられる。
【００１２】一方、ステップ４０においてＶ＜０．４５
のとき、すなわちリーンのときには次いでステップ４６
に進んで前回の処理サイクル時にリッチであったか否か
が判別される。前回の処理サイクル時にリッチのとき、
すなわちリッチからリーンに変化したときは次いでステ
ップ４７に進んでフィードバック補正係数ＦＡＦがＦＡ
ＦＲとされ、次いでステップ４８に進む。ステップ４８
ではフィードバック補正係数ＦＡＦにスキップ値Ｓが加
算され、したがって図４に示されるようにフィードバッ
ク補正係数ＦＡＦはスキップ値Ｓだけ急激に増大せしめ
られる。続くステップ４４ではＦＡＦＬとＦＡＦＲの平
均値ＦＡＦＡＶが算出される。一方、ステップ４６にお
いて前回の処理サイクル時にリーンであったと判別され
たときには次いでステップ４９に進んでフィードバック
補正係数ＦＡＦに積分値Ｋが加算される。したがって図
４に示されるようにフィードバック補正係数ＦＡＦは徐
々に増大せしめられる。
【００１３】リッチとなってＦＡＦが小さくされると燃
料噴射時間ＴＡＵが短くなり、リーンとなってＦＡＦが
大きくされると燃料噴射時間ＴＡＵが長くなるので空燃
比が理論空燃比（Ａ／Ｆ）Ｓに維持される。なお、図４
からわかるようにフィードバック補正係数ＦＡＦは１．
０を中心として変動する。ところで、ＣＮＧの理論空燃
比（Ａ／Ｆ）ＳはＣＮＧのガス組成に応じて定まり、し
たがってＣＮＧのガス組成にバラツキが生ずるとＣＮＧ
の理論空燃比（Ａ／Ｆ）Ｓにもバラツキが生ずる。例え
ば、後述する基準ガス組成におけるＣＮＧの理論空燃比
（Ａ／Ｆ）Ｓは約１６．７であり、メタン１００％のガ
スの理論空燃比（Ａ／Ｆ）Ｓは約１７．１である。しか
しながら、本実施態様では排気ガス中の酸素濃度に応じ
出力電圧が変化する酸素センサ３１の出力電圧に基づい
て空燃比を制御しているのでＣＮＧのガス組成に関わら
ず実際の空燃比を理論空燃比（Ａ／Ｆ）Ｓに維持するこ
とができる。
【００１４】このように空燃比のフィードバック補正が
行われて実際の空燃比が理論空燃比（Ａ／Ｆ）Ｓに一致
している限り空燃比センサ３２はＣＮＧの理論空燃比
（Ａ／Ｆ）Ｓを検出していることになる。なお、ＣＮＧ
の基準ガス組成にはどのようなものを用いてもよいが本
実施態様では都市ガス１３Ａのガス組成を基準ガス組成
としている。この基準ガス組成は概ね以下の通りであ
る。 メタン：８７．５％ エタン：７．６％ プロパン：２．３％ ブタン：２．６％ 一方、図１のガス燃料内燃機関では次式に基づいて点火
時期θが算出される。
【００１５】θ＝θＢ＋θＣＣ＋θＧＣ ここで各係数は次のものを表している。 θＢ：基本点火時期 θＣＣ：補正進角 θＧＣ：ガス組成補正進角 基本点火時期θＢＳはＣＮＧのガス組成が上述した基準
ガス組成のときに点火時期をＭＢＴとするのに必要な実
験により求められた点火時期であって吸入空気量Ｑおよ
び機関回転数Ｎの関数として予めＲＯＭ２２内に記憶さ
れている。
【００１６】補正進角θＣＣは高温時補正進角や暖機運
転時補正遅角などの補正進角および補正遅角を一まとめ
にして表したものであり、全体として進角すべきときに
はθＣＣ＞０となり、全体として遅角すべきときにはθ
ＣＣ＜０となり、補正する必要がないときにはθＣＣ＝
０となる。ガス組成補正進角θＧＣはＣＮＧのガス組成
に応じて定まるものであり、補正する必要がないとき、
すなわちＣＮＧの実際のガス組成が基準ガス組成である
ときにはθＧＣ＝０となる。
【００１７】ところで、冒頭で述べたようにＣＮＧのガ
ス組成はその産地や産出時期などによってバラツキがあ
る。ところが、出力トルクを最大とするのに最適な点火
時期はＣＮＧのガス組成に応じて定まる理論空燃比（Ａ
／Ｆ）Ｓに応じて定まる。そこで、図１のガス燃料内燃
機関では内燃機関の空燃比を理論空燃比（Ａ／Ｆ）Ｓに
一致させてＣＮＧの理論空燃比（Ａ／Ｆ）Ｓを検出し、
検出された理論空燃比（Ａ／Ｆ）Ｓに応じて定まるガス
組成補正進角θＧＣによって点火時期を補正するように
している。
【００１８】図５はＣＮＧの理論空燃比が（Ａ／Ｆ）Ｓ
のときに点火時期θを最適点火時期にするのに必要な実
験により求められたガス組成補正進角θＧＣを示してい
る。図５において（Ａ／Ｆ）ＳＳはＣＮＧのガス組成が
基準ガス組成のときの理論空燃比（Ａ／Ｆ）Ｓを表して
おり、本実施態様では上述したように１６．７である。
図５からわかるように、理論空燃比（Ａ／Ｆ）Ｓが大き
くなるにつれてガス組成補正進角θＧＣが大きくなる。
すなわち、（Ａ／Ｆ）Ｓ＞（Ａ／Ｆ）ＳＳのときには理
論空燃比（Ａ／Ｆ）Ｓが大きくなるにつれて進角量が大
きくなり、（Ａ／Ｆ）Ｓ＜（Ａ／Ｆ）ＳＳのときには理
論空燃比（Ａ／Ｆ）Ｓが小さくなるにつれて遅角量が大
きくなる。
【００１９】ＣＮＧの理論空燃比（Ａ／Ｆ）Ｓが小さい
ときほどメタンに対するエタン、プロパンなど炭素数の
多い成分の割合が多くなっている。一方、図６に示すよ
うに炭素数が多い炭化水素ほどそのオクタン価は小さ
い。したがって、ＣＮＧの理論空燃比（Ａ／Ｆ）Ｓが小
さくなるにつれてＣＮＧ全体のオクタン価が小さくなる
ことになる。そこで、ＣＮＧの理論空燃比（Ａ／Ｆ）Ｓ
が小さいときほど小さくなるガス組成補正進角θＧＣで
もって点火時期θを補正すればＣＮＧのガス組成に関わ
らず出力トルクを最大にすることができる。
【００２０】ところで、ガソリン機関ではノックを検出
するノックセンサを設け、ノックが発生するまで点火時
期を徐々に進角させ、ノックが発生したらノックがなく
なるまで点火時期を徐々に遅角させ、それによって大き
な出力トルクを確保するようにしている。しかしながら
図１に示すようなガス燃料内燃機関では、ガス燃料のガ
ス組成にバラツキがあるといってもそのオクタン価は高
く、ノックが発生しにくい。したがって、ガス燃料機関
ではノックの有無に応じて点火時期を制御することはで
きない。これに対して本実施態様では、予め求めておい
たＣＮＧの理論空燃比（Ａ／Ｆ）Ｓと最適点火時期との
関係に基づいて点火時期制御をしているのでノックが発
生しにくいガス燃料機関において点火時期を最適にする
ことができる。
【００２１】図７は上述の燃料噴射時間制御を実行する
ためのルーチンを示している。このルーチンは予め定め
られた設定クランク角毎の割り込みによって実行され
る。図７を参照すると、まずステップ６０では現在の機
関運転状態に基づいて基本燃料噴射時間ＴＢが算出され
る。続くステップ６１では、現在の機関運転状態に基づ
いて補正係数ＣＣが算出される。続くステップ６２では
図３のルーチンによってフィードバック補正係数ＦＡＦ
が算出される。続くステップ６３では次式に基づいて燃
料噴射時間ＴＡＵが算出される。
【００２２】ＴＡＵ＝ＴＢ・ＣＣ・ＦＡＦ 各燃料噴射弁１４では燃料噴射時間ＴＡＵだけ燃料噴射
が行われる。図８は上述の点火時期制御を実行するため
のルーチンを示している。このルーチンは予め定められ
た設定クランク角毎の割り込みによって実行される。図
８を参照すると、まずステップ７０では現在の機関運転
状態に基づいて基本点火時期θＢが算出される。続くス
テップ７１では補正進角θＣＣが算出される。続くステ
ップ７２では空燃比センサ３２により検出された理論空
燃比（Ａ／Ｆ）Ｓに基づいて図５のマップからガス組成
補正進角θＧＣが算出される。続くステップ７３では次
式に基づいて点火時期θが算出される。
【００２３】θ＝θＢＳ＋θＣＣ＋θＧＣ なお、ガス燃料には、ＣＮＧの他、例えば液化石油ガス
（ＬＰＧ）などのように一次燃料である天然ガスおよび
石油ガスや二次燃料である石炭転換ガスおよび石油転換
ガスを用いることができる。また、液体燃料ではあるが
その組成に応じて定まる理論空燃比（Ａ／Ｆ）Ｓに応じ
て最適点火時期が定まるメタノールなどを燃料とする内
燃機関にも本発明を適用することができる。
【００２４】
【発明の効果】ガス燃料のガス組成に関わらず最適な点
火時期を確保することができるので良好なドライバビリ
ティを確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】空燃比センサの出力特性を示す線図である。
【図３】フィードバック補正係数を算出するためのフロ
ーチャートである。
【図４】フィードバック補正係数の変化を示す線図であ
る。
【図５】ガス組成補正進角を示す線図である。
【図６】ＣＮＧの各成分のオクタン価を示す線図であ
る。
【図７】燃料噴射時間を算出するためのフローチャート
である。
【図８】点火時期を算出するためのフローチャートであ
る。
【符号の説明】
４…燃焼室 ９…点火栓 １６…排気マニホルド ３１…酸素センサ ３２…空燃比センサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｐ 5/15 Ｆ０２Ｐ 5/15 Ｂ (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F02M 21/02 311 F02D 19/02 F02D 41/14 310 F02D 43/00 301 F02P 5/15

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 点火栓を具備したガス燃料内燃機関にお
    いて、空燃比が理論空燃比よりもリーンであるかリッチ
    であるかを表す出力信号を発生する酸素センサと、空燃
    比と一対一対応の出力電圧を発生する空燃比センサとを
    機関排気通路内に配置し、酸素センサの出力電圧に基づ
    いて燃料噴射量を制御することにより空燃比が理論空燃
    比となるようにする空燃比制御手段を設け、該空燃比制
    御手段により空燃比が理論空燃比にされたときに空燃比
    センサにより、ガス燃料のガス組成に応じて定まる理論
    空燃比を検出し、該理論空燃比に応じて点火時期を制御
    する点火時期制御手段を具備した制御装置。
JP21376196A 1996-08-13 1996-08-13 ガス燃料内燃機関の制御装置 Expired - Lifetime JP3191691B2 (ja)

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