JP3260506B2

JP3260506B2 - ガス燃料エンジンの混合気形成装置

Info

Publication number: JP3260506B2
Application number: JP21638093A
Authority: JP
Inventors: 佳且飯田; 仙幸栗原; 俊雄鈴木
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 1993-08-31
Filing date: 1993-08-31
Publication date: 2002-02-25
Anticipated expiration: 2017-02-25
Also published as: JPH0771326A

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、Ｏ₂センサが活性化していない等
のためにフィードバック制御ができない運転域において
もブリードエア制御弁の開度を所定の空燃比（例えばλ
＝１）に対応した開度に保持できるようにしたブリード
エア制御弁の制御方法の改善に関する。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。

【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、上記ブリードエア制
御弁の開度はステップモータによって制御されるのが一
般的である。従って、上記フィードバック制御によりλ
＝１となるようににブリードエア制御弁のステップ数が
制御される。

【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の期間においてはフィードバッ
ク制御ができないので、上記ブリードエア制御弁の開度
が設定できないという問題がある。

【０００４】上記問題に対しては以下のようにすること
が考えられる。即ち、上記混合気形成装置では、上記λ
＝１の時点でのブリードエア制御弁の開度が予め設定さ
れた基準開度になるように、換言すればステップモータ
のステップ数が予め設定された基準ステップ数になるよ
うに上記ミキサの主ジェット，ニードル弁等の形状，寸
法等が設定されている。従って上記フィードバック制御
ができない運転域では、ブリードエア制御弁のステップ
数を上記基準ステップ数に制御すれば良い。

【０００５】しかしながら上記主ジェット，ニードル弁
等の製造時のばらつきにより、あるいは経年変化によっ
て、λ＝１の場合の実際のステップ数が予め設定された
基準ステップ数からずれる場合がある。上記フィードバ
ック制御不能時で、しかも上記のようなずれが生じてい
る場合に、ブリードエア制御弁のステップ数を上記基準
ステップ数に制御するとλ＝１からずれた混合気とな
り、排気ガス特性が悪化する。

【０００６】本発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、主ジェット，ニードル弁等に製造時のばらつき，経
年変化等があっても、フィードバック制御不能時におい
てブリードエア制御弁開度をλ＝１に対応した開度に制
御でき、その結果排気ガス特性を改善できるガス燃料エ
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。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、吸気弁開口に
連なり、ガス燃料ミキサを備えた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、該ブリードエア通路の通路面積を可変
制御しもってガス燃料量を制御するブリードエア制御弁
を設け、混合気が所定の空燃比となるように排気ガス中
の酸素濃度に基づいて上記ブリードエア制御弁をフィー
ドバック制御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、上記フィードバック制御中における
上記ブリードエア制御弁のλ（実際の空燃比／理論空燃
比）＝１に略対応した開度を記憶保持する弁開度記憶手
段を備え、フィードバック制御不能運転域では上記ブリ
ードエア制御弁の開度を上記弁開度記憶手段に記憶保持
された弁開度に設定制御するようにしたことを特徴とし
ている。

【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、通常のフィードバック制御可能の運転域に
おいては、λ＝１となるようにブリードエア制御弁の開
度が制御され、かつこの場合の開度（又はステップ数）
が記憶保持される。そしてエンジンの次回の冷間始動時
のようにフィードバック制御が不能の運転域では、上記
ブリードエア制御弁の開度が上記記憶保持された開度に
制御され、これにより空燃比がλ＝１となるように制御
される。

【０００９】また製造時のばらつき，経年変化等によっ
てブリードエア制御弁の基準開度とλ＝１となる開度と
がずれた場合、ブリードエア制御弁の開度は、フィード
バック制御によって現実にλ＝１となる修正開度に制御
されており、この修正開度が記憶され、フィードバック
制御不能時の目標開度となる。従って、経年変化等があ
った場合のフィードバック制御不能域においても、λ＝
１を保持できる。

【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４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
は動作を説明するための吸入空気流量−燃料流量特性
図、図４はブリードエア制御弁のステップ数を示す特性
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。

【００１４】上記Ｏ₂センサ１６は、排気ガス中の酸素
濃度と大気中の酸素濃度との差を起電力に変換するもの
であり、上記酸素濃度の差が所定値以上のとき、つまり
混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）が理論空燃比よりリッチであ
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。従ってこのＯ₂センサ１６からの出力がない場合
は、混合気が理論空燃比よりリーンである場合、及び排
気ガス温度が例えば概ね３５０℃以下であることにより
Ｏ₂センサが活性化していない場合である。なお、上記
Ｏ₂センサとして、混合気が理論空燃比よりリーンであ
るときに検出信号を出力するタイプのものを採用しても
良い。

【００１５】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の壁面開口部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
３９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。

【００１６】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。

【００１７】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。

【００１８】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、かつ空気室Ｂ内が略大気圧
であ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。

【００１９】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の弁体
４１ａが上記アイドルバイパス通路４０の吐出口４０ａ
を開き、アイドル回転数を上昇させる。

【００２０】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。

【００２１】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に流入して触媒がオーバーヒ
ート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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】上記ステップ数と吸入空気量，燃料量との
関係を図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。

【００２５】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のステップ数が制御され、結局この場合は、ステッ
プ数が小さい側に変化する。

【００２６】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，及
び図示しない各種センサからのエンジン回転数，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
を制御する。

【００２７】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。

【００２８】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、Ｏ
₂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に保持される。

【００２９】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等
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７
０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。

【００３０】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。

【００３１】このような場合、本実施例エンジンでは、
出荷時に、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を導入口３５ａの開口面積が大きく
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。

【００３２】ここで上記基準ステップ数とは、一定期間
における制御ステップ数の中央値のことであり、本実施
例ではＥＣＵ４２は上記中央値を記憶する。この点を図
４に基づいて詳述する。Ｏ₂センサ１６の起電力が所定
値（例えば５００ｍＶ）を越えるとセンサ出力はＯＮと
なる。するとＥＣＵ４２は上記センサ出力を受けてステ
ップモータ２７ｂのステップ数をディレイ期間ｔ１の間
は一定に保持し、次の期間ｔ２の間はθ１の割合で急激
に増加させ、その後はθ２の割合で緩やかに増加させ
る。そして上記センサ出力がＯＦＦに反転した時点から
上記と逆にステップ数を減少させる。このような動作を
繰り返しながら上記ステップ数の中央値Ｇがメモリに記
憶される。

【００３３】そして本実施例では、冷間始動時のように
Ｏ₂センサ１６が活性化していないことからフィードバ
ック制御が不可能の場合は、ＥＣＵ４２はブリードエア
制御弁２７用ステップモータ２７ｂのステップ数を前回
の通常運転時において上述のメモリに記憶した中央値Ｇ
に制御する。するとブリードエア制御弁２７の開度がλ
＝１に対応した開度に制御されることとなり、三元触媒
により排気ガスが確実に浄化される。なお、エンジン始
動時にリーン運転をする場合は、ステップ数を上記中央
値の例えば１．０５倍とする等、所望のステップ数とし
て運転することが可能である。

【００３４】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。

【００３５】そして上記燃料遮断時においては、混合気
の空燃比はリーンとなっているので、本願の如き構成を
とらない場合は、ブリードエア制御弁２７は燃料流量を
増加させるべく全閉状態になる。その結果、通常運転状
態に復帰した場合に混合気が過濃になることが懸念され
るが、本実施例では、このような燃料遮断時には、上記
冷間始動時と同様に、ＥＣＵ４２がステップモータ２７
ｂのステップ数を直前の通常運転時に記憶した中央値Ｇ
に制御するので燃料遮断から通常運転時に復帰した際の
過濃の問題を回避できる。

【００３６】

【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、λ＝１におけるブリードエア制御弁
の開度（ステップ数）を記憶保持するようにし、フィー
ドバック制御が不能の次回の始動時又は冷間運転時，あ
るいは燃料遮断時には上記記憶保持した開度に制御する
ようにしたので、フィードバック不能運転域においても
ブリードエア制御弁開度をλ＝１に略対応した開度に制
御することができ、排気ガスの浄化効率をより向上でき
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】上記実施例の動作を説明するためのＯ₂センサ
出力とステップ数との関係を示す特性図である。

【符号の説明】

１ＬＰＧエンジン３ｂ吸気弁開口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４２ＥＣＵ（ブリードエア制御弁開度の記憶手段）

フロントページの続き (56)参考文献特開昭60−240860（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−12870（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02M 21/02 311 F02M 21/04

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】吸気弁開口に連なり、ガス燃料ミキサを備
えた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、該ブリード
エア通路の通路面積を可変制御しもってガス燃料量を制
御するブリードエア制御弁を設け、混合気が所定の空燃
比となるように排気ガス中の酸素濃度に基づいて上記ブ
リードエア制御弁をフィードバック制御するようにした
ガス燃料エンジンの混合気形成装置において、上記フィ
ードバック制御中における上記ブリードエア制御弁のλ
（実際の空燃比／理論空燃比）＝１に略対応した開度を
記憶保持する弁開度記憶手段を備え、フィードバック制
御不能運転域では上記ブリードエア制御弁の開度を上記
弁開度記憶手段に記憶保持された弁開度に設定制御する
ようにし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。