JP3559811B2

JP3559811B2 - ２サイクルエンジンの燃焼制御装置

Info

Publication number: JP3559811B2
Application number: JP14367194A
Authority: JP
Inventors: 公裕野中; 和広中村; 雅彦加藤
Original assignee: ヤマハマリン株式会社
Priority date: 1994-06-24
Filing date: 1994-06-24
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2019-09-02
Also published as: JPH0814087A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、２サイクルエンジンの燃焼制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車や船外機等のエンジンにあっては、空燃比を制御することにより、エンジンの燃焼状態を良好にし、もってエンジン出力の向上を図るとともに排気ガス中の有害成分を低減するようにしている。この空燃比の制御では、排ガスセンサを設置して排ガス中の酸素量を検出し、該検出値から空燃比を求め、これが目標空燃比に一致するように燃料供給量を制御するのが一般的である。
【０００３】
一方、２サイクルエンジンは、新気により既燃ガスを排出する掃気行程を備えており、そのため２サイクルエンジンでは排気ガス中に新気が混合する吹き抜け現象がある。従って排気管内を流れる排気ガス中の酸素濃度を検出した場合、正確な空燃比を求めることはできない。そこで、２サイクルエンジンの空燃比制御では、燃焼室内の既燃ガスの酸素濃度を検出し、これにより空燃比を求めるようにしている。この酸素濃度の検出においては、位相差を有する隣接気筒同士を検出通路で連通接続し、該通路にＯ₂センサを介設し、一方の気筒から他方の気筒に既燃ガスを流動させることにより被検出ガスを採取することが考えられる。なお、本発明において、既燃ガスとは吹き抜けガスを含まない燃焼ガスのみのガス、又は吹き抜けガスの含有量が酸素濃度検出にそれほど支障とならない程度である場合のガスの意味であり、排気ガスとは吹き抜けガスと燃焼ガスとの混合ガスの意味である。また、混合気とは、新気と燃料との混合ガスの意味である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記既燃ガスの酸素濃度検出方法を採用した場合、エンジンの運転状態、例えばエンジン回転数のいかんによっても検出センサの出力が安定するまでの時間が異なる。つまり、Ａ／Ｆ検出センサの応答性がエンジン運転状態によって異なることが判明した。
【０００５】
これは、上記既燃ガスの空燃比を検出する方法では、エンジンの運転状態に応じて、上記検出センサに供給される採取ガス量が異なることから検出センサの検出値が収束安定するまでの応答時間が異なるものと考えられる。具体的には、例えば図５に示すように、時間Ｔ０の時点で燃料噴射量を減少した場合、検出センサの遅れ時間（Ｔ１）と、検出値が収束するための整定時間（Ｔ２）との和（Ｔ）だけ応答時間を要する。このとき、上記検出センサに供給されるガス量はエンジン回転数によって変化するため、上記Ｔ１，Ｔ２は図６に示すようにエンジン回転数の低下にともなって増加する傾向がある。
【０００６】
その結果、検出Ａ／Ｆが単に目標Ａ／Ｆに一致するように一定の固定されたフィードバック係数で制御すると、エンジン回転数がハンチングする問題が発生する。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、運転状態が変化した場合は検出センサの応答性の変動に応じて制御することによりエンジンの燃焼状態を安定化できる２サイクルエンジンの燃焼制御装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、２サイクルエンジンの燃焼制御装置において、既燃ガスの性状から混合気の空燃比を求める空燃比検出手段と、空燃比のフィードバック制御の制御係数のうち燃料噴射量を一気に増加させる比例成分Ｐ及び燃料噴射量を徐々に増加させる積分成分Ｉの両方を、エンジン回転数が低いほど大きく、高いほど小さく設定する制御係数演算手段と、上記空燃比検出手段によって求められた空燃比が目標空燃比と一致するように、上記制御係数演算手段によって求められた制御係数でもって燃料供給量をフィードバック制御する帰還制御手段とを備えたことを特徴としている。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１において、上記空燃比検出手段が、既燃ガスの酸素濃度を検出するＯ₂センサを有しており、該Ｏ₂センサは位相差を有する一方の気筒と他方の気筒とを連通する検出通路の途中に介設されており、該検出通路の導入口は上記一方の気筒の排気ポートと掃気ポートとの間に位置しており、排出口は上記他方の気筒の上記排気ポートより下死点側に位置しており、上記導入口，排出口が、一方の気筒の排気行程開始後の一定期間と上記他方の気筒の圧縮行程開始前の一定期間とにおいて同時に開き、この期間において一方の気筒内の既燃ガスが他方の気筒に向かって流れるように上記位相差が設定されていることを特徴としている。
【００１１】
ここで、本発明における制御係数とは、例えばＰ１制御における比例成分Ｐ，及び積分成分Ｉの値の意味である。なお、ＰＩ制御では、例えば検出Ａ／Ｆがリッチ側から目標Ａ／Ｆに達すると、燃料噴射幅をＰだけ一気に増加させ、その後、検出Ａ／Ｆがリーン側から目標Ａ／Ｆに到達するまで上記燃料噴射幅をＩずつ徐々に増加させて行き、リーン側から目標Ａ／Ｆに達すると今度は燃料噴射幅をＰだけ一気に減少し、その後、Ｉずつ徐々に減少する。
【００１２】
【作用】
請求項１の発明の２サイクルエンジンの燃焼制御装置によれば、エンジンの運転状態に応じた制御係数を求め、該制御係数でもって燃料供給量を帰還制御するようにしたので、エンジンの運転状態が変化しても常に該運転状態に応じた制御係数を得られ、空燃比を短時間で収束させることができ、エンジンの燃焼状態を常に安定化できる。
【００１３】
また、エンジン回転数が低い運転域では空燃比検出センサに導入される既燃ガス量が少なく、センサの応答性が低いので、例えばセンサ出力がリッチから目標空燃比を越えてリーンに変化した時点では実際の空燃比は既にかなり大きくリーン側に変化していると考えられる。従って、制御係数をより大きくして燃料量をより多くすることにより、目標空燃比により早く反転させることができる。一方、エンジン回転数が高い運転域では空燃比検出センサに導入される既燃ガス量が多くセンサの応答性が高いので、例えばセンサ出力がリッチからリーンに変化した時点では実際の空燃比はまだ目標空燃比近傍にあると考えられる。従って制御係数をあまり大きくすることなく燃料の増加量を控え目にすることにより、目標空燃比により早く反転させることができる。
【００１４】
請求項２の発明の２サイクルエンジンの燃焼制御装置によれば、位相差を有する気筒同士を一方の気筒が排気行程開始時で、他方の気筒が圧縮行程開始前の所定期間のみ連通する検出通路で接続し、該通路の途中に既燃ガスの酸素濃度を検出するＯ₂センサを設けたので、吹き抜け新気を含まない既燃ガスのみの空燃比を検出でき、フィードバック制御の精度を向上することができ、エンジンの燃焼状態を常に安定化できる。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。
図１ないし図９は本発明の一実施例による２サイクルエンジンの燃焼制御装置を説明するための図であり、図１は本実施例装置が適用された船外機用３気筒２サイクルエンジンの概略構成図、図２はＯ₂センサの取り付け構造を説明するための模式図、図３は▲２▼番気筒クランク角度と筒内圧との関係を示す特性図、図４はＯ₂センサの出力と目標Ａ／Ｆ値との関係を示す特性図、図５は時間と燃料噴射幅，Ａ／Ｆ値との関係を示す特性図、図６はエンジン回転数と遅れ時間，整定時間との関係を示す特性図、図７は時間と燃料噴射幅，Ａ／Ｆ値との関係を示す特性図、図８はエンジン回転数とフィードバック係数との関係を示す特性図、図９は機能ブロック図である。
【００１６】
図１において、１はクランク軸縦置き３気筒２サイクル船外機用エンジンであり、これはシリンダブロック２のシリンダボア３ａ内にピストン３を摺動自在に配置し、該ピストン３をコンロッド４でクランク軸５に連結した構造のものである。なお、図１のＡ−Ａ断面中、▲１▼〜▲３▼は気筒番号を示しており、各気筒▲１▼〜▲３▼の位相差は１２０°に設定されている。
【００１７】
上記シリンダブロック２の合面にはシリンダヘッド６が装着されており、該シリンダヘッド６に形成された燃焼凹部内には点火プラグ７が挿入されている。なお、２ａは排気ポート、２ｂは掃気ポートである。上記シリンダヘッド６には筒内圧を測定するための圧力センサ３１が装着され、上記クランク軸５にはクランク角度（エンジン回転数）を検出するための角度センサ３３が設けられている。上記シリンダブロック２の反ヘッド側にはクランク室８が設けられている。該クランク室８には吸気温または機関の温度を測定するための温度センサ３２と、クランク室内圧を測定するための圧力センサ３４とが設けられている。
【００１８】
また▲１▼番気筒（他方の気筒）と▲２▼番気筒（一方の気筒）との間にはバイパス通路（検出通路）４０が配設されており、該通路４０の途中部分に、既燃ガスの空燃比を検出するためのＯ₂センサ３５が設けられている。この場合、図２に示すように、上記バイパス通路４０の導入口６５は、▲２▼番気筒の排気ポート２ａの開タインミング位置Ｈ１と掃気ポート２ｂの開タイミング位置Ｈ２との間に、例えば排気ポート２ａと同時に開閉されるように配設されている。また、上記通路４０の排出口６８は、▲１▼番気筒の上記排気ポート２ａの閉タイミング位置Ｈ１より進角側（下死点側）位置に、例えば掃気ポート２ｂの開直前に開き、閉直後に閉じるように配設されており、上記各導入口６５，排出口６８はそれぞれの気筒のピストン３により開閉される。
【００１９】
ここで、図３に示すように、▲２▼番気筒のシリンダ内圧力Ｐ２と、▲１▼番気筒のシリンダ内圧力Ｐ１とは、両気筒の位相差 120°をもって変動する。また上記導入口６５は、▲２▼番気筒において、上記排気ポート２ａの開タインミングクランク角Ａから閉タイミングクランク角Ｂまで開となる。一方、上記排出口６８は、▲１▼番気筒の掃気ポート２ｂの開タイミングクランク角（図示せず）から閉タイミング直後クランク角Ｄまで開となる。従って、上記導入口６５と排出口６８とは上記クランク角Ａ〜Ｄの期間は同時に開き、この間は圧力差によってガスが▲２▼番気筒から▲１▼番気筒に向かって流動する。なお、符号Ｅは▲１▼番気筒の排気ポート２ａの閉タイミングクランク角を示す。
【００２０】
ここで上記導入口６５を▲２▼番気筒の排気ポート２ａと掃気ポート２ｂとの間に配置したのは排気ポート２ａより上死点側に配置すると、▲２▼番気筒の圧縮過程で、圧縮されるべき新気が上記通路４０を通って逃げ、圧縮効率が低下してしまうからである。また、掃気ポート２ｂより下死点側に配置すると導入口６５と排出口６８が同時に開き、既燃ガスが▲２▼番気筒から▲１▼番気筒に向かって流れる期間が短くなってしまうからである。
【００２１】
通路４０の導入口６５，排出口６８の位置を上述のように設定したので、▲２▼番気筒のピストン３によって導入口６５が排気行程開始直後に開いたときには、▲１▼番気筒の流出口６８は圧縮行程開始直前位置に位置するピストン３によってまだ開いているので、上記導入口６５の開と同時に、▲１▼番気筒及び▲２▼番気筒間のシリンダ内圧力の圧力差によって、▲２▼番気筒内の既燃ガスが導入口６５から排出口６８へ向かって上記通路４０内を流れ、上記センサ３５がこの既燃ガスの中の酸素量を測定する。なお、排出口６８が、▲２▼番気筒において掃気ポート２ｂが開く直前に閉じるので、上記通路４０内を流れる既燃ガス中に吹き抜け新気が含まれない。このため、上記センサ３５は、吹き抜け新気を含まない既燃ガス中の酸素量を測定でき、吹き抜け新気を含まない既燃ガスの空燃比を検出できる。
【００２２】
また、上記通路４０は絞り部がない均一径に形成されているので、船外機のトローリング運転時のようなエンジン１の極低速運転時に、不完全燃焼によってカーボンやスラッジ等が発生しても、これらのカーボン等によって上記通路４０内が閉塞されることはない。
【００２３】
更に、上記通路４０の導入口６５，排出口６８は▲２▼番気筒，▲１▼番気筒のそれぞれのピストン３により開閉操作され、上述のようにクランク角Ａ〜Ｄの期間のみ同時に開くようになっており、つまりいずれかの開口がほとんど常時閉じているので、導入口６５又は排出口６８から上記通路４０内へいずれかの気筒内の既燃ガスが逆流することはない。
【００２４】
また、上記通路４０はシンプルな構成であるため、流体抵抗が少なく、このため、例えば過度運転時においてもサイクル毎の空燃比を検出でき、過度運転時に最適な空燃比制御が実施できる。
【００２５】
なお、上記実施例ではエンジン１が３気筒２サイクルエンジンの場合を説明したが、各気筒間に位相差があり、上記通路４０の導入口６５，排出口６８を適切なタイミング位置に配置できれば良いので、Ｖ型４気筒あるいはＶ型６気筒の２サイクルエンジンについても適用できる。
【００２６】
また、上記Ｏ₂センサ３５の出力は、図４の特性線７−１に示すように、Ａ／Ｆが理論空燃比近傍のａ〜ｂのときにａ´〜ｂ´となる。本実施例では、目標Ａ／Ｆ値をエンジン運転状態に応じて上記（ａ〜ｂ）の範囲で可変制御するものである。なお、上記Ｏ₂センサとして図４の特性線７−２に示すような直線的な出力特性を備えるリニア型のセンサを用いても良い。このリニヤ型センサを用いた場合には目標Ａ／Ｆの可変範囲を大幅に拡大できる。
【００２７】
上記各クランク室８には吸気通路１０がシリンダボア３ａを介して連通するようにそれぞれ接続されている。該各吸気通路１０のクランク室側開口近傍には、吸気の逆流を防止するためのリードバルブ１１が配設されている。また上記各吸気通路１０には該吸気通路内に燃料を噴射するためのインジェクタ１２が装着されており、該インジェクタ１２には燃料供給装置１３が接続されている。なお、インジェクタを全気筒共通としてもよい。この場合には吸気マニホールドの集合部に設けることになる。また上記吸気通路１０内にはスロットルバルブ１５が配設されており、該スロットルバルブ１５の回転量すなわちスロットル角はセンサ４１により検出されるようになっている。さらに船外機本体５０には、トリム角βを検出するためのトリム角検出センサ４２が設けられている。
【００２８】
上記エンジン１は制御部としてのＥＣＵ３０を備えている。該ＥＣＵ３０には、上記筒内圧検出センサ３１，吸気温検出センサ３２，クランク角度検出センサ３３，クランク室内圧検出センサ３４，Ｏ₂センサ３５，背圧検出センサ３６，エンジン温度検出センサ３７，スロットル角検出センサ４１，大気圧検出センサ，シフトスイッチ，冷却水温度検出センサ，及びエンジン振動センサの各検出信号が入力されている。
【００２９】
上記ＥＣＵ３０は、図９に示すように、上記Ｏ₂センサ３５の検出値から混合気の空燃比を求め、これが目標空燃比となるように燃料噴射弁１２からの燃料噴射量をフィードバック制御する帰還制御手段６０として、また、上記フィードバック制御する際に検出空燃比を運転状態に応じて短時間で収束安定させるための制御係数（Ｐ，Ｉ）を演算する制御係数演算手段７１として機能する。そして、上記ＥＣＵ３０には、図８のエンジン回転数とフィードバック係数との関係を示す特性図がマップとして格納されている。この場合、エンジン回転数が小さくなるほどフィードバック係数が大きくなるよう設定されている。
【００３０】
このように設定した理由を図５，６に基づいて説明する。
エンジン回転数が低い運転域では検出通路に導入される既燃ガス量が少なく、図６に示すように上記Ｔ２が大きくなり、センサの応答性が低下するので、例えばセンサ出力がリッチから目標空燃比を越えてリーンに変化した時点では実際の空燃比は既にかなり大きくリーン側に変化していると考えられる。従って、制御係数をより大きくして燃料量をより多くすることにより、目標空燃比により早く反転させることができる。一方、エンジン回転数が高い運転域では検出通路に導入される既燃ガス量が多く、図６に示すように上記Ｔ２が小さくなり、センサの応答性が高くなるので、例えばセンサ出力がリッチからリーンに変化した時点では実際の空燃比はまだ目標空燃比近傍にあると考えられる。従って制御係数をあまり大きくすることなく燃料の増加量を控え目にすることにより、目標空燃比により早く反転させることができる。
【００３１】
次に、本実施例の動作について説明する。
本実施例装置では、上記Ｏ₂センサ３５による検出Ａ／Ｆ値が目標空燃比となるよう燃料供給量がフィードバック制御される。その際、図８に示すマップ図よりエンジン回転数に応じたフィードバック係数（Ｐ値，Ｉ値）が設定される。
【００３２】
具体的には、例えば、エンジン回転数の如何に関わらず一定の制御係数Ｐ０，Ｉ０で制御した場合、検出Ａ／Ｆがリッチ側から目標Ａ／Ｆを越えてリーン側に移行し再び目標Ａ／Ｆをリッチ側に移行するまでの時間はＴであるのに対し、本実施例では、エンジン回転数がｒ１と小さくなると、図８の特性図よりフィードバック係数がより大きいＰ１，Ｉ１に設定される。そして、図７に示すように、時間Ｔ０において燃料噴射幅がＰ１だけ増加された後、傾きＩ１の変化量でもって制御され、検出Ａ／Ｆ値の反転に要する時間はＴ３と短くなる。このように、エンジン回転数が低いときには制御係数Ｐ，Ｉを大きく設定するよう構成したので、検出されるＡ／Ｆ値のハンチングを従来例の場合より小さくでき、もって低速回転によるセンサの応答性の低下に起因するハンチングの増加を回避できることとなる。
【００３３】
このように、エンジン回転数が低い運転域では制御係数Ｐ，Ｉを大きく設定して燃料噴射量を制御したので、Ａ／Ｆ値の収束安定に要する時間を短縮でき、それだけフィードバック制御を正確に行うことができる。
【００３４】
また、上記Ｏ₂センサ３５を上記既燃ガスを採取する検出通路４０に配置したので、既燃ガスのみの空燃比を正確に検出でき、もってフィードバック制御の精度を向上することができる。
【００３５】
なお、上記実施例では、一方の気筒と他方の気筒を連通する検出通路の途中にＯ₂センサを設けた場合を示したが、これ以外のＯ₂センサの設置方法も採用可能である。すなわち、２番気筒に連結された通路の一端を、該通路の断面積よりも大きな断面積を有する蓄圧室に連結し、この蓄圧室にＯ₂センサを臨ませ、蓄圧室内に蓄えられた既燃ガスの酸素濃度を検出する方法が採用できる。ここで蓄圧室に導かれた既燃ガスを排出する通路の設け方としては、▲１▼他気筒に接続する、▲２▼排気通路に接続する、▲３▼既燃ガスが入ってくる入口側通路をそのまま使い、自気筒（２番気筒）に戻す、等の方法が採用できる。このようにすることによって、排出通路を設ける自由度、すなわちレイアウトの自由度を拡大できる。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように請求項１の発明に係る２サイクルエンジンの燃焼制御装置では、エンジンの運転状態に応じた制御係数でもって燃料噴射量を帰還制御するようにしたので、エンジンの運転状態が変化しても常に短時間で空燃比を収束させることができる効果があり、エンジンの燃焼状態を常に安定化することできる効果がある。
【００３７】
また、制御係数を、エンジン回転数が低いほど大きく、高いほど小さく設定したので、検出空燃比をより早く目標空燃比に収束させることができる効果がある。
【００３８】
請求項２の発明の２サイクルエンジンの燃焼制御装置では、位相差を有する一方，他方の気筒を、一方が排気行程開始時で、他方が圧縮行程開始前の所定期間のみ連通する検出通路で接続し、該検出通路の途中に、既燃ガスの酸素濃度を検出するＯ₂センサを設けたので、吹き抜け新気を含まない既燃ガスのみの空燃比を検出できる効果があり、もって上記既燃ガスのみの空燃比によりフィードバック制御することでエンジンの運転状態を常に安定化できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による２サイクルエンジンの燃焼制御装置の概略構成図である。
【図２】上記実施例装置の検出通路の取り付け位置を説明するための模式図である。
【図３】上記実施例装置の▲１▼，▲２▼番気筒のクランク角度，筒内圧及び検出通路の開閉の関係を示す特性図である。
【図４】上記実施例装置のＯ₂センサの出力と目標Ａ／Ｆ値との関係を示す特性図である。
【図５】上記実施例装置の時間と燃料噴射幅，Ａ／Ｆ値との関係を示す特性図である。
【図６】上記実施例装置のエンジン回転数と遅れ時間，整定時間との関係を示す特性図である。
【図７】上記実施例装置の時間と燃料噴射幅，Ａ／Ｆ値との関係を示す特性図である。
【図８】上記実施例装置のエンジン回転数とフィードバック係数との関係を示す特性図である。
【図９】上記実施例装置の機能ブロック図である。
【符号の説明】
１２サイクルエンジン
２ａ排気ポート
２ｂ掃気ポート
３０ＥＣＵ（制御係数演算手段，帰還制御手段）
４０検出通路
３５Ｏ₂センサ（空燃比検出手段）
６５導入口
６８排出口
▲１▼ 他方の気筒
▲２▼ 一方の気筒

Claims

２サイクルエンジンの燃焼制御装置において、既燃ガスの性状から混合気の空燃比を求める空燃比検出手段と、空燃比のフィードバック制御の制御係数のうち燃料噴射量を一気に増加させる比例成分Ｐ及び燃料噴射量を徐々に増加させる積分成分Ｉの両方を、エンジン回転数が低いほど大きく、高いほど小さく設定する制御係数演算手段と、上記空燃比検出手段によって求められた空燃比が目標空燃比と一致するように、上記制御係数演算手段によって求められた制御係数でもって燃料供給量をフィードバック制御する帰還制御手段とを備えたことを特徴とする２サイクルエンジンの燃焼制御装置。
請求項１において、上記空燃比検出手段が、既燃ガスの酸素濃度を検出するＯ₂センサを有しており、該Ｏ₂センサは位相差を有する一方の気筒と他方の気筒とを連通する検出通路の途中に介設されており、該検出通路の導入口は上記一方の気筒の排気ポートと掃気ポートとの間に位置しており、排出口は上記他方の気筒の上記排気ポートより下死点側に位置しており、上記導入口，排出口が、一方の気筒の排気行程開始後の一定期間と上記他方の気筒の圧縮行程開始前の一定期間とにおいて同時に開き、この期間において一方の気筒内の既燃ガスが他方の気筒に向かって流れるように上記位相差が設定されていることを特徴とする２サイクルエンジンの燃焼制御装置。