JP3924015B2

JP3924015B2 - 船外機用２サイクルエンジンの燃焼制御装置

Info

Publication number: JP3924015B2
Application number: JP31271695A
Authority: JP
Inventors: 雅彦加藤; 準本瀬; 公裕野中
Original assignee: ヤマハマリン株式会社
Priority date: 1995-11-30
Filing date: 1995-11-30
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2015-11-30
Also published as: US5775311A; JPH09151762A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、検出空燃比が目標空燃比となるよう燃料供給量をフィードバック制御するようにした船外機用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】
従来、エンジンの燃焼制御装置では、空燃比センサにより燃焼ガスの酸素濃度から混合気の空燃比を検出し、該空燃比が目標空燃比となるよう燃料供給量をフィードバック制御する方法が採用されている。この場合、図１０に示すように、センサ出力がリッチ状態を示している場合（同図ａ）は燃料供給量が徐々に減量され（同図ａ′）、リーン状態を示している場合（同図ｂ）は燃料供給量が徐々に増量される（同図ｂ′）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記空燃比センサ（Ｏ₂センサ）の異常により、図１０に破線又は一点鎖線で示すように、該センサがセンシングしている燃焼ガスの酸素濃度に関係なく検出信号が所定出力よりもリッチ側もしくはリーン側のままの状態になった場合、燃焼制御コントローラ（ＥＣＵ）は、燃料供給量を、空燃比センサの出力がリッチ側であればリーン（減量）方向へ、逆にリーン側であればリッチ（増量）方向へ、フィードバック補正制御を行い、最終的には燃料供給量を＋側又は−側補正制限値いっぱいまで増減させてしまうこととなる。
【０００４】
一方、燃焼が不安定になったり、ピストン，コンロッッド等の可動部品が焼き付き等の損傷を受けるまでの燃料供給量の増減率はエンジンの運転領域において異なることを本発明者は確認している。ところが、上記従来の燃焼制御装置では、上記フィードバック制御における補正制限値は運転領域に関わらず一定であることから、空燃比センサの異常により以下の問題点が発生している。この問題点は２サイクルエンジンの場合に特に顕著である。
【０００５】
高負荷，高回転域では過リッチによる出力低下やピストン，コンロッド，クランク軸等の可動部品の損傷の問題が発生し、部分負荷リーンセット運転域ではエンジン回転が変動し易く、アイドル，極低速運転域では回転フィーリングの低下や、バックファイア，エンジンストール等が発生するという問題がある。
【０００６】
ここで図１０にも示すように、上記センサ出力がリッチ状態又はリーン状態に所定時間以上固定された場合にはセンサ異常と判断して、オープン制御に切り替える方法も採用されている。しかし、特に船外機等に採用されるマリンエンジンでは、以下の理由により、センサ異常時にオープン制御に切り替えることが必ずしもエンジンを不具合の生じない状態に維持できるとは限らない。
【０００７】
即ち、上記マリンエンジンでは、陸上機関と同様にインジェクタ，レギュレータ，ポンプ等の燃料系パーツのばらつき、空気流量算出誤差等のばらつきがあり、さらに水中排気による背圧のばらつきが加わる。しかもこの背圧は、同一エンジンであっても船の大きさ，搭載重量，船速等により大きく変化し、エンジンばらつき全体の１０〜４０％を占める。これらのばらつきがオープン制御における燃料供給量の制御精度を低下させるので、上述のようにオープン制御に切り替えることは必ずしも得策とは言えない。
【０００８】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたもので、空燃比センサの異常時のエンジン出力の低下やエンジントラブルを回避できるエンジンの燃焼制御装置を提供することを課題としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、検出空燃比が目標空燃比となるよう燃料供給量を補正制限値の範囲内でフィードバック制御するようにした船外機用２サイクルエンジンの燃焼制御装置において、エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、燃焼ガスの酸素濃度から空燃比を検出する空燃比センサと、該空燃比センサのセンサ出力が所定出力よりもリーン側又はリッチ側で所定時間以上固定されてしまう空燃比センサ異常時及び空燃比センサ正常時に、上記補正制限値を、検出された運転状態に応じた値で、かつ高負荷・高回転域（Ａゾーン），中負荷・中回転域（Ｂゾーン），低負荷・低回転域（Ｃゾーン），急加減速域（Ｄゾーン），及びこれら（Ａ〜Ｄゾーン）以外の運転域のそれぞれにおける増量側と減量側とで大，中，小の何れかの値に設定する制限値設定手段とを備え、
該制限値設定手段は、上記補正制限値を、上記高負荷・高回転域では、増量側，減量側共に小とし、上記中負荷・中回転域では、増量側は中，減量側は小とし、上記低負荷・低速回転域では、増量側減量側共に中とし、上記急加減速域では、増量側は大，減量側は小とし、上記以外のゾーンでは、増量側，減量側共に大とすることを特徴としている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１ないし図７は本発明の一実施形態の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は本装置が適用された２サイクルエンジンの概略構成図、図２は上記エンジンの運転領域を示す図、図３，４は該運転領域における燃料供給量の増量側，減量側補正制限値を示すマップ図、図５，６は動作を説明するためのフローチャート図、図７は燃料噴射量の変化を示す図である。
【００１２】
図１において、１は船外機用水冷式２サイクル３気筒クランク軸縦置エンジンであり、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を摺動自在に挿入配置し、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。
【００１３】
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）を検出するためのクランク角センサ（運転状態検出手段）３３が配設されている。またクランク室８には吸気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。さらに、排気ガスの背圧αを検出するための圧力センサ３６及びエンジン温度を検出するための温度センサ３７が設けられている。
【００１４】
また▲１▼番気筒と▲２▼番気筒との排気ポート２ａ，掃気ポート２ｂより燃焼室側寄り部分同士はバイパス通路４０で連通されており、該通路４０の途中部分に、燃焼ガスの酸素濃度から空燃比を検出するためのＯ₂センサ（空燃比センサ）３５が設けられている。なお、一般に２サイクルエンジンの場合には新気吹き抜けの現象があり、このため導入された新気の一部が燃焼ガスとともに排出されるので、従来のようにＯ₂センサを単に排気管に取り付けるだけでは正確な空燃比を検出できなかったが、Ｏ₂センサ３５を上記パイパス通路４０に配設することにより、新気の混入しない燃焼ガスのみの酸素濃度を検出でき、正確な空燃比を検出できるようになる。
【００１５】
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の回動量すなわちスロットル開度はスロットルセンサ（運転状態検出手段）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。
【００１６】
上記燃料供給装置１３は、船体側に配設された燃料タンク２８と、該タンク内の燃料が低圧燃料ポンプ２９，水分離フィルタ３８を介して供給され、一旦貯留される船外機側のサブタンク２７と、該サブタンク２７内の燃料を上記インジェクタ１２に供給する高圧燃料ポンプ２５と、上記燃料の圧力を調節するプレッシャレギュレータ２６とを備えている。なお２７ａは上記サブタンク２７内のフロートを示しており、該フロート２７ａのレベルに応じて上記低圧燃料ポンプ２９が作動されて燃料が供給される。
【００１７】
上記エンジン１はエンジン燃焼制御装置として機能する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，シストスイッチ，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。またＥＣＵ３０の出力制御信号は、上記点火プラグ７及びインジェクタ１２にそれぞれ入力されている。
【００１８】
上記ＥＣＵ３０には、運転状態（エンジン回転数，負荷）に基づいて設定される燃料供給量の＋側（増量側），−側（減量側）の補正制限値が記録された図４に示すマップデータと、所定の運転状態における燃料供給量の基本値が記録された基本マップデータ（不図示）と、リッチ，及びリーン状態における上記燃料供給量の基本値に対する補正係数を示すＰ，Ｉ値，及びＰ´，Ｉ´値が記録されたマップデータ（不図示）とがそれぞれ記憶されている。
【００１９】
次に、本実施形態装置の動作について説明する。
上記エンジン１が始動されると、上記サブタンク２７内の燃料が高圧燃料ポンプ２５により高圧にされてインジェクタ１２に供給される。該インジェクタ１２により、上記吸気通路１０に供給された燃料は空気と混合しつつクランク室８内に導入され、掃気ポート２ｂを介して燃焼室内に導入され、点火プラグ７により点火されて、ピストン３によりクランク軸５が駆動される。その後、排気ガスが排気ポート２ａを通って外部に排出される。このとき、Ｏ₂センサ３５により燃焼ガスの酸素濃度から空燃比が検出されて、該検出された空燃比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。
【００２０】
本発明の基本的技術思想は、上記燃料供給量のフィードバック制御において、その補正制限値を運転状態に応じた値に設定した点にあり、図２，図３は補正制限値の設定方法の一具体例を概念的に示している。なお、補正制限値は、エンジン１回転当たりの基本燃料供給量に対して加味できる制御係数Ｐ，Ｉの最大増減量を対基本燃料噴射量の％で示したものである。
【００２１】
本実施形態では、運転領域を、エンジン回転数と負荷とに基づいて、Ａゾーン（高負荷・高回転域）と、Ｂゾーン（中負荷・中回転域：パーシャル・リーンセット域）と、Ｃゾーン（低負荷・低回転域：アイドル・トロール域）と、Ｄゾーン（急加減速域：過渡域）と、Ａ〜Ｄゾーン以外の運転域とに分けて別個に補正制限値を設定し、さらに各ゾーンにおいて＋側（増量側）と−側（減量側）とで別個に補正制限値を設定している。これらの制限値は、これらの制限値いっぱいまで燃料供給量が増減された状態でエンジンを連続運転してもエンジントラブル等の発生しない値に設定される。
【００２２】
この場合、上記補正制限値は、大（２０％），中（１０〜１２％），小（５〜７％）と３段階に区分けされている。そしてまず、上記Ａゾーンでは、＋側，−側補正制限値は共に小（５〜７％）で、かつ、＋側の方が−側より大きくなるよう設定される。具体的には、図４のマップデータに示すように、＋側補正制限値は７％に、−側補正制限値は５％にそれぞれ設定されている。
【００２３】
上記Ｂゾーンでは、＋側補正制限値は中（１０〜１２％）に、−側補正制限値は小（５〜７％）に、かつ、＋側の方が−側より大きくなるよう設定される。具体的には上記マップデータに示すように、＋側補正制限値は１０％に、−側補正制限値は７％にそれぞれ設定されている。
【００２４】
上記Ｃゾーンでは、＋側，−側補正制限値は共に中（１０〜１２％）に、かつ、＋側と−側とが略一致するよう設定される。具体的には上記マップデータに示すように、＋側，−側補正制限値は共に１０％，及び１２％に設定されている。
【００２５】
上記Ｄゾーンでは、＋側補正制限値は大（２０％）に、−側補正制限値は小（５〜７％）に、かつ、＋側の方が−側より大きくなるよう設定される。具体的には上記マップデータに示すように、＋側補正制限値は２０％に、−側補正制限値は７％にそれぞれ設定されている。
【００２６】
また上記Ａ〜Ｄゾーン以外の運転域では、＋側，−側補正制限値は共に大（２０）に、かつ、＋側と−側とが略一致するよう設定される。具体的には上記マップデータに示すように、＋側，−側補正制限値は共に２０％に設定されている。
【００２７】
図３（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ上記Ａ，Ｂ，Ｃゾーンにおける補正制限値と燃焼安定域（斜線領域）との関係を示す。同図から明らかなように、燃焼安定域は、運転ゾーンによって広狭があるが、本実施形態の補正制限値は、同図に破線で示すように、何れのゾーンにおいても、＋側，−側の何れにおいても上記燃焼安定域内に納まるように設定されている。
【００２８】
これに対して従来の補正制限値は、何れのゾーンにおいても同じ値で、かつ＋側，−側制限値の両方とも同じ値、例えば２０％程度に設定されているので、同図に一点鎖線で示すように、安定燃焼域からはみ出す場合がある。
【００２９】
次に、本実施形態装置による燃料供給量の制御動作を図５，６に基づいて説明する。
燃料供給量の制御が開始されると、上記クランク角センサ３３，スロットル開度センサ４１からのエンジン回転数，スロットル開度が読み込まれる（ステップＳ１，Ｓ２）。
【００３０】
次に、上記読み込まれたデータに応じて、図４の各マップデータより、＋側，−側補正制限値が読み込まれ（ステップＳ３，Ｓ４）、また、上記Ｏ₂センサ３５からの空燃比検出信号が読み込まれる（ステップＳ５）。
【００３１】
そして、上記Ｏ₂センサ３５からの空燃比検出信号が、図７のａに示すようにリッチ状態を示しておれば（ステップＳ６）、上記ＥＣＵ３０に記憶されたマップデータより減量補正係数Ｐ値，Ｉ値がそれぞれ読み込まれ（ステップＳ７）、該Ｐ値，Ｉ値と上記燃料供給量の運転状態に応じた基本値とから燃料の減量値が算出される（ステップＳ８）。
【００３２】
ステップＳ９において上記減量値が上記−側補正制限値と比較される。通常のＯ₂センサ３５が正常の運転状態では、上記減量値が上記−側補正制限値より小さいので、該減量値に基づいてＦＤ値（インジェクタ通電時間）が設定され（ステップＳ１１）、このようにして図７のａ′に示すように燃料供給量が段階的に減量される。
【００３３】
そして上記燃料供給量の減量により空燃比がリーン側に反転すると、上記ステップＳ６において、上記センサ３５からの空燃比検出信号が図７のｂに示すようにリーン状態を示し、上記ＥＣＵ３０に記憶されたマップデータより増量補正係数Ｐ´値，Ｉ´値がそれぞれ読み込まれ（ステップＳ１２）、該Ｐ´値，Ｉ´値と上記燃料供給量の基本値とから燃料の増量値が算出される（ステップＳ１３）。
【００３４】
ステップＳ１４において、上記増量値が上記＋側補正制限値と比較される。通常のＯ₂センサ３５が正常の運転状態では、上記増量値は上記＋側補正制限値より小さいので、該増量値に基づいて上記ＦＤ値が設定され（ステップＳ１６）、このようにして図７のｂ′に示すように燃料供給量が段階的に増量される。
【００３５】
そして上記Ｏ₂センサ３５が上記リッチ状態を示している場合に、図７に破線ｃで示すようにリッチ状態に固定されてしまう異常になった場合には、上記減量処理が繰り返され、ステップＳ９において減量値が−側補正制限値ｃ′より大きくなり、その後は、減量値は−側補正制限値ｃ′に一定に保持されることなる。
【００３６】
同様に上記Ｏ₂センサ３５が上記リーン状態を示している場合に、図７に一点鎖線ｄで示すように異常になった場合には、上記増量処理が繰り返され、ステップＳ１４において増量値が＋側補正制限値ｄ′より大きくなり、その後は、増量値は＋側補正制限値ｄ′に一定に保持されることなる。
【００３７】
このように、補正制限値を運転ゾーンに応じた最適値とするとともに、Ｏ₂センサ３５の異常時には、燃料供給量の増減値を補正制限値に一定に保持する、いわゆるはりつき制御を行うようにしたので、補正制限値を何れの運転域においても燃焼安定域内に収めることができ、Ｏ₂センサ３５が異常な状態になっても、エンジンの燃焼が不安定になったり、可動部品が損傷したりする問題を回避できる。
【００３８】
本実施形態の作用効果を図８，図９に基づいて、従来の、補正制限値を運転域に関わらず一定としとしてフィードバック制御し、かつ異常時にはオープン制御に切り替えるようにした場合と比較してをさらに詳述する。
【００３９】
図８は上記Ａ〜Ｃゾーンにおける過渡運転状態を除く定常運転状態において、定常時フィードバックポイントＰ１を目標値としてフィードバック制御を行っているときにセンサが異常となった場合を示している。
【００４０】
従来装置では、センサ出力がリーン側又はリッチ側で固定されてしまうと、燃料供給量は、例えば共に２０％に設定されている＋側又は−側の補正制限値に向かって増量又は減量され、その途中又は該制限値に達した後に所定時間が経過するとセンサ異常と判断されてオープン制御に切り替えられる。この際、２サイクルエンジンでは特に−側補正制限値（Ｐ２）いっぱいまで減量されると可動部品の焼き付き等の損傷の恐れがある。また焼き付きに到る前にオープン制御に切り替えられた場合でも、特にマリンエンジンでは燃料供給系のばらつきが大きことから燃料供給量の精度が低く、該ばらつきの範囲で例えばＰ３になってしまう可能性があり、このような場合には出力が急激に変化し、回転変動によるフィーリングの悪化，動力伝達機構廻りの損傷の恐れがある。
【００４１】
これに対して本実施形態の場合には、＋側，−側補正制限値は、該制限値におけるはりつき制御が継続してもエンジントラブルの生じない範囲に設定されているので、該制限値の範囲内で燃料供給量が例えばＰ４ポイントまで減量されても、上述の焼き付き，回転変動等の問題が生じることはない。
【００４２】
図９は急加速時等の過渡運転状態を示している。過渡運転状態においてポイントＰ１′を目標にしてオープン制御が行われている時にセンサ出力がリッチ，リーンの何れかに固定された場合、従来装置では、過渡状態が終了するとまず上記オープン時のポイントＰ１′から−側又は＋側制限値まで燃料供給量が増減され、所定時間経過後にセンサ異常と判断され、再びオープン制御となり、再び上記オープン時のポイントＰ１′に戻る。この場合にも、上記定常時と同様に、焼き付き，回転変動等の問題が生じるが、本実施形態では、補正制限値が運転域に応じて設定されているので、これらの問題が生じることはない。
【００４３】
なお、上記Ｃゾーンにおける補正制限値を他のゾーンにおける値よりも一層小さく設定しても良く、このようにしたのが請求項３の発明である。このように設定した場合にはバックファイヤの発生を抑制できる。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように、請求項１の発明に係る船外機用２サイクルエンジンの燃焼制御装置によれば、フィードバック制御における補正制限値を、エンジン運転状態に応じた値で、かつ高負荷・高回転域の補正制限値を低負荷・低回転域の補正制限値よりも小さく設定したので、高負荷・高回転域では、過リッチによる出力低下、及び可動部品の損傷を防止できる効果があり、請求項２の発明では、低負荷・低回転域の補正制限値を他の運転域よりも一層小さくしたので、バックファイヤの発生を抑制できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態のよる燃焼制御装置が適用された２サイクルエンジンの概略構成図である。
【図２】上記実施形態の運転領域（ゾーン）を示す図である。
【図３】上記実施形態の燃焼安定域と補正制限値との関係を示す図である。
【図４】上記実施形態の補正制限値を示すマップ図である。
【図５】上記実施形態装置の動作を説明するためのフローチャート図である。
【図６】上記実施形態装置の動作を説明するためのフローチャート図である。
【図７】上記実施形態装置のセンサ出力と燃料噴射量との関係を示す図である。
【図８】上記実施形態装置の作用効果を説明するための図である。
【図９】上記実施形態装置の作用効果を説明するための図である。
【図１０】従来装置におけるセンサ出力と燃料噴射量との関係を示す図である。
【符号の説明】
１２サイクルエンジン
３０ＥＣＵ（補正制限値設定手段）
３３クランク角センサ（運転状態検出手段）
４１スロットル開度センサ（運転状態検出手段）

Claims

検出空燃比が目標空燃比となるよう燃料供給量を補正制限値の範囲内でフィードバック制御するようにした船外機用２サイクルエンジンの燃焼制御装置において、エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、燃焼ガスの酸素濃度から空燃比を検出する空燃比センサと、該空燃比センサのセンサ出力が所定出力よりもリーン側又はリッチ側で所定時間以上固定されてしまう空燃比センサ異常時及び空燃比センサ正常時に、上記補正制限値を、検出された運転状態に応じた値で、かつ高負荷・高回転域，中負荷・中回転域，低負荷・低回転域，急加減速域，及びこれら以外の運転域のそれぞれにおける増量側と減量側とで大，中，小の何れかの値に設定する制限値設定手段とを備え、
該制限値設定手段は、上記補正制限値を、上記高負荷・高回転域では、増量側，減量側共に小とし、上記中負荷・中回転域では、増量側は中，減量側は小とし、上記低負荷・低速回転域では、増量側減量側共に中とし、上記急加減速域では、増量側は大，減量側は小とし、上記以外の運転域では、増量側，減量側共に大とすることを特徴とする船外機用２サイクルエンジンの燃焼制御装置。