JPH01113565A - 火花点火機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、触媒により排気浄化を行なうガス機関等の火
花点火機関において、空燃比を触媒による排気浄化に適
した値に制御する空燃比制御装置に関するものである。

（従来技術及びその問題点） 従来、火花点火機関の一例としての触媒式のガス機関に
おいては、例えば特開昭６１−１３８８４０号公報に記
載されているような空燃比制御装置が用いられていた。

すなわちこの空燃比制御装置は、第６図に示すように、
機関本体６１に終端が接続゛された吸気管６２の始端に
吐出口が接続されたミキサー６３と、始端が図外の空気
供給源に接続されかつ終端が前記ミキサー６３の一方の
吸入口に接続された空気供給路６４と、始端が図外の燃
料供給源に接続されかつ終端が前記ミキサー６３の他方
の吸入口に接続された燃料供給路６５と、前記燃料供給
路６５と吸気管６２とを前記ミキサー６３を介さずに連
通させるバイパス路６６と、このバイパス路６６に設置
された流量制御弁６７と、前記吸気管２内のブースト圧
を検出することにより機関の負荷を検出するブーストセ
ンサからなる負（：：Ｉセンサ６８と、機関の回転数を
検出する回転数センサ６つと、排気ガス中の酸素を検出
する酸素センサ７０と、前記負荷センサ６８と回転数セ
ンサ６９と酸素センサ７０とからの出力信号に基づいて
前記流量制御弁６７のステッピングモータ６７ａを制御
する制御装置７１とを設けた構成であった。なお第６図
において、７３はガスレギュレータ、７４はスロットル
、７５は排気管、７６は過給機、７７は三元触媒である
。

この空燃比制御装置の動作について、第７図〜第１１図
を用いて説明する。第７図（ａ）は混合気の空気過剰率
、同図（ｂ）は酸素センサ７０の出力電圧、同図（Ｃ）
は流量制御弁６７の弁開度を各々示しており、（ａ）に
示す空気過剰率の変化は、一定の時間遅れをともなって
酸素センサ７０により検出され、酸素センサ７０の出力
電圧は（ｂ）のようになる。これが制御装置７１に人力
され、制御装置７１は酸素センサ７０からの信号に基づ
いて流量制御弁６７のステッピングモータ６７ａを制御
し、流量制御弁６７の弁開度を変えてバイパス路６６か
ら吸気管６２に流入する燃料の流量を変化させることに
より混合気の空燃比を制御する。ここで、三元触媒７７
が排気の浄化を良好に行なう領域、すなわち三元触媒７
７のウィンドは、空気過剰率λ−１よりも若干リッチ側
にあり、酸素センサ７０の反応点は、空気過剰率λ−１
よりも若干リーン側にあるので、平均空燃比が三元触媒
７７のウィンドに入るように、制御装置７１は第７図（
ｃ）のようなＡ、　　Ｂ、　Ｃ，Ｄの４つの基本パター
ンの組合わせのパターンで流量制御弁６７を制御する。

すなわち、基本パターンＡは酸素センサ７０がリッチ検
出状態からリーン検出状態に切替わったときに流量制御
弁６７の弁開度を瞬時に増加させる動作であり、基本パ
ターンＢは酸素センサ７０がリッチ検出状態になるまで
流量制御弁６７の弁開度を時間的に一定の割合で増加さ
せる動作であり、基本パターンＣは酸素センサ７０がリ
ーン検出状態からリッチ検出状態に切替わったときに流
量制御弁６７の弁開度を瞬時に減少させる動作であり、
基本パターンＤは酸素センサ７０がリーン検出状態にな
るまて流量制御弁６７の弁開度を時間的に一定の割合で
減少させる動作である。そして制御装置７１は、内部の
メモリに第８図および第９図に示すようなデータをマツ
プとして予め記憶しており、まず負荷センサ６８および
回転数センサ６９から機関の負荷および回転数を読取っ
て、第８図のマツプからそれに応じた制御パターンナン
バーを読み出し、次に第９図のマツプから、制御パター
ンナンバーに応じた制御変数を読出す。この制御変数は
、基本パターンＡ、Ｂ、Ｃ，Ｄの各々の動作の大きさ、
すなわち流量制御弁６７の弁開度の増加量や増加率等を
表しており、この制御変数で制御装置７１は流量制御弁
６７の弁開度を制御する。第１０図はこのような制御の
結果の一例を示しており、（ａ）は酸素センサ７０の出
力電圧、（ｂ）は酸素センサ７０゛の出力電圧の平均値
、（ｃ）は流量制御弁６７の弁開度であり、（Ａ）は１
／４負荷の場合、（Ｂ）は１／２負荷の場合、（Ｃ）は
４／４負６１ｆの場合を各々示している。このように機
関の負荷や回転数によって流量制御弁６７の平均弁開度
が変わるのは、負荷や回転数によって必要なガス量が異
なることと、第１１図のように流量制御弁６７の流量特
性が非線形であることに起因する。

しかしながらこのような従来の空燃比制御装置では、燃
料としてのガスの発熱量が変化したり、あるいはガスの
種類が変わった場合、当然にバイパス路６６を流れる燃
料ガスの流量が変化するので、流量制御弁６７の流量特
性が非線形であることから、良好な浄化特性を得るため
には基本パターンＡ、Ｂ、Ｃ，Ｄの制御変数を変化させ
なければならないが、制御変数はマツプとして予め制御
装置７１のメモリに記憶されており、機関の負荷および
回転数に応じて一義的に決定される。したがって、供給
される燃料ガスの発熱量が不安定で変動する場合や、燃
料ガスの種類が変わった場合、平均空燃比が三元触媒７
７のウィンドに入らず、浄化特性が悪化するという不都
合があった。これは、ガス種類の変更に対してはメモリ
の制御変数を変更することで対処可能であるが、変更作
業が大変面倒であり、また発熱量の変動に対しては対処
不可能である。

（問題点を解決するための手段） 上記問題点を解決するため、本発明の火花点火機関の空
燃比制御装置は、空気供給路により供給される空気と燃
料供給路により供給される燃料とを混合してその混合気
を吸気管に供給するミキサーと、前記空気供給路または
燃料供給路と前記吸気管とを前記ミキサーを介さずに連
通させるバイパス路と、このバイパス路の開度を可変す
る流量制御弁と、機関の負荷を検出する負荷センサと、
機関の回転数を検出する回転数センサと、排気中の酸素
を検出する酸素センサと、前記負荷センサと回転数セン
サと酸素センサとからの出力信号に応じて前記流量制御
弁を制御する制御装置とを備え、空燃比を三元触媒によ
る排気浄化に適した値に制御する火花点火機関の空燃比
制御装置において、前記制御装置により制御されて空燃
比を可変させる補助弁装置を設け、燃料の発熱量の変化
にかかわらず前記流量制御弁の平均弁開度が一定になる
ように前記補助弁装置を制御する構成としたものである
。

（作用） 制御装置は、燃料の発熱量の変化にかかわらず流量制御
弁の平均弁開度が一定になるように補助弁装置を制御す
る。したがって、燃料の発熱量の変動や燃料の種類の変
更にかかわらず、三元触媒による排気浄化を良好に行な
うことができる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を第１図〜第３図に基づいて説
明する。

第１図は本発明の一実施例における空燃比制御装置を採
用したガス機関の概略構成図で、１は機関本体であり、
この機関本体１には、吸気管２の終端と排気管３の始端
とが接続されている。吸気管２の始端はミキサー４の吐
出口に接続されており、このミキサー４の一方の吸入口
には始端が図外の空気供給源に接続された空気供給路５
の終端が接続され、他方の吸入口には始端が図外の燃料
ガス供給源に接続された燃料［１，給路６の終端が接続
されている。この燃料供給路６にはガスレギュレータ７
が設置されていると共に、ガスレギュレータフの下流側
からバイパス路８が分岐しており、このバイパス路８は
前記吸気管２に接続されている。すなわちこのバイパス
路８は前記燃料供給路６と吸気管２とを前記ミキサー４
を介さずに連通しており、中間部に電気制御式の流量制
御弁９が設置されている。前記燃料供給路６の前記バイ
パス路８が分岐している箇所よりもさらに下流側からは
、分岐燃料路１０が分岐しており、この分岐燃料路１０
は前記バイパス路８の前記流量制御弁９よりも下流側に
接続されている。この分岐燃料路１０には電気制御式の
流量制御弁からなる補助弁装置１１が設置されている。

前記吸気管２には、ブースト圧を検出するブーストセン
サからなる負荷センサ１３がスロットル１４よりも下流
側に設置されており、前記機関本体１には機関の回転数
を検出する回転数センサ１５が設置されている。前記排
気管３には過給機１６が設置されていると共に、この過
給機１６よりも下流側に三元触媒１７が設置されており
、これら過給機１６と三元触媒１７との間に排気中の酸
素を検出する酸素センサ１８が設置されている。

前記負荷センサ１３と回転数センサ１５と酸素センサ１
８の出力端はマイクロコンピュータ等からなる制御装置
１９の入力端に接続されており、この制御装置１９の出
力端は前記流量制御弁９の弁開度を可変するステッピン
グモータ９ａと前記補助弁装置１１の弁開度を可変する
ステッピングモータ１１ａとに接続されている。

次に作用を説明する。空気供給路５により供給される空
気と燃料供給路６により供給される燃料ガスとはミキサ
ー４により混合されて吸気管２に供給される。一方、燃
料供給路６の燃料ガスの一部は、バイパス路８を通って
吸気管２に流入すると共に、分岐燃料路１０とバイパス
路８とを通って吸気管２に流入し、ミキサー４からの混
合気と共に吸気弁（図示せず）の開弁時に機関本体１の
燃焼室（図示せず）に流入する。燃焼室で混合気が燃焼
することにより発生した排気ガスは、排気弁（図示せず
）の開弁時に排気管３を通って排気され、この間に三元
触媒１７により浄化される。

ここで、制御装置１９は負荷センサ１３と回転数センサ
１５と酸素センサ１８からの出力信号に基づいてステッ
ピングモータ９ａに制御信号を出力し、流量制御弁９の
弁開度を機関の負荷および回転数に応じて予め記憶して
いる制御変数を用いて制御する。これによりバイパス路
８を通って吸気管２に供給される燃料ガスの流量が制御
され、機関本体１の燃焼室に流入する混合気の空燃比が
三元触媒１７のウィンドに入り、三元触媒１７により排
気処理が良好に行われる。このとき、例えば燃料供給路
６により供給される燃料ガスの発熱量が変化したとする
と、流量制御弁９の平均弁開度が変化し始めるので、制
御装置１９はステッピングモータｌｌａに制御信号を出
力して補助弁装置１１の開弁度を制御する。これにより
分岐燃料路１０を通ってバイパス路８に流入する燃料ガ
スの流量が制御され、流量制御弁９の平均開弁度が、燃
料ガスの発熱量の変化にもかかわらず一定になる。

このような制御を行なう制御装置１９の動作について、
第２図および第３図のフローチャートを参照しながら、
さらに詳しく説明する。第２図は定時処理のフローチャ
ートで、基本的には上記従来装置の場合と同様である。

まずステップ（１）では負荷センサ１３からの検出信号
を読取って機関の負荷を演算し、ストアする。次にステ
ップ（２）に進み、回転数センサ１５からの検出信号を
読取って機関の回転数を演算し、ストアする。

次にステップ（３）に進み、上記従来装置における第８
図および第９図のマツプと同様なマツプから、機関の負
荷および回転数に応じた基本パターンＡ、　　Ｂ、　　
Ｃ，Ｄの制御変数を読出す。次にステップ（４）に進み
、酸素センサ１８からの検出信号を読取り、ストアする
。次にステップ（５）に進み、ステップ（４）で読取っ
た酸素センサ１８の検出信号がら空燃比がリッチな状態
であるか否かを判断し、リッチな状態であればステップ
（６）に進む。ステップ（６）ではステッピングモータ
９ａに制御信号を出力し、ステップ（３）において読み
出した制御変数を用いて基本パターンＣ１Ｄにより流量
制御弁９の弁開度を小さくする。次にステップ（７）に
進み、流量制御弁９の平均弁開度を演算し、ストアして
リターンする。この流量制御弁９の平均弁開度は、ステ
ップ（７）の処理が行われる毎に、流量制御弁９の弁開
度の累積値と累積回数とから算出される。一方、ステッ
プ（５）において、混合気の空燃比がリーンな状態であ
ると判断すれば、ステップ（８）に進み、ステッピング
モータ９ａに制御信号を出力して、ステップ（３）にお
いて読み出した制御変数を用いて基本パターンＡ、Ｂに
より流量制御弁９の弁開度を大きくした後、ステップ（
７）に進む。

第３図は割込み処理のフローチャートで、この割込み処
理は、流量制御弁９の平均弁開度を安定させるために、
定時処理のインターバルと比較して充分に長いインター
バルをおいて実行する。例えば、酸素センサ１８がリー
ン検出状態からりッチ検出状態に反転する毎か、あるい
はその反転が所定回数行われる毎に割込み処理を行なう
ようにする。まずステップ（９）では、定時処理のステ
ップ（７）で演算した流量制御弁９の平均弁開度が予め
記憶している目標値に対して所定の許容範囲内に入って
いるか、あるいはそれよりりも大きいか、小さいかを判
断して、許容範囲内であればリターンする。流量制御弁
９の平均弁開度が許容範囲よりも小さければ、ステップ
（１０）に進み、ステッピングモータ１１ａに制御信号
を出力して、補助弁装置１１の弁開度をステッピングモ
ータ１１ａの１ステップ分だけ小さくする。次にステッ
プ（１１）に進み、定時処理のステップ（７）で演算し
た流量制御弁９の平均弁開度をリセットした後、リター
ンする。一方、ステップ（９）において、流量制御弁９
の平均弁開度が許容範囲よりも大きければ、ステップ（
１２）に進み、ステッピングモータｌｌａに制御信号を
出力して、補助弁装置１１の弁開度をステッピングモー
タｌｌａの１ステップ分だけ大きくした後、ステップ（
１１）に進む。かくして、補助弁装置１１の弁開度を制
御することにより、分岐燃料路１０を通ってバイパス路
８に流入する燃料ガスの流量が変化するので、定時処理
の制御により流量制御弁９の弁開度が変化し、流量制御
弁９の平均弁開度が目標値の許容範囲内に収束する。な
お、流量制御弁９の平均弁開度の目標価は、機関の負荷
および回転数に応じて適切な値が予めメモリに記憶され
ている。またステップ（１１）において流量制御弁９の
平均弁開度がリセットされることにより、定時処理のス
テップ（７）においては、流量制御弁９の弁開度が新た
に累積され、新たな平均弁開度が算出される。

このように、制御装置１９により補助弁装置１１が制御
され、燃料ガスの発熱量にかかわらず常に流量制御弁９
の平均弁開度が所定の値に維持されるので、流量制御弁
９は常に所定の動作範囲内で動作する。したがって、流
量制御弁９の流量特性の非線形性が制御系に影響を与え
ることがな（、機関の負荷および回転数に応じて予め定
められた所定の制御変数を用いて所定のパターンで流量
制御弁９を動作させても、燃料ガスの発熱量の変動やガ
ス種類の変更にかかわらず、三元触媒１７により良好に
排気処理が行われる平均空燃比が得られる。

（別の実施例） 第４図は別の実施例を示しており、このように、分岐燃
料路１０の代わりに、空気供給路５とバイパス路８とを
連通させる分岐空気路２２を設け、この分岐空気路２２
に補助弁装置１１を設置するようにしてもよい。この実
施例では、分岐空気路２２を介してバイパス路８に空気
を供給するので、第１図の実施例とは逆に、第３図のス
テップ（１０）において補助弁装置１１の弁開度を大き
くし、ステップ（１２）において補助弁装置１１の弁開
度を小さくする。第１図の実施例は、燃料ガスの発熱量
が通常よりも小さくなる場合に好適であるのに対して、
この実施例は、燃料ガスの発熱量が通常よりも大きくな
る場合に好適である。

第５図はさらに別の実施例を示しており、このように、
分岐燃料路１０や分岐空気路２２を設けずに、空気供給
路５に空気圧力減圧弁からなる補助弁装置１１を設置す
るようにしてもよい。この実施例では、補助弁装置１１
の弁開度を大きくすると燃料の供給量が減少し、補助弁
装置１１の弁開度を小さくすると燃料の供給量が増加す
るので、第４図の実施例と同様の制御を行なう。

なお上記各実施例においては、流量制御弁９の平均弁開
度の目標値を、機関の回転数および負荷に応じて複数種
類設定し、メモリに記憶しておくようにしたが、本発明
はこのような構成に限定されるものではなく、流量制御
弁９の〒均弁開度の目標値を一定値に固定してもよい。

また上記各実施例においては、流量制御弁９あるいは補
助弁装置１１としてステッピングモータ９ａあるいはス
テッピングモータｌｌａにより弁開度を可変させる構造
のものを用いたが、本発明はこのような構成に限定され
るものではなく、他の種類のモータや電磁装置等により
弁開度を可変させるものを用いてもよい。

また上記各実施例においては、ミキサー４を過剰にリー
ン側に設定して、バイパス路８により燃料ガスを吸気管
２にバイパスするように構成した例について説明したが
、本発明はこのような構成に限定されるものではなく、
ミキサー４を過剰にリッチ側に設定して、バイパス路８
により空気を吸気管２にバイパスするように構成しても
よい。

また上記各実施例においては、ガス機関に本発明の空燃
比制御装置を適用した例について説明したが、本発明の
空燃比制御装置は、ガス機関に限ることなく、三元触媒
１７により排気浄化を行なう他の各種本孔点火機関に適
用可能である。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、制御装置により
制御されて空燃比を可変させる補助弁装置を設け、燃料
の発熱量の変化にかかわらず流量制御弁の平均弁開度が
一定になるように補助弁装置を制御する構成としたので
、制御装置により補助弁装置が制御され、燃料ガスの発
熱量にかかわらず常に流量制御弁の平均弁開度が所定の
値に維持されることから、流量制御弁は常に所定の動作
範囲内で動作する。したがって、流量制御弁の流量特性
の非線形性が制御系に影響を与えることがなく、機関の
負荷および回転数に応じて予め定められた所定の制御変
数を用いて所定のパターンで流量制御弁を動作させても
、燃料ガスの発熱量の変動やガス種類の変更にかかわら
ず、三元触媒により良好に排気処理が行われる平均空燃
比が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における空燃比制御装置を採
用したガス機関の概略構成図、第２図および第゛３図は
制御装置の動作を説明するフローチャート、第４図は別
の実施例における空燃比制御装置を採用したガス機関の
概略構成図、第５図はさらに別の実施例における空燃比
制御装置を採用したガス機関の概略構成図、第６図は従
来の空燃比制御装置を採用したガス機関の概略構成図、
第７図は従来の空燃比制御装置の制御動作の説明図、第
８図および第９図は制御装置のメモリに記憶されている
マツプの説明図、第１０図は制御装置による実際の制御
動作の説明図、第１１図は流量制御弁の弁開度と流量と
の関係の説明図である。 ２・・・吸気管、４・・・ミキサー、５・・・空気供給
路、６・・・燃料供給路、８・・・バイパス路、９・・
・流量制御弁、１０・・・分岐燃料路、１１・・・補助
弁装置、１３・・・負荷センサ、１５・・・回転数セン
サ、１７・・・三元触媒、１８・・・酸素センサ、１９
・・・制御装置、２２・・・分岐空気路 特許出願人　ヤンマーディーゼル株式会社代理人　弁理
士　大食忠孝：Ｈ−ｒ、Ｈ（（１’ｌ−ｆ、１、−（、
、、ニ 第２図 第３図 第７図 第６図 第９図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）空気供給路により供給される空気と燃料供給路に
   より供給される燃料とを混合してその混合気を吸気管に
   供給するミキサーと、前記空気供給路または燃料供給路
   と前記吸気管とを前記ミキサーを介さずに連通させるバ
   イパス路と、このバイパス路の開度を可変する流量制御
   弁と、機関の負荷を検出する負荷センサと、機関の回転
   数を検出する回転数センサと、排気中の酸素を検出する
   酸素センサと、前記負荷センサと回転数センサと酸素セ
   ンサとからの出力信号に応じて前記流量制御弁を制御す
   る制御装置とを備え、空燃比を三元触媒による排気浄化
   に適した値に制御する火花点火機関の空燃比制御装置に
   おいて、前記制御装置により制御されて空燃比を可変さ
   せる補助弁装置を設け、燃料の発熱量の変化にかかわら
   ず前記流量制御弁の平均弁開度が一定になるように前記
   補助弁装置を制御する構成としたことを特徴とする火花
   点火機関の空燃比制御装置。
2. （２）バイパス路は、燃料供給路と吸気管とを連通させ
   、補助弁装置は、前記燃料供給路から分岐して前記バイ
   パス路の前記流量制御弁よりも下流側に接続された分岐
   燃料路に設置されている構成とした特許請求の範囲第１
   項に記載の火花点火機関の空燃比制御装置。
3. （３）バイパス路は、燃料供給路と吸気管とを連通させ
   、補助弁装置は、空気供給路から分岐して前記バイパス
   路の前記流量制御弁よりも下流側に接続された分岐空気
   路に設置されている構成とした特許請求の範囲第１項に
   記載の火花点火機関の空燃比制御装置。
4. （４）バイパス路は、燃料供給路と吸気管とを連通させ
   、補助弁装置は、空気供給路に設置されている構成とし
   た特許請求の範囲第１項に記載の火花点火機関の空燃比
   制御装置。