JPH01208555A - ガス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、希薄燃焼式のガス機関において、空気と燃料
ガスとの混合比を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） 触媒方式のガス機関における空燃比制御装置として、従
来例えば特開昭８１＝１３８８４０号公報に記載されて
いるように、ガス供給管と吸気管とをミキサーを介さず
に連通させるバイパス流路を設け、このバイパス流路の
開度を制御装置により制御するように構成したものがあ
った。

しかしながら、このような従来の装置では、バイパス流
路を流れる燃料ガスの流量を制御する方式であるため、
精密な制御を行なうことができなかった。すなわち、燃
焼させる混合気の空気と燃料ガスとの容積比は燃料ガス
の方が圧倒的に小さいので、燃料ガスの供給量の変化は
空気の供給量の変化と比較して空燃比に与える影響が極
めて大きい。触媒方式の場合、空気と燃料ガスとの容積
比は１１程度であり、しかも空燃比がリッチであるので
ラフな空燃比制御であっても燃焼限界を越えてしまうこ
とは無いが、希薄燃焼式の場合、空気と燃料ガスとの容
積比は２２程度であり、燃料ガスの供給量の変化が空燃
比に及ぼす影響が極めて大きく、しかも空燃比がリーン
であるので精密な空燃比制御を行なわないとすぐに燃焼
限界を越えてしまうことから、上記従来の装置を希薄燃
焼式のガス機関に用いることはできなかった。しかも、
希薄燃焼をさせる場合、機関の負荷および回転数に応じ
て空燃比を変化させる必要があるが、上記従来の装置で
はこのようなことはできなかった。

そこで本発明の出願人は、第５図のように、空気供給路
５１により供給される空気とガス供給路５２により供給
される燃料ガスとを混合して希薄混合気を吸気管５３に
供給するミキサー５４を備えた希薄燃焼式のガス機関に
おいて、前記空気供給路５１と吸気管５３とを前記ミキ
サー５４を介さずに連通させるバイパス路５５と、この
バイパス路５５の開度を可変する空気用流量制御弁５６
と、機関の負荷を検出する負荷センサ５７と、機関の回
転数を検出する回転数センサ５８と、機関の排気中の残
留酸素濃度を検出するリーンバーンセンサ５９と、前記
負荷センサ５７と回転数センサ５８とリーンバーンセン
サ５９とからの検出出力に応じて前記空気用流量制御弁
５６を制御する制御装置６０とを設け、空燃比を機関の
負荷およ゛び回転数に応じた最適値に制御する構成とし
たガス機関の空燃比制御装置を既に提案している（特願
昭６２−２６２９８０号参照）。なお、バイパス路５５
は吸気管５３のスロットル６１よりも上流側に接続され
ている。

しかしながらこの装置では、機関の負荷および回転数に
応じた最適空燃比に制御できるという優れた長所を有し
ているものの、スロットル６１の開度が変化しても空燃
比はそれに応じて変化しないため、負荷の投入時や遮断
時等におけるスロットル開度の変化に対する機関の応答
性が悪いという不都合があった。なおこの問題は、スロ
ットル６１の開度を制御装置６０に入力して、それに応
じて空気用流量制御弁５６の弁開度を制御するという構
成を付加しても、充分には解消されない。

なぜならば、まず制御系に応答遅れがあることと、また
バイパス路５５は精密な制御を行なう必要から流路断面
積を小さくしているので、空気用流量制御弁５６を全開
状態から全開状態にしても空燃比はそれほど大きく変化
しないからである。

なお、希薄燃焼のガス機関ではなく、排気の浄化に三元
触媒を用いたガス機関において、空気供給路と吸気管の
スロットルよりも下流側とをバイパスさせて、このバイ
パス路に流量制御弁を設置したガスエンジンのＮＯｘ低
減装置が提案されているが（実開昭６２−１３０１［ｉ
０号公報参照）、このような構成では、排気の酸素濃度
を検出する酸素センサの検出出力に応じて流量制御弁を
制御するので、スロットル開度の変化に対して応答遅れ
が大きく、応答性を改筈することは困難である。

（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、本発明のガス機関の空燃比
制御装置は、空気供給路により供給される空気とガス供
給路により供給される燃料ガスとを混合して希薄混合気
を吸気管に供給するミキサーを備えた希薄燃焼式のガス
機関において、前記空気供給路と前記吸気管のスロット
ルよりも上流側とを前記ミキサーを介さずに連通させる
第１のバイパス路と、前記空気供給路と前記吸気管のス
ロットルよりも下流側とを前記ミキサーを介さずに連通
させる第２のバイパス路と、前記第１のバイパス路の開
度を可変する空気用流量制御弁と、前記第２のバイパス
路に配置された絞り装置と、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、機
関の排気中の残留酸素濃度を検出するリーンバーンセン
サと、前記負荷センサと回転数センサとリーンバーンセ
ンサとからの検出出力に応じて前記空気用流量制御弁を
制御する制御装置とを設け、空燃比を機関の負荷および
回転数並びにスロットル開度に応じて変化させて、燃焼
状況およびスロットル開度に対する応答性を最適の状態
にする構成としたものである。

（作用） 負荷の投入時等にスロットル開度が大きくなった場合、
空気供給路の圧力と吸気管内のスロットルよりも下流側
の圧力との差圧が小さくなるので、第２のバイパス路を
流れる空気の流量が減少し、ミキサーに供給される空気
の量が相対的に増加することから、燃焼室に供給される
希薄混合気がリッチになって、機関の出力は急激に大き
くなり、速やかに安定する。逆に負荷の遮断時等にスロ
ットル開度が小さくなった場合、空気供給路の圧力と吸
気管内のスロットルよりも下流側の圧力との差圧が大き
くなるので、第２のバイパス路を流れる空気の流量が増
加し、ミキサーに供給される空気の量が相対的に減少す
ることから、燃焼室に供給される希薄混合気がリーンに
なって、機関の出力は急激に小さくなり、速やかに安定
する。一方、制御装置により常に機関の負荷および回転
数に応じて空気用流量制御弁の弁開度が制御されるので
、スロットル開度が一定の時は機関の負荷および回転数
に応じた最適の空燃比が維持される。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を第１図〜第４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
用したガス機関の要部の概略構成図で、１はシリンダで
あり、このシリンダ１の内周にはピストン２が摺動自在
に嵌合しており、シリンダ１の上端にはシリンダヘッド
３が装着されている。

このシリンダヘッド３には、中心部に点火プラグ４が装
着されていると共に、その両側に吸気管５の終端および
排気管６の始端が接続されている。

吸気管５とシリンダヘッド３との接続部には吸気弁７が
設置されており、排気管６とシリンダヘッド３との接続
部には排気弁８が設置されている。

吸気管５の内部にはスロットル９が設置されており、吸
気管５の始端はミキサー１０の吐出口に接続されている
。

前記ミキサー１０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１２の終端が接続されて
、おり、他方の吸入口には始端が図外のガス供給源に接
続されたガス供給路１３の終端が接続されている。この
ガス供給路１３にはガスレギュレータ１４が設置されて
おり、このガスレギュレータ１４には、配管１５により
前記空気供給路１２の内圧が導入されていると共に、配
管１６によりガスレギュレータ１４よりも下流側のガス
供給路１３の内圧が導入されている。

前記空気供給路１２と吸気管５のスロットル９よりも上
流側とは、第１のバイパス路１８により前記ミキサー１
０を介さずに連通されており、この第１のバイパス路１
８には、第１のバイパス路１８の開度を可変する電気制
御式の空気用流量制御弁１９が設置されている。前記空
気供給路１２と吸気管５のスロットル９よりも下流側と
は、第２のバイパス路２０により前記ミキサー１０を介
さずに連通されており、この第２のバイパス路２０には
例えばオリフィス等の絞り装置２１が設置されている。

なおこの絞り装置２１は流路断面積を調整可能な構造の
ものを用いてもよい。

前記吸気管５の前記スロットル９よりも下流側には、吸
気管５の内圧を検出する負荷センサとしてのブーストセ
ンサ２２が設置されており、前記ピストン２により回転
駆動されるクランク５軸の外周に嵌合固定されたギア２
３の近傍には、ギア２３の歯を検出して機関の回転数に
応じたパルス信号を出力する回転数センサ２４が設置さ
れている。

また前記排気管６には、排気管６内の排気中の残留酸素
濃度を検出するリーンバーンセンサ２５が設置されてお
り、ブーストセンサ２２と回転数センサ２４とリーンバ
ーンセンサ２５の出力端は例えばマイクロコンピュータ
等からなる制御装置２６の入力端に接続されている。こ
の制御装置２６の出力端は前記空気用流量制御弁１９の
ステッピングモータ１９ａの制御信号入力端に接続され
ている。

次に作用を説明する。空気供給路１２により供給される
空気と、ガス供給路１３により供給される燃料ガスとは
、ミキサー１０により混合されて希薄混合気となり、吸
気管５を介して吸気弁７の開弁時にシリンダ１内の燃焼
室に供給される。この希薄混合気は点火プラグ４の火花
により着火されて燃焼し、ピストン２を駆動する。燃焼
室の排気ガスは、排気弁８の開弁時に排気管６に排出さ
れ、図外の過給機に供給される。ところで、空気供給路
１２の内圧はミキサー１０のために吸気管５よりも高い
ので、空気供給路１２の空気は、−部が第１および第２
のバイパス路１８．２０を通って吸気管５に供給される
。第１のバイパス路１８を通る空気の流量は、空気用流
量制御弁１９の弁開度により決定される。したがって、
制御装置２６により空気用流量制御弁１９を制御するこ
とによって、吸気管５に供給される空気の量が変化する
ので、空燃比を機関の負荷および回転数に応じた最適値
に制御することが可能になる。すなわち制御装置２６は
、機関の負荷および回転数に応じた最適空燃比を予め記
憶しており、ブーストセンサ２２からの検出信号により
機関の負荷を演算し、回転数センサ２４からの検出信号
により機関の回転数を演算し、リーンバーンセンサ２５
からの検出信号により現実の空燃比を演算して、現実の
空燃比と最適空燃比との誤差が所定値以上であれば、そ
の誤差に応じた制御信号を空気用流量制御弁１９のステ
ッピングモータ１９ａに出力する。

これによりステッピングモータ１９ａが制御信号に応じ
て作動して空気用流量制御弁１９の弁開度が変化し、第
１のバイパス路１８を流れる空気の流量が変化して、燃
焼室に供給される希薄混合気の空燃比が最適値になる。

ここで、負荷の投入等によりスロットル９の開度が第２
図（Ａ）のように大きくなると、第２のバイパス路２０
の両端の差圧が小さくなるので、第２のバイパス路２０
を流れる空気の流量が減少し、ミキサー１０に供給され
る空気の流量が相対的に大きく増加する。この結果燃焼
室に供給される希薄混合気の空燃比は第２図（Ｂ）のよ
うにリッチになり、機関の出力が速やかに増大する。逆
に、負荷の遮断等によりスロットル９の開度が第３図（
Ａ）のように小さくなると、第２のバイパス路２０の両
端の差圧が大きくなるので、第２のバイパス路２０を流
れる空気の流量が増加し、ミキサー１０に供給される空
気の流量が相対的に大きく減少する。この結果燃焼室に
供給される希薄混合気の空燃比は第３図（Ｂ）のように
リーンになり、失火して機関の出力が速やかに減少する
□。

第４図はスロットル９の開度と希薄混合気の空燃比との
関係を示しており、第１および第２のバイパス路１８．
２０を設けない場合、空燃比はミキサー１０の設定値の
みにより決定されるので、スロットル９の開度によって
は変化せず、破線イのようになる。また第２のバイパス
路２０を設けずに第１のバイパス路１８のみを設けた場
合、空燃比はミキサー１０の設定値と空気用流量制御弁
１９の弁開度とにより決定されるので、スロットル９の
開度によっては変化せず、制御装置２６により機関の負
荷および回転数に応じて破線イと破線口との間で制御さ
れる。また第２のバイパス路２０のみを設けて第１のバ
イパス路１８を設けない場合、空燃比はミキサー１０の
設定値とスロットル９の開度とにより決定されるので、
スロットル９の開度に応じて実線へのようになる。本実
施例の場合、空燃比はミキサー１０の設定値と空気用流
量制御弁１９の弁開度とスロットル９の開度とにより決
定されるので、機関の負荷および回転数並びにスロット
ル９の開度に応じて実線ハと実線二との間で制御される
。

このように、絞り装置２１を有する第２のバイパス路２
０を設けて、スロットル１ｇの開度１：よっても希薄混
合気の空燃比を変化させるようにしたので、負荷の投入
時や遮断時等におけるスロットル９の開度の変化に対す
る機関の応答性を大幅に向上させることができる。しか
もこの第２のバイパス路２０は、その流量を電磁弁等を
用いて電気的に制御するものではなく、絞り装置２１を
設けて、空気供給路１２の圧力と吸気管５のスロットル
９よりも下流側の圧力との差圧を利用して流量を変化さ
せる構造であるので、制御系による応答遅れがなく、応
答性の向上を図るに理想的であると同時に、コストが安
価であり、さらには故障の発生が皆無である。また制御
装置２６等を用いて、第１のバイパス路１８を流れる空
気の流量を制御することにより、機関の負荷および回転
数に応じて希薄混合気の空燃比を制御するようにしたの
で、燃料ガスを制御するものと比較して非常に精密な制
御を行なうことができ、したがって常に燃焼限界を越え
ることなく、機関の負荷および回転数に応じた最適の空
燃比で良好に希薄燃焼を行なわせることができる結果、
燃費の向上と排気中の窒素酸化物の低減とを同時に実現
できる。

（別の実施例） なお上記実施例においては、過給機を用いた希薄燃焼式
ガス機関に本発明の空燃比制御装置を採　。

用した例について説明したが、本発明の空燃比制御装置
は過給機を設けていない希薄燃焼式ガス機関にも採用し
得ることは勿論である。

また上記実施例においては、負荷センサとしてブースト
センサ２２を用い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、負荷センサと
して他の種類のセンサを用いてもよい。

また上記実施例においては、空気用流量制御弁１９とし
てステッピングモータ１９ａにより開度を可変する構成
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、他の種類のモータあるいは各種電磁装
置により開度を可変する構成の空気用流量制御弁を用い
てもよい。

（発明の効果） 以上説明したように本発明によれば、空気供給路により
供給される空気とガス供給路により供給される燃料ガス
とを混合して希薄混合気を吸気管に供給するミキサーを
備えた希薄燃焼式のガス機関において、前記空気供給路
と前記吸気管のスロットルよりも上流側とを前記ミキサ
ーを介さずに連通させる第１のバイパス路と、前記空気
供給路と前記吸気管のスロットルよりも下流側とを前記
ミキサーを介さずに連通させる第２のバイパス路と、前
記第１のバイパス路の開度を可変する空気用流量制御弁
と、前記第２のバイパス路に配置された絞り装置と、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、機関の排気中の残留酸素濃度を検
出するり一ンバーンセンサと、前記負荷センサと回転数
センサとリーンバーンセンサとからの検出出力に応じて
前記空気用流量制御弁を制御する制御装置とを設け、空
燃比を機関の負荷および回転数並びにスロットル開度に
応じて変化させて、燃焼状況およびスロットル開度に対
する応答性を最適の状態にする構成としたので、スロッ
トル開度に応じて絞り装置を有する第２のバイパス路を
流れる空気の流量が変化して希薄混合気の空燃比が変化
することから、負荷の投入時や遮断時等におけるスロッ
トルの開度の変化に対する機関の応答性を大幅に向上さ
せることができる。しかもこの第２のバイパス路は、そ
の流量を電磁弁等を用いて電気的に制御するものではな
く、絞り装置を設けて、空気供給路の圧力と吸気管のス
ロットルよりも下流側の圧力との差圧を利用して流量を
変化させる構造であるので、制御系による応答遅れがな
く、応答性の向上を図るに理想的であると同時に、コス
トが安価であり、さらには故障の発生が皆無である。ま
たこれと同時に、制御装置等を用いて第１のバイパス路
を流れる空気の流量を制御することにより機関の負荷お
よび回転数に応じて希薄混合気の空燃比を制御する構成
としたことから、燃料ガスを制御するも、のと比較して
非常に精密な制御を行なうことができ、したがって常に
燃焼限界を越えることなく、機関の負荷および回転数に
応じた最適の空燃比で良好に希薄燃焼を行なわ竺ること
ができる。そして以上の結果、アクセル−度の変化に対
する機関の応答性を飛躍的に向上させつつ、機関の燃費
の向上と排気中の窒素酸化物の低減とを同時に実現でき
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
用したガス機関の要部の概略構成図、第２図（Ａ）（Ｂ
）は負荷投入時におけるアクセル開度および空燃比の時
間変化の説明図、第３図（Ａ）（Ｂ）は負荷遮断時にお
けるアクセル開度および空燃比の時間変化の説明図、第
４図はスロットル開度と空燃比との関係の説明図、第５
図は従来の空燃比制御装置を採用したガス機関の要部の
概略構成図である。

Claims (1)

【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ガス供給路に
   より供給される燃料ガスとを混合して希薄混合気を吸気
   管に供給するミキサーを備えた希薄燃焼式のガス機関に
   おいて、前記空気供給路と前記吸気管のスロットルより
   も上流側とを前記ミキサーを介さずに連通させる第１の
   バイパス路と、前記空気供給路と前記吸気管のスロット
   ルよりも下流側とを前記ミキサーを介さずに連通させる
   第２のバイパス路と、前記第１のバイパス路の開度を可
   変する空気用流量制御弁と、前記第２のバイパス路に配
   置された絞り装置と、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、機関の排
   気中の残留酸素濃度を検出するリーンバーンセンサと、
   前記負荷センサと回転数センサとリーンバーンセンサと
   からの検出出力に応じて前記空気用流量制御弁を制御す
   る制御装置とを設け、空燃比を機関の負荷および回転数
   並びにスロットル開度に応じて変化させて、燃焼状況お
   よびスロットル開度に対する応答性を最適の状態にする
   構成としたガス機関の空燃比制御装置。