JPH03281974A - 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】 Ｅ発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、例えば給電、給湯用コージェネレーションシ
ステム等に使用されるエンジンの空燃比を高度に制御す
る空燃比制御装置に関するものである。

（従来の技術） ガスエンジンの排ガス中に存在する窒素酸化物（ＮＯｘ
）を触媒によって還元除去し、合せてこの窒素酸化物の
還元によって得た酸素（０２）より排ガス中の一酸化炭
素（ＣＯ）および炭化水素（ＨＣ）を酸化除去する三元
触媒法は、排ガス処理方法として広く実用化されている
。

窒素酸化物の還元率を向上させるためには、排ガス中の
酸素濃度を可能な限り低減することが必要であり、した
がってガスエンジンのシリンダ内に供給される混合気の
空燃比は極めて厳密な制御を行わなければならない。す
なわち、窒素酸化物、−酸化炭素および炭化水素の三者
を効率良く除去するには、第１３図に示される三元触媒
による排ガス浄化特性において、所謂ウィンドーと称さ
れる狭い領域内に空燃比（空気過剰率λ）を制御する必
要がある。

混合気の空燃比を制御する方法には、混合器に供給され
る燃料の流量を制御する燃料制御式と、予め過濃混合気
となるよう混合器を設定し、最適空燃比を得るようバイ
パス空気を制御する空気制御式とがある。制御性、安全
性、故障時の影響、メインテナンス上の諸条件およびコ
スト等を総合的に判断すると、空燃比制御方式を空気制
御式で行う方が優れている。

従来の空気制御式の空燃比制御装置としては、エンジン
に供給される空気および燃料の混合器に対し空気バイパ
ス管路が設けられ、この空気バイパス管路にバイパス空
気量を制御する空気バイパス弁が設けられ、エンジンか
ら排出される排ガス経路中に排ガス中の酸素濃度を検出
する酸素センサが設けられ、この酸素センサと前記空気
バイパス弁との間に、前記酸素濃度を可能な限り低減す
るように空気バイパス弁を制御する空燃比制御器が設け
られたものがある。そうして、排ガス中の酸素濃度を酸
素センサにより検出し、空燃比制御器により空気バイパ
ス弁を制御して、排ガス中の酸素濃度が零近傍になるよ
うにバイパス空気量を制御する。

（発明が解決しようとする課題） この従来の空燃比制御装置は、エンジンにかかる負荷お
よびエンジンの回転速度が大幅に変化した場合、特に低
負荷において空燃比をウィンドー内に収めることができ
ない場合が散見される。

その原因は不明であった。

本発明は、広範囲のエンジン作動域で空燃比を高精度に
制御でき、信頼性、耐久性に富む空燃比制御装置を提供
することを目的とするものである。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 請求項１の発明は、エンジン１８に供給される空気およ
び燃料の混合器１４に対し空気バイパス管路２１が設け
られ、この空気バイパス管路２１にバイパス空気量を制
御する空気バイパス弁２２が設けられ、エンジン１８か
ら排出される排ガス経路中に排ガス中の酸素濃度を検出
する酸素センサ２４が設けられ、この酸素センサ２４と
前記空気バイパス弁２２との間に、前記酸素濃度を可能
な限り低減するように空気バイパス弁２２を制御する空
燃比制御器２６が設けられた空燃比制御装置において、
前記排ガス経路中の酸素センサ２４の近傍に排ガス温度
を検出する温度センサ２５が併設され、前記空燃比制御
器２６に、排ガス温度による前記酸素センサ２４の特性
変化を補正する温度補償回路５２．５７が設けられた空
燃比制御装置である。

請求項２の発明は、空燃比制御器２６に酸素センサ出力
のハンチングを平滑にする遅延回路Ｓ３が設けられた空
燃比制御装置である。

請求項３の発明は、空気バイパス弁２２として、弁本体
３１の内部にバタフライ弁板３４が回動自在に軸支され
、このバタフライ弁板３４を介して一側に設けられた空
気流入孔３２１と他側に設けられた空気流出孔３２ｂと
が偏心形成され、この空気流入孔３２１と空気流出孔３
２ｂとの間に、前記バタフライ弁板３４のシート面とな
る段部４６が形成された空燃比制御装置である。

（作用） 請求項１の発明は、混合器１４から送出された理論混合
比より若干過濃の混合気を、空気バイパス弁２２を経た
空気により理論空燃比まで希釈し、エンジン１８に供給
する。そして、エンジン１８の排ガス中の酸素濃度を酸
素センサ２４で検出し、その酸素センサ出力のうち排ガ
ス温度よる酸素センサ２４の特性変化分を空燃比制御器
２６の温度補償回路５２、５７で補正して、空気バイパ
ス弁２２に駆動電流を出力し、排気ガス中の酸素濃度を
可能な限り低減するようにバイパス空気量を自動的に調
整し、エンジン１８に供給される混合気の空燃比を常に
ウィンドー内に保つように制御する。

請求項２の発明は、遅延回路５３により酸素センサ出力
のハンチングを平滑処理して、動作の安定を図る。

請求項３の発明は、空気バイパス弁２２のバタフライ弁
板３４が段部４６にシートされると、空気流入孔３２１
と空気流出孔３２ｂとの間が完全に閉止される。

（実施例） 以下、本発明を図面に示される実施例を参照して詳細に
説明する。

第１図は空燃比制御装置の系統図であり、空気供給系は
、エアクリーナ１１、過給機１２、過給圧調圧器１３を
経て混合器１４に接続され、また、この混合器１４に対
する燃料（プロパンガス、ブタンガス）の供給系にはガ
スレギュレータ１５が設けられている。混合器１４の送
出し側は、スロットル弁１６およびインタークーラ１７
を経てガスエンジン１８の吸気口に接続されている。ガ
スエンジン１８の排ガス管路には前記過給機１２を駆動
するための排気タービン１９が設けられている。

前記空気供給管路と混合器１４の送出し側との間には混
合器１４を迂回する空気バイパス管路２１が設けられ、
この空気バイパス管路２１にバイパス空気量を制御する
空気バイパス弁２２が設けられている。また、前記排気
タービン１９より下流側の排ガス管路２３中に、ガスエ
ンジン１８から排出される排ガス中の酸素濃度を検出す
るヒータ付ジルコニア酸素センサ２４と、この酸素セン
サ２４の近傍にて排ガス温度を検出する温度センサ２５
とが併設されている。このジルコニア酸素センサ２４お
よび温度センサ２５は、前記排ガス中の酸素濃度を可能
な限り低減するように前記空気バイパス弁２２を制御す
る空燃比制御器２６に接続されている。温度センサ２５
はＫ　（ＣＡ）熱電対を使用する。

前記ジルコニア酸素センサ２４は、内外面の酸素濃度差
が大きいと起電力を発生し、排ガス中の酸素濃度によっ
てその出力電圧が大幅に変化する。

第１０図に示されたジルコニア酸素センサの出力特性は
、本装置に使用された酸素センサ２４の実測値である。

この図から明らかなように、ジルコニア酸素センサの出
力電圧は、空燃比（空気過剰率λ）がλ＝　１．００を
境にして大幅に変化し、過濃状態では出力電圧は高く、
希薄状態では排ガス中に酸素が存在するため電圧は低下
するとともに、排ガス温度によっても出力電圧が変化す
る。さらに、第１１図は、前記空気過剰率λを一定（λ
＝０．９または１．１）として、酸素センサ素子先端温
度とセンサ出力電圧との関係を求めたものであり、また
、第１２図は、λ＝０．９の条件で、酸素センサ素子先
端温度とセンサ内部抵抗との関係を求めたものである。

これらのグラフから明らかなように、前記ジルコニア酸
素センサ２４の出力電圧は、排ガス中の酸素濃度の他に
、排ガス温度によっても変化すること、また、センサの
内部抵抗も排ガス温度の上昇によって大幅に減少するこ
とが明らかとなった。

第２図には前記空気バイパス弁２２が示されている。こ
の空気バイパス弁２２は、ソレノイド駆動のバタフライ
弁であり、弁本体３Ｉの内孔３２に、弁軸３３によりバ
タフライ弁板３４が回動自在に設けられ、さらに、弁本
体３１の上部にソレノイドアクチュエータ３５が設けら
れている。このソレノイドアクチュエータ３５は、コイ
ル３６の内部にコイルスプリング３７に抗して移動され
る可動鉄心３８が嵌合されている。さらに、この可動鉄
心３８の凹溝３９に、前記弁軸３３と一体のクランクア
ーム４１に軸支されたローラ４２が嵌合されている。こ
の弁軸３３の回動量は、可動鉄心３８の反対側に設けら
れたクランクアーム４３を介してフィードバック用ポテ
ンショメータ４４で検出され、コネクタ４５から取出さ
れる。

第３図乃至第６図は空気バイパス弁２２の詳細を示し、
第４図および第５図に示されるように、前記内孔３２は
、バタフライ弁板３４を介して一側に設けられた空気流
入孔３２！と、他側に設けられた空気流出孔３２ｂとが
上下に偏心するようにオフセット形成され、この空気流
入孔３２Ｍと空気流出孔３２ｂとの間に、前記バタフラ
イ弁板３４のシート面となる段部４６が形成されている
。さらに、前記弁軸３３の孔内部分は、全開時の空気抵
抗を減らすため、半円断面に切欠き形成され、その切欠
き面４７に前記バタフライ弁板３４が第２図に示される
ようにねじ４８で取付けられている。第３図および第４
図に示されるように、弁軸３３の外端には内部の弁板３
４と同一角度の指針４９が一体に嵌着され、第６図に示
されるようにこの指針４９と対応する弁開度目盛板５０
が弁本体３１の側面に設けられているので、弁板３４の
傾斜角度が外部からも確認できる。

第７図は前記空燃比制御器２６のブロック図であり、こ
の空燃比制御器２６は、排ガス温度による酸素センサ２
４の内部抵抗の変化（第１２図）を入力インピーダンス
切換スイッチ５１により補正する温度補償回路（入力イ
ンピーダンス切換回路）５２と、酸素センサ出力のハン
チングを平滑して平均値化する遅延回路（−次遅れ演算
器）５３と、酸素センサ２４からの入力が０．９５Ｖ以
上および０．０５■以下の時に異常警報を出力する回路
５４．５５と、前記酸素センサ２４からの入力値と設定
値とを比較してその差を増幅する偏差増幅器５６と、温
度センサ（熱電対）２５により検出した排ガス温度に基
づき前記設定値を自動切換することにより排ガス温度よ
る酸素センサ２４の出力電圧変化（第１１図）を自動的
に補正して排ガス温度に応じた設定値を決める温度補償
回路（設定値選択回路）５７と、温度センサ（熱電対）
２５の起電力を電流信号に変換して前記温度補償回路（
設定値選択回路）５７に与えるカップル変換器５８と、
前記空気バイパス弁２２を手動で操作する場合の切換ス
イッチ５９と、空気バイパス弁２２のソレノイドアクチ
ュエータ３５に手動開度信号を与える設定器６１と、偏
差増幅信号を遅延させる遅延回路６２と、この遅延回路
６２から出力された偏差増幅信号とソレノイドアクチュ
エータ３５の動作とを整合する位置コントロール６３と
、偏差増幅信号に合う電力をソレノイドアクチュエータ
３５のコイル３６に供給するパワーコントロール６４と
、定電圧電源６５とにより構成されている。

第８図は、前記温度補償回路（設定値選択回路）５７を
表わし、その設定値選択部７１に複数の設定値範囲（４
００℃〜６００℃、６００℃〜８００℃、８００℃以上
）に対応する複数の演算器７２を設け、そして、温度セ
ンサ２５で検出されカップル変換器５８で電流に変換さ
れた排ガス温度と対応する設定値範囲を有する演算器７
２から出力された電流により、対応するスイッチング用
トランジスタ７３を作動させ、温度範囲に対応する複数
のリレーＸ４゜Ｘ６．Ｘ８の一つを励磁し、各設定値（
４００℃〜６００℃、６００℃〜８００℃、８００℃以
上）に対応する゛複数の設定器７４！　、　７４ｂ　、
　７４ｃの一つからリレー接点を経て設定値を出力する
。

次に、この実施例の作用を説明する。

エンクロージャ内から吸込んだ空気は、第１図に示され
るように、エアアクリーナ１ｊを経て排気ターボ過給機
１２で加圧した後、高負荷条件下でも供給圧力を一定に
保持する目的で設置された過給圧調圧器１３で調圧し、
混合器１４内に供給する。

一方、燃料ガスは過給空気圧力に相応する適性圧力にガ
スレギュレータ１５で減圧調整した後、混合器１４内に
供給し、理論混合比より若干過濃な混合気を形成して、
エンジン出力を制御するスロットル弁１６に送出す。こ
の過濃混合気を理論空燃比近傍まで、混合器１４を経由
しない空気バイパス管路２１を経て供給される空気によ
り希釈制御する。この希釈用空気量を空気バイパス弁２
２により調整する。

前記スロットル弁１６によって流量制御された混合気は
、インタークーラ１７で冷却された後、ガスエンジン１
８のシリンダ内に供給されて燃焼し、排気弁から排出さ
れた排ガスは、排気タービン１９を経て図示されない三
元触媒内蔵型サイレンサに送られるが、その前に、排気
タービン１９の出口部分に設けられた前記ジルコニア酸
素センサ２４により排ガス中の酸素濃度を検出するとと
もに、前記温度センサ（熱電対）２５により前記センサ
２４部分の排ガス温度を検出し、この両センサ２４．２
５の出力は、前記空燃比制御器２６に入力して処理した
後、そのパワーコントロール６４を介して前記空気バイ
パス弁２２のソレノイドアクチュエータ３５を駆動して
、そのバタフライ弁板３４を開閉作動することにより、
排ガス中の酸素濃度が零近傍になるよう制御する。

前記空気バイパス弁２２の作動は、前記空燃比制御器２
６のパワーコントロール６４からの出力によってソレノ
イド３５のコイル３６を励磁することにより、可動鉄心
３８をスプリング３７の反発力に抗して軸方向に移動さ
せ、この軸方向運動をクランクアーム４１を介して回転
運動に変換し、バタフライ弁板３４を回動し、バイパス
空気流量を調整する。このバタフライ弁板３４の開度す
なわち可動鉄心３８の移動量は、前記パワーコントロー
ル６４の出力電流に比例する。

この空気バイパス弁２２は、低流量域から高流量域まで
の精密な流量制御特性を示し、特に低流量域でのバタフ
ライ弁板３４における漏洩空気量を少なくして高精度の
流量制御を行える。それは、バタフライ弁板３４を介し
て存在する空気流入孔３２Ｍと空気流出孔３２ｂとがオ
フセット形成され、ラビリンス効果が得られるためであ
り、シート面の段部４６により完全閉止が可能であると
ともに、全閉の近傍での流量制御性も向上できる。

最後に、空燃比制御器２６の作動を第９図に基づき説明
する。

先ず、エンジン１８の排ガス中の酸素濃度を酸素センサ
２４により検出し、ＤＣＯ〜１■の電圧として空燃比制
御器２６に入力する（ステップＳｌ）。

次に、排ガス温度により酸素センサ２４の内部抵抗値が
変化することによる影響を排除するために、制御器２６
の入力インピーダンスをスイッチ５１により手動で切換
え、例えば５ＭΩと１００ＫΩとを選択することにより
、酸素センサ２４の内部抵抗が無視できる程の高インピ
ーダンスとする（ステップＳ２）。次に、酸素センサ２
４の出力にはハンチングがあるので、遅延回路５３の一
次遅れ演算器で酸素センサ出力を平均値化する（ステッ
プＳ３）。

酸素センサ２４からの入力が上限より大の時または下限
より小の時は、警報回路５４．５．５を作動させる（ス
テップＳ４）。一方、排ガス温度を温度センサ（熱電対
）２５で検出し、排ガス温度に応じた起電力をカップル
変換器５８で電流に変換しくステップＳ５）、温度補償
回路５７にて排ガス温度による酸素センサ２４の出力電
圧の変化を補正するように、前記設定器７４ｔ　、　７
４ｂ　、　７４ｃのリレーＸ４．Ｘ６゜Ｘ８の一つを作
動させて排ガス温度に応じた設定値を選択する（ステッ
プＳ６）。例えば、排ガス温度が４００〜６００℃の場
合は（１，９２Ｖ、６００〜８００℃の場合＋；！０．
８５Ｖ、　８００℃以上の場合＋１０．７５Ｖ（７）各
設定値を選択する。いずれの場合においても空燃比（空
気過剰率）をλ＝　０．９９に制御できるようにする。

この温度補正で選択された設定値と酸素センサ２４から
の実測入力値とを偏差増幅器５６にて比較し、その差を
増幅する（ステップ８７）。次に、この偏差増幅信号を
遅延回路６２にて遅延させ（ステップＳ８）、位置コン
トロール６３にて空気バイパス弁２２のソレノイドアク
チュエータ３５の動作と偏差増幅信号とを整合し、パワ
ーコントロール６４にて偏差増幅信号に合う電力を前記
空気バイパス弁２２のソレノイドアクチュエータ３５に
供給する（ステップＳ９）。このパワーコントロール６
４からの出力により空気バイパス弁２２のコイル３６が
励磁され、可動鉄心３８が動き、バイパス弁板３４が回
動し、バイパス空気量が制御され、エンジン１８に供給
される空燃比が変わり（ステップ５１０）、ガスエンジ
ン１８のシリンダ内燃焼が制御される（ステップ５１１
）　　この燃焼排ガス中の酸素濃度を可能な限り少くす
るために、前記ステップＳｌに戻る。

［発明の効果］ 請求項１の発明によれば、排ガス温度により生ずる酸素
センサの特性変化を空燃比制御器の温度補償回路により
補正して、空気バイパス弁に適正な指令を与えるように
したから、エンジン負荷およびエンジン速度が大幅に変
化する広範囲の作動域で、高精度で信頼性の高い空燃比
制御を行うことができ、特に低負荷においても空燃比を
ウィンドー内に確実に収めることができる。

請求項２の発明によれば、遅延回路により酸素センサ出
力のハンチングを平均値化して、安定した酸素濃度を検
出でき、空燃比制御の安定化を図れる。

請求項３の発明によれば、空気バイパス弁のバタフライ
弁板に対するシート面として、空気流入孔と空気流出孔
とを偏心形成して段部を設けたから、全閉状態および全
閉近傍でのバイパス空気漏洩量を少なくして、流量制御
性を向上できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の空燃比制御装置の一実施例を示す系統
図、第２図は空気バイパス弁の斜視的断面図、第３図は
その正面図、第４図は第３図のＩＶ−ＩＶ線断面図、第
５図は第３図のＶ−Ｖ線断面図、第６図は空気バイパス
弁の側面拡大図、第７図は空燃比制御器の回路構成を示
すブロック図、第８図はその温度補償回路のブロック図
、第９図は空燃比制御器の作動を示すブロック図、第１
ａ図はジルコニア酸素センサの出力特性を示すグラフ、
第１１図はその酸素センサの温度・出力電圧の関係を示
すグラフ、第１２図はその酸素センサの温度・内部抵抗
の関係を示すグラフ、第１３図は三元触媒による排ガス
浄化特性を示すグラフである。 １４・・混合器、１８・・エンジン、２１−・空気バイ
パス管路、２２・・空気バイパス弁、２４・・酸素セン
サ、２５・・温度センサ（熱電対）、２６・空燃比制御
器、３１・・弁本体、３２ｓ　・・空気流入孔、３２ｂ
　・・空気流出孔、３４・・バタフライ弁板、４６・・
段部、５２．５７・・温度補償回路、５３・・遅延回路
。 センサーμ子先二がニ度　℃ センサー素子売先Ｉに度　℃ 汐９すＬ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）エンジンに供給される空気および燃料の混合器に
   対し空気バイパス管路が設けられ、この空気バイパス管
   路にバイパス空気量を制御する空気バイパス弁が設けら
   れ、エンジンから排出される排ガス経路中に排ガス中の
   酸素濃度を検出する酸素センサが設けられ、この酸素セ
   ンサと前記空気バイパス弁との間に、前記酸素濃度を可
   能な限り低減するように空気バイパス弁を制御する空燃
   比制御器が設けられた空燃比制御装置において、前記排
   ガス経路中の酸素センサの近傍に排ガス温度を検出する
   温度センサが併設され、前記空燃比制御器に、排ガス温
   度による前記酸素センサの特性変化を補正する温度補償
   回路が設けられたことを特徴とする空燃比制御装置。
2. （２）空燃比制御器に酸素センサ出力のハンチングを平
   滑にする遅延回路が設けられたことを特徴とする請求項
   １記載の空燃比制御装置。
3. （３）空気バイパス弁は、弁本体の内部にバタフライ弁
   板が回動自在に軸支され、このバタフライ弁板を介して
   一側に設けられた空気流入孔と他側に設けられた空気流
   出孔とが偏心形成され、この空気流入孔と空気流出孔と
   の間に、前記バタフライ弁板のシート面となる段部が形
   成されたことを特徴とする請求項１記載の空燃比制御装
   置。