JPH06272593A - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 湿度センサと空燃比センサの検定を容易に行
えるようにする。 【構成】 機関１の排気ガスを吸気側に還流する再循環
路１５と、給気の一部を分流する分流路１６とを設け、
再循環路に空燃比センサ１８を、分流路に湿度センサ２
０をそれぞれ配置し、検定時には上記の管路を切り替え
て大気を空燃比センサ１８に、冷却器で冷却されて湿度
が１００％となった排気ガスを湿度センサ２０にそれぞ
れ流して各センサの検定を行うようにした。 【効果】 比較的簡単な配管によって両センサの検定を
同時に実施でき、検定時には機関自身で検定の基準とな
るガスが生成されるので、作業が容易になると共に空燃
比制御の信頼性が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、内燃機関、特に火花
点火式希薄燃焼内燃機関に適した空燃比制御装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の排ガス浄化を行うために排気
ガス中の酸素濃度を検出し、目標の酸素濃度が得られる
ように空燃比を制御することは周知であり、大気の湿度
によって排気成分、特にＮＯｘ量が変化することも知ら
れている。一般的な自動車用エンジン等ではこのＮＯｘ
の規制値が緩いために多少の湿度変化ではそれほど影響
されないが、定置式のガス機関のようにＮＯｘの規制値
が厳しく、しかも希薄燃焼領域で運転する機関において
は影響を受けやすい。

【０００３】すなわち、排気中のＮＯｘ濃度はある空燃
比で最も高く、空燃比がそれより濃くなっても薄くなっ
ても低くなり、特に薄い領域では厳しいＮＯｘ濃度規制
値を下回ることができるのであるが、薄過ぎると失火す
るために、実際には規制値以下のＮＯｘ濃度が得られ、
しかも失火しない範囲の空燃比で運転されることにな
る。しかしながら、湿度が高いとＮＯｘ濃度は低下し、
同時に失火限界は空燃比の濃い側に移動する性質がある
ため、湿度が高い時の空燃比は、失火領域に入らずしか
もＮＯｘ濃度が規制値以下となるような値にまで濃い側
に修正する必要が生ずるのである。

【０００４】これに対応して、大気の湿度を検出して空
燃比を自動的に補正することが考えられるが、湿度セン
サに異常が生じた場合には空燃比制御が適正に行われな
いだけでなく、場合によっては失火による機関停止など
の事態も起きるため、湿度センサの異常の有無を監視し
ておく必要がある。またリーンバーンセンサなどの空燃
比センサに異常が生じた場合にも、空燃比制御が適正に
行われなくなることはもちろんである。

【０００５】このため、例えば１日１回あるいは週１回
のようにあらかじめ周期を決めて自動的に湿度センサや
空燃比センサの検定を行えばよいのであるが、湿度セン
サの検定は基準となるガスをあらかじめボンベに充填し
て用意しておくなどの必要があり、また空気と基準ガス
を切り替えるために電磁弁などを用いた複雑な配管系統
が必要となる。更に、空燃比センサの検定も同時に行う
ためには配管が一層複雑となり、メンテナンス作業が面
倒であると共に弁の数が多くなって信頼性やコストの面
で不利になるという問題が生じやすくなる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この発明はこのような
点に着目し、湿度センサと空燃比センサの検定を容易に
実施できるようにすることを課題としてなされたもので
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を達成するた
めに、この発明では、空燃比検出手段で検出される酸素
濃度が所定値になるように空燃比を制御し、且つ湿度検
出手段で検出される湿度に応じて上記の空燃比を補正す
る内燃機関の空燃比制御装置において、機関の排気ガス
を排気側から吸気側に還流する再循環路と、吸気側にお
いて機関への給気の一部を分流する分流路とを設け、上
記再循環路に空燃比検出手段を、上記分流路に湿度検出
手段をそれぞれ配置している。そして、検定時には再循
環路の空燃比検出手段が配置されている部分に機関への
給気を流し、分流路の湿度検出手段が配置されている部
分に排気ガスを流すように管路を切り替える切替手段
と、排気側から還流する排気ガスを冷却してその温度で
の相対湿度が１００％の基準ガスを生成する冷却器、と
を設けてあり、空燃比検出手段の検出値が示す酸素濃度
を大気中の酸素濃度と比較し、湿度検出手段の検出値が
示す相対湿度を１００％の湿度と比較することによって
各検出手段の検定を行うように構成している。

【０００８】また、検定開始直前の湿度検出手段の検出
値によって空燃比検出手段の検定時の検出値あるいはこ
の検出値と比較する酸素濃度を補正するようにしてい
る。また検定中は、少なくとも機関回転数と負荷に応じ
て決定される値よりあらかじめ設定された量だけ濃くし
た空燃比を目標値として空燃比を制御すると共に、検定
開始直前の湿度検出手段の検出値によって空燃比を補正
するようにしている。更に、検定は一定周期で自動的に
行われることが望ましいが、その場合には機関始動時に
検定周期が到来しても検定を行わないようにしている。

【０００９】

【作用】検定時には切替手段で管路を切り替えて、再循
環路の空燃比検出手段が配置されている部分に機関への
給気を流し、分流路の湿度検出手段が配置されている部
分に排気ガスを流すようにしており、また冷却器で排気
ガスを冷却することによって相対湿度１００％の基準ガ
スを生成しているので、配管系統の構成が比較的簡単と
なり、作業は容易である。また、湿度検出手段と空燃比
検出手段の検定を同時に実施できる。

【００１０】検定開始直前の湿度検出手段の検出値で空
燃比検出手段の検出値あるいはこれと比較する酸素濃度
を補正することにより、検定精度が向上される。また検
定中に空燃比検出手段の検出値による制御を行わず、機
関回転数と負荷に応じて決定される空燃比よりも設定量
だけ濃い空燃比を目標値とし、これを検定開始直前に検
出された湿度によって補正することにより、失火の可能
性の低い状態で湿度による補正を行いながら運転を継続
することができる。また始動時には、機関回転数と負荷
に応じて決定される空燃比に基づく制御では運転が困難
になる場合があるが、始動時に検定を行わないことによ
り円滑な立ち上がりが可能となる。

【００１１】

【実施例】次に、この発明をガス機関に適用した一実施
例について説明する。図１において、１はガス機関、２
は吸気管、３はミキサー、４は空気供給管、５はエアフ
ィルタ、６はガス供給管、７はレギュレータ、８は過給
機、９はインタークーラ、１０はスロットル弁、１１は
排気管、１２は排気煙道であり、ガスはミキサー３で空
気と混合され、過給機８、インタークーラ９、スロット
ル弁１０を経て機関１に供給される。

【００１２】１５は排気煙道１２から分岐してミキサー
３と過給機８の間の吸気管２に開口した再循環路、１６
はミキサー３の上流の空気供給管４から分岐し、下流で
再循環路１５と合流してミキサー３の下流に開口した分
流路、１７は再循環路１５の上流１５ａと下流１５ｂの
間、及び分流路１６の上流１６ａと下流１６ｂの間に挿
入された切替装置である。この切替装置１７は排気ガス
あるいは空気を通常の運転時には実線矢印のように流
し、検定時には破線矢印のように切り替えるものであ
る。

【００１３】図２は切替装置１７の一例としてボール弁
式のものを示している。すなわち、本体１７ａの内部に
Ｌ字状の穴を有する２個のボール弁１７ｂを設けてあ
り、図の状態は、再循環路１５の上流１５ａと下流１５
ｂとが連通し、また分流路１６の上流１６ａと下流１６
ｂとが連通して、排気ガスと空気が実線矢印のように流
れている通常運転時を示している。ここで、各ボール弁
１７ｂをそれぞれ時計方向に９０°回転すると、再循環
路１５の上流１５ａと分流路１６の下流１６ｂとが連通
し、また分流路１６の上流１６ａと再循環路１５の下流
１５ｂとが連通して、排気ガスと空気の流路が破線矢印
のように切り替えられるのである。

【００１４】１８は再循環路１５の下流１５ｂ側に設け
られた空燃比センサ、１９は上流１５ａ側に設けられた
冷却器、２０は分流路１６の下流側１６ｂに設けられた
湿度センサ、２１は再循環路１５と分流路１６の流量を
空燃比制御に影響を与えない程度に絞る流量調整絞りで
あり、上記の湿度センサ２０には、例えばアルミナセラ
ミック素子センサのように大気の絶対湿度を検出できる
タイプのもので温度計も備えており、相対湿度を算出で
きるものが使用される。冷却器１９にはドレンポット１
９ａを設け、発生したドレンを適宜排出処理できるよう
にしてある。なお、再循環路１５と分流路１６は図のよ
うにミキサー３の下流に開口させないで、ミキサー３に
開口させることもできる。

【００１５】２５は制御部、２６は回転センサ、２７は
吸気圧センサ、２８は吸気温度センサ、２９は潤滑油温
度センサ、３０は排気温度センサ、３１はガス供給管６
に設けられた空燃比制御弁である。制御部２５は例えば
マイクロコンピュータを備えたもので、通常の運転時に
は各センサ２６〜３０で機関１の運転状態を検出し、空
燃比センサ１８で検出される排気ガス中の酸素濃度が目
標値となるように空燃比制御弁３１に送る制御信号Ｓ₁
を算出し、更にこの算出値を湿度センサ２０の検出値に
応じて補正して制御弁３１に送り、空気とガスの混合比
を所定の値に保つように空燃比を制御するのである。な
お、このような空燃比の制御自体は公知であるので詳細
な説明は省略し、以下検定時の動作について詳述する。

【００１６】空燃比センサ１８と湿度センサ２０の検定
は、例えば１日１回あるいは週１回のようにあらかじめ
決められた一定の間隔で自動的に行われる。まず制御部
２５から切替信号Ｓ₂が送られて破線矢印のような流れ
となるように切替装置１７が切り替えられる。また、検
定時には冷却器１９を作動させて再循環路１５に流れる
排気ガスを冷却する。実際の検定作業は流路が切り替え
られ、配管系統の温度が安定した後に開始される。

【００１７】切替装置１７が切り替えられた状態では、
再循環路１５の下流１５ｂにはエアフィルタ５を通して
吸入された空気が流れ、ここに設けられた空燃比センサ
１８は空気中の酸素濃度を検出することになり、空燃比
センサ１８の検出値が大気の酸素濃度を示すか否かで空
燃比センサ１８の検定が行われる。また分流路１６の下
流１６ｂには、排気煙道１２から再循環路１５に分岐し
た排気ガスの一部が冷却器１９と切替装置１７を経て流
れるようになる。この時、排気ガスは冷却器１９で冷却
されて湿度が飽和状態となるためにその温度での相対湿
度１００％のガスとなっており、湿度センサ２０の検出
値はその温度における相対湿度１００％の時に出力され
るべき値となるはずである。従って、この検出値をあら
かじめ制御部２５に記憶させてある基準値と比較するこ
とで湿度センサ２０の検定が行われるのである。

【００１８】このように、切替装置１７で再循環路１５
と分流路１６の流路を切り替えることにより、空燃比セ
ンサ１８と湿度センサ２０の両方を同時に検定すること
ができ、しかも検定時の基準となる相対湿度１００％の
ガスが簡単に得られるので、検定作業は効率よく容易に
実施することができる。

【００１９】ところで、水分を全く含まない乾燥した大
気の酸素濃度は約２０．９５％であるが、水分を含む場
合には図３に示すように湿度が高くなるにつれてこの数
値は小さくなる。主室式希薄燃焼では、低ＮＯｘを維持
するために空燃比の幅を非常に狭く制御しているので酸
素濃度を精密に測定する必要があり、検定時にはこの点
を考慮した補正を行って大気湿度の影響を除くことが望
ましい。図４はこの補正を行う場合の検定手順を示した
もので、請求項２に対応するものである。

【００２０】図４の(a)では、まず空燃比センサ１８と
湿度センサ２０の各検出値を読み込んだ後、湿度センサ
２０の検出値により図３に基づいてその時の湿度に応じ
て検定に用いる酸素濃度を算出し、この補正された酸素
濃度と空燃比センサ１８の検出値とを比較することによ
って空燃比センサ１８を校正するのである。例えば、大
気圧７６０ｍｍＨｇで絶対湿度(水蒸気分圧)４０ｍｍＨ
ｇであれば図３からその時の酸素濃度は１９．８％であ
るから、この１９．８％の酸素濃度を比較に用いるので
あり、空燃比センサ１８の検出値がこれと差がなけれ
ば、すなわち空燃比センサ１８が１９．８％の酸素濃度
を示していればセンサは正常と判断できることになる。

【００２１】図４の(b)では、空燃比センサ１８と湿度
センサ２０の各検出値を読み込んだ後、湿度センサ２０
の検出値により図３に基づいてその時の湿度に応じて空
燃比センサ１８の検出値を補正して湿度０ｍｍＨｇの時
の酸素濃度を求め、この補正された検出値と湿度０ｍｍ
Ｈｇの時の酸素濃度２０．９５％を比較することによっ
て空燃比センサ１８を校正している。例えば、絶対湿度
４０ｍｍＨｇの時に空燃比センサ１８の検出値が１９．
８％を示せば補正後の検出値は２０．９５％となるの
で、差がなければセンサは正常と判断できることにな
る。

【００２２】この発明により空燃比センサと湿度センサ
の検定を行っている時には、各センサの動作条件は通常
運転時とは異なるので、これらのセンサの検出値を用い
たフィードバック制御はできなくなるため、少なくとも
機関回転数と負荷によって機関の運転条件を検出し、あ
らかじめ設定されたマップに基づいて空燃比を制御する
いわゆる計画制御が必要となる。また単にマップに基づ
いて制御するだけでは、空燃比が失火領域やノッキング
領域に近付いて安定した運転ができなくなる可能性があ
る。そこで、この実施例では上記のような計画制御に用
いるための空燃比マップを制御部２５に記憶させてあ
り、実際の空燃比はこのマップに基づく値よりもあらか
じめ設定された量だけ濃くし、更にその値を検定開始直
前の湿度センサ２０の検出値によって補正するようにし
ている。このような制御は請求項３に対応するものであ
る。

【００２３】このような制御を行った場合の空燃比の変
化を例示すると図５及び図６のようになる。図５は時間
の経過に伴う変化を示したもので、検定中の空燃比は計
画マップによる値よりも一定量だけ濃い値となり、これ
に湿度による一定の補正が重畳されるので、一般的には
検定前後の通常運転期間よりも濃い側に移動し、その間
の負荷変動などに対応しながらマップに従って調整され
る。また、図６は負荷を横軸としたものであり、破線で
示すように実際の空燃比は実線で示すマップによる空燃
比から濃い側に一定量だけシフトしている。このシフト
によって空燃比は２点鎖線で示す失火限界から遠くなっ
て失火領域に入る可能性が低減する。なお１点鎖線はノ
ッキング限界であり、シフト量は実際の空燃比がノッキ
ング領域に近付き過ぎないような値に選定される。

【００２４】また、機関の始動時に上述のようなマップ
による計画制御を行うと円滑な立ち上がりができなくな
る可能性が高いので、始動時には検定を行わないことが
望ましい。このため、この実施例では機関が一定の温度
になるまで検定を行わないようにしているのであり、こ
れは請求項４に対応している。

【００２５】検定は一定周期で自動的に行われるが、図
７に示すように機関始動後は空燃比センサ１８と湿度セ
ンサ２０の各検出値による通常の空燃比制御が開始さ
れ、フラグＡが０とされる。次いで潤滑油温度センサ２
９の検出値から潤滑油の温度が検出され、８０℃を越え
るとフラグＡが１とされて通常制御が継続される。ここ
で割り込み信号があるとフラグＣが１とされ、フラグＡ
とＣが共に１になるとフラグＣが０とされて検定のルー
チンが開始されるのである。すなわち、この例では機関
始動時か否かを潤滑油温度で検出しており、これが８０
℃以下の時には検定が行われないので、始動後の立ち上
がりが円滑に行われることになる。なお、機関始動時か
否かは例えば冷却水温度や始動後の経過時間など、他の
手段によって検出することもできる。

【００２６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、この発
明は、機関の排気ガスを排気側から吸気側に還流する再
循環路と、吸気側において機関への給気の一部を分流す
る分流路とを設けて再循環路に空燃比検出手段を、分流
路に湿度検出手段をそれぞれ配置し、検定時には切替手
段によって上記管路を切り替え、機関への給気を空燃比
検出手段に、また冷却器で冷却されて相対湿度が１００
％となった排気ガスを湿度検出手段にそれぞれ流し、こ
の状態における検出値によって空燃比検出手段と湿度検
出手段の検定を行うようにしたものである。

【００２７】従って、電磁弁などを多数使用して複雑な
配管系統を構成する必要がなく、比較的簡単な配管によ
って空燃比検出手段と湿度検出手段の検定を同時に実施
でき、しかも検定時に湿度の基準となるガスを別途用意
しておく必要などがなく、機関自身で基準となるガスを
生成して湿度検出手段の検定を実施できるので、メンテ
ナンス作業が簡単で容易になる。また空燃比制御の信頼
性が向上し、ＮＯｘ値を規制値以下に抑えながら失火を
防止して安定した運転を継続することが容易になるの
で、定置式のガス機関のようにＮＯｘの規制値が厳し
く、しかも希薄燃焼領域で運転する機関においては特に
効果が大きい。

【００２８】また、検定開始直前の湿度検出手段の検出
値によって空燃比検出手段の検定時の検出値あるいは酸
素濃度を補正するものでは、大気湿度の影響を除いて検
定精度を高めることができ、空燃比の幅を非常に狭く制
御して低ＮＯｘを維持するような場合に酸素濃度を精密
に測定することが容易となる。また、検定中は計画制御
用のマップを用いて機関の運転状態に応じた制御を行
い、且つ空燃比を濃い側にシフトさせると共に、検定開
始直前の湿度検出手段の検出値により空燃比を補正する
ものでは、失火の可能性の低い状態で湿度による補正を
行いながら空燃比を制御することができる。更に、検定
周期が到来しても始動時には検定を行わないようにした
ものでは、機関の円滑な立ち上がりが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例の概略構成図である。

【図２】実施例における切替装置の構成を示す図であ
る。

【図３】大気中の絶対湿度と酸素濃度の関係を示す図で
ある。

【図４】実施例における制御手順を例示したフローチャ
ートである。

【図５】実施例における時間と空燃比の関係を示す図で
ある。

【図６】実施例における負荷と空燃比の関係を示す図で
ある。

【図７】実施例における別の制御手順を例示したフロー
チャートである。

【符号の説明】

１ ガス機関 ３ ミキサー １１ 排気管 １２ 排気煙道 １５ 再循環路 １６ 分流路 １７ 切替装置 １８ 空燃比センサ １９ 冷却器 ２０ 湿度センサ ２５ 制御部 ２６ 回転センサ ２７ 吸気圧センサ ２９ 潤滑油温度センサ ３１ 空燃比制御弁

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 排気ガス中の酸素濃度を検出する空燃比
   検出手段と、大気の絶対湿度を検出する湿度検出手段、
   とを少なくとも備えており、空燃比検出手段で検出され
   る酸素濃度が所定値になるように空燃比を制御し、且つ
   湿度検出手段で検出される湿度に応じて上記の空燃比を
   補正する内燃機関の空燃比制御装置において、機関の排
   気ガスを排気側から吸気側に還流する再循環路と、吸気
   側において機関への給気の一部を分流する分流路とを設
   け、上記再循環路に空燃比検出手段を、上記分流路に湿
   度検出手段をそれぞれ配置すると共に、検定時には再循
   環路の空燃比検出手段が配置されている部分に機関への
   給気を流し、分流路の湿度検出手段が配置されている部
   分に排気ガスを流すように管路を切り替える切替手段
   と、排気側から還流する排気ガスを冷却して相対湿度が
   １００％の基準ガスを生成する冷却器、とを設け、空燃
   比検出手段の検出値が示す酸素濃度を大気中の酸素濃度
   と比較し、湿度検出手段の検出値が示す湿度を１００％
   の湿度と比較することによって各検出手段の検定を行う
   ように構成したことを特徴とする内燃機関の空燃比制御
   装置。
2. 【請求項２】 検定開始直前の湿度検出手段の検出値に
   よって、空燃比検出手段の検定時の検出値あるいはこの
   検出値と比較する酸素濃度を補正するようにした請求項
   １記載の内燃機関の空燃比制御装置。
3. 【請求項３】 検定中は、少なくとも機関回転数と負荷
   に応じて決定される値よりあらかじめ設定された量だけ
   濃くした空燃比を目標値として空燃比を制御すると共
   に、検定開始直前の湿度検出手段の検出値によって空燃
   比を補正するようにした請求項１または２記載の内燃機
   関の空燃比制御装置。
4. 【請求項４】 検定が一定周期で自動的に行われるよう
   に設定されており、且つ機関始動時に検定周期が到来し
   た場合には検定を行わないようにした請求項１乃至３の
   いずれかに記載の内燃機関の空燃比制御装置。