JPH06341335A - ガス機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 希薄燃焼運転の領域を広く保ち、ＮＯｘ量を
十分に低減することのできる装置を得る。 【構成】 ミキサ２へのガス供給路１１に並列に設けら
れたバイパス路１２にこのバイパス路１２の通路面積を
制御する追加燃料制御弁１３を設け、検出されたガス機
関１の実回転数が目標回転数より低い場合にその偏差に
応じて制御弁１３の開度を制御し、燃料を追加供給して
空燃比をリッチ側に補正するようにした。 【効果】 ＮＯｘ量の低い希薄燃焼運転の領域を広く保
ち、しかも一時的な負荷の増加などにも対応しながらガ
ス機関を安定して運転できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はガス機関における空燃
比制御装置の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１９はガス機関における空燃比と機関
出力及び排出されるＮＯｘ量の関係を例示した図であ
り、通常はＮＯｘ量が低くなる希薄燃焼領域、例えば図
のＬ点で運転される。しかし、この領域は出力が比較的
小さく、高負荷時には機関回転数が目標回転数よりも低
くなる可能性があるので、負荷が増加した場合には空燃
比をややリッチにしてＬ´点での運転に移行させ、機関
出力を増加させることが一般に行われる。しかし、空燃
比をリッチにするとＮＯｘ量はＮ点からＮ´点に移って
大幅に増大するため、ＮＯｘ量を規制値以下に抑えなが
ら負荷の増加に対応して運転することは簡単ではない。

【０００３】図２０はガスミキサの空燃比特性を説明し
た図であり、空燃比の基本特性は一点鎖線で示すように
スロットルの中開度及び大開度の領域ではほぼ一定、低
開度領域ではリーン側に移行するという特性となってい
る。ガス機関では、この中開度及び大開度における空燃
比をＮＯｘ量の低減に適した希薄燃焼となるような値に
選定されることが多いが、この場合には、より希薄な低
開度領域では始動が困難になると共にアイドリング時の
運転が不安定になるので、スロー機構を設けて図の実線
Ａのように空燃比をリッチにし、燃焼を安定させさこと
が一般に行われている。

【０００４】また機関の出力は図のようになり、基本特
性のままでは大開度領域でも二点鎖線のように出力が増
加せず、高負荷時の運転が困難になるので、空燃比をリ
ッチ側に移行して図の実線Ｃのように出力を増大させる
ことが行われる。この目的のために、例えばスロットル
軸に燃料のバイパス路を設けてスロットルが開くとこの
バイパス路が開かれるようにしておき、自動的に燃料が
追加供給されて空燃比をリッチ側に補正するという機能
を備えたパワー機構が知られている。

【０００５】しかしながら、このようなパワー機構を設
けるとバイパス路の開口面積がスロットル開度に応じて
自動的に決まるために、空燃比特性を要求特性に一致さ
せることができない。またスロットルが全開になる前に
燃料追加が始まるので、図中にＤで示す中開度及び大開
度における希薄燃焼運転の領域が狭くなり、ＮＯｘ量の
低減が困難になるという問題が生ずる。

【０００６】なお、スロットルで回転数を制御するガス
機関において、スロットル開度があるしきい値を越える
とガス供給路のバイパス路を開き、燃料ガスの供給量を
増加して空燃比をリッチにすることにより過負荷時の回
転低下を防止し、あるいは始動性を改善するようにした
速度制御装置は公知である(例えば特公平４−３５６２
２号公報参照)。しかしながら、この装置は単にスロッ
トル開度のしきい値を基準としてバイパス路を開閉する
ものであるため、機関回転数が低下していない状態、す
なわち空燃比をリッチにする必要のない運転状態でも自
動的に空燃比がリッチになり、ＮＯｘ量が増大するとい
う問題がある。

【０００７】

【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、空燃比を適切に制御して希薄燃焼運転の領
域を広く保ち、ＮＯｘ量を十分に低減することのできる
装置を得ることを課題としてなされたものである。

【０００８】

【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、スロットルで回転数を制御するガ
ス機関において、機関回転数を検出する回転数検出手段
と、ガスミキサへのガス供給路に並列に設けられたバイ
パス路に配置されてバイパス路の通路面積を制御する追
加燃料制御弁と、検出された機関回転数が目標回転数よ
り低い場合に両回転数の偏差に応じて上記追加燃料制御
弁の開度を制御し、燃料を追加供給して空燃比をリッチ
側に補正する補正手段、とを備えている。

【０００９】また、スロットルの開度を検出する開度検
出手段を備えて、スロットル開度があらかじめ設定され
た基準値以上となった場合にのみ上記補正手段によって
空燃比をリッチ側に補正するようにしている。この基準
値は機関回転数に応じて設定するようにしてもよく、ま
た、機関回転数とスロットル開度及び追加燃料制御弁の
開度の関係を補正手段に記憶させておき、この記憶内容
に応じて燃料の追加供給が行われるようにしてもよい。

【００１０】また、機関回転数が最低回転数よりも低下
した場合に追加燃料制御弁の操作量を大きくするように
しており、この時の追加燃料制御弁の操作量の上限をス
ロットル開度に応じて設定するようにしてもよい。

【００１１】

【作用】実際の機関回転数が目標回転数より低い場合に
のみ両回転数の偏差に応じて追加燃料制御弁の開度が制
御されるので、スロットルを開くだけでは負荷の増大に
対応できず、空燃比をリッチにする必要がある時にのみ
バイパス路が開かれ、しかもバイパス路の通路面積は回
転数の偏差に応じて制御されるので必要以上に空燃比が
リッチにされることがない。このため空燃比が適正に制
御されて希薄燃焼運転の領域が広く保たれ、ＮＯｘ量を
低減することが容易となる。

【００１２】また、スロットル開度が基準値以上となっ
た場合にのみ上記補正手段を作動させることにより、Ｎ
Ｏｘ量が増加する頻度が低くなる。また、この基準値を
機関回転数に応じて設定することにより、低速時におい
ても燃料の追加供給機能を十分発揮させることができ
る。更に、機関回転数とスロットル開度及び追加燃料制
御弁の開度の関係に応じて燃料の追加供給が行われるよ
うにすることにより、低速域での燃焼不安定を防止する
ことができる。

【００１３】また、機関回転数が最低回転数よりも低下
した場合に追加燃料制御弁の操作量を大きくすることに
より、機関停止が防止される。更に、追加燃料制御弁の
操作量の上限をスロットル開度に応じて設定することに
より、機関回転数が速やかに回復するようになってより
確実に機関停止が防止され、しかも空燃比の制御も適切
に行われる。

【００１４】

【実施例１】次にこの発明の一実施例について説明す
る。図１はシステムのブロック図、図２は概略構成図で
ある。

【００１５】これらの図において、１はガス機関、２は
ミキサ、３は空気供給管、４はエアクリーナ、５はガス
供給管、６はガスレギュレータ、７は吸気管、８はスロ
ットル弁、９はガバナ、１０は排気管である。１１はレ
ギュレータ６とミキサ２との間に設けられたガス供給
路、１２はガス供給路１１に並列に設けられたバイパス
路、１３はバイパス路１２に設けられた追加燃料制御
弁、１４は回転センサ、１５はシステムコントローラで
ある。ガス供給路１１からミキサー２に供給されたガス
は空気と混合され、スロットル弁８の開度に応じて吸気
管７を経て機関１に供給される。システムコントローラ
１５は例えばマイクロコンピュータを備えたもので、必
要なプログラムや制御用の諸データをあらかじめ記憶さ
せてある。

【００１６】図１に示すように、システムコントローラ
１５では回転センサ１４で検出される実際の機関回転数
と目標回転数との偏差を算出し、この偏差に応じてスロ
ットル開度演算部１５ａでスロットル弁８の開度を、ま
た追加供給量演算部１５ｂで追加燃料制御弁１３の開度
をそれぞれ演算する。そしてこれらの演算結果がガバナ
９と追加燃料制御弁１３に対して出力され、スロットル
弁８の開度に応じて混合気の量が制御されると共に、バ
イパス路１２の通路面積が制御されてバイパス路１２を
経て追加供給される燃料量が調整され、混合気全体の空
燃比がリッチ側に変更されるのである。なお、目標回転
数は適宜の手段であらかじめ設定され、あるいは外部か
ら供給される信号などに基づいてシステムコントローラ
１５で算出される。

【００１７】図３はバイパス路１２から供給される燃料
の追加供給量のマップの一例であり、目標回転数をＮ₀
として実際の回転数がＮ₁以下になると目標回転数との
偏差に比例して追加燃料が増加し、ある回転数Ｎ₂以下
では追加燃料制御弁１３の開度を頭打ちして追加燃料を
一定の量Ｇ₂に固定する例を示している。すなわち、回
転数がＮの場合には目標回転数Ｎ₀との偏差はＳであ
り、これに応じて燃料の追加供給量はＧとなるのであ
る。なお、追加燃料が零になる回転数Ｎ₁と目標回転数
Ｎ₀との差Ｗ₁は不感帯である。

【００１８】図４は以上の手順を示したフローチャート
である。また図５は図４における追加燃料制御弁１３及
びスロットル弁８の駆動ルーチンを示したフローチャー
トであり、これらの駆動にはステップモータが使用され
るので、目標開度と実開度を比較して実開度が目標開度
に近付くように１ステップずつ繰り返し駆動されるよう
になっている。

【００１９】以上は請求項１に対応するこの出願におけ
る発明の基本的な動作であり、低ＮＯｘ量の希薄燃焼運
転の領域を広くすることができると共に、高負荷時の空
燃比を制御しつつ出力を増大してエンストなどのトラブ
ル発生が防止される。しかしながら、この基本動作では
スロットル開度に関係なく回転数の偏差に応じて空燃比
をリッチにしているので、ＮＯｘ量が増加する頻度が高
く、場合によっては好ましくない結果を生ずる。

【００２０】

【実施例２】請求項２の発明はこの問題を解決するもの
であり、ここでは上述の制御に加えてスロットル弁８の
開度に一定の基準値を設定し、スロットル開度がこの基
準値以上の場合にのみ上述の制御を実施するようにして
いる。すなわち、スロットル弁８が基準値以上に開かれ
ているということは、現実に負荷が増加しているという
ことを示しているから、高負荷時でしかも実回転数が目
標回転数より低下している時にのみ燃料が追加供給され
て空燃比がリッチにされる。従って、リッチにする必要
のない運転状態でも自動的に空燃比がリッチにされてＮ
Ｏｘ量が増大するという不都合を防止できるのである。

【００２１】図６はこの関係を示したものであり、希薄
燃焼域の上限にスロットル開度の基準値が設定されてお
り、スロットル開度がこの基準値を越えた時にのみ空燃
比がリッチな過負荷域での運転が行われる。なお、スロ
ットル開度は例えば開度センサをスロットル弁８に設け
ることによって検出できるが、ガバナ９に対する駆動ス
テップ数からシステムコントローラ１５において認識す
ることによって検出するようにしてもよい。

【００２２】図７は、この実施例２における追加燃料制
御弁１３の制御ルーチンのフローチャートである。

【００２３】

【実施例３】ところで、低速運転時にはスロットル開度
も小さくなるため、請求項２のようにスロットル開度の
基準値が一定であると実際のスロットル開度が基準値を
越えることが少なくなり、低速時に燃料の追加供給が不
十分になる。請求項３はこのような問題を改善したもの
であり、スロットル開度の基準値を機関回転数に応じて
低回転になるほど小さく設定している。

【００２４】図８は機関回転数に対するスロットル開度
基準値のマップの例であり、基準値を例えば最低回転数
では２５、最高回転数では４５と設定し、その間を適宜
の勾配で設定しておくのである。従って、スロットル開
度に対する機関出力の関係は図９のようになって回転数
に応じて追加供給域の下限が変化し、高速時には大きな
開度θ₁以上で、また破線で示した低速時には小さな開
度θ₂以上でそれぞれ燃料の追加供給を開始させること
が可能となり、低速時でも燃料を十分に追加供給して例
えばほぼ同じ出力Ｐ₀で燃料の追加供給を開始させるこ
とができるようになる。

【００２５】図１０は、この実施例３における追加燃料
制御弁１３の制御ルーチンのフローチャートである。

【００２６】

【実施例４】図２０に関する説明で述べたように、ガス
ミキサにはスロットルの低開度領域でリーンになる特性
があるため、これをスロー機構によって補正しているの
であるが、場合によってはこの補正が不十分で低速域で
空燃比がリーン気味となり、燃焼が不安定になることが
ある。請求項４はこのような問題を改善したものであ
り、この実施例４では、上述の実施例３のものにおい
て、更に機関回転数とスロットル開度及び追加燃料制御
弁１３の開度の関係を規定したマップをシステムコント
ローラ１５に記憶させておき、機関回転数が低回転にな
ると燃料を追加供給するようにしている。

【００２７】図１１はこの関係を示したものであり、希
薄燃焼域の上限にスロットル開度の基準値が設定されて
いることは図６と同様であるが、更にスロットル開度が
基準値を越えない場合でも、斜線で示した低速時空燃比
補正域では追加燃料制御弁１３が開かれて、空燃比がリ
ッチ側に補正されるのである。図１２はマップの一例で
あり、機関回転数が低く、且つスロットル開度が小さい
領域で追加燃料制御弁１３の開度が大きくなるような設
定となっている。

【００２８】図１３は、この実施例４における追加燃料
制御弁１３の制御ルーチンのフローチャートである。す
なわち、スロットル開度が基準値を越え、更に機関回転
数と目標回転数の偏差が不感帯を越えている時には、前
述の実施例と同様に偏差に応じて追加燃料制御弁１３が
開かれるが、そうでない場合でも図１２のマップで開度
が零以外に設定されていれば、その値に応じて追加燃料
制御弁１３が開かれて空燃比がリッチ側に補正され、低
速域での燃焼不安定が防止されるのである。

【００２９】

【実施例５】以上の各実施例においては、スロットル弁
８は図４に示すように目標回転数と実回転数との偏差を
なくすように開度が制御されるが、回転数が大きく低下
しないと出力が増大せず、またバイパス路１２はＮＯｘ
対策に重点をおいて設定されている。このため、何らか
の理由で機関回転数が最低回転数よりも低下した場合に
回転数を回復させる機能が発揮されにくくなり、機関停
止、すなわちエンストを起しやすくなる。請求項５はこ
の問題を改善したものであり、この実施例５では、機関
回転数が最低回転数よりも低下した場合の追加燃料制御
弁１３の操作量を大きくし、速やかに燃料を追加供給す
るようにしている。

【００３０】図１４は燃料の追加供給マップの一例であ
り、実線は図３と同じ通常制御の場合、破線はこの実施
例５によるエンスト回避制御の場合をそれぞれ示してい
る。Ｎ₀は目標回転数であるがここでは最低回転数と考
えてよく、このエンスト回避制御では燃料の追加供給が
始まる回転数Ｎ₁´を目標回転数Ｎ₀に近付けて不感帯Ｗ
₂を通常制御の不感帯Ｗ₁より小さく設定し、また追加燃
料制御弁１３の開度の増加割合を通常制御よりも大きく
設定してある。図１５において、斜線で示した領域、す
なわち回転数が最低回転数よりも低い領域がこの実施例
５におけるエンスト回避制御域であり、機関回転数が最
低回転数よりも低下した場合には燃料が速やかにしかも
多く追加供給されるので、回転数が速やかに回復してエ
ンストを回避することができる。

【００３１】図１６は、この実施例５における追加燃料
制御弁１３の制御ルーチンのフローチャートである。す
なわち、実回転数が最低回転数よりも低い場合には図１
４に破線で示したエンスト回避制御のマップが選択さ
れ、最低回転数以上の場合には実線で示した通常制御の
マップが選択される。そして、偏差が不感帯を越えてい
れば偏差に応じて追加燃料制御弁１３がそれぞれ駆動さ
れ、燃料が追加供給されるのである。

【００３２】

【実施例６】上記の実施例５では、追加燃料制御弁の操
作量はスロットル弁８の開度に無関係に設定されるが、
請求項６はこの追加燃料制御弁の操作量の上限をスロッ
トル開度に応じて設定するようにしたものである。この
ため、スロットル開度が大きい時には追加燃料制御弁の
操作量が大きくなって燃料の供給量が多くなるので、低
下した機関回転数が速やかに回復するようになり、エン
スト防止がより確実となる。

【００３３】図１７はスロットル開度に対する追加燃料
制御弁操作量の上限のマップの例である。すなわち、上
限を例えばスロットル全閉で２０、スロットル全開で１
５０と設定し、その間を適宜の勾配で設定しておくので
あり、これにより機関回転数と燃料の追加供給量の関係
は図１８のようなものとなる。

【００３４】この図１８は基本的には図１４に破線で示
してあるエンスト回避制御の特性と同じであるが、その
上限がスロットルの開度に応じて変化している点が異な
っている。従って、機関回転数が最低回転数よりも低下
している状態において、スロットル弁８の開度が大きく
なるほど燃料の追加供給量が増加するのであり、燃料の
追加供給の必要度に応じて供給量が増減されるため、供
給量を最適に制御して空燃比を必要以上にリッチにする
ことを防ぎながら、回転数を速やかに回復させてエンス
トを回避することが可能となるのである。

【００３５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、この発
明は、スロットルで回転数を制御するガス機関におい
て、機関回転数を検出する回転数検出手段と、ガスミキ
サへのガス供給路に並列に設けられたバイパス路に配置
されてバイパス路の通路面積を制御する追加燃料制御弁
を設け、検出された機関の実回転数が目標回転数より低
い場合に両回転数の偏差に応じて追加燃料制御弁の開度
を制御し、空燃比をリッチ側に補正するようにしたもの
である。

【００３６】従って、バイパス路の通路面積が回転数の
偏差に応じて制御されるので、必要以上に空燃比がリッ
チにされることがなくてＮＯｘ量の低い希薄燃焼運転の
領域を広く保つことができ、しかも一時的な負荷の増加
などにも適切に対処してガス機関を安定して運転するこ
とができる。

【００３７】また、スロットル開度があらかじめ設定さ
れた基準値以上となった場合にのみ補正手段による空燃
比補正を行うものでは、ＮＯｘ量が大きくなる頻度を低
くでき、この基準値を機関回転数に応じて設定すること
により、低速時における燃料の追加供給の機能を十分発
揮させることができる。更に、機関回転数とスロットル
開度及び追加燃料制御弁の開度の関係に応じて燃料の追
加供給が行われるようにするものでは、低速域での燃焼
不安定を防止することも可能となる。

【００３８】また、機関回転数が最低回転数よりも低下
した場合に追加燃料制御弁の操作量を大きくするもので
は、エンスト防止が容易となり、この時の追加燃料制御
弁の操作量の上限をスロットル開度に応じて設定するこ
とにより、エンスト防止がより確実になると共に空燃比
の制御も適切に行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のシステムのブロック図である。

【図２】この発明の実施例の概略構成図である。

【図３】第１の実施例における機関回転数と燃料追加供
給量の関係を示す図である。

【図４】同実施例の制御手順を示すフローチャートであ
る。

【図５】同実施例におけるスロットル弁及び追加燃料制
御弁の駆動手順を示したフローチャートである。

【図６】第２の実施例における制御領域を示す図であ
る。

【図７】同実施例における追加燃料制御弁の駆動ルーチ
ンの手順を示したフローチャートである。

【図８】第３の実施例における機関回転数とスロットル
開度基準値の関係を規定するマップを例示した図であ
る。

【図９】同実施例におけるスロットル開度と機関出力の
関係を例示した図である。

【図１０】同実施例における追加燃料制御弁の駆動ルー
チンの手順を示したフローチャートである。

【図１１】第４の実施例における制御領域を示す図であ
る。

【図１２】同実施例における機関回転数、スロットル開
度及び追加燃料制御弁開度の関係を規定するマップを例
示した図である。

【図１３】同実施例における追加燃料制御弁の駆動ルー
チンの手順を示したフローチャートである。

【図１４】第５の実施例における機関回転数と燃料追加
供給量の関係を示す図である。

【図１５】同実施例における制御領域を示す図である。

【図１６】同実施例における追加燃料制御弁の駆動ルー
チンの手順を示したフローチャートである。

【図１７】第６の実施例におけるスロットル開度と追加
燃料制御弁開度の上限の関係を規定するマップを例示し
た図である。

【図１８】同実施例における機関回転数と燃料追加供給
量の関係を示す図である。

【図１９】ガス機関における空燃比と機関出力及び排出
されるＮＯｘ量の関係を例示した図である。

【図２０】ガス機関におけるミキサの空燃比特性を説明
した図である。

【符号の説明】 １ ガス機関 ２ ミキサ ８ スロットル弁 ９ ガバナ １１ ガス供給路 １２ バイパス路 １３ 追加燃料制御弁 １４ 回転センサ １５ システムコントローラ １５ａ スロットル開度演算部 １５ｂ 追加供給量演算部

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 スロットルで回転数を制御するガス機関
   において、機関回転数を検出する回転数検出手段と、ガ
   スミキサへのガス供給路に並列に設けられたバイパス路
   に配置されてバイパス路の通路面積を制御する追加燃料
   制御弁と、検出された機関回転数が目標回転数より低い
   場合に両回転数の偏差に応じて上記追加燃料制御弁の開
   度を制御し、燃料を追加供給して空燃比をリッチ側に補
   正する補正手段、とを備えたことを特徴とするガス機関
   の空燃比制御装置。
2. 【請求項２】 スロットルの開度を検出する開度検出手
   段を備えており、スロットル開度があらかじめ設定され
   た基準値以上となった場合にのみ、上記補正手段によっ
   て空燃比をリッチ側に補正するように構成された請求項
   １記載のガス機関の空燃比制御装置。
3. 【請求項３】 スロットル開度の基準値を機関回転数に
   応じて設定するようにした請求項２記載のガス機関の空
   燃比制御装置。
4. 【請求項４】 機関回転数とスロットル開度及び追加燃
   料制御弁の開度の関係を補正手段に記憶させておき、こ
   の記憶内容に応じて燃料の追加供給が行われるようにし
   た請求項２または３記載のガス機関の空燃比制御装置。
5. 【請求項５】 機関回転数が最低回転数よりも低下した
   場合に追加燃料制御弁の操作量を大きくするようにした
   請求項２，３または４記載のガス機関の空燃比制御装
   置。
6. 【請求項６】 追加燃料制御弁の操作量の上限をスロッ
   トル開度に応じて設定するようにした請求項５記載のガ
   ス機関の空燃比制御装置。