JPH0776545B2 - 火花点火機関の空燃比制御装置 - Google Patents

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62
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荷センサ68と、機関の回
転数を検出する回転数センサ69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に入力され、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77のウインドは、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のウインドに入るように、
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で流
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ップとして予め
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図のマッ
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図のマップから、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負荷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、制御変数はマッ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77のウインドに入
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） 以上、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れる空燃比制御装置を採
用したガス機関に概略構成図で、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供給路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７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18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のウインドに入り、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11a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
図のマップと同様なマップから、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の検出信号から
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C,D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
検出状態からリ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（1
0）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の平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11a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火花点火機関に適用
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燃料供給路
から分岐してバイパス路の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
ップの説明図、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

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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ことを特徴と
   する火花点火機関の空燃比制御装置。
2. 【請求項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、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。
3. 【請求項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。