JPH09236031A - 空燃比制御装置つきの内燃機関 - Google Patents

空燃比制御装置つきの内燃機関

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JPH09236031A
JPH09236031A JP8347380A JP34738096A JPH09236031A JP H09236031 A JPH09236031 A JP H09236031A JP 8347380 A JP8347380 A JP 8347380A JP 34738096 A JP34738096 A JP 34738096A JP H09236031 A JPH09236031 A JP H09236031A
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air
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combustion engine
flow rate
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JP8347380A
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Jeff S O'neill
ジェフ・エス・オニール
Martin A Iwamuro
マーティン・エイ・イワムロ
John A Connally
ジョン・エイ・コナリー
Matthew S Carroll
マシュー・エス・カーロール
Jim A Zigan
ジム・エイ・ジガン
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 ガス状燃料の火花点火機関の空燃比制御装置
に関し、従来の空気質量センサを使用せずに、本型式機
関に適合した改良された装置を提供する。 【解決手段】 吸気マニフォルド６２に連結され燃料を
供給する空気通路２０と燃料ライン３０とを有する。燃
料ラインには燃料流の制御可能な弁４０と、燃料の質量
流量に対応する燃料センサ３８とがある。機関位置セン
サ６５が機関の回転速度信号を、混合気温度センサ６３
がマニフォルド内の温度信号を、混合気圧力センサ６４
がマニフォルド内の圧力信号を、排気センサ７６が排気
通路内の空燃比に対応する信号を夫々供給する。各セン
サ及び制御可能な弁とに応答して、空気通路を通る空気
の空燃比に対応する空気信号を、制御器８０が速度信
号、温度信号及び圧力信号の関数として決定する。制御
器は空気信号、燃料信号及び排気信号によって弁制御信
号を出力して燃料制御弁アクチュエータ４２を作動す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は全般的には内燃機関の燃
料系統に関し、さらに詳細にはガス状燃料を使用する内
燃機関の空燃比の取扱いに関する。
【０００２】
【従来の技術】近年の内燃機関では適正な機関の作動を
達成するため、機関に供給される燃料の空燃比を監視し
て最適の機関性能を得るようにしている。供給燃料の空
燃比を慎重に監視することは最良の燃料経済と機関排出
物の減少とに必要である。この場合、供給燃料とは燃焼
のため機関に供給される燃料と空気との混合物を示して
いる。
【０００３】内燃機関にガス状燃料を使用することが多
く行われている。本明細書においてガス状燃料とは燃料
が標準温度および圧力でガス状であるものをいう。内燃
機関に使用されるガス状燃料としては、圧縮天然ガス、
液体天然ガス、液体石油ガスなどがある。ガス状燃料内
燃機関で空燃比を注意深く管理したものは重荷重のトラ
ックに使用して特に有利である。
【０００４】ガス状燃料内燃機関の空燃比を監視するた
め、代表的には空燃比センサ、通常は酸素センサが機関
の排気ガス流内の燃焼生成物に露出せしめられる。供給
燃料の燃焼生成物内の酸素の量が燃焼直前の供給燃料の
空燃比を指示する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】排気ガス流内の空燃比
センサの一つの欠点は、既に消費された供給燃料につい
てのデータに制限されることである。その結果、機関の
燃焼と空燃比センサの検知結果との間に遅れが生じて最
適の機関性能が得られず、特に機関の過渡的運転状態で
そうである。
【０００６】現在のいくつかのガス状燃料機関では制御
を改善するため多数のセンサを使用する。すなわち、ガ
ス状燃料ラインにガス質量流量センサを設け、マニフォ
ルドの上流の空気吸入通路に空気質量流量センサを設け
る。これら付加的なセンサによれば、代表的には入力空
燃比が決定され、空燃比制御が行われるが、一般的な排
気空燃比センサと組合わせることもできる。これらの装
置は機関の空燃比制御に有効であるが、付加的なセンサ
は高価である。さらに、これらセンサは破損しやすい多
数の部品を有するので、信頼性で劣っている。
【０００７】従来の装置には他の欠点もある。例えばポ
ペット型の弁が通常ガス状燃料機関の燃料流を調節する
ために使用されるが、効果的に作動するためには比較的
高いガス状燃料圧力を必要とする。燃料ライン圧力を低
くすることは費用効率の点で有利である。
【０００８】従って、ガス状燃料内燃機関において２つ
の付加的なセンサを必要とせずに、機関の入口で空燃比
を検知する効果的な空燃比制御装置を得ることが要望さ
れている。このような機関で低圧のガス状燃料源を使用
することが望ましく、従って低圧のガス状燃料流を効果
的に制御する問題が存在する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は火花点火機関の
空燃比を制御する装置および方法の改良に関する。本発
明の１つの特徴は機関に供給される検知された空気の質
量流量と燃料の質量流量とに応答する制御装置であっ
て、従来の空気質量流量センサを必要としない。本装置
は空気の質量流量を、例えば速度密度関係式などの確立
した関係を有する他のセンサによって検知する。
【００１０】この特性を有する内燃機関はマニフォルド
を有し、空気とガス状燃料との混合物を燃焼せしめる。
機関は、マニフォルドに連結されて空気を供給する空気
通路と、マニフォルドに連結されてガス状燃料を供給す
る燃料ラインとを有する。燃料ラインは該燃料ラインを
通る燃料流を調節する制御可能の弁を有し、第１のセン
サが燃料ラインを通る燃料の質量流量に対応する燃料信
号を与える。第２のセンサが機関の回転速度に対応する
速度信号を与える。第３のセンサがマニフォルド内の圧
力に対応する圧力信号を与える。第４のセンサがマニフ
ォルド内の温度に対応する温度信号を与える。制御可能
な弁と第１、第２、第３および第４のセンサとに応答す
る制御器が空気通路を通る空気の質量流量に対応する空
気信号を速度、圧力および温度信号の関数として決定す
る。制御器はこの空気信号と燃料信号とによって弁制御
信号を与える。制御可能な弁はこの弁制御信号に応答し
て燃料ラインを通る燃料流を調節する。
【００１１】本発明の別の態様として内燃機関の制御方
法があって、機関の速度、マニフォルド圧力、マニフォ
ルド温度、および燃料の質量流量を検知する工程を含
む。別の工程として空気の質量流量を検知された機関の
速度、マニフォルド圧力およびマニフォルド温度によっ
て決定する。さらに別の工程として、燃料ラインを通る
燃料流を空気の質量流量と検知された燃料の質量流量と
によって制御するようになされる。
【００１２】本発明のさらに別の態様としての内燃機関
は排気流センサと入力ガス質量流量センサとを備え、機
関の速度とマニフォルド内の温度または圧力に対応する
マニフォルド信号とから入力空気の質量流量を得る。こ
の機関の空燃比制御は検知された燃料の質量流量、空気
の質量流量、および排気流の空燃比によって達成され
る。
【００１３】本発明のさらに別の態様として、弁制御信
号に応答する回転作動バタフライ弁を設けて燃料ライン
を通る燃料流の制御を行う。この態様は比較的低圧の燃
料ラインの使用を可能とする。制御器が空燃比制御装置
によってバタフライ弁に作動信号を与える。
【００１４】
【発明の効果】従って本発明によれば火花点火機関のた
めの改良された空燃比制御装置が得られ、従来の空気の
質量流量センサを使用せずに、検知された燃料の質量流
量および空気の質量流量に応答する。
【００１５】本発明によれば排気の空燃比センサが設け
られる。
【００１６】
【作用】本発明によれば低圧ガス状燃料ラインの作動が
可能となる。
【００１７】本発明の上述およびそれ以外の効果は添付
図面を参照する以下の説明によってさらに明らかとなさ
れる。
【００１８】
【実施例】本発明の理解のために添付図面に示す実施例
について以下に説明する。しかしこれは発明を限定する
ものでなく、すべての変形例、改造型または図示説明し
た本発明の原理の応用も当業者に容易であるものは本発
明の範囲内である。
【００１９】図１は本発明の望ましい実施例として装置
１０を示す。この実施例の望ましい応用例は重荷重トラ
ックである。概略的には、装置１０は空気通路２０と燃
料ライン３０とを含んでおり、これらは空気燃料混合器
５０に流体連通している。混合器５０内の空燃比は燃料
ライン３０内に位置する制御可能な燃料弁４０によって
制御される。混合器５０からの空気と燃料との混合物は
供給燃料として混合器５０と流体連通する機関６０によ
って点火燃焼せしめられる。燃焼した供給燃料は排気通
路７０に沿って機関から出る。制御器８０が装置１０の
各種の状態を監視して燃料制御弁４０を調節する。
【００２０】空気通路２０は圧縮機２４に供給される空
気を濾過する空気フィルタ２２を含んでいる。圧縮機２
４は通過する空気の圧力を高める。圧縮機２４は標準型
のターボ圧縮機であってよい。圧縮された空気は圧縮機
２４から空気通路２０に沿って流れ、通常形式の空気冷
却器すなわち後段冷却器２６を通る。後段冷却器２６は
空気燃料混合器５０と流体連通する。別の実施例として
制御可能の排出ゲート弁を圧縮機２４と混合器５０との
間の空気通路２０に設けて空気圧力を調節するようにす
る。
【００２１】燃料ライン３０は代表的には圧縮され又は
液化された適当なガス状燃料を保持するガス状燃料タン
ク３２を含む。タンク３２は圧力調節器３４と流体連通
している。代表的にはタンク３２からの燃料は公知の方
法で気化する。気化した燃料は燃料ライン３０に沿って
流れ、燃料圧力は当業者に公知の圧力調節器３４により
調節される。燃料ライン３０に沿って流れる燃料は緊急
遮断弁３６を経て燃料センサ３８に行く。燃料センサ３
８は燃料信号を制御器８０に送り、燃料ライン３０を通
るガスの質量流量を指示する。燃料センサ３８は熱線風
速計形式のもの又は当業者に公知の他の形式とする。
【００２２】燃料は引続いて燃料ライン３０に沿って流
れ、燃料制御弁４０に達する。制御器８０はアクチュエ
ータ４２を介して燃料制御弁４０を制御し、これにより
混合器５０への燃料の流れを制御する。一実施例におい
て燃料制御弁４０はポペット弁であり、米国特許明細書
第４５３７１３２号に示されるように、制御器８０から
の矩形波信号のパルス幅に比例して電磁装置によって直
線的に作動せしめられる。この形式の燃料制御弁は比較
的高い燃料圧力を必要とするので、制御器８０によって
回転作動せしめられる公知のバタフライ形式の弁を燃料
制御弁４０として使用することも本発明は企図してい
る。直線作動のポペット弁と異なってバタフライ弁は高
い燃料圧力を必要としない。バタフライ弁の回転作動は
制御器８０からの信号に応答して電磁的に行われる。
【００２３】空気と調節された燃料との混合物は、混合
器５０から供給燃料通路５２に沿ってスロットル弁５６
に流れる。スロットル弁５６は通常のバタフライ弁形式
でよく、操作員制御のスロットル板に応答する。センサ
５８が制御器８０に連結されてスロットル位置信号ＴＰ
Ｐを与える。一実施例において制御器８０に応答するア
イドル用バイパス弁をスロットル弁５６に並列に設けて
機関のアイドル運転を維持するために必要な最小の供給
燃料を得るようにする。
【００２４】供給燃料は混合器５０から機関６０のマニ
フォルド６２に供給燃料通路５２に沿って入って、その
後に点火される。センサ６３が制御器８０に連結されて
マニフォルド温度信号ＭＴを与える。センサ６４が制御
器８０に連結されてマニフォルド圧力信号ＭＰを与え
る。機関位置センサ６５が制御器８０に連結されて信号
ＰＳを与える。信号ＰＳは機関のカム軸の位置を示すも
ので、例えば可変磁気抵抗センサと機関のカム軸の歯車
に配置された一定の歯とによって与えられる。制御器８
０は信号ＰＳの周波数を使用して機関の回転速度を決定
するようにすることができる。センサ６６が制御器８０
に連結されて機関の冷却剤温度ＣＴを与えるようにす
る。
【００２５】機関６０の燃焼生成物が排気流を形成し、
排気通路７０に沿って流れて、タービン７２を駆動す
る。タービン７２は圧縮機２４を機械的連結装置７４を
介して駆動する。排気流はセンサ７６によってモニター
され、センサ７６は制御器８０に連結されて排気信号を
与える。望ましい実施例においてセンサ７６は排気ガス
中の酸素量を検知するが、これは燃焼前の空燃比を表
す。
【００２６】制御器８０は１つ以上の素子から成る電子
回路であってよい。また制御器８０はデジタル回路でも
アナログ回路でも、両者混合型でもよい。望ましくは制
御器８０は公知構造のマイクロプロセッサ型の制御器と
する。
【００２７】センサ３８、５８、６３〜６６、７６はデ
ジタルまたはアナログ形式の信号を制御器８０に与え
る。制御器８０はセンサからの信号を要求される形式に
変えるようになされている。装置１０のすべてのセンサ
は公知の構造のものでよい。
【００２８】図２は本発明の機関１０を制御する制御装
置１００を示している。この制御装置１００は入力１１
０として示す要求された目標、すなわち所望の空燃比に
基づいて作動する。操作部１２０が該所望の空燃比を受
取って空気質量流量の関数としての開ループ燃料流信号
に変換する。
【００２９】空気質量流量センサに代えて対応する信号
を得るために本発明は機関に通常設けられる他のセンサ
から空気質量流量を得る。例えば機関の速度、マニフォ
ルド圧力およびマニフォルド温度を示すセンサ信号を使
用して、速度密度関係式から空気質量流量を得ることが
できる。詳細には、速度密度関係式は空気の質量流量Ｍ
ａを次式で与える。 Ｍａ＝（Ｖｅ・Ｖｄ・ｎ・Ｐ）／２・Ｒ・Ｔ ここに、Ｖｅ：機関の容積効率 Ｖｄ：機関の排出容積 ｎ：機関の速度 Ｐ：マニフォルド圧力 Ｒ：理想的ガス定数 Ｔ：マニフォルド温度 ここで、３つの独立変数ｎ、Ｔ、Ｐは図１に関連して前
述したようにセンサ信号ＰＳ、ＭＴ、ＭＰから決定され
る。開ループ燃料流信号操作部１２０は、Ｍａを所望の
空燃比で除算することにより決定される。別の実施例に
おいて、ｎ、ＴまたはＰは定数と考えてよく、従って、
Ｍａを得るために２つのセンサのみが必要である。
【００３０】操作部１２０によって与えられる開ループ
燃料流信号以外に、閉ループ燃料流信号も与えられる。
このループは検知された空燃比入力１７６を所望の空燃
比信号と比較する。検知された空燃比は図１に示す機関
装置１０のセンサ７６により供給される排気信号から決
定される。この比較の結果として、燃料流誤差１３０＝
検知された空燃比入力１７６−所望空燃比入力１１０の
式が得られる。補正器１３２が誤差項をＭａと操作部１
２０による開ループ燃料信号出力との関数として閉ルー
プ燃料流信号１３６を与える。補正器１３２は誤差の中
の大きな変化を弱め、雑音感知性を最小化し、安定性を
強める。更に、望ましい実施例において空気の質量流の
変化の所望の及び検知された空燃比の間の差は無視可能
であると仮定され、誤差項は所望のおよび測定された燃
料の質量流の変化に基づくものである。
【００３１】開ループおよび閉ループ燃料流信号に機関
過渡現象補償部１４０が加算され、目標燃料流信号１４
２となる。過渡現象補償部１４０は制御に著しく悪影響
を与える過渡現象に対処する。過渡現象は絞り弁の位置
の変化または機関のアイドル状態制御の変化に基づく。
実際上、開ループ燃料流信号が機関の設計変数を考慮し
て補償された閉ループ燃料流信号によって修正されるこ
とになる。さらに、この適切に補償された閉ループ装置
は制御装置全体の安定性を高める。しかし、排気空燃比
センサが故障した場合には、開ループ燃料流信号は能率
の犠牲の上で、ある程度の能力を与える。
【００３２】目標燃料流信号１４２は制限器１５０によ
って予め定めた範囲のもの、すなわち限定ガス質量流信
号１５２となされ、操作部１７０において開ループ制御
弁信号１７２に変換される。限定ガス質量流信号１５２
は検知ガス質量流信号１３８と比較される。検知ガス質
量流信号１３８は図１のセンサ３８から与えられる燃料
信号である。信号１５２と信号１３８とを比較すること
により燃料流誤差信号１６０が得られる： （信号１６
０）＝（信号１５２）−（信号１３８）閉ループ弁信号
補償器１６２が誤差信号１６０を信号１５２の関数とし
て比較して閉ループ制御弁信号１６４を作る。開ループ
制御弁信号１７２と閉ループ制御弁信号１６４とは加算
され、次に制限器１８０で制限されて、弁制御信号１９
０となる。弁制御信号１９０は図１に示すアクチュエー
タ４２に送られ、燃料制御弁４０を通る燃料流を制御す
る。
【００３３】制御装置１００は線形または分離型の制御
技術および関連するハードウェアを使用する。勿論、制
御器８０は制御装置１００を実現するために選択された
特定の形状を有するものである。図３、図４、図５、図
６は、本発明の一つの実施例による制御装置１００を実
現するためのソフトウェアのルーチンを示すフローチャ
ートである。
【００３４】図３は制御装置１００の周期的に実施され
るルーチン２００を示す。図３と図４とは連続してい
る。段階２０２（以下「段階」は省略する）において各
センサが読取られ、適切に調節される。２０２は必要な
らばセンサ信号の定型化および変換処理も含む。例えば
図１のセンサ３８からの燃料信号は専用の読取表によっ
て線形となされ微分方程式処理によってローパス処理が
なされる。同様に図１のセンサ７６からの排気信号も読
取表およびローパス処理によって直線化されセンサ変動
を考慮して較正される。
【００３５】２０４において、各変数がセンサ信号によ
って更新される。機関位置センサを使用する実施例にお
いて、機関回転速度ｎは位置決めパルスの周波数を数え
て適宜の時間で除算することにより得られる。マニフォ
ルド圧力はＰＭとなされる。マニフォルド温度はＴＭと
なされる。機関冷却剤の温度はＴＣとする。スロットル
位置は百分率でＴＰとなされる。同様に、調整された燃
料質量流量はＳＧＭＦとして示され、排気空燃比信号は
調整されてＳＡＦＲとなる。
【００３６】２０６において、基本空燃比ＢＡＦＲが
ｎ、ＰＭ、ＴＭ、ＴＣの関数として決定される。望まし
い実施例においてＢＡＦＲは３つの独立項を加算するこ
とにより与えられる。３Ｄ読取表に変数ｎおよびＰＭを
入力することにより第１の項を与える。第２の項はマニ
フォルド温度の補正を行うもので読取表にＭＴを入力す
ることにより得られる。第３の項は冷却剤温度補正を行
うもので、ＴＣに関するヒステレシス機能を適用するこ
とにより得られる。
【００３７】２０８において、基本空燃比ＢＡＦＲを過
渡的現象のために濃くする値ＴＥを時間とｎとＴＰとの
関数として決定する。この機能はスロットル弁位置ＴＰ
を増加せしめて付加的なトルクを生ずる。トルクは濃い
供給燃料を与えることにより増加せしめられ、対応的に
空燃比を減少せしめる。望ましい実施例において、この
ＴＥはスロットル位置ＴＰの閾値を越える変化によって
発動せしめられ、指数関数的に減少する信号として与え
られ、減少率はｎによって定まる。
【００３８】２１０において、所望の、すなわち目標空
燃比ＴＡＦＲが式 ＴＡＦＲ＝ＢＡＦＲ−ＴＥ によって計算され、供給燃料の濃度に対応する増加を与
える。２１２において、速度密度式から空気の質量流量
ＡＭＦＲを決定する。この式は ＡＭＦＲ＝定数・（Ｖｅ・ＡｖｇＲＰＭ・ＰＭ）／（Ｔ
Ｍ＋４５９．６７） 容積効率Ｖｅは機関特性表にｎとＰＭとを入力して間挿
法によって求められる。ＴＭ値は（４５９．６７）を加
算してランキン（Ｒａｎｋｉｎ）式により求められる。
平均回転数ＡｖｇＲＰＭは回転数ｎの時間平均である。
【００３９】開ループ燃料率ＯＬＦＲは２２０において
次の式から求められる。 ＯＬＦＲ＝（ＡＭＦＲ）／（ＴＡＦＲ） ２３０において、閉ループ空燃比誤差ＡＦＲＥは検知さ
れた空燃比ＳＡＦＲから目標空燃比ＴＡＦＲを減算する
ことによって得られる。空気の質量流量の変化は無視可
能であると仮定しているから、この誤差項は燃料すなわ
ちガスの質量流量の誤差を示すものとなる。２３２にお
いて誤差項は補償されて過渡現象を弱めるようにする。
補償された値はＣＬＦＲである。
【００４０】図３の２３２に示す空燃比誤差の補償を行
う望ましい実施例を図５のルーチン３００として示す。
ルーチン３００は比例加算積分（Ｐ．Ｉ）補償器と各種
限定機能を示す。ルーチン３００の３１０において閉ル
ープ流量上限ＣＬＦＲＵと閉ループ流量下限ＣＬＦＲＬ
とが２２０の開ループ流量値ＯＬＦＲと適当な読取表と
から決定される。これらの値はルーチンの後段で使用さ
れる。
【００４１】３２０において積分補償器利得ＡＦＫＩが
２１２で決定された空気の質量流量ＡＭＦＲの関数の読
取表から決定される。同様に３３０において比例補償器
利得ＡＦＫＰが適当な読取表と空気の質量流量ＡＭＦＲ
とから決定される。
【００４２】次に３４０において比例補償項ＡＦＲＥＫ
Ｐが、式 （ＡＦＲＥＫＰ）＝（ＡＦＲＥ）・（ＡＦＫＰ） として計算される。３５０において積分誤差補償項ＡＦ
ＲＥＫＩ（ｋ）が式 ＡＦＲＥＫＩ（ｋ）＝ＡＦＫＩ（ｋ−１）＋〔（ｄＴ／
２）・｛ＡＦＲＥ（ｋ）＋ＡＦＲＥ（ｋ−１）｝〕・Ａ
ＦＫＩ により計算され、ここに、 ｄＴ＝ルーチンサイクル間の時間 ｋ ＝現在のルーチンサイクル間に計算された結果 ｋ−１＝直前のルーチンサイクルについて計算された結
果である。
【００４３】３６０においてＡＦＲＥＫＩがＣＬＦＲＵ
とＣＬＦＲＬとの間の一定の範囲に制限され、さらに百
分率関数によっても制限される。積分項ＡＦＲＥＫＩは
比例項ＡＦＲＥＫＰが加算され、３７０において閉ルー
プ燃料流量ＣＬＦＲが得られる。３８０において閉ルー
プ燃料流量ＣＬＦＲは、ＣＬＦＲＵとＣＬＦＲＬとによ
って限定される範囲に制限される。その後、ルーチン３
００はスタート位置に戻る。
【００４４】図３に戻ると、２３２におけるＣＬＦＲの
計算は図４の２３６に続く。この２３６において定常燃
料流すなわち流量ＳＳＦＲはそれぞれ２２０及び２３２
で決定されたＯＬＦＲとＣＬＦＲとの和として示され
る。
【００４５】２４０において、過渡的燃料流量項ＴＦＲ
は時間、ＴＰおよびアイドル状態の関数として決定され
る。２０８において過渡的に濃くすることが示される
が、このＴＦＲ決定は小さい過渡現象に関するものであ
る。例えば、空気の質量流量の乱れはマニフォルド動力
学的にはスロットル弁位置の変化によっている。排気の
空燃比測定ＳＡＦＲは機関を出てからの後に関するから
必然的に遅れを伴うものである。その結果、ＴＦＲがス
ロットル弁（又は付加的に、アイドル運転制御用のバイ
パス弁）の高周波運動に関連して燃料を加えまたは減少
せしめるようになされる。
【００４６】２４２において、目標ガス質量流ＴＧＭＦ
がＳＳＦＲおよびＴＦＲを加算して計算される。その結
果２５０においてＴＧＭＦは一定の範囲に制限される。
次に２６０においてガス質量流量誤差ＧＭＦＥが、検知
されたガス質量流量ＳＧＭＦを目標ガス質量流量ＴＧＭ
Ｆから減算して得られる。この誤差項は２６２において
時間とＴＧＭＦとの関数として補償され、閉ループ弁制
御信号ＣＬＣＳが得られる。
【００４７】図６は、２６２に示す補償を実施する望ま
しい実施例をルーチン４００として示す。ルーチン４０
０は概略的には比例、積分、微分補償器（Ｐ．Ｉ．
Ｄ．）であり、ノイズ感知性を減少せしめ、安定性を高
める。ルーチン４００の４１０において条件が考慮さ
れ、ＴＧＭＦが所定の利得変化分岐点より大か否かが比
較される。ＴＧＭＦが分岐点以上ならば、４１２におい
て比例補償器利得ＧＭＫＰおよび積分補償器利得ＧＭＫ
Ｉがそれぞれ４１２における最大値に設定される。ＴＧ
ＭＦが分岐点を越えないときは、４２０においてＴＧＭ
Ｆが所定の利得変化分岐点より小か否かが比較される。
ＴＧＭＦが所定の利得変化分岐点より小であれば、４２
２においてＧＭＫＰとＧＭＫＩとは最小利得として設定
される。そうでなければ、ＧＭＫＰとＧＭＫＩとは４３
０への流れを変化せしめない。利得変化分岐点は一定の
閾値と期間との関数として決定され、これは利得の経歴
の量を示す。
【００４８】４３０において、比例補償器項が式、 ＧＭＦＥＫＰ＝（ＧＭＦＥ）・（ＧＭＫＰ） として計算される。４４０において、総合補償項が次式
で示される。 ＧＭＦＥＫＩ(ｋ)＝ＧＭＦＥＫＩ(ｋ−１)＋［(ｄＴ／
２)・(ＧＭＦＥ(k)＋ＧＭＦＥ(ｋ−１)）］・ＧＭＫＩ ４５０において微分補償項は次式で示される。 ＧＭＦＥＫＤ(ｋ)＝(ＧＭＦＥ(ｋ)−ＧＭＦＥ(ｋ−１))
・ＫＤＧＡＩＮ/ｄＴ ここで、微分補償項利得は定数ＫＤＧＡＩＮである。
【００４９】４６０において条件が考慮される、すなわ
ちガス流量センサが故障か否かがテストされる。故障し
ていれば４６４において閉ループ値制御信号ＣＬＣＳが
ゼロとなされる。センサの故障が検知できなければ、Ｃ
ＬＣＳは補償項の和として計算される。 ＣＬＣＳ＝ＧＭＦＥＫＰ＋ＧＭＦＥＫＩ＋ＧＭＦＥＫＤ ルーチン４００はリターンに戻る。
【００５０】図４において、２６２でＣＬＣＳの補償と
決定とを行った後に、２７０に進んで開ループ弁制御信
号ＯＬＣＳが燃料流量対弁制御信号値の読取表を参照し
て決定される。この信号ＯＬＣＳはガス流量センサの故
障の場合に補償する能力を有する。２７２において複合
弁制御信号ＶＣＳは式、 ＶＣＳ＝ＣＬＣＳ＋ＯＬＣＳ として計算される。ソレノイド電磁的制御の比例的ポペ
ット弁を使用する望ましい実施例において、ＶＣＳは百
分率作動サイクルのパルス幅変換（ＰＷＭ）信号であ
る。回転作動バタフライ形式の弁を使用する別の望まし
い実施例において、ＶＣＳは回転位置に対応する電圧信
号となされる。２８０においてＶＣＳは予め定めた範囲
に制限される。ルーチン２００の２８２が完了するとス
タートの位置に戻る。
【００５１】図３、図４、図５、図６に示すルーチンの
いくつかの段階は他のものより頻繁に行ってもよく、当
業者は必要に応じて変更してもよい。例えば一つの実施
例において２０２および２０４におけるセンサの読取り
及びデータの更新は頻繁に行ってもよく、省略してもよ
い。別の実施例において、ルーチン２００は約２０Ｈｚ
の一定の時間間隔で行われるが、ＭＰおよびＳＧＭＦの
条件付けと平均化とは約１００Ｈｚ間隔で行い、ＳＧＭ
Ｆの決定、更新および評価、ＴＦＲの計算、および作動
信号としてするためＶＣＳに関連して各種論理関数を実
施することは約３３．３Ｈｚの間隔で行う。さらに、こ
れらルーチンは定められた実施計画と共に又は独立に行
ってもよく、中断ルーチンとして実施してもよい。
【００５２】本発明は図面を参照して詳述したが、上述
説明は望ましい実施例の理解のためのものであって、本
発明を限定するものではない。本発明はその目的の範囲
内のすべての変形、改変を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の望ましい実施例を示す概略ブロ
ック図。
【図２】図２は図１の実施例の制御装置のブロック図。
【図３】図３は図２の制御装置のルーチンを示すフロー
チャート。
【図４】図４は図３の続きを示すフローチャート。
【図５】図５は図３の詳細を示すフローチャート。
【図６】図６は図４の詳細を示すフローチャート。
【符号の説明】
２０： 空気通路 ２２： 空気フィ
ルタ ２４： 圧縮機 ２６： 後段冷却
器 ３０： 燃料ライン ３２： 燃料タン
ク ３４： 圧力調節器 ３６： 緊急遮断
弁 ３８： 燃料センサ ４０： 燃料制御
弁 ４２： アクチュエータ ５０： 空気燃料
混合器 ５２： 供給燃料通路 ５６： スロット
ル弁 ５８： センサ ６０： 機関 ６２： マニフォルド ６３： センサ ６４： センサ ６５： 機関位置
センサ ６６： センサ ７０： 排気通路 ７２： タービン ７４： 機械的連
結装置 ７６： センサ ８０： 制御器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ０２Ｍ 21/02 ３１１ Ｆ０２Ｍ 21/02 ３１１Ｌ (72)発明者 マーティン・エイ・イワムロ アメリカ合衆国インディアナ州47202，コ ロンブス，ノース・ナショナル・ロード 616 (72)発明者 ジョン・エイ・コナリー アメリカ合衆国ミシガン州48335，ファー ミントン・ヒルズ，ウッドリッジ・ドライ ブ 25060，アパートメント 311 (72)発明者 マシュー・エス・カーロール アメリカ合衆国インディアナ州47448，ナ ッシュヴィル，ノース・フーヴァー・ロー ド 95 (72)発明者 ジム・エイ・ジガン アメリカ合衆国インディアナ州47042，ヴ ァーセイルス，イースト・オリーン・ロー ド 4455

Claims (40)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】空気通路とガス状燃料ラインとに連結され
    るマニフォルドを備え、該通路からの空気と燃料ライン
    からのガス状燃料との混合物を燃焼せしめるようになさ
    れた内燃機関の制御方法にして、 （１）機関の速度を検知し、 （２）マニフォルド圧力を検知し、 （３）マニフォルド温度を検知し、 （４）検知された機関の速度とマニフォルド圧力とマニ
    フォルド温度との関数として空気の質量流量を決定し、 （５）燃料ラインの中の燃料の質量流量を検知し、 （６）燃料ラインを通る燃料流を工程（４）で決定され
    た空気の質量流量と工程（５）で決定された燃料の質量
    流量とによって制御する、各工程を含むことを特徴とす
    る内燃機関の制御方法。
  2. 【請求項２】請求項１に記載の内燃機関の制御方法にし
    て工程（６）が、 （６ａ）空燃比の目標値を設定し、 （６ｂ）工程（６ａ）で設定された空燃比の目標値と工
    程（４）で決定された空気の質量流量とから燃料の質量
    流量の目標値を決定し、 （６ｃ）工程（６ｂ）で決定された燃料の質量流量の目
    標値と工程（５）で検知された燃料の質量流量とを比較
    する、各工程を含むことを特徴とする内燃機関の制御方
    法。
  3. 【請求項３】請求項１に記載の内燃機関の制御方法にし
    て、機関が排気流を含み、工程（６）が、 （６ａ）空燃比の目標値を設定し、 （６ｂ）排気流から空燃比を検知し、 （６ｃ）工程（６ａ）で設定された空燃比の目標値と工
    程（６ｂ）で検知された空燃比とを比較する、 各工程を含むことを特徴とする内燃機関の制御方法。
  4. 【請求項４】請求項１に記載の内燃機関の制御方法にし
    て、燃料ラインに制御可能な弁が設けられ、工程（６）
    が該制御可能な弁を作動せしめることを含むことを特徴
    とする内燃機関の制御方法。
  5. 【請求項５】請求項１に記載の内燃機関の制御方法にし
    て、工程（６）が機関の過渡的作動を補償する工程を含
    むことを特徴とする内燃機関の制御方法。
  6. 【請求項６】請求項１に記載の内燃機関の制御方法にし
    て、機関が排気流と燃料ライン内の燃料流を調節する制
    御可能な弁とを含み、工程（６）が、 （６ａ）空燃比の目標値を設定し、 （６ｂ）排気流から空燃比を検知し、 （６ｃ）工程（６ｂ）で検知された空燃比と工程（６
    ａ）で設定された空燃比の目標値との関数として第１の
    燃料の質量流量を決定し、 （６ｄ）空燃比の目標値と工程（４）で決定された空気
    の質量流量との関数として第２の燃料の質量流量を決定
    し、 （６ｅ）工程（６ｃ）で決定された第１の燃料の質量流
    量と、工程（６ｄ）で決定された第２の燃料の質量流量
    との関数として、燃料の質量流量の目標値を決定し、 （６ｆ）工程（５）で検知された燃料の質量流量と工程
    （６ｅ）で決定された燃料の質量流量の目標値との関数
    として弁制御信号を発生せしめ、 （６ｇ）工程（６ｆ）で発生せしめた弁制御信号に応答
    して制御可能な弁を作動せしめる、各工程を含むことを
    特徴とする内燃機関の制御方法。
  7. 【請求項７】請求項６に記載の内燃機関の制御方法にし
    て、工程（６）が第１の燃料の質量流量を工程（４）の
    空気の質量流量の関数として補償する工程を含むことを
    特徴とする内燃機関の制御方法。
  8. 【請求項８】請求項６に記載の内燃機関の制御方法にし
    て、工程（６）が弁制御信号を予め定めた範囲に制限す
    る工程を含むことを特徴とする内燃機関の制御方法。
  9. 【請求項９】請求項６に記載の内燃機関の制御方法にし
    て、前記制御可能な弁が回転作動バタフライ弁であるこ
    とを特徴とする内燃機関の制御方法。
  10. 【請求項１０】マニフォルドを有し、空気とガス状燃料
    との混合物を燃焼せしめる内燃機関にして、 マニフォルドに連結され空気を供給する空気通路と、 マニフォルドに連結されガス状燃料を供給する燃料ライ
    ンにして、 該燃料ラインを通る燃料流を制御する制御可能な弁と、 燃料ラインを通る燃料の質量流量に対応する燃料信号を
    与える第１のセンサとを含む燃料ラインと、 機関の回転速度に対応する速度信号を与える第２のセン
    サと、 マニフォルド内の圧力に対応する圧力信号を与える第３
    のセンサと、 マニフォルド内の温度に対応する温度信号を与える第４
    のセンサと、 前記制御可能な弁と第１、第２、第３および第４のセン
    サとに応答して前記通路を通る空気の質量流量に対応す
    る空気信号を前記速度信号、圧力信号および温度信号の
    関数として決定し、 該空気信号と燃料信号とによって弁制御信号を与える制
    御器とを含み、 前記制御可能の弁は弁制御信号に応答して燃料ラインを
    通る燃料流を調節することを特徴とする内燃機関。
  11. 【請求項１１】請求項１０に記載の内燃機関にして、前
    記制御可能な弁が回転作動バタフライ弁であることを特
    徴とする内燃機関。
  12. 【請求項１２】請求項１０に記載の内燃機関にして、前
    記制御可能な弁が直線作動ポペット弁であることを特徴
    とする内燃機関。
  13. 【請求項１３】請求項１０に記載の内燃機関にして、前
    記通路と燃料ラインとマニフォルドと流体連通する空気
    燃料混合器を含んでいることを特徴とする内燃機関。
  14. 【請求項１４】請求項１０に記載の内燃機関にして、さ
    らに、 前記通路と燃料ラインとマニフォルドとに流体連通する
    混合器にして、燃料と空気との混合物を燃焼のためマニ
    フォルドに供給する混合器と、 混合器とマニフォルドとに流体連通し両者間に位置し
    て、マニフォルドへの混合物の流れを調節するスロット
    ル弁と、を含むことを特徴とする内燃機関。
  15. 【請求項１５】請求項１４に記載の内燃機関にして、さ
    らに、 前記通路と混合器とに流体連通して、加圧された空気を
    混合器に供給する圧縮機と、 前記圧縮機と混合器とに流体連通し、両者間に位置する
    後段冷却器と、を含むことを特徴とする内燃機関。
  16. 【請求項１６】請求項１４に記載の内燃機関にして、更
    に、前記スロットル弁の位置に対応するスロットル信号
    を与える第５のセンサが設けられ、前記制御器はスロッ
    トル信号に応答してさらに制御を行うことを特徴とする
    内燃機関。
  17. 【請求項１７】請求項１４に記載の内燃機関にして、 空気および燃料の燃焼した混合物の空気対燃料の比に対
    応する排気信号を与える第５のセンサが設けられた排気
    通路が設けられ、前記弁制御信号は前記排気信号によっ
    ても与えられる、ことを特徴とする内燃機関。
  18. 【請求項１８】空気通路と燃料ラインとに連結されたマ
    ニフォルドを有する内燃機関を制御する方法にして、該
    燃料ラインには燃料ラインを通るガス状燃料の流れを調
    節するように作動可能の回転作動バタフライ弁が設けら
    れ、該内燃機関は空気通路からの空気と燃料ラインから
    のガス状燃料との混合物を燃焼せしめるように形状づけ
    られ、該方法が、 （１）空気通路を通る空気の質量流量を検知し、 （２）燃料ライン内の燃料の質量流量を検知し、 （３）工程（１）で検知された空気の質量流量と工程
    （２）で検知された燃料の質量流量とによってバタフラ
    イ弁を作動せしめて燃料ラインを通る燃料の流れを制御
    する、 各工程を含むことを特徴とする内燃機関を制御する方
    法。
  19. 【請求項１９】請求項１８に記載の内燃機関を制御する
    方法にして、前記工程（３）におけるバタフライ弁の作
    動を予め定めた範囲に制限する工程を含むことを特徴と
    する内燃機関を制御する方法。
  20. 【請求項２０】請求項１８に記載の内燃機関を制御する
    方法にして、前記工程（１）が、 （１ａ）機関の速度を検知し、 （１ｂ）マニフォルド圧力を検知する、 各工程を含むことを特徴とする内燃機関を制御する方
    法。
  21. 【請求項２１】請求項１８に記載の内燃機関を制御する
    方法にして、空気の質量流量がほぼ速度密度関係式によ
    って決定されることを特徴とする内燃機関を制御する方
    法。
  22. 【請求項２２】請求項１８に記載の内燃機関を制御する
    方法にして、該内燃機関が排気流を含み、さらに （４）空燃比の目標値を設定し、 （５）排気流から空燃比を検知し、 （６）工程（５）で検知された空燃比と工程（４）の空
    燃比の目標値との関数として第１の燃料の質量流量を決
    定し、 （７）工程（６）の第１の燃料の質量流量を工程（１）
    で検知された空気の質量流量の関数として補償し、 （８）空燃比の目標値と工程（１）で検知された空気の
    質量流量との関数として第２の燃料の質量流量を決定
    し、 （９）工程（７）で決定された第１の燃料の質量流量と
    工程（８）で決定された第２の燃料の質量流量との関数
    として燃料の質量流量の目標値を決定し、 （１０）工程（２）で検知された燃料の質量流量と工程
    （９）の燃料の質量流量の目標値との関数として弁制御
    信号を発生せしめ、工程（３）のバタフライ弁の作動を
    弁制御信号に応答せしめる、各工程を含むことを特徴と
    する内燃機関を制御する方法。
  23. 【請求項２３】マニフォルドを有し、空気とガス状燃料
    との混合物を燃焼せしめる内燃機関にして、 マニフォルドに連結されて空気を供給する空気通路と、 マニフォルドに連結されてガス状燃料を供給する燃料ラ
    インにして、 該燃料ラインを通る燃料流を制御する回転作動バタフラ
    イ弁と、 該燃料ラインを通る燃料の質量流量に対応する燃料信号
    を与える第１のセンサとを有する、燃料ラインと、 機関の回転速度に対応する速度信号を与える第２の速度
    センサと、 前記空気通路を通る空気の質量流量に対応する空気信号
    を与える第３のセンサと、 前記バタフライ弁と前記第１、第２および第３のセンサ
    とに応答して弁制御信号を前記空気信号と前記燃料信号
    とによって与える制御器とを含み、 前記バタフライ弁は弁制御信号に応答して燃料ラインを
    通る燃料の流量を調節することを特徴とする内燃機関。
  24. 【請求項２４】請求項２３に記載の内燃機関にして、 前記通路と燃料ラインとマニフォルドとに連通する混合
    器にして、燃料と空気との混合物を燃焼のためマニフォ
    ルドに供給する混合器と、 前記混合器とマニフォルドとに流体連通して両者間に位
    置して、前記マニフォルドへの混合物の流れを調節する
    スロットル弁と、を含むことを特徴とする内燃機関。
  25. 【請求項２５】請求項２４に記載の内燃機関にして、 前記通路と混合器とに流体連通しており、圧縮された空
    気を混合器に供給する圧縮機と、 圧縮機と混合器とに流体連通しており、両者間に位置す
    る後段冷却器と、を含むことを特徴とする内燃機関。
  26. 【請求項２６】請求項２４に記載の内燃機関にして、前
    記スロットル弁の位置に対応するスロットル信号を与え
    る第４のセンサが設けられ、前記制御器は該スロットル
    信号に応答して内燃機関の性能をさらに制御する、こと
    を特徴とする内燃機関。
  27. 【請求項２７】請求項２３に記載の内燃機関にして、 該内燃機関は空気および燃料の燃焼した混合物の空燃比
    に対応する排気信号を与える第４のセンサを有する排気
    通路を有し、 前記弁制御信号は排気信号によって更に与えられる、こ
    とを特徴とする内燃機関。
  28. 【請求項２８】内燃機関を制御する方法にして、該内燃
    機関は、空気通路とガス状燃料ラインとに連結されたマ
    ニフォルドを有し、空気通路からの空気と燃料ラインか
    らのガス状燃料との混合物を燃焼せしめるに適し、燃焼
    によって生ずる排気流を有しており、前記方法が、 （１）機関の速度を検知し、 （２）機関の変数としてマニフォルド温度とマニフォル
    ド圧力とのいづれか一方を検知し、 （３）空気通路内の空気の質量流量を検知された機関の
    速度と機関の変数との関数として決定し、 （４）燃料ライン内の燃料の質量流量を検知し、 （５）排気流内の空気と燃料との燃焼した混合物の空燃
    比を検知し、 （６）燃料ライン内の燃料流を工程（３）で決定された
    空気の質量流量と工程（４）で検知された燃料の質量流
    量と工程（５）で検知された混合物の空燃比とによって
    制御する、各工程を含むことを特徴とする内燃機関を制
    御する方法。
  29. 【請求項２９】請求項２８に記載の内燃機関を制御する
    方法にして、前記工程（５）が排気流の中の酸素量を検
    知する工程を含むことを特徴とする内燃機関を制御する
    方法。
  30. 【請求項３０】請求項２８に記載の内燃機関を制御する
    方法にして、前記工程（６）が、 （６ａ）空燃比の目標値を設定し、 （６ｂ）工程（６ａ）で設定された空燃比の目標値と工
    程（３）で決定された空気の質量流量とから燃料の質量
    流量の目標値を決定し、 （６ｃ）工程（６ｂ）で決定された燃料の質量流量の目
    標値と工程（４）で検知された燃料の質量流量とを比較
    し、 （６ｄ）工程（６ａ）で設定された空燃比の目標値と工
    程（５）で検知された混合物の空燃比とを比較する、各
    工程を含むことを特徴とする内燃機関を制御する方法。
  31. 【請求項３１】請求項２８に記載の内燃機関を制御する
    方法にして、燃料ラインが制御可能な弁を含み、工程
    （６）がさらに、該制御可能な弁を作動せしめる工程を
    含むことを特徴とする内燃機関を制御する方法。
  32. 【請求項３２】請求項２８に記載の内燃機関を制御する
    方法にして、機関の変数がマニフォルド圧力であること
    を特徴とする内燃機関を制御する方法。
  33. 【請求項３３】請求項２８に記載の内燃機関を制御する
    方法にして、空気の質量流量がほぼ速度密度式によって
    決定されることを特徴とする内燃機関を制御する方法。
  34. 【請求項３４】マニフォルドと排気通路とを有し、空気
    とガス状燃料との混合物を燃焼せしめる内燃機関にし
    て、 マニフォルドに連結され空気を供給する空気通路と、 マニフォルドに連結されガス状燃料を供給する燃料ライ
    ンにして、 該燃料ラインを通る燃料流を調節する制御可能の弁と、 該燃料ラインを通る燃料の質量流量に対応する燃料信号
    を与える第１のセンサと、を含む燃料ラインと、 機関の回転速度に対応する速度信号を与える第２のセン
    サと、 マニフォルド内の温度と圧力との一方に対応するマニフ
    ォルド信号を与える第３のセンサと、 排気通路内の燃焼した空気および燃料の空燃比に対応す
    る排気信号を与える第４のセンサと、 前記制御可能な弁と前記第１、第２、第３および第４の
    センサに応答して、 前記通路を通る空気の質量流量に対応する空気信号を、
    前記速度信号とマニフォルド信号との関数として決定
    し、 該空気信号と燃料信号と排気信号とによって弁制御信号
    を与える制御器とを含み、 前記制御可能の弁は弁制御信号に応答して燃料ラインを
    通る燃料流を制御することを特徴とする内燃機関。
  35. 【請求項３５】請求項３４に記載の内燃機関にして、前
    記第４のセンサは排気通路内の酸素量を検知することを
    特徴とする内燃機関。
  36. 【請求項３６】請求項３４に記載の内燃機関にして、前
    記制御可能の弁が回転作動のバタフライ弁であることを
    特徴とする内燃機関。
  37. 【請求項３７】請求項３４に記載の内燃機関にして、前
    記制御可能の弁が直線的作動のポペット弁であることを
    特徴とする内燃機関。
  38. 【請求項３８】請求項３４に記載の内燃機関にして、さ
    らに前記通路と燃料ラインとマニフォルドとに流体連通
    して、燃料および空気の混合物を燃焼のためマニフォル
    ドに供給する混合器と、 該混合器とマニフォルドとに流体連通して両者間に位置
    し、混合物のマニフォルドへの流れを制御するスロット
    ル弁と、を含むことを特徴とする内燃機関。
  39. 【請求項３９】請求項３８に記載の内燃機関にして、 前記通路と混合器とに流体連通して圧縮された空気を混
    合器に供給する圧縮機と、該圧縮機と混合器とに流体連
    通して両者間に位置する後段冷却器と、を含むことを特
    徴とする内燃機関。
  40. 【請求項４０】請求項３８に記載の内燃機関にして、前
    記スロットル弁の位置に対応するスロットル信号を与え
    る第５のセンサが設けられ、前記制御器が該スロットル
    信号に応答してさらに内燃機関の性能を制御することを
    特徴とする内燃機関。
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