JPS5833386B2 - 空燃比制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は内燃機関に供給する混合気の空燃比を最小燃費
率となる値に制御する空燃比制御装置に関するものであ
る。

一般にガソリン機関等オツトーサイクル内燃機関におい
ては、吸入される空気量Ａと燃料量Ｆとの比率即ち混合
気の空燃比Ａ／Ｆが機関出力、燃費率、排気ガス等を決
める大きな要因となっている。

これを特性的に考察すると、第１図は内燃機関の回転数
Ｎ（ｒｐｍ）と吸入空気量Ａ（ｇ／５ｅｃ）とを一定に
保った場合における空燃比Ａ／Ｆの変化に対する機関の
発生するトルクＴ（Ｋｇ−ｍ）と燃費率ｓｆｃ（ｇ／Ｈ
Ｐ−ｈ）の特性を示す。

この図より空燃比Ａ／Ｆの増加即ち燃料量Ｆの減少に伴
ってトルクＴは減少し、回転数Ｎは一定に保たれている
ことから、空燃比Ａ／Ｆの増加に伴って機関出力は減少
することが判明する。

又燃費率ｓｆｃは空燃比Ａ／Ｆの増加に伴ってＵ字型曲
線となり空燃比が（人／Ｆ）。

においで最小燃費率（ｓｆｃ）ｍとなるのであるが、一
般に自動車用内燃機関等における燃料供給装置例えば気
化器等においては混合気の空燃比が加速時等の運転フィ
ーリングをよくするため最小燃費率（ｓｆｃ）ｍに対す
る空燃比（Ａ／Ｆ）。

よりかなり低い値（Ａ／Ｆ”）ｓに設定されており、実
際には必ずしも最小燃費率（ｓｆｃ）ｍで運転できると
は限らない。

しかもこの最小燃費率（ｓｆｃ）ｍを与える空燃比（Ａ
／Ｆ ）。

は機関の回転数、スロツトル開度、圧縮比、機関の各部
温度等種々のエンジンパラメータにて決定されるもので
あるため、燃料供給装置に予めフログラム設定する事は
困難であると共に、機関を長期にわたって使用するにあ
たって経年変化も起る等の問題がある。

次に機関回転数Ｎ及び燃料量Ｆ（ｇ／５ｅｃ）を一定に
した場合において空燃比Ａ／Ｆの変化に対する機関の発
生するトルクＴと燃費率ｓｆｃの特性を第２図に示す。

この図より空燃比Ａ／Ｆの増加即ち空気量Ａの増加に伴
ってトルクＴは逆Ｕ字型曲線となり、燃費率ｓｆｃはＵ
字型曲線となり、空燃比が（Ａ／Ｆ）。

においで、トルクＴは最大値（ＴＩＭになると共に燃費
率ｓｆｃは最小（ｓｆｃ）ｍとなる。

したがって、回転数Ｎ１燃料量Ｆが一定の条件の下では
、最大トルク（’Ｉ５Ｍにおける空燃比（ＡＩＦ）。

と最小燃比率（ｓｆｃ）ｍの空燃比（Ａ／Ｆ）。

は一致することが判明し、最大トルク（′ｒ１Ｍを検出
して空燃比制御を行なって最小燃費率（ｓｆｃ）ｍとな
る空燃比の混合気で機関運転をすることが望まれる。

本発明は上記考察に基いて、機関に供給される混合気を
最小燃費率を与える空燃比に制御する装置を提供するこ
とを目的としており、機関の発生するトルクを検出して
電気的な検出信号に変換し機関への空気量を断続的に増
減させ、空気量の増減を行なう位相に対するトルクに応
じた検出信号の変化分の位相関係を判別して、その判別
結果に応じて混合気の空燃比を最小燃費率となるよう制
御する構成となっている。

また、本発明は、機関の高出力時を検出して上記空燃比
制御機能を解除し、通常の混合気供給機能に復帰させる
構成を付加して高出力運転を可能とし、機関の特性向上
を保進することをも目的とする。

以下本発明を図に示す実施例について説明する。

まず本発明の全体を概暗示する第３図において、１は内
燃機関、２は燃料調量のための空気量測定部となる気化
器で一般的な運転性能を損なわないよう空燃比Ａ／Ｆ″
−１４〜１５の比較的小さい混合気を供給可能に設定さ
れている。

３は気化器にて調量された燃料と空気との混合気の内燃
機関１への供給量をｆｆｊｌＱ］するためのスロットル
弁で、気化器２内に設置されており、アクセルペダル４
に連動して操作される。

５は空気補充手段であり、空気流路５２，５３間に設置
された電磁弁５１は開弁電圧が印加されると電磁吸引力
によって開弁して内燃機関１の補助的な空気流路５２を
空気流路５３に連通させて△Ａ（ｇ／５ｅｃ）だけの空
気量を燃料供給部下流側に補充増加し、開弁電圧が遮断
されると空気流路５２．５３間の連通が遮断されるので
空気の増加分△Ａは無くなる。

従って電磁弁５１の開閉に応じて空燃比が△（Ａ／Ｆ）
だけ変化する。

５４は電磁弁５１を断続的に開閉するための開弁電圧と
してのＨレベル（高レベル）およびＬレベル（低レベル
）の所定周波数の基準信号を発生する駆動回路である。

６はトルク検出器で機関の発生するトルクに対応した検
出信号を生ずるもので、一般に自動車用の内燃機関１が
マウンティングゴム６５．６６を介して車体１０に支持
されて内燃機関１のトルク変化に応じてマウンティング
ゴム６５．６６のたわみ量が変化し内燃機関１本体が大
略回転軸を中心とするねじり運動を生じる事を利用して
トルク検出する。

即ち、マウンティングゴム６５．６６の一端は内燃機関
１に固定され他端は車体１０に固定されているため、内
燃機関１の回転軸の回転方向が図中矢印ａ方向の場合は
内燃機関１の発生するトルクによって機関の回転軸を中
心とするねじり力が発生し、このねじり力は回転方向と
逆向きの偶力となって作用するため、マウンティングゴ
ム６６は偶力の分だけ荷重が増したわみ量が増加するの
に対してマウンティングゴム６５は偶力の分だけ荷重が
減りたわみ量が減少する。

従って内燃機関１に固定された変化検出点６３は車体１
０に対して相対的に矢印すの方向に変位する。

従ってこの変位量を車体１０に固定されたポテンショメ
ータ６１にレバー６２を介して伝える事により機関トル
クに対応した電気的なトルク信号が得られることになる
。

このようにしてトルク検出器６は機関トルクの変化分を
電気的な検出信号の変化分として検出する。

７は判別回路であり電磁弁５１への基準信号と、トルク
検出器６の生じる検出信号との位相関係を比較し、機関
への空気量を補充する位相に対して機関トルクが一定値
以上増減する位相関係を比較して空燃比を増加あるいは
減少させる指令の判別信号を発生する。

即ち判別回路７は開弁電圧としての基準信号のＨレベル
と検出信号が一定値以上増加する位相が一致するときあ
るいは基準信号のＬレベルと検出信号が一定値以上減少
する位相とが一致するときは空燃比を増加する指令の判
別信号を発生する。

又基準信号のＨレベルと検出信号が一定値以上減少する
位相が一致するときあるいは基準信号のＬレベルと検出
信号が一定値以上増加する位相が一致するときは空燃比
を減少する指令の判別信号を発生する。

さらに電磁弁５１を断続的に開閉しても検出信号の変化
が生じない場合は空燃比を変更する指令の判別信号は生
じない。

８は空燃比制御手段であり、判別回路γの発生する空燃
比増加あるいは減少を指令する判別信号に対応して内燃
機関１への混合気の空燃比を増加あるいは減少させるも
ので、判別信号に応じて空気の流路５２，５３と並列し
て設けたバイパス流路８２，８３の流路断面積を補助ス
ロットル弁８１にて制御し、空燃比を調節する。

かくして、判別回路７の判別信号か空燃比増加を指令す
れば空燃比制御手段８のサーボ機構８４によって補助ス
ロットル弁８１の開度が増加し、流路８２より８３に通
じる流路が増し気化器２を経由しない空気量が増加し、
空燃比は増加し気化器２の空燃比セットよりうすい混合
気が供給される。

又、空燃比減少の判別信号に対しては補助スロットル弁
８１の開度が減少するため、気化器２を経由しない空気
量が減少し、これに比べて気化器を経由する空気量の比
率が増すため、空燃比は減少し、気化器２の空燃比セッ
トに接近する。

９１は出力検出器であり、吸気管負圧に対する設定値の
前後で電気接点の開閉状態が切変わるものである。

従って、急加速とか、登板等で運転者のアクセルペダル
４の操作量が大きくなるとスロットル弁３の開度が増し
、吸気管負圧が設定値を下まわる（負圧が小さくなる）
ため吸気圧検出スイッチの接点状態が切変わる。

これによって機関は高出力を要求する運転条件にあるこ
とが電気信号として検出さへ本空燃比制御装置の機能を
停止させ、補助スロットル弁８１を急速に閉鎖して高出
力運転時では吸入される空気は大略スロットル弁３を経
由する量に規定されるため気化器２における空燃比（１
４〜１５）程度の濃い混合気を内燃機関１に供給可能で
あり、内燃機関１は高出力運転が可能となる。

第３図に示した実施例の詳細な電気結線図を第４図に示
し以下説明する。

１００は電源であり、駆動回路５４は機関の吸入空気量
を増減させるため電磁弁５１を周期的に開閉させる基準
信号を生ずる無安定マルチバイブレータの構成にしてあ
りトランジスタ５６，５７を用いてＨレベルのパルス幅
ヲくり返し周期の定まった矩形波状の基準信号を発生す
る。

５８は増幅用トランジスタで、そのコレクタ負荷として
吸入空気を微小量△Ａだけ補充するための電磁弁５１の
励磁コイルが接続されている。

従って基準信号のＨレベルの時間すなわちトランジスタ
５８の導通時間だけ電磁弁５１は開閉し、トランジスタ
５８の遮断時間だけ電磁弁５１は閉弁する。

６１はトルク検出器６のホテンショメータであり、機関
の発生するトルクに対応して発生する機関と車体との相
対位置にて駆動され分圧比がきまり、検出電圧が１点に
生じる。

この検出電圧の変化分は判別回路７において、コンデン
サ７２をへて、比較器１４の非反転入力に印加され反転
入力の電圧レベルと比較され画定レベル以上のトルク変
化に対してＨレベルの電圧を生ずる。

なお、７３はトルク検出電圧の含む高い周波数のノイズ
等を除去するためのフィルター要素としてのコンデンサ
である。

７５，７６は共に二人力のＡＮＤ回路であり、トランジ
スタ７１からの基準信号の電圧レベルと比較器７４から
の電圧レベルを比較して位相を比較する。

すなわち、ＡＮＤ回路γ５は電磁弁５１の開弁時間に対
する機関トルクの増加時間の位相が一致したときに限っ
てＨレベルの出力を発生しこれと同相でＰ点がＨレベル
である前提のもとにトランジスタ７８を導通させる。

一方、ＡＮＤ回路７６には比較器７４の電圧レベルをＮ
ＯＴ回路７７にて反転した電圧レベルか入力されＡＮＤ
回路７６は電磁弁５１の開弁時間と機関トルクの減少時
間の位相が一致したときに限ってＨレベルの出力を発生
し、これと同相でトランジスタ７９を導通させる。

サーボ機構８４としては直流電動機を用いており、この
回転力はリンクをへて補助スロットル弁８１に伝達され
る。

８５はアーマチュア、８６ａは逆転用励磁巻線、８６ｂ
は正転用励磁巻線、８７．８８は抵抗である。

そしてトランジスタ７８が導通すると電源１００の正極
よりアーマチュア８５、正転用励磁巻線８６ｂ１抵抗８
７、トランジスタ７８をへて負極に至る閉回路が成立し
、アーマチュア８５は正転し、補助スロットル弁８１の
開度を増加させるため、空気量が増大し空燃比が増す。

逆にトランジスタ７９が導通すると電源１００の正極よ
りアーマチュア８５、逆転用励磁巻線８６ａ抵抗８８、
トランジスタ７９をへて負極に至る閉回路が成立し、ア
ーマチュア８５は逆転して補助スロットル弁８１の開度
を減少し、空燃比が減る。

出力検出器９１は機関の吸気管負圧が大きいときは接点
が開成しているが設定値以下となると閉成するスイッチ
を用いており、禁止回路９はＮＯＴ回路９２、トランジ
スタ９４、常開式のリレー９５を有する。

この構成によりアクセルペダルの操作量が少ない一般の
運転条件では吸気管負圧が十分大きいため出力検出器９
１は開成しており、ＮＯＴ回路９２のｍ点の入力はＨレ
ベノｔ／、従ってその出力はＬレベルとなりトランジス
タ７９の導通時間は、ＡＮＤ回路７６がＨレベルを生ず
る時間に限られる。

このときトランジスタ９４は遮断状態にあるためＰ点の
電位はＨレベルにあり、トランジスタ７８の導通時間は
ＡＮＤ回路７５がＨレベルを生ずる時間に一致する。

一方、高出力を要求する運転条件でアクセルペダルの操
作量が大きくなるとスロットル弁の開度が大きくなり、
吸気管負圧が設定値以下となるため出力検出器９１が閉
成し、ｍ点はＬレベ”Ｎ ＮＯＴ回路９２の出力はＨレ
ベルとなりトランジスタ９４は導通する。

従ってＰ点はＬレベルとなるため、ＡＭＤ回路７５の出
力状態にかかわりなくトランジスタ７８は遮断状態をと
る。

さらにリレー９５の接点が閉成するために電源１００の
正極よりアーマチュア８５、励磁コイル８６ａのｑ点よ
りリレー９５の接点をへて直接負極に至る閉回路が形成
され、アーマチュア８５は急速に逆転し補助スロットル
弁８１を閉じ、空燃比は気化器によって設定される従来
の低い値に復帰し機関は高出力を発生できる。

ここで上記構成になる本発明装置の作動を第２図を用い
て述べる。

いま内燃機関１の空燃比が最小燃費率（ｓｆＣ）ｍを与
える空燃比（Ａ／Ｆ ）。

より小さい空燃比（Ａ／Ｆ）１にて運転されているとす
ると、空気補充手段５によって△Ａ（ｇ／ ５ｅｃ）だ
け空気を増加する事により空燃比は△（Ａ／Ｆ ）だけ
増加するが、これと同位相で内燃機関１の発生するトル
クは△Ｔ１だけ増加する。

即ち空気の増加する位相と内燃機関１のトルクの増加す
る位相は同相関係となる。

そこで判別回路７はトルク検出器６が生じる検出信号の
変化分に対する位相と空気の変化分に対する位相とが同
相関係にある事を判別することができ、空燃比を増加す
べき指令を発する。

この指令によって、空燃比調整手段が作動し、吸入空気
の変化分に対するトルク変化がＯとなる空燃比即ち最小
燃費率を与える空燃比（Ａ／Ｆ ）。

よりわずかに小さい空燃比（Ａ／Ｆ）３ まで空燃比を
増加させる。

一方空燃比が最小燃費率（ｓｆｃ）ｍを与える空・燃比
（Ａ／Ｆ ）。

より大きい空燃比（Ａ／Ｆ）２にて運転される状態にお
いて、空気補充手段５によって△Ａ（ｇ／５ｅｃ）だけ
空気を増加する事により空燃比は△（人／Ｆ）だけ増加
するか、これと略同位相で機関トルクは△Ｔ２だけ減少
する。

即ち、吸入空気の増加する位相と機関トルクの増加する
位相は逆位相関係となる。

そこで判別回路７はトルクの検出信号の変化分に対する
位相と吸入空気の変化分に対する位相とが逆相関係にあ
ることを判別する事ができ、空燃比を減少すべき指令を
発する。

この指令によって空燃比制御手段が作動し、同じく最小
燃費率を与える空燃比（Ａ／Ｆ）。

よりわずかに小さい空燃比まで空燃比′を減少する事が
可能である。

以上のように空燃比の微小変化△（Ａ／Ｆ ）の位相と
、レレク変化△Ｔが画定値δを上まわる位相との関係を
比較し、△（Ａ、’Ｆ）＞Ｏに対し□守≧ゐらば空燃比
を増加し、△（Ａ／Ｆ）に対して一６Ｔ≧δならば空燃
比を減少させ、１△Ｔｌ＜δでは空燃比を増減させない
制御を行なっているため最小燃費率を与える空燃比（Ａ
／Ｆ）。

を目標値として大略±△（Ａ／’Ｆ ）範囲内に混合気
の空燃比を制御できると共に、機関高出力時の出力増強
も可能となる。

次に第５図に示す本発明の他の実施例を説明するが、前
述の実施例と同一部分は同一符号を付して、主として前
述の実施例との違いを述べる。

本実施例は判別回路Ｔにおいて、トランジスタ７１およ
び比較器７４の生ずる出力を入力とするＮＡＮＤ回路７
０、ローパスフィルタ１１１、比較器１１２を設けてあ
り、ＮＡＮＤ回路７０は空気補充手段５による空気補充
とトルク変化が設定値以上の時にのみＬレベルの電圧を
生ずる。

したがって空燃比増加を指示する判別信号ＮＡＮＤ回路
７０が周期的にＬレベルの電圧を生じてトランジスタ１
１３が導通することによって得られる。

この判別信号によって空燃比を制ＸＩする空燃比制御手
段は、補助スロットル弁８１．電磁弁９６，１３０およ
びサーボ機構としての空気式アクチュエータ１２０ か
ら構成されている。

したがってトランジスタ１１３の導通によって電磁弁１
３０の励磁コイルは通電さヘム−ピングコア１３３をス
プリング１３２に抗して吸引し、流路１３５と流路１３
４との連通を遮断する。

この状態ではアクチュエータ１２０の圧力室１２１と流
路１３４とが連通しアクチュエータ１２１内に吸気管負
圧が作用するため、ダイヤフラム１２３は矢印ｄと逆方
向に移動し補助スロットル弁５１の開度を増加させる。

この作動によって内燃機関１に供給される混合気の空燃
比は増加する。

一方ＮＡＮＤ回路７０Ｈレベルの電圧を生じてトランジ
スタ１１３が遮断状態にある間は電磁弁１３０の励磁コ
イル１３１は通電されないため、スプリング１３２の復
元力によりムービングコア１３３は流路１３４と流路１
３５との連通を遮断すると共に、アクチュエータ１２０
の圧力室１２１を流路１３５に連通させて圧力室１２１
に大気圧を導く。

従ってアクチュエータ１２０のリターンスプリング１２
２の復元力により、ダイヤフラム１２３は矢印ｄの方向
に移動し、補助スロットル弁５１を閉じる。

従って内燃機関１への混合気の空燃比は気化器２にてセ
ットされる空燃比と大略等しくなる。

なお、急加速、登板等で高出力が要求される場合通常時
は開成している出力検出器９１が閉成し、禁止回路９に
よって電磁弁９６が開弁し流路９７と流路９８とが連通
して室１２１には大気圧が導入されるためダイヤフラム
１２３は急速に矢印ｄ方向に移動しアクチュエータ１２
０によって補助スロットル弁８１は閉じられ、混合気の
空燃比は気化器２にて設定される空燃比となり、内燃機
関１の高出力を保持できる。

このようにして第５図に示した実施例においても、内燃
機関１への混合気の空燃比か△（Ａ／Ｆ ）だけ増加し
た位相と同相でトルクが所定値以上増加する間は空燃比
を増加させ、それ以外では空燃比を減少させているため
、空燃比は最小燃費率を与える空燃比（（Ａ／Ｆ ）。

とこれよりわずかに小さい空燃比（Ａ／Ｆ ）。

−△（Ａ／Ｆ ） ）の範囲内に制御される。

以上本発明を２つの実施例について述べてきたが、いず
れの実施例においても高出力必要時等に混合気の空燃比
を減少させる際にも電磁弁５１が開閉作動することにな
るが、流路５２，５３の流路面積を小さく設定すること
によりその影響をなくすことができ、また禁止回路９に
よって電磁弁５１を閉弁状態に保つことも容易なことで
ある。

またトルク検出器としては、機関トルクの伝達系に設置
される差動ギヤの入力軸の軸方向荷重変化あるいはこれ
に基ずく相対位置変化を電気信号に変換する構成にして
も良い。

さらに機関回転数がアイドル回転数付近の比較的低い回
転数においては内燃機関の発生するトルクか不安定とな
る場合があるが、この様な場合は機関回転数を検出し、
一定回転数以下では本空燃比制御装置の作動を解除する
附加的機能を判別回路７に含める事も可能である。

又、機関の吸気管負圧を例えば負圧検出スイッチ等で検
出して、吸気管負圧か一定値以上あるときは経済運転条
件にあると判断し点火装置の点火時期を進める手段を併
設し最小燃費率をより小さくする事も可能である。

また本発明は燃料を供給する装置として気化器を有する
機関について説明したが、吸入空気の計量方式としてマ
スフロ一方式を用いた公知の電子制御式燃料供給装置に
おいても適用可能であることはいうまでもない。

以上述べたように第１の発明においては、内燃機関の吸
気管内に設置されたスロットル弁とは独立して空気を補
充可能な空気補充手段、該空気補充手段を断続的に作動
させる駆動回路、機関トルクを検出するトルク検出器、
空気補充に対するトルク変動を判別する判別回路、判別
された状態に応じて内燃機関への空気量と燃料量との比
率を制御する空燃比制御手段を備えているから、内燃機
関を最小燃費率で運転でき燃料節約ができるという優れ
た効果がある。

また第２の発明においては、更に機関の高出力時を検出
する出力検出器、高出力時の場合空燃比制御手段の作動
を禁止する禁止回路を備えているから、高出力必要時に
は運転性を損なうことなく高出力を得ることができると
いう優れた効果がある。

また、第３の発明においては、内燃機関の車体に対する
変位によってトルクを検出するトルク検出器を備えてい
るから、トルク検出が容易であるという優れた効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は内燃機関の空気量及び回転数を一定とした場合
の空燃比に対するトルクと燃費率特性を示す特性図、第
２図は内燃機関の燃料費及び回転数を一定とした場合の
空燃比に対するトルクと燃費率特性を示す特性図、第３
図は本発明の全体構成を示すブロック図、第４図は本発
明の一実施例を示す電気結線図、第５図は本発明の他の
実施例を示す電気結線図である。 １・・・内燃機関、２・・・燃料供給のための空気量測
定部となる気化器、３・・・スロットル弁、５・・・空
気補充手段、６・・・トルク検出器、７・・・判別回路
、８・・・空燃比制御手段、９・・・禁止回路、５４・
・・駆動回路、６５，６６・・・マウンティングゴム。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内燃機関に供給する空気量を匍脚するため吸気管内
   に設置されたスロットル弁とは独立して前記内燃機関へ
   の燃料調量を行なうための空気量測定部より下流に空気
   を補充可能な空気補充手段、該空気補充手段を断続的に
   作動させる所定周波数の基準信号を生ずる駆動回路、前
   記内燃機関の生ずるトルクに応じた検出信号を生ずるト
   ルク検出器、前記基準信号と前記検出信号とによって前
   記内燃機関の空気補充に対するトルク変動を判別しトル
   ク増減をあられす判別信号を生ずる判別回路、該判別信
   号に応じて前記内燃機関への空気量と燃料量との比率を
   制御する空燃比制御手段を備えたことを特徴とする空燃
   比制御装置 ２、特許請求の範囲１に記載の空燃比制御装置において
   、前記内燃機関の高出力時を検出する出力検出器、該検
   出器からの出力信号によって前記空気補充手段および前
   記空燃比制御手段の作動を禁止する禁止回路を備えたこ
   とを特徴とする空燃比制御装置 ３ 特許請求の範囲１に記載の空燃比制御装置において
   、前記トルク検出器は、前記内燃機関と内燃機関をマウ
   ンティングゴムを介して変位可能に支持する車体とに連
   結され、前記内燃機関の前記車体に対する変位に応じた
   検出信号を生ずるよう構成されていることを特徴とする
   空燃比制御装置。