JPS6040751A - 内燃機関の燃料−空気−混合比または排気ガス帰還率を制御する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、内燃機関の動作・ξラメータの変化に依存し
て変化する内燃機関の動作特性を、所定動作範囲におい
て制御する方法に関する。

厳しい排気ガスの規制および一般的な燃料不足のため内
燃機関を、その排気ガスの有害成分を最小にしおよび／
または燃料消費が最小となる動作範囲で、動作させる方
法が探求されている。

この種の要求を満たすため先ず第１に、内燃機関を出来
るだけ希薄な燃料−空気混合気で動作させる方法即ち所
謂内燃機関の希薄走行限界で動作させることが提案され
ている。この動作領域においては、排気ガスの有害成分
はかなり減少し燃料消費の低減も期待できる。この場合
希薄走行限界を識別する値としては、先ず内燃機関のシ
リンダ内部の圧力の変動分を用いる。

しかし上述の問題をさらに詳しく考察すると圧力特性は
、内燃機関の制御できない動作ノクラメータ例えば空気
過剰率、充填量、乱流、の変化により決定されることが
明らかとなっている。燃焼室の圧力をクランク軸におけ
る角速度の瞬時値を介して測定すると、上記以外の変動
分例えばクランク機構の振動物体、自動車の走行路の凹
凸、内燃機関本体へ加わる何らかの力、による妨害要素
が発生している。内燃機関のシリンダ内の通常の圧力特
性に重畳されてクランク軸の角速度の変動として表われ
る上述の変動は、低域濾波器により回避することができ
る。しかしこの種の濾波器の使用は大いに問題がある、
何故ならば内燃機関は広い回転数範囲にわたって駆動さ
せなければならないからである。それ故、回転数（周波
数）の小さい場合と大きい場合とに適する濾波器を製作
することは困難である。

上述の問題から出発して本発明の課題は、内燃機関を所
定動作領域において一上述の難点あるいは欠点が現れな
いように、制御する方法を提案することである。

上記課題は本発明によシ、内燃機関の燃焼室においでイ
オン電流をイオン電流ゾンデによシ検出し、該イオン電
流から、内燃機関の燃焼室における炎前面の走行時間を
め、該走行時間の相対変化を内燃機関の動作特性の実際
値として設定値と比較し、制御偏差に依存して調整素子
を介して内燃機関の動作特性を変化することによシ解決
される。

本発明の実施例において、前述の制御を簡単に確実に行
なえる、上述の方法を実施する装置が示されている。こ
の場合の第１の目的は、この制御装置が自動車の乱暴な
運転の場合でも確実に動作すること、および必要とあれ
ば自動車に既に取付けられている測定値発信器と共働で
きるように構成することである。さらにこの装置は、低
廉なコストで製造できるものでなければならない。

次に本発明による方法を図面を用いて詳述する。この方
法により、内燃機関が少くとも一部は、希薄走行限界の
動作範囲で運転されるべきものである。この場合所謂希
薄走行限界とは、最初に燃焼の遅れの現われる動作範囲
のことである。燃焼の遅れは、空気過剰率がλ−１より
も５〜１０％多くなると即ち明らかに希薄混合気とした
場合に始めて現われる。このような所定の走行限界領域
においてはその燃料消費量は一般に、化学量論的理論混
合比を有する燃料−空気混合気（空気過剰率λ−１）の
供給された内燃機関の動作領域における燃料消費量より
も、明らかに少なくなる。　゛ 内燃機関の燃焼室に２つの電極を取付けた場合、炎が両
電極に到達している燃焼過程の間は、この両電極間にイ
オン電流が流れる。このイオン電流が内燃機関の動作し
ている動作領域を識別するだめに用いられる。この場合
イオン電流は、内燃機関に供給される燃料−空気混合気
の空気過剰率λに依存している。第１図のグラフには時
間ｔに対するイオン電流の経過が示されている。この図
において、第１曲線は第１シリングに、第２曲線は第２
シリンダに、第３曲線は第３シリンダに、第４曲線は第
４シリンダに所属するものである。これらのイオン電流
をその都度所定時間領域で積分すれば−あるいは一層目
的に適するようには内燃機関のピストンの１サイクルで
その都度積分すれば、空気過剰率λと共に変化する電気
信号を発生することができる。

イオン電流は例えば、第２図に示すイオン電流ゾンデ１
０により検出することができる。この場合イオン電流ゾ
ンデは内燃機関のシリンダヘッド１１の内部に配置され
る。ここには点火ゾラグ１２も取付けられている。この
場合イオン電流ゾンデ１０は、両電極間を燃焼過程の間
流れるイオン電流を検出する時は、特別の構成素子とす
る必要はなく、例えば点火プラグ１２そのものもイオン
電流ゾンデとして用いることができる。

第２図に示されている、内燃機関のシリンダヘラＩＦ１
１におけるイオン電流７’／デｌＯと点火ノラグ１２と
を有する装置は、点火ゾラグ１２から出発して所定時間
後イオン電流ゾンデ１０へ達する炎前面の走行時間の検
出に用いられる。第３図には、点火プラグ１２における
点火時点の度数分布と、イオン電流ゾンデ１０における
炎前面の到達時間の度数分布とが、時間軸を上に示され
ている。この場合１３で表わした点火トリガの度数分布
の中心と１４で表わしたイオン電流ゾンデへの到達時間
の度数分布の中心との間の時間は、炎前面の平均走行時
間ＴＬに等しい。炎前面の走行時間ＴＬの絶対値も同じ
く空気過剰率λと共に変化する。さらに走行時間ＴＬの
変化率も空気過剰率λと共に変化する。この関係を第４
図に示す。この図においては縦軸に、走行時間の変化分
の平均値を走行時間の平均値で割った値をとシ横軸には
空気過剰率λがとっである。この図から、走行時間の相
対変化率は空気過剰率λと共に増加して行くことがわか
る。この信号はさらに内燃機関の動作特性の制御に用い
ることができる。

第５図に示されている装置は、炎前面の走行時間の測定
に対して特に好適である。何故ならばこの装置を用いれ
ば、内燃機関のシリンダヘッド内にイオン電流ゾンデを
取付ける付加孔を設けなくてよいからである。第５図に
２つの点火電極１６．１７を有する点火プラグのソケッ
ト１５が示されている。ソケット１５にはさらに２つの
電極１８．１９が取付けらｈていて、イオン電流はこの
両電極間を流れる。両電極対１６．１７と１８．１９と
の距離はわずか数ミリである。走行時間を測定するには
この距離で十分である。

第６図に示されている装置は、点火プラグとイオン電流
ゾンデとの間の炎前面の走行時間を、内燃機関の動作特
性の制御のために用いることのできる装置である。この
装置によ多点火開始からイオン電流ゾンデへ炎前面の達
する迄の走行時間が制御される。この場合設定値が前も
って与えられている。炎走行時間が所定の設定値よりも
大きい場合は、内燃機関に供給される燃料−空気混合気
を僅か濃縮化するか、または戻す排気ガス量を減少させ
なければならない。

反対に実際値が設定値よシ小さい場合は、燃料−空気混
合気を希薄にするかまたは戻す排気ガスの帰還率を増加
しなければならない。第６図には配電器２０が示されて
いて、この配電器から点火過程の開始を示すパルスが取
出される。

これらの・ξルスは・ξルス成形回路２１に加えられ、
その出力側に第８図ａに示す方形パルスが現われる。パ
ルス成形回路２１の出力側は第１単安定マルチバイブレ
ータ２２と接続されている。この単安定マルチパイブレ
ークは、ノξルス成形回路２１の出力側に現われるパル
スが加わる毎に、不安定状態に移行する。不安定状態の
持続時間は内燃機関の種々のパラメータ例えば回転数ｎ
、吸気管圧力Ｐ３に依存して変化することができる。そ
のため制御装置の設定値を１回転数または吸気管圧力に
依存して設定することができる。第１単安定マルチ・々
イブレータ２２の出力側には第８図すで示したノξルス
が現われる。これらの・ξルスは第２単安定マルチバイ
ブレータ２３に加わる。このマルチパイブレーク２３は
第１単安定マルチ・々イブレータが反転する毎に、不安
定状態へ切替えられる。この場合第２単安定マルチパイ
ブレーク２３の出力側に現われる、訂８図ｄの・ξルス
は、この場合制御装置の設定値である。第２単安定マル
チ・々イブレータ２３の出力側は、比較装置として動作
するＲＳフＩＪ　ツゾフロツプ２６の第２入力端と接続
されている。このフリップフロップ２６の第１入力側２
７には、パルス成形回路２８を経てイオン電流ゾンデ１
０が接続されている。この場合ノξルス成形回路２８は
、イオン電流ゾンデ１０にイオン電流が流れる時即ち点
火プラグ１２から出発した炎前面がイオン電流ゾンデに
達した時に、第８図ｄに示した信号を供給する。

ＲＳフリツゾフロツノ２６沁よって、実際値カニ設定値
よυ大きいか小さいか、即ち第１入力端２７に加わるノ
ξルスが第２入力端２５に加わる・ξルスよシも早いか
遅いかが、比較される。フリップフロップの出力信号は
、第１人ブＪ　＠ｌｌにＯ信号が加わフ第２入力端にＬ
信号が加わると、Ｌとなる。第１入力端２７にＬ信会が
加ゎシ第２入力端２５に０信号が加わると、フリップフ
ロップ２６の出力信号は０となる。フリップフロップ２
６の出方信号は、両人カ側２５　、２７にＬ信号が加わ
ると、先行の信号と同じになる。以上のことかられかる
ように、ＲＳフリップフロップ２６によって、実際値が
設定値よシ大きいか否かが、検出される。それに応じて
フリップフロップ２６の出方信号が変化する。この出力
信号は抵抗２９を経て、演算増幅器３ｏを有する積分回
路に加わる。この場合演算増幅器３０の出力側とその反
転入力−との間に、積分コンデンサ３１が接続されてい
る。′演算増幅器３０の非反転入力側には抵抗３２．３
３から構成される分圧器のタップが接続されている。さ
らに演算増幅器３０の反転入力側には抵抗２９が接続さ
れている。フリップフロップ２６の出力信号に応じて、
積分回路の出力端子における出力電圧が１．増加あるい
は減少する。この出力信号によシ例えば燃料調整装置が
制御され゛、内燃機関へ供給される燃料−空気混合気の
混合比が変化される。このことは例えば、噴射装置の噴
射時間を端子３４に現われる出力信号に依存して延長ま
たは短縮することにより５行なう。

さらに端子３４に現われる出力信号を、内燃機関の排気
ガス戻し管における電磁弁の開閉の割合を調節して、こ
れにより戻す排気ガス量を変化するために用いることが
できる。

イオン電流ゾンデへの炎前面の到達を内燃機関の動作特
性の制御のために用いる第２の方法は、内燃機関のクラ
ンク軸の所定回転角位置とイオン電流ゾンデへの炎前面
の到達との間の時間の差を制御量として用いることであ
る。この場合設定値は、配電器２ｏから電気信号を取出
して作るのではなく、内燃機関のクランク軸に設けたマ
ーキング素子によってトリガされる電気信号を取出して
作るのである。この種の実施例を第７図に示す。この図
における円板３５は内燃機関のクランク軸に取付けられ
ている。円板３５は２つの凸起３６．３７を有し、これ
らの凸起が誘導発信器３８の近傍を通過すると、この発
信器に電圧を誘起する。誘導発信器３８に誘起される信
号は、第１単安定マルチ・々イブレータ２２と接続され
ているパルス成形回路２１に加えられる。この第１単安
定マルチバイブＬ’−１’２２は第２単安定了ルチノ々
イブレータ２３と接続され、第２単安定マルチバイブレ
ータ２３の出力側は比較装置２６と接続されている。上
述の回路の動作は第６図の回路の動作と全く同様である
ため、その説明は省略する。この実施例の場合も比較装
置２６により、実際値すなわちイオン電流ゾンデ１０に
おいてイオン電流によシ生じた信号が、設定値としての
パルスよりも、その到着が早いか遅いかが検出される。

この検出された差の値に依存して、演算増幅器３０とコ
ンデンサ３１から構成される積分回路の出力電圧が変化
し、この信号が燃料−空気混合気あるいは排気ガスの帰
還量の制御のためて用いられる。

イオン電流ゾンデへの炎前面の到達を利用するもう１つ
の方法としては、イオン電流ゾンデへの炎前面の到達と
、クランク軸の所定回転角位置においてトリガされる信
号の到達とを関連させることである。イオン電流ゾンデ
によりトリガされた信号がクランク軸の所定回転位置に
おいてトリガされる電気信号よシも早くあるいは遅く加
わるかによって、演算増幅器３０とコンデンサ３１から
構成される積分回路の出力電圧が変化する。そのため上
述のように燃料−空気混合気の混合比または排気ガスの
帰還量が変化する。最後に説明した方法において、例え
ばクランク軸の所定回転角１立置で炎がイオン電流ゾン
デへ到達して燃料消費が最小となるように、内燃機関の
点火装置の点火を調整すれば、好適である。

炎走行時間の相対変化を検出する場合は、サンプルホー
ルド回路を設ける。この回路により、前後して加わる少
くとも２つの測定値を記憶することができる。両側定値
から信号をそれぞれ形成して、第６図で説明した方法で
設定値と比較することのできる変化を、検出する。検出
された差の値に依存して、燃料−空気混合気の質量比ま
たは排気ガスの帰還量を制御する。

【図面の簡単な説明】

第１図は内燃機関の種々のシ１ノンダのイオン電流の時
間変化を表わした波形図、第２図は点火プラグとイオン
電流ゾンデとが配置されている内燃機関の燃焼室、第３
図は点火プラグにおける点火時点（点火角）の度数分布
と、第２図の装置のイオン電流ゾンデへの到着時点（到
着角）の度数分布Ｈとを時間軸上に示した図、第４図は
内燃機関の燃焼室における炎走行時間の平均相対変化率
を空気過剰率λに対して示したグラフ、第５図は点火プ
ラグとイオン電流ゾンデとを一体にした装置の正面図、
第６図は内燃機関の動作特性を点火プラグとイオン電流
ゾンデとの間の炎走行時間に依存して制御する回路装置
、第７図は第６図の回路装置のための設定値を形成する
回路装置の一部、第８図は第６図または第７図の実施例
の説明のための波形図である。 １０・・・イオン電流ゾンデ、１１・・・シリンダヘラ
Ｐ１１２・・・点火プラグ、１５・・・ソケット、１６
．１７・・・点火電極、１８．１９・・・イオン電流検
出電極、２０・・・配電器、２１・・・・ぐルス成形回
路、２２．２３・・・単安定マルチバイブレータ、２４
・・・内燃機関の動作・ぐラメータ発信器、２６・・・
ＲＳフリップフロップ、２８・・・・ξルス成形回路、
３０・・・演算増幅器、３５　、３６　、３７　、３８
・・・誘導発信器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、　内燃機関の動作・ξラメータの変化に依存して変
   化する内燃機関の動作特性を、所定動作範囲において制
   御する方法において、内燃機関の燃焼室においてイオン
   電流をイオン電流ゾンデにより検出し、該イオン電流か
   ら、内燃機関の燃焼室における炎前面の走行時間をめ、
   該走行時間の相対変化を内燃機関の動作特性の実際値と
   して設定値と比較し、制御偏差に依存して調整素子を介
   して内燃機関の動作特性を変化することを特徴とする内
   燃機関の動作特性を制御する方法。