JPS6344942B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、機関の負荷状態に応じて空燃比を自
動的に調整するガス燃料機関の制御装置に関する
ものである。

一般にガス燃料機関においてノツキング域及び
失火域を回避し、かつ燃費の低減と排気有害成分
の低減を計りながら効率よく機関を運転するに
は、常に最適な空燃比が得られるように制御する
必要がある。

このような制御を行なう従来技術としては、吸
入空気圧を利用して空気量を補正したり、ミキサ
ー部に空気流量がもたらす動圧を感知するバタフ
ライに連動する燃料絞り部を設ける等の機械的手
段によるものが一般的である。しかしながら、ノ
ツキングや失火を回避し、かつ燃費や排気ガスを
低減することを考慮した場合の空燃比は負荷率に
対して単純直線的な関係にはならないため、上記
の機械的な手段では変化する負荷率に応じて常に
最適な空燃比を得ることは困難である。第１図は
この状況を示すものであり、横軸に負荷率の代用
特性であるスロツトル弁開度をとり、縦軸に空燃
比の代りにガス量調整弁開度をとつた場合、燃費
悪化域やノツキング域、失火あるいは失速域が図
のような位置に存在するため、許容されるガス量
調整弁開度はこれらの区域の間に残された山型の
区域に限定されることになり、直線的な関係が得
られないのである。

また、他の従来技術としては、燃焼室出口部に
酸素濃度センサーを設け、その検出結果に基づい
て燃料供給量を調整することも行なわれている
が、酸素濃度センサーは一般に高価でしかも耐久
性に乏しく動作も不安定であり、制御回路が複雑
になるとともに取替えコストが高くつく等の問題
があつた。

本発明はこれらの点に着目し、負荷率に応じた
空燃比制御を適切に行なうことのできるガス燃料
機関の制御装置を提供することを目的としてなさ
れたものであり、スロツトル弁開度を調整して機
関の回転速度を一定に保持するガバナ機構と、ス
ロツトル弁の開度を検出する手段と、ガス量調整
弁の開度を検出する手段と、スロツトル弁開度に
対するガス量調整弁開度のあり得べき関係を定常
運転状態における定格出力でのスロツトル弁開度
を越える領域にまで及んで数表の形で記憶する手
段と、サンプリングされたスロツトル弁開度とガ
ス量調整弁開度の各検出結果に応じ前記数表に基
づいてガス量調整弁開度を決定して制御出力を出
す演算手段と、演算手段の制御出力によりガス量
調整弁開度を増減する調整手段と、を備えてお
り、定常運転状態における定格出力でのスロツト
ル弁開度を越える領域においては、失火あるいは
失速を生じない燃料リツチな条件となるようにガ
ス量調整弁開度が設定されていることを特徴とし
ている。

すなわち、本発明はガバナ機構で制御される定
速運転機関において、空気量をスロツトル弁開度
で間接的に検出し、また負荷率もその代用特性で
あるスロツトル弁開度で検出し、これらの検出結
果に基づいて負荷と空気量に応じたガス量調整弁
開度を演算手段により計算してガス供給量を制御
するものであり、スロツトル弁開度に対する最適
なガス量調整弁開度を予め実験によつて求め、こ
れを数表の形で記憶させておくことにより、常に
その時の負荷率に適した空燃比を得ることができ
るのである。また、本発明においては、定常運転
状態における定格出力でのスロツトル弁開度を越
える領域にまで及んでスロツトル弁開度に対する
ガス量調整弁開度のあり得べき関係を記憶させ、
かつこの領域ではガス量調整弁開度を増大して燃
料リツチな条件となるように設定してある。これ
は、運転中に急激に負荷が増大し、過給機応答が
伴わない等の理由でガバナ機構が過大に反応して
スロツトル弁開度が定格値より大きくなる場合が
あることに対処するためであり、一般には演算手
段の誤動作を避ける目的で、第１図に破線で示す
ように定格出力の場合の値をそのまま伸ばして設
定されることが考えられるが、本発明ではこの部
分も制御の対象としており、一時的にガス供給量
が増大して失速状態となることが回避されるので
ある。

次に、本発明の実施例について図面を参照しな
がら説明する。

第２図は概念系統図であり、図において、１は
機関、２はガバナ機構、３はスロツトル弁開度を
検出する手段である開度検出器、４はガス量調整
弁開度を検出する手段である開度検出器、５は記
憶手段であるROM、６は演算手段であるマイク
ロコンピユータ、７はガス量調整弁開度を増減す
る調整手段である電動モータ、８はスロツトル
弁、９はガス量調整弁、１０は回転速度検出器で
ある。

機関１の燃焼室に供給される燃料ガス１１はガ
ス量調整弁９を経てミキサー１２に至り、別のポ
ートから吸入された空気１３とミキシングされた
後、スロツトル弁８を経由して機関１に供給され
る。スロツトル弁８は回転速度検出器１０の検出
結果に基づいてガバナ機構２により弁開度を制御
され、機関１は定速運転状態が保持される。ガバ
ナ機構２としては、回転速度検出器１０の出力信
号によつて作動する電子ガバナ等の周知の機構を
適宜採用することができる。またスロツトル弁８
及びガス量調整弁９の開度検出器３，４として
は、例えばポテンシヨメータを用いることがで
き、その出力はマルチプレクサＡ／Ｄコンバータ
１４にそれぞれ送られ、デジタル量に変換され
る。

マイクロコンピユータ６の２１はCPU、２２
はRAM、２３はＩ／Ｏインターフエース、２４
はデータバス、アドレスバス、コントロールバス
等からなるいわゆるシステムバスラインである。
マイクロコンピユータ６を構成する各ユニツト
は、デイスクリートなLSIで構成してもよく、あ
るいは全体をまとめたいわゆるワンチツプマイコ
ンを用いてもよい。ROM５には演算制御用のプ
ログラムや、スロツトル弁開度に対するガス量調
整弁開度のあり得べき関係を数表化したデータが
記憶されている。

このスロツトル弁開度とガス量調整弁開度の関
係は、第１図に示す制御ライン２５のような形で
設定される。すなわち、鎖線Ｒの左側の定格負荷
以下の領域では燃費悪化域、ノツキング域、失火
域あるいは失速域等を避けて、これらの間に残さ
れた区域内に山型に設定され、定格負荷を越える
鎖線Ｒの右側の領域では、失火や失速を避けるた
めにガス量調整弁開度を急激に増大するように設
定されている。なお、制御ライン２５は小区分ご
とに分けて数表化しているためステツプ状になつ
ているが、ROM５の記憶容量を大きくする程、
きめの細かい滑らかな曲線に近付けることができ
るのはいうまでもない。

マイクロコンピユータ６では、スロツトル弁開
度の検出結果に対応したガス量調整弁開度を制御
ライン２５から求め、これとガス量調整弁開度の
検出結果とを比較して両者の差を少なくするよう
な制御出力、すなわち増信号２６あるいは減信号
２７を出し、増幅回路２８を経て電動モータ７を
正転あるいは逆転させる。この電動モータ７の駆
動により、ガス量調整弁９は内部の調整弁（図示
せず）がリンク２９を介して駆動され、最適の空
燃比が得られるようにガス供給量が調整されるの
である。第３図は上述した動作についての制御フ
ローチヤートを示すものである。

以上の説明は、燃料ガスの発熱量が一定である
ことを前提としたものであるが、実験によると、
ノツキング域や失火域等は燃料ガスの発熱量に応
じてほぼ上下にシフトする結果が得られており、
第１図の制御ライン２５は発熱量に応じて設定す
ることが望ましい。特に高負荷域においては運転
可能域が狭いため、燃料ガス成分が変化した場合
にノツキング域や失火域に入りやすく、良好な運
転状態が得られないことになる。

第４図及び第５図は、このような点を解決する
ために、燃料ガスの発熱量の変化を排気温度によ
つて検出し、この検出結果に応じてスロツトル弁
開度に対するガス量調整弁開度を自動的に補正す
るようにした実施例であり、以下、前述の実施例
と異なる点について述べる。

ガス燃料機関において一定の負荷率を保つて空
燃比を変えて行くと、ノツキング域や失火域等に
入つたり燃費が変つたりするが、同時に排気温度
も変化し、かつλ＝１近辺で排気温度はピークと
なる。この実験的事実に基づき、本実施例では常
に排気温度がピーク値近辺にある状態で運転する
ことによつてλ＝１を保持し、しかもノツキング
域や失火域等を避けつつ燃費も良好な状態に保と
うとするものであり、燃料ガスの発熱量の変化を
排気温度の変化によつて検出し、その時の発熱量
でのλ＝１近辺に動作点を移動させ、常に望まし
い空燃比を保持するように構成されている。

第４図において、３１は機関排気温度を検出す
る排気温度センサー、３２は演算増幅回路、３３
はＡ／Ｄ変換器であり、排気温度センサー３１の
検出出力は演算増幅回路３２でＡ／Ｄ変換器３３
の入力レンジに適合するように演算増幅され、
Ａ／Ｄ変換器３３を経てマイクロコンピユータ６
に送られる。なお、排気温度センサー３１には
CA熱電対等の公知技術を適宜用いることができ、
機関１が多シリンダー機関の場合には、排気集合
管の出口部に設けてもよく、あるいは任意の特定
シリンダーに設けてもよい。

ここで、単に排気温度の検出結果をフイードバ
ツクし、ピークを得るようにガス量調整弁を操作
するだけの制御では、時定数が大きいために負荷
率変更等がきつかけとなつてハンチングが起き、
これを避けようとすると応答性が悪くなる等の問
題点があるので、本実施例では記憶された数表に
基づくガス量調整弁開度の値に加える補正量Ａを
用いている。この補正量Ａは機関始動時には零に
設定される変数であり、サンプリングされた新し
い排気温度と１ピツチ前の排気温度とを比較し、
排気温度が上昇中であればガス量調整弁開度を数
表値より大きくし、下降中であれば小さくするよ
うな制御が行なわれる。

補正量Ａの演算は例えば次のように行なうこと
が可能である。すなわち、ガス量調整弁開度の指
示値が増加中（Ａが増加している）か減少中（Ａ
が減少している）かをフラグにより記憶してお
き、その上で排気温度を前回の値と比較し、増大
していればピークに接近中であるのでフラグはそ
のままとし、逆に減少していればフラグを反転
し、補正量Ａを今までとは逆の方向に動かすので
ある。

第５図は、上記の補正量Ａを用いる演算処理の
制御フローチヤートである。ここで、フローチヤ
ート中の「カウンター」は排気温度検出のサンプ
リング間隔を規制するものである。実験結果によ
れば、基本動作であるスロツトル弁開度の検出は
２回／秒程度でよいが、排気温度検出の動作は時
定数が大きいため20〜30秒／回が良好であり、従
つてこの頻度に見合うカウンター値がプリセツト
される。また同フローチヤート中の「シフト量」
は、補正量Ａのほかに必要に応じて数表値に加え
られる補正量であり、運転条件が大きく変るよう
な場合にマニユアル操作等によつて別に付加され
るものである。

以上述べたように、本実施例は、負荷変動時に
まず記憶された数表に基づいて非フイードバツク
的にとりあえず次の動作点に移動し、次に排気温
度検出による微調整を行なうという制御がなされ
るので、制御系にフイードバツクループを含むに
もかかわらず、応答性が高くしかもハンチング等
の問題の少ない制御装置を得ることができるので
ある。

なお、各実施例においては、ガス供給量をガス
量調整弁による絞り弁の開閉によつて制御する場
合について述べてあるが、ガス供給量はガス圧調
整器で供給圧力を調整することによつて制御する
こともできる。また、第２の実施例のように、排
気温度の検出結果による数表値の補正は第１図の
鎖線Ｒより左側の領域において特に有効であり、
制御ライン２５を鎖線Ｒの左側のみに設定した制
御装置においてこれを実施することもできる。

上述の実施例の説明からも明らかなように、本
発明は機関のスロツトル弁開度に対するガス量調
整弁開度のあり得べき関係を数表の形で記憶させ
ておくことにより、負荷率に応じて常に最適の空
燃比を得ることができ、機関を燃費が少なくかつ
安定した状態で運転することが可能となるのであ
る。また、定常運転状態における定格出力でのス
ロツトル弁開度を越える領域では、ガス量調整弁
開度を増大して燃料リツチな条件となるようにし
てあるので、負荷の急増時に一時的にこの部分の
数表が読まれて燃料ガスが急増し、失速を回避す
ることができるのである。特に、数表が失火域に
近く、低燃費な制御ラインに設定されている時に
は、負荷急変時に失速状態になりやすいものであ
るが、本発明はこのような設定条件においても良
好な運転状態を保つことが可能となる。

更に、本発明では、負荷率の代用特性としてス
ロツトル弁の開度を検出するため、トルクセンサ
ーのような高価で使用に際しての制約の多いもの
を使用する必要がなく、また空燃比そのものを測
定しないため、酸素濃度センサーのような高価で
取扱いの面倒なものも不要であり、安価で応答性
のすぐれた制御装置を得ることができる利点もあ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るガス燃料機関におけるス
ロツトル弁開度とガス量調整弁開度の関係及び制
御ラインを示す特性図、第２図は本発明の第１の
実施例の概念系統図、第３図は同上の制御フロー
チヤート、第４図は第２の実施例の概念系統図、
第５図は同上の制御フローチヤートである。 １は機関、２はガバナ機構、３はスロツトル弁
の開度検出器、４はガス量調整弁の開度検出器、
５はROM、６はマイクロコンピユータ、７は電
動モータ、８はスロツトル弁、９はガス量調整
弁、１０は回転速度検出器、１１は燃料ガス、１
３は空気、２５は制御ライン、２６は増信号、２
７は減信号である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ スロツトル弁の開度を調整して機関の回転速
   度を一定に保持するガバナ機構と、スロツトル弁
   の開度を検出する手段と、ガス量調整弁の開度を
   検出する手段と、スロツトル弁開度に対するガス
   量調整弁開度のあり得べき関係を定常運転状態に
   おける定格出力でのスロツトル弁開度を越える領
   域にまで及んで数表の形で記憶する手段と、サン
   プリングされたスロツトル弁開度とガス量調整弁
   開度の各検出結果に応じ前記数表に基づいてガス
   量調整弁開度を決定して制御出力を出す演算手段
   と、演算手段の制御出力によりガス量調整弁開度
   を増減する調整手段と、を備えており、定常運転
   状態における定格出力でのスロツトル弁開度を越
   える領域においては、失火あるいは失速を生じな
   い燃料リツチな条件となるようにガス量調整弁開
   度が設定されていることを特徴とするガス燃料機
   関の制御装置。