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JPH07107379B2 - ガスエンジンの空燃比制御方法 - Google Patents

ガスエンジンの空燃比制御方法

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Publication number
JPH07107379B2
JPH07107379B2 JP2237200A JP23720090A JPH07107379B2 JP H07107379 B2 JPH07107379 B2 JP H07107379B2 JP 2237200 A JP2237200 A JP 2237200A JP 23720090 A JP23720090 A JP 23720090A JP H07107379 B2 JPH07107379 B2 JP H07107379B2
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JP
Japan
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air
fuel ratio
oxygen sensor
sub
ratio control
Prior art date
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JP2237200A
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English (en)
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久孝 矢加部
祐一 菱沼
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Tokyo Gas Co Ltd
Original Assignee
Tokyo Gas Co Ltd
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Publication date
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Priority to CA002050694A priority patent/CA2050694C/en
Priority to US07/754,981 priority patent/US5224347A/en
Priority to EP91308238A priority patent/EP0475718B1/en
Priority to DE69114967T priority patent/DE69114967T2/de
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Publication of JPH07107379B2 publication Critical patent/JPH07107379B2/ja
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は三元触媒を用いたガスエンジンの排気浄化装置
に関し、空燃比を最適に制御するガスエンジンの空燃比
制御方法に関する。より具体的には、本発明は、燃料通
路から分岐して吸気通路のミキサとスロットルバルブと
の間に接続されるバイパス通路に空燃比制御バルブを介
装し、排気通路に三元触媒及び酸素センサを介装し、該
酸素センサの出力に応答して前記空燃比制御バルブの開
度を制御して空燃比を制御するガスエンジンの空燃比制
御方法に関する。
［従来の技術］ かかる装置の従来例を第10図について説明する。
図において、ガスエンジンＥの吸気通路１には、燃料通
路２からの燃料（例えば都市ガス13A）及び空気取入口
３からの空気を混合するミキサ４と、スロットルバルブ
５と、吸気圧を検出する圧力センサ６とが設けられてい
る。また、燃料通路２を吸気通路１のミキサ４とスロッ
トルバルブ５との間に接続するバイパス通路７には、バ
イパス用バルブ（すなわち空燃比制御バルブ）８が設け
られている。
他方、排気通路９には、三元触媒10が介装され、その触
媒10の前側（或いは上流側）には、メイン酸素センサ11
及びフロント側温センサ13が設けられ、触媒10の後側
（或いは下流側）には、サブ酸素センサ12及びリヤ測温
センサ14が設けられている。そして圧力センサ６、両酸
素センサ及び空燃比制御バルブ８は、それぞれ全体を符
号20で示す制御装置に接続されている。
該制御装置20は、圧力センサ６からの信号に基づき、基
本バイパス量を設定し、メイン酸素センサ11からのメイ
ンフィードバックにより制御定数を設定し、サブ酸素セ
ンサからのサブフィードバックにより制御定数を補正し
て補正バイパス量を決め、基本バイパス量を補正バイパ
ス量で補正し、最終バイパス量を設定して空燃比制御バ
ルブの駆動電流を制御している。
上記制御方法において、三元触媒を有効に働かせるため
には、燃料ガスと空気との空燃比をλウインド（空燃比
0.995プラス・マイナス0.005近傍）と呼ばれる極めて狭
い領域に調整する必要があることは周知である。上記の
制御方法においては、ミキサ４での混合状態を若干リー
ン（空気過剰状態）にしておいて、燃料ガスの不足分を
空燃比制御バルブ８から補給するようにしている。すな
わち、 （１） 空燃比検出 これはメイン酸素センサ11で行っているが、酸素センサ
の出力特性が第11図に示すように、非線型であるので、
出力0.5V付近をスレッシォルド（しきい値）として、0.
5Vより大きければリッチ0.5より小さければリーンと判
断している。
（２） 空燃比制御バルブ８の制御信号 メイン酸素センサ11の信号がリッチであれば、バルブ８
を閉じ、リーンであればバルブ８を開くように制御信号
を出力する。
［発明が解決しようとする課題］ 上記の制御方法には、以下に示すような問題点があっ
た。
（１） 酸素センサの立ち下がり点と空燃比ウインドの
中心とはずれがあるため、酸素センサの出力の肩の部分
ａ（出力0.6〜0.7V）に制御中心を持ってこなければな
らない。
（２） 酸素センサの出力特性が非線型であるため、肩
の部分ａの出力のわずかなずれが、空燃比を大きく変え
る結果となる。
（３） 酸素センサには温度特性があり、排気温度によ
って出力値が大きく異なるため、特に肩の部分ａの制御
は温度に左右される結果となる。
（４） 酸素センサの長時間使用には劣化の可能性があ
り、劣化して出力値が低減したり、シフトしたりした場
合、空燃比がずれる可能性がある。
（５） 長時間の使用に対し、三元触媒の空燃比ウイン
ドがずれる可能性があり、ウインドずれが起こった場合
に対応できない。
（６） 長時間の使用に対し、三元触媒の空燃比ウイン
ドが狭まる可能性があり、シビアな制御が要求される
が、制御能力は一定である。
本発明は、従来の問題を解決するためになされたもの
で、酸素センサの出力特性に依存することなく、また、
酸素センサや三元触媒の劣化に対して丈夫なすなわちロ
バストネスを持つような制御をおこなって空燃比を最適
に制御するガスエンジンの空燃比制御方法を提供するこ
とを目的としている。
［知見］ 周知のように、三元触媒には、酸素過剰時（リーン）に
触媒が過剰酸素を吸着し、酸素不足時（リッチ）には吸
着していた酸素を用いて酸化反応を起こすストレジ効果
と呼ばれる特性がある。ストレジ効果は触媒が、酸素に
対して一種のバッファ効果を持っているようなものであ
る。このストレジ効果は、触媒が新しいときには大き
く、触媒の劣化と共に小さくなると考えられている。
第12図は、空燃比制御バルブ８をステップ状に開閉した
ときのサブ酸素センサ12の応答波形であるが、メイン酸
素センサ11の出力信号に対する応答遅れt1が10〜20秒に
もなっている。これは、触媒間の排ガス伝達の遅れによ
るとは考えにくく、ストレジ効果によるものと考えられ
る。
また、第13図は第12図の状態よりもリッチ側でステップ
させたものであるが、立ち下がりの遅れt2が著しく長く
なっている。これは触媒に吸着されていた酸素がリッチ
時に酸化のために使用される量が、第12図の状態に比べ
て多く、その結果、リーンになったときに再び触媒に吸
収される量が多いためと考えられる。
このようにステップ状態が変化すると、触媒のストレジ
効果の状態も変化し、サブ酸素センサの応答遅れも変化
する。ストレジ効果は、その時点での酸素吸着量、酸素
濃度、流速等の条件に左右されるものであるから、例え
ばリッチ側でステップさせれば立ち下がりが遅れ、リー
ン側でステップ応答させれば立ち上りが遅れる。
ストレジ効果を説明するための一例を示す第14図及び第
15図は、0.1ヘルツの正弦波で空燃比制御バルブを開閉
したときのサブ酸素センサの応答波形を示している。第
14図は振幅中心がリッチ側にある場合であり、第15図は
振幅中心がリーン側にある場合であって、振幅中心の位
置によって、第14図においては立ち上りが遅れ、第15図
においては立ち下がりが遅れているのが明らかである。
前記のように、三元触媒10の前後にメイン及びサブ酸素
センサ11、12を用いて制御を行うダブル酸素センサ方式
では、NOXに対する安全のためにリッチ側で制御してお
り、触媒が新しいときには、このストレジ効果のために
サブ酸素センサの応答特性（立ち下がり）がかなり悪
く、制御を困難にしている１つの要因となっている。し
かしながら逆に考えると、立ち上り立ち下がりの遅れ時
間の均等な場合、換言すればサブ酸素センサからの応答
波形が上流側と下流側とで対称となる場合、がストレジ
効果の中心点であり、最適ステップ中心であると考えら
れる。そして、このステップ中心が空燃比制御状態での
最適点であると考えられる。
種々研究の結果、上記の知見を得たが、本発明はこの知
見に基づいてなされたものである。
［課題を解決するための手段］ 本発明のガスエンジンの空燃比制御方法は、燃料通路か
ら分岐して吸気通路のミキサとスロットルバルブとの間
に接続されるバイパス通路にバイパス用バルブを介装
し、排気通路に三元触媒及びメイン及びサブ酸素センサ
を介装し、該メイン及びサブ酸素センサの出力に応答し
て前記バイパス用バルブの開度を制御して空燃比を制御
するガスエンジンの空燃比制御方法において、バイパス
用バルブの振動駆動電流を所要の周期及び振幅を有する
矩形波、正弦波、三角波等の波形で変化させ、前記三元
触媒の下流側に設けられたサブ酸素センサからの応答波
形を検出し、該応答波形が対称になる様に制御し以て空
燃比を最適化することを特徴としている。
本発明の実施に際して、ガスエンジンの排気通路に介装
した三元触媒の上流側に設けられたメイン酸素センサの
出力信号を検出し、メイン酸素センサの出力信号の値が
一定時間以上に亘って一定範囲を越えた場合に、メイン
酸素センサの出力信号の値が一定範囲に収まる様にフィ
ードバックをかける様に制御することが出来る。
また、ミキサからの吸気通路に設けられた圧力センサか
ら吸気圧に対応する信号を検出し、該信号と回転数とに
よりマトリックスマップを作成し、該マトリツクスマッ
プ上の領域変化が生じた場合にサブ酸素センサからの応
答波形の振幅中心を変化させることにより、空燃比制御
を行うことも出来る。
［作用］ 上述した様な構成を具備する本発明によれば、バイパス
用バルブの振動駆動電流を所要の周期及び振幅を有する
波形で変化させ、前記三元触媒の下流側に設けられたサ
ブ酸素センサからの応答波形を検出し、該応答波形が対
称になる様に制御し以て空燃比を最適化している。ここ
で、サブ酸素センサからの応答波形が対称になる状態は
λ＝1.0の状態に相当する。
すなわち本発明は、三元触媒のストレジ効果を検出し、
これに基づいて空燃比制御バルブの駆動電流の制御を行
い、空燃比を最適に制御しているのである。
この際、酸素センサの出力の大小を直接用いているので
はないので、酸素センサの出力特性に影響されることは
ない。また、同様に酸素センサの劣化に対しても、セン
サ出力が相当に検出できる状態においては、劣化の影響
は考えられない。また、三元触媒の劣化に関しても、ス
トレジ効果の最適点が空燃比制御状態の最適点と考えら
れるので、劣化に対してロバストネスを有している。
本発明において、ガスエンジンの排気通路に介装した三
元触媒の上流側に設けられたメイン酸素センサの出力信
号を検出し、メイン酸素センサの出力信号の値が一定時
間以上に亘って一定範囲を越えた場合に、メイン酸素セ
ンサの出力信号の値が一定範囲に収まる様にフィードバ
ックをかける様に制御すれば、負荷変動等の急激な外乱
に対しても好適に応答することが出来る。
さらに本発明の実施に際して、圧力センサから吸気圧に
対応する信号を検出し、該信号と回転数とによりマトリ
ックスマップを作成し、該マトリツクスマップ上の領域
変化が生じた場合にサブ酸素センサからの応答波形の振
幅中心を変化させることにより、空燃比制御を行えば、
通常の制御では対応出来ない様な、急激な負荷変動等の
外乱に対応（サブ酸素センサからの応答波形の振幅中心
を変化）することが出来る。
［実施例］ 以下図面を参照して本発明の実施例を説明する。
第１図には本発明を実施する装置が示されており、第10
図に示す従来装置と図面は同じであるが、制御装置20の
制御態様が異なる。
第２図には、以下に記載するすべての制御態様Ｉ−IXを
実行する制御ブロック図が示されている。
制御装置20には、制御量決定部21が設けられ、その制御
量決定部21には、メイン酸素センサ11が接続されたメイ
ン信号による補正部22と、サブ酸素センサ12が接続され
た歪測定部23及びサブ信号による補正部24と、圧力セン
サ６及び回転センサ16が接続されたマトリックスマップ
部25とがそれぞれ接続され、制御量決定部21は、これら
の各部22〜25からの信号に基づいて制御量を測定し、空
燃比制御バルブ８に出力するようになっている。
Ｉ、 基本的態様 空燃比制御バルブ８を矩形波、正弦波、三角波等の波形
で振動させ、サブ酸素センサ12からの応答波形の歪すな
わち応答遅れ又は非対称性を検出し、立ち上り立ち下が
りの応答遅れが均等になるように、又は、非対称性を対
称になるようにフィードバックをかけるようにしてい
る。具体的には、 （ａ） 第３図に示す歪測定部23aにおいて、特定の周
波数の成分だけを検出するロックインアンプ等を用い
て、サブ酸素センサ12のバルブ振動周波数の２倍周波数
成分を検出し、その２倍周波数成分がゼロになるように
フイードバックをかける。
（ｂ） 第４図に示す歪測定部23bにおいて、１周期Ｔ
の立ち上り時間T1と立ち下がり時間T2を測定し、両者が
均等に、すなわち歪信号（T1−T2）がゼロになるように
振幅中心にフィードバックをかけ、第13図に示す結果を
得る。
（ｃ） 第５図に示す歪測定部23cにおいて、１周期Ｔ
の平均勾配を測定し、平均勾配がゼロすなわち波形が対
称となるように振幅中心にフィードバックをかける。
II、 吸気圧と回転数に対する振幅中心のマトリックス
マップを用いる態様 上記の態様においては、急激な負荷変動等の外乱に対応
できないので、第６図に示すような負荷を表わす圧力セ
ンサ６からの吸気圧と回転数に対する振幅中心のマトリ
ックスマップＭ（マップ内はサブ酸素センサ12の応答波
形の歪がゼロになる振幅中心を示す制御定数）をマトリ
ックスマップ部25に記憶させておき、負荷変動等による
領域変化に応じ直ちに振幅中心を変化させて応答性を高
める。なお制御定数は、ミキサ部の設定や、気象条件等
によって異なるものである。
III、 サブ酸素センサの出力値を併用する態様 前記Ｉ、IIの態様に加え、負荷変動等の急激な外乱に対
する応答性を良くするため、第７図に示すサブ信号によ
る補正部24において、サブ酸素センサ12の出力値も検出
し、その値が一定値（例えば0.2V）を下回る場合には、
異常と判断して直ちに正常域Ｓ（0.7〜0.2V）内に戻す
ように強制補正信号のフィードバックをかけ、常に正常
域Ｓに安定化させる。
IV、 メイン酸素センサの出力を併用する態様 前記Ｉ、IIの方法に加えて、負荷変動等の急激な外乱に
応答性を良くするため、メイン酸素センサ11の出力信号
も検出し、その値が一定範囲を一定時間以上越えていれ
ば、第７図に関して説明したところと同様に一定範囲内
に戻るようにフィードバックをかける。
Ｖ、 サブ酸素センサのスレッシォルド電圧を更正する
態様 触媒10の劣化等におけるサブ酸素センサ12と空燃比ウイ
ンドとのずれを補正するため、前記Ｉの制御態様によ
り、サブ酸素センサ12の歪がゼロになる点のセンサ出力
値を検出してスレッシォルド電圧の更正を行う。すなわ
ち第８図において、メイン酸素センサ11の出力を検出し
て（ステップS1）、検出値がスレッシォルド電圧（例え
ば0.5V）より大きいか否かを判定する（ステップS2）。
YESだったら、空燃比制御バルブ８を一定割合で閉じ
（ステップS4）、NOの場合は、空燃比制御バルブ８を一
定割合で開いてステップS5に移る。ステップS5におい
て、上記出力波形が１周期経過したか否かを判定し、YE
Sだったら、サブ酸素センサ12の出力波形の平均勾配を
読み取る（ステップS6及び第６図）。そこで、読み取っ
た平均勾配が０より大きいか否かを判定し（ステップS
7）、YESだったら、スレッシォルド電圧を低めに更正す
る（ステップS8）。一方NOの場合は、スレッシォルド電
圧を高めに更正する（ステップS9）。
VI、 サブ酸素センサ12の出力の振幅を検出して触媒10
の劣化状況を判定する態様 空燃比制御バルブ８を一定振幅、一定周波数で振動さ
せ、振幅中心をリッチ側からリーン側へと掃引し、サブ
酸素センサの応答信号の振幅値によって劣化状況を判断
する。
VII、 サブ酸素センサ12の応答信号の振幅が一定にな
るようにフィードバックをかける態様 前記Ｉの制御態様を行うにあたって、前記VIの態様を用
いて触媒10の劣化状況を判断し、サブ酸素センサ12の応
答信号の振幅が一定範囲になるように空燃比制御バルブ
８の振幅と周波数を制御する。
換言すれば、触媒が劣化すれば酸素ストレジ効果が低下
するため所謂「バッファ時間」が短縮される。その結
果、ON/OFF周期を短くすることが必要となるのである。
VIII、 メイン酸素センサのスレッシォルド電圧を更正
する態様 前記Ｖの態様と同様に、サブ酸素センサ12の出力信号の
歪を見てメイン酸素センサ11のスレッシォルド電圧を更
正する。
上記のような諸制御態様による実験結果の一例が第９図
に示されている。
［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、以下に記載される
ような効果がある。
（１） 空燃比を最適に制御し、浄化効率を向上するこ
とかできる。
（２） サブ酸素センサを用い三元触媒部分の遅れによ
るオーバーシュートを防ぐことができる。その結果、従
来制御においては、サブO2センサにおくれがあるため、
弁の対応が遅れてしまい、リッチリーン双方に対して行
き過ぎる傾向にあったが、これが改善される。
（３） 三元触媒、酸素センサの経年変化によるウイン
ドの影響をなくすことができる。
（４） 三元触媒の劣化状況を判断することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明を実施する装置を示す全体構成図、第２
図は制御ブロック図、第３図ないし第５図は歪検出部の
それぞれ異なる実施例を示す図面、第６図はマトリクス
マップ図、第７図はサブ信号による補正部の一実施例を
示す図面、第８図はサブ酸素センサのスレッシォルド更
正の制御ブロック図、第９図は実験結果の一例を示す酸
素センサ出力〜時間特性図、第10図は従来装置を示す全
体構成図、第11図は酸素センサ出力〜空燃比特性図、第
12図及び第13図は酸素センサ出力〜時間特性図、第14図
及び第15図は0.1ヘルツ正弦波で空燃比制御バルブを変
化させた場合のサブ酸素センサの応答波形図である。 ６……圧力センサ、８……空燃比バルブ、10……三元触
媒、11……メイン酸素センサ、12……サブ酸素センサ、
20……制御装置、21……制御量決定部、23……歪測定部

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】燃料通路から分岐して吸気通路のミキサと
    スロットルバルブとの間に接続されるバイパス通路に空
    燃比制御バルブを介装し、排気通路に三元触媒及びメイ
    ン及びサブ酸素センサを介装し、該メイン及びサブ酸素
    センサの出力に応答して前記空燃比制御バルブの開度を
    制御して空燃比を制御するガスエンジンの空燃比制御方
    法において、バイパス用バルブの振動駆動電流を所要の
    周期及び振幅を有する矩形波、正弦波、三角波等の波形
    で変化させ、前記三元触媒の下流側に設けられたサブ酸
    素センサからの応答波形を検出し、該応答波形が対称に
    なる様に制御し以て空燃比を最適化することを特徴とす
    るガスエンジンの空燃比制御方法。
  2. 【請求項２】ガスエンジンの排気通路に介装した三元触
    媒の上流側に設けられたメイン酸素センサの出力信号を
    検出し、メイン酸素センサの出力信号の値が一定時間以
    上に亘って一定範囲を越えた場合に、メイン酸素センサ
    の出力信号の値が一定範囲に収まる様にフィードバック
    をかける請求項（１）に記載のガスエンジンの空燃比制
    御方法。
  3. 【請求項３】ミキサからの吸気通路に設けられた圧力セ
    ンサから吸気圧に対応する信号を検出し、該信号と回転
    数とによりマトリックスマップを作成し、該マトリック
    スマップ上の領域変化が生じた場合にサブ酸素センサか
    らの応答波形の振幅中心を変化させる請求項（１）に記
    載のガスエンジンの空燃比制御方法。
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