JP2019100197A - 燃料噴射制御装置およびエンジンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガス中の一酸化炭素濃度を検知するＣＯセンサを用いて空燃比に関する制御を実行可能とすること。【解決手段】燃料ポンプ１４およびインジェクタ１５は内燃エンジンに燃料を噴射する。ＣＯセンサ４１は内燃エンジン１の排気経路５１に設けられ、排気ガス中の一酸化炭素濃度を検知する。噴射量制御部２０はＣＯセンサ４１により検知された一酸化炭素濃度に基づき内燃エンジンにおける空燃比が目標空燃比に近づくよう、燃料ポンプ１４およびインジェクタ１５を制御する制御手段の一例である。【選択図】図２

Description

本発明は電子式の燃料噴射制御装置およびエンジンシステムに関する。

自動二輪車や発電機に用いられる内燃エンジンは酸素濃度センサ（Ｏ２センサ）を有している。エンジン制御ユニットは排気ガス中の酸素濃度をＯ２センサにより検出し、検出された酸素濃度から空燃比（Ａ／Ｆ比）を求め、この空燃比が所定値（例：理論空燃比）となるように燃料の噴射量（供給量）を調整する。特許文献１、２によればこのようなＯ２センサが記載されている。

特開２００１−２１５２０５号公報 特開２００４−０６９４５７号公報

特許文献１、２が示すように、従来は、Ｏ２センサを用いて空燃比に関する制御が実行されていた。しかし、一般的なＯ２センサは排気ガス中の酸素濃度が所定値以上であればオンとなり、所定値未満であればオフとなるセンサであるため、正確な酸素濃度が分からない。四輪自動車であれば、空燃比をリニアに検知可能なリニアＡＦセンサを採用できるが、自動二輪車や発電機に用いられる内燃エンジンにはリニアＡＦセンサは高価すぎる。そこで、本発明は、排気ガス中の一酸化炭素濃度を検知するＣＯセンサを用いて空燃比に関する制御を実行可能とすることを目的とする。

本発明によれば、たとえば、
内燃エンジンに燃料を噴射する噴射手段と、
前記内燃エンジンの排気経路に設けられ、排気ガス中の一酸化炭素濃度を検知する一酸化炭素濃度センサと、
前記一酸化炭素濃度センサにより検知された一酸化炭素濃度に基づき前記内燃エンジンにおける空燃比が目標空燃比に近づくよう、前記噴射手段を制御する制御手段と
を有することを特徴とする燃料噴射制御装置が提供される。

本発明によれば、排気ガス中の一酸化炭素濃度を検知するＣＯセンサを用いて空燃比に関する制御が実行可能となる。

エンジンシステムを示す概略図 制御部と電源回路を示すブロック図 エンジンシステムを示す概略図 制御部と電源回路を示すブロック図

●実施例１
＜エンジンシステム＞
図１はエンジンシステム１００ａを示す概略図である。エンジンシステム１００ａは電子燃料噴射制御システムと呼ばれてもよい。内燃エンジン１は４ストローク式のエンジンである。クランクケース２にはクランクシャフト１９が収容されている。クランクシャフト１９が回転することでコンロッド３に連結されたピストン４をシリンダ内で上下運動させる。クランクシャフト１９には内燃エンジン１を始動するためのリコイルスターター５が連結されている。リコイル操作者はリコイルスターター５の把手を掴んで引っ張ることでクランクシャフト１９を回転させる。なお、リコイルスターター５に代えてバッテリーから電力を供給されて回転するセルモータが始動装置として採用されてもよい。クランクシャフト１９には発電機６が連結されており、クランクシャフト１９が回転することで発電機６のローターが回転して発電する。クランクシャフト１９のクランク角はクランク角センサ７によって検知される。クランク角センサ７は、たとえば、クランクシャフト１９に連結されたフライホイールに設けられたマグネットの磁気を検知するホール素子などであってもよい。電源回路８は発電機６により生成された交流を、一定周波数の交流に変換するインバータや、交流を直流に変換する回路、直流電圧のレベルを変換する回路などを有している。電源回路８は発電機６により生成された電力を制御部９ａに供給する。なお、リコイルスターター５によってクランクシャフト１９が回転すると、発電機６は制御部９ａが動作するのに十分な電力を発生する。制御部９ａはエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）であり、電源回路８から点火装置１１、燃料ポンプ１４、インジェクタ１５およびスロットルモータ１６などに供給する電力を制御する。点火装置１１は、点火プラグ１２に火花放電させるための点火電力を供給する。燃料タンク１３は燃料を収容する容器である。燃料ポンプ１４は燃料タンク１３に収容されている燃料をインジェクタ１５に供給するポンプである。図１において燃料ポンプ１４は燃料タンク内に設けられている。スロットルモータ１６は吸気経路５０を介してシリンダに流入する空気の流入量を制御するためのモータである。吸気バルブ１７はクランクシャフト１９の回転運動を上下運動に変換するカム等によって開閉するバルブである。吸気バルブ１７は吸気行程において開き、圧縮行程、膨張行程および排気行程では基本的に閉じている。排気バルブ１８はクランクシャフト１９の回転運動を上下運動に変換するカム等によって開閉するバルブである。排気バルブ１８は排気行程において開き、圧縮行程、膨張行程および吸気行程においては基本的に閉じている。排気から吸気への遷移をスムーズにするために、吸気バルブ１７と排気バルブ１８とが同時に開く期間が設けられてもよい（オーバーラップ）。ＣＯセンサ４１はシリンダから排気経路５１へ排出された排気ガス中における一酸化炭素（ＣＯ）濃度を検知するセンサである。

＜制御部と電源回路＞
図２は制御部９ａの機能と電源回路８の機能を示している。制御部９ａにおいて噴射量制御部２０は、ＣＯセンサ４１により検知された一酸化炭素濃度に基づき内燃エンジン１における空燃比が目標空燃比に近づくよう、インジェクタ１５や燃料ポンプ１４を制御する。変換部２１はＣＯセンサ４１により検知された一酸化炭素濃度を空燃比（Ａ／Ｆ比）に変換する。たとえば、変換部２１はメモリ２２に記憶されている変換テーブルや変換関数（数式）を用いて一酸化炭素濃度を空燃比に変換する。排気ガス中の一酸化炭素濃度と空燃比との間には相関関係がある。とりわけ、排気ガス中における燃料がリッチな状態においては、一酸化炭素濃度は空燃比に反比例する。一方でＣＯセンサ４１は排気ガス中の一酸化炭素濃度に相関した電圧（検知信号）を出力する。したがって、排気ガス中における一酸化炭素濃度から空燃比が演算可能である。メモリ２２はＲＡＭやＲＯＭなどを含む記憶装置である。ＡＦＲ設定部２４は、内燃エンジン１の温度や発電機６の負荷などに応じて目標空燃比を決定して噴射量演算部２３に設定する。噴射量演算部２３は、変換部２１により取得される空燃比が目標空燃比に近づくよう、燃料噴射量を演算する。たとえば、噴射量演算部２３は、変換部２１により取得される空燃比と目標空燃比との差分（フィードバック量）に応じて燃料噴射量を演算する。噴射量演算部２３は、燃料噴射量に応じた燃料供給量をポンプ制御部２７に設定する。ポンプ制御部２７は燃料供給量に応じた燃料をインジェクタ１５に供給する。インジェクタ制御部２６は、クランク角に応じて決定される噴射タイミングになると、インジェクタ１５に燃料を噴射させる。

電源回路８においてインバータ３０は、発電機６により生成された交流を所定周波数の交流に変換する変換回路である。整流回路３１は発電機６により生成された交流により生成された交流を整流する回路である。平滑回路３２は整流回路３１により生成された脈流を平滑して直流を生成する回路である。これにより、たとえば、１２Ｖの直流電圧が生成される。制御部９ａは発電機６や内燃エンジン１の負荷に応じて燃料ポンプ１４に供給される電力をＰＷＭ制御してもよい。ＤＣ／ＤＣコンバータ３５は直流電圧のレベルを変換する回路である。たとえば、ＤＣ／ＤＣコンバータ３５は、１２Ｖの直流電圧を５Ｖや３．３Ｖの直流電圧に変換する。

●実施例２
＜エンジンシステム＞
図３はエンジンシステム１００ｂを示す概略図である。実施例２おいて実施例１と共通または類似する部分には同一の参照符号が付与されている。エンジンシステム１００ｂは、エンジンシステム１００ｂにＯ２センサ４２が追加されている。Ｏ２センサ４２は、内燃エンジン１の排気経路５１に設けられ、排気ガス中の酸素濃度を検知する酸素濃度センサである。Ｏ２センサ４２は燃料と空気との混合気がリッチ状態かリーン状態かを判定するために使用される。

＜制御部と電源回路＞
図４は制御部９ｂの機能と電源回路８の機能を示している。制御部９ｂには制御部９ａに対して判定部２８、判別部６０および出力部２９が追加されている。判別部６０はＯ２センサ４２により検知された酸素濃度に基づき空燃比が理論空燃比よりも低いリッチ状態と、空燃比が理論空燃比よりも高いリーン状態とを判別する。噴射量制御部２０は、判別部６０の判別結果に応じて燃料ポンプ１４やインジェクタ１５を制御するストイキ制御を実行してもよい。ストイキ制御とは、混合器の空燃比を理論空燃比に維持するための制御である。

判定部２８はＯ２センサ４２が排気ガス中の酸素濃度に応じて出力する検知信号と、ＣＯセンサ４１が排気ガス中の一酸化炭素濃度に応じて出力する検知信号とに基づきＯ２センサ４２の故障を判定する。Ｏ２センサ４２が出力する検知信号のレベルと、ＣＯセンサ４１が出力する検知信号のレベルとは連動して変化する。したがって、判定部２８はＯ２センサ４２が出力する検知信号のレベルと、ＣＯセンサ４１が出力する検知信号のレベルとは連動していなければ、ＣＯセンサ４１とＯ２センサ４２とのいずれか一方が故障していると判定し、故障通知を出力部２９に出力させる。出力部２９は、発光ダイオードやブザーであってもよいし、液晶表示装置などであってもよい。これによりユーザーはセンサの故障を認識しやすくなる。

なお、判別部６０はＯ２センサ４２の内部に設けられてもよい。この場合、Ｏ２センサ４２はリッチ状態においてハイレベルの検知信号を出力し、リーン状態でローレベルの検知信号を出力する。判定部２８は、変換部２１が出力する空燃比と理論空燃比とを比較し、ＣＯセンサ４１を用いて求められた空燃比がリッチ状態とリーン状態とを識別できる。したがって、判定部２８は、Ｏ２センサ４２により検知されたリッチ／リーン状態と、ＣＯセンサ４１により検知されたリッチ／リーン状態とが一致していれば、ＣＯセンサ４１とＯ２センサ４２とは故障していないと判定する。また、判定部２８は、Ｏ２センサ４２により検知されたリッチ／リーン状態と、ＣＯセンサ４１により検知されたリッチ／リーン状態とが一致していなければ、ＣＯセンサ４１とＯ２センサ４２とのいずれかが故障していると判定する。

＜まとめ＞
実施例１、２において、制御部９ａ、９ｂは燃料噴射制御装置の一例である。燃料ポンプ１４およびインジェクタ１５は内燃エンジン１に燃料を噴射する噴射手段（燃料供給手段）の一例である。ＣＯセンサ４１は内燃エンジン１の排気経路５１に設けられ、排気ガス中の一酸化炭素濃度を検知する一酸化炭素濃度センサの一例である。噴射量制御部２０は一酸化炭素濃度センサにより検知された一酸化炭素濃度に基づき内燃エンジン１における空燃比が目標空燃比に近づくよう、噴射手段を制御する制御手段の一例である。このように実施例１、２においてＣＯセンサ４１を用いて空燃比に関する制御が実行可能となる。ＣＯセンサ４１はリニアＡＦセンサと比較として安価である。そのため、自動二輪車やエンジン発電機、農作業機械用の内燃エンジン１においても精度よくＡ／Ｆ比が検知されるようになる。また、Ａ／Ｆ比に関する制御を安価に実現できるようになる。なお、空燃比と一酸化炭素濃度との相関関係に着目し、ＣＯセンサ４１により検知される一酸化炭素濃度が、目標空燃比における一酸化炭素濃度となるように燃料ポンプ１４およびインジェクタ１５が制御されてもよい。つまり、ＣＯセンサ４１により検知される一酸化炭素濃度に基づき燃料噴射量（燃料供給量）が制御されてもよい。

変換部２１は一酸化炭素濃度センサにより検知された一酸化炭素濃度を空燃比に変換する変換手段の一例である。噴射量制御部２０は、変換部２１により取得される空燃比が目標空燃比に近づくよう、噴射手段を制御してもよい。

実施例２が示すように、Ｏ２センサ４２は、内燃エンジン１の排気経路５１に設けられ、排気ガス中の酸素濃度を検知する酸素濃度センサの一例である。判別部６０は酸素濃度センサにより検知された酸素濃度に基づき空燃比が理論空燃比よりも低いリッチ状態と、空燃比が理論空燃比よりも高いリーン状態を判別してもよい。噴射量制御部２０は、リッチ状態において、変換部２１により取得される空燃比が目標空燃比に近づくよう、噴射手段を制御してもよい。

Ｏ２センサ４２は、内燃エンジン１の排気経路５１に設けられ、排気ガス中の酸素濃度に基づき内燃エンジン１の空燃比が理論空燃比よりも低いリッチ状態を示す検知信号、または、空燃比が理論空燃比よりも高いリーン状態を示す検知信号を出力する酸素濃度センサであってもよい。噴射量制御部２０は、酸素濃度センサがリッチ状態を示す検知信号を出力しているときに、変換部２１により取得される空燃比が目標空燃比に近づくよう、噴射手段を制御してもよい。

判定部２８は、酸素濃度センサが出力する検知信号と、一酸化炭素濃度センサが排気ガス中の一酸化炭素濃度に応じて出力する検知信号とに基づき一酸化炭素濃度センサと酸素濃度センサとのいずれかの故障を判定する判定手段の一例である。出力部２９は、一酸化炭素濃度センサと酸素濃度センサとのいずれかが故障していると判定手段が判定すると通知を出力する出力手段の一例である。これにより、ユーザーは容易にセンサの故障を知ることができるようになる、
なお、燃料噴射制御装置は、内燃エンジン１に燃料を噴射する噴射手段と、内燃エンジン１の吸気経路において空気の流入量を調整する調整手段と、内燃エンジン１の排気経路５１に設けられ、排気ガス中の酸素濃度を検知する酸素濃度センサと、排気経路５１に設けられ、排気ガス中の一酸化炭素濃度を検知する一酸化炭素濃度センサと、酸素濃度センサにより検知された酸素濃度に基づき空燃比が理論空燃比よりも低いリッチ状態と、空燃比が理論空燃比よりも高いリーン状態を判別する判別手段と、一酸化炭素濃度センサにより検知された一酸化炭素濃度を空燃比に変換する変換手段と、リッチ状態において、変換手段により取得される空燃比が目標空燃比に近づくよう、噴射手段を制御し、内燃エンジン１の負荷に応じて調整手段を制御する制御手段とを有してもよい。ここで、スロットルモータ１６は内燃エンジン１の吸気経路において空気の流入量を調整する調整手段の一例である。

エンジンシステム１００は、燃料を収容する燃料タンク１３と、内燃エンジン１と、内燃エンジン１の吸気経路５０において空気の流入量を調整するスロットル（スロットルモータ１６）と、内燃エンジン１の排気経路５１に設けられ、排気ガス中の一酸化炭素濃度を検知する一酸化炭素濃度センサと、内燃エンジン１により駆動されて発電する発電機６と、発電機６により生成された電力により動作し、内燃エンジン１に燃料を供給するインジェクタ１５と、発電機６により生成された電力により動作し、燃料タンク１３に収容されている燃料をインジェクタ１５に供給する燃料ポンプ１４と、内燃エンジン１において圧縮された燃料に点火する点火装置１１と、発電機６により生成された電力により動作し、かつ、一酸化炭素濃度センサにより検知された一酸化炭素濃度に基づき内燃エンジン１における空燃比が目標空燃比に近づくよう、燃料ポンプおよびインジェクタを制御する制御部９ａ、９ｂとを有してもよい。

１００...エンジンシステム、１...内燃エンジン、６...発電機、５...リコイルスターター、９ａ、９ｂ...制御部、１５...インジェクタ、１４...燃料ポンプ、１１...点火装置、７...クランク角センサ、４１...ＣＯセンサ

Claims (7)

1. 内燃エンジンに燃料を噴射する噴射手段と、
   前記内燃エンジンの排気経路に設けられ、排気ガス中の一酸化炭素濃度を検知する一酸化炭素濃度センサと、
   前記一酸化炭素濃度センサにより検知された一酸化炭素濃度に基づき前記内燃エンジンにおける空燃比が目標空燃比に近づくよう、前記噴射手段を制御する制御手段と
   を有することを特徴とする燃料噴射制御装置。
2. 前記一酸化炭素濃度センサにより検知された一酸化炭素濃度を空燃比に変換する変換手段をさらに有し、
   前記制御手段は、前記変換手段により取得される空燃比が目標空燃比に近づくよう、前記噴射手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射制御装置。
3. 前記内燃エンジンの排気経路に設けられ、排気ガス中の酸素濃度を検知する酸素濃度センサと、
   前記酸素濃度センサにより検知された酸素濃度に基づき空燃比が理論空燃比よりも低いリッチ状態と、前記空燃比が理論空燃比よりも高いリーン状態を判別する判別手段と、
   をさらに有し、
   前記制御手段は、前記リッチ状態において、前記変換手段により取得される空燃比が目標空燃比に近づくよう、前記噴射手段を制御することを特徴とする請求項２に記載の燃料噴射制御装置。
4. 前記内燃エンジンの排気経路に設けられ、排気ガス中の酸素濃度に基づき前記内燃エンジンの空燃比が理論空燃比よりも低いリッチ状態を示す検知信号、または、前記空燃比が理論空燃比よりも高いリーン状態を示す検知信号を出力する酸素濃度センサをさらに有し、
   前記制御手段は、前記酸素濃度センサが前記リッチ状態を示す検知信号を出力しているときに、前記変換手段により取得される空燃比が目標空燃比に近づくよう、前記噴射手段を制御することを特徴とする請求項２に記載の燃料噴射制御装置。
5. 前記酸素濃度センサが出力する検知信号と、前記一酸化炭素濃度センサが前記排気ガス中の一酸化炭素濃度に応じて出力する検知信号とに基づき前記一酸化炭素濃度センサと前記酸素濃度センサとのいずれかの故障を判定する判定手段と、
   前記一酸化炭素濃度センサと前記酸素濃度センサとのいずれかが故障していると前記判定手段が判定すると通知を出力する出力手段と
   をさらに有することを特徴とする請求項３または４に記載の燃料噴射制御装置。
6. 内燃エンジンに燃料を噴射する噴射手段と、
   前記内燃エンジンの吸気経路において空気の流入量を調整する調整手段と、
   前記内燃エンジンの排気経路に設けられ、排気ガス中の酸素濃度を検知する酸素濃度センサと、
   前記排気経路に設けられ、前記排気ガス中の一酸化炭素濃度を検知する一酸化炭素濃度センサと、
   前記酸素濃度センサにより検知された酸素濃度に基づき空燃比が理論空燃比よりも低いリッチ状態と、前記空燃比が理論空燃比よりも高いリーン状態を判別する判別手段と、
   前記一酸化炭素濃度センサにより検知された一酸化炭素濃度を空燃比に変換する変換手段と、
   前記リッチ状態において、前記変換手段により取得される空燃比が目標空燃比に近づくよう、前記噴射手段を制御し、前記内燃エンジンの負荷に応じて前記調整手段を制御する制御手段と
   を有することを特徴とする燃料噴射制御装置。
7. 燃料を収容する燃料タンクと、
   内燃エンジンと、
   前記内燃エンジンの吸気経路において空気の流入量を調整するスロットルと、
   前記内燃エンジンの排気経路に設けられ、排気ガス中の一酸化炭素濃度を検知する一酸化炭素濃度センサと、
   前記内燃エンジンにより駆動されて発電する発電機と、
   前記発電機により生成された電力により動作し、前記内燃エンジンに燃料を供給するインジェクタと、
   前記発電機により生成された電力により動作し、前記燃料タンクに収容されている燃料を前記インジェクタに供給する燃料ポンプと、
   前記内燃エンジンにおいて圧縮された前記燃料に点火する点火装置と、
   前記発電機により生成された電力により動作し、かつ、前記一酸化炭素濃度センサにより検知された一酸化炭素濃度に基づき前記内燃エンジンにおける空燃比が目標空燃比に近づくよう、前記燃料ポンプおよび前記インジェクタを制御する制御部と、
   を有することを特徴とするエンジンシステム。

Images