JP2004162656A

JP2004162656A - 船外機用４サイクルエンジンのノッキング回避制御システム

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Publication number: JP2004162656A
Application number: JP2002331550A
Authority: JP
Inventors: Goichi Katayama; 吾一片山
Original assignee: Yamaha Marine Co Ltd
Current assignee: Yamaha Marine Co Ltd
Priority date: 2002-11-15
Filing date: 2002-11-15
Publication date: 2004-06-10
Anticipated expiration: 2022-11-15
Also published as: US20040099237A1; CA2449630A1; JP4094936B2; US6971360B2

Abstract

【課題】船外機用４サイクルエンジンに適用して、エンジンにノッキングが発生した場合に、燃量消費率の悪化を来すこと無くノッキングの回避、抑制を遂行するノッキング回避システムを得ること。
【解決手段】船外機用４サイクルエンジン１０のノッキング回避制御システムは、ノック制御演算手段９０と、ノッキング検出手段Ｓ１６、８７とを有し、そのノッキング検出手段Ｓ１６、８７のノッキング検出時に該検出したノッキングを低レベル側へ収束させるように点火時期制御手段８０、８６によって点火時期を遅角制御し、検出ノッキングが所定の低レベルに収束後に該所定の収束レベルを維持するようにＶＣＴ機構駆動手段４３を介して可変カムタイミング（ＶＣＴ）機構４０によって吸気弁２２の開閉タイミングを吸入空気の減量側へ補正制御する。

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、船外機用４サイクルエンジンに関し、特に船外機用４サイクルエンジンのノッキング回避制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
動力用エンジン、特に船外機用エンジンは、主に排気ガス浄化の観点から、４サイクルエンジンが一般的に採用されており、この船外機用４サイクルエンジンは、アルミダイキャスト技術の向上による軽量化、防錆化などの機関の外郭的改良とともに低速域から高速領域にわたる高出力化、特に低速域、中速域における高トルク化による船外機加速性能の向上を図る対策や燃費向上策などの機関性能上の各種改良に対しても既に種々の提案がなされている。例えば、特許文献１には、低・中速域での加速時に少なくとも吸気カム軸に可変バルブタイミング機構を設けて吸気バルブの開閉タイミングを進角させ、吸気量を増加させることによりエンジントルクを増大化させる構成が開示されている。
【０００３】
このような船外機における機関性能上の改良の一環として、最近は、エンジン損傷の原因となるノッキング回避策も提案されている。すなわち、一般的に４サイクルエンジンでは、点火時期の進角時にはノッキングが発生し易いことが知られ、過大なノッキングが発生すると、エンジンの振動やそれに伴うエンジン部品の損耗を招くため、点火時期を最適点火時期より遅角化させて、ノッキング回避を図るものである。この点火時期の遅角化によるノッキング回避制御方法は、ノッキング抑制効果が迅速に現れる有利性がある反面で、燃料消費率の悪化をきたし易く、更に排気熱損失が増大することによってエンジンからの排気温度が上昇する原因になるという問題がある。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−３５５４６６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
依って、本発明は、上述した船外機用４サイクルエンジンにおける問題点を克服し、ノッキング発生を抑制し得るとともに燃料消費率の悪化と排気温度の上昇を極力抑制することのできる船外機用４サイクルエンジンのノッキング回避制御システムを提供することを目的とするものである。
【０００６】
上記の目的を達成するために、本発明は、シリンダ、該シリンダ内で４サイクル行程の往復動を行うピストン、縦方向に配設されて該ピストン往復動に従って縦方向の軸回りに回転し、プロペラ軸を介してプロペラを駆動するクランク軸、開閉に応じて前記シリンダと吸気系とを連通または遮断する吸気弁、開閉に応じて前記シリンダと排気系とを連通または遮断する排気弁、前記シリンダに対応して設けられた点火栓等を備えた船外機用４サイクルエンジンに適用され、前記シリンダ内で発生するノッキングを検出するノッキング検出手段と、ノッキング発生等の運転状態に応じて前記シリンダにおける点火時期を進角、遅角制御する点火時期制御手段と、少なくとも前記吸気弁の開閉タイミングを可変制御する可変動弁機構とを有するノッキング回避制御システムにおいて、該ノッキング回避制御システムは、ノック制御演算手段を有し、該ノック制御演算手段は、
前記ノッキング検出手段のノッキング検出時に該検出したノッキングを低レベル側へ収束させるように前記点火時期制御手段によって点火時期を遅角制御し、
前記検出ノッキングが所定の低レベルに収束後に該所定の収束レベルを維持するように前記可変動弁機構によって前記吸気弁の開閉タイミングを吸入空気の減量側へ補正制御することを特徴とする船外機用４サイクルエンジンのノッキング回避制御システムを提供する。
【０００７】
この構成によれば、船外機用４サイクルエンジンのシリンダ内でノッキングの発生が検出されると、制御操作に対す応答性が迅速な点火時期制御手段によって先ず点火時期の遅角制御によって検出したノッキングを低レベルまで収束させ、その収束後の低レベル状態が維持されて高レベルノッキングが再発しないように、可変動弁機構、つまりエンジンクランク軸に同期して回転するカムによって吸気弁の開閉動作のタイミングを可変制御する制御機構によってカム角度を相対的に位相変位させて吸気弁の閉弁タイミングを制御し、吸気量を減量側へ制御することにより、ノッキングの発生を抑制するものである。かかる点火時期遅角制御とカム角の位相変位を介して実行される吸気弁の閉弁タイミングの制御に基づく吸気量の減量制御との二段制御により、制御応答時間が短くて応答性の良好な前者の点火時期遅角制御では検出されたノッキングを迅速に低レベルへ収束させるからエンジンに対する損傷を可及的に回避でき、しかも後者の可変動弁機構により実行される吸入空気量の減量制御では前者の点火時期遅角化制御に不可避の燃料消費率の増加、いわゆる燃費の悪化を回避することが可能になるから、４サイクルエンジンを搭載した船外機の航続距離の増加等の実効を得ることができる。
【０００８】
好ましい構成例では、前記吸気弁の開閉タイミングの補正制御は、吸入空気量を漸減するように前記吸気弁開閉タイミングの補正制御をすることを特徴とする船外機用４サイクルエンジンのノッキング回避制御システムが提供される。かかる構成とすることにより、可変動弁機構のカム角制御を介して実行される吸気弁の閉弁タイミングを制御して吸入空気量の減量制御を行う過程で、エンジンシリンダ内におけるノッキング収束状況と吸気の減量補正値とを関連把握しながらノッキング抑制々御を繰り返し、エンジンシリンダ内を確実に正常燃焼状態に復帰させることができる。
【０００９】
また、更に好ましい構成では、前記吸気弁の開閉タイミングの補正制御過程で前記ノッキングが前記所定の収束レベルにあると判断すると、前記点火時期制御手段によって点火時期を基準点火時期側へ漸次進角制御する船外機用４サイクルエンジンのノッキング回避制御システムが提供される。従って、点火時期の遅角状態を適切な進角状態へ早期に回復、保持する事が可能になり、エンジンシリンダ内における４サイクル行程の作動悪化を招き、結果的に排気温度が上昇するのを防止することができ、また、アルミ系素材でなる排気系部品への熱影響を極力低減させて、船外機の熱損傷を防止する効果を得ることができる。
【００１０】
更に好ましい構成では、前記ノッキングの所定の収束レベルが維持されている間に前記点火時期制御手段によって点火時期が基準点火時期を越えて進角制御されたときは、前記可変動弁機構を駆動して前記吸気弁の開閉タイミングを吸入空気の増量側へ復帰制御することを特徴とする船外機用４サイクルエンジンのノッキング回避制御システムが提供される。このような構成から、ノッキング回避制御を行ってノッキング発生の抑制完了に伴う定常化復帰に応じて船外機用４サイクルエンジンの出力条件を改善し、早期に正常な出力状態へ復帰させることが可能であり、究極的には船外機用４サイクルエンジンの性能向上を図ることが可能になる。
本発明は特に船外機に適用することにより顕著な効果が得られる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下において、本発明を実施の形態の説明を介して更に詳細に説明する。
ここで、先ず、船外機の全体概略構成を、側面図である図１を参照して説明する。船外機１００はクランプブラケット１０２によって船体１０１の船尾板１０１ａに取付けられており、クランプブラケット１０２には上下のダンパ部材１０３によって推進ユニット１０４を弾性支持するスイベルブラケット１０５がチルト軸１０６によって上下に回動自在に枢着されている。
推進ユニット１０４は、カウリング１０７とアッパーケース１０８、ロアーケース１０９とで構成されるハウジングを有しており、アッパカウリング７００、ロアカウリング７０１から成るカウリング１０７内には４サイクルエンジン１０が収納されている。上記アッパーケース１０８はエキゾーストガイド１１の下部に取り付けられている。船外機用エンジン１０はエキゾーストガイド１１によって支承されている。この場合に船外機用エンジン１０は、４サイクル多気筒エンジンである。
【００１２】
４サイクル多気筒エンジン１０には、クランク軸１２が縦方向に配設されており、クランク軸１２には、アッパーケース１０８内を縦方向に延設されたドライブ軸１３の上端部分が連結されている。ドライブ軸１３の下端部分は、ロアーケース１０９内に収納された前後進切換機構１４に連結されており、前後進切換機構１４からはプロペラ軸１５が延長し、そのロアーケース１０９外へ突出する後端部分にはプロペラ１６が取り付いてエンジン１０の作動に応じて前または後進方向に船体１０１を推進駆動する。
【００１３】
ここで本発明に係る４サイクル多気筒エンジン１０の概略構成を図２、図３に基づいて説明する。図２は、船外機用４サイクルエンジの側断面図、図３は、吸気弁と吸気系の構成を示す部分断面図である。
さて、４サイクルエンジン１０は、水冷４気筒エンジンであって、図２に示すように４つの気筒を縦方向（上下方向）に配設して構成されており、シリンダボディ１７にはそれぞれの気筒毎にシリンダ１８が設けられている。そして、各シリンダ１８には水平方向に摺動するピストン１９が嵌装され、各ピストン１９はコンロッド２０を介してクランク軸１２に連結されている。クランク軸１２はクランク室２１内に縦方向（図２の上下方向ＨＬ）に延設されており、各ピストン１９の往復直線運動はコンロッド２０によってクランク軸１２の回転運動に変換される。
【００１４】
この４サイクルエンジン１０は、それぞれの気筒毎に吸気バルブ２２と図示に現れない排気バルブとが備えられ、シリンダボディ１７に被着されたシリンダヘッド２３にはそれぞれの気筒毎に吸気ポート２４と図示にない排気ポートが形成されている。これらの吸気ポート２４と排気ポートとは動弁機構によって駆動される吸気バルブ２２と排気バルブとにそれぞれ適当なタイミングで開閉され、エンジン１０の後述吸気系または排気系と連通または遮断されることにより、所要のガス交換が遂行される。シリンダヘッド２３はヘッドカバー２６によって被覆されており、そのシリンダヘッド２３にはそれぞれの気筒毎に点火栓２５がねじ係合で装着されている。この点火栓２５による４サイクルエンジン１０の各気筒における点火は、後述する制御装置によって運転状態の検出値に基づいて演算された結果、予め設定されている基準点火時期に対して進角又は遅角した点火時期に実行され、例えば、本願発明に係るノッキング検出に基づいて点火時期が遅角されるものである。
【００１５】
なお、図２には現れていないが、船外機用の４サイクルエンジン１には、更にスロットルボディがスロットル弁を内蔵して具備され、カウリング７内から吸入された外気がスロットル弁で計量作用を受けながら吸気マニホールドに流入し、更にそこから、吸気管１３０（図３参照）を経て上記シリンダヘッド２３に形成された吸気ポート２４へ吸入されるように成っている。しかも、その途中で、吸気管１３０内においてインジェクタ３１から適当なタイミングで噴射される所定量の燃料と混合されて所望の空燃比の混合気を形成して各気筒で燃焼に供される。つまり、上述したスロットル弁を内蔵したスロットルボディ、吸気マニホールド、吸気ポート２４等によってエンジン吸気系が形成されているのである。そして、吸気弁２２は開閉動作によって吸気系と各気筒のシリンダ１８との間を連通、遮断するものである。それぞれのシリンダ１８内で混合気の燃焼で発生した排気は図示にない排気バルブの開弁時に排気ポート、排気マニホールド等からなる排気系に流れ、そこから水中に排出される。
【００１６】
さて、各吸気バルブ２２は、シリンダヘッド２３に既述のように水平方向に摺動自在に保持され、スプリング３２によって閉弁側に付勢されている。同様に排気バルブもシリンダヘッド２３に水平方向に摺動自在に設けられ、対応のスプリングによって閉弁側に付勢されている。
【００１７】
他方、シリンダヘッド２３の左右、つまり図２に矢印Ｆで示す船外機の前方に向かって左右に吸気カム軸３３と排気カム軸（図２に現れていない）がクランク軸１２と平行に縦方向にそれぞれ配設されている。これらの吸気カム軸３３や排気カム軸はクランク軸１２と適宜のベルトプーリ機構などを介して同期回転可能に設けられ、かつそれぞれのカム軸３３等が吸気バルブ２２、排気バルブを開閉駆動するカムを装着、保持しており、図２には、本発明に関与する吸気バルブ２２を、バルブリフタ３７を介することにより開閉作動する吸気カム３３ａが吸気カム軸３３に装着されている。
【００１８】
ここで、図３に明示するように上記吸気カム３３ａは、カム作用部３３ａ１と非カム作用部３３ａ２とを有し、前者がバルブリフタ３７を押動すると吸気バルブ２２がスプリング３２に抗して開弁動作するものである。そして、この吸気カム軸３３に装着された吸気カム３３ａは、ヘッドカバー２６に取着された燃料ポンプ１３１を揺動軸１５１に関して揺動可能な揺動アーム部材１５０を介してポンプ駆動し、吸気バルブ２２の開閉動作と協働して燃料を既述の燃料噴射弁３１に供給するように成っている。然しながら、燃料ポンプ１３１自体に関しては、本発明に直接的には関与しないので、ここではその構成、作用に就いては省略する。
【００１９】
ここで、吸排気バルブの開閉を駆動する動弁機構に就いて、吸気バルブ２２に基づき、以下に図２及び図４を参照しながら説明する。すなわち、船外機用４サイクルエンジン１０においては、吸気カム軸３３の上端には可変カムタイミング機構（以下ＶＣＴ機構と記載する）４０が設けられており、このＶＣＴ機構４０によって吸気バルブ２２の開閉タイミングがエンジン運転状態に応じて制御される。
【００２０】
ＶＣＴ機構４０は、油圧によって駆動されるもので、図示にないオイルポンプから圧送される所定圧のオイルはシリンダヘッド２３に形成された油路４１及びベアリングキャップ３５に形成された油路４２を経てオイルコントロールバルブ４３へと供給される。
【００２１】
このオイルコントロールバルブ４３に供給されたオイルは同オイルコントロールバルブ４３によって切り換えられて油路４４又は油路４５（図４参照）を通ってＶＣＴ機構４０に供給され、これによってＶＣＴ機構４０が駆動されて吸気バルブ２２の開閉タイミングが制御される。
【００２２】
更に詳述すると、図４に明示するように、ＶＣＴ機構４０はハウジングとしての入力部材５５の内部にロータとしての出力部材５６を同心的かつ相対回転可能に収納して構成されている。スプロケット４７は吸気カム軸３３の上端に回動可能に支持され、ＶＣＴ機構４０の入力部材５５は、スプロケット４７の上面に適宜本数のねじボルトによって取着され、出力部材５６は吸気カム軸３３の上端外周に嵌合されてボルト５８によって吸気カム軸３３に取付けられている。
【００２３】
また、入力部材５５には、ボルト５８の取付孔５５ａを塞ぐカバー３００が取付ボルト３０１等の取付部材又は該取付孔５５ａへの嵌合によって被着されている。出力部材５６の外周には複数のベーンが略等角度ピッチで外向き放射状に一体に形成されており、それぞれのベーンは入力部材５５の内周面にシール部材を介して当接することによってその左右に油室Ｓ１、Ｓ２をそれぞれ画成している。
出力部材５６の上下には切欠円状の油溝６０、６１がそれぞれ形成されており、上方の油溝６０は出力部材５６に放射状に形成された油孔６２を介して一方の油室Ｓ１に連通しており、下方の油溝６１は出力部材５６に放射状に形成された油孔６３を介して他方の油室Ｓ２に連通している。
【００２４】
ここで先に図２を参照して記載したオイルコントロールバルブ４３はソレノイドバルブであり、シリンダ内で進退するバルブロッドにより油流方向を切り換えて油路４４又は油路４５を、油溝６８、６９を介して油路７０又は７１に選択的に連通し、それらの油路７０又は７１を通ってＶＣＴ機構４０の油室Ｓ１又はＳ２に選択的に供給される構成と成っている。
上述のようなＶＣＴ機構４０は、４サイクルエンジン１０が始動されてクランク軸１２が回転駆動されると、適宜のベルトプーリ機構を介してスプロケット４７へ回転が伝動され、従って入力部材５５がクランク軸１２の回転速度に対して所定の減速比の速度で回転駆動される。
【００２５】
ＶＣＴ機構４０の入力部材５５の回転は油室Ｓ１、Ｓ２内のオイルを介して出力部材５６に伝達され、出力部材５６が吸気カム軸と一体に回転する。そして、吸気カム軸３３が回転駆動されると、吸気カム軸に形成された吸気カム３３ａによって吸気バルブ２２が適当なタイミングで開閉されるが、ＶＣＴ機構４０内の油室Ｓ１、Ｓ２にオイルを選択的に供給して出力部材５６を入力部材５５に対して相対回転させることにより、出力部材５６と一体に回転する吸気カム軸３３の位相を変化させ、吸気カム軸３３に形成された吸気カム３３ａによって開閉される吸気バルブ２２の開閉タイミングを制御することができるのである。
【００２６】
すなわち、ＶＣＴ機構４０の出力部材５６が入力部材５５に対して相対回転することによって該出力部材５６と一体に回転する吸気カム軸３３の位相が変化し、これによって吸気バルブ２２の開閉タイミングが進角又は遅角されるのである。
【００２７】
次に、本発明に係る船外機用４サイクルエンジンに適用されるノッキング回避制御システムの一例の構成に不可欠なエンジン制御装置に就いて、図５を参照して説明する。なお、図５に示すエンジン制御装置は、既述した４サイクルエンジン１０の運転状態を検出してそれぞれの気筒毎に行われる主としてエンジンの点火時期制御と、吸排気バルブの開閉、特に吸気バルブ２２のＶＣＴ制御とを遂行するシステムの形成に必須の各手段を備えた制御装置であり、以下に記載する各種の手段に加えて図示を省略した周知のＲＯＭやＲＡＭ等のメモリー手段、信号の入出を制御するインターフェース手段等も備えているものと理解すべきである。
【００２８】
さて、船外機用４サイクルエンジン１０に適用、具備される制御装置（ＥＣＵ）８０は、回転数演算手段８１、実カム角演算手段８２、目標カム角演算手段８３、ＯＣＶ（オイルコントロールバルブ）制御値演算手段８４、燃料噴射量制御手段８５、目標の点火時期を演算して点火栓に点火信号を送出、制御する点火時期演算手段８６、ノック状態演算手段８７、運転状態判定手段８８、ノック制御演算手段８９等を備えている。
【００２９】
制御装置８０には、運転状態検出手段９０から運転状態検出信号が入力される。運転状態検出手段９０は、スロットルポジションセンサＳ１１、吸気圧センサＳ１２、油圧センサＳ１３、水温センサＳ１４、機温センサＳ１５、ノックセンサＳ１６、シフト操作検出手段８８、シフト位置検出手段８９、ＡＦセンサＳ１９、吸気温センサＳ２０等のそれぞれのセンサ等で構成される。
【００３０】
また、上述した運転状態検出手段９０の各種センサに加えて、ノックセンサＳ１６、第一のカム角センサＳ２１、第二のカム角センサＳ２２が設けられており、それぞれ、シリンダ１８内におけるノック状態の検出、クランク軸１２の回転に関する基準タイミング信号、吸気カム軸３３に装着された吸気カム３３ａのカム角信号等を検出する。
【００３１】
さて、制御装置８０の燃焼燃料噴射量制御手段８５は、第一のカム角センサＳ２１から回転数演算手段８１で演算されたエンジン回転数に基づき、運転状態判定手段８８で判定された運転状態に応じてインジェクタ３１からの燃料噴射量を制御する。
【００３２】
回転速度演算手段８１には、カム角センサＳ２１からクランク軸１２の回転によって検出される基準タイミング信号が入力され、この基準タイミング信号が入力され、この基準タイミング信号に基づいてエンジン回転速度を演算する。実カム角演算手段８２には、第二のカム角センサＳ２２から吸気カム軸３３の回転によって検出される吸気カム３３ａの実際のタイミング信号が入力され、そこで実カム角を演算し、運転状態判定手段８８を介して目標カム角演算手段８３へ送出する。
【００３３】
このとき、目標カム角演算手段８３は、運転状態判定手段８８による運転状態の判定を加味して上記実カム角に基づいた目標カム角を演算し、運転状態判定手段８８にフィードバックすると同時にＯＣＶ制御値演算手段８４を経てオイルコントロールバルブ４３を作動し、その結果、ＶＣＴ機構４０を経て吸気カム軸３３の吸気カム３３ａの位相角度の変位制御を行うように成っている。そして、吸気カム３３ａの位相角度制御を介して、吸気バルブ２２の開閉タイミングが制御されるのである。
【００３４】
なお、排気カム軸３４に装着された排気カムを介して各気筒の排気バルブ５０が適正なタイミングで開閉され、気筒シリンダ１８から燃焼後の排気を排気系は排出することは、周知の通りである。
【００３５】
また、制御装置８０には、図示にないＲＯＭ等の記憶手段に種々のエンジン運転状態に応じた基準点火時期が予めマップ値として記録されており、他方、運転状態検出手段９０の各種センサや検出手段類からの検出信号や、上記の第一、第二のカム角センサＳ２１、Ｓ２２、ノックセンサＳ１６等のそれぞれの信号がエンジン制御装置８０の運転状態判定手段８８へ入力されていることから、制御装置８０の点火時期演算手段８６が点火時期の補正値を演算し、上記マップ値と補正値とから、その運転状態における目標点火時期を演算し、演算値に従って点火信号を点火栓２５に送出して所望の進角又は遅角量下で点火栓２５を作動させる構成を有している。
【００３６】
そして、本発明は、ノックセンサＳ１６によるノック信号を制御装置８０におけるノック状態演算手段８７へ入力し、そこでノック状態を演算し、運転状態判定手段８８を介してノック制御演算手段８９へ入力することにより、エンジン１０内におけるノック状態を判定しながら、ノッキング回避及び抑制の判断と演算とを実行する。そして、運転状態判定手段８８を介して或いは直接的に上述のＯＣＶ制御値演算手段８４や点火時期演算手段８６へ所要の制御信号を入力することによって、エンジン１０内部におけるノッキング発生に対応して前述のＶＣＴ機構４０による吸気カム３３ａの位相制御を介して吸気バルブ２２の閉弁タイミングを制御し、また、点火時期演算手段８６の演算、制御作用を通して点時期の遅角制御を実行してノッキング回避制御を遂行するシステムを形成するものである。
【００３７】
次に、ノックセンサＳ１６の検出信号に基づいて４サイクルエンジン１０にノッキングの発生が検出された場合に、制御装置８０の制御作用下で遂行されるノッキング回避制御動作を図５のシステム構成と共に図６に示すフローチャート及び図７に示す波形図を参照して説明する。
【００３８】
なお、図７の波形図は、経過時間ｔを横軸としたノッキング回避、抑制制御過程におけるノッキングのレベル状態、予めマップ化して記録されている基準点火時期に対するノッキング回避制御のために遂行される点火時期の遅角側又は進角側への変位量、同じくノッキング抑制制御のために遂行されるＶＣＴ機構４０（図４参照）による吸気バルブ２２の開閉タイミング（吸気カム３３の位相変位量）の制御による吸入空気量の変動量を示した波形図である。
【００３９】
ノックセンサＳ１６は、エンジン１０の作動中は、常にシリンダ１８内における例えばピストン作動状態等のノッキング関連信号を検知し得るように設けられていると共にその検知信号を常時、上記のノック状態演算手段８７へ送出、入力し、そこでノッキングの発生の有無が判定される。つまり、ノックセンサＳ１６とノック状態演算手段８７とでノック検出手段が構成されていると理解することができる。
【００４０】
他方、制御装置８０においては、図５に図示が無いタイマー手段から、常に所定のクロックタイミングでノック制御演算手段８９へクロック信号が入力されて、ノッキング回避抑制の制御サイクルが繰り返し遂行されるようになっている。従って、上記ノックセンサＳ１６の検知信号が制御装置８０へ入力されると、ノッキングの回避、抑制を図るべく制御動作が開始される。なお、ノックセンサＳ１６の検知信号は、図７のノッキングレベル状態におけるレベルの上昇開始時間ｔ１に発生する。
【００４１】
こうして先ず、図６に示すフローチャートのステップＳＴ１において、ノッキング状態の判定が遂行される。ステップＳＴ１でノッキング状態が無い（ＮＯ）と判定される通常の場合には、ノック制御演算手段８９からはノッキング回避、抑制の起動信号が発生しないので、エンジン１０には通常通りの所定の点火時期で４サイクル行程のエンジン動作が継続される。つまり、ステップＳＴ２で示すように、所定角度の点火進角が維持される。つまり、この所定角度の点火進角は、他の運転状態検出、例えばトルク状態等に基づいて基準点火時期に対して所望の点火時期への進角制御が、点火時期演算手段８６を介して遂行されることを言う。
【００４２】
ステップＳＴ１でノッキング状態が有り（ＹＥＳ）と判定された時には、ノック制御演算手段８９からはノッキング回避、抑制の起動信号が発生し、ステップＳＴ３において、点火時期演算手段８６を介して所定角度の点火時期遅角が直ちに遂行される。点火時期遅角の開始は、図７の点火時期の波形図において、時間ｔ１に起きていることがわかる。
【００４３】
点火時期遅角化は迅速にノッキングの回避効果をもたらすが、発生したノッキング状態が回避、収束状態に向かっているか否かがステップＳＴ４において演算される。この演算はもちろん、ノック制御演算手段８９で遂行される。
【００４４】
そして、図７に示すようにノッキングのレベル状態が、不良レベル維持を回避し、正常レベル（正常なエンジン作動レベル）へ向けて抑制傾向となったとき（時間ｔ２）、その時点から所定の時間経過の間における点火時期の平均値、つまり、平均点火時期ＳＡａｖｅが演算される（ステップＳＴ５）。
【００４５】
ステップＳＴ５における平均点火時期ＳＡａｖｅの演算値は記録され、次いでステップＳＴ６において、ノッキングの抑制収束状態の判定が行われる。このステップＳＴ６におけるノッキング抑制収束状態の判定の結果、収束状態が悪化している場合（ＮＯ）には、再びステップＳＴ１に戻ってノッキング回避、抑制のためのノッキング状態判定が遂行される。
【００４６】
他方、ステップＳＴ６におけるノッキング抑制収束状態の判定の結果、収束状態を維持している場合（ＹＥＳ）には、直ちに基準点火時期ＳＡ０と先に求めた平均点火時期ＳＡａｖｅの演算値との偏差Δθが演算される（ステップＳＴ７）。この点火時期の偏差Δθは、図７に示すように、予め４サイクルエンジン１０に設定されてマップ値として記憶されて基準点火時期ＳＡ０を中心としてエンジン１０の最適な点火時期限界、つまり最適遅角限界値θ１と最適進角限界値θ２に対するノッキング回避目的の点火時期遅角値の平均値ＳＡａｖｅとの偏差を意味するものであり、かつ現在の点火時期が最適な点火時期限界に対してどれ位の角度だけ遅角側へ変位されているのか、或いは進角側へ変位されているのかを示す値である。
【００４７】
点火時期の偏差値Δθが演算されると、次にステップＳＴ８でエンジン１０の現在の点火状態の判定が行われる。すなわち、Δθ＜θ１の判定が行われ、判定結果がＮＯの場合には、点火時期の遅角補正が行われていないものと判定して、ステップＳＴ９へ進む。他方、判定結果がＹＥＳの場合には、ノッキング発生に応じて点火時期の遅角補正が行われたものと判定して、更にステップＳＴ１０へ進む。
【００４８】
ステップＳＴ１０では、本発明の特徴点となる吸気バルブ２２の開閉タイミングを、ＶＣＴ機構４０により吸気カム３３の位相角の補正変位を介して制御することによって（ＶＣＴ補正）、吸気系からの吸入空気量を低減（空気量減）させて、ノッキングの収束、抑制を達成する際に必要な吸入空気の低減量、つまり、ＶＣＴ補正量を演算する。この場合に、空気量の減少は、必然的に吸入する燃料量の減少を生じさせることになる。
【００４９】
他方、ステップＳＴ８で点火時期の遅角補正が行われていないと判定されてステップＳＴ９へ進められた場合には、Δθ＞θ２の判定が行われる。この判定結果で、ＮＯの場合には、現在の点火時期が最適点火時期の範囲で実行されているものと判定し、従って、エンジン１０は、その時点で正常な作動を行っているものと判定されるから、通常の運転状態信号の検出を行って、新たにノッキング回避、抑制の制御ルートへ戻る。
【００５０】
Δθ＞θ２の判定結果がＹＥＳの場合には、すでにステップＳＴ６における判定結果で、エンジン１０はノッキング抑制、収束状態にあるものと判定されていることから、ステップＳＴ１１で、ノッキング抑制、収束のために低減された吸入空気量を再び通常の吸入空気量に戻し、所要のエンジントルクを確保するために、ＶＣＴ機構４０による吸気カム３３の位相角の補正（ＶＣＴ補正）、すなわち、この場合には空気量ないし吸気量の増量側への補正を遂行するための演算が実行される。
【００５１】
ステップＳＴ１０、ステップＳＴ１１の何れの場合にも、演算終了後にステップＳＴ１２は進んで、ここで、既に従前に実行されたＶＣＴ機構４０による吸気バルブ２２の開閉タイミング補正制御が収束しているか否かの判定が遂行されて、ＹＥＳの場合には、ステップＳＴ１３において、ＶＣＴ機構４０を介して実行される吸気バルブ２２に対する開閉タイミングを従前に演算した空気量減又は空気量増の演算値に置換するための補正が遂行される。なお、ＶＣＴ機構４０による空気量減又は空気量増の制御においては、実際の吸気バルブ２２の開閉タイミングの補正変位と目標の補正変位との間には、機構要素の作動遅れに起因した遅れがあり、故に、図７におけるＶＣＴ目標角（吸気カム３３の目標変位角）のグラフに示すように、段階的な空気量変化が行われるので、ステップＳＴ１２におけるＶＣＴ制御収束状態の判定が必要となるものである。
【００５２】
他方、ステップＳＴ１２でＮＯと判定された場合には、既に前回に実行されたＶＣＴ機構４０による吸気バルブ２２の開閉タイミング補正制御が未だ終了していないものと判定し、ノッキング抑制、収束を維持するためのＶＣＴ機構４０による空気量ないし吸気量低減の制御動作が継続しているものと判定して、再びステップＳＴ１のノッキング発生状態の判定ステップへ進んで新たなノッキング回避、抑制ループによる制御動作が遂行される。このようにして、図７に示すノッキングレベルの波形図において、ノッキングのレベルが正常なレベルに復帰するまで、ノッキング回避、抑制の制御動作が繰り返し継続される。
【００５３】
以上に記載した４サイクルエンジン１０のノッキング回避、抑制の制御は、図５に示した、運転状態検出手段８７におけるノックセンサＳ２３、制御装置８０の構成要素における実カム角演算手段８２ないしノック制御演算手段８９の諸手段、吸気カム３３のタイミング信号を検出する第二のカム角センサＳ２２、ＶＣＴ機構４０等により構成されるノッキング回避システムによって遂行されるものであり、このようなノッキング回避制御システムによって点火時期の遅角化と吸気バルブの閉弁タイミング制御による吸入空気量低減補正との両者を遂行し、船外機用エンジンのノッキング回避、抑制制御を図ることにより得られる作用効果の典型例が図８に示されている。
【００５４】
すなわち、図８のグラフ図は、船外機用４サイクルエンジン１０を、従来のように点火時期の遅角制御だけでノッキング回避、抑制の制御を遂行する場合と、本発明に係る点火時期の遅角制御をノッキング発生初期段階で直ちに実行し、次いで吸気バルブの閉弁タイミングを吸気カムのカム角の位相変位で吸気量低減制御を実行してノッキングの抑制、収束によりノッキングレベルの収束状態維持を併せて実行する場合との両者に就いて、エンジン回転速度を横軸に、トルク特性と吸入空気量、従って燃料消費量とを縦軸に取って示したグラフ図であり、前者が図８（イ）、後者が図８（ロ）である。
【００５５】
図８を対比すると、前者の点火時期の遅角化のみでノッキングの回避、抑制を図る従来からの制御方式の場合と、後者の点火時期に遅角化＋吸入空気量低減とを組み合わせた本発明に係る制御方式の場合とでは、最適点火時期運転（図７に示した基準点火時期ＳＡ０を中心として遅角限界値θ１と進角限界値θ２との間にある点火時期範囲）時もノッキング発生に伴うノッキング回避、抑制制御運転時もエンジンの出力トルク値は、同図（イ）、（ロ）における左右の細線表示と太線表示のように略同じであるが、吸入空気量、従って燃料消費量が、前者では最適点火時期運転時もノッキング回避、抑制運転時も細線、太線が略重なって同じであるのに対し、後者の場合には太線表示で示す如く、吸入空気量、すなわち燃料消費量が最適点火時期運転時に対比して顕著に低減しており、このことはノッキング回避、抑制制御時には最適点火時期運転時よりも燃料の節減を図ることが可能で有ることを示していることが分かる。
【００５６】
なお、図９の（イ）、（ロ）、（ハ）及び（ニ）のグラフは、予め想定したオクタン価の燃料（細線表示）と、それより低いオクタン価を有する低品質燃料（太線表示）とで運転する場合に対して、オクタン価が異なることに対して、エンジン１０に対してＶＣＴ機構４０による吸気バルブ２２の閉弁タイミングの進角量と目標点火時期演算手段８６と介して遂行されるＶＣＴ制御量と点火時期の進角量とを定性的に参考表示したものである。この図９からは、燃料のオクタン価等のいわば、エンジン機能以外の外的ノッキング要因が異なる場合には点火時期遅角とＶＣＴ機構４０による吸気カム位相補正制御とが如何にエンジン回転速度に応じて実行されるかを示し、図９の（イ）は、燃料のオクタン価に関わらず吸気カム位相補正制御は行われないことから、細線、太線が略重なっている。他方、図９の（ハ）は、オクタン価が高い想定オクタン価の場合（細線）には吸入空気量の変化が大きく、故に燃費低減効果が比較的顕著に現れるが、低オクタン価の燃料の場合（太線）では、吸入空気量の変化が小さく、故に燃費低減効果がやや劣化する様子を示している。
【００５７】
【発明の効果】
以上に記載し、説明したように、本発明によれば、船外機用４サイクルエンジンに適用されるノッキング回避、抑制のためのノッキング回避制御システムは、運転状態の検出においてノッキングの発生が検出されると、各気筒で最初の過では応答時間の短い点火時期の遅角化を行ってノッキングのレベルを迅速に正常なレベルへと抑制し、次いで吸気バルブの開閉機構である吸気カムにおけるカム位相を補正して、各気筒への吸入空気量を低減させる吸気減量によるノッキング収束状態の維持制御を併用するから、点火時期の遅角だけでノッキング回避、抑制を図る場合に比較して、制御動作中に確実に燃料消費量の低減を図ること、つまり、燃費低減を果たすことが出来るという効果を奏するのである。また、燃料のオクタン価等のいわゆるエンジン機能自体とは異なる外的なノック要因で発生したノッキングが抑制、収束状態へ復帰されると、そのような外的ノック要因に応じた最適運転状態が可能になり、いわば、エンジンに想定される運転条件を外れたエンジンユーザーの恣意的な運転条件の変更にも対処して良好な船外機用４サイクルエンジンの作動を可能にすると言う効果も奏するのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】船外機の全体的な構成を略示した側面図である。
【図２】船外機用４サイクルエンジンの断面図である。
【図３】同エンジンの燃料ポンプと吸気系の配置とを示した断面図である。
【図４】同エンジンの可変カムタイミング（ＶＣＴ）機構と吸気バルブの頭部構成を示す断面図である。
【図５】船外機用４サイクルエンジンに対して適用される制御装置と運転状態検出装置との構成を示したブロックダイアグラムである。
【図６】本発明に係る船外機用４サイクルエンジンのノッキング回避、抑制制御のフローチャートである。
【図７】ノッキング回避、抑制制御のノッキング発生から、収束抑制状態に至る間のノッキングレベル、点火時期の遅角量変位、可変バルブタイミング機構による吸入空気量（燃料量）の補正量を示したグラフ図である。
【図８】（イ）、（ロ）は、本発明のノッキング回避制御システムによるノッキング回避、抑制制御によって得られる作用、効果に関して説明するグラフ図である。
【図９】（イ）〜（ハ）は、エンジン回転数に対して、異なるオクタン価燃が使用される際の適用される点火時期の進角量、ＶＣＴ機構による吸気バルブ閉弁タイミング補正量を定性的に示したグラフ図である。
【符号の説明】
１０：４サイクルエンジン、１１：エキゾーストガイド、１２：クランク軸、
１３：ドライブ軸、１４：前後進切換機構、１５：プロペラ軸、
１６：プロペラ、１７：シリンダボディ、１８：シリンダ、１９：ピストン、
２０：コンロッド、２１：クランク室、２２：吸気バルブ、
２３：シリンダヘッド、２４：吸気ポート、２５：点火栓、２６：ヘッドカバー、
３１：インジェクタ、３２：スプリング、３３：吸気カム軸、３３ａ：吸気カム、３３ａ１：カム作用部、３３ａ２：非カム作用部、３５：ベアリングキャップ、
３７：バルブリフタ、４０：ＶＣＴ機構、４２：油路、
４３：オイルコントロールバルブ、４４：油路、４５：油路、
４７：スプロケット、５０：排気バルブ、５５：入力部材、５５ａ：取付孔
５６：出力部材、５８：ボルト、６０：油溝、６１：油溝、６２：油孔、
６３：油孔、Ｓ１：油室、Ｓ２：油室、６８：油溝、６９：油溝、７０：油路、
７１：油路、８０：制御装置、８１：回転数演算手段、８２：実カム角演算手段、
８３：目標カム角演算手段、８４：ＯＣＶ制御演算手段、
８５：燃料噴射量制御手段、８６：点火時期演算手段、８７：ノック状態演算手段、８８：運転状態判定手段、８９：ノック制御演算手段、９０：運転状態検出手段、１００：船外機、１０１：船体、１０１ａ：船尾板、
１０２：クランプブラケット、１０３：ダンパ部材、１０４：推進ユニット、
１０５：スイベルブラケット、１０６：チルト軸、１０７：カウリング、
１０８：アッパーケース、１０９：ロアーケース、１３１：燃料ポンプ、
１５０：揺動アーム部材、１５１：揺動軸、Ｓ１１：スロットルポジションセンサ、Ｓ１２：吸気圧センサ、Ｓ１３：油圧センサ、Ｓ１４：水温センサ、
Ｓ１６：ノックセンサ、Ｓ１９：Ａ／Ｆセンサ、Ｓ２０：吸気温センサ、
Ｓ２１：第一のカム角センサ、Ｓ２２：第二のカム角センサ、
Ｓ２３：点火信号センサ、Ｓ８９：シフト位置検出手段、
Ｓ８８：シフト操作検出手段。

Claims

シリンダ、該シリンダ内で４サイクル行程の往復動を行うピストン、縦方向に配設されて該ピストン往復動に従って縦方向の軸回りに回転し、プロペラ軸を介してプロペラを駆動するクランク軸、開閉に応じて前記シリンダと吸気系とを連通または遮断する吸気弁、開閉に応じて前記シリンダと排気系とを連通または遮断する排気弁、前記シリンダに対応して設けられた点火栓等を備えた船外機用４サイクルエンジンに適用され、前記シリンダ内で発生するノッキングを検出するノッキング検出手段と、ノッキング発生等の運転状態に応じて前記シリンダにおける点火時期を進角、遅角制御する点火時期制御手段と、少なくとも前記吸気弁の開閉タイミングを可変制御する可変カムタイミング機構とを有するノッキング回避制御システムにおいて、該ノッキング回避制御システムは、ノック制御演算手段を有し、該ノック制御演算手段は、
前記ノッキング検出手段のノッキング検出時に該検出したノッキングを低レベル側へ収束させるように前記点火時期制御手段によって点火時期を遅角制御し、
前記検出ノッキングが所定の低レベルに収束後に該所定の収束レベルを維持するように前記可変カムタイミング機構によって前記吸気弁の開閉タイミングを吸入空気の減量側へ補正制御することを特徴とする船外機用４サイクルエンジンのノッキング回避制御システム。
前記吸気弁の開閉タイミングの補正制御は、吸入空気量を漸減するように前記吸気弁開閉タイミングの補正制御をすることを特徴とする請求項１に記載の船外機用４サイクルエンジンのノッキング回避制御システム。
前記吸気弁の開閉タイミングの補正制御過程で前記ノッキングが前記所定の収束レベルにあると判断すると、前記点火時期制御手段によって点火時期を基準点火時期側へ漸次進角制御する請求項１又は２に記載の船外機用４サイクルエンジンのノッキング回避制御システム。
前記ノッキングの所定の収束レベルが維持されている間に前記点火時期制御手段によって点火時期が基準点火時期を越えて進角制御されたときは、前記可変動弁機構を駆動して前記吸気弁の開閉タイミングを吸入空気の増量側へ復帰制御することを特徴とする請求項３に記載の船外機用４サイクルエンジンのノッキング回避制御システム。
請求項１から４のいずれかに記載のノッキング回避制御システムを備えた船外機。