JP2009085030A - 行程判別手段を備える内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関において、クランク軸の角速度に基づいて１サイクル中の複数の行程のうちの特定の行程を判別するときの判別精度の向上を図る。
【解決手段】内燃機関Ｅは、クランク軸５の角速度に基づいて１サイクル中の４行程のうちの圧縮行程を判別する行程判別手段44を備える。行程判別手段44は、クランク角センサ30のリラクタ31ａにおける前側位相での前側角速度ωｆおよびリラクタ31ｂにおける後側位相での後側角速度ωｒを設定する角速度設定手段45と、圧縮行程および排気行程の一方を第１行程、他方を第２行程としたとき、第１行程での前側角速度ωｆと後側角速度ωｒとの間の第１減速度と、第２行程での前側角速度ωｆと後側角速度ωｒとの間の第２減速度とを算出する変化量算出手段46とを備え、第１減速度と第２減速度との比較結果に基づいて第１行程および第２行程のいずれかを圧縮行程であると判別する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の１サイクル中の複数の行程のうちの特定の行程を判別する行程判別手段を備える内燃機関に関し、さらには、前記行程判別手段と、前記特定行程でのクランク軸の角速度の変動量に基づいて機関運転状態を制御する制御手段とを備える内燃機関に関する。

内燃機関については、車両に搭載されるものを含めて、燃費の改善およびエミッション性能の向上の要求が一層高まっている状況下で、そのような要求を満足した内燃機関の普及を図るために、コストの削減も重要である。
その一環として、本出願人は、内燃機関のクランク軸の角速度の変動量が吸入空気量と強い相関を有することを見出し、該変動量に基づいて機関運転状態を制御する発明を出願した（特許文献１参照）。この発明によれば、吸入空気量を検出するためのエアフローメータや吸気圧センサが不要になるので、内燃機関のコストが削減される。
特開２００４−１０８２８９号公報

クランク軸の角速度の変動量は、クランク軸に設けられた被検出部および該被検出部の位相を検出する検出部から構成されるクランク角センサの検出信号に基づいて検出される角速度から得られる。ここで、被検出部は、内燃機関の１サイクル中の複数の行程のうちの１つの行程に対応するクランク角範囲で所定の位置に設けられる。
また、クランク軸の角速度の変動量は、図２に示されるように、吸入空気量に依存して変化すると共に、前記複数の行程、例えば吸気行程、圧縮行程、燃焼・膨張行程および排気行程において異なり、圧縮行程、燃焼・膨張行程および排気行程では、吸気行程に比べて大きく変化する。そして、該変動量に基づいて機関運転状態の制御が行われる場合、該変動量を高い精度で検出するためには、該変動量が大きくなる行程、例えば圧縮行程での変動量を検出することが望ましい。
そこで、例えば被検出部が圧縮行程または排気行程に対応するクランク角範囲に設けられ、かつ圧縮行程における上死点（以下、「圧縮上死点」という。）の近傍での角速度の変動量を検出する場合、該クランク角範囲に対応する圧縮行程および排気行程について圧縮行程を判別するために、角速度が圧縮行程では排気行程よりも小さいことを利用している。
しかしながら、内燃機関の始動初期やアイドル運転時などでスロットル弁が急激に開閉される場合のように、クランク軸が１，２回転する間に機関回転速度が大きく変動する運転時には、図７に示されるように、排気行程における上死点（以下、「排気上死点」という。）付近での角速度が圧縮行程での圧縮上死点付近での角速度よりも小さくなる逆転現象が生じることがある。この逆転現象が発生すると、排気行程を圧縮行程であると判別してしまう場合がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、請求項１〜４記載の発明は、内燃機関において、コスト削減を図りつつ、クランク軸の角速度に基づいて１サイクル中の複数の行程のうちの特定の行程を判別するときの判別精度の向上を図ることを目的とする。そして、請求項３記載の発明は、さらに、角速度の減速度を利用して圧縮行程を判別することを目的とし、請求項４記載の発明は、さらに、クランク軸の角速度の変動量が大きい行程での該変動量を検出することにより、変動量に基づく機関運転状態の制御精度の向上を図ることを目的とする。

請求項１記載の発明は、クランク軸の位相を検出するクランク角センサと、前記クランク角センサの検出信号に基づいて前記クランク軸の角速度を検出する角速度検出手段と、前記角速度検出手段により検出された前記角速度に基づいて１サイクル中の複数の行程のうちの特定の行程を判別する行程判別手段とを備える内燃機関において、前記クランク角センサは、前記複数の行程のうちの１つの行程に対応するクランク角範囲で前記クランク軸に設けられた被検出部と、前記被検出部の位相を検出する検出部とから構成され、前記行程判別手段は、前記被検出部における前側位相および前記クランク軸の回転方向で前記前側位相よりも後方の後側位相でのそれぞれの前記角速度である前記前側角速度および前記後側角速度を設定する角速度設定手段と、前記複数の行程のうちで前記クランク角範囲に対応する第１行程および第２行程について、前記第１行程における前記前側角速度と前記後側角速度との間の第１変化量と前記第２行程における前記前側角速度と前記後側角速度との間の第２変化量とを算出する変化量算出手段と、前記第１変化量および前記第２変化量を比較する比較手段とを備え、前記比較手段での比較結果に基づいて前記第１行程および前記第２行程のいずれかを前記特定行程であると判別する内燃機関である。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の内燃機関において、前記被検出部は、前記第１被検出部と、前記回転方向で前記第１被検出部よりも後方の第２被検出部とから構成され、前記前側角速度は前記第１被検出部での角速度に基づいて設定され、前記後側角速度は前記第２被検出部での角速度に基づいて設定されるものである。
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の内燃機関において、前記第１行程は圧縮行程および排気行程の一方の行程であり、前記第２行程は前記圧縮行程および前記排気行程の他方の行程であり、前記第１変化量および前記第２変化量は、それぞれ第１減速度および第２減速度であり、前記行程判別手段は、前記第１減速度および前記第２減速度のうちで大きい減速度となる行程を前記特定行程としての前記圧縮行程であると判別するものである。
請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項記載の内燃機関において、前記角速度の変動量を検出する変動量検出手段と、前記変動量検出手段により検出された前記変動量に基づいて機関運転状態を制御する制御手段とを備え、前記行程判別手段は、前記第１変化量および前記第２変化量のうちでその絶対値が大きい変化量となる行程を前記特定行程であると判別し、前記変動量検出手段は、前記特定行程での前記変動量を検出するものである。

請求項１記載の発明によれば、内燃機関の行程判別手段は、特定行程の判別対象となる第１行程および第２行程において、それらの各行程での前側角速度および後側角速度の変化量に基づいて特定行程を判別するので、コスト削減を図りつつ、第１，第２行程での同じクランク軸の位相での角速度の逆転現象が発生する運転時においても、確実に特定行程を判別することができる。この結果、クランク軸の角速度検出手段により検出された角速度に基づいて１サイクル中の複数の行程のうちの特定行程を判別する行程判別手段の行程判別精度が向上する。
請求項２記載の事項によれば、クランク角センサの被検出部が、前側角速度を設定する第１被検出部および後側角速度を設定する第２被検出部から構成されるので、簡単な構造により、第１変化量および第２変化量を算出するための前側角速度および後側角速度が得られる。
請求項３記載の事項によれば、前側角速度および後側角速度間の減速度を利用することにより、圧縮行程および排気行程のうちで圧縮行程を判別することができる。
請求項４記載の事項によれば、クランク軸の角速度の変動量に基づいて機関運転状態が制御される内燃機関において、該変動量が大きくなる特定行程での変動量が変動量検出手段により検出される。この結果、吸入空気量が変化する広範囲の運転域に渡って、高い精度で変動量を検出することができるので、変動量に基づく機関運転状態の制御精度が向上する。

以下、本発明の実施形態を図１〜図６を参照して説明する。
図１を参照すると、本発明が適用された内燃機関Ｅは、４ストローク１サイクル内燃機関であり、機械としての車両、例えば自動二輪車または鞍乗り型車両に搭載される。

単気筒の内燃機関Ｅは、ピストン３が往復動可能に嵌合するシリンダボア１ａが設けられたシリンダブロック１および該シリンダブロック１に結合されるシリンダヘッド２を有する機関本体と、該機関本体に回転可能に支持されるクランク軸５と、吸入空気を燃焼空間６に導く吸気通路７ａを形成する吸気装置７と、吸入空気に燃料を供給して混合気を形成する混合気形成手段としての燃料噴射弁20を備える運転制御装置（以下、単に「運転制御装置」という。）と、燃焼空間６内で混合気が点火栓21ａにより点火されて燃焼して発生した燃焼ガスを排気ガスとして内燃機関Ｅの外部に導く排気通路８ａを形成する排気装置８とを備える。
ここで、燃焼空間６は、機関本体においてピストン３とシリンダヘッド２との間に形成された空間であり、シリンダヘッド２の下面の凹部により形成される燃焼室６ａと、ピストン３とシリンダヘッド２との間のシリンダボア１ａとから構成される空間である。
燃焼空間６内での混合気の燃焼により発生する燃焼ガスの圧力で駆動されるピストン３は、コンロッド４を介してクランク軸５を回転駆動する。内燃機関Ｅが発生する動力は、クランク軸５に連結された変速機を含む動力伝達装置を介して駆動輪に伝達される。

吸気装置７は、内燃機関Ｅの外部から吸入した空気を清浄にするエアクリーナ10と、吸気通路７ａ内に配置されてエアクリーナ10を通過した吸入空気の流量を制御するスロットル弁11と、シリンダヘッド２に接続されると共にスロットル弁11により制御された吸入空気量の吸入空気を燃焼空間６に導く吸気管12とを備える。吸気管12を流れた吸入空気は、シリンダヘッド２に設けられた吸気ポート２ｉを動弁装置23により駆動されて開閉する吸気弁13の開弁時に、該吸気ポート２ｉを経て燃焼空間６に吸入される。

排気装置８は、シリンダヘッド２に接続される排気管15を備える。ピストン３を駆動した後の燃焼空間６内の燃焼ガスは、排気ガスとして、シリンダヘッド２に設けられた排気ポート２ｅを動弁装置23により駆動されて開閉する排気弁14の開弁時に、該排気ポート２ｅを経て排気管15に流出する。

内燃機関Ｅの運転状態を制御する運転制御装置は、吸気装置７またはシリンダヘッド２に取り付けられる燃料噴射弁20のほかに、点火栓21ａを備える点火装置21と、排気ガスの一部を吸気通路７ａに還流させる排気還流装置22と、クランク軸５７に同期して回転駆動されて吸気弁13および排気弁14を開閉するカム軸を備える動弁装置23と、内燃機関Ｅの状態を検出する機関状態検出手段（以下、単に「機関状態検出手段」という。）と、電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という。）24とを備える。

ＥＣＵ24は、機関状態検出手段により検出される機関状態に応じて燃料噴射弁20、点火装置21、排気還流装置22および動弁装置23をそれぞれ制御する制御手段40〜43と、クランク軸５の角速度ωに基づいて内燃機関Ｅの１サイクル中の複数の行程、この実施形態では、吸気行程、圧縮行程、燃焼・膨張行程および排気行程の４つの行程のうちの特定の行程としての圧縮行程を判別する行程判別手段44とを備える。

ＥＣＵ24は、入出力インターフェース、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、各種の制御プログラムおよび各種のマップなどが記憶されたＲＯＭおよび各種のデータなどが一時的に記憶されるＲＡＭを有する記憶装置24ａを備えるコンピュータから構成される。そして、前記マップには、燃料量マップＭｆ、点火時期マップＭｉ、排気還流マップＭｅおよび動弁マップＭｖが含まれる。
排気還流装置22は、吸気通路７ａに還流される排気ガスの流量を制御する還流制御弁22ａを備える。
動弁装置23は、機関弁である吸気弁13および排気弁14の弁作動特性である弁リフト量および開閉時期の少なくとも一方を機関状態に応じて変更可能とする弁特性可変機構23ａを備える可変動弁装置である。

機関状態検出手段は、クランク軸５の位相（または回転位置）を検出するクランク角センサ30と、クランク角センサ30からの検出信号に基づいてクランク軸５の角速度ωを検出する角速度検出手段33と、内燃機関Ｅの機関回転速度Ｎｅを検出する回転速度検出手段34と、クランク軸５の角速度ω（図２参照）の変動量Δω（図２参照）を検出する変動量検出手段35と、内燃機関Ｅの冷却水や潤滑油の温度などの機関温度を検出する機関温度センサや内燃機関Ｅの始動時、加速時および減速時をそれぞれ検出する検出手段などのその他の検出手段とを備える。

併せて図２，図３を参照すると、クランク角センサ30は、クランク軸５に一体に設けられてクランク軸５と一体に回転する回転部材であるロータ９に設けられる被検出部としてのリラクタ31と、機関本体に設けられてリラクタ31の位相（すなわちクランク軸５の位相）を検出する検出部としてのピックアップ32とから構成され、その検出信号がＥＣＵ24に入力される。
円板状のロータ９から径方向外方に突出して周方向に円弧状に延びているリラクタ31は、内燃機関Ｅの前述の４つの行程のうちの１つの行程、この実施形態では圧縮行程または排気行程に対応するクランク角範囲α（図１参照。α＝１８０°である。）でクランク軸５に設けられた２つのリラクタ31ａ，31ｂ、すなわち第１被検出部としての第１リラクタ31ａと、クランク軸５の正転時の回転方向Ｒで第１リラクタ31ａよりも後方に所定のクランク角範囲（すなわち所定の位相差）θ２の間隔で離れている第２被検出部としての第２リラクタ31ｂとから構成される。

第１，第２リラクタ31ａ，31ｂは、それぞれ、ピストン３の上死点前の位置となる第１クランク角範囲θ１および第２クランク角範囲θ３に渡って設けられ、第２クランク角範囲θ３は第１クランク角範囲よりも大きく設定される。第２リラクタ31ｂは、第１リラクタ31ａよりも上死点に近い位置にある。そして、リラクタ31は、クランク角範囲α（または１つの行程）を、４等分したときの最も上死点寄りの範囲内に配置され、より詳細には８等分したときの最も上死点寄り範囲内にほぼ配置される。

回転方向Ｒで第１，第２リラクタ31ａ，31ｂがピックアップ32を通過するとき、ピックアップ32は、第１リラクタ31ａの前端および後端、そして第２リラクタ31ｂの前端および後端の位相を検出して、それぞれ、クランク軸５の位相に対応する検出信号としての立上がりパルスＰ１、立下がりパルスＰ２、立上がりパルスＰ３および立下がりパルスＰ４を発生する。

各パルスＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４が発生する位相でのクランク軸５の角速度ωは、回転方向Ｒで隣接するパルスＰ１，Ｐ２；Ｐ２，Ｐ３；Ｐ３，Ｐ４との間での平均角速度として、次式からＥＣＵ24により、具体的には角速度検出手段33により算出される。
ω１＝θ１／τ１
ω２＝θ２／τ２
ω３＝θ３／τ３
ここで、τ１，τ２，τ２は、それぞれ、両パルスＰ１，Ｐ２間、両パルスＰ２，Ｐ３間および両パルスＰ３，Ｐ４間の時間である。
そして、機関回転速度Ｎｅは、クランク軸５が１回転するときの平均角速度であり、クランク角センサ30により検出された位相および角速度検出手段33により検出された角速度ωに基づいてＥＣＵ24により、具体的には回転速度検出手段34により算出される。

このように、機関状態検出手段の一部である角速度検出手段33および回転速度検出手段34、さらに変動量検出手段35、各制御手段40〜43および行程判別手段44も、それぞれＥＣＵ24の機能として、該ＥＣＵ24に備えられる。

角速度ωは、図２に示されるように、内燃機関Ｅの吸気行程、圧縮行程、燃焼・膨張行程および排気行程の各行程で変動する。具体的には、吸気行程では、吸入抵抗などのポンプ仕事が発生することで角速度ωが減少する。圧縮行程では、燃焼空間６内の圧力上昇による圧縮抵抗が発生することで角速度ωが大きく減少する。燃焼・膨張行程では、燃焼によるエネルギが発生して燃焼空間６内の圧力が上昇することで角速度ωが大きく増加する。排気行程では、燃焼が終了して角速度ωがピークに達した後に摩擦抵抗および排気による排気ガスの排出抵抗が発生することで角速度ωが減少する。

また、機関回転速度Ｎｅ（図２に二点鎖線で示される。）が同一の場合、低吸入空気量または低トルクのときの角速度ωは、図２に実線で示されるように変化し、高吸入空気量または高トルクのときの角速度ωは、図２に破線で示されるように変化することから、吸入空気量が多いほど、または内燃機関Ｅが発生するトルクが大きいほど、角速度ωが大きく変動する。

そして、角速度ωの変動量Δωは、クランク角センサ30の検出信号に基づいてＥＣＵ24により算出される。変動量Δωは、クランク角センサ30により検出されるクランク軸５７の特定の位相での角速度ω、この実施形態では圧縮行程においてパルスＰ３が発生するときの位相での角速度ω３と、機関回転速度Ｎｅとの差として、次式により算出される。
Δω＝ω３−Ｎｅ （１）
それゆえ、変動量検出手段35は、角速度検出手段33により検出された角速度ωおよび回転速度検出手段34により検出された機関回転速度Ｎｅに基づいて変動量Δωを検出する。

また、角速度ωの変動量Δωに関しては、図４に示されるように、機関回転速度Ｎｅが一定の場合において、変動量Δωと吸入空気量との間に線形的な強い相関があることから、機関回転速度Ｎｅ毎に、変動量Δωに基づいて吸入空気量を推定することができる。この変動量Δωは、機関回転速度Ｎｅなどの検出に使用されるクランク角センサ30を利用して検出することができるので、エアフローメータや吸気圧センサを使用することなく、吸入空気量の検出が可能になる。

角速度ωの変動を生じさせる内燃機関Ｅのトルク変動ΔＮは、クランク軸系の運動方程式である次式で表すことができる。なお、トルクの正の向きは、回転方向Ｒである。
内燃機関Ｅのトルク変動に起因して発生するこの変動量Δωについて、次式で表されるクランク軸５系の運動方程式を用いて説明する。なお、トルクおよび角速度ωなどの正の向きは、回転方向Ｒである。
ΔＮ＝Ｎｃ−Ｎｆ−Ｎｒ＝Ｉ・（ｄω／ｄｔ） （２）
ここで、
Ｉ ：クランク軸系の等価慣性モーメントＩ
Ｎｃ：燃焼空間６内の圧力によりクランク軸５に作用するトルク
Ｎｆ：摩擦抵抗トルク
Ｎｒ：走行抵抗トルク
そして、トルクＮｃは、燃焼空間６内の圧力Ｐｃを用いて、次式で表される。
Ｎｃ＝Ｐｃ・（π／４）・Ｄ^２・ｒ （３）
Ｐｃ＝Ｍ・Ｒ・Ｔ／Ｖ （４）
ここで、
Ｄ ：シリンダボア１ａの径
ｒ ：クランク半径
Ｍ ：燃焼空間６内のガス質量
Ｒ ：ガス定数
Ｔ ：ガスの絶対温度
Ｖ ：ピストン３とシリンダヘッド２との間の容積

式（２）において、トルクＮｃに比べて小さい摩擦抵抗トルクＮｆおよび走行抵抗トルクＮｒを無視した近似式に、式（３），（４）を代入することにより、次式が得られる。

ｄω／ｄｔ＝（１／Ｉ）・（Ｍ・Ｒ・Ｔ／Ｖ）・（π／４）・Ｄ^２・ｒ （５）
ｄω／ｄｔは、角速度ωの時間微分であり、微小時間Δτでの角速度ωの変動量Δωを用いて、次式で近似することができる。
ｄω／ｄｔ＝Δω／Δτ

式（５）において、［（１／Ｉ）・（Ｒ／Ｖ）・（π／４）・Ｄ^２・ｒ］は、エンジン諸元および物理定数で決まることから、機関回転速度Ｎｅが一定であるときには、Δτが一定となって、次式が得られる。

Δω∝Ｍ・Ｔ （６）
したがって、変動量Δωはガス質量Ｍおよび絶対温度Ｔの積に正比例する。

式（６）の変動量Δωとして、この実施形態では、前記特定行程としての圧縮行程において、パルスＰ３が発生する位相での角速度ωが角速度ω３となるときの式（１）の変動量Δωが使用される。そして、ガス質量Ｍは吸入空気の質量で近似できるので、吸入空気の温度（したがって絶対温度Ｔ）が一定である場合、変動量Δωは吸入空気量に正比例する。そして、このことは、図４に示される実験結果とも一致する。

変動量検出手段35は、圧縮行程において、圧縮上死点の付近の変動量Δωを検出することにより、他のクランク軸５の位相に比べて変動量Δωが大きい位相での変動量Δωが検出されるので、より高い精度で変動量Δωを検出することができる。

一方、クランク角範囲α（図１参照）に設けられたリラクタ31の位置は、この実施形態では、圧縮上死点前の位相であると共に排気上死点前の位相でもあるため、圧縮行程での変動量Δωを検出するためには、圧縮行程および排気行程を判別する必要がある。
そのため、内燃機関Ｅには、前述の４つの行程のうちで、リラクタ31が設けられるクランク角範囲αに対応する複数の行程としての第１行程および第２行程において、該第１行程（以下、単に「第１行程」という。）および該第２行程（以下、単に「第２行程」という。）のいずれかを前記特定行程としての圧縮行程であると判別する行程判別手段44が備えられる。この実施形態において、第１行程は圧縮行程および排気行程の一方の行程であり、第２行程は圧縮行程および排気行程の他方の行程である。

図２を参照すると、圧縮上死点前の圧縮上死点付近では、圧縮上死点以外の上死点である非圧縮上死点としての排気上死点前の排気上死点付近に比べて、角速度ωおよび変動量Δωがそれぞれ異なり、角速度ωが小さく、変動量Δωの絶対値が大きい。また、圧縮上死点前の圧縮上死点付近での近接する２つの位相間での角速度ωの変化量（または該変化量の絶対値）は、排気上死点前の排気上死点付近での近接する２つの位相間での角速度ωの変化量（または該変化量の絶対値）よりも大きい。
行程判別手段44は、圧縮行程および排気行程におけるこのような角速度ωの変化量（または変化量の絶対値）の相違を利用して行程を判別するものである。

図１，図５を参照すると、行程判別手段44は、リラクタ31における前側位相および回転方向Ｒで前側位相よりも後方の後側位相でのそれぞれの角速度ωである前側角速度ωｆおよび後側角速度ωｒを角速度検出手段33により検出された角速度ωに基づいて設定する角速度設定手段45と、圧縮行程および排気行程の一方である第１行程および圧縮行程および排気行程の他方である第２行程について、第１行程における前側角速度ωｆと後側角速度ωｒとの間の第１変化量としての角速度差である減速度Δωｓ１と第２行程における前側角速度ωｆと後側角速度ωｒとの間の第２変化量として角速度差である減速度Δωｓ２とを算出する変化量算出手段46と、第１減速度Δωｓ１および第２減速度Δωｓ２を比較する比較手段47とを備える。

上死点付近の互いに近接した異なる位相での角速度ωである前側角速度ωｆおよび後側角速度ωｒは、次式からＥＣＵ24により、具体的には角速度設定手段45により次のように設定される。
ωｆ＝ω１またはωｆ＝ω２またはωｆ＝（ω１＋ω２）／２
ωｒ＝ω３
それゆえ、前側角速度ωｆは第１リラクタ31ａのみの位相または第１，第２リラクタ31ａ，31ｂの位相での角速度ωにより決定されることから、少なくとも第１リラクタ31ａの位相での角速度ωにより設定される。一方、後側角速度ωｒは第２リラクタ31ｂのみの位相での角速度ωにより設定される。そして、前側位相は、クランク軸５において、パルスＰ１またはパルスＰ２が発生する位相であり、後側位相は、クランク軸５において、パルスＰ３が発生する位相である。

そして、前側角速度ωｆおよび後側角速度ωｒに基づいて、減速度Δωｓが次式からＥＣＵ24により、具体的には変化量算出手段46により算出される。
Δωｓ＝ωｆ−ωｒ
変化量算出手段46で算出された第１行程における減速度Δωｓ１および第２行程における減速度Δωｓ２に基づいて、両減速度Δωｓ１，Δωｓ２がＥＣＵ24により、具体的には比較手段47により比較される。

行程判別手段44により、所定時間毎に実行される行程判別の手順を、主に図５を参照して説明する。
ステップＳ１で、内燃機関Ｅの運転開始後に、クランク角センサ30により最初に検出されるクランク軸５の位相に基づいて角速度検出手段33により角速度ωが検出され、該角速度ωに基づいて角速度設定手段45により第１行程での前側角速度ωｆ１および後側角速度ωｒ１が設定される。次いで、ステップＳ２で、クランク軸５の１回転後に、クランク角センサ30により検出されるクランク軸５の位相に基づいて角速度検出手段33により検出された角速度ωに基づいて、角速度設定手段45により第２行程での前側角速度ωｆ２および後側角速度ωｒ２が設定される。

その後、ステップＳ３で、第１行程および第２行程でのそれぞれの減速度Δωｓ１および減速度Δωｓ２が算出される。次いで、ステップＳ４では、比較手段47により減速度Δωｓ１および減速度Δωｓ２の大きさが比較される。そして、ステップＳ４での判断が肯定されて、減速度Δωｓ１が減速度Δωｓ２よりも大きいときは、ステップＳ５において減速度Δωｓ１が得られる第１行程が圧縮行程であると判別される。一方、ステップＳ４での判断が否定されて、減速度Δωｓ２が減速度Δωｓ１よりも大きいときは、ステップＳ６において減速度Δωｓ２が得られる第２行程が圧縮行程であると判別される。

このように、ステップＳ４〜Ｓ６での処理により、比較手段47での比較結果に基づいて第１行程および第２行程のいずれかが圧縮行程であると判別され、ステップＳ７において、判別結果が変動量検出手段35、点火制御手段41および空燃比制御手段40に出力される。そして、変動量検出手段35により圧縮行程における変動量Δωが検出される。

図１，図６、主に図６を参照して、圧縮行程での変動量Δωに基づく機関運転状態の制御の一例として、点火制御手段41により、所定時間毎に実行される点火時期制御について説明する。
ステップＳ１１で、回転速度検出手段34により検出された機関回転速度Ｎｅおよび変動量検出手段35により検出された変動量Δωが読み込まれ、ステップＳ１２で、行程判別手段44での判別結果に基づいて圧縮上死点が判別される。次いで、ステップＳ１３で、変動量Δωおよび機関回転速度Ｎｅを変数とした点火時期マップＭｉが検索されて、変動量Δω（すなわち吸入空気量）および機関回転速度Ｎｅに応じた基本点火時期が設定される。

その後、ステップＳ１４では、機関回転速度Ｎｅおよび変動量Δω以外の機関運転状態に応じて、基本点火時期が補正される。この基本点火時期の補正には、加速補正や温度補正が含まれる。
加速補正は、サイクル毎の変動量Δωの変化量に基づいて設定される。具体的には、今回および１サイクル前の前回の変動量Δωをそれぞれ今回変動量Δω（ｎ）および前回変動量Δω（ｎ−１）としたとき、今回変動量Δω（ｎ）および前回変動量Δω（ｎ−１）との間の変化量に基づいて設定される補正値により基本点火時期が補正される。
また、温度補正は、吸入空気温度および機関温度（例えば冷却水温度）に基づく補正であり、各温度に対応して設定される補正値により基本点火時期が補正される。
次いで、ステップＳ１５おいて、補正後の点火時期が点火装置21に出力されて、該点火時期に点火栓21ａによる点火が行われる。

また、図１を参照すると、空燃比制御手段40、排気還流制御手段42および動弁制御手段43は、変動量Δωおよび機関回転速度Ｎｅに応じて、それぞれ、燃料噴射弁20から吸入空気に噴射される燃料量（例えば、燃料噴射時間）、排気ガス還流量および弁作動特性を制御する。
このとき、空燃比制御手段40は、変動量Δωおよび機関回転速度Ｎｅを変数として燃料量が定められた燃料量マップＭｆに基づいて燃料噴射弁20を制御し、さらに行程判別手段44での判別結果から定められる圧縮上死点に基づいて噴射時期が設定される。同様に、排気還流制御手段42は、変動量Δωおよび機関回転速度Ｎｅを変数として還流制御弁22ａの開度が定められた排気還流マップＭｅに基づいて還流制御弁22ａを制御し、動弁制御手段43は、変動量Δωおよび機関回転速度Ｎｅを変数として弁リフト量または開閉時期に対応させて弁特性可変機構23ａのアクチュエータの作動位置が定められた動弁マップＭｖに基づいて該アクチュエータを制御する。

このように、内燃機関Ｅがエアフローセンサおよび吸気圧センサを備えることなく、吸入空気量に応じた点火時期、燃料量、排気ガス還流量および弁作動特性による内燃機関Ｅの運転状態の制御が行われる。そして、点火時期、燃料量、排気ガス還流量および弁作動特性の各制御の制御量が、変動量Δωおよび機関回転速度Ｎｅを変数とするマップＭｆ，Ｍｉ，Ｍｅ，Ｍｖをそれぞれ検索することにより設定されるので、該制御量の設定が容易になる。

次に、前述のように構成された実施形態の作用および効果について説明する。
内燃機関Ｅの行程判別手段44は、リラクタ31における前側位相および回転方向Ｒで該前側位相よりも後方の後側位相でのそれぞれの前側角速度ωｆおよび後側角速度ωｒを設定する角速度設定手段45と、内燃機関Ｅの１サイクル中の４つの行程のうちでクランク角範囲αに対応する圧縮行程および排気行程の一方を第１行程、他方を第２行程するとき、第１行程における前側角速度ωｆ１と後側角速度ωｒ１との間の第１減速度Δωｓ１と第２行程における前側角速度ωｆ２と後側角速度ωｒ２との間の第２減速度Δωｓ２とを算出する変化量算出手段46と、第１減速度Δωｓ１および第２減速度Δωｓ２を比較する比較手段47とを備え、比較手段47での比較結果に基づいて第１行程および第２行程のいずれかを特定行程である圧縮行程と判別することにより、該行程判別手段44は、該特定行程の判別対象となる第１行程および第２行程において、それらの各行程での前側角速度ωｆ１，ωｆ２および後側角速度ωｒ１，ωｒ２の減速度Δωｓ１，Δωｓ２に基づいて特定行程を判別するので、コスト削減を図りつつ、第１，第２行程での同じクランク軸５の位相での角速度ωの逆転現象が発生する運転時においても、確実に特定行程である圧縮行程を判別することができる。この結果、クランク角センサ30の検出信号から角速度検出手段33により検出された角速度ωに基づいて前述の４つの行程のうちの特定行程である圧縮行程を判別する行程判別手段44の行程判別精度が向上する。

そして、第１行程は圧縮行程および排気行程の一方の行程であり、第２行程は圧縮行程および排気行程の他方の行程であり、行程判別手段44は、第１減速度Δωｓ１および第２減速度Δωｓ２のうちで大きい減速度となる行程を特定行程としての圧縮行程であると判別することにより、前側角速度ωｆ１，ωｆ２および後側角速度ωｒ１，ωｒ２間の減速度Δωｓ１，Δωｓ２を利用することにより、圧縮行程および排気行程のうちで圧縮行程を判別することができる。

リラクタ31は、第１リラクタ31ａと、回転方向Ｒで第１リラクタ31ａよりも後方の第２リラクタ31ｂとから構成され、前側角速度ωｆは少なくとも第１リラクタ31ａでの角速度ωに基づいて設定され、後側角速度ωｒは第２リラクタ31ｂでの角速度ωに基づいて設定されることにより、クランク角センサ30のリラクタ31が、前側角速度ωｆを設定する第１リラクタ31ａおよび後側角速度ωｒを設定する第２リラクタ31ｂから構成されるので、簡単な構造により、各減速度Δωｓ１，Δωｓ２を算出するための前側角速度ωｆ１，ωｆ２および後側角速度ωｒ１，ωｒ２が得られる。

内燃機関Ｅは、クランク軸５の角速度ωの変動量Δωを検出する変動量検出手段35と、変動量検出手段35により検出された変動量Δωに基づいて機関運転状態を制御する制御手段40〜43とを備え、行程判別手段44は、第１減速度Δωｓおよび第２減速度Δωｓのうちでその絶対値が大きい変化量となる行程を特定行程としての圧縮行程であると判別し、変動量検出手段35は、圧縮行程での変動量Δωを検出することにより、角速度ωの変動量Δωに基づいて機関運転状態が制御される内燃機関Ｅにおいて、該変動量Δωが大きくなる行程である圧縮行程での変動量Δωが変動量検出手段35により検出される。この結果、吸入空気量が変化する広範囲の運転域に渡って、高い精度で変動量Δωを検出することができるので、変動量Δωに基づく機関運転状態の制御精度が向上する。

以下、前述した実施形態の一部の構成を変更した実施形態について、変更した構成に関して説明する。
クランク角センサ30が設けられるクランク軸５の位相は、圧縮行程および排気行程以外の行程での位相であってもよく、したがって第１行程および第２行程は、圧縮行程および排気行程以外の行程であってもよい。また、前記特定行程は、圧縮行程以外の行程であってもよい。
行程判別手段44において、減速度Δωｓ（または変化量）のほかに、第１，第２行程での同一位相における角速度ωの大きさも比較して、減速度Δωｓおよび角速度ωの双方での比較に基づいて前記特定行程が判別されてもよい。

比較手段47では、減速度Δωｓ以外に、変化量または角速度差の絶対値同士が比較されてもよい。
各制御手段による機関運転状態の制御に使用される変動量Δωは、圧縮行程以外の行程でのものであってもよい。
内燃機関は、車両以外の機械に搭載されてもよい。

本発明が適用された内燃機関の運転制御装置の構成を示す図である。 図１の内燃機関の行程、リラクタおよびクランク軸の角速度と、クランク角との関係を示す図である。 図１の内燃機関の行程、リラクタおよびパルスと、クランク角との関係を示す図である。 図１の内燃機関において、機関回転速度をパラメータとして、角速度の変動量の絶対値と吸入空気量との関係を示すグラフである。 図１の内燃機関の行程判別手段による判別手順を示すフローチャートである。 図１の内燃機関の点火制御手段による制御手順を示すフローチャートである。 機関回転速度が大きく変化する運転時の角速度および機関回転速度の変化を示すグラフである。

符号の説明

20…燃料噴射弁、21…点火装置、24…ＥＣＵ、30…クランク角センサ、31…リラクタ、33…角速度検出手段、34…回転速度検出手段、35…変動量検出手段、40…空燃比制御手段、41…点火制御手段、44…行程判別手段、45…角速度設定手段、46…変化量算出手段、47…比較手段、
Ｅ…内燃機関、Ｎｅ…機関回転速度、ω，ωｆ，ωｒ…角速度、Δω…変動量、Δωｓ…減速度。

Claims (4)

1. クランク軸の位相を検出するクランク角センサと、前記クランク角センサの検出信号に基づいて前記クランク軸の角速度を検出する角速度検出手段と、前記角速度検出手段により検出された前記角速度に基づいて１サイクル中の複数の行程のうちの特定の行程を判別する行程判別手段とを備える内燃機関において、
   前記クランク角センサは、前記複数の行程のうちの１つの行程に対応するクランク角範囲で前記クランク軸に設けられた被検出部と、前記被検出部の位相を検出する検出部とから構成され、
   前記行程判別手段は、前記被検出部における前側位相および前記クランク軸の回転方向で前記前側位相よりも後方の後側位相でのそれぞれの前記角速度である前記前側角速度および前記後側角速度を設定する角速度設定手段と、前記複数の行程のうちで前記クランク角範囲に対応する第１行程および第２行程について、前記第１行程における前記前側角速度と前記後側角速度との間の第１変化量と前記第２行程における前記前側角速度と前記後側角速度との間の第２変化量とを算出する変化量算出手段と、前記第１変化量および前記第２変化量を比較する比較手段とを備え、前記比較手段での比較結果に基づいて前記第１行程および前記第２行程のいずれかを前記特定行程であると判別することを特徴とする内燃機関。
2. 前記被検出部は、前記第１被検出部と、前記回転方向で前記第１被検出部よりも後方の第２被検出部とから構成され、
   前記前側角速度は前記第１被検出部での角速度に基づいて設定され、前記後側角速度は前記第２被検出部での角速度に基づいて設定されることを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
3. 前記第１行程は圧縮行程および排気行程の一方の行程であり、前記第２行程は前記圧縮行程および前記排気行程の他方の行程であり、
   前記第１変化量および前記第２変化量は、それぞれ第１減速度および第２減速度であり、
   前記行程判別手段は、前記第１減速度および前記第２減速度のうちで大きい減速度となる行程を前記特定行程としての前記圧縮行程であると判別することを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関。
4. 前記角速度の変動量を検出する変動量検出手段と、前記変動量検出手段により検出された前記変動量に基づいて機関運転状態を制御する制御手段とを備え、
   前記行程判別手段は、前記第１変化量および前記第２変化量のうちでその絶対値が大きい変化量となる行程を前記特定行程であると判別し、
   前記変動量検出手段は、前記特定行程での前記変動量を検出することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の内燃機関。

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