JP2009235963A - エンジンのクランク角検出方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】クランクパルスロータの歯欠け部を吸気弁開弁期間まで割り込ませるように構成した場合に、圧縮上死点を歯欠け部として誤認識するのを防止する。
【解決手段】歯欠け部を１０ａ有するクランクパルスロータ１０の外周にクランク角センサ１１を対向させる。間隔算出部１３は、クランク角センサ１１で感知された歯の感知信号に基づいて互いに隣接する歯同士の時間間隔を計測する。計測された連続する時間間隔を比較することによって歯欠け部１０ａを検出する。クランクパルスロータ１０の連続する複数の歯は、上死点の前後に亘る範囲に位置させる。比率算出部１５は時間間隔の前回値を前々回値で除算してクランクパルス間隔の比率を計算する。最大比率検出部１６は、計算されたクランクパルス間隔の比率のうち、最大比率を生じた位置を歯欠け部１０ａとして決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンのクランク角検出方法および装置に関し、特に、クランクパルスロータの歯欠け位置の誤検出を回避するのに好適なエンジンのクランク角検出方法および装置に関する。

エンジンのクランク軸に取り付けたクランクパルスロータに対向して設けたクランク角センサの出力信号によってクランク角を検出する方法が知られる。クランクパルスロータは、所定クランク角度間隔（例えば３０度）で歯つまり凸部を外周に形成した円板からなり、一部に歯欠け部を有している。クランク角センサは歯を感知する毎にクランクパルスを出力するので、歯欠け部では、他の部分と比べてクランクパルス間隔が長くなる。したがって、この歯欠け部を基準として、クランクパルス毎にステージ番号を割り当てて、クランク軸の角度を決定し、エンジンの燃料噴射制御や点火時期制御を行っている。

ところで、クランクパルスロータの歯欠け部の位置をエンジンの１サイクル中のどこに設定するかは種々考えられる。例えば、点火時期を正確に検出することを主眼にして吸気弁の開弁開始タイミングに歯欠け位置がくるようにレイアウトを決定することが考えられる。つまり点火プラグへの通電開始タイミングと歯欠け部とが一致しないようにして通電開始の誤差を少なくすることが考えられる。しかし、通電開始タイミングに歯欠け部が対応しないようにすると、吸気弁の開期間と歯欠け部とが対応することになるので、吸気弁の開弁期間でスロットル開度が急激に大きくなったとしてもその変化に対応できず、燃焼がリーンになることがある。

そこで、燃料噴射を考慮した歯欠け部の配置に変更することによって急加速時の燃焼のリーン化を防止してドライバビルティを向上することが望まれる。つまり、吸気弁の開弁開始タイミングに歯欠け部を対応させる配置により、吸気弁の開弁開始後もスロットル開度の変化に応答して燃料の追加噴射の演算やその演算に基づく噴射を行って燃焼のリーン化を防ぐことが可能になる。

クランクパルス間隔がエンジンの各行程で異なる点に着目し、クランクパルス間隔に基づいて行程判別する装置において、歯欠け部が点火時期と重ならないようにした単気筒４サイクルエンジンの制御装置が特許文献１に開示されている。
特開２００７−１８２７９７号公報

しかし、吸気弁の開弁時期に歯欠け部が重なるようにレイアウトすると、ＴＤＣ（圧縮上死点）の直後に歯欠け部が位置しないようになるので、特に単気筒４サイクルエンジンの場合、ＴＤＣ直前のクランクパルス間隔とＴＤＣ直後のクランクパルス間隔との差が大きくなる。その結果、歯欠け部前後のクランクパルス間隔の変化度合で歯欠け部を検出する場合に不具合が生じる。つまり、ＴＤＣ位置を歯欠け部として誤検出することがある。

本発明の目的は、クランクパルスロータの歯欠け部を吸気弁の開弁時期と重なるようにレイアウトした場合にも歯欠け部とＴＤＣ位置とを正確に区別することができるエンジンのクランク角検出方法および装置を提供することにある。

前記目的を達成するための本発明は、外周に所定間隔で連続して形成された歯の一部を欠いた歯欠け部を有するクランクパルスロータをエンジンのクランク軸に連結し、クランク軸の回転中に互いに隣接する歯同士の時間間隔を計測し、連続する時間間隔を比較することによって歯欠け部を検出するエンジンのクランク角検出方法において、前記クランクパルスロータに形成した連続する複数の歯を、上死点の前後に亘って配置し、前記時間間隔の前回値を前々回値で除算してクランクパルス間隔の比率を計算し、エンジンの１回転中において計算されたクランクパルス間隔の比率のうち、最大比率を生じた位置を前記歯欠け部として決定する点に第１の特徴がある。

また、本発明は、エンジンのクランク軸に連結され、外周に所定間隔で連続して形成された歯の一部を欠いた歯欠け部を有するクランクパルスロータと、前記クランクパルスロータの外周に対向して配置されたクランク角センサと、クランク軸の回転中に前記クランク角センサで感知された前記歯の感知信号に基づいて互いに隣接する歯同士の時間間隔を計測する間隔算出手段とを有し、連続する時間間隔を比較することによって歯欠け部を検出するように構成されたエンジンのクランク角検出装置において、前記クランクパルスロータに形成された連続する複数の歯が、上死点の前後に亘る範囲に位置するように配置されており、前記時間間隔の前回値を前々回値で除算してクランクパルス間隔の比率を計算する比率算出手段と、エンジンの１回転中において計算されたクランクパルス間隔の比率のうち、最大比率を生じた位置を前記歯欠け部として決定する最大比率検出手段とを具備した点に第２の特徴がある。

一般に４サイクル単気筒エンジンでは、圧縮上死点前後でエンジン回転速度の変動が大きい。つまり、圧縮上死点前はエンジン回転速度が低下し、圧縮上死点直後ではエンジン回転速度が増大する。したがって、上死点の前後に亘る範囲にクランクパルスロータの連続する歯を位置させた構成で、隣接する歯の時間間隔を比較する場合、前々回の時間間隔を前回の時間間隔で除算して比率を求め、その最大比率が検出された位置を歯欠け部として判定する方法では、圧縮上死点において歯欠け部よりも大きい比率が検出され、圧縮上死点を歯欠け部として誤認識してしまう場合がある。

第１、２の特徴を有する本発明によれば、隣接する歯の時間間隔を比較する場合、前回の時間間隔を前々回の時間間隔で除算して比率を求め、その最大比率が検出された位置を歯欠け部として判定するので、圧縮上死点において歯欠け部よりも大きい比率が検出されるのを回避でき、圧縮上死点を歯欠け部として誤認識することを防止できる。

上死点の前後に亘る範囲にクランクパルスロータの連続する複数の歯を位置させると、排気上死点でもその前後に亘る範囲にクランクパルスロータの連続する複数の歯が位置することになるので、吸気行程の途中まで連続する複数の歯が対応するようになる。したがって、吸気弁の開弁後に生じることがあるスロットルの急開に応答して燃料の追加噴射演算およびその演算に基づく燃料噴射を行うことができ、高いドライバビリティを確保しつつ、歯欠け部を正確に検出することができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図２は、本発明の一実施形態に係るクランク角検出方法および装置を適用する自動二輪車用エンジンの要部システム構成図である。図２において、エンジン１は４サイクル単気筒エンジンである。エンジン１の吸気ポート２には吸気弁３が設けられ、排気ポート４には排気弁５が設けられている。吸気弁３および排気弁５は常時閉方向にばね（図示せず）で付勢されており、吸気カム６および排気カム７でそれぞれ所定の時間開弁される。吸気カム６の軸には、カム角センサ８が設けられており、このカム角センサ８で吸気弁３の開弁期間が検出される。

エンジン１のクランク軸９には、クランクパルスロータ１０が連結されている。クランクパルスロータ１０は外周に所定間隔（ここでは３０度とする）で歯が設けられているが、クランクパルスロータ１０の基準位置つまりクランク角検出のための基準位置を設定するため、所定位置で歯の間隔を大きくした歯欠け部１０ａを設けている。例えば、歯欠け部１０ａでは歯を３箇所除いて、歯の間隔が１２０度となるように設定している。クランクパルスロータ１０の外周に対向する位置にクランク角センサ１１が設けられている。

エンジン１の点火時期制御や燃料噴射制御を行うための電子制御装置（ＥＣＵ）１２が設けられる。エンジン１の点火時期制御や燃料噴射制御はクランク角やカム角等に基づいて行われるので、カム角センサ８とクランク角センサ１１の検出信号（カムパルスやクランクパルス）はＥＣＵ１２に入力される。

本実施形態では、吸気弁３の開弁期間中に歯欠け位置が開始するようにして、吸気弁３の開弁開始後のスロットル急開に応答して燃料の追加噴射量の演算やこの演算に基づく燃料噴射の追加が可能なように構成している。

図３は、クランクパルスと吸気弁の開弁タイミングを示す図であり、エンジン１の回転速度変動を含まない図である。この図はエンジン１の１サイクルつまりクランク軸９の２回転分を１８ステージとした例である。歯欠け部１０ａ以外ではクランク角３０度を１ステージとし、歯欠け部１０ａに対応する部分ではクランク角１２０度を１ステージとしている。１サイクル中ステージ「０」と「９」が歯欠け部分１０ａである。歯欠け部１０ａはＴＤＣに対応せず、吸気弁開弁期間の途中から歯欠け部１０ａが開始されるように対応付けている。

このような歯欠け部１０ａのレイアウトにおいてクランクパルスに基づいて歯欠け位置１０ａを検出する場合、連続するクランクパルス間隔（時間）の比率を算出し、最大比率を求める方法による。

図４は、図３の要部拡大図であり、エンジン１の回転速度変動を含んでいる図である。図４から理解できるように、ＴＤＣの直前つまり圧縮行程の後半では、圧縮負荷によりエンジン回転速度が低下するので、クランクパルス間隔が大きくなっている。そして、ＴＤＣを超えて爆発行程に移ると、エンジン回転速度は増大するので、クランクパルス間隔は小さくなっている。

従来、クランクパルス間隔の比率を前々回のクランクパルス間隔を前回のクランクパルス間隔で除算して求め、この除算結果（比率）がクランク軸９の１回転中で最大の位置を歯欠け部１０ａの開始位置であると認識していた。つまり図４において、Ａ÷ＢあるいはＣ÷Ｄ等を算出していた。Ａ÷ＢによりＴＤＣとその直後での比率が計算され、Ｃ÷Ｄにより歯欠け部１０ａとその直後での比率が計算される。

しかし、この算出方法では、圧縮行程でエンジン１の回転速度が比較的小さくなり、爆発行程でエンジン１の回転速度が大きくなっているので、比率Ａ／ＢとＣ／Ｄとがほとんど変わらなくなり、ＴＤＣと歯欠け部１０ａとの区別がつきにくい場合が生じる。

図５は、前々回クランクパルス間隔を前回クランクパルス間隔で除算して得られた結果を示す図である。算出結果に歯欠け位置とＴＤＣを対応して示している。図５から理解できるように、ＴＤＣに対応する算出番号「２２」や「４０」では、歯欠け部１０ａに対応する算出番号「２６」や「４４」より算出結果つまり比率が大きくなっている。つまり、クランク角３６０度以内でＴＤＣとその直後のエンジン回転速度の変化が、歯欠け部１０ａとその直後のエンジン回転速度の変化より大きくなっている。したがって、この場合はＴＤＣが歯欠け部１０ａと誤検出される。

そこで、本発明者等は、３６０度以内で最大比率が歯欠け部で確実に検出できるように算出方法を検討した。その結果、前回クランクパルス間隔を前々回クランクパルス間隔で除算して最大比率を検出するようにした。つまり、図４において、ｂ÷ａあるいはｄ÷ｃ等を算出するようにした。ｂ÷ａによりＴＤＣとその直前での比率が計算され、ｄ÷ｃにより歯欠け部１０ａとその直前での比率が計算される。

図６は、改良したクランクパルス間隔の最大比率の算出方法による、前回クランクパルス間隔を前々回クランクパルス間隔で除算して得られた結果を示す図である。図６に示すように、歯欠け位置以外ではクランク角３６０度以内で最大比率を示すことはないので、確実に歯欠け位置１０ａを検出することができる。

図１は、ＥＣＵ１２の要部である歯欠け部検出機能を示すブロック図である。図１において、カウンタからなる間隔算出部（間隔算出手段）１３は、クランクパルスが入力される毎にＥＣＵ１２に含まれるマイクロコンピュータ（ＣＰＵ）のクロック数を計数する。計数されたクロック数はその逆数がクロックパルス間隔（時間）として間隔記憶部１４に記憶される。間隔記憶部１４は最大２個の値を記憶し、２個以上の値が記憶された後は、古い値が削除される構成になっている。比率算出部（比率算出手段）１５は、間隔記憶部１４に記憶された２個の値の比率を算出する。２個の値のうち、先に記憶されたものが前々回値であり、後に記憶されたものが前回値であり、間隔比率の算出は、次の式に従って行われる。間隔比率＝前回値／前々回値…（式１）。

算出された間隔比率は最大比率検出部（最大比率検出手段）１６に入力される。最大比率検出部１６は、クランク角３６０度の間に入力された間隔比率のうち、最大値をクランクパルス数とともに記憶する構成である。すなわち、最初に入力された間隔比率はそのまま記憶され、その後に入力される間隔比率は先に入力された間隔比率と比較され、大きい方が残されて、小さい方が削除される構成とする。この最大比率検出部１６により、クランク角３６０度のクランクパルスを検出した時点で最大比率と最大比率が生じたクランク角を検出することができる。

図７は、歯欠け位置検出処理の一例を示すフローチャートである。図７において、ステップＳ１では、クランクパルスが入力されたか否かが判断される。クランクパルスが入力されたならば、ステップＳ２に進んでカウンタ１３によるクロックパルスの計数を開始する。ステップＳ３では、クランクパルスが入力されたか否かが判断される。クランクパルスが入力されたならば、ステップＳ４に進んでそのときのクロックパルスのカウンタ値の逆数をクランクパルス間隔として間隔記憶部１４に記憶する。

ステップＳ５では、間隔記憶部１４に記憶されたクランクパルス間隔が２個あるか否かを判断する。記憶されたクランクパルス間隔が２個あれば、ステップＳ６に進み、２個のうち先に記憶されたクロックパルス間隔を前々回値とし、後に記憶されたクロックパルス間隔を前回値として、前記式１を使用して間隔比率を算出する。クランクパルス間隔が２個ないときはステップＳ１に進む。

ステップＳ７では、ステップＳ６で算出された間隔比率がそれまでの最大値か否かを検出する。ステップＳ７が肯定ならば、ステップＳ８に進み、算出された最新の間隔比率を最大比率検出部１６に記憶する。ステップＳ７が否定ならば、最新に算出された間隔比率は記憶されない。ステップＳ９では、クランク軸９が３６０度回転したか否かが判断される。この判断はクランクパルス数に基づいて判断される。クランク軸９が３６０度回転したと判断されれば、ステップＳ８で記憶された最大比率の算出に使用された３つのクランクパルスの中間のクランクパルスが歯欠け部１０ａの開始位置であると判定できるので、この処理を終える。

上述のように、本実施形態によれば、吸気弁開弁期間中に歯欠け部１０ａが開始されるようにして燃料噴射に配慮したレイアウトとした場合であっても、ＴＤＣ乗り越しによるエンジン回転変動によってＴＤＣと歯欠け位置とを誤認識するのを回避することができる。

本発明の一実施形態に係るクランク角検出装置の歯欠け部検出機能を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係るクランク角検出方法および装置を適用する自動二輪車用エンジンの要部システム構成図である。 クランクパルスと吸気弁の開弁タイミングを示す図である。 図３の要部拡大図である。 前々回クランクパルス間隔を前回クランクパルス間隔で除算して得られた結果を示す図である。 前回クランクパルス間隔を前々回クランクパルス間隔で除算して得られた結果を示す図である。 本発明の一実施形態に係るクランク角検出装置の歯欠け位置検出処理の一例を示すフローチャートである

符号の説明

１…エンジン、 ３…吸気弁、 ９…クランク軸、 １０…クランクパルスロータ、 １０ａ…歯欠け部、 １１…クランク角センサ、 １２…ＥＣＵ、 １３…間隔算出部（間隔算出手段）、 １５…比率算出部（比率算出手段）、 １６…最大比率検出部（最大比率検出手段）

Claims (2)

1. 外周に所定間隔で連続して形成された歯の一部を欠いた歯欠け部を有するクランクパルスロータをエンジンのクランク軸に連結し、クランク軸の回転中に互いに隣接する歯同士の時間間隔を計測し、連続する時間間隔を比較することによって歯欠け部を検出するエンジンのクランク角検出方法において、
   前記クランクパルスロータに形成した連続する複数の歯を、上死点の前後に亘って配置し、
   前記時間間隔の前回値を前々回値で除算してクランクパルス間隔の比率を計算し、
   エンジンの１回転中において計算されたクランクパルス間隔の比率のうち、最大比率を生じた位置を前記歯欠け部として決定することを特徴とするエンジンのクランク角検出方法。
2. エンジンのクランク軸に連結され、外周に所定間隔で連続して形成された歯の一部を欠いた歯欠け部を有するクランクパルスロータと、前記クランクパルスロータの外周に対向して配置されたクランク角センサと、クランク軸の回転中に前記クランク角センサで感知された前記歯の感知信号に基づいて互いに隣接する歯同士の時間間隔を計測する間隔算出手段とを有し、連続する時間間隔を比較することによって歯欠け部を検出するように構成されたエンジンのクランク角検出装置において、
   前記クランクパルスロータに形成された連続する複数の歯が、上死点の前後に亘る範囲に位置するように配置されており、
   前記時間間隔の前回値を前々回値で除算してクランクパルス間隔の比率を計算する比率算出手段と、
   エンジンの１回転中において計算されたクランクパルス間隔の比率のうち、最大比率を生じた位置を前記歯欠け部として決定する最大比率検出手段とを具備したことを特徴とするエンジンのクランク角検出装置。

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