JP2015094272A - 内燃機関の行程判別装置および行程判別方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アクセル開度によらず、行程判別を高精度に実行することができる内燃機関の行程判別装置および行程判別方法を得る。
【解決手段】内燃機関の気筒の行程を判別する内燃機関の行程判別装置であって、気筒に対応する吸気管に設けられ、スロットル開度により気筒への吸入空気量を調節する電子スロットルと、電子スロットルのスロットル開度を制御するスロットル開度制御部と、内燃機関のクランクシャフトの位相を検出する位相検出部と、電子スロットルの下流側における気筒の吸気圧を検出する吸気圧検出部と、クランクシャフトの位相と気筒の吸気圧とに基づいて、気筒の行程を判別する行程判別部と、を備え、スロットル開度制御部は、行程判別部による行程判別が実行されている間、スロットル開度を、あらかじめ定められた行程判別実行開度に固定するものである。
【選択図】図４

Description

この発明は、例えば４サイクルエンジンに適用され、気筒の行程を判別する内燃機関の行程判別装置および行程判別方法に関する。

従来、内燃機関（以下、「エンジン」とも称する）において、クランクシャフトの位相と気筒の吸気圧の波形とに基づいて、気筒の行程を判別する方法が広く知られている。

また、点火タイミングの異なる複数の気筒と、これら複数の気筒のうち、何れか２つの気筒の吸気圧をそれぞれ検出する吸気圧センサと、これら２つの吸気圧センサにより検出された吸気圧の差に基づいて、２つの気筒の行程を判別する行程判別手段と、を備えた４サイクルエンジンの行程判別装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−３７９４４号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献１に記載された４サイクルエンジンの行程判別装置では、２つの吸気圧センサにより検出された吸気圧の差に基づいて行程判別を実行している。ここで、吸気圧波形は、スロットル開度に応じて変化する。そのため、スロットル開度が大きくなれば、吸気圧波形は大気圧に近くなり、吸気行程であっても、負圧波形を得ることが難しくなる。

すなわち、例えば、ライダーがアクセルを意図的に開いてエンジンを始動させようとした場合には、行程判別に必要な吸気圧の差を得ることができず、行程判別を実行することができない恐れがあるという問題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、アクセル開度によらず、行程判別を高精度に実行することができる内燃機関の行程判別装置および行程判別方法を得ることを目的とする。

この発明に係る内燃機関の行程判別装置は、内燃機関の気筒の行程を判別する内燃機関の行程判別装置であって、気筒に対応する吸気管に設けられ、スロットル開度により気筒への吸入空気量を調節する電子スロットルと、電子スロットルのスロットル開度を制御するスロットル開度制御部と、内燃機関のクランクシャフトの位相を検出する位相検出部と、電子スロットルの下流側における気筒の吸気圧を検出する吸気圧検出部と、クランクシャフトの位相と気筒の吸気圧とに基づいて、気筒の行程を判別する行程判別部と、を備え、スロットル開度制御部は、行程判別部による行程判別が実行されている間、スロットル開度を、あらかじめ定められた行程判別実行開度に固定するものである。

また、この発明に係る内燃機関の行程判別方法は、気筒と、気筒に対応する吸気管に設けられ、スロットル開度により気筒への吸入空気量を調節する電子スロットルと、クランクシャフトとを備えた内燃機関において、気筒の行程を判別する内燃機関の行程判別方法であって、クランクシャフトの位相を検出する位相検出ステップと、電子スロットルの下流側における気筒の吸気圧を検出する吸気圧検出ステップと、クランクシャフトの位相と気筒の吸気圧とに基づいて、気筒の行程を判別する行程判別ステップと、気筒の行程が判別されている間、スロットル開度を、あらかじめ定められた行程判別実行開度に固定するスロットル開度制御ステップと、を有するものである。

この発明に係る内燃機関の行程判別装置および行程判別方法によれば、行程判別が実行されている間（気筒の行程が判別されている間）は、電子スロットルのスロットル開度が、あらかじめ定められた行程判別実行開度に固定される。
そのため、ライダーがアクセルを意図的に開いてエンジンを始動させようとした場合であっても、所定のスロットル開度で行程判別が実行される。
したがって、アクセル開度によらず、行程判別を高精度に実行することができる。

この発明の実施の形態１に係る内燃機関の行程判別装置を含むシステム全体を示す構成図である。 この発明の実施の形態１に係る内燃機関の行程判別装置の位相検出部を示す構成図である。 この発明の実施の形態１に係る内燃機関の行程判別装置の動作を示すタイミングチャートである。 この発明の実施の形態１に係る内燃機関の行程判別装置における行程判別処理を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１に係る内燃機関の行程判別装置の電子スロットル開度と吸気圧センサ波形との関係を示すタイミングチャートである。

以下、この発明に係る内燃機関の行程判別装置および行程判別方法の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。なお、以下の実施の形態では、二輪車用の内燃機関を例に挙げて説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る内燃機関の行程判別装置を含むシステム全体を示す構成図である。図１では、この発明の実施の形態１に係る内燃機関として、Ｖ型２気筒エンジンのシステム構成を示しているが、気筒の数は、２に限定されない。

図１において、このシステムは、エンジン全体の動作を制御するためのプログラムやマップを格納したメモリとＣＰＵとを有するマイクロプロセッサ（図示せず）で構成されたコントロールユニット（位相検出部、周期計測部、行程判別部、スロットル開度制御部）１を備えている。

コントロールユニット１には、アクセル開度の位置を計測するアクセルポジションセンサ２が接続されている。エンジンの吸気側に設けられたエアクリーナボックス３には、エンジンへの吸入空気を浄化するエアフィルタ４および吸入空気の温度を計測する吸気温センサ５が取り付けられている。

エアクリーナボックス３の下流側には、ａ気筒６およびｂ気筒７が設けられている。ａ気筒６およびｂ気筒７には、各吸気管に、スロットル開度により吸入空気量を調節する独立制御可能なａ気筒用電子スロットル８およびｂ気筒用電子スロットル９が設けられている。

ａ気筒用電子スロットル８およびｂ気筒用電子スロットル９には、それぞれスロットル開度を制御するためのａ気筒用電子スロットル制御モータ１０およびｂ気筒用電子スロットル制御モータ１１、並びにそれぞれスロットル開度を計測するａ気筒用スロットルポジションセンサ１２およびｂ気筒用スロットルポジションセンサ１３が設けられている。

また、ａ気筒用電子スロットル８およびｂ気筒用電子スロットル９の下流側には、それぞれ電子スロットルの下流側の吸入空気圧を計測する吸気圧検出部であるａ気筒用吸気圧センサ１４およびｂ気筒用吸気圧センサ１５、並びに各気筒または各吸気管に燃料を噴射するａ気筒用インジェクタ１６およびｂ気筒用インジェクタ１７が設けられている。

ａ気筒６およびｂ気筒７には、火花を発生させることで、気筒内に導入された吸入空気と燃料との混合気を燃焼させるａ気筒用点火プラグ１８およびｂ気筒用点火プラグ１９が設けられている。また、ａ気筒６およびｂ気筒７には、各排気管に、排気ガス中のＯ_２濃度を計測するａ気筒用Ｏ_２センサ２０およびｂ気筒用Ｏ_２センサ２１が設けられている。

また、ｂ気筒７には、エンジンの壁面温度を計測することにより、エンジンの冷却水温度を計測する水温センサ２２が設けられている。また、気筒内での混合気の燃焼により押し出されるピストンと連動して回転するエンジンのクランクシャフト（図示せず）には、クランクシャフトの位置を計測するクランク角センサ２３が設けられている。

上記構成のシステムにおいて、コントロールユニット１は、上記各センサからの計測信号に基づいて、適切な燃料噴射時期や燃料噴射量を演算し、燃料噴射装置であるａ気筒用インジェクタ１６およびｂ気筒用インジェクタ１７のそれぞれに駆動信号を出力する。

また、コントロールユニット１は、上記各センサからの計測信号に基づいて、適切な点火タイミングを演算し、点火信号を点火コイル（図示せず）に出力することで、ａ気筒用点火プラグ１８およびｂ気筒用点火プラグ１９で火花を発生させる。

ここで、コントロールユニット１は、さらに、位相検出部、周期計測部、行程判別部、スロットル開度制御部として機能する。以下、図２、３を参照しながら、位相検出部、周期計測部、行程判別部、スロットル開度制御部について説明する。

図２は、この発明の実施の形態１に係る内燃機関の行程判別装置の位相検出部を示す構成図であり、図３は、この発明の実施の形態１に係る内燃機関の行程判別装置の動作を示すタイミングチャートである。

位相検出部は、クランクシャフトの位相を検出する。具体的には、位相検出部は、図２に示されるように、クランクシャフトに取り付けられたクランクパルスロータ２４と、コントロールユニット１の機能の１つである周期計測部とから構成されている。

クランクパルスロータ２４には、外周にあらかじめ定められた間隔で形成された凸部（クランク）と、一部にこの凸部が形成されていない欠け歯部とで構成されている。この実施の形態１では、凸部が２２箇所、連続した欠け歯が２箇所存在するクランクパルスロータ２４を例に挙げて説明する。

まず、ライダーがエンジンのスタータスイッチ（図示せず）を押すと、クランクシャフトのクランキングが開始される。このとき、周期計測部は、クランクパルスロータ２４と対向して配置されたクランク角センサ２３で検出されたクランクパルスロータ２４の回転に基づいて、隣接する凸部の周期を計測する。

ここで、図３に示されるように、クランキング開始後、最初に計測された周期をＴ０、その後の計測周期を順に周期Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、・・・・とする。また、２２箇所の凸部を、欠け歯部の次の凸部から順に、例えば時計回りにクランク番号０番〜クランク番号２１番とする。

位相検出部は、周期計測部で計測された周期から、欠け歯部を求めてクランクシャフトの位相を検出する。なお、クランクシャフトの位相は、クランクパルスロータ２４のクランク番号に対応しているので、この実施の形態１では、位相検出部は、クランク番号を決定する。

例えば、図３に示されるように、周期Ｔ３と周期Ｔ４との比率（Ｔ３／Ｔ４）がおよそ１、欠け歯部が存在するので、周期Ｔ４と周期Ｔ５との比率（Ｔ４／Ｔ５）がおよそ０．３３、周期Ｔ５と周期Ｔ６との比率（Ｔ５／Ｔ６）がおよそ３、周期Ｔ６と周期Ｔ７との比率（Ｔ６／Ｔ７）がおよそ１の条件を全て満たせば、位相検出部は、クランク番号２番を決定することができる。

しかしながら、４サイクルエンジンでは、クランクシャフトが２回転する間に吸気・圧縮・燃焼・排気の行程が行われるので、クランクシャフトの位相を検出するだけでは、吸気・圧縮・燃焼・排気の行程判別を実行することができない。

そこで、行程判別部は、位相検出部で検出されたクランクシャフトの位相（クランク番号）と、ａ気筒用吸気圧センサ１４およびｂ気筒用吸気圧センサ１５で検出されたａ気筒６の吸気圧およびｂ気筒７の吸気圧とに基づいて、エンジンの各気筒の行程を判別する。

このとき、スロットル開度制御部は、ａ気筒用電子スロットル制御モータ１０およびｂ気筒用電子スロットル制御モータ１１を駆動させて、行程判別部による行程判別が実行されている間、スロットル開度を、あらかじめ定められた行程判別実行開度に固定する。ここで、行程判別実行開度は、エンジンの運転状態を示すパラメータに応じて、マップにより設定される。

なお、行程判別部は、周期計測部で計測された隣接する凸部の周期が、あらかじめ定められた閾値以上である場合に、エンジンの各気筒の行程を判別する。また、行程判別部は、ａ気筒用吸気圧センサ１４およびｂ気筒用吸気圧センサ１５の故障の有無を検出し、ａ気筒用吸気圧センサ１４およびｂ気筒用吸気圧センサ１５が何れも故障していない場合に、エンジンの各気筒の行程を判別する。

以下、図１〜３とともに、図４のフローチャートおよび図５のタイミングチャートを参照しながら、この発明の実施の形態１に係る内燃機関の行程判別装置における行程判別処理（吸気・圧縮・燃焼・排気）について説明する。なお、図４のフローチャートは、コントロールユニット１によって、クランクパルス検出毎に繰り返し実行される。

図４は、この発明の実施の形態１に係る内燃機関の行程判別装置における行程判別処理を示すフローチャートである。また、図５は、この発明の実施の形態１に係る内燃機関の行程判別装置の電子スロットル開度と吸気圧センサ波形との関係を示すタイミングチャートである。

図４において、まず、行程判別部は、後述する行程判別終了フラグがセットされているか、すなわち行程判別が終了しているか否かを判定する（ステップＳ１）。

ステップＳ１において、行程判別終了フラグがセットされていない（すなわち、Ｎｏ）と判定された場合には、行程判別部は、クランキング開始後、最初に計測された周期Ｔ０（初回計測周期Ｔ０）が、あらかじめ定められた所定の閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ２）。なお、エンジン回転数は、計測周期から算出されるので、エンジン回転数に置き換えると、ここでは、エンジン回転数が所定回数以下であるか否かが判定される。

この実施の形態１では、所定の閾値は、通常ライダーがスタータスイッチを使用してエンジンを始動させる場合の初回計測周期を想定しており、例えばクランキングエンジン回転数が２５０ｒｐｍであれば、所定の閾値は１０ｍｓとなる。ただし、クランキング時は回転変動が大きく、欠け歯部も存在するので、初回周期のみではなく、複数の周期について所定の閾値以上であるか否かを判定してもよい。

ステップＳ２において、初回計測周期Ｔ０が所定の閾値以上である（すなわち、Ｙｅｓ）と判定された場合には、行程判別部は、吸気圧センサの故障が検出されているか否かを判定する（ステップＳ３）。この実施の形態１では、ａ気筒用吸気圧センサ１４およびｂ気筒用吸気圧センサ１５を用いて行程判別を実行する場合を例に挙げて説明するので、両方の吸気圧センサについて、故障が検出されていないことを確認する。

ステップＳ３において、吸気圧センサの故障が検出されていない（すなわち、Ｎｏ）と判定された場合には、スロットル開度制御部は、電子スロットルの目標開度を行程判別実行開度に固定し、ライダーのアクセル操作による電子スロットル開度の変更を受け付ないように制御を始める（ステップＳ４）。

この実施の形態１では、実際に行程判別を実行するのは、クランク番号２番としているので、電子スロットル開度が固定される必要があるのは、クランク番号２番である。しかしながら、スロットル開度制御部が実際に電子スロットルの目標開度を変更しても、電子スロットルの実開度が固定されるまでには、時間がかかる。

さらに、ａ気筒用吸気圧センサ１４およびｂ気筒用吸気圧センサ１５によって検出される吸気圧も、安定した値を得られることが望ましい。そのため、この実施の形態１では、試験を行った結果から、電子スロットルの目標開度を固定する区間を、図３に示される（一点鎖線）ように設定している。

具体的には、電子スロットルの目標開度は、以下のようにして決定される。すなわち、この実施の形態１では、後述するステップＳ６において、ａ気筒６の吸気圧センサ値ＰｂＡとｂ気筒７の吸気圧センサ値ＰｂＢとから、差分Ｘ＝ＰｂＡ−ＰｂＢを算出し、差分Ｘと行程判別閾値とを比較して、行程判別を実行する。

このとき、ａ気筒６およびｂ気筒７の吸気圧の差分Ｘに対する行程判別閾値は、誤判定なく行程を判別することができる値とする。この行程判別閾値を満たすように、エンジン水温やバッテリ電圧、大気圧等を変化させて試験を行い、どのような環境下でも誤判定なく行程判別を実行することができる電子スロットルの目標開度が決定される。

図５に示されるように、各気筒の吸気圧波形は、電子スロットル開度に依存しており、電子スロットルが大きく開いていると、十分な吸気圧波形が得られない。そこで、電子スロットルの開度と各気筒の吸気圧波形とを考慮し、行程判別を実行するクランク番号において、判定に十分な差分Ｘが得られるように、電子スロットルの目標開度を決める必要がある。

なお、エンジンの回転数が低い場合には、判定に必要な十分な吸気圧波形が得られないので、電子スロットルの目標開度を、エンジン回転数によるマップにより設定してもよい。また、バッテリ電圧の低下によりクランキング速度が低下した場合には、バッテリ電圧によるマップにより、電子スロットルの目標開度を設定してもよい。さらに、大気圧の変化によっても吸気圧波形が異なってくるので、大気圧によるマップにより、電子スロットルの目標開度を設定してもよい。

図４に戻って、行程判別部は、クランク番号が、行程判別を実行するクランク番号（ここでは、クランク番号２番）であるか否かを判定する（ステップＳ５）。

ステップＳ５において、クランク番号が行程判別を実行するクランク番号である（すなわち、Ｙｅｓ）と判定された場合には、行程判別部は、ａ気筒６の吸気圧センサ値ＰｂＡとｂ気筒７の吸気圧センサ値ＰｂＢとの差分Ｘ（＝ＰｂＡ−ＰｂＢ）が、行程判別閾値よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ６）。

ステップＳ６において、差分Ｘが、行程判別閾値よりも大きい（すなわち、Ｙｅｓ）と判定された場合には、行程判別部は、ｂ気筒７が吸気行程にあると判別する（ステップＳ７）。

一方、ステップＳ６において、差分Ｘが、行程判別閾値以下である（すなわち、Ｎｏ）と判定された場合には、行程判別部は、ａ気筒６が吸気行程にあると判別する（ステップＳ８）。

続いて、行程判別部は、行程判別終了フラグをセットする（ステップＳ９）。次に、スロットル開度制御部は、電子スロットルの目標開度の固定を解除し、電子スロットル開度の制御を通常制御に戻して、ライダーのアクセル操作の受け付けを再開し（ステップＳ１０）、図４の処理を終了する。

一方、ステップＳ５において、クランク番号が行程判別を実行するクランク番号でない（すなわち、Ｎｏ）と判定された場合には、行程判別部は、そのまま図４の処理を終了する。

また、一方、ステップＳ１において、行程判別終了フラグがセットされている（すなわち、Ｙｅｓ）と判定された場合には、行程判別部は、行程判別が終了しており、再度行程判別を実行する必要がないとして、電子スロットル開度の制御を通常制御に維持し、ライダーのアクセル操作の受け付けたまま（ステップＳ１１）、図４の処理を終了する。

また、ステップＳ２において、初回計測周期Ｔ０が所定の閾値よりも小さい（すなわち、Ｎｏ）と判定された場合にも、行程判別部は、電子スロットル開度の制御を通常制御に維持したまま（ステップＳ１１）、図４の処理を終了する。

ここで、例えば、コントロールユニット１が高回転でリセットするような場合には、通常行程判別を再度実行する必要があるが、ステップＳ２において、初回計測周期Ｔ０を確認しているので、このときは、電子スロットルの目標開度は固定せず、電子スロットルの目標開度を固定することによる行程判別は実行されない。これにより、高回転で行程判別を実行する際に、スロットル開度を固定してしまうことを防ぐことができる。

また、ステップＳ３において、吸気圧センサの故障が検出された（すなわち、Ｙｅｓ）と判定された場合にも、行程判別部は、吸気圧の変動が得られないので、電子スロットル開度の制御を通常制御に維持したまま（ステップＳ１１）、図４の処理を終了する。

なお、電子スロットルの目標開度を固定することによる行程判別を実行しない場合には、同一位相で点火、噴射を行うグループ制御を実施してもよいし、何らかの別の方法を用いて行程判別を実行してもよい。

このように、電子スロットルの目標開度および実開度が行程判別実施時に固定され、ライダーの要求を受け付けないことにより、ライダーがアクセルを開いたままエンジンを始動使用とした場合であっても、行程判別を高精度に実行することができる。

以上のように、実施の形態１によれば、行程判別が実行されている間（気筒の行程が判別されている間）は、電子スロットルのスロットル開度が、あらかじめ定められた行程判別実行開度に固定される。
そのため、ライダーがアクセルを意図的に開いてエンジンを始動させようとした場合であっても、所定のスロットル開度で行程判別が実行される。
したがって、アクセル開度によらず、行程判別を高精度に実行することができる。

なお、上記実施の形態１では、ａ気筒６およびｂ気筒７の吸気圧の差分Ｘを用いて行程判別を実行する方法を示したが、これに限定されず、ａ気筒６およびｂ気筒７の何れかの吸気圧を用いて、電子スロットルの目標開度を固定し、行程判別を実行してもよく、この発明は、吸気圧による行程判別方法に依存されるものではない。

１ コントロールユニット、２ アクセルポジションセンサ、３ エアクリーナボックス、４ エアフィルタ、５ 吸気温センサ、６ ａ気筒、７ ｂ気筒、８ ａ気筒用電子スロットル、９ ｂ気筒用電子スロットル、１０ ａ気筒用電子スロットル制御モータ、１１ ｂ気筒用電子スロットル制御モータ、１２ ａ気筒用スロットルポジションセンサ、１３ ｂ気筒用スロットルポジションセンサ、１４ ａ気筒用吸気圧センサ、１５ ｂ気筒用吸気圧センサ、１６ ａ気筒用インジェクタ、１７ ｂ気筒用インジェクタ、１８ ａ気筒用点火プラグ、１９ ｂ気筒用点火プラグ、２０ ａ気筒用Ｏ_２センサ、２１ ｂ気筒用Ｏ_２センサ、２２ 水温センサ、２３ クランク角センサ、２４ クランクパルスロータ。

Claims (5)

1. 内燃機関の気筒の行程を判別する内燃機関の行程判別装置であって、
   前記気筒に対応する吸気管に設けられ、スロットル開度により前記気筒への吸入空気量を調節する電子スロットルと、
   前記電子スロットルのスロットル開度を制御するスロットル開度制御部と、
   前記内燃機関のクランクシャフトの位相を検出する位相検出部と、
   前記電子スロットルの下流側における前記気筒の吸気圧を検出する吸気圧検出部と、
   前記クランクシャフトの位相と前記気筒の吸気圧とに基づいて、前記気筒の行程を判別する行程判別部と、を備え、
   前記スロットル開度制御部は、前記行程判別部による行程判別が実行されている間、前記スロットル開度を、あらかじめ定められた行程判別実行開度に固定する
   内燃機関の行程判別装置。
2. 前記位相検出部は、
   外周にあらかじめ定められた間隔で凸部が形成されたクランクパルスロータと、
   前記クランクパルスロータと対向して配置されたクランク角センサで検出された信号に基づいて、隣接する凸部の周期を計測する周期計測部と、を有し、
   前記行程判別部は、前記隣接する凸部の周期が、あらかじめ定められた閾値以上である場合に、前記気筒の行程を判別する
   請求項１に記載の内燃機関の行程判別装置。
3. 前記行程判別部は、前記吸気圧検出部の故障の有無を検出し、前記吸気圧検出部が故障していない場合に、前記気筒の行程を判別する
   請求項１または請求項２に記載の内燃機関の行程判別装置。
4. 前記行程判別実行開度は、前記内燃機関の運転状態を示すパラメータに応じて、マップにより設定される
   請求項１から請求項３までの何れか１項に記載の内燃機関の行程判別装置。
5. 気筒と、前記気筒に対応する吸気管に設けられ、スロットル開度により前記気筒への吸入空気量を調節する電子スロットルと、クランクシャフトとを備えた内燃機関において、前記気筒の行程を判別する内燃機関の行程判別方法であって、
   前記クランクシャフトの位相を検出する位相検出ステップと、
   前記電子スロットルの下流側における前記気筒の吸気圧を検出する吸気圧検出ステップと、
   前記クランクシャフトの位相と前記気筒の吸気圧とに基づいて、前記気筒の行程を判別する行程判別ステップと、
   前記気筒の行程が判別されている間、前記スロットル開度を、あらかじめ定められた行程判別実行開度に固定するスロットル開度制御ステップと、を有する
   内燃機関の行程判別方法。

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