JP2019100199A - 吸気圧検知装置および電子制御式燃料供給装置 - Google Patents

吸気圧検知装置および電子制御式燃料供給装置 Download PDF

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Abstract

【課題】単気筒エンジンの吸気圧を精度よく検知すること。【解決手段】クランク角センサ7は単気筒エンジンのクランク角を検知する。吸気圧センサ44は単気筒エンジンの吸気経路に設けられ、吸気圧を検知する。サンプリング部63は吸気圧センサにより検知された吸気圧をサンプリングする。CPU60はサンプリングされたN個の吸気圧のうちで相対的に値の小さなM個の吸気圧を抽出し、M個の吸気圧のうちのいくつかを除外した残りのP個の吸気圧からボトム圧を演算する。【選択図】図2

Description

本発明は吸気圧検知装置および電子制御式燃料供給装置に関する。
ガソリンエンジンの燃料噴射制御としては、スピード−スロットル制御と、スピード−デンシティ制御とがある。スピード−スロットル制御は、スロットル開度とエンジン回転速度とから吸入空気量を推定し、吸気温度や空燃比に応じて吸入空気量を補正し、補正された吸入空気量に応じて燃料噴射パルス幅を制御する。スピード−デンシティ制御は、エンジン回転速度と吸入空気重量とから燃料噴射パルス幅を制御する。つまり、スピード−デンシティ制御は、吸気行程で発生する吸気圧を計測し、この計測値から燃料の供給量を決定する。したがって、精度よく吸気圧を計測することが求められる。特許文献1、2によれば、下死点近傍時点よりも前のボトム直前時点での吸気圧であるボトム直前圧の検出値に基づき、下死点近傍時点での吸気圧であるボトム圧を推定することが提案されている。
特開2009−191712号公報 特開2009−191713号公報
ところで、単気筒エンジンのボトム圧が発生するタイミングはエンジンの回転速度やエンジン負荷に応じて変化する。したがって、従来のようにある決められた一点の吸気圧を計測したのでは、正確にボトム圧を推定することはできない。そこで、本発明は、単気筒エンジンの吸気圧を精度よく検知することを目的とする。
本発明によれば、たとえば、
単気筒エンジンの吸気経路に設けられ、吸気圧を検知する吸気圧センサと、
前記単気筒エンジンのクランク角を検知するクランク角センサと、
前記クランク角センサにより検知されたクランク角がサンプリング開始角度になると、前記吸気圧センサにより検知された吸気圧をサンプリングするサンプリング手段と、
前記サンプリング手段によりサンプリングされたN個の吸気圧のうちで相対的に値の小さなM個の吸気圧を抽出し、前記M個の吸気圧のうち相対的に値の大きないくつかの吸気圧と、相対的に値の小さないくつかの吸気圧とを除外した残りのP個の吸気圧の平均値をボトム圧として取得する演算手段と
を有する吸気圧検知装置が提供される。
本発明によれば、単気筒エンジンの吸気圧を精度よく検知することが可能となる。
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 ボトム圧の検知方法を示すフローチャート エンジン行程、クランク信号および吸気圧の関係を説明する図 ボトム圧とクランク角との関係を示す図
●実施例1
<エンジンシステム>
図1はエンジンシステム100を示す概略図である。エンジンシステム100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。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。なお、発電機6や電源回路8はオプションである。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。クランク角センサ7の検知結果はエンジン回転速度を演算するために使用されてもよい。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9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9が動作するのに十分な電力を発生する。制御部9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)。吸気圧センサ44は単気筒エンジンの吸気経路50に設けられ、吸気圧を検知するセンサである。O2センサ42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酸素濃度を検知するセンサである。制御部9は酸素濃度から空燃比を求めてもよい。
<制御部と電源回路>
図2は制御部9の機能と電源回路8の機能を示している。制御部9の機能はASICやFPGAなどのハードウエアにより実現されてもよいし、CPU60がメモリに記憶されている制御プログラムを実行することで実現されてもよい。ASICは特定用途集積回路の略称である。FPGAはフィールドプラグラマブルゲートアレイの略称である。CPUは中央演算処理装置の略称である。
CPU60は内燃エンジン1の制御パラメータを設定する。CPU60は、スロットル制御部23を通じてスロットルモータ16を制御し、空気の流入量を調整する。これにより、エンジン回転速度が制御される。CPU60は点火制御部24を通じて点火装置11を制御する。点火制御部24は、クランク角センサ7の検知結果に基づき点火時期の進角を調整する。CPU60は、O2センサ42の検知結果を空燃比に変換し、この空燃比が目標空燃比となるようにポンプ制御部27を通じて燃料ポンプ14を駆動し、燃料の供給量を調整してもよい。本実施例のエンジンシステム100はカムセンサを有していないため、直接的に行程を判別することができない。そこで、行程判別部61はクランク角センサ7の検知結果に基づきエンジン行程を判別し、エンジン行程にしたがってインジェクタ制御部26を通じてインジェクタ15の噴射タイミングを制御してもよい。サンプリング制御部62は吸気圧センサ44により検知された吸気圧をサンプリング部63がサンプリングするタイミングを制御する。たとえば、サンプリング制御部62は、吸気行程においてサンプリング部63を稼働させる。サンプリング部63は、サンプリング制御部62が許可信号を出力するとサンプリングを開始し、停止信号を出力する(許可信号の出力を停止する)とサンプリングを終了する。これによりN個のサンプリング値が得られる。抽出部64は、N個のサンプリング値からM個のサンプリング値を抽出する。たとえば、サンプリング部63のサンプリング周期が100マイクロ秒である場合に、抽出部64は、相対的に値の小さな10個のサンプリング値(吸気圧)を抽出する(M=10)。ボトム圧は、最小の吸気圧だからである。除外部65は、M個のサンプリング値からP個のサンプリング値を抽出する。たとえば、除外部65は、M個のサンプリング値のうち相対的に大きないくつかのサンプリング値(例:最大値)と、相対的に小さないくつかのサンプリング値(例:最小値)を削除することでP個のサンプリング値を抽出する。ボトム圧演算部66はP個のサンプリング値に基づきボトム圧を演算する。噴射量決定部67はボトム圧に基づき燃料の供給量(噴射量)を決定し、ポンプ制御部27に設定する。
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9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。DC/DCコンバータ35は、DCアウトレット34から外部負荷に直流電圧を供給する。
<フローチャート>
図3はボトム圧の検知方法を示すフローチャートである。図4は内燃エンジン1の行程、クランク角センサ7が出力するクランク信号および吸気圧センサ44により検知された吸気圧との関係を示す図である。
S301でCPU60(行程判別部61)はクランク信号に基づきエンジン行程を判別可能かどうかを判定する。4サイクルエンジンは吸気行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程を有する。つまり、クランクシャフト19が二回転することで四つの行程が実行される。クランク角センサ7では、クランクシャフト19の回転方向において等間隔で並べられた複数の磁石のうち少なくとも一つの磁石が欠けている(欠歯)。クランク角センサ7のホール素子は磁石が通過する際にパルスを出力する。磁石が欠けている区間ではホール素子はパルスを出力しない。つまり、クランクシャフト19が一回転する間に、パルスが発生しない期間が生じる。図4に示したクランク信号では吸気行程が開始されるタイミングではパルスが発生しない。これにより、行程判別部61は吸気行程を判別できる。つまり、9個のパルスが発生した後に、吸気行程が開始される。ここで、膨張行程も9個のパルスが発生した後に開始されるため、一見すると、吸気行程と膨張行程とは判別できない。しかし、8個目のパルスと9個目のパルスとの間の時間ta、tbを比較することで、行程判別部61は吸気行程と膨張行程とを区別できる。つまり、排気行程においてピストン4にかかる力は、圧縮行程においてピストン4にかかる力よりも小さい。つまり、時間taは時間tbよりも短い。たとえば、8個目のパルスと9個目のパルスとの間の時間tが閾値tthよりも短ければ、行程判別部61は吸気行程が始まると判別できる。また、時間tが閾値tth以上であれば、行程判別部61は膨張行程が始まると判別できる。ただし、内燃エンジン1の始動時には、時間taと時間tbとの差が小さいため、行程判別部61は吸気行程と膨張行程とを識別できない。よって、行程判別部61は、時間taと時間tbとの差が小さすぎるとき、つまり、内燃エンジン1の始動時には行程を識別できないと判定する。一方で、行程判別部61は、時間taと時間tbとの差が十分に大きくなると(つまり、内燃エンジン1の始動が終了して自立回転を始めると)、行程を判別可能と判定し、S302に進む。
S302でCPU60(行程判別部61)はクランク信号に基づき行程を判別(識別)する。CPU60(行程判別部61)はクランク信号に基づきクランク角(0度〜720度)を特定し、クランク角に基づき行程を識別してもよい。
S303でCPU60(行程判別部61)はクランク信号に基づき吸気行程が開始されたかどうかを判定する。行程判別部61が8個目のパルスと9個目のパルスとの間の時間tが吸気行程を意味する長さであれば、吸気行程が開始されると判定し、S304に進む。行程判別部61が8個目のパルスと9個目のパルスとの間の時間tが吸気行程を意味する長さでなければ、吸気行程が開始されないと判定し、S302に戻る。なお、行程判別部61またがサンプリング制御部62は、クランク角センサ7により検知されたクランク角がサンプリング開始角度になると、サンプリングを開始してもよい。パルスの数はクランク角を示しているからである。
S304でCPU60(サンプリング制御部62)はサンプリング部63にサンプリングの許可信号(開始信号)を出力し、サンプリング部63に吸気圧のサンプリングを開始させる。サンプリング部63は、たとえば、100us以下のサンプリング周期で、吸気圧センサ44が出力する吸気圧をサンプリングする。usはマイクロ秒を示す。
S305でCPU60(行程判別部61)はクランク信号に基づき吸気行程が終了したかどうかを判別する。図4が例示するように、吸気行程は、欠歯期間の後に4個目のパルスが出力されたときに終了する。よって、行程判別部61は、パルスの数をカウントし、4個目のパルスを見つけると、吸気行程が終了したと判定する。なお、CPU60は、吸気行程の終了を判定する代わりに、サンプリング値の数がN個になったかどうかを判定してもよい。ここで、サンプリング周期とNとの積は吸気行程において負圧が発生する時間よりも十分に長く設定される。これによりボトム圧の計測を見逃さないようになろう。吸気行程が終了すると(N個のサンプリング値が取得されると)、CPU60はS306に進む。
S306でCPU60(サンプリング制御部62)はサンプリングを禁止(停止)する。たとえば、サンプリング制御部62はサンプリングの許可信号の出力を停止するか、または、サンプリングの禁止信号(非許可信号)をサンプリング部63に出力する。
S307でCPU60(抽出部64)はサンプリング部63によりサンプリングされたN個のサンプリング値(吸気圧)のうちで相対的に値の小さなM個のサンプリング値を抽出する(例:M=10)。ここではボトム圧は、とりわけ、相対的に小さな値である。そのため、N個の吸気圧のうちで相対的に値の小さなM個の吸気圧が抽出される。
S308でCPU60(除外部65)は、M個のサンプリング値のうち相対的に値の大きないくつかのサンプリング値と、相対的に値の小さないくつかのサンプリング値とを除外する。これによりノイズ成分が除去される。たとえば、除外部65はM個の吸気圧のうちで最大値と最小値とを除外した残りのP個の吸気圧の平均値を取得する(例:M=10、P=8)。
S309でCPU60(抽出部64)は、P個のサンプリング値に基づきボトム圧を求める。たとえば、抽出部64はP個の吸気圧の平均値をボトム圧として取得する。
S310でCPU60(噴射量決定部67)はボトム圧に基づき噴射量(燃料の供給量)を決定し、ポンプ制御部27に設定する。ポンプ制御部27は噴射量に応じた時間だけ燃料ポンプ14を作動させる。
<ボトム圧の位置のばらつき>
図5は内燃エンジン1の構造の違いに応じたボトム圧が得られるクランク角度a1、a2を示している。(A)は第一の完成品に搭載された内燃エンジン1の吸気圧とクランク信号との関係を示している。(A)ではクランク角度がa1であるときにボトム圧が生じている。(B)は第二の完成品に搭載された内燃エンジン1の吸気圧とクランク信号との関係を示している。(B)ではクランク角度がa2であるときにボトム圧が生じている。つまり、両者には角度差Δがある。
ボトム圧が得られるクランク角度は、エンジン回転速度や負荷に応じて変化する。さらに、このクランク角度は、吸気バルブ17の稼働タイミング、排気バルブ18の稼働タイミング、点火タイミング、吸気圧センサ44の取り付け位置、吸気圧センサ44が取り付けられる管の形状などに応じて変化してしまう。たとえば、製造ロットの違いによって、吸気圧センサ44が取り付けられる管の形状が変化すると、従来のECUはボトム圧を検知するクランク角を変更しなければならなかった。また、内燃エンジン1が汎用エンジンである場合、搭載される完成品(例:発電機、芝刈り機、農業機械)が異なることもある。この場合、内燃エンジン1にかかる負荷が異なるため、ボトム圧を検知するクランク角は完成品ごとに調整されなければならなかった。
これに対して本実施例はECUの設計者の負担や製造の負担、メンテナンスの負担を軽減する。つまり、本実施例では、ボトム圧が発生しうるクランク角を含む広範囲のクランク角にわたって吸気圧が検知され、検知された吸気圧からボトム圧が特定される。つまり、ECUの設計者は完成品ごとにボトム圧の検知タイミングを設定したり、調整したりする必要が無くなる。
<まとめ>
内燃エンジン1は単気筒エンジンの一例である。吸気圧センサ44は単気筒エンジンの吸気経路50に設けられ、吸気圧を検知する吸気圧センサの一例である。クランク角センサ7は単気筒エンジンのクランク角を検知するクランク角センサの一例である。サンプリング部63はクランク角センサ7により検知されたクランク角がサンプリング開始角度になると、吸気圧センサ44により検知された吸気圧をサンプリングするサンプリング手段の一例である。CPU60はサンプリング部63によりサンプリングされたN個の吸気圧のうちで相対的に値の小さなM個の吸気圧を抽出し、M個の吸気圧のうち相対的に値の大きないくつかの吸気圧と、相対的に値の小さないくつかの吸気圧とを除外した残りのP個の吸気圧の平均値を取得する演算手段の一例である。これにより、単気筒エンジンの吸気圧を精度よく検知することが可能となる。
CPU60は、M個の吸気圧のうちで最大値と最小値とを除外した残りのP個の吸気圧の平均値を取得してもよい。最大値と最小値は誤差である可能性があるからである。
サンプリング部63は、単気筒エンジンの吸気行程における吸気圧をサンプリングする。
行程判別部61はクランク角センサ7が出力する出力信号に基づき単気筒エンジンの吸気行程を識別する識別手段の一例である。サンプリング部63は、識別された吸気行程においてクランク角センサ7により検知されたクランク角がサンプリング開始角度になると、吸気圧センサ44により検知された吸気圧のサンプリングを開始する。これにより、吸気行程において吸気圧を検知し、他の行程において吸気圧を検知しなくなるため、サンプリング値を保持するメモリの容量を削減できる。
サンプリング制御部62は、行程判別部61が単気筒エンジンの吸気行程を識別できるようになるまでサンプリング部63に吸気圧のサンプリングを許可せず、行程判別部61が単気筒エンジンの吸気行程を識別できるようになるとサンプリング部63に吸気圧のサンプリングを許可する制御手段の一例である。行程判別部61はクランク角センサ7を用いた行程判別を行うため、内燃エンジン1の始動時に行程判別を実行できない。そのため、サンプリング制御部62は、行程判別部61が単気筒エンジンの吸気行程を識別できるようになってから、サンプリング部63に吸気圧のサンプリングを許可する。これにより精度よくボトム圧を検知できるようになる。このように、サンプリング部63は、単気筒エンジンの始動時において、吸気圧をサンプリングしない。
なお、クランク角センサ7が省略されてもよい。この場合、サンプリング部63はすべての行程においてサンプリングを実行してもよい。CPU60は、サンプリングされたN個の吸気圧のうちで相対的に値の小さなM個の吸気圧を抽出し、M個の吸気圧のうち相対的に値の大きないくつかの吸気圧と、相対的に値の小さないくつかの吸気圧とを除外した残りのP個の吸気圧の平均値を取得する。図4が示すように、吸気行程以外の行程では負圧が発生しない。つまり、吸気行程でしか負圧が発生しない。よって、CPU60はN個の吸気圧のうちで相対的に値の小さなM個の吸気圧を抽出できる。
エンジンシステム100のうち内燃エンジン1を除いた部分は単気筒エンジンに燃料を供給する電子制御式燃料供給装置である。図2は吸気圧検知装置を示している。噴射量決定部67はボトム圧演算部66により求められた吸気圧の平均値に基づき所定の空燃比を実現するための燃料の噴射量を決定する決定手段の一例である。また、CPU60は噴射量決定部67により決定された燃料の噴射量に基づきスピードデンシティ制御を実行する噴射量制御手段の一例である。
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、44...吸気圧センサ、60...CPU

Claims (9)

  1. 単気筒エンジンの吸気経路に設けられ、吸気圧を検知する吸気圧センサと、
    前記単気筒エンジンのクランク角を検知するクランク角センサと、
    前記クランク角センサにより検知されたクランク角がサンプリング開始角度になると、前記吸気圧センサにより検知された吸気圧をサンプリングするサンプリング手段と、
    前記サンプリング手段によりサンプリングされたN個の吸気圧のうちで相対的に値の小さなM個の吸気圧を抽出し、前記M個の吸気圧のうち相対的に値の大きないくつかの吸気圧と、相対的に値の小さないくつかの吸気圧とを除外した残りのP個の吸気圧の平均値をボトム圧として取得する演算手段と
    を有する吸気圧検知装置。
  2. 前記演算手段は、前記M個の吸気圧のうちで最大値と最小値とを除外した残りのP個の吸気圧の平均値を取得することを特徴とする請求項1に記載の吸気圧検知装置。
  3. 前記サンプリング手段は、前記単気筒エンジンの吸気行程における吸気圧をサンプリングすることを特徴とする請求項1または2に記載の吸気圧検知装置。
  4. 前記クランク角センサが出力する出力信号に基づき前記単気筒エンジンの吸気行程を識別する識別手段をさらに有し、
    前記サンプリング手段は、前記識別手段により識別された前記吸気行程において前記クランク角センサにより検知されたクランク角が前記サンプリング開始角度になると、前記吸気圧センサにより検知された吸気圧のサンプリングを開始することを特徴とする請求項3に記載の吸気圧検知装置。
  5. 前記識別手段が前記単気筒エンジンの吸気行程を識別できるようになるまで前記サンプリング手段に前記吸気圧のサンプリングを許可せず、前記識別手段が前記単気筒エンジンの吸気行程を識別できるようになると前記サンプリング手段に前記吸気圧のサンプリングを許可するサンプリング制御手段をさらに有することを特徴とする請求項4に記載の吸気圧検知装置。
  6. 前記サンプリング手段は、前記単気筒エンジンの始動時において、前記吸気圧をサンプリングしないことを特徴とする請求項1ないし5のいずれか一項に記載の吸気圧検知装置。
  7. 単気筒エンジンの吸気経路に設けられ、吸気圧を検知する吸気圧センサと、
    前記単気筒エンジンの吸気行程において、前記吸気圧センサにより検知された吸気圧をサンプリングするサンプリング手段と、
    前記サンプリング手段によりサンプリングされたN個の吸気圧のうちで相対的に値の小さなM個の吸気圧を抽出し、前記M個の吸気圧のうち相対的に値の大きないくつかの吸気圧と、相対的に値の小さないくつかの吸気圧とを除外した残りのP個の吸気圧に基づきボトム圧を取得する演算手段と
    を有する吸気圧検知装置。
  8. 単気筒エンジンに燃料を供給する電子制御式燃料供給装置であって、
    請求項1ないし7のいずれか一項に記載の吸気圧検知装置と、
    前記演算手段により求められた吸気圧の平均値に基づき所定の空燃比を実現するための燃料の噴射量を決定する決定手段と
    を有することを特徴とする電子制御式燃料供給装置。
  9. 前記決定手段により決定された燃料の噴射量に基づきスピードデンシティ制御を実行する噴射量制御手段をさらに有することを特徴とする請求項8に記載の電子制御式燃料供給装置。
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