JP3811306B2 - 単気筒4サイクルエンジン - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ポートおよび排気ガス浄化触媒間に設けられて排気ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度センサからの信号に基づいて燃料供給量をフィードバック制御する制御手段を備えた単気筒4サイクルエンジンに関する。
【0002】
【従来の技術】
排気ガス中の有害成分を浄化すべくエンジンの排気通路に白金−ロジウム等の貴金属系の排気ガス浄化触媒を配置したものにおいて、排気ガス浄化触媒の性能を最大限に発揮させるために、排気ガス浄化触媒の上流側の排気通路に設けた酸素濃度センサで排気ガスの酸素濃度を検出し、この酸素濃度に基づいてエンジンに供給される混合気の空燃比を理論空燃比に近い範囲に制御することが行われている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、複数のシリンダから所定のクランク角毎に順次排気ガスが排出される多気筒エンジンでは、排気通路中の排気ガスの流れの脈動は比較的に小さく抑えられる。しかしながら、クランクシャフトの2回転につき1回の排気行程しか存在しない単気筒4サイクルエンジンでは排気通路内の排気ガスの流れに大きな脈動が発生し、その脈動によって排気ガス浄化触媒を通過した排気ガスが排気通路内を逆流する場合がある。排気ガス浄化触媒は排気ガスを酸化する作用があるため、排気ガス浄化触媒から逆流した排気ガスの酸素濃度は本来の値からずれてしまい、この誤った酸素濃度を検出して燃料供給量のフィードバック制御を行うと、適切な制御が行えなくなる虞がある。特に、近年は排気ガス浄化触媒の活性化やエンジンのコンパクト化を図るために排気ポートと排気ガス浄化触媒との距離が接近する傾向にあり、従って排気ガス浄化触媒と酸素濃度センサとの距離も近くなって前記排気ガスの脈動の影響を受け易くなっている。
【0004】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、単気筒4サイクルエンジンにおいて、排気ガスの脈動の影響を受けずに排気ガスの酸素濃度を的確に検出できるようにすることを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項1に記載された発明によれば、排気ポートとその排気ポート下流側の排気ガス浄化触媒との間の排気通路に、その排気通路内を流れる排気ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度センサを設け、この酸素濃度センサからの信号に基づいて燃料供給量をフィードバック制御する制御手段を備えた単気筒4サイクルエンジンであって、前記制御手段は、排気行程および圧縮行程を判別する行程判別手段を備えていて、この行程判別手段により判別した実排気行程の行程中に、前記酸素濃度センサが排気ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出タイミングを設定し、その酸素濃度検出タイミングで該酸素濃度センサが出力する信号に基づいて燃料供給量をフィードバック制御することを特徴とする単気筒4サイクルエンジンが提案される。なお、本発明において、「実排気行程」とは、排気行程中、特にバルブオーバーラップ領域を含まぬ行程部分をいう。
【0006】
上記構成によれば、行程判別手段により判別した実排気行程の行程中に、酸素濃度センサが排気ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出タイミングを設定し、エンジンが排気行程にあって排気ガスが排出されたときに酸素濃度センサで排気ガスの酸素濃度を検出するので、排気ガスの脈動により排気ガス浄化触媒側から逆流する酸化された排気ガスの酸素濃度が誤検出されるのを防止することが可能となり、適切に検出された排気ガスの酸素濃度に基づいて燃料供給量を精密にフィードバック制御することができる。しかも排気ガスの脈動の影響を受け難くなるので排気ガス浄化触媒を排気ポートの近くに配置することができ、高温の排気ガスを排気ガス浄化触媒に供給して排気ガス浄化効果を高めるとともに、エンジンのコンパクト化を図ることができる。その上、制御手段に設けた行程判別手段により排気行程および圧縮行程を判別するので、クランクシャフトの位相が相互に同じである排気行程および圧縮行程を確実に判別することができる。
【0007】
また請求項2に記載された発明によれば、請求項1の構成に加えて、前記行程判別手段は、クランクシャフトの角速度を検出し、前記角速度の大きい方を排気行程と判別することを特徴とする単気筒4サイクルエンジンが提案される。
【0008】
上記構成によれば、クランクシャフトの角速度が排気行程で大きく圧縮行程で小さいことに鑑み、排気行程を圧縮行程から確実に判別することができる。
【0009】
また請求項3に記載された発明によれば、請求項1の構成に加えて、前記行程判別手段は、クランクシャフトの1回転に要する時間を検出し、前記時間の短い方を排気行程と判別することを特徴とする単気筒4サイクルエンジンが提案される。
【0010】
上記構成によれば、クランクシャフトの1回転に要する時間が、排気行程を含むクランクシャフトの1回転で小さく圧縮行程を含むクランクシャフトの1回転で大きいことに鑑み、排気行程を圧縮行程から確実に判別することができる。
【0011】
また請求項4に記載された発明によれば、請求項1の構成に加えて、前記行程判別手段は、吸気バルブあるいは排気バルブを駆動するカムシャフトの位相に基づいて排気行程を判別することを特徴とする単気筒4サイクルエンジンが提案される。
【0012】
上記構成によれば、排気行程はカムシャフトの1回転につき1回だけ発生するため、そのカムシャフトの位相に基づいて排気行程を確実に判別することができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施例を説明する。
【0014】
図1〜図5は本発明の一実施例を示すもので、図1は単気筒4サイクルエンジンの縦断面図、図2は第1、第2パルス発生器の取付状態を示す図、図3は図2の3−3線矢視図、図4は第1パルス発生器が出力するパルスの説明図、図5は排気行程を判別する手法を示すタイミングチャートである。
【0015】
図1に示すように、単気筒4サイクルのエンジンEは、クランクケース11を一体に備えたシリンダブロック12と、シリンダブロック12の上面に結合されたシリンダヘッド13と、シリンダヘッド13の上面に結合されたヘッドカバー14と、クランクケース11の下面に結合されたオイルパン15とを備える。シリンダブロック12に形成したシリンダ16に摺動自在に嵌合するピストン17は、コネクティングロッド18を介してクランクシャフト19に連接される。シリンダヘッド13には、ピストン17の頂面に臨む燃焼室20と、燃焼室20に連なる吸気ポート21および排気ポート22とが形成されており、吸気ポート21には吸気管23が接続され、排気ポート22には排気管24が接続される。動弁室25には吸気カムシャフト26により回転する吸気カム261 および排気カムシャフト27により回転する排気カム271 が設けられており、吸気カム261 で吸気バルブ孔28を開閉する吸気バルブ29が駆動されるとともに、排気カム271 で排気バルブ孔30を開閉する排気バルブ31が駆動される。
【0016】
吸気管23には吸気ポート21に燃料を噴射する燃料噴射弁32が設けられる。また排気管24には排気ガスを浄化するための排気ガス浄化浄化触媒33が設けられると共に、排気ガス浄化浄化触媒33よりも上流側の排気管24に排気ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度センサ34が設けられる。またクランクシャフト19の近傍には、エンジンEが排気行程にあることを判別すべく、クランクシャフト19の回転に応じてパルス信号を発生する第1パルス発生器35および第2パルス発生器36が設けられる。本発明の制御手段を構成する電子制御ユニットUは行程判別手段37を備えており、前記第1、第2パルス発生器35,36からのパルス信号に基づいて行程判別手段37が排気行程を判別したときに前記酸素濃度センサ34で検出した排気ガスの酸素濃度に基づいて、混合気の空燃比を所望の値に調整すべく燃料噴射弁32からの燃料噴射量をフィードバック制御する。
【0017】
ところで、単気筒4サイクルのエンジンEでは、クランクシャフト19が2回転する間に行われる爆発行程、排気行程、吸気行程および圧縮行程のうち、排気行程だけで排気ガスが排出されるため、排気管24内の排気ガスの流れに脈動が発生し、排気ガス浄化触媒33を通過した排気ガスが排気管24内を排気ポート22側に逆流する場合がある。排気ガス浄化触媒33を通過した排気ガスは該排気ガス浄化触媒33の酸化作用で酸素濃度が低下しているため、酸素濃度センサ34で前記逆流する排気ガスの酸素濃度を検出して燃料噴射量のフィードバック制御に用いると、適切な制御が行えなくなる虞がある。上記問題を解消するには、排気管24内に排気ガスが排出されたとき、つまり排気行程(バルブオーバーラップ領域を含まぬ実排気行程)において排気ガスの酸素濃度を検出すれば良く、そのためには排気行程を正確に判別する必要がある。
【0018】
以下、排気行程を判別するための構成および作用について説明する。
【0019】
図2および図3に示すように、外周に多数の歯部411 …を備えたフライホイール41がクランクシャフト19の軸端に固定される。ピニオン42を一体に有するスタータモータ43の出力軸431 は進退可能であり、エンジンEの始動時にスタータモータ43を駆動すると、前記出力軸43が前進してピニオン42がフライホイール41の歯部411 …に噛合することにより、クランクシャフト19がクランキングされる。
【0020】
フライホイール41の一側面の外周部にはリラクタ44が固定されており、このリラクタ44に対向するように前記第1パルス発生器35が固定部材45に固定される。またフライホイール41の歯部411 …に対向するように前記第2パルス発生器36が固定部材46に固定される。
【0021】
次に、図4および図5を併せて参照しながら、電子制御ユニットUの行程判別手段37によって排気行程を判別する手法を説明する。
【0022】
クランクシャフト19およびフライホイール41の回転方向は図2に矢印Rで示されている。フライホイール41の外周のP点が第2パルス発生器36に対向しているとき(図2参照)、クランクシャフト19の位相が排気行程の終わりの上死点TDCeまたは圧縮行程の終わりの上死点TDCcにあるとすると、リラクタ44の取付位置は、その回転方向前縁44fが線分OPに対して回転方向Rの進み側に角度35°を成しており、その回転方向後縁44rが線分OPに対して回転方向Rの進み側に角度10°を成している。従って、図4に示すように、第1パルス発生器35は、排気行程の終わりの上死点TDCeまたは圧縮行程の終わりの上死点TDCcの35°手前位置で正極性パルス信号a…を出力し、排気行程の終わりの上死点TDCeまたは圧縮行程の終わりの上死点TDCcの10°手前位置で負極性パルス信号b…を出力することになる。
【0023】
フライホイール41が例えば120個の歯部411 …を有していれば、クランクシャフト19が3°回転する毎に第2パルス発生器36は対を成す正極性パルス信号c…および負極性パルス信号d…を出力する(図5参照)。本実施例のエンジンEは単気筒であるため、クランクシャフト19の角速度はクランク角の360°を周期として変動する。具体的には、燃焼ガスの圧力でピストン17が駆動される爆発行程の終わり部分で角速度は最大になり、かつピストン17が圧縮負荷を受ける圧縮行程の終わり部分で角速度は最小になる。従って、正極性パルス信号c…および負極性パルス信号d…の出力間隔は不均一になり、クランクシャフト19の角速度が大きい部分で前記間隔は短くなり、クランクシャフト19の角速度が小さい部分で前記間隔は長くなる。
【0024】
さて、エンジンEの爆発行程、排気行程、吸気行程および圧縮行程はクランクシャフト19が2回転する間に行われるため、第1パルス発生器35が発生するパルス信号からクランクシャフト19の位相を検出するだけでは排気行程および圧縮行程を判別することはできない。なぜならば、第1パルス発生器35がリラクタ44の前縁44fにより発生するパルス信号a…には、圧縮行程におけるものと排気行程におけるものとが含まれているからである。
【0025】
そこで、第2パルス発生器36で検出したフライホイール41の歯部41…により発生する正極性パルス信号c…および負極性パルス信号d…の時間間隔に基づいて、クランクシャフト19の角速度を検出する。前記時間間隔はクランクシャフト19の角速度に反比例するため、時間間隔が小さいときにクランクシャフト19の角速度は大きくなり、時間間隔が大きいときにクランクシャフト19の角速度は小さくなる。続いてリラクタ44の前縁44fにより発生した正極性パルスa…のうち、クランクシャフト19の角速度が小さいとき(圧縮行程)に発生したものを判別して点火信号a1 …として採用し、クランクシャフト19の角速度が大きいとき(排気行程)に発生したものを判別して酸素濃度検出信号a2 …として採用する。
【0026】
而して、酸素濃度センサ34が排気ガスの酸素濃度を検出するタイミングを、前記酸素濃度検出信号a2 …の出力タイミングに基づいて制御すれば、排気行程において排出された排気ガスの酸素濃度を検出して燃料噴射量の制御を的確に行うことができる。また酸素濃度センサ34の検出対象ガスが排気ガスの脈動の影響を受け難くなるので、排気ガス浄化触媒33および酸素濃度センサ34を排気ポート22に接近させることができる。これにより、高温の排気ガスを排気ガス浄化触媒33に供給して浄化効果を高め、しかもエンジンEをコンパクト化することができる。
【0027】
次に、本発明の第2実施例を説明する。
【0028】
上述した第1実施例では、行程判別手段37がクランクシャフト19の角速度に基づいて排気行程および圧縮行程を判別しているが、第2実施例はクランクシャフト19が1回転するのに要する時間に基づいて排気行程および圧縮行程を判別するものである。
【0029】
図5から明らかなように、点火信号a1 から酸素濃度検出信号a2 までのクランクシャフト19の1回転には、クランクシャフト19の角速度が大きい爆発行程および排気行程が含まれるため、その1回転に要する時間T2 は比較的に短くなる。一方、酸素濃度検出信号a2 から点火信号a1 までのクランクシャフト19の1回転には、クランクシャフト19の角速度が小さい吸気行程および圧縮行程が含まれるため、その1回転に要する時間T1 は比較的に長くなる。
【0030】
従って、前記時間T1 およびT2 を計測すれば、長い方の時間T1 が終わったときに出力される正極性パルス信号a…が点火信号a1 であり、短い方の時間T2 が終わったときに出力される正極性パルス信号a…が酸素濃度検出信号a2 であると判別することができる。
【0031】
本第2実施例によれば、第1実施例と同じ第1パルス発生器35および第2パルス発生器36を用いることができ、かつ第1実施例と同じ作用効果を奏することができる。
【0032】
次に、本発明の第3実施例を説明する。
【0033】
上述した第1実施例および第2実施例では、クランクシャフト19の位相を検出しているために排気行程および圧縮行程を判別するための手段が必要となって構造が複雑化していた。この問題を解決するには、クランクシャフト19の2回転につき1回転する吸気カムシャフト26或いは排気カムシャフト27の位相をパルス発生器等の手段で検出すれば良い。
【0034】
例えば、排気カムシャフト27を例にとると、排気カムシャフト27が1回転する間に排気行程は1回発生するため、排気カムシャフト27の位相に基づいて排気行程を判別したときに酸素濃度センサ34で排気ガスの酸素濃度を検出すれば、排気行程において排出された排気ガスの酸素濃度を検出して燃料噴射量の制御を的確に行うことができる。
【0035】
本第3実施例によれば、1個のパルス発生器だけで排気行程を判別することが可能となるため、部品点数の削減に寄与することができる。
【0036】
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
【0037】
例えば、実施例では排気行程における酸素濃度検出タイミングを排気行程の終わりの上死点TDCeの35°手前位置に設定しているが、実排気行程中であれば任意のタイミングに設定することができる。また実施例では点火タイミングおよび酸素濃度検出タイミングに共通の第1パルス発生器35を用いているが、酸素濃度検出タイミングを検出するために専用のパルス発生器を用いることも可能である。
【0038】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、単気筒4サイクルエンジンにおいて、行程判別手段により判別した実排気行程の行程中に、酸素濃度センサが排気ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出タイミングを設定するので、単気筒4サイクルエンジンであることで排気通路内の排気ガスの流れに生じる大きな脈動により排気ガス浄化触媒側から逆流する酸化された排気ガスの酸素濃度が検出されるのを防止可能となり、従って適切に検出された排気ガスの酸素濃度に基づいて燃料供給量を精密にフィードバック制御することができる。しかも単気筒4サイクルエンジンであることで排気通路内の排気ガスの流れに生じる大きな脈動の影響を受け難くなるので、排気ガス浄化触媒を排気ポートの近くに配置することができ、高温の排気ガスを排気ガス浄化触媒に供給して排気ガス浄化効果を高めるとともに、エンジンのコンパクト化を図ることができる。その上、制御手段に設けた行程判別手段により排気行程および圧縮行程を判別するので、クランクシャフトの位相が相互に同じである排気行程および圧縮行程を確実に判別することができる。
【0039】
また請求項2の発明によれば、クランクシャフトの角速度が排気行程で大きく圧縮行程で小さいことに鑑み、排気行程を圧縮行程から確実に判別することができる。
【0040】
また請求項3の発明によれば、クランクシャフトの1回転に要する時間が、排気行程を含むクランクシャフトの1回転で小さく圧縮行程を含むクランクシャフトの1回転で大きいことに鑑み、排気行程を圧縮行程から確実に判別することができる。
【0041】
また請求項4の発明によれば、排気行程はカムシャフトの1回転につき1回だけ発生するため、そのカムシャフトの位相に基づいて排気行程を確実に判別することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 単気筒4サイクルエンジンの縦断面図
【図2】 第1、第2パルス発生器の取付状態を示す図
【図3】 図2の3−3線矢視図
【図4】 第1パルス発生器が出力するパルスの説明図
【図5】 排気行程を判別する手法を示すタイミングチャート
【符号の説明】
19 クランクシャフト
22 排気ポート
26 吸気カムシャフト(カムシャフト)
27 排気カムシャフト(カムシャフト)
29 吸気バルブ
31 排気バルブ
33 排気ガス浄化触媒
34 酸素濃度センサ
37 行程判別手段
U 電子制御ユニット(制御手段)
Claims (4)
- 排気ポート(22)とその排気ポート(22)下流側の排気ガス浄化触媒(33)との間の排気通路に、その排気通路内を流れる排気ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度センサ(34)を設け、この酸素濃度センサ(34)からの信号に基づいて燃料供給量をフィードバック制御する制御手段(U)を備えた単気筒4サイクルエンジンであって、
前記制御手段(U)は、排気行程および圧縮行程を判別する行程判別手段(37)を備えていて、この行程判別手段(37)により判別した実排気行程の行程中に、前記酸素濃度センサ(34)が排気ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出タイミングを設定し、その酸素濃度検出タイミングで該酸素濃度センサ(34)が出力する信号に基づいて燃料供給量をフィードバック制御することを特徴とする単気筒4サイクルエンジン。 - 前記行程判別手段(37)は、クランクシャフト(19)の角速度を検出し、前記角速度の大きい方を排気行程と判別することを特徴とする、請求項1に記載の単気筒4サイクルエンジン。
- 前記行程判別手段(37)は、クランクシャフト(19)の1回転に要する時間を検出し、前記時間の短い方を排気行程と判別することを特徴とする、請求項1に記載の単気筒4サイクルエンジン。
- 前記行程判別手段(37)は、吸気バルブ(29)あるいは排気バルブ(31)を駆動するカムシャフト(26,27)の位相に基づいて排気行程を判別することを特徴とする、請求項1に記載の単気筒4サイクルエンジン。
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