JP4875554B2 - 単気筒内燃機関の運転制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の運転状態によって変化する因子を変数とする制御マップによって内燃機関の運転状態を制御し、前記因子がクランク角の角速度変動量である単気筒内燃機関の運転制御装置に関する。

内燃機関の燃費改善等の燃焼改善を図るために、測定した吸気負圧、もしくは他の測定値から演算によって吸気負圧等を予測したものを因子として、制御マップを切換えて内燃機関の運転制御を行うようにしたものが、特許文献１および特許文献２等で知られている。
特開２０００−２６５８９４号公報 特開２００４−１０８２８９号公報

ところが、上記特許文献１および特許文献２で開示されたものでは、負圧センサや、吸気負圧等の予測に用いるその他のセンサ装備によって、数種の因子から成る比較的複雑な演算が必要となっていた。またクランク角の検出についてもクランクシャフトに設けられる複数のリラクタによる複数のパルス検出が必要となっている。しかるに燃焼改善のための内燃機関の運転制御にあたって、演算の簡略化および部品点数の低減を図ることができれば、比較的低価格の自動二輪車にも適用することができ、さらなる環境改善につなげることができるであろう。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、演算の簡略化および部品点数の低減を図りつつ、燃焼改善を図った運転制御を実現し得るようにした単気筒内燃機関の運転制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、気筒が単一である内燃機関の運転状態によって変化するクランク角の角速度変動量を変数とする制御マップによって内燃機関の運転状態を制御可能な単気筒内燃機関の運転制御装置において、前記気筒の圧縮上死点前のクランク角でクランクシャフトに設けられた１つのリラクタの、前記クランクシャフトの回転方向に沿う先端部および後端部を前記クランクシャフトの回転に応じて検出してパルスを出力するパルサピックアップと、前記先端部および前記後端部の検出によって前記パルサピックアップから出力されるパルスの間隔に基づいて、前記気筒の圧縮上死点前で前記クランクシャフトの所定のクランク角変位に要する時間当たりの前記クランク角の角速度変動量を演算する演算手段とを備え、前記演算手段は、前記気筒の燃焼室内に吸入されるガスの絶対温度をＴとし、前記気筒の圧縮上死点前のクランク角での前記角速度変動量をΔωとし、前記時間をΔτとし、前記燃焼室への吸入空気量をＭとし、内燃機関により定まる定数をＡとしたときに成立する式 Δω／Δτ＝Ａ・Ｍ・Ｔを用いて、前記吸入空気量を推定することを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、気筒が単一である内燃機関において、１つのリラクタの回転方向に沿う先端部および後端部をクランクシャフトの回転に応じてパルサピックアップで検出し、該パルサピックアップから出力されるパルスの間隔に基づいてクランク角の角速度変動量を演算し、角速度変動量を変数とした制御マップによって内燃機関の運転状態を制御するので、内燃機関の運転状態に応じて変化する因子を検出するために必要な部品点数を低減するとともに、演算を簡略化して燃焼改善を図ることができる。しかもリラクタは、前記気筒の圧縮上死点前のクランク角でクランクシャフトに設けられていて、その圧縮上死点前のクランク角で角速度変動量を得るようにしているので、角速度の変動量が比較的大きい部分で角速度変動量を得るようにして正確な角速度変動量を得ることが可能となる。さらに前記気筒の圧縮上死点前のクランク角で得た角速度変動量を用いて吸入空気量を簡単に推定することができる。

以下、本発明の実施形態を、添付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。

図１〜図６は本発明の第１実施例を示すものであり、図１は内燃機関の運転制御装置の全体構成を示す図、図２はリラクタおよびパルサピックアップの出力タイミングの関係を示す図、図３は内燃機関の行程、リラクタおよびクランク角速度の関係を示す図、図４は制御ユニットによる制御手順を示すフローチャート、図５は点火時期を定める制御マップを示す図、図６は圧縮上死点付近でのクランク角速度の変化を示す図である。

先ず図１において、４サイクルである単気筒内燃機関ＥＡの吸気管１にはキャブレター２が介設されており、該キャブレター２によって吸入空気量および燃料供給量が制御され、点火プラグ３の点火によって内燃機関ＥＡ内で燃料が燃焼される。

内燃機関ＥＡのクランクシャフト４には発電機ＡＣＧのロータ５が固定され、このロータ５には、単一気筒の圧縮上死点前の基準点火タイミングによって定めるクランク角位置で１つのリラクタ６が設けられており、前記リラクタ６は、クランクシャフト４の回転に応じてパルサピックアップ７で検出されるものであり、パルサピックアップ７は、クランクシャフト４の回転方向１３に沿う前記リラクタ６の先端部６ａおよび後端部６ｂをクランクシャフト４の回転に応じて検出してパルスを出力する。

而してパルサピックアップ７は、図２で示すように、クランクシャフト４の回転に応じて前記リラクタ６の回転方向１３に沿う先端部６ａを検出するのに応じた立ち上がりのパルスと、前記回転方向１３に沿う前記リラクタ６の後端部６ｂを検出するのに応じた立ち下がりのパルスとを出力する。而して前記クランクシャフト４の軸線を中心とする角度θの範囲にリラクタ６が設けられているときに、前記パルサピックアップ７は、クランク角θの間隔で立ち上がりのパルスおよび立ち下がりのパルスを出力することになり、立ち上がりおよび立ち下がりのパルスの出力タイミング間の時間をτとし、パルサピックアップ７から出力される立ち上がりおよび立ち下がりのパルス間の平均角速度をωｔｄｃとすると、ωｔｄｃ＝θ／τとなる。

ところで、気筒が単一である４サイクル内燃機関ＥＡのクランク角速度ωは、図３で示すように、単一気筒の４サイクルの各行程毎に変動するものであり、圧縮行程では燃焼室内に圧縮抵抗が発生することに起因してクランク角速度ωが大きく減少し、燃焼・膨張行程では燃焼に伴う燃焼室内の圧力上昇に起因してクランク回転エネルギーが発生することによってクランク角速度ωが大きく増加し、排気行程では燃焼が終了してクランク角速度ωがピークに達した後に機械的な摩擦抵抗および排気による既燃ガスの排出抵抗が発生することに伴ってクランク角速度ωが減少し、さらに吸気行程では、吸入抵抗などのポンプ仕事が発生することによってクランク角速度ωが減少する。

しかも内燃機関ＥＡの回転速度Ｎｅすなわち図３の鎖線で示すクランク角速度の平均値ωａが同一の場合に、高トルク、高吸入空気量のときのクランク角速度ωは、図３の実線で示すように変化し、低トルク、低吸入空気量のときのクランク角速度ωは、図３の破線で示すように変化するものであり、出力トルクが高く、吸入空気量が多いほどクランク角速度ωの変動が大きくなる。

前記パルサピックアップ７の出力信号は、電子制御ユニット８Ａに入力されるものであり、該電子制御ユニット８Ａは、ＣＰＵ９Ａと、ＲＡＭやＲＯＭ等で構成されるメモリ１０Ａとを備え、前記ＣＰＵ９Ａは、前記パルサピックアップ７から出力される立ち上がりおよび立ち下がりのパルスの間隔に基づいて内燃機関ＥＡの回転数および前記クランク角の角速度変動量を演算する演算手段１１の機能と、該演算手段１１の演算結果に基づいて前記点火プラグ３の点火時期を定める処理手段１２Ａの機能とを有する。またメモリ１０Ａには、吸入空気温度や機関温度（もしくは冷却水温度）に応じて点火時期を補正するための補正係数の補正係数マップが予め記憶される。

前記電子制御ユニット８Ａは、図４で示す手順に従って、点火プラグ３の点火時期を制御するものであり、ステップＳ１〜ステップＳ４の処理が前記演算手段１１で実行され、ステップＳ５〜ステップＳ７の処理が前記処理手段１２で実行される。

図４のステップＳ１では、内燃機関ＥＡの回転速度Ｎｅ（ωａ）を算出するものであり、この実施例では、前記パルサピックアップ７から出力される立ち上がりおよび立ち下がりの一方を、予め定めた回数Ｎのカウントに要した時間Ｔによって算出する。すなわちωａ＝Ｎ×３６０°／Ｔであり、前記Ｎはたとえば「２」である。

ステップＳ２では、圧縮上死点を判別する。ここで前記パルサピックアップ７からは、圧縮上死点前の点火時期を定めるクランク角、ならびに排気行程および吸気行程間のオーバーラップ上死点前のクランク角で、立ち上がりおよび立ち下がりのパルスを出力するのであるが、図３で示したように、圧縮上死点前のクランク角でのクランク角速度ωはクランク角速度の平均値ωａよりも小さく、オーバーラップ上死点前のクランク角速度ωはクランク角速度の平均値ωａよりも大きいので、前記パルサピックアップ７から出力されるパルスが、圧縮上死点前か、オーバーラップ上死点前かの判別は容易である。

ステップＳ３では、内燃機関ＥＡの運転状態によって変化する因子であるクランク角の角速度変動量Δωを算出するものであり、該角速度変動量Δωは、（Δω＝ωａ−ωｔｄｃ）として算出される。しかも内燃機関ＥＡの回転速度Ｎｅによる影響を排除するために、回転速度Ｎｅが一定のときの全負荷状態（最大スロットル開度の状態）のときの前記角速度変動量ωｗｏｔで前記角速度変動量Δωを除すことによって無次元化した無次元値ω^* （＝ωｔｄｃ／ωｗｏｔ）が算出される。さらに次のステップＳ４では、前記無次元値ω^* の平滑化処理が実行される。

ステップＳ５では、予め定められたマップに従って点火時期が検索される。すなわち前記無次元値ω^* と、内燃機関ＥＡの回転速度Ｎｅとに基づいて、図５で示すマップが予め準備されてメモリ１０に記憶されており、ステップＳ５では、そのマップに従って前記無次元値ω^* および内燃機関ＥＡの回転速度Ｎｅに基づいて、点火時期を検索する。

次のステップＳ６では、ステップＳ５で得られた点火時期に各種補正たとえば加速補正や温度補正がなされる。而して加速補正は、角速度変動量Δωのサイクル変化に基づく補正であり、今回の角速度変動量をΔω_n とし、前回の角速度変動量をΔω_n-1 としたときに補正値ｋ１がｋ１＝ｆ（Δω_n −Δω_n-1 ）として得られる。また温度補正は、吸入空気温度および機関温度（もしくは冷却水温度）に基づく補正であり、補正値ｋ２が、ｋ２＝ｆ｛吸入空気温度，機関温度（もしくは冷却水温度）｝として得られる。

さらにステップＳ７では、ステップＳ６で補正された点火時期が出力され、その点火時期で点火プラグ３が点火されることになる。

ところで上述のように、角速度変動量Δωおよび内燃機関ＥＡの回転速度Ｎｅに基づいて点火時期を定めることにより、吸入空気量を算出することなく、内燃機関ＥＡの運転制御を行うことが可能となるのであるが、上記角速度変動量Δωを用いれば吸入空気量を簡単に推定することも可能であり、以下にその推定手法について説明する。

内燃機関ＥＡのトルク変動ΔＮは、内燃機関ＥＡの正味トルクおよび走行抵抗トルクの差であり、シリンダ内圧力による内燃機関ＥＡの出力トルクをＮ_{cylindere.work}とし、内燃機関ＥＡの摩擦抵抗トルクをＮ_frictionとし、走行抵抗トルクをＮ_loadとしたときに、クランクシャフト４の等価慣性モーメントＩとの関係は以下の運動方程式で表すことができる。

ΔＮ＝（Ｎ_{cylindere.work}−Ｎ_friction）−Ｎ_load＝Ｉ・（ｄω／ｄｔ）…（１）
ここでシリンダ内の圧力をＰ_cylinder、シリンダ内径をＢ、燃焼室内ガス質量をＭ、ガス定数をＲ、ガス絶対温度をＴ、シリンダ内容積をＶとし、トルク計算上の有効半径をｒとしたときに、 Ｎ_{cylindere.work}＝Ｐ_cylinder・（π／４）Ｂ² ・ｒ…（２） Ｐ_cylinder＝Ｍ・Ｒ・Ｔ／Ｖ…（３） であり、摩擦抵抗トルクＮ_frictionおよび走行抵抗トルクＮ_loadを無視した上記式（１）に上記式（２）および式（３）を代入すると、 ｄω／ｄｔ＝（１／Ｉ）・（Ｍ・Ｒ・Ｔ／Ｖ）・（π／４）Ｂ² ・ｒ…（４） となる。

ところで圧縮上死点前においてクランク角速度ωは、図６で示すように、減速するものであり、圧縮上死点前での減速の傾き（ｄω／ｄｔ）は、圧縮上死点前の２点間で近似することが可能であり、２点間の時間をΔτとしたときに、平均のクランク角速度すなわち内燃機関ＥＡの回転速度Ｎｅからの角速度変動量をΔωとすると、 ｄω／ｄｔ＝Δω／Δτ…（５） である。

而して圧縮上死点前での角速度変動量Δωは、リラクタ６を検出するパルサピックアップ７から出力されるパルスによって得られる平均角速度ωｔｄｃに基づいて（Δω＝Ｎｅ−ωｔｄｃ）として算出されるものであり、上記式（４）は、 Δω／Δτ＝Ｍ・Ｔ・（１／Ｉ）・（Ｒ／Ｖ）・（π／４）Ｂ² ・ｒ…（６） となる。

ここでＭは燃焼室に吸入される空気量であり、また｛（１／Ｉ）・（Ｒ／Ｖ）・（π／４）Ｂ² ・ｒ｝は一定であり、その一定値を定数Ａとすれば、（６）式は、
Δω／Δτ＝Ａ・Ｍ・Ｔ……（６′）
と書換えられる。従って、例えば、内燃機関ＥＡの回転速度Ｎｅが同一であるときにはΔτは一定であると仮定すると、Δω∝Ｍ・Ｔであり、吸入温度Ｔが一定であるときには、Δω∝Ｍであり、リラクタ６を検出するパルサピックアップ７から出力されるパルスに基づいて得られた角速度変動量Δωによって吸入空気量を簡単に推定することができる。

次にこの第１実施例の作用について説明すると、クランクシャフト４の回転に応じて該クランクシャフト４に設けられた１つのリラクタ６の回転方向１３に沿う先端部６ａおよび後端部６ｂを検出してパルサピックアップ７から出力される立ち上がりおよび立ち下がりのパルスの間隔に基づいて、電子制御ユニット８ＡのＣＰＵ９Ａにおける演算手段１１が、内燃機関ＥＡの回転速度Ｎｅおよびクランク角の角速度変動量Δωを演算し、その演算手段１１の演算結果に基づいて、処理手段１２Ａが角速度変動量Δωを変数とした制御マップによって点火プラグ３の点火時期を定めるようにして内燃機関ＥＡの運転状態を制御するので、内燃機関ＥＡの運転状態に応じて変化する因子を検出するために必要な部品点数を低減するとともに、演算を簡略化して燃焼改善を図ることができる。

しかもリラクタ６が、圧縮上死点前のクランク角でクランクシャフト４に設けられるので、圧縮上死点前のクランク角で角速度変動量Δωを得るようにしており、角速度変動量Δωが比較的大きい部分で角速度変動量を得るようにして正確な角速度変動量Δωを得ることが可能となる。

さらにパルサピックアップ７で前記先端部６ａおよび前記後端部６ｂを検出するリラクタ６は、内燃機関ＥＡの基準点火タイミングを検出するために発電機ＡＣＧのロータ５に設けられており、当該リラクタ６が前記基準点火タイミングの検出ならびにクランク角の角速度変動量Δωの演算に用いられるので、発電機ＡＣＧの１つのリラクタ６だけで内燃機関ＥＡの運転制御を行うことができる。このことにより、たとえば基準点火タイミングのみを検出するだけで点火時期の制御や燃料噴射量の制御を行わない廉価な内燃機関用発電機を流用することができ、前記点火時期制御や燃料噴射量制御等の運転制御を行う内燃機関ＥＡのコストの低減が容易となる。

図７は本発明の第２実施例を示すものであり、上記第１実施例に対応する部分には同一の参照符号を付して図示するのみで、詳細な説明は省略する。

この内燃機関ＥＢは、点火プラグ３と、運転状態に応じて作動特性を変化させる可変動弁機構１４とを備えており、この内燃機関ＥＢに、エアクリーナ１５で浄化された空気を内燃機関ＥＢに導く吸気管１６の途中にはスロットル弁１７が回動可能に配設され、該スロットル弁１７よりも下流側で前記吸気管１６内には燃料噴射弁１８によって燃料が供給される。また前記スロットル弁１７よりも下流側の吸気管１６と、内燃機関ＥＢから排出される排ガスを導く排気管１９との間には排ガス再循環装置２０が設けられる。

前記内燃機関ＥＢのクランクシャフト４の回転に応じて、上記第１実施例と同様に単一のリラクタを検出するパルサピックアップ７からパルス信号が出力されるものであり、このパルサピックアップ７の出力信号は、電子制御ユニット８Ｂに入力される。該電子制御ユニット８Ｂは、ＣＰＵ９Ｂと、ＲＡＭやＲＯＭ等で構成されるメモリ１０Ｂとを備え、前記ＣＰＵ９Ｂは、前記パルサピックアップ７から出力される立ち上がりおよび立ち下がりのパルスの間隔に基づいて内燃機関ＥＢの回転数およびクランク角の角速度変動量を演算する演算手段１１の機能と、該演算手段１１の演算結果に基づいて前記点火プラグ３の点火時期、可変動弁機構１４の作動特性、燃料噴射弁１８の噴射開始時期および噴射量、ならびに排ガス再循環装置２０による排ガス再循環開始時期および排ガス再循環量を制御する処理手段１２Ｂの機能とを有する。

すなわちパルサピックアップ７の出力信号に基づいてＣＰＵ９Ｂの演算手段１１で演算されるクランク角の角速度変動量Δωを変数とする制御マップに基づき、第１実施例にておける点火プラグ３の点火時期制御に加えて、可変動弁機構１５の作動特性制御、燃料噴射弁１８の噴射開始時期および噴射量の制御、ならびに排ガス再循環装置２０による排ガス再循環開始時期および排ガス再循環量の制御が実行されることなり、内燃機関ＥＢの運転状態に応じて変化する因子を検出するために必要な部品点数を低減するとともに、演算を簡略化して燃焼改善を図ることができる。

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明を逸脱することなく種々の設計変更を行うことが可能である。

たとえば上記実施例では、クランクシャフト４に１つのリラクタ６が設けられる場合について説明したが、クランクシャフト４に複数のリラクタが設けられていてもよく、その場合、複数のリラクタのうちの１つを用いて角速度変動量Δωの演算を行うようにすればよい。

第１実施例の内燃機関の運転制御装置の全体構成を示す図 リラクタおよびパルサピックアップの出力タイミングの関係を示す図 内燃機関の行程、リラクタおよびクランク角速度の関係を示す図 制御ユニットによる制御手順を示すフローチャート 点火時期を定める制御マップを示す図 圧縮上死点付近でのクランク角速度の変化を示す図 第２実施例の内燃機関の運転制御装置の全体構成を示す図

４・・・・クランクシャフト
５・・・・ロータ
６・・・・リラクタ
６ａ・・・先端部
６ｂ・・・後端部
７・・・・パルサピックアップ
１１・・・演算手段
ＡＣＧ・・発電機
ＥＡ・・・内燃機関（第１実施例）
ＥＢ・・・内燃機関（第２実施例）

Claims (1)

1. 気筒が単一である内燃機関（ＥＡ，ＥＢ）の運転状態によって変化するクランク角の角速度変動量を変数とする制御マップによって内燃機関（ＥＡ，ＥＢ）の運転状態を制御可能な単気筒内燃機関の運転制御装置において、
   前記気筒の圧縮上死点前のクランク角でクランクシャフト（４）に設けられた１つのリラクタ（６）の、前記クランクシャフト（４）の回転方向に沿う先端部（６ａ）および後端部（６ｂ）を前記クランクシャフト（４）の回転に応じて検出してパルスを出力するパルサピックアップ（７）と、
   前記先端部（６ａ）および前記後端部（６ｂ）の検出によって前記パルサピックアップ（７）から出力されるパルスの間隔に基づいて、圧縮上死点前で前記クランクシャフト（４）の所定のクランク角変位に要する時間（Δτ）当たりの前記クランク角の角速度変動量（Δω）を演算する演算手段（１１）とを備え、
   前記演算手段（１１）は、前記気筒の燃焼室内に吸入されるガスの絶対温度をＴとし、前記気筒の圧縮上死点前のクランク角での前記角速度変動量をΔωとし、前記時間をΔτとし、前記燃焼室への吸入空気量をＭとし、内燃機関により定まる定数をＡとしたときに成立する式
   Δω／Δτ＝Ａ・Ｍ・Ｔ
   を用いて、前記吸入空気量（Ｍ）を推定することを特徴とする、単気筒内燃機関の運転制御装置。

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