JP5053780B2 - 行程判別手段を備える内燃機関 - Google Patents
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Description
その一環として、本出願人は、内燃機関のクランク軸の角速度の変動量が吸入空気量と強い相関を有することを見出し、該変動量に基づいて機関運転状態を制御する発明を出願した(特許文献1参照)。この発明によれば、吸入空気量を検出するためのエアフローメータや吸気圧センサが不要になるので、内燃機関のコストが削減される。
また、クランク軸の角速度の変動量は、図2に示されるように、吸入空気量に依存して変化すると共に、前記複数の行程、例えば吸気行程、圧縮行程、燃焼・膨張行程および排気行程において異なり、圧縮行程、燃焼・膨張行程および排気行程では、吸気行程に比べて大きく変化する。そして、該変動量に基づいて機関運転状態の制御が行われる場合、該変動量を高い精度で検出するためには、該変動量が大きくなる行程、例えば圧縮行程での変動量を検出することが望ましい。
そこで、例えば被検出部が圧縮行程または排気行程に対応するクランク角範囲に設けられ、かつ圧縮行程における上死点(以下、「圧縮上死点」という。)の近傍での角速度の変動量を検出する場合、該クランク角範囲に対応する圧縮行程および排気行程について圧縮行程を判別するために、角速度が圧縮行程では排気行程よりも小さいことを利用している。
しかしながら、内燃機関の始動初期やアイドル運転時などでスロットル弁が急激に開閉される場合のように、クランク軸が1,2回転する間に機関回転速度が大きく変動する運転時には、図7に示されるように、排気行程における上死点(以下、「排気上死点」という。)付近での角速度が圧縮行程での圧縮上死点付近での角速度よりも小さくなる逆転現象が生じることがある。この逆転現象が発生すると、排気行程を圧縮行程であると判別してしまう場合がある。
請求項2記載の発明は、請求項1記載の内燃機関において、前記第1変化量および前記第2変化量は、それぞれ第1減速度および第2減速度であり、前記行程判別手段は、前記第1減速度および前記第2減速度のうちで大きい減速度となる行程を前記特定行程としての前記圧縮行程であると判別するものである。
請求項3記載の発明は、請求項1または2記載の内燃機関において、前記角速度の変動量を検出する変動量検出手段と、前記変動量検出手段により検出された前記変動量に基づいて機関運転状態を制御する制御手段とを備え、前記行程判別手段は、前記第1変化量および前記第2変化量のうちでその絶対値が大きい変化量となる行程を前記特定行程であると判別し、前記変動量検出手段は、前記特定行程での前記変動量を検出するものである。
また、クランク角センサの被検出部が、前側角速度を設定する第1被検出部および後側角速度を設定する第2被検出部から構成されるので、簡単な構造により、第1変化量および第2変化量を算出するための前側角速度および後側角速度が得られる。
請求項2記載の事項によれば、前側角速度および後側角速度間の減速度を利用することにより、圧縮行程および排気行程のうちで圧縮行程を判別することができる。
請求項3記載の事項によれば、クランク軸の角速度の変動量に基づいて機関運転状態が制御される内燃機関において、該変動量が大きくなる特定行程での変動量が変動量検出手段により検出される。この結果、吸入空気量が変化する広範囲の運転域に渡って、高い精度で変動量を検出することができるので、変動量に基づく機関運転状態の制御精度が向上する。
図1を参照すると、本発明が適用された内燃機関Eは、4ストローク1サイクル内燃機関であり、機械としての車両、例えば自動二輪車または鞍乗り型車両に搭載される。
ここで、燃焼空間6は、機関本体においてピストン3とシリンダヘッド2との間に形成された空間であり、シリンダヘッド2の下面の凹部により形成される燃焼室6aと、ピストン3とシリンダヘッド2との間のシリンダボア1aとから構成される空間である。
燃焼空間6内での混合気の燃焼により発生する燃焼ガスの圧力で駆動されるピストン3は、コンロッド4を介してクランク軸5を回転駆動する。内燃機関Eが発生する動力は、クランク軸5に連結された変速機を含む動力伝達装置を介して駆動輪に伝達される。
排気還流装置22は、吸気通路7aに還流される排気ガスの流量を制御する還流制御弁22aを備える。
動弁装置23は、機関弁である吸気弁13および排気弁14の弁作動特性である弁リフト量および開閉時期の少なくとも一方を機関状態に応じて変更可能とする弁特性可変機構23aを備える可変動弁装置である。
円板状のロータ9から径方向外方に突出して周方向に円弧状に延びているリラクタ31は、内燃機関Eの前述の4つの行程のうちの1つの行程、この実施形態では圧縮行程または排気行程に対応するクランク角範囲α(図1参照。α=180°である。)でクランク軸5に設けられた2つのリラクタ31a,31b、すなわち第1被検出部としての第1リラクタ31aと、クランク軸5の正転時の回転方向Rで第1リラクタ31aよりも後方に所定のクランク角範囲(すなわち所定の位相差)θ2の間隔で離れている第2被検出部としての第2リラクタ31bとから構成される。
ω1=θ1/τ1
ω2=θ2/τ2
ω3=θ3/τ3
ここで、τ1,τ2,τ2は、それぞれ、両パルスP1,P2間、両パルスP2,P3間および両パルスP3,P4間の時間である。
そして、機関回転速度Neは、クランク軸5が1回転するときの平均角速度であり、クランク角センサ30により検出された位相および角速度検出手段33により検出された角速度ωに基づいてECU24により、具体的には回転速度検出手段34により算出される。
Δω=ω3−Ne (1)
それゆえ、変動量検出手段35は、角速度検出手段33により検出された角速度ωおよび回転速度検出手段34により検出された機関回転速度Neに基づいて変動量Δωを検出する。
内燃機関Eのトルク変動に起因して発生するこの変動量Δωについて、次式で表されるクランク軸5系の運動方程式を用いて説明する。なお、トルクおよび角速度ωなどの正の向きは、回転方向Rである。
ΔN=Nc−Nf−Nr=I・(dω/dt) (2)
ここで、
I :クランク軸系の等価慣性モーメントI
Nc:燃焼空間6内の圧力によりクランク軸5に作用するトルク
Nf:摩擦抵抗トルク
Nr:走行抵抗トルク
そして、トルクNcは、燃焼空間6内の圧力Pcを用いて、次式で表される。
Nc=Pc・(π/4)・D2・r (3)
Pc=M・R・T/V (4)
ここで、
D :シリンダボア1aの径
r :クランク半径
M :燃焼空間6内のガス質量
R :ガス定数
T :ガスの絶対温度
V :ピストン3とシリンダヘッド2との間の容積
dω/dtは、角速度ωの時間微分であり、微小時間Δτでの角速度ωの変動量Δωを用いて、次式で近似することができる。
dω/dt=Δω/Δτ
式(5)において、[(1/I)・(R/V)・(π/4)・D2・r]は、エンジン諸元および物理定数で決まることから、機関回転速度Neが一定であるときには、Δτが一定となって、次式が得られる。
したがって、変動量Δωはガス質量Mおよび絶対温度Tの積に正比例する。
そのため、内燃機関Eには、前述の4つの行程のうちで、リラクタ31が設けられるクランク角範囲αに対応する複数の行程としての第1行程および第2行程において、該第1行程(以下、単に「第1行程」という。)および該第2行程(以下、単に「第2行程」という。)のいずれかを前記特定行程としての圧縮行程であると判別する行程判別手段44が備えられる。この実施形態において、第1行程は圧縮行程および排気行程の一方の行程であり、第2行程は圧縮行程および排気行程の他方の行程である。
行程判別手段44は、圧縮行程および排気行程におけるこのような角速度ωの変化量(または変化量の絶対値)の相違を利用して行程を判別するものである。
ωf=ω1またはωf=ω2またはωf=(ω1+ω2)/2
ωr=ω3
それゆえ、前側角速度ωfは第1リラクタ31aのみの位相または第1,第2リラクタ31a,31bの位相での角速度ωにより決定されることから、少なくとも第1リラクタ31aの位相での角速度ωにより設定される。一方、後側角速度ωrは第2リラクタ31bのみの位相での角速度ωにより設定される。そして、前側位相は、クランク軸5において、パルスP1またはパルスP2が発生する位相であり、後側位相は、クランク軸5において、パルスP3が発生する位相である。
Δωs=ωf−ωr
変化量算出手段46で算出された第1行程における減速度Δωs1および第2行程における減速度Δωs2に基づいて、両減速度Δωs1,Δωs2がECU24により、具体的には比較手段47により比較される。
ステップS1で、内燃機関Eの運転開始後に、クランク角センサ30により最初に検出されるクランク軸5の位相に基づいて角速度検出手段33により角速度ωが検出され、該角速度ωに基づいて角速度設定手段45により第1行程での前側角速度ωf1および後側角速度ωr1が設定される。次いで、ステップS2で、クランク軸5の1回転後に、クランク角センサ30により検出されるクランク軸5の位相に基づいて角速度検出手段33により検出された角速度ωに基づいて、角速度設定手段45により第2行程での前側角速度ωf2および後側角速度ωr2が設定される。
ステップS11で、回転速度検出手段34により検出された機関回転速度Neおよび変動量検出手段35により検出された変動量Δωが読み込まれ、ステップS12で、行程判別手段44での判別結果に基づいて圧縮上死点が判別される。次いで、ステップS13で、変動量Δωおよび機関回転速度Neを変数とした点火時期マップMiが検索されて、変動量Δω(すなわち吸入空気量)および機関回転速度Neに応じた基本点火時期が設定される。
加速補正は、サイクル毎の変動量Δωの変化量に基づいて設定される。具体的には、今回および1サイクル前の前回の変動量Δωをそれぞれ今回変動量Δω(n)および前回変動量Δω(n−1)としたとき、今回変動量Δω(n)および前回変動量Δω(n−1)との間の変化量に基づいて設定される補正値により基本点火時期が補正される。
また、温度補正は、吸入空気温度および機関温度(例えば冷却水温度)に基づく補正であり、各温度に対応して設定される補正値により基本点火時期が補正される。
次いで、ステップS15おいて、補正後の点火時期が点火装置21に出力されて、該点火時期に点火栓21aによる点火が行われる。
このとき、空燃比制御手段40は、変動量Δωおよび機関回転速度Neを変数として燃料量が定められた燃料量マップMfに基づいて燃料噴射弁20を制御し、さらに行程判別手段44での判別結果から定められる圧縮上死点に基づいて噴射時期が設定される。同様に、排気還流制御手段42は、変動量Δωおよび機関回転速度Neを変数として還流制御弁22aの開度が定められた排気還流マップMeに基づいて還流制御弁22aを制御し、動弁制御手段43は、変動量Δωおよび機関回転速度Neを変数として弁リフト量または開閉時期に対応させて弁特性可変機構23aのアクチュエータの作動位置が定められた動弁マップMvに基づいて該アクチュエータを制御する。
内燃機関Eの行程判別手段44は、リラクタ31における前側位相および回転方向Rで該前側位相よりも後方の後側位相でのそれぞれの前側角速度ωfおよび後側角速度ωrを設定する角速度設定手段45と、内燃機関Eの1サイクル中の4つの行程のうちでクランク角範囲αに対応する圧縮行程および排気行程の一方を第1行程、他方を第2行程するとき、第1行程における前側角速度ωf1と後側角速度ωr1との間の第1減速度Δωs1と第2行程における前側角速度ωf2と後側角速度ωr2との間の第2減速度Δωs2とを算出する変化量算出手段46と、第1減速度Δωs1および第2減速度Δωs2を比較する比較手段47とを備え、比較手段47での比較結果に基づいて第1行程および第2行程のいずれかを特定行程である圧縮行程と判別することにより、該行程判別手段44は、該特定行程の判別対象となる第1行程および第2行程において、それらの各行程での前側角速度ωf1,ωf2および後側角速度ωr1,ωr2の減速度Δωs1,Δωs2に基づいて特定行程を判別するので、コスト削減を図りつつ、第1,第2行程での同じクランク軸5の位相での角速度ωの逆転現象が発生する運転時においても、確実に特定行程である圧縮行程を判別することができる。この結果、クランク角センサ30の検出信号から角速度検出手段33により検出された角速度ωに基づいて前述の4つの行程のうちの特定行程である圧縮行程を判別する行程判別手段44の行程判別精度が向上する。
クランク角センサ30が設けられるクランク軸5の位相は、圧縮行程および排気行程以外の行程での位相であってもよく、したがって第1行程および第2行程は、圧縮行程および排気行程以外の行程であってもよい。また、前記特定行程は、圧縮行程以外の行程であってもよい。
行程判別手段44において、減速度Δωs(または変化量)のほかに、第1,第2行程での同一位相における角速度ωの大きさも比較して、減速度Δωsおよび角速度ωの双方での比較に基づいて前記特定行程が判別されてもよい。
各制御手段による機関運転状態の制御に使用される変動量Δωは、圧縮行程以外の行程でのものであってもよい。
内燃機関は、車両以外の機械に搭載されてもよい。
E…内燃機関、Ne…機関回転速度、ω,ωf,ωr…角速度、Δω…変動量、Δωs…減速度。
Claims (3)
- クランク軸(5)の位相を検出するクランク角センサ(30)と、前記クランク角センサ(30)の検出信号に基づいて前記クランク軸(5)の角速度(ω)を検出する角速度検出手段(33)と、前記角速度検出手段(33)により検出された前記角速度(ω)に基づいて1サイクル中の複数の行程のうちの特定の行程を判別する行程判別手段(44)とを備える内燃機関において、
前記クランク角センサ(30)は、前記複数の行程のうちの圧縮行程および排気行程の1つに対応するクランク角範囲(α)で前記クランク軸(5)に設けられた被検出部(31a,31b)と、前記被検出部(31a,31b)の位相を検出する検出部(32)とから構成され、
前記被検出部(31a,31b)は、第1被検出部(31a)と、前記回転方向で前記第1被検出部(31a)よりも後方の第2被検出部(31b)とから構成され、
前記行程判別手段(44)は、前記被検出部(31a,31b)における前側位相にある前記第1被検出部(31a)での角速度に基づいて設定される前側角速度(ωf)および前記被検出部(31a,31b)における後側位相にある前記第2被検出部(31b)での角速度に基づいて設定される後側角速度(ωr)を設定する角速度設定手段(45)と、前記複数の行程のうちで前記クランク角範囲(α)に対応する圧縮行程および排気行程について、前記圧縮行程における前記前側角速度(ωf)と前記後側角速度(ωr)との間の第1変化量(Δωs1)と前記排気行程における前記前側角速度(ωf)と前記後側角速度(ωr)との間の第2変化量(Δωs2)とを算出する変化量算出手段(46)と、前記第1変化量(Δωs1)および前記第2変化量(Δωs2)を比較する比較手段(47)とを備え、前記比較手段(47)での比較結果に基づいて前記圧縮行程および前記排気行程のいずれかを前記特定行程であると判別することを特徴とする内燃機関。 - 前記第1変化量および前記第2変化量は、それぞれ第1減速度(ΔωS1)および第2減速度(ΔωS2)であり、
前記行程判別手段(44)は、前記第1減速度(ΔωS1)および前記第2減速度(ΔωS2)のうちで大きい減速度となる行程を前記特定行程としての前記圧縮行程であると判別することを特徴とする請求項1記載の内燃機関。 - 前記角速度の変動量を検出する変動量検出手段(35)と、前記変動量検出手段(35)により検出された前記変動量(Δω)に基づいて機関運転状態を制御する制御手段(41)とを備え、 前記行程判別手段(44)は、前記第1変化量(ΔωS1)および前記第2変化量(ΔωS2)のうちでその絶対値が大きい変化量となる行程を前記特定行程であると判別し、
前記変動量検出手段(35)は、前記特定行程での前記変動量を検出することを特徴とする請求項1または2記載の内燃機関。
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