JP5086228B2

JP5086228B2 - 内燃機関の運転制御装置

Info

Publication number: JP5086228B2
Application number: JP2008297947A
Authority: JP
Inventors: 宏二青木; 陽一高橋; 遼亮井畑
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-01-31
Filing date: 2008-11-21
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2028-11-21
Also published as: CN101498250B; CN101498250A; TWI388719B; JP2009203976A; TW200940819A

Description

本発明は、内燃機関の運転制御装置に係り、特に燃費の改善およびエミッション性能の向上を図るための技術に関する。

内燃機関に関し、車両に搭載されるものを含めて、燃費の改善およびエミッション性能の向上の要求が一層高まっている状況下で、そのような要求を満たした内燃機関の普及を図るために、コストの削減も重要である。
例えば、内燃機関の運転制御装置が、スロットル弁の開度を検出するスロットル弁開度センサと、クランク軸が所定クランク角を回転するのに要した時間を検出する時間検出部と、混合気を形成する混合気形成部として機能する燃料噴射弁から供給される燃料量を設定する空燃比制御部と、を備え、この空燃比制御部が、スロットル弁の開度に基づいて燃料量を設定する制御と、時間検出部により検出された時間から算出された吸入空気量に基づいて燃料量を設定する制御とを、内燃機関の運転域に応じて切り換えて行うものが知られている（例えば特許文献１参照）。

この運転制御装置によれば、燃料供給量を設定するために、時間検出部により検出された時間から吸入空気量が算出されるので、エアフローメータや吸気圧センサが不要になって、運転制御装置のコストが削減される。
また、燃費の改善およびエミッション性能の向上を図るために、内燃機関の状態を検出する機関状態検出部および排気ガスの成分から空然比を検出する空然比センサ（例えば酸素濃度センサ）を設け、検出された内燃機関の状態に基づいて混合気形成部から供給される燃料供給量の基本量を設定するとともに、検出された空然比に基づいて燃料供給量の該基本量を補正して燃料量を設定する内燃機関の運転制御装置はよく知られている。
特開２００４−１０８２８９号公報

ところで、４サイクルの内燃機関において、燃焼行程では、大きい燃焼エネルギー（正のエネルギー）が発生する。一方、排気行程においては排気抵抗によりエネルギーが吸収され、吸入行程においては吸気抵抗によりによりエネルギーが吸収され、圧縮行程においては、圧縮抵抗によりエネルギーが吸収される。つまり、排気行程、吸入行程および圧縮行程においては、負のエネルギーが発生する。さらに負のエネルギーとしては、機械的な摩擦抵抗によるエネルギー吸収がある。
また、圧縮行程における負のエネルギー量は、排気行程における負のエネルギーより大きい。このエネルギー量の差は、吸入空気の圧縮に要するエネルギー、すなわち、圧縮抵抗を反映した値となっている。

一方、低負荷領域、すなわち、低出力運転時は、排気損失は非常に小さいので、排気抵抗における負のエネルギー量は、摩擦抵抗によるものと考えられる。
この結果、クランク軸の角速度は、内燃機関の１サイクルを構成する燃焼行程、排気行程、吸気行程および圧縮行程の各行程で変動することとなる。
ところで、エンジン回転数を同一とした場合、吸入空気量が多いほど、あるいは、内燃機関が発生するトルクが大きいほど、クランク軸の角速度が大きく変動する。
また、エンジン回転数が一定の場合において、角速度の変動量と吸入空気量との間には線形的な強い相関がある。
したがって、エンジン回転数が定まれば、角速度の変動量で吸入空気量を推定することができる。
しかし、空燃比センサに頼らずに制御を行うことを考えた場合に、エンジン回転数がエンジン回転数の検出後に大きく変化した場合には、算出した空気吸入量がずれる可能性があり、より一層空気吸入量の推定精度を向上させることが望まれる。
具体的には、クランク軸の角速度の検出時における実際のエンジン回転数が、演算に用いられるエンジン回転数値に対して大きい場合には、算出される空気吸入量が実際に要求される空気吸入量よりも少なくなってしまう場合がある。この結果、実際に要求される点火タイミングよりも早いタイミングで点火タイミングが設定されてしまうこととなる。
一方、クランク軸の角速度の検出時における実際のエンジン回転数が、演算に用いられるエンジン回転数値に対して小さい場合には、算出される空気吸入量が実際に要求される空気吸入量よりも多くなってしまう場合がある。この結果、実際に要求される点火タイミングよりも遅いタイミングで点火タイミングが設定されてしまうこととなる。
また、従来、リラクタおよびピックアップを用いて、クランク軸の角速度を検出する場合には、検出されたパルス幅に相当するリラクタ電気角として、予め定めた固定値を用いて角速度などを算出するように構成していたため、リラクタあるいはピックアップの誤差（寸法誤差、検出誤差などの量産公差など）によって実際に車両に搭載されたリラクタおよびピックアップにより検出されるリラクタ電気角が制御上、予め定めたリラクタ電気角と等しくなるとは限らず、内燃機関の負荷状態の検出精度の向上の余地がある場合があった。

そこで、本発明の目的は、空燃比センサに頼ることなく、エンジン回転数の変動が大きい場合にも適切にエンジンの負荷状態（例えば、吸入空気量）を算出してより好適な運転制御（例えば、点火タイミング制御）を行うことができる内燃機関の運転制御装置を提供することにある。また、リラクタあるいはピックアップの量産時の公差などの誤差の影響を低減し、内燃機関の負荷状態の検出精度を向上して、より好適な運転制御を行うことができる内燃機関の運転制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、クランク軸（７）に連結されるフライホイール（８）と、前記フライホイール（８）に連結され、前記クランク軸（７）の回転被検出部としてのリラクタ（２５ａ）と、前記リラクタ（２５ａ）の通過を検出する回転検出手段（２５ｂ）と、前記回転検出手段（２５ｂ）による検出結果から、所定期間内における平均回転数Ｎｅと、前記クランク軸（７）の前記リラクタ幅に相当する部分的なクランク角速度ωとを算出し、これら算出結果に基づいて、点火時期を決定する制御部（２４）と、を備えた内燃機関の運転制御装置において、前記制御部（２４）は、点火を予定している圧縮行程の直前の圧縮行程にて、前記平均回転数Ｎｅを算出する期間内において前記クランク角速度ωの算出を同時に行い、前記クランク角速度ωは、リラクタ（２５ａ）の前端から後端までの角度θをリラクタ（２５ａ）の前端を検出してから後端を検出するまでの時間τで除すことで求められ、前記圧縮工程での前記クランク角速度ωの変動量Δωは、前記平均回転数Ｎｅから前記クランク角速度ωを減ずることで求められ、前記平均回転数Ｎｅ毎のクランク角速度ωの変動量Δωと吸入空気量との関係から、前記変動量Δωを用いて吸入空気量を算出し、この吸入空気量から前記点火時期が設定されることを特徴とする。

上記構成によれば、制御部は、点火を予定している圧縮行程よりも前の行程にて、平均回転数を検出する期間内においてクランク角速度の算出を同時に行うこととなるので、平均エンジン回転数の算出時およびクランク角速度の算出時におけるエンジンの状態はほぼ同様と考えることができ、エンジン回転数の変動が大きい場合でも、その影響を受けにくくなって、適切に空気吸入量を算出することができる。

また、点火時期を決定するに際し、点火を予定している行程の直前の圧縮行程において算出したエンジンの平均回転数およびクランク角速度に基づくので、より一層点火時期を適切に決定することができる。

本発明によれば、エンジン回転数の変動が大きい状態であっても、適切なタイミングで容易に信頼性の高い角速度などのデータを収集することができ、吸入空気量の算出などの運転制御を容易に実現することができる。

次に本発明の好適な実施の形態について図面を参照して説明する。
［１］第１実施形態
図１は、実施形態の内燃機関の運転制御装置の概要構成図である。
運転制御装置を備える内燃機関Ｅは、単気筒の４ストローク内燃機関であり、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。
内燃機関Ｅは、ピストン３が往復動可能に嵌合するシリンダブロック１およびシリンダブロック１に結合されるシリンダヘッド２を有する機関本体と、吸入空気を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燃焼室４に導く吸気通路５ａを形成する吸気装置５と、吸入空気に燃料を供給して混合気を形成する混合気形成部としての燃料噴射弁２０を備える運転制御装置と、燃焼室４内で混合気が点火栓２１ａにより点火されて燃焼して発生した燃焼ガスを排気ガスとして内燃機関Ｅの外部に導く排気通路６ａを形成する排気装置６とを備える。

燃焼室４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、機関本体に回転可能に支持されるクランク軸７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７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。

吸気装置５は、内燃機関Ｅの外部から吸入した空気を清浄にするエアクリーナ１０と、吸気通路５ａ内に配置されてエアクリーナ１０を通過した吸入空気の流量を制御するスロットル弁１１と、シリンダヘッド２に接続されるとともにスロットル弁１１により制御された吸入空気量の吸入空気を燃焼室４に導く吸気管１２とを備える。
シリンダヘッド２に設けられた吸気ポート２ｉは、動弁装置２３により駆動される吸気弁１３の開弁時に開状態とされ、吸気管１２を流れた吸入空気は、吸気ポート２ｉを経て燃焼室４に流入する。

排気装置６は、シリンダヘッド２に接続される排気管１５と、排気管１５に設けられる排気浄化装置としての触媒装置である三元触媒装置１６とを備える。ピストン３を駆動した後の燃焼室４内の燃焼ガスは、排気ガスとして、シリンダヘッド２に設けられた排気ポート２ｅを動弁装置２３により駆動されて開閉する排気弁１４の開弁時に、該排気ポート２ｅを経て排気管１５に流入する。

内燃機関Ｅの運転状態を制御する運転制御装置は、吸気管１２に取り付けられた燃料噴射弁２０のほかに、点火栓２１ａを備える点火装置２１と、排気ガスの一部を吸気通路５ａに還流させる排気ガス還流装置２２と、クランク軸７に同期して回転駆動されて吸気弁１３および排気弁１４を開閉するカム軸を備える動弁装置２３と、内燃機関Ｅの状態を検出する機関状態検出部と、機関状態検出部により検出される機関状態に応じて燃料噴射弁２０、点火装置２１、排気ガス還流装置２２および動弁装置２３をそれぞれ制御する制御部４０〜４３を備える電子制御ユニット（ＥＣＵ）２４とを備える。

ＥＣＵ２４は、入出力インターフェース、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、各種の制御プログラムおよび各種のマップＭｂ，Ｍ０，Ｍｓ，Ｍｉ，Ｍｅ，ＭＶなどが記憶されたＲＯＭおよび各種のデークなどが一時的に記憶されるＲＡＭを有する記憶装置２４ａを備えるコンピュータとして構成されている。
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。

機関状態検出部は、クランク軸７の回転位置（以下、「クランク位置」という。）検出する回転角センサとしてのクランク角センサ２５と、クランク角センサ２５の出力に基づいて内燃機関Ｅの平均エンジン回転数である平均エンジン回転数Ｎｅを検出する回転数検出部３１と、クランク角センサ２５の出力に基づいてクランク軸７の角速度ω（図２参照）の変動量△ωを検出する変動量検出部３２と、スロットル弁１１の開度αを検出するスロットル弁開度センサ２６と、排気ガスの成分としての酸素から空然比を検出する空燃比センサとしての酸素濃度センサであるＯ₂センサ２７と、内燃機関Ｅの暖機状態を検出する暖機状態検出部３３と、スロットル弁開度センサ２６およびＯ₂センサ２７の異常を検出する異常検出部３４と、内燃機関Ｅの冷却水や潤滑油の温度などの機関温度を検出する機関温度センサや、内燃機関Ｅの始動時、加速時および減速時をそれぞれ検出する検出部等とを備える。

図２は、内燃機関の各行程と、リラクタ、パルスおよびクランク軸の角速度との関係を示す概要説明図である。また、図３は、内燃機関の各行程と、リラクタ、パルスおよびクランク軸の角速度との関係を示す詳細説明図である。
図２及び図３を併せて参照すると、クランク角センサ２５は、クランク軸７に一体に設けられたロータであるフライホイール８に設けられる被検出部としてのリラクタ２５ａ、第２リラクタ２５ａ２と、機関本体に設けられた検出部としてのピックアップ２５ｂとから構成され、その検出信号がＥＣＵ２４に入力される。リラクタ２５ａは、ピストン３の上死点前のクランク位置に相当する位置を基準とする所定のクランク角度θ（＝リラクタ電気角Ｔ３に相当）の範囲に設けられる。第２リラクタ２５ａ２は、リラクタ２５ａから一定角度（例えば、２２．５［ｄｅｇ］）先行させた位置に設けられている。ピックアップ２５ｂは、クランク軸７の回転方向Ｒでリラクタ２５ａの先端および後端をそれぞれ検出したときに立上がりパルスＰＳ１２および立下がりパルスＰ２２を出力し、第２リラクタ２５ａ２の先端および後端をそれぞれ検出したときに立上がりパルスＰＳ１１および立下がりパルスＰ２１を出力する。
したがって、前記両パルスＰＳ１２、ＰＳ２２間でのクランク軸７の平均角速度である角速度ωは、次式からＥＣＵ２４により算出される。
ω＝θ／τ
ここで、τは、両パルスＰＳ１２、ＰＳ２２間の時間である。

図１を参照すると、平均エンジン回転数Ｎｅは、クランク軸７が１回転するときの平均角速度として捉えることができ、クランク角センサ２５の検出信号に基づいてＥＣＵ２４により算出される。
また、クランク軸７の角速度ωは、クランク角センサ２５の検出信号に基づいてＥＣＵ２４により算出される。
これらの結果、空気吸入量の推定に必要とされる角速度の変動量Δωも、算出された平均エンジン回転数Ｎｅおよびクランク軸７の角速度ωに基づいてＥＣＵ２４により算出される。具体的には、変動量Δωは、クランク角センサ２５により検出されるクランク軸７の特定のクランク位置での角速度ωと平均エンジン回転数Ｎｅとの差として、次式により算出される。
Δω＝Ｎｅ−ω

ここで、変動量Δωに基づく空気吸入量の推定（算出）について説明する。
再び図２を参照すると、クランク軸７の角速度ωは、内燃機関Ｅの１サイクルを構成する吸気行程、圧縮行程、燃焼・膨張行程および排気行程の４つの行程の各行程で変動する。具体的には、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で角速度ωが減少する。圧縮行程では、燃焼室４内の圧力上昇による圧縮抵抗が発生することでクランク軸７の角速度ωが大きく減少する。燃焼・膨張行程では、燃焼によるエネルギーが発生して燃焼室４内の圧力が上昇することで角速度ωが大きく増加する。排気行程では、燃焼が終了して角速度ωがピークに達した後に摩擦抵抗および排気による排気ガスの排出抵抗が発生することで角速度ωが減少する。

また、平均エンジン回転数Ｎｅ（図２に二点鎖線で示される。）が同一の場合、低吸入空気量または低トルクのときの角速度ωは、図２に実線で示されるように変化し、高吸入空気量または高トルクのときの角速度ωは、図２に破線で示されるように変化することから、吸入空気量が多いほど、または内燃機関Ｅが発生するトルクが大きいほど角速度ωが大きく変動する。

図４は、平均エンジン回転数をパラメータとして、角速度の変動量の絶対値と吸入空気との関係を示す図である。
そして、図４に示されるように、平均エンジン回転数Ｎｅが一定の場合において、角速度ωの変動量Δωと吸入空気量との間には線形的な強い相関があることから、平均エンジン回転数Ｎｅ毎に、変動量Δωに基づいて吸入空気量を推定することができる。
この変動量△ωは、上述したように、平均エンジン回転数Ｎｅなどの算出に使用されるクランク角センサ２５を利用して検出することができるので、エアフローメータや吸気圧センサを使用することなく、吸入空気量の推定（算出）が可能になるのである。

この場合において、変動量検出部３２により検出されるクランク軸７の特定のクランク位置での変動量Δωは、クランク角センサ２５のリラクタ２５ａの位置に依存し、この実施形態では、ピストン３の上死点前のクランク位置であり、しかも吸気行程、圧縮行程、燃焼・膨張行程および排気行程の４行程のうちの特定行程としての圧縮行程での角速度ωの変動量Δωとされる。
このように、変動量検出部３２が圧縮上死点前での変動量Δωを検出することにより、他のクランク位置に比べて変動量Δωが大きいクランク位置での変動量Δωが検出されるので、より正確な変動量Δωを検出することができる。なお、クランク角センサ２５に基づいて算出される角速度ωは、排気上死点のものよりも圧縮上死点のほうが小さいことで、圧縮上死点前の角速度ωが特定される。

次に、平均エンジン回転数Ｎｅの算出タイミングとクランク軸７の角速度ωの算出タイミングについて検討する。
エンジン回転数の変動が小さい場合には、実際のエンジン回転数と、検出した平均エンジン回転数Ｎｅとは、ほぼ同一であるとみなせるので、平均エンジン回転数Ｎｅの算出タイミングとクランク軸７の角速度ωの算出タイミングはそれほど厳密に考慮する必要はなく、各算出タイミングを別行程において行うようにすることが可能であり、並列処理に伴う演算負荷も低減することが可能である。

しかしながら、急加速時あるいは急減速時のように、エンジン状態が大きく変化する場合には、平均エンジン回転数Ｎｅの変動も大きくなり、平均エンジン回転数Ｎｅの算出タイミングと、クランク軸７の角速度ωの算出タイミングと、が異なるような方法は、正確な変動量Δωを求める観点からは好ましくない。
これは、クランク軸７の角速度ωの算出と、平均エンジン回転数Ｎｅの算出と、が異なる行程で行われた場合には、クランク軸７の角速度ωと平均エンジン回転数Ｎｅとの不整合が生じ、ひいては空気吸入量も実際に必要とされる空気吸入量とは異なったものとなってしまうからである。
具体的には、クランク軸７の角速度ωの検出時における実際のエンジン回転数が検出時の平均エンジン回転数Ｎｅに対して、大きく増加した場合には、見かけ上、エンジン回転数が小さく検出された場合と等価となる。
この結果、次式で示すように、Δωの値は、負の値を採ることとなる。
Δω＝Ｎｅ−ω＜０
したがって、推定（算出）される空気吸入量が実際に要求される空気吸入量よりも少なくなってしまうこととなる。したがって、点火タイミングは、好適な点火タイミングよりも早いタイミングに設定されることとなる。
一方、クランク軸７の角速度ωの検出時における実際のエンジン回転数が検出時の平均エンジン回転数Ｎｅに対して、大きく減少した場合には、見かけ上、エンジン回転数が大きく検出された場合と等価となる。
この結果、Δω（＝Ｎｅ−ω）の値は、正しい値よりも大きくなり、推定（算出）される空気吸入量が実際に要求される空気吸入量よりも多くなってしまう。したがって、点火タイミングは、好適な点火タイミングよりも遅いタイミングに設定されることとなる。
これらの結果、いずれの場合も、実際に要求される空気吸入量とは異なることとなり、点火タイミングも好適なタイミングからずれることとなる。

したがって、点火を予定している圧縮行程よりも前の行程にて、平均エンジン回転数Ｎｅを算出する期間内においてクランク軸７の角速度ωの算出を同時に行うのが好ましいこととなる。
これらの算出を同時に行うことにより、各算出時におけるエンジン状態は同一であるとみなせ、より理想的な空気吸入量を算出することができるのである。
より好ましくは、点火を予定している行程の直前の圧縮行程にて、平均エンジン回転数Ｎｅを算出する期間内においてクランク軸７の角速度ωを同時に算出すれば、より実際の点火タイミングに近いエンジン状態で算出を行うことができる。

そこで、本実施形態においては、点火を予定している行程の直前の圧縮行程において、平均エンジン回転数Ｎｅを算出する期間内において、クランク軸７の角速度ω算出を同時に行っている。したがって、本実施形態によれば、平均エンジン回転数Ｎｅの算出と、クランク軸７の角速度ωの算出と、を別行程で行う場合と異なり、平均エンジン回転数Ｎｅの算出時およびクランク角速度ωの算出時におけるエンジンの状態は同一とみなして、エンジン回転数の変動が大きい場合でも、その影響を低減して、より正確に変動量Δωを算出することが可能となり、ひいては、適切に空気吸入量を算出し、適切な点火タイミングに設定することができる。
このように、機関状態検出部の一部である回転数検出部３１および変動量検出部３２、さらに、後で詳述する暖機状態検出部３３および異常検出部３４は、それぞれＥＣＵ２４の機能として実現されている。

ところで、図１，図４を参照すると、Ｏ₂センサ２７は、ジルコニアを主体とする固体電解質基材で構成される検出素子２７ａを有し、排気ガス中の酸素濃度を検出することにより、理論空燃比を境に、空燃比が理論空燃比よりも小さい場合にリッチ信号を、空燃比が理論空然比よりも大きい場合にリーン信号を、それぞれオンオフ的に出力し、これら検出信号Ｓ０がＥＣＵ２４に入力される。

Ｏ₂センサ２７は、検出素子２７ａが低温状態では不活性状態にあって、酸素濃度を正確に反映した検出信号Ｓ０を発生せず、正常に動作しない。そのため、検出素子２７ａが所定温度以上になる活性状態において出力された検出信号Ｓ０に基づいて燃料噴射弁２０から噴射される燃料量Ｑが制御される。このＯ₂センサ２７には、検出素子２７ａを加熱して活性状態になるまでの時間を短縮するためのヒータが設けられておらず、その分、コストが削減される。
また、Ｏ₂センサ（酸素濃度センサ）は、排気ガス中の酸素濃度（すなわち空燃比）をリニアに検出するＬＡＦセンサであってもよい。この場合、目標空燃比が希薄空然比に設定されることにで、燃費の改善が可能になる。

図５は、暖機完了前の状態からの運転開始後のＯ₂センサの検出信号の変化を示すグラフである。
図５に示されるように、内燃機関Ｅが冷機状態、すなわち暖機が完了前の状態にある運転時などで、Ｏ₂センサ２７が不活性状態にあるときは、リッチ信号およびリーン信号の振れ幅が小さく、正確な空然比を検出できない。そして、内燃機関Ｅの暖機が進んで、検出素子２７ａの温度が上昇するにつれてリッチ信号およびリーン信号間の振幅が大きくなり、内燃機関Ｅの暖機が完了した時点では、検出素子２７ａが所定温度に迫して、空燃比を正確に反映したリッチ信号およびリーン信号がそれぞれほぼ一定値となる出力を発生する。このため、ＥＣＵ２４は、暖機状態検出部３３として機能し、Ｏ₂センサ２７が出力する検出信号Ｓ０を利用して、内燃機関Ｅの暖機状態を検出することができる。

図１を参照すると、ＥＣＵ２４は、異常検出部３４として機能し、スロットル弁開度センサ２６の検出信号ＳｔおよびＯ₂センサ２７の検出信号Ｓ０に基づいて、スロットル弁開度センサ２６あるいはＯ₂センサ２７が故障または異常であることを検出する。

空燃比制御部４０は、スロットル弁開度センサ２６、回転数検出部３１、Ｏ₂センサ２７、変動量検出部３２、暖機状態検出部３３および異常検出部３４によりそれぞれ検出される開度α、平均エンジン回転数Ｎｅ、空然比を示す検出信号Ｓ０、内燃機関Ｅの暖機状態、変動量Δω、および、スロットル弁開度センサ２６およびＯ₂センサ２７のそれぞれの異常・正常に応じて、燃料噴射弁２０から吸入空気に噴射される燃料量Ｑ（例えば、燃料噴射時間）を設定する。

そして、燃料量Ｑの設定に使用される制御マップは記憶装置２４ａに記憶されている。この制御マップは、開度αおよび平均エンジン回転数Ｎｅを変数として燃料量Ｑの基本量Ｑｂが定められている基本量マップＭｂと、Ｏ₂センサ２７の検出信号Ｓ０を変数として基本量Ｑｂを補正するための補正係数または補正量が定められている補正用マップＭ０と、変動量Δω及び平均エンジン回転数Ｎｅを変数として特定時燃料量Ｑｓが定められている特定時燃料マップＭｓと、いずれも後述する点火マップＭｉ、排気還流マップＭｅおよび動弁マップＭｖとを備えている。

図６は、実施形態の動作フローチャートである。
次に、図６を参照して、空燃比制御部４０により、所定時間毎に実行される燃料量Ｑの制御について説明する。
まず、ＥＣＵ２４は、異常検出部３４の検出信号Ｓａ（図１参照）に基づいてスロットル弁開度センサ２６またはＯ₂センサ２７が異常であるか否かを判断する（ステップＳ１）。
ステップＳ１およびステップＳ２の判断に基づいて、異常検出部３４によりスロットル弁開度センサ２６およびＯ₂センサ２７が異常であることが検出されず、かつ、Ｏ₂センサ２７が活性状態にあるとき、内燃機関Ｅは通常の機関状態で運転されている。この通常運転時には、ステップＳ３，Ｓ４の処理が実行されて、空燃比制御部４０は、活性状態のＯ₂センサ２７からの検出信号Ｓ０であるリッチ信号およびリーン信号に基づいて、目標空燃比としての理論空燃比の混合気が形成されるように空燃比を制御するためのフィードバック制御を通常時制御として行う。

一方、ステップＳ１の判断において、異常検出部３４の検出信号Ｓａに基づいてスロットル弁開度センサ２６またはＯ₂センサ２７が異常であることが検出された場合（ステップＳ１；Ｙｅｓ）、あるいは、ステップＳ２の判断において、暖機状態検出部３３の検出信号Ｓｗに基づいてＯ₂センサ２７が活性状態になく、したがって内燃機関Ｅが暖機完了前の状態にある場合には（ステップＳ２；Ｎｏ）、内燃機関Ｅは、特定の機関状態で運転されている。

そして、この特定運転時には、ＥＣＵ２４は、点火を予定している行程（圧縮行程Ｐ０；図３参照）の直前の圧縮行程（圧縮行程Ｐ１；図３参照）において変動量検出部３２により算出された角速度ωおよび同時に回転数検出部３１により算出された平均エンジン回転数Ｎｅに基づいて変動量Δωを算出し、特定時燃料マップＭｓが検索されて、変動量Δωおよび平均エンジン回転数Ｎｅに応じた特定時燃料量Ｑｓを設定し（ステップＳ６）、この特定時燃料量Ｑｓを燃料量Ｑとして、燃料量Ｑを噴射するための駆動信号が燃料噴射弁２０に出力されて（ステップＳ５）、燃料噴射弁２０が燃料量Ｑの燃料を吸入空気に噴射する特定時制御（オープンループ制御）を行う。なお、この特定時制御において、特定時燃料量Ｑｓに対する補正として、機関温度に基づく補正や、始動時、加速時または減速時の補正が行われてもよい。

図１を参照すると、点火制御部４１は、クランク角センサ２５により検出されるクランク位置を基準とし、変動量Δωおよび平均エンジン回転数Ｎｅを変数として点火時期が定められた点火マップＭｉに基づいて点火時期を制御する。排気ガス還流制御部４２は、変動量Δωおよび平均エンジン回転数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を制御して、排気ガス還流量を制御する。また、動弁制御部４３は、変動量Δωおよび平均エンジン回転数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。
これにより、内燃機関Ｅがエアフローセンサおよび吸気圧センサを備えることなく、吸入空気量に応じた点火時期、排気ガス還流量および弁作動特性による内燃機関Ｅの運転制御が行われ、吸入空気量に応じた商い精度の空燃比制御を行うことができて、エミッション性能の向上および燃費の改善に寄与する。
以上の説明では、空燃比センサが設けられている場合のものであったが、空燃比センサを有しない場合であっても同様に適用が可能である。

［２］第２実施形態
本第２実施形態は、平均エンジン回転数Ｎｅの算出期間の設定に関する実施形態である。本第２実施形態おいて、装置構成については、図１を参照するものとする。
図７は、第２実施形態における内燃機関の各行程と、リラクタ、パルスおよびクランク軸の角速度との関係を示す詳細説明図である。
ところで、実際には、急加速時あるいは急減速時においては、平均エンジン回転数Ｎｅの変化量は一定ではない。例えば、急加速時の圧縮行程においては、圧縮上死点の直前に設定される点火タイミングで点火がなされると、燃焼によるエネルギーが発生して燃焼室４内の圧力が上昇し、エンジン回転数が大きく変化することとなる。このエンジン回転数の大きな変化は、図７に示すように、点火直後に現れ、その後は、徐々に変化（図７では増加）することとなる。

そこで、本第２実施形態においては、このエンジン回転数の急激な増加も含めて変動量Δωを算出するために、少なくとも角速度ωの算出期間及び点火タイミングから圧縮上死点に至るまでの期間を含む期間を平均エンジン回転数Ｎｅの算出対象としている。
そして、この平均エンジン回転数Ｎｅを算出する期間内において角速度ωの算出を同時に行い、クランク軸、すなわちリラクタ２５ａが一回転する期間を平均エンジン回転数Ｎｅの算出期間とする場合に、リラクタ２５ａの通過による立上がりパルスＰＳ１２の立ち上がりタイミングから圧縮上死点までの期間を含むクランク軸が一回転する期間としては、以下の３通りの期間が考えられる。

（１）圧縮行程における立ち上がりパルスＰＳ１１の立ち上がりタイミングから排気行程における立ち上がりパルスＰＳ１１の立ち上がりタイミングまでの期間。
（２）圧縮行程における立ち下がりパルスＰＳ２１の立ち下がりタイミングから排気行程における立ち下がりパルスＰＳ２１の立ち上がりタイミングまでの期間。
（３）圧縮行程における立ち上がりパルスＰＳ１２の立ち上がりタイミングから排気行程における立ち上がりパルスＰＳ１２の立ち上がりタイミングまでの期間。
これらのうち、より制御に適した期間としては、クランク軸７の回転速度変動、すなわち、平均エンジン回転数Ｎｅの変動があった後の最も新しい平均エンジン回転数Ｎｅを取得する事が可能な（３）の期間となる。しかしながら、実際的には、（１）あるいは（２）の期間としてもよい。

また、クランク軸が一回転する期間よりも短くても問題がない場合には、第２リラクタ２５ａ２に対応するパルスＰＳＡ１の立ち上がりタイミングあるいは立下がりタイミングと、リラクタ２５ａに対応するパルスＰＳＡ２の立ち上がりタイミングあるいは立下がりタイミングと、を適宜組み合わせた期間を平均エンジン回転数Ｎｅの算出期間とすることも可能である。この場合においても、算出した平均エンジン回転数Ｎｅが、算出対象の点火タイミングにおけるエンジンの回転数により近い状態となるように算出期間を選択するのが望ましい。

［３］第３実施形態
本第３実施形態は、リラクタの周方向の長さ（リラクタ幅）の誤差（例えば、量産公差）を考慮して、角速度を検出することにより、より高精度で角速度を検出して運転制御を行う場合の実施形態である。本第３実施形態において、装置構成については、図１を参照し、内燃機関の各行程と、リラクタ、パルスおよびクランク軸の角速度との関係については、図７を参照するものとする。
従来、リラクタおよびピックアップを用いて、クランク軸の角速度を検出する場合には、検出されたパルス幅に相当するリラクタ電気角として、予め定めた固定値を用いて、角速度などを算出するように構成していた。

ところで、同一のリラクタの先端及び後端を同一のピックアップにより検出した場合、経時変化を無視すれば、検出される立ち上がりパルスと立下がりパルスとの間のフライホイールの回転角度であるリラクタ電気角は、常に一定であるが、リラクタあるいはピックアップの誤差（寸法誤差、検出誤差などの量産公差など）によって実際に車両に搭載されたリラクタおよびピックアップにより検出されるリラクタ電気角が制御上、予め定めたリラクタ電気角と等しくなるとは限らないという場合がある。このことは、内燃機関の負荷状態の検出精度に向上の余地があるということである。
そこで、本第３実施形態は、リラクタあるいはピックアップの量産時の公差などの誤差の影響を低減し、内燃機関の負荷状態の検出精度を向上して、運転制御を行うことを目的としている。

まず、具体的な説明に先立ち、リラクタの取り付け位置について具体的に説明する。
図８は、リラクタ及び第２リラクタの取り付け位置の具体例説明図である。
リラクタ２５ａおよび第２リラクタ２５ａ２は、図８に示すように、第２リラクタ２５ａ２の前端は、フライホイール８におけるピストン３の上死点位置に相当する位置より８２．５［ｄｅｇ］前となる位置に取り付けられ、リラクタ２５ａの後端は、ピストン３の上死点位置に相当する位置より１５［ｄｅｇ］前となる位置に取り付けられている。また、リラクタ幅に相当する所定のクランク角度θ＝４５［ｄｅｇ］であり、リラクタ２５ａの前端は、ピストン３の上死点位置に相当する位置より６０［ｄｅｇ］前となる位置となっている。
これらの結果、第２リラクタ２５ａ２の前端は、リラクタ２５ａの前端に対して、一定角度＝２２．５［ｄｅｇ］先行した離間位置に配置されている。

次に第３実施形態の原理について説明する。
図９は、第３実施形態の原理説明図である。
クランク軸の角速度が一次関数（直線的に変化）とみなせるような条件下、例えば、連続した排気行程及び吸気行程（＝クランク軸回転角度３６０［ｄｅｇ］に相当）においては、角速度は直線的に変化（増加あるいは減少）しているとして取り扱うことが可能である。
したがって、角速度が直線的に変化しているとみなせる期間における角速度変化を一次関数としての直線で近似し、リラクタの検出期間における角速度の時間積分であるリラクタ通過検出時（期間）におけるクランク軸の回転角度と、リラクタ通過非検出時（期間）における角速度の時間積分であるリラクタの非検出期間におけるクランク軸の回転角度と、を算出できれば、リラクタの検出期間におけるクランク軸の回転角度、すなわち、実際のリラクタ電気角Ｔ３を算出することができるのである。

すなわち、リラクタ検出時の角速度ωｘと、リラクタ非検出時の角速度ωｙとに基づけば、図８に示すように、幾何学的な演算でリラクタのリラクタ幅に応じたリラクタ電気角Ｔ３を算出し、このリラクタ電気角Ｔ３を通過検出時間Ｔｘで除することで、より正確な角速度ωを算出することができる。
本第３実施形態においては、リラクタ通過検出時の角速度ωｘと通過検出時間Ｔｘとに基づいて、リラクタ角度Ｄｘを求めるとともに、リラクタ通過非検出時の角速度ωｙと通過非検出時間Ｔｙとに基づいて、リラクタ角度Ｄｘ以外の角度Ｄｙを求め、次式により、リラクタ電気角Ｔ３を算出している。
Ｔ３＝｛Ｄｘ／（Ｄｘ＋Ｄｙ）｝×３６０［ｄｅｇ］

次に、実際のリラクタの電気角の算出手順について詳細に説明する。以下の説明においては、第２リラクタ２５ａ２に対応するパルスＰＳＡ１の立ち上がりタイミングは、リラクタ２５ａに対応するパルスＰＳＡ２の立ち上がりタイミングに対して、クランク軸の回転角度にして、２２．５［ｄｅｇ］先行している位置となるように、リラクタ２５ａ及び第２リラクタ２５ａ２がフライホイール８上に設けられている。すなわち、Ｄ１＋Ｄ２＝２２．５［ｄｅｇ］に設定されているものとする。なお、この角度は、適宜設定されており、予めその値がわかっていれば、２２．５［ｄｅｇ］に限るものではない。

より詳細には、図８に示すように、排気行程及び吸気行程において角速度が一次直線として減少している場合に、排気行程における第２リラクタ２５ａ２に対応するパルスＰＳＡ１の立ち上がりタイミングと、リラクタ２５ａに対応するパルスＰＳＡ２の立ち上がりタイミングと、の間のクランク軸の角速度を代表する角速度ωＡ（本実施形態では、当該機関における平均角速度となっている）とし、この排気行程に連続する吸気行程を経て、次の圧縮行程における第２リラクタ２５ａ２に対応するパルスＰＳＡ１の立ち上がりタイミングと、リラクタ２５ａに対応するパルスＰＳＡ２の立ち上がりタイミングと、の間のクランク軸の角速度を代表する角速度ωＢとした場合に、これらの角速度ωＡおよび角速度ωＢを算出する。

すなわち、前回の第２リラクタ２５ａ２に対応するパルスＰＳＡ１の立ち上がりタイミングから後行するリラクタ２５ａに対応するパルスＰＳＡ２の立ち上がりタイミングまでの期間に相当する時間Ｔａを検出することにより、次式により当該期間における平均の角速度ωＡが算出される。
同様に今回の第２リラクタ２５ａ２に対応するパルスＰＳＡ１の立ち上がりタイミングからリラクタ２５ａに対応するパルスＰＳＡ２の立ち上がりタイミングまでの期間に相当する時間Ｔｂを検出することにより、次式により当該期間における平均の角速度ωＢが算出される。
また、排気行程におけるリラクタ２５ａに対応するパルスＰＳＡ２が“Ｈ”レベルにある期間、すなわち、リラクタ通過検出期間におけるクランク軸の回転角度であるリラクタ角度Ｄｘは、台形の面積を算出する次式により表される。

ここで、通過検出時間Ｔｘは、リラクタ２５ａに対応するパルスＰＳＡ２の立ち上がりから立下がりまでの時間であり、
（ω１＋ωｃ）／２＝ωｘ
である。

一方、排気行程におけるリラクタ２５ａに対応するパルスＰＳＡ２が立下がり、再び次の圧縮行程において立上がるまでの期間、すなわち、リラクタ非検出期間におけるクランク軸の回転角度Ｄｙは、台形の面積を算出する次式により表される。

ここで、通過非検出時間Ｔｙは、第２リラクタに対応するパルスＰＳＡ２の立ち下がりから次の圧縮行程における第２リラクタに対応するパルスＰＳＡ２の立ち上がりまでの時間であり、
（ωｃ＋ω０）／２＝ωｙ
である。

また、上述した通過検出時間Ｔｘと通過非検出時間Ｔｙとの和は、クランク軸が一回転する時間に相当している。
次に排気行程における第２リラクタに対応するパルスＰＳＡ２の立ち上がりタイミングにおける角速度ω１、排気行程における第２リラクタに対応するパルスＰＳＡ２の立ち下がりタイミングにおける角速度ωｃ、次回の圧縮行程における第２リラクタに対応するパルスＰＳＡ２の立ち下がりタイミングにおける角速度ω０を演算により算出する。

ここで、Ｄ１は、パルスＰＳＡ１の“Ｈ”レベル期間に相当するクランク回転角度であり、Ｄ２は、パルスＰＳＡ１の“Ｌ”レベル期間に相当するクランク回転角度である（以下、同様）。

これらの結果、リラクタ通過検出期間におけるクランク軸の回転角度、すなわち、リラクタ電気角Ｔ３は、次式により表される。

したがって、算出したリラクタ電気角Ｔ３を用いることにより、リラクタ検出期間の量産公差等による誤差を吸収して、各車両に実装されているリラクタによるリラクタ検出期間を正確に把握することができる。
次に実車において、リラクタ検出期間に対応するクランク軸の回転角度を算出し、利用する場合の概要手順について説明する。
スタータ（セルモータあるいはキック）により、エンジンの始動操作がなされると、ＥＣＵ２４は、適宜のタイミングでリラクタ２５ａに対応するパルスＰＳＡ２の立下がりタイミングを検出し、当該タイミングに基づいて点火タイミングを設定してエンジンを始動する。

エンジンの始動後、ＥＣＵ２４は、ピックアップ２５ｂの出力したパルス信号に基づいて、上述した角速度ωＡおよび角速度ωＢを算出する。
これと並行して、ＥＣＵ２４は、時間Ｔａ、通過検出時間Ｔｘ、通過非検出時間Ｔｙ及び時間Ｔｂを検出する。
そして、上述した各式に基づいて、リラクタ電気角Ｔ３を算出し、ＲＡＭなどの揮発性メモリに算出したリラクタ電気角Ｔ３を記憶し、以後は、このリラクタ電気角Ｔ３に基づいてエンジンの負荷状態を検出し、負荷状態に応じた運転制御を行うこととなる。

以上の説明のように、本第３実施形態によれば、エンジン始動時にリラクタ電気角Ｔ３を算出して、算出後は当該算出したリラクタ電気角Ｔ３に基づいて、運転制御を行うので、リラクタあるいはピックアップの量産時の公差などの誤差の影響を低減し、内燃機関の負荷状態を正確に把握して、運転制御を行うことが可能となる。
以上の説明では、エンジン始動時にリラクタ電気角Ｔ３を用いずに、始動を行っていたが、予め設定したリラクタ電気角の固定値を用いて始動を行い、リラクタ電気角Ｔ３の算出後は算出値を用いて制御を行うように構成することも可能である。

本発明に係る内燃機関の運転制御装置は、上記実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
また、クランク軸７の角速度ωの変動量Δωは、前記実施形態ではクランク軸７の角速度ωをクランク軸７に連結されたフライホイール８を介して、直接的に検出した検出値に基づくものであったが、クランク軸７と同期して回転する回転軸（例えば、動弁装置２３のカム軸または内燃機関Ｅの補機の駆動軸）の角速度ωを検出することにより、クランク軸７の角速度ωを間接的に検出した検出値に基づくものであってもよい。
また、変動量Δωは、１サイクルの圧縮行程以外の行程におけるものであってもよい。
また、内燃機関Ｅは、車両以外の機械に搭載されてもよい。

実施形態の内燃機関の運転制御装置の構成を示す図である。内燃機関の各行程と、リラクタ、パルスおよびクランク軸の角速度との関係を示す概要説明図である。第１実施形態における内燃機関の各行程と、リラクタ、パルスおよびクランク軸の角速度との関係を示す詳細説明図である。エンジン回転数をパラメータとして、角速度の変動量の絶対値と吸入空気との関係を示す図である。暖機完了前の状態からの運転開始後のＯ₂センサの検出信号の変化を示すグラフである。実施形態の動作フローチャートである。第２実施形態における内燃機関の各行程と、リラクタ、パルスおよびクランク軸の角速度との関係を示す詳細説明図である。リラクタ及び第２リラクタの取り付け位置の具体例説明図である。第３実施形態の原理説明図である。

符号の説明

７クランク軸
８フライホイール
２１点火装置
２４ＥＣＵ（制御部）
２５クランク角センサ
２５ａリラクタ
２５ａ２第２リラクタ
２５ｂピックアップ（回転検出手段）
２７Ｏ₂センサ
３１回転数検出部
３２変動量検出部
４０空燃比制御部
４１点火制御部
Ｅ内燃機関（エンジン）
Ｎｅ平均エンジン回転数
Ｐ０、Ｐ１圧縮行程
Ｔ３リラクタ電気角
ω 角速度
Δω 変動量

Claims

クランク軸（７）に連結されるフライホイール（８）と、前記フライホイール（８）に連結され、前記クランク軸（７）の回転被検出部としてのリラクタ（２５ａ）と、前記リラクタ（２５ａ）の通過を検出する回転検出手段（２５ｂ）と、前記回転検出手段（２５ｂ）による検出結果から、所定期間内における平均回転数Ｎｅと、前記クランク軸（７）の前記リラクタ幅に相当する部分的なクランク角速度ωとを算出し、これら算出結果に基づいて、点火時期を決定する制御部（２４）と、を備えた内燃機関の運転制御装置において、
前記制御部（２４）は、点火を予定している圧縮行程の直前の圧縮行程にて、前記平均回転数Ｎｅを算出する期間内において前記クランク角速度ωの算出を同時に行い、
前記クランク角速度ωは、リラクタ（２５ａ）の前端から後端までの角度θをリラクタ（２５ａ）の前端を検出してから後端を検出するまでの時間τで除すことで求められ、
前記圧縮工程での前記クランク角速度ωの変動量Δωは、前記平均回転数Ｎｅから前記クランク角速度ωを減ずることで求められ、
前記平均回転数Ｎｅ毎のクランク角速度ωの変動量Δωと吸入空気量との関係から、前記変動量Δωを用いて吸入空気量を算出し、この吸入空気量から前記点火時期が設定されることを特徴とする内燃機関の運転制御装置。