JP5525839B2 - アルコール濃度推測検知装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンのアルコール濃度推測検知装置に係り、特に、クランク軸と同期して回転するクランクパルサロータの出力信号に基づいて、燃料のアルコール濃度を推測検知することができるアルコール濃度推測検知装置に関する。

近年、二酸化炭素排出量の削減を目的としたバイオ燃料が自動車やモーターサイクル用の燃料として普及しつつある。バイオ燃料は、サトウイモやトウモロコシ等の穀物類から抽出されたエチルアルコール含有のガソリン燃料が使用される。
このようなアルコール含有燃料に対応する車両は総じてＦＦＶ（Fuel Flex Vehicle）と称され、あらゆるアルコール含有燃料に対応して常に適切な点火時期等のエンジン制御を行うためには、特許文献１に記載されるように、理論空燃比状態を検出する酸素センサやその時の空燃比（Ａ／Ｆ）を予測するためのエアーフローセンサ等の各種センサを必要としていた。

すなわち、特許文献１に記載されるＦＦＶエンジン制御は、以下の手順で行われる。
先ず、エンジンの排気管内に取り付けられた酸素センサにより、アルコール含有燃料においてその含有濃度によらず「理論空燃比状態」を検出し、それに応じた燃料噴射量を調整し混合気を理論空燃比に制御する。
理論空燃比状態における空燃比（Ａ／Ｆ）について、エアーフローセンサや吸入負圧センサ等の吸入空気質量を検出するセンサからの信号により予測される運転中の吸入空気質量（Ｇａ）及び、燃料噴射時間の一定時間における積算から予測される運転中の燃料消費量（Ｇｆ）から求める。
アルコール濃度と理論空燃比の関係は予めわかっているので、空燃比（Ａ／Ｆ）からアルコール濃度を予測することができる。
同じ吸入空気質量（Ｇａ）と燃料消費量（Ｇｆ）の組み合わせの混合気の燃料において、アルコール濃度が高いほど燃料の低位発熱量は小さくなり出力は低下する傾向にある。したがって、適切な点火時期はアルコール濃度が高いほど進角される。これらの現象を考慮し、アルコール濃度毎に点火時期の制御マップを用意することにより、適切なＦＦＶエンジン制御が可能となる。

また従来から、エンジンのクランク軸と同期回転するクランクパルサロータと、該パルサロータに設けられたリラクタの通過状態を検知するピックアップコイルとを備え、該ピックアップコイルから出力されるパルス信号に基づいて、エンジンの様々な状態を検知可能とする技術が知られている。

特許文献２には、クランクパルサロータのリラクタをエンジンの上死点近傍の位置に設け、パルサロータが１回転する時間とリラクタが通過する時間との比率を算出し、この比率の変動度合いに基づいてエンジンの負荷状態を検知する技術が開示されている。

特開昭６３−５１３１号公報 特開２００２−１１５５９８号公報

しかしながら、ＦＦＶエンジン制御を行うに際して、モーターサイクル等の廉価な車両においては、極力センサを省略したより廉価なシステムが望まれる。

また特許文献２に記載された技術は、クランク軸の回転状態に基づいてエンジンの負荷状態を検知して適切な時期に点火動作を行うものであるが、エンジン制御を行うための各種の値についての検出ができる構成への応用が期待される。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、クランクパルサロータの出力信号に基づいてアルコール含有燃料のアルコール濃度を推測検知することにより、アルコール濃度を検出する際に必要な各種センサ等の機器を不要とすることができるアルコール濃度推測検知装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は、エンジンのクランク軸（５５）に同期して回転するクランクパルサロータ（５０）に設けられる複数のリラクタ（５２）の通過を検知するピックアップ（ＰＣ）からクランクパルスを供給されるアルコール濃度推測検知装置（３０）において、
前記クランクパルス出力に基づいて前記エンジンの平均エンジン回転速度（ＮｅＡ）を算出するＮｅＡ算出部（３８）と、エンジンの圧縮上死点（ＴＤＣ）に重なる第１所定区間（τ１）の第１クランク角速度（ω１）を算出すると共に、前記平均エンジン回転速度（ＮｅＡ）から前記第１クランク角速度（ω１）を減ずることで第１変動量（Δω１）を算出し、一方、エンジンの燃焼下死点（ＢＤＣ）に重なる第２所定区間（τ２）の第２クランク角速度（ω２）を算出すると共に、前記第２クランク角速度から前記第１クランク角速度（ω１）を減ずることで第２変動量（Δω２）を算出するΔω１，Δω２算出部（３２）とを具備し、
前記アルコール濃度推測検知装置（３０）は、前記第１の変動量（Δω１）および第２の変動量（Δω２）の値に基づいて、燃料のアルコール濃度を推測検知する点に第１の特徴がある。

また、前記エンジンについて所定のアルコール濃度の燃料で運転した場合に理論空燃比で運転されるように設定された燃料噴射マップと、
前記燃料噴射マップの設定により運転されている時に、
前記第１変動量（Δω１）と第２変動量（Δω２）との比を算出するΔω２／Δω１算出部（３３）と、
所定のエンジン回転速度毎に設けられる複数のアルコール濃度とアルコール濃度に比例するパラメータとの関係を示したアルコール濃度推定マップ群（４３）とを具備し、
前記アルコール濃度推測検知装置（３０）は、平均エンジン回転速度（ＮｅＡ）と合致する１つのアルコール濃度推定マップ（４３ａ）を選択し、前記第１変動量（Δω１）および第２変動量（Δω２）の比から前記パラメータを求めることにより、アルコール濃度を推測検知する点に第２の特徴がある。

また、アルコール濃度推定マップ（４３ａ）は、所定のアルコール濃度の燃料で運転した場合に理論空燃比で運転されるように設定された燃料噴射マップにより運転されている条件の下におけるアルコール濃度とエンジンの図示平均有効圧力（ＩＭＥＰ）／充填効率（ηｃ）との関係を示すマップであり、
前記アルコール濃度推測検知装置（３０）は、前記第１変動量（Δω１）を前記充填効率（ηｃ）に対応させると共に、前記第２変動量（Δω２）を前記図示平均有効圧力（ＩＭＥＰ）に対応させることで前記パラメータとして代用する点に第３の特徴がある。

また、前記第１所定区間（τ１）は、圧縮上死点（ＴＤＣ）の直前に位置するクランクパルス（Ｐ１）の立ち下がり点（Ｃ１）から、圧縮上死点（ＴＤＣ）の直後に位置するクランクパルス（Ｐ２）の立ち下がり点（Ｃ２）までの期間であり、前記第２所定区間（τ２）は、燃焼下死点（ＢＤＣ）の直前に位置するクランクパルス（Ｐ３）の立ち下がり点（Ｃ３）から、燃焼下死点（ＢＤＣ）の直後に位置するクランクパルス（Ｐ４）の立ち下がり点（Ｃ４）までの期間である点に第４の特徴がある。

また、前記クランクパルサロータ（５０）のリラクタ（５２）のうちの少なくとも１つが、圧縮上死点（ＴＤＣ）または燃焼下死点（ＢＤＣ）をまたぐように形成されている点に第５の特徴がある。

さらに、エンジンのクランク軸（５５）に同期して回転するクランクパルサロータ（５０）に設けられる複数のリラクタ（５２）の通過を検知するピックアップ（ＰＣ）からクランクパルスを供給されるアルコール濃度推測検知装置（３０）において、エンジンの圧縮行程開始時の角速度と圧縮上死点近傍の角速度との差分により第１変動量（Δω１）を算出し、一方、エンジンの燃焼下死点（ＢＤＣ）に重なる第２所定区間（τ２）の第２クランク角速度（ω２）を算出すると共に、前記第２クランク角速度（ω２）から前記第１クランク角速度（ω１）を減ずることで第２変動量（Δω２）を算出するΔω１，Δω２算出部（３２）とを具備し、前記アルコール濃度推測検知装置（３０）は、前記第１の変動量（Δω１）および第２の変動量（Δω２）の値に基づいて、燃料のアルコール濃度を推測検知する点に第６の特徴がある。

第１の特徴によれば、クランクパルス出力に基づいてエンジンの平均エンジン回転速度を算出するＮｅＡ算出部と、エンジンの圧縮上死点に重なる第１所定区間の第１クランク角速度を算出すると共に、平均エンジン回転速度から第１クランク角速度を減ずることで第１変動量を算出し、一方、エンジンの燃焼下死点に重なる第２所定区間の第２クランク角速度を算出すると共に、第２クランク角速度から第１クランク角速度を減ずることで第２変動量を算出するΔω１，Δω２算出部とを具備し、アルコール濃度推測検知装置は、第１の変動量および第２の変動量の値に基づいて、燃料のアルコール濃度を推測検知するので、クランクパルス出力に基づいて、燃料のアルコール濃度を推測検知することが可能となる。これにより、酸素センサ等の空燃比を検出するセンサやエアーフローセンサや吸入負圧センサ等の吸入空気質量を検出するセンサを用いることなくアルコール濃度を検知でき、このアルコール濃度の推測値に基づいて、点火装置や燃料噴射装置を適切に制御することが可能となる。

第２の特徴によれば、前記エンジンについて所定のアルコール濃度の燃料で運転した場合に理論空燃比で運転されるように設定された燃料噴射マップと、前記燃料噴射マップの設定により運転されている時に、前記第１変動量（Δω１）と第２変動量（Δω２）との比を算出するΔω２／Δω１算出部（３３）と、所定のエンジン回転速度毎に設けられる複数のアルコール濃度とアルコール濃度に比例するパラメータとの関係を示したアルコール濃度推定マップ群（４３）とを具備し、アルコール濃度推測検知装置（３０）は、平均エンジン回転速度（ＮｅＡ）と合致する１つのアルコール濃度推定マップ（４３ａ）を選択し、前記第１変動量（Δω１）および第２変動量（Δω２）の比から前記パラメータを求めることにより、アルコール濃度を推測検知するので、クランクパルス出力から算出された第１変動量および第２変動量と、予め実験等で導出されたアルコール濃度推定マップを用いることで、燃料中のアルコール濃度を正確に導出することが可能となる。

第３の特徴によれば、アルコール濃度推定マップ（４３ａ）は、所定のアルコール濃度の燃料で運転した場合に理論空燃比で運転されるように設定された燃料噴射マップにより運転されている条件の下におけるアルコール濃度とエンジンの図示平均有効圧力（ＩＭＥＰ）／充填効率（ηｃ）との関係を示すマップであり、アルコール濃度推測検知装置（３０）は、第１変動量（Δω１）を充填効率（ηｃ）に対応させると共に、第２変動量（Δω２）を図示平均有効圧力（ＩＭＥＰ）に対応させることで前記パラメータとして代用することを利用して、燃料中のアルコール濃度を推測検知することができる。

第４の特徴によれば、第１所定区間は、圧縮上死点の直前に位置するクランクパルスの立ち下がり点から、圧縮上死点の直後に位置するクランクパルスの立ち下がり点までの期間であり、第２所定区間は、燃焼下死点の直前に位置するクランクパルスの立ち下がり点から、燃焼下死点の直後に位置するクランクパルスの立ち下がり点までの期間であるので、圧縮上死点に重なる位置および燃焼下死点に重なる位置でのクランク角速度を正確に検知することが可能となる。

第５の特徴によれば、クランクパルサロータのリラクタのうちの少なくとも１つが、圧縮上死点または燃焼下死点をまたぐように形成されているので、第１所定区間の第１クランク角速度および第２所定区間の第２クランク角速度を単一のリラクタによって算出することが可能となり、リラクタの数を低減してクランクパルサロータの軽量化および小型化を図ることが可能となる。

第６の特徴によれば、エンジンの圧縮行程開始時の角速度と圧縮上死点近傍の角速度との差分により第１変動量を算出し、一方、エンジンの燃焼下死点に重なる第２所定区間の第２クランク角速度を算出すると共に、前記第２クランク角速度から前記第１クランク角速度を減ずることで第２変動量を算出するΔω１，Δω２算出部とを具備し、前記空燃比推測検知装置は、前記第１の変動量および第２の変動量の値に基づいて、燃焼ガスの空燃比を推測検知するので、クランクパルス出力に基づいて、燃焼ガスの空燃比を推測検知することが可能となる。これにより、空燃比を直接検知する酸素センサ等を用いることなく、空燃比の推測値に基づいて、点火装置や燃料噴射装置を適切に制御することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る空燃比推測検知装置を含むＥＣＵ３０およびその周辺機器の構成を示すブロック図である。 １サイクル間におけるクランクパルス信号とクランク角速度ωの変動との関係を示したタイムチャートである。 図２の一部拡大図である。 異なる空燃比におけるＩＭＥＰとηｃマップの関係を示すグラフである。 異なる空燃比におけるΔω１とΔω２との関係を示すグラフである。 ＩＭＥＰ／ηｃとＡ／Ｆとの関係を示すグラフである。 Δω２／Δω１とＡ／Ｆとの関係を示すグラフである。 アルコール濃度毎のＩＭＥＰ／ηｃとＡ／Ｆとの関係を示すグラフである。 アルコール濃度毎のΔω２／Δω１とＡ／Ｆとの関係を示すグラフである。 ＩＭＥＰ／ηｃ（Δω２／Δω１）とアルコール濃度（Ｅ）との関係を示すマップの一例である。 所定のアルコール濃度の燃料でエンジンを運転した場合に理論空燃比で運転されるようにスロットル開度Ｔｈ毎に設定された燃料噴射マップである。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
単気筒エンジンや多気筒同時爆発エンジンの場合、クランク角速度変動量又はそれに起因する変動値から吸入空気量やトルクが予測可能である。
本発明は、クランク軸のクランク角速度ωの変動量により、吸入空気質量（充填効率：ηｃ）予測と燃焼トルク（図示平均有効圧力：ＩＭＥＰ）が予測でき、この二つの比（ＩＭＥＰ／ηｃ）から空燃比（Ａ／Ｆ）が予測可能であることに着目し、この原理を応用することでアルコール含有燃料のアルコール濃度を予測することにより、酸素センサ等の空燃比を検出するセンサやエアーフローセンサや吸入負圧センサ等の吸入空気質量を検出するセンサを搭載することなくＦＦＶエンジン制御を可能とするアルコール濃度推測検知装置である。

図１は、本発明の一実施形態に係るアルコール濃度推測検知装置を含むＥＣＵ３０およびその周辺機器の構成を示すブロック図である。また、図２は、１サイクル間におけるクランクパルス信号とクランク角速度ωの変動との関係を示したタイムチャートであり、図３は、図２の一部拡大図である。エンジンのクランク軸５５には、該クランク軸５５と同期回転するクランクパルサロータ５０が取り付けられている。本実施形態に係るクランクパルサロータ５０は、クランク軸５５と同期回転するロータ５１に１箇所の歯抜け部Ｈを除いて、計１１個のリラクタ５２を３０度間隔で設けた構成とされている。

ＥＣＵ３０内のクランクパルス検出部３１は、磁気ピックアップ式のパルス発生器ＰＣによってリラクタ５２の通過状態をパルス信号として検知することにより、クランク軸５５の回転位置および回転速度を検知することができる。クランクパルス検出部３１は、歯抜け部Ｈの通過を検知することでクランクパルサロータ５０の基準位置を検知し、リラクタ５２の配置に基づいてクランク軸１回転を♯０〜１０の計１１クランクステージで分割する。その後、吸気管に生じる吸気圧変動等に基づいた行程判別が確定すると、ステージの表裏判定（クランク軸が１サイクル中の１回転目または２回転目のいずれであるかの判定）が確定し、エンジンの１サイクル（７２０度）が♯０〜２１の計２２サイクルステージに分割される。なお、吸気圧変化に基づく行程判別は、例えば、検知された吸気圧の変動パターンと、実験等で求められた吸気圧の変動パターンとを照合することにより実行される。実験等で求められた変動パターンは、サイクルステージと関連づけられている。

ＥＣＵ３０には、クランクパルス検出部３１およびタイマ３７の出力信号に基づいて、所定の検知区間における平均エンジン回転速度ＮｅＡを算出するＮｅＡ算出部３８が含まれる。
また、ＥＣＵ３０には、所定のアルコール濃度の燃料で運転した場合に理論空燃比で運転されるように設定された燃料噴射マップが含まれ、この燃料噴射マップの値に基づいて燃料負噴射制御部３６が制御され、かつ後述するΔω２／Δω１算出部３３に対して所定のアルコール濃度の燃料で運転した場合に理論空燃比で運転されるように設定された燃料噴射マップの値に基づいた状態の運転である旨の信号が出力される。

また、Δω１，Δω２算出部３２では、ＮｅＡ算出部３８で算出された平均エンジン回転速度ＮｅＡと、クランク軸５５の上死点位置に重なる第１所定区間で検知される第１クランク角速度ω１と、クランク軸５５の下死点位置に重なる第２所定区間で検知される第２クランク角速度ω２とに基づいて、クランク角速度の第１変動量Δω１および第２変動量Δω２の算出が行われる。本実施形態において、第１クランク角速度ω１は、圧縮上死点（ＴＤＣ）に重なる所定区間で検知され、また、第２クランク角速度ω２は、圧縮上死点の通過後に最初に到達する下死点（以下、燃焼下死点と示すこともある）に重なる所定区間で検知される。

図２および３を参照して、クランク角速度ωは、平均エンジン回転速度ＮｅＡが一定である場合でも、シリンダ内圧の変動によってエンジンの１サイクル、すなわち、圧縮、燃焼・膨張、排気、吸気の４行程に合わせて周期的な変動を繰り返している。具体的には、圧縮行程の後半区間では、シリンダ内圧の上昇による圧縮抵抗に起因するクランク角速度ωの減少が生じる。また、燃焼・膨張行程の区間では、燃焼によるシリンダ内圧の上昇によってクランク回転エネルギーが発生し、これに起因した増加が生じる。また、クランク角速度ωは、燃焼・膨張行程の終了時にピークを迎え、その後、エンジン内の機械的な摩擦抵抗、排気行程における既燃ガスの排出抵抗、吸入行程における吸入抵抗等のポンプ仕事により低下を続けて、再び吸入行程・圧縮行程に至るという変動を繰り返すこととなる。

このクランク角速度ωの変動によれば、圧縮上死点の近傍で検知される第１クランク角速度ω１は平均エンジン回転速度ＮｅＡより小さくなり、また、燃焼下死点の近傍で検知される第２クランク角速度ω２は、平均エンジン回転速度ＮｅＡより大きくなる（平均エンジン回転速度ＮｅＡが３０００ｒｐｍであるときに、例えば、第１クランク角速度ω１＝２９００ｒｐｍ、第２クランク角速度ω２＝３１００ｒｐｍとなる）。

なお、クランク角速度ωの変動ピークは、エンジンの発生トルクが大きいほど大きくなり、その後の低下量は、吸入空気量が多いほど大きくなる。したがって、発生トルクが大きく、かつ吸入空気量が多いエンジンであるほど、クランク角速度ωの変動は大きくなる。さらに、この変動は、クランク軸の慣性力が小さい低回転域であるほど大きく、また、気筒数が少なく爆発間隔が大きいエンジンであるほど大きくなる。換言すれば、自動二輪車用の単気筒エンジンのように、クランク軸の慣性モーメントが比較的小さいエンジンでは、クランク角速度ωの変動が大きくなる傾向にある。

図１のブロック図に戻って、Δω１，Δω２算出部３２は、圧縮上死点近傍における第１クランク角速度ω１の第１変動量Δω１（平均エンジン回転速度ＮｅＡに対する変動量）と、燃焼下死点近傍における第２クランク角速度ω２の第２変動量Δω２（クランク角速度ω１に対する変動量）とを、それぞれ算出するものである。第１変動量Δω１は、Δω１＝ＮｅＡ−ω１の式で算出され、第２変動量Δω２は、Δω２＝ω２−ω１の式で算出される。

この第１変動量Δω１は、圧縮行程に起因するクランク軸５５の減速度合を示すものとなる。また、第２変動量Δω２は、燃焼・膨張行程に起因するクランク軸５５の加速度合を示すものとなる。次に、算出されたΔω１およびΔω２は、Δω２／Δω１算出部３３に伝達されて、ここでΔω２÷Δω１の値（Δω１とΔω２との比）が算出される。

アルコール濃度導出部４０には、マップ照合部４１と、アルコール濃度推測値導出部４２と、エンジン回転速度別アルコール濃度推定マップ群４３とが含まれる。エンジン回転速度別アルコール濃度推定マップ群４３には、所定のエンジン回転速度に対応する複数のアルコール濃度推定マップ４３ａ（例えば、１０００ｒｐｍ毎に１０００〜１００００ｒｐｍ時までの１０個）が収納されている。
アルコール濃度推定マップ４３ａは、予め行われた実験データに基づいて作成され、理論空燃比運転状態におけるＩＭＥＰ（Indicated Mean Effective Pressure：図示平均有効圧力）をηｃ（充填効率）で除したＩＭＥＰ／ηｃと、燃料のアルコール濃度（Ｅ）との関係を示したマップである。アルコール濃度推定マップ４３ａの作成手順については後述するが、ＩＭＥＰ／ηｃとアルコール濃度（Ｅ）とは１対１に対応する傾きが負の直線で表示される。

マップ照合部４１は、ＮｅＡ算出部３８で算出された平均エンジン回転速度ＮｅＡの値に基づいて、エンジン回転速度別アルコール濃度推定マップ群４３から、エンジン回転速度が合致するアルコール濃度推定マップ４３ａを１つ選択する。そして、このアルコール濃度推定マップ４３ａに示されたＩＭＥＰ／ηｃのパラメータをΔω２／Δω１算出部３３で算出されたΔω２／Δω１で代用し、アルコール濃度推測値導出部４２は、Δω２／Δω１の値に対応するアルコール濃度の値を、アルコール濃度の推測値として導出する。

ここで、図４〜図１０を参照して、アルコール濃度推定マップ４３ａの作成手順について説明する。
エンジンのＩＭＥＰ（図示平均有効圧力）は、任意の使用の単一エンジンの場合、吸入空気質量（充填効率：ηｃ）と空燃比（Ａ／Ｆ）と点火時期で決定される。したがって、点火時期を各運転条件において常に所定の点火時期（例えばスロットル開度が一定かつエンジン回転速度が一定の下で、かつ発生トルクが最大となる点火時期（ＭＢＴ）を与えた場合、ＩＭＥＰとηｃの関係は空燃比（Ａ／Ｆ）によってのみ決定される。よって、ＩＭＥＰ及びηｃを予測することにより空燃比（Ａ／Ｆ）の予測演算が可能となる。

ＩＭＥＰ（図示平均有効圧力）とηｃ（充填効率）との関係を示すＩＭＥＰ−ηｃマップは、図４に示されるように、それぞれ異なる空燃比に対応する、傾きの異なる複数の直線によって構成されている。これは、エンジン回転速度が一定で、点火時期がＭＢＴ（Minimum Advance for Best Torque）に設定されており、かつ燃焼ガス中の空燃比（Ａ／Ｆ）が一定であるとき、ＩＭＥＰ（図示平均有効圧力）およびηｃ（充填効率）に比例関係が成立することに起因するものである。

なお、点火時期ＭＢＴは、予め実験等で導出される値である（例えば、３０００ｒｐｍ時は０度）。また、充填効率（Charging efficiency）ηｃは、所定気圧および所定温度において、吸気行程で燃焼室内に取り込むことができる吸入新気の質量に関する効率である。さらに、ＩＭＥＰ（図示平均有効圧力）は、燃焼によって発生したシリンダ内の仕事量を行程体積で除した値（例えば、５００ｋＰａ）であり、排気量にかかわらず、仕事の発生度によってエンジンの性能を表すための指標のひとつである。

本実施形態に係るアルコール濃度推測装置は、アルコール濃度推定マップ４３ａにおけるＩＭＥＰ／ηｃ（Δω２／Δω１）の値に対応するアルコール濃度の値を推測値として導出するものである。
このような推測値の導出を可能とする根拠は、第１に、エンジン回転速度が一定の条件下では、圧縮行程におけるクランク角速度の減速度合と充填効率ηｃとの相関関係（比例関係）が成立することにある。これは、圧縮行程におけるクランク角速度の減速度合が、筒内の圧縮圧力抵抗に起因するためである。そして、第２の根拠は、エンジン回転速度が一定の条件下では、燃焼・膨張行程中のクランク角速度の加速度合が燃焼によるトルク（図示平均有効圧力）との相関関係（比例関係）が成立することにある。これは、燃焼・膨張行程中のクランク角速度の加速度合が筒内の燃焼圧力に起因するためである。

また、通常、エンジンの出力は、吸入空気質量と空燃比（Ａ／Ｆ）と点火時期とによって決定される。ここで、点火時期を常に適正な値に設定すると、ＩＭＥＰ（図示平均有効圧力）とηｃ（充填効率）との関係は、空燃比によってのみ決定される。

以上より、第１変動量Δω１が算出されればηｃが推測可能となり、同様に、第２変動量Δω２が算出されればＩＭＥＰが推測可能となる。これにより、点火時期をある適正な値、具体的にはＭＢＴとすれば、所定のエンジン回転速度毎にＩＭＥＰとηｃとＡ／Ｆとの関係が定まることとなる。この関係を実験によってデータ化することにより図４に示すＩＭＥＰ−ηｃマップを得ることができる。
すなわち、エンジン回転速度が一定で、点火時期はＭＢＴが与えられている時、空燃比Ａ／Ｆが一定の場合、ηｃとＩＭＥＰは比例し、その比例定数はＡ／Ｆで決定される。

そして、第１変動量Δω１および充填効率ηｃに比例関係が成立することと、第２変動量Δω２およびＩＭＥＰに比例関係が成立することによれば、Δω１、Δω２および空燃比（Ａ／Ｆ）の関係は、図５に示すΔω１−Δω２マップに示すことができる。

その結果、ＩＭＥＰ／ηｃとＡ／Ｆとの関係は、図６に示すようなグラフとなる。すなわち、図示平均有効圧力／充填効率と空燃比との関係は、エンジン回転速度ＮｅＡが一定で、かつ点火時期をＭＢＴとしたときに図示のようになる。例えばアルコール濃度Ｅ＝０％のガソリン燃料であるときＩＭＥＰ／ηｃは、Ａ／Ｆが１２〜１３のときに最大値を記録する上向きに凸状の曲線となる。
同様に、Δω２／Δω１とＡ／Ｆとの関係は、図７に示すようなグラフとなり、エンジン回転速度が一定で、かつ点火時期をＭＢＴとしたとき、Δω２／Δω１は、Ａ／Ｆが１２〜１３のときに最大値を記録する上向きに凸状の曲線となる。

例えば、燃料がエチルアルコール含有ガソリンの場合、アルコール濃度Ｅ違いのＡ／ＦとＩＭＥＰ／ηｃとの関係は図８のようになる。燃料の低位発熱量がガソリンに比べエチルアルコールは６１％のため、アルコール濃度が高いほど同じ空燃比（Ａ／Ｆ）に対するＩＭＥＰ／ηｃ（Δω２／Δω１）は小さくなる。例えばアルコール濃度Ｅ＝０％（ガソリン）の燃料で運転したときに理論空燃比（１４．７）となるように設定された燃料噴射マップの値により運転した場合、アルコール濃度Ｅ＝１００％ならＩＭＥＰ／ηｃ＝Ａ値、アルコール濃度Ｅ＝５０％ならＩＭＥＰ／ηｃ＝Ｂ値、アルコール濃度Ｅ＝０％（ガソリン）ならＩＭＥＰ／ηｃ＝Ｃ値となる。
また、アルコール濃度Ｅ違いのＡ／ＦとΔω２／Δω１との関係は図９のようになる。これより、エンジン回転速度一定、所定のアルコール濃度の燃料で運転した場合に理論空燃比で運転されるように設定された燃料噴射マップにより運転されている条件下におけるエチルアルコール濃度ＥとＩＭＥＰ／ηｃ（Δω２／Δω１）の関係（アルコール濃度推定マップ４３ａ）は、図１０のようになる。

続いて、アルコール濃度導出部４０における推測アルコール濃度の導出手順について説明する。
図１１は所定のアルコール濃度の燃料でエンジンを運転した場合に理論空燃比で運転されるように設定された燃料噴射マップであり、スロットル開度Ｔｈ毎に設定された複数の曲線によりエンジン回転数Ｎｅに応じた燃料噴射時間Ｔｉが決められる。図１１の燃料噴射マップでは、スロットル開度Ｔｈが、「０％」「２０％」「４０％」「６０％」「１００％」の時の曲線のみを代表して表示している。
エンジンは、この燃料噴射マップの設定により、スロットル開度センサ（図示せず）で検出されたスロットル開度に応じて燃料噴射制御部３６を介して燃料噴射装置６６からの燃料噴射量の制御が行われている。

この状態でＮｅＡ算出部３８によりＮｅＡを算出し、Δω２／Δω１算出部３３においてＩＭＥＰ／ηｃに該当するΔω２／Δω１を算出し、マップ照合部４１においてエンジン回転数別のアルコール濃度推定マップを使用して算出されたΔω２／Δω１に対するアルコール濃度推測値を予測演算して導出することができる。

アルコール濃度推測値導出部４２で導出された推測アルコール濃度は、点火装置６５を駆動制御する点火制御部３５および燃料噴射装置６６を駆動制御する燃料噴射制御部３６に伝達され、エンジンは検出されたアルコール濃度に応じた燃料噴射マップの設定で運転される。これにより、ＥＣＵ３０は、酸素センサ等の空燃比を検出するセンサやエアーフローセンサや吸入負圧センサ等の吸入空気質量を検出するセンサを用いることなく、推測アルコール濃度を用いて点火装置６５や燃料噴射装置６６等を適切に制御することが可能となる。

次に、推測アルコール濃度を用いて点火制御部３５による点火装置６５の点火時期制御の一例について説明する。
アルコール濃度推測値導出部４２で導出された推測アルコール濃度Ｅに対応する予め用意された点火時期（ＩＧ）マップを検索し取得する。点火時期（ＩＧ）マップは、例えば実際のエンジンテスト結果を基に用意されたＮｅＡとΔω２との関数Ｆ（ＮｅＡ，Δω２）から構成される。ＮｅＡとΔω２から与えられる点火時期は点火時期（ＩＧ）マップを検索し取得する。これらを基に点火時期ＩＧを出力する。

再度、図２および３を参照して、前記Δω１，Δω２算出部３２におけるΔω１およびΔω２の算出手順を説明する。クランク角速度ωは、クランク軸５５が圧縮上死点（ＴＤＣ）の位置にある、すなわち、クランク角度が０度のときに最も小さくなる。したがって、圧縮行程によって生じるクランク軸５５の減速度合は、クランク角速度の第１変動量Δω１（平均エンジン回転速度ＮｅＡ−第１クランク角速度ω１）によって表される。

また、クランク角速度ωは、クランク軸５５が燃焼下死点の位置にある、すなわち、クランク角度が１８０度のときに最も大きくなる。したがって、燃焼・膨張行程によるクランク軸５５の加速度合は、圧縮上死点から燃焼下死点までのクランク角速度の第２変動量Δω２（第２クランク角速度ω２−第１クランク角速度ω１）によって表される。

本実施形態では、第１クランク角速度ω１を、圧縮上死点直前に位置するクランクパルスＰ１の立ち下がり点Ｃ１から、圧縮上死点直後に位置するクランクパルスＰ２の立ち下がり点Ｃ２までの３０度区間（第１所定区間）の通過時間τ１によって算出している。また、第２クランク角速度ω２は、燃焼下死点直前に位置するクランクパルスＰ３の立ち下がり点Ｃ３から、燃焼下死点直後に位置するクランクパルスＰ４の立ち下がり点Ｃ４までの３０度区間（第２所定区間）の通過時間τ２によって算出している。

そして、第１変動量Δω１は、平均エンジン回転速度ＮｅＡからクランク角速度ω１を減ずることで算出され、第２変動量Δω２は、第２クランク角速度ω２から第１クランク角速度ω１を減ずることで算出される。変動量Δω１，Δω２が算出されると、上述したようにＩＭＥＰ／ηｃに等しいΔω２／Δω１の値から、アルコール濃度推定マップ４３ａにおけるアルコール濃度Ｅの推測値が導出可能となる。

上記したように、本発明に係るアルコール濃度推測検知装置によれば、所定条件下において、第１変動量Δω１と充填効率ηｃとの比例関係が成立すると共に、第２変動量Δω２と図示平均有効圧力（ＩＭＥＰ）との比例関係が成立することに着目することにより、クランクパルサ信号から検知されるクランク角速度に基づいて、燃料中のアルコール濃度を推測検知することが可能となる。これにより、酸素センサ等の空燃比を検出するセンサやエアーフローセンサや吸入負圧センサ等の吸入空気質量を検出するセンサ等の機器を用いることなく、点火装置および燃料噴射装置等を、アルコール濃度の変動を考慮して適切に制御することが可能となる。

なお、クランクパルサロータやパルス発生器の構成や形状、アルコール濃度推定マップの形態や個数、ＥＣＵ内の構成等は、上記した実施形態に限られず、種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、Δω１およびΔω２を、それぞれ圧縮上死点および燃焼下死点をまたぐ期間で算出していたが、その算出位置は、エンジンの排気量や形態等に合わせて、それぞれ進角方向または遅角方向に所定角度だけずらしてもよい。また、ω１およびω２を算出する期間の長さも、クランクパルサロータのリラクタの形状等に応じて任意に変更可能である。また、クランクパルサロータのリラクタを、圧縮上死点および燃焼下死点をまたぐように形成し、この各リラクタの通過時間に基づいてΔω１およびΔω２を算出することもできる。

さらに、エンジンの圧縮行程開始時の角速度と圧縮上死点近傍の角速度との差分により第１変動量（Δω１）を算出し、一方、エンジンの燃焼下死点（ＢＤＣ）に重なる第２所定区間（τ２）の第２クランク角速度（ω２）を算出すると共に、第２クランク角速度（ω２）から第１クランク角速度（ω１）を減ずることで第２変動量（Δω２）を算出するΔω１，Δω２算出部を具備するようにしてもよい。

上述したアルコール濃度推測検知装置を使用することにより、アルコール含有燃料に対応するＦＦＶ制御において、酸素センサ等の空燃比を検出するセンサや吸気スロットル開度センサ、吸気負圧センサ、大気圧センサ、吸入空気流量センサ等を搭載することなく燃料のアルコール濃度が予測可能となり、常にアルコール濃度に適した点火時期を与えることが可能となる、その結果、廉価で燃費が良好な低排気エミッションのＦＦＶエンジン制御システムを構築することができる。なお、アルコール濃度の予測は、エンジンの暖気が終了した後に行うことでその精度を向上させることができる。その場合、エンジンの暖気状態を水温センサや油センサで検出し、所定の温度（例えば５０℃以上）を超えたタイミングでアルコール濃度の推測を開始すればよい。

本発明に係るアルコール濃度推定検知装置は、クランク角速度の変動に基づいてエンジンの負荷を推測検知する負荷検知装置と併用したり、また、自動二輪車用エンジンに限られず、種々の形態のエンジンに適用することが可能である。

３０…ＥＣＵ（アルコール濃度推測検知装置）、 ３１…クランクパルス検出部、 ３２…Δω１，Δω２算出部、 ３３…Δω２／Δω１算出部、 ３５…点火制御部、 ３６…燃料噴射制御部、 ３７…タイマ、 ３８…ＮｅＡ算出部、 ４０…アルコール濃度導出部、 ４１…マップ照合部、 ４２…アルコール濃度推測値導出部、 ４３…エンジン回転数別アルコール濃度推定マップ群、 ４３ａ…アルコール濃度推定マップ、 ５０…クランクパルサロータ、 ５２…リラクタ、 ６５…点火装置、 ６６…燃料噴射制御装置、 ＰＣ…パルス検出器。

Claims (6)

1. エンジンのクランク軸（５５）に同期して回転するクランクパルサロータ（５０）に設けられる複数のリラクタ（５２）の通過を検知するピックアップ（ＰＣ）からクランクパルスを供給されるアルコール濃度推測検知装置（３０）において、
   前記クランクパルス出力に基づいて前記エンジンの平均エンジン回転速度（ＮｅＡ）を算出するＮｅＡ算出部（３８）と、
   エンジンの圧縮上死点（ＴＤＣ）に重なる第１所定区間（τ１）の第１クランク角速度（ω１）を算出すると共に、前記平均エンジン回転速度（ＮｅＡ）から前記第１クランク角速度（ω１）を減ずることで第１変動量（Δω１）を算出し、一方、エンジンの燃焼下死点（ＢＤＣ）に重なる第２所定区間（τ２）の第２クランク角速度（ω２）を算出すると共に、前記第２クランク角速度から前記第１クランク角速度（ω１）を減ずることで第２変動量（Δω２）を算出するΔω１，Δω２算出部（３２）とを具備し、
   前記アルコール濃度推測検知装置（３０）は、前記第１の変動量（Δω１）および第２の変動量（Δω２）の値に基づいて、燃料のアルコール濃度を推測検知することを特徴とするアルコール濃度推測検知装置。
2. 前記エンジンについて所定のアルコール濃度の燃料で運転した場合に理論空燃比で運転されるように設定された燃料噴射マップと、
   前記燃料噴射マップの設定により運転されている時に、
   前記第１変動量（Δω１）と第２変動量（Δω２）との比を算出するΔω２／Δω１算出部（３３）と、
   所定のエンジン回転速度毎に設けられる複数のアルコール濃度とアルコール濃度に比例するパラメータとの関係を示したアルコール濃度推定マップ群（４３）とを具備し、
   前記アルコール濃度推測検知装置（３０）は、平均エンジン回転速度（ＮｅＡ）と合致する１つのアルコール濃度推定マップ（４３ａ）を選択し、前記第１変動量（Δω１）および第２変動量（Δω２）の比から前記パラメータを求めることにより、アルコール濃度を推測検知することを特徴とする請求項１に記載のアルコール濃度推測検知装置。
3. アルコール濃度推定マップ（４３ａ）は、所定のアルコール濃度の燃料で運転した場合に理論空燃比で運転されるように設定された燃料噴射マップにより運転されている条件の下におけるアルコール濃度とエンジンの図示平均有効圧力（ＩＭＥＰ）／充填効率（ηｃ）との関係を示すマップであり、
   前記アルコール濃度推測検知装置（３０）は、前記第１変動量（Δω１）を前記充填効率（ηｃ）に対応させると共に、前記第２変動量（Δω２）を前記図示平均有効圧力（ＩＭＥＰ）に対応させることで前記パラメータとして代用することを特徴とする請求項２に記載のアルコール濃度推測検知装置。
4. 前記第１所定区間（τ１）は、圧縮上死点（ＴＤＣ）の直前に位置するクランクパルス（Ｐ１）の立ち下がり点（Ｃ１）から、圧縮上死点（ＴＤＣ）の直後に位置するクランクパルス（Ｐ２）の立ち下がり点（Ｃ２）までの期間であり、
   前記第２所定区間（τ２）は、燃焼下死点（ＢＤＣ）の直前に位置するクランクパルス（Ｐ３）の立ち下がり点（Ｃ３）から、燃焼下死点（ＢＤＣ）の直後に位置するクランクパルス（Ｐ４）の立ち下がり点（Ｃ４）までの期間であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のアルコール濃度推測検知装置。
5. 前記クランクパルサロータ（５０）のリラクタ（５２）のうちの少なくとも１つが、圧縮上死点（ＴＤＣ）または燃焼下死点（ＢＤＣ）をまたぐように形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のアルコール濃度推測検知装置。
6. エンジンのクランク軸（５５）に同期して回転するクランクパルサロータ（５０）に設けられる複数のリラクタ（５２）の通過を検知するピックアップ（ＰＣ）からクランクパルスを供給されるアルコール濃度推測検知装置（３０）において、
   エンジンの圧縮行程開始時の角速度と圧縮上死点近傍の角速度との差分により第１変動量（Δω１）を算出し、一方、エンジンの燃焼下死点（ＢＤＣ）に重なる第２所定区間（τ２）の第２クランク角速度（ω２）を算出すると共に、前記第２クランク角速度（ω２）から前記第１クランク角速度（ω１）を減ずることで第２変動量（Δω２）を算出するΔω１，Δω２算出部（３２）とを具備し、
   前記アルコール濃度推測検知装置（３０）は、前記第１の変動量（Δω１）および第２の変動量（Δω２）の値に基づいて、燃料のアルコール濃度を推測検知することを特徴とするアルコール濃度推測検知装置。

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