JP6147289B2 - 自動二輪車の吸入空気量推定装置 - Google Patents

Description

この発明は、自動二輪車におけるエンジンの吸気通路に設けられたスロットルバルブをオリフィス（絞り）と見なし、オリフィス部を通過する空気量を推定する自動二輪車の吸入空気量推定装置に関するものである。

これまで、自動二輪車では吸入空気量を推定する方法として、スロットルスピード方式（スロットル開度およびエンジン回転速度で吸入空気量を推定する方式）と、スピードデンシティ方式（吸気圧およびエンジン回転速度で吸入空気量を推定する方式）の何れかまたは両方が用いられて来た。近年、排ガス規制強化や市場からの燃費向上要求に伴い、適正な燃料噴射を行うため吸入空気量を精度良く計測することが求められている。エンジンが吸入する空気量を精度良く推定する方法として、スロットルモデルを用いた吸入空気量推定方法が知られている。よって、本発明者は、自動二輪車において、自動四輪車で適用されているスロットルモデル吸入空気量推定方式を導入することについて研究した。

一般的に、自動四輪車には複数気筒エンジンが搭載されており、自動四輪車の複数気筒４サイクルエンジン（クランク角７２０度回転中に吸気、圧縮、燃焼、排気を行うエンジン）は、クランク角７２０度回転中に複数回の吸気や燃焼があること、エンジンの回転変動を抑制するためにフライホイールが重いこと、及びスロットルバルブの下流に複数の気筒が接続されていること、あるいはサージタンクがあることによりスロットルバルブ下流の容積が大きいことを特徴として有している。

上記特徴を有する複数気筒エンジンでは、クランク角７２０度回転中に複数気筒の燃焼が位相差をもって重なること、及びフライホイールが重いことにより、エンジン回転変動（クランク角７２０度回転中のエンジン回転速度の変化）が平滑化される。また、クランク角７２０度回転中に複数気筒の吸気が位相差をもって重なること、及びスロットルバルブ下流の大きな容積がフィルタとなることにより、スロットルバルブ下流圧変動（クランク角７２０度回転中のスロットルバルブ吸気圧の変化）が平滑化される。

それ故、スロットルモデル吸入空気量推定を演算するにあたっては次式で示すように、平均エンジン回転速度と平均スロットルバルブ下流圧が用いられている。
Ｑ＝ｍ（Ｐ１，Ｐ２ａｖｅ)×(６０／ＮＥａｖｅ)
上式において、Ｑは１回の燃焼に使用される空気量、Ｐ１はスロットルバルブ上流圧、Ｐ２ａｖｅは平均スロットルバルブ下流圧、ｍはＰ１、Ｐ２ａｖｅを変数としたスロットルバルブを通過する気体の質量流量、ＮＥａｖｅは平均エンジン回転速度を示している。

ところで、例えば特開平５−２２２９９８号公報（特許文献１）には、スロットルバルブをオリフィスと見なし、オリフィス部の流路開口面積とオリフィス部の上流、下流の圧力から流体力学の式に基づいて、オリフィス部を通過する空気量を推定することが記載されている。更に、スロットルバルブ下流の容積が小さいことも考慮して、ピストンの行程と共に変化するスロットルの下流圧を捉えるために、クランク角に従ってスロットルバルブ下流圧を推定することも記載されている。

また、特開２００６−３７９１１号公報（特許文献２）には、スロットルモデルを用いてスロットルバルブ下流圧を推定すると共に、吸気弁をオリフィスと見なし、スロットルバルブ下流圧、シリンダ内圧、及び吸気弁開口面積より吸気弁を通過する吸気弁モデルについて記載されている。この中では、シリンダ内からスロットルバルブ下流の吸気通路にガスが吹き返された場合の考慮がされている。

特開平０５−２２２９９８号公報 特開２００６−３７９１１号公報

自動二輪車には、単気筒エンジンも多く存在し、一般的に、自動二輪車の単気筒４サイクルエンジンは、クランク角７２０度回転中に吸気や燃焼が一回のみであること、エンジンの回転変動を抑制するためのフライホイールが軽いこと、及びスロットルバルブの下流にサージタンクは無くスロットルバルブからエンジンのシリンダまでの距離が短いのでスロットルバルブ下流の容積が小さいことを特徴として有している。

上記特徴を有する単気筒エンジンでは、クランク角７２０度回転中に１回しか燃焼がないことやフライホイールが軽いことにより、エンジン回転変動が発生する。また、クランク角７２０度回転中に１回しか吸気がないことやスロットルバルブ下流の容積が小さいことにより、スロットルバルブ下流圧変動が発生する。

そのため、単気筒エンジンを搭載した自動二輪車では、平均スロットルバルブ下流圧や平均エンジン回転速度を用いてスロットルモデル吸入空気量推定を演算すると、吸入空気量を精度良く計測出来ないという課題があった。

しかしながら、前記特許文献１においては、クランク角に従うスロットルバルブ下流圧の変化は考慮されているが、エンジン回転変動については何ら言及されていない。

また、特許文献２においても、吸気弁をオリフィスと見なした吸気弁モデルにおいては、吸気弁が開いている期間に通過する空気の流量を所定時間毎に積算して求めることについて言及されているが、スロットルモデルに関することについては言及されていない。よって、スロットルバルブ下流圧変動とエンジン回転変動を考慮してクランク角７２０度回転中にスロットルバルブを通過する空気量を推定するものではない。

また、特許文献２においては、シリンダ内からスロットルバルブ下流の吸気通路に空気が吹き返される場合について言及されているが、スロットルバルブ下流からスロットルバルブ上流へ空気が吹き返される場合については何ら言及されていない。

この発明は、前記実情に艦みて成されたもので、自動二輪車におけるエンジンの吸気通路に設けられたスロットルバルブをオリフィス（絞り）と見なし、オリフィス部を通過する空気量を推定する自動二輪車の吸入空気量推定装置の提供を目的とするものである。

この発明による自動二輪車の吸入空気量推定装置は、４サイクルエンジンが吸入する空気量を制御するスロットルバルブと、前記スロットルバルブの上流の圧力を推定するスロットルバルブ上流圧推定部と、前記スロットルバルブの下流の圧力を検出するスロットルバルブ下流圧検出部と、前記スロットルバルブの上流側と下流側の間の流路開口面積を前記スロットルバルブの開度、もしくは、スロットルバルブの下流の圧力とエンジン回転速度の情報を基に、予め設定された特性データにより推定される値に基づいて算出する流路開口面積算出部と、前記４サイクルエンジンのクランク軸における基準位置から回転した角度範囲を検出するクランク角検出部と、前記クランク角検出部で検出された信号を用いて所定クランク角度範囲回転する周期を検出するクランク角周期検出部と、前記スロットルバルブをオリフィスと見なし、前記スロットルバルブの上流の圧力、前記スロットルバルブの下流の圧力、及び前記流路開口面積算出部の算出した流路開口面積に基づいて吸入空気量を推定する吸入空気量推定部と、を備え、
前記吸入空気量推定部は、
吸気行程を複数に分割可能な角度に前記所定クランク角度範囲を設定し、少なくとも前記スロットルバルブの下流の圧力と前記所定クランク角度範囲回転する周期とを前記所定クランク角度範囲毎に検出し、前記所定クランク角度範囲毎に検出したスロットルバルブの下流の圧力と前記所定クランク角度範囲回転する周期とを用いて、前記所定クランク角度範囲毎に前記スロットルバルブの上流から下流へ通過する吸入空気量を推定すると共に、吸入空気量を推定する際に、スロットルバルブ下流圧を上流圧で除算した値が所定値以下となる臨界状態の場合は、前記スロットルバルブの上流から下流へ通過する吸入空気量を臨界状態となったときの流量で固定し、
前記吸入空気量をクランク角７２０度回転分積算することにより、１回の燃焼で必要な吸入空気量を推定するものである。

この発明による自動二輪車の吸入空気量推定装置によれば、単気筒エンジンにおいて、スロットルバルブの下流の圧力の変動が大きく、かつ、エンジン回転変動が大きい場合でも、１回の燃焼に必要な吸入空気量を精度良く推定することが出来る。
また、吸気行程を複数に分割可能な角度に前記所定クランク角度範囲を設定し、
少なくとも前記スロットルバルブの下流の圧力と前記所定クランク角度範囲回転する周期を前記所定クランク角度範囲毎に検出し、
前記所定クランク角度範囲毎に検出したスロットルバルブの下流の圧力と前記所定クランク角度範囲回転する周期を用いて算出した値から、前記所定クランク角度範囲毎に前記スロットルバルブの上流から下流へ通過する吸入空気量を推定し、
前記吸入空気量をクランク角７２０度回転分積算することにより、１回の燃焼で必要な吸入空気量を推定するように構成したので、
例えスロットル下流の容積が小さいことによりスロットバルブの下流の圧力の変動が大きく、かつ、エンジン回転変動が大きいという特徴を持つ単気筒エンジンであっても、クランク角７２０度回転中の吸入空気量の変動を捉えて１回の燃焼に必要な吸入空気量を精度良く推定することが出来、適正な燃料噴射を行うことが出来る。従って、排ガス規制強化や市場からの燃費向上要求に対応した自動二輪車の提供を可能にする。

この発明の実施の形態１による自動二輪車の吸入空気量推定装置を適用する自動二輪車のエンジンの概略構成図である。 この発明の実施の形態１による自動二輪車の吸入空気量推定装置の機能構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１による自動二輪車の吸入空気量推定装置に於ける、吸気弁開直前の下流圧が一定値に収束している場合のスロットルバルブ下流圧を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による自動二輪車の吸入空気量推定装置に於ける、吸気弁開直前の下流圧が一定値に収束していない場合のスロットルバルブ下流圧を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による自動二輪車の吸入空気量推定装置に於ける、吸気モデルを示した図である。 この発明の実施の形態１による自動二輪車の吸入空気量推定装置に於ける、エンジン回転変動が小さい場合の、スロットルバルブ下流圧（吸気圧）、エンジン回転速度、スロットルバルブを通過する気体の質量流量を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による自動二輪車の吸入空気量推定装置に於ける、エンジン回転変動が大きい場合の、スロットルバルブ下流圧（吸気圧）、エンジン回転速度、スロットルバルブを通過する気体の質量流量を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による自動二輪車の吸入空気量推定装置に於ける、吸入空気量推定のクランク角１５度回転毎処理のフローチャートである。 この発明の実施の形態１による自動二輪車の吸入空気量推定装置に於ける、吸入空気量推定の所定制御周期毎処理のフローチャートである。 この発明の実施の形態１による自動二輪車の吸入空気量推定装置に於ける、吸入空気量推定の所定制御周期毎処理のフローチャートである。

以下、この発明による自動二輪車の吸入空気量推定装置の好適な実施の形態について図面を参照して説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による自動二輪車の吸入空気量推定装置の全体構成の一例を示す概念図である。図１では、単気筒エンジンを図示しているが、複数気筒エンジンにおいても同様に吸入空気量を推定することが可能である。

図１において、エンジン１のシリンダ（気筒）２に接続された吸気管３には、空気量を制御するスロットルバルブ４が設けられている。ここで、符号４ａの部分をスロットルバルブ上流と称し、符号４ｂの部分をスロットルバルブ下流と称す。スロットルバルブ下流４ｂには吸気管３の内部圧力を検出する吸気圧センサ５、燃料を噴射するインジェクタ６が設けられている。シリンダ２には空気と燃料の混合気を燃焼することにより往復運動するピストン７、混合気をシリンダ２の内部に吸入するタイミングを制御する吸気弁８、混合気に着火する点火プラグ９、シリンダ２の内部の燃焼ガスを排出するタイミングを制御する排気弁１０が設けられている。

ピストン７は、往復運動を回転動作に変換するクランク軸１１に接続されている。エンジン１の側面には、クランク軸１１の基準位置からの回転角度範囲、即ち、所定クランク角度範囲、及び所定クランク角度範囲回転する周期を検出するために、クランク角センサ１２が設けられている。スロットルバルブ４には、スロットルバルブ４の開度を検出するスロットルポジションセンサ１３が設けられている。スロットルバルブ４の開度は、ワイヤー１４で連結されたアクセルグリップ１５を運転者が操作することにより調整される。本実施の形態では、運転者がスロットルバルブ４を操作するメカニカルスロットルを使用しているが、メカニカルスロットルの代わりにスロットルバルブ４をモータなどのアクチュエータにより制御する電子スロットルを用いても良い。

スロットルバルブ上流４ａには、吸気温度を計測する吸気温センサ１６が設けられている。吸気圧センサ５、クランク角センサ１２、スロットルポジションセンサ１３、吸気温センサ１６の各信号はコントロールユニット１７へ入力される。コントロールユニット１７は、各入力信号に基づき燃料噴射量および点火時期の演算を行い、インジェクタ６により燃料噴射制御、点火プラグ９により点火時期制御を実施する。

図２は、実施の形態１による自動二輪車の吸入空気量推定装置の機能構成を示すブロック図である。
コントロールユニット１７は、スロットルバルブ下流圧検出部１８、スロットルバルブ上流圧推定部１９、クランク角検出部２０、クランク角周期検出部２１、空気密度演算部２２、スロットル開度算出部２３、流路開口面積算出部２４、吸入空気量推定部２５、エンジン回転速度算出部２６、燃料噴射制御部２７、点火時期制御部２８を含んでいる。

吸気圧センサ５は、スロットルバルブ下流４ｂの吸気管３の内部圧力を検出し、検出された吸気管３の内部圧力はスロットルバルブ下流圧検出部１８に入力される。クランク角センサ１２は、クランク軸における基準位置（例えば、排気上死点）からクランク軸が所定クランク角度範囲回転（例えばクランク角１５度）したことを示す信号を出力するセンサである。なお、所定クランク角度範囲は、吸気行程でのスロットル下流圧変動、圧縮行程と燃焼行程でのエンジン回転速度、およびマイコン処理負荷を考慮して決める必要がある。

クランク角検出部２０は、クランク角センサ１２の出力信号を捉えてクランク軸が基準位置から回転した角度範囲、即ち、所定クランク角度範囲を検出する。クランク角周期検出部２１は、クランク角センサ１２の出力信号を用いて所定クランク角度度範囲回転する周期を計測する。吸気温センサ１６は、スロットルバルブ４を通過する空気量の温度を計測し、計測された温度は空気密度演算部２２に入力される。スロットルポジションセンサ１３は、スロットルバルブ４の回転角度を検出し、検出された回転角度はスロットル開度算出部２３に入力される。スロットルバルブ下流圧検出部１８は、クランク角検出部２０から所定クランク角度度範囲回転した情報を受信する毎に、吸気圧センサ５の信号に応じてスロットルバルブ下流圧を検出する。スロットルバルブ上流圧推定部１９は、クランク角検出部２０とスロットルバルブ下流圧検出部１８の情報を基に、吸気弁８が閉じている期間のスロットルバルブ下流圧によりスロットルバルブ上流圧を推定する。

ここで、スロットルバルブ上流圧の推定方法について図３及び図４を用いて説明する。図３（ａ）、図３（ｂ）は吸気弁開直前の下流圧が一定値に収束している場合のスロットルバルブ下流圧を示し、図４（ａ）、図４（ｂ）は吸気弁開直前の下流圧が一定値に収束していない場合のスロットルバルブ下流圧を示している。なお、図３（ａ）及び図４（ａ）はエンジンの燃焼サイクルを示し、横軸は時間を示している。また、図３（ｂ）及び図４（ｂ）の横軸は時間、縦軸は吸気圧を示している。

図３（ｂ）のように、吸気弁開直前のスロットルバルブ下流圧（吸気圧）が一定値に収束している場合、スロットルバルブ下流圧はスロットルバルブ上流圧と一致している。よって吸気弁開直前のスロットルバルブ下流圧をスロットルバルブ上流圧とすることが出来る。一方、スロットルバルブ４が僅かしか開いていない場合、またはエンジン回転速度が高い場合などは、図４（ｂ）のように吸気弁開直前のスロットルバルブ下流圧が一定値に収束していない。そのため、吸気弁開直前のスロットルバルブ下流圧をスロットルバルブ上流圧と見なすことが出来ない。

そこで、吸気弁８が閉弁している区間のスロットルバルブ下流圧からスロットルバルブ上流圧を推定する方法を考える。スロットルバルブ上流圧は、吸気弁開直前のスロットルバルブ下流圧、閉弁時のスロットルバルブ下流圧、スロットルバルブ４を通過する空気量、及び吸気弁８が閉弁から開弁までの周期で決まる。スロットルバルブ４を通過する空気量は、スロットルバルブ上流圧、スロットルバルブ下流圧、流路開口面積で決まる。よって、閉弁期間のスロットルバルブ下流圧の変化を捉えることにより、スロットルバルブ上流圧を推定することが可能である。

また別のスロットルバルブ上流圧推定の方法として、運転領域毎にスロットルバルブ上流圧と吸気弁開直前のスロットルバルブ下流圧が一定の関係になると考えると、吸気弁開直前のスロットルバルブ下流圧をスロットルバルブ上流圧に変換する係数を、エンジン負荷とエンジン回転速度のマップデータで決めることも考えられる。エンジン負荷としては、スロットル開度、スロットルバルブ下流圧、また、吸気弁開直前のスロットルバルブ下流圧を仮のスロットルバルブ上流圧として推定したスロットルバルブ４を通過する空気量の何れかを用いることを考える。

またこれまで、スロットルバルブ上流圧の推定に吸気弁開直前の吸気圧を用いることを考えてきたが、吸気圧センサ５の振れや脈動がある場合などには、吸気弁閉期間中のスロットルバルブ下流圧の最大値を用いることや、吸気弁閉期間中の複数データのスロットルバルブ下流圧の平均値を用いことも可能である。

図２に戻り、空気密度演算部２２は、スロットルバルブ上流圧と吸気温を用いて空気密度を演算する。空気密度を演算する式は、ρ＝Ｐ１／（Ｒ×Ｔ）（ρは空気密度、Ｐ１はスロットルバルブ上流圧、Ｔは吸気温、Ｒは気体定数）として表される。スロットル開度算出部２３は、スロットルポジションセンサ１３の出力信号によりスロットル開度を算出し、求めたスロットル開度の情報を流路開口面積算出部２４に入力する。流路開口面積算出部２４は、スロットル開度に応じてスロットルバルブ４の開口面積を算出する。なお、本実施の形態では流路開口面積をスロットルバルブ開口面積としているが、アイドルスピード制御などのためにバイパスエアー通路が設けられている車両においては、スロットルバルブ開口面積とバイパスエアー通路の開口面積を加算したものを流路開口面積とする。

吸入空気量推定部２５は、スロットルバルブ下流圧検出部１８により検出されたスロットルバルブ下流圧、スロットルバルブ上流圧推定部１９により推定されたスロットルバルブ上流圧、クランク角検出部２０により検出されたクランク角度範囲、クランク角周期検出部２１により検出されたクランク角周期、空気密度演算部２２により演算された空気密度ρ、及び流路開口面積算出部２４により算出された流路開口面積を用いて吸入空気量推定値を推定する。吸入空気量推定部２５が推定した１回の燃焼に使用される空気量は、燃料噴射制御部２７および点火時期制御部２８に入力される。

エンジン回転速度算出部２６は、クランク角周期検出部２１により検出されたクランク角周期を用いてエンジン回転速度を算出する。燃料噴射制御部２７は、吸入空気量推定部２５により推定された吸入空気量推定値とエンジン回転速度算出部２６により算出されたエンジン回転速度を用いて燃料噴射量を決定し、図示していない各種補正を演算した後にインジェクタ６により燃料を噴射する。点火時期制御部２８は、吸入空気量推定部２５により推定された吸入空気量推定値とエンジン回転速度算出部２６により算出されたエンジン回転速度を用いて点火時期を決定し、図示していない各種補正を演算した後に点火プラグ９により点火する。

次に、図５を参照しながら、スロットルモデル吸入空気量推定方法について説明する。図５において、スロットルバルブ上流４ａは、スロットルバルブ上流圧Ｐ１と空気密度ρ１で構成される。スロットルバルブ開口部５０は流路開口面積Ａで構成され、スロットルバルブ開口部５０を通過する吸入空気は、スロットルバルブ上流圧Ｐ１とスロットルバルブ下流圧Ｐ２から圧力を受ける。スロットルバルブ下流４ｂは、スロットルバルブ下流圧Ｐ２と空気密度ρ２から構成される。なお、空気密度ρ１は全域で一定として取り扱う。図５の吸入空気量推定モデルにおけるスロットル通過流量の推定は、流体力学の式をもとに次式（１）から推定される。

ここで、ｍはスロットルバルブ４を通過する気体の質量流量、Ａは流路開口面積、Ｐ１はスロットルバルブ上流圧、Ｐ２はスロットルバルブ下流圧、ρ１は上流空気密度、Ｒは気体定数、κは吸入空気の比熱比である。
式（１）においてＰ２／Ｐ１が０．５２８以下では臨界状態となり、Ｐ２／Ｐ１＝０．５２８となる場合の流量で閉塞（チョーク）される。このとき、スロットルを通過する吸入空気の速度が音速となる。

また、スロットルバルブ上流圧がスロットルバルブ下流圧より低い場合は、次式（２）となる。

ここで、ｍはスロットルバルブ４を通過する気体の質量流量、Ａは流路開口面積、Ｐ１はスロットルバルブ上流圧、Ｐ２はスロットルバルブ下流圧、ρ２は下
流空気密度、Ｒは気体定数、κは吸入空気の比熱比である。

ここで、図６（ａ）から図６（ｄ）を用いて１回の燃焼に使用される空気量を推定する方法について説明する。なお、図６（ａ）から図６（ｄ）の横軸は時間を示し、図６（ａ）の縦軸は基準位置（排気上死点）からのエンジンの燃焼サイクル、図６（ｂ）の縦軸は吸気圧、図６（ｃ）の縦軸は瞬時のエンジン回転速度、図６（ｄ）の縦軸はスロットルバルブ４を通過する気体の質量流量を示している。

図６（ａ）のように、基準位置からのクランク角度範囲によりエンジン１の燃焼サイクル（吸気工程、圧縮工程、燃焼行程、排気工程）が分かる。吸気工程では、図６（ｂ）のようにシリンダ２の内部に空気が吸入されるので、スロットルバルブ下流４ｂ側の圧力は低下する。また、図６（ｃ）のようにシリンダ２の内部に空気が吸入される際のポンピングロスにより、瞬時のエンジン回転速度は低下する。圧縮工程では、図６（ｂ）のようにスロットルバルブ下流４ｂ側の圧力は、スロットルバルブ上流圧へ向けて吸気弁８が開くまで上昇する。また、図６（ｃ）のように、ピストン７が空気を圧縮する際にも瞬時のエンジン回転速度が低下する。燃焼行程では、図６（ｃ）のように燃焼による燃焼ガスの膨張によりピストン７を押し下げるので、瞬時のエンジン回転速度が上昇する。

排気工程では、図６（ｃ）のようにシリンダ２の内部の燃焼ガスを排出する際のポンピングロスにより、瞬時のエンジン回転速度が低下する。このような燃焼サイクルにおいて、スロットルバルブ４を通過する気体の質量流量は図６（ｄ）のように変化する。よって、１回の燃焼に使用される空気量を推定するには、前記式（１）で推定されたスロットルバルブ４を通過する気体の質量流量をクランク角１５度毎に算出すると共に、クランク角１５度回転周期を用いてクランク角７２０度分積算することにより次式（３）のように算出され、図６（ｄ）に示す斜線部分の面積となる。

ここで、Ｑは１回の燃焼に使用される空気量、ｔ１５はクランク角１５度回転周期である。
なお、スロットルバルブ上流圧よりスロットルバルブ下流圧の方が大きい場合は、前記式（２）を用いてスロットルバルブ４を通過する気体の質量流量を算出すると共に、算出された値を負の値として前記式（３）の演算を行うものとする。

次に、エンジンの負荷が大きいことや燃焼状態の違いなどにより、エンジン回転変動が大きい場合の１回の燃焼に使用される空気量の推定について図７（ａ）から図７（ｄ）を用いて説明し、エンジン回転変動が少ない場合と比較する。なお、図７（ａ）から図７（ｄ）の横軸は時間を示し、図７（ａ）の縦軸は基準位置（排気上死点）からのエンジンの燃焼サイクル、図７（ｂ）の縦軸は吸気圧、図７（ｃ）の縦軸は瞬時のエンジン回転速度、図７（ｄ）の縦軸はスロットルバルブ４を通過する気体の質量流量を示している。

図７（ｃ）のように、エンジン１の負荷が大きいことによりエンジン回転変動が大きくなっているものとする。但し、平均的なエンジン回転速度は図６と同じものとする。スロットルバルブ下流４ｂの圧力（吸気圧）は、図７（ｂ）のように、クランク角度範囲毎の圧力が図６（ｃ）と一致しているものとする。また、スロットルバルブ４の流路開口面積も図６と一致するものとする。この場合の１回の燃焼に使用される空気量を推定すると、図７（ｄ）に示す斜線部分の面積となり、図６（ａ）から図６（ｄ）のようにエンジン回転変動が少ない場合と比べて１回の燃焼に使用される空気量が増えることが分かる。空気と燃料の混合比が５〜７％程度変化すると環境負荷物質の排出量や走行フィーリングに大きな影響を与えるため、エンジン回転変動を捉えて吸入空気量推定を行う必要がある。

なお、本実施の形態では単気筒エンジンのエンジン回転変動について考えているが、複数気筒エンジンにおいてもエンジン回転変動が大きくなることが考えられる。例えば、２気筒エンジンにおいて、各気筒に独立した電子スロットルバルブが搭載されている場合に、各スロットル開度が異なるスロットル開度であれば、片方の気筒が大きなトルクを発生し、もう片方の気筒が小さなトルクが発生することとなる。その結果、エンジン回転変動が大きくなると考えられる。また別の例としては、複数気筒エンジンにおいて、クランク角７２０度中に燃焼が不等間隔で行われる場合に、エンジン回転変動は大きくなることが考えらえる。また、複数気筒エンジンにおいてもスロットルバルブ下流圧変動が大きくなることも考えられる。例えば、気筒毎にスロットルバルブと吸気圧センサが設けられている場合、各吸気圧センサで検出されるスロットルバルブ下流圧変動は大きくなると考えられる。従って、エンジンの特性によってはこの発明を複数気筒エンジンに適用することが出来ると考えられる。

次に、図８から図１０のフローチャートを参照しながら吸入空気量推定部２５で実行されるスロットルモデル吸入空気量推定方法の一例を説明する。スロットルモデル吸入空気量推定の演算処理を所定クランク角度度範囲毎（例えばクランク角１５度回転毎）の処理と、所定制御周期（例えば５ｍｓ）毎の処理に分散化することにより処理負荷を低減している。
所定クランク角度度範囲毎の処理としては、吸気圧データと所定クランク角度度範囲回転する周期を取得し、７２０度分保存している。また、所定制御周期毎の処理としては、保存されている吸気圧データと所定クランク角度度範囲回転する周期を用いてスロットルバルブ４を通過する吸入空気量の演算を行う。これにより、排ガス規制や燃費に影響の大きいエンジン低回転速度においては、十分短い周期（例えば２４００ｒ／ｍｉｎの場合、７２０度周期は５０ｍｓ）で吸入空気量推定の演算を行うことにより燃料噴射精度を向上させ、マイコン演算負荷の高いエンジン高回転速度においては、スロットルモデル吸入空気量推定の導入によるマイコン負荷の増大を抑えることを考慮した。図８の処理はクランク角１５度回転毎に実施する。

先ず、ステップＳ１において、今回が排気上死点での処理であるかを確認する。クランク軸における基準位置の検出の方法としては、カム軸に基準位置検出用のセンサを取り付ける方法でも良いし、あるいは、クランク角センサの信号が一部区間だけクランク角４５度回転で変化するように設定し、クランク角センサの変化を捉えて基準位置を検出するのでも良い。

ステップＳ１での判定の結果、排気上死点での処理である場合は、ステップＳ２にてカウンタｉに０をセットし、ステップＳ４へ移行する。一方、ステップＳ１での判定の結果、排気上死点でない場合は、ステップＳ３にてカウンタｉをインクリメントし、ステップＳ４へ移行する。

ステップＳ４において、吸気圧センサ５より取得した吸気圧値を、スロットルバルブ下流圧［０］からスロットルバルブ下流圧[４７]の配列データのうちｉで指定したスロットルバルブ下流圧［ｉ］へ保存する。次に、ステップＳ５にて、前回のクランク角１５度回転毎処理から今回のクランク角１５度回転毎処理までの周期を検出し、クランク角１５度回転周期［０］からクランク角１５度回転周期[４７]の配列データのうちｉで指定したクランク角１５度回転周期［ｉ］に保存する。

図９及び図１０の処理は所定制御周期（例えば５ｍｓ）毎に行われ、クランク角１５度回転毎処理にて検出したスロットルバルブ下流圧とクランク角１５度回転周期を用いて吸入空気量推定処理を行う。

ステップＳ６において、エンジン始動した後にクランク軸が７２０度以上回転しているかを確認する。７２０度以上回転している場合は、吸入空気量推定に必要なスロットルバルブ下流圧およびクランク角１５度回転周期のデータが保存されているので、ステップＳ７以降の吸入空気量推定処理を実施する。エンジン始動後、クランク軸が７２０度以上回転していない場合は、処理を終了する。

ステップＳ７において、スロットル開度より流路開口面積Ａを算出する。スロットル開度と流路開口面積Ａの関係は予めマップデータとして持っているものとする。ここで、スロットル開度を求めるにあたって、スロットルポジションセンサ１３に応じてスロットル開度を算出することを考えているが、クランク角７２０度回転中のスロットルバルブ下流圧の全区間の平均値または一部区間の平均値とエンジン回転速度のマップデータによりスロットル開度を推定することも可能である。この場合、スロットルバルブ下流圧平均値に対し、大気圧および吸気温による補正が必要である。

次にステップＳ８において、スロットルバルブ下流圧Ｐ２よりスロットルバルブ上流圧Ｐ１を推定する。例えば、クランク角１５度回転毎処理で保存した吸気弁開直前のスロットルバルブ下流圧Ｐ２をスロットルバルブ上流圧Ｐ１に変換する係数を掛けて算出する。吸気弁開直前のスロットルバルブ下流圧Ｐ２をスロットルバルブ上流圧Ｐ１に変換する係数は、予めスロットル開度とエンジン回転速度を入力としたマップデータで持っているものとする。

次に、ステップＳ９において、吸入空気量積算値Ｑに０を設定する。

次に、ステップＳ１０において、カウンタｎに０を設定する。

次に、ステップＳ１１において、カウンタｎが４７以下であることを確認する。ここでカウンタが４７以下であることを確認しているのは、ステップＳ１２以下の処理を４８回繰り返すことにより、クランク角７２０度回転分の吸入空気量を算出するためである。カウンタｎが４７以下である場合は、ステップＳ１２へ移行する。カウンタｎが４７より大きい場合は、ステップＳ２０へ移行する。

次に、ステップＳ１２において、スロットルバルブ上流圧Ｐ１とスロットルバルブ下流圧Ｐ２の値を比較する。スロットルバルブ上流圧Ｐ１が大きい場合は、ステップＳ１３へ移行する。スロットルバルブ上流圧Ｐ１が小さい場合は、ステップＳ１６へ移行する。

ステップＳ１３において、「スロットルバルブ下流圧Ｐ２（ｎ）／スロットルバルブ上流圧Ｐ１」より前記式（１）を用いて流量ｍ（ｎ）を算出する。ここで計算処理負荷を軽減させるため、式（１）を用いて流量ｍ（ｎ）を算出するにあたり、一部を次式（４）のように切り出して、予めＰ２／Ｐ１を入力としたマップデータを持つことでも良い。

空気密度は吸気温とスロットルバルブ上流圧Ｐ１より演算し、前記式（１）に用いる。また空気密度を考慮する別の方法として、標準条件（スロットルバルブ上流圧Ｐ１＝１０１．３[ｋＰａ]、吸気温：２５[℃]）の空気密度を用いて式（１）を計算した後、標準条件の空気密度と吸気温とスロットルバルブ上流圧Ｐ１から算出した空気密度の比によって、標準条件で求められた１回の燃焼に使用される空気量Ｑまたは燃料噴射量を補正することも考えられる。これにより、前記従来の吸入空気量の推定を行う方式であるスロットルスピード方式やスピードデンシティ方式を、この発明のスロットルモデル吸入空気量推定方式への置き換えが容易に出来る効果がある。

ステップＳ１４にて、次式（５）のとおり上記にて算出された流量ｍ（ｎ）からクランク角１５度回転中にスロットルバルブ４を通過した空気量ｑ（ｎ）を算出する。
ｑ（ｎ）＝ｍ（ｎ）×ｔ１５（ｎ）・・・・・（５）

ステップ１５にて、次式（６）のとおり上記により算出されたクランク角１５度回転中にスロットルバルブ４を通過した空気量ｑ（ｎ）を吸入空気量積算値Ｑ（ｎ）へ加算する。
Ｑ（ｎ）＝Ｑ（ｎ−１）＋ｑ（ｎ）・・・・・（６）
なお、Ｑ（ｎ−１）は前回演算した吸入空気量積算値を示し、Ｑ（ｎ）は今回演算した吸入空気量積算値を示す。

一方、ステップＳ１２でスロットルバルブ上流圧Ｐ１よりスロットルバルブ下流圧Ｐ２（ｎ）のほうが大きいと判定された場合は、ステップＳ１６にて、「スロットルバルブ上流圧Ｐ１／スロットルバルブ下流圧Ｐ２（ｎ）」より前記式（２）を用いて流量ｍ（ｎ）を算出する。ここで計算処理負荷を軽減させるため、式（２）を用いて流量ｍ（ｎ）を算出するにあたり、一部を次式（７）のように切り出して、予めＰ１／Ｐ２を入力としたマップデータを持つのでも良い。

ステップＳ１７にて、前記式（５）のとおり、上記にて算出した流量ｍ（ｎ）からクランク角１５度回転中にスロットルバルブ４を通過した空気量ｑ（ｎ）を算出する。

ステップ１８にて、次式（８）のとおり、上記にて算出したクランク角１５度回転中にスロットルバルブ４を通過した空気量ｑ（ｎ）を吸入空気量積算値Ｑ（ｎ）から減算する。
Ｑ（ｎ）＝Ｑ（ｎ−１）−ｑ（ｎ）・・・・・（８）

ステップＳ１９にて、カウンタｎをインクリメン
トし、ステップＳ１１へ戻る。ステップＳ１１からステップＳ１９を４８回繰り返すことにより、吸入空気量積算値Ｑ（ｎ）が１回の燃焼に使用される空気量となる。

ステップＳ２０にて、１回の燃焼に使用される空気量Ｑとエンジン回転速度の３次元マップから基本燃料噴射量を算出し、各種補正を演算した後、インジェクタ６にて演算された燃料噴射量を噴射する。

ステップＳ２１にて、１回の燃焼に使用される空気量Ｑとエンジン回転速度の３次元マップから基本点火時期を算出し、各種補正を演算した後、点火プラグにて演算された点火時期で点火する。

以上のように、実施の形態１による自動二輪車の吸入空気量推定装置は、エンジン１が吸入する空気量を制御するスロットルバルブ４と、スロットルバルブ４の上流の圧力を推定するスロットルバルブ上流圧推定部１９と、スロットルバルブ４の下流の圧力を検出するスロットルバルブ下流圧検出部１８と、スロットルバルブ４の上流側とスロットルバルブ４の下流側の間の全流路面積を算出する流路開口面積算出部２４と、エンジン１のクランク軸１１における基準位置から回転した角度範囲を検出するクランク角検出部２０と、所定クランク角度範囲回転する周期を検出するクランク角周期検出部２１と、スロットルバルブ４をオリフィスと見なし、スロットルバルブ４の上流の圧力、スロットルバルブ４の下流の圧力、及び流路開口面積算出部２４の算出する流路開口面積Ａに基づいて吸入空気量推定値を推定する吸入空気量推定部２５と、を備え、
吸入空気量推定部２５は、吸気行程を複数に分割可能な角度に前記所定クランク角度範囲を設定し、少なくともスロットルバルブ４の下流の圧力と前記所定クランク角度範囲回転する周期とを前記所定クランク角度範囲毎に検出し、前記所定クランク角度範囲毎に検出したスロットルバルブ４の下流の圧力と前記所定クランク角度範囲回転する周期とを用いて、前記所定クランク角度範囲毎にスロットルバルブ４の上流から下流へ通過する吸入空気量を推定すると共に、吸入空気量を推定する際に、スロットルバルブ下流圧を上流圧で除算した値が所定値以下となる臨界状態の場合は、スロットルバルブ４の上流から下流へ通過する吸入空気量を臨界状態となったときの流量で固定し、
前記吸入空気量をクランク角７２０度回転分積算することにより、１回の燃焼で必要な吸入空気量を推定するので、単気筒エンジンにおいて、スロットルバルブ４の下流の圧力の変動が大きく、かつ、エンジン回転変動が大きい場合でも、１回の燃焼に必要な吸入空気量を精度良く推定することが出来る。

また、所定クランク角度範囲毎にスロットルバルブ４を通過する吸入空気量を推定する際に、スロットルバルブ４の上流の圧力よりスロットルバルブ４の下流の圧力が大きい場合は、スロットルバルブ４の下流からスロットルバルブ４の上流へ空気が逆流していると見なし、スロットルバルブ４の上流の圧力とスロットルバルブ４の下流の圧力の関係を入れ替えて、即ち、下流の圧力を上流の圧力、上流の圧力を下流の圧力として、吸入空気量を算出し、所定クランク角度範囲毎に算出された吸入空気量を積算する際には、逆流していると見なされた区間の吸入空気量を負の値として積算するので、吸気弁が開いた際にスロットルバルブ４の下流からスロットルバルブ４の上流へ吹き返しがある場合でも、精度良く１回の燃焼に必要な吸入空気量を推定することが出来る。

また、スロットルバルブ上流圧推定部１９は、シリンダ２の吸気弁８が閉じてから次に開くまでの吸気弁閉期間におけるスロットルバルブ４の下流の圧力を用いてスロットルバルブ４の上流の圧力を推定するので、スロットルバルブ４の上流の圧力を検出するためのセンサを追加しなくても、エアクリーナーによる圧力損失や、走行風圧（ラム圧）等による過給の影響により変化するスロットルバルブ４の上流の圧力をクランク角７２０度回転毎に捉えることが出来る。

また、スロットルバルブ４の下流の圧力が一定値に収束していると判断した場合は、収束した値をスロットルバルブ４の上流の圧力と見なし、スロットルバルブ４の下流の圧力が一定値に収束していないと判断した場合は、吸気弁８が開く直前のスロットルバルブ４の下流の圧力または吸気弁閉期間におけるスロットルバルブ４の下流の圧力の最大値からスロットルバルブ４の上流の圧力を推定するので、スロットルバルブ４の流路開口面積Ａが小さく、吸気弁閉期間にスロットルバルブ４の下流の圧力がスロットルバルブ４の上流の圧力へ収束しない場合でも、スロットルバルブ４の下流の圧力によりクランク角７２０度回転毎にスロットルバルブ４の上流の圧力の変化を捉えることが出来る。

また、スロットルバルブ４の下流の圧力が一定値に収束していると判断した場合は、収束した値をスロットルバルブ４の上流の圧力と見なし、スロットルバルブ４の下流の圧力が一定値に収束していないと判断した場合は、所定周期あたりのスロットルバルブ４の下流の圧力の変化量からスロットルバルブ４の上流の圧力を推定するので、スロットルバルブ４の流路開口面積Ａが小さく、吸気弁閉期間にスロットルバルブ４の下流の圧力がスロットルバルブ４の上流の圧力へ収束しない場合でも、スロットルバルブ４の下流の圧力によりクランク角７２０度回転毎にスロットルバルブ４の上流の圧力の変化を捉えることが出来る。

また、吸入空気量の空気密度を演算する空気密度演算部２２を備え、前記で推定したスロットルバルブ４の上流の圧力を吸入空気の圧力として空気密度の演算を行うので、スロットルバルブ４の上流の圧力を検出するためのセンサを追加しなくても、エアクリーナーによる圧力損失や、走行風圧（ラム圧）等による過給の影響により変化する空気密度をクランク角７２０度回転毎に捉えることが出来る。

また、スロットルバルブ４の流路開口面積Ａは、スロットル開度に基づいて設定されるので、スロットルバルブ４の動作を検出するスロットルポジションセンサ１３で検出したスロットル開度よりスロットルバルブ４の流路開口面積Ａを算出することが出来る。

また、スロットル開度は、スロットルバルブ４の下流の圧力とエンジン回転速度の情報を基に、予め設定された特性データにより推定されるので、スロットルバルブ４の動作を検出するスロットルポジションセンサ１３が搭載されていない場合でも、スロットルバルブ４の流路開口面積Ａを推定することが出来る。

以上、この発明の一つの実施の形態について説明したが、この発明はこれに限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲において、これらの構成を適宜組み合わせたり、その構成に一部変形を加えたり、構成を一部省略することが可能である。

１ エンジン、２ シリンダ（気筒）、３ 吸気管、４ スロットルバルブ、４ａ スロットルバルブ上流、４ｂ スロットルバルブ下流、５ 吸気圧センサ、６ インジェクタ、７ ピストン、８ 吸気弁、９ 点火プラグ、１０ 排気弁、１１ クランク軸、１２ クランク角センサ、１３ スロットルポジションセンサ、１４ ワイヤー、１５ アクセルグリップ、１６ 吸気温センサ、１７ コントロールユニット、１８ スロットルバルブ下流圧検出部、１９ スロットルバルブ上流圧推定部、２０ クランク角検出部、２１ クランク角周期検出部、２２ 空気密度演算部、２３ スロットル開度算出部、２４ 流路開口面積算出部、２５ 吸入空気量推定部、２６ エンジン回転速度算出部、２７ 燃料噴射制御部、２８ 点火時期制御部、５０ スロットルバルブ開口部

Claims (6)

1. ４サイクルエンジンが吸入する空気量を制御するスロットルバルブと、
   前記スロットルバルブの上流の圧力を推定するスロットルバルブ上流圧推定部と、
   前記スロットルバルブの下流の圧力を検出するスロットルバルブ下流圧検出部と、
   前記スロットルバルブの上流側と下流側の間の流路開口面積を前記スロットルバルブの開度に基づいて算出する流路開口面積算出部と、
   前記４サイクルエンジンのクランク軸における基準位置から回転した角度範囲を検出するクランク角検出部と、
   前記クランク角検出部で検出された信号を用いて所定クランク角度範囲回転する周期を検出するクランク角周期検出部と、
   前記スロットルバルブをオリフィスと見なし、前記スロットルバルブの上流の圧力、前記スロットルバルブの下流の圧力、及び前記流路開口面積算出部の算出した流路開口面積に基づいて吸入空気量を推定する吸入空気量推定部と、を備え、
   前記吸入空気量推定部は、
   吸気行程を複数に分割可能な角度に前記所定クランク角度範囲を設定し、少なくとも前記スロットルバルブの下流の圧力と前記所定クランク角度範囲回転する周期とを前記所定クランク角度範囲毎に検出し、前記所定クランク角度範囲毎に検出したスロットルバルブの下流の圧力と前記所定クランク角度範囲回転する周期とを用いて、前記所定クランク角度範囲毎に前記スロットルバルブの上流から下流へ通過する吸入空気量を推定すると共に、吸入空気量を推定する際に、スロットルバルブ下流圧を上流圧で除算した値が所定値以下となる臨界状態の場合は、前記スロットルバルブの上流から下流へ通過する吸入空気量を臨界状態となったときの流量で固定し、
   前記吸入空気量をクランク角７２０度回転分積算することにより、１回の燃焼で必要な吸入空気量を推定することを特徴とする自動二輪車の吸入空気量推定装置。
2. 前記所定クランク角度範囲毎にスロットルバルブを通過する吸入空気量を推定する際に、前記スロットルバルブの上流の圧力より前記スロットルバルブの下流の圧力が大きい場合は、前記スロットルバルブの下流から前記スロットルバルブの上流へ空気が逆流していると見なし、前記スロットルバルブの上流の圧力を下流の圧力、前記スロットルバルブの下流の圧力を上流の圧力として吸入空気量を算出し、前記所定クランク角度範囲毎に算出された吸入空気量を積算する際には、逆流していると見なされた区間の吸入空気量を負の値として積算することを特徴とする請求項１に記載の自動二輪車の吸入空気量推定装置。
3. 前記スロットルバルブ上流圧推定部は、シリンダの吸気弁が閉じてから次に開くまでの吸気弁閉期間における前記スロットルバルブの下流の圧力が一定値に収束していると判断した場合は、収束した値を前記スロットルバルブの上流の圧力と見なし、前記スロットルバルブの下流の圧力が前記スロットルバルブの下流の圧力が一定値に収束していないと判断した場合は、吸気弁が開く直前の前記スロットルバルブの下流の圧力または吸気弁閉期間における前記スロットルバルブの下流の圧力の最大値から前記スロットルバルブの上流の圧力を推定することを特徴とする請求項１または２に記載の自動二輪車の吸入空気量推定装置。
4. 前記スロットルバルブ上流圧推定部は、シリンダの吸気弁が閉じてから次に開くまでの吸気弁閉期間における前記スロットルバルブの下流の圧力が一定値に収束していると判断した場合は、収束した値を前記スロットルバルブの上流の圧力と見なし、前記スロットルバルブの下流の圧力が前記スロットルバルブの下流の圧力が一定値に収束していないと判断した場合は、所定時間あたりの前記スロットルバルブの下流の圧力の変化量から前記スロットルバルブの上流の圧力を推定することを特徴とする請求項１または２に記載の自動二輪車の吸入空気量推定装置。
5. 吸入空気量の空気密度を演算する空気密度演算部を備え、前記スロットルバルブの上流の圧力を吸入空気の圧力として空気密度の演算を行うことを特徴とする請求項３または４に記載の自動二輪車の吸入空気量推定装置。
6. 前記スロットルバルブの開度は、前記スロットルバルブの下流の圧力とエンジン回転速度の情報を基に、予め設定された特性データにより推定されることを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の自動二輪車の吸入空気量推定装置。

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