WO2005073548A1 - エンジンの運転制御装置、それを備えた乗物、エンジンにおける燃焼重心の算出方法、及びエンジンの運転制御方法 - Google Patents

エンジンの運転制御装置、それを備えた乗物、エンジンにおける燃焼重心の算出方法、及びエンジンの運転制御方法 Download PDF

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Tsugunori Konakawa
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Yamaha Hatsudoki Kabushiki Kaisha
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Definitions

  • Engine operation control device vehicle equipped with the same, method of calculating combustion center of gravity in engine, and engine operation control method
  • the present invention relates to an engine operation control device, a vehicle including the same, a method of calculating a combustion center of gravity in an engine, and an engine operation control method.
  • Patent Document 1 As a method of optimizing an ignition timing in a spark ignition type internal combustion engine, a method of determining an ignition timing based on a negative ion current in a cylinder is known (for example, see Patent Document 1).
  • the negative ion current flowing in the cylinder immediately after ignition is measured, and the time from ignition at the point where the current value of the negative ion current becomes maximum is measured. Then, the time difference between the measured time and the position of MBT (Minimum spark advance for Best Torque) is calculated, and the calculated time difference is added to or subtracted from the previous ignition timing. Determine the ignition timing.
  • MBT Minimum spark advance for Best Torque
  • Patent Document 1 JP-A-6-33855
  • the ignition timing can be adjusted to MBT by adjusting the ignition timing so that the peak position of the negative ion current is 15 degrees after the top dead center.
  • the position of the combustion pressure peak varies depending on the operating state. Therefore, the above 2) is an assumption that the force does not hold in a certain limited operating region. That is, for example, at the time of MBT when the burning speed is decreasing, the peak position of the ion current is not 15 degrees after the top dead center. Therefore, in the above control, the ignition timing could not be adapted to the MBT.
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems, and it is possible to execute control such as, for example, adapting the ignition timing to the MBT without measuring the torque and the combustion pressure. It is an object of the present invention to provide a device or a method capable of improving fuel efficiency, reducing exhaust gas, improving driver's utility, and the like.
  • An engine operation control device includes an ion current measurement device that measures a negative ion current in a combustion chamber of an engine, a crank angle measurement device that measures an engine crank angle, and a negative ion current with respect to the crank angle.
  • the engine is operated based on a first crank angle at which the rate of increase becomes equal to or more than a first predetermined value and a second crank angle at which the rate of increase becomes equal to or less than a second predetermined value after the rate of increase becomes equal to or more than the first predetermined value.
  • a control device for controlling for controlling.
  • the step of measuring a negative ion current in the combustion chamber of the engine includes the step of: (1) detecting a crank angle; detecting a second crank angle at which the increase rate becomes equal to or less than the first predetermined value and then becomes equal to or less than a second predetermined value; Calculating the combustion center of gravity from the crank angle.
  • the step of measuring the negative ion current in the combustion chamber of the engine includes the steps of: (a) increasing the negative ion current with respect to the crank angle of the engine to a first predetermined value or more; Detecting a crank angle; detecting a second crank angle at which the rate of increase becomes equal to or less than a second predetermined value after the increase rate becomes equal to or more than the first predetermined value; and the first crank angle and the second crank angle Controlling the engine on the basis of the above.
  • the control of the engine is executed or the combustion center of gravity is calculated based on the rising point and the peak point of the negative ion current in the characteristic curve of the negative ion current. Therefore, unlike the case where the above control or calculation is performed based only on the peak point of the negative ion current, when the peak point moves due to a change in the operating state, etc. Even so, accurate control or calculation can be performed. Therefore, control such as adapting the ignition timing to the MBT can be realized over a wide operating range without measuring the torque and combustion pressure.
  • FIG. 1 is a side view of a motorcycle according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an engine.
  • FIG. 3 is a characteristic diagram of a negative ion current and a combustion pressure with respect to a crank angle.
  • FIG. 4 is a characteristic curve diagram of a negative ion current with respect to a crank angle.
  • FIG. 5 (a) is a characteristic curve diagram of a heat release rate and a combustion mass ratio, and (b) is a characteristic curve diagram of a negative ion current.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the engine rotation speed, the ignition timing, the center of gravity of combustion, and the like.
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between ignition timing, torque, combustion center of gravity, and the like.
  • FIG. 8 is a graph showing a relationship between ignition timing, torque, combustion center of gravity, and the like.
  • the vehicle according to the present embodiment is a vehicle equipped with an engine 1, and more specifically, a motorcycle 100, which is a kind of a straddle-type vehicle.
  • the motorcycle 100 includes a vehicle body 101, front wheels 102, and rear wheels 103.
  • the vehicle body 101 is provided with an air intake 104 for taking in air, an air cleaner 105, the engine 1, and a muffler 106.
  • the air intake 104 and the air cleaner 105 are connected via an intake duct 107.
  • the air cleaner 105 and the engine 1 are connected via an intake pipe 108.
  • Engine 1 and muffler 106 are connected via exhaust pipe 109.
  • the engine 1 is a spark ignition type internal combustion engine, and in the present embodiment, is a water-cooled four-cycle multi-cylinder type internal combustion engine. However, the engine 1 may be air-cooled. Further, the number of cylinders of engine 1 is not limited at all, and may be, for example, a single cylinder.
  • the engine 1 includes a crankcase 2, a cylinder block 3 fixed on the crankcase 2, a cylinder head 4 fixed on the cylinder block 3, and a cylinder head 4 And a head cover (not shown) fixed thereon.
  • a cylinder bore 3a is formed inside the cylinder block 3, and a piston 6 is disposed inside the cylinder bore 3a.
  • the piston 6 is connected to a connecting rod 7, and the connecting rod 7 is connected to a crankshaft 8 arranged in the crankcase 2.
  • a recess 4a is formed on the mating surface of the cylinder head 4 on the cylinder block 3 side.
  • the combustion chamber 5 is defined by the concave portion 4a, the piston 6, and the cylinder bore 3a.
  • the cylinder head 4 is provided with an intake valve opening 4b and an exhaust valve opening 4c that open into the recess 4a.
  • the cylinder head 4 is provided with an intake valve 9 and an exhaust valve 10 for opening and closing the intake valve opening 4b and the exhaust valve opening 4c, respectively.
  • the intake valve 9 and the exhaust valve 10 are driven to open and close by an intake cam shaft 11 and an exhaust cam shaft 12, respectively.
  • a variable valve timing mechanism 13 is connected to the intake camshaft 11 and the exhaust camshaft 12.
  • the variable valve timing mechanism 13 receives a knob timing control signal a from an engine control unit (hereinafter referred to as ECU) 16 and adjusts the opening / closing timing of the intake valve 9 and the exhaust valve 10 by the intake camshaft 11 and the exhaust camshaft 12.
  • ECU engine control unit
  • An ignition plug 14 is inserted into the cylinder head 4.
  • the ignition plug 14 is disposed substantially at the center of the recess 4a, and the electrode of the ignition plug 14 is exposed near the inner surface of the recess 4a.
  • An ignition device 15 is connected to the ignition plug 14.
  • the ignition device 15 receives the ignition timing control signal b from the ECU 16 and controls the spark generation timing by the ignition plug 14.
  • the ignition plug 14 is also used as a negative ion current probe.
  • a positive electrode 17a of a battery 17 is connected to the spark plug 14, and a negative electrode 17b of the battery 17 is connected to the cylinder head 4 via an ammeter 18 and grounded.
  • the spark plug 14 is always positively applied.
  • the negative ion current probe may be provided separately and independently.
  • the engine 1 is provided with a crank angle detection sensor 19 and a knock detection sensor 20 for detecting knocking. Detection signals from the crank angle detection sensor 19 and the knock detection sensor 20 are input to the ECU 16. As described later, when knocking is detected by knock detection sensor 20, ignition timing control by ECU 16 is restricted.
  • the negative ion current generated in the combustion chamber 5 changes with the progress of combustion. That is, when the ignition plug 14 ignites the air-fuel mixture in the combustion chamber 5, the first scientific action is activated, and electron energy in atoms or molecules receives energy by collision of these electrons. Then, the atom or molecule is in an excited state with sufficient heat generation to move to an energy state higher than the normal stable state. Along with the transition to the excited state, chemiluminescence centering on ultraviolet rays occurs, and positive ions increase. As a result, the negative ion current in the combustion chamber 5 increases accordingly. This negative ion current is captured by the ignition plug 14 also used as the ion current probe, and is input to the detection value power 3 ⁇ 4CU 16 of the ammeter 18.
  • FIG. 3 shows characteristic curves of the negative ion current E and the combustion pressure P with respect to the crank angle.
  • the characteristics of the negative ion current E show almost the same tendency as the characteristics of the combustion pressure P. Therefore, the negative ion current E can be used as information indicating a change in the combustion pressure P and thus the flame area or heat generation.
  • the crank angle at which the combustion pressure P becomes maximum varies depending on the operating state of the engine 1. Therefore, the peak position of the characteristic curve of the negative ion current E changes according to the operating state of the engine 1 (see FIG. 4.
  • FIG. 4 is only a conceptual diagram for explanation, and is based on actual measurement data. Not something). Therefore, control based only on the peak position of the characteristic curve of the negative ion current E cannot flexibly cope with fluctuations in the engine load, etc., and cannot be applied in a wide range of operating conditions. .
  • FIG. 5 (b) shows the change of the negative ion current E with respect to the crank angle
  • FIG. 5 (a) shows the change of the heat release rate D and the combustion mass ratio F with respect to the crank angle.
  • symbol A is the crank angle corresponding to the ignition point
  • symbol B is the crank angle corresponding to an arbitrary point located on the rising side of the ion current in the ion current curve (hereinafter referred to as the first angle).
  • the symbol C indicates a crank angle (hereinafter, referred to as a second crank angle) corresponding to an arbitrary point located on the peak side of the ion current.
  • the rate of increase of the ion current with respect to the crank angle is smaller than a predetermined value (hereinafter, referred to as a first predetermined value). That is all.
  • a predetermined value hereinafter, referred to as a first predetermined value.
  • the rate of increase becomes equal to or more than the first predetermined value, and thereafter becomes a predetermined value (hereinafter, referred to as a second predetermined value.
  • the second predetermined value is different from the first predetermined value. (May be equal to the first predetermined value).
  • a point where the increase rate is equal to or more than the first predetermined value can be referred to as a rising point
  • a point where the increase rate becomes equal to or more than the first predetermined value and then equal to or less than the second predetermined value can be referred to as a peak point.
  • the actual method of specifying the rising point or the peak point is not limited at all. When specifying the rising point or the peak point, it is not always necessary to calculate the increase rate.For example, the rising point or the peak point is determined by comparing the magnitude of the detected value of the ion current with a predetermined threshold value. It is also possible to specify.
  • the first crank angle B is set to a crank angle corresponding to a rising point of the ion current curve
  • the second crank angle C is set to a crank angle corresponding to a peak point of the ion current curve.
  • the first crank angle B and the second crank angle C may not be exactly the same as the rising point and the peak point, respectively.
  • the point force may be slightly shifted. That is, the first crank angle B and the second crank angle C may be points that can be substantially regarded as the rising point and the peak point, respectively.
  • the point of occurrence of the negative ion current (position corresponding to the first crank angle B), which is considered to be the initial stage of the combustion, is determined by the ignition delay period after the discharge of the spark plug 14. It is considered that this is the point where heat generation starts when the initial combustion starts.
  • the subsequent peak position (the position corresponding to the second crank angle C) is considered to be the point where the heat generation during combustion becomes maximum. Therefore, the intermediate position between these points is estimated to correspond to the center of gravity of combustion.
  • a substantially intermediate point between the first crank angle B and the second crank angle C can be regarded as a crank angle (hereinafter, referred to as a third crank angle) G corresponding to the center of gravity of combustion. Therefore, the combustion center of gravity can be calculated based on the first crank angle B and the second crank angle C. And, as will be described later, when the ignition timing is MBT, the center of gravity of combustion does not change significantly even if there is a change in load or the like. Therefore, in the present embodiment, the ECU 16 presets a predetermined crank angle corresponding to the center of gravity of combustion at the time of MBT as a target crank angle, and determines the third crank angle obtained from the measurement of the negative ion current as the target crank angle.
  • the ignition timing of the ignition device 15 is controlled so as to match the angle.
  • the value of the target crank angle is set so as not to be changed by the load condition of the engine 1, because the center of gravity of combustion does not greatly change due to load fluctuation or the like. You may.
  • the value of the target crank angle may be a constant value.
  • the value of the target crank angle may be a value that is changed by an individual difference or aging of the engine 1 or the like, and may be appropriately changed based on an arithmetic expression including a parameter or a table.
  • FIG. 6 shows the relationship between the engine speed, the ignition timing, the center of gravity of combustion, and the like.
  • the combustion center of gravity is calculated based on the first crank angle B and the second crank angle C.
  • the first crank angle B, the second crank angle C, and the third crank angle G are respectively represented as “ignition angle”, “combustion end”, and “combustion center of gravity”.
  • the section A-B represents the ignition delay section
  • the section B-C represents the combustion section.
  • the target crank angle corresponding to the combustion center of gravity is set to be about 115 degrees before top dead center. Then, the ignition timing is feedback-controlled so that the third crank angle G becomes the target crank angle (115 degrees before the top dead center).
  • FIG. 7 shows the relationship between ignition timing, torque, combustion center of gravity, and the like.
  • the torque changes depending on the ignition timing, and becomes maximum when the ignition timing is MBT.
  • the center of combustion shifts from the position after the top dead center to the position before the top dead center. Therefore, the torque increases as the combustion center shifts from the position after top dead center to the position before top dead center, and becomes maximum when the combustion center is about 2 to 3 degrees before top dead center. Furthermore, it decreases as it shifts to the position before the top dead center.
  • the ignition timing is controlled so that the third crank angle G (the crank angle corresponding to the center of gravity of combustion) is 2 to 3 degrees before the top dead center, so that the ignition timing can be adjusted before the top dead center. — 36 degrees, indicating that the ignition timing complies with MBT.
  • the target value of the third crank angle G does not significantly change due to fluctuations in the operating state. For this reason, for example, when the lift amount and opening / closing timing of the intake valve 9 are variably controlled in a complicated manner, or when it is desired to simply change the engine load conditions such as the rotational speed and the throttle opening, the negative ion current in the combustion chamber 5 is also required.
  • the ignition timing to the MBT easily by measuring the It becomes possible.
  • the load conditions were changed, and the third crank angle G was measured. Specifically, the load conditions were changed by changing the throttle opening or the rotation speed. Then, when the third crank angle (an angle between the first crank angle B and the second crank angle C) G during MBT was measured, the rising point and the peak point of the negative ion current curve varied in various ways. Force Under all load conditions, the third crank angle G was 1 degree before top dead center. That is, it has been found that, in the internal combustion engine, the third crank angle G at which the ignition timing becomes MBT is the same under all load conditions. For example, comparing FIGS. 7 and 8 showing torque characteristics and the like when the load conditions are different, the third crank angle G when the ignition timing conforms to MBT is about 1% before the top dead center. It's a degree.
  • the combustion mass ratio has been pseudo-converted from the combustion pressure, and the heat generation has been predicted and converted based on the combustion mass ratio.
  • the heat generation distribution at ⁇ is considered to be a distribution in which about 30% of the total is located before top dead center and about 70% is located after top dead center. , The center of combustion was considered to be located after top dead center.
  • the combustion center of gravity is near top dead center, more specifically, 115 degrees before top dead center. This difference is presumed to be due to the following reasons. In other words, most of the negative ions during combustion are in the excited state of cold and blue flames. Occurs. However, the heat generation determined from the combustion pressure is generated as a result of light emission of amplitude transition, such as a flame reaction after a cold flame and a blue flame, that is, a solid-state radiation centered on infrared rays. Therefore, the excited state is not sufficiently considered in the conventional method, and the combustion center of gravity determined from the combustion pressure is more retarded than the combustion center of gravity determined based on the negative ion current as in the present embodiment. It is thought that it shifted.
  • control method does not predict and calculate the instantaneous value of the thermal conductivity of the combustion gas from the combustion pressure as in the related art. This is a method of measuring the ion current and controlling the engine 1 based on the negative ion current. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to reduce the calculation error of the combustion center of gravity, and it is possible to increase the control accuracy. In addition, control of the engine 1 without embedding a sensor or the like in the combustion chamber 5 can be easily performed.
  • the control according to the present embodiment is control that adjusts the ignition timing to the MBT so that the maximum torque is obtained.
  • the control according to the present invention is not limited to the above control.
  • the control may be prohibited or the target value of the third crank angle G may be set to the target value of the embodiment (the target value when conforming to the MBT).
  • the target value of the embodiment the target value when conforming to the MBT.
  • the combustion center of gravity due to the negative ion current fluctuates greatly when a misfire occurs in an EGR state in which exhaust gas is recirculated to intake air, a lean air-fuel ratio state, a stratified combustion state, or the like. Therefore, it is possible to control the EGR rate, air-fuel ratio, etc., based on the fluctuation rate of the center of combustion per unit time so as to prevent misfire. That is, the control according to the present invention can be implemented as misfire prevention control of the engine 1.
  • the third crank angle corresponding to the combustion center of gravity is calculated according to the above-described method. And at the same time, calculate the rate of change of the third crank angle.
  • the EGR rate may be controlled so that the EGR rate decreases.
  • the EGR rate can be controlled without adding a special detection sensor, and the misfire of the engine 1 can be prevented.
  • the third crank angle corresponding to the center of gravity of combustion is calculated according to the method described above, and the rate of change of the third crank angle is calculated.
  • the intake valve 9 and the exhaust The opening / closing timing of the intake valve 9 and the exhaust valve 10 may be controlled so that the overlap period of the valve 10 decreases. As a result, the valve timing can be controlled without burning the special detection sensor, and the misfire of the engine 1 can be prevented.
  • the ignition timing can be adjusted to the MBT, for example, in a wide operating state, including when the combustion speed is low, etc., thereby improving fuel efficiency and reducing exhaust gas. , Or improvement of driver pyrity.
  • the ignition timing can be adapted to the MBT and optimal or favorable combustion conditions can be achieved.
  • the ignition timing is controlled so that the center of gravity of combustion becomes more retarded than MBT, knocking can be prevented, and the amount of NOx generated, especially among the exhaust gas components, can be reduced. it can.
  • crank angle is detected by the crank angle detection sensor 19, and the calculation and the control are performed based on the characteristics of the negative ion current with respect to the crank angle.
  • crank angle as used in the present invention merely means a parameter that indicates the progress of combustion, and a parameter that can be technically regarded as being equivalent to the crank angle (for example, the time elapsed since ignition, etc.). ) Can also be regarded as the “crack angle” here. This is because such parameters have a one-to-one correspondence with the crank angle. Therefore, for example, it is possible to specify the rising point of the negative ion current based on the actual crank angle, and to specify the peak point based on parameters other than the actual crank angle (for example, elapsed time). .
  • the operation control device for the engine 1 according to the embodiment is mounted on the motorcycle 100. Was something.
  • the operation control device for an engine according to the present invention is not limited to the one mounted on a vehicle.
  • the operation control device can be provided in an engine test device, a performance evaluation device, a compatible tool, or the like.
  • the present invention is useful for vehicles such as motorcycles, control of engines of the vehicles, and the like.

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Abstract

　トルクや燃焼圧を測定しなくても点火時期をＭＢＴに適合する制御等を実行可能にすることを目的とする。エンジンの燃焼室内のマイナスイオン電流を計測し、マイナスイオン電流Ｅの特性曲線の立ち上がり点に対応する第１クランク角Ｂと、上記特性曲線のピーク点に対応する第２クランク角Ｃとを求め、第１クランク角Ｂと第２クランク角Ｃとの中間に位置する第３クランク角Ｇが所定の目標クランク角となるように点火時期を制御する。    

Description

明 細 書
エンジンの運転制御装置、それを備えた乗物、エンジンにおける燃焼重 心の算出方法、及びエンジンの運転制御方法
技術分野
[0001] 本発明は、エンジンの運転制御装置、それを備えた乗物、エンジンにおける燃焼重 心の算出方法、及びエンジンの運転制御方法に関する。
背景技術
[0002] 火花点火式の内燃機関における点火時期の最適化手法として、シリンダ内のマイ ナスイオン電流に基づいて点火時期を決定するものが知られている（例えば、特許文 献 1参照)。特許文献 1に開示された手法では、点火直後のシリンダ内に流れるマイ ナスイオン電流を計測し、マイナスイオン電流の電流値が最大となる点の点火からの 時間を計測する。そして、計測された時間と MBT (最大トルクが得られる最小点火進 角。 Minimum spark advance for Best Torque)の位置との時間差を演算し、演算され た時間差を前回の点火時期に加減し、今回の点火時期を決定する。
特許文献 1：特開平 6— 33855号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0003] 上記従来の点火時期の制御は、以下の仮定に基づいていた。すなわち、
1)点火後のマイナスイオン電流のピーク位置は、燃焼圧と相関がある。
2)点火時期が MBTに適合している運転時には、燃焼圧ピークは上死点後 15度で ある。
3)そのため、マイナスイオン電流のピーク位置が上死点後 15度の位置になるように 点火時期を調整することにより、点火時期を MBTに適合させることができる。
[0004] し力しながら、実際には、燃焼圧ピークの位置は運転状態によって変化する。その ため、上記 2)は、ある限られた運転領域でし力成立しない仮定である。すなわち、例 えば燃焼速度が低下している場合の MBT時には、イオン電流のピーク位置は上死 点後 15度とはならない。従って、上記制御では、幅広い運転領域において点火時期 を MBTに適合させることはできなかった。
[0005] 本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、たとえトルクや燃焼圧 を測定しなくても、例えば点火時期を MBTに適合させる等の制御を実行することが でき、燃費の向上、排ガスの低減、またはドライバピリティの向上等を図ることができる 装置又は方法を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0006] 本発明に係るエンジンの運転制御装置は、エンジンの燃焼室内のマイナスイオン 電流を計測するイオン電流計測装置と、エンジンのクランク角度を計測するクランク 角度計測装置と、クランク角度に対するマイナスイオン電流の増加率が第 1所定値以 上となる第 1クランク角度と、前記増加率が前記第 1所定値以上となった後に第 2所 定値以下となる第 2クランク角度と、に基づいてエンジンを制御する制御装置と、を備 えたものである。
[0007] 本発明に係るエンジンにおける燃焼重心の算出方法は、エンジンの燃焼室内のマ ィナスイオン電流を計測するステップと、エンジンのクランク角度に対するマイナスィ オン電流の増加率が第 1所定値以上となる第 1クランク角度を検出するステップと、前 記増加率が前記第 1所定値以上となった後に第 2所定値以下となる第 2クランク角度 を検出するステップと、前記第 1クランク角度と前記第 2クランク角度とから燃焼重心を 演算するステップと、を備えた方法である。
[0008] 本発明に係るエンジンの運転制御方法は、エンジンの燃焼室内のマイナスイオン 電流を計測するステップと、エンジンのクランク角度に対するマイナスイオン電流の増 加率が第 1所定値以上となる第 1クランク角度を検出するステップと、前記増加率が 前記第 1所定値以上となった後に第 2所定値以下となる第 2クランク角度を検出する ステップと、前記第 1クランク角度と前記第 2クランク角度とに基づいてエンジンを制御 するステップと、を備えた方法である。
[0009] 本発明によれば、マイナスイオン電流の特性曲線におけるマイナスイオン電流の立 ち上がり点とピーク点とに基づいて、エンジンの制御が実行され、あるいは燃焼重心 が算出される。そのため、マイナスイオン電流のピーク点のみに基づいて上記制御又 は算出を行う場合と異なり、運転状態の変化に伴ってピーク点が移動した場合等で あっても正確な制御又は算出を実行することができる。したがって、トルクや燃焼圧を 測定しなくても、点火時期を MBTに適合させる等の制御を、広範な運転領域におい て実現することが可能となる。
発明の効果
[0010] 以上のように、本発明によれば、燃焼速度の低下時等を含む幅広い運転状態にお いて、例えば点火時期を MBTに適合させること等が可能となり、燃費の向上、排ガス の低減、またはドライバピリティの向上等を図ることができる。
図面の簡単な説明
[0011] [図 1]実施形態に係る自動二輪車の側面図である。
[図 2]エンジンの模式的な構成図である。
[図 3]クランク角に対するマイナスイオン電流及び燃焼圧の特性図である。
[図 4]クランク角に対するマイナスイオン電流の特性曲線図である。
[図 5] (a)は熱発生率及び燃焼質量割合の特性曲線図、 (b)はマイナスイオン電流の 特性曲線図である。
[図 6]エンジン回転速度と点火時期及び燃焼重心等との関係を示すグラフである。
[図 7]点火時期とトルク及び燃焼重心等との関係を示すグラフである。
[図 8]点火時期とトルク及び燃焼重心等との関係を示すグラフである。
符号の説明
[0012] 1 エンジン
5 燃焼室
14 点火プラグ (イオン電流計測装置）
16 エンジンコントロールユニット（制御装置）
19 クランク角度検出センサ (クランク角度計測装置）
100 自動二輪車 (乗物）
B 第 1クランク角
C 第 2クランク角
G 第 3クランク角 発明を実施するための最良の形態
[0013] 以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
[0014] 図 1に示すように、本実施形態に係る乗物はエンジン 1を搭載した車両であり、具体 的には、鞍乗型車両の一種である自動二輪車 100である。 自動二輪車 100は、車両 本体 101と前輪 102と後輪 103とを備えている。車両本体 101には、空気を取り入れ る空気取入口 104と、エアクリーナ 105と、エンジン 1と、マフラー 106とが設けられて いる。空気取入口 104とエアクリーナ 105とは、吸気ダクト 107を介して接続されてい る。エアクリーナ 105とエンジン 1とは、吸気管 108を介して接続されている。エンジン 1とマフラー 106とは、排気管 109を介して接続されている。
[0015] エンジン 1は、火花点火式の内燃機関であり、本実施形態では、水冷式の 4サイク ル多気筒タイプの内燃機関である。ただし、エンジン 1は空冷式であってもよい。また 、エンジン 1の気筒数は何ら限定されず、例えば単気筒であってもよい。
[0016] 図 2に示すように、エンジン 1は、クランクケース 2と、クランクケース 2上に固定された シリンダブロック 3と、シリンダブロック 3上に固定されたシリンダヘッド 4と、シリンダへッ ド 4上に固定されたヘッドカバー（図示せず）とを備えている。シリンダブロック 3の内 部にはシリンダボア 3aが形成され、シリンダボア 3a内にはピストン 6が配置されている 。ピストン 6はコンロッド 7に連結され、コンロッド 7はクランクケース 2内に配置されたク ランク軸 8に連結されて 、る。
[0017] シリンダヘッド 4のシリンダブロック 3側の合面には、凹部 4aが形成されている。この 凹部 4a、ピストン 6、及びシリンダボア 3aによって、燃焼室 5が区画されている。シリン ダヘッド 4には、凹部 4aに開口する吸気弁開口 4b及び排気弁開口 4cが設けられて いる。また、シリンダヘッド 4には、吸気弁開口 4b、排気弁開口 4cをそれぞれ開閉す る吸気弁 9、排気弁 10が設けられている。
[0018] 吸気弁 9、排気弁 10は、それぞれ吸気カム軸 11、排気カム軸 12によって開閉駆動 される。吸気カム軸 11,排気カム軸 12には、可変バルブタイミング機構 13が接続さ れている。可変バルブタイミング機構 13は、エンジンコントロールユニット（以下、 EC Uという） 16からノ レブタイミング制御信号 aを受け、吸気カム軸 11及び排気カム軸 1 2による吸気弁 9及び排気弁 10の開閉時期を制御する。 [0019] シリンダヘッド 4には点火プラグ 14が挿入されている。点火プラグ 14は凹部 4aの略 中央に配置されており、点火プラグ 14の電極は、凹部 4aの内表面付近に露出して いる。この点火プラグ 14には点火装置 15が接続されている。点火装置 15は ECU16 からの点火時期制御信号 bを受け、点火プラグ 14によるスパークの発生タイミングを 制御する。
[0020] 本実施形態では、上記点火プラグ 14がマイナスイオン電流プローブに兼用されて いる。点火プラグ 14にはバッテリ 17のプラス電極 17aが接続されており、ノ ッテリ 17 のマイナス電極 17bは、電流計 18を介してシリンダヘッド 4に接続され、アースされて いる。これにより、点火プラグ 14は常時プラス印加されている。ただし、マイナスイオン 電流プローブを別個独立に設けてもよいことは勿論である。
[0021] エンジン 1には、クランク角度検出センサ 19と、ノッキングを検出するノック検出セン サ 20とが設けられている。クランク角度検出センサ 19及びノック検出センサ 20からの 検出信号は、 ECU16に入力される。なお、後述するように、ノック検出センサ 20によ りノッキングの発生が検出されると、 ECU16による点火時期制御は制約を受けること となる。
[0022] 燃焼室 5内に発生するマイナスイオン電流は、燃焼の進行に伴って変化する。すな わち、点火プラグ 14が燃焼室 5内の混合気に点火を行うと、第一科学作用が活性ィ匕 し、原子または分子内の電子力 これら電子の衝突等によってエネルギーを受ける。 そして、上記原子または分子は、正常の安定状態よりも高いエネルギー状態に移る に十分な発熱を伴う励起状態となる。この励起状態への移行に伴って、紫外線を中 心とする化学発光が起こり、プラスイオンが増加する。その結果、これに伴って、燃焼 室 5内のマイナスイオン電流が増加する。このマイナスイオン電流はイオン電流プロ ーブに兼用された上記点火プラグ 14により捕捉され、電流計 18の検出値力 ¾CU16 に入力される。
[0023] 図 3は、クランク角に対するマイナスイオン電流 E及び燃焼圧 Pの特性曲線を示して いる。図 3に示すように、マイナスイオン電流 Eの特性は燃焼圧 Pの特性と概ね同じ傾 向を示す。そのため、マイナスイオン電流 Eは、燃焼圧 Pひいては火炎面積あるいは 熱発生の変化を表す情報として利用することができる。 [0024] ところが、燃焼圧 Pが最大となるクランク角は、エンジン 1の運転状態によって異なつ てくる。そのため、マイナスイオン電流 Eの特性曲線のピーク位置は、エンジン 1の運 転状態によって変化する（図 4参照。なお、図 4は説明のための概念図に過ぎず、実 際の計測データに基づくものではない)。したがって、マイナスイオン電流 Eの特性曲 線のピーク位置のみに基づいた制御は、エンジン負荷の変動等に柔軟に対応するこ とができず、幅広!/、運転状態で適用することはできな 、。
[0025] し力しながら、本発明者は、以下の点に思い至った。すなわち、前述したように、例 えば点火時期が MBTである場合であっても、エンジン 1の運転状態が変わると、マイ ナスイオン電流 Eの特性曲線は変化し（図 4の曲線 E1及び E2参照）、特性曲線のピ ーク位置に対応するクランク角の値は変動する。ところが、例えば燃焼重心に対応す るクランク角のように、上記特性曲線上の複数の点に対応する複数のクランク角から、 運転状態が変わってもほとんど変動しないクランク角を算出することができる。なお、 図 4における点 POは、そのようなクランク角に対応する点を表している。よって、このよ うなクランク角に基づいた制御を行うことによって、負荷の変動等に柔軟に対応するこ とができ、トルクや燃焼圧を測定しなくても広範な運転領域で適用可能な制御を実現 することができる。
[0026] 以下、上記制御の具体例につ!、て説明する。まず、点火時期を MBTに適合させる 運転制御について説明する。
[0027] 図 5 (b)は、クランク角に対するマイナスイオン電流 Eの変化を表し、図 5 (a)は、クラ ンク角に対する熱発生率 D及び燃焼質量割合 Fの変化を示して ヽる。図 5 (b)にお ヽ て、符号 Aは点火ポイントに対応するクランク角、符号 Bはイオン電流曲線におけるィ オン電流の立ち上がり側に位置する任意の点に対応するクランク角（以下、第 1クラン ク角という）、符号 Cは上記イオン電流のピーク側に位置する任意の点に対応するク ランク角（以下、第 2クランク角という）をそれぞれ示す。
[0028] 図 5 (a)から分力るように、イオン電流の立ち上がり側の点では、クランク角に対する イオン電流の増加率は、所定値 (以下、第 1所定値という)未満から当該所定値以上 となる。一方、イオン電流のピーク側の点では、上記増加率は上記第 1所定値以上と なつてから所定値 (以下、第 2所定値という。第 2所定値は第 1所定値と異なっていて もよぐ第 1所定値と等しくてもよい)以下となる。したがって、上記増加率が第 1所定 値以上となる点を立ち上がり点、上記増加率が第 1所定値以上となつてから第 2所定 値以下となる点をピーク点ということができる。なお、立ち上がり点又はピーク点の実 際の特定方法は何ら限定されるものではない。立ち上がり点又はピーク点の特定に 際しては、必ずしも上記増加率を算出する必要はなぐ例えば、イオン電流の検出値 と所定の閾値との大小を比較すること等によって上記立ち上がり点又はピーク点を特 定することも可能である。
[0029] 本実施形態では、第 1クランク角 Bはイオン電流曲線の立ち上がり点に対応するクラ ンク角に設定され、第 2クランク角 Cはイオン電流曲線のピーク点に対応するクランク 角に設定されている。ただし、第 1クランク角 B、第 2クランク角 Cは、それぞれ上記立 ち上がり点、ピーク点に厳密に一致していなくてもよぐ計測の誤差や外乱等によつ て上記立ち上がり点、ピーク点力も若干ずれていてもよい。すなわち、第 1クランク角 B、第 2クランク角 Cは、それぞれ実質的に上記立ち上がり点、ピーク点と見なすこと のできる点であればよい。
[0030] 図 5 (a)及び (b)に示すように、燃焼初期と考えられるマイナスイオン電流発生点（ 第 1クランク角 Bに対応する位置）は、点火プラグ 14の放電後、着火遅れ期間を過ぎ た点であり、初期燃焼が始まることによって熱発生が始まる点であると考えられる。そ の後のピーク位置 (第 2クランク角 Cに対応する位置）は、燃焼時の熱発生が最大とな る点であると考えられる。それゆえ、それらの点の中間位置は、燃焼重心に相当する ものと推定される。
[0031] そのため、第 1クランク角 Bと第 2クランク角 Cとの略中間点は、燃焼重心に対応する クランク角（以下、第 3クランク角という） Gと見なすことができる。したがって、第 1クラン ク角 B及び第 2クランク角 Cに基づいて燃焼重心を算出することができる。そして、後 述するように、点火時期が MBTである場合、燃焼重心は負荷の変動等があっても大 きく変化することがない。そこで、本実施形態では、 ECU16は、 MBTのときの燃焼 重心に対応する所定のクランク角を目標クランク角として予め設定しておき、マイナス イオン電流の計測から求めた第 3クランク角が上記目標クランク角と一致するように、 点火装置 15の点火時期を制御する。 [0032] なお、点火時期が MBTである場合、燃焼重心は負荷の変動等によって大きく変化 することがないので、上記目標クランク角の値は、エンジン 1の負荷条件によって変更 されないように設定されていてもよい。上記目標クランク角の値は、一定値であっても よい。一方、上記目標クランク角の値は、エンジン 1の個体差や経年変化等によって 設定変更される値であってもよぐパラメータを含む演算式やテーブル等に基づいて 適宜設定変更されてもよい。
[0033] 図 6は、エンジン回転速度と点火時期及び燃焼重心等との関係を示して 、る。なお 、燃焼重心は、第 1クランク角 B及び第 2クランク角 Cに基づいて算出されたものであ る。図 6において、第 1クランク角 B、第 2クランク角 C、第 3クランク角 Gは、それぞれ「 着火角度」、「燃焼終わり」、「燃焼重心」として表されている。 A— Bの区間は着火遅 れ区間を表し、 B— Cの区間は燃焼区間を表している。本実施形態では、燃焼重心 に対応する目標クランク角は、上死点前約 1一 5度として設定されている。そして、第 3クランク角 Gが上記目標クランク角（上死点前 1一 5度）となるように点火時期がフィ ードバック制御される。
[0034] 図 7は、点火時期とトルク及び燃焼重心等との関係を示している。図 7に示すように 、トルクは点火時期によって変化し、点火時期が MBTのときに最大となる。一方、点 火時期が上死点前側に進角するに伴って、燃焼重心は上死点後の位置から上死点 前の位置に移行する。そのため、トルクは、燃焼重心が上死点後の位置から上死点 前の位置に移行するにつれて増加し、燃焼重心が上死点前 2— 3度程度のときに最 大となり、燃焼重心が更に上死点前側に移行するにしたがって減少していく。
[0035] ここでは、第 3クランク角 G (燃焼重心に対応するクランク角）が上死点前 2— 3度とな るように点火時期を制御することにより、点火時期は上死点前 35— 36度となり、点火 時期が MBTに適合することが判る。
[0036] 前述したように、本実施形態に係る制御によれば、第 3クランク角 Gの目標値は、運 転状態の変動によって大きく変わることはない。そのため、例えば吸気弁 9のリフト量 や開閉タイミングを複雑に可変制御する場合や、単純に回転速度やスロットル開度 等のエンジン負荷条件を変えたい場合においても、燃焼室 5内のマイナスイオン電 流を測定して上記制御を用いることによって、点火時期を MBTに容易に適合させる ことが可能となる。
[0037] 本発明者が行った実験の結果では、例えばある特定の内燃機関におけるある特定 の運転状態 Xにおける MBTを求めた場合に、燃焼初期のマイナスイオン電流が発生 し始める第 1クランク角 Bは上死点前 11度であり、その後のマイナスイオン電流がピ ークとなる第 2クランク角 Cは、上死点後 9度であった。そして、第 2クランク角 Cと第 1 クランク角 Bとの差は 20度であり、その中心となる第 3クランク角 Gは第 1クランク角 B 力も遅角側に 10度の角度、つまり上死点前 1度であった。
[0038] 続いて、上記内燃機関において、負荷条件を変え、第 3クランク角 Gを測定した。具 体的には、スロットル開度を変更し、あるいは回転速度を変えること等によって、負荷 条件を変更した。そして、 MBT時の第 3クランク角（第 1クランク角 Bと第 2クランク角 C との中間の角度) Gを測定したところ、マイナスイオン電流曲線の立ち上がり点及びピ 一ク点は多様に変化する力 どのような負荷条件下においても、第 3クランク角 Gは上 死点前 1度となることが分力 た。すなわち、上記内燃機関において、点火時期が M BTとなる第 3クランク角 Gは、全ての負荷条件下で同じとなることが判明したのである 。例えば、それぞれ負荷条件が異なるときのトルク特性等を表す図 7と図 8とを比較す ると、点火時期が MBTに適合するときの第 3クランク角 Gは、いずれも上死点前約 1 度であることが分力ゝる。
[0039] このように、ボア Zストロークの比率や連桿比（ λ )が同一である場合、エンジン 1の 回転速度や負荷等が変わると燃焼速度が変わるため、マイナスイオン電流から求め た上記第 1クランク角 Β及び第 2クランク角 Cは変化する。し力しながら、燃焼重心に 対応する第 3クランク角 Gは、 ΜΒΤの状態では常に一定のクランク角となるのである。
[0040] 従来は、燃焼圧力から燃焼質量割合を疑似的に換算し、この燃焼質量割合に基づ いて熱発生を予測換算していた。この予測換算によれば、 ΜΒΤのときの熱発生分布 は、全体の約 30%が上死点前に位置し、残りの約 70%が上死点後に位置する分布 であると考えられており、燃焼重心は上死点後に位置すると考えられていた。
[0041] しかし、本実施形態に係る燃焼重心の算出方法によれば、燃焼重心は上死点付近 、より具体的には上死点前 1一 5度となる。この違いは、以下の理由によるものと推定 される。すなわち、燃焼時のマイナスイオンの多くは、冷炎及び青炎の励起状態にお いて発生する。ところが、燃焼圧力より求めている熱発生は、冷炎後及び青炎後の発 炎反応、つまり赤外線を中心とする固体放射等のように、振幅遷移の発光の結果とし て生じるものである。そのため、上記従来の方法では励起状態のことが十分に考慮さ れず、燃焼圧力から求めた燃焼重心は、本実施形態のようにマイナスイオン電流に 基づいて求めた燃焼重心よりも、遅角側にずれることになつたと考えられる。
[0042] また、本実施形態に係る制御方法は、従来のように燃焼圧力から燃焼ガスの熱伝 導率の瞬時値を予測計算するのではなぐ真の燃焼状態における不対電子量である マイナスイオン電流を計測し、そのマイナスイオン電流に基づ 、てエンジン 1を制御 する方法である。そのため、本実施形態によれば、燃焼重心の算出誤差を低減する ことができ、制御の精度を高めることができる。また、燃焼室 5にセンサ等を埋め込む ことなぐエンジン 1の制御を簡単に行うことができる。
[0043] 本実施形態に係る前記制御は、最大トルクが得られるように点火時期を MBTに適 合させる制御であった。しかし、本発明に係る制御は、上記制御に限定される訳では ない。
[0044] 例えば、ノッキングを招くおそれのある運転状態では、上記制御を禁止するか、ある いは第 3クランク角 Gの目標値を前記実施形態の目標値 (MBTに適合するときの目 標値)よりも遅角側に設定することによって、ノッキングを未然に回避することができる 。もちろん、ノック検出センサ 20によってノッキングを検出し、その検出結果によって 上記制御を禁止しまたは第 3クランク角 Gの目標値を上記遅角側に設定することによ り、ノッキングを防止するようにしてもよい。
[0045] このマイナスイオン電流による燃焼重心は、吸気に排気ガスを再循環させる EGR状 態、希薄空燃比状態、又は成層燃焼状態等における失火が生じる際に大きく変動す る。従って、この燃焼重心の単位時間あたりの変動率に基づいて、失火を防止するよ うに EGR率や空燃比等を制御することも可能である。すなわち、本発明に係る制御 は、エンジン 1の失火防止制御として実施することもできる。
[0046] 例えば、 EGRを行って ヽる場合 (なお、 EGRを行うための構成は周知であるので、 その説明は省略する）に、前述の方法に従って燃焼重心に対応する第 3クランク角を 算出すると共に、当該第 3クランク角の変動率を算出し、当該変動率が大きくなるほ ど EGR率が低下するように EGR率を制御するようにしてもよい。このことにより、特別 な検出センサを付加することなく EGR率を制御することができ、エンジン 1の失火を 未然に防止することができる。
[0047] また、前述の方法に従って燃焼重心に対応する第 3クランク角を算出すると共に、 当該第 3クランク角の変動率を算出し、当該変動率が大きくなるほどエンジン 1の吸 気弁 9及び排気弁 10のオーバーラップ期間が減少するように吸気弁 9及び排気弁 1 0の開閉時期を制御するようにしてもよい。このことにより、特別な検出センサを付カロ することなくバルブタイミングを制御することができ、エンジン 1の失火を未然に防止 することができる。
[0048] 以上のように、前記実施形態によれば、燃焼速度の低下時等を含む幅広!、運転状 態において、例えば点火時期を MBTに適合させること等が可能となり、燃費の向上 、排ガスの低減、またはドライバピリティの向上等を図ることができる。吸気バルブのリ フト量や開閉タイミングを複雑に可変制御する可変バルブタイミング機構を備えた場 合や、単純に回転速度やスロットル開度等のエンジン負荷条件を変える場合にぉ 、 ても、例えば点火時期を MBTに適合させることができ、最適又は好適な燃焼状態を 実現することができる。また、燃焼重心が MBTより遅角側に適合するように点火時期 を制御することとすれば、ノッキングを防止することができ、また、排気ガス成分のうち 特に NOxの発生量を軽減することができる。
[0049] なお、前記実施形態に係る燃焼重心の算出及び運転制御では、クランク角度検出 センサ 19によってクランク角を検出し、当該クランク角に対するマイナスイオン電流の 特性に基づいて算出及び制御を行っていた。しかし、本発明でいうところの「クランク 角」は、燃焼の進行過程を表すパラメータを意味しているに過ぎず、技術的にクラン ク角と等価と見なせるパラメータ (例えば、点火からの経過時間等)も、ここでいう「クラ ンク角」と見なすことができる。そのようなパラメータには、クランク角と 1対 1の対応関 係があるからである。したがって、例えば、マイナスイオン電流の立ち上がり点を実際 のクランク角に基づいて特定し、ピーク点を実際のクランク角以外のパラメータ（例え ば経過時間）に基づ 、て特定すること等も可能である。
[0050] 前記実施形態に係るエンジン 1の運転制御装置は、自動二輪車 100に搭載された ものであった。し力しながら、本発明に係るエンジンの運転制御装置は、乗物に搭載 されるものに限定される訳ではない。例えば、前記運転制御装置をエンジンの試験 装置、性能評価装置、又は適合ツール等に設けることも可能である。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明は、例えば自動二輪車等の乗物、当該乗物のエンジンの制 御等について有用である。

Claims

請求の範囲
[1] エンジンの燃焼室内のマイナスイオン電流を計測するイオン電流計測装置と、 エンジンのクランク角度を計測するクランク角度計測装置と、
クランク角度に対するマイナスイオン電流の増加率が第 1所定値以上となる第 1クラ ンク角度と、前記増加率が前記第 1所定値以上となった後に第 2所定値以下となる第 2クランク角度と、に基づ 、てエンジンを制御する制御装置と、
を備えたエンジンの運転制御装置。
[2] 前記第 1クランク角度は、クランク角度に対するマイナスイオン電流の変化を示すマ ィナスイオン電流曲線におけるマイナスイオン電流の立ち上がり点に対応するクラン ク角度であり、
前記第 2クランク角度は、前記マイナスイオン電流曲線におけるマイナスイオン電流 のピーク点に対応するクランク角度である、請求項 1に記載のエンジンの運転制御装 置。
[3] 前記制御装置は、前記第 1クランク角度と前記第 2クランク角度とから燃焼重心に対 応する第 3クランク角度を算出し、前記第 3クランク角度が所定の目標クランク角度に なるようにエンジンの点火時期を制御する、請求項 2に記載のエンジンの運転制御装 置。
[4] 前記目標クランク角度は、エンジンの負荷条件によって変更されないように設定さ れて 、る、請求項 3に記載のエンジンの運転制御装置。
[5] 前記目標クランク角度は、 MBTに対応する所定クランク角度に設定されている、請 求項 3に記載のエンジンの運転制御装置。
[6] 前記目標クランク角度は、 MBTより遅角側の所定クランク角度に設定されている、 請求項 3に記載のエンジンの運転制御装置。
[7] 前記制御装置は、前記第 1クランク角度と前記第 2クランク角度とから、燃焼重心に 対応する第 3クランク角度の変動率を算出し、前記変動率が大きくなるほど前記ェン ジンの EGR率が低下するように前記エンジンの EGR率を制御する、請求項 2に記載 のエンジンの運転制御装置。
[8] 前記制御装置は、前記第 1クランク角度と前記第 2クランク角度とから、燃焼重心に 対応する第 3クランク角度の変動率を算出し、前記変動率が大きくなるほど前記ェン ジンの吸気バルブ及び排気バルブのオーバーラップ期間が減少するように前記吸気 バルブ及び前記排気バルブの開閉時期を制御する、請求項 2に記載のエンジンの 運転制御装置。
[9] エンジンと、請求項 1一 8のいずれか一つに記載のエンジンの運転制御装置と、を 備えた乗物。
[10] エンジンの燃焼室内のマイナスイオン電流を計測するステップと、
エンジンのクランク角度に対するマイナスイオン電流の増加率が第 1所定値以上と なる第 1クランク角度を検出するステップと、
前記増加率が前記第 1所定値以上となった後に第 2所定値以下となる第 2クランク 角度を検出するステップと、
前記第 1クランク角度と前記第 2クランク角度とから燃焼重心を演算するステップと、 を備えたエンジンにおける燃焼重心の算出方法。
[11] エンジンの燃焼室内のマイナスイオン電流を計測するステップと、
エンジンのクランク角度に対するマイナスイオン電流の増加率が第 1所定値以上と なる第 1クランク角度を検出するステップと、
前記増加率が前記第 1所定値以上となった後に第 2所定値以下となる第 2クランク 角度を検出するステップと、
前記第 1クランク角度と前記第 2クランク角度とに基づいてエンジンを制御するステ ップと、
を備えたエンジンの運転制御方法。
[12] 前記エンジンを制御するステップは、
前記第 1クランク角度と前記第 2クランク角度とに基づいて、燃焼重心に対応する 第 3クランク角度を演算するステップと、
前記第 3クランク角度が所定の目標クランク角度になるようにエンジンの点火時期 を制御するステップと、
を含む、請求項 11に記載のエンジンの運転制御方法。
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