WO2023209893A1 - 独立スロットル型４ストロークエンジン - Google Patents

独立スロットル型４ストロークエンジン Download PDF

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洋平 岩城
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ヤマハ発動機株式会社
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    • F02D2200/0406—Intake manifold pressure

Definitions

  • the present invention relates to an independent throttle four-stroke engine.
  • An independent throttle type 4-stroke engine includes at least one combustion chamber, an intake passage provided for each combustion chamber, a throttle valve provided inside the intake passage to adjust the amount of air taken into the combustion chamber, and a throttle valve provided inside the intake passage to adjust the amount of air taken into the combustion chamber.
  • This is a four-stroke engine equipped with a fuel supply device that supplies fuel.
  • a 4-stroke engine which repeats a combustion cycle that starts with an intake stroke and ends with a compression stroke, an expansion stroke, and an exhaust stroke
  • the amount of air taken into the combustion chamber in the next combustion cycle is estimated, and the amount of fuel is calculated according to the estimation result. is supplied to the combustion chamber.
  • the intake volume downstream of the throttle is small, so the response to changes in air amount to changes in operating conditions is fast. Therefore, it is required to estimate with high accuracy the amount of air taken into the combustion chamber or the amount of fuel required for the next combustion cycle.
  • Patent Document 1 states that when the engine rotation speed is low, the air amount is estimated based on the intake pressure and the engine rotation speed, and when the engine rotation speed is high, the air amount is estimated based on the throttle valve. It is described that the amount of air for the next combustion cycle is estimated based on the opening degree and the rotational speed of the engine. Further, Patent Document 2 describes that the amount of air in the next combustion cycle is estimated using the intake pressure detected in the compression stroke and the intake pressure detected in the expansion stroke.
  • Patent Document 1 it is necessary to set various correction coefficients depending on the driving situation and perform adaptation so that the target value is achieved. How to set the correction coefficient depends on the skill of the person setting it. In the technique described in Patent Document 2, it is necessary to increase the precision of a map that associates detected intake pressure and air amount, coefficients of various calculation formulas, etc., and the number of steps for system construction increases.
  • the present invention has been made in view of the above, and improves the accuracy of estimating the amount of air taken into the combustion chamber or the amount of fuel required, while reducing the dependence on manual skills and reducing the man-hours required for system construction.
  • the purpose of the present invention is to provide an independent throttle type 4-stroke engine that can reduce the
  • An independent throttle four-stroke engine includes at least one combustion chamber, an independent intake passage whose one end is connected to one combustion chamber and whose other end is not connected to the combustion chamber, and an interior of the independent intake passage.
  • an independent throttle valve that is provided in the independent intake passage and that adjusts the amount of air taken into the combustion chamber; a throttle valve position detector that detects the position of the independent throttle valve; and the independent throttle valve of the independent intake passage and the combustion chamber.
  • an intake pressure detector that detects the intake pressure between the combustion chambers, a fuel supply device that supplies fuel to the combustion chamber, and a fuel supply device that controls the fuel supply device in response to signals from the throttle valve position detector and the intake pressure detector.
  • an independent throttle type four-stroke engine comprising: a control device for controlling four strokes starting from an intake stroke defined by a piston position, and ending with a compression stroke, an expansion stroke, and an exhaust stroke, into one
  • a control device for controlling four strokes starting from an intake stroke defined by a piston position, and ending with a compression stroke, an expansion stroke, and an exhaust stroke, into one
  • atmospheric pressure and the compression stroke throttle valve position detected in the compression stroke and at a time after the acquisition time of the compression stroke throttle valve position in the same combustion cycle as the compression stroke, and at the time when the compression stroke throttle valve position is detected.
  • the intake pressure of the compression stroke which has a high correlation with the air amount among the fluctuating intake pressures, the compression stroke throttle valve position detected in the same stroke as the compression stroke, and the throttle valve position of the compression stroke.
  • the compression stroke throttle valve position and the subsequent throttle valve position are values detected by the throttle valve position detector.
  • control is performed to estimate the amount of air or obtain the required amount of fuel using the value detected by the throttle valve position detector. Therefore, the accuracy of estimating the amount of air or the amount of fuel required can be improved.
  • the independent throttle type 4 is capable of reducing the dependence on manual skills and reducing the man-hours for system construction while improving the accuracy of estimating the amount of air or required amount of fuel during transient periods. Stroke engines can be provided.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of a four-stroke engine.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of the relationship between the detected value of the intake pressure detected by the intake pressure detector, the value of the intake pressure used for control, the throttle valve position, and time.
  • FIG. 3 is a diagram showing another example of the relationship between the intake pressure value detected by the intake pressure detector, the intake pressure value used in control, the throttle valve position, and time.
  • FIG. 4 is a flowchart showing an example of control in a four-stroke engine control device.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of a four-stroke engine according to this embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of a four-stroke engine 100.
  • the four-stroke engine 100 according to this embodiment is an independent throttle type engine.
  • the four-stroke engine 100 includes an engine body 10, an independent intake passage 21 and an exhaust passage 22, an intake valve 31 and an exhaust valve 32, an independent throttle valve 33, a crank angle detector 41, and a throttle valve position detector 42. , an intake pressure detector 43, a fuel injection device 50, and a control device 60.
  • the engine main body 10 has a cylinder 11 and a crankcase 12. At least one cylinder 11 is provided.
  • the number of cylinders 11 is not particularly limited, and may be a single cylinder, two cylinders, three cylinders, four cylinders, or the like.
  • the cylinder 11 has a combustion chamber 13.
  • the combustion chamber 13 has an intake opening 17 and an exhaust opening 18 .
  • a spark plug 19 is arranged in the combustion chamber 13 . The spark plug 19 ignites the air-fuel mixture supplied into the combustion chamber 13, thereby combusting the air-fuel mixture.
  • a piston 14 is arranged in the combustion chamber 13.
  • the piston 14 reciprocates within the cylinder 11 by combustion of the air-fuel mixture containing fuel supplied to the combustion chamber 13 .
  • the volume of the combustion chamber 13 increases or decreases.
  • Piston 14 is connected to crankshaft 16 via connecting rod 15.
  • the crankshaft 16 rotates in conjunction with the reciprocating movement of the piston 14.
  • Crankshaft 16 is arranged within crankcase 12 .
  • the independent intake passage 21 is connected to the intake opening 17 of the combustion chamber 13.
  • the intake opening 17 is a connection between the combustion chamber 13 and the independent intake passage 21 .
  • the independent intake passage 21 has an atmosphere opening port 21a that is an opening to the atmosphere.
  • the exhaust passage 22 is connected to the exhaust opening 18 of the combustion chamber 13.
  • the exhaust opening 18 is a connection between the combustion chamber 13 and the exhaust passage 22.
  • the intake valve 31 opens and closes the intake opening 17.
  • the exhaust valve 32 opens and closes the exhaust opening 18.
  • the intake valve 31 and the exhaust valve 32 open and close by being driven by a drive mechanism 34 such as a camshaft, for example.
  • the independent throttle valve 33 is arranged inside the independent intake passage 21.
  • the independent throttle valve 33 adjusts the amount of air taken into the combustion chamber 13.
  • the independent throttle valve 33 can be arranged at a position where the distance L1 between the intake valve 31 and the independent throttle valve 33 is shorter than the distance L2 between the independent throttle valve 33 and the atmosphere opening port 21a of the independent intake passage 21. can. Further, the independent throttle valve 33 may be arranged at a position where the volume V1 of the independent intake passage 21 downstream of the independent throttle valve 33 is smaller than the stroke volume V2 of the cylinder 11. In this way, when the independent throttle valve 33 is provided at a position close to the intake valve 31, the responsiveness of the amount of air taken into the combustion chamber 13 is improved.
  • the crank angle detector 41 detects the crank rotation angle, which is the rotation angle of the crankshaft 16.
  • the throttle valve position detector 42 detects the throttle valve position, which is the position of the independent throttle valve 33.
  • the intake pressure detector 43 detects the intake pressure between the independent throttle valve 33 and the combustion chamber 13 in the independent intake passage 21.
  • the detector may include, for example, a detector that detects the temperature inside the independent intake passage 21, a detector that detects the temperature inside the engine body 10, a detector that detects the engine speed, etc. (not shown).
  • a detector that detects the temperature inside the independent intake passage 21 a detector that detects the temperature inside the engine body 10 a detector that detects the engine speed, etc. (not shown).
  • Various detectors are provided.
  • the fuel injection device 50 injects fuel into the independent intake passage 21.
  • the fuel injection device 50 supplies fuel into the independent intake passage 21 by injecting fuel.
  • the control device 60 includes a processing device such as a CPU (Central Processing Unit), a storage device such as a RAM (Random Access Memory) or a ROM (Read Only Memory), a timer, and the like.
  • the control device 60 receives detection results from each detector such as a crank angle detector 41, a throttle valve position detector 42, an intake pressure detector 43, and the like.
  • the control device 60 controls the fuel injection device 50 and the spark plug 19.
  • the control device 60 controls the amount of fuel injected and the timing at which the fuel injection device 50 injects the fuel.
  • Control device 60 controls the timing of addition of spark plug 19.
  • the four-stroke engine 100 configured as described above repeats a combustion cycle.
  • One combustion cycle includes four strokes, starting with a compression stroke defined by the piston position, ending with an expansion stroke, an exhaust stroke, and an intake stroke.
  • fuel is injected from the fuel injection device 50 into the independent intake passage 21 .
  • the intake stroke when the intake valve 31 opens, a mixture of air passing through the independent throttle valve 33 and fuel injected from the fuel injection device 50 is supplied to the combustion chamber 13 of the cylinder 11.
  • the piston 14 compresses the air-fuel mixture in the combustion chamber 13.
  • the air-fuel mixture ignited by the spark plug 19 burns and pushes the piston 14.
  • the exhaust stroke the exhaust valve 32 opens, and the exhaust gas after combustion is discharged from the combustion chamber 13 to the exhaust passage 22.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of the relationship between the detected value of the intake pressure detected by the intake pressure detector 43, the value of the intake pressure used for control, the throttle valve position, and time.
  • the vertical axis in FIG. 2 shows relative values, and the horizontal axis shows time. In FIG. 2, the horizontal axis may be the crank angle.
  • the intake pressure detection value D1 detected by the intake pressure detector 43 increases from the compression stroke to the exhaust stroke, and decreases in the intake stroke of the next combustion cycle.
  • the control device 60 uses, as the intake pressure, a value (control value) D2 based on a detection value detected by the intake pressure detector 43 at a predetermined timing for each compression stroke in successive combustion cycles, for example.
  • the throttle valve position D3 takes as an example a value when the opening degree of the throttle valve 33 increases.
  • the control device 60 controls the first compression process in which the intake pressure is on an upward trend during at least part of the low-load operation period in which the detected value of the intake pressure, which is the signal of the intake pressure detector 43, fluctuates greatly within one combustion cycle.
  • the compression stroke intake pressure and the compression stroke throttle valve position detected at time t1 are acquired.
  • the compression stroke in which the intake pressure is on an upward trend refers to the period around the time when the intake valve 31 closes after air is taken into the cylinder 11 from the independent intake passage 21 and the inside of the independent intake passage 21 becomes negative pressure. This refers to the period during which air flows into the independent old passage 21 from the independent throttle valve 33 and the pressure is restored.
  • the compression process intake pressure is a detected value of the intake pressure obtained by the intake pressure detector 43 at the first time t1.
  • the compression stroke throttle valve position is the throttle valve position acquired by the throttle valve position detector 41 in the same compression stroke as the first time t1.
  • the control device 60 detects the subsequent throttle valve position detected at a second time point t2, which is later than the first time point t1 in the same combustion cycle as the compression process and at a higher intake pressure than the first time point t1. get.
  • the subsequent throttle valve position is the throttle valve position acquired by the throttle valve position detector 41 at the second time t2.
  • the second time point t2 is, for example, a time point within the expansion stroke of the same combustion cycle as the compression step, but is not limited to this, and may be, for example, a time point within the compression step. Alternatively, it may be at a point in the exhaust stroke of the same combustion cycle as the compression step.
  • the control device 60 controls the air taken into the combustion chamber in the next combustion cycle of the combustion cycle, depending on the compression stroke intake pressure and compression stroke throttle valve position acquired within one combustion cycle, and the subsequent throttle valve position. Estimate the amount or obtain the required amount of fuel. For example, the control device 60 estimates the amount of air taken into the combustion chamber in the next combustion cycle from a predetermined air amount map, based on the compression stroke intake pressure, the compression stroke throttle valve position, and the subsequent throttle valve position. can do. Further, the control device 60 can obtain the required fuel amount in the next combustion cycle from, for example, a predetermined calculation formula based on the compression stroke intake pressure, the compression stroke throttle valve position, and the subsequent throttle valve position.
  • control device 60 estimates the atmospheric pressure based on the compression stroke intake pressure, the compression stroke throttle valve position, and the subsequent throttle valve position, and acquires the required fuel amount for the next combustion cycle based on the estimated atmospheric pressure. can do.
  • the timing for estimating the atmospheric pressure includes, for example, a stable situation such as a steady situation where the position of the independent throttle valve 33 does not change.
  • the control device 60 performs control to estimate the amount of air or obtain the required amount of fuel without using intake pressure other than during the compression stroke.
  • the control device 60 controls the fuel injection device 50 based on the estimated air amount or the obtained required fuel amount, and supplies fuel before combustion in the next combustion cycle.
  • the control device 60 gradually increases the opening degree of the independent throttle valve 33 at a constant small rate of change continuously from a steady state where the position of the independent throttle valve 33 does not change and from a low-load operation period where the throttle valve opening degree is small. In such a slow acceleration situation, control is performed so that the intake valve closing injection J1 is performed.
  • the intake valve-closed injection J1 refers to injecting fuel from the fuel injection device 50 during a valve-closed period T1 during which the intake valve 31 is closed after the compression stroke in one combustion cycle.
  • an acceleration scene in which the position of the independent throttle valve 33 changes to a larger open state includes, for example, an acceleration scene in which the position of the independent throttle valve 33 changes from a low-load operation period to a high-load operation period.
  • the low-load operation period can be, for example, a state in which the load torque is lower than the average value of the load torque in one combustion cycle.
  • the control device 60 may perform control to perform intake valve closed injection J1 and intake valve open injection J2, or perform intake valve closed injection J1 and intake valve open injection. Control may be performed so that J2 is not performed.
  • FIG. 3 is a diagram showing another example of the relationship between the intake pressure value detected by the intake pressure detector 43, the intake pressure value used in control, the throttle valve position, and time.
  • the vertical axis in FIG. 3 shows relative values, and the horizontal axis shows time. In FIG. 3, the horizontal axis may be the crank angle.
  • the intake pressure detection value D1 detected by the intake pressure detector 43 increases from the compression stroke to the exhaust stroke, and decreases in the intake stroke of the next combustion cycle.
  • the control device 60 uses, as the intake pressure, a value (control value) D2 based on a detection value detected by the intake pressure detector 43 at a predetermined timing for each compression stroke in successive combustion cycles, for example.
  • the throttle valve position D3 takes a value when the opening degree of the throttle valve 33 becomes small.
  • the control device 60 controls the third compression process in which the intake pressure is on an increasing trend during at least part of the low-load operation period in which the detected value of the intake pressure, which is the signal of the intake pressure detector 43, fluctuates greatly within one combustion cycle.
  • the compression stroke intake pressure and the compression stroke throttle valve position detected at time t3 are acquired.
  • the compression process intake pressure is a detected value of the intake pressure obtained by the intake pressure detector 43 at the third time t3.
  • the compression stroke throttle valve position is the throttle valve position acquired by the throttle valve position detector 41 in the same compression stroke as the third time t3.
  • the control device 60 detects the subsequent throttle valve position detected at a fourth time point t4, which is later than the third time point t3 in the same combustion cycle as the compression process and at a higher intake pressure than the third time point t3. get.
  • the subsequent throttle valve position is the throttle valve position acquired by the throttle valve position detector 41 at the fourth time t4.
  • the fourth time t4 is, for example, a time in the expansion stroke of the same combustion cycle as the compression process, but is not limited to this, and may be, for example, in the compression process. Alternatively, it may be at a point in the exhaust stroke of the same combustion cycle as the compression step.
  • control device 60 controls the next combustion of the combustion cycle according to the compression stroke intake pressure and compression stroke throttle valve position acquired within one combustion cycle and the subsequent throttle valve position. Estimate the amount of air drawn into the combustion chamber during the cycle or obtain the required amount of fuel.
  • the control device 60 performs control to estimate the amount of air or obtain the required amount of fuel without using intake pressure other than during the compression stroke.
  • the control device 60 controls the fuel injection device 50 based on the estimated air amount or the obtained required fuel amount, and supplies fuel before combustion in the next combustion cycle.
  • FIG. 4 is a flowchart showing an example of control in the control device 60 of the four-stroke engine 100.
  • the control device 60 controls the intake pressure to increase during at least part of the low-load operation period in which the detected value of the intake pressure, which is the signal of the intake pressure detector 43, fluctuates greatly within one combustion cycle.
  • the compression step intake pressure detected at the first time point t1 (see FIG. 2) of the compression step located at 1 and the throttle valve position detected in the compression step are acquired (step S10).
  • step S10 either the acquisition of the compression stroke intake pressure (step S10-1) or the acquisition of the compression stroke throttle valve position (step S10-2) may be performed first.
  • control device 60 controls intake air into the combustion chamber in the next combustion cycle of the combustion cycle, based on the compression stroke intake pressure and compression stroke throttle valve position acquired within one combustion cycle, and the subsequent throttle valve position.
  • the amount of air to be used is estimated or the amount of fuel required is obtained (step S30).
  • control device 60 controls the fuel injection device 50 based on the estimated air amount or the obtained required fuel amount, and supplies fuel before combustion in the next combustion cycle (step S40).
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of the four-stroke engine 100 according to the present embodiment.
  • the independent throttle type four-stroke engine 100 has an independent intake passage 21 for each cylinder 11 through which air taken into a single combustion chamber 13 flows.
  • An independent throttle valve 33 is provided for each independent intake passage 21.
  • the control device 60 acquires the compression stroke intake pressure and compression stroke throttle valve position detected for each independent intake passage 21, and the subsequent throttle valve position.
  • the independent throttle valve 33 can be provided at a position close to the intake valve 31. Therefore, the responsiveness of the amount of air taken into the combustion chamber 13 can be improved.
  • the four-stroke engine 100 includes at least one combustion chamber 13, an independent intake passage 21 whose one end is connected to one combustion chamber 13, and whose other end is not connected to the combustion chamber 13.
  • An independent throttle valve 33 that is provided inside the independent intake passage 21 and adjusts the amount of air taken into the combustion chamber 13; a throttle valve position detector 42 that detects the position of the independent throttle valve 33;
  • An intake pressure detector 43 that detects the intake pressure between the independent throttle valve 33 and the combustion chamber 13, a fuel injection device 50 that supplies fuel to the combustion chamber 13, a throttle valve position detector 42, and an intake pressure detector 43.
  • a four-stroke engine 100 includes a control device 60 that controls a fuel injection device 50 according to a signal from the engine, and the control device 60 starts from an intake stroke defined by the piston position, and starts from a compression stroke, an expansion stroke, and an exhaust stroke.
  • the intake pressure is on an upward trend during at least part of the low-load operation period in which the signal of the intake pressure detector 43 fluctuates greatly within one combustion cycle.
  • the compression stroke intake pressure and the compression stroke independent throttle valve 33 position acquired in the compression stroke, and the time after the acquisition time of the compression stroke independent throttle valve 33 position in the same combustion cycle as the compression stroke, and the compression stroke independent throttle valve 33 The amount of air taken into the combustion chamber 13 in the next combustion cycle is estimated or required according to the position of the subsequent independent throttle valve 33 obtained at a time when the intake pressure is higher than the intake pressure at the time when the position is detected.
  • the amount of fuel is acquired and the fuel injection device 50 is controlled to supply fuel before the next combustion.
  • the intake pressure of the compression stroke which is highly related to the air amount among the fluctuating intake pressures, the compression stroke independent throttle valve 33 position detected in the same stroke as the compression stroke, and the independence of the compression stroke Estimating the amount of air taken into the combustion chamber 13 for the next combustion cycle or obtaining the required amount of fuel using the position of the subsequent independent throttle valve 33 which is temporally closer to the next combustion time than the time when the position of the throttle valve 33 is detected.
  • the compression stroke independent throttle valve 33 position and the subsequent independent throttle valve 33 position are values detected by the throttle valve position detector 42.
  • a predicted value based on, for example, the opening/closing speed of the independent throttle valve 33 is used.
  • the accuracy of estimating the amount of air or the amount of fuel required can be improved compared to the case where the amount of air or the amount of fuel required is estimated.
  • the fuel injection device 50 that injects fuel into the independent intake passage 21 has been described as an example of the fuel supply device, but the present invention is not limited thereto.
  • a fuel supply device that supplies fuel directly into the combustion chamber 13 may also be used.

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Abstract

４ストロークエンジンにおいて、制御装置は、１つの燃焼サイクル内で吸気圧力検出器の信号が大きく変動する低負荷運転期間の少なくとも一部において、吸気圧が上昇基調にある圧縮行程において取得された圧縮行程吸気圧および当該圧縮行程で検出した圧縮行程スロットル弁位置と、圧縮行程と同じ燃焼サイクルにおける圧縮行程スロットル弁位置の取得時点より後の時点、且つ、圧縮行程スロットル弁位置を検出した時点の吸気圧より高い吸気圧の時点で取得された後続スロットル弁位置とに応じて、燃焼サイクルに対する次の燃焼サイクルの燃焼室に吸入される空気量を推定または必要燃料量を取得し、燃料供給装置を制御して次の燃焼より前に燃料を供給する。

Description

独立スロットル型４ストロークエンジン
　本発明は、独立スロットル型４ストロークエンジンに関する。
　独立スロットル型４ストロークエンジンは、少なくとも一つの燃焼室と、燃焼室ごとに設けられる吸気通路と、吸気通路の内部に設けられ燃焼室に吸入される空気量を調整するスロットル弁と、燃焼室に燃料を供給する燃料供給装置とを備える４ストロークエンジンである。
　吸気行程から始まり、圧縮行程、膨張行程および排気行程で終了する燃焼サイクルを繰り返す４ストロークエンジンでは、次の燃焼サイクルで燃焼室に吸入される空気量を推定し、推定結果に応じた量の燃料が燃焼室に供給されるように制御される。独立スロットル型４ストロークエンジンの場合、スロットル下流の吸気容積が小さくなるため、運転状態の変化に対する空気量の変化の応答が速い。このため、次の燃焼サイクルの燃焼室に吸入される空気量または必要な燃料量を高精度に推定することが求められる。
　例えば、特許文献１には、エンジンの回転速度が低速である場合には吸気圧とエンジンの回転速度とに基づいて空気量を推定し、エンジンの回転速度が高速である場合にはスロットル弁の開度とエンジンの回転速度とに基づいて次の燃焼サイクルの空気量を推定することが記載されている。また、特許文献２には、圧縮行程で検出した吸気圧と、膨張行程で検出した吸気圧とを用いて、次の燃焼サイクルの空気量を推定することが記載されている。
特開２００２－３１７６６８号公報 特開２００８－１５７２１９号公報
　特許文献１に記載の技術では、運転状況に応じて様々な補正係数を設定して目標値となるように適合を行う必要がある。補正係数をどのように設定するかについては、設定者のスキルに依存してしまう。特許文献２に記載の技術では、検出した吸気圧と空気量とを対応付けるマップおよび各種の算出式の係数等の精度を高める必要があり、システム構築のための工数が多くなってしまう。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、燃焼室に吸入される空気量または必要な燃料量の推定精度を向上させつつ、人手によるスキルへの依存度を低減し、システム構築の工数を低減することが可能な独立スロットル型４ストロークエンジンを提供することを目的とする。
　本発明に係る独立スロットル型４ストロークエンジンは、少なくとも一つの燃焼室と、一端が一つの前記燃焼室に接続され、他端が前記燃焼室に接続されない独立吸気通路と、前記独立吸気通路の内部に設けられ、前記燃焼室に吸入される空気量を調整する独立スロットル弁と、前記独立スロットル弁の位置を検出するスロットル弁位置検出器と、前記独立吸気通路の前記独立スロットル弁と前記燃焼室との間の吸気圧を検出する吸気圧力検出器と、前記燃焼室に燃料を供給する燃料供給装置と、前記スロットル弁位置検出器および前記吸気圧力検出器の信号に応じて前記燃料供給装置を制御する制御装置と、を備える独立スロットル型４ストロークエンジンであって、前記制御装置は、ピストン位置で規定した吸気行程から始まり、圧縮行程、膨張行程および排気行程で終了する４つの行程を１つの燃焼サイクルと定義した場合、１つの燃焼サイクル内で前記吸気圧力検出器の信号が大きく変動する低負荷運転期間の少なくとも一部において、吸気圧が上昇基調にある圧縮行程において取得された圧縮行程吸気圧および当該圧縮行程で検出した圧縮行程スロットル弁位置と、前記圧縮行程と同じ燃焼サイクルにおける前記圧縮行程スロットル弁位置の取得時点より後の時点、且つ、前記圧縮行程スロットル弁位置を検出した時点の吸気圧より高い吸気圧の時点で取得された後続スロットル弁位置とに応じて、前記燃焼サイクルに対する次の前記燃焼サイクルの燃焼室に吸入される空気量を推定または必要燃料量を取得し、前記燃料供給装置を制御して次の燃焼より前に燃料を供給する。
　この構成によれば、変動する吸気圧の中でも空気量との関連性が高い圧縮行程の吸気圧と、当該圧縮行程と同一行程において検出した圧縮工程スロットル弁位置と、当該圧縮工程のスロットル弁位置を検出した時点よりも時間的に次の燃焼時に近い後続スロットル弁位置とを用いて次の燃焼サイクルの燃焼室に吸入される空気量を推定または必要燃料量を取得することで、過渡および定常における燃焼室に吸入される空気量または必要な燃料量の推定精度を向上させつつ、人手によるスキルへの依存度を低減し、システム構築の工数を低減することが可能となる。
　本発明に係る独立スロットル型４ストロークエンジンにおいて、前記圧縮行程スロットル弁位置および前記後続スロットル弁位置は、前記スロットル弁位置検出器による検出値である。
　この構成によれば、スロットル弁位置検出器による検出値を用いて空気量を推定または必要燃料量を取得する制御を行うため、例えばスロットル弁の開閉速度等に基づいた予測値を用いる場合と比べて、空気量または必要な燃料量の推定精度を向上させることができる。
　本発明によれば、過渡時の空気量または必要な燃料量の推定精度を向上させつつ、人手によるスキルへの依存度を低減し、システム構築の工数を低減することが可能な独立スロットル型４ストロークエンジンを提供することができる。
図１は、４ストロークエンジンの一例を模式的に示す図である。 図２は、吸気圧力検出器で検出される吸気圧の検出値、制御で使用する吸気圧の値、及びスロットル弁位置と、時間との関係の一例を示す図である。 図３は、吸気圧力検出器で検出される吸気圧の検出値、制御で使用する吸気圧の値、及びスロットル弁位置と、時間との関係の他の例を示す図である。 図４は、４ストロークエンジンの制御装置における制御の一例を示すフローチャートである。 図５は、本実施形態に係る４ストロークエンジンの一例を示す図である。
　以下、４ストロークエンジンの実施形態を図面に基づいて説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
　図１は、４ストロークエンジン１００の一例を模式的に示す図である。本実施形態に係る４ストロークエンジン１００は、独立スロットル型エンジンである。４ストロークエンジン１００は、エンジン本体１０と、独立吸気通路２１及び排気通路２２と、吸気弁３１及び排気弁３２と、独立スロットル弁３３と、クランク角検出器４１と、スロットル弁位置検出器４２と、吸気圧力検出器４３と、燃料噴射装置５０と、制御装置６０とを備える。
　エンジン本体１０は、気筒１１と、クランクケース１２とを有する。気筒１１は、少なくとも１つ設けられる。気筒１１の数は、特に限定されず、単気筒、２気筒、３気筒、４気筒等であってもよい。気筒１１は、燃焼室１３を有する。燃焼室１３は、吸気開口１７及び排気開口１８を有する。また、燃焼室１３には、点火プラグ１９が配置される。点火プラグ１９が、燃焼室１３の内部に供給される混合気に点火することにより混合気が燃焼する。
　燃焼室１３には、ピストン１４が配置される。ピストン１４は、燃焼室１３に供給された燃料を含む混合気の燃焼によって気筒１１内を往復移動する。ピストン１４の往復移動により、燃焼室１３の容積が増減する。ピストン１４は、コネクティングロッド１５を介してクランクシャフト１６に接続される。ピストン１４の往復移動に連動して、クランクシャフト１６が回転する。クランクシャフト１６は、クランクケース１２内に配置される。
　独立吸気通路２１は、燃焼室１３の吸気開口１７に接続される。吸気開口１７は、燃焼室１３と独立吸気通路２１との接続部である。独立吸気通路２１は、大気への開放口である大気開放口２１ａを有する。
　排気通路２２は、燃焼室１３の排気開口１８に接続される。排気開口１８は、燃焼室１３と排気通路２２との接続部である。
　吸気弁３１は、吸気開口１７を開閉する。排気弁３２は、排気開口１８を開閉する。吸気弁３１及び排気弁３２は、例えばカムシャフト等の駆動機構３４により駆動されることで開閉動作を行う。
　独立スロットル弁３３は、独立吸気通路２１の内部に配置される。独立スロットル弁３３は、燃焼室１３に吸入される空気量を調整する。独立スロットル弁３３は、吸気弁３１と独立スロットル弁３３との間の距離Ｌ１が独立スロットル弁３３と独立吸気通路２１の大気開放口２１ａとの間の距離Ｌ２より短くなる位置に配置することができる。また、独立スロットル弁３３は、当該独立スロットル弁３３より下流の独立吸気通路２１の容積Ｖ１が気筒１１の行程容積Ｖ２より小さくなる位置に配置されてもよい。このように独立スロットル弁３３が吸気弁３１に近い位置に設けられる場合、燃焼室１３に吸入される空気量の応答性が向上する。
　クランク角検出器４１は、クランクシャフト１６の回転角度であるクランク回転角度を検出する。
　スロットル弁位置検出器４２は、独立スロットル弁３３の位置であるスロットル弁位置を検出する。
　吸気圧力検出器４３は、独立吸気通路２１における独立スロットル弁３３と燃焼室１３との間の吸気圧を検出する。
　検出器としては、上記の他、例えば独立吸気通路２１の内部の温度を検出する検出器、エンジン本体１０の内部の温度を検出する検出器、エンジン回転数を検出する検出器等、不図示の各種の検出器が設けられる。
　燃料噴射装置５０は、独立吸気通路２１に燃料を噴射する。燃料噴射装置５０は、燃料を噴射することによって、独立吸気通路２１の内部に燃料を供給する。
　制御装置６０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）等の処理装置と、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）又はＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）等の記憶装置、タイマー等を有する。制御装置６０は、クランク角検出器４１、スロットル弁位置検出器４２、吸気圧力検出器４３等の各検出器からの検出結果が入力される。
　制御装置６０は、燃料噴射装置５０及び点火プラグ１９を制御する。制御装置６０は、燃料噴射装置５０が燃料の噴射量及び燃料を噴射するタイミングを制御する。制御装置６０は、点火プラグ１９の添加のタイミングを制御する。
　上記構成の４ストロークエンジン１００は、燃焼サイクルを繰り返す。１つの燃焼サイクルは、ピストン位置で規定した圧縮行程から始まり、膨張行程、排気行程及び吸気工程で終了する４つの行程を含む。吸気行程の前に、燃料噴射装置５０から独立吸気通路２１の内部に燃料が噴射される。吸気行程において、吸気弁３１が開くことで、独立スロットル弁３３を通る空気と燃料噴射装置５０から噴射された燃料の混合気が、気筒１１の燃焼室１３に供給される。圧縮行程において、ピストン１４が燃焼室１３内の混合気を圧縮する。膨張行程において、点火プラグ１９で点火された混合気が燃焼するとともに、ピストン１４を押す。排気行程において、排気弁３２が開くことで、燃焼後の排気が燃焼室１３から排気通路２２に排出される。
　図２を参照して、制御装置６０における制御について説明する。図２は、吸気圧力検出器４３で検出される吸気圧の検出値、制御で使用する吸気圧の値、及びスロットル弁位置と、時間との関係の一例を示す図である。図２の縦軸は相対値を示し、横軸は時間を示す。図２において、横軸はクランク角度であってもよい。
　図２に示すように、吸気圧力検出器４３で検出される吸気圧の検出値Ｄ１は、圧縮行程から排気行程にかけて上昇し、次の燃焼サイクルの吸気行程で減少する。制御装置６０は、吸気圧として、例えば連続する燃焼サイクルにおいて圧縮行程ごとに所定のタイミングで吸気圧力検出器４３により検出される検出値に基づく値（制御値）Ｄ２を用いる。図２において、スロットル弁位置Ｄ３は、スロットル弁３３の開度が大きくなる場合の値を例に挙げている。
　制御装置６０は、１つの燃焼サイクル内で吸気圧力検出器４３の信号である吸気圧の検出値が大きく変動する低負荷運転期間の少なくとも一部において吸気圧が上昇基調にある圧縮工程の第１時点ｔ１で検出される圧縮工程吸気圧及び圧縮工程スロットル弁位置を取得する。ここで、吸気圧が上昇基調にある圧縮行程とは、気筒１１内に独立吸気通路２１から空気が吸入されて独立吸気通路２１内が負圧となった後、吸気弁３１が閉じる時期の前後から独立旧通路２１内に独立スロットル弁３３から空気が流入して圧力が回復していく期間を指す。圧縮工程吸気圧は、第１時点ｔ１において吸気圧力検出器４３で取得される吸気圧の検出値である。圧縮工程スロットル弁位置は、第１時点ｔ１と同じ圧縮行程においてスロットル弁位置検出器４１で取得されるスロットル弁位置である。
　制御装置６０は、当該圧縮工程と同じ燃焼サイクルにおいて第１時点ｔ１よりも後であり、且つ、第１時点ｔ１の吸気圧より高い吸気圧の第２時点ｔ２で検出される後続スロットル弁位置を取得する。後続スロットル弁位置は、第２時点ｔ２においてスロットル弁位置検出器４１で取得されるスロットル弁位置である。本実施形態において、第２時点ｔ２は、例えば当該圧縮工程と同じ燃焼サイクルの膨張行程内の時点を例に挙げているが、これに限定されず、例えば当該圧縮工程内の時点であってもよいし、当該圧縮工程と同じ燃焼サイクルの排気行程内の時点であってもよい。
　制御装置６０は、１つの燃焼サイクル内で取得した圧縮工程吸気圧及び圧縮工程スロットル弁位置と、後続スロットル弁位置とに応じて、当該燃焼サイクルの次の燃焼サイクルで燃焼室に吸入される空気量を推定または必要燃料量を取得する。例えば、制御装置６０は、圧縮工程吸気圧及び圧縮工程スロットル弁位置と、後続スロットル弁位置とに基づいて、例えば所定の空気量マップから次の燃焼サイクルで燃焼室に吸入される空気量を推定することができる。また、制御装置６０は、圧縮工程吸気圧及び圧縮工程スロットル弁位置と、後続スロットル弁位置とに基づいて、例えば所定の計算式から次の燃焼サイクルにおける必要燃料量を取得することができる。また、制御装置６０は、圧縮工程吸気圧及び圧縮工程スロットル弁位置と、後続スロットル弁位置とに基づいて大気圧を推定し、推定した大気圧に基づいて次の燃焼サイクルにおける必要燃料量を取得することができる。大気圧を推定するタイミングとしては、例えば独立スロットル弁３３の位置が遷移しない定常場面等の安定した場面が挙げられる。
　制御装置６０は、圧縮行程以外の吸気圧を用いることなく空気量を推定または前記必要燃料量を取得する制御を行う。
　制御装置６０は、推定された空気量又は取得された必要燃料量に基づいて燃料噴射装置５０を制御し、次の燃焼サイクルにおける燃焼よりも前に燃料を供給する。
　制御装置６０は、独立スロットル弁３３の位置が遷移しない定常場面、及びスロットル弁開度が小さい低負荷運転期間から連続して一定の小さな変化率で独立スロットル弁３３の開度が緩やかに増加するような緩加速場面においては、吸気閉弁時噴射Ｊ１が行われるように制御する。吸気閉弁時噴射Ｊ１は、１つの燃焼サイクル内の圧縮行程以後の吸気弁３１が閉じている閉弁期間Ｔ１に燃料噴射装置５０から燃料の噴射を行うことをいう。
　制御装置６０は、独立スロットル弁３３の位置がより大きな開弁状態に遷移するような加速場面においては、吸気閉弁時噴射Ｊ１及び吸気開弁時噴射Ｊ２を行うことができる。吸気開弁時噴射Ｊ２は、１つの燃焼サイクル内の閉弁期間Ｔ１の後の吸気弁３１が開いている開弁期間Ｔ２に燃料噴射装置５０から燃料の噴射を行うことをいう。なお、独立スロットル弁３３の位置がより大きな開弁状態に遷移するような加速場面は、例えば独立スロットル弁３３の位置が低負荷運転期間から高負荷運転期間に遷移するような加速場面を含む。低負荷運転期間は、例えば負荷トルクが１燃焼サイクルにおける負荷トルクの平均値よりも低い状態とすることができる。また、高負荷運転期間は、負荷トルクが１燃焼サイクルにおける負荷トルクの平均値よりも高い状態とすることができる。制御装置６０は、このような加速場面においては、吸気閉弁時噴射Ｊ１及び吸気開弁時噴射Ｊ２を行うように制御してよいし、吸気閉弁時噴射Ｊ１を行い、吸気開弁時噴射Ｊ２を行わないように制御してもよい。
　図３は、吸気圧力検出器４３で検出される吸気圧の検出値、制御で使用する吸気圧の値、及びスロットル弁位置と、時間との関係の他の例を示す図である。図３の縦軸は相対値を示し、横軸は時間を示す。図３において、横軸はクランク角度であってもよい。
　図３に示すように、吸気圧力検出器４３で検出される吸気圧の検出値Ｄ１は、圧縮行程から排気行程にかけて上昇し、次の燃焼サイクルの吸気行程で減少する。制御装置６０は、吸気圧として、例えば連続する燃焼サイクルにおいて圧縮行程ごとに所定のタイミングで吸気圧力検出器４３により検出される検出値に基づく値（制御値）Ｄ２を用いる。図３に示す例において、スロットル弁位置Ｄ３は、スロットル弁３３の開度が小さくなる場合の値を例に挙げている。
　制御装置６０は、１つの燃焼サイクル内で吸気圧力検出器４３の信号である吸気圧の検出値が大きく変動する低負荷運転期間の少なくとも一部において吸気圧が上昇基調にある圧縮工程の第３時点ｔ３で検出される圧縮工程吸気圧及び圧縮工程スロットル弁位置を取得する。圧縮工程吸気圧は、第３時点ｔ３において吸気圧力検出器４３で取得される吸気圧の検出値である。圧縮工程スロットル弁位置は、第３時点ｔ３と同じ圧縮行程においてスロットル弁位置検出器４１で取得されるスロットル弁位置である。
　制御装置６０は、当該圧縮工程と同じ燃焼サイクルにおいて第３時点ｔ３よりも後であり、且つ、第３時点ｔ３の吸気圧より高い吸気圧の第４時点ｔ４で検出される後続スロットル弁位置を取得する。後続スロットル弁位置は、第４時点ｔ４においてスロットル弁位置検出器４１で取得されるスロットル弁位置である。本実施形態において、第４時点ｔ４は、例えば当該圧縮工程と同じ燃焼サイクルの膨張行程内の時点を例に挙げているが、これに限定されず、例えば当該圧縮工程内の時点であってもよいし、当該圧縮工程と同じ燃焼サイクルの排気行程内の時点であってもよい。
　制御装置６０は、図２に示す場合と同様に、１つの燃焼サイクル内で取得した圧縮工程吸気圧及び圧縮工程スロットル弁位置と、後続スロットル弁位置とに応じて、当該燃焼サイクルの次の燃焼サイクルで燃焼室に吸入される空気量を推定または必要燃料量を取得する。
　制御装置６０は、圧縮行程以外の吸気圧を用いることなく空気量を推定または前記必要燃料量を取得する制御を行う。
　制御装置６０は、推定された空気量又は取得された必要燃料量に基づいて燃料噴射装置５０を制御し、次の燃焼サイクルにおける燃焼よりも前に燃料を供給する。
　図４は、４ストロークエンジン１００の制御装置６０における制御の一例を示すフローチャートである。図４に示すように、制御装置６０は、１つの燃焼サイクル内で吸気圧力検出器４３の信号である吸気圧の検出値が大きく変動する低負荷運転期間の少なくとも一部において吸気圧が上昇基調にある圧縮工程の第１時点ｔ１（図２参照）で検出される圧縮工程吸気圧及び当該圧縮工程において検出したスロットル弁位置を取得する（ステップＳ１０）。ステップＳ１０では、圧縮工程吸気圧の取得（ステップＳ１０－１）及び圧縮工程スロットル弁位置の取得（ステップＳ１０－２）のいずれを先に行ってもよい。
　次に、制御装置６０は、当該圧縮工程と同じ燃焼サイクルにおいて第１時点ｔ１よりも後であり、且つ、第１時点ｔ１の吸気圧より高い吸気圧の第２時点ｔ２（図２参照）で検出される後続スロットル弁位置を取得する（ステップＳ２０）。
　次に、制御装置６０は、１つの燃焼サイクル内で取得した圧縮工程吸気圧及び圧縮工程スロットル弁位置と、後続スロットル弁位置とに応じて、当該燃焼サイクルの次の燃焼サイクルで燃焼室に吸入される空気量を推定または必要燃料量を取得する（ステップＳ３０）。
　次に、制御装置６０は、推定された空気量又は取得された必要燃料量に基づいて燃料噴射装置５０を制御し、次の燃焼サイクルにおける燃焼よりも前に燃料を供給する（ステップＳ４０）。
　図５は、本実施形態に係る４ストロークエンジン１００の一例を示す図である。図５に示すように、独立スロットル型の４ストロークエンジン１００は、気筒１１ごとに、単一の燃焼室１３に吸入される空気が流通する独立吸気通路２１を有する。独立スロットル弁３３は、独立吸気通路２１ごとに設けられる。制御装置６０は、それぞれの独立吸気通路２１ごとに検出される圧縮工程吸気圧及び圧縮工程スロットル弁位置と、後続スロットル弁位置とを取得する。独立スロットル型エンジンにおいては、独立スロットル弁３３を吸気弁３１に近い位置に設けることができる。このため、燃焼室１３に吸入される空気量の応答性を向上できる。
　以上のように、本実施形態に係る４ストロークエンジン１００は、少なくとも一つの燃焼室１３と、一端が一つの燃焼室１３に接続され、他端が燃焼室１３に接続されない独立吸気通路２１と、独立吸気通路２１の内部に設けられ、燃焼室１３に吸入される空気量を調整する独立スロットル弁３３と、独立スロットル弁３３の位置を検出するスロットル弁位置検出器４２と、独立吸気通路２１の独立スロットル弁３３と燃焼室１３との間の吸気圧を検出する吸気圧力検出器４３と、燃焼室１３に燃料を供給する燃料噴射装置５０と、スロットル弁位置検出器４２および吸気圧力検出器４３の信号に応じて燃料噴射装置５０を制御する制御装置６０と、を備える４ストロークエンジン１００であって、制御装置６０は、ピストン位置で規定した吸気行程から始まり、圧縮行程、膨張行程および排気行程で終了する４つの行程を１つの燃焼サイクルと定義した場合、１つの燃焼サイクル内で吸気圧力検出器４３の信号が大きく変動する低負荷運転期間の少なくとも一部において、吸気圧が上昇基調にある圧縮行程において取得された圧縮行程吸気圧および圧縮行程独立スロットル弁３３位置と、圧縮行程と同じ燃焼サイクルにおける圧縮行程独立スロットル弁３３位置の取得時点より後の時点、且つ、圧縮行程独立スロットル弁３３位置を検出した時点の吸気圧より高い吸気圧の時点で取得された後続独立スロットル弁３３位置とに応じて、燃焼サイクルに対する次の燃焼サイクルの燃焼室１３に吸入される空気量を推定または必要燃料量を取得し、燃料噴射装置５０を制御して次の燃焼より前に燃料を供給する。
　この構成によれば、変動する吸気圧の中でも空気量との関連性が高い圧縮行程の吸気圧と、当該圧縮行程と同一行程において検出した圧縮工程独立スロットル弁３３位置と、当該圧縮工程の独立スロットル弁３３位置を検出した時点よりも時間的に次の燃焼時に近い後続独立スロットル弁３３位置とを用いて次の燃焼サイクルの燃焼室１３に吸入される空気量を推定または必要燃料量を取得することで、過渡および定常における燃焼室１３に吸入される空気量または必要な燃料量の推定精度を向上させつつ、人手によるスキルへの依存度を低減し、システム構築の工数を低減することが可能となる。
　本実施形態に係る４ストロークエンジン１００において、圧縮行程独立スロットル弁３３位置および後続独立スロットル弁３３位置は、スロットル弁位置検出器４２による検出値である。
　この構成によれば、スロットル弁位置検出器４２による検出値を用いて空気量を推定または必要燃料量を取得する制御を行うため、例えば独立スロットル弁３３の開閉速度等に基づいた予測値を用いる場合と比べて、空気量または必要な燃料量の推定精度を向上させることができる。
　本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を加えることができる。例えば、上記実施形態において、燃料供給装置として、独立吸気通路２１内に燃料を噴射する燃料噴射装置５０を例に挙げて説明したが、これに限定されない。燃焼室１３内に直接燃料を供給する燃料供給装置が用いられてもよい。
α，β　噴射量
Ｊ１　吸気閉弁時噴射
Ｊ２　吸気開弁時噴射
１０　エンジン本体
１１　気筒
１２　クランクケース
１３　燃焼室
１４　ピストン
１５　コネクティングロッド
１６　クランクシャフト
１７　吸気開口
１８　排気開口
１９　点火プラグ
２１　独立吸気通路
２１ａ　大気開放口
２２　排気通路
３１　吸気弁
３２　排気弁
３３　独立スロットル弁
３４　駆動機構
４１　クランク角検出器
４２　スロットル弁位置検出器
４３　吸気圧力検出器
５０　燃料噴射装置
６０　制御装置
１００　４ストロークエンジン

Claims (2)

  1. 　少なくとも一つの燃焼室と、
    　一端が一つの前記燃焼室に接続され、他端が前記燃焼室に接続されない独立吸気通路と、
    　前記独立吸気通路の内部に設けられ、前記燃焼室に吸入される空気量を調整する独立スロットル弁と、
    　前記独立スロットル弁の位置を検出するスロットル弁位置検出器と、
    　前記独立吸気通路の前記独立スロットル弁と前記燃焼室との間の吸気圧を検出する吸気圧力検出器と、
    　前記燃焼室に燃料を供給する燃料供給装置と、
    　前記スロットル弁位置検出器および前記吸気圧力検出器の信号に応じて前記燃料供給装置を制御する制御装置と、
    　を備える独立スロットル型４ストロークエンジンであって、
    　前記制御装置は、
    　ピストン位置で規定した吸気行程から始まり、圧縮行程、膨張行程および排気行程で終了する４つの行程を１つの燃焼サイクルと定義した場合、
    　１つの燃焼サイクル内で前記吸気圧力検出器の信号が大きく変動する低負荷運転期間の少なくとも一部において、
    　　吸気圧が上昇基調にある圧縮行程において取得された圧縮行程吸気圧および当該圧縮行程で検出した圧縮行程スロットル弁位置と、
    　　前記圧縮行程と同じ燃焼サイクルにおける前記圧縮行程スロットル弁位置の取得時点より後の時点、
    　　且つ、前記圧縮行程スロットル弁位置を検出した時点の吸気圧より高い吸気圧の時点で取得された後続スロットル弁位置とに応じて、前記燃焼サイクルに対する次の前記燃焼サイクルの燃焼室に吸入される空気量を推定または必要燃料量を取得し、前記燃料供給装置を制御して次の燃焼より前に燃料を供給する
    　独立スロットル型４ストロークエンジン。
  2. 　前記圧縮行程スロットル弁位置および前記後続スロットル弁位置は、前記スロットル弁位置検出器による検出値である
    　請求項１に記載の独立スロットル型４ストロークエンジン。
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