JP2009103086A - ２サイクルエンジンの運転制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高水準での排ガス並びにエンジン出力のバランス制御を実現することができる２サイクルエンジンの運転制御装置を提供すること。
【解決手段】２サイクルエンジン本体２の排気側に接続された排気管３と、排気管３の拡径部３ａの上流側に配置された第１の排気温度検出センサ４と、拡径部３ａの下流側に配設された第２の排気温度検出センサ５と、第１の排気温度検出センサ４によって検出された検出値（Ｔ１）と第２の排気温度検出センサ５によって検出された検出値（Ｔ２）との排気温度差（△Ｔ）を算出し且つその算出結果に基づいて２サイクルエンジン本体２の運転制御を実行する制御回路１６とを備えている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、２サイクルエンジンの運転制御装置に関する。

従来から、２サイクルエンジンにおいては、シリンダ内の混合気が点火プラグにより着火された後、火炎が伝搬していく過程で既燃焼ガスが周囲の未燃焼ガスを圧縮して未燃焼ガスの圧力を過度に上昇させると、その圧力上昇と火炎からの放射熱とにより未燃焼ガスの温度が上昇して、未燃焼ガスが自己発火し、シリンダ内で爆発的な異常燃焼が生じることが知られている。

この現象は、デトネーション（又は、ノッキング）と呼ばれ、２サイクルエンジンを損傷する原因になる。

また、この現象は、点火時期の進角量が大きい場合や、混合気の空燃比がリーン側にずれていて燃料の気化潜熱によるピストンの冷却効果が弱い場合に起るため、デトネーション（異常燃焼）が発生したときに点火時期を定常運転時の点火時期を遅角させると共にデトネーションが発生しなくなったときに点火時期を定常時の時期に戻したり、空燃比をリッチ側に制御したりすることにより抑制することができる。

一般には、空燃比のばらつきを考慮して、定常運転時の点火時期を遅角側に設定している。ところが、２サイクルエンジンにおいては、デトネーションが発生する直前の状態か又は多少デトネーションが発生している状態のときに最も大きな出力が得られるため、点火時期を遅角側に設定したのでは、エンジン出力を高性能に引き出すことができない。

そこで、二輪車やスノーモービル等に用いる高性能の２サイクルエンジンでは、デトネーションが発生する直前の状態または多少デトネーションが発生する状態で機関が運転されるように点火時期を設定して、デトネーション抑制制御を行うことにより機関の保護を図るようにしている。

また、二輪車やスノーモービル等に採用される２サイクルエンジンでは、タールの付着によるエンジン本体の劣化や過酷な振動条件を考慮して、四輪自動車等で採用されるＡ／Ｆセンサを利用した空燃比（酸素濃度）検出による燃料フィードバック制御は一般的には行われず、オープンループのＥＦＩ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｆｕｅｌ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ：電子制御燃料噴射）システムが主流となっている。

しかしながら、このようなＥＦＩシステムでは、エンジン毎のバラツキに対応することが困難で、排ガスの制御並びにエンジン出力制御に最高の性能を発揮することができなかった。

一方、２サイクルエンジン本体からの排気温度を排気管の排気通路上流側に配置した排気温度検出センサで検出し、その排気温度検出センサで検出した排気温度が２サイクルエンジンの運転状態に応じて設定された目標排気温度に近づくよう、２サイクルエンジンに供給される混合気の空燃比を決定する２サイクルエンジンの運転制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この２サイクルエンジンのフィードバック制御では、大気圧・エンジン冷却状態・使用燃料に応じて目標排気温度を変化させると共に、点火時期の遅角／進角させることでも目標排気温度を変化させている。

具体的には、空燃比の値が小さい値から徐々に大きくなれば（混合気が薄くなれば）、これに伴って、排気温度が高くなり、その所定範囲内において良好なエンジン性能が得られる。また、その所定範囲を超えて更に空燃比の値が大きくなると（混合気がより薄くなると）、排気温度が低下し始めると同時にエンジン性能も低下する傾向となる。

そこで、排気管の排気通路中途部に配置された排気チャンバよりも上流側で理論空燃比の前後で排気温度が下がる特性を利用し、その排気チャンバよりも上流側に配置された排気温度検出センサで排気温度を検出することで、雨や雪等の天候等を含めた大気圧やエンジン冷却状態並びに使用燃料に応じて目標排気温度を変化させ、その変化後の目標排気温度に従って２サイクルエンジンに供給される混合気の空燃比を決定している。
特開平０８−２７０４７７号公報

ところが、上記の如く構成された２サイクルエンジンの運転制御装置にあっては、排気チャンバよりも上流側に配置された一つの排気温度検出センサで排気温度を検出しただけでは、エンジン運転状態に応じて排気温度を基準とした排ガス並びにエンジン出力のベストバランスとなる燃料噴射量を制御することは困難であるという問題があった。

そこで、本発明は、上記事情を考慮し、排気管の下流側の排気温度は空燃比がリーンになるほど排気温度が上昇するという特性を見い出すと共に、排気管の上流側と下流側との排気温度を監視した結果、いかなる運転状況においても上下２つの温度特性により排気温度差の傾向には大きな変化が無いことに着目し、これら２つの排気温度検出手段の検出結果をフィードバックして２サイクルエンジンの運転制御を実行することによって、高水準での排ガス並びにエンジン出力のバランス制御を実現することができる２サイクルエンジンの運転制御装置を提供することを目的とする。

本発明の２サイクルエンジンの運転制御装置は、２サイクルエンジン本体の排気側に接続された排気管と、該排気管の拡径部上流側に配置された第１の排気温度検出手段と、前記排気管の拡径部下流側に配設された第２の排気温度検出手段と、前記第１の排気温度検出手段によって検出された検出値（Ｔ１）と前記第２の排気温度検出手段によって検出された検出値（Ｔ２）との排気温度差（△Ｔ）を算出し且つその算出結果に基づいて前記２サイクルエンジン本体の運転制御を実行する演算手段と、を備えていることを特徴とする。

本発明の２サイクルエンジンの運転制御装置によれば、排気管の拡径部上流側と下流側とに離間配置された２つの排気温度検出手段を常時モニタすることで空燃比をフィードバック制御することができ、あらゆる運転状態において排気ガスを低減し得て、出力を向上することもできる。

本発明の２サイクルエンジンの運転制御装置は、前記演算手段は、目標空燃比となる所定の空燃比温度差（△Ｔａｆ）を予め設定し、前記排気温度差（△Ｔ）が前記空燃比温度差（△Ｔａｆ）よりも大きい場合には燃料噴射の減量補正を行い、前記排気温度差（△Ｔ）が前記空燃比温度差（△Ｔａｆ）よりも小さい場合には燃料噴射の増量補正を行うことを特徴とする。

本発明の２サイクルエンジンの運転制御装置によれば、排気温度差を利用することで２サイクルエンジンにおいても精度の高い燃料フィードバック制御（空燃比制御）が可能となり、排気ガス低減並びに出力向上に貢献することができる。

本発明の２サイクルエンジンの運転制御装置は、前記演算手段は、目標点火時期となる所定の点火時期温度差（△Ｔｉｔ）を予め設定し、ノッキング検出手段によりノッキング状態が検出された時に、前記排気温度差（△Ｔ）が前記点火時期温度差（△Ｔｉｔ）よりも大きい場合には点火時期の遅角制御を行い、前記排気温度差（△Ｔ）が前記点火時期温度差（△Ｔｉｔ）よりも小さい場合には燃料噴射の増量補正を行うことを特徴とする。

本発明の２サイクルエンジンの運転制御装置によれば、排気温度差を利用することで、精度の高いノッキング制御が可能となるうえ、運転状況に応じて遅角と燃料噴射の増量補正とを使い分けることにより、無駄な燃料の増量補正を行うことなく、排気ガスの低減に貢献することができる。

本発明の２サイクルエンジンの運転制御装置は、前記演算手段は、前記点火時期温度差（△Ｔｉｔ）に対する遅角制御或いは燃料噴射の増量補正を行った後に、前記第２の排気温度検出手段の検出値（Ｔ２）が予め設定された所定の上限値（Ｔ２ｍａｘ）を超えてノッキング状態が検出された場合、別の燃料噴射マップに切り換え制御を行うことを特徴とする。

本発明の２サイクルエンジンの運転制御装置によれば、排気温度差を利用したノッキング制御と、排気温度の変化を利用して燃料種類（例えば、レギュラー・ハイオク）の判定が可能となり、異なった種類の燃料を使用した場合に最適な燃料噴射マップを自動的に選択して運転することができ、排気ガスの低減並びに出力向上に貢献することができる。

本発明の２サイクルエンジンの運転制御装置は、高水準での排ガス並びにエンジン出力のバランス制御を実現することができる。

次に、本発明の一実施形態に係る２サイクルエンジンの運転制御装置について、図面を参照して説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る２サイクルエンジンを搭載したスノーモービルの一部を破断した平面図、図２は本発明の一実施形態に係る２サイクルエンジンの運転制御装置のブロック回路図、図３は本発明の一実施形態に係る２サイクルエンジンの運転制御における空燃比／排ガス温度に対する△Ｔａｆのグラフ図、図４は本発明の一実施形態に係る２サイクルエンジンの運転制御における２つの排気温度検出センサによる排気温度／点火時期の検出結果のグラフ図、図５は本発明の一実施形態に係る２サイクルエンジンの運転制御における２つの排気温度検出センサによる空燃比／排ガス温度の検出結果のグラフ図である。

図１に示すように、本発明の一実施形態に係る２サイクルエンジンの運転制御装置は、スノーモービル本体１の前方に配置され、２サイクルエンジン本体２と、２サイクルエンジン本体２の排気側に接続された排気管３と、排気管３の拡径部上流側に配置された第１の排気温度検出センサ４と、排気管３の拡径部下流側に配設された第２の排気温度検出センサ５と、を備えている。

また、図２において、２サイクルエンジン本体２は、クランクケース６の吸気側に一端が連結された吸気管７と、吸気管７に設けられたスロットル弁８並びにインジェクタ（燃料噴射装置）９と、クランクケース６に設けられてクランクピストン（図示せず）のクランク角を検出するクランク角センサ１０と、クランクケース６に設けられた点火プラグ１１と、クランクケース６（２サイクルエンジン本体２）に接続された排気管３の接続端部付近に設けられて排気管３からの排気量並びに排気タイミングを切り換える排気バルブ１２とを備えている。

一方、第１の排気温度検出センサ４、第２の排気温度検出センサ５、クランク角センサ１０による検出結果は、スロットル弁８の開度検出用のスロットルセンサ１３、２サイクルエンジン本体２（又は、スノーモービル本体１）の周囲の大気圧並びに温度を検出する大気圧センサ１４並びに温度センサ１５からの検出結果と共に、演算手段としての制御回路（ＥＣＵ）１６に出力される。

制御回路１６は、これらの検出結果に基づいて、排気バルブコントローラ１７及び排気タイミング可変装置１８を介して排気バルブ１２を制御する。また、制御回路１６は、点火装置（ＣＤＩ）１９を介して点火プラグ１１の点火タイミングを制御する。さらに、制御回路１６は、燃料噴射回路２０を介して吸気管７に対する燃料噴射を可能とするインジェクタ９を制御する。

一方、第１の排気温度検出センサ４と第２の排気温度検出センサ５とは、排気管３の拡径部（排気チャンバ又はサイレンサ）３ａを挟んで離間状態で配置され、第１の排気温度検出センサ４は排気管３の拡径部３ａよりも排気方向上流側（クランクケース６側）、第２の排気温度検出センサ５は排気管３の拡径部３ａよりも排気方向下流側に配置されている。

上記の構成において、２サイクルエンジン本体２が駆動されると、２サイクルエンジン本体２のクランクケース６内の負圧で、２サイクルエンジン本体２の外部の空気がエアクリーナ（図示せず）で濾過されて吸気管７内に吸入される。

一方、制御回路１６の制御による燃料噴射回路（アクチュエータ）２０の動作で、インジェクタ９が所定時期に所定期間開弁させられ、この開弁期間においてインジェクタ９から燃料が吸気管７内の空気に向って噴射され、混合気が生成される。

この混合気は、クランクケース６内で予圧縮された後、燃焼室内へと送り込まれて、制御回路１６の制御による点火装置１９により所定時期に点火プラグ１１が点火・燃焼させられる。

この燃焼による熱エネルギーはクランクピストン（図示せず）の動力に変換され、この動力は２サイクルエンジン本体２のクランク軸を介して出力され、これによって、スノーモービル本体１の走行が可能とされる。

他方、燃焼後の排気ガスは、排気管３を経由して２サイクルエンジン本体２の外部に排出させられる。

この際、その排気温度は、排気管３の上流側と下流側とに配置された２つの排気温度検出センサ４，５によって検出され、その検出値（検出温度）Ｔ１，Ｔ２の排気温度差△Ｔに基づいて制御回路１６による運転制御が実行される。

即ち、近年の排ガス規制に対応するため、２サイクルエンジンの空燃比を薄くしていった場合、燃焼の悪化が発生して未燃ガスの排出が増加し、排気管３での後燃え現象が発生しやすくなる。また、この後燃えが発生すると、排気管３の上流側に比べて下流側の方が高温となることから、排気管３の上流側と下流側に排気温度を検出する各センサ４，５を配置し、第１の排気温度検出センサ４によって検出された検出値（検出温度）Ｔ１と第２の排気温度検出センサ５によって検出された検出値（検出温度）Ｔ２との排気温度差△Ｔを制御回路１６で算出し、その算出結果に基づいて後燃えの有無を正確に判定することができる。

従って、その算出結果に基づいて、制御回路１６は、燃料噴射量を補正し、空燃比のリーン側限界点での運転（エンジン駆動）を制御することができる。また、後燃えを抑制し得て、排気管３の耐久性の向上を実現することができる。さらに、各センサ４，５の検出値Ｔ１，Ｔ２に基づく排気温度差△Ｔが異常に高い場合には、各センサ４，５の故障等が発生したことを判定することも可能となり、２サイクルエンジンの運転制御システムの信頼性をも向上することができる。

具体的には、制御回路１６は、目標空燃比となる所定の空燃比温度差△Ｔａｆを予め設定し（図３参照）、排気温度差△Ｔが空燃比温度差△Ｔａｆよりも大きい場合には燃料噴射の減量補正を行い、排気温度差△Ｔが空燃比温度差△Ｔａｆよりも小さい場合には燃料噴射の増量補正を行う。尚、図３に示した△Ｔａｆは一例であり、理論空燃比"０"を目標とする場合、△Ｔ＝０ｄｅｇとなるように燃料フィードバックを行うことでＡ／Ｆ（空燃比）を理論空燃比としたものである。

また、制御回路１６は、目標点火時期となる所定の点火時期温度差△Ｔｉｔを予め設定し（図４参照）、図示を略するノッキング検出センサ（デトネーション検出回路）によりノッキング状態が検出された時に、排気温度差△Ｔが点火時期温度差△Ｔｉｔよりも大きい場合には点火時期の遅角制御を行い、排気温度差△Ｔが点火時期温度差△Ｔｉｔよりも小さい場合には燃料噴射の増量補正を行う。

さらに、制御回路１６は、点火時期温度差△Ｔｉｔに対する遅角制御或いは燃料噴射の増量補正を行った後に、第２の排気温度検出センサ５の検出値Ｔ２が予め設定された所定の上限値Ｔ２ｍａｘ（図５参照）を超えてノッキング状態が検出された場合、所定の燃料よりもオクタン価の低い燃料が使用されていると判断し、別の燃料噴射マップに切り換え制御を行う。

次に、本発明の２サイクルエンジンの運転制御装置における制御回路１６の制御例を、図６のフロー図に基づいて説明する。

（ステップＳ１）
ステップＳ１では、制御回路１６は、現在のクランク角センサ１０で検出されたクランク角位置が、デトネーションの検出を行うクランク角位置であるか否かを判定し、現在のクランク角位置がデトネーションの検出を行うクランク角位置ではないと判定されたときには、以後何もしないで他のタスクに移行し、現在のクランク角位置がデトネーションの検出を行うクランク角位置であると判定されたときには、ステップＳ２に移行する。

（ステップＳ２）
ステップＳ２では、制御回路１６は、デトネーション検出回路（図示せず）からデトネーション検出信号のレベルを読み込んでステップＳ３へと移行する。

（ステップＳ３）
ステップＳ３では、制御回路１６は、読み込んだデトネーション検出信号のレベルが予め設定された設定値以上であるか否かを判定し、デトネーション検出信号のレベルが設定値以上でないときには以後何もしないでこのタスクを終了し、デトネーション検出信号のレベルが設定値以上であると判定されたときにデトネーションが発生したと判定してステップＳ４へと移行する。

（ステップＳ４）
ステップＳ４では、制御回路１６は、デトネーション抑制用点火時期を演算してステップＳ５へと移行する。

（ステップＳ５）
ステップＳ５では、制御回路１６は、スロットル弁８の開度と回転速度とから排気管３の許容上限値を演算する許容上限温度演算過程を行ってステップＳ６に移行する。

（ステップＳ６）
ステップＳ６では、制御回路１６は、排気管温度（Ｔ１，Ｔ２）の排気温度差（△Ｔ）が許容上限値を超えているか否かを判定する。その結果、現在の排気管温度が許容上限値以下であると判定されたときには、ステップＳ７へと移行し、現在の排気管温度が許容上限値以上であると判定されたときにはステップＳ８へと移行する。

（ステップＳ７）
ステップＳ７では、制御回路１６は、デトネーションを抑制するために、点火時期を遅角させるデトネーション抑制用点火時期遅角制御を行う。

（ステップＳ８）
ステップＳ８では、制御回路１６は、燃料増量補正値を演算して燃料噴射の増量補正制御を行う。

このように、本発明の２サイクルエンジンの運転制御装置にあっては、排気管３の上流側と下流側とに２つのセンサ４，５を設け、各センサ４，５の検出値が略同じ温度の場合に理論空燃比となることから、各センサ４，５の検出値が略同じ温度となるようにエンジン運転制御を行うことで、適正な排ガス、燃費、エンジン出力を実現することができる。

また、上記制御を行うに際して、点火プラグ１１の点火時期を調整し温度バランスを保つが、ノック制御等により点火時期を遅角することで各センサ４，５の検出値バランスが崩れることがあるため、予め定義されている温度の許容値及び上限値を超えた場合には燃料を増加させることで温度差並びに上限値が所定範囲内に収まるように制御することによって、適正な排ガス、燃費、エンジン出力を実現すると共に、２サイクルエンジン本体２や排気管３の保護並びに耐久性の向上を実現することができる。

ところで、上記実施の形態では、本発明の２サイクルエンジンの運転制御装置をスノーモービル本体１に適用して説明したが、例えば、二輪車や水上バイク等、２サイクルエンジン全般に適用することができることは勿論である。

本発明の一実施形態に係る２サイクルエンジンを搭載したスノーモービルの一部を破断した平面図である。 本発明の一実施形態に係る２サイクルエンジンの運転制御装置のブロック回路図である。 本発明の一実施形態に係る２サイクルエンジンの運転制御における空燃比／排ガス温度に対する△Ｔａｆのグラフ図である。 本発明の一実施形態に係る２サイクルエンジンの運転制御における２つの排気温度検出センサによる排気温度／点火時期の検出結果のグラフ図である。 本発明の一実施形態に係る２サイクルエンジンの運転制御における２つの排気温度検出センサによる空燃比／排ガス温度の検出結果のグラフ図である。 本発明の一実施形態に係る２サイクルエンジンの運転制御装置における制御回路の制御例を示すフロー図である。

符号の説明

２…２サイクルエンジン本体
３…排気管
３ａ…拡径部
４…第１の排気温度検出センサ（第１の排気温度検出手段）
５…第２の排気温度検出センサ（第２の排気温度検出手段）
１６…制御回路（演算手段）

Claims (4)

1. ２サイクルエンジン本体の排気側に接続された排気管と、該排気管の拡径部上流側に配置された第１の排気温度検出手段と、前記排気管の拡径部下流側に配設された第２の排気温度検出手段と、前記第１の排気温度検出手段によって検出された検出値（Ｔ１）と前記第２の排気温度検出手段によって検出された検出値（Ｔ２）との排気温度差（△Ｔ）を算出し且つその算出結果に基づいて前記２サイクルエンジン本体の運転制御を実行する演算手段と、を備えていることを特徴とする２サイクルエンジンの運転制御装置。
2. 前記演算手段は、目標空燃比となる所定の空燃比温度差（△Ｔａｆ）を予め設定し、前記排気温度差（△Ｔ）が前記空燃比温度差（△Ｔａｆ）よりも大きい場合には燃料噴射の減量補正を行い、前記排気温度差（△Ｔ）が前記空燃比温度差（△Ｔａｆ）よりも小さい場合には燃料噴射の増量補正を行うことを特徴とする請求項１に記載の２サイクルエンジンの運転制御装置。
3. 前記演算手段は、目標点火時期となる所定の点火時期温度差（△Ｔｉｔ）を予め設定し、ノッキング検出手段によりノッキング状態が検出された時に、前記排気温度差（△Ｔ）が前記点火時期温度差（△Ｔｉｔ）よりも大きい場合には点火時期の遅角制御を行い、前記排気温度差（△Ｔ）が前記点火時期温度差（△Ｔｉｔ）よりも小さい場合には燃料噴射の増量補正を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の２サイクルエンジンの運転制御装置。
4. 前記演算手段は、前記点火時期温度差（△Ｔｉｔ）に対する遅角制御或いは燃料噴射の増量補正を行った後に、前記第２の排気温度検出手段の検出値（Ｔ２）が予め設定された所定の上限値（Ｔ２ｍａｘ）を超えてノッキング状態が検出された場合、別の燃料噴射マップに切り換え制御を行うことを特徴とする請求項３に記載の２サイクルエンジンの運転制御装置。

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