JP3976322B2 - エンジン制御装置 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、エンジンを制御するエンジン制御装置に関するものであり、特に燃料を噴射する燃料噴射装置を備えたエンジンの制御に好適なものである。
背景技術
近年、インジェクタと呼ばれる燃料噴射装置が普及するにつれて、燃料を噴射するタイミングや噴射燃料量、つまり空燃比などの制御が容易になり、高出力化、低燃費化、排ガスのクリーン化などを促進することができるようになった。このうち、特に燃料を噴射するタイミングについては、厳密には吸気バルブの状態、つまり一般的にはカムシャフトの位相状態を検出し、それに合わせて燃料を噴射するのが一般的である。しかしながら、カムシャフトの位相状態を検出するための所謂カムセンサは高価であり、特に二輪車両などではシリンダヘッドが大型化するなどの問題があって採用できないことが多い。そのため、例えば特開平１０−２２７２５２号公報では、クランクシャフトの位相状態及び吸気圧力を検出し、それらから気筒の行程状態を検出するエンジン制御装置が提案されている。従って、この従来技術を用いることにより、カムシャフトの位相を検出することなく、行程状態を検出することができるので、その行程状態に合わせて燃料の噴射タイミングなどを制御することが可能となる。
ところで、前述したような燃料噴射装置から噴射する燃料噴射量を制御するには、例えばエンジン回転数やスロットル開度に応じた目標空燃比を設定し、実際の吸入空気量を検出して、目標空燃比の逆比に乗ずれば、目標燃料噴射量を算出することができる。
この吸入空気量の検出には、一般的にホットワイヤ式エアフローセンサやカルマン渦流センサが、それぞれ質量流量及び体積流量を測定するセンサとして使用されているが、逆流する空気による誤差要因を排除するため、圧力脈動を抑制する容積体（サージタンク）を必要としたり、逆流した空気が侵入しない位置への取付けを必要としたりする。しかしながら、多くの二輪車のエンジンは各気筒毎への所謂独立吸気系となっているか、若しくはエンジンそのものが単気筒エンジンであり、これらの必要条件を十分に満足することができないことが多く、これらの流量センサを用いても吸入空気量を正確に検出することができない。
また、吸入空気量の検出は、吸気行程の終盤か若しくは圧縮行程の初期であり、既に燃料は噴射されているため、この吸入空気量を用いた空燃比制御は、次のサイクルでしか行えない。このことは、次のサイクルまでの間に、例えば運転者がスロットルを開いて加速しようとしたにもかかわらず、それ以前の目標空燃比で空燃比制御を行ったために、加速に見合うトルクや出力を得ることができず、十分な加速感が得られないという違和感となる。このような問題を解決するためには、スロットルの状態を検出するスロットルバルブセンサやスロットルポジションセンサを用いて運転者の加速の意思を検出すればよいが、特に二輪車の場合には、これらのセンサが大型であったり高価であったりするために採用できず、問題未解決というのが現状である。
本発明は前記諸問題を解決すべく開発されたものであり、スロットルバルブセンサやスロットルポジションセンサを用いることなく、運転者の加速の意思を検出して空燃比を制御することにより、十分な加速考えられるエンジン制御装置を提供する。
発明の開示
上記諸問題を解決するため、本発明のエンジン制御装置は、４サイクルエンジンのクランクシャフトの位相を検出する位相検出手段と、スロットルバルブの下流側で前記エンジンの吸気通路内の吸気圧力を検出する吸気圧力検出手段と、前記位相検出手段で検出されたクランクシャフトの位相及び前記吸気圧力検出手段で検出された吸気圧力に基づいて前記エンジンの負荷を検出し、この検出されたエンジン負荷に基づいて当該エンジンの運転状態を制御するエンジン制御手段とを備え、前記スロットルバルブからエンジンの吸気ポートまでの容積をシリンダ行程容積以下としたことを特徴とするものである。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、例えばモータサイクル用のエンジン及びその制御装置の一例を示す概略構成である。このエンジン１は、比較的小排気量の単気筒４サイクルエンジンであり、シリンダボディ２、クランクシャフト３、ピストン４、燃焼室５、吸気管６、吸気バルブ７、排気管８、排気バルブ９、点火プラグ１０、点火コイル１１を備えている。また、吸気管６内には、アクセル開度に応じて開閉されるスロットルバルブ１２が設けられ、このスロットルバルブ１２の下流側の吸気管（吸気通路）６に、燃料噴射装置としてのインジェクタ１３が設けられている。このインジェクタ１３は、燃料タンク１９内に配設されているフィルタ１８、燃料ポンプ１７、圧力制御バルブ１６に接続されている。
このエンジン１の運転状態は、エンジンコントロールユニット１５によって制御される。そして、このエンジンコントロールユニット１５の制御入力、つまりエンジン１の運転状態を検出する手段として、クランクシャフト３の回転角度、つまり位相を検出するためのクランク角度センサ２０、シリンダボディ２の温度又は冷却水温度、即ちエンジン本体の温度を検出する冷却水温度センサ２１、排気管８内の空燃比を検出する排気空燃比センサ２２、吸気管６内の吸気圧力を検出するための吸気圧力センサ２４、吸気管６内の温度、即ち吸気温度を検出する吸気温度センサ２５が設けられている。そして、前記エンジンコントロールユニット１５は、これらのセンサの検出信号を入力し、前記燃料ポンプ１７、圧力制御バルブ１６、インジェクタ１３、点火コイル１１に制御信号を出力する。
ここで、前記クランク角度センサ２０から出力されるクランク角度信号の原理について説明する。本実施形態では、図２ａに示すように、クランクシャフト３の外周に、略等間隔で複数の歯２３を突設し、その接近を磁気センサ等のクランク角度センサ２０で検出して、適宜電気的処理を施してパルス信号を送出する。各歯２３間の周方向へのピッチは、クランクシャフト３の位相（回転角度）にして３０°であり、各歯２３の周方向への幅は、クランクシャフト３の位相（回転角度）にして１０°としている。但し、一箇所だけ、このピッチに従っておらず、その他の歯２３のピッチに対して二倍のピッチになっている箇所がある。それは、図２ａに二点鎖線で示すように、本来、歯のある部分に歯がない、特殊な設定になっており、この部分が不等間隔に相当する。以下、この部分を歯抜け部とも記す。
従って、クランクシャフト３が等速回転しているときの各歯２３のパルス信号列は図２ｂのように表れる。そして、図２ａは圧縮上死点時の状態を示している（排気上死点も形態としては同じである）が、この圧縮上死点時の直前のパルス信号を図示“０”とし、その次のパルス信号に図示“１”、次のパルス信号に図示“２”、といった順で図示“４”までナンバリング（番号付け）する。この図示“４”のパルス信号に相当する歯２３の次は歯抜け部なので、それを、あたかも歯が存在すると考えて１歯余分にカウントし、次の歯２３のパルス信号には図示“６”とナンバリングする。これを繰り返してゆくと、今度は図示“１６”のパルス信号の次に歯抜け部が接近するので、前述と同様に１歯余分にカウントし、次の歯２３のパルス信号には図示“１８”とナンバリングする。クランクシャフト３が二回転すると、４つの行程のサイクルが全て完了するので、図示“２３”までナンバリングが済んだら、次の歯２３のパルス信号には再び図示“０”とナンバリングする。原則的に、この図示“０”とナンバリングされた歯２３のパルス信号の直後が圧縮上死点になっているはずである。このように、検出されたパルス信号列、又はその単体のパルス信号をクランクパルスと定義する。そして、このクランクパルスに基づいて、後述のようにして行程検出を行うと、クランクタイミングを検出することができる。なお、前記歯２３は、クランクシャフト３と同期回転する部材の外周に設けても、全く同じである。
一方、前記エンジンコントロールユニット１５は、図示されないマイクロコンピュータなどによって構成されている。図３は、このエンジンコントロールユニット１５内のマイクロコンピュータで行われるエンジン制御演算処理の実施形態を示すブロック図である。この演算処理では、前記クランク角度信号からエンジン回転数を算出するエンジン回転数算出部２６と、同じくクランク角度信号及び前記吸気圧力信号からクランクタイミング情報、即ち行程状態を検出するクランクタイミング検出部２７と、このクランクタイミング検出部２７で検出されたクランクタイミング情報を読込み、前記吸気温度信号及び前記吸気圧力信号から吸入空気量を算出する吸入空気量算出部２８と、前記エンジン回転数算出部２６で算出されたエンジン回転数及び前記吸入空気量算出部２８で算出された吸入空気量に基づいて目標空燃比を設定したり、加速状態を検出したりすることにより、燃料噴射量と燃料噴射時期を算出設定する燃料噴射量設定部２９と、前記クランクタイミング検出部２７で検出されたクランクタイミング情報を読込み、前記燃料噴射量設定部２９で設定された燃料噴射量及び燃料噴射時期に応じた噴射パルスを前記インジェクタ１３に向けて出力する噴射パルス出力部３０と、前記クランクタイミング検出部２７で検出されたクランクタイミング情報を読込み、前記エンジン回転数算出部２６で算出されたエンジン回転数及び前記燃料噴射量設定部２９で設定された燃料噴射量に基づいて点火時期を設定する点火時期設定部３１と、前記クランクタイミング検出部２７で検出されたクランクタイミング情報を読込み、前記点火時期設定部３１で設定された点火時期に応じた点火パルスを前記点火コイル１１に向けて出力する点火パルス出力部３２とを備えて構成される。
前記エンジン回転数算出部２６は、前記クランク角度信号の時間変化率から、エンジンの出力軸であるクランクシャフトの回転速度をエンジン回転数として算出する。具体的には、前記隣合う歯２３間の位相を、対応するクランクパルス検出所要時間で除したエンジン回転数の瞬間値と、その移動平均値からなるエンジン回転数の平均値とを算出する。
前記クランクタイミング検出部２７は、前述した特開平１０−２２７２５２号公報に記載される行程判別装置と同様の構成を有し、これにより例えば図４に示すように各気筒毎の行程状態を検出し、それをクランクタイミング情報として出力する。即ち、４サイクルエンジンにおいて、クランクシャフトとカムシャフトとは所定の位相差で常時回転し続けているから、例えば図４に示すようにクランクパルスが読込まれているとき、前述した歯抜け部から四番目の図示“９”又は“２１”のクランクパルスは排気行程か又は圧縮行程の何れかである。周知のように、排気行程では排気バルブが閉じ、吸気バルブが閉じているので吸気圧力が高く、圧縮行程の初期は、未だ吸気バルブが開いているために吸気圧力が低く、若しくは吸気バルブが閉じていても、先行する吸気行程で吸気圧力が低くなっている。従って、吸気圧力が低いときの図示“２１”のクランクパルスは圧縮行程にあることを示しており、図示“０”のクランクパルスが得られた直後が圧縮上死点になる。このようにして、何れかの行程状態が検出できたら、この行程の間を、クランクシャフトの回転速度で補間すれば、現在の行程状態を更に細かく検出することができる。
前記吸入空気量算出部２８は、図５に示すように、前記吸気圧力信号及びクランクタイミング情報から吸気圧力を検出する吸気圧力検出部２８１と、吸気圧力から吸入空気の質量流量を検出するためのマップを記憶している質量流量マップ記憶部２８２と、この質量流量マップを用いて検出された吸気圧力に応じた質量流量を算出する質量流量算出部２８３と、前記吸気温度信号から吸気温度を検出する吸気温度検出部２８４と、前記質量流量算出部２８３で算出された吸入空気の質量流量と前記吸気温度検出部２８４で検出された吸気温度とから吸入空気の質量流量を補正する質量流量補正部２８５とを備えて構成されている。つまり、前記質量流量マップは、例えば吸気温度２０℃のときの質量流量で作成されているため、実際の吸気温度（絶対温度比）でこれを補正して吸入空気量を算出する。
本実施形態では、圧縮行程における下死点から吸気バルブ閉じタイミング間の吸気圧力値を用いて吸入空気量を算出する。即ち、吸気バルブ開放時は吸気圧力と気筒内圧力とがほぼ同等となるため、吸気圧力と気筒内容積及び吸気温度が分かれば気筒内空気質量を求めることができる。しかしながら、吸気バルブは圧縮行程開始後もしばらく開いているため、この間に気筒内と吸気管との間で空気が出入りして、下死点以前の吸気圧力から求めた吸入空気量は、実際に気筒内に吸入された空気量と異なる可能性がある。そのため、同じ吸気バルブ開放時でも、気筒内と吸気管との間で空気の出入りがない圧縮行程の吸気圧力を用いて吸入空気量を算出する。なお、更に厳密を期すために、既燃ガス分圧の影響を考慮して、それと相関の高いエンジン回転数を用いて、実験で求めたエンジン回転数に応じた補正を施してもよい。
また、独立吸気系である本実施形態では、吸入空気量算出のための質量流量マップは、図６に示すように、吸気圧力と比較的リニアな関係のものを用いている。これは、求める空気質量がボイルシャルルの法則（ＰＶ＝ｎＲＴ）に基づいているためである。これに対して、吸気管が全ての気筒で連結されている場合には、他の気筒の圧力の影響により、吸気圧力≒気筒内圧力という前提が成り立たないため、図に破線で示すようなマップを用いなければならない。
前記燃料噴射量設定部２９は、図３に示すように、前記エンジン回転数算出部２６で算出されたエンジン回転数２６及び前記吸気圧力信号に基づいて定常時目標空燃比を算出する定常時目標空燃比算出部３３と、この定常時目標空燃比算出部３３で算出された定常時目標空燃比及び前記吸入空気量算出部２８で算出された吸入空気量に基づいて定常時燃料噴射量及び燃料噴射時期を算出する定常時燃料噴射量算出部３４と、この定常時燃料噴射量算出部３４で定常時燃料噴射量及び燃料噴射時期を算出するのに用いられる燃料挙動モデル３５と、前記クランク角度信号及び吸気圧力信号及びクランクタイミング検出部２７で検出されたクランクタイミング情報に基づいて加速状態を検出する加速状態検出手段４１と、この加速状態検出手段４１で検出された加速状態に応じて、前記エンジン回転数算出部２６で算出されたエンジン回転数に応じた加速時燃料噴射量及び燃料噴射時期を算出する加速時燃料噴射量算出部４２とを備えている。前記燃料挙動モデル３５は、実質的に、前記定常時燃料噴射量算出部３４と一体のものである。即ち、燃料挙動モデル３５がなければ、吸気管内噴射を行う本実施形態では、正確な燃料噴射量や燃料噴射時期の算出設定ができないのである。なお、燃料挙動モデル３５は、前記吸気温度信号及びエンジン回転数及び冷却水温度信号を必要とする。
前記定常時燃料噴射量算出部３４と燃料挙動モデル３５とは、例えば図７のブロック図のように構成されている。ここでは、前記インジェクタ１３から吸気管６内に噴射される燃料噴射量をＭ_{Ｆ−ＩＮＪ}、そのうち吸気管６壁に付着する燃料付着率をＸとすると、前記燃料噴射量Ｍ_{Ｆ−ＩＮＪ}のうち、気筒内に直接噴射される直接流入量は（（１−Ｘ）×Ｍ_{Ｆ−ＩＮＪ}）となり、吸気管壁に付着する付着量は（Ｘ×Ｍ_{Ｆ−ＩＮＪ}）となる。この付着した燃料のうちの幾らかは吸気管壁に沿って気筒内に流れ込む。その残量を燃料残留量Ｍ_{Ｆ−ＢＵＦ}とすると、この燃料残留量Ｍ_{Ｆ−ＢＵＦ}のうち、吸気流れによって持ち去られる持ち去り率をτとすると、持ち去られて気筒内に流入量は（τ×Ｍ_{Ｆ−ＢＵＦ}）となる。
そこで、この定常時燃料噴射量算出部３４では、まず前記冷却水温度Ｔ_Ｗから冷却水温補正係数テーブルを用いて冷却水温補正係数Ｋ_Ｗを算出する。一方、前記吸入空気量Ｍ_{Ａ−ＭＡＮ}に対し、例えばスロットル開度が零であるときに燃料をカットする燃料カットルーチンを行い、次に吸入空気温度Ｔ_Ａを用いて温度補正された空気流入量Ｍ_Ａを算出し、これに前記目標空燃比ＡＦ_０の逆比を乗じ、更に前記冷却水温補正係数Ｋ_Ｗを乗じて要求燃料流入量Ｍ_Ｆを算出する。これに対して、前記エンジン回転数Ｎ_Ｅ及び吸気管内圧力Ｐ_{Ａ−ＭＡＮ}から燃料付着率マップを用いて前記燃料付着率Ｘを求めると共に、同じくエンジン回転数Ｎ_Ｅ及び吸気管内圧力Ｐ_{Ａ−ＭＡＮ}から持ち去り率マップを用いて前記持ち去り率τを算出する。そして、前回の演算時に求めた燃料残留量Ｍ_{Ｆ−ＢＵＦ}に前記持ち去り率τを乗じて燃料持ち去り量Ｍ_Ｆ−ＴＡを算出し、これを前記要求燃料流入量Ｍ_Ｆから減じて前記燃料直接流入量Ｍ_{Ｆ−ＤＩＲ}を算出する。前述のように、この燃料直接流入量Ｍ_{Ｆ−ＤＩＲ}は、前記燃料噴射量Ｍ_{Ｆ−ＩＮＪ}の（１−Ｘ）倍であるから、ここでは（１−Ｘ）で除した定常時燃料噴射量Ｍ_{Ｆ−ＩＮＪ}を算出する。また、前回までに吸気管に残留した燃料残留量Ｍ_{Ｆ−ＢＵＦ}のうち、（（１−τ）×Ｍ_{Ｆ−ＢＵＦ}）が今回も残留するため、これに前記燃料付着量（Ｘ×Ｍ_{Ｆ−ＩＮＪ}）を和して、今回の燃料残留量Ｍ_{Ｆ−ＢＵＦ}とする。
なお、前記吸入空気量算出部２８で算出される吸入空気量が、これから爆発（膨張）行程に入る吸気行程の一つ前のサイクルの吸気行程の終盤又はそれに続く圧縮行程の初期で検出されたものであるため、この定常時燃料噴射量算出部３４で算出設定される定常時燃料噴射量及び燃料噴射時期も、その吸入空気量に応じた、一つ前のサイクルの結果である。
また、前記加速状態検出部４１は、加速状態閾値テーブルを有している。これは、後述するように、前記吸気圧力信号のうち、現在と同じ行程で且つ同じクランク角度での吸気圧力と現在の吸気圧力との差分値を求め、その値を所定の値と比較して加速状態であることを検出するための閾値であり、具体的には各クランク角度毎に異なる。従って、加速状態の検出には、前記吸気圧力の前回値との差分値を、各クランク角度で異なる所定値と比較して行う。
この加速状態検出部４１と前記加速時燃料噴射量算出部４２とは、実質的に図８の演算処理で一括に行われる。この演算処理は、前記クランクパルスが入力される毎に実行される。なお、この演算処理では、特に通信のためのステップを設けていないが、演算処理で得られた情報は随時記憶装置に記憶され、また演算処理に必要な情報は随時記憶装置から読込まれる。
この演算処理では、まずステップＳ１前記吸気圧力信号から吸気圧力Ｐ_{Ａ−ＭＡＮ}を読込む。
次にステップＳ２に移行して、前記クランク角度信号からクランク角度Ａ_ＣＳを読込む。
次にステップＳ３に移行して、前記エンジン回転数算出部２６からのエンジン回転数Ｎ_Ｅを読込む。
次にステップＳ４に移行して、前記クランクタイミング検出部２７から出力されているクランクタイミング情報から行程状態を検出する。
次にステップＳ５に移行して、現在の行程が排気行程か又は吸気行程か否かを判定し、現在の行程が排気行程か又は吸気行程である場合にはステップＳ６に移行し、そうでない場合にはステップＳ７に移行する。
前記ステップＳ６では、加速時燃料噴射禁止カウンタｎが、加速時燃料噴射を許可する所定値ｎ_０以上であるか否かを判定し、当該加速時燃料噴射禁止カウンタｎが所定値ｎ_０以上である場合にはステップＳ８に移行し、そうでない場合にはステップＳ９に移行する。
前記ステップＳ８では、クランクシャフト２回転前、つまり前回の同じ行程における同じクランク角度Ａ_ＣＳの吸気圧力（以下、吸気圧力前回値とも記す）Ｐ_{Ａ−ＭＡＮ−Ｌ}を読込んでからステップＳ１０に移行する。
前記ステップＳ１０では、前記ステップＳ１で読込んだ現在の吸気圧力Ｐ_{Ａ−ＭＡＮ}から前記吸気圧力前回値Ｐ_{Ａ−ＭＡＮ−Ｌ}を減じて吸気圧力差ΔＰ_{Ａ−ＭＡＮ}を算出してからステップＳ１１に移行する。
前記ステップＳ１１では、前記加速状態閾値テーブルから同クランク角度Ａ_ＣＳの加速状態吸気圧力差閾値ΔＰ_{Ａ−ＭＡＮ０}を読込んでからステップＳ１２に移行する。
前記ステップＳ１２では、前記加速時燃料噴射禁止カウンタｎをクリアしてからステップＳ１３に移行する。
前記ステップＳ１３では、前記ステップＳ１０で算出した吸気圧力差ΔＰ_{Ａ−ＭＡＮ}が、前記ステップＳ１１で読込んだ同クランク角度Ａ_ＣＳの加速状態吸気圧力差閾値ΔＰ_{Ａ−ＭＡＮ０}以上であるか否かを判定し、当該吸気圧力差ΔＰ_{Ａ−ＭＡＮ}が加速状態吸気圧力差閾値ΔＰ_{Ａ−ＭＡＮ０}以上である場合にはステップＳ１４に移行し、そうでない場合には前記ステップＳ７に移行する。
一方、前記ステップＳ９では、前記加速時燃料噴射禁止カウンタｎをインクリメントしてから前記ステップＳ７に移行する。
前記ステップＳ１４では、前記ステップＳ１０で算出した吸気圧力差ΔＰ_{Ａ−ＭＡＮ}
及びステップＳ３で読込んだエンジン回転数Ｎ_Ｅに応じた加速時燃料噴射量Ｍ_{Ｆ−ＡＣＣ}を三次元マップから算出してからステップＳ１５に移行する。
また、前記ステップＳ７では、前記加速時燃料噴射量Ｍ_{Ｆ−ＡＣＣ}を“０”に設定してから前記ステップＳ１５に移行する。
前記ステップＳ１５では、前記ステップＳ１４又はステップＳ７で設定された加速時燃料噴射量Ｍ_{Ｆ−ＡＣＣ}を出力してからメインプログラムに復帰する。
なお、この実施形態では加速時燃料噴射時期を、前記加速状態検出部４１で加速状態が検出されたとき、つまり前記図８の演算処理のステップＳ１３で、吸気圧力差ΔＰ_{Ａ−ＭＡＮ}が加速状態吸気圧力差閾値ΔＰ_{Ａ−ＭＡＮ０}以上であると判定されたら、即座に燃料噴射する、換言すれば加速状態であると判定されたときに加速時燃料を噴射するものとする。
また、前記点火時期設定部３１は、前記エンジン回転数算出部２６で算出されたエンジン回転数及び目標空燃比算出部３３で算出された目標空燃比に基づいて基本点火時期を算出する基本点火時期算出部３６と、前記加速時燃料噴射量算出部４２で算出された加速時燃料噴射量に基づいて前記基本点火時期算出部３６で算出された基本点火時期を補正する点火時期補正部３８とを備えて構成される。
前記基本点火時期算出部３６は、現在のエンジン回転数と、そのときの目標空燃比で、最も発生トルクが大きくなる点火時期をマップ検索などにより求め、基本点火時期として算出する。つまり、この基本点火時期算出部３６で算出される基本点火時期は、前記定常時燃料噴射量算出部３４と同様に、一つ前のサイクルの吸気行程の結果に基づいている。また、前記点火時期補正部３８では、前記加速時燃料噴射量算出部４２で算出された加速時燃料噴射量に応じ、この加速時燃料噴射量が前記定常時燃料噴射量に加算されたときの気筒内空燃比を求め、その気筒内空燃比が前記定常時目標空燃比算出部３３で設定された目標空燃比と大きく異なるときに、当該気筒内空燃比、エンジン回転数、吸気圧力を用いて新たな点火時期を設定することで点火時期を補正するものである。
次に、前記図８の演算処理の作用を図９のタイミングチャートに従って説明する。このタイミングチャートでは、時刻ｔ_０６までスロットル一定であり、その時刻ｔ_０６から時刻ｔ_１５まで比較的短い時間にスロットルがリニアに開かれ、その後、再びスロットル一定となった。この実施形態では、排気上死点より少し前から圧縮下死点より少し後まで、吸気バルブが解放されるように設定されている。図中に示す菱形のプロットを伴う曲線が吸気圧力であり、図の下端部に示されるパルス上の波形が燃料噴射量である。前述したように、吸気圧力が急速に減少する行程が吸気行程であり、それに続いて圧縮行程、膨張（爆発）行程、排気行程の順でサイクルが繰り返される。
この吸気圧力曲線の菱形のプロットは、前記３０°毎のクランクパルスを示しており、そのうちの○で囲んだクランク角度位置（２４０°）で、エンジン回転数に応じた目標空燃比を設定すると共に、そのときに検出した吸気圧力を用いて前記定常時燃料噴射量及び燃料噴射時期を設定する。このタイミングチャートでは、時刻ｔ_０２で設定した定常時燃料噴射量の燃料を時刻ｔ_０３で噴射、以下同様に、時刻ｔ_０５で設定し、時刻ｔ_０７で噴射、時刻ｔ_０９で設定し、時刻ｔ_１０で噴射、時刻ｔ_１１で設定し、時刻ｔ_１２で噴射、時刻ｔ_１３で設定し、時刻ｔ_１４で噴射、時刻ｔ_１７で設定し、時刻ｔ_１８で噴射している。このうち、例えば時刻ｔ_０９で設定され且つ時刻ｔ_１０で噴射される定常時燃料噴射量は、それ以前の定常時燃料噴射量に比して、既に吸気圧力が高く、その結果、大きな吸入空気量が算出されているために、多く設定されているが、定常時燃料噴射量を設定するのは凡そ圧縮行程、定常時燃料噴射時期は排気行程であるため、定常時燃料噴射量には、そのときの運転者の加速意思がリアルタイムに反映されているわけではない。即ち、前記時刻ｔ_０６でスロットルが開け始められているが、その後の時刻ｔ_０７で噴射される定常時燃料噴射量は、時刻ｔ_０６より早い前記時刻ｔ_０５で設定されているため、加速意志に反して少量しか噴射されていない。
一方、本実施形態では、前記図８の演算処理によって、前記排気行程から吸気行程、図９に示す白抜きの菱形のクランク角度で、前のサイクルにおける同クランク角度の吸気圧力Ｐ_{Ａ−ＭＡＮ}を比較し、その差分値を吸気圧力差ΔＰ_{Ａ−ＭＡＮ}として算出し、それを閾値ΔＰ_{Ａ−ＭＡＮ０}と比較する。例えば、スロットル開度が一定である時刻ｔ_０１と時刻ｔ_０４、或いは時刻ｔ_１６と時刻ｔ_１９におけるクランク角度３００°の吸気圧力Ｐ_{Ａ−ＭＡＮ（３００ｄｅｇ）}同士を比較すると、夫々殆ど同じで、前回値との差分値、つまり吸気圧力差ΔＰ_{Ａ−ＭＡＮ}は小さい。ところが、スロットル開度が大きくなる時刻ｔ_０８のクランク角度３００°の吸気圧力Ｐ_{Ａ−ＭＡＮ（３００ｄｅｇ）}は、その前のサイクル、つまり未だスロットル開度が小さいときの前記時刻ｔ_０４のクランク角度３００°の吸気圧力Ｐ_{Ａ−ＭＡＮ（３００ｄｅｇ）}に対して、大きくなっている。従って、この時刻ｔ_０８のクランク角度３００°の吸気圧力Ｐ_{Ａ−ＭＡＮ（３００ｄｅｇ）}から前記時刻ｔ_０４のクランク角度３００°の吸気圧力Ｐ_{Ａ−ＭＡＮ（３００ｄｅｇ）}を減じた吸気圧力差ΔＰ_{Ａ−ＭＡＮ（３００ｄｅｇ）}を閾値ΔＰ_{Ａ−ＭＡＮ０（３００ｄｅｇ）}と比較し、当該吸気圧力差ΔＰ_{Ａ−ＭＡＮ（３００ｄｅｇ）}が閾値ΔＰ_{Ａ−ＭＡＮ０（３００ｄｅｇ）}より大きければ、加速状態にあると検出できる。
ちなみに、この吸気圧力差ΔＰ_{Ａ−ＭＡＮ}による加速状態検出は、吸気行程の方が顕著である。例えば、吸気行程におけるクランク角度１２０°の吸気圧力差ΔＰ_{Ａ−ＭＡＮ（１２０ｄｅｇ）}は明瞭に表れやすい。しかしながら、エンジンの特性によっては、例えば図９に二点鎖線で示すように、吸気圧力曲線が急峻な、所謂ピーキーな特性を示し、検出されるクランク角度と吸気圧力とにずれが生じ、その結果、算出する吸気圧力差にずれが生じる恐れがある。そのため、吸気圧力曲線が比較的緩やかな排気行程まで加速状態の検出範囲を伸ばし、両方の行程で吸気圧力差による加速状態検出を行う。勿論、エンジンの特性によっては、何れか一方の行程でのみ、加速状態検出を行うようにしてもよい。
なお、本実施形態のような４サイクルエンジンでは、排気行程も吸気行程も、クランクシャフト２回転に一度しか行われない。従って、単に前記クランク角度だけ検出しても、カムセンサを備えていない本実施形態のような二輪車用エンジンでは、それらの行程であることが分からない。そこで、前記クランクタイミング検出部２７で検出されたクランクタイミング情報に基づく行程状態を読込み、それらの行程であることを判定してから、前記吸気圧力差ΔＰ_{Ａ−ＭＡＮ}による加速状態検出を行う。これにより、より正確な加速状態検出が可能となる。
また、前述のクランク角度が３００°の吸気圧力差ΔＰ_{Ａ−ＭＡＮ（３００ｄｅｇ）}と、クランク角度が１２０°の吸気圧力差ΔＰ_{Ａ−ＭＡＮ（１２０ｄｅｇ）}とでははっきりしないが、例えば図９に示すクランク角度が３６０°の吸気圧力差ΔＰ_{Ａ−ＭＡＮ（３６０ｄｅｇ）}と比較すれば明瞭なように、同等のスロットル開状態でも、各クランク角度で前回値との差分値である吸気圧力差ΔＰ_{Ａ−ＭＡＮ}は異なる。従って、前記加速状態吸気圧力差閾値ΔＰ_{Ａ−ＭＡＮ０}は、各クランク角度Ａ_ＣＳ毎に変更しなければならない。そこで、本実施形態では、加速状態を検出するために、各クランク角度Ａ_ＣＳ毎に加速状態吸気圧力差閾値ΔＰ_{Ａ−ＭＡＮ０}をテーブル化して記憶しておき、それを各クランク角度Ａ_ＣＳ毎に読込んで、前記吸気圧力差ΔＰ_{Ａ−ＭＡＮ}との比較を行う。これにより、より正確な加速状態の検出が可能となる。
そして、本実施形態では、加速状態が検出された時刻ｔ_０８で、エンジン回転数Ｎ_Ｅ及び前記吸気圧力差ΔＰ_{Ａ−ＭＡＮ}に応じた加速時燃料噴射量Ｍ_{Ｆ−ＡＣＣ}を、即座に噴射している。加速時燃料噴射量Ｍ_{Ｆ−ＡＣＣ}をエンジン回転数Ｎ_Ｅに応じて設定するのは極めて一般的であり、通常は、エンジン回転数が大きいほど燃料噴射量を小さく設定する。また、吸気圧力差ΔＰ_{Ａ−ＭＡＮ}は、スロットル開度の変化量と同等であることから、吸気圧力差が大きいほど燃料噴射量を大きく設定する。実質的に、これだけの燃料噴射量の燃料を噴射しても、既に吸気圧力は高く、次の吸気行程では、より多くの吸入空気量が吸入されるはずであるから、気筒内空燃比が小さくなりすぎて、ノッキングを起こすようなことはない。そして、本実施形態では、加速状態検出時に即座に加速時燃料を噴射するようにしているため、これから爆発行程に移行する気筒内空燃比を加速状態に適した空燃比に制御することができると共に、加速時燃料噴射量をエンジン回転数及び吸気圧力差に応じて設定することで、運転者の意図した加速感を得ることができる。
また、本実施形態では、加速状態を検出し、且つ加速時燃料噴射量が燃料噴射装置から噴射された後、前記加速時燃料噴射禁止カウンタｎが、加速時燃料噴射を許可する所定値ｎ_０以上となるまでは、加速状態が検出されても加速時燃料噴射を行わない構成としたため、加速時燃料噴射が繰り返されて、気筒内空燃比がオーバリッチな状態になるのを抑制防止することができる。
また、クランクシャフトの位相から行程状態を検出することにより、高価で大がかりなカムセンサをなくすことができる。
このように吸気圧力から加速状態、つまりエンジン負荷を検出する本実施形態では、例えば前記図３に示すような、行程に応じた滑らかな吸気圧力変化が必要となる。また、前述のように吸気圧力から吸入空気量、これもエンジン負荷を意味しているが、この吸入空気量を算出する場合には、或る程度、行程に応じたリアルな吸気圧力変化が必要となる。
図１０は、一般に１気筒毎の排気量と称されるシリンダ行程容積に対するスロットルバルブから吸気ポートまでの容積（以下、スロットル下流容積とも記す）の比（以下、容積比とも記す）を変えて、吸気圧力に対する前記吸入空気量の変化を計測したものである。同図から明らかなように、容積比が小さいほど、吸気圧力の変化に対する吸入空気量の変化が小さい。換言すれば、容積比が小さいほど、吸気圧力に対する吸入空気量の変化率が小さいことになる。これは、吸気圧力の検出精度、即ち分解能に対して吸入空気量の変化が小さいほど、吸入空気量の検出精度が向上することを意味するから、前記シリンダ行程容積に対するスロットル下流容積の容積比は小さいほど良好であることになる。これは、シリンダ行程容積に対するスロットル下流容積の容積比が大きいほど、スロットルバルブから吸気ポートまでの空間がダンパ効果を発揮し、吸気行程における吸気圧力変化の応答性が悪化するためである。これと同様のことは、前記加速状態の検出にも当てはまる。
実質的に、シリンダ行程容積に対するスロットル下流容積の容積比が“１”を超える領域では、吸気圧力から、エンジンの運転制御に足る吸入空気量の算出は困難である。そこで、本実施形態では、シリンダ行程容積に対するスロットル下流容積の容積比を“１”以下とする、即ちスロットル下流容積をシリンダ行程容積以下とすることにより、エンジンの運転制御に足る吸入空気量を算出できるようにした。また、これによりより正確な加速状態の検出も可能となる。
また、前述のように、一般的な二輪車両では、スロットルバルブ１２とエンジン本体、即ちシリンダ２とは別体である。スロットルバルブ１２は、図１１に示すようにスロットルボディ１２ａとバルブ本体１２ｂとで構成されており、一般に、スロットルバルブ１２がエンジン本体の振動の影響をあまり受けないように、シリンダ２とスロットルボディ１２ａとの間には緩衝材等を介装する。こうした構成上の制約からスロットルバルブ１２とシリンダ２とは別体であり、ボルトやバンド等の個別の連結具を用いて両者を連結する。そして、本実施形態では、スロットルバルブ１２側のスロットルボディ１２ａに導圧管１４を取付け、この導圧管の先端に前記吸気管圧力センサ２４を取付けている。これは、吸気管圧力センサ２４に燃料が直接かかったりしないようにするためである。
前述のようにカムセンサを用いない本実施形態では、吸気管圧力とクランク角度だけが実質的な制御入力である。従って、万が一、スロットルバルブ１２がシリンダ２から外れたときには、吸気管圧力の検出異常からフェイルセーフを行う必要がある。図１２ａは、時刻ｔ_０でスロットルバルブ１２がシリンダ２から外れたときの検出吸気管圧力である。スロットルバルブ１２がシリンダ２から外れると、前記吸気管圧力２４は大気開放され、大気圧を検出するのみであるから、前記時刻ｔ_０以降は大気圧一定である。従って、前記クランクパルスからエンジンが回転し続けており、にもかかわらず検出される吸気管圧力が大気圧一定であるときには、スロットルバルブが外れていると判定し、それに応じた適切なフェイルセーフを施すことができる。
これに対し、図１２ｂは、前記吸気管圧力センサをシリンダ側に取付け、同じく時刻ｔ_０でスロットルバルブが外れたときの検出吸気管圧力を示している。同図から明らかなように、スロットルバルブが外れたことにより、シリンダ側の吸気管も大気開放されているはずであるが、実質的にはそれまでと同じような吸気管圧力の脈動が検出されてしまうので、前述した手法では、スロットルバルブの外れを検出できず、従って確実なフェイルセーフを行うことができない。
なお、前記実施形態では、吸気管内噴射型エンジンについて詳述したが、本発明のエンジン制御装置は、直噴型エンジンにも同様に展開できる。但し、直噴型エンジンでは、吸気管に燃料が付着することはないから、それを考慮する必要はなく、空燃比の算出には噴射される燃料量総量を代入すればよい。
また、前記実施形態では、単気筒エンジンについて詳述したが、本発明のエンジン制御装置は、気筒数が２気筒以上の、所謂マルチシリンダ型エンジンについても同様に展開できる。
また、エンジンコントロールユニットは、マイクロコンピュータに代えて各種の演算回路で代用することも可能である。
産業上の利用の可能性
以上説明したように、本発明のエンジン制御装置によれば、検出されたクランクシャフトの位相及び吸気圧力に基づいてエンジンの負荷を検出し、この検出されたエンジン負荷に基づいて当該エンジンの運転状態を制御する構成としたため、例えば前回の同じ行程の同じクランクシャフト位相のときの吸気圧力と現在の吸気圧力との差分値が所定値以上であるときに加速状態であると検出し、加速状態が検出されたときに、例えば即座に燃料を噴射するなどすれば、運転者の意志に応じた十分な加速考えられると共に、前記スロットルバルブからエンジンの吸気ポートまでの容積をシリンダ行程容積以下としたことにより、前記吸入空気量の算出や吸気圧力の比較による加速状態の検出といった負荷の検出をより一層正確なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、モータサイクル用のエンジン及びその制御装置の概略構成図である。
図２は、図１のエンジンでクランクパルスを送出する原理の説明図である。
図３は、本発明のエンジン制御装置の一実施形態を示すブロック図である。
図４は、クランクシャフトの位相と吸気圧力から行程状態を検出する説明図である。
図５は、吸入空気量算出部のブロック図である。
図６は、吸気圧力から吸入空気の質量流量を求める制御マップである。
図７は、燃料噴射量算出部及び燃料挙動モデルのブロック図である。
図８は、加速状態検出及び加速時燃料噴射量算出のための演算処理を示すフローチャートである。
図９は、図１１の演算処理の作用を示すタイミングチャートである。
図１０は。シリンダ行程容積に対するスロットル下流容積の容積比を変化させたときの吸気圧力に対する吸入空気量の説明図である。
図１１スロットルバルブ、シリンダ、吸気管圧力センサの説明図である。
図１２は、スロットルバルブがシリンダから外れたときに吸気管圧力センサで検出される吸気管圧力の説明図である。

Claims (1)

1. ４サイクルエンジンのクランクシャフトの位相を検出する位相検出手段と、スロットルバルブの下流側で前記エンジンの吸気通路内の吸気圧力を検出する吸気圧力検出手段と、前記位相検出手段で検出されたクランクシャフトの位相及び前記吸気圧力検出手段で検出された吸気圧力に基づいて前記エンジンの負荷を検出し、この検出されたエンジン負荷に基づいて当該エンジンの運転状態を制御するエンジン制御手段とを備え、前記スロットルバルブからエンジンの吸気ポートまでの容積をシリンダ行程容積以下としたことを特徴とするエンジン制御装置。

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