JP7366827B2 - 検知装置及び制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、点火タイミング信号の生成技術に関する。
エンジンの点火タイミングの制御において、カム角とクランク角の検知結果を利用した技術が知られている。また、フェールセーフを目的としてカム角センサを複数設けた技術が提案されている(例えば特許文献1)。一般に、カム角センサは、カム軸に同期して回転する歯車などの被検知体の回転を検知する。被検知体には、点火タイミングに対応した点火タイミング用の被検知部の他に、行程判別用の被検知部が設けられる。行程判別用の被検知部は例えば特定の気筒のピストンが圧縮上死点にあることを示す。
特開2013-160086号公報
爆発間隔が不等間隔である多気筒エンジンの場合、不等間隔の爆発間隔に対応して点火タイミング用の被検知部の位置を設定すると、被検知部のピッチがまちまちになり、隣接する被検知部のピッチが大きいものと小さいものとが混在する。その結果、カム角センサの検知信号上、点火タイミング用の被検知部が検知されたのか、工程判別用の被検知部が検知されたのかを判別困難な場合がある。
本発明の目的は、不等間隔の爆発間隔に対応して点火タイミング用の被検知部の位置を設定せずに、点火タイミング信号が得られる技術を提供することにある。
本発明によれば、
4ストロークで、爆発間隔が不等間隔である多気筒エンジンのカム角を検知する検知装置であって、
カム軸に同期して回転する被検知体と、
前記被検知体の回転を検知する第一のカム角センサと、
前記被検知体の回転を検知する第二のカム角センサと、を備え、
前記被検知体は、
前記多気筒エンジンの気筒の数だけ前記被検知体の回転方向に等ピッチで配置された複数の第一の被検知部を含み、
前記第一のカム角センサ及び前記第二のカム角センサによる前記複数の第一の被検知部の各検知信号のいずれかが、前記爆発間隔に対応したタイミングで出力されるように、前記第一のカム角センサに対して前記第二のカム角センサが、前記回転方向にずらして配置されている、
ことを特徴とする検知装置が提供される。
本発明によれば、不等間隔の爆発間隔に対応して点火タイミング用の被検知部の位置を設定せずに、点火タイミング信号が得られる技術を提供することができる。
制御装置のブロック図。 2つのカム角センサの配置例を示す図。 検知信号列を示す図。 別の多気筒エンジンへの適用例を示す図。 別の多気筒エンジンへの適用例を示す図。 他のクランクシャフト形状と点火順序の例を示す図。
以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。尚、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明に必須のものとは限らない。実施形態で説明されている複数の特徴のうち二つ以上の特徴が任意に組み合わされてもよい。また、同一若しくは同様の構成には同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。
<第一実施形態>
図1は本発明の一実施形態に係る制御装置1のブロック図である。制御装置1は、4ストロークのレシプロエンジン100の点火制御を行う装置である。本実施形態のエンジン100は船外機用のV型8気筒の自然吸気エンジンであり、一方の片バンクに気筒#1~#4が、他方の片バンクに気筒#5~#8が設けられている。バンク角は60度である。
エンジン100は、爆発間隔が不等間隔であり、爆発間隔はクランク角で120度、60度、90度、120度、60度、120度、90度である。クランク軸101には、気筒毎のクランクピンが合計で8つ設けられる。片バンクでの4つのクランクピンの位相配置は90度である。バンク間でのクランクピンのオフセットは60度である。エンジン100は、カム軸102を含む2つのカム軸を有するSOHCエンジンである。エンジン100の1サイクルで、カム軸102は1回転し、クランク軸101は2回転する。
制御装置1は、制御ユニット(ECU)2と、クランク角を検知する検知装置3と、カム角を検知する検知装置4と、点火装置5を備える。検知装置3は、クランク軸101と同期的に回転する被検知体30と、被検知体30の回転を検知するクランク角センサ31とを備える。本実施形態の被検知体30は、クランク軸101に同軸上で固定された歯車であり、クランク角センサ31は被検知体30の外周に形成された被検知部である歯を検知する磁気センサ又は光学センサである。歯はクランク角で30度ピッチで形成される。
検知装置は、カム軸102と同期的に回転する被検知体40と、被検知体40の回転を検知するカム角センサ41及び42とを備える。本実施形態の被検知体40は、カム軸102に同軸上で固定された歯車であり、カム角センサ41及び42は被検知体40の外周に形成された被検知部である歯を検知する磁気センサ又は光学センサである。
制御ユニット2は、CPUに代表されるプロセッサ、半導体メモリ等の記憶デバイス、外部デバイスとの入出力インタフェース等を含む。記憶デバイスにはプロセッサが実行するプログラムやプロセッサが処理に使用するデータ等が格納される。制御ユニット2は、クランク角センサ31、カム角センサ41及び42の検知信号に基づいて、点火装置5を作動し、気筒毎の点火制御を行う。
<検知装置>
図2を参照して検知装置4の構成について説明する。図2はカム軸102をカム軸方向に見た場合(カムスプロケット102aの側から見た場合)の検知装置4のレイアウトを示す図である。被検知体40は、その中央にカム軸102(不図示)が固定される取付孔40aを有する円盤状の部材であり、その外周に径方向に突出した歯状の複数の被検知部401と、一つの被検知部402とが形成されている。
被検知部401は点火タイミング用の被検知部であり、気筒数(8つ)だけ設けられている。被検知部402は行程判別用の検知部である。被検知部402は、複数の被検知部401のピッチと異なるピッチで、複数の被検知部401のうちの一つに隣接して配置されており、他の被検知部401と区別可能にされている。被検知部402の位置は、特定の気筒のピストンの位置に対応づけられており、本実施形態の場合、気筒#1のピストンが圧縮上死点を通過する場合にカム角センサ41が被検知部402を検知するように設定されている。また、本実施形態の場合、気筒#6のピストンが圧縮上死点を通過する場合にカム角センサ42が被検知部402を検知するように設定されている。
エンジン100は、爆発間隔が不等間隔であり、被検知部401は点火タイミング用の被検知部であるが、複数の被検知部401は各気筒の点火タイミングに対応した配置とはなっておらず、被検知体40の回転方向に等ピッチで配置されている。つまり、爆発間隔が等間隔の場合の配置とされている。本実施形態の爆発間隔は、上記の通り、クランク角で120度、60度、90度、120度、60度、120度、90度である。よって、この爆発間隔に合わせるならば、複数の被検知部401はカム角で60度、30度、45度、60度、30度、45度の間隔で設けることになる。しかし、このような配置とすると、行程判別用の被検知部402を設けることが困難となるか、或いは、被検知部401と被検知部402とでピッチが近似し、検知信号上、被検知部402と被検知部401との判別が困難となる場合がある。
そこで、本実施形態では、爆発間隔が等間隔の場合と同様に、複数の被検知部401を被検知体40の回転方向に等ピッチで配置する一方、2つのカム角センサ41、42を用いて不等爆の点火タイミング信号を生成する。図2において、カム角センサ42はカム角センサ41に対して、被検知体40の回転方向にずらして配置されている。この配置は、二つのカム角センサ41、42から出力される、複数の被検知部401の各検知信号のいずれかが、爆発間隔に対応したタイミングで出力されるように設計される。換言すると、カム角センサ41の検知位置P1と、カム角センサ42の検知位置P2とが、被検知体40の回転方向に、爆発間隔に対応した位相差を有している。
図3は、1サイクル分のクランク角CAの変化に伴う、カム角センサ41の検知信号TDC1、カム角センサ42の検知信号TDC2、クランク角センサ31の検知信号CLK及び気筒#1~#8の点火タイミングを示している。図示の例では、気筒#1のピストンが圧縮上死点にあるタイミングを0度としている。
検知信号TDC1、TDC2の変化のうち、S1は被検知部401を検知している信号を、S2は被検知部402を検知している信号を示している。検知信号TDC1、TDC2は、位相差を有する同じ信号列となる。黒丸で示す検知信号の立下りが、点火タイミング信号として用いられる。破線Lは各黒丸をつないだ線であり、点火タイミング信号として用いる検知信号TDC1、TDC2の変遷を示している。
図示の例では、気筒#1、#4、#2、#3の点火タイミング信号として、検知信号TDC1を用いる一方、気筒#5、#6、#7、#8の点火タイミング信号として、検知信号TDC2を用いている。
検知信号TDC1と検知信号TDC2とは、複数の被検知部401の検知信号列としてみると、クランク角CAで30度の位相差φを有している。これはカム角で15度に相当する。したがって、2つのカム角センサ41、42を被検知体40の回転方向で15度ずらせば、図3のような検知信号列を得ることが可能となる。しかし、2つのカム角センサ41、42を15度の間隔で配置するのは、センサのサイズ上、難しい場合がある。
検知信号TDC1と検知信号TDC2が30度ずれた信号を得るためには、2つのカム角センサ41、42を15度の間隔で配置することには限られない。15度×N(自然数)の間隔で配置すればよい。図2の例では、15度×13=180度+15度=195度のずれをもって2つのカム角センサ41、42が配置されている。換言すると、カム角センサ41の検知位置P1と、カム角センサ42の検知位置P2とが、被検知体40の回転方向に195度の位相差を有している。カム角で180度は、クランク角CAで360度に相当する。この配置であれば、2つのカム角センサ41、42を無理なく配置できるとともに、クランク角CAで30度の位相差φを持つ検知信号列を得ることができる。
本実施形態において、クランク角CAで30度の位相差φは、爆発間隔(60度、90度、120度)の最大公約数に係る角度に相当する。2つのカム角センサ41、42は、(最大公約数に係る角度)/2*Nの間隔で配置すればよいことになる。
以上の通り、本実施形態によれば、不等間隔の爆発間隔に対応して点火タイミング用の被検知部の位置を設定せずに、点火タイミング信号を得ることができる。
<制御例>
制御ユニット2の制御例について説明する。本実施形態では、行程判別可能な点火タイミング信号を、
A.2つのカム角センサ41、42の検知信号
B.クランク角センサ31とカム角センサ41の検知信号
C.クランク角センサ31とカム角センサ42の検知信号
の3種類のうちのいずれかで得ることができる。そして、これらの信号を基準として、遅角、進角の点火制御が可能である。
クランク角センサ31は分解能がカム角センサ41、42よりも細かいため、回転が不安定なエンジン100の始動時には、却って不利な場合がある。よって、エンジン100の始動時には、Aの点火タイミング信号を用い、回転が安定した始動後においては、B又はCの点火タイミング信号を用いて点火制御を行うことができる。このように2つのカム角センサ41、42はエンジン100の円滑な始動用のセンサとしても機能する。
本実施形態の場合、3種類の点火タイミング信号を選択することができるため、フェールセーフとなる。特に、船外機用のエンジンにおいては、海上でエンジンが停止すると帰還が困難となる。本実施形態の場合、カム角センサ41が故障した場合、Cの点火タイミング信号を用いてエンジン100を駆動できる。カム角センサ42が故障した場合、Bの点火タイミング信号を用いてエンジン100を駆動できる。本実施形態の場合、クランク角センサ31が故障した場合、Aの点火タイミング信号を用いてエンジン100を駆動できる。このように2つのカム角センサ41、42はフェールセーフ用のセンサとしても機能する。なお、センサの故障判別は公知の技術を利用すればよい。
<他のクランクシャフト形状と点火順序の例>
図1のエンジン100に関し、他のクランクシャフト形状と点火順序の例について図6を参照して説明する。各点火順序(爆発間隔)は、エンジン100の回転方向について所定の方向を正転とすることを前提としたものである。図6の例では、クランクシャフト形状について、形状Xと形状Yの2種類が想定されている。形状X、形状Yは、いずれも片バンクでの4つのクランクピンの位相配置は90度である。バンク間でのクランクピンのオフセットは60度である。但し、形状Xについては、片バンクでの4つのクランクピンの位相配置は、気筒#1→気筒#2→気筒#4→気筒#3の順で90度ずれており、また、気筒#5→気筒#6→気筒#8→気筒#7の順で90度ずれている。一方、形状Yについては、片バンクでの4つのクランクピンの位相配置は、気筒#1→気筒#3→気筒#4→気筒#2の順で90度ずれており、また、気筒#5→気筒#7→気筒#8→気筒#6の順で90度ずれている。各形状について点火順序は、4つのパターン(A~D)が存在する。各気筒の爆発間隔は、60度、90度及び120度の組み合わせの不等間隔爆発となる。
例えば、形状XのパターンAの点火タイミングは、以下の通りである。1番目の気筒#1と2番目の気筒#5との間では、2つのクランクピンの位相配置は60°である。また、バンク間でみると位相配置は+60度である。したがって、爆発間隔は、120度となる(60度+60度=120度)。2番目の気筒#5と3番目の気筒#4との間では、2つのクランクピンの位相配置が120度で、且つ、バンク間でみると位相配置は-60度である。したがって、爆発間隔は、60度となる(120度-60度=60度)。以下同様に、3番目の気筒#4と4番目の気筒#2との間では90度の爆発間隔となる。4番目の気筒#2と5番目の気筒#6との間では120度の爆発間隔となる。5番目の気筒#6と6番目の気筒#3との間では60度の爆発間隔となる。6番目の気筒#3と7番目の気筒#7との間では120度の爆発間隔となる。7番目の気筒#7と8番目の気筒#8との間では90度の爆発間隔となる。8番目の気筒#8と1番目の気筒#1との間では60度の爆発間隔となる。
但し、それぞれのバンクで着目すると、4つの気筒の爆発間隔は、90度、180度及び270度の組み合わせの不等間隔爆発となる。例えば、形状XのパターンAでは、1番目の気筒#1と3番目の気筒#4との間では180度の爆発間隔となる(120度+60度=180度)。3番目の気筒#4と4番目の気筒#2との間では90度の爆発間隔となる。4番目の気筒#2と6番目の気筒#3との間では180度の爆発間隔となる(120度+60度=180度)。6番目の気筒#3と1番目の気筒#1との間では270度の爆発間隔となる(120度+90度+60度=270度)。
つまり、それぞれのバンクにおける爆発間隔は、クランクピンのオフセットが30度である従来の60度のバンク角のV型のエンジンや、クロスプレーンクランクシャフトのようなバンク角が90度のV型8気筒エンジンと同様の爆発間隔となる。この結果、X形状のエンジンは、従来のV型8気筒エンジンと同等の出力性能を有するものと考えられる。
<第二実施形態>
第一実施形態ではV型8気筒のエンジン100に対する適用例を例示したが、爆発間隔が不等間隔の他の気筒配列のエンジンにも本発明は適用可能である。図4は直列4気筒エンジンへの適用例における検知信号列の変化を示している。図4の例の爆発間隔はクランク角で270度、180度、90度、180度である。被検知部401は気筒数に合わせて4つが等ピッチで設けられる。図示の例では、気筒#1、#4の点火タイミング信号として、検知信号TDC1を用いる一方、気筒#2、#3の点火タイミング信号として、検知信号TDC2を用いている。
検知信号TDC1と検知信号TDC2とは、複数の被検知部401の検知信号列としてみると、クランク角CAで90度の位相差φを有している。これはカム角で45度に相当する。したがって、2つのカム角センサ41、42を被検知体40の回転方向で45度×N(自然数)の間隔で配置すればよい。図4の例においても、クランク角CAで90度の位相差φは、爆発間隔(90度、180度、270度)の最大公約数に係る角度に相当する。2つのカム角センサ41、42は、(最大公約数に係る角度)/2*Nの間隔で配置すればよいことになる。
図5はV型6気筒エンジンへの適用例における検知信号列の変化を示している。図5の例の爆発間隔はクランク角で120度、180度、120度、60度、120度、120度である。被検知部401は気筒数に合わせて6つが等ピッチで設けられる。図示の例では4気筒分の点火タイミング信号として、検知信号TDC1を用いる一方、残り2気筒の点火タイミング信号として、検知信号TDC2を用いている。
検知信号TDC1と検知信号TDC2とは、複数の被検知部401の検知信号列としてみると、クランク角CAで60度の位相差φを有している。これはカム角で30度に相当する。したがって、2つのカム角センサ41、42を被検知体40の回転方向で30度×N(自然数)の間隔で配置すればよい。図5の例においても、クランク角CAで60度の位相差φは、爆発間隔(60度、120度、180度)の最大公約数に係る角度に相当する。2つのカム角センサ41、42は、(最大公約数に係る角度)/2*Nの間隔で配置すればよいことになる。
<第三実施形態>
第一及び第二実施形態では、燃焼行程で各気筒を1回点火する構成を想定し、点火タイミング用の被検知部401を気筒数分だけ設けた。燃焼行程で、各気筒を2回点火する構成も採用可能であり、この場合は、気筒数分の被検知部401を1セットとして、被検知体40の回転方向にずらして2セット設けてもよい。
<実施形態のまとめ>
上記実施形態は、少なくとも以下の検知装置及び制御装置を開示する。
1.上記実施形態の検知装置は、
4ストロークで、爆発間隔が不等間隔である多気筒エンジン(100)のカム角を検知する検知装置(4)であって、
カム軸(102)に同期して回転する被検知体(40)と、
前記被検知体(40)の回転を検知する第一のカム角センサ(41)と、
前記被検知体(40)の回転を検知する第二のカム角センサ(42)と、を備え、
前記被検知体(40)は、
前記多気筒エンジンの気筒の数だけ前記被検知体の回転方向に等ピッチで配置された複数の第一の被検知部(401)を含み、
前記第一のカム角センサ(41)及び前記第二のカム角センサ(42)による前記複数の第一の被検知部(401)の各検知信号(TDC1,TDC2)のいずれかが、前記爆発間隔に対応したタイミングで出力されるように、前記第一のカム角センサ(41)に対して前記第二のカム角センサ(42)が、前記回転方向にずらして配置されている。
この実施形態によれば、不等間隔の爆発間隔に対応して点火タイミング用の被検知部の位置を設定せずに、点火タイミング信号が得られる技術を提供することができる。
2.上記実施形態では、
前記被検知体(40)は、前記複数の第一の被検知部(401)の一つに前記回転方向で隣接し、特定の気筒のピストンの位置に対応づけられた第二の被検知部(402)を有する。
この実施形態によれば、行程判別を行うことができ、また、前記第一の被検知部と前記第二の被検知部との判別をより確実に行える。
3.上記実施形態では、
前記爆発間隔の最大公約数に係る角度を、クランク角でφとすると、
前記第一のカム角センサ(41)による前記複数の第一の被検知部の検知信号(TDC1)に対して、前記第二のカム角センサ(42)による前記複数の第一の検知部の検知信号(TDC2)が、カム角でφ/2の位相差を有するように、前記第一のカム角センサ(41)に対して前記第二のカム角センサ(42)が、前記回転方向にずらして配置されている。
この実施形態によれば、不等間隔の爆発間隔に対応して点火タイミング用の被検知部の位置を設定せずに、点火タイミング信号が得られる。
4.上記実施形態では、
前記第一のカム角センサ(41)に対して前記第二のカム角センサ(42)が、カム角で180度ずれた位置から、前記φ/2だけ前記回転方向にずらして配置されている。
この実施形態によれば、二つのカム角センサの配置スペースを十分に確保できる。
5.上記実施形態の制御装置は、
4ストロークで、爆発間隔が不等間隔である多気筒エンジン(100)の制御装置(1)であって、
上記検知装置(4)と、
クランク角センサ(31)と、を備え、
前記検知装置が備える前記第一のカム角センサ(41)及び前記第二のカム角センサ(42)と、前記クランク角センサ(31)とのうちの2つの検知結果に基づいて、点火タイミングを制御する制御手段(2)と、を備える。
この実施形態によれば、点火タイミング信号を複数のセンサの組み合わせで得ることができる。
6.上記実施形態では、
前記制御手段(2)は、
前記多気筒エンジン(100)の始動には、前記第一のカム角センサ(41)と前記第二のカム角センサ(42)の検知結果に基づいて、点火タイミングを制御し、
前記多気筒エンジン(100)の始動後には、前記第一のカム角センサ(41)又は前記第二のカム角センサ(42)の検知結果と、前記クランク角センサ(31)の検知結果とに基づいて、点火タイミングを制御する。
この実施形態によれば、始動安定性を向上できる。
7.上記実施形態では、
前記制御手段(2)は、
前記第一のカム角センサ(41)、前記第二のカム角センサ(42)及び前記クランク角センサ(31)のうちの1つが故障した場合には、残りの2つの検知結果に基づいて、点火タイミングを制御する。
この実施形態によれば、1つのセンサが故障しても、前記エンジンを駆動できる。
8.上記実施形態では、
前記多気筒エンジンは船外機用エンジンである。
この実施形態によれば、海上でのセンサ故障に対応できる。
以上、発明の実施形態について説明したが、発明は上記の実施形態に制限されるものではなく、発明の要旨の範囲内で、種々の変形・変更が可能である。
1 制御装置、4 検知装置、100 エンジン

Claims (8)

  1. 4ストロークで、爆発間隔が不等間隔である多気筒エンジンのカム角を検知する検知装置であって、
    カム軸に同期して回転する被検知体と、
    前記被検知体の回転を検知する第一のカム角センサと、
    前記被検知体の回転を検知する第二のカム角センサと、を備え、
    前記被検知体は、
    前記多気筒エンジンの気筒の数だけ前記被検知体の回転方向に等ピッチで配置された複数の第一の被検知部を含み、
    前記第一のカム角センサ及び前記第二のカム角センサによる前記複数の第一の被検知部の各検知信号のいずれかが、前記爆発間隔に対応したタイミングで出力されるように、前記第一のカム角センサに対して前記第二のカム角センサが、前記回転方向にずらして配置されている、
    ことを特徴とする検知装置。
  2. 請求項1に記載の検知装置であって、
    前記被検知体は、前記複数の第一の被検知部の一つに前記回転方向で隣接し、特定の気筒のピストンの位置に対応づけられた第二の被検知部を有する、
    ことを特徴とする検知装置。
  3. 請求項1又は請求項2に記載の検知装置であって、
    前記爆発間隔の最大公約数に係る角度を、クランク角でφとすると、
    前記第一のカム角センサによる前記複数の第一の被検知部の検知信号に対して、前記第二のカム角センサによる前記複数の第一の検知部の検知信号が、カム角でφ/2の位相差を有するように、前記第一のカム角センサに対して前記第二のカム角センサが、前記回転方向にずらして配置されている、
    ことを特徴とする検知装置。
  4. 請求項3に記載の検知装置であって、
    前記第一のカム角センサに対して前記第二のカム角センサが、カム角で180度ずれた位置から、前記φ/2だけ前記回転方向にずらして配置されている、
    ことを特徴とする検知装置。
  5. 4ストロークで、爆発間隔が不等間隔である多気筒エンジンの制御装置であって、
    請求項1に記載の検知装置と、
    クランク角センサと
    前記検知装置が備える前記第一のカム角センサ及び前記第二のカム角センサと、前記クランク角センサとのうちの2つの検知結果に基づいて、点火タイミングを制御する制御手段と、を備える、
    ことを特徴とする制御装置。
  6. 請求項5に記載の制御装置であって、
    前記制御手段は、
    前記多気筒エンジンの始動には、前記第一のカム角センサと前記第二のカム角センサの検知結果に基づいて、点火タイミングを制御し、
    前記多気筒エンジンの始動後には、前記第一のカム角センサ又は前記第二のカム角センサの検知結果と、前記クランク角センサの検知結果とに基づいて、点火タイミングを制御する、
    ことを特徴とする制御装置。
  7. 請求項5又は請求項6に記載の制御装置であって、
    前記制御手段は、
    前記第一のカム角センサ、前記第二のカム角センサ及び前記クランク角センサのうちの1つが故障した場合には、残りの2つの検知結果に基づいて、点火タイミングを制御する、
    ことを特徴とする制御装置。
  8. 請求項5乃至請求項7のいずれか一項に記載の制御装置であって、
    前記多気筒エンジンは船外機用エンジンである、
    ことを特徴とする制御装置。
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