(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ポート（２２）とその排気ポート（２２）下流側の排気ガス浄化触媒（３３）との間の排気通路に、その排気通路内を流れる排気ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度センサ（３４）を設け、この酸素濃度センサ（３４）からの信号に基づいて燃料供給量をフィードバック制御する制御手段（Ｕ）を備えた単気筒４サイクルエンジンであって、
前記制御手段（Ｕ）は、排気行程および圧縮行程を判別する行程判別手段（３７）を備えていて、この行程判別手段（３７）により判別した実排気行程の行程中に、前記酸素濃度センサ（３４）が排気ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出タイミングを設定し、その酸素濃度検出タイミングで該酸素濃度センサ（３４）が出力する信号に基づいて燃料供給量をフィードバック制御することを特徴とする単気筒４サイクルエンジン。
【請求項２】
前記行程判別手段（３７）は、クランクシャフト（１９）の角速度を検出し、前記角速度の大きい方を排気行程と判別することを特徴とする、請求項１に記載の単気筒４サイクルエンジン。
【請求項３】
前記行程判別手段（３７）は、クランクシャフト（１９）の１回転に要する時間を検出し、前記時間の短い方を排気行程と判別することを特徴とする、請求項１に記載の単気筒４サイクルエンジン。
【請求項４】
前記行程判別手段（３７）は、吸気バルブ（２９）あるいは排気バルブ（３１）を駆動するカムシャフト（２６，２７）の位相に基づいて排気行程を判別することを特徴とする、請求項１に記載の単気筒４サイクルエンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ポートおよび排気ガス浄化触媒間に設けられて排気ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度センサからの信号に基づいて燃料供給量をフィードバック制御する制御手段を備えた単気筒４サイクルエンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
排気ガス中の有害成分を浄化すべくエンジンの排気通路に白金−ロジウム等の貴金属系の排気ガス浄化触媒を配置したものにおいて、排気ガス浄化触媒の性能を最大限に発揮させるために、排気ガス浄化触媒の上流側の排気通路に設けた酸素濃度センサで排気ガスの酸素濃度を検出し、この酸素濃度に基づいてエンジンに供給される混合気の空燃比を理論空燃比に近い範囲に制御することが行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、複数のシリンダから所定のクランク角毎に順次排気ガスが排出される多気筒エンジンでは、排気通路中の排気ガスの流れの脈動は比較的に小さく抑えられる。しかしながら、クランクシャフトの２回転につき１回の排気行程しか存在しない単気筒４サイクルエンジンでは排気通路内の排気ガスの流れに大きな脈動が発生し、その脈動によって排気ガス浄化触媒を通過した排気ガスが排気通路内を逆流する場合がある。排気ガス浄化触媒は排気ガスを酸化する作用があるため、排気ガス浄化触媒から逆流した排気ガスの酸素濃度は本来の値からずれてしまい、この誤った酸素濃度を検出して燃料供給量のフィードバック制御を行うと、適切な制御が行えなくなる虞がある。特に、近年は排気ガス浄化触媒の活性化やエンジンのコンパクト化を図るために排気ポートと排気ガス浄化触媒との距離が接近する傾向にあり、従って排気ガス浄化触媒と酸素濃度センサとの距離も近くなって前記排気ガスの脈動の影響を受け易くなっている。
【０００４】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、単気筒４サイクルエンジンにおいて、排気ガスの脈動の影響を受けずに排気ガスの酸素濃度を的確に検出できるようにすることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、排気ポートとその排気ポート下流側の排気ガス浄化触媒との間の排気通路に、その排気通路内を流れる排気ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度センサを設け、この酸素濃度センサからの信号に基づいて燃料供給量をフィードバック制御する制御手段を備えた単気筒４サイクルエンジンであって、前記制御手段は、排気行程および圧縮行程を判別する行程判別手段を備えていて、この行程判別手段により判別した実排気行程の行程中に、前記酸素濃度センサが排気ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出タイミングを設定し、その酸素濃度検出タイミングで該酸素濃度センサが出力する信号に基づいて燃料供給量をフィードバック制御することを特徴とする単気筒４サイクルエンジンが提案される。なお、本発明において、「実排気行程」とは、排気行程中、特にバルブオーバーラップ領域を含まぬ行程部分をいう。
【０００６】
上記構成によれば、行程判別手段により判別した実排気行程の行程中に、酸素濃度センサが排気ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出タイミングを設定し、エンジンが排気行程にあって排気ガスが排出されたときに酸素濃度センサで排気ガスの酸素濃度を検出するので、排気ガスの脈動により排気ガス浄化触媒側から逆流する酸化された排気ガスの酸素濃度が誤検出されるのを防止することが可能となり、適切に検出された排気ガスの酸素濃度に基づいて燃料供給量を精密にフィードバック制御することができる。しかも排気ガスの脈動の影響を受け難くなるので排気ガス浄化触媒を排気ポートの近くに配置することができ、高温の排気ガスを排気ガス浄化触媒に供給して排気ガス浄化効果を高めるとともに、エンジンのコンパクト化を図ることができる。その上、制御手段に設けた行程判別手段により排気行程および圧縮行程を判別するので、クランクシャフトの位相が相互に同じである排気行程および圧縮行程を確実に判別することができる。
【０００７】
また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記行程判別手段は、クランクシャフトの角速度を検出し、前記角速度の大きい方を排気行程と判別することを特徴とする単気筒４サイクルエンジンが提案される。
【０００８】
上記構成によれば、クランクシャフトの角速度が排気行程で大きく圧縮行程で小さいことに鑑み、排気行程を圧縮行程から確実に判別することができる。
【０００９】
また請求項３に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記行程判別手段は、クランクシャフトの１回転に要する時間を検出し、前記時間の短い方を排気行程と判別することを特徴とする単気筒４サイクルエンジンが提案される。
【００１０】
上記構成によれば、クランクシャフトの１回転に要する時間が、排気行程を含むクランクシャフトの１回転で小さく圧縮行程を含むクランクシャフトの１回転で大きいことに鑑み、排気行程を圧縮行程から確実に判別することができる。
【００１１】
また請求項４に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記行程判別手段は、吸気バルブあるいは排気バルブを駆動するカムシャフトの位相に基づいて排気行程を判別することを特徴とする単気筒４サイクルエンジンが提案される。
【００１２】
上記構成によれば、排気行程はカムシャフトの１回転につき１回だけ発生するため、そのカムシャフトの位相に基づいて排気行程を確実に判別することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施例を説明する。
【００１４】
図１〜図５は本発明の一実施例を示すもので、図１は単気筒４サイクルエンジンの縦断面図、図２は第１、第２パルス発生器の取付状態を示す図、図３は図２の３−３線矢視図、図４は第１パルス発生器が出力するパルスの説明図、図５は排気行程を判別する手法を示すタイミングチャートである。
【００１５】
図１に示すように、単気筒４サイクルのエンジンＥは、クランクケース１１を一体に備えたシリンダブロック１２と、シリンダブロック１２の上面に結合されたシリンダヘッド１３と、シリンダヘッド１３の上面に結合されたヘッドカバー１４と、クランクケース１１の下面に結合されたオイルパン１５とを備える。シリンダブロック１２に形成したシリンダ１６に摺動自在に嵌合するピストン１７は、コネクティングロッド１８を介してクランクシャフト１９に連接される。シリンダヘッド１３には、ピストン１７の頂面に臨む燃焼室２０と、燃焼室２０に連なる吸気ポート２１および排気ポート２２とが形成されており、吸気ポート２１には吸気管２３が接続され、排気ポート２２には排気管２４が接続される。動弁室２５には吸気カムシャフト２６により回転する吸気カム２６1 および排気カムシャフト２７により回転する排気カム２７1 が設けられており、吸気カム２６1 で吸気バルブ孔２８を開閉する吸気バルブ２９が駆動されるとともに、排気カム２７1 で排気バルブ孔３０を開閉する排気バルブ３１が駆動される。
【００１６】
吸気管２３には吸気ポート２１に燃料を噴射する燃料噴射弁３２が設けられる。また排気管２４には排気ガスを浄化するための排気ガス浄化浄化触媒３３が設けられると共に、排気ガス浄化浄化触媒３３よりも上流側の排気管２４に排気ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度センサ３４が設けられる。またクランクシャフト１９の近傍には、エンジンＥが排気行程にあることを判別すべく、クランクシャフト１９の回転に応じてパルス信号を発生する第１パルス発生器３５および第２パルス発生器３６が設けられる。本発明の制御手段を構成する電子制御ユニットＵは行程判別手段３７を備えており、前記第１、第２パルス発生器３５，３６からのパルス信号に基づいて行程判別手段３７が排気行程を判別したときに前記酸素濃度センサ３４で検出した排気ガスの酸素濃度に基づいて、混合気の空燃比を所望の値に調整すべく燃料噴射弁３２からの燃料噴射量をフィードバック制御する。
【００１７】
ところで、単気筒４サイクルのエンジンＥでは、クランクシャフト１９が２回転する間に行われる爆発行程、排気行程、吸気行程および圧縮行程のうち、排気行程だけで排気ガスが排出されるため、排気管２４内の排気ガスの流れに脈動が発生し、排気ガス浄化触媒３３を通過した排気ガスが排気管２４内を排気ポート２２側に逆流する場合がある。排気ガス浄化触媒３３を通過した排気ガスは該排気ガス浄化触媒３３の酸化作用で酸素濃度が低下しているため、酸素濃度センサ３４で前記逆流する排気ガスの酸素濃度を検出して燃料噴射量のフィードバック制御に用いると、適切な制御が行えなくなる虞がある。上記問題を解消するには、排気管２４内に排気ガスが排出されたとき、つまり排気行程（バルブオーバーラップ領域を含まぬ実排気行程）において排気ガスの酸素濃度を検出すれば良く、そのためには排気行程を正確に判別する必要がある。
【００１８】
以下、排気行程を判別するための構成および作用について説明する。
【００１９】
図２および図３に示すように、外周に多数の歯部４１1 …を備えたフライホイール４１がクランクシャフト１９の軸端に固定される。ピニオン４２を一体に有するスタータモータ４３の出力軸４３1 は進退可能であり、エンジンＥの始動時にスタータモータ４３を駆動すると、前記出力軸４３が前進してピニオン４２がフライホイール４１の歯部４１1 …に噛合することにより、クランクシャフト１９がクランキングされる。
【００２０】
フライホイール４１の一側面の外周部にはリラクタ４４が固定されており、このリラクタ４４に対向するように前記第１パルス発生器３５が固定部材４５に固定される。またフライホイール４１の歯部４１1 …に対向するように前記第２パルス発生器３６が固定部材４６に固定される。
【００２１】
次に、図４および図５を併せて参照しながら、電子制御ユニットＵの行程判別手段３７によって排気行程を判別する手法を説明する。
【００２２】
クランクシャフト１９およびフライホイール４１の回転方向は図２に矢印Ｒで示されている。フライホイール４１の外周のＰ点が第２パルス発生器３６に対向しているとき（図２参照）、クランクシャフト１９の位相が排気行程の終わりの上死点ＴＤＣｅまたは圧縮行程の終わりの上死点ＴＤＣｃにあるとすると、リラクタ４４の取付位置は、その回転方向前縁４４ｆが線分ＯＰに対して回転方向Ｒの進み側に角度３５°を成しており、その回転方向後縁４４ｒが線分ＯＰに対して回転方向Ｒの進み側に角度１０°を成している。従って、図４に示すように、第１パルス発生器３５は、排気行程の終わりの上死点ＴＤＣｅまたは圧縮行程の終わりの上死点ＴＤＣｃの３５°手前位置で正極性パルス信号ａ…を出力し、排気行程の終わりの上死点ＴＤＣｅまたは圧縮行程の終わりの上死点ＴＤＣｃの１０°手前位置で負極性パルス信号ｂ…を出力することになる。
【００２３】
フライホイール４１が例えば１２０個の歯部４１1 …を有していれば、クランクシャフト１９が３°回転する毎に第２パルス発生器３６は対を成す正極性パルス信号ｃ…および負極性パルス信号ｄ…を出力する（図５参照）。本実施例のエンジンＥは単気筒であるため、クランクシャフト１９の角速度はクランク角の３６０°を周期として変動する。具体的には、燃焼ガスの圧力でピストン１７が駆動される爆発行程の終わり部分で角速度は最大になり、かつピストン１７が圧縮負荷を受ける圧縮行程の終わり部分で角速度は最小になる。従って、正極性パルス信号ｃ…および負極性パルス信号ｄ…の出力間隔は不均一になり、クランクシャフト１９の角速度が大きい部分で前記間隔は短くなり、クランクシャフト１９の角速度が小さい部分で前記間隔は長くなる。
【００２４】
さて、エンジンＥの爆発行程、排気行程、吸気行程および圧縮行程はクランクシャフト１９が２回転する間に行われるため、第１パルス発生器３５が発生するパルス信号からクランクシャフト１９の位相を検出するだけでは排気行程および圧縮行程を判別することはできない。なぜならば、第１パルス発生器３５がリラクタ４４の前縁４４ｆにより発生するパルス信号ａ…には、圧縮行程におけるものと排気行程におけるものとが含まれているからである。
【００２５】
そこで、第２パルス発生器３６で検出したフライホイール４１の歯部４１…により発生する正極性パルス信号ｃ…および負極性パルス信号ｄ…の時間間隔に基づいて、クランクシャフト１９の角速度を検出する。前記時間間隔はクランクシャフト１９の角速度に反比例するため、時間間隔が小さいときにクランクシャフト１９の角速度は大きくなり、時間間隔が大きいときにクランクシャフト１９の角速度は小さくなる。続いてリラクタ４４の前縁４４ｆにより発生した正極性パルスａ…のうち、クランクシャフト１９の角速度が小さいとき（圧縮行程）に発生したものを判別して点火信号ａ1 …として採用し、クランクシャフト１９の角速度が大きいとき（排気行程）に発生したものを判別して酸素濃度検出信号ａ2 …として採用する。
【００２６】
而して、酸素濃度センサ３４が排気ガスの酸素濃度を検出するタイミングを、前記酸素濃度検出信号ａ2 …の出力タイミングに基づいて制御すれば、排気行程において排出された排気ガスの酸素濃度を検出して燃料噴射量の制御を的確に行うことができる。また酸素濃度センサ３４の検出対象ガスが排気ガスの脈動の影響を受け難くなるので、排気ガス浄化触媒３３および酸素濃度センサ３４を排気ポート２２に接近させることができる。これにより、高温の排気ガスを排気ガス浄化触媒３３に供給して浄化効果を高め、しかもエンジンＥをコンパクト化することができる。
【００２７】
次に、本発明の第２実施例を説明する。
【００２８】
上述した第１実施例では、行程判別手段３７がクランクシャフト１９の角速度に基づいて排気行程および圧縮行程を判別しているが、第２実施例はクランクシャフト１９が１回転するのに要する時間に基づいて排気行程および圧縮行程を判別するものである。
【００２９】
図５から明らかなように、点火信号ａ1 から酸素濃度検出信号ａ2 までのクランクシャフト１９の１回転には、クランクシャフト１９の角速度が大きい爆発行程および排気行程が含まれるため、その１回転に要する時間Ｔ2 は比較的に短くなる。一方、酸素濃度検出信号ａ2 から点火信号ａ1 までのクランクシャフト１９の１回転には、クランクシャフト１９の角速度が小さい吸気行程および圧縮行程が含まれるため、その１回転に要する時間Ｔ1 は比較的に長くなる。
【００３０】
従って、前記時間Ｔ1 およびＴ2 を計測すれば、長い方の時間Ｔ1 が終わったときに出力される正極性パルス信号ａ…が点火信号ａ1 であり、短い方の時間Ｔ2 が終わったときに出力される正極性パルス信号ａ…が酸素濃度検出信号ａ2 であると判別することができる。
【００３１】
本第２実施例によれば、第１実施例と同じ第１パルス発生器３５および第２パルス発生器３６を用いることができ、かつ第１実施例と同じ作用効果を奏することができる。
【００３２】
次に、本発明の第３実施例を説明する。
【００３３】
上述した第１実施例および第２実施例では、クランクシャフト１９の位相を検出しているために排気行程および圧縮行程を判別するための手段が必要となって構造が複雑化していた。この問題を解決するには、クランクシャフト１９の２回転につき１回転する吸気カムシャフト２６或いは排気カムシャフト２７の位相をパルス発生器等の手段で検出すれば良い。
【００３４】
例えば、排気カムシャフト２７を例にとると、排気カムシャフト２７が１回転する間に排気行程は１回発生するため、排気カムシャフト２７の位相に基づいて排気行程を判別したときに酸素濃度センサ３４で排気ガスの酸素濃度を検出すれば、排気行程において排出された排気ガスの酸素濃度を検出して燃料噴射量の制御を的確に行うことができる。
【００３５】
本第３実施例によれば、１個のパルス発生器だけで排気行程を判別することが可能となるため、部品点数の削減に寄与することができる。
【００３６】
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
【００３７】
例えば、実施例では排気行程における酸素濃度検出タイミングを排気行程の終わりの上死点ＴＤＣｅの３５°手前位置に設定しているが、実排気行程中であれば任意のタイミングに設定することができる。また実施例では点火タイミングおよび酸素濃度検出タイミングに共通の第１パルス発生器３５を用いているが、酸素濃度検出タイミングを検出するために専用のパルス発生器を用いることも可能である。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、単気筒４サイクルエンジンにおいて、行程判別手段により判別した実排気行程の行程中に、酸素濃度センサが排気ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出タイミングを設定するので、単気筒４サイクルエンジンであることで排気通路内の排気ガスの流れに生じる大きな脈動により排気ガス浄化触媒側から逆流する酸化された排気ガスの酸素濃度が検出されるのを防止可能となり、従って適切に検出された排気ガスの酸素濃度に基づいて燃料供給量を精密にフィードバック制御することができる。しかも単気筒４サイクルエンジンであることで排気通路内の排気ガスの流れに生じる大きな脈動の影響を受け難くなるので、排気ガス浄化触媒を排気ポートの近くに配置することができ、高温の排気ガスを排気ガス浄化触媒に供給して排気ガス浄化効果を高めるとともに、エンジンのコンパクト化を図ることができる。その上、制御手段に設けた行程判別手段により排気行程および圧縮行程を判別するので、クランクシャフトの位相が相互に同じである排気行程および圧縮行程を確実に判別することができる。
【００３９】
また請求項２の発明によれば、クランクシャフトの角速度が排気行程で大きく圧縮行程で小さいことに鑑み、排気行程を圧縮行程から確実に判別することができる。
【００４０】
また請求項３の発明によれば、クランクシャフトの１回転に要する時間が、排気行程を含むクランクシャフトの１回転で小さく圧縮行程を含むクランクシャフトの１回転で大きいことに鑑み、排気行程を圧縮行程から確実に判別することができる。
【００４１】
また請求項４の発明によれば、排気行程はカムシャフトの１回転につき１回だけ発生するため、そのカムシャフトの位相に基づいて排気行程を確実に判別することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  単気筒４サイクルエンジンの縦断面図
【図２】  第１、第２パルス発生器の取付状態を示す図
【図３】  図２の３−３線矢視図
【図４】  第１パルス発生器が出力するパルスの説明図
【図５】  排気行程を判別する手法を示すタイミングチャート
【符号の説明】
１９        クランクシャフト
２２        排気ポート
２６        吸気カムシャフト（カムシャフト）
２７        排気カムシャフト（カムシャフト）
２９        吸気バルブ
３１        排気バルブ
３３        排気ガス浄化触媒
３４        酸素濃度センサ
３７        行程判別手段
Ｕ          電子制御ユニット（制御手段）
【図１】
0003811306.tif 000002
【図２】
0003811306.tif 000003
【図３】
0003811306.tif 000004
【図４】
0003811306.tif 000005
【図５】
0003811306.tif 000006