ケントエンジンの自作ＥＣＵ化
ケントエンジンのＥＣＵ（インジェクション化）を紹介していきます。
その６
２００９年
６月３日
秋月で購入した非接触回転速度センサです。
ガレージ で樹脂で固めてきましたので会社で実験を行います。３２パルス、１パルスとも低速〜高速まで良好です。電源は１２Ｖで電流出力のため２端子です。周波数範囲は０〜２５ＫＨｚとなっていて、ホールセンサを使用し磁石も載っているため停止状態でもＨＩＧＨ／ＬＯＷの信号が持続し安定しています。 動作温度は上限が８５℃と比較的低いのでエンジンルーム内では厳しいかもしれません。樹脂で固めましたが、さらに断熱
して使ってみようと思います。これを使うと信号線のレベルを５Ｖに上げるだけで、現在ＥＣＵ基板に載っている通常のパルスセンサ用の可変スレッショルド回路がいらなくなります。
ＥＣＵ基板／エンジンエミュレータです。少しづつ作業を進めています。
６月２５日
制御プログラムを少しづつ作っています。下のオシロ写真は気筒制御タスクでＧＰＯで出力しているタコメータ用信号（クランク１回転で２パルス）です。気筒別点火なのでよく考えるとタコメータを駆動する適当な信号無いので追加しました（笑）。この信号ですが、エンジンの回転を上げていくと偶に波形が欠落 します。上がカム角基準パルス（クランク２回転で１パルス）で、下がタコメータ用信号です。ＣＭＴ０をディゼーブルにすると波形は欠落しません。原因はＯＳタイマのＣＭＴ０によるタスク起動／実行の遅延のようです。８０００ｒｐｍでカム角が３２パルスの場合にはパルス間隔は０．４７ｍＳｅｃになり割込みの前後処理やタスク切替えのオーバヘッドを考えると２８ＭＨｚのＳＨ２ではかなり厳しいのかもしれません。
以下、タコメータ用の信号発生のみに限定した時の気筒制御タスクのログです。ＧＰＯに対して信号をＨＩＧＨ／ＬＯＷの処理をしている１０８と１１２番以外は出てこないはずで、Ｘ印 のところはｓｔａｔｅ変数が＋１されていて異常です。
タスク番号
state変数
処理番号
[cyl]
2 24 108
[cyl]
2 28 112
[cyl]
3 0 108
[cyl]
3 4 112
[cyl]
0 8 108
[cyl]
0 12 112
[cyl]
1 16 108
[cyl]
1 20 112
[cyl]
2 25 109 <-X 24 108が正解
[cyl]
2 28 112
[cyl]
3 0 108
[cyl]
3 4 112
[cyl]
0 8 108
[cyl]
0 12 112
[cyl]
1 16 108
[cyl]
1 21 113 <-X 20 112が正解
[cyl]
2 24 108
[cyl]
2 28 112
[cyl]
3 1 109 <-X 0 108が正解
[cyl]
3 4 112
[cyl]
0 8 108
[cyl]
0 12 112
[cyl]
1 16 108
[cyl]
1 20 112
[cyl]
2 24 108
[cyl]
2 29 113 <-X 28 112が正解
現在のプログラムはカム角割込みハンドラが更新する広域変数ｓｔａｔｅを使って気筒制御とサブタスクが制御を決定しています。ＣＭＴ０の割り込みとそれに起因する周期ハンドラの処理に時間が掛かると気筒タスクが実行された時には次ぎのカム角割り込みが既に入っていてｓｔａｔｅが＋１されていてしまうのが原因のようです。
そこで、広域変数を使わず、ＲＴＯＳらしく（笑）データキュー を使ってカム角割り込みハンドラから各タスクにデータを送ると良さそうです。回転数が高い時にＣＭＴ０割込みが発生すると各処理が遅延されるのはそれはそれで問題なのですが、タイミングの厳しい 点火処理は半ハードウェアで実現しているので、燃料噴射やセンサ入力な
どの他の処理は多少遅れてもあまり問題にはなりません。以下はデータキューを使ったカム角割込みハンドラと気筒制御タスクの概要です。タスクの同期もｉａｃｔ_ｔｓｋ（）とｅｘｔ_ｔｓｋ（）を使っていましたが、タスク側を永久ループにしてデータキューの受け渡しで同時に同期も取れます。
早速プログラムを修正してテストを行います。タコメータ用の信号も綺麗に出るようになりました。点火タイミングの波形をオシロの上書きモードで測定してみました。左が低速の１０００ｒｐｍ程度の時、右が８０００ｒｐｍの時です。上がカム角基準
、２番目が１番気筒の点火タイミング、一番下がカム角３２パルス です。点火タイミング波形の立下り部にジッタがあります。８０００ｒｐｍ時では３２パルスの１つ分越えているものもあり、タスクの実行が遅延していることが解かります。ただし立下りは点火コイルに電流流し始めるタイミングでドエル角を確保できれば問題なくジッタが発生しても問題ありません。立ち上がり時が点火タイミングで外部のフリップフロップと８２５３／５４のハードウェアによって制御しているのできっちり立ち上がっています。ちなみにドエル角の制御も正常に動作していることが確認できます。１０００ｒｐｍの時は５パルス前、８０００ｒｐｍの高回転時には１２パルス前（約４．８ｍＳｅｃ）からコイルに通電しています。最低でも３ｍＳｅｃ程度は必要です。
６月３０日
インジェクタ開弁率 を考察してみます。空燃比は重量比なので、空気とガソリンの密度が必要です。
仮定／前提
・使用予定のインジェクタ容量：２６０ｃｃ／６０Ｓｅｃ
（以前の実験から）
・ケントエンジンの充填効率：８０％ （実際はもっと低い？）
・最高回転数：８０００ｒｐｍ
・排気量：１６００ｃｃ
・理想空燃比：１４．７
・気温：２５℃
・気圧：１気圧
さて、ウィキペデアから２５℃、１気圧の時の空気の密度は１．２９３＊１／（１＋０．００３６７＊２５）＝１．１８ｋｇ／１０００Ｌとなり、１Ｌあたり１．１８ｇ です。一方、エンジンが最大限吸い込む空気はケントエンジンの排気量に充填効率を掛けて１．６Ｌ＊０．８＝１．２８Ｌとなり、１気筒１インジェクタなので４で割って０．３２Ｌ
です。
この時の空気の重さは１．１８ｇ＊０．３２＝０．３７８ｇで、空燃比が１４．７なので、この時に必要なガソリンは０．３７８／１４．７＝０．０２５７ｇです。ガソリンの密度は０．７５ くらいなので体積に換算すると０．０２５７／０．７５＝０．０３４３ｃｃとなります。
エンジンは８０００ｒｐｍで回っているのでカムは半分の４０００回転となり、１秒間に６６．６７回転します。周期にすると１５ｍＳｅｃ
です。インジェクタの無効噴射時間を無視する と２６０ｃｃ／６０Ｓｅｃの容量のイジェクタが１５ｍＳｅｃ間に噴射できるガソリンの容量は０．０６５ｃｃ です。この仮定でケントエンジンは０．０３４３ｃｃが必要で、５３％
（７．９５ｍＳｅｃ）噴射すると目的の量を噴射できます。
燃料の噴射マップを作るためにＭＴＵに設定する最大値を計算します。
インジェクタを開弁するＭＴＵのクロックは４４７．６ＫＨｚで１クロック当りの待ち時間は２．２２３５ｕＳｅｃです。
７．９５ｍ Ｓｅｃ間インジェクタを開けるには７．９５ｍＳｅｃ／２．２２３５ｕＳｅｃ＝３５７５
となります。以前にもらったドカの８５１のマップを参考にして、上記の最大値から基本マップを作製することにします。
７月１日
インジェクタの駆動信号を作るためのＳＨ２のＭＴＵ
を使ったワンショット出力の考察です。
以前にインジェクタ用のワンショットの出力するためにここでコンペアステータスをクリアすると書きましたが、実際には少し処理が違いました。データシートのＴＳＴＲ
の説明のところに書いてあります。
以下、例としてＭＴＵ０のコンペアマッチ（ＴＧＲＡ）を使ったワンショット（ ＬＯＷアクティブ）のレジスタ設定手順です。
＜初期化時＞
１．ＴＳＴＲでＭＴＵ０のカウントを停止。
２．ＴＩＯＲ０で信号の初期値をＨＩＧＨに、コンペアマッチの時もＨＩＧＨに設定。
（信号がＨＩＧＨになります）
＜ワンショット出力設定＞
１．ＴＳＴＲでＭＴＵ０のカウントを停止。
２．ＴＣＮＴ０をクリア。
３．ＴＧＲ０Ａに所定の時間幅（インジェクタ開弁時間）を設定。
４．ＴＩＯＲ０で信号の初期値をＬＯＷに、コンペアマッチの時ＨＩＧＨに設定。
（ここで信号がＬＯＷになります）
５．ＴＳＴＲでＭＴＵ０のカウントを開始。（ここからカウンタが動作し、コンペアマッチが起こると信号がＨＩＧＨになりＴＧＲ０Ａに設定した幅＋αのＬＯＷのワンショットが出力されます）
ワンショットを出力するだけなのに結構処理が多いです。＋α は４から５を実行する時間ですが、途中で割り込みまれるとパルス幅が延びます。
これが８２５３／５４ だと簡単です。モード０にして下位、上位でカウンタ値を書き込めばワンショット出力できます。下位側を書くと信号がＬＯＷレベルになるので途中で割り込みまれるとパルス幅が延びるのは同じです。
７月２日
オークションで購入したｕＰＤ７１０５４Ｃ です。ＮＥＣのＣ−ＭＯＳの８２５４互換品チップです。ついでにｕＰＤ７１０５５Ｃも買っておきました。８２５３／５４はガレージのＣＮＣ制御基板やＺ８０を使ったステッピングモータのタコメータなどでも使っています。１個２００円で安かったです。メーカでは大分前に製造中止ですが、サンハヤトで互換品を出しています。
７月８日
前にドエル角の確認をしましたが、肝心の進角
動作を確認しておきます。左は１０００ｒｐｍの時です。右は７０００ｒｐｍの時です。上の波形が基準パルス、２番目の波形はカム角３２パルスでパルス間は２２．５度です。時間幅から計算しなくても３２パルスとの位置関係で何度進角しているか解かります。現在のマップは適当設定した値で１０００ｒｐｍ時に１０ 度、７０００ｒｐｍの時には４０ 度の設定になっています。実際の値は別にして機能的には４点補完も含めて正常に動作しています。
続いてインジェクタ噴射系の確認です。以前に考察したワンショット出力と非同期噴射の動作確認です。通常のワンショット出力は４点補完も含めて正常に動作しています。現在のマップは８５１のマップに以前に計算した開弁率 が５３％になるように定数を掛けて作った暫定的なもです。続いて非同期噴射 の確認です。スロットル開度の加速度を検出してある一定以上であればカム角とは非同期に４気筒一度に噴射します。非同期といっても３２パルスに同期しているので完全な非同期ではないですが（笑）。写真の黄色枠 の部分が非同期噴射です。非同期噴射は余っている８２５４を使っています。スロットル開度の加速度を求めるには１つ前のスロットル開度を取っておいて新しいスロットル開度との差分から計算します。現状の非同期噴射量は動作の確認用の適当なものです。
今後、以下の機能追加と動作確認が必要です。
・吸気温ー噴射時間補正
・大気圧ー噴射時間補正
・電源電圧ーインジェクタ無効時間
・水温ー噴射時間補正、暖機運転補正
・始動時補正
大気圧と吸気温補正のために２５℃の時を基準にして吸気温と大気圧に対する噴射量の係数を空気の密度の式から計算しておきます。大気圧については標高とｈＰａも付けておきました。大気圧による補正は単純に空気の密度から計算していますが、大気圧が低くなると排気が外に引っ張られて充填効率が上がる分のプラスの補正を相殺する必要があるかもしれません。
＜＜吸気温度の補正係数Ｋｔ＞＞
tmp=-20
Kt=1.18
tmp=-15 Kt=1.16
tmp=-10 Kt=1.14
tmp=-5 Kt=1.11
tmp= 0 Kt=1.09
tmp= 5 Kt=1.07
tmp= 10 Kt=1.06
tmp= 15 Kt=1.04
tmp= 20 Kt=1.02
tmp=
25 Kt=1.0
tmp= 30 Kt=0.985
tmp= 35 Kt=0.969
tmp= 40 Kt=0.954
tmp= 45 Kt=0.939
tmp= 50 Kt=0.924
tmp= 55 Kt=0.91
tmp= 60 Kt=0.896
tmp= 65 Kt=0.883
tmp= 70 Kt=0.87
＜＜大気圧の補正係数Ｋｐ＞＞
atm=0.8 H=2022m hPa=810.62 Kp=0.80
atm=0.82 H=1820m hPa=830.89 Kp=0.82
atm=0.84 H=1617m hPa=851.15 Kp=0.84
atm=0.86 H=1414m hPa=871.42 Kp=0.86
atm=0.88 H=1212m hPa=891.68 Kp=0.88
atm=0.9 H=1009m hPa=911.95 Kp=0.90
atm=0.92 H=806m hPa=932.21 Kp=0.92
atm=0.94 H=604m hPa=952.48 Kp=0.94
atm=0.96 H=401m hPa=972.74 Kp=0.96
atm=0.98 H=198m hPa=993.01 Kp=0.98
atm=1.0 H=0m hPa=1013.3 Kp=1.0
atm=1.02 H= hPa=1033.5 Kp=1.02
atm=1.04 H= hPa=1053.8 Kp=1.04
atm=1.06 H= hPa=1074.1 Kp=1.06
atm=1.08 H= hPa=1094.3 Kp=1.08
atm=1.1 H= hPa=1114.6 Kp=1.1
atm=1.12 H= hPa=1135.0 Kp=1.12
atm=1.14 H= hPa=1155.1 Kp=1.14
atm=1.16 H= hPa=1175.4 Kp=1.16
atm=1.18 H= hPa=1195.7 Kp=1.18
atm=1.2 H= hPa=1215.9 Kp=1.2
７月１０日
大分昔に買った
負圧センサの特性が載っているページ がありました。ここによると、１気圧で３．６Ｖで、−２００ｍｍＨｇ毎に０．４Ｖ下がります。ａｔｍのあとはｍｍＨｇか〜色々単位があって面倒です。単位の変換はここでできます。けっこう以前の実験
と結構ずれがあります。
７月１５日
連続稼動実験中です。右はコンソール表示の１ページ目です。Ｃの標準ライブラリは組み込んでいないので、簡単な小数点や単位が表示できるようにしました。左上からスロットル開度、回転数、インジェクタ開弁率、進角、大気圧、吸気温、水温、電源電圧です。このページと別のページを表示するだけで、まだ値の設定はできません。表示はスロットルＯＦＦ、１０３９回転、開弁率２．３％、進角は９度で丁度アイドリング中の所です。
７月１６日
点火系の考察です。レストアのページにはフォードのオリジナルのハイテンションコードについて書きましたが、こちらの写真は２輪用品店で売っているキジマの０Ωのコードにボッシュの５Ｋ入りブラグキャップ。点火コイルは昔デスビレスにしようと思って買ったＶ−ＭＡＸのもので、ＦＥＴを使って点火の実験中です。オークションにもダイレクトイグニッションの点火コイルが出品されていますが、エンジンヘッドの奥く深くプラグがあるため細長い形状のものが多いです。ケントエンジンには付きにくそうです。このＶ−ＭＡＸのコイルを使ってダイレクトイグニッションユニットを作ることにします。このコイルの直流抵抗は
２．８Ωあり、直列に１〜２Ωの抵抗でを入れた方が良さそうです。
実際には常時電気が流れているわけではありませんが、１．５Ωを外付けして直流で考えると単純に４４Ｗになります。
ＲＣオシレータで点火させ１次側
の電圧を測りました。電源は１２Ｖで、外付け抵抗は２Ωを取り付けました。トリガが３１１Ｖでも掛かります。電源電圧は１４〜１５Ｖくらいになる時もあり余裕をみソース／ドレイン電圧が６００Ｖ くらいのＦＥＴを使った方が良さそうです。
７月２２日
オークションで購入したトヨタ旧車系の水温センサの抵抗値を測り対数グラフを作りました。測れなかった温度は推測しています。抵抗を測ったあとエンジンに取り付けました。取り付けた写真は
ここです。
データキューはオーバヘッドが大きいのでイベントフラグで気筒、サブタスクを起床して実験してみました。３２パルスの割り込みハンドラから各タスクに送るデータは ステート値（０−３１）で
良いため、ステートを４ビットシフトしてイベントフラグとＯＲして各タスクに送ります。一見イベントフラグの方が早くて良いと思いましたが、起床の要求がキューイングされないため優先順位の低いＬＣＤへの表示タスクなどへ制御が回らないようです。もう少し実験が必要です。左が以前のデータキュー、右がイベントフラグを使ったタイミングです。データキューでは２パルス分遅れている時も観測されます。
８月２１日
カム角、基準角の回転パルスの入力回路を秋月の非接触回転速度センサ用に変更しました。単純なヒステリシス付きのコンパレータです。元はこれよりもかなり複雑でこんな感じでした。大分、すっきりしました。右はＳＩＮ波を入れてレベル調整した出力波形です。
以前に使っていた回転センサはＲＸ７のカム角センサですがこれは電磁的に動作します。秋月の非接触回転速度センサはホール素子を使っていて、出力される波形のタイミングが少し違います。以前の電磁的な動作では波形整形回路を通すとタイミングギアの中央部で割り込みを発生させることができますが、ホール素子を使った今回の場合は下図のようにタイミングギアの切れた所の近くで信号が変化しますが、少し不確定な部分があり、調整と確認が必要です。中央部で変化した方が良いですが、ホール素子の場合には超低回転（停止していてもＯＫ）から信号が出力されるのでメリットがあります。
２０１０年
１月３１日
ＥＣＵ化用コレクタタンク作製開始しました。レストアのページに飛びます。
２月２８日
ＥＣＵ化用インテークマニホールド作製開始しました。レストアのページに飛びます。
１２月３日
コレクタタンクやインマニなどハードウェアの作製は少しづつ進んでいますが、プログラムの方も少しづつ修正しています。現在までＥＣＵの制御プログラムは１気筒の処理を１つのタスクで制御して、同じタスクを４つ平行に動作させる方式でした。この方式はＲＴＯＳらしいのですが、オーバーヘッドが大きいので、単純な割込み処理で動かすようにプログラムを修正しました。新しい割込み処理方式でタスク形式として残っているのはエンジンが止っている時の各センサを読み込むサブタスク、ＬＣＤコンソールに表示をするＬＣＤタスクなど、エンジン本体の制御とは直接関係ない部分のみになりました（笑）。元々タスクの形式にしていたのは、せっかくＲＴＯＳを使用するのだから、ＲＴＯＳらしいプログラムということでした。今回の修正で、タイミングも良くなりました。下の写真の上から２番目の波形は約７５００ｒｐｍ時の1番気筒の点火信号です。以前のは立下りにＲＴＯＳのデータキューのジッタがあったのですが無くなりました。これと比較してみてください。
ＥＣＵをエンジンエミュレータでテストしていて、ちょっとした不具合が発生しました。回転を急に上げると点火信号が次の点火までＬＯＷ（通電状態）になるというものです。これは下図のように８２５３／５４を外部のゲートで制御しているため、エンジンエミュレータのように短時間で回転が上下すると、カウンタが０になる前にゲート信号が無くなってしまうためです。下図の下側は例として上死点前２パルスの時（４５度）に一瞬で回転数が２倍になった波形です。このような状態では設定した時間が経過する前にゲート信号が無くなり、ＬＯＷのままの状態が伸びてしまします。対策は点火直後にゲート信号をＯＦＦしていたものを１パルス分長くする（下図の下側の青破線の波形）ことで対応します。実際のエンジンではこんなにレスポンスが良くないので対策しなくても問題ないと思います。
１２月１０日
スロットルスピード方式の燃料噴射マップの考察をします。下グラフは新電子制御ガソリン噴射に載っているアクセル開度対回転数の等空気量曲線グラフの抜粋です。２０００ｃｃの４気筒エンジンのあるアクセル開度、ある回転数の時の１時間に必要とする空気の量の等高線グラフです。必要とする空気の量と噴射するガソリンの量は比例しているので係数を掛ければガソリンの必要量と同じになります。このグラフから回転数が一定であれば点線よりも上のアクセル開度では空気の量はほとんど変わらないということです。このことはドカ８５１のマップのアクセル開度の分割でも解ります。５０％以上は５７％、７９％の２つしかありません。下のグラフは空気量を回転数で割らないとガソリン噴射量にならないので直接比較できませんが、スロットルスピードの特徴として、
１．回転数が低い時でアクセル開度が大きくなると噴射量が平坦になる。
２．回転数が上がっていくと平坦な部分は少なくなり、単純増加になる。
大雑把ですが、こんな感じです。
参考になるページを２つ上げておきます。双方とも上の特徴が載っています。
・ホンダビートのページ
・ハルテックのＥＣＵのページ
下がドカ８５１のマップです。このグラフでも上の特徴が出ています。回転数の低い部分では平坦な所があり、回転数が高くなると単純増加になっています。まあ、細かい凹凸はありますが。現在のＥＣＵのプログラムでは８５１のマップに係数を掛けてそのまま組み込んでありますが、凹凸を無くして最高回転を８０００ｒｐｍくらいまで落した方がよさそうです。
以降、レストアのページをケントのＥＣＵ化のページに変更して機構作製などＥＣＵ化のページをマージします。
