CN114762476A - 作业机械用二冲程发动机及组装有该发动机的作业机械用串联式混合动力装置 - Google Patents

作业机械用二冲程发动机及组装有该发动机的作业机械用串联式混合动力装置 Download PDF

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CN114762476A CN202111665045.7A CN202111665045A CN114762476A CN 114762476 A CN114762476 A CN 114762476A CN 202111665045 A CN202111665045 A CN 202111665045A CN 114762476 A CN114762476 A CN 114762476A
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CN
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working machine
stroke engine
battery
stroke
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卫藤邦淑
野口祐则
泽田俊治
野泽胜
小林佑太
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Yamabiko Corp
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Abstract

作为能够在保持小型轻量的同时实现废气对策的作业机械用的动力源，本发明提供一种适合于混合动力化的二冲程发动机和作业机械用串联式混合动力装置。其具有用于驱动节流阀(20)的节流阀用电动机(22)、配置在包含曲柄室(420)的进气系统(18)中的燃料喷射装置(430)以及控制节流阀用电动机(22)和燃料喷射装置的控制单元(24)。二冲程发动机设计为节流阀(20)全开时的发动机转速为4,500rpm～7,000rpm。通过控制单元(24)在节流阀全开的状态下动作，将通过二冲程发动机使发电机(6)发电得到的电力充电到电池(8)中。

Description

作业机械用二冲程发动机及组装有该发动机的作业机械用串 联式混合动力装置
技术领域
本发明涉及搭载在作业机械上的二冲程发动机(以下称为“2st发动机”)，更具体地，涉及适用于作业机械的混合动力化的2st发动机、以及组装有该2st发动机的作业机械用串联式混合动力装置。
背景技术
历史上，在逐年加强的废气排放法规下，2st发动机被排除在乘用车之外，接着也被排除在摩托车(autobicycle)之外，今天乘用车、摩托车的发动机被四冲程发动机(以下称为“4st发动机”。)所占领。
作业机械不仅最初需要小型且轻量，而且具有各种使用环境，并且通过倾斜或倒置来使用。与4st发动机相比，2st发动机的机构更简单。特别地，活塞阀方式的2st发动机在发动机本体中没有可变气门系统部件，因此具有可靠性高、小型且轻量的特点。考虑到作业机械的使用方式，作为作业机械的动力源，2st发动机的特性是合适的。由此，2st发动机被继续作为作业机械的动力源，历史上与化油器相组合，作业机械用2st发动机不断发展。因此，现在的作业机械是由组装有化油器的2st发动机构成动力源。
在作业机械方面，废气排放法规也在逐年加强。然而，2st发动机的开发者却从未停止地不断开发战胜废气排放法规的技术，并将其实用化。其典型例是层状扫气式发动机(专利文献1)和化油器的电子控制装置(专利文献2)。为了轻量化和简化，搭载在作业机械上的传感器数量有限，发电机所生成的电力主要用于火花塞的点火。
为了应对最近的废气排放法规，乘用车、摩托车的电动化不断发展。在作业机械业界，已经有数量很多的电动机驱动式产品在销售。作业机械如上述那样，要求小型且轻量，因而大容量电池无法搭载在作业机械上。该问题与作业时间有限是相通的。实际上，市面上的电动式作业机械使用30分钟左右，电池就会耗尽，因此不适合长时间的使用。另外，特别是由于作业机械大多用于农田、山林等无法确保充电电源的室外，因此电动化、混合动力化都停留在有限的普及上。
在乘用车中，提出了搭载相对小型的电池并延长续航距离的技术，并且已实用化。延长续航里程的系统将发动机专用于发电。日产汽车株式会社的“e-Power”就是其典型例。e-Power是通过4st发动机和发电机的组合为电池充电、且仅利用以该电池为能源的电动机来行驶的串联式混合动力系统。
混合动力系统需要发动机、发电机、电动机和电池，存在大型且变重的缺点。该缺点对于要求小型轻量的作业机械来说是致命的。然而，即使在作业机械中，废气对策也是紧迫的课题。关于作业机械的动力源，专利文献1～4提出了作业机械用的混合动力装置。另外，虽然专利文献3～6中公开的发动机未明确是2st发动机还是4st发动机，但可以推断专利文献3～6的发明人假定4st发动机而提出了作业机械用的混合动力装置。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：USP6,289,856
专利文献2：USP9,255,535
专利文献3：日本实用新型实开平4(1992)－19184号公报
专利文献4：日本专利特开昭63(1988)－199103号公报
专利文献5：日本专利特开2004－166543号公报
专利文献6：日本专利特开2020－115号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
本发明的目的在于，作为能够在保持小型轻量的同时实现废气对策的作业机械用的动力源，提供一种适合于混合动力化的二冲程发动机和组装有该发动机的作业机械用串联式混合动力装置。更详细而言，提供一种作业机械用串联式混合动力装置，通过在防止驱动源部分的重量化的同时有效且稳定地提取发动机输出，并使用储蓄在电池中的电力作为作业用驱动源，从而小型轻量且抗倾斜性优异，并且能够长时间运转。
为了解决上述技术问题，本发明人对作业机械用动力源的混合动力化使用2st发动机，并引出其优点。即，(1)倾斜时的运转稳定性优异，(2)使用混合燃料，并且不设置单独的储油装置，所以即使作业机械倾斜或跌倒，也不会发生漏油问题。(3)由于2st发动机在其本体上没有可变气门系统部件，因此结构简单，可抑制重量化。
与采用4st发动机的情况相比，(i)2st发动机不需要用于驱动可变气门系统的能量。(ii)与4st发动机相比，2st发动机在结构上更容易高压缩化。(iii)与4st发动机相比，2st发动机与长冲程的配合更好。由于燃烧室的表面积通过延长冲程而相对减小，因此可以降低冷却损耗。通过上述(ii)和(iii)，可以提高2st发动机的热效率。(iv)能够降低可变气门系统产生的噪音、振动、故障风险等。
以往，用于作业机械的2st发动机为了应对作业形态、作业负荷的多样性，设定了包含加减速在内的较宽的转速区域，并使用了该整个区域。而且，在作业过程中，为了寻求更高的输出，提高发动机转速是以往的2st发动机的基本设计思想，目前的2st发动机在节流阀全开的状态下发动机转速(作业区域中的转速)达到10,000rpm左右。2st发动机设计者在进行发动机设计时，考虑到包含从怠速区域到高转速区域的过渡区域在内的所有区域。
本发明中，将以往针对多种作业形式、作业负荷使发动机输出本身变化来进行跟随的部分替换为利用电动机的输出调整。此外，通过在优先高效率的规定全开转速区域中连续运转该2st发动机，从而可以在最高效的运转状态下快速地对电池充电。由于来自充电后的电池的输出可以根据作业状况而适当地变化，所以发动机的输出效率不会降低，在作业中可以通过电动机应用低旋转～高旋转为止的宽范围输出。此外，本发明人发现，如果始终在节流阀全开的状态下运转2st发动机，则可以通过缩小到该限定的运转状态来优化发动机设计，还可以改善以往2st发动机中成为问题的废气对策。由此，通过将以往的假定宽转速区域的发动机设计思想重新考虑为仅利用重视效率的规定转速区域的设计思想，并将其混合，从而可以在降低2st发动机的燃料消耗率的同时实现最高效的发电。
然后，本发明人还研究了作为混合动力化中优选的2st发动机，抑制在节流阀全开时的发动机转速。即，限制成以往的2st发动机中的过渡区域的发动机转速，例如，若将节流阀全开的发动机转速设计成4,500rpm至7,000rpm，优选5,000rpm至6,500rpm，更优选5,000rpm至6,000rpm，则可以降低以往的2st发动机在高旋转区域中产生的噪声，并且由于燃烧室的气体交换的时间延长，因此可以降低未燃烧成分的排放量。此外，由于发动机本体温度也随着转速的降低而降低，因此可以防止发动机的异常磨损和活塞的烧粘。
另外，关于燃料供给系统，如上所述，作业机械用2st发动机以与在其内部具有通过发动机的负压吸引的燃料孔的化油器的组合的方式普及，对于废气对策，化油器的电子控制普及至今。本发明人利用燃料喷射装置来代替该化油器，着眼于燃料喷射装置所具有的特性、即可细致地对混合气进行A/F控制这一点。通过控制燃料喷射装置，可自由且快速地控制混合气的A/F和燃料喷射正时，由此不仅可以改善废气对策，而且可以利用混合气的A/F来自由地增减发动机输出。
解决技术问题的技术方案
根据本发明，上述技术问题通过提供如下作业机械用二冲程发动机及组装有该发动机的作业机械用串联式混合动力装置来达成，
该作业机械用二冲程发动机的特征在于，在包含内燃机、连接到该内燃机的发电机、储蓄由该发电机生成的电力的电池以及从该电池接受供电而动作的电动机，且构成作业机械的动力源的串联式混合动力装置中，
组装到该串联式混合动力装置中的所述内燃机由二冲程发动机构成，
该二冲程发动机具有：
节流阀用电动机，其用于驱动配置在进气系统中的节流阀；
燃料喷射装置，其配置在包含曲柄室的所述进气系统中，向该进气系统喷射燃料；以及
控制单元，其控制所述节流阀用电动机和所述燃料喷射装置，
二冲程发动机设计为所述节流阀全开时的发动机转速为4,500rpm～7,000rpm，
所述二冲程发动机通过所述控制单元在所述节流阀全开的状态下动作，
将通过该二冲程发动机使所述发电机发电得到的电力充电到所述电池中。这里，“节流阀全开”不限于节流阀完全打开的状态，而是包含为了调整节流阀全开时的发动机输出而从节流阀的完全全开状态起稍微关闭的阀位置调整。因此，“节流阀全开”并不限于节流阀完全全开状态，而是包含几乎全开状态的意思。
根据以下的本发明的优选实施例的详细描述，本发明的作用效果以及本发明的进一步的目的将变得清楚。
附图说明
图1例如是作为田埂割草机器人的动力源的实施例的串联式混合动力装置的整体结构图。
图2是组装在实施例的串联式混合动力装置中的二冲程发动机的纵向剖视图。
图3是图2的二冲程发动机的俯视图，是省略了气缸顶部的图示的图。
图4是用于说明与二冲程发动机的起动和电池的充电有关的处理的流程图。
图5是用于说明与二冲程发动机的异常燃烧有关的处理的流程图。
图6是用于说明在田埂割草机器人的使用环境不适合电池的充电的情况下强制禁止充电的处理的一例的流程图。
图7是用于说明调整在电池充电过程中的发动机输出的控制的一例的流程图。
图8是包括增压端口的发动机的纵向剖视图，是与图2相对应的图。
图9是图8的二冲程发动机的俯视图，是省略了气缸顶部的图示的图。
图10是用于说明在图8和图9图示的发动机中，在发动机预热完成时从冷却期间时的发动机控制模式变更为温热期间时的发动机控制模式的控制例的流程图。
具体实施方式
[实施例]
下面，基于附图对本发明的优选实施例进行说明。
图1是串联式混合动力装置2的整体结构图。串联式混合动力装置2应用于田埂割草机器人的动力源。串联式混合动力装置2包括2st发动机4和机械连接到2st发动机4的发电机6。由发电机6产生的电力被储蓄在电池8中，并且通过使用存储在电池8中的电力来驱动前轮电动机10、后轮电动机12和切割刀片电动机14。即，在组装有串联式混合动力装置2的田埂割草机器人中，利用2st发动机4、充电有由发电机6生成的电力的电池8和使用该电力进行动作的电动机10、12、14构成动力源，并使用该动力源执行田埂割草机器人的移动和作业。
2st发动机4具有包括空气净化器16的进气系统18，并且通过配置在进气系统18中的节流阀20增减空气量，由此来控制发动机输出。节流阀20由节流阀用电动机22进行开闭。
串联式混合动力装置2具有控制单元24。控制单元24例如由微机构成，控制单元24根据存储在存储器26中的程序进行动作。控制单元24包括控制节流阀用电动机22的ECU28，ECU28具有以电子方式控制节流阀20的功能。
控制单元24具有充放电控制部30，充放电控制部30包括整流器调节器。发电机6所生成的电力通过充放电控制部30控制电池8的蓄电，并驱动ECU28。
储蓄在电池8中的电力经由主开关32提供给控制单元24，并通过驱动器34用于驱动前轮电动机10、后轮电动机12和切割刀片电动机14。
田埂割草机器人的动作大致可以分区为三个。在第一分区中，田埂割草机器人移动到作业场所。在第二分区中，在作业场所行驶的同时进行割草作业。在第三分区中，作业完成后，田埂割草机器人移动到保管场所。
在第一、第三分区中，田埂割草机器人的前轮电动机10和后轮电动机12动作。该前轮电动机10、后轮电动机12的动作如上述那样通过从电池8提供的电力来进行。
在第二分区中，田埂割草机器人在作业场所移动的同时进行割草作业。在该第二分区中，除了作为行驶用电动机的前轮电动机10和后轮电动机12之外，作为作业用电动机的切割刀片电动机14也进行动作。这些前轮电动机10、后轮电动机12、切割刀片电动机14的动作全部如上述那样通过从电池8提供的电力来进行。
通过使2st发动机动作来对电池8充电的定时可以在第一、第三分区中作为行驶用电动机的前轮电动机10和后轮电动机12进行动作的过程中进行，也可以在第二分区中前轮电动机10、后轮电动机12和作为作业电动机的切割刀片电动机14中的任一个进行动作的过程中进行，还可以在第一至第三分区中田埂割草机器人在实际行驶过程中或作业过程中进行。2st发动机4优选在起动后立即以节流阀全开的方式运转。
参照图1说明的串联式混合动力装置2的应用不限于田埂割草机器人。田埂割草机器人仅是串联式混合动力装置应用的一例，例如也可以是喷洒农药的行驶机器人、自走式鼓风机或真空装置。因此，包括在串联式混合动力装置2中的行驶用电动机10、12或作业电动机14的数量不限于三个。利用从电池8提供的电力动作的电动机可以仅是一个行驶用电动机，也可以是多个作业用电动机。行驶用电动机或作业用电动机的数量根据所应用的作业机械的功能是任意的。
图2和图3是用于说明可以适当地应用于根据本发明的串联式混合动力装置2的2st发动机4的概要的图。图2是实施例的2st发动机4的纵向剖视图，图3是俯视图。另外，图3省略了构成燃烧室顶面的气缸盖部分的图示。
参照图2和图3，2st发动机4是空冷式发动机，且是单缸发动机。另外，2st发动机4为活塞阀式，后面要说明的扫气端口、排气端口等由活塞开闭。
2st发动机4与以往同样地，具有嵌插到气缸400中的活塞402，并且活塞402在上止点和下止点之间往复运动，该往复运动经由连杆404传递到曲柄轴406，通过曲柄轴406转换为旋转运动并输出。
火花塞410设置成面向由活塞402限定的燃烧室408。燃烧室408由扁平圆顶型燃烧室构成。即，燃烧室408的顶面408a具有扁平圆顶型的形状。火花塞410设置在扁平圆顶型燃烧室408的顶点。
2st发动机4是层状扫气式发动机。图中，参照标号412表示活塞槽。活塞槽412形成在活塞402的周面上，具有通过使与进气系统18连通的进气端口414和扫气通道416的上部连通而将从进气系统18提供的空气填充到扫气通道416的上部的功能。填充在扫气通道416中的空气作为引导空气在扫气冲程的初期被提供到燃烧室408。
2st发动机4具有扫气通道416。扫气通道416在扫气冲程中与燃烧室408和曲柄室420连通，并将在曲柄室420中预压缩的混合气提供到燃烧室408。
2st发动机4与以往同样地，具有形成在气缸400中的排气端口422，排气端口422与消声器424连通。排气端口422通过活塞402开闭。
在层状扫气式发动机4中，在扫气冲程中，首先从扫气端口416a排出引导空气，然后排出在曲柄室420中预压缩的混合气。从扫气端口416a排出的引导空气和混合气指向排气端口422的相反侧。
向2st发动机4的燃料供给由燃料喷射阀430代替以往的化油器进行。燃料喷射阀430可以配置在燃烧室408中，也可以配置在进气系统18中，还可以配置在曲柄室420中。在将燃料喷射阀430配置在曲柄室420中时，燃料喷射阀430可以配置在扫气通道416的入口部分、即下端开口部或其附近。
从燃料喷射阀430喷射包括润滑油在内的混合燃料，并且利用混合燃料中所包含的润滑油进行发动机内部的润滑。此外，利用燃料喷射阀430的燃料喷射时间来控制提供到发动机的混合气的空燃比(A/F)。
2st发动机4可以是短冲程，但优选地是其缸径冲程比为1以上的等冲程发动机或长冲程发动机。具体地说，2st发动机4的缸径冲程比可以设定为0.8～1.3，优选设定为1.0～1.2。根据该结构，由于在运转时不需要所需以上的转速，因此可以实现能够以比以往低的规定转速有效地进行输出的发动机。
2st发动机4优选为设计成使得当节流阀20全开时，转速为4,500-7,000rpm，且优选为5,000-6,000rpm。该转速大大低于以往2st发动机的作业区域的转速。通过将2st发动机4的最大转速设计得比以往低，从而可以降低发动机噪声，并且将扫气端口416a、排气端口422等打开的定时的优化设计变得容易。
优选地，将2st发动机4设计成使得发动机压缩比为8～16，并且更优选地，将2st发动机4设计成具有12～16的高压缩比。如上所述，由于2st发动机4的燃烧室408是扁平圆顶型燃烧室，因此与4st发动机相比，在构造上更容易实现高压缩化。通过这样的构成，保持了轻量小型发动机的优点，可以在相比以往抑制转速的同时储存更高的发动机输出。
根据实施例的串联式混合动力装置2，采用使用包含润滑油在内的混合燃料的2st发动机4。由于不单独设置油室，因此，即使田埂割草机器人倾斜或跌倒，也不会出现漏油问题。此外，对于发电机6的发电、即2st发动机4的动作的定时，优选为可以在前轮电动机10、后轮电动机12或切割刀片电动机14进行动作，且田埂割草机器人正在行驶和/或作业的过程中的任一情况下使2st发动机4起动。由此，当需要充电时，无论哪一个电动机驱动或作业模式如何，都可以进行所需量的充电。此外，优选为通过设计2st发动机4以使得节流阀全开时的发动机转速例如为4,500～7,000rpm、优选为5,000～6,000rpm，从而可以降低伴随着2st发动机4的动作的噪声、振动。此外，通过始终在节流阀全开状态下进行运转，从而2st发动机4的输出调整(调谐)变得容易。
此外，通过使组装到串联式混合动力装置2中的2st发动机4为缸径冲程比为1以上的等冲程发动机或长冲程发动机，从而可以进一步提高发动机的热效率。此外，通过将2st发动机4的燃烧室408设置为扁平圆顶型燃烧室来使发动机压缩比高压缩化，从而可以进一步提高发动机的热效率。
此外，在组装到串联式混合动力装置2的2st发动机4中，通过采用燃料喷射阀430和电子控制节流阀20，从而可以使2st发动机4始终在节流阀全开或其附近动作，同时，通过燃料喷射阀430控制混合气的A/F，从而可以在不增大进气损耗的情况下精密地控制发动机输出。该发动机输出的控制不限于通过燃料喷射阀430对混合气的A/F控制，也可以通过控制点火正时来进行。即，在发电过程中，通过(1)混合气的A/F控制、(2)点火正时控制和(3)混合气的A/F控制和点火正时控制的组合，从而可以控制始终在节流阀全开状态下动作的2st发动机4的输出。
参考图2，本领域技术人员将注意到不存在反冲起动器。反冲起动器用于手动起动作业机械用发动机。在组装到串联式混合动力装置2的2st发动机4中，通过从电池8向发电机6供电，从而发电机6用作为发动机起动用电动机。
基于图4之后的流程图来说明组装到串联式混合动力装置2的2st发动机4的几个具体控制例。另外，在图3中，参照标号440表示传感器组。传感器组440由检测2st发动机4的发动机转速的发动机转速传感器、检测曲柄轴406的曲柄角度的曲柄角传感器、检测进气温度(环境温度)的进气温度传感器、检测降雨的降雨传感器、检测电池8的余量的电池余量传感器、检测电池8的功耗的功耗传感器、检测电池8的充电功率的充电功率传感器、以及检测田埂割草机器人的姿态的机器人姿态传感器等构成，利用机器人姿态传感器来检测田埂割草机器人的倾斜和跌倒。传感器组440的信号被输入到发动机控制部442。发动机控制部442构成控制单元24的一部分，并且参照图1进行了说明的ECU28构成发动机控制部442的一部分。
从发动机控制部442向节流阀用电动机22输出节流阀开度信号，向燃料喷射阀430输出燃料喷射信号，向火花塞410输出点火信号。另外，针对火花塞410的电力由电池8来提供。
<电池8的充电>
图4是用于说明与2st发动机4的起动和电池8的充电有关的处理的流程图。参照图4的流程图，在步骤S1中，基于来自电池余量传感器的信号来判别电池8的余量是否足够，在电池余量足够时，前进到步骤S2以维持发动机停止状态。当在步骤S1中判断为电池余量不足时，前进到步骤S3，判别前轮电动机10、后轮电动机12和切割刀片电动机14中的任一个电动机是否正在动作中，在前轮电动机10、后轮电动机12和切割刀片电动机14中的任一个电动机正在动作中的前提下，生成发动机起动控制信号以起动2st发动机4(S4、S5)。在步骤S5中，如上所述，通过发电机6起动2st发动机4。基于发动机起动控制信号从电池8向发电机6供电，发电机6起到作为发动机起动用电动机的功能并起动2st发动机4。在2st发动机4起动时，节流阀20可以定位在起动位置，也可以定位在节流阀全开位置。当2st发动机4起动时，2st发动机4在节流阀全开的状态下动作，发电机6通过发动机4的输出开始发电，并利用发电得到的电力进行电池8的充电。然后，继续该2st发动机4和发电机6的充电，直到电池8达到规定量(不限于充满电)为止(S6)。在充电过程中，2st发动机4在节流阀全开的状态下继续运转。然后，当电池8成为充满电状态时，前进到步骤S2并停止发动机4。
<发动机的异常燃烧控制>
图5是用于说明与2st发动机4的异常燃烧有关的处理的流程图。在步骤S10中，监控在节流阀全开状态下动作的2st发动机4的发动机转速。在2st发动机4动作过程中，定期性地继续该发动机转速的监控。在下一步骤S11中，基于发动机转速来判别是否发生了2st发动机4的异常燃烧。例如，如果没有出现发动机转速异常变动、发动机转速异常上升或发动机转速异常降低等现象，则前进到步骤S12，在保持正常运转模式的情况下控制2st发动机4，2st发动机4在节流阀全开的状态下继续动作。
当在上述步骤S11中判断为发生了异常燃烧的现象时，前进到步骤S13，从发动机控制中的正常运转模式转移到异常燃烧模式。利用异常燃烧模式来实施用于应对异常燃烧的A/F变更、点火时期变更等，如果在下一步骤S14中能确认异常燃烧的结束，则前进到步骤S15，并使2st发动机4的控制返回到正常运转模式。在上述步骤S14中，当异常燃烧继续时，前进到步骤S16，保持异常燃烧模式，并且重复该步骤S16的处理直到异常燃烧结束为止(S16、S14)。
<关于田埂割草机器人的环境是否合适的处理>
在田埂割草机器人的使用环境不适合电池8的充电的情况下，执行强制停止充电的控制。参照图6的流程图，首先在步骤S20中确认发动机处于停止状态，之后在下一步骤S21中判别电池8的余量是否足够，在电池的余量足够时，前进到步骤S22，继续发动机停止状态。在上述步骤S21中判断为电池8的余量不足时，前进到步骤S23，判别作业机械即田埂割草机器人的使用环境是否合适。
田埂割草机器人的使用环境不合适意味着处于田埂割草机器人跌倒、环境温度例如为摄氏0°以下、降雨、室内等状况，在步骤S23中，当田埂割草机器人的使用环境不合适时，前进至步骤S22，即使电池的余量不足，也继续发动机停止状态。当在步骤S23中田埂割草机器人的使用环境合适时，在步骤S24中生成发动机起动控制信号，基于该发动机起动控制信号来起动2st发动机4。2st发动机4的起动如上述那样，利用发电机6作为发动机起动用电动机来进行(S25)。当2st发动机4起动时，发电机6通过在节流阀全开的状态下动作的发动机4的输出，在原本的发电功能下开始发电，并利用发电得到的电力进行电池8的充电。
在通过2st发动机4的节流阀全开运转对电池8进行充电的过程中，继续监控田埂割草机器人的使用环境(S26)，如果在下一步骤S27中例如检测到田埂割草机器人的跌倒，则即使电池8的充电不足，也前进到步骤S22，并强制停止2st发动机4的运转。
如果田埂割草机器人的使用环境合适，则继续2st发动机4的节流阀全开运转，直到电池8成为充满电的状态为止(S27、S26)，在电池8充满电时，2st发动机4被停止(S22)。
<发动机输出的调整>
将电池8的功耗与发电机6的充电功率进行对比，根据需要进行混合气的A/F的控制和/或点火正时的控制，以调整2st发动机4的输出。基于图7的流程图来说明该控制。
在步骤S30中，执行2st发动机4的运转。在发动机4中，节流阀全开，从燃料喷射阀430排出的混合燃料的空燃比稀薄，在适合于正常运转的点火正时下控制2st发动机4的运转。发电机6通过发动机4的动作而发电，利用其发电电力对电池8进行充电(S31)。
在下一步骤S32中，将电池8的功耗与充电功率进行对比，当功耗相对较小时，前进到步骤S33，当功耗显著较小时，例如前轮电动机10、后轮电动机12和切割刀片电动机14仅有一部分动作时，前进到步骤S34，以进行延迟点火正时的处理。由此，能够执行降低发动机输出的调整以降低发电机6的发电能力。
在步骤S33中，当电池8的功耗相比于充电功率相对较小但功耗较大时，例如前轮电动机10、后轮电动机12和切割刀片电动机14全部动作时，前进到步骤S35，在节流阀全开、从燃料喷射阀430排出的混合燃料的空燃比稀薄的适合于正常运转的点火正时下，继续2st发动机4的正常运转。
当在上述步骤S32中电池8的功耗大于充电功率时，在步骤S36中继续节流阀全开、适合于正常运转的点火正时，且执行使混合燃料的空燃比接近化学计量值(λ＝1)的处理。由此，能够提高节流阀全开时的发动机输出，进一步提高发电机6的发电能力。
在下一步骤S37中，判别电池8的功耗是否大于充电功率，当电池8的功耗相对较小时，前进到步骤S38，进行将混合燃料的空燃比返回到稀薄的处理。由此，能够降低节流阀全开时的发动机输出，将发电机6的发电能力恢复到正常水平。
当在上述步骤S37中电池8的功耗大于充电功率时，前进到步骤S39，执行如下处理：使得在节流阀全开、适合于正常运转的点火正时下，从燃料喷射阀430排出的混合燃料的空燃比与能够使发动机4的输出最大的空燃比相一致。由此，能够提高节流阀全开时的发动机输出以提高发电机6的发电能力。
在下一步骤S40中，判别电池8的功耗是否小于充电功率，当功耗仍然相对较大时，前进到步骤S41，执行提前点火正时的处理。该点火正时的调整处理中，将点火正时提前到能够使发动机4的输出最大的点火正时。由此，能够提高发动机输出以进一步提高发电机6的发电能力。
在步骤S41的点火正时提前处理之后，返回到步骤S40，当电池8的功耗变得小于充电功率时，前进到步骤S42，执行使从燃料喷射阀430排出的混合燃料的空燃比接近λ＝1的处理，然后返回到步骤S37。由此，节流阀全开时的发动机输出逐渐降低，能将发电机6的发电能力恢复到正常水平。
图8和图9示出2st发动机4为具有增压端口418a的发动机。在扫气冲程中，扫气通道416和增压通道418都与燃烧室408和曲柄室420连通，以将在曲柄室420中预压缩的混合气提供到燃烧室408。增压端口418a和在扫气通道416的燃烧室408开口的扫气端口416a都由活塞402进行开闭。
从扫气端口416a排出的引导空气和混合气指向排气端口422的相反侧。另一方面，从增压端口418a排出的混合气朝向上方，即指向燃烧室408的顶部。
如图8和图9所图示，可以将燃料喷射阀430配置在增压通道418的入口部分418b或其附近。通过将燃料喷射阀430配置在增压通道418的入口部分418b或其附近，从而如下面参照图10所说明的那样，通过变更燃料喷射正时，从而可以选择性地执行大致不同的两种发动机控制模式。
<在冷却期间时和温热期间时发动机控制模式的切换>
图8和图9所图示的2st发动机4的控制可以具有成层燃烧模式和均质燃烧模式(正常运转模式)。成层燃烧模式在配置在增压通道418的入口部分418b的燃料喷射阀430的燃料喷射正时为扫气端口416a、增压端口418a关闭时在节流阀全开的状态下执行。例如，当活塞402位于上止点时，开始燃料喷射，并且执行燃料喷射直到活塞402从上止点下降的中途为止。由于在执行扫气冲程之前执行燃料喷射，所以从燃料喷射阀430喷射的混合气(混合燃料)被提供给曲柄室420，并在该曲柄室420中预压缩之后被提供给燃烧室408。在该成层燃烧模式中，从燃料喷射阀430喷射的混合气的空燃比被设定为相对或绝对浓厚。
均质燃烧模式(正常运转模式)在节流阀全开的状态下在燃料喷射阀430的燃料喷射正时为扫气端口416a、增压端口418a打开时、即在扫气冲程中执行。由于在执行扫气冲程之前执行燃料喷射，所以从燃料喷射阀430喷射的混合气(混合燃料)伴随在曲柄室420中预压缩的扫气空气通过增压通道418被提供给燃烧室408，从增压端口418a提供给燃烧室408的混合气在燃烧室408中上升，并集中填满火花塞410的周边。在该均质燃烧模式下，从燃料喷射阀430喷射的混合气的空燃比设定为至少比成层燃烧模式更稀薄。即，在作为正常运转模式的均质燃烧模式下，为了减少扫气冲程中的漏气，优选为将在扫气冲程中实施燃料喷射的均质燃料模式下的空燃比设定为相对或绝对稀薄。
均质燃烧模式(正常运转模式)和成层燃烧模式概括如下。
(1)均质燃烧模式(正常运转模式)：
节流阀20全开。在扫气冲程中执行燃料喷射。混合气是相对或绝对稀薄的。
(2)成层燃烧模式：
节流阀20全开。在扫气冲程以外的冲程中执行燃料喷射。混合气是相对或绝对浓厚的。
基于图10的流程图说明与在冷却期间时和温热期间时切换发动机控制模式有关的处理。基于图4中所说明的发动机起动控制信号(S4)来起动2st发动机4(S50)。紧接在发动机4起动之后，2st发动机4在节流阀全开的状态下控制为分层燃烧模式(S51)。紧接在发动机起动之后，继续监控发动机温度(S52)，在下一步骤S53中判别发动机4的预热是否完成，在步骤S54中继续成层燃烧模式，直到发动机4的预热完成为止。
当发动机4的预热完成时，从步骤S53前进到步骤S55，在保持节流阀全开的情况下将2st发动机4的控制从成层燃烧模式切换到均质燃烧模式。由此，发动机4在温热期间时在稀薄空燃比下运转。在下一步骤S56中，判别发动机转速是否稳定，在发动机转速不稳定时，与图5中的步骤S13等的处理同样地，执行异常燃烧抑制模式。
当在步骤S56中判断为节流阀全开的2st发动机4的发动机转速稳定时，前进到步骤S58，执行使混合气进一步稀薄和/或提前点火正时的处理。继续该处理，直到发动机4的转速变得不稳定为止。
以上，基于将串联式混合动力装置2应用于田埂割草机器人的例子说明了本发明的实施例，但根据本发明的串联式混合动力装置2可以用作为无人机、无线控制飞行器的农药喷洒、舷外机、机器人管理机、热电联产装置、高尔夫球场中回收高尔夫球并将其返回到收集场所的取球器、自走式鼓风机机器人、自走式真空机器人等的动力源。
标号说明
2 实施例的串联式混合动力装置
4 2st发动机
6 发电机
8 电池
10 前轮电动机(行驶用电动机)
12 后轮电动机(行驶用电动机)
14 切割刀片电动机(作业用电动机)
18 进气系统
20 节流阀
22 节流阀用电动机
24 控制单元
28 控制单元的ECU
30 控制单元的充放电控制部
400 2st发动机的气缸
402 活塞
406 曲柄轴
408 燃烧室
408a 燃烧室的顶面(限定扁平圆顶型燃烧室的顶面)
410 火花塞
414 进气端口
416 扫气通道
416a 扫气端口
418 升压通道
418a 升压端口
420 曲柄室
422 排气端口
430 燃烧喷射阀
440 传感器组
442 控制单元的发动机控制部。

Claims (16)

1.一种作业机械用二冲程发动机，其特征在于，在包含内燃机、连接到该内燃机的发电机、储蓄由该发电机生成的电力的电池以及从该电池接受供电而动作的电动机、且构成作业机械的动力源的串联式混合动力装置中，
组装到该串联式混合动力装置中的所述内燃机由二冲程发动机构成，
该二冲程发动机具有：
节流阀用电动机，该节流阀用电动机用于驱动配置在进气系统中的节流阀；
燃料喷射装置，该燃料喷射装置配置在包含曲柄室在内的所述进气系统中，并向该进气系统喷射燃料；以及
控制单元，该控制单元控制所述节流阀用电动机和所述燃料喷射装置，
二冲程发动机设计为所述节流阀全开时的发动机转速为4,500rpm～7,000rpm，
所述二冲程发动机通过所述控制单元在所述节流阀全开的状态下动作，
将通过该二冲程发动机使所述发电机发电得到的电力充电到所述电池中。
2.如权利要求1所述的作业机械用二冲程发动机，其特征在于，
利用从所述电池提供的电力使所述发电机作为起动用电动机进行动作，并利用该发电机使所述二冲程发动机起动。
3.如权利要求1所述的作业机械用二冲程发动机，其特征在于，
从所述燃料喷射装置喷射的燃料是含有润滑油的混合燃料，
在所述二冲程发动机起动之后立即在节流阀全开的状态下运转。
4.如权利要求1所述的作业机械用二冲程发动机，其特征在于，
所述控制单元具有控制从所述燃料喷射装置排出的燃料的空燃比的空燃比控制部，
通过控制所述燃料的空燃比来控制节流阀全开时的发动机输出。
5.如权利要求1所述的作业机械用二冲程发动机，其特征在于，
通过控制所述二冲程发动机的火花塞的点火正时来控制节流阀全开时的发动机输出。
6.如权利要求1所述的作业机械用二冲程发动机，其特征在于，
所述作业机械用二冲程发动机是层状扫气式发动机。
7.如权利要求1所述的作业机械用二冲程发动机，其特征在于，
所述作业机械用二冲程发动机是缸径冲程比为1以上的等冲程发动机或长冲程发动机。
8.如权利要求1所述的作业机械用二冲程发动机，其特征在于，
具有扁平的圆顶型燃烧室，
发动机压缩比为12.0～16.0。
9.一种作业机械用串联式混合动力装置，其特征在于，
组装有权利要求1至8中任一项所述的作业机械用二冲程发动机。
10.如权利要求9所述的作业机械用串联式混合动力装置，其特征在于，
包含在所述串联式混合动力装置中、且从所述电池接受供电而动作的电动机由作业用电动机构成，
在该作业用电动机的动作过程中，所述二冲程发动机在节流阀全开的状态下动作并执行所述电池的充电。
11.如权利要求9所述的作业机械用串联式混合动力装置，其特征在于，
所述作业机械是行驶的作业机械，
包含在所述串联式混合动力装置中、且从所述电池接受供电而动作的电动机由用于供所述作业机械行驶的行驶用电动机构成，
在该行驶用电动机的动作过程中，所述二冲程发动机在节流阀全开的状态下动作并执行所述电池的充电。
12.如权利要求9所述的作业机械用串联式混合动力装置，其特征在于，
所述作业机械是行驶的作业机械，
包含在所述串联式混合动力装置中、且从所述电池接受供电而动作的电动机由用于供所述作业机械行驶的行驶用电动机、以及用于供所述作业机械作业的作业用电动机构成，
仅在所述行驶用电动机和所述作业用电动机中的任一个电动机正在动作的过程中，所述二冲程发动机进行动作并执行所述电池的充电。
13.如权利要求9所述的作业机械用串联式混合动力装置，其特征在于，
所述控制单元具有控制所述电池的充放电的充放电控制部，
在所述电池的功耗大于充电功率时，所述二冲程发动机执行在节流阀全开的状态下利用混合气的空燃比和/或点火正时来提高发动机输出的控制。
14.如权利要求1所述的作业机械用二冲程发动机，其特征在于，
所述控制单元具有通过控制所述燃料喷射装置排出的燃料喷射量和每个循环的喷射时间来控制发动机的空燃比的空燃比控制部，
作为所述二冲程发动机的控制模式，具有均质燃烧模式和成层燃烧模式，
在所述均质燃烧模式下，在扫气冲程中执行燃料喷射，
在所述成层燃烧模式下，在扫气冲程以外的冲程中执行燃料喷射，
所述均质燃料模式下的空燃比比所述成层燃烧模式下的空燃比要稀薄。
15.如权利要求14所述的作业机械用二冲程发动机，其特征在于，
在温热期间时执行所述均质燃烧模式，在冷却期间时执行所述成层燃烧模式。
16.如权利要求14或15所述的作业机械用二冲程发动机，其特征在于，还具有：
增压端口，该增压端口在扫气冲程中将混合气引导到燃烧室的顶部；以及
增压通道，该增压通道使该增压端口与曲柄室相连通，
所述燃料喷射装置配置在所述增压通道的入口或其附近。
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