JP2004251252A - エンジン駆動式作業機 - Google Patents

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Abstract

【課題】エンジン始動時に圧縮上死点の乗り越えトルクを小さくする。
【解決手段】スイッチ33からの停止指示に従って、発電機兼用モータGをモータ動作に切り替えるとともに、目標回転数を微速値に切り替えて回生制動がかかるようにする。回生制動中に電流波形に基づいて電流ピークを検出する。検出された電流ピークが圧縮上死点による負荷の影響であると仮定したならば、次に検出される電流ピークで、FET281〜286を切り替えて発電機巻線を短絡させる。これによりエンジンEに電気ブレーキがかかり、急速に停止する。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジン駆動式作業機に関し、特に、エンジンの始動が容易になるようにしたエンジン駆動式作業機に関する。
【0002】
【従来の技術】
エンジンでブレードカッタを駆動する芝刈り機やエンジンでオーガを駆動する除雪機等、エンジン駆動式作業機が知られる。この種作業機において、スタータモータによってエンジンを始動するものにおいては、エンジン始動時にエンジンの圧縮行程の上死点を乗り越えるのに十分な始動トルクが要求される。スタータモータの出力を大きくすれば余裕を持った始動が可能であるが、一方で、始動時の負荷トルクの影響を小さくすることも考えられる。例えば、特開平7−71350号公報では、一旦負荷トルクの減少方向へスタータモータを回転させた後、正規のエンジン回転方向にスタータモータを回転させる始動装置が提案されている。この装置によれば、軽負荷の位置から回転を開始させて、ある程度回転速度が上昇することによって得られる慣性力を利用して圧縮行程を乗り越えられる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報に記載された始動装置では、一旦負荷が減少する方向へ回転させること、つまりエンジンを逆転させる動作が必要となるため始動操作から実際にエンジンが始動されるまでに「間」が生じる。したがって、オペレータに違和感を与えることになるし、実用上も始動に時間がかかるという問題がある。
【0004】
また、スタータモータとして発電機兼用モータを使用する場合、特に、発電用巻線と始動用巻線とを共用しているものでは発電能力の関係から巻線の径を大きくしてモータの始動トルクを大きくできないという制限もある。巻線の径を大きくすると発電出力が低減するからである。
【0005】
本発明の目的は、上記問題点を解消して、エンジン始動トルクを小さくすることができるエンジン駆動式作業機を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明は、負荷を駆動するエンジンの出力軸が発電機兼用モータの回転軸に連結されたエンジン駆動式作業機において、エンジン停止指示に応答してエンジンの圧縮上死点を検出し、該圧縮上死点が検出された時に、発電機兼用モータの巻線を短絡して電気ブレーキをかけるように構成された点に第1の特徴がある。
【0007】
第1の特徴によれば、圧縮上死点で電気ブレーキによる急ブレーキがかけられるので、エンジンを、圧縮上死点を通過した直後のクランク角度で停止させることができる。
【0008】
また、本発明は、前記エンジン停止指示に応答して前記発電機兼用モータをエンジンのクランキング回転数よりも低速である微速回転目標値に従ってモータとして動作させ、前記低速回転中に前記電気ブレーキ手段を付勢するように構成した点に第2の特徴がある。
【0009】
第2の特徴によれば、発電機兼用モータを、低回転の目標回転数を設定してモータとして動作させることにより、回生制動が働き、エンジンの速度は急速に低減する。こうして、低速にした後で電気ブレーキをかけるので、エンジンを、一層精度良く圧縮上死点を通過した直後のクランク角度で停止させることができる。
【0010】
また、本発明は、前記圧縮上死点検出手段が、前記低速回転中の前記発電機兼用モータの電流波形に基づいてエンジンの圧縮上死点を検出するように構成された点に第3の特徴がある。
【0011】
また、本発明は、前記圧縮上死点検出手段が、前記低速回転中の電流波形に基づく電流ピークを仮圧縮上死点として決定する手段と、前記仮圧縮上死点を複数決定し、該複数の仮圧縮上死点間の間隔に基づいて、次の圧縮上死点を推定する手段とからなり、前記電気ブレーキが、該推定された圧縮上死点で付勢開始されるように構成された点に第4の特徴がある。第3,4の特徴によれば、圧縮上死点を、該圧縮上死点の負荷を代表するモータ電流が増大した時点として検出することができる。
【0012】
また、本発明は、前記エンジンがほぼ定速で運転され、該エンジンの出力軸に作業具として芝刈り用ブレードカッタまたは除雪用のオーガが連結されている点に第5の特徴がある。第5の特徴によれば、慣性モーメントの大きい芝刈り機のブレードカッタや除雪機のオーガも速やかに停止させることができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の一実施形態を詳細に説明する。図2は本発明の一実施形態に係るエンジン駆動式作業機としての芝刈機の全体斜視図、図3は芝刈機の要部平面図である。図2において、芝刈機のカッタハウジング1の前部には一対の前車輪Wf,Wfが、また後部に一対の後車輪Wr,Wrが懸架される。カッタハウジング1の中央部にはバーチカル型エンジンEが搭載され、エンジンEの上方突出部にはエンジンカバーCが被せられる。またカッタハウジング1の後部両側には後方に向って後上りに延びる操作ハンドルHが設けられ、さらに、カッタハウジング1の後部には、刈り取られた芝を収容するためるグラスバッグBが設けられる。
【0014】
図3において、カッタハウジング1の中央部は下面つまり地面側が開放された中空円筒状の空間であり、ブレードカッタ(作業機本体)4が収容されるカッタ室3が形成される。ブレードカッタ4は、図示しないクラッチを介してエンジンEのクランク軸5に連結され、エンジンによって駆動されてカッタ室3内で回転する。前記クランク軸5の、ブレードカッタ4が連結された側とは反対側の端部つまり上端には後述のスタータモータ兼用発電機の回転子が連結される。
【0015】
カッタハウジング1の進行方向右側には、カッタ室3の出口から後方にのび、前記グラスバッグBに通じる芝放出口2が形成される。ブレードカッタ4で刈り取られた芝等は、この芝放出口2を通ってグラスバッグBに集められる。
【0016】
カッタハウジング1の後部左右両側には、後輪支持部材14,14が配置され、該支持部材14,14には後車輪Wr,Wrの車軸16,16が軸架される。左右の支持部材14,14は連結軸19で互いに結合され、該連結軸19と平行に出力軸17,18が設けられる。出力軸17および18の一端はモータ7に結合されるとともに、出力軸17および18の他端は、それぞれ前記支持部材14,14側に延びて減速歯車機構8を介して後車輪Wr,Wrの車軸16,16に連結される。
【0017】
エンジンEの上部を覆うエンジンカバーC内には、図示しないリコイルスタータが収容される。エンジンカバーCには、リコイルスタータのスタータロープ(図示しない)に結合されるスタータグリップ15が保持されている。
【0018】
図4は、上記芝刈り機の全体システムを示すブロック図である。同図において、エンジンEには、発電機Gが連結される。発電機Gは、例えば、アウタロータ式三相交流発電機でありスタータモータを兼ねる。発電機Gには制御回路10が接続され、制御回路10にはバッテリ27が接続される。制御回路10は後述の整流回路やレギュレータを備える。発電機Gは、スタータモータとして動作するときには、制御回路10を介してバッテリ27から電力を供給される。一方、発電機Gが発電をしたときには、その発電出力を制御回路10を介してバッテリ27に接続し、バッテリ27が充電される。
【0019】
制御回路10には、エンジンEの始動および停止を指示するためのエンジン操作スイッチ33が接続される。エンジン操作スイッチ33は操作ハンドルHの上部に設けられる。前記後車輪Wrを駆動するモータ7は、バッテリ27から電力を供給される駆動回路(図示せず)によって目標回転数を維持するように制御される。
【0020】
図5は、発電機Gの一例を示す分解正面図である。発電機Gは有底円筒の椀状に形成されるフライホイール回転子20および該回転子20の内周面に配列された18個の永久磁石21と、磁石21に対向して回転子20の内周に配置される固定子22とを備える。回転子20には、エンジンEのクランク軸5に結合されるスリーブ23が設けられる。磁石21は外周側と内周側にN極とS極とが分極され、各磁石21は隣り合うもの同士が互いに異なる極性が対向するように構成される。固定子22のステータコア24は、放射状に延び、磁石21の内周側面と対向するように配置された27個の突極25を備える。各突極25には巻線26が巻回されている。
【0021】
発電機Gは、モータとして動作する際、回転子磁極の位置検出用センサを有しないセンサレス制御により駆動される。したがって、回転子の回転中は各相の巻線26に誘起される逆起電圧から回転子磁極の位置を検出し、起動時には、回転子磁極の位置を発電機Gの各相の相対電流に基づいて推定する。例えば、U相とW相にそれぞれ流れる電流の比から磁極を推定する。この起動手法は「ベクトル制御」として知られる。なお、回転子磁極の位置を検出する磁気センサ等を設けることにより、起動時から運転中まで全てセンサの検出信号に基づいて制御するようにしてもよい。
【0022】
図6は、制御回路10の一例を示す回路図である。同図において、制御回路10はスイッチング回路28を有する。スイッチング回路28は、六つのMOSFETつまり金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(以下、単に「FET」)281〜286を含む。上側にFET281〜283が配置され、下側にFET284〜286が配置される。FET281〜286には、それぞれフライバックダイオードD1,D2,D3,D4,D5,D6が並列に接続される。FET281〜286のゲートに駆動電圧を印加するためのドライバ29が設けられる。
【0023】
ドライバ29は、発電機Gをスタータモータとして使用する場合にFET281〜286のゲートに駆動電圧を順次印加する。DSPで構成することができる演算部30は、駆動電圧を発生させる周期、つまりFET281〜286の切り替え周期を決定してドライバ29に出力する機能を有する。演算部30は、さらにシャント31を介して検出される発電機Gの電流により電流波形を検出する機能を有する。
【0024】
発電機Gの発電出力でバッテリ27を充電する際、ドライバ29は、FET281〜286をすべてオフにするために駆動電圧を停止する。これによって、発電機Gの発電出力はフライバックダイオードD1〜D6で整流されてバッテリ27に供給される。制御回路10はバッテリ27の電圧を所定値にするためのレギュレータ回路32を有する。レギュレータ回路32は、フォトカプラ321とFET322とからなる。FET322はフォトカプラ321のオンオフに応答してオンオフ制御され、FET322のオン時間によってバッテリ27に供給される発電機Gからの電力が制御される。演算部30は、バッテリ電圧が所定値より高いときはFET322のオン時間を短く、バッテリ電圧が所定値より低いときはFET322のオン時間を長くするよう制御する機能を有する。
【0025】
図7は、バッテリ電圧を所定値に保持するためのFET322のスイッチング制御の方法を示す発電機出力の整流後の波形図である。FET322は整流された発電機Gの出力において、一定の周期Tを任意に設定し、この周期T内で、定められた時間tだけオン動作される。このオン動作時間tつまり周期Tにおけるオン時間tの割合を変化させることによってバッテリ27に供給される電力が調整される。なお、該オン動作時間tは、任意の周期毎のものに限らない。例えば、発電機出力のゼロクロスを検出し、このゼロクロスのタイミングから時間tだけFET322をオンさせるようにしてもよい。
【0026】
次に、エンジンEの停止時の制御について説明する。エンジンEの停止操作をして、エンジンが停止するのを自然にまかせると、停止時のクランク角度は不定である。停止クランク位置が圧縮上死点前であると、始動時に負荷が過大であり、十分に慣性モーメントを利用することもできないので始動を失敗することがある。本実施形態では、エンジンを圧縮上死点直後に停止させるように制御して上死点の乗り越しに必要な慣性モーメントを得られるようにする。
【0027】
図8は、エンジン停止制御のフローチャートである。ステップS1では、エンジンを停止するかどうか、つまりエンジン操作スイッチ33がオフ(停止)の位置に切り替えられたかどうかが判断される。この判断が肯定であればステップS2に進んで、FET281〜286をすべてオフにして停止モードにする。ステップS3では、エンジン回転数の目標回転数を微速値に設定する。微速値は、例えば、クランキングのときの目標回転数未満とするのがよい。一例として300rpmとするのがよい。ステップS4では、FET281〜286を切り替えて(スイッチングして)、駆動モードつまり通常の運転モードにする。ステップS4で、目標値を微速値にして運転するので、それまで高速(例えば3000rpm)で回転していたエンジンEに大きい負荷がかかることになって、いわゆる回生制動がかかり、エンジンEは急速に速度低下する。微速値をクランキング速度未満にすれば、回生制動時間は100〜200ミリ秒程度になる。ステップS5では、エンジン回転数が目標とする微速値まで低下したか否かが判断される。
【0028】
ステップS5が肯定となれば、ステップS6に進んでクランク位置が圧縮上死点位置か否かが判断される。圧縮上死点位置の判断については、後述する。ステップS6が肯定ならばステップS7に進んでエンジンに電気ブレーキをかける。すなわち、FET281〜286のうち上段のFET281〜283をすべてオフにし、下段のFET284〜286をすべてオンにするブレーキモードにする。これによって、発電機Gに短絡ブレーキがかかり、エンジンEは急停止動作する。ステップS8では、エンジン回転数が前記微速値より低く設定された停止回転数(停止判定レベル)より低くなったか否かが判定される。ステップS8が肯定であれば、ステップS9に進んで、FET281〜286をすべてオフにして停止モードにする。
【0029】
図9は、エンジンストールしたときの停止制御のフローチャートである。ステップS10では、エンジンストールが発生したか否かが判断される。エンジンストールが発生したと判断されれば、ステップS11に進み、エンジン回転数の目標回転数を微速値に設定する。ステップS12では、エンジン回転数が目標とする微速値か否かが判断される。ステップS12が肯定ならば、ステップS13に進んでクランク位置が圧縮上死点位置か否かが判断される。ステップS13が肯定ならばステップS14に進んでエンジンに電気ブレーキをかける。ステップS15では、エンジン回転数が停止回転数(停止判定レベル)より低くなったか否かが判定される。ステップS15が肯定であれば、ステップS16に進んで、FET281〜286をすべてオフにして停止モードにする。
【0030】
図10は、圧縮上死点判断に係るタイミングチャートであり、縦軸は発電機Gをモータとして動作させたとき、つまり微速値をモータ回転数の目標値したときに該モータに流れる電流、横軸は時間である。電流は負荷の大きさを代表する。モータ電流は圧縮上死点で増大する負荷に応じてその他の領域より高くなる。したがって、圧縮上死点とみなされるモータ電流のピーク時に電気ブレーキをかける。この例では、予定のしきい値を超えたモータ電流のピークがタイミングt0で検出されると、タイマを始動させる。該タイマは次のピーク検出時(t1)まで動作させてピークの周期を検出する。この周期が複数回(例えば2回)ほぼ同じ、つまり差が小さい場合に、同じタイミングに対応するピークであると判断する。すなわち、圧縮上死点の高負荷に対応するピークであると決定する。この例では、タイミングt0〜t1間とタイミングt1〜t2間の周期を比較する。
【0031】
そして、さらに次のピークが検出された時(t3)に電気ブレーキをかける。電気ブレーキはエンジン回転数が停止判定レベル以下になれば解放される。
【0032】
なお、複数の周期が、エンジン回転数に対応した圧縮上死点間の周期とほぼ一致していれば、圧縮上死点に対応する電流ピークか、他のノイズによるピークかを判断できる。したがって、この判断で、上記複数回の周期の差による判断に代えてもよい。
【0033】
図11は、圧縮上死点判断の変形例に係るタイミングチャートである。この変形例では、圧縮上死点のモータ電流ピークと、ノイズによるモータ電流ピークとの差が小さい場合にも圧縮上死点を好適に検出することができる。同図において、モータ電流を予定周期でサンプリングする。そして、今回サンプリング値SA0が前回サンプリング値SA−1よりも小さく、前回サンプリング値が前々回サンプリング値SA−2より大きい場合、サンプリング値SA1つまりタイミングt10で検出された電流がピークであると判断する。このタイミングt10のサンプリング値を仮の圧縮上死点として、周期測定のためタイマを始動させる。同様にしてタイミングt11で次に仮の圧縮上死点が検出されると、そのときのタイマ値を最初の周期検出値Aとする。同様にして、さらに次のタイミングt12で仮の圧縮上死点が検出されると、そのときのタイマ値を2回目の周期検出値Bとする。
【0034】
なお、サンプリング値の高低の判断は圧縮上死点を除く通常時のモータ電流の変動を考慮し、それ以上の高低の変動があったかどうかにより行う。
【0035】
周期AとBとがほぼ同一(A=B±α)であったときに圧縮上死点の高負荷に対応するピークであると決定する。つまり仮に圧縮上死点と判断したところは、第3回目のピーク検出により、該仮の圧縮上死点が実際の圧縮上死点として推定される。タイミングt12で実際の圧縮上死点が推定されたならば、周期Aと周期Bとの平均周期を算出し、タイミングt12からこの平均周期後のタイミングt13つまり圧縮上死点とみなされる時点で電気ブレーキをかける。電気ブレーキをかけた時点は、実際の圧縮上死点とずれていることがあるが、そのずれはわずかであり、エンジンEはクランク角度が圧縮上死点を超えた位置で停止する。
【0036】
図1は、本願発明の要部機能を示すブロック図である。エンジン操作用スイッチ33はスタート、オン、オフの3ポジションスイッチである。停止指示判断部34は、エンジン操作スイッチ33がオフ位置に切り替えられたときに、この切り替えに応答して停止指示信号を出力する。回生制動部35は、停止指示信号に応答して発電機Gをモータとして動作させ、かつ回生制動をかける。すなわち、モータとしての発電機Gの回転数を回転目標値に制御するモータ制御部36の該目標値を微速値に切り替える。上死点判定部37は、発電機Gの電流波形に基づいて圧縮上死点を検出する。そして、電気ブレーキ部38は、圧縮上死点検出に応答して電気ブレーキの指示をモータ制御部36に出力する。モータ制御部36は電気ブレーキ部38からの指示により発電機Gの巻線を短絡させて電気ブレーキである短絡ブレーキをかける。
【0037】
本実施形態では、圧縮上死点を検出した後、回生制動をかけ、さらに短絡ブレーキでエンジンを急停止させたが、回生制動を経ずに短絡ブレーキをかけるようにしてもよい。さらに、エンジンの圧縮上死点位置を常時監視しており、エンジン停止指示に応答してこの監視データからエンジンの圧縮上死点位置を検出するようにしてもよい。
【0038】
また、本発明は、芝刈り機に搭載されるエンジン駆動の発電機兼用スタータモータに限定されず、エンジン駆動される発電機兼用スタータモータを搭載した作業機に広く適用できる。例えば、慣性モーメントの大きいオーガをエンジン駆動する除雪機のエンジンをエンジンの圧縮上死点を超えたクランク位置で正確に停止させるのに好適である。
【0039】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項1〜請求項6の発明によれば、停止指示時に圧縮上死点を基準として電気ブレーキによる急ブレーキがかけられるので、圧縮行程直後の始動時負荷が小さい位置でエンジンを停止させられる。したがって、慣性モーメントを有効に利用した始動が可能となり、始動に必要な電流を抑制することができるため、巻線が細くして発電巻線とモータ巻線との兼用が容易である。
【0040】
請求項2の発明によれば、定速回転のモータとして動作させることにより、慣性回転に対して回生制動がかかり急速にエンジンを減速できる。そして、この低速回転時に巻線短絡による電気ブレーキをかけるので、圧縮上死点直後に、より精度良くエンジンを停止させることができる。
【0041】
また、請求項3、4の発明によれば、エンジン回転を低下させた状態で圧縮上死点を検出できるので、位置精度を高めることができる。特に、センサを必要としないので、構成を簡素化できる。
【0042】
請求項5,6の発明によれば、慣性モーメントの大きい作業具を連結したエンジンであっても、圧縮上死点を超えた位置で精度良く停止させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る作業機の要部機能を示すブロック図である。
【図2】本発明の一実施形態に係る芝刈り機の斜視図である。
【図3】本発明の一実施形態に係る芝刈り機の要部平面図である。
【図4】芝刈り機の全体システムを示すブロック図である。
【図5】発電機の一例を示す分解正面図である。
【図6】制御回路の一例を示す回路図である。
【図7】FETの制御方法の説明図である。
【図8】エンジン停止制御のフローチャートである。
【図9】エンジンストール時のエンジン停止制御のフローチャートである。
【図10】圧縮上死点判断のタイミングチャートである。
【図11】圧縮上死点判断の変形例に係るタイミングチャートである。
【符号の説明】
1…カッタハウジング、 2…芝放出口、 3…カッタ室、 4…ブレードカッタ、 5…クランク軸、 7…モータ、 8…減速歯車機構、 10…駆動回路、 27…バッテリ、 29…ドライバ、 30…演算部、 31…シャント、32…レギュレータ回路、 33…エンジン操作スイッチ、 34…停止指示判断部、 E…エンジン、 G…発電機

Claims (6)

  1. 負荷を駆動するエンジンの出力軸が発電機兼用モータの回転軸に連結されたエンジン駆動式作業機において、
    エンジン停止を指示する指示手段と、
    前記指示手段によるエンジン停止指示に応答してエンジンの圧縮上死点を検出する圧縮上死点検出手段と、
    前記圧縮上死点検出手段によって圧縮上死点が検出された時に、発電機兼用モータの巻線を短絡する電気ブレーキ手段とを具備したことを特徴とするエンジン駆動式作業機。
  2. 前記エンジン停止指示に応答して前記発電機兼用モータをエンジンのクランキング回転数よりも低速である微速回転目標値に従ってモータとして動作させる手段を具備し、
    前記微速回転目標値に従った低速回転中に前記電気ブレーキ手段を付勢するように構成したことを特徴とする請求項1記載のエンジン駆動式作業機。
  3. 前記発電機兼用モータの電流波形を検出する電流波形検出手段を具備し、
    前記圧縮上死点検出手段が、前記低速回転中の電流波形に基づいてエンジンの圧縮上死点を検出するように構成されたことを特徴とする請求項2記載のエンジン駆動式作業機。
  4. 前記圧縮上死点検出手段が、
    前記低速回転中の電流波形に基づく電流ピークを仮圧縮上死点として決定する手段と、
    前記仮圧縮上死点を複数決定し、該複数の仮圧縮上死点間の間隔に基づいて、次の圧縮上死点を推定する手段とからなり、
    前記電気ブレーキが、該推定された圧縮上死点で付勢開始されるように構成されたことを特徴とする請求項3記載のエンジン駆動式作業機。
  5. 前記エンジンがほぼ定速で運転され、該エンジンの出力軸に作業具として芝刈り用ブレードカッタが連結されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のエンジン駆動式作業機。
  6. 前記エンジンがほぼ定速で運転され、該エンジンの出力軸に作業具として除雪用オーガが連結されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のエンジン駆動式作業機。
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