JP2005030251A - 内燃エンジンの電子制御式燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】汎用のエンジン発電機の小型化と操作容易性を図る。
【解決手段】リコイルスタータで始動されるエンジン１に使用される燃料噴射装置の駆動電力を、エンジン１で駆動される単相２極発電機２２の出力からとる。発電機２２の出力を全波整流器２５で整流して、その電力で燃料ポンプ１５、燃料噴射弁１０、点火装置２７を駆動する。燃料ポンプ１５、燃料噴射弁１０、および点火装置２７のそれぞれの主動作は、整流器２５で整流された電力の半波波形のうち、互いに異なる半波波形内に配分される。こうして、主動作の時期が重ならないようにして、消費電力のピーク値を抑制し、効率よく電力を確保する。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃エンジンの電子制御式燃料噴射装置に関し、特にスタータモータを使用せずに手動操作などで始動させる比較的小型の内燃エンジンの電子制御式燃料噴射装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
内燃エンジン（以下、単に「エンジン」という）の吸気系に配設された燃料噴射弁と、エンジンの運転状態に応じて燃料噴射弁の開弁時間を制御して燃料噴射量を調整する制御装置とからなる電子制御式燃料噴射装置が知られている。従来の電子制御式燃料噴射装置では、燃料噴射弁、制御装置、および燃料ポンプを使用するために十分な電力を安定的に供給するバッテリが必要である。
【０００３】
これに対して、実公平８−９３９３号公報には、エンジンで駆動される発電機の出力を蓄積する蓄電手段を設けておき、発電機出力が低下した場合に、この蓄電手段から電力を供給して発電機出力を補うようにする燃料噴射装置が提案されている。これにより、バッテリを必要としないエンジンへの燃料噴射装置の適用も可能である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報の燃料噴射装置を備えるエンジンは、発電機出力が低下した場合でもある程度の運転継続は可能である。しかし、発電機の巻線部を小型化して発電機全体を小型化したいという要望に対しては、そのことによる出力不足を補うために蓄電手段の蓄電容量を相当大きくしなければならないという問題が生じる。本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、蓄電手段を大きくすることなく発電機の小型化を図ることができる電子制御式燃料噴射装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、エンジンで駆動される発電機の単相出力を整流して得られる電力で動作する燃料ポンプ、燃料噴射弁、および点火装置を有する内燃エンジンの電子制御式燃料噴射装置において、前記燃料ポンプ、燃料噴射弁、および点火装置のそれぞれの主動作が、前記整流された電力の半波波形のうち、互いに異なる半波波形内に配分されている点に第１の特徴があり、前記燃料ポンプ、燃料噴射弁、および点火装置のそれぞれの主動作が、前記半波波形内で、最大振幅時寄りに配置されている点に第２の特徴がある。
【０００６】
また、本発明は、前記発電機が単相２極の磁石発電機であり、その出力が全波整流されて電力として取り出される点に第３の特徴がある。
【０００７】
また、本発明は、前記エンジンが４サイクル単気筒エンジンであり、前記燃料噴射弁が、圧縮行程に対応して現れる前記半波波形に同期させて駆動させる点に第４の特徴がある。
【０００８】
さらに、本発明は、前記エンジンが、手動操作で始動させるリコイルスタータを備えている点に第５の特徴がある。
【０００９】
本発明によれば、燃料噴射に必要な電子制御部品の動作が重ならないようにして、使用電力のピーク値を抑制することにより、各電子制御部品への電力供給を安定に行うことができる。第２の特徴によれば、エンジン回転数の変化に対応して発電機出力の実効値が大きく変動するが、最大振幅時寄りで動作させて効率よく電力を得るようにしているので、エンジン回転数が低くて出力の実効値が小さいときでも容易に必要電力を確保することができる。
【００１０】
第３の特徴によれば、効率よく電力を得られることから単相２極の発電機を使用して電力確保できるようになる。したがって、発電機の巻線部の小型化が可能となり、コスト削減はもとより、発電機内に他の部品等を配置可能なスペースが生じるので、レイアウトの自由度が増大する。
【００１１】
第４の特徴によれば、発電機の出力波形に対応して燃料噴射タイミングを簡単に設定することができる。
【００１２】
第５の特徴によれば、リコイルスタータの簡単な始動操作性により、一般のエンジン作業機に対して優れた汎用搭載性能を得ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図６は本発明の一実施形態に係るエンジン発電装置の構成を示す図である。同図において、エンジン１のシリンダ２にはピストン３および点火プラグ４が配されている。シリンダ２の上部に開口する吸気ポート５には吸気弁６が設けられ、吸気ポート５は、吸気管７およびエアクリーナ８を介して大気に連通する。吸気管７の途中には、スロットル弁９が設けられ、スロットル弁９の上流側に燃料噴射弁（以下、単に噴射弁という）１０および吸気温を検出する吸気温センサ１１が配されている。スロットル弁９の開度はスロットル開度センサ１２で検出される。シリンダ２の周りには冷却水が循環する通路２ｂが形成されていて、冷却水温度はシリンダ２の壁面に設けられた水温センサ２ａによって検出される。
【００１４】
噴射弁１０に供給する燃料を貯蔵する燃料タンク１３が設けられ、燃料タンク１３と噴射弁１０とは燃料供給管１４で連結される。燃料供給管１４の途中には燃料ポンプ１５が設けられる。燃料ポンプ１５は燃料を所定値に圧力調整して噴射弁１０に供給する機能を有する。この噴射弁１０により、スロットル弁９の上流側で吸気管７内に燃料が噴射される。
【００１５】
エンジン１のクランク軸１６には、環状部分を有するフライホイール１７が固定され、このフライホイール１７の環状部分の内周にはマグネット１８および１９が取り付けられている。マグネット１８，１９に対向する位置に、固定子鉄心２０が設けられ、固定子鉄心２０には巻線２１が巻回されている。これら、マグネット１８，１９、固定子鉄心２０、および巻線２１によって単相２極の発電機（主電源）２２を構成する。クランク軸１６には、リコイルスタータを係合させるための連結部品（図示せず）が設けられる。リコイルスタータおよびその取り付け構造は、例えば、特開平２００１−２０７９４１号公報や特開２０００−３２８９５７号公報等に記載されている。
【００１６】
巻線２１は、発電電圧の整流および安定化を行う電源回路２３に接続され、電源回路２３は電子コントロールユニット（以下、ＥＣＵという）２４に電源電圧を供給する。センサ１１，１２，２ａの検出信号はＥＣＵ２４に供給される。
【００１７】
ＥＣＵ２４は、燃料ポンプ１５、点火装置２７、および噴射弁１０に、駆動のための信号を供給する。また、燃料ポンプ１５、点火装置２７、および噴射弁１０へは、図示しないケーブルで電源回路２３を介して電力が供給される。
【００１８】
図３は、電源回路２３を含む電気系統図である。同図において、発電機２２の出力は、全波整流器２５を介して電源回路２３に接続される。電源回路２３は、全波整流器２５を介して入力される出力電圧を定電圧（例えば、１４．５ボルト）に調節する定電圧レギュレータ２３１およびトランジスタ２３２、並びにバックアップ用の電池２３３およびその充電器２３４を備える。電池２３３は、再充電可能な電池、例えば、定格電圧６ボルトのニッケルカドミウム電池が適当である。電池２３３と電源ラインＬとの間には逆流防止用のダイオード２３５が設けられる。
【００１９】
定電圧レギュレータ２３１は全波整流器２５の出力を予定電圧以下になるようにトランジスタ２３２を制御する。電池２３３は、充電電圧が所定値（６ボルトより低い値）以下になったときに充電器２３３がオンとなって発電機２２の出力で充電されるようにＥＣＵ２４で制御される。電源回路２３の出力側には、電源スイッチ２６を介して、ＥＣＵ２４、燃料ポンプ１５、噴射弁１０、点火装置２７、およびエンジン回転数制御用の電子ガバナ２８が接続される。発電機２２の出力波形が、例えば定電圧レギュレータ２３１において検出され、発電機２２の回転数つまりエンジン１の回転数ＮＥの算出のためＥＣＵ２４に入力される。ＥＣＵ２４は、出力波形の周波数からエンジン１の回転数ＮＥを算出する。また、ＥＣＵ２４は、入力された出力波形に基づいて、この波形の振幅がゼロの位置、つまり全波整流された発電機出力の半波波形の立ち上がりの位置が検出される。この半波波形の立ち上がりは、後述の電子制御部品の動作タイミングを決定する際に使用される。
【００２０】
電源回路２３には、外部の蓄電池、例えば、定格電圧１２ボルトの蓄電池２９を接続するための外付け端子Ｔを備えることができる。電池２３３が放電したときに補助として蓄電池２９を接続できるようにするためである。蓄電池２９はヒューズ３０およびスイッチ３１を介して外付け端子Ｔに接続される。
【００２１】
図４は、発電機２２の出力波形の一例を示す図である。同図において、ニッケルカドミウム電池である電池２３３の電圧（６ボルト）を参照のためラインＡで示し、レギュレータ２３１の最大出力電圧（１４．５ボルト）はラインＢで示される。エンジン回転数ＮＥが１００ｒｐｍ（第１の回転数）のときは、全波整流器２５で整流後の発電機２２の出力電圧Ｖ１は電池２３３の電圧ラインＡより低い。そして、エンジン回転数ＮＥが１０００ｒｐｍ（第２の回転数）のところでは、発電機２２の整流後の出力電圧Ｖ２は電池２３３の電圧ラインＡを超え、レギュレータ２３１の最大出力電圧ラインＢにほぼ近付いている。
【００２２】
本実施形態では、このようなエンジン低回転時の発電機２２の出力を考慮して、次のように、エンジン始動時の各電子制御部品の動作タイミングが制御される。図２は、電子制御部品としての燃料ポンプ１５、噴射弁１０、点火装置２７、および電子ガバナ２８の、エンジン回転数ＮＥに関連した動作タイミングを示すタイミングチャートである。同図において、タイミングｔ１で電源スイッチ２６をオンにすると、燃料ポンプ１５が駆動（オンに）される。この時点ｔ１ではエンジン１は回転していないので、電源ラインＬの電位より電池２３３の電圧が高い。したがって、ダイオード２３５を通じて、電池２３３から燃料ポンプ１５に電力が供給される。
【００２３】
燃料ポンプ１５が駆動されると燃料圧力が高くなって燃料噴射が可能になるので、その後、リコイルスタータを操作してエンジン１を始動させる。リコイルスタータによってエンジン１が回転を開始し、エンジン回転数ＮＥが第１の回転数、例えば１００ｒｐｍに達した時点ｔ２で、燃料ポンプ１５を停止（オフに）する。そして、噴射弁１０および点火装置２７を動作させてエンジン１を点火させる。噴射弁１０および点火装置２７は、両者が同時に駆動されないようにタイミングおよび動作時間が設定される。両者が同時に駆動されると、電力消費が大きくなって、電池２３３および発電機２２による供給電力が不足するからである。
【００２４】
エンジン回転数ＮＥが第２の回転数、例えば１０００ｒｐｍに達したならば、エンジン１は確実に起動されたと判断できるし、上述のように、発電機２２の出力電圧は上昇している。したがって、タイミングｔ３からは、燃料ポンプ１５、噴射弁１０、点火装置２７、および電子ガバナ２８をすべて作動させて、エンジン１を定格運転させることができる。そして、図１の最下段に示すように各部の動作状態によって変化するエンジン始動時の消費電力量に応じて電源回路２３から好適に電力を供給することができる。
【００２５】
なお、エンジン回転数が、一旦第１の回転数を超えた後に低下した場合、つまり始動に失敗した場合は、噴射弁１０と点火装置２７の動作は停止し、燃料ポンプ１５が駆動される。したがって、始動を失敗しても、直ちにリコイルスタータを操作して再びエンジン１の始動操作を開始させることができる。
【００２６】
図５は、エンジン始動に係るＥＣＵ２４の要部機能を示すブロック図である。エンジン始動のために、エンジン回転数検出部１００と駆動部１１０とを備える。エンジン回転数検出部１００および駆動部１１０はともに電源スイッチ２６がオンになって電源回路２３からの電力供給が開始されると作動する。エンジン回転数判別部１００は、エンジン回転数ＮＥが第１の回転数を超えているときに検出信号ｓ１を出力するとともに、エンジン回転数ＮＥが第１の回転数より高い第２の回転数を超えているときには検出信号ｓ２を駆動部１１０に入力する。駆動部１１０は、エンジン回転数検出部１００からの信号ｓ１，ｓ２によって予定の動作をする。信号ｓ１が検出されないとき、つまりエンジン回転数ＮＥが第１の回転数より低いと判断された場合は、燃料ポンプ１５を駆動する。一方、信号ｓ１が検出された場合、つまりエンジン回転数ＮＥが第１の回転数を超えていると判断された場合は、燃料ポンプ１５を停止させて、噴射弁１０および点火装置２７を駆動する。但し、噴射弁１０および点火装置２７は互いに交互に駆動され、両者が同時に駆動されていることがないようにする。
【００２７】
駆動部１１０は、検出信号ｓ２が検出されると、エンジン１が自力で確実に回転していると判断して燃料ポンプ１５、噴射弁１０、点火装置２７、電子ガバナ２８を駆動する。エンジン１の始動に失敗すると、エンジン回転数ＮＥが第１の回転数以下になって検出信号ｓ１が消滅するので、再び、燃料ポンプ１５のみが駆動される。
【００２８】
燃料ポンプ１５、噴射弁１０および点火装置２７の動作タイミングを、電源回路２３の出力電圧に関してさらに詳述する。
【００２９】
図１は、全波整流器２５の出力波形と燃料ポンプ１５、噴射弁１０および点火装置２７の動作タイミングとの関係を示す図である。エンジン始動時およびエンジン完爆後の通常運転時のいずれにおいても出力波形に対する動作タイミングは同一である。
【００３０】
本実施形態では発電機２２が単相２極であるので、全波整流器２５による出力はエンジン１の１回転毎に４つの半波波形を形成する。エンジン１は２回転で１サイクルを実行する４サイクルエンジンである。第１の回転つまり吸気および圧縮時に形成される４つの半波波形の後半の２つの半波波形に同期させて、点火装置２７に対する充電および放電、並びに噴射弁１０の駆動を行う。点火装置２７の充電と、点火装置２７の放電および噴射弁１０の駆動とは、２つの半波波形に分配して同期させる。点火装置２７の充電と放電とでは、充電の方が放電よりも消費電力が大きく、放電動作のための消費電力はわずかである。放電は、単にトリガ信号を供給するだけだからである。このように、単一の電子制御部品で複数の動作を行わせる場合、消費電力が最も大きい動作（主動作）が、他の電子制御部品の主動作と重なって同じ半波波形内に配分されることがないようにする。例えば、点火装置２７の充電と噴射弁１０の駆動とは互いに異なる半波波形に同期させて動作させる。また、第２の回転つまり爆発および排気時に形成される４つの半波波形の後半の２つの半波波形にそれぞれ同期させて、燃料ポンプ１５を駆動する。噴射弁１０等、電子制御部品の動作電圧は電池２３３の電圧に適合するように、例えばニッケルカドミウム電池の電圧６ボルトに適合するように設定されている。
【００３１】
点火装置２７の充電や放電、並びに噴射弁１０の駆動は、半波波形に対してその時間が短いので、それぞれ、エンジン１の点火時期に適合するように、電圧ラインＬの電圧値が６ボルトを超えているタイミングで開始させればよい。例えば、別途設定された燃料噴射時期において電圧が６ボルトに達していないときは、その後、電圧ラインＬの電圧が６ボルトに達したときに噴射弁１０を駆動する。また、燃料噴射時期において電圧ラインＬの電圧が６ボルトに達していたときは、直ちに噴射弁１０を駆動する。半波波形の周期は短い（３６００ｒｐｍで約４ミリ秒）ので、燃料噴射時期を半波波形に合わせて多少ずれることがあっても、エンジン１の運転に影響はない。
【００３２】
一方、燃料ポンプ１５は、半波波形の立ち上がりを検出後、電圧値がしきい値、例えば６ボルトを超えたときにオンになるように設定する。これによって、半波波形内で効率的に燃料ポンプ１５に電力を供給することができる。
【００３３】
半波波形に対する噴射弁１０等、上記電子制御部品の動作の同期は、上記の例に限らず、半波波形内で、効率的に電力を取り出せるものであればよい。つまり、所定の動作電圧（例えば６ボルト）が、所定の動作時間維持できるように各半波波形内での動作開始タイミングを設定すればよい。好ましくは、半波波形の最大振幅時寄りの位置に各電子制御部品の動作タイミングを設定する。これによって、エンジン回転数が低くて電力の実効値が低いときでも、所定の動作電圧を確保することが容易になる。
【００３４】
なお、本実施例では、リコイルスタータで始動させるエンジンで駆動される発電装置の燃料噴射装置に関して説明した。しかし、本願発明はこれに限定されず、スタータモータで始動される発電装置に適用しても、電力の効率的利用が図れるのはもちろんである。
【００３５】
【発明の効果】
燃料噴射のために消費される電力のピークが大きくなるのを避けることができ、効率よく電力を確保することができるので、本発明の燃料噴射制御装置を適用するエンジンで駆動される発電機の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】全波整流器の出力波形と電子制御部品の動作タイミングとの関係を示す図である。
【図２】エンジン回転数に関連した電子制御部品の動作タイミングを示すタイミングチャートである。
【図３】電源回路を含むエンジンの要部電気系統図である。
【図４】主電源としての発電機の出力波形の一例を示す図である。
【図５】エンジン始動に係るＥＣＵの要部機能を示すブロック図である。
【図６】本発明の一実施形態に係るエンジンの構成を示す図である。
【符号の説明】
１ エンジン
７ 吸気管
１０ 噴射弁
１５ 燃料ポンプ
２０ 鉄心
２１ 巻線
２２ 発電機（主電源）
２３ 電源回路
２７ 点火装置
２３３ 電池

Claims (5)

1. エンジンで駆動される発電機の単相出力を整流して得られる電力で動作する燃料ポンプ、燃料噴射弁、および点火装置を有する内燃エンジンの電子制御式燃料噴射装置において、
   前記燃料ポンプ、燃料噴射弁、および点火装置のそれぞれの主動作が、前記整流された電力の半波波形のうち、互いに異なる半波波形内に配分されていることを特徴とする内燃エンジンの電子制御式燃料噴射装置。
2. 前記燃料ポンプ、燃料噴射弁、および点火装置のそれぞれの主動作が、前記半波波形内で、該波形の最大振幅時寄りに配置されていることを特徴とする請求項１記載の内燃エンジンの電子制御式燃料噴射装置。
3. 前記発電機が単相２極の磁石発電機であり、その出力が全波整流されて電力として取り出されることを特徴とする請求項１または２記載の内燃エンジンの電子制御式燃料噴射装置。
4. 前記エンジンが４サイクル単気筒エンジンであり、前記燃料噴射弁が、圧縮行程に対応して現れる前記半波波形に同期させて駆動させることを特徴とする請求項３記載の内燃エンジンの電子制御式燃料噴射装置。
5. 前記エンジンが、手動操作で始動させるリコイルスタータを備えていることを特徴とする請求項１記載の内燃エンジンの電子制御式燃料噴射装置。

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