JP2005307855A - エンジン点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
エンジンの低回転域で点火動作を阻止することによってケッチンの発生を防止する。
【解決手段】
エンジンで駆動される発電機１２から供給される電力でマイコン３６が動作してエンジンの点火装置が制御される。リコイルスタータの始動操作によって発電機１２で得られた出力電圧がマイコン３６の動作電圧に到達するより先にトランジスタ３９がオンになってトランジスタ４０がオフになるようにして低回転域で点火コイル３１への通電を阻止する。発電機１２の出力がマイコン３６の動作電圧に到達した時点で、マイコン３６はエンジン回転数を算出し、このエンジン回転数が禁止判定回転数に到達するまでマイコン３６は点火指令の出力を禁止する。そして、エンジン回転数が禁止判定回転数に到達した時点で点火指令の出力禁止を解除する。点火コイル３１に印加される電圧が禁止判定電圧に到達するまで点火指令の出力禁止はさらに持続される。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジン点火装置に関し、特に、人力で始動操作されるエンジンにおいて低回転域での点火性能を向上させることができるエンジン点火装置に関する。

リコイルスタータ等を使って人力で始動操作され、機械的に始動される（つまりバッテリを使用しないで始動される）比較的小型のエンジンでは、始動操作によって機械的に回転された発電機の出力電力で点火装置を付勢する。このため、通常は始動性能を高める観点で低い回転数から点火装置が付勢されるように設定されている。

しかし、低い回転数から点火装置が動作できるようにすることによって、始動失敗時の慣性回転終了間際にエンジンの逆回転が発生することがある。この逆回転現象は「ケッチン」と呼ばれる。ケッチン発生時の対策として、点火コイルを巻いた鉄心とロータとのギャップを、逆回転時に点火コイルに発生する電流を低く抑えるように設定している点火装置が提案されている（実公昭６３−２１７３９号公報）。

一方、近年は比較的小型のエンジンについてもＣＰＵつまりマイコンが搭載されるようになってきており、このようなエンジンでは、点火装置をＣＰＵで制御して点火動作の開始電圧を所定値以上にして、回転数が所定値以下に低下したときに点火動作を不能にしてケッチンを防止することが考えられる。
実公昭６３−２１７３９号公報

リコイルスタータ等を使って人力で始動用電力を発生させる形式のエンジンでは、例えば、特許第２５８０３６７号公報に開示されているように、リコイルスタータ操作で得られる電力でまずＣＰＵ電源を確保する必要がある。一方で、フライホイルの慣性回転中の限られた着火機会を確実に生かす必要があるので、始動操作による少ない発電電力を効果的に使うことが求められる。

そこで、ＣＰＵが搭載されたエンジンで、慣性回転中の着火機会を確実に生かしながら、低回転域での点火動作を禁止することによってケッチンを防止できる点火装置が望まれる。このような要求は、バッテリで始動されるスタータモータを搭載したエンジンであっても、バッテリの過放電時等に始動可能なようにリコイルスタータ等の人力始動操作装置を設ける場合も同様である。

本発明は、上記要望に応えるものであり、その目的は、比較的小型のエンジンにおいてケッチン発生を抑制しつつも始動性を向上させるのに好適なエンジン点火装置を提供することである。

本発明は、主電源としての発電機を駆動するとともに該発電機から供給される電力で動作するマイコンで制御されるエンジン点火装置において、人力操作されて機械的に前記エンジンを回転させる、例えばリコイルスタータ等の始動装置と、前記始動装置によって前記発電機が回転して出力を生じた後、その出力電圧が前記マイコンの動作電圧に到達するより前の時点で点火コイルへの通電を禁止する通電禁止回路と、前記発電機出力が前記マイコンの動作電圧に到達した時点で点火指令の出力を禁止し、その出力禁止を、該マイコンのエンジン回転数計算機能によって算出されたエンジン回転数が禁止判定回転数に到達した時点で解除するまで持続する点火禁止手段とを備えた点に第１の特徴がある。

また、本発明は、前記通電禁止回路が、前記点火禁止手段による点火指令出力禁止解除に連動して前記点火コイルに対する通電禁止を解除するように構成された点に第２の特徴がある。

また、本発明は、前記点火禁止手段が、前記点火コイルの一次コイルに印加される点火一次電圧が前記禁止判定電圧に到達するまで点火指令の出力禁止を持続するように構成された点に第３の特徴がある。

本発明によれば、ケッチンが発生しやすい低回転領域での点火動作を確実に禁止することができる。また、低回転領域での点火コイルへの通電を禁止することで、低回転域での電力エネルギの消耗が抑制されるため、リコイルスタータ等による始動操作で得られた発電機出力を、より着火し易い回転領域で効率的に使用することが可能になる。

特に、リコイルスタータを使用する場合は、手軽に始動操作を行うことができるし、リコイルスタータは、バッテリの過放電時対策としてスタータモータと併設することが簡単である。

また、通電禁止回路で実施された点火コイルに対する通電禁止動作を、点火禁止手段としてのマイコンによる禁止出力で引き継ぐだけなので、回路構成が簡単である。

さらに、点火コイルの一次側電圧が確保できたことを確認した後に点火動作が可能になるので、点火コイルの充放電動作が確実に行われる。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図２は本発明の一実施形態に係る点火装置を含むエンジン発電機のシステム構成を示すブロック図である。同図において、エンジン１は主電源としての発電機の駆動源として使用されるものである。エンジン１にはエンジン温度を検出するための温度センサ２が設けられる。温度センサ２は、例えば、シリンダヘッド２ａに設けられる。さらにシリンダヘッド２ａには、点火プラグ３、吸気弁４および排気弁５が設けられる。

吸気弁４が設けられた吸気管６には、キャブレータ７が接続される。キャブレータ７は下流側に配置されたスロットルバルブ８と、その上流に配置されたチョークバルブ９とを備える。スロットルバルブ８はステッピングモータ１０で駆動されて開閉され、チョークバルブ９はステッピングモータ１１で駆動されて開閉される。

エンジン１の出力軸は、固定子巻線が３相で、アウタロータ磁極が３０極のアウタロータ型多相（３相）磁石発電機（以下、単に「発電機」という）１２に連結される。発電機１２はエンジン１で駆動されて交流を発生する。この交流は一旦整流された後、インバータ１３で所定周波数（５０もしくは６０Ｈｚの商用周波数）に制御され商用電源電圧の電力として出力される。

発電機１２は、エンジン１の始動用モータ（スタータモータ）を兼用する。発電機１２のアウタロータ１２ａは、エンジン１のクランク軸１ａつまり出力軸に結合されるフライホイールと、その内周部分に取り付けられる３０個のマグネットとからなる。アウタロータ１２ａの内側には、３相の発電コイルが巻回されたステータ１２ｂが設けられる。クランク軸１ａには手動始動のためのリコイルスタータ（図示せず）が連結される。

発電機１２のアウタロータ１２ａには点火時期算出のための基準位置検出用のリラクタ１４が設けられ、アウタロータ１２ａには、リラクタ１４を感知して基準位置である上死点前所定位置の検出信号（基準位置信号）を出力するＢＴＤＣセンサつまり点火パルサ１５が設けられる。リラクタ１４は、基準位置信号が上死点前３０°以上で出力されるように点火パルサ１５との相対位置関係を決定して設けられる。

点火プラグ３の点火時期およびチョークバルブ９の開度は運転制御部１６で制御される。チョーク制御部１７は温度センサ２で検出されるエンジン温度およびエンジン回転数に従ってステッピングモータ１１を駆動して、温度に対応した適度な空燃比を得られるようにチョークバルブ９を作動させる。エンジン回転数は後述するパルス列信号のパルス周期によって計算することができる。

負荷が変動してもエンジン回転数を所定の基準回転数に維持するよう電子ガバナによってステッピングモータ１０が制御されてスロットル開度θＴＨが決定される。したがって、スロットル開度θＴＨによってインバータ１３の出力側に接続される電気負荷が判断される。また、インバータ１３の出力電力は負荷に応じて変化するので、インバータ１３の出力電力によっても負荷の大きさを判断することができる。

点火制御部１８は、点火パルサ１５および発電機１２の交流出力波形に基づいて点火時期を最適に制御する。波形整形部１９，２０は、それぞれ点火パルサ１５の出力波形および発電機１２の交流出力波形を整形する。点火時期は波形整形部１９，２０から供給される波形のタイミングによって後述のように制御される。

電源部２１は、運転制御部１６に必要な電源を形成するものであり、バッテリ２５および発電機１２の整流後電圧（インバータ１３の入力側電圧）を所定電圧の制御電源とするためのレギュレータを含む。運転制御部１６には、発電機１２の運転状態などを表示する液晶ディスプレイ２２を設けることができる。また、発電機１２を遠隔制御できるように、リモコン装置２３を接続するためのインタフェース２４を設けることもできる。チョーク制御部１７や点火制御部１８はマイコンで構成できる。

次に、点火制御部１８を説明する。図３は、点火タイミング検出部の拡大図であり、図４は、点火パルサ１５の出力電圧波形を示す図である。点火パルサ１５は、アウタロータ１２ａの外周に設けられたリラクタ１４の前端を検出してプラス側のピーク電圧を発生し、リラクタ１４の後端を検出してマイナス側のピーク電圧を発生する。この両ピーク電圧間の時間（以下、「リラクタ時間Ｔｐ」という）はリラクタ１４の回転方向の長さとアウタロータ１２ａの回転数の関数である。リラクタ１４の長さは決定されているので、リラクタ時間Ｔｐはアウタロータ１２ａの回転数つまり発電機１２の回転数を代表する。図４のリラクタ１４の前端が点火パルサ１５で検出される位置は、上述のように予め上死点前３０°以上、例えば上死点前３１°に設定される。そして、リラクタ１４の後端の検出信号は上死点前２０°の位置に対応するようにリラクタ１４の長さは決定される。

図５は、点火制御部１８を構成するマイコンの要部機能を示すブロック図であり、図６は、点火制御部１８による点火制御のタイミングチャートである。両図において、波形整形部２０は、ステータ１２ｂの３相出力のうち１相を波形整形してパルス列信号を生成する。このパルス列信号はクランク軸１ａの１回転につき１０個のパルスを含む。つまり、パルスの１周期がクランク角３６°に相当する。

前記パルス列信号はカウンタ２６に入力され、カウンタはパルス列信号のパルス数を計数する。波形整形部１９は点火パルサ１５の出力波形を整形して基準位置信号としてカウンタ２６に入力する。基準位置信号はクランク軸１ａの１回転につき１回出力され、この基準位置信号の立ち下がり（タイミングｔ１）でカウンタ２６によるパルスの計数値は「０」にリセットされる。したがって、カウンタ２６の計数値は上死点前の所定クランク角を基準位置とした３６°毎のクランク角を表す。

カウンタ２６は、予定のパルス数を計数したところで所定の処理を実行させる。この例では、カウンタ２６は、第１のパルス数として７パルスを計数したとき（そのパルスの立ち下がりつまりタイミングｔ２）に点火時期計算部２７を付勢し、点火時期つまり点火プラグ３で点火すべきクランク角を計算する。この点火時期つまりクランク角は、角度・時間変換部２８で時間に換算され、その時間は通電開始タイマ２９にセットされる。

そして、カウンタ２６は、第２のパルス数として８パルスを計数したとき（そのパルスの立ち下がりつまりタイミングｔ３）に通電開始タイマ２９を始動する。通電開始タイマ２９には、点火コイル３１に対する通電を開始する時期が設定される。通電開始時期は、点火時期から必要な通電時間を差し引いて計算される。

通電開始タイマ２９がタイムアップしたとき（タイミングｔ４）に点火コイル３１に通電が開始され、通電タイマ３０が始動される。そして、通電タイマ３０がタイムアップしたとき（タイミングｔ５）に通電が終了され、点火プラグ３で点火される。

通電の終了時期は次のように修正できる。通電時間内に検出される点火パルサ１５の出力の立ち上がりで、より正確に点火時期を再計算し、この時間に対応した時間を計数する点火タイマ（図示せず）を始動させ、この点火タイマのタイムアップ時に通電を終了して点火プラグに点火する。再計算では、点火パルサ１５の出力立ち上がり時点のエンジン回転数によりエンジン回転数が予定回転数より高い時は通電時間を短くし、エンジン回転数が低い時には通電時間を長くして点火時期が適正になるように補正する。

前記点火時期計算部２７は、エンジン回転数ＮＥおよびインバータの出力電圧つまり負荷（ＶＡ）に応じて点火時期を決定するように構成される。

発電機１２の負荷はスロットルバルブの開度を決定するためステッピングモータ１０に供給されるパルス数（ステップ数）によって判断できる。したがって、点火時期は、負荷（ＶＡ）に代えてスロットル開度θＴＨを代表するパルス数とエンジン回転数をパラメータとして決定するのであってもよい。後述する点火動作の阻止が解除された後のエンジン回転数が比較的低い領域では、特に、ケッチンを防止するため点火時期は十分に遅くなるよう設定しておくのがよい。

点火動作は、発電機１２の回転数（＝エンジン回転数）および点火一次電圧に応じて、許可もしくは禁止される。図７および図８は、点火動作阻止の処理に係るマイコンの要部機能を示すブロック図である。図７において、回転数検出部３２は、点火パルサ１５の出力波形（図４の波形整形後のもの）の立ち上がりでクロックパルスの計数を開始して、立ち下がりで計数を終了するカウンタで構成され、このカウンタの値つまりリラクタ時間Ｔｐを出力する。回転数判定部３３は、リラクタ時間Ｔｐが予定の禁止判定回転数（例えば１８０ｒｐｍ）に相当する値以上であるか未満であるかを判定する。そして、発電機１２の回転数がこの予定回転数以上であればオン信号（ハイレベル信号）を出力し、発電機１２の回転数がこの予定回転数未満であればオフ信号（ローレベル信号）を出力する。図５に示した機能による点火は、この回転数判定部３３がオン信号を出力しているときには許可されるが、回転数判定部３３がオフ信号を出力しているときには禁止される。

前記回転判定部３３に加えて点火一次電圧判定部３４を設けることができる。図８において、点火一次電圧判定部３４は、点火電源３８から出力される点火コイル３１の一次側電圧が予定の禁止判定電圧（例えば、１０Ｖ）以上であるか、未満であるかを判定する。そして、点火一次電圧がこの予定電圧上であればオン信号を出力し、点火一次電圧がこの予定電圧未満であればオフ信号を出力する。

回転数判定部３３の出力および点火一次電圧判定部３４の出力はアンドゲート３５に入力される。したがって、回転数判定部３３の出力オン信号は、点火一次電圧判定部３４の出力がオン信号である場合にだけゲート３５を介して出力される。つまり、発電機１２の回転数が予定回転数以上であって、しかも点火一次電圧が予定電圧以上であるときにだけ点火が許可される。

さらに、マイコンが立ち上がるよりも前つまりマイコンの動作電圧が確保される回転数より低い低回転域において点火コイルへの通電を禁止することで点火動作を阻止する回路を含む点火制御部１８を説明する。図１は、低回転域での点火コイルへの通電禁止回路を含む点火制御部１８の例を示す回路図である。マイコン３６は上述の機能を有するものである。電源コンバータ３７は、発電機１２の出力を制御するダウンコンバータであり、この電源コンバータ３７の出力は点火電源３８に入力される。点火電源３８は点火用一次電圧（例えば、１５Ｖ）を発生させるＲＣＣ回路からなる。

点火電源３８の出力側は、点火コイル３１に接続されるとともに、抵抗Ｒ１を介してトランジスタ３９のコレクタおよびトランジスタ４０のベースに接続される。トランジスタ４０のコレクタは点火コイル３１の一次側コイルに接続される。また、点火電源３８は分圧抵抗Ｒ２，Ｒ３に接続され、抵抗Ｒ２，Ｒ３間の結合部はマイコン３６の出力端子（点火出力端子）およびトランジスタ３９のベースに接続される。トランジスタ３９，４０のエミッタは接地される。さらに、点火電源３８の出力側は３端子レギュレータ４１を介してマイコン３６に接続される。３端子レギュレータ４１は入力電圧をマイコン３６の電源電圧（５Ｖ）に調整して出力する。波形整形部１９で波形整形された点火パルサ１５の出力電圧はマイコン３６に入力される。トランジスタ３９，４０は、トランジスタ３９がトランジスタ４０より先にオンとなるように抵抗Ｒ１〜Ｒ３を設定しておく。

図１において、リコイルスタータでエンジンの始動操作をすると、発電機１２が回転して出力を発生する。発電機１２の出力が上昇すると、まず、トランジスタ３９がオンになるので、トランジスタ４０のオン動作が禁止される。つまり点火コイル３１への通電が阻止される。

その後、発電機１２の出力が上昇して３端子レギュレータ４１の出力電圧によってマイコン３６が立ち上がり、かつ、前記回転数および点火一次電圧に基づき点火許可状態となった後、マイコン３６は、トランジスタ３９をオフにする通電開始信号を出力する。通電開始信号に応答してトランジスタ３９がオフになると、トランジスタ４０は、そのゲートに点火電源３８から電圧が印加されてオンになる。そうすると、このトランジスタ４０を通じて点火コイル３１の一次側に点火電源３８から通電される。所定の通電時間が終了すると、マイコン３６は、トランジスタ３９をオンにする通電終了信号を出力する。これによって、トランジスタ３９がオンになり、トランジスタ４０はオフに切り替わる。トランジスタ４０がオフに切り替わることにより、点火コイル３１の二次側に高電圧が発生して点火プラグ３はスパークすなわち点火する。

このように、本実施形態によれば、マイコンが立ち上がるまでの低回転域では、マイコンによらずに回路構成で点火動作を阻止することができる。また、発電機によって得られる電圧が上昇してマイコンが立ち上がった後は、マイコンによる処理で、予定の回転数および電圧条件を満足するまで、点火動作を継続して阻止することができる。

本発明の一実施形態に係る点火装置の回路図である。 本発明の一実施形態に係る点火装置を含むエンジン駆動発電機のシステム構成を示すブロック図である。 点火タイミング検出部の拡大図である。 点火パルサの出力電圧波形を示す図である。 点火制御のための要部機能を示すブロック図である。 発電機出力に対応する点火時期のタイミングチャートである。 点火禁止手段の要部機能を示すブロック図である。 点火禁止手段の変形例に係る要部機能を示すブロック図である。

符号の説明

１…エンジン、 １２…発電機、 １３…インバータ、 １５…点火パルサ、 １８…点火制御部、 １９，２０…波形整形部、 ２６…カウンタ、 ３３…回転数判定部、 ３４…点火一次電圧判定部、 ３６…マイコン（ＣＰＵ）

Claims (4)

1. 主電源としての発電機を駆動するとともに該発電機から供給される電力で動作するマイコンで制御されるエンジン点火装置において、
   人力操作されて機械的に前記エンジンを回転させる始動装置と、
   前記始動装置によって前記発電機が回転して出力を生じた後、その出力電圧が前記マイコンの動作電圧に到達するより前の時点で点火コイルへの通電を禁止する通電禁止回路と、
   前記発電機出力が前記マイコンの動作電圧に到達した時点で点火指令の出力を禁止し、その出力禁止を、該マイコンのエンジン回転数計算機能によって算出されたエンジン回転数が禁止判定回転数に到達した時点で解除するまで持続する点火禁止手段とを備えたことを特徴とするエンジン点火装置。
2. 前記通電禁止回路が、前記点火禁止手段による点火指令出力禁止解除に連動して前記点火コイルに対する通電禁止を解除するように構成されたことを特徴とする請求項１記載のエンジン点火装置。
3. 前記点火コイルが一次コイルおよび二次コイルを備え、
   前記点火禁止手段が、前記一次コイルに印加される点火一次電圧が前記禁止判定電圧に到達するまで点火指令の出力禁止を持続するように構成されたことを特徴とする請求項１記載のエンジン点火装置。
4. 前記始動装置が、リコイルスタータであることを特徴とする請求項１記載のエンジン点火装置。
   
   

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