JP2007046495A - 作業機用エンジンの回転数制御装置 - Google Patents

作業機用エンジンの回転数制御装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 ガバナ機構を有しない作業機用エンジンにおいて所定回転数で点火時期を切り替えてエンジン回転数を増減制御する際に、スロットル開度操作に対するエンジン回転数の応答遅れを少なくする。
【解決手段】 点火時期切り替えのためのエンジン回転数を４０００ｒｐｍと５０００ｒｐｍとに設定する。スロットル開度増大時にはエンジン回転数４０００ｒｐｍで第１の点火時期から段階的に第２の点火時期まで進角させて、高回転用の回転制御特性Ｃ３０に切り替える。スロットル開度低減時にはエンジン回転数５０００ｒｐｍで第２の点火時期から段階的に第１の点火時期まで遅角させて、低回転用の回転制御特性Ｃ０５に移行させる。回転制御特性の切り替わりタイミングはスロットル開度増減時で異なるが、その差は小さい量ΔＴＨに抑制できる。
【選択図】 図７

Description

本発明は、作業機用内燃機関（以下、「エンジン」という）の回転数制御装置に関し、特に、ガバナ機構つまり機械的調速手段を設けないでエンジン回転数を制御することができるエンジン回転数制御装置に関する。
小型汎用エンジンなどの作業機駆動用エンジンでは、ガバナ機構による気化器の開度調整によって負荷に対する適切なエンジン回転数に制御するのが一般的である。ガバナ機構として、例えば、エンジン回転数に応じた遠心力でリンク機構を動かし、このリンク機構の動きをスロットル弁に伝えてスロットル開度調整を行うものが知られる。しかし、例えば、手持ち型の刈り払い機とかブロアなどの動力源として使用されるエンジンは、比較的高速回転で使用されるため従来のガバナ機構では安定した制御結果が得られにくいとか、作業機の小型軽量化が要望されているとかの背景があってガバナ機構が設けられていないことが多い。
ガバナ機構を有していないエンジンにおいては、点火装置の点火時期がエンジン回転数の変化にかかわらず、ほぼ一定であり、エンジン回転数は気化器のスロットル開度の関数となる。したがって、作業者はスロットル開度調整操作によって可変制御でき、また、スロットル開度を所定値に維持することによってエンジン回転数をほぼ一定値に維持することが可能であった。
これに対して、近年、デジタルＣＤＩのようにエンジンの点火装置をマイクロコンピュータ制御し、エンジン回転数と点火時期との関係を任意に設定可能であることを利用して適当な進角特性をもたせることも行われている（一例として、特開２００５−１６３６１６号公報参照）。
特開２００５−１６３６１６号公報
エンジン回転数に応じて点火時期を切り替え使用できるデジタルＣＤＩにおいて、設定回転数に対する点火時期の選定が適切でないとスロットル開度を変化させてもエンジン回転数が追従しなくなる状況がある。図を参照して説明する。
図８は、２種類の点火時期を使用する場合のスロットル開度／エンジン回転数の対応を示すエンジン特性図である。この２種類の特性は、それぞれ進角３０°の点火時期の特性（「特性Ｃ３０」という）と進角５°の点火時期の特性（「特性Ｃ０５」という）とである。
エンジンを始動してスロットル開度を徐々に開いていくと、エンジン回転数は特性Ｃ０５に従ってアイドル回転数Ｎｅｉｄｌから上昇を開始する。スロットル開度がＸｄｅｇを超えると、点火時期が３０°進角の特性Ｃ３０に移行する。その結果、エンジン回転数は一気にＮｅ１に上昇する。そして、特性Ｃ３０に従ってさらにスロットル開度を大きくして所望の回転まで上昇させて通常の負荷運転に入る。
通常の負荷運転時に、エンジン回転数を低下させるか、アイドル運転に戻すためにスロットル開度を徐々に絞った場合、回転数上昇時に特性Ｃ３０に移行した開度Ｘｄｅｇまでスロットル弁を絞ってもエンジン回転数はＮｅ１に戻らない。そして、スロットル弁を開度Ｙｄｅｇまで絞った時点で特性Ｃ０５に移行して、エンジン回転数が急激にアイドル回転数Ｎｅｉｄｌ近くまで低下する。
このように、スロットル開度を絞っていくときに、エンジン回転数の応答遅れ（スロットル開度差ではΔＴＨ）が発生するので、エンジン回転上昇時とエンジン回転下降時とで、作業機の動作に差が生じて作業者が違和感をもつことがある。
本発明の目的は、上記課題を解消して、スロットル操作に対応して応答遅れを作業者にほとんど感じさせることなくエンジン回転数制御を行うことができる作業機用エンジンの回転数制御装置を提供することにある。
上記目的を達成するための本発明は、機械的調速手段を設けず、エンジンのスロットル開度の操作により、負荷に応じてエンジンの回転数を調節する作業機用エンジンの回転数制御装置において、前記スロットル開度の小さい領域で前記エンジンの点火装置を第１の点火時期で動作させることにより、前記スロットル開度の増大に伴って前記エンジン回転数をアイドル回転数から上昇させる第１の回転制御特性と、前記スロットル開度の大きい領域で前記点火装置を前記第１の点火時期よりも進角側の第２の点火時期で動作させることにより、前記スロットル開度の増大に伴って前記第１の回転制御特性よりも急勾配でエンジン回転数を上昇させる第２の回転制御特性と、前記第１の点火時期および前記第２の点火時期相互間の移行をエンジン回転数に基づいて決定する移行手段とを有しており、前記エンジン回転数の下降過程では、上昇過程で前記第２の点火時期へ移行するエンジン回転数よりも高いエンジン回転数で第２の点火時期から第１の点火時期へ移行するように構成した点に第１の特徴がある。
また、本発明は、前記第１の点火時期から第２の点火時期への進角が、段階的に行われるように構成した点に第２の特徴がある。
また、本発明は、前記エンジン回転数と点火時期とを対応させて管理するデジタル制御式点火装置を具備した点に第３の特徴がある。
さらに本発明は、前記スロットル開度を固定する開度固定機能を備えている点に第４の特徴がある。
第１の特徴によれば、エンジン回転数の上昇過程では、スロットル開度の大きい領域に到達したときに、進角量の大きい第２の点火時期で点火装置を動作させるエンジン回転制御特性に移行して、素速くエンジン回転数を上昇させることができる。一方、スロットル開度を閉じ側に戻してエンジン回転数を下降させる過程では、エンジン回転数上昇過程で第２の点火時期に移行したときよりも高いエンジン回転数になったときにスロットル開度が小さい領域に到達したとみなして、エンジン回転数の上昇過程で第２の点火時期に進角させたエンジン回転数より高い回転数のときに点火時期は、進角量が小さい第１の点火時期に戻される。この動作においては、エンジン回転数下降過程において、エンジン回転数上昇過程と同様のスロットル開度のときにエンジン回転数を低下させることが可能になる。したがって、スロットル開度の低減量によるエンジン回転数の低下応答遅れを作業者がほとんど感じることなくアイドル付近への回転数戻し操作を行うことができる。
第２の特徴によれば、第１の点火時期および第２の点火時期間での相互の切り替えによるエンジン回転数の大幅な変化を段階的に行うことができるので、スロットル開度変化時のエンジン回転数変化が滑らかに行われる。
第３の特徴によれば、エンジン回転数と点火時期とをマップにして制御データを簡単に作成できる。特に第１の点火時期による第１の回転制御特性と、両者間で段階的に進角または遅角する特性とをマップにすればよいので、マップの作成が簡単である。このマップ作成が簡単な点は、回転制御特性をさらに増やした場合にも同様である。
第４の特徴によれば、スロットル開度を固定する機能を設けることで、スロットル開度でエンジン回転数がほぼ一義的に決定される機能を十分に生かして、負荷変動に対して安定した回転数での運転を維持することが可能である。
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回転数制御装置を含むエンジンを搭載した刈り払い機の斜視図、図３はエンジン前部の断面図、図４はキャブレータの平面図である。図２において、刈り払い機１００は、エンジン１と、エンジン１から延びて先端に刈り刃１１０を備えた操作スリーブ２０と、操作スリーブ２０の途中に設けられたハンドル１２０と、ハンドル１２０の右側端部に設けられたグリップ兼用の操作装置１６とを備える。さらに、操作装置１６からエンジンのキャブレータ８まで延びるスロットルケーブル９が設けられる。エンジン１は刈り払い機１００に好適な小型（例えば排気量２５立方cm）の空冷式４ストローク単気筒エンジンである。
図３，４において、前記操作スリーブ２０内を貫通してエンジン１から刈り刃１１０まで延びる伝動軸２が設けられる。伝動軸２は遠心クラッチ３を介して、エンジン１のクランク軸に連結される。遠心クラッチ３は、クランク軸に取り付けられたウェイト（図示せず）が遠心力で外方に変位したときに接触する内面を有する有底ドラム４を備え、このドラム４の底部に伝動軸２が固定される。ドラム４は、クラッチケース６に対して軸受７を介して保持され、ドラム４の外周に押し付けられてドラム４に制動をかけるブレーキシュー５がクラッチケース６に軸支される。伝動軸２は、クラッチケース６に嵌合され、操作スリーブ２０内を刈り刃１００まで延長される。
エンジン１の側部には、キャブレータ８が取り付けられ、このキャブレータ８にスロットルケーブル９を係合させる。ケーブル９は、操作スリーブ２０に沿ってスロットルレバー（後述）まで延びる第１アウタチューブ９ａと、キャブレータ８からスロットルレバーとは反対側に延びる第２アウタチューブ９ｂと、インナワイヤ９ｃとからなる。第１および第２アウタチューブ９ａ、９ｂはブラケット１０ａ，１０ｂにそれぞれ固定される。第１アウタチューブ９ａおよび第２アウタチューブ９ｂの端部にはねじ９ｄ、９ｅがそれぞれ形成されていて、ダブルナット１０ｄ、１０ｅによってブラケット１０ａ、１０ｂを締め付けて固定するようになっている。インナワイヤ９ｃは、一端がスロットルレバーに固定され、他端はブレーキシュー５に対してリンク機構を介して連結される。
キャブレータ８は、ケース１１と図示しないスロットル弁に取り付けられたスロットル軸１２と、スロットル軸１２に取り付けられたスロットルアーム１３と、アーム１３の端部に回動自在に取り付けられたワイヤ連結部１４とを有する。スロットルアーム１３が反時計方向に回動した際に、その端面が当接してスロットル弁の全開位置を規制されるようにストッパ１５が設けられる。前記インナワイヤ９ｃは、連結部１４に固定され、インナワイヤ９ｃをスロットルレバーで引いたときにスロットルアーム１３が揺動してスロットル軸１２が回動する。スロットル軸１２が回動するとともに、インナワイヤ９ｃの端部がリンク機構を介してブレーキシュー５をドラム４から離間するように動作させる。すなわち、スロットル弁の開動作とともにドラム４すなわちドラムに固定されている伝動軸２の制動が解除される。
図５はスロットルレバーを含む操作装置の断面図である。操作装置１６は、ハンドルケース１７と、ハンドルケース１７に揺動自在に軸支されたスロットルレバー１８と、スロットルレバー１８をロックするためにハンドルケース１７に軸支されたロックレバー１９とを有する。スロットルレバー１８およびロックレバー１９はいずれもばね２１，２２によって矢印Ａ１，Ａ２方向にそれぞれ付勢されている。スロットルレバー１８はワイヤ連結用に延長されたアーム１８ａを有していて、このアーム１８ａには、取付部材２３によってインナワイヤ９ｃの一端が固定される。動作時には、ロックレバー１９をハンドルケース１７と共に手で掴んで、アーム１８ａの先端とロックレバー１９の先端１９ａとの係合を解除する。スロットルレバー１８をハンドルケース１７と共に掴めば、インナワイヤ９ｃが引っ張られてスロットル軸１２が回動してスロットル弁が開かれる。スロットルレバー１８を握っている手を緩めれば、ばね２１によってスロットルレバー１８は矢印Ａの方向に回動復帰し、インナワイヤ９ｃはスロットル弁を閉じる方向に動く。
図１は、エンジン回転数制御装置の構成を示す図である。エンジン１はこのエンジン１に直結されるフライホイール発電機を有する。このフライホール発電機のコイル２４から出力される電流は整流回路２５で整流される。整流された電流はレギュレータ２６に入力されて所定の電圧に調節される。つまり、レギュレータ２６はＣＰＵ２７の動作電圧およびイグニッションコイル２８の一次電圧として適するように入力電圧を調整する。
回転数センサ２９は整流回路２５の整流波形に基づいて発電機の１回転毎にパルス信号を出力する。ＣＰＵ２７では、このパルス信号の周期に基づいて発電機の周波数つまりエンジン１の回転数を代表する値を算出する。回転数センサ２９の出力パルスに基づいてＣＰＵ２７で算出されたエンジン回転数に関して点火時期（クランク角度）が設定された点火時期マップ３０が設けられる。ＣＰＵ２７は、点火時期マップ３０から入力されたエンジン回転数に対応する点火時期を検索して読み出す。ＣＰＵ２７は、点火時期をマップから検索するのではなく、予め設定したエンジン回転数の関数式を使って点火時期を計算するように構成してもよい。いずれにしても、エンジン回転数と点火時期との関係はデジタルデータを使用したデジタル演算処理で行われる。
エンジン１のクランク角度は、回転数センサ２９の出力パルスタイミングに、相対位置分の定数を付加することで検知することができる。ＣＰＵ２７は、点火時期マップ３０から読み出したクランク角と回転数センサ２９の出力に基づいて計算された現在のクランク角とが一致したときにイグニッションコイル２８に点火指示を出力する。イグニッションコイル２８はこの点火指示に応答して、点火プラグ３２に接続される二次コイルに高圧を発生させて点火プラグ３２を点火させる。
図６は、エンジン回転数／点火時期マップの一例を示す図である。図に示すように、エンジン回転数が所定の回転数（例えば４０００ｒｐｍ）に到達した時点から段階的に点火時期を進角させていく。この例ではエンジン回転数が４０００ｒｐｍから５０００ｒｐｍまで変化する間に、点火時期を進角量を５°から３０°まで５段階で変化させている。つまり１段階の進角変化量は５°である。このマップに従って、エンジン回転数の下降時には点火時期が段階的に遅角側に移動する。この例では、エンジン回転数が５０００ｒｐｍから４０００ｒｐｍまで変化する間に、点火時期を進角量を３０°から５°まで５段階で変化させている。
このマップに従って点火時期を移行させたときの、エンジン回転数／スロットル開度の変化を図７を参照して説明する。図７において、エンジン回転数／スロットル開度は２種類の点火時期に対応している。図７において、エンジン始動後、点火時期が進角５°の特性（「特性Ｃ０５」）によってアイドル回転数Ｎｅｉｄｌで運転されているときから、スロットル開度を大きくしていく。エンジン回転数が４０００ｒｐｍ（所定の下方回転数）に上昇したとき、図６のマップに従って点火時期が進角側に５°変化し、その後段階的に５°ずつ進角してエンジン回転数が５０００ｒｐｍ（所定の上方回転数）を超えた時点で点火時期が進角３０°の特性（「特性Ｃ３０」）に乗る。その後スロットル開度の増大に従ってエンジン回転数は特性Ｃ３０に従って増大し、通常の負荷運転に入る。そして、エンジン回転数が予定の切り替え回転数（この例では、７０００ｒｐｍ）に到達したときには、図６に示したように進角量を５°まで遅角させることにより、それ以上のエンジン回転数の上昇を抑制する。
一方、通常の負荷運転からスロットル開度を絞ってエンジン回転数を低下させる場合、点線矢印で示すように前記所定の上方回転数つまり５０００ｒｐｍにエンジン回転数が低下した時点で、図６のマップに従って段階的に点火時期を遅角させていき、エンジン回転数を段階的に所定の下方回転数つまり４０００ｒｐｍまで低下させる。
図７のエンジン回転数／スロットル開度の特性図を図８のものと比較すると、本実施形態の図７のものでは、エンジン回転数の上昇時と下降時といおいてそれぞれ点火時期が切り替わるときのスロットル開度の差ΔＴＨが図８のものより小さいことが分かる。つまりエンジン回転上昇時と下降時とではほぼ同じスロットル開度の時にエンジン回転数が大きく（４０００ｒｐｍから５０００ｒｐｍまで）変化しているので、作業者に違和感をいだかせない。
なお、上記回転数制御装置を含む作業機用エンジンは、刈り払い機に限らず、管理機にも適用することができる。
また、本発明はこれら刈り払い機や管理機のエンジンに限らず、要は、ガバナ機構を搭載しないで、スロットル開度操作装置の操作で回転数を調整するタイプの、作業機駆動用エンジンに広く適用することができる。
本発明の一実施形態に係る作業機用エンジンの回転数制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の制御装置を適用した刈り払い機の斜視図である。 本発明の一実施形態に係る作業機用エンジンの回転数制御装置を適用するのに好適な刈り払い機の要部断面図である。 刈り払い機に設けられるキャブレータの要部平面図である。 スロットル開度操作装置の断面図である。 点火時期マップの一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る点火時期毎のエンジン回転数とスロットル開度の関係を示す特性図である。 従来技術に係る点火時期毎のエンジン回転数とスロットル開度の関係を示す特性図である。
符号の説明
１…エンジン、 ２…伝動軸、 ３…遠心クラッチ、 ８…キャブレータ、 ９…スロットルケーブル、 ９ｃ…インナワイヤ、 １２…スロットル軸、 １５…ストッパ（開度規制部材）、 １８…スロットルレバー、 ２９…回転数センサ、 ３０…点火時期マップ

Claims (4)

  1. 機械的調速手段を設けず、エンジンのスロットル開度の操作により、負荷に応じてエンジンの回転数を調節する作業機用エンジンの回転数制御装置において、
    前記スロットル開度の小さい領域で前記エンジンの点火装置を第１の点火時期で動作させることにより、前記スロットル開度の増大に伴って前記エンジン回転数をアイドル回転数から上昇させる第１の回転制御特性と、
    前記スロットル開度の大きい領域で前記点火装置を前記第１の点火時期よりも進角側の第２の点火時期で動作させることにより、前記スロットル開度の増大に伴って前記第１の回転制御特性よりも急勾配でエンジン回転数を上昇させる第２の回転制御特性と、
    前記第１の点火時期および前記第２の点火時期相互間の移行をエンジン回転数に基づいて決定する移行手段とを有しており、
    前記エンジン回転数の下降過程では、上昇過程で前記第２の点火時期へ移行するエンジン回転数よりも高いエンジン回転数で第２の点火時期から第１の点火時期へ移行するように構成したことを特徴とする作業機用エンジンの回転数制御装置。
  2. 前記第１の点火時期から第２の点火時期への進角が、段階的に行われるように構成したことを特徴とする請求項１記載の作業機用エンジンの回転数制御装置。
  3. 前記エンジン回転数と点火時期とを対応させて管理するデジタル制御式点火装置を具備したことを特徴とする請求項１または２記載の作業機用エンジンの回転数制御装置。
  4. 前記スロットル開度位置を固定する開度固定機能を備えていることを特徴とする請求項３記載の作業機用エンジンの回転数制御装置。
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