JP2008045545A - 内燃エンジンの燃料空気混合気の組成を制御する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】制御システムを制御範囲から逸脱させることなく、内燃エンジンに供給される混合気の組成を調整可能であり、且つ点火時点を変更可能であるように、回転数制御方法を構成する。
【解決手段】特定の時点（ｔ_０）で外乱量（Δｍ_ｓ）を導入するし、外乱量（Δｍ_ｓ）を導入した直後に回転数制御回路（５５）の動作を監視し、評価する。評価の結果に依存して、内燃エンジン（１）の作動に影響する少なくとも１つのパラメータを調整する。
【選択図】図３

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の、内燃エンジンに供給される空気と燃料とから成る混合気の組成を制御する方法、特に２サイクルエンジンとして構成された内燃エンジンにおける前記方法に関するものである。

手で担持されるパワーチェーンソー、刈払い機、送風機等の作業機は、内燃エンジン、たとえば２サイクルエンジンにより駆動されるのが有利である。内燃エンジンは、最近の技術を使用してフリーレビィングであり、パワーがあり、それにもかかわらず環境にやさしく作動できるからである。ほぼ２０ｃｍ^３とほぼ２５０ｃｍ^３との間の行程容積を備えたこの種の小型エンジンを最適に作動させるため、内燃エンジンの作動パラメータに依存して点火を制御するマイクロプロセッサが制御用に利用される。

特許文献１に記載のように、燃料系に電磁弁を使用することも知られている。この種の電磁弁は燃料流を制御して内燃エンジンの種々の作動パラメータに燃料の量を適合させるために使用される。

内燃エンジンの回転数を回転数制御回路により監視する場合、電子装置が介入して点火時点を変更させることにより所望の回転数を保持する。したがって、アイドリングの場合も設定されたアイドリング回転数が制御される。このために使用される制御器はほとんどの場合ＰＩコントローラであり、すなわち比例制御成分と積分制御成分とを備えたコントローラである。

しかし、特に２サイクルエンジンの場合、回転数は点火時点に依存しているばかりでなく、混合気の組成にも依存している。混合気も制御量として変更可能である場合、特にアイドリング時に混合気の組成と点火時点とに制御を介入させると、システムは制御範囲から逸脱する。このときエンジンがエンストしたり、アイドリング回転数を維持できなくなることがある。

独国特許出願公開第１０２４２１８６Ａ号明細書

本発明の課題は、制御システムを制御範囲から逸脱させることなく、内燃エンジンに供給される混合気の組成を調整可能であり、且つ点火時点を変更可能であるように、回転数制御方法を構成することである。

本発明は、上記課題を解決するため、特定の時点で外乱量を導入すること、外乱量を導入した直後に回転数制御回路の動作を監視し、評価すること、評価の結果に依存して、内燃エンジンの作動に影響する少なくとも１つのパラメータを調整することを特徴とするものである。

本発明によれば、予め設定可能な時点で外乱量を導入し、外乱量を導入した直後に回転数制御回路の動作を監視し、評価する。次に、評価の結果に依存して、変数または内燃エンジンの作動に影響する少なくとも１つのパラメータ、有利には燃料空気混合気の混合気成分を調整する。変数としては、たとえば点火時点、圧縮等の他の作動パラメータも適している。

外乱量を導入した後に、制御回路の案内量としての回転数が変化するようであれば、回転数制御回路を直接逆制御(gegensteuern)して、所定の回転数を維持させる。回転数制御回路は点火に適宜制御介入することにより回転数の上昇または低下を阻止する。回転数制御回路のこのような動作は再び制御成分に反映され、監視され、評価されて、評価の結果にしたがって混合気の成分のための配量装置を制御し、動作の評価結果に応じて混合気の１つの成分を調整して、最適化された空気数λを持った混合気組成を得る。このように、制御回路の制御成分（たとえば回転数制御回路の比例制御成分）を、制御ずれおよび実施すべき制御介入に対する量として評価することができる。したがって、制御回路の比例制御成分は混合気における燃料と空気との現時点での比率を表わす量である。次に、混合気組成を最適化させるため、比例制御成分の大きさを評価することにより燃料成分および／または混合気成分を変化させて、制御範囲からの制御の逸脱を確実に回避させる。

外乱量として、燃料空気混合気を変化させるのが有利であり、この場合燃料成分および／または混合気成分を変化させることができる。

合目的には、外乱量として燃料成分を電磁制御弁を介して変化させて、検知した制御ループの動作に依存して燃料空気混合気の組成を調整することで最適な空気数λを得るようにするのがよい。外乱量と修正と混合気成分の変化との間の相互作用は、空気数λに対し最適な値が得られるまで行なう。

合目的には、λをマッチングさせるために変化させる制御量は燃料成分である。燃料成分の代わりに空気成分を変化させるのも有利である。

弁はクロック信号で動作する弁として作動させる。この弁は合目的には電流がない状態で開弁しているのがよい。また、対応的に制御されるリニア弁または比例弁を使用してもよい。

本発明の他の特徴は他の請求項、以下の説明および図面から明らかである。

次に、本発明の実施形態を添付の図面を用いて詳細に説明する。
図１において１は内燃エンジンである。本実施形態では、内燃エンジン１は２サイクルエンジンである。内燃エンジンは４サイクルエンジン、掃気時空気予備蓄積型２サイクルエンジン等のエンジンとして構成してもよい。図１に図示した内燃エンジン１はシリンダ２を有し、シリンダ２はその内部で上下動するピストン３を備えている。ピストン３はクランクケース４内に支持されているクランク軸５を回転駆動する。このため、クランク軸５は適当な連接棒６を介してピストン３と結合されている。

ピストン３は混合気取り込み口１０を制御する。混合気取り込み口１０は、クランクケース４内に負圧が発生したときに吸気通路１１とエアフィルタ１７とを介して燃焼空気を吸い込む。燃焼空気には、気化器１２を通過するときに燃料が混合される。ピストン３により制御される混合気取り込み口１０を介して燃料空気混合気がクランクケース４内へ吸い込まれ、ピストン３が下降運動を行なうときに、シリンダ２に形成されている掃気通路７を介して燃焼室８内へ搬送される。点火制御器１３を介して点火プラグ９に点火火花が形成され、点火火花は上昇するピストン３によって燃焼室８内で圧縮される燃料空気混合気を点火させ、ピストン３の下降運動によりクランク軸５を駆動する。燃焼時に発生する排ガスは、好ましくはピストンにより制御される排ガス排出口１８を介して排出される。

クランク軸５には、破線で示したホイール１４が結合されている。ホイール１４はたとえばフライホイール、ファンホイール等である。ホイール１４内には磁石が配置され、磁石はホイール１４の周部に配置されている位置固定のコイル１５に電圧を誘導する。ホイール１４にはさらに内燃エンジンの回転数を検知する回転数検知センサ１６が配置されている。回転数検知センサ１６はパルス列を発し、クランク軸５の１回転ごとに１つのパルス、好ましくは複数個のパルスを発する。パルス列は信号線１９を介して点火制御器１３に送られ、好ましくはプロセッサを使用して処理される。

位置固定のコイル１５の電圧は点火制御器１３に送られ、点火制御器１３は点火火花のための点火エネルギーを点火プラグ９に提供する。さらに、コイル１５の誘導電圧により、電磁弁２１の制御のために設けられている弁制御回路２０をも駆動される。電磁弁２１は燃料系３０内に設けられ、燃料供給量を制御するために用いる。このため、電磁弁２１は制御線２２を介して弁制御回路２０と接続されている。

図示した実施形態では、電磁弁２１を適宜制御することにより、吸気通路１１への燃料供給量を調整可能である。また、燃料の代わりに、電磁弁により空気を供給するのも合目的である。混合気を調整するため、図示した実施形態では、混合気の燃料成分を変化させる。混合気の空気成分を変化させる制御は対応的に行う。

燃料系３０は、気化器１２の制御室２３と、該制御室２３に燃料管２５を介して燃料を供給する燃料タンク２４とを含んでいる。このため、図２が示すように、燃料管２５内には燃料ポンプ２６が配置されている。燃料ポンプ２６は内燃エンジン１のクランクケース４の交番的クランクケース内圧力により駆動される。燃料ポンプ２６の吐出し側は吸い込み弁２７を介して制御室２３に連通している。制御室２３はダイヤフラム２８によって画成されている。ダイヤフラム２８は制御レバー２９を介してばね２９ａの力に抗して吸込み弁２７を制御する。

制御室２３からは燃料管２５ａが分岐して、吸気通路１１に設けたメインノズルＨＤ（合目的には部分負荷ノズルＴＤ）と複数個のアイドリングノズルＬ０，Ｌ１，Ｌ２とに通じている。

図２の実施形態では、制御室２３と前記ノズルとの間に位置するように燃料管２５ａ内に切換え可能な前記電磁弁２１が配置されている。電磁弁２１は、図２に示すように電流がないときに開弁している。このため、たとえばばね２１ａを用いる。ばね２１ａは弁要素２１ｂを貫流位置へ付勢している。電磁弁２１を閉じるため、よって燃料供給を遮断するため、電磁弁２１の制御コイルは弁制御回路２０を介して供給電圧で付勢される。供給電圧を電磁弁２１の制御コイルに印加すると、弁要素２１ｂはばね２１ａの力に抗して戻され、燃料供給を遮断する。

図２には、制御線２２で電磁弁２１へ出力させることのできる信号列５０の一例が図示されている。電磁弁２１の開閉と時間ｔとの関係を示すものである。信号が印加されると電磁弁２１は常に閉じる。電磁弁２１は電流がないときには開いている。個々の信号列５１，５２，５３の幅は弁制御回路２０の設定にしたがって調整されており、その結果電磁弁２１はパルス幅変調信号列５０により制御される。なお、制御パルス５１，５２，５３を同じ幅に形成し、信号列を周波数変調して電磁弁２１へ出力させるのも合目的である。また、適宜制御されるリニア弁または比例弁を使用することも合目的である。

電磁弁２１の下流側にはメインノズルパス３１がある。メインノズルパス３１は、調整要素３２と絞り３３と逆止弁３４とを介して、吸気通路１１のベンチュリー部３５の領域に設けたメインノズルＨＤと連通している。

メインノズルパス３１に並列に部分負荷ノズルパス３６が設けられている。部分負荷ノズルパス３６は固定絞り３７と逆止弁３７ａとを介して部分負荷ノズルＴＤに燃料を供給する。部分負荷ノズルＴＤは流動方向３８でベンチュリー部３５の下流側においてほぼノズルＬ１の高さに設けられている。図２および図５の図示では、見やすくするために複数個のノズルが並列的に図示してある。

ベンチュリー部３５の下流側には、メインノズルＨＤの後方に、回動可能なスロットルバルブ４４が吸気通路１１内に設けられている。スロットルバルブ４４の回動範囲内にはアイドリングノズルＬ１，Ｌ２が開口し、スロットルバルブ４４の下流側には出口Ｌ０が開口している。これら開口部Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２はともに１つのアイドリング室４０から燃料の供給を受ける。アイドリングノズルＬ１はほぼスロットルバルブ４４の軸４５の高さにあり、絞り４２を介してアイドリング室４０と連通している。

アイドリングノズルＬ２はアイドリングノズルＬ１の上流側において吸気通路１１に開口し、同様に絞り４３を介してアイドリング室４０と連通している。アイドリング室４０はアイドリング調整ねじ３９と好ましくは逆止弁３９ａとを介してメインノズルパス３１と連通している。

出口Ｌ０はスロットルバルブ４４の下流側において吸気通路１１に開口し、絞り４１を介してアイドリング室４０と連通している。

吸気通路１１内には、ベンチュリー部３５の上流側に、チョークバルブ４６が配置されている。チョークバルブ４６は公知のように内燃エンジンの冷間始動のために閉じて、混合気を濃化させる。

電磁弁２１を備えた燃料系３０の構成は、吸気通路１１内の負圧に関係なく燃料の量を制御するために燃料の供給量を修正するためのものである。このため、制御線４８を介して制御信号を点火制御器１３に送る前記弁制御回路２０が設けられている。

図３に図示した弁制御態様は実線で図示した回転数制御ループ５５を含んでいる。回転数制御ループを始動させた後、内燃エンジンの負荷状態に応じて、回転数制御ループが回転数を保持すべき回転数限界値を設定する。合目的には下側回転数ｎ_下と上側回転数ｎ_上とを設定して、たとえばアイドリング時に回転数制御ループ５５が内燃エンジンの回転数をこの下側回転数ｎ_下と上側回転数ｎ_上との間に保持するようにするのがよい。アイドリング回転数はたとえば４００^１／分の変動幅を持つように設定することができる。内燃エンジンの負荷状態を検出するため、負荷スイッチ６０を使用することができる。負荷スイッチ６０の出力信号は設定ユニット６１において評価され、対応する回転数限界値に換算される。負荷スイッチ６０はアイドリングコンディションまたはロードコンディションを検出する。

設定した回転数限界値を、比較器６２および６３で、回転数検知センサ１６を介して送られてくる実測回転数ｎ_実測と比較する。第１の比較器６２では、実測回転数ｎ_実測に関し、下側回転数限界値よりも大きいかどうかをチェックする。大きい場合には第２の比較器６３が制御され、該第２の比較器６３は実測回転数ｎ_実測が上側回転数限界値よりも大きいかどうかをチェックする。大きくない場合には、ブランチ６４を介して回転数制御ループを終了させ、負荷状態（アイドリング／フルスロットル）に応じて回転数制御ループを新たに開始する。

比較器６２における最初の比較で、実測回転数ｎ_実測が下側回転数ｎ_下以下であると確認されれば、ブランチ６５へ移行する。ブランチ６５を介して、回転数が上昇するように、点火制御器１３への介入を行う。対応的に、実測回転数ｎ_実測が上側回転数ｎ_上よりも大きければ、比較器６３からブランチ６６へ移行させる。ブランチ６６へ移行する場合、回転数が低下するように点火制御器１３への介入を行なう。両ブランチ６５と６６においては、このような介入を、点火時点を「早」または「遅」にしたがって調整することで行なう。或いは、回転数を低下させるには、点火を中断させてもよい。両部ランチ６５と６６は、ブランチ６４と同様に、回転数制御ループのスタートへ戻る。

アイドリング回転数の定常性、よってアイドリングクオリティは、混合気の組成に強く依存している。それ故、燃料供給量を制御するための前記電磁弁２１が設けられている。回転数制御回路により十分安定に保持される最適なアイドリング回転数を達成するには、混合気を適宜適正化する必要がある。図４は混合気組成λに対する回転数ｎの依存性を示すグラフである。

図４から明らかなように、混合気が希薄であると回転数が強く上昇し、極端な場合には、回転数制御回路５５により所望のアイドリング回転数へ低下させることができなくなる。このときシステムは制御範囲外にある。他方、図４から明らかなように、混合気が濃すぎると、内燃エンジンは失速する。回転数制御回路５５は濃すぎる混合気による回転数の低下をもはや補償することができなくなり、内燃エンジンはエンストする。

回転数制御回路５５の制御範囲を上側に対しても下側に対しても十分であるようにするため、本発明によれば、規則的な間隔で、或いは、確率的に、外乱量Δｍ_ｓを制御回路に導入する。これは、たとえば、図３の図示で点線部分で示したように、混合気組成を濃化方向または希薄化方向で変化させることにより行なう。アイドリングでは、制御は継続的にアクティブであってよく、他の回転数範囲では確率的に作用してよい。

外乱量Δｍ_ｓは点火制御の判定基準にしたがって所定の時点で導入する。これは弁制御回路２０を適宜制御することにより行なう。弁制御回路２０の制御は、たとえば、混合気を希薄化させるために信号５１のパルス幅を広くすることで行うことができ、或いは、混合気を濃化するために信号５１のパルス幅を狭くすることで行なうことができる。

混合気をどのように変化させても、図４が示すように、内燃エンジンの回転数ｎに直接影響する。図４に図示したように、混合気が希薄になると、回転数ｎは上昇する。しかしこの回転数の上昇は前記回転数制御ループにより阻止される。内燃エンジン自体は障害なしに運転を続行し、その際外乱量Δｍ_ｓを補償するためにそれぞれの回転数ブランチ６５または６６を実施する。再び回転数制御回路５５の動作が該制御回路の制御成分に反映し、それ故該制御成分（比例制御成分、積分制御成分、或いは微分制御成分など）を監視することにより、制御回路を介入させることなく、予想される回転数のずれに関する情報を得ることができる。好ましくは、回転数制御ループの比例制御成分が検知装置７０により監視され、評価されるのがよい。検知装置７０は監視される制御成分の大きさに応じて混合気の１つの成分を必要なだけ変化させ、弁制御回路２０に対応する制御信号を出力して、混合気成分を＋Δｍ_ｉまたは−Δｍ_ｉだけ変化させる。弁制御回路２０は得られた制御命令に応じて電磁弁２１の開弁特性を変更する。これはパルス幅変調または周波数変調により行なうことができる。混合気中の燃料の成分は、空気数λがたとえばアイドリング制御に対し最適化されており、且つ回転数が制御範囲から逸脱するのが回避されているように、変化させる。

混合気の新たな調整を行い、回転数制御ループ５５が混合気変化により起こりうる回転数変化を補償した後、停止時間の経過後、新たに外乱量を導入させ、外乱量Δｍ_ｓから予想される回転数変化を修正するために必要な制御成分を監視することにより、再び回転数制御回路５５の動作を評価する。なお装置全体は、その都度の作動状態において図４に図示したような最適範囲６９で空気数λが生じるように構成されている。

図２の実施形態では、弁は主燃料管２５ａの中に設けられている。図５の実施形態では、好ましくはクロック信号で動作する弁２１はアイドリングシステム４０，４１，４２，４３内へ燃料を供給するために用いる。図５の燃料系の構成は実質的に図２の燃料系の構成に対応しており、それ故同一の部材には同一の符号を使用している。燃料系３０ａに通じる主燃料管２５ａ内には、燃料の流量を調整するための調整ねじ３９ｂが設けられている。弁２１の制御はこの実施形態においても弁制御回路２０を介して行なう。弁制御回路２０は点火制御器１３から対応する制御信号を得る。

本発明による装置は、弁２１を適宜制御することによりアイドリング時の燃料濃度を調整するため、図３の回転数制御ループ５５と接続させて利用してもよいし、また該回転数制御ループ５５から切り離して利用してもよい。負荷スイッチ６０がアイドリングを示すと、この信号は対応的に処理され、弁制御回路は、混合気の濃度が、すなわち空気数λが、一定になるように制御される。その際混合気組成を最適に調整でき、回転数自体はもっぱら点火時点だけを介して目標値に保持され、または所定目標限界値以下に保持される。

他の評価方法によれば、点火時点を変更させることにより回転数制御回路を介して回転数を一定に保持する代わりに、混合気の濃度を変化させることにより回転数を調整してもよい。この場合、回転数の調整は、弁２１の制御と燃料空気混合気の成分の調整とを介して行うことができる。

この種の制御においてアイドリングから負荷へ切換える場合には、より優れた加速のために混合気を濃化させるために弁２１を利用することができる。内燃エンジンが高回転数からアイドリングの方向へ作動する場合には（Rich-Come-Down）、Rich-Come-Down作用を回避するため、弁２１を混合気が希薄になるように制御することができる。

したがって、図５の装置は電磁弁２１によるアイドリング時混合気制御にも用いることができる。

吸気部分と概略的に図示した制御回路とを併せて示した内燃エンジンの概略構成図である。 電磁切換え可能な弁を備えた気化器装置の原理構成図である。 本発明による方法のフローチャートである。 回転数と空気数λとの関係を示すグラフである。 アイドリングノズルを切換える電磁弁を備えた他の気化器装置の概略構成図である。

符号の説明

１ 内燃エンジン
２ シリンダ
３ ピストン
４ クランクケース
５ クランク軸
８ 燃焼室
９ 点火プラグ
１２ 気化器
１３ 点火制御器
２０ 弁制御回路
２１ 電磁弁
３０ 燃料系
５５ 回転数制御ループ
Δｍ_ｓ 外乱量

Claims (13)

1. 内燃エンジン（１）に供給される空気と燃料とから成る混合気の組成を制御する方法であって、
   内燃エンジン（１）のシリンダ（２）内に、点火プラグ（９）を備えた燃焼室（８）が形成され、燃焼室（８）がクランク軸（５）を駆動するピストン（３）によって画成され、
   点火プラグ（９）と結合される点火制御器（１３）であって、クランク軸（５）の回転数に依存して適正点火時点で点火プラグ（９）に点火火花を発生させるとともに、回転数制御回路（５５）を介してクランク軸（５）の現時点での回転数（ｎ_実測）を所定の限界値（ｎ_下側、ｎ_上側）内に保持する前記点火制御器（１３）と、空気と混合気とから成る混合気の少なくとも一方の成分を配量する制御可能な配量装置（２１）とを用いて、混合気の組成を制御する前記方法において、
   特定の時点（ｔ_０）で外乱量（Δｍ_ｓ）を導入すること、
   外乱量（Δｍ_ｓ）を導入した直後に回転数制御回路（５５）の動作を監視し、評価すること、
   評価の結果に依存して、内燃エンジン（１）の作動に影響する少なくとも１つのパラメータを調整すること、
   を特徴とする方法。
2. 前記パラメータが混合気の１つの成分であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 外乱量（Δｍ_ｓ）を導入した後、回転数制御回路（５５）の制御成分を監視し、該制御成分の大きさに依存して混合気の１つの成分を予め設定可能な制御量（Δｍ_ｉ）で変化させることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記パラメータが点火であり、特に点火時点であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 前記制御成分が回転数制御回路（５５）の比例制御成分であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 前記制御成分が回転数制御回路（５５）の積分制御成分であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
7. 前記制御成分が回転数制御回路（５５）の微分制御成分であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
8. 外乱量（Δｍ_ｓ）として、空気と燃料とから成る混合気の１つの成分を変化させることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
9. 前記制御量（Δｍ_ｉ）が混合気の燃料成分であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
10. 前記制御量（Δｍ_ｉ）が混合気の空気成分であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
11. 前記配量装置がクロック信号で動作する弁（２１）であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
12. 前記弁（２１）が電流のない状態で開弁していることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
13. 内燃エンジン（１）のアイドリング作動で規則的に外乱量（Δｍ_ｓ）を導入し、前記パラメータ、特に燃料空気混合気を適合させることを特徴とする、請求項１に記載の方法。

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