JP2009191628A

JP2009191628A - 汎用エンジンの電子制御装置

Info

Publication number: JP2009191628A
Application number: JP2008030182A
Authority: JP
Inventors: Hiroshige Akiyama; 裕茂秋山; Suminari Iwao; 純成岩尾; Atsushi Kosugi; 篤志孤杉
Original assignee: Keihin Corp
Current assignee: Keihin Corp
Priority date: 2008-02-12
Filing date: 2008-02-12
Publication date: 2009-08-27
Anticipated expiration: 2028-02-12
Also published as: JP4881891B2

Abstract

【課題】エンジン回転数及び燃料噴射量を自動的に制御することができる構成簡素な，汎用エンジンの電子制御装置を提供する。
【解決手段】燃料噴射式のエンジンＥのスロットル弁１３を開閉駆動するステッピングモータ２０と，エンジン回転数の目標値を設定する目標エンジン回転数設定手段２５と，この目標エンジン回転数設定手段２５，エンジン回転数Ｎｅ及びスロットル弁開度の情報に基づいてステッピングモータ２０を作動して，エンジン回転数Ｎｅ及び燃料噴射量Ｑを制御する電子制御ユニット２１とを備える，汎用エンジンの電子制御装置であって，電子制御ユニット２１は，スロットル弁開度の情報として，スロットル弁１３を，その基準位置から開閉するためにステッピングモータ２０に入力するパルス数を取り入れるように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は，可搬式発電機，除雪機，芝刈り機等の動力源として使用される燃料噴射式の汎用エンジンの電子制御装置に関し，特に，燃料噴射式のエンジンのスロットル弁を開閉駆動するステッピングモータと，エンジン回転数の目標値を設定する目標エンジン回転数設定手段と，この目標エンジン回転数設定手段，エンジン回転数及びスロットル弁開度の情報に基づいて前記ステッピングモータを作動して，エンジン回転数及び燃料噴射量を制御する電子制御ユニットとを備える電子制御装置に関する。

従来の汎用エンジンの制御装置では，下記特許文献１に開示されるように，気化器のチョーク弁及びスロットル弁を遠心ガバナ及びオートチョーク装置により作動するようにしている。
特開２００６−２４２１４３号公報

しかしながら，汎用エンジンに，チョーク弁を持たない燃料噴射方式を採用した場合には，上記のような制御装置を採用することはできない。

そこで，本発明は，エンジン回転数及び燃料噴射量を自動的に制御し得る構成簡素な，汎用エンジンの電子制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために，本発明は，燃料噴射式のエンジンのスロットル弁を開閉駆動するステッピングモータと，エンジン回転数の目標値を設定する目標エンジン回転数設定手段と，この目標エンジン回転数設定手段，エンジン回転数及びスロットル弁開度の情報に基づいて前記ステッピングモータを作動して，エンジン回転数及び燃料噴射量を制御する電子制御ユニットとを備える，汎用エンジンの電子制御装置であって，前記電子制御ユニットは，スロットル弁開度の情報として，スロットル弁を，その基準位置から開閉するために前記ステッピングモータに入力するパルス数を取り入れることを第１の特徴とする。

また本発明は，第１の特徴に加えて，スロットル弁の前記基準位置を，スロットル弁の全開位置とし，その基準位置でエンジンを始動することを第２の特徴とする。

さらに本発明は，第１又は第２の特徴に加えて，エンジンの排ガス中のＯ₂濃度を検出するＯ₂センサを備え，このＯ₂センサの出力に応じて前記電子制御ユニットが前記燃料噴射量を補正することを第３の特徴とする。

さらにまた本発明は，第１又は第２の特徴に加えて，エンジンの温度を検出するエンジン温度センサを備え，このエンジン温度センサの出力に応じて前記電子制御ユニットが前記燃料噴射量を補正することを第４の特徴とする。

さらにまた本発明は，第１の特徴に加えて，前記ステッピングモータ及び前記スロットル弁間を，該ステッピングモータの回転を減速して該スロットル弁に伝達する減速ギヤ装置を介して連結し，この減速ギヤ装置を，減速比が前記スロットル弁の開度の減少に応じて増加するように構成したことを第５の特徴とする。

本発明の第１の特徴によれば，電子制御ユニットは，エンジン回転数及び燃料噴射量の制御に当たり，ステッピングモータへの入力パルス数を，スロットル弁開度として扱うので，スロットル弁開度を直接検出するスロットルセンサが不要となり，エンジン制御装置の構成の簡素化を図ることができる。

本発明の第２の特徴によれば，スロットル弁の基準位置である全開位置でエンジン始動を行うことにより，燃料噴射量の増量を得て，エンジンの始動性を高めることができる。

本発明の第３の特徴によれば，気圧が低い高地での運転中，気圧の低下により吸気の空燃比がリッチとなる場合でも，燃料噴射量を自動的減量して，適正空燃比に自動的に制御して，エンジンの高地での運転を安定させると共に，低燃費性と排気浄化に寄与し得る。

本発明の第４の特徴によれば，エンジンの暖機運転中は，燃料噴射量が増量されることになり，エンジンの良好な暖機運転を確保することができる。

本発明の第５の特徴によれば，ステッピングモータへの１入力パルスによるスロットル弁の開度変化量が，スロットル弁の低開度側に行くにつれて減少するようになるので，スロットル弁の低開度域（エンジンの低負荷域）でのスロットル弁開度の分解能が向上し，その結果，エンジンの低負荷域でのエンジン回転数及び燃料噴射量の制御を緻密に行うことが可能となる。

本発明の実施の形態を，添付図面に示す本発明の好適な実施例に基づいて以下に説明する。

図１は本発明に係る汎用エンジンの電子制御装置の全体概要図，図２は図１の２−２線拡大断面図，図３はエンジン始動時における電子制御ユニットの学習動作を示すフローチャート，図４はエンジン運転中，電子制御ユニットがエンジン回転数制御を行う手順を示すフローチャート，図５はエンジン運転中，電子制御ユニットが燃料噴射量制御を行う手順を示すフローチャート，図６はステッピングモータへの入力パルス数及びスロットル弁の開度の関係マップ，図７はステッピングモータへの入力パルス数，エンジン回転数及び基本燃料噴射量の関係マップである。

先ず，図１において，燃料噴射式の汎用エンジンＥは，可搬式発電機，除雪機，芝刈り機等の作業機１０の動力源に供されるもので，そのシリンダヘッドの一側にスロットルボディ１１が接合される。このスロットルボディ１１は，エンジンＥの吸気ポートに連なる吸気道１２を備えており，この吸気道１２を開閉するバタフライ型のスロットル弁１３の弁軸１３ａがスロットルボディ１１に回転自在に支持される。またスロットルボディ１１には，エンジンＥの吸気ポートに向けて燃料を噴射し得る燃料噴射弁１４が付設される。エンジンＥの上部には燃料タンク１５が取り付けられ，この燃料タンク１５内には，エンジンＥの運転中，該タンク内の貯留燃料を吸入，加圧して燃料噴射弁１４に供給し得る電動式の燃料ポンプ１６が設置される。

スロットル弁１３の弁軸１３ａには，スロットルボディ１１に支持されるステッピングモータ２０の出力軸２０ａが減速ギヤ装置２６を介して連結される。したがって，ステッピングモータ２０の出力軸２０ａの回転は，減速ギヤ装置２６により減速されて弁軸１３ａに伝達され，スロットル弁１３を開閉することになる。

上記電動ポンプ１６，燃料噴射弁１４及びステッピングモータ２０の作動は，電子制御ユニット２１がエンジンＥの各種運転情報に基づいて制御するようになっている。電子制御ユニット２１に入力されるエンジンＥの各種運転情報としては，エンジンスイッチ２２のオン・オフ状態，エンジンＥの回転数Ｎｅ（以下，エンジン回転数という。），スロットル弁１３の開度（以下，スロットル弁開度という。），エンジンＥの温度Ｔ（以下，エンジン温度という。），作業者が設定するエンジンＥの目標回転数Ｎｔ等があり，エンジン回転数Ｎｅを検出するためにエンジン回転数センサ２３と，エンジン温度Ｔを検出するためにエンジン温度センサ２４（空冷エンジンの場合には，シリンダヘッド等のエンジン本体自体の温度を検出したり，水冷エンジンの場合には冷却水温度を検出する。）とがエンジンＥに設けられる。また作業者が設定する目標エンジン回転数Ｎｔを電子制御ユニット２１を入力するために目標エンジン回転数設定手段２５がエンジンＥ又は作業機１０に設けられる。

ステッピングモータ２０は，電子制御ユニット２１から入力する直流パルスによりステップ作動するもので，この実施例においては，スロットル弁１３の基準位置を全開位置として，その全開位置から，ステッピングモータ２０に９４個の直流パルスを入力して，ステッピングモータ２０を９４回ステップ作動させると，スロットル弁１３は全閉位置まで回動するようになっており，その間にステッピングモータ２０に入力されるパルス数は，電子制御ユニット２１に内蔵されるパルスカウンタ２９によりカウントされる。而して，スロットル弁１３の基準位置（全開位置）からパルスカウンタ２９にカウントされるパルス数は，スロットル弁１３の開度を示す数値となる。

図２に示すように，前記減速ギヤ装置２６は，その減速比がスロットル弁１３の開度の減少に応じて増加するように構成される。具体的には，この減速ギヤ装置２６は，ステッピングモータ２０の出力軸２０ａに固着される駆動楕円ギヤ２７と，弁軸１３ａに固着されて駆動楕円ギヤ２７に噛合する，それをより小径の従動楕円ギヤ２８とよりなっていて，スロットル弁１３の全閉状態では，駆動楕円ギヤ２７の小径部と，従動楕円ギヤ２８の大径部とを噛合させることにより，減速比が最大とされる。この結果，図６のマップ３１に示すように，ステッピングモータ２０の１ステップ作動（ステッピングモータ２０が１個のパルスを受けたときの作動）に対するスロットル弁１３の開度変化量は，スロットル弁１３の低開度側に行くにつれて減少することになる。図６の入力パルス数及びスロットル弁開度の関係マップ３１は，電子制御ユニット２１に装備される。

また上記パルス数及びエンジン回転数Ｎｅに対応した基本燃料噴射量Ｑ₁が図７のマップ３２に示されており，このマップ３２も電子制御ユニット２１に装備される。

次に，この実施例の作用について，図３〜図６に示すフローチャートを参照しながら説明する。

エンジンＥの始動に際して，エンジンスイッチ２２をオンにすると，電子制御ユニット２１は図３のフローチャートに沿って始動学習を行う。即ち，第１ステップＳ１でエンジンスイッチ２２がオンされと，第２ステップＳ２でステッピングモータ２０に，スロットル弁１３の開き方向の直流パルスを９４＋Ｎ個入力することにより，スロットル弁１３を全開状態にする。こゝでステッピングモータ２０に直流パルスを９４＋Ｎ個入力することは，エンジン始動前にスロットル弁１３が全閉位置にあろうとも，中間開度位置にあろうとも，スロットル弁１３を全開位置まで確実に回動するためである。入力パルス数が９４＋Ｎ個に達しないうちにスロットル弁１３が全開状態になった場合には，残余の入力パルスは単に無効となるのみで，スロットル弁１３の全開状態は維持されたまゝとなる。尚，前記Ｎは，ステッピングモータ２０の作動の滑りを見込んだ余分な入力パルス数であり，例えばＮ＝３〜５が適当である。

次に第３ステップＳ３において，スロットル弁１３の全開位置を基準位置とすべく，パルスカウンタ２９をゼロにセットする（パルスカウンタ２９の初期化）。そして第４ステップＳ４でエンジンＥの始動を許可する。スロットル弁１３の全開位置でエンジン始動を行うことは，エンジンの始動性を高める上で有効である。もし，スロットル弁１３の全閉位置を基準位置とすると，そのあとでスロットル弁１３を所定の始動開度（中間開度）まで開けるという，ステップが必要となり，その分，制御が煩雑となる。

次に，作業者が始動装置の作動によりエンジンＥを始動すると，電子制御ユニット２１は，図４のフローチャートに従いステッピングモータ２０を作動して，スロットル弁１３の開度を制御することにより，エンジン回転数を作業者が設定した目標回転数Ｎｔに制御する。

即ち，第５ステップＳ５で目標エンジン回転数設定手段２５により設定された目標エンジン回転数Ｎｔを読み込み，第６ステップＳ６において，前記エンジン回転数センサ２３の出力から実際のエンジン回転数Ｎｅ（以下，実エンジン回転数Ｎｅという。）を読み込み，第７ステップＳ７で目標エンジン回転数Ｎｔ−α＝下限目標エンジン回転数Ｎｔｍｉｎを設定し，第８ステップＳ８で目標エンジン回転数Ｎｔ＋α＝上限目標エンジン回転数Ｎｔｍａｘを設定し，第９ステップＳ９で実エンジン回転数Ｎｅが下限目標エンジン回転数Ｎｔｍｉｎより大であるか否かを判別し，大と判別したときは，第１０ステップＳ１０で実エンジン回転数Ｎｅが上限目標エンジン回転数Ｎｔｍａｘより小であるか否かを判別し，大と判別したときは，第１１ステップＳ１１でステッピングモータ２０にスロットル弁１３の閉じ方向へ１パルスを入力し，第１２ステップＳ１２でパルスカウンタ２９が＋１個のパルス数をカウントした後，第５ステップＳ５に戻る。この繰り返しにより，スロットル弁１３は次第に閉じられていき，実エンジン回転数Ｎｅは，上限目標エンジン回転数Ｎｔｍａｘに向かって減少していく。

一方，第９ステップＳ９で実エンジン回転数Ｎｅが下限目標エンジン回転数Ｎｔｍｉｎより小であると判別したときは，第１３ステップＳ１３でステッピングモータ２０にスロットル弁１３の開き方向へ１パルス入力し，第１４ステップＳ１４でパルスカウンタ２９が−１個のパルス数をカウントした後，第５ステップＳ５に戻る。この繰り返しにより，スロットル弁１３は次第に開かれていき，実エンジン回転数Ｎｅは，下限目標エンジン回転数Ｎｔｍｉｎに向かって増加していく。

そして，最終的には，第１０ステップＳ１０で実エンジン回転数Ｎｅが上限目標エンジン回転数Ｎｔｍａｘより小であると判別するようになり，実エンジン回転数Ｎｅは，目標エンジン回転数Ｎｔの許容範囲に自動的に収められる。その際，下限目標エンジン回転数Ｎｔｍｉｎ及び上限目標エンジン回転数Ｎｔｍａｘの設定によりエンジン回転のハンティングが極力抑えられる。目標エンジン回転数Ｎｔの許容範囲（Ｎｔｍａｘ−Ｎｔｍｉｎ）は例えば略２０ｒｐｍが適当である。

上記のように，エンジン回転数の制御において，電子制御ユニット２１は，パルスカウンタ２９がカウントするステッピングモータ２０への入力パルス数を，スロットル弁１３の開度（換言すればエンジン負荷）として扱うので，スロットル弁１３の開度を直接検出するスロットルセンサを不要とし，エンジンの電子制御装置の構成の簡素化を図ることができる。

また電子制御ユニット２１は，図５のフローチャートに従い燃料噴射弁１４からの燃料噴射量Ｑを制御する。

即ち，第１５ステップＳ１５で実エンジン回転数Ｎｅを読み込み，第１６ステップＳ１６でパルスカウンタ２９がカウントした，ステッピングモータ２０への入力パルス数を読み込み，第１７ステップＳ１７で上記実エンジン回転数Ｎｅ及び入力パルス数を基にして，図７のマップ３２から基本燃料噴射量Ｑ₁を読み込み，第１８ステップＳ１８でエンジン温度センサ２４の出力を読み込み，第１９ステップＳ１９でエンジン温度Ｔが暖機完了温度Ｔ₁より大か否かを判別し，大でないと判別したときは第２０ステップＳ２０に進んで，エンジン温度補正値βを設定した後，第２１ステップＳ２１で前記基本燃料噴射量Ｑ₁に前記エンジン温度補正値βを乗じて噴射量Ｑを算出し，第２２ステップＳ２２で前記燃料噴射量Ｑの燃料を燃料噴射弁１４から噴射し，第２３ステップＳ２３で前記燃料噴射量Ｑのリセットを行って，第１５ステップＳ１５に戻る。したがって，第１９ステップＳ１９で，エンジンＥが暖機運転中でエンジン温度が暖機完了温度Ｔ₁に達していないと判別したときは，燃料噴射量が増量されることになり，エンジンの良好な暖機運転を確保することができる。

また第１９ステップＳ１９でエンジン温度Ｔが暖機完了温度Ｔ₁より大と判別したときは第２４ステップＳ２４に進んで，前記Ｏ₂センサ３０の出力から排ガス中のＯ₂濃度を読み込む。その際，Ｏ₂濃度が所定値以上であれば，エンジンＥの吸入混合気の空燃比がリッチ，所定値未満であればリーンと判断する。そして第２５ステップＳ２５に進んでＯ₂濃度補正値γを設定し（この補正値γは，例えば前記リッチの場合は０．９，リーンの場合は１．１とする。），第２６ステップＳ２６で前記基本燃料噴射量Ｑ₁に前記Ｏ₂濃度補正値γを乗じて噴射量Ｑを算出し，そして前記第２２ステップＳ２２へと進む。したがって，気圧が低い高地での運転中，気圧の低下により混合気の空燃比がリッチとなる場合では，燃料噴射量Ｑを自動的に減量して，適正空燃比に自動的に制御することになるから，エンジンＥの高地での運転を安定させると共に，低燃費性と排気浄化に寄与し得る。

上記のように，燃料噴射量Ｑの制御においても，電子制御ユニット２１は，パルスカウンタ２９がカウントする，ステッピングモータ２０への入力パルス数を，スロットル弁１３の開度（換言すればエンジン負荷）として扱うので，スロットル弁１３の開度を直接検出するスロットルセンサを不要とし，エンジンの電子制御装置の構成の簡素化を図ることができる。

またステッピングモータ２０の回転をスロットル弁１３に伝達する減速ギヤ装置２６の減速比を前述のように可変にして，図６のマップ３１に示すように，ステッピングモータ２０への１入力パルスによるスロットル弁１３の開度変化量が，スロットル弁１３の低開度側に行くにつれて減少するようになっているので，スロットル弁１３の低開度域（エンジンの低負荷域）でのスロットル弁開度の分解能が向上し，その結果，エンジンの低負荷域でのエンジン回転数及び燃料噴射量の制御を緻密に行うことが可能となる。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく，その要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更が可能である。

本発明に係る汎用エンジンの電子制御装置の全体概要図。図１の２−２線拡大断面図。エンジン始動時における電子制御ユニットの学習動作を示すフローチャート。エンジン運転中，電子制御ユニットがエンジン回転数制御を行う手順を示すフローチャートエンジン運転中，電子制御ユニットが燃料噴射量制御を行う手順を示すフローチャートステッピングモータへの入力パルス数及びスロットル弁の開度の関係マップ。ステッピングモータへの入力パルス数，エンジン回転数及び基本燃料噴射量の関係マップ。

符号の説明

Ｅ・・・・エンジン
Ｎｅ・・・エンジン回転数
Ｑ・・・・燃料噴射量
１３・・・スロットル弁
１４・・・燃料噴射弁
２０・・・ステッピングモータ
２１・・・電子制御ユニット
２３・・・エンジン回転数センサ
２４・・・エンジン温度センサ
２５・・・目標エンジン回転数設定手段
２６・・・減速ギヤ装置

Claims

燃料噴射式のエンジン（Ｅ）のスロットル弁（１３）を開閉駆動するステッピングモータ（２０）と，エンジン回転数の目標値を設定する目標エンジン回転数設定手段（２５）と，この目標エンジン回転数設定手段（２５），エンジン回転数（Ｎｅ）及びスロットル弁開度の情報に基づいて前記ステッピングモータ（２０）を作動して，エンジン回転数（Ｎｅ）及び燃料噴射量（Ｑ）を制御する電子制御ユニット（２１）とを備える，汎用エンジンの電子制御装置であって，
前記電子制御ユニット（２１）は，スロットル弁開度の情報として，スロットル弁（１３）を，その基準位置から開閉するために前記ステッピングモータ（２０）に入力するパルス数を取り入れることを特徴とする，汎用エンジンの電子制御装置。
請求項１記載の汎用エンジンの電子制御装置において，
スロットル弁（１３）の前記基準位置を，スロットル弁（１３）の全開位置とし，その基準位置でエンジン（Ｅ）を始動することを特徴とする，汎用エンジンの電子制御装置。
請求項１又は２記載の汎用エンジンの電子制御装置において，
エンジン（Ｅ）の排ガス中のＯ₂濃度を検出するＯ₂センサ（３０）を備え，このＯ₂センサ（３０）の出力に応じて前記電子制御ユニット（２１）が前記燃料噴射量（Ｑ）を補正することを特徴とする，汎用エンジンの電子制御装置。
請求項１又は２記載の汎用エンジンの電子制御装置において，
エンジン（Ｅ）の温度を検出するエンジン温度センサ（２４）を備え，このエンジン温度センサ（２４）の出力に応じて前記電子制御ユニット（２１）が前記燃料噴射量（Ｑ）を補正することを特徴とする，汎用エンジンの電子制御装置。
請求項１記載の汎用エンジンの電子制御装置において，
前記ステッピングモータ（２０）及び前記スロットル弁（１３）間を，該ステッピングモータ（２０）の回転を減速して該スロットル弁（１３）に伝達する減速ギヤ装置（２６）を介して連結し，この減速ギヤ装置（２６）を，減速比が前記スロットル弁（１３）の開度減少に応じて増加するように構成したことを特徴とする，汎用エンジンの電子制御装置。