JP2014009643A - 携帯作業機用動力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フライホイルによらずにエンジンの回転を安定させることのできる携帯作業機用動力装置を提供する。
【解決手段】エンジンと、エンジンに対してそのクランクシャフトに出力トルクを伝達可能に接続する電動モータと、を含んで携帯作業機用動力装置を構成する。ここで、電動モータの出力トルクをエンジンの１燃焼サイクル内で変化させ、エンジンのピストンが圧縮上死点に向けて上昇する行程において、電動モータによってクランクシャフトを正転方向に付勢する。
【選択図】 図６

Description

本発明は、携帯作業機に備わる動力装置に関し、特に内燃機関（以下「エンジン」という）を有する携帯作業機用動力装置に関する。

携帯作業機においてその駆動源として備わる動力装置として、下記特許文献１に記載のものは、エンジンを備え、このエンジンのクランクシャフトには、フライホイルが取り付けられている。

特開２０１１−０７４８７９号公報（段落番号００１９）

フライホイルは、エンジンのアイドル運転時等、エンジン自体ではその回転を充分に安定させることができない場合に、その回転慣性によってこれを安定的に維持するのに役立つ。しかし、フライホイルは、それ自体に相応の質量を要するため、エンジンを駆動源とする携帯作業機全体の重量を増大させるという問題を伴う。

そこで、本発明は、フライホイルによらずにエンジンの回転を安定させることのできる携帯作業機用動力装置を提供することを目的とする。

本発明の一形態では、エンジンと、エンジンに対してそのクランクシャフトに出力トルクを伝達可能に接続する電動モータと、を含んで携帯作業機用動力装置を構成する。ここで、電動モータの出力トルクをエンジンの１燃焼サイクル内で変化させ、エンジンのピストンが圧縮上死点に向けて上昇する行程において、電動モータによってクランクシャフトを正転方向に付勢する。

本発明の一形態によれば、エンジンの回転が減速する傾向にある行程で電動モータによってクランクシャフトを正転方向に付勢することで、フライホイルによらずにこの減速を抑制し、エンジンの回転を安定させることができる。

本発明の一実施形態に係る携帯作業機用動力装置の構成を示す断面図 同上動力装置を構成するエンジンの動作説明図（上昇行程初期） 同上動力装置を構成するエンジンの動作説明図（上昇行程中期） 同上動力装置を構成するエンジンの動作説明図（下降行程中期） 同上動力装置を構成するエンジンの動作説明図（下降行程終期） 同上動力装置に備わる電動モータの動作特性図 本発明の他の実施形態に係る携帯作業機用動力装置の構成を示す断面図

以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る携帯作業機用動力装置１０の構成を、クランクシャフト２２の中心軸Ｃｔｒに平行な縦方向断面によって示している。

本実施形態に係る携帯作業機用動力装置（以下、単に「動力装置」という）１０は、園芸用の携帯作業機、例えば、刈払機に備わり、その駆動源を構成する。動力装置１０の出力が刈払機の回転刃に伝達され、これを回転させる。しかし、刈払機に限らず、草刈機、チェーンソー、サーキュラーカッター（カットオフソー）、噴霧機、散布機、送風機（ブロワ）及び集塵機等のあらゆる携帯作業機において、その駆動源として備えることが可能である。

動力装置１０は、内燃機関（エンジン）２０と電動モータ５０とを備え、エンジン２０のクランクシャフト２２と電動モータ５０の回転軸５２とが直結され、電動モータ５０の出力トルクをクランクシャフト２２に伝達するとともに、エンジン２０の出力トルクを回転軸５２に伝達することもできるように構成されている。エンジン２０と電動モータ５０とは、クランクシャフト２２と回転軸５２とを同軸上に連結するだけでなく、歯車又はチェーン機構等の動力伝達媒体を介して接続してもよく、クラッチを介して断続可能に接続してもよい。

エンジン２０は、２ストロークエンジンであり、本実施形態では、単気筒の小型２ストロークエンジンを採用している。
エンジン２０は、大きく分けてシリンダ２４とクランクケース２６とに分割形成され、クランクシャフト２２は、クランクケース２６に対してベアリング２８によって軸支されている。ベアリング２８の内側には、オイルシール３０が設置されている。ピストン３２は、シリンダ２４にその内部を上下移動自在に挿入され、コンロッド３４を介してクランクシャフト２２に連結されている。具体的には、ピストン３２は、ピストンピン３６によってコンロッド３４の一端部に接続され、コンロッド３４は、他端部がクランクピン３８に接続され、クランクピン３８を保持するクランクアーム４０を介してクランクシャフト２２に接続されている。クランクアーム４０は、クランクピン３８の保持部とは反対側にカウンタウェイト４２を備える。

シリンダ２４には、ピストン３２上方の部位に燃焼室Ｃが形成されており、燃焼室Ｃに臨ませるように点火プラグ４４が設置されている。点火プラグ４４は、コントロールユニット７０からの指令信号に応じて作動し、燃焼室Ｃに形成された圧縮混合気に点火する。シリンダ２４には、その外側面に複数の放熱フィン４６が突出形成されている。

電動モータ５０は、三相誘導型の電動モータ（ブラシレスモータ）であり、発動機（モータ）として機能するほか、発電機（ジェネレータ）として機能することもできる。本実施形態では、電磁コイル５４を静止側に、永久磁石５６を可動側に置き、永久磁石５６を保持する回転子（ロータ）５８を電磁コイル５４の外側に配置している。電磁コイル５４は、クランクケース２６に対して固定されている。本実施形態において、永久磁石５６は、有底円筒状に形成された回転子５８の内周部に固定されており、回転子５８は、クランクケース２６外に延びるクランクシャフト２２の延設部に、クランクシャフト２２と同軸上で回転可能に取り付けられている。換言すれば、本実施形態において、クランクシャフト２２の延設部は、電動モータ５０の回転軸５２の機能を兼ねる。回転子５８の外周面には、冷却ファン６０が形成されている。

コントロールユニット７０は、点火回路７２及びモータ制御回路７４を備えるほか、動力装置１０の運転状態を検出する構成として点火タイミング検出回路、スロットル開度検出回路及びロータ位置検出回路を備える。

点火回路７２は、エンジン２０の運転条件に応じた点火タイミングＴｉｇを算出し、これに応じた指令信号を点火プラグ４４に出力する。
モータ制御回路７４は、「制御装置」としての機能を有し、電動モータ５０の作動条件を算出し、これに応じた指令信号を電動モータ５０に出力する。具体的には、動力装置１０の要求出力に対してエンジン２０の出力トルクに不足がある場合に、電動モータ５０を発動機として動作させる指令信号を出力する一方、エンジン２０の出力トルクに余裕がある場合に、これを発電機として動作させる指令信号を出力する。

モータ制御回路７４は、電動モータ５０を発動機として動作させる場合に、蓄電装置（例えば、バッテリ）８０からの直流電流を三相の交流電流に変換し、各相の電流成分を対応する電磁コイル５４に供給する。一方で、発電機として動作させる場合は、電磁コイル５４が発生した三相の交流電流を直流電流に変換し、蓄電装置８０に供給する。蓄電装置８０には、バッテリのほか、キャパシタを採用することができる。

図２は、エンジン２０の概略的な構成を、クランクシャフト２２の中心軸Ｃｔｒに対して垂直な縦方向断面によって示している。
エンジン２０には、給気通路２０２、掃気通路２０４及び排気通路２０６が形成されている。本実施形態において、これらの通路２０２〜２０６は、いずれも一端がシリンダ２４の内部に連通しており、ピストン３２の往復移動に応じてその周側面によって開閉される。

給気通路２０２は、給気ポートＰ１においてシリンダ２４内に連通しており、給気ポートＰ１は、その上縁が下死点にあるピストン３２の上面よりも下方に位置し（図２）、下縁が上死点にあるピストン３２の下面よりも下方に位置するように設定されている（図３）。これにより、給気通路２０２は、ピストン３２が下死点にあるときにピストン３２の周側面によって閉塞される一方、ピストン３２の上昇行程中期から下降行程中期に移行する過程でピストン３２の下方で開口し、クランクケース２６の内部に生じた負圧を導入して、クランクケース２６内に混合気を吸入させる。ここで、上昇行程は、ピストン３２が燃焼室Ｃから最も離れる下死点から、逆に最も近付く上死点に向けて移動する行程をいい、下降行程は、ピストン３２が上死点から下死点に向けて移動する行程をいう。

掃気通路２０４は、一端の掃気流入口Ｐ２１においてクランクケース２６内に連通する一方、掃気流入口Ｐ２１からシリンダ２４の中心軸に沿って延在し、他端の掃気ポートＰ２２においてシリンダ２４内に連通して、クランクケース２６内とシリンダ２４内とを空間的に接続している。掃気ポートＰ２２は、その上縁が下死点にあるピストン３２の上面よりも上方に位置し（図２）、下縁が上死点にあるピストン３２の下面よりも上方に位置するように設定されている（図３）。これにより、掃気通路２０４は、掃気ポートＰ２２が上昇行程中期から下降行程中期にかけてピストン３２の周側面によって閉塞される一方、ピストン３２の下降行程終期にピストン３２の上方で開口することで、クランクケース２６内とシリンダ２４内とを連通させ、クランクケース２６内の混合気をシリンダ２４内に供給するための通路を形成する。

排気通路２０６は、排気ポートＰ３においてシリンダ２４内に連通しており、排気ポートＰ３は、その上縁が下死点にあるピストン３２の上面よりも上方に位置し（図２）、下縁が上死点にあるピストン３２の下面よりも上方に位置するように設定されている（図３）。これにより、排気通路２０６は、ピストン３２が上死点にあるときにピストン３２の周側面によって閉塞される一方、ピストン３２の下降行程中期以降の期間において掃気ポートＰ２２よりも先にシリンダ２４内に開口し、排ガスを導出して、シリンダ２４内の圧力を低下させる。

ここで、エンジン２０の動作について簡単に説明する。
図２〜５は、エンジン２０の動作を時系列順に示している。
ピストン３２が下死点を通過し、上死点に向けて移動を開始した後（図２）、ピストン３２の周側面によって掃気ポートＰ２２が閉塞されると、クランクケース２６内が外部に対して密閉された状態となり、クランクケース２６内に負圧が発達する。

上昇行程中期に至ると（図３）、ピストン３２の下方で給気ポートＰ１が開放され、クランクケース２６内の負圧が給気通路２０２に波及する。これにより、エンジン２０外の空気が図示しないキャブレタに取り込まれ、キャブレタによって添加された燃料と空気との混合気が給気通路２０２を通じてクランクケース２６内に導入される。

上昇行程終期に至ると、上死点近傍で点火プラグ４４が作動して、燃焼室Ｃの圧縮混合気が点火される。上死点を通過して下降行程に移ると、ピストン３２は、燃料の体積膨張によって押し下げられ、コンロッド３４を介してクランクシャフト２２を回転させる。クランクシャフト２２の回転運動は、携帯作業機の駆動軸に伝達され、刈り刃を回転させる。

下降行程中期に至ると（図４）、ピストン３２の上方で排気ポートＰ３が開放され、燃焼後の排ガスが排気通路２０６に導出される。これにより、シリンダ２４内の圧力が急激に減少する。導出された排ガスは、図示しないマフラを通過し、大気中へ放出される。一方で、クランクケース２６内では、ピストン３２の下降によって混合気が圧縮され、圧力が上昇する。

下降行程終期に至ると（図５）、ピストン３２の上方で掃気ポートＰ２２が開放され、クランクケース２６内の混合気が掃気通路２０４を通じてシリンダ２４内に流出し、これにより、シリンダ２４内に残存する排ガスが掃気される。

図６は、電動モータ５０の動作特性を、エンジン２０のクランク角Ｃｒに関して示している。
本実施形態において、電動モータ５０は、エンジン２０が低回転域にある場合に、１燃焼サイクル内で発動機及び発電機として切換動作する一方、高回転域にある場合に、そのような動作を停止する。電動モータ５０は、エンジン２０が高回転域にある場合に、発動機として動作し、動力装置１０の要求出力に対するエンジン出力の不足分を補うアシストトルクを生じさせる。しかし、エンジン２０のみによって高回転域における要求出力を発生可能である場合は、空転させてもよい。クランクシャフト２２と回転軸５２との間にクラッチ等の断続手段を備える場合は、両者の接続を遮断することも可能である。エンジン２０が低回転域にあるか否かは、コントロールユニット７０が判断する。

具体的には、コントロールユニット７０は、エンジン回転数を算出し、これがコントロールユニット７０に予め記憶させた所定の回転数よりも低い場合に、エンジン２０が低回転域にあると判断する。エンジン回転数は、例えば、ロータ位置検出回路が算出するロータ位置から計算することが可能である。所定の回転数は、エンジン２０自体によってその自律回転を安定させ得る領域の下限値として設定され、本実施形態では、エンジン２０のアイドル回転数を採用している。

電動モータ５０は、コントロールユニット７０からの指令信号に応じて作動し、エンジン２０の１燃焼サイクル内で出力トルクを変化させ、エンジン２０の上昇行程のうち、エンジン２０だけではその回転が減速する中期以降の期間Ｃｒ３〜ＴＤＣにおいて発動機として動作し、アシストトルクを生じさせてクランクシャフト２２を正転方向に付勢する。一方で、エンジン２０の下降行程のうち、エンジン２０の回転が加速する上死点後の期間Ｃｒ１〜Ｃｒ２において発電機として動作し、加速を抑制する。コントロールユニット７０は、電動モータ５０を発電機として動作させる期間Ｃｒ１〜Ｃｒ２において、電磁コイル５４に対する駆動電流の供給を停止する。電動モータ５０が発電した電力は、蓄電装置８０に供給され、その充電に充てられる。本実施形態では、上記エンジン２０の減速領域を上死点前１００°付近から上死点付近までとし、上記エンジン２０の加速領域を上死点後１０°付近から下死点付近までとしている。

このように、本実施形態によれば、エンジン２０が低回転域（アイドル運転域）にある場合に、エンジン２０だけではその回転が減速する期間Ｃｒ３〜ＴＤＣに電動モータ５０によってクランクシャフト２２を正転方向に付勢することで、フライホイルと同様な効果を電動モータ５０によって生じさせてこの減速を抑制し、エンジン２０の回転を安定させることができる。換言すれば、本実施形態において、電動モータ５０は、エンジン２０の低回転域においてフライホイルとして機能する一方、これ以外の高回転域においてエンジン２０のアシストモータとして機能する。従って、フライホイルを省略するか、採用するとしてもより重量の小さいものに変更することが可能となるので、エンジン２０の可搬性を向上させ、携帯作業機の操作性を改善することができる。エンジン回転数を検出し、１燃焼サイクル内でのエンジン回転数の変動幅に応じてモータ出力を制御することで、より適切なフライホイル効果を生じさせることが可能である。そして、エンジン２０が高回転域にある場合は、フライホイルに起因して生じていた出力損失を低減し、動力装置１０全体の効率を改善することができる。

図７は、本発明の他の実施形態に係る携帯作業機用動力装置１０’の構成を、図１と同様の縦方向断面によって示し、先の実施形態のものに対応する要素を、図１と同一の符号によって示している。

本実施形態に係る動力装置１０’は、先の実施形態に係る動力装置１０に対し、電動モータ５０の構成のみが相違する。それ以外の構成は、先の実施形態のものと同様である。
具体的には、本実施形態では、電動モータ５０の回転軸５２に対し、永久磁石５６を保持する回転子（ロータ）５８を電磁コイル５４の内側に配置している。クランクシャフト２２の延設部に有底円筒状の回転子５８が取り付けられ、永久磁石５６は、その外周部に固定されている。電磁コイル５４は、永久磁石５６の外側に配置され、エンジン２０のクランクケース２６に対して固定されている。

このように、回転子５８を電磁コイル５４の内側に配置したことで、電動モータ５０の小型化が容易となり、動力装置１０の更なる軽量化を図ることができる。
以上の説明では、エンジン２０に２ストロークエンジンを採用したが、これに限らず、４ストロークエンジンを採用することも可能である。この場合は、エンジン２０が低回転域にある場合に、電動モータ５０を、圧縮行程のうち、上死点前所定の時期から上死点付近までの期間に発動機として動作させ、膨張行程のうち、上死点後所定の時期から下死点付近までの期間に発電機として動作させる。

エンジン２０は、単気筒エンジンに限らず、多気筒エンジンであってもよい。
携帯作業機の駆動軸は、電動モータ５０のみによって回転させることも可能である。例えば、携帯作業機の駆動軸を電動モータ５０の回転軸５２に接続するとともに、エンジン２０のクランクシャフト２２と回転軸５２とをクラッチ等によって断続可能に接続する。これにより、電動モータ５０のみによる運転に際してクランクシャフト２２と回転軸５２との間の接続を遮断し、電動モータ５０に対する負荷を軽減することができる。

１０、１０’…携帯作業機用動力装置、２０…内燃機関（エンジン）、２２…クランクシャフト、２４…シリンダ、２６…クランクケース、２８…ベアリング、３０…オイルシール、３２…ピストン、３４…コンロッド、３６…ピストンピン、３８…クランクピン、４０…クランクアーム、４２…カウンタウェイト、４４…点火プラグ、４６…放熱フィン、５０…電動モータ、５２…回転軸、５４…電磁コイル、５６…永久磁石、５８…回転子、６０…冷却ファン、７０…コントロールユニット、７２…点火回路、７４…モータ制御回路、８０…蓄電装置、２０２…給気通路、２０４…掃気通路、２０６…排気通路、Ｐ１…給気ポート、Ｐ２１…掃気流入口、Ｐ２２…掃気ポート、Ｐ３…排気ポート。

Claims (9)

1. エンジンと、
   前記エンジンに対してそのクランクシャフトに出力トルクを伝達可能に接続する電動モータと、
   を含んで構成され、
   前記電動モータは、前記エンジンの１燃焼サイクル内で出力トルクを変化させ、前記エンジンのピストンが圧縮上死点に向けて上昇する行程において、前記クランクシャフトを正転方向に付勢する、
   携帯作業機用動力装置。
2. 前記電動モータは、前記ピストンが圧縮上死点から折り返して下降する行程において、発電機として動作する、請求項１に記載の携帯作業機用動力装置。
3. エンジンと、
   発動機及び発電機の双方として動作可能な電動モータと、
   を含んで構成され、
   前記電動モータは、前記エンジンの１燃焼サイクルのうち前記エンジンのピストンが下死点から上死点に向けて移動する行程中の少なくとも一部の期間において、発動機として動作して、前記エンジンのクランクシャフトを正転方向に付勢する一方、前記ピストンが上死点から下死点に向けて移動する行程中の少なくとも一部の期間において、発電機として動作する、
   携帯作業機用動力装置。
4. 前記電動モータは、前記エンジンのクランク角に関して予め定められた圧縮上死点前所定の時期から圧縮上死点までの期間に発動機として動作し、圧縮上死点後、前記クランク角に関して予め定められた所定の期間に発電機として動作する、請求項３に記載の携帯作業機用動力装置。
5. 前記電動モータを発電機として動作させる期間において、前記電動モータに対する駆動電流の供給を停止する、請求項２〜４のいずれか１つに記載の携帯作業機用動力装置。
6. 前記電動モータが発生した電気を蓄電する蓄電装置を更に含んで構成される、請求項２〜５のいずれか１つに記載の携帯作業機用動力装置。
7. 前記電動モータに対し、前記蓄電装置が蓄電している電気を所定の駆動電流に変換して供給する制御装置を更に含んで構成される、請求項６に記載の携帯作業機用動力装置。
8. 前記電動モータは、
   前記エンジンが所定の低回転域にあるときに前記クランクシャフトを付勢し、
   前記エンジンが前記所定の低回転域よりも高回転数側の運転領域にあるときに前記クランクシャフトの付勢を停止する、
   請求項１〜７のいずれか１つに記載の携帯作業機用動力装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１つに記載の動力装置を駆動源とする携帯作業機。