JP3720379B2 - キャブレターの制御方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、様々な操作状態において、混合比を好ましい値に自動的に調節するための、i.c.エンジンのキャブレターの制御方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
全てのi.c.エンジンにおいて、所謂空燃比は、エンジンの重要な要因と成っている。空燃比は通常Ａ／Ｆ比で表される。低い燃料消費と、少ない排出ガスと、良好な操作性と、高い出力との適正な組み合わせを得るために、空燃比を相対的に狭い制限内で維持しなければならない（図３参照）。一般的に、空燃比は、最適出力値よりも僅かにリーン側が好ましい。
更に、一酸化炭素ＣＯの排出規制により、手動調節するキャブレターは適用できなくなっている。キャブレターの製造許容値で、キャブレターの固定式のノズルを使用して、上記規制を満足しながら、同時にあらゆる大気圧、空気温度、燃料品質の変化に対応して、良好な操作性を提供することは不可能である。好ましい空燃比は、つまり多数の要因により影響される。これら要因のうち幾つかは、エンジン設計段階から周知となっており、従って、最初から修正される。然しながら、その他の要因は、大気圧や、空気温度、燃料の品質、或いはキャブレターの製品に連結される種々の変形等の外界の条件に依存している。
理論的には、各キャブレターを較正し、そして圧力センサー、温度センサー、燃料品質センサー等を使用することは可能である。然しながら、実際上は、非常に高価であり、装置が複雑となり信頼性が低くなる。その結果、排気システムに酸素センサーまたは空気センサー（ラムダゾンデ）を設けた、i.c.エンジンがある。それは、燃焼性能を検知可能であり、かつ空気センサーの測定結果は、空燃比制御装置において、良好な結果を提供するように制御するために利用可能である。酸素センサー（ラムダゾンデ）は、燃料制御装置にフィードバックするので更にセンサーは必要なくなる。然しながら、これは高価で複雑な制御装置であり、コストと信頼性のために、エンジン鋸や芝刈機には適用できない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、酸素センサ（ラムダゾンデ）を使用しないで、種々の操作条件において、空燃比を好ましいレベルに自動的に調節する、i.c.エンジンのキャブレターを制御する方法および装置を提供して、既述の問題を低減することにある。本発明の目的は、以下に記載する本発明の方法および装置の特徴により達成される。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本発明は、様々な操作状態において、混合比を好ましいレベルに自動的に調節するための、i.c.エンジン（２）のキャブレターの制御方法において、
（ａ）エンジン速度に対する混合比の変化に関する既知のキャブレター特性に基づいて、混合比をエンジン速度に対して略連続的に調節することにより、概ね一定の混合比を提供する段階と、
（ｂ）テスト変化として混合比を周期的に短時間変化させる段階と、
（ｃ）テスト変化によるエンジン速度の変化を測定する段階と、
（ｄ）エンジン速度の変化および記憶されている情報に基づいて、混合比をリーン側またはリッチ側に所定のステップで調節する段階と、
（ｅ）エンジン速度の変化から混合比が好ましいレベルにあることが示されるまで段階（ｂ）〜（ｄ）を繰り返し、段階（ｂ）〜（ｄ）を繰り返した後に一定時間その調節を維持することを含んで成るキャブレターの制御方法を要旨とする。これは、第１の制御回路が、既知の混合比のエンジン回転数依存性に基づいて、混合比のエンジン回転依存性を調節することを意味している。調節手段が短時間作動して混合比を変化させ、他の制御回路により周期的にテストされる。エンジン回転数の変化が制御装置において分析され、混合比を好ましい方向に小さく変化させる。そしてこの方法が、第２の制御回路において、好ましい結果が得られるまで繰り返される。
【０００５】
エンジン回転数の変化の分析において、空燃比を変化させるエンジン回転数に関するエンジンの応答の情報が利用される。該情報を利用して、修正を伴う多数のテスト変化により、好ましい操作状態が得られる。第２の制御回路がエンジン回転数のフィードバック接続を有しているので、エンジンの作動中に生じるあらゆる種の逸脱がほぼ補償される。これは、フィードバック接続を有する酸素センサー（ラムダゾンデ）を具備する制御装置と、ほぼ同じ利点を有していることを意味する。そして、本発明によれば、安価で高い信頼性を有する装置が提供される。
エンジン回転数の測定形態には、既に全てのイグニッションシステムに固有のものがある。エンジン回転数の測定装置は、イグニッションシステムにおいて、既に利用されている、安価で信頼性の高いパルスを利用可能である。通常、第１の制御装置が、異なるエンジン回転数において混合比が略一定となるように調節する。第２の制御回路の調節範囲を低減しないように、上記調節量は、可及的に小さくする。第２の制御回路は、第１の制御回路とは、フィードバック接続を有しており、以て略全ての変化が考慮される点において相違している。
【０００６】
本発明の好ましい実施例において、第１の制御装置が、キャブレターの空気室の空気圧を変化せるポンプを制御し、その結果、キャブレターの燃料噴霧量が変化し、従って空燃比が変化する。第２の制御装置が、空燃比を周期的にテストする。先ず、テスト調節手段が作動し、それにより混合比が短時間、薄くなる。この場合、前記調節手段は、キャブレターのメインノズルの２次流れを閉鎖、開放する燃料ニードルである。リーン弁への空燃比の短い変化の間に、生じるエンジン回転数の変化が、第２の制御装置に送られる。該制御装置のメモリに記憶されている情報に基づいて、空気ポンプの回転数が小さく変化し、それにより、空燃比が変化する。次いで、上記テスト調節手段が再び閉鎖し、以て混合比が短時間薄くなり、そしてポンプの回転数が、検知されたエンジン回転数に基づいて新たに変化する。これは、エンジン回転数の変化が、好ましい状態となるまで継続される。
実施例の記載から、調節手段の複数の代替実施例が可能であることは言うまでもない。加えて、少なくとも第２の制御回路は、エンジンが停止した場合でも、最後の正しい調節を記憶している。エンジンは、それにより、エンジンが最後に作動したときと、大気圧や燃料の品質が同じである場合、より良く調節可能となる。
【０００７】
【実施例】
本発明を添付図の実施例に基づいて更に詳細に説明する。
図１において、キャブレター１は、i.c.エンジン２に取着されている。第１の制御回路３が、第１の制御装置４と、キャブレターの機能を作動させる調節手段５とを具備している。第１の制御回路３は、種々のエンジン回転数において空燃比が略一定となるように、エンジン回転数に関して空燃比のグラフを修正する。図４にこれを示す。第２の制御回路６が制御装置７を具備しており、該第２の制御装置７は、少なくとも１つの調節手段５、９を備えている。調節手段９は、キャブレターに設けられており、その機能を作動させる。第２の制御装置７は、エンジン回転数の情報８を受承し、そして第２の制御回路６は、エンジン回転数のフィードバック接続を有している。
第２の制御装置が、回転数および、その１階微分を処理するために使用され、該１階微分を演算する。第２の制御回路６の機能を、以下に概説する。第２の制御装置７が、調節手段５または９の単一の短い作動を提供する。それにより、混合比が、通常リーン側に変化する。それにより、エンジン回転数の変化が上記制御装置に出力され、その偏差により調節手段５が僅かに、そして階段状に変化する。調節手段５または９は、僅な、そして短い作動を繰り返す。それにより生じる回転数の変化が、再び上記制御装置に出力され、該制御装置は、その偏差に基づいて、調節手段５に小さな変化を提供する。該調節手段が適性に調節されるまで、これが繰り返される。これは、上記回転数の変化が、調節不要な回転数の変化であるこから、明らかである。
【０００８】
第２の制御回路６は、閉じたフィードバック制御装置であり、制御ステップの結果により次の制御ステップが決定される。第２の制御回路は、それにより、エンジンが受ける複数の外乱の修正を提供可能となる。上記外乱は、瞬間的な空気圧や温度の変化、燃料の種類、品質の変化、そしてキャブレターの製造誤差等である。
第１の制御回路３は、然しながら、開いた制御装置を具備している。従って、エンジンが製造されたときに既知となっている偏差のみ注意すればよい。既述の通り、それは、エンジン回転数に従い空燃比のグラフを修正するために使用される。該修正を実行するためのデーターは、キャブレターの型とエンジンの型に対して、従前に実行されるテストにより得られる。該データーは、第１の制御装置４に記憶される。その偏差に対して制御装置３は、未修正のキャブレターのグラフに最も小さな修正を実行し、そしてそれにより上記グラフは、エンジン回転数に従い修正される（図４参照）。この場合、前記僅かな修正は、空燃比のグラフの上端部を下方に曲げて、略水平な線となるように実行される。然しながら、水平な空燃比の線を、それ以上下方に修正することは好ましくない。と言うのは、フィードバック接続により、実際の外乱に基づいて調節可能な第２の制御回路６の、制御勾配を低減するからである。
ここで、第１と第２の制御回路の用語は、２つの機能回路を区別するために使用され、各回路は、少なくとも１つの調節手段を作動させる制御装置を具備している。該２つの制御装置は、例えば回路ボードのように、通常一体物として構成されており、経路またはワイヤレス接続を介して調節手段に接続されている。
【０００９】
図２は、本発明による制御装置に適用されるキャブレターの断面図である。該キャブレターは、通気経路１４を有するハウジング１３を具備しており、通気経路１４の中央部には、ベンチュリー１５が設けられている。該キャブレターの燃料入口は、燃料ニップル１６により提供され、そして燃料は、膜ポンプ１７により、破線で示す燃料経路１８を介して燃料室１９に供給される。上記膜ポンプ１７は、エンジンのクランク室の圧力により制御される。燃料の供給は、他の方法によっても可能である。燃料経路１８から燃料室１９に流入する燃料は、入口弁１０により絞られる。入口弁１０は、レバー装置を介して薄膜２０により制御される。該薄膜のために、上記キャブレターは膜キャブレターと呼ばれる。薄膜２０の下側に空気室２１が形成される。
メインノズル２２と、１つ或いはそれ以上のアイドリングまたは低速ノズル２３が、ベンチュリー１５に隣接する通気経路１４の側壁に設けられている。ノズル２３は、アイドリングニードル２５により作動する喉部２４と、破線で示す経路２６を介して燃料の供給を受る。通気経路１４に、チョーク弁２６と絞り弁２７が備えられる。これら弁は、全開位置で示されている。ここに記述するキャブレターは、従来と同様に構成されたキャブレターであるので、その機能についてこれ以上の説明を省略する。
【００１０】
従来の膜キャブレターにおいて、空気室２１は、開口部またはニップル２８を介して外気と直接連通している。本発明によるキャブレターは、ニップル２８からポンプ５に接続されたホース２９を有している。ポンプ５は、通常真空ポンプとして構成されおり、従って空気室２１の空気圧を低下させる。上記入口弁は、それにより上方に押し上げられ、燃料室１９への燃料の流量に対する絞りが増加する。この絞り損失により、燃料室１９の圧力が低下し、ノズル２２、２３を介して噴霧される燃料が低下する。これにより、混合比が低下する。喉部１１、１２は、燃料室１９とメインノズル２２との間に設けられ、真空ポンプ５が作動していないとき、通常、濃い混合気を供給するように調節される。真空ポンプ５の回転数が高くなる、或いはその他の理由から、真空ポンプ５が活発に作動すると、燃料室１９の圧力が低下して混合比が薄くなる。然しながら、原理的には、他の組み合わせ、例えば、ポンプが空気室２１の圧力を増加し、或いは、同圧力を増加、低下させることをも可能である。
上記原理は、図示する膜キャブレターに関するものであるが、フロート式のキャブレターにも相似的に適用可能である。こうした場合、真空ポンプ５によりフロートハウジング内の圧力が変化し、それにより噴霧される燃料が増加して、その結果、混合比が高くなる。
【００１１】
従来のキャブレターとの比較において、第２の相違点は、メインノズル２２への燃料の供給量が、喉部１１、１２により変化する点である。流れの主要部分が固定された喉部１２を通過し、少量の２次流れが喉部１１を通過する。調節手段９は、喉部１１を通過する流れを遮断する第１の位置と、喉部１１の経路を開放する第２の位置を有している。調節手段９は、制御装置７により上記第１の位置と第２の位置とに制御されるソレノイド式の弁である。これは、単純、安価で信頼性が高い。制御回路６において、それは、テスト調節手段として使用される。キャブレター特性の調節は、周期的に実行され、多数の他の制御装置において連続的には実行されない。言い換えれば、調節は、第２の制御回路６において一定間隔で実行される。上記調節は、喉部１１を通過する２次流れを閉鎖するテスト調節手段９を閉鎖して開始される。これにより、メインノズル２２を通過する燃料流量は、略瞬間的に減少する。流量の減少が小さくなるように調節される。
メインノズル２２を通過する燃料流量が減少すると、エンジンの回転数が変化する。回転数の変化の程度は、変化する前の燃料流量、つまり空燃比の精度に依存している。制御装置において、変化を分析することにより、混合比を薄くするべきか、または濃くすべきか、或いは維持すべきかが決定される。これを図５、６に示す。例えば、薄い混合比が好ましい場合、第２の制御装置７が真空ポンプ５の回転数を増加する。この変化は、好ましくは、所定のステップにより実行される。
【００１２】
テスト調節手段９は、短時間閉鎖され、その変化は、エンジンの操作者に直接的に感知されない。混合比を薄くする調節手段の該第１の変化の後、再びテスト調節手段９を閉鎖し、制御装置７において回転数の変化を分析して新たな調節が実行される。その結果、混合比が更に僅かに薄くなる。そして引き続き実行される調節により、更に調節する必要がないことが示される。これは、新たなテストを実行するまでの操作の所定時間、セッティングが維持されることを意味している。
既述のように、制御回路３は、回転数に対して空燃比を調節するために使用される。第２の制御回路６とは異なり、第１の制御回路は連続的に作動する。然しながら、これは、全ての時間に渡って作動することを意味するのではなく、可及的に、かつ適性な限り頻繁に作動することを意味している。制御装置において電流は、バッテリーを備えていないエンジンから、該制御装置に供給され、イグニッション装置から電流が供給される。この電流供給、連続的ではなくパルス状となる。第１の制御装置４が、エンジン回転数が過剰に変化しないように調節手段５を作動させる。
【００１３】
従って図示する実施例において、第１の制御装置４が回転数の修正を付加し、それにより全てのエンジン回転数に渡って空燃比が略一定となる。該修正を基本修正とする。第２の制御装置７が、他のパラメータに関して修正を実行する。該修正において、テスト調節手段９が、薄い混合比を提供するために周期的に使用される。制御装置７により受承される回転数の情報８が分析に使用され、そして真空ポンプの回転数または絞りが、ステップ状に変化する。これは、結果が容認されるようになるまで繰り返される。種々の調節手段が使用可能である。真空ポンプの代わりに、吸引源として入口管を使用可能であり、パルス状に変化するソレノイド弁により圧力を調節する。空気室２１の参照圧力を制御する代わりに、１つまたは２つの燃料ノズルを制御してもよい。テスト調節手段は、予め喉部１２に、または入口弁１０の位置に絞りニードルを補ってもよい。ニードルは、例えば電動モータにより比例制御され、完全に真空ポンプ５の機能を代替する。
然しながら、上記ニードルは、テスト調節手段９の機能を代替してもよい。この場合、上記ニードルは、テスト調節手段９により提供されるテスト変化を代替する動作の第１のステップを実行可能でなければならない。これは、例えば、上記ニードルの駆動用モータにステップ状のパルスを供給し、或いは、ステッピングモータを使用することにより達成される。それに対応して、テスト調節手段９をポンプのステップ状の操作により代替することが可能ある。更に、燃料ノズルを制御することに代えて、空気ノズルからの空気希釈を制御してもよい。この空気希釈は、例えば、パルス状に作動するソレノイド弁により制御される。図示する実施例は、単純で信頼性のある要素を有しており、そして急速な機能を提供する。
【００１４】
上記制御装置の構成、機能に関する記載に加えて、制御の基本について説明する。図３は、周知となっているi.c.エンジンの、空燃比に対するエンジン出力の特徴を示している。図３において空燃比が急速に低下し過ぎている、つまり混合比が薄くなり過ぎている状態が示されている。空燃比が、水平軸に沿って薄い混合比に接近し、最適出力の部分がマークされる。第２の制御装置７により短時間空燃比が増加し、調節手段９を短時間閉鎖することにより混合比が薄くなる。
エンジン出力グラフに基づいて、エンジン負荷が一定の場合、以下の結論が導かれる。最適出力において調節が周期的に実行される場合、回転数の変化は全く生じない。他方、初期の混合比がリッチな位置において調節が実行される場合、出力および回転数は増加する。然しながら、初期の混合比がリーンな位置においてこれが実行されると、エンジンの出力と回転数は減少する。回転数の変化に基づいて、エンジンが最適出力のどちら側で作動しているかが理解される。この説明は、部分負荷、つまり燃料スロットルの他の位置の様々な場合に相似的に適用される。結果的に上記最適出力位置から僅かにリーン側の位置で操作することが好ましい。と言うのは、燃料消費はもとより、二酸化炭素の排出量が低減されるからである。
【００１５】
図５、６は、第２の制御装置７の制御方法を示している。図５は、リッチ側への修正を示しており、図６は、リーン側への修正を示している。両方の場合において、測定方法の必要条件、例えば、回転数が許容限度内にあること、が満足されていることを先ず確認する。この場合、ニードル弁、つまりテスト調節手段９が短時間閉鎖される。その結果、回転数またはその１階微分が低下する場合、基本グラフの修正は、低い空燃比、つまり混合比を濃くする方向に調節される。然しながら、回転数またはその１階微分が減少せずに増加する場合には、高い空燃比、つまり混合比を薄くする方向に調節される。基本グラフは、回転数を修正した後の異なる回転数における空燃比のグラフである。
最適出力位置からある程度リーン側で操作することが好ましいので、制御基準は、これが達成されるように選定される。これは、基本グラフを変化させることなく、回転数またはその１階微分の小さな低下を許容することを意味する。図３、５を参照すると、これは、リーンの初期位置から操作位置が最適出力位置に接近することを意味する。図６、３において、リッチな初期位置から最適出力位置およびこれを越えて調節が実行される。前記制御装置は、図６による制御のみを具備してもよい。と言うのは、リッチな基本調節への復帰は、例えばエンジンが停止した場合等、必ず実行されるためである。
【００１６】
図４は、制御装置によりエンジン回転数の関数として如何に空燃比が変化するか、を示した図である。図４の線図は、頂点において混合比がリッチ、そして底部において混合比がリーンであることを意味している。該グラフにおいて、上部の曲線は、キャブレターの修正していないグラフを示している。曲線は好ましくなく、様々な回転数において略一体の空燃比、つまりグラフにおいて水平の線が好ましい。既述のように、第１の制御装置４が、修正されていない曲線を下方に曲げるように、回転数を修正する。該修正は、キャブレターおよびエンジンの型に関する記憶情報に基づいている。この回転数の修正の後、修正されたグラフまたは基本グラフが得られる。図の下部のグラフは、好ましい空燃比の実際の例を示している。第２の制御会とのフィードバック修正により、好ましい結果を得るために必要な修正が実行される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による制御装置の略示構成図である。
【図２】図１の制御装置を適用したキャブレターの略示断面図である。
【図３】空燃比に対するエンジン出力の変化のグラフである。
【図４】エンジン回転数の関数として空燃比を表すグラフである。
【図５】混合比をリッチ側に調節する方法を示すアルゴリズムである。
【図６】混合比をリーン側に調節する方法を示すアルゴリズムである。
【符号の説明】
１…キャブレター
２…i.c.エンジン
３…第１の制御回路
４…第１の制御装置
５…調節手段
６…第２の制御回路
７…第２の制御装置
８…エンジン回転数の情報
９…調節手段

Claims (6)

1. 様々な操作状態において、混合比を好ましいレベルに自動的に調節するための、i.c.エンジン（２）のキャブレターの制御方法において、
   （ａ）エンジン速度に対する混合比の変化に関する既知のキャブレター特性に基づいて、混合比をエンジン速度に対して略連続的に調節することにより、概ね一定の混合比を提供する段階と、
   （ｂ）テスト変化として混合比を周期的に短時間変化させる段階と、
   （ｃ）テスト変化によるエンジン速度の変化を測定する段階と、
   （ｄ）エンジン速度の変化および記憶されている情報に基づいて、混合比をリーン側またはリッチ側に所定のステップで調節する段階と、
   （ｅ）エンジン速度の変化から混合比が好ましいレベルにあることが示されるまで段階（ｂ）〜（ｄ）を繰り返し、段階（ｂ）〜（ｄ）を繰り返した後に一定時間その調節を維持することを含んで成るキャブレターの制御方法。
2. 様々な操作状態において、混合比を好ましいレベルに自動的に調節するために、i.c.エンジン（２）のキャブレター（１）を制御するための請求項１に記載の方法を実施するための装置において、
   混合比を調節するための少なくとも１つの調節手段（５、９）と、
   調節手段（５）を略連続的に作動させて、既知の速度特性に基づいてエンジン速度に対して混合比を略一定の混合比を提供する第１の制御装置（４）と、
   調節手段（５、９）を周期的に短時間作動させて、混合比をテスト変化として短時間変化させるための第２の制御装置（７）と、
   前記エンジン（２）の回転数を前記第２の制御装置（７）へフィードバックするフィードバック手段とを具備し、
   前記第２の制御装置（７）は、エンジン速度の変化および記憶されている情報に基づいて、前記調節手段（５、９）により混合比をリーン側またはリッチ側に所定のステップで調節し、前記フィードバック手段からのエンジン速度のフィードバック情報（８）に基づき、混合比が好ましいレベルにあることが示されるまで段階（ｂ）〜（ｄ）を繰り返し、前記段階（ｂ）〜（ｄ）を繰り返した後に、一定時間その調節を維持するようにしたキャブレター制御装置。
3. 前記第２の制御装置（７）により作動する前記調節手段（９）は、ソレノイド弁により、キャブレターのメインノズル（２２）へ喉部（１１）を介して２次流れを許容する開放位置と、前記２次流れを遮断して短時間混合比をリーンにする閉鎖位置との間で動作するニードルを具備する請求項２に記載の装置。
4. 前記調節手段（５）が、
   前記キャブレターの空気室（２１）に連通し該空気室（２１）の空気圧を変化させるポンプと、
   燃料室の圧力、および、前記キャブレターのノズル（２２、２３）を介して噴射される燃料流量を制御し、以て混合比を調節する入口弁（１０）とを具備し、
   キャブレターの前記メインノズル（２２）へ第１の燃料流れを提供するための固定式の喉部（１２）が設けられて成る請求項３に記載の装置。
5. 前記調節手段（５）は、前記メインノズル（２２）の燃料流量を制御し以て混合比を調節するための軸方向に連続的に動作可能な燃料ニードル（１０）を具備していることを特徴とする請求項３に記載の装置。
6. エンジンが作動していない場合にも、最後の調節の情報を記憶しているメモリを更に具備する請求項２〜５の何れか１項に記載の装置。

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