JP4248374B2 - エンジンンの始動装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関（以下、「エンジン」という）の始動装置に関し、特に、マイクロコンピュータを有し、バッテリを設けることなく、リコイルスタータ等、手動式の始動操作装置によって容易に始動できるようにしたエンジン始動装置に関する。

リコイルスタータ等、手動式の始動操作装置を備える汎用エンジンや農用エンジン等の小型エンジンにおいては、エンジンの点火タイミングは予め機械的に設定されており、点火位置（点火時期）は電気回路定数の調節によって変更されるのが一般的である。

これに対して、近年はマイクロコンピュータでデジタル式に点火時期を制御する点火装置をエンジンに搭載することが提案されている（例えば、特開平９−２３６０７１号公報）。
特開平９−２３６０７１号公報

上記公報に記載された点火装置では、エンジン始動に際して、まずバッテリからの電力でマイクロコンピュータ（ＣＰＵ）を立ち上げる必要がある。しかし、バッテリ等、電源を搭載しない、例えば耕耘機や刈り払い機などのエンジン駆動作業機では、エンジンが手動で回転操作されて、このエンジン回転で駆動される発電機から充分な電力がＣＰＵに供給されるまでは点火動作を行うことができない。

発電機からの電力でエンジンの点火始動を行うためには、手動式の始動操作装置で回転を開始したエンジンが慣性で回転している間、つまり慣性回転によって発電が行われている間に一連の処理（ＣＰＵのリセット、ＣＰＵの立ち上げ、および点火時期を決定するソフトウェア処理）を行う必要がある。したがって、バッテリを有していない、いわゆるバッテリレスのエンジンに対してＣＰＵによるデジタル制御式の点火装置を採用するのは非常な困難を伴うことであった。

一方、ＣＰＵが立ち上がるまでの最初の点火信号をＣＰＵ処理によらないで電気回路でハード的処理することも考えられるが、専用のハード構成を必要とするため、回路が複雑になるのを避けられない。

本発明の目的は、上記問題点を解消して、手動操作によるエンジンの慣性回転中にＣＰＵを立ち上げて点火動作を開始できるようにしたエンジン始動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、エンジンに直結される発電機の出力電力を電源とするマイクロコンピュータで制御される点火装置を有するエンジンの始動装置において、前記エンジンのクランク軸に連結されたフライホイールを回転させる手動始動装置を具備し、前記マイクロコンピュータが、前記手動始動装置の操作による前記発電機の出力電力で立ち上がった後に、該マイクロコンピュータに最初に入力されるエンジン回転位置の基準信号に応答して、予め設定された時間経過時に点火指示を発生する初期点火機能を有している点に第１の特徴がある。

また、本発明は、前記予め設定された時間が、前記手動始動装置の操作による最低始動回転数の時に、定格運転時に使用される点火角度より遅角された点火角度であるように設定される点に第２の特徴がある。

また、本発明は、前記初期点火機能の動作後は、該初期点火機能の動作に代えて、前記マイクロコンピュータが、エンジンの回転数に応じた点火角度で前記基準信号の入力毎に次回の点火指示を発生するように構成された点に第３の特徴がある。

さらに、本発明は、前記点火装置が、前記エンジンの回転数に応じた点火角度で点火するように構成されたデジタル制御式である点に第４の特徴がある。

リコイルスタータ等による始動操作では、慣性回転している短い時間での着火チャンスを逃すことなく点火指示を行う必要がある。本発明では、マイクロコンピュータが立ち上がったならば、その後に入力信号があったときを基準として予定時間経過時点で点火指示を発生できるので、慣性回転中の少ない着火チャンスを逃すことなく点火を行うことができる。この点火指示の発生のために特別な回路構成を必要とせず、マイクロコンピュータでソフトウェア的に処理できる。

特に第２の特徴によれば、最低始動回転数の時に、定格運転時に使用される点火角度より遅角された点火角度となる点火指示を発生させるように設定するので、始動操作のばらつき、すなわち、エンジン始動回転数の変動があったとしても、最低始動回転数に達していれば、この変動にかかわらず適切な着火ゾーンでの最初の点火指示を行うことができる。

また、第３の特徴によれば、２回目以降の点火指示を回転数に対応した最適値に設定することが可能になる。

さらに第４の特徴によれば、点火角度を、エンジン回転数に応答して高速かつ簡単に決定できるので、エンジンの慣性回転中の短い時間内ですばやく点火指示をすることができる。

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始動装置を適用することができるエンジンを搭載した作業機の第１例である刈り払い機の斜視図である。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り、図示しないリコイルスタータによってエンジン１が始動される。

図３は、本発明の一実施形態に係る始動装置を適用することができるエンジンを搭載した作業機の第２例である管理機の斜視図である。管理機４０には、リコイルスタータ４１を備えた縦軸出力のエンジン４２が設けられ、エンジン４２の出力は下方の作業部軸４３に伝達される。作業部軸４３には、複数個の耕耘爪４４が取り付けられている。エンジン４２のフレームからハンドルポスト４５が後上方に延び、その先端は二股に分岐してハンドル４６を形成し、ハンドル先端にはグリップ４７，４７が設けられる。ハンドルポスト４５には、上下に延びるポスト４８が設けられ、ポスト４８の上端には管理機４０を持ち上げて運搬するのに使用されるグリップ４９が設けられ、ポストの下端部５０は耕耘高さ調整用の抵抗棒として作用する。

右ハンドルには、スロットルレバー５１が設けられ、スロットルケーブル５２は、図示しないキャブレータに接続される。左ハンドルのグリップ４７にはエンジンストップスイッチ５３が設けられる。エンジンストップスイッチ５３から引き出されたスイッチコード５４はエンジン４２内の燃料カットおよび点火停止装置に接続される。

図４は、リコイルスタータ４１を有するエンジン上部の斜視図である。エンジン４２のクランク軸（先端を符号６０で示す）には、ファンブレード５７ａを有するフライホイール５７が連結される。フライホイール５７に隣接してイグニッションコイル５８が配置される。クランク軸には、フライホイール５７と共にスタータプーリ５９が取り付けられる。スタータプーリ５９はカップ形状をなし、その端面は前記リコイルスタータ４１と係合するカム面５９ａをなす。

図５は、図２，３のエンジンに適用した始動装置の構成を示すブロック図である。エンジン１，４２（以下、エンジン４２で代表させる）はこのエンジン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４２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４２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の出力パルスタイミングで検知される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。

上記点火時期マップ３０を用いて点火時期を決定し、点火プラグ３２を点火させるためには、ＣＰＵ２７が立ち上がってプログラムが正常に動作し始めていなければならない。本実施形態ではプログラムが正常に動作するまでに点火指示を発生できるようにプログラムを設定している。

図１は、点火指示の出力タイミングを示すタイミングチャートである。同図において、リコイルスタータ４１を操作してフライホイール５７を回転させると、エンジンに直結されている発電機の出力が増大し、レギュレータ２６の電圧（電源電圧）は徐々に増加し、タイミングｔ０でＣＰＵ２７が起動可能な電圧になり、ＣＰＵ２７がリセットされる。そして、タイミングｔ１で、ＣＰＵ２７に対する最初の信号として回転数センサ２９からのパルスＰ１が入力される。このパルスＰ１が入力されると、予め設定されている時間Ｔ１が経過後のタイミングｔ２でＣＰＵ２７が最初の点火指示を出力する。その後、タイミングｔ３で回転数センサ２９からパルスＰ２が入力される。その時点までにＣＰＵ２７は正常に動作しているので、パルスＰ１とＰ２との時間間隔によってエンジン４２の回転数が計算される。エンジンの回転数が算出されたならば、この回転数に従って点火時期マップ３０を検索し、点火時期を求める。そして、この点火時期に従って、タイミングｔ４で点火指示を出力させる。以後、点火時期マップ３０を用い、エンジン回転数に基づいて決定された点火時期で点火が行われエンジン４２は通常に運転される。

ＣＰＵ２７がリセットされた後、最初の点火指示を発生するまでの時間をどのように決定するかの手法を示す。図６は、エンジンの点火時期と回転数との関係を示す図である。ここでは、定格運転での適当な点火時期が圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）３０°である場合を想定する。図６では、リコイルスタータを種々の力で引いた場合つまり種々の回転数でエンジンを始動させようとしたときにそれぞれの点火時期がＢＴＤＣ３０°になるよう設定した場合の、回転数の変化と実際の点火時期との対応を示すシミュレーション結果を示す。

図６において、例えば、線ａに示すようにエンジン回転数５００ｒｐｍが得られるようにリコイルスタータを操作したときに点火時期がＢＴＤＣ３０°となるように設定すると、回転数に対応する点火時期はかなり右下がりの特性になる。この線ａから理解できるのは、さらに強い力でリコイルスタータが引かれた場合、点火時期が大きく遅角してしまうことを示している。

また、線ｈに示すように、エンジン回転数１０００ｒｐｍが得られるようにリコイルスタータを操作したときに点火時期がＢＴＤＣ３０°となるように設定すると、回転数に対応する点火時期は緩い右下がりの特性になる。これは、さらに強い力でリコイルスタータが引かれたときには遅角の程度が緩やかである一方、リコイルスタータを引く力がエンジン回転数１０００ｒｐｍに満たないときは点火時期が進角することを示す。

一方、線ｅに示すようにエンジン回転数７５０ｒｐｍ（最低始動回転数）が得られるようにリコイルスタータを操作したときに点火時期がＢＴＤＣ３０°となるように設定した場合は、それ以上強い力で引かれたとしても、回転数に対応する点火時期は比較的緩やかな右下がりであるので、遅角の程度は緩やかであり、進角量は適当な範囲に収まる。

したがって、最低始動回転数が得られるようにリコイルスタータを操作したときに点火時期が定格回転数の点火時期ＢＴＤＣ３０°となるように設定する（線ｅのように設定する）のが最も望ましい。しかし、少なくとも、最低始動回転数が得られるようリコイルスタータを引いたときに、定格運転時の点火角度より遅角された点火角度になるように設定されていればよい。大きい力で引かれた場合、点火時期の遅角量が大きくなるものの、エンジンの慣性が大きいので、圧縮上死点の乗り越しトルクに打ち勝って圧縮上死点を乗り越えることが可能だからである。すなわち、最初の点火時期の推奨範囲は図６の線ｄ，ｅの範囲である。

また、上述の理由から、エンジンの慣性が大きくなる回転域で使用される場合、すなわち最低始動回転数が高く設定される場合には、ａ，ｂ，ｃでも十分対応可能である。

しかしながら、最低始動回転数が低く設定される場合には、最低始動回転数においてＢＴＤＣ０°以上を確保することが好ましい。

図６において、矢印Ｄは、エンジン始動時の回転数域の例であり、特に、矢印Ｅで示す範囲では、圧縮上死点の乗り越しのための充分なトルクが得られないので、点火時期の遅角は有効である。また、矢印Ｆは、リコイルスタータによる回転の慣性が大きいために圧縮上死点の乗り越しに充分なトルクが得られる回転数域を示す。

図７は、点火時期マップの一例を示す図である。ＣＰＵ２７が起動してプログラムがセットされた後この点火時期マップを使用して点火時期が決定される。つまり上記例では、パルスＰ２以後の点火指示のタイミングを決定するときに使用される。図に示すように、点火時期は、エンジン回転数に伴って段階的に進角させるように設定される。進角量は上死点を基準としたクランク角で示す。エンジン回転数が２０００ｒｐｍまでは進角量は５°に設定され、２０００ｒｐｍ〜４５００ｒｐｍでは進角量１５°に設定されている。そして４５００ｒｐｍ以上の定格運転では進角量３０°に設定されている。

なお、上記実施形態では、始動操作装置として手で操作するリコイルスタータの例を説明したが、本実施形態でいう手動始動操作装置とは、手で操作するリコイルスタータに限らず、足で操作するキック式や、ばねを補助動力として始動させる形式のものも含む。要は、バッテリ等電源を使用しないで主として人力を利用して始動させる装置を意味し、本発明は、このような装置で始動されるエンジンに対して好適である。

本発明の一実施形態に係るエンジン始動装置の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の一実施形態に係るエンジン始動装置を適用するのに好適な刈り払い機の斜視図である。 本発明の一実施形態に係るエンジン始動装置を適用するのに好適な管理機の斜視図である。 リコイルスタータが取り付けられるエンジンの要部斜視図である。 エンジン始動装置のハード構成を示すブロック図である。 エンジン回転数と点火時期との関係を示す特性図である。 エンジン回転数と点火時期との関係を示す特性図である。

符号の説明

１，４２…エンジン、 ２７…ＣＰＵ（マイクロコンピュータ）、 ２９…回転数センサ、 ３０…点火時期マップ、 ４０…管理機、 ４１…リコイルスタータ、

Claims (2)

1. エンジンと、該エンジンに直結される発電機と、該発電機の出力電力を電源とするマイクロコンピュータで制御される点火装置とを有するエンジンの始動装置において、
   エンジン回転位置の基準信号を出力するセンサと、
   前記エンジンのクランク軸に連結されたフライホイールを回転させる手動始動装置とを具備し、
   前記マイクロコンピュータが、
   前記基準信号の周期に基づいてエンジン回転数を算出し、算出されたエンジン回転数に基づいて点火時期を決定する演算処理機能と、
   前記手動装置の操作による前記発電機の出力電力で立ち上がった後、前記演算処理機能が動作可能となる電源電圧が得られる前に、該マイクロコンピュータに最初に入力されるエンジン回転位置の基準信号に応答して予め設定された時間経過時に点火指示を発生する初期点火機能とを有しているとともに、
   前記マイクロコンピュータは、前記初期点火機能による点火指示後は、該初期点火機能の点火指示に代えて、前記演算処理機能によって決定された点火時期に従って点火指示を発生することを特徴とし、
   さらに、前記予め設定された時間が、前記手動始動装置の操作による最低始動回転数の時に、定格運転時に使用される点火角度より遅角された点火角度になるように設定されることを特徴とするエンジンの始動装置。
2. 前記点火装置が、前記エンジンの回転数に応じた点火角度で点火するように構成されたデジタル制御方式であることを特徴とする請求項１記載のエンジン始動装置。

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