JP4594348B2 - クランク室予圧縮式２サイクルガソリンエンジンの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ダイアフラム式燃料ポンプ及び燃料噴射弁を有する混合気生成装置と、前記燃料噴射弁による燃料噴射量を制御する燃料噴射制御手段と、を備えたクランク室予圧縮式２サイクルガソリンエンジンの制御装置に係り、特に、携帯型作業機等に搭載されるクランク室予圧縮式の小型空冷２サイクルガソリンエンジンに好適なエンジンの制御装置に関する。

チェーンソーや刈払機等の携帯型作業機に搭載されるクランク室予圧縮式の小型空冷２サイクルガソリンエンジン（以下、単にエンジンと称する）の吸気系に、従来の一般的な気化器に代えて、ダイアフラム式燃料ポンプ、燃料噴射弁、及び手動式燃料ポンプを備えた混合気生成装置を組み込むことが知られている。

かかる混合気生成装置の一例を、以下に、エンジン５０と共に図３、図４を参照しながら簡単に説明する（下記特許文献１も参照）。

図示例の混合気生成装置１０は、クランク室予圧縮式の小型空冷２サイクル内燃エンジン５０のクランク室５６の圧力変化に応動して燃料を吸入して燃料通路部２５に吐出するダイアフラム式燃料ポンプ１４を備えた本体部１２に、前記燃料通路部２５の燃料を所定のタイミングで前記エンジン５０の吸気系５に噴射供給するための燃料噴射弁３０と、前記ダイアフラム式燃料ポンプ１４の非駆動時に燃料を前記燃料通路部２５に供給充填するための手動式燃料ポンプ４０と、が設けられ、手動式燃料ポンプ４０の吸入口４２に前記燃料通路部２５が連通せしめられるとともに、前記吸入口４２に、手動式燃料ポンプ４０の操作時には吸入弁として働き、燃料通路部２５内の燃料の圧力が所定圧以上のときには、該燃料通路部２５内の燃料を手動式燃料ポンプ４０の手動ポンプ室４０Ａに逃がすリリーフ弁として働く調圧弁４４が配設されている。

前記ダイアフラム式燃料ポンプ１４は、前記本体部１２内に配設されたダイアフラム１５と、クランク室５６の脈圧が伝達される、前記ダイアフラム１５の一面側に設けられた脈圧室２１と、燃料を吸入して前記燃料通路部２５に吐出する、前記ダイアフラム１５の他面側に設けられた脈圧ポンプ室２２と、からなっている。

また、前記ダイアフラム式燃料ポンプ１４における前記脈圧ポンプ室２２と燃料吸入通路部２４との境界部分及び前記脈圧ポンプ室２２と前記燃料通路部２５との境界部分に、それぞれ吸入弁１６と吐出弁１７が配設され、さらに、前記手動式燃料ポンプ４０の逃がし口４１に、手動ポンプ室４０Ａ内の圧力が所定圧未満のときには閉弁し、前記所定圧以上のときには開弁する逃がし弁４３が配設されている。

そして、前記エンジン５０における吸気通路１３のスロットル弁１８より下流側に設けられたスロート部１３ａに、前記燃料噴射弁３０の噴射口３６が配在されている。

このような構成とされた混合気生成装置１０においては、ダイアフラム式燃料ポンプ１４が駆動されていない、エンジン５０の始動前に、始動準備操作として、手動式燃料ポンプ４０の前記手動ポンプ室４０Ａを手指で押圧した後解放して復元させるポンプ操作を何回か行う。該ポンプ操作により、前記調圧弁４４及び逃がし弁４３がそれぞれ吸入弁及び吐出弁として作用し、ポンプ機能を奏し、これにより、燃料タンク８１の燃料Ｆが、前記燃料吸入通路部２４、前記脈圧ポンプ室２２、及び前記吐出側フラップ弁１７を介して、前記燃料通路部２５（２６〜２９）全体に供給充填されるとともに、燃料噴射弁３０の前記プランジャ３７周りにも充填される。

この状態で、エンジン５０をリコイルスタータ等を操作して始動すると、後述する如くに、燃料噴射弁３０が所定のタイミングをもって開弁し、燃料通路部２５内の燃料が前記吸気通路１３の前記スロットル弁１８より下流側のスロート部１３ａに配在されている前記噴射口３６から吸い出されるようにして供給され、吸入空気Ａ中に燃料Ｆが混合せしめられて、ピストン５４により開閉される吸気口６３を介して前記クランク室５６及び燃焼作動室５３に供給され、その混合気が前記点火プラグ５９により点火せしめられて爆発燃焼せしめられ、自力回転可能な通常運転状態となる。

始動後の通常運転時には、前記クランク室５６の圧力変化（脈圧）、つまり、前記ピストン５４の上昇時には減圧され、前記ピストン５４の下降時には加圧される圧力変化がダイアフラム式燃料ポンプ１４の前記脈圧室２１に伝達され、これによって、前記ダイアフラム１５が往復動（上下動）し、このダイアフラム１５の上下動によるポンプ作用により、燃料タンク８１から燃料Ｆが前記脈圧ポンプ室２２に吸入されるとともに、該脈圧ポンプ室２２から前記燃料通路部２５（２６〜２９）に燃料Ｆが送り込まれ、該燃料通路部２５内の燃料Ｆが前記噴射口３６が閉じられている間に加圧される。この通常運転時には、前記燃料噴射弁３０がエンジン５０の吸入空気量等の運転状態に応じた所定時間（例えば１〜３ミリ秒）開弁せしめられ、それによって、前記燃料通路部２５内の加圧された燃料Ｆが前記吸気通路１３の前記スロットル弁１８より下流側部分に噴射供給され、吸入空気Ａに燃料Ｆが混合せしめられる。

このような構成の混合気生成装置１０を備えたエンジン５０においては、前記燃料噴射弁３０による燃料噴射（噴射時間、時期）の制御は、通常、マイクロコンピュータを備えたコントロールユニット１００により行われる。つまり、コントロールユニット１００により、エンジン１回転毎に、エンジン１回転分の吸入空気量に対応する燃料噴射量が算出され、この算出された燃料噴射量に相当するパルス幅を持った噴射駆動パルスが燃料噴射弁３０に供給され、燃料噴射弁３０は、前記パルス幅に応じた時間だけ開弁して燃料を吸気系５に噴射供給するようになっている。

特開２００１−１９３６１０号公報

しかしながら、前記した如くの燃料噴射制御を行うようにされた従来のエンジンの制御装置においては、次のような問題があった。

すなわち、この種の携帯型作業機等に使用される小型空冷２サイクルガソリンエンジンでは、重量、コスト等の制約により、大きな電源を持つことができない。また、燃料の吸入吐出を行う燃料ポンプが、クランク室の脈圧を駆動力として利用したダイアフラム式のものであるので、燃料噴射圧をさほど大きくすることができない（通常は、0.3kg/平方cm以下）。

そのため、低回転域及び中回転域では、所要の燃料量を安定して供給できても、例えば10,000回転を越えるような高回転域では、エンジンが１回転するのに要する時間が非常に短くなるので、該１回転時間に対して、エンジン１回転分の吸入空気量に対応する燃料量を噴射供給するのに要する時間（噴射時間）の割合が大きくなり、所要の燃料量を安定して供給することができなくなるおそれがある。これを以下に説明する。

前記した如くのエンジン５０においては、吸気口６３は、ピストン５４が下死点から上死点に向かう上昇行程で開かれ、ピストン５４が上死点から下死点に向かう下降行程で閉じられる。言い換えれば、吸気口６３が開かれるのは、上死点を挟んだ所定クランク角度範囲（例えば上死点前（ＢＴＤＣ）４５度前後〜上死点後（ＡＴＤＣ）４５度前後の範囲）となる。一方、燃料噴射弁３０から噴射供給された燃料（混合気）は、ピストン５４の上昇行程において吸気口６３が開かれたとき、吸気通路１３及び吸気口６３を介してクランク室５６に吸入され、ピストン５４の下降行程においてクランク室５６内で圧縮された後、掃気口６５から燃焼作動室５３に吹き出される。

この場合、燃料噴射弁３０から噴射供給された燃料（混合気）がピストン５４の上昇動作により吸気口６３を介してクランク室５６に吸入される際には慣性（空気慣性）が付与されるので、ピストン５４が上死点を過ぎて下降動作に移行した後もしばらくの間（最大で上死点後約２０度まで）は燃料（混合気）がクランク室５６に吸入される。すなわち、燃料（混合気）の実吸入期間は、ピストン５４の上昇行程で吸気口６３が開けられた時期から空気慣性の途切れる上死点を過ぎた概略実吸入完了時期までの期間となる。

したがって、燃料噴射弁３０による燃料噴射は、前記空気慣性の途切れる上死点を過ぎた概略実吸入完了時期には終了しておくことが要求される。つまり、噴射終了時期が前記概略実吸入完了時期以降になると、噴射供給された燃料の一部はその回の燃焼サイクルでは吸入（使用）されず、次回に回されることになる。そこで、この種のエンジン５０では、噴射終了時期が前記概略実吸入完了時期となるように噴射開始時期を設定することが考えられている。

ところが、エンジン回転数が10,000回転を越えるような高回転域では、前記のように、エンジンが１回転するのに要する時間が非常に短くなるので、噴射開始時期を相当早めても、噴射終了時期が前記概略実吸入完了時期を過ぎてしまい、噴射供給された燃料の一部はその回の燃焼サイクルでは吸入（使用）されず、次回に回され、結果的に、各燃焼サイクルにおいて、所要の燃料量を安定して供給することができなくなっていた。

また、高回転域では燃料噴射弁を非常に高速で開閉させる必要があるため、耐久性等に問題を生じるおそれもある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、大きな電源を持てず、また、燃料噴射圧をさほど大きくすることができなくとも、高回転域においても所要の燃料量を確実かつ安定して噴射供給することができ、もって、重量、コストの増加を抑えながら、高回転域においても所要の性能が得られるとともに、燃料噴射弁等の耐久性も向上できるエンジンの制御装置を提供することにある。

前記の目的を達成すべく、本発明に係るクランク室予圧縮式２サイクルガソリンエンジンの制御装置は、基本的には、エンジンのクランク室の圧力変化に応動して燃料を吸入して燃料通路部に吐出するダイアフラム式燃料ポンプと、前記燃料通路部の燃料を所定のタイミングで前記エンジンの吸気系に噴射供給するための燃料噴射弁を有する混合気生成装置と、前記燃料噴射弁による燃料噴射量を制御する燃料噴射制御手段と、を備え、前記燃料噴射制御手段は、エンジン回転数が所定値Ｎａ未満の低−中回転域では、エンジン１回転毎に、エンジン１回転分の吸入空気量に対応した噴射時間Ｔａを算出するとともに、噴射終了時期が空気慣性の途切れる上死点を過ぎた概略実吸入完了時期となるように噴射開始時期を設定し、エンジン回転数が前記所定値Ｎａ以上の高回転域では、エンジン２回転毎に、エンジン２回転分の吸入空気量に対応した噴射時間を算出するとともに、噴射開始時期から前記概略実吸入完了時期までの時間と前記概略実吸入完了時期から噴射終了時期までの時間とが略等しくなるように、噴射開始時期と噴射終了時期を設定するようにされる。

前記概略実吸入完了時期は、好ましくは、上死点から上死点後の約２０度までの範囲内に設定される。

前記燃料噴射制御手段は、好ましくは、エンジン回転数及びスロットル弁開度に基づいて、前記噴射時間を算出するようにされる。

前記燃料噴射制御手段は、好ましくは、外気温、及び、エンジンの温度に基づいて、前記噴射時間を補正するようにされる。

本発明に係るエンジンの制御装置においては、エンジン回転数が所定値Ｎａ（例えば、10,000回転）未満の低−中回転域では、従来と同様に、エンジン１回転毎に、エンジン１回転分の吸入空気量に対応した噴射時間を算出するとともに、噴射終了時期が空気慣性の途切れる上死点を過ぎた概略実吸入完了時期、例えば上死点後（ＡＴＤＣ）の約１０度（実験値等から設定）となるように噴射開始時期を設定する。これにより、噴射時間Ｔａをもって概略実吸入完了時期（Ｃｃ）まで噴射供給された燃料は、当該燃焼サイクルにおいて（１回転毎に）吸入されて燃焼に供せられる。

なお、前記概略実吸入完了時期は、一定（固定）時期でもよいし、エンジン回転数等に応じて変化させるようにしてもよい。この場合、前記概略実吸入完了時期は、実験結果等から、上死点から上死点後の約２０度までの範囲内に設定することが好ましい。

一方、エンジン回転数が前記所定値Ｎａ（例えば、10,000回転）以上の高回転域では、エンジン２回転毎に、エンジン２回転分の吸入空気量に対応した噴射時間Ｔｂを算出するとともに、噴射開始時期から前記概略実吸入完了時期までの時間と前記概略実吸入完了時期から噴射終了時期までの時間とが略等しくなるように、噴射開始時期と噴射終了時期を設定するようにされるので、高回転域においても所要の燃料量を確実かつ安定して噴射供給することができる。つまり、エンジン２回転のうちの１回転目には、噴射開始時期から前記概略実吸入完了時期までに噴射された燃料が吸入されて燃焼に供せられ、２回転目には、前記概略実吸入完了時期から噴射終了時期までに噴射された燃料が吸入されて燃焼に供せられる。

このため、大きな電源を持てず、また、燃料噴射圧をさほど大きくすることができなくとも、重量、コストの増加を抑えながら、高回転域においても所要の燃料量を確実かつ安定して噴射供給することができ、その結果、所要の性能が得られるとともに、噴射回数が減るので燃料噴射弁等の耐久性も向上できる。

以下、本発明のクランク室予圧縮式２サイクルガソリンエンジンの制御装置の実施形態を図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明に係るエンジンの制御装置の一実施形態のシステム構成図である。

図示実施形態の制御装置は、前述した図３、図４に示される混合気生成装置１０を備えたエンジン５０に適用される。なお、図１において、前述した図３、図４に示されるエンジン５０と同じ構成機能を有している部分には、同一の符号を付して、これらの詳細説明を省略する。

図示の制御装置１が適用されたエンジン５０のクランクシャフト６０（図３参照）には、マグネットロータ８０が取り付けられ、このマグネットロータ８０周りに、発電コイル８４や点火コイルを含む点火回路８２が配備されている。発電コイル８４の発電電力は、整流・レギュレータ８６で直流に変換されてバッテリ９０に蓄電され、バッテリ９０から各部に電力供給がなされる。

前記制御装置１は、その主要部として、マイクロコンピュータを内蔵するコントロールユニット１００を備えている。コントロールユニット１００は、燃料噴射弁３０による燃料噴射（燃料噴射量、噴射時期）制御を行う燃料噴射制御手段１０１や点火プラグ５９による点火時期の制御を点火回路８２を介して行う点火制御手段１０２を備えている。

前記燃料噴射制御手段１０１は、点火回路８２に付設されている回転数（クランク角）センサ９１から波形整形回路１１０を介して供給されるエンジン回転数及びクランク角信号とスロットル開度センサ９２からの開度信号があらわすエンジン負荷（吸入空気量）に相関するスロットル弁開度に基づいて、燃料噴射量（噴射時間）を算出するとともに、算出された燃料噴射量（噴射時間）を、温度センサ９３により検出される外気温、エンジン温等の温度に基づいて補正し、この補正された噴射時間に応じて、噴射開始時期及び噴射終了時期を設定するのであるが、本実施形態では、エンジン回転数が所定値Ｎａ（例えば、10,000回転）未満の低−中回転域と、エンジン回転数が前記所定値Ｎａ（例えば、10,000回転）以上の高回転域とでは、燃料噴射態様を変えるようにされる。

すなわち、エンジン回転数が所定値Ｎａ（例えば、10,000回転）未満の低−中回転域では、図２に示される如くに、エンジン１回転毎に、エンジン１回転分の吸入空気量（ここではエンジン回転数とスロットル弁開度に基づいて演算）に対応した噴射時間Ｔａを算出するとともに、噴射終了時期が、前記した如くの、空気慣性の途切れる上死点（ＴＤＣ）を過ぎた概略実吸入完了時期Ｃｃとなるように噴射開始時期を設定し（噴射終了時期を一定とし、噴射開始時期を噴射時間Ｔａに応じて変化させる）、この噴射開始時期に、前記噴射時間Ｔａに相当するパルス幅を持った駆動パルス信号を燃料噴射弁駆動回路１２０を介して燃料噴射弁３０に供給する。これにより、燃料噴射弁３０が開弁し、前記噴射時間Ｔａだけ燃料が噴射供給される。その結果、噴射時間Ｔａをもって前記概略実吸入完了時期Ｃｃまで噴射供給された燃料は、当該燃焼サイクルにおいて（１回転毎に）燃焼に供せられる。

なお、前記概略実吸入完了時期Ｃｃは、一定（固定）時期でもよいし、エンジン回転数等に応じて変化させるようにしてもよい。この場合、前記概略実吸入完了時期Ｃｃは、実験結果等から、上死点（ＴＤＣ）から上死点後（ＡＴＤＣ）の約２０度までの範囲内に設定することが好ましい。

一方、エンジン回転数が前記所定値Ｎａ（例えば、10,000回転）以上の高回転域では、図２に示される如くに、エンジン２回転毎に、エンジン２回転分の吸入空気量に対応した噴射時間Ｔｂ（＝Ｔｕ＋Ｔｖ）を算出するとともに、噴射開始時期から前記概略実吸入完了時期Ｃｃまでの時間Ｔｕと前記概略実吸入完了時期Ｃｃから噴射終了時期までの時間Ｔｖとが略等しくなるように、噴射開始時期と噴射終了時期を設定し（前記概略実吸入完了時期Ｃｃを中心として噴射開始時期と噴射終了時期とが略対称位置となるように設定し）、その噴射開始時期に、前記噴射時間Ｔｂに相当するパルス幅を持った駆動パルス信号を燃料噴射弁駆動回路１２０を介して燃料噴射弁３０に供給する。これにより、燃料噴射弁３０が開弁し、前記噴射時間Ｔｂだけ燃料が噴射供給される。

この場合、エンジン２回転のうちの１回転目には、噴射開始時期から前記概略実吸入完了時期Ｃｃまでに噴射された燃料が吸入されて燃焼に供せられ、２回転目には、前記概略実吸入完了時期Ｃｃから噴射終了時期までに噴射された燃料が吸入されて燃焼に供せられる。

このため、大きな電源を持てず、また、燃料噴射圧をさほど大きくすることができなくとも、重量、コストの増加を抑えながら、高回転域においても所要の燃料量を確実かつ安定して噴射供給することができ、その結果、全回転域において所要の性能が得られるとともに、噴射回数が減るので燃料噴射弁等の耐久性も向上できる。

本発明に係るエンジンの制御装置の一実施形態を示すシステム構成図。 図１に示される制御装置による燃料噴射制御態様の説明に供される図。 混合気生成装置を備えたエンジンの一例を示す断面図。 図３に示される混合気生成装置の拡大断面図。

符号の説明

１ エンジンの制御装置
５ 吸気系
１０ 混合気生成装置
１４ ダイアフラム式燃料ポンプ
２５ 燃料通路部
３０ 燃料噴射弁
５０ 空冷２サイクルガソリンエンジン
５４ ピストン
５６ クランク室
１００ コントロールユニット
１０１ 燃料噴射制御手段

Claims (4)

1. エンジン（５０）のクランク室（５６）の圧力変化に応動して燃料を吸入して燃料通路部（２５）に吐出するダイアフラム式燃料ポンプ（１４）と、前記燃料通路部（２５）の燃料を所定のタイミングで前記エンジン（５０）の吸気系（５）に噴射供給するための燃料噴射弁（３０）を有する混合気生成装置（１０）と、前記燃料噴射弁（３０）による燃料噴射量を制御する燃料噴射制御手段（１０１）と、を備えたクランク室予圧縮式２サイクルガソリンエンジンの制御装置であって、
   前記燃料噴射制御手段（１０１）は、エンジン回転数が所定値Ｎａ未満の低−中回転域では、エンジン１回転毎に、エンジン１回転分の吸入空気量に対応した噴射時間（Ｔａ）を算出するとともに、噴射終了時期が空気慣性の途切れる上死点を過ぎた概略実吸入完了時期（Ｃｃ）となるように噴射開始時期を設定し、エンジン回転数が前記所定値Ｎａ以上の高回転域では、エンジン２回転毎に、エンジン２回転分の吸入空気量に対応した噴射時間（Ｔｂ）を算出するとともに、噴射開始時期から前記概略実吸入完了時期（Ｃｃ）までの時間（Ｔｕ）と前記概略実吸入完了時期（Ｃｃ）から噴射終了時期までの時間（Ｔｖ）とが略等しくなるように、噴射開始時期と噴射終了時期を設定するようにされていることを特徴とするクランク室予圧縮式２サイクルガソリンエンジンの制御装置。
2. 前記概略実吸入完了時期（Ｃｃ）は、上死点（ＴＤＣ）から上死点後（ＡＴＤＣ）の約２０度までの範囲内に設定されていることを特徴とする請求項１に記載のクランク室予圧縮式２サイクルガソリンエンジンの制御装置。
3. 前記燃料噴射制御手段（１０１）は、エンジン回転数及びスロットル弁開度に基づいて、前記噴射時間（Ｔａ、Ｔｂ）を算出するようにされていることを特徴とする請求項１又は２に記載のクランク室予圧縮式２サイクルガソリンエンジンの制御装置。
4. 前記燃料噴射制御手段（１０１）は、外気温、及び、エンジンの温度に基づいて、前記噴射時間を補正するようにされていることを特徴とする請求項３に記載のクランク室予圧縮式２サイクルガソリンエンジンの制御装置。

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