JP5075515B2 - 単気筒内燃エンジンの回転するクランク軸のクランク軸位置を特定するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の、手で操縦される作業機における、特にパワーチェーンソー、研削切断機、刈払い機、送風機等の手で操縦される可搬型作業機における、内燃エンジンの回転するクランク軸の絶対的なクランク軸角度を特定するための方法に関するものである。

手で操縦される可搬型作業機において、内燃エンジンの点火装置はほとんどの場合誘導コイルを有している。誘導コイルはクランク軸とともに回転する磁石の付近に配置されている。磁石が回転するたびに誘導コイル内に電圧が誘導される。その電圧信号はほぼ正弦状であり、理想的には３つのゼロ通過点を有している。電圧信号は点火装置の給電に用いられ、点火プラグに点火火花を発生させるのに必要な電気エネルギーを提供する。

クランク軸の回転角度位置を確定するには、誘導コイルの正確な取り付け位置と、回転する磁石のクランク軸に対する回転位置とが既知でなければならない。たとえば、磁石を担持しているファンホイールが回転角度にずれを持ってクランク軸に取り付けられていると、発電機信号が対応的に角度ずれを示し、点火時点に誤差が生じることがある。この誤差は誘導コイルを手でずらすことで最小にさせることができるが、これに伴って調整作業が必要であり、わずらわしい。さらに、誘導コイルはファンホイール周部に限られた空間しか提供していないので、誘導コイルの位置を変化させることにより、発生する誤差を任意に補償することはできない。

本発明の課題は、簡単で確実な、内燃エンジンの回転するクランク軸の絶対的なクランク軸角度を特定するための方法を提供することである。

この課題は、本発明によれば、エネルギー供給ユニットとして信号発生器を設け、該信号発生器によりクランク軸の１回転にわたって変動する電圧信号を発生させること、信号発生器の電圧信号が、クランク軸の１回転にわたって発生させられ且つ連続するゼロ通過点を有する連続的な交流信号であること、単気筒内燃エンジンの作動圧力信号としてクランクケース内のクランクケース内圧力を圧力センサにより検出すること、圧力センサ信号の有意な特徴をクランク軸の既知の回転角度位置に割り当てること、絶対的なクランク軸角度を特定するため、圧力センサの出力信号と信号発生器の出力信号とを互いに次のようにリンクさせること、すなわち圧力センサ信号に有意な特徴が発生した時点で既知の回転角度位置のクランク軸角度が絶対的なクランク軸角度として信号発生器の発生器信号に割り当てられるようにリンクさせることによって解決される。

エネルギー供給ユニットとして設けられている信号発生器の電圧信号をクランク軸の回転位置と同期させるため、内燃エンジンの作動圧力信号を圧力センサによって検出する。絶対的なクランク軸角度を特定するため、圧力センサの出力信号と信号発生器の出力信号とを、発生器信号が同期化されているように、互いにリンクさせる。

作動圧力信号としてクランクケース内のクランクケー内圧力を選定するのが有利であるが、たとえば吸気通路内の圧力のような他の作動圧力信号を利用するのも合目的である。

クランク軸の既知の回転角度位置に圧力センサ信号の有意な特徴を割り当てて、圧力センサ信号に有意な特徴が発生した時点で既知の回転角度位置のクランク軸角度を絶対的なクランク軸角度として発生器信号に割り当てるのが有利である。

信号発生器の電圧信号は、連続するゼロ通過点を有するように印加される。発生器信号に対し絶対的なクランク軸角度を割り当てた後の発生器信号の次のゼロ通過点と以後のすべてのゼロ通過点とを、実際の機械的なクランク軸角度位置と同期させる。

クランクケース内の圧力信号はいかなる単気筒内燃エンジンにも固有な信号であり、構造的な公差または取り付け公差に実質的に依存していない。ピストンが上昇運動すると、クランクケース内に負圧が発生する。この負圧は燃料空気混合気を吸い込むために利用される。ピストンが下降運動すると、吸い込まれた燃料空気混合気がクランクケース内で圧縮され、クランクケース内の圧力が上昇する。このクランクケース内の圧力の上昇は、ピストンが掃気窓を燃焼室に開口させるまでの間行なわれる。この時点で、圧縮された混合気はクランクケースから掃気通路と掃気窓とを介して燃焼室内へ流入し、その結果クランクケース内の圧力は再び降下する。クランクケース内での圧力変化は際立った最大値または極大値のみを有しているわけではない。掃気窓が開口した時点では著しい圧力降下が曲線に認められる。掃気窓の開口は、誘導コイルの位置または付設の磁石の位置に依存しない、構造的に設定された制御時間である。単気筒内燃エンジンに典型的な圧力変化は１回検出され、記憶され、評価装置のためのメモリにファイルされる。

それ故、クランクケース内での圧力変化を検出して評価すれば、１つのクランク軸角度に割り当てられる、圧力曲線の有意な特徴を簡単に検知することができ、この有意な特徴が発生した時点で、クランク軸の既知の回転角度位置を固定値として発生器信号に割り当てることができる。発生器信号はクランク軸角度位置と同期しており、しかもこの同期は、クランク軸の回転位置に対して誘導コイルまたは磁石が相対的にどのような位置ずれを持っているかに依存していない。

本発明によれば、信号発生器は、クランク軸の１回転にわたって連続的な交流信号または交番信号を発生させるように構成されている。交流信号を同期化させた後、クランク軸の１回転の各時点で、絶対的なクランク軸角度を、発生器信号のゼロ通過点だけを用いて確定することができる。このため、信号発生器は、発生器信号の周期がクランク軸の１回転のｎ分の一であるように構成されている。この場合、ｎは好ましくは２よりも大きな整数である。有利には前記整数は最大で１２であり、好ましくは４と８の間であり、特に５と７の間に選定するのがよい。以下に詳述する実施形態では、ｎは６に設定されている。

次に、本発明の実施形態を添付の図面を用いて詳細に説明する。
図１に図示した内燃エンジン１は有利には単気筒エンジンであり、特に単気筒２サイクルエンジンである。例示した内燃エンジン１は２０ｃｍ^３以上で２５０ｃｍ^３以下の、特に１５０ｃｍ^３以下の行程容積を有している。内燃エンジン１は排ガスクオリティを改善するために掃気時空気予備蓄積型２サイクルエンジンとして構成されている。

内燃エンジン１はシリンダ２を有している。シリンダ２は内部に上下動するピストン３を有している。ピストン３はクランクケース４内で支持されているクランク軸５を回転駆動する。このためクランク軸５は連接棒６を介してピストン３と結合されている。

本実施形態では、ピストン３は混合気吸込み口１０を制御する。混合気吸込み口１０は、クランクケース４内に負圧が発生すると、吸気通路１１とエアフィルタ１７とを介して燃焼空気を吸い込む。燃焼空気は気化器１２を貫流するときに燃料に混合される。したがって、ピストン３によって制御される混合気吸込み口１０を介して燃料空気混合気がクランクケース４内へ吸い込まれ、ピストン３が下降するときに圧縮され、シリンダ２に形成された掃気通路７を介して燃焼室８内へ搬送される。掃気通路７は掃気窓９によって燃焼室８に開口しており、掃気窓９はピストン３により制御される。ピストン３が下降すると、掃気窓９が閉じていれば、ピストン３が掃気窓９を開放するまでクランクケース４内の圧力が上昇し、これにより、吸い込まれた燃料空気混合気が掃気通路７と掃気窓９とを介して燃焼室８内へ侵入する。同時にクランクケース４内の圧力は降下する。

上昇するピストン３により燃焼室８内で圧縮される燃料空気混合気は点火プラグ１３の点火火花により点火され、これによりピストン３は下降駆動され、連接棒６を介してクランク軸５を駆動する。燃焼時に発生する排ガスは、好ましくはピストンにより開閉制御される排ガス排出口１８を介して排出される。

本実施形態では、気化器１２はダイヤフラム気化器であり、ダイヤフラムにより制御されるその制御室２０には燃料管２３を介して燃料が燃料タンク２４から供給される。燃料はダイヤフラムで制御される制御室２０から主ノズル２１またはアイドリングノズル２２を介して気化器１２の吸気通路内へ侵入する。

クランク軸５には、破線で示したホイール１４が結合されている。ホイール１４はたとえばフライホイール、ファンホイール等の回転部材である。ホイール１４内には磁石１９が配置されている。磁石１９は、ホイール１４の周部に配置されるケーシング固定の誘導コイル１５内に電圧を誘起させる。磁石１９は誘導コイル１５とともに信号発生器３０を形成している。信号発生器３０はエネルギー供給ユニットとして構成され、点火のために電気エネルギーを提供する。誘導コイル１５の出力信号は信号電線１６を介して点火制御器３１に供給される。点火制御器３１は中央ユニット３３の一部である。周回するように配置されている磁石１９と誘導コイル１５とから構成される信号発生器３０は、点火火花のための点火エネルギーを点火プラグ１３に提供するばかりでなく、点火制御器３１自体および中央ユニット３３に必要な電気エネルギーを提供する。

信号電線１６は短絡スイッチ２５を介してアースすることができ、その結果電気エネルギーは提供されない。中央ユニット３３に電圧はなく、内燃エンジンは停止している。

中央ユニット３３は、さらに、共通の評価ユニット３２を有している。共通の評価ユニット３２には、信号発生器３０の出力信号以外に、内燃エンジンの作動圧力信号を検出する圧力センサ４０の出力信号も供給することができる。この作動圧力信号はたとえば吸気負圧、クランクケース圧力、或いは、対応する変動作動圧力である。本実施形態では、クランクケース４内の圧力が検出され、対応する電気信号に変換される。

センサ出力信号を予めコンディショニングするための電子系をケーシング内に有している圧力センサ４０を使用すれば、センサ信号を共通の評価ユニット３２で処理する必要がなくなる。この場合には、予めコンディショニングされたセンサ信号はたとえば中央ユニット３３で直接処理することができる。

なお、予めコンディショニングするとは、センサ信号の更なる処理を容易にするような信号処理のことである。したがって温度補正を行なうことができ、および／または、出力信号をたとえば０ボルトないし５ボルトに標準化することができる。また、機械的な特定のクランク軸角度位置を示す特徴的な圧力信号が検出されたときにだけ圧力センサ信号を出力させるような、更なるコンディショニングも可能である。

中央ユニット３３はマイクロプロセッサ３４を有している。マイクロプロセッサ３４は評価装置３２を作動させるとともに、内燃エンジン１の作動パラメータに依存した適正な点火時点を決定するために点火制御器３１に対し演算をも行う。作動メモリとしてメモリ３５が設けられている。メモリ３５はマイクロプロセッサ３４の作動メモリとして使用でき、また作動（運転）データメモリとしても使用できる。メモリ３５を作動メモリと作動（運転）データメモリとに分割してもよい。

内燃エンジン１の作動中に、圧力センサ４０を介してクランクケース４内の圧力を継続的に検出し、電気信号として中央ユニット３３に供給する。図２はクランクケース内の圧力Ｐとクランク軸の角度ＫＷとの関係を簡略に図示したものである。これからわかるように、クランクケース内の圧力は１．８バールの値とほぼ１．５バールの極値との間で変動している。その際、クランクケース内の圧力はクランク軸の１回転で１回だけ圧力最大値ｐ_ｍａｘまで上昇している。

図１の実施形態では、信号発生器３０は誘導コイル１５と周回するように延びている複数個の磁石１９とから構成されている。この種の信号発生器は１回転にわたってほぼ正弦状の半波を生じさせる。このような半波３６を図３に破線で示した。発生器信号３６の周期Ｔはクランク軸の１回転の部分角に相当している。図示した実施形態では、発生器信号３６は３つのゼロ位置Ｎ３，Ｎ４，Ｎ５を有している。

本発明の有利な構成では、信号発生器３０は、クランク軸の１回転（３６０゜）で連続的な交流信号（または交番信号）３７を発するように構成されている。この場合、発生器信号３７の周期Ｔはクランク軸の１回転のｎ分の一に相当している。ｎは好ましくは整数である。ｎは２よりも大きく、最大で１２である。有利には、ｎは４と８の間であり、特に５と７の間である。本実施形態では、ｎは６に設定されている。これによりインターバルＩないしＶＩ（図３および図４）が得られる。それぞれのインターバルには３つのゼロ通過点Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３．．．．Ｎ１２が割り当てられている。このピッチの場合、ゼロ位置Ｎ１，Ｎ２，．．．Ｎ１２の回転角間隔Ｉ１，Ｉ２．．．Ｉ１２は正確に３０゜のクランク軸回転角に相当している。これを図４に円グラフで示した。この場合、割り当てはゼロ位置Ｎ１が上死点に相当し、ゼロ位置Ｎ７が下死点に相当するように選定されている。

このような発生器信号３７により、クランク軸の位置の最初の事実上の実測値を割り当てることができれば、クランク軸の回転角度位置が３０゜のステップで割り当てられる。

このため、評価ユニット３２には、信号線１６を介して発生器信号３７が送られるとともに、圧力センサ４０の圧力センサ信号４１も送られる。圧力センサ信号４１は有意な特徴４２があるかどうかに関し監視される。圧力センサ信号４１の有意な特徴はクランク軸５の既知の回転角度位置に割り当てられている。このような有意な特徴とは、たとえば掃気窓９の開口時点におけるクランクケース内圧力の圧力降下である。図２においてはこの有意な特徴４２をクランク軸角度位置ＵＥＯ（掃気窓開口）にて図示した。

有意な特徴４２が発生すると、評価ユニット３２は割り当てられているクランク軸角度位置の値（本実施形態ではほぼ２１７゜）をメモリ３５に記憶されているクランクケース内圧力の圧力変化から読み出し、この角度位置を発生器信号３７の発生時点で絶対的クランク軸角度として割り当てる。この時点で評価ユニット３２により、次のゼロ通過点Ｎ９にインターバル角度値２４０゜を割り当てることができる。したがって、発生器信号３７はクランク軸５の実際の回転位置に同期している。エンジンを制御するための他の信号は必要ない。クランク軸の実際の位置を（３０゜のステップで）位置正確に再現するには発生器信号３７だけで十分である。発生器信号３７は位置正確にロック(einrasten)されている。この方法を反復させることにより、２つのゼロ通過点の間におけるクランク軸の角度を、エンジンの実際の回転数に依存して正確に算出することができる。

点火制御器と評価装置とを備えた内燃エンジンの概略構成図である。 クランクケース内での圧力の経過とクランク軸の角度との関係を示すグラフである。 クランク軸の１回転にわたる信号発生器の信号列を示すグラフである。 クランク軸の回転に対する電圧信号の位置を示す図である。

符号の説明

１ 内燃エンジン
２ シリンダ
３ ピストン
４ クランクケース
５ クランク軸
９ 掃気窓
１３ 点火プラグ
１５ 誘導コイル
１９ 磁石
３０ 信号発生器
３１ 点火制御器
３２ 評価ユニット
３３ 中央ユニット
３４ マイクロプロセッサ
３５ メモリ
３７ 発生器信号
４０ 圧力センサ
４１ 圧力センサ信号
４２ 有意な特徴

Claims (8)

1. 手で操縦される作業機における、単気筒内燃エンジン（１）の回転するクランク軸（５）の絶対的なクランク軸角度を特定するための方法であって、単気筒内燃エンジン（１）が、クランク軸（５）により駆動されるピストン（３）によって画成されている燃焼室（８）を備えたシリンダ（２）と、燃焼室（８）に開口する掃気窓（９）がピストン（３）により制御される少なくとも１つの掃気通路（７）を介して燃焼室（８）と連通しているクランクケース（４）と、燃焼室（８）に付設されている点火プラグ（１３）に適正クランク軸角度で点火火花を発生させる点火制御器（３１）と、点火用の電気エネルギーを供給すべくクランク軸（５）により駆動されるエネルギー供給ユニット（３１）とを有している、手で操縦される作業機における、単気筒内燃エンジン（１）の回転するクランク軸（５）のクランク軸角度を絶対的に特定するための前記方法において、
   エネルギー供給ユニットとして信号発生器（３０）を設け、該信号発生器（３０）によりクランク軸（５）の１回転にわたって変動する電圧信号（３６）を発生させること、
   信号発生器（３０）の電圧信号（３６）が、クランク軸の１回転にわたって発生させられ且つ連続するゼロ通過点（Ｎｉ）を有する連続的な交流信号（３７）であること、
   単気筒内燃エンジン（１）の作動圧力信号としてクランクケース（４）内のクランクケース内圧力（Ｐ）を圧力センサ（４０）により検出すること、
   圧力センサ信号（４１）の有意な特徴（４２）をクランク軸（５）の既知の回転角度位置（ＵＥＯ）に割り当てること、
   絶対的なクランク軸角度を特定するため、圧力センサ（４０）の出力信号（４１）と信号発生器（３０）の出力信号（３６）とを互いに次のようにリンクさせること、すなわち
   圧力センサ信号（４１）に有意な特徴（４２）が発生した時点で既知の回転角度位置のクランク軸角度が絶対的なクランク軸角度として信号発生器（３０）の発生器信号（３６）に割り当てられるようにリンクさせること、
   を特徴とする方法。
2. 発生器信号（３６）に対し絶対的なクランク軸角度を割り当てた後の次の発生器信号のゼロ通過点（Ｎｉ）をクランク軸角度位置と同期させることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 同期後、クランク軸の１回転の各時点で、クランク軸（５）の絶対的なクランク軸角度を、発生器信号（３７）のゼロ通過点（Ｎ１，Ｎ２，．．．．Ｎ１２）だけを用いて確定することを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 圧力センサ信号（４１）の有意な特徴（４２）がクランクケース内圧力の圧力曲線の圧力最大値であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 圧力センサ信号（４１）の有意な特徴（４２）が掃気窓（９）の開口時点（ＵＥＯ）でのクランクケー内圧力の圧力降下であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 発生器信号（３７）の周期（Ｔ）がクランク軸の１回転のｎ分の一であり、ｎは３よりも大きな整数であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
7. 前記整数が最大で１２であり、好ましくは４と８の間にあり、特に５と７の間にあることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 単気筒内燃エンジン（１）の行程容積が２０ｃｍ^３と２５０ｃｍ^３との間、特に１５０ｃｍ^３よりも小さいことを特徴とする、請求項１に記載の方法。

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