JP5086891B2 - 汎用エンジンの容量放電式点火装置 - Google Patents

Description

本発明は、汎用エンジンのための点火装置の改良技術に関する。

汎用エンジンは、農作業機、土木用作業機、ポンプ、発電機、船外機など各種の作業機に搭載されている内燃機関である。このような汎用エンジンのための点火装置には、一般に磁石発電式点火装置（フライホイールマグネトー式点火装置）が採用されている（例えば、特許文献１参照。）。
実公昭６１−２５３４７号公報

特許文献１で知られている磁石発電式点火装置は、エンジンのクランク軸に直結したフライホイールに発電機を設け、この発電機で発電した電力をバッテリに蓄えることなく、そのまま点火コイルの一次電力として使用するものである。この点火装置の点火方式は、点火プラグの点火タイミング（点火時期）に合わせて、発電機から点火回路へ電力を供給し、その電力を点火コイルの一次電力として用いる方式である。このような磁石発電式点火装置は、所定の決まったタイミングで点火をするものである。つまり、点火タイミングは、クランク軸の回転数に応じて変化する。

ところで、汎用エンジンは、運転状況によって回転速度が大きく変化し得る。これに対して、特許文献１で知られている磁石発電式点火装置による点火方式では、汎用エンジンが加速する場合や減速する場合であっても、適切な点火タイミングであるとは限らない。例えば、汎用エンジンが加速状態にあっても、点火タイミングを、より適切に早めることはできない。このため、燃焼室での燃焼を早めることができない。所望の加速状態を得るには改良の余地がある。一方、汎用エンジンが減速状態にある場合に、急激に減速させると、作業機の動力伝達部分に過大な負荷が働いてしまう心配がある。このため、汎用エンジンを緩やかに減速させるための配慮が必要である。

このようなことを考慮し、汎用エンジンの回転速度の変化によって点火タイミングを変化させるために、遠心ガバナなどの進角装置を設けることが考えられる。しかし、きめ細かい進角制御をするためには、更なる改良の余地がある。

本発明は、汎用エンジンが加速する場合や減速する場合に、より適切に、且つ、きめ細かい進角制御をすることができる技術を、提供することを課題とする。

請求項１に係る発明では、エンジンの回転速度に応じて点火プラグの点火タイミングを制御するための制御部を有した、汎用エンジンの容量放電式点火装置であって、前記制御部は、前記汎用エンジンが１回転する度に、エキサイタコイルが発生する電圧波形に基づいて間接的に検出された前記回転速度を所定の上限速度及び下限速度と比較し、前記回転速度が前記上限速度を超えたという条件が、所定の第１の回数にわたって連続していたと判断したことのみによって、前記点火タイミングを早める進角の制御をし、前記回転速度が所定の前記下限速度を下回ったという条件が、所定の第２の回数にわたって連続していたと判断したことのみによって、前記点火タイミングを遅らせる遅角の制御をする構成であることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、容量放電式点火（Capacitive Discharge Ignition、略称ＣＤＩ）装置を採用して、ＣＰＵ等のデジタル処理による進角制御、いわゆる、デジタル進角制御をするものである。この装置における制御部は、汎用エンジンが１回転する度に、汎用エンジンの回転速度を所定の上限速度及び下限速度と比較する。そして、回転速度が上限速度を超えた状態を、所定の第１の回数にわたって続けているときには、制御部は汎用エンジンが加速した状態にあると判断して、点火タイミングを早める進角の制御をする。一方、回転速度が下限速度を下回った状態を、所定の第２の回数にわたって続けているときには、制御部は汎用エンジンが減速した状態にあると判断して、点火タイミングを遅らせる遅角の制御をする。

このように、汎用エンジンが連続した所定の回数にわたって回転している間に、通常の回転速度に対して一定以上の高速な状態が続いている場合には、汎用エンジンが加速している状態にあるので、点火タイミングを早める。この結果、燃焼室での燃焼タイミングを早めることができるので、より円滑に汎用エンジンを加速することができる。
一方、汎用エンジンが連続した所定の回数にわたって回転している間に、通常の回転速度に対して一定以下の低速な状態が続いている場合には、汎用エンジンが減速している状態にあるので、点火タイミングを遅らせる。この結果、燃焼室での燃焼タイミングを遅らせることができるので、汎用エンジンを緩やかに減速させることができる。

また、下限速度から上限速度までの範囲を設定し、この範囲から回転速度が外れたときだけ、汎用エンジンが減速している状態又は加速している状態であると判断するので、加速・減速状態を適切に判断することができる。また、汎用エンジンが加速している状態か、又は減速している状態かを判断するのに、汎用エンジンが連続した複数の回数にわたって回転している間の、回転速度を監視している。このため、加速・減速状態を、より適切に判断することができる。

このように、汎用エンジンが加速する場合や減速する場合に、より適切に、且つ、きめ細かい進角制御をすることができる。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
図１は本発明に係る汎用エンジン及び点火装置の模式図である。汎用エンジン１０は、農作業機、土木用作業機、ポンプ、発電機、船外機など各種の作業機に搭載されている内燃機関の総称であり、例えば単気筒２サイクルエンジンからなる。以下、汎用エンジン１０のことを単にエンジン１０と言う。このエンジン１０は、リコイルスタータ２１と発電機２２とメインスイッチ２３と点火装置３０を備えている。

リコイルスタータ２１は、作業者がエンジン１０を手動で始動させる始動装置であり、例えばエンジン１０のクランク軸１１又はクランク軸１１に直結されたフライホイール１２に設けられている。

発電機２２は、エンジン１０の出力の一部によって電力を発電して、点火装置３０等の電装品に供給するものである。この発電機２２は、例えばクランク軸１１に直結したフライホイール１２に設けられた永久磁石２２ａと、この永久磁石２２ａに隣接して配置したエキサイタコイル２２ｂとからなる、一般的な磁石式発電機である。エキサイタコイル２２ｂは図２（ａ）に示す波形の電圧を発生する。

図２は図１に示された発電機及び容量放電式点火装置の作動を説明するタイムチャートであり、横軸を時間とし縦軸を各部の信号として表している。
図１及び図２（ａ）に示すように、エキサイタコイル２２ｂは、クランク軸１１が１回転する度に、正（＋）の半波の電圧波形Ｐｕと、この正の半波の電圧波形Ｐｕの直前と直後に発生する負（−）の半波の電圧波形Ｐｍｆ，Ｐｍｒとからなる、交流電圧を発生する。ここで、正の半波の電圧波形Ｐｕのことを「正パルスＰｕ」と言い、この正パルスＰｕの直前に発生する負の半波の電圧波形Ｐｍｆのことを「直前負パルスＰｍｆ」と言い、正パルスの直後に発生する負の半波の電圧波形Ｐｍｒのことを「直後負パルスＰｍｒ」と言うことにする。

エキサイタコイル２２ｂは、クランク軸１１が１回転する度に、直前負パルスＰｍｆ、正のパルスＰｕ及び直後負パルスＰｍｒをこの順に発生する。ここで、クランク軸１１が最初に１回転するときに発生する直前負パルスＰｍｆの発生時点Ｐ１から、次に１回転するときに発生する直前負パルスＰｍｆの発生時点Ｐ２までの、経過時間Ｔｐのことを「１サイクル時間Ｔｐ」と言うことにする。

１サイクル時間Ｔｐは、クランク軸１１が１回転する時間と同じであり、これはエンジン１０の回転速度（回転数）に対応する。このため、エキサイタコイル２２ｂが発生する電圧波形に基づいて、エンジン１０の実際の回転速度Ｎｒ（実回転速度Ｎｒ）を間接的に検出することができる。従って、発電機２２は、エンジン１０の回転速度Ｎｒを検出して検出信号を発する回転センサを兼ねると言うことができる。なお、回転数Ｎｒについては図示していない。

メインスイッチ２３は、エンジン１０の始動を許容するとともに、エンジン１０を停止させるための、手動の主電源スイッチであって、スイッチ信号を制御部３４に発するものである。

図１に示すエンジン１０の点火制御をする点火装置３０には、デジタル制御式の容量放電式点火（Capacitive Discharge Ignition、略称ＣＤＩ）装置を採用している。このような容量放電式点火装置３０によれば、ＣＰＵ等のデジタル処理による進角制御、いわゆる、デジタル進角制御をすることが可能である。この容量放電式点火装置３０は、回転センサ（発電機２２が兼ねる）と点火回路３１と点火コイル３２と点火プラグ３３と制御部３４とを有している。

容量放電式点火装置３０の点火方式としては、点火プラグ３３の点火タイミングに合わせて、発電機２２から点火回路３１へ電力を供給し、その電力を点火コイル３２の一次電力として用いるようにした、方式を採用している。このような点火方式を採用したので、バッテリを備える必要はない。

点火回路３１は、発電機２２のエキサイタコイル２２ｂが発生する電力によって点火プラグ３３を点火させることができる。より具体的には、点火回路３１は、点火コイル３２の一次コイル３２ａにエキサイタコイル２２ｂの電力を断続的に発することで、点火コイル３２の二次コイル３２ｂに高電圧の断続電流を発生させるものである。二次コイル３２ｂで発生した高電圧の断続電流は点火プラグ３３に供給することになる。

制御部３４は、点火回路３１を介して点火プラグ３３を点火させる点火タイミングを、上記回転センサ（発電機２２が兼ねる）の検出信号に応じて制御するものである。例えば、制御部３４は、エキサイタコイル２２ｂから波形成形回路３５を介して、図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示す波形のパルス信号Ｓｕ，Ｓｍｆ，Ｓｍｒを入力する。

波形成形回路３５は、図２（ａ）に示す正のパルスＰｕを図２（ｂ）に示す正の方形波パルス、つまり正パルス信号Ｓｕに成形して制御部３４に発する。さらに、波形成形回路３５は、図２（ａ）に示す直前負パルスＰｍｆ及び直後負パルスＰｍｒを図２（ｃ）に示す負の方形波パルス、つまり負パルス信号Ｓｍｆ，Ｓｍｒに成形して制御部３４に発する。

そして、制御部３４は、波形成形回路３５から図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示す１つの正パルス信号Ｓｕ及び２つの負パルス信号Ｓｍｆ，Ｓｍｒを受ける度（クランク軸１１が１回転する度に、）に、点火回路３１に図２（ｄ）に示す方形波のパルス、つまり点火出力信号Ｉｐを発する。この結果、点火回路３１は点火コイル３２を介して点火プラグ３３を点火させる。制御部３４が点火出力信号Ｉｐを発するタイミング、つまり点火タイミングは、パルス信号Ｓｕ，Ｓｍｆ，Ｓｍｒを受けるタイミングに応じて変化する。

上述のように、制御部３４は、１サイクル時間Ｔｐ毎に波形成形回路３５から、直前負パルスＰｍｆに応じた負パルス信号Ｓｍｆ（直前負パルス信号Ｓｍｆ）を入力している。制御部３４は、この直前負パルス信号Ｓｍｆの経過時間をカウントすることによって、１サイクル時間Ｔｐを求める構成である。１サイクル時間Ｔｐを求めることによってエンジン１０の回転速度Ｎｒを算出して得ることができる。つまり、制御部３４は、１サイクル時間Ｔｐを回転速度Ｎｒに置き換えて、間接的にみている。

次に、上記図１に示す制御部３４をマイクロコンピュータとした場合の制御フローについて、図３に基づき説明する。図３は図１に示す制御部の制御フローチャートである。以下、図１及び図２を参照しつつ図３に基づき説明する。

先ず、作業者がエンジン１０の始動操作を行う（ステップＳＴ０１）。エンジン１０の始動操作時点から制御部３４が制御処理を実行するまでの一連の手順は、次の通りである。つまり、作業者がメインスイッチ２３をオン操作した上で、リコイルスタータ２１の始動操作をすることにより、クランク軸１１が回る。この結果、発電機２２はクランク軸１１で駆動されて発電を開始する。発電機２２から供給される電力によって制御部３４及び点火回路３１が自動的に起動する。制御部３４は、初期設定をした上で制御を開始する。

次に、起動した制御部３４は、点火回路３１に点火開始指令を発する（ステップＳＴ０２）。すなわち、点火プラグ３３へ電力を供給させるように、点火回路３１を制御する。点火コイル３２から点火プラグ３３へ高圧電気が印加されるので、エンジン１０は始動する。

以下、制御部３４は次の処理を実行する。
先ず、発電機２２のエキサイタコイル２２ｂが図２（ａ）に示す各パルスＰｍｆ，Ｐｕ，Ｐｍｒを発生する度に、各パルスＰｍｆ，Ｐｕ，Ｐｍｒを読み込む（ステップＳＴ０３）。より具体的には、波形成形回路３５によって成形された、図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示す各パルス信号Ｓｕ，Ｓｍｆ，Ｓｍｒを読み込む。

次に、直前負パルス信号Ｓｍｆの発生周期ｔｐ、つまり１サイクル時間Ｔｐを求める（ステップＳＴ０４）。より具体的には、直前負パルス信号Ｓｍｆを発生する度に、発生する時間をカウントすることによって、１サイクル時間Ｔｐを求める

次に、１サイクル時間Ｔｐの値に基づき、算出する等によって、エンジン１０の回転速度Ｎｒを求める（ステップＳＴ０５）。この結果、エンジン１０が１回転する度に、エンジン１０の回転速度Ｎｒを求めることができる。

次に、エンジン１０が１回転する度に、エンジン１０の回転速度Ｎｒを所定の上限速度ＮＨ及び下限速度ＮＬと比較する（ステップＳＴ０６）。上限速度ＮＨに対して、下限速度ＮＬは小さい（ＮＨ＞ＮＬ）。「上限速度ＮＨ」は、エンジン１０が加速している状態にあるか否かを判断する基準値であり、予め設定された一定値である。また、「下限速度ＮＬ」は、エンジン１０が減速している状態にあるか否かを判断する基準値であり、予め設定された一定値である。

ステップＳＴ０６において、回転速度Ｎｒが下限速度ＮＬから上限速度ＮＨまでの範囲にあると判断したときには（ＮＬ≦Ｎｒ≦ＮＨ）、エンジン１０は一定以上の加速状態ではなく、また、一定以上の減速状態でもない、つまり、通常の運転状態にある。この場合には、通常点火制御を実行する（ステップＳＴ０７）。例えば、複数のマップの中から、予め設定されている「通常点火タイミングマップ」を選択し、このマップに基づいて、回転速度Ｎｒに対応する通常の点火タイミングを決定し、この点火タイミングによって点火プラグ３３を点火させる。この結果、エンジン１０は通常の運転状態を維持する。

ステップＳＴ０６において、回転速度Ｎｒが上限速度ＮＨを越えたときには（Ｎｒ＞ＮＨ）、この越えたという条件（Ｎｒ＞ＮＨ）が、所定の「第１の回数ｎ１」にわたって続いたか否かを判断する（ステップＳＴ０８）。第１の回数ｎ１は、「Ｎｒ＞ＮＨ」の条件を連続して満たした回数の基準値であり、予め設定された一定値である。この第１の回数ｎ１については、エキサイタコイル２２ｂが発生する電圧波形にノイズが加わっている場合を考慮し、ノイズの影響を排除した適切な回数に設定される。

「Ｎｒ＞ＮＨ」の条件が、第１の回数ｎ１にわたって続いていないときには、上述した通常点火制御を実行する（ステップＳＴ０７）。
一方、「Ｎｒ＞ＮＨ」の条件が、第１の回数ｎ１にわたって続いたときには、エンジン１０が加速している状態にあると判断して、点火プラグ３３を点火させる点火タイミングを早めるように、進角の制御を実行する（ステップＳＴ０９）。例えば、複数のマップの中から、予め設定されている「進角点火タイミングマップ」を選択し、このマップに基づいて、回転速度Ｎｒに対応する早い点火タイミングを決定し、この点火タイミングによって点火プラグ３３を点火させる。この結果、通常の運転状態に比べて点火タイミングが早まるので、エンジン１０の燃焼室（図示せず）での燃焼タイミングは早まる。

ステップＳＴ０６において、回転速度Ｎｒが下限速度ＮＬを下回ったときには（ＮＬ＞Ｎｒ）、この下回ったという条件（ＮＬ＞Ｎｒ）が、所定の「第２の回数ｎ２」にわたって続いたか否かを判断する（ステップＳＴ１０）。第２の回数ｎ２は、「ＮＬ＞Ｎｒ」の条件を連続して満たした回数の基準値であり、予め設定された一定値である。この第２の回数ｎ２については、エキサイタコイル２２ｂが発生する電圧波形にノイズが加わっている場合を考慮し、ノイズの影響を排除した適切な回数に設定される。

「ＮＬ＞Ｎｒ」の条件が、第２の回数ｎ２にわたって続いていないときには、上述した通常点火制御を実行する（ステップＳＴ０７）。
一方、「ＮＬ＞Ｎｒ」の条件が、第２の回数ｎ２にわたって続いたときには、エンジン１０が減速している状態にあると判断して、点火プラグ３３を点火させる点火タイミングを遅らせるように、遅角の制御を実行する（ステップＳＴ１１）。例えば、複数のマップの中から、予め設定されている「遅角点火タイミングマップ」を選択し、このマップに基づいて、回転速度Ｎｒに対応する遅い点火タイミングを決定し、この点火タイミングによって点火プラグ３３を点火させる。この結果、通常の運転状態に比べて点火タイミングが遅れるので、エンジン１０の燃焼室での燃焼タイミングは遅れる。

上記ステップＳＴ０７、ＳＴ０９、ＳＴ１１を実行した後には、メインスイッチ２３のスイッチ信号を読み込む（ステップＳＴ１２）。次に、メインスイッチ２３がオフであるか否かを調べる（ステップＳＴ１３）。オン状態を維持しているときにはステップＳＴ０３に戻る。一方、作業者がオフ操作したときには、点火回路３１に点火停止指令を発した後に（ステップＳＴ１４）、この制御フローによる制御を終了する。つまり、点火プラグ３３への電力供給を停止させるように、点火回路３１を制御する。点火コイル３２から点火プラグ３３へ高圧電気が印加されないので、エンジン１０は停止する。

このように、作業者がメインスイッチ２３をオフ操作するまで、ステップＳＴ０３〜ＳＴ１３を繰り返してエンジン１０の運転状態を継続することができる。

以上の説明をまとめると、次の通りである。
本発明の制御部３４は、エンジン１０が１回転する度に、エンジン１０の回転速度Ｎｒを所定の上限速度ＮＨ及び下限速度ＮＬと比較する。そして、回転速度Ｎｒが上限速度ＮＨを超えた状態を、所定の第１の回数ｎ１にわたって続けているときには、制御部３４はエンジン１０が加速した状態にあると判断して、点火タイミングを早める進角の制御をする。一方、回転速度Ｎｒが下限速度ＮＬを下回った状態を、所定の第２の回数ｎ２にわたって続けているときには、制御部３４はエンジン１０が減速した状態にあると判断して、点火タイミングを遅らせる遅角の制御をする。

このように、エンジン１０が連続した所定の回数ｎ１にわたって回転している間に、通常の回転速度（ＮＬ≦Ｎｒ≦ＮＨ）に対して一定以上の高速な状態が続いている場合には、エンジン１０が加速している状態にあるので、点火タイミングを早める。この結果、エンジン１０の燃焼室（図示せず）での燃焼タイミングを早めることができるので、より円滑にエンジン１０を加速することができる。

一方、エンジン１０が連続した所定の回数ｎ２にわたって回転している間に、通常の回転速度（ＮＬ≦Ｎｒ≦ＮＨ）に対して一定以下の低速な状態が続いている場合には、エンジン１０が減速している状態にあるので、点火タイミングを遅らせる。この結果、燃焼室での燃焼タイミングを遅らせることができるので、エンジン１０を緩やかに減速させることができる。

また、下限速度ＮＬから上限速度ＮＨまでの範囲を設定し、この範囲から回転速度Ｎｒが外れたときだけ、エンジン１０が減速している状態又は加速している状態であると判断するので、加速・減速状態を適切に判断することができる。また、エンジン１０が加速している状態か、又は減速している状態かを判断するのに、エンジン１０が連続した複数の回数ｎ１，ｎ２にわたって回転している間の、回転速度Ｎｒを監視している。このため、加速・減速状態を、より適切に判断することができる。

このように、エンジン１０が加速する場合や減速する場合に、より適切に、且つ、きめ細かい進角制御をすることができる。

なお、本発明では、エンジン１０は作業機等に搭載される汎用エンジンであればよい。
また、制御部３４は、マイクロコンピュータを主とした構成に限定されるものではない。
また、回転センサは、エンジン１０の回転速度Ｎｒを間接または直接に検出するものであればよく、例えばエンジン１０のクランク軸１１の回転速度Ｎｒを直接に検出する構成でもよい。

本発明の容量放電式点火装置３０は、小型の汎用エンジン１０に用いるのに好適である。

本発明に係る汎用エンジン及び点火装置の模式図である。 図１に示された発電機及び容量放電式点火装置の作動を説明するタイムチャートである。 図１に示す制御部の制御フローチャートである。

符号の説明

１０…汎用エンジン、２２…回転センサを兼ねた発電機、３０…容量放電式点火装置、３１…点火回路、３３…点火プラグ、３４…制御部、Ｎｒ…汎用エンジンの回転速度、ＮＨ…上限速度、ＮＬ…下限速度、ｎ１…第１の回数、ｎ２…第２の回数、

Claims (1)

1. エンジンの回転速度に応じて点火プラグの点火タイミングを制御するための制御部を有した、汎用エンジンの容量放電式点火装置であって、
   前記制御部は、
   前記汎用エンジンが１回転する度に、エキサイタコイルが発生する電圧波形に基づいて間接的に検出された前記回転速度を所定の上限速度及び下限速度と比較し、
   前記回転速度が前記上限速度を超えたという条件が、所定の第１の回数にわたって連続していたと判断したことのみによって、前記点火タイミングを早める進角の制御をし、
   前記回転速度が所定の前記下限速度を下回ったという条件が、所定の第２の回数にわたって連続していたと判断したことのみによって、前記点火タイミングを遅らせる遅角の制御をする構成であることを特徴とした、汎用エンジンの容量放電式点火装置。

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