JP5364061B2 - 汎用エンジンの行程判別装置 - Google Patents

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Description

この発明は汎用エンジンの行程を判別するのに好適な装置に関する。
エンジンの行程判別装置として、特許文献1などにおいて吸気圧力を検出して行程を判別する技術が提案されている。その提案技術では吸気圧力が吸気行程と膨張行程で異なることを利用して行程を判別している。
特許第3839119号公報
特許文献1記載の技術によればエンジンの行程を判別することができるが、そのためには吸気圧力センサを必要とする。しかしながら、吸気圧力のセンサは比較的高価であることから、汎用エンジンのように簡易な構成を基本とするエンジンにおいては、吸気圧力センサを装着することは望ましくない。
従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、吸気圧力センサなどを用いて吸気圧力を検出することなく、吸気・圧縮・膨張・排気行程からなる4サイクルエンジンの行程を判別するようにした汎用エンジンの行程判別装置を提供することにある。
上記の目的を達成するために、請求項1に係る汎用エンジンの行程判別装置にあっては、作業機の動力源として使用可能であると共に、吸気・圧縮・膨張・排気行程からなる4サイクルエンジンからなる汎用エンジンにおいて、シリンダの内部を往復動するピストンに同期して回転するクランクシャフトの1回転当たり1回、所定のクランク角度で出力を生じるクランク角センサと、前記エンジンに吸入される吸気の温度を検出する吸気温度センサと、前記エンジンの運転が安定状態にあるか否か判定する安定状態判定手段と、前記エンジンの運転が安定状態にあると判定されるとき、前記吸気温度センサによって検出された吸気温度に基づいて前記クランク角センサの出力が生じた所定のクランク角度に続く行程が吸気・圧縮行程か膨張・排気行程かを判別する行程判別手段とを備えると共に、前記行程判別手段は、前記クランク角センサの連続する第1、第2、第3の出力の間にそれぞれ検出された吸気温度同士を比較し、前記第1、第2の出力の間に検出された吸気温度が前記第2、第3の出力の間に検出された吸気温度より低いとき、前記第1の出力が生じた所定のクランク角度に続く行程が吸気・圧縮行程であると判別する如く構成した。
請求項に係る汎用エンジンの行程判別装置にあっては、前記行程判別手段は、前記第1、第2、第3の出力の間にそれぞれ検出された吸気温度の平均値を算出して比較し、前記第1、第2の出力の間に検出された吸気温度の平均値が前記第2、第3の出力の間に検出された吸気温度の平均値より低いとき、前記第1の出力が生じた所定のクランク角度に続く行程が吸気・圧縮行程であると判別する如く構成した。
請求項に係る汎用エンジンの行程判別装置にあっては、前記エンジンは、操作者に設定される目標エンジン回転数となるように吸気管に配置されたスロットルバルブを開閉するアクチュエータを備えてなる如く構成した。
請求項1に係る汎用エンジンの行程判別装置にあっては、作業機の動力源として使用可能であると共に、吸気・圧縮・膨張・排気行程からなる4サイクルエンジンからなる汎用エンジンにおいて、シリンダの内部を往復動するピストンに同期して回転するクランクシャフトの1回転当たり1回、所定のクランク角度で出力を生じるクランク角センサと、エンジンに吸入される吸気の温度を検出する吸気温度センサとを備えると共に、エンジンの運転が安定状態にあるか否か判定し、エンジンの運転が安定状態にあると判定されるとき、吸気温度センサによって検出された吸気温度に基づいてクランク角センサの出力が生じた所定のクランク角度に続く行程が吸気・圧縮行程か膨張・排気行程かを判別する如く構成、即ち、吸気行程では吸気バルブが開いて吸気管内の吸気がシリンダ内に吸い込まれることによって吸気管内の圧力が低下して吸気が断熱膨張することで吸気温度が低下することに着目して行程を判別する如く構成したので、簡易な構成を基本とする汎用エンジンにおいて、比較的高価な吸気圧力センサを用いて吸気圧力を検出することなく、エンジンの行程を判別することができる。また、行程を判別することでエンジンの燃費性能、出力性能、エミッション性能などを向上させることが可能となる。
また、クランク角センサの連続する第1、第2、第3の出力の間にそれぞれ検出された吸気温度同士を比較し、第1、第2の出力の間に検出された吸気温度が第2、第3の出力の間に検出された吸気温度より低いとき、第1の出力が生じた所定のクランク角度に続く行程が吸気・圧縮行程であると判別する如く構成、即ち、吸気行程では断熱膨張によって吸気温度が低下することに着目し、4行程で2回生じるクランク角センサの出力間の検出吸気温度を比較して低い方のクランク角度に続く行程を吸気・圧縮行程と判別するように構成したので、吸気圧力センサなどを用いて吸気圧力を検出することなく、エンジンの行程を精度良く判別することができる。
請求項に係る汎用エンジンの行程判別装置にあっては、第1、第2、第3の出力の間にそれぞれ検出された吸気温度の平均値を算出して比較し、第1、第2の出力の間に検出された吸気温度の平均値が第2、第3の出力の間に検出された吸気温度の平均値より低いとき、第1の出力が生じた所定のクランク角度に続く行程が吸気・圧縮行程であると判別する如く構成したので、上記した効果に加え、1回の検出値ではなく、複数回の検出値の平均値を用いることで、エンジンの行程を一層精度良く判別することができる。
請求項に係る汎用エンジンの行程判別装置にあっては、エンジンは、操作者に設定される目標エンジン回転数となるように吸気管に配置されたスロットルバルブを開閉するアクチュエータを備えてなる機構、いわゆる電子ガバナを備える如く構成したので、電子ガバナを備えた汎用エンジンにおいても簡易な構成で行程を判別することができる。
この発明の実施例に係る汎用エンジンの行程判別装置を全体的に示す概略図である。 図1に示す装置のパルサコイル(クランク角センサ)の出力などをクランク角度に対して示す説明図である。 図1に示す装置の行程判別処理を示すフロー・チャートである。
以下、添付図面に即してこの発明に係る汎用エンジンの行程判別装置を実施するための最良の形態について説明する。
図1はこの発明の実施例に係る汎用エンジンの行程判別装置を全体的に示す概略図である。
図1において、符号10はエンジンを示す。エンジン10は空冷式の、吸気・圧縮・膨張・排気行程からなる4サイクル単気筒OHV型である。エンジン10はガソリンを燃料とし、例えば200cc程度の排気量を有し、農業、建設などの産業用小型作業機の動力源として使用(接続)可能な汎用エンジン(汎用内燃機関)からなる。
エンジン10のシリンダブロック10aの内部に形成されたシリンダ(気筒)12には、ピストン14が往復動自在に収容される。シリンダブロック10aにはシリンダヘッド10bが取り付けられ、ピストン14の頂部との間に燃焼室16が形成される。
燃焼室16には吸気管20が接続される。吸気管20にはスロットルバルブ22が配置されると共に、その下流の吸気ポートの付近にはインジェクタ24が配置される。インジェクタ24は燃料供給管26を介して燃料タンク30に接続される。
より具体的には、インジェクタ24は第1の燃料供給管26aを介してサブ燃料タンク32に接続されると共に、サブ燃料タンク32は第2の燃料供給管26bを介して燃料タンク30に接続される。
第2の燃料供給管26bには低圧ポンプ34が介挿され、燃料タンク30に貯留された燃料(ガソリン)を汲み上げてサブ燃料タンク32に圧送する。サブ燃料タンク32には燃料ポンプ(高圧ポンプ)36が配置される。
燃料ポンプ36は圧送されてフィルタ32aで濾過された燃料を高圧に加圧し、レギュレータ32bで調圧しつつ、燃料供給管26aを介してインジェクタ24に圧送する。サブ燃料タンク32の燃料の一部は戻し管26cを介して燃料タンク30に戻される。
エアクリーナ(図示せず)から吸入された吸気は吸気管20を流れ、スロットルバルブ22で流量を調整されて吸気ポートに至り、インジェクタ24から噴射された燃料と混合して混合気を形成する。
混合気は吸気バルブ40が開かれるとき、燃焼室16に流入し、点火プラグ42で点火されて燃焼してピストン14を駆動する。燃焼によって生じた排ガスは排気バルブ44が開かれるとき、排気管46を流れて外部に放出される。
シリンダブロック10aにはシリンダヘッド10bと対向する側においてクランクケース(図示せず)が取り付けられ、その内部にはクランクシャフト50が回転自在に収容される。クランクシャフト50はピストン14にコンロッド14aを介して連結され、ピストン14の駆動に応じて回転する。
クランクケースにはクランクシャフト50と平行してカムシャフト(図示せず)が回転自在に収容され、ギヤ機構(図示せず)を介してクランクシャフト50に連結されて駆動される。カムシャフトは吸気側カムと排気側カムを備え、図示しないプッシュロッドとロッカーアームを介して吸気バルブ40と排気バルブ44を開閉する。
クランクシャフト50の他端には、フライホイール52が取り付けられる。フライホイール52の外側位置においてクランクケースにはパルサコイル(クランク角センサ)54が取り付けられる。
パルサコイル54は、フライホイール52の表面側に取り付けられた1個のマグネット(永久磁石片。図示せず)と相対回転してその磁束と交錯することで、上死点付近の所定(固定)のクランク角度でクランクシャフト50の1回転当たり(360度当たり)1個の出力(クランクパルス)を生じる。
図2はパルサコイル54の出力(クランクパルス)などをクランク角度に対して示す説明図である。図示の如く、パルサコイル54は、吸気・圧縮・膨張・排気行程からなる4サイクルにおいて排気行程の終端付近と圧縮行程の終端付近の所定のクランク角度で出力を生じる。
換言すれば、図2に示す如く、パルサコイル54の出力が生じた所定のクランク角度に続く行程が、吸気(あるいは吸入)・圧縮・膨張(あるいは爆発)・排気行程からなる4サイクルにおいて吸気行程あるいは膨張行程となる。図示の3つの出力を第1、第2、第3の出力とする。
また、クランクケースの内側位置にはパワーコイル(発電コイル)56が取り付けられ、フライホイール52の裏面側に取り付けられた8個のマグネット(永久磁石片。図示せず)との相対回転に伴ってマグネットの磁束と交錯して起電力を生じるACG(交流発電機)として機能する。生じた起電力は整流された後、バッテリ(図示せず)に供給され、バッテリを充電する。
クランクシャフト50の一端には作業機などの負荷60が接続される。ここで負荷60は「原動機から出るエネルギ(出力)を消費する機械設備またはその機械設備が消費する動力(仕事率)の大きさ」を意味する。
エンジン10のハウジング(図示せず)上の適宜位置には操作者(ユーザ)に操作自在なアクセルレバー62が配置される。アクセルレバー62は、操作者の指でつままれて所定の最小エンジン回転数から最大エンジン回転数に至る範囲を回転して操作者の意図する目標エンジン回転数を指示可能なツマミからなる。
スロットルバルブ22は電動モータ(アクチュエータ。より具体的にはステッピングモータ)64が連結される。電動モータ64は、操作者のアクセルレバー62の操作と独立に、スロットルバルブ22を開閉するように構成される。即ち、スロットルバルブ22はDrive By Wire型に構成される。
吸気管20においてスロットルバルブ22の配置位置の上流にはサーミスタなどからなる吸気温度センサ70が配置され、その部位を流れる吸気の温度を示す出力を生じると共に、シリンダブロック10aには同様にサーミスタなどからなるエンジン温度センサ72が配置され、その部位の温度、即ち、エンジン10の温度を示す出力を生じる。
また、アクセルレバー62には可変抵抗器(ポテンショメータ)74が接続され、操作者の意図する目標エンジン回転数を示す出力を生じると共に、エンジン10のハウジング上の適宜位置には操作者(ユーザ)に操作自在な操作スイッチ(メインスイッチ)76が配置される。
操作スイッチ76は、操作者によってオン位置に操作される(オンされる)とき運転指示を示す出力を生じる一方、オフ位置に操作される(オフされる)とき停止指示を示す出力を生じる。
これらセンサ70,72,74とスイッチ76と前記したパルサコイル54ならびにパワーコイル56の出力は、ECU(Electronic Control Unit。電子制御ユニット)80に送られる。
ECU80はマイクロコンピュータを備え、パルサコイル54の出力からエンジン回転数を検出すると共に、その他のセンサ出力からインジェクタ24の開弁動作、燃料ポンプ36などの駆動動作、電動モータ64の駆動動作などを制御する。エンジン回転数はパワーコイル56の出力から検出しても良い。
電動モータ64の駆動に関しては、ECU80はアクセルレバー62の操作者による操作に応じて指示(決定)される目標エンジン回転数となるようにスロットルバルブ22の開度(スロットル開度)を算出し、算出されたスロットル開度となるように電動モータ64に駆動回路(図示せず)を介して指令する。即ち、この実施例に係るエンジン10は、電動モータ64,ECU80などから構成される機構からなる電子ガバナを備える。
このようにECU80は電動モータの回転量を指令することから、スロットル開度センサを必要とすることなく、自らの指令値からスロットルバルブ22の開度(スロットル開度)を算出(検出)する。スロットル開度は全閉位置付近を0、全開位置付近を100としたときの%で算出される。
インジェクタ24の開弁動作に関して燃料噴射制御を説明すると、ECU80は、少なくとも算出されたスロットル開度とパルサコイル54の出力から検出されたエンジン回転数とから予め設定されたマップ値(特性)を検索して燃料噴射量を算出、即ち、スロットルスピード方式といわれる手法で燃料噴射量を算出する。
燃料噴射量はインジェクタ24の噴射時間(開弁時間)で算出される。エンジン10の始動時には検出されたエンジン温度でマップ検索値を補正すると共に、吸気温度変化が大きいときは検出された吸気温度でマップ検索値を補正する。
また、点火制御に関して説明すると、ECU80は適宜なパラメータから点火時期を算出し、点火コイルなどの点火装置82を介して点火プラグ42の点火動作を制御する。燃料噴射時期と点火時期はパルサコイル54の出力に合わせて実行される。
さらに、ECU80は上記した如く、アクセルレバー62の操作に応じて目標エンジン回転数を決定し、決定された目標エンジン回転数となるようにスロットルバルブ22のスロットル開度を算出し、少なくとも算出されたスロットル開度と検出されたエンジン回転数から燃料噴射量を算出する。
ECU80は、上記した目標エンジン回転数の決定、スロットル開度の算出、エンジン回転数の検出、燃料噴射量の算出を所定周期、例えば10msecごとに実行すると共に、算出値を所定の複数の制御周期の間、保持(記憶)する。ECU80は操作者によって操作スイッチ76がオンされるとき、上記した動作を実行すると共に、操作スイッチ76がオフされるとき、上記した動作を停止(終了)する。
さらに、ECU80は上記した如く、エンジン10の行程を判別する。
図3はそのエンジン10の行程判別処理を示すフロー・チャートである。
以下説明すると、S10において回転数変化が±50rpm未満か否か判断する。即ち、所定周期ごとに検出されるエンジン回転数について直近の制御周期(例えば今回制御周期)で検出されたエンジン回転数と前回の制御周期で検出されたエンジン回転数の差が±50rpm未満か否か判断する。
S10で否定されるときは以降の処理をスキップすると共に、肯定されるときはS12に進み、スロットル開度変化が±5度未満か否か判断する。
即ち、所定周期ごとに算出されるスロットル開度について直近の制御周期(例えば今回制御周期)で算出されたスロットル開度と前回の制御周期で算出されたスロットル開度の差が±5度未満か否か判断する。尚、前回の制御周期で算出された値に代え、前々回あるいはそれ以前に算出された値を用いても良い。
S12で否定されるときは以降の処理をスキップする。S10,S12の処理はエンジン10の運転が安定状態にあるか否か判定する処理に相当する。
即ち、行程判別中にエンジン回転数やスロットル開度が変化すると、吸気管内圧力(吸気管20の内部の圧力)に外乱による変化が起きて判別に悪影響が生じるおそれがあるからである。
従ってS10,S12の処理で使用される値はエンジン10の運転が安定状態にあるか否かを判別するに足る値であれば良く、エンジン回転数やスロットル開度の変化の算出も上記に止まるものではなく、しきい値の数値も上記に制限されるものではない。
S12でも肯定される、換言すればエンジン10の運転が安定状態にあると判定されるときはS14に進み、1回転目、即ち、クランク角センサの連続する第1、第2の出力(図2に示す)の間に吸気温度センサ70によって検出された吸気温度、より正確にはその平均値を取得(算出)する。
次いでS16に進み、2回転目、即ち、クランク角センサの連続する第2、第3の出力(図2に示す)の間に同様に吸気温度センサ70によって検出された吸気温度、より正確にはその平均値を取得(算出)する。
具体的には、ECU80はごく短い周期、例えば1msecごとに吸気温度センサ70の検出値を読み込み、第1、第2(あるいは第2、第3)の出力の間の検出値の単純平均値を算出する。
例えば、エンジン回転数を3600rpmとすると、これらの出力の間の時間は16msecとなるので、その間に十数個の検出値が読み込まれ、その中の任意の個数についての平均値が算出される。
次いでS18に進み、1回転目(第1、第2の出力の間)と2回転目(第2、第3の出力の間)に取得(算出)された吸気温度平均値を比較し、1回転目に取得された吸気温度平均値が2回転目に取得された吸気温度平均値を超えるか否か判断する。
S18で否定されて第1、第2の出力の間に検出された吸気温度平均値が第2、第3の出力の間に検出された吸気温度平均値より低いと判断されるとき、S20に進み、第1の出力が生じた所定のクランク角度に続く行程が吸気・圧縮行程であると判別する。
一方、S18で肯定されて第1、第2の出力の間に検出された吸気温度平均値が第2、第3の出力の間に検出された吸気温度平均値より低くないと判断されるとき、S22に進み、第1の出力が生じた所定のクランク角度に続く行程が膨張・排気行程であると判別する。
これについて説明すると、エンジン10においては吸気行程では吸気バルブ44が開いて吸気管20内の吸気がシリンダ12内に吸い込まれることによって吸気管20内の圧力が低下して吸気が断熱膨張することで吸気温度が低下する。この発明はそれに着目して行程を判別する如く構成した。
尚、図3でS14からS18の処理において検出値ではなく、その平均値を算出するようにしたが、図2に示すような吸気温度が低下するクランク角度での検出値を用いても良い。さらには平均値として単純平均値を算出するようにしたが、加重平均値など他の平均値を算出しても良い。
上記の如く、この実施例にあっては、作業機(負荷60)の動力源として使用可能であると共に、吸気・圧縮・膨張・排気行程からなる4サイクルエンジンからなる汎用エンジン10において、シリンダ12の内部を往復動するピストン14に同期して回転するクランクシャフト50の1回転当たり1回、所定のクランク角度で出力を生じるクランク角センサ(パルサコイル)54と、前記エンジン10に吸入される吸気の温度を検出する吸気温度センサ70と、前記エンジン10の運転が安定状態にあるか否か判定する安定状態判定手段(ECU80,S10からS12)と、前記エンジン10の運転が安定状態にあると判定されるとき、前記吸気温度センサ70によって検出された吸気温度に基づいて前記クランク角センサの出力が生じた所定のクランク角度に続く行程が吸気・圧縮行程か膨張・排気行程かを判別する行程判別手段(ECU80,S14からS20)とを備える如く構成、即ち、吸気行程では吸気バルブ40が開いて吸気管20内の吸気がシリンダ12内に吸い込まれることによって吸気管20内の圧力が低下して吸気が断熱膨張することで吸気温度が低下することに着目して行程を判別する如く構成したので、簡易な構成を基本とする汎用エンジン10において比較的高価な吸気圧力センサなどを設けて吸気圧力を検出することなく、エンジン10の行程を判別することができる。また、行程を判別し、それに基づいて燃料噴射などを制御することで燃費性能、出力性能、エミッション性能などを向上させることが可能となる。
また、前記行程判別手段は、前記クランク角センサの連続する第1、第2、第3の出力の間にそれぞれ検出された吸気温度同士、より具体的にはその平均値を比較し、前記第1、第2の出力の間に検出された吸気温度、より具体的にはその平均値が前記第2、第3の出力の間に検出された吸気温度、より具体的にはその平均値より低いとき、前記第1の出力が生じた所定のクランク角度に続く行程が吸気・圧縮行程であると判別する(ECU80,S14からS20)如く構成したので、吸気圧力センサなどを用いて吸気圧力を検出することなく、エンジン10の行程を精度良く判別することができる。また、検出値に代えて平均値を用いると、エンジン10の行程を一層精度良く判別することができる
また、前記エンジン10は、操作者の操作自在に配置されるアクセルレバー62の操作に応じて決定される、換言すれば操作者に設定される目標エンジン回転数となるように吸気管20に配置されたスロットルバルブ22を開閉するアクチュエータ(電動モータ)64を備えてなる如く構成したので、電子ガバナを備えた汎用エンジン10において簡易な構成で行程を判別することができる。
尚、上記において図3の行程判別処理に使用される数値などは例示であり、それに制限されるものではない。
また、パルサコイル(クランク角センサ)54の出力が排気行程の終端付近と圧縮行程の終端付近の所定のクランク角度で出力を生じるように構成したが、それに続く行程が吸気・圧縮行程か否か判別できる限り、どのクランク角度で出力を生じても良い。
また、単気筒の汎用エンジン10を例にとって説明したが、この発明は複数気筒にも適用可能である。
10 汎用エンジン(汎用内燃機関)、12 シリンダ、14 ピストン、22 スロットルバルブ、24 インジェクタ、30 燃料タンク、36 燃料ポンプ、42 点火プラグ、50 クランクシャフト、52 フライホイール、54 パルサコイル(クランク角センサ)、56 パワーコイル、60 負荷、62 アクセルレバー、64 電動モータ(アクチュエータ)、70 吸気温度センサ、72 エンジン温度センサ、74 可変抵抗器、80 ECU(電子制御ユニット)

Claims (3)

  1. 作業機の動力源として使用可能であると共に、吸気・圧縮・膨張・排気行程からなる4サイクルエンジンからなる汎用エンジンにおいて、シリンダの内部を往復動するピストンに同期して回転するクランクシャフトの1回転当たり1回、所定のクランク角度で出力を生じるクランク角センサと、前記エンジンに吸入される吸気の温度を検出する吸気温度センサと、前記エンジンの運転が安定状態にあるか否か判定する安定状態判定手段と、前記エンジンの運転が安定状態にあると判定されるとき、前記吸気温度センサによって検出された吸気温度に基づいて前記クランク角センサの出力が生じた所定のクランク角度に続く行程が吸気・圧縮行程か膨張・排気行程かを判別する行程判別手段とを備えると共に、前記行程判別手段は、前記クランク角センサの連続する第1、第2、第3の出力の間にそれぞれ検出された吸気温度同士を比較し、前記第1、第2の出力の間に検出された吸気温度が前記第2、第3の出力の間に検出された吸気温度より低いとき、前記第1の出力が生じた所定のクランク角度に続く行程が吸気・圧縮行程であると判別することを特徴とする汎用エンジンの行程判別装置。
  2. 前記行程判別手段は、前記第1、第2、第3の出力の間にそれぞれ検出された吸気温度の平均値を算出して比較し、前記第1、第2の出力の間に検出された吸気温度の平均値が前記第2、第3の出力の間に検出された吸気温度の平均値より低いとき、前記第1の出力が生じた所定のクランク角度に続く行程が吸気・圧縮行程であると判別することを特徴とする請求項記載の汎用エンジンの行程判別装置。
  3. 前記エンジンは、操作者に設定される目標エンジン回転数となるように吸気管に配置されたスロットルバルブを開閉するアクチュエータを備えてなることを特徴とする請求項1または2記載の汎用エンジンの行程判別装置。
JP2010201468A 2010-09-08 2010-09-08 汎用エンジンの行程判別装置 Active JP5364061B2 (ja)

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