JP5548425B2 - 燃料配合装置に燃料を充填する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の２サイクルエンジン用燃料配合装置に燃料を充填する方法、および、請求項１１の上位概念に記載の燃料配合装置に関するものである。

噴射装置の形態の燃料配合装置は公知である。噴射装置を支障なく機能させるには、システムに空気がないよう保証されていなければならない。特に低圧噴射システムの場合、或いは、低圧燃料供給システムの場合において、自力で空気混入を排除できないような燃料ポンプを使用すると、かなりの障害をきたす。

パワーチェーンソー、刈払い機、研削切断機のような携帯型作業機の場合、駆動用に２サイクルエンジンが使用される。２サイクルエンジンの燃料配合装置は、内燃エンジンの変動するクランクケース圧によって駆動される、ダイヤフラムとして構成された燃料ポンプを含んでいる。ダイヤフラムポンプのポンプ室内に気泡が形成されると、搬送量が強く限定され、その結果特に内燃エンジンを始動するときにかなりの始動困難が生じる。このため、手動ポンプのごとく作動するいわゆるパージ装置が提案されたが、パージ装置は利用者が操作しなければ燃料システムを充填させることができない。この種の手動ポンプ（パージ装置）は付加的に装着して燃料システムに結合させねばならない。ダイヤフラムポンプのポンプ室内に十分な燃料があってはじめてその搬送作用が開始されるが、そのときに達成される低い圧力レベルはほぼ１バール以下である。

本発明の課題は、始動段階において燃料配合装置の効率的な充填が行なわれるように燃料配合装置を構成することである。

この課題は、本発明によれば、請求項１の構成により解決される。

内燃エンジンの始動段階において配量弁が算出された制御時間に関係なく充填時間にわたって開弁保持されるので、配量弁の開口部に印加される配合室の負の作動圧が吸込み作用を行なうことができ、この時点での、配量弁に連通している燃料供給管内のシステム圧は、ほぼ周囲圧に等しい。

充填時間は、燃料システムを充填させるために常に負圧が有効であるように選定されており、このため始動段階では、遅くとも、配合室の交番作動圧が最小値に達したときに、配量弁が閉じられる。このケースでは最大負圧が利用される。

さらに、配合室の交番作動圧が燃料配合システム内のシステム圧以下である場合にだけ配量弁が充填時間の間開弁されるならば、配量弁が他の充填時間の間新たに開弁したときに負圧は解消されない。

有利には、負の圧力経過が開始される時点から交番作動圧が最小値になる時点までを充填時間として設定するのがよい。この場合、交番作動圧はクランクケース内のクランクケース圧であってよく、或いは、吸込通路内または掃気通路内の変動する吸込圧であってもよい。

なんら付加的なセンサを用いずに始動段階での配量弁の制御を可能にするため、本発明によれば、燃料配合装置を充填するための配量弁の充填時間を、クランク軸の位置に依存して決定する。

有利には、燃料配合装置の始動段階を、クランク軸が所定回数回転した後に終了させるのがよい。この判断基準は、付加コストを要することなく既存の手段で適用することができる。したがって、クランク軸の回転回数を容易に検知でき、たとえばクランク軸がほぼ２５回回転した後に始動段階を終了させることができる。クランク軸の回転回数は有利にはほぼ１０回と５０回の間である。

簡単には、１回の燃焼が始まった後に燃料配合装置の始動段階を終了させることが可能である。

そもそも始動段階が必要であるかどうかは、たとえばシリンダの温度のような部材の温度を検知することによって判断することができる。境界温度以上であれば、燃料配合装置の始動段階を遮断する。というのは、以前の作動時間が長くなければ、燃料配合装置はまだ充填されていると基本的には判断できるからである。

本発明による方法を実施するための燃料配合装置は請求項１１に記載されている。内燃エンジンが作動している間に配量要素に対しその制御時間の算出および制御を行うための制御装置以外に、内燃エンジンの始動段階のために、本発明によれば、燃料ポンプは変動するクランクケース内の圧力によって駆動されるダイヤフラムポンプであり、制御装置によって算出した前記制御時間とは関係なく配量弁を開弁状態に保持する始動制御部が設けられている。充填時間においては、配量弁の開口部に印加される配合室の交番作動圧は負であり、且つ燃料配合装置内の燃料システム圧は目標圧以下である。

始動制御部は、前記制御装置をクランク軸の所定回転回数のためだけに制御する(uebersteuern)ように構成されている。

本発明の他の構成は他の請求項、以下の説明、図面から明らかである。

単気筒２サイクルエンジンを例とした内燃エンジンを燃料配合装置とともに示した概略図である。 燃料システム圧および変動する作動圧の圧力経過とクランク軸の角度との関係を示すグラフである。 充填の第２段階での図２の圧力経過を示すグラフである。 燃料配合装置を充填した後に燃料ポンプによって発生するシステム圧をも併せて示した図２の圧力経過を示すグラフである。 燃料配合装置の充填過程を説明する図である。

次に、本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１に図示した内燃エンジン１は、２サイクル方式または４サイクル方式で作動させることのできる単気筒エンジンまたは多気筒エンジンに共通のものである。本実施形態では２サイクルエンジン、特に単気筒２サイクルエンジンである。該２サイクルエンジンはピストン５を有し、ピストン５は燃焼室３を画成している。燃焼室３はシリンダ２内に形成され、クランクケース４を燃焼室３と連通させている掃気通路８と９を有している。クランクケース４から出て掃気通路８，９を介して燃焼室３に供給される燃料の溢流はピストン５によって開閉制御される。

ピストン５は、クランクケース４内に回転可能に支持されている連接棒６を介してクランク軸７を駆動させる。

シリンダ２の底部には、同様にピストン５によって開閉制御され、空気配合装置（スロットルバルブ）１１を介して内燃エンジンの作動に必要な燃焼空気が供給される吸込み通路１０が設けられている。燃焼空気は、吸込み通路１０に供給される前にエアフィルタ１２によって清浄化される。

シリンダ２の底部には、吸込み通路１０にほぼ対向するように、同様にピストン５によって開閉制御される排ガス排出部１３が設けられている。

内燃エンジン１を作動させるため、燃焼室３には燃料空気混合気を供給する必要がある。図示した図１の実施形態では、すなわち単気筒２サイクルエンジンでは、燃焼空気は吸い込み通路１０を介してクランクケース４内へ吸い込まれ、必要量の燃料が配量弁２０を介してクランクケース４に供給される。配量弁２０は、図１に図示したように、掃気通路９に開口させてもよいし、或いは、吸込み通路１０において燃料を流入する燃焼空気に直接供給するようにしてもよい。

内燃エンジン１の作動時には、制御装置２１により、確認した内燃エンジン１の負荷状態に対応して供給されるべき燃料の量が算出される。燃料は配量弁２０の制御時間を通じて配合され、その際配合室１５内の交番作動圧力が燃料配合システム内のシステム圧Ｓ以下であるような時間で配合室１５への燃料の供給が行なわれる。制御装置２１は、さらに、クランク軸７の回転角度位置に依存して点火プラグ１４の点火を制御する。このため、制御装置２１には角度センサ１６またはインクレメンタルディテクタが接続されており、その結果制御装置２１はその都度クランク軸７の現在回転位置を認識する。

配量弁２０は燃料ポンプ１７から燃料の供給を受ける。燃料ポンプ１７は単独の燃料ポンプとして燃料配合装置内に設けられており、本実施形態ではダイヤフラムポンプとして構成されている。作動ダイヤフラム１８は、クランクケース内の圧力の作用を受ける作業室１９をポンプ室２２から切離しており、この場合ポンプ室２２は供給弁２３を介して燃料タンク２５と連通し、且つ排出弁２４を介して配量弁２０と連通している。合目的には、配合システムに、使用するポンプの種類に関係なく有利にはポンプの吐出し側に配置される蓄圧器（図示せず）を接続させるのがよい。

クランクケース４内の交番クランクケース内圧力は、接続管２６を介してダイヤフラムポンプ１７の作業室１９に印加され、これによって作業ダイヤフラム１８が二重矢印方向に上下動する。これにより、ほぼ１バールの最大圧の搬送圧が発生するのに十分な量の燃料でポンプ室２２が充填されていれば、燃料タンク２５からポンプ室２２を介して配量弁２０への燃料の搬送が行なわれる。

長い停止時間後または作動休止後には、燃料配合装置２７に、すなわち供給管またはポンプ室２２に、燃料配合装置２７の正常な機能を阻害する空気が侵入することがある。支障のない作動のために燃料配合装置２７の完全な充填を保証するため、始動制御部３０が設けられている。始動制御部３０は、内燃エンジン１の始動段階で、算出した制御装置２１の制御時間とは関係なく配量弁２０を開弁保持する。始動制御部３０は、図２と図３に図示したような充填時間Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４を切換える。図２には、圧力経過とクランク軸角度との関係が図示されている。圧力経過部３１は、配量弁２０が連通している配合室１５内での交番作動圧を示している。図示した実施形態では、配合室１５はクランクケース４の内部空間に相当している。配量弁２０が１つの掃気通路に連通していれば、この掃気通路の容積部が配合室を形成する。また、配量弁が吸込み通路に配置されていれば、配合室はこの吸込み通路の内部である。配合室内にはほぼ−３００ミリバール以下の負圧があってよい。

圧力経過部３１は理想的なケースとして図示されており、たとえば周囲圧または大気圧のような標準圧Ｎを中心にして変動する。支障のない作動には、燃料配合装置２７は燃料システム内に０．１バールないし１バールの範囲の作動圧ＳＢを必要とする。

内燃エンジンの始動段階では、始動制御部３０は充填時間Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４の間、配量弁２０を開弁保持させる。これにより、配量弁２０の開口部に印加される負の作動圧（たとえば−３００ミリバール）が燃料配合装置２７を通じて燃料を配合室１５内に吸い込んで、燃料配合装置２７を充填する。

図５に図示したように、時点Ｔ_１では燃料管２９および／または燃料ポンプ１７のポンプ室２２は空になっている。燃料はほとんどがタンク２５内にある。配量弁２０は遮断されている。燃料配合装置２７内のシステム圧も配量弁２０の開口部２８における作動圧も標準圧に相当しており、その結果ほぼ０バールであり、よって作動圧に相当する所望の目的圧以下である。クランク軸７が回転することで（これはロープ引張りスタータによって手動で行なうか、或いは、電子スタータを介して行なうことができる）、上下動するピストン５はクランクケース４内に、すなわち配合室１５内に、図２の圧力経過部３１に相当して交番クランクケース圧を発生させる。この場合、時点Ｔ_１では、燃料管２９内の圧力または燃料ポンプ１７のポンプ室２２内の圧力は配量弁２０の開口部２８と同様にゼロである。

配量弁２０の開口部２８に印加される作動圧３１が負になると、充填時間Ｆ１の間、配量弁２０は始動制御部３０によって開弁される。この時点では、配量弁２０へ至る燃料供給管２９内のシステム圧はほぼ周囲圧である。

充填時間Ｆ１は、配合室の作動圧３１が最小値３３（たとえば−３００ミリバール）に達したときに終了する。作動圧３１の最小値が継続している時間の間に配量弁２０が閉じられ、すなわち時点Ｔ_２で閉じられる。図５において時点Ｔ_２は配量弁２０が閉じた瞬間を示しており、燃料管２９内の圧力は配量弁２０の開口部２８と同様に負の圧力（たとえば−０．３バール）である。

配合室内の交番作動圧３１が正の範囲にある間、配量弁２０が閉じているために燃料管２９内にはそのまま−０．３バールの負圧が作用する。この負圧は、図５において矢印３４の方向に燃料が流れてくるためにゆっくりと解消する。これを図２では部分３５で示した。

それ故、図５の時点Ｔ_３が示すように、交番作動圧３１で正の圧力段階にある間は、直前の充填時間に由来する事前の負の印加圧力がそのまま作用する。したがって、負圧が導入されることによって生じる、燃料配合装置２７を充填するための吸込み作用は、交番作動圧３１の正の範囲で圧力が経過する間も持続する。

図１に図示したダイヤフラムポンプ１７の搬送が始まると、配量弁２０の側にたとえば−３００ミリバールの負圧が作用し、燃料ポンプ１７の側にはたとえば５００ミリバールの上昇システム圧が作用する。それ故、燃料配合装置２７またはその燃料管は配量弁２０に作用する負圧だけの場合よりもより迅速に充填される。

有利には、始動制御部は、配合室１５内の交番作動圧３１がシステム圧２１以下である場合にだけ配量弁２０を再び開弁させる。これを、システム圧特性曲線３２の部分３５の終端３６で示した。配量弁２０が開弁する時点で作動圧３１はすでに終端３６において負のシステム圧まで降下しているので、充填時間Ｆ２はそれ以前の充填時間Ｆ１よりも短い。充填時間Ｆ１が負の圧力経過から始まって負の圧力経過の最小値３３まで継続するのに対し、充填時間Ｆ２はこれよりも短い。

燃料配合装置２７の充填が継続すればするほど、配量弁２０の閉弁後の負圧はそれだけ迅速に再び解消する。燃料は燃料管２９内で矢印３４の方向に加速され、それ故負圧は次の負の半波が発生するまで完全に解消される。このため、充填時間Ｆ３とＦ４は、図３に図示したように、再び負の圧力経過から始まって圧力経過３２の最小値３３まで継続する。すなわち最大充填時間が与えられる。燃料管２９内に閉じ込められる負圧のこのような迅速な解消は、燃料ポンプ１７の搬送が始まったときにさらに加速される。燃料配合装置２７内の燃料柱は運動状態を持続するので、急速な充填が保証されている。

システムはクランク軸が回転するたびにいっそうより迅速に充填され、これは、ダイヤフラムポンプとして合目的に実施されている燃料ポンプ１７がその作業を開始して燃料配合装置２７内にシステム作動圧ＳＢが発生し、燃料配合装置２７の正常な機能が保証されるまで継続する。

システムが充填されると、始動制御部をオフにする。これは、たとえばクランク軸が所定回数回転した後に行なうことができるが、ダイヤフラムポンプの吐出し側に配置した圧力センサ４０を介して圧力の発生を確認した後に行なってもよい。制御装置２１が十分な作動圧を確認すると、始動制御部３０をオフにし、内燃エンジンの負荷状態に適合する量の燃料を配合するために、算出した制御時間に応じて配量弁２０を作動させる。燃料配合装置２７内のシステム作動圧によって、他の作動範囲にわたる噴射が可能である。すなわち図４が示すように、配合室内の作動圧３１が燃料システム作動圧よりも小さければ噴射が常に可能である。

燃料配合装置の始動段階は、所望の目的圧に達したときに、有利には０．１バールないし１バールの範囲の燃料システム圧に達したときに終了させることができる。燃料システム圧の検知または目標圧の監視とは関係なく、クランク軸が所定回数回転した後に始動段階を終了させてもよい。この判断基準は、付加的なセンサを用いずに既存の手段で簡単に適用される。したがって、クランク軸の回転回数を簡単に検知でき、たとえばクランク軸がほぼ１０回転ないし５０回転した後に、有利にはほぼ２５回回転した後に始動段階を終了させることができる。１回の燃焼が開始した後に燃料配合装置の始動段階を終了させることも簡単に可能である。

そもそも始動段階が必要であるかどうかは、たとえば内燃エンジンのシリンダのような部材の温度を検知することによって調べることができる。境界温度以上であれば、過去の作動時間が長くないので燃料配合装置はまだ充填されていると基本的には判断できるので、燃料配合装置の始動段階を遮断する。

１ 内燃エンジン
３ 燃焼室
４ クランクケース
５ ピストン
６ 連接棒
７ クランク軸
１５ 配合室
１７ 燃料ポンプ
２０ 配量弁
２１ 制御装置
２５ 燃料タンク
２７ 燃料配合装置
３０ 始動制御部
３１ 配合室の交番作動圧
３２ 燃料システム圧
３３ 交番作動圧の最小値
Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４ 充填時間

Claims (12)

1. 内燃エンジン（１）用の燃料配合装置（２７）に燃料を充填する方法であって、内燃エンジン（１）が、燃焼室（３）内に配置され、クランクケース（４）内に回転可能に支持されているクランク軸（７）を連接棒（６）を介して駆動させる少なくとも１つのピストン（５）と、燃料を燃料タンク（２５）から吸込んで、交番作動圧の状態にある配合室（１５）に開口する配量弁（２０）へ搬送する燃料ポンプ（１７）と、内燃エンジン（１）の負荷状態に対応する量の燃料を配合する目的で配量弁（２０）に対しその制御時間を算出し制御するための制御装置（２１）とを備えている前記方法において、
   内燃エンジン（１）の始動段階で、配量弁（２０）の開口部に印加される配合室（１５）の前記作動圧が負であり、燃料配合装置（２７）内の燃料システム圧が目標圧以下であり、配合室（１５）の交番作動圧が燃料システム圧（３２）以下のときに、算出した前記制御時間とは関係なく配量弁（２０）を充填時間（Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４）にわたって開弁状態に保持することを特徴とする方法。
2. 始動段階で、配合室（１５）の交番作動圧（３１）が最小値（３３）に達したときに配量弁（２０）を閉弁させることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 充填時間（Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４）は、負の圧力経過が始まったときから圧力経過（３１）が最小値（３３）に達するまでの時間であることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 配合室（１５）の交番作動圧は吸込み通路（１０）内の吸込負圧であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 配合室（１５）の交番作動圧はクランクケース内の交番圧力であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 燃料配合装置（２７）を充填するための充填時間（Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４）またはその開閉時間を、クランク軸（７）のクランク軸位置に依存して決定することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
7. クランク軸が所定回数回転した後に燃料配合装置（２７）の始動段階を終了させることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
8. クランク軸の所定回転回数が１０回と５０回の間、好ましくはほぼ２５回であることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. １回の燃焼が始まった後に燃料配合装置（２７）の始動段階を終了させることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
10. 内燃エンジンまたはその構成部材の境界温度以上で燃料配合装置の始動段階を遮断することを特徴とする、請求項１から９までのいずれか一つに記載の方法。
11. 燃焼室（３）内に配置され、クランクケース（４）内に回転可能に支持されているクランク軸（７）を連接棒（６）を介して駆動させる少なくとも１つのピストン（５）と、燃料を燃料タンク（２５）から吸込んで、交番作動圧の状態にある配合室（１５）に開口する配量弁（２０）へ搬送する燃料ポンプ（１７）と、内燃エンジン（１）の負荷状態に対応する量の燃料を配合する目的で配量弁（２０）に対しその制御時間を算出し制御するための制御装置（２１）と、内燃エンジン（１）の始動段階で、制御装置（２１）によって算出した前記制御時間とは関係なく配量弁（２０）を充填時間（Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４）にわたって開弁状態に保持する始動制御部（３０）とを備えている内燃エンジン（１）の燃料配合装置（２７）において、
    燃料ポンプ（１７）が変動するクランクケース内の圧力によって駆動されるダイヤフラムポンプであり、配量弁（２０）は、該配量弁（２０）の開口部に印加される配合室（１５）の交番作動圧が負であり、且つ燃料配合装置（２７）内の燃料システム圧が目標圧以下であるときに、開弁していることを特徴とする燃料配合装置。
12. 始動制御部（３０）が制御装置（２１）をクランク軸の所定回転回数のために制御することを特徴とする、請求項１１に記載の燃料配合装置。

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