JP5600186B2 - 上死点前の点火角の切り替え - Google Patents

Description

本発明は、２ストローク燃焼エンジン用の手段に関し、特に、２ストローク燃焼エンジンの速度を制御するための方法および装置に関する。

２ストローク燃焼エンジンは、限定はされないが、例えば、チェーンソー、ヘッジトリマ、草刈機、ブロワ、および芝刈り機といった様々な手持ち工具に、広範に用いられている。２ストローク燃焼エンジンが、動作中に極小さな負荷に曝されているときは、エンジン速度は、非常に高い値に達し得る。このことは、結果として、エンジンにおける早期磨耗と欠陥に繋がる。したがって、エンジンに如何なる損傷も生じることを回避するために、エンジン速度を制御することに対する要求がある。

典型的には、上死点（ＴＤＣ）位置に対するエンジンの点火タイミングが、エンジン速度を制御するために調整される。エンジン速度が予め定められたエンジン速度閾値に達した場合に、ＴＤＣ位置に対する点火タイミングを、徐々に、且つ連続的に遅らせることによって、エンジン速度を制御することは、本技術分野において広く知られている。ＴＤＣに対する点火タイミングとは、ＴＤＣ位置の前の角度の値に関する、クランクシャフトの角度的な位置を言及している。この位置において、スパークによって、圧縮ストロークの間にシリンダ内において混合気に点火される。しかしながら、点火タイミングをＴＤＣに極近い位置に遅らせることによって、排気マフラにおいて、燃焼していない燃料の噴出が起こり得る。このことは、結果として、パワー出力の喪失、排気ガスにおける汚染物質の増加、および望ましくない騒音に繋がってしまう。さらに、排気ガスの温度は非常に高温であり、このことが、意図していないグロー燃焼へと繋がり得る。

さらに、点火タイミングは、エンジン温度にも依存し、低温のエンジンの場合、点火タイミングをＴＤＣの極近い位置に遅らせることは、結果として、不完全燃焼と、排気ガスにおける汚染物質の増加へと繋がってしまう。

いくつかの事例においては、点火タイミングの制御とともに、エンジン停止が、エンジン速度を制御するために用いられる。停止の間に、クランクシャフトのいくつかの回転において点火をスキップする。このことは、エンジン速度の制御を容易とし、排気ガスの温度を降下させる。しかしながら、点火がスキップされているエンジン回転の間に、未燃のガスが噴出してしまい、結果として、排気ガスにおける汚染物質の量の増加に繋がってしまうという欠点がある。さらに、エンジン停止は、エンジンによる不均一なパワー出力のために、動作にも影響する。

前述の観点から、２ストローク燃焼エンジンの速度を制御するための、改善されたシステムと方法が必要となる。さらに、改善されたエンジン性能と効率を提供する、エンジン速度を制御するための方法が必要となる。

上記を考慮して、本発明は、前述の課題を解決し、または、課題を少なくとも低減することを目的とする。特に、本発明は、エンジンへの如何なる損傷も回避する、２ストローク燃焼エンジンの速度を制御するための方法および手段を提供することを目的とする。

上記目的は、請求項１に係る斬新な装置によって達成される。ここで、この装置は、２ストローク燃焼エンジンの点火タイミングを切り替えるための手段を備える。点火タイミングを切り替えるための手段は、エンジン速度に応じて段階的モードで点火タイミングを調整するように設けられる。これにより、この装置は、低負荷状態の間に、エンジン速度を制御することができる。この手段は、高速のエンジン速度に対して不連続な方法で点火タイミングを切り替えるために利用され、エンジン速度の如何なる増加をも制御する。さらに、本発明の一実施形態によれば、この手段は、エンジン速度がエンジン速度閾値よりも速い場合に、点火タイミングを切り替える。

本発明の他の実施形態によれば、点火タイミングを切り替えるための手段は、該点火タイミングを制御するように設けられ、これにより、点火タイミングは、１以上の切り替えスパンで段階的に調整可能である。しかしながら、請求項４によれば、点火タイミングは、第１の点火タイミングと、第２の点火タイミングとの間の切り替えスパンにおいて、段階的に調整可能である。本発明のある特定の実施形態によれば、低温のエンジンの場合、点火タイミングを切り替えるための手段は、上死点（ＴＤＣ）位置の前の約３１°と、ＴＤＣ位置の前の約１０°との間において、点火タイミングを切り替えるように構成される。さらに、高温のエンジンの場合、この手段は、ＴＤＣ位置の前の約１０°と、ＴＤＣ位置の前の約０°との間において、点火タイミングを切り替える。

他の実施形態によれば、エンジンは、０〜１５０００ｒｐｍの範囲の速度で動作し、エンジン速度の閾値は、８０００ｒｐｍに設定される。これにより、点火タイミングは、エンジン速度を、８０００ｒｐｍを超えて制御するように、段階的に調整可能となる。請求項９および１０によれば、点火タイミングの切り替えに加えて、点火がクランクシャフトの１以上の回転に対してスキップされ、および／または、エンジンは、クランクシャフトの２以上の回転に対して同じ点火タイミングで動作する。

本発明の第２の態様によれば、エンジンを動作するための方法が提供される。この方法は、エンジン速度を取得するステップと、上死点の位置に対して点火タイミングを、取得したエンジン速度に応じて切り替えるステップとを備える。そして、点火タイミングは、エンジン速度がエンジン速度閾値を超えて上昇したときに、段階的に調整される。

本発明の第２の態様に係る一実施形態によれば、この方法は、１以上の切り替えスパンの間において、点火タイミングを切り替えるステップを備える。さらに、本発明の第２の態様に係る他の実施形態によれば、この方法は、第１の点火タイミングと第２の点火タイミングとの間において、点火タイミングを切り替えるステップを有する。例えば、この方法は、低温のエンジンの場合、３１°から１０°の間において点火タイミングを切り替え、高温のエンジンの場合、１０°から０°の間において、点火タイミングを切り替える。

本発明の第２の態様に係る他の実施形態（請求項１７）によれば、この方法は、０〜１５０００ｒｐｍの範囲内でエンジンを動作させるステップをさらに備える。また、この方法は、１以上の回転に対して点火をスキップするステップ、および／または、２以上の回転に対して同じ点火タイミングでエンジンを動作させるステップをさらに備える。

添付の図面を参照して、本発明を以下により詳細に説明する。

本発明の一実施形態に係る、２ストローク燃焼エンジンのエンジン速度を制御するための制御ユニットを示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る、点火タイミングとエンジン速度との関係を表す例示的グラフを示す。 本発明の一実施形態に係る、エンジン速度を制御するための方法を示す。

本発明は、本発明の好ましい形態が示された添付の図面を参照して、以下により詳細に説明される。しかしながら、本発明は、ここでは多くの異なる形態で具体化され、これら実施形態は、本稿の開示が、全体的且つ完璧であり、当業者に本発明の範囲を十分にもたらすように、提供される。

図１は、本発明の一実施形態に係る、２ストローク燃焼エンジン（図示せず）のエンジン速度を制御するための制御ユニット１００を示すブロック図である。２ストローク燃焼エンジン（以下、「エンジン」として言及する）は、例えば、チェーンソー、トリマ、ブロワ、芝刈り機、および他のガーデンまたは森林用の装置といった、手持ちの動力工具に用いられ得る。しかしながら、エンジンは、本発明の本質から逸脱することなく、他の如何なるアプリケーションに用いられてもよい。

本発明の一実施形態において、制御ユニット１００は、エンジン制御モジュール（ＥＣＭ）に関連付けられた電気点火システムであり得る。ＥＣＭは、燃料注入制御ユニット、バルブタイミング制御ユニット、アイドル速度制御ユニット、および、エンジンの様々なパラメータを制御するための他の制御ユニットを備える。さらに、ＥＣＭは、限定はされないが、例えば、スロットル開放センサ、クランクシャフト位置センサ、および温度センサといった、種々のセンサ装置を利用する。本発明の一実施形態において、制御ユニット１００は、エンジン速度と不連続な関係で、上死点（ＴＤＣ）位置に対して点火タイミングを遅らせることによって、エンジン速度を制御する。ＴＤＣ位置に対する点火タイミングとは、ＴＤＣ位置の前の角度の値に関する、クランクシャフトの角度的な位置を言及しており、この位置において、スパークによって、圧縮ストロークの間にシリンダ内において混合気に点火される。本発明の他の実施形態においては、制御ユニット１００は、ＴＤＣ位置に対して点火タイミングを切り替えることによって、エンジン速度を制御し得る。

図１に示されているように、制御ユニット１００は、速度センサ１０２と、演算ユニット１０４と、メモリ手段１０６とを有する。動作中に、速度センサ１０２は、エンジン速度を計測する。速度センサ１０２によって取得されたエンジン速度は、演算ユニット１０４に供給され得る。演算ユニット１０４は、このエンジン速度を、エンジン速度閾値と比較し得る。エンジン用のエンジン速度閾値のデータは、メモリ手段１０６に記録され得る。点火タイミングがエンジン速度閾値を超えた場合、エンジンの点火タイミングは、得られたエンジン速度に対して段階的方法で切り替えるように構成される。さらに、制御ユニット１００は、圧縮ストロークの間に混合気に点火するためのスパークプラグ１０８に連結され得る。

本発明の一実施形態において、制御ユニット１００は、一以上の切り替えスパンにおいて、点火タイミングを制御し得る。切り替えスパンにおいては、点火タイミングは、第１の点火タイミングと、第２の点火タイミングとの間にて、段階的に調整され得る。この不連続な段階的モードで点火タイミングを遅らせることによって、エンジン速度に対するより良好な制御が達成される。本発明の他の実施形態においては、点火タイミングを切り替えることに加えて、エンジン速度を制御するために、クランクシャフトのいくつかの回転に対して点火をスキップしてもよい。また、本発明のさらなる他の実施形態において、エンジンは、クランクシャフトのある回転に対する第１の点火タイミングと、クランクシャフトの他の回転に対する第２の点火タイミングとにおいて、動作してもよい。

本発明の一実施形態において、メモリ手段１０６は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ、または他の如何なる適当な記録装置であってもよい。メモリ手段１０６は、動作命令および制御ユニット１００の他のソフトウェアを記録するための、種々のモジュールを含み得る。動作命令は、制御ユニット１００の動作全体を制御するための、コンピュータで実行可能な一連の命令であり得る。

また、メモリ手段１０６は、得られたエンジン速度に対して、ＴＤＣ位置に対する点火タイミングを決定するために必要となるパラメータのデータベースを記録してもよい。このパラメータは、エンジン速度、および、エンジンや動作負荷等の動作状態を含む、点火タイミングマップを有してもよい。動作状態は、パワー出力およびエンジンの負荷状態を含み得る。本発明の一実施形態においては、メモリ手段１０６は、ＴＤＣ位置前の点火タイミングと、エンジン速度との間の段階的関係を示すデータを記録し得る。点火タイミングは、リアルタイムで演算されてもよいし、または、オフラインで演算されてもよい。メモリ１０６からの１以上のパラメータは、演算ユニット１０４と通信されてもよい。

演算ユニット１０４は、エンジン速度を制御するために求められる演算の全てを実行する。演算ユニット１０４は、入力／出力（Ｉ／Ｏ）インターフェース１１０を有し得る。Ｉ／Ｏインターフェース１１０は、メモリ手段１０６に記録されたパラメータ、およびコンピュータで実行可能な命令を取得するために、動作可能である。本発明の一実施形態において、演算ユニット１０４は、速度センサ１０２から、Ｉ／Ｏインターフェース１１０を介して、エンジン速度を取得し得る。

演算ユニット１０４は、点火タイミングを決定することに関係するパラメータを演算するための、演算モジュール１１２を有し得る。本発明の一実施形態においては、このパラメータは、エンジンの動作状態であってもよい。本発明の代替的な実施形態においては、演算モジュール１１２は、限定はされないが、例えば、エンジン温度および点火がスキップされる回転の数といった、追加的なパラメータをさらに決定してもよい。

点火タイミングモジュール１１４は、演算ユニット１０４に含まれてもよい。演算モジュール１１２にて演算されたパラメータに基づいて、点火タイミングモジュール１１４は、ＴＤＣ位置に対する点火タイミングを決定する。本発明の一実施形態において、点火タイミングは、エンジン速度に基づいて決定される。本発明の他の実施形態においては、点火タイミングモジュール１１４は、限定はされないが、例えば、エンジン温度、点火がスキップされる回転の数、およびエンジンの動作履歴といった追加的パラメータを、ＴＤＣ位置に対する点火タイミングを決定するために利用してもよい。

演算ユニット１０４は、決定された点火タイミングをセットするために、スパークプラグ１０８に出力信号を送信し得る。本発明の一実施形態においては、この信号は、点火タイミングの段階的調整のための期間の切り替え、およびエンジン速度の制御を示すものであり得る。本発明の他の実施形態においては、演算ユニット１０４は、エンジン速度がエンジン速度閾値よりも高速となった場合に、出力信号を送信してもよい。本発明の様々な他の実施形態において、信号は、点火がスキップされる必要のある複数の回転を示すものであってもよく、および／または、点火タイミングの１以上の切り替えスパンを含むものであってもよい。

図２は、本発明の一実施形態に係る、点火タイミングとエンジン速度との関係を表す例示的グラフ２００を示す。グラフ２００を参照して、エンジン速度は、０ｒｐｍから約１２０００ｒｐｍの範囲内であってもよく、エンジン速度閾値は、約８０００ｒｐｍであってもよい。グラフ２００において実線で描かれているように、低温のエンジンの場合、制御ユニット１００は、ＴＤＣ位置前の約２５°と、ＴＤＣ位置前の約１２．５°との間において、点火タイミングを切り替え得る。図２に示されているように、エンジン速度が約９０００ｒｐｍとなったときに、点火タイミングは、ＴＤＣ位置前の２５°から、ＴＤＣ位置前の１２．５°まで、段階的に遅らされる。さらに、高温のエンジンの場合、制御ユニット１００は、ＴＤＣ位置前の約１２．５°から０°の間で、点火タイミングを切り替え得る。

本発明の他の実施形態によれば、制御ユニット１００は、低温のエンジンの場合、ＴＤＣ位置前の約３１°からＴＤＣ位置前の１０°の間で、点火タイミングを切り替える一方、高温のエンジンの場合、ＴＤＣ位置前１０°からＴＤＣ位置前０°の間で、点火タイミングを切り替えてもよい。

また、点火タイミングが遅延されるステップの数は、２以上であってもよく、これにより、図２に示す点火の角度−速度に係るグラフは、より多くのステップを有することとなる。

最高エンジン速度は、変化し得る。本発明の他の可能性のある実施形態においては、最高エンジン速度は、例えば、１５０００ｒｐｍであってもよい。

エンジン速度閾値、および点火タイミングが遅延された場合の（複数の）エンジン速度は、エンジンの特性に依って変化してもよい。

本発明の一実施形態において、エンジンの点火タイミングは、１以上の切り替えスパンの間に交互に切り替えられてもよい。さらに、エンジンのある回転に対しては、点火タイミングが、切り替えスパンの第１の点火タイミングであり、且つ、他の回転に対しては、切り替えスパンの第２の点火タイミングであってもよい。限定はされないが、例えば、高温のエンジンの場合、点火タイミングは、エンジンの２または３回転毎に約１２．５°、他の回転においては０°であってもよい。

また当然ながら、２以上の切り替えスパンを有することも可能であり、これにより、図２に示す点火の角度−速度に係るグラフは、より多くのステップを有することとなる。

例えば、グラフが図２に示された線を描く場合のように、２つの切り替えスパンが用いられた場合、使用下の異なる点火タイミングのための適切な値が、以下のタイミングインターバルにおいて発見され得る。

第１の切り替えスパンにおける第１の点火タイミングは、好ましくは、ＴＤＣ位置前２０°〜４０°の範囲のインターバルから選択され得る。

（より高速のエンジンスピード用の）第２の切り替えスパンにおける第２の点火タイミングは、好ましくは、ＴＤＣ位置後５°からＴＤＣ位置前２５°の範囲のインターバルから選択され得る。

第１の切り替えスパンにおける第２の点火タイミングは、第２の切り替えスパンにおける第１の点火タイミングと同じであり、第１のインターバルにおける選択された第１の点火タイミングと、第２のインターバルにおける第２の点火タイミングとの間の結果的インターバルから選択され得る。

本発明の他の様々な実施形態において、エンジンは、該エンジンの点火タイミングを制御するために、機械的な点火システムを利用し得る。機械的な点火システムは、高圧電流をスパークプラグ１０８に分配するためのスパーク分配器を用い得る。機械的な点火システムのスパーク分配器は、点火タイミングを、段階的モードで切り替えるように調整され得る。本発明の一実施形態においては、スパーク分配器は、エンジン速度に拠って点火タイミングを制御するために、スパーク分配器の内部に設けられた錘およびバネを用い得る。本発明の他の実施形態においては、エンジンの様々な圧力センサおよび温度センサは、点火タイミングを制御するために、上記した機械的なスパーク分配器に加えて用いられてもよい。

本稿では、本発明は、特定の実施形態を参照して説明されている。本発明の実施形態が、特定のハードウェアおよびソフトウェアのコンポーネントを参照して説明されたが、当業者であれば、ハードウェアおよび／またはソフトウェアコンポーネントの異なるコンビネーションも使用可能であるとともに、ハードウェアとして実施されるものとして説明された特定の動作が、ソフトウェアとしても実施可能であり、またその逆も同様であることを理解するであろう。また、他の実施形態も、当業者にとって自明である。

図３は、本発明の例示的実施形態に含まれる種々のステップを集約する方法３００を示す。制御ユニット１００のメモリ手段１０６は、方法３００のステップを実行するためのコンピュータプログラム命令またはソフトウェアを有し得る。コンピュータプログラム命令は、エンジン速度を取得、記録し、取得したエンジン速度に対応して点火タイミングを決定するための、コンピュータで読み取り可能な命令を含み得る。

ステップ３０２において、エンジン速度が、速度センサ１０２を用いることによって取得され得る。速度センサ１０２は、エンジン速度を取得するための光学型または接触型のセンサ装置を用い得る。ステップ３０４において、エンジンの点火タイミングが、ＴＤＣ位置に対して、段階的モードで切り替えられる。ステップ３０２で得られたエンジン速度は、ＴＤＣ位置に対する点火タイミングの切り替えスパンを決定するために用いられ得る。

本発明の一実施形態において、エンジン速度がエンジン速度閾値を超えて増加した場合に、方法３００は、点火タイミングを、ＴＤＣ位置に対して段階的モードで切り替えることによって、エンジン速度の制御を行う。本発明の一実施形態において、エンジン速度閾値は、８０００ｒｐｍに設定されてもよい。切り替えスパンにおいて、点火タイミングは、第１の点火タイミングと、第２の点火タイミングとの間で切り替えられ得る。

図面および明細書において、好ましい実施形態と本発明の例が開示され、特定の語が用いられてきたが、これらは、一般的且つ説明的意義において用いられたものであって、限定することを意図するものではない。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって表される。

Claims (15)

1. 上死点の位置に対して点火タイミングを切り替えるための手段を備え、
   前記点火タイミングを切り替えるための手段は、点火タイミングがエンジン速度に応じて段階的に調整可能となるように、点火タイミングを制御すべく設けられる、２ストローク燃焼エンジンの速度を制御するための装置であって、
   前記点火タイミングは、
   前記エンジン速度がエンジン速度閾値よりも低速である場合は、第１の前記点火タイミングに設定され、
   前記エンジン速度が前記エンジン速度閾値よりも高速である場合は、前記第１の点火タイミングよりも遅い第２の前記点火タイミングと、該第２の点火タイミングよりも遅い第３の前記点火タイミングとの間で交互に切り替えられる、装置。
2. 前記点火タイミングは、１以上の切り替えスパンで段階的に調整可能である。請求項１に記載の装置。
3. 前記点火タイミングは、上死点位置前の約３１°から上死点位置前の約１０°の間において段階的に調整可能である、請求項１に記載の装置。
4. 前記点火タイミングは、上死点位置前の約１０°から上死点位置前の約０°の間において段階的に調整可能である、請求項１に記載の装置。
5. 前記エンジン速度閾値は、６０００〜１４５００ｒｐｍの範囲内である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記エンジン速度は、０〜１５０００ ｒｐｍの範囲内である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
7. 点火は、クランクシャフトの１以上の回転に対してスキップされる、請求項１に記載の装置。
8. 前記エンジンは、クランクシャフトの２以上の回転に対して同じ点火タイミングで動作可能である、請求項１に記載の装置。
9. エンジン速度を取得することと、
   上死点の位置に対してエンジンの点火タイミングを段階的に切り替えることと、を備え、
   前記点火タイミングを段階的に切り替えることは、
   前記エンジン速度を、エンジン速度閾値と比較することと、
   前記エンジン速度が前記エンジン速度閾値よりも低速である場合に、前記点火タイミングを第１の前記点火タイミングに設定することと、
   前記エンジン速度が前記エンジン速度閾値よりも高速である場合に、前記点火タイミングを、前記第１の点火タイミングよりも遅い第２の前記点火タイミングと、該第２の点火タイミングよりも遅い第３の前記点火タイミングとの間で交互に切り替えることと、を有する、２ストローク燃焼エンジンの速度を制御するための方法。
10. 前記点火タイミングを切り替えることは、１以上の切り替えスパンの間において、前記点火タイミングを段階的に調整することを有する、請求項９に記載の方法。
11. 前記点火タイミングを切り替えることは、上死点位置前の約３１°から上死点位置前の約１０°の間において、前記点火タイミングを段階的に調整することを有する、請求項９に記載の方法。
12. 前記点火タイミングを切り替えることは、上死点位置前の約１０°から上死点位置前の０°の間において、前記点火タイミングを段階的に調整することを有する、請求項９に記載の方法。
13. ０〜１５０００ ｒｐｍの範囲内で前記２ストローク燃焼エンジンを動作することをさらに備える、請求項９に記載の方法。
14. クランクシャフトの１以上の回転に対して点火をスキップすることをさらに備える、請求項９に記載の方法。
15. クランクシャフトの２以上の回転に対して同じ点火タイミングで前記エンジンを動作することをさらに備える、請求項９に記載の方法。

Images