JP6544436B2

JP6544436B2 - エンジン作業機

Info

Publication number: JP6544436B2
Application number: JP2017545147A
Authority: JP
Inventors: 直人一橋
Original assignee: Koki Holdings Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2015-10-16
Filing date: 2016-09-30
Publication date: 2019-07-17
Anticipated expiration: 2036-09-30
Also published as: CN108138661A; WO2017065024A1; CN108138661B; JPWO2017065024A1; DE112016004711T5

Description

本発明は、小型のエンジンが用いられるエンジン作業機、例えば刈払機の構造に関する。

刈払機、送風機、チェーンソー、パワーカッタ等、作業者が携帯して使用する携帯用作業機や、発電機には、動力源として小型のエンジンが用いられる。

これらのエンジンにおいては、作業者は作業状況に応じて最適なエンジン回転数に設定する必要がある。たとえば、回転数が低い方が消費燃料、騒音、振動が少なくて済むため、必要最小限のエンジン回転数とするのが好適である。

例えば、特許文献１に記載されるように、動作状態におけるこうしたエンジン回転数制御を、冷却風の強度をフィードバックして単純な構成で行わせる風力ガバナが使用されている。こうした構成は、気化器のスロットル弁軸に接続され、風受け部を有する小型のガバナプレート（風力ガバナ）を用いることによって容易に実現できるため、小型のエンジンが用いられる携帯型のエンジン作業機においては特に有効である。このため、こうした構成は、刈払機以外のエンジン作業機においても有効である。

特開２０１５−０３７３９０号公報

従来技術による風力ガバナにおいては、外部負荷を受けてガバナプレートの風受け部がスロットルを開くよう動作し、最大出力位置に近い時ほど風を受け易くなるよう構成されていた。ガバナプレートは風を受けるほどスロットルを閉じようと動作することから、負荷時にスロットルが十分に開かず、十分な出力が得られないという問題が生じていた。また、負荷時においてガバナプレートが冷却風を受け易いので、冷却風の風量が減少し、シリンダの冷却性能を維持できないという問題もあった。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記の問題点を解決する発明を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。

本発明のエンジン作業機は、ピストンが上下方向に往復動可能なシリンダと、前記シリンダの下方に設けられるクランクケースと、前記ピストンの往復動方向に対して直交して延び、前記ピストンの往復動に伴って回転するクランク軸と、前記シリンダの吸気量を制御し、前記クランク軸の回転数を制御するスロットル弁と、回動することで前記スロットル弁の開度を制御するスロットル軸と、前記クランクケースの外側において前記クランク軸に固定され、前記クランク軸の回転に伴って回転することで前記シリンダを冷却する冷却風を発生させる冷却ファンと、前記冷却風を受け、前記冷却風によって回動することで前記スロットル軸を回動させる風受け部と、を備えるエンジン作業機であって、前記クランク軸方向視において前記風受け部が前記シリンダ側に移動するに従い前記スロットル弁の開度が小さくなるようにし、前記風受け部の回動軸は、前記クランク軸に対して傾斜しており、その傾斜方向は、前記回動軸の長手方向が前記ファンに向かうに従って前記シリンダ側に位置する方向であることを特徴とする。

また、前記風受け部の前記移動は回動であってもよい。

また、前記風受け部の回動軸は、前記クランク軸に対して傾斜しており、その傾斜方向は、前記回動軸の長手方向が前記ファンに向かうに従って前記シリンダ側に位置する方向であってもよい。

また、前記風受け部の回動軸は、前記スロットル軸であってもよい。

また、前記風受け部は、前記シリンダ側に移動するに従い前記ピストンの往復動方向視における投影面積が大きくなってもよい。

また、前記風受け部は空孔が設けられてもよい。

本発明によれば、冷却ファンの冷却風によりクランク軸の回転数を確実に制御可能なエンジン作業機を実現することができる。

本発明の実施例におけるアイドリング状態のＡ−Ａ断面図。本発明の実施例における最大出力状態のＡ−Ａ断面図。本発明の実施例におけるアイドリング状態のＢ−Ｂ断面図。本発明の実施例における最大出力状態のＢ−Ｂ断面図。本発明の実施例におけるアイドリング状態のＣ−Ｃ断面図。本発明の実施例における最大出力状態のＣ−Ｃ断面図。本発明の実施例におけるアイドリング状態の気化器の正面図。本発明の実施例における最大出力状態の気化器の正面図。本発明の実施例におけるガバナプレートの斜視図。本発明の実施例における風受け部の位置と冷却風の流れを示す断面図。本発明の実施例における風力トルクとスロットル開度の関係の説明図。本発明の実施例における刈払機の斜視図

（風力ガバナの基本構成と基本動作）本発明の実施の形態となるエンジン作業機（刈払機）の構成について説明する。ここでは、小型の空冷エンジンが使用され、作業状態において回転数を略一定に保つ制御には、風力ガバナが使用される。

図１２は、本発明が適用された刈払機１０１の外観斜視図である。図示されている刈払機１０１は、パイプ状の操作桿１０３と、操作桿１０３の一端に設けられた回転刃１０４と、操作桿１０３の他端に設けられた駆動源としてのエンジン１０２と、操作桿１０３の略中央に設けられたハンドル１０５とを有する。図１２に示す刈払機１０１では、ハンドル１０５を把持している作業者が操作桿１０３を左右に振ることにより回転刃１０４による刈り払いが行われる。

図１において、エンジン１０２はピストン２６が上下方向に往復動可能なシリンダ１３と、シリンダ１３の下方に設けられるクランクケース２５からなり、吸気口に気化器１９とエアクリーナ１８が接続され、排気口にマフラ１４が接続される。また、シリンダ１３の外周には点火コイル２０が固定される。気化器１９にはスロットル軸５２Ａが配置され、スロットル軸５２Ａと連動して吸気通路内でスロットル弁６３が開度を変化させることでシリンダ１３の吸気量を制御し、エンジン１０２のクランク軸６０の回転数ないし出力が制御される。スロットル軸５２Ａには風受け部６５を有するガバナプレート５０が取り付けられ、ガバナプレート５０は開口部５１を介してシリンダカバー１１内に挿入される。このため、風受け部６５はスロットル軸５２Ａを回動軸として回動可能であり、風受け部６５が回動することでスロットル軸５２Ａも回動する。一方、エンジン１０２のクランク軸６０にはクランクケース２５の外側において冷却ファン１７が固定され、クランクケース２５の外面およびファンケース１６、シリンダカバー１１によって収容される。冷却ファン１７が回転することで冷却風ＣＡ１をシリンダ１１に供給することで冷却が行われる。この時、ガバナプレート５０の風受け部６５が冷却風ＣＡ１を受けることでスロットル軸５２Ａに回動トルクが伝達され、スロットル軸５２Ａが回動することでエンジン１０２の回転速度ないし出力が調整され得る。

図７において、スロットル軸５２Ａと連動するスロットルレバー５３が配置され、スロットルレバー５３は開度規制材５４に収容される。開度規制材５４内には開度規制部５９が形成される。開度規制材５４はスロットルワイヤ６１と接続される。開度規制材５４はリターンスプリング５５によってスロットルレバー５３をアイドリング位置（スロットル弁６３の開度が最小となる位置）に規制している。また、スロットル軸５２Ａにはねじりバネ６３が取り付けられており、常時スロットル軸５２Ａを回転速度ないし出力を増大させる方向に回動させるよう付勢している。一方、ガバナプレート５０は冷却風ＣＡ１を受けることでスロットル軸５２Ａを回転速度ないし出力を低下させる方向に回動させるトルクを発生させる。図５の状況においては、リターンスプリング５５によりスロットルレバー５３がアイドリング位置に付勢されているので、スロットル軸５２Ａはガバナプレート５０によらずアイドリング位置の姿勢に固定される。

図２において、外部負荷により回転速度が低下し冷却風ＣＡ１の風量が低下すると、ガバナプレート５０に作用する風力が低下し、スロットル軸５２Ａに作用する回転速度を低下させる方向の回動トルクが減少する。スロットル軸５２Ａはねじりバネ６３によって常時スロットル軸５２Ａを回転速度を増加させる方向に付勢しているため、風力によるトルクに対してねじりバネ６３のトルクが大きくなる条件となると、スロットル軸５２Ａは回転速度ないし出力を増大させる方向に回転し、最終的には最大出力位置（スロットル弁６３の開度が最大となる位置）となる。なお、最大出力位置においては、図８のようにスロットルストッパ５６と気化器１９に形成された突き当て部５７が当接することでスロットル軸５２Ａの位置決めを行っている。（スロットル軸５２Ａの傾斜による動作）図３、４、７、８に示すようにスロットル軸５２Ａおよびスロットル軸線５２Ｂはファン回転軸１００（クランク軸６０）に対して傾いて構成される。具体的には、気化器１９を介在させて冷却ファン１７側がファン回転軸１００に遠く、反冷却ファン１７側がファン回転軸１００から近くなるような角度を持って傾斜する、つまり、スロットル軸５２Ａの長手方向が冷却ファン１７に向かうに従ってシリンダ１３側に位置する方向に傾斜する。このため風受け部６５は移動方向にクランク軸６０の軸方向の成分を持ち、クランク軸６０方向において風受け部６５がシリンダ１３側に移動するに従いスロットル弁６３の開度は小さく（アイドリング位置に近く）なり、シリンダ１３から遠ざかるに従いスロットル弁６３の開度は大きく（最大出力位置に近く）なるよう、スロットル軸５２Ａを中心に回動する。また、風受け部６５はシリンダ１３側に移動するに従い、ピストン２６の往復動方向視における投影面積が大きくなるように形成される。冷却ファン１７によって発生する冷却風ＣＡ１の気流はシリンダカバー１１、ファンケース１６によってシリンダ１３側に案内されるので、ファン回転軸１００について反シリンダ１３側ほど流速が小さく、シリンダ１３側ほど流速が大きい。従って、無負荷であって、スロットル軸５２Ａがアイドリング位置（または回転速度が低い位置）にあるときは風受け部６５により冷却ファン１７からシリンダ１３に向かう冷却風ＣＡ１を流れに沿って確実に受け止めてスロットル軸５２Ａに回転速度を低下させる方向の回動トルクを得ることができるので、回転速度を確実に抑制できる。また、シリンダ１３近傍は冷却風ＣＡ１の流速が大きいので、風力によるトルクが更に大きくなるので、回転速度をより一層抑制し易くなる。

また、図２、４、６に示すように外部負荷により回転速度が低下し冷却風ＣＡ１の風量が低下すると、風受け部６５に作用する風力が低下し、スロットル軸５２Ａに作用する回転速度を低下させる方向の回動トルクが減少する。スロットル軸５２Ａはねじりバネ６３によって常時スロットル軸５２Ａを回転速度を増加させる（または出力を増加させる）方向に付勢されているので、風力による回動トルクに対してねじりバネ６３のトルクが大きくなる条件となり、スロットル軸５２Ａは回転速度ないし出力を増大させる方向に回転する。このとき、風受け部６５はファン回転軸１００についてシリンダ１３から離れる方向に回動していくので、冷却ファン１７からシリンダ１３に向かう冷却風ＣＡ１の流れから遠ざかり、冷却風ＣＡ１を受け難くなる。従って、風力による回転速度を低下させる方向の回動トルクを確実に低減し、スロットル軸５２Ａを回転速度ないし出力を増大させる方向に確実に回動させて回転速度ないし出力を上昇させることができる。また、反シリンダ１３側ほど流速が小さくなるので、風力によるトルクを更に小さくすることができ、回転速度ないし出力をより一層向上させ易くなる。以上の動作の結果として、ガバナプレート５０によって無負荷時は回転速度を抑制し、負荷時は回転速度ないし出力を増大させるというエンジン１０２の制御を確実に行うことができる。（ガバナプレート５０の姿勢による冷却）図１、２に示すようにシリンダカバー１１、ファンケース１６、点火コイル２０によって冷却ファン１７からシリンダ１３に向かう風路が形成され、前記風路中にガバナプレート５０の風受け部６５が配置されている。本構成によって、冷却風ＣＡ１は風受け部６５に向かって集中して流れるため、風受け部６５が確実に冷却風ＣＡ１を受けるようになる。また、風受け部６５と点火コイルとの間に間隔６７Ａが、また、風受け部６５とシリンダカバー１１との間に第２の間隔６７Ｂが形成される。図５のごとく風受け部６５がアイドリング位置にあるとき、間隔６７Ａは第２の間隔６７Ｂに対して小さい。図６のごとく最大出力位置に向かうに従って間隔６７Ａが広くなると共に第２の間隔６７Ｂが小さくなり、最大出力位置においては間隔６７Ａは第２の間隔６７Ｂに対して狭くなる。従って、スロットル弁６３の開度が小さくなるに従い間隔６７Ａが狭くなることにより、風受け部６５が冷却ファン１７からシリンダ１３へ向かう冷却風ＣＡ１を確実に受けることができるので、エンジン１０２の回転速度を抑制できる。また、最大出力位置に近いときは間隔６７Ａが広くなって冷却ファン１７からシリンダ１３に向かう風路面積が確保されるので、風受け部６５が冷却風ＣＡ１を受け難く回転速度を低下させる方向の回動トルクを低減できると共に、シリンダ１３へ向かう冷却風ＣＡ１の風量が維持され、シリンダの冷却性能を維持することができる。また、図１のごとく風受け部６５が最大出力位置にあるとき、間隔６７Ａは風受け部６５と冷却ファン１７との第３の間隔６７Ｃより広くなるよう形成されるので、第３の間隔６７Ｃを通過した冷却風ＣＡ１は間隔６７Ａに向かって風路面積を増大させながら流れるので、間隔６７Ａによって冷却風ＣＡ１の風量が低下するということがない。（空孔６６による効果）図９に示すようにガバナプレート５０の風受け部６５の領域内には本発明の通気部である空孔６６が形成されている。風受け部６５は図１０（Ａ）〜（Ｆ）に示すようにアイドリング位置（状態１）では冷却ファン１７から遠く、冷却風ＣＡ１に対してほぼ水平であり、最大出力位置（状態３）では冷却ファン１７に近く、冷却ファン１７に対して放射方向とほぼ一致する姿勢となる。すなわち、風受け部６５は、回動することにより冷却ファン１７の放射方向に対する角度が変わり、スロットル弁６３の開度が小さくなるに従って放射方向に対する角度が大きくなるよう設けられている。その結果として、シリンダ軸線５８と風受け部６５が成す角θはアイドリング位置から最大出力位置になるにつれて小さくなるよう動作する。図１１のグラフは風受け部６５と冷却ファン１７の位置関係、冷却風ＣＡ１の流れと、その時の風力によるトルクの特性を概念的に示している。

従来の特性においては、風受け部６５はアイドリング位置に近い状態では冷却風ＣＡ１に対してほぼ水平であり、冷却風ＣＡ１を真正面から受けるので、シリンダ軸線５８に関して冷却ファン１７側の面の圧力が大幅に高まり、反冷却ファン１７側との圧力差が大きくなる。これによって大きな風力トルクが生ずる。一方、外部負荷によって回転速度が低下して冷却風ＣＡ１の風量が下がると、風受け部６５は徐々に最大出力位置に近づいていく。このとき、風受け部６５は冷却ファン１７に近づくと共に、冷却風ＣＡ１の流れおよび冷却ファン１７の放射方向に沿う姿勢となり、更には風受け部６５自身が冷却風ＣＡ１の導風板として機能するようになる。そのため、ある状態（状態２とする）を境に冷却風ＣＡ１が風受け部６５に沿うような流れが形成され、そのために風受け部６５の表裏の圧力差がなくなり、風力トルクが急激に落ちることがある。風力トルクが落ちると、ねじりバネ６３のトルクが風力トルクに対して増大し、風受け部６５は急激に回転速度ないし出力を増大させる方向に動作する。その結果、回転速度と冷却風ＣＡ１の風量が急激に増大し、更に風受け部６５は冷却風ＣＡ１の増大に伴って今度は回転速度を低下させる方向に動作する。従って、風受け部６５はある状態（状態２）を境に回転速度の低下と増大を繰り返す不安定な振動状態になることがある。本発明の特性においては、風受け部６５に通気部である空孔６６が設けられているので、アイドリング位置（状態１）において冷却風ＣＡ１によって得る風力トルクが減少している。その状態から、外部負荷によって回転速度が低下して冷却風ＣＡ１の風量が下がると、風受け部６５は徐々に最大出力位置に近づいていく。このとき、スロットル弁６３の開度が小さくなるように風受け部６５が回動する方向に空孔６６を通過する冷却風ＣＡ２が常に存在するので、風受け部６５が図１０における状態２に近づいた場合であっても、冷却風ＣＡ１が風受け部６５に沿うような流れが形成されることがない。従って、風力トルクが風受け部６５の姿勢（すなわちスロットル開度）によって急激に変化することがなく、線形性の強い特性を得ることができるので、最大出力位置（状態３）まで安定的に動作することが可能となり、エンジン１０２の制御性を向上させることができる。また、空孔６６の部分は冷却風ＣＡ１を受けないので、風受け部６５をその分広い面積に形成することができ、風受け部６５の形状がバラついても流れが変化し難く、エンジン１０２の制御性についてロバスト性を高めることもできる。また、最大出力位置において空孔６６の開口方向がシリンダ１３ないしシリンダ軸線５８に向くように動作するので、シリンダ１３の発熱が増大する最大出力位置において空孔６６を通過する冷却風ＣＡ２をスムーズにシリンダ１３に供給でき、シリンダ１３の冷却性能を維持することができる。

また、ガバナプレート５０にはねじりバネ６３の取付部６８が複数形成され、ねじりバネ６３によるトルクを複数段階に切り替えて取り付けることができる。従って、排気量やファン直径等が異なるエンジン１０２に対して適用するときでも、最適なトルクに容易に設定し直すことができる。従って、ガバナプレート５０を異なるエンジン１０２で共通化することが容易となり、低コスト化を図ることができる。

以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、本願発明は請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは、当業者に理解されるところである。例えば、風受け部６５はスロットル軸５２Ａを中心として回動する構成としたが、これをスロットル軸５２Ａとは異なる軸を中心として回動し、リンク等を介してスロットル軸５２Ａを回動させる構成としても良い。また、風受け部６５の領域内に設けられる通気部は、スロットル弁６３の開度が小さくなるように風受け部６５が回動する方向に風受け部６５の領域内を冷却風を通過させ、冷却ファン１７側と反冷却ファン１７側の圧力差を緩和する機能を有する形状であれば良く、円形状の空孔６６ではなく、たとえば四角形状の穴・切欠きなどでも良い。

１１…シリンダカバー、１２…プラグキャップ、１３…シリンダ、１４…マフラ、１５…タンク、１６…ファンケース、１７…冷却ファン、１８…エアクリーナ、１９…気化器、２０…点火コイル、２１…タンクキャップ、２２…リコイルスタータ、２３…把持部、２５…クランクケース、２６…ピストン、５０…ガバナプレート、５１…開口部、５２Ａ…スロットル軸、５２Ｂ…スロットル軸線、５３…スロットルレバー、５４…開度規制材、５５…リターンスプリング、５６…スロットルストッパ、５７…突き当て部、５８…シリンダ軸線、５９…規制部、６０…クランク軸、６１…スロットルワイヤ、６３…ねじりバネ、６４…スロットル弁、６５…風受け部、６６…空孔、６７Ａ…第１の間隔、６７Ｂ…第２の間隔、６７Ｃ…第３の間隔、６８…取付部、１００…ファン回転軸、１０１…刈払い機、１０２…エンジン、１０３…操作桿、１０４…刈刃、１０５…ハンドル、ＣＡ１，２…冷却風

Claims

ピストンが上下方向に往復動可能なシリンダと、
前記シリンダの下方に設けられるクランクケースと、
前記ピストンの往復動方向に対して直交して延び、前記ピストンの往復動に伴って回転するクランク軸と、
前記シリンダの吸気量を制御し、前記クランク軸の回転数を制御するスロットル弁と、
回動することで前記スロットル弁の開度を制御するスロットル軸と、
前記クランクケースの外側において前記クランク軸に固定され、前記クランク軸の回転に伴って回転することで前記シリンダを冷却する冷却風を発生させる冷却ファンと、
前記冷却風を受け、前記冷却風によって回動することで前記スロットル軸を回動させる風受け部と、
を備えるエンジン作業機であって、
前記風受け部の回動軸を、前記クランク軸に対して前記回動軸の長手方向が前記ファンに向かうに従って前記シリンダ側に位置する方向に傾斜させ、
前記クランク軸方向視において前記風受け部が前記シリンダ側に移動するに従い、前記風受け部が前記クランク軸方向に移動し且つ前記スロットル弁の開度が小さくなるようにした、
ことを特徴とするエンジン作業機。
前記風受け部の回動軸は、前記スロットル軸であることを特徴とする請求項１に記載のエンジン作業機。
前記風受け部は、前記シリンダ側に回動するに従い前記ピストンの往復動方向視における投影面積が大きくなることを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジン作業機。
前記風受け部は、回動することにより前記冷却ファンの放射方向に対する角度が変わり、前記スロットル弁の開度が小さくなるに従って前記放射方向に対する角度が大きくなるよう設けられ、前記風受け部の領域内には、前記スロットル弁の開度が小さくなるように前記風受け部が回動する方向に、前記冷却風を通す通気部が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジン作業機。
ピストンが上下方向に往復動可能なシリンダと、
前記シリンダの下方に設けられるクランクケースと、
前記ピストンの往復動方向に対して直交して延び、前記ピストンの往復動に伴って回転するクランク軸と、
前記シリンダの吸気量を制御し、前記クランク軸の回転数を制御するスロットル弁と、
回動することで前記スロットル弁の開度を制御するスロットル軸と、
前記クランクケースの外側において前記クランク軸に固定され、前記クランク軸の回転に伴って回転することで前記シリンダを冷却する冷却風を発生させる冷却ファンと、
前記シリンダ外周に、前記冷却ファンの外側に位置するよう固定される点火コイルと、
前記冷却風を受け、前記冷却風によって移動することで前記スロットル軸を回動させる風受け部と、
を備えるエンジン作業機であって、
前記風受け部は回動することにより、前記移動を行う構成とし、前記スロットル弁の開度が小さくなるに従い前記風受け部と前記点火コイルとの間隔が狭くなるよう前記風受け部が回動することを特徴とするエンジン作業機。