JP5697594B2 - エンジン用燃料噴射システム - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２００８年５月２８日出願の米国仮出願第６１／０５６，６９５号に基づき優先権を主張し、その明細書はこの援用をもって本願に含まれる。

（著作権に関する陳述）
この特許文献が開示する一部は、著作権保護下にある素材または資料を含む。この著作権者は、何れの特許文献または特許開示による複写に対して、これが特許商標庁の特許ファイルまたは記録に記載されるので、異議はないが、それ以外においては如何なる場合でも著作権に関わる全権利を保持するものである。

本発明は、４ストロークのバッテリーレス単気筒および２気筒炭化水素エンジン用燃料噴射システムに関する。このシステムは、４サイクルエンジンの燃料噴射の制御を低コストで総合的に解決し、変動する負荷および環境条件に係わりなくこれらのエンジンを最適なまたは略最適な性能特性で動作可能にする多数の機能を内蔵する。

出願人の譲受人は、特に２サイクルエンジンに適用可能な特定技術の適用に関する２００９年１月３０日出願の米国特許出願１２／３７５，８９８号を譲渡された所有者である。出願番号１２／３７５，８９８号の明細書はこの援用をもって本願に含まれる。この開示は、２サイクルエンジンにおいては良好に機能できるが、４サイクルエンジンに応用し転用することが困難な低コストの組立品を用いる取り組みに伴う特殊な問題について論じている。

本開示によれば、概説すると、好適実施形態は、全体的に統合された低圧電子燃料噴射システム（ＥＦＩ）と関連する構成要素とを４ストロークバッテリーレスの単気筒または２気筒炭化水素エンジン用に提供する。

ＥＦＩシステムの構成要素には、ＥＣＵの装置およびソフトウェアと、グラフィカル・ユーザ・インターフェース（ＧＵＩ）と、燃料インジェクタと、一体型燃料ポンプ／増圧器およびレギュレータを有するスロットル本体と、必要なセンサ（スロットル位置センサ（ＴＰＳ）、エンジン温度、吸気温度、エンジン回転数センサおよび電子ガバナーとを含む。システムは、モニタリング、図表作成、構成、およびシステムアルゴリズムの変更が可能なインターフェースソフトウェア（ＧＵＩ）を用いて、従来のＲＳ−２３２接続を介しての通信が可能である。

本開示およびその好適実施形態の上述した目的、その他の目的、特徴および利点は、添付した図面に関連した下記の説明を読めば、更に明らかになる。

本明細書の一部を成す添付図面を示す。
図１は、本発明のシステムのための制御方法の実施形態の一例を示すブロック図である。 図２は、図１のシステムに用いる電子制御ユニット（ＥＣＵ）の一好適実施形態の概略図である。 （Ａ）は、発電コイルの実施形態の一例の斜視図である。 （Ｂ）は、本発明の発電システムで用いるレギュレータ基板に組み込まれた図３Ａの発電コイルの実施形態の一例を示す斜視図である。 （Ｃ）は、フライホイールと発電充電モジュールの一体化を示す実施形態の一例の斜視図である。 （Ｄ）は、本発明のシステムにシステムの始動で利用可能な最大電力を供給させ、正常運転モード時に低電力に切り替えさせる図３（Ｂ）に示すレギュレータ基板の実施形態の一例を示す模式図である。 図４Ａは、増圧器モジュールを内蔵する燃料パルスポンプアセンブリの実施形態の一例の分解図であり、増圧器モジュールは、一実施形態の燃料ポンプアセンブリに、モータクランク室の低圧を高くなるように昇圧させ燃料を適正に送り出させるが、出力圧の値は増圧器の形状と配置により異なり、実質的にはエンジン動作のための圧力の倍数になることもある。 図４Ｂは、図４Ａに示した燃料ポンプの上面図である。 図４Ｃは、図４Ｂの４Ｃ−４Ｃ線の断面図である。 図５Ａは、本発明のシステムで用いる一体型スロットル本体の実施形態の一例の斜視図である。 図５Ｂは、図５Ａに示した一体型スロットル本体の分解図である。 図６Ａは、電子ガバナーの閉ループ制御または実施形態を説明する模式図である。 図６Ｂは、図５Ａに示した電子ガバナーのアルゴリズム制御の模式図である。 図６Ｃは、本発明の電子ガバナーの応答時間を示す模式図である。 図６Ｄは、本発明の電子ガバナーで用いるロタリーソレノイドの実施形態の一例を示す斜視図である。 図６Ｅは、電子ガバナーを図１に示すシステムのスロットル本体と一体化する一方法を示す断面図である。 図７Ａは、ＥＣＵに対する制御およびＥＣＵによる制御を説明する速度信号および対応するトリガ信号を示す模式図であり、ＥＣＵは本発明のシステムが、４ストローク適用時に１サイクルおきに燃料を噴射できるようにする。 図７Ｂは、本発明の電子ガバナーにより制御されるような点火タイミング、燃料噴射タイミングおよびスロットル板位置を含む本発明のシステムにおいて用いる種々な制御信号を説明する模式図である。 各図面において同じ参照番号は同じ部位を示す。

本開示は一般に電子燃料調整システムに関し、特に、好適実施形態においては、大きさが比較的小さい４ストロークエンジンであり。例えば、パワーウォッシャー、小型発電機やそのようなものに応用される小型内燃機関用の電子燃料調整システムに関する。本発明はこれらの応用に関して詳細に説明されているが、当業者はここで説明する発明の態様の応用範囲が広いことを認識するはずである。

以下の詳細な説明は本開示を一例として例示するものであり、本開示を限定するものではない。なお、本開示の様々な態様は個別にまたは組み合わせても実行することができる。

本説明は、私たちが新規で非自明であると確信する開発技術を当業者が行い利用できるように分かりやすく説明し、本明細書で説明する発明の原理を実行するための最適な様態であると現在思われるものを含むシステムの実施形態、変更、変形、代替および用途を幾つか説明する。その構成要素或いは機能および／または実施形態を説明するにあたり、「一つの（ａ，ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」および「前記の（ｓａｉｄ）」という冠詞は、一つまた複数の構成要素または機能が存在することを意味するものである。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語は包括的であり、具体的に説明したもの以外に他の構成要素または機能が存在することを意味するものである。

図１において、参照番号１は、以下に説明するような本開示の好適実施形態が適用される４サイクルエンジン用の燃料システムの実施形態の一例を示す。特に、本開示は、従来技術の装置のキャブレターシステムに代わること、そして、従来技術の製品構成の全体的な設計アウトライン内においてこの置換が達成できることを目的とする。エンジン２はピストン１１を収容するエンジンブロック１２を有し、クランクシャフト７に取り付けられたフライホイール３（図２）を含む。エンジン始動時において従来のローププルを引くことによりフライホイール３をまず動作させる。エンジン２が適用される装置の例には、タンク４から供給する供給路５とタンク４へ戻す戻り路６とを有する燃料タンク４が設けられる。供給路５はスロットル本体１０（図５Ａ）および関連部品と動作可能に接続されるが、その一体化についてはより詳細に後述する。

電子制御装置（以下ＥＣＵ）４２は、エンジン２の動作を制御するために用いる。一般的には、イグニションモジュール４０は、より詳細に後述する目的のためにフライホイール３と連係する。いずれにしても、イグニションモジュール４０はＥＣＵ４２に電力を供給し、ＥＣＵ４２が少なくとも一つのインジェクタ４５の動作とスパークのタイミング、および、その結果の点火と以下に述べる多数のパラメータに基づくチャンバ１４内の燃料とを制御することが好ましい。モジュール４０は、調整基板３２に取り付けられた（図３Ａ〜図３Ｄ）発電コイル３１を含む。フライホイール３は、このフライホイール３に連係した磁石を有し、フライホイールの回転によりモジュール４０がＥＣＵ４２に電力を供給する。本開示の発明的な原理には、最小空間条件でエンジン２の寿命の間確実に、そして、従来技術の現行のキャブレター設計に迫るコストでこの動作を実現する方法がある。これを統合的アプローチで達成する。

さて、図５Ａにおいて、好適実施形態のスロットル本体１０は、複数の構成要素をそこに取り付けられるようにしたハウジング１００を含む。図示のように、スロットル本体１０の一体化は、本明細書で説明するシステムが適用される製品の全体構成にほとんど変更を加えることなく従来技術のキャブレター型システムから本明細書で説明する燃料システム１に置換することを可能にするという点において、本開示の重要な機能である。スロットル本体１０のスロットル本体ハウジング１００は、プラスチック材で構成されることが好ましいが、本開示の様々な実施形態において、例えば、アルミニウムなどのような他の材料を用いてもよい。

スロットル本体１０のハウジング１００は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）４２と、ポンプアセンブリ８４ｂと、プライマアセンンブリ２９と、燃料噴射アセンブリ４５と、スロットルアセンブリ１３と、燃料圧力レギュレータアセンブリ２０と、これらを装着する電子ガバナー６１とを有する。必要に応じて、これら構成要素の全てをスロットル本体１０に事前に組み付けておき、その組立品をエンジン２に取り付けることもできる。当業者が明らかになるように、スロットル本体１０にはその内部に配置した多数の通路が形成されており、スロットル本体１０とここで説明する様々な構成要素とは共に、エンジン２を動作させるために、この構成要素間を流れ、主として燃焼室１４に流入する燃料の流れを制御するように構成される。これら通路には、吸気温度センサ通路が含まれる。この吸気温度センサ通路は、ＥＣＵ４２の回路基板６０に装着された空気温度センサ１６７に吸気温度を確実に突き止めさせるものである。特定の設計形状でスロットル本体１０のハウジング１００を示したが、必要に応じて、他の設計輪郭のものを用いてもよい。

当業者が明らかになるように、本開示は、４ストロークのバッテリーレス単気筒または２気筒ガソリンエンジンのための一体型低圧電子燃料噴射システムを提供する。このシステムの構成要素には、ＥＣＵ４２の装置、ソフトウェア、グラフィカル・ユーザ・インターフェース、燃料インジェクタアセンブリ４５、一体型燃料ポンプ増圧器およびレギュレータ２０を有するスロットル本体１０、および必要なセンサが含まれる。この必要なセンサには、例えば、スロットル位置センサ（ｔｐｓ）５０、エンジン温度センサ５１、吸気温度センサ１６７、エンジン回転数センサ５２、および電子ガバナー５３が含まれる。

図２に示すように、本開示のＥＣＵ４２は発電回路２５により駆動する。エンジン２のフライホイールを回転させるだけで、ＥＣＵとエンジン２に対する初期制御シーケンスとの駆動に十分は電気エネルギーをシステム１に発生させることができる。これまで、最少数のローププルでエンジンを始動することにより、類似した応用への現行の全検査条件下でエンジンの始動と駆動の双方を行っていた。図３Ｄに示すブリッジ回路３６は、適切なコストでこれらの機能を実現する。

さて、図４Ａにおいて、ＥＣＵ４２は、エンジンを駆動する動作条件を検知し、これらの測定値に基づき一意の重複しない数個の構成要素と共にエンジンへの燃料供給を制御することにより、エンジン２の動作を制御する。これらのうち、エンジン２へ燃料を供給するための燃料ポンプ２０が一体的に配置されている。図４（Ａ〜Ｃ）に示すようにポンプ２０は３つの主要部からなる。主要部とは、燃料ポンプ本体（３０）、低減器板（７０）およびポンプ空気室ベース（１３０）である。各主要部はそれぞれのチャンバと連結される。空気室（１５０）はポンプ空気室ベース（１３０）と空気室振動板（９０）とで構成される。空気室（１５０）は、エンジン回転の圧力波と一致する圧力波を発生するエンジン（２）の各部と接続される。少なくとも２つのソースは条件を満たした。

エンジン（２）のクランク室とエンジン吸気口とがある。クランク室パルスの使用が好ましいが、他の適切なパルスを用いることもできることを当業者は認識している。次いで、圧力パルスは空気室吸気口（１４０）と空気室（１５０）に伝達される。これらのパルスは２つの正負の圧力波から成るが、現在のエンジンはブリーザを利用する。ブリーザには、クランク室内で通常の負の圧力を発生させるなどのように空気を一方向に規制するブリーザチェック弁（図示せず）を装着する。通常の負の圧力に対応するために、空気室振動板（９０）には、増圧器ピン（８０）と、円板座金（８１）と、ばねキャップ（８２）と、ばねキャップ座金（８３）と、 ばね（８７）とが取り付けられる。ばね（８７）は、負の圧力に対向する空気室振動板（９０）を付勢することにより、圧力波が正になり始めたときに空気室振動板（９０）をリセットするように作用する。

この圧力の差異および空気室振動板（９０）のばねリセットは、運動を引き起こす。運動は増圧器ピン（８０）に伝わり、 増圧器ピン（８０）は低減器板（７０）を通過し、燃料ポンプ振動板（１６）に接続する。低減器板（７０）は２つの異なる直径を有する。すなわち、空気室（１５０）側に大きい直径が形成され、燃料ポンプ室（１６０）側に小さい直径が形成される。そして、この組み合わせは、クランク室からの低い圧力を燃料システム（１）で用いる適度な圧力に増圧するように作用する。低減器室（１９０）は、空気室（１５０）と燃料ポンプ室（１６０）との間の直径差を吸収する必要がある。燃料ポンプ振動板（１６）は増圧器ピン（８０）により動かされる。

動きは増圧器ピン（８０）から燃料ポンプ振動板（１６）上に伝達される。燃料ポンプ振動板（１６）が動くときに、圧力波が燃料ポンプ室（１６０）内に発生し、燃料は燃料ポンプ室排出口チェック弁（２２）および燃料ポンプ室吸込み口チェック弁（２１）により一方向に送られる。燃料は燃料タンク（４）から燃料ポンプ吸込み口（２３）に供給され、燃料ポンプ吸込み口室１７内に送られる。

燃料ポンプ室（１６０）内の圧力が低くなると、燃料ポンプ室吸込み口チェック弁２１が開き、燃料は燃料ポンプ吸込み口室１７から燃料ポンプ室（１６０）内に移動する。燃料ポンプ振動板（１６）が逆に動くと、燃料ポンプ室（１６０）の圧力は燃料ポンプ室吸込み口チェック弁（２１）を閉じさせ、燃料ポンプ室排出口チェック弁（２２）を開かせる。すると、燃料が燃料ポンプ室（１６０）から燃料ポンプ排出口室（１８０）内に移動し、プロセスは終了し次回の開始に備える。本開示の重要な概念の一つにおいて、弱い信号パルスを用いてエンジン２を駆動し、エンジン２に燃料を供給する能力がある。

本開示の別の特徴は、電子ガバナー６０を内蔵しエンジン回転数を制御することである。電子ガバナー６０に対する制御ループ（図６Ａ）とは、所望のＲＰＭの入力、ＰＩ制御ループ、計算されたＲＰＭの測定値、続いて、スロットル角度コマンドを生成する線形化段のものを含む。所望のＲＰＭコマンドの入力は５０Ｈｚ／６０Ｈｚジェネレータ、即ち、３０００ＲＰＭ／３６００ＲＰＭ、に必要とされるなどのような静的値とすることができ、或いは、ユーザからの動的コマンドとすることができる。どちらにしても、制御ループはＲＰＭエラーを強制的にゼロにするスロットル角度コマンドを生成することになる。

電子ガバナー制御ループは、ＥＣＵ４２のマイクロプロセッサにおいてデジタル処理で演算される。サンプリングしたＲＰＭエラー（Ｎｓｅｔ−Ｎ）を乗じた比例ゲイン（Ｋｐ）と累積したＲＰＭエラー（Ｎｓｅｔ−Ｎ）ｄｔを乗じた積分ゲイン（Ｋｉ）を利用することにより、マイクロプロセッサは、ＲＰＭエラーを常に最小限にする一方、動作点を常に調整することができる。図６Ｃは、ＲＰＭコマンドの２０００ＲＰＭから３０００ＲＰＭの変化に応じた模擬制御ループを示す。

ＰＩループからのスロットル角度コマンドはＰＷＭジェネレータに入力する前に線形化され、ロタリーソレノイド６４（図６Ｄ）の非線形応答を補償する。ロタリーソレノイドの中には、広く開いたスロットル位置付近での移動度と比べると閉位置での移動度の一度当たりに必要とする動きが少ないものがあるので、こうしたことは必要である。これは、主に、ロタリーソレノイド６４の戻りばね６５により生じる。次いで、線形化スロットル角度コマンドはパルス幅変調ブロックに渡される。パルス幅変調ブロックでは、スロットルプレート６６と動作可能に接続されたロタリーソレノイド６４を駆動するために用いるパルス幅を変動した一連のパルスにコマンドを変換する。このようにして、エンジン２の速度は従来技術の機械的に制御（governed）された配置構成を必要とすることなく電子的に制御される。

当業者が明らかになるように、システム１の様々な動作を制御する際にＥＣＵ４２が受信および生成した動作信号を図７Ａおよび７Ｂに例示的に示す。

実現するための多数の変形を行うことが可能であり、こうした変形は電子ガバナーに同様の結果をもたらす。例えば、（１）ロタリーソレノイドはステッパーまたはＤＣ電動機と取り替えて、（２）制御ループの帯域幅をより高くでき、スロットル角度コマンドおよびスロットル位置センサフィードバックを利用する内部ＰＩまたはＰＩＤ制御ループを実現することができ、（３）スロットルプレートＰＷＭ駆動信号をＨブリッジ駆動またはアナログ駆動信号に置き換えてもよく、（４）マイクロプロセッサはＤＳＰ（デジタル信号プロセッサ）、ＦＰＧＡ（フィールドプログラミングゲートアレイ）、またはその他の計算デバイスと置き換えても良く、（５）制御ループを、例えば比例項のみを用いて実現することができる。

当業者が明らかなように、本開示の様態は、コンピュータ実装プロセスおよびそのプロセスを実践する装置で実施することができる。また、本開示の様態はフレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ハードドライブまたはその他のコンピュータ読取可能な記憶媒体などのような有形の媒体に埋め込まれた命令を含むコンピュータプログラムコードの形態で具体化もできる。この場合、コンピュータプログラムコードが、コンピュータ、マイクロプロセッサまたは論理回路などのような電子デバイスまたはＥＣＵの他の形態にロードされ、これにより実行されるとき、そのデバイスは、本発明を実施するための装置となる。

上記の観点で、本開示の複数の目的が達成され、他の有利な結果が得られることが分かる。本発明の範囲から逸脱することなく上記構造において様々な変更が成し得るので、上記説明に包含または添付図面に示された全事項は、例示として、制限を意味するものではないと解釈されることを意図する。

Claims (2)

1. 噴射システムの動作を制御するＥＣＵであって、ＥＣＵにはエンジン温度と吸気温度、スロットル位置、およびエンジン回転数が入力され、パルス幅が変調された燃料バルブに対する制御を実現するＥＣＵと、
   ＥＣＵと動作可能に連係するエンジンの最大速度を制御する電子ガバナーシステムと、
   エンジンに燃料を供給する燃料ポンプと、
   を備えるエンジン用燃料噴射システムであって、
   上記燃料ポンプは、
   エンジンの回転にともなって発生する圧力波を導入する空気室と、
   燃料ポンプ吸い込み口室、燃料ポンプ室及び燃料ポンプ排出口室からなる燃料ポンプ本体と、
   上記空気室に導入された圧力波の振動を上記燃料ポンプ室へ伝達する増圧装置と
   を備え、
   上記燃料ポンプ室に伝達された上記振動によって上記燃料ポンプ吸い込み口室から上記燃料ポンプ室に吸い込まれた燃料を上記燃料ポンプ排出口室へ排出する構成にし、
   上記増圧装置は、
   上記空気室に設けるとともに上記圧力波で振動する空気室振動板と、
   上記燃料ポンプ室に設けるとともに上記空気室振動板よりも当該燃料ポンプ室における受圧面積を小さくした燃料ポンプ振動板と、
   上記空気室振動板と上記燃料ポンプ振動板とに連結した増圧器ピンとを備え、
   上記増圧器ピンによって、上記空気室に導入された上記圧力を増圧して上記燃料ポンプ振動板に伝達するエンジン用燃料噴射システム。
2. 上記ポンプ室と空気室との間には低減器室を構成する低減器板を設け、
   この低減器板には、上記燃料ポンプ振動板で塞がれる燃料ポンプ室側の開口と、この燃料ポンプ室側の開口よりも開口直径を大きくするとともに、上記空気室振動板で塞がれる空気室側の開口とを備え、
   上記低減器板は、上記空気室側の開口直径を上記ポンプ室側の開口直径まで減少させ、
   これら燃料ポンプ室側の開口と空気室側の開口との直径差を上記低減器室で吸収する構成にした請求項１に記載のエンジン用燃料噴射システム。
   

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