JP2012077640A - ２サイクルエンジン及びそれを備えた携帯型作業機 - Google Patents

Abstract

【課題】始動性及び加速性が良好で、排気ガスの清浄化を図ることのできる層状掃気２サイクルエンジンを提供する。
【解決手段】層状掃気２サイクルエンジンの掃気口８と、クランク室１ａとを接続する掃気流路９に接続する先導空気通路１０の逆止弁１１より上流側に電磁弁１２を設ける。電磁弁１２は電磁弁駆動装置１７により、開閉を制御される。電磁弁駆動装置１７はエンジン回転数検出センサ１８の情報により、始動時及び加速時には電磁弁１２を絞り、始動性、加速性を向上させ、定格運転時には電磁弁１２を開放し、空燃比を大きくして排気ガスの有害物質を減少させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、２サイクルエンジンに関し、特には掃気用先導空気流量を制御し、始動性及び加速性を良好にし、排気ガスの清浄化を図ることのできる２サイクルエンジン及びそれを備えた携帯型作業機に関する。

草木の切断を行う刈払機や木の伐採等を行うチェンソー等の携帯型作業機においては一般的に軽量・小型化を図りやすい２サイクルエンジンが広く用いられている。また、エンジンにおいて、回転数が上昇しすぎないよう参考文献１に示すようにガバナ装置を設けたものが知られている。

また、先述の２サイクルエンジンにおいては、掃気時に潤滑油とガソリンとの混合燃料が未燃焼ガスとしてそのまま排出されてしまうという問題が生じている。これに対して、参考文献２に示すように、混合燃料に代わり先行して燃焼ガスを押し出す先導空気を別途取り入れることで、未燃焼ガスがそのまま外部に排出されることを抑制する技術が知られている。

特開昭５７−９７０３５号公報 特開２００８−１４２０９号公報

しかしながら、上述の従来技術におけるガバナ装置は、吸気通路の燃料を制御してエンジン回転数の上昇を抑える構成としているため、ガソリンと潤滑油の混合燃料を使用する２サイクルエンジンにおいては、燃料と共に潤滑油の供給まで止めてしまうことで、エンジンの寿命が低下する可能性があった。

また、層状掃気式の２サイクルエンジンにおいては、空気によってシリンダ室２ａを十分掃気することができると共に、混合気の空燃比（すなわち、空気の重量／燃料の重量）が一般の２サイクルエンジンの空燃比より大きく（混合気が薄く）なることにより、排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）及び窒素酸化物（ＮＯＸ）の排出量が低減されるが、空燃比が大きいために始動性や加速性が悪いという問題がある。これを解決するには空燃比を小さく（混合気を濃く）すれば良いが、そうすると排気ガス中の炭化水素及び窒素酸化物の排出量が増大すると共に、燃料消費も多く燃費が悪化するという問題があった。

本発明は上記問題を鑑みてなされたもので、その目的とするところは、掃気の特性を向上させ、出力の向上および排ガス低減を実現しながら、エンジンの過回転を抑制することを可能とする２サイクルエンジン及びそれを備えたエンジン作業機を提供することにある。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの特徴を説明すれば、次の通りである。

本発明の一つの特徴によれば、ピストンが上下動可能に設けられるシリンダと、前記シリンダ内に前記ピストンの頂面と天井壁及び側壁により形成される燃焼室と、前記ピストンが接続されるクランク軸が回転可能に収められるクランク室と、前記燃焼室と前記クランク室とを連通させる掃気通路と、一端が気化器に接続され、他端が前記クランク室に接続される吸気通路と、前記クランク室から前記掃気通路を介して前記燃焼室に至る燃料経路の間に連通される先導吸気通路と、を備えた２サイクルエンジンにおいて、前記先導吸気通路には、通路の開閉状態を制御する開閉弁が設けられ、前記クランク軸の回転数が第１の閾値を超えた際に前記先導吸気通路を絞ることを特徴とする。

更に他の特徴によれば、上述の２サイクルエンジンを備える携帯型作業機であることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、ピストンが上下動可能に設けられるシリンダと、前記シリンダ内に前記ピストンの頂面と天井壁及び側壁により形成される燃焼室と、前記ピストンが接続されるクランク軸が回転可能に収められるクランク室と、前記燃焼室と前記クランク室とを連通させる掃気通路と、一端が気化器に接続され、他端が前記クランク室に接続される吸気通路と、前記クランク室から前記掃気通路を介して前記燃焼室に至る燃料経路の間に連通される先導吸気通路と、を備えた２サイクルエンジンにおいて、前記先導吸気通路には、通路の開閉状態を制御する開閉弁が設けられ、前記クランク軸の回転数が第１の閾値を超えた際に前記先導吸気通路の開口面積を絞ることにより、燃焼室に供給される燃料の空燃比において燃料の比率を大きくし、混合気の空燃比が小さくなり、回転数の上昇を抑制することができ、ガバナ装置として動作させることが可能となる。

請求項２の発明によれば、前記開閉弁は、始動運転領域及び加速運転領域においては前記先導吸気通路を絞ると共に、定格運転領域には前記通路を開放することにより、始動時及び加速時には、掃気流路への空気の流入が抑えられ、混合気の空気比が小さくなり、始動性、加速性が良くなると共に、定格運転中は、混合気の空気比が大きくなり、排気ガス中の炭化水素及び窒素酸化物の排出量が低減することが可能となる。

請求項３の発明によれば、始動運転領域及び加速運転領域と、定格運転領域との間には前記クランク軸の回転数に基づく第２の閾値を備えることにより、運転領域に応じた最適な制御を行うことが可能となる。

請求項４の発明によれば、前記開閉弁は、制御電流が流れることで駆動する電磁石を備えた電磁弁であり、エンジンの回転数を検出する回転数検出センサを備え、前記エンジン回転数検出装置の信号に応じて、前記電磁弁の開閉を制御する電磁弁駆動装置が構成されている、ことにより、応答性の高い制御を行うことが可能となる。

請求項５の発明によれば、前記先導吸気通路には、前記先導空気通路から前記クランク室への流入を許容すると共に、前記クランク室から前記先導空気通路への逆流を阻止する逆止弁を更に備えることにより、前記開閉弁の動作回数を低減させ、制御を簡略化させることが可能となる。

請求項６の発明によれば、上述の２サイクルエンジンを備えることにより、掃気の特性を向上させ、出力の向上および排ガス低減を実現しながら、エンジンの過回転を抑制することを可能とする２サイクルエンジンを備えたエンジン作業機を提供することができる。

本発明の層状掃気２サイクルエンジンを備えた携帯型作業機の全体図。 本発明の層状掃気２サイクルエンジンにおいて電磁弁閉状態を示す図。 本発明の層状掃気２サイクルエンジンにおいて電磁弁開状態を示す図。 電磁弁開閉の制御の一例を示す図。

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明を適用した層状掃気２サイクルエンジンを備えた携帯型作業機の全体図、図２は本発明の層状掃気２サイクルエンジンにおいて電磁弁閉状態を示す図、図２は本発明の層状掃気２サイクルエンジンにおいて電磁弁開状態を示す図、図４は電磁弁開閉の制御の一例を示す図である。

図１に示す携帯型作業機は、空気先導方式の２サイクルエンジン１００３を備え、刈払機１００１として構成されており、エンジン１００３、操作棹１００４、刈刃１００２、ハンドル１００５、及び操作棹の内部に回転可能に支承される駆動軸を備える。エンジン１００１は、２サイクルエンジンとして構成され、特に空気先導式の層状掃気２サイクルエンジンとして構成されている。刈刃１００２は、操作棹１００４の先端の刈刃取付部１００６（ギヤケース）に回転可能に取付けられていると共に、作業者側には刈り取った草が飛散しないよう刈刃カバー１００７が取付けられている。刈払機１００１はエンジン１００３を駆動した状態で、操作棹１００４に取り付けられたハンドル１００５の左右方向に延びる腕部の端部に取り付けられた把持部を両手で把持すると共に、一方の把持部に設けられたスロットルレバーを操作することにより、ハンドル１００５を挿通するスロットルワイヤを介して図示しないキャブレタを操作することにより、キャブレタのスロットルバルブ開度の調整及び燃料の供給量を調節可能に構成されている。スロットルバルブの開度が所定以上となると、十分な燃料がキャブレタから噴出すると共に、エンジン１００３の回転数が上昇し、図示しない遠心クラッチが接続されると共に、発生する動力により刈刃を回転させ、作業を行えるよう構成されている。

図２は本発明の２サイクルエンジン１００３を示す図である。クランクシャフト４にコンロッド６で接続されているピストン５が往復移動するシリンダ２の下側に、クランクケース１が設けられ、クランクケース室１ａからシリンダ室２ａに通じるように掃気流路９が設けられ、気化器１６及びスロットルバルブ１４、逆止弁１３を備えた混合気供給系がクランクケース室１ａに通じ、空気を供給する空気供給系が掃気流路９内に通じるように構成されている。そして、シリンダ室２ａには、掃気流路９に通じる掃気口８が開口しているとともに、燃焼ガスを排気する排気口７が開口している。

このように構成された２サイクルエンジン１００３においては、ピストン５が上昇すると、クランクケース室１ａの圧力が低下し始めるとともに、掃気口８及び排気口７が閉じる。このため、混合気が圧力の低下したクランクケース室１ａに入るとともに、空気も掃気流路９を通ってクランクケース室１ａに入る。そして、ピストン５が上死点付近に達すると、シリンダ室２ａの混合気が点火プラグ３によって点火され、ピストン５が下降する。そうすると、クランクケース室１ａの圧力が上昇し始めるとともに、排気口７及び掃気口８が開く。このため、燃焼ガスが排気口７から排出するとともに、掃気流路９内に溜まっていた空気が掃気口８からシリンダ室２ａに噴出して、燃焼ガスを排気口７から強制的に排出する。そして、空気の後から混合気が掃気流路９を通ってシリンダ室２ａに入る。そしてまた、ピストン５が上昇し始め、前述したようなサイクルが再び繰り返されることになる。

尚、エンジンの回転数は、スロットルレバー１５を操作することにより、スロットルバルブ１４の開度を調整し、クランクケース１ａに流入する混合気の流量を制御することによって変化する。

先導空気通路１０の掃気流路９への出口には、逆止弁１１が設けられている。逆止弁１１よりも上流側の先導空気通路１０内には、電磁弁１２が設けられており、後述するようにエンジンの回転数により空気の流量を調節する。

電磁弁１２は、先導空気通路１０に設けられ、電磁石１２ｃに電気が流れていない状態のときは、スプリング１２ｂによって押し下げられ、先導空気通路１０を閉じられている（図２）。電磁石１２ｃに通電すると、バルブ１２ａを引き上げ、先導空気通路１０は通路間隔aだけ開放される（図３）。

電磁弁駆動装置１７は、エンジン回転数検出センサ１８から得た情報を元に、エンジン回転数判定部を経てエンジン回転数により電磁弁１２の開閉を指示する。

エンジンによって、アイドリング運転時や定格運転時の回転数は異なるので、図３に一例を挙げてその動作を説明する。まず、０〜３，０００回転の場合は、始動からアイドリングの状態（始動運転領域）と判断し、電磁弁１２を絞る。混合気の空燃比が小さい方が、エンジンは始動しやすいため、電磁弁１２を絞って、空燃比を大きくする要因となる先導空気の流入を遮断する。次に、３，０００〜７，０００回転の場合は、加速運転領域と判断し電磁弁１２を絞る。空燃比が小さい方が加速性が良いので、電磁弁１２を絞って、空燃比を大きくする要因となる先導空気の流入を遮断する。次に、７，０００〜１０，０００回転の場合は、定格運転領域と判断し、電磁弁１２を開放する。電磁弁１２を開放すると、先導空気が先導空気通路１０を経て、掃気通路９へ空気を流入させ、空気先導層状掃気で排ガス値を改善させる。最後に、定格回転数１０，０００回転を超える場合は、オーバーランと判断し、電磁弁１２を絞る。オーバーランすると、振動、騒音が大きくなり、エンジン寿命が短くなる。そこで、定格回転数（定格回転領域）を超えた時は、電磁弁１２を絞り空燃比を小さくして、オーバーランによる影響を抑制することができる。

上記の例のように、電磁弁駆動装置１７はエンジン回転数検出センサ１８の情報により、エンジンの運転状況に最も適切な動作を電磁弁１２に指示する。

このように、層状掃気式の２サイクルエンジンの構成では、先行してシリンダボアの既燃焼ガスを押し出した先導空気と、先導空気を追ってシリンダボアに流入する混合気がシリンダ内で空気と若干混ざり合うことを考慮し、その状態で最適な空気と燃料の比率となるよう調節されている。そのため、電磁弁１２によって先導空気の流入量を調節することにより、回転数に応じた適切な混合比率となるよう調節可能に構成されている。本発明においては、回転数に応じて混合比率を調節し、特にはオーバーラン時に燃料過多の状態になるよう制御することで、回転数のさらなる上昇を抑えることが可能となる。また、潤滑油を含んだ混合燃料の供給が停止することが無いので、
また、先導空気通路１０から掃気流路９方向への空気の流量を制御する電磁弁１２と、エンジンの回転を検出するエンジン回転数検出センサ１８と、前記エンジン回転数検出センサ１８からの情報により、電磁弁１２の開閉を制御する電磁弁駆動装置１７とを有し、電磁弁駆動装置１７は、前記エンジン回転数検出センサ１８からの情報により、始動時及び加速時、定格運転中を判断し、始動時及び加速時には電磁弁１２を絞り、定格運転中には電磁弁１２を開放することにより掃気の特性を向上させ、出力の向上および排ガス低減を実現することが可能となる。

以上、本発明を示す実施形態に基づき説明したが、本発明は上述の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。

例えば、本実施形態では先導空気通路の開閉は電磁弁により行うものとしたが、エンジンの回転数に連動して先導吸気通路を開閉する機械的な構成であっても良い。

また、始動運転領域及び加速運転領域と、定格運転領域との閾値は回転数により制御されるものとしたが、スロットルレバーによる操作状態や、始動後の時間、またはクランク軸に作用する負荷等によって適時判断されるようにしても良い。

また、本実施形態では燃料通路に合わせて外気を導入する先導吸気通路を別途設ける空気先導方式を採用したが、気化器からの燃料通路を分岐して薄い燃料と濃い燃料に分け、空気に相当する薄い燃料で同様の制御を行う濃淡掃気方式であってもよい。

また、電磁弁１２の開閉の回転数は、固定されたものではなく、使用するエンジンに合わせて、スムーズに運転できるように決定し、上昇と下降で回転数を変えても良い。また、電磁弁１２の開閉時のショックが少ないように、開閉を徐々に行っても良く、電磁弁１２aの通路間隔aを回転数に応じてリニアに切り替えるようにしても良い。

また、本実施形態では、エンジン回転数検出センサ１８及び電磁弁駆動装置１７の電源は、点火プラグ３へ供給される、マグネトで発電された電力を使用しているが、点火では使用しない逆電流を利用してもよい。また、バッテリやコンデンサを利用する方法もある。

また、本実施形態では、電磁石に電流が流れると先導空気通路を開放し、電流の供給を停止すると先導空気通路を閉鎖するように構成したが、逆に構成されていてもよい。即ち、電磁石に電流が流れたとにのみ先導空気通路が閉鎖するように構成することができ、このようにすれば、例えば定格運転状態が長く続く作業においては、電流の消費を低減することができる。

１：クランクケース １ａ：クランク室 ２：シリンダ ２ａ：シリンダ室
３：点火プラグ ４：クランクシャフト ５：ピストン ６：コンロッド
７：排気口 ８：掃気口 ９：掃気通路 １０：先導空気通路
１１：逆止弁 １２：電磁弁 １２ａ：バルブ １２ｂ：スプリング
１２ｃ：電磁石 １３：逆止弁 １４：スロットルバルブ １５：スロットルレバー １６：気化器 １７：エンジン回転数検出センサ １８：回転数判別部

Claims (6)

1. ピストンが上下動可能に設けられるシリンダと、
   前記シリンダ内に前記ピストンの頂面と天井壁及び側壁により形成される燃焼室と、
   前記ピストンが接続されるクランク軸が回転可能に収められるクランク室と、
   前記燃焼室と前記クランク室とを連通させる掃気通路と、
   一端が気化器に接続され、他端が前記クランク室に接続される吸気通路と、
   前記クランク室から前記掃気通路を介して前記燃焼室に至る燃料経路の間に連通される先導吸気通路と、を備えた２サイクルエンジンにおいて、
   前記先導吸気通路には、通路の開閉状態を制御する開閉弁が設けられ、
   前記クランク軸の回転数が第１の閾値を超えた際に前記先導吸気通路の開口面積を絞ることを特徴とする２サイクルエンジン。
2. 前記開閉弁は、始動運転領域及び加速運転領域においては前記先導吸気通路を絞ると共に、定格運転領域には前記通路を開放することを特徴とする、請求項１記載の２サイクルエンジン。
3. 始動運転領域及び加速運転領域と、定格運転領域との間には前記クランク軸の回転数に基づく第２の閾値を備えることを特徴とする、請求項２記載の２サイクルエンジン。
4. 前記開閉弁は、制御電流が流れることで駆動する電磁石を備えた電磁弁であり、
   エンジンの回転数を検出する回転数検出センサを備え、
   前記エンジン回転数検出装置の信号に応じて、前記電磁弁の開閉を制御する電磁弁駆動装置が構成されている、ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のうち何れか一項に記載の２サイクルエンジン。
5. 前記先導吸気通路には、前記先導空気通路から前記クランク室への流入を許容すると共に、前記クランク室から前記先導空気通路への逆流を阻止する逆止弁を更に備える、ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のうち何れか一項に記載の２サイクルエンジン。
6. 請求項１乃至請求項５のうち何れか一項に記載の２サイクルエンジンを備えることを特徴とする携帯型作業機。