JP5416893B2 - 内燃エンジンを備えた作業機の作動パラメータを検知する方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の、内燃エンジンを備えた作業機の、特に２サイクルエンジンのような往復動機関を備えた手で操縦される可搬型作業機の作動パラメータを検知する方法に関するものである。

たとえば手で操縦される可搬型作業機に使用される最近の内燃エンジンは、その種々の作動パラメータを考慮した点火方式を採用しており、制御が複雑である。内燃エンジンのこれら種々の作動パラメータの制御には、回転数検知センサ、スロットルバルブ開度検知センサ、負荷センサ、ノッキングセンサ等が必要である。センサを多数使用すると技術的にコストがかかり、高価であり、多くの故障の原因になる。また、作業機が小型であるために内燃エンジンによりかなりの温度負荷が発生するので、ケーブルの敷設が困難である。

本発明の課題は、内燃エンジンを備えた作業機の作動パラメータを検知する方法において、内燃エンジンに設けられるセンサの数量を低減させることである。

本発明は、上記課題を解決するため、内燃エンジンを備えた作業機の作動パラメータを検知する方法であって、少なくとも１つのシリンダと、クランクケースと、ピストンによって画成されるようにシリンダ内に形成され、クランクケース内に支持されているクランク軸を回転駆動する燃焼室と、燃焼室に開口している燃焼空気取り込み口と、燃焼室から燃焼ガスを排出させるための排出口と、クランク軸によって回転駆動され、クランク軸が１回転する間に連続的な交流電圧を発する交流発電機とを有する内燃エンジンを備えた作業機の作動パラメータを検知する方法において、１つの電圧信号の周期がクランク軸の１回転のｎ分の一に相当し、ｎは２よりも大きな数であること、クランク軸の１回転のｎ分の一が１つのクランク軸角度インターバルを形成し、それぞれのクランク軸角度インターバルに対し少なくとも１つの情報を検出すること、クランク軸角度インターバルの前記情報がクランク軸角度の推移を表わし、前記情報から形成される前記推移から有意な特徴を検出し、１つの有意な特徴に、作業機を駆動する内燃エンジンの１つの作動パラメータとしてのクランク軸のクランク軸角度位置を割り当てること、１つのクランク軸角度インターバルを２つのゼロ位置インターバルに分割し、１つのゼロ位置インターバルが電圧信号の連続する２つのゼロ通過点の時間間隔であること、交流発電機に負荷がないときにゼロ通過点を特定すること、交流発電機に接続されている電気負荷による電流を、交流電圧信号のゼロ通過点の領域で遮断すること、前記情報として、それぞれのインターバル回転数を対応するゼロ位置インターバルに関して算出し、インターバル回転数がクランク軸の少なくとも１回の完全な回転にわたる回転数の推移を表わし、インターバル回転数の回転数の推移から有意な特徴を検出すること、クランク軸のクランク軸角度位置とは独立に、クランク軸の回転開始とともにインターバル回転数の回転数の推移を算出し、評価することを特徴とするものである。

本発明の基本思想は、内燃エンジンのできるだけ多くの作動パラメータを交流発電機の電圧信号から導出し、さらにはこの電圧信号を電気消費装置、特に点火装置のエネルギー供給のために使用するというものである。

本発明によれば、まず、交流電圧信号の周期を、クランク軸の１回転のｎ分の一に相当するように設定する。したがって、クランク軸の１回転は複数のクランク軸角度インターバルに分割される。それぞれのクランク軸角度インターバルはクランク軸の完全な１回転の一部である。それぞれのクランク軸角度インターバルに対し少なくとも１つの情報を検出する。このようにして得られた情報は、クランク軸の角度の推移もしくは変化を表わしている。交流発電機の交流電圧信号から導出した新たな推移曲線に有意な特徴があるかどうかを調べる。有意な特徴が検出されれば、これを作業機の作動パラメータに割り当てる。

有利には、前記情報として１つのクランク軸角度インターバルのインターバル回転数を求め、このインターバル回転数を、クランク軸の少なくとも１回の完全な回転にわたる回転数の推移を直接または間接的に表わすものとしてプロットするのがよい。このようにして得られた回転数推移は、デジタル形式で、交流電圧信号の情報を反映している。すなわち回転数推移は、アナログ交流電圧信号を本発明にしたがってデジタル情報信号に変換した結果のものである。次に、このデジタル情報信号を、有意な特徴があるかどうかに関して調べて、１つの作動パラメータに割り当てる。一般的には、本発明によれば、前記情報（たとえばインターバル回転数）の推移曲線の有意な特徴を調べて、１つの有意な特徴に作業機および／または内燃エンジンのそれぞれ１つの作動パラメータを割り当てる。

本発明による方法により、作業機および／または内燃エンジンの多数の作動パラメータを確認できることが明らかになった。たとえば作業機の作動パラメータとして工具の負荷、ヒーターの作動状態、作業機の弁の作動状態、工具の磨耗状態等を、特別に作動パラメータに適合させたセンサを使用せずに確認することができる。したがって、内燃エンジンに対しては、形成させた情報信号から、たとえばクランク軸角度位置、作動負荷、気化器のスロットルバルブの位置、燃焼推移、燃焼混合気の濃度、または内燃エンジンの他の同等の作動パラメータを導出することができる。

本発明による方法にしたがって、クランク軸のクランク軸角度位置とは独立に、クランク軸の回転開始とともにインターバル回転数の回転数の推移を算出し、評価するのが有利である。有意な特徴を検知するには、よって作動パラメータを検知するには、必ずしもクランク軸が完全に１回転する必要はない。むしろ、多くのケースでは、クランク軸が１回転する間にいくつかのクランク軸角度インターバルまたはこれに割り当てられるインターバル回転数を評価すれば十分である。

本発明による方法は、特にバッテリーのない内燃エンジンに適用するのが有利である。というのは、交流発電機の回転により該交流発電機の電気エネルギーを電子制御装置の作動に使用でき、したがって交流発電機の最初の交流電圧信号を用いて、作業機の作動パラメータを検知する方法を開始できるからである。

交流電圧信号から導出される多数の作動パラメータは、該作動パラメータを評価のために診断・保守装置に送る可能性をも提供する。この場合、選定した作動パラメータは、診断・保守装置の不揮発性メモリにファイルすることができる。この種のデータは工場での保守に有利に利用できる。

本発明による方法の他の有利な構成では、１つのクランク軸角度インターバルにつき２つのインターバル回転数を算出する。交流発電機の極分布のために、それぞれのクランク軸角度インターバルにおいては交流電圧信号が１回だけ極性を変えるので、３つのゼロ位置が生じる。それ故、各クランク軸角度インターバルをそれぞれ２つのゼロ位置インターバルに簡単に分割できるので、たとえば６個のクランク軸角度インターバルから１２個のゼロ位置インターバルが生じる。１つのゼロ位置インターバルは、電圧信号の連続する２つのゼロ通過点の間の時間間隔によって特定されている。極分布により、２つのゼロ位置間の一定の機械的クランク軸角度間隔は既知であるので、ゼロ位置の既知の機械的間隔と隣り合うゼロ位置の間の時間間隔とから、対応するゼロ位置インターバルに関し１つのインターバル回転数を算出することができる。ゼロ位置は有利には発電機に負荷がないときに特定するのがよい。このため、交流発電機に接続されている電気負荷による電流を、交流電圧信号のゼロ通過点の領域で遮断する。これにより誘導または容量による信号シフトが確実に回避される。交流発電機を、ゼロ通過点手前ほぼ５゜からゼロ通過点後ほぼ１゜まで負荷なしに維持すること、すなわち負荷をオフにすることが有利なことが判明した。

１回のクランク軸の回転のピッチの数ｎは最大で１２であり、有利には４ないし８である。最適な値はｎが５と７の間の数である場合である。後述する実施形態では、ｎは６に選定されている。

特定のクランク軸角度位置（たとえばピストンの上死点の位置）を検出するため、インターバル回転数の回転数推移に回転数極小値があるかどうかを調べることができる。クランク軸角度インターバルに回転数極小値があれば、ピストンはほぼ上死点にある。この場合、クランク軸角度位置を迅速に特定するため、クランク軸角度インターバルにおける電圧信号の極性を評価することができる。ゼロ通過点が１２個あれば、システムは１つのゼロ通過点を検知したときに角度位置を３０゜のグリッド（方眼）でクランク軸に割り当てる。すなわち１２個の異なるクランク軸角度位置が可能である。ゼロ通過点の方向、すなわち交流電圧の半波の極性を補助的に考慮すれば、１２個のゼロ通過点をそれぞれ６個の正のゼロ通過点と６個の負のゼロ通過点の点で区別することができる。それ故、１つの具体的なゼロ通過点においては、６０゜のグリッドをクランク軸の角度に割り当てることができ、これによりクランク軸角度位置を迅速に特定することが可能である。

合目的には、誘導された交流電圧信号のゼロ通過点が好ましくはピストンの上死点手前ほぼ１５゜の位置にあるように整合しているのがよい。これにより、システムが早期に交流電圧信号の位置をクランク軸の回転位置に割り当てて始動条件を改善させることが保障されている。

次に、本発明の実施形態を添付の図面を用いて詳細に説明する。
図１に図示した原理図は単気筒の内燃エンジン１、特に２サイクルエンジンを示している。しかし本発明による方法は単気筒または多気筒の２サイクルエンジンへの適用に限定されるものではない。本発明によれば、単気筒または多気筒の４サイクルエンジン等の往復動機関においても作動パラメータを利用することができる。

図１において、内燃エンジン１はクランクケース３を備えたシリンダ２を有している。クランクケース３内にはクランク軸４が回転するように支持されている。シリンダ２内には燃焼室５が形成され、燃焼室５は上下動するピストン６によって画成されている。ピストン６は連接棒７を介してクランクケース３内のクランク軸４と結合され、クランク軸４を回転駆動させる。図示した実施形態では、燃焼空気用の取り込み口８が燃焼室５に開口し、この場合取り込み口８は掃気通路１４の窓である。さらに、燃焼ガスを燃焼室５から排出させる排出口９が設けられている。

内燃エンジン１には、燃焼空気以外に、気化器１０を介して燃料が供給され、この場合混合気取り込み口１１がクランクケース３に開口している。燃焼空気はエアフィルタ１２を介して吸い込まれ、吸気通路１３と気化器１０とを介して混合気取り込み口１１に供給され、ピストンが上昇するときにクランクケース３内へ吸い込まれる。ピストン６が下降運動すると、クランクケース３内にある混合気が掃気通路１４を介して取り込み口８へ誘導されて燃焼室５内へ流入する。ピストンがさらに上昇すると、吸い込まれた混合気が圧縮され、点火プラグ１５を介して点火される。爆発する燃焼ガスはピストン６を再び下方へ駆動し、その際排出口９が開口して燃焼ガスを排流させる。燃焼空気の供給量は回動可能なスロットルバルブ１０ａにより制御される。

図示した実施形態では、クランク軸４に交流発電機１６が相対回転不能に結合されている。このとき誘導された電圧信号は導線１７を介して信号処理ユニット１８に送られる。信号処理ユニット１８は、点火プラグ１５を制御する点火器１９と接続している。

図２に図示したように、交流発電機１６は交流発電機として構成され、好ましくはたとえばいわゆるクローポール発電機（図２）または星型発電機（図１８）として構成されており、ケーシング固定の、ステータ２７のコイル体２０を有している。ステータ２７は固定穴２４を介してたとえば内燃エンジン１のクランクケース３（図１）に固定されている。クローポール発電機のロータ２１は、図示した実施形態では、内燃エンジン１の冷却空気供給部のファンホイール２５によって形成され、その内周に１２個の永久磁石２３を担持している。永久磁石２３は交互に極性Ｎ，Ｓを持って互いに並設されている。永久磁石２３には保持リング２８が付設されている。保持リング２８は磁気ヨークリングとして構成されていてもよい。ステータ２７は１２個の極２２を有し、これらの極２２を介してそれぞれ、周回するように配置された永久磁石２３の磁気閉回路が生じる。クランク軸４が回転し、よってロータ２１が回転すると、コイル対２０のコイル２９に交番磁場が発生する。この交番磁場は対応する誘導交流電圧信号になる。この誘導交流電圧信号はコイル端に印加することができる。それ自体公知のホールベック(Hallbeck)磁化型マグネットリングが有利である。

コイル体２０はステータ２７としてクランクケース３に固定され、ステータ２７の回転位置、よって個々の極２２の回転位置は、ピストン６の特定の位置に整合している。合目的には、たとえば排出口９が開口しているとき、またはピストン６が上死点にあるとき、或いは取り込み口８が開口しているときに、誘導電圧がゼロ通過点を有するように、ステータ２７の回転位置を設定するのがよい。

図２に図示した交流発電機の理想的な電圧推移を図３に示す。電圧は正規化電圧Ｕ／Ｕ’として図示してあり、クランク軸４の回転位置、すなわちクランク軸角度位置°ＫＷとの関係を図示したものである。

発電機１６の構成はクランク軸の１回転に整合しており、すなわち電圧信号Ｓの振動の周期Ｔがクランク軸の１回転のｎ分の一に相当するように整合している。図３の実施形態では、ｎは３よりも大きな数、好ましくは６よりも大きな数である。ｎがこれよりも大きな、１２以下の数、或いは、これよりも大きい数に設定するのが合目的な場合もある。極の数量は、２０ワットないし２００ワットの電力を提供する発電機が小型であるために、限られている。

電圧信号Ｓの周期Ｔをクランク軸の回転の６分の１であるように設定すれば、周期Ｔは６０゜ＫＷに相当する。これに対応して、クランク軸の１回転（３６０゜ＫＷ）は６つのクランク軸角度インターバルＩ，ＩＩ，ＩＩＩ，ＩＶ，Ｖ，ＶＩに分割されている。これを図３の上側にバーで示し、且つ図４で円グラフで示した。

交流発電機１６のそれぞれの極２２は、正の半波と負の半波とを備えた１つの完全振動を生じさせる。個々の振動は隙間なく互いに接続している。図３に実線の曲線で示した連続的な交流電圧信号が生じる。したがって、６つのクランク軸角度インターバルＩないしＶＩに分割すると、電圧信号Ｓの１２個のゼロ通過点Ｏ１ないしＯ１２が生じる。この場合、各クランク軸角度インターバルＩないしＶＩは２つのゼロ位置インターバルＮ_ｉ（たとえばＮ１とＮ２）に分割される。１つのゼロ位置インターバルＮ_ｉは電圧信号Ｓの連続する２つのゼロ通過点Ｏ_ｉとＯ_ｉ＋１とによって定義されている。クランク軸角度インターバルＩないしＶＩ、或いは、これから生じるゼロ位置インターバルＮ１ないしＮ１２は、信号処理ユニット１８によって評価され、対応するインターバル回転数ｎ_１，ｎ_２，ｎ_３．．．ｎ_１２へ置換される。したがって、各ゼロ位置インターバルＮ_ｉには１つのインターバル回転数ｎ_ｉが割り当てられている。

図４には、それぞれのクランク軸角度インターバルＩないしＶＩ或いはゼロ位置インターバルＮ１ないしＮ１２の割り当てがゼロ通過点Ｏ１ないしＯ１２とともに図示されている。図４から明らかなように、２つのゼロ通過点の間隔、たとえばＯ１とＯ２との間隔はちょうど３０゜ＫＷである。この関係から、ゼロ位置インターバルＮ_ｉにおけるクランク軸４の各速度ωを直接導出することができる。

合目的には、誘導された交流電圧信号Ｓの１つのゼロ通過点Ｏ_ｉが好ましくはピストンの上死点ＴＤＣの手前ほぼ１５゜ＫＷの位置にあるように整合しているのがよい。これにより、内燃エンジンの始動時に、半波の部分負荷を電子系への電圧供給に利用することも達成される。したがって、バッテリーなしでも始動過程時にシステムを早期に作動準備状態にさせることができる。よって好ましい始動条件が得られる。

図５は、内燃エンジン１の作動中における交流発電機１６の電圧信号Ｕと時間ｔとの関係を示すグラフである。これから明らかであるように、図示したゼロ位置インターバルＮ１，Ｎ２，．．．は異なっており、すなわちたとえばゼロ位置インターバルＮ２の時間ｔ２はゼロ位置インターバルＮ１０の時間ｔ１０よりも明らかに長い。これに対応して回転数は対応するインターバルで変化する。

インターバル回転数ｎ_ｉとゼロ位置インターバルＮ_ｉとの関係をプロットすると、始動過程に対しては図６のような回転数推移が明らかになる。図６では、１回のクランク軸の回転に対し算出したインターバル回転数ｎ_１ないしｎ_１２が図示してある。

インターバル回転数の回転数推移とゼロ位置インターバルＮ_ｉの回数との関係を、内燃エンジン１の作動状態に応じて示したのが図６である。クランク軸４の少なくとも１回の完全回転にわたって回転数の推移を見ると、異なる有意な特徴を識別できる。それぞれの有意な特徴は内燃エンジン１の作動パラメータおよび／または内燃エンジンによって駆動される作業機の作動状態に関係づけることができる。求めたインターバル回転数の回転数推移から、内燃エンジンの既知の構造的特徴との関連で、たとえばクランク軸角度位置を簡単に特定することができ、或いは、内燃エンジンの作動負荷を知ることができ、或いは、気化器のスロットルバルブ位置を十分正確に特定することができる。また、内燃エンジン１の燃焼室５内での燃焼の進行具合（たとえば燃焼混合気の燃料濃度）もチェックすることができる。さらに、内燃エンジンの負荷、燃焼室の空気吸い込み効率または充填度、燃焼のラムダ値、自然点火、ノッキング、アフターラン、４サイクル、加速、回転ムラ等の一時的な作動状態および／または定常的な作動状態を検知することもできる。この場合、クランク軸４の実際のクランク軸角度位置゜ＫＷに関係なく、クランク軸４の回転開始とともに、インターバル回転数ｎ_ｉの回転数推移を評価してクランク軸角度位置を特定する。このようなクランク軸角度位置の特定は、すでにクランク軸の最初の回転中に行なう。というのは、回転数推移の有意な特徴は、たとえば上死点ＴＤＣの領域での圧縮、排出口９の開口、或いは掃気通路１４の開口により、当該有意な特徴に関係づけられるクランク軸角度インターバルまたはゼロ位置インターバルの間に際立っているからである。同じ回転数推移を用いて内燃エンジン１の複数個の異なる作動パラメータを検出でき、たとえば評価のために診断装置および／または保守装置３０（図１）に送ることができる。求めた特定の作動パラメータは、診断装置および／または保守装置３０の不揮発性メモリにファイルして、たとえば工場での作業機の保守の際に読み出すことができる。

本発明の第１実施形態によれば、インターバル回転数ｎ_ｉの回転数推移を回転数極小値ｎ_１２に関して調べる。この場合、回転数極小値ｎ_１２に対応するゼロ位置インターバルＮ１２において、クランク軸角度位置はほぼ上死点ＴＤＣでのピストン６の位置に対応する。クランク軸角度位置をより迅速に且つより精密に特定するため、補助的に、電圧信号Ｓの極性をそれぞれのゼロ位置インターバルにおいて、特にゼロ位置インターバルＮ１２においても評価してもよい。図３に図示の理想的な状態に関しては、ゼロ位置インターバルＮ１，Ｎ３，Ｎ５，Ｎ７，Ｎ９，Ｎ１１が正の半波を持ち、他のゼロ位置インターバルが負の半波を持っているので、ゼロ位置インターバルＮ１ないしＮ１２を電子装置により難なく識別することができる。

交流発電機１６の回転位置を、すなわち図２の実施形態においてステータ２７を形成しているコイル体２０の回転位置を、電圧信号Ｓのゼロ通過点Ｏ１２がピストン６の上死点にあるようにすれば、クランク軸角度位置°ＫＷを簡単に特定することができる。

回転数極小値ｎ_１２のゼロ位置インターバルＮ１２が図７のように回転数極小値自体に対し対称であるようにステータ２７の回転位置を調整するのが合目的であることが判明した。このようにすると、隣接するインターバル回転数を比較することにより、算出の大きな手間を要せずに回転数極小値を求めることができる。この場合、ｎ_１１＞ｎ_１２＜ｎ_１である。

図１の内燃エンジンの始動過程は、常に同じ部分で発生する特徴的な回転数加速を示す。多数の始動過程から図８に示すような参照曲線を求めれば、この参照曲線に基づいてクランク軸角度位置を簡単に知ることができる。このため、求めたインターバル回転数を規格化し（ｎ_ｎｏｍ）、対応するゼロ位置インターバルＮ_ｉの参照回転数ｎ_ｒｅｆと比較する。規格化したインターバル回転数との差Ｎ_ｎｏｍ（ｉ）−ｎ_ｒｅｆ（ｉ）は、累積誤差を算出するために用い、２乗し、最後の１２回目のゼロ位置インターバルにわたって加算する。このようにして形成された累積誤差ｅは、ピストンが上死点ＴＤＣの領域にあるときには常にほぼゼロである。すなわち、

である。

図９において、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５で示した部位におけるピストンの位置、よってクランク軸４のクランク軸角度位置がはっきり見て取れ、これに応じて点火器１９の制御を行う。

インターバル回転数の有意な特徴を識別するため、図１０の実施形態では、回転数推移を分析して差曲線Ｄが図示してある。この場合、数学的微分法は演算が面倒であるので適切でない。もし１つのゼロ位置インターバルでの回転数推移を評価すれば、近似的に同等の結果を得ることができる。このため、

を適用する。

１つのゼロ位置インターバルが３０゜ＫＷにわたっているので、Δｎは時間計測によって検出される。このようにして得られた差曲線は、割り当てられたクランク軸角度位置゜ＫＷの１つのゼロ位置インターバルに有意な転回部Ｈを有している。この転回部Ｈは機械的なクランク軸角度の一義的な割り当てを可能にする。

図１１の実施形態では、ゼロ通過点Ｏ_ｉを起点としてクランク軸角度の外挿を行なう。この場合、次のゼロ通過点に到達するまでに角度誤差が確認される。この角度誤差は次のゼロ通過点に到達したときに再びゼロに設定される。外挿の角度誤差の方向性は圧縮または膨張を示唆しており、最大誤差は完全燃焼の後に生じ、すなわち（圧縮による）減速が（燃焼による）加速に転じる時点で生じる。すなわち、
α（ｔ_０＋Δｔ）＝α（ｔ_０）＋ω（ｎ_０）・Δｔ
である。

図１１からわかるように、角度誤差は際立っており、ピストン６の上死点ＴＤＣの領域でのクランク軸角度インターバルへの割り当て、すなわち時点Ｔ_１，Ｔ_２での割り当てを可能にする。

クランク軸角度位置をより正確に確定するため、交流発電機１６の回転位置、すなわちステータ２０の回転角度位置を、電圧信号Ｓの１つのゼロ通過点Ｏ_ｉが点火時点範囲の僅か手前のクランク軸４の回転角度位置にあるように、設定する。好ましくは、交流発電機１６の回転位置を、ゼロ通過点Ｏ_ｉが内燃エンジン１の点火時点範囲直前にあるように設定するのがよい。

図１２および図１３の実施形態では、クランク軸の固定角度位置が既知でなくても、インターバル回転数の回転数推移に基づいて負荷の検出が可能である。最大インターバル回転数ｎ_ｍａｘと最小インターバル回転数ｎ_ｍｉｎとの間の開き４０は、内燃エンジンに加えられる負荷に対する判定基準と見なすことができる。エンジン回転数が一定であれば、最大インターバル回転数ｎ_ｍａｘと最小インターバル回転数ｎ_ｍｉｎとの間の開き４０は負荷の増大に伴って大きくなる。回転数のムラを小さくするため、前記開き４０を連続する複数回のクランク軸回転の平均値として求めることができ、たとえばエンジンに典型的な既知の参照開きと比較することができる。このようにして、前期開き４０が大きければ負荷があると推定でき、前記開き４０が小さければ部分負荷または負荷のない状態であると推定できる。

最大回転数または最小回転数と平均回転数との比率を考慮すること、或いは、圧縮時の回転数勾配と膨張時の回転数勾配とを比較して、これから負荷情報を推定するのも合目的である。

図１４の実施形態では、たとえばスロットルバルブが閉じているアイドリング時には、クランク軸の連続する回転から導出される回転数減少は回転数に依存しているという認識を活用する。回転数減少は検出可能な帯域内にあり、有意な機械量である。

スロットルバルブが開き、よって燃焼室の充填率が大きくなると、圧縮仕事が増大する。スロットルバルブ開いているときの圧縮時における回転数減少の曲線（点線で示した）は、スロットルバルブが閉じているときの回転数減少（実線で示した）の曲線よりも上にある。したがって、現時点でのアイドリング回転数に関係なく、回転数減少の経過と座標系Δｎ／ｎ内でのシフトとに基づいて、スロットルバルブが開いていることを検出できる。

図１５の実施形態では、スロットルバルブの開弁位置に依存したピストン６の圧縮仕事を評価する。図１５に図示した、インターバル回転数の回転数推移は、作動中の内燃エンジンを示している。この場合、階段状曲線５０は、スロットルバルブの開弁率％ＴＶで示したスロットルバルブの開弁位置を表わしている。

燃焼のないサイクルでは、スロットルバルブが閉じていれば、ピストン６の圧縮仕事は著しく小さい。このことは、クランク軸の１回転にわたって低下する回転数推移の下降カーブの高さ５１から検出することができる。図１５の右側に図示したように、スロットルバルブの開弁率がほぼ８０％であれば、燃焼のないサイクルにおいて前記下降カーブ５３の高さ５２は著しく大きい。圧縮仕事が変化したためである。したがって、インターバル回転数ｎ_１ないしｎ_１２の回転数推移は、有意な特徴として、位置センサを必要とせずにスロットルバルブの開弁位置を検出できることを表わしている。

図１６の実施形態では、インターバル回転数の回転数推移において識別できる、仕事行程時の加速を評価する。階段状曲線６０はスロットルバルブ１０ａの開弁率（％ＴＶ）を示し、インターバル回転数の回転数推移は内燃エンジンの作動状態を表わしている。図１６の左側に図示したアイドリング時（スロットルバルブ閉）の回転数ストローク６１は、スロットルバルブ１０ａがほぼ６０％開弁しているときの回転数ストローク６２よりも著しく大きい。スロットルバルブ１０ａが開弁したときの回転数ストローク６２はアイドリング時の回転数ストローク６１よりも著しく小さい。したがって、燃焼に成功した後の回転数ストロークを反復して比較することにより、補助的なセンサを必要とすることなく、内燃エンジンの負荷状態或いはスロットルバルブ１０ａの開弁位置を推定することができる。燃焼が連続して行われたという事実を確認することによって推定してもよい。また、燃焼後の回転数ストロークを検出して、供給された燃焼混合気の化学量論比に置換させてもよい。このようにすると、回転数ストロークにしたがって燃焼混合気の組成を制御することができる。

図１７の実施形態は、内燃エンジン１のパワートレインにおけるねじり振動をいかに検出できるかを示している。特定の作動状態では、圧縮と膨張とによって生じる回転ムラに、クランク軸およびパワートレインのねじり振動が重畳される。クランク軸４の角速度ωとゼロ位置インターバルＮ_ｉとを比較すると、圧縮と膨張が交互に行なわれることにより回転ムラが生じることがはっきり認められる。図１７が示すように、クランク軸の１回転のゼロ位置インターバル６、または、次のゼロ位置インターバル１８（すなわちクランク軸の次の１回転時のゼロ位置インターバル）では、ねじり振動ＤＳが重畳されたことが認められ、このため信号処理ユニットが点火に介入して、ねじり振動ＤＳを伴う作動状態がアクティブな回転数変化により回避できるようにし、或いは、特殊な点火パターンを妨害できるようにする。

特殊なケースでは、クランク軸角度位置の検出の確実性を向上させるため、図２に図示したようなマークＭを設定するのが合目的である。このマークＭは極２２の分岐的構成(abweichende Gestaltung)のなかにあり、電子装置により容易に検出できるような際立った信号推移を発生させる。このような補助的な信号は構成をさらに簡潔にさせるものであり、或いは、作動パラメータを特定するための冗長手段として利用できるものである。

発電機信号を、慣用されている点火システムに供給するようにしてもよい。この場合、本発明による信号評価はこの慣用的な点火システムにおいて点火時点を制御するために有利に利用することができる。高電圧発生は従来慣用的に行なわれている態様で行なうことができる。

発電機が電気的に負荷された場合、負荷によりゼロ通過点Ｏ_ｉの位置に影響することがあるが、これを避けるため、発電機に接続されている負荷をゼロ通過点Ｏ_ｉの領域で基本的にオフにするのが合目的である。この場合、負荷は２つのゼロ通過点の間でのみ発電機からエネルギーの供給を受ける。このときゼロ通過点Ｏ_ｉの時点では発電機に負荷がかからないので、誘導性信号シフトまたは容量性信号シフトが回避される。予想されるゼロ通過点Ｏ_ｉの手前ほぼ５゜ＫＷないしゼロ通過点Ｏ_ｉ後ほぼ１゜ＫＷで負荷をオフにするのが合目的であることが判明した。

図１８には、星型発電機として構成された交流発電機１６の実施形態が図示してある。交流発電機１６は半径方向に星型に指向している複数個の極４２を有している。ステータ４０のコイル体２０は個別のコア（鉄心）４１を積層したものから構成され、個別のコア４１は軸線方向に積層されている。このような積層鉄心はいくつかの支柱状のコイル担持体を有し、これらコイル担持体は半径方向内側から外周４４まで延在している。個々の支柱は突出極４２を形成しており、誘導コイル２２を担持する担持体として用いる。誘導コイル２２のうち少なくとも１つはそれぞれ１つの支柱状担持体の上に配置されている。図示した実施形態では、全部で１２個の支柱が設けられており、これらの支柱は周方向に等間隔Ｕで、好ましくは互いに３０゜の角度を持って配置されている。

ステータ４０を固定するため、互いにほぼ対向する２つの支柱に、軸線方向に連続的に延在する固定穴４８が設けられている。固定穴４８はコア４１を貫通し、ステータ４０をたとえばクランクケース３（図１）に相対回転不能に固定するための固定ねじを受容するために用いる。固定穴４８を備えた支柱はコイルなしで形成される。ステータ４０は鋳造するのが有利であり、このため、支柱状の極４２の足部に、積層鉄心４３の端面を越えて軸線方向に突出する筒状の底板４５が取り付けられている。これに対応して支柱はその自由端に密閉板４６を担持している。密閉板４６の軸線方向の長さは底板４５の軸線方向の高さに相当している。底板４５と密閉板４６との間の空間は注型樹脂で充填される。これによりコイルは個々の支柱状の極４２に固定され、機械的な損傷から保護される。

固定穴４８を備えた支柱は、周方向において片側に４個の極４２が、他側に６個の極４２が固定穴４８の間にあるように選定されている。互いに結線されているコイル２９の合成信号は、図３または図５に図示したような交流信号Ｓに相当している。

ロータ５２は、図２の実施形態の場合と同様に、内燃エンジンのファンホイール５１によって形成されている。ステータ４０側には、好ましくは一体のマグネットリング６０を挿着して受容するための容器状の受容部５５が形成されている。マグネットリング６０は周方向において等間隔ＡでＮ極ＮまたはＳ極Ｓとして交互に磁化されている。このようにして周方向に１２個の永久磁石２３が形成されている。

マグネットリング６０をロータ５２の容器状受容部５５に回転適正に位置づけるため、端面側にロック溝３９が設けられている。これらのロック溝３９によりファンホイール５１の回転位置に対するマグネットリング６０の位置が特定され、よってクランク軸に対する位置が特定される。

取り付け状態においては、一体のマグネットリング６０はその内周がステータ４０の外周４４上方に間隔を持って位置する。ステータ４０は完全にマグネットリング６０の中にある。ロータ５２が回転すると、マグネットリング６０の交互磁化により極４２に交互磁束が発生し、図３および図５に図示したような交流電圧信号Ｓが誘導される。

内燃エンジンの概略構成図である。 クランク軸により回転駆動される交流発電機（クローポール発電機）の構成の斜視図である。 多極交流発電機の理想的な電圧推移とクランク軸角度との関係を示すグラフである。 図３の電圧信号のゼロ通過点を割り当てた、１回のクランク軸の回転を説明する図である。 図２の交流発電機の実際的な交流電圧信号示すグラフである。 交流発電機を備えた内燃エンジンの、インターバル回転数から形成された回転数推移を示すグラフである。 交流発電機の回転位置と回転数最小値との関係を示すグラフである。 回転数推移に対する参照曲線を示すグラフである。 図８の参照曲線に対する累積誤差をも併せて示した、始動過程における内燃エンジンの回転数推移を示すグラフである。 回転数推移の差曲線をも併せて示した、始動過程における内燃エンジンの回転数推移を示すグラフである。 角度位置を外挿したときの、１つのゼロ位置から次のゼロ位置までの角度誤差の推移を示すグラフである。 内燃エンジンが完全負荷（フルスロットル）で作動しているときの回転数推移を示すグラフである。 部分負荷時の回転数推移を示す図１２に対応するグラフである。 気化器のスロットルバルブ開閉時の回転数の減少の推移を示すグラフである。 スロットルバルブの開度をも併せて図示した、内燃エンジン作動時の回転数推移を示すグラフである。 内燃エンジンの回転推移を示す図１５に対応する図である。 パワートレインに際立ったねじり振動が発生する作動時の、クランク軸の角速度を示すグラフである。 星型発電機として構成された交流発電機の概略構成図である。

符号の説明

１ 内燃エンジン
２ シリンダ
３ クランクケース
４ クランク軸
５ 燃焼室
６ ピストン
１０ 気化器
３０ 診断・保守装置
Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩ，ＩＶ，Ｖ，ＶＩ クランク軸角度インターバル
Ｎ１，Ｎ２，Ｎ，．．．Ｎ_ｉ ゼロ位置インターバル
ｎ_１，ｎ_２，．．ｎ_ｉ インターバル回転数
Ｏ１，Ｏ２，．．Ｏ_ｉ ゼロ通過点
ｅ 累積誤差
Ｒ 参照曲線
Ｓ 電圧信号

Claims (19)

1. 内燃エンジンを備えた作業機の作動パラメータを検知する方法であって、少なくとも１つのシリンダ（２）と、クランクケース（３）と、ピストン（６）によって画成されるようにシリンダ（２）内に形成され、クランクケース（３）内に支持されているクランク軸（４）を回転駆動する燃焼室（５）と、燃焼室（５）に開口している燃焼空気取り込み口（８）と、燃焼室（５）から燃焼ガスを排出させるための排出口（９）と、クランク軸（４）によって回転駆動され、クランク軸（４）が１回転する間に連続的な交流電圧信号（Ｓ）を発する交流発電機（１６）とを有する内燃エンジンを備えた作業機の作動パラメータを検知する方法において、
   １つの電圧信号（Ｓ）の周期（Ｔ）がクランク軸（４）の１回転のｎ分の一に相当し、ｎは２よりも大きな数であること、
   クランク軸（４）の１回転のｎ分の一が１つのクランク軸角度インターバル（Ｉ，ＩＩ，．．．ＶＩ）を形成し、それぞれのクランク軸角度インターバル（Ｉ，ＩＩ，．．．ＶＩ）に対し少なくとも１つの情報を検出すること、
   クランク軸角度インターバル（Ｉ，ＩＩ，．．．ＶＩ）の前記情報がクランク軸角度の推移を表わし、前記情報から形成される前記推移から有意な特徴を検出し、１つの有意な特徴に、作業機を駆動する内燃エンジン（１）の１つの作動パラメータとしてのクランク軸（４）のクランク軸角度位置を割り当てること、
   １つのクランク軸角度インターバル（Ｉ，ＩＩ，．．．ＶＩ）を２つのゼロ位置インターバル（Ｎ１，Ｎ２，．．．Ｎ _ｉ ）に分割し、１つのゼロ位置インターバル（Ｎ１，Ｎ２，．．．Ｎ _ｉ ）が電圧信号（Ｓ）の連続する２つのゼロ通過点（Ｏ１，Ｏ２，．．Ｏ _ｉ ）の時間間隔（ｔ）であること、
   交流発電機（１６）に負荷がないときにゼロ通過点（Ｏ _ｉ ）を特定すること、
   交流発電機（１６）に接続されている電気負荷による電流を、交流電圧信号（Ｓ）のゼロ通過点（Ｏ _ｉ ）の領域で遮断すること、
   前記情報として、それぞれのインターバル回転数（ｎ _１ ，ｎ _２ ，．．ｎ _ｉ ）を対応するゼロ位置インターバル（Ｎ１，Ｎ２，．．．Ｎ _ｉ ）に関して算出し、インターバル回転数（ｎ_１，ｎ_２，．．ｎ_ｉ）がクランク軸（４）の少なくとも１回の完全な回転にわたる回転数の推移を表わし、インターバル回転数（ｎ_１，ｎ_２，．．ｎ_ｉ）の回転数の推移から有意な特徴を検出すること、
   クランク軸（４）のクランク軸角度位置とは独立に、クランク軸（４）の回転開始とともにインターバル回転数（ｎ_１，ｎ_２，．．ｎ_ｉ）の回転数の推移を算出し、評価すること、
   を特徴とする方法。
2. 作業機の作動パラメータが、工具の負荷、ヒーターの作動状態、作業機の弁の作動状態、工具の磨耗状態等であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 内燃エンジン（１）の作動パラメータが、作動負荷、気化器のスロットルバルブの位置、燃焼推移、燃焼混合気の濃度、または内燃エンジンの他の作動パラメータであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 内燃エンジン（１）の複数個の作動パラメータを検出し、評価のために診断・保守装置（３０）に送ることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 選定した作動パラメータを、診断・保守装置（３０）の不揮発性メモリにファイルすることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 交流発電機（１６）に接続されている電気負荷による電流を、ゼロ通過点（Ｏ_ｉ）手前ほぼ５゜（ＫＷ）からゼロ通過点（Ｏ_ｉ）後ほぼ１゜（ＫＷ）まで遮断することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
7. 前記ｎが整数であり、ｎは好ましくは３と１２の間の数、特に５と７の間の数であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
8. インターバル回転数（ｎ_１，ｎ_２，．．ｎ_ｉ）の回転数推移を、回転数極小値があるかどうかに関し調べ、該回転数極小値のクランク軸角度インターバルに所定のクランク軸角度位置を割り当て、好ましくは上死点（ＴＤＣ）におけるピストン（６）の位置を割り当てることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
9. クランク軸角度位置を特定するため、クランク軸角度インターバル（Ｎ１，Ｎ２，Ｎ，．．．Ｎ_ｉ）における電圧信号（Ｓ）の極性を評価することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
10. 回転数極小値のクランク軸角度インターバルが回転数極小値に対し対称になるように、交流発電機（１６）の回転位置を調整することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
11. インターバル回転数（ｎ_１，ｎ_２，．．ｎ_ｉ）の回転数推移を参照曲線（Ｒ）と比較すること、参照曲線（Ｒ）からのずれを累積誤差（ｅ）として検出し、最小累積誤差（ｅ）を持ったクランク軸角度インターバルに所定のクランク軸角度位置を割り当てることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
12. インターバル回転数（ｎ_１，ｎ_２，．．ｎ_ｉ）の回転数推移を微分し、微分した曲線（Ｄ）に有意な転回部を持ったクランク軸角度インターバルに、特徴的なクランク軸角度位置を割り当てることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
13. クランク軸（４）の１つのクランク軸角度位置における電圧信号（Ｓ）のゼロ通過点（Ｏ_ｉ）が点火時点範囲のいくぶん手前にあるように、好ましくは点火時点範囲の直前にあるように、交流発電機（１６）の回転位置が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
14. エンジンユニット（１９）における交流発電機（１６）の回転位置とピストン（６）の上死点（ＴＤＣ）とは、交流電圧信号（Ｓ）の１つのゼロ通過点（Ｏ_ｉ）が好ましくはピストン（６）の上死点（ＴＤＣ）手前ほぼ１５゜（ＫＷ）であるように整合していることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
15. 回転数推移の最大インターバル回転数（ｎ_ｍａｘ）と最小インターバル回転数（ｎ_ｍｉｎ）との間の開き（４０）を、印加された負荷の判定基準として評価することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
16. クランク軸の１回転以内での前記開き（４０）を評価することを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
17. 特定の作動状態で、クランク軸の連続する回転間における連続的な回転数減少（Δｎ）を検出すること、次の作動状態で、クランク軸の連続する回転間における連続的な回転数減少（Δｎ）を検出して最初の作動状態の回転数減少と比較し、最初の作動状態の回転数減少の曲線以下の位置であれば気化器（１０）のスロットルバルブが閉じており、最初の作動状態の回転数減少の曲線以上の位置であれば気化器（１０）のスロットルバルブが開いていることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
18. 燃焼が成功した場合の回転数ストローク（６１，６２）を検出して比較値と比較し、比較値を越えている場合には気化器（１０）のスロットルバルブ（１０ａ）が閉じており、比較値を下回っている場合には気化器（１０）のスロットルバルブ（１０ａ）が開いていることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
19. 燃焼後の回転数ストローク（６１，６２）を検出して、供給された燃焼混合気の化学量論比に置換し、回転数ストローク（６１，６２）にしたがって燃焼混合気の組成を制御することを特徴とする、請求項１に記載の方法。

Images