JP5001792B2

JP5001792B2 - エンジン回転数制御装置

Info

Publication number: JP5001792B2
Application number: JP2007292704A
Authority: JP
Inventors: ウメルジャン・サウット; 真也山口
Original assignee: Nikki Co Ltd
Current assignee: Nikki Co Ltd
Priority date: 2007-11-12
Filing date: 2007-11-12
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2027-11-12
Also published as: JP2009121239A; US20090120409A1

Description

本発明は、エンジン回転数制御装置に関し、殊に、汎用エンジンについてエンジン回転数を検知しながらアクチュエータに出力してスロットル開度を調整することにより、そのエンジン回転数を所定の回転数に維持するように制御するエンジン回転数制御装置に関する。

従来、例えば特開平４−１１６２５６号公報等に記載されているように、スロットルバルブで吸入空気量が調整され気化器で燃料を供給される少数気筒のエンジンである汎用エンジンの分野においても、スロットルバルブの開度を電動アクチュエータを介した電子的制御手段で制御してエンジン回転数を所定の回転数に維持させる電子ガバナが広く普及している。

このような電子ガバナによるエンジン回転数制御は、エンジン回転数（回転速度）の検出信号をフィードバック処理してスロットルバルブの角度を制御するモータを駆動させることにより行われるが、モータはフィードバック信号によりスロットル角位置を制御されることから、このモータの駆動操作において正転及び逆転を行う必要がある。

そのため、モータの駆動回路として正回転用と逆回転用との両方が必要となり、例えば直流モータの場合には、駆動回路として通常４個の電力用半導体（パワーＦＥＴ等）及び正回転と逆回転とを切り換える回路が必要となるために装置が複雑になりやすく、その信頼性も低下しやすいものとなる。さらに、エンジン回転数検出用のセンサに加えてスロットル角制御のためにスロットル角度センサも必要となるため、低廉さが求められる汎用エンジンにおいてはこれら多数の部品類がコスト上のネックとなりやすい。

一方、上述した電子ガバナによる汎用エンジンの回転数制御においては、電子ガバナの一部を構成する電子制御装置がアクチュエータであるステップモータ等への指令値をＰＩＤ制御することが一般的であるが、このような非線形要素が多いシステムにおいては制御対象の特性が変化した場合には、充分な制御が確保できない状況に陥りやすい。

そこで、制御対象であるエンジン回転数の特性の変化に対応してロバストな制御を実行することが特開２００３−２３１４２４号公報に提案されている。この制御方法を用いると制御対象の特性が変化した場合であっても的確な対応が可能で、エンジン回転数を所望のレベルに維持しやすいものとなる。しかしながら、この技術においても上述したセンサ類及び正逆回転用の駆動回路が必要でコスト面・信頼性の問題は充分に解決されていないため、汎用エンジン分野において広く普及するには至っていない。
特開平４−１１６２５６号公報特開２００３−２３１４２４号公報

本発明は、上記のような問題点を解決しようとするものであり、汎用エンジンについて、コストの高騰や装置の信頼性を低下させることなく、良好なエンジンの回転数制御を実現できるようにすることを課題とする。

前記課題を解決するためになされた本発明は、電子的制御手段及びスロットルバルブ開閉手段を備えており、スロットルバルブ及び気化器が設けられた吸気通路に燃料混合気を供給して駆動するエンジンを、前記電子的制御手段がエンジン回転数検出手段で検知したエンジン回転数を基に前記スロットルバルブ開閉手段で前記スロットルバルブを開閉操作して吸入空気量を調整することにより、所定のエンジン回転数を維持するように制御するエンジン回転数制御装置において、前記スロットルバルブ開閉手段が、前記スロットルバルブの開閉を１方向のみに回転駆動するモータ及びこのモータの回転に対し逆方向に付勢するリターンスプリングにより形成されており、前記モータの回転力及びリターンスプリングの弾性反発力により前記スロットルバルブを開閉することにした。

エンジン回転数を制御する電子的制御手段により駆動操作されるスロットル開閉手段について、本発明ではリターンスプリングの付勢力を利用することでモータを１方向のみに駆動操作してスロットルバルブの開方向と閉方向との両動作を制御できるようになるため、従来のようにモータの駆動に多数の駆動回路を要さないものとなり、構成とよりシンプルとなってその信頼性を確保しやすいものとしながらコストの低廉化を実現できる。

またこの場合、そのスロットル開閉手段は、モータによる一定方向の回転力でスロットルバルブの開動作を行うとともにリターンスプリングによるスロットルバルブ閉動作の角位置制御を行うものとすれば、比較的簡易な構成・簡易な処理手順で迅速且つ適切な制御が可能である。

さらに、上述したエンジン回転数制御装置において、その電子的制御手段はＰＩＤ制御の代わりに所定のロバストスライディングモード制御によるエンジン回転数制御を実行するものとすれば、高いロバスト性が要求されるサーボ系のエンジン回転数制御においても、制御の安定性・的確性を確保し易い。

さらにまた、このロバストスライディングモード制御を用いたエンジン回転数制御装置において、その電子的制御手段が検知しているエンジン回転数データのみを用いてフィードバック制御を行い、スロットル角センサを用いることなく所定のエンジン回転数を維持することを特徴とするものとすれば、スロットル角センサを省くことが可能でより低コストなものとなる。

リターンスプリングを使用してモータを１方向の回転のみで駆動制御してスロットルバルブの開・閉両方の動作を制御するものとした本発明によると、コストの高騰や装置の信頼性を低下させることなく、汎用エンジンにおける良好な回転数制御を実現することができるものである。

以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態を説明する。

本実施の形態のエンジン回転数制御装置を配設したエンジンシステムを示す図１の配置図を参照して、エンジン１は所謂汎用エンジンを想定しているが、その吸気通路２途中にはスロットルバルブ４０を備えて気化器を兼ねるスロットルバルブ開閉手段としての電子ガバナ装置４が配設されている。また、その電子ガバナ装置４の気化器部分には燃料タンク３からの燃料供給配管が接続されている。

一方、エンジン１のフライホイール外周側には点火装置６が配設されて点火プラグ５に点火信号を出力するようになっている。この点火装置６の近傍にはクランク角センサ７が配設され、電子制御ユニット１０に検出信号を出力するようになっている。

これにより、エンジン移転数を連続的に検知している電子制御ユニット１０がフィードバック制御で電子ガバナ装置４のスロットルバルブ４０開閉操作してエンジン回転数を制御するようになっており、この電子制御ユニット１０と電子ガバナ装置４とで、本実施の形態のエンジン回転数制御装置を構成している。

このスロットルバルブ開閉手段としての電子ガバナ装置４には、スロットルバルブ４０開閉用アクチュエータとして図示しないモータが配設されており、これが電子制御ユニット１０に駆動制御されてスロットル角（開度）を調整されるようになっている。そして、このモータはスロットルバルブ４０を開き側に動作させる正転方向のみに駆動し、閉じ側に動作させる逆転方向はリターンスプリングの付勢力（弾性反発力）で駆動するようになっている。尚、回転軸を一方向へモータ駆動するとともにリターンスプリング（例えば回転軸に付設したコイルスプリング）の付勢力により逆回転させる機構そのものについては周知の技術を用いることで実施可能であり、詳細な説明については省略する。

即ち、モータは従来において正転用と逆転用の４つの電力用半導体、さらに正逆切換え用の駆動回路で電流供給されて動作するものであったのに対し、本実施の形態では逆転方向の動作をリターンスプリングで行いモータは正転１方向のみに使用することにしたことで、逆転用の電力用半導体と切換え用の回路が不要であることから、駆動回路のハード構成が極めてシンプルなものとなっている。

また、このモータの正転方向の駆動力を利用して、図示しないリターンスプリングによる逆転方向の動作、即ち閉方向におけるスロットル角位置についても制御が可能となり、簡易な構成でスロットル４０閉動作においても所望の角度に制御できるようになっており、制御の遅れが生じることなく的確なエンジン回転数を実現しやすいものとなっている。

さらに、本実施の形態であるエンジン回転数制御装置の電子的制御手段を構成する電子制御ユニット１０による制御は、従来一般的であったＰＩＤ制御を用いる代わりにロバストスライディングモード制御の手法を用いることにより、エンジン制御システムのように非線形要素が多く高いロバスト性が要求されるサーボ系のシステムにおいても、安定した制御を実現することができる。

そして、本実施の形態ではエンジン１の回転速度の制御が目的であるため、回転速度のみをクランク角センサ７によりフィードバックして、電子制御ユニット１０における制御アルゴリズムを工夫することによりスロットル角センサがなくてもエンジン回転数の制御を実行することが可能となるため、スロットル角センサを省略した構成となっている。

次に、本実施の形態のエンジン回転数制御装置による制御内容の詳細について説明する。電子制御ユニット１０による電子ガバナ装置４の駆動制御は、クランク角センサ７からの入力信号をフィードバックし、エンジン回転数が目標回転数になるように、次式のように設計する。

上述した数式において、U_ａは駆動モータ制御入力、Nはエンジン回転数、N_ｄは目標エンジン回転数、e(t)は目標エンジン回転数に対する誤差であり、Fはゲイン、g₁〜g₃及びs₁〜s₃はそれぞれ制御パラメータである。そして、本実施の形態のエンジン回転数制御装置による制御目的は、負荷変動などがあってもエンジン１の回転数をある一定の目標値に制御することにあるが、その制御手順は以下の通りである。

エンジン１を始動したとき、エンジン回転数に比例した出力がクランク角センサ７からなされ、電子制御ユニット１０にエンジン回転数データとして入力される。電子制御ユニット１０では、検知しているエンジン回転数が目標エンジン回転数になるように演算処理を行い、その結果を電子ガバナ装置４に出力して吸入空気量を制御する。これにより、目標エンジン回転数が急激に変化しても実際のエンジン回転数は、指定された目標エンジン回転数に対し定常誤差がないように制御される。

図２は本実施の形態による制御結果（実験結果）を示すグラフであり、上段はエンジン回転数の変動を示し、下段はそのときの負荷スイッチ（ＯＮ＝１、ＯＦＦ＝０）の操作状態を示している。この実験結果から、目標エンジン回転数が３６００ｒｐｍの場合に、与えられた目標エンジン回転数に対してクランキング開始から４秒程度でオーバーシュートなく収束していることが分かる。

このとき、エンジン回転数の立ち上がりも目標値が近づくに従って穏やかになっており、非常に良好な結果が得られている。負荷断続運転の状況で負荷をステップ入力すると、１３０ｒｐｍ（瞬時回転速度変化率２．８％）のアンダーシュートを生じ、整定時間は０．３秒であった。逆に負荷を除くと、１００ｒｐｍ（瞬時回転速度変化率３．６％）のオーバーシュートを生じ、整定時間は０．３秒であった。このように整定性能は極めて良好であり、定常偏差も１００ｒｐｍ（整定回転速度変化率２．８％）と小さかった。このことから、本実施の形態による制御が極めて有効であることが確認できた。

以上、述べたように、汎用エンジンについて、本発明によりコストの高騰や装置の信頼性を低下させることなく、良好なエンジン回転数制御を実現できるようになった。

本発明における実施の形態を示す配置図。図１のエンジン回転数制御装置による制御結果を示すグラフ。

符号の説明

１エンジン、２吸気通路、４電子ガバナ装置、７クランク角センサ、１０電子制御ユニット、４０スロットルバルブ

Claims

電子的制御手段及びスロットルバルブの開閉を１方向のみに回転駆動するモータ及びこのモータの回転に対し逆方向に付勢するリターンスプリングにより形成されており、前記モータの一定方向の回転力で前記スロットルバルブの開動作を行うとともにリターンスプリングの弾性反発力により前記スロットルバルブを開閉するとともに前記リターンスプリングによる前記スロットルバルブ閉動作の角位置制御を行うスロットルバルブ開閉手段を備えており、スロットルバルブ及び気化器が設けられた吸気通路に燃料混合気を供給して駆動するエンジンを、前記電子的制御手段がエンジン回転数検出手段で検知したエンジン回転数を基に前記スロットルバルブ開閉手段で前記スロットルバルブを開閉操作して吸入空気量を調整することにより、所定のエンジン回転数を維持するように制御するエンジン回転数制御装置において、前記電子的制御手段は、ＰＩＤ制御の代わりに所定のロバストスライディングモード制御によるエンジン回転数制御を実行することを特徴とする請求項１または２に記載したエンジン回転数制御装置。
前記電子的制御手段は、検知しているエンジン回転数データのみを用いてフィードバック制御を行い、スロットル角センサを用いることなく所定のエンジン回転数を維持することを特徴とする請求項１に記載したエンジン回転数制御装置。