JP6501396B2 - 手持ち式エンジン作業機 - Google Patents

Description

本発明は、手持ち式エンジン作業機に係わり、詳細には、電子制御式の気化器を備えた手持ち式エンジン式作業機、例えば、チェーンソー、エンジンカッター、ヘッジトリマーに関する。

チェーンソー等の手持ち式エンジン作業機のエンジンの出力は、気化器やエンジンのばらつき、及び、使用環境（例えば、気温、気圧、湿度、燃料の種類）によって変化する。エンジンを設計出力（所定の空燃比）で運転させるために、電子制御式の気化器を備えた手持ち式エンジン作業機が知られており、かかる気化器は、気化器内への燃料供給量を調整するためのソレノイドバルブを備えている（例えば、特許文献１参照）。ソレノイドバルブの開度に対応する制御値を変えて、気化器内への燃料供給量を調整することにより、手持ち式エンジン作業機を所定の設計出力で運転することができる。

手持ち式エンジン作業機のメーカーは、出荷前、手持ち式エンジン作業機の無負荷運転（領収運転）を行い、エンジンを設計出力で運転するための暫定的な上記制御値（領収運転制御値Ｖ０）を決定する。一方、手持ち式エンジン作業機の出荷後、手持ち式エンジン作業機が実際に使用される環境は、領収運転を行った環境と異なり、例えば、気温、気圧、燃料の種類が変化する。このため、使用環境において運転するとき（実機運転）、エンジンを設計出力で運転するための上記制御値（実機運転制御値）は、領収運転制御値Ｖ０と異なっている。したがって、実機運転において実機運転制御値を決定することが有利である。

特許文献１は、実機運転制御値を自動的に決定する手持ち式エンジン作業機の制御方法を記載している。概略的には、手持ち式エンジン作業機を使用環境において無負荷で運転し、スロットル全開時のエンジンの回転数が目標回転数になるように、例えば、ソレノイドバルブの開度に対応する制御値のＰＩ制御を行う。ＰＩ制御において、目標回転数に対する現在の回転数の偏差を用いてＰＩ演算を行い、制御値をＰＩ演算結果だけ大きくしたり小さくしたりする。

詳しくは、エンジンの始動後、エンジン回転数が、所定のエンジン回転数の範囲の外にあるとき、ＰＩ制御を行わず、所定のエンジン回転数の範囲内にあるとき、ＰＩ制御を行う。また、エンジン回転数が目標回転数よりも低いとき、燃費を薄くするためにソレノイドバルブの開度を小さくするようにソレノイドバルブの制御値を変更し、エンジンの回転数が目標回転数よりも高いとき、燃費を濃くするためにソレノイドバルブの開度を大きくするようにソレノイドバルブの制御値を変更する。連続する一定数の回転の間、エンジン回転数が所定の許容範囲内にあり且つ制御実施回数が所定の回数に達したら、ＰＩ制御を終了し、そのときの制御値を実機運転制御値として決定する。

図５は、特許文献１に記載された制御を行いながら無負荷でチェーンソーの実機運転を行った一例において、実機運転制御値が決定された時点付近のエンジン回転数と制御値の時間変化を示す図である。なお、ソレノイドバルブの開度に対応する制御値を、ソレノイドバルブ全開時の０パーミル（千分率）と、全閉時の１０００パーミルの間で直線的に変化するように定めた。また、エンジンの始動後、エンジンの１回転ごとに、エンジンの回転数を計算した。また、スロットルを全開にして数秒間維持した後、スロットルを全閉にして数秒間維持することを繰返すレーシング運転を行った。

図５において、エンジンの始動後、エンジン回転数が所定の回転数の範囲（１１０００〜１４０００ｒｐｍ）の外にあるとき（Ａ５）、ＰＩ制御を行わず、所定の回転数の範囲（１１０００〜１４０００ｒｐｍ）内にあるとき（Ｂ５１、Ｂ５２）、ＰＩ制御を行った（Ｃ５３）。また、エンジンの回転数が目標回転数（１２０００ｒｐｍ）よりも低い範囲内（Ｂ５１）にあるとき、ソレノイドバルブの開度を小さくして燃費を薄くするために制御値を大きくし（Ｃ５４）、エンジンの回転数が目標回転数（１２０００ｒｐｍ）よりも高い範囲内（Ｂ５２）にあるとき、ソレノイドバルブの開度を大きくして燃費を濃くするために制御値を小さくした（Ｃ５５）。連続する一定数（例えば、５０００回）の回転の間、エンジン回転数が所定の範囲内（例えば、１１５００〜１２５００ｒｐｍ）にあり且つ制御値が変化しなくなったら（Ｃ５６）、ＰＩ制御を終了し、そのときの制御値を実機運転制御値として決定した。具体的には、図５における３回目の運転において、５０００回の回転の間エンジン回転数が所定の範囲内（１２０００±５００ｒｐｍ）にあり且つ制御実施回数が所定の回数（３０回）に達したら（Ｃ５６）、ＰＩ制御を終了し（Ｃ５３’）、そのときの制御値を実機運転制御値として決定した。

図５に示した例において、スロットルを全開にすると、エンジン回転数は、ほとんどオーバーシュートすることなしに１２０００ｒｐｍ付近まで上昇した（Ｃ５１）。スロットルを戻すと、エンジン回転数はアイドル回転数まで低下した（Ｃ５２）。上昇した後のエンジン回転数の変動は、比較的小さかった。

なお、手持ち式エンジン作業機のメーカーが出荷前に、上記工程により決定した制御値が、領収運転制御値であり、基準値として用いられる。

特開２０１３−２０４５５２号公報

特許文献１に記載された方法では、作業前、無負荷のレーシング運転を一定時間行う必要がある。しかしながら、現場の作業者は、上述した制御値の決定に必要な時間にわたって、無負荷のレーシング運転を行わずに、すぐに有負荷の作業を開始する場合がある。

本願発明者は、制御値の決定に必要な時間に有負荷の作業を開始した場合、特許文献１に記載された制御を行うとどのようになるかを検証した。図６は、特許文献１に記載された制御を行いながら有負荷でチェーンソーの実機運転を行った一例において、実機運転制御値が決定された時点付近のエンジン回転数と制御値の時間変化を示す図である。

図６において、スロットルを全開にすると、エンジン回転数は、１２０００ｒｐｍを超えて上昇した（Ｃ６１）。その後、チェーンソーが木材等の切断（負荷）を開始すると、エンジン回転数が１２０００ｒｐｍよりも低下し（Ｃ６２）、切断の間、１２０００ｒｐｍよりも低下したままであった。その後、切断終了後、エンジン回転数は、１２０００ｒｐｍを超えて上昇し（Ｃ６３）、スロットルを戻すと、エンジン回転数はアイドル回転数まで低下した（Ｃ６４）。この状態でエンジン回転数が１１０００〜１４０００ｒｐｍにある間、ＰＩ制御を行った（Ｃ６５）。すなわち、エンジンの回転数が目標回転数に対して少ないか多いかに応じてそれぞれ、制御値を大きくしたり（Ｃ６６）小さくしたりした（Ｃ６７）。図６における３回目の運転において、制御値は、最大値（１０００パーミル）に達した。図６における４回目の運転において、５０００回の回転の間エンジン回転数が所定の範囲内（１２０００±５００ｒｐｍ）にあり且つ制御実施回数が所定の回数（３０回）に達したので（Ｃ６７）、ＰＩ制御を終了し（Ｃ６５’）、その制御値を実機運転制御値として決定した。

図６から分かるように、有負荷状態で実機運転制御値の決定を行うと、チェーンソーが木材等を切断してエンジン回転数が低下しているときにＰＩ制御を行っているため、制御値が次第に上昇している。この場合、エンジンの回転数が高くなり過ぎ、エンジンにとって焼付き等の危険な状態になる可能性がある。実際には、エンジン回転数は、危険な状態を防ぐために、１４０００ｒｐｍを上限値としているが、その上限値に達するときがあった。また、制御値も最大である１０００パーミルに達するときがあった。その結果、図６において決定された実機運転制御値は、無負荷において決定されるべき実機運転制御値よりもかなり大きい値になった。すなわち、気化器への燃料供給量は適正ではない。なお、エンジン回転数の上限値を設けていることにより、図６に示すように、実機運転制御値を決定した後に無負荷実機運転を行ったとき、エンジン回転数の変動が大きくなることがある（Ｃ６９）。また、制御値は１０００パーミルを超えることはできないので、実機運転制御値が１０００パーミルに近い値になるほど、制御不能になる可能性がある。

そこで、本発明は、作業者が、制御値を決定するために必要な一定時間にわたる無負荷運転を実施せずに有負荷運転で作業を開始した場合であっても、無負荷において決定されるべき実機運転制御値から離れすぎない実機運転制御値が得られ、無負荷において許容できる安定した回転が得られる手持ち式エンジン作業機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明による手持ち式エンジン作業機は、電子式気化器を含むエンジンと、前記電子式気化器に接続されたコントローラと、を有し、前記電子式気化器は、気化器内への燃料供給量を調整するソレノイドバルブを含み、前記コントローラは、前記エンジンの回転数が所定の高速回転数の範囲内にあり、且つ、前記エンジンの回転数が所定の回転数よりも低いとき、前記ソレノイドバルブの開度を小さくするように前記ソレノイドバルブの制御値を変更し、前記エンジンの回転数が所定の高速回転数の範囲内にあり、且つ、前記エンジンの回転数が所定の回転数よりも高いとき、前記ソレノイドバルブの開度を大きくするように前記ソレノイドバルブの制御値を変更し、前記ソレノイドバルブの開度を小さくするように前記ソレノイドバルブの制御値を変更するとき、全閉よりも大きい所定の開度に対応する制御値を限界値とすることを特徴としている。

従来技術の制御は、エンジン作業機が有負荷状態である鋸断時にエンジン回転数が目標回転数よりも低下したときときであっても、無負荷状態に適用されるＰＩ制御が行われる。そして、ＰＩ制御を実行し続けると、制御値が次第に大きくなり、目標回転数に対応する制御値よりもかなり大きくなる。結果として、有負荷状態で決定された実機運転制御値を用いて、無負荷運転を行うと、エンジン回転数のハンチングが生じて、作業者に不快感を与えることがあった。これに対して、本願発明による手持ち式エンジン作業機では、鋸断時のエンジン回転数の低下がＰＩ制御に取り込まれるが、制御値に限界値を設けることによって、ＰＩ制御への悪影響を軽減している。結果として、有負荷状態において本発明による手持ち式エンジン作業機で決定される実機運転制御値は、有負荷状態において従来技術の手持ち式エンジン作業機で決定される実機運転制御値よりも小さくなる。それにより、本発明による手持ち式エンジン作業機で決定された実機運転制御値を用いて無負荷運転を行った場合、エンジン回転数の変動が小さい安定した回転が得られ、作業者に不快感を与えない。

本発明による手持ち式エンジン作業機の実施形態において、好ましくは、前記限界値は、領収運転時に決定された制御値に対して、前記ソレノイドバルブを開く方向に予め設定された値だけ変化させることによって定められる。

本発明による手持ち式エンジン作業機の実施形態において、好ましくは、手持ち式エンジン作業機は、チェーンソー、エンジンカッター、又は、ヘッジトリマーである。

本発明による手持ち式エンジン作業機によれば、作業者が、制御値を決定するために必要な一定時間にわたる無負荷運転を実施せずに有負荷運転で作業を開始した場合であっても、無負荷において決定されるべき実機運転制御値から離れすぎない実機運転制御値が得られ、無負荷において許容できる安定した回転が得られる。

カバーを省略した本発明によるチェーンソーの側面図である。 本発明によるチェーンソーの気化器の内部構造を示す概略図である。 本発明による手持ち式エンジン作業機の制御方法を示すフローチャートである。 本発明によるチェーンソーを用いて有負荷で実機運転をおこなったときのエンジン回転数と制御値の時間変化の例を示す図である。 特許文献１に記載された制御を行いながら無負荷でチェーンソーの実機運転を行った一例において、実機運転制御値が決定された時点付近のエンジン回転数と制御値の時間変化を示す図である。 特許文献１に記載された制御を行いながら有負荷でチェーンソーの実機運転を行った一例において、実機運転制御値が決定された時点付近のエンジン回転数と制御値の時間変化を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明によるチェーンソーの実施形態を説明する。

図１に示すように、チェーンソー１０は、ガソリン燃料で作動するエンジン１２と、エンジンを制御するコントローラ１４を有している。エンジン１２は、少なくとも、シリンダブロック１６と、電子制御式の気化器１８を有している。気化器１８は、気化器１８内への燃料供給量を調整するソレノイドバルブ２０を含み、ソレノイドバルブ２０は、コントローラ１４に接続されている。また、マグネット等の検出体２２がフライホイール２３に取付けられ、コントローラ１４は、検出体２２を利用して、エンジン１２の回転数を検出することができるように構成されている。具体的には、エンジン１２の１回転に要する時間を、検出体２２を検出することにより測定し、エンジン１２が１回転するごとにエンジン１２の回転数を計算する。なお、図１において、チェーン刃部は省略されている。

図２は、気化器の内部構造を示す概略図である。図２に示すように、気化器１８は、ベンチュリ部２４ａを含む通路２４と、ベンチュリ部２４ａの下流側において通路に設けられたスロットルバルブ２６と、ベンチュリ部２４ａに配置されたメイン燃料供給ノズル２７と、スロットルバルブ２６の近くに配置されたスロー系（低速用）燃料供給ポート２８を有している。メイン燃料供給ノズル２７は、第１流路３０ａ及び固定ジェット３０ｂを介してメタリング室３２に連通すると共に、第２流路３０ｃ及びソレノイドバルブ２０を介してメタリング室３２に連通している。燃料供給ポート２８は、チャンバ３０ｄ、第３流路３０ｅ及び固定ジェット３０ｆを介してメタリング室３２に連通している。

燃料は、メイン燃料供給ノズル２７及びスロー系（低速用）燃料供給ポート２８から、エンジンの負圧によって、所定の割合で供給される。ソレノイドバルブ２０の開度を調整することにより、メイン燃料供給ノズル２７から供給される燃料の量を制御することができ、これにより、全体の燃料供給量の調整が可能である。本実施形態では、ソレノイドバルブ２０の開度に対応する制御値を、ソレノイドバルブ２０の全開時の０パーミル（千分率）と、全閉時の１０００パーミルの間で直線的に変化するように定めた。

図３は、本発明による手持ち式エンジン作業機の制御方法の実施形態を示すフローチャートであり、以下、手持ち式エンジン作業機の実施形態であるチェーンソーの場合について説明する。

ＳＴ１０において、チェーンソーからチェーンの刃部を取外した状態で、メーカー内で領収運転（無負荷）を行い、領収運転制御値Ｖ０を決定する。領収運転制御値Ｖ０を決定する制御方法は、無負荷で実機運転制御値を決定する方法と同じであるので、その説明を省略する。

ＳＴ２０において、実機運転を開始する。具体的には、チェーンソーに刃部を取付け、実際に使用される環境において、エンジンを始動させる。制御値の初期値は、領収運転制御値Ｖ０を使用する。

ＳＴ２２において、エンジン１２の回転数が、所定の高速回転数の範囲Ｒ１内（例えば、１１０００〜１４０００ｒｐｍ）にあるか否かを判断する。ＮＯの場合、制御を行わないので、ＳＴ２２に戻る。ＹＥＳの場合、ＳＴ２４において、エンジン１２の回転数が、目標回転数Ｒ２（例えば、１２０００ｒｐｍ）よりも高いか低いかを判断する。

エンジン１２の回転数が目標回転数Ｒ２（例えば、１２０００ｒｐｍ）よりも高い場合、ＳＴ２６において、制御値をＰＩ演算結果だけ減少させることにより、ソレノイドバルブ２０の開度を大きくして、ＳＴ３４に移動する。

エンジン１２の回転数が目標回転数Ｒ２（例えば、１２０００ｒｐｍ）である場合、ＳＴ３４に移動する。

エンジン１２の回転数が目標回転数Ｒ２（例えば、１２０００ｒｐｍ）よりも低い場合、ＳＴ２８において、制御値をＰＩ演算結果だけ制御値を増大させたＰＩ制御計算値ＶＣが、領収運転制御値Ｖ０と予め設定された量Ｖ１との和である限界値ＶＬよりも大きいか否かを判断する。ＰＩ制御計算値ＶＣが限界値ＶＬよりも小さい場合、ＳＴ３０において、制御値をＰＩ演算結果だけ増大させることにより、ソレノイドバルブ２０の開度を小さくして、ＳＴ３４に移動する。ＰＩ制御計算値ＶＣが限界値ＶＬと等しいか、限界値ＶＬよりも大きい場合、ＳＴ３２において、制御値を限界値ＶＬにして、ＳＴ３４に移動する。限界値ＶＬは、１０００パーミルよりも小さく、好ましくは、９００パーミルよりも小さい。すなわち、ソレノイドバルブ２０が全閉になることはない。好ましくは、予め設定された量Ｖ１は、２００パーミルである。

ＳＴ３４において、制御終了か否かを判断する。例えば、連続する一定数（例えば、５０００回）回転の間、エンジン１２の回転数の変動が所定の範囲内（例えば、１０００ｒｐｍ以内）にあり且つ制御実施回数が所定の回数（３０回）に達したら、そのときの制御値を実機運転制御値として決定し、制御を終了する。それ以外の場合、ＳＴ２２に戻る。

図４は、本発明によるチェーンソーを用いて有負荷で実機運転をおこなったときのエンジン回転数と制御値の時間変化の例を示す図である。

図４において、スロットルを全開にすると、エンジン回転数は、１２０００ｒｐｍを超えて上昇した（Ｃ４１）。その後、チェーンソー１０が木材等の切断（負荷）を開始すると、エンジン回転数が切断作業の負荷量だけ低下し、かくして、目標回転数である１２０００ｒｐｍよりも低下し、切断の間（Ｃ４２）、１２０００ｒｐｍよりも低下したままであった。切断終了後、エンジン回転数は、１２０００ｒｐｍを超えて上昇し（Ｃ４３）、スロットルを戻すと、エンジン回転数はアイドル回転数まで低下した（Ｃ４４）。エンジン１２の回転数が所定の高速回転数の範囲Ｒ１内（１１０００〜１４０００ｒｐｍ）にある間、ＰＩ制御を行った（Ｃ４５）。すなわち、エンジン１２の回転数が所定の回転数Ｒ２（例えば、１２０００ｒｐｍ）に対して小さいか大きいかに応じて、制御値を増大させたり（Ｃ４６）減少させたりした（Ｃ４７）。制御値を減少させる場合、制御値をＰＩ演算結果だけ減少させた。制御値を大きくする場合、制御値をＰＩ演算結果だけ制御値を増大させたＰＩ制御計算値ＶＣが限界値よりも大きくなったら、制御値を限界値ＶＬとした（Ｃ４８）。図４における３回目の運転において、制御値が所定の範囲内に連続して入ったので（Ｃ４７）、ＰＩ制御を終了し（Ｃ４５’）、その制御値を実機運転制御値として決定した。したがって、図４における４回目の運転において、ＰＩ制御は行っていない。その後、図４における５回目の運転において、無負荷実機運転を行うと、約１３０００ｒｐｍにおいて、エンジンが安定して回転し、ハンチング現象は見られなかった（Ｃ４８）。

また、図４及び図６における実機運転制御値（最終的な制御値）を比較すると、図４の実機運転制御値は、限界値ＶＬ以下に抑制されるのに対し、図６の実機運転制御値は、１０００パーミルに比較的近い値になっている。すなわち、本発明によるチェーンソー（図４）の実機運転制御値を、従来技術によるチェーンソー（図６）の実機運転制御値よりも、無負荷において決定されるべき実機運転制御値に近づけることができる。

また、本発明によるチェーンソー１０を使用した図４と、従来技術の制御を使用した図６を比較すると、無負荷で運転したときの回転速度の変動が異なる。すなわち、本発明によるチェーンソー１０を使用した図４では、変動が小さく安定しているのに対し、従来技術の制御を使用した図６では、変動が大きくなっている。したがって、本発明によるチェーンソーは、回転変動による不快感を作業者に与えない。

上述したように、限界値ＶＬ（上限値）は、領収運転制御値Ｖ０と予め設定された値Ｖ１の和となる。予め設定された値Ｖ１が大きすぎると、従来技術の制御と変わらなくなる。予め設定された値Ｖ１が小さすぎると、制御の効果がなくなる場合がある。例えば、低地で領収運転を行い、高地で実機運転を行う場合、エンジン回転数全体にわたって燃料供給量を減少させる必要があるが、予め設定された値がＶ１が小さすぎると、燃料供給量を十分に減少させることができなくなる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

１０ チェーンソー
１２ エンジン
１４ コントローラ
１８ 電子式気化器
２０ ソレノイドバルブ

Claims (3)

1. エンジン作業機（１０）であって、
   電子式気化器（１８）を含むエンジン（１２）と、
   前記電子式気化器（１８）に接続されたコントローラ（１４）と、を有し、
   前記電子式気化器（１８）は、前記電子式気化器（１８）内への燃料供給量を調整するソレノイドバルブ（２０）を含み、
   前記コントローラ（１４）は、
   前記エンジン（１２）の回転数が所定の高速回転数の範囲（Ｒ１）内にあり、且つ、前記エンジン（１２）の回転数が目標回転数（Ｒ２）よりも高いとき、前記ソレノイドバルブ（２０）の開度を大きくするように前記ソレノイドバルブ（２０）の制御値を変更し、
   前記エンジン（１２）の回転数が所定の高速回転数の範囲（Ｒ１）内にあり、且つ、前記エンジン（１２）の回転数が目標回転数（Ｒ２）よりも低く、且つ、前記ソレノイドバルブ（２０）の開度を小さくするように計算された制御計算値（ＶＣ）が、全閉よりも大きい所定の開度に対応する限界値（ＶＬ）よりも全開側にあるとき、前記ソレノイドバルブ（２０）の制御値を前記制御計算値（ＶＣ）に変更し、
   前記エンジン（１２）の回転数が所定の高速回転数の範囲（Ｒ１）内にあり、且つ、前記エンジン（１２）の回転数が目標回転数（Ｒ２）よりも低く、且つ、前記制御計算値（ＶＣ）が前記限界値と等しいかそれよりも全閉側にあるとき、前記ソレノイドバルブ（２０）の制御値を前記限界値（ＶＬ）とすることを特徴とする、エンジン作業機（１０）。
2. 前記限界値（ＶＬ）は、領収運転時に決定された制御値（Ｖ０）に対して、前記ソレノイドバルブ（２０）を閉じる方向に予め設定された値（Ｖ１）だけ変化させることによって定められることを特徴とする、請求項１に記載のエンジン作業機。
3. 前記エンジン作業機は、チェーンソー、エンジンカッター、又は、ヘッジトリマーであ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。

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