(57)【要約】      （修正有）【課題】エンジンスピードを参照する所定のタイミングテーブルで、エンジン点火を起動させるエンジンの点火方法およびシステムを提供する。【解決手段】所定のエンジンスピードしきい値を越える時は、エンジン点火を抑制して、所定のしきい値より落とす。エンジンスピードが、所定のエンジンスピードしきい値より落ちた時は、所定のエンジン回転数に対する所定のタイミングテーブルに対する遅延タイミングで、エンジン点火を再起動させる。これにより、燃焼室の最大圧力での好ましくないスパイクを軽減する。【選択図】図３
2006105137.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軽量内燃エンジンに使用の点火コントロールシステムで、
エンジンスピード検知装置と、
エンジンスピード検知装置に接続して、該検知装置からエンジンスピードを示す信号を受け取る電子処理装置と、を備え
電子処理装置が、所定のタイミングテーブルを用いて進角信号を生成し、
エンジンスピードが、少なくとも一つの所定エンジンスピードのしきい値を越える時、電子処理装置が、点火抑制信号を生成し、
エンジンスピードが、少なくとも一つの所定エンジンスピードしきい値より落ちた時、電子処理装置が、少なくともエンジンの１回転の少なくとも一部に遅角信号を生成する、
ことを特徴とする点火コントロールシステム。
【請求項２】
エンジンスピードが、少なくとも一つの所定エンジンスピードしきい値より落ちた後、遅角信号が与えられ、少なくとも最初の点火燃焼事象が起きるタイミングを遅延させる、
ことを特徴とする請求項１記載の点火コントロールシステム。
【請求項３】
エンジンスピードが、少なくとも一つの所定エンジンスピードしきい値より落ちた時、電子処理装置が、少なくともエンジンの１回転の少なくとも一部に対して、所定のタイミングテーブルに対して遅延しているタイミングで、エンジンの点火を再起動する信号を生成する、
ことを特徴とする請求項１記載の点火コントロールシステム。
【請求項４】
エンジンの動作方法が、
エンジンスピードを測定するステップと、
測定したエンジンスピードを参照した所定のタイミングテーブルでエンジンの点火を起動するステップと、
少なくとも一つの所定エンジンスピードしきい値を越えたエンジンの点火を抑制し、エンジンスピードを、少なくとも一つの所定エンジンスピードしきい値より落とすステップと、
エンジンスピードが、少なくとも一つの所定エンジンスピードしきい値より落ちた時、少なくともエンジンの１回転の少なくとも一部に対して、所定のタイミングテーブルに対して遅延しているタイミングで、エンジンの点火を再起動するステップからなる、
ことを特徴とするエンジンの動作方法。
【請求項５】
再起動ステップが、エンジンの１回転で行なわれることを特徴とする請求項４記載のエンジンの動作方法。
【請求項６】
再起動ステップが、複数のエンジン回転で行なわれることを特徴とする請求項４記載のエンジンの動作方法。
【請求項７】
再起動ステップが、エンジンの点火の再起動を含み、タイミングを徐々に進角させて、所定のタイミングテーブルに戻すことを特徴とする請求項６記載のエンジンの動作方法。
【請求項８】
再起動ステップが、所定のタイミングテーブルの所定の進角値を用いて、オーバーオールタイミングを計算することを含むことを特徴とする請求項４記載のエンジンの動作方法。
【請求項９】
再起動ステップが、所定のタイミングテーブルが参照テーブルで、エンジンスピードを所定の進角値と関連していることを特徴とする請求項８記載のエンジンの動作方法。
【請求項１０】
再起動ステップが、遅角値を所定の進角値に加えて、所定のタイミングテーブルに対して遅延しているタイミングを定めることを特徴とする請求項９記載のエンジンの動作方法。
【請求項１１】
エンジンスピードが、少なくとも一つの所定エンジンスピードしきい値より落ちた後、再起動ステップが、少なくとも最初の点火燃焼事象が起きるタイミングを遅延させることを特徴とする請求項４記載のエンジンの動作方法。
【請求項１２】
再起動点火ステップが、複数のエンジンの回転で変化するタイミング信号を生成して、徐々にタイミングを進めて所定のタイミングテーブルに戻すことを特徴とする請求項４記載のエンジンの動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃エンジンを動作させる方法およびシステムで、特に、エンジン点火を抑制およびエンジン点火タイミングのコントロールで、エンジンスピードを制限する方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの内燃エンジンは、過回転状態を避けるためにエンジンスピードを制限する種々の方法およびシステムを利用している。エンジンの過回転が起きるのは、スロットルを大きく開けてエンジンを高速で動作させている時、およびエンジンから何らかの作業負荷が突然解除された時、例えばエンジン駆動のチェーンソーの刃が、切断している丸太を突破した時である。エンジンスピードの制限には、燃料、点火タイミング遅延または点火抑制で連携させている。
【０００３】
これら何れの場合も、火花点火エンジンサイクルは、圧縮行程を有している。ピストンは、エンジンシリンダーとピストン頂面で規定されるエンジン燃焼室内の混合気を圧縮する。行程は、火花プラグが、圧縮された混合気を点火する行程も含む。シリンダー内で、ピストンが、上死点(TDC = Top Dead Center)に対して所定位置まで上昇する時に点火が起こる。点火事象は、燃焼事象を引き起こし、混合気の化学エネルギーを熱エネルギーに変換する。続いて、熱エネルギーは動力行程で機械的作用に変換される。燃焼事象は、急激にガスを膨張させ、燃焼室内の圧力を増加し、ピストンを上死点(TDC)から押し下げる。従って、動力行程でのピストンの直線移動は、回動する連接ロッドからクランクシャフトの回転に変換される。
【０００４】
点火事象のタイミングは、内燃エンジンの動作に重要で、スパークプラグが、上死点(TDC)に対するシリンダー内のピストン位置で、いかに早くまたは遅く発火することに関係する。これは、点火とピーク燃焼には少しの遅延があることからくる。もし点火が、上死点(TDC)にあるピストンで起こると、燃焼ガスが最も高い有効圧力を達成する前に、動力行程のピストンは、既に下方に移動している。従って、燃料の化学エネルギーを最も効率良く利用するには、点火が、圧縮行程でピストンが上死点(TDC)に達する前に起きるべきである。しかしピストンのスピードは、エンジンスピードと共に増加する。一方、燃焼時間は、ほぼ一定である。従って、エンジンスピードが速くなると、最適なエンジン効率の最大燃焼圧力を選ぶために、ピストンの上死点(TDC)に対して早めの点火が必要となる。
【０００５】
例えば、エンジンが比較的高速で動作している時は、ピストンが上死点に達する前に燃焼を引き起こすことが望ましい。これによりピストンが上死点に達した直後にピーク燃焼圧力が発生して最大の性能および効率となる。この状態を点火進角(ignition timing advance)と呼ぶ。逆に、エンジンが比較的に低速度で作動している場合、ピストンが上死点に近い、即ち上死点のほんの前後で燃焼を起こすのが好ましい。ピストンの圧縮位置で、上死点前(BTDC)に点火する調節を、「点火タイミングを進める(進角)」という。上死点前(BTDC)から上死点後(ATDC)に進める調節を「点火タイミングを遅らせる(遅角)」という。
【０００６】
所定のスピードしきい値を越えるエンジンサイクル、つまりエンジン過回転を制限する方法がある。先ず第１は、混合気を濃縮にして、燃料で燃焼室を溢れさせ、点火を一部または完全に消してしまう方法。エンジンスピードが、許容レベルに落ちると、混合気は正常になる。しかし、この方法は、コントロールが難しく、エンジンから未燃焼燃料の排気を増加する。第２の方法は、点火タイミングを、過回転のエンジンサイクルの上死点近くに遅延させ、エンジンスピードを許容レベルに落とすものである。しかし、これは頻繁に起き、エンジンの効率の悪さ及び高温の排気ガスを生じ、エンジンの種々の箇所に悪影響を与える。
【０００７】
第３の方法として、過回転エンジンサイクルで点火を抑制する、つまり断続的な点火または点火の中断である。エンジンスピードが許容レベルに落ちると、点火を正常化または再開させる。しかし、その間に燃料が燃焼室に増え、点火が再開されると燃焼が激しくなる。この様な燃焼は、燃焼室内の圧力に好ましくないスパイクを引き起こし、エンジン部品に損傷を与え、または好ましくないノイズ、振動、エンジンの過熱、高温の排気ガス、荒々しいエンジン動作を生ずる。
【０００８】
要約すると、エンジンスピードの制限および回復の方法は、燃料効率、エンジンの完全な状態およびスムーズなエンジン動作に対して、充分に最適化されていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
エンジンを動作する典型的な方法とシステムを提供する。これは、エンジンスピードを参照する所定のタイミングテーブルで、エンジン点火を起動させるものである。所定のエンジンスピードしきい値を越える時は、エンジン点火を抑制して、所定のしきい値より落とす。そして所定のエンジン回転数に対する所定のタイミングテーブルに対する遅延タイミングで、エンジン点火を再起動させる。これにより、燃焼室の最大圧力での好ましくないスパイクを軽減する。
【００１０】
本願発明の一つの態様に、エンジンの点火をコントロールすることにある。エンジン回転を示す信号を、エンジンスピード値に変換する。エンジンスピード値を所定のエンジンスピードしきい値と比較し、所定のタイミングテーブルから進角値を生成する。エンジンスピードが、所定のエンジンスピードしきい値を越えると、点火抑制信号を生成し、エンジンスピードをしきい値より落とす。その後、遅角信号が、エンジンの少なくとも１回転の少なくとも一部に生成される。
【００１１】
本願発明の実施形態で実施される目的、特徴および利点は、点火方法およびシステムからなる。これは、容易に様々なエンジンに適用でき、特に軽量エンジンに適している。損傷を与えるエンジンの過回転動作を制限する機能を備え、エンジンの排気に過剰な未燃燃料または過熱した排気ガスを発生せず、エンジンに損傷を与える燃焼室の圧力スパイクを発生させない。このためエンジン寿命を増す。設計がシンプルそして製造が経済的で、信頼性があり長期耐用性がある。
【００１２】
本願発明の開示から、当業者には別の目的、特徴および利点が明らかになるであろう。本願発明の実施例の点火システムおよびエンジン等は、これらの目的、特徴および利点を達成するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図を詳細に参照する。図１は、典型的な信号発生または点火システム10で、低価格で軽量の内燃エンジン11、例えば手持ち式の地面で支持される芝または庭の道具に用いられるタイプである。この様な道具には、チェーンソー、トリマー、芝刈り機等を含む。点火システム10は、磁気または容量放出を含む色々な設計で構築される。点火システム10は、エンジンフライホイール12と相互に作用し、コントロールシステム14およびスパークプラグ(図示せず)に接続される点火ブート16を備える。
【００１４】
フライホイール12は、重量の有る円盤状の部品で、エンジンクランクシャフト19に接続され、エンジン11のパワーで軸心20で回転する。回転の慣性で、フライホイール12は、エンジンスピードの変動を抑えて一定で均一な出力を供給する。フライホイール12は、その外周近傍に磁石または磁気部22を備えている。フライホイール12が回転し、磁気部22が回転するとコントロールシステム14の部材と相互作用しエンジンスピードを感知する。エンジンスピードは、エンジン回転数と同一の意味で、下記で記述するが、点火タイミングコントロールの操作に役割がある。
【００１５】
コントロールシステム14は、フライホイール12の外周に接近して配置され、強磁性の固定子鉄心または積層体(lamstack)30を備えている。固定子鉄心の回りに充電巻線32、１次点火巻線34、２次点火巻線36を巻いている。１次および２次巻線34,36は、スパークプラグを発火させる昇圧器または点火コイルを意味する。コントロールシステムは、回路38(図２参照)およびハウジング40を備え、回路38は、積層体30と巻線から離して配置しても良い。
【００１６】
磁気部22が、積層体30を回転通過すると、積層体30に磁場が発生し巻線に電圧が発生する。回転磁気部22は、充電巻線32に電圧信号を引き起こし、これがコントロールシステムのエンジン11の回転数を示す。信号は、フライホイール12、クランクシャフト19およびエンジン11の回転数を確定するのに使用される。最後に充電巻線32に誘導された電圧は、回路38(図２)に電力を供給し、点火放電コンデンサ62(図２)を充電する。充電巻線32に発生した電流パルスは、放電コンデンサ62を充電する。放電コンデンサは、その後で、トリガー信号の起動で放電される。トリガー信号の受信前に、放電コンデンサ62を完全に放電するために、フライホイール12の磁石は、クランクシャフト19に接続されているエンジンピストンの上死点(TDC)位置に関して所定の調整角度、例えば13°の進角(BTDC)に合わせてクロックしているのが好ましい。トリガー信号を受け取ると、コンデンサ62は放電して、点火コイルの１次巻線34を経て、２次巻線36に増大した電圧を誘導する。スパークを起こすに充分な何万Vの電圧を、スパークプラグ47(図２)のスパークギャップに引き起こし、エンジン燃焼室内の混合気を発火する。充電巻線32同様に、１次点火巻線34も、数十回ほど周方向に積層体30を囲む様に設計しており、２次点火巻線36と誘導的に相互作用する。２次巻線36も、数万回ほど周方向に積層体30を囲んでいる。
【００１７】
ハウジング40は、プラスチックで形成され、コントロールシステム14の部品を保護している。取付穴44で点火システム10を固定する。その場所で、積層体30とフライホイール12の外周間に小さな空隙46ができる。空隙46は、程よく小さくして充分な電磁結合を得て、程よく距離を取り、部品の公差を考慮して、フライホイール12が物理的に積層体30に接触しないようにする。
【００１８】
点火ブート16は、コントロールシステム14をスパークプラグ47に接続し、通常、長い銅線コネクタ50および固定端52を備えている。コネクタ50は、コントロールシステム14でトリガーされた高電圧点火パルスを、保護被覆で覆われた導電体に沿って導く。固定端52は、スパークプラグの端子末端を収容するように設計され、コネクタと互いに物理的に固定され電気的に接触している。
【００１９】
通常のエンジン動作では、動力行程でのエンジンピストンの下方の動きが、接続ロッド(図示せず)を駆動し、そしてクランクシャフト19を回転し、フライホイール12を回転する。磁気部22が、積層体30を回転通過すると、磁場が発生し、隣接する充電巻線32に電圧を誘起し、これが種々の目的に使用される。最初に、この電圧は、コントロールシステム14、回路38(図２に図示)の構成部品を含む、に電力を供給する。次に、誘発した電圧は、メイン放電コンデンサ62の充電に使用され、放電を指示される迄、エネルギーを蓄積する。この時、コンデンサ62は、蓄積したエネルギーを１次点火巻線34から放電する。最後に、充電巻線32に誘発された電圧は、エンジンスピード入力信号を作り出すのに使用され、入力信号は、回路38のマイクロコントローラ60に供給される。このエンジンスピード入力信号が、本願発明の点火タイミングの動作に役割を果たす。動作パラメータを監視するが、温度、スロットル位置等も監視する。
【００２０】
マイクロコントローラ60は、充電巻線32からエンジンスピード信号を受け取り、この信号およびエンジンの動作順により、一連の命令を実行する。この一連の命令は、好ましい点火タイミングの進角/遅角を決めるのに使用される。その後に、マイクロコントローラ60は、高電圧点火パルスを引き起こす点火タイミング信号をスパークプラグに伝える。
【００２１】
≪電気回路≫
図２を基本的に参照する。コントロールシステム14は、点火タイミングコントロールシステム14を実行する、回路の例として、回路38を備えている。しかし、この回路38の多くの変形は、本願発明の範囲から逸脱するものではない。回路38は、充電巻線32、１次点火巻線34および停止スイッチ(kill switch)と相互に作用する。回路38は、マイクロコントローラ60、点火放電コンデンサ62および点火サイリスタ64を備えている。
【００２２】
図２のマイクロコントローラ60は、好ましくは、8ピン4MHzのプロセッサで、例えばマイクロチップ社の#12C509、この1024Kbのメモリで、点火タイミングのコードおよび変数の蓄積に使用される。他のコントローラ、マイクロコントローラまたはマイクロプロセッサを用いても良い。マイクロコントローラ60のピン1は、抵抗器およびダイオードを通して充電巻線32につながっていて、充電巻線32の誘発電圧が整流されて、マイクロコントローラに電力が供給される。同様に、充電巻線32に電圧が誘発されると、電流がダイオード70を流れ、点火放電コンデンサ62を充電する。この場合、点火サイリスタ64は、非導通状態である。点火放電コンデンサ62は、マイクロコントローラ60が、サイリスタ64の状態を変えるまで充電を保つ。マイクロコントローラのピン5は、充電巻線32に接続され、エンジンスピードを表す電気信号を受け取る。マイクロコントローラは、このエンジンスピード信号を用いて、特定の動作シーケンスを選択する。この選択は、所望の点火タイミングに影響を及ぼす。ピン6は、停止スイッチ48につながる。スイッチは、エンジンを停止する手動補助装置である。ピン7は、抵抗器72を通りサイリスタ64のゲートにつながり、マイクロコントローラから、サイリスタ64の状態をコントロールする点火信号を伝える。ピン7の点火信号が低い場合、サイリスタ64は、非導通状態で、コンデンサ62が充電される。点火信号が高い時は、サイリスタ64は導通状態となり、コンデンサ62は、１次巻線34を通して放電し、点火パルスを、２次巻線36に引き起こし、スパークプラグ47に送る。このように、マイクロコントローラ60は、サイリスタ64の導電状態をコントロールしてコンデンサ62の放電を支配する。最後に、ピン8は、マイクロコントローラ60の接地をなしている。
【００２３】
回路の動作を要約すると、充電巻線32は、誘導電圧を受けて、その電圧が点火放電コンデンサ62を充電し、マイクロコントローラ60に電力とエンジンスピード信号を与える。マイクロコントローラ60は、一連の命令を実行する。命令には、エンジンスピード信号を用いて、スパークの進角または遅角の必要性とその度合いを決める。マイクロコントロール60は、計算した点火タイミングに基づいて、ピン7に出力して、サイリスタ64を作動する。サイリスタ64が、導電状態になると、サイリスタ64および１次巻線34を通る電流で、コンデンサ62に蓄積される充電が形成される。１次巻線34から放電される電流で、２次巻線36に高電圧点火パルスが発生する。この高電圧パルスが、スパークプラグ47に送られて、スパークギャップでアークが起こり、燃焼室の混合気を点火して燃焼プロセスが開始する。停止スイッチ48が作動する時、マイクロコントローラ60は、その動作を止め、点火システム14がエンジン燃焼室へスパークを送るのを止める。
【００２４】
≪システムの機能≫
図３と４を参照する。本願発明のコントロールシステムは、種々の命令を用いて点火タイミングを計算する。これは、エンジンのスピード、特にエンジンの動作シーケンスに依存する。オーバーオールタイミング値(Overall Timing Value)は、点火タイミングを支配しており、点火タイミングの進角値とベースタイム値、これは遅角のタイミング値、を共に加えて決める。進角値は、通常動作の点火タイミングを表しており、特定のエンジン動作シーケンスには影響を受けない。ベースタイム値は、付加的なタイミング値で、特定の動作シーケンスで決まる。これは、下記に記載および/またはUS-2003/0015175 A1、本願と同一の譲受人、に記載の動作シーケンスで、全体的には、これを参照している。従って、オーバーオールタイミング値は、進角値とベースタイム値との合計で、通常は上死点前(BTDC) 45°から上死点後(ATDC) 15°で、要求される特定条件での所望のエンジン性能に依存する。
【００２５】
コントロールシステム全体の動作100、エンジン開始から停止スイッチで止める迄を、図３に示す。示している動作シーケンスは、命令グループで、サブルーチンと同様、その時のエンジンの状態に照らして点火タイミングをコントロールする設計にしている。
【００２６】
最初に作動させると、エンジンの点火タイミングは、クランクシーケンス102でコントロールされる。エンジンをスタートさせるために少数のエンジン回転で点火タイミングをコントロールする。クランクシーケンス102は、エンジンのスタート時のみ関与しており、組入れているUS-2003/0015175 A1に開示している。クランクシーケンス102後、本願発明のコントロールシステムは、正常モードで動作するが、特定の状況、例えば、異常なエンジンスピードの時は、動作を特定に想定し設計した他のモードに移す。例えば、スピード制限モードおよびスピード回復モードは、素早くかつ効率良くエンジンスピードを許容できる正常動作範囲にもどす。これらは、過剰な未燃燃料の排気、許容できない持続したエンジンの回転数またはサイクル数での過度に上昇する排気ガス温度および望ましくない燃焼室内の最大圧力スパイクを防ぐためである。
【００２７】
プロセス100の正常モードでの点火タイミングで、マイクロコントローラ60は、タイミング参照テーブルを用いて、現在のエンジンスピードと所定の望ましいタイミング表を相互に参照して、進角値を決め、ベースタイム値をゼロにセットする。さらに具体的には、プロセス100のステップ104で、マイクロコントローラは、エンジンの回転毎にエンジンの現在スピードをサンプルし蓄積する。前述したが、エンジンの回転の計算は、エンジンスピードの信号から決める。逆も同様である。エンジンスピード信号またはエンジン回転カウンター信号をサンプリングしてエンジンスピードに換算し、双方のパラメータを求める。代わって本願発明は、エンジンの回転またはスピードを一層細かく測定する手段を意図している。例えば、別のスピードセンサー(図示せず)で、フライホイールまたはクランクシャフト上の歯などを検知するようにしても良いし、マイクロコントローラと、やり取りしても良い。どちらにしても、当業者には分かる事であるが、エンジンスピードは、ある一定の時間で受け取るエンジンの回転パルスの関数で決定できる。パルスは、コンデンサまたはマイクロプロセッサまたはそれに関したクロック素子から得られる。
【００２８】
プロセス100のステップ106で、エンジンスピード信号は、参照テーブルを参照し、得られたエンジンスピードと好ましい点火タイミングを関連付ける。エンジンが異なる場合、参照テーブルも異なる。各々の参照テーブルは、個別のエンジンおよび用途に設計されている。図４は、典型的なタイミング参照テーブルで、4行程エンジンの本発明の使用に適している。本発明は、2行程エンジンにも適用できる。テーブルは、エンジンスピードの列とタイミング参照の列を備えており、好ましい点火タイミング値をその時のエンジンスピード値に関連させている。例えば、エンジンが高速動作域、8000RPM以上に達すると、タイミング値は、テーブルから上死点前25°となる。特定のエンジンスピードのタイミング値は、前節で述べた進角値である。テーブルのタイミング値は、特定のエンジンのテストで経験的に検証してエンジンの最適な性能をもたらす。言い換えると、或るエンジンスピードでのタイミング値は、エンジンの設計および所望の性能基準で異なる。図３のステップ106を参照すると、ベースタイム値をゼロにセットし、オーバーオール値(進角 + ベースタイム)を進角に等しくする。実施例では、オーバーオールタイミング値は、25°+ 0°= 25°BTDCである。
【００２９】
ステップ106の次は、決定ステップ108で、システムの動作が、スピード制限モードに入るか否かを決定する。プロセス100のステップ108で、マイクロコントローラは、現在のエンジンスピードを、所定のエンジンスピードしきい値または点火カットアウト  スピードと比較する。正常モードで、エンジンスピードが所定のスピードまたは高速しきい値を越えると、マイクロコントローラは、詳細を後述するが、スピード制限モードを開始する。
【００３０】
ステップ110で、スピード制限モードの一部として、コントロールシステムがエンジンスピードの一つ以上の所定しきい値を越えているのを検知すると、点火抑制ループが実行される。特に、マイクロコントローラは、ステップ110で点火抑制信号を生成する。点火は、一つ以上の所定エンジンスピードしきい値の上で抑制される。言い換えると、マイクロコントローラは、メイン放電コンデンサ62の放電を許可しないので、点火コイルは、スパークプラグを発火しない。もしくは、マイクロコントローラは、間欠的にまたは最低限に、メイン放電コンデンサの放電を許可して、点火コイルが、間欠的にまたは最低限に、スパークプラグを発火する。すなわち、点火動作は、制限されるが完全に禁止されない。交互のパワー行程で点火スパークを可能にしている。いずれにしても、エンジンスピードは、一つ以上の所定しきい値より以下なる。
【００３１】
ステップ112で、回復モードフラッグを所定の回復回転数"n"と設定する。回復モードの実行に、エンジンの回転数は、任意に選べる。回復モードフラッグは、後で、フラッグとフラッグがセットされた後のエンジンの実際の回転数との比較に使用される。これは後述する。
【００３２】
点火抑制ループは、エンジンが点火カットアウトスピードに落ちるまで繰り返す。各ループで、マイクロコントローラは、ステップ112からステップ104へ戻る。ここでエンジンスピードが、検知、読取り、さもなくばマイクロコントローラで決定される。マイクロコントローラの場合、放電巻線パルス、スピードセンサーパルスなどで判断する。検知、読取り、決定などの用語は、同義的に使用され、計算、変換ステップを含む。マイクロコントローラは、再びステップ106に進む。そこでタイミングの進角が、直近のエンジンスピードデータで、図４の参照テーブルから再度計算される。次のステップ108で、マイクロコントローラは、検知したエンジンスピードを所定のしきい値と再び比較する。ステップ108で、エンジンスピードが、まだ所定のしきい値を越えている場合、プロセスは、ステップ110に戻り点火抑制ループを繰り返す。ここで回復モードフラッグは、選定した所定の回復回転数nにリセットされる。ステップ108で、エンジンスピードが所定のしきい値より落ちている場合、プロセスは、ステップ114に進む。
【００３３】
ステップ114で、マイクロコントローラは、プロセス100が正常モードか回復モードかを判断する。例えば、マイクロコントローラは、回復モードフラッグがセットされているか否かを検出する。セットされていない場合、プロセスは、正常モードであるので、後述するステップ124に進む。もし回復モードフラッグがセットされている場合、プロセス100は、ステップ116に進む。
【００３４】
ステップ116で、マイクロコントローラは、回復回転数カウンターを1だけ増分する。この増分ステップは、ステップ118の回復モードに出るかどうかを判断するのに使用される。
【００３５】
ステップ118で、マイクロコントローラは、回復モードの状態を判断して、そのモードで継続する又は出るかを決める。マイクロコントローラは、回復回転数カウンター値と所定の回復回転数値とを比較する。回復回転数カウンター値が、所定の回復回転数値と等しい場合、プロセス100は、ステップ120に進む。ここでは、ベースタイム値がゼロにリセットされ、回復モードフラッグが除去される。従って、回復モードが終了し、プロセス100がステップ124で正常モードに戻る。ステップ118で、回復回転数カウンター値が、所定の回復回転数よりも少ない場合、プロセス100は、なおも回復モードでステップ122に続く。
【００３６】
ステップ122で、マイクロコントローラは、回復モードベース値を計算する。これは最初のエンジンの回転内でタイミング遅延信号を生成するのに使用される。最初の回転と言うのは、エンジンスピードが所定のしきい値より落ちたとステップ108で決定される略その時である。従って、エンジン点火は、所定の点火タイミング遅延一覧表または値で再開される。「略その時」の意味は、好ましくは、所定の時間に許容範囲が有り、マイクロコントローラの動作が許容できる範囲で、例えば0〜10msecである。許容範囲は、これに限定しない。一覧表の意味は、幅広く解釈され、リスト、集計表、命令、参照テーブル、公式、値などを意味する。
【００３７】
回復モードでは、プロセス100は、スピード制限モードの点火抑制ループの終了後、最初の所定数の燃焼事象のゲインコントロールにタイミング遅角を用いる。好ましくは、点火抑制が終了後も、エンジン点火タイミングを最初の燃焼事象だけに遅れさせる。しかし所望数の燃焼事象でも良い。例えば、本願発明の好適な実施例では、点火タイミングを約8,500RPMでの25°BTDCからほんの5°BTDCに遅角するようにしている。エンジンスピードが8,500RPMより低下後の最初の回転中の燃焼事象に実施している。別に、他のタイミング遅角値を用いても良い。事実、最適なタイミング遅角値は、エンジンの設計および動作基準に対して経験的に決める必要がある。
【００３８】
本願発明の他の実施例は、点火タイミングを、ベースタイム値の種々の一覧表または参照テーブルと現在の回復回転数を基に遅延させるものである。例えば、図４のタイミングテーブルを用いると、約8,500RPMでの回復回転で、ベースタイム値は、25°BTDC進角値から、最大で-20°として5°BTDCのオーバーオールタイミング値を生ずる。次の回復回転中に、ベースタイム値は、25°BTDC進角値から、より少なく-10°に調整して15°BTDCのオーバーオールタイミング値を生ずる。同様に、3回目の回復回転中に、ベースタイム値は、25°BTDC進角値から、より少なく-5°に調整して20°BTDCのオーバーオールタイミング値を生ずる。このプロセスは、任意の所定回復回転数または徐々に変化させて実施しても良い。つまり、ベースタイム値を計算して、回復モードの最初の回転の初期に遅延したタイミングから、徐々にエンジン点火タイミングを進角値に戻すか又は向けてセットしても良い。ベースタイム値の計算後、プロセス100は、ステップ124に進む。
【００３９】
ステップ124で、マイクロコントローラは、オーバーオールタイミング値を決めるために、進角値(これはステップ106の参照テーブルから得られる)を、現在のベースタイム値(ステップ106および/または120でゼロに設定、またはステップ122で計算する)に加える。いかなる場合も、プロセス100は、ステップ126に進む。
【００４０】
ステップ126で、マイクロコントローラは、点火信号を送り、ステップ124で見つけたオーバーオールタイミング値により、コンデンサ62の放電を指示する。ステップ126のエンジン点火の起動またはトリガーに続いて、プロセス100は、決定ステップ128に進む。
【００４１】
ステップ128で、マイクロコントローラは、操作者が停止スイッチを入れたかどうかをチェックする。もし停止スイッチが入ると、マイクロコントローラは、直ちにエンジンを切り、コントロールシステムは、プロセス100を出る。停止スイッチが入っていない場合、コントロールは、エンジンスピード検知ステップ104に戻り、回復モードはステップ118に進む。ただし、回復回転カウンターが、回復モードフラッグで指定された所定の望ましい回復回転数に等しくなるまで進む。回復モードが止まる時、ベースタイムがゼロにセットされ、回復モードフラッグがステップ120で消去される。その後、プロセスは、ステップ124の正常モードに戻り、点火タイミングが図４のタイミングテーブルの進角値に基づいて計算される。つまり、マイクロコントローラは、所定のタイミングスケジュール又はテーブルに基づいて、タイミングの進角信号を生成する。スパークおよびエンジン動作が、正常に戻り、手動のリセットスイッチなどの動作を必要としない。
【００４２】
図５は、本願発明の実施例によるスパーク抑制とスパークタイミングシステムを備えたエンジンの圧力トレースである。燃焼室の圧力(PSI: ポンド・平方インチ)を50,000データ点/秒の速度でのデータサンプル点でプロットしている。図５は、エンジンがスピード制限しきい値の約8,500RPMで無負荷の動作をしており、点火タイミングは、上述した一般のスピード制限および回復モードで実行されている。スパーク無しの圧縮行程、例えば上述のスピード制限モードでは、燃焼室の最大圧が約150PSIより少ない。典型的な圧力CN'で示されている。排気行程では、燃焼室の圧力は減少して50PSIより少なくなる。典型的な圧力EN'で示されている。回復モードでの動力行程では、タイミングは比較的遅れ、燃焼室は、一定パターンの最大圧で、抑制されて通常は150PSIより小さい。典型的な圧力CS'で示されている。
【００４３】
図６は、対称的に、従来技術のスパーク抑制およびタイミングシステムを備えたエンジンの圧力トレースを示しており、最大圧力スパイクが抑制されていない。図６は、燃焼室の圧力(PSI: ポンド・平方インチ)を50,000データ点/秒の速度でのデータサンプル点のプロットである。エンジンがスピード制限しきい値の約8,500RPMで無負荷の動作をしており、タイミングテーブルへの正常動作の参照で、点火タイミングが25°BTDCの進角となっている。スパーク無しの圧縮行程、例えばスピード制限モードでは、燃焼室は約150PSIより少ない。典型的な圧力CNで示されている。排気行程では、燃焼室の圧力は減少して50PSIより少なくなる。典型的な圧力ENで示されている。しかしスパークでの動力行程、スパークスピード制限無しの圧縮行程が続く場合では、燃焼室は、不規則な圧力スパイクパターンで、約340〜400PSIの圧力を受ける。圧力スパイクは400PSIのCSで示されている。これは、スパークスピード制限無しの圧縮行程で、燃料が燃焼室に蓄積されたからである。点火が正常タイミングで再起動すると、蓄積した燃料と25°BTDC進角タイミングの組合せで、燃焼が激しくなる。この様な燃焼は、燃焼室の圧力に好ましくないスパイクを生じて、エンジン部品に損傷を与え、または不快な雑音、振動、エンジンの過熱、高温の排気ガスおよび厳しいエンジン動作をもたらす。
【００４４】
従って、典型的なエンジンと点火システム及び上述の方法は、エンジンの過回転動作を制限する機能を備え、燃焼室の最大圧およびその変動を低減する。その結果、過剰な圧力スパイクによるサイクル疲労のエンジン損傷が、非常に少なくなり、実際に解消され、エンジン寿命が増加した。同様に、最大のエンジンノイズ、振動、過酷さが顕著に低減した。さらに過剰の未燃燃料が、エンジンから排気されなくなり、排気ガスが過度に高温とならない。
【００４５】
開示した発明は、好ましい形態からなるが、多くの他の方法も可能である。例えば、当業者には、本願発明が容易に他の内燃エンジンに適用でき、２行程および４行程火花点火エンジンに限定されないことが認識できる。ここでは、発明の全ての可能な等価形式または分岐したものを記載していない。ここで使用している用語は、単に記載するためで限定するものではなく、本願発明の真の精神および範囲内に存在する変形例は、全て特許請求の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本願発明の典型的な実施例のエンジンおよびコントロールシステムの部分断面の概略図。
【図２】図１のコントロールシステムの回路図。
【図３】図２のコントロールシステムの動作ステップを示すフローチャート。
【図４】図３に示す動作ステップで使用する参照テーブルの一例。
【図５】図１のエンジンの燃焼室圧力トレース。
【図６】従来技術のコントロールシステムを備えたエンジンの燃焼室圧力トレース。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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