(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン音をエンジン機側で検出し、その検出音の信号から空燃比が変化しても周波数分布の変化が安定しているエンジン回転角位置と空燃比が変化したとき周波数分布の違いがある他のエンジン回転角位置でのそれぞれの音信号を選択し、安定した回転角位置の音の信号強さを基準として他の回転角位置の音の信号強さをそれぞれの音の信号に含まれる少なくとも２つの周波数について比較し、各周波数における音の信号強さが一致する、又は一定許容範囲内となるように燃料供給量を調整して空燃比を制御することから成る小型エンジンの制御方法。
【請求項２】
エンジン機側に設置されエンジン音を検出する検出器と、その検出音に含まれる任意の周波数分布の音から少なくとも２つの異なる特定周波数の音を選択する周波数特定手段と、この周波数特定手段の入力又は出力段階で少なくとも２つの回転角信号をそのうちの１つは基準角度、他は比較対象の回転角度の同期信号として送り込む回転角検出器と、上記基準角度の同期信号で特定された異なる特定周波数の音信号の強さをそれぞれの周波数で比較し、その強さの差の大なる比較結果に基づいて空燃比の大小を判断してその判断結果に対応する出力信号を出力する比較器と、その出力信号に基づいて制御信号を出力する制御部とを備え、この制御信号により燃料供給量を調整して空燃比を制御するようにして成る小型エンジンの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、模型用小型エンジンの運転をエンジン音を検出して最適状態に制御する制御方法及び制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
模型飛行機や模型自動車など用の小型エンジンは、一般に２サイクルエンジンが用いられ、グロープラグにより点火して運転される。エンジンに燃料を供給する気化器（キャブレタ）はニードル弁により燃料の供給量を調整する形式のものが一般に使用される。燃料はアルコール燃料（メタノール）に若干のオイルや添加物が含まれたものである。
【０００３】
このような小型エンジンを備えた模型飛行機等を運転する場合、発信器（コントローラ）により遠隔操作をする前に模型飛行機等を固定したままエンジンを始動し、オペレータが自分の耳で聞いたエンジン音が経験的に最も安定した運転状態であるかを判断し、エンジンの空燃比が不適当なため安定状態にないと判断すると発信器を操作して気化器のニードル弁を調整し、最適な空燃比となるように設定する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したように、模型飛行機等を飛行させる前に空燃比を最適状態に設定して飛行を開始したとしても、模型飛行機等の本体がオペレータから遠隔に離れて行くとエンジン音が聞こえなくなり、エンジン音に基づいてニードル弁の調整をすることができないため、飛行中常に最適の空燃比でエンジンを運転することができない。
【０００５】
又、飛行開始前にエンジンの運転状態を耳で聞いて最適に調整する際も、空燃比の変化に伴なうエンジン音の変化は微妙であるため初心者には分り難く、最適な運転状態に設定することは容易ではない。実際の飛行中の運転状態によっては空燃比が大きくなり過ぎることがあり、それによるオーバ・ヒートの可能性を考慮すると空燃比を最適状態よりも小さめに設定するのが望ましいが、このような微妙な設定を確実に行うためには相当の習熟度を必要とする。
【０００６】
乗用の自動車のガソリンエンジンなどでは、空燃比を調整するために排気器内の酸素量をＯ2 センサを用いて測定し、その測定信号に基づいて空燃比を調整することが行われているが、かかるＯ2 センサはミストに弱く、Ｏ2 センサ自体が高価であるため、模型飛行機等用の小型エンジンに使用するには適さない。
【０００７】
この発明は、模型飛行機等用の小型エンジンに含まれる上述した種々の問題を解決し、小型エンジンの運転中に発する音を検出してその音の状態によって運転中のエンジンの空燃比を常に最適に保つことができ、不適当な運転状態をなくすことによりエンジン寿命を延ばし、燃費を改善することができる小型エンジンの制御方法及び装置を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記課題を解決する手段として、エンジン音をエンジン機側で検出し、その検出音の信号から空燃比が変化しても周波数分布の変化が安定しているエンジン回転角位置と空燃比が変化したとき周波数分布の違いがある他のエンジン回転角位置でのそれぞれの音信号を選択し、安定した回転角位置の音の信号強さを基準として他の回転角位置の音の信号強さをそれぞれの音の信号に含まれる少なくとも２つの周波数について比較し、各周波数における音の信号強さが一致する、又は一定許容範囲内となるように気化器の燃料供給弁の開度を調整して空燃比を制御することから成る小型エンジンの制御方法としたのである。
【０００９】
この方法を実施する下記の制御装置により課題を解決するものとしてもよい。即ち、エンジン機側に設置されエンジン音を検出する検出器と、その検出音に含まれる任意の周波数分布の音から少なくとも２つの異なる特定周波数の音を選択する周波数特定手段と、この周波数特定手段の入力又は出力段階で少なくとも２つの回転角信号をそのうちの１つは基準角度、他は比較対象の回転角度の同期信号として送り込む回転角検出器と、上記基準角度の同期信号で特定された異なる特定周波数の音信号の強さをそれぞれの周波数で比較し、その強さの差の大なる比較結果に基づいて空燃比の大小を判断してその判断結果に対応する出力信号を出力する比較器と、その出力信号に基づいて制御信号を出力する制御部とを備え、この制御信号により気化器の燃料供給弁の開度を調整して空燃比を制御するようにして成る小型エンジンの制御装置とすることもできる。
【００１０】
かかる制御装置では上記制御方法が次のように実施される。まず、小型エンジンを回転駆動し空燃比を理想空燃比に設定するとその時測定されるエンジン出力は最大トルクを発生する。この最大トルク発生時の空燃比における周波数分布を測定すると、図６（ｂ）のように、周波数分布が安定している。
【００１１】
図６は、後で実施形態において説明する小型エンジンを駆動し、コンデンサマイクロフォンを用いてそのエンジン音を測定し、その判定データを高速フーリエ変換（ＦＦＴ）により周波数解析した結果を表わしたものである。縦軸は周波数Hz、横軸がクランク角（回転角）を表わすものとし、測定音の強さ（ｄＢ）をパラメータとして同一強さの音の等高線の縞で測定結果が表されている。
【００１２】
（ａ）図は空燃比（Ａ／Ｆ）２．５、（ｂ）図はＡ／Ｆ３．４、（ｃ）図はＡ／Ｆ５．９である。図中のＢＤＣは下死点（Ｂｏｔｔｏｍ  Ｄｅａｄ  Ｃｅｎｔｅｒ）、ＴＤＣは上死点（Ｔｏｐ  Ｄｅａｄ  Ｃｅｎｔｅｒ）である。図６において（ｂ）図はＡ／Ｆ３．４で、空燃比が最適の状態にあり、最大トルク発生時を示している。これらの図を理解し易くするため、図７に例えば図６の（ａ）図又は（ｃ）図においてクランク角（回転角）ＢＤＣ、ＴＤＣで上記図中の等高線の山を断面した図を示す。但し、図７のグラフは単に理解するための想像図であり、測定データのグラフである図６に正確に対応している訳ではない。
【００１３】
図７から分るように、空燃比が最適状態より大又は小の場合は、例えばクランク角（回転角）ＴＤＣとＢＤＣで見た音の強さのレベル（ｄＢ）は一般にＢＤＣの方が周波数全般に亘って低い。又、空燃比が最適の時はクランク角（回転角）ＴＤＣとＢＤＣでの周波数分布に大差がなく、クランク角（回転角）の変化に対して周波数分布の変化が少なく安定している。
【００１４】
以上のような周波数解析機による解析結果から、次のような結論が得られる。空燃比が最適の場合は、クランク角（回転角）ＢＤＣを基準として考えると、クランク角（回転角）ＴＤＣにクランク角が変化した場合も、例えば適当に低い周波数（１４００Hz付近）と中程度の周波数（４２００Hz付近）でのそれぞれの音の強さレベルは基準クランク角（回転角）での基準値に比較して大差がない点が多い。
【００１５】
一方、空燃比が小（濃）又は大（薄）のときは、基準クランク角での音の強さのレベルより、クランク角がＴＤＣに変化した時の音の強さの方が大きく、低周波数（１４００Hz）の付近又は中周波数（４２００Hz）の付近のいずれかでその差が顕著となって現われる。特に、空燃比が小のときは、低周波域で音の強さレベルの差がはっきりと、又空燃比が大のときは中周波域で差がはっきりと現われる。
【００１６】
以上から、クランク角（回転角）がＢＤＣとＴＤＣでの音の強さレベルを比較したとき、低周波域（１４００Hz付近）においてＴＤＣでの音の強さレベルが基準レベルより大であることが検出されると、その時の空燃比は最適の場合より小（濃）であると判断でき、一方中周波域（４２００Hz附近）においてＴＤＣでの音の強さレベルが基準レベルより大であることが検出されると空燃比は最適の場合より大（薄）であると判断することができる。
【００１７】
従って、上記分析結果に基づいてなされたこの発明による制御装置では、検出した音の中から空燃比が変化しても周波数分布の変化が安定しているエンジン回転角位置と空燃比が変化したとき周波数分布に違いがある他のエンジン回転角位置での音信号をまず回転角検出器の信号により選択する。この場合、後で言及する比較器における比較の際に上記安定した回転角位置が基準角度となり、他の回転角位置の音信号のそれぞれが比較対象となる。
【００１８】
そして、上記回転角位置の選択の前又は後でそれぞれの回転角位置での音信号に含まれる周波数帯のうち特定周波数を少なくとも２つ周波数特定手段で特定して選択し、その選択された特定周波数の音信号の強さが比較器において基準角度での音信号の強さを基準として他の回転角度での音信号強さが比較される。
【００１９】
上記比較の結果各周波数での基準角度位置の音信号より他の角度位置の音信号が低周波域で大であれば空燃比が小（濃）であり、中周波域で大であれば空燃比が大（薄）であると判断され、その判断の結果に応じてその判断結果と反対方向に制御対象を制御することとなるような出力信号を比較器から出力してこの出力信号に対応する制御信号を制御部から出力し、これにより各周波数における基準回転角の音の信号強さに他の回転角の音の信号強さが一致する、又は許容範囲内となるように気化器の燃料供給弁の開度の調整が行われる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は模型飛行機のエンジンの運転状態を制御する制御回路の全体概略ブロック図である。模型飛行機の小型エンジンＥは、気化器（キャブレタ）Ｃに設けられているニードル弁Ｖで供給される燃料（アルコール燃料）Ｆを調整して空燃比を変化させ適当な空燃比のガスを供給して運転される。
【００２１】
かかる小型エンジンの制御回路は、エンジン機側に取り付けたエンジン音検出器１により検出した音の信号を増幅器２で増幅し、その検出音信号からそれぞれ特定周波数のみを通過させる複数（この例では２つ）のバンドパスフィルタ３（３ａ、３ｂ）により特定周波数の音信号を選択し、これを比較器４へ送ると共にエンジンの回転角度を検出するクランク角度センサ５から同期信号を送り、比較器４における特定音信号を比較した比較結果に基づく出力信号をミキシング手段６へ送り、このミキシング手段６による制御信号により気化器Ｃのニードル弁Ｖ用のサーボモータ７を制御するように構成されている。
【００２２】
エンジン音検出器１は、例えばコンデンサマイクロフォン、あるいは圧電素子を用いることができ、エンジン音の振動を電気信号に変換できるものであればよい。バンドパスフィルタ（Ｂ．Ｐ．Ｆ）３は、図示の例では例えば３ａを１４００Hz、３ｂを４２００Hzの特定周波数のエンジン音の信号のみ通過させるフィルタがそれぞれ用いらる。なお、周波数の特定は任意であり、上記特定周波数以外の値でもよいことは勿論であり、又特定周波数は上記のように２点としてもよいが、３点又はそれ以上としてもよいことは言うまでもない。
【００２３】
比較器４において選択された音信号を比較する場合、この例では例えばクランク角（回転角）１８０°と３３０°における音信号を比較するためにクランク角（回転角）センサ５として、図３に示すように、それぞれの角度を検出するセンサ５ａと５ｂが設けられ、それぞれの角度位置をクランクアームが通過するとその検出信号が同期信号として送られる。クランク角１８０°は下死点（ＢＤＣ）、３３０°は上死点（ＴＢＣ）の直前の角度に対応する。
【００２４】
クランク角１８０°は下死点に相当するため、この角度の音はエンジンのクランクシャフトが１回転する間に生ずるエンジン音のうち周波数分布の性質が安定しているため、上記比較器４における音信号の比較の際の基準値として採用し、一方クランク角３３０°の音は空燃比の変化による周波数分布の違いが顕著であるためこれを比較対象とする。上死点３６０°などの他の任意のクランク角度における音を比較対象としてもよいことは勿論である。
【００２５】
比較器４において音信号を比較する場合、クランク角１８０°の同期信号が入力された時の周波数１４００Hzと４２００Hzの音信号の強さをそれぞれ基準として、クランク角３３０°の同期信号が入力された時の周波数１４００Hzと４２００Hzの音信号の強さが比較される。比較の結果、各周波数における音信号の強さの差が大きい方の比較結果に基づいて空燃比の大小を判断し、その判断結果に対応する出力信号をミキシング手段６へ送る。
【００２６】
なお、比較器４ではクランク角１８０°と３３０°の音信号は、例えば１８０°の音が先に検出された後わずかに遅れて３３０°の音が入力され各音信号にはわずかなタイミングの差があり、従ってクランク角１８０°の音信号はそのタイミングの遅れ時間を、例えばサンプルホールド回路などにより保持する回路が設けられている。
【００２７】
ミキシング手段６は、図示省略した遠隔操作するための発信機（コントローラ）からの操作信号を受信機ＲＸで受信し、その信号に基づいて制御信号をニードル弁Ｖ用のサーボモータ７へ送りニードル弁Ｖを制御し、その際上記操作信号に比較器４からの出力信号を混合して制御信号を変化させる。
【００２８】
なお、図１の制御回路はアナログ方式のものであり、ＢＰＦ３へは検出されたアナログ信号がそのまま送られる。
【００２９】
上記のように構成した実施形態の制御回路により模型飛行機等の小型エンジンを次のように制御する。小型エンジンＥの機側に設けたエンジン音検出器１で検出した音信号を増幅した後バンドパスフィルタ３（３ａ、３ｂ）により特定の周波数の音信号が選択されることについては前述した通りである。
【００３０】
この場合、２つのバンドパスフィルタ３ａ、３ｂでは、例えば１４００Hz、４２００Hzの２つの周波数の音信号が通過し、その他の帯域の音信号はカットされる。比較器４に送られたこれら特定周波数の音は、クランク角１８０°でのそれぞれの周波数の音信号の強さを基準としてもう一方のクランク角３３０°でのそれぞれの周波数の音信号の強さが比較される。
【００３１】
この比較の際、１８０°を基準とした理由としてこのクランク角の周波数分布が安定しているとしたのは、このクランク角における周波数を分析した結果音信号の強さ（ｄＢ）が最も小さくかつ高周波数と低周波数の音のばらつきが小さいことによる。反対に、３３０°での音は空燃比を変化させて回転させたとき、このクランク角における高低周波数の音のばらつきが大きく音信号の強さも大きく変化するため周波数分布の違いが顕著だからである。
【００３２】
上記音信号の強さの比較を図４を参照して説明する。図４は（ａ）空燃比２．３（小→濃）、（ｂ）空燃比３．１（最大トルク発生時）、（ｃ）空燃比３．６（大→薄）の場合のそれぞれクランク角１８０°と３３０°での音の周波数分布を示している。なお、この例の小型エンジンの諸元は次の通りである。
排気量      ６．４７ｃｃ
ボア径      ２０．５ｍｍ
ストローク  １９．６ｍｍ
回転数      ２０００〜１７０００ｒｐｍ
定格出力    ９０９Ｗ／１６０００ｒｐｍ。
【００３３】
まず、図４（ｂ）において空燃比３．１でこのエンジンが最大トルクを発生し得る空燃比であれば、クランク角１８０°と３３０°での各周波数における音の強さ（ｄＢ）はそれぞれほぼ一致しているのが分かる。これは、最も理想状態に近い状態でエンジンでの燃焼が行われているからである。
【００３４】
これに対して、（ａ）図では周波数１４００Hzの音の強さは基準クランク角１８０°に対して３３０°での音の強さの方が大きく、４２００Hzでは両者はほぼ一致している。従って、この場合は音の強さの差が大きい１４００Hzにおける比較の結果、空燃比が小（濃）と判断され、空燃比が大となるように燃料供給を増大させるべくニードル弁を開の方向へ操作するための出力信号が比較器４から出力される。
【００３５】
反対に、（ｃ）図では、クランク角１８０°の音に対して周波数１４００Hzでは３３０°の音の強さが小さく、４２００Hzでは３３０°の音の強さの方が大きく、かつ４２００Hzでの音の強さの差の方が１４００Hzでの差より大である。従って、この場合は音の強さの差が大きい４２００Hzでの音の強さの差により空燃比が大（薄）と判断され、空燃比を小となるようにニードル弁を閉の方向へ操作するための出力信号が比較器４から出力される。
【００３６】
以上のようにしてエンジンから発生するエンジン音の変化を常に検出し、その検出信号から空燃比が最適状態から大小いずれの方にずれているかを判断しながらその判断結果に基づいてニードル弁Ｖを開閉させる。
【００３７】
上記比較器４の出力信号によってニードル弁Ｖの開閉を行う際、図５に示すように、ニードル弁Ｖの操作ハンドルをモータ７により中央位置、右へ９０°、左へ９０°というように変化させるのであるが、この場合例えば空燃比が最適で最大トルク発生時の燃料供給をするための角度設定位置を中央位置とし、この時のミキシング手段６におけるパルス幅を１．５ｍＳｅｃとすると、右へ９０°の時パルス幅２ｍＳｅｃ、左へ９０°の時パルス幅１ｍＳｅｃが対応するようにパルス幅の変化によってニードル弁の操作角度を変化させる。
【００３８】
以上の操作により空燃比の大小の判断結果に従ってニードル弁の操作方向と角度を変化させる際に、基準回転角位置での各周波数における音信号の強さに他の回転角位置での各周波数における音信号の強さが一致するように操作するが、この操作では完全に一致しなくてもある一定の許容範囲内であれば一致したものとみなせるよう一定の許容範囲を設けて判断するのが好ましい。その場合、例えば一定の許容範囲を音信号の強さの差が基準回転角での音信号の強さの１０％以内とすることができる。
【００３９】
図２はデジタル方式の制御回路の概略ブロック図である。基本的な構成、作用は図１の例と同じであるが、構成部材が若干異なるから、異なる部分についてのみ説明する。１ａはＡ／Ｄ変換器であり、検出信号をディジタル信号に変換してＢＰＦ３へ送る。ＢＰＦ３の２つのバンドパスフィルタ３ａ、３ｂへは上記信号を送り込む際にクランク角センサ５（５ａ、５ｂ）の２つの同期信号が送られると、その瞬間の信号のみが送り込まれる。
【００４０】
従って、この例でもクランク角１８０°での１４００Hzと４２００Hzの音信号の強さを基準としてクランク角３３０°での１４００Hzと４２００Hzの音信号の強さが比較される。その際、ＢＰＦ３ａと３ｂから２つの周波数信号はメモリ８にクランク角１８０°と３３０°のそれぞれの角度で検出した値が記憶される。そして、比較器４では図１の例と同様にしてメモリ８に記憶されているデータを用いて比較が行われる。なお、９は１ショットパルス幅変調器であり、上記比較器４における比較結果に基づく出力信号に対応してパルス幅を変調させる信号をミキシング手段６へ出力する変調器である。
【００４１】
上記各実施形態では、クランク角１８０°での周波数信号を基準として３３０°での周波数信号の強さを比較するとしたが、クランク角は何らかの基準となる角度であれば１８０°に限定されず任意に設定できるし、又比較対象の音もクランク角３３０°だけでなく３点又はそれ以上の角度位置で比較してもよいし、さらに特定周波数の設定数も上記１４００、４２００Hzの２点だけでなく３点又はそれ以上としてもよいことは勿論である。
【００４２】
又、上記小型エンジンは模型用のものについて説明したが、模型用に限らず実車用であっても上記実施形態を適用できるものであればそのまま適用される。
【００４３】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、この発明の制御方法及び装置ではエンジン音を検出し、その検出音から周波数分布の安定した基準回転角位置での音信号とその他の回転角位置で音信号を選択し、基準回転角位置の音信号の強さに他の回転角位置での強さをそれぞれの音の少なくとも２つの周波数について比較し、各周波数における強さが一致又は一定許容範囲内となるよう燃料供給弁を開閉制御するとしたから、一般に遠隔操作される模型飛行機などの小型エンジンの運転状態をエンジン音を検出することによって自動的に常に最適の状態に制御でき、エンジン出力の向上や操作性の向上、あるいはエンジン寿命が延び、燃費を改善できるなどの種々の利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の制御回路の概略ブロック図
【図２】第２実施形態の制御回路の概略ブロック図
【図３】クランク角センサの配置説明図
【図４】作用の説明図
【図５】制御動作の説明図
【図６】空燃比と検出音の周波数分布の相関図
【図７】同相関図の説明図
【符号の説明】
１  エンジン音検出器
３、３ａ、３ｂ  バンドパスフィルタ
４  比較器
５  クランク角センサ
６  ミキシング手段
７  サーボモータ
【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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【図７】
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