特開 2022-109217 作業機用２ストロークエンジン及びこれを組み込んだ作業機用シリーズ・ハイブリッド装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022109217

(43)【公開日】2022-07-27

(54)【発明の名称】作業機用２ストロークエンジン及びこれを組み込んだ作業機用シリーズ・ハイブリッド装置

(51)【国際特許分類】

   F02D 45/00 20060101AFI20220720BHJP

   F02D 29/02 20060101ALI20220720BHJP

   F02D 29/06 20060101ALI20220720BHJP

   B60K 6/46 20071001ALI20220720BHJP

   B60K 6/24 20071001ALI20220720BHJP

   B60K 6/52 20071001ALI20220720BHJP

   B60W 10/06 20060101ALI20220720BHJP

   B60W 10/26 20060101ALI20220720BHJP

【ＦＩ】

F02D45/00 362

F02D29/02 J

F02D29/06 D

F02D29/06 N

B60K6/46 ZHV

B60K6/24

B60K6/52

B60W10/06 900

B60W10/26 900

【審査請求】未請求

【請求項の数】16

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021167079

(22)【出願日】2021-10-11

(31)【優先権主張番号】P 2021004370

(32)【優先日】2021-01-14

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】509264132

【氏名又は名称】株式会社やまびこ

(74)【代理人】

【識別番号】100098187

【弁理士】

【氏名又は名称】平井 正司

(72)【発明者】

【氏名】衞藤 邦淑

(72)【発明者】

【氏名】野口 祐則

(72)【発明者】

【氏名】澤田 俊治

(72)【発明者】

【氏名】野澤 勝

(72)【発明者】

【氏名】小林 佑太

【テーマコード（参考）】

3D202

3G093

3G384

【Ｆターム（参考）】

3D202AA00

3D202AA07

3D202BB04

3D202BB19

3D202CC24

3D202CC59

3D202DD24

3D202DD44

3D202DD45

3D202EE01

3D202FF02

3G093AA09

3G093AB04

3G093BA14

3G093BA19

3G093CA11

3G093DA01

3G093DA06

3G093EA03

3G384AA01

3G384AA04

3G384AA25

3G384AA28

3G384BA03

3G384CA18

3G384CA28

3G384CA29

3G384DA02

3G384DA03

3G384DA04

3G384FA04Z

3G384FA56Z

(57)【要約】

【課題】小型軽量を維持しながら排気ガス対策を実現可能な作業機用の動力源として、ハイブリッド化に好適な２ストロークエンジン、作業機用シリーズ・ハイブリッド装置を提供する。
【解決手段】スロットルバルブ(20)を駆動するためのスロットル用モータ(22)と、クランク室(420)を含む吸気系(18)に配置された燃料噴射装置(430)と、スロットル用モータ(22)と燃料噴射装置を制御する制御ユニット(24)とを有する。２ストロークエンジンはスロットルバルブ(20)が全開のときのエンジン回転数が4,500rpm～7,000rpmとなるように設計される。そして、制御ユニット(24)によりスロットル全開の下で動作し、２ストロークエンジンによって発電機(6)が発電した電力がバッテリ(8)に充電される。
【選択図】図2

【特許請求の範囲】

【請求項1】

内燃エンジンと、該内燃エンジンに連結された発電機と、該発電機で生成した電力を蓄電するバッテリと、該バッテリから電力の供給を受けて動作するモータとを含み、作業機の動力源を構成するシリーズ・ハイブリッド装置において、
該シリーズ・ハイブリッド装置に組み込まれる前記内燃エンジンが２ストロークエンジンで構成され、
該２ストロークエンジンが、
吸気系に配置されたスロットルバルブを駆動するためのスロットル用モータと、
クランク室を含む前記吸気系に配置され、該吸気系に燃料を噴射する燃料噴射装置と、
前記スロットル用モータと前記燃料噴射装置を制御する制御ユニットとを有し、
２ストロークエンジンは前記スロットルバルブが全開のときのエンジン回転数が4,500rpm～7,000rpmとなるように設計され、
前記２ストロークエンジンは前記制御ユニットによりスロットル全開の下で動作し、
該２ストロークエンジンによって前記発電機が発電した電力を前記バッテリに充電することを特徴とする作業機用２ストロークエンジン。

【請求項2】

前記バッテリから供給される電力によって前記発電機を始動用モータとして動作させて、該発電機によって前記２ストロークエンジンが始動される、請求項１に記載の作業機用２ストロークエンジン。

【請求項3】

前記燃料噴射装置から噴射される燃料が潤滑オイルを含む混合燃料であり、
前記２ストロークエンジンが始動した直後からスロットル全開で運転される、請求項１又は２に記載の作業機用２ストロークエンジン。

【請求項4】

前記制御ユニットは前記燃料噴射装置が吐出する燃料の空燃比を制御する空燃比制御部を有し、
前記燃料の空燃比を制御することによりスロットル全開でのエンジン出力を制御する、請求項１～３のいずれか一項に記載の作業機用２ストロークエンジン。

【請求項5】

前記２ストロークエンジンの点火プラグの点火タイミングを制御することによりスロットル全開でのエンジン出力が制御される、請求項１～４のいずれか一項に記載の作業機用２ストロークエンジン。

【請求項6】

前記作業機用２ストロークエンジンが層状掃気式エンジンである、請求項１～５のいずれか一項に記載の作業機用２ストロークエンジン。

【請求項7】

ボアストローク比が１以上であるスクエアストロークエンジン又はロングストロークエンジンである、請求項１～６のいずれか一項に記載の作業機用２ストロークエンジン。

【請求項8】

扁平なドーム型燃焼室を有し、
エンジン圧縮比が12.0～16.0である、請求項１～７のいずれか一項に記載の作業機用２ストロークエンジン。

【請求項9】

請求項１～８のいずれか一項に記載の作業機用２ストロークエンジンを組み込んだ作業機用シリーズ・ハイブリッド装置。

【請求項10】

前記シリーズ・ハイブリッド装置に含まれ、前記バッテリから電力の供給を受けて動作するモータが作業用モータで構成され、
該作業用モータの動作中に前記２ストロークエンジンがスロットル全開の下で動作して前記バッテリの充電が実行される、請求項９に記載の作業機用シリーズ・ハイブリッド装置。

【請求項11】

前記作業機が走行する作業機であり、
前記シリーズ・ハイブリッド装置に含まれ、前記バッテリから電力の供給を受けて動作するモータが、前記作業機が走行するための走行用モータで構成され、
該走行用モータの動作中に前記２ストロークエンジンがスロットル全開の下で動作して前記バッテリの充電が実行される、請求項９に記載の作業機用シリーズ・ハイブリッド装置。

【請求項12】

前記作業機が走行する作業機であり、
前記シリーズ・ハイブリッド装置に含まれ、前記バッテリから電力の供給を受けて動作するモータが、前記作業機が走行するための走行用モータと、前記作業機が作業するための作業用モータとを含み、
前記走行用モータと前記作業用モータの少なくとも何れかのモータが動作している最中に限定して前記２ストロークエンジンが動作して前記バッテリの充電が実行される、請求項９に記載の作業機用シリーズ・ハイブリッド装置。

【請求項13】

前記制御ユニットが、前記バッテリの充放電を制御する充放電制御部を有し、
前記バッテリの消費電力が充電電力よりも多いときに前記２ストロークエンジンがスロットル全開の下で混合気の空燃比及び／又は点火タイミングによりエンジン出力を高める制御が実行される、請求項９～１２のいずれか一項に記載の作業機用シリーズ・ハイブリッド装置。

【請求項14】

前記制御ユニットは前記燃料噴射装置が吐出する燃料噴射量およびサイクルごとの噴射時間を制御することでエンジンの空燃比を制御する空燃比制御部を有し、
前記２ストロークエンジンの制御モードとして、均質燃焼モードと、成層燃焼モードとを有し、
前記均質燃焼モードでは、掃気行程において燃料噴射が実行され、
前記成層燃焼モードでは、掃気行程以外の行程で燃料噴射が実行され、
前記均質燃料モードにおける空燃比が、前記成層燃焼モードにおける空燃比よりもリーンである、請求項１に記載の作業機用２ストロークエンジン。

【請求項15】

温間時に前記均質燃焼モードが実行され、冷間時に前記成層燃焼モードが実行される、請求項１４に記載の作業機用２ストロークエンジン。

【請求項16】

掃気行程において、混合気を燃焼室の頂部に差し向けるブースターポートと、
該ブースターポートとクランク室とを連通させるブースター通路とを更に有し、
前記燃料噴射装置が、前記ブースター通路の入口又はその近傍に配置されている、請求項１４又は１５に記載の作業機用２ストロークエンジン。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は作業機に搭載される２ストロークエンジン（以下、「２stエンジン」という。）に関し、より詳しくは、作業機のハイブリッド化に好適な２stエンジン及びこれを組み込んだ作業機用シリーズ・ハイブリッド装置に関する。

【背景技術】

【0002】

歴史的に、２stエンジンは、年々強化される排気ガス規制の下で乗用車から排除され、次いでモータサイクル（オートバイ）からも排除され、今日では乗用車、モータサイクルのエンジンは４ストロークエンジン（以下、「４stエンジン」という。）で占められている。

【0003】

作業機は小型且つ軽量であることが本来的に求められるだけでなく、使用環境が様々であり、且つ、傾けたり反転させて使用される。２stエンジンは４stエンジンに比べて機構が簡素である。特にピストンバルブ方式の２stエンジンはエンジン本体に動弁系部品を有していないことから信頼性が高く且つ小型で軽量であるという特徴を有している。作業機の使用態様を念頭に置くと、作業機の動力源として２stエンジンの特性が適している。このことから２stエンジンは作業機の動力源として採用され続け、歴史的に気化器との組み合わせで作業機用２stエンジンが進化している。このことから、現在の作業機は、気化器を組み込んだ２stエンジンで動力源が構成されている。

【0004】

作業機においても排気ガス規制が年々強化されている。しかし、２stエンジンの開発者は絶えることなく排気ガス規制に打ち勝つ技術を開発し続け、実用化している。その典型例が層状掃気式エンジン（特許文献１）であり、気化器の電子制御装置（特許文献２）である。軽量化及び簡素化のために、作業機に搭載されるセンサの数は限定的であり、発電機で生成した電力は主として点火プラグの点火に用いられている。

【0005】

昨今の排気ガス規制に対応するために乗用車、モータサイクルの電動化が進んでいる。作業機業界においても、既にモータ駆動式が数多く販売されている。作業機は上述したように小型且つ軽量であることが求められるため、大容量のバッテリを作業機に搭載することができない。この問題は作業時間が限定的になるということに通じる。実際、市販の電動式作業機は３０分程度使用するとバッテリが空になってしまうため、長時間の使用には不適である。また、特に、作業機の多くは圃場や山林など、充電電源を確保できない屋外で用いられるため、電動化・ハイブリッド化とも、限定的な普及に留まっている。

【0006】

乗用車において、比較的小型のバッテリを搭載し且つ航続距離を延長する技術が提案され、既に実用化されている。航続距離を延長するシステムは、エンジンを発電専用として用いている。日産自動車株式会社の「e-Power」がその典型例である。e-Powerは４stエンジンと発電機の組み合わせでバッテリを充電し、このバッテリをエネルギ源とするモータのみで走行するシリーズ・ハイブリッドシステムである。

【0007】

ハイブリッドシステムは、エンジン、発電機、モータ、バッテリが必要とされ、大型且つ重くなるという欠点がある。この欠点は、小型軽量が求められる作業機にとって致命的である。しかしながら、作業機にあっても排気ガス対策は喫緊の課題である。作業機の動力源に関し、特許文献１～４は作業機用のハイブリッド装置を提案している。なお、特許文献３～６に開示のエンジンは２stエンジンであるか、４stエンジンであるか明確でないが、特許文献３～６の発明者は４stエンジンを想定して作業機用のハイブリッド装置を提案したと推察できる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】USP6,289,856

【特許文献2】USP9,255,535

【特許文献3】実開平４(1992)－１９１８４号公報

【特許文献4】特開昭６３(1988)－１９９１０３号公報

【特許文献5】特開２００４－１６６５４３号公報

【特許文献6】特開２０２０－１１５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

本発明の目的は、小型軽量を維持しながら排気ガス対策を実現可能な作業機用の動力源として、ハイブリッド化に好適な２stエンジン及びこれを組み込んだ作業機用シリーズ・ハイブリッド装置を提供することにある。より詳細には、駆動源部分の重量化を防ぎながら、エンジン出力を効率よく安定的に取り出し、バッテリに蓄電された電力を作業用駆動源として用いることで、小型軽量で耐傾斜性に優れ、かつ長時間運転が可能な、作業機用シリーズ・ハイブリッド装置を提供することにある。

【0010】

上記の技術的課題を達成するため、本発明者らは、作業機用動力源のハイブリッド化に対して２stエンジンを用い、そのメリットを引き出した。すなわち、(１)傾斜時の運転安定性に優れる（２）混合燃料を用い、別途のオイル貯蔵装置を備えないため、作業機が傾いたり転倒してもオイル漏れの問題を発生しない。(３)２stエンジンはその本体に動弁系部品を備えていないため、構造が簡素で重量化を抑制できる。

【0011】

４stエンジンを採用した場合との比較において、(i)２stエンジンは動弁系を駆動するためのエネルギを必要としない。(ii)２stエンジンは４stエンジンに比べて高圧縮化が構造上容易である。(iii)２stエンジンは４stエンジンに比べてロングストローク化との相性が良い。ロングストローク化することで、燃焼室の表面積が相対的に小さくなるため冷却損失を低減できる。上記(ii)及び(iii)によって２stエンジンの熱効率を高めることができる。(iv)動弁系が発する騒音、振動、故障リスク等を低減できる。

【0012】

従来、作業機に用いられる２stエンジンは、作業形態・作業負荷の多様性に対応するため、加減速を含む広い回転数領域が設定され、その全域が用いられてきた。そして、作業中において、より高い出力を求めるためにエンジン回転数を高めるというのが従来の２stエンジンの設計思想の基本であり、現在の２stエンジンはスロットル全開でエンジン回転数（作業領域での回転数）が10,000rpm前後に達している。２stエンジン設計者はアイドル領域から高回転領域に至るその過渡領域を含む全領域を念頭においてエンジン設計を行っている。

【0013】

本発明では、従来、多様な作業形態・作業負荷に対して、エンジン出力そのものを変化させて追従してきた部分をモータによる出力調整に置き換える。また、この２stエンジンを、高効率を優先した所定の全開回転数領域で連続運転することで、最も効率の良い運転状態で、バッテリへ迅速に充電できる。充電されたバッテリからの出力は作業状況に合わせ適宜に変化させ得るため、エンジンの出力効率は低下させることなく、作業にはモータにより低回転～高回転までの幅広い出力を適用することができる。更に、本発明者らは、２stエンジンを常にスロットル全開で運転すれば、この限定した運転状態に絞り込んでエンジン設計を最適化でき、従来の２stエンジンで問題であった排気ガス対策をも改善することができることを発見した。このように、従来の広い回転数領域を想定したエンジン設計思想から、効率を重視した所定の回転数領域のみを利用する設計思想へと見直してハイブリッド化することで、２stエンジンの燃料消費率を低減しながら最も効率の良い発電が可能である。

【0014】

次に、本発明者らは、ハイブリッド化に好ましい２stエンジンとして、スロットル全開でのエンジン回転数を抑え込むことを検討した。すなわち、従来の２stエンジンにおける過渡領域のエンジン回転数に制限して、例えばスロットル全開のエンジン回転数を4,500rpm乃至7,000rpm、好ましくは5,000rpm乃至6,500rpm、更に好ましくは5,000rpm乃至6,000rpmとなるように設計すれば、従来の２stエンジンが高回転領域で発していた騒音を低減でき、また燃焼室のガス交換の時間が長くなるため、未燃成分の排出量を低減することができる。更に、回転数の低下に伴いエンジンの本体温度も低下するため、エンジンの異常摩耗やピストンの焼き付きを防止することができる。

【0015】

また、燃料供給系統に関しては、前述したように作業機用２stエンジンは、その内部にエンジンの負圧によって吸引される燃料孔を備えた気化器との組み合わせで普及し、排気ガス対策に対して気化器の電子制御が普及して現在に至っている。本発明者らは、この気化器に代えて燃料噴射装置を利用し、燃料噴射装置が有する特性つまり混合気を緻密にA/F制御できる点に着目した。燃料噴射装置を制御することで、混合気のA/F及び燃料噴射タイミングを自在に且つ迅速に制御することで、排気ガス対策を改善できるだけでなく混合気のA/Fによってエンジン出力を自在に増減できる。

【課題を解決するための手段】

【0016】

上記の技術的課題は、本発明によれば、
内燃エンジンと、該内燃エンジンに連結された発電機と、該発電機で生成した電力を蓄電するバッテリと、該バッテリから電力の供給を受けて動作するモータとを含み、作業機の動力源を構成するシリーズ・ハイブリッド装置において、
該シリーズ・ハイブリッド装置に組み込まれる前記内燃エンジンが２ストロークエンジンで構成され、
該２ストロークエンジンが、
吸気系に配置されたスロットルバルブを駆動するためのスロットル用モータと、
クランク室を含む前記吸気系に配置され、該吸気系に燃料を噴射する燃料噴射装置と、
前記スロットル用モータと前記燃料噴射装置を制御する制御ユニットとを有し、
２ストロークエンジンは前記スロットルバルブが全開のときのエンジン回転数が4,500rpm～7,000rpmとなるように設計され、
前記２ストロークエンジンは前記制御ユニットによりスロットル全開の下で動作し、
該２ストロークエンジンによって前記発電機が発電した電力を前記バッテリに充電することを特徴とする作業機用２ストロークエンジン及びこれを組み込んだ作業機用シリーズ・ハイブリッド装置を提供することにより達成される。ここに、「スロットルバルブの全開」とは完全にスロットルバルブを開けた状態に限らず、スロットルバルブの全開時のエンジン出力の調整のためにスロットルバルブの完全な全開状態から若干閉じるバルブ位置調整を含む。したがって、「スロットルバルブの全開」とはスロットルバルブの完全な全開状態に限らず、ほぼ全開状態を含む意味である。

【0017】

本発明の作用効果、本発明の更なる目的は以下の本発明の好ましい実施例の詳しい説明から明らかになろう。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】例えば畦草刈りロボットの動力源である実施例のシリーズ・ハイブリッド装置の全体構成図である。

【図2】実施例のシリーズ・ハイブリッド装置に組み込まれた２ストロークエンジンの縦断面図である。

【図3】図２の２ストロークエンジンの平面図であり、シリンダの頂部の図示を省いた図である。

【図4】２ストロークエンジンの始動及びバッテリの充電に関する処理を説明するためのフローチャートである。

【図5】２ストロークエンジンの異常燃焼に関する処理を説明するためのフローチャートである。

【図6】畦草刈りロボットの使用環境がバッテリの充電に適当でない場合、充電禁止を強制する処理の一例を説明するためのフローチャートである。

【図7】バッテリ充電中のエンジン出力を調整する制御の一例を説明するためのフローチャートである。

【図8】ブースターポートを備えたエンジンの縦断面図であり、図２に対応した図である。

【図9】図８の２ストロークエンジンの平面図であり、シリンダの頂部の図示を省いた図である。

【図10】図８、図９に図示のエンジンにおいて、エンジンの暖機が完了すると、冷間時のエンジン制御モードから温間時のエンジン制御モードに変更する制御例を説明するためのフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【実施例0019】

以下に、添付の図面に基づいて本発明の好ましい実施例を説明する。

【0020】

図１はシリーズ・ハイブリッド装置２の全体構成図である。シリーズ・ハイブリッド装置２は畦草刈りロボットの動力源に適用される。シリーズ・ハイブリッド装置２は、２stエンジン４と、２stエンジン４に機械的に連結された発電機６とを含んでいる。発電機６で生成した電力はバッテリ８に蓄電され、バッテリ８に蓄えられた電力を使って前輪モータ１０、後輪モータ１２、刈刃モータ１４が駆動される。すなわちシリーズ・ハイブリッド装置２を組み込んだ畦草刈りロボットは、２stエンジン４と、発電機６によって生成される電気を充電したバッテリ８と、この電力を使って動作するモータ１０、１２、１４とで動力源が構成され、この動力源を使って畦草刈りロボットの移動及び作業が実行される。

【0021】

２stエンジン４は、エアクリーナ１６を含む吸気系１８を有し、吸気系１８に配置されたスロットルバルブ２０によって空気量を増減し、よってエンジン出力が制御される。スロットルバルブ２０はスロットル用モータ２２によって開閉される。

【0022】

シリーズ・ハイブリッド装置２は制御ユニット２４を有している。制御ユニット２４は例えばマイコンで構成され、制御ユニット２４は、メモリ２６に記憶されているプログラムに従って動作する。制御ユニット２４はスロットル用モータ２２を制御するＥＣＵ２８を含み、ＥＣＵ２８はスロットルバルブ２０を電子的に制御する機能を有している。

【0023】

制御ユニット２４は充放電制御部３０を有し、充放電制御部３０はレクチファイヤレギュレータを含む。発電機６が生成した電力は充放電制御部３０によってバッテリ８の蓄電が制御され、また、ＥＣＵ２８を駆動する。

【0024】

バッテリ８に蓄電した電力は、メインスイッチ３２を経由して制御ユニット２４に供給されると共に、ドライバ３４を介して前輪モータ１０、後輪モータ１２、刈刃モータ１４の駆動に用いられる。

【0025】

畦草刈りロボットの動作は、概略的に３つに区分することができる。第１区分において、畦草刈りロボットが作業場所に移動する。第２区分において、作業場所で走行しながら草刈り作業を行う。第３区分において、作業が終わると、畦草刈りロボットは保管場所に移動する。

【0026】

第１、第３の区分では、畦草刈りロボットの前輪モータ１０、後輪モータ１２が動作する。この前輪モータ１０、後輪モータ１２の動作は、前述したようにバッテリ８から供給される電力によって行われる。

【0027】

第２区分では、畦草刈りロボットは作業場所を移動しながら草刈り作業を行う。この第２区分において、走行用モータとしての前輪モータ１０、後輪モータ１２に加えて、作業用モータとしての刈刃モータ１４が動作する。これら前輪モータ１０、後輪モータ１２、刈刃モータ１４の動作は全て、前述したようにバッテリ８から供給される電力によって行われる。

【0028】

２stエンジンを動作させてバッテリ８を充電するタイミングは、第１、第３の区分において走行用モータとしての前輪モータ１０、後輪モータ１２が動作している最中に行っても良いし、第２区分において前輪モータ１０、後輪モータ１２又は作業用モータとしての刈刃モータ１４のいずれかが動作している最中に行っても良く、また、第１ないし第３区分において畦草刈りロボットが実走している最中又は作業している最中に行っても良い。２stエンジン４は始動した直後からスロットル全開で運転させるのが好ましい。

【0029】

図１を参照して説明したシリーズ・ハイブリッド装置２の適用は畦草刈りロボットに限定されない。畦草刈りロボットはシリーズ・ハイブリッド装置の適用の一例に過ぎず、例えば農薬散布の走行ロボットや自走式ブロアやバキューム装置であってもよい。したがって、シリーズ・ハイブリッド装置２に含まれる走行用モータ１０、１２又は作業用モータ１４の数は３つに限定されない。バッテリ８から供給される電力で動作するモータは１つの走行用モータだけであってもよいし、作業用モータが複数であってもよい。走行用モータ又は作業用モータの数は適用する作業機の機能に応じて任意である。

【0030】

図２、図３は、本発明に従うシリーズ・ハイブリッド装置２に好適に適用可能な２stエンジン４の概要を説明するための図である。図２は実施例の２stエンジン４の縦断面図であり、図３は平面図である。なお、図３は、燃焼室の頂面を構成するシリンダヘッド部分の図示を省いてある。

【0031】

図２、図３を参照して、２stエンジン４は空冷式エンジンであり且つ単気筒エンジンである。また、２stエンジン４はピストンバルブ式であり、後に説明する掃気ポート、排気ポートなどがピストンによって開閉される。

【0032】

２stエンジン４は、従来と同様に、シリンダ４００の中に嵌挿したピストン４０２を有し、ピストン４０２は上死点と下死点との間を往復動し、この往復動はコネクティングロッド４０４を介してクランクシャフト４０６に伝達され、クランクシャフト４０６によって回転運動に変換されて出力される。

【0033】

ピストン４０２によって画成される燃焼室４０８に臨んで点火プラグ４１０が配設されている。燃焼室４０８は扁平なドーム型燃焼室で構成されている。すなわち、燃焼室４０８の頂面４０８aは扁平なドーム型の形状を有している。そして、扁平なドーム型燃焼室４０８の頂点に点火プラグ４１０が配設されている。

【0034】

２stエンジン４は層状掃気式のエンジンである。図中、参照符号４１２はピストン溝を示す。ピストン溝４１２は、ピストン４０２の周面に形成され、吸気系１８に通じる吸気ポート４１４と、掃気通路４１６の上部とを連通させて、吸気系１８から供給されるエアを掃気通路４１６の上部に充填する機能を有している。掃気通路４１６に充填されたエアは先導エアとして、掃気行程の初期に燃焼室４０８に供給される。

【0035】

２stエンジン４は、掃気通路４１６を有している。掃気通路４１６は掃気行程において燃焼室４０８とクランク室４２０に連通し、クランク室４２０で予圧縮された混合気を燃焼室４０８に供給する。

【0036】

２stエンジン４は、従来と同様に、シリンダ４００に形成された排気ポート４２２を有し、排気ポート４２２はマフラー４２４に通じている。排気ポート４２２はピストン４０２によって開閉される。

【0037】

層状掃気式エンジン４において、掃気行程において、掃気ポート４1６aから先ず先導エアが吐出され、次いでクランク室４２０で予圧縮された混合気が吐出される。掃気ポート４1６aから吐出される先導エア及び混合気は排気ポート４２２とは反対側に指向される。

【0038】

２stエンジン４への燃料供給は、従来の気化器に代えて燃料噴射弁４３０によって行われる。燃料噴射弁４３０は、燃焼室４０８に配置してもよく、また、吸気系１８に配置してもよく、また、クランク室４２０に配置してもよい。クランク室４２０に燃料噴射弁４３０を配置する場合、掃気通路４１６の入口部分つまり下端開口部やその近傍に燃料噴射弁４３０を配置してもよい。

【0039】

燃料噴射弁４３０から潤滑オイルを含む混合燃料が噴射され、混合燃料に含まれる潤滑オイルでエンジン内部の潤滑が行われる。また、燃料噴射弁４３０の燃料噴射時間によって、エンジンに供給する混合気の空燃比（A/F）が制御される。

【0040】

２stエンジン４はショートストロークであってもよいが、好ましくはそのボアストローク比が１以上であるスクエアストロークエンジン、または、ロングストロークエンジンであるのがよい。具体的には、２stエンジン４のボアストローク比は0.8～1.3、好ましくは1.0～1.2に設定するのがよい。この構成によれば、運転時に必要以上の回転数を要さないため、従来に比べて低い所定の回転数で効率よく出力可能なエンジンが実現できる。

【0041】

２stエンジン４は、スロットルバルブ２０が全開のときに、4,500～7,000rpmの回転数、好ましくは5,000～6,000rpmとなるように設計するのが好ましい。この回転数は、従来の２stエンジンの作業領域の回転数よりだいぶ低い。２stエンジン４の最高回転数を従来に比べて低く設計することでエンジン騒音を低減することができ、また掃気ポート４１６a、排気ポート４２２などを開放するタイミングの最適設計が容易になる。

【0042】

エンジン圧縮比が８～１６となるように２stエンジン４を設計するのが好ましく、更に好ましくは１２～１６の高圧縮比に２stエンジン４を設計するのがよい。上述したように、２stエンジン４の燃焼室４０８が扁平なドーム型燃焼室であるため４stエンジンに比べて構造上高圧縮化が容易である。このように構成することで、軽量小型エンジンのメリットを維持し、回転数を従来よりも抑制しながら、より高いエンジン出力を蓄えることができる。

【0043】

実施例のシリーズ・ハイブリッド装置２によれば、潤滑オイルを含む混合燃料を用いた２stエンジン４を採用する。別途のオイル室を設けないため、畦草刈りロボットが傾いたり転倒してもオイル漏れの問題を発生することはない。また、発電機６による発電つまり２stエンジン４の動作のタイミングは、好ましくは、前輪モータ１０、後輪モータ１２又は刈刃モータ１４が動作して、畦草刈りロボットが走行及び／又は作業している最中のいずれにおいても２stエンジン４を起動させることができる。よって、充電が必要なときはいずれのモータが駆動しているか、作業の様態を問わず、必要量の充電が可能である。また、好ましくはスロットル全開でのエンジン回転数が例えば4,500～7,000rpm、好ましくは5,000～6,000rpmとなるように２stエンジン４を設計することで、２stエンジン４の動作に伴う騒音、振動を低減することができる。また、常にスロットル全開で運転することで、２stエンジン４の出力調整（チューニング）が容易になる。

【0044】

また、シリーズ・ハイブリッド装置２に組み込んだ２stエンジン４のボアストローク比が１以上であるスクエアストロークエンジン又はロングストロークエンジンにすることで、エンジンの熱効率をより高めることができる。また、２stエンジン４の燃焼室４０８を扁平なドーム型燃焼室としてエンジン圧縮比を高圧縮化することで、エンジンの熱効率を更に向上することができる。

【0045】

また、シリーズ・ハイブリッド装置２に組み込んだ２stエンジン４において、燃料噴射弁４３０を採用し、また、電子制御のスロットルバルブ２０を採用することで、２stエンジン４を常にスロットル全開又はその近傍で動作させながら、燃料噴射弁４３０による混合気のA/Fを制御することで吸気損失を増大させずにエンジン出力を精密に制御することができる。このエンジン出力の制御は、燃料噴射弁４３０による混合気のA/F制御に限定されず、点火タイミングの制御によって行うこともできる。すなわち、発電中、常時、スロットル全開で動作する２stエンジン４の出力は、(1)混合気のA/F制御、(2)点火タイミング制御、(3)混合気のA/F制御と点火タイミング制御の組み合わせによって制御することができる。

【0046】

図２を参照して、当業者であればリコイル・スタータが存在していないことに注目するであろう。リコイル・スタータは作業機用エンジンを手動で始動させるのに用いられている。シリーズ・ハイブリッド装置２に組み込んだ２stエンジン４は、バッテリ８から発電機６に電力を供給することで、発電機６がエンジン始動用モータとして用いられる。

【0047】

図４以降のフローチャートに基づいてシリーズ・ハイブリッド装置２に組み込んだ２stエンジン４に関する幾つかの具体的な制御例を説明する。なお、図３において参照符号４４０はセンサ群を示す。センサ群４４０には、２stエンジン４のエンジン回転数を検出するエンジン回転数センサ、クランクシャフト４０６のクランク角度を検出するクランク角センサ、吸気温度（環境温度）を検出する吸気温センサ、降雨を検出する降雨センサ、バッテリ８の残量を検出するバッテリ残量センサ、バッテリ８の消費電力を検出する消費電力センサ、バッテリ８の充電電力を検出する充電電力センサ、畦草刈りロボットの姿勢を検出するロボット姿勢センサなどで構成され、ロボット姿勢センサによって畦草刈りロボットの傾斜や転倒が検出される。センサ群４４０の信号はエンジン制御部４４２に入力される。エンジン制御部４４２は制御ユニット２４の一部を構成し、また、図１を参照して説明したＥＣＵ２８は、エンジン制御部４４２の一部を構成している。

【0048】

エンジン制御部４４２からスロットル用モータ２２にスロットルバルブ開度信号が出力され、燃料噴射弁４３０に燃料噴射信号が出力され、点火プラグ４１０に点火信号が出力される。なお、点火プラグ４１０への電力はバッテリ８から供給される。

【0049】

＜バッテリ８の充電＞
図４は、２stエンジン４の始動及びバッテリ８の充電に関する処理を説明するためのフローチャートである。図４のフローチャートを参照して、ステップＳ１で、バッテリ残量センサからの信号に基づいてバッテリ８の残量が十分であるか否か判別され、バッテリ残量が十分であるときには、ステップＳ２に進んでエンジン停止状態が維持される。ステップＳ１において、バッテリ残量が十分ではないと判断されたときにはステップＳ３に進んで前輪モータ１０、後輪モータ１２、刈刃モータ１４のいずれか一つのモータが動作中であるか否かの判別が行われ、前輪モータ１０、後輪モータ１２、刈刃モータ１４のいずれか一つのモータが動作中であることを前提としてエンジン始動制御信号が生成されて２stエンジン４が始動される（Ｓ４、Ｓ５）。ステップＳ５において、２stエンジン４の始動は前述したように発電機６によって行われる。エンジン始動制御信号に基づいてバッテリ８から発電機６に電力が供給され、発電機６がエンジン始動用モータとして機能して２stエンジン４が始動される。２stエンジン４の始動時には、スロットルバルブ２０は始動位置に位置決めされてもよいし、スロットル全開位置に位置決めされてもよい。２stエンジン４が始動すると、２stエンジン４はスロットル全開の下で動作し、エンジン４の出力によって発電機６が発電を開始し、発電した電力でバッテリ８の充電が行われる。そして、この２stエンジン４及び発電機６による充電はバッテリ８が所定量（満充電とは限らない）になるまで継続される（Ｓ６）。充電中、２stエンジン４はスロットル全開で運転され続ける。そして、バッテリ８が満充電状態になるとステップＳ２に進んでエンジン４が停止される。

【0050】

＜エンジンの異常燃焼制御＞
図５は、２stエンジン４の異常燃焼に関する処理を説明するためのフローチャートである。ステップＳ１０で、スロットル全開で動作している２stエンジン４のエンジン回転数の監視が行われる。このエンジン回転数の監視は２stエンジン４が動作中、定期的に継続される。次のステップＳ１１において、エンジン回転数に基づいて２stエンジン４の異常燃焼が発生しているか否かの判別が行われる。例えば、エンジン回転数が異常に変動する、エンジン回転数が異常に上昇する、エンジン回転数が異常に低下するなどの現象が現れなければ、ステップＳ１２に進んで定常運転モードのまま２stエンジン４が制御され、２stエンジン４はスロットル全開の下で動作し続ける。

【0051】

上記ステップＳ１１において異常燃焼の現象が発生したと判断したときには、ステップＳ１３に進んでエンジン制御における定常運転モードから異常燃焼モードに遷移する。異常燃焼モードにより異常燃焼に対処するためのA/F変更、点火時期変更などが実施され、次のステップＳ１４において、異常燃焼の終息が確認できれば、ステップＳ１５に進んで２stエンジン４の制御を定常運転モードに復帰させる。上記ステップＳ１４において、異常燃焼が継続しているときには、ステップＳ１６に進んで、異常燃焼モードを維持し、異常燃焼が終息するまで、このステップＳ１６の処理が反復される（Ｓ１６、Ｓ１４）。

【0052】

＜畦草刈りロボットの環境の適否に関する処理＞
畦草刈りロボットの使用環境がバッテリ８の充電に適当でない場合、充電を強制的に停止する制御が実行される。図６のフローチャートを参照して、先ず、ステップＳ２０でエンジンが停止状態であることを確認したら、次のステップＳ２１において、バッテリ８の残量が十分であるか否かの判別が行われ、バッテリの残量が十分であるときには、ステップＳ２２に進んで、エンジン停止状態が継続される。上記ステップＳ２１において、バッテリ８の残量が不足していると判断されたときには、ステップＳ２３に進んで、作業機つまり畦草刈りロボットの使用環境が適切であるか否かの判別が行われる。

【0053】

畦草刈りロボットの使用環境が不適切とは、例えば、畦草刈りロボットの転倒、環境温度が例えば摂氏０°以下、降雨、屋内などの状況にあることを意味し、ステップＳ２３において、畦草刈りロボットの使用環境が不適切であるときには、ステップＳ２２に進んで、バッテリの残量が不足していてもエンジン停止状態が継続される。ステップＳ２３において、畦草刈りロボットの使用環境が適切であるときには、ステップＳ２４でエンジン始動制御信号が生成され、このエンジン始動制御信号に基づいて２stエンジン４が始動される。２stエンジン４の始動は、前述したように発電機６をエンジン始動用モータとして利用することで行われる（Ｓ２５）。２stエンジン４が始動すると、スロットル全開の下で動作するエンジン４の出力によって発電機６が本来の発電機能の下で発電を開始し、発電した電力でバッテリ８の充電が行われる。

【0054】

２stエンジン４のスロットル全開運転によりバッテリ８の充電が実行されている最中、畦草刈りロボットの使用環境の監視が継続され（Ｓ２６）、次のステップＳ２７で、例えば畦草刈りロボットの転倒を検出すると、バッテリ８の充電が不十分であってもステップＳ２２に進んで、２stエンジン４の運転が強制的に停止される。

【0055】

畦草刈りロボットの使用環境が適切であれば、バッテリ８が満充電の状態となるまで２stエンジン４のスロットル全開運転が継続され（Ｓ２７、Ｓ２６）、バッテリ８が満充電になると２stエンジン４はエンジン停止される（Ｓ２２）。

【0056】

＜エンジン出力の調整＞
バッテリ８の消費電力と発電機６の充電電力とを対比し、必要に応じて混合気のA/Fの制御及び／又は点火タイミングの制御を行って２stエンジン４の出力が調整される。この制御を図７のフローチャートに基づいて説明する。

【0057】

ステップＳ３０において、２stエンジン４の運転が実行される。エンジン４は、スロットル全開、燃料噴射弁４３０から吐出される混合燃料の空燃比はリーンであり、定常運転に適した点火タイミングの下で２stエンジン４の運転が制御されている。エンジン４の動作によって発電機６は発電し、この発電電力でバッテリ８の充電が実行されている（Ｓ３１）。

【0058】

次のステップＳ３２において、バッテリ８の消費電力と充電電力とが対比され、消費電力が相対的に少ないときには、ステップＳ３３に進んで、消費電力が著しく少ないときには、例えば前輪モータ１０、後輪モータ１２、刈刃モータ１４の一部しか動作していないときには、ステップＳ３４に進んで点火タイミングを遅角する処理が行われる。これによりエンジン出力を低下する調整が実行され発電機６の発電能力を低下させることができる。

【0059】

ステップＳ３３において、バッテリ８の消費電力が充電電力に比べて相対的に少ないものの消費電力が比較的多いとき、例えば前輪モータ１０、後輪モータ１２、刈刃モータ１４の全てが動作しているときには、ステップＳ３５に進んで、スロットル全開、燃料噴射弁４３０から吐出される混合燃料の空燃比がリーンの定常運転に適した点火タイミングの下での２stエンジン４の定常運転が継続される。

【0060】

上記ステップＳ３２において、バッテリ８の消費電力が充電電力に比べて多いときには、ステップＳ３６において、スロットル全開、定常運転に適した点火タイミングを継続しつつ混合燃料の空燃比をストイキ（λ＝１）に近づける処理が実行される。これによりスロットル全開のエンジン出力を高めて発電機６の発電能力を更に高めることができる。

【0061】

次のステップＳ３７において、バッテリ８の消費電力が充電電力に比べて多いか否かを判別し、バッテリ８の消費電力が相対的に少なくなれば、ステップＳ３８に進んで、混合燃料の空燃比をリーンに戻す処理が行われる。これによりスロットル全開のエンジン出力を低下させて発電機６の発電能力を通常レベルに復帰させることができる。

【0062】

上記ステップＳ３７において、バッテリ８の消費電力が充電電力に比べて多いときには、ステップＳ３９に進んで、スロットル全開、定常運転に適した点火タイミングの下で、燃料噴射弁４３０から吐出される混合燃料の空燃比をエンジン４の出力を最大にすることのできる空燃比に一致させる処理が実行される。これによりスロットル全開のエンジン出力を高めて発電機６の発電能力を高めることができる。

【0063】

次のステップＳ４０において、バッテリ８の消費電力が充電電力に比べて少なくなったか否かを判別し、未だに消費電力が相対的に多いときには、ステップＳ４１に進んで点火タイミングを進角させる処理が実行される。この点火タイミングの調整処理は、エンジン４の出力を最大にすることのできる点火タイミングまで進角が行われる。これによりエンジン出力を高めて発電機６の発電能力をより高めることができる。

【0064】

ステップＳ４１の点火タイミング進角処理の後、ステップＳ４０に戻って、バッテリ８の消費電力が充電電力に比べて少なくなったときには、ステップＳ４２に進んで、燃料噴射弁４３０から吐出される混合燃料の空燃比をλ＝１に近づける処理が実行され、そしてステップＳ３７に戻る。これにより、スロットル全開のエンジン出力が徐々に低下して発電機６の発電能力を通常レベルに復帰させることができる。

【0065】

図８、図９は、２stエンジン４がブースターポート４１８aを備えたエンジンを示す。掃気行程において、掃気通路４１６、ブースター通路４１８は共に燃焼室４０８とクランク室４２０に連通し、クランク室４２０で予圧縮された混合気を燃焼室４０８に供給する。ブースターポート４１８a及び掃気通路４１６の燃焼室４０８に開口する掃気ポート４1６aは共にピストン４０２によって開閉される。

【0066】

掃気ポート４１６aから吐出される先導エア及び混合気は排気ポート４２２とは反対側に指向される。他方、ブースターポート４１８aから吐出される混合気は上方に向けて、つまり燃焼室４０８の頂部に向けて指向される。

【0067】

図８、図９に図示のように、燃料噴射弁４３０をブースター通路４１８の入口部分４１８b又はその近傍に配置するのがよい。燃料噴射弁４３０をブースター通路４１８の入口部分４１８b又はその近傍に配置することで、次に図１０を参照して説明するように、燃料噴射タイミングを変更することにより、大別して２つのエンジン制御モードを選択的に実行することができる。

【0068】

＜冷間時と温間時とでエンジン制御モードの切換え＞
図８、図９に図示の２stエンジン４の制御は成層燃焼モードと均質燃焼モード(定常運転モード)とを有していてもよい。成層燃焼モードは、ブースター通路４１８の入口部分４１８bに配置した燃料噴射弁４３０の燃料噴射タイミングが掃気ポート４１６a、ブースターポート４１８aが閉じているときにスロットル全開の下で実行される。例えばピストン４０２が上死点に位置するときに燃料噴射が開始され、ピストン４０２が上死点から下降する途中まで燃料噴射が実行される。掃気行程が実行される前に燃料噴射が行われるため、燃料噴射弁４３０から噴射される混合気（混合燃料）はクランク室４２０に供給され、このクランク室４２０で予圧縮された後に燃焼室４０８に供給される。この成層燃焼モードでは、燃料噴射弁４３０から噴射される混合気の空燃比は相対的な又は絶対的なリッチに設定される。

【0069】

均質燃焼モード(定常運転モード)は、スロットル全開の下で燃料噴射弁４３０の燃料噴射タイミングが掃気ポート４１６a、ブースターポート４１８aが開放しているとき、つまり掃気行程で実行される。掃気行程が実行される前に燃料噴射が行われるため、燃料噴射弁４３０から噴射される混合気（混合燃料）はブースター通路４１８を通じてクランク室４２０で予圧縮された掃気エアに随伴して燃焼室４０８に供給され、ブースターポート４１８aから燃焼室４０８に供給される混合気は、燃焼室４０８で上昇して点火プラグ４１０の周辺を集中的に満たす。この均質燃焼モードでは、燃料噴射弁４３０から噴射される混合気の空燃比は少なくとも成層燃焼モードよりもリーンに設定される。すなわち、定常運転モードである均質燃焼モードにおいて、掃気行程での吹き抜けを低減するため、掃気行程において燃料噴射が実施される均質燃料モードにおける空燃比を相対的に又は絶対的にリーンに設定するのが好ましい。

【0070】

均質燃焼モード（定常運転モード）と成層燃焼モードを要約すれば次の通りである。
(1)均質燃焼モード（定常運転モード）：
スロットルバルブ２０は全開である。掃気行程で燃料噴射が実行される。混合気は相対的又は絶対的にリーンである。
(2)成層燃焼モード：
スロットルバルブ２０は全開である。掃気行程以外の行程で燃料噴射が実行される。混合気は相対的又は絶対的にリッチである。

【0071】

冷間時と温間時とでエンジン制御モードの切換えに関する処理を図１０のフローチャートに基づいて説明する。図４で説明したエンジン始動制御信号（Ｓ４）に基づいて２stエンジン４が始動される（Ｓ５０）。エンジン４が始動した直後から２stエンジン４はスロットル全開の下で成層燃焼モードで制御される（Ｓ５１）。エンジンが始動した直後からエンジン温度の監視が継続され（Ｓ５２）、次のステップＳ５３において、エンジン４の暖機が完了したか否かが判別され、エンジン４の暖機が完了するまでステップＳ５４で成層燃焼モードが継続される。

【0072】

エンジン４の暖機が完了すると、ステップＳ５３からステップＳ５５に進んで２stエンジン４の制御が、スロットル全開を維持したままで成層燃焼モードから均質燃焼モードに切り替えられる。これにより、温間時にはリーン空燃比の下でエンジン４が運転される。次のステップＳ５６において、エンジン回転数が安定しているか否かの判別が行われ、不安定のときには、図５のステップＳ１３などの処理と同様に、異常燃焼抑制モードが実行される。

【0073】

ステップＳ５６でスロットル全開の２stエンジン４のエンジン回転数が安定していると判断された時には、ステップＳ５８に進んで、混合気を更にリーンにする及び／又は点火タイミングを進角する処理が実行される。この処理は、エンジン４の回転数が不安定になるまで継続される。

【0074】

以上、シリーズ・ハイブリッド装置２を畦草刈りロボットに適用した例に基づいて本発明の実施例を説明したが、本発明に従うシリーズ・ハイブリッド装置２はドローン、ラジコン飛行機による農薬散布、船外機、ロボット管理機、コージェネレート装置、ゴルフ場でゴルフボールを回収して収集場所に戻すボールピッカ、自走ブロワロボット、自走バキュームロボットなどの動力源として利用することができる。

【符号の説明】

【0075】

２ 実施例のシリーズ・ハイブリッド装置
４ ２stエンジン
６ 発電機
８ バッテリ
１０ 前輪モータ（走行用モータ）
１２ 後輪モータ（走行用モータ）
１４ 刈刃モータ（作業用モータ）
１８ 吸気系
２０ スロットルバルブ
２２ スロットル用モータ
２４ 制御ユニット
２８ 制御ユニットのＥＣＵ
３０ 制御ユニットの充放電制御部
４００ ２stエンジンのシリンダ
４０２ ピストン
４０６ クランクシャフト
４０８ 燃焼室
４０８a 燃焼室の頂面（扁平なドーム型燃焼室を規定する頂面）
４１０ 点火プラグ
４１４ 吸気ポート
４１６ 掃気通路
４１６a 掃気ポート
４１８ ブースター通路
４１８a ブースターポート
４２０ クランク室
４２２ 排気ポート
４３０ 燃料噴射弁
４４０ センサ群
４４２ 制御ユニットのエンジン制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】