JP2004194414A - Electric flywheel - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の出力軸の回転変動を抑制するフライホイールに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、内燃機関(エンジン)の回転を安定させるため、エンジンの出力軸には所定の慣性モーメントを有するフライホイールが備えられている。一般的には、定常走行時、特にエンジンの出力変動の影響を受けやすい低速回転時、における滑らかなエンジン出力特性を実現するために、ある程度大きな慣性モーメントを有するフライホイールが備えられ、エンジンの出力軸の急激な回転変動が抑制されている。
【0003】
一方で、加速応答性を向上するためには、フライホイールの慣性モーメントは小さい方が良く、これら双方の要求を満たすためにフライホイールの慣性モーメントの容量を可変にする技術が提案されている(例えば、特許文献1を参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開平10−89176号広報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、既存のフライホイールは、たとえ可変容量タイプであっても現実に相当の慣性モーメントを有する機械式のフライホイールであり、要求される加速応答性を充分に満足させるものではなく、また、車両の走行状態(内燃機関の運転状態)に応じて任意に慣性モーメントを変更できるものではない。また、絶対的な質量を有する機械式フライホイールでは車両重量を軽減することはできなかった。
【0006】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、内燃機関の運転状態に応じて任意に運動エネルギーと電気エネルギーとの変換を実行し、内燃機関の回転安定性と内燃機関の応答性を満足させるとことを目的とする。また、車両重量を軽減するフライホイールを提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
上記課題を解決するために本発明の第1の態様は、内燃機関の機関出力軸に備えられる電気式フライホイールを提供する。本発明の第1の態様に係る電気式フライホイールは、所定の運動エネルギーに相当する電気エネルギーを蓄積可能な電気エネルギー蓄積手段と、前記機関出力軸に接続されていると共に、運動エネルギーと電気エネルギーとの相互変換を実行するエネルギー変換手段と、前記内燃機関に要求される要求出力を検出する要求出力検出手段と、前記エネルギー変換手段と前記電気エネルギー蓄積手段とに接続されていると共に、前記検出された要求出力に応じて、前記エネルギー変換手段と前記電気エネルギー蓄積手段との接続を接続状態または切断状態に切り換える切り替え手段とを備えることを特徴とする。
【0008】
本発明の第1の態様に係る電気式フライホイールによれば、内燃機関に要求される要求出力に応じて、エネルギー変換手段と電気エネルギー蓄積手段との接続の状態が接続または切断状態のいずれかに切り換えられ、出力軸から出力される運動エネルギーを電気エネルギーが変換されて電気エネルギー蓄積手段に蓄積され、あるいは、エネルギー蓄積手段に蓄積されている電気エネルギーが運動エネルギーに変換されて機関出力軸へ供給されるので、内燃機関の運転状態に応じて任意に運動エネルギーと電気エネルギーとの変換を実行し、内燃機関の回転安定性と内燃機関の応答性の双方を満足させることができると共に、機械式フライホイールを用いた場合として車両重量を軽減することができる。
【0009】
本発明の第1の態様に係るフライホイールにおいて、前記切り替え手段は、前記検出された要求出力の単位時間変化量が所定値以上の場合には、前記エネルギー変換手段と前記電気エネルギー蓄積手段との接続を切断状態に切り換えても良い。かかる場合には、内燃機関の運動エネルギーはエネルギー変換手段によって電気エネルギーに変換されないので、内燃機関の運動エネルギーは要求出力を満たすために利用され、加速時における内燃機関の応答性を満足させることができる。
【0010】
本発明の第1の態様に係るフライホイールにおいて、前記切り替え手段は、前記検出された要求出力の単位時間変化量が所定値未満の場合には、前記エネルギー変換手段と前記電気エネルギー蓄積手段との接続を接続状態に切り換えても良い。かかる場合には、内燃機関の運動エネルギーはエネルギー変換手段によって電気エネルギーに変換されてエネルギー蓄積手段に蓄積され、あるいは、エネルギー蓄積手段に蓄積された電気エネルギーが運動エネルギーに変換されて内燃機関に供給されるので、内燃機関の出力変動は抑制され、定常走行時における内燃機関の回転安定性運を満足させることができる。
【0011】
本発明の第1の態様に係るフライホイールはさらに、前記切り替え手段と前記電気エネルギー蓄積手段とに接続される電気抵抗器を備えても良い。かかる場合には、切り替え手段によってエネルギー変換手段と電気エネルギー蓄積手段との接続の状態が切り換えられた際に内燃機関に及ぼす負荷変動を抑制することができる。
【0012】
本発明の第1の態様に係るフライホイールにおいて、前記エネルギ変換手段は電動機であり、前記電動機の出力軸と前記機関出力軸とは動力伝達機構を介して接続されていても良い。かかる場合には、電動機と内燃機関との配置関係の自由度を拡張することができる。
【0013】
本発明の第1の態様に係るフライホイールにおいて、前記電気エネルギー蓄積手段は1または複数のコンデンサであり、前記切り替え手段は前記コンデンサの数に応じて備えられた切り替え器であり、前記各コンデンサと各切り替え器とは前記電動機に対して並列の接続されていても良い。コンデンサを用いることによって、電気エネルギーの蓄積・放出を容易に実行することができると共に、複数のコンデンサを用いる場合には、電気式フライホイールによって蓄積される、運動エネルギーに対応する電気エネルギーの量(電気式フライホイールの慣性モーメント)を多段的に調整することができる。
【0014】
本発明の第1の態様に係るフライホイールにおいて、前記電気エネルギー蓄積手段は可変容量コンデンサであっても良い。かかる場合には電気式フライホイールによって蓄積される、運動エネルギーに対応する電気エネルギーの量(電気式フライホイールの慣性モーメント)を可変に調整することができる。
【0015】
本発明の第1の態様に係るフライホイールはさらに、前記コンデンサに蓄積された電気エネルギーを放出するための放電手段と、前記コンデンサに対して電気エネルギーを供給するために充電手段とを備えても良い。かかる場合には、コンデンサに蓄積される電気エネルギー量を任意に調整することが可能となり、内燃機関に対する負荷を任意に調整することができる。
【0016】
本発明の第1の態様に係る電気式フライホイールにおいて、前記コンデンサの最大静電容量または最大総静電容量と、前記電動機の有する逆起電力定数の二乗値の和は、要求される慣性モーメントに応じて決定されていても良い。かかる場合には、いわゆる機械式フライホイールを用いた場合の慣性モーメントをコンデンサの静電容量を調整することで擬似的に実現することができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつついくつかの実施例に基づいて、本発明に係る電気式フライホイールについて説明する。
【0018】
図1および図2を参照して以下の各実施例に共通する電気式フライホイールの基本概念について説明する。図1は電気式フライホイールを備えるエンジンのモデルを示すブロック図である。図2は機械式フライホイールを備えるエンジンのモデルを示すブロック図である。なお、図1および図2では本実施例に係る電気式フライホイールの基本概念の理解を容易にするためドライブトレーンに発生する慣性モーメントを考慮していない。
【0019】
図1において、エンジン10の出力軸が回転数ωで回転し、トルクTを出力する場合には、エンジン10の仕事率We=Tωで表され、モータ20の仕事率Wmは、電圧をE、電流をIとすると、Wm=EIと表される。したがって、エンジン10のトルクがモータ20に対してのみ伝達される場合にはTω=EIの関係が成立する。逆起電力常数(誘導電圧係数)=Keとすると、回転数ωで駆動されるモータ20は、電圧E=Keωを発生させる。静電容量Cを有するコンデンサ30に蓄積される電荷(電圧)はE=(1/C)∫Idtとなる。
【0020】
一方、図2においてエンジン10の出力軸が回転数ωで回転し、エンジン10がトルクTを出力し、機械式のフライホイール15が慣性モーメントMを有する場合には、角加速度δω/δt=T/Mの関係が成立する。
【0021】
図1におけるモデルにおいて、上記の3つの関係式を用いて角加速度δω/δtを求めると、δω/δt=T/(C*Ke2)となる。したがって、図2における機械式のフライホイール15を用いたモデルにおいて得られた角加速度δω/δt(=T/M)と比較すると、(C*Ke2)の項がフライホイール15の慣性モーメントMに相当する疑似慣性モーメントMiとして作用することが判明する。
【0022】
したがって、モータ20の逆起電力定数Keを考慮してコンデンサ30の静電容量Cを適当な値に設定すれば、モータ20とコンデンサ30とによって機械式フライホイールと同等の機能を発揮する電気式のフライホイールを実現することができる。
【0023】
・第1の実施例:
図3〜図5を参照して上記概念を具現化した第1の実施例に係る電気式フライホイールについて説明する。図3は第1の実施例に係る電気式フライホイールを備えたエンジンシステムの概略構成を示す説明図である。図4は図3に示す電気式フライホイールを備えるエンジンシステムのモデルを示すブロック図である。図5は機械式フライホイールを備えるエンジンシステムのモデルを示すブロック図である。
【0024】
図3に示すとおり、第1の実施例に係る電気式フライホイールEFは、直流モータ20と、直流モータによって生成された電気エネルギーを蓄積するコンデンサ30と、直流モータ20とコンデンサ30との接続を接続または遮断するスイッチ40と、エンジン10に要求される要求出力(運転状態)に応じてスイッチ40のアクチュエータ41を制御してスイッチ40を接続位置および切断位置のいずれかの位置に移動させる制御回路45を備えている。
【0025】
モータ20の出力軸にはプーリー21が装着されており、エンジン10の出力軸(クランクシャフト)に装着されているプーリー11とプーリーベルト12を介して相互に動力伝達可能に接続されている。なお、エンジン10の出力軸の先端にはドライブトレーン13が擬似的に表されている。各プーリー11、21は、例えば、スポーク形状の輪であり、従来の機械式フライホイール15と比較すればその慣性モーメントは無視できる程度の特性を有する。
【0026】
コンデンサ30は、機械式フライホイールを用いた場合に蓄積される運動エネルギー(慣性エネルギー)に相当する電気エネルギー(電力)を蓄積するための静電容量Cを有するコンデンサである。コンデンサ30は、十分な電荷が蓄積されるまでは電荷蓄積手段として機能し、モータ20はエンジン10に対する負荷として作用する。一方、コンデンサ30に容量一杯の電荷が蓄積され、モータ20による起電圧がコンデンサ30の端子電圧を下回ると、コンデンサ30は電荷供給手段として機能し、モータ20はエンジン10に対する動力源として作用する。さらに、コンデンサ30に容量一杯の電荷が蓄積され、モータ20による起電圧がコンデンサ30の端子電圧を上回っている間は、モータ20、コンデンサ30、スイッチ40で構成される回路には電流は流れず、モータ20はエンジン10に対する負荷としても動力源としても作用しない。
【0027】
図4を参照して図3に示す第1の実施例に係る電気式フライホイールを備えるエンジンシステムの概念を説明すると、エンジン10の出力軸が回転数ωで回転し、トルクTを出力する場合には、エンジン10の仕事率We=Tωで表される。車両の慣性モーメントMcを考慮すると、エンジン10の出力軸から出力されるトルクTは、ドライブトレーン13に作用するT1と電気式フライホイールEF(モータ20およびコンデンサ30)に作用するT2とに分けられ、T=T1+T2の関係が成立する。
【0028】
したがって、モータ20の仕事率Wmとエンジン10のモータ20に対する仕事率Weとの間には、T2ω=EIの関係が成立する。既述のように、逆起電力常数(誘導電圧係数)Keと回転数ωとの間にはE=Keωの関係が成立し、コンデンサ30に蓄積される電荷(電圧)はE=(1/C)∫Idtとなる。これら関係式を用いて角加速度δω/δtを算出すると、δω/δt=T2/(C*Ke2)の関係が成立する。一方、ドライブトレーン13については、角加速度δω/δt=T1/Mcの関係が成立する。
【0029】
以上の結果から、図4に示すモデル全体では、δω/δt=T/(Mc+C*Ke2)の関係が成立する。なお、上記の各計算ではモデルを用いた説明を容易にするため、エンジン10とモータ20との間における運動エネルギーと電気エネルギーとの変換効率を100%として扱うと共に、各部位に発生する摩擦ロス等を考慮していない。
【0030】
図5を参照して機械式フライホイール15を備えるエンジンシステムの概念を説明すると、エンジン10の出力軸が回転数ωで回転し、トルクTを出力する場合には、エンジン10の仕事率We=Tωで表される。車両の慣性モーメントMcを考慮すると、エンジン10の出力軸から出力されるトルクTは、ドライブトレーン13に作用するT1とフライホイール15に作用するT2とに分けられ、T=T1+T2の関係が成立する。ドライブトレーン13の慣性モーメントMcとフライホイール15の慣性モーメントMfを用いると、図5のモデル全体では、角加速度δω/δt=T/(Mc+Mf)の関係が成立する。
【0031】
電気式フライホイールEFを用いたモデルと機械式フライホイール15を用いたモデルとを比較すれば、やはり、(C*Ke2)の項が機械式フライホイール15の有する慣性モーメントMfに相当することが判明する。例えば、機械式フライホイール15が質量9Kg、直径30cmの特性を持っている場合には、機械式フライホイール15の慣性モーメントMf=0.9(Kg・m2)となる。一方、モータ20の逆起電力常数Ke=0.3の場合には、コンデンサ30が備えるべき静電容量Cは、C*Ke2=Mf=0.9であることから、C=10(F)となる。すなわち、モータ20が有する逆起電力常数Keを考慮してコンデンサ30の静電容量Cを適当に決定することによって、機械式フライホイール15が有する慣性モーメントMfに相当する疑似慣性モーメントMiを電気式フライホイールEFによって実現することができる。
【0032】
図6を用いて、第1の実施例に係る電気式フライホイールEFの制御処理について簡単に説明する。図6は第1の実施例に係る電気式フライホイールEFの疑似慣性モーメントMiを可変とするための処理ルーチン例を示すフローチャートである。本処理ルーチンは、所定の時間間隔毎に繰り返し実行される。
【0033】
制御回路45は、入力された運転状態、例えば、アクセル踏み込み量、エンジン回転数といったパラメータによって決定される要求出力に基づいて、車両が加速状態にあるか否かを判定する(ステップS100)。例えば、要求出力量の単位時間当たりの変化量が所定値以上である場合、アクセルペダルにリンクされている加速要求スイッチがオンされている場合には、車両は加速状態にあると判定される。
【0034】
制御回路45は、車両が加速状態にあると判定した場合には(ステップS100:Yes)、アクチュエータ41を介してスイッチ40をオフして(ステップS110)、本処理ルーチンを終了する。この結果、モータ20は発電機として機能せず、また、コンデンサ30にも電荷は蓄積されないので、電気式フライホイールの慣性モーメントMiは0となる。したがって、エンジン10の吹き上がりは著しく向上され、車両の加速性能を向上させることができる。
【0035】
一方、制御回路45は、車両が加速状態にないと判定した場合には(ステップS100:No)、アクチュエータ41を介してスイッチ40をオンして(ステップS120)、本処理ルーチンを終了する。この結果、モータ20は発電機として機能し、エンジン10の出力軸から出力された運動エネルギーの一部は電気エネルギーに変換され、コンデンサ30に蓄積される。すなわち、モータ20はエンジン10に対する負荷として作用し、エンジン10の出力の一部はコンデンサ30に電力として蓄えられるので、エンジン10の急激な出力上昇が抑制される。そして、コンデンサ30の容量が満たされると(コンデンサ30に蓄積されるべき電気エネルギーを超えると)、モータ20、コンデンサ30、およびスイッチ40によって構成される電気回路には電流は流れず、モータ20はエンジン10に対する負荷として作用しなくなる。すなわち、モータ20は空回りし、電気式フライホイールEFはフライホイールとして機能しなくなる。
【0036】
コンデンサ30に充分な電荷が蓄積されている状態で、エンジン10の回転数ωが落ち、モータ10の端子電圧がコンデンサ30の端子電圧を下回ると、コンデンサ30に蓄積されている電荷がモータ20に供給され、モータ20はエンジン10に対する動力源として作用する。すなわち、コンデンサ30は電池として機能し、モータ20に対して所定の電圧が印加される。この結果、コンデンサ30に蓄積されていた電気エネルギーがエンジン10を駆動するための運動エネルギーに変換される。この結果、エンジン10の急激な出力下降が抑制される。
【0037】
以上説明したように、第1の実施例に係る電気式フライホイールFEによれば、モータ20およびコンデンサ30を用いて、従来の機械式フライホイール15が有していた慣性モーメントMfに相当する疑似慣性モーメントMiを実現することができる。また、電気式フライホイールEFによれば、車両が加速状態にある場合には、疑似慣性モーメントMiを0または実質的に0とすることができるので、エンジン10の吹け上がり、車両の加速性能を大幅に向上させることができる。かかる特徴は、たとえ、慣性モーメントを可変量としたところで、絶対的な慣性モーメントを有する機械式フライホイール15によっては達成不可能である。
【0038】
また、第1の実施例に係る電気式フライホイールEFによれば、車両が定常走行状態にある場合には、疑似慣性モーメントMiを機械式フライホイール15が有する慣性モーメントMfと同様の値とすることができるので、エンジン10の急激な出力増加および出力降下(回転上昇および回転下降)を抑制し、滑らかなエンジン特性を実現することができる。したがって、特に、出力トルクの小さなエンジンにおいて、従来の機械式フライホイール15では成し得なかった、定常走行時における穏やかなエンジン特性と加速時における吹け上がりの良さとを両立させることができる。
【0039】
さらに、疑似慣性モーメントMiはモータ20およびコンデンサ30を用いて電気的に発生されるので、絶対的な質量を必要とする機械式フライホイール15を車載する場合と比較して、車重を軽量化することができる。さらに、小型のモータおよびコンデンサを用いることで、電気式フライホイールEFの小型化が可能であると共に、コンデンサ30、スイッチ40は任意の箇所に搭載することができるので車両レイアウトの自由度が広がる。
【0040】
・第2の実施例:
図7を参照して第2の実施例に係る電気式フライホイールEF2を備えたエンジンシステムについて説明する。図7は第2の実施例に係る電気式フライホイールFE2を備えたエンジンシステムの概略構成を示す説明図である。なお、第1の実施例に係る電気式フライホイールEFと同等の構成要素については同一の番号を付すことでその説明を省略する。
【0041】
第2の実施例に係る電気式フライホイールEF2は、コンデンサ30に対して直列であって、相互に並列に接続されている電気抵抗22および第2のスイッチ42を備える点で第1の実施例に係る電気式フライホイールEFと異なる。第2の実施例に係る電気式フライホイールEF2によれば、コンデンサ30に電荷が蓄積される場合には、第1のスイッチ40を接続状態(オン)とし、第2のスイッチ41を切断状態(オフ)とすることで、電流値が電気抵抗22によって制限されるため、コンデンサ30への電気エネルギの蓄積が緩やかに行われ、疑似慣性モーメントMiを連続可変的に変更させることができる。ここで、電気抵抗22によって消費される熱は、機械式フライホイール15を備えるエンジンにおいてクラッチによって発生する摩擦熱と等価であるといえる。
【0042】
一方、コンデンサ30が電源として機能する場合には、第1のスイッチ40をオフし、第2のスイッチ41をオンすることで、電気抵抗22がバイパスされ、コンデンサ30に蓄積された電気エネルギーを最小限のエネルギロスにて運動エネルギへと変換することができる。
【0043】
図7では、抵抗値が一定である固定抵抗を用いて説明しているが、抵抗値を連続的に、または、多段的に変更することができる可変抵抗、多段抵抗(複数の電気抵抗とスイッチ)を用いても良い。かかる場合には、コンデンサ30への電気エネルギーの蓄積時間を目的に合わせて調整することができる。すなわち、抵抗値が小さな場合にはエンジン10の出力変動を直ちに抑制し、抵抗値が大きな場合にはエンジン10の出力変動をより滑らかに抑制することができる。
【0044】
・第3の実施例:
図8を参照して第3の実施例に係る電気式フライホイールEF3を備えたエンジンシステムについて説明する。図8は第3の実施例に係る電気式フライホイールFE3を備えたエンジンシステムの概略構成を示す説明図である。なお、第1の実施例に係る電気式フライホイールEFと同等の構成要素については同一の番号を付すことでその説明を省略する。
【0045】
第3の実施例に係る電気式フライホイールEF3は、直列に接続されているコンデンサ30、31、32とスイッチ40、42、43との組み合わせが、並列に複数接続されている点で第1の実施例に係る電気式フライホイールEFと異なる。第3の実施例に係る電気式フライホイールEF3によれば、電気エネルギーとして蓄積する運動エネルギーの量を多段的に制御することができる。すなわち、疑似慣性モーメントMiの大きさを多段的に変更させることができる。したがって、エンジン10に要求される要求出力(車両の運転状態)に応じてより適切な疑似慣性モーメントMiを実現することが可能となり、エンジン回転数の安定性と車両の加速性能とを更に適切に両立させることができる。あるいは、疑似慣性モーメントMiの大きさをドライバーが設定可能とすることで、機械式フライホイール15を交換するといった面倒な作業を行うことなく、ドライバーの好みにあったエンジン特性(車両の挙動)を実現することができる。
【0046】
・第4の実施例:
図9を参照して第4の実施例に係る電気式フライホイールEF4を備えたエンジンシステムについて説明する。図8は第4の実施例に係る電気式フライホイールFE4を備えたエンジンシステムの概略構成を示す説明図である。なお、第1の実施例に係る電気式フライホイールEFと同等の構成要素については同一の番号を付すことでその説明を省略する。
【0047】
第4の実施例に係る電気式フライホイールEF4は、モータ20とは別にコンデンサ30に蓄積されている電気エネルギーを消費するための放電器25、およびコンデンサ30に対して電気エネルギーを供給する充電器26を更に備えている点で第1の実施例に係る電気式フライホイールEFと異なる。図9に示す例では、放電器25として電気抵抗とスイッチとの組み合わせが、充電器26として二次電池とスイッチとの組み合わせが例示されている。第4の実施例に係る電気式フライホイールEF4によれば、スイッチ40がオフされている時に、コンデンサ30に蓄積されている電気エネルギー量を充電または放電によって任意に調整することによって、スイッチ40がオンされた時のエンジン負荷を自由に変更することができる。
【0048】
例えば、コンデンサ30の端子電圧<モータ20の端子電圧とされている場合には、スイッチ40がオンされるとモータ20が発電機として機能し、エンジン10に負荷が掛かるので、電気式フライホイール40は負荷(ブレーキ)として作用する。また、コンデンサ30の端子電圧=モータ20の端子電圧とされている場合には、スイッチ40がオンされてもエンジン10に負荷も駆動力も掛からず、エンジン10には負荷変動は発生しないので、エンジンシステムに対して滑らかに疑似慣性モーメントMiを付加することができる。さらに、コンデンサ30の端子電圧>モータ20の端子電圧とされている場合には、スイッチ40がオンされるとモータ20は動力源として機能し、エンジン10に駆動力が掛かるので、電気式フライホイール40は加速補助装置として作用する。
【0049】
・その他の実施例:
以上説明したほかにも、エンジン10の始動性を向上させるため、エンジン始動時には疑似慣性モーメントMiを0としても良い。かかる場合には、小さなトルクでエンジン始動を実行することができるので、クランキング時間の短縮、スタータモータ容量の低減、バッテリ容量の低減といった多くの効果を得ることができる。
【0050】
エンジン出力変動を安定化する観点からは、オルタネータ、エアコンコンプレッサのオン・オフによるエンジン10に負荷変動に合わせて、電気式フライホイールEFを適宜オン・オフし、エンジン10の出力変動を抑制、安定化させても良い。
【0051】
更に、車両減速時には、電気式フライホイールEFを作用させて、モータ20により発生する負荷をブレーキ補助のために用いても良い。
【0052】
上記各実施例では直流モータ20を用いているが、整流器を用いる場合等には交流モータ、誘電モータ等の種々の形式のモータが用いられ得ることは言うまでもない。また、コンデンサ30に代えて二次電池等を用いても良い。
【0053】
以上、いくつかの実施例に基づき本発明に係る電気式フライホイールについて説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施例に係る燃料噴射システムを備える内燃機関の概略構成を示す説明図である。
【図2】燃料デリバリパイプ圧力および内燃機関停止後の経過時間と燃料デリバリパイプ温度および内燃機関停止後の経過時間との相関関係を示す説明図である。
【図3】第1の実施例に係る電気式フライホイールを備えたエンジンシステムの概略構成を示す説明図である。
【図4】図3に示す電気式フライホイールを備えるエンジンシステムのモデルを示すブロック図である。
【図5】機械式フライホイールを備えるエンジンシステムのモデルを示すブロック図である。
【図6】第1の実施例に係る電気式フライホイールEFの疑似慣性モーメントMiを可変とするための処理ルーチン例を示すフローチャートである。
【図7】第2の実施例に係る電気式フライホイールEF2を備えたエンジンシステムの概略構成を示す説明図である。
【図8】第3の実施例に係る電気式フライホイールEF3を備えたエンジンシステムの概略構成を示す説明図である。
【図9】第4の実施例に係る電気式フライホイールEF4を備えたエンジンシステムの概略構成を示す説明図である。
【符号の説明】
10…内燃機関(エンジン)
11…プーリー
12…プーリーベルト
13…ドライブトレーン
15…機械式フライホイール
20…モータ(電動機)
21…プーリー
22…電気抵抗
25…放電器
26…充電器
30、31、32…コンデンサ
40…(第1の)スイッチ
41…アクチュエータ
42…(第2の)スイッチ
43…スイッチ
45…制御回路
FE、EF2、EF3、EF4…電気式フライホイール
Mi…疑似慣性モーメント
Mf…機械式フライホイールの慣性モーメント
Mc…車両の慣性モーメント[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a flywheel that suppresses rotation fluctuation of an output shaft of an internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in order to stabilize the rotation of an internal combustion engine (engine), a flywheel having a predetermined moment of inertia is provided on an output shaft of the engine. Generally, a flywheel having a large moment of inertia is provided in order to realize a smooth engine output characteristic during steady running, particularly at a low speed rotation which is easily affected by engine output fluctuation. Sharp rotation fluctuation of the shaft is suppressed.
[0003]
On the other hand, in order to improve the acceleration response, it is better that the inertia moment of the flywheel is small. In order to satisfy both of these requirements, a technique has been proposed in which the capacity of the inertia moment of the flywheel is made variable ( For example, see Patent Document 1).
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 10-89176
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the existing flywheel is a mechanical flywheel having a substantial moment of inertia even if it is a variable displacement type, and does not sufficiently satisfy the required acceleration responsiveness. It is not possible to arbitrarily change the moment of inertia according to the running state of the engine (the operating state of the internal combustion engine). Also, a mechanical flywheel having an absolute mass cannot reduce the vehicle weight.
[0006]
The present invention has been made to solve the above-described problem, and arbitrarily performs conversion between kinetic energy and electric energy in accordance with the operation state of an internal combustion engine, thereby achieving rotational stability and response of the internal combustion engine. The purpose is to satisfy the property. It is another object of the present invention to provide a flywheel that reduces vehicle weight.
[0007]
[Means for Solving the Problems and Functions / Effects]
According to a first aspect of the present invention, there is provided an electric flywheel provided on an engine output shaft of an internal combustion engine. An electric flywheel according to a first aspect of the present invention is an electric flywheel that is capable of storing electric energy corresponding to predetermined kinetic energy, and is connected to the engine output shaft. Energy conversion means for performing mutual conversion between the internal combustion engine, required output detection means for detecting required output required for the internal combustion engine, and the detection means connected to the energy conversion means and the electric energy storage means. Switching means for switching the connection between the energy conversion means and the electric energy storage means to a connected state or a disconnected state in accordance with the requested output.
[0008]
According to the electric flywheel according to the first aspect of the present invention, the connection state between the energy conversion unit and the electric energy storage unit is either a connected state or a disconnected state according to a required output required for the internal combustion engine. The kinetic energy output from the output shaft is converted to electrical energy and stored in the electrical energy storage means, or the electrical energy stored in the energy storage means is converted to kinetic energy and output to the engine output shaft. Since it is supplied, conversion between kinetic energy and electric energy can be arbitrarily performed according to the operating state of the internal combustion engine, and both rotational stability of the internal combustion engine and responsiveness of the internal combustion engine can be satisfied. The vehicle weight can be reduced as in the case where the flywheel is used.
[0009]
In the flywheel according to the first aspect of the present invention, when the unit time change amount of the detected required output is equal to or more than a predetermined value, the switching unit switches between the energy conversion unit and the electric energy storage unit. The connection may be switched to the disconnected state. In such a case, since the kinetic energy of the internal combustion engine is not converted into electric energy by the energy conversion means, the kinetic energy of the internal combustion engine is used to satisfy the required output, and the responsiveness of the internal combustion engine during acceleration can be satisfied. it can.
[0010]
In the flywheel according to the first aspect of the present invention, if the unit time change amount of the detected required output is less than a predetermined value, the switching unit switches between the energy conversion unit and the electric energy storage unit. The connection may be switched to the connection state. In such a case, the kinetic energy of the internal combustion engine is converted into electric energy by the energy conversion means and stored in the energy storage means, or the electric energy stored in the energy storage means is converted into kinetic energy and supplied to the internal combustion engine. Therefore, output fluctuations of the internal combustion engine are suppressed, and rotation stability luck of the internal combustion engine during steady running can be satisfied.
[0011]
The flywheel according to the first aspect of the present invention may further include an electric resistor connected to the switching unit and the electric energy storage unit. In such a case, it is possible to suppress a load change exerted on the internal combustion engine when the connection state between the energy conversion means and the electric energy storage means is switched by the switching means.
[0012]
In the flywheel according to the first aspect of the present invention, the energy conversion means may be an electric motor, and an output shaft of the electric motor and the engine output shaft may be connected via a power transmission mechanism. In such a case, the degree of freedom of the arrangement relationship between the electric motor and the internal combustion engine can be expanded.
[0013]
In the flywheel according to the first aspect of the present invention, the electric energy storage unit is one or a plurality of capacitors, and the switching unit is a switch provided in accordance with the number of the capacitors. Each switching device may be connected in parallel to the electric motor. By using a capacitor, electric energy can be easily stored and released. When a plurality of capacitors are used, the amount of electric energy corresponding to the kinetic energy stored by the electric flywheel ( The moment of inertia of the electric flywheel can be adjusted in multiple stages.
[0014]
In the flywheel according to the first aspect of the present invention, the electric energy storage means may be a variable capacitor. In such a case, the amount of electric energy (moment of inertia of the electric flywheel) corresponding to the kinetic energy stored by the electric flywheel can be variably adjusted.
[0015]
The flywheel according to the first aspect of the present invention may further include discharging means for discharging electric energy stored in the capacitor, and charging means for supplying electric energy to the capacitor. good. In such a case, the amount of electric energy stored in the capacitor can be arbitrarily adjusted, and the load on the internal combustion engine can be arbitrarily adjusted.
[0016]
In the electric flywheel according to the first aspect of the present invention, the sum of a maximum capacitance or a maximum total capacitance of the capacitor and a square value of a back electromotive force constant of the motor is a required moment of inertia. May be determined according to In such a case, the moment of inertia when a so-called mechanical flywheel is used can be artificially realized by adjusting the capacitance of the capacitor.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an electric flywheel according to the present invention will be described based on some embodiments with reference to the drawings.
[0018]
The basic concept of an electric flywheel common to the following embodiments will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a block diagram showing a model of an engine having an electric flywheel. FIG. 2 is a block diagram showing a model of an engine having a mechanical flywheel. 1 and 2 do not consider the moment of inertia generated in the drive train in order to easily understand the basic concept of the electric flywheel according to the present embodiment.
[0019]
In FIG. 1, when the output shaft of the
[0020]
On the other hand, in FIG. 2, when the output shaft of the
[0021]
In the model in FIG. 1, when the angular acceleration δω / δt is obtained using the above three relational expressions, δω / δt = T / (C * Ke 2 ). Therefore, when compared with the angular acceleration δω / δt (= T / M) obtained in the model using the
[0022]
Therefore, if the capacitance C of the
[0023]
-First embodiment:
An electric flywheel according to a first embodiment, which embodies the above concept, will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating a schematic configuration of an engine system including the electric flywheel according to the first embodiment. FIG. 4 is a block diagram showing a model of an engine system including the electric flywheel shown in FIG. FIG. 5 is a block diagram showing a model of an engine system including a mechanical flywheel.
[0024]
As shown in FIG. 3, the electric flywheel EF according to the first embodiment includes a
[0025]
A
[0026]
The
[0027]
The concept of the engine system including the electric flywheel according to the first embodiment shown in FIG. 3 will be described with reference to FIG. 4. A case where the output shaft of the
[0028]
Therefore, the relationship of T2ω = EI is established between the power Wm of the
[0029]
From the above results, in the entire model shown in FIG. 4, δω / δt = T / (Mc + C * Ke 2 ) Holds. In each of the above calculations, the conversion efficiency between the kinetic energy and the electric energy between the
[0030]
The concept of the engine system including the
[0031]
Comparing the model using the electric flywheel EF with the model using the
[0032]
The control processing of the electric flywheel EF according to the first embodiment will be briefly described with reference to FIG. FIG. 6 is a flowchart showing an example of a processing routine for varying the pseudo inertia moment Mi of the electric flywheel EF according to the first embodiment. This processing routine is repeatedly executed at predetermined time intervals.
[0033]
The
[0034]
If the
[0035]
On the other hand, if the
[0036]
When the rotation speed ω of the
[0037]
As described above, according to the electric flywheel FE according to the first embodiment, using the
[0038]
Further, according to the electric flywheel EF according to the first embodiment, when the vehicle is in a steady running state, the pseudo inertia moment Mi is set to the same value as the inertia moment Mf of the
[0039]
Further, since the pseudo inertia moment Mi is generated electrically using the
[0040]
-2nd Example:
An engine system including an electric flywheel EF2 according to the second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating a schematic configuration of an engine system including the electric flywheel FE2 according to the second embodiment. Note that the same components as those of the electric flywheel EF according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
[0041]
The electric flywheel EF2 according to the second embodiment includes an
[0042]
On the other hand, when the
[0043]
In FIG. 7, a description is given using a fixed resistor having a constant resistance value. However, a variable resistor or a multi-stage resistor (a plurality of electric resistors and a switch) capable of changing the resistance value continuously or in multiple stages is described. ) May be used. In such a case, the accumulation time of the electric energy in the
[0044]
-Third embodiment:
An engine system provided with an electric flywheel EF3 according to the third embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 8 is an explanatory diagram illustrating a schematic configuration of an engine system including an electric flywheel FE3 according to the third embodiment. Note that the same components as those of the electric flywheel EF according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
[0045]
The electric flywheel EF3 according to the third embodiment is different from the first embodiment in that a plurality of combinations of the
[0046]
-Fourth embodiment:
An engine system including an electric flywheel EF4 according to the fourth embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 8 is an explanatory diagram illustrating a schematic configuration of an engine system including an electric flywheel FE4 according to the fourth embodiment. Note that the same components as those of the electric flywheel EF according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
[0047]
An electric flywheel EF4 according to the fourth embodiment includes a
[0048]
For example, when the terminal voltage of the
[0049]
-Other examples:
In addition to the above, in order to improve the startability of the
[0050]
From the viewpoint of stabilizing the engine output fluctuation, the electric flywheel EF is appropriately turned on / off in accordance with the load fluctuation of the
[0051]
Further, when the vehicle is decelerated, the load generated by the
[0052]
Although the
[0053]
As described above, the electric flywheel according to the present invention has been described based on some examples. However, the embodiments of the present invention described above are for facilitating the understanding of the present invention, and the present invention It does not do. The present invention can be modified and improved without departing from the spirit and scope of the claims, and it is needless to say that the present invention includes equivalents thereof.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating a schematic configuration of an internal combustion engine including a fuel injection system according to the present embodiment.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a correlation between a fuel delivery pipe pressure and an elapsed time after stopping the internal combustion engine, and a fuel delivery pipe temperature and an elapsed time after stopping the internal combustion engine.
FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating a schematic configuration of an engine system including the electric flywheel according to the first embodiment.
4 is a block diagram showing a model of an engine system including the electric flywheel shown in FIG.
FIG. 5 is a block diagram showing a model of an engine system including a mechanical flywheel.
FIG. 6 is a flowchart illustrating an example of a processing routine for varying a pseudo inertia moment Mi of the electric flywheel EF according to the first embodiment.
FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating a schematic configuration of an engine system including an electric flywheel EF2 according to a second embodiment.
FIG. 8 is an explanatory diagram illustrating a schematic configuration of an engine system including an electric flywheel EF3 according to a third embodiment.
FIG. 9 is an explanatory diagram illustrating a schematic configuration of an engine system including an electric flywheel EF4 according to a fourth embodiment.
[Explanation of symbols]
10. Internal combustion engine (engine)
11 ... Pulley
12 ... Pulley belt
13: Drive train
15… Mechanical flywheel
20 ... motor (electric motor)
21 ... Pulley
22 ... electric resistance
25 ... discharger
26 ... Charger
30, 31, 32 ... capacitors
40 ... (first) switch
41 ... actuator
42 ... (second) switch
43 ... Switch
45 ... Control circuit
FE, EF2, EF3, EF4 ... Electric flywheel
Mi: pseudo inertia moment
Mf: Moment of inertia of mechanical flywheel
Mc: Moment of inertia of the vehicle
Claims (9)
所定の運動エネルギーに相当する電気エネルギーを蓄積可能な電気エネルギー蓄積手段と、
前記機関出力軸に接続されていると共に、運動エネルギーと電気エネルギーとの相互変換を実行するエネルギー変換手段と、
前記内燃機関に要求される要求出力を検出する要求出力検出手段と、
前記エネルギー変換手段と前記電気エネルギー蓄積手段とに接続されていると共に、前記検出された要求出力に応じて、前記エネルギー変換手段と前記電気エネルギー蓄積手段との接続を接続状態または切断状態に切り換える切り替え手段とを備える電気式フライホイール。An electric flywheel provided on an engine output shaft of an internal combustion engine,
Electric energy storage means capable of storing electric energy corresponding to predetermined kinetic energy,
Energy conversion means connected to the engine output shaft and performing mutual conversion between kinetic energy and electric energy,
Request output detection means for detecting a request output required for the internal combustion engine,
A switch that is connected to the energy conversion unit and the electric energy storage unit and that switches a connection between the energy conversion unit and the electric energy storage unit to a connected state or a disconnected state according to the detected required output. Electric flywheel comprising:
前記切り替え手段は、前記検出された要求出力の単位時間変化量が所定値以上の場合には、前記エネルギー変換手段と前記電気エネルギー蓄積手段との接続を切断状態に切り換える電気式フライホイール。The electric flywheel according to claim 1,
An electric flywheel that switches the connection between the energy conversion unit and the electric energy storage unit to a disconnected state when the detected change in the required output per unit time is equal to or greater than a predetermined value.
前記切り替え手段は、前記検出された要求出力の単位時間変化量が所定値未満の場合には、前記エネルギー変換手段と前記電気エネルギー蓄積手段との接続を接続状態に切り換える電気式フライホイール。The electric flywheel according to claim 2,
An electric flywheel that switches the connection between the energy conversion unit and the electric energy storage unit to a connection state when the detected change in the required output per unit time is less than a predetermined value.
前記切り替え手段と前記電気エネルギー蓄積手段とに接続される電気抵抗器を備える電気式フライホイール。The electric flywheel according to claim 2 or 3 further comprises:
An electric flywheel including an electric resistor connected to the switching means and the electric energy storage means.
前記エネルギ変換手段は電動機であり、
前記電動機の出力軸と前記機関出力軸とは動力伝達機構を介して接続されている電気式フライホイール。The electric flywheel according to any one of claims 1 to 4,
The energy conversion means is a motor,
An electric flywheel, wherein an output shaft of the electric motor and the engine output shaft are connected via a power transmission mechanism.
前記電気エネルギー蓄積手段は1または複数のコンデンサであり、
前記切り替え手段は前記コンデンサの数に応じて備えられた切り替え器であり、
前記各コンデンサと各切り替え器とは前記電動機に対して並列の接続されている電気式フライホイール。The electric flywheel according to claim 5,
The electrical energy storage means is one or more capacitors;
The switching means is a switching device provided according to the number of the capacitors,
An electric flywheel, wherein each of the capacitors and each of the switching devices are connected in parallel to the electric motor.
前記電気エネルギー蓄積手段は可変容量コンデンサである電気式フライホイール。The electric flywheel according to claim 5,
The electric flywheel, wherein the electric energy storage means is a variable capacitor.
前記コンデンサに蓄積された電気エネルギーを放出するための放電手段と、
前記コンデンサに対して電気エネルギーを供給するために充電手段とを備える電気式フライホイール。The electric flywheel according to claim 6 or claim 7 further comprises:
Discharging means for discharging electric energy stored in the capacitor,
An electric flywheel comprising: charging means for supplying electric energy to the capacitor.
前記コンデンサの最大静電容量または最大総静電容量と、前記電動機の有する逆起電力定数の二乗値の和は、要求される慣性モーメントに応じて決定されている電気式フライホイール。The electric flywheel according to any one of claims 6 to 8,
An electric flywheel wherein the sum of the maximum capacitance or the maximum total capacitance of the capacitor and the square of the back electromotive force constant of the electric motor is determined according to a required moment of inertia.
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