JP2020153233A - 独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両 - Google Patents
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Abstract
【課題】触媒のレイアウトについての設計自由度と触媒の早期活性化との両立が可能な独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両を提供すること。【解決手段】独立スロットル型エンジンと排気通路と消音器と触媒と磁石式モータと蓄電装置と被駆動部材と制御部とを備え、制御部は、冷間始動時に、先ず、磁石式モータが、蓄電装置の電力により、クランクシャフトの回転速度が独立スロットル型エンジンのアイドリング回転速度を超えるまで、独立スロットル型エンジンの燃焼動作が停止した状態でクランクシャフトを正転させ、次に、独立スロットル型エンジンが、クランクシャフトの回転速度が独立スロットル型エンジンのアイドリング回転速度を超えた状態で、各スロットル弁を通る空気と燃料とを各シリンダに供給して燃焼動作を開始するように、磁石式モータ及び独立スロットル型エンジンを動作させるように構成された独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両。【選択図】図1
Description
本発明は、独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両に関する。
独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両は、独立スロットル型エンジンを搭載する鞍乗型車両である。独立スロットル型エンジンは、少なくとも一つのシリンダを備えるとともに、シリンダごとにスロットル弁を備えている。
独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両は、排気を浄化するための触媒を有している。独立スロットル型エンジンの始動時、触媒は排気により加熱されて、不活性状態から活性化状態に変化する。触媒は、活性化状態になることにより、浄化性能を発揮できる。
特許文献1は、単気筒エンジンを備えた自動二輪車を開示している。単気筒エンジンを備えた自動二輪車は、独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両の一例である。特許文献1に係る自動二輪車では、触媒が、エンジンの近傍、具体的には、シリンダや排気バルブの近傍に配置される。特許文献1に係る自動二輪車では、触媒及びシリンダのレイアウトにより、触媒の早期活性化とシリンダの冷却性の維持との両立が図られている。
特許文献1では、触媒の早期活性化とシリンダの冷却性の維持との両立を図るための触媒及びシリンダのレイアウトが提案されている。しかし、そのレイアウトは、自動二輪車の車種や設計等によって適用困難である場合があった。また、自動二輪車の車種や設計等によっては、触媒がエンジンの近くに配置されると、触媒がエンジンからの熱を強く受けてしまい、触媒が高温になるおそれがあった。触媒が高温になることにより、シリンダ以外の機器や装置に影響が生じるおそれもあった。
本発明の目的は、触媒のレイアウトについての設計自由度と触媒の早期活性化との両立が可能な独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両を提供することである。
本発明者は、独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両における触媒の早期活性化とレイアウトとの関係について検討した。
特許文献1に係る自動二輪車では、触媒の早期活性化のために、触媒がエンジンの近くに配置されている。エンジンの近くに配置された触媒が、活性化のために高温になる。その結果、シリンダの冷却性への影響が問題となっている。特許文献1に係る自動二輪車では、触媒とシリンダとの配置によって、シリンダの冷却性の維持が図られているが、結果として、触媒とシリンダとのレイアウトが制約を受けている。
特許文献1に係る自動二輪車では、触媒をエンジンの近くに配置することを前提として、触媒と、触媒の温度による影響を受けるおそれがあるシリンダとのレイアウトが設計されている。このように、触媒をエンジンの近くに配置することを前提として、機器や装置のレイアウトを設計しようとすると、汎用性が確保し難くなり、適用可能な車両が限られるおそれがある。車種や車両の設計等に応じて都度レイアウトを調整することも容易ではない。独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両では、自動車等と比べて、装置や機器の設置スペースが限られる。そのため、触媒のレイアウトの自由度が確保されることが望ましい。
そこで、本発明者は、別の観点から検討を行った。具体的に、本発明者は、独立スロットル型エンジンにおける燃焼について検討した。
独立スロットル型エンジンでは、単一のスロットル弁と複数気筒とを有する単一スロットル型多気筒エンジンと比べて、スロットル弁が燃焼室の近くに配置される。単一スロットル型多気筒エンジンでは、単一のスロットル弁が、インテークマニホールドの上流側に設けられる。インテークマニホールドは、通常、スロットル弁の下流側に位置するサージタンクと、サージタンクと各気筒の燃焼室とを接続する吸気管とを有する。そのため、スロットル弁と燃焼室との間の距離が長い。これに対して、独立スロットル型エンジンでは、吸気管にスロットル弁が配置されるため、スロットル弁と燃焼室との距離が短い。これにより、スロットル弁の開閉動作に応じて、燃焼室に供給される空気量が速やかに変化し易く、応答性に優れる。ところが、スロットル弁が燃焼室の近くに配置されるため、スロットル弁の開閉動作によって燃焼室の気流が影響を受け易い。結果として、磁石式モータによりクランクシャフトを回転させ始めた後に、独立スロットル型エンジンの燃焼動作を開始し、続いてクランクシャフトの回転速度をアイドリング回転速度まで上げる制御において、下記(a)及び(b)を安定的に実現し難い場合があった。
(a) HC、CO又はNOxの排出抑制
(b) 燃焼室から排出される排気の高温化
(a) HC、CO又はNOxの排出抑制
(b) 燃焼室から排出される排気の高温化
本発明者は、更に検討を行った結果、次の知見を得た。独立スロットル型エンジンにおいて、クランクシャフトが極低速で回転している時には、スロットル弁の開閉動作によって、燃焼室に流入する気流が乱れ易く、上記(a)及び(b)の実現が難しくなる場合がある。しかし、クランクシャフトの回転速度が高くなるにつれて、気流の乱れが生じ難くなる。
そして、本発明者は、上記知見に基づいて、独立スロットル型エンジンの冷間始動時に、クランクシャフトが極低速で回転している時には、独立スロットル型エンジンの燃焼動作を行わないことを検討した。結果として、本発明者は、独立スロットル型エンジンの冷間始動時において、先ず、クランクシャフトの回転速度がアイドリング回転速度を超えるまで、独立スロットル型エンジンの燃焼動作を行わずにクランクシャフトを磁石式モータで回転させ、次に、クランクシャフトの回転速度がアイドリング回転速度を超えた状態で、独立スロットル型エンジンの燃焼動作を開始することに想到した。
クランクシャフトがアイドル回転速度を超えるまで、独立スロットル型エンジンの燃焼動作が行われずにクランクシャフトが磁石式モータで回転する。これにより、下記(a)及び(b)が実現可能となる。
(a) HC、CO又はNOxの排出を効果的に抑制すること
(b) 燃焼室から排出される排気の温度を高める時に、排気の温度をコントロールしつつ、HC、CO、又はNOxの排出を抑制し易くなること。
(a) HC、CO又はNOxの排出を効果的に抑制すること
(b) 燃焼室から排出される排気の温度を高める時に、排気の温度をコントロールしつつ、HC、CO、又はNOxの排出を抑制し易くなること。
上記(a)及び(b)が実現可能となる理由は、独立スロットル型エンジンにおいて、燃焼動作が行われずにクランクシャフトがアイドリング回転速度よりも高い回転速度まで回転するので、最初の燃焼動作までに充分な掃気が行われるとともに、クランクシャフトの回転速度の上昇に起因して燃焼室の気流の乱れが抑制されるためであると考えられる。クランクシャフトの回転速度がアイドリング回転速度よりも高い状態で最初の燃焼動作が行われるので、最初に燃焼室から排出される排気が有する熱量を増加させることができる。冷間始動時に最初に燃焼室から排出される排気が有する熱量が多いので、触媒のレイアウトの制約が緩和される。例えば、触媒の早期活性化を図りつつ、触媒と独立スロットル型エンジンとの間の排気通路の距離を比較的長く確保することが可能となる。また、触媒の早期活性化を図りつつ、触媒を独立スロットル型エンジンの近くに配置することも可能になる。以上により、独立スロットル型エンジンにおいて触媒のレイアウトについての設計自由度と触媒の早期活性化との両立が可能となる。
以上の知見に基づいて完成した本発明の観点による独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両は、次の構成を採用できる。
(1)本発明の、ひとつの観点によれば、独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両は、
少なくとも一つのシリンダと、クランクシャフトとを有し、シリンダごとに、独立したスロットル弁と、内部に形成された燃焼室とを有し、前記クランクシャフトを介して動力を出力する独立スロットル型エンジンと、
前記燃焼室から排出される排気を大気へ排出する排出口を有し、前記燃焼室から前記排出口まで前記排気を通す排気通路と、
前記排気通路の下流側に設けられる消音器と、
前記消音器の上流側の端部より上流に位置するように前記排気通路に設けられる触媒と、
前記クランクシャフトとの間で動力が伝達されるように前記クランクシャフトと接続されたロータ、及び、前記ロータと対向するように配置されたステータを有し、前記ロータ又は前記スタータは、永久磁石を有し、少なくとも前記独立スロットル型エンジンの燃焼動作を開始させる時に前記クランクシャフトを回転させる磁石式モータと、
前記磁石式モータに対し電力を供給する蓄電装置と、
前記独立スロットル型エンジン及び/又は前記磁石式モータから出力される動力により駆動され、前記独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両を進行させるように構成された被駆動部材と、
前記独立スロットル型エンジンの燃焼動作が停止しており且つ前記被駆動部材が駆動されていない状態における前記独立スロットル型エンジンの冷間始動時に、先ず、前記磁石式モータが、前記蓄電装置の電力により、前記クランクシャフトの回転速度が前記独立スロットル型エンジンのアイドリング回転速度を超えるまで、前記独立スロットル型エンジンの燃焼動作が停止した状態で前記クランクシャフトを正転させ、次に、前記独立スロットル型エンジンが、前記クランクシャフトの回転速度が前記独立スロットル型エンジンのアイドリング回転速度を超えた状態で、各前記スロットル弁を通る空気と燃料とを前記各シリンダに供給して燃焼動作を開始させるように、前記磁石式モータ及び前記独立スロットル型エンジンを制御する制御部と
を備える。
少なくとも一つのシリンダと、クランクシャフトとを有し、シリンダごとに、独立したスロットル弁と、内部に形成された燃焼室とを有し、前記クランクシャフトを介して動力を出力する独立スロットル型エンジンと、
前記燃焼室から排出される排気を大気へ排出する排出口を有し、前記燃焼室から前記排出口まで前記排気を通す排気通路と、
前記排気通路の下流側に設けられる消音器と、
前記消音器の上流側の端部より上流に位置するように前記排気通路に設けられる触媒と、
前記クランクシャフトとの間で動力が伝達されるように前記クランクシャフトと接続されたロータ、及び、前記ロータと対向するように配置されたステータを有し、前記ロータ又は前記スタータは、永久磁石を有し、少なくとも前記独立スロットル型エンジンの燃焼動作を開始させる時に前記クランクシャフトを回転させる磁石式モータと、
前記磁石式モータに対し電力を供給する蓄電装置と、
前記独立スロットル型エンジン及び/又は前記磁石式モータから出力される動力により駆動され、前記独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両を進行させるように構成された被駆動部材と、
前記独立スロットル型エンジンの燃焼動作が停止しており且つ前記被駆動部材が駆動されていない状態における前記独立スロットル型エンジンの冷間始動時に、先ず、前記磁石式モータが、前記蓄電装置の電力により、前記クランクシャフトの回転速度が前記独立スロットル型エンジンのアイドリング回転速度を超えるまで、前記独立スロットル型エンジンの燃焼動作が停止した状態で前記クランクシャフトを正転させ、次に、前記独立スロットル型エンジンが、前記クランクシャフトの回転速度が前記独立スロットル型エンジンのアイドリング回転速度を超えた状態で、各前記スロットル弁を通る空気と燃料とを前記各シリンダに供給して燃焼動作を開始させるように、前記磁石式モータ及び前記独立スロットル型エンジンを制御する制御部と
を備える。
(1)の独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両では、独立スロットル型エンジンの燃焼動作が停止しており且つ被駆動部材が駆動されていない状態における独立スロットル型エンジンの冷間始動時において、先ず、(A)磁石式モータが、蓄電装置の電力により、クランクシャフトの回転速度が独立スロットル型エンジンのアイドリング回転速度を超えるまで、独立スロットル型エンジンの燃焼動作が停止した状態でクランクシャフトを正転させる。次に、(B)独立スロットル型エンジンが、クランクシャフトの回転速度が独立スロットル型エンジンのアイドリング回転速度を超えた状態で、各スロットル弁を通る空気と燃料とを各シリンダに供給して燃焼動作を開始する。(A)及び(B)が実行されることにより、充分に掃気され且つ気流の乱れが抑制された状態の燃焼室で最初の燃焼動作が行われる。その結果、冷間始動時に最初に燃焼室から排出される排気がより多い熱量を有する。その排気は、排気通路を通って、触媒に至る。そして、その排気により触媒の加熱が開始されるとともに、加熱された触媒により排気が浄化される。
冷間始動時に最初に燃焼室から排出される排気が有する熱量が多いので、触媒のレイアウトの制約が緩和される。結果として、例えば、触媒と独立スロットル型エンジンとの間の排気通路の距離を比較的長く確保しつつ、触媒の早期活性化を図ることが可能となる。また、触媒を独立スロットル型エンジンの近くに配置しつつ、触媒の更なる早期活性化を図ることも可能となる。このように、(1)の独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両によれば、触媒のレイアウトについての設計自由度と触媒の早期活性化との両立が可能となる。
本発明によれば、触媒のレイアウトについての設計自由度と触媒の早期活性化との両立が可能な独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両を提供できる。
本明細書にて使用される専門用語は特定の実施例のみを定義する目的であって発明を制限する意図を有しない。
本明細書にて使用される用語「および/または」はひとつの、または複数の関連した列挙された構成物のあらゆるまたはすべての組み合わせを含む。
本明細書中で使用される場合、用語「含む、備える(including)」「含む、備える(comprising)」または「有する(having)」およびその変形の使用は、記載された特徴、工程、操作、要素、成分および/またはそれらの等価物の存在を特定するが、ステップ、動作、要素、コンポーネント、および/またはそれらのグループのうちの1つまたは複数を含むことができる。
本明細書中で使用される場合、用語「取り付けられた」、「接続された」、「結合された」および/またはそれらの等価物は広く使用され、直接的および間接的な取り付け、接続および結合の両方を包含する。さらに、「接続された」および「結合された」は、物理的または機械的な接続または結合に限定されず、直接的または間接的な電気的接続または結合を含むことができる。
他に定義されない限り、本明細書で使用される全ての用語(技術用語および科学用語を含む)は、本発明が属する当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。
一般的に使用される辞書に定義された用語のような用語は、関連する技術および本開示の文脈における意味と一致する意味を有すると解釈されるべきであり、本明細書で明示的に定義されていない限り、理想的または過度に形式的な意味で解釈されることはない。
本発明の説明においては、技術および工程の数が開示されていると理解される。
これらの各々は個別の利益を有し、それぞれは、他の開示された技術の1つ以上、または、場合によっては全てと共に使用することもできる。
したがって、明確にするために、この説明は、不要に個々のステップの可能な組み合わせをすべて繰り返すことを控える。
それにもかかわらず、明細書および特許請求の範囲は、そのような組み合わせがすべて本発明および請求項の範囲内にあることを理解して読まれるべきである。
本明細書では、新しい独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両について説明する。
以下の説明では、説明の目的で、本発明の完全な理解を提供するために多数の具体的な詳細を述べる。
しかしながら、当業者には、これらの特定の詳細なしに本発明を実施できることが明らかである。
本開示は、本発明の例示として考慮されるべきであり、本発明を以下の図面または説明によって示される特定の実施形態に限定することを意図するものではない。
本明細書にて使用される用語「および/または」はひとつの、または複数の関連した列挙された構成物のあらゆるまたはすべての組み合わせを含む。
本明細書中で使用される場合、用語「含む、備える(including)」「含む、備える(comprising)」または「有する(having)」およびその変形の使用は、記載された特徴、工程、操作、要素、成分および/またはそれらの等価物の存在を特定するが、ステップ、動作、要素、コンポーネント、および/またはそれらのグループのうちの1つまたは複数を含むことができる。
本明細書中で使用される場合、用語「取り付けられた」、「接続された」、「結合された」および/またはそれらの等価物は広く使用され、直接的および間接的な取り付け、接続および結合の両方を包含する。さらに、「接続された」および「結合された」は、物理的または機械的な接続または結合に限定されず、直接的または間接的な電気的接続または結合を含むことができる。
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これらの各々は個別の利益を有し、それぞれは、他の開示された技術の1つ以上、または、場合によっては全てと共に使用することもできる。
したがって、明確にするために、この説明は、不要に個々のステップの可能な組み合わせをすべて繰り返すことを控える。
それにもかかわらず、明細書および特許請求の範囲は、そのような組み合わせがすべて本発明および請求項の範囲内にあることを理解して読まれるべきである。
本明細書では、新しい独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両について説明する。
以下の説明では、説明の目的で、本発明の完全な理解を提供するために多数の具体的な詳細を述べる。
しかしながら、当業者には、これらの特定の詳細なしに本発明を実施できることが明らかである。
本開示は、本発明の例示として考慮されるべきであり、本発明を以下の図面または説明によって示される特定の実施形態に限定することを意図するものではない。
独立スロットル型エンジンは、少なくとも1つのシリンダを備えるとともに、シリンダごとに、独立したスロットル弁を備える。単気筒エンジンは、独立スロットル型エンジンの一例である。独立スロットル型エンジンは、多気筒エンジンであってもよい。独立スロットル型多気筒エンジンの気筒数は、特に限定されず、例えば、2気筒、3気筒、4気筒であってもよい。独立スロットル型エンジンは、例えば、4ストロークの間に高負荷領域と低負荷領域とを有する4ストロークエンジンであることが好ましい。4ストロークの間に高負荷領域と低負荷領域とを有する4ストロークエンジンは、例えば、単気筒エンジン、2気筒エンジン、不等間隔爆発型3気筒エンジン、又は、不等間隔爆発型4気筒エンジンである。4ストロークの間に高負荷領域と低負荷領域とを有する4ストロークエンジンでは、燃焼動作によるクランクシャフトの回転が極低速域において安定し難いおそれがある。しかし、本発明の観点による独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両では、冷間始動時において、クランクシャフトの回転速度がアイドリング回転速度を超えるまで燃焼動作が行われない。よって、触媒活性化の更なる早期化を図ることができる。ただし、エンジンは、例えば、4ストロークの間に高負荷領域と低負荷領域とを有さない4ストロークエンジンでもよい。また、冷却方式は、特に限定されず、例えば、自然空冷式であってもよく、強制空冷式であってもよく、水冷式であってもよい。スロットル弁は、アクセル操作子に対する操作が物理的なケーブル等を介して伝達されることにより操作されてもよく、スロットル・バイ・ワイヤにより操作されてもよい。
独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両は、独立スロットル型エンジンを搭載する鞍乗型車両である。鞍乗型車両とは、運転者が跨るように着座するサドルを有する自動車両をいう。鞍乗型車両としては、特に限定されず、例えば、自動二輪車、自動三輪車、ATV(All−Terrain Vehicle)等が挙げられる。自動二輪車としては、特に限定されず、例えば、スクータ型、モペット型、オフロード型、オンロード型の自動二輪車が挙げられる。
独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両は、以下の3要件の少なくとも1つを満たすことが好ましく、なかでも、少なくとも下記(1)を満たすことが好ましい。
(i) 前記独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両が、リーン姿勢で旋回可能に構成されていること
(ii) 前記独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両が、運転者によるアクセル操作子の操作量に応じてクランクシャフトの回転速度が変化するように独立スロットル型エンジン及び/又は磁石式モータの動作が制御されるとともに、クランクシャフトの回転速度に応じてクランクシャフトと被駆動部材との間における動力の伝達及びその切断が切り換えられるように構成されること
(iii) 前記独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両が、クランクシャフトの回転速度が低速域である時にクランクシャフトと被駆動部材との間の動力伝達が切断される一方、クランクシャフトの回転速度が前記低速域以外である時に前記動力伝達が行われるように構成されていること
(i) 前記独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両が、リーン姿勢で旋回可能に構成されていること
(ii) 前記独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両が、運転者によるアクセル操作子の操作量に応じてクランクシャフトの回転速度が変化するように独立スロットル型エンジン及び/又は磁石式モータの動作が制御されるとともに、クランクシャフトの回転速度に応じてクランクシャフトと被駆動部材との間における動力の伝達及びその切断が切り換えられるように構成されること
(iii) 前記独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両が、クランクシャフトの回転速度が低速域である時にクランクシャフトと被駆動部材との間の動力伝達が切断される一方、クランクシャフトの回転速度が前記低速域以外である時に前記動力伝達が行われるように構成されていること
上記(i)に関して、リーン姿勢で旋回可能に構成された独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両は、旋回時に独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両に加わる遠心力に対向するために、カーブの内側に傾いた姿勢で旋回するように構成される。上記(ii)に関して、上記(ii)を満たす独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両は、アクセル操作子の操作によって、クランクシャフトの回転速度(即ち独立スロットル型エンジン及び/又は磁石式モータの動作)並びに動力伝達装置による動力伝達及びその切断の切り換えが制御されるように構成される。上記(iii)に関しては、上記(iii)を満たす独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両は、押し歩きや牽引などが可能になる。上記(i)〜(iii)の少なくとも一つを満たす独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両としては、上記(i)〜(iii)の一つを満たす独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両、上記(i)及び(ii)を満たす独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両、上記(ii)及び(iii)を満たす独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両、上記(i)及び(iii)を満たす独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両、上記(i)、(ii)及び(iii)の全てを満たす独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両が挙げられる。
磁石式モータは、ロータと、ステータとを有する。ロータ又はステータのいずれか一方が、永久磁石を有する。他方はコイルを有する。ブラシ付き直流モータは、ステータが永久磁石を有する磁石式モータの一例である。ブラシレスモータは、ロータが永久磁石を有する磁石式モータの一例である。ブラシレスモータの相数は、特に限定されず、単相であってもよく、三相であってもよい。磁石式モータは、エンジンの燃焼動作を開始させる時に、モータとして機能し、クランクシャフトを回転させる。磁石式モータは、エンジンに駆動される時に、ジェネレータとして機能し、発電するように構成されていてもよい。独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両は、磁石式モータとは別に、ジェネレータを備えていてもよい。また、磁石式モータは、ジェネレータとしても機能する磁石式モータジェネレータであってもよい。磁石式モータは、ラジアルギャップ型であってもよく、アキシャルギャップ型であってもよい。ラジアルギャップ型の磁石式モータは、アウタロータ型であってもよく、インナロータ型であってもよい。ロータは、ロータとクランクシャフトとの間でクラッチを介さずに動力が伝達されるようにクランクシャフトと接続されていてもよい。ロータは、ロータとクランクシャフトとの間での動力の伝達が切れないように構成されていてもよい。ロータは、例えば、クランクシャフトに対し直結されていてもよい。また、ロータは、例えば、固定速度比のギアを介してクランクシャフトと接続されていてもよい。ロータは、クランクシャフトと常時動力伝達が可能であるようにクランクシャフトと接続されていてもよい。磁石式モータは、永久磁石が磁性材料に埋め込まれた埋込磁石型(IPM型)であってもよく、永久磁石が磁性材料から露出した表面磁石型(SPM型)であってもよい。永久磁石として、一対の磁極を有する複数の永久磁石が用いられてもよく、複数対の磁極を有するように着磁された一つの永久磁石が用いられてもよい。磁極数/スロット数は、2/3より大きいことが好ましく、1/1以上であることがより好ましく、1/1より大きいことが更に好ましく、4/3であることが特に好ましい。各磁極は、互いに周方向に等間隔に配置される。磁石式モータは、始動操作が入力されている期間のみ電力が供給されるように設置されていてもよい。磁石式モータは、始動操作が入力されることにより電力が供給され、エンジンの始動完了後に電力の供給が停止されるように設置されていてもよい。
蓄電装置は、電力を蓄える装置である。蓄電装置は、少なくとも、磁石式モータが蓄電装置の電力により自力でクランクシャフトをアイドリング回転速度まで回転させるための電力を磁石式モータに供給できる容量を有している。蓄電装置は、特に限定されず、例えば、バッテリであってもよく、キャパシタであってもよい。
本発明の一つの観点における被駆動部材は、例えば車輪である。被駆動部材は、例えばスクリューでもよい。被駆動部材の数は、特に限定されない。鞍乗型車両が前輪と後輪とを備える場合、被駆動部材は、前輪のみであってもよく、後輪のみであってもよく、前輪及び後輪であってもよい。
アクセル操作子は、運転者の操作によりトルク要求が入力される部材である。アクセル操作子は、特に限定されず、アクセルグリップであってもよく、アクセルペダルであってもよく、レバーにより構成されてもよく、ボタンにより構成されてもよい。アクセル操作子は、例えば、エンジンに備えられたスロットル弁と機械式ワイヤで接続されていてよい。アクセル操作子は、例えば、スロットル弁を駆動するモータ及び制御装置と電気的に接続されていてもよい。
制御部は、エンジンを制御する機能と、磁石式モータを制御する機能とを有する。例えば、磁石式モータがブラシ付き直流モータである場合、磁石式モータを制御する機能は、例えば、磁石式モータへ供給される電力についてのON/OFFを切り替える機能である。磁石式モータがブラシレスモータである場合、磁石式モータを制御する機能は、例えば、インバータ回路に対する制御、より詳細には、複数のスイッチング部の各々に対するON/OFF制御である。制御部のハードウェア構成は、特に限定されない。制御部は、中央処理装置と、記憶装置とを有するコンピュータにより構成されていてもよい。制御部の一部または全部が、電子回路であるワイヤードロジックによって構成されていてもよい。制御部は、全体として物理的に一体として構成されていてもよく、物理的に別個の複数の装置の組合せにより構成されていてもよい。例えば、エンジンを制御する機能を有する装置と、磁石式モータを制御する機能を有する装置とが別体に構成されていてもよい。
冷間始動とは、独立スロットル型エンジンが暖機されていない状態での始動をいう。冷間始動時において、独立スロットル型エンジンの温度は、例えば、外気温と略同じであるか又は外気温より低い。独立スロットル型エンジンの始動が冷間始動であるか否かは、例えば、独立スロットル型エンジン又はその近傍に設けられた温度センサによる検出結果に基づいて判断される。また、例えば、独立スロットル型エンジンの燃焼動作が停止した時点、又は独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両の走行が停止した時点から経過した時間に基づいて、独立スロットル型エンジンの始動が冷間始動であるか否かが判断されてもよい。
上記(A)及び(B)は、少なくとも冷間始動時に行われればよい。上記(A)及び(B)は、冷間始動時以外に行われてもよい。上記(A)及び(B)は、始動が冷間始動であるか否かに関らず、始動毎に行われてもよい。上記(A)及び(B)は、必ずしも冷間始動時に常に行われる必要はない。例えば、独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両が、上記(A)及び(B)を始動時に行うか否かを設定するための入力を受け入れ可能に構成されていてもよい。この場合、上記(A)及び(B)を始動時に行わないと設定された場合には、冷間始動時に上記(A)及び(B)が行われない。しかし、このような独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両も、設定によっては、冷間始動時に上記(A)及び(B)が行われるので、本発明の独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両に該当する。また、本発明の独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両は、冷間始動時に所定の条件が満たされている場合に、上記(A)及び(B)を行う一方、前記所定の条件が満たされない場合には、上記(A)及び(B)を行わないように構成されていてもよい。例えば、本発明の独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両は、冷間始動時において独立スロットル型エンジンの温度が所定温度未満である場合に、上記(A)及び(B)を行う一方、独立スロットル型エンジンの温度が前記所定温度以上である場合に、上記(A)及び(B)を行わないように構成されていてもよい。
上記(A)及び(B)実行される契機となる始動操作は、特に限定されない。上記(A)及び(B)は、例えば、メインスイッチがONされた状態でスタータスイッチがONされた時に実行される。この場合、上記(B)において独立スロットル型エンジンの燃焼動作が開始する前にスタータスイッチがOFFされた場合には、燃焼動作が行われずに、磁石式モータの駆動が停止してもよい。また、上記(A)及び(B)は、メインスイッチがONされた状態でアクセル操作子が操作された時に実行されてもよい。
冷間始動時において、磁石式モータは、独立スロットル型エンジンの燃焼動作が停止した状態で、クランクシャフトの回転速度がアイドリング回転速度を超えるまで、クランクシャフトを正転させる。この時、磁石式モータは、クランクシャフトの回転速度が以下の値を超えるまで、クランクシャフトを正転させてもよい。
・アイドリング超過回転速度
・クラッチイン回転速度
・クラッチストール回転速度
また、磁石式モータは、クランクシャフトの回転速度が以下の値を超えるまでに、クランクシャフトの正転方向への正のトルク付与を停止してもよい。
・アイドリング超過回転速度
・クラッチイン回転速度
・クラッチストール回転速度
また、磁石式モータは、クランクシャフトの回転速度がクラッチストール回転速度を超えた後に、クランクシャフトの正転方向への正のトルク付与を停止してもよい。
なお、アイドリング超過回転速度は、アイドリング回転速度よりも所定回転速度(例えば100rpm、200rpm、300rpm)高い回転速度であってもよく、アイドリング回転速度よりも高い所定の回転速度(例えば2000rpm、2500rpm)であってもよい。クラッチイン回転速度とは、クラッチインが行われる時のクランクシャフトの回転速度をいう。クラッチストール回転速度とは、クラッチストールが行われる時のクランクシャフトの回転速度をいう。
・アイドリング超過回転速度
・クラッチイン回転速度
・クラッチストール回転速度
また、磁石式モータは、クランクシャフトの回転速度が以下の値を超えるまでに、クランクシャフトの正転方向への正のトルク付与を停止してもよい。
・アイドリング超過回転速度
・クラッチイン回転速度
・クラッチストール回転速度
また、磁石式モータは、クランクシャフトの回転速度がクラッチストール回転速度を超えた後に、クランクシャフトの正転方向への正のトルク付与を停止してもよい。
なお、アイドリング超過回転速度は、アイドリング回転速度よりも所定回転速度(例えば100rpm、200rpm、300rpm)高い回転速度であってもよく、アイドリング回転速度よりも高い所定の回転速度(例えば2000rpm、2500rpm)であってもよい。クラッチイン回転速度とは、クラッチインが行われる時のクランクシャフトの回転速度をいう。クラッチストール回転速度とは、クラッチストールが行われる時のクランクシャフトの回転速度をいう。
以下、本発明の実施形態に基づいて図面を参照しつつ説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。
<第一実施形態>
図1(a)は、第一実施形態に係る鞍乗型車両を模式的に示す側面図である。図1(b)は、独立スロットル型エンジン及び排気系を模式的に示す概略図である。図1(c)は、冷間始動時におけるクランクシャフトの回転速度と経過時間との関係を示すグラフである。
図1(a)は、第一実施形態に係る鞍乗型車両を模式的に示す側面図である。図1(b)は、独立スロットル型エンジン及び排気系を模式的に示す概略図である。図1(c)は、冷間始動時におけるクランクシャフトの回転速度と経過時間との関係を示すグラフである。
図1(a)に示す鞍乗型車両1は、車体2及び車輪3a,3bを備えている。詳細には、鞍乗型車両1は、自動二輪車である。本実施形態に係る鞍乗型車両1は、独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両の一例である。
鞍乗型車両1は、独立スロットル型エンジンEGを備えている。本実施形態では、独立スロットル型エンジンEGは、4ストローク単気筒エンジンである。独立スロットル型エンジンEGは、一つのシリンダ12と、クランクシャフト15とを有する。独立スロットル型エンジンEGは、シリンダ12ごとに、独立した一つのスロットル弁27と、一つの燃焼室28とを備えている。燃焼室28は、独立スロットル型エンジンEGの内部に形成されている。独立スロットル型エンジンEGは、クランクシャフト15を介して動力を出力する。
鞍乗型車両1は、排気通路29を備えている。排気通路29は、燃焼室28から排出される排気を大気へ排出する排出口29aを有する。排気通路29は、燃焼室28から排出口29aまで排気を通すように構成されている。
鞍乗型車両1は、消音器25を備えている。消音器25は、排気通路29の下流側に設けられる。
鞍乗型車両1は、触媒ユニット24を備える。触媒ユニット24は、筒状のケーシング22と、触媒23とを有する。ケーシング22は、排気通路29の一部を構成する。触媒23は、ケーシング22の内部に固定されている。排気は、触媒23を通過することにより浄化される。触媒23は、燃焼室28から排出される全ての排気が触媒23を通過するように設けられている。触媒23は、いわゆる三元触媒である。三元触媒は、排気に含まれる炭化水素、一酸化炭素及び窒素酸化物の3物質を酸化または還元することで除去する。三元触媒は、酸化還元触媒の1種である。触媒23は、基材と、この基材の表面に付着された触媒物質とを有する。触媒物質は、担体と貴金属を有する。担体は、貴金属と基材との間に設けられる。担体は貴金属を担持する。この貴金属が、排気を浄化する。貴金属としては、例えば、炭化水素、一酸化炭素、および窒素酸化物をそれぞれ除去する、プラチナ、パラジウム、ロジウムなどが挙げられる。触媒23は、多孔構造を有している。多孔構造とは、排気経路29の経路方向に垂直な断面に多孔が形成されている構造を言う。多孔構造の一例は、ハニカム構造である。触媒23は、メタル基材触媒であっても、セラミック基材触媒であってもよい。メタル基材触媒とは、基材が金属製の触媒である。セラミック基材触媒とは、基材がセラミック製の触媒である。メタル基材触媒の基材は、例えば、金属製の波板と金属製の平板を交互に重ねて巻回することで形成される。セラミック基材触媒の基材は、例えば、ハニカム構造体である。触媒は、三元触媒でなくてもよい。触媒は、炭化水素、一酸化炭素、および窒素酸化物のいずれか1つまたは2つを除去する触媒であってもよい。また、触媒は、酸化還元触媒でなくてもよい。触媒は、酸化または還元のいずれか一方だけで有害物質を除去する酸化触媒または還元触媒であってもよい。還元触媒の一例として、窒素酸化物を還元反応によって除去する触媒がある。
触媒23は、消音器25の上流側の端部25aより上流に位置するように排気通路29に設けられている。触媒23の上流側の端部23aは、消音器25の上流側の端部25aより上流に位置する。触媒23の下流側の端部23bは、消音器25の上流側の端部25aより上流に位置する。なお、触媒23は、端部23bが端部25aより下流側に位置するように設けられてもよい。
鞍乗型車両1は、磁石式モータMを備えている。本実施形態において、磁石式モータMは、ブラシ付き直流モータである。磁石式モータMは、独立スロットル型エンジンEGを始動させるためにクランクシャフト15を回転させる。磁石式モータMは、磁石式モータMの動力が、ワンウェイクラッチ機構49(図2参照)を介して、クランクシャフト15に伝達されるように設けられている。よって、磁石式モータMは、クランクシャフト15を回転させることができるが、クランクシャフト15によって回転させられない。磁石式モータMについては、後に詳述する。
鞍乗型車両1は、磁石式ジェネレータGを備えている。磁石式ジェネレータGは、図2に示すように、ロータ30と、ステータ40とを有する。ロータ30は、永久磁石37を有する。ロータ30は、クランクシャフト15に対して固定された速度比で回転するようにクランクシャフト15との間でクラッチを介さずに動力が伝達されるようにクランクシャフト15と接続されている。ステータ40は、ロータ30と対向するように配置されている。磁石式ジェネレータGは、独立スロットル型エンジンEGに駆動される時に発電するように構成されている。
鞍乗型車両1は、蓄電装置4を備えている。蓄電装置4は、磁石式モータMに対して電力を供給する。また、蓄電装置4は、磁石式ジェネレータGによって生成される電力によって充電される。
鞍乗型車両1は、アクセル操作子8を備えている。アクセル操作子8は、運転者によりトルク要求が入力されるように構成されており、独立スロットル型エンジンEGの出力を指示するように操作される。具体的には、アクセル操作子8は、スロットル弁27の開度が、アクセル操作子8の操作量に応じて変化するように、スロットル弁27とワイヤ(図示せず)を介して接続されている。アクセル操作子8は、運転者によって操作されることにより、独立スロットル型エンジンEGの出力の増加又は減少に関する指示が入力されるように構成されている。
鞍乗型車両1は、車輪3bを備える。車輪3bは、被駆動部材の一例である。車輪3bは、独立スロットル型エンジンEGから出力する動力により駆動されることにより、鞍乗型車両1を進行させるように構成されている。
鞍乗型車両1は、動力伝達装置PTを備える。動力伝達装置PTは、クランクシャフト15から車輪3bへ動力を伝達するように構成されている。動力伝達装置PTは、変速機TR(図2参照)と、クラッチCLとを含んでいる。変速機TRは、例えば、無段変速機である。変速機TRは、出力の回転速度に対する入力の回転速度の比である変速比を変更することができる。変速機TRは、車輪の回転速度に対する、クランクシャフト15の回転速度に対応する変速比を変更することができる。クラッチCLは、例えば、ドラム式の遠心クラッチである。
鞍乗型車両1は、制御装置60を備える。制御装置60は、独立スロットル型エンジンEGを制御するように構成されている。制御装置60は、制御部を構成する。また、鞍乗型車両1は、磁石式モータMの動作に係る回路(図4参照)を備えている。当該回路は、制御装置60と共に、制御部を構成している。制御装置60は、独立スロットル型エンジンEGの冷間始動時に、下記(A)及び(B)が行われるように、磁石式モータM及び独立スロットル型エンジンEGを動作させる。
(A) 磁石式モータMは、蓄電装置4の電力により、クランクシャフト15の回転速度が独立スロットル型エンジンEGのアイドリング回転速度を超えるまで、独立スロットル型エンジンEGの燃焼動作が停止した状態でクランクシャフト15を正転させる。上記(A)は、スタータスイッチ6が運転者により操作されることにより開始される。
(B) 独立スロットル型エンジンEGは、クランクシャフト15の回転速度が独立スロットル型エンジンEGのアイドリング回転速度を超えた状態で、燃焼動作を開始させる。この時に、スロットル弁27を通る空気がシリンダ12に供給される。また、燃料もシリンダ12に供給される。上記(B)は、上記(A)の後に実行される。
なお、冷間始動前には、独立スロットル型エンジンEGの燃焼動作が停止している。また、冷間始動前には、車輪3bは、少なくとも独立スロットル型エンジンEGによって駆動されていない。
さらに、鞍乗型車両1は、メインスイッチ5を備えている。メインスイッチ5は、鞍乗型車両1の各部に電力を供給するためのスイッチである。鞍乗型車両1は、スタータスイッチ6を備えている。スタータスイッチ6は、運転者によって操作されるスイッチである。本実施形態において、スタータスイッチ6は、運転者の操作により発進許可要求が入力されるスイッチである。鞍乗型車両1は、アクセル操作子8を備えている。アクセル操作子8は、操作に応じてトルク要求、例えば、独立スロットル型エンジンEGの出力を指示するように構成されている。アクセル操作子8は、詳細には、アクセルグリップである。
鞍乗型車両1では、独立スロットル型エンジンEGの燃焼動作が停止しており且つ車輪3bが駆動されていない状態において、メインスイッチ5が操作されることにより、制御装置60への電力供給が開始される。その後に、スタータスイッチ6が操作されることにより、磁石式モータMへの通電が開始される。冷間始動時において、磁石式モータMは、独立スロットル型エンジンEGの燃焼動作が停止した状態で、クランクシャフト15の回転速度が独立スロットル型エンジンEGのアイドリング回転速度を超えるまで、クランクシャフト15を正転させる。クランクシャフト15の回転速度が独立スロットル型エンジンEGのアイドリング回転速度を超えた状態で、独立スロットル型エンジンEGの燃焼動作が開始される。
なお、スタータスイッチ6が省略されるとともに、メインスイッチ5が、スタータスイッチ6を兼ねるように構成されていてもよい。この場合、駆動停止状態において、メインスイッチ5が操作されることにより、制御装置60への電力供給が開始されるとともに、磁石式モータMへの通電が開始される。また、始動時に、アクセル操作子8が、メインスイッチ5及びスタータスイッチ6を兼ねるように構成されていてもよい。この場合、駆動停止状態において、アクセル操作子8が操作されることにより、制御装置60への電力供給が開始されるとともに、磁石式モータMへの通電が開始される。
図2は、図1に示す独立スロットル型エンジンEG及びその周囲の概略構成を模式的に示す部分断面図である。
独立スロットル型エンジンEGは、クランクケース11と、シリンダ12と、ピストン13と、コネクティングロッド14と、クランクシャフト15とを備えている。ピストン13は、シリンダ12内に往復動可能に設けられている。クランクシャフト15は、クランクケース11内に回転可能に設けられている。クランクシャフト15は、コネクティングロッド14を介して、ピストン13と連結されている。シリンダ12の上部には、シリンダヘッド16が取り付けられている。シリンダ12とシリンダヘッド16とピストン13とによって、燃焼室28が形成される。シリンダヘッド16には、排気バルブ18及び吸気バルブ21が設けられている。排気バルブ18は、シリンダ12内の排気の排出を制御する。吸気バルブ21は、シリンダ12内の燃焼室への混合気の供給を制御する。排気バルブ18及び吸気バルブ21は、クランクシャフト15と連動して回転するカムシャフトCsに設けられた図示しないカムの作用によって動作する。クランクシャフト15は、クランクケース11に、一対のベアリング17を介して、回転自在な態様で支持されている。
クランクシャフト15には、ワンウェイクラッチ機構49が設けられている。磁石式モータMは、クランクシャフト15を回転させることができるように、ワンウェイクラッチ機構49を介して、クランクシャフト15に接続されている。なお、磁石式モータMについては、後述する。
独立スロットル型エンジンEGが備えるクランクシャフト15の一端部15aには、磁石式発電機Gが取り付けられている。クランクシャフト15と磁石式発電機Gとの間にクラッチは設けられていない。独立スロットル型エンジンEGが備えるクランクシャフト15の他端部15bには、動力伝達装置PTが設けられている。なお、図2において、クランクシャフト15の一端部15aは、右端部であり、他端部15bは、左端部である。
独立スロットル型エンジンEGが備えるクランクシャフト15の一端部15aには、磁石式発電機Gが取り付けられている。クランクシャフト15と磁石式発電機Gとの間にクラッチは設けられていない。独立スロットル型エンジンEGが備えるクランクシャフト15の他端部15bには、動力伝達装置PTが設けられている。なお、図2において、クランクシャフト15の一端部15aは、右端部であり、他端部15bは、左端部である。
独立スロットル型エンジンEGには、デコンプレッション装置Dが設けられている。図2には、デコンプレッション装置Dが概略的に示されている。デコンプレッション装置Dは、圧縮行程でシリンダ12内の圧力を減少させるように動作する。デコンプレッション装置Dは、圧縮行程で排気バルブ18を開くことによって、シリンダ12内の気体の一部を排出する。デコンプレッション装置Dは、クランクシャフト15の回転速度が、デコンプレッション装置Dに設定された減圧上限速度以下である場合に、圧縮行程で排気バルブ18を開くように構成されている。デコンプレッション装置Dは、クランクシャフト15と連動して回転するカムシャフトCsに設けられた機構によって排気バルブ18を開く。デコンプレッション装置Dは、例えば、カムシャフトCsの回転に伴う遠心力を利用して、排気バルブ18を開く動作を行う。デコンプレッション装置Dが圧縮行程でシリンダ12内の混合気の圧力を減少させることによって、ピストン13が受ける圧縮反力が減少する。高負荷領域において、ピストン13の動作に対する負荷が低減される。
また、独立スロットル型エンジンEGには、スロットル弁27及び燃料噴射装置J(図4参照)も備えられている。スロットル弁27は、アクセル操作子8(図1参照)の操作量に基づく開度で開く。スロットル弁27は、開度に応じて流れる空気の量を調整することによってシリンダ12内に供給される空気の量を調整する。燃料噴射装置Jは、燃料を噴射することによって、シリンダ12内の燃焼室28に燃料を供給する。スロットル弁を通る空気と燃料噴射装置Jから噴射された燃料の混合気が、シリンダ12内の燃焼室28に供給される。また、独立スロットル型エンジンEGには、点火プラグ19が設けられている。点火プラグ19が、シリンダ12内の混合気に点火することによって、混合気が燃焼する。独立スロットル型エンジンEGには、温度センサ51(図4参照)が設けられている。制御装置60は、温度センサ51からの信号により、独立スロットル型エンジンEGの温度を取得できる。図中では、温度センサ51が一つのみ示されているが、本実施形態において、温度センサ51は、複数である。温度センサ51は、例えば、吸気温度を検出するためのセンサであってもよく、排気温度を検出するためのセンサであってもよく、オイル温度を検出するためのセンサであってもよい。独立スロットル型エンジンが水冷式である場合に、温度センサは、冷却水温度を検出するためのセンサであってもよい。温度センサ51から取得される温度に基づいて、始動が冷間始動であるか否かが判定され得る。但し、本実施形態では、冷間始動時及びそれ以外の始動時の両方において、上記(A)及び(B)が行われる。冷間始動時とそれ以外の始動時との間で、エンジン始動までに要する時間や車両挙動の差がなくなる乃至小さくなる。本実施形態は、好ましい実施形態の一つである。
独立スロットル型エンジンEGは、内燃機関である。独立スロットル型エンジンEGは、燃料の供給を受ける。独立スロットル型エンジンEGは、混合気を燃焼する燃焼動作によって動力(トルク)を出力する。
詳細には、ピストン13が、燃焼室28に供給された燃料を含む混合気の燃焼によって移動する。ピストン13は、混合気の燃焼によって往復動する。ピストン13の往復動に連動してクランクシャフト15が回転する。動力は、クランクシャフト15を介して独立スロットル型エンジンEGの外部に出力される。車輪3b(図1参照)は、クランクシャフト15を介して独立スロットル型エンジンEGから出力される動力を受け鞍乗型車両1を駆動する。クランクシャフト15の動力は、動力伝達機構PT(図1参照)を介して、車輪3bに伝達される。鞍乗型車両1は、独立スロットル型エンジンEGからクランクシャフト15を介して動力を受ける車輪3bによって駆動される。
詳細には、ピストン13が、燃焼室28に供給された燃料を含む混合気の燃焼によって移動する。ピストン13は、混合気の燃焼によって往復動する。ピストン13の往復動に連動してクランクシャフト15が回転する。動力は、クランクシャフト15を介して独立スロットル型エンジンEGの外部に出力される。車輪3b(図1参照)は、クランクシャフト15を介して独立スロットル型エンジンEGから出力される動力を受け鞍乗型車両1を駆動する。クランクシャフト15の動力は、動力伝達機構PT(図1参照)を介して、車輪3bに伝達される。鞍乗型車両1は、独立スロットル型エンジンEGからクランクシャフト15を介して動力を受ける車輪3bによって駆動される。
図3は、独立スロットル型エンジンEGのクランク角度位置と必要トルクとの関係を模式的に示す説明図である。図3は、独立スロットル型エンジンEGが燃焼動作を行っていない状態で、クランクシャフト15を回転させるための必要トルクを示している。
独立スロットル型エンジンEGは、4ストローク独立スロットル型エンジンである。独立スロットル型エンジンEGは、1回の燃焼サイクルである4ストロークの間に、クランクシャフト15を回転させる負荷が大きい高負荷領域THと、クランクシャフト15を回転させる負荷が高負荷領域THの負荷より小さい低負荷領域TLとを有する。高負荷領域とは、独立スロットル型エンジンEGの1燃焼サイクルのうち、負荷トルクが1燃焼サイクルにおける負荷トルクの平均値Avよりも高い領域をいう。クランクシャフト15の回転角度を基準として見ると、低負荷領域TLは高負荷領域TH以上に広い。より詳細には、低負荷領域TLは高負荷領域THよりも広い。言い換えると、低負荷領域TLに相当する回転角度領域は、高負荷領域THに相当する回転角度領域よりも広い。独立スロットル型エンジンEGは、燃焼行程(膨張行程)、排気行程、吸気行程、及び圧縮行程を繰り返しながら回転する。圧縮行程は、高負荷領域THと重なりを有する。
独立スロットル型エンジンEGの1回の燃焼サイクルには、燃焼行程、排気行程、吸気行程、及び圧縮行程が1回ずつ含まれる。吸気行程において、混合気が、燃焼室に供給される。圧縮行程において、ピストン13が、燃焼室内の混合気を圧縮する。膨張行程において、点火プラグ19で点火された混合気が燃焼するとともに、ピストン13を押す。排気行程において、燃焼後の排気が燃焼室から排出される。
図4は、図1に示す鞍乗型車両の制御系を模式的に示すブロック図である。鞍乗型車両1は、制御装置60を備えている。本実施形態において、制御装置60は、ECU(Engine Control Unit)である。制御装置60は、独立スロットル型エンジンEGを制御する。また、図4では示されていないが、制御装置60は、鞍乗型車両1の各部を制御するように構成されている。
制御装置60には、燃料噴射装置J、点火プラグ19及び蓄電装置4が接続されている。制御装置60には、ロータ位置検出装置50が接続されている。制御装置60は、ロータ位置検出装置50の検出結果によって、クランクシャフト15の回転速度を取得する。なお、鞍乗型車両1は、ロータ位置検出装置50によりクランクシャフト15の回転速度を取得するように構成されているが、クランクシャフト15の回転速度の取得方法は、この例に限定されない。鞍乗型車両1は、ロータ位置検出装置50と共に又はロータ位置検出装置50に代えて、被駆動部材としての車輪3bの回転速度を検出する検出器を備えていてもよい。制御装置60(制御部)は、クランクシャフト15の回転速度を取得可能に構成されている。
制御装置60は、点火プラグ19及び燃料噴射装置Jを制御することによって、独立スロットル型エンジンEGの燃焼動作を制御する。制御装置60は、点火プラグ19及び燃料噴射装置Jを制御することによって、独立スロットル型エンジンEGの動力を制御する。
制御装置60には、蓄電装置4が、メインスイッチ5を介して接続されている。本実施形態では、蓄電装置4は、鉛蓄電池である。蓄電装置4には、磁石式モータM、リレー26、発電機G及びレギュレータ20が接続されている。メインスイッチ5は、イグニッションキーによりONとOFFとが切り換えられるように構成されている。
蓄電装置4は、制御装置60に電力を供給する。蓄電装置4は、独立スロットル型エンジンEGを駆動させる時に、制御装置60からの指示により、燃料噴射装置J及び点火プラグ19に電力を供給する。また、制御装置60には、ヘッドライト7(図1参照)などの補機類(図示せず)が接続されており、補機類には、メインスイッチ5がONされているときに電力が供給される。蓄電装置4は、スタータスイッチ6が押された時に、磁石式モータMに電力を供給して、磁石式モータMを駆動する。蓄電装置4の近傍には、ヒューズ4aが取り付けられている。
リレー26は、コイル及びスイッチを有している。リレー26は、コイルに電流が流れると、電磁石となってスイッチを引き寄せ、スイッチをONにする。リレー26がONになると、蓄電装置4から磁石式モータMに電力が供給され、磁石式モータMが駆動される。
スタータスイッチ6がONに操作された後に、制御装置60は、リレー26のコイルに蓄電装置4からの電力を供給する状態と、電力を供給しない状態とを切り替えるように構成されている。制御装置60は、冷間始動時に、クランクシャフト15の回転速度が独立スロットル型エンジンEGのアイドリング回転速度を超えるまで、磁石式モータMを駆動する。
磁石式ジェネレータGは、クランクシャフト15に取り付けられている。磁石式ジェネレータGは、クランクシャフト15の回転により発電を行う。
レギュレータ20は、蓄電装置4と磁石式ジェネレータGとの間に設けられている。レギュレータ20は、磁石式ジェネレータGから出力される電圧を整流する。
図5は、図1に示す磁石式モータMを拡大して示す断面図である。図6は、図5に示す磁石式モータMのA−A線断面を示す断面図である。図7は、図5に示す磁石式モータMのB−B線断面を示す断面図である。
磁石式モータMは、筐体202、回転子205、固定ブラシ222,223、可動永久磁石203、及び磁石移動部225を備えている。磁石式モータMの筐体202は、筒部220a、前カバー220b、及び後カバー220cを有している。前カバー220b及び後カバー220cは、筒部220aの両端の開口を塞ぐように設けられている。筒部220a、前カバー220b、及び後カバー220cは、例えば溶接によって互いに固定されている。但し、筒部220a、前カバー220b、及び後カバー220cは、例えば、締結部材によって互いに固定されていてもよい。筐体202には、回転子205、固定ブラシ222、223、可動永久磁石203、及び磁石移動部225を含む磁石式モータMの部品が収容されている。このように、筐体202は、少なくとも回転子205、固定ブラシ222、223、可動永久磁石203、及び磁石移動部225を収容する。磁石式モータMの筐体202の位置は、独立スロットル型エンジンEG及び鞍乗型車両1に対し固定される。
回転子205は、筐体202に対して回転可能なように筐体202に支持されている。回転子205は、回転軸206、コア207、整流子208、及び巻線209を備えている。コア207は、回転軸206に固定されている。回転軸206は、コア207を貫通するようにコア207に嵌め込まれている。回転軸206は、軸受214を介して筐体202に支持されている。回転軸206、コア207、整流子208、及び巻線209は、一体となって回転する。なお、磁石式モータMにおいて、回転子205の回転軸206が延びる方向を軸線方向Xと称し、軸線方向Xと垂直な方向を径方向Rと称する。また、回転子205の回転に沿った方向を周方向Cと称する。
コア207は、磁性材料で形成されている。コア207は、空隙Yを挟んで可動永久磁石203に対面している。磁石式モータMは、ラジアルギャップ型のモータであり、コア207と可動永久磁石203とは、径方向Rに対向している。コア207には巻線209が巻かれている。より詳細には、コア207は、中央部分から径方向Rの外側に放射状に延びた複数のティース207aを有している。複数のティース207aは、スロットをあけて周方向Cに並んでいる。巻線209は、スロットを通るように設けられており、ティース207aに巻かれてコイルを形成している。本実施形態の磁石式モータMは、分布巻きで構成されており、巻線209が形成する1つのコイルが複数のティース207aを取り巻いている。ただし、磁石式モータMは、集中巻きで構成されていてもよい。
コア207は、磁性材料で形成されている。コア207は、空隙Yを挟んで可動永久磁石203に対面している。磁石式モータMは、ラジアルギャップ型のモータであり、コア207と可動永久磁石203とは、径方向Rに対向している。コア207には巻線209が巻かれている。より詳細には、コア207は、中央部分から径方向Rの外側に放射状に延びた複数のティース207aを有している。複数のティース207aは、スロットをあけて周方向Cに並んでいる。巻線209は、スロットを通るように設けられており、ティース207aに巻かれてコイルを形成している。本実施形態の磁石式モータMは、分布巻きで構成されており、巻線209が形成する1つのコイルが複数のティース207aを取り巻いている。ただし、磁石式モータMは、集中巻きで構成されていてもよい。
整流子208は、回転軸206を取り囲むように配置されており、巻線209と電気的に接続されている。整流子208は、ティース207aに応じた数の接触片208aを有している。接触片208aには、巻線209が形成するコイルがそれぞれ接続されている。
固定ブラシ222、223は、整流子208に接触することで回転子205に電流を流す。固定ブラシ222、223が、回転する整流子208の接触片208aと順次接触することによって、巻線209に流れる電流が切換えられる。即ち、巻線209の転流が生じる。
固定ブラシ222、223は、筐体202に対し、回転子205の回転方向における位置が固定されるように設けられている。より詳細には、図7に示すように、筐体202の後カバー220cに板状のブラシホルダ221が固定されており、ブラシホルダ221に、固定ブラシ222、223が装着されている。本実施形態の磁石式モータMは、4つの固定ブラシ222、223を有している。4つの固定ブラシ222、223は、周方向Cに並ぶように配置されている。正極となる固定ブラシ222と、負極となる固定ブラシ223とは、周方向Cで隣り合うように配置されている。固定ブラシ222、223は、整流子208に向かって付勢され、整流子208に接触する。正極となる固定ブラシ222は、正極ターミナル215と電気的に接続されており、負極となる固定ブラシ223は、負極(接地)ターミナル224と電気的に接続されており、更にケーブル216を介して接地される。
本実施形態の磁石式モータMは、一方向へ回転を出力するためのモータである。例えば、直流電源であるバッテリ4の正極と正極ターミナル215とが電気的に接続され、バッテリ4の負極と負極ターミナル224とが電気的に接続されることによって、磁石式モータMの回転子205は、図6及び図7の矢印Dで示す方向に回転する。固定ブラシ222、223は、本発明のブラシの一例に相当する。
固定ブラシ222、223は、筐体202に対し、回転子205の回転方向における位置が固定されるように設けられている。より詳細には、図7に示すように、筐体202の後カバー220cに板状のブラシホルダ221が固定されており、ブラシホルダ221に、固定ブラシ222、223が装着されている。本実施形態の磁石式モータMは、4つの固定ブラシ222、223を有している。4つの固定ブラシ222、223は、周方向Cに並ぶように配置されている。正極となる固定ブラシ222と、負極となる固定ブラシ223とは、周方向Cで隣り合うように配置されている。固定ブラシ222、223は、整流子208に向かって付勢され、整流子208に接触する。正極となる固定ブラシ222は、正極ターミナル215と電気的に接続されており、負極となる固定ブラシ223は、負極(接地)ターミナル224と電気的に接続されており、更にケーブル216を介して接地される。
本実施形態の磁石式モータMは、一方向へ回転を出力するためのモータである。例えば、直流電源であるバッテリ4の正極と正極ターミナル215とが電気的に接続され、バッテリ4の負極と負極ターミナル224とが電気的に接続されることによって、磁石式モータMの回転子205は、図6及び図7の矢印Dで示す方向に回転する。固定ブラシ222、223は、本発明のブラシの一例に相当する。
可動永久磁石203は、図6に示すように、空隙Yを挟んでコア207と対面するように配置されている。可動永久磁石203は、コア207と直接対面するように配置されている。本実施形態の磁石式モータMは、4つの可動永久磁石203を備えている。可動永久磁石203は、回転子205のコア207よりも、径方向Rの外に配置されている。可動永久磁石203は、コア207を取り囲む位置に配置されている。可動永久磁石203は、コア207から見た極性が周方向Cで交互にN極、S極を繰り返すように並んでいる。可動永久磁石203は、筐体202に支持されている。可動永久磁石203は、回転子205とは独立して周方向Cに移動可能なように筐体202に支持されている。可動永久磁石203は、調整角度範囲Hの角度範囲内において移動する。調整角度範囲Hは、可動永久磁石203が移動可能な所定の角度範囲である。本実施形態の磁石式モータMは、可動永久磁石203と筐体202との間に配置された可動ヨーク部231を備えている。複数の可動永久磁石203は、可動ヨーク部231に固定されている。可動ヨーク部231は磁性体で形成されている。可動ヨーク部231は筒状である。可動ヨーク部231は、周方向Cに回転可能に筐体202に支持されている。複数の可動永久磁石203は、可動ヨーク部231を介して筐体202に支持されている。可動永久磁石203は、回転子205とは独立して周方向Cに移動可能に筐体202に支持されている。可動ヨーク部231が周方向Cに移動することによって、可動永久磁石203は、可動ヨーク部231とともに周方向Cに移動する。可動ヨーク部231を挟んで可動永久磁石203と反対の領域、即ち可動ヨーク部231の径方向Rの外側では、場所による磁力の偏りが抑えられる。このため、可動永久磁石203が移動するとき、可動永久磁石203の筐体202に対する磁力の偏りに起因した抵抗力のむらが抑えられ、可動永久磁石203が滑らかに移動する。
筐体202は、可動永久磁石203の調整角度範囲H外への移動を制限する制限部202sを有している。本実施形態の磁石式モータMにおける制限部202sは、筐体202の筒部220aから径方向Rの中央に向かって突出した突起である。可動ヨーク部231には、切欠き203dが形成されている。制限部202sは、切欠き203dの中に配置されている。制限部202sは、可動ヨーク部231の回転角度を制限することによって、可動永久磁石203の移動を制限する。制限部202sは、可動永久磁石203が過度に回転して回転子205の回転に支障が生じる事態を抑える。
可動永久磁石203が移動する調整角度範囲Hは、遅角位置及び進角位置を含んでいる。遅角位置は、固定ブラシ222、223に対する可動永久磁石203の相対的な角度位置が遅角方向Bへ変位した位置である。なお、周方向におけるある位置を別の位置に対する変位の方向で特定する場合、特定される方向は、上記の2つの位置が成す2つの中心角のうち小さい中心角に沿った変位の方向を意味する。
磁石式モータMは、周方向Cにおける可動永久磁石203の位置によって、磁石式モータMの出力トルクが変化するように構成されている。磁石式モータMの出力トルクが最も大きい時の可動永久磁石203の周方向位置を、最大トルク位置という。この場合、磁石式モータMにおける「遅角位置」は、固定ブラシ222、223に対する可動永久磁石203の相対的な角度位置が、最大トルク位置よりも遅角方向Bに変位した位置である。可動永久磁石203の進角位置は、遅角位置よりも進角方向Aへ変位した位置である。周方向Cにおいて、進角位置は、遅角位置よりも最大トルク位置に近い。進角位置は、最大トルク位置と実質的に同じ位置であってもよい。可動永久磁石203が進角位置にある時、遅角位置におけるトルクよりも大きなトルクを回転子205に生じさせる。
ここで、進角方向Aとは、固定ブラシ222,223から電流が供給された回転子205が回転しているときの回転子205の回転方向Dとは反対の方向である。遅角方向Bとは、回転子の回転方向Dと同じ方向である。遅角位置及び進角位置の詳細については後に説明する。
可動永久磁石203が移動する調整角度範囲Hは、遅角位置及び進角位置を含んでいる。遅角位置は、固定ブラシ222、223に対する可動永久磁石203の相対的な角度位置が遅角方向Bへ変位した位置である。なお、周方向におけるある位置を別の位置に対する変位の方向で特定する場合、特定される方向は、上記の2つの位置が成す2つの中心角のうち小さい中心角に沿った変位の方向を意味する。
磁石式モータMは、周方向Cにおける可動永久磁石203の位置によって、磁石式モータMの出力トルクが変化するように構成されている。磁石式モータMの出力トルクが最も大きい時の可動永久磁石203の周方向位置を、最大トルク位置という。この場合、磁石式モータMにおける「遅角位置」は、固定ブラシ222、223に対する可動永久磁石203の相対的な角度位置が、最大トルク位置よりも遅角方向Bに変位した位置である。可動永久磁石203の進角位置は、遅角位置よりも進角方向Aへ変位した位置である。周方向Cにおいて、進角位置は、遅角位置よりも最大トルク位置に近い。進角位置は、最大トルク位置と実質的に同じ位置であってもよい。可動永久磁石203が進角位置にある時、遅角位置におけるトルクよりも大きなトルクを回転子205に生じさせる。
ここで、進角方向Aとは、固定ブラシ222,223から電流が供給された回転子205が回転しているときの回転子205の回転方向Dとは反対の方向である。遅角方向Bとは、回転子の回転方向Dと同じ方向である。遅角位置及び進角位置の詳細については後に説明する。
磁石移動部225は、可動永久磁石203を移動させるように構成されている。磁石移動部225は、回転子205に電流が供給されている期間内に、可動永久磁石203を、調整角度範囲で、遅角方向B又は進角方向Aに移動させる。
本実施形態の磁石式モータMにおける磁石移動部225は、弾性部材225aを含んでいる。弾性部材225aは、弾性力によって可動永久磁石203を遅角方向Bに付勢する。弾性部材225aは、例えば、筐体202及び可動ヨーク部231に結合されたばねである。弾性部材225aは、例えばトーションばねである。本実施形態の磁石式モータMにおいて、弾性部材225aは、弾性部材225aの弾性力が回転子205の回転開始時において可動永久磁石203に作用する回転子205の反作用力より小さくなるように構成されている。また、弾性部材225aは、弾性部材225aの弾性力が回転子205の回転速度の上昇に伴ってトルクが低下した時に可動永久磁石203に作用する回転子205の反作用力より大きくなるように構成されている。例えば、弾性部材225aは、可動永久磁石203が図8に示す進角位置に固定されるとした場合に、弾性部材225aの弾性力が磁石式モータMにおける定格負荷を定格速度で回転させるときの反作用力より大きくなるように構成されている。
本実施形態の磁石式モータMにおける磁石移動部225は、弾性部材225aを含んでいる。弾性部材225aは、弾性力によって可動永久磁石203を遅角方向Bに付勢する。弾性部材225aは、例えば、筐体202及び可動ヨーク部231に結合されたばねである。弾性部材225aは、例えばトーションばねである。本実施形態の磁石式モータMにおいて、弾性部材225aは、弾性部材225aの弾性力が回転子205の回転開始時において可動永久磁石203に作用する回転子205の反作用力より小さくなるように構成されている。また、弾性部材225aは、弾性部材225aの弾性力が回転子205の回転速度の上昇に伴ってトルクが低下した時に可動永久磁石203に作用する回転子205の反作用力より大きくなるように構成されている。例えば、弾性部材225aは、可動永久磁石203が図8に示す進角位置に固定されるとした場合に、弾性部材225aの弾性力が磁石式モータMにおける定格負荷を定格速度で回転させるときの反作用力より大きくなるように構成されている。
図8及び図9は、図7に示す磁石式モータMにおける、固定ブラシ222、223及び可動永久磁石203の位置を示す模式図である。図8及び図9には、整流子208及び可動ヨーク部231も示されている。また、図8及び図9には、弾性部材225aが模式的に示されている。
図8では、進角位置L2にある可動永久磁石203が実線で示されている。図8及び図9では、可動永久磁石203のそれぞれの周方向Cでの中央位置によって、可動永久磁石203の位置を表している。また、図8では、参考として、遅角位置L1における可動永久磁石203が破線で示されている。
図8では、進角位置L2にある可動永久磁石203が実線で示されている。図8及び図9では、可動永久磁石203のそれぞれの周方向Cでの中央位置によって、可動永久磁石203の位置を表している。また、図8では、参考として、遅角位置L1における可動永久磁石203が破線で示されている。
図9では、遅角位置L1にある可動永久磁石203が実線で示されている。
遅角位置L1は、固定ブラシ222、223に対し、可動永久磁石203が、進角位置L2よりも遅角方向Bへ変位した場合の位置である。進角方向Aは、固定ブラシ222、223から電流が供給された回転子205が回転しているときの回転子205の回転方向Dとは反対の方向である。遅角方向Bは、回転子205の回転方向Dと同じ方向である。
図8に示す進角位置L2は、固定ブラシ222、223に対し、可動永久磁石203が、図9に示す遅角位置L1よりも進角方向Aへ変位した場合の位置である。図8に示す進角位置L2は、遅角位置L1におけるトルクよりも大きなトルクを回転子205に生じさせる位置である。周方向Cにおいて、進角位置L2は、図9に示す遅角位置L1よりも最大トルク位置に近い。進角位置L2は、最大トルク位置と実質的に同じ位置であることが好ましい。ただし、進角位置L2は、周方向Cにおいて、遅角位置L1よりも最大トルク位置に近ければ、最大トルク位置と実質的に同じ位置でなくともよい。この場合、進角位置L2は、遅角位置L1と最大トルク位置の間にあることが好ましい。ただし、最大トルク位置は、進角位置L2と遅角位置L1の間にあってもよい。
可動永久磁石203の最大トルク位置は、巻線209に流れる電流の位相と、その巻線と鎖交する磁束の位相が実質的に一致するような位置である。
可動永久磁石203の最大トルク位置は、例えば、磁石式モータMを発電機として機能させ、外部からの回転力によって回転させた場合に、固定ブラシ222、223の間に生じる誘導起電圧が最大となる位置である。
電流の位相と磁束の位相との関係は、可動永久磁石203と固定ブラシ222、223との相対位置によって決定される。
可動永久磁石203の最大トルク位置は、巻線209に流れる電流の位相と、その巻線と鎖交する磁束の位相が実質的に一致するような位置である。
可動永久磁石203の最大トルク位置は、例えば、磁石式モータMを発電機として機能させ、外部からの回転力によって回転させた場合に、固定ブラシ222、223の間に生じる誘導起電圧が最大となる位置である。
電流の位相と磁束の位相との関係は、可動永久磁石203と固定ブラシ222、223との相対位置によって決定される。
図9に示す遅角位置L1は、固定ブラシ222、223に対し、可動永久磁石203が、図8に示す進角位置L2よりも遅角方向Bへ変位した場合の位置である。
可動永久磁石203が遅角位置L1に位置することは、例えばブラシが回転可能な場合に、ブラシが進角位置に位置することと、巻線209の転流のタイミングの観点において等価である。より具体的には、図9に示す状態は、可動永久磁石203に対する固定ブラシ222、223の相対位置が、最大トルクを生じる位置よりも進角方向Aに移動した状態と言うこともできる。
従って、可動永久磁石203が図9に示す遅角位置L1にある場合、磁石式モータMを発電機として機能させた場合に生じる誘導起電圧は、進角位置L2の場合と比べて低い。また、可動永久磁石203が、遅角位置L1にあるときの起動時のトルクは、可動永久磁石203が、進角位置L2にある時の起動時のトルクよりも小さい。
可動永久磁石203が遅角位置L1に位置することは、例えばブラシが回転可能な場合に、ブラシが進角位置に位置することと、巻線209の転流のタイミングの観点において等価である。より具体的には、図9に示す状態は、可動永久磁石203に対する固定ブラシ222、223の相対位置が、最大トルクを生じる位置よりも進角方向Aに移動した状態と言うこともできる。
従って、可動永久磁石203が図9に示す遅角位置L1にある場合、磁石式モータMを発電機として機能させた場合に生じる誘導起電圧は、進角位置L2の場合と比べて低い。また、可動永久磁石203が、遅角位置L1にあるときの起動時のトルクは、可動永久磁石203が、進角位置L2にある時の起動時のトルクよりも小さい。
一般的に、ブラシモータで構成されるスタータモータの出力トルクT、磁束Φ、永久磁石の極数P、巻線の巻数Z、及び電流Iの間には、次の関係がある。
T ∝ ΦPZI
ここで、Φは、より詳細には、電流Iが流れる巻線と鎖交する磁束である。また、電流Iは、スタータモータの電源電圧と、巻線に生じる誘導起電圧の差に比例する。巻線に生じる誘導起電圧は、磁束Φの時間微分に比例する。本実施形態の磁石式モータMでは、可動永久磁石203が遅角位置L1に移動することにより、固定ブラシ222、223から供給される電流Iが流れるタイミングで鎖交する磁束Φが、進角位置L2の場合よりも減少する。しかし、可動永久磁石203が遅角位置L1に移動することにより、誘導起電圧が減少する。従って、高い回転速度において、巻線に電流を供給することができる。即ち、出力可能な回転速度が高くなる。
T ∝ ΦPZI
ここで、Φは、より詳細には、電流Iが流れる巻線と鎖交する磁束である。また、電流Iは、スタータモータの電源電圧と、巻線に生じる誘導起電圧の差に比例する。巻線に生じる誘導起電圧は、磁束Φの時間微分に比例する。本実施形態の磁石式モータMでは、可動永久磁石203が遅角位置L1に移動することにより、固定ブラシ222、223から供給される電流Iが流れるタイミングで鎖交する磁束Φが、進角位置L2の場合よりも減少する。しかし、可動永久磁石203が遅角位置L1に移動することにより、誘導起電圧が減少する。従って、高い回転速度において、巻線に電流を供給することができる。即ち、出力可能な回転速度が高くなる。
本実施形態の磁石式モータMにおいて、可動永久磁石203を最大トルク位置から遅角位置L1まで移動させる場合の調整角度範囲は、電気角で直角より小さい。調整角度範囲は、電気角で30°以内が好ましい。電気角は、可動永久磁石203の極の対あたりの角度を360°とした場合の角度である。本実施形態の磁石式モータMは、4つの可動永久磁石203からなる2対の極と、4つの固定ブラシ222、223を有しているので、調整角度範囲Hとして、機械角で15°以内が好ましい。
本実施形態の磁石式モータMにおいて、磁石移動部225は、回転子205に電流が供給されている期間内に、可動永久磁石203を、調整角度範囲Hで、遅角方向B又は進角方向Aに移動させる。より詳細には、磁石移動部225は、回転子205に電流が供給されることにより回転子205の回転が開始する時点で、可動永久磁石203を図8に示す進角位置L2に位置させる。磁石移動部225は、回転子205に電流が供給されることにより回転子205が回転している期間内に、可動永久磁石203を遅角位置L1へ遅角方向Bに移動させる。
磁石移動部225の動作を、電流が供給されていない状態から順を追って説明する。本実施形態の磁石式モータMでは、磁石移動部225の弾性部材225a(図5参照)が、弾性力によって可動永久磁石203を遅角方向Bに付勢している。弾性部材225aの弾性力は、回転子205の回転開始時において可動永久磁石203に作用する回転子205の反作用力より小さく、且つ、回転子205の回転速度の上昇に伴ってトルクが低下した時に可動永久磁石203に作用する回転子205の反作用力より大きい。回転子へ電流が供給されていない状態において、可動永久磁石203は、弾性部材225aの遅角方向Bへの付勢力によって、図9に示すように、遅角位置L1に位置している。
弾性部材225aは、回転子205への電流の供給が開始されてから回転子205が回転するまでの間に、可動永久磁石203の進角位置への移動を許容する。可動永久磁石203の進角位置への移動が許容されると、可動永久磁石203に作用する回転子205の反作用力による可動永久磁石203の進角方向Aへの移動が始まる。磁石式モータMが、例えば定格電圧を出力する蓄電装置4からの電圧で動作する場合、最大の出力トルクは、通常、電流の供給が開始されてから回転子205が回転するまでの間に生じる。このため、可動永久磁石203に作用する出力トルクの反作用も、電流の供給が開始されてから回転子205が回転するまでの間に最大となる。このとき、図8の矢印M1で示すように、可動永久磁石203の進角方向Aへの移動が開始する。
可動永久磁石203が進角方向Aへ移動し、図8に示す進角位置L2に位置すると、図9に示す遅角位置に位置した場合のトルクよりも大きなトルクが回転子205に生じる。磁石式モータMは、可動永久磁石203が図9に示す遅角位置L1に位置する場合よりも大きなトルクで回転を開始することができる。
弾性部材225aは、回転子205の回転速度の上昇に伴ってトルクが低下した時に、弾性部材225aの付勢力により、図8に示す進角位置L2に位置する可動永久磁石203を、遅角方向Bへ移動させるように構成されている。回転子205が回転を開始した後、回転子205の回転速度の上昇に伴って回転子205の出力トルクが低下すると、可動永久磁石203に作用する回転子205の反作用力も低下する。ここで、弾性部材225aの弾性力は、回転子205の回転速度の上昇に伴ってトルクが低下した時に可動永久磁石203に作用する回転子205の反作用力より大きい。このため、磁石移動部225は、回転子205に電流が供給されることにより回転子205が回転している期間内に、可動永久磁石203を図9に示す遅角位置L1へ遅角方向Bに移動させる。可動永久磁石203は、図9の矢印M2で示すように、遅角方向Bに移動する。より詳細には、磁石移動部225は、回転子205の回転速度の上昇に基づいて、可動永久磁石203を図9に示す遅角位置L1へ遅角方向Bに移動させる。例えば、一般に、出力トルクは、回転子205の回転速度の上昇に基づいて低下するので、回転子205の回転速度の上昇に応じて、可動永久磁石203に作用する回転子205の反作用力も低下する。また、弾性部材225aの弾性力は、弾性部材225aが可動永久磁石203を移動させる距離が長くなるにつれて徐々に弱くなるように設定される。ここで、弾性部材225aの弾性力(荷重)と、弾性部材225aが可動永久磁石203を移動させる距離との関係は、線形(正比例)又は実質的な線形であってもよく、非線形であってもよい。弾性部材225aにおける弾性力の変動範囲が、可動永久磁石203に作用する反作用力の変動範囲と重なるように設定されることによって、磁石移動部225が、回転子205の回転速度の上昇に基づいて可動永久磁石203を徐々に移動させる。その結果、本実施形態によれば、例えば、磁石式モータMの回転速度と出力トルクの特性を、図10に示す実線Pから実線Qへ徐々に変化させることができる。本実施形態によれば、回転速度と出力トルクの特性を無段階で変化させることができる。
可動永久磁石203が図9に示す遅角位置L1へ移動することは、例えばブラシが回転可能な場合に、ブラシが進角位置に移動することと、巻線の転流のタイミングの観点において等価である。従って、可動永久磁石203が遅角位置L1に移動することによって誘導起電圧の影響が減少する。また、巻線209に流れる電流の変化が、巻線209のインダクタンスによって回転速度の上昇と共に遅れることの影響も、可動永久磁石203が遅角位置L1に移動することによって減少する。従って、回転子の回転速度が上昇する。
図10は、図6に示す磁石式モータMの回転速度と出力トルクの特性を模式的に示すグラフである。図10において、実線Pは、可動永久磁石203が図8に示す進角位置L2に位置した場合の特性を示し、実線Qは、可動永久磁石203が図9に示す遅角位置L1に位置した場合の特性を示す。
磁石式モータMの出力トルクTは、一般に、回転速度Nが増加するほど減少する。
可動永久磁石203が図8に示す進角位置L2に位置した場合、実線Pに示すように、低い回転速度において比較的大きい出力トルクが出力される。例えば、回転開始時に、比較的大きい出力トルクTpを出力できる。しかし、可動永久磁石203が図8に示す進角位置L2に位置した場合、回転速度の上昇に伴ってトルクが比較的急激に低下する。従って、出力可能な回転速度が比較的に低い。
これに対し、可動永久磁石203が図9に示す遅角位置L1に位置した場合、低い回転速度で得られる出力トルクは比較的小さい。この一方で、回転速度の上昇に伴うトルクの低下は緩やかであり、出力可能な回転速度が比較的に高い。例えば、無負荷状態において高い回転速度Nqが得られる。
磁石式モータMの出力トルクTは、一般に、回転速度Nが増加するほど減少する。
可動永久磁石203が図8に示す進角位置L2に位置した場合、実線Pに示すように、低い回転速度において比較的大きい出力トルクが出力される。例えば、回転開始時に、比較的大きい出力トルクTpを出力できる。しかし、可動永久磁石203が図8に示す進角位置L2に位置した場合、回転速度の上昇に伴ってトルクが比較的急激に低下する。従って、出力可能な回転速度が比較的に低い。
これに対し、可動永久磁石203が図9に示す遅角位置L1に位置した場合、低い回転速度で得られる出力トルクは比較的小さい。この一方で、回転速度の上昇に伴うトルクの低下は緩やかであり、出力可能な回転速度が比較的に高い。例えば、無負荷状態において高い回転速度Nqが得られる。
本実施形態の磁石式モータMによれば、回転子205に電流が供給されることにより回転子205の回転が開始する時点で、可動永久磁石203を図8に示す進角位置L2に位置させる。これにより、図10の実線Pに示すように、出力トルクを増大させることができる。そして、回転子205に電流が供給されることにより回転子205が回転している期間内に、可動永久磁石203を遅角位置L1へ遅角方向Bに移動させる。これにより、図10の実線Qに示すように、出力可能な回転速度を向上させることができる。すなわち、本実施形態の磁石式モータMの回転速度と出力トルクの特性は、回転子が回転している期間内に、図10の実線Pの特性から、実線Qの特性へと変化する。
なお、本発明は、例えば、可動永久磁石の位置を移動させることなく、図10のグラフにおける出力トルクTpと、出力可能な回転速度Nqとの双方を出力可能なスタータモータとして、破線Mに示す特性を有する磁石式モータを採用することも可能である。但し、破線Mに示す特性を有する磁石式モータを採用する場合、誘導起電圧の影響を抑えるために巻線の巻数を減らすと共に、巻数を減らしてもトルクが確保できるように巻線の太さを大きくすること、又は、磁石の磁力を増大することが必要となる。そのため、第一実施形態に係る磁石式モータMのように、回転速度−トルク特性が変更され得る磁石式モータが採用されることが好ましい。磁石式モータの小型化が可能となり、鞍乗型車両への搭載性に優れる。また、バッテリの消費電力を抑えることができる。また、可動永久磁石203を移動させる代わりに、電流の転流タイミングを調整する別の手段として、ブラシの位置を移動させてもよい。但し、ブラシは、例えば図7に示すように、回転する回転子に接触しつつ回転子に電流を供給する部材である。ブラシには、電線等の導体が接続されている。電流供給のため整流子と適切な接触を保ちつつ、導体(リード線)が接続されたブラシを可動化することは、構造の複雑化を招来する。
本実施形態の磁石式モータMによれば、可動永久磁石203を移動させることによって、固定ブラシ222、223を移動させることなく、低い回転速度で出力トルクを向上させる運転状態と、トルクが小さい時に回転速度を上昇させる運転状態との両方を実現できる。従って、磁石式モータMによれば、鞍乗型車両1への搭載性を向上しつつ、簡単な構成で、独立スロットル型エンジンEGを始動するための出力トルク及び回転速度の特性を向上させることができる。
磁石式モータMは、独立スロットル型エンジンEGを始動させる際に、停止状態にある独立スロットル型エンジンEGのクランクシャフト15を回転させる。このとき、磁石式モータMは、低い回転速度で出力トルクを向上させることができる。また、独立スロットル型エンジンEGの燃焼動作が開始した後は、回転速度の上昇に伴い出力トルクが減少する。このとき、磁石式モータMは、独立スロットル型エンジンEGのクランクシャフト15を高い回転速度で回転させることによって、独立スロットル型エンジンEGの動作を安定させることができる。
また、本実施形態の磁石式モータMによれば、回転子205に電流が供給されることにより回転子205の回転が開始する時点で、可動永久磁石203が進角位置に位置することにより、図10の実線Pに示すように、回転が開始する時点での出力トルクを向上させることができる。そして、回転子205に電流が供給されることにより回転子205が回転している期間内に、可動永久磁石203が遅角位置L1へ遅角方向Bに移動することにより、図10の実線Qに示すように、回転速度を向上させることができる。
例えば、可動永久磁石を有さないブラシモータとして、位置が固定された永久磁石と、互いに異なる位置に配置された3つ以上のブラシを備えた固定型ブラシモータが採用され得る。3つ以上のブラシは、その位置が固定されるように設けられる。固定型ブラシモータでは、電流を供給するブラシが、あるブラシから別のブラシに切換えられることによって特性が変更される。しかし、このような固定型ブラシモータでは、特性がブラシの数に制限される。また、特性は、切換えによって不連続に変化する。
磁石式モータMにおける磁石移動部225は、回転子205に電流が供給されることにより回転子205が回転している期間内に、回転子205の回転速度の上昇に基づいて、可動永久磁石203を遅角位置L1(図9参照)へ遅角方向Bに移動させる。従って、磁石式モータMは、回転子の回転速度の範囲をスムースに拡げることができる。
また、磁石式モータMにおける磁石移動部225は、可動永久磁石203を遅角方向に付勢するための力として、弾性部材225aの弾性力を利用する。このため、磁石式モータMは、例えば、アクチュエータや制御装置を用いるよりも簡単な構成で、出力トルク及び回転速度の特性を向上させることができる。
また、磁石式モータMにおける弾性部材225aの弾性力は、回転子205の回転開始時において可動永久磁石203に作用する回転子の反作用力より小さい。従って、第一実施形態では、冷間始動が開始される時に、第1のティース181は、可動永久磁石203が、回転子の反作用力によって進角方向Aに移動する。これにより、冷間始動が、磁石式モータMの出力トルクが増大した状態で開始され得る。更に、磁石式モータMにおける弾性部材225aの弾性力は、回転子205の回転速度の上昇に伴ってトルクが低下した時に可動永久磁石203に作用する回転子205の反作用力より大きい。このため、回転子205の回転速度の上昇に伴い、可動永久磁石203が弾性力によって遅角方向Bに移動する。これにより、回転速度を向上させることができる。このように、磁石式モータMによれば、可動永久磁石203の進角方向Aへの移動及び遅角方向Bへの移動が、弾性部材225aの弾性力と回転子205の反作用力を用いた自己調整機能として実施される。従って、磁石式モータMは、クランクシャフト15の回転速度が独立スロットル型エンジンEGのアイドリング回転速度を超えるまで、クランクシャフト15の回転速度をスムースに上昇させることができる。その後、制御装置60は、独立スロットル型エンジンEGが、クランクシャフト15の回転速度が独立スロットル型エンジンEGのアイドリング回転速度を超えた状態で、スロットル弁27を通る空気と燃料とをシリンダ12に供給して燃焼動作を開始するように、磁石式モータM及び独立スロットル型エンジンEGを動作させる。燃焼動作開始時のクランクシャフト15の回転速度は、アイドリング回転速度よりも大きい。燃焼動作は、例えば、クラッチCTがインする前に開始される。燃焼動作開始時のクランクシャフト15の回転速度は、例えば、クラッチCTがインする時の回転速度よりも小さい。独立スロットル型エンジンEGが燃焼動作を開始した後、磁石式モータMによる独立スロットル型エンジンEGの駆動が停止する。これにより、磁石式モータMの回転は停止する。磁石式ジェネレータGは、独立スロットル型エンジンEGにより駆動されるので、磁石式モータMの回転停止後も発電を継続する。
<第二実施形態>
次に、第二実施形態に係る鞍乗型車両について説明する。第二実施形態に係る図面において、第一実施形態と同じ符号が付されている構成は、第一実施形態における当該構成と同じ又は対応している。以下においては、第一実施形態との相違点について、主に説明する。
次に、第二実施形態に係る鞍乗型車両について説明する。第二実施形態に係る図面において、第一実施形態と同じ符号が付されている構成は、第一実施形態における当該構成と同じ又は対応している。以下においては、第一実施形態との相違点について、主に説明する。
図11は、第二実施形態に係る鞍乗型車両1を模式的に示す側面図である。第二実施形態に係る鞍乗型車両1は、第一実施形態における磁石式モータM及び磁石式ジェネレータGに代えて、磁石式モータジェネレータMGを備えている。本実施形態において、磁石式モータジェネレータMGは、第一実施形態における磁石式発電機Gと同じように、クランクシャフト15の一端に設けられる。磁石式モータジェネレータMGは、永久磁石式三相ブラシレス型である。
図12は、図11に示す鞍乗型車両1の制御系を模式的に示すブロック図である。鞍乗型車両1には、インバータ61が備えられている。制御装置60は、インバータ61を含む鞍乗型車両1の各部を制御する。
インバータ61には、磁石式モータジェネレータMG及び蓄電装置4が接続されている。蓄電装置4は、磁石式モータジェネレータMGがモータとして動作する場合、磁石式モータジェネレータMGに電力を供給する。また、蓄電装置4は、磁石式モータジェネレータMGで発電された電力によって充電される。
蓄電装置4は、メインスイッチ5を介して、インバータ61と接続されている。また、蓄電装置4は、メインスイッチ5を介して、補機類と接続されている。
インバータ61は、複数のスイッチング部611〜616を備えている。本実施形態のインバータ61は、6個のスイッチング部611〜616を有する。スイッチング部611〜616は、三相ブリッジインバータを構成している。複数のスイッチング部611〜616は、複数相のステータ巻線Wの各相と接続されている。より詳細には、複数のスイッチング部611〜616のうち、直列に接続された2つのスイッチング部がハーフブリッジを構成している。各相のハーフブリッジは、蓄電装置4に対し並列に接続されている。各相のハーフブリッジを構成するスイッチング部611〜616は、複数相のステータ巻線Wの各相とそれぞれ接続されている。
スイッチング部611〜616は、蓄電装置4と磁石式モータジェネレータMGとの間を流れる電流を制御する。詳細には、スイッチング部611〜616は、蓄電装置4と複数相のステータ巻線Wとの間の電流の通過/遮断を切替える。詳細には、磁石式モータジェネレータMGがモータとして機能する場合、スイッチング部611〜616のオン・オフ動作によって複数相のステータ巻線Wのそれぞれに対する通電及び通電停止が切替えられる。また、磁石式モータジェネレータMGがジェネレータとして機能する場合、スイッチング部611〜616のオン・オフ動作によって、ステータ巻線Wのそれぞれと蓄電装置4との間の電流の通過/遮断が切替えられる。スイッチング部611〜616のオン・オフが順次切替えられることによって、磁石式モータジェネレータMGから出力される三相交流の整流及び電圧の制御が行われる。スイッチング部611〜616は、磁石式モータジェネレータMGから蓄電装置4に出力される電流を制御する。
スイッチング部611〜616のそれぞれは、スイッチング素子を有する。スイッチング素子は、例えばトランジスタであり、より詳細にはFET(Field Effect Transistor)である。
また、制御装置60は、アクセル操作子8の操作量、及び操作量の増加の速度を、例えば、図示しないスロットルポジションセンサの検出結果に基づいて、取得する。
制御装置60は、始動発電制御部62と、燃焼制御部63とを備えている。
制御装置60は、始動発電制御部62と、燃焼制御部63とを備えている。
始動発電制御部62は、スイッチング部611〜616のそれぞれのオン・オフ動作を制御することによって、磁石式モータジェネレータMGの動作を制御する。始動発電制御部62は、駆動制御部621、及び発電制御部622を含む。始動発電制御部62は、後述する調整機構150(図14参照)を制御する。
燃焼制御部63は、点火プラグ19及び燃料噴射装置Jを制御することによって、独立スロットル型エンジンEGの燃焼動作を制御する。燃焼制御部63は、点火プラグ19及び燃料噴射装置Jを制御することによって、独立スロットル型エンジンEGの動力を制御する。燃焼制御部63は、スロットルポジションセンサの出力信号に表されるスロットル弁27の開度に応じて、点火プラグ19及び燃料噴射装置Jを制御する。
燃焼制御部63は、点火プラグ19及び燃料噴射装置Jを制御することによって、独立スロットル型エンジンEGの燃焼動作を制御する。燃焼制御部63は、点火プラグ19及び燃料噴射装置Jを制御することによって、独立スロットル型エンジンEGの動力を制御する。燃焼制御部63は、スロットルポジションセンサの出力信号に表されるスロットル弁27の開度に応じて、点火プラグ19及び燃料噴射装置Jを制御する。
制御装置60は、図示しない中央処理装置と、図示しない記憶装置とを有するコンピュータで構成されている。中央処理装置は、制御プログラムに基づいて演算処理を行う。記憶装置は、プログラム及び演算に関するデータを記憶する。駆動制御部621、及び発電制御部622を含む始動発電制御部62と、燃焼制御部63とは、図示しないコンピュータとコンピュータで実行される制御プログラムとによって実現される。従って、以降説明する、駆動制御部621、及び発電制御部622を含む始動発電制御部62と、燃焼制御部63とのそれぞれによる動作は、制御装置60の動作と言うことができる。なお、始動発電制御部62及び燃焼制御部63は、例えば互いに別の装置として互いに離れた位置に構成されてもよく、また、一体に構成されるものであってもよい。
制御装置60には、スタータスイッチ6が接続されている。スタータスイッチ6は、独立スロットル型エンジンEGの始動の際、運転者によって操作される。メインスイッチ5は、操作に応じて制御装置60に電力を供給する。
図13は、第二実施形態に係る鞍乗型車両1が備える磁石式モータジェネレータMGを模式的に示す分解斜視図である。図14は、図13に示す磁石式モータジェネレータMGを模式的に示す斜視図である。図15は、図13に示す磁石式モータジェネレータMGにおけるステータの動作を模式的に示す図である。図16は、図13に示す磁石式モータジェネレータMGの回転制御の原理を示す図である。
磁石式モータジェネレータMGは、第1のステータ183と第2のステータ187とからなるステータ142を備えている。第2のステータ187は、後述する調整機構150により、第1のステータ183に対して、クランクシャフト15の周りに回転可能である。図13は、このように第1のステータ183及び第2のステータ187を配置した磁石式モータジェネレータMGの分解斜視図である。図14は、磁石式モータジェネレータMGが組みあがった状態を調整機構150とともに示す斜視図である。図15は、第2のステータ187によりロータ144の回転方向に沿って第1のステータ183に対して行われる往復運動の回転角と動作を示す図である。図16は、磁石式モータジェネレータMGの高トルク低速回転から低トルク高速回転までの回転制御の原理を示す図である。
図13に示すように、磁石式モータジェネレータMGは、ロータ144を備えており、ロータ144はクランクシャフト15を中心に円盤状に回転するように形成されている。ロータ144のヨーク146は、円環部174と、テーパー部175と、第1の円筒部176と、第2の円筒部178と、円環部177と、永久磁石148と備えている。なお、ロータ144は、ロータ位置検出装置50により検出される複数の被検出部(図示せず)を有している。ロータ144は、クランクシャフト15の回転に応じて回転するようにクランクシャフト15と接続されている。ロータ144とクランクシャフト15との間には、クラッチは設けられていない。ロータ144とクランクシャフト15との間には、例えば、ベルト、チェーン、ギア、減速機、増速機等の動力伝達機構は設けられていない。ロータ144は、クランクシャフト15に対し1:1の速度比で回転する。このロータ144に対向して、複数の第1のティース181が一方の端面181aを対向させて配置される。これら第1のティース181には、その両端面(181a、181b)を除く側面周囲181cに、ステータ巻線182が巻回されている。なお、上記の第1のティース181は、ロータ144に対向する端面181aが、反対側の端面181bより大きく形成されている。これにより、隣接する第1のティース181間の間隔は、ロータ144に対向する端面181a側では狭く、反対側の端面181b側では広くなっている。
このステータ巻線182が施された状態の複数の第1のティース181は、ステータ巻線182と一体にモールドされて、全体形状が円環状の第1のステータ183を形成する。なお、この第1のステータ183の第1のティース181のステータ巻線182に印加されるトルク発生用の電流制御は、弱め界磁制御を行わない基本的な駆動方法による電流制御によって行われている。
この第1のティース181の、ロータ144に対向する端面181aの反対側の端面181bに対向して、第1のティース181と同数の第2のティース184が配置される。第2のティース184は、一方の端部184aを前記第1のティース181の1端面181bと対向して配置される。この第2のティース184の他方の端部184bは、環状の基台185に形成された複数の装着孔186に、それぞれ圧入力されて固設されている。
これら第2のティース184と、これら第2のティース184を装着孔186に圧入固定された基台185とによって、第2のステータ187が形成される。また、これら第2のティース184と基台185とがモールドされるのが好ましいが、同図においては省略している。
図14において、第2のステータ187の基台185には、装着孔186から連通するスリット188が形成されていることを示している。磁石式モータジェネレータMGは、ロータ144と第1のステータ183と第2のステータ187とが、僅かの間隔を介して対向して出力軸方向に沿って順次配置されている。第2のステータ187は、第1のティース181に対して所定範囲で回動可能に構成されている。第1のティース181は、磁石179と対向するように設けられている。磁石179は、回転子側ヨーク173に設けられている。なお、この第2のステータ187の回転については後において詳説する。
この磁石式モータジェネレータMGは、同図に示すように、第2のステータ187の基台185の周側面の一部に形成されているギア係合用歯部189が、調整機構150の第3減速ギア191の小径ギアと噛み合っている。調整機構150は、第3減速ギア191と、第2減速ギア192と、第1減速ギア193と、アクチュエータ194とを含んで構成されている。アクチュエータ194は、特に限定されず、例えば、モータやソレノイドである。第3減速ギア191の大径ギアは第2減速ギア192の小径ギアと噛み合っており、この第2減速ギア192の大径ギアは、第1減速ギア193の小径ギアと噛み合っている。そして、第1減速ギア193の大径ギアはアクチュエータ194の回転軸先端に固定されたウォームギア195と噛み合っている。
アクチュエータ194は、蓄電装置4から電力を供給される制御装置60に接続され、順逆両向きに回転駆動される。このアクチュエータ194による順逆両向きの回転は、ウォームギア195により回転軸を直角に変換され、且つ、減速されて第1減速ギア193の大径ギアに伝達されて、第2減速ギア192、第3減速ギア191を介し、歯数比に応じて3段階に減速されて、第2のステータ187のギア係合用歯部189に伝達される。これにより、第2のステータ187は、第1のステータ183に対し、ロータ144の回転方向に所定範囲内で回転可能に構成されている。すなわち、第2のステータ187は、ロータ144の回転方向(同図aに示す方向)に沿って所定の回転角で無段階に往復運動する。
図15(a)(b)(c)に基づいて、上記第2のステータ187によりロータ144の回転方向に沿って第1のステータ183に対して行われる往復運動を説明する。なお、図15(a)(b)(c)では、第1のステータ183の第1のティース181に対する第2のステータ187の第2のティース184の変位の状態を分かりやすくするために、図14に示したステータ巻線182、スリット188、ギア係合用歯部189、調整機構150は省略している。
図15(a)は、図14に示した磁石式モータジェネレータMGの高トルク低速回転時に対応する第1のティース181に対する第2のティース184の位置関係を示している。本実施形態では、この位置関係を基準位置としている。第2のステータ187の上述した回動によって、第2のティース184は、図15(a)に示す基準位置つまり第1のティース181に対して対向する位置から、図15(b)に示す中間位置を経て、図15(c)に示す最大移動位置、つまり第1のティース181と、当該第1のティースに隣接する第1のティース181との間の位置(例えば、中間の位置)まで、ロータ144の矢印aで示す方向に沿って回動(往復運動)が可能である。なお、図15(b)に示す中間位置は、無段階且つ間歇的な回動のある任意の位置を示している。
図16に基づいて、本実施形態の磁石式モータジェネレータMGの高トルク低速回転から低トルク高速回転までの回転制御の原理について説明する。なお、図16(a)、(b)には、説明を分かりやすくするために、第1のティース181に巻回されているステータ巻線182及びモールド、第2のティース184と基台185のモールドの図示を省略している。
図16(a)は、図15(a)に示した第2のティース184が第1のティース181に対して対向する位置にある高トルク低速回転時の状態を示し、図16(b)は、図15(b)に示した第2のティース184が、第1のティース181と当該第1のティース181に隣接する第1のティース181の間の位置にある低トルク高速回転時の状態を示している。また、図16(a)は、ロータ144の永久磁石148が第1のティース181と対向しており、且つ、第1のティース181に対して第2のティース184が対向している状態を示している。すなわち、図15(a)と同一の状態を示している。また、図16(b)は、ロータ144の永久磁石148と第1のティース181との位置関係は変わらずに、第2のティース184が第1のティース181と当該第1のティース181に隣接する第1のティース181との間に位置した状態を示している。すなわち、図15(c)と同一の状態を示している。
図16(a)において、ロータ144におけるヨーク146、第1のティース181、第2のティース184及び基台185は、強透磁性であり、永久磁石148と第1のティース181との対向面間の間隔h及び第1のティース181と第2のティース184との対向面間の間隔kは極めて近接しているので、空気間磁気抵抗は低い。なお、上述したように、第1のティース181のロータ144に対向する端面181aは、他の端面181bよりも大きく形成されているので、隣接する第1のティース181間においてロータ144に対向する端面181a間には、他の端面間の距離よりも極めて狭い間隔jを形成するが、この間隔jは、前記ロータ144との間隔hよりも大きい。すなわち、これらの間隔には、「h≒k<j」の関係がある。そのため、永久磁石148i(N極とする)と隣接する永久磁石148i−1(S極となる)の間に形成される磁束は、間隔jを殆ど透過せず、間隔h、第1のティース181i、間隔k、第2のティース184i、基台185、第2のティース184i−1、間隔k、第1のティース181i−1、間隔h、及び、ヨーク146を透過する強力な磁束流198aを形成する。更に、永久磁石148i(N極)と他の隣接する永久磁石148i+1(S極)の間に形成される磁束も、間隔jを殆ど透過せず、間隔h、第1のティース181i、間隔k、第2のティース184i+1、基台185、第2のティース184i+1、間隔k、第1のティース181i+1、間隔h、及びヨーク146を透過する強力な磁束流198bを形成する。これらの現象は、永久磁石148iがN極でなくS極である場合も、磁束流の向きが逆になるだけで、互いに関連する永久磁石148、第1のティース181、第2のティース184、基台185、ヨーク146に流れる強力な磁束流が形成されることは同様である。
そして、この強力な磁束流が磁気抵抗となって、このままでは磁石式モータジェネレータMGが高トルク低速回転から低トルク高速回転に遷移することは困難である。そこで、本実施形態では、図14及び図15で説明したように、第2のティース184は、第1のティース181に対向する基準位置から第1のティースとそれに隣接する第1のティースとの間の所定位置(最大移動位置)までロータ144の矢印aで示す回転方向に沿って、回転(往復運動)が可能である。
いま第2のティース184を、図16(a)に示す基準位置から図16(b)に示す最大移動位置まで回転させたとする。このとき、第1のティース181と第2のティース184との対向部には、対向していたときの間隔kよりも大きな間隔mが形成され、更に、第2のティース184は基台185よりも突設された形状で配置されているので、第1のティース181と基台185間には第2のティース184との間隔mよりも大きな間隔nが形成される。
すなわち、これらの間隔には「m<n」の関係がある。このように、間隔nは間隔mよりも大きいので、磁気抵抗の面からは間隔mに対して間隔nは無視することができ、図16(b)に示す状態においては、第1のティース181とこれに隣接する第1のティース181との間の位置に第2のティース184が移動したとき、第2のティースと第1のティースのロータ144に対向する端面181aの反対側端面181bとの間に形成される最短距離は間隔mであるということができる。
そして、上述したように、第1のティース181のロータ144に対向する端面181aは、他の端面181bよりも大きく形成されているので、隣接する第1のティース181間においてロータ144に対向する端面181a間に形成される間隔jはきわめて狭く、図16(b)に示す状態においては、上記間隔mとの間には「j<m」の関係がある。すなわち、第2のティース184と、第1のティース181の端面181bとの間に形成される最短距離(間隔m)よりも、第1のティース181のロータ144に対向する端面181aと、当該第1のティース181に隣接する他の第1のティース181のロータ144に対向する端面181aとの間に形成される距離(j)が小さくなる。
そして、この状態になることにより、すなわち各部材間の間隔が「h<j<m<n」の関係を形成する状態となることにより、図16(b)に示すように、永久磁石148i(N極)と他の隣接する永久磁石148i−1(S極)間に形成される磁束は、間隔m及び間隔nの磁束抵抗によって、第1のティース181iから、第2のティース184i−1及び基台185に流れることなく、第1のティース181i、間隔j、第1のティース181i+1、及びヨーク146を透過するだけの弱い磁束流199aを形成する。また、永久磁石148i(N極)と他の隣接する永久磁石148i+1(S極)間に形成される磁束も、間隔m及び間隔nの磁束抵抗によって、第1のティース181iから第2のティース184i+1及び基台185に流れることはなく、第1のティース181i、間隔j、第1のティース181i+1、ヨーク146を透過するだけの弱い磁束流199bを形成する。これによって、永久磁石148からの磁束が第1のティース181のステータ巻線182(不図示)を横切ることなく、この磁束がステータ巻線182を横切ることによるロータ144の回転方向への磁束抵抗が抑制されるので高速回転が可能となる。また、同様に永久磁石148からの磁束が、第1のティース181のコイルのコア部に殆ど流入することがないので、ステータ巻線182に通電される第1のティース181と永久磁石148との間に発生するロータ144へのトルクが低下する。この結果、低トルク高速回転が可能となる。
以上説明したように、本実施形態では、磁石式モータジェネレータMGは第2のステータ187を第1のステータ183に対してロータ144の回転方向へ移動させるだけで、第1のティース181に流れるロータ144の永久磁石148の磁束の増減を行って、回転の出力特性を容易に可変することができる。したがって、この磁石式モータジェネレータMGによれば、蓄電装置4への単位時間蓄電量に応じた発電電流を発生するようにロータ144からの磁束流を容易に調整することができるようになる。また、蓄電装置4への単位時間蓄電量よりも大きな発電電流を発生させて、独立スロットル型エンジンEGに対して余分な発電負荷が加わることを抑制することができる。
上述した第二実施形態に係る磁石式モータジェネレータMGは、車輪3bを駆動する時の出力性能を変更することができる。具体的には、第二実施形態に係る磁石式モータジェネレータMGは、クランクシャフト15の回転を開始する時には、例えば、図15(a)及び図16(a)に示すように第2のティース184と第1ティース181とが配置されることにより、高トルクを出力できる。さらに、第二実施形態に係る磁石式モータジェネレータMGは、クランクシャフト15の回転が開始された後には、例えば、図15(c)及び図16(b)に示すように第2のティース184と第1ティース181とが配置されることにより、高速回転が可能になる。磁石式モータジェネレータMGが、ジェネレータとして機能する場合においても、第2のティース184と第1のティース181との配置が変更されることにより、発電性能が変更され得る。
第二実施形態では、冷間始動が開始される時点では、第2のティース184は、基準位置に位置する(図15(a)参照)。これにより、冷間始動が、磁石式モータジェネレータMGの出力トルクが大きい状態で開始され得る。制御装置60は、先ず、磁石式モータジェネレータMGが、蓄電装置4の電力により、独立スロットル型エンジンEGの燃焼動作が停止した状態でクランクシャフト15を正転させ始める。クランクシャフト15の回転速度は上昇する。制御装置60は、ロータ位置検出装置50の検出結果によって、上昇していくクランクシャフト15の回転速度を取得する。そして、制御装置60は、上昇していくクランクシャフト15の回転速度に応じて、第2のティース184を、矢印aの方向(図15(a)〜(c)参照)に移動させる。これにより、磁石式モータジェネレータMGの回転速度−トルク特性が変化する。変化後の回転速度−トルク特性では、冷間始動が開始される時点における回転速度−トルク特性と比べて、高速域で出力されるトルクが大きいか又はより高速域でトルクを出力可能である。従って、クランクシャフト15の回転速度を、アイドリング回転速度を超えるまで、速やかに上昇させることができる。その後、制御装置60は、独立スロットル型エンジンEGが、クランクシャフト15の回転速度が独立スロットル型エンジンEGのアイドリング回転速度を超えた状態で、スロットル弁27を通る空気と燃料とをシリンダ12に供給して燃焼動作を開始するように、磁石式モータジェネレータMG及び独立スロットル型エンジンEGを動作させる。独立スロットル型エンジンEGが燃焼動作を開始した後、運転者がスタータスイッチ6の操作を止めた時に、磁石式モータジェネレータMGによる独立スロットル型エンジンEGの駆動が停止する。しかし、独立スロットル型エンジンEGの燃焼が既に開始されているので、磁石式モータジェネレータMGは、独立スロットル型エンジンEGにより駆動され、発電を行う。
以上、第一実施形態及び第二実施形態について説明した。これらの実施形態では、始動開始時における磁石式モータの回転速度−トルク特性と、クランクシャフトの回転速度がアイドリング回転速度を超えて燃焼動作開始時の回転速度に達した時における磁石式モータの回転速度−トルク特性とが異なる。前者の特性は、後者の特性よりも、始動開始時の回転速度において大きなトルクを出力できる。後者の特性は、前者の特性よりも、燃焼動作開始時の回転速度において大きなトルクを出力できる。但し、本発明は、これらの例に限定されず、例えば、以下のような構成を採用可能である。
回転速度−トルク特性の変更は、上述した例に限定されず、例えば、弱め界磁制御により行われてもよい。また、回転速度−トルク特性の変更は、上述した例のように、ステータ及び/又はロータの配置が変更されることにより行われることが好ましい。ステータ及び/又はロータの配置の変更は、特に限定されず、上述した例以外に、例えば、ロータとステータとの間のエアギャップの長さが調整されることにより行われてもよい。また、回転速度−トルク特性が変化しない磁石式モータが採用されてもよい。
1 鞍乗型車両
2 車体
3a、3b 車輪
4 蓄電装置
4a ヒューズ
5 メインスイッチ
6 スタータスイッチ
8 アクセル操作子
12 シリンダ
15 クランクシャフト
19 点火プラグ
20 レギュレータ
21 吸気バルブ
22 ケーシング
23 触媒
23a 上流側の端部
23b 下流側の端部
24 触媒ユニット
25 消音器
25a 上流側の端部
26 リレー
27 スロットル弁
28 燃焼室
29 排気通路
29a 排出口
30 ロータ
37 永久磁石
40 ステータ
60 制御装置
CL クラッチ
EG 独立スロットル型エンジン
G 磁石式発電機
M 磁石式モータ
PT 動力伝達装置
TR 変速機
2 車体
3a、3b 車輪
4 蓄電装置
4a ヒューズ
5 メインスイッチ
6 スタータスイッチ
8 アクセル操作子
12 シリンダ
15 クランクシャフト
19 点火プラグ
20 レギュレータ
21 吸気バルブ
22 ケーシング
23 触媒
23a 上流側の端部
23b 下流側の端部
24 触媒ユニット
25 消音器
25a 上流側の端部
26 リレー
27 スロットル弁
28 燃焼室
29 排気通路
29a 排出口
30 ロータ
37 永久磁石
40 ステータ
60 制御装置
CL クラッチ
EG 独立スロットル型エンジン
G 磁石式発電機
M 磁石式モータ
PT 動力伝達装置
TR 変速機
Claims (1)
- 独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両であって、
前記独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両は、
少なくとも一つのシリンダと、クランクシャフトとを有し、シリンダごとに、独立したスロットル弁と、内部に形成された燃焼室とを有し、前記クランクシャフトを介して動力を出力する独立スロットル型エンジンと、
前記燃焼室から排出される排気を大気へ排出する排出口を有し、前記燃焼室から前記排出口まで前記排気を通す排気通路と、
前記排気通路の下流側に設けられる消音器と、
前記消音器の上流側の端部より上流に位置するように前記排気通路に設けられる触媒と、
前記クランクシャフトとの間で動力が伝達されるように前記クランクシャフトと接続されたロータ、及び、前記ロータと対向するように配置されたステータを有し、前記ロータ又は前記スタータは、永久磁石を有し、少なくとも前記独立スロットル型エンジンの燃焼動作を開始させる時に前記クランクシャフトを回転させる磁石式モータと、
前記磁石式モータに対し電力を供給する蓄電装置と、
前記独立スロットル型エンジン及び/又は前記磁石式モータから出力される動力により駆動され、前記独立スロットル型エンジン搭載鞍乗型車両を進行させるように構成された被駆動部材と、
前記独立スロットル型エンジンの燃焼動作が停止しており且つ前記被駆動部材が駆動されていない状態における前記独立スロットル型エンジンの冷間始動時に、先ず、前記磁石式モータが、前記蓄電装置の電力により、前記クランクシャフトの回転速度が前記独立スロットル型エンジンのアイドリング回転速度を超えるまで、前記独立スロットル型エンジンの燃焼動作が停止した状態で前記クランクシャフトを正転させ、次に、前記独立スロットル型エンジンが、前記クランクシャフトの回転速度が前記独立スロットル型エンジンのアイドリング回転速度を超えた状態で、各前記スロットル弁を通る空気と燃料とを前記各シリンダに供給して燃焼動作を開始するように、前記磁石式モータ及び前記独立スロットル型エンジンを動作させるように構成された制御部と
を備える。
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