JP5094748B2 - 内燃機関用アクチュエータ装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の作動を制御するアクチュエータ装置に関する技術、代表的にはアクチュエータ装置の応答性を向上させるための技術に関する。

内燃機関の作動を制御するアクチュエータ装置を回転電機により構成する場合、その回転電機には高い応答性が要求される。回転電機にはいろいろな種類があるが、その一つとして界磁巻線型の回転電機がある。界磁巻線型の回転電機は、界磁巻線に流れる電流を調整して界磁磁束を調整することにより、広い回転数領域において使用することができる。界磁巻線型の回転電機において、界磁巻線に流れる電流を少なくして大きな起磁力を発生させるためには、界磁巻線の巻数を増やす必要がある。しかし、界磁巻線の巻数を増やすと、界磁巻線のインダクタンスが非常に大きくなって、界磁巻線に流れる電流の応答性が悪くなる。

界磁巻線型の回転電機において、界磁巻線に流れる電流の応答性を高くするためには、例えば特許文献１，２に開示された技術を適用することが考えられる。特許文献１，２には、Ｈブリッジ，ダイオード及びキャパシタから構成された回路を界磁巻線に接続し、界磁巻線に流れる電流の応答性を高くする技術が開示されている。

特開平１０−３０９０９０号公報 特開平１１−９８６１８号公報

特許文献１，２に開示された技術では、例えば正転時、界磁巻線に流れる界磁電流のエネルギーをキャパシタに蓄え、界磁電流の反転後、キャパシタに蓄えられたエネルギーを放出することにより、界磁電流の応答性を高くしている。

しかし、特許文献１，２に開示された技術では、界磁電流のエネルギーをキャパシタに蓄えても、キャパシタのみならずバッテリやモータにも界磁電流のエネルギーが供給されるので、キャパシタに蓄えることができる界磁電流のエネルギーが減少する。

本発明の代表的なものは、回転電機の界磁巻線に流れる界磁電流のエネルギーの蓄えを増加させることができる内燃機関用アクチュエータ装置を提供する。また、本発明の代表的なものは、回転電機の界磁巻線に流れる界磁電流のエネルギーの蓄えを用いて界磁電流の応答性をより向上させることができる内燃機関用アクチュエータ装置を提供する。

ここに、本発明の代表的なものは、界磁巻線を有する界磁及び電機子を備え、蓄電器から供給された蓄電エネルギーに基づく界磁と電機子との磁気的作用によって、内燃機関の作動を制御するための動力を発生する回転電機を備えた内燃機関用アクチュエータ装置であって、界磁巻線に流れる界磁電流を減少させるとき、蓄電器を界磁巻線から電気的に切り離した状態として界磁巻線に容量性素子を電気的に直列に接続し、容量性素子に界磁電流のエネルギーを蓄積することを特徴とする。また、界磁巻線に流れる界磁電流を増加させるとき、容量性素子の界磁巻線に対する極性を、界磁電流を減少させるときとは逆にして、界磁巻線と蓄電器と容量性素子とを電気的に直列に接続し、容量性素子に蓄積された界磁電流のエネルギーを放出することを特徴とする。

本発明の代表的なものによれば、界磁電流を減少させるときには、界磁電流のエネルギーを無駄なく容量性素子に蓄積することができる。これにより、本発明の代表的なものによれば、界磁電流の応答性をより高めるために必要なエネルギーを確保でき、内燃機関の作動を制御するアクチュエータ装置の応答性向上に貢献することができる。そして、本発明の代表的なものによれば、界磁電流を増加させるときには、容量性素子に蓄積された界磁電流のエネルギーを放出して界磁巻線に印加される界磁電圧を上昇させ、界磁電流の応答性を向上させるので、内燃機関の作動を制御するアクチュエータ装置の応答性を向上させることができる。

本発明の実施例であるエンジン用アクチュエータ装置の界磁電流制御回路の構成を示す回路図。 図１のアクチュエータ装置を搭載したアイドルストップ車両の構成を示す概略図。 図１のアクチュエータ装置であるモータジェネレータの構成を示す断面図。 図１の界磁電流制御回路の界磁停止時（キャパシタ充電時）における動作を示す回路図。 図１の界磁電流制御回路の界磁始動時（キャパシタ放電時）における動作を示す回路図。 図２のアイドルストップ車両のアイドルストップ動作モード時における図４及び図５の動作を示すタイムチャート。 図１の比較例である従来の界磁電流制御回路の構成を示す回路図。

本発明の実施例を説明する。

以下の実施例では、本発明を、車両に搭載された内燃機関、特に簡易型ハイブリッド自動車の駆動源であるエンジンに適用した場合を例に挙げて説明する。

簡易型ハイブリッド自動車は、信号待ちなどの車両停車時にエンジンのアイドリングを停止し、発進時にエンジンを再始動するアイドリングストップ動作モードを備えている。アイドリングストップ動作モードを備えた簡易型ハイブリッド自動車によれば、エンジンの排気を低減することができると共に、エンジンの燃費を向上させることができる。

アイドリングストップ動作モードを実現するためには、エンジン停止時、エンジンのピストン位置を再始動し易い所定の位置に停止させるための動力をエンジンに伝達し、エンジン再始動時、エンジンをクランキングするための動力をエンジンに伝達するためのアクチュエータ装置が必要である。本実施例では、ベルトを介して機械的に接続されたエンジンから動力を受けて、ライトやオーディオ機器などの車載補機を駆動するための電力を発電し、この電力を充電用電力として、１４ボルト系車載電源を構成する鉛バッテリに供給する補機用発電機（オルタネータ）を、電動機の機能と発電機の機能とを１つの回転電機に兼ね備えたモータジェネレータに置き換え、アクチュエータ装置を構成している。このように、補機用発電機をモータジェネレータに置き換える構成によれば、補機用発電機と同じ場所にアクチュエータ装置を搭載できるので、アクチュエータ装置を設けるための別の搭載スペースを確保する必要がなく、容易にアクチュエータ装置を設けることができる。

アクチュエータ装置を構成するモータジェネレータは、補機用発電機と同様に、広い回転数範囲において動作する必要がある。このため、アクチュエータ装置を構成するモータジェネレータには、補機用発電機と同様に、界磁巻線に流れる界磁電流の調整による界磁磁束の調整により、高回転数領域における誘起電圧を抑える構造が採用される。このように、モータジェネレータを補機用発電機と同様の構成を採用する構成によれば、モータジェネレータを補機用発電機と同等の体格にできるので、アクチュエータ装置の搭載性を更に向上させることができる。

補機用発電機と同様の構成を備えたモータジェネレータにおいて、界磁巻線に流れる界磁電流が少ない状態で大きな起磁力を得ようとすると、界磁巻線の巻数を増やす必要がある。界磁巻線の巻数を増やすと、界磁巻線のインダクタンス（Ｌ）が非常に大きくなり、界磁巻線に流れる界磁電流の応答性が低下する。補機用発電機と同様に、モータジェネレータを発電のみに用いる場合には応答性を考慮する必要は無い。しかし、エンジンのアクチュエータ装置として、エンジンの再始動時に電動機として用いる場合には、０トルクから瞬時に高トルクを出力する必要があることから、界磁巻線に流れる界磁電流にも高応答性が要求される。

そこで、本実施例では、エンジンのアイドル停止時、界磁巻線に対して容量性素子を電気的に接続して、その容量性素子に界磁電流の持つ電気エネルギーを一時的に蓄え、エンジンの再始動時、界磁巻線にバッテリから供給される電気エネルギーに加えて、その容量性素子に蓄えられた電気エネルギーを放出している。これにより、界磁巻線に印加される電圧が一気に上昇し、界磁巻線には大きな界磁電流が一気に流れる。従って、界磁電流の応答性が向上し、エンジンの再始動時、モータジェネレータから出力されるトルクが０から瞬時に高い値まで上昇する。この結果、エンジンが早期に始動し、車両を直ちに発進させることができる。

以下、本実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

まず、図２を用いて、本実施例のエンジン用アクチュエータ装置（エンジン始動／停止装置）を搭載した車両の構成について説明する。

簡易型ハイブリッド自動車であるアイドルストップ車両１は、その駆動源として、ガソリンを燃料として作動するエンジン１１を備えている。本実施例では、エンジン１１としてガソリンエンジンを例に挙げて説明するが、エンジン１１としては、軽油を燃料として作動するディーゼルエンジンやガスを燃料として作動するガスエンジンなど、他のエンジンを用いても構わない。エンジン１１のクランク軸には、エンジン用アクチュエータ装置（エンジン始動／停止装置）であるモータジェネレータ１２の回転軸がベルトを介して機械的に接続されている。通常、自動車では、車両において使用される電力の発電を専用に行うための発電機（オルタネータ）がエンジンに機械的に接続されている。しかし、本実施例では、エンジン１１の作動を制御してアイドリングストップを行うことから、モータジェネレータ１２を通常の発電機（オルタネータ）と置き換える形で搭載している。

エンジン１１から出力された動力は変速機１５によって変速され、差動機構であるデファレンシャルギア１６を介して駆動輪１７に伝達される。これにより、駆動輪１７が駆動され、車両が推進する。

モータジェネレータ１２は、インバータ装置１３から供給された三相交流電力によって電動機として動作して動力を出力すると共に、エンジン１１から供給された動力によって発電機として動作して三相交流電力を出力する回転電機である。

インバータ装置１３は、複数の半導体スイッチング素子（例えば６つのＭＯＳＦＥＴ）により構成された三相ブリッジ回路（電力変換回路）を備えた電力変換装置であり、バッテリ１４から供給された直流電力を複数の半導体スイッチング素子のスイッチング動作（オン，オフ動作）により三相交流電力に変換し、その三相交流電力をモータジェネレータ１２の電機子巻線に供給すると共に、モータジェネレータ１２が発生した三相交流電力を複数の半導体スイッチング素子のスイッチング動作により直流電力に変換し、その直流電力をバッテリ１４に供給する。

バッテリ１４は、１４ボルト系車載電源を構成する蓄電装置であり、モータジェネレータ１２の駆動電源及び界磁電流源，ライトやオーディオ装置などの車載補機類の駆動電源として、それらに駆動電力や界磁電流を供給する、公称出力電圧１２ボルトの鉛バッテリである。本実施例では、バッテリ１４として鉛バッテリを用いる場合を例に挙げて説明するが、バッテリ１４としては、リチウムイオンバッテリやニッケル水素バッテリなど、他のバッテリを用いても構わない。

インバータ装置１３の作動及びモータジェネレータ１２の界磁巻線に供給される界磁電流は、図示省略したモータコントロールユニット（以下、「ＭＣＵ」という）によって制御されている。モータジェネレータ１２の電動機としての動作は、ＭＣＵによって、インバータ装置１３の作動が制御されて、バッテリ１４からモータジェネレータ１２に供給される電力が制御されると共に、バッテリ１４からモータジェネレータ１２の界磁巻線に供給される界磁電流が制御されることにより制御される。

次に、図３を用いて、モータジェネレータ１２の構成について説明する。

モータジェネレータ１２は、通常の発電機（オルタネータ）と同じルンデル型回転子を備えた巻線界磁型三相交流式同期機である。電機子巻線１２１は、回転しないステータ側の磁極鉄心に組み付けられている。これにより、電機子が構成されている。界磁巻線１２２は、回転するロータ側の爪型磁極鉄心に組み付けられている。これにより、界磁が構成されている。電機子と界磁の両者は空隙を介して対向配置されている。界磁は回転自在に支持されている。

尚、本実施例では、ルンデル型回転子を備えた巻線界磁型三相交流式同期機を例に挙げて説明するが、本実施例において説明する構成は、他の界磁巻線型回転電機、例えば界磁巻線型直流式回転電機にも適用できる。

モータジェネレータ１２では、界磁巻線１２２に流れる界磁電流によって発生した磁束が爪型磁極１２８を通って電機子巻線１２１に交鎖することにより、すなわち電機子と界磁との磁気的作用により、トルクが発生したり、誘起電圧が生じたりする。界磁巻線１２２は、回転軸上に設けられたスリップリング１２９に電気的に接続されている。スリップリング１２９には、非回転部分である導電性のブラシが接触して電気的に接続されている。これにより、バッテリ１４から供給された界磁電流を、回転する界磁巻線１２２に供給することができる。

次に、図１及び図４乃至図７を用いて、本実施例のモータジェネレータ１２の界磁電流制御回路及び界磁電流制御方法について説明する。

まず、図７を用いて、通常の発電機（オルタネータ）における界磁電流制御回路の構成について説明する。

エンジン始動，発電に使うような、回転数方向を逆転させない用途の場合、界磁巻線１２２の電流制御はＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング半導体素子を使ったスイッチ１２７により行われる。例えば最大に界磁電流を流したい時にはスイッチ１２７を常時オンにし、常に界磁巻線１２２にバッテリ１４の電圧が掛かるようにする。一方、界磁を完全に止めたい場合にはスイッチ１２７を常時オフとする。こうすることにより、界磁巻線１２２に流れていた電流はスイッチ１２７を通ることができなくなり、界磁巻線１２２の負側から正側に向かう方向が順方向となるように、界磁巻線１２２及びバッテリ１４との間に電気的に並列に接続された還流用のダイオード１２５を通って界磁巻線１２２に戻る。界磁電流をある程度の所に制御したい場合には、スイッチ１２７のオンオフのデューティ比をＭＣＵにより変更し、界磁電流がスイッチ１２７を通る状態とダイオード１２５を通る状態とを切り替える。これにより、任意の界磁電流が流せる。

次に、図１を用いて、本実施例のモータジェネレータ１２における界磁電流制御回路の構成について説明する。

本実施例の界磁電流制御回路（界磁巻線１２２とキャパシタ１２３とバッテリ１４との間の電気的な種類を切り替える接続切替制御装置）は、図７の界磁電流制御回路にキャパシタ１２３，ダイオード１２４及びスイッチ１２６を追加した形で構成されている。キャパシタ１２３は、その負側の端子がバッテリ１４の正側の端子に、その正側の端子がダイオード１２５のカソードにそれぞれ電気的に接続されるように、ダイオード１２５に対して電気的に直列に接続されている。ダイオード１２４は、キャパシタ１２３の負側から界磁巻線の正側へ電流を流す方向が順方向となるように、バッテリ１４の正側の端子と界磁巻線１２２の正側との間に電気的に直列に接続されている。スイッチ１２６はスイッチ１２７と同様に、ＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング半導体素子により構成されており、キャパシタ１２３の正側の端子と界磁巻線１２２の正側（ダイオード１２４のカソード）との間に電気的に接続されている。ダイオード１２４は、スイッチ１２６がオンされた時のキャパシタ１２３の正負短絡を防止する。本実施例の界磁電流制御回路では、キャパシタ１２３の正側の端子がダイオード１２５及びスイッチ１２６に電気的に接続されているので、キャパシタ１２３の放電はスイッチ１２６のオンの時のみに行われる。

次に、図４及び図５を用いて、本実施例の界磁電流制御回路の動作について説明する。

ここで、図４はキャパシタ１２３の充電時における電流の流れ方向とスイッチのオンオフとの関係を、図５はキャパシタ１２３の放電時における電流の流れ方向とスイッチのオンオフとの関係をそれぞれ示す。

キャパシタ１２３の充電は界磁電流を減少（停止）させる際に行う。界磁電流を減少（停止）する時、スイッチ１２７はオフにする。このようにすれば、界磁巻線１２２に流れる電流が減少していくため、界磁巻線１２２の電流が流れていく方向にＬ×ｄＩ／ｄｔの大きさの誘起電圧が生じる。この時、スイッチ１２６はオフであり、誘起電圧により流れることが出来る閉回路は図４中の点線矢印のみとなる。この閉回路中にはバッテリ１４が含まれないので、界磁巻線１２２に蓄えられていた電力（エネルギー）１／２ＬＩ²から界磁巻線１２２の抵抗により消費される分を除いた分の全てがキャパシタ１２３に充電される。界磁巻線１２２に蓄えられていた電力が全て無くなると、界磁巻線１２２に流れる電流は０となり、誘起電圧も０となる。図４中の閉回路はダイオード１２４，１２５により逆方向には流れないようになっているので、ＬＲＣ回路ではあるが、電流が０になるとそのまま安定する。

キャパシタ１２３の放電は界磁電流を急激に立ち上げる時に行う。界磁電流を急激に立ち上げる時は、通常バッテリの電圧をかけるためスイッチ１２７をオンのままにする。この時、スイッチ１２６をオンすると、この回路上で電流が流れることができる閉回路は図５中の点線矢印のみとなる。この閉回路中には、バッテリ１４とキャパシタ１２３が直列に接続されているので、両方の電圧が足し合わされた分の電圧が界磁巻線１２２に掛かり、一気に電圧が上昇する。これにより、界磁電流が一気に流れ、界磁電流の応答性が向上する。

次に、図６を用いて、図４と図５で説明した動作を、アイドルストップからエンジン始動までの動作に合わせて説明する。

ドライバーがブレーキを踏むなどして、エンジン（及びベルト等により繋がっているモータ）の回転数が下がってくると、時刻ｔ１でモータの発電を停止する指令がＭＣＵの上位コントローラからなされる。この時、図４に示したように、スイッチ１２６，１２７がオフされ、界磁電流が減少しそのエネルギーがキャパシタ１２３に蓄えられる形で図１中のＶdrive点の電圧が上昇する。時刻ｔ２で界磁電流が全てキャパシタ１２３に蓄えられると、そのまま安定状態となる。

その後、時刻ｔ３でドライバーがブレーキから足を離すなどしてアイドルストップをやめ、エンジン始動を行う要求がＭＣＵの上位コントローラからなされると、図５に示したように、スイッチ１２６，１２７がオンされ、バッテリ１４の電圧とキャパシタ１２３の電圧が足されたＶdrive点の電圧が、界磁巻線１２２に掛かることになる。

通常、エンジン始動時の様に大きなトルクが必要な場合、電機子巻線１２１に流れる電流が大きく立ち上がるので、バッテリ１４の端子間電圧が大きく下がり、図６中点線の様な応答性となってしまうが、本実施例では、界磁巻線１２２に蓄えられていたエネルギー分であるキャパシタ１２３の電圧が、そのままバッテリ１４の電圧に上乗せされるため、バッテリ１４の端子間電圧が下がったとしても界磁巻線１２２には十分な電圧が掛かり、界磁電流及びトルクの応答性向上が得られる。

尚、本実施例では界磁電流最大時から０へ、０から最大電流への場合のみ記載したが、最大と０の間で界磁電流を制御する場合にも、スイッチ１２７がオフとなる時、スイッチ１２６をオフにすれば、還流用のダイオード１２５及びキャパシタ１２３を還流電流が通るためキャパシタ充電が可能である。キャパシタに十分な量の電力が充電された後はスイッチ１２６をオンとすれば通常構成の還流と同様となり、キャパシタ１２３側には電流が流れないのでキャパシタ１２３が過充電となる事を防ぐことができる。

１ アイドルストップ車両
１１ エンジン
１２ モータジェネレータ
１３ インバータ装置
１４ バッテリ
１２１ 電機子巻線
１２２ 界磁巻線
１２３ キャパシタ
１２４，１２５ ダイオード
１２６，１２７ スイッチ
１２８ 爪型磁極
１２９ スリップリング

Claims (7)

1. 界磁巻線を有する界磁及び電機子を備え、蓄電器から供給された蓄電エネルギーに基づく前記界磁と前記電機子との磁気的作用によって発生した動力を内燃機関に伝達し、前記内燃機関の作動を制御する回転電機と、
   前記蓄電器及び前記界磁巻線に電気的に接続可能な容量性素子と、
   前記蓄電器と前記界磁巻線と前記容量性素子との間の電気的な接続の切り替えを制御する接続切替制御装置と、を有し、
   前記界磁巻線に流れる界磁電流を減少させるとき、前記接続切替制御装置により、前記蓄電器を前記界磁巻線から電気的に切り離した状態として前記界磁巻線に前記容量性素子を電気的に直列に接続し、前記容量性素子に前記界磁電流のエネルギーを蓄積し、
   前記界磁巻線に電流を増加させるとき、前記接続切替制御装置により、前記容量性素子の前記界磁巻線に対する極性を、前記界磁電流の減少させるときとは逆にした状態として前記界磁巻線と前記蓄電器と前記容量性素子とを電気的に直列に接続し、前記容量性素子に蓄積された前記界磁電流のエネルギーを放出する、
   ことを特徴とする内燃機関用アクチュエータ装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関用アクチュエータ装置において、
   前記界磁巻線に流れる電流を減少させるときは、前記界磁を停止させるときである、
   ことを特徴とする内燃機関用アクチュエータ装置。
3. 請求項２に記載の内燃機関用アクチュエータ装置において、
   前記界磁を停止させるときは、前記内燃機関のアイドルを停止させるときである、
   ことを特徴とする内燃機関用アクチュエータ装置。
4. 請求項３に記載の内燃機関用アクチュエータ装置において、
   前記界磁巻線に電流を増加させるときは、前記界磁を始動させるときである、
   ことを特徴とする内燃機関用アクチュエータ装置。
5. 請求項４に記載の内燃機関用アクチュエータ装置において、
   前記界磁を始動させるときは、前記内燃機関を始動させるときである、
   ことを特徴とする内燃機関用アクチュエータ装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の内燃機関用アクチュエータ装置において、
   前記回転電機は、前記内燃機関のアイドルストップ動作モード時に電動機として駆動が制御され、前記内燃機関のアイドル停止用及び始動用動力を前記内燃機関に供給する、
   ことを特徴とする内燃機関用アクチュエータ装置。
7. 請求項６に記載の内燃機関用アクチュエータ装置において、
   前記回転電機は、前記内燃機関が始動した後、前記内燃機関から動力を受けて発電機として動作する、
   ことを特徴とする内燃機関用アクチュエータ装置。

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