JP2010273410A - 発電制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関のクランク軸に連結駆動される発電機の発電を制御する発電制御装置において、発電トルクを多段的に調整可能とし、回転速度に応じた発電トルクに調整することによって振動を効果的に抑制可能とする発電制御装置とその制御方法とを提供する。
【解決手段】内燃機関のクランク軸に連結駆動される発電機１０の発電を制御する発電制御装置１において、ステータコアとステータコイルとからなる固定子を発電ポールとして複数有する発電機ＡＣＧ１０の発電に寄与する発電ポールを選択する発電ポール選択手段ＡＣＵ２０を設け、内燃機関の回転速度に応じて発電ポールの全部が発電する長巻回発電ポールＰ_Ｈと発電ポールの一部が発電する短巻回発電ポールＰ_Ｌとを切り換える。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関のクランク軸に連結された発電機の発電制御に関し、特に発電効率の向上と回転振動の抑制とに対して好適なものである。

内燃機関の吸気行程、圧縮行程、爆発行程、排気行程からなる燃焼サイクルにおいて、爆発行程ではエンジントルクが大きくなり、排気行程から圧縮行程まではエンジントルクが小さくなる。このような内燃機関のクランク軸に連結され、内燃機関の回転によって駆動される発電機では、発電時に発生する発電トルクが、内燃機関の回転速度を抑制する方向に作用し、エンジントルクの小さくなる行程においてさらにエンジントルクが小さくなるので、回転変動が大きくなり、円滑なエンジン回転が阻害され、振動や騒音の発生原因となっている。

かかる問題に関して、特許文献１にあるような従来の発電制御装置では、エンジンに与える発電トルクを燃焼サイクル中に設定された所定のタイミングで増減させることにより、燃焼サイクル中のエンジン回転速度の変動を抑制すべく、エンジンの所定タイミングを検出するタイミング検出手段と、該タイミング検出手段によって検出された所定のタイミングに応じて、発電装置の発電状態と非発電状態とを切り換えて発電トルクを制御する発電トルク制御手段を設けた発電制御装置が開示されている。

一方、近年、スクータ、小型船舶等の小排気量の内燃機関を使用する車両においても、キャブレターに替えて燃料噴射装置が採用され、低燃費化、燃焼排気の清浄化、リーン燃焼化、低アイドル化等が試みられている（特許文献２等参照）。

特許文献１にあるような従来の発電制御装置では、回転変動を抑制すべく、エンジントルクの大きい爆発行程に合わせて発電トルクを増加させるべく発電が実行され、エンジントルクの低い行程に合わせて発電トルクを低減させるべく発電が停止されている。
しかし、エンジンの高回転領域においては、エンジントルクが増大するので、発電トルクを利用した振動の抑制効果が小さくなってしまう。
このため、振動抑制効果を高めるために出力の大きな発電機を使用することも考えられるが、内燃機関のクランク軸に連結・駆動される発電機の場合、同程度の外形寸法を維持したまま、コイル巻回数を増やしたり磁束密度を高くしたりすることのよって、発電出力を上げると、却って発電効率が低下することが知られている。

一般に、発電機は、１回転当たり、発電ポール数の２分の１のサイクル数で発電し、回転速度に比例した周波数の起電力が得られ、発電機のポール数が多いほど起電力が高くなり、起電力に比例して発電トルクも大きくなることが知られている。
ところが、本発明者等の鋭意試験により、内燃機関のクランク軸に連結され駆動される発電機において、一定の回転速度以上では、発電コイルの巻回数が少ないほど、即ち、発電に寄与するポールが少ないほど発電トルクが大きくなり、より高い振動抑制効果が得られることが判明した。

また、特許文献１にあるような従来の発電制御装置においては、発電の許可と停止の二元的な調整しか行えず、ＯＮ／ＯＦＦのデューティ比を変更することによって発電量と発電トルクとの調整を図っている。このため、回転速度によって変化する発電トルクに対して細かな調整が困難で十分な振動抑制効果が得られない虞がある。

そこで、本発明は、かかる実情に鑑み、内燃機関のクランク軸に連結・駆動される発電機の発電を制御する発電制御装置において、発電トルクを多段的に調整可能とし、回転速度に応じた発電トルクに調整することによって振動を効果的に抑制可能とする発電制御装置とその制御方法とを提供することを目的とする。

第１の発明では、内燃機関のクランク軸に連結駆動される発電機の発電を制御する発電制御装置において、上記発電機が、上記クランク軸の周囲に配設された複数の固定子と、上記クランク軸によって駆動され、上記固定子に対して相対回転する回転子とによって複数の発電ポールを構成すると共に、該複数の発電ポールのうち発電に寄与する発電ポールを選択する発電ポール選択手段を具備する（請求項１）。

より具体的には、第２の発明のように、上記発電ポール選択手段は、上記複数の発電ポールの全部又は一部を発電可能とするスイッチング素子と、該スイッチング素子の開閉を制御するスイッチング素子制御手段と、上記内燃機関の運転を制御すると共に、上記内燃機関の運転状態に応じて上記スイッチング素子制御手段に発電指令を発信する電子制御装置とを具備する（請求項２）。

第３の発明では、上記内燃機関の走行状態を検出する走行状態検出手段と、該走行状態検出手段によって検知された走行状態が定常状態であるか否かを判定する定常状態判定手段と、内燃機関の燃焼サイクルを検出する燃焼サイクル検出手段とを具備する（請求項３）。

第４の発明では、上記発電機によって充電されるバッテリと、該バッテリのバッテリ電圧を検出するバッテリ電圧検出手段とを具備する（請求項４）。

上記第１から４の発明の発電制御装置の発電制御方法において、第５の発明のように、上記発電機の発電を実行するに際して、上記定常状態判定手段によって定常状態であると判定された場合には、上記燃焼サイクル検出手段によって検知された内燃機関の燃焼サイクルに応じて、上記発電ポール選択手段によって選択された発電ポールによって発電を実行し、上記定常状態判定手段によって定常状態でないと判定された場合には、全極発電を実行する（請求項５）。

また、第６の発明のように、上記発電機の発電を実行するに際して、上記バッテリ電圧検出手段によって検出されたバッテリ電圧が閾値以下である場合には、上記発電ポールの全てを発電状態とし、上記バッテリ電圧が閾値よりも高い場合には、上記発電ポール選択手段によって選択した発電ポールのみによって発電を実行しても良い（請求項６）。

さらに、第７の発明のように、上記内燃機関の回転速度と燃焼サイクルとに応じて予め設定したマップにしたがって発電ポールを決定しても良い（請求項７）。

第１の発明によれば、上記複数の発電ポールのうち発電に寄与する発電ポールを選択することによって発生する発電トルクを多段的に調整可能とし、上記内燃機関の回転速度に応じた発電トルクに調整することによって振動を効果的に抑制できる。

第２の発明によれば、内燃機関の運転状況に応じて上記スイッチング素子の開閉することによって、任意の発電ポールに対して発電の実行と停止を細かく多段階に調整でき、上記内燃機関の燃焼サイクル中で変化する回転速度に対して発電トルクを調整し、効果的に発電トルクを回転変動の抑制に利用することが可能な発電制御装置を実現できる。

第３の発明によれば、定常状態の場合には、発電ポールを内燃機関の回転速度及び燃焼サイクルに応じて適宜調整することにより、振動を抑制し安定した走行を実現でき、発電トルクの影響の少ない加速時や減速時等の定常状態でない場合には、全発電を行うことにより、必要な発電量を安定的に確保することができる。

第４の発明によれば、第１〜３の発明の効果に加え、バッテリの消耗状況に応じて発電を優先したり、振動の抑制を優先したりすることが選択可能となるので、発電制御装置としての信頼性がさらに向上できる。

第５〜７の発明として示した発電制御方法によれば、第１〜４の発明として示した発電トルクを効果的に利用して回転変動を少なくし、振動の抑制効果に優れた発電制御装置が実現可能となる。

内燃機関に連結駆動され、本発明の第１の実施形態における発電制御装置の適用される発電機の概要を示す断面図。 本発明の第１の実施形態における発電制御装置の適用される発電機の概要を示し、（ａ）は、側面図、（ｂ）は、当該実施形態におけるステータの接続例を示す等価回路図。 本発明の第１の実施形態における発電制御装置の全体構成を示す等価回路図。 本発明の第１の実施形態における発電制御装置に用いられる発電機の回転速度に対する発電トルクの変化と発電ポール割合との関係を示す特性図。 本発明の第１に実施形態における効果を比較例と共に示す特性図。 比較例として従来の発電制御装置の問題点を示す特性図。 （ａ）は、本発明の第２の実施形態における発電制御装置の全体構成を示す等価回路図、（ｂ）は、当該実施形態におけるステータの接続例を示す等価回路図。 本発明の第２の実施形態における発電制御装置に用いられる発電機の回転速度に対する発電トルクの変化と発電ポール割合との関係を示す特性図。 本発明の第２の実施形態における発電制御装置に用いられる発電ポール割合決定方法を示す特性図。 本発明の第２の実施形態における発電制御装置に用いられる発電ポール割合決定方法を示すフローチャート。 本発明の第２に実施形態における効果を比較例と共に示す特性図。 本発明の第３の実施形態における発電制御装置に用いられる発電ポール割合決定方法を示すフローチャート。

本発明は、内燃機関のクランク軸に連結されてクランク軸の回転により回転駆動されて交流電流を発電する交流発電機（以下、Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ、ＡＣＧと称す）の発電を制御すると共に、発電時に発生する発電トルクを内燃機関の回転変動に伴う振動の抑制に利用する発電制御装置である。
特に、本発明の発電制御装置は、複数の固定子を略放射状に配設し、その周囲に固定子に対して相対回転する回転子を配設し、回転子に界磁として永久磁石を使用した永久磁石同期ＡＣＧを用いた内燃機関の振動抑制に好適なものである。
本発明の発電制御装置は、ＡＣＧの発電極（発電ポール）を構成する複数の固定子から、発電に寄与する固定子を選択することによって、発電トルクを多段的に調整可能とし、内燃機関の回転速度によって変化するエンジントルクに応じて発電トルクを多段的に調整することが可能となり、振動を効果的に抑制できる。

図１〜図３を参照して、本発明の第１の実施形態における発電制御装置１の概要と、本発明の発電制御装置１の適用されるＡＣＧ１０と、ＡＣＧ１０を駆動する内燃機関８０の概要について説明する。
発電制御装置１は、ＡＣＧ１０と、本発明の要部でありＡＣＧ１０の発電ポールを決定する発電ポール選択手段（ＡＣＵ）２０と、バッテリ（ＢＴ）５０とランプ系負荷（ＬＭＰ）６０と駆動系負荷（ＬＤ）７０とへの電力供給を制御するレギュレータ（ＲＥＧ）３０と、内燃機関８０の運転状況に応じてＡＣＵ２０を制御すると共に内燃機関８０を制御する電子制御装置（ＥＣＵ）４０とによって構成されている。

内燃機関８０は、図１に示すように、略筒状のシリンダ８２と、シリンダ８２の上面を覆うシリンダヘッド８１と、シリンダ８２内を昇降するピストン８３とによって燃焼室８００が区画され、燃焼室８００内に導入された圧縮空気と燃料との混合気への点火によって燃焼エネルギを発生させ、得られた燃焼エネルギをピストン８３とコンロッド８４とを介してクランク軸８５の回転力に変換している。クランク軸８５には、カウンタウエイト８６が設けられピストン８３の昇降を補助している。
シリンダヘッド８１には、図略の吸気バルブによって開閉される吸気路と排気バルブによって開閉される排気路と、燃料噴射弁７１と点火プラグ７２とが設けられている。
吸気バルブの開弁とピストン８３の下降とによる燃焼室８００内への吸気行程と、燃料噴射弁７１による燃料噴射とピストン８３の上昇による圧縮行程と、点火プラグ７２を用いた混合気への点火による爆発行程と、排気バルブの開弁による排気行程との燃焼サイクルが繰り返され、クランク軸８５が回転する。クランク軸８５には、ＡＣＧ１０が連結され、クランク軸８５の回転に伴いＡＣＧ１０が駆動される。

ＡＣＧ１０は、図２（ａ）に示すように、固定子（ステータ）１００と回転子（ロータ）１１０とフライホイール１２０とによって構成されている。
ステータコア１０１にステータコイル１０２が巻回されてステータ１００が形成されている。複数のステータ１００がクランク軸８５の周囲に位置するように略放射状に配設され、直列に接続されており、ステータ１００の外側に界磁としてマグネット１１１Ｎ、１１１Ｓが回転方向に並べられ、マグネット１１１Ｎ、１１１ＳのＮ極とＳ極とが交互にステータ１００に対向するように配設されている。マグネット１１１Ｎ、１１１Ｓには永久磁石が用いられている。
クランク軸８５に連結されたフライホール１２０の回転と共に、マグネット１１１Ｎ、１１１Ｓ及びロータ１１０がステータ１００に対して相対回転することによって、ステータコイル１０２内の磁界が変化し、ＡＣＧ１０に交流が発生する。本実施形態においては、ステータ１００が１６極形成された例を示し、全ポールを選択して発電する場合（Ｐ_Ｈ）と黒丸印の施された位置の発電ポールを選択する場合（Ｐ_Ｌ）とを切換え可能となっている。

本実施形態において、ステータコイル１０２は、図２（ｂ）に示すように、一極おきに直列接続された奇数番目のステータコイル１０２（１、３、５・・・１５）と、一極おきに直列接続された偶数番目のステータコイル１０２（２、４、６・・・１６）とが直列に接続されている。奇数番目のステータコイル１０２（１、３、５・・・１５）のみを発電可能とすることによってコイル巻回数の少ない短巻回発電ポールＰ_Ｌを形成し、奇数番目のステータコイル１０２（１、３、５・・・１５）と偶数番目のステータコイル１０２（２、４、６・・・１６）とを発電可能とすることによってコイル巻回数の多い長巻回発電ポールＰ_Ｈを形成している。

内燃機関８０において、吸気、圧縮、爆発、排気の燃焼サイクルが完了する間にクランク軸８５は２回転する。
ＡＣＧ１０には、クランク軸８５の１回転当たりに、ステータ１００の発電ポール数に対してその半分の発電山周期をもち、クランク軸８５の回転速度に比例した周波数の起電力が発生する。

ＥＣＵ４０は、内燃機関８０の運転状態を検出すべく、クランク角センサＳＥＮ_１、図略のスロットル開度センサ、エンジン温度センサ、バッテリ電圧検出手段等のセンサ類ＳＥＮから、クランク角ＣＡ、回転速度Ｖ_ＲＴ、スロットル開度、エンジン温度等の情報が入力され、燃料噴射弁７１、点火プラグ７２、燃料ポンプ、スロットルバルブ等の動力系負荷７０の駆動制御を行うべく点火信号ＩＧｔ、燃料噴射信号ＦＩ、ポンプ駆動信号、スロットル開閉信号等の信号を発信する。
フライホイール１２０の外周には、所定の間隔で複数の検出子（リフラクタ）１１２が設けられている。燃焼サイクル検出手段として設けられたクランク角センサＳＥＮ_１によってリフラクタ１１２が検知され、クランク角センサＳＥＮ_１からは、クランク角信号Ｓ_ＣＡがＥＣＵ４０に発信される。このとき、特定位置のリフラクタ１１２が間引かれているので、クランク角ＣＡを正確に検出することができる。
また、ＥＣＵ４０では、クランク角センサＳＥＮ_１によって検知される所定のリフラクタ１１２の通過時間からクランク軸８５の回転速度Ｖ_ＲＴを算出することができる。

図３に示すように、本発明の要部であるＡＣＵ２０は、開閉により短巻回発電ポールＰ_Ｌと長巻回発電ポールＰ_Ｈとを選択するサイリスタ等の複数のスイッチング素子ＳＣＲ_１Ｌ、ＳＣＲ_１Ｈと、ＥＣＵ４０からの発電指令Ｓ_ＧＥにしたがって、これらのスイッチング素子ＳＣＲ_１Ｌ、ＳＣＲ_１Ｈを開閉制御するスイッチング素子制御手段（ＳＣＵ）２１とによって構成されている。
ＡＣＵ２０は、スイッチング素子ＳＣＲ_１Ｌ、ＳＣＲ_１Ｈの開閉により長巻回発電ポールＰ_Ｈと短巻回発電ポールＰ_Ｌと発電停止との３段階の切り換えが可能となり、発電量の制御とクランク軸８５に制動力として作用する発電トルクＴＱ_ＥＧとを多段的に制御することができる。
ＳＣＵ２１によって、ＳＣＲ_１ＨとＳＣＲ_１Ｌとの両方が開かれると、発電停止となり、ＳＣＵ２１によって、ＳＣＲ_１Ｈが開かれ、ＳＣＲ_１Ｌが閉じられると、発電ポールの一部のみが発電状態となる短巻回発電ポールＰ_Ｌが選択され、ＳＣＵ２１によって、ＳＣＲ_１Ｈが閉じられ、ＳＣＲ_１Ｌが開かれると全ての発電ポールが発電状態となる長巻回発電極Ｐ_Ｈが選択される。

ＡＣＵ２０によって選択された発電ポールで発生した交流電流は、レギュレータ（ＲＥＧ）３０によって整流される。
ＲＥＧ３０は、スイッチング素子ＳＣＲ_２を開閉し、ヘッドライト、テールライト、方向指示器等のランプ系負荷（ＬＭＰ）６０への電力供給を制御するランプ系制御回路（ＬＣＵ）３１と、スイッチング素子ＳＣＲ_３を開閉してバッテリ（ＢＴ）５０の適切な充電と燃料噴射弁７１、点火プラグ７２等の動力系負荷７０への電力供給を制御するバッテリ系制御回路（ＢＣＵ）３２とによって構成され、ＡＣＧ１０で発生した交流の負側の電力をＬＭＰ６０に供給し、正側の電力をＢＴ５０とＬＤ７０とに供給している。
演算部（ＣＰＵ）では、ＥＣＵ４０に入力されたクランク角信号Ｓ_ＣＡ、バッテリ電圧＋Ｂ等にしたがって回転速度Ｖ_ＲＴ、発信指令Ｓ_ＧＥ等を算出する。
なお、ＣＰＵは、ＥＣＵ４０に内蔵されたものを兼用しても良いし、ＥＣＵ４０の演算負荷を低減するために、ＡＣＵ２０又はＲＥＧ３０内に別途設けても良い。

一般に、ＡＣＧ１０は、クランク軸８５の１回転当たりに発電ポール数の２分の１のサイクル数で発電し、クランク軸８５の回転速度Ｖ_ＲＴに比例した周波数の起電力が得られ、ＡＣＧ１０のポール数が多いほど起電力が高くなり、起電力に比例して発電トルクＴＱ_ＧＥも大きくなることが知られている。

ところが、本発明者等の鋭意試験により、図４に示すように、クランク軸８５の回転速度Ｖ_ＲＴが所定の回転速度（例えば、４５００ｒｐｍ）よりも低い領域では、複数の発電ポールの全極が発電する長巻回発電ポールＰ_Ｈにおける発電トルクＴ_ＨＬ（以下、低回転時長巻回発電トルクと称す）よりも、複数の発電ポールの半数が発電する短巻回発電ポールＰ_Ｌにおける発電トルクＴ_ＬＬ（以下、低回転時短巻回発電トルクと称す）の方が低くなり、所定の回転速度よりも高い領域では、長巻回発電ポールＰ_Ｈにおける発電トルクＴ_ＨＨ（以下、高回転時長巻回発電トルクと称す）よりも、短巻回発電ポールＰ_Ｌにおける発電トルクＴ_ＬＨ（以下、高回転時短巻回発電トルクと称す）の方が高くなることが判明した。

したがって、ＡＣＧ１０に発生する発電トルクＴＱ_ＧＥを利用して回転速度Ｖ_ＲＴの急激な変化を緩やかにして、内燃機関８０の燃焼サイクルにおいて発生する回転変動に伴う振動を抑制する場合、回転速度に応じて、長巻回発電ポールＰ_Ｈと短巻回発電ポールＰ_Ｌとを切り換えることによって、発電トルクＴＱ_ＧＥを多段階に調整し、発電トルクＴＱ_ＧＥによる振動抑制効果を向上できると期待される。

図５を参照して、本実施形態における本発明の効果について説明する。本図は、内燃機関８０が所定の回転速度以上の高回転時におけるタイムチャート図であり、本発明の発電制御装置１を用いた場合の瞬間回転速度Ｖ_ＲＴの変化を実施例１として示し、後述する従来の発電制御装置を用いた場合の瞬間回転速度の変化を比較例１として示す。
内燃機関８０の燃焼サイクルに応じてクランク角センサＳＥＮ_１から発信されるクランク角信号Ｓ_ＣＡに基づいて、ＥＣＵ４０で瞬間回転速度Ｖ_ＲＴが算出される。

燃焼サイクルの爆発行程においては、エンジントルクが大きいのでＡＣＧ１０による発電を許可し、必要な発電量を確保すると共に、発電トルクＴＱ_ＧＥを大きくして、回転速度Ｖ_ＲＴの変動を抑制するように発電ポールを選択する。
爆発初期においては、回転速度Ｖ_ＲＴが所定値以下であるので、ＥＣＵ４０から発信される発電指令Ｓ_ＧＥは、長巻回発電ポールＰ_Ｈが選択され、ステータ１００の全極が発電状態となり、燃焼サイクル当たりに１６山の周期で発電電流Ｉ_ＧＥが発生する。
このとき、発電トルクＴＱ_ＧＥとして、比較例１と同様の低回転時長巻回発電トルクＴ_ＨＬがクランク軸８５の制動方向に作用する。

さらに爆発行程が進み、回転速度Ｖ_ＲＴが所定値以上となると、発電指令Ｓ_ＧＥは、短巻回発電ポールＰ_Ｌが選択され、ステータ１００の５０％が発電状態となり、燃焼サイクル当たりに８山の周期で発電電流Ｉ_ＧＥが発生する。
このとき、発電トルクＴＱ_ＧＥとして、高回転時長巻回発電トルクＴ_ＨＨよりも大きな高回転時短巻回発電トルクＴ_ＬＨがクランク軸８５の制動方向に作用する。
したがって、比較例１よりも回転速度Ｖ_ＲＴの上昇が抑制されるので最速回転速度と最遅回転速度との差が小さくなり回転変動による振動の発生を抑制できる。

さらに、爆発行程の終了時に最高速度となる回転速度Ｖ_ＲＴが、爆発行程から排気行程に移行する際にフリクションによって徐々に低下する。このとき、発電指令Ｓ_ＧＥは発電停止となり、発電トルクＴＱ_ＧＥによる重畳的な回転速度Ｖ_ＲＴの低下が抑制される。
さらに、排気行程から吸気行程に移行する際にクランク軸８５に設けられたカウンタウエイト８６の重心移動により瞬間的に回転速度Ｖ_ＲＴの上昇がおこる。
このように回転速度が徐々に減速している途中で、瞬間的な回転速度の上昇が起きると、大きな振動が発生する虞がある。
ところが、この時の発電指令Ｓ_ＧＥは、短巻回発電ポールＰ_Ｌが選択され、高回転持長巻回発電トルクＴ_ＨＨよりも大きなトルクである高回転時短巻回発電トルクＴ_ＬＨが作用するので回転速度Ｖ_ＲＴの瞬間的な上昇が抑制され、振動が効果的に抑制される。

さらに、吸気行程においては、フリクションによってさらに回転速度Ｖ_ＲＴが低下する。このとき、発電指令Ｓ_ＧＥは発電停止となり、発電トルクＴＱ_ＧＥによる重畳的な回転速度Ｖ_ＲＴの低下が抑制される。

吸気行程から圧縮行程に移行する際にもカウンタウエイト８６の重心移動により回転速度Ｖ_ＲＴの僅かな上昇がおこり、振動の発生源となっている。
このとき、回転速度Ｖ_ＲＴは、所定の回転速度よりも低くなっており、発電指令Ｓ_ＧＥは、長巻回発電ポールＰ_Ｈが選択され、高回転時短巻回発電トルクＴ_ＬＨよりも小さい高回転時長巻回発電トルクＴ_ＨＨが作用する。
したがって、僅かな回転速度Ｖ_ＲＴの上昇が抑制され、吸気行程から圧縮行程への移行期に発生する振動も効果的に抑制することができる。
さらに、圧縮行程の後期には、フリクションによってさらに回転速度Ｖ_ＲＴが低下する。このとき、発電指令Ｓ_ＧＥは発電停止となり、発電トルクＴＱ_ＧＥによる重畳的な回転速度Ｖ_ＲＴの低下が抑制される。
以上により、本発明の発電制御装置１を用いれば、比較例１よりも燃焼サイクル当たりの回転変動が少なく、振動の発生が抑制されることが判明した。

ここで、図６を参照して比較例１として示した従来の発電制御装置の問題点について説明する。
従来の発電制御装置においても、燃焼サイクル中に発電の実行と停止とを切り換えて発電トルクＴＱ_ＧＥを回転変動の抑制に利用することは行われている。
しかし、発電の実行と停止とのニ元的な制御であり、クランク軸８５の回転に制動力として作用する発電トルクＴＱ_ＧＥは回転速度Ｖ_ＲＴの変化に関わらず一定である。このため、内燃機関８０が高速で回転している場合には、エンジントルクが大きく、発電トルクＴＱ_ＧＥによる振動抑制効果が小さい。

図７〜１１を参照して、本発明の第２の実施形態における発電制御装置１ａについて説明する。本実施形態において、上記実施形態と同様の構成について同じ符号を付したので、説明を省略し相違点についてのみ説明する。
上記実施形態においては、ＡＣＧ１０を発電停止、ステータ１００の１００％を発電ポールとする長巻回発電ポールＰ_Ｈ、ステータ１００の５０％を発電ポールとする短巻回発電ポールＰ_Ｌの３段階に切り換えて発電制御する装置を示したが、本実施形態においては、図７（ａ）に示すように、ＡＣＧ１０ａを発電停止、ステータ１００の１００％を発電ポールとする長巻回発電ポールＰ_Ｈ、ステータ１００の６５％を発電ポールとする中巻回発電ポールＰ_Ｍ、ステータ１００の５０％を発電ポールとする短巻回発電ポールＰ_Ｌの４段階に切り換え可能となるよう、ステータコイル１０２を接続し、図７（ｂ）に示すように、ＡＣＵ２０ａは、ＥＣＵ４０からの発電指令Ｓ_ＧＥにしたがってスイッチング素子ＳＣＲ_１Ｈ、ＳＣＲ_１Ｍ、ＳＣＲ_１Ｌを開閉するＳＣＵ２１ａを具備し、発電停止、長巻回発電ポールＰ_Ｈ、中巻回発電ポールＰ_Ｍ、短巻回発電ポールＰ_Ｌの４段階に切り換えて可能とし、回転速度Ｖ_ＲＴに応じて発電トルクＴＱ_ＧＥをより細かく調整可能とした点が相違している。

また、本発明者等の鋭意試験により、図８に示すように、クランク軸８５の回転速度Ｖ_ＲＴが所定の回転速度（例えば、３８００ｒｐｍ）よりも低い低速領域では、長巻回発電ポールＰ_Ｈにおける発電トルクＴ_ＨＬ（低回転時長巻回発電トルク）よりも、中巻回発電ポールＰ_Ｍにおける発電トルクＴ_ＭＬ（低回転時中巻回発電トルク）の方が低くなり、中巻回発電ポールＰ_Ｍにおける発電トルクＴ_ＭＬ（低回転時中巻回発電トルク）よりも、短巻回発電ポールＰ_Ｌにおける発電トルクＴ_ＬＬ（低回転時短巻回発電トルク）の方が低くなり、所定の回転速度よりも高い中速領域では、長巻回発電ポールＰ_Ｈにおける発電トルクＴ_ＨＭ（中回転時長巻回発電トルク）よりも、中巻回発電ポールＰ_Ｍにおける発電トルクＴ_ＭＭ（中回転時中巻回発電トルク）の方が高くなり、中巻回発電ポールＰ_Ｍにおける発電トルクＴ_ＭＭ（中回転時中巻回発電トルク）よりも、短巻回発電ポールＰ_Ｌにおける発電トルクＴ_ＬＭ（中回転時短巻回発電トルク）の方が低くなり、所定の回転速度（例えば６０００ｒｐｍ）よりも高い高速領域では、長巻回発電ポールＰ_Ｈにおける発電トルクＴ_ＨＨ（高回転時長巻回発電トルク）よりも、中巻回発電ポールＰ_Ｍにおける発電トルクＴ_ＭＨ（高回転時中巻回発電トルク）の方が高くなり、中巻回発電ポールＰ_Ｍにおける発電トルクＴ_ＭＨ（高回転時中巻回発電トルク）よりも、短巻回発電ポールＰ_Ｌにおける発電トルクＴ_ＬＨ（高回転時短巻回発電トルク）の方が高くなることが判明した。
したがって、回転速度Ｖ_ＲＴに応じて、発電信号Ｓ_ＧＥを、発電なし、長巻回発電ポールＰ_Ｈ、中巻回発電ポールＰ_Ｍ、短巻回発電ポールＰ_Ｌとの４段階に切り換えることによって、発電トルクＴＱ_ＧＥをさらに細かく多段階に調整し、発電トルクＴＱ_ＧＥによる振動抑制効果を向上できると期待される。

図９に本実施形態における発電制御装置１ａに用いられる発電制御方法の一例をフローチャートで示す。
ステップＳ１００では、スロットル開度等の走行状態検出手段によって検知された情報から、内燃機関８０の走行状態を検出する。
ステップＳ１０１では、定常状態判定手段により定常状態か否かを判定し、定常状態の場合には判定はＹＥＳとなりステップＳ１０２に進み、加回転時や減回転時の定常状態でない場合には、判定はＮＯとなりステップＳ１０５に進む。
ステップＳ１０２では、クランク角信号Ｓ_ＣＡに基づいて瞬間回転速度Ｖ_ＲＴを検出し、ステップ１０３に進む。
ステップＳ１０３では、クランク角信号Ｓ_ＣＡに基づいてクランク角ＣＡを検出し、爆発、排気、吸気、圧縮の燃焼サイクルのどの行程であるかを認識し、ステップＳ１０４に進む。
ステップＳ１０４では、瞬間回転速度Ｖ_ＲＴとクランク角ＣＡとから、回転速度に適した発電トルクとなるように発電ポール数を決定し、発電停止、短巻回発電ポールＰ_Ｌ、中巻回発電ポールＰ_Ｍのいずれかを選択し、上述の発電トルクＴＱ_ＧＥを多段階に調整して振動抑制に効果的に用いた制御を実施する。
ステップＳ１０５では、加回転時にはエンジントルクが大きく発電トルクの影響が少なく、減回転時には、発電トルクがエンジンの制動に寄与するので、どちらの場合にも長巻回発電ポールＰ_Ｈを選択し、全ポールで発電を行って、必要な発電量を確保する。

図１０に、本実施形態における、クランク角信号Ｓ_ＣＡと回転速度Ｖ_ＲＴに基づく発電指令Ｓ_ＧＥの選択方法の一例を示す。
本実施形態においては、クランク角信号Ｓ_ＣＡから算出した瞬間回転速度ＶＲ_Ｔが、例えば、４５００ｒｐｍ以上の高回転領域において、爆発行程では、発電ポールの５０％を発電に使用する短巻回発電ポールＰ_Ｌを選択し、排気行程初期には、発電を停止し、排気行程後期には、発電ポールの６５％を発電に使用する中巻回発電ポールＰ_Ｍを選択し、吸気行程では発電を停止し、圧縮行程初期には、発電ポールの１００％を発電に利用する長巻回発電ポールＰ_Ｈを選択する。
また、クランク角信号Ｓ_ＣＡから算出した瞬間回転速度ＶＲ_Ｔが、４５００ｒｐｍ以下の低回転領域において、爆発行程では、発電ポールの１００％を発電に使用する長巻回発電ポールＰ_Ｈを選択し、排気行程初期には、発電を停止し、排気行程後期には、発電ポールの６５％を発電に使用する中巻回発電ポールＰ_Ｍを選択し、吸気行程では発電を停止し、圧縮行程初期には、発電ポールの５０％を発電に利用する短巻回発電ポールＰ_Ｌを選択する。
内燃機関８０の燃焼特性に適した回転速度と発電ポール決定用マップを予め用意し、このマップの設定にしたがって回転速度に応じて発電ポールを多段階に調整することによって振動抑制に優れた発電制御装置を実現できる。

図１１に本実施形態における本発明の効果を実施例２として実線で示し、上記実施１として点線で示す。本実施形態によれば、発電トルクＴＱ_ＧＥをより細かく調整できるので、さらに回転変動を抑制できることが判明した。

図１２に本発明の第３の実施形態における発電制御装置に用いる発電制御方法をフローチャートで示す。
上記第１の実施形態及び第２の実施形態においては、発電ポールの選定を燃焼サイクルと回転速度Ｖ_ＲＴとの関係で決定したが、本実施形態においては、これに加えて、バッテリ電圧＋Ｂを考慮して、振動の抑制効果を向上しつつ、バッテリの消耗に応じて発電ポールを決定する点が相違する。

ステップＳ２００では、スロットル開度等から、内燃機関８０の走行状態を検出する。
ステップＳ２０１では、定常状態か否かを判定し、定常状態の場合には判定はＹＥＳとなりステップＳ２０２に進み、加回転時や減回転時の定常状態でない場合には、判定はＮＯとなりステップＳ２０７に進む。
ステップＳ２０２では、バッテリ電圧＋Ｂを検出する。
ステップＳ２０３で、バッテリ電圧＋Ｂが所定の閾値より大きいか否かによって、発電量の制限が可能であるか否かを判定し、＋Ｂが閾値より高ければ、判定はＹＥＳとなりステップ２０４に進み、＋Ｂが閾値以下であれば、判定はＮＯとなりステップＳ２０７に進む。
ステップＳ２０４では、クランク角信号Ｓ_ＣＡに基づいて瞬間回転速度Ｖ_ＲＴを検出し、ステップＳ１０５に進む。
ステップＳ２０５では、クランク角信号Ｓ_ＣＡに基づいてクランク角ＣＡを検出し、爆発、排気、吸気、圧縮の燃焼サイクルのどの行程であるかを認識し、ステップＳ２０６に進む。
ステップＳ２０６では、瞬間回転速度Ｖ_ＲＴとクランク角ＣＡとから、回転速度に適した発電トルクとなるように発電ポール数を決定し、発電停止、短巻回発電ポールＰ_Ｌ、中巻回発電ポールＰ_Ｍのいずれかを選択し、上述の発電トルクＴＱ_ＧＥを多段階に調整して振動抑制に効果的に用いた制御を実施する。
ステップＳ２０７では、加回転時にはエンジントルクが大きく発電トルクの影響が少なく、減回転時には、発電トルクがエンジンの制動に寄与し、バッテリ電圧が低下している場合には発電を優先するので、いずれの場合にも長巻回発電ポールＰ_Ｈを選択し、全極発電を行って、必要な発電量を確保する。

なお、本発明は、上記実施形態に限定するものではなく、ＡＣＧの発電に寄与する発電ポールを回転速度に応じて選択し、発電トルクを多段階的に調整して、ＡＣＧが連結駆動される内燃機関の振動抑制を図ろうとする本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更可能である。
例えば、上記実施形態においては、発電ポールが１６極設けられたＡＣＧ１０、１０ａを例に説明したが、発電ポールが８極の構成からなるＡＣＧにおいても、８極全部を発電する長巻回発電ポールＰ_Ｈと半数の４極を発電する短巻回発電ポールＰ_Ｌと発電停止とを段階的に切り換えることによって同様の振動抑制効果が得られる。

また、上記実施形態において、ＡＣＧは、発電のみを目的とするものを示したが、発電機としてスタータを兼用したＡＣＧスタータを用いた場合にも本発明は対応し得るものである。さらに、上記実施形態においてはＡＣＧとして単相の発電機を例に説明したが、三相としても良い。
なお、本発明の発電制御装置は、内燃機関として単気筒エンジン又は二気筒エンジンに連結された発電機の発電制御に特に好適であるが、多気筒エンジンに連結された発電機の発電制御にも適用可能である。

１ 発電制御装置
１０ 発電機（ＡＧＣ）
１００ 固定子（ステータ）
１０１ ステータコア
１０２ ステータコイル
１１０ 回転子（ロータ）
１１１Ｎ、１１１Ｓ 界磁（マグネット）
１１２ クランク角検出子（リフラクタ）
１２０ フライホイール
２０ 発電ポール（発電極）選択手段（ＡＣＵ）
２１ スイッチング素子制御手段（ＳＣＵ）
３０ レギュレータ（ＲＥＧ）
３１ ランプ系制御回路（ＬＣＵ）
３２ バッテリ系制御回路（ＢＣＵ）
４０ ＥＣＵ
５０ バッテリ
６０ ランプ系負荷
７０ 動力系負荷（ＬＤ）
７１ 燃料噴射弁
７２ 点火プラグ
８０ 内燃機関
８００ 燃焼室
８１ シリンダ
８２ シリンダヘッド
８３ ピストン
８４ コンロッド
８５ クランク軸
ＳＣＲ_１Ｌ 短巻回発電ポール開閉素子（サイリスタ）
ＳＣＲ_１Ｈ 長巻回発電ポール開閉素子（サイリスタ）
ＳＣＲ_２ 負側サイリスタ
ＳＣＲ_３ 正側サイリスタ
ＳＥＮ_１ クランク角センサ
Ｓ_ＣＡ クランク角信号
ＣＡ クランク角
Ｐ_Ｌ 短巻回発電ポール
Ｐ_Ｈ 長巻回発電ポール
Ｖ_ＲＴ 回転速度
Ｉ_ＧＥ 発電電流
ＴＱ_ＧＥ 発電トルク
Ｔ_ＨＨ 高回転時長巻回発電トルク
Ｔ_ＨＬ 低回転時長巻回発電トルク
Ｔ_ＬＨ 高回転時短巻回発電トルク
Ｔ_ＬＬ 低回転時短巻回発電トルク
ＣＰＵ 演算部

特開２００６−１２９６８０号公報 特開２００４−３６０６４０号公報

Claims (7)

1. 内燃機関のクランク軸に連結駆動される発電機の発電を制御する発電制御装置において、
   上記発電機が、上記クランク軸の周囲に配設された複数の固定子と、上記クランク軸によって駆動され、上記固定子に対して相対回転する回転子とによって複数の発電ポールを構成すると共に、
   該複数の発電ポールのうち発電に寄与する発電ポールを選択する発電ポール選択手段を具備することを特徴とする発電制御装置。
2. 上記発電ポール選択手段は、上記複数の発電ポールの全部又は一部を発電可能とするスイッチング素子と、該スイッチング素子の開閉を制御するスイッチング素子制御手段と、上記内燃機関の運転を制御すると共に、上記内燃機関の運転状態に応じて上記スイッチング素子制御手段に発電指令を発信する電子制御装置とを具備することを特徴とする請求項１に記載の発電制御装置。
3. 上記内燃機関の走行状態を検出する走行状態検出手段と、該走行状態検出手段によって検知された走行状態が定常状態であるか否かを判定する定常状態判定手段と、内燃機関の燃焼サイクルを検出する燃焼サイクル検出手段とを具備する請求項１又は２に記載の発電制御装置。
4. 上記発電機によって充電されるバッテリと、該バッテリのバッテリ電圧を検出するバッテリ電圧検出手段とを具備する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の発電制御装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の発電制御装置の発電制御方法であって、
   上記発電機の発電を実行するに際して、
   上記定常状態判定手段によって定常状態であると判定された場合には、上記燃焼サイクル検出手段によって検知された内燃機関の燃焼サイクルに応じて、上記発電ポール選択手段によって選択された発電ポールによって発電を実行し、
   上記定常状態判定手段によって定常状態でないと判定された場合には、全極発電を実行することを特徴とする発電制御方法。
6. 上記発電機の発電を実行するに際して、上記バッテリ電圧検出手段によって検出されたバッテリ電圧が閾値以下である場合には、上記発電ポールの全てを発電状態とし、上記バッテリ電圧が閾値よりも高い場合には、上記発電ポール選択手段によって選択した発電ポールのみによって発電を実行することを特徴とする請求項５に記載の発電制御方法。
7. 上記内燃機関の回転速度と燃焼サイクルとに応じて予め設定したマップにしたがって発電ポールを決定することを特徴とする請求項５又は６に記載の発電制御方法。
   

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