JP2018178840A - 発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】変速機にかかるトルクを許容トルク以下にでき、変速機のサイズも低減できる発電システムの制御装置を提供する。【解決手段】発電システム１の制御装置６０が、発電装置１０の状態に基づいて、目標エンジン出力と、目標エンジントルクとを決定するエンジン動作点決定部７１と、エンジンの出力トルクが目標エンジントルクになるように、エンジンの燃焼を制御するエンジン燃焼制御部７７と、を有する。エンジン２０及び磁気歯車変速機４０の慣性モーメントをＩｅとし、発電機５０及び磁気歯車変速機４０の慣性モーメントをＩｇとし、磁気歯車変速機４０の速度比をＧとし、磁気歯車変速機４０の許容トルクをＴｇａとするとき、エンジン動作点決定部７１が、目標エンジン出力が同一になる条件で目標エンジントルクＴE*と目標エンジン回転数ωE*を[（１＋１／Ｇ）ＴE*−（Ｉｅ＋ＧＩｇ）ｄωE*／ｄｔ]≦Ｔｇａを満たす値に設定する。【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの動力を用いて発電を行う発電システムに関する。

従来、ハイブリッド車両としては、特許文献１に記載されているものがある。このハイブリッド車両は、エンジンの動力を第１電動機と出力歯車とに分配する動力分配機構、出力歯車に連結される歯車機構、その歯車機構に連結される第２電動機、及び制御部を備える。エンジン及び第２電動機からの動力は、出力歯車に伝達された後に差動歯車装置を介して一対の駆動輪に伝達される。第１電動機は、エンジンの出力で発電する。第１電動機による発電で生成された電気エネルギーは、蓄電装置に蓄電されることができ、第２電動機の駆動に用いられることもできる。

このハイブリッド車両では、制御部が第１発電機の運転状態を制御することで動力分配機構の差動状態を調整する。より詳しくは、制御部が、動力分配機構の冷間時におけるエンジン動作点を、動力分配機構の暖機後におけるエンジン動作点よりも機械的な伝達の伝達効率が向上する側に移動させる。このようにして、動力分配機構の冷間時において、総合効率（装置全体の伝達効率）を増大させ、車両燃費が向上するようにしている。

特開２０１３−６７２０３号公報

上記動力分配機構は、減速機として機能し、エンジン側からのトルクと第１発電機側からのトルクを受ける。その結果、動力分配機構には、これら２つのトルクに基づくせん断トルクが作用する。通常、ハイブリッド車両では、動力分配機構のサイズ（剛性）は、エンジンが最大トルクで動作している際に想定される最大のせん断トルクが動力分配機構に作用したとしても強度不足による破壊が生じないサイズに設定される。

したがって、動力分配機構が大型化し易くなる。また、動力分配機構として磁気歯車変速機のような許容トルクの小さい変速機を用いにくく、動力分配機構の選択の自由度も低くなる。

そこで、本発明の目的は、変速機にかかるトルクを許容トルク以下にでき、変速機のサイズも低減できる発電システムの制御装置を提供することにある。

本発明に係る発電システムは、エンジン、前記エンジンによって駆動される発電機、及び前記エンジンの出力軸の回転動力を前記発電機のロータに伝達する変速機を含む発電装置と、前記発電装置を制御する制御装置と、を備える発電システムであって、前記制御装置は、前記発電装置の状態に基づいて、目標エンジン出力と、目標エンジントルクとを決定するエンジン動作点決定部と、前記エンジンの出力トルクが前記エンジン動作点決定部により決定された前記目標エンジントルクになるように、前記エンジンの燃焼を制御するエンジン燃焼制御部と、を有し、前記エンジンとそれに結合する前記変速機の慣性モーメントをＩｅとし、前記発電機とそれに結合する前記変速機の慣性モーメントをＩｇとし、前記エンジンの出力軸の回転数に対する前記発電機のロータの回転数の比として定義される前記変速機の速度比をＧとし、前記変速機の許容トルクをＴｇａとするとき、前記エンジン動作点決定部が、前記目標エンジン出力が同一になるという条件において、前記目標エンジントルクＴ_E ^*と目標エンジン回転数ω_E ^*を[（１＋１／Ｇ）Ｔ_E ^*−（Ｉｅ＋ＧＩｇ）ｄω_E ^*／ｄｔ]≦Ｔｇａを満たす値に設定する。

変速機に生じるエンジン側トルクをＴｇｅとし、変速機に生じる発電機側トルクをＴｇｇとし、発電機側トルクの向きをエンジン側トルクの向きと逆向きを正と定義するとき、変速機には、せん断トルク（Ｔｇｅ＋Ｔｇｇ）が生じる。このせん断トルクが変速機の許容トルクＴｇａを超えると変速機が強度不足で破壊する虞があり機構として成立しない。このような背景において、後で説明するように、エンジンのトルクをＴ_Eとし、エンジンの回転数をω_Eとするとき、（Ｔｇｅ＋Ｔｇｇ）＝[（１＋１／Ｇ）Ｔ_E−（Ｉｅ＋ＧＩｇ）ｄω_E／ｄｔ]が成立する。したがって、本発明によれば、目標エンジントルクＴ_E ^*及び目標エンジン回転数ω_E ^*が[（１＋１／Ｇ）Ｔ_E ^*−（Ｉｅ＋ＧＩｇ）ｄω_E ^*／ｄｔ]≦Ｔｇａを満たすように設定されるので、変速機に許容トルクを超えるせん断トルクがかかることがなく、変速機が破壊することを抑制できる。また、従来、[（１＋１／Ｇ）Ｔ_E−（Ｉｅ＋ＧＩｇ）ｄω_E／ｄｔ＞Ｔｇａ]が生じる可能性があるために使用できなかった小型の変速機（剛性が小さい変速機）も使用できることになる。よって、変速機のサイズを低減できる。

また、本発明において、前記エンジン動作点決定部は、エンジントルクを一方のパラメータとし、エンジン回転数を他方のパラメータとする２次元平面において、前記目標エンジン出力が一定になる等出力線と、前記エンジンの最適燃費線とが交差する点に基づいて、暫定的なエンジントルクＴｅ及び暫定的なエンジン回転数ωｅを決定する暫定トルク決定部と、[（１＋１／Ｇ）Ｔｅ−（Ｉｅ＋ＧＩｇ）ｄωｅ／ｄｔ]≦Ｔｇａが成立したとき、前記目標エンジントルクＴ_E ^*を前記暫定的なエンジントルクＴｅに設定すると共に、目標エンジン回転数ω_E ^*を前記暫定的なエンジン回転数ωｅに設定する一方、[（１＋１／Ｇ）Ｔｅ−（Ｉｅ＋ＧＩｇ）ｄωｅ／ｄｔ]＞Ｔｇａが成立したときには、前記目標エンジントルクＴ_E ^*及び前記目標エンジン回転数ω_E ^*を、前記目標エンジン出力が同一になるという条件において、[（１＋１／Ｇ）Ｔｅ'−（Ｉｅ＋ＧＩｇ）ｄωｅ'／ｄｔ]≦Ｔｇａを満たす新たなエンジントルクＴｅ'及び新たなエンジン回転数ωｅ'に設定する目標トルク設定部と、を有してもよい。

上記構成によれば、[（１＋１／Ｇ）Ｔｅ−（Ｉｅ＋ＧＩｇ）ｄωｅ／ｄｔ]＞Ｔｇａが成立した場合のみ、目標エンジントルクＴ_E ^*及び目標回転数ω_E ^*が、[（１＋１／Ｇ）Ｔｅ'−（Ｉｅ＋ＧＩｇ）ｄωｅ'／ｄｔ]≦Ｔｇａは満たすが最適燃費は実現しないＴｅ'及びω'に設定される。したがって、燃費の増加をできるだけ抑制しつつ、せん断トルクを許容範囲に収めることができる。

また、本発明において、前記発電機のトルクを制御する発電機制御部を備え、前記発電機制御部は、前記目標エンジントルクと前記速度比に基づいて目標発電機トルクを決定し、前記発電機のトルクが、前記目標発電機トルクに一致するように前記発電機を制御してもよい。

上記構成によれば、エンジン側でのトルク制御に加えて、発電機側でもトルク制御が実行されるので、トルク制御の精度が高くなる。

また、本発明に係る発電システムは、エンジン、前記エンジンによって駆動される発電機、及び前記エンジンの出力軸の回転動力を前記発電機のロータに伝達する変速機を含む発電装置と、前記発電装置を制御する制御装置と、を備える発電システムであって、前記発電装置は、前記エンジンのクランク角を検出するクランク角検出部を有し、前記制御装置は、前記発電装置の状態に基づいて決定される暫定エンジントルクと、前記クランク角とに基づいて、エンジントルクを推定するエンジントルク推定部と、前記エンジントルク推定部が推定した前記エンジントルクと、前記暫定エンジントルクとに基づいて、前記変速機に作用するトルクが前記変速機の許容トルクを超えないような発電機トルクを算出する発電機トルク算出部と、を有する。

本発明によれば、発電機のトルクを、発電機トルク算出部が算出した発電機トルクに制御することで、変速機がその許容トルクを超えることを防止でき、変速機に加わるトルクが許容トルクを超える可能性があるために使用できなかった小型の変速機も使用できる。

また、本発明において、前記発電機のロータ回転数を検出するロータ回転数検出部と、エンジン回転数を検出するエンジン回転数検出部と、を備え、前記発電機トルク算出部は、前記エンジン及びそれに結合する前記変速機の慣性モーメントと、前記エンジン回転数と、前記エンジントルクとに基づいて、前記変速機のエンジン側トルクＴｇｅを算出するエンジン側トルク算出部と、前記暫定エンジントルクに基づいて前記変速機の暫定的な発電機側トルクＴｇｇ'を決定する暫定発電機側トルク設定部と、前記変速機の許容トルクをＴｇｅとしたとき、（Ｔｇｅ−Ｔｇｇ'）≦Ｔｇａが成立した場合に、発電機側トルクＴｇｇを、前記暫定的な発電機側トルクＴｇｇ'に設定する一方、（Ｔｇｅ−Ｔｇｇ'）＞Ｔｇａが成立した場合に、前記発電機側トルクＴｇｇを、Ｔｇｇ''≧（Ｔｇｅ−Ｔｇａ）を満たす新たな発電機側トルクＴｇｇ''に設定する発電機側トルク設定部と、を有してもよい。

上記構成によれば、（Ｔｇｅ−Ｔｇｇ'）＞Ｔｇａが成立した場合のみ、発電機側トルクＴｇｇを、Ｔｇｇ''≧（Ｔｇｅ−Ｔｇａ）は満たすが最適燃費は実現しないＴｇｇ''に設定する。したがって、燃費の増加をできるだけ抑制しつつ、せん断トルクを許容範囲に収めることができる。

また、本発明において、前記エンジン側トルクに脈動成分が含まれ、前記発電機側トルクに前記脈動成分が含まれてもよい。

エンジンが燃焼する際、燃焼タイミングに相関がある脈動トルクがエンジンで生成され、その脈動トルクがＮＶの発生の一因になることがある。上記構成によれば、発電機側トルクの脈動成分でエンジン側トルクの脈動成分を相殺できるので、変速機に加わるせん断トルクに脈動成分が含まれることがなく、ＮＶの発生を抑制できる。

また、本発明において、前記エンジントルク推定部は、前記クランク角と、クランク角とエンジントルクを対応づけたマップと、に基づいて前記エンジントルクを推定してもよい。

上記構成によれば、簡易な制御でエンジントルクを推定できる。

また、本発明において、前記エンジンの燃焼室の筒内圧力を検出する筒内圧力検出部を備え、前記エンジントルク推定部は、前記クランク角と、前記筒内圧力とに基づいて前記エンジントルクを推定してもよい。

上記構成によれば、マップを用いた場合との比較で、より正確なエンジントルクを推定できる。

また、本発明において、前記エンジンの燃焼室に噴射された燃料噴射量を特定可能な燃料特定部と、前記燃焼室内の燃料に点火する点火装置と、前記点火装置の点火タイミングを特定可能な点火タイミング特定部と、を備え、前記エンジントルク推定部は、前記クランク角と、前記燃料噴射量と、前記点火タイミングとに基づいて前記エンジントルクを推定してもよい。

上記構成によれば、マップを用いた場合との比較で、より正確なエンジントルクを推定できる。

また、本発明において、前記変速機は、磁気歯車変速機であってもよい。

上記構成によれば、物理的な接触部分が存在しない。したがって、歯面同士が直接接触する歯車を用いた変速機で生じる問題、例えば、歯車の摩耗、歯車の接触による振動や異音の発生、歯車の噛合に基づく粉塵・埃の発生等が生じることがない。

本発明に係る発電システムによれば、変速機にかかるトルクを許容トルク以下にでき、変速機のサイズも低減できる。

本発明の第１実施形態に係る発電システムのブロック図である。 エンジントルクを一方のパラメータとし、エンジン回転数を他方のパラメータとする２次元平面において、目標エンジン出力が一定になる等出力線と、エンジンの最適燃費線との関係を表すマップを示す図である。 本発明の第２実施形態に係る発電システムのブロック図である。 発電機側トルク設定部が目標の発電機側トルクを決定する手順について説明する図であり、発電機側トルクを、暫定的な発電機側トルクに設定した場合でも、磁気歯車変速機に作用するせん断トルクが許容トルク内に収まる場合について説明する図である。 発電機側トルク設定部が目標の発電機側トルクを決定する手順について説明する図であり、発電機側トルクを、暫定的な発電機側トルクに設定した場合、一部のクランク角領域（エンジンの動作周期のうちの一部期間）で磁気歯車変速機に作用するせん断トルクが許容トルクを超える場合について説明する図である。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下において複数の実施形態や変形例などが含まれる場合、それらの特徴部分を適宜に組み合わせて新たな実施形態を構築することは当初から想定されている。また、以下で説明する各物理量の単位としては、ＭＫＳ単位系の単位が統一して採用されてもよく、それ以外の単位系が統一して採用されてもよい。

図１は、本発明の第１実施形態に係る発電システム１のブロック図である。なお、第１実施形態では、発電システム１が、ハイブリッド車（以下、単に車両という）に搭載される例について説明するが、発電システムは、ハイブリッド車以外の乗物に搭載されてもよく、又は乗物に無関係な設備、機械に搭載されてもよい。図１に示すように、発電システム１は、発電装置１０、及び制御装置６０を備える。

発電装置１０は、エンジン２０と、変速機の一例としての磁気歯車変速機４０と、発電機５０とを含む。磁気歯車変速機４０は、ケース（図示せず）に固定されることで回転が止められたリング磁気歯車（図示せず）と、リング磁気歯車の内側（径方向内側）に配置された入力側磁気歯車としてのサン磁気歯車４１と、リング磁気歯車の周方向に沿って互いに間隔をおいて（等間隔で）並べられ、リング磁気歯車とサン磁気歯車４１との間に配置された出力側磁気歯車としての複数の遊星磁気歯車４２と、各遊星磁気歯車４２を回転自在に支持するキャリアとして機能する出力軸４３と、を含む。リング磁気歯車とサン磁気歯車４１の中心軸は一致している。各遊星磁気歯車４２の中心軸は、リング磁気歯車及びサン磁気歯車４１の中心軸に対して平行になっている。磁気歯車変速機４０は、物理的な接触（機械的な接触）を用いずにエンジン２０の回転動力を発電機５０に伝達する。磁気歯車変速機４０は、エンジン２０の出力トルクを変動させ、変動させたトルクを発電機５０のロータ５１に伝達する。

制御装置６０は、発電装置１０を制御する。制御装置６０は、エンジン２０を制御するエンジン制御部７０と、発電機５０を制御する発電機制御部８０とを含む。制御装置６０は、磁気歯車変速機４０に加わるせん断トルクが磁気歯車変速機４０の許容トルク以下になるように、発電装置１０を制御する。

詳しくは、エンジントルクをＴ_E、エンジン回転数をω_E、発電機５０のトルクをＴ_G、発電機５０のロータ５１の回転数をω_G、エンジン２０とそれに結合する磁気歯車変速機４０の慣性モーメントをＩｅ、発電機５０とそれに結合する磁気歯車変速機４０の慣性モーメントをＩｇとし、磁気歯車変速機４０の速度比（エンジン２０の出力軸の回転数に対する発電機５０のロータ５１の回転数の比）をＧとしたとき、磁気歯車変速機４０のエンジン側に加わるエンジン側トルクＴｇｅは、次の式（１）で表され、磁気歯車変速機４０の発電機側に加わる発電機側トルクＴｇｇ（発電機側トルクの向きはエンジン側トルクの向きと逆向きを正と定義する）は、次の式（２）で表される。また、磁気歯車変速機４０に作用するせん断トルクは（Ｔｇｅ＋Ｔｇｇ）で表される。

したがって、せん断トルクが磁気歯車変速機４０の許容トルクＴｇａ以下になる必要があるので、式（３）が成立し、上記（１）式〜（３）式から、下記の（４）式が成立し、更に、速度比Ｇに関する下記の（５）式及び（６）式も成立する。したがって、（５）式及び（６）式を用いて、（４）式からＴ_G及びω_Gを消去すると（７）式が成立する。よって、[（１＋１／Ｇ）Ｔ_E−（Ｉｅ＋ＧＩｇ）ｄω_E／ｄｔ]が許容トルクＴｇａ以下であれば、磁気歯車変速機４０に許容トルクを超えるせん断トルクが作用することがなく、磁気歯車変速機４０の脱調が抑制される。制御装置６０は、磁気歯車変速機４０の許容トルクをＴｇａとしたとき、下記の（７）式が成立するように発電装置１０を制御する。

エンジン制御部７０は、エンジン動作点決定部７１と、エンジン燃焼制御部７７とを有し、エンジン動作点決定部７１は、暫定トルク決定部７２と、目標トルク設定部７３とを含む。暫定トルク決定部７２は、車両のアクセル開度センサ１１からのアクセル開度を表す信号と、車速センサ１２からの車速を表す信号とに基づいて、目標エンジン出力を算出する。アクセル開度センサ１１及び車速センサ１２としては、公知のセンサを採用でき、車速センサ１２は、例えば、ホール素子やコイルを含んで車軸等に取り付けられ、車軸の回転数に比例する数のパルス信号を出力する。暫定トルク決定部７２は、マップに基づいて目標エンジン出力を算出する。係るマップは、エンジン出力及び車速と、目標エンジン出力とを関連づける。例えば、制御装置６０には記憶部が内蔵され、マップは、記憶部に予め記憶される。しかし、記憶部は、制御装置外に配置され、当該マップが、制御装置外の記憶部に記憶されてもよい。

記憶部には、更に、エンジントルクを一方のパラメータとし、エンジン回転数を他方のパラメータとする２次元平面において、目標エンジン出力が一定になる等出力線と、エンジンの最適燃費線との関係を表すマップが記憶されている。図２に、そのようなマップの一例を示す。図２を参照して、暫定トルク決定部７２は、算出した目標エンジン出力の等出力線と最適燃費線との交点から、暫定エンジントルクＴｅと暫定エンジン回転数ωｅとを決定する。

再度、図１を参照して、目標トルク設定部７３は、暫定トルク決定部７２が決定したＴｅ及びωｅが[（１＋１／Ｇ）Ｔｅ−（Ｉｅ＋ＧＩｇ）ｄωｅ／ｄｔ]≦Ｔｇａを満たすか否かを判定する。ここで、ｄωｅ／ｄｔは、例えば、０.５秒以下の僅かな所定時間を隔てた２点間の暫定エンジン回転数ωｅの差分を当該所定時間で割ることで算出され、Ｔｅはその２点のうちで大きい方の値が採用される。なお、係る判定は上記僅かな時間毎に実行される。

そして、各所定時間で、[（１＋１／Ｇ）Ｔｅ−（Ｉｅ＋ＧＩｇ）ｄωｅ／ｄｔ]≦Ｔｇａが満足される場合には、目標エンジントルクＴ_E ^*を、暫定的に決定したＴｅに設定すると共に、目標エンジン回転数ω_E ^*を、暫定的に決定したωｅに設定する。

一方、いずれかの所定時間で、Ｔｅが[（１＋１／Ｇ）Ｔｅ−（Ｉｅ＋ＧＩｇ）ｄωｅ／ｄｔ]＞Ｔｇａを満たす場合には、その所定時間においては、目標エンジントルクＴ_E ^*及び目標エンジン回転数ω_E ^*を、[（１＋１／Ｇ）Ｔｅ'−（Ｉｅ＋ＧＩｇ）ｄωｅ'／ｄｔ]≦Ｔｇａを満たすＴｅ'及びωｅ'に設定する。すなわち、[（１＋１／Ｇ）Ｔｅ−（Ｉｅ＋ＧＩｇ）ｄωｅ／ｄｔ]＞Ｔｇａである場合には、最適燃費の条件を犠牲にしてまでも、目標エンジントルクＴ_E ^*を、磁気歯車変速機４０に作用するせん断トルクが許容トルク以下になるように設定する。

図２に示す例では、暫定トルクＴｅが[（１＋１／Ｇ）Ｔｅ−（Ｉｅ＋ＧＩｇ）ｄωｅ／ｄｔ]≦Ｔｇａを満足しないため、目標エンジントルクＴ_E ^*及び目標エンジン回転数ω_E ^*が、等出力線において太線で示すＲ１領域に位置するように、目標エンジントルクＴ_E ^*を、最適燃費を満たす値よりも小さい値に設定する。図２から明らかなように、目標エンジントルクＴ_E ^*を、最適燃費を満たす値よりも小さな値に設定すると、目標エンジン回転数ω_E ^*は、最適燃費を満たす値よりも大きな値となる。

Ｔｅ'の具体的な決定方法の一例としては、例えば、α≧０を満たす定数トルクを採用し、[（１＋１／Ｇ）Ｔｅ'−（Ｉｅ＋ＧＩｇ）ｄωｅ'／ｄｔ]＝（Ｔｇａ−α）によりＴｅ'及びωｅ'を決定する。ここで、ｄωｅ'／ｄｔは、例えば次のように算出する。すなわち、目標トルク設定部７３は、エンジン２０の出力回転軸に取り付けられたエンジン回転数センサ２５（図１参照）からの信号に基づいて、トルクのエンジン回転数ω_Eを特定し、目標エンジントルクＴ_E ^*をＲ１領域内のトルクとしたときに、目標エンジン出力が同一になるという条件から、目標エンジン回転数ω_E ^*を設定する。その結果、僅かな時間（この僅かな時間は、上記所定時間と同じに設定されてもよく、上記所定時間と異なる時間に設定されてもよい）におけるそれら２つの間のエンジン回転数の差Δω_Eを算出でき、ｄωｅ'／ｄｔを［Δω_E／上記僅かな時間］を計算することで算出できる。エンジン回転数検出部２５は、例えば、クランクプーリー、フライホイール、カムシャフト等の回転数を検出する。エンジン回転数検出部２５としては、如何なる公知のセンサも採用でき、例えば、磁力を用いた電磁式センサや、光学式センサを使用できる。なお、下記で説明するクランク角検出センサ１４からの信号によりエンジン回転数を特定してもよい。

エンジン動作点決定部７１は、決定した目標エンジントルクＴ_E ^*を表す信号と、特定した目標エンジン回転数ω_E ^*を表す信号とをエンジン燃焼制御部７７に出力する。また、エンジン動作点決定部７１は、決定した目標エンジントルクＴ_E ^*を表す信号を、後で説明する目標発電機トルク決定部８１に出力する。エンジン燃焼制御部７７は、目標エンジントルクＴ_E ^*を表す信号と、目標エンジン回転数ω_E ^*を表す信号と、クランク角検出センサ１４からのクランク角θｅを表す信号とに基づいて、エンジン回転数ω_Eが目標エンジン回転数ω_E ^*になり、エンジントルクＴ_Eが目標エンジントルクＴ_E ^*になるように、エンジン２０の空燃比や、燃料噴射量や、燃料噴射タイミングや、点火タイミング等を制御する。なお、クランク角検出センサ１４としては、公知の如何なるセンサも使用でき、例えば、フォトトランジスターを用いてクランク角を検出する光学式センサや、電磁ピックアップと突起によって電磁力を用いてクランク角を検出する磁気式センサを採用できる。

発電機制御部８０は、目標発電機トルク決定部８１と、制御信号出力部８２とを含む。目標発電機トルク決定部８１は、例えば、エンジン制御部７０が決定した目標エンジントルクＴ_E ^*と、磁気歯車変速機４０の速度比Ｇから、目標発電機トルクを、Ｔ_E ^*／Ｇと算出する。本実施例では、変速機が、磁気歯車変速機４０であるので、変速機の機械損失を考慮する必要がないが、変速機が、接触歯車を含む変速機である場合には、目標発電機トルクを、変速機の機械損失を考慮して試験的に決定すると好ましい。なお、この場合でも、目標発電機トルクは、目標エンジントルクＴ_E ^*のみから決定される。

制御信号出力部８２は、発電機のロータ５１の回転角検出センサ１５からのロータ５１の回転角ω_Gを表す信号に基づいて発電機５０のコイルに流す負荷電流を制御することで、発電機５０のトルク制御を実行する。例えば、発電機５０が、三相交流発電機である場合、制御信号出力部８２が、発電機５０のインバータに含まれる複数のスイッチング素子のオンオフ制御等を実行することで、発電機５０のトルク制御を実行する。なお、回転角検出センサ１５としては、公知の如何なるセンサも使用でき、例えば、磁力を用いた電磁式センサや、光学式センサを使用できる。発電機５０に作用する発電機トルクＴ_Gと、発電機５０が生成する電力とがつり合うと、発電機５０のロータ５１が等速で回転する。

上記第１実施形態によれば、エンジン動作点決定部７１が、目標エンジン出力が同一になるという条件において、目標エンジントルクＴ_E ^*及び目標エンジン回転数ω_E ^*を、[（１＋１／Ｇ）Ｔ_E ^*−（Ｉｅ＋ＧＩｇ）ｄω_E ^*／ｄｔ]≦Ｔｇａを満たす値に設定する。したがって、エンジン等速回転時において、磁気歯車変速機４０に許容トルクを超えるせん断トルクがかかることがなく、磁気歯車変速機４０が脱調することを抑制でき、[（１＋１／Ｇ）Ｔ_E−（Ｉｅ＋ＧＩｇ）ｄω_E／ｄｔ]＞Ｔｇａが生じる可能性があるために使用できなかった小型の変速機も使用できる。

また、エンジン動作点決定部７１が、エンジントルクを一方のパラメータとし、エンジン回転数を他方のパラメータとする２次元平面において、当該目標エンジン出力が一定になる等出力線と、エンジンの最適燃費線とが交差する点に基づいて、暫定的なエンジントルクＴｅ及び暫定的なエンジン回転数ωｅを決定する。そして、暫定トルク決定部７２が、[（１＋１／Ｇ）Ｔｅ−（Ｉｅ＋ＧＩｇ）ｄωｅ／ｄｔ]≦Ｔｇａが成立したとき、目標エンジントルクＴ_E ^*を暫定的なエンジントルクＴｅに設定すると共に、目標エンジン回転数ω_E ^*を暫定的なエンジン回転数ωｅに設定する一方、[（１＋１／Ｇ）Ｔｅ−（Ｉｅ＋ＧＩｇ）ｄωｅ／ｄｔ]＞Ｔｇａが成立したときには、目標エンジントルクＴ_E ^*及び前記目標エンジン回転数ω_E ^*を、目標エンジン出力が同一になるという条件において[（１＋１／Ｇ）Ｔｅ'−（Ｉｅ＋ＧＩｇ）ｄωｅ'／ｄｔ]≦Ｔｇａを満たす新たなエンジントルクＴｅ'及び新たなエンジン回転数ωｅ'に設定する。したがって、[（１＋１／Ｇ）Ｔｅ−（Ｉｅ＋ＧＩｇ）ｄωｅ／ｄｔ]＞Ｔｇａが成立した場合のみ、目標エンジントルクＴ_E ^*及び目標エンジン回転数ω_E ^*が、[（１＋１／Ｇ）Ｔｅ'−（Ｉｅ＋ＧＩｇ）ｄωｅ'／ｄｔ]≦Ｔｇａは満たすが最適燃費は実現しないＴｅ'及びωｅ'に設定されるので、燃費の増加をできるだけ抑制しつつ、せん断トルクを許容範囲に収めることができる。

また、発電機制御部８０が、目標エンジントルクＴ_E ^*と、磁気歯車変速機４０の速度比Ｇに基づき、目標発電機トルクを、Ｔ_E ^*／Ｇと決定し、発電機５０のトルクが当該目標発電機トルクＴ_E ^*／Ｇになるように発電機５０を制御する。よって、エンジン側でのトルク制御に加えて、発電機側でもトルク制御が実行されるので、トルク制御の精度が高くなる。

更には、[（１＋１／Ｇ）Ｔ_E−（Ｉｅ＋ＧＩｇ）ｄω_E／ｄｔ]＞Ｔｇａが生じる可能性があるために使用できなかった小型の変速機も使用でき、磁気歯車変速機４０等の小さい変速機の適用範囲を広げることができる。また、許容トルクが小さい磁気歯車変速機４０を使用でき、歯面同士が直接接触する変速機で生じる問題、例えば、歯車の摩耗、歯車の接触による振動や異音の発生、歯車の噛合に基づく粉塵・埃の発生等を抑制できる。

なお、目標エンジン出力を、アクセル開度と車速から特定する場合について説明したが、目標エンジン出力は、エンジンの空燃比や、燃料噴射量や、燃料噴射タイミング、点火タイミング等に基づいて決定されてもよい。目標エンジン出力は、発電装置の状態に基づいて求められればよい。

また、変速機が、サン磁気歯車４１、リング磁気歯車、及び遊星磁気歯車４２を有する遊星歯車機構の磁気歯車変速機である場合について説明した。しかし、磁気歯車変速機は、遊星歯車機構の磁気歯車変速機でなくてもよく、例えば、互いの中心軸が同一直線上に存在するように離間配置された２つの磁気歯車しか有さない構成でもよく、それ以外の如何なる構成でもよい。また、変速機は、機械的に接触する歯車を有する如何なる変速機であってもよい。変速機として、接触歯車を含む遊星歯車機構を用いた場合には、例えば、エンジンの出力軸を、太陽歯車に接続し、内歯車を、発電装置のロータに接続する。また、遊星キャリアを、固定し、内歯車を、太陽歯車と逆方向に回転させる。この場合、エンジンの回転速度が、磁気歯車変速機構で減速され、ロータの回転速度が減速された回転速度に一致する。

また、エンジン制御部７０が、磁気歯車変速機４０に作用するせん断トルクが、磁気歯車変速機４０の許容トルクＴｇａを超えない制御を実行し、発電機制御部８０も、上記せん断トルクが許容トルクＴｇａを超えない制御を実行する場合について説明した。しかし、発電機制御部８０が存在しなくてもよく、発電機５０によるトルク制御が実行されなくてもよい。

図３は、本発明の第２実施形態に係る発電システム１０１のブロック図である。なお、第２実施形態では、第１実施形態と同一の構成に同一の参照番号を付して説明を省略し、第１実施形態と同一の作用効果、変形例についても説明を省略する。第２実施形態では、トルク制御を主に発電機制御部１８０で実行する点と、燃焼室内での燃料の燃焼によって生じる脈動トルクを考慮する点とが、第１実施形態と異なる。以下、第１実施形態と異なる構成、作用効果、及び変形例について説明する。

図３に示すように、発電システム１０１は、発電装置１１０と、発電機制御部１８０とを含み、発電機制御部１８０は、エンジントルク推定部１８１と、発電機トルク算出部１８２とを有する。エンジントルク推定部１８１は、エンジン制御部７０（図示せず）から暫定エンジントルクを表す信号を受ける。暫定エンジントルクは、エンジン制御部７０が第１実施形態で決定した目標エンジントルクに一致する。

エンジントルク推定部１８１は、図示しないエンジン動作点決定部７１からの一定の暫定エンジントルクを表す信号と、クランク角検出センサ１４からのクランク角θｅを表す信号と、マップと、によってエンジントルクを推定する。上記マップは予め試験的に作成される。実際のエンジントルクには、クランク角θｅに依存する脈動成分が含まれる。上記マップは、上記暫定エンジントルク及びクランク角θｅと、想定される脈動成分を含んだエンジントルクと、を一対一に関連づける。上記マップは、例えば発電機制御部１８０に内蔵された記憶部１６０に予め記憶される。

発電機トルク算出部１８２は、エンジントルク推定部１８１が推定したエンジントルクと、暫定エンジントルクとから目標発電機トルクを決定する。発電機トルク算出部１８２は、エンジン側トルク算出部１８３、暫定発電機側トルク決定部１８４、及び発電機側トルク設定部１８５を含む。エンジン側トルク算出部１８３は、エンジン及びそれに結合する変速機の慣性モーメントＩｅ（仕様毎に既知）と、エンジン回転数ω_Eと、エンジントルク推定部１８１が推定した推定エンジントルクとに基づいて、上記（１）式を用いて磁気歯車変速機４０のエンジン側トルクＴｇｅを算出する。係る算出は、エンジントルクＴ_Eを、上記推定トルクに設定して実行する。発電装置１１０には、エンジン回転数検出部１２５が含まれる。エンジン側トルク算出部１８３は、エンジン回転数検出部１２５からの信号に基づいてエンジン回転数ω_Eを特定する。なお、エンジン回転数検出部１２５は、例えば、クランクプーリー、フライホイール、カムシャフト等の回転数を検出する。エンジン回転数検出部１２５としては、如何なる公知のセンサも採用でき、例えば、磁力を用いた電磁式センサや、光学式センサを使用できる。

暫定発電機側トルク決定部１８４は、上記暫定エンジントルクに基づいて磁気歯車変速機４０の暫定的な発電機側トルクＴｇｇ'を決定する。より詳しくは、暫定発電機側トルク決定部１８４は、一定のエンジントルクと、磁気歯車変速機４０の速度比Ｇとに基づいて、暫定的な発電機側トルクを決定する。

次に、図４,図５を用いて、発電機側トルク設定部１８５が目標の発電機側トルクＴｇｇを決定する手順について説明する。図４は、発電機側トルクＴｇｇを、暫定的な発電機側トルクＴｇｇ'に設定した場合でも、磁気歯車変速機４０に作用するせん断トルクが許容トルク内に収まる場合について説明する図である。詳しくは、図４（ａ）は、発電機側トルクＴｇｇを、−ａ／Ｇに設定した例を説明する図であり、図４（ｂ）は、発電機側トルクＴｇｇを、Ｔｇｅに含まれる脈動成分を−ａ／Ｇに加えたトルクに設定した例を説明する図である。

図４（ａ）に示す例では、エンジントルクに脈動成分が含まれることに起因して、エンジン側トルクＴｇｅが、目標エンジントルクａを中心として脈動する。これに対し、暫定的な発電機側トルクＴｇｇ'が、一定の（−ａ／Ｇ）として決定される。

図４（ａ）に示す例では、磁気歯車変速機４０の許容トルクＴｇａが、（Ｔｇｅ−Ｔｇｇ'）よりも大きい。よって、目標発電機側トルクＴｇｇを、暫定的な発電機側トルクＴｇｇ'に設定できる。また、図４（ａ）に示す例では、Ｔｇｅが脈動成分を有するのに対し、Ｔｇｇが一定となる。したがって、磁気歯車変速機４０に作用するせん断トルク（Ｔｇｅ−Ｔｇｇ）に脈動成分が含まれる。

一方、図４（ｂ）に示す例では、暫定的な発電機側トルクＴｇｇ'として、一定の（−ａ／Ｇ）に、エンジン側トルクＴｇｅの脈動成分を加えたトルクが採用される。すなわち、Ｔｇｇ'として、[−ａ／Ｇ＋（Ｔｇｅ−ａ）] が採用される。

図４（ｂ）に示す場合でも、許容トルクＴｇａが、（Ｔｇｅ−Ｔｇｇ'）よりも大きい。したがって、目標の発電機側トルクＴｇｇを、暫定的な発電機側トルクＴｇｇ'に設定できる。一方、図４（ｂ）に示す場合では、図４（ａ）に示す場合とは異なり、暫定的な発電機側トルクＴｇｇ'にエンジン側トルクＴｇｅの脈動成分が含まれる。よって、磁気歯車変速機４０に作用するせん断トルク（Ｔｇｅ−Ｔｇｇ）は、脈動成分が相殺されて一定になる。その結果、せん断トルク（Ｔｇｅ−Ｔｇｇ）が、脈動成分を有さないので、ＮＶを抑制できる。

図５は、発電機側トルクＴｇｇを、暫定的な発電機側トルクＴｇｇ'に設定した場合、一部のクランク角領域（エンジン２０の動作周期のうちの一部期間）で磁気歯車変速機４０に作用するせん断トルクが許容トルクを超える場合について説明する図である。詳しくは、図５は、ｂをエンジン動作点決定部７１が決定した一定の暫定エンジントルクとした場合に、発電機側トルクＴｇｇを、暫定的な発電機側トルクＴｇｇ'である-ｂ／Ｇに設定すると、Ｔｇｅの脈動の半周期に対応する時期においては、せん断トルク（Ｔｇｅ−Ｔｇｇ'）が許容トルクＴｇａを超える場合について説明する図である。

図５（ａ）に示す例では、せん断トルク（Ｔｇｅ−Ｔｇｇ'）が許容トルクＴｇａを超える半周期のタイミング（ｔ１＜ｔ＜ｔ２, ｔ３＜ｔ＜ｔ４）において、（Ｔｇｅ−Ｔｇｇ'）において許容トルクＴｇａを超えたトルク分を暫定的な発電機側トルクＴｇｇ'に加えたトルクを、発電機側トルクＴｇｇとして採用する。

すなわち、暫定的な発電機側トルクをＴｇｇ'とするとき、（Ｔｇｅ−Ｔｇｇ'）≦Ｔｇａを満たす（ｔ２≦ｔ≦ｔ３）のタイミングでは、発電機側トルクＴｇｇを、Ｔｇｇ'＝-ｂ／Ｇに設定する。

また、（Ｔｇｅ−Ｔｇｇ'）＞Ｔｇａを満たす（ｔ１＜ｔ＜ｔ２, ｔ３＜ｔ＜ｔ４）のタイミングでは、発電機側トルクＴｇｇを、（Ｔｇｅ−Ｔｇｇ'）において許容トルクＴｇａを超えたトルク分を暫定的な発電機側トルクＴｇｇ'に加えた[Ｔｇｇ'＋（Ｔｇａ-ｂ）]＝[-ｂ／Ｇ＋（Ｔｇａ-ｂ）]に設定する。

このようにして、磁気歯車変速機に作用するせん断トルクが許容トルクを超えないようにしている。なお、図５（ａ）に示す例では、（Ｔｇｅ−Ｔｇｇ'）＞Ｔｇａを満たす（ｔ１＜ｔ＜ｔ２, ｔ３＜ｔ＜ｔ４）のタイミングで、せん断トルク（Ｔｇｅ−Ｔｇｇ）が、許容トルクＴｇａに一致する。しかし、（Ｔｇｅ−Ｔｇｇ'）＞Ｔｇａを満たすタイミングで、せん断トルク（Ｔｇｅ−Ｔｇｇ）が、許容トルクＴｇａよりも小さくなるようにＴｇｇを決定してもよい。

図５（ｂ）に示す例では、磁気歯車変速機４０に作用するせん断トルクが許容トルクを超えない（ｔ２≦ｔ≦ｔ３）のタイミングでも、発電機側トルクＴｇｇを、暫定的な発電機側トルクＴｇｇ'に脈動成分を加えたトルクに設定する。このようにして、せん断トルク（Ｔｇｅ−Ｔｇｇ）に脈動成分が含まれないようにしている。なお、図５（ｂ）に示す例では、せん断トルク（Ｔｇｅ−Ｔｇｇ）が許容トルクに一致するようにＴｇｇを決定している。しかし、せん断トルク（Ｔｇｅ−Ｔｇｇ）が、脈動成分を含まず、かつ許容トルクより小さくなるようにＴｇｇを決定してもよい。図５（ｂ）に示す例では、図５（ａ）に示す例との比較において、エンジン動作の周期の全てでせん断トルク（Ｔｇｅ−Ｔｇｇ）に脈動成分が含まれない。よって、図５（ａ）に示す例との比較においてＮＶが生じにくくなって好ましい。

発電機側トルク設定部１８５が目標の発電機側トルクＴｇｇを決定すると、発電機トルク算出部１８２は、上記（２）式に基づいて、Ｔｇｇと、ロータ５１の回転数ω_Gとに基づいて目標の発電機トルクＴ_G ^*を算出する。そして、発電機５０のトルクＴ_Gが目標の発電機トルクＴ_G ^*に一致するように発電機５０のコイルに供給する電力を制御する。

なお、第２実施形態では、エンジントルク推定部１８１が、クランク角θｅと、クランク角とエンジントルクを対応づけたマップと、に基づいて脈動成分を含むエンジントルクＴｅを推定する場合について説明した。

しかし、発電システムが、エンジンの燃焼室の筒内圧力を検出する筒内圧力検出部を更に備え、エンジントルク推定部が、クランク角と、筒内圧力とに基づいてエンジントルクを推定してもよい。

エンジンの筒内圧力で燃焼室での燃焼の度合を実測できる。よって、筒内圧力とクランク角から、ピストンがいずれの位置にあって、どのように動いているかを特定できる。ピストンの位置から燃焼室の容量が算出できるので、筒内圧力からピストンを押圧する力が特定できる。したがって、ピストンの位置と、ピストンを押圧する力が既知であるので、クランクシャフトに作用するトルクを算出でき、エンジントルクを算出できる。

又は、発電装置が、エンジンの燃焼室に噴射された燃料噴射量を特定可能な燃料特定部と、燃焼室内の燃料に点火する点火装置と、点火装置の点火タイミングを特定可能な点火タイミング特定部と、を備え、エンジントルク推定部が、クランク角と、燃料噴射量と、点火タイミングとに基づいてエンジントルクを推定してもよい。燃料噴射量と点火信号とから筒内圧力を特定できる。したがって、この変形例の構成でも、エンジントルクを算出できる。上記２つの変形例によれば、エンジントルクが実際に算出される。よって、マップを用いた第２実施形態との比較で、エンジントルクをより正確に推定できる。

１,１０１ 発電システム、 １０,１１０ 発電装置、 ２０ エンジン、 ４０ 磁気歯車変速機、 ５０ 発電機、 ５１ 発電機のロータ、 ６０ 制御装置、 ７１ エンジン動作点決定部、 ７２ 暫定トルク決定部、 ７３ 目標トルク設定部、 ７７ エンジン燃焼制御部、 ８０，１８０ 発電機制御部、 １８１ エンジントルク推定部、 １８２ 発電機トルク算出部、 １８３ エンジン側トルク算出部、 １８４ 暫定発電機側トルク決定部、 １８５ 発電機側トルク設定部。

Claims (10)

1. エンジン、前記エンジンによって駆動される発電機、及び前記エンジンの出力軸の回転動力を前記発電機のロータに伝達する変速機を含む発電装置と、前記発電装置を制御する制御装置と、を備える発電システムであって、
   前記制御装置は、
   前記発電装置の状態に基づいて、目標エンジン出力と、目標エンジントルクとを決定するエンジン動作点決定部と、
   前記エンジンの出力トルクが前記エンジン動作点決定部により決定された前記目標エンジントルクになるように、前記エンジンの燃焼を制御するエンジン燃焼制御部と、
   を有し、
   前記エンジンとそれに結合する前記変速機の慣性モーメントをＩｅとし、前記発電機とそれに結合する前記変速機の慣性モーメントをＩｇとし、前記エンジンの出力軸の回転数に対する前記発電機のロータの回転数の比として定義される前記変速機の速度比をＧとし、前記変速機の許容トルクをＴｇａとするとき、前記エンジン動作点決定部が、前記目標エンジン出力が同一になるという条件において、前記目標エンジントルクＴ_E ^*と目標エンジン回転数ω_E ^*を[（１＋１／Ｇ）Ｔ_E ^*−（Ｉｅ＋ＧＩｇ）ｄω_E ^*／ｄｔ]≦Ｔｇａを満たす値に設定する、発電システム。
2. 請求項１に記載の発電システムにおいて、
   前記エンジン動作点決定部は、
   エンジントルクを一方のパラメータとし、エンジン回転数を他方のパラメータとする２次元平面において、前記目標エンジン出力が一定になる等出力線と、前記エンジンの最適燃費線とが交差する点に基づいて、暫定的なエンジントルクＴｅ及び暫定的なエンジン回転数ωｅを決定する暫定トルク決定部と、
   [（１＋１／Ｇ）Ｔｅ−（Ｉｅ＋ＧＩｇ）ｄωｅ／ｄｔ]≦Ｔｇａが成立したとき、前記目標エンジントルクＴ_E ^*を前記暫定的なエンジントルクＴｅに設定すると共に、目標エンジン回転数ω_E ^*を前記暫定的なエンジン回転数ωｅに設定する一方、[（１＋１／Ｇ）Ｔｅ−（Ｉｅ＋ＧＩｇ）ｄωｅ／ｄｔ]＞Ｔｇａが成立したときには、前記目標エンジントルクＴ_E ^*及び前記目標エンジン回転数ω_E ^*を、前記目標エンジン出力が同一になるという条件において、[（１＋１／Ｇ）Ｔｅ'−（Ｉｅ＋ＧＩｇ）ｄωｅ'／ｄｔ]≦Ｔｇａを満たす新たなエンジントルクＴｅ'及び新たなエンジン回転数ωｅ'に設定する目標トルク設定部と、を有する、発電システム。
3. 請求項２に記載の発電システムにおいて、
   前記発電機のトルクを制御する発電機制御部を備え、
   前記発電機制御部は、前記目標エンジントルクと前記速度比に基づいて目標発電機トルクを決定し、前記発電機のトルクが、前記目標発電機トルクに一致するように前記発電機を制御する、発電システム。
4. エンジン、前記エンジンによって駆動される発電機、及び前記エンジンの出力軸の回転動力を前記発電機のロータに伝達する変速機を含む発電装置と、前記発電装置を制御する制御装置と、を備える発電システムであって、
   前記発電装置は、前記エンジンのクランク角を検出するクランク角検出部を有し、
   前記制御装置は、
   前記発電装置の状態に基づいて決定される暫定エンジントルクと、前記クランク角とに基づいて、エンジントルクを推定するエンジントルク推定部と、
   前記エンジントルク推定部が推定した前記エンジントルクと、前記暫定エンジントルクとに基づいて、前記変速機に作用するトルクが前記変速機の許容トルクを超えないような発電機トルクを算出する発電機トルク算出部と、
   を有する、発電システム。
5. 請求項４に記載の発電システムにおいて、
   前記発電機のロータ回転数を検出するロータ回転数検出部と、
   エンジン回転数を検出するエンジン回転数検出部と、
   を備え、
   前記発電機トルク算出部は、
   前記エンジン及びそれに結合する前記変速機の慣性モーメントと、前記エンジン回転数と、前記エンジントルクとに基づいて、前記変速機のエンジン側トルクＴｇｅを算出するエンジン側トルク算出部と、
   前記暫定エンジントルクに基づいて前記変速機の暫定的な発電機側トルクＴｇｇ'を決定する暫定発電機側トルク設定部と、
   前記変速機の許容トルクをＴｇｅとしたとき、（Ｔｇｅ−Ｔｇｇ'）≦Ｔｇａが成立した場合に、発電機側トルクＴｇｇを、前記暫定的な発電機側トルクＴｇｇ'に設定する一方、（Ｔｇｅ−Ｔｇｇ'）＞Ｔｇａが成立した場合に、前記発電機側トルクＴｇｇを、Ｔｇｇ''≧（Ｔｇｅ−Ｔｇａ）を満たす新たな発電機側トルクＴｇｇ''に設定する発電機側トルク設定部と、を有する、発電システム。
6. 請求項５に記載の発電システムにおいて、
   前記エンジン側トルクに脈動成分が含まれ、
   前記発電機側トルクに前記脈動成分が含まれる、発電システム。
7. 請求項４乃至６のいずれか１つに記載の発電システムにおいて、
   前記エンジントルク推定部は、前記クランク角と、クランク角とエンジントルクを対応づけたマップと、に基づいて前記エンジントルクを推定する、発電システム。
8. 請求項４乃至６のいずれか１つに記載の発電システムにおいて、
   前記エンジンの燃焼室の筒内圧力を検出する筒内圧力検出部を備え、
   前記エンジントルク推定部は、前記クランク角と、前記筒内圧力とに基づいて前記エンジントルクを推定する、発電システム。
9. 請求項４乃至６のいずれか１つに記載の発電システムにおいて、
   前記エンジンの燃焼室に噴射された燃料噴射量を特定可能な燃料特定部と、
   前記燃焼室内の燃料に点火する点火装置と、
   前記点火装置の点火タイミングを特定可能な点火タイミング特定部と、
   を備え、
   前記エンジントルク推定部は、前記クランク角と、前記燃料噴射量と、前記点火タイミングとに基づいて前記エンジントルクを推定する、発電システム。
10. 請求項１乃至９のいずれか１つに記載の発電システムにおいて、
    前記変速機は、磁気歯車変速機である、発電システム。

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