JP2019157780A - 発電用エンジンの制御装置及び発電用エンジンの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発電用エンジンの要冷却部品の熱負荷を抑制しつつ、発電用エンジンを早期に停止できる発電用エンジンの制御装置を提供する。【解決手段】本開示は、鉄道車両内において発電機を駆動する発電用エンジンの制御装置である。発電用エンジンの制御装置は、発電用エンジンへの燃料供給の停止後、電力供給によって発電機を電動機として駆動させることで発電用エンジンの出力軸を回転させるように構成される。【選択図】図１

Description

本開示は、発電用エンジンの制御装置及び発電用エンジンの制御方法に関する。

発電用エンジンを備えた鉄道車両において、発電用エンジンで発電機を回転し、この発電機の出力によって電動機を駆動するシステムが知られている（特許文献１参照）。

このような鉄道車両では、エンジンの燃焼による騒音の抑制と、Ｎｏｘ、ＰＭなどの有害物質の排出の軽減との観点から、発電が不要となった後、早期に発電用エンジンを停止することが望まれる。

特開２０１５−１０４９７０号公報

発電用エンジンには、一般に、過給機や軸受等の熱負荷を大きく受ける部品を、潤滑油や冷却水の循環によって冷却する冷却機構が設けられている。この冷却機構は、発電用エンジンの出力軸の回転に連動して機能するため、発電用エンジンを停止すると冷却機構も停止する。

そのため、発電用エンジンを急激に停止させると、冷却機構の停止によって過給機や軸受等の要冷却部品の熱負荷が大きくなり、要冷却部品の寿命が低下するおそれがある。この対策として、要冷却部品の耐熱性の強化、又は冷却経路の範囲増大が考えられるが、これらの対策はコストを増大させる。一方で、冷却機構を機能させるために発電用エンジンの停止を遅らせることは、静粛性の低下と、環境負荷の増大とを招く。

本開示の一局面は、発電用エンジンの要冷却部品の熱負荷を抑制しつつ、発電用エンジンを早期に停止できる発電用エンジンの制御装置を提供することを目的としている。

本開示の一態様は、鉄道車両内において発電機を駆動する発電用エンジンの制御装置である。発電用エンジンの制御装置は、発電用エンジンへの燃料供給の停止後、電力供給によって発電機を電動機として駆動させることで発電用エンジンの出力軸を回転させるように構成される。

このような構成によれば、発電機への電力供給により、発電用エンジンの出力軸を強制的に回転させることで、発電用エンジンの停止後（つまり、燃焼室内への燃料噴射の停止後）に冷却機構を機能させることができる。そのため、過給機や軸受等の要冷却部品を冷却して熱負荷を抑えつつ、早期の発電用エンジンの停止が可能となる。その結果、要冷却部品の寿命低下を抑制しつつ、静粛性の向上と環境負荷の軽減とを達成できる。

本開示の一態様では、鉄道車両内に設置された蓄電池から発電機へ電力を供給するように構成されてもよい。このような構成によれば、電気を使用して発電用エンジンを強制回転できる。そのため、発電用エンジンを強制回転させるための電源を別途設ける必要がない。

本開示の一態様では、発電機の出力は、鉄道車両の走行用動力及び車載機器用電源として使用されてもよい。このような構成によれば、鉄道車両の走行動力及び車載機器用電源を賄う大型の発電用エンジンを早期に停止することができる。そのため、静粛性の向上と、環境負荷の軽減効果とを効果的に促進できる。

本開示の別の態様は、鉄道車両内に設置された発電機を駆動する発電用エンジンの制御方法である。発電用エンジンの制御方法は、発電用エンジンへの燃料供給の停止後、電力供給によって発電機を電動機として駆動させることで発電用エンジンの出力軸を回転させる工程を備える。

このような構成によれば、過給機や軸受等の要冷却部品を冷却して熱負荷を抑えつつ、早期の発電用エンジンの停止が可能となる。その結果、静粛性が向上すると共に、環境負荷が軽減できる。

図１は、実施形態における鉄道車両の構成を概略的に示すブロック図である。 図２は、図１の電源ユニットによる電力の供給フローを概略的に示すブロック図である。 図３は、図１の発電用エンジンの制御装置が実行する処理を概略的に示すフロー図である。

以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［１−１．構成］
図１に示す発電用エンジンの制御装置（以下、単に「制御装置」ともいう。）１は、鉄道車両１０内において発電機４を駆動する発電用エンジン３を制御する。

鉄道車両１０は、制御装置１と、主変換装置２と、発電用エンジン３と、発電機４と、蓄電池５と、複数の主電動機６Ａ，６Ｂと、複数の輪軸７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄとを備える。

＜主変換装置＞
主変換装置２は、蓄電池５及び主電動機６Ａ，６Ｂに電気的に接続されている。主変換装置２は、発電機４が発電した電力又は蓄電池５に蓄えられた電力を、主電動機６Ａ，６Ｂに供給することで、主電動機６Ａ，６Ｂを駆動する。

また、主変換装置２は、蓄電池５と共に、電源ユニット２０を構成している。主変換装置２を含む電源ユニット２０は、図２に示すように、運転装置３０、保安装置４０、サービス装置５０、運転支援装置６０等の車載機器の電源として機能する。

運転装置３０は、主幹制御装置、照明装置、ブレーキ装置、コンプレッサー装置、及び速度計装置を含む。
保安装置４０は、自動列車停止装置（例えば、ＡＴＳ−ＳＴ装置、ＡＴＳ−ＰＴ装置など）、列車無線装置、及び防護無線装置を含む。

サービス装置５０は、室内灯装置、コンセント装置、冷房装置、暖房装置、換気装置、行先表示装置、及び手洗装置を含む。
運転支援装置６０は、運転装置３０、保安装置４０、及びサービス装置５０以外の電源を要する装置である。運転支援装置６０は、モニタ装置、運情報記録装置、及び振動検知装置を含む。

＜発電用エンジン＞
発電用エンジン３は、発電機４を駆動させる内燃機関である。発電用エンジン３は、発電機４に連結される出力軸（つまりクランク軸）、出力軸を支持する軸受、燃料噴射装置、過給機、冷却機構等を有する。

冷却機構は、軸受、過給機等の熱負荷が加わる要冷却部品に対し、潤滑油又は冷却水を循環供給することで、熱負荷を低減させる。冷却機構は、出力軸の回転に伴って駆動するように構成されている。

そのため、冷却機構は、発電用エンジン３が運転している間は機能し続ける。また、冷却機構は、燃料噴射装置の停止（つまり燃料供給の停止）によって出力軸の回転が停止すると、要冷却部品の熱負荷に関わらず機能を停止する。

発電用エンジン３の排気量は、例えば１０，０００ｃｃ以上２０，０００ｃｃ以下であり、典型的には１４，０００ｃｃ程度である。発電用エンジン３の出力は、例えば２００ｋＷ以上５００ｋＷ以下であり、典型的には３３０ｋＷ程度である。発電用エンジン３の車両重量当たりの出力は、例えば１ｋＷ／ｔ以上２０ｋＷ／ｔ以下であり、典型的には８ｋＷ／ｔ程度である。

このように、発電用エンジン３の排気量及び出力は、ハイブリッド自動車のエンジン（例えば、排気量は２，０００ｃｃ程度、出力は１５０ｋＷ程度）に比べ大きい。一方で、発電用エンジン３の車両重量当たりの出力は、ハイブリッド自動車のエンジン（例えば、７５ｋＷ／ｔ程度）に比べて小さい。

つまり、発電用エンジン３は、エンジン負荷割合が高い状態で運転されるため、ハイブリッド自動車のエンジンに比べ、高温になりやすい。また、発電用エンジン３は、排気量及び出力が大きいため、冷却に必要な熱量も大きい。

さらには、鉄道車両１０は、決められた時刻にレール上を走行するため、運転速度の変更や停止が基本的に行われない。そのため、発電用エンジン３の稼働率が高くなる。
このように、発電用エンジン３では、要冷却部品の熱負荷が大きいため、的確な熱負荷の制御が求められる。

＜発電機＞
発電機４は、発電用エンジン３の動力によって電気を生成する。つまり、発電機４は、回転子が発電用エンジン３の出力軸に連結されている。また、発電機４は、電力の供給によって回転子を回転させることで、電動機として発電用エンジン３の出力軸を回転可能に構成されている。

発電機４の出力（つまり、発電機４が生成した電気）は、上述のように、主変換装置２を含む電源ユニット２０を介して、鉄道車両１０の走行用動力及び車載機器用電源として使用される。

＜蓄電池＞
本実施形態では、蓄電池５は、鉄道車両１０内に主変換装置２と共に設置されている。ただし、蓄電池５は、主変換装置２と独立した装置であってもよい。蓄電池５は、発電機４が生成した電気を蓄える。また、蓄電池５は、電動機６Ａ，６Ｂが発電した電気を蓄える。

蓄電池５に蓄えられた電気は、主変換装置２によって、発電機４、主電動機６Ａ，６Ｂ、運転装置３０、保安装置４０、サービス装置５０、及び運転支援装置６０に供給され、これらの動力又は電源として使用される。

蓄電池５の容量は、例えば１０ｋＷｈ以上１００ｋＷｈ以下であり、典型的には４０ｋＷｈ程度である。鉄道車両１０では、上述のように、多くの車載機器に電力を供給する必要があるため、蓄電池５の容量は、ハイブリッド自動車の蓄電池の容量（例えば、１ｋＷｈ程度）に比べ大きい。

＜主電動機＞
主電動機６Ａ，６Ｂは、鉄道車両１０の走行用の動力源となるモーターである。主電動機６Ａ，６Ｂは、それぞれ、輪軸７Ａ，７Ｂに取り付けられている。なお、鉄道車両１０が備える主電動機６Ａ，６Ｂの数は２つに限定されない。

＜輪軸＞
輪軸７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄは、それぞれ、２つの車輪を１本の車軸で接続したものである。なお、鉄道車両１０が備える輪軸７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄの数は４つに限定されない。

＜制御装置＞
制御装置１は、発電用エンジン３への燃料供給の停止後、蓄電池５から発電機４に電力を供給し、発電機４を電動機として駆動させることで、発電用エンジン３の出力軸を回転させる。なお、制御装置１は、電源ユニット２０から運転装置３０、保安装置４０、サービス装置５０、運転支援装置６０等の車載機器への電源の供給も制御する。そのため、発電用エンジン３を強制回転させるための制御装置と、電源の供給を制御するための制御装置とをそれぞれ設ける必要がない。

なお、発電機４への電力供給は、発電用エンジン３への燃料供給の停止と同時に行ってもよいし、発電用エンジン３の出力軸の回転停止と同時に行ってもよいし、燃料供給の停止から一定時間経過後に行ってもよいし、出力軸の回転停止から一定時間経過後に行ってもよい。

これにより、燃料供給の停止後において発電用エンジン３の冷却機構の駆動を継続することができる。燃料供給の停止後でも、発電用エンジン３の冷却機構が駆動するため、早期に要冷却部品を冷却することができる。

制御装置１は、要冷却部品の冷却後、発電機４への電力供給を停止し、発電用エンジン３の出力軸の回転を停止させる。これにより、発電用エンジン３及び発電機４が完全に停止する。

なお、本実施形態では、制御装置１は、主変換装置２に組み込まれており、主変換装置２の一機能として構成されている。ただし、制御装置１は、主変換装置２と独立した装置であってもよい。

［１−２．処理］
以下、図３のフロー図を参照しつつ、制御装置１が実行する処理（つまり、発電用エンジンの制御方法）について説明する。

まず、制御装置１は、発電用エンジン３への燃料供給停止の信号を受け取る（ステップＳ１０）。信号を受け取った制御装置１は、電力供給によって発電機４を電動機として駆動させることで発電用エンジン３の出力軸を回転させる（ステップＳ２０）。

その後、制御装置１は、一定の条件に基づいて、発電機４への電力供給を停止する（ステップＳ３０）。発電機４への電力供給を停止する条件としては、例えば、一定時間が経過する、非冷却部品の温度が一定以下になる、などが設定される。

［１−３．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）発電機４への電力供給により、発電用エンジン３の出力軸を強制的に回転させることで、発電用エンジン３の停止後（つまり、燃焼室内への燃料噴射の停止後）に冷却機構を機能させることができる。

そのため、過給機や軸受等の要冷却部品を冷却して熱負荷を抑えつつ、早期の発電用エンジン３の停止が可能となる。その結果、要冷却部品の寿命低下を抑制しつつ、静粛性の向上と環境負荷の軽減とを達成できる。

（１ｂ）蓄電池５から発電機４へ電力供給することで、電気を使用して発電用エンジン３を強制回転できる。そのため、発電用エンジン３を強制回転させるための電源を別途設ける必要がない。

（１ｃ）鉄道車両１０の走行動力及び車載機器用電源を賄う大型の発電用エンジン３を早期に停止することができる。そのため、静粛性の向上と、環境負荷の軽減効果とを効果的に促進できる。

［２．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

（２ａ）上記実施形態の発電用エンジンの制御装置１において、必ずしも蓄電池５から発電機４へ電力を供給しなくてもよい。つまり、蓄電池５以外の機器から発電機４へ電力を供給してもよい。

（２ｂ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

１…発電用エンジンの制御装置、２…主変換装置、３…発電用エンジン、４…発電機、
５…蓄電池、６Ａ，６Ｂ…主電動機、７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ…輪軸、
１０…鉄道車両、２０…電源ユニット、３０…運転装置、４０…保安装置、
５０…サービス装置、６０…運転支援装置。

Claims (4)

1. 鉄道車両内において発電機を駆動する発電用エンジンの制御装置であって、
   前記発電用エンジンへの燃料供給の停止後、電力供給によって前記発電機を電動機として駆動させることで前記発電用エンジンの出力軸を回転させるように構成される、発電用エンジンの制御装置。
2. 請求項１に記載の発電用エンジンの制御装置であって、
   前記鉄道車両内に設置された蓄電池から前記発電機へ電力を供給するように構成される、発電用エンジンの制御装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の発電用エンジンの制御装置であって、
   前記発電機の出力は、鉄道車両の走行用動力及び車載機器用電源として使用される、発電用エンジンの制御装置。
4. 鉄道車両内に設置された発電機を駆動する発電用エンジンの制御方法であって、
   前記発電用エンジンへの燃料供給の停止後、電力供給によって前記発電機を電動機として駆動させることで前記発電用エンジンの出力軸を回転させる工程を備える、発電用エンジンの制御方法。

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