JP6372827B2 - 発電部材付内燃機関 - Google Patents
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Description
本発明は、発電部材を備える内燃機関に関するものである。
二酸化炭素の排出抑制のため、内燃機関を利用した車両の燃費の改善手段が、車両メーカをはじめ、車両部品メーカや燃料メーカから数多く提案されている。例えばハイブリッドカーは、回生ブレーキを用いて減速時の運動エネルギを電気エネルギに変換して二次電池に蓄える手段により、大幅な燃費の改善を図ることができている。
更に上記の燃費改善手段のほかに、特許文献１または特許文献２に開示されている手段を採用することも可能である。即ち運動エネルギの一種である振動エネルギを、圧電素子を利用して電気エネルギに変換し二次電池に蓄える手段により、車両の燃費の改善を図る方式である。
しかし、特許文献１及び特許文献２に開示された手段は、車両を運転している状態で生じる振動エネルギを電気エネルギに変換するため、内燃機関のアイドリング状態でのエネルギの回収ができず、エネルギ回収手段として十分ではなかった。
また、特許文献１及び特許文献２では、回収対象の振動の最大振幅が大きくなり、その最大振幅に耐えることが可能なように圧電素子や電源回路を設計する必要がある。そのため、回収する電気エネルギに比して圧電素子部分や回路構成部品が過大になるという問題があった。
したがって、本発明は、内燃機関がアイドリング状態であっても、その振動エネルギを電気エネルギに効率よく変換することができ、かつ圧電素子や整流等の回路構成部品のスペースを抑えることができる発電部材を備えた内燃機関を提供することを目的とするものである。
本発明の前記目的は、走行車両の内燃機関であって、前記内燃機関を構成する作動部材の動作を受ける受部材に発電部材を設け、前記発電部材が、前記作動部材の動作により発電し、発電した電力を、前記走行車両の蓄電装置に蓄積するように構成され、前記作動部材がカムシャフトで、前記受部材が前記カムシャフトを支持するカム軸支部材および前記カム軸支部材の固定ボルトであり、前記固定ボルトの内部に前記発電部材を設けたことを特徴とする発電部材付内燃機関によって達成される。
本発明の上記およびその他の目的や特徴は、以下の記述及び対応する図面から明らかになるであろう。
本発明によれば、走行車両の内燃機関を構成する作動部材であるカムシャフトの動作を受ける受部材であるカム軸支部材の固定ボルトに発電部材を設けたことにより、内燃機関がアイドリング状態であっても動作するカムシャフトによる振動エネルギを電気エネルギに変換することができる。これにより走行車両の燃費の改善を図ることができる。さらに、カムシャフトの動作を受ける固定ボルトに発電部材を設けているので、その内部に設けた発電部材の変形量が一定範囲内にとどまる。これにより整流等の回路構成部品のスペースを抑えることができる。
以下、添付図面に基づいて、本発明の好ましい実施形態につき、詳細に説明を加える。
図１は、本発明の好ましい実施形態にかかる走行車両の内燃機関近傍の構成を示す概略図である。
図１において、内燃機関１１は、燃料を内燃機関１１内部の燃焼室１６内で燃焼させ、その熱エネルギにより燃焼室１６内のピストンを押し下げることで、走行輪を回す運動エネルギを生み出している。
吸気は、電子制御スロットル１４を介装した吸気管１２より、吸気バルブ１５を介して、燃焼室１６内に吸入され、一方、燃焼後の排気は燃焼室１６から、排気バルブ１７を介して排出され、浄化された後、大気中に放出されるように構成されている。
図１において、内燃機関１１は、燃料を内燃機関１１内部の燃焼室１６内で燃焼させ、その熱エネルギにより燃焼室１６内のピストンを押し下げることで、走行輪を回す運動エネルギを生み出している。
吸気は、電子制御スロットル１４を介装した吸気管１２より、吸気バルブ１５を介して、燃焼室１６内に吸入され、一方、燃焼後の排気は燃焼室１６から、排気バルブ１７を介して排出され、浄化された後、大気中に放出されるように構成されている。
吸気バルブ１５および排気バルブ１７は、それぞれ、吸気側カムシャフト２０および排気側カムシャフト２１に設けられたカム３６によって開閉駆動される。
すなわち、吸気バルブ１５および排気バルブ１７からなるバルブ機構は、クランクシャフト２２の回転をチェーンなどにより、吸気側カムシャフト２０および排気側カムシャフト２１に伝動し、これらカムシャフト２０、２１が回転することによって、燃焼室１６の吸気バルブ１５および排気バルブ１７を点火の順序に従って、適切な時期に開閉を行うように構成されている。
すなわち、吸気バルブ１５および排気バルブ１７からなるバルブ機構は、クランクシャフト２２の回転をチェーンなどにより、吸気側カムシャフト２０および排気側カムシャフト２１に伝動し、これらカムシャフト２０、２１が回転することによって、燃焼室１６の吸気バルブ１５および排気バルブ１７を点火の順序に従って、適切な時期に開閉を行うように構成されている。
本実施形態にかかる内燃機関は、回転する吸気側カムシャフト２０及び排気側カムシャフト２１によって、直接、吸気バルブ１５および排気バルブ１７の一端に設けたバルブリフタ３４、３４を押して、吸気バルブ１５および排気バルブ１７を機械的に動作させるように構成されている。
各気筒の吸気バルブ１５の上流側の吸気ポート１３には、電磁式の燃料噴射弁１８が設けられている。燃料噴射弁１８は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１５１からの噴射パルス信号によって開弁駆動されると、所定圧力に調整された燃料を吸気バルブ１５に向けて噴射するように構成されている。
マイクロコンピュータを内蔵するＥＣＵ１５１には、各種センサからの検出信号が入力され、ＥＣＵ１５１は、各種検出信号に基づく演算処理によって、電子制御スロットル１４や燃料噴射弁１８などを制御する。ＥＣＵ１５１は、蓄電装置１５２からの電力により作動し、その一方で、蓄電装置１５２の充電量センサ（図示せず）などからの検出信号を受け、蓄電装置１５２を制御するように構成されている。
各種センサとしては、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１９、クランクシャフト２２から回転信号を取り出すクランク角センサ２３、吸気側カムシャフト２０から回転信号を取り出すカム角センサ２４などが設けられている。
図２は、図１の内燃機関の吸気バルブ近傍の略側面断面図である。
図２には、吸気側カムシャフト２０に設けられたカム３６の短径部が、カム摺接面３５に接している状態が示されており、このとき、吸気ポート１３は吸気バルブ１５により閉じられている。
カムシャフト２０または２１は、適当な輪郭曲線のカム３６を軸方向に複数個備え、これに接する吸気バルブ１５または排気バルブ１７に周期的な直線往復運動を与える。カム３６の形状は円弧型、いわゆる卵形が一般的で、卵の長径と短径の差が、バルブ１５、１７のリフト量となる。
図２には、吸気側カムシャフト２０に設けられたカム３６の短径部が、カム摺接面３５に接している状態が示されており、このとき、吸気ポート１３は吸気バルブ１５により閉じられている。
カムシャフト２０または２１は、適当な輪郭曲線のカム３６を軸方向に複数個備え、これに接する吸気バルブ１５または排気バルブ１７に周期的な直線往復運動を与える。カム３６の形状は円弧型、いわゆる卵形が一般的で、卵の長径と短径の差が、バルブ１５、１７のリフト量となる。
本実施形態にかかる内燃機関の吸気バルブ１５は、シリンダヘッド３３に設けたシリンダボア３２内に挿入され、吸気バルブ１５の軸部分であるバルブステム３０を、シリンダヘッド３３に固定した筒状のバルブガイド４１によって支持されている。そして、金属製のコイルばね３１により、バルブ下端のラッパ状部分の外周を、シリンダヘッド３３に設けられたバルブシート３７に押し付けることによって、密閉性が保持されている。
吸気バルブ１５のバルブステム３０の上端部に設けられたバルブリフタ３４の上面を、直接カム３６で押すことによって、コイルばね３１を圧縮し、その結果、コイルばね３１のばね力に抗して、バルブステム３０の軸方向下端部に設けられた吸気バルブ１５が作動されて、吸気ポート１３から、吸気が燃焼室１６内に供給される。
さらに、内燃機関１１を構成する作動部材である吸気バルブ１５の受部材として設けられたバルブシート３７は、吸気バルブ１５のラッパ状部分の外周が接するバルブ接触部３７ａと、このバルブ接触部３７ａと一体的に構成された第一の発電部材３７ｂを備えている。
第一の発電部材３７ｂは、セラミック製の積層ピエゾ素子によって作られ、吸気バルブ１５の軸心方向に沿う圧縮力を受けて、起電力を生じるように構成されている。第一の発電部材３７ｂの形状は軸方向に扁平なドーナツ形状で、このドーナツ形状部に均等にピエゾ素子が配置されている。
第一発電部材３７ｂにより生成された電力は、ダイオードなどからなる整流回路など公知の電源回路（図示せず）を用いて、走行車両の蓄電装置１５２に蓄積される。
なお、図２には吸気バルブ１５の側面断面図が示されているが、排気バルブ１７側にも、バルブシート３７に第一発電部材３７ｂを設けられている。
第一発電部材３７ｂにより生成された電力は、ダイオードなどからなる整流回路など公知の電源回路（図示せず）を用いて、走行車両の蓄電装置１５２に蓄積される。
なお、図２には吸気バルブ１５の側面断面図が示されているが、排気バルブ１７側にも、バルブシート３７に第一発電部材３７ｂを設けられている。
本実施形態においては、吸気バルブ１５の往復動作を補助する付勢部材であるコイルばね３１の受部に、第二の発電部材５１が設けられている。コイルばね３１は、内燃機関１１を構成する作動部材であり、この第二の発電部材５１も、形状や材料は第一発電部材３７ｂと同様で、第二の発電部材５１によって生成された電力は蓄電装置１５２に蓄積される。なお、図２においては、第二の発電部材５１とコイルばね３１が接触するように示しているが、これらの部材間に座金など耐摩耗性のある部材を配置することも可能である。
本実施形態によれば、走行車両の内燃機関１１を構成する作動部材（吸気バルブ１５および排気バルブ１７ならびにコイルばね３１）の動作を受ける受部材（バルブシート３７およびコイルばね３１の受部）に発電部材（３７ｂおよび５１）を設けることにより、内燃機関１１がアイドリング状態にあっても、振動エネルギを電気エネルギに変換することができるので、走行車両の燃費の改善を図ることができる。さらに、動作を受ける受部材に発電部材を設けているので、発電部材の変形量が一定範囲内にとどまり、したがって、整流等の回路構成部品のスペースを抑えることができる。
さらに、本実施形態によれば、内燃機関１１を構成する作動部材である吸気バルブ１５および排気バルブ１７の作動方向が一定であるので、吸気バルブ１５および排気バルブ１７の振動エネルギを電気エネルギに効率よく変換することができるとともに、回路を変更することで発電部材を動作部材とした場合は衝撃ダンパーとすることができ、振動や騒音の低減を図ることができる。また、吸気バルブ１５および排気バルブ１７の作動力が一定範囲内であるので、発生する電力が一定範囲内に抑えられ、これにより、電源回路構成部品の容量を過大に設定する必要がないので、その部分のスペースを小さくすることができる。
また、本実施形態によれば、吸気バルブ１５および排気バルブ１７の往復動作を補助する付勢部材であって、走行車両の内燃機関１１を構成する作動部材であるコイルばね３１のばね力の作動方向が一定であるので、コイルばね３１のばね力を受ける受部に設けられた第二の発電部材５１によって、コイルばね３１の振動エネルギを電気エネルギに効率よく変換することができ、また、コイルばね３１の作動力が一定範囲内であるので、発生する電力を一定範囲内に抑えることが可能になる。したがって、電源回路構成部品の容量を過大に設定する必要がないので、その部分のスペースを小さくすることが可能になる。
図３は、図１に示された内燃機関のカムシャフト近傍の略縦断面図である。
図３において、吸気側カムシャフト２０は、ジャーナル軸受を内包したカム軸支部材２５により両端部を軸支され、カム軸支部材２５は、固定ボルト２６により内燃機関１１に固定されている。
本実施形態においては、吸気側カムシャフト２０が、内燃機関１１を構成する作動部材に相当し、吸気側カムシャフト２０を支持するカム軸支部材２５と、このカム軸支部材２５の固定ボルト２６が作動部材である吸気側カムシャフト２０の動作を受ける受部材に相当している。
図３において、吸気側カムシャフト２０は、ジャーナル軸受を内包したカム軸支部材２５により両端部を軸支され、カム軸支部材２５は、固定ボルト２６により内燃機関１１に固定されている。
本実施形態においては、吸気側カムシャフト２０が、内燃機関１１を構成する作動部材に相当し、吸気側カムシャフト２０を支持するカム軸支部材２５と、このカム軸支部材２５の固定ボルト２６が作動部材である吸気側カムシャフト２０の動作を受ける受部材に相当している。
本実施形態においては、図３に示されるように、固定ボルト２６の内部に上方から穴を穿ち、その穴の内部に、第三の発電部材５２が設けられている。第三の発電部材５２は、公知のピエゾフィルムによって形成され、吸気側カムシャフト２０が回転し、カム３６がバルブリフタ３４を押圧するごとに、固定ボルト２６が上下に変位し、電力が生成される。生成された電力は蓄電装置１５２に蓄電される。
なお、図３においては、吸気側カムシャフト２０のみが示されているが、排気側カムシャフト２１の軸支部材２５を固定する固定ボルト２６の内部にも、第三の発電部材５２が設けられている。
さらに、クランクシャフト２２の軸支部材を固定する固定ボルト２６の内部に第三の発電部材５２を設けても、内燃機関１１を走行車両にマウントする部分の固定ボルト２６の内部に第三の発電部材５２を設けてもよい。
さらに、クランクシャフト２２の軸支部材を固定する固定ボルト２６の内部に第三の発電部材５２を設けても、内燃機関１１を走行車両にマウントする部分の固定ボルト２６の内部に第三の発電部材５２を設けてもよい。
本実施形態よれば、走行車両の内燃機関１１を構成する作動部材である吸気側カムシャフト２０および排気側カムシャフト２１の動作を受ける受部材であるカム軸支部材２５およびカム軸支部材２５の固定ボルト２６に第三の発電部材５２が設けられているから、内燃機関がアイドリング状態であっても動作する吸気側カムシャフト２０および排気側カムシャフト２１による振動エネルギを電気エネルギに変換することができ、走行車両の燃費の改善を図ることができる。さらに、受部材であるカム軸支部材２５の固定ボルト２６に第三の発電部材５２が設けられているので、第三の発電部材５２の変形量が一定範囲内にとどまり、したがって、整流等の回路構成部品のスペースを抑えることが可能になる。
図４は、本発明の別の好ましい実施形態にかかる内燃機関の吸気バルブ近傍の略側面断面図である。
図４と図２を対比すれば明らかなように、本実施形態にかかる内燃機関１１と図１ないし図３に示された実施形態にかかる内燃機関１１との相違点は、吸気側カムシャフト２０と吸気バルブ１５の軸端部との間に、ロッカアーム３９が揺動自在に設けられ、ロッカアーム３９の支点となる位置に、油圧式ラッシュアジャスタ４０をシリンダヘッド３３内に設けた点である。
図４と図２を対比すれば明らかなように、本実施形態にかかる内燃機関１１と図１ないし図３に示された実施形態にかかる内燃機関１１との相違点は、吸気側カムシャフト２０と吸気バルブ１５の軸端部との間に、ロッカアーム３９が揺動自在に設けられ、ロッカアーム３９の支点となる位置に、油圧式ラッシュアジャスタ４０をシリンダヘッド３３内に設けた点である。
図１ないし図３に示された実施形態と同様に、吸気ポート１３の開口周縁部に設けられたドーナツ形状のバルブシート３７はバルブ接触部３７ａと第一の発電部材３７ｂを備えている。また、吸気バルブ１５の往復動作を補助する付勢部材であるコイルばね３１の受部に、第二の発電部材５１が設けられている。
このように、本実施形態にかかる内燃機関１１は、バルブ機構にロッカアーム３９が用いられているが、第一の発電部材３７ｂおよび第二の発電部材５１を用いて電気エネルギを蓄積することができる。
また、本実施形態においては、ロッカアーム３９が用いられているので、卵形のカム３６の長径と短径の差以上にバルブのリフト量を大きくすることが可能になる。
また、本実施形態においては、ロッカアーム３９が用いられているので、卵形のカム３６の長径と短径の差以上にバルブのリフト量を大きくすることが可能になる。
本発明は、以上の実施態様および実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
たとえば、前記実施態様においては、排気バルブ１７側のバルブシート３７に第一発電部材３７ｂが設けられ、排気側カムシャフト２１の軸支部材２５を固定する固定ボルト２６の内部にも、第三の発電部材５２が設けられているが、排気バルブ１７側のバルブシート３７に第一発電部材３７ｂを設け、排気側カムシャフト２１の軸支部材２５を固定する固定ボルト２６の内部に第三の発電部材５２を設けることは必ずしも必要でない。
たとえば、前記実施態様においては、排気バルブ１７側のバルブシート３７に第一発電部材３７ｂが設けられ、排気側カムシャフト２１の軸支部材２５を固定する固定ボルト２６の内部にも、第三の発電部材５２が設けられているが、排気バルブ１７側のバルブシート３７に第一発電部材３７ｂを設け、排気側カムシャフト２１の軸支部材２５を固定する固定ボルト２６の内部に第三の発電部材５２を設けることは必ずしも必要でない。
１１ 内燃機関
１２ 吸気管
１３ 吸気ポート
１４ 電気制御スロットル
１５ 吸気バルブ
１６ 燃焼室
１７ 排気バルブ
１８ 燃料噴射弁
１９ アクセル開度センサ
２０ 吸気側カムシャフト
２１ 排気側カムシャフト
２２ クランクシャフト
２３ クランク角センサ
２４ カム角センサ
２５ カム軸支部材
２６ 固定ボルト
３０ バルブステム
３１ コイルばね
３２ シリンダボア
３３ シリンダヘッド
３４ バルブリフタ
３５ カム摺接面
３６ カム
３７ バルブシート
３７ａ バルブ接触部
３７ｂ 第一発電部材
３９ ロッカアーム
４０ 油圧式ラッシュアジャスタ
４１ バルブガイド
５１ 第二発電部材
５２ 第三発電部材
１５１ エンジンコントロールユニット
１５２ 蓄電装置
１２ 吸気管
１３ 吸気ポート
１４ 電気制御スロットル
１５ 吸気バルブ
１６ 燃焼室
１７ 排気バルブ
１８ 燃料噴射弁
１９ アクセル開度センサ
２０ 吸気側カムシャフト
２１ 排気側カムシャフト
２２ クランクシャフト
２３ クランク角センサ
２４ カム角センサ
２５ カム軸支部材
２６ 固定ボルト
３０ バルブステム
３１ コイルばね
３２ シリンダボア
３３ シリンダヘッド
３４ バルブリフタ
３５ カム摺接面
３６ カム
３７ バルブシート
３７ａ バルブ接触部
３７ｂ 第一発電部材
３９ ロッカアーム
４０ 油圧式ラッシュアジャスタ
４１ バルブガイド
５１ 第二発電部材
５２ 第三発電部材
１５１ エンジンコントロールユニット
１５２ 蓄電装置
Claims (3)
- 走行車両の内燃機関であって、前記内燃機関を構成する作動部材の動作を受ける受部材に発電部材を設け、前記発電部材が、前記作動部材の動作により発電し、発電した電力を、前記走行車両の蓄電装置に蓄積するように構成され、前記作動部材がカムシャフトで、前記受部材が前記カムシャフトを支持するカム軸支部材および前記カム軸支部材の固定ボルトであり、前記固定ボルトの内部に前記発電部材を設けたことを特徴とする発電部材付内燃機関。
- さらに、前記内燃機関を構成する作動部材として機能するバルブと、前記バルブの動作を受け、受部材として機能するバルブシートを備え、前記バルブシートに前記バルブの動作により発電する発電部材を備えたことを特徴とする請求項１に記載の発電部材付内燃機関。
- さらに、前記バルブの往復動作を補助し、前記内燃機関を構成する作動部材として機能する付勢部材と、前記付勢部材の動作を受け、受部材として機能する前記付勢部材の受部を備え、前記付勢部材の受部に前記付勢部材の動作により発電する発電部材を備えたことを特徴とする請求項２に記載の発電部材付内燃機関。
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