JPWO2015068199A1 - 発電部材付内燃機関 - Google Patents

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Abstract

【課題】走行中の車体の振動エネルギ等を電気エネルギに変換し、車両の燃費を向上させる手段が開示されているが、これらは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。よって、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たりすることが可能な、発電部材を備えた内燃機関を提供することが、本発明が解決しようとする課題である。【解決手段】走行車両の内燃機関であって、この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、この発電部材が、前記作動部材の動作により発電し、この発電した電力を、前記走行車両の蓄電装置に蓄積することを特徴とする発電部材付内燃機関により上記問題を解決した。【選択図】図２

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又は特許文献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。
特開２０１１−４１３４４号公報 特開２００８−３０６４０号公報
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。
よって、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たりすることが可能な、発電部材を備えた内燃機関を提供することが、本発明が解決しようとする課題である。
本発明は、上記課題を解決すべく次のような技術的手段を講じた。
すなわち、請求項１記載の発明は、走行車両の内燃機関であって、この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、この発電部材が、前記作動部材の動作により発電し、この発電した電力を、前記走行車両の蓄電装置に蓄積することを特徴とする発電部材付内燃機関である。
また、請求項２記載の発明は、前記作動部材が、バルブであり、前記受部材が、このバルブが接触するバルブシートである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である。
また、請求項３記載の発明は、前記作動部材が、バルブの往復動作を補助する付勢部材であり、前記受部材が、この付勢部材の受部である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である。
また、請求項４記載の発明は、前記作動部材が、カムシャフトであり、前記受部材が、このカムシャフトを支持するカム軸支部材、及びこのカム軸支部材の固定ボルトであり、この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請求項１に記載の発電部材付内燃機関である。
請求項１記載の発明によれば、走行車両の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たことにより、内燃機関がアイドリング状態にある状態であっても、振動エネルギを電気エネルギに変換することができる。これにより、走行車両の燃費の改善を図ることができる。加えて、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。
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、作動部材がバルブであり、受部材が、バルブが接触するシート部材でありことにより、バルブの作動方向が一定であるので、バルブ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共に、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、バルブ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る。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。
請求項３記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加えて、作動部材がバルブの往復動作を補助する付勢部材であり、動作受部材が、この付勢部材の受部であることにより、付勢部材の作動方向が一定であるので、付勢部材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。また付勢部材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る。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。
請求項４記載の発明によれば、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。更に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。
本発明の第一実施形態にかかる走行車両の内燃機関周辺の構成図である。 図１の内燃機関の吸気バルブ周辺の側面断面図である。 図１の内燃機関のカムシャフト周辺の説明図である。 本発明の第二実施形態にかかる内燃機関の吸気バルブ周辺の側面断面図である。
上記技術思想に基づいて具体的に構成された実施の形態について以下に図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の実施形態にかかる走行車両の内燃機関１１の周辺の構成図である。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に吸入される。他方燃焼排気は燃焼室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。前記吸気バルブ１５及び排気バルブ１７は、それぞれ吸気側カムシャフト２０、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。即ち吸気バルブ１５や排気バルブ１７からなるバルブ機構は、クランクシャフト２２の回転をチェーン等により吸気側カムシャフト２０及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が回転することで、燃焼室１６の吸気バルブ１５及び排気バルブ１７を点火の順序に従って適切な時期に開閉を行う。第一実施形態にかかる内燃機関は、回転するカムシャフト２０、２１で直接バルブ１５、１７の一端に設けたバルブリフタ３４を押し、バルブ１５、１７を機械的に動作させる。
各気筒の吸気バルブ１５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、該燃料噴射弁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。
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、該検出信号に基づく演算処理によって、前記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すると共に、蓄電装置１５２の充電量センサ等からの検出信号を受け、蓄電装置１５２を制御する。
前記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には、本発明の第一実施形態にかかる内燃機関１１の吸気バルブ１５周辺の側面断面図を示す。図２は、吸気側カムシャフト２０に設けたカム３６の短径部が、カム摺接面３５に接している状態であり、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、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又は排気バルブ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、バルブ１５、１７のリフト量は卵の長径と短径の差となる。
第一実施形態にかかる吸気バルブ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で支持する。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に備えたバルブシート３７に押し付けることで密閉性を保持する。吸気バルブ１５の上端に設けたバルブリフタ３４の上面を直接カム３６で押すことで、コイルばね３１を圧縮し、コイルばね３１の力に抗してバルブステム３０の軸方向下方に吸気バルブ１５が作動し、吸気ポート１３から吸気を燃焼室１６へ供給する。
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と一体化した第一発電部材３７ｂとから構成する。第一発電部材３７ｂは、セラミック製の積層ピエゾ素子で、バルブ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する。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を配置する。この第一発電部材３７ａにより生じた電力は、ダイオードなどからなる整流回路など公知の電源回路（不図示）を用いて、走行車両の蓄電装置１５２に蓄積する。なお、図２には吸気バルブ１５の側面断面図を示したが、排気バルブ１７側にもバルブシート３７に第一発電部材３７ｂを設けることは可能である。
更に吸気バルブ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、第二発電部材５１を設ける。コイルばね３１は、内燃機関１１を構成する作動部材であり、この第二発電部材５１も、形状や材料は第一発電部材３７ｂと同等で、生じた電力は蓄電装置１５２に蓄積する。なお、図２では第二発電部材２１とコイルばね３１が接触するように表したが、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。
図３には、本発明の第一実施形態にかかる内燃機関１１の吸気側カムシャフト２０の軸支部材２５周辺の断面図を示す。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により両端を軸支され、このカム軸支部材２５は、固定ボルト２６により内燃機関１１に固定する。吸気側カムシャフト２０は、内燃機関１１を構成する作動部材であり、この作動部材の動作を受ける受部材は、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である。本実施形態では、固定ボルト２６の図３の上方からボルト内部に穴を穿ち、その内部に第三発電部材５２を備える。第三発電部材５２は、公知のピエゾフィルムであり、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に対して押圧するごとに固定ボルト２６の上下変位により発電する。生じた電力は蓄電装置１５２に蓄電する。なお図３には吸気側カムシャフト２０について示したが、排気側カムシャフト２１やクランクシャフト２２の軸支部材を固定する固定ボルト２６内部に第三発電部材５２を設けたり、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に設けたりすることも可能である。
走行車両の内燃機関１１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たことにより、内燃機関がアイドリング状態にある状態であっても、振動エネルギを電気エネルギに変換することができる。これにより、走行車両の燃費の改善を図ることができる。加えて、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。
作動部材がバルブ１５、１７であり、受部材が、バルブ１５、１７が接触するバルブシート３７でありことにより、バルブ１５、１７の作動方向が一定であるので、バルブ１５、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共に、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、バルブ１５、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る。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。
作動部材がバルブの往復動作を補助する付勢部材であり、動作受部材が、この付勢部材の受部であることにより、付勢部材の作動方向が一定であるので、付勢部材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。また付勢部材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る。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。
内燃機関１１がアイドリング状態であっても動作するカムシャフト２０、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。更に動作を受ける固定ボルト２６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。
図４は、本発明の第二実施形態にかかる内燃機関１１の吸気バルブ１５周辺の側面断面図である。
第一実施形態にかかる内燃機関１１との異なる点は、カム２０と吸気バルブ１５の軸端部との間に揺動自在に配置されたロッカアーム３９を設け、このロッカアーム３９の支点となる位置に配置された油圧式ラッシュアジャスタ４０をシリンダヘッド３３に備えた構成とした点である。ロッカアーム３９は、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できる等の利点がある。
第一実施形態と同様、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を、バルブ接触部３７ａと第一発電部材３７ｂとで構成する。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、第二発電部材５１を設ける。ロッカアーム３９を用いたバルブ機構であっても、発電部材３７等を用いて電気エネルギを蓄積することができる。
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
【０００２】
や回路構成部品が過大になるという問題があった。
［０００７］
よって、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たりすることが可能な、発電部材を備えた内燃機関を提供することが、本発明が解決しようとする課題である。
課題を解決するための手段
［０００８］
［０００９］
本発明は、上記課題を解決すべく、次のような技術的手段を講じた。
すなわち、請求項２に記載の発明は、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、前記作動部材がバルブであり、前記発電部材が、前記バルブが接触するバルブシートであることを特徴とする発電部材付内燃機関である。
［００１０］
［００１１］
発明の効果
［００１２］
【０００３】
［００１３］
請求項２に記載の発明によれば、走行車両の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たことにより、内燃機関がアイドリング状態にある状態であっても、振動エネルギを電気エネルギに変換することができる。これにより、走行車両の燃費の改善を図ることができる。加えて、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。さらに、作動部材がバルブで、受部材がバルブと接触するバルブシートであり、バルブの作動方向が一定であるので、バルブの、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には、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。
［００１４］
また、バルブ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る。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。
［００１５］
［００１６］
図面の簡単な説明
［００１７］
［図１］本発明の第一実施形態にかかる走行車両の内燃機関周辺の構成図である。
［図２］図１の内燃機関の吸気バルブ周辺の側面断面図である。

Claims (4)

  1. 走行車両の内燃機関であって、
    この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、
    この発電部材が、前記作動部材の動作により発電し、
    この発電した電力を、
    前記走行車両の蓄電装置に蓄積することを特徴とする発電部材付内燃機関。
  2. 前記作動部材が、バルブであり、
    前記受部材が、このバルブが接触するバルブシートである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。
  3. 前記作動部材が、バルブの往復動作を補助する付勢部材であり、
    前記受部材が、この付勢部材の受部である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。
  4. 前記作動部材が、カムシャフトであり、
    前記受部材が、このカムシャフトを支持するカム軸支部材、
    及びこのカム軸支部材の固定ボルトであり、
    この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請求項１に記載の発電部材付内燃機関。
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