JP6916646B2

JP6916646B2 - エンジン発電機

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Publication number: JP6916646B2
Application number: JP2017066552A
Authority: JP
Inventors: 航松山; 柴田　健次; 健次柴田; 哲也松久; 稔前田河
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2017-03-30
Filing date: 2017-03-30
Publication date: 2021-08-11
Anticipated expiration: 2037-03-30
Also published as: JP2018170864A; US20180283340A1; US10697416B2; CN108696194B; CN108696194A

Description

本発明は、ピストンエンジンを始動するエンジン始動用電動機として動作可能なエンジン発電機に関する。

この種の発電機には、エンジン始動時に電動機として用いる場合、クランクシャフトを回転させるためのトルク、特に１回目の乗り越しトルクを上回る大きなトルクを発生させることが要求される。この点に関し例えば特許文献１には、エンジン回転時に充電されるコンデンサを、バッテリとモータドライバとの間にバッテリに対し直列に接続し、コンデンサに充電された電圧をバッテリの電圧に重畳して電動機の駆動電圧を上昇させ、これによりエンジン始動時のトルクを増大するようにした発電機が記載されている。

特開２０００−３１６２９９号公報

上記特許文献１記載の発電機は、コンデンサを用いて駆動電圧を昇圧させることで、モータドライバを介してステータの巻線に大きな電流を流すように構成される。このため、モータドライバには許容電流の高い高価な素子を用いる必要があり、コストの上昇を伴う。

本発明の一態様であるエンジン発電機は、シリンダ内を往復動するピストンを有するエンジンと、三相の巻線を有し、エンジンにより駆動されて発電する一方、エンジン始動時にエンジン始動用電動機として動作可能な発電部と、発電部に電気的に接続される電力変換回路と、エンジン始動時にエンジンのクランキングが行われるように電力変換回路を介して発電部に電力を供給するバッテリと、エンジンの回転数を検出する回転数検出部と、巻線の結線状態をＹ結線およびΔ結線のいずれかに切り替える結線切替え部と、エンジン始動時に結線状態をクランキングが開始される前にＹ結線に切替え、クランキングが終了する前に回転数検出部により検出されたクランキングによるエンジン回転数が、クランキングが開始された後にエンジンが１回目の圧縮工程を完了するときの回転数である所定回転数以上になると、結線状態をΔ結線に切替えるように結線切替え部を制御する結線切替え制御部とを備える。

本発明によれば、電力変換回路に高価な素子を用いずに、バッテリからの電力によりピストンの１回目の乗り越しトルクを上回る高トルクを発生することができ、コスト上昇を抑えつつエンジンを容易に始動することができる。

本発明の実施形態に係るエンジン発電機を構成する汎用エンジンと発電部の要部構成を示す図。本発明の実施形態に係るエンジン発電機の全体の電気回路図。本発明の実施形態に係るエンジン発電機を始動する際に必要とされるトルクの時間変化を示す図。本発明の実施形態に係るエンジン発電機の要部構成を示す電気回路図。結線状態がＹ結線およびΔ結線のときのエンジン回転数とトルクの関係を示す図。図４の制御ユニットで実行される処理の一例を示すフローチャート。

以下、図１〜図６を参照して本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態に係るエンジン発電機は、可搬型ないし携帯型のエンジン発電機であり、ユーザが手動で持ち運び可能な重量および寸法を有する。図１は本発明の実施形態に係るエンジン発電機１００を構成する汎用エンジン１と発電部（発電機本体）２の要部構成を示す図である。エンジン１は、例えばガソリンを燃料とする点火式の空冷エンジンであり、シリンダ１０ａ内を往復動するピストン１０と、ピストン１０に同期して回転するクランクシャフト１１（出力軸）とを有する。

図１に示すように、エンジン１の吸気管１２には、スロットルモータ１３ａの駆動により開度が調整されるスロットルバルブ１３と、スロットルバルブ１３により調量された空気に燃料を噴射して混合気を生成するインジェクタ１４とが設けられる。吸気弁１５ａを介して燃焼室１５に導入された混合気は、点火プラグ１６で点火されて燃焼（爆発）し、ピストン１０を往復動させる。ピストン１０の往復動により、コンロッド１７を介してクランクシャフト１１が回転する。燃焼室１５で燃焼した混合気は、排気弁１５ｂを介して排気管１８に排出される。

クランクシャフト１１には、発電部２が連結される。発電部２は、エンジン１により駆動されて交流電力を発電する多極オルタネータであり、クランクシャフト１１に連結されてクランクシャフト１１と一体に回転するロータ２１と、ロータ２１の径方向内側にロータ２１と同心状に配置されたステータ２３とを有する。ロータ２１には永久磁石２２が設けられる。ステータ２３には、１２０度毎の位相角で配置されたＵＶＷの巻線２４が設けられる。

エンジン１の動力により、発電部２のロータ２１がクランクシャフト１１を介して回転駆動されると、巻線２４からＵ相、Ｖ相、Ｗ相の交流電力が出力される。すなわち、発電部２で発電される。発電部２には、発電部２より出力された三相交流を所定周波数の交流電力に変換するインバータ回路が電気的に接続される。

図２は、エンジン発電機１００の全体の電気回路を示す図である。図２に示すように、インバータ回路３０は、発電部２より出力された三相交流を整流する電力変換回路３１と、電力変換回路３１から出力された直流を所定の三相交流に変換するインバータ３２と、電力変換回路３１およびインバータ３２を制御する制御ユニット３３とを備える。電力変換回路３１は、バッテリ５から供給された直流を三相交流に変換して発電部２に出力することもできる。したがって、発電部２は、発電を行うジェネレータとしての機能だけでなく、エンジン１の始動を行うスタータとしても機能する。

制御ユニット３３は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ、その他の周辺回路などを有する演算処理装置を含んで構成されるマイクロコンピュータである。

電力変換回路３１は、ブリッジ回路として構成され、発電部２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各巻線に対応して接続された３対（計６個）の半導体スイッチ素子３１１を有する。スイッチ素子３１１は、例えばＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のトランジスタにより構成され、各スイッチ素子３１１にはそれぞれダイオード３１２（例えば寄生ダイオード）が並列に接続される。スイッチ素子３１１のゲートは制御ユニット３３から出力される制御信号により駆動され、制御ユニット３３によりスイッチ素子３１１の開閉（オンオフ）が制御される。例えば発電部２がジェネレータとして機能するとき、スイッチ素子３１１はオフされ、これにより三相交流がダイオード３１２を介して整流される。整流後の電流はキャパシタ３４で平滑された後、インバータ３２に入力される。

インバータ３２は、Ｈブリッジ回路として構成された２対（計４個）の半導体スイッチ素子３２１を有する。スイッチ素子３２１は、例えばＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のトランジスタであり、各スイッチ素子３２１にはそれぞれダイオード３２２（例えば寄生ダイオード）が並列に接続される。スイッチ素子３２１のゲートは制御ユニット３３から出力される制御信号により駆動され、制御ユニット３３によりスイッチ素子３２１の開閉（オンオフ）が制御されて、直流が単相交流に変換される。インバータ３２で生成された単相交流は、リアクトルやコンデンサを有するフィルタ回路３５を介して正弦波に変調されて負荷３６に出力される。

インバータ回路３０には、給電回路４０を介してバッテリ５が電気的に接続される。給電回路４０は、コネクタ６を介してバッテリ５を電力変換回路３１とキャパシタ３４との間、すなわち電力変換回路３１のプラス側およびマイナス側の出力端子３１３，３１４に接続するように設けられる。より詳しくは、バッテリ５のプラス側端子は、ヒューズ４１、コンタクタ４２およびダイオード４３を介して電力変換回路３１のプラス側出力端子３１３に接続され、マイナス側端子はマイナス側出力端子３１４に接続される。

コンタクタ４２は、バッテリ５をインバータ回路３０に接続（オン）または遮断（オフ）するためのスイッチを含み、コンタクタ駆動回路４４によりその作動（オンオフ）が制御される。ヒューズ４１とコンタクタ４２との間には、バッテリスイッチ４５が接続され、バッテリスイッチ４５のオンにより制御ユニット３３に電力が供給される。これによりコンタクタ駆動回路４４がコンタクタ４２をオンする。バッテリスイッチ４５がオフされると、コンタクタ駆動回路４４はコンタクタ４２をオフする。すなわちコンタクタ４２は、バッテリスイッチ４５のオンオフに連動してオンオフする。

バッテリ５からの電力によりエンジン１を始動する場合、ユーザによりバッテリスイッチ４５がオン操作される。これによりコンタクタ４２がオンされ、バッテリ５の電力が電力変換回路３１に供給される。このとき、制御ユニット３３は、バッテリスイッチ４５がオンされたか否かを判定し、バッテリスイッチ４５がオンされたと判定すると、電力変換回路３１のスイッチ素子３１１のオンオフを制御し、直流電力を交流電力に変換する。この交流電力は発電部２に供給され、これによりステータの巻線２４（図１）に回転磁界が発生し、発電部２のロータ２１が回転する。その結果、クランクシャフト１１が回転させられ、エンジン１のクランキングによる始動が可能となる。

エンジン１の始動が完了してバッテリスイッチ４５がオフされると、コンタクタ４２がオフされ、バッテリ５からインバータ回路３０への電力供給が遮断される。以降、発電部２のロータ２１がエンジン１により回転駆動され、発電部２が発電を行う。制御ユニット３３等には発電部２で発電した電力の一部が供給される。なお、コネクタ６には通信ラインが接続され、通信ラインを介してバッテリ５の内部温度や充電状態などの情報が制御ユニット３３に送信される。

ところで、上述したように発電部２をスタータモータとして用い、クランクシャフト１１を回転させてエンジン１を始動する場合、ピストン１０が最初の圧縮工程において上死点を乗り越えるときに最大トルクが要求される。図３は、エンジン始動時の要求トルクの変化の一例を示す図である。図中の点Ｐ１〜Ｐ５は、それぞれ１回目の圧縮工程、吸気工程、２回目の圧縮工程、爆発工程、排気工程のトルクを示す。

図３に示すように、エンジン始動時の要求トルクは、ピストン１０が最初の圧縮工程において上死点を乗り越えるときに最大となる。なお、このときのトルクを１回目の乗り越しトルクＴ１と呼び、エンジン始動可能なクランキング回転数までエンジン回転数を上昇させるためのトルクをクランキングトルクＴ２と呼ぶ。クランキングトルクＴ２は、１回目の乗り越しトルクＴ１よりも小さい。

このようにエンジン始動時に発電部２は大きな乗り越しトルクＴ１を発生させる必要があるが、例えばバッテリ電圧を高めて巻線２４に大電流を流すことでこれを実現しようとすると、バッテリ５と巻線２４との間の電力変換回路３１に許容電流の高い高価な素子を用いる必要があり、コストの上昇を伴う。そこで、本実施形態では、コストの上昇を抑えつつ、エンジン始動時に発電部２が必要十分なトルクを発生することができるよう以下のようにエンジン発電機１００を構成する。

図４は、本発明の実施形態に係るエンジン発電機１００の要部構成を示す電気回路図である。図４に示すように発電部２の巻線２４は、Ｕ相の巻線２４ＵとＶ相の巻線２４ＶとＷ相の巻線２４Ｗとを含む。各巻線２４Ｕ，２４Ｖ，２４Ｗの一端側の端子２４１〜２４３は、それぞれ図２の電力変換回路３１のスイッチ素子３１１およびダイオード３１２に接続される。各巻線２４Ｕ，２４Ｖ，２４Ｗの他端側の端子２４４〜２４６は、図４のスイッチ回路２５に接続される。

スイッチ回路２５は、発電部２と電力変換回路３１との間に設けられ、インバータ回路３０を形成するインバータユニットに実装される。より具体的には、スイッチ回路２５は、一端が端子２４４に接続され、他端が端子２４２に接続されたスイッチ２５１と、一端が端子２４５に接続され、他端が端子２４３に接続されたスイッチ２５２と、一端が端子２４６に接続され、他端が端子２４１に接続されたスイッチ２５３と、一端が端子２４４〜２４６にそれぞれ接続され、他端が中性点２５７を介して互いに接続されたスイッチ２５４〜２５６とを有する。各スイッチ２５１〜２５６は、例えばコイルの励磁および消磁により開閉（オンオフ）するリレースイッチとして構成される。

スイッチ２５１〜２５６の開閉、すなわちコイルの励磁および消磁は、制御ユニット３３からの制御信号により行われる。スイッチ２５１〜２５３を第１スイッチ群、スイッチ２５４〜２５６を第２スイッチ群とするとき、制御ユニット３３は、第１スイッチ群のスイッチ２５１〜２５３を同時にオンかつ第２スイッチ群のスイッチ２５４〜２５６を同時にオフするように、あるいは第１スイッチ群のスイッチ２５１〜２５３を同時にオフかつ第２スイッチ群のスイッチ２５４〜２５６を同時にオンするように制御信号を出力する。

第１スイッチ群のスイッチ２５１〜２５３がオフかつ第２スイッチ群のスイッチ２５４〜２５６がオンすると、巻線２４の結線状態がＹ結線に切り換わる。第１スイッチ群のスイッチ２５１〜２５３がオンかつ第２スイッチ群のスイッチ２５４〜２５６がオフすると、巻線２４の結線状態がΔ結線に切り換わる。

制御ユニット３３には、バッテリスイッチ４５と、クランクシャフト１１の回転角およびエンジン回転数を検出する電磁ピックアップ式または光学式のクランク角センサ４６とが接続される。制御ユニット３３は、バッテリスイッチ４５とクランク角センサ４６とからの信号に基づいてエンジン始動時に所定の処理を実行する。これにより、コンタクタ駆動回路４４（図２）に制御信号を出力してコンタクタ４２のスイッチのオンオフを制御するとともに、スイッチ回路２５のスイッチ２５１〜２５６のオンオフを制御する。

図５は、結線状態がＹ結線のときとΔ結線のときとで端子２４１〜２４３を流れる線電流、すなわち電力変換回路３１の素子を流れる線電流が互いに等しいと仮定したときの、エンジン回転数Ｎと発電部２で出力されるトルク（モータトルク）Ｔとの関係を示す図である。図中、特性ｆ１はＹ結線のときの特性であり、特性ｆ２はΔ結線のときの特性である。

Ｙ結線とΔ結線とで線電流が互いに等しいとき、Ｙ結線の線間電圧はΔ結線の線間電圧よりも大きく、したがって図５に示すようにエンジン始動直後の出力トルクＴは、Ｙ結線（特性ｆ１）のときの方がΔ結線（特性ｆ２）のときよりも約１．５倍程度大きい。一方、エンジン回転数Ｎの増加に伴い、Ｙ結線およびΔ結線いずれの場合も、逆起電力の影響により出力トルクＴが徐々に減少する。このとき、バッテリ電圧と逆起電圧とがつりあうポイントで無負荷回転数が決まるため、エンジン１の無負荷回転数は、Δ結線（特性ｆ２）の方がＹ結線（特性ｆ１）よりも約１．５倍程度大きい。なお、特性ｆ１と特性ｆ２とは回転数Ｎ１で交差し、この回転数Ｎ１を境にトルクの大小が逆転する。

以上を考慮すると、エンジン始動直後にＹ結線に切替えることで、エンジン１に要求される１回目の乗り越しトルクＴ１（図３）を容易に発生することができる。また、エンジン回転数の高い領域でΔ結線に切替えることで、エンジン１を完爆させるためのクランキングトルクＴ２（図３）を容易に発生することができる。なお、図５の領域ＡＲ１は、１回目の圧縮工程が生じる回転数領域に相当し、領域ＡＲ２は、エンジン１が完爆可能な回転数領域に相当する。

図６は、制御ユニット３３で実行される処理の一例を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、バッテリスイッチ４５がオンされると開始される。

まず、ステップＳ１で、第１スイッチ群のスイッチ２５１〜２５３をオフし、かつ、第２スイッチ群のスイッチ２５４〜２５６をオンし、巻線２４の結線状態をＹ結線に切り換える。次いで、ステップＳ２で、コンタクタ駆動回路４４に制御信号を出力し、コンタクタ４２のスイッチをオンする。これによりバッテリ５の電力が電力変換回路３１を介して巻線２４に供給される。このとき、結線状態はＹ結線であるため、発電部２はエンジンの１回目の乗り越しトルクＴ１を上回る高トルクを出力することができ、クランクシャフト１１を停止状態から容易に回転させることができる。

次いでステップＳ３で、クランク角センサ４６により検出されたエンジン回転数Ｎが所定回転数Ｎａ以上であるか否かを判定する。これは、１回目の圧縮工程が完了したか否かの判定であり、所定回転数Ｎａは、例えば図５のエンジン回転数領域ＡＲ１内で設定される。なお、所定回転数Ｎａは図５のＮ１に設定してもよい。ステップＳ３は肯定されるまで繰り返され、ステップＳ３で肯定されるとステップＳ４に進む。

ステップＳ４では、第１スイッチ群のスイッチ２５１〜２５３をオフし、かつ、第２スイッチ群のスイッチ２５４〜２５６をオンし、巻線２４の結線状態をΔ結線に切り換える。これにより高回転側でトルクを出力することが可能となり、エンジン回転数をエンジン１が完爆可能な回転数まで容易に上昇させることができる。

次いでステップＳ５で、クランク角センサ４６により検出されたエンジン回転数Ｎが所定回転数Ｎｂ以上であるか否かを判定する。これは、エンジン回転数Ｎが完爆可能な回転数まで上昇したか否かの判定であり、所定回転数Ｎｂは、所定回転数Ｎａよりも大きく、例えば図５のエンジン回転数領域ＡＲ２内で設定される。ステップＳ５は肯定されるまで繰り返され、ステップＳ５で肯定されるとステップＳ６に進む。ステップＳ６では、コンタクタ駆動回路４４に制御信号を出力し、コンタクタ４２のスイッチをオフする。これによりバッテリ５からの電力供給が遮断される。

本発明の実施形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）エンジン発電機１００は、シリンダ１０ａ内を往復動するピストン１０を有するエンジン１と、三相の巻線２４を有し、エンジン１により駆動されて発電する一方、エンジン始動時にエンジン始動用電動機として動作可能な発電部２と、発電部２に電気的に接続される電力変換回路３１と、エンジン始動時に電力変換回路３１を介して発電部２に電力を供給するバッテリ５と、エンジン１の回転数を検出するクランク角センサ４６と、巻線２４の結線状態をＹ結線およびΔ結線のいずれかに切り替えるスイッチ回路２５と、エンジン始動時にクランク角センサ４６により検出されたエンジン回転数Ｎが所定回転数Ｎａ（例えば図５のＮ１）に達するまでは結線状態をＹ結線に切替え、クランク角センサ４６により検出されたエンジン回転数Ｎが所定回転数Ｎａ以上になると結線状態をΔ結線に切替えるようにスイッチ回路２５のオンオフを制御する制御ユニット３３とを備える（図１，図２，図４，ステップＳ１，ステップＳ４）。

これにより、結線状態がＹ結線に切替えられた状態でエンジン１の始動を開始するため、電力変換回路３１に大電流を流すことなく、１回目の乗り越しトルクＴ１を上回る高トルクを発生することができる。したがって、電力変換回路３１に高価な素子を用いる必要がなく、エンジン発電機１００のコストアップを抑えることができる。また、エンジン回転数（クランキング回転数）Ｎが所定回転数Ｎａ以上になると、結線状態をＹ結線からΔ結線に切替えるので、エンジン回転数Ｎが高い領域におけるトルク不足を解消することができ、エンジン回転数Ｎを完爆可能な回転数まで容易に上昇させることができる。

（２）エンジン発電機１００は、バッテリ５から発電部２への電力供給を開始および遮断するコンタクタ４２等の給電回路４０をさらに備える（図２）。制御ユニット３３は、クランク角センサ４６により検出されたエンジン回転数Ｎが上記所定回転数（第１回転数）Ｎａよりも高い所定回転数（第２回転数）Ｎｂ以上になると、バッテリ５から発電部２への電力供給を遮断するようにコンタクタ駆動回路４４に制御信号を出力する（ステップＳ６）。これによりエンジン１の始動後にバッテリ５からの電力供給を適切に遮断することができる。

（３）この場合、所定回転数Ｎａは、エンジン１が１回目の圧縮工程を完了するときあるいは完了した後のエンジン回転数に相当し、所定回転数Ｎｂは、エンジン１が完爆可能となるときのエンジン回転数に相当する。これによりエンジン１の低回転数域で高トルクを発生しつつ、高回転数域でのトルクの低下を抑えることができ、高電圧のバッテリ５を用いることなく、エンジン１の始動を容易に行うことができる。

なお、上記実施形態では、スイッチ回路２５のスイッチ２５１〜２５６をオンオフして巻線２４の結線状態をＹ結線およびΔ結線のいずれかに切替えるようにしたが、結線切替え部および結線切替え制御部の構成は上述したものに限らない。すなわち、エンジン始動時に回転数検出部としてのクランク角センサ４６により検出されたエンジン回転数Ｎが所定回転数Ｎａに達するまで結線状態をＹ結線に切替え、エンジン回転数Ｎが所定回転数Ｎａ以上になるとΔ結線に切替えるのであれば、結線切替え部としてのスイッチ回路２５の構成および結線切替え制御としての制御ユニット３３における処理はいかなるものでもよい。上記実施形態では、エンジン回転数Ｎが所定回転数Ｎｂ以上になると、制御ユニット３３での処理によりコンタクタ駆動回路４４に制御信号を出力してバッテリ５から発電部２への電力供給を遮断するようにしたが、電力供給制御部の構成は上述したものに限らない。バッテリ５と発電部２との間に充電回路を設け、発電部２の電力によりバッテリ５を充電するようにしてもよい。

以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態と変形例の１つまたは複数を任意に組み合わせることも可能であり、変形例同士を組み合わせることも可能である。

１エンジン、２発電部、５バッテリ、１０ピストン、２４巻線、２５スイッチ回路、３１電力変換回路、３３制御ユニット、４４コンタクタ駆動回路、４６クランク角センサ、１００エンジン発電機

Claims

シリンダ内を往復動するピストンを有するエンジンと、
三相の巻線を有し、前記エンジンにより駆動されて発電する一方、エンジン始動時にエンジン始動用電動機として動作可能な発電部と、
前記発電部に電気的に接続される電力変換回路と、
エンジン始動時に前記エンジンのクランキングが行われるように前記電力変換回路を介して前記発電部に電力を供給するバッテリと、
前記エンジンの回転数を検出する回転数検出部と、
前記巻線の結線状態をＹ結線およびΔ結線のいずれかに切り替える結線切替え部と、
エンジン始動時に前記クランキングが開始される前に結線状態を前記Ｙ結線に切替え、前記クランキングが終了する前に前記回転数検出部により検出された前記クランキングによるエンジン回転数が、前記クランキングが開始された後に前記エンジンが１回目の圧縮工程を完了するときの回転数である所定回転数以上になると、結線状態を前記Δ結線に切替えるように前記結線切替え部を制御する結線切替え制御部と、を備えることを特徴とするエンジン発電機。
請求項１に記載のエンジン発電機において、
前記バッテリから前記発電部への電力供給を開始および遮断する電力供給制御部をさらに備え、
前記所定回転数は、第１回転数であり、
前記電力供給制御部は、前記回転数検出部により検出された前記クランキングによるエンジン回転数が前記第１回転数よりも高い第２回転数以上になると、前記クランキングを終了するように前記バッテリから前記発電部への電力供給を遮断することを特徴とするエンジン発電機。
請求項２に記載のエンジン発電機において、
前記第２回転数は、前記エンジンが完爆可能となるときのエンジン回転数に相当することを特徴とするエンジン発電機。