(57)【要約】【課題】ハイブリッド内燃機関に関し、簡素な構成で電気エネルギー及びエンジンの回転エネルギーを変換し、かつ、スペース効率を高め、製品コストを抑える。【解決手段】導体からなり、内燃機関で生成される回転駆動力を出力する出力軸３と、出力軸３に中心を固定された円盤状の導体からなり、出力軸３の慣性質量体として設けられたフライホイール４と、出力軸３の軸方向に沿ってフライホイール４の内部を貫通する磁束を印加する磁場形成手段５ａ，５ｂと、フライホイール４の辺縁部に対して電気的に接続された第一接続子６と、出力軸３に対して電気的に接続された第二接続子７と、第一接続子６及び第二接続子７間を接続してフライホイール４の半径方向に電流を通す電気回路を形成する導線６ａ，７ａと、を備える。【選択図】図２
2011031848.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導体からなり、内燃機関で生成される回転駆動力を出力する出力軸と、
該出力軸に中心を固定された円盤状の導体からなり、該出力軸の慣性質量体として設けられたフライホイールと、
該出力軸の軸方向に沿って該フライホイールの内部を貫通する磁束を印加する磁場形成手段と、
該フライホイールの辺縁部に対して電気的に接続された第一接続子と、
該出力軸に対して電気的に接続された第二接続子と、
該第一接続子及び該第二接続子間を接続して該フライホイールの半径方向に電流を通す電気回路を形成する導線と、
を備えたことを特徴とする、ハイブリッド内燃機関。
【請求項２】
該磁場形成手段が、該フライホイールの両面に固定された一対の永久磁石を有し、
該一対の永久磁石が、該フライホイールを挟んで互いに異なる磁極が向かい合うように配置されている
ことを特徴とする、請求項１記載のハイブリッド内燃機関。
【請求項３】
該磁場形成手段が、該出力軸及び該フライホイールの両面に対して非接触に配置された第二の一対の永久磁石を有し、
該第二の一対の永久磁石が、該フライホイールを挟んで互いに異なる磁極が向かい合うように配置されている
ことを特徴とする、請求項１又は２記載のハイブリッド内燃機関。
【請求項４】
該導線上に介装され、該第一接続子及び該第二接続子間に流れる直流電流を制御して該フライホイールを回転駆動するＤＣ−ＤＣコンバータと、
該第一接続子及び該第二接続子間に流れる該直流電流の供給源としてのバッテリと、をさらに備えた
ことを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載のハイブリッド内燃機関。
【請求項５】
該ＤＣ−ＤＣコンバータが、該第一接続子及び該第二接続子間に流れる直流電流を該バッテリに蓄電する
ことを特徴とする、請求項４記載のハイブリッド内燃機関。
【請求項６】
該磁場形成手段が、該フライホイールの半径方向に流れる電流に対し、該フライホイールの回転角度に応じて該磁束の向きが反転する磁場を形成する
ことを特徴とする、請求項１記載のハイブリッド内燃機関。
【請求項７】
該磁場形成手段が、該フライホイールの両面に対をなして固定された第三の一対の永久磁石を複数組有し、
該第三の一対の永久磁石が、該フライホイールを挟んで互いに異なる磁極が向かい合うように配置されるとともに、
任意の該第三の一対の永久磁石によって印加される該磁束の向きが、隣接する他の該第三の一対の永久磁石によって印加される該磁束の向きと逆方向となるように、該複数組の該第三の一対の永久磁石が配置されている
ことを特徴とする、請求項６記載のハイブリッド内燃機関。
【請求項８】
該導線上に介装され、該第一接続子及び該第二接続子間に流れる交流電流を制御して該フライホイールを回転駆動するインバータと、
該第一接続子及び該第二接続子間に流れる該交流電流の供給源としての第二バッテリと、をさらに備えた
ことを特徴とする、請求項６又は７記載のハイブリッド内燃機関。
【請求項９】
該出力軸の回転角度を検出する回転角度センサをさらに備え、
該インバータが、該回転角度センサで検出された該回転角度に基づいて、該交流電流を制御する
ことを特徴とする、請求項８記載のハイブリッド内燃機関。
【請求項１０】
該第一接続子及び該第二接続子と該インバータとの間に介装され、該交流電流を昇圧させるトランスをさらに備えた
ことを特徴とする、請求項８又は９記載のハイブリッド内燃機関。
【請求項１１】
該インバータが、該第一接続子及び該第二接続子間に流れる交流電流を該第二バッテリに蓄電する
ことを特徴とする、請求項８〜１０の何れか１項に記載のハイブリッド内燃機関。
【請求項１２】
導体からなり、該出力軸を支承するシリンダブロックをさらに備え、
該第一接続子が、該フライホイールの辺縁部に対して摺接するように設けられ、かつ、該シリンダブロックに対して電気的に非接続に固定されるとともに、
該第二接続子が、該シリンダブロックに対して電気的に接続されて固定されている
ことを特徴とする、請求項１〜１１の何れか１項に記載のハイブリッド内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハイブリッド内燃機関に関し、特に単極誘導の回転子として機能するフライホイールを備えたハイブリッド内燃機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガソリンや軽油を燃料として駆動される内燃機関と電気エネルギー及び回転のエネルギーを相互に変換する電動発電機とを組み合わせたハイブリッド機関が、建設機械を含む種々の車両の駆動源として利用されている。一般的なハイブリッド機関では内燃機関の出力軸と電動発電機の回転軸とが接続されており、要求される駆動力の大きさに応じてそれぞれの出力を加算する制御や、内燃機関の出力を利用して電動発電機で発電する制御などが実施されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、複数のクラッチを介してエンジン及びモータジェネレータ（電動発電機）を接続したパラレル型ハイブリッド機関に関する技術が開示されている。ここでは、エンジンのクランクシャフトに連結された第１フライホイールとは別個に第２フライホイールを用意し、これをエンジンの出力軸に対して第１クラッチを介して接続するとともに、モータジェネレータの入出力軸に対して第２クラッチを介して接続している。このような装置構成により、車両の走行状態や充電状態に応じて各クラッチを断接制御して、モータジェネレータのみの動力で走行する制御やエンジンの動力をアシストする制御、あるいはモータジェネレータを発電機として駆動してエンジンの動力で充電する回生制御などが実施できるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２９６６３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術では、エンジンと隣接する位置にクラッチ及びモータジェネレータが設けられるため、パワートレーンが大型化しやすく、コスト的に不利である。特に、回転子の周囲に固定子を配した構造のモータジェネレータの場合には、たとえ固定子として永久磁石を使用したとしても装置全体が大きくなりやすく、これを搭載する車両に広い設置スペースが必要となってしまう。
【０００６】
また、このようなハイブリッド機関には、上記の外部装置に加えて、モータジェネレータの電流制御に係るインバータやコンバータ，充電用バッテリといった大型の諸装置が必要となるため、省スペース化がさらに難しいという課題もある。
本発明はこのような課題に鑑みてなされたもので、簡素な構成で電気エネルギー及びエンジンの回転エネルギーを変換することができ、かつ、スペース効率が高く、製品コストを抑えることができるようにした、ハイブリッド内燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、請求項１記載の本発明のハイブリッド内燃機関は、導体からなり、内燃機関で生成される回転駆動力を出力する出力軸と、該出力軸に中心を固定された円盤状の導体からなり、該出力軸の慣性質量体として設けられたフライホイールと、該出力軸の軸方向に沿って該フライホイールの内部を貫通する磁束を印加する磁場形成手段と、該フライホイールの辺縁部に対して電気的に接続された第一接続子と、該出力軸に対して電気的に接続された第二接続子と、該第一接続子及び該第二接続子間を接続して該フライホイールの半径方向に電流を通す電気回路を形成する導線と、を備えたことを特徴としている。
すなわち、本発明では該フライホイールが単極誘導の回転子として機能する。
【０００８】
また、請求項２記載の本発明のハイブリッド内燃機関は、請求項１記載の構成に加え、該磁場形成手段が、該フライホイールの両盤面に固定された一対の永久磁石を有し、該一対の永久磁石が、該フライホイールを挟んで互いに異なる磁極が向かい合うように配置されていることを特徴としている。
ここでは、該一対の永久磁石の間に、互いにほぼ平行な磁束が印加される。
【０００９】
また、請求項３記載の本発明のハイブリッド内燃機関は、請求項１記載の構成に加え、該磁場形成手段が、該出力軸及び該フライホイールの両盤面に対して非接触に配置された第二の一対の永久磁石を有し、該第二の一対の永久磁石が、該フライホイールを挟んで互いに異なる磁極が向かい合うように配置されていることを特徴としている。
ここでは、該第二の一対の永久磁石の間に、互いにほぼ平行な磁束が印加される。
【００１０】
また、請求項４記載の本発明のハイブリッド内燃機関は、請求項１〜３の何れか１項に記載の構成に加え、該導線上に介装され、該第一接続子及び該第二接続子間に流れる直流電流を制御して該フライホイールを回転駆動するＤＣ−ＤＣコンバータと、該第一接続子及び該第二接続子間に流れる該直流電流の供給源としてのバッテリと、をさらに備えたことを特徴としている。
【００１１】
また、請求項５記載の本発明のハイブリッド内燃機関は、請求項４記載の構成に加え、該ＤＣ−ＤＣコンバータが、該第一接続子及び該第二接続子間に流れる直流電流を該バッテリに蓄電することを特徴としている。
また、請求項６記載の本発明のハイブリッド内燃機関は、請求項１記載の構成に加え、該磁場形成手段が、該フライホイールの半径方向に流れる該電流に対し、該フライホイールの回転角度に応じて該磁束の向きが反転する磁場を形成することを特徴としている。
【００１２】
また、請求項７記載の本発明のハイブリッド内燃機関は、請求項６記載の構成に加え、該磁場形成手段が、該フライホイールの両面に対をなして固定された第三の一対の永久磁石を複数組有し、該第三の一対の永久磁石が、該フライホイールを挟んで互いに異なる磁極が向かい合うように配置されるとともに、任意の該第三の一対の永久磁石によって印加される該磁束の向きが、隣接する他の該第三の一対の永久磁石によって印加される該磁束の向きと逆方向になるように、該複数組の該第三の一対の永久磁石が配置されていることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項８記載の本発明のハイブリッド内燃機関は、請求項６又は７記載の構成に加え、該導線上に介装され、該第一接続子及び該第二接続子間に流れる交流電流を制御して該フライホイールを回転駆動するインバータと、該第一接続子及び該第二接続子間に流れる該交流電流の供給源としての第二バッテリと、をさらに備えたことを特徴としている。
【００１４】
また、請求項９記載の本発明のハイブリッド内燃機関は、請求項８記載の構成に加え、該出力軸の回転角度を検出する回転角度センサをさらに備え、該インバータが、該回転角度センサで検出された該回転角度に基づいて、該交流電流を制御することを特徴としている。
また、請求項１０記載の本発明のハイブリッド内燃機関は、請求項８又は９記載の構成に加え、該第一接続子及び該第二接続子と該インバータとの間に介装され、該交流電流を昇圧させるトランスをさらに備えたことを特徴としている。
【００１５】
また、請求項１１記載の本発明のハイブリッド内燃機関は、請求項８〜１０の何れか１項に記載の構成に加え、該インバータが、該第一接続子及び該第二接続子間に流れる交流電流を該第二バッテリに蓄電することを特徴としている。
また、請求項１２記載の本発明のハイブリッド内燃機関は、請求項１〜１１の何れか１項に記載の構成に加え、導体からなり、該出力軸を支承するシリンダブロックをさらに備え、該第一接続子が、該フライホイールの辺縁部に対して摺接するように設けられ、かつ、該シリンダブロックに対して電気的に非接続に固定されるとともに、該第二接続子が、該シリンダブロックに対して電気的に接続されて固定されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のハイブリッド内燃機関（請求項１）によれば、フライホイールを単極誘導の回転子として用いることで、フライホイールの回転エネルギーを第一接続子及び第二接続子間の誘導起電力として電気エネルギーに変換することができる。あるいは、第一接続子及び第二接続子間に電流を通すことにより、フライホイールに回転エネルギーを与えることができ、出力軸の回転をアシストすることができる。さらに、構成が非常に簡素であり、出力軸の慣性質量体として作用するフライホイールをそのまま利用することができるため、コストを抑えつつ従来の内燃機関に電動発電機としての機能を容易に付加することができ、省スペース化を図ることができる。
【００１７】
また、本発明のハイブリッド内燃機関（請求項２）によれば、出力軸の軸方向に平行な磁場を容易にフライホイールの内部に形成することができる。また、永久磁石がフライホイールに固定することでフライホイールの慣性モーメントを大きくすることができ、フライホイールを発電機として機能させる際の回転数を低下しにくくすることができる。
また、本発明のハイブリッド内燃機関（請求項３）によれば、出力軸の軸方向に平行な磁場を容易にフライホイールの内部に形成することができる。また、永久磁石をフライホイールに対して非接触とすることでフライホイールの慣性モーメントを小さくすることができ、フライホイールを電動機として機能させる際の回転数を上昇しやすくすることができる。
【００１８】
また、本発明のハイブリッド内燃機関（請求項４）によれば、フライホイールを直流電流駆動の電動機として機能させることができる。これにより、内燃機関のスタータモータやフライホイール周縁のギヤ加工などを不要とすることができ、コストをさらに削減することができる。
また、本発明のハイブリッド内燃機関（請求項５）によれば、フライホイールを直流発電機として機能させることができ、ＤＣ−ＤＣコンバータを介して容易にバッテリを充電することができる。
【００１９】
また、本発明のハイブリッド内燃機関（請求項６）によれば、フライホイールの半径方向に流れる電流に対して印加される磁束の向きがフライホイールの回転角度に応じて反転するため、第一接続子及び第二接続子間の電圧極性を反転させることができる。すなわち、交流電流を取り出すことができる。なお、第三の一対の永久磁石の組数が多いほど、交流電流の周波数を高めることができる。
【００２０】
また、本発明のハイブリッド内燃機関（請求項７）によれば、第三の一対の永久磁石によって印加される磁束の向きを、フライホイールの回転方向に沿って交互に反転させることができる。これにより、簡素な構成で第一接続子及び第二接続子間から交流電流を取り出すことができる。
また、本発明のハイブリッド内燃機関（請求項８）によれば、フライホイールを交流電流駆動の電動機として機能させることができる。これにより、内燃機関のスタータモータやフライホイール周縁のギヤ加工などを不要とすることができ、コストをさらに削減することできる。
【００２１】
また、本発明のハイブリッド内燃機関（請求項９）によれば、フライホイールの駆動に係る交流電流を内燃機関の出力軸の回転角度に同期させることができ、正確にフライホイールを回転させることができる。
また、本発明のハイブリッド内燃機関（請求項１０）によれば、第一接続子及び第二接続子間から取り出された交流電流の電圧を容易に高めることができ、一般的な電力制御機器を利用することが可能となる。また、昇圧によりエネルギー損失を低減させることができ、高効率化を図ることができる。なお、第三の一対の永久磁石の組数が多いほど、交流電流の周波数を高めることができ、トランスを小型化することができる。
【００２２】
また、本発明のハイブリッド内燃機関（請求項１１）によれば、フライホイールを交流発電機として機能させることができ、インバータを介して容易に第二バッテリを充電することができる。
また、本発明のハイブリッド内燃機関（請求項１２）によれば、電気回路の形成が容易となり、また第二接続子が摩耗しないため、さらにコストを削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態に係るハイブリッド内燃機関が適用された作業機械を示す斜視図である。
【図２】本ハイブリッド内燃機関の構成を示す模式的な断面図である。
【図３】本ハイブリッド内燃機関の作動原理を説明するための模式図である。
【図４】変形例としてのハイブリッド内燃機関の構成を示す模式的な断面図である。
【図５】変形例としてのハイブリッド内燃機関の作動原理を説明するための模式的な斜視図である。
【図６】変形例としてのハイブリッド内燃機関の構成を示す模式的な断面図であり、（ａ）はその出力軸を含む切断面の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面により、本発明の実施の形態について説明する。
［１．構成］
本発明は、図１に示す油圧ショベル２０に適用されている。この油圧ショベル２０は、クローラ式の走行装置を装備した下部走行体１８と、下部走行体１８の上に旋回自在に搭載された上部旋回体１９とを備えて構成される。上部旋回体１９の車両前方側には、アーム，ブーム等からなるフロント作業装置１６や、オペレータが搭乗するキャブ１５が設けられる。また、上部旋回体１９の最後端部にはカウンタウェイト１７が配設され、その直前方にエンジンルーム１４が形成される。
【００２５】
エンジンルーム１４には、油圧ショベル２０の駆動源であるエンジン１（内燃機関）が配置される。このエンジン１は、複数の気筒２１を有する多気筒エンジンであり、電動発電機としての機能をも兼ね備えたハイブリッドエンジンである。また、エンジンルーム１４内には、図示しないラジエータを冷却するための冷却ファンや、フロント作業装置１６を始めとする油圧機器へ作動油を供給するための油圧ポンプが配置される。これらの冷却ファン及び油圧ポンプは、エンジン１によって駆動される。
【００２６】
図２に四気筒のエンジン１を例示する。エンジン１には、回転駆動力を出力する出力軸としてのクランクシャフト３と、気筒２１内を往復摺動自在に挿入されたピストン１３と、両端をそれぞれクランクシャフト３及びピストン１３に連結されたコネクティングロッド１２（コンロッド）とが備えられており、これらがシリンダブロック２の内部に配置されている。
【００２７】
クランクシャフト３は、図２に示すようにクランク状に形成され、回転の中心軸Ｃから離れた位置で各コンロッド１２の一端を軸支している。クランクシャフト３とコンロッド１２との連結部の位置に着目すると、中心軸Ｃの軸方向から見て、四ヶ所の連結部のうちの二箇所が中心軸Ｃに対して他の二箇所と点対称の位置に設けられている。つまり、四つの気筒２１のうち二つの気筒２１でピストン１３が上死点に位置するとき（すなわち、燃焼室の体積が最小となるとき）に、残りの二つの気筒２１でピストン１３が下死点に位置する（すなわち、燃焼室の体積が最大となる）ように構成されている。また、クランクシャフト３は、導体からなるベアリング１１を介して、同じく導体からなるシリンダブロック２に支承されている。
【００２８】
各気筒２１では、クランクシャフト３が二回転する間に吸気行程，圧縮行程，燃焼行程及び排気行程が実施される。このとき、各気筒２１で同時に同じ行程が実施されないように、燃焼サイクルの位相がクランクシャフト３の半回転毎にずらしてある。つまり、クランクシャフト３が半回転するたびに何れか一つの気筒２１で燃焼行程が実施され、クランクシャフト３に回転駆動力が与えられる。したがって、クランクシャフト３には、半回転毎に間欠的な回転駆動力が入力されることになり、その回転速度は不均一である。
【００２９】
このような不均一な回転駆動力を均してスムーズな回転出力を得るために、クランクシャフト３にはフライホイール４が設けられている。フライホイール４は、円盤状の導体からなり、その中心がクランクシャフト３に固定されている。フライホイール４の中心は、クランクシャフト３の回転の中心軸Ｃに一致している。なお、フライホイール４が固定された部位でのクランクシャフト３の半径はr1である。
【００３０】
ここで図２に示すように、フライホイール４の一方の面を便宜上、表面４ａと呼び、その裏面も表面４ｂと呼ぶ。これらの表面４ａ，４ｂはそれぞれ円形の平面であり、中心軸Ｃに対して垂直に配置されている。また、フライホイール４の外周面４ｃは、中心軸Ｃを軸心とした円筒の筒面であり、その表面は滑らかである。
フライホイール４は、クランクシャフト３の回転運動に係る慣性質量体として設けられたものであり、所定の慣性モーメントを有する。なお、この所定の慣性モーメントを大きく設定すれば回転の慣性力が大きくなり、その分、回転速度の変動が抑制されることになる。また、所定の慣性モーメントを小さく設定すれば回転の慣性力が小さくなり、クランクシャフト３の回転の加速性が向上することになる。
【００３１】
フライホイール４の両表面４ａ，４ｂにはそれぞれ、永久磁石５ａ，５ｂが貼り付けられている。これらの永久磁石５ａ，５ｂは、平板リング形状に形成された磁石であり、その板面に対して垂直な方向に極性が分離している。
例えば、図３に示すように、一方の永久磁石５ａはＮ極側がフライホイール４の表面４ａに接着固定され、他方の永久磁石５ｂはＳ極側がフライホイール４の表面４ｂに接着固定される。つまり、一対の永久磁石５ａ，５ｂは、フライホイール４を挟んで互いに異なる磁極が向かい合うように配置されている。したがって、これらの一対の永久磁石５ａ，５ｂの間には磁束密度のほぼ均質な磁場が形成され、中心軸Ｃに平行な磁束がフライホイール４の内部を貫通して印加される。このように、本実施形態では一対の永久磁石５ａ，５ｂが磁場形成手段として機能している。なお、中心軸Ｃから一対の永久磁石５ａ，５ｂの外周面までの距離はr2である。この距離r2は、一対の永久磁石５ａ，５ｂによって形成されているほぼ均質な磁場の領域の半径に相当する。
【００３２】
フライホイール４の外周面４ｃには、ブラシ６（第一接続子）が設けられている。ブラシ６は、フライホイール４の外周面４ｃと摺接するように設けられ、フライホイール４に対して電気的に接続されている。ブラシ６は、例えば貴金属，金属，カーボン等を含む合金からなる導体であり、フライホイール４の外周面４ｃから電流を導く集電子として機能する。本実施形態では、ブラシ６がシリンダブロック２に対して絶縁された状態でシリンダブロック２に固定されている。
【００３３】
シリンダブロック２の外表面には、端子７（第二接続子）が設けられている。端子７は導体からなり、シリンダブロック２に対して電気的に接続されている。これにより端子７は、導体からなるシリンダブロック２，ベアリング１１及びクランクシャフト３を介して、フライホイール４の中心から電流を導く集電子として機能する。
上記のブラシ６及び端子７のそれぞれには、第一導線６ａ及び第二導線７ａが接続されている。なお、第一導線６ａはシリンダブロック２に対して絶縁されている。これらの導線６ａ，７ａはＤＣ−ＤＣコンバータ８（直流／直流変換器）に接続されており、フライホイール４の半径方向に電流を通す電気回路を形成している。ＤＣ−ＤＣコンバータ８は、上記の電気回路を流れる直流電流を制御するものである。
【００３４】
図２に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータ８には直流のバッテリ９が接続されている。本実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ８がブラシ６及び端子７間の電圧極性及び電流の大きさを変更する機能を有している。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ８の動作は、コントローラ１０によって制御されている。コントローラ１０は、マイクロコンピュータで構成された電子制御装置であり、周知のマイクロプロセッサやＲＯＭ，ＲＡＭ等を集積したＬＳＩデバイスとして提供されている。
【００３５】
［２．動作原理］
続いて、本発明のフライホイール４の電動発電機としての動作原理について説明する。本発明では、フライホイール４を単極誘導の回転子として利用しており、フライホイール４の半径方向に電流を流すことでフライホイール４を回転駆動し、さらに、フライホイール４が回転したときにその半径方向に生じる起電力を電気エネルギーとして取り出す。すなわち、フライホイール４の半径方向に電流を通すことでフライホイール４をモータとして駆動し、あるいは、各気筒２１の燃焼行程でクランクシャフト３に与えられる回転駆動力で回転するフライホイール４をジェネレータに見立てて、その回転エネルギーをブラシ６及び端子７間の誘導起電力として電気エネルギーに変換する。
【００３６】
図３に示すように、一対の永久磁石５ａ，５ｂによってフライホイール４の内部に印加される磁束密度をＢとおくと、クランクシャフト３の回転角速度がωであるとき、フライホイール４の半径方向に生じる起電力Ｅの大きさは、以下の式１で表される。ここで、r1はフライホイール４が固定された部位でのクランクシャフト３の半径であり、r2は中心軸Ｃから一対の永久磁石５ａ，５ｂの外周面までの距離（外径）である。
【００３７】
【数１】
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【００３８】
なお、単極誘導では、集電点となるブラシ６及び端子７を固定する必要がある。一方、磁界を形成する永久磁石５ａ，５ｂは固定する必要がなく、フライホイール４と一体回転するものとしてもよいし、あるいはシリンダブロック２に固定してもよい。また、フライホイール４の回転方向が常に一定方向であるとすると、充電時におけるブラシ６及び端子７間の電圧極性は、モータ駆動時におけるブラシ６及び端子７間の電圧極性の逆となる。
【００３９】
［３．作用，効果］
上記の構成及び動作原理に基づき、コントローラ１０では以下の二種類の制御が実施される。
制御１：バッテリ９の電力でフライホイール４に回転駆動力を付加する制御
制御２：フライホイール４の回転駆動力でバッテリ９を充電する制御
機能１は、フライホイール４の半径方向にバッテリ９の直流電流を流すことによって実施される。例えば、停止状態のエンジン１を始動する場合や回転駆動力を付加してエンジン１をアシストする場合には、コントローラ１０によりＤＣ−ＤＣコンバータ８が制御され、ブラシ６及び端子７間に電圧が与えられる。これにより、フライホイール４が電動機として作動し、各気筒２１からクランクシャフト３へ入力される回転駆動力に対してモータ駆動力が加算される。モータ駆動によって増加するフライホイール４の回転エネルギーは、ＤＣ−ＤＣコンバータ８を介して与えられた電気エネルギーに応じた大きさとなる。
【００４０】
機能２は、回転するフライホイール４の半径方向に流れる直流電流を取り出すことによって実施される。例えば、エンジン１の回転駆動力を利用して発電する場合には、コントローラ１０によりＤＣ−ＤＣコンバータ８が制御され、ブラシ６及び端子７間の誘導起電力が取り出される。これにより、フライホイール４が発電機として作動し、バッテリ９が充電される。このとき、充電された電気エネルギーの大きさに対応するフライホイール４の回転エネルギーが減少する。
【００４１】
このように、本ハイブリッド内燃機関によれば、フライホイール４を単極誘導の回転子として用いることで、簡素な構成で容易にフライホイール４の回転エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。また、ブラシ６及び端子７間に電流を通すことにより、フライホイール４に回転エネルギーを与えることができ、クランクシャフト３の回転駆動力をアシストすることができる。さらに、構成が非常に簡素であり、慣性質量体として設けられるフライホイール４をそのまま利用することができるため、コストを抑えつつ従来の内燃機関に電動発電機としての機能を容易に付加することができ、省スペース化を図ることができる。
【００４２】
また、一対の永久磁石５ａ，５ｂがフライホイール４の両表面４ａ，４ｂに固定されているため、単極誘導に必要な安定した磁界をフライホイール４の内部に容易に形成することができる。さらに、貼り付けられた永久磁石５ａ，５ｂの分だけ慣性モーメントを大きくすることができ、発電時のフライホイール４の回転数の低下を抑制することができる。
また、ＤＣ−ＤＣコンバータ８でフライホイール４の半径方向に電流を流す上記の制御１により、フライホイール４を直流電流駆動の電動機として機能させることができる。これにより、従来のスタータモータやフライホイール４の外周面４ｃのギヤ加工などを不要とすることができ、コストをさらに削減することができる。
【００４３】
また、ＤＣ−ＤＣコンバータ８でフライホイール４の半径方向に流れる電流を取り出す上記の制御２により、フライホイール４を直流電流の発電機として機能させることができる。これにより、従来のモータジェネレータやこれをエンジン１に接続するためのカップリング装置，ギヤ，クラッチといった外部装置を不要とすることができ、コストをさらに削減することができる。
【００４４】
なお、一般的な単極誘導では、回転する導体の回転軸及び外周部近傍に集電点を設ける必要があるが、本実施形態では導体からなるベアリング１１を介してクランクシャフト３をシリンダブロック２に支承させている。これにより、端子７をシリンダブロック２の外表面に設けることができ、電気回路の形成が容易であるという利点がある。さらに、端子７が摩耗しないため、コストをさらに削減することができる。
【００４５】
［４．変形例］
［４−１．直流電流制御に係るもの］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
上述の実施形態では、図２に示すように、一対の永久磁石５ａ，５ｂをフライホイール４の両表面４ａ，４ｂに貼り付けて磁界を形成したものが例示されている。一方、図４に示すように、一対の永久磁石５ａ′，５ｂ′（第二の一対の永久磁石）をフライホイール４から離してシリンダブロック２に固定してもよい。あるいは、上述の実施形態の構成に加えて、フライホイール４から離れた位置でシリンダブロック２に固定された一対の永久磁石５ａ′，５ｂ′を設けることも考えられる。
【００４６】
このような構成のエンジン１Ａによれば、フライホイール４の慣性モーメントに影響を与えることなく、単極誘導に必要な強度の磁場を形成することが可能となる。つまり、フライホイール４の慣性モーメントを増大させずに磁束密度Ｂを増大させることができ、フライホイール４の本来の機能（慣性質量体としての機能）を阻害することなく、電動発電機としての機能を強化することができる。また、上述の実施形態と同様にフライホイール４の内部を貫通する均質な磁場を形成することが可能であり、上述の実施形態と同様の効果が期待される。なお、フライホイール４の慣性モーメントを小さくすることで、フライホイール４を電動機として機能させる際の回転数を上昇しやすくすることができる。
【００４７】
また、図４に示すように、端子７′をクランクシャフト３に直接接続する構成としてもよい。例えば、ブラシ６と同様に端子７′をクランクシャフト３の外周面に摺接するように設ける。このような構成により、クランクシャフト３を支持する導体のベアリング１１が不要となり、さらに構成を簡素にすることができる。
また、上述の実施形態では一対の永久磁石５ａ，５ｂを用いて磁場を形成しているが、このような構成に代えて、電磁コイルを用いて同様の磁場を形成する構成としてもよい。
【００４８】
なお、上述の実施形態では、ブラシ６がフライホイール４の外周面４ｃと摺接しているが、ブラシ６の集電点はこれに限定されず、フライホイール４の辺縁部であればよい。例えば、外周面４ｃよりも回転中心側（内側）でもよい。
【００４９】
［４−２．交流電流制御に係るもの］
形成される磁場に関して、図５に示すように、二対の永久磁石５ｃ〜５ｆを用意し、フライホイール４の回転量に応じて磁束密度の符号（磁界の向き）が変化するようにこれらをフライホイール４の両表面４ａ，４ｂに貼り付けることも考えられる。この場合、永久磁石５ｃのＮ極側を表面４ａに貼り付けるとともに、表面４ｂのこれに対応する位置に永久磁石５ｄのＳ極側を貼り付ける。さらに、永久磁石５ｃを中心軸Ｃについて点対称移動させた位置に永久磁石５ｅのＳ極側を貼り付け、表面４ｂのこれに対応する位置に永久磁石５ｆのＮ極側を貼り付ける。
【００５０】
このような構成により、互いに逆方向の磁束がフライホイール４の内部を貫通して印加されるため、発電時におけるブラシ６及び端子７間の誘導起電力の正負がフライホイール４の回転に伴って変動し、交流電流を取り出すことができる。なお、このフライホイール４をモータ駆動する場合には、ブラシ６及び端子７間に交流電流を供給してやればよい。
具体的な変形例としてのエンジン１Ｂの構成を図６（ａ），（ｂ）に例示する。なお、上述の実施形態と同一又は類似の構成要素に関しては、同一の符号を付して説明を省略する。本変形例におけるフライホイール４には、中心軸Ｃの軸方向から見て放射方向に分割された複数の永久磁石２５ａ〜２５ｄ及び２５ｅ〜２５ｈ（複数の第三の一対の永久磁石）が対をなして貼り付けられている。これらの永久磁石２５ａ〜２５ｈは、その板面に対して垂直な方向に極性が分離している。便宜上、図６（ａ），（ｂ）中では全ての永久磁石のうちの一部に符号を付している。
【００５１】
永久磁石２５ａ〜２５ｄはフライホイール４の表面４ａに貼り付けられ、永久磁石２５ｅ〜２５ｈは逆側の表面４ｂに貼り付けられている。永久磁石２５ａ，２５ｃはＮ極側を表面４ａに接着固定され、永久磁石２５ｂ，２５ｄはＳ極側を表面４ａに接着固定されている。同様に、永久磁石２５ｅ，２５ｇはＳ極側を表面４ｂに接着固定され、永久磁石２５ｆ，２５ｈはＮ極側を表面４ｂに接着固定されている。
【００５２】
つまり、永久磁石２５ａ〜２５ｈがフライホイール４を挟んで互いに異なる磁極が向かい合うように、かつ、それぞれの表面４ａ，４ｂにおいて異なる磁極同士がフライホイール４の周方向に隣接するように配置されている。フライホイール４の内部には、磁束の向きがフライホイール４の回転角度に応じて反転する磁場が形成される。なお、隣接する永久磁石同士〔例えば、図６（ｂ）中における永久磁石２５ｅ，２５ｆなど〕の磁気的短絡を防止するために、これらの間に反磁生体や非磁性体を介装させてもよいし、あるいは所定の間隙を空けて永久磁石を配置してもよい。
【００５３】
また、ブラシ６及び端子７のそれぞれに繋がる第一導線６ａ及び第二導線７ａは、トランス３０を介してインバータ２８（交流／直流変換器）に接続されている。インバータ２８は、フライホイール４の半径方向に流れる交流電流を制御するものであり、ブラシ６及び端子７間の電圧極性及び電流の大きさを変更する機能を有する。
このインバータ２８には直流のバッテリ２９（第二バッテリ）が接続されている。インバータ２８は、フライホイール４の回転時におけるブラシ６及び端子７間の交流起電力を取り出してバッテリ２９を充電する機能と、バッテリ２９の電力を用いてブラシ６及び端子７間に交流電流を流してフライホイール４を回転駆動する機能とを備えている。なお、トランス３０は交流電流の変圧器であり、ブラシ６及び端子７間の電圧を昇圧させる機能を有する。
【００５４】
出力軸３には、その回転角度を検出する回転角度センサ２７が設けられている。この回転角度センサ２７としては、例えばレゾルバやロータリーエンコーダ等を用いることが考えられる。ここで検出された回転角度はインバータ２８に入力されている。インバータ２は、回転角度によって変化する磁界の向きとブラシ６及び端子７間の電圧極性とが同期するように、ブラシ６及び端子７間の交流電流を制御してフライホイール４を回転駆動する。
【００５５】
このような構成によれば、フライホイール４の半径方向に流れる電流に対して印加される磁束の向きがフライホイール４の回転角度に応じて反転するため、ブラシ６及び端子７間の電圧極性を交互に反転させることができ、簡素な構成で交流電流を取り出すことができる。つまり、フライホイール４を発電機として機能させることができ、インバータを介して容易にバッテリ２９を充電することができる。なお、永久磁石２５ａ〜２５ｈの組数が多いほど、交流電流の周波数を高めることができる。
【００５６】
一方、インバータ２８によってブラシ６及び端子７間の交流電流を制御することにより、フライホイール４を電動機として機能させることも可能である。これにより、上述の実施形態と同様に、エンジン１Ｂのスタータモータやフライホイール４の外周面４ｃのギヤ加工などを不要とすることができ、コストをさらに削減することができる。
また、出力軸３に設けられた回転角度センサ２７で回転角度を検出し、これをインバータ２８での制御に用いることにより、正確にフライホイール４の回転を制御することができる。例えば、フライホイール４の回転角度や回転角速度の制御が可能となる。
【００５７】
また、トランス３０を設けることにより、ブラシ６及び端子７間の交流電流の電圧を変更することができ、一般的な電力制御機器を利用することが可能となる。特に、電圧を高めることでエネルギー損失を低減させることができ、高効率化を図ることができる。なお、永久磁石２５ａ〜２５ｈの組数が多いほど、交流電流の周波数を高めることができるため、これに伴ってトランス３０を小型化することが可能となるという利点もある。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は、内燃機関を駆動源とする車両全般、及び、油圧ショベル，油圧式クレーン等の作業機械全般に利用可能である。
【符号の説明】
【００５９】
１  エンジン（内燃機関）
２  シリンダブロック
３  クランクシャフト（出力軸）
４  フライホイール
４ａ，４ｂ  表面
４ｃ  外周面
５ａ，５ｂ  一対の永久磁石（磁場形成手段）
５ａ′，５ｂ′  第二の一対の永久磁石（磁場形成手段）
６  ブラシ（第一接続子）
６ａ  第一導線（導線）
７，７′  端子（第二接続子）
７ａ  第二導線（導線）
８  ＤＣ−ＤＣコンバータ
９  バッテリ
１０  コントローラ
１１  ベアリング
１２  コンロッド
１３  ピストン
１４  エンジンルーム
２０  油圧ショベル
２１  気筒
２５ａ〜２５ｈ  永久磁石（複数組の第三の一対の永久磁石）
２７  回転角度センサ
２８  インバータ
２９  バッテリ（第二バッテリ）
３０  トランス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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