(57)【要約】【課題】  構造の複雑化や重量の増大を招くことなく、鉄道車両用電力供給装置が発生する振動を低減させる。【解決手段】  エンジンによって駆動される発電機を備える鉄道車両用電力供給装置において、エンジン停止時に、発電機に対し逆電圧−ｖbを印加する。そして、発電機の負荷を増大させ、エンジンの減速度を高める。これにより、エンジンの回転数に応じた振動周波数が車体の固有振動周波数と一致し、車体の共振を誘発する状態に置かれる時間が短縮され、振動の増幅を抑えることが可能となる。  【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンと、当該エンジンの出力軸に直結された状態で前記エンジンと共に車体に搭載される発電機とを備える鉄道車両用電力供給装置において、
前記エンジンの停止時に前記発電機の駆動に要する負荷を増大させて、前記エンジンの減速度を制御する制御手段を備えることを特徴とする鉄道車両用電力供給装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記発電機に対する逆電圧印加手段を備えることを特徴とする請求項１記載の鉄道車両用電力供給装置。
【請求項３】
前記制御手段は、少なくとも、前記エンジンの回転数に応じた振動周波数が車体の固有振動周波数と一致するタイミングにおいて、前記発電機の駆動に要する負荷の増大を行うものであることを特徴とする請求項２記載の鉄道車両用電力供給装置。
【請求項４】
前記エンジンと前記発電機は、バッテリーと共にシリーズハイブリッド方式の鉄道車両の電力供給手段を構成するものであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の鉄道車両用電力供給装置。
【請求項５】
エンジンと、当該エンジンの出力軸に直結された状態で前記エンジンと共に車体に搭載される発電機とを備える鉄道車両用電力供給装置の、前記エンジンの停止時に前記発電機の駆動に要する負荷を増大させて、前記エンジンの減速度を制御することを特徴とする鉄道車両用電力供給装置の振動低減方法。
【請求項６】
前記発電機の駆動に要する負荷の増大を、前記発電機に逆電圧を印加することにより行うことを特徴とする請求項５記載の鉄道車両用電力供給装置の振動低減方法。
【請求項７】
前記発電機の駆動に要する負荷の増大を、少なくとも、前記エンジンの回転数に応じた振動周波数が車体の固有振動周波数と一致するタイミングにおいて行うことを特徴とする請求項６記載の鉄道車両用電力供給装置の振動低減方法。
【請求項８】
前記エンジンと前記発電機は、バッテリーと共にシリーズハイブリッド方式の鉄道車両の電力供給手段を構成するものであることを特徴とする請求項５から７のいずれか１項記載の鉄道車両用電力供給装置の振動低減方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両用電力供給装置の振動を低減させる技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、鉄道の電化区間には、軽量化、電動モータの高効率化、回生ブレーキの採用等によって、省エネルギー化を促進させた車両の投入が相次いでおり、地球環境の保全に大きく貢献している。しかしながら、非電化区間については、電化区間に比べ省エネルギー化の遅延が指摘され、その理由の一つとして、非電化区間を走行する気動車の場合、回生ブレーキを構成することができないことが挙げられる。そこで、エンジン、モーター、バッテリー等を組み合わせたハイブリッドシステムを備える鉄道車両を非電化区間に導入することが検討されている。
さて、ハイブリッドシステムには、シリーズハイブリッド方式、パラレルハイブリッド方式およびこの２方式の特徴を兼備えたシリーズパラレル方式の３方式が存在し、鉄道車両には、シリーズハイブリッドが採用されている。
【０００３】
鉄道車両用シリーズハイブリッドシステムは、図４に概略的に示すように、エンジン１により発電機２を駆動し、加速時や連続勾配の登坂時等、走行用モーター４の電力消費量が増大する高負荷走行条件下では、バッテリー３と発電機２の双方から走行用モーター４へと電力供給を行い、車輪５を強力に駆動することを可能としている。また、ブレーキ時における走行用モーター４からの回収電力を、バッテリー３への充電と、車内サービス機器等６への電力供給に用いることで、エネルギー効率の向上に大きく貢献することができる。なお、バッテリー３の蓄電容量が不足した時には、バッテリー３は発電機２からも電力供給を受けることができる。さらに、起動時における走行用モーター４への電力供給と、停車時およびブレーキ時以外の低負荷走行時における車内サービス機器等６への電力供給は、バッテリー３のみから行うことで、騒音低減を図ることが可能となっている。そして、各走行状態において発電機２、バッテリー３および走行用モーター４間の電力の受渡し方向を転換する電気回路の切換や、エンジン１の運転状態の管理は、制御手段７によって適切に行われる。
以上のシリーズハイブリッド方式は、車輪５の駆動を走行用モーター４のみによって行うことから、既存の電車用走行機器の転用が容易であるといった利点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記シリーズハイブリッドシステムにおいて、バッテリー３と共にハイブリッド鉄道車両の電力供給手段を構成するエンジン１と発電機２は、電力供給を常時行うものではなく間欠的に行うものであり、エンジン１の始動（回転数の増加）および停止（回転数の減少）のタイミングは、従来の気動車とは大きく異なっている。したがって、エンジン１および発電機２から発生する振動が、乗客に違和感、不快感を与え、本来的に低騒音、低公害のハイブリッド鉄道車両の快適性を阻害するといった欠点が指摘されている。
そこで、図５から図７に示すように、鉄道車両の車体床８の下面にエンジン１と発電機２とを吊下げて搭載する構造において、エンジン１側の機関吊り受９と車体側の機関吊り受10との間、および、発電機側の機関吊り受11と車体側の機関吊り受12との間に、夫々、防振ブッシュ13、14を介在させ、エンジン１と発電機２から発生する振動が車体床８に伝わることを可能な限り防いでいる。
【０００５】
しかしながら、特に、エンジン１の停止時には、エンジン１の回転数の低下と共に発生する振動周波数が変化し、車体の固有振動周波数（７Ｈｚ程度）と一致するタイミングで、エンジン１と発電機２から発生する振動が車体と共振して増幅され、車体床８に大きく伝わってしまうという問題が生じている。特に、図５から図７に示すように、エンジン１を一点で、発電機２を二点で吊下げる三点吊構造の場合には、発電機側の重心位置を大きく外れた場所に機関吊り受11、12が配置されることから、振動の共振がより顕著となってしまう。
かかる振動は、図５に示すように、エンジン１の出力軸１ａを発電機２の入力軸２ａに直結する継手15を、クラッチ等の係合離脱自在な継手手段に変更することで、大幅に低減させることが可能であるが、鉄道車両の床下は、様々な機器を配置する必要性から、エンジン１と発電機２との設置スペースにも大きな制約が課せられており、部品点数の増加につながる構造変更は極めて困難となっている。一方、車体重量の増加、剛性の増大により車体の固有振動周波数を変更し、エンジン停止時の車体の共振を防ぐことも可能であるが、かかる手法は車体の軽量化の要請に反し、ハイブリット化による省エネルギー効果を滅失してしまうことになる。
【０００６】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、構造の複雑化や重量の増大を招くことなく、鉄道車両用電力供給装置が発生する振動を低減させることにある。特に、ハイブリッド鉄道車両の省エネルギー効果を阻害することなく当該振動を低減させて、快適性をより一層向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための、本発明の請求項１に係る鉄道車両用電力供給装置は、エンジンと、当該エンジンの出力軸に直結された状態で前記エンジンと共に車体に搭載される発電機とを備える鉄道車両用電力供給装置において、前記エンジンの停止時に前記発電機の駆動に要する負荷を増大させて、前記エンジンの減速度を制御する制御手段を備えることを特徴とするものである。
本発明によれば、前記制御手段によって、エンジンの停止時に発電機の駆動に要する負荷を増大させ、エンジンの減速度を高めるように制御することで、エンジンの回転数に応じた振動周波数が車体の固有振動周波数と一致し、車体の共振を誘発する状態に置かれる時間を短縮し、振動の増幅を抑えることができる。
【０００８】
また、本発明の請求項２に係る鉄道車両用電力供給装置は、請求項１記載の鉄道車両用電力供給装置において、前記制御手段は、前記発電機に対する逆電圧印加手段を備えるものである。
本発明によれば、発電機に対する逆電圧印加手段によって、発電機に対し、エンジンの出力軸の回転方向と逆方向に回転するモーターとして機能させるための逆電圧を印加し、発電機の駆動に要する負荷を増大させて、エンジンの減速度を制御することが可能となる。
【０００９】
また、本発明の請求項３に係る鉄道車両用電力供給装置は、請求項２記載の鉄道車両用電力供給装置において、前記制御手段は、少なくとも、前記エンジンの回転数に応じた振動周波数が車体の固有振動周波数と一致するタイミングにおいて、前記発電機の駆動に要する負荷の増大を行うものである。
本発明によれば、発電機に対する逆電圧の印加時間を必要最小限に抑え、発電機の駆動に要する負荷を増大させるための電力消費量の削減を図り、エンジンの減速度の制御を効率的に行うことが可能となる。
【００１０】
また、本発明の請求項４に係る鉄道車両用電力供給装置は、請求項１から３のいずれか１項記載の鉄道車両用電力供給装置において、前記エンジンと前記発電機は、バッテリーと共にシリーズハイブリッド方式の鉄道車両の電力供給手段を構成するものである。
本発明によれば、シリーズハイブリッド方式の鉄道車両において、上述の作用を得ることが可能となる。
【００１１】
また、上記課題を解決するための、本発明の請求項５に係る鉄道車両用電力供給装置の振動低減方法は、エンジンと、当該エンジンの出力軸に直結された状態で前記エンジンと共に車体に搭載される発電機とを備える鉄道車両用電力供給装置の、前記エンジンの停止時に前記発電機の駆動に要する負荷を増大させて、前記エンジンの減速度を制御することを特徴とするものである。
本発明によれば、エンジンの停止時に発電機の駆動に要する負荷を増大させて、エンジンの減速度を高めることで、エンジンの回転数に応じた振動周波数が車体の固有振動周波数と一致し、車体の共振を誘発する状態に置かれる時間を短縮し、振動の増幅を抑えることができる。
【００１２】
また、本発明の請求項６に係る鉄道車両用電力供給装置の振動低減方法は、請求項５記載の鉄道車両用電力供給装置の振動低減方法において、前記発電機の駆動に要する負荷の増大を、前記発電機に逆電圧を印加することにより行うものである。
本発明によれば、発電機に対し逆電圧を印加し、エンジンの出力軸の回転方向と逆方向に回転するモーターとして機能させることて、発電機の駆動に要する負荷を増大させて、エンジンの減速度を制御することが可能となる。
【００１３】
また、本発明の請求項７に係る鉄道車両用電力供給装置の振動低減方法は、請求項６記載の鉄道車両用電力供給装置の振動低減方法において、前記発電機の駆動に要する負荷の増大を、少なくとも、前記エンジンの回転数に応じた振動周波数が車体の固有振動周波数と一致するタイミングにおいて行うものである。
本発明によれば、発電機に対する逆電圧の印加時間を必要最小限に抑え、発電機の駆動に要する負荷を増大させるための電力消費量の削減を図り、エンジンの減速度の制御を効率的に行うことが可能となる。
【００１４】
また、本発明の請求項８に係る鉄道車両用電力供給装置の振動低減方法は、請求項５から７のいずれか１項記載の鉄道車両用電力供給装置の振動低減方法において、前記エンジンと前記発電機は、バッテリーと共にシリーズハイブリッド方式の鉄道車両の電力供給手段を構成するものである。
本発明によれば、シリーズハイブリッド方式の鉄道車両において、上述の作用を得ることが可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明はこのように構成したので、構造の複雑化や重量の増大を招くことなく、鉄道車両用電力供給装置が発生する振動を低減させることが可能となる。特に、ハイブリッド鉄道車両の省エネルギー効果を阻害することなく当該振動を低減させ、より一層の快適性の向上が図られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づいて説明する。なお、従来技術と同一部分、若しくは相当する部分については同一符号で示し、詳しい説明を省略する。
【００１７】
図１は、本発明の実施の形態に係る、シリーズハイブリッド方式の鉄道車両において、電力供給装置の振動低減を図るための、エンジンおよび発電機の制御方法を、エンジンの回転数および発電機に印加する電圧と、時間との関係に基づき説明するものである。ここで用いられている、シリーズハイブリッドシステムの構成は、図４に示す従来のシステムと同様の構成を有しているが、本発明の実施の形態では、制御手段７に、発電機２に対する逆電圧印加手段としての機能を増設した点が相違する。
【００１８】
さて、本発明の実施の形態は、制御手段７の逆電圧印加機能によって、エンジン１の停止時に発電機２の負荷を増大させて、エンジン１の減速度を制御するものである。図１に二点鎖線で示すように、エンジン１の回転速度（回転数）Ｎは、制御手段７からのエンジン停止指令を受け、エンジンへの燃料噴射がカットされる時点Ｔ0において、瞬時に０ｒｐｍとなるわけではなく、エンジン１および発電機２の回転要素が持つ慣性力により、徐々に減少していく。
そこで、エンジン１が回転数Ｎｒｐｍで運転中に電圧ｖaの発電を行っていた発電機２に対し、エンジンの停止時（すなわち、時間Ｔ0からエンジンの回転数が０ｒｐｍとなるまでの間）に逆電圧−ｖbを印加し、発電機２を、エンジン１の出力軸の回転方向と逆方向に回転するモーターとして機能させる。すると、エンジン１によって駆動される発電機２の負荷が増大し、エンジン１の減速度を高めるように制御することができる。図１の例では、エンジン１の停止時に発電機２の駆動に要する負荷を増大させずに自然停止させた場合、回転数が０ｒｐｍとなるまでに時間Ｔ0〜Ｔ1を要していたのに対し、発電機２の負荷を増大させることによって、時間Ｔ0〜Ｔ2（Ｔ1＞Ｔ2）で回転数を０ｒｐｍとすることが可能となっている。
【００１９】
この場合において、発電機２に逆電圧−ｖbを印加する時間は、時間Ｔ0〜Ｔ2の間である。かかる時間は、逆電圧の大きさに応じたエンジン１の停止時間Ｔ0〜Ｔ2を実験等によって予め把握し、制御手段７からのエンジン停止指令と同時に逆電圧を印加し、時間Ｔ2の時点で逆電圧−ｖbの印加を停止するシーケンス制御とすれば良い。また、必要に応じ、エンジン回転数を検出して逆電圧の印加時間を決定するフィードバック制御を採用することも可能である。また、逆電圧−ｖbの大きさは、電気回路の負担と、必要な減速度とを考慮して最適の値に設定される。
【００２０】
また、図２に示すように、逆電圧−ｖbの印加を、燃料カットによりエンジン１の回転数が減少し始める時点Ｔ0から行うのではなく、一定時間Ｔ3（Ｔ2＞Ｔ3）経過後から開始することとしてもよい。この場合には、特に、エンジン１の回転数に応じた振動周波数が車体の固有振動周波数と一致するタイミングにおいて、発電機２の負荷の増大を行うことが望ましい。すなわち、エンジン１の回転数に応じた振動周波数が車体の固有振動周波数と一致する以前のＴ0〜Ｔ3の間は、慣性による自然な減速を行い、時間Ｔ3〜Ｔ2の間は、発電機２に対し逆電圧−ｖbを印加し、発電機２を、エンジン１の出力軸の回転方向と逆方向に回転するモーターとして機能させるものである。よって、エンジン１の減速度は、時間Ｔ0〜Ｔ3の間は慣性により停止する場合と同様であるが、時間Ｔ3〜Ｔ2の間は減速度が増大することとなる。
【００２１】
また、エンジン速度の減少と共に、エンジン１および発電機２の慣性力も減少することを考慮して、図３に示すように、逆電圧−ｖbの印加後一定時間が経過した時点Ｔ4から、逆電圧を徐々に減少させることとしてもよい。なお、図２、図３の何れの場合も、エンジン速度の減速度を高めつつ、前記発電機の駆動に要する負荷を増大させるための電力消費量の削減を図るという効果を得ることができる。
【００２２】
上記構成をなす本発明の実施の形態によれば、次のような作用効果を得ることが可能となる。まず、制御手段７によって、エンジン１の停止時に発電機２の負荷を増大させて、エンジン１の減速度を高めるように制御することで、エンジン１の回転数に応じた振動周波数が車体の固有振動周波数と一致し、車体の共振を誘発する状態に置かれる時間を短縮し、振動の増幅を抑えることができる。
しかも、本発明の実施の形態に係るハイブリッドシステムでは、発電機２に対する逆電圧印加手段を、既存の制御手段７に、逆電圧印加機能を増設することによって構成している。すなわち、エンジン１と発電機２との設置スペースに制約が課せられた鉄道車両用電力供給装置において、部品点数の増加につながる構造変更を伴う防振対策を行うことなく、経済的かつ効果的に振動低減を図ることが可能となる。しかも、図５から図７に示すように、振動の共振が顕著となる三点吊構造を採用したままであっても、上記作用効果を十分に得ることが可能である。
【００２３】
そして、制御手段７に逆電圧印加機能を増設して構成された逆電圧印加手段により、発電機２に対し、エンジン１の出力軸の回転方向と逆方向に回転するモーターとして機能させるための逆電圧−ｖbを印加し、発電機２の駆動に要する負荷を増大させることで、エンジン１の減速度を自在に制御することが可能となる。
また、図２、図３に示すように、少なくとも、エンジン１の回転数に応じた振動周波数が車体の固有振動周波数と一致するタイミングにおいて、発電機２に対し逆電圧−ｖbを印加し、発電機２の駆動に要する負荷の増大を行うこととすれば、発電機２に対する逆電圧−ｖbの印加時間を必要最小限に抑え、発電機２の負荷を増大させるための電力消費量の削減を図り、エンジン１の減速度の制御を、より効率的に行うことが可能となる。
【００２４】
なお、本発明の実施の形態では、シリーズハイブリッド方式の鉄道車両に、本発明に係る鉄道車両用電力供給装置およびその振動低減方法を採用した場合を例示して説明したが、その他にも、客車の電源供給装置として用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態に係る、シリーズハイブリッド方式の鉄道車両において、電力供給装置の振動低減を図るための、エンジンおよび発電機の制御方法を、エンジンの回転数および発電機に印加する電圧と、時間との関係に基づき説明するグラフである。
【図２】図１の応用例を示すグラフである。
【図３】図１のさらに別の応用例を示すグラフである。
【図４】従来の鉄道車両用シリーズハイブリッドシステムを示す概略図である。
【図５】従来のシリーズハイブリッド式鉄道車両の、車体床の下面に吊下げて搭載された、エンジンおよび発電機を示す上面図である。
【図６】図５に示すエンジンおよび発電機をエンジン側から見た側面図である。
【図７】図５に示すエンジンおよび発電機を発電機側から見た側面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１：エンジン、１ａ：継手、２：発電機、３：バッテリー、４：走行用モーター、５：車輪、７：制御手段
【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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【図７】
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