(57)【要約】【課題】従来技術のディーゼル電気機関車では、回生終了と同時にエンジンが低回転の時に高負荷をとることになり、排気及び燃費の悪化が起こり、最悪の場合エンジン出力が負荷についていかずエンジンストールしてしまう可能性がある。【解決手段】エンジンと、前記エンジンにより駆動される発電機と、前記発電機の出力する交流電力を直流電力へ変換するコンバータと、車両を加速させるモータと、前記直流電力を変換して交流電力を生成して前記モータを駆動するインバータと、前記直流電力が供給される補機を備え、ブレーキ時に前記モータの回生電力を前記補機に供給する列車制御システムにおいて、前記回生電力が前記補機の消費電力を下回る前に、予めエンジン回転数を上昇させておくことを特徴とする列車制御システムを提供する。これにより、排気及び燃費の悪化が起きない。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンと、前記エンジンにより駆動される交流発電機と、前記交流発電機の出力する交流電力を直流電力へ変換するコンバータと、車両を加速させるモータと、前記直流電力を変換して交流電力を生成して前記モータを駆動するインバータと、前記直流電力が供給される補機を備え、
前記車両のブレーキ動作時に前記モータから発生する回生電力を前記補機に供給可能な車両制御システムにおいて、
前記車両のブレーキ動作開始後であって、前記モータから発生する回生電力が前記補機の消費電力を下回る時刻より前に、予めエンジン回転数を上昇させることを特徴とする車両制御システム。
【請求項２】
請求項１の列車制御システムにおいて、
エンジン回転数は、エンジンのアイドリング時回転数よりも高い回転数へ上昇させることを特徴とする車両制御システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２の車両制御システムにおいて、
前記補機の消費電力が前記回生電力を上回り、前記エンジンの負荷が増加することを予測するエンジン負荷予測部と、
前記エンジン負荷予測部が、将来の前記エンジン負荷の増加を予測した場合に、前記エンジン負荷の上昇が生じる前に、前記エンジンの回転数を増加させるエンジン制御装置と、
を有することを特徴とする車両制御システム。
【請求項４】
請求項１または請求項２の車両制御システムにおいて、
前記補機の消費電流を検出する電流検出手段と、
前記直流電力の電圧を検出する電圧検出手段と、を備え、
予め上昇させるエンジン回転数は、少なくとも前記補機の消費電流および前記直流電力の電圧に基づき決定されることを特徴とする車両制御システム。
【請求項５】
請求項３に記載の車両制御システムであって、
前記車両の将来の走行速度を予測する速度予測手段を備え、
前記エンジン負荷予測部は、前記走行速度の予測値に基づいて、前記補機の消費電力が前記回生電力を上回り、前記エンジンの負荷が増加することを予測することを特徴とする車両制御システム。
【請求項６】
請求項３に記載の車両制御システムであって、
前記車両の現在の走行位置を検出する位置検出手段と、前記車両の将来の走行速度を予測する速度予測手段と、前記補機の将来の消費電力を予測する補機電力予測手段と、備え、
前記エンジン負荷予測部は、車両位置に対する制限速度情報と前記車両の走行速度の予測値に基づいて将来のノッチを予測し、前記ノッチの予測値と前記補機電力予測値に基づき、前記エンジンの負荷上昇を予測することを特徴とする車両制御システム。
【請求項７】
請求項３に記載の車両制御システムであって、
前記車両の走行位置を検出する位置検出手段と、前記車両の将来の走行速度を予測する速度予測手段と、前記補機の将来の消費電力を予測する補機電力予測手段と、
車両位置に対応した目標速度に、車両の走行速度が追従するようにノッチを決定するノッチ決定部と、を有し、
前記エンジン負荷予測部は、車両位置に対応した目標速度と前記車両の走行速度の予測値に基づいて将来のノッチを予測し、該ノッチの予測値と前記補機電力予測値に基づき前記エンジンの負荷上昇を予測することを特徴とする車両制御システム。
【請求項８】
請求項３に記載の車両制御システムであって、
前記エンジン制御装置は、エンジン負荷予測部で予測したエンジン負荷に対応するエンジン回転数となるようにエンジンの回転数を上昇させることを特徴とする車両制御システム。
【請求項９】
請求項３に記載の車両制御システムであって、
前記車両の走行位置を検出する位置検出手段と、
前記車両の走行位置に対応した目標速度情報に基づいたノッチを生成し、生成した前記ノッチを前記車両の運転手へガイダンスする運転士ガイダンス装置と、を有し、
前記エンジン負荷予測部は、前記運転士ガイダンス装置のノッチガイダンスを予測し、該ノッチガイダンスの予測値に基づき前記エンジンの負荷上昇を予測することを特徴とする車両制御システム。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の車両制御システムであって、
前記エンジン負荷予測部で予測された前記エンジンの負荷上昇が生じる前にエンジン回転数を増加させる場合に、前記運転手に対し前記エンジン回転数を増加させることを通知する動作モード表示装置を有することを特徴とする車両制御システム。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の車両制御システムであって、
前記エンジン負荷予測部で予測された前記エンジンの負荷上昇が生じる前にエンジン回転数を増加させる動作モードと、エンジン回転数をノッチ指令に応じて制御する動作モードと、を切替える切り替え装置を有することを特徴とする車両制御システム。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項１１に記載の車両制御システムを備える鉄道車両。
【請求項１３】
エンジンと、前記エンジンにより駆動される発電機と、前記発電機の出力する交流電力を直流電力へ変換するコンバータと、車両を加速させるモータと、前記直流電力を変換して交流電力を生成して前記モータを駆動するインバータと、前記直流電力が供給される補機と、を備え、
前記車両のブレーキ動作時に前記モータから発生する回生電力を前記補機に供給可能な車両の車両制御方法において、
将来の前記エンジンの負荷上昇を予測するステップと、
前記車両のブレーキ動作開始後であって、前記エンジンの予測された負荷上昇が生じる時刻よりも前に、予めエンジン回転数を増加させるステップと、を備えることを特徴とする車両制御方法。
【請求項１４】
請求項１３の列車制御方法において、
予めエンジン回転数を増加させるステップでは、エンジン回転数をエンジンのアイドリング時回転数よりも高い回転数へ増加させることを特徴とする車両制御システム。
【請求項１５】
請求項１３または請求項１４に記載の車両制御方法において、
予め増加させるエンジン回転数は、少なくとも前記補機の消費電流および前記直流電力の電圧に基づき決定されることを特徴とする車両制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの出力を電力に変換して、駆動用モータに交流電力を供給する車両制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
蓄電装置を搭載した電車において、ブレーキノッチ投入時にインバータで電力を回生し、回生した電力を補機に供給し、補機への電力供給の過不足分を蓄電装置で調整し、回生終了時に、補機への電力供給元をインバータから架線に切り替える特許文献１に示す制御技術がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−７２００３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
さて、環境意識の高まりからディーゼルエンジンの排ガスについても規制が厳しくなりつつある。ディーゼルエンジンの排ガス浄化技術として、ＥＧＲ（排気ガス再循環）やＤＰＦ（ディーゼルパーティキュレータフィルター），高圧多段噴射のような技術が開発されてきている。しかし、ＥＧＲガスの還流遅れや過給圧の遅れなどを考えると、煤の発生を抑えるためには、エンジンが低回転の時に高負荷をとることは極力避ける必要がある。
【０００５】
ここで、特許文献１の技術を、エンジンと、エンジンに連結させた発電機と、発電機による発電電力を直流に変換するコンバータと、直流から交流（or交流から直流）に電力を変換するインバータと、車両駆動用モータと、直流ラインに接続された補機と、を備えたディーゼルエレクトリックの車両に適用することを考える。ブレーキノッチ投入時にモータ及びインバータで電力を回生し、回生した電力を補機に供給し、補機への電力供給過不足分を発電機及びコンバータで調整する。回生終了時には、駆動用モータから発電機へ電力供給元を切り替える。エンジンには、回生終了時に発電機に補機の負荷がかかることになる。すなわち、エンジンが低回転の時に高負荷をとることになり、排気及び燃費の悪化が起こり、最悪の場合エンジン出力が負荷についていかずエンジンストールしてしまう可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するため本発明の望ましい態様の一つは、車両のブレーキ動作開始後であって、モータから発生する回生電力が補機の消費電力を下回る時刻より前に、予めエンジン回転数を上昇させることである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、エンジンの負荷が上がる前にエンジン回転数を上げることで、エンジンの排気悪化及びエンジンストールを防ぐことができる。すなわち、補機出力の供給元を駆動用モータから発電機へスムーズに切り替えることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態における列車制御システムの構成。
【図２】第１の実施形態におけるブロック図。
【図３】第１の実施形態におけるエンジン負荷予測部のフローチャート。
【図４】第１の実施形態における列車制御システムの効果。
【図５】第１の実施形態におけるエンジン出力の軌跡。
【図６】第１の実施形態における動作モード表示装置と動作モード切り替え装置。
【図７】第２の実施形態におけるエンジン負荷予測部のフローチャート。
【図８】第２の実施形態における列車制御システムの効果。
【図９】第３の実施形態における列車制御システム。
【図１０】第３の実施形態におけるブロック図。
【図１１】第３の実施形態におけるエンジン負荷予測部のフローチャート。
【図１２】第３の実施形態におけるノッチの予測方法。
【図１３】第３の実施形態における列車制御システムの効果。
【図１４】第４の実施形態におけるブロック図。
【図１５】第４の実施形態における目標走行速度パターン。
【図１６】第５の実施形態における列車制御システム。
【図１７】第５の実施形態におけるブロック図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態のディーゼル電気機関車１に搭載された列車制御システム２の構成である。列車制御システム２は、車両を駆動するモータ１４と、モータ１４駆動用の交流電力を生成するインバータ１２と、発電機９の発生する交流電力からインバータに入力する直流電力を生成するコンバータ１０と、交流電力を発電してコンバータに交流電力を出力する発電機９と、発電機９を駆動するディーゼルエンジン８と、直流ラインの余剰な電力を消費するブレーキ抵抗器２１及び該ブレーキ抵抗器への電流量を制御するブレーキチョッパ２０と、空調や照明等の補機２２と、インバータ１２を制御するインバータ制御装置１３と、ディーゼルエンジン８を制御するエンジン制御装置７と、各制御装置に指令を出す列車制御装置６と、運転士のノッチ操作を検出するマスターコントローラ３と、車両の速度を検出する速度検出装置４と、列車制御装置６の動作モードを切り替える動作モード切り替え装置１５と、列車制御装置６の動作モードを表示する動作モード表示装置１６から構成されている。なお、モータ１４及びインバータ１２は駆動力を発生するだけでなく、回生電力を発生させることにより回生ブレーキとしても利用される。
【００１０】
列車制御装置６は、マスターコントローラ３からノッチ指令を、速度検出装置４から車両速度を受信し、電圧計２４で直流電圧を検出し、電流計２３で補機への供給電流を検出する。なお、速度検出装置４は、例えば各車輪に取り付けられた車輪回転角度センサから各車輪１７の速度を求め、各車輪から求めた速度の平均値を車両速度として生成する。但し、速度の求め方はこれに限定されず、車両の速度可能な方法であれば置き換え可能である。
【００１１】
詳細は後述するが列車制御装置６は、前記ノッチ指令，前記車両速度に基づき、エンジン回転数指令，コンバータ１０のＰＷＭパルス，インバータ電流指令を求める。なお、複数車両が連結される列車分野でのエンジンは、大出力のディーゼルエンジン８が一般に用いられるが、ガソリンエンジン等の他の内燃機関でもよい。発電機９としては、３相交流発電機９（誘導発電機又は同期発電機）が一般的である。コンバータ１０は、整流器やＰＷＭコンバータ１０で構成される。モータ１４としては、３相交流モータ１４（誘導モータ１４または同期モータ１４）が一般的である。
【００１２】
本実施例では、列車制御システム２がすべて一つの車両に搭載されている電気機関車を例に説明したが、本発明はこれに限定するものではなく、例えば、電力を発電する機能を有する車両（エンジン８，発電機９，コンバータ１０を搭載）と、該電力で車両を加速させる複数の車両（インバータ１２，モータ１４を搭載）に機能を分割してもよい。
【００１３】
まず、力行時の動作について説明する。マスターコントローラにノッチが投入されると、列車制御装置６はそれに応じたエンジン回転数指令及びインバータ電流指令を出力する。エンジン制御装置７は、前記エンジン回転数指令に基づきエンジン回転数を制御する。なお、エンジン制御装置７は排気悪化を防ぐためにエンジン回転数が急増しないように、エンジン回転数に速度の制約を設けている。エンジンで発生した動力で、発電機９を駆動し３相の交流電力が出力される。列車制御装置６は、コンバータ１０へ出力するＰＷＭパルスを調整して発電機９で出力される３相交流電力を直流電力に変換し、直流部が所望の電圧になるように直流電圧を制御する。前記直流電力は補機２２及びインバータ１２に供給される。インバータ制御装置１３は、前記インバータ電流指令に基づきインバータ１２を制御してモータ１４に電力を供給する。駆動されたモータ１４により車輪１７に動力が伝わり車両が加速する。
【００１４】
続いて、ブレーキ時の動作について説明する。マスターコントローラ３でブレーキのノッチ指令が投入されると、列車制御装置６は当該ブレーキノッチ指令に応じたインバータ電流指令を算出する。インバータ制御装置１３は、前記インバータ電流指令に基づきモータ１４で回生した３相交流電力を直流電力に変換する。前記直流電力は補機２２に供給される。前記補機２２の出力がモータ１４から供給される電力（以下、回生電力）より大きい場合、発電機９及びコンバータ１０からその不足分を供給する。一方、補機２２の出力が回生電力より小さい場合、電力が余剰となり、直流電圧が増加するため、列車制御装置６は直流電圧の上昇を電圧計２４により検知し、ブレーキチョッパ２０の通流率を上げて、ブレーキ抵抗器２１で余剰電力を消費させ、直流部の過電圧を防ぐ。ブレーキのノッチ指令がオフされる等で回生が終了すると、補機への電力供給元が、モータ１４から発電機９に切り替わる。
【００１５】
詳細は後述するが、動作モード切り替え装置１５の入力が列車制御装置６に入力され、列車制御装置６のエンジン制御モードが切り替えできるようになっている。また、詳細は後述するが、動作モード表示装置１６は、列車制御装置６から入力されたエンジン制御モードに応じてランプを点灯させることで、運転士にエンジン制御モードを明示することができる。
【００１６】
続いて、実施例１におけるブロック図を図２に示す。インバータ電流指令演算部３１は、前記車両速度と前記ノッチ指令に基づき、力行又は回生のインバータ電流指令を演算する。前記インバータ電流指令はインバータ制御装置１３に入力される。コンバータ制御部は、直流部電圧指令に基づき、コンバータ１０にＰＷＭパルスを出力する。一般的に、直流部の電圧は一定に保たれるように制御されている。例えば、直流部電圧指令は１５００Ｖと設定されており、コンバータ制御部は直流部の電圧を１５００Ｖに保つように必要に応じて発電機９を制御する。エンジン回転数指令演算部３３は、コンバータ制御部で演算したコンバータ出力に基づきエンジン回転数指令を求める。なお、エンジン回転数指令は、エンジンの燃費，排気などを考慮して適切に算出されることが望ましい。前記エンジン回転数指令は、後述するエンジン負荷予測値によりエンジン回転数補正部３４で補正される。以上のようにエンジン回転数補正部３４で補正されたエンジン回転数指令がエンジン制御装置７に入力される。なお、エンジン回転数指令，コンバータへのＰＷＭパルス，インバータ電流指令の生成方法は必ずしも前記である必要はなく、ノッチ入力に対して必要な電力を発電し車両が加速できれば、他の手段に置き換え可能である。
【００１７】
続いて、図３を用いてエンジン負荷予測部３５について説明する。エンジン負荷予測部３５は、Ｓ５１にて、ブレーキのノッチ指令が入力されているかどうかを判断し、ブレーキのノッチ指令が入力されている場合にはＳ５２に、入力されていない場合にはエンドに進む。次に、Ｓ５２にて、検出された前記直流電圧と前記補機電流より、回生終了時のエンジン負荷を予測する。具体的には、補機電流と直流部電圧の積により、現在の補機での消費電力を生成し、当該消費電力を回生終了時のエンジン負荷と予測する。なお、エンジン負荷の予測は前記直流電圧と前記補機電流から求めているがこれに限定されず、エンジン負荷の予測可能な方法であれば置き換え可能である。
【００１８】
ここでエンジンの特性について述べる。エンジン８は、エンジン回転数が低い状態で急激に大きな負荷を取ろうとすると排気や燃費が悪化してしまう。さらに、エンジン８は、エンジン回転数に対応して出力できる電力の最大値が決まっており、エンジン回転数が低いときには大きなエンジン出力を発生させることができず、負荷がエンジンの最大出力を超えてしまうと、エンジンがストールしてしまう可能性がある。また、エンジン回転数を急激に増加させると排気が悪化するため、エンジン回転数の増加速度に制約が設けられる場合がある。そのため、エンジンが低回転数の状況で急激に大きな出力を出そうとした場合には、排気や燃費が悪化してしまうという課題があり、さらに、エンジン回転数の増加速度を上記制約に従ってゆっくり増加させると共に、エンジン負荷がエンジン回転数に対応した最大出力を超えないようにする必要があるため、補機などで必要とされる電力を発電機（エンジン）から速やかに供給することができないという課題がある。
【００１９】
前記課題を解決するため、エンジン回転数補正部３４は、前記エンジン負荷予測値に基づき、エンジン負荷が増加する時刻より前にエンジン回転数を増加させる。エンジン回転数指令を補正する補正量は、前記エンジン負荷の予測値をエンジン負荷予測部から受け取ったときに、燃費及び排気が最適となるエンジン回転数を求め、それに向けてエンジン回転数指令を補正する。つまり、生成したエンジン回転数指令に対応する燃費及び排気が最適となるエンジン負荷よりも、回生終了時のエンジンの負荷が大きいと予測された時にはそれに見合った高いエンジン回転数へエンジン回転数指令が補正される。エンジン回転数を補正するタイミングは、前記エンジン負荷の予測値と現エンジン回転数における燃費及び排気が悪化しないエンジン出力を比較して決める。具体的には、前記エンジン負荷の予測値が前記エンジン出力を超えており、燃費及び排気が悪化すると判断した場合に、エンジン回転数を増加させる。なお、ブレーキのノッチ指令が入力されると同時にエンジン回転数を増加させても良いが、エンジン負荷が上昇するまでの間（補機出力が回生電力を超えるまでの間）エンジン回転数を高い回転数に保つことになり燃費の観点からはあまり好ましくない。そこで、エンジン回転数を上げるタイミングは、ブレーキノッチを入れたタイミングから所定時間遅らせて増加させるなどの工夫をするとよい。例えば、ブレーキのノッチ指令が入力されて（オン）からオフするまでの平均的な時間をあらかじめ計測しておき、該平均時間後に所望のエンジン回転数に上昇するようにエンジン回転数の増加を開始するなどの方法がある。但し、エンジン回転数を上げるタイミングはこれに限定されず、ブレーキのノッチ指令が入力されてから（車両のブレーキ動作が開始されてから）回生終了まで（ブレーキのノッチ指令がオフするまで）の間で自由に設定してよい。
【００２０】
以上説明した実施例１の効果について図４を用いて説明する。運転士が時刻ｔ0でブレーキ２［Ｎ］のノッチ指令を入力し、時刻ｔ1で０［Ｎ］にノッチ指令を切り替えている。時刻０秒から時刻ｔ0の間では、発電機により補機へ電力が供給されている。時刻ｔ0のブレーキ２［Ｎ］のノッチ指令の入力により、補機への電力供給元が発電機からモータへ切り替わっている。時刻ｔ0以降は発電機から補機へ電力を供給する必要がないため、エンジンのエンジン回転数は、アイドリング回転数となる。図４では速度が比較的高く、引っ張り特性が定出力領域のため、モータの回生電力は速度によらず一定値である。補機出力で消費される以外の余剰な回生電力は、前記ブレーキ抵抗器により消費されている。
【００２１】
公知技術（破線）では、時刻ｔ1のノッチ指令０［Ｎ］投入（ブレーキノッチ指令をオフ）により、モータの出力低下に合わせて発電機の出力（∝エンジン出力）が増加している。それと同時にエンジン回転数は、アイドリング回転数から速度制約に従ってゆっくり増加している。すなわち、公知技術（破線）では、図５のように、回生終了と同時に、エンジンが低回転速度（アイドリング回転数）の状態で急激に大きな負荷を発生させる必要があり、エンジン回転数を急増させるため排気及び燃費が悪化してしまう。補機出力がもっと大きい場合（図示しない）は、エンジン負荷がエンジン最大出力を超えてエンジンストールが発生してしまう可能性もある。
【００２２】
続いて、本発明の実施例１の動作について図４を用いて一点破線で説明する。時刻ｔ0において、エンジン負荷予測部３５は、回生終了後のエンジン負荷を予測する。エンジン回転数補正部は、前記エンジン負荷の予測値が現エンジン回転数における燃費及び排気が悪化しないエンジン出力を超えると判断し、ブレーキのノッチ指令投入から所定時間後（ｔs秒）にエンジン回転数を増加させている。言い換えると、エンジン負荷予測部３５で予測されたエンジン負荷が増加する時刻よりも前、すなわち回生電力が補機の消費電力を下回る時刻よりも前に、予めエンジン回転数を増加させている。時刻ｔ1にブレーキノッチ指令がオフされ、モータの出力低下に合わせて発電機の出力が増加している。以上の第１の実施形態の列車制御システム２により、エンジン負荷増加前すなわち回生電力が補機の消費電力を下回る前にエンジン回転数を増加させることができるので、図５に示すようにエンジン回転速度が低回転である場合に、エンジン回転速度を急増させずにすみ、排気及び燃費の悪化と、エンジンストールを防ぐことができる。すなわち、補機出力の供給元をモータから発電機へスムーズに切り替えることができる。なお、以上のようなエンジン負荷増加前にエンジン回転数を増加させるモードをエンジン準備モードと呼ぶ。
【００２３】
次に、動作モード表示装置１６及び動作モード切り替え装置１５の一例を図６に示す。上述した通り本発明は、運転士のノッチ操作と独立してエンジン回転数を増加させることになる。一般的な列車制御システム２は、ノッチ操作とエンジン回転数は連動して動くため、本システムの動作が運転士にシステム異常と認識され、不安感を与える可能性がある。そこで、システムが正常な判断でエンジン回転数を増加させるということを運転士に伝えて安心感を与えるため、動作モード表示装置１６は、図６に示すようにエンジン準備モードを運転士に明示する。但し、動作モード表示装置１６は前記に限定するものではなく、例えば音声などで運転士に知らせてもよい。また、列車制御装置６がエンジン負荷の上昇を予測できないシーンにおいて、運転士が自由にエンジン準備モードによりエンジンの排気及び燃費悪化を防止できるようにするため、図６に示すような動作モード切り替え装置１５を設ける。
【００２４】
（第２の実施形態）
続いて、第２の実施形態について、第１の実施形態と相違のある部分を中心に説明する。下記に説明しない部分は、第１の実施形態と同様の構成であるものとする。第２の実施例は、特に車両の速度低下に伴い回生電力が減少した場合に有効な発明である。
【００２５】
エンジン負荷予測部３５には、ノッチ指令，車両速度，直流電圧，補機電流，エンジン回転数が入力される。つまり、本実施形態では、ノッチ指令，直流電圧，補機電流が入力される実施例１のエンジン負荷予測部３５に、さらに車両速度の情報を入力する構成となっている。
【００２６】
エンジン負荷予測部３５のフローチャートを図７に示す。まず、Ｓ７１にて、ブレーキノッチ指令がＯＮされているかどうかを判断し、ＯＮされている場合はＳ７２に、ＯＮされていない場合はエンドに進む。
【００２７】
Ｓ７２では、（１）式より所定時間Δｔ秒後の車両速度ν1［ｍ／ｓ］を算出する。但し、α［ｍ／ｓ2］は加速度、ν0［ｍ／ｓ］は現在の車両速度である。
【００２８】
ν1＝ν0＋αΔｔ                              …（１）
加速度は車両速度を不完全微分して求める。なお、所定時間Δｔ秒後の車両速度ν1の算出方法は、前記に限定する必要はなく現在の速度と同じ（加速も減速もしない）としてもよく、他の方法でもよい。
【００２９】
次に、Ｓ７３で、前記Δｔ秒後の車両速度及び引っ張り特性より、Δｔ秒後の回生電力を推定する。なお、ここではブレーキノッチ指令はΔｔ秒後も現在と同じと仮定している。続いて、Ｓ７４で、補機電流と直流電圧の積よりΔｔ秒後の補機出力を予測する。次に、Ｓ７５で、前記Δｔ秒後の回生電力及び前記Δｔ秒後の補機出力に基づいて、その偏差よりΔｔ秒後のエンジン負荷の上昇を予測する。以上の処理により、エンジン負荷予測部３５は、回生時の速度低下に伴うエンジン負荷の出力増加を予測できる。このエンジン負荷の予測値に基づき、エンジン回転数補正部３４が実施例１と同様の方法でエンジン回転数指令を補正する。
【００３０】
第２の実施例における効果を、図８を用いて説明する。運転士が時刻ｔ0でブレーキノッチ指令３［Ｎ］、時刻ｔ2でノッチ指令０［Ｎ］にノッチを切り替えている。時刻０秒から時刻ｔ0の間では、実施例１と同様に発電機により補機へ電力が供給されている。時刻ｔ0のブレーキノッチ指令３［Ｎ］投入により、補機への電力供給元が発電機からモータへ切り替わっている。図８では速度が低く引っ張り特性が定トルク領域のため、モータの回生電力は車両の速度低下と共に減少する。補機出力で消費される以外の余剰な回生電力は、ブレーキ抵抗器２１により消費されている。時刻ｔ1でモータの回生電力が補機出力よりも小さくなると、電力が足りなくなるので、それを補うためにコンバータにより発電機から電力を供給している。
【００３１】
公知技術（破線）では、時刻ｔ1で、発電機電力（∝エンジン出力）が増加すると同時に、エンジン回転数が速度制約に従ってゆっくり増加している。すなわち、モータ回生電力が補機で消費される電力よりも低下すると同時に、エンジンの回転数が低回転数の状態で急激に大きなエンジン負荷をとることになり、エンジンの排気及び燃費が悪化してしまう（図５の実施例１の公知例の軌跡よりも若干下の軌跡を描く）。補機出力がもっと大きい場合（図示しない）は、エンジン負荷がエンジンの最大出力を超えてエンジンストールが発生してしまう可能性もある。
【００３２】
続いて、本発明の実施例２の動作について図８を用いて一点破線で説明する。時刻ｔsで、エンジン負荷予測部３５がエンジン負荷を予測し、エンジン回転数補正部が、エンジン負荷の予測値が現エンジン回転数における燃費及び排気が悪化しないエンジン出力を超えると判断し、エンジン回転数を増加させる。言い換えると、エンジン負荷予測部３５で予測されたエンジン負荷が増加する時刻よりも前、すなわち回生電力が補機の消費電力を下回る時刻ｔ1よりも前に、予めエンジン回転数を増加させている。そして、回生電力が補機の消費電力を下回る時刻ｔ1にモータ回生電力の出力低下に合わせて発電機の出力が増加している。
【００３３】
以上の第２の実施形態の列車制御システム２により、エンジン負荷が増加する時刻よりも前、すなわち回生電力が補機の消費電力を下回る時刻よりも前に予めエンジン回転数を増加させることができるので、車両の速度低下により回生電力が低下する場合に対しても、エンジン回転数が低回転状態でエンジン出力を急増させずにすみ、排気及び燃費の悪化と、エンジンストールを防ぐことができる。すなわち、補機出力の供給元をモータから発電機へスムーズに切り替えることができる。
【００３４】
（第３の実施形態）
続いて、第３の実施形態について、第１の実施形態と相違のある部分を中心に説明する。第３の実施例は、路線データ（制限速度等）に基づきブレーキのノッチ指令を予測し、ブレーキのノッチ指令をオフした時のエンジン負荷の上昇を予測し、エンジン負荷の予測値に基づいてエンジン回転数を補正する。第３の実施例は、路線区間毎に定められている制限速度の切り替わりに応じて運転士がノッチ指令を変更するような状況において特に有効である。
【００３５】
図９に第３の実施例の列車制御システムを示す。列車制御装置６に路線データベース５より制限速度データが入力されている。この制限速度データは、例えば路線の所定区間（カーブ区間，分岐区間など）において予め設定された制限速度である。それ以外は第１の実施形態と同様の構成であるため、説明を省略する。
【００３６】
第３の実施形態におけるブロック図を図１０に示す。エンジン負荷予測部３５に、制限速度データ，車両速度，ノッチ指令，補機電流，直流電圧，前記エンジン回転数が入力されている。それ以外は第１の実施形態と同様の構成であるため、説明を省略する。
【００３７】
続いて、第３の実施形態におけるエンジン負荷予測部のフローチャートを図１１に示す。Ｓ１１１は、第１の実施形態と同様の判断のため、説明を省略する。Ｓ１１２で、エンジン負荷予測部３５は、前述の（１）式よりΔｔ秒後の車両速度ν1［ｍ／ｓ］を、（２）式よりΔｔ秒後の自車位置χ1［ｍ］を求める。但し、χ0［ｍ］は現在の自車位置、ν［ｍ／ｓ］は車両速度である。
【００３８】
χ1＝χ0＋νΔｔ                              …（２）
前記現在の自車位置は、前記車両速度を積分して推定する。自車位置の算出方法は、前記に限定する必要はなくＧＰＳ等で求めてもよい。Ｓ１１３では、エンジン負荷予測部３５は、前記Δｔ秒後の自車位置χ1［ｍ］と前記制限速度データより、Δｔ秒後の制限速度を予測する。
【００３９】
次に、Ｓ１１４では、エンジン負荷予測部３５は、前記Δｔ秒後の前記制限速度及び前記Δｔ秒後の車両速度に基づき、図１２のマップからΔｔ秒後のノッチ指令を予測する。図１２のマップを簡単に説明すると、制限速度に対して車両速度が大きいすなわち速度超過している時に、より高いブレーキノッチ指令が選択されるようになっている。また、図１２の横軸（［制限速度−車両速度］）が同じ速度でも車両速度が高速の方が車両速度が低速に比べて小さいブレーキノッチ指令が選択される。この理由は、車両速度が高速時の方が車両速度が低速時に比べて走行抵抗が大きく、減速度が大きいためである。
【００４０】
続いて、Ｓ１１５で、エンジン負荷予測部３５は、Δｔ秒後のノッチ指令とΔｔ秒後の車両速度に基づき、引っ張り特性からΔｔ秒後の回生電力を予測する。次に、Ｓ１１６で、第１の実施例と同様の方法で、Δｔ秒後の補機電力を推定する。最後に、Ｓ１１７で、エンジン負荷予測部は、第２の実施例と同様の方法でΔｔ秒後のエンジン負荷を予測する。エンジン回転数補正部３４は、前記エンジン負荷の予測値に基づき、第２の実施例と同様の方法で、エンジン回転数指令を補正する。
【００４１】
第３の実施例における効果を、図１３を用いて説明する。路線区間に設定された制限速度に合わせて運転士がブレーキ３［Ｎ］，ブレーキ２［Ｎ］，ブレーキ１［Ｎ］，ブレーキ０［Ｎ］の順にノッチ指令を切り替えている。時刻０秒から時刻ｔ0の間では、実施例１と同様に発電機により補機へ電力が供給されている。時刻ｔ0のブレーキ３［Ｎ］投入により、補機への電力供給元が発電機からモータへ切り替わっている。車両の速度が高く引っ張り特性は定出力領域のため、モータの回生電力は速度によらず一定で、ブレーキ３［Ｎ］，ブレーキ２［Ｎ］，ブレーキ１［Ｎ］のノッチ指令の切り替えに応じてモータにより回生電力が発生している。補機出力で消費される以外の余剰な回生電力は、前記ブレーキ抵抗器２１により消費されている。時刻ｔsで、エンジン負荷予測部３５は、図１１に示すように自車位置，自車速度及び制限速度データからΔｔ秒後（ここでは時刻ｔ1秒）のノッチ指令を予測し、予測したノッチ指令に基づきエンジン負荷の上昇を予測する。エンジン回転数補正部３４は、前記エンジン負荷の予測値が現エンジン回転数における燃費及び排気が悪化しないエンジン出力を超えると判断し、エンジン回転数を増加させる。言い換えると、エンジン負荷予測部３５で予測されたエンジン負荷が増加する時刻よりも前、すなわちモータ回生電力が補機の消費電力を下回る時刻よりも前に、予めエンジン回転数を増加させている。時刻ｔ1にモータ回生電力の低下に合わせて発電機の出力が増加している。以上の第３の実施形態の列車制御システム２により、エンジン負荷が増加すると予測された時刻よりも前、すなわちモータ回生電力が補機の消費電力を下回る時刻よりも前にエンジン回転数を増加させることができるので、低回転でエンジン出力を急増させずにすみ、排気及び燃費の悪化と、エンジンストールを防ぐことができる。すなわち、補機出力の供給元をモータから発電機へスムーズに切り替えることができる。
【００４２】
（第４の実施形態）
続いて、第４の実施形態について、第３の実施形態と相違のある部分を中心に説明する。第３の実施形態と重複する部分は説明を省略する。第４の実施例は、ＡＴＯ（Automatic Train Operation）が適用されている列車が対象となる。第４の実施形態における列車制御システム２の構成は、図９の路線データベース５を、図１４に示す目標走行速度パターンデータベース１８に置き換えた構成である。ここで、目標走行速度パターンデータベース１８の格納する目標走行速度パターンを図１５に示す。目標走行速度パターンは、車両位置（横軸）に対する目標走行速度（縦軸）を示した走行パターンであり、例えば、カーブ区間や勾配に起因する制限速度やＡ駅−Ｂ駅間を定時で走行するための速度を考慮して予め定められた速度パターンである。
【００４３】
第４の実施形態におけるブロック図を図１４に示す。マスターコントローラ３は、ＡＴＯモードであることを列車制御装置６に入力する。ノッチ決定部３６は、ＡＴＯのノッチ操作を決める役割を担う。ノッチ決定部３６は、実施例３と同様に現在の車両速度を積分して現在の車両位置を推定し、前記目標走行速度パターンデータと前記現在車両位置から、目標速度を求める。次に、ノッチ決定部３６は、前記目標速度と前記車両速度からノッチ指令を決める。なお、ノッチの決定方法は前記に限定する必要はなく、例えば路線の制限速度，勾配などの路線情報の情報も利用して決定されてもよく、他のＡＴＯの方式に従ってもよい。第４の実施形態において、上述したノッチ指令の作成方法と、エンジン負荷予測部３５以外は第３の実施形態におけるブロック図と同じため説明を省略する。
【００４４】
第４の実施形態におけるエンジン負荷予測部３５には、前記目標走行速度パターン及び前記車両速度，前記補機電流，前記直流電圧，前記エンジン回転数が入力される。エンジン負荷予測部３５は、まず、実施例３のＳ１１２と同様の処理で所定時間Δｔ秒後の自車位置χ1［ｍ］を算出する。次に、前記目標走行速度パターンと前記Δｔ秒後の自車位置より、Δｔ秒後の目標速度を推定する。前記Δｔ秒後の目標速度から前記ノッチ決定部３６と同様の処理により、Δｔ秒後のノッチ指令を予測する。以降の処理は、第３の実施形態と同様にＳ１１５〜Ｓ１１７の処理で、Δｔ秒後のエンジン負荷を予測する。以上で予測したエンジン負荷予測値に基づき、第３の実施例と同様の方法で、エンジン回転数補正部３４は、必要に応じてエンジン負荷増加前にエンジン回転数指令を補正し、エンジン回転数を増加させる。
【００４５】
第４の実施形態における効果は、ＡＴＯによりノッチが決定される以外は、第３の実施形態の効果と同様のため詳細説明を省略する。以上の第４の実施形態の列車制御システム２により、エンジン負荷が増加する時刻より前、すなわちモータ回生電力が補機の消費電力を下回る時刻より前にエンジン回転数を予め増加させることができるので、エンジンの回転数が低回転の状態でエンジン出力を急増させずにすみ、排気及び燃費の悪化と、エンジンストールを防ぐことができる。すなわち、補機出力の供給元をモータから発電機へスムーズに切り替えることができる。
【００４６】
（第５の実施形態）
続いて、第５の実施形態について、第３の実施形態と相違のある部分を中心に説明する。第５の実施例は、運転士に適切なノッチをガイダンスする運転士ガイダンス装置が適用されている列車が対象となる。
【００４７】
図１６は本発明の第５の実施形態による列車制御システム２の構成図である。第５の実施形態は、第３の実施形態と比較して、運転士のノッチ操作をガイダンスする運転士ガイダンス装置１９および目標走行速度パターンデータベース１８を有する点で相違する。また、第３の実施形態と共通する部分については、説明を省略する。運転士ガイダンス装置１９は、目標走行速度パターン及び車両速度に基づき、マスターコントローラ３へノッチガイダンスを出力する。目標走行速度パターンデータベース１８には、図１５に示すような車両位置（横軸）に対する目標走行速度（縦軸）を示した駅間の目標速度パターンが格納されている。
【００４８】
図１７を用いて、第５の実施形態のブロック図を説明する。運転士ガイダンス装置１９は、まず、現在の車両速度を積分して現在の車両位置を推定し、前記目標走行速度パターンと現在の車両位置から、目標速度を生成する。次に、運転士ガイダンス装置１９は、前記目標速度と現在の車両速度から運転士へ教示するノッチガイダンスを決める。なお、ノッチガイダンスの決定方法は上記した方法に限定する必要はなく、例えば路線の制限速度，勾配などの路線情報の情報も利用して決定されてもよい。以上により、運転士ガイダンス装置１９は、目標走行速度パターン及び車両速度に基づき、マスターコントローラ３へノッチガイダンスを決定する。ノッチガイダンスの決定方法とエンジン負荷予測部３５での処理以外の構成は第３の実施形態と同様のため説明を省略する。
【００４９】
第５の実施形態におけるエンジン負荷予測部３５には、前記目標走行速度パターン及び前記車両速度，前記補機電流，前記直流電圧，前記エンジン回転数が入力される。エンジン負荷予測部３５は、まず，実施例３のＳ１１２と同様の処理で所定時間Δｔ秒後の自車位置χ1［ｍ］を算出する。次に、前記目標走行速度パターンと前記Δｔ秒後の自車位置より、Δｔ秒後の目標速度を推定する。前記Δｔ秒後の目標速度から運転士ガイダンス装置１９と同様の処理により、Δｔ秒後のノッチ指令を予測する。以降の処理は、第３の実施形態と同様にＳ１１５〜Ｓ１１７の処理で、Δｔ秒後のエンジン負荷を予測する。以上で予測したエンジン負荷予測値に基づき、第３の実施例と同様の方法で、エンジン回転数補正部３４は、必要に応じてエンジン負荷増加前にエンジン回転数指令を補正し、エンジン回転数を増加させる。
【００５０】
第５の実施形態の効果は、ノッチガイダンスに基づいて運転士がノッチを決定する以外は、第３の実施形態の効果と同様のため詳細説明を省略する。以上の第５の実施形態の列車制御システム２により、エンジン負荷が増加する時刻より前、すなわちモータ回生電力が補機の消費電力を下回る時刻より前に、エンジン回転数を増加させることができるので、低回転でエンジン出力を急増させずにすみ、排気及び燃費の悪化と、エンジンストールを防ぐことができる。すなわち、補機出力の供給元をモータから発電機へスムーズに切り替えることができる。
【００５１】
以上の第１〜５に示す実施形態を示したが、本発明の趣旨から逸脱しない範囲で、同等の手段や方法に置き換えることは可能である。
【００５２】
以上の各実施例において、エンジン回転数を上げるタイミングは、ブレーキのノッチ指令が入力されてから（車両のブレーキ動作が開始されてから）、モータ回生電力が補機の消費電力を下回る時刻より前までの間であれば、本発明の効果は発生する。
【００５３】
また、上記の各実施例においては、エンジンの回転速度をモータ回生電力が補機の消費電力を下回る時刻より前に予め上昇させることを説明したが、ここでエンジン回転数の上昇とは、エンジン回転数をアイドリング回転数から上昇させること、およびエンジン停止状態（回転数０）からエンジンを起動させることも含む。
【符号の説明】
【００５４】
１  ディーゼル電気機関車
２  列車制御システム
３  マスターコントローラ
４  速度検出装置
５  路線データベース
６  列車制御装置
７  エンジン制御装置
８  ディーゼルエンジン
９  発電機
１０  コンバータ
１１  コンバータ制御装置
１２  インバータ
１３  インバータ制御装置
１４  モータ
１５  動作モード切り替え装置
１６  動作モード表示装置
１７  車輪
１８  目標走行速度パターンデータベース
１９  運転士ガイダンス装置
２０  ブレーキチョッパ
２１  ブレーキ抵抗器
２２  補機
２３  電流計
２４  電圧計
３１  インバータ電流指令演算部
３３  エンジン回転数指令演算部
３４  エンジン回転数補正部
３５  エンジン負荷予測部
３６  ノッチ決定部
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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