JP2008213833A - パワートレイン、その作動方法及びこのパワートレインを備えた原動機付き車両 - Google Patents

パワートレイン、その作動方法及びこのパワートレインを備えた原動機付き車両 Download PDF

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Abstract

【課題】パワートレイン、その作動方法及びこのパワートレインを備えた原動機付き車両を改良すること。
【解決手段】第１の電動機Ｅ１と、少なくとも他の電動機Ｅ２，Ｅ３を有する過給機Ｋ，Ｔを備えた内燃エンジンＶと、これら第１の電動機Ｅ１及び内燃エンジンＶを選択的に接続するトランスミッションＧと、制御装置Ｅとを備えて構成した。さらに、制御装置Ｅを、前記内燃エンジンＶの動作点に応じて、前記他の電動機Ｅ２，Ｅ３の最適な動作点での電力を前記第１及び他の電動機Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３間で余剰なく供給させるよう設定した。
【選択図】図１

Description

本発明は、特にモータ−発電機ユニットとして形成された電動機と、内燃エンジンと、これら電動機及び内燃エンジンを選択的に接続するトランスミッションと、制御装置とを備えて成る、特に原動機付き車両用のパワートレインに関する。
さらに、本発明は、上記パワートレインの作動方法及びこのパワートレインを備えた原動機付き車両にも関する。
上記のようなパワートレインは特にハイブリッド型車両に用いられており、このパワートレインが内燃エンジン及びモータのいずれか１つだけでなく、同時に使用してトルクを得ることができるものは、パラレル型ハイブリッド原動機と呼ばれている。このようなハイブリッド原動機は、燃料消費率（燃費）及び有害物質の放出に関して利点を有している。
また、従来の内燃エンジンにおいては、出力を上昇させるために、更に過給機が用いられている。すなわち、圧縮空気、つまり多量の酸素をシリンダの燃焼室に導入することにより吸気量を増加させて効率を向上させている。その結果、排気量を増加させることなく出力を増大させることが可能である。過給機は、更に内燃エンジンにおける有害物質放出量及び燃料消費率の改善にも用いられている。ここで、過給機として、モータにより駆動されるコンプレッサの歯付きベルト又は内燃エンジンの排ガスにより駆動されるターボチャージャを用いることができる。
しかしながら、過給機の動作点は、内燃エンジンの動作点に左右されてしまうという問題がある。例えば、タービンとコンプレッサが強固に接続されているターボチャージャにおいては、その動作制御に関して、例えばタービン翼の角度を可変とするような複雑な構成が必要となってしまう。
本発明は上記問題にかんがみてなされたもので、その目的とするところは、上記のようなパワートレイン、その作動方法及びこのパワートレインを備えた原動機付き車両を改良することにある。
上記目的は、独立請求項に記載した発明によって達成される。また、好ましい実施の形態は、各従属請求項に記載されている。
本発明は、ハイブリッド原動機における電気エネルギーがパワートレインの一構成部材である電動機に常時供給されるという認識に基づいている。したがって、電動機は、パラレル型ハイブリッド原動機において、モータ及び発電機のうち少なくともいずれかによってトランスミッションを駆動するよう、選択的にモータ又は発電機として機能するモータ−発電機ユニットを備えて構成されている。
そのため、常に電気エネルギーを蓄積し（例えばモータ−発電機ユニットが発電機として使用される場合）、及び／又は電気エネルギーを消費する（例えばモータ−発電機ユニットがモータとして使用される場合）ようなことが可能である。そして、この電気エネルギーは、例えばバッテリ等のエネルギー蓄積装置に戻らないよう無駄なく最適に利用される。
従来から、ハイブリッド原動機においては、例えば回生ブレーキから発生したエネルギーを蓄積するため、及び後の過程（例えば迅速な加速）のためのエネルギー蓄積装置（普通はバッテリ）を備えているが、バッテリの介入及びこれに伴う充電又は放電により大きな変換ロスが生じてしまう。
そこで、本発明においては、電気エネルギーを各電動機間（例えばトランスミッションを選択的に駆動する電動機と内燃エンジンの過給機における少なくとも１つの電動機の間）で無駄なく供給している。そのため、エネルギー蓄積装置による変換ロスを解消することが可能である。
なお、本発明は、パラレル型ハイブリッド原動機のみに適用可能なわけでなく、例えば更なる電動機を備えた動力分配式のハイブリッド原動機のような他の形態のものにも適用可能である。
しかして、内燃エンジンの過給機における電動機を常に最適な動作点において動作させることが可能であり、各電動機間で常に無駄なく電気エネルギーが供給されるので、電動機が必要な電気エネルギーのみが常に供給されている。このような供給は、例えば電気エネルギーの流れを監視する適当な制御装置によって行うことができるが、その詳細は後述する。
本発明の一実施形態は、電動機の１つをモータとして形成するとともに、該モータでコンプレッサあるいは過給機のコンプレッサ側を駆動することを特徴としている。このようなモータは、例えばモータ−発電機ユニットが発電機として動作する場合に、この発電機からパワートレインの電動機へ電気エネルギーが供給される。このとき、必要最小限の電気エネルギーが発電機から供給される。すなわち、電動機をその最適な動作点において動作させるのに必要な機械的な抵抗のみ克服されればよい。
この最適な電動機の動作点は内燃エンジンの現在の動作点、すなわち現在必要な吸気量に依存しており、コンプレッサあるいは過給機のコンプレッサ側は、内燃エンジンの現在の出力あるいは排ガス流のエネルギー量にかかわらず常に必要な吸気量を確保する必要がある。過給機における電動機への無駄のない電気エネルギーの供給により、例えばバッテリ等のエネルギー蓄積装置を介した場合に比して変換ロスを低く抑えることが可能である。
また、本発明の一実施形態は、電動機の１つを発電機として形成するとともに、該発電機を排ガス流中におけるタービンで駆動するか、あるいはターボチャージャのタービンで駆動することを特徴としている。したがって、排ガス流から最大限の、あるいは実際必要なエネルギー量を取り出すことが可能である。すなわち、規定どおりの作動に必要なエネルギー量のみを維持すればよい。
上記のように取り出されたエネルギー量は発電機によって電気エネルギーに変換されるが、この発電機は常に最適な動作点において動作している。この発電機によって発生する電気エネルギーは無駄なくパワートレインの電動機（例えばモータとして動作しているモータ−発電機ユニット）へ供給され、これに伴い内燃エンジンの負荷が軽減される。
ここで、適切な出力低減のための制御手段を内燃エンジンに設けることができ、発電機の負荷、すなわち克服すべき機械的な抵抗を低減することで現在必要なエネルギー量を制限することが可能である。したがって、電動機への無駄のない電気エネルギーの供給により、例えばバッテリ等のエネルギー蓄積装置を介した場合に比して変換ロスを低く抑えることが可能である。
また、本発明の一実施形態によれば、コンプレッサあるいは過給機のコンプレッサ側を駆動するモータと、排ガス流中におけるタービンで駆動されるか、あるいはターボチャージャのタービンで駆動される発電機の２つの電動機を備えて構成されており、両電動機は常に最適な動作点において動作している。モータの最適な動作点においては内燃エンジンの現在の最適動作点に応じて必要十分な吸気量が供給されており、発電機の最適動作点においては排ガス流から最大限の、あるいは実際必要なエネルギー量が取り出され、これが電気エネルギーに変換される。なお、モータ及び発電機は互いに独立して制御されるため、これら両者あるいはコンプレッサ及びタービンの最適動作点を常に得ることができるとともに、発電機からモータへの電気エネルギーの供給が無駄なく行われる。
ところで、仮に、タービンで駆動されるこの発電機による電気エネルギー量が少な過ぎる場合には、不足している電気エネルギーを、例えばパワートレインのモータ−発電機ユニットを発電機として動作させて補うことが可能である。逆に、タービンで駆動される発電機による電気エネルギー量が多過ぎる場合には、例えばパワートレインのモータ−発電機ユニットをモータとして動作させ、余剰の電力エネルギーを該モータに供給し内燃エンジンの負荷を低減することが可能である。
また、適切な出力低減のための制御手段を内燃エンジンに設けることができ、発電機の負荷、すなわち克服すべき機械的な抵抗を低減することで現在必要なエネルギー量を制限することが可能である。したがって、電動機への無駄のない電気エネルギーの供給により、例えばバッテリ等のエネルギー蓄積装置を介した場合に比して変換ロスを低く抑えることが可能である。したがって、過給機の常に最適な出力、すなわち過給機を常に最適な動作点で動作させることが可能である。
さらに、エネルギー蓄積装置を設けることができ、このエネルギー蓄積装置を設けることにより、発電機からすぐに供給できない電気エネルギーを供給したり、当面モータによって使用されない電気エネルギーを蓄積させておくことが可能である。しかし、この場合も常に変換ロスを考慮する必要があり、例えば各電動機の制御を変更すると好ましい。すなわち、例えば、発電機の出力、つまり克服すべき機械的な抵抗を低減することにより、現在必要なエネルギー量への制限が可能である。
なお、エネルギー蓄積装置は補助的に設けられているものであるため、このエネルギー蓄積装置をコンパクト化し、重量及びコストを低減させることが可能である。
また、適切な出力低減のための制御手段を内燃エンジンに設けることができる。タービンに接続された発電機からの余剰エネルギーが利用可能であるなら、例えばモータ−発電機ユニットを設けることによって、迅速な加速時に内燃エンジンにかかる負荷を低減させることが可能である。
パワートレインの各構成要素を最適に調整することによって、いかなる時点においてもパワートレインの最適な動作が達成される。さらに、充電システムにおいて更なる効率の向上を達成するため、コンプレッサあるいは過給機のコンプレッサ側にバイパスを設けることも可能である。
また、本発明の一実施形態は、電動機を同期電動機、すなわち三相モータとして形成したことを特徴としている。したがって、高い交流電圧によって、整流器を設けることなく損失の低減を図ることができるという利点が得られる。それゆえ、電気エネルギーは、少ない損失で各電動機間を移動することが可能である。
エネルギー損失が極めて少ないパワートレイン、その作動方法及びこのパワートレインを備えた原動機付き車両を提供することができる。
なお、その他の本発明の特徴及び効果は、従属請求項及び以下の図面に基づく説明に記載されている。
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。なお、上記及び下記の説明における本発明の各特徴は、これらに限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限り、適宜組み合わせて用いることが可能である。
図１は、本発明によるパワートレインの概略図を示している。このパワートレインは内燃エンジンＶ、第１の電動機Ｅ１及びトランスミッションＧ（特にオートマチックトランスミッション）を含んで構成されており、これら内燃エンジンＶ、第１の電動機Ｅ１及びトランスミッションＧは、適当なシャフトを介して互いに接続されている。ここで、トランスミッションＧは、パワートレインを備えた原動機付き車両の車輪Ｒ１，Ｒ２にトルクを伝達する。
また、内燃エンジンＶには外気Ｌを圧縮する過給機が設定されており、該過給機は、第２の電動機Ｅ２により駆動されるコンプレッサＫを備えつつ該コンプレッサＫによって圧縮された空気を内燃エンジンＶへ供給する。ここで、過給機は更にタービンＴを含んで構成されており、該タービンＴは、内燃エンジンＶの排ガス流Ａを受けて第３の電動機Ｅ３を駆動する。
さらに、第１〜第３の電動機Ｅ１〜Ｅ３への電気エネルギー供給を制御する制御装置Ｅが設けられており、該制御装置Ｅは、エネルギー蓄積装置Ｂからのエネルギー供給あるいはエネルギー蓄積装置Ｂへのエネルギー供給に介入するよう設定されている。
しかして、制御装置Ｅは、第１〜第３の電動機Ｅ１〜Ｅ３が最適な動作点で動作するよう制御するとともに、これら第１〜第３の電動機Ｅ１〜Ｅ３の間で電気エネルギーの無駄がないよう、すなわち電気エネルギーがエネルギー蓄積装置Ｂへと戻らないようこれら第１〜第３の電動機Ｅ１〜Ｅ３を制御している。
ここで、第１の電動機Ｅ１は、モータ−発電機ユニットとして形成されており、モータあるいは発電機として選択的に機能する。また、第２の電動機Ｅ２は、モータとして形成されてコンプレッサＫを駆動する。この際、制御装置Ｅは、コンプレッサＫと、これに関連する第２の電動機Ｅ２を常に最適な動作点において動作させるために、例えば適当なセンサ又は特性データを備えて構成されている。すなわち、制御装置Ｅは、現在必要な適当量の外気Ｌを内燃エンジンＶへ供給させ、これに伴い第２の電動機Ｅ２が最適な動作点において動作するよう調整する。
また、第３の電動機Ｅ３は、排ガス流Ａ中に設けられたタービンＴにより駆動される発電機として形成されてタービンＴと機械的に接続されている。ここで、排ガス流Ａ中のタービンＴの機械的な抵抗は、第３の電動機Ｅ３の出力に応じて調整されている。したがって、制御装置Ｅによって制御されることにより、排ガス流Ａのエネルギーが常に最適に利用されることとなる。
ところで、第２の電動機Ｅ２の駆動に必要な電気エネルギーは、第３の電動機Ｅ３から制御装置Ｅに制御されつつ無駄なく当該第２の電動機Ｅ２へ供給される。そして、制御装置Ｅによって、排ガス流Ａから最大限あるいはその時点で必要なエネルギーを常に得ることができ、第３の電動機Ｅ３は常に最適な動作点において動作することも可能である。
さらに、制御装置Ｅによる制御によれば、第２の電動機Ｅ２を常に最適な動作点において動作させてコンプレッサＫも最適な動作点で動作させることが可能である。なお、この際、電気エネルギーは、制御装置Ｅによりエネルギー蓄積装置Ｂに戻ることなく第３の電動機Ｅ３から第２の電動機Ｅ２へ供給される。
また、制御装置Ｅは、内燃エンジンＶに接続された第１の電動機Ｅ１も制御するよう設定されており、例えば、第２の電動機Ｅ２が必要な電気エネルギーを第３の電動機Ｅ３から供給できないような場合には、制御装置Ｅによって第１の電動機Ｅ１からの電気エネルギーを第２の電動機Ｅ２に供給させることが可能である。
したがって、第２の電動機Ｅ２には、エネルギー蓄積装置Ｂへ電気エネルギーが戻るような損失を生じることなく、少なくとも発電機として機能する電動機から電気エネルギーを常に供給することが可能である。
また、第１の電動機Ｅ１から供給される電気エネルギーを第２の電動機Ｅ２が必要としていない場合は、この電気エネルギーは例えばエネルギー蓄積装置Ｂに蓄積される。一方、この余剰電気エネルギーを発生させないよう制御装置Ｅによって第１の電動機Ｅ１を制御することも可能である。例えば、第１の電動機Ｅ１がモータとして動作し、第３の電動機Ｅ３が第２の電動機Ｅ２に対して該第２の電動機Ｅ２が最適な動作点において動作するに足りる電気エネルギーを供給していないような場合には、エネルギー蓄積装置Ｂから第２の電動機Ｅ２に対して該第２の電動機Ｅ２が最適な動作点において動作するに足りる電気エネルギーを供給することが可能である。すなわち、第２の電動機Ｅ２に対して安定的に電気エネルギーを供給することが可能である。
さらに、第３の電動機Ｅ３が、第２の電動機Ｅ２が必要とする電気エネルギー以上の電気エネルギーを発生させるような場合には、この余剰電気エネルギーをモータとして動作している第１の電動機Ｅ１へ供給することが可能である。また、これに加えて、あるいはこの代わりに、余剰電気エネルギーをエネルギー蓄積装置Ｂに蓄積することも可能である。
以上のことから、本発明によれば、過給機を含んで構成された内燃エンジンを有するパワートレインの効率を飛躍的に向上させることが可能である。すなわち、過給機の電動機を常に最適な動作点で動作させながら、内燃エンジンの過給機を最大限に機能させることが可能であり、かつ、制御装置により制御される電動機に無駄が生じないよう電気エネルギーを供給しながら、パワートレインのエネルギー損失を最小化することが可能である。
ところで、本発明において、第２の電動機Ｅ２又は第３の電動機Ｅ３のみを設けることも可能であり、この場合には、パワートレイン全体の更なる効率の向上を見込むことができる。
さらに、本発明によれば、スロットルバルブを用いない新規な内燃エンジン制御を行うこともできる。すなわち、内燃エンジンＶの燃焼室内における過給気量を、第２の電動機Ｅ２で駆動されるコンプレッサＫにより制御することが可能である。この際、スロットル調整にはコンプレッサＫを制動する必要が生じる場合があるが、この場合、第２の電動機Ｅ２を発電機として機能させ、電気エネルギーを、第１の電動機Ｅ１を介してパワートレインへ供給するか、この代わりにあるいはこれに加えてエネルギー蓄積装置Ｂに蓄積させる。
また、本発明によれば、所定の場合には、排ガス流Ａにおける流れ抵抗を低減させるためにタービンＴの出力を低減するよう例えば第３の電動機Ｅ３をモータに置き換えるなど、フレキシブルな構成とすることが可能である。そして、排ガスによる負圧によって内燃エンジンの吸気サイクルに影響を及ぼしめることが可能である。
さらに、排ガス流Ａの運動エネルギーが低減している状態においては、発電機に接続されたタービンＴによってマフラー内の騒音低減を図ることが可能である。これにより、排気装置のサイズ及び重量を減少させることが可能である。また、パワートレインの制御を最適化又は簡単化するために、コンプレッサＫ及び／又はタービンＴの近傍に更にバイパスを設けることも可能である。
また、第２及び第３の電動機Ｅ２，Ｅ３のアイドリング電流をなくすために、これら第２及び第３の電動機Ｅ２，Ｅ３を、第１の電動機Ｅ１と内燃エンジンＶあるいは第１の電動機Ｅ１とトランスミッションＧの間にそれぞれコンプレッサＫとタービンＴとの接続を係脱させるクラッチ（流体クラッチ）又はトルクコンバータを備えて構成とすると好ましい。
なお、本発明は、自動車のみならず、船舶、鉄道等の原動機付き車両に対して適用することが可能である。
本発明によるパワートレインの概略図である。
符号の説明
Ａ 排ガス流
Ｂ エネルギー蓄積装置
Ｅ 制御装置
Ｅ１ 第１の電動機
Ｅ２ 第２の電動機
Ｅ３ 第３の電動機
Ｇ トランスミッション
Ｋ コンプレッサ
Ｌ 外気
Ｒ１，Ｒ２ 車輪
Ｔ タービン
Ｖ 内燃エンジン

Claims (10)

  1. 第１の電動機（Ｅ１）と、
    少なくとも他の電動機（Ｅ２，Ｅ３）を有する過給機（Ｋ，Ｔ）を備えた内燃エンジン（Ｖ）と、
    これら第１の電動機（Ｅ１）及び内燃エンジン（Ｖ）を選択的に接続するトランスミッション（Ｇ）と、
    制御装置（Ｅ）と
    を備えて成り、該制御装置（Ｅ）を、前記内燃エンジン（Ｖ）の動作点に応じて、前記他の電動機（Ｅ２，Ｅ３）の最適な動作点での電力を前記第１及び他の電動機（Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３）間で余剰なく供給させるよう設定したことを特徴とするパワートレイン。
  2. 前記第１の電動機をモータ−発電機ユニットとして構成するとともに、モータ及び発電機のうち少なくともいずれかで前記トランスミッション（Ｇ）を駆動することを特徴とする請求項１記載のパワートレイン。
  3. 前記他の電動機の１つ（Ｅ２）をモータとして形成するとともに、該モータでコンプレッサ（Ｋ）あるいは前記過給機のコンプレッサ側を駆動することを特徴とする請求項１又は２記載のパワートレイン。
  4. 前記他の電動機の１つ（Ｅ３）を発電機として形成するとともに、該発電機を排ガス流（Ａ）中におけるタービン（Ｔ）で駆動するか、あるいはターボチャージャのタービンで駆動することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のパワートレイン。
  5. 前記内燃エンジン（Ｖ）を、吸気量を制御する電動機を備える構成とする一方、スロットルバルブを有さない構成としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のパワートレイン。
  6. 前記第１及び他の電動機（Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３）を同期電動機として形成したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のパワートレイン。
  7. 前記過給機に少なくとも１つのバイパスを設けたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のパワートレイン。
  8. 請求項１〜７のいずれかに記載のパワートレインを備えて構成したことを特徴とする原動機付き車両。
  9. 第１の電動機（Ｅ１）と、少なくとも他の電動機（Ｅ２，Ｅ３）を有する過給機を備えた内燃エンジン（Ｖ）と、これら第１の電動機（Ｅ１）及び内燃エンジン（Ｖ）を選択的に接続するトランスミッション（Ｇ）とを備えたパワートレインの作動方法であって、前記内燃エンジン（Ｖ）の動作点に応じて、前記他の電動機（Ｅ２，Ｅ３）の最適な動作点での電力を前記第１及び他の電動機（Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３）間で余剰なく供給させることを特徴とするパワートレインの作動方法。
  10. 前記第１及び他の電動機（Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３）がそれぞれ最適な動作点において動作するよう前記内燃エンジン（Ｖ）を制御することを特徴とする請求項９記載のパワートレインの作動方法。
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