JP2008543626A - 電気式スーパーチャージャを作動させるための、動力伝達装置におけるモータ／発電機を使用する車両推進システム - Google Patents

Abstract

入口側空気ダクト（６６）と出力軸（１０）とを有し、出力軸が、連続的に変化する伝達比の動力伝達システム（５８）の入力軸へ連結されている、内燃機関（６）を含む自動車推進システム。この動力伝達システムには、少なくとも３本の軸（１０、１２）を含み、そのうちの２本の軸が入力軸と出力軸とをそれぞれ構成し、かつ、すべての軸が、他の軸のうちの１本によって担持された少なくとも１つの歯車ホイールと噛み合う少なくとも１つの歯車ホイールを担持する差動歯車装置が備わっている。この動力伝達システムは、２つの電動モータ／発電機（４２、４６；５０、５２）をさらに含み、これらにおけるロータ（４２、５０）がそれぞれの軸へ連結されているとともに、これらにおける電気的接続部（４３、４５）がこれらの間の電力の流れを制御するために構成された制御装置（６２）へ連結されている。この推進システムは、入口ダクト（６６）に連通しているとともに制御装置（６２）へ接続された電気駆動型スーパーチャージャ（６０）も含む。制御装置（６２）は、入口ダクト（６６）における圧力と、従ってエンジンの出力軸（１２）へ加えられたトルクとを増大または減少させるために、少なくとも、動力伝達装置入力軸（１０）および／または動力伝達装置出力軸（１２）の所定の閾値よりも低い速度で、電力を、発電機として作動する少なくとも１つのモータ／発電機からスーパーチャージャ（６０）の電動モータまで導くことが選択的にできるようにプログラムされている。

Description

本発明は、入口側空気ダクトと出力軸とを有し、出力軸が、いわゆる電力分離型の連続的に変化する伝達比の動力伝達システム、すなわち、少なくとも３本の軸を含み、そのうちの２本の軸が動力伝達システムの入力軸と出力軸とをそれぞれ構成し、かつ、すべての軸が、他の軸のうちの１本によって担持された少なくとも１つの歯車と噛み合う少なくとも１つの歯車を担持する差動歯車装置が備わっている動力伝達システムの入力軸へ連結されており、この動力伝達システムが、２つの電動モータ／発電機をさらに含み、これらにおけるロータがそれぞれの軸へ連結されているとともに、これらにおけるステータの電気的接続部がこれらの間の電力の流れを制御するために構成された制御装置へ連結されている、内燃機関を含む型の車両推進システムに関するものである。

相異なるさまざまな型の電力分離型動力伝達システムが知られており、このようなシステムの例は、国際出願の公開パンフレットＷＯ−Ａ−０４／０８８１６８、ＷＯ−Ａ−０１／９４１４２およびＷＯ−Ａ−０３／０４７８９７に開示されている。このようなシステムを通して伝達される動力の大部分は、上記歯車装置を通して機械的に伝達されるが、その一部は、モータ／発電機の一方が発電機として作動するように制御され、かつ、上記制御装置が生成された動力をモータとして作動するように制御される他のモータ／発電機へ伝達するという事実によって、電気的に伝達される。電気的に伝達された動力の量と、それが伝達される方向とを変えることによって、上記伝達比を広範囲で無段階に変えることができる。

しかしながら、欧州特許出願の公開公報ＥＰ−Ａ−１４１３８０１でより詳しく検討されたように、動力伝達システムの出力軸へ供給されたトルクは、休止状態から始動するときにはきわめて低い。簡単に言えば、これは、このような動力伝達システムが本質的に「歯車中立（geared neutral）」をもたらすからであり、すなわち、入力軸が回転するものの、モータ／発電機を装荷しない限り、トルクは出力軸へ供給されないからである。２つのモータ／発電機およびさまざまな噛み合い歯車のわずかな非効率性を無視するときには、また、出力軸でどのような仕事も行われないときには、動力は車両エンジンによって入力軸へ供給されることがない。従って、低い出力速度では、出力軸へ加えられたトルクはモータ／発電機におけるトルクの和に比例している。出力速度がゼロで利用することのできる出力トルクは、従って、モータ／発電機の定格によって制限されるが、このことは、この車両が休止状態から比較的ゆっくりと加速されるであろうということを意味している。

欧州特許出願の公開公報ＥＰ−Ａ−１４１３８０１で提案されたこの問題に対する直感に反した解決法は、出力軸の速度ゼロおよび低速度で、制御装置が、発電機として作動するそのモータ／発電機によって産出された電力の少なくとも一部をエネルギー流出部あるいは消費者へ導くように作動されることである。エネルギー流出部の所与の例は、ダンプ抵抗器、充電式電池、あるいは出力軸が入力軸かあるいは動力伝達システムの入力軸かのいずれかへ接続されているさらに別の電動モータである。休止状態あるいは低速からの急加速が必要であるときには、制御装置は、発電機として作動する少なくともモータ／発電機からの電力を解除するように作動し、解除された電力は、ここではトルクを同システムへ付加するエンジンによって供給される。出力軸におけるトルクは、すべてのトルクの和であり、従って、出力軸におけるトルクは、２つのモータ／発電機におけるトルクの増大によってだけでなく、入力軸におけるトルクの増大によってもまた増大する。従って、車両は、動力が動力伝達システムから流出しない場合よりもいっそう急激に加速される。

排気ダクトの中に配置されたタービンを含んでおり、かつ、入口ダクトに配置された圧縮機ホイールあるいはインペラーへ接続されたターボチャージャをエンジンに設けることで、エンジンの出力動力を増大させることもまた、もちろん周知である。

排気ガスによってタービンが回転すると、圧縮機ホイールが回転してエンジンの入口圧力が高められ、その結果、より大量の空気がエンジンの中へ誘導される。入口ダクトの圧力を高める目的のために、スーパーチャージャ、すなわち電動モータによって駆動されるかあるいはエンジンのクランクシャフトから機械的に駆動されるさまざまな型のあらゆるポンプが備わったエンジンを設けることもまた周知である。

これらの装置の双方における短所もまた周知である。このため、ターボチャージャタービンの速度は排気ガスの速度の３乗に関連付けられており、このことは実際には、ターボチャージャが低いエンジン速度ではきわめて著しい増大圧力を生成することができない、ということを意味している。さらにまた、ターボチャージャはいわゆる「ターボ遅延」を免れないが、これは、自動車エンジンのアクセルペダルが押し下げられた後、エンジン速度が充分に上昇してターボチャージャが著しい増大圧力を生成し始めるまでに、数秒の遅延があることを意味している。ターボチャージャの圧縮機ホイールへもたらされた機械的な入力動力は、それが高速の排気ガスから引き出されるという点で、効果的に「自由」である。しかしながら、ターボチャージャを排気ガスの速度による所定速度よりも高い速度で駆動することが企てられているときには、排気ダクトの中における背圧は容認できないほど上昇し、エンジンの燃料消費量が増えることによってエンジンの不全が減少する。これに対して、スーパーチャージャへ入力された動力は、クランクシャフトから直接あるいは間接的に、または電気的に導き出されるので、エンジンにおいて著しい動力流出が示される。さらにまた、大容量で機械的に駆動されるスーパーチャージャは高価であろう。

上記のように、電気的に駆動されるスーパーチャージャが知られている。しかしながら、従来の車両において利用することのできる唯一の電源は、交流機および電池であり、これらは両方とも一定の１２ボルトを供給する。エンジンの入口ダクトにおいて実質的に高められた圧力をもたらすために必要な電力は数キロワットであり、このことは１２ボルトでは必要な電流が数百アンペアであることを意味している。現在の自動車電気式システムではこの量の電流は容易には提供できず、このため、電気式スーパーチャージャは好ましいとは認められていない。

本発明によれば、上記の型の車両推進システムは、この推進システムが、入口ダクトに連通している電気駆動式スーパーチャージャをもまた含むことと、その制御装置が、スーパーチャージャへもまた接続されているとともに、入口ダクトにおける圧力と、従ってエンジンの出力軸へ加えられたトルクとを増大させるかあるいは減少させるために、少なくとも、動力伝達装置入力軸および／または動力伝達装置出力軸の所定の閾値よりも低い速度で、電力を、発電機として作動する少なくとも１つの動力伝達装置のモータ／発電機からスーパーチャージャの電動モータまで導くことが選択的にできるようにプログラムされていることとを特徴とする。

電気式スーパーチャージャは１２ボルト電気システムが備わった従来の車両においては実用的なものではないが、この発明は、２つのモータ／発電機がこれらの間におけるエンジンの全出力動力をこのような動力伝達システムについての典型的な値であるその約２分の１まで電力の形態で伝達することができるときには、これらは、比較的高い電圧で、すなわち１００Ｖを超えるかあるいは２００Ｖさえ超えるのが好ましい電圧で作動するように本質的に構成されるであろう、という認識に基づいている。この電圧では、充分な動力を電気式スーパーチャージャへもたらすために必要な電流は、完全に実施することができて問題となることのないかなり低い値まで減少するであろう。

本発明は、エンジンの出力動力を高めるためには過給が基本的にこの動力伝達システムの出力軸の速度ゼロおよび低速度で必要であり、また、この動力伝達装置の出力軸で利用することのできるトルクを高めるために少なくとも１つのモータ／発電機から動力を引き出すことが望ましいのは正確にこれらの速度においてである、という重要な認識にもまた基づいている。従って、スーパーチャージャが動力伝達出力軸の速度ゼロおよび低速度で作動されるときに、これは、エンジンにおける好ましくない動力流出体を構成するのではなく、代わりに、その出力トルクを高めるためにこの動力伝達システムから投棄するために必要な事象におけるものである電力のための受容体を構成する。この投棄動力を浪費する代わりに、これは、電気式スーパーチャージャをそれが最も必要とされる時に正確に作動させる際に豊富に利用することができる。

低いエンジン速度および動力伝達出力速度における可能な動力およびトルクの、結果としての増大によって、すべての型のＩＣエンジンを顕著に小型化することができ、また、本発明による推進システムが装備された車両をいっそう効率的なものにすることができ、その結果として、より低い燃料消費量とそれに対応したより低いＣＯ₂排出量とが可能になる。

実際に、制御装置は電力を電池のような１つの以上の外部電源あるいは負荷へ導くこともできる。低いエンジン速度では、制御装置は、増大した入口ダクト圧力が必要なときには動力伝達装置からの動力をスーパーチャージャへもっぱら導くであろう。もしもそれが必要でないときには、動力伝達システムからどのような動力も解除されることがなく、あるいは動力が他の負荷へ導かれる。

動力伝達装置の出力速度がゼロかあるいは低いとき、すなわち所定の閾値に満たないときには、動力が動力伝達システムからスーパーチャージャへ伝達されるように本質的にあるいはもっぱら意図されているが、比較的短い時間についてだけ、スーパーチャージャを動力伝達システムの比較的高い速度で作動させるのが好ましい状況があるように想定されている。従って、いわゆる一対型増圧システムが備わった、すなわちターボチャージャとスーパーチャージャとが直列に備わったディーゼルエンジンが、知られている。このようなシステムは一般に、入口ダクト圧力の増大が、低いエンジン速度でのスーパーチャージャと高いエンジン速度でのターボチャージャとによって行われ、かつ、可能であるときにはスーパーチャージャよりもターボチャージャの使用がもちろん望ましいように作動されるが、その理由は、ターボチャージャのための原動力が自由であるからであり、すなわちさもなければ無駄に放出されるであろう排気ガスのエネルギーから引き出されるからである。

しかしながら、スーパーチャージャを高いエンジン速度においても短時間に作動させ、例えば追い越し時にきわめて高い動力増大をもたらす状況があってもよい。
いくつかの用途では、それを通して流れるガスによって駆動することのできる型のスーパーチャージャ、例えば、駆動される時よりもブレーキがかけられる時あるいは増速駆動される時に、すなわち空気ポンプよりも空気圧モータとして作動される時に、エンジンマニホールドの中に大気圧よりも高い圧力ではなく真空を創り出すことのできる容積型のスーパーチャージャを使用するために実施することもできる。この場合には、スーパーチャージャはスロットルとして作動するとともに、スーパーチャージャへ接続された電気機械が、動力伝達装置に使用される電気機械に類似したモータ／発電機として作動するように設計されているときには、減速エネルギーの大部分は、実際に再利用すること、すなわちその後に動力伝達システムへあるいは車両電池へ戻される電力に変換することができる。 この発明のさらに別の特徴および細部は、添付図面を参照して例示として付与された２つの特定実施形態についての以下の説明から明らかである。

図１の高度に模式化された図には、自動車エンジン６を含む自動車推進システムが示され、このシステムには、空気用入口ダクト６６と出力軸１０とが含まれており、出力軸１０は、フライホイール８を含むとともに動力伝達システム５８へ接続され、動力伝達システム５８は、出力軸１２と２つの同心状モータ／発電機４２、４６および５０、５２とを含んでいるが、これらについては以下でより詳しく説明する。これら２つのモータ／発電機はそれぞれ制御装置５１、５３へ接続され、これらの制御装置は、バスバー５５を介して共通の制御装置６２へ接続されているが、これらについてもまた以下で説明する。制御装置６２は電動モータ６０へ接続され、この電動モータは空気用入口ダクト６６の中に配置されたファンあるいはインペラー６４へ接続されている。

この動力伝達システムは、図２に詳しく示されており、モータ６の軸１０によって構成された入力軸（第１分岐）と共通の遊星枠２２へ接続された出力軸１２（第２分岐）とが備わった４つの分岐差動歯車装置を含んでいる。この動力伝達システムは、いわゆるマイナス遊星歯車装置１８といわゆるプラス歯車装置２０とをもまた含んでいる。両方の歯車装置は、大減速歯車を有しておらず、直線状あるいはらせん状の平歯車だけから作り上げられていて、きわめてコンパクトな構成となっている。マイナスの遊星歯車装置は、３つの歯車要素を組み入れているとともに、１つの方向における太陽歯車の回転が、上記遊星歯車が反対方向において噛み合い、担持体が静止状に保持される上記歯車要素の回転をもたらすものである。正の歯車装置では、太陽歯車と遊星歯車が噛み合っている歯車要素とは、担持体が静止状に保持されると、同じ方向に回転する。

マイナス歯車装置１８には、入力軸１０によって担持されていて一組の遊星ホイール２１に噛み合っている太陽ホイール４０が備わっている。それぞれの遊星ホイール２１は、それぞれの遊星軸２４によって回転可能に担持されており、遊星軸２４は、異なった直径のものであって同じ遊星軸２４によってもまた回転可能に担持されたさらに別のそれぞれの遊星ホイール３９に一体化されている。それぞれの遊星ホイール３９はそれぞれの遊星ホイール３２に噛み合っており、それぞれの遊星ホイール３２は、それぞれの遊星軸３４によって担持されているとともに、軸４８によって担持された太陽歯車３８に噛み合っている。遊星軸２４および３４は、マイナス歯車装置およびプラス歯車装置を包囲する共通のカップ状担持体２２によって担持されている。担持体２２は、出力軸１２とともに回転するように接続されているとともに、入力軸１０の周りにおける回転のためにベアリングによって支持されている。

プラス歯車装置にも、太陽ホイール４０と遊星ホイール２１とが含まれている。遊星ホイール２１はこれまた、さらに別のそれぞれの遊星ホイール２６と一体であり、従って、遊星ホイール２６はそれぞれの遊星ホイール３９と一体である。遊星ホイール２６および３９は、この場合には、同じ直径のものであり、従って、単一の遊星ホイールを効率的に構成するが、これらは異なった直径のものであってもよい。遊星ホイール２６は太陽ホイール２８と噛み合っている。太陽ホイール２８は軸２９へ接続され、軸２９は電動モータ／発電機の一方のロータ４２へ接続され、そのステータ４６は外側ケーシング５８へ接続されている。軸４８は他方のモータ／発電機のロータ５０へ接続され、そのステータ５２は外側ケーシングへもまた接続されている。

２つのステータ４６、５２の電気的接続部４５、４３は、これらが電力を交換することができるように、バスバー５５およびそれぞれの制御装置５１、５３を介して一緒に接続されている。このバスバーは、さらに別の制御装置６２へもまた接続され、この制御装置は電気的に駆動されるスーパーチャージャ６０へ接続され、スーパーチャージャ６０は、エンジン６の空気用入口ダクト６６の中に配置された圧縮機ホイール６４を含む。

使用時には、一方のモータ／発電機は、発電機として作動し、モータとして作動する他方のモータ／発電機へ電力を伝達する。このようにして伝達される電力の量は、制御装置５１、５３によって変えることができ、それによって、動力伝達システムの伝達比を変更することができる。従って、動力は、この動力伝達システムが動力分離型動力伝達装置とも称される理由である変動伝達比に比例して、動力伝達システムによって機械的にかつ電気的に伝達される。一般に、２つのモータ／発電機の間に伝達される電力がゼロであり、これらが結節点と称される２つの伝達比がある。この動力伝達システムの構成および作動のさらなる詳細は上記のＷＯ−Ａ−０４／０８８１６８に開示されている。

使用時に、エンジンが作動するものの車両が静止しているときには、動力伝達システムは歯車中立をもたらす。静止状態から離れることが要望されると、出力軸へ加えられるであろうトルクは、上で説明された理由のために、きわめて低いものであろう。しかしながら、制御装置６２は、発電機として作動するそのモータ／発電機によって生成される電力の少なくとも一部を、また場合によっては実質的にそのすべてを電気式スーパーチャージャ６０へ導くようにプログラムされている。動力伝達システムからの電力のこのような引き出しによって、上で説明された理由のために、出力軸１２へ加えられたトルクの顕著な増大がもたらされる。スーパーチャージャ６０へ伝達された電力は、それを電気的に駆動し、それによって、入口ダクトの中における空気の圧力を高めることで、エンジンの出力動力を増大させるために使用される。エンジン軸１０あるいは出力軸１２の所定速度および／または増大圧力が、制御装置６２へ接続されたセンサ（図示略）によって感知された値に到達すると、継続的な過給は一般に必要ではなく、制御装置はスーパーチャージャへの電力の伝達を終了させるように作動される。この好ましい実施形態では、モータ／発電機は２００Ｖを超える電圧で作動する。充分な電力をスーパーチャージャへ伝達して所望の増大圧力をもたらすためにスーパーチャージャへ伝達する必要のある電流は、従って、比較的低く、また、自動車電気システムの性能の範囲内で充分なものである。

図３に部分的に示された改変型推進システムには、上で説明されたように実質的に制御される電気駆動型スーパーチャージャ６０だけでなく、従来のターボチャージャもまた含まれている。エンジン（図示略）の排気ダクト６９には排気ガスタービン７１が含まれており、これは空気用入口ダクト６６の中に配置されたインペラー６７へ機械的に連結されている。低いエンジン速度では、ターボチャージャ６７、７１は、入口ダクト圧力の顕著な増大をもたらすことができないため、この圧力の増大は電気式スーパーチャージャ６０によって作られる。しかしながら、より高いエンジン速度では、自由なエネルギーを排気ダクト６９の中で利用することができるので、ターボチャージャは入口ダクトにおける圧力を増大させるために使用することができる。たとえ、より高い入口圧力が必要であっても、電気式スーパーチャージャ６０は、要求に応じて、選択的に作動することもできる。

本発明による車両推進システムの模式図である。 図１に示された推進システムのスーパーチャージャおよび動力伝達システムの概略図である。 本発明による改変型推進システムいくつかの構成要素の模式図である。

Claims (3)

1. 入口側空気ダクトと出力軸とを有し、前記出力軸が、連続的に変化する伝達比の動力伝達システム、すなわち、少なくとも３本の軸が含まれていて、そのうちの２本の軸が動力伝達システムの入力軸と出力軸とをそれぞれ構成し、かつ、すべての軸が、他の軸のうちの１本によって担持された少なくとも１つの歯車ホイールと噛み合う少なくとも１つの歯車ホイールを担持する差動歯車装置が備わっている動力伝達システムの入力軸へ連結されており、この動力伝達システムが、２つの電動モータ／発電機をさらに含み、これらにおけるロータがそれぞれの軸へ連結されているとともに、これらにおけるステータの電気的接続部がこれらの間の電力の流れを制御するために構成された制御装置へ連結されている、内燃機関を含む車両推進システムであって、
   この推進システムが、前記入口ダクトに連通している電気駆動式スーパーチャージャをもまた含むことと、前記制御装置が、前記スーパーチャージャへもまた接続されているとともに、前記入口ダクトにおける圧力と、従ってエンジンの出力軸へ加えられたトルクとを増大させるかあるいは減少させるために、少なくとも、動力伝達装置入力軸および／または動力伝達装置出力軸の所定の閾値よりも低い速度で、電力を、発電機として作動する少なくとも１つのモータ／発電機から前記スーパーチャージャの電動モータまで導くことが選択的にできるようにプログラムされていることとを特徴とする車両推進システム。
2. ターボチャージャをさらに含み、前記制御装置は、前記ターボチャージャが前記入口ダクトの中における空気の圧力の実質的増大をもたらすことのできない低いエンジン速度で、電力を前記スーパーチャージャへ伝達するようにプログラムされている、請求項１に記載のシステム。
3. 前記スーパーチャージャは、それを通って流れるガスとモータ／発電機として作動する電動モータとによって駆動することのできる型のものであり、それによって、前記スーパーチャージャはエンジンスロットルとして使用することができるとともに、その減速ロスを電気に変換することができる、請求項１に記載のシステム。

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