JP2009197583A - 補機駆動用伝動装置を備える内燃機関 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】伝動装置Tの遊星歯車機構60の3つの要素歯車のうちで、1つの要素歯車は、クランク軸7からのトルクが入力される入力要素歯車を兼ねると共にオイルポンプ50を駆動するキャリア62であり、残りの2つ要素歯車のうちの一方の要素歯車はウォータポンプ40を駆動するサンギヤ61であり、他方の要素歯車は電動モータ81の制御力が入力されるリングギヤ63である。電動モータ81は、リングギヤ63の回転速度Nrを制御することにより、キャリア62に対するサンギヤ61の速度比を制御する。
【選択図】図3
Description
また、内燃機関において、補機(例えばオイルポンプ)を駆動するために、クランク軸および電動モータのトルクを該補機に伝達する伝動装置が遊星歯車機構を備えるものも知られている(例えば特許文献2参照)。
例えば、2つの補機が、内燃機関の潤滑装置のオイルポンプおよび冷却装置のウォータポンプであるとき、内燃機関の暖機時には、オイルポンプが作動状態にあることは必須である一方、ウォータポンプは暖機促進の観点からは、十分に作動しなくてもよい。また、オイルポンプに関しては、機関回転速度が大きいときに吐出された油圧が過大になることを防止するために、リリーフ弁が設けられる。このことは、オイルポンプの回転速度が必要以上に大きくなることを意味しており、内燃機関の動力損失を増加させる一因でもある。したがって、内燃機関の高速回転時にオイルポンプの回転速度を従来に比べて低くすることにより、オイルポンプの耐久性の向上が可能になり、または強度などのオイルポンプの設計において、より低コストの材料の使用が可能になって、コストの削減が可能となる。
また、特許文献2に開示された伝動装置のように、遊星歯車機構および電動モータを備える電動装置によれば、遊星歯車機構を構成する3つの要素歯車(サンギヤ、キャリアおよびリングギヤ)のうちの1つの要素歯車の回転速度を電動モータで制御することにより、伝動装置での入力回転速度に対する補機の速度比を変更することができる。しかしながら、該伝動装置により駆動される補機は1つであることから、異なる2つの補機を、その変速比を制御しながら駆動しようとすれば、1つの補機毎に別個に同様の伝動装置が必要になって、それら2つの補機を駆動するための伝動装置が大型化する。
請求項2記載の発明は、前記駆動回転軸(7)と、前記駆動回転軸(7)のトルクにより駆動される第1補機(50;40)および第2補機(40;50)と、前記駆動回転軸(7)のトルクを前記第1補機(50;40)および前記第2補機(40;50)に伝達する補機駆動用伝動装置(T)とを備える内燃機関(E)において、前記伝動装置(T)は、サンギヤ(61)、キャリア(62)およびリングギヤ(63)である3つの要素歯車を有する遊星歯車機構(60)と、回転制御機構(80)とを備え、前記サンギヤ(61)、前記キャリア(62)および前記リングギヤ(63)のうちで、1つの前記要素歯車は、前記駆動回転軸(7)からのトルクが入力される入力要素歯車(62)であり、残りの2つ前記要素歯車のうちの一方の前記要素歯車は前記第1補機(50;40)を駆動する第1出力要素歯車(61)であり、他方の前記要素歯車は前記第2補機(40;50)を駆動すると共に前記回転制御機構(80)の制御力が入力される制御要素歯車(63)を兼ねる第2出力要素歯車(63)であり、前記回転制御機構(80)は、前記第2出力要素歯車(63)の回転速度(Nr)を制御することにより、前記第1出力要素歯車(61)に対する前記第2出力要素歯車(63)の速度比と、前記入力要素歯車(62)に対する前記第1出力要素歯車(61)および前記第2出力要素歯車(63)の各速度比(Rs,Rr)とを制御する内燃機関(E)である。
請求項3記載の発明は、請求項1または2記載の内燃機関(E)において、前記第1補機(50)は潤滑用のオイルを吐出するオイルポンプ(50)であり、前記第2補機(40)は機関本体を冷却する冷却水を圧送するウォータポンプ(40)であり、前記回転制御機構(80)は、前記入力要素歯車(62)に対する前記第2出力要素歯車(61,63)の前記速度比(Rs,Rr)を、前記機関本体の暖機時に、前記機関本体の暖機完了後に比べて小さく設定するものである。
請求項4記載の発明は、請求項1記載の内燃機関(E)における前記第2補機(50)、または、請求項2記載の内燃機関における前記第1補機(50)または前記第2補機(50)は、吐出されたオイルの最大油圧がリリーフ弁(58)により設定されるオイルポンプ(50)であり、前記回転制御機構(80)は、前記入力要素歯車(62)に対する前記第2出力要素歯車(63)の前記速度比(Rr)を、機関回転速度(Ne)が前記リリーフ弁(58)が開弁状態になる所定回転速度を超える高速回転領域で、前記機関回転速度(Ne)が前記所定回転速度以下である低速回転領域に比べて小さく設定する内燃機関(E)である。
請求項2記載の発明によれば、3つの要素歯車から構成される1つの遊星歯車機構を有する伝動装置は、該3つの要素歯車のうちの2つを第1,第2出力要素歯車として、それぞれ第1,第2補機を同時に駆動可能である。そして、回転制御機構が、2つの出力要素歯車のうちの1つである第2出力要素歯車を制御要素歯車として、その回転速度を制御することにより、第1,第2出力要素歯車同士の速度比の変更が可能であると共に、入力回転速度で回転する入力要素歯車に対する第1,第2出力要素歯車の速度比の変更が可能である。この結果、第1,第2補機を同時に駆動可能であり、しかも第1,第2出力要素歯車同士の速度比と、入力回転速度に対する第1,第2出力要素歯車の速度比とを制御可能とする伝動装置が、1つの遊星歯車機構を備える伝動装置で実現されるので、該伝動装置を小型化することができる。
請求項3記載の事項によれば、入力回転速度に対する速度比が制御される第2出力要素歯車がウォータポンプを駆動し、入力回転速度に対する第2出力要素歯車の速度比が、機関本体の暖機時に、暖機完了後に比べて小さく設定されるので、ウォータポンプは、暖機時には暖機完了後に比べて低速状態で駆動される。一方、第1出力要素歯車がオイルポンプを駆動し、オイルポンプが入力回転速度で駆動される。この結果、暖機時には、速度比が小さくなることで、停止状態を含む低速状態で駆動されるウォータポンプにより、冷却水の流動を低下させる、または冷却水の流動をほぼ停止することができるので、機関本体の暖機が促進される。一方、入力回転速度で駆動されるオイルポンプにより、内燃機関の潤滑性が確保される。
請求項4記載の事項によれば、入力回転速度に対する速度比が制御される出力要素歯車がオイルポンプを駆動し、入力要素歯車に対する出力要素歯車の速度比が、機関回転速度が所定回転速度を超える高速回転領域で、機関回転速度の低速回転領域に比べて小さく設定されるので、オイルポンプは、内燃機関の高速回転領域では速度比が低速回転領域と同じである場合に比べて低速状態で駆動される。この結果、リリーフ弁が開弁状態にある高速回転領域には速度比が小さくなることで、リリーフ弁を通じて放出されるオイル量を減少させることができるので、オイルポンプを駆動するための動力が減少し、内燃機関の動力損失が減少する。また、内燃機関の高速回転領域にオイルポンプの駆動速度を低下させることができるので、オイルポンプの耐久性が向上する。
図1〜図4は、本発明の第1実施形態を説明する図である。
図1,図2を参照すると、本発明が適用された内燃機関Eは、車両としてのスクータ型の自動二輪車に搭載される水冷式の単気筒4ストローク内燃機関であり、内燃機関Eが発生する動力を後輪に伝達するベルト式の変速機Mを備える動力伝達装置と共にパワーユニットを構成する。
内燃機関Eは、ピストン5が往復運動可能に嵌合するシリンダ孔1bが形成されたシリンダ1aを有するシリンダブロック1と、シリンダブロック1の上端部に結合されるシリンダヘッド2と、シリンダヘッド2の上端部に結合されるヘッドカバー3と、シリンダブロック1の下端部に結合されるクランクケース4とから構成される機関本体(以下、「機関本体」という。)を備える。
補機室10は、ケース半体4aと、該ケース半体4aに結合されるカバー11と、ケース半体4aに結合されるシュラウド12とにより形成されて、冷却ファン13により送風される冷却風の導風路を兼ねる。そして、補機室10には、交流発電機14および冷却ファン13のほかに、ラジエータ45、ウォータポンプ40および過給機15が配置される。
過給機15は、カム軸28aと一体に回転する駆動軸により往復運動する過給ピストンを備え、加圧された空気を、給気管16を通じて過給ポート24に供給する。
そして、ウォータポンプ40、冷却ファン13、交流発電機14、オイルポンプ50および過給機15は、内燃機関Eの補機である。
また、オイルポンプ50の吐出ポートに設けられるリリーフ弁58は、オイルポンプ50から吐出されたオイルの最大油圧を設定して、吐出されたオイルの油圧が過大になることを防止する。リリーフ弁58は、機関回転速度Neが後述する所定回転速度であるときに開弁状態になっており、余剰のオイルを前記オイルパン部に放出する。
図3を併せて参照すると、伝動装置Tは、クランク軸7のトルクを、第1補機としてのオイルポンプ50および第2補機としてのウォータポンプ40に伝達する。それゆえ、第1補機および第2補機は機能が異なる別種の補機である。
検出手段93は、内燃機関Eの機関回転速度Neとしてのクランク軸7の回転速度を検出する機関回転速度検出手段94と、ヘッド側ウォージャケットJb内の冷却水の温度Twを検出する水温センサ95と、電動モータ81の回転速度Nmを検出する回転速度検出手段96とを含む。
制御部91は、電動モータ81の回転速度Nmがウォータポンプ40の回転速度Nwを制御するために予め設定された設定回転速度となるように、回転速度検出手段96により検出される回転速度Nmに応じて電動モータ81をフィードバック制御する。また、制御部91は、機関回転速度Neに基づいて燃料噴射弁17を制御する。
Rs=Ns/Nc (1)
ここで、Nc:キャリア62の回転速度
Ns:サンギヤ61の回転速度
この実施形態では、キャリア62の回転速度Ncは入力回転速度Niおよびオイルポンプ50の回転速度Noに等しく、サンギヤ61の回転速度Nsはウォータポンプ40の回転速度Nwに等しい。
Zs・Ns+Zr・Nr=(Zs+Zr)・Nc (2)
ここで、Zs:サンギヤ61の歯数
Zr:リングギヤ63の歯数
Nr:リングギヤ63の回転速度
内燃機関Eの暖機時であって、水温センサ95により検出された冷却水の温度Twが予め設定された所定水温以下であるとき、制御部91からの信号に基づいて、電動モータ81は、リングギヤ63の回転速度Nrを制御して、キャリア62の回転速度Nc(入力回転速度Ni、したがってオイルポンプ50の回転速度Noでもある。)に対するサンギヤ61の回転速度Ns(ウォータポンプ40の回転速度Nw)の速度比Rsを、内燃機関Eの暖機完了後に比べて小さく設定し、より具体的には、変速比Rsが0以上で1未満の値となるように設定する。
なお、前記所定水温は、サーモスタット46によるラジエータ45での冷却水の流通停止・流通許容の切換水温よりも低い温度に設定されたが、該切換水温とほぼ等しくてもよい。
伝動装置Tが備える1つの遊星歯車機構60のサンギヤ61、キャリア62およびリングギヤ63のうちで、1つの要素歯車は、クランク軸7からのトルクが入力される入力要素歯車を兼ねると共にオイルポンプ50を駆動するキャリア62であり、残りの2つ要素歯車のうちの一方の要素歯車はウォータポンプ40を駆動するサンギヤ61であり、他方の要素歯車は回転制御機構80の電動モータ81の制御力が入力されるリングギヤ63であり、電動モータ81は、リングギヤ63の回転速度Nrを制御することにより、入力要素歯車であるキャリア62に対するサンギヤ61の速度比Rsを制御する。この構造により、3つの要素歯車から構成される1つの遊星歯車機構60を有する伝動装置Tは、該3つの要素歯車のうちの2つであるキャリア62およびサンギヤ61を第1,第2出力要素歯車として、それぞれオイルポンプ50およびウォータポンプ40を同時に駆動可能である。そして、電動モータ81が、前記3つの要素歯車のうちの残りの1つであるリングギヤ63を制御要素歯車として、その回転速度Nrを制御することにより、キャリア62およびサンギヤ61からなる第1,第2出力要素歯車同士の速度比の変更が可能であると共に、入力回転速度Niで回転するキャリア62に対するサンギヤ61の速度比Rsの変更が可能である。この結果、オイルポンプ50およびウォータポンプ40を同時に駆動可能であり、しかもオイルポンプ50を駆動するキャリア62およびウォータポンプ40を駆動するサンギヤ61の要素歯車同士の速度比と、入力回転速度Niに対するサンギヤ61の速度比Rsとを制御可能とする伝動装置が、1つの遊星歯車機構60を備える伝動装置Tで実現されるので、該伝動装置Tを小型化することができる。
さらに、暖機時にウォータポンプ40を停止することにより、サーモスタット46および前記バイパス通路を不要にすることも可能である。
リングギヤ63は、基部63bにおいてウォータポンプ40のポンプ軸43と一体に結合され、ポンプ軸43と常時一体に回転する。
回転制御機構80の電動モータ81を制御する制御装置90において、検出手段93は、機関回転速度検出手段94と、水温センサ95と、オイルの温度Toを検出する油温センサ97と、回転速度検出手段96とを含む。
Rr=Nr/Nc (3)
なお、この実施形態では、キャリア62の回転速度Ncは入力回転速度Niに等しく、サンギヤ61の回転速度Nsはオイルポンプ50の回転速度Noに等しく、リングギヤ63の回転速度Nrはウォータポンプ40の回転速度Nwに等しい。
内燃機関Eの暖機時であって、油温センサ97により検出されたオイルの温度Toが予め設定された所定油温以下であり、かつ水温センサ95により検出された冷却水の温度Twが予め設定された前記所定水温以下であるとき、制御部91からの信号に基づいて、電動モータ81は、リングギヤ63の回転速度Nrを制御して、キャリア62の回転速度Nc(入力回転速度Ni)に対するリングギヤ63の回転速度Nr(ウォータポンプ40の回転速度Nw)の速度比Rrを、内燃機関Eの暖機完了後に比べて小さく設定し、より具体的には変速比Rrを0以上で1未満の値となるように設定する一方、入力回転速度Niに対するサンギヤ61の回転速度Ns(オイルポンプ50の回転速度No)の速度比Rsを1を超える値となるように設定する。
ここで、前記所定回転速度は、リリーフ弁58(図2参照)が開弁状態にあるときの機関回転速度Neである。
伝動装置Tが備える1つの遊星歯車機構60のサンギヤ61、キャリア62およびリングギヤ63のうちで、1つの要素歯車は、クランク軸7からのトルクが入力されるキャリア62であり、残りの2つ要素歯車のうちの一方の要素歯車はオイルポンプ50を駆動するサンギヤ61であり、他方の要素歯車はウォータポンプ40を駆動すると共に回転制御機構80の電動モータ81の制御力が入力される制御要素歯車を兼ねるリングギヤ63であり、電動モータ81は、リングギヤ63の回転速度Nrを制御することにより、オイルポンプ50を駆動するサンギヤ61に対するウォータポンプ40を駆動するリングギヤ63の速度比と、入力要素歯車であるキャリア62に対するリングギヤ63の速度比Rrと、キャリア62に対するサンギヤ61の速度比Rsとを制御する。この構造により、3つの要素歯車から構成される1つの遊星歯車機構60を有する伝動装置Tは、該3つの要素歯車のうちの2つであるサンギヤ61およびリングギヤ63を第1,第2出力要素歯車として、それぞれオイルポンプ50およびウォータポンプ40を同時に駆動可能である。そして、電動モータ81が、前記2つの出力要素歯車のうちの1つであるリングギヤ63を制御要素歯車として、その回転速度Nrを制御することにより、サンギヤ61およびリングギヤ63からなる第1,第2出力要素歯車同士の速度比の変更が可能であると共に、入力回転速度Niで回転するキャリア62に対するサンギヤ61およびリングギヤ63の速度比Rs,Rrの変更が可能である。この結果、ウォータポンプ40およびオイルポンプ50を同時に駆動可能であり、しかもオイルポンプ50を駆動するサンギヤ61およびウォータポンプ40を駆動するリングギヤ63の要素歯車同士の速度比と、入力回転速度Niに対するサンギヤ61およびリングギヤ63の速度比Rs,Rrとを制御可能とする伝動装置が、1つの遊星歯車機構60を備える伝動装置Tで実現されるので、該伝動装置Tを小型化することができる。
第1実施形態において、キャリア62により第1補機としてのウォータポンプ40が駆動され、サンギヤ61により第2補機としてのオイルポンプ50が駆動され、制御装置90の検出手段93が、第2実施形態と同様に、油温センサ97を含み、該オイルポンプ50の回転速度Nsを決める速度比Rsが、第2実施形態と同様に制御されてもよい。そして、この場合、オイルポンプ50を、機関回転速度Neが所定回転速度を超える高速回転領域で第2実施形態と同様に制御することが可能になって、第2実施形態と同様の作用および効果が奏される。
第2実施形態において、サンギヤ61により第1補機としてウォータポンプ40が駆動され、リングギヤ63により第2補機としてのオイルポンプ50が駆動されてもよい。そして、この場合にも、第2実施形態と同様の作用効果が奏される。
第1実施形態において、冷却水の温度Twが前記所定水温以下のとき、電動モータ81は、ウォータポンプ40の回転速度Nwが温度Twの上昇につれて増加するように、リングギヤ63の回転速度Nrを制御してもよい。また、内燃機関Eの暖機完了後に、電動モータ81は、回転速度Nwが入力回転速度Niまたは速度比Rsがより大きくなるように、リングギヤ63の回転速度Nrを制御してもよく、この場合には、ウォータジャケットJb,Jh内の冷却水の流速が増加して、シリンダブロック1およびシリンダヘッド2の冷却が促進される。
遊星歯車機構60の3つの要素歯車と、それら要素歯車に結合される入力機構70、オイルポンプ50およびウォータポンプ40との組合せは、第1,第2実施形態以外の任意の組合せが可能である。また、第1,第2補機は、ウォータポンプ40とオイルポンプ50の組合せ以外の任意の組合せで構成されてもよい。
回転制御機構80は、電動モータ81以外の機構であってもよく、例えば油圧式のモータなどのモータであってもよい。
内燃機関Eは、車両以外の機械に使用されるものであってもよい。
E…内燃機関、T…伝動装置、Rs,Rr…速度比。
Claims (4)
- 駆動回転軸と、前記駆動回転軸のトルクにより駆動される第1補機および第2補機と、前記駆動回転軸のトルクを前記第1補機および前記第2補機に伝達する補機駆動用伝動装置とを備える内燃機関において、
前記伝動装置は、サンギヤ、キャリアおよびリングギヤである3つの要素歯車を有する1つの遊星歯車機構と、回転制御機構とを備え、
前記サンギヤ、前記キャリアおよび前記リングギヤのうちで、1つの前記要素歯車は、前記駆動回転軸からのトルクが入力される入力要素歯車を兼ねると共に前記第1補機を駆動する第1出力要素歯車であり、残りの2つ前記要素歯車のうちの一方の前記要素歯車は前記第2補機を駆動する第2出力要素歯車であり、他方の前記要素歯車は前記回転制御機構の制御力が入力される制御要素歯車であり、
前記回転制御機構は、前記制御要素歯車の回転速度を制御することにより、前記入力要素歯車に対する前記第2出力要素歯車の速度比を制御することを特徴とする内燃機関。 - 前記駆動回転軸と、前記駆動回転軸のトルクにより駆動される第1補機および第2補機と、前記駆動回転軸のトルクを前記第1補機および前記第2補機に伝達する補機駆動用伝動装置とを備える内燃機関において、
前記伝動装置は、サンギヤ、キャリアおよびリングギヤである3つの要素歯車を有する遊星歯車機構と、回転制御機構とを備え、
前記サンギヤ、前記キャリアおよび前記リングギヤのうちで、1つの前記要素歯車は、前記駆動回転軸からのトルクが入力される入力要素歯車であり、残りの2つ前記要素歯車のうちの一方の前記要素歯車は前記第1補機を駆動する第1出力要素歯車であり、他方の前記要素歯車は前記第2補機を駆動すると共に前記回転制御機構の制御力が入力される制御要素歯車を兼ねる第2出力要素歯車であり、
前記回転制御機構は、前記第2出力要素歯車の回転速度を制御することにより、前記第1出力要素歯車に対する前記第2出力要素歯車の速度比と、前記入力要素歯車に対する前記第1出力要素歯車および前記第2出力要素歯車の各速度比とを制御することを特徴とする内燃機関。 - 前記第1補機は潤滑用のオイルを吐出するオイルポンプであり、前記第2補機は機関本体を冷却する冷却水を圧送するウォータポンプであり、
前記回転制御機構は、前記入力要素歯車に対する前記第2出力要素歯車の前記速度比を、前記機関本体の暖機時に、前記機関本体の暖機完了後に比べて小さく設定することを特徴とする請求項1または2記載の内燃機関。 - 請求項1記載の内燃機関における前記第2補機、または、請求項2記載の内燃機関における前記第1補機または前記第2補機は、吐出されたオイルの最大油圧がリリーフ弁により設定されるオイルポンプであり、
前記回転制御機構は、前記入力要素歯車に対する前記第2出力要素歯車の前記速度比を、機関回転速度が前記リリーフ弁が開弁状態になる所定回転速度を超える高速回転領域で、前記機関回転速度が前記所定回転速度以下である低速回転領域に比べて小さく設定することを特徴とする内燃機関。
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