JP2012510911A - 車両用の制動エネルギー回収システムおよびそれを備えた車両 - Google Patents

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Abstract

車両で使用されるように適合された制動エネルギー回収システムおよびこうしたシステムが取り付けられた車両。本車両は、エンジン・変速機アセンブリ、ドライブシャフト、制動システムおよび補助システムを有する。エネルギー回収システムは、第1ポンプ、油圧アキュムレータおよび油圧モータを備える。第1ポンプは可変容量油圧ポンプである。油圧アキュムレータは、第1ポンプに連結され、圧力下で油圧流体を蓄積するように作動する。油圧モータは、油圧流体を受け取るようにアキュムレータに油圧式に連結される。モータは、補助システムに油圧式に連結されている第2油圧ポンプを、アキュムレータに蓄積された油圧エネルギーを用いて駆動するように適合される。

Description

本発明は、概して、車両におけるエネルギー効率の分野に関する。より詳細には、本発明は、補助システムを有する車両で用いられる制動エネルギー回収システムであって、少なくとも部分的に補助システムに動力を供給することができるエネルギー回収システムに関する。
ハイブリッドシステムとしても知られる制動エネルギー回収システムは、しばらくの間、自動車および軽トラック等の電気自動車の分野において知られていた。これら応用の大部分では、本来は熱として放散される、制動中に回収されたエネルギーが、車両を停止から駆動するために再利用される。
制動エネルギー回収システムの応用には、ごみ収集車が非常に適している。実際に、収集モードにあるごみ収集車の通常のデューティサイクルは、高頻度の停止・発進サイクルと低い平均速度とによって特徴付けられる。さらに、ごみ圧縮機等の油圧式補助システムの頻繁な使用に必要なエネルギー消費量は非常に高く、収集モードでは40%近くに達する。
Rexrothの「HRB Hydrostatic Regenerative Braking System(商標)」、Parkerの「Runwise(商標)」およびEaton Corporationの「Hydraulic Launch Assist(商標)」はすべて、結合された油圧ポンプ・モータを使用する。それらはすべて、重トラックの用途で設計されており、そこでは、制動エネルギーが回収され、蓄積され、車両を起動するために再利用される。
オーストラリアの会社であるPermo−Driveは、並列(パラレル)油圧再起動(re−launch)システムの開発に積極的である。「Regenerative Drive Shaft」と命名されたその製品は、車両のドライブシャフトの周囲に配置された同心ポンプ/モータアセンブリであり、ポンプモードでは制動エネルギーを回収するように機能し、モータモードでは停止からの加速中に支援するように機能する。
しかしながら、再起動中に車両を支援するシステムは、車両の駆動系と種々のレベルでインタフェースする必要があるため幾分か複雑である。したがって、興味深い代替手段は、蓄積された制動エネルギーを再利用して、それを大量に使用する、ごみ収集車等の車両の補助システムに動力を供給するというものである。
制動エネルギーを回収して車両の補助システムに動力を供給する種々の解決法が提案されてきた。Stragierの米国特許出願公開第2006/0108860号明細書は、エネルギーを再利用して補助システムに動力を供給するごみ収集車用の制動エネルギー回収システムについて記載している。しかしながら、その回収システムは、その制御が基本的にON/OFFスイッチとして作用するため、制動を適切に調整することができない。
Haginらの米国特許第4,778,020号明細書は、停止から車両を駆動するか、又はその補助システムに動力を供給するために制動エネルギーをアキュムレータに蓄積することができる制動エネルギー回収システムを記載している。しかしながら、この回収システムでは、標準変速機ではなく複雑な可変変速機を使用する必要があり、それにより、この回収システムを用いて既存の車両に後付けする可能性が制限される。
したがって、改善された制動エネルギー回収システムが明らかに必要とされている。
本発明の目的は、既知の制動エネルギー回収システムの1つまたは複数の不都合を克服するかまたは軽減し、あるいは少なくとも有用な代替手段を提供する、制動エネルギー回収システムを提供することである。
本発明は、ごみ収集車等の既存の車両に容易に後付けされ、または標準装備として新たな車両に取り付けられるようにする比較的単純な構造を提示するという利点を提供する。さらに、本発明の一実施形態は、回収された制動エネルギーを使用するという点で柔軟であるという利点を提供する。
本発明の実施形態によれば、エンジン・変速機アセンブリ、ドライブシャフト、制動システムおよび補助システムを有する車両で使用されるように適合された、制動エネルギー回収システムが提供される。本エネルギー回収システムは、第1ポンプ、油圧アキュムレータおよび油圧モータを備える。第1ポンプは可変容量油圧ポンプである。油圧アキュムレータは、第1ポンプに連結され、圧力下で油圧流体を蓄積するように作動する。油圧モータは、油圧流体を受け取るようにアキュムレータに油圧式に連結される。モータは、アキュムレータに蓄積された油圧エネルギーを用いて、第2油圧ポンプを駆動するように適合される。任意に、モータは可変容量油圧モータであってもよい。
本発明の別の実施形態によれば、制動エネルギー回収システムを装備した車両が提供される。本車両は、エンジン・変速機アセンブリ、ドライブシャフト、制動システムおよび補助システムを有する。本車両のエネルギー回収システムは、第1油圧ポンプ、油圧アキュムレータ、油圧モータおよび第2油圧ポンプを備える。第1ポンプは可変容量油圧ポンプである。油圧アキュムレータは、第1ポンプに連結され、圧力下で油圧流体を蓄積するように作動する。油圧モータは、油圧流体を受け取るようにアキュムレータに油圧式に連結される。第2油圧ポンプは、モータに機械的に連結され、補助システムに油圧式に連結される。
任意に、モータは可変容量油圧モータであってもよく、第2ポンプは定容量ポンプであってもよい。
本発明のこれらの特徴および他の特徴は、添付図面を参照する以下の説明からより明らかとなろう。
本発明の実施形態による制動エネルギー回収システムの概略図である。 本発明の別の実施形態による制動エネルギー回収システムの概略図である。
本発明は、既存の車両に後付けしてもよく、新たな車両に標準装備として設けてもよい、制動エネルギー回収システムに関する。可変容量ポンプおよびモータを使用することにより、回収されるエネルギーを制動要求に応じて調整し、回復したエネルギーを補助システムからの動力要求に応じて調整することができる。さらに、本発明の一実施形態では、制動エネルギー回収システムを、加速中に車両を支援するために使用してもよい。
ここで参照する図1は、本発明の制動エネルギー回収システム10を概略的に示す。よりよく理解されるように、制動エネルギー回収システム10を、車両の駆動系12に取り付けられているように示す。図1に示す駆動系12の構成要素は、合わせてエンジン・変速機アセンブリ18を形成する内燃機関(エンジン)14および変速機16と、ホイールセット22を変速機16に連結するドライブシャフト20とである。ホイールセット22には、制動システム23に連結されたブレーキが装備されている。補助システム24が、油圧連結ライン25を介して補助油圧ポンプ26に連結され、補助油圧ポンプ26は、駆動系12によって機械的に駆動される。補助システム24は、ごみ収集車等の車両に設けられることが多く、そういった車両には、制動エネルギー回収システム10がほとんどの場合に取り付けられる。こうした補助システム24は、ごみ圧縮機、ごみ箱を上昇させる油圧式アーム、または他の油圧駆動機器等、任意の油圧駆動機器であってもよい。
制動エネルギー回収システム10は、ドライブシャフト20を可変容量油圧ポンプ32に選択的に係合させるように適合されたクラッチ28を用いる。コントローラ30が、クラッチ28の係合を制御する。コントローラ30は、電気回路、電子回路、油圧回路または空気圧回路であってもよい。クラッチ28がドライブシャフト20に係合すると、ホイールセット22の回転移動により、可変容量ポンプ32が駆動される。場合により、可変容量油圧ポンプ32の速度を上昇させるために、ドライブシャフト20と可変容量油圧ポンプ32との間にギアボックス33を用いてもよい。好ましくは、ギアボックス33は、クラッチ28と可変容量油圧ポンプ32との間に配置され、それらを機械的に連結する。
油圧連結35を介して、可変容量ポンプ32は、油圧流体を貯蔵器34から加圧された油圧アキュムレータ36内に圧送してもよい。アキュムレータ36を用いて、油圧流体が圧力下で蓄積される。圧力は、アキュムレータ36内で、ピストンまたは膜の油圧流体から反対側で加圧ガスによって生成される。
理論的には、コントローラ30が制動要求センサ31を用いて制動システム23の制動要求を検出するとすぐに、クラッチ28をドライブシャフト20に係合させることができるが、コントローラ30は、むしろ、可変容量ポンプ32の押しのけ容積を制御することが好ましい。実際には、制動要求の検出とクラッチ28の係合との間の時間差は、可変容量ポンプ32の押しのけ容積をゼロから所望の値まで変更するための時間差より長い。したがって、コントローラ30は、通常およそ時速40kmを下回る、ごみ収集に通常用いられる速度の範囲では、クラッチ28を恒久的に係合させ、可変容量ポンプ32の押しのけ容積を変化させる。その速度を超えると、コントローラ30は、クラッチ28をドライブシャフト20から切り離すように判断し、可変容量ポンプ32等のいくつかの構成要素がその定格最大回転速度を超えないようにしてもよい。
可変容量ポンプ32がホイールセット22によって駆動されるため、コントローラが可変容量ポンプ32の押しのけ容積を増大させると、抵抗が発生する。これは、ホイールセット22の回転移動に対抗し、それにより、その制動を支援する。可変容量ポンプ32によって圧送される油圧流体の流量が大きいほど、ホイールセット22の制動に対する支援が大きくなる。コントローラ30は、車両の標準制動システムからの制動制動力を、制動エネルギー回収システムがエネルギーを蓄積する際に提供する制動支援と注意深く結合することによって、制動要求に対応する。有利には、可変容量ポンプ32は、それがホイールセット22に与えなければならない最大制動トルクに従って寸法が決められている。そして、コントローラ30は、制動要求もアキュムレータ36の容量も超えることなく、制動システムに対する制動支援のレベルを最大限にするように、可変容量ポンプ32の押しのけ容積を調整してもよい。これにより、制動システム23の摩耗を低減することができるだけでなく、アキュムレータ36に蓄積される制動エネルギーを最大限にすることもできる。コントローラ30は、アキュムレータ36の容量を考慮し、したがって、アキュムレータ36の蓄積可能性に従って制動支援のレベルを低減してもよい。したがって、コントローラ30は、アキュムレータ36の容量に達しようとしている場合に、可変容量ポンプ32の押しのけ容積を低減してもよい。アキュムレータ36がその全容量に達すると、コントローラ30は、可変ポンプ32の押しのけ容積をゼロまで低減するか、またはクラッチ28をドライブシャフト20から切り離してもよい。
制動要求の検出を、制動システムの任意の好都合な位置において、多くの異なる方法、すなわち電気的に、電子的に、油圧式にまたは空気圧式に達成してもよい。たとえば、制動要求センサ31は、制動要求を電気的に検出するようにブレーキペダルに連結されたレオスタットであってもよく、または制動回路に取り付けられた(使用される制動流体のタイプに応じて空気圧式または油圧式)圧力センサであってもよい。
油圧可変容量モータ38は、アキュムレータ36に油圧式に連結されている。モータ38は、加圧された油圧流体を介して、アキュムレータ36から受け取られるエネルギーを使用し、それを回転運動に変換するように作動する。したがって、モータ38は、加圧された油圧流体の形態でアキュムレータ36に蓄積されているエネルギーを使用して、機械装置をこの回転運動によって駆動するように機械的に連結されるように適合される。本実施形態では、モータ38は、定容量ポンプ40を駆動し、この定容量ポンプ40は、補助油圧回路42を介して補助システム24に油圧式に連結されている。モータ38は、補助システム24に十分な動力を提供するために必要な最大トルクに従って寸法が決められている。2つの別個のユニットを用いることが有利であり、それは、それらを、それらの所定のトルク要件に対して別個に寸法を決めることができるためである。
コントローラ30は、補助システム24からの動力要求を検出すると、弁39を開放して、加圧された油圧流体をアキュムレータ36からモータ38に送出する。そして、コントローラは、動力要求に対応するようにモータ38の押しのけ容積を制御する。補助システム24からの動力要求を検出するために、コントローラ30は、動力要求センサ44に接続されており、動力要求センサ44は、補助システム24かまたは補助油圧回路42のいずれかに連結されていることによって動力要求を検出する。制動要求の検出と同様に、動力要求を、補助油圧回路42における任意の好都合な位置で、多くの種々の方法で、すなわち電気的に、電子的に、油圧式にまたは空気圧式に検出してもよい。図1では、動力要求センサ44を、補助油圧回路42における圧力を読み取る流体圧力センサとして示す。
たとえば、動力要求センサ44は、動力要求を電気的に検出するようにレバーに連結されたレオスタットであってもよく、または補助油圧回路42に取り付けられた圧力センサであってもよい。
多くの既存のごみ収集車には、補助油圧ポンプ26がすでに装備されている。この補助油圧ポンプ26は、定容量ポンプ40に類似していてもよく、内燃機関14によって駆動され、エンジン・変速機アセンブリ18に機械的に連結されている。補助油圧ポンプ26は、通常、エンジンクランク、エンジンフライホイール、変速機またはパワーテイクオフ(PTO)のいずれかに連結されている。図1では、補助油圧ポンプ26を、エンジンフライホイールに機械的に連結されているように示す。補助油圧ポンプ26を用いて、それが油圧式に連結されている補助システム24に油圧流体が圧送される。補助油圧ポンプ26は常に内燃機関14によって駆動されるため、油圧連結ライン25の補助油圧ポンプ26と補助システム24との間には、アンロード弁46が配置されている。このアンロード弁46を用いて、定容量ポンプ40が作動している時に油圧流体が貯蔵器34に分流される。
定容量ポンプ40および補助油圧ポンプ26の両方が補助システム24に連結されているため、それらのいずれかまたは両方が、補助システム24に油圧動力を提供してもよい。したがって、目的は、内燃機関14における負荷が低減するように、補助ポンプ26によって提供される油圧出力を可能な限り低減させることである。内燃機関14における負荷が低減すると、使用される燃料が減少する。コントローラ30は、補助システム24からの動力要求を可能な限り満たすようにモータ38を調整する。コントローラ30がこの動力要求を完全に満たすことができる場合、内燃機関14には、補助システム24からいかなる負荷もかからない。そして、補助システム24は、車両の制動から回収されたエネルギーにより完全に動力が供給される。アキュムレータ36に十分にエネルギーが蓄積されていないため、コントローラ30がこの動力要求を完全に満たすことができない場合、内燃機関14によって駆動される補助油圧ポンプ26が、この不足する容量を補う。
ここで、図2において本発明の第2の実施形態を参照する。この実施形態は、上述した実施形態に類似しているが、モータ38がエンジン・変速機アセンブリ18に機械的に連結されており、定容量ポンプ40が不要となっている。モータ38を、PTOを介して内燃機関14に、あるいは内燃機関14のクランクシャフトまたはフライホイールに直接連結してもよい。不要な時はモータ38を切り離すことができるように、モータ38を内燃機関14に第2クラッチによって連結してもよいことに留意されたい。さらに、補助油圧ポンプ26を、PTOに、内燃機関14のクランクシャフトまたはフライホイールに直接、あるいは他の任意の都合のよい位置に連結してもよい。定容量ポンプであっても可変容量ポンプであってもよい補助油圧ポンプ26を、本発明の第1実施形態において定容量ポンプ40がモータ38によって駆動されたのと同様に、モータ38によって直接駆動してもよい。
コントローラ30は、補助システム24からの動力要求を検出すると、弁39を開放して、モータ38に対し、アキュムレータ36に蓄積されている加圧された油圧流体を供給する。そして、モータ38は、内燃機関14を駆動し、補助油圧ポンプ26も駆動する。この場合もまた、補助システム24からの動力要求のレベルとアキュムレータ36に蓄積されたエネルギーのレベルとに応じて、コントローラは、モータ38の押しのけ容積を調整する。アキュムレータ36に十分なエネルギーが蓄積されていない場合、モータ38および内燃機関14がともに補助油圧ポンプ26を駆動する。アキュムレータ36に十分なエネルギーが蓄積されている場合、モータ38のみが補助油圧ポンプ26を駆動するため、内燃機関14における負荷が低減する。したがって、これら2つの場合、補助油圧ポンプ26は、少なくとも部分的にモータ38によって駆動される。アキュムレータ36にエネルギーが残っていない場合、内燃機関14は、単独で補助油圧ポンプ26を駆動する。この最後の場合は、制動エネルギー回収システムが装備されていない標準的なごみ収集車の状況に類似している。
コントローラ30は、アキュムレータ36に蓄積されているエネルギーのレベルが十分であると評価した場合、それを駆動することによって内燃機関14を支援するように決定してもよい。内燃機関14が一定速度で加速しているか、またはこの支援時にアイドル状態で回転しているかに関らず、常に燃料消費量が低減する結果となる。蓄積されたエネルギーを使用する際のこの柔軟性は、動力がモータ38から内燃機関14に伝達されるため可能となる。たとえば、モータ38は、加速中に、エンジンフライホイールを介してホイールセット22にも動力を供給し、内燃機関14に対する負荷を低減させることによって内燃機関14を支援してもよい。別の例は、後により詳細に示すように、モータ38が、燃料を使用するのではなく内燃機関14をアイドル回転数で回転させるように支援するというものである。
制動エネルギー回収システム10が、トラックに、その製造業者によって標準装備として取り付けられている場合、コントローラ30がエンジン電子制御ユニット(ECU)とインタフェースすることが可能であり、そのため、コントローラ30が、蓄積されている油圧エネルギーのみで内燃機関14を駆動しようとする時、ECUは、内燃機関14への燃料供給を遮断し、コントローラ30は、内燃機関14がその通常のアイドル回転数で回転するように、可変容量モータ38の押しのけ容積を調整する。しかしながら、制動エネルギー回収システム10が既存のトラックに後付けされる場合、既存のECUを、コントローラ30と通信することができるように手を加える必要のないことが有利であり得る。したがって、コントローラ30は、アキュムレータ36に、油圧エネルギーのみで内燃機関14を駆動するのに十分なエネルギーがあると評価した場合、内燃機関14を、その通常のアイドル回転数をわずかに上回る速度で駆動するように、可変容量モータ38の押しのけ容積を調整する。ECUは、内燃機関14への燃料供給を、そのエンジン速度を低下させるように低減すると、エンジン速度をアイドル状態までさらに低下しようとして完全に遮断するまで、燃料供給を低減する。
上述した実施形態の代替形態として、可変容量ポンプ32およびギアボックス33を、それぞれ定容量ポンプおよび無段変速機に置き換えてもよい。これによってまた、ポンプ32によってアキュムレータ36に圧送される油圧流体の流量の制御が可能になるが、この実施形態は、おそらく実施するのにより費用がかかる可能性がある。
本発明を、好ましい実施形態に関して説明した。説明は、図面と同様に、本発明の範囲を限定するのではなく本発明の理解に役立つことが意図されている。当業者には、本明細書で述べた本発明の範囲から逸脱することなく、本発明に対してさまざまな変更を行うことができ、こうした変更が、本説明によって包含されるように意図されていることが明らかとなろう。本発明は、以下の特許請求の範囲によって定義される。

Claims (25)

  1. エンジンを含む駆動部分を備え、かつ変速機と前記変速機をホイールセットに連結するドライブシャフトとを含む被駆動部分を備える駆動系を有する車両で用いられ、前記駆動系の前記駆動部分が前記被駆動部分に切離し可能に結合される、制動エネルギー回収システムであって、
    可変容量油圧ポンプである、前記駆動系の前記被駆動部分に結合された第1ポンプと、
    前記第1ポンプから油圧流体を受け取るように連結された油圧アキュムレータであって、圧力下で油圧流体を蓄積するように作動するアキュムレータと、
    前記アキュムレータから油圧流体を受け取るように連結された油圧モータであって、互いに独立して回転することができるように、前記駆動系の前記被駆動部分から隔離されている油圧モータと、
    を具備する制動エネルギー回収システム。
  2. 前記油圧モータが前記駆動系の前記駆動部分に結合されている、請求項1に記載の制動エネルギー回収システム。
  3. 前記駆動系の前記駆動部分がパワーテイクオフを有し、前記油圧モータが前記パワーテイクオフに結合されている、請求項2に記載の制動エネルギー回収システム。
  4. 前記車両がまた、補助油圧システムと、前記補助油圧システムに動力を供給するように用いられる第2油圧ポンプとを有し、前記第2油圧ポンプが前記駆動系の前記駆動部分に結合されている、請求項2または3に記載の制動エネルギー回収システム。
  5. 前記補助油圧システムに動力を供給するように用いられる前記第2油圧ポンプを、前記駆動系の前記駆動部分によって動作させることができ、かつ前記油圧モータによっても動作させることができる、請求項4に記載の制動エネルギー回収システム。
  6. 前記油圧モータが、前記駆動系の前記駆動部分を介して前記第2ポンプを動作させるように適合された、請求項5に記載の制動エネルギー回収システム。
  7. 前記油圧モータが、前記エンジンを回転させるようにトルクを与えるように適合された、請求項2、3または6のいずれか一項に記載の制動エネルギー回収システム。
  8. 前記油圧モータが、前記駆動系の前記駆動部分が前記被駆動部分から切り離された時に、前記エンジンをアイドル回転数で回転させるように適合された、請求項7に記載の制動エネルギー回収システム。
  9. 前記油圧モータが、前記駆動系から独立して回転することができるように、前記駆動系の前記駆動部分から、かつ前記被駆動部分から隔離されている、請求項1に記載の制動エネルギー回収システム。
  10. 前記車両がまた、補助油圧システムと、前記補助油圧システムに動力を供給することができる第2油圧ポンプとを有し、前記第2油圧ポンプが前記駆動系の前記駆動部分に結合されている、請求項9に記載の制動エネルギー回収システム。
  11. 前記補助油圧システムに動力を供給することができる第3油圧ポンプをさらに具備し、前記油圧モータが、前記第3油圧ポンプを、前記補助油圧システムに動力を供給するように動作させるように適合された、請求項10に記載の制動エネルギー回収システム。
  12. 前記第1ポンプを前記ドライブシャフトに選択的に係合させるクラッチをさらに具備する、請求項1〜11のいずれか一項に記載の制動エネルギー回収システム。
  13. 前記ドライブシャフトと前記第1ポンプとの間にギアボックスをさらに具備する、請求項12に記載の制動エネルギー回収システム。
  14. 前記ギアボックスが前記クラッチを前記第1ポンプに連結する、請求項13に記載の制動エネルギー回収システム。
  15. 制動要求を検出し、前記制動要求に従って前記第1ポンプの押しのけ容積を調整するように作動するコントローラをさらに具備する、請求項1〜14のいずれか一項に記載の制動エネルギー回収システム。
  16. 前記コントローラが、前記アキュムレータの蓄積可能性に従って前記第1ポンプの前記押しのけ容積を調整するようにさらに作動する、請求項15に記載の制動エネルギー回収システム。
  17. 前記車両が補助油圧システムも有し、前記コントローラが、前記補助油圧システムからのエネルギー要求を検出し、前記エネルギー要求に従って前記油圧モータの押しのけ容積を調整するようにさらに作動する、請求項15または16に記載の制動エネルギー回収システム。
  18. 前記油圧モータが前記駆動系の前記駆動部分に結合され、前記コントローラが、前記エンジンを回転させることができるトルクをもたらすように前記油圧モータの押しのけ容積を調節するように動作可能である、請求項15〜17のいずれか一項に記載の制動エネルギー回収システム。
  19. 前記車両が基礎制動システムも有し、前記コントローラが、前記制動要求に従って前記基礎制動システムの制動力を起動させかつ調整するように作動する、請求項15〜18のいずれか一項に記載の制動エネルギー回収システム。
  20. 前記第1ポンプの最大押しのけ容積が、前記油圧モータの押しのけ容積と著しく異なる、請求項1〜19のいずれか一項に記載の制動エネルギー回収システム。
  21. 前記油圧モータが可変容量油圧モータである、請求項1〜20のいずれか一項に記載の制動エネルギー回収システム。
  22. 既存の車両に後付けされる、請求項1〜21のいずれか一項に記載の制動エネルギー回収システム。
  23. 前記変速機が複数の固定ギア比を有する、請求項1〜22のいずれか一項に記載の制動エネルギー回収システム。
  24. 前記第1ポンプが油圧モータとして動作不能である、請求項1〜23のいずれか一項に記載の制動エネルギー回収システム。
  25. 請求項1〜24のいずれか一項に記載の制動エネルギー回収システムを装備する車両。
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