JP2014015203A - 共振を回避するためのエンジン始動方式 - Google Patents

Abstract

【課題】共振を回避するエンジン始動方式を提供する。
【解決手段】機械は、共振周波数エンジン速度を含む様々なエンジン速度で動作可能なエンジン１０２を含む。この機械は、エンジンに動作的に接続されたハイブリッドモータ１１８を含み、ハイブリッドモータは動力をエンジンに供給するようになされている。電子制御モジュールは、ハイブリッドモータを制御して、少なくともエンジン速度が共振周波数エンジン速度を超える時点まで動力がエンジンに供給されるように構成される。
【選択図】図１

Description

本特許出願は一般にエンジンに関し、より詳しくはエンジンの始動に関する。

エンジン駆動式の機械では、駆動部品、たとえばモータやエンジンの振動周波数が機械の構成要素の機械的共振周波数と一致した時に共振現象が起こることがある。多くの大型機械の場合、エンジンのシリンダで燃焼サイクルが実行された時のエンジンの出力の速度によって振動が起こることにより、パワートレイン内で共振周波数が発生する。共振周波数に対応する特定のエンジン速度では、構成要素の部品に加わるトルクの振幅が大幅に増大し、これがその機械の機械的構成要素に損傷を与える可能性がある。技術者は、パワートレイン内の共振周波数を各機械の通常の動作範囲外のエンジン速度で発生させるように動力系を設計することによって損傷を防止するようになった。

機械の通常の動作範囲では発生しないものの、共振周波数は始動時の、より低速のエンジン速度では、エンジンが大型の機械構成要素を回転させるために必要な大きな慣性力とポンプの抗力、エンジンの摩擦およびその他の非慣性負荷から生じる寄生負荷を克服しようとする時に依然として発生しうる。それを超えると機械の構成要素が共振を起こすようなエンジン速度を実現することは、エンジン速度がうまく共振周波数エンジン速度より高い速度に加速できない可能性のある寒冷期には特に困難である。

本願は、１つの態様において、共振周波数エンジン速度を含む様々なエンジン速度で動作可能なエンジンを含む機械を開示する。この機械はまた、エンジンに動作的に接続されたハイブリッドモータであって、エンジンに動力を供給するようになされたハイブリッドモータと、ハイブリッドモータを制御して、少なくともエンジン速度が共振周波数エンジン速度を超える時点までエンジンに動力が供給されるように構成された電子制御モジュールと、を含む。

他の態様において、本願は、エンジンの始動方法を開示する。この方法は、共振周波数エンジン速度を含む様々なエンジン速度で動作可能なエンジンを提供するステップを含む。この方法は、ハイブリッドモータをエンジンに動作的に接続するステップを含み、ハイブリッドモータは動力をエンジンに供給するようになされている。この方法はまた、少なくともエンジン速度が共振周波数エンジン速度を超える時点までハイブリッドエンジンからエンジンに動力を供給するステップも含む。

また別の態様において、本願は、機械の始動方法を開示する。この方法は、共振周波数エンジン速度を含む様々なエンジン速度で動作可能なエンジンを提供するステップを含む。この方法はまた、ハイブリッドモータをエンジンに動作的に接続するステップも含む。ハイブリッドモータは、動力をエンジンに供給するようになされている。この方法はまた、エンジンスタータをエンジンに動作的に接続するステップも含む。エンジンスタータは、エンジンに動力を供給するようになされている。この方法は、少なくともエンジン速度が共振周波数エンジン速度を超える時点まで、エンジンスタータとハイブリッドモータでエンジンに同時に動力を供給するステップを含む。この方法はまた、少なくとも１つの噴射装置をエンジンに動作的に接続するステップも含む。噴射装置は、エンジンに燃料を噴射するようになされている。この方法はまた、エンジン速度が合理的周波数エンジン速度を超えた後の時点で燃料をエンジンに噴射するステップを含む。

本願による機械の概略図である。 本願によるエンジン始動方式を示すフローチャートである。 本願によるエンジン始動方式の他の実施形態を示すフローチャートである。

本願は、機械１００のための、機械とその構成要素が機械のパワートレイン内で発生する共振周波数による損傷作用を受けないようにするエンジン始動方式を実現する方法に関する。図１に概略的に示されるように、機械１００はパワートレイン１０１を有し、これには、エンジン１０２、クランクシャフト１０３、クラッチ１１２、クラッチシャフト１０５、補助機構１１６およびトランスミッション１１４等の構成要素が含まれる。パワートレイン１０１にはまた、図示されたもの以外の構成要素が含まれていてもよい。図の実施形態において、エンジンスタータ１０４がエンジン１０２に接続されている。エンジンスタータ１０４は、機械１００の点火スイッチ１０６によって作動される電気モータとすることができるが、エンジンを始動できるどのような適当な運動エネルギー源であってもよい。エンジンスタータ１０４は、バッテリまたはその他の蓄電装置等、エンジンスタータに電力を供給する電源１０８に接続されている。エンジン１０２にはまた、燃料、空気またはその他の材料をエンジンシリンダ１０９の中に噴射して燃焼させる噴射装置１１０も含めることができる。図１に概略的に示される実施形態は、８つのシリンダ１０９と８つの噴射装置１１０を備えるエンジン１０２を示しているが、いくつの噴射装置またはシリンダでも想定され、具体的なエンジンの設計に応じて、各シリンダに複数の噴射装置があってもよい。シリンダ１０９内のピストンがクランクシャフト１０３に接続される。クランクシャフト１０３は、シリンダ１０９内での燃焼とそれに対応するピストンの搖動の結果として回転する。

クラッチ１１２はクランクシャフト１０３とクラッチシャフト１０５の間にあって、エンジン１０２をトランスミッション１１４に接続しており、クランクシャフトがエンジンをクラッチに接続し、クラッチシャフトがトランスミッションをクラッチに接続する。クラッチ１１２は、電子制御モジュール１２４によって自動的に、または機械１００のオペレータによって連結または切断できる。クラッチ１１２を連結すると、クランクシャフト１０３とクラッチシャフト１０５がロックされて、両方が実質的に同じ速度で回転し、エンジン１０２からの動力が他の構成要素に供給される。クラッチ１１２が連結されている時、エンジン１０２は動力をトランスミッション１１４に供給できる。クラッチ１１２が切断されている時、クラッチがクランクシャフト１０３の回転をクラッチシャフト１０５に伝えないため、エンジン１０２からの動力はトランスミッション１１４に供給されない。

いくつかの実施形態において、クラッチ１１２はまた、エンジン１０２を補助機構１１６に接続する。補助機構１１６は、圧縮機、冷却剤やオイルやその他の流体のためのポンプまたは、機械１００が使用し、動力を必要とするその他の機構とすることができる。このような実施形態において、クラッチ１１２の連結と切断により、エンジン１０２から補助機構１１６への動力の供給がそれぞれ実行され、停止される。図１の実施形態では３つの補助機構１１６が示されているが、いくつの補助機構を含めることができると想定される。他の実施形態において、クラッチ１１２とは別の補助クラッチ１１３によりエンジン１０２を補助機構１１６に接続できると想定される。このような実施形態では、補助機構１１６は、トランスミッション１１４がエンジンと接続されているか、切断されているかに関係なく、エンジン１０２と連結または切断できる。図１の実施形態は、補助機構１１６とクラッチ１１２の間にある補助クラッチ１１３を示しているが、補助クラッチは、エンジン１０２とクラッチの間に位置付けることができ、または補助クラッチでエンジンを補助機構に直接接続することによってクラッチをすべてが迂回するようにもできる。

機械１００はまたハイブリッドモータ１１８を含んでもよく、これは、いくつかの実施形態において、トランスミッション１１４、補助機構１１６、エンジン１０２または、パワートレイン１０１のその他の構成要素に接続される。ハイブリッドモータ１１８は、クラッチ１１２が連結されているか、切断されているかに応じて、エンジン１０２とは別に、またはそれに加えてパワートレイン１０１に動力を供給でき、これについては以下に詳しく説明する。また、いくつかの実施形態において、ハイブリッドモータ１１８は貯蓄エネルギー源１２０からエネルギーを受け取る。貯蓄エネルギー源１２０は、送電網等の直接電源からのエネルギーまたは自動車により生成されるエネルギーを貯蓄する。ハイブリッドモータ１１８は、貯蓄エネルギーを使ってパワートレイン１０１の構成要素に動力を供給する。図示されていないが、別のクラッチでハイブリッドモータ１１８をパワートレイン１０１の構成要素から分離できると想定される。このような実施形態では、別のクラッチが連結され、切断されることによって、ハイブリッドモータ１１８が、ある時点でパワートレイン１０１の特定の構成要素に動力を供給し、パワートレインの他の構成要素には供給しないようにするか、ある時点でパワートレインの構成要素の全部に動力を供給するか、どれにも供給しない。

いくつかの実施形態において、エンジン１０２を始動させるために、点火スイッチ１０６をトリガすると、電気を電源１０８からエンジンスタータ１０４に流す回路が完成する。電力源１０８は、バッテリ、送電線、またはその他いずれの適当な電源であってもよい。エンジンスタータ１０４は、電力源１０８からの電力を運動エネルギーに変換して、エンジン１０２のサイクルを開始させる。点火スイッチ１０６がトリガされた後のある時点で、噴射装置１１０は燃料と空気をエンジン１０２のシリンダ１０９への噴射を開始し、燃焼行程を開始、維持する。シリンダ１０９内のピストンは燃焼行程に応答して発振し、クランクシャフト１０３を回転させる。クランクシャフト１０３が回転すると、動力がパワートレイン１０１の構成要素に供給され、抵抗となる慣性力とこれらの構成要素の寄生負荷を克服し、これらを回転させる。寄生負荷は、ポンプの抗力、エンジンの摩擦または、エンジンへのその他の非慣性負荷から生じる可能性がある。

エンジン１０２の速度は、エンジンによってクランクシャフト１０３が１分間に回転する数（ＲＰＭ）として表すことができる。エンジン１０２は、広範囲のエンジン速度を出力できる。エンジン１０２の特定の速度において、エンジンにより発生する振動周波数がパワートレイン１０１の機械的共振周波数と一致することがある。このような共振周波数のエンジン１０２の速度では、パワートレイン１０１の構成要素が振幅の大きいトルクを受ける可能性があり、これがその構成要素に損傷を与えうる。同様に、トランスミッション１１４によりそれが回転する時に発生する振動周波数は、パワートレイン１０１内の共振の原因となりうる。共振を発生させるトランスミッション１１４の速度を、本願において共振周波数トランスミッション速度と呼ぶ。

パワートレイン１０１の構成要素の回転速度は、回転エンコーダまたはその他適当な回転センサを使って測定してもよい。図１の実施形態では、電子制御モジュール１２４に接続された回転センサ１２２が示されている。電子制御モジュール１２４はまた、エンジン１０２、ハイブリッドモータ１１８、クラッチ１１２のすべてにも動作的に接続されていてよく、これらおよびその他の構成要素の動作を制御するように構成されている。いくつかの実施形態では、パワートレイン１０１の構成要素が受けるトルクレベルを測定し、これらのレベルを電子制御モジュール１２４にフィードバックするトルクセンサ等の別のセンサを使用してもよい。エンジン１０２がパワートレイン１０１に動力を供給することによって生じるトルクレベルはエンジントルクレベルであり、ハイブリッドモータ１１８が動力をパワートレインに供給することによって生じるトルクレベルはハイブリッドトルクレベルである。ハイブリッドトルクセンサ１２３はハイブリッドトルクレベルを感知でき、エンジントルクセンサ１２５はエンジントルクレベルを感知できる。エンジントルクセンサ１２５は、電子制御モジュール１２４に動作的に関連付けられ、エンジントルクレベルを示す信号を電子制御モジュールに送信するようになされている。ハイブリッドトルクセンサ１２３もまた、電子制御モジュール１２４に動作的に関連付けられ、ハイブリッドトルクレベルを示す信号を電子制御モジュールに送信するようになされている。これに加えて、他の回転センサを、たとえばクラッチシャフト１０５に使用して、電子制御モジュール１２４に信号を送信してトランスミッション１１４の速度をモニタすることができる。センサと電子制御モジュール１２４の間の動作的な接続は、どのような適当な方法で行ってもよく、たとえば無線または結線を用いた電子的接続で行ってもよい。

多くの機械が通常の動作範囲中の共振を回避するように設計されているが、エンジン１０２の始動時の速度は依然として、エンジンがパワートレイン１０１の慣性力と寄生負荷を克服しようとする時に共振を発生させることがある。以下に、機械１００を機械始動時に共振を発生させないようにするためのいくつかの方法を説明する。

図２に示される機械１００の１つの始動方法において、クラッチ１１２が連結されている時、エンジン１０２をトランスミッション１１４と補助機構１１６に接続するステップを含む。エンジン１０２はまた、ハイブリッドモータ１１８にも接続され、ハイブリッドモータ１１８はエンジン１０２に動力を供給できる。この方法において、ハイブリッドモータ１１８は、たとえば点火スイッチ１０６がトリガされる時、またはその後に動力をエンジン１０２に供給し、これを少なくともエンジン速度が共振周波数エンジン速度を超える時点まで継続する。あるいは、点火スイッチ１０６がトリガされる時、またはその後に、エンジンスタータ１０４とハイブリッドモータ１１８の両方が、少なくともエンジン速度が共振周波数エンジン速度を超える時点まで動力をエンジン１０２に供給する。この方法では、エンジンが共振周波数エンジン速度に到達する前の時点で、噴射装置１１０が燃料をエンジン１０２内に噴射する。このような実施形態では、ハイブリッドモータ１１８によって供給される追加の動力により、エンジン１０２とパワートレイン１０１の残りは、共振周波数エンジン速度と共振周波数トランスミッション速度より速い速度へと迅速に加速し、その結果、パワートレインの構成要素に損傷が及ぶ機会が回避されるか低減される。エンジン１０２、エンジンスタータ１０４、点火スイッチ１０６、噴射装置１１０、補助機構１１６、ハイブリッドモータ１１８またはパワートレイン１０１のその他の構成要素の１つまたは複数の動作は、電子制御モジュール１２４から信号を受け取り、またはそこに信号を供給することによって制御されてもよい。

図３に示される機械１００の別の始動方法は、噴射装置１１０によるエンジン１０２への燃料噴射を、エンジン速度が共振周波数エンジン速度を超えるまで遅延させるステップを含む。この方法は、エンジンスタータ１０４だけか、ハイブリッドモータ１１８だけか、またはハイブリッドモータとエンジンスタータの両方を使って、始動中に動力をエンジンに供給することによって実行できる。この方法では、エンジン１０２内の燃焼サイクルは共振周波数エンジン速度では実行されず、その結果、機械１００構成要素が受けるトルクを軽減させることができる。図２の実施形態と同様に、エンジン１０２、エンジンスタータ１０４、点火スイッチ１０６、噴射装置１１０、補助機構１１６、ハイブリッドモータ１１８またはパワートレイン１０１のその他の構成要素の１つまたは複数の動作は、電子制御モジュール１２４から信号を受け取り、またはそこに信号を供給することによって制御されてもよい。

本願の電子制御モジュール１２４は、計算を行い、連結ロジックを実行するための適正な信号の送受信を行うように構成されたハードウェアとソフトウェアを備える、どのような従来の設計によるものであってもよい。電子制御モジュール１２４は、１つまたは複数の制御ユニットを含んでいてもよく、その連結方式だけを実行するように、またはその連結方式と、機械１００のその他の工程を実行するように構成されていてもよい。コントローラユニットはどのような適当な構成であってもよいが、１つの例においては、デジタルプロッサシステムを含み、これにはデータ入力と制御出力を有し、コンピュータ読取可能媒体に保存されたコンピュータ読取可能命令に従って動作するマイクロプロセッサ回路が含まれる。一般にプロセッサには、プログラム命令を保存するための長期（不揮発性）メモリのほか、処理中の（または処理による）オペランドと結果を保存するための短期（揮発性）メモリが関連付けられる。

本願で開示される装置は、他の各種の機械においても広く応用可能である。「機械」という用語は、鉱業、建設業、農業、運送業またはその他当業界で周知の産業に関連するいずれかの種類の作業を実行するあらゆる機械を指すことができる。たとえば、機械は土木工事用機械、たとえばホイールローダ、掘削機、ダンプトラック、バックホー、モータグレーダ、資材運搬機またはその他であってもよい。さらに、作業具を機械に接続してもよい。このような作業具は、各種の作業、たとえば荷積み、圧縮、揚上、研磨等に利用でき、たとえばバケット、コンパクタ、フォークリフト装置、ブラシ、グラップル、カッタ、せん断具、ブレード、破砕機／ハンマ、オーガおよびその他がこれに含まれる。

本明細書で開示した共振周波数の影響を回避するための機械の始動方法の産業上の適用は、上記の説明から容易に理解されるはずである。本願は、共振周波数が発生するパワートレインを利用するどのような種類の機械にも利用できる。これは、機械のパワートレインの構成要素に動力を供給できるハイブリッドモータを含む機械において特に有益である。

したがって、本願は多様な機械と環境に利用可能である。本願に適した機械の一例は、オフハイウェイトラックである。オフハイウェイトラックは、大きな慣性力と寄生負荷により始動中にトラックのエンジンに負担をかける大型の構成要素を有する。このような大きな慣性力と寄生負荷の結果、機械の構成要素はパワートレインの共振周波数で、損傷の原因となりうる振幅のトルクを受ける可能性がある。それゆえ、共振周波数の影響を回避する機械の始動方法は、オフハイウェイトラックに容易に利用できる。

さらに、上記の方法は、様々な機械に応用できる。たとえば、その他の種類の産業用機械、たとえばバックホーローダ、突き固め機、伐採機、林業機械、工業用ローダ、ホイールローダおよびその他多くの機械が、開示された方法とシステムの利点を享受できる。

当然のことながら、上記の説明は開示されるシステムと技術の例を示している。しかしながら、本願の他の実施例は、詳細において上記の例と異なっていてもよいと想定される。本願またはその例への言及はすべて、その時点で論じられている特定の例を指しており、より一般的に本願の範囲に関していずれかの限定を設けることを示唆するものではない。特定の特徴を区別、軽視する文言はすべて、これらの特徴に優先性がないことを示そうとしたものであり、特に別段の記載がないかぎり、本発明の範囲からそれらを完全に排除するものではない。

本明細書における数値の範囲の記載は単に、本明細書中に特に別段の記載がないかぎり、当該範囲内に含まれる個別の数値を個々に列挙するための簡略的方法であり、個別の数値の各々は、それが本明細書において個々に列挙されているかのごとく本明細書に含められる。本明細書に記載されている方法はすべて、本明細書に特に別段の記載がないかぎり、または文脈上、明らかに異なる解釈が必要な場合を除き、どのような適当な順序で実行することもできる。

したがって、本願は、適用法の下で可能なかぎり、付属の特許請求の範囲に記載された主旨のすべての改良と均等物を含むものとする。さらに、考えうるそのすべての変形版における上記の要素のあらゆる組合せが、本明細書に特に別段の記載がないかぎり、または文脈上、明らかに異なる解釈が必要な場合を除き、本願により包含される。

１００ 機械
１０１ パワートレイン
１０２ エンジン
１０３ クランクシャフト
１０４ エンジンスタータ
１０５ クラッチシャフト
１０６ 点火スイッチ
１０８ 電源
１０９ エンジンシリンダ
１１０ 噴射装置
１１２ クラッチ
１１３ 補助クラッチ
１１４ トランスミッション
１１６ 補助機構
１１８ ハイブリッドモータ
１２０ 貯蓄エネルギー源
１２２ 回転センサ
１２３ ハイブリッドトルクセンサ
１２４ 電子制御モジュール
１２５ エンジントルクセンサ

Claims (10)

1. 共鳴周波数エンジン速度を含む様々な速度で動作可能なエンジンと、
   エンジンに動作的に接続されたハイブリッドモータであって、動力をエンジンに供給するようになされたハイブリッドモータと、
   ハイブリッドモータを制御して、少なくともエンジン速度が共振周波数エンジン速度を超える時点まで動力がエンジンに供給されるように構成された電子制御モジュールと、
   を含む機械。
2. 請求項１に記載の機械において、
   エンジンに動作的に接続されたエンジンスタータをさらに含み、エンジンスタータとハイブリッドモータが、少なくともエンジン速度が共振周波数エンジン速度を超える時点まで、エンジンに動力を同時に供給するようになされている機械。
3. 請求項１または２のいずれかに記載の機械において、
   エンジンに動作的に接続された少なくとも１つの噴射装置であって、エンジン速度が共振周波数エンジン速度を超えた後の時点でエンジンに燃料を噴射するようになされた少なくとも１つの噴射装置をさらに含む機械。
4. 請求項１または２のいずれかに記載の機械において、
   エンジンに動作的に接続された少なくとも１つの噴射装置であって、エンジン速度が共振周波数エンジン速度に届く前の時点でエンジンに燃料を噴射するようになされた少なくとも１つの噴射装置をさらに含む機械。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の機械において、
   電子制御モジュールに動作的に関連付けられたエンジントルクセンサであって、エンジンにより生成されたエンジントルクレベルを感知するようになされたエンジントルクセンサと、
   電子制御モジュールに動作的に関連付けられたハイブリッドトルクセンサであって、ハイブリッドトルクレベルを感知するようになされたハイブリッドトルクセンサと、
   エンジンとハイブリッドモータに動作的に接続されたトランスミッションであって、エンジンとハイブリッドモータがトランスミッションに動力を供給するようになされているトランスミッションと、
   をさらに含み、
   電子制御モジュールが、エンジン速度とエンジンによって生成されるトルクレベルをモニタして、ハイブリッドモータを制御し、動力がトランスミッションに供給され、エンジントルクレベルに対抗するハイブリッドトルクレベルが提供されるように構成されている機械。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の機械を操作する方法において、
   少なくともエンジン速度が共振周波数エンジン速度を超える時点まで、ハイブリッドモータでエンジンに動力を供給するステップを含む方法。
7. 請求項３の機械を操作する方法において、
   エンジン速度が共振周波数エンジン速度を超えた後の時点で燃料をエンジンに噴射するステップを含む方法。
8. 請求項４に記載の機械を操作する方法において、
   エンジン速度が共振周波数エンジン速度を超える前の時点で燃料をエンジンに噴射するステップを含む方法。
9. 請求項５に記載の機械を操作する方法において、
   エンジン速度とエンジンにより生成されるトルクレベルをモニタするステップと、
   ハイブリッドモータを制御して、動力がトランスミッションに供給され、エンジントルクレベルに対抗するハイブリッドトルクレベルが提供されるようにするステップと、
   を含む方法。
10. 請求項９に記載の方法において、
    エンジントルクセンサでエンジントルクレベルを感知するステップと、
    ハイブリッドトルクセンサでハイブリッドトルクレベルを感知するステップと、
    電子制御モジュールで、エンジントルクセンサとハイブリッドトルクセンサからの信号を受信するステップと、
    をさらに含む方法。

Images