JP2015033935A - ハイブリッドシステム、ハイブリッド車両、及びハイブリッドシステムの動力伝達方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の始動時及びアイドリングストップの再始動時における内燃機関の始動時間を短縮でき、ハイブリッドシステムを搭載したハイブリッド車両を迅速に走行状態に移行することができる、ハイブリッドシステム、ハイブリッド車両、及びハイブリッドシステムの動力伝達方法を提供する。【解決手段】内燃機関１０のクランク軸１５に直結して無段変速機構１６を介してクランク軸１５と電動発電機２１との間の動力伝達を行うと共に、内燃機関１０の停止操作時に、無段変速機構１６の内燃機関１０の回転数に対する電動発電機２１の回転数の比である回転数比を小さくしてクランク軸１５に加わる負荷を大きくして、クランク軸１５が停止したときのクランク角を予め設定した停止範囲内にする。【選択図】図１

Description

本発明は、ハイブリッドシステム、ハイブリッド車両、及びハイブリッドシステムの動力伝達方法に関し、より詳細には、内燃機関の始動時及びアイドリングストップの再始動時における内燃機関の始動時間を短縮できる、ハイブリッドシステム、ハイブリッド車両、及びハイブリッドシステムの動力伝達方法に関する。

内燃機関と電動発電機の両方を搭載するハイブリッド車両（ＨＥＶ）では、内燃機関の出力により電動発電機を駆動して発電して、この発電した電力をバッテリに充電したり、このバッテリに充電した電力で電動発電機を駆動して内燃機関の出力をアシストしたりしている。この内燃機関で電動発電機を駆動する場合には、内燃機関の駆動力を電動発電機に伝達する必要がある。

この動力伝達に関しては、いくつかの方法が提案されており、例えば、エンジン（内燃機関）と変速機との間に電動モータ（電動発電機）を設けて、この電動モータをエンジンの駆動軸（クランク軸）に連結したハイブリッド車両が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

一方で、内燃機関の始動開始時には、スタータを用いてクランク軸を回転駆動して、気筒（シリンダ）内のピストンを燃料噴射可能な位置及び着火可能な位置まで移動させている。

しかしながら、この始動開始前のエンジン停止時においては、燃料噴射を停止した後、クランク軸は慣性でピストンの移動を行いながら回転しているが内燃機関のフリクションにより停止する。この停止は、通常は、フリクションが最大となるクランク角の位置で停止する。

そのため、この停止後の始動時にはフリクションが最大のクランク角の位置にある状態からのクランキングとなり、即座に燃料噴射をできるタイミングとはならないので、内燃機関が燃料噴射による運転を開始するまでの時間が長くなるという問題がある。

特開２０１３−７５５４０号公報

本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の始動時及びアイドリングストップの再始動時における内燃機関の始動時間を短縮でき、ハイブリッドシステムを搭載したハイブリッド車両を迅速に走行状態に移行することができる、ハイブリッドシステム、ハイブリッド車両、及びハイブリッドシステムの動力伝達方法を提供することである。

上記の目的を達成するための本発明のハイブリッドシステムは、内燃機関と電動発電機を有するハイブリッドシステムにおいて、前記内燃機関のクランク軸に直結して無段変速機構を設け、該無段変速機構に前記電動発電機を連結すると共に、前記電動発電機と前記無段変速機構を制御するハイブリッド用制御装置が、前記内燃機関の停止操作時に、前記無段変速機構の前記内燃機関の回転数に対する前記電動発電機の回転数の比である回転数比を小さくして前記クランク軸に加わる負荷を大きくして、前記クランク軸が停止したときのクランク角を予め設定した停止範囲内にする停止制御を行うように構成される。

この予め設置した停止範囲とは、始動又は再始動で内燃機関の運転を開始するときに、気筒内のピストンの位置が即座に燃料噴射が可能な位置になる圧縮行程から始まる位置になるような範囲であり、クランク角とピストンの各行程との関係から予め設定することができる。

この構成によれば、内燃機関の始動時及びアイドリングストップの再始動時に、内燃機関における燃料噴射のタイミングに即座に入ることができて、内燃機関の燃料燃焼による運転が可能となる始動開始までの時間を短縮できる。

上記のハイブリッドシステムにおいて、前記ハイブリッド用制御装置が、前記停止制御を、前記電動発電機が発電する電力を充電するバッテリの充電量があらかじめ設定した充電量よりも大きい場合に行なえるように構成されると、次のような効果を奏することができる。

従来技術においては、バッテリの充電量が多いと、それ以上バッテリに充電することができないため、電動発電機で発電してエンジン負荷を大きくすることができなくなるが、この構成では、敢えて発電効率が悪い状況、即ち、内燃機関の回転数に対する発電機の回転数の比である回転数比が小さい状況を作ることで、バッテリへの充電量となる電動発電機の発電量が小さくても内燃機関に負荷をかけることが可能となり、バッテリ充電量の上限ぎりぎりまで内燃機関にかける負荷を上げることが可能となる。

そして、上記の目的を達成するためのハイブリッド車両は、上記のハイブリッドシステムを搭載したことを特徴とすると、上記のハイブリッドシステムと同様の効果を奏することができる。

そして、上記の目的を達成するためのハイブリッドシステムの動力伝達方法は、内燃機関と電動発電機を有するハイブリッドシステムの動力伝達方法において、前記内燃機関のクランク軸に直結して無段変速機構を介して前記クランク軸と前記電動発電機との間の動力伝達を行うと共に、前記内燃機関の停止操作時に、前記無段変速機構の前記内燃機関の回転数に対する前記電動発電機の回転数の比である回転数比を小さくして前記クランク軸に加わる負荷を大きくして、前記クランク軸が停止したときのクランク角を予め設定した停止範囲内にすることを特徴とする方法である。

この方法によれば、内燃機関の始動時及びアイドリングストップの再始動時に、内燃機関における燃料噴射のタイミングに即座に入ることができて、内燃機関の燃料燃焼による運転が可能となる始動開始までの時間を短縮できる。

本発明のハイブリッドシステム、ハイブリッド車両、及びハイブリッドシステムの動力伝達方法によれば、内燃機関の始動時及びアイドリングストップの再始動時に、内燃機関における燃料噴射のタイミングに即座に入ることができて、内燃機関の燃料燃焼による運転が可能となる始動開始までの時間を短縮できる。従って、このハイブリッドシステムを搭載したハイブリッド車両は迅速に走行状態に移行できるようになり、走行特性を改善できる。

本発明の実施の形態のハイブリッドシステム及びハイブリッド車両の構成を示す図である。 クランク軸用断接装置を備えたハイブリッドシステム及びハイブリッド車両の構成を示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態のハイブリッドシステム、ハイブリッド車両、及びハイブリッドシステムの動力伝達方法について図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、この実施の形態のハイブリッドシステム２は、エンジン（内燃機関）１０と電動発電機（Ｍ/Ｇ）２１を有するハイブリッドシステムである。なお、ここでは、このハイブリッドシステム２はハイブリッド車両（ＨＥＶ：以下車両とする）１に搭載されるものとして説明するが、必ずしも、車両に搭載されるものに限定されない。

図１の実施例の形態のハイブリッドシステム２のエンジン１０は、エンジン本体（ＥＮＧ）１１と排気通路１２とターボ過給器１３と、排気通路１２に設けられた排気ガス浄化装置（後処理装置）１４を備えている。この排気ガス浄化装置１４により、エンジン１０から排出される排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）、ＰＭ（微粒子状物質）等を浄化処理している。この浄化処理された排気ガスは、マフラー（図示しない）等を経由して大気中に放出される。

また、エンジン１０のクランク軸１５に直結してＣＶＴ（無段変速機構：レシオ可変機構）１６を設け、このＣＶＴ１６に電動発電機２１を連結する。つまり、エンジン１０のクランク軸１５にＣＶＴ１６の第１プーリー（第１動力伝達部）１６ａを設けると共に、電動発電機２１にＣＶＴ１６の第２プーリー（第２動力伝達部）１６ｂを設けて構成し、第１プーリー１６ａと第２プーリー１６ｂを介してクランク軸１５と電動発電機２１との間の動力伝達を行うように構成する。この第１プーリー１６ａと第２プーリー１６ｂとの間にはベルト又はチェーン（動力伝達部材）１６ｃが掛けられており、クランク軸１５から第１プーリー１６ａと動力伝達部材１６ｃと第２プーリー１６ｂを経由して電動発電機２１に、また逆に、電動発電機２１から第２プーリー１６ｂと動力伝達部材１６ｃと第１プーリー１６ａを経由してクランク軸１５に、動力が伝達される。

このＣＶＴ１６では、２個一組の第１プーリー１６ａと第２プーリー１６ｂに動力伝達部材１６ｃをかけ、個々のプーリー１６ａ、１６ｂの幅を変えることにより、プーリー１６ａ、１６ｂと動力伝達部材１６ｃの接する位置を変えるようにしており、幅が拡げられて動力伝達部材１６ｃの接する位置が内側に（軸に近く）なれば直径が小さくなり、逆に幅が狭められて動力伝達部材１６ｃの接する位置が外側なれば（外周側に移動すれば）直径が大きくなるように構成されている。そして、電子制御による油圧又は電動機構（図示しない）で２個のプーリー１６ａ、１６ｂの幅の拡縮が互いに逆になるように変化させる制御を行うことにより、動力伝達部材１６ｃをたるませることなく、変速を連続的に行うことができる。

このＣＶＴ１６を、エンジン１０において、クランク軸１５の一方に変速機３１が接続されており、クランク軸１５の他方にＣＶＴ１６が接続されているように構成すると、ＣＶＴ１６が、エンジン１０に関して、変速機３１とは反対側のクランク軸１５に設けられていることになるので、これにより、エンジン１０と変速機３１の間にＣＶＴ１６を設ける必要がなくなる。そのため、ハイブリッドシステムを考慮していない、既存のエンジンと変速機との組み合わせ（パワートレイン）に対しても、電動発電機を容易に設けることができ、ハイブリッドシステムを適用できるパワートレインの種類を拡大することが容易にできる。

なお、この場合、従来技術では、エンジンに関して、変速機とは反対側には、クランク軸から駆動力を得ている冷却ファンや冷却水ポンプや潤滑油ポンプ等の補機が配置されているので、これらの補機は電動化して、クランク軸から直接駆動力を得ることなく、電動発電機で発電した電力で駆動されるようにすることが好ましい。これにより、補機類のレイアウトに関して自由性が増し、更には状況に応じて補機による負荷損失のないエンジン出力を駆動力に活用できるというメリットが生じる。

そして、電力システム２０の一部である電動発電機２１は、発電機として、エンジン１０の駆動力を受けて発電をしたり、又は、車両１のブレーキ力等の回生力発生による回生発電をしたりすると共に、モータとして駆動して、その駆動力をエンジン１０のクランク軸１５に伝達して、エンジン１０の駆動力（出力：トルク）をアシストしたりする。

なお、発電して得た電力は、配線２２を経由してインバータ（ＩＮＶ）２３で変換して第１バッテリ（充電器：Ｂ１）２４Ａに充電される。また、電動発電機２１を駆動するときは、第１バッテリ２４Ａに充電された電力をインバータ２３で変換して電動発電機２１に供給する。

図１の構成では、更に、ＤＣ−ＤＣコンバータ（ＣＯＮ）２５と第２バッテリ（Ｂ２）２４Ｂを第１バッテリ２４Ａに直列に設けて、第１バッテリ２４Ａの、例えば、一般的な１２Ｖや２４Ｖ以上の高い電圧の電力を、ＤＣ−ＤＣコンバータ２５で、例えば、１２Ｖに電圧降下させて、第２バッテリ２４Ｂに充電して、この第２バッテリ２４Ｂから補機の冷却ファン２６Ａ、冷却水ポンプ２６Ｂ、潤滑油ポンプ２６Ｃ等に電力を供給するように構成している。

このハイブリッドシステム２を搭載したハイブリッド車両（以下車両）１においては、エンジン１０の動力は、動力伝達システム３０の変速機（トランスミッション）３１に伝達され、さらに、変速機３１より推進軸（プロペラシャフト）３２を介して作動装置（デファレンシャルギア）３３に伝達され、作動装置３３より駆動軸（ドライブシャフト）３４を介して車輪３５に伝達される。これにより、エンジン１０の動力が車輪３５に伝達され、車両１が走行する。

尚、エンジン１０の搭載方式によっては、エンジン１０から車輪３５までの伝達経路は異なってもよい。

一方、電動発電機２１の動力に関しては、第１バッテリ２４Ａに充電された電力がインバータ２３を介して電動発電機２１に供給され、この電力により電動発電機２１が駆動され動力を発生する。この電動発電機２１の動力は、ＣＶＴ１６を介してクランク軸１５に伝達されて、エンジン１０の動力伝達経路を伝達して、車輪３５に伝達される。

これにより、電動発電機２１の動力がエンジン１０の動力と共に車輪３５に伝達され、車両１が走行する。なお、回生時には、逆の経路で、車輪３５の回生力、又はエンジン１０の回生力が電動発電機２１に伝達されて、電動発電機２１で発電が可能となる。

また、ハイブリッドシステム用制御装置４１が設けられ、エンジン１０の回転数Ｎｅや負荷Ｑ等の運転状態や電動発電機２１の回転数Ｎａ等の運転状態や第１バッテリ２４Ａ，第２バッテリ２４Ｂの充電量（ＳＯＣ）の状態をモニターしながら、ＣＶＴ１６、電動発電機２１、インバータ２３、ＤＣ−ＤＣコンバータ２５等を制御する。このハイブリッドシステム用制御装置４１は、通常は、エンジン１０や車両１を制御する全体制御装置４０に組み込まれて構成される。この全体制御装置４０は、エンジン１０の制御では、シリンダ内燃焼やターボ過給器１３や排気ガス浄化装置１４や補機の冷却ファン２６Ａ、冷却水ポンプ２６Ｂ、潤滑油ポンプ２６Ｃなどを制御している。

また、図２に示すハイブリッドシステム２Ａ、及びハイブリッド車両１Ａのように、クランク軸１５と電動発電機２１との間にクランク軸用断接装置１７を設けて構成すると、これにより、電動発電機２１をモータとしても発電機としても使用しないときには、クランク軸用断接装置１７を断状態にして、電動発電機２１側のフリクションの影響なしにエンジン１０を運転することができるのでより好ましい。特に、クランク軸１５と第１プーリー１６ａとの間にクランク軸用断接装置１７を設けて構成すると、電動発電機２１側に加えてＣＶＴ１６側のフリクションの影響なしにエンジン１０を運転することができる。

そして、本発明においては、電動発電機２１とＣＶＴ１６を制御するハイブリッド用制御装置４１は、エンジン１０の停止操作時に、ＣＶＴ１６のエンジン１０の回転数Ｎｅに対する電動発電機２１の回転数Ｎａの比である回転数比Ｒｎ＝Ｎａ／Ｎｅを小さくしてクランク軸１５に加わるフリクションを大きくして、クランク軸１５が停止したときのクランク角θを予め設定した停止範囲（θ１〜θ２）内にする停止角制御を行うように構成される。

この予め設置した停止範囲（θ１〜θ２）は、始動又は再始動でエンジン１０の運転を開始するときに、気筒（シリンダ）内のピストンの位置が即座に燃料噴射が可能な位置になる圧縮行程から始まる位置になるような範囲であり、クランク角θとピストンの各行程との関係から予め設定することができる範囲である。

つまり、エンジン１０の駆動力により電動発電機２１を駆動して発電している場合に、電動発電機２１の回転数Ｎａと駆動力Ｔａが同じあっても、ＣＶＴ１６の回転数比Ｒｎ＝Ｎａ／Ｎｅを小さくすると、ＣＶＴ１６の第１プーリー１６ａの実働直径Ｄｅに対する第２プーリー１６ｂの実働直径Ｄａとの比であるプーリー比（直径比）Ｒｄ＝Ｄａ／Ｄｅが大きくなり、電動発電機２１側の駆動力Ｔａを発生させるためのエンジン１０側の駆動力Ｔｅａが大きくなり、クランク軸１５に加わる負荷（フリクション）を大きくすることができ、これにより、クランク軸１５の停止位置を制御できる。

従って、エンジン１０の停止操作時に、ＣＶＴ１６の回転数比Ｒｎを小さくしてクランク軸１５に加わる負荷を大きくして、クランク軸１５が停止したときのクランク角θを予め設定した停止範囲（θ１〜θ２）内にすることができる。

その結果、エンジン１０の始動時及びアイドリングストップの再始動時に、エンジン１０における燃料噴射のタイミングに即座に入ることができて、エンジン１０の燃料燃焼による運転が可能となる始動開始までの時間を短縮できる。

この制御は、通常エンジン１０の制御のために備えられているクランク角センサ（図示しない）や別に備えるエンジン角度検出センサ（図示しない）により、エンジン１０の停止直前のクランク角θを検出して、このクランク角θが予め実設定した停止範囲（θ１〜θ２）内になるようにＣＶＴ１６の回転数比Ｒｎを制御する。なお、回転数比Ｒｎの替わりにプーリー比Ｒｄを制御してもよいが、実質的には同じである。

そして、この実施の形態におけるハイブリッドシステムの動力伝達方法は、エンジン１０と電動発電機２１を有するハイブリッドシステム２，２Ａの動力伝達方法であり、エンジン１０のクランク軸１５に直結してＣＶＴ１６を介してクランク軸１５と電動発電機２１との間の動力伝達を行うと共に、エンジン１０の停止操作時に、ＣＶＴ１６のエンジン１０の回転数Ｎｅに対する電動発電機２１の回転数Ｎａの比である回転数比Ｒｎ（＝Ｎａ／Ｎｅ）を小さくしてクランク軸１５に加わる負荷を大きくして、クランク軸１５が停止したときのクランク角θを予め設定した停止範囲（θ１〜θ２）内にすることを特徴とする方法である。

また、ハイブリッド用制御装置４１が、停止制御を、電動発電機２１が発電する電力を充電するバッテリ２４Ａ、２４Ｂの充電量があらかじめ設定した充電量よりも大きい場合に行なえるようにすると、次のような効果を奏することができる。

従来技術においては、バッテリ２４Ａ、２４Ｂの充電量が多いと、それ以上バッテリ２４Ａ、２４Ｂに充電することができないため、電動発電機２１で発電してエンジン１０の負荷を大きくすることができなくなるが、この構成では、敢えて、発電効率が悪い状況、即ち、エンジン１０の回転数Ｎｅに対する発電機の回転数Ｎａの比である回転数比Ｒｎ（＝Ｎａ／Ｎｅ）が小さい状況を作ることで、バッテリ２４Ａ、２４Ｂへの充電量となる電動発電機２１の発電量が小さくてもエンジン１０に負荷をかけることが可能となり、バッテリ充電量の上限ぎりぎりまでエンジン１０にかける負荷を上げることが可能となる。

本発明の実施の形態のハイブリッドシステム２、２Ａ、ハイブリッド車両１、１Ａ及びハイブリッドシステムの動力伝達方法によれば、エンジン１０の始動時及びアイドリングストップの再始動時に、エンジン１０における燃料噴射のタイミングに即座に入ることができて、エンジン１０の燃料燃焼による運転が可能となる始動開始までの時間を短縮できる。従って、このハイブリッドシステム２、２Ａを搭載したハイブリッド車両１、１Ａは迅速に走行状態に移行できるようになり、走行特性を改善できる。

１、１Ａ 車両（ハイブリッド車両：ＨＥＶ）
２、２Ａ ハイブリッドシステム
１０ エンジン（内燃機関）
１１ エンジン本体
１２ 排気通路
１３ ターボ過給器
１４ 排気ガス浄化装置
１５ クランク軸
１６ ＣＶＴ（無段変速機構）
１７ クランク軸用断接装置
２０ 電力システム
２１ 電動発電機（Ｍ/Ｇ）
２２ 配線
２３ インバータ（ＩＮＶ）
２４Ａ 第１バッテリ（Ｂ１）
２４Ｂ 第２バッテリ（Ｂ２）
２５ ＤＣ−ＤＣコンバータ（ＣＯＮ）
２６Ａ 冷却ファン（補機）
２６Ｂ 冷却水ポンプ（補機）
２６Ｃ 潤滑油ポンプ（補機）
３０ 動力伝達システム
３１ 変速機（トランスミッション）
３２ 推進軸（プロペラシャフト）
３３ 差動装置（デファレンシャルギア）
３４ 駆動軸（ドライブシャフト）
３５ 車輪
４０ 全体制御装置
４１ ハイブリッドシステム用制御装置
Ｄａ 第２プーリーの実働直径
Ｄｅ 第１プーリーの実働直径
Ｎａ 電動発電機の回転数
Ｎｅ エンジンの回転数
Ｒｄ ＣＶＴの直径比
Ｒｎ ＣＶＴの回転数比
Ｔａ 電動発電機の駆動力（駆動トルク）
Ｔｅａ クランク軸に伝達される電動発電機側の駆動力（負荷）
θ クランク軸のクランク角
θ１〜θ２ 停止範囲

Claims (4)

1. 内燃機関と電動発電機を有するハイブリッドシステムにおいて、
   前記内燃機関のクランク軸に直結して無段変速機構を設け、該無段変速機構に前記電動発電機を連結すると共に、
   前記電動発電機と前記無段変速機構を制御するハイブリッド用制御装置が、前記内燃機関の停止操作時に、前記無段変速機構の前記内燃機関の回転数に対する前記電動発電機の回転数の比である回転数比を小さくして前記クランク軸に加わる負荷を大きくして、前記クランク軸が停止したときのクランク角を予め設定した停止範囲内にする停止制御を行うことを特徴とするハイブリッドシステム。
2. 前記ハイブリッド用制御装置が、前記停止制御を、前記電動発電機が発電する電力を充電するバッテリの充電量があらかじめ設定した充電量よりも大きい場合に行なえるように構成されることを特徴とする請求項１に記載のハイブリットシステム。
3. 請求項１又は２に記載のハイブリッドシステムを搭載したことを特徴とするハイブリッド車両。
4. 内燃機関と電動発電機を有するハイブリッドシステムの動力伝達方法において、
   前記内燃機関のクランク軸に直結して無段変速機構を介して前記クランク軸と前記電動発電機との間の動力伝達を行うと共に、
   前記内燃機関の停止操作時に、前記無段変速機構の前記内燃機関の回転数に対する前記電動発電機の回転数の比である回転数比を小さくして前記クランク軸に加わる負荷を大きくして、前記クランク軸が停止したときのクランク角を予め設定した停止範囲内にすることを特徴とするハイブリッドシステムの動力伝達方法。

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