JP2015500756A - フライホイール・ハイブリッド・システム - Google Patents

Abstract

運動エネルギー保存装置と、駆動出力部を有する駆動部と、前記駆動出力部に接続され、所定のギア比を有する変速部と、第１のクラッチを介して前記変速部に接続されるベルト駆動補機システムとを備え、前記運動エネルギー保存装置は、第２のクラッチを介して前記ベルト駆動補機システムに接続され、前記運動エネルギー保存装置と前記変速機とは、前記第１のクラッチと前記第２のクラッチとを介して接続される、ベルト駆動補機システムのための運動エネルギー回生システム。

Description

本発明は、フライホイール・ハイブリッド・システムに関し、より適切には、内燃エンジン補機ベルト駆動システムと選択的に接続されるフライホイールを備えるフライホイール・ハイブリッド・システムに関する。

フライホイールは、エネルギーを蓄え、かつ速度を調整する公知の手段である。自動車を含む車輌において、大きなフライホイールは一般的にクランクシャフトに取り付けられる。フライホイールの慣性は、内燃行程の振動特性を滑らかにするように作用し、そして速度変動が変速機及び他のドライブ・トレインに伝達されることを防止する。

フライホイールの他の使用方法もまた公知である。例えば、フライホイールは、送電網の周波数を調整するために用いられる。電力需要が高くなったとき、発電機の速度が低下し、供給交流電力の周波数の低下を遅らせる。図１Ａ参照。発電機に対する負荷を低減しながら、最大需要においてフライホイールシステムは電力を供給可能である。これにより、発電機の速度が上げられ、かつ交流電力の周波数が維持される。さらに、フライホイール利用補助動力源（ＡＰＵ）は、電力が不可欠なアプリケーション（ｐｏｗｅｒ ｃｒｉｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）において用いられ得る。病院では、送電網電力が失われた場合、送電網電力喪失とディーゼル発電機の起動との間のギャップを橋渡しするように瞬時電力を供給するため、フライホイール利用ＡＰＵが用いられうる。同様に、重要なコンピュータシステムは、電力喪失に直面したときでも、動作し続けうる。

図１Ｂは、製造時におけるフライホイールの使用について図示する。圧縮機のような機械は、変動する荷重の下で一定の速度を維持するため、フライホイールＡを使用する。

さらに、運動エネルギー回生システム（ＫＥＲＳ）と呼ばれるフライホイール・システムは、オープン・ホイール・レーシング（ｏｐｅｎ ｗｈｅｅｌ ｒａｃｉｎｇ）を含む、いくつかのレーシング・アプリケーションにおいて用いられている。例えば、ブレーキングにおいて他方では浪費されうる回生エネルギーによって、ＫＥＲＳは６．６７秒以上に渡って追加の８０馬力を供給できる。

他の公知のシステムは、英国、ノーザンプトンシャー（Ｎｏｒｔｈａｍｐｔｏｎｓｈｉｒｅ）、フライブリッド・システム（Ｆｌｙｂｒｉｄ Ｓｙｓｔｅｍ）によって提供される。図２参照。このシステムは、フライホイール・モジュールＡ、ＣＶＴモジュールＢ、ギア・トレーンＣ、及び出力駆動シャフトＤを主に備える。このシステムは、６００００ＲＰＭの最高速度でフライホイールに４００ｋＪのエネルギーを蓄え、６０ｋＷを提供する。

この技術を示すものは、蓄積した運動エネルギーをフライホイールから車輌の車輪に滑らかに送り出すことを可能にするために適応される変速機と接続され、運動エネルギーの大きな供給量を蓄積、かつ迅速に消散させることを可能にする、高速、適切な質量のフライホイールを使用する自動車システムを開示する米国特許第３，６７２，２４４号明細書である。このシステムは、効果的なエネルギー変換システムを介して、実質的な燃料経済性及び汚染緩和を提供する。

要求されるものは、内燃エンジン補機ベルト駆動システムと選択的に接続されるフライホイールを備えるフライホイール・ハイブリッド・システムである。本願発明は、この要求に合致する。

本願発明による第１の側面は、内燃エンジン補機ベルト駆動システムと選択的に接続されるフライホイールを備えるフライホイール・ハイブリッド・システムを提供する。

本願発明による他の側面は、本願発明に関する以下の説明及び付随する図面により、指摘され、明らかにされるであろう。

運動エネルギー保存装置と、駆動出力部を有する駆動部と、前記駆動出力部に接続され、所定のギア比を有する変速部と、第１のクラッチを介して前記変速部に接続されるベルト駆動補機システムとを備え、前記運動エネルギー保存装置は、第２のクラッチを介して前記ベルト駆動補機システムに接続され、前記運動エネルギー保存装置と前記変速機とは、前記第１のクラッチと前記第２のクラッチとを介して接続される、ベルト駆動補機システムのための運動エネルギー回生システムを本願発明は備える。

この明細書に含まれ、そして一部を形成する付随する図面は、本発明の好ましい実施形態を表し、この明細書と共に本発明の原理を説明するために役立つ。
電力システムの制御を示す概略を示す従来技術である。 フライホイールを用いる１つの工業装置を示した従来技術である。 ドライブトレインＫＥＲＳシステムを示す従来技術である。 図３Ｂにおけるシステムのためのプーリ比の表である。 本願発明によるＫＥＲＳシステムの概略である。 フライホイールの斜視図である。 図５Ｂにおけるシステムのためのプーリ比の表である。 フライホイール・ドライブを示す本願発明によるＫＥＲＳシステムの概略である。 システム特性を示すグラフである。 システム特性を示すグラフである。 図８Ｂにおけるシステムのためのプーリ比の表である。 ブレーキング中のフライホイール再蓄力を示す本願発明によるＫＥＲＳシステムの概略である。 フライホイール・リチャージ中のフライホイール速度特性を示すグラフである。 空調機の動作を伴う場合の燃料節約を示すグラフである。 空調機の動作を伴わない場合の燃料節約を示すグラフである。

以下の説明は単なる実施例であり、特許請求の範囲、適用、あるいは構成を限定するためのものではない。より正確には、以下の説明は、記載された実施例を実施することを可能にする説明を、いわゆる当業者に提供する。付随する特許請求の範囲の趣旨及び範囲から逸脱することなく、要素の機能及び配置に種々の変更がなされうることが理解される。

本願発明によるシステムは、内燃エンジン・ベルト駆動補機システム（ＡＢＤＳ）に用いられる運動エネルギー回生システム（ＫＥＲＳ）を備える。二重クラッチ構成は、補機を駆動する内燃エンジンあるいはフライホイールのいずれにも与えられる。

もし、他方で車輌のブレーキが動作したときに浪費されるエネルギーが、補機を駆動するために後で使用されるために回収され、かつ蓄積されるのであれば、著しい燃料節減が実現されうる。通常、再生されたブレーキング・エネルギーは車輌を推進させるために用いられるが、これは効果が低い。本願発明によるシステムでは、回収されたエネルギーは、フライホイールを使用することによりエンジンの補機を駆動するために用いられ得る。

エンジン補機を駆動するための本願発明によるＫＥＲＳシステムは、図３に示される。

システム１０００は、内燃（ＩＣ）エンジン１００を備える。エンジン１００は、乗用車、トラック、バス、又はＩＣエンジンを用いる他の車輌といった車輌において用いられるエンジンでありうる。エンジン１００は、エンジンが用いられる特定の車輌アプリケーションに適しうる任意の数のシリンダを備えうる。

エンジン１００は、クランクシャフトのようなエンジン出力部１０１を有する。プーリ１０２は、クランクシャフト１０１の端部に取り付けられる。プーリ１０２は、Ｖベルトプーリ又はマルチリブドＶベルトプーリであってもよい。

ベルト１０５は、プーリ１０２とプーリ１０３との間に架けられる。ベルト１０５は、Ｖベルト、マルチリブドＶベルト、チェーン、又は他の好ましい可撓性動力伝達部材のいずれかであってもよい。

プーリ１０３は、シャフト１０４に接続される。プーリ１０３は、Ｖベルトプーリ又はマルチリブドＶベルトプーリであってもよい。シャフト１０４は、出力を転送するために用いられ、車輌の構成に応じてシステムに含まれ、あるいはシステムから除かれてもよい。

シャフト１０４は、変速機３００に接続される。例示される変速機は、３つの速度比、すなわち２．０：１（ギア３０１、３０４）、１．２：１（ギア３０２、３０５）、及び０．９４：１（ギア３０３、３０６）を備える。変速機３００は、回転する出力シャフトと共に使用されるに適した任意の公知の従来技術であってもよい。

変速機３００は、第１のクラッチ４００に接続される。クラッチ４００は、摩擦円盤形式クラッチである。

フライホイール２００は、ギア２０１及びギア２０２に接続される。本実施形態において、ギア２０１及び２０２におけるギア比は８．０：１である。ギア２０２は、第２のクラッチ５００に接続される。クラッチ５００は、摩擦円盤形式クラッチである。

クラッチ４００の出力部及びクラッチ５００の出力部は、プーリ４０５に接続される。プーリ４０５は、Ｖベルトプーリ、又はマルチリブドＶベルトプーリであってもよい。

プーリ４０５は、二重プーリ２０３Ａ、２０３Ｂのプーリ２０３Ｂにベルト２０４によって接続される。二重プーリ２０３Ａ、２０３Ｂは、Ｖベルトプーリ又はマルチリブドＶベルトプーリであってもよい。プーリ２０３Ａ及び２０３Ｂは、互いに固定される。ベルト２０４は、Ｖベルト、マルチリブドＶベルト、チェーン、又は他の好ましい可撓性動力伝達部材のいずれかであってもよい。

補機は、オルタネータ６００、空調コンプレッサ７００、及びパワーステアリングポンプ８００を備える。プーリ６０１は、オルタネータ６００に接続される。プーリ７０１は、空調コンプレッサ７００に接続される。プーリ８０１は、パワーステアリングポンプ８００に接続される。ベルト２０５は、各プーリ６０１、７０１、及び８０１とプーリ２０３Ａとの間に掛け回される。各プーリ６０１、７０１、８０１は、Ｖベルトプーリ又はマルチリブドＶベルトプーリであってもよい。しかしながら、各プーリは、既知のシステムのための同じベルト形式に準拠しなければならない。ベルト２０５は、Ｖベルトプーリ又はマルチリブドＶベルトプーリのいすれかであってもよい。

本システムの配列により、変速機３００のみを用いた三速補機ドライブのために用いられるものと同じギアをフライホイールが使用できる。例示であるフライホイールが図４に示される。本実施形態では、フライホイール２０００は、スチール・ハブ２００２に巻き回されたカーボンコード環２００１を備える。カーボンコード環は、塵芥の侵入を防ぐため、ケース２００３内に格納される。

フライホイールシステムは、８．０：１．０速度比の変速機を介してクラッチ４００、５００に接続される。例えば、エンジンの最低回転速度が８００ＲＰＭ、かつフライホイールの最低回転速度が３２，０００ＲＰＭである場合、フライホイール対ＡＢＤＳの比は以下のようになる。

この速度比では、エンジン速度が過速度となることを防ぐための所定の閾値を超えたとき、フライホイール２００はエンジン１００から切り離されなければならない。例えば、フライホイールの制限速度が６０，０００ＲＰＭである場合、エンジン速度が以下の値を超えると、フライホイールが切り離されるべきである。

システムにおけるプーリ比は、図３Ａに示される。図３Ａの凡例は、接続されるギア・セットにおけるギア比を示す。

本願発明によるシステムに用いられるフライホイール２００は図４に示され、相対的に小型であって、３０，０００ＲＰＭを超えて動作する。例示されたフライホイールは、金属ハブの周囲に取り付けられる炭素系複合材である。フライホイールは、風損を最小化するため、負圧下で動作する。本実施形態では、フライホイールの慣性は、約０．０３５ｋｇ・ｍ^２である。

第１のモードでは、フライホイール２００に蓄積された運動エネルギーは、補機を動かすために用いられる。第２のモードでは、フライホイールは、車輌のブレーキング・エネルギーによって蓄力される。第３のモードでは、フライホイールがアイドリングする間、エンジンが補機を駆動する。

図５に示すように、以下に示す一定の速度比を介して、補機は高速フライホイールに接続される。

このような大きい速度比を用いることにより、フライホイールの速度が広範囲に変化しても、補機の速度が低く維持され、かつ補機の速度変化が相対的に小さく保たれる。これは、フライホイールが提供しなければならない力を最小化し、これにより、より効率的なシステムを提供する。

フライホイールを用いて補機を動かすために、クラッチ４００が切り離され、クラッチ５００が係合される。この構成は、エンジンから補機を切り離し、そしてフライホイールからの力を利用する。図５Ｂの矢印は、フライホイールから補機への力の流れを示す。

例示の目的において、フライホイールが３２，０００ＲＰＭの最低速度に維持されると仮定される。フライホイール速度がこの値を下回る場合、クラッチ４００が係合し、クラッチ５００が切り離される。これは、補機をエンジンに再接続し、フライホイールから切り離す。その後、補機は、三速変速機３００を介してエンジンにより駆動され、その一方で、ブレーキングが回生エネルギーを発生してフライホイールに蓄力されるまで、フライホイールがアイドリングする。

著名な実施形態において、ＦＴＰ７５シティ・サイクル（ＥＰＡ Ｆｅｄｅｒａｌ Ｔｅｓｔ Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ， ＦＴＰ−７５、米国の乗用車向け排ガス及び燃費測定基準）が、システム分析の基礎として用いられる。さらに、２．４リットルのエンジンを有するトヨタ・カムリ（登録商標）等の一般的な車輌は、２つのＡＢＤＳ負荷条件を有するように作られる。基本的な構成は、２５アンペアの電気的負荷を有し、空調機の動作を伴わない。負荷が掛かった構成は、５０アンペアの電気的負荷を有し、空調機の動作を伴う。増加した電気的負荷は、ＡＣブロワ・モータによるものである。

図６に示される実施形態は、基本的な構成において、車輌のブレーキから回生されたエネルギーが、全てのサイクルにおいて補機を駆動するに十分であることを示す。この実施形態では、フライホイールが低速閾値に達するときの形態と、フライホイールに再度蓄力されるまでエンジンが補機を駆動するときの形態と、わずか２つの簡単な例がある。

本実施形態によるシステムは、車輌が停止したとき、補機が駆動されないように構成される。このとき、エンジンが停止するためである。図は、車輌の速度がゼロになるに従い、フライホイール及びエンジンによって供給される力がゼロになることを示す。

ＡＣが動作中であるとき、ＡＢＤＳは、ＡＣが動作していない基本的なシステムよりも多くの力を必要とする。超過の力は、フライホイール２００及びエンジン１００により供給される。もし、エンジンがアイドリングしている期間に補機が一時的に停止されると我々が仮定する場合、補機を駆動するための力に関する図は、図７に示される。エンジンが補機に力を供給しなければならない期間は、より長くなる。

エンジンが補機を駆動するとき、それは、三速補機駆動変速機３００を通じて行われる。ブレーキングがいつ行われるかに関わらず、車輌にブレーキング・トルクを提供するフライホイールにシステムが蓄力する。良好なドライバビリティのため、ブレーキング・エネルギーの多くは回生されるが、全てではない。これは、ドライバは、ブレーキを作動させる期間と圧力の大きさとを制御しなければならないからである。全てのブレーキング・エネルギーを回生しようとすると、好ましくない運転体験をもたらす。

ブレーキング期間のシステム構成が図８に示される。図８Ａは、図８Ｂにおけるシステムに関するプーリ比の表である。ブレーキング期間において、エンジン速度が減少し、同時にフライホイール速度を増やすことが望まれる。これは、クラッチと変速機によって達成されうる。矢印は、フライホイールから補機への力の流れを示す。

図９に示されるように、フライホイールに蓄力する処理の間、クラッチ４００及びクラッチ５００は係合し、クラッチと変速機とを介してフライホイール及び補機にエンジンから力が伝えられる。蓄力処理の期間における実際の比は、その時点におけるエンジン速度に依存する。

例えば、エンジン速度が２０００ＲＰＭであるとすると、蓄力処理が始まったとき、フライホイールは３２，０００ＲＰＭである。０．９４の比を有する変速機３００が用いられる場合、一方のクラッチの速度は以下のようになる。

他方、クラッチのフライホイール側の速度は以下のようになる。

これは、クラッチ４００において７００ＲＰＭの速度差と、エンジンとフライホイールとの間に以下に示す有効な速度比をもたらす。

クラッチ４００を介して伝達されるトルクが制限されると仮定する場合、クラッチ４００の両側の速度が同じに近づき、かつエンジンとフライホイールとの速度比が１８．７５となるまで、フライホイールの速度が増加する。

しかしながら、比１８．７５が無期限に維持される場合、フライホイールの速度は、エンジンの速度と共に減少を始める。この瞬間（速度低下）において、変速比が１．２に変更される（ギア３０２、３０５）。第２の比を用いると、クラッチ４００の片側が他方の側よりも高速になる。繰り返すと、クラッチ４００を介してトルクが伝達されるに従い、エンジン速度が低下する一方で、フライホイールの速度が増加する。クラッチ４００の両側の速度が同じ値に近づくとき、フライホイールを完全に蓄力するために最終比２．０（ギア３０１、３０４）が用いられうる。

前述のように、ＡＣ負荷を伴う負荷条件において、アイドリング期間では、空調機７００がフライホイール２００により駆動され続けると考えられる。フライホイール・エネルギーがいつ尽きるかにかかわらず、エンジンは始動し、フライホイールが完全に蓄力されるまで速度を上げ、その後、再度停止する。これにより、ＡＣ負荷を伴いながらアイドリングの一部のみの節約が実現される。ＡＣ負荷を伴なわない場合、エンジンがアイドリングしている期間に補機が動作しないとすると、全てのエンジン・アイドリングが節約される。

図１０Ａは、空調機の動作を伴う場合の燃料節約を示すグラフである。図１０Ｂは、空調機の動作を伴わない場合の燃料節約を示すグラフである。

本願発明によるシステムにより、空調機が動作しているとき２５．７％の節約が実現され、空調機が動作していないとき２６．４％の節約が実現される。節約が数値において同様であるにもかかわらず、燃料の体積又は質量の点における確実な節約量は、空調機の動作を伴うＭＰＧ（ｍｉｌｅ ｐｅｒ ｇａｌｌｏｎ）が低いため、空調システムの動作を伴うものより大きい。

この結果は、本願発明による燃料節約量がハイブリッド電気自動車と同等であることを示す。本願発明による利点は、製品において、既刊の報告書によるフル・ハイブリッド・エレクトリック・システムのコストのおよそ三分の一として実現されうる。さらなる利点は、バッテリ、及び典型的なハイブリッド・エレクトリック・モータにおいて用いられる希土類磁石を必要としない点において実現される。

本願発明による複数の形態がここに説明されたが、ここに説明された発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、構成及び関連する部品に種々の変更がなされうることは、いわゆる当業者にとって明らかである。

Claims (10)

1. 運動エネルギー保存装置と、
   駆動出力部を有する駆動部と、
   前記駆動出力部に接続され、所定のギア比を有する変速部と、
   第１のクラッチを介して前記変速部に接続されるベルト駆動補機システムとを備え、
   前記運動エネルギー保存装置は、第２のクラッチを介して前記ベルト駆動補機システムに接続され、
   前記運動エネルギー保存装置と前記変速機とは、前記第１のクラッチと前記第２のクラッチとを介して接続される
   ベルト駆動補機システムのための運動エネルギー回生システム。
2. 前記駆動部は内燃エンジンを備える、請求項１に記載の、ベルト駆動補機システムのための運動エネルギー回生システム。
3. 前記運動エネルギー保存装置はフライホイールを備える、請求項１に記載の、ベルト駆動補機システムのための運動エネルギー回生システム。
4. 前記ベルト駆動補機システムはオルタネータを備える、請求項１に記載の、ベルト駆動補機システムのための運動エネルギー回生システム。
5. 前記変速機は少なくとも２つのギア比を備える、請求項１に記載の、ベルト駆動補機システムのための運動エネルギー回生システム。
6. 前記運動エネルギー保存装置と前記ベルト起動補機システムとの間に動作可能となるように設けられる二重比プーリをさらに備える、請求項１に記載の、ベルト駆動補機システムのための運動エネルギー回生システム。
7. 前記運動エネルギー保存装置は、ベルトを介して前記ベルト駆動補機システムに接続される請求項１に記載の、ベルト駆動補機システムのための運動エネルギー回生システム。
8. 前記変速機と前記駆動部とはベルトを介して接続される、請求項１に記載の、ベルト駆動補機システムのための運動エネルギー回生システム。
9. 運動エネルギー保存装置と、
   駆動部と、
   ベルトを介して前記駆動部に接続され、所定のギア比を有する変速機と、
   第１のクラッチを介して前記変速機に接続可能なベルト駆動システムとを備え、
   前記ベルト駆動システムは、第２のクラッチを介して前記運動エネルギー保存装置に接続可能であって、前記第１のクラッチは前記第２のクラッチに接続可能である
   運動エネルギー回生システム。
10. 駆動部と、
    ベルト駆動エンジン補機システムと、
    前記駆動部と前記ベルト駆動エンジン補機システムとの間に設けられる変速機と、
    運動エネルギー保存装置とを備え、
    前記ベルト駆動エンジン補機システムは、第１のクラッチ及びベルトを介して前記駆動部により、又は第２のクラッチ及び前記ベルトを介して前記運動エネルギー保存装置により、駆動可能である
    運動エネルギー回生システム。

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