JP3187869U - 内燃機関とスタータ発電機とを有する自動車のドライブトレイン - Google Patents

Abstract

【課題】温度が低い内燃機関においても最適な始動能力が保証され、内燃機関の電気ブーストが可能となる、内燃機関とスタータ発電機とを有する自動車のドライブトレインを提供する。
【解決手段】ドライブトレインにおいて、クランクシャフト６を有する内燃機関２と、内燃機関に配置されたスタータ発電機２３とを備え、内燃機関が、自動車の少なくとも１つの車軸５を駆動するために内燃機関の下流に接続されたトランスミッション３を有する。スタータ発電機が、２つの個別ドライブトレイン１３、２２、２４、２５によりクランクシャフトに取り付けられ、ドライブトレインの一方２４、２５が、シフト可能なクラッチ２９を有し、ドライブトレインの他方１３、２２が、シフト可能なクラッチ、またはスタータ発電機のスタータモード中に作動状態になるフリーホイール１１を有する。
【選択図】図１

Description

本考案は、自動車のドライブトレインであって、クランクシャフトを有する内燃機関と、内燃機関に配置されたスタータ発電機とを備え、内燃機関が、自動車の少なくとも１つの車軸を駆動するために上記内燃機関の下流に接続されたトランスミッションを有するドライブトレインに関する。

上記タイプの電動式スタータ発電機は、内燃機関の始動中に電動機として動作し、さらに、マイルドハイブリッドとしてのドライブトレインの動作中に内燃機関と共に自動車の車軸を駆動するのに適している。発電機モードでは、スタータ発電機は、内燃機関によって、および／または自動車の車軸を介して駆動される。

冒頭で述べたタイプのドライブトレインは、（特許文献１）から知られている。上記ドライブトレインでは、ベルトドライブはベルトを備える。ベルトは、スタータ発電機のプーリ上を案内され、発電機を駆動する働きをする。発電機は、特にスタータ電動機として一時的に動作させることができるように、かつフリーホイールを介して発電機プーリまたはエンジンクランクシャフトベルトプーリに結合されるように構成され、電気的に接続される。上記フリーホイールにより、発電機の電動機モード中に、発電機が発電機プーリまたはクランクシャフトをオーバーランさせることができるようになる。その結果、選択された動作状態で、特にエンジン始動段階中、および内燃機関のクランクシャフトの高い角速度上昇を伴う段階中に、ベルトドライブによる動力の流れ、および発電機の固有の慣性によって誘発されるベルト駆動負荷を減少させることが可能となる。

（特許文献２）は、内燃機関のオイルポンプのドライブトレインを記載している。このオイルポンプは、ベルトドライブを介して内燃機関に、またはベルトドライブを介して電気機械に取り付けられる。このために、シフト可能なクラッチが、内燃機関に配置されたベルトドライブと内燃機関との間に設けられる。

（特許文献３）は、スタータ電動機または発電機としての電気機械の任意選択的な使用を開示する。この電気機械は、シフト可能なクラッチによって、内燃機関のクランクシャフトに取り付けられる。さらに、電気機械は、さらなるシフト可能なクラッチが配置された補助シャフトを介して、内燃機関の下流に接続されたトランスミッションに取り付けられる。これにより、補助シャフトに配置されたクラッチが閉じられると、電気機械は、内燃機関の下流に接続されたトランスミッションによって、発電機モードで動作可能となる。

独国特許出願公開第１０ ２００９ ０３３ ６３３ Ａ１号明細書 特開昭５８−１１６２２９号公報 欧州特許出願公開第１ ０７９ ０８５ Ａ２号明細書

本考案の目的は、温度が低い内燃機関の場合に最適な始動能力が保証されるように、加えて、内燃機関を電気的にブーストすることができるように、冒頭で述べたタイプのドライブトレインを発展させることである。

冒頭で述べたタイプのドライブトレインにおいて、上記目的は、スタータ発電機が、２つの個別ドライブトレインによってクランクシャフトに取り付けられ、ドライブトレインの一方が、シフト可能なクラッチを有し、ドライブトレインの他方が、シフト可能なクラッチ、またはスタータ発電機のスタータモード中に作動状態になるフリーホイールを有することによって達成される。

スタータ発電機の２つの個別ドライブトレインを備えた自動車のドライブトレインの構成によって、一方または他方の個別ドライブトレインを接続することにより、自動車の内燃機関および／またはドライブトレインの様々な動作状態を、最適な方法で制御することができるようになる。

すなわち、一方の個別ドライブトレインのクラッチを閉じることで、上記ドライブトレインにおいて、特に好ましい比較的高い速度伝達比によって内燃機関の好ましい冷態始動が実現する。上記伝達比は、トランスミッションによって容易に実現することができる。トランスミッションは、好ましくはフレキシブルドライブメカニズム、特にベルトドライブとして構成される。

スタータ発電機の他方のドライブトレインにより、内燃機関の補助ユニットを、内燃機関から独立して駆動させることができる。上記補助ユニットは、例えばクーラントポンプおよび／または機械的な冷却剤圧縮機である。これらの補助ユニットは、内燃機関が始動される前に、スタータ発電機によって予め動作させることができる。

一方の個別ドライブトレインが、シフト可能なクラッチを備えて構成され、他方の個別ドライブトレインが、スタータ発電機のスタータモード中に作動状態になるフリーホイールを備えて構成される場合、内燃機関は、最初に述べた個別ドライブトレインのクラッチが閉じられるときにのみ始動することができる。この場合には、フリーホイールにより、他方の個別ドライブトレインによってスタータ発電機を用いて内燃機関のクランクシャフトに始動モーメントを導入することはできない。この変形形態では、フリーホイールは、始動されている内燃機関の回転速度が増加するにつれてオーバーランする。その結果、補助ユニットが内燃機関のクランクシャフトを介して駆動される。

両方の個別ドライブトレインにシフト可能なクラッチが設けられ、したがってフリーホイールが存在しない変形形態では、好ましくは２つの個別ドライブトレインが異なる速度伝達比を有すると仮定されるので、クラッチが両方とも閉じられることがどの時点でもないことが保証されなければならない。

したがって、補助ユニットが、ベルトドライブとして構成されるトランスミッションを介してスタータ発電機によっても駆動されると有利であると考えられる。特に、２つの個別ドライブトレインに関するベルトドライブの設計により、トランスミッションを、比較的望ましい速度伝達比で、構造的に単純な設計にすることができる。

個別ドライブトレインに配置されたクラッチの使用により、特に、内燃機関の始動の最適化が可能となる。したがって、特に、補助ユニットと相互作用するスタータ発電機の個別ドライブトレインは、他方の個別ドライブトレインよりも低い速度伝達比で内燃機関のクランクシャフトと相互作用するようになっている。したがって、上記他方の個別ドライブトレインは、冷態始動中に作動される。内燃機関の再始動、すなわち温態始動が行われる場合、内燃機関の始動は、好ましくは、他方の個別ドライブトレイン、すなわち、より低い速度伝達比を有し、補助ユニットに配置された個別ドライブトレインによって行われる。ドライブトレインの上記シフトは、２つのクラッチの単純なシフトによって行うことができる。

本考案によるドライブトレインによって、内燃機関を用いた駆動中に、さらにスタータ発電機が作動されることによってブーストが可能となる。すなわち、このスタータ発電機は、作動状態となって電動機として機能し、一方のドライブトレインでフリーホイールが使用されるときには、少なくとも他方のドライブトレインのクラッチが閉じられるときに、上記他方のドライブトレインを介して追加のモーメントをクランクシャフトに導入する。２つのシフト可能なクラッチが２つの個別ドライブトレインで使用される場合、追加のモーメントを、一方の個別ドライブトレインを介して、または他方の個別ドライブトレインを介して、クランクシャフトに導入することができる。

さらに、上記ドライブトレインの構成により、内燃機関の動力出力の増加が可能となり、これは特にスポーツモードで有利である。上記スポーツモードでは、２つのクラッチが開いているので、補助ユニットは一時的に駆動させることができない。したがって、スタータ発電機と補助ユニットの両方が内燃機関から結合解除される。その結果、内燃機関は、補助ユニットを駆動するための動力出力を発生する必要がない。したがって、内燃機関の全動力出力を、車両を走行させるために利用可能である。

したがって、本考案によるドライブトレインには、電動機または発電機として動作させることができるスタータ発電機の様式での単一の電気機械のみが必要である。補助ユニットは、２つの速度伝達比で駆動させることができる。一方の速度伝達比は、スタータ発電機による駆動によって直接生じ、他方の速度伝達比は、内燃機関のクランクシャフトによる駆動によって生じる。

本考案のさらなる特徴は、従属請求項、添付図面、および図面に示される好ましい例示的実施形態の説明から明らかになるが、それらに限定されない。

本考案によるドライブトレインの第１の例示的実施形態の概略図である。 本考案によるドライブトレインの第２の例示的実施形態の概略図である。 本考案によるドライブトレインの第３の例示的実施形態の概略図である。

図１に示される第１の例示的実施形態は、自動車のドライブトレイン１を示す。上記ドライブトレイン１は、内燃機関２を有する。内燃機関２は、自動車の車軸５を駆動するために、内燃機関２の下流に接続されたトランスミッション３と、上記トランスミッション３の下流に接続されたディファレンシャル４とを備える。内燃機関２のクランクシャフト６は、シフト可能なクラッチ７を介してトランスミッションシャフト８に接続される。トランスミッションシャフト８は、ディファレンシャル４と相互作用する。

内燃機関２は、トランスミッション３とは逆の上記内燃機関２の側に内部トランスミッション９を有する。内部トランスミッション９は、内燃機関２のエンジンオイルポンプ１０を駆動するためにクランクシャフト６に配置される。内燃機関２の上記側で、クランクシャフト６は、内燃機関２から延出し、フリーホイール１１を介してベルトプーリ１２を受ける。フリーホイール１１は、内燃機関２が動作状態であるとき、すなわちクランクシャフト６が比較的速く回転しているときにオーバーランし、ベルトプーリ１２がクランクシャフト６を介して駆動されるように設計される。

ベルトプーリ１２は、ベルトドライブ１３の構成部品である。ベルトドライブ１３は、ベルト１４と、ベルト１４を巻かれた少なくとも３つのさらなるベルトプーリ１５、１６、１７とを有する。内燃機関２には、補助ユニットが配置される。補助ユニットとして、機械的な冷却剤圧縮機１８と、クーラントポンプ１９とが図示されている。上記補助ユニットは、トランスミッション３とは逆の内燃機関２の側で、内燃機関２内に取り付けられる。ベルトプーリ１５は、冷却剤圧縮機１８のシャフト２０に固定接続される。ベルトプーリ１６は、クーラントポンプ１９のシャフト２１に、シャフト２１と共に回転するように固定接続される。

ベルトプーリ１７は、スタータ発電機２３のシャフト２２に、シャフト２２と共に回転するように固定接続される。上記スタータ発電機２３は、シャフト２２とは逆の側で、別のシャフト２４に接続される。したがって、スタータ発電機２３は、スタータ発電機２３が従動側であるか、または駆動側であるかに応じて、２つの入力または出力シャフト２２、２４を有する。

シャフト２０、２１、２２、および２４は、内燃機関２のクランクケース／シリンダヘッド内で、クランクシャフト６のベアリング軸に平行に取り付けられる。

さらなるベルトドライブ２５が、内燃機関２とトランスミッション３との間、具体的には内燃機関２とクラッチ７との間に配置される。上記ベルトドライブ２５は、シャフト２４と共に回転するようにシャフト２４に固定接続された、比較的直径の小さいベルトプーリ２６を有し、さらに、クランクシャフト６と共に回転するようにクランクシャフト６に固定接続された、かなり直径の大きいベルトプーリ２７も有する。参照番号２８は、ベルトドライブ２５のベルトを表す。シャフト２４は、スタータ発電機２３とベルトプーリ２６との間に、シフト可能なクラッチ２９を有する。

スタータ発電機２３が電動機モードで作動される場合、それにより、上記スタータ発電機２３によってベルトドライブ１３が作動される。したがって補助ユニット、上の例では冷却剤圧縮機１８およびクーラントポンプ１９が駆動される。したがって、内燃機関２が停止しているときでさえ補助ユニットを駆動させることができる。

内燃機関２を始動させるためには、スタータ発電機２３を電動機モードで動作させて、クラッチ２９を閉じるだけでよい。それにより、ベルトドライブ２５によって、比較的高い速度伝達比により、内燃機関２を始動するための非常に高いモーメントがクランクシャフト６に導入される。上記高いモーメントは、冷態始動で内燃機関２を始動させるために特に有利である。

内燃機関２が始動され、クラッチ２９が開かれると、クランクシャフト６の回転速度が増加する。それによりフリーホイールがオーバーランされる。その結果、トルクがベルトプーリ１２に導入されて、ベルトドライブ１３、したがって補助ユニットが上記ベルトプーリ１２を介して駆動される。

シャフト２２を介してスタータ発電機２３と相互作用するベルトプーリ１７の直径は、フリーホイール１１を介してクランクシャフト６と相互作用するベルトプーリ１２の直径よりも小さい。したがって、冷却剤圧縮機１８およびクーラントポンプ１９の駆動に関して２つの異なる速度伝達比が可能である。したがって、スタータ発電機２３による駆動は、内燃機関２が稼動しているときのクランクシャフト６を介する駆動とは異なる速度伝達比を有する。

スタータ発電機２３の電動機モードでは、クラッチ２９が閉じられるときに、スタータ発電機２３が内燃機関２のトルクへの追加のトルクをクランクシャフト６に導入することによって、ブースト機能が行われる。

２つの個別ドライブトレイン、すなわち、ベルトドライブ１３およびシャフト２２によって形成される一方のドライブトレインと、シャフト２４およびベルトドライブ２５によって形成される第２のドライブトレインとが、スタータ発電機２３と相互作用する。

トランスミッション３に関して、追加の電動ポンプが図示されている。これは、電気機械３０と、電気機械３０によって駆動することができるトランスミッション３用の油圧ポンプ３１とによって図示されている。電動油圧ポンプ３１は、内燃機関２が停止されているときでさえ、トランスミッション３のシフトを可能にする。

図２による例示的実施形態は、クランクシャフト６がフリーホイール１１を介してはベルトプーリ１２に接続されておらず、クランクシャフト６とベルトプーリ１２との間にシフト可能なクラッチ３２が配置される点のみが、図１による例示的実施形態と異なる。図１による例示的実施形態と一致する部分には、図２でも同じ符号が付されている。

フリーホイール１１の代わりにシフト可能なクラッチ３２を用いることにより、図２による例示的実施形態では、図１による例示的実施形態に関して述べたようにベルトドライブ２５を介して内燃機関２を始動させることができるだけではなく、代替として、より低い異なる速度伝達比で、ベルトドライブ１３を介して内燃機関２を始動させることもできるようになる。最初に述べた始動法では、クラッチ２９が閉じられ、クラッチ３２が開かれる。対照的に、後に述べた始動法では、クラッチ２９が開かれ、クラッチ３２が閉じられる。後に述べた始動法は、特に内燃機関２の温態始動時に有利である。

クラッチ３２を備える変形形態により、クラッチ３２が開かれているときには、内燃機関２が停止しているときに冷却剤圧縮機１８およびクーラントポンプ１９を駆動可能となる。その一方で、クラッチ３２が閉じられ、内燃機関２が始動されるときには、上記補助ユニットは、内燃機関２によってクランクシャフト６を介して駆動される。同様に、図２による変形形態により、一方のクラッチ２９または他方のクラッチ３２が閉じられることによって、ブースト機能が可能となる。ベルトドライブ１３と２５の速度伝達比が異なるため、クラッチ２９、３２が両方同時には閉じられないことが常に保証されなければならない。

上記はまた、発電機モードでのスタータ発電機２３の動作にも当てはまる。

さらに、２つのクラッチ２９、３２を備える変形形態により、両方のクラッチ２９、３２が開かれているときには、補助ユニットが内燃機関２によって駆動されることも、スタータ発電機２３が接続されることもないので、ディファレンシャル４の動力出力の増加が可能となる。したがって、短期間、内燃機関２の増加された動力出力が利用可能である。

図３による例示的実施形態は、２つのベルトドライブ１３、２５が、内燃機関２の同じ側、具体的にはトランスミッション３とは逆の内燃機関２の側に配置される点で、図１による例示的実施形態とは実質的に異なる。この変形形態は、特に、空間的な条件により、ベルトドライブ２５を内燃機関２とトランスミッション３との間に配置しないことが求められるときに有利である。

図１による例示的実施形態と一致する図３による例示的実施形態の部分には、同じ参照符号が付されている。

図３の例示的実施形態では、スタータ発電機２３は、単一の出力シャフト、この例では出力シャフト２２のみを有する。ベルトドライブ１３のベルトプーリ１４が、上記出力シャフト２２と共に回転するように上記出力シャフト２２に固定接続されるだけでなく、ベルトプーリ２６も、上記ベルトプーリ１４から離れた位置で、スタータ発電機２３とは逆のベルトプーリ１４の側でシャフト２２に接続される。クランクシャフト６は、ベルトドライブ１３およびベルトプーリ１２に配置されたフリーホイール１１を超えて延び、シフト可能なクラッチ２９を介してベルトプーリ２７に接続される。

図３によるこの例示的実施形態では、図１による例示的実施形態に対応して、内燃機関２が停止しているときに、補助ユニットがスタータ発電機２３によってベルトドライブ１３を介して独立して駆動され、クラッチ２９が閉じられた後、内燃機関２が、スタータ発電機２３の電動機モードで始動される。図１の例示的実施形態に対応して、図３による例示的実施形態では、発電機モードおよびブースト機能が実現される。この点については、図３に関しても上述の説明を参照されたい。

したがって、図１および図３による例示的実施形態では、能動的にシフトすべき要素として求められるのはただ１つ、すなわちクラッチ２９のみである一方、図２による例示的実施形態では、能動的にシフトすべき要素として求められるのは２つ、すなわちクラッチ２９と３２とである。

１ ドライブトレイン
２ 内燃機関
３ トランスミッション
４ ディファレンシャル
５ 車軸
６ クランクシャフト
７、３２ クラッチ
８ トランスミッションシャフト
９ 内部トランスミッション
１０ エンジンオイルポンプ
１１ フリーホイール
１２、１５、１６、１７、２６、２７ ベルトプーリ
１３、２５ ベルトドライブ
１４、２８ ベルト
１８ 冷却剤圧縮機
１９ クーラントポンプ
２０、２１ シャフト
２２、２４ 出力シャフト
２３ スタータ発電機
２９ シフト可能なクラッチ
３０ 電気機械
３１ 油圧ポンプ

Claims (10)

1. 自動車のドライブトレイン（１）であって、クランクシャフト（６）を有する内燃機関（２）と、前記内燃機関（２）に配置されたスタータ発電機（２３）とを備え、前記内燃機関（２）が、前記自動車の少なくとも１つの車軸（５）を駆動するために前記内燃機関（２）の下流に接続されたトランスミッション（３）を有するドライブトレイン（１）において、前記スタータ発電機（２３）が、２つの個別ドライブトレイン（１３、２２；２４、２５）によって前記クランクシャフト（６）に取り付けられ、前記ドライブトレイン（１３、２２；２４、２５）の一方（２４、２５）が、シフト可能なクラッチ（２９）を有し、前記ドライブトレイン（１３、２２；２４、２５）の他方（１３、２２）が、シフト可能なクラッチ（３２）、または前記スタータ発電機（２３）の前記スタータモード中に作動状態になるフリーホイール（１１）を有することを特徴とするドライブトレイン（１）。
2. 前記スタータ発電機（２３）が、２つの異なるフレキシブルドライブメカニズム、特にベルトドライブ（１３、２５）によって前記クランクシャフト（６）に取り付けられることを特徴とする請求項１に記載のドライブトレイン。
3. 前記内燃機関（２）に、補助ユニット（１８、１９）が配置され、前記補助ユニット（１８、１９）が、前記ドライブトレイン（１３、２２；２４、２５）の一方（１３、２２）に取り付けられることを特徴とする請求項１または２に記載のドライブトレイン。
4. 前記ベルトドライブ（１３、２５）の一方（１３）によって前記補助ユニット（１８、１９）を駆動させることができることを特徴とする請求項３に記載のドライブトレイン。
5. 前記スタータ発電機（２３）が、２つの出力シャフト（２２、２４）を有し、一方の出力シャフト（２２）が、前記トランスミッション（３）とは逆の前記内燃機関（２）の側に配置された一方のベルトドライブ（１３）に取り付けられ、他方の出力シャフト（２４）が、前記内燃機関（２）と前記トランスミッション（３）との間に配置された他方のベルトドライブ（２５）に取り付けられることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載のドライブトレイン。
6. 一方のクラッチ（３２）または前記フリーホイール（１１）が、一方の個別ドライブトレイン（１３、２２）に、前記補助ユニット（１８、１９）を駆動するために、前記内燃機関（２）のクランクシャフト（６）と、前記ベルトドライブ（１３）のベルトプーリ（１２）との間に配置され、他方のクラッチ（２９）が、他方のドライブトレイン（２４、２５）に、前記クランクシャフト（６）を駆動するために、前記スタータ発電機（２３）と、前記ベルトドライブ（２５）のベルトプーリ（２６）との間に配置されることを特徴とする請求項５に記載のドライブトレイン。
7. 前記スタータ発電機（２３）が、出力シャフト（２２）を有し、前記出力シャフト（２２）に前記２つのベルトドライブ（１３、２５）が取り付けられることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載のドライブトレイン。
8. 前記２つのベルトドライブ（１３、２５）が、前記トランスミッション（３）とは逆の前記内燃機関（２）の側に配置されることを特徴とする請求項７に記載のドライブトレイン。
9. 一方のベルトドライブ（２５）のベルトプーリ（２７）が、一方のクラッチ（２９）を介して、前記内燃機関（２）の前記クランクシャフト（６）に取り付けられ、他方のベルトドライブ（１３）のベルトプーリ（１２）が、前記フリーホイール（１１）を介して前記クランクシャフト（６）に取り付けられ、前記フリーホイール（１１）が、前記２つのベルトドライブ（１３、２５）に関する前記クランクシャフト（６）の出力側から見て、前記クラッチ（２９）よりも手前に配置されることを特徴とする請求項７または８に記載のドライブトレイン。
10. 前記クランクシャフト（６）に接続され、前記補助ユニット（１８、１９）を駆動するために前記ベルトドライブ（１３）に配置された前記ベルトプーリ（１２）の速度伝達比が、前記クランクシャフト（６）に接続され、他方のベルトドライブ（２５）に配置された前記ベルトプーリ（２７）の速度伝達比よりも小さくなるように、前記ベルトドライブ（１３、２５）が設計されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のドライブトレイン。

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