JP3670253B2 - エンジンシステムとその運転方法およびエンジン始動装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、エンジンシステム、特に、エンジンを駆動源の１つとして使用する自動車のエンジンシステムとその運転方法およびエンジン始動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、自動車のエンジンは、バッテリを駆動源としてモータを作動させることにより始動させられ、一旦燃焼が開始した後には、自動車の走行および種々の補機の駆動源として使用される。自動車に備えられる補機には、例えば、エアコンディショナ用コンプレッサ、パワーステアリング用ポンプ、自動変速機用オイルポンプ、ブレーキ用負圧ポンプ等がある。
従来、このようなエンジンのみを補機の駆動源とする自動車では、エンジン停止中にこれらの補機を駆動することはできなかった。
【０００３】
ところが、近年、いわゆる省エネルギの観点に基づく燃費の向上やＣＯ２削減を目的として、軽負荷領域や車両停止中にはエンジンを停止し、回生電力やエンジン駆動中に発電した電力を用いてモータで走行するハイブリッド車が注目されている。
また、車両停止中にエンジンを自動停止させることにより、アイドリングのための燃料噴射をなくして燃費を向上させるとともに、ＣＯ２削減を図るアイドルストップ車も提案されている。
【０００４】
これらハイブリッド車およびアイドルストップ車では、例えば、信号待ちや渋滞時等における車両停止中にはエンジンを停止させるので、このようなエンジン停止中にもエアコンディショナを作動させて室内の空調を継続する必要がある。また、ハイブリッド車では、エンジン停止状態でのモータによる走行中にも、エアコンディショナに限らず、走行に必要な全ての補機を作動させる必要がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ハイブリッド車においてエンジン停止中にエアコンディショナを作動させる方法については、例えば、特許第３１８０５０６号公報に開示されている。この方法は、エアコンディショナのコンプレッサに、該コンプレッサを作動させるための補助モータを取り付けておき、バッテリの残量が多いときには補助モータによってコンプレッサを作動させ、バッテリの残量が少ないときには、エアコンディショナの作動操作に連動してエンジンを停止状態から運転状態に移行させ、エンジンを駆動源としてエアコンディショナのコンプレッサを駆動するようになっている。
しかしながら、コンプレッサを駆動するだけの目的でコンプレッサに補助モータを取り付けることは、部品点数を増加させ、製品コストを増大させてしまうという不都合がある。
【０００６】
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、エンジンの停止中における補機の駆動、エンジンの始動およびバッテリの充電を、単一のモータおよび簡易な構造および制御により達成することが可能なエンジンシステムおよびエンジン始動装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明は、以下の手段を提案している。
請求項１に係る発明は、エンジンと、モータ（発明の実施の形態におけるモータ３）と、補機（発明の実施の形態におけるコンプレッサ４等）とを備えるとともに、エンジンの出力軸、モータの出力軸または補機の駆動軸のいずれかをそれぞれ接続した、サンギヤ、キャリアおよびリングギヤからなる３つの要素を有するプラネタリ機構と、該プラネタリ機構の２つ以上の要素を一体化可能な結合手段（発明の実施の形態におけるクラッチ１０）と、前記補機の駆動軸の回転方向を一方向に規制する回転方向規制手段（発明の実施の形態におけるワンウェイクラッチ１１）とを備え、前記一体化可能な結合手段を開放した状態で、モータの駆動制御を可能とし、前記モータの駆動制御は、前記補機を優先して駆動する場合に、モータの回転数をエンジンの回転数に対して低減させることにより行うことを特徴とするエンジンシステムを提案している。
【０００８】
この発明では、エンジン停止状態からエンジンを始動させるときに、結合手段によるプラネタリ機構の２つ以上の要素の結合状態を解放して、プラネタリ機構を各要素が自由に回転できる差動状態とし、補機の駆動軸の回転方向が回転方向規制手段によって規制される方向となるようにモータを作動させる。これにより、エンジンの出力軸に接続された要素が、モータの出力軸に接続された要素の回転に伴って回転させられる。モータの出力軸に接続された要素とエンジンの出力軸に接続された要素との間のギヤ比を所定の値に設定しておくことにより、モータのトルクはそのギヤ比に応じて増幅された状態でエンジンに伝達され、エンジンが始動させられることになる。
【０００９】
エンジン停止状態において補機を駆動するには、結合手段によるプラネタリ機構の要素の結合状態を解放状態として、補機の駆動軸の回転方向が回転方向規制手段によって回転を許容される方向となるようにモータを作動させる。これにより、エンジンの出力軸に接続された要素と、補機の駆動軸に接続された要素とにモータのトルクが伝達されるが、エンジンのフリクショントルクが、補機の駆動トルクと比較して大きい場合には、エンジンの出力軸が停止状態に保持されたまま補機の駆動軸が回転させられて、補機が駆動させられることになる。
【００１０】
また、エンジン作動中に補機を駆動する場合には、結合手段によってプラネタリ機構の２つ以上の要素を一体化させ、補機の駆動軸が回転方向規制手段によって回転を許容される方向に回転させる。任意の２つの要素を一体化状態とすることにより、３つの要素全てが一体化されるので、エンジンの出力軸と補機の駆動軸とが直結状態とされ、エンジンのトルクがそのまま補機の駆動軸に伝達される。また、モータの出力軸も、プラネタリ機構の３つの要素を一体化させることにより、エンジンの回転に伴って回転させられる。したがって、モータを電動機として利用して、エンジンの出力を補うことも、発電機として利用してバッテリの充電を行うことも可能となる。
【００１１】
また、一体化可能な結合手段を開放した状態で、モータの駆動制御を行うことにより、エンジンの回転数に制限されずに補機やモータが所望の状態となるように制御することが可能となり、車両の運転状態に応じて適した制御を行うことが可能となる。
【００１２】
さらに、この発明によれば、モータの回転数をエンジンの回転数に対して低減させることにより、補機の回転数をエンジンの回転数に制限されずに増加させることが可能となり、補機を優先して駆動させることが可能となる。
【００１３】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載のエンジンシステムにおいて、前記モータの駆動制御は、前記モータの発電を優先する場合にモータの動作点を発電効率の高い動作点に制御することにより行うことを特徴とするエンジンシステムを提案している。
この発明によれば、エンジンの回転数に制限されずにモータの動作点を発電効率の高い動作点に制御することが可能となり、発電効率を高めることが可能となる。
【００１４】
請求項３に係る発明は、サンギヤ、キャリアおよびリングギヤからなる３つの要素にそれぞれ、エンジンの出力軸、モータの出力軸または補機の駆動軸のいずれかを接続したプラネタリ機構を備えるエンジンシステムの運転方法であって、前記補機の出力軸を静止状態に保持してモータの出力軸を一方向に回転させることによりモータによってエンジンを始動し、前記エンジンの出力軸を静止状態に保持してモータの出力軸を反対方向に回転させることによりモータによって補機を駆動し、前記プラネタリ機構の２つ以上の要素を一体化させることによりエンジンによって補機を駆動し、前記一体化可能な結合手段を開放した状態で、モータの駆動制御を可能とすることを特徴とするエンジンシステムの運転方法を提案している。
【００１５】
この発明によれば、モータの回転方向の切り換え、プラネタリ機構の要素の一体化および補機の駆動軸またはエンジンの出力軸の回転規制によって、エンジン停止状態における補機の駆動とエンジンの始動とを単一のモータで行うことができ、しかも、エンジンによる補機の駆動を行うことが可能となる。また、エンジンの回転数に制限されずにモータの駆動制御が行えるため、車両の運転状態に応じて適した制御を行うことが可能となる。
【００１６】
請求項４に係る発明は、サンギヤ、キャリアおよびリングギヤからなる３つの要素を有し、その内の任意の２つの要素にエンジンの出力軸と補機の駆動軸とをそれぞれ接続したプラネタリ機構と、該プラネタリ機構の残りの一要素に接続されたモータと、前記プラネタリ機構の２つ以上の要素を一体化可能な結合手段と、前記補機の駆動軸が接続された要素の回転方向を一方向に規制可能な回転規制手段とを備え、前記一体化可能な結合手段を開放した状態で、モータの駆動制御を可能とし、前記モータの駆動制御は、前記補機を優先して駆動する場合に、モータの回転数をエンジンの回転数に対して低減させることにより行うことを特徴とするエンジンの始動装置を提案している。
【００１７】
この発明によれば、結合手段によるプラネタリ機構の２つの要素の結合を解放状態とすることにより、モータのトルクをエンジンの出力軸または補機の駆動軸にそれぞれ伝達することができる。このとき、回転規制手段の作動によって、補機の駆動軸に接続した要素の回転を規制することにより、モータのトルクをエンジンの出力軸のみに伝達し、エンジンを始動することが可能となる。また、エンジンの回転数に制限されずにモータの駆動制御が行えるため、車両の運転状態に応じて適した制御を行うことが可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係るエンジンシステム１について、図面を参照して説明する。
本実施の形態に係るエンジンシステム１は、図１に示されるように、エンジン２と、モータ３と、補機、例えば、エアコンディショナのコンプレッサ４と、これらエンジン２、モータ３およびコンプレッサ４を接続するプラネタリ機構５とを具備している。
【００１９】
プラネタリ機構５は、サンギヤ６と、キャリア７と、リングギヤ８とを備えている。図２に示されるように、サンギヤ６とリングギヤ８との間には、両者に噛み合う３個のピニオンギヤ９が配置されている。これら３個のピニオンギヤ９は、前記キャリア７によって連結されている。
サンギヤ６、ピニオンギヤ９およびリングギヤ８の半径比は、約１：１：３となるように設定されている。すなわち、サンギヤ６とピニオンギヤ９とは略同径となるように選択されている。
【００２０】
前記キャリア７と前記リングギヤ８との間には、両者の一体化／解放を選択的に行うことができるクラッチ１０（結合手段）が取り付けられている。クラッチ１０を繋いで、キャリア７とリングギヤ８とを一体化すれば、キャリア７とリングギヤ８とは相対的に移動することなく、一体的に回転させられるようになっている。また、クラッチ１０を切断してキャリア７とリングギヤ８とを解放すれば、プラネタリ機構５は差動状態となり、キャリア７とリングギヤ８とは相対的に回転させられるようになっている。
【００２１】
前記モータ３は、例えば、図１に示されるように、中空の出力軸３ａを有し、該出力軸３ａは、前記サンギヤ６に接続されている。
前記エンジン２の出力軸２ａは、前記モータ３の中空の出力軸３ａを貫通して前記キャリア７に接続されている。
前記コンプレッサ４の駆動軸４ａは、前記リングギヤ８に接続されている。
【００２２】
前記コンプレッサ４のような補機は、その回転方向が定められており、逆転を防止する必要がある。そこで、コンプレッサ４の駆動軸４ａに接続したリングギヤ８には、正転方向の回転のみを許容し、逆転方向の回転を規制するワンウェイクラッチ１１（回転方向規制手段）が取り付けられている。
【００２３】
また、このように構成されたエンジンシステム１において、キャリア７にエンジン２の出力軸２ａ、リングギヤ８にコンプレッサ４の駆動軸４ａをそれぞれ接続したプラネタリ機構５と、サンギヤ６に接続されたモータ３と、キャリア７およびリングギヤ８を一体化可能なクラッチ（一体化クラッチ）１０と、リングギヤ８の回転方向を一方向に規制可能なワンウェイクラッチ１１とによりエンジン始動装置１２が構成されている。
【００２４】
また、エンジン２の出力軸２ａにワンウェイクラッチ１３を設けている。このように構成することにより、モータ３によるコンプレッサ４の駆動時に、エンジン２のフリクションの大小に依存することなく、エンジン２の出力軸２ａに接続されているキャリア７の回転を固定することができる。したがって、エンジン２のフリクションの大きさに関わらず、コンプレッサ４を確実に駆動することができる。
【００２５】
駆動軸４ａには、前記コンプレッサ４とプラネタリ機構５のリングギヤ８とを締結または開放可能なコンプレッサクラッチ１５が設けられ、必要に応じてコンプレッサクラッチ１５の結合を解除することで、コンプレッサ４をエンジン２やモータ３から切り離すことを可能としている。
そして、エンジン２や一体化クラッチ１０、コンプレッサクラッチ１５はＥＣＵ（制御装置）１６に電気的に接続され、このＥＣＵ１６の制御信号によりクラッチ１０、クラッチ１５の開閉動作を行わせている。
【００２６】
すなわち、エンジン２から燃料噴射信号（矢印Ａ）や回転数信号（矢印Ｃ）がＥＣＵ１６に伝達され、これらの信号によりＥＣＵ１６はエンジン２が自らトルクを発生している運転状態であるかどうかを判断する。そして、ＥＣＵ１６において、エンジン２が自らトルクを発生している運転状態であると判断した場合には、一体化クラッチ１０を締結状態にする信号（矢印Ｂ）を発生させる。また、エンジン２が自らのトルクを発生していないと判断した場合には、一体化クラッチ１０を非締結状態にする信号（矢印Ｂ）を発生させる。また、ＥＣＵ１６は、コンプレッサクラッチ１５に対しても、締結状態または非締結状態にする信号（矢印Ｄ）を発生させる。
【００２７】
このように構成された本実施の形態に係るエンジンシステム１およびエンジン始動装置１２の作用について、以下に説明する。
〈エンジン始動時〉
モータ３によりエンジン２を始動するときは、クラッチ１０を解放してキャリア７とリングギヤ８との相対回転を許容する状態としておく。これにより、プラネタリ機構５は差動状態となるので、モータ３のトルクは、サンギヤ６からピニオンギヤ９およびキャリア７を介してエンジン２の出力軸２ａに伝達されるとともに、ピニオンギヤ９からリングギヤ８を介してコンプレッサ４の駆動軸４ａに伝達されるようになる。
【００２８】
すなわち、キャリア７に接続されたエンジン２に存在するフリクションによって、キャリア７には、その回転を抑制するトルクが作用するので、サンギヤ６からピニオンギヤ９に伝達されたモータ３のトルクは、ピニオンギヤ９に噛み合うリングギヤ８を回転させるように作用する。
【００２９】
この場合において、モータ３を正転方向に回転させると、キャリア７は正転方向、リングギヤ８は逆転方向に回転するようにトルクが作用する。リングギヤ８には、該リングギヤ８の逆転を防止するワンウェイクラッチ１１が備えられているので、リングギヤ８は逆転方向の回転を規制され、静止状態にロックされる。したがって、モータ３のトルクはキャリア７を正転方向に回転させることのみに利用される。
【００３０】
図３は、このときのプラネタリ機構５の速度線図である。これによれば、リングギヤ８が静止させられ、エンジン２の回転数が、モータ３の回転数に対して略１／４に減速されている。すなわち、エンジン２の出力軸２ａに作用するトルクは、モータ３の発生トルクの略４倍となる。したがって、モータ３は、エンジン２の始動に必要なトルクの略１／４のトルクを発生するものであれば足り、モータ３の小型軽量化を図ることが可能となる。逆に、それよりも大きなトルクを発生するモータ３を採用すれば、エンジン２の出力軸２ａに対して、十分に大きな始動トルクを作用させることが可能となり、エンジンの素早い始動が行われることになる。
【００３１】
〈エンジン停止・補機駆動時〉
エンジン２停止中に、モータ３によりコンプレッサ４を駆動する場合には、上記と同様に、クラッチ１０を解放して、プラネタリ機構５を差動状態とする。そして、上記とは逆に、モータ３を逆転方向に回転させる。これにより、キャリア７には逆転方向に、リングギヤ８には正転方向に回転するようにトルクが作用する。
【００３２】
エンジン２のフリクションが十分に大きい場合には、エンジン２の出力軸２ａに接続されているキャリア７は静止状態に保持される。その一方、リングギヤ８に設けられているワンウェイクラッチ１１は、リングギヤ８の正転方向の回転を規制することはないので、リングギヤ８のみが正転方向に回転させられることになる。
【００３３】
図４は、このときのプラネタリ機構５の速度線図である。これによれば、エンジン２の出力軸２ａは静止させられ、コンプレッサ４の駆動軸４ａの回転数がモータ３の回転数に対して略１／３に減速されている。すなわち、コンプレッサ４の駆動軸４ａに作用するトルクは、モータ３の発生トルクの略３倍となる。したがって、モータ３は、コンプレッサ４の駆動に必要なトルクの略１／３のトルクを発生するものであれば足り、モータ３の小型軽量化を図ることが可能となる。
【００３４】
〈エンジンによる補機駆動時〉
エンジン２の作動中にコンプレッサ４を駆動するには、上記とは逆に、クラッチ１０を作動させて、キャリア７とリングギヤ８とを一体的に連結する。その結果、キャリア７とリングギヤ８との相対的な回転が規制されるので、キャリア７に取り付けられたピニオンギヤ９もリングギヤ８の定位置に噛み合った状態に保持される。また、ピニオンギヤ９がリングギヤ８上を転がらないので、ピニオンギヤ９とサンギヤ６との噛み合いも定位置に保持され、相対的な回転が規制される。
【００３５】
すなわち、サンギヤ６、キャリア７およびリングギヤ８は、全て一体的に固定されるので、エンジン２の出力軸２ａ、モータ３の出力軸３ａおよびコンプレッサ４の駆動軸４ａは直結される。したがって、エンジン２の発生トルクがそのままコンプレッサ４の駆動トルクとなる。図５は、このときのプラネタリ機構５の速度線図である。エンジン２、モータ３およびコンプレッサ４は、いずれも同一速度で回転することが示されている。
【００３６】
ここで、エンジン２の出力軸２ａが正転させられると、コンプレッサ４の駆動軸４ａおよびモータ３の出力軸３ａも同時に正転させられる。コンプレッサ４の駆動軸４ａの正転方向の回転はワンウェイクラッチ１１によって規制されないので、コンプレッサ４がエンジン２によって駆動されることになる。
また、モータ３を発電機として動作させることにより、モータ３の出力軸３ａに伝達されたトルクを入力として発電を行い、得られた電力によりバッテリ（図示略）を充電することなどが可能となる。
さらに、モータ３を電動機として動作させることにより、エンジン２とモータ３とを併用したコンプレッサ４等の駆動も可能となる。
図６に、車両走行中における本実施の形態に係るエンジンシステム１の制御フローの一例を示す。
【００３７】
まず第１に、ステップ１において、クラッチ１０が作動しているか否かが判断される。クラッチ１０が作動しているのは、エンジン２の出力軸２ａがエアコンディショナのコンプレッサ４の駆動軸４ａに直結している場合であるから、車両はエンジン２を駆動源として走行またはアイドリング中であり、ステップ２において、燃料噴射信号がオフ状態になったか否かが判断される。
【００３８】
燃料噴射信号がオフ状態にされた場合には、エンジン２は非運転状態である。そして、エンジン２が非運転状態にある場合には、ステップ３においてクラッチ１０の作動が停止され、キャリア７とリングギヤ８との結合状態が解放される。その後は、モータ３によるエンジン２の始動またはコンプレッサ４の駆動が可能となる。
また、ステップ２において燃料噴射信号が出力されている場合には、エンジン２による走行またはアイドリング状態が継続される。
【００３９】
次に、ステップ１において、クラッチ１０が作動していないと判断された場合には、エンジン２の始動状態またはモータ３によるコンプレッサ４等の補機の駆動状態であるので、ステップ４において、回転センサからの信号に基づき、エンジン２の回転数が規定回転数以上であるか否かが判断される。規定回転数以下である場合には、エンジン２は停止状態、またはエンジン２を駆動源として利用することができない状態であり、モータ３によるエンジン２の始動動作またはコンプレッサ４等の補機の駆動動作が継続される。
【００４０】
ステップ４において、エンジン２が規定回転数以上であると判断された場合には、ステップ５において、燃料噴射信号がオン状態になったか否かが判断され、オフ状態である場合には、その状態が継続され、オン状態である場合には、エンジン２が運転状態となる。そして、エンジン２が運転状態である場合には、エンジン２によるコンプレッサ４の駆動等を行うために、ステップ６において、クラッチ１０が作動させられ、エンジン２、コンプレッサ４およびモータ３が直結され、エンジン２による駆動が行われる。
【００４１】
このように構成された本実施の形態に係るエンジンシステム１によれば、１つのクラッチ１０および単一のモータ３の回転方向を制御するだけで、エンジン２の始動、エンジン２の停止中のコンプレッサ４の駆動およびエンジン２によるコンプレッサ４の駆動等の運転モードを切り換えることができる。
したがって、装置構成を簡易にすることができるとともに、複雑な制御を不要とすることができる。
【００４２】
また、単一のモータ３により、エンジン２の始動とコンプレッサ４の駆動とを行うことができるので、部品点数を削減してコストの低減を図ることができる。
さらに、プラネタリ機構５を差動状態にすることにより、モータ３からのトルクを増幅してエンジン２やコンプレッサ４に伝達することができる。したがって、モータ３の小型軽量化を図ることができ、さらなるコストの低減を図ることができる。
【００４３】
また、エンジン２の停止中にも、モータ３によりコンプレッサ４を初めとする補機の駆動を行うことができるので、ハイブリッド車やアイドルストップ車において発生する運転中のエンジン停止状態においてもエアコンディショナを作動させて、自動車の室内の快適性を保持することができる。
【００４４】
また、エンジン２による走行中に、同時にモータ３を発電機として作動させることにより、電力を回生して、バッテリの充電を行うことができる。
さらに、エンジン２による走行中に、同時にモータ３を電動機として作動させることにより、エンジン２の発生トルクを補って、燃費の向上を図ることができる。
【００４５】
図１３は図１のエンジンシステムを搭載した車両における上述した運転状態ごとのクラッチやワンウェイクラッチの状態説明図である。上述したように、エンジン停止状態であって、コンプレッサ停止（ＯＦＦ）状態のときには、一体化クラッチ１０（Ｃ１）は開放（ＯＦＦ）され、モータ３は停止されている。このとき、ワンウェイクラッチ１１（Ｗ１）、ワンウェイクラッチ１３（Ｗ２）、コンプレッサクラッチ１５（Ｃ２）の状態は問わない。
【００４６】
また、エンジン停止状態であって、コンプレッサ作動（ＯＮ）状態のときには、Ｃ１は開放（ＯＦＦ）され、Ｗ１はフリー、Ｗ２はロック、Ｃ２は締結（ＯＮ）されている。そして、モータ３は逆転して電動を行い、モータ３によりコンプレッサ４を作動させる。
また、エンジン始動状態のときには、Ｃ１は開放（ＯＦＦ）され、Ｗ１はロック、Ｗ２はフリーとされている。そして、モータ３は正転して電動を行う。このとき、Ｃ２の状態は問わない。
【００４７】
また、エンジン運転状態であって、コンプレッサＯＮ状態のときには、Ｃ１、Ｃ２はＯＮされ、Ｗ１、Ｗ２はフリーとされている。そして、モータ３は正転して電動または発電を行う。
また、エンジン運転状態であって、コンプレッサＯＦＦ状態のときには、Ｃ１はＯＮ、Ｃ２はＯＦＦされ、Ｗ１、Ｗ２はフリーとされている。そして、モータ３は正転して電動または発電を行う。
【００４８】
加えて、本実施の形態においては、エンジン２運転中の場合であっても、一体化クラッチ１０を開放した状態で、モータ３の駆動制御を行っている。以下、これについて説明する。
図７は図１のエンジンシステムを搭載した車両の走行中におけるモータ制御フローを示すフローチャートである。
まず、ステップ１０において、エンジン２が運転中であるかどうかを判断する。エンジン２が停止中と判断された場合には、ステップ１１において一体化クラッチ１０を開放して、上述したようにエンジン停止時におけるコンプレッサ制御（図４参照）やエンジン始動制御（図３参照）を行う。
【００４９】
エンジン２が運転中と判断された場合には、ステップ１３において、一体化クラッチ１０を開放すべきかどうかを判断する制御を行う。この制御については後述する。そして、ステップ１４においてステップ１３の判断結果を見て、一体化クラッチ１０を開放しない判断の場合には、ステップ１５において一体化クラッチ１０を結合して、モータ３を発電機として発電させる制御を行う（図５参照）。そして、一体化クラッチ１０を開放する判断の場合には、ステップ１７において一体化クラッチ１０を開放し、ついで、ステップ１８において車両状態に応じて最適となるようにモータ３の制御を行う。
【００５０】
図８は図７のフローチャートにおいて、一体化クラッチ１０の制御判断を示すサブフローである。まず、ステップ２０において、車両機器の運転モード判断を行う。この判断については後述する。ステップ２１において、どの運転モードかを判断して、ステップ２２〜２４のいずれかに進む。そして、ステップ２２において通常運転モードとされた場合には、ステップ２３において一体化クラッチ１０を結合する判断をして、上述した図７のフローに戻る。また、ステップ２４において発電優先モードとされた場合、ステップ２６においてコンプレッサ優先モードとされた場合には、ステップ２５において一体化クラッチ１０を開放する判断をして、上述した図７のフローに戻る。
【００５１】
図９は図８のフローチャートにおいて、車両機器の運転モード判断を示すサブフローである。まず、ステップ３０において、車両を高温放置した後に発生する急速冷房状態（クールダウン）か否かを判断する。急速冷房状態と判断した場合には、ステップ３１においてコンプレッサ優先モードとして、上述した図８のフローに戻る。
急速冷房状態でないと判断された場合には、ステップ３２において必要発電力を決定する。この必要発電力は電気負荷の作動状態や、バッテリの放電状態を監視することにより決定される。
【００５２】
次に、ステップ３３において、コンプレッサ４における負荷の推定を行う。この負荷は、例えば車両室内温度や、外気温度、蒸発器温度、エアコンブロア作動状態、凝縮器ファン作動状態、あるいは凝縮器圧力などの情報を、必要に応じて検出することにより推定可能である。この場合には、推定したコンプレッサ負荷をコンプレッサ４の軸駆動トルクに換算する。
そして、ステップ３４において、発電効率の比較判断を行う。ここでは、一体化クラッチ１０を結合して発電を行うモータ制御に対して、より高効率で発電することができるか否かを判断する。これについては図１２を用いて詳細を後述する。高効率の発電が可能な場合にはステップ３６において発電優先モードとし、また、不可能な場合にはステップ３７において通常運転モードとして、上述した図８のフローに戻る。
【００５３】
コンプレッサ優先モードについて図１０を用いて説明する。図１０はコンプレッサ優先モードにおけるプラネタリ機構の速度線図である。このとき、一体化クラッチ１０は開放状態となり、モータ３の回転数Ｎｍをエンジン２の回転数Ｎｅよりも低減すると、コンプレッサ回転数Ｎｃは、エンジン回転数Ｎｅよりも大きくなる。これにより、一体化クラッチ１０を結合状態とした場合と比較して、冷媒の圧縮流量を増加することができる。
【００５４】
すなわち、通常のコンプレッサ４の体格（一回転あたりの吐出流量）は、クールダウン状態における冷媒の圧縮流量によって決まるが、クールダウン状態のエンジン回転数Ｎｅは車両によって一意的に決まり、コンプレッサ１０の体格も、比較的大きなものとなる。クールダウン状態以外の通常状態においては、圧縮流量はそれほど必要ではないため、特にエンジンの回転数が高い場合に、コンプレッサの体格が大きいと、エネルギー損失が大きい。
また、エンジン２の回転数が高く、かつコンプレッサ４の駆動が必要なときに、一体化クラッチ１０を結合状態とすることでこれを実現する場合、必要な冷媒の圧縮流量に対して実際の圧縮流量が過剰となり、必要以上にコンプレッサ４のための仕事を消費してしまうことが考えられる。
【００５５】
本実施の形態においては、上述したコンプレッサ優先モードへの切り替えが可能であるため、コンプレッサ体格を比較的小さく設定することが可能となり、前述のような損失を最小にすることができ、ひいては燃費を向上させることができる。
なお、上記実施の形態においては、モータ３を発電機として作動させるためにモータ回転数が正となるように制御しているが、モータ３の回転数を負として電動機として駆動することにより、冷媒の圧縮流量を更に増大することが可能である。
【００５６】
発電効率の比較判断について図１２を用いて説明する。図１２はモータ（この場合は発電機として機能）２の回転数Ｎと発電トルクＴの関係を示すグラフである。同図に示したように、必要発電力Ｐは、モータ３の回転数ＮとトルクＴとの積で表現でき、両者は反比例の関係にある。通常の車両走行モードにおいては、モータの回転数はエンジン回転数Ｎｅと一致し、必要発電力Ｐとエンジン回転数Ｎｅから発電機トルクＴａが計算できる。また、モータ３の発電動作時の効率はその特性から図１２に示したように得ることができるため、モータ３の回転数Ｎ（この場合はＮｅと一致）とトルクＴ（この場合Ｔａ）とがわかれば、発電効率が求められる。例えば、通常の発電モードにおいて、必要発電力Ｐが得られる点Ｑでの発電効率は５０％となる。
【００５７】
この通常の発電モードに対して、一体化クラッチ１０を開放状態とすれば、モータ３の回転数Ｎをエンジン２の回転数Ｎｅと異ならせることが可能となる。
この場合において、モータ３を発電動作させるには、コンプレッサ４の負荷トルクが発電トルクの反力となる。上述したように、コンプレッサ４の駆動軸４ａの回転数がモータ３の回転数Ｎに対して略１／３に減速されているため、モータ３の発電トルクＴはコンプレッサ４の駆動軸４ａに作用するトルクの略１／３の値であるＴｍとなる。したがって、発電トルクＴｍと必要発電力Ｐから、モータ回転数Ｎｍが決まり、この場合の点Ｒでの発電効率は６０％となる。
【００５８】
したがって、この場合には、プラネタリギア作動時の伝達効率ηｇが０．８４以上であれば、発電機制御（５０％）に対してより高い効率での発電（６０×ηｇ％）が可能であるから、発電優先モードとなるように制御する。逆に、通常の発電モードの方が高い効率となる場合には、通常の発電モードとなるように制御する。
このように常に発電効率を計算しながらモータの作動点を決定することで、高い発電効率が得られる。
この判断を行うにあたっては、図１２のようなモータ３の発電効率マップを実装してその都度効率を検索してもよいが、予め作動モード自体をマップ化してもよい。
【００５９】
発電優先モードについて図１１を用いて説明する。図１１は発電優先モードにおけるプラネタリ機構の速度線図である。このとき、一体化クラッチ１０は開放状態となり、発電優先モード時におけるモータ３の回転数がＮｍとなるように、モータ３の回転数制御を行う。これにより、発電トルクは自然にＴｍに収束し、必要発電力を得ることができる。よって、通常の運転モードにおいて通常発電機制御で発電する場合と比較して、より高効率での発電が可能となり、発電に伴う損失を最小にすることができ、ひいては燃費を向上させることができる。
【００６０】
また、上記実施の形態においては、エンジン２、モータ３およびコンプレッサ４を同軸に配する場合を示しているが、エンジン２の出力軸２ａを一対のプーリ（図示せず）と、これらのプーリに掛け渡されたベルト（図示せず）を介してプラネタリ機構５のキャリア７に接続することにしてもよい。これによれば、エンジン２の出力軸２ａに沿う方向の長さ寸法を低減することができる。したがって、スペースに制限のあるエンジンルーム内に設置することができる。
なお、プーリ・ベルトに代えて、一対のギヤを介してエンジン２の出力軸２ａをキャリア７に接続することにしても、同様の効果を得ることができる。
【００６１】
また、上記実施の形態においては、コンプレッサ４の駆動軸４ａやエンジン２の出力軸２ａにコンプレッサクラッチ１５を設けて、このクラッチ１５の接続、切断により、コンプレッサ４の駆動、非駆動を選択することができるようにしたが、このクラッチ１５は必須ではない。
【００６２】
また、上記実施の形態においては、補機として、エアコンディショナのコンプレッサ４を例に挙げて説明したが、これに代えて、または、これとともに、他の補機、例えば、パワーステアリング用ポンプ、自動変速機用オイルポンプあるいはブレーキ用負圧ポンプ等を駆動することにしてもよい。
【００６３】
また、上記実施の形態においては、プラネタリ機構５のサンギヤ６にモータ３の出力軸３ａ、キャリア７にエンジン２の出力軸２ａ、リングギヤ８にコンプレッサ４の駆動軸４ａをそれぞれ接続することとしたが、これに代えて、プラネタリ機構５のサンギヤ６にコンプレッサ４の駆動軸４ａを接続し、リングギヤ８にモータ３の出力軸３ａをそれぞれ接続することにしてもよい。
なお、この発明は、上記の構造に限定されるものではなく、プラネタリ機構５のサンギヤ６、キャリア７およびリングギヤ８のいずれかに、エンジン２の出力軸２ａ、モータ３の出力軸３ａまたはコンプレッサ４の駆動軸４ａのいずれかを一対一に接続する他の組合せも可能である。
【００６４】
また、上記実施の形態においては、エンジン２によるコンプレッサ４の駆動を可能とするために、エンジン２の出力軸２ａに接続されたキャリア７と、コンプレッサ４の駆動軸４ａに接続されたリングギヤ８とをクラッチ１０からなる結合手段によって一体化させることとしたが、これに代えて、サンギヤ６とキャリア７またはサンギヤ６とリングギヤ８のいずれかを一体化させることにしても、結果としてサンギヤ６、キャリア７およびリングギヤ８の３つの要素を一体化させることとなるので、同等の効果を得ることができる。また、サンギヤ６とキャリア７とリングギヤ８とを同時に一体化させることにしてもよい。
【００６５】
また、上記実施の形態においては、プラネタリ機構５として、キャリア７に単列のピニオンギヤ９が保持されたシングルプラネタリ機構を採用することとしたが、これに代えて、キャリア７に２列以上のピニオンギヤ（図示せず）が保持された他の任意のプラネタリ機構を採用することにしてもよい。
【００６６】
また、上記実施の形態では、コンプレッサ４の駆動軸４ａおよびエンジン２の出力軸２ａの逆転を防止する回転方向規制手段として、構造が簡単で制御の不要なワンウェイクラッチ１１，１３を採用したが、これに限定されるものではなく、制御信号により切り換え可能なクラッチやブレーキを採用することにしてもよい。
【００６７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明は以下の効果を奏する。
（１） プラネタリ機構の３つの要素を利用して、単一のモータによるエンジンの始動およびエンジン停止中の補機の駆動を行うことができる。また、エンジンによる補機の駆動、モータを発電機として利用することによる発電、モータによるエンジンのアシスト等をも行うことができる。
したがって、最小限のモータ数で、上述した種々の動作モードを達成できる簡易な装置を提供することができ、コストの低減を図ることができるという効果を奏する。
加えて、エンジンの回転数に制限されずに補機やモータが所望の状態となるように制御することが可能となり、車両の運転状態に応じて適した制御を行うことが可能となるという効果を奏する。
（２） 補機の回転数をエンジンの回転数に制限されずに増加させることが可能となり、補機を優先して駆動させることが可能となる。これにより、補機の体格をエンジンの回転数を基準にして設計する必要がなくなるため、補機の小型化や軽量化を図ることができ、ひいては燃費の向上を図ることが可能となるという効果を奏する。
（３） エンジンの回転数に制限されずにモータの回転数を発電効率の高い回転数に制御することが可能となり、発電効率を高めることが可能となるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係るエンジンシステムの構成を示す模式図である。
【図２】 図１のエンジンシステムに備えられたプラネタリ機構の３つの要素の位置関係を示す模式図である。
【図３】 図１のエンジンシステムのエンジン始動時におけるプラネタリ機構の３つの要素の速度を示す速度線図である。
【図４】 図１のエンジンシステムのエンジン停止・補機駆動時におけるプラネタリ機構の３つの要素の速度を示す速度線図である。
【図５】 図１のエンジンシステムのエンジンによる補機駆動時におけるプラネタリ機構の３つの要素の速度を示す速度線図である。
【図６】 図１のエンジンシステムを搭載した車両の走行中におけるエンジンシステムの制御フローを示すフローチャートである。
【図７】 図１のエンジンシステムを搭載した車両の走行中におけるモータ制御フローを示すフローチャートである。
【図８】 図７のフローチャートにおいて、一体化クラッチの制御判断を示すサブフローである。
【図９】 図８のフローチャートにおいて、車両機器の運転モード判断を示すサブフローである。
【図１０】 図１のエンジンシステムのコンプレッサ優先モードにおけるプラネタリ機構の３つの要素の速度を示す速度線図である。
【図１１】 図１のエンジンシステムの発電優先モードにおけるプラネタリ機構の３つの要素の速度を示す速度線図である。
【図１２】 モータの回転数と発電トルクの関係を示すグラフである。
【図１３】 図１のエンジンシステムを搭載した車両における運転状態ごとのクラッチやワンウェイクラッチの状態説明図である。
【符号の説明】
１ エンジンシステム
２ エンジン
２ａ エンジンの出力軸
３ モータ
３ａ モータの出力軸
４ コンプレッサ（補機）
４ａ 駆動軸
５ プラネタリ機構
６ サンギヤ（要素）
７ キャリア（要素）
８ リングギヤ（要素）
９ ピニオンギヤ
１０ （一体化）クラッチ（結合手段）
１１，１３ ワンウェイクラッチ（回転方向規制手段）
１５ （コンプレッサ）クラッチ（結合手段）

Claims (4)

1. エンジンと、モータと、補機とを備えるとともに、
   エンジンの出力軸、モータの出力軸または補機の駆動軸のいずれかをそれぞれ接続した、サンギヤ、キャリアおよびリングギヤからなる３つの要素を有するプラネタリ機構と、
   該プラネタリ機構の２つ以上の要素を一体化可能な結合手段と、
   前記補機の駆動軸の回転方向を一方向に規制する回転方向規制手段とを備え、
   前記一体化可能な結合手段を開放した状態で、モータの駆動制御を可能とし、
   前記モータの駆動制御は、前記補機を優先して駆動する場合に、モータの回転数をエンジンの回転数に対して低減させることにより行うことを特徴とするエンジンシステム。
2. 前記モータの駆動制御は、前記モータの発電を優先する場合に、モータの動作点を発電効率の高い動作点に制御することにより行うことを特徴とする請求項１に記載のエンジンシステム。
3. サンギヤ、キャリアおよびリングギヤからなる３つの要素にそれぞれ、エンジンの出力軸、モータの出力軸または補機の駆動軸のいずれかを接続したプラネタリ機構を備えるエンジンシステムの運転方法であって、
   前記補機の出力軸を静止状態に保持してモータの出力軸を一方向に回転させることにより、モータによってエンジンを始動し、
   前記エンジンの出力軸を静止状態に保持してモータの出力軸を反対方向に回転させることにより、モータによって補機を駆動し、
   前記プラネタリ機構の２つ以上の要素を一体化させることにより、エンジンによって補機を駆動し、
   前記一体化可能な結合手段を開放した状態で、モータの駆動制御を可能とすることを特徴とするエンジンシステムの運転方法。
4. サンギヤ、キャリアおよびリングギヤからなる３つの要素を有し、その内の任意の２つの要素にエンジンの出力軸と補機の駆動軸とをそれぞれ接続したプラネタリ機構と、
   該プラネタリ機構の残りの一要素に接続されたモータと、
   前記プラネタリ機構の２つ以上の要素を一体化可能な結合手段と、
   前記補機の駆動軸が接続された要素の回転方向を一方向に規制可能な回転規制手段とを備え、
   前記一体化可能な結合手段を開放した状態で、モータの駆動制御を可能とし、
   前記モータの駆動制御は、前記補機を優先して駆動する場合に、モータの回転数をエンジンの回転数に対して低減させることにより行うことを特徴とするエンジンの始動装置。

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