JP4048901B2

JP4048901B2 - 車載内燃機関による駆動システム

Info

Publication number: JP4048901B2
Application number: JP2002292266A
Authority: JP
Inventors: 重信中村
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-10-04
Filing date: 2002-10-04
Publication date: 2008-02-20
Anticipated expiration: 2022-10-04
Also published as: DE10345414B4; JP2004129431A; US7011591B2; DE10345414A1; US20040067803A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自動車に搭載される内燃機関の補機駆動システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の自動車は、車室容積の確保のためにエンジンルームが狭小化してきており、特にエンジンの回転軸方向のスペースを有効利用するために、発電機を含む複数の補機を１本の伝導ベルトのみで駆動するサーペンタイン方式の駆動方法の採用が拡大している。また、安全や快適性の向上のため、新たな電気負荷が増しており、発電機には高出力化が求めらている。これに対応すべく、発電機の体格を大きくするのに伴い、発電機の内部で界磁を形成する回転子も大きくなるので、回転子の慣性モーメントが増加する。なお、新たな電気負荷の中には、ヒーテッドウィンドシールドやヒートシータのように大きな電力を必要とする発熱負荷もあり、効率的に大電力を供給するために、電圧を従来の１４Ｖ系ではなく、例えば３倍の４２Ｖに高電圧化することが、提案されている。一方、排出ガスの低減や、燃費向上のため、使用頻度が最も高く走行距離に寄与しないアイドリング時の回転数（以下、アイドル回転数と称す）が、ますます低く設定される傾向にある。さらに、ディーゼルエンジンにおいては、排出ガス浄化のために、燃焼室内の圧力を従来よりも大幅に上昇させるコモンレール・システムの採用が増えてきた。
【０００３】
ここで、駆動プーリであるクランクプーリにはエンジンの爆発周波数に同期して回転変動が発生する。中でも、エンジンの駆動パワーがまだ小さく不安定であるアイドリング時には、この回転変動が他の回転域よりも大きくなる。よって、前述のように、排出ガスの低減や燃費向上のためにアイドル回転数が低下すると、エンジン回転がさらに不安定となり、回転変動が増加する。この時、回転変動によって各補機類の慣性トルクが変化し、これに伴いベルトの張力変化が増加する。特に、発電機は、他の補機に比べてベルトの張力変化の増加への影響が大きい。何故なら、前述のように出力向上のため慣性モーメントが増加する傾向にあり、しかもプーリ比が高いので回転加速度も大きく、慣性モーメントと回転加速度との積である慣性トルクの変動の増大が大きいからである。そして、ベルトの張力変化が大きくなると、ベルトのばたつきやベルトとプーリ間の滑りが発生し、異音やベルト寿命の低下という問題が発生する。また、通常のサーペンタイン駆動系に用いられているオートテンショナーが、ベルトの張力を一定に保持しようとして大きく揺動し、このため付近の補機に干渉することによって生ずる異音や破損という問題も発生する。特に、ディーゼルエンジンにおいては、前述の通り、燃焼室の圧力変化がより大きくなる傾向なので、回転変動がさらに増加し、上記の問題はより顕著に現れる。
【０００４】
これに対し、発電機の駆動プーリに、一方向にのみ回転駆動力を伝達する１方向クラッチを採用する構造が示されている。この１方向クラッチは、エンジンの回転数が下降している時にクラッチが切れて回転子とプーリが切り離され、回転上昇時にはプーリが回転子の回転数に等しい回転数に上昇するまでクラッチが切れた状態を維持する。これにより、クラッチが切れている時には、発電機の回転子の慣性トルクがプーリに伝達されなくなるので、ベルト張力の変動を低減できるという効果が得られる（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、高電圧負荷に給電するための発電機を、従来電圧に給電する発電機とは別に設け、相互の電力のやりとりを可能とする電圧変換回路を持つものもある（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特公平７−７２５８５号公報（第５欄第３０行から第３９行、第４図）
【特許文献２】
特開２００１−３０９５７４号公報（[０００６]、[０００７]、図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に示された１方向クラッチは、ローラやスプラグなどの中間部材がかみ合うことでプーリと回転子との間のトルク伝達と遮断を行う複雑な構造を有しており、クラッチ断続時に各構成部品に相当量の応力が繰り返し作用する。一方、アイドル回転数の低速化に対応して、低速から発電機の出力を向上させることが求められており、これを達成するための簡便かつ有力な方策は、プーリ比を高めることである。この場合、プーリ径の小径化が必要になる。プーリの軸長を長くすることは、サーペンタイン駆動化による軸長短縮のメリットに反する。以上より、１方向クラッチを小型化しようとすると、過酷な使用条件にさらされる発電機での耐久寿命とのトレードオフの関係にあるのが現状である。すなわち、クラッチプーリを小径化すると内蔵されるクラッチ部を小型化しなければならず、疲労寿命低下や封入グリース量低下などによる耐久性低下が問題となる。また、エンジンルームの狭小化に対して、発電機の体格の増加によって、搭載の難しさが高まるという問題もある。
【０００８】
また、特許文献２には、２台の発電機を搭載していることは示されているが、これをベルトの張力変動の低減のために使う思想は無く、当然ながらそのための制御方法の記載も無い。
【０００９】
以上の状況に鑑み、本願発明の目的は、クラッチプーリを使用せずにエンジンの回転変動に伴う慣性トルク変動によるベルトの張力変化を低減し、かつ発電機の搭載性を向上する駆動システムを提供するものである。さらに、高電圧の電気負荷にも対応することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１によれば、車載された内燃機関が複数の補機を１本のベルトによって駆動する駆動システムにおいて、前記ベルトは少なくともオートテンショナーと２つの車両用発電機のプーリに連架され、第１の車両用発電機は、前記内燃機関の回転変動によって生ずるベルト張力の変化を低減する発電トルクを発生する様に回転子の励磁電流を制御し、第２の車両用発電機は、通常の車両用電気負荷の電力需要に応じて出力する様に回転子の励磁電流を制御していることを特徴としている。これにより、通常の発電を継続しつつ、ベルト張力の変化によって生ずる異音やベルト寿命低下およびオートテンショナーの揺動を低減することができる。前記第１の車両用発電機は、前記第２の車両用発電機よりも、オートテンショナーのプーリに近い位置にプーリを持つことを特徴としている。これにより、オートテンショナーに掛かるベルトの張力変化をより低減できるので、オートテンショナーの揺動による異音や破損などの不具合を防止する効果を、さらに高めることができる。
【００１１】
請求項２によれば、請求項１に記載した駆動システムにおいて、前記第１の車両用発電機の励磁電流の制御装置は、前記回転子の平均回転数が所定値範囲の時に前記発電トルクを制御し、前記平均回転数が前記所定値範囲を越える時に前記第２の車両用発電機の発電電圧よりも高電圧の電力を制御することを特徴としている。これにより、ベルト張力の変化が大きい回転域において張力変化を低減し、それ以外の回転域では消費電力の大きい高電圧負荷に安定して給電することができる。
【００１２】
請求項３によれば、請求項２に記載した駆動システムにおいて、前記所定値はアイドリング時の前記第１の車両用発電機の回転数範囲にあることを特徴としている。これにより、回転変動の大きいアイドリング時のベルト張力の変化を低減し、この時の異音やベルト寿命低下やオートテンショナーの揺動を低減できる。
【００１４】
請求項４によれば、請求項２もしくは３に記載した駆動システムにおいて、前記第１の車両用発電機の励磁電流の制御装置は、前記回転子の瞬時回転数が所定値を越えた時に前記発電機の通常の定格出力電圧よりも高い電圧を有する電源から励磁電流を供給し、前記瞬時回転数が前記所定値以下となった時に前記高電圧電源からの励磁電流供給を停止し環流回路を通じて前記励磁電流を減衰させることを特徴している。これにより、ベルト張力の変化を低減するように、よりタイミングよく発電トルクを制御することができる。
【００１５】
請求項５によれば、請求項４に記載した駆動システムにおいて、前記第２の車両用発電機の出力回路中の負荷は、平均回転数が前記所定値範囲の時に、熱負荷のみであることを特徴としている。これにより、ベルト張力の変化の低減を第１の車両用発電機が行っている時に、発電トルク制御のための大きな出力変化によって電圧変動が発生しても、電気負荷への影響を軽減できる。
【００１６】
請求項６によれば、請求項１に記載した駆動システムにおいて、前記オートテンショナーの揺動量を検知する手段を有し、前記第１の車両用発電機の励磁電流の制御装置は、前記揺動量が所定値を越えた時に前記発電トルクを制御することを特徴としている。これにより、オートテンショナーの揺動による不具合を、より確実に防止できる。
【００１７】
【発明の第一実施例】
図１から図４に本発明の第一実施例の駆動システムの構成、および動作説明図を示す。
【００１８】
図１において、第１の発電機１のプーリ１０、第２の発電機２のプーリ２０、プーリ１０に隣に配置してあるオートテンショナー３のプーリ３０、駆動源のクランクプーリ４０、ウォーターポンププーリ５０、エアーコンディショナーのコンプレッサプーリ６０が、１本のベルト３１によって連架されたサーペンタイン駆動のレイアウトが示してある。第１の発電機１は４２Ｖ系のバッテリーや電気負荷に給電し、第２の発電機２は従来の１４Ｖ系のバッテリーや電気負荷に給電している。２台の発電機で従来の１台の発電機と同等な供給電力を満足すればよいので、発電機１、発電機２の体格は、図６に示した従来レイアウトの１台のみの発電機２ａよりも小さい体格でよい。よって、発電機内部の回転子の慣性モーメントも小さくできる。また、小体格化により、エンジンへの搭載の自由度が増し、軽量化ともあいまって搭載性が向上する。
【００１９】
第１の発電機１の構成について、図２に従い説明する。発電機１を構成する主なものは、電機子コイル１１、電機子コイル１１の交流出力を直流に変換する整流器１２、電機子コイル１１に交番磁束を鎖交させる回転子の磁極（図示せず）を磁化させるための界磁コイル１３、パワートランジスタ１４によって界磁コイル１３への通電を断続して発電を制御する制御装置１５である。制御装置１５は、回転数が変動している時に回転子の慣性トルクを低減することによってベルト張力変化を低減する制御を併せ持つ。ダイオード１６とリレー７２付き抵抗１５とが直列接続されたものが、界磁コイル１３と並列に配置されている。リレー７１は、界磁コイル１３に励磁電流を供給する電源を、４２Ｖ系バッテリー８か、昇圧装置９１によるさらに高電圧な端子かの、いずれかを排他的に接続する。
【００２０】
発電機１の出力線に接続される４２Ｖ系負荷７００には、大きな電力を必要とするヒートシータやヒーテッドウィンドシールドや電動パワーステアリング、さらには電磁バルブなどが考えられる。また、エンジン爆発によって変動する回転数から平均値を求め、この平均値ωと所定値ω０を比較して、リレー７１，７２や、制御装置１５に信号を送る切り替え装置７０が搭載してある。
【００２１】
以下に動作を説明する。図２には、回転平均値ωが所定値ω０（例えばアイドル回転数）を下回り、回転変動が大きくなる時に、発電機の回転子の慣性トルクの変動を低減するように発電制御をする状態が示されている。切り替え装置７０からの信号を受け、リレー７１は昇圧装置９１との接続側がオンし、リレー７２がオフとなる。また、制御装置１５は、切り替え装置７０からの信号を受け取ると、図３に示すタイミングで、パワートランジスタ１４をオン、オフする。すなわち、瞬時回転数が平均値ωａｖｅ以上の時はオン、ωａｖｅを下回る時はオフとしている。パワートランジスタ１４をオンすると、界磁コイル１３には昇圧装置９１からの高電圧が印可されるので、発電の立ち上がりをより迅速にできる。一方、パワートランジスタ１４をオフすると、界磁コイル１３の電流はダイオード１６と抵抗１５との閉回路内を環流するので、抵抗１５の無い場合に比べてより発電の減衰を迅速にできる。以上によって、図３に示すように回転変動による回転子の慣性トルク変動を低減するように発電トルクを制御することができるので、ベルト張力の変化を波線ｂから実線ａへと低減できる。なお、前述の通り、慣性モーメントを従来の１台の発電機よりも、小さくできるので、慣性モーメントと角加速度の積である慣性トルク自体の大きさを小さくでき、ベルト張力の変化をより低減しやすくなる。また、この発電機１によるトルク制御の時に、出力電流も大きく変化をするので、４２Ｖ系の供給電圧が多少変動するが、発電機２による従来の１４Ｖ系の負荷への影響は無い。つまり、ランプ類での明暗などの影響は無い。さらに、この発電トルク制御をおこなう発電機１は、発電機２よりもオートテンショナーに近い位置に配置されるので、ベルト張力変化によるオートテンショナー揺動の低減をより効果的に実現できる。
【００２２】
回転平均値ωが所定値ω０以上になると、図４に示すように、切り替え装置７０からの信号により、リレー７１はバッテリー８との接続側がオンし、リレー７２はオンとなり、制御装置１５は４２Ｖ系の発電機として、通常の電圧制御を行う。
【００２３】
【その他の実施例】
４２Ｖ系の電気負荷のうち、図５に示す様に、ヒートシータなどの熱負荷７３０と、電動パワステなどの負荷７４０に区別し、負荷７４０にはリレー７４を接続し、切り替え装置７０からの信号によって回転平均値ω＜ω０の時のみ、リレー７４をオフするようにしてもよい。これにより、慣性トルク変動を低減する制御の時に、４２Ｖ系の電圧が変動しても熱負荷７３０のみ接続されるので機能上の問題を発生することなく、ベルトの張力変化を低減できる。
【００２４】
第一実施例では、４２Ｖ系と１４Ｖ系を独立させたが、図６に示すように、４２Ｖ系バッテリー８からは、降圧装置９２を介して、従来の１４Ｖ系へ給電するようにしてもよい。これにより、発電機１の発電量を増やすことによりトルク制御量をより大きくして、慣性トルク変動の低減効果を高めることができる。
【００２５】
第一実施例では、切り替え装置７０において、平均回転数を検知して所定回転数と比較し、ベルトの張力変化低減制御への切り替えを行ったが、オートテンショナーの揺動量を検知して切り替えてもよい。あるいは、ベルトの異音を検知して、切り替え装置７０を切り替えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一実施例の駆動システムの配置図である。
【図２】第一実施例の発電トルク制御時の回路ブロック図である。
【図３】第一実施例の発電トルク制御時の動作説明図である。
【図４】第一実施例の発電機の通常制御状態の回路ブロック図である。
【図５】その他の実施例の発電トルク制御時の回路ブロック図である。
【図６】その他の実施例の部分的な回路ブロック図である。
【図７】従来の駆動システムの配置図である。
【符号の説明】
１第１の発電機
１１電機子コイル
１２整流器
１３界磁コイル
１４パワートランジスタ
２第２の発電機
３オートテンショナー
３１ベルト
４０クランクプーリ
７０切り替え装置
７１，７２リレー

Claims

車載された内燃機関が複数の補機を１本のベルトによって駆動する駆動システムにおいて、前記ベルトは少なくともオートテンショナーと２つの車両用発電機のプーリに連架され、第１の車両用発電機は、前記内燃機関の回転変動によって生ずるベルト張力の変化を低減する発電トルクを発生する様に回転子の励磁電流を制御し、第２の車両用発電機は、通常の車両用電気負荷の電力需要に応じて出力する様に回転子の励磁電流を制御していると共に、
前記第１の車両用発電機は、前記第２の車両用発電機よりも、オートテンショナーのプーリに近い位置にプーリを持つことを特徴とする駆動システム。
請求項１に記載した駆動システムにおいて、前記第１の車両用発電機の励磁電流の制御装置は、前記回転子の平均回転数が所定値範囲の時に前記発電トルクを制御し、前記平均回転数が前記所定値範囲を越える時に前記第２の車両用発電機の発電電圧よりも高電圧の電力を制御することを特徴とする駆動システム。
請求項２に記載した駆動システムにおいて、前記所定値はアイドリング時の前記第１の車両用発電機の回転数範囲にあることを特徴とする駆動システム。
請求項２もしくは３に記載した駆動システムにおいて、前記第１の車両用発電機の励磁電流の制御装置は、前記回転子の瞬時回転数が所定値を越えた時に前記発電機の通常の定格出力電圧よりも高い電圧を有する電源から励磁電流を供給し、前記瞬時回転数が前記所定値以下となった時に前記高電圧電源からの励磁電流供給を停止し環流回路を通じて前記励磁電流を減衰させることを特徴とする駆動システム。
請求項４に記載した駆動システムにおいて、前記第１の車両用発電機の出力回路中の負荷は、平均回転数が前記所定値範囲の時に、熱負荷のみであることを特徴とする駆動システム。
請求項１に記載した駆動システムにおいて、前記オートテンショナーの揺動量を検知する手段を有し、前記第１の車両用発電機の励磁電流の制御装置は、前記揺動量が所定値を越えた時に前記発電トルクを制御することを特徴とする駆動システム。