JP4669172B2 - 可変質量フライホイール - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、低速時のエンジンの回転変動を低減するためにエンジンのクランクシャフトに取り付けられるフライホイール、特にその慣性質量を可変にしたものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、内燃機関のクランクシャフトには低速時の回転変動を低減するためのフライホイール（マスダンパ）が連結されている。フライホイールの慣性質量を大きくするほど回転変動を小さくすることができることから、フライホイールの慣性質量を増大させればアイドリング時の回転速度を下げることができ、燃費、排気性能を向上させることができる。
【０００３】
しかし、フライホイールの慣性質量を増大させた場合、加速時の回転上昇が鈍り、また、コースティング時のエンジンブレーキの利きが悪くなる等のデメリットも生じる。
【０００４】
そこで、低速時における要求と加速時、コースティング時における要求を両立するために、クランクシャフトに連結される第１のフライホイールとは別にクランクシャフトと相対回転可能な第２のフライホイールを用意しておき、電磁クラッチ等を利用して低速時にこの第２のフライホイールをクランクシャフトないし第１のフライホイールに連結する技術が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、上記従来技術では、第２フライホイールが連結される時のショックを避けることができず、連結時にショックや運転者に違和感を与える可能性があった。また、第２フライホイールが連結された後でも、エンジンのトルク変動等により電磁クラッチが微視的にすべり、フライホイールとしての機能が低下すると共に発熱を伴うという問題があった。
【０００６】
本発明は、かかる技術的課題を鑑みてなされたもので、可変質量フライホイールにおいて第２フライホイールを連結する時のショックをなくすことを目的とする。また、本発明のさらなる目的は、第２フライホイール連結時の滑りをなくし、フライホイールとしての機能をさらに向上させることである。
【０００７】
【問題点を解決するための手段】
第１の発明は、可変質量フライホイールにおいて、エンジンのクランクシャフトと一体に回転する第１フライホイールと、磁性体で構成され、前記第１フライホイールと相対回転可能な第２フライホイールと、前記第２のフライホイールと一体に回転するロータディスクと、前記ロータディスクに設けられた永久磁石と、前記ロータディスクの周囲に設けられた電磁石とで構成され、前記ロータディスクを駆動することで前記第２フライホイールの回転速度を増減する回転電機と、前記第２フライホイールの周囲に設けられたコイルと、前記エンジンの低速回転領域で前記コイルに通電することで前記第２フライホイールを前記第１フライホイールの方向に変位させ、前記第２フライホイールを前記第１フライホイールに直接連結する連結手段と、を備え、前記第１フライホイール、前記第２フライホイール、前記回転電機、及び前記連結手段は、前記クランクシャフトと同軸上に配置されており、前記第２フライホイールを前記第１フライホイールに連結するときに、前記第２フライホイールを駆動し、その回転速度が前記第１フライホイールの回転速度に一致したら連結するようにしたことを特徴とするものである。
【００１２】
第２の発明は、第１の発明におけるコイルが前記第２フライホイールよりも前記第１フライホイール側にずらして設けられることを特徴とするものである。
【００１３】
第３の発明は、第１の発明において、前記第２フライホイールと前記第１フライホイールとの対峙面に前記第２フライホイールを前記第１フライホイールに連結するときに互いに係合するドグクラッチが形成されることを特徴とするものである。
【００１４】
第４の発明は、第１の発明における連結手段が、前記エンジンの回転速度が第１の回転速度まで低下したら前記第２フライホイールを前記第１フライホイールに連結する一方、前記エンジンの回転速度が前記第１の回転速度よりも高い第２の回転速度まで上昇したら前記第１フライホイールと第２フライホイールとの連結を解除することを特徴とするものである。
【００１５】
第５の発明は、第１から第４の発明における駆動手段が、前記第１と第２のフライホイールが連結しているアイドリング時、前記第２フライホイールの回転速度が前記エンジンのアイドリング回転速度となるように第２フライホイールの回転速度を増減することを特徴とするものである。
【００１６】
【作用及び効果】
したがって、本発明に係る可変質量フライホイールにおいては、エンジン回転速度が高くなる加速時、高速走行時はエンジンのクランクシャフトには第１フライホイールのみが連結されているので、クランクシャフトまわりの慣性質量は比較的小さくなり、加速時には良好な加速性能が確保される。また、コースト時にはアクセルペダルを離したときのエンジンブレーキの利きが良くなり、高速走行時の運転性を向上させることができる。
【００１７】
これに対し、エンジン回転速度が低下しアイドリング回転速度に近づくと、エンジンのクランクシャフトには第１及び第２のフライホイールが連結されるので、クランクシャフトまわりの慣性質量は増大される。エンジン回転速度が高いほど、またクランクシャフトまわりの慣性質量が大きいほどエンジンの回転速度変動を小さくできるが、このようにクランクシャフトまわりの慣性質量を増大させることにより、回転速度変動を従来のエンジン並に抑えつつ、アイドリング時の回転速度を下げることが可能になる。
【００１８】
また、第２フライホイールを連結する際、第２フライホイールの回転速度を増減させ、第１フライホイールの回転速度（＝エンジン回転速度）と第２フライホイールの回転速度とが一致したタイミング（略一致したタイミング含む）で第２フライホイールを第１フライホイールに連結するので、連結時のショックを抑えることができる。
【００１９】
第２フライホイールの回転速度を増減させる方法としては、回転電機（モータ、ジェネレータあるいはモータジェネレータ）、例えば、第２フライホイールと一体に回転するロータディスクを設け、このロータディスクを回転電機でもって駆動する方法が考えられる。この場合、ロータディスクに永久磁石を設けるとともにロータディスクの周囲に電磁石を設け、これらをロータディスクを駆動する回転電機とすれば、コンパクトな構成でありながら第２フライホイールの回転速度を自由に調節することが可能となる。
【００２０】
また、第２フライホイールを第１フライホイールの方向に変位させて両者を連結する構成の場合、第２フライホイールを変位させる方法として、第２フライホイールを鉄等の磁性体で構成し、これを第２フライホイールの周りに設けたコイルを利用して電磁的に動かすことが考えられる。この方法よれば、任意のタイミングで第１フライホイールと第２フライホイールを連結することができ、両者の回転速度が一致したタイミングで両者を連結させることができる。この場合、コイルを第２フライホイールよりも第１フライホイール側にずらして設ければ、コイルに通電するだけでその吸引力によって第２フライホイールを第１フライホイール側に変位させることができる（第２の発明）。
【００２１】
また、第１フライホイールと第２フライホイールとの連結をドグクラッチを用いて行うようにすれば、連結時の両者間の滑りがなくなり、発熱を抑えると共にフライホイールとしての機能が低下するのを防止することができる（第３の発明）。
【００２２】
以上のような第１フライホイールと第２フライホイールとの連結はエンジンの回転速度が所定回転速度まで低下してきたときに行い、その後エンジンの回転速度が上昇してくれば、所定の回転速度まで上昇したときに第１フライホイールと第２フライホイールとの連結を解除する（第４の発明）。低速時はクランクシャフトまわりの慣性質量が大きいほどよく、加速時、高速時はクランクシャフトまわりの慣性質量が小さいほどよいが、このような制御を行うことにより、低速時における要求と加速時ないし高速時における要求を両立させることができる。
【００２３】
そして、このような第２フライホイールの連結・解除を行う場合、連結するときのエンジン回転速度よりも連結を解除するときのエンジン回転速度を高く設定することにより、連結が行われる回転速度近傍で第２フライホイールの連結、連結解除が繰り返されて運転性が悪化するのを防止することができる（第４の発明）。
【００２４】
さらに、アイドリング時、第２フライホイールの回転速度がエンジンのアイドリング回転速度となるように第２フライホイールの回転速度を増減するようにすれば、アイドリング時の回転速度変動をより一層小さなものとすることができる（第５の発明）。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
【００２６】
図１は本発明に係る可変質量フライホイールの縦断面図である。図中１は図示しないエンジンンのクランクシャフトであり、クランクシャフト１の後端は第１フライホイール１１の内周に設けられた円筒状のフライホイールハブ１２内周に嵌入されている。第１フライホイール１１はボルト１３によってクランクシャフト１の後端に結合され、クランクシャフト１と共に一体的に回転する。第１フライホイール１１の外周にはリングギヤ１１ｒが形成され、リングギヤ１１ｒには図示しないスタータモータが噛合っている。図中２はクランクシャフトをシリンダブロック３に支持するベアリング、１４はクラッチカバーである。
【００２７】
フライホイールハブ１２の外周には円筒部材１５がベアリング１６を介して回転自在に支持されており、円筒部材１５の外周のエンジン側にはロータディスク１７が焼きばめ等により一体的に強固に取り付けられている。また、エンジンのシリンダブロック３（あるいはラダービーム）のロータディスク１７に対峙する後端には、図２にも示すように３つのポール磁石１８ｕ−１８ｗがボルト２０により円周方向に等間隔に固定されており、ロータディスク１７の外周側はコイル１９ｕ−１９ｗへの通電により励磁されて電磁石となるポール磁石１８ｕ−１８ｗの開口部１８ｏに挿入されている。
【００２８】
ロータディスク１７はアルミ等の非磁性体で構成され、図２に示すように３の整数倍個の永久磁石１７ａが円周方向に等間隔かつ前記ポール磁石１８ｕ−１８ｗに対峙して埋め込まれている。永久磁石１７ａの数はここでは１２個としているが必要に応じて増減してもよい。これらロータディスク１７及びポール磁石１８ｕ−１８ｗがブラシレス直流モータを構成し、ポール磁石１８ｕ−１８ｗのコイル１９ｕ−１９ｗに周期的に変化する直流電圧を印加すれば、任意の回転速度でロータディスク１７を回転させることができる。
【００２９】
例えば、図３に示すように、コイル１９ｕには正の電圧と負の電圧をΔｔの間隔を置いて交互に２Δｔづつ印加し、コイル１９ｖ、コイル１９ｗにはコイル１９ｕに対してそれぞれ２Δｔ、４Δｔだけ遅れを持たせて同様の電圧を印加すればロータディスク１７を回転させることができる。また、Δｔを調節することでロータディスク７の回転速度を制御することができる。
【００３０】
図１に戻り、さらに構成について説明すると、円筒部材１５の第１フライホイール１１側外周には第２フライホイール２１がスプライン溝２２により軸方向に移動可能かつ円筒部材１５と相対回転不可能に嵌合している。第２フライホイール２１は鉄等の磁性体で構成され、質量を抑えつつ慣性質量を増大させるために外周側の軸方向厚が内周側の軸方向厚よりも厚くなっている。
【００３１】
また、ロータディスク１７と第２フライホイール２１とはダイアフラム型のリターンスプリング２３で連結されており、リターンスプリング２３は第２フライホイール２１が第１フライホイール１１に近づく方向に移動するときに第２フライホイール２１にシリンダブロック３側に戻そうとする力を作用させる。また、リターンスプリング２３はロータディスク１７と第２フライホイール２１の相対回転を規制する働きもする。ロータディスク１７と円筒部材１５も相対回転不可能になっていることから、円筒部材１５、ロータディスク１７及び第２のフライホイール２１は一体となって回転する。
【００３２】
また、第２フライホイール２１の外側には、その外周を取り囲むように大型のコイル２４が第２フライホイール２１に対し軸方向に第１フライホイール１１側にε1だけオフセットして設けられている。コイル２４は取付用ボルト２５によりシリンダブロック３の一部に固定される。
【００３３】
コイル２４のオフセット量ε1は第１フライホイール１１と第２フライホイール２１との隙間ε2に等しく設定されており、また、図４、図５に示すように第２フライホール２１の第１のフライホイール１１との対向面には複数のドグクラッチ２６が円周方向に互いに噛合い可能な状態に形成されているので、コイル２４に通電し第２フライホイール２１がリターンスプリング２３の復元力に対抗して第１フライホイール１１方向に移動すると、第１フライホイール１１と第２フライホイール２１とがドグクラッチ２６により連結される。
【００３４】
コイル２４への通電を遮断すれば第２フライホイール２１はリターンスプリング２３の復元力によってシリンダブロック３側に引き戻され、ドグクラッチ２６が解放されて第１フライホイール１１と第２フライホイール２１の連結が解除される。ドグクラッチ２６解放後は第２フライホイール２１は第１フライホイール１１、クランクシャフト１から独立してフライホイールハブ１２上で自由に回転する。
【００３５】
このような第２フライホイール１１の制御はコントロールユニット３０において行われる。コントロールユニット３０にはスロットル開度信号やエンジン回転速度信号（エンジン回転パルス）等が入力され、運転状態に応じて第２フライホイール２１の回転速度制御、第１フライホイール１１と第２フライホイール２１の連結・解放を行う。
【００３６】
具体的には、走行中、スロットル開度が小さくなり、エンジン回転速度がアイドリング回転速度よりも若干高い所定の回転速度（例えば、７００ｒｐｍ）以下まで下がったと判断すると、ポール磁石１８ｕ−１８ｗのコイル１９ｕ−１９ｗに図３に示したような電圧を印加し、図３のΔｔを減少させていくことでロータディスク１７の回転速度を上昇させる。上述の通りロータディスク１７と第２フライホイール２１とは円筒部材１５及びリターンスプリング２３を介して回転方向に拘束されているため、ロータディスク１７の回転速度の増大に伴い第２フライホイール２１の回転速度も上昇する。一方、第２フライホイール２１が第１フライホイール１１よりも高い回転速度で回転している場合は、コイル１９ｕから１９ｗで第２フライホイール２１の回転エネルギーを回生し、第２フライホイール２１の回転速度を低下させる。
【００３７】
そして、ロータディスク１７及び第２フライホイール２１の回転速度が第１フライホイール１１の回転速度と一致したところ（Δｔがエンジン回転速度に対応する値となったところ、あるいは回生電力がゼロになったところ）でコイル２４に通電し、リターンスプリング２３の復元力に対抗して第２フライホイール２１を第１フライホイール１１に近づく方向に変位させる。この結果、ドグクラッチ２６が締結され、第１フライホイール１１と第２フライホイール２１は一体となって回転する。
【００３８】
第２フライホイール２１が第１フライホイール１１に連結されればクランクシャフト１まわりの慣性質量が増大するので、エンジン回転速度を従来のアイドリング速度よりも極端に低い速度（例えば、４００ｒｐｍ）でも安定して回転を維持することができる。これは、エンジンの回転速度変動率δは、慣性質量をＩ、回転角速度をωm（平均値）、トルクの瞬間値をＴ、トルクの平均値Ｔmとすれば、次式、
【００３９】
【数１】
により表すことが知られており、慣性質量Ｉを増大させば、回転速度変動率δを増大させずに回転角速度ωmを下げることができるからである。
【００４０】
例えば、第２フライホイール２１を第１フライホイール１１に連結することにより慣性質量が２倍になるとすれば、回転速度変動率を従来並に抑えつつアイドリング時の回転速度を半分に下げることができる。アイドリング時の回転速度を下げることができれば、エンジン各部位のフリクションロス（摩擦損失）が減るため回転を維持するエネルギーが少なくて済み、その分燃費が改善されるとともに、排気の総量が減るのでエミッション排出量も低減することができる。
【００４１】
なお、アイドリング時の回転速度をさせるとオルタネータ、エアコンのコンプレッサ等の回転速度も低下するが、プーリー比を適切に設定することにより発電量、エアコン性能の低下を防止することができる。
【００４２】
また、本発明によれば第２フライホイール２１を第１フライホイール１１に連結する際に両者の回転速度を一致させてから連結させるので、連結時のショックが生じず、運転者に違和感を与えるのを防止することができる。さらに、第１フライホイール１１と第２フライホイール２１とはドグクラッチ２６により連結されるので、連結中に両者間に滑りが生じることはなく、滑りによる発熱、磨耗を抑えることができる。
【００４３】
さらに、第２フライホイール２１連結後のアイドリング時においてもコイル１９ｕ−１９ｗに通電し、第２フライホイール２１をアイドリング回転速度で回転駆動すれば、アイドリング時の回転変速度動をさらに安定させることができる。あるいは、アイドリング回転速度よりもエンジンの回転速度が高いときは第２フライホイール２１で回転エネルギーを回生して回転速度を下げ、アイドリング回転速度よりもエンジンの回転速度が低いときは第２フライホイール２１を駆動して回転速度を上昇させるようにすれば、より一層アイドリング時の回転速度変動を抑えることができる。
【００４４】
次に、この第２フライホイール２１を連結した状態から、運転者がアクセルペダルを踏み込み（スロットル開度を増大させ）、エンジンの回転速度が上昇してくると、コントロールユニット３０はエンジンの回転速度が前記所定の回転速度あるいは所定の回転速度よりも若干高い回転速度（例えば７５０ｒｐｍ）に達したタイミングでコイル２４への通電を遮断し、第２フライホイール２１を第１フライホイール１１から切り離す。解放時の回転速度を締結時の回転速度よりも若干高めに設定してヒステリシスを持たせているのは、前記所定の回転速度近傍で運転しているときに第２フライホイール２１の連結・解放が頻繁に繰り返されるのを防止するためである。
【００４５】
フライホイールの慣性質量は低速ギア時には車両重量にも匹敵するが、第２フライホイール２１を切り離すことにより、クランクシャフト１まわりの慣性質量を減らすことができ、加速性能を向上させて加速時の燃費を改善することができる。また、第１フライホイール１１の回転エネルギーが小さいためエンジンブレーキの利きがよくなり、コースティング時の運転性を向上させることができる。
【００４６】
なお、上記実施例では、ロータディスク１７（第２フライホイール２１）を永久磁石１７ａとポール磁石１８を用いて回転駆動しているが、永久磁石１７ａ、ポール磁石１８の数、配置等はここで示したものと異なっていてもよい。例えば、ポール磁石１８の数を増やせば、ロータディスク１７の駆動トルク、最大回転速度を増大させることができる。
【００４７】
また、ロータディスク１７を駆動する方式は他の方式であっても良く、例えば、モータをロータディスク１７に隣接して設け、このモータを利用してロータディスク１７を駆動するようにしてもよい。
【００４８】
また、第２フライホイール２１を第１フライホイール１１に連結する際に両者の回転速度を一致させてから連結しているが、厳密に回転速度が一致していなくても回転速度が略一致していれば連結時のショック低減に効果があることは自明のことである。
【００４９】
また、第２フライホイール２１の回転速度が第１フライホイール１１の回転速度と一致するタイミングをΔｔから判断しているが、ロータディスク１７あるいは第２フライホイール２１の回転速度をセンサにより直接検出して判断したり、コイル１９ｕ−１９ｗに生じる誘導起電力から判断したりするようにしても構わない。
【００５０】
さらに、上記実施例は手動変速機を備えたエンジンに適用した場合を示しているが、本発明は自動変速機を備えたエンジンにも勿論適用することができ、この場合、図１の第１フライホイール１１はドライブプレート、クラッチカバー１４はトルクコンバータにそれぞれ置き換わることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る可変質量フライホイールの断面図である。
【図２】ロータディスク及びポール磁石の平面図である。
【図３】コイルに印加される電圧の様子を示したタイムチャートである。
【図４】第２フライホイールの平面図である。
【図５】図４のＡ−Ａ断面図である。
【符号の説明】
１ クランクシャフト
３ シリンダブロック
１１ 第１フライホイール
１７ ロータディスク
１７ａ 永久磁石
１８ ポール磁石
２４ コイル
２６ ドグクラッチ
２１ 第２フライホイール
３０ コントロールユニット
【産業上の利用分野】
本発明は、低速時のエンジンの回転変動を低減するためにエンジンのクランクシャフトに取り付けられるフライホイール、特にその慣性質量を可変にしたものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、内燃機関のクランクシャフトには低速時の回転変動を低減するためのフライホイール（マスダンパ）が連結されている。フライホイールの慣性質量を大きくするほど回転変動を小さくすることができることから、フライホイールの慣性質量を増大させればアイドリング時の回転速度を下げることができ、燃費、排気性能を向上させることができる。
【０００３】
しかし、フライホイールの慣性質量を増大させた場合、加速時の回転上昇が鈍り、また、コースティング時のエンジンブレーキの利きが悪くなる等のデメリットも生じる。
【０００４】
そこで、低速時における要求と加速時、コースティング時における要求を両立するために、クランクシャフトに連結される第１のフライホイールとは別にクランクシャフトと相対回転可能な第２のフライホイールを用意しておき、電磁クラッチ等を利用して低速時にこの第２のフライホイールをクランクシャフトないし第１のフライホイールに連結する技術が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、上記従来技術では、第２フライホイールが連結される時のショックを避けることができず、連結時にショックや運転者に違和感を与える可能性があった。また、第２フライホイールが連結された後でも、エンジンのトルク変動等により電磁クラッチが微視的にすべり、フライホイールとしての機能が低下すると共に発熱を伴うという問題があった。
【０００６】
本発明は、かかる技術的課題を鑑みてなされたもので、可変質量フライホイールにおいて第２フライホイールを連結する時のショックをなくすことを目的とする。また、本発明のさらなる目的は、第２フライホイール連結時の滑りをなくし、フライホイールとしての機能をさらに向上させることである。
【０００７】
【問題点を解決するための手段】
第１の発明は、可変質量フライホイールにおいて、エンジンのクランクシャフトと一体に回転する第１フライホイールと、磁性体で構成され、前記第１フライホイールと相対回転可能な第２フライホイールと、前記第２のフライホイールと一体に回転するロータディスクと、前記ロータディスクに設けられた永久磁石と、前記ロータディスクの周囲に設けられた電磁石とで構成され、前記ロータディスクを駆動することで前記第２フライホイールの回転速度を増減する回転電機と、前記第２フライホイールの周囲に設けられたコイルと、前記エンジンの低速回転領域で前記コイルに通電することで前記第２フライホイールを前記第１フライホイールの方向に変位させ、前記第２フライホイールを前記第１フライホイールに直接連結する連結手段と、を備え、前記第１フライホイール、前記第２フライホイール、前記回転電機、及び前記連結手段は、前記クランクシャフトと同軸上に配置されており、前記第２フライホイールを前記第１フライホイールに連結するときに、前記第２フライホイールを駆動し、その回転速度が前記第１フライホイールの回転速度に一致したら連結するようにしたことを特徴とするものである。
【００１２】
第２の発明は、第１の発明におけるコイルが前記第２フライホイールよりも前記第１フライホイール側にずらして設けられることを特徴とするものである。
【００１３】
第３の発明は、第１の発明において、前記第２フライホイールと前記第１フライホイールとの対峙面に前記第２フライホイールを前記第１フライホイールに連結するときに互いに係合するドグクラッチが形成されることを特徴とするものである。
【００１４】
第４の発明は、第１の発明における連結手段が、前記エンジンの回転速度が第１の回転速度まで低下したら前記第２フライホイールを前記第１フライホイールに連結する一方、前記エンジンの回転速度が前記第１の回転速度よりも高い第２の回転速度まで上昇したら前記第１フライホイールと第２フライホイールとの連結を解除することを特徴とするものである。
【００１５】
第５の発明は、第１から第４の発明における駆動手段が、前記第１と第２のフライホイールが連結しているアイドリング時、前記第２フライホイールの回転速度が前記エンジンのアイドリング回転速度となるように第２フライホイールの回転速度を増減することを特徴とするものである。
【００１６】
【作用及び効果】
したがって、本発明に係る可変質量フライホイールにおいては、エンジン回転速度が高くなる加速時、高速走行時はエンジンのクランクシャフトには第１フライホイールのみが連結されているので、クランクシャフトまわりの慣性質量は比較的小さくなり、加速時には良好な加速性能が確保される。また、コースト時にはアクセルペダルを離したときのエンジンブレーキの利きが良くなり、高速走行時の運転性を向上させることができる。
【００１７】
これに対し、エンジン回転速度が低下しアイドリング回転速度に近づくと、エンジンのクランクシャフトには第１及び第２のフライホイールが連結されるので、クランクシャフトまわりの慣性質量は増大される。エンジン回転速度が高いほど、またクランクシャフトまわりの慣性質量が大きいほどエンジンの回転速度変動を小さくできるが、このようにクランクシャフトまわりの慣性質量を増大させることにより、回転速度変動を従来のエンジン並に抑えつつ、アイドリング時の回転速度を下げることが可能になる。
【００１８】
また、第２フライホイールを連結する際、第２フライホイールの回転速度を増減させ、第１フライホイールの回転速度（＝エンジン回転速度）と第２フライホイールの回転速度とが一致したタイミング（略一致したタイミング含む）で第２フライホイールを第１フライホイールに連結するので、連結時のショックを抑えることができる。
【００１９】
第２フライホイールの回転速度を増減させる方法としては、回転電機（モータ、ジェネレータあるいはモータジェネレータ）、例えば、第２フライホイールと一体に回転するロータディスクを設け、このロータディスクを回転電機でもって駆動する方法が考えられる。この場合、ロータディスクに永久磁石を設けるとともにロータディスクの周囲に電磁石を設け、これらをロータディスクを駆動する回転電機とすれば、コンパクトな構成でありながら第２フライホイールの回転速度を自由に調節することが可能となる。
【００２０】
また、第２フライホイールを第１フライホイールの方向に変位させて両者を連結する構成の場合、第２フライホイールを変位させる方法として、第２フライホイールを鉄等の磁性体で構成し、これを第２フライホイールの周りに設けたコイルを利用して電磁的に動かすことが考えられる。この方法よれば、任意のタイミングで第１フライホイールと第２フライホイールを連結することができ、両者の回転速度が一致したタイミングで両者を連結させることができる。この場合、コイルを第２フライホイールよりも第１フライホイール側にずらして設ければ、コイルに通電するだけでその吸引力によって第２フライホイールを第１フライホイール側に変位させることができる（第２の発明）。
【００２１】
また、第１フライホイールと第２フライホイールとの連結をドグクラッチを用いて行うようにすれば、連結時の両者間の滑りがなくなり、発熱を抑えると共にフライホイールとしての機能が低下するのを防止することができる（第３の発明）。
【００２２】
以上のような第１フライホイールと第２フライホイールとの連結はエンジンの回転速度が所定回転速度まで低下してきたときに行い、その後エンジンの回転速度が上昇してくれば、所定の回転速度まで上昇したときに第１フライホイールと第２フライホイールとの連結を解除する（第４の発明）。低速時はクランクシャフトまわりの慣性質量が大きいほどよく、加速時、高速時はクランクシャフトまわりの慣性質量が小さいほどよいが、このような制御を行うことにより、低速時における要求と加速時ないし高速時における要求を両立させることができる。
【００２３】
そして、このような第２フライホイールの連結・解除を行う場合、連結するときのエンジン回転速度よりも連結を解除するときのエンジン回転速度を高く設定することにより、連結が行われる回転速度近傍で第２フライホイールの連結、連結解除が繰り返されて運転性が悪化するのを防止することができる（第４の発明）。
【００２４】
さらに、アイドリング時、第２フライホイールの回転速度がエンジンのアイドリング回転速度となるように第２フライホイールの回転速度を増減するようにすれば、アイドリング時の回転速度変動をより一層小さなものとすることができる（第５の発明）。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
【００２６】
図１は本発明に係る可変質量フライホイールの縦断面図である。図中１は図示しないエンジンンのクランクシャフトであり、クランクシャフト１の後端は第１フライホイール１１の内周に設けられた円筒状のフライホイールハブ１２内周に嵌入されている。第１フライホイール１１はボルト１３によってクランクシャフト１の後端に結合され、クランクシャフト１と共に一体的に回転する。第１フライホイール１１の外周にはリングギヤ１１ｒが形成され、リングギヤ１１ｒには図示しないスタータモータが噛合っている。図中２はクランクシャフトをシリンダブロック３に支持するベアリング、１４はクラッチカバーである。
【００２７】
フライホイールハブ１２の外周には円筒部材１５がベアリング１６を介して回転自在に支持されており、円筒部材１５の外周のエンジン側にはロータディスク１７が焼きばめ等により一体的に強固に取り付けられている。また、エンジンのシリンダブロック３（あるいはラダービーム）のロータディスク１７に対峙する後端には、図２にも示すように３つのポール磁石１８ｕ−１８ｗがボルト２０により円周方向に等間隔に固定されており、ロータディスク１７の外周側はコイル１９ｕ−１９ｗへの通電により励磁されて電磁石となるポール磁石１８ｕ−１８ｗの開口部１８ｏに挿入されている。
【００２８】
ロータディスク１７はアルミ等の非磁性体で構成され、図２に示すように３の整数倍個の永久磁石１７ａが円周方向に等間隔かつ前記ポール磁石１８ｕ−１８ｗに対峙して埋め込まれている。永久磁石１７ａの数はここでは１２個としているが必要に応じて増減してもよい。これらロータディスク１７及びポール磁石１８ｕ−１８ｗがブラシレス直流モータを構成し、ポール磁石１８ｕ−１８ｗのコイル１９ｕ−１９ｗに周期的に変化する直流電圧を印加すれば、任意の回転速度でロータディスク１７を回転させることができる。
【００２９】
例えば、図３に示すように、コイル１９ｕには正の電圧と負の電圧をΔｔの間隔を置いて交互に２Δｔづつ印加し、コイル１９ｖ、コイル１９ｗにはコイル１９ｕに対してそれぞれ２Δｔ、４Δｔだけ遅れを持たせて同様の電圧を印加すればロータディスク１７を回転させることができる。また、Δｔを調節することでロータディスク７の回転速度を制御することができる。
【００３０】
図１に戻り、さらに構成について説明すると、円筒部材１５の第１フライホイール１１側外周には第２フライホイール２１がスプライン溝２２により軸方向に移動可能かつ円筒部材１５と相対回転不可能に嵌合している。第２フライホイール２１は鉄等の磁性体で構成され、質量を抑えつつ慣性質量を増大させるために外周側の軸方向厚が内周側の軸方向厚よりも厚くなっている。
【００３１】
また、ロータディスク１７と第２フライホイール２１とはダイアフラム型のリターンスプリング２３で連結されており、リターンスプリング２３は第２フライホイール２１が第１フライホイール１１に近づく方向に移動するときに第２フライホイール２１にシリンダブロック３側に戻そうとする力を作用させる。また、リターンスプリング２３はロータディスク１７と第２フライホイール２１の相対回転を規制する働きもする。ロータディスク１７と円筒部材１５も相対回転不可能になっていることから、円筒部材１５、ロータディスク１７及び第２のフライホイール２１は一体となって回転する。
【００３２】
また、第２フライホイール２１の外側には、その外周を取り囲むように大型のコイル２４が第２フライホイール２１に対し軸方向に第１フライホイール１１側にε1だけオフセットして設けられている。コイル２４は取付用ボルト２５によりシリンダブロック３の一部に固定される。
【００３３】
コイル２４のオフセット量ε1は第１フライホイール１１と第２フライホイール２１との隙間ε2に等しく設定されており、また、図４、図５に示すように第２フライホール２１の第１のフライホイール１１との対向面には複数のドグクラッチ２６が円周方向に互いに噛合い可能な状態に形成されているので、コイル２４に通電し第２フライホイール２１がリターンスプリング２３の復元力に対抗して第１フライホイール１１方向に移動すると、第１フライホイール１１と第２フライホイール２１とがドグクラッチ２６により連結される。
【００３４】
コイル２４への通電を遮断すれば第２フライホイール２１はリターンスプリング２３の復元力によってシリンダブロック３側に引き戻され、ドグクラッチ２６が解放されて第１フライホイール１１と第２フライホイール２１の連結が解除される。ドグクラッチ２６解放後は第２フライホイール２１は第１フライホイール１１、クランクシャフト１から独立してフライホイールハブ１２上で自由に回転する。
【００３５】
このような第２フライホイール１１の制御はコントロールユニット３０において行われる。コントロールユニット３０にはスロットル開度信号やエンジン回転速度信号（エンジン回転パルス）等が入力され、運転状態に応じて第２フライホイール２１の回転速度制御、第１フライホイール１１と第２フライホイール２１の連結・解放を行う。
【００３６】
具体的には、走行中、スロットル開度が小さくなり、エンジン回転速度がアイドリング回転速度よりも若干高い所定の回転速度（例えば、７００ｒｐｍ）以下まで下がったと判断すると、ポール磁石１８ｕ−１８ｗのコイル１９ｕ−１９ｗに図３に示したような電圧を印加し、図３のΔｔを減少させていくことでロータディスク１７の回転速度を上昇させる。上述の通りロータディスク１７と第２フライホイール２１とは円筒部材１５及びリターンスプリング２３を介して回転方向に拘束されているため、ロータディスク１７の回転速度の増大に伴い第２フライホイール２１の回転速度も上昇する。一方、第２フライホイール２１が第１フライホイール１１よりも高い回転速度で回転している場合は、コイル１９ｕから１９ｗで第２フライホイール２１の回転エネルギーを回生し、第２フライホイール２１の回転速度を低下させる。
【００３７】
そして、ロータディスク１７及び第２フライホイール２１の回転速度が第１フライホイール１１の回転速度と一致したところ（Δｔがエンジン回転速度に対応する値となったところ、あるいは回生電力がゼロになったところ）でコイル２４に通電し、リターンスプリング２３の復元力に対抗して第２フライホイール２１を第１フライホイール１１に近づく方向に変位させる。この結果、ドグクラッチ２６が締結され、第１フライホイール１１と第２フライホイール２１は一体となって回転する。
【００３８】
第２フライホイール２１が第１フライホイール１１に連結されればクランクシャフト１まわりの慣性質量が増大するので、エンジン回転速度を従来のアイドリング速度よりも極端に低い速度（例えば、４００ｒｐｍ）でも安定して回転を維持することができる。これは、エンジンの回転速度変動率δは、慣性質量をＩ、回転角速度をωm（平均値）、トルクの瞬間値をＴ、トルクの平均値Ｔmとすれば、次式、
【００３９】
【数１】
【００４０】
例えば、第２フライホイール２１を第１フライホイール１１に連結することにより慣性質量が２倍になるとすれば、回転速度変動率を従来並に抑えつつアイドリング時の回転速度を半分に下げることができる。アイドリング時の回転速度を下げることができれば、エンジン各部位のフリクションロス（摩擦損失）が減るため回転を維持するエネルギーが少なくて済み、その分燃費が改善されるとともに、排気の総量が減るのでエミッション排出量も低減することができる。
【００４１】
なお、アイドリング時の回転速度をさせるとオルタネータ、エアコンのコンプレッサ等の回転速度も低下するが、プーリー比を適切に設定することにより発電量、エアコン性能の低下を防止することができる。
【００４２】
また、本発明によれば第２フライホイール２１を第１フライホイール１１に連結する際に両者の回転速度を一致させてから連結させるので、連結時のショックが生じず、運転者に違和感を与えるのを防止することができる。さらに、第１フライホイール１１と第２フライホイール２１とはドグクラッチ２６により連結されるので、連結中に両者間に滑りが生じることはなく、滑りによる発熱、磨耗を抑えることができる。
【００４３】
さらに、第２フライホイール２１連結後のアイドリング時においてもコイル１９ｕ−１９ｗに通電し、第２フライホイール２１をアイドリング回転速度で回転駆動すれば、アイドリング時の回転変速度動をさらに安定させることができる。あるいは、アイドリング回転速度よりもエンジンの回転速度が高いときは第２フライホイール２１で回転エネルギーを回生して回転速度を下げ、アイドリング回転速度よりもエンジンの回転速度が低いときは第２フライホイール２１を駆動して回転速度を上昇させるようにすれば、より一層アイドリング時の回転速度変動を抑えることができる。
【００４４】
次に、この第２フライホイール２１を連結した状態から、運転者がアクセルペダルを踏み込み（スロットル開度を増大させ）、エンジンの回転速度が上昇してくると、コントロールユニット３０はエンジンの回転速度が前記所定の回転速度あるいは所定の回転速度よりも若干高い回転速度（例えば７５０ｒｐｍ）に達したタイミングでコイル２４への通電を遮断し、第２フライホイール２１を第１フライホイール１１から切り離す。解放時の回転速度を締結時の回転速度よりも若干高めに設定してヒステリシスを持たせているのは、前記所定の回転速度近傍で運転しているときに第２フライホイール２１の連結・解放が頻繁に繰り返されるのを防止するためである。
【００４５】
フライホイールの慣性質量は低速ギア時には車両重量にも匹敵するが、第２フライホイール２１を切り離すことにより、クランクシャフト１まわりの慣性質量を減らすことができ、加速性能を向上させて加速時の燃費を改善することができる。また、第１フライホイール１１の回転エネルギーが小さいためエンジンブレーキの利きがよくなり、コースティング時の運転性を向上させることができる。
【００４６】
なお、上記実施例では、ロータディスク１７（第２フライホイール２１）を永久磁石１７ａとポール磁石１８を用いて回転駆動しているが、永久磁石１７ａ、ポール磁石１８の数、配置等はここで示したものと異なっていてもよい。例えば、ポール磁石１８の数を増やせば、ロータディスク１７の駆動トルク、最大回転速度を増大させることができる。
【００４７】
また、ロータディスク１７を駆動する方式は他の方式であっても良く、例えば、モータをロータディスク１７に隣接して設け、このモータを利用してロータディスク１７を駆動するようにしてもよい。
【００４８】
また、第２フライホイール２１を第１フライホイール１１に連結する際に両者の回転速度を一致させてから連結しているが、厳密に回転速度が一致していなくても回転速度が略一致していれば連結時のショック低減に効果があることは自明のことである。
【００４９】
また、第２フライホイール２１の回転速度が第１フライホイール１１の回転速度と一致するタイミングをΔｔから判断しているが、ロータディスク１７あるいは第２フライホイール２１の回転速度をセンサにより直接検出して判断したり、コイル１９ｕ−１９ｗに生じる誘導起電力から判断したりするようにしても構わない。
【００５０】
さらに、上記実施例は手動変速機を備えたエンジンに適用した場合を示しているが、本発明は自動変速機を備えたエンジンにも勿論適用することができ、この場合、図１の第１フライホイール１１はドライブプレート、クラッチカバー１４はトルクコンバータにそれぞれ置き換わることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る可変質量フライホイールの断面図である。
【図２】ロータディスク及びポール磁石の平面図である。
【図３】コイルに印加される電圧の様子を示したタイムチャートである。
【図４】第２フライホイールの平面図である。
【図５】図４のＡ−Ａ断面図である。
【符号の説明】
１ クランクシャフト
３ シリンダブロック
１１ 第１フライホイール
１７ ロータディスク
１７ａ 永久磁石
１８ ポール磁石
２４ コイル
２６ ドグクラッチ
２１ 第２フライホイール
３０ コントロールユニット
Claims (5)
- エンジンのクランクシャフトと一体に回転する第１フライホイールと、
磁性体で構成され、前記第１フライホイールと相対回転可能な第２フライホイールと、
前記第２のフライホイールと一体に回転するロータディスクと、
前記ロータディスクに設けられた永久磁石と、前記ロータディスクの周囲に設けられた電磁石とで構成され、前記ロータディスクを駆動することで前記第２フライホイールの回転速度を増減する回転電機と、
前記第２フライホイールの周囲に設けられたコイルと、
前記エンジンの低速回転領域で前記コイルに通電することで前記第２フライホイールを前記第１フライホイールの方向に変位させ、前記第２フライホイールを前記第１フライホイールに直接連結する連結手段と、
を備え、
前記第１フライホイール、前記第２フライホイール、前記回転電機、及び前記連結手段は、前記クランクシャフトと同軸上に配置されており、
前記第２フライホイールを前記第１フライホイールに連結するときに、前記第２フライホイールを駆動し、その回転速度が前記第１フライホイールの回転速度に一致したら連結するようにしたことを特徴とする可変質量フライホイール。 - 前記コイルは前記第２フライホイールよりも前記第１フライホイール側にずらして設けられることを特徴とする請求項１に記載の可変質量フライホイール。
- 前記第２フライホイールと前記第１フライホイールとの対峙面には前記第２フライホイールを前記第１フライホイールに連結するときに互いに係合するドグクラッチが形成されることを特徴とする請求項１に記載の可変質量フライホイール。
- 前記連結手段は、前記エンジンの回転速度が第１の回転速度まで低下したら前記第２フライホイールを前記第１フライホイールに連結する一方、
前記エンジンの回転速度が前記第１の回転速度よりも高い第２の回転速度まで上昇したら前記第１フライホイールと第２フライホイールとの連結を解除する、ことを特徴とする請求項１に記載の可変質量フライホイール。 - 前記駆動手段は、前記第１と第２のフライホイールが連結しているアイドリング時、前記第２フライホイールの回転速度が前記エンジンのアイドリング回転速度となるように第２フライホイールの回転速度を増減することを特徴とする請求項１から４のいずれかひとつに記載の可変質量フライホイール。
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