JP4729543B2 - ハイブリッド車の操作方法 - Google Patents

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Description

本発明の分野は燃料エネルギーの利用効率を向上させる自動車のトランスミッションに関するものである。
自動車に用いられる従来のトランスミッションは、エンジントルクを車輪に２つの方法で伝達する：（１）最も多用されているトルクの伝達法は「通過させること」、すなわち運転者のパワーアップの命令に応答して燃料流量が増加しエンジンのトルクが増大すると、その増大したトルクを車輪に対し「通過させて」伝達する方法である（図１に示す典型的なエンジン・トルク・マップに対するモード１−線「Ｘ」を参照）；また（２）走り初めの速度で運転者の命令がエンジンの出せる力を越えてしまう場合は、エンジンスピードを上げるために運転者はトランスミッションをロウギヤにシフトダウン（マニュアルの場合でもオートマティック・トランスミッションでシフトが起動する場合でも）しなくてはならない（例えば図１のモード２−線「Ｙ」参照）。自動車のある速度における車輪へのパワーはエンジントルク×エンジン速度に比例するので、車輪に対するパワーの供給はエンジントルクが増加しても（あるエンジン速度において燃料流量が増大する）および／あるいはエンジン速度の増加によっても増大する。この種のトランスミッションには２つの重大な欠点がある：（１）エンジンは通常、モード１で作動しており、可能な最適値よりも平均効率がずっと低いトルクを供給している（例えば、図１のＡ点は平均値を表し、Ｂ点はその速度において可能な最適な効率を表している）；（２）ギヤ・チェンジが必要になった時、車輪へのトルクの伝達が中断され「ガクン」という動きが発生する。オートマティック車ではトルクコンバーターによってこの「ガクン」はスムースになるが、その結果効率が低下する。
従来のトランスミッションとその特有の欠点を変えるために多くの研究がなされてきた。本研究は主として連続的に変化するトランスミッション(CVT)に焦点を当てたものである。理想的にはCVTによってエンジンは図１に示した最高の効率線「Ｚ」に沿って作動する。CVTの設計は機械的なもの（例えば、プーリーの変速比）、電気的なもの（例えば、エンジン出力でドライブされる発電機、車輪に接続した電気モーター、―最近の列車用機関車はこの設計としている）および電気的設計とよく似た働きをする流体力学的なものを含む。これらの設計はいくらかの改善をもたらしたが、車輪への力を増すためにエンジンのスピードを上げる手段として、モード１（図１の線「Ｘ」、つまりある与えられた速度において燃料流量が増加する、あるいはより一般的に速度が変化すると燃焼行程毎の燃料流量が増加する）になお依存している。しかしながら、図１の「Ｚ」で示した最高トルク曲線に沿った動作は、車輪への力を増加させる運転者の命令に迅速に応答してエンジンを急激に増速（すなわち、増大する摩擦に対抗してエンジンの回転質量を加速）しても、この最高値以上のトルクを与える余地をほとんど残していない。迅速な応答性は運転者／顧客の観点からは自動車の決定的な性能特性である。
CVTの応答性を改善する方法として、目下のところ２つの選択枝が在る。１つは車輪へ伝達できるトルクを最初は減らしておき、速度の上昇が必要な時にこのトルクをエンジンの加速に適用するものである。しかしこの第１の方法は、遅速はもたらさないが実質的な車輪への力のロスをもたらすので、商品的には採用できない。これは運転者のより大きなパワーという命令に完全に反する。第２の方法はモード１の機能に対してトルクが得られるように、標準動作曲線を最高曲線から下方に下げることである（図1の線「Ｗ」を参照）。こうするとモード１とモード２を十分に利用できる従来のトランスミッションの出力応答をなお完遂しきらないうちに、更なる効率のトレードオフに至ってしまう。
特表平４−５０６８５６号（第４−５頁）
従って本発明の目的は、従来のCVT設計の出力応答性の束縛を全体として解決するのみでなく、必要なエンジン速度の増加に対しエンジントルクの増加を必要とせずに（モード１）また効率低下を伴わずに、これを達成することである。
もう１つの目的は、自動車からのNOx、CO2および他の汚染物質の排出を減らす自動車用の原動車（power train）を提供することである。
さらに本発明の他の目的は、（１）車輪への力を増やせという運転者の命令に、連続的かつスムースで迅速に応答し、（２）車輪の新たなパワーレベルの増大要求を満たすのに必要なエンジン速度を上げるために、エンジントルクの増加を要せずに（従ってエンジンの燃焼行程毎の燃料消費は増加させずに）これを行うことができる、ハイブリッド車の操作方法を提供することである。
さらに本発明の他の目的は、エンジン動作をその最高効率曲線ないしその近傍に保ったまま上記の目的を達することである。
さらに他の目的は、最初はエンジンによる車輪への力の供給を減らしておき、運転者の命令に応じて車輪への力を増加させることで、上記の機能を達成することである。
さらなる目的は、多重駆動モーター(multiple drive motors)を用い、駆動車(drive train)の効率を最高とするために、ハイブリッド的応用として多重発電機（ポンプ）を用いることである。
上記の目的を実現することを展望して、本発明は前輪と後輪に駆動トレインを持つ自動車用の駆動トレインを提供するもので、その駆動トレインは互いに流体のループで結合された少なくとも１つの流体モーターと１つのポンプを持ち、１つの導管がポンプの出口から流体モーターの入り口までを結合し、第２の導管が流体モーターの出口からポンプの入り口までを結合する形を採っている。従来のエンジンより小さく、自動車に要求される平均トルクに応じたサイズにでき、１つのポンプで駆動することができる。加圧ガスと一定量のループ流体を収蔵した流体集積器が第１の導管と連絡し、液体貯留器が第２の導管と流体的に連絡している。集積器の液圧を測定し検出した圧力値を信号として発信するために圧力検出器が付置されている。所要出力は、アクセルペダルの位置あるいはスロットルの位置が運転者による自動車への出力要求の指標であるとして、これがセンサーによって検出される。モーター制御器は検出した出力要求に対応して流体モーターの排出を制御し、ポンプ制御器は圧力信号に応答してポンプの排出を制御する。
電子的制御ユニット(ECU)は自動車の速度、集積器の圧力、運転者からの出力要求を受信してポンプ制御器とモーター制御器にそれらの排出を制御する信号を送る。複数のモーターを実装する場合は、ECUはまた、流体モーターの排出操作の選択と、検出した所要出力に最も適した個々のモーターの異なった排出の組合せを選択するようにも機能する。
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、ハイブリッド車の操作方法を提供することを目的とするものである。
本発明に係るハイブリッド車の操作方法は、
少なくとも１つの内燃エンジンと、そのエンジンで駆動される１つのポンプと、少なくとも１つの車輪と機械的に接続され、かつ前記ポンプとの間を循環する連続的な流体ループによって流体的に前記ポンプに接続され、かつ前記ループ内で循環する流体によって駆動される少なくとも１つの流体モーターと、前記ループの外部に備えられて前記ループと流体的に連絡される圧力集積器と、を有するハイブリッド車の操作方法で、その方法は以下の要素から成るもの:
１つのエンジン速度を検出し；
集積器内の流体圧を検出し；
自動車に対するパワー要求を検知し；
検知したパワー要求の増加と検出した流体圧力に応答して、パワー要求を満たすと共に集積器内において少なくとも最低圧力を保持するように、１つの流体モーターの排出量を増加させ、それによって１つの流体モーターを通る流体流れを増加させると共に検出した圧力の低下をもたらし；
エンジン効率に基づいて予め決められた範囲内にエンジン速度を増加するために、検出した圧力の低下に応答してポンプの排出量を減少させ；
および、予め定められた範囲内に、増加するパワー要求に相当する速度にエンジン速度が増加されるまで、１つの流体モータを通る流体流れを増加させることを許容するよう、集積器から前記ループへの流体流れを増加させるもの。
本発明は、従来の自動車に著しく小型のエンジン（例えば、２０〜４０％小さい）を適合させることができ、しかもなお自動車の性能（例えば加速や応答性）を同じに保つことができる。何故ならば本発明の方法は、従来の限界あるギヤー式トランスミッションの平均効率の低さに比べ、エンジンによる最大トルクが常に車輪へ伝達できるからである。
本発明は、従来の自動車に適応しても十分な利点があり、さらに発進時のパワー供給を自動車の平均パワー要求に近づけたエンジンサイズとすることができる（従来の車はピーク時のパワー要求に合わせている。よって例えば従来の１２０馬力ではなく２０馬力でよい）。このことは、より大型のエンジンに特徴的な性能を維持しながらより高い効率を引き出すことによって可能となっている。
本発明は、エンジンの迅速な速度の増加によって必要なパワーを供給することで、エンジンを最高に近い効率で作動させることを可能とし、また小型のエンジンでも運転者のトルク要求に対し、車輪へのトルク増の過程で遅速したりガクガクさせずに、迅速に速度変化させることによって対応することを可能とし、しかも燃焼行程あたりの燃料流量の増加を必要としない。この特徴でさらに、各々の燃焼行程でほぼ一定量の燃料を供給する、より簡単で従ってより安価なエンジン燃料供給システムの使用が可能となる。
図２は第１の好ましい実装例を示すもので、流体的CVTは集積器に結合されており、流体による連続的でスムースなトランスミッション（continuous smooth
transmission,今後はCSTと言う）を提供する。エンジン１が流体ポンプ２に出力を与え、ポンプは加圧された流体流を導管３を経て流体モーター４に送る。流体モーター４は流体の力をトルクに変換し、これが車輪５に伝わる。集積器６も導管３に接続されており、加圧流体を流体モーター４に供給する付加的な流体源として働く。集積器６は一定量のガスを含み、流体はポンプで集積器６に送られ、ガス圧が上昇してエネルギーが蓄えられる。この蓄積エネルギーが必要な時は、流体は集積器６から出て流体モーター４ヘパワーを供給できる。集積器６からのその時の流体流は極めて高速にすることが可能なので、集積器のサイズは極く少量のエネルギーを蓄えるだけの小型のものでよく、このエネルギーは極めて短い時間に供給することができる。それ故、このシステムはハイパワー装置と考えることができる。低圧流体貯留器７は集積器６が充填される時にその流体を供給し、集積器６が流体モーターにパワーを提供している時に流体を貯留する。
再び図１に戻って、自動車のエンジンがＣ点で作動しており、運転者がＤ点に対応する力を車輪に対し要求したとする。すなわち（図２の）アクセルペダル２６を踏み込むと、モーター制御器２２によって流体モーター４の排出が増加し、車輪５への出力が（図１の）Ｄ点に対応するレベルまで増加する。モーターの排出量増加に結びついた急速な流量の増加はエンジンの速度が増加するまでは（図２の）エンジン１からは急には供給されない（前に記述した問題点）ので、エンジンが加速されている間中、集積器６から増加した流体が供給される。かくしてCSTは、エンジンの最適な作動特性を保持したままで、すなわちエンジンが最高の効率で動き続けることを可能としたままで、運転者の車輪に対するパワー要求にほぼ瞬間的に応答することができる。集積器６は、エンジン速度が変化する間の流体流を「追加」するに足るだけの大きさがあれば十分である（通常５ガロン以下で、恐らく大部分の応用においては１ないし２ガロンである）。
この好ましい実装においては、集積器６の圧力は圧力センサー３０によって監視されている。圧力センサー３０とアクセルペダル位置センサー２８（またはスロットル位置センサー）はECU３２（図９参照）に信号を送り、今度はECUは制御信号をポンプ制御器２０、モーター制御器２２および燃料供給部２４に出力する。かくしてセンサー２８によって検知されたペダル位置の変化は圧力センサー３０によって検知された集積器６の圧力と相関をとってポンプ２に対する新たな排出量を決め、またECU３２からの信号はモーター４の排出量を新たな値にリセットする。モーター４の（アクセルペダルの踏み込みが検知された時の）排出増加量はシステムおよび集積器６の圧力低下をもたらす。ECU３２は、圧力低下に対応してポンプ２の排出量を減らすようポンプ制御器２０に信号を送る。それによって、エンジン１が新しいパワー要求に応じた速度を急速に増加させる。エンジン１が適切な速度に達すると、ECU３２は、システムの設定圧力を維持し所要の流体パワーを満足させるべくポンプ２の排出量を増加させるようポンプ制御器２０に信号を送る。
エンジン速度の増加はいくつかの手段の単独あるいは組合せで行う。エンジンは速度を増加させることでシステムの圧力低下に対し調整を行うが、この際実質的に一定のトルク出力を維持している。しかしながら、最もコスト―効果比の良いエンジン速度の増加法は、制御器２０によるポンプ２の排出量の減少である。モーター４の流量増加によるシステムの圧力低下とポンプ２の排出量減少の組合せで、エンジンの出力がより加速する方にシフトさせることができる。エンジン１からシステムヘのパワー供給はポンプ２の排出量とシステム圧力とに直接比例する。エンジン速度を上げるためのコスト―効果比が類似である手段はエンジンの「スターター」モーター（電気的なものでも流体的なものでも）で、システムの圧力低下に応じて、新たな所要速度まで迅速にエンジンを加速する。もちろん燃料流量（燃焼行程当たりの燃料量）を増加させることによる伝統的なエンジンの加速法（モード１、２４による）もなお利用できるが、最早必要ではない。
パワーの減少、例えば図１のＤ点からＣ点への移行も、１つの重要な違い以外はパワー増加と同様の方法で扱うことができる。モーター４（図２）の排出量が減少するとシステムの圧力は上昇し、これが必然的にエンジン速度を新たに必要とされる低いレベルに「動かす」。もちろん必要なパワーを減らすためには、パワーに応答する挙動は必要としない。
本発明においては、集積器は等価の高出力装置、例えば電気的な駆動トランスミッションにおける電気のウルトラキャパシターに置き換えることができる。
図３は、本発明の第２の好ましい実装例で、図２に記述した実装例の変形である。この第２の実装例は自動車の車輪に極端に広範な速度と力の変動が要求されることを考慮して、車輪へのパワー配分を最適にするために１つ以上の流体モーターを用いるコンセプトを採り入れている。自動車の急速な加速には大きなモーターが必要であるが、そのような大型のモーターは通常の軽度の加速や定常的な自動車走行の場合には効率的ではない。図４は、例えば時速５０マィル／時に対応してギヤチェンジした典型的な大型流体モーターの動作マップの効率パーセンテージを示す。Ａ点は急激な走行状態の変更に必要なパワーレベルに対応し、Ｂ点は典型的な道路走行の負荷に対応する。急加速に必要なハイパワーを満たすためには、より普通でエネルギー消費効率の高いＢ点のようなモードでは１個のモーターによっては最高の効率が得られない。したがって図３に示した変形により、アクセルペダル位置センサー２８によって検出した運転者のパワー要求および速度センサー３３によって検出した自動車の速度に応答して、その自動車速度とパワー要求にとり最高の効率に一番近いサイズと排出量をもったモーターを、モーター排出量制御システムがモーター４、４’および４’’の中から選ぶことができるようになる。モーターの数を幾つにするかはコスト―効果分析に基づく。
また複数のモーターを用いると、低コストの直接車輪駆動および低コストの直接４輪駆動が可能となる。個々のモーターは各々の車輪（図６）の動力として付けることができるし、直接的な車輪駆動と別の駆動を組み合わせることもできる（図５）。このようにして図５の実装例は、モーター４、４’および４’’とモーター制御器２２、２２’および２２’’を含むが、図６の実装例は、モーター４、４’、４’’および４’’’とモーター制御器２２、２２’、２２’’および２２’’’を含む。
図７は、本発明の第４の実装例の主要な構成要素を示す。図７は、高い効率でしかも低コストの再生ブレーキを組み込んだ流体ハイブリッド駆動システムとして統合されたCSTを示す。流体モーター４、４’および４’’は、ポンプヘの流体流を流れ制御バルブ９を通して低圧貯留器７から第２の集積器８へ流れ方向を逆転させることにより、容易にポンプとして操作できる。こうして自動車にブレーキをかける時に運動エネルギーを回収し、それを集積器８に蓄え、後で例えば加速のようなハイパワーの必要時に再利用できる。集積器８は、完全なブレーキ停止時にそのエネルギーを蓄え、かつ、さらなる負荷レベルヘの要求に対し余裕があり、エンジン１の小型化に十分対応できるサイズにしてある。この実装例の変形は２つの集積器を組み合わせて１つのユニットにするものである。
図８は、第５の実装例を示すもので、トレーラー一トーイングオプションのため、および／またはエンジン１のサイズをさらに小さくすることの出来る第２のエンジン１０とポンプ１１を追加したものである。近い方のエンジン１は、自動車の平均必要パワー（例えば１０馬力）に合わせたサイズにすることができ、平均効率はより高く、コストはより低くできる。
このように、本発明は、機械的な固定ギヤ式「標準」トランスミッションでも、従来の「オートマティック」なトランスミッションでも経験した、「シフトダウン」するエンジン速度の急激な変化時の遅速やガクガクを経験せずに、大きく増加したトルクを車輪に伝達することができる、ユニークな連続的に変化するトランスミッション(CVT)を提供するものである。
本発明は、この神髄ないし本質的特徴から離れることなく、他の特定の形で実装することができる。従って本実装例は、これらに限定されるべきものではなく、すべて説明のためのものであり、本発明の範囲は上記の記述によるものではなくむしろ添付の特許請求範囲で示したものである。また請求範囲中の意味や数値範囲の同等物についてのあらゆる変形した表現は、これに含まれるべきことを意図している。
典型的なエンジンの最大エンジントルク対エンジン速度のパーセンテージのグラフで、曲線は燃料効率のパーセンテージを示す。 本発明を第１の実装例に対応した駆動トレインの略図である。 本発明を第２の実装例の略図である。 本発明の駆動トレインの構成要素として用いられる典型的なポンプとモーターのスワッシュ角度対作動圧力のグラフで、曲線は効率パーセンテージを示す。 本発明の第３の実装例の略図である。 本発明の第４の実装例の略図である。 本発明の第５の実装例の略図である。 本発明の第６の実装例の略図である。 入力信号と出力信号を示す本発明の電子的制御ユニットの略図である。
符号の説明
１ エンジン
２ 流体ポンプ
３ 導管
４ 流体モーター
５ 車輪
６ 集積器
７ 低圧流体貯留器
２０ ポンプ制御器
２２ モーター制御器
２４ 燃料供給部
２８ アクセルペダル位置センサー
３０ 圧力センサー
３２ ＥＣＵ

Claims (3)

  1. 少なくとも１つの内燃エンジンと、そのエンジンで駆動される１つのポンプと、少なくとも１つの車輪と機械的に接続され、かつ前記ポンプとの間を循環する連続的な流体ループによって流体的に前記ポンプに接続され、かつ前記ループ内で循環する流体によって駆動される少なくとも１つの流体モーターと、前記ループの外部に備えられて前記ループと流体的に連絡される圧力集積器と、を有するハイブリッド車の操作方法で、その方法は以下の要素から成るもの:
    １つのエンジン速度を検出し；
    集積器内の流体圧を検出し；
    自動車に対するパワー要求を検知し；
    検知したパワー要求の増加と検出した流体圧力に応答して、パワー要求を満たすと共に集積器内において少なくとも最低圧力を保持するように、１つの流体モーターの排出量を増加させ、それによって１つの流体モーターを通る流体流れを増加させると共に検出した圧力の低下をもたらし；
    エンジン効率に基づいて予め決められた範囲内にエンジン速度を増加するために、検出した圧力の低下に応答してポンプの排出量を減少させ；
    および、予め定められた範囲内に、増加するパワー要求に相当する速度にエンジン速度が増加されるまで、１つの流体モータを通る流体流れを増加させることを許容するよう、集積器から前記ループへの流体流れを増加させるもの。
  2. 請求項１記載のハイブリッド車の操作方法であって、エンジン速度が増加するパワー要求に相当する速度に到達した時、増加するパワー要求を満足させるために予め定められた流体圧を供給するようポンプの排出量を増加させるもの。
  3. 請求項１記載のハイブリッド車の操作方法であって、ハイブリッド車が循環する流体のループ内に並行に配置される多数の異なるサイズの流体モーターを有し、その方法は以下の要素から成るもの:
    ハイブリッド車の速度を検出し；
    検知されたパワー要求と検出された車の速度が最も効果的なサイズを有する１つのモーターを、多数の異なるサイズの流体モーターの中から選択し；
    選ばれた１つの流体モーターを１つの流体モーターとして操作するもの。
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