JP5302413B2 - 車両用の制動エネルギー回収システム - Google Patents

Description

本発明は、概して、車両におけるエネルギー効率の分野に関する。より詳細には、本発明は、補助システムを有する車両で用いられる制動エネルギー回収システムであって、少なくとも部分的に補助システムに動力を供給することができるエネルギー回収システムに関する。

ハイブリッドシステムとしても知られる制動エネルギー回収システムは、しばらくの間、自動車および軽トラック等の電気自動車の分野において知られていた。これら応用の大部分では、本来は熱として放散される、制動中に回収されたエネルギーが、車両を停止から駆動するために再利用される。

制動エネルギー回収システムの応用には、ごみ収集車が非常に適している。実際に、収集モードにあるごみ収集車の通常のデューティサイクルは、高頻度の停止・発進サイクルと低い平均速度とによって特徴付けられる。さらに、ごみ圧縮機等の油圧式補助システムの頻繁な使用に必要なエネルギー消費量は非常に高く、収集モードでは４０％近くに達する。

Ｒｅｘｒｏｔｈの「ＨＲＢ Ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ Ｂｒａｋｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ（商標）」、Ｐａｒｋｅｒの「Ｒｕｎｗｉｓｅ（商標）」およびＥａｔｏｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎの「Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｌａｕｎｃｈ Ａｓｓｉｓｔ（商標）」はすべて、結合された油圧ポンプ・モータを使用する。それらはすべて、重トラックの用途で設計されており、そこでは、制動エネルギーが回収され、蓄積され、車両を起動するために再利用される。

オーストラリアの会社であるＰｅｒｍｏ−Ｄｒｉｖｅは、並列（パラレル）油圧再起動（ｒｅ−ｌａｕｎｃｈ）システムの開発に積極的である。「Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ Ｄｒｉｖｅ Ｓｈａｆｔ」と命名されたその製品は、車両のドライブシャフトの周囲に配置された同心ポンプ／モータアセンブリであり、ポンプモードでは制動エネルギーを回収するように機能し、モータモードでは停止からの加速中にアシストするように機能する。

しかしながら、再起動中に車両をアシストするシステムは、車両の駆動系と種々のレベルでインタフェースする必要があるため幾分か複雑である。したがって、興味深い代替手段は、蓄積された制動エネルギーを再利用して、それを大量に使用する、ごみ収集車等の車両の補助システムに動力を供給するというものである。

制動エネルギーを回収して車両の補助システムに動力を供給する種々の解決法が提案されてきた。Ｓｔｒａｇｉｅｒの米国特許出願公開第２００６／０１０８８６０号明細書は、エネルギーを再利用して補助システムに動力を供給するごみ収集車用の制動エネルギー回収システムについて記載している。しかしながら、その回収システムは、その制御が基本的にＯＮ／ＯＦＦスイッチとして作用するため、制動を適切に調整することができない。

Ｈａｇｉｎらの米国特許第４，７７８，０２０号明細書は、停止から車両を駆動するか、又はその補助システムに動力を供給するために制動エネルギーをアキュムレータに蓄積することができる制動エネルギー回収システムを記載している。しかしながら、この回収システムでは、標準変速機ではなく複雑な可変変速機を使用する必要があり、それにより、この回収システムを用いて既存の車両に後付けする可能性が制限される。

したがって、改善された制動エネルギー回収システムが明らかに必要とされている。

本発明の目的は、既知の制動エネルギー回収システムの１つまたは複数の不都合を克服するかまたは軽減し、あるいは少なくとも有用な代替手段を提供する、制動エネルギー回収システムを提供することである。

本発明は、ごみ収集車等の既存の車両に容易に後付けされ、または標準装備として新たな車両に取り付けられるようにする比較的単純な構造を提示するという利点を提供する。さらに、本発明の一実施形態は、回収された制動エネルギーを使用するという点で柔軟であるという利点を提供する。

本発明の実施形態によれば、エンジン・変速機アセンブリ、ドライブシャフト、制動システムおよび補助システムを有する車両で使用されるように適合された、制動エネルギー回収システムが提供される。本エネルギー回収システムは、第１ポンプ、油圧アキュムレータおよび油圧モータを備える。第１ポンプは可変容量油圧ポンプである。油圧アキュムレータは、第１ポンプに連結され、圧力下で油圧流体を蓄積するように作動する。油圧モータは、油圧流体を受け取るようにアキュムレータに油圧式に連結される。モータは、アキュムレータに蓄積された油圧エネルギーを用いて、第２油圧ポンプを駆動するように適合される。任意に、モータは可変容量油圧モータであってもよい。

任意に、モータは可変容量油圧モータであってもよく、第２ポンプは定容量ポンプであってもよい。

本発明のこれらの特徴および他の特徴は、添付図面を参照する以下の説明からより明らかとなろう。

本発明の基本構成を説明するために、一部に本発明に適用されない構成を有する参考例としての実施形態による制動エネルギー回収システムの概略図である。 本発明の実施形態による制動エネルギー回収システムの概略図である。

本発明は、既存の車両に後付けしてもよく、新たな車両に標準装備として設けてもよい、制動エネルギー回収システムに関する。可変容量ポンプおよびモータを使用することにより、回収されるエネルギーを制動要求に応じて調整し、回収したエネルギーを補助システムからの動力要求に応じて調整することができる。さらに、本発明の一実施形態では、制動エネルギー回収システムを、加速中に車両をアシストするために使用してもよい。

ここで参照する図１は、一部に本発明に含まれない構成（定容量ポンプ４０等）を備えているが、その他の本発明の基本構成を説明するために、参考例としての本発明の制動エネルギー回収システム１０を概略的に示す。よりよく理解されるように、制動エネルギー回収システム１０を、車両の駆動系１２に取り付けられているように示す。図１に示す駆動系１２の構成要素は、合わせてエンジン・変速機アセンブリ１８を形成する内燃機関（エンジン）１４および変速機１６と、ホイールセット２２を変速機１６に連結するドライブシャフト２０とである。ホイールセット２２には、制動システム２３に連結されたブレーキが装備されている。補助システム２４が、油圧連結ライン２５を介して補助油圧ポンプ２６（第２油圧ポンプ）に連結され、補助油圧ポンプ２６は、駆動系１２によって機械的に駆動される。補助システム２４は、ごみ収集車等の車両に設けられることが多く、そういった車両には、制動エネルギー回収システム１０がほとんどの場合に取り付けられる。こうした補助システム２４は、ごみ圧縮機、ごみ箱を上昇させる油圧式アーム、または他の油圧駆動機器等、任意の油圧駆動機器であってもよい。

制動エネルギー回収システム１０は、ドライブシャフト２０を可変容量油圧ポンプ３２（第１ポンプ）に選択的に係合させるように適合されたクラッチ２８を用いる。コントローラ３０が、クラッチ２８の係合を制御する。コントローラ３０は、電気回路、電子回路、油圧回路または空気圧回路であってもよい。クラッチ２８がドライブシャフト２０に係合すると、ホイールセット２２の回転移動により、可変容量ポンプ３２が駆動される。場合により、可変容量油圧ポンプ３２の速度を上昇させるために、ドライブシャフト２０と可変容量油圧ポンプ３２との間にギアボックス３３を用いてもよい。好ましくは、ギアボックス３３は、クラッチ２８と可変容量油圧ポンプ３２との間に配置され、それらを機械的に連結する。

油圧連結ライン３５を介して、可変容量ポンプ３２は、油圧流体を貯蔵器３４から加圧された油圧アキュムレータ３６内に圧送する。アキュムレータ３６を用いて、油圧流体が圧力下で蓄積される。圧力は、アキュムレータ３６内で、ピストンまたは膜の油圧流体から反対側で加圧ガスによって生成される。

理論的には、コントローラ３０が制動要求センサ３１を用いて制動システム２３の制動要求を検出するとすぐに、クラッチ２８をドライブシャフト２０に係合させることができるが、コントローラ３０は、むしろ、可変容量ポンプ３２の押しのけ容積を制御することが好ましい。実際には、制動要求の検出とクラッチ２８の係合との間の時間差は、可変容量ポンプ３２の押しのけ容積をゼロから所望の値まで変更するための時間差より長い。したがって、コントローラ３０は、通常およそ時速４０ｋｍを下回る、ごみ収集に通常用いられる速度の範囲では、クラッチ２８を恒久的に係合させ、可変容量ポンプ３２の押しのけ容積を変化させる。その速度を超えると、コントローラ３０は、クラッチ２８をドライブシャフト２０から切り離すように判断し、可変容量ポンプ３２等のいくつかの構成要素がその定格最大回転速度を超えないようにしてもよい。

可変容量ポンプ３２がホイールセット２２によって駆動されるため、コントローラが可変容量ポンプ３２の押しのけ容積を増大させると、抵抗が発生する。これは、ホイールセット２２の回転移動に対抗し、それにより、その制動をアシストする。可変容量ポンプ３２によって圧送される油圧流体の流量が大きいほど、ホイールセット２２の制動に対するアシストが大きくなる。コントローラ３０は、車両の標準制動システムからの制動力を、制動エネルギー回収システムがエネルギーを蓄積する際に提供する制動アシストと注意深く結合することによって、制動要求に対応する。有利には、可変容量ポンプ３２は、それがホイールセット２２に与えなければならない最大制動トルクに従って寸法が決められている。そして、コントローラ３０は、制動要求もアキュムレータ３６の容量も超えることなく、制動システムに対する制動アシストのレベルを最大限にするように、可変容量ポンプ３２の押しのけ容積を調整してもよい。これにより、制動システム２３の摩耗を低減することができるだけでなく、アキュムレータ３６に蓄積される制動エネルギーを最大限にすることもできる。コントローラ３０は、アキュムレータ３６の容量を考慮し、したがっ
て、アキュムレータ３６の蓄積可能性に従って制動アシストのレベルを低減してもよい。したがって、コントローラ３０は、アキュムレータ３６の容量に達しようとしている場合に、可変容量ポンプ３２の押しのけ容積を低減してもよい。アキュムレータ３６がその全容量に達すると、コントローラ３０は、可変ポンプ３２の押しのけ容積をゼロまで低減するか、またはクラッチ２８をドライブシャフト２０から切り離してもよい。

制動要求の検出を、制動システムの任意の好都合な位置において、多くの異なる方法、すなわち電気的に、電子的に、油圧式にまたは空気圧式に達成してもよい。たとえば、制動要求センサ３１は、制動要求を電気的に検出するようにブレーキペダルに連結されたレオスタットであってもよく、または制動回路に取り付けられた（使用される制動流体のタイプに応じて空気圧式または油圧式）圧力センサであってもよい。

油圧可変容量モータ３８（油圧モータ）は、アキュムレータ３６に油圧式に連結されている。モータ３８は、加圧された油圧流体を介して、アキュムレータ３６から受け取られるエネルギーを使用し、それを回転運動に変換するように作動する。したがって、モータ３８は、加圧された油圧流体の形態でアキュムレータ３６に蓄積されているエネルギーを使用して、機械装置をこの回転運動によって駆動するように機械的に連結されるように適合される。参考例としての本実施形態では、モータ３８は、定容量ポンプ４０を駆動し、この定容量ポンプ４０は、補助油圧回路４２を介して補助システム２４に油圧式に連結されている。モータ３８は、補助システム２４に十分な動力を提供するために必要な最大トルクに従って寸法が決められている。２つの別個のユニットを用いることが有利であり、それは、それらを、それらの所定のトルク要件に対して別個に寸法を決めることができるためである。

コントローラ３０は、補助システム２４からの動力要求を検出すると、弁３９を開放して、加圧された油圧流体をアキュムレータ３６からモータ３８に送出する。そして、コントローラは、動力要求に対応するようにモータ３８の押しのけ容積を制御する。補助システム２４からの動力要求を検出するために、コントローラ３０は、動力要求センサ４４に接続されており、動力要求センサ４４は、補助システム２４かまたは補助油圧回路４２のいずれかに連結されていることによって動力要求を検出する。制動要求の検出と同様に、動力要求を、補助油圧回路４２における任意の好都合な位置で、多くの種々の方法で、すなわち電気的に、電子的に、油圧式にまたは空気圧式に検出してもよい。図１では、動力要求センサ４４を、補助油圧回路４２における圧力を読み取る流体圧力センサとして示す。

たとえば、動力要求センサ４４は、動力要求を電気的に検出するようにレバーに連結されたレオスタットであってもよく、または補助油圧回路４２に取り付けられた圧力センサであってもよい。

多くの既存のごみ収集車には、補助油圧ポンプ２６がすでに装備されている。この補助油圧ポンプ２６は、定容量ポンプ４０に類似していてもよく、内燃機関１４によって駆動され、エンジン・変速機アセンブリ１８に機械的に連結されている。補助油圧ポンプ２６は、通常、エンジンクランク、エンジンフライホイール、変速機またはパワーテイクオフ（ＰＴＯ）のいずれかに連結されている。図１では、補助油圧ポンプ２６を、エンジンフライホイールに機械的に連結されているように示す。補助油圧ポンプ２６を用いて、それが油圧式に連結されている補助システム２４に油圧流体が圧送される。補助油圧ポンプ２６は常に内燃機関１４によって駆動されるため、油圧連結ライン２５の補助油圧ポンプ２６と補助システム２４との間には、アンロード弁４６が配置されている。このアンロード弁４６を用いて、定容量ポンプ４０が作動している時に油圧流体が貯蔵器３４に分流される。

図１の参考例では、定容量ポンプ４０および補助油圧ポンプ２６の両方が補助システム２４に連結されているため、それらのいずれかまたは両方が、補助システム２４に油圧動力を提供してもよい。したがって、目的は、内燃機関１４における負荷が低減するように、補助ポンプ２６によって提供される油圧出力を可能な限り低減させることである。内燃機関１４における負荷が低減すると、使用される燃料が減少する。コントローラ３０は、補助システム２４からの動力要求を可能な限り満たすようにモータ３８を調整する。コントローラ３０がこの動力要求を完全に満たすことができる場合、内燃機関１４には、補助システム２４からいかなる負荷もかからない。そして、補助システム２４は、車両の制動から回収されたエネルギーにより完全に動力が供給される。アキュムレータ３６に十分にエネルギーが蓄積されていないため、コントローラ３０がこの動力要求を完全に満たすことができない場合、内燃機関１４によって駆動される補助油圧ポンプ２６が、この不足する容量を補う。

ここで、図２において本発明の実施形態を参照する。この実施形態は、上述した図１の参考例の実施形態に類似しているが、モータ３８がエンジン・変速機アセンブリ１８に機械的に連結されており、定容量ポンプ４０が不要となっている。モータ３８を、ＰＴＯを介して内燃機関１４に、あるいは内燃機関１４のクランクシャフトまたはフライホイールに直接連結してもよい。不要な時はモータ３８を切り離すことができるように、モータ３８を内燃機関１４に第２クラッチによって連結してもよいことに留意されたい。さらに、補助油圧ポンプ２６を、ＰＴＯに、内燃機関１４のクランクシャフトまたはフライホイールに直接、あるいは他の任意の都合のよい位置に連結してもよい。定容量ポンプであっても可変容量ポンプであってもよい補助油圧ポンプ２６を、本発明の第１実施形態において定容量ポンプ４０がモータ３８によって駆動されたのと同様に、モータ３８によって直接駆動してもよい。

コントローラ３０は、補助システム２４からの動力要求を検出すると、弁３９を開放して、モータ３８に対し、アキュムレータ３６に蓄積されている加圧された油圧流体を供給する。そして、モータ３８は、内燃機関１４を駆動し、補助油圧ポンプ２６も駆動する。この場合もまた、補助システム２４からの動力要求のレベルとアキュムレータ３６に蓄積されたエネルギーのレベルとに応じて、コントローラは、モータ３８の押しのけ容積を調整する。アキュムレータ３６に十分なエネルギーが蓄積されていない場合、モータ３８および内燃機関１４がともに補助油圧ポンプ２６を駆動する。アキュムレータ３６に十分なエネルギーが蓄積されている場合、モータ３８のみが補助油圧ポンプ２６を駆動するため、内燃機関１４における負荷が低減する。したがって、これら２つの場合、補助油圧ポンプ２６は、少なくとも部分的にモータ３８によって駆動される。アキュムレータ３６にエネルギーが残っていない場合、内燃機関１４は、単独で補助油圧ポンプ２６を駆動する。この最後の場合は、制動エネルギー回収システムが装備されていない標準的なごみ収集車の状況に類似している。

コントローラ３０は、アキュムレータ３６に蓄積されているエネルギーのレベルが十分であると評価した場合、それを駆動することによって内燃機関１４をアシストするように決定してもよい。内燃機関１４が、このアシスト時に加速しているか、一定速度であるか、アイドル状態で回転しているかに関らず、常に燃料消費量が低減する結果となる。蓄積されたエネルギーを使用する際のこの柔軟性は、動力がモータ３８から内燃機関１４に伝達されるため可能となる。たとえば、モータ３８は、加速中に、エンジンフライホイールを介してホイールセット２２にも動力を供給し、内燃機関１４に対する負荷を低減させることによって内燃機関１４をアシストしてもよい。別の例は、後により詳細に示すように、モータ３８が、燃料を使用するのではなく内燃機関１４をアイドル回転数で回転させるようにアシストするというものである。

制動エネルギー回収システム１０が、トラックに、その製造業者によって標準装備として取り付けられている場合、コントローラ３０がエンジン電子制御ユニット（ＥＣＵ）とインタフェースすることが可能であり、そのため、コントローラ３０が、蓄積されている油圧エネルギーのみで内燃機関１４を駆動しようとする時、ＥＣＵは、内燃機関１４への燃料供給を遮断し、コントローラ３０は、内燃機関１４がその通常のアイドル回転数で回転するように、可変容量モータ３８の押しのけ容積を調整する。しかしながら、制動エネルギー回収システム１０が既存のトラックに後付けされる場合、既存のＥＣＵを、コントローラ３０と通信することができるように手を加える必要のないことが有利であり得る。したがって、コントローラ３０は、アキュムレータ３６に、油圧エネルギーのみで内燃機関１４を駆動するのに十分なエネルギーがあると評価した場合、内燃機関１４を、その通常のアイドル回転数をわずかに上回る速度で駆動するように、可変容量モータ３８の押しのけ容積を調整する。ＥＣＵは、内燃機関１４への燃料供給を、そのエンジン速度を低下させるように低減すると、エンジン速度をアイドル状態までさらに低下しようとして完全に遮断するまで、燃料供給を低減する。

上述した実施形態の代替形態として、可変容量ポンプ３２およびギアボックス３３を、それぞれ定容量ポンプおよび無段変速機に置き換えてもよい。これによってまた、ポンプ３２によってアキュムレータ３６に圧送される油圧流体の流量の制御が可能になるが、この実施形態は、おそらく実施するのにより費用がかかる可能性がある。

本発明を、好ましい実施形態に関して説明した。説明は、図面と同様に、本発明の範囲を限定するのではなく本発明の理解に役立つことが意図されている。当業者には、本明細書で述べた本発明の範囲から逸脱することなく、本発明に対してさまざまな変更を行うことができ、こうした変更が、本説明によって包含されるように意図されていることが明らかとなろう。本発明は、以下の特許請求の範囲によって定義される。

Claims (15)

1. エンジンを含む駆動部分と、変速機および前記変速機をホイールセットに連結するドライブシャフトを含む被駆動部分とを備える駆動系を有する車両に用いられ、前記駆動系の前記駆動部分が前記被駆動部分に切離し可能に結合される、制動エネルギー回収システムであって、
   可変容量油圧ポンプからなり、前記駆動系の前記被駆動部分に結合された第１ポンプと、
   前記第１ポンプから油圧流体を受け取るように連結された油圧アキュムレータであって、圧力下で油圧流体を蓄積するように作動するアキュムレータと、
   前記アキュムレータから油圧流体を受け取るように連結された油圧モータであって、互いに独立して回転することができるように前記駆動系の前記被駆動部分から隔離され、かつ、前記駆動系の前記駆動部分に結合されている油圧モータと、
   補助油圧システムと、
   前記補助油圧システムに動力を供給するように構成され、前記油圧モータによって作動させることができるように前記油圧モータに結合されている第２油圧ポンプと、
   を具備する制動エネルギー回収システム。
2. 前記第２油圧ポンプを前記駆動系の前記駆動部分によって作動させることができるように、前記第２油圧ポンプが前記駆動系の前記駆動部分に結合されている、請求項１に記載の制動エネルギー回収システム。
3. 前記油圧モータが、前記駆動系の前記駆動部分を介して前記第２油圧ポンプを作動させるように構成された、請求項１または２に記載の制動エネルギー回収システム。
4. 前記油圧モータが前記エンジンを回転させるためのトルクを与えるように構成され、前記トルクは、前記エンジンを加速させたり、一定速度で回転させたり、アイドル状態で回転させたり、前記補助油圧システムに動力を供給したりするときのアシストを行なうように構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の制動エネルギー回収システム。
5. 前記第１ポンプを前記ドライブシャフトに選択的に係合させるクラッチ、および前記ドライブシャフトと前記第１ポンプとの間に位置するギアボックスをさらに具備し、前記ギアボックスが前記クラッチを前記第１ポンプに連結する、請求項１〜４のいずれか1項に記載の制動エネルギー回収システム。
6. 制動要求を検出し、前記制動要求に従って前記第１ポンプの押しのけ容積を調整するように作動するコントローラをさらに具備する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の制動エネルギー回収システム。
7. 前記コントローラがさらに、前記アキュムレータの蓄積されたエネルギーのレベルに応じて前記第１ポンプの前記押しのけ容積を調整するように作動する、請求項６に記載の制動エネルギー回収システム。
8. 前記コントローラがさらに、前記補助油圧システムからの動力要求を検出し、前記動力要求のレベルに応じて前記油圧モータの押しのけ容積を調整するように作動する、請求項６または７に記載の制動エネルギー回収システム。
9. 前記油圧モータが前記駆動系の前記駆動部分に結合され、前記コントローラが、前記エンジンを回転させるだけのトルクを作り出すように前記油圧モータの押しのけ容積を調節するように動作可能である、請求項６〜８のいずれか1項に記載の制動エネルギー回収システム。
10. 前記車両が標準制動システムも有し、前記コントローラが、前記制動要求に従って前記標準制動システムの制動力を起動させかつ調整するように作動する、請求項６に記載の制動エネルギー回収システム。
11. 前記第１ポンプの最大押しのけ容積が、前記油圧モータの押しのけ容積と著しく異なる、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の制動エネルギー回収システム。
12. 複数の固定ギア比を有する変速機を備える既存の車両に後付けされる、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の制動エネルギー回収システム。
13. 前記補助油圧システムが油圧装置の一部である、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の制動エネルギー回収システム。
14. 前記油圧装置の一部が、ごみ収集車のごみ圧縮機である、請求項１３に記載の制動エネルギー回収システム。
15. 前記油圧装置の一部が、ごみ箱を上昇させるように構成されたごみ収集車の油圧式アームである、請求項１３に記載の制動エネルギー回収システム。

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