JP6120564B2 - 車両の駆動源の構造 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関及びモータジェネレータにより車軸及び補機を駆動することのできる車両の駆動源の構造に関する。
車両用の内燃機関には、ウォータポンプ、エアコンディショナの冷媒圧縮用コンプレッサ、発電機といった補機が付設されている。これらの補機は、内燃機関のクランクシャフトが出力する回転トルクの伝達を受けて駆動され、所望の性能を発揮する。クランクシャフトから各補機へのトルクの伝達は、ベルト及びこれが巻き掛けられるプーリを要素とする巻掛伝動機構を介して行われることが通例である(例えば、下記特許文献を参照)。
しかしながら、クランクシャフト及び各補機にプーリを取り付け、それらプーリにベルトを巻き掛けるにあたり、ベルトを滑らせずに各プーリにトルクを伝達できるよう、(各プーリにおいてベルトが接触する径の長さを確保するべく)プーリの配置には制限が課される。このため、補機の配設位置の設計の自由度が低下するきらいがある。加えて、ベルトの張力を適正に保つテンショナが必要となることもあって、部品点数が増加し、構成が複雑化する。
特開2011−208707号公報 特開2011−094567号公報
本発明は、電動機、発電機及び補機の構成の簡便化を図ることを主たる目的としている。
本発明に係る車両の駆動源の構造は、車軸及び補機を駆動する駆動源として内燃機関及びモータジェネレータを具備するものであって、モータジェネレータのインナが内燃機関のクランクシャフトからトルクの伝達を受けられるようにインナとクランクシャフトとを接続し、モータジェネレータのアウタを内燃機関または車体に対して回転可能に支持させて、補機がこのアウタからトルクの伝達を受けられるように補機とアウタとを接続したことを特徴とする。
このようなものであれば、モータジェネレータのアウタと補機との間に歯車伝動機構を介在させ、この歯車伝動機構によりトルクの伝達を行い、補機を駆動することが可能となる。
あるいは、内燃機関のクランクシャフトを回転駆動する電動機と、内燃機関の出力を利用して発電する発電機と、補機を駆動する電動機とを一つのモータジェネレータにまとめることができる。
また、前記モータジェネレータが発電する電力の大きさを制御することを通じて、補機の回転を制御できるようになる。
前記モータジェネレータが発電する電力の大きさを知得することを通じて補機による負荷の大きさを把握し、その負荷の大きさに応じて内燃機関の出力を補正することも可能となる。
前記アウタと所定の固定部材との間に断接切換可能なクラッチを介在させ、このクラッチを接続することによりアウタの回転を制止するようにすれば、モータジェネレータを電動機として内燃機関のクランクシャフトを回転駆動するとき(始動時、高要求負荷時等)や、モータジェネレータを発電機として発電を行うとき(回生制動時、車載のバッテリの充電量の不足時、電装系の大電力要求時等)に、モータジェネレータの出力を好適に高めることができる。
前記クラッチは、例えば、車両が減速走行する際の回生制動時に接続する。
本発明は、電動機、発電機及び補機の構成の簡便化を図ることができる。
本発明の一実施形態における内燃機関の概略構成を示す図。 同実施形態における内燃機関及びモータジェネレータの構造的な関係を模式的に示す図。
本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図1に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態における内燃機関は、火花点火式の4ストロークエンジンであり、複数の気筒1(図1には、そのうち一つを図示している)を具備している。各気筒1の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ11を設けている。また、各気筒1の燃焼室の天井部に、点火プラグ12を取り付けてある。点火プラグ12は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。
吸気を供給するための吸気通路3は、外部から空気を取り入れて各気筒1の吸気ポートへと導く。吸気通路3上には、エアクリーナ31、電子スロットルバルブ32、サージタンク33、吸気マニホルド34を、上流からこの順序に配置している。
排気を排出するための排気通路4は、気筒1内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒1の排気ポートから外部へと導く。この排気通路4上には、排気マニホルド42及び排気浄化用の三元触媒41を配置している。
図2に示すように、本実施形態における内燃機関には、モータジェネレータ5及び補機7が付随している。モータジェネレータ5は、内燃機関のクランクシャフト13ひいては車両の車軸(そして、駆動輪)を回転駆動する電動機(スタータ及びアシストモータ)としての機能と、クランクシャフト13から駆動力の伝達を受けて発電する発電機としての機能とを両備する。
クランクシャフト13及び車軸を回転駆動する場合、モータジェネレータ5は車載のバッテリ(図示せず)から電力の供給を受ける。翻って、クランクシャフト13により回転駆動されて発電する場合には、その発電した電力を同バッテリに充電することができる。特に、モータジェネレータ5は、車両が減速するときに回生制動を行い、車両の運動エネルギを電気エネルギとして回収する。
モータジェネレータ5の内周側のインナ51は、内燃機関のクランクシャフト13と同軸に配置され、クランクシャフト13に対して固定している。よって、インナ51は、常にクランクシャフト13に従動する。本実施形態において、インナ51は永久磁石を内包する回転子であり、コイルを内包する電機子(固定子)であるアウタ52に回転可能に支持される。
モータジェネレータ5の外周側にあるアウタ52は、内燃機関または車体に対して回転可能であるように支持されている。アウタ52のコイルとバッテリ回路との間は、例えばスリップリング等を用いて電気的に接続する。アウタ52は、ワンウェイクラッチ61を介して固定の部材(例えば、内燃機関のタイミングチェーンを被覆するチェーンカバー14)に接続している。故に、アウタ52の回転方向は、一方向に制限されている。
さらに、アウタ52と固定の部材(チェーンカバー14であることもあれば、内燃機関におけるチェーンカバー14以外の部材であることもある)との間には、断接切換可能なクラッチとして、マグネットクラッチ62を介在させてある。このマグネットクラッチ62を接続すれば、アウタ52を回転させずに固定することができる。
本実施形態において、補機の一種であるウォータポンプ7は、モータジェネレータ5のアウタ52に対して接続している。アウタ52とウォータポンプ7との間には、歯車伝動機構521、71を介在させている。具体的には、アウタ52に固設したギア521と、ウォータポンプ7の入力軸に固設したギア71とを噛合させて、アウタ52からウォータポンプ7にトルクを伝達できるようにしている。トルクの入力を受けたウォータポンプ7は、内燃機関の冷却水を吸引して吐出し、冷却水を循環させる。
内燃機関及びモータジェネレータ5の制御を司るECU(Electronic Control Unit)0は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。
入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号a、クランクシャフト1310の回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号b、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ32の開度をアクセル開度(運転者が要求する出力、いわば要求負荷)として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号c、吸気通路3(特に、サージタンク33)内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号d、機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号e、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号f、車載のバッテリの充電状態を示唆するバッテリ電圧及び/またはバッテリ電流を検出するセンサから出力されるバッテリ信号g、モータジェネレータ5による(電動機としての)出力または(発電機としての)発電量を示唆する電機子電圧及び/または電機子電流を検出するセンサから出力される電機子信号h等が入力される。
出力インタフェースからは、点火プラグ12のイグナイタに対して点火信号i、インジェクタ11に対して燃料噴射信号j、スロットルバルブ32に対して開度操作信号k、モータジェネレータ5(の制御回路)に対してこれを制御するための制御信号l、マグネットクラッチ62に対して接続信号m等を出力する。制御信号lは、モータジェネレータ5をモータとして作動させるか、オルタネータとして作動させるかを指令するとともに、モータとして作動させる場合にモータジェネレータ5に対して印加する電圧(または、電流)の大きさや、オルタネータとして作動させる場合にモータジェネレータ5から出力させる電圧(または、電流)の大きさを制御する信号である。接続信号mは、マグネットクラッチ62に通電してこれを接続するための信号である。
ECU0のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ECU0は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報a、b、c、d、e、f、g、hを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒1に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング(一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む)、燃料噴射圧、点火タイミング、モータジェネレータ5の出力または発電量、といった各種運転パラメータを決定する。ECU0は、運転パラメータに対応した各種制御信号i、j、k、l、mを出力インタフェースを介して印加する。
本実施形態における車両は、いわゆるハイブリッド車両であることがある。
以降、本実施形態のECU0による、内燃機関及びモータジェネレータ5の制御の態様を述べる。
<内燃機関の始動>内燃機関のクランクシャフト13を回転駆動するクランキング時には、モータジェネレータ5のアウタ52に通電して、モータジェネレータ5を電動機として機能させる。
このとき、インナ51及びクランクシャフト13が正方向に回転しようとすることの反作用として、アウタ52がインナ51及びクランクシャフト13とは逆方向に回転しようとする。だが、その逆方向の回転は、ワンウェイクラッチ61により阻止される。従って、モータジェネレータ5が発生させるトルクが、確実に内燃機関のクランクシャフト13へと伝わる。アウタ52は回転せず、アウタ52と接続しているウォータポンプ7も回転しない。なお、マグネットクラッチ62を接続してアウタ52を固定しても構わないが、マグネットクラッチ62に通電することによる電力消費が発生する。
内燃機関が完爆し、燃料の燃焼によるクランクシャフト13の回転速度が、電力を消費して回転するモータジェネレータ5のインナ51の回転速度を上回る状況となると、アウタ52がクランクシャフト13及びインナ51に引き摺られて正回転を始める。同時に、電動機であったモータジェネレータ5が発電機に切り換わる。
<補機の駆動>補機であるウォータポンプ7を回転駆動するためには、モータジェネレータ5のアウタ52を回転させる必要がある。内燃機関が燃料を燃焼させて運転を行っている場合、内燃機関が出力するエンジントルクをクランクシャフト13からインナ51を介してアウタ52に伝達し、モータジェネレータ5のアウタ52を回転させることが可能である。
即ち、マグネットクラッチ62を接続しておらず、クランクシャフト13及びインナ51が正方向に回転しているときには、これらの回転に引き摺られるようにしてアウタ52が正方向に回転する。その正方向の回転は、ワンウェイクラッチ61によっても阻止されない。アウタ52が正方向に回転すれば、アウタ52に噛合しているウォータポンプ7の入力軸も回転する。
内燃機関のクランクシャフト13により回転駆動されるアウタ52の回転速度、そして回転トルクは、発電機として機能するモータジェネレータ5の発電量に応じて変化する。モータジェネレータ5の発電量を増加させれば、モータジェネレータ5において消費される(電力に変換される)エンジントルクが増大し、その分アウタ52の回転トルクが低下する。ひいては、ウォータポンプ7に入力されるトルクが低下する。逆に、モータジェネレータ5の発電量を減少させれば、アウタ52の回転トルクが増大し、ウォータポンプ7に入力されるトルクも増大する。
つまり、モータジェネレータ5がインバータ回路等を介して出力する電圧(または、電流)の大きさをECU0から指令して調整すれば、ウォータポンプ7の出力である冷却水の吐出流量(または、吐出圧力)を操作することが可能である。例えば、アクセルペダルの踏込量が小さく、内燃機関に対する要求負荷が比較的低いときには、内燃機関の発熱量が少なく、冷却性能に対する要求が低い。従って、モータジェネレータ5の発電量を増加させ、ウォータポンプ7の出力を低下させる。翻って、アクセルペダルの踏込量が大きく、内燃機関に対する要求負荷が比較的高いときには、内燃機関の発熱量が多く、冷却性能に対する要求が高いことから、モータジェネレータ5の発電量を減少させ、ウォータポンプ7の出力を増大させる。
因みに、アウタ52に逆電圧を印加し、モータジェネレータ5を電動機として機能させ、アウタ52を正方向に回転させるようにして、ウォータポンプ7を回転駆動することも可能である。但し、この場合、インナ51及びクランクシャフト13を逆方向に回転させようとするトルクが発生する。故に、アウタ52に逆電圧を印加するのは、内燃機関のクランクシャフト13の回転が停止しているとき(アイドルストップまたはイグニッションスイッチOFF時)や、内燃機関の温度(冷却水温)が著しく上昇したとき等に限ることが望ましい。
<発電>車両の走行中にアクセルペダルの踏込量が0または0に近い所定値未満となった減速要求時には、車軸からクランクシャフト13に還ってくる逆トルクを利用して回生発電を行うことができる。
あるいは、車載のバッテリの充電残量が低下した、若しくは車両の電装系が要求する電力が大きくなった場合にあっては、内燃機関が燃料を燃焼させて発生させるエンジントルクを利用して発電し、発電した電力をバッテリ及び/または電装系に供給する必要がある。
モータジェネレータ5が発電し出力する電力の大きさは、モータジェネレータ5のインナ51とアウタ52との相対的な回転速度差に依存する。補機7の駆動に関する項で述べたように、アウタ52を固定せずとも発電することは可能である。だが、発電量を大いに増すためには、インナ51とアウタ52との回転速度差を高めるべく、アウタ52を回転不能に固定するべきである。よって、回生制動時やバッテリの充電量の不足時等には、マグネットクラッチ62に通電してこれを接続する。回生制動で回収できる電気エネルギは、マグネットクラッチ62に通電することで消費されるエネルギよりも十分に大きい。
また、減速要求時には、一般に内燃機関の温度は低下する傾向にある。故に、アウタ52を介してウォータポンプ7を回転させなくともよい。
<コースト走行運転>車両の走行中にアクセルペダルの踏込量が0または0に近い所定値未満となり、車両を惰性で走行させるコースト走行時には、気筒1への燃料供給を一時停止する燃料カットが実施されることもあり、できるだけ長い期間、車軸及び内燃機関のクランクシャフト13の回転を維持することが求められる。そこで、コースト走行時には、マグネットクラッチ62を接続してアウタ52を固定しつつ、発電機となるモータジェネレータ5の発電量を最低(0であることがある)に抑える。さすれば、モータジェネレータ5において消費されるエンジントルクが減少する。
コースト走行時には内燃機関の温度が低下することから、アウタ52を介してウォータポンプ7を回転させなくともよい。
<低負荷運転>アクセルペダルの踏込量が小さく、内燃機関に対する要求負荷が比較的低いときには、エンジン回転数が低いことが多く、そのために内燃機関の熱効率が低下する。そこで、内燃機関のクランクシャフト13の回転をモータジェネレータ5によりアシストし、燃料消費を抑制して燃費の良化を図る。
クランクシャフト13を回転駆動するモータアシスト時には、モータジェネレータ5を電動機として機能させる。即ち、モータジェネレータ5のアウタ52に通電し、インナ51を正方向に回転させる。内燃機関の始動に関する項で述べたように、反作用に起因するアウタ52の逆方向の回転は、ワンウェイクラッチ61により阻止される。マグネットクラッチ62を接続してアウタ52を固定する必要はない。
<高負荷運転>アクセルペダルの踏込量が大きく、内燃機関に対する要求負荷が比較的高いときには、モータジェネレータ5が内燃機関にとっての足かせとならないよう、マグネットクラッチ62は切断しておき、アウタ52が自由に回転できる状態とする。なおかつ、発電機となるモータジェネレータ5の発電量を最低に抑える。さすれば、アウタ52がインナ51及びクランクシャフト13の回転に追従して正方向に回転し、モータジェネレータ5において消費されるエンジントルクが減少する。同時に、ウォータポンプ7を回転駆動し続けることができ、冷却水の循環が維持される。
<加速の過渡期>車両の発進時等、エンジン回転数及び車速が上昇してゆく過程では、当初モータジェネレータ5のアウタ52に通電してモータジェネレータ5を電動機として機能させ、内燃機関をアシストする。しかる後、アウタ52への通電を停止して、アウタ52がインナ51及びクランクシャフト13に引き摺られて回転するようにする。
本実施形態の車両の駆動源の構造は、車軸及び補機7を駆動する駆動源として内燃機関及びモータジェネレータ5を具備するものであって、モータジェネレータ5のインナ51が内燃機関のクランクシャフト13からトルクの伝達を受けられるようにインナ51とクランクシャフト13とを接続し、モータジェネレータ5のアウタ52を回転可能に支持させて、補機7がこのアウタ52からトルクの伝達を受けられるように補機7とアウタ52とを接続してなる。
本実施形態によれば、内燃機関が燃料を燃焼させて運転しているときに、クランクシャフト13の回転駆動力をモータジェネレータ5のアウタ52を介して補機7に伝達することが可能となる。内燃機関が停止しているときにも、モータジェネレータ5を電動機として稼働させ、アウタ52を回転させてその回転トルクを補機7に伝達することが可能となる。
アウタ52はインナ51よりも外径が大きく、その分だけウォータポンプ等の補機7に近づけることができ、巻掛伝動機構(ベルト及びプーリ)以外の伝動機構、特にギア71、521を介してアウタ52と補機7とを接続することが容易である。いわば、アウタ52がクランクシャフト13と補機7とを接続するトルク伝達部材となるため、ベルトやプーリ、テンショナ等が不要となり、部品点数が削減され、構造も簡便になり、コストの低減に寄与し得る。また、内燃機関に対する補機7の配置の設計の自由度も増す。
さらに、前記モータジェネレータ5が発電する電力の大きさを制御することを通じて、補機7の回転を制御できることから、エンジントルクのうちそのときに必要な分だけを補機7に入力し、残りは電力に変換して回収することができる。また、内燃機関の回転速度によらず補機7の回転速度を制御できるので、エンジン回転数が高い状況において補機7が過回転となることを防止して補機7を保護できる。補機7の出力を高める(例えば、冷却水温が高く、ウォータポンプ7の吐出流量を増す)必要があるときには、モータジェネレータ5による発電量を低減させ、より多くのトルクを補機7に入力することもできる。
ECU0は、モータジェネレータ5の発電している電力の大きさを、電機子電流及び/または電機子電圧をセンシングすることで推算することができる。発電機として機能するモータジェネレータ5の発電電力を操作して補機7の回転を制御している場合、その発電電力を知得することを通じて、補機7による負荷の大きさを把握することが可能である。エンジントルクを一定と仮定すると、発電電力が小さいほど、補機7が消費する機械エネルギが大きく、補機7による負荷が大きいと言える。
本実施形態のECU0は、その補機7の負荷の大きさに応じて、内燃機関の出力を補正する。即ち、モータジェネレータ5の発電電力が小さく、補機7による負荷が大きい場合には、そうでない場合と比較して、気筒1に充填される吸気量を増量(スロットルバルブ32の開度を拡大)し、燃料噴射量を増量する。補機7の負荷を直接計測する計測器を必要としないことも利点である。
前記アウタ52と所定の固定部材14との間に断接切換可能なクラッチ62を介在させ、このクラッチ62を接続することによりアウタ52の回転を制止できるため、モータジェネレータ5による発電量を増したいときにはアウタ52を固定し、モータジェネレータ5による発電量を減らして補機7を駆動したいときにはアウタ52の固定を解除するというように、その時々の要請に応じて柔軟に切り換えを行うことが可能である。
車両が減速走行する際に前記クラッチ62を接続すれば、回生制動により回収する電力を増やすことができ、燃費性能のより一層の向上に資する。
並びに、本実施形態の車両の駆動源の構造は、車軸を駆動する駆動源として内燃機関及びモータジェネレータ5を具備するものであって、モータジェネレータ5のインナ51が内燃機関のクランクシャフト13からトルクの伝達を受けられるようにインナ51とクランクシャフト13とを接続し、モータジェネレータ5のアウタ52を回転可能に支持させるとともに、アウタ52と所定の固定部材14との間に断接切換可能なクラッチ62を介在させて、このクラッチ62を接続することによりアウタ52の回転を制止することができるようにしてなる。
本実施形態によれば、エンジン回転数が高回転となるときにクラッチ62を切断し、モータジェネレータ5のアウタ52をインナ51及びクランクシャフト13に追従して回転可能な状態とすることで、モータジェネレータ5のコイルを流れる電流の過剰な増大を抑制することができる。ひいては、モータジェネレータ5の損傷を未然に防ぐことが可能となる。
加えて、前記アウタ52と所定の固定部材14との間にワンウェイクラッチ61を介在させて、このワンウェイクラッチ61によりアウタ52の回転方向を一方向に限定しているため、内燃機関の始動時やモータアシスト時等に、電動機として機能するモータジェネレータ5のアウタ52の逆方向の回転を阻止できる。ワンウェイクラッチ61は、マグネットクラッチ62のように電力を消費しないので、燃費面で有利となる。
なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、モータジェネレータ5のアウタ52の逆方向の回転を阻止するワンウェイクラッチ61は、必須の要素ではない。内燃機関の始動時やモータアシスト時等に、マグネットクラッチ62によってアウタ52を回転不能に固定するものとすれば、ワンウェイクラッチ61を廃することができる。
アウタ52と所定の固定部材14との間に介在する断接切換可能なクラッチ62は、マグネットクラッチには限定されず、液圧(油圧)により駆動されるクラッチであってもよい。
モータジェネレータ5のアウタ52からトルクの伝達を受けて駆動される補機7の種類は、ウォータポンプには限定されない。補機7が、エアコンディショナの冷媒圧縮用のコンプレッサ等であってもよい。
モータジェネレータ5のアウタ52から、複数の補機7に対してトルクを伝達しても構わない。
その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
本発明は、駆動源として内燃機関及びモータジェネレータ5が搭載される車両に適用できる。
0…制御装置(ECU)
13…内燃機関のクランクシャフト
14…固定部材(チェーンカバー)
5…モータジェネレータ
51…インナ
52…アウタ
61…ワンウェイクラッチ
62…断接切換可能なクラッチ(マグネットクラッチ)
7…補機
521、71…歯車伝動機構

Claims (6)

  1. 車軸及び補機を駆動する駆動源として内燃機関及びモータジェネレータを具備するものであって、
    モータジェネレータのインナが内燃機関のクランクシャフトからトルクの伝達を受けられるようにインナとクランクシャフトとを接続し、
    モータジェネレータのアウタを内燃機関または車体に対して回転可能に支持させて、補機がこのアウタからトルクの伝達を受けられるように補機とアウタとを接続した車両の駆動源の構造。
  2. 前記アウタと前記補機との間に歯車伝動機構を介在させ、この歯車伝動機構によりトルクの伝達を行う請求項1記載の車両の駆動源の構造。
  3. 前記モータジェネレータが発電する電力の大きさを制御することを通じて補機の回転を制御できる請求項1または2記載の車両の駆動源の構造。
  4. 前記モータジェネレータが発電する電力の大きさを知得することを通じて補機による負荷の大きさを把握し、その負荷の大きさに応じて内燃機関の出力を補正する請求項1、2または3記載の車両の駆動源の構造。
  5. 前記アウタと所定の固定部材との間に断接切換可能なクラッチを介在させ、このクラッチを接続することによりアウタの回転を制止することができる請求項1、2、3または4記載の車両の駆動源の構造。
  6. 車両が減速走行する際に前記クラッチを接続する請求項5記載の車両の駆動源の構造。
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