JP6281206B2 - ハイブリッドシステム、ハイブリッド車両、及びハイブリッドシステムの動力伝達方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のクランク軸のリングギアの損傷を防止できるハイブリッドシステム、ハイブリッド車両、及びハイブリッドシステムの動力伝達方法に関する。

内燃機関の始動開始時には、スタータを用いてクランク軸を回転駆動して、気筒（シリンダ）内のピストンを着火可能な速度まで加速させ、燃料噴射可能な位置及び着火可能な位置に移動させている。このときに、スタータのピニオンギアをクランク軸のフライホール側のリングギアに噛み合せることで、スタータにより発生するトルクをクランク軸に伝達してクランク軸を回転することで内燃機関のピストンを上下させている。 しかしながら、この始動開始前のエンジン停止時においては、燃料噴射を停止した後、クランク軸は慣性でピストンの移動を行いながら回転しているが、内燃機関のフリクションの関係で、いずれかの気筒（シリンダ）でピストンが圧縮上死点の近傍位置にある位置でクランク軸が停止する。

そのため、この停止後の始動時に、スタータのピニオンギアが押し出されて、リングギアと噛み合いを開始する際の、ピニオンギアとリングギアとの噛み合い位置は、ピストンが圧縮上死点の近傍で停止する気筒によって変化するものの、特定の部位に集中して、リングギアの全周で均等にならない。この噛み合い開始部分では、噛み合い時の力が繰り返し作用するため、この部分の損傷が大きく、リングギアの交換の契機になり、リングギアの寿命を短くしている。

一方、内燃機関と電動発電機の両方を搭載するハイブリッド車両（ＨＥＶ）では、内燃機関の出力により電動発電機を駆動して発電して、この発電した電力をバッテリに充電したり、このバッテリに充電した電力で電動発電機を駆動して内燃機関の出力をアシストしたりしている。この内燃機関で電動発電機を駆動する場合には、内燃機関の駆動力を電動発電機に伝達する必要がある。

この動力伝達に関しては、いくつかの方法が提案されており、例えば、エンジン（内燃機関）と変速機との間に電動モータ（電動発電機）を設けて、この電動モータをエンジンの駆動軸（クランク軸）に連結したハイブリッド車両が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、このハイブリッド車両においては、内燃機関の停止時及び始動時のスタータのピニオンギアとリングギアの位置関係やリングギアの寿命延長に関しては触れられていない。

特開２０１３−７５５４０号公報

本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、リングギアの寿命の延長を図ることができるハイブリッドシステム、ハイブリッド車両、及びハイブリッドシステムの動力伝達方法を提供することである。

上記の目的を達成するための本発明のハイブリッドシステムは、内燃機関と電動発電機を有するハイブリッドシステムにおいて、前記内燃機関のクランク軸に前記電動発電機を接続すると共に、前記電動発電機を制御するハイブリッド用制御装置が、前記内燃機関の停止後に、前記電動発電機を制御して、前記電動発電機の駆動力により前記クランク軸を回転して停止位置を移動して、前記内燃機関の始動時における前記クランク軸の回転開始位置を前記クランク軸の全周に分散させて、スタータのオピニオンギアとリングギアがかみ合う位置を前記リングギアの全周に均等に分散させる制御を行うように構成される。

この構成によれば、内燃機関が停止した後で、上死点近傍に停止しているピストンを動かして、停止位置を毎回別の停止位置にずらすので、内燃機関の始動時及びアイドリングストップの再始動時に、スタータのオピニオンギアとリングギアが噛み合う位置を、リングギアの全周に均等に分散できて、リングギアの寿命の延長を図ることができる。

なお、電動発電機が内燃機関のクランク軸に接続していることで、内燃機関停止後のクランク軸を電動発電機で回転することができるが、内燃機関の始動に関しては、内燃機関のスタータの役割を電動発電機が果してもよく、また、電動発電機とは別に内燃機関がスタータを備えて、このスタータで始動してもよい。

また、上記のハイブリッドシステムにおいて、前記ハイブリッド用制御装置が、前記クランク軸又はリングギアの全周における各位置に対応する位置用メモリーを設け、始動時の前記回転開始位置が前記各位置のどの位置に何回なったかをカウントして、その位置に対応する前記位置用メモリーに記憶し、前記内燃機関の停止後に前記電動発電機で前記クランク軸を回転させる時に、カウント数が最小の前記位置用メモリーに対応する位置に、次回の始動時の前記回転開始位置がなるように、前記電動発電機を制御する制御を行うように構成すると、これにより、始動時の回転開始位置を、クランク軸の全周に容易に分散させることができる。

また、上記のハイブリッドシステムにおいて、前記ハイブリッド用制御装置が、前記内燃機関の停止後に前記電動発電機で前記クランク軸を回転させる時に、カウント数が最小の前記位置用メモリーに対応する位置の中から前記内燃機関の停止後の移動前の停止位置に最短の位置を選定して、この位置に、次回の始動時の前記回転開始位置がなるように、前記電動発電機を制御する制御を行うように構成すると、これにより、始動時の回転開始位置を、効率的にクランク軸の全周に容易に分散させることができる。

そして、上記の目的を達成するためのハイブリッド車両は、上記のハイブリッドシステムを搭載したことを特徴とすると、上記のハイブリッドシステムと同様の効果を奏することができる。

そして、上記の目的を達成するための本発明のハイブリッドシステムの動力伝達方法は、内燃機関と電動発電機を有するハイブリッドシステムの動力伝達方法において、前記内燃機関の停止後に、前記電動発電機を制御して、前記電動発電機の駆動力により前記クランク軸を回転して停止位置を移動して、前記内燃機関の始動時における前記クランク軸の回転開始位置を前記クランク軸の全周に分散させて、スタータのオピニオンギアとリングギアがかみ合う位置を前記リングギアの全周に均等に分散させることを特徴とする方法である。

また、上記のハイブリッドシステムの動力伝達方法において、始動時の前記回転開始位置が前記クランク軸又はリングギアの全周におけるどの位置に何回なったかをカウントして、その位置に対応する前記位置用メモリーに記憶し、前記内燃機関の停止後に前記電動発電機で前記クランク軸を回転させる時に、カウント数が最小の前記位置用メモリーに対応する位置に、次回の始動時の前記回転開始位置がなるように、前記電動発電機を制御する。

また、上記のハイブリッドシステムの動力伝達方法において、前記内燃機関の停止後に前記電動発電機で前記クランク軸を回転させる時に、カウント数が最小の前記位置用メモリーに対応する位置の中から前記内燃機関の停止後の移動前の停止位置に最短の位置を選定して、この位置に、次回の始動時の前記回転開始位置がなるように、前記電動発電機を制御する。

これらの方法によれば、上記のハイブリッドシステムと同様の効果を奏することができる。

本発明のハイブリッドシステム、ハイブリッド車両、及びハイブリッドシステムの動力伝達方法によれば、内燃機関が停止した後で、上死点近傍に停止しているピストンを動かして、停止位置を毎回別の停止位置にずらすので、内燃機関の始動時及びアイドリングストップの再始動時に、スタータのオピニオンギアとリングギアが噛み合う位置を、リングギアの全周に均等に分散できて、リングギアの寿命の延長を図ることができる。

本発明の実施の形態のハイブリッドシステム及びハイブリッド車両の構成を示す図である。 クランク軸用断接装置を備えたハイブリッドシステム及びハイブリッド車両の構成を示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態のハイブリッドシステム、ハイブリッド車両、及びハイブリッドシステムの動力伝達方法について図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、この実施の形態のハイブリッドシステム２は、エンジン（内燃機関）１０と電動発電機（Ｍ/Ｇ）２１を有するハイブリッドシステムである。なお、ここでは、このハイブリッドシステム２はハイブリッド車両（ＨＥＶ：以下車両とする）１に搭載されるものとして説明するが、必ずしも、車両に搭載されるものに限定されない。

図１に示すように、この実施の形態のハイブリッドシステム２は、エンジン１１と排気通路１２とターボ過給器１３と、排気通路１２に設けられた排気ガス浄化装置（後処理装置）１４を備えている。

エンジン１１のクランク軸１５に電動発電機２１を連結して構成する。つまり、エンジン１１のクランク軸１５に直結してベルト（又はチェーン）式ＣＶＴ（無段変速機構：レシオ可変機構）１６を設け、このＣＶＴ１６に電動発電機２１を連結する。つまり、エンジン１１のクランク軸１５にＣＶＴ１６の第１プーリー（第１動力伝達部）１６ａを設けると共に、電動発電機２１にＣＶＴ１６の第２プーリー（第２動力伝達部）１６ｂを設けて構成し、第１プーリー１６ａと第２プーリー１６ｂを介してクランク軸１５と電動発電機２１との間の動力伝達を行うように構成する。この第１プーリー１６ａと第２プーリー１６ｂとの間にはベルトやチェーンなどの動力伝達部材（以下ベルト）１６ｃが掛けられており、クランク軸１５から第１プーリー１６ａとベルト１６ｃと第２プーリー１６ｂを経由して電動発電機２１に、また逆に、電動発電機２１から第２プーリー１６ｂとベルト１６ｃと第１プーリー１６ａを経由してクランク軸１５に、動力が伝達される。

このＣＶＴ１６では、２個一組の第１プーリー１６ａと第２プーリー１６ｂにベルト１６ｃをかけ、個々のプーリー１６ａ、１６ｂの幅を変えることにより、プーリー１６ａ、１６ｂとベルト１６ｃの接する位置を変えるようにしており、幅が拡げられてベルト１６ｃの接する位置が内側に（軸に近く）なれば直径が小さくなり、逆に幅が狭められてベルト１６ｃの接する位置が外側なれば（外周側に移動すれば）直径が大きくなるように構成されている。そして、電子制御による油圧又は電動機構（図示しない）で２個のプーリー１６ａ、１６ｂの幅の拡縮が互いに逆になるように変化させる制御を行うことにより、ベルト１６ｃをたるませることなく、変速を連続的に行うことができる。

このＣＶＴ１６を、エンジン１１において、クランク軸１５の一方に変速機３１が接続されており、クランク軸１５の他方にＣＶＴ１６が接続されているように構成すると、ＣＶＴ１６が、エンジン１１に関して、変速機３１とは反対側のクランク軸１５に設けられていることになるので、これにより、エンジン１１と変速機３１の間にＣＶＴ１６を設ける必要がなくなる。そのため、ハイブリッドシステムを考慮していない、既存のエンジンと変速機との組み合わせ（パワートレイン）に対しても、電動発電機を容易に設けることができ、ハイブリッドシステムを適用できるパワートレインの種類を拡大することが容易にできる。

なお、この場合、従来技術では、エンジンに関して、変速機とは反対側には、クランク軸から駆動力を得ている冷却ファンや冷却水ポンプや潤滑油ポンプ等の補機が配置されているので、これらの補機は電動化して、クランク軸から直接駆動力を得ることなく、電動発電機で発電した電力で駆動されるようにすることが好ましい。これにより、補機類のレイアウトに関して自由性が増し、更には状況に応じて補機による負荷損失のないエンジン出力を駆動力に活用できるというメリットが生じる。

そして、電力システム２０の一部である電動発電機２１は、発電機として、エンジン１１の駆動力を受けて発電をしたり、又は、車両１のブレーキ力等の回生力発生による回生発電をしたりすると共に、モータとして駆動して、その駆動力をエンジン１１のクランク軸１５に伝達して、エンジン１１の駆動力（出力：トルク）をアシストしたりする。

なお、発電して得た電力は、配線２２を経由してインバータ（ＩＮＶ）２３で変換して第１バッテリ（充電器：Ｂ１）２４Ａに充電される。また、電動発電機２１を駆動するときは、第１バッテリ２４Ａに充電された電力をインバータ２３で変換して電動発電機２１に供給する。

図１の構成では、更に、ＤＣ−ＤＣコンバータ（ＣＯＮ）２５と第２バッテリ（Ｂ２）２４Ｂを第１バッテリ２４Ａに直列に設けて、第１バッテリ２４Ａの、例えば、一般的な１２Ｖや２４Ｖ以上の高い電圧の電力を、ＤＣ−ＤＣコンバータ２５で、例えば、１２Ｖに電圧降下させて、第２バッテリ２４Ｂに充電して、この第２バッテリ２４Ｂから補機の冷却ファン２６Ａ、冷却水ポンプ２６Ｂ、潤滑油ポンプ２６Ｃ等に電力を供給するように構成している。

このハイブリッドシステム２を搭載したハイブリッド車両（以下車両）１においては、エンジン１１の動力は、動力伝達システム３０の変速機（トランスミッション）３１に伝達され、さらに、変速機３１より推進軸（プロペラシャフト）３２を介して作動装置（デファレンシャルギア）３３に伝達され、作動装置３３より駆動軸（ドライブシャフト）３４を介して車輪３５に伝達される。これにより、エンジン１１の動力が車輪３５に伝達され、車両１が走行する。

尚、エンジン１１の搭載方式によっては、エンジン１１から車輪３５の動力伝達システムの伝達経路は異なってもよい。

一方、電動発電機２１の動力に関しては、第１バッテリ２４Ａに充電された電力がインバータ２３を介して電動発電機２１に供給され、この電力により電動発電機２１が駆動され動力を発生する。この電動発電機２１の動力は、ＣＶＴ１６を介してクランク軸１５に伝達されて、エンジン１１の動力伝達経路を伝達して、車輪３５に伝達される。

これにより、電動発電機２１の動力がエンジン１１の動力と共に車輪３５に伝達され、車両１が走行する。なお、回生時には、逆の経路で、車輪３５の回生力、又はエンジン１１の回生力が電動発電機２１に伝達されて、電動発電機２１で発電が可能となる。

また、ハイブリッドシステム用制御装置４１が設けられ、エンジン１１の回転数Ｎｅや負荷Ｑ等の運転状態や電動発電機２１の回転数Ｎａ等の運転状態や第１バッテリ２４Ａ，第２バッテリ２４Ｂの充電量（ＳＯＣ）の状態をモニターしながら、ＣＶＴ１６、電動発電機２１、インバータ２３、ＤＣ−ＤＣコンバータ２５等を制御する。このハイブリッドシステム用制御装置４１は、通常は、エンジン１１や車両１を制御する全体制御装置４０に組み込まれて構成される。この全体制御装置４０は、エンジン１１の制御では、シリンダ内燃焼やターボ過給器１３や排気ガス浄化装置１４や補機の冷却ファン２６Ａ、冷却水ポンプ２６Ｂ、潤滑油ポンプ２６Ｃなどを制御している。

また、図２に示すハイブリッドシステム２Ａ、及びハイブリッド車両１Ａのように、クランク軸１５と電動発電機２１との間にクランク軸用断接装置１７を設けて構成すると、これにより、電動発電機２１をモータとしても発電機としても使用しないときには、クランク軸用断接装置１７を断状態にして、電動発電機２１側のフリクションの影響なしにエンジン１１を運転することができるのでより好ましい。特に、クランク軸１５と第１プーリー１６ａとの間にクランク軸用断接装置１７を設けて構成すると、電動発電機２１側に加えてＣＶＴ１６側のフリクションの影響なしにエンジン１１を運転することができる。

そして、本発明においては、電動発電機２１を制御するハイブリッド用制御装置４１が、エンジン１１の停止後に、電動発電機２１の駆動力によりクランク軸１５を回転して停止位置を移動して、エンジン１１の始動時におけるクランク軸１５の回転開始位置を分散させる制御を行うように構成される。

この制御では、エンジン１１の停止後に、電動発電機２１でクランク軸１５を移動して最終的に停止するクランク軸１５の位置、即ち、始動時の回転開始位置を、エンジン１１の燃料噴射制御などで使用するクランク角検出装置等により検出して、位置用メモリーに記憶している。そしてエンジン停止、すなわちエンジン始動毎にその回転始動位置を、位置用メモリーに記憶することで、始動時の回転開始位置がどの位置に何回なったかをカウントし、リングギアの負担をモニターすることが可能となる。

そして、エンジン１１の停止後に電動発電機２１でクランク軸１５を回転させる時に、カウント数が最小の位置用メモリーに対応する位置の中からクランク軸の移動が最短の位置に、次回の始動時の前記回転開始位置がなるように、電動発電機２１を制御する。これにより、始動時の回転開始位置を、クランク軸１５の全周に分散させることができる。そして、各位置（各クランク角度）に対応する位置用メモリーのカウント数が予め設定したゼロ以外の数値で全て同じになったらリセットしてゼロに戻す。なお、この回転開始位置の替りに、リングギアとピニオンギアが噛み合う位置を用いてもよい。

また、エンジン１１のクランク軸１５と電動発電機２１の間にＣＶＴ１６を設けている場合には、クランク軸１５側の第１プーリー１６ａの実働直径Ｄａを大きくして、電動発電機２１側の第２プーリー１６ｂの実働直径Ｄｂを小さくするようにＣＶＴ１６を制御すると、電動発電機２１の回転でクランク軸１５のクランク角の位置をより細かく制御することが容易にできるようになるので、好ましい。

そして、この実施の形態におけるハイブリッドシステムの動力伝達方法は、エンジン１１と電動発電機２１を有するハイブリッドシステム２、２Ａの動力伝達方法であり、エンジン１１のクランク軸１５に直接又は間接に接続された電動発電機２１で、クランク軸１５との間の動力伝達を行うと共に、エンジン１１の停止後に、電動発電機２１の駆動力によりクランク軸１５を回転して停止位置を移動して、エンジン１１の始動時におけるクランク軸１５の回転開始位置を分散させることを特徴とする方法である。

本発明の実施の形態のハイブリッドシステム２、２Ａ、ハイブリッド車両１、１Ａ及びハイブリッドシステムの動力伝達方法によれば、エンジン１１が停止した後で、電動発電機２１によりクランク軸１５を回転して上死点近傍に停止しているピストンを動かして、クランク軸１５の停止位置を毎回別の停止位置にずらすので、エンジン１１の始動時及びアイドリングストップの再始動時に、スタータのオピニオンギアとリングギアが噛み合って損傷が発生し易い位置を、リングギアの全周に均等に分散できるので、リングギアの寿命の延長を図ることができる。

１、１Ａ 車両（ハイブリッド車両：ＨＥＶ）
２、２Ａ ハイブリッドシステム
１１ エンジン（内燃機関）
１２ 排気通路
１３ ターボ過給器
１４ 排気ガス浄化装置
１５ クランク軸
１６ ＣＶＴ（無段変速機構）
１７ クランク軸用断接装置
２０ 電力システム
２１ 電動発電機（Ｍ/Ｇ）
２２ 配線
２３ インバータ（ＩＮＶ）
２４Ａ 第１バッテリ（Ｂ１）
２４Ｂ 第２バッテリ（Ｂ２）
２５ ＤＣ−ＤＣコンバータ（ＣＯＮ）
２６Ａ 冷却ファン（補機）
２６Ｂ 冷却水ポンプ（補機）
２６Ｃ 潤滑油ポンプ（補機）
３０ 動力伝達システム
３１ 変速機（トランスミッション）
３２ 推進軸（プロペラシャフト）
３３ 差動装置（デファレンシャルギア）
３４ 駆動軸（ドライブシャフト）
３５ 車輪
４０ 全体制御装置
４１ ハイブリッドシステム用制御装置

Claims (7)

1. 内燃機関と電動発電機を有するハイブリッドシステムにおいて、
   前記内燃機関のクランク軸に前記電動発電機を接続すると共に、
   前記電動発電機を制御するハイブリッド用制御装置が、前記内燃機関の停止後に、前記電動発電機を制御して、前記電動発電機の駆動力により前記クランク軸を回転して停止位置を移動して、前記内燃機関の始動時における前記クランク軸の回転開始位置を前記クランク軸の全周に分散させて、スタータのオピニオンギアとリングギアがかみ合う位置を前記リングギアの全周に均等に分散させる制御を行うように構成されることを特徴とするハイブリッドシステム。
2. 前記ハイブリッド用制御装置が、前記クランク軸又はリングギアの全周における各位置に対応する位置用メモリーを設け、始動時の前記回転開始位置が前記各位置のどの位置に何回なったかをカウントして、その位置に対応する前記位置用メモリーに記憶し、前記内燃機関の停止後に前記電動発電機で前記クランク軸を回転させる時に、カウント数が最小の前記位置用メモリーに対応する位置に、次回の始動時の前記回転開始位置がなるように、前記電動発電機を制御する制御を行うように構成されることを特徴とする請求項１記載のハイブリッドシステム。
3. 前記ハイブリッド用制御装置が、前記内燃機関の停止後に前記電動発電機で前記クランク軸を回転させる時に、カウント数が最小の前記位置用メモリーに対応する位置の中から前記内燃機関の停止後の移動前の停止位置に最短の位置を選定して、この位置に、次回の始動時の前記回転開始位置がなるように、前記電動発電機を制御する制御を行うように構成されることを特徴とする請求項２に記載のハイブリッドシステム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のハイブリッドシステムを搭載したことを特徴とするハイブリッド車両。
5. 内燃機関と電動発電機を有するハイブリッドシステムの動力伝達方法において、
   前記内燃機関の停止後に、前記電動発電機を制御して、前記電動発電機の駆動力により前記クランク軸を回転して停止位置を移動して、前記内燃機関の始動時における前記クランク軸の回転開始位置を前記クランク軸の全周に分散させて、スタータのオピニオンギアとリングギアがかみ合う位置を前記リングギアの全周に均等に分散させることを特徴とするハイブリッドシステムの動力伝達方法。
6. 始動時の前記回転開始位置が前記クランク軸又はリングギアの全周におけるどの位置に何回なったかをカウントして、その位置に対応する前記位置用メモリーに記憶し、前記内燃機関の停止後に前記電動発電機で前記クランク軸を回転させる時に、カウント数が最小の前記位置用メモリーに対応する位置に、次回の始動時の前記回転開始位置がなるように、前記電動発電機を制御することを特徴とする請求項５記載のハイブリッドシステムの動力伝達方法。
7. 前記内燃機関の停止後に前記電動発電機で前記クランク軸を回転させる時に、カウント数が最小の前記位置用メモリーに対応する位置の中から前記内燃機関の停止後の移動前の停止位置に最短の位置を選定して、この位置に、次回の始動時の前記回転開始位置がなるように、前記電動発電機を制御することを特徴とする請求項６に記載のハイブリッドシステムの動力伝達方法。

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