JP6430692B2 - 共振周波数を回避するエンジン始動方式 - Google Patents

Description

本特許開示は概してエンジンに関し、詳細にはエンジンの始動に関する。

エンジン駆動式機械は、モータまたはエンジンなどの駆動部の振動周波数が機械の構成要素の機械的共振周波数と一致すると、共振を経験し得る。多くの大型機械は、エンジンのシリンダが燃焼サイクルを経るときにエンジンの回転速度出力によって引き起こされる振動の結果として、パワートレイン内で共振周波数を経験する。共振周波数に対応する特定のエンジン回転速度において、構成要素部品に供給されるトルクの振幅は激しく増大し、それによって機械の機械的構成要素は損傷する恐れがある。エンジニアらは、損傷を回避するために、パワートレイン内の共振周波数が特定の機械の通常運転範囲外のエンジン回転速度で生じるように、動力システムを設計することを学んできた。

共振周波数は機械の通常運転範囲内では見られないが、大型機械構成要素を回転させるために必要な大きな慣性力の克服、およびポンプ抗力、エンジン摩擦およびその他の非慣性負荷によって生じる寄生的負荷の克服をエンジンが試みるとき、低い始動エンジン回転速度の間に依然として生じ得る。エンジン回転速度であってそれを超えると機械構成要素が共振を経験するエンジン回転速度に到達することは、寒い天気の時は特に難しく、その時、エンジンは共振周波数エンジン回転速度を経て上手く回転速度を上げることができない可能性がある。

本開示は、一態様において、係合するようにかつ解放するように適合されたクラッチを含む機械を記載する。機械は、共振周波数エンジン回転速度を含む様々なエンジン回転速度で作動可能なエンジンと、クラッチを介してエンジンに作動的に接続された変速機とを含む。エンジンはクラッチが係合されると変速機に動力を供給するように適合され、クラッチが解放されると変速機に動力を供給しないように適合される。機械はまた、エンジンに動力を供給するように適合されたエンジンスタータと、エンジンスタータが動力をエンジンに供給するとクラッチを解放し、エンジン回転速度が共振周波数エンジン回転速度を超えた後クラッチを係合すべく制御するように構成された電子制御モジュールとを含む。

別の態様において、本開示は、機械を始動する方法を記載し、方法は、共振周波数エンジン回転速度を含む様々なエンジン回転速度で作動可能なエンジンを提供するステップと、エンジンスタータをエンジンに作動的に接続するステップとを含む。エンジンスタータは動力をエンジンに供給するように適合される。方法はまた、変速機をクラッチを介してエンジンに作動的に接続するステップを含む。エンジンはクラッチが係合されると変速機に動力を供給するように適合され、クラッチが解放されると変速機に動力を供給しないように適合される。方法は、エンジンスタータが動力をエンジンに供給するとクラッチを解放するステップと、エンジン回転速度が共振周波数エンジン回転速度を超えた後クラッチを係合するステップとを含む。

さらに別の態様において、本開示は、共振周波数エンジン回転速度を含む様々なエンジン回転速度で作動可能なエンジンを提供するステップを含む機械を始動する方法を記載する。方法はまた、動力をエンジンに供給するように適合されたエンジンスタータを作動的に接続するステップと、変速機をクラッチを介してエンジンに作動的に接続するステップとを含む。エンジンはクラッチが係合されると変速機に動力を供給するように適合され、クラッチが解放されると変速機に動力を供給しないように適合される。方法は、ハイブリッドモータを変速機に作動的に接続するステップを含む。方法はまた、エンジンスタータが動力をエンジンに供給すると、少なくともエンジン回転速度が共振周波数エンジン回転速度を超える時までハイブリッドモータによって変速機に動力を供給するステップと、エンジンスタータが動力をエンジンに供給するとクラッチを解放するステップと、エンジン回転速度が共振周波数エンジン回転速度を超えた後クラッチを係合するステップとを含む。

本開示による機械の概略図である。 本開示によるエンジン始動方式を示すフローチャートである。 本開示によるエンジン始動方式の別の実施形態を示すフローチャートである。

本開示は、機械１００用のエンジン始動方式を実行する方法に関し、この方式は、機械のパワートレインで発生する共振周波数の損傷効果に機械およびその構成要素を曝すことを回避する。図１に概略的に示されるように、機械１００は、エンジン１０２、クランクシャフト１０３、クラッチ１１２、クラッチシャフト１０５、補助機構１１６、および変速機１１４などの構成要素を含むパワートレイン１０１を有する。パワートレイン１０１はここに示されない他の構成要素も含み得る。示される実施形態において、エンジンスタータ１０４がエンジン１０２に接続されている。エンジンスタータ１０４は、機械１００のイグニッションスイッチ１０６に係合される電気モータであることができるが、エンジンを始動することができる任意の適切な運動エネルギー源であることもできる。エンジンスタータ１０４は、バッテリまたは他の電気貯蔵器など、エンジンスタータに電力を供給する電源１０８に接続される。エンジン１０２はまた、燃焼のために燃料、空気または他の物質をエンジンシリンダ１０９に噴射するインジェクタ１１０を有することができる。図１に概略的に示される実施形態は、８個のシリンダ１０９と８個のインジェクタ１１０を備えたエンジン１０２を示すが、任意の数のインジェクタまたはシリンダが実装され、各シリンダは特定のエンジン設計に依存して２つ以上のインジェクタを有することができる。シリンダ１０９の内側のピストンはクランクシャフト１０３に接続される。クランクシャフト１０３は、シリンダ１０９内の燃焼および対応するピストンの振動の結果として回転する。

クラッチ１１２はクランクシャフト１０３とクラッチシャフト１０５との間でエンジン１０２を変速機１１４に接続し、ここでクランクシャフトはエンジンをクラッチに接続し、クラッチシャフトは変速機をクラッチに接続する。クラッチ１１２は、電子制御モジュール１２４によって自動的に、または機械１００のオペレータによって係合または解放することができる。クラッチ１１２を係合することによって、クランクシャフト１０３とクラッチシャフト１０５は、両方が実質的に同じ速度で回転するように固定され、動力をエンジン１０２から他の構成要素へ供給する。クラッチ１１２が係合されると、エンジン１０２は変速機１１４へ動力を供給することができる。クラッチ１１２が解放されると、クラッチはクランクシャフト１０３の回転をクラッチシャフト１０５へ伝えないので、エンジン１０２からの動力は変速機１１４へ供給されない。

いくつかの実施形態では、クラッチ１１２はエンジン１０２を補助機構１１６にも接続する。補助機構１１６は圧縮機、冷却液、オイルおよび他の流体用ポンプ、圧縮機、または動力を必要とする機械１００が使用する他の任意の機構であることができる。そのような実施形態では、クラッチ１１２を係合することおよび解放することは、それぞれ、動力をエンジン１０２から補助機構１１６へ供給することを可能にするおよび不可能にする。図１に示される実施形態は３個の補助機構１１６を示すが、任意の数の補助機構を含むことができると考えられる。他の実施形態では、クラッチ１１２から分離した追加の補助クラッチ１１３が、エンジン１０２を補助機構１１６に接続することができると考えられる。そのような実施形態では、変速機１１４がエンジンに接続されているかまたは解放されているかどうかにかかわらず、補助機構１１６をエンジン１０２に接続することも解放することもできる。図１の実施形態は、補助機構１１６とクラッチ１１２との間の補助クラッチ１１３を示すが、補助クラッチはエンジン１０２とクラッチとの間に配置することも可能であり、あるいは補助クラッチによってエンジンを補助機構に直接接続することによってクラッチを完全に迂回することもできる。

機械１００はハイブリッドモータ１１８も含み、ハイブリッドモータ１１８は、いくつかの実施形態では、変速機１１４、補助機構１１６、エンジン１０２、または他のいずれかのパワートレイン１０１構成要素に接続される。ハイブリッドモータ１１８は、クラッチ１１２が係合されているかまたは解放されているかどうかに依存して、エンジン１０２から独立してまたはエンジン１０２に加えて、パワートレイン１０１構成要素に動力を供給することができ、それは以下でより詳細に記載される。いくつかの実施形態では、ハイブリッドモータ１１８は、貯蔵エネルギー源１２０からエネルギーを受け取る。貯蔵エネルギー源１２０は、電力網などの直接電源からのエネルギー、または車両によって生成されるエネルギーを貯蔵する。ハイブリッドモータ１１８は、動力をパワートレイン１０１構成要素へ供給するために貯蔵エネルギーを使用する。図には示されていないが、追加のクラッチがハイブリッドモータ１１８をパワートレイン１０１構成要素から切り離すことができると考えられる。そのような実施形態では、ハイブリッドモータ１１８が一時に動力を特定のパワートレイン１０１構成要素へ供給しその他のパワートレイン構成要素へ供給できないように、または一時に動力を全てのパワートレイン構成要素に供給できるようにあるいはできないように、追加クラッチは係合されかつ解放される。

いくつかの実施形態においてエンジン１０２を始動するために、イグニッションスイッチ１０６をトリガすることによって、電気が電源１０８からエンジンスタータ１０４へ流れることを許容する回路が完成される。電源１０８はバッテリ、硬質の電線、または他の任意の適切な電源であることができる。エンジンスタータ１０４は電源１０８からの電力を運動エネルギーに転換してエンジン１０２のサイクルを開始する。イグニッションスイッチ１０６がトリガされた後のある特定の時点で、インジェクタ１１０は燃料および空気をエンジン１０２のシリンダ１０９へ噴射することを開始して、燃焼プロセスを開始し維持する。シリンダ１０９内のピストンが燃焼プロセスに応答して振動し、クランクシャフト１０３を回転させる。回転するクランクシャフト１０３によって動力がパワートレイン１０１構成要素に供給され、それら構成要素の抵抗性の慣性力および寄生的負荷を克服し、それらを回転させる。寄生的負荷はポンプ抗力、エンジン摩擦、またはその他のエンジンの非慣性負荷に起因し得る。

エンジン１０２の回転速度は、エンジンがクランクシャフト１０３を１分あたり回転させる数（ＲＰＭ）として説明することができる。エンジン１０２は広範囲のエンジン回転速度を出力可能である。特定のエンジン１０２回転速度において、エンジンが発生する振動周波数は、パワートレイン１０１の機械的共振周波数と一致し得る。これらの共振周波数エンジン１０２回転速度において、パワートレイン１０１構成要素はトルクの大幅な増幅を経験する可能性があり、それは構成要素を損傷する恐れがある。同様に、変速機１１４が回転するときに発生する振動周波数はパワートレイン１０１の共振を引き起こし得る。共振を引き起こす変速機１１４回転速度は、本開示において共振周波数変速機１１４回転速度として特定される。

パワートレイン１０１構成要素の回転速度は回転エンコーダまたは他の適切な回転センサを使用して測定され得る。図１に示される実施形態は電子制御モジュール１２４に接続された回転センサ１２２を示す。電子制御モジュール１２４はまた、エンジン１０２、ハイブリッドモータ１１８、およびクラッチ１１２に作動的に接続可能であり、それらおよび他の構成要素の活動を制御するように構成される。いくつかの実施形態は、パワートレイン１０１構成要素が経験するトルクレベルを測定し、それらレベルを電子制御モジュール１２４に伝え戻す追加センサを実装し得る。動力をパワートレイン１０１に供給するエンジン１０２が発生するトルクレベルはエンジントルクレベルであり、動力をパワートレインに供給するハイブリッドモータ１１８が発生するトルクレベルはハイブリッドトルクレベルである。ハイブリッドトルクセンサ１２３はハイブリッドトルクレベルを検出可能であり、エンジントルクセンサ１２５はエンジントルクレベルを検出可能である。エンジントルクセンサ１２５は電子制御モジュール１２４に作動的に関連付けられ、エンジントルクレベルを示す信号を電子制御モジュールへ送るように適合される。ハイブリッドトルクセンサ１２３は同じく電子制御モジュール１２４に作動的に関連付けられ、ハイブリッドトルクレベルを示す信号を電子制御モジュールへ送るように適合される。さらに、他の回転センサを例えばクラッチシャフト１０５に使用して信号を電子制御モジュール１２４へ送り、変速機１１４回転速度を監視することができる。センサと電子制御モジュール１２４との間の作動的な接続は、任意の適切な方法で、例えば無線式にあるいはハードワイヤード電子接続によって設定可能である。

ほとんどの機械が、通常運転範囲の間、共振を回避するように設計されているとしても、始動時のエンジン１０２回転速度は、エンジンがパワートレイン１０１の慣性力および寄生的負荷を克服しようと試みるとき、依然として共振を発生し得る。以下に続く段落は、機械１００が機械の始動の間共振に見舞われないようにするためのいくつかの方法を記載する。

図２に示される機械１００を始動するための１つの方法は、イグニッションスイッチ１０６がトリガされるときまたはされた後、クラッチ１１２を解放することを含み、それによってエンジン１０２は変速機１１４および補助機構１１６から切り離される。イグニッションスイッチ１０６はエンジンを始動するためにエンジンスタータ１０４が動力をエンジン１０２に供給するようにトリガする。クラッチ１１２が解放されることにより、エンジン１０２は、変速機１１４、補助機構１１６、および他のパワートレイン１０１構成要素の下流の慣性力および寄生的負荷を克服する必要なく、単独で始動することができる。さらに、エンジンから切り離されると、変速機１１４および他の構成要素は、共振周波数エンジン回転速度で発生する高トルク振幅に曝されない。エンジン１０２が共振周波数エンジン回転速度を超えるエンジン回転速度を超えた後のある時点で、クラッチ１１２はエンジンが動力を変速機１１４および補助機構１１６へ供給できるように滑らかに係合される。いくつかの実施形態では、クランクシャフト１０３の回転センサ１２２がエンジン１０２回転速度を検出し、電子制御モジュール１２４へ信号を送る。電子制御モジュール１２４はエンジン１０２回転速度が共振周波数エンジン回転速度を超えた時を判断し、クラッチ１１２に係合するように命令を出す。電子制御モジュール１２４はどんな種類の電子制御モジュールであってもよく、回転センサ１２２は回転エンコーダまたは他の任意の好適なセンサであってもよい。この方法によってエンジン１０２は、他のパワートレイン１０１構成要素から切り離されてパワートレインを共振に曝すことを回避する間、共振周波数エンジン回転速度を経て素早く回転速度を上げることができるようになる。

図３に示される代替的な方法は、ハイブリッドモータ１１８が動力を変速機１１４に供給できるようにハイブリッドモータを変速機へ接続することを含む。前述の方法のように、クラッチ１１２はイグニッションスイッチ１０６がエンジンスタータ１０４をトリガするときまたはした後で解放され、エンジン１０２を変速機１１４および補助機構１１６から切り離す。エンジンスタータ１０４は動力をエンジン１０２に供給する。クラッチ１１２が解放され、エンジン１０２が動力を変速機１１４に供給しない間、ハイブリッドモータ１１８が貯蔵エネルギー源１２０から電力を引き、動力を変速機１１４および／または補助機構１１６へ供給する。ハイブリッドモータ１１８は、少なくともエンジン１０２が共振周波数エンジン回転速度を超えるエンジン回転速度に達する時まで、変速機１１４および／または補助機構１１６を回転させる。その時、エンジン１０２が、単独であるいはハイブリッドモータ１１８に加えて、動力を変速機１１４および／または補助機構１１６に供給できるようにクラッチ１１２は滑らかに係合する。あるいは、方法は、エンジン１０２が共振周波数エンジン回転速度を超えかつ変速機１１４が共振周波数変速機回転速度を超えた時にクラッチ１１２を係合することを含む。この方法によって、エンジン１０２は、パワートレイン１０１構成要素の慣性力および寄生的負荷を克服するという負担がない状態で、単独で始動できるようになり、かつ共振周波数エンジン回転速度を経て回転速度を素早く上げることができるようになる。さらに、この方法は、ハイブリッドモータ１１８を使用して、変速機１１４および／または補助機構１１６を、エンジン１０２から切り離されている間に回転させ、それによりエンジンへの接続が容易になり、また変速機回転速度が共振周波数変速機回転速度を超えることが保証される。本開示の電子制御モジュール１２４は、係合論理を実行するべく計算を実行しかつ適切な信号を送受信するように構成されたハードウェアおよびソフトウェアを有する従来の任意の設計のものであってもよい。電子制御モジュール１２４は１つ以上の制御装置ユニットを含むことができ、専ら係合方式を実行するように、あるいは係合方式および機械１００の他のプロセスを実行するように構成することができる。制御装置ユニットは任意の適切な構成のものであってもよいが、一例において、コンピュータ可読媒体に記憶されたコンピュータ可読命令に従って作動するデータ入力部および制御出力部を有するマイクロプロセッサ回路を含むディジタルプロセッサ装置を含む。典型的にプロセッサは、プログラム命令を記憶するための、プロセッサに関連付けられた長期（不揮発性）メモリと、プロセス中の（またはプロセスの結果得られた）オペランドおよび演算結果を記憶する短期（揮発性）メモリとを有し得る。

本明細書に示される構成は、他の様々な種類の機械に汎用的な適用性を有する。用語「機械」は、採掘、建設、農業、輸送または当技術分野で公知の他の任意の産業などの産業に関連付けられる何らかの種類の作業を実行するどんな機械に言及してもよい。例えば、機械は、ホイールローダ、エキスカベータ、ダンプトラック、バックホウ、モータグレーダ、材料運搬車またはそれらの類似物などの土工用機械であってもよい。さらに、器具が機械に接続されてもよい。そのような器具は、例えば積込み、締固め、持上げ、ブラッシングを含む各種作業に利用されてもよく、例えばバケット、コンパクタ、フォークリフト装置、ブラシ、グラップル、カッタ、せん断機、ブレード、破砕機／ハンマ、オーガなどを含む。

本明細書に記載されるような共振周波数の影響を回避する機械の始動方法の産業上の利用は、前述の考察から容易に認識されよう。本開示は、共振周波数を経験するパワートレインを利用するあらゆる種類の機械に利用可能であり得る。動力を機械のパワートレイン構成要素に供給できるハイブリッドモータを含む機械に特に有用であり得る。

従って本開示は多数の異なる機械および環境に利用可能であり得る。本開示に好適な１つの例示的な機械はオフハイウェイトラックである。オフハイウェイトラックは、大きな慣性力および寄生的負荷により始動の間トラックのエンジンに負担をかける大型の構成要素を有する。これら大きな慣性力および寄生的負荷は、パワートレインの共振周波数において機械構成要素が経験する損傷性のトルク振幅がもたらし得る。従って、共振周波数の影響を回避する機械始動方法は、オフハイウェイトラックに利用可能である。

さらに、上記の方法は幅広い種類の機械に適合させることができる。例えば、バックホウ、ローダ、コンパクタ、フェラーバンチャ、林業用機械、工業用ローダ、ホイールローダ、および他の多くの機械など、他の種類の産業用機械が、記載の方法およびシステムから恩恵を受けることができる。

当然のことながら、前述の記載は開示されるシステムおよび技術の例を提供している。しかしながら、本開示の他の実践は、前述の例と細かい点で異なっていてもよいと考えられる。本開示またはその例への全ての言及は、その時考察されている特定の例を参照していることが意図され、より一般的に本開示の範囲に関して制限を暗示することは意図されない。特定の特徴に関して区別および非難する全ての言葉は、それら特徴に対して選好のないことを示すが、別段の指示がない限り、本開示の範囲からそれらを完全に排除しないことが意図される。

本明細書における値の範囲に関する言及は、本明細書中別段の指示がない限り、その範囲内のそれぞれ別個の値に個々に言及する省略された方法として機能することが単に意図され、それぞれ別個の値はそれが本明細書中で個々に言及されているかのように本明細書に組み込まれる。本明細書に記載された全ての方法は、本明細書中別段の指示がない限りまたは文脈によって別段に明らかに否定されない限り、任意の適切な順序で実行することができる。

従って本開示は、適用可能な法律によって許可されるように、本明細書に添付された特許請求の範囲において言及された主題の全ての修正形態および均等物を含む。さらに上記要素のすべての可能な変形形態におけるあらゆる組合せが、本明細書中別段の指示がない限りまたは文脈によって別段に明らかに否定されない限り、本開示に包含される。

１００ 機械
１０１ パワートレイン
１０２ エンジン
１０３ クランクシャフト
１０４ エンジンスタータ
１０５ クラッチシャフト
１０６ イグニッションスイッチ
１０８ 電源
１０９ エンジンシリンダ
１１０ インジェクタ
１１２ クラッチ
１１３ 補助クラッチ
１１４ 変速機
１１６ 補助機構
１１８ ハイブリッドモータ
１２０ 貯蔵エネルギー源
１２２ 回転センサ
１２３ ハイブリッドトルクセンサ
１２４ 電子制御モジュール
１２５ エンジントルクセンサ

Claims (10)

1. 係合するようにかつ解放するように適合されたクラッチと、
   共振周波数エンジン回転速度を含む様々なエンジン回転速度で作動可能なエンジンと、
   クラッチを介してエンジンに作動的に接続された変速機であって、エンジンはクラッチが係合されると変速機に動力を供給するように適合され、クラッチが解放されると変速機に動力を供給しないように適合された変速機と、
   エンジンに動力を供給するように適合されたエンジンスタータと、
   エンジンスタータが動力をエンジンに供給した後、クラッチを解放し、エンジン回転速度が共振周波数エンジン回転速度を超えた後クラッチを係合すべく制御するように構成された電子制御モジュールと、
   を含む機械。
2. クラッチを介してエンジンに作動的に接続された少なくとも１個の補助機構をさらに含み、エンジンは、クラッチが係合されると少なくとも１個の補助機構に動力を供給するように適合され、クラッチが解放されると少なくとも１個の補助機構に動力を供給するように適合されていない、請求項１に記載の機械。
3. エンジンに作動的に関連付けられ、エンジン回転速度を検出するように適合された回転センサをさらに含む、請求項１または２に記載の機械。
4. 変速機に作動的に接続されたハイブリッドモータをさらに含み、ハイブリッドモータは、エンジンスタータが動力をエンジンに供給すると、少なくともエンジン回転速度が共振周波数エンジン回転速度を超える時まで変速機に動力を供給するように適合された、請求項１または２に記載の機械。
5. 共振周波数変速機回転速度を含む様々な変速機回転速度で変速機が作動可能であり、
   エンジン回転速度が共振周波数エンジン回転速度を超え、かつ変速機回転速度が共振周波数変速機回転速度を超えた後、クラッチが係合するように適合された、請求項４に記載の機械。
6. エンジンおよび電子制御モジュールと作動的に関連付けられ、エンジン回転速度を検出するように適合された回転センサをさらに含み、電子制御モジュールが、回転センサから信号を受け取り、回転センサによって示されるようにエンジン回転速度が共振周波数エンジン回転速度を超えた後のある時にクラッチを係合すべく制御するように適合された、請求項４に記載の機械。
7. ハイブリッドモータに作動的に接続され、かつクラッチを介してエンジンに作動的に接続された少なくとも１個の補助機構をさらに含み、
   エンジンは、クラッチが係合されると少なくとも１個の補助機構に動力を供給するように適合され、クラッチが解放されると少なくとも１個の補助機構に動力を供給しないように適合され、
   ハイブリッドモータは、少なくともエンジン回転速度が共振周波数エンジン回転速度を超える時まで変速機に動力を供給するように適合された、請求項４に記載の機械。
8. 係合するようにかつ解放するように適合された少なくとも１個の補助クラッチと、
   少なくとも１個の補助クラッチを介してエンジンに作動的に接続された少なくとも１個の補助機構であって、エンジンは、少なくとも１個の補助クラッチが係合されると少なくとも１個の補助機構に動力を供給するように適合され、少なくとも１個の補助クラッチが解放されると少なくとも１個の補助機構に動力を供給するように適合されていない、少なくとも１個の補助機構と、
   をさらに含む、請求項１または３〜６のいずれか一項に記載の機械。
9. エンジンスタータが動力をエンジンに供給するとクラッチを解放するステップと、
   エンジン回転速度が共振周波数エンジン回転速度を超えた後クラッチを係合するステップと、
   を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の機械を作動する方法。
10. エンジンスタータが動力をエンジンに供給すると、少なくともエンジン回転速度が共振周波数エンジン回転速度を超える時まで、ハイブリッドモータを用いて変速機に動力を供給するステップを含む、請求項４に記載の機械を作動する方法。

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