JP6568915B2 - パワーユニットのカプセル構造を有する車両 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関とモータといったパワーユニットについてのカプセル構造を有する車両に関する。

自動車では、近年、パワーユニットとしてバッテリおよびモータを使用する電気自動車の開発が進められている。しかしながら、電気自動車の本格的な実用化には今後の開発に委ねられている状況にある。
このため、現在および少なくとも近い未来においては、ハイブリッド自動車を含めて、混合気をエンジン本体で燃焼させる内燃機関の利用がなくなるとは考えにくい。

特開２０１３−１１９３８４号公報

ところで、自動車に、混合気をエンジン本体で燃焼させて駆動力を出力する内燃機関では、従来より燃費性能を向上させることが求められている。このために、特許文献１のようにエンジン本体を、カプセル構造で覆うことが考えられる。そして、特許文献１では、カプセル構造の前面流入口を、初期始動やキーオフ（Ｋｅｙ−Ｏｆｆ）時には閉鎖状態に制御し、車両走行中の冷却時には開放状態に制御する。これにより、停止中のエンジン本体の温度を閉じたカプセル構造により長期にわたって維持し、その後に、冷却されていない状態のエンジン本体において再始動をすることができる。エンジン本体が暖められた状態で再始動されることにより、冷却された状態で再始動される場合と比べて燃費性能を改善できる。
また、発電機またはバッテリの電力を用いて駆動力を出力するモータでは、バッテリやモータの温度が低い状態ではバッテリの出力が低下したりするため、航続性能が低下してしまう。

このように自動車といった車両では、パワーユニットの実使用での性能を向上させることが求められている。

本発明に係るパワーユニットのカプセル構造を有する車両は、混合気をエンジン本体で燃焼させて駆動力を出力する内燃機関と発電機またはバッテリの電力を用いて駆動力を出力するモータとを有するパワーユニットを有する車両において、少なくとも前記エンジン本体を囲うとともに少なくとも前記バッテリが後側に配置されるカプセル構造と、前記カプセル構造の後部に設けられる排気開口部と、前記排気開口部からの排気を許可および停止可能に設けられる排気開閉部材と、前記カプセル構造の前部に設けられる吸気開口部と、前記吸気開口部からの吸気を許可および停止可能に設けられる吸気開閉部材と、前記排気開閉部材を制御して前記排気開口部を開閉する制御部と、を有し、前記吸気開口部と、前記排気開口部と、を車両の進行方向に対して一直線上外となる位置に配置し、前記制御部は、前記カプセル構造の内部または前記エンジン本体の第一温度が、前記エンジン本体の動作に適した最低動作温度以上であるか否かを判定し、前記第一温度が前記最低動作温度以上である際に、前記第一温度と、前記カプセル構造の外に配置された前記バッテリまたは前記モータの第二温度と、を比較して、前記第一温度より前記第二温度が低い場合には、前記排気開閉部材を制御して前記排気開口部を開く、ことを特徴とする。

本発明では、パワーユニットを有する車両についての少なくともエンジン本体をカプセル構造により囲う。これにより、カプセル構造の内側のエンジン本体の温度が変化し難くできる。
しかも、カプセル構造の後部には、排気開閉部材により排気が許可および停止される排気開口部が設けられ、カプセル構造の後側には、少なくともバッテリが設けられる。よって、たとえば制御部が排気開閉部材を制御して排気開口部を開くことにより、カプセル構造によりエンジン本体などの熱により効率よく暖められた空気を、バッテリなどへ供給することができる。
このように、本発明では、カプセル構造によりエンジン本体を効率よく暖め、また、カプセル構造において効率よく暖められた空気をバッテリなどへ供給することができる。その結果、パワーユニットの実使用での性能を早期に向上させることができる。

図１は、本発明の実施形態に係る自動車の説明図である。 図２は、図１の自動車に設けられるパワーユニットおよびカプセル装置の説明図である。 図３は、図２のカプセル装置の開閉状態の説明図である。 図４は、図２の制御部による排気開口部の開閉制御のフローチャートである。 図５は、図２のカプセル装置の変形例の説明図である。

以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る自動車１の説明図である。
自動車１は、車両の例である。図１（Ａ）は、模式的な自動車１の側面透視図である。図１（Ｂ）は、模式的な自動車１の前面透視図である。

図１の自動車１は、車体２を有する。車体２の前部には、前室３が設けられる。前室３には、自動車１の骨格部材としての一対のフロントビーム５が延在する。また、前室３と乗員室４との間には、それらの隔壁（構造部材）としてのトーボード６が設けられる。
前室３には、エンジン本体１１、トランスミッション１２などのパワーユニットが配置される前室３が設けられる。また、車体２の床下には、前室３から車体２の後側へ向かってプロペラシャフト１３が設置される。プロペラシャフト１３の後端には、後側の車輪１５（車軸）と連結されるリアディファレンシャルギアボックス１４が設けられる。
エンジン本体１１は、エアクリーナ１６および吸気管１７を通じて吸気される外気とガソリンとの混合気を燃焼室において点火燃焼させ、燃焼した混合気の膨張圧力によりピストンをシリンダ内で降下させ、ピストンに連結された出力軸を回転させる。また、燃焼した混合気は、開いた排気弁および排気管１８を通じて外へ排気される。
エンジン本体１１で発生させた出力軸の回転駆動力は、トランスミッション１２で減速され、プロペラシャフト１３、リアディファレンシャルギアボックス１４、およびリアアクスルシャフトを通じて後側の車輪１５へ伝達される。また、回転駆動力の一部は、トランスミッション１２で分岐され、図示外のフロントアクスルシャフトを通じて前側の車輪１５へ伝達される。

ところで、自動車１では、近年、パワーユニットとしてバッテリおよびモータを使用する電気自動車の開発が進められている。しかしながら、電気自動車の本格的な実用化には今後の開発に委ねられている状況にある。
このため、現在および少なくとも近い未来においては、ハイブリッド自動車を含めて、混合気をエンジン本体１１で燃焼させる内燃機関の利用がなくなるとは考えにくい。
今後もさらに、混合気をエンジン本体１１で燃焼させる内燃機関についての燃費性能を向上させることが求められる。エンジン本体１１を含むパワーユニットの、実使用での燃費性能を向上させることが求められている。

図２は、図１の自動車１に設けられるパワーユニットおよびカプセル装置３０の説明図である。

図２には、自動車１に設けられる内燃機関のパワーユニットとして、エンジン本体１１、オイルパン１９、ラジエタ２０、エアクリーナ１６、吸気管１７、排気管１８、ターボ機器２１、触媒機器２２、トランスミッション１２、プロペラシャフト１３、リアディファレンシャルギアボックス１４、が図示されている。
オイルパン１９は、エンジン本体１１の下部に突出させてエンジン本体１１と一体的に形成されている。エンジン本体１１およびトランスミッション１２は、オイルにより潤滑される機器である。
ラジエタ２０、エアクリーナ１６、吸気管１７、排気管１８、ターボ機器２１、触媒機器２２は、エンジン本体１１とともに用いられるエンジン補器である。エンジン補器には、特に図示をしないがこの他にもたとえば、発電機、バッテリ、ディストリビュータ、インジェクタ、燃料タンク、ポンプ、などがある。これらのエンジン補器は、エンジン本体１１の作動を助け、エンジン本体１１の状態および燃焼状態を燃焼に適した範囲内とするために、エンジン本体１１とともに用いられるものである。
また、図２には、自動車１に設けられる電気駆動系のパワーユニットとして、バッテリモジュール２３、モータ２４、が図示されている。電気駆動系のパワーユニットは、このほかにも発電機などを有してよい。
バッテリモジュール２３は、乗員室４の床下において、プロペラシャフト１３を収容するトンネルについての車幅方向両側に設けられる。バッテリモジュール２３には、複数のバッテリセル、インバータ、冷却回路などが設けられる。
モータ２４は、バッテリモジュール２３の蓄電電力、発電機の発電電力を用いて動作する。モータ２４は、トランスミッション１２と一体的に設けられ、トランスミッション１２から駆動系へ駆動力を伝える。

図２には、さらにエンジン本体１１といったパワーユニットを囲うカプセル装置３０が図示されている。
図３は、図２のカプセル装置３０の開閉状態の説明図である。
カプセル装置３０は、被覆ケース部材３１、吸気開口部３３、吸気開閉部材３４、排気開口部３５、排気開閉部材３６、外気温度センサ３７、内部温度センサ３８、バッテリ温度センサ３９、制御部４０、を有する。

被覆ケース部材３１は、略箱形状を有し、パワーユニットについてのオイルパン１９が一体化されたエンジン本体１１およびトランスミッション１２を囲う。被覆ケース部材３１は、たとえば断熱材で形成される。被覆ケース部材３１は、エンジン本体１１およびトランスミッション１２より一回り大きいサイズの箱型に形成される。被覆ケース部材３１から外へ突出するプロペラシャフト１３、吸気管１７、排気管１８の周囲には、被覆ケース部材３１の密閉性を確保するために、たとえばゴム材や樹脂材で形成された図示外のブーツが設けられる。
これにより、被覆ケース部材３１は、エンジン本体１１およびトランスミッション１２との間に空気層を確保しつつ、これらの周囲を密閉するように囲う。エンジン本体１１に設けられるインジェクタ、オイルパン１９も、被覆ケース部材３１に囲われる。オイルにより潤滑される機器を囲うことができる。
また、排気管１８の略全体、ターボ機器２１、触媒機器２２、エアクリーナ１６、吸気管１７の略全体は、被覆ケース部材３１の外に設けられる。これにより、排気される燃焼後の混合気により高温になる排気系の温度が、被覆ケース部材３１の内側に溜まらないようにできる。
なお、発電機、バッテリ、ディストリビュータ、燃料タンク、ポンプなどのエンジン補器は、被覆ケース部材３１の内側に設けられても、外側に設けられてもよい。
そして、被覆ケース部材３１は、図１に示すように前室３において、エンジン本体１１と重ねて、エンジン本体１１と同じ位置で、車体２の一対のフロントビーム５の上に取り付けて支持される。被覆ケース部材３１は、図１（Ｂ）に示すように一対のフロントビーム５から下へ突出することがないように設けられる。車体２の最低地上高は、被覆ケース部材３１が無い場合と同じになる。

吸気開口部３３は、図３に示すように被覆ケース部材３１の前面に形成される。
これにより、吸気開口部３３には、走行中の車体２では、前から外気が吹き付ける。

吸気開閉部材３４は、被覆ケース部材３１の吸気開口部３３の外側において、被覆ケース部材３１に取り付けて一体的に設けられる。
図３（Ａ）および図３（Ｄ）は、吸気開閉部材３４を下げた状態である。この状態では、被覆ケース部材３１の吸気開口部３３が閉じられる。図３（Ａ）では被覆ケース部材３１は密閉され、被覆ケース部材３１の内側の空間は、外側から分離され得る。
図３（Ｂ）および図３（Ｃ）は、吸気開閉部材３４を上げた状態である。この状態では、被覆ケース部材３１の吸気開口部３３が開いている。吸気開口部３３を通じて被覆ケース部材３１の内側と外側とが連通し得る。
そして、このように吸気開閉部材３４を、被覆ケース部材３１の吸気開口部３３の外側において上へ可動可能に取り付けることにより、吸気開閉部材３４は、被覆ケース部材３１より下側へ突出しないようになる。図１に示すように、吸気開閉部材３４は、車体２の一対のフロントビーム５から下へ突出しないように内側に収めて設けられる。

排気開口部３５は、図３に示すように被覆ケース部材３１の後面に形成される。
これにより、排気開口部３５は、エンジン本体１１とバッテリモジュール２３との間に位置する。
排気開口部３５が開いている場合、被覆ケース部材３１の内部の空気は、バッテリモジュール２３へ向けて排気され得る。

排気開閉部材３６は、被覆ケース部材３１の排気開口部３５の外側において、被覆ケース部材３１に取り付けて一体的に設けられる。
図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、排気開閉部材３６を下げた状態である。この状態では、被覆ケース部材３１の排気開口部３５が閉じられる。
図３（Ｃ）および図３（Ｄ）は、排気開閉部材３６を上げた状態である。この状態では、被覆ケース部材３１の排気開口部３５が開いている。
そして、このように排気開閉部材３６を、被覆ケース部材３１の排気開口部３５の外側において上へ可動可能に取り付けることにより、排気開閉部材３６は、被覆ケース部材３１より下側へ突出しないようになる。

外気温度センサ３７は、被覆ケース部材３１の前外側に配置され、被覆ケース部材３１の外側の温度を検出する。

内部温度センサ３８は、被覆ケース部材３１の内部に配置され、被覆ケース部材３１の内側の温度を検出する。ここでは、内部温度センサ３８は、エンジン本体１１の外面に接触して設けられる。これにより、内部温度センサ３８は、被覆ケース部材３１の内側の温度として、エンジン本体１１の温度を検出できる。

バッテリ温度センサ３９は、バッテリモジュール２３の内部に配置され、バッテリモジュール２３の内側の温度を検出する。

制御部４０には、外気温度センサ３７、内部温度センサ３８、バッテリ温度センサ３９、吸気開閉部材３４、排気開閉部材３６、が接続される。制御部４０は、自動車１の状態として、外気温度センサ３７、内部温度センサ３８、バッテリ温度センサ３９により計測される温度の相関関係に基づいて、吸気開閉部材３４、排気開閉部材３６を制御し、吸気開口部３３、排気開口部３５といった各種の開口部の開閉を個別に制御する。
制御部４０は、たとえばマイクロコンピュータにより実現できる。専用回路として被覆ケース部材３１に取り付けて設けられても、自動車１を制御するＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）の機能として設けられてもよい。

図４は、図２の制御部４０による排気開口部３５の開閉制御のフローチャートである。
制御部４０は、図４の開閉制御を繰り返し実行する。

図４の開閉制御において、制御部４０は、まず、エンジン本体１１が動作しているか否かを確認する（ステップＳＴ１）。制御部４０は、ＥＣＵによるエンジン本体１１の制御情報を取得し、エンジンが動作しているか否かを確認する。
エンジン本体１１が動作していない場合、すなわちエンジン本体１１が停止している場合、制御部４０は、排気開口部３５を閉じる（ステップＳＴ７）。この際、吸気開口部３３についても閉じることにより、被覆ケース部材３１は密閉される。被覆ケース部材３１の内部は断熱構造により保温される。

エンジン本体１１が動作している場合、制御部４０は、外気温度センサ３７の外気温、内部温度センサ３８の内部温度、バッテリ温度センサ３９のバッテリ温度を取得する（ステップＳＴ２）。
そして、制御部４０は、これらの温度の相関関係に基づいて各種の開口部を個別に開閉する制御を開始する。

制御部４０は、まず、内部温度と、エンジン本体１１などが暖気を必要とする最低動作温度とを比較する（ステップＳＴ３）。最低動作温度は、たとえばエンジン本体１１やトランスミッション１２についての運転に適した最小の温度でよい。具体的にはたとえば、これらで使用するオイルの粘性が、運転に適した所望のものより高くなる温度でよい。
内部温度が最低動作温度より低い場合、制御部４０は、排気開口部３５を閉じる（ステップＳＴ７）。この際、吸気開口部３３についても閉じることにより、被覆ケース部材３１は密閉される。被覆ケース部材３１の内部は断熱構造により保温される。

内部温度が最低動作温度以上である場合、制御部４０は、さらに内部温度とバッテリ温度とを比較する（ステップＳＴ４）。
内部温度がバッテリ温度より低い場合、制御部４０は、排気開口部３５を閉じる（ステップＳＴ７）。この際、吸気開口部３３についても閉じることにより、被覆ケース部材３１は密閉される。被覆ケース部材３１の内部は断熱構造により保温される。

内部温度がバッテリ温度以上である場合、制御部４０は、さらにバッテリ温度と、バッテリの最高動作温度とを比較する（ステップＳＴ５）。最高動作温度は、バッテリの寿命といった特性の劣化を生じない最大の温度でよい。
バッテリ温度が最高動作温度以上である場合、制御部４０は、排気開口部３５を閉じる（ステップＳＴ７）。

バッテリ温度が最高動作温度より低い場合、制御部４０は、排気開口部３５を開く（ステップＳＴ６）。これにより、被覆ケース部材３１の内部においてエンジン本体１１などの熱により暖められた空気は、排気開口部３５から後側へ移動する。これにより、排気開口部３５の後側に配置されたバッテリモジュール２３は暖められる。

以上のように、本実施形態では、パワーユニットを有する自動車１についての少なくともエンジン本体１１を、空気層を挟むように間隔をあけてカプセル装置３０の被覆ケース部材３１により囲う。これにより、カプセル装置３０の被覆ケース部材３１の内側のエンジン本体１１の温度が変化し難くできる。
しかも、カプセル装置３０の後部には、排気開閉部材３６により排気が許可および停止される排気開口部３５が設けられ、カプセル装置３０の後側には、少なくともバッテリモジュール２３が設けられる。よって、たとえば制御部４０が自動車１の状態に応じて排気開閉部材３６を制御して排気開口部３５を開くことにより、カプセル装置３０によりエンジン本体１１などの熱により効率よく暖められた空気を、バッテリモジュール２３へ供給することができる。
このように、本発明では、カプセル装置３０によりエンジン本体１１を効率よく暖め、また、カプセル装置３０において効率よく暖められた空気をバッテリモジュール２３へ供給することができる。その結果、パワーユニットの実使用での性能を早期に向上させることができる。

本実施形態では、制御部４０は、少なくとも、カプセル装置３０の内部若しくはエンジン本体１１の内部温度と、前記カプセル装置３０の外に配置されたバッテリモジュール２３のバッテリ温度との相関関係に基づいて、排気開閉部材３６を制御する。これにより、たとえば、エンジン本体１１の温度とバッテリの温度とを個別に、排気開口部３５の開閉制御により制御できる。

たとえば、自動車１の停車中またはパワーユニットの停止中には、排気開閉部材３６を制御して排気開口部３５を閉じる。これにより、カプセル装置３０を密閉し、停車中または停止中にエンジン本体１１などが冷却され難くできる。

この他にもたとえば冷え切ったエンジン本体１１の始動直後では、内部温度は低くなる。これにより、排気開口部３５を閉じてカプセル装置３０を密閉し、エンジン本体１１などを早期に暖めることができる。

この他にもたとえばエンジン本体１１がその動作に適した最低動作温度以上になると、排気開閉部材３６を制御して排気開口部３５を開く。これにより、排気開口部３５を開いて、カプセル装置３０の内部で暖められた空気を、冷えたバッテリモジュール２３へ供給できる。

この他にもたとえば最低動作温度以上になったカプセル装置３０の内部またはエンジン本体１１の第一温度と、カプセル装置３０の外に配置されたバッテリモジュール２３のバッテリ温度とを比較し、内部温度よりバッテリ温度が低い場合には、排気開閉部材３６を制御して排気開口部３５を開く。
これにより、排気開口部３５を開いて、カプセル装置３０により効率よく早期に暖められた空気を、冷えたバッテリモジュール２３へ供給できる。エンジン本体１１の暖気性能を損なうことなく、冷えたバッテリモジュール２３を早期に暖め始めることを期待できる。

この他にもたとえばカプセル装置３０の外に配置されたバッテリモジュール２３のバッテリ温度が、動作に適した最高動作温度より高い場合、排気開閉部材３６を制御して排気開口部３５を閉じる。これにより、カプセル装置３０の外に配置されたバッテリモジュール２３が、動作に適した最高動作温度より高くなるように過熱され難くできる。バッテリモジュール２３の動作温度を所定の温度範囲内として、これらの性能を発揮させることができる。

本実施形態では、排気開閉部材３６は、カプセル装置３０に用いる被覆ケース部材３１に取り付けられて被覆ケース部材３１と一体的に設けられる。これにより、排気開閉部材３６を、カプセル装置３０に用いる被覆ケース部材３１と別に、自動車１の骨格部材または構造部材に取り付けて支持させる必要がない。カプセル装置３０の構造を簡略化できる。

本実施形態では、カプセル装置３０は、自動車１の前室３の中において、少なくともエンジン本体１１を囲う被覆ケース部材３１により構成される。そして、被覆ケース部材３１は、エンジン本体１１と重ねて、エンジン本体１１と同じ位置で、自動車１の骨格部材または構造部材に取り付けて支持される。よって、自動車１の骨格部材または構造部材に対して、カプセル装置３０の部材を、エンジン本体１１などのパワーユニットと別に取り付ける必要はない。カプセル装置３０を、たとえば自動車１の骨格部材または構造部材に対して独自に取り付けられるエンジンカバーやアンダーカバーなどの被覆部材で構成する場合と比べて、自動車１の側において大規模の対策や変更を必要としない。また、カプセル装置３０そのものを小さくすることができるので、カプセル装置３０そのものも安価に製造し得る。
また、カプセル装置３０とともに設けられる排気開閉部材３６といった開閉部材は、自動車１の骨格部材または構造部材より内側に収まるように設けられる。これにより、自動車１の車体２の最低地上高などのスペックに大きな影響を与えることなく、自動車１にカプセル装置３０を設けることができる。

上記実施形態は、本発明の好適な実施形態の例であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変形または変更が可能である。

図５は、図２のカプセル装置３０の変形例の説明図である。
図５では、カプセル装置３０から、カプセル装置３０の外に配置されたバッテリモジュール２３の近くまでに、通気ダクト５１が設けられる。
これにより、カプセル装置３０から排気される空気を、カプセル装置３０の外に配置されたバッテリモジュール２３に対して直接的に供給し、これらを効率よく暖めることができる。
この際、排気開閉部材３６は、通気ダクト５１に設けられてよい。

上記実施形態では、モータ２４は、トランスミッション１２に取り付けられて、被覆ケース部材３１の内部に設けられている。
この他にもたとえば、モータ２４は、被覆ケース部材３１の外側に設けられてもよい。この場合、モータ２４を被覆ケース部材３１の後側に突出させるようにすることで、被覆ケース部材３１の内部から排出する暖められた空気によりモータ２４を温めることができる。

１…自動車（車両）、２…車体、３…前室、４…乗員室、５…フロントビーム、６…トーボード、１１…エンジン本体、１２…トランスミッション、１３…プロペラシャフト、１４…リアディファレンシャルギアボックス、１５…車輪、１６…エアクリーナ、１７…吸気管、１８…排気管、１９…オイルパン、２０…ラジエタ、２１…ターボ機器、２２…触媒機器、２３…バッテリモジュール、２４…モータ、３０…カプセル装置、３１…被覆ケース部材、３３…吸気開口部、３４…吸気開閉部材、３５…排気開口部、３６…排気開閉部材、３７…外気温度センサ、３８…内部温度センサ、３９…バッテリ温度センサ、４０…制御部、５１…通気ダクト

Claims (1)

1. 混合気をエンジン本体で燃焼させて駆動力を出力する内燃機関と発電機またはバッテリの電力を用いて駆動力を出力するモータとを有するパワーユニットを有する車両において、
   少なくとも前記エンジン本体を囲うとともに少なくとも前記バッテリが後側に配置されるカプセル構造と、
   前記カプセル構造の後部に設けられる排気開口部と、
   前記排気開口部からの排気を許可および停止可能に設けられる排気開閉部材と、
   前記カプセル構造の前部に設けられる吸気開口部と、
   前記吸気開口部からの吸気を許可および停止可能に設けられる吸気開閉部材と、
   前記排気開閉部材を制御して前記排気開口部を開閉する制御部と、
   を有し、
   前記吸気開口部と、前記排気開口部と、を車両の進行方向に対して一直線上外となる位置に配置し、
   前記制御部は、
   前記カプセル構造の内部または前記エンジン本体の第一温度が、前記エンジン本体の動作に適した最低動作温度以上であるか否かを判定し、
   前記第一温度が前記最低動作温度以上である際に、前記第一温度と、前記カプセル構造の外に配置された前記バッテリまたは前記モータの第二温度と、を比較して、
   前記第一温度より前記第二温度が低い場合には、前記排気開閉部材を制御して前記排気開口部を開く、
   パワーユニットのカプセル構造を有する車両。