JP6848503B2 - 内燃機関の始動装置 - Google Patents

Description

本開示は、内燃機関の始動装置に関する。

従来、電動機のトルクを遊星歯車機構を介して内燃機関に伝達する内燃機関の始動装置がある。

例えば、特許文献１には、電動発電機に接続されたサンギアと、内燃機関のクランク軸に接続されたキャリアと、クランクケースにワンウェイクラッチを介して接続されたリングギアとを有する遊星歯車機構を備えた内燃機関の始動装置が開示されている。遊星歯車機構は、電動発電機のトルクを減速比倍にしてクランク軸に伝達する。

また、この始動装置には遠心式の断接機構が設けられている。断接機構は、キャリアとリングギアとの間に介在し、キャリアの回転速度が規定速度に達するまでは、リングギアとキャリアの相対回転を許容し、規定速度以上になったときに、リングギアとキャリアとを一体回転可能に接続する。これにより、電動発電機で発電が行われる。

特開２０１４−１７７８６８号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された内燃機関の始動装置では、クランク軸は電動発電機が機械的最高回転速度に達するまで増速するが、電動発電機が機械的最高回転速度に達した後に、増速しないため、例えば、低温時における始動性を確保することができない場合があるという問題点があった。

本開示の目的は、始動性を確保することができる内燃機関の始動装置を提供することである。

本開示の内燃機関の始動装置は、
内燃機関に接続されるキャリア、電動機に接続され、前記キャリアに軸支されるピニオンギアに噛合する第１ギア、および、前記ピニオンギアに噛合する第２ギアを有し、前記電動機の回転を所定の減速比で減速して内燃機関に伝達する差動歯車機構と、
前記キャリアの回転速度が、前記電動機の最大トルク線と最大出力線との交点を示す回転速度と、減速時における前記電動機の機械的最高回転速度を前記減速比で除算した回転速度との間の所定の速度以上である場合、前記キャリア、前記第１ギアおよび前記第２ギアのうちのいずれか一つと、当該一つ以外の二つのうちのいずれか一つとを接続し、前記キャリアの回転速度が前記所定の速度未満である場合、前記接続を解除する遠心クラッチと、
を備える。

本開示によれば、始動性を確保することができる。

本開示の一実施の形態に係る内燃機関の始動装置の構成を概略的に示す図 内燃機関の始動装置のトルク特性の一例を示す図 内燃機関の始動装置における減速時の動作の一例を示す図 内燃機関の始動装置における減速時の共通速度線図 内燃機関の始動装置における非減速時の動作の一例を示す図 内燃機関の始動装置における非減速時の共通速度線図 内燃機関の始動装置における発電時の動作の一例を示す図 内燃機関の始動装置における発電時の共通速度線図 変形例１に係る内燃機関の始動装置における非減速時の動作の一例を示す図 変形例１に係る内燃機関の始動装置における非減速時の共通速度線図 変形例２に係る内燃機関の始動装置における非減速時の動作の一例を示す図

以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は本実施の形態に係る内燃機関１の始動装置１００の概略構成図である。この内燃機関１は変速機（図示略）を介して駆動輪（図示略）を駆動させて車両を走行させる。

内燃機関１の始動装置１００は、電動発電機２、ハウジング８、差動歯車機構１０、動力伝達要素２０、クラッチ機構３０、および、遠心クラッチ４０を備えている。

電動発電機２は、電動機および発電機としての機能を有する。電動発電機２は、電力線を介してバッテリ（図示略）と接続される。電動発電機２は、電動機として機能するとき、バッテリの蓄電力により駆動される。電動発電機２が発電機として機能するとき、その発電エネルギーはバッテリに蓄電される。

ハウジング８は、始動装置１００の本体として車両に固定されている。

差動歯車機構１０は、動力伝達要素２０を介して電動発電機２に接続されている。差動歯車機構１０は、キャリア１１、回転軸１２、サンギア（本発明の「第１ギア」に対応）１３、ピニオンギア１４、及び、リングギア（本発明の「第２ギア」に対応）１５を備える遊星歯車装置である。

キャリア１１は、内燃機関１の出力軸（クランク軸）１ａに接続されている。
回転軸１２は、出力軸１ａと同軸上に配置されている。
サンギア１３は、回転軸１２の一端部に接続されている。
ピニオンギア１４は、キャリア１１に軸支されて自転しながら回転軸１２回りを公転するように構成されている。
リングギア１５は内歯歯車である。

動力伝達要素２０は、プーリ２１，２２および無端ベルト２３を備えている。
プーリ２１は、電動発電機２の回転軸２ａに接続されている。
プーリ２２は、回転軸１２の他端部に接続されている。
無端ベルト２３は、プーリ２１およびプーリ２２に巻き掛けられ、内燃機関１の出力軸１ａのトルクを電動発電機２側に伝達し、また、電動発電機２の回転軸２ａのトルクを内燃機関１側に伝達する。

以上の構成を備える始動装置１００において、電動発電機２側のトルクは、差動歯車機構１０および動力伝達要素２０を介して所定の減速比倍で内燃機関１のクランク軸１ａに伝達される。なお、以下の説明をわかり易くするため、始動装置１００における減速は、差動歯車機構１０により行われ、動力伝達要素２０によって行われないものとする。つまり、以下の説明で、電動発電機２の機械的最高回転速度は、動力伝達要素２０によって減速されず、回転軸１２の回転速度となる。また、減速比」を差動歯車機構１０における減速比という。減速比、つまり、回転軸１２の回転速度とキャリア１１の回転速度との比は、例えば、１：３であり、また、単に「３」で表わされる。

クラッチ機構３０は、第１ワンウェイクラッチ３１および第２ワンウェイクラッチ３２を備えている。なお、第１ワンウェイクラッチ３１および第２ワンウェイクラッチ３２は、内燃機関１の出力軸１ａの回転方向に合わせて設定されている。

第１ワンウェイクラッチ３１は、内輪および外輪を有し、ハウジング８とリングギア１５との間に配置され、例えば、内輪がリングギア１５に固定され、外輪がハウジング８に固定される。第１ワンウェイクラッチ３１は、内輪に対して外輪を一方向に回転させた時に空転状態となり、他方向に回転させた時にロック状態となるように構成されている。第１ワンウェイクラッチ３１は、ロック状態となって、リングギア１５をハウジング８に連結する。これにより、リングギア１５は固定される。

第２ワンウェイクラッチ３２は、内輪および外輪を有し、サンギア１３とリングギア１５との間に配置され、例えば、内輪が回転軸１２に固定され、外輪がリングギア１５に固定される。第２ワンウェイクラッチ３２は、内輪に対して外輪を一方向に回転させた時に空転状態となり、他方向に回転させた時にロック状態となるように構成されている。第２ワンウェイクラッチ３２は、ロック状態となって、リングギア１５をサンギア１３に連結する。これにより、リングギア１５とサンギア１３とは一体的に回転可能となる。

遠心クラッチ４０は、キャリア１１に設置されている。遠心クラッチ４０は、具体的に、ピン状部材（図示略）及び付勢部材（図示略）を有し、キャリア１１の所定回転以上でピン状部材が付勢部材による付勢力に抗してサンギア１３と係合する。なお、サンギア１３と係合するものとしては、ピン状部材に限らず、例えば、摩擦板、ラチェット、キー、トゥースのいずれかでもよい。

遠心クラッチ４０は、キャリア１１（クランク軸１ａ）の回転速度が所定回転速度に達するまでは、キャリア１１とサンギア１３との相対回転を許容することにより、差動歯車機構１０に減速をさせる（減速時）。

遠心クラッチ４０は、キャリア１１（クランク軸１ａ）の回転速度が所定回転速度以上になったときに、キャリア１１とサンギア１３とを一体回転可能に接続することにより、差動歯車機構１０に減速をさせない（非減速時）。

図２は、始動装置１００のトルク特性の一例を示す図である。図２の縦軸にキャリア１１（クランク軸１ａ）のトルク［Ｎｍ］を示し、横軸にキャリア１１の回転速度［ｒｐｍ］を示す。また、図２に、減速時のトルク特性Ｌａ、非減速時のトルク特性Ｌｂ、トルクの伝達経路を切り換えることで得られるトルク特性Ｌｃをそれぞれ示す。なお、トルク特性Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃは、後述する速度領域５０において相互に重なるものであるが、図２ではトルク特性Ｌａ等をわかり易く表すために相互に離して示す。

また、図２に、電動発電機２の最大トルク線と最大出力線との交点を示す回転速度Ｎａ、減速時における電動発電機２の機械的最高回転速度を減速比（例えば、減速比「３」）で除算した回転速度Ｎｂを示す（Ｎａ＜Ｎｂ）。また、回転速度Ｎａと回転速度Ｎｂとの間の速度領域５０を示し、速度領域５０における任意の回転速度Ｎｃを示す（Ｎａ＜Ｎｃ＜Ｎｂ）。また、回転速度Ｎｂ以上の回転速度Ｎｄを示す（Ｎｂ＜Ｎｄ）。なお、回転速度Ｎｃを「接続時回転速度」という場合がある。また、回転速度Ｎｄを「非減速時最高回転速度」という場合がある。

遠心クラッチ４０は、図２に示すように、キャリア１１の回転速度が回転速度Ｎｃに達するまでは、キャリア１１とサンギア１３との相対回転を許容する（減速時）。これにより、電動発電機２のトルクは、差動歯車機構１０で減速されて内燃機関１に伝達される。始動装置１００のトルク特性Ｌｃは、減速時のトルク特性Ｌａとなる。なお、トルク特性Ｌａからわかるように、キャリア１１の回転速度Ｎｂは電動発電機２の機械的最高回転速度に相当するため、キャリア１１の回転速度は回転速度Ｎｂより上がらず、内燃機関１は増速しない。このため、差動歯車機構１０による減速をこのまま継続した場合には、例えば、低温時における始動性を確保することが困難になるおそれがある。

遠心クラッチ４０は、キャリア１１の回転速度が回転速度Ｎｃ以上になったときに、キャリア１１をサンギア１３と接続し、キャリア１１とサンギア１３とが一体的に回転する（非減速時）。これにより、トルク特性Ｌｃは、回転速度Ｎｃで減速時のトルク特性Ｌａから非減速時のトルク特性Ｌｂに切り替えられる。キャリア１１の回転速度を回転速度Ｎｂより上げることが可能になるため、内燃機関１を増速することができる。

＜内燃機関１の始動装置１００の動作＞
次に、内燃機関１の始動装置１００の動作の一例について図３Ａから図４Ｂを参照して説明する。図３Ａは始動装置１００における減速時の動作の一例を示す図である。図３Ｂは始動装置１００における減速時の共通速度線図である。図３Ｂにサンギア１３の回転速度に対応する位置Ｓ、キャリア１１の回転速度に対応する位置Ｃ、リングギア１５の回転速度に対応する位置Ｒをそれぞれ示す。

内燃機関１の始動時において、電動発電機２から内燃機関１を加速させる方向へトルクが流れる場合は、リングギア１５が逆転方向（空転状態になる方向とは反対の方向）にトルクを受けるため、図３Ａに示すように、第１ワンウェイクラッチ３１はロック状態となる。これにより、リングギア１５はハウジング８に連結されて、ハウジング８に固定されるため、サンギア１３に入力されたトルクは、キャリア１１へ伝達される。キャリア１１の回転速度が回転速度Ｎｃ（接続時回転速度）に達するまでは、遠心クラッチ４０はキャリア１１とサンギア１３との相対回転を許容する。このため、サンギア１３に入力されたトルクは、差動歯車機構１０で減速されて内燃機関１に伝達される。これにより、キャリア１１（クランク軸１ａ）の回転速度を上げることができる。

図４Ａは始動装置１００における非減速時の動作の一例を示す図である。図４Ｂは始動装置１００における非減速時の共通速度線図である。

キャリア１１の回転速度が回転速度Ｎｃ（接続時回転速度）になった場合に、遠心クラッチ４０はキャリア１１をサンギア１３と接続する（図４Ａ参照）。これにより、キャリア１１とサンギア１３とは一体的に回転する（図４Ｂ参照）。このため、電動発電機２の回転速度が下がる（機械的最高回転速度に対して低くなる）。これにより、電動発電機２の回転速度を上げることができ、キャリア１１（クランク軸１ａ）の回転速度を回転速度Ｎｃから回転速度Ｎｄ（非減速時最高回転速度）まで上げることが可能となる。

（電動発電機２の発電時）
図５Ａは始動装置１００における発電時の動作の一例を示す図である。図５Ａは始動装置１００における発電時の共通速度線図である。

電動発電機２の発電時において、内燃機関１から電動発電機２を加速させる方向へトルクが流れる場合は、図５Ａに示すように、第２ワンウェイクラッチ３２は、ロック状態となって、リングギア１５をサンギア１３に連結する。このため、キャリア１１、サンギア１３およびリングギア１５が一体となり、減速比は１となる（図５Ｂ参照）。

上記する電動発電機２の発電時において、内燃機関１から電動発電機２へ流れるトルクの伝達経路は、キャリア１１、リングギア１５および第２ワンウェイクラッチ３２を介してサンギア１３へトルクが流れる伝達経路Ｒ１と、キャリア１１および遠心クラッチ４０を介してサンギア１３にトルクが流れる伝達経路Ｒ２との二系統になる。つまり、内燃機関１からのトルクは、第２ワンウェイクラッチ３２を介して流れるとともに、第２ワンウェイクラッチ３２を介さずに流れる。これにより、第２ワンウェイクラッチ３２は、電動発電機２の発電時において、内燃機関１からのトルクの一部を受けることになる。これにより、第２ワンウェイクラッチ３２の負荷容量を減少させることができる。

＜本実施の形態の効果＞
以上のように、本実施の形態に係る内燃機関１の始動装置１００によれば、遠心クラッチ４０は、キャリア１１の回転速度が速度領域５０内の回転速度Ｎｃに達するまでは、キャリア１１とサンギア１３との相対回転を許容する。これにより、減速されて内燃機関１に伝達されるため、内燃機関１を増速することが可能になる。また、遠心クラッチ４０は、キャリア１１の回転速度が回転速度Ｎｃ以上になったときに、キャリア１１とサンギア１３とを一体回転可能に接続する。これにより、キャリア１１の回転速度を回転速度Ｎｂより上げることが可能になるため、内燃機関１を増速することができる。

（変形例１）
次に、本実施の形態に係る内燃機関１の始動装置１００の各変形例について図６Ａから図７を参照して説明する。なお、変形例の説明においては、上記実施の形態に示す構成と異なる構成について主に説明し、電動発電機２から内燃機関１を加速させる方向へのトルクの流れ、および、内燃機関１から電動発電機２を加速させる方向へのトルクの流れは、上記実施の形態と同じであるため、これらの説明を省略する。

上記実施の形態において、遠心クラッチ４０はキャリア１１とサンギア１３とを接続する。これに対して、変形例１において、遠心クラッチ４０はキャリア１１とリングギア１５とを接続する。

変形例１においては、キャリア１１の回転速度が接続時回転速度（図２に示す回転速度Ｎｃ参照）になった場合に、遠心クラッチ４０はキャリア１１をリングギア１５と接続する（図６Ａ参照）。これにより、キャリア１１とリングギア１５とサンギア１３とは一体的に回転する（図６Ｂ参照）。このため、電動発電機２の回転速度が下がる（機械的最高回転速度に対して低くなる）。これにより、電動発電機２の回転速度を上げることができ、キャリア１１（クランク軸１ａ）の回転速度を接続時回転速度から非減速時最高回転速度（図２に示す回転速度Ｎｄ参照）まで上げることができる。

変形例１においては、同じアシストトルクに対し、変形例１に係る遠心クラッチ４０の伝達トルクが上記実施の形態に係る遠心クラッチ４０の伝達トルクより小さくなるという利点がある。

（変形例２）
次に、変形例２について図７に参照して説明する。
上記実施の形態において、遠心クラッチ４０はキャリア１１に設置され、キャリア１１とサンギア１３とを接続する。これに対して、変形例２において、遠心クラッチ４０はサンギア１３に設置され、サンギア１３とリングギア１５とを接続する。

変形例２においては、キャリア１１の回転速度が接続時回転速度（図２に示す回転速度Ｎｃ参照）になった場合に、遠心クラッチ４０はサンギア１３をリングギア１５と接続する（図７参照）。これにより、キャリア１１とリングギア１５とサンギア１３とは一体的に回転する。このため、電動発電機２の回転速度が下がる。これにより、電動発電機２の回転速度を上げることができ、キャリア１１（クランク軸１ａ）の回転速度を接続時回転速度から非減速時最高回転速度まで上げることができる。

変形例２においては、同じアシストトルクに対し、変形例２に係る遠心クラッチ４０の伝達トルクが上記実施の形態及び上記変形例１に係る遠心クラッチ４０の伝達トルクより小さくなるという利点がある。

なお、上記実施の形態においては、減速時における電動発電機２の機械的最高回転速度を除算する際に、差動歯車機構１０による減速比を用いたが、動力伝達要素２０においても減速される場合には、差動歯車機構１０および動力伝達要素２０による減速比を用いればよい。

また、上記実施の形態においては、第１ワンウェイクラッチ３１によりハウジング８とリングギア１５が連結されたが、本発明はこれに限らず、例えば、第１ワンウェイクラッチ３１によりハウジング８とサンギア１３が連結されてもよい。

また、上記実施の形態における始動装置１００を使用する態様としては、例えば、内燃機関１を加速させる場合であればよく、内燃機関１を始動する場合に限定されない。

本開示の内燃機関１の始動装置１００は、始動性を確保することが要求される車両用の駆動系として有用である。

１ 内燃機関
１ａ 出力軸
２ 電動発電機
８ ハウジング
１０ 差動歯車機構
１１ キャリア
１２ 回転軸
１３ サンギア
１４ ピニオンギア
１５ リングギア
２０ 動力伝達要素
２１ プーリ
２２ プーリ
２３ 無端ベルト
３０ クラッチ機構
３１ 第１ワンウェイクラッチ
３２ 第２ワンウェイクラッチ
４０ 遠心クラッチ
５０ 速度領域
１００ 始動装置

Claims (3)

1. 内燃機関に接続されるキャリア、電動機に接続され、前記キャリアに軸支されるピニオンギアに噛合する第１ギア、および、前記ピニオンギアに噛合する第２ギアを有し、前記電動機の回転を所定の減速比で減速して内燃機関に伝達する差動歯車機構と、
   前記キャリアの回転速度が、前記電動機の最大トルク線と最大出力線との交点を示す回転速度と、減速時における前記電動機の機械的最高回転速度を前記減速比で除算した回転速度との間の所定の速度以上である場合、前記キャリア、前記第１ギアおよび前記第２ギアのうちのいずれか一つと、当該一つ以外の二つのうちのいずれか一つとを接続し、前記キャリアの回転速度が前記所定の速度未満である場合、前記接続を解除する遠心クラッチと、
   を備える、内燃機関の始動装置。
2. 前記内燃機関のトルクを前記電動機としての発電電動機に伝達するように、前記第１ギアと前記第２ギアとを連結するワンウェイクラッチをさらに備える、請求項１に記載の内燃機関の始動装置。
3. 前記差動歯車機構は、無端ベルトを介して前記電動機に接続される、請求項１または２に記載の内燃機関の始動装置。

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