JP7174656B2 - 産業用ハイブリッドエンジン - Google Patents

Description

本発明は、ハイブリッド式のトラクタ用エンジンや建機用エンジンなど、産業用ハイブリッドエンジンに関するものである。

近年の排ガス規制や公害対策、さらには燃費向上の課題が、自動車用エンジンのみならず、農機用エンジンなどの産業用エンジンにも適用されつつある。そのため、特許文献１において開示されるように、電動モータによりエンジン出力をアシスト可能とされたハイブリッド建機用エンジンも開発されてきている。

例えば、トラクタ用ディーゼルエンジンの出力をアシストできるようにハイブリッド化する場合には、電動モータは、従来のエンジンに用いられるオルタネータに比べて、明確に大型で、かつ、重いものが必要になる。

従って、オルタネータの片方を１本のボルトで揺動移動可能に枢支し、他方を円弧移動可能にボルト止めする、という従来のベルトテンション機能を兼ねた支持構造では強度不足になることが分かってきた。

そこで、特許文献２に開示されるように、独立したベルトテンショナを設けることにより、大型の電動モータを２つの専用の支持部ラケットを用いてエンジン本体に支持させることが考えられた。

特開２０１５－１８２５１２号公報 特開２０１９－１０９５２号公報

しかしながら、特許文献２に示された構造では、電動モータの支持強度や電動モータのモータプーリに対するベルト伝動力についてはまだ改善の余地が残されている。

本発明の目的は、さらなる工夫により、重くて大きい電動モータをスリップ無くベルト駆動しながら強度十分にエンジン本体に支持できるようにし、より合理化された産業用ハイブリッドエンジンを提供する点にある。

本発明は、産業用ハイブリッドエンジンにおいて、
クランク軸の駆動プーリと動力用の電動モータのモータプーリとに跨って巻回される無端回動帯が設けられ、
前記電動モータは、その回転軸心の周方向で互いに離れた箇所に設けられる２つの支持ブラケットによりエンジン本体に取付けられ、
前記２つの支持ブラケットのうちの一方の支持ブラケットに、前記無端回動帯をテンションローラでループ内側に押圧付勢する緊張機構が支持されるとともに、他方の支持ブラケットに、前記無端回動帯をループ内側に寄せるアイドラが支承され、
前記電動モータに設けられる一方のブラケットが前記一方の支持ブラケットに取付けられ、かつ、前記電動モータに設けられる他方のブラケットが前記他方の支持ブラケットに取付けられ、
前記テンションローラの軸心及び前記アイドラの軸心が、前記一方のブラケットと前記他方のブラケットとの間の領域に配置されていることを特徴とする。

前記無端回動帯は、エンジン補機を駆動するための従動プーリにも巻回されていることが多く、前記一方の支持ブラケットは、シリンダブロックにおけるクランク軸の軸心方向で一端に装備される伝動ケースに取付けられていると好都合である。
前記緊張機構は、着脱可能に前記支持ブラケットだけに取付けられているとよく、前記他方の支持ブラケットは、シリンダブロックに組み付けられるシリンダヘッドに取付けられているとさらによい。

前記緊張機構と前記アイドラとは、前記モータプーリに対する引き込み側ベルト部分と送り出し側ベルト部分とに振り分けて作用する状態に設けられていると好都合であり、前記緊張機構におけるテンションローラと前記アイドラとは、前記電動モータの回転軸心に関して互いにほぼ等しい半径を有する位置に設けられているとさらに好都合である。

本発明によれば、２つの支持ブラケットによって大きくて重い電動モータを強度十分にエンジン本体に支持できるとともに、一方の支持ブラケットに支持される緊張機構と、他方の支持ブラケットに支承されるアイドラとでモータプーリのベルト巻き掛け角度を増大せることができ、ベルトスリップ無く電動モータを駆動回転できるようになる。

その結果、重くて大きい電動モータをスリップ無くベルト駆動しながら強度十分にエンジン本体に支持できるようにし、より合理化された産業用ハイブリッドエンジンを提供することができる。

産業用ハイブリッドディーゼルエンジンの電動モータ付近を示す斜視図 図１の電動モータ付近の正面図 図１の電動モータ付近の平面図 図１の電動モータ付近の左側面図 第１支持ブラケットを示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は平面図 第１支持ブラケットを示し、（Ａ）は左側面図、（Ｂ）は背面図 第２支持ブラケットを示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は平面図 第２支持ブラケットを示し、（Ａ）は左側面図、（Ｂ）は背面図 （Ａ）モータプーリの拡大図、（Ｂ）伝動ベルトの巻き掛け構造を示す模式図 産業用ハイブリッドディーゼルエンジンの正面図 図１０のエンジンの平面図 図１０のエンジンの左側面図 電動モータの取付けと伝動ベルトとの関係を示す要部の正面図

以下に、本発明による産業用ハイブリッドエンジンの実施の形態を、フォークリフトやトラクタなどに適用されるディーゼルエンジンに適用した場合について、図面を参照しながら説明する。この産業用エンジンＥは、伝動ベルト１９のある方を前、フライホイールハウジング６のある方を後、排気マニホルド２０のある方を左、オイルフィルタ３のある方を右として定義する。また、エンジン本体ｈは、シリンダブロック２１、シリンダヘッド２２、ヘッドカバー２３、伝動ケース２５を含むものとする。

図１０～図１２に示されるように、直列３気筒の産業用ハイブリッドディーゼルエンジン（以下、単にエンジンと略称する）Ｅは、シリンダブロック２１の上にシリンダヘッド２２が組み付けられ、シリンダブロック２１の下にオイルパン２４が組み付けられている。シリンダブロック２１の下部はクランクケース２１ｂに形成され、上部はシリンダ２１ａにそれぞれ形成されている。シリンダヘッド２２の上にヘッドカバー（シリンダヘッドカバー）２３が組み付けられている。シリンダブロック２１の前には伝動ケース２５が組み付けられている。

図１０～図１２に示されるように、エンジンＥの前部に、クランク軸２６の駆動プーリ２６ａ、冷却ファン（エンジン補機の一例、図示省略）駆動用のファンプーリ（従動プーリの一例）１７、及びモータジェネレータである電動モータ１８のモータプーリ１８ａに跨る伝動ベルト（無端回動体の一例）１９が配備されている。エンジンＥの左側には、排気マニホルド２０、過給器（ターボ）１、電動モータ１８などが装備されている。エンジンＥの右側にはオイルフィルタ３、吸気マニホルド４などが装備され、上方には３つのインジェクタ５が配置されている。エンジンＥの後部には、フライホイールハウジング６や排気処理装置７が装備されている。

図２、図１０～図１２に示されるように、駆動プーリ２６ａとモータプーリ１８ａの間において、可撓性を有する伝動ベルト１９をファンプーリ１７側に押圧付勢するベルトテンショナ（緊張機構の一例）８が、伝動ケース２５の左に位置する状態で装備されている。ベルトテンショナ８は、伝動ベルト１９の背面（外周面）１９ａに圧接されるテンションローラ８ａと、テンションローラ８ａを先端に軸支する揺動アーム８Ａと、揺動アーム８Ａを軸心Ｐの回りで左回り（矢印Ｚ方向）に回動付勢させるテンショナ支持部８Ｂとを備えて構成されている。

図５、図６に示されるように、第１支持ブラケット９は、ブラケット第１基部９Ａと、ブラケット第２基部９Ｂと、先端ボス部９Ｃと、正面視が略円弧形状のテンショナ配置用凹入所９Ｄとを有する金属部品（例：鋳鉄）として形成されている。
ブラケット第１基部９Ａは、伝動ケース２５にボルト止めするための前後向きで２か所の取付孔９ａ，９ａを基端側（右側）に備えている。ブラケット第１基部９Ａには、他部品取付用の補助孔９ｄが貫通形成され、裏側には他部品取付用の取付ネジ９ｅが形成されている。

先端ボス部９Ｃは、電動モータ１８をボルト止めするための装着孔９ｂと、ベルトテンショナ８をボルト止めするための上側の雌ネジ孔９ｃとを備える前後幅の長いボス状の部分であり、図５（Ｂ）に示すとおり、ブラケット第１基部９Ａから後方に寄せて突出する状態で形成されている。先端ボス部９Ｃは、装着孔９ｂを有するボス部分３１と雌ネジ孔９ｃを有する螺部３２とを備えている。

ブラケット第２基部９Ｂは、伝動ケース２５にボルト止めするための前後向きで２か所の取付孔９ａ，９ａと、ベルトテンショナ８をボルト止めするための下側の雌ネジ孔９ｃとを備え、取付孔９ａを共有する状態でブラケット第１基部９Ａの下側に形成されている。
テンショナ配置用凹入所９Ｄは、主にブラケット第２基部９Ｂと先端ボス部９Ｃとで囲まれた半円状の空所であり、文字通りベルトテンショナ８のテンショナ支持部８Ｂを配置するための箇所である。

図１～図４及び図１０～図１２に示されるように、電動モータ１８は、前後方向視で円形を呈する比較的大型（大出力）の動力用電動モータであり、重量も一般的なものより重い。そのため、下側の第１支持ブラケット９と上部右側の第２支持ブラケット１０との２つを用いて強度十分にエンジン本体ｈに取付けられている。そして、ベルトテンショナ８は、テンショナ支持部８Ｂに形成された２箇所の取付座８ｂ、８ｂを用いた２箇所のボルト止めにより、第１支持ブラケット９のみで支持されている。

図７、図８に示されるように、第２支持ブラケット１０は、前取付部１０Ａ、後取付部１０Ｂ、これら前後の取付部１０Ａ，１０Ｂの上部どうしを繋ぐ状態でそれら１０Ａ，１０Ｂの前後間に位置するブラケット本部１０Ｃとを有する金属部品である。前取付部１０Ａは、その下部に、シリンダヘッド２２の前面にボルト止めするための前後向き孔１０ａを備えている。後取付部１０Ｂは、その下部に、シリンダヘッド２２の左側面にボルト止めするための左右向き孔１０ｂを備え、その上部には上下向きの雌ネジ１２が前後一対形成されている。

ブラケット本部１０Ｃは、前後向きの支持孔１１ａを備えて左方突出する支持ボス部１１を備えている。電動モータ１８には、右向き突出する二股ブラケット１３が設けられており、二股ブラケット１３の前後一対のアーム部１３ａ，１３ａが支持ボス部１１を挟んだ状態で通されるボルト（図示省略）により、二股ブラケット１３とブラケット本部１０Ｃとが連結されている（図３参照）。なお、１０Ｄは、後取付部１０Ｂから後方突出される作用片である。

図２～図４に示されるように、第２支持ブラケット１０は、前取付部１０Ａがシリンダヘッド２２の前面側に、かつ、後取付部１０Ｂがシリンダヘッド２２の左側面にそれぞれボルト止めされることでエンジン本体ｈに取付けられている。そして、支持ボス部１１の前後に電動モータ１８の二股ブラケット１３がボルト止めされている。つまり、第２支持ブラケット１０を介して電動モータ１８の上部がシリンダヘッド２２に支持されている。

図１、図７、図８に示されるように、前取付部１０Ａの前部に支持ボス部１０Ｅが形成されている。支持ボス部１０Ｅには、前後向きの取付穴１０ｅが前面に開口する状態で形成されている。支持ボス部１０Ｅは、伝動ベルト１９の背面１９ａに作用するアイドラ１６を支承している。即ち、アイドラ１６を回転可能に支持する支軸（図示省略）を取付穴１０ｅに差し込んで（又は螺旋込んで）固定させることにより、アイドラ１６が第２支持ブラケット１０に自由に回転できる状態で支持されている。

図１～図４に示されるように、第１支持ブラケット９は、ブラケット第１基部９Ａ及びブラケット第２基部９Ｂでの計３箇所の取付孔９ａを通す３個のボルト（図示省略）で伝動ケース２５の上部左側部位に螺着されることにより、左斜め上方に突出する状態で取付けられている。電動モータ１８の下側の二股ブラケット１５の一対のアーム部１５ａ，１５ａと、これらアーム部１５ａ，１５ａの間に配置される先端ボス部９Ｃのボス部分３１とがボルト連結され、テンショナ支持部８Ｂの上側の取付座８ｂは先端ボス部９Ｃの螺部３２に、かつ、下側の取付座８ｂはブラケット第２基部９Ｂの螺部３３にそれぞれボルト止めされている。

第１支持ブラケット９は、電動モータ１８の下側を伝動ケース２５（エンジン本体ｈ）に支持するために介装される強度部材であるとともに、ベルトテンショナ８を支持する強度部材でもある。第１支持ブラケット９の上側に電動モータ１８が取付けられ、下側にベルトテンショナ８が取付けられている。

図１、図２、図９（Ｂ）に示されるように、第１支持ブラケット９に、伝動ベルト１９をループ内側に押圧付勢するベルトテンショナ８が支持されるとともに、第２支持ブラケット１０に、伝動ベルト１９をループ内側に寄せるアイドラ１６が支承される構成が採られている。駆動プーリ２６ａと、その上方にあるファンプーリ１７と、駆動プーリ２６ａの左上方にあるモータプーリ１８ａとの３軸に跨って略三角形に伝動ベルト１９が巻き掛けられている。モータプーリ１８ａの径は、他の２つのプーリ２６ａ，１７より明確に小さいので、単に３つのプーリ２６ａ，１７，１８ａに伝動ベルト１９を巻回するだけでは、モータプーリ１８ａと伝動ベルト１９との接触面積が不足気味になることが知見された。

そこで、モータプーリ１８ａに対する送り出し側ベルト部分１９Ｔを伝動ベルト１９のループ内側に押圧付勢するベルトテンショナ８と、モータプーリ１８ａに対する引き込み側ベルト部分１９Ｐを伝動ベルト１９のループ内側に寄せるアイドラ１６とが設けられている。従って、モータプーリ１８ａの伝動ベルト１９の巻き掛け角が増大してベルトスリップなく電動モータ１８を回転させることができている。

図９（Ａ）に示されるように、モータプーリ１８ａには、回転軸心１８Ａの方向に多数列（１０列）のＶ字形の周溝２７が形成されており、伝動ベルト１９のループ内側には、周溝２７に嵌まり込む１０列の凸条２８が形成されている。この伝動ベルト１９の凸条２８の多数化によっても、モータプーリ１８ａにおけるベルトスリップの軽減に寄与できている。なお、周溝２７や凸条２８の数は１０に限定されるものではない。

図２、図９（Ｂ）に示されるように、電動モータ１８の回転軸心１８Ａを中心に関して、ベルトテンショナ８のテンションローラ８ａの軸心８ｊの半径２９と、アイドラ１６の軸心１６ｊの半径３０とが互いにほぼ等しい状態に構成されている。テンションローラ８ａは、揺動アーム８Ａの軸心Ｐを中心として回動移動可能であるから、伝動ベルト１９が経時などによって延びるに伴って位置が変化するものであるが、初期設定時は２つの半径２９，３０はほぼ同じ値に設定されている。

初期設定時のテンションローラ８ａ半径２９の値を、アイドラ１６の半径３０より僅かに短くしておけば、経時に伴って伝動ベルト１９が延びても、半径２９が半径３０と同値に近付き、その同値を通り越して半径２９の値が半径３０の値より僅かに大きくなってもほぼ同値であり、前記「ほぼ同じ値」が維持されるようになる。また、揺動アーム８Ａを長くして高さ位置が高められたテンションローラ８ａと新設されたアイドラ１６とは、それらに巻回される伝動ベルトどうしが接触せんばかりに近接されており、モータプーリ１８ａの巻き掛け角度を大きく増やすことに寄与している。

以上のように、第１及び第２支持ブラケット９，１０によって大きくて重い電動モータ１８を強度十分にエンジン本体ｈに支持できるとともに、第１支持ブラケット９に支持されるベルトテンショナ８と、第２支持ブラケット１０に支承されるアイドラ１６とでモータプーリ１８ａのベルト巻き掛け角度が増大され、ベルトスリップ無く電動モータ１８を駆動回転できるマイクロハイブリッド仕様のエンジンＥが提供できている。

そして、伝動ケース（ギヤケース）２５に取付ける第１支持ブラケット９に電動モータ１８及びベルトテンショナ８を支持させ、シリンダブロックに新たな取付用ボスを設けることがなく、一般的なオルタネータを持つエンジンとの併用が可能となる利点がある。また、電動モータ１８を支持する第２支持ブラケット１０にアイドラ１６を支承させてあるから、シリンダヘッド２２にアイドラ支持用の新たな取付用ボスを設ける必要がない点も好ましい。

図１、図１２に示されるように、第２支持ブラケット１０の２箇所の雌ネジ１２には、エンジンハンガー（エンジン吊下げ具）３４が螺着されている。また、後方に突設された作用片１０Ｄは、その先端（後端）の下面（符記省略）をシリンダヘッド２２上面の加工面に当接させることで、前記先端の下面がヘッド面（加工面）と平行となるように構成されている。

また、第１支持ブラケット９の補助孔９ｄに通されるボルト（図示省略）が伝動ケース２５も突き抜けて、第１支持ブラケット９の補助孔９ｄ部分に取付ける板状の部品（図示省略：第１支持ブラケット９の補強部材）により伝動ケース２５と第１支持ブラケット９をサンドイッチする形で保持する構成が採られている。ブラケット第１基部９Ａの取付ネジ９ｅは、前記「板状の部品」の取付用タップである。

図１３に示されるように、電動モータ１８の上下の二股ブラケット１３，１５のそれぞれの取付孔の中心どうしを結ぶ線分をＫ、回転軸心１８Ａを通って線分Ｋに直交する線分をＬ、引き込み側ベルト部分１９Ｐの移動方向の線分をＭ、送り出だ側ベルト部分１９Ｔの移動方向の線分をＮとする。そして、線分Ｍと線分Ｎとの侠角における角度の二等分線をＱとすると、二等分線Ｑと線分Ｌとの角度差をズレ角θとする。

本発明のエンジンでは、ベルトテンショナ８とアイドラ１６との合理的配置により、二等分線Ｑと線分Ｌとのズレ角θが極力小さくなるように設定されている。これにより、ベルト張力に起因して上下の二股ブラケット１３，１５に作用する力を極力等しくすることができ、それぞれの各支持部ラケット１０，９に対する取付ボルト（図示省略）にも極力等しい力が作用し、互いに同様な安全率に設定できる利点がある。

〔別実施形態〕
図示は省略するが、引き込み側ベルト部分１９Ｐにアイドラ１６が作用し、かつ、送り出し側ベルト部分１９Ｔにベルトテンショナ８が作用する構造のエンジンでもよい。また、伝動ベルト１９の移動方向（回動方向）は、図９（Ｂ）に示される矢印Ｙ方向とは反対の方向であってもよい。

図示は省略するが、電動モータ１８の回転軸心１８Ａを中心として、テンションローラ８ａの軸心８ｊの半径２９と、アイドラ１６の軸心１６ｊの半径３０とが互いに異なる又は大きく異なる構成でもよい。この構成によれば、モータプーリ１８ａのベルト巻き掛け角度を、図９（Ｂ）に示される場合に比べてさらに大きくすることが可能である。

８ 緊張機構
８ａ テンションローラ
８ｊ 軸心（テンションローラの軸心）
９ 一方の支持ブラケット
１０ 他方の支持ブラケット
１３ 他方のブラケット
１５ 一方のブラケット
１６ アイドラ
１６ｊ 軸心（アイドラの軸心）
１７ 従動プーリ
１８ 電動モータ
１８Ａ 回転軸心
１８ａ モータプーリ
１９ 無端回動帯
１９Ｔ 送り出し側ベルト部分
１９Ｐ 引き込み側ベルト部分
２１ シリンダブロック
２２ シリンダヘッド
２５ 伝動ケース
２６ クランク軸
２６Ａ 軸心
２６ａ 駆動プーリ
ｈ エンジン本体

Claims (7)

1. クランク軸の駆動プーリと動力用の電動モータのモータプーリとに跨って巻回される無端回動帯が設けられ、
   前記電動モータは、その回転軸心の周方向で互いに離れた箇所に設けられる２つの支持ブラケットによりエンジン本体に取付けられ、
   前記２つの支持ブラケットのうちの一方の支持ブラケットに、前記無端回動帯をテンションローラでループ内側に押圧付勢する緊張機構が支持されるとともに、他方の支持ブラケットに、前記無端回動帯をループ内側に寄せるアイドラが支承され、
   前記電動モータに設けられる一方のブラケットが前記一方の支持ブラケットに取付けられ、かつ、前記電動モータに設けられる他方のブラケットが前記他方の支持ブラケットに取付けられ、
   前記テンションローラの軸心及び前記アイドラの軸心が、前記一方のブラケットと前記他方のブラケットとの間の領域に配置されている産業用ハイブリッドエンジン。
   
2. 前記無端回動帯は、エンジン補機を駆動するための従動プーリにも巻回されている請求項１に記載の産業用ハイブリッドエンジン。
3. 前記一方の支持ブラケットは、シリンダブロックにおけるクランク軸の軸心方向で一端に装備される伝動ケースに取付けられている請求項１又は２に記載の産業用ハイブリッドエンジン。
4. 前記緊張機構は、着脱可能に前記一方の支持ブラケットだけに取付けられている請求項１～３の何れか一項に記載の産業用ハイブリッドエンジン。
5. 前記他方の支持ブラケットは、シリンダブロックに組み付けられるシリンダヘッドに取付けられている１～４の何れか一項に記載の産業用ハイブリッドエンジン。
6. 前記緊張機構と前記アイドラとは、前記無端回動帯における前記モータプーリに対する引き込み側ベルト部分と、前記無端回動帯における前記モータプーリに対する送り出し側ベルト部分と、に振り分けて作用する状態に設けられている請求項１～５の何れか一項に記載の産業用ハイブリッドエンジン。
7. 前記緊張機構におけるテンションローラと前記アイドラとは、前記電動モータの回転軸心に関して互いにほぼ等しい半径を有する位置に設けられている請求項１～６の何れか一項に記載の産業用ハイブリッドエンジン。

Images