JP5554323B2 - 車両駆動ラインのためのエネルギ回収システム - Google Patents

Description

本発明は車両のための運動エネルギ回収システム（KERS; kinetic energy recovery systems）に関する。

燃料消費及び流出物の減少を目標として制動により伝統的に消費される運動エネルギを回収し再利用するハイブリッド動力列（Hybrid power trains）は、陸運部門のための基本的な解決策として幅広く検討されている。このような動力列は、また他の車両、特に列車に応用できる可能性がある。連続生産における及び開発中の大半のハイブリッドシステムは、種々のデザイン及び貯蔵媒体を伴う電気的な構成に基礎を置く。しかしながら、電気エネルギへの次いで化学エネルギへの機械エネルギの変換（及びその逆の変換）は、かなり低いシステム効率を生じさせる。更に、貯蔵媒体、動力電子機器及びモータ／発電機は、システムのコスト、重量及び梱包への対応する影響を伴った複雑な動力列を生じさせる。

電気的なハイブリッド動力列の代わりとして、機械的なハイブリッドシステムがある。機械的なハイブリッド動力列は、エネルギ貯蔵装置として回転するはずみ車（flywheel）を利用し、車両の駆動ラインに対してエネルギの伝達を行うために変動器（variator）を利用する。はずみ車式の機械的なハイブリッドシステムは、システムの複雑さが大幅に減少すると共にエネルギ変換が不要なため、より高いエネルギ効率という利点を与え、電気的なシステムよりも優れた著しい重量、梱包及びコスト上の利益を提供する。はずみ車式の機械的なハイブリッドは、新規なものではなく、多くの会社により以前から開発されてきた。これらにおける関心事は、レーシングカーが運動エネルギの回収及び再使用を可能にすることを必要とするようなフォーミュラ１自動車レースにおける規制の導入に続き、更新されている。

ＫＥＲＳにおける従来の変動器の使用において、典型的な変動器により提供される比の範囲がエンジンとはずみ車との間の期待した速度比の幅（spread）よりも小さくなるという問題が生じ得る。

ＥＰ０４４４０８６

本発明の第１の態様によれば、車両駆動ラインのための運動エネルギ回収システムが提供され、このシステムは、はずみ車と、無段変速機（CVT; continuously variable transmission）と、シャント歯車構成（shunt gear arrangement）とを有する。無段変速機は、はずみ車と車両の駆動ラインとの間において駆動力を無段（連続可変）速度比で伝達し、回転変動器入力及び回転変動器出力を有する変動器を備える。変動器は、連続的に変化できる変動器速度比で回転変動器入力と回転変動器出力との間において駆動力を伝達するのに役立ち、シャント歯車構成は、回転変動器入力に駆動的に結合された第１の回転シャント入力と、回転変動器出力に駆動的に結合された第２の回転シャント入力と、はずみ車に駆動的に結合されたシャント回転出力とを有する。

シャント歯車は、好ましくは遊星形式のものであるが、３つのシャフトと、シャフトの速度に関する２つの自由度とを有する他の歯車構成に置き換えることができる。シャントのシャフト／回転部品のうちの２つを「入力」として参照し、残りを「出力」として参照することが便利であるが、この指定は、幾分恣意的なものである。その理由は、動力の流れを１方向（はずみ車から駆動ラインへ又はその逆）とすることができるからである。シャント歯車は、変動器のみにより提供されるものを越える、ＣＶＴの比の幅の拡張を可能にする。

本発明の特に好ましい実施の形態においては、運動エネルギ回収システムを具備した車両駆動ラインは、エンジンと車両車輪との間で駆動力を伝達するのに役立つ自動車変速機を有し、運動エネルギ回収システムは、エンジンと自動車変速機との間で駆動ライン内のある点に結合される。好ましくは、運動エネルギ回収システムを接続したまま、駆動ラインからエンジンを選択的に切り離す（de-coupling）ためのクラッチを設ける。この目的のため、クラッチは、好ましくは、運動エネルギ回収システムへのその結合部とエンジンとの間で駆動ライン内に位置する。この形式の駆動ラインは、エンジンからの駆動が必要でない場合に、車両を駆動するために変速機を介しての車両車輪への運動エネルギ回収システムの接続を依然として維持しながら、変速機及び車両車輪からエンジンを切り離すことを可能にする。

本出願人により実行されたモデル製作（モデル化）では、極めてエネルギ効率の良いシステムにできることが分かった。好ましくは、駆動ラインは、運動エネルギ回収システムへのその結合部と車両変速機との間で駆動ライン内に別のクラッチを組み込む。この別のクラッチは、たとえば、車両が停止に至った場合に、運動エネルギ回収システム及びエンジンの双方から変速機を切り離すのに役立つ。

本発明の第２の態様によれば、エンジン、及び、エンジンと自動車の被駆動車輪との間で駆動力を伝達するための自動車変速機を有する駆動ラインを備えた車両駆動構成が提供される。この構成は、更に、自動車変速機とエンジンとの間で駆動ラインに結合された運動エネルギ回収システムと、エンジンと運動エネルギ回収システムとの間で駆動ライン内に位置するクラッチとを備え、この場合、クラッチを切り離することにより、エンジンは運動エネルギ回収システム及び自動車変速機から切り離される。

このような構成においては、運動エネルギ回収システムは、好ましくは、片側で駆動ラインに接続され、反対側ではずみ車に接続された無段変速機を有する。この構成は、エンジンを切り離した状態で、変速機を介して、運動エネルギ回収システムのみにより自動車を駆動することを可能にする。それ故、エンジンを間欠的にのみ運転させるだけで済み、全体の効率を改善できる。

図１は、本発明を具体化した駆動ラインの概略図である。 図２は、標準車両作動（ＮＥＤＣ）サイクルにおける、（ａ）内部損失を克服するために車両エンジンにより消失するエネルギと、（ｂ）車両を駆動する際に消失するエネルギとを比較するための棒グラフを示す。 図３は、図２と同様の棒グラフであるが、異なる作動（ＦＴＰ７５）サイクルにおける性能を表す。 図４は、ＮＥＤＣサイクルのための、経時的な路面車輪及びはずみ車の速度のグラフである。 図５は、車両の空調、及びエンジン速度に抵抗する他の「付属的な」車両システムに適用される動力のグラフである。 図６は、図４と同様のグラフであるが、ＦＴＰ７５サイクルを表す。

ここで、添付図面を参照して、本発明の特定の実施の形態を説明する。実施の形態において、図１に示すエンジン１０は、内燃エンジンであるが、原理的には、本発明は、別の形式の回転駆動機を使用して履行できる。図示の駆動ラインは、自動車に使用することを意図するものであるが、例えば列車のような他の形式の車両に適用することができる。図１の点線ブロック１２は、任意の自動車駆動ラインの典型である項目を含む。エンジン１０から車両の被駆動車輪（図示せず）へ回転駆動力（rotary drive）を伝達するのに役立つ車両の変速機は、図において変速機入力であるブロック１４で示し、円１６は、駆動ラインの速度比を表す。変速機は、任意の適当な形式のものとすることができ、段階的な又は無段階の比を提供することができる。車両の車輪に伝達された駆動力は、車両の慣性１８に作用し、これを加速／減速させる。この例における第１のクラッチ２０は、エンジン１０から、また、運動エネルギ回収システム（ＫＥＲＳ）２２から変速機入力１４を選択的に切り離すのに役立つ。

ＫＥＲＳ２２は、また駆動ラインからエネルギを受け取り、エネルギを貯蔵し、適当な場合は、エネルギを駆動ラインへ戻すことができるはずみ車２４を有する。はずみ車２４は伝動装置２６を介して駆動ラインに結合し、駆動ラインシャフト２８とＫＥＲＳ入力シャフト３０との間に固定の速度比を提供する。駆動力は、変動器３４、シャント歯車構成３６及び平歯車構成３８を有する無段変速機（ＣＶＴ）３２により、はずみ車２４と駆動ラインシャフト２８との間で伝達される。

変動器３４は、回転変動器入力４０及び回転変動器出力４２を有し、連続的に（即ち、無段で）変化できる速度比（入力速度÷出力速度）で一方から他方へ駆動力を伝達するのに役立つ。自動車分野では多くの形式の変動器が周知である。この実施の形態は、トロイダルレース転がり牽引形式の変動器、特に、全トロイダルであってトルク制御される変動器を使用する。このような変動器の詳細は、当業界で知られており、トロトラク（デベロップメント）社(Torotrak (development) Ltd.)による多くの公開特許案件、特に、ＥＰ０４４４０８６（欧州特許明細書）に見ることができる。

変動器回転入力４０は、駆動ラインシャフト２８の速度それ故（第２のクラッチ４４が係合している間の）エンジン速度の固定の倍数である速度で運動する。変動器回転出力４２は、はずみ車２４に結合される。この例においては、はずみ車は、１２，０００乃至２４，０００ｒｐｍの間の速度に維持することができる。エンジンは、１０００ｒｐｍでアイドリングし、６，０００ｒｐｍの最大速度を有する。したがって、ＣＶＴ３２は、１２の比幅を提供できる必要がある。これは、問題を生じる可能性がある。その理由は、この実施の形態では、変動器が典型的には、例えば６のような狭い比速度を提供するからである。

この問題は、この実施の形態では、遊星形式であるシャント歯車構成３６により、本発明に従って克服される。シャント（shunt;転轍）歯車構成は、ＫＥＲＳ入力シャフト３０に結合され、したがって、平歯車構成３８を介して回転変動器入力４０に結合された第１の回転シャント入力を有する。この実施の形態においては、第１の回転シャント入力は、シャント歯車構成３６のサンギヤＳである。第２の回転シャント入力は、回転変動器出力シャフト４２に結合される。この実施の形態においては、第２の回転シャント入力は、シャント歯車構成の環状歯車Ａである。この実施の形態では、回転シャント出力は、シャントの遊星キャリヤＣにより形成され、はずみ車における速度増大を提供する伝動装置５０を介してはずみ車２４に結合される。

歯車比を適当に選択すると、このような構成は、効率に関して同じコストであるにもかかわらず、変動器の比幅よりも大きなＣＶＴ３２のための比幅を提供する。その理由は、動力が（比較的損失の多い）変動器３４を通して循環されるからである。第２のクラッチ４４は、エンジンからの動力が必要でない場合に、車両１８への動力の流れが必要ではないため（車両が惰走又は減速している場合）、又は、必要な動力がＫＥＲS２２から引き出されているため、エンジンを切り離し停止させることができる。

自動車用においては、駆動ラインは、同期発電機、空調機等のような付属システムへ動力を供給しなければならない。これらのいくつか（例えば空調機）は、連続的に稼働しなければならない。エンジンが間欠的に運転するような場合、このようなシステムは、エンジンから直接ではなく、はずみ車２４から、特に、変速機入力から駆動しなければならない。同期発電機のような他の付属システムは、間欠的な動力入力で作動することができ、エンジンからより有効に駆動することができる。

図示の形式の駆動ラインの性能を、典型的な自動車使用を表す産業的に認識されたサイクルを使用して数学的にモデル化した。１つのこのようなサイクルは「新ヨーロッパ駆動サイクル」（ＮＥＤＣ; New European Driving Cycle）であり、このサイクルは、サイクル全体にわたった比較的遅い車速を有し、穏やかな加速及び減速を伴い、車両が静止し、エンジンがアイドリング速度である状態でかなりの時間を消費する。エンジンがこのような位相中に少ない動力を送給する場合でさえ、これは、その固有のモータリング(motoring;運転)損失に打ち勝つかなりのエネルギを吸収する。

図２は、内部損失（モータリング）に打ち勝つエンジンにより消失するエネルギと、ＮＥＤCサイクル（車両ドライブ）を完成させる車両により消失するエネルギとを比較する。第１のデータ対（エンジンのみ）は、従来の非ハイブリッド駆動ラインのためのエネルギ平衡を示す。車両に必須の低性能は、消費される全エネルギ（１５ＭＪ）の６０％（９ＭＪ）がエンジンの内部損失により消失することを意味する。第２のデータ対は、はずみ車から引き出される再生制動（０．６４ＭＪ）の付加により救われるエネルギを示す。エンジンは、全サイクルにわたって運転し、そのため、その内部損失は、変わらない。最後のデータ対は、不必要な場合即ちはずみ車が充填(charging)又は放出(discharging) する場合のエンジンのオフ切換えの効果を示す。

エネルギ節約（３．５ＭＪ）には直接貢献しないが、はずみ車は、エンジンの内部損失により消失するエネルギの顕著な減少を可能にし、それ故、２０％の正味の節約（saving）を達成できる。この状況にするため、サイクル（１１８０秒）にわたって消失する９ＭＪは７．６Ｋｗの平均動力損失又は１２００ｒｐｍでの想定エンジン損失に匹敵する。サイクルの一部に対して「エンジンのオフ」操作を可能にすることにより、ここで考察しているシステムは、実質的な燃料節約を可能にする。

ＦＴＰ７５（連邦試験手続き;Federal Test Procedure）サイクルの地下鉄要素に適用される同じ分析は、より過激な速度プロフィール（輪郭）の結果−図３を示す。車両により消失されるより大きなエネルギは、再生的な制動（７％）からのエネルギ節約のためのより多くの機会を提供する。しかし、これまた、入手可能な節約（３０％）の大半は、エンジン使用の制限から引き出される。

図４は、ＮＥＤＣサイクルのための車両及び結果としてのはずみ車の速度プロフィールのグラフである。この図は、エンジンのオフ操作のために利用できる時間の高比率に対して対比される、はずみ車により貯蔵される比較的低いエネルギレベルを示す。

エンジンの減少した使用に大いに頼ることは、はずみ車が車両の付属（システムの）負荷の少なくとも一部で稼働することを必要とする。図５は、空調と残りのものとの間での想定される動力分割を示す。空調は、連続的要素を代表するものであり、残りは、エンジンで運転するものと考えられる。図６は、付属システムのオン／オフのための結果としてのはずみ車速度をプロットしたＦＴＰ７５サイクルの地下鉄要素を示す。付属負荷を付加すると、３０％から１８％まで減少させるエネルギ利益が生じた。

１０：エンジン、１２：車両駆動ライン、２０、４４：クラッチ、２２：運動エネルギ回収システム（ＫＥＲＳ）、２４：はずみ車、２６：伝動装置、２８：駆動ラインシャフト、３０：ＫＥＲＳ入力シャフト、３２：無段変速機（ＣＶＴ）、３４：変動器、３６：シャント歯車構成、３８：平歯車構成、４０：回転変動器入力、４２：回転変動器出力、５０：伝動装置。

Claims (6)

1. 車両駆動ラインであって、
   エンジンと車両車輪との間で駆動力を伝達するように構成された車両変速機と、
   前記エンジンと前記車両変速機との間で前記駆動ラインに結合された入力を有する運動エネルギ回収システムと
   を備え、
   前記運動エネルギ回収システムは、
   はずみ車と、
   連続的に変化できるＣＶＴ速度比で前記はずみ車と前記車両駆動ラインとの間において駆動力を伝達するための無段変速機と
   を備え、
   前記無段変速機は、回転変動器入力及び回転変動器出力を有する変動器を備え、
   前記変動器は、連続的に変化できる変動器速度比で前記回転変動器入力と前記回転変動器出力との間において駆動力を伝達するのに役立ち、
   前記無段変速機は、シャント歯車構成を更に備え、
   前記シャント歯車構成は、前記回転変動器入力に駆動的に結合された第１の回転シャント入力と、前記回転変動器出力に駆動的に結合された第２の回転シャント入力と、前記はずみ車に駆動的に結合されたシャント回転出力と、を有することを特徴とする車両駆動ライン。
2. 前記シャント歯車構成が遊星歯車構成を有することを特徴とする請求項１の車両駆動ライン。
3. 前記変動器がトルク制御されることを特徴とする請求項１又は２の車両駆動ライン。
4. 前記運動エネルギ回収システムを接続した状態で、前記駆動ラインから前記エンジンを選択的に切り離すためのクラッチを更に有することを特徴とする請求項３の車両駆動ライン。
5. 前記クラッチが前記運動エネルギ回収システムへの結合部と前記エンジンとの間で駆動ライン内に位置することを特徴とする請求項４の車両駆動ライン。
6. 前記運動エネルギ回収システムへの結合部と前記車両変速機との間で前記駆動ライン内に位置する別のクラッチを有することを特徴とする請求項５の車両駆動ライン。

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