JP6252085B2 - 車両駆動システム - Google Patents

Description

本発明は、エンジンのクランク軸に永久磁石式の電動モータを直結させた車両駆動システムに関する。

〔従来技術〕
エンジンのクランク軸に永久磁石式の電動モータを直結させる車両駆動システムとして、特許文献１の技術が知られている。
特許文献１は、スクータなどの自動二輪車に用いる技術であり、車両停止時にエンジンを停止し、車両発進操作時（例えば、スロットル操作時）にクランク軸に直結させた電動モータをスタータ作動させてエンジン始動を行う「エンジン自動停止自動始動機能」に関する技術が開示されている。

具体的に特許文献１には、「電動モータの最大発生トルク」を「エンジン始動時にピストンが圧縮行程を乗り越すために必要な最大クランキングトルクの約６０％以下」に設けることで、電動モータの慣性マスを減らして、自動二輪車におけるドライバビリティを向上させる技術が開示されている。

〔従来技術の問題点〕
特許文献１に開示される「エンジン自動停止自動始動機能」は、いわゆるアイドリングストップであり、上述したように、車両停止時にエンジンを停止し、車両発進操作時に電動モータを助走させてエンジン始動を行うものである。このため、ドライバーが車両発進操作を行ってからエンジンが始動するまでに助走作動分のタイムラグが生じ、車両の再発進が遅れるという問題がある。

そこで、車両の停車中は、電動モータによってエンジンのアイドリング回転数を維持させ、車両発進操作に反応して遅滞無くスムーズに車両を発進させることが考えられる。
しかし、走行時のドライバビリティを確保するために慣性マスを減らした電動モータを用いる場合は、小型化のためにアイドリング回転数に必要なモータトルクを発生できない。

また、慣性マスを減らした電動モータでは、エンジン始動に必要な低回転数までしかエンジンを回転させることができないため、エンジン常用域での「エンジンの出力トルク」に「電動モータの発生トルク」を付与する「電動アシスト」を実施できなかった。

補足説明すると、エンジン始動が実施でき、且つアイドリング回転数を発生可能な電動モータを用いることが考えられる。しかし、そのような電動モータは、大型化することにより実現できるが、そうすると慣性マスが増えて「電動モータの最適慣性マスの範囲」から大きく外れてしまい、二輪車におけるドライバビリティの悪化を招く不具合がある。即ち、電動モータでの高回転化とドライバビリティとは二律背反の関係にあり、両者を両立させることは困難であった。
このように、従来技術では、二輪車のドライバビリティを確保しながら電動モータだけでエンジンのアイドリング回転数を維持させることができなかった。

特許第４０３９６０４号公報

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、クランク軸に直結した永久磁石型の電動モータによって二輪車のドライバビリティを確保できる慣性マスで「エンジンの始動」と「アイドリング回転数の維持」が可能な車両駆動システムの提供にある。

本発明の車両駆動システムは、エンジンの始動時に、第１巻線と第２巻線を直列接続して電動モータを作動させるとともに、エンジンに燃料噴射を行ってエンジン始動を実行する。このように、第１巻線と第２巻線を直列接続することで、電動モータに大きなトルクを発生させることができ、クランク軸に直結した永久磁石式の電動モータによってエンジン始動を実施できる。

エンジンの始動後は、エンジンへの燃料噴射を停止させるとともに、第２巻線のみの接続に切り替えて電動モータを作動させることでエンジンのアイドリング回転数を維持する。このように、第２巻線のみの接続で電動モータを作動させることで、電動モータを大型化することなく、エンジンの慣性マスを維持したまま電動モータの回転数をアイドリング回転数以上に高めることが可能になり、クランク軸に直結した永久磁石式の電動モータによってエンジンのアイドリング回転数を維持することができる。
このように、電動モータによってアイドリング回転数を維持することで、ドライバーによる車両発進操作に反応して遅滞無くスムーズに車両を発進させることが可能になり、車両発進時のドライバビリティを従来技術に比較して大幅に向上できる。
また、スロットルが開かれている状態にて第２巻線のみの接続にて電動モータを作動させることで、燃料消費を抑制することができる。

車両駆動システムの概略説明図である。 第１巻線と第２巻線を直列接続した電動モータの説明図である。 第２巻線のみを接続した電動モータの説明図である。 巻線比と燃費効果との関係を示すグラフである。 第２巻線の配置位置とロータの磁石位置の関係説明図である。 クランク角に対するクランク負荷および通電電流の関係説明図である。

以下では、発明を実施するための形態を、図面に基づいて詳細に説明する。

以下の実施例は具体的な一例を示すものであって、本発明が実施例に限定されないことは言うまでもない。

［実施例１］
図１〜図６を参照して実施例１を説明する。
車両駆動システムは、具体的な一例として、スクータなどの小型自動二輪車等に搭載されるものであり、車両走行用のエンジン１と、エンジン１のクランク軸２に直結する電動モータ３と、エンジン１および電動モータ３の運転制御を行う制御装置４とを備えて構成される。

エンジン１は、燃料の燃焼エネルギーによってクランク軸２を回転させ、その回転力をクランク軸２を介して出力するものである。もちろん、エンジン１は、形式や排気量等は限定するものでないが、一例としてガソリンを燃料とした単気筒４サイクルの点火式レシプロエンジンを採用している。

具体的に、エンジン１は、燃料噴射用のインジェクタ５を含む燃料噴射装置や、点火コイル６やスパークプラグを含む点火装置を備える。
燃料噴射装置は周知なもので、車両の運転状態に応じた噴射量を車両の運転状態に応じたタイミングで噴射させるものであり、制御装置４により噴射量や噴射タイミングが制御される。

点火装置も周知なものであり、所定の点火タイミングでスパークプラグに火花放電を発生させるものである。この点火装置は、制御装置４と独立して作動するものであっても良いし、制御装置４により作動状態が制御されるものであっても良い。具体的には、後述する「間引き噴射制御」において「燃料噴射しないタイミングで火花放電を停止する」ように点火装置の作動状態が制御装置４にコントロールされるものであっても良い。

電動モータ３は、クランク軸２に直結された永久磁石式であり、クランク軸２と一体に回転するロータ７には複数の永久磁石８が固定配置される（図５参照）。一方、電動モータ３におけるステータ９の各スロットには、Ｕ、Ｖ、Ｗ相からなる第１巻線１１と、Ｕ、Ｖ、Ｗ相からなる第２巻線１２とが、それぞれ１２０度間隔で独立して配置されている。そして、電動モータ３は、制御装置４に内蔵されたインバータによって調整された通電電流が与えられることで回転力を発生する。

上述した第１巻線１１と第２巻線１２は、切替手段１３（電磁リレー等）によって、
（ｉ）第１巻線１１と第２巻線１２の直列接続（図２参照）と、
（ｉｉ）第２巻線１２のみの接続（図３参照）と、
に切替え可能に設けられている。

第１巻線１１と第２巻線１２の直列接続は、図２（ｃ）に示すように、電動モータ３によって大きな出力トルクを発生させることができる。しかし、回転数を高めようとするとコイルインダクタンスによる逆起電力の増加によって電動モータ３の回転数の上昇が困難になる。
具体的な一例として、第１巻線１１と第２巻線１２を直列接続した時の電動モータ３の最大発生トルクは、ドライバビリティの低下を抑える目的（慣性マスを適正範囲に抑える目的）で、エンジン１の最大クランキングトルクの６０％以下（例えば、最大クランキングトルクが１．３ｋｇｆｍとなる１００ｃｃ二輪車エンジンの場合は最大トルクが０．７６ｋｇｆｍ以下、最大クランキングトルクが１．８ｋｇｆｍとなる１２５ｃｃ二輪車用エンジンの場合は最大トルクが１．０８ｋｇｆｍ以下）に設定されるものであり、回転数の範囲は０〜１２００ｒｐｍほどである。

一方、第２巻線１２のみの接続は、逆起電力の影響を受け難くなるため、図３（ｃ）に示すように、電動モータ３による高速回転が可能になる。しかし、ロータ７を駆動するための発生磁束量が減ることで電動モータ３の出力トルクが小さくなる。
具体的な一例として、第２巻線１２のみを接続した時の電動モータ３の最大発生トルクは、第１巻線１１と第２巻線１２を直列接続した時に比較すると低下するが、回転数の範囲を０〜４８００ｒｐｍまで広げることができる。

制御装置４は、切替手段１３を切替制御する。
具体的に制御装置４は、エンジン１の始動時（スタータスイッチのＯＮ時、アイドリングストップ中のスロットル開度など）に、第１巻線１１と第２巻線１２を直列接続して電動モータ３を作動させる（図２参照）。このとき制御装置４は、エンジン１に燃料噴射を行ってエンジン始動を実行する。
一方、制御装置４は、エンジン始動後の車両停車中に、第２巻線１２のみの接続に切り替えて電動モータ３を作動させることで、エンジン１のアイドリング回転数を維持させる（図３参照）。このとき制御装置４は、エンジン１への燃料噴射を停止する。即ち、制御装置４は、スロットル閉時のアイドリング中に燃料噴射を停止させるとともに、第２巻線１２のみで電動モータ３を作動させてアイドリング回転数（例えば、１５００ｒｐｍ）を維持する。

そして制御装置４は、ドライバーがスロットルを開くと（車両発進操作の一例）、燃料噴射を再開し、エンジン１の出力トルクを発生させるとともに第２巻線１２のみの接続で電動モータ３を作動させて車両を発進駆動する。さらに、燃料噴射は間引きして燃料消費量を抑える。
このとき、スロットル開度の上昇に応じて電動モータ３の通電電流を大きくする、もしくはバッテリ１４の電圧低下に応じて電動モータ３の通電電流を小さくし、且つ燃料噴射を増量する加速トルク調整を行っても良い。

なお、上述した電動モータ３は、発電機（ジェネレータ）としても機能するものであり、車両の減速等に伴う回転力（タイヤから受ける回転力）やエンジン１の回転出力を受けて発電し、発電した電力で定格電圧が１２Ｖのバッテリ１４を充電するとともに、車両に搭載された各電装品へ給電を行う。具体的に車両は、電動モータ３が発電した三相交流を全波整流する三相全波整流器と、三相全波整流器の出力を所定のレギュレート電圧（例えば、１４．５Ｖ）に制限するレギュレータとを搭載している。

（実施例の効果１）
この実施例では、上述したように、エンジン１の始動時に、第１巻線１１と第２巻線１２を直列接続して電動モータ３を作動させるとともに、エンジン１に燃料噴射を行ってエンジン始動を実行する。
このように、第１巻線１１と第２巻線１２を直列接続することで、電動モータ３に大きなトルク（エンジン始動可能なトルク）を発生させることができ、クランク軸２に直結した永久磁石式の電動モータ３によってエンジン始動を実施できる。

エンジン１の始動後の車両停車中は、エンジン１への燃料噴射を停止させるとともに、第２巻線１２のみの接続に切り替えて電動モータ３を作動させることでエンジン１のアイドリング回転数を維持する。
このように、第２巻線１２のみの接続で電動モータ３を作動させることで、電動モータ３の慣性マスを増加させることなく、電動モータ３の回転数をアイドリング回転数以上に高めることができる。即ち、車両停車中に、クランク軸２に直結した永久磁石式の電動モータ３によってエンジン１のアイドリング回転数を維持することができる。

（実施例の効果２）
この実施例の制御装置４は、エンジン１の始動後で、且つスロットル開度が所定開度以上の時（加速時や登坂走行時など）、第２巻線１２のみの接続で電動モータ３を作動させて、エンジン１の電動アシストを行う。
即ち、制御装置４は、エンジン１の運転中にエンジン負荷が所定値以上で、且つエンジン回転数が電動モータ３でアシスト可能な回転域（例えば、４８００ｒｐｍ未満）に限り、第２巻線１２のみの接続による電動モータ３によって、エンジン出力をモータ出力で電動アシストする。
これにより、少ない燃料消費で大きな駆動力を発生させることができる。即ち、加速性能や登坂性能を高め、且つ燃料消費を抑えることができる。

燃料消費を抑える技術を説明する。
制御装置４は、電動モータ３がエンジン１の電動アシストを行う際、エンジン１に対して間引き噴射制御を実施する。この間引き噴射制御は、「噴射タイミングで燃料噴射を実施しない割合（回数）」を変化させて、単位時間当たりの噴射量を減らすものであり、空燃比を乱すことなく燃料消費を抑えることができる。なお、「噴射タイミングで燃料噴射を実施しない時」は、点火作動を行うものであっても良いが、点火作動を停止して電力消費を抑えるようにしても良い。

（実施例の効果３）
この実施例の電動モータ３は、「第１巻線１１と第２巻線１２を直列接続した時の巻線数（巻回数）」を「第２巻線１２の巻線数（巻回数）」で割った巻線比が「４未満」に設けられる。
その理由を説明する。
エンジン１の燃料噴射を停止した状態のクランク軸２をアイドリング回転数で駆動するには、第２巻線１２のみの接続の電動モータ３に「エンジン始動時（第１巻線１１と第２巻線１２を直列接続した電動モータ３の出力トルク）」の１／４より大きい出力トルク（例えば、１００ｃｃ二輪車用エンジンの場合は０．１９ｋｇｆｍ超、１２５ｃｃ二輪車用エンジンの場合は０．２７ｋｇｆｍ超）を発生させることが必要となる。
このため、第２巻線１２のみの接続の電動モータ３に、「エンジン始動時」の１／４より大きい出力トルクを発生させるために、巻線比が「４未満」に設けられる。

上記を補足説明すると、巻線比を大きくすることは、第２巻線１２の巻線数を減らすことであるため、巻線比を大きくすると、第２巻線１２のみの接続時における電動モータ３の出力トルクの減少を招いてしまう。理解補助のための一例として、巻線比を３．５に設定すると「第２巻線１２のみによる電動モータ３の出力トルク」は、「第１巻線１１と第２巻線１２を直列接続した電動モータ３の出力トルク」の約１／３．５に減少する。

次に、図４を参照して巻線比の設定技術を説明する。図４は、エンジン１の運転を電動モータ３で電動アシストした際の「巻線比」と「燃費向上効果」との関係を示したものである。この図４から読み取れるように、第２巻線１２の巻線数を減らしてゆくと、巻線比３．５までは燃費向上効果が上昇するものの、巻線比３．５を超えると急激に燃費向上効果が低下する。このように、燃費向上効果を得るためにも、巻線比は４未満が適している。

（実施例の効果４）
この実施例の電動モータ３は、「エンジン１の圧縮行程時に第２巻線１２によって駆動される磁束と対向する永久磁石８」の磁力は、他の永久磁石８の磁力より強く設けられる。
具体的な一例として、図５に示すロータ７の回転タイミングが圧縮行程であり、第２巻線１２に対向する部位の永久磁石８（図５中の符号αで示す永久磁石８）の磁力が、他の部位の永久磁石８の磁力より、強く設けられる。

各永久磁石８に磁力の強弱を設ける手段は、もちろん限定するものではないが、理解補助の一例を示す。この実施例では、全ての永久磁石８をフェライト磁石で設けている。そして、「エンジン１の圧縮行程時に第２巻線１２によって駆動される永久磁石８」を、他の永久磁石８より強着磁することで、各永久磁石８に磁力の強弱を設けている。
あるいは、各永久磁石８に磁力の強弱を設ける手段として、「エンジン１の圧縮行程時に第２巻線１２によって駆動される永久磁石８」にフェライト磁石と希土類磁石（ネオジウム磁石等）を組み合わせて用いても良い。

このように、「エンジン１の圧縮行程時に第２巻線１２によって駆動される永久磁石８」の磁力を他より強く設けることで、クランク軸２の回転中（電動モータ３によるアイドリング回転中、およびエンジン１の電動アシスト中）の圧縮行程時における電動モータ３の出力トルクを大きくできる。これによって、エンジン圧縮行程時のクランク軸２の回転落ち込み（変動）を抑えることができ、車両振動を小さくすることができる。

（実施例の効果５）
この実施例の制御装置４は、第２巻線１２のみの接続に切り替えて電動モータ３を作動させる際（即ち、電動モータ３によるアイドリング回転中、およびエンジン１の電動アシスト中）、
（ｉ）エンジン１の圧縮行程時、
（ｉｉ）エンジン１の吸気バルブの押し下げ時、
（ｉｉｉ）エンジン１の排気バルブの押し下げ時に、
第２巻線１２の通電電流を増大させる補正制御を実施する。

上述した「圧縮行程」、「吸気バルブの押し下げ」、「排気バルブの押し下げ」によるクランク負荷は、図６の実線Ａに示すように、クランク軸２が２回転（７２０度回転）する間の決まったクランク角で生じる。
そこで、制御装置４は、クランク角（図示しないクランク角センサによって検出されたクランク軸２の角度）から求められる「圧縮行程時（圧縮乗り越しトルクの発生時）」、「吸気バルブの押し下げ時（開弁トルクの発生時）」、「排気バルブの押し下げ時（開弁トルクの発生時）」に第２巻線１２に与える通電電流を増大させる。
具体的に、第２巻線１２の通電電流の増加制御は、図６の実線Ｂに示すように、「圧縮行程時」、「吸気バルブの押し下げ時」、「排気バルブの押し下げ時」に生じるクランク負荷を打ち消すように実施される。

このように設けることで、クランク軸２の回転中（電動モータ３によるアイドリング回転中、およびエンジン１の電動アシスト中）の「圧縮行程時」、「吸気バルブの押し下げ時」、「排気バルブの押し下げ時」に電動モータ３の出力トルクを大きくすることができる。これによって、クランク軸２の回転変動を抑えることができ、車両振動を小さくすることができる。

なお、上述した補正制御（クランク負荷の増加変化に応じて通電電流を増加させる補正制御）に加え、クランク負荷の減少変化に応じて通電電流を減少させる補正制御を行っても良い。具体的には、エンジン１の電動アシスト中の膨張（爆発）行程時に第２巻線１２の通電電流を減少させる補正制御を実施し、クランク軸２の回転変動をさらにフラット化しても良い。

上記の実施例では、電動モータ３の巻線例として第１、第２巻線１１、１２のみを用いる例を示したが、駆動トルクとドライバビリティから適宜、第３、第４巻線など、他の巻線を設けて切り替えても良い。

上記の実施例では、本発明を小型自動二輪車に適用する例を示したが、限定するものではない。

１ エンジン
２ クランク軸
３ 電動モータ
４ 制御装置
１１ 第１巻線
１２ 第２巻線

Claims (5)

1. 燃料の燃焼によって発生させた回転力をクランク軸（２）を介して出力するエンジン（１）と、前記クランク軸（２）に直結された永久磁石式の電動モータ（３）と、前記エンジン（１）および前記電動モータ（３）の制御を行う制御装置（４）とを具備し、
   前記電動モータ（３）にロータ駆動用の第１巻線（１１）と第２巻線（１２）が設けられる車両駆動システムにおいて、
   この車両駆動システムは、
   前記第１巻線（１１）と前記第２巻線（１２）の直列接続と、
   前記第２巻線（１２）のみの接続と、
   の切り替えを行う切替手段（１３）を備えるものであり、
   前記制御装置（４）は、前記切替手段（１３）を切替制御するものであり、
   前記エンジン（１）の始動時に、前記第１巻線（１１）と前記第２巻線（１２）を直列接続して前記電動モータ（３）を作動させるとともに、前記エンジン（１）の始動を実行し、
   前記エンジン（１）の始動後に、前記第２巻線（１２）のみの接続に切り替えて前記電動モータ（３）を作動させるとともに、前記エンジン（１）への燃料噴射を停止して前記エンジン（１）のアイドリング回転数を維持するものであり、
   さらに、前記制御装置（４）は、前記エンジン（１）の始動後で、且つスロットル開度が所定開度以上の時に、前記第２巻線（１２）のみの接続で前記電動モータ（３）を作動させるとともに、前記エンジン（１）に対して間引き噴射を実施して、前記エンジン（１）の電動アシストを行うことを特徴とする車両駆動システム。
2. 請求項１に記載の車両駆動システムにおいて、
   前記第１巻線（１１）と前記第２巻線（１２）を直列接続した時の巻線数を、前記第２巻線（１２）の巻線数で割った巻線比は、４未満に設けられることを特徴とする車両駆動システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の車両駆動システムにおいて、
   前記エンジン（１）の圧縮行程時に前記第２巻線（１２）によって駆動される永久磁石（８、α）の磁力は、他の永久磁石（８）の磁力より強く設けられることを特徴とする車両駆動システム。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の車両駆動システムにおいて、
   前記制御装置（４）は、前記第２巻線（１２）のみの接続で前記電動モータ（３）を作動させる際、
   前記エンジン（１）の圧縮行程時、前記エンジン（１）の吸気バルブの押し下げ時、前記エンジン（１）の排気バルブの押し下げ時に、前記第２巻線（１２）に与える通電電流を増大させることを特徴とする車両駆動システム。
5. 燃料の燃焼によって発生させた回転力をクランク軸（２）を介して出力するエンジン（１）と、前記クランク軸（２）に直結された永久磁石式の電動モータ（３）と、前記エンジン（１）および前記電動モータ（３）の制御を行う制御装置（４）とを具備し、
   前記電動モータ（３）にロータ駆動用の第１巻線（１１）と第２巻線（１２）が設けられる車両駆動システムにおいて、
   この車両駆動システムは、
   前記第１巻線（１１）と前記第２巻線（１２）の直列接続と、
   前記第２巻線（１２）のみの接続と、
   の切り替えを行う切替手段（１３）を備えるものであり、
   前記制御装置（４）は、前記切替手段（１３）を切替制御するものであり、
   前記エンジン（１）の始動時に、前記第１巻線（１１）と前記第２巻線（１２）を直列接続して前記電動モータ（３）を作動させるとともに、前記エンジン（１）の始動を実行し、
   前記エンジン（１）の始動後で、且つスロットル開度が所定開度以上の時に、前記第２巻線（１２）のみの接続で前記電動モータ（３）を駆動してエンジン出力に加えて車両駆動トルクを付与するものであり、
   さらに、前記制御装置（４）は、前記エンジン（１）の始動後で、且つスロットル開度が所定開度以上の時に、前記第２巻線（１２）のみの接続で前記電動モータ（３）を作動させるとともに、前記エンジン（１）に対して間引き噴射を実施して、前記エンジン（１）の電動アシストを行うことを特徴とする車両駆動システム。

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