ディーゼル動車のハイブリッド型駆動装置
【課題】本発明は、車内用電力を得るための一定周波数発電機を備えた、簡単でコンパクトな構成のエンジンと電気モータにより駆動されるディーゼル動車のハイブリッド型駆動装置を提供する。
【解決手段】エンジン、バッテリおよび発電機／モータからなる電気駆動部ＥＤ、車軸を駆動するための出力軸を有する変速機Ｔからなる、車内電源用発電機を有するディーゼル動車のハイブリッド型駆動装置において、エンジンからの動力を変速機Ｔの入力軸に伝達する第１動力伝達経路（１〜５）と、一定速回転機構を介してエンジンＥからの動力を車内電源用発電機Ｇに伝達する第２動力伝達経路（１〜２５）と、発電機／モータＭからの動力を変速機Ｔの入力軸に伝達する第３動力伝達経路（５〜２９）とを備え、前記第２動力伝達経路の噛み合い歯車および歯車支持軸と前記第３動力伝達経路の噛み合い歯車および歯車支持軸とが共用されていることを特徴とするディーゼル動車のハイブリッド型駆動装置。
【解決手段】エンジン、バッテリおよび発電機／モータからなる電気駆動部ＥＤ、車軸を駆動するための出力軸を有する変速機Ｔからなる、車内電源用発電機を有するディーゼル動車のハイブリッド型駆動装置において、エンジンからの動力を変速機Ｔの入力軸に伝達する第１動力伝達経路（１〜５）と、一定速回転機構を介してエンジンＥからの動力を車内電源用発電機Ｇに伝達する第２動力伝達経路（１〜２５）と、発電機／モータＭからの動力を変速機Ｔの入力軸に伝達する第３動力伝達経路（５〜２９）とを備え、前記第２動力伝達経路の噛み合い歯車および歯車支持軸と前記第３動力伝達経路の噛み合い歯車および歯車支持軸とが共用されていることを特徴とするディーゼル動車のハイブリッド型駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走行用動力源としてエンジンを備え、車内電力用発電機を有するディーゼル動車のハイブリット型駆動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ディーゼル動車においても、ハイブリッド型駆動装置が計画され、試作されている。このハイブリッド型駆動装置は、減速時や制動時のエネルギをバッテリに蓄え、このエネルギを発進時や加速時に利用することにより、省エネ、排ガスや騒音の防止などの効果を得ようとするものである。
【０００３】
図３には、特許文献１に開示された、鉄道車両におけるシリーズ式のハイブリッド型駆動装置の基本構成が示されている。エンジンＥは、図示しない制御装置の指令に基づいて軸トルクを出力し、この軸トルクにより誘導発電機Ｇを回転し、これを３相交流電力に変換して出力する。コンバータ装置Ｃは、誘導発電機Ｇから出力される３相交流電力を直流電力に変換する。なお、コンバータ装置Ｃは、図示しない制御装置からの電圧指令に基づいて所定の直流電圧となるように制御される。インバータ装置Ｉは、コンバータ装置Ｃからの所定の直流電圧の電力を３相交流電力に変換し、この３相交流電力により誘導電動機Ｍを回転し、軸トルクを出力する。なお、この軸トルクは所定の軸トルクであるように、図示しない制御装置からの指令に基づいてインバータ装置Ｉの出力電圧および交流周波数が制御される。
【０００４】
誘導電動機Ｍからの軸トルクは減速機Ｒにおける回転数の減速により増幅され、この増幅された軸トルクによりディーゼル動車の車軸Ｓは駆動される。なお、バッテリＢは、コンバータ装置Ｃとインバータ装置Ｉの間の直流部分から直流電力を入力し、あるいは、コンバータ装置Ｃとインバータ装置Ｉの間の直流部分に対して直流電力を出力するように接続されている。したがって、誘導電動機Ｍの軸トルク出力を得るために必要なインバータ装置Ｉの入力電力をコンバータ装置Ｃが出力する直流電力で負担できない場合には、バッテリＢが出力する直流電力で補足し、同様に、誘導電動機Ｍの軸トルク出力を得るために必要なインバータ装置Ｉの入力電力をバッテリＢが出力する直流電力で負担できない場合には、コンバータ装置Ｃが出力する直流電力で補足することが可能である。また、誘導電動機Ｍにより必要な軸トルクを得るためにインバータ装置Ｉの入力電力に対して、コンバータ装置Ｃの出力する直流電力が過剰な場合には、この過剰な直流電力はバッテリＢに蓄積される。
【０００５】
一方、鉄道車両を減速するときには、誘導電動機Ｍがブレーキトルクを出力するようにインバータ装置Ｉを回生動作させ、回生電力をバッテリＢに蓄える。ここでバッテリＢに蓄積された電力は、鉄道車両を加速するときに優先的に使用されて、鉄道車両の運転に必要なエネルギとして活用される。
【０００６】
また、図４には、特許文献２に開示されたハイブリッド型駆動装置を備えた鉄道車両の駆動系統の概要図が示されている。この鉄道車両は、一方の車軸Ｓが流体変速機ＴＣを介してエンジンＥにより駆動されるとともに、他方の車軸Ｓ’がインバータ装置ＩおよびバッテリＢからの電力でモータ（交流機）Ｍ’により駆動される。エンジンＥのアイドリング時には、発電機ＧによりバッテリＢを充電し、車両の減速時には、モータＭ’を回生ブレーキとして使用し、低速走行時には、主としてモータＭ’により車軸Ｓ’を駆動し、中高速時には、主としてエンジンＥにより車軸Ｓを駆動するようにしたものである。この方式の鉄道車両は、エンジンＥとモータＭ’を単独または併用して走行でき、パラレル方式とも呼ばれると共に、バッテリ容量を上記シリーズ式より小さくすることができる。なお、図中、Ｒは減速機、ＬＢは断流器、そしてＦＲはフィルタリアクトルである。ところで、図３および図４に示される鉄道車両の駆動装置では、バッテリＢよりインバータを介した交流電力によって誘導電動機ＭおよびモータＭ’を駆動するように構成されており、車内で使用される交流電力も同様にバッテリＢよりインバータを介して供給されるものである。また、ディーゼル車両に車内電力を供給する手段としては、回転速度が変化するエンジンに連結して発電機を駆動させても、常に一定周波数の交流電力が得られ、インバータで変換することなく直接車内電力の電源とし利用できる、特許文献３に開示されるような動力伝達装置が提案されている。しかしながら、前記のハイブリッド型駆動装置においてこのような発電機構を持たせようとすると、装置の構成が複雑になって大型化し、ハイブリッド型ディーゼル車両には適用できなかった。
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２８２８５９号公報
【特許文献２】特開２０００−３５０３０８号公報
【特許文献３】特開２００１−５８５２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そして、このような従来のハイブリッド型駆動装置を備えた鉄道車両、特にディーゼル動車においては、次のような問題があった。すなわち、シリーズ式にあっては、エンジン駆動の発電装置と電車用に匹敵する駆動装置とを併せ持つ必要があるので、駆動装置全体の構成が複雑になると共に製作費も高額になるばかりでなく、床下への機器配置が難しく、重量も重くなるという欠点があった。また、発電機、インバータそしてモータの各効率が相乗されるので、全体の動力伝達効率が悪くなると共に、加速時には、発電電力とバッテリ電力とを併用し、かつ車内電力をも供給しながら走行するので、バッテリ容量を大きくする必要があり、バッテリ寸法が大きく、重くなる欠点があった。
【０００９】
また、パラレル式にあっては、エンジン駆動部と電気（交流機）駆動部とを併せ持つので、駆動装置の構成が複雑で製作費が高額になると共に、それらの重量が大きくなる。さらに、エンジン駆動部と電気駆動部の両方のメンテナンスが必要で、メンテナンスの負担増になるばかりでなく、エンジン駆動部は、低速走行時に流体変速機（トルクコンバータ）を介して動力の伝達を行うために、低速走行時における動力伝達効率が良くなかった。
【００１０】
したがって、この発明は、ディーゼル動車の低速走行時、すなわち、停車および発進時には、電気モータにより駆動して低騒音化と排気ガスの排出削減を図るとともに減速および制動時には動力回生し、一方、トルクコンバータを無くして動力伝達の効率を良くすると共に車内用電源として一定周波数の電力をエンジン駆動の発電機により供給する、簡単な構成でコンパクトなハイブリッド型駆動装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明は、エンジン、バッテリおよび発電機／モータからなる電気駆動部、車軸を駆動するための出力軸を有する変速機からなる、車内電源用発電機を有するディーゼル動車のハイブリッド型駆動装置において、エンジンからの動力を変速機の入力軸に伝達する第１動力伝達経路と、一定速回転機構を介してエンジンからの動力を車内電源用発電機に伝達する第２動力伝達経路と、発電機／モータからの動力を変速機の入力軸に伝達する第３動力伝達経路とを備え、前記第２動力伝達経路の噛み合い歯車および歯車支持軸と前記第３動力伝達経路の噛み合い歯車および歯車支持軸とが共用されているものである。
【００１２】
なお、変速機は、前進クラッチ、後進クラッチおよび複数の速度段クラッチと、これらクラッチの係合、離脱と組み合わされて、入力軸から出力軸に動力を伝達するように噛み合わされる歯車とからなることが好ましく、また、第１動力伝達経路、第２動力伝達経路および第３動力伝達経路において、エンジンからの動力を伝達するために係合または離脱するクラッチ群を変速機の入力側に設けることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のディーゼル動車のハイブリッド型駆動装置によれば、ディーゼル動車の発進時には、エンジンを停止して電気モータで走行し、駅構内における騒音を減少すると共に排気ガスの排出を無くすことができ、また、トルクコンバータを無くして、減速および制動時には、発電機により発電した電力をバッテリに蓄え、省エネを図ると共に、モータ走行用の駆動軸系と車内電源用の一定周波数発電機の駆動軸系とを共用にしたので、ディーゼル動車のハイブリッド型駆動装置を簡単な構成でかつコンパクトにすることができる。
【００１４】
なお、電気モータのみによる駆動を発進時の加速に限定することにより、モータ出力はより小さくて済み、電気機器類を小型化することができる。また、路線や走行条件に応じて、エンジン走行、モータ走行および両者の併用による走行として運転することにより、従来のエンジン駆動によるディーゼル動車の走行性能に比して遜色のない走行性能を得ることができる。
【００１５】
本発明のハイブリッド型駆動装置は、基本的には、図５に示されるディーゼルエンジンＥと車軸Ｓとの間に変速機Ｔを介した従来の駆動装置から出発している。変速機Ｔは前進クラッチ、後進クラッチ、複数の速度段クラッチ（この例では４個の速度段クラッチ）を有し、それらのクラッチの係合と離脱により出力軸に動力を伝達する出力軸を備えている。なお、トルクコンバータＴＣは省略するものである。
【００１６】
図１に示されるように、変速機Ｔの入力側（エンジンＥ側）には、バッテリＢおよび発電機／モータＭからなる、一定周波数発電機Ｇの駆動系を兼ねた電気駆動部ＥＤが設けられ、発電機／モータＭおよび一定周波数発電機Ｇは、車両の減速、制動時に、発電機として作用して回生制動し、発電機／モータＭで発生した電力は車内電力として供給される。なお、インバータＩ１はバッテリＢの直流電力を交流に変換してモータとして作動する発電機／モータＭに出力し、発電機／モータＭが発電機として作動するときは、発電された交流電力を直流に変換してバッテリＢに出力するものであり、インバータＩ２は一定周波数発電機Ｇで発電された交流電力の一部を直流に変換してバッテリＢに出力し、一定周波数発電機Ｇが停止中のときは、バッテリＢの直流電力を交流に変換し、車内電力として提供するものである。また、ディーゼル車両の発進時や加速時には、バッテリＢの電力により発電機／モータＭを電気モータとして駆動し、エンジンＥによる駆動を遮断することにより、排気ガスの削減と低騒音化を可能にする。すなわち、動力回生時には、変速機Ｔの速度段クラッチと前進クラッチ（又は後進クラッチ）を結合状態にすると共に、緩やかな減速時のように大きな制動力を必要としない場合には、エンジンブレーキが作用しないように電気駆動部ＥＤのマスタクラッチ４を遮断しておき、駅などに近づいて速やかに減速させるために大きな制動力が必要なときには、マスタクラッチ４を接続してエンジンブレーキを同時に作用させるものである。なお、一定周波数発電機Ｇは、エンジンＥによる駆動時および回生制動時に駆動され、一定周波数の電力を車内電力として供給すると共に、その余剰部分はインバータＩ２を介してバッテリＢに蓄えられる。
【００１７】
一定周波数発電機Ｇの機能や駆動手段については、特許文献３に開示されている。すなわち、駆動源であるエンジンＥの回転速度が変化しても、常に、一定の回転数（回転速度）で発電機Ｇを駆動するものである。発電された一定周波数の電力は、車内の空調や照明、車両の制御などに使用されると共に、一部はバッテリＢに蓄えられる。なお、一定周波数の電源を使用する利点は、車内電力を発電機Ｇから直接供給することができるので、インバータＩ１、Ｉ２が小型化でき、制御機器も簡素化できる点にある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図１および図２に示されるディーゼル動車のハイブリッド型駆動装置について本発明の実施の形態を説明する。ディーゼル動車のハイブリッド型駆動装置は、図１に示されるように、主に、エンジンＥ、バッテリＢおよび発電機／モータＭからなる電気駆動部ＥＤ、車軸を駆動する出力軸を有する変速機Ｔとからなっている。エンジンＥからの動力は、トルクコンバータを介することなく、図２に示される、電気駆動部ＥＤの入力軸１に伝えられ、この入力軸１から入力ピニオン２、マスタギヤ３を介して、マスタクラッチ４の入力側に伝えられ、マスタクラッチ４の係合（オン）によりマスタ軸５に伝達される。このマスタ軸５は変速機Ｔの入力軸に結合されており、エンジンＥからの動力は、変速機Ｔにおいて高速段および低速段に変速されて車軸Ｓ’を駆動する。このエンジンＥからマスタ軸５に至る動力伝達経路を第１動力伝達経路というものである。なお、マスタ軸５のマスタピニオン６は、中間軸７の中間ギヤ８と噛み合い中間軸７を駆動し、この中間軸７の中間ピニオン９はメインクラッチ１０の入力側である第１メインギヤ１１と噛み合うが、メインクラッチ１０が係合されない限り、第２メインギヤ１３への動力の伝達は行われない。
【００１９】
エンジンＥからの動力を、発電機Ｇが一定速回転するように発電機軸２５に伝達する経路（一定速回転機構）を第２動力伝達経路というものである。すなわち、第２動力伝達回路は、第１動力伝達経路の動力伝達においてメインクラッチ１０が係合することにより、エンジンＥからの動力は、中間ピニオン９，第１メインギヤ１１、メインクラッチ１０、ワンウエイクラッチ１４、高速段滑りクラッチ１６および低速段滑りクラッチ２１等を介して発電機軸２５に伝達される。車両の運転速度が低速の場合には、メインクラッチ１０（オン）→第２メインギヤ１３→第１高速ピニオン１７（高速段滑りクラッチ１６オフ）→第１高速ギヤ１８→低速ピニオン２０→低速段滑りクラッチ２１（オン）→低速ギヤ２２（第２中間軸２３）→第１被動ギヤ２４→発電機駆動軸２５、また、運転速度が高速の場合には、メイン軸１２→ワンウエイクラッチ１４（メインクラッチ１０オフ）→第３メインギヤ１５→第２高速ピニオン２６→（低速段滑りクラッチ２１オフ）→高速段滑りクラッチ１６（オン）→被動ギヤ２４→発電機駆動軸２５の伝達経路である。なお、発電機駆動軸２５に動力が伝達される場合には、バッテリＢの蓄電量が所定値に達するまでの間、発電機／モータＭを発電機として駆動するためにエンジンＥからの動力がＰＴＯ軸２９にも伝達される。すなわち、低速ピニオン２０→ＰＴＯ軸ギヤ２７→ＰＴＯ軸クラッチ２８（オン）→ＰＴＯ軸２９の伝達経路である。
【００２０】
発電機／モータＭの作動時には、メインクラッチ１０とＰＴＯ軸クラッチ２８が係合し（マスタクラッチ４はオフ）、動力は、一定周波数発電の際に使用する歯車列の一部を利用してメインクラッチ１０に至り、メインクラッチ１０→第１メインギヤ１１→中間ピニオン９→中間軸７→中間ギヤ８→マスタピニオン６→マスタ軸５の伝達経路である。すなわち、第３動力伝達経路といわれるもので、発電機／モータＭをモータとして作動する時には、ＰＴＯ軸クラッチ２８（オン）→ＰＴＯ軸ギヤ２７→低速ピニオン２０→第１高速ギヤ１８（低速段滑りクラッチ２１オフ）→高速段滑りクラッチ１６（オフ）→第２メインギヤ１３→メインクラッチ１０（オン）の伝達経路である。なお、低速ピニオン２０からメインクラッチ１０の間には、複数の変速数に応じて、各歯車、滑りクラッチが配置される。そして、発電機／モータＭを電気モータとして作動する時には、通常、モータの回転速度を減速して変速機Ｔの入力軸へ伝達し、また、回生制動時には、変速機Ｔ側から入力される回転速度を増速して、発電機／モータＭに伝達するように回転速度比が設定される。さらに、発電機／モータＭをモータとして走行する時にバッテリＢの残容量が少なくなった場合には、エンジンＥを始動してマスタクラッチ４を結合し、エンジンＥの動力を、第一動力伝達回路を介して付加し、走行することができる。
【００２１】
このようなハイブリッド型駆動装置を搭載したディーゼル動車は、以下のように操作されることができる。
（１）発進時
エンジンＥを停止、マスタクラッチ４を遮断した（オフ）状態で、バッテリＢに充電された電力を利用し、発電機／モータＭをモータとして作動させ、ＰＴＯ軸クラッチ２８およびメインクラッチ１０を係合し、第３動力経路を介して発電機／モータＭの動力を変速機Ｔに伝達し、モータＭの回転速度を上げて発進、加速する。なお、このとき、車内電力はバッテリＢから供給されており、変速機Ｔは１速段の前進クラッチ又は後進クラッチが結合されている。この実施例では、モータ単独運転による発進時の加速特性及びモータで所定距離走行後にエンジン駆動に切り換えたときの加速特性、車両重量の増加や動力伝達効率に及ぼす影響などを総合的に加味して、発電機／モータＭの容量を１００ｋｗ/１５００ｍｉｎ−１に設定している。
【００２２】
（２）力行時
ＰＴＯ軸クラッチ２８を遮断（メインクラッチ１０は係合した状態）し、マスタクラッチ４を係合（オン）させてエンジンＥを起動し、このエンジンＥの動力を第１動力伝達経路により変速機Ｔの入力軸に伝達し、車輪Ｓを駆動する。この時、メインクラッチ１０から、第２伝達経路を介して、一定周波数発電機Ｇの駆動軸２５にエンジン動力が伝達されて発電が行われる。なお、一定周波数発電機Ｇの容量は、車両の電力使用量により定まってくるが、発電機／モータＭの容量に比べると小さく、この実施例では４０ｋＷに設定されている。
【００２３】
（３）エンジン駆動時におけるモータによる動力加勢
上記（２）の力行時において、ＰＴＯ軸２９のＰＴＯ軸クラッチ２８を係合（オン）し、バッテリＢの電力でモータＭを駆動して動力加勢することもできる。なお、この時には、上記（２）の力行状態が維持されているので、一定周波数発電機Ｇにより車内電力が供給されており、ＰＴＯ軸ギヤ２７→低速ピニオン２０→第１高速ギヤ１８→第１高速ピニオン１７→第２メインギヤ１３→メインクラッチ１０→第１メインギヤ１１→中間ピニオン９→中間軸７→中間ギヤ８→マスタピニオン６→マスタ軸５の第３動力伝達経路が第２動力伝達経路と併用して利用される。
【００２４】
（４）惰行時
上記（２）の力行状態において、変速機Ｔの速度段クラッチを遮断する。なお、エンジンＥは作動しており、車内電力は一定周波数発電機Ｇを駆動して供給される状態が維持される。
【００２５】
（５）減速、回生制動時
下り勾配や駅で停車するために減速する場合には、必要とする制動力の大きさに応じてエンジンブレーキを併用するが、予め定められた制動力までは発電機／モータＭと一定周波数発電機Ｇの両方を発電機として作用させて回生ブレーキのみとし、速やかに減速するときや停車するときなど、大きな制動力を必要とする場合には、上記回生ブレーキに加えてエンジンブレーキを作用させる。すなわち、上記（４）の惰行運転により発電機Ｇの駆動軸２５にエンジン動力が伝達されて発電している状態において、マスタクラッチ４を遮断（オフ）してエンジンＥからの第１伝達経路を断ち、ＰＴＯ軸クラッチ２８を結合した後、変速機Ｔの速度段クラッチを結合して車軸Ｓからの軸トルクを発電機／モータＭのＰＴＯ軸２９に伝達し、発電機／モータＭおよび一定周波数発電機Ｇを発電機として作動させて回生制動とし、発生した電力をバッテリＢに蓄えると共に、車内電力として供給する。そして、さらに大きな制動力を必要とする場合には、マスタクラッチ４を再度結合して車軸Ｓからの軸トルクを第１動力伝達経路を経てエンジンにも伝達し、エンジンブレーキを併用する。なお、この制動力の制御は、車両のエアーブレーキと同様に運転席から操作される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は本発明のハイブリッド型駆動装置の概略説明図である。
【図２】図２は、本発明のハイブリッド型駆動装置の電気駆動部の概略説明図である。
【図３】図３は、従来のシリーズ式ハイブリッド型駆動装置の基本構成を示す説明図である。
【図４】図４は、従来のパラレル式ハイブリッド型駆動装置の構成の説明図である。
【符号の説明】
【００２７】
Ｅ エンジン
Ｇ 発電機
Ｃ コンバータ
Ｂ バッテリ
Ｉ１，Ｉ２ インバータ
Ｍ 発電機／モータ
Ｒ 減速機
Ｓ 車軸
Ｔ 変速機
ＥＤ 電気駆動部
ＬＢ 断流機
１ ＥＤの入力軸
２ 入力ピニオン
３ マスタギヤ
４ マスタクラッチ
５ マスタ軸
６ マスタピニオン
７ 第１中間軸
８ 中間ギヤ
９ 中間ピニオン
１０ メインクラッチ
１１ 第１メインギヤ
１２ メイン軸
１３ 第２メインギヤ
１４ ワンウエイクラッチ
１５ 第３メインギヤ
１６ 高速段滑りクラッチ
１７ 第１高速ピニオン
１８ 第１高速ギヤ
２０ 低速ピニオン
２１ 低速段滑りクラッチ
２２ 低速ギヤ
２３ 第２中間軸
２４ 第１被動ギヤ
２５ 発電機駆動軸
２６ 第２高速ピニオン
２７ ＰＴＯ軸ギヤ
２８ ＰＴＯ軸クラッチ
２９ ＰＴＯ軸
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走行用動力源としてエンジンを備え、車内電力用発電機を有するディーゼル動車のハイブリット型駆動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ディーゼル動車においても、ハイブリッド型駆動装置が計画され、試作されている。このハイブリッド型駆動装置は、減速時や制動時のエネルギをバッテリに蓄え、このエネルギを発進時や加速時に利用することにより、省エネ、排ガスや騒音の防止などの効果を得ようとするものである。
【０００３】
図３には、特許文献１に開示された、鉄道車両におけるシリーズ式のハイブリッド型駆動装置の基本構成が示されている。エンジンＥは、図示しない制御装置の指令に基づいて軸トルクを出力し、この軸トルクにより誘導発電機Ｇを回転し、これを３相交流電力に変換して出力する。コンバータ装置Ｃは、誘導発電機Ｇから出力される３相交流電力を直流電力に変換する。なお、コンバータ装置Ｃは、図示しない制御装置からの電圧指令に基づいて所定の直流電圧となるように制御される。インバータ装置Ｉは、コンバータ装置Ｃからの所定の直流電圧の電力を３相交流電力に変換し、この３相交流電力により誘導電動機Ｍを回転し、軸トルクを出力する。なお、この軸トルクは所定の軸トルクであるように、図示しない制御装置からの指令に基づいてインバータ装置Ｉの出力電圧および交流周波数が制御される。
【０００４】
誘導電動機Ｍからの軸トルクは減速機Ｒにおける回転数の減速により増幅され、この増幅された軸トルクによりディーゼル動車の車軸Ｓは駆動される。なお、バッテリＢは、コンバータ装置Ｃとインバータ装置Ｉの間の直流部分から直流電力を入力し、あるいは、コンバータ装置Ｃとインバータ装置Ｉの間の直流部分に対して直流電力を出力するように接続されている。したがって、誘導電動機Ｍの軸トルク出力を得るために必要なインバータ装置Ｉの入力電力をコンバータ装置Ｃが出力する直流電力で負担できない場合には、バッテリＢが出力する直流電力で補足し、同様に、誘導電動機Ｍの軸トルク出力を得るために必要なインバータ装置Ｉの入力電力をバッテリＢが出力する直流電力で負担できない場合には、コンバータ装置Ｃが出力する直流電力で補足することが可能である。また、誘導電動機Ｍにより必要な軸トルクを得るためにインバータ装置Ｉの入力電力に対して、コンバータ装置Ｃの出力する直流電力が過剰な場合には、この過剰な直流電力はバッテリＢに蓄積される。
【０００５】
一方、鉄道車両を減速するときには、誘導電動機Ｍがブレーキトルクを出力するようにインバータ装置Ｉを回生動作させ、回生電力をバッテリＢに蓄える。ここでバッテリＢに蓄積された電力は、鉄道車両を加速するときに優先的に使用されて、鉄道車両の運転に必要なエネルギとして活用される。
【０００６】
また、図４には、特許文献２に開示されたハイブリッド型駆動装置を備えた鉄道車両の駆動系統の概要図が示されている。この鉄道車両は、一方の車軸Ｓが流体変速機ＴＣを介してエンジンＥにより駆動されるとともに、他方の車軸Ｓ’がインバータ装置ＩおよびバッテリＢからの電力でモータ（交流機）Ｍ’により駆動される。エンジンＥのアイドリング時には、発電機ＧによりバッテリＢを充電し、車両の減速時には、モータＭ’を回生ブレーキとして使用し、低速走行時には、主としてモータＭ’により車軸Ｓ’を駆動し、中高速時には、主としてエンジンＥにより車軸Ｓを駆動するようにしたものである。この方式の鉄道車両は、エンジンＥとモータＭ’を単独または併用して走行でき、パラレル方式とも呼ばれると共に、バッテリ容量を上記シリーズ式より小さくすることができる。なお、図中、Ｒは減速機、ＬＢは断流器、そしてＦＲはフィルタリアクトルである。ところで、図３および図４に示される鉄道車両の駆動装置では、バッテリＢよりインバータを介した交流電力によって誘導電動機ＭおよびモータＭ’を駆動するように構成されており、車内で使用される交流電力も同様にバッテリＢよりインバータを介して供給されるものである。また、ディーゼル車両に車内電力を供給する手段としては、回転速度が変化するエンジンに連結して発電機を駆動させても、常に一定周波数の交流電力が得られ、インバータで変換することなく直接車内電力の電源とし利用できる、特許文献３に開示されるような動力伝達装置が提案されている。しかしながら、前記のハイブリッド型駆動装置においてこのような発電機構を持たせようとすると、装置の構成が複雑になって大型化し、ハイブリッド型ディーゼル車両には適用できなかった。
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２８２８５９号公報
【特許文献２】特開２０００−３５０３０８号公報
【特許文献３】特開２００１−５８５２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そして、このような従来のハイブリッド型駆動装置を備えた鉄道車両、特にディーゼル動車においては、次のような問題があった。すなわち、シリーズ式にあっては、エンジン駆動の発電装置と電車用に匹敵する駆動装置とを併せ持つ必要があるので、駆動装置全体の構成が複雑になると共に製作費も高額になるばかりでなく、床下への機器配置が難しく、重量も重くなるという欠点があった。また、発電機、インバータそしてモータの各効率が相乗されるので、全体の動力伝達効率が悪くなると共に、加速時には、発電電力とバッテリ電力とを併用し、かつ車内電力をも供給しながら走行するので、バッテリ容量を大きくする必要があり、バッテリ寸法が大きく、重くなる欠点があった。
【０００９】
また、パラレル式にあっては、エンジン駆動部と電気（交流機）駆動部とを併せ持つので、駆動装置の構成が複雑で製作費が高額になると共に、それらの重量が大きくなる。さらに、エンジン駆動部と電気駆動部の両方のメンテナンスが必要で、メンテナンスの負担増になるばかりでなく、エンジン駆動部は、低速走行時に流体変速機（トルクコンバータ）を介して動力の伝達を行うために、低速走行時における動力伝達効率が良くなかった。
【００１０】
したがって、この発明は、ディーゼル動車の低速走行時、すなわち、停車および発進時には、電気モータにより駆動して低騒音化と排気ガスの排出削減を図るとともに減速および制動時には動力回生し、一方、トルクコンバータを無くして動力伝達の効率を良くすると共に車内用電源として一定周波数の電力をエンジン駆動の発電機により供給する、簡単な構成でコンパクトなハイブリッド型駆動装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明は、エンジン、バッテリおよび発電機／モータからなる電気駆動部、車軸を駆動するための出力軸を有する変速機からなる、車内電源用発電機を有するディーゼル動車のハイブリッド型駆動装置において、エンジンからの動力を変速機の入力軸に伝達する第１動力伝達経路と、一定速回転機構を介してエンジンからの動力を車内電源用発電機に伝達する第２動力伝達経路と、発電機／モータからの動力を変速機の入力軸に伝達する第３動力伝達経路とを備え、前記第２動力伝達経路の噛み合い歯車および歯車支持軸と前記第３動力伝達経路の噛み合い歯車および歯車支持軸とが共用されているものである。
【００１２】
なお、変速機は、前進クラッチ、後進クラッチおよび複数の速度段クラッチと、これらクラッチの係合、離脱と組み合わされて、入力軸から出力軸に動力を伝達するように噛み合わされる歯車とからなることが好ましく、また、第１動力伝達経路、第２動力伝達経路および第３動力伝達経路において、エンジンからの動力を伝達するために係合または離脱するクラッチ群を変速機の入力側に設けることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のディーゼル動車のハイブリッド型駆動装置によれば、ディーゼル動車の発進時には、エンジンを停止して電気モータで走行し、駅構内における騒音を減少すると共に排気ガスの排出を無くすことができ、また、トルクコンバータを無くして、減速および制動時には、発電機により発電した電力をバッテリに蓄え、省エネを図ると共に、モータ走行用の駆動軸系と車内電源用の一定周波数発電機の駆動軸系とを共用にしたので、ディーゼル動車のハイブリッド型駆動装置を簡単な構成でかつコンパクトにすることができる。
【００１４】
なお、電気モータのみによる駆動を発進時の加速に限定することにより、モータ出力はより小さくて済み、電気機器類を小型化することができる。また、路線や走行条件に応じて、エンジン走行、モータ走行および両者の併用による走行として運転することにより、従来のエンジン駆動によるディーゼル動車の走行性能に比して遜色のない走行性能を得ることができる。
【００１５】
本発明のハイブリッド型駆動装置は、基本的には、図５に示されるディーゼルエンジンＥと車軸Ｓとの間に変速機Ｔを介した従来の駆動装置から出発している。変速機Ｔは前進クラッチ、後進クラッチ、複数の速度段クラッチ（この例では４個の速度段クラッチ）を有し、それらのクラッチの係合と離脱により出力軸に動力を伝達する出力軸を備えている。なお、トルクコンバータＴＣは省略するものである。
【００１６】
図１に示されるように、変速機Ｔの入力側（エンジンＥ側）には、バッテリＢおよび発電機／モータＭからなる、一定周波数発電機Ｇの駆動系を兼ねた電気駆動部ＥＤが設けられ、発電機／モータＭおよび一定周波数発電機Ｇは、車両の減速、制動時に、発電機として作用して回生制動し、発電機／モータＭで発生した電力は車内電力として供給される。なお、インバータＩ１はバッテリＢの直流電力を交流に変換してモータとして作動する発電機／モータＭに出力し、発電機／モータＭが発電機として作動するときは、発電された交流電力を直流に変換してバッテリＢに出力するものであり、インバータＩ２は一定周波数発電機Ｇで発電された交流電力の一部を直流に変換してバッテリＢに出力し、一定周波数発電機Ｇが停止中のときは、バッテリＢの直流電力を交流に変換し、車内電力として提供するものである。また、ディーゼル車両の発進時や加速時には、バッテリＢの電力により発電機／モータＭを電気モータとして駆動し、エンジンＥによる駆動を遮断することにより、排気ガスの削減と低騒音化を可能にする。すなわち、動力回生時には、変速機Ｔの速度段クラッチと前進クラッチ（又は後進クラッチ）を結合状態にすると共に、緩やかな減速時のように大きな制動力を必要としない場合には、エンジンブレーキが作用しないように電気駆動部ＥＤのマスタクラッチ４を遮断しておき、駅などに近づいて速やかに減速させるために大きな制動力が必要なときには、マスタクラッチ４を接続してエンジンブレーキを同時に作用させるものである。なお、一定周波数発電機Ｇは、エンジンＥによる駆動時および回生制動時に駆動され、一定周波数の電力を車内電力として供給すると共に、その余剰部分はインバータＩ２を介してバッテリＢに蓄えられる。
【００１７】
一定周波数発電機Ｇの機能や駆動手段については、特許文献３に開示されている。すなわち、駆動源であるエンジンＥの回転速度が変化しても、常に、一定の回転数（回転速度）で発電機Ｇを駆動するものである。発電された一定周波数の電力は、車内の空調や照明、車両の制御などに使用されると共に、一部はバッテリＢに蓄えられる。なお、一定周波数の電源を使用する利点は、車内電力を発電機Ｇから直接供給することができるので、インバータＩ１、Ｉ２が小型化でき、制御機器も簡素化できる点にある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図１および図２に示されるディーゼル動車のハイブリッド型駆動装置について本発明の実施の形態を説明する。ディーゼル動車のハイブリッド型駆動装置は、図１に示されるように、主に、エンジンＥ、バッテリＢおよび発電機／モータＭからなる電気駆動部ＥＤ、車軸を駆動する出力軸を有する変速機Ｔとからなっている。エンジンＥからの動力は、トルクコンバータを介することなく、図２に示される、電気駆動部ＥＤの入力軸１に伝えられ、この入力軸１から入力ピニオン２、マスタギヤ３を介して、マスタクラッチ４の入力側に伝えられ、マスタクラッチ４の係合（オン）によりマスタ軸５に伝達される。このマスタ軸５は変速機Ｔの入力軸に結合されており、エンジンＥからの動力は、変速機Ｔにおいて高速段および低速段に変速されて車軸Ｓ’を駆動する。このエンジンＥからマスタ軸５に至る動力伝達経路を第１動力伝達経路というものである。なお、マスタ軸５のマスタピニオン６は、中間軸７の中間ギヤ８と噛み合い中間軸７を駆動し、この中間軸７の中間ピニオン９はメインクラッチ１０の入力側である第１メインギヤ１１と噛み合うが、メインクラッチ１０が係合されない限り、第２メインギヤ１３への動力の伝達は行われない。
【００１９】
エンジンＥからの動力を、発電機Ｇが一定速回転するように発電機軸２５に伝達する経路（一定速回転機構）を第２動力伝達経路というものである。すなわち、第２動力伝達回路は、第１動力伝達経路の動力伝達においてメインクラッチ１０が係合することにより、エンジンＥからの動力は、中間ピニオン９，第１メインギヤ１１、メインクラッチ１０、ワンウエイクラッチ１４、高速段滑りクラッチ１６および低速段滑りクラッチ２１等を介して発電機軸２５に伝達される。車両の運転速度が低速の場合には、メインクラッチ１０（オン）→第２メインギヤ１３→第１高速ピニオン１７（高速段滑りクラッチ１６オフ）→第１高速ギヤ１８→低速ピニオン２０→低速段滑りクラッチ２１（オン）→低速ギヤ２２（第２中間軸２３）→第１被動ギヤ２４→発電機駆動軸２５、また、運転速度が高速の場合には、メイン軸１２→ワンウエイクラッチ１４（メインクラッチ１０オフ）→第３メインギヤ１５→第２高速ピニオン２６→（低速段滑りクラッチ２１オフ）→高速段滑りクラッチ１６（オン）→被動ギヤ２４→発電機駆動軸２５の伝達経路である。なお、発電機駆動軸２５に動力が伝達される場合には、バッテリＢの蓄電量が所定値に達するまでの間、発電機／モータＭを発電機として駆動するためにエンジンＥからの動力がＰＴＯ軸２９にも伝達される。すなわち、低速ピニオン２０→ＰＴＯ軸ギヤ２７→ＰＴＯ軸クラッチ２８（オン）→ＰＴＯ軸２９の伝達経路である。
【００２０】
発電機／モータＭの作動時には、メインクラッチ１０とＰＴＯ軸クラッチ２８が係合し（マスタクラッチ４はオフ）、動力は、一定周波数発電の際に使用する歯車列の一部を利用してメインクラッチ１０に至り、メインクラッチ１０→第１メインギヤ１１→中間ピニオン９→中間軸７→中間ギヤ８→マスタピニオン６→マスタ軸５の伝達経路である。すなわち、第３動力伝達経路といわれるもので、発電機／モータＭをモータとして作動する時には、ＰＴＯ軸クラッチ２８（オン）→ＰＴＯ軸ギヤ２７→低速ピニオン２０→第１高速ギヤ１８（低速段滑りクラッチ２１オフ）→高速段滑りクラッチ１６（オフ）→第２メインギヤ１３→メインクラッチ１０（オン）の伝達経路である。なお、低速ピニオン２０からメインクラッチ１０の間には、複数の変速数に応じて、各歯車、滑りクラッチが配置される。そして、発電機／モータＭを電気モータとして作動する時には、通常、モータの回転速度を減速して変速機Ｔの入力軸へ伝達し、また、回生制動時には、変速機Ｔ側から入力される回転速度を増速して、発電機／モータＭに伝達するように回転速度比が設定される。さらに、発電機／モータＭをモータとして走行する時にバッテリＢの残容量が少なくなった場合には、エンジンＥを始動してマスタクラッチ４を結合し、エンジンＥの動力を、第一動力伝達回路を介して付加し、走行することができる。
【００２１】
このようなハイブリッド型駆動装置を搭載したディーゼル動車は、以下のように操作されることができる。
（１）発進時
エンジンＥを停止、マスタクラッチ４を遮断した（オフ）状態で、バッテリＢに充電された電力を利用し、発電機／モータＭをモータとして作動させ、ＰＴＯ軸クラッチ２８およびメインクラッチ１０を係合し、第３動力経路を介して発電機／モータＭの動力を変速機Ｔに伝達し、モータＭの回転速度を上げて発進、加速する。なお、このとき、車内電力はバッテリＢから供給されており、変速機Ｔは１速段の前進クラッチ又は後進クラッチが結合されている。この実施例では、モータ単独運転による発進時の加速特性及びモータで所定距離走行後にエンジン駆動に切り換えたときの加速特性、車両重量の増加や動力伝達効率に及ぼす影響などを総合的に加味して、発電機／モータＭの容量を１００ｋｗ/１５００ｍｉｎ−１に設定している。
【００２２】
（２）力行時
ＰＴＯ軸クラッチ２８を遮断（メインクラッチ１０は係合した状態）し、マスタクラッチ４を係合（オン）させてエンジンＥを起動し、このエンジンＥの動力を第１動力伝達経路により変速機Ｔの入力軸に伝達し、車輪Ｓを駆動する。この時、メインクラッチ１０から、第２伝達経路を介して、一定周波数発電機Ｇの駆動軸２５にエンジン動力が伝達されて発電が行われる。なお、一定周波数発電機Ｇの容量は、車両の電力使用量により定まってくるが、発電機／モータＭの容量に比べると小さく、この実施例では４０ｋＷに設定されている。
【００２３】
（３）エンジン駆動時におけるモータによる動力加勢
上記（２）の力行時において、ＰＴＯ軸２９のＰＴＯ軸クラッチ２８を係合（オン）し、バッテリＢの電力でモータＭを駆動して動力加勢することもできる。なお、この時には、上記（２）の力行状態が維持されているので、一定周波数発電機Ｇにより車内電力が供給されており、ＰＴＯ軸ギヤ２７→低速ピニオン２０→第１高速ギヤ１８→第１高速ピニオン１７→第２メインギヤ１３→メインクラッチ１０→第１メインギヤ１１→中間ピニオン９→中間軸７→中間ギヤ８→マスタピニオン６→マスタ軸５の第３動力伝達経路が第２動力伝達経路と併用して利用される。
【００２４】
（４）惰行時
上記（２）の力行状態において、変速機Ｔの速度段クラッチを遮断する。なお、エンジンＥは作動しており、車内電力は一定周波数発電機Ｇを駆動して供給される状態が維持される。
【００２５】
（５）減速、回生制動時
下り勾配や駅で停車するために減速する場合には、必要とする制動力の大きさに応じてエンジンブレーキを併用するが、予め定められた制動力までは発電機／モータＭと一定周波数発電機Ｇの両方を発電機として作用させて回生ブレーキのみとし、速やかに減速するときや停車するときなど、大きな制動力を必要とする場合には、上記回生ブレーキに加えてエンジンブレーキを作用させる。すなわち、上記（４）の惰行運転により発電機Ｇの駆動軸２５にエンジン動力が伝達されて発電している状態において、マスタクラッチ４を遮断（オフ）してエンジンＥからの第１伝達経路を断ち、ＰＴＯ軸クラッチ２８を結合した後、変速機Ｔの速度段クラッチを結合して車軸Ｓからの軸トルクを発電機／モータＭのＰＴＯ軸２９に伝達し、発電機／モータＭおよび一定周波数発電機Ｇを発電機として作動させて回生制動とし、発生した電力をバッテリＢに蓄えると共に、車内電力として供給する。そして、さらに大きな制動力を必要とする場合には、マスタクラッチ４を再度結合して車軸Ｓからの軸トルクを第１動力伝達経路を経てエンジンにも伝達し、エンジンブレーキを併用する。なお、この制動力の制御は、車両のエアーブレーキと同様に運転席から操作される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は本発明のハイブリッド型駆動装置の概略説明図である。
【図２】図２は、本発明のハイブリッド型駆動装置の電気駆動部の概略説明図である。
【図３】図３は、従来のシリーズ式ハイブリッド型駆動装置の基本構成を示す説明図である。
【図４】図４は、従来のパラレル式ハイブリッド型駆動装置の構成の説明図である。
【符号の説明】
【００２７】
Ｅ エンジン
Ｇ 発電機
Ｃ コンバータ
Ｂ バッテリ
Ｉ１，Ｉ２ インバータ
Ｍ 発電機／モータ
Ｒ 減速機
Ｓ 車軸
Ｔ 変速機
ＥＤ 電気駆動部
ＬＢ 断流機
１ ＥＤの入力軸
２ 入力ピニオン
３ マスタギヤ
４ マスタクラッチ
５ マスタ軸
６ マスタピニオン
７ 第１中間軸
８ 中間ギヤ
９ 中間ピニオン
１０ メインクラッチ
１１ 第１メインギヤ
１２ メイン軸
１３ 第２メインギヤ
１４ ワンウエイクラッチ
１５ 第３メインギヤ
１６ 高速段滑りクラッチ
１７ 第１高速ピニオン
１８ 第１高速ギヤ
２０ 低速ピニオン
２１ 低速段滑りクラッチ
２２ 低速ギヤ
２３ 第２中間軸
２４ 第１被動ギヤ
２５ 発電機駆動軸
２６ 第２高速ピニオン
２７ ＰＴＯ軸ギヤ
２８ ＰＴＯ軸クラッチ
２９ ＰＴＯ軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンＥ、バッテリＢおよび発電機／モータＭからなる電気駆動部ＥＤ、車軸を駆動するための出力軸を有する変速機Ｔからなる、車内電力用発電機を有するディーゼル動車のハイブリッド型駆動装置において、エンジンＥからの動力を変速機Ｔの入力軸に伝達する第１動力伝達経路と、一定速回転機構を介してエンジンＥからの動力を車内電力用発電機Ｇに伝達する第２動力伝達経路と、発電機／モータＭからの動力を変速機Ｔの入力軸に伝達する第３動力伝達経路とを備え、前記第２動力伝達経路の噛み合い歯車および歯車支持軸と前記第３動力伝達経路の噛み合い歯車および歯車支持軸とが共用されていることを特徴とするディーゼル動車のハイブリッド型駆動装置。
【請求項２】
上記変速機Ｔが、前進クラッチ、後進クラッチおよび複数の速度段クラッチと、これらクラッチの係合、離脱と組み合わされて、その入力軸から出力軸に動力を伝達するように噛み合わされる歯車とからなることを特徴とする請求項１記載のディーゼル動車のハイブリッド型駆動装置。
【請求項３】
上記第１動力伝達経路、第２動力伝達経路および第３動力伝達経路において、エンジンからの動力を伝達するために係合または離脱するクラッチ群を上記変速機の入力側に設けたことを特徴とする請求項１または２記載のディーゼル動車のハイブリッド型駆動装置。
【請求項１】
エンジンＥ、バッテリＢおよび発電機／モータＭからなる電気駆動部ＥＤ、車軸を駆動するための出力軸を有する変速機Ｔからなる、車内電力用発電機を有するディーゼル動車のハイブリッド型駆動装置において、エンジンＥからの動力を変速機Ｔの入力軸に伝達する第１動力伝達経路と、一定速回転機構を介してエンジンＥからの動力を車内電力用発電機Ｇに伝達する第２動力伝達経路と、発電機／モータＭからの動力を変速機Ｔの入力軸に伝達する第３動力伝達経路とを備え、前記第２動力伝達経路の噛み合い歯車および歯車支持軸と前記第３動力伝達経路の噛み合い歯車および歯車支持軸とが共用されていることを特徴とするディーゼル動車のハイブリッド型駆動装置。
【請求項２】
上記変速機Ｔが、前進クラッチ、後進クラッチおよび複数の速度段クラッチと、これらクラッチの係合、離脱と組み合わされて、その入力軸から出力軸に動力を伝達するように噛み合わされる歯車とからなることを特徴とする請求項１記載のディーゼル動車のハイブリッド型駆動装置。
【請求項３】
上記第１動力伝達経路、第２動力伝達経路および第３動力伝達経路において、エンジンからの動力を伝達するために係合または離脱するクラッチ群を上記変速機の入力側に設けたことを特徴とする請求項１または２記載のディーゼル動車のハイブリッド型駆動装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００８−４９８０９（Ｐ２００８−４９８０９Ａ）
【公開日】平成２０年３月６日（２００８．３．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２２７５４９（Ｐ２００６−２２７５４９）
【出願日】平成１８年８月２４日（２００６．８．２４）
【出願人】（３０３０２５６６３）株式会社日立ニコトランスミッション (25)
【出願人】（０００２２１６１６）東日本旅客鉄道株式会社 (833)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年３月６日（２００８．３．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月２４日（２００６．８．２４）
【出願人】（３０３０２５６６３）株式会社日立ニコトランスミッション (25)
【出願人】（０００２２１６１６）東日本旅客鉄道株式会社 (833)
【Ｆターム（参考）】
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