内燃機関のトルク変動抑制装置、それを搭載した車両、及び内燃機関のトルク変動抑制方法
【課題】小型、且つ高出力密度電動機を用いて、内燃機関のトルク変動を抑制することができ、且つギアの歯打ち音を低減することができる内燃機関のトルク変動抑制装置、それを搭載した車両、及び内燃機関のトルク変動抑制方法を提供する。
【解決手段】互いに逆向きのトルクを発生する回生電動機１０と力行電動機２０とを備えると共に、両電動機１０及び２０のそれぞれに、エンジン（内燃機関）２のクランク軸３に固着した同一のエンジンギア３１と噛合する回生ギア３３と力行ギア３５とを備え、回生電動機１０にトルク変動を抑制する回生抑制トルクＴｒ１を発生させる場合は、力行電動機２０に、回生抑制トルクＴｒ１と逆向きの力行微小トルクＴｉ１を発生させ、力行電動機２０にトルク変動を抑制する力行抑制トルクＴｉ２を発生させる場合は、回生電動機１０に、力行抑制トルクＴｉ２と逆向きの回生微小トルクＴｒ２を発生させるように構成する。
【解決手段】互いに逆向きのトルクを発生する回生電動機１０と力行電動機２０とを備えると共に、両電動機１０及び２０のそれぞれに、エンジン（内燃機関）２のクランク軸３に固着した同一のエンジンギア３１と噛合する回生ギア３３と力行ギア３５とを備え、回生電動機１０にトルク変動を抑制する回生抑制トルクＴｒ１を発生させる場合は、力行電動機２０に、回生抑制トルクＴｒ１と逆向きの力行微小トルクＴｉ１を発生させ、力行電動機２０にトルク変動を抑制する力行抑制トルクＴｉ２を発生させる場合は、回生電動機１０に、力行抑制トルクＴｉ２と逆向きの回生微小トルクＴｒ２を発生させるように構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型、且つ高出力密度電動機を用いてトラックのエンジンなどの内燃機関のトルク変動を抑制すると共に、ギアの歯打ち音を低減する内燃機関のトルク変動抑制装置、それを搭載した車両、及び内燃機関のトルク変動抑制方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、エンジンなどの内燃機関では、吸気行程、圧縮行程、燃焼と膨張行程、及び排気行程で出力トルクは大きく変動する。この変動を抑制するために電動機を用いることで、内燃機関と電動機の合算トルクの変動幅を抑える機構が知られている（例えば、特許文献１参照）。この装置のように従来の技術では、燃焼と膨張行程の高いトルクを電動機の回生トルクで抑制し、電力を貯蔵する。貯蔵した電力は、その他の行程で使用し、電動機の電力収支は損失を除きゼロとなる。また、トルク変動を抑制する電動機は内燃機関と同軸上に配置されたものや、プーリ及びベルトで連結されたものが多い。
【０００３】
従来の技術に用いられている小型、且つ高出力密度電動機は、高回転、且つ低トルクになる傾向があり、一定の減速比を持って内燃機関の軸に接続する必要がある。そのため、プーリ及びベルトを使用して内燃機関の軸と連結する場合が多い。一方、小型、且つ高出力密度電動機は、大径、又は多極化によっても実現できるため、従来の内燃機関トルクを平滑化するためのフライホイールと置き換えた電動機もある（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
前者を採用する場合には、高トルクの伝達や伝達効率に課題があり、その解決策としてギアによって連結することも考えられるが、ギア駆動では内燃機関トルク変動抑制時の交番トルクによるラトル音（ギアの歯打ち音）やギアの耐久性などの課題がある。一方後者を利用する場合には設計上の変更点も多く多品種少量生産の内燃機関では採用が難しいなどの課題がある。
【０００５】
上記の内燃機関のトルク変動抑制時の交番トルクによるラトル音を低減する装置として、モータジェネレータを力行側と回生側に制御して、ギアのラトル音を低減する装置がある（例えば、特許文献３参照）。しかし、電動機（モータジェネレータ）を力行側と回生側に制御するため、制御が複雑になるという問題がある。また、力行側、又は回生側とでは駆動電流の位相を反転させる必要があり、高速な電流変化が生じるため、電動機の損失につながるという問題もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１―８２０９４号公報
【特許文献２】特開平１１−４４２３１号公報
【特許文献３】特開２００８−１６２３９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、小型、且つ高出力密度の電動機を用いて、内燃機関のトルク変動を高トルクで抑制することができ、且つギアの歯打ち音を抑制すると共に、ギアの耐久性を向上させることができる内燃機関のトルク変動抑制装置、それを搭載した車両、及び内燃機関のトルク変動抑制方法を提供すること
である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を解決するための本発明の内燃機関のトルク変動抑制装置は、内燃機関のトルク変動抑制装置において、一方の電動機が前記内燃機関で発生するトルク変動を抑制するトルクを発生し、他方の電動機が前記一方の電動機が発生するトルクと逆向きのトルクを発生するように、互いに逆向きのトルクを発生させる２つの電動機を備えると共に、前記２つの電動機のそれぞれに前記内燃機関の同一ギアと噛合するギアを備えて構成する。
【０００９】
この構成によれば、内燃機関のクランク軸と一体に回転するギアと噛合するギアをそれぞれが有した２つの電動機を使用し、互いに逆向きのトルクを発生させることで、内燃機関側のギアを電動機側のギアで挟み込むことができる。これにより、内燃機関のトルク変動を抑制することができ、且つギアのラトル音（歯打ち音）を抑制すると共に、ギアの耐久性も向上させることができる。
【００１０】
また、内燃機関と電動機とがギア駆動のため、高トルクによるトルク変動抑制を行うことができる。加えて、内燃機関と電動機の連結に減速比を持たせられるため、小型、高出力密度な電動機を使用することができる。さらに、ギア駆動のため、電動機の回転子位置と内燃機関のクランク軸位置が同期しており、内燃機関の気筒判別、停止位置推定、電動機のセンサレス駆動など、回転軸位置を必要とする制御を行うことができる。
【００１１】
また、上記の内燃機関のトルク変動装置において、第１電動機と第２電動機の一方を回生専用電動機で形成し、他方を力行専用電動機で形成し、前記第１電動機のトルクで前記内燃機関の膨張行程で発生するトルクを減少させるときに、前記第２電動機が前記第１電動機のトルクと逆向きのトルクを発生させて、前記第１電動機と前記第２電動機のそれぞれのギアで前記内燃機関のギアを挟み込み、前記第２電動機のトルクで前記内燃機関の吸気行程、圧縮行程、及び排気行程で発生するトルクを増加させるときに、前記第１電動機が前記第２電動機のトルクと逆向きのトルクを発生させ、前記第１電動機と前記第２電動機のそれぞれのギアで前記内燃機関のギアを挟み込むように構成する。
【００１２】
この構成によれば、内燃機関のトルク変動を抑制することができ、且つ、ラトル音などの騒音を防止すると共に、ギアの耐久性を向上させることができる。また、単一モータで考えた場合に力行と回生を繰り返さないため、制御性を向上させることができると共に、１つの電動機を使用して交番トルクを発生させた場合に比べて効率を良くすることができる。この場合には、力行と回生では電動機駆動電流の位相を反転させる必要がある。高速な電流変化が生じ、その電流変化が電動機の損失（一般的に鉄損という）につながる可能性があるからである。
【００１３】
加えて、上記の内燃機関のトルク変動抑制装置において、前記第１電動機と前記第２電動機のどちらか一方のロータ軸を中空軸で形成すると共に、他方のロータ軸を前記中空軸に挿通する挿通軸で形成し、前記中空軸と前記挿通軸とが同一軸線上になるように前記第１電動機と前記第２電動機を配置し、前記中空軸に固着したギアと、前記挿通軸に固着したギアが、前記内燃機関の出力軸と固着したギアと噛合するように構成する。この構成によれば、電動機を直列して配置することができ、２つの電動機を用いても省スペースを実現することができる。
【００１４】
さらに、上記の内燃機関のトルク変動抑制装置において、前記第１電動機と前記第２電動機とを、回転速度と出力トルクに対する効率マップの異なる電動機で形成すると共に、前記内燃機関のトルク変動を抑制しない場合に、前記第１電動機と前記第２電動機とに同じ方向のトルクを発生させるように構成する。
【００１５】
この構成によれば、内燃機関のトルク変動抑制が必要無い場合に、２つの電動機で内燃機関の始動時などのトルクアシストや、回生ブレーキを高い効率で行うことができる。また、回転速度と出力トルクに対する効率マップの異なる電動機を用いることで、部分負担での効率を向上させることができる。
【００１６】
上記の問題を解決するための車両は、上記に記載の内燃機関のトルク変動抑制装置を搭載して構成される。この構成によれば、上記と同様の作用効果を得ることができる。
【００１７】
上記の問題を解決するための内燃機関のトルク変動抑制方法は、２つの電動機を用いる内燃機関のトルク変動抑制方法であって、一方の電動機が前記内燃機関で発生するトルク変動を抑制するトルクを発生するときに、他方の電動機が前記一方の電動機が発生するトルクと逆向きのトルクを発生し、前記２つの電動機それぞれのギアで前記内燃機関のギアを挟み込むことを特徴とする方法である。
【００１８】
また、内燃機関のトルク変動抑制方法において、第１電動機と第２電動機の一方を回生専用電動機で形成し、他方を力行専用電動機で形成し、第１電動機のトルクで前記内燃機関の膨張行程で発生するトルクを減少させるときに、第２電動機が前記第１電動機と逆向きのトルクを発生し、第２電動機のトルクで前記内燃機関の吸気行程、圧縮行程、及び排気工程で発生するトルクを増大させるときに、前記第１電動機が前記第２電動機と逆向きのトルクを発生する。
【００１９】
上記の方法によれば、２つの電動機を用いて、内燃機関のトルク変動を抑制することができ、且つ、ギアのラトル音を抑えると共に、ギアの耐久性を向上させることもできる。加えて、内燃機関と電動機の連結に減速比を持たせられるため、小型、高出力密度な電動機を使用することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、小型、且つ高出力密度の電動機を用いて、内燃機関のトルク変動を高トルクで抑制することができ、且つギアの歯打ち音を抑制すると共に、ギアの耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関のトルク変動抑制装置を示した図である。
【図２】図１のギア機構を示した拡大図であり、（ａ）に膨張行程を示し、（ｂ）に吸気行程、圧縮行程、及び排気行程を示し、（ｃ）に回生ブレーキを示し、（ｄ）にトルクアシストを示した図である。
【図３】本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関のトルク変動抑制装置のトルク変動抑制トルクと微小トルクを示した図であり、（ａ）に回生電動機の発生トルクを示し、（ｂ）に力行電動機の発生トルクを示し、（ｃ）に回生電動機と力行電動機の発生トルクを合せた交番トルクを示した図である。
【図４】本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関のトルク変動抑制装置の両電動機の出力特性領域を示した図であり、（ａ）に回生電動機の出力特性領域を示し、（ｂ）に力行電動機の出力特性領域を示し、（ｃ）に両電動機の出力特性領域を合せた領域を示した図である。
【図５】本発明に係る第２の実施の形態の内燃機関のトルク変動抑制装置を示した図である。
【図６】本発明に係る第３の実施の形態の内燃機関のトルク変動抑制装置を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関のトルク変動抑制装置、それを搭載した車両、及び内燃機関のトルク変動抑制方法について、図面を参照しながら説明する。
【００２３】
最初に本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関のトルク変動抑制装置について、図１を参照しながら説明する。トルク変動抑制装置１は、回生電動機（第１電動機）１０、力行電動機（第２電動機）２０、ギア機構３０、ＥＣＵ（制御装置）４０、インバータ（電力変換器）４１、及びバッテリ（蓄電装置）４２を備える。
【００２４】
回生電動機１０は、固定子として６つ（図中では２つ、残りの４つを省略）の電機子１１と回転子として永久磁石１２とを備える永久磁石同期電動機である。力行電動機２０も同様に６つの電機子２１と永久磁石２２とを備える永久磁石同期電動機である。上記の構成に加えて、力行電動機２０の回転子である永久磁石２２は、挿通軸３２を挿通するように内部を中空状に形成する。
【００２５】
これら両電動機１０及び２０は、回生電動機１０の回生によるトルクと、力行電動機２０の力行によるトルクが反対方向になるように設定されている。また、これら両電動機１０及び２０は、周知の技術の電動機を用いることができ、上記の構成に限らず、誘導電動機やリラクタンスモータを使用することができる。
【００２６】
また、従来では１台又は２台の電動機の出力の合計が８ｋＷ以下で、ベルト駆動型のシステムが多数提案されているが、上記の両電動機１０及び２０の出力は従来と同等、好ましくは片方の出力が、４ｋＷ以上が好ましい。これによれば、高トルクでエンジン２のトルク変動を抑制することができる。
【００２７】
加えて、両電動機１０及び２０を小型化するために、高回転化したものを使用するとよい。好ましくは定格回転数で６０００ｒｐｍ近傍からそれ以上の回転数であり、トルクを発生可能な電気的最大回転数は１００００ｒｐｍ以上の回転数である。この高回転化した小型の電動機１０及び２０は、例えば、エンジン２の最大回転数を４０００ｒｐｍに抑えた場合に減速比を３とすると、電動機の機械的最大回転数（トルクを発生せず）は１２０００ｒｐｍを要することになる。
【００２８】
ギア機構３０は、エンジンギア３１、挿通軸３２、回生ギア３３、中空軸３４、力行ギア３５を備える。エンジンギア３１は、エンジン２のクランク軸３に固着されたギアであり、このエンジンギア３１にそれぞれ噛合するように、回生ギア３３と力行ギア３５を配置する。
【００２９】
中空軸３４を回転子である永久磁石２２と接合すると共に、中空状に形成し、その中空軸３４に力行ギア３５を固着する。また、挿通軸３２を、回転子である永久磁石１２と接合すると共に、力行電動機２０の中空状の永久磁石２２と中空軸３４に挿通する。この挿通軸３２に回生ギア３３を固着する。
【００３０】
このギア機構３０は、エンジン２の回転と両電動機１０及び２０の回転に任意の減速比を持たせるために、エンジンギア３１と回生ギア３３又は力行ギア３５との間にさらにギアを追加してもよい。
【００３１】
上記のように、本発明の実施の形態のトルク変動抑制装置１は、回生ギア３３と力行ギア３５とを同一のエンジンギア３１に噛合させる構成となる。両電動機１０及び２０とエンジン２のクランク軸３とをギア機構３０を介す構成によれば、エンジン２と両電動機１
０及び２０の連結に減速比（ギア比）を持たせることができる。そのため、小型、且つ高出力密度な電動機を使用することができる。また、ギア駆動のため、高トルクによるエンジン２のトルク変動の抑制を行うことができる。
【００３２】
さらに、ギア駆動のため、両電動機１０及び２０と回転子位置とエンジン２のクランク軸３位置が同期しており、エンジン２の気筒判別、停止位置推定、及び両電動機１０及び２０のセンサレス駆動など、回転軸位置を必要とする制御を、両電動機１０及び２０の回転子位置から判断して行うことができる。この回転子位置は、両電動機１０及び２０と接続されているインバータ４１により検出することができる。
【００３３】
上記の両電動機１０及び２０は、インバータ４１を介して、バッテリ４２と繋がっている。このインバータ４１とバッテリ４２とは、周知の技術のインバータとバッテリを用いることができる。インバータ４１は、好ましくは両電動機１０及び２０の回転数を変化させることができるインバータであり、より好ましくはＶＶＶＦ（可変電圧可変周波数制御）インバータである。
【００３４】
ＥＣＵ４０は、エンジンコントロールユニットと呼ばれる制御装置であり、電気回路によってトランスミッションを含むパワープラント全体の制御を担当している。またエンジンもコントロールしており、電気的な制御を総合的に行うマイクロコントローラである。オートマチック車においては、ＥＣＵ４０にあらゆる運転状態における最適制御値を記憶させ、その時々の状態をクランク角センサやカム角センサなどで検出し、それらセンサからの入力信号により、記憶しているデータの中から最適値を選出し各機構を制御している。本発明の実施の形態においては、両電動機１０及び２０の出力トルクを制御している。
【００３５】
次に、エンジン２のトルク変動抑制方法について図２を参照しながら説明する。エンジン２の膨張行程により、クランク軸３の回転方向に大きなトルクＴ１が発生した場合は、図２の（ａ）に示すように、回生電動機１０にトルク変動を抑制する回生抑制トルクＴｒ１を発生させる。これにより、クランク軸３の回転方向に増大したトルクＴ１によるトルク変動を抑制する。同時に、力行電動機２０に回生抑制トルクＴｒ１と反対方向の微小な力行微小トルクＴｉ１を発生させて、エンジンギア３１を回生ギア３３と力行ギア３５とで挟み込む。
【００３６】
このとき、エンジンギア３１の歯面Ｓ１は回生ギア３３と接触しており、エンジンギア３１の歯面Ｓ２は力行ギア３５と接触する。力行ギア３５が、力行微小トルクＴｉ１により、歯面Ｓ２と接触することで、エンジンギア３１の歯面Ｓ１と同一側の歯面は、常に回生ギア３３と接触する。
【００３７】
一方、エンジン２の吸気行程、圧縮行程、及び排気行程により、クランク軸３の回転方向へ、エンジン２の回転を持続させるために不十分なトルクＴ２が発生した場合は、図２の（ｂ）に示すように、力行電動機２０にトルク変動を抑制する力行抑制トルクＴｉ２を発生させる。これにより、クランク軸３の回転方向にトルクＴ２と力行抑制トルクＴｉ２とを合せた充分なトルクを発生させる。同時に、回生電動機１０に力行抑制トルクＴｉ２と反対方向の微小な回生微小トルクＴｒ２を発生させて、エンジンギア３１を力行ギア３５と回生ギア３３とで挟み込む。
【００３８】
このとき、エンジンギア３１の歯面Ｓ２は力行ギア３５と接触しており、エンジンギア３１の歯面Ｓ１は回生ギア３３と接触する。回生ギア３３が、回生微小トルクＴｒ２により、歯面Ｓ１と接触することで、エンジンギア３１の歯面Ｓ２と同一側の歯面は、常に力行ギア３５と接触する。
【００３９】
上記のようなエンジン２のトルク変動が無い場合で、回生ブレーキを行う場合は、図２の（ｃ）に示すように、回生電動機１０にエンジン２のトルクＴ３と反対方向の回生トルクＴｒ３を発生させ、また、力行電動機２０にエンジン２のトルクＴ３と反対方向の回生トルクＴｉ３を発生させる。このとき、回生ギア３３と力行ギア３５は共に、エンジンギア３１の歯面Ｓ１と接触する。
【００４０】
また、図２の（ｄ）に示すように、エンジン２の始動時などのエンジン２のトルクＴ４が小さく、クランク軸３を十分に回転させることができないような場合は、回生電動機１０に、トルクＴ４と同一方向の力行トルクＴｒ４を発生させ、また、力行電動機２０も同様に力行トルクＴｉ４を発生させる。このとき、回生ギア３３と力行ギア３５は共に、エンジンギア３１の歯面Ｓ２と接触する。
【００４１】
上記の動作によれば、エンジン２のトルク変動が大きい場合に、２つの両電動機１０及び２０に互いに逆向きのトルク（Ｔｒ１とＴｉ１、Ｔｒ２とＴｉ２）を発生させることで、エンジン２のトルク変動を抑制することができ、且つ、エンジン２のエンジンギア３１を回生ギア３３と力行ギア３５とで挟み込むことにより、エンジンギア３１の同一側歯面が回生ギア３３又は力行ギア３５のどちらかと常に接触するため、ギアのラトル音（歯打ち音）を抑制すると共に、ギア機構３０の耐久性を向上することができる。
【００４２】
また、回生電動機１０と力行電動機２０のそれぞれが、エンジン２のトルク変動を抑制するときに、力行と回生を繰り返さないため、両電動機１０及び２０の制御性を向上させることができる。加えて、回生と力行を繰り返してトルク変動を抑制する場合と比べて、電動機の鉄損を防ぎ、効率性も向上させることができる。
【００４３】
ここで、ＥＣＵ４０で行われる両電動機１０及び２０の出力トルクの算出方法について説明する。この算出方法で得られるトルクの波形を図３に示す。まず、エンジン２の回転数Ｎを算出するステップを行う。エンジン２の回転数Ｎは、回生電動機１０又は力行電動機２０の回転子の回転数を算出し、その回転数と減速比（ギア比）を用いて算出する方法や、エンジン２にクランク角センサを設けて計測する方法により算出することができる。
【００４４】
次に、算出したエンジン２の回転数Ｎから、以下の数式（１）、及び（２）を用いて、正弦波基本周波数λを算出するステップを行う。
【００４５】
【数１】
【００４６】
【数２】
【００４７】
正弦波基本周波数λが算出されると次に、エンジン２の燃料噴射量ｑを取得するステップを行う。この燃料噴射量ｑは、エンジン２に設けたインジェクタ（図示せず）が各気筒に噴射する燃料の量であり、その燃料噴射量ｑはＥＣＵ４０が制御しており、その値をそのまま使用する。次に、その燃量噴射量ｑに応じたエンジン２のトルク変動のピークであるトルクＴ１及びＴ２を決定する。このトルクＴ１及びＴ２は、燃料噴射量ｑの値によって予め定められた設定値であり、ＥＣＵ４０に記憶されている。
【００４８】
次に、回生抑制トルクＴｒ１と、力行抑制トルクＴｉ２を算出するステップを行う。燃料を燃料噴射量ｑで噴射したときに発生する１サイクルの平均トルクＴ０と、トルク変動のピークであるトルクＴ１の差分トルクΔＴ１を算出する。この差分トルクΔＴ１を打ち消すトルクとして、回生抑制トルクＴｒ１を算出する。また同様に、平均トルクＴ０とトルクＴ２との差分から、力行抑制トルクＴｉ２を算出する。以上により、エンジン２のトルク変動を抑制する回生抑制トルクＴｒ１と力行抑制トルクＴｉ２の算出が完了する。
【００４９】
次に、エンジン２の１サイクル（吸気、圧縮、膨張、及び排気行程）の加減速度ω２を算出するステップを行う。この加減速度ω２は、回生電動機１０、力行電動機２０、又はクランク角センサなどのパルス検出型角度センサの１パルスに要する時間（コントローラクロック数という）より算出する。
【００５０】
次に、回生微小トルクＴｒ２及び力行微小トルクＴｉ１を算出するステップを行う。ここで、回生電動機１０の慣性モーメントをＩｒ、角加速度をω２ｒ’、フリクショントルクをＴｆｒし、力行電動機２０の慣性モーメントＩｉ、角加速度をω２ｉ’、フリクショントルクをＴｆｉとすると、回転系の運動方程式より、以下の数式（３）及び（４）が成り立つ。
【００５１】
【数３】
【００５２】
【数４】
【００５３】
ここでフリクショントルクＴｆｒとＴｆｉは、各電動機１０及び２０の性状から推定することができる。よって、エンジン２の最大加減速度以上、つまり回生電動機１０の角加速度ω２ｒ’と力行電動機２０の角加速度ω２ｉ’とが、エンジン２の１サイクル内の最大加速度以上、または、１サイクル内の最大減速度以下になるように、上記の数式（３）及び（４）を満たす回生微小トルクＴｒ２及び力行微小トルクＴｉ１とを算出する。
【００５４】
上記により算出される回生微小トルクＴｒ２及び力行微小トルクＴｉ１が、エンジンギア３１の同一側歯面が常に接触して、ギアのラトル音を低減することができる必要充分なトルクである。上記の算出方法は、両電動機１０又は２０の慣性モーメントＩｒとＩｉ、及びフリクショントルクＴｆｒとＴｆｉがエンジン２のそれらよりも極めて小さいことで可能となる。
【００５５】
以上の方法で算出された回生電動機１０の正弦波基本周波数λ、トルク変動抑制トルクＴｒ１、及び微小トルクＴｒ２より、図３の（ａ）に示す、トルク波形を算出することができる。また、力行電動機２０の正弦波基本周波数λ、トルク変動抑制トルクＴｉ２、及び微小トルクＴｉ１より、図３の（ｂ）に示す、トルク波形を算出することができる。それら回生電動機１０と力行電動機２０とが発生させるトルクを合せたトータルトルクは、図３の（ｃ）で示す通りとなり、これが、エンジン２のトルク変動を抑制する交番トルクとなる。
【００５６】
上記の算出方法によれば、エンジン２の膨張行程によって増加するトルクを減少する回生抑制トルクＴｒ１を発生する回生電動機１０に対して、もう一方の力行電動機２０は、その逆方向の力行微小トルクＴｉ１を発生する。これにより、エンジンギア３１の同一側
歯面が常に回生ギア３３と接触するようにできる。
【００５７】
また、エンジン２の吸気行程、圧縮行程、及び排気行程によって減少するトルクを増加する力行抑制トルクＴｉ２を発生する力行電動機２０に対して、もう一方の回生電動機１０は、その逆方向に回生微小トルクＴｒ２を発生する。これにより、エンジンギア３１の同一側歯面が常に力行ギア３５と接触するようにできる。
【００５８】
加えて、上記の回生抑制トルクＴｒ１と力行抑制トルクＴｉ２、及び回生微小トルクＴｒ２と力行微小トルクＴｉ１とを算出する方法に必要なエンジン２の回転数と１サイクルの加減速度とを、回生電動機１０、又は力行電動機２０をパルス検出型角速度センサとして使用することで、別途特別な装置を追加することなく行うことができる。
【００５９】
上記の算出方法は、図３に示すようなトルク波形を算出することができれば、上記の算出方法に限定しないが、必要とするセンサが最小で、計算が容易な上記の算出方法が好ましい。
【００６０】
次に、上記のトルク変動抑制装置１の両電動機の出力特性領域について、図４を参照しながら説明する。上記のトルク変動抑制装置１は、回生電動機１０と力行電動機２０が、互いに異なる出力特性領域内の主動作領域を有している。回生電動機１０は、図４の（ａ）に示す出力特性領域内の主動作領域ａを有し、力行電動機２０は、図４の（ｂ）に示す出力特性領域内の主動作領域ｂを有する。この回生電動機１０と力行電動機２０とを１つの電動機として考えた場合に、トルク変動抑制装置１は、図４の（ｃ）に示す出力特性領域内の主動作領域ｃを有することになる。
【００６１】
この構成によれば、エンジン２のトルク変動の抑制が必要無い場合には、図４の（ｃ）に示す主動作領域（２台の両電動機１０又は２０の効率）を考慮して、エンジン２の始動時のトルクアシストや回生ブレーキをかけることで、部分負担での効率を向上させることができる。これにより、エネルギ効率を向上させることができる。
【００６２】
この場合、例えば回生電動機１０は、出力特性領域のうち高トルク低回転数の領域を主動作領域ａとなるように集中巻きモータとし、力行電動機２０は、出力特性領域のうち、低トルク高回転数の領域を主動作領域ｂとなるように分布巻きモータとする。好ましくは、主動作領域ａと主動作領域ｂとが、なるべく近くに分布するようにするとよい。
【００６３】
次に、本発明に係る第２及び第３の実施の形態のトルク変動抑制装置について、図５及び図６を参照しながら説明する。本発明に係る第２の実施の形態のトルク変動抑制装置４と本発明に係る第３の実施の形態のトルク変動抑制装置５の相違点は、両電動機の配置だけである。
【００６４】
トルク変動抑制装置４は、図５に示すように、回生電動機５０、力行電動機６０、及びギア機構７０を備える。回生電動機５０は、固定子として６つ（図中では２つ、残りの４つを省略）の電機子５１と回転子として永久磁石５２とを備え、力行電動機６０は、同様に、固定子としての電機子６１と回転子として永久磁石６２とを備える。ギア機構７０は、エンジンギア７１、回生軸７２、回生ギア７３、力行軸７４、及び力行ギア７５を備える。クランク軸３に固着されたエンジンギア７１を図面の上下方向に跨ぐように、エンジンギア７１の上下に回生ギア７３と力行ギア７５とが配置され、それぞれエンジンギア７１と噛合している。
【００６５】
この構成によれば、一方の電動機と回転軸を中空状に形成することがなく、略同型の電動機を用いることができる。設置スペースが本発明に係る第１の実施の形態のトルク変動
抑制装置１よりは、大きくなるが、同様の作用効果を得ることができる。
【００６６】
トルク変動抑制装置５は、図６に示すように、上記で説明した構成の回生電動機５０を、エンジンギア７１を図面の左右方向に跨ぎ、回生軸７２と力行軸７４とが同一軸上になるように配置する。この構成でも、上記と同様の作用効果を得ることができる。
【００６７】
上記のトルク変動抑制装置１、４、又は５は、電動機とエンジンの両方を駆動源とするハイブリット車に適用することができる。また、ハイブリット車でなくても、スタータとして電動機を備えた車両にもう一つ電動機を加えることで適用することができる。これら、トルク変動抑制装置１、４、又は５を搭載した車両は、エンジンのトルク変動を抑制でき、且つギアのラトル音を低減することができる。
【００６８】
また、エンジンの構成は限定せず、ディーゼルエンジンとガソリンエンジンに適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明の内燃機関のトルク変動抑制装置は、内燃機関のトルク変動を小型、且つ高出力密度電動機で抑制することができ、且つ、ギアのラトル音を低減すると共にギアの耐久性を向上することができるため、特に筒内圧力が高くエンジントルク変動も大きいディーゼルエンジンを搭載したトラックなどの車両に利用することができる。
【符号の説明】
【００７０】
１、４、５ トルク変動抑制装置
２ エンジン（内燃機関）
３ クランク軸
１０ 回生電動機（第１電動機）
２０ 力行電動機（第２電動機）
３０ ギア機構
４０ ＥＣＵ（制御装置）
４１ インバータ（電力変換器）
４２ バッテリ（蓄電装置）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型、且つ高出力密度電動機を用いてトラックのエンジンなどの内燃機関のトルク変動を抑制すると共に、ギアの歯打ち音を低減する内燃機関のトルク変動抑制装置、それを搭載した車両、及び内燃機関のトルク変動抑制方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、エンジンなどの内燃機関では、吸気行程、圧縮行程、燃焼と膨張行程、及び排気行程で出力トルクは大きく変動する。この変動を抑制するために電動機を用いることで、内燃機関と電動機の合算トルクの変動幅を抑える機構が知られている（例えば、特許文献１参照）。この装置のように従来の技術では、燃焼と膨張行程の高いトルクを電動機の回生トルクで抑制し、電力を貯蔵する。貯蔵した電力は、その他の行程で使用し、電動機の電力収支は損失を除きゼロとなる。また、トルク変動を抑制する電動機は内燃機関と同軸上に配置されたものや、プーリ及びベルトで連結されたものが多い。
【０００３】
従来の技術に用いられている小型、且つ高出力密度電動機は、高回転、且つ低トルクになる傾向があり、一定の減速比を持って内燃機関の軸に接続する必要がある。そのため、プーリ及びベルトを使用して内燃機関の軸と連結する場合が多い。一方、小型、且つ高出力密度電動機は、大径、又は多極化によっても実現できるため、従来の内燃機関トルクを平滑化するためのフライホイールと置き換えた電動機もある（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
前者を採用する場合には、高トルクの伝達や伝達効率に課題があり、その解決策としてギアによって連結することも考えられるが、ギア駆動では内燃機関トルク変動抑制時の交番トルクによるラトル音（ギアの歯打ち音）やギアの耐久性などの課題がある。一方後者を利用する場合には設計上の変更点も多く多品種少量生産の内燃機関では採用が難しいなどの課題がある。
【０００５】
上記の内燃機関のトルク変動抑制時の交番トルクによるラトル音を低減する装置として、モータジェネレータを力行側と回生側に制御して、ギアのラトル音を低減する装置がある（例えば、特許文献３参照）。しかし、電動機（モータジェネレータ）を力行側と回生側に制御するため、制御が複雑になるという問題がある。また、力行側、又は回生側とでは駆動電流の位相を反転させる必要があり、高速な電流変化が生じるため、電動機の損失につながるという問題もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１―８２０９４号公報
【特許文献２】特開平１１−４４２３１号公報
【特許文献３】特開２００８−１６２３９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、小型、且つ高出力密度の電動機を用いて、内燃機関のトルク変動を高トルクで抑制することができ、且つギアの歯打ち音を抑制すると共に、ギアの耐久性を向上させることができる内燃機関のトルク変動抑制装置、それを搭載した車両、及び内燃機関のトルク変動抑制方法を提供すること
である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を解決するための本発明の内燃機関のトルク変動抑制装置は、内燃機関のトルク変動抑制装置において、一方の電動機が前記内燃機関で発生するトルク変動を抑制するトルクを発生し、他方の電動機が前記一方の電動機が発生するトルクと逆向きのトルクを発生するように、互いに逆向きのトルクを発生させる２つの電動機を備えると共に、前記２つの電動機のそれぞれに前記内燃機関の同一ギアと噛合するギアを備えて構成する。
【０００９】
この構成によれば、内燃機関のクランク軸と一体に回転するギアと噛合するギアをそれぞれが有した２つの電動機を使用し、互いに逆向きのトルクを発生させることで、内燃機関側のギアを電動機側のギアで挟み込むことができる。これにより、内燃機関のトルク変動を抑制することができ、且つギアのラトル音（歯打ち音）を抑制すると共に、ギアの耐久性も向上させることができる。
【００１０】
また、内燃機関と電動機とがギア駆動のため、高トルクによるトルク変動抑制を行うことができる。加えて、内燃機関と電動機の連結に減速比を持たせられるため、小型、高出力密度な電動機を使用することができる。さらに、ギア駆動のため、電動機の回転子位置と内燃機関のクランク軸位置が同期しており、内燃機関の気筒判別、停止位置推定、電動機のセンサレス駆動など、回転軸位置を必要とする制御を行うことができる。
【００１１】
また、上記の内燃機関のトルク変動装置において、第１電動機と第２電動機の一方を回生専用電動機で形成し、他方を力行専用電動機で形成し、前記第１電動機のトルクで前記内燃機関の膨張行程で発生するトルクを減少させるときに、前記第２電動機が前記第１電動機のトルクと逆向きのトルクを発生させて、前記第１電動機と前記第２電動機のそれぞれのギアで前記内燃機関のギアを挟み込み、前記第２電動機のトルクで前記内燃機関の吸気行程、圧縮行程、及び排気行程で発生するトルクを増加させるときに、前記第１電動機が前記第２電動機のトルクと逆向きのトルクを発生させ、前記第１電動機と前記第２電動機のそれぞれのギアで前記内燃機関のギアを挟み込むように構成する。
【００１２】
この構成によれば、内燃機関のトルク変動を抑制することができ、且つ、ラトル音などの騒音を防止すると共に、ギアの耐久性を向上させることができる。また、単一モータで考えた場合に力行と回生を繰り返さないため、制御性を向上させることができると共に、１つの電動機を使用して交番トルクを発生させた場合に比べて効率を良くすることができる。この場合には、力行と回生では電動機駆動電流の位相を反転させる必要がある。高速な電流変化が生じ、その電流変化が電動機の損失（一般的に鉄損という）につながる可能性があるからである。
【００１３】
加えて、上記の内燃機関のトルク変動抑制装置において、前記第１電動機と前記第２電動機のどちらか一方のロータ軸を中空軸で形成すると共に、他方のロータ軸を前記中空軸に挿通する挿通軸で形成し、前記中空軸と前記挿通軸とが同一軸線上になるように前記第１電動機と前記第２電動機を配置し、前記中空軸に固着したギアと、前記挿通軸に固着したギアが、前記内燃機関の出力軸と固着したギアと噛合するように構成する。この構成によれば、電動機を直列して配置することができ、２つの電動機を用いても省スペースを実現することができる。
【００１４】
さらに、上記の内燃機関のトルク変動抑制装置において、前記第１電動機と前記第２電動機とを、回転速度と出力トルクに対する効率マップの異なる電動機で形成すると共に、前記内燃機関のトルク変動を抑制しない場合に、前記第１電動機と前記第２電動機とに同じ方向のトルクを発生させるように構成する。
【００１５】
この構成によれば、内燃機関のトルク変動抑制が必要無い場合に、２つの電動機で内燃機関の始動時などのトルクアシストや、回生ブレーキを高い効率で行うことができる。また、回転速度と出力トルクに対する効率マップの異なる電動機を用いることで、部分負担での効率を向上させることができる。
【００１６】
上記の問題を解決するための車両は、上記に記載の内燃機関のトルク変動抑制装置を搭載して構成される。この構成によれば、上記と同様の作用効果を得ることができる。
【００１７】
上記の問題を解決するための内燃機関のトルク変動抑制方法は、２つの電動機を用いる内燃機関のトルク変動抑制方法であって、一方の電動機が前記内燃機関で発生するトルク変動を抑制するトルクを発生するときに、他方の電動機が前記一方の電動機が発生するトルクと逆向きのトルクを発生し、前記２つの電動機それぞれのギアで前記内燃機関のギアを挟み込むことを特徴とする方法である。
【００１８】
また、内燃機関のトルク変動抑制方法において、第１電動機と第２電動機の一方を回生専用電動機で形成し、他方を力行専用電動機で形成し、第１電動機のトルクで前記内燃機関の膨張行程で発生するトルクを減少させるときに、第２電動機が前記第１電動機と逆向きのトルクを発生し、第２電動機のトルクで前記内燃機関の吸気行程、圧縮行程、及び排気工程で発生するトルクを増大させるときに、前記第１電動機が前記第２電動機と逆向きのトルクを発生する。
【００１９】
上記の方法によれば、２つの電動機を用いて、内燃機関のトルク変動を抑制することができ、且つ、ギアのラトル音を抑えると共に、ギアの耐久性を向上させることもできる。加えて、内燃機関と電動機の連結に減速比を持たせられるため、小型、高出力密度な電動機を使用することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、小型、且つ高出力密度の電動機を用いて、内燃機関のトルク変動を高トルクで抑制することができ、且つギアの歯打ち音を抑制すると共に、ギアの耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関のトルク変動抑制装置を示した図である。
【図２】図１のギア機構を示した拡大図であり、（ａ）に膨張行程を示し、（ｂ）に吸気行程、圧縮行程、及び排気行程を示し、（ｃ）に回生ブレーキを示し、（ｄ）にトルクアシストを示した図である。
【図３】本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関のトルク変動抑制装置のトルク変動抑制トルクと微小トルクを示した図であり、（ａ）に回生電動機の発生トルクを示し、（ｂ）に力行電動機の発生トルクを示し、（ｃ）に回生電動機と力行電動機の発生トルクを合せた交番トルクを示した図である。
【図４】本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関のトルク変動抑制装置の両電動機の出力特性領域を示した図であり、（ａ）に回生電動機の出力特性領域を示し、（ｂ）に力行電動機の出力特性領域を示し、（ｃ）に両電動機の出力特性領域を合せた領域を示した図である。
【図５】本発明に係る第２の実施の形態の内燃機関のトルク変動抑制装置を示した図である。
【図６】本発明に係る第３の実施の形態の内燃機関のトルク変動抑制装置を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関のトルク変動抑制装置、それを搭載した車両、及び内燃機関のトルク変動抑制方法について、図面を参照しながら説明する。
【００２３】
最初に本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関のトルク変動抑制装置について、図１を参照しながら説明する。トルク変動抑制装置１は、回生電動機（第１電動機）１０、力行電動機（第２電動機）２０、ギア機構３０、ＥＣＵ（制御装置）４０、インバータ（電力変換器）４１、及びバッテリ（蓄電装置）４２を備える。
【００２４】
回生電動機１０は、固定子として６つ（図中では２つ、残りの４つを省略）の電機子１１と回転子として永久磁石１２とを備える永久磁石同期電動機である。力行電動機２０も同様に６つの電機子２１と永久磁石２２とを備える永久磁石同期電動機である。上記の構成に加えて、力行電動機２０の回転子である永久磁石２２は、挿通軸３２を挿通するように内部を中空状に形成する。
【００２５】
これら両電動機１０及び２０は、回生電動機１０の回生によるトルクと、力行電動機２０の力行によるトルクが反対方向になるように設定されている。また、これら両電動機１０及び２０は、周知の技術の電動機を用いることができ、上記の構成に限らず、誘導電動機やリラクタンスモータを使用することができる。
【００２６】
また、従来では１台又は２台の電動機の出力の合計が８ｋＷ以下で、ベルト駆動型のシステムが多数提案されているが、上記の両電動機１０及び２０の出力は従来と同等、好ましくは片方の出力が、４ｋＷ以上が好ましい。これによれば、高トルクでエンジン２のトルク変動を抑制することができる。
【００２７】
加えて、両電動機１０及び２０を小型化するために、高回転化したものを使用するとよい。好ましくは定格回転数で６０００ｒｐｍ近傍からそれ以上の回転数であり、トルクを発生可能な電気的最大回転数は１００００ｒｐｍ以上の回転数である。この高回転化した小型の電動機１０及び２０は、例えば、エンジン２の最大回転数を４０００ｒｐｍに抑えた場合に減速比を３とすると、電動機の機械的最大回転数（トルクを発生せず）は１２０００ｒｐｍを要することになる。
【００２８】
ギア機構３０は、エンジンギア３１、挿通軸３２、回生ギア３３、中空軸３４、力行ギア３５を備える。エンジンギア３１は、エンジン２のクランク軸３に固着されたギアであり、このエンジンギア３１にそれぞれ噛合するように、回生ギア３３と力行ギア３５を配置する。
【００２９】
中空軸３４を回転子である永久磁石２２と接合すると共に、中空状に形成し、その中空軸３４に力行ギア３５を固着する。また、挿通軸３２を、回転子である永久磁石１２と接合すると共に、力行電動機２０の中空状の永久磁石２２と中空軸３４に挿通する。この挿通軸３２に回生ギア３３を固着する。
【００３０】
このギア機構３０は、エンジン２の回転と両電動機１０及び２０の回転に任意の減速比を持たせるために、エンジンギア３１と回生ギア３３又は力行ギア３５との間にさらにギアを追加してもよい。
【００３１】
上記のように、本発明の実施の形態のトルク変動抑制装置１は、回生ギア３３と力行ギア３５とを同一のエンジンギア３１に噛合させる構成となる。両電動機１０及び２０とエンジン２のクランク軸３とをギア機構３０を介す構成によれば、エンジン２と両電動機１
０及び２０の連結に減速比（ギア比）を持たせることができる。そのため、小型、且つ高出力密度な電動機を使用することができる。また、ギア駆動のため、高トルクによるエンジン２のトルク変動の抑制を行うことができる。
【００３２】
さらに、ギア駆動のため、両電動機１０及び２０と回転子位置とエンジン２のクランク軸３位置が同期しており、エンジン２の気筒判別、停止位置推定、及び両電動機１０及び２０のセンサレス駆動など、回転軸位置を必要とする制御を、両電動機１０及び２０の回転子位置から判断して行うことができる。この回転子位置は、両電動機１０及び２０と接続されているインバータ４１により検出することができる。
【００３３】
上記の両電動機１０及び２０は、インバータ４１を介して、バッテリ４２と繋がっている。このインバータ４１とバッテリ４２とは、周知の技術のインバータとバッテリを用いることができる。インバータ４１は、好ましくは両電動機１０及び２０の回転数を変化させることができるインバータであり、より好ましくはＶＶＶＦ（可変電圧可変周波数制御）インバータである。
【００３４】
ＥＣＵ４０は、エンジンコントロールユニットと呼ばれる制御装置であり、電気回路によってトランスミッションを含むパワープラント全体の制御を担当している。またエンジンもコントロールしており、電気的な制御を総合的に行うマイクロコントローラである。オートマチック車においては、ＥＣＵ４０にあらゆる運転状態における最適制御値を記憶させ、その時々の状態をクランク角センサやカム角センサなどで検出し、それらセンサからの入力信号により、記憶しているデータの中から最適値を選出し各機構を制御している。本発明の実施の形態においては、両電動機１０及び２０の出力トルクを制御している。
【００３５】
次に、エンジン２のトルク変動抑制方法について図２を参照しながら説明する。エンジン２の膨張行程により、クランク軸３の回転方向に大きなトルクＴ１が発生した場合は、図２の（ａ）に示すように、回生電動機１０にトルク変動を抑制する回生抑制トルクＴｒ１を発生させる。これにより、クランク軸３の回転方向に増大したトルクＴ１によるトルク変動を抑制する。同時に、力行電動機２０に回生抑制トルクＴｒ１と反対方向の微小な力行微小トルクＴｉ１を発生させて、エンジンギア３１を回生ギア３３と力行ギア３５とで挟み込む。
【００３６】
このとき、エンジンギア３１の歯面Ｓ１は回生ギア３３と接触しており、エンジンギア３１の歯面Ｓ２は力行ギア３５と接触する。力行ギア３５が、力行微小トルクＴｉ１により、歯面Ｓ２と接触することで、エンジンギア３１の歯面Ｓ１と同一側の歯面は、常に回生ギア３３と接触する。
【００３７】
一方、エンジン２の吸気行程、圧縮行程、及び排気行程により、クランク軸３の回転方向へ、エンジン２の回転を持続させるために不十分なトルクＴ２が発生した場合は、図２の（ｂ）に示すように、力行電動機２０にトルク変動を抑制する力行抑制トルクＴｉ２を発生させる。これにより、クランク軸３の回転方向にトルクＴ２と力行抑制トルクＴｉ２とを合せた充分なトルクを発生させる。同時に、回生電動機１０に力行抑制トルクＴｉ２と反対方向の微小な回生微小トルクＴｒ２を発生させて、エンジンギア３１を力行ギア３５と回生ギア３３とで挟み込む。
【００３８】
このとき、エンジンギア３１の歯面Ｓ２は力行ギア３５と接触しており、エンジンギア３１の歯面Ｓ１は回生ギア３３と接触する。回生ギア３３が、回生微小トルクＴｒ２により、歯面Ｓ１と接触することで、エンジンギア３１の歯面Ｓ２と同一側の歯面は、常に力行ギア３５と接触する。
【００３９】
上記のようなエンジン２のトルク変動が無い場合で、回生ブレーキを行う場合は、図２の（ｃ）に示すように、回生電動機１０にエンジン２のトルクＴ３と反対方向の回生トルクＴｒ３を発生させ、また、力行電動機２０にエンジン２のトルクＴ３と反対方向の回生トルクＴｉ３を発生させる。このとき、回生ギア３３と力行ギア３５は共に、エンジンギア３１の歯面Ｓ１と接触する。
【００４０】
また、図２の（ｄ）に示すように、エンジン２の始動時などのエンジン２のトルクＴ４が小さく、クランク軸３を十分に回転させることができないような場合は、回生電動機１０に、トルクＴ４と同一方向の力行トルクＴｒ４を発生させ、また、力行電動機２０も同様に力行トルクＴｉ４を発生させる。このとき、回生ギア３３と力行ギア３５は共に、エンジンギア３１の歯面Ｓ２と接触する。
【００４１】
上記の動作によれば、エンジン２のトルク変動が大きい場合に、２つの両電動機１０及び２０に互いに逆向きのトルク（Ｔｒ１とＴｉ１、Ｔｒ２とＴｉ２）を発生させることで、エンジン２のトルク変動を抑制することができ、且つ、エンジン２のエンジンギア３１を回生ギア３３と力行ギア３５とで挟み込むことにより、エンジンギア３１の同一側歯面が回生ギア３３又は力行ギア３５のどちらかと常に接触するため、ギアのラトル音（歯打ち音）を抑制すると共に、ギア機構３０の耐久性を向上することができる。
【００４２】
また、回生電動機１０と力行電動機２０のそれぞれが、エンジン２のトルク変動を抑制するときに、力行と回生を繰り返さないため、両電動機１０及び２０の制御性を向上させることができる。加えて、回生と力行を繰り返してトルク変動を抑制する場合と比べて、電動機の鉄損を防ぎ、効率性も向上させることができる。
【００４３】
ここで、ＥＣＵ４０で行われる両電動機１０及び２０の出力トルクの算出方法について説明する。この算出方法で得られるトルクの波形を図３に示す。まず、エンジン２の回転数Ｎを算出するステップを行う。エンジン２の回転数Ｎは、回生電動機１０又は力行電動機２０の回転子の回転数を算出し、その回転数と減速比（ギア比）を用いて算出する方法や、エンジン２にクランク角センサを設けて計測する方法により算出することができる。
【００４４】
次に、算出したエンジン２の回転数Ｎから、以下の数式（１）、及び（２）を用いて、正弦波基本周波数λを算出するステップを行う。
【００４５】
【数１】
【００４６】
【数２】
【００４７】
正弦波基本周波数λが算出されると次に、エンジン２の燃料噴射量ｑを取得するステップを行う。この燃料噴射量ｑは、エンジン２に設けたインジェクタ（図示せず）が各気筒に噴射する燃料の量であり、その燃料噴射量ｑはＥＣＵ４０が制御しており、その値をそのまま使用する。次に、その燃量噴射量ｑに応じたエンジン２のトルク変動のピークであるトルクＴ１及びＴ２を決定する。このトルクＴ１及びＴ２は、燃料噴射量ｑの値によって予め定められた設定値であり、ＥＣＵ４０に記憶されている。
【００４８】
次に、回生抑制トルクＴｒ１と、力行抑制トルクＴｉ２を算出するステップを行う。燃料を燃料噴射量ｑで噴射したときに発生する１サイクルの平均トルクＴ０と、トルク変動のピークであるトルクＴ１の差分トルクΔＴ１を算出する。この差分トルクΔＴ１を打ち消すトルクとして、回生抑制トルクＴｒ１を算出する。また同様に、平均トルクＴ０とトルクＴ２との差分から、力行抑制トルクＴｉ２を算出する。以上により、エンジン２のトルク変動を抑制する回生抑制トルクＴｒ１と力行抑制トルクＴｉ２の算出が完了する。
【００４９】
次に、エンジン２の１サイクル（吸気、圧縮、膨張、及び排気行程）の加減速度ω２を算出するステップを行う。この加減速度ω２は、回生電動機１０、力行電動機２０、又はクランク角センサなどのパルス検出型角度センサの１パルスに要する時間（コントローラクロック数という）より算出する。
【００５０】
次に、回生微小トルクＴｒ２及び力行微小トルクＴｉ１を算出するステップを行う。ここで、回生電動機１０の慣性モーメントをＩｒ、角加速度をω２ｒ’、フリクショントルクをＴｆｒし、力行電動機２０の慣性モーメントＩｉ、角加速度をω２ｉ’、フリクショントルクをＴｆｉとすると、回転系の運動方程式より、以下の数式（３）及び（４）が成り立つ。
【００５１】
【数３】
【００５２】
【数４】
【００５３】
ここでフリクショントルクＴｆｒとＴｆｉは、各電動機１０及び２０の性状から推定することができる。よって、エンジン２の最大加減速度以上、つまり回生電動機１０の角加速度ω２ｒ’と力行電動機２０の角加速度ω２ｉ’とが、エンジン２の１サイクル内の最大加速度以上、または、１サイクル内の最大減速度以下になるように、上記の数式（３）及び（４）を満たす回生微小トルクＴｒ２及び力行微小トルクＴｉ１とを算出する。
【００５４】
上記により算出される回生微小トルクＴｒ２及び力行微小トルクＴｉ１が、エンジンギア３１の同一側歯面が常に接触して、ギアのラトル音を低減することができる必要充分なトルクである。上記の算出方法は、両電動機１０又は２０の慣性モーメントＩｒとＩｉ、及びフリクショントルクＴｆｒとＴｆｉがエンジン２のそれらよりも極めて小さいことで可能となる。
【００５５】
以上の方法で算出された回生電動機１０の正弦波基本周波数λ、トルク変動抑制トルクＴｒ１、及び微小トルクＴｒ２より、図３の（ａ）に示す、トルク波形を算出することができる。また、力行電動機２０の正弦波基本周波数λ、トルク変動抑制トルクＴｉ２、及び微小トルクＴｉ１より、図３の（ｂ）に示す、トルク波形を算出することができる。それら回生電動機１０と力行電動機２０とが発生させるトルクを合せたトータルトルクは、図３の（ｃ）で示す通りとなり、これが、エンジン２のトルク変動を抑制する交番トルクとなる。
【００５６】
上記の算出方法によれば、エンジン２の膨張行程によって増加するトルクを減少する回生抑制トルクＴｒ１を発生する回生電動機１０に対して、もう一方の力行電動機２０は、その逆方向の力行微小トルクＴｉ１を発生する。これにより、エンジンギア３１の同一側
歯面が常に回生ギア３３と接触するようにできる。
【００５７】
また、エンジン２の吸気行程、圧縮行程、及び排気行程によって減少するトルクを増加する力行抑制トルクＴｉ２を発生する力行電動機２０に対して、もう一方の回生電動機１０は、その逆方向に回生微小トルクＴｒ２を発生する。これにより、エンジンギア３１の同一側歯面が常に力行ギア３５と接触するようにできる。
【００５８】
加えて、上記の回生抑制トルクＴｒ１と力行抑制トルクＴｉ２、及び回生微小トルクＴｒ２と力行微小トルクＴｉ１とを算出する方法に必要なエンジン２の回転数と１サイクルの加減速度とを、回生電動機１０、又は力行電動機２０をパルス検出型角速度センサとして使用することで、別途特別な装置を追加することなく行うことができる。
【００５９】
上記の算出方法は、図３に示すようなトルク波形を算出することができれば、上記の算出方法に限定しないが、必要とするセンサが最小で、計算が容易な上記の算出方法が好ましい。
【００６０】
次に、上記のトルク変動抑制装置１の両電動機の出力特性領域について、図４を参照しながら説明する。上記のトルク変動抑制装置１は、回生電動機１０と力行電動機２０が、互いに異なる出力特性領域内の主動作領域を有している。回生電動機１０は、図４の（ａ）に示す出力特性領域内の主動作領域ａを有し、力行電動機２０は、図４の（ｂ）に示す出力特性領域内の主動作領域ｂを有する。この回生電動機１０と力行電動機２０とを１つの電動機として考えた場合に、トルク変動抑制装置１は、図４の（ｃ）に示す出力特性領域内の主動作領域ｃを有することになる。
【００６１】
この構成によれば、エンジン２のトルク変動の抑制が必要無い場合には、図４の（ｃ）に示す主動作領域（２台の両電動機１０又は２０の効率）を考慮して、エンジン２の始動時のトルクアシストや回生ブレーキをかけることで、部分負担での効率を向上させることができる。これにより、エネルギ効率を向上させることができる。
【００６２】
この場合、例えば回生電動機１０は、出力特性領域のうち高トルク低回転数の領域を主動作領域ａとなるように集中巻きモータとし、力行電動機２０は、出力特性領域のうち、低トルク高回転数の領域を主動作領域ｂとなるように分布巻きモータとする。好ましくは、主動作領域ａと主動作領域ｂとが、なるべく近くに分布するようにするとよい。
【００６３】
次に、本発明に係る第２及び第３の実施の形態のトルク変動抑制装置について、図５及び図６を参照しながら説明する。本発明に係る第２の実施の形態のトルク変動抑制装置４と本発明に係る第３の実施の形態のトルク変動抑制装置５の相違点は、両電動機の配置だけである。
【００６４】
トルク変動抑制装置４は、図５に示すように、回生電動機５０、力行電動機６０、及びギア機構７０を備える。回生電動機５０は、固定子として６つ（図中では２つ、残りの４つを省略）の電機子５１と回転子として永久磁石５２とを備え、力行電動機６０は、同様に、固定子としての電機子６１と回転子として永久磁石６２とを備える。ギア機構７０は、エンジンギア７１、回生軸７２、回生ギア７３、力行軸７４、及び力行ギア７５を備える。クランク軸３に固着されたエンジンギア７１を図面の上下方向に跨ぐように、エンジンギア７１の上下に回生ギア７３と力行ギア７５とが配置され、それぞれエンジンギア７１と噛合している。
【００６５】
この構成によれば、一方の電動機と回転軸を中空状に形成することがなく、略同型の電動機を用いることができる。設置スペースが本発明に係る第１の実施の形態のトルク変動
抑制装置１よりは、大きくなるが、同様の作用効果を得ることができる。
【００６６】
トルク変動抑制装置５は、図６に示すように、上記で説明した構成の回生電動機５０を、エンジンギア７１を図面の左右方向に跨ぎ、回生軸７２と力行軸７４とが同一軸上になるように配置する。この構成でも、上記と同様の作用効果を得ることができる。
【００６７】
上記のトルク変動抑制装置１、４、又は５は、電動機とエンジンの両方を駆動源とするハイブリット車に適用することができる。また、ハイブリット車でなくても、スタータとして電動機を備えた車両にもう一つ電動機を加えることで適用することができる。これら、トルク変動抑制装置１、４、又は５を搭載した車両は、エンジンのトルク変動を抑制でき、且つギアのラトル音を低減することができる。
【００６８】
また、エンジンの構成は限定せず、ディーゼルエンジンとガソリンエンジンに適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明の内燃機関のトルク変動抑制装置は、内燃機関のトルク変動を小型、且つ高出力密度電動機で抑制することができ、且つ、ギアのラトル音を低減すると共にギアの耐久性を向上することができるため、特に筒内圧力が高くエンジントルク変動も大きいディーゼルエンジンを搭載したトラックなどの車両に利用することができる。
【符号の説明】
【００７０】
１、４、５ トルク変動抑制装置
２ エンジン（内燃機関）
３ クランク軸
１０ 回生電動機（第１電動機）
２０ 力行電動機（第２電動機）
３０ ギア機構
４０ ＥＣＵ（制御装置）
４１ インバータ（電力変換器）
４２ バッテリ（蓄電装置）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のトルク変動抑制装置において、一方の電動機が前記内燃機関で発生するトルク変動を抑制するトルクを発生し、他方の電動機が前記一方の電動機が発生するトルクと逆向きのトルクを発生するように、互いに逆向きのトルクを発生させる２つの電動機を備えると共に、
前記２つの電動機のそれぞれに前記内燃機関の同一ギアと噛合するギアを備えることを特徴とする内燃機関のトルク変動抑制装置。
【請求項２】
第１電動機と第２電動機の一方を回生専用電動機で形成し、他方を力行専用電動機で形成し、
前記第１電動機のトルクで前記内燃機関の膨張行程で発生するトルクを減少させるときに、前記第２電動機が前記第１電動機のトルクと逆向きのトルクを発生させて、前記第１電動機と前記第２電動機のそれぞれのギアで前記内燃機関のギアを挟み込み、
前記第２電動機のトルクで前記内燃機関の吸気行程、圧縮行程、及び排気行程で発生するトルクを増加させるときに、前記第１電動機が前記第２電動機のトルクと逆向きのトルクを発生させ、前記第１電動機と前記第２電動機のそれぞれのギアで前記内燃機関のギアを挟み込むよう構成することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のトルク変動抑制装置。
【請求項３】
前記第１電動機と前記第２電動機のどちらか一方のロータ軸を中空軸で形成すると共に、他方のロータ軸を前記中空軸に挿通する挿通軸で形成し、
前記中空軸と前記挿通軸とが同一軸線上になるように前記第１電動機と前記第２電動機を配置し、
前記中空軸に固着したギアと、前記挿通軸に固着したギアが、前記内燃機関の出力軸と固着したギアと噛合することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関のトルク変動抑制装置。
【請求項４】
前記第１電動機と前記第２電動機とを、回転速度と出力トルクに対する効率マップの異なる電動機で形成すると共に、前記内燃機関のトルク変動を抑制しない場合に、前記第１電動機と前記第２電動機とに同じ方向のトルクを発生させるよう構成することを特徴とする請求項２又は３に記載の内燃機関のトルク変動抑制装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関のトルク変動抑制装置を搭載することを特徴とする車両。
【請求項６】
２つの電動機を用いる内燃機関のトルク変動抑制方法であって、一方の電動機が前記内燃機関で発生するトルク変動を抑制するトルクを発生するときに、他方の電動機が前記一方の電動機が発生するトルクと逆向きのトルクを発生し、前記２つの電動機それぞれのギアで前記内燃機関の同一ギアを挟み込むことを特徴とする内燃機関のトルク変動抑制方法。
【請求項７】
第１電動機と第２電動機の一方を回生専用電動機で形成し、他方を力行専用電動機で形成し、
第１電動機のトルクで前記内燃機関の膨張行程で発生するトルクを減少させるときに、第２電動機が前記第１電動機と逆向きのトルクを発生し、第２電動機のトルクで前記内燃機関の吸気行程、圧縮行程、及び排気工程で発生するトルクを増大させるときに、前記第１電動機が前記第２電動機と逆向きのトルクを発生することを特徴とする請求項６に記載の内燃機関のトルク変動抑制方法。
【請求項１】
内燃機関のトルク変動抑制装置において、一方の電動機が前記内燃機関で発生するトルク変動を抑制するトルクを発生し、他方の電動機が前記一方の電動機が発生するトルクと逆向きのトルクを発生するように、互いに逆向きのトルクを発生させる２つの電動機を備えると共に、
前記２つの電動機のそれぞれに前記内燃機関の同一ギアと噛合するギアを備えることを特徴とする内燃機関のトルク変動抑制装置。
【請求項２】
第１電動機と第２電動機の一方を回生専用電動機で形成し、他方を力行専用電動機で形成し、
前記第１電動機のトルクで前記内燃機関の膨張行程で発生するトルクを減少させるときに、前記第２電動機が前記第１電動機のトルクと逆向きのトルクを発生させて、前記第１電動機と前記第２電動機のそれぞれのギアで前記内燃機関のギアを挟み込み、
前記第２電動機のトルクで前記内燃機関の吸気行程、圧縮行程、及び排気行程で発生するトルクを増加させるときに、前記第１電動機が前記第２電動機のトルクと逆向きのトルクを発生させ、前記第１電動機と前記第２電動機のそれぞれのギアで前記内燃機関のギアを挟み込むよう構成することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のトルク変動抑制装置。
【請求項３】
前記第１電動機と前記第２電動機のどちらか一方のロータ軸を中空軸で形成すると共に、他方のロータ軸を前記中空軸に挿通する挿通軸で形成し、
前記中空軸と前記挿通軸とが同一軸線上になるように前記第１電動機と前記第２電動機を配置し、
前記中空軸に固着したギアと、前記挿通軸に固着したギアが、前記内燃機関の出力軸と固着したギアと噛合することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関のトルク変動抑制装置。
【請求項４】
前記第１電動機と前記第２電動機とを、回転速度と出力トルクに対する効率マップの異なる電動機で形成すると共に、前記内燃機関のトルク変動を抑制しない場合に、前記第１電動機と前記第２電動機とに同じ方向のトルクを発生させるよう構成することを特徴とする請求項２又は３に記載の内燃機関のトルク変動抑制装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関のトルク変動抑制装置を搭載することを特徴とする車両。
【請求項６】
２つの電動機を用いる内燃機関のトルク変動抑制方法であって、一方の電動機が前記内燃機関で発生するトルク変動を抑制するトルクを発生するときに、他方の電動機が前記一方の電動機が発生するトルクと逆向きのトルクを発生し、前記２つの電動機それぞれのギアで前記内燃機関の同一ギアを挟み込むことを特徴とする内燃機関のトルク変動抑制方法。
【請求項７】
第１電動機と第２電動機の一方を回生専用電動機で形成し、他方を力行専用電動機で形成し、
第１電動機のトルクで前記内燃機関の膨張行程で発生するトルクを減少させるときに、第２電動機が前記第１電動機と逆向きのトルクを発生し、第２電動機のトルクで前記内燃機関の吸気行程、圧縮行程、及び排気工程で発生するトルクを増大させるときに、前記第１電動機が前記第２電動機と逆向きのトルクを発生することを特徴とする請求項６に記載の内燃機関のトルク変動抑制方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−６０８８６（Ｐ２０１３−６０８８６Ａ）
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９９８５３（Ｐ２０１１−１９９８５３）
【出願日】平成２３年９月１３日（２０１１．９．１３）
【出願人】（００００００１７０）いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１３日（２０１１．９．１３）
【出願人】（００００００１７０）いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Ｆターム（参考）】
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