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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024179241
(43)【公開日】2024-12-26
(54)【発明の名称】ハイブリッドエンジン装置
(51)【国際特許分類】
   B60K 6/40 20071001AFI20241219BHJP
   B60K 6/26 20071001ALI20241219BHJP
   B60K 6/28 20071001ALI20241219BHJP
   B60W 10/26 20060101ALI20241219BHJP
   B60W 20/00 20160101ALI20241219BHJP
   B60W 10/06 20060101ALI20241219BHJP
   B60W 20/13 20160101ALI20241219BHJP
   B60W 10/30 20060101ALI20241219BHJP
   B60L 58/26 20190101ALI20241219BHJP
   B60L 3/00 20190101ALI20241219BHJP
   B60L 50/16 20190101ALI20241219BHJP
   H02K 7/18 20060101ALI20241219BHJP
   F01N 3/023 20060101ALI20241219BHJP
   F01P 3/20 20060101ALI20241219BHJP
【FI】
B60K6/40 ZHV
B60K6/26
B60K6/28
B60W10/26 900
B60W20/00 900
B60W10/06 900
B60W20/13
B60W10/30 900
B60L58/26
B60L3/00 H
B60L50/16
H02K7/18 B
F01N3/023 A
F01P3/20 F
【審査請求】未請求
【請求項の数】3
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2023097937
(22)【出願日】2023-06-14
(71)【出願人】
【識別番号】000000125
【氏名又は名称】井関農機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110003834
【氏名又は名称】弁理士法人新大阪国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】竹▲崎▼ 直人
(72)【発明者】
【氏名】足立 憲司
(72)【発明者】
【氏名】大久保 真司
(72)【発明者】
【氏名】福山 尚尋
(72)【発明者】
【氏名】金野 晃大
(72)【発明者】
【氏名】糸永 薫
(72)【発明者】
【氏名】四之宮 徹
(72)【発明者】
【氏名】松本 秀昭
【テーマコード(参考)】
3D202
3G190
5H125
5H607
【Fターム(参考)】
3D202BB09
3D202BB19
3D202BB47
3D202CC46
3D202DD29
3D202DD46
3D202EE01
3D202EE02
3D202EE03
3D202EE23
3G190AA03
3G190AA06
3G190AA16
3G190BA11
3G190CA01
3G190DA09
3G190DB05
3G190DC06
3G190EA57
5H125AA20
5H125AB01
5H125AC08
5H125AC12
5H125BC11
5H125CD06
5H125EE05
5H125EE25
5H125EE51
5H125FF22
5H125FF24
5H607AA02
5H607AA12
5H607BB01
5H607BB02
5H607BB07
5H607CC05
5H607FF22
5H607FF24
(57)【要約】
【課題】従来、エンジンと電動機の動力を併用するハイブリッドエンジン装置がある。然しながら、電動機及びバッテリは水冷式でなく高温になって、駆動出力及び電力供給の適正と耐久性において課題があった。そこで、適正な駆動出力及び電力供給と耐久性があるハイブリッドエンジン装置を提供する。
【解決手段】水冷式のエンジン6、水冷式のバッテリ9及び水冷式のモータジェネレータ8を装備し、水冷式のエンジン6とラジエータ7を管路で連結した第1冷却水回路Aと水冷式のモータジェネレータ8及び水冷式のバッテリ9と作業車両1のキャビン10内に設けた熱交換器14を管路で連結した第2冷却水回路Bを設けたハイブリッドエンジン装置。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
水冷式のエンジン(6)、水冷式のバッテリ(9)及び水冷式のモータジェネレータ(8)を装備し、水冷式のエンジン(6)とラジエータ(7)を管路で連結した第1冷却水回路(A)と水冷式のモータジェネレータ(8)及び水冷式のバッテリ(9)と作業車両(1)のキャビン(10)内に設けた熱交換器(14)を管路で連結した第2冷却水回路(B)を設けたことを特徴とするハイブリッドエンジン装置。
【請求項2】
キャビン(10)に設けた電動換気ファン(14a)を装備した換気口(13)に熱交換器(14)を設け、モータジェネレータ(8)及びバッテリ(9)の温度に応じて電動換気ファン(14a)の作動を制御することを特徴とする請求項1に記載のハイブリッドエンジン装置。
【請求項3】
DPFへのPM堆積量をECUで推定し、DPFの再生制御を開始する閾値まで残り所定割合になった時点でバッテリ(9)の残量を減らすために積極的にモータジェネレータ(8)のアシストを行ない、DPF再生閾値までPMが堆積すると、DPF再生制御を実行すると共に、積極的にモータジェネレータ(8)にてバッテリ(9)への充電を行なうことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のハイブリッドエンジン装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、エンジンと電動機の動力を併用するハイブリッドエンジン装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、エンジンと電動機の動力を併用するハイブリッドエンジン装置がある。(例えば、特許文献1参照)
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2015-182512号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
然しながら、電動機及びバッテリは水冷式でなく高温になって、駆動出力及び電力供給の適正と耐久性において課題があった。
【0005】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、適正な駆動出力及び電力供給と耐久性があるハイブリッドエンジン装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
請求項1記載の発明は、水冷式のエンジン6、水冷式のバッテリ9及び水冷式のモータジェネレータ8を装備し、水冷式のエンジン6とラジエータ7を管路で連結した第1冷却水回路Aと水冷式のモータジェネレータ8及び水冷式のバッテリ9と作業車両1のキャビン10内に設けた熱交換器14を管路で連結した第2冷却水回路Bを設けたハイブリッドエンジン装置である。
【0007】
請求項1記載の発明によれば、水冷式のモータジェネレータ8及び水冷式のバッテリ9と熱交換器14を管路で連結した第2冷却水回路Bを水冷式のエンジン6とラジエータ7を管路で連結した第1冷却水回路Aとは別の冷却水回路とし、熱交換器14をキャビン10内に設けてキャビン10内の空気で冷却することで、モータジェネレータ8及びバッテリ9を適切な温度で管理することができ、適正な駆動出力及び電力供給と耐久性があるハイブリッドエンジン装置を提供することができる。
【0008】
請求項2記載の発明は、キャビン10に設けた電動換気ファン14aを装備した換気口13に熱交換器14を設け、モータジェネレータ8及びバッテリ9の温度に応じて電動換気ファン14aの作動を制御する請求項1に記載のハイブリッドエンジン装置である。
【0009】
請求項2記載の発明によれば、キャビン10に設けた電動換気ファン14aを装備した換気口13に熱交換器14を設け、モータジェネレータ8及びバッテリ9の温度に応じて電動換気ファン14aの作動を制御するので、モータジェネレータ8及びバッテリ9の温度を適切に管理することができる。
【0010】
請求項3記載の発明は、DPFへのPM堆積量をECUで推定し、DPFの再生制御を開始する閾値まで残り所定割合になった時点でバッテリ9の残量を減らすために積極的にモータジェネレータ8のアシストを行ない、DPF再生閾値までPMが堆積すると、DPF再生制御を実行すると共に、積極的にモータジェネレータ8にてバッテリ9への充電を行なう請求項1または請求項2に記載のハイブリッドエンジン装置である。
【0011】
請求項3記載の発明によれば、DPF再生制御を実行する前にバッテリ9の残量を少なくしておき、DPF再生制御に合わせてバッテリ9の充電を行なうことでエンジン6に負荷を与え、排気温度が上昇し早期のDPF再生を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
図1】本発明の実施の形態にかかるハイブリッドエンジン装置の概略図である。
図2】耕耘作業の制御を示す概略図である。
図3】耕耘作業の制御を示す概略正面図である。
図4】ハイブリッドエンジン装置の作用説明用概略図である。
図5】他の実施形態を示すハイブリッドエンジン装置の概略図である。
図6】エンジンの斜視図である。
図7】エンジンの要部の斜視図である。
図8】吸気パイプの一部断面斜視図である。
図9】エンジンの吸気パイプ部の断面図である。
図10】シーリングカップの斜視図である。
図11】収穫作業の制御を示す概略図である。
図12】収穫作業の制御を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、添付図面を参照して作業車両として農業用のトラクタに搭載した本願のハイブリッドエンジン装置を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
【0014】
<トラクタ1の全体構成>
図1の概略図に示すように、トラクタ1は、前後四輪駆動車両であって、機体の四隅部に左右前輪2L,2Rと左右後輪3L,3Rを備えている。左右前輪2L,2Rを支持する前輪軸ケースは前フレーム4の下側に取り付けられ、左右後輪3L,3Rを支持する後輪軸ケースはミッションケースの後部左右側面に取り付けられている。
【0015】
前フレーム4の中央上部にはボンネット5内に水冷式のエンジン6が搭載されていて、エンジン6の前方にラジエータ7が配設されていると共に、水冷式のモータジェネレータ8及び水冷式のリチウムイオンバッテリ9が配設されている。
【0016】
キャビン10内には、操縦パネル、ハンドル11及び座席12が設けられ、ハンドル11を左右に回転させると、操向アクチュエータを作動させて左右前輪2L,2Rが左右に操向される。
【0017】
また、キャビン10後部に設けた電動換気ファンを装備する換気口13に熱交換器14が設けられている。
【0018】
機体の後部には、昇降油圧シリンダで上下回動させる昇降装置15が設けられ、該昇降装置15にロータリ耕耘作業機16が装着されている。
【0019】
エンジン6及びモータジェネレータ8の回転動力は、主クラッチを経由してミッションケースに入力される。ミッションケースの入り口部には前後進クラッチが設けられ、伝動を入りきりすると共に前進と後進を切り替える構成となっている。また、前後進クラッチを経た動力は、左右前輪2L,2R及び左右後輪3L,3Rを駆動する走行駆動力と外部取り出し動力のPTO駆動力の二系統に伝動分岐される。
【0020】
走行駆動力は、前後進変速部,主変速部,副変速装置からなる走行変速装置を経て後車輪軸ケースの後輪デフ装置に伝達され、左右後輪3L,3Rを駆動し、後車輪軸ケースには左右ブレーキ装置を設けている。また、走行変速装置で変速された後の動力は、2WD/4WD切換え装置を経由し、ミッションケースの前面部に取り出され、更に前輪伝動軸により前車軸ケース内の前輪デフ装置に伝動され、左右前輪2L,2Rを駆動する。
【0021】
また、PTO駆動力は、PTOクラッチとPTO変速装置を経由し、ミッションケースの背面部から後方に突出するPTO軸に取り出される。PTO軸の突出部にロータリ耕耘作業機16への伝動軸が着脱自在に伝動連結するようになっている。
【0022】
そして、トラクタ1は、無線通信装置17とGNSS18と操縦パネル下方内部に設けた制御装置19が設けられている。
【0023】
制御装置19は、操向アクチュエータを作動させて左右前輪2L,2Rを左右操向して機体を自動操向制御し、変速アクチュエータを作動させて走行変速装置を自動変速制御し、2WD/4WD切換えアクチュエータを作動させて2WD/4WD切換え装置を2WD/4WDに自動切替え制御し、主クラッチ及び左右ブレーキ装置を主クラッチアクチュエータ及びブレーキアクチュエータにて作動させて機体の自動停止制御し、昇降油圧シリンダを作動させて昇降装置15によりロータリ耕耘作業機16を昇降制御し、PTOクラッチを作動させてロータリ耕耘作業機16の駆動を自動制御し、測位衛星20からの信号を受信してGNSS18にて位置情報を算出しながら作業経路R1に沿って自律走行して、自動的に耕耘作業をする。
【0024】
また、機体には左右傾斜センサ21が設けられ、機体の左右傾斜角度を検出して制御装置19に左右傾斜角度情報を出力する。
【0025】
そして、図2及び図3に示すように、制御装置19は、作業経路R1に沿って自律走行して自動的に耕耘作業をする際に、下記のように制御する。
【0026】
自律走行で耕耘を行なう場合、GNSS18の位置情報のみでは折り返し時の重なりが不十分になり、未耕耘箇所が残る可能性がある。
【0027】
そこで、耕耘作業時に既耕耘側に片輪2L,3L(2R,3R)を落とし、左右傾斜センサ21からの左右傾斜情報からトラクタ1が一定角度傾斜した状態(例えば、5度)になるように制御して走行する。
【0028】
その際に、図3に示すように、圃場自体の傾斜があるので、耕耘作業時の旋回直後のロータリ耕耘作業機16を下降する直前の左右傾斜センサ21からの左右傾斜情報によるトラクタ1の左右傾斜角度(例えば、-3度)から、既耕耘側への傾斜角度閾値(例えば、5度)を決定する。
【0029】
従って、既耕耘側に片輪2L,3L(2R,3R)を落としてトラクタ1が傾いた状態で耕耘することで、未耕耘箇所が残るのを防止できる。
【0030】
また、旋回直後のトラクタ1の傾斜角度から、既耕耘側への傾斜角度閾値を決定することで、圃場自体の傾きに影響されず制御することができる。
【0031】
<ハイブリッドエンジン装置>
ここで、ハイブリッドエンジン装置の説明をする。
【0032】
エンジン6と発電機及び電動機として機能するモータジェネレータ8のハイブリッド駆動構成は、一般的な構成で、エンジン6から突出した出力軸にはフライホイル6aを直結させており、フライホイル6aには動力継断用の主クラッチを介してミッションケースに駆動力を伝達する主動軸が連結されている。
【0033】
エンジン6の出力軸には、これに対する動力伝達方向を切り換えるための切換クラッチ機構を介して、発電機及び電動機として機能するモータジェネレータ8が動力伝達可能に連結されている。
【0034】
モータジェネレータ8は、インバータコンバータを介して、蓄電部材としてのリチウムイオンバッテリ9に電気的に接続されている。
【0035】
つまり、トラクタ1は、エンジン6と発電機及び電動機として機能するモータジェネレータ8にて駆動されるハイブリッドエンジン装置を備える。
【0036】
次に、水冷式のエンジン6の第1冷却水回路Aと水冷式のモータジェネレータ8及び水冷式のリチウムイオンバッテリ9の第2冷却水回路Bについて説明する。
【0037】
第1冷却水回路Aは、一般的な水冷式のエンジン6とラジエータ7を管路で連結した循環型冷却水回路であって、100度以下の温度で水冷式のエンジン6を冷却する。なお、循環水は、ラジエータ7を通過する際にラジエータファンにて冷やされる。
【0038】
第2冷却水回路Bは、水冷式のモータジェネレータ8及び水冷式のリチウムイオンバッテリ9とキャビン10後部に設けた熱交換器14を管路で連結した循環型冷却水回路であって、40度以下の温度で水冷式のモータジェネレータ8及び水冷式のリチウムイオンバッテリ9を冷却する。なお、循環水は、熱交換器14を通過する際に電動換気ファンにて冷やされて、熱気は換気口13からキャビン10外に排熱される。
【0039】
そして、制御装置19は、モータジェネレータ8及びリチウムイオンバッテリ9に設けた温度センサによる検出温度が温度情報として入力され、該温度情報により熱交換器14の電動換気ファンの作動を制御して、常にモータジェネレータ8及びリチウムイオンバッテリ9の温度を適切に管理する。
【0040】
従って、水冷式のモータジェネレータ8及び水冷式のリチウムイオンバッテリ9の第2冷却水回路Bを水冷式のエンジン6の第1冷却水回路Aとは別の冷却水回路とし、熱交換器14をキャビン10内の空気で冷却することで、モータジェネレータ8及びリチウムイオンバッテリ9を適切な温度で管理することができる。
【0041】
また、図4に示すように、DPFへのPM堆積量をECUで推定し、DPFの再生制御を開始する閾値まで残り5%(割合)になった時点でリチウムイオンバッテリ9の残量を減らすために積極的にモータジェネレータ8のアシストを行なう。なお5%は例示である。
【0042】
そして、DPF再生閾値までPMが堆積すると、DPF再生制御を実行すると共に、積極的にモータジェネレータ8にてリチウムイオンバッテリ9への充電を行なう。
【0043】
従って、DPF再生制御を実行する前にリチウムイオンバッテリ9の残量を少なくしておき、DPF再生制御に合わせてリチウムイオンバッテリ9の充電を行なうことでエンジン6に負荷を与え、排気温度が上昇し早期のDPF再生を行なうことができる。
【0044】
なお、単に、DPF再生制御に合わせて積極的にリチウムイオンバッテリ9の充電を行なうことで、エンジン6に負荷を与えて排気温度を上昇させて早期のDPF再生を行なうようにしても良い。
【0045】
<他の実施形態>
【0046】
(1)図5は、水冷式のエンジン6の1次冷却水回路Aから冷却水を取り出して水冷式のモータジェネレータ8及び水冷式のリチウムイオンバッテリ9の2次冷却水回路Cとした他の実施形態を示す概略図である。
【0047】
水冷式のエンジン6の1次(第1)冷却水回路Aのラジエータ7で冷却された水をエンジン6に送る管路に分岐25を設ける。
【0048】
そして、該分岐25からラジエータ7で冷却された水をポンプ26で取り出して熱交換器14に送り、熱交換器14で冷却した後にモータジェネレータ8及びリチウムイオンバッテリ9に送り、モータジェネレータ8及びリチウムイオンバッテリ9を冷却し、冷却後の水を流量調整及び逆流防止バルブ27を介して1次冷却水回路Aのエンジン6からラジエータ7に戻す管路に設けた分岐28にて戻す。
【0049】
そして、制御装置19は、モータジェネレータ8及びリチウムイオンバッテリ9に設けた温度センサによる検出温度が温度情報として入力され、該温度情報により熱交換器14の電動換気ファン14a、ポンプ26及び流量調整及び逆流防止バルブ27を制御して、常にモータジェネレータ8及びリチウムイオンバッテリ9の温度を適切に管理する。
【0050】
(2)図6及び図7に基づいて、エンジン6のオイルミストセパレータ30について説明する。
【0051】
従来は、フィルタ式のオイルミストセパレータ30をシリンダヘッドカバー31上に搭載していたが、フィルタ式オイルミストセパレータ30は定期的にフィルタを交換する必要がある(メンテナンスが必要)。
【0052】
そこで、ヘッドカバー31に直接取り付けるインパクタ式オイルミストセパレータ(CCB)30を搭載するエンジン6において、オイルミストセパレータ30内で分離された油を排出する油排出口を第1気筒32-1と第2気筒32-2のロッカーアームの間に配置し、ロッカーシャフトの中心軸より上側に油排出口を配置する。
【0053】
または、オイルミストセパレータ30内で分離された油を排出する油排出口を第2気筒32-2と第3気筒32-3のロッカーアームの間に配置し、ロッカーシャフトの中心軸より上側に油排出口を配置する。
【0054】
または、オイルミストセパレータ30内で分離された油を排出する油排出口を第3気筒32-3と第4気筒32-4のロッカーアームの間に配置し、ロッカーシャフトの中心軸より上側に油排出口を配置する。
【0055】
そして、オイルミストセパレータ30のガス出口をエンジン6前方向または横方向に向ける。
【0056】
従って、インパクタ式オイルミストセパレータ30をシリンダヘッドカバー31上にコンパクトに配置できる。
【0057】
また、オイルミストセパレータ30の分離油排出口をロッカーアームより上側に配置することで、オイル吸い込みによるエンジン吸気系汚損を防止できる。
【0058】
また、傾斜運転時に油が溜まりやすい第1気筒32-1のロッカーアームより前側及び第4気筒32-4のロッカーアームの後ろ側に排出口を配置しないことにより、オイル吸い込みによるエンジン吸気系汚損を防止できる。
【0059】
そして、オイルミストセパレータ30をシリンダヘッド31上面の第1気筒32-1と第2気筒32-2の間に配置し、ブローバイガスをシリンダ内に戻すリリーフバルブをシリンダヘッド31上面の第4気筒32-4の後側に配置する。
【0060】
従って、オイルミストセパレータ30を配置することにより、極寒時にブローバイ通路凍結による閉塞を回避できる。
【0061】
また、リリーフバルブを配置することにより、万が一凍結してもエンジン故障を防止できる。
【0062】
(3)極低温時にエンジン6を始動させるとエンジン6のシリンダヘッド31から排出されるブローバイガスが結露して凍結し、エンジン6の内圧が上がってオイル漏れを発生させてしまう。
【0063】
そこで、極低温時に始動後のCCVが凍結することによってシリンダヘッド31が損傷してオイルシールからの油漏れ等が発生することを抑制する為に、ブローバイラインに安全弁を設け、内圧上昇時にホースを介してブローバイガスを大気へ逃がす。
【0064】
また、図8に示すように、EGRガス通路を分岐させ、吸気パイプ35のEGRガス通路35a面積を絞る構成とし、ガス流速を早め、EGRガスと吸入空気との混合を促進して吸入空気との混合の均一化を図る。
【0065】
そして、EGRパイプの後方に設けたリヤブラケットにクーリングファンからの冷却風が抜ける孔設けることでEGRガスの冷却効果を向上させる。
【0066】
また、図9及び図10に示すように、シーリングカップ37に半円筒状のガイド板36aを設け、EGRガスが吸気パイプ35の吸気通路38の中央部で吸入空気と混合することで、EGRガスと吸入空気との混合を促進して均一化を図る。
【0067】
(4)図11及び図12は、無線通信装置17とGNSS18を装備した自動運転コンバイン40が測位衛星20からの信号を受信してGNSS18にて位置情報を算出しながら作業経路に沿って自律走行して自動的に収穫作業をする際に、ドローン41からの圃場の稲穂の倒伏状態の情報を参照して収穫制御する概略図を示す。
【0068】
収穫作業時に、正常な稲穂と倒伏した稲穂を一緒に刈取ると、良質米と低品質米が混在し等級が下がってしまう。
【0069】
そこで、無線通信装置、GNSS及びカメラを装備したドローン41が圃場上空を飛んで、GNSSによるドローン41の位置情報及びカメラによる撮影画像情報をサーバ42aまたはタブレット等の携帯端末42aに送信する。
【0070】
サーバ42aまたは携帯端末42aは、送られてきた位置情報及び圃場の画像情報から、画像解析して圃場の形状及び稲穂の倒伏状態の情報をマップ化し、自動運転コンバイン40に送信する。
【0071】
自動運転コンバイン40は、送られてきた稲穂の倒伏状態のマップ情報から、自律走行して正常な稲穂の範囲のみを先行で刈取りし、籾を排出した後に、残りの倒伏した稲穂を刈取る。
【0072】
従って、正常な稲穂と倒伏した稲穂を分けて収穫することで等級が下がることを防ぐことができる。
【符号の説明】
【0073】
1 作業車両(トラクタ)
6 エンジン
7 ラジエータ
8 モータジェネレータ
9 バッテリ(リチウムイオンバッテリ)
10 キャビン
13 換気口
14 熱交換器
14a 電動換気ファン
A 第1冷却水回路
B 第2冷却水回路
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11
図12