JP2005248799A

JP2005248799A - 電動機一体型ターボチャージャ

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Publication number: JP2005248799A
Application number: JP2004059348A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Takahashi; 高橋　　毅; Kenji Ogimoto; 健治荻本
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 2004-03-03
Filing date: 2004-03-03
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2024-03-03
Also published as: JP4367628B2

Abstract

【課題】冷却性能の良好な浮動ブッシュを軸受として用い、なおかつコンプレッサホイール側に潤滑油が漏れる恐れをなくし、しかも軸のラジアル軸受を、電動機のロータの両側に配して軸の回転バランスを良好なものとすることのできる電動機一体型ターボチャージャを提供する。
【解決手段】軸１を支持するラジアル軸受のうち、タービンホイール２側を浮動ブッシュ５、コンプレッサホイール３側を潤滑油の供給を要さない軸受（例えば空気を潤滑流体とする動圧軸受）６とし、これらの間にモータロータ１０を配置し、このモータロータ１０と浮動ブッシュ５の間にシール９を配置することにより、排気ガスにより温度上昇しやすいタービンホイール２の近傍を冷却性能に優れた浮動ブッシュ５により冷却し、コンプレッサホイール３側には潤滑油の供給を要さない軸受６を配置して、エンジンの吸気に潤滑油が混入することを防止するとともに、モータロータ１０を２つのラジアル軸受の間に配置することで回転バランスを良好なものとする。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関のターボチャージャに関し、更に詳しくは、補助駆動用の電動機が一体化されたターボチャージャに関する。

内燃機関において吸気の過給動作を行うターボチャージャにおいては、一般に、排気通路に設けられ、排気ガスにより回転するタービンホイールと、吸気通路に設けられ、回転により吸気の過給動作を行うコンプレッサホイールとが、軸の両端部分に設けられた構造を採る。

このようなターボチャージャにおいては、軸が高速度で回転するとともに、特にタービンホイール側が高温の環境下に曝されるため、その軸受装置としてセラミックのボールを用いた玉軸受を用いるほか、空気を潤滑流体とする２つの動圧軸受により軸を支持するもの（例えば特許文献１参照）など、種々の提案がなされているが、ラジアル軸受として浮動ブッシュを用いたものが、熱伝導が良好で装置の冷却を行いやすく、また、ダンパ効果を期待することができるが故に優れている。その例を図２に示す。

この図２に示す例では、一端にタービンホイール２１を、他端にコンプレッサホイール２２を取り付けた軸２３を、所定のスパンを開けて２つの浮動ブッシュ２４，２５で支持するとともに、コンプレッサホイール２２側の浮動ブッシュ２５に隣接してスラスト軸受２６を設けている（例えば非特許文献１参照）。

浮動ブッシュ２４，２５は、軸２３およびハウジング２７の双方に対して隙間を持ち、外周から内周に通じる貫通孔を有し、ハウジング２７に設けられた給油路２７ａを通じて強制的に供給された潤滑油が、その貫通孔を介して内周側にも流れ込み、軸２３およびハウジング２７の双方に対して潤滑されつつ相対回転する。また、スラスト軸受２６は、軸２３に固着されたカラー２６ａと、ハウジング２７側に固着されている円板状部材２６ｂによって構成され、これらの間にも潤滑油が強制的に供給され、円板状部材２６ｂに形成されたテーパランドの作用により油膜の発生が助長されるようになっている。

ところで、ターボチャージャは、一般に、内燃機関の回転数がある一定の回転数に達しないと有効に過給動作を行わない、いわゆるターボラグと称される現象があり、これを防止するために、従来、ターボチャージャの軸の外周に永久磁石を取り付けるとともに、その外側にモータステータを配置して、内燃機関の回転数が低いときに軸をモータロータとして補助的に電動駆動する、いわゆる電動機一体型のターボチャージャが知られている（例えば特許文献１参照）。

このような電動機一体型のターボチャージャの軸の支持に、前記した利点を有する浮動ブッシュを適用することが試みられており、その例を図３に示す（例えば非特許文献２参照）。この例では、タービンホイール３１およびコンプレッサホイール３２を両端に取り付けた軸３３を２つの浮動ブッシュ３４，３５で支持するとともに、モータロータを形成する永久磁石３６およびその外側に配置されれるモータステータ３７の軸方向位置は、図示のようにコンプレッサホイール３３と浮動ブッシュ３５の間とし、永久磁石３６と浮動ブッシュ３５の間にメカニカルシール３８を配置した構造としている。
五味勉著「自動車工学全書４ガソリンエンジン」山海堂出版１９８０年ｐ．１６７−１６９特開昭５８−３７３１９号公報特開平７−２５９５７６号公報 S.M.Shahed「Smart Boosting System e-Turbo(TM) and e-Charger(TM) "New Frontier?」[online] August 6-9,2001 US Department of Energy Diesel Engine Emission Reduction Workshop ［平成１６年２月１０日研削］、インターネット＜ＵＲＬ；http://www.osti.gov/fcvt/deer2001/shaheds.pdf ＞

ところで、ターボラグをなくするべく電動機を一体化したターボチャージャにおいて、その軸を支持する軸受として、冷却性能をはじめとする前記した多くの利点を有する浮動ブッシュを採用した図３に示す構造のものが最も実用的であると言えるが、この構造においては、電動機に浮動ブッシュを強制潤滑するための潤滑油が漏れて漏電の恐れをなくすと同時に、コンプレッサホイール３２側にその潤滑油が漏れてエンジン効率を低下させないために、２つの浮動ブッシュ３４，３５と電動機のロータを構成する永久磁石３６との間にメカニカルシール３８を設けているのであるが、この構造では、永久磁石３６からなるモータロータとコンプレッサホイール３３が実質的に片持ち支持となり、軸３３の回転バランスが悪くなるという問題がある。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、冷却性能の良好な浮動ブッシュを軸受として用い、なおかつコンプレッサホイール側に潤滑油が漏れる恐れをなくし、しかも軸のラジアル軸受を、電動機のロータの両側に配して軸の回転バランスを良好なものとすることのできる電動機一体型ターボチャージャを提供することをその課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明の電動機一体型ターボチャージャは、内燃機関の排気通路中に配置されるタービンホイールと、吸気通路中に配置されるコンプレッサホイールとが、軸の両端部にそれぞれ取り付けられ、排気ガスによるタービンホイールの回転エネルギをコンプレッサホイールに伝達して吸気過給動作を行うとともに、上記軸には、上記タービンホイールとコンプレッサホイールの間に永久磁石が取り付けられてモータロータを形成し、その外側にモータステータが配置されてなる電動機一体型ターボチャージャにおいて、上記軸を支持するラジアル軸受のうち、タービンホイール側は潤滑油が循環供給される浮動ブッシュであり、かつ、コンプレッサホイール側は潤滑油の供給を要さない軸受であって、これらの２つの軸受の間に上記モータロータが形成されているとともに、このモータロータと上記浮動ブッシュとの間に潤滑油を封止するためのシールが設けられていることによって特徴づけられる（請求項１）。

ここで、本発明においては、上記コンプレッサホイール側の軸受を、空気を潤滑流体とする動圧軸受とする構成（請求項２）を好適に採用することができる。

本発明は、潤滑油が強制的に循環供給されることにより冷却性能に優れた浮動ブッシュを、温度が上昇しやすいタービンホイール側に配置するとともに、潤滑油の漏れがエンジン効率に影響を与えるコンプレッサホイール側には、オイル漏れの恐れの少ない、潤滑油の供給を要さない軸受を配置し、これら２つの軸受の間にモータロータを配置することにより、所期の目的を達成しようとするものである。

すなわち、高温の排気ガスに曝されるタービンホイール側に、潤滑油の循環供給により冷却性能に優れた浮動ブッシュを配置する一方、温度上昇の少ないコンプレッサホイール側には、潤滑油の供給を要さない軸受を配置し、潤滑油がコンプレッサホイール側に漏れることを防止する。そして、モータロータは、これらの２つの軸受の間に配置し、このモータロータと浮動ブッシュの間にシールを配置することにより、回転バランスを良好なものとしながら、モータロータ側に潤滑油が漏れることを防止することができ、しかもタービンホイールとモータロータの間に浮動ブッシュが介在しているが故に、モータロータにまでタービンホイールの熱が伝達されにくく、電動機の温度上昇に伴う悪影響を受けにくい。

本発明において、コンプレッサホイール側に配置される軸受は、潤滑油の供給を要さない軸受であれば特に限定されることなく、例えばセラミック玉軸受などを用いることができるが、請求項２に係る発明のように、空気を潤滑流体とする動圧軸受を採用することにより、玉軸受を用いる場合のようにグリースも不要となり、しかも、空気を潤滑流体とする動圧軸受はシール効果を有しているため、コンプレッサホイール側への油の漏れをより確実に防止することができる。

本発明によれば、排気により高温化しやすいタービンホイール側に、強制潤滑されて冷却性能に優れた浮動ブッシュを配置し、潤滑油の漏れによる影響の大きいコンプレッサホイール側には潤滑油の供給を要さない軸受を配置して、これら２つの間にモータロータを配置するとともに、このモータロータと浮動ブッシュの間にシールを配置した構造としているので、排気により高温化するタービンホイールの熱を有効に冷却してモータロータに伝達してその出力低下を招くことを防止することができるとともに、コンプレッサホイール側に潤滑油が漏れることを有効に防止することができ、しかもモータロータが２つの軸受の間に配置されるが故に回転バランスに優れたターボチャージャが得られる。

また、請求項２に係る発明のように、コンプレッサホイール側の軸受を空気を潤滑流体とする動圧軸受とすることにより、コンプレッサホイール側への潤滑油の漏れをより確実に防止することができ、潤滑油が吸気に混入することによるエンジン効率の低下の発生を防止することができる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態の構成を示す軸平行断面図である。

軸１の一端側にタービンホイール２が設けられており、他端側にはコンプレッサホイール３が設けられている。タービンホイール２はエンジンの排気通路に置かれ、排気によって回転する。また、コンプレッサホイール３はエンジンの吸気通路に置かれ、タービンホイール２の回転が軸１を通じて伝達され、この回転により空気を圧縮してエンジンに供給する。そして、これらのタービンホイール２およびコンプレッサホイール３が両端に設けられた軸１は、その全体がハウジング４内に２つのラジアル軸受、すなわち浮動ブッシュ５と、空気を潤滑流体とするの動圧軸受６、および１つのスラスト軸受７によって回転自在に収容されている。

２つのラジアル軸受のうち浮動ブッシュ５はタービンホイール２側に設けられており、動圧軸受６はコンプレッサホイール３側に設けられている。また、浮動ブッシュ５に隣接してタービンホイール２と反対側にスラスト軸受７が配置されている。浮動ブッシュ５およびスラスト軸受７は、前記した図２に示したものと同等のものであり、ハウジング４に形成された潤滑油供給路４ａを通じて潤滑油が強制的に循環供給される。また、浮動ブッシュ５の位置に対応して、ハウジング４にウォータージャケット４ｂが形成されており、このウォータージャケット４ｂに冷却水が流されることによって、浮動ブッシュ５およびスラスト軸受７、およびこれらに供給される潤滑油が冷却される。また、タービンホイール２と浮動ブッシュ５との間には、ピストンリング式のメカニカルシール８が設けられている。

動圧軸受６は、軸１に圧入固定されたスリーブ６ａと、その外側に所定の隙間を開けてハウジング４にシールリング６ｃを介して装着されたブッシュ６ｂによって構成されている。スリーブ６ａの外周面には公知のヘリンボーン形状の動圧溝が形成され、軸１の回転時にはその動圧溝のポンピング作用により、ブッシュ６ｂとの間に空気の動圧を発生して空気の膜が形成され、この流体膜によってスリーブ６ａとブッシュ６ｂ間が非接触状態に保たれる。

前記したスラスト軸受７に隣接して浮動ブッシュ５と反対側には、カーボン材からなるメカニカルシール９が設けられている。そして、このメカニカルシール９と動圧軸受６との間に、軸１の外周に永久磁石１０ａを固着してなるモータロータ１０が設けられている。このモータロータ１０の外側には、ハウジング４に固着されたモータステータ１１が配置されており、このモータステータ１１とモータロータ１０によってブラシレスモータを構成し、モータステータ１１の各コイル１１ａに電流を流すことによって、モータロータ１０が、従って軸１が回転するように構成されている。

以上の実施の形態によると、高温の排気ガスにより回転が与えられることに起因して高温となるタービンホイール２側に、潤滑油が強制的に供給されるとともにウォータージャケット４ｂとの併用により冷却性能の高い浮動ブッシュ５が配置されているので、タービンホイール２およびその近傍を有効に冷却することができ、また、ダンパ効果も期待することができる。しかも、潤滑油漏れによりエンジン性能に悪影響を及ぼすコンプレッサホイール３側には、潤滑油を要さず、かつ、それ自体でシール効果を有する、空気を潤滑流体とする動圧軸受６が配置されているため、エンジンの吸気に潤滑油が混入する恐れがない。そして、上記のように冷却性能およびダンパ効果を有する浮動ブッシュ５を用いながら、ターボチャージャを補助駆動するための電動機を２つの軸受の間に配置して良好な回転バランスを得ている。

なお、以上の実施の形態においては、コンプレッサホイール３側に空気を潤滑流体とする動圧軸受６を設けた例について述べたが、この動圧軸受６に代えて、例えばセラミックを転動体とするグリース潤滑の転がり軸受を用いても、上記に準じた効果を奏することができる。

本発明の実施の形態の軸平行断面図である。ラジアル軸受として２つの浮動ブッシュを用いた従来のターボチャージャの構成例を示す軸平行断面図である。補助駆動用電動機を備え、かつ、浮動ブッシュを用いた従来の電動機一体型ターボチャージャの構成例を示す軸平行断面図である。

符号の説明

１軸
２タービンホイール
３コンプレッサホイール
４ハウジング
４ａ潤滑油供給路
４ｂウォータージャケット
５浮動ブッシュ
６動圧軸受
６ａスリーブ
６ｂブッシュ
７スラスト軸受
８，９メカニカルシール
１０モータロータ
１０ａ永久磁石
１１モータステータ
１１ａコイル

Claims

内燃機関の排気通路中に配置されるタービンホイールと、吸気通路中に配置されるコンプレッサホイールとが、軸の両端部にそれぞれ取り付けられ、排気ガスによるタービンホイールの回転エネルギをコンプレッサホイールに伝達して吸気過給動作を行うとともに、上記軸には、上記タービンホイールとコンプレッサホイールの間に永久磁石が取り付けられてモータロータを形成し、その外側にモータステータが配置されてなる電動機一体型ターボチャージャにおいて、
上記軸を支持するラジアル軸受のうち、タービンホイール側は潤滑油が循環供給される浮動ブッシュであり、かつ、コンプレッサホイール側は潤滑油の供給を要さない軸受であって、これら２つの軸受の間に上記モータロータが形成されているとともに、このモータロータと上記浮動ブッシュとの間に潤滑油を封止するためのシールが設けられていることを特徴とする電動機一体型ターボチャージャ。
上記コンプレッサホイール側の軸受が、空気を潤滑流体とする動圧軸受であることを特徴とする請求項１に記載の電動機一体型ターボチャージャ。