JP2006002568A - 冷却装置を備えたモータアシストターボ過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関のモータアシストターボ過給機に対する冷却手段として作動性能と製造コストの観点から好ましい調和のとれた冷却装置を提供する。
【解決手段】内燃機関のモータアシストターボ過給機は、アシスト用モータと該モータのためのインバータに対する冷却装置を備え、該冷却装置はインバータとモータのいずれか一方のみを冷却することもできるようになっており、またインバータの冷却をモータの冷却に優先させることもできるようになっている。
【選択図】図３

Description

本発明は、電動機（モータ）により補助駆動（アシスト）される内燃機関のターボ過給機に係り、特にモータと該モータのためのインバータに対する冷却装置を備えたモータアシストターボ過給機に係る。

内燃機関の排気によりタービンを駆動し、それによってコンプレッサを回して内燃機関の吸気を加圧するターボ過給機に補助駆動用モータを組み込むことは、例えば下記の特許文献１に示されている如く公知である。更にこの特許文献１には、圧縮空気をノズルより吹きつけることにより同モータを冷却することが示されている。またターボ駆動用モータを冷却水によって冷却することも、下記の特許文献２に示されている。また下記の特許文献３には、内燃機関とモータの両方により駆動できるようになったヒートポンプ装置に於いて、内燃機関とモータに対し別々の冷却水回路設けることが示されている。
特開平−２５６１５５ 特開２００１−１７３５９１ 特開２００１−２７２１３５

内燃機関のモータアシストターボ過給機については、上記の各特許文献にも例示されている如くターボ過給機に組み込まれたモータに冷却を施してこれを過熱から保護することも重要ではあるが、特に車輌用内燃機関のモータアシストターボ過給機では、モータはバッテリからの電流によりインバータを経て駆動され、インバータにも相当の発熱を生ずるので、インバータに対しても何らかの確実な冷却手段が施されるべきである。

インバータの過熱は素子の破損を招く虞れがあり、モータの過熱はコイルの焼きつき生ずる虞れがあるが、インバータ素子を過熱による破損から保護する限界温度は、モータコイルを過熱による焼きつきから保護する限界温度をより低く設定されることが望まれる。しかし、いずれにしても、これらの限界温度は内燃機関の冷却水温度に近いので、インバータやモータの冷却系を内燃機関の冷却装置の一部に組み込むことには、熱交換効率の上で問題がある。

一方、内燃機関のターボ過給機は、内燃機関の運転上常に必須とされる装置ではなく、ましてターボ過給機の作動を助けるモータが作動せずともターボ過給機は作動できることから、モータアシストターボ過給機に於けるモータの必要度は不断のものではない。従って、もしモータに過熱が生ずる恐れがあるときには、一時モータへの通電を停止することも許されない訳ではない。

本発明は、上記の諸事項に鑑み、内燃機関のモータアシストターボ過給機に対する冷却手段として、作動性能と製造コストの観点から好ましい調和のとれた冷却装置を提供すること課題としている。

上記の課題を解決するものとして、本発明は、内燃機関のモータアシストターボ過給機にして、アシスト用モータと該モータのためのインバータに対する冷却装置を備え、該冷却装置は前記インバータと前記モータのいずれか一方のみを冷却することもできるようになっていることを特徴とするモータアシストターボ過給機を提案するものである。

或はまた、上記の課題は、内燃機関のモータアシストターボ過給機がアシスト用モータと該モータのためのインバータに対する冷却装置を備え、前記冷却装置は冷却媒体がラジエータ、ポンプ、インバータ、モータをこの順に周って循環する第一の作動態様と、冷却媒体が前記モータをバイパスし、ラジエータ、ポンプ、インバータをこの順に周って循環する第二の作動態様の間に切り換えられるようになっていることによっても解決される。

前記冷却装置は、前記インバータの出口に於ける冷却媒体温度が所定のインバータ出口温度を越えないか越えるかに応じて前記第一の作動態様と前記第二の作動態様の間に切り換えられてよい。

内燃機関が停止されたとき、前記モータの温度が所定のモータ温度を越えているときには、前記冷却装置を前記第一の作動態様にして前記モータの温度が該所定のモータ温度になるまで前記ポンプが運転されるようになっていてよい。

前記モータはその温度が所定のモータ温度を越えたときには通電を禁止されるようになっていてよい。また、前記インバータの出口の冷却媒体温度が所定のインバータ出口温度を越えたときには、前記モータへの通電が制限されるようになっていてよい。

前記ラジエータは電動ファンを備えており、前記ウォータポンプが運転されるときには前記電動ファンが運転されるようになっていてよい。

内燃機関のモータアシストターボ過給機が、アシスト用モータと該モータのためのインバータに対する冷却装置を備え、該冷却装置が前記インバータと前記モータのいずれか一方のみを冷却することもできるようになっていれば、インバータの温度が或る所定の限界値を越えたか否かの判別と、モータの温度が或る所定の限界値を越えたか否かの判別とに応じて４つの異なる状態のそれぞれに対し個別に対処することができる。

特に前記冷却装置がラジエータ、ポンプ、インバータ、モータをこの順に周って冷却媒体が循環する第一の作動態様と、冷却媒体が前記モータをバイパスし、ラジエータ、ポンプ、インバータをこの順に周って循環する第二の作動態様の間に切り換えられるようになっていれば、インバータの冷却の方がモータの冷却に対し優先されるのが好ましいことに鑑み、インバータの温度を或る所定の第一の設定置以下に保ち、モータの温度を前記第一の設定値よりは高い或る所定の第二の設定値以下に保つような冷却装置を、常時は冷却媒体がインバータよりモータを通って順に流れ、その後、ラジエータおよびポンプへ戻されるような、単純な流路系によって構成することができ、その上で何らかの理由によりインバータ出口に於ける冷却媒体温度が上昇し、インバータを冷却した後の冷却媒体では更にモータを冷却するに適さない状態が生じたときには、冷却媒体にモータをバイパスさせ、冷却媒体を直にラジエータおよびポンプへ戻すようにしてインバータに対する冷却効果を高め、その冷却を確保することができるような冷却装置が得られる。

内燃機関が停止されたとき、モータの温度が所定のモータ温度を越えているときには、冷却装置を前記第一の作動態様にしてモータの温度が該所定のモータ温度になるまで前記ポンプが運転されるようになっていれば、モータの温度が所定のモータ温度を越えているときには、機関停止後にも引き続いてモータの冷却を行っておくことができる。

上記の通りモータアシストターボ過給機に於けるモータの作動は常時必須ではないので、モータはその温度が所定のモータ温度を越えたときには通電を禁止されるようになっていれば、モータがその作動により過熱状態となることを確実に回避することができる。また、モータの温度が前記の所定モータ温度を越えなくても、インバータ出口の冷却媒体温度が所定のインバータ出口温度を越えたときには、モータへの通電が制限されるようになっていれば、これによってインバータの温度を下げることができる。

ラジエータが電動ファンを備え、ウォータポンプが運転されるときにはかかる電動ファンが運転されるようになっていれば、車輌が停止状態にあり、走行風によるラジエータの冷却が得られないときにも、冷却装置による上記の如き各機能を発揮させることができる。

図１は、本発明による冷却装置を水冷式として備えた内燃機関のモータアシストターボ過給機を一つの実施の形態に於いて示す概略図である。図にて符号１０により全体的に示されたモータアシストターボ過給機は、図には示されていない内燃機関の排気により駆動されるタービン１２と、コンプレッサ１４と、アシストモータ１６とを含んでおり、タービンのロータ１８が軸２０を経てコンプレッサのロータ２２を駆動し、またモータの固定子２４に於けるコイル２６が通電されることにより、軸２０上に設けられた回転子２８に補助の駆動力が付加されるようになっている。３０は軸２０に対する軸受装置である。

モータ１６には、それを冷却するための冷却水流路３２が固定子２４とそのコイル２６の周りを取り囲むように形成されており、この冷却水流路を通ってウォータポンプ３４により起こされる水流が貫流されるようになっている。この場合、ウォータポンプ３４より吐出された冷却水流は、図には示されていないバッテリからの電流によりモータ１６を作動させるインバータ３６に設けられた冷却水流路にも通されてインバータおよびそれに付属するコントローラを冷却するようになっており、三方弁３８の切換えにより、インバータ３６とモータ１６の両方を冷却する作動態様の他に、インバータ３６のみまたはモータ１６のみを冷却する作動態様もとれるようになっている。水流はその後ラジエータ４０へ導かれ、放熱されてウォータポンプ３４の吸い込み口へ戻される。三方弁３８の切換えは、マイクロコンピュータを組み込んだ車輌用電子式制御装置（ＥＣＵ）４２により、その車輌運転制御の一環として制御されるようになっている。電子式制御装置４２には、図には示されていない各種のセンサから機関回転数、車速、アクセルペダルの踏込みによるスロットル開度、ブレーキペダルの踏込みによるブレーキ油圧、その他の車輌運転状態に関する情報Ｉが供給されているほか、特に温度センサ４４よりインバータの出口に於ける冷却水の温度Ｔibを示す信号、および温度センサ４６よりモータ１６の温度Ｔmを示す信号が供給されている。

電子式制御装置４２は、一つの実施の形態として、インバータ出口温度Ｔibとモータ温度Ｔmに応じて、三方弁３８の切換えとモータ１６への通電を制御する。この場合、モータとインバータに対する冷却装置が、三方弁３８の切換えにより、インバータとモータのいずれか一方のみを冷却することもできるようになっているので、インバータとモータのそれぞれの温度状態に対して、図２に示されている如き４つの領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを分ければ、それぞれに対応した制御が可能である。即ち、領域Ｂに於いてはインバータのみを冷却し、領域Ｃに於いてはモータのみを冷却し、領域Ｄに於いてはインバータとモータの両方を冷却するようにしてよい。尚、過給機に於けるアシストモータの作動は必ずしも必須ではないので、領域ＣおよびＤについては、モータへの通電を禁止することも対処の一つである。

上記の如くインバータとモータに対する冷却装置がインバータとモータのいずれか一方のみを冷却することもできるようになっていれば、領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを区別してそれぞれに対処した制御が可能であるが、インバータとモータとでは冷却を要する限界温度が異なり、その温度はモータに於ける温度の方がインバータに於ける温度よりも高くてよい。また、上記の通り、モータは温度が上昇したときにも、いざとなれば通電が停止されればそれで済む。このことに鑑みれば、インバータとモータに対する冷却装置は、インバータの冷却をモータの冷却に優先させるものであってよいことが考えられる。図３はそのような冷却装置によるモータアシストターボ過給機の一つの実施の形態を示す図１と同様の概略図である。図３において、図１に示す部分に対応する部分には、図１に於けると同じ符号を付し、それらの部分についての重複した説明は明細書の冗長化をさけるため省略する。

この実施の形態に於いては、モータ１６の冷却水流路３２は三方弁４８を介してインバータ３６の冷却水通路の後に接続されている。そして、図２に示されている如き４つの領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄに対し、三方弁４８の切換えとモータ１６への通電が図３の表に示す如く制御される。

この場合、インバータ出口温度Ｔibがその素子を過熱から保護するに適当な所定の限界温度Ｔ１を越えておらず、モータ温度Ｔmもそのコイルを過熱から保護するに適当な所定の限界温度Ｔ２を越えていない領域Ａに於いては、三方弁４８は切換え方向Ｎに切り換えられ、冷却水はインバータとモータとを順に通って循環され、またモータへの通電は過給機の運転状態に応じて特に制限なく行われる（ＯＮ）。

インバータ出口温度Ｔibが限界温度Ｔ１を越えたが、モータ温度Ｔmは限界温度Ｔ２を越えていない領域Ｂに於いては、三方弁４８は切換え方向Ｌに切り換えられ、冷却水はインバータを通るがモータをバイパスして循環される。かかる領域では、モータは一応作動されてよいが、その温度状況に応じて通電量は適当に制限されるのが好ましい。

インバータ出口温度Ｔibは限界温度Ｔ１を越えていないが、モータ温度Ｔmが限界温度Ｔ２を越えた領域Ｃに於いては、三方弁４８は切換え方向Ｎに切り換えられ、モータへの通電は停止される（ＯＦＦ）。この場合、モータへの通電が行われず、従ってまたインバータへの負荷もかからない状態で、モータを通る冷却水の循環が行われるので、モータの温度は急速に下げられる。

インバータ出口温度Ｔibが限界温度Ｔ１を越え、モータ温度Ｔmも限界温度Ｔ２を越えた領域Ｄに於いては、三方弁４８は切換え方向Ｌに切り換えられ、冷却水はモータをバイパスして循環され、またモータへの通電も停止される。

図５は、上記の如く三方弁４８が切り換えられ、またモータ１６への通電が制御される態様と、更にこれに加えて内燃機関が停止されたとき、インバータおよびモータの温度状況に応じて、それらに対し補足冷却を施す態様の例を示すフローチャートである。

車輌のキースイッチの如き運転スイッチが閉じられ、車輌の運転が開始されると、ステップ１にて機関が停止されたか否かが判断される。答がノーのときには、制御はステップ２へ進み、ウォータポンプ３４が作動（ＯＮ）され、またラジエータ４０に冷却ファンが設けられているときには、それも作動される。

次いで制御はステップ３へ進み、インバータ出口温度Ｔibが上記の所定限界値温度Ｔ１以上であるか否かが判断される。答がノーであるときには、制御はステップ４へ進み、三方弁４８が切換え方向Ｎに切り換えられる。

次いで制御はステップ５へ進み、モータ温度Ｔmが上記の所定限界温度Ｔ２以上であるか否かが判断される。答がノーであれば、制御はステップ６へ進み、モータは過給機の作動制御に応じて特に制限なく作動される。しかし、ステップ５の答がイエスであるときには、制御はステップ７へ進み、モータへの通電を停止される（ＯＦＦ）。

ステップ３の答がイエスのときには、制御はステップ８へ進み、三方弁４８はＬ方向に切り換えられる。このときには、制御は更にステップ９へ進み、モータ温度Ｔmが上記の所定限界温度Ｔ２以上であるか否かが判断される。答がイエスであれば、制御はステップ７へ進み、モータへの通電が停止される。答がノーであれば、制御はステップ１０へ進み、モータは作動されるが、その温度状況に応じて作動は制限される。

ステップ１の答えがイエスであるとき、即ち、運転スイッチが開かれることにより一度運転が開始された内燃機関が停止されたときには、制御はステップ１１へ進み、運転スイッチが開かれても、このターボ過給機に対する冷却装置の作動を維持する措置が講じられる。

次いで制御はステップ１２へ進み、インバータ出口温度Ｔibが所定限界温度Ｔ１以上であるか否かが判断される。答がイエスであるときには、制御はステップ１３へ進み、三方弁４８を切換え方向Ｌに切り換えた状態で冷却装置の運転が続けられる。これは、インバータ出口温度Ｔibが温度Ｔ１に下がるまで続けられる。

インバータ出口温度Ｔibが温度Ｔ１まで下がり、ステップ１２の答がイエスからノーに転ずると、制御はステップ１４へ進み、モータ温度Ｔmが所定限界温度Ｔ２以上であるか否かが判断される。答がイエスであるときには、制御はステップ１５へ進み、三方弁４８を切換え方向Ｎに切り換え、その状態で冷却装置の運転が続けられる。これは、モータ温度Ｔmが温度Ｔ２に下がるまで続けられる。

モータ温度Ｔmが温度Ｔ２に下がり、ステップ１４の答がイエスからノーに転ずると、制御はステップ１６へ進み、ステップ１１にて行われた冷却装置の作動維持が解除され、これにて機関停止後のインバータおよび／またはモータの追加冷却は終了する。

以上に於いては本発明を２つの実施の形態について詳細に説明したが、これら実施の形態について本発明の範囲内にて種々の変更が可能であることは当業者にとって明らかであろう。

本発明による冷却装置を備えた内燃機関のモータアシストターボ過給機を一つの実施の形態に於いて示す概略図。 図１に示すモータアシストターボ過給機の冷却装置が制御される態様を４つの領域に分けて示すグラフ。 本発明による冷却装置を備えた内燃機関のモータアシストターボ過給機を他の一つの実施の形態に於いて示す概略図。 図３に示すモータアシストターボ過給機に於いて、図２に示されている４つの領域に於ける三方弁の切換え方向とモータへの通電の如何を示す表。 図３に示すモータアシストターボ過給機に於いて、三方弁が切り換えられ、モータへの通電が制御される態様に、内燃機関が停止されたとき、インバータおよびモータの温度状況に応じて、それらに対し補足冷却を施す態様を加えた例を示すフローチャート

符号の説明

１０…モータアシストターボ過給機、１２…タービン、１４…コンプレッサ、１６…アシストモータ、１８…タービンロータ、２０…軸、２２…コンプレッサロータ、２４…モータ固定子、２６…固定子コイル、２８…モータ回転子、３０…軸受装置、３２…モータ冷却水流路、３４…ウォータポンプ、３６…インバータ、３８…三方弁、４０…ラジエータ、４２…電子式制御装置（ＥＣＵ）、４４，４６…温度センサ、４８…三方弁

Claims (7)

1. 内燃機関のモータアシストターボ過給機にして、アシスト用モータと該モータのためのインバータに対する冷却装置を備え、該冷却装置は前記インバータと前記モータのいずれか一方のみを冷却することもできるようになっていることを特徴とするモータアシストターボ過給機。
2. 内燃機関のモータアシストターボ過給機にして、アシスト用モータと該モータのためのインバータに対する冷却装置を備え、該冷却装置は冷却媒体がラジエータ、ポンプ、インバータ、モータをこの順に周って循環する第一の作動態様と、冷却媒体が前記モータをバイパスし、ラジエータ、ポンプ、インバータをこの順に周って循環する第二の作動態様の間に切り換えられるようになっていることを特徴とするモータアシストターボ過給機。
3. 前記冷却装置は、前記インバータの出口に於ける冷却媒体温度が所定のインバータ出口温度を越えないか越えるかに応じて前記第一の作動態様と前記第二の作動態様の間に切り換えられることを特徴とする請求項２に記載のモータアシストターボ過給機。
4. 内燃機関が停止されたとき、前記モータの温度が所定のモータ温度を越えているときには、前記冷却装置を前記第一の作動態様にして前記モータの温度が該所定のモータ温度になるまで前記ポンプが運転されるようになっていることを特徴とする請求項２または３に記載のモータアシストターボ過給機。
5. 前記モータはその温度が所定のモータ温度を越えたときには通電を禁止されるようになっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のモータアシストターボ過給機。
6. 前記インバータの出口の冷却媒体温度が所定のインバータ出口温度を越えたときには、前記モータへの通電が制限されるようになっていることを特徴する請求項１〜５のいずれかに記載のモータアシストターボ過給機。
7. 前記ラジエータは電動ファンを備えており、前記ポンプが運転されるときには前記電動ファンが運転されるようになっていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のモータアシストターボ過給機。
   

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