JP2006242154A - 車両用エンジンユニット - Google Patents

Abstract

【課題】 エンジンルーム内での配置の自由度が高く、機械的ロスの少ない高効率の車両用エンジンユニットを提供する。
【解決手段】 エンジンＥから排出された排気ガスが流れる排気通路３の途中に、排気ガスで駆動されて発電するタービン発電機１を配置し、ここから発生する電気をバッテリＢに充電するとともに、回転駆動を必要とする補機Ｈ_１，Ｈ_２・・・の回転軸にそれぞれモータＭ_１，Ｍ_２・・・を接続して、これらモータを前記バッテリＢに蓄えた電気により駆動する。この構成により、ベルトによる機械的ロスの大きい、従来の補機のベルト駆動機構を廃止することができる。従って、本発明の車両用エンジンユニットは、エンジン前端部に配置される補機が減少し、エンジンルーム内での配置の自由度が向上するとともに、機械的ロスが減少し、もってエンジン全体としての効率を向上させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車等の車両に搭載されるエンジンユニットに関し、更に詳しくは、機械的ロスが少ない高効率の車両用エンジンユニットに関する。

従来、自動車等に搭載されるエンジンユニットの前端部には、ウォータポンプ，パワステポンプ，エアコンコンプレッサおよび発電機（オルタネータ）等の回転駆動が必要な補機に、エンジンの回転を伝達するベルト駆動機構が設けられている。この補機ベルト駆動機構は、各補機の回転軸に繋がるプーリと、アイドルプーリ（アイドラ）およびテンションプーリ（テンショナ）と、エンジンのクランクシャフトの先端部に配置されたクランクシャフトプーリ（クランクプーリ）と、これらのプーリの間に巻き掛けられた無端ベルトからなる（例えば、特許文献１〜３等を参照。）。
特開平１１−３２４６９９号公報 特開２００４−２５７２５６号公報 特開２００４−３０１０１１号公報

ところで、近年の自動車はエンジンスペースに余裕がなく、特に補機類が集中するエンジン前端部は、これらを如何に配置するかが問題となってきている。また、以上のような無端ベルトを用いた補機駆動機構は、エンジンのトルク変動に伴うロール振動が発生する場合があり、このロール振動を抑制するために、エンジンで駆動するウォータポンプやオルタネータ等の補機の回転軸の回転方向を、エンジンのクランクシャフトの回転方向と逆方向とすることが行なわれている。そのため、エンジン前端部の構造が複雑化し、軽量化や省スペース化が難しい。

また、このような無端ベルトを用いた補機駆動機構は、エンジンから発生する駆動力の一部を消費しているばかりではなく、このベルトによる機械的損失（ロス）が大きく、省エネルギーのためにその効率の向上が求められてきている。

本発明は、上記する課題に対処するためになされたものであり、エンジンルーム内での配置の自由度が高く、機械的ロスの少ない高効率の車両用エンジンユニットを提供することを目的としている。

前記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、エンジンのクランクプーリに巻き掛けられた無端ベルトにより複数の補機を回転駆動するベルト駆動機構に代わり、これら補機に、車両に搭載された蓄電手段に蓄えられた電気で駆動される電動機がそれぞれ接続されているとともに、前記エンジンの排気通路に、このエンジンの排気ガスで駆動されて前記蓄電手段を充電するタービン発電機が配設されていることを特徴とする。

近年、自動車のエンジンスペースを抑制し、居住スペースを拡大するための車体構造として、エンジン横置きＦＦ（フロントエンジン・フロントドライブ）レイアウトをとる車種が増加しており、これに伴い、エンジン補機の一部（車両前面のラジエータと接続されるウォータポンプやエアコンコンプレッサ等）は、電動機を用いた電動駆動に転換されてきている。しかしながら、ベルト駆動による動力損失が大きいことが知られているにもかかわらず、オルタネータは代替手段がないために、そのままにされてきた。

そこで、本発明者らは、昨今の発電機の高回転化・高効率化に鑑み、機械的ロスの大きいベルト駆動機構とこの中に組み込まれたオルタネータを廃する代わりに、エンジンの排気ガスを利用したタービン型発電機（ジェネレータあるいはダイナモ）から得られる電気エネルギーを用いて、回転駆動の必要な補機すべてを電動駆動することにより、所期の目的を達成できることを見出した。

すなわち、請求項１に記載の発明によれば、エンジンから排出された排気ガスが流れる排気通路（排気管）の途中に、この排気ガスで駆動されて発電するタービン発電機を配設し、ここから発生する電気を蓄電手段に充電するとともに、補機の回転軸にそれぞれ電動機を接続して、これらの電動機を前記蓄電手段に蓄えた電気により駆動することにより、ベルトによる機械的ロスの大きい、従来の補機のベルト駆動機構を廃止することができる。従って、本発明の車両用エンジンユニットは、エンジン前端部に配置される補機が減少し、エンジンルーム内での配置の自由度が向上するとともに、ベルト駆動による機械的ロスがなく、エンジン全体としての効率（燃費）を向上させることができる。なお、蓄電手段に蓄えた電気は、車両のその他の電装機器にも利用することが可能である。

ここで、前記タービン発電機の回転部分は、気体を潤滑流体とする動圧軸受により支持されることが好ましい（請求項２）。

車両用エンジンユニットに、一般的な大型のタービン発電機を設置したのでは、エンジンスペースへの貢献度が低下するため、本発明では、小型のタービン羽根を備える発電機が好適に採用される。また、従来のオルタネータに代わる発電量を維持するために、この小型タービン発電機は１００，０００ｒｐｍ以上、好ましくは数十万ｒｐｍで回転動作させる必要がある。しかしながら、従来この種の高速回転軸の軸受に用いられている浮動ブッシュなどでは、オイル給油システムが必須であり、また電気系発電部に対するオイルシール等が不可欠となって、装置が大型化してしまう。従って、本発明に用いるタービン発電機の回転部分（回転軸）を支持する軸受には、オイル潤滑装置等の補機を必要とせずコンパクトで、摩擦損失が小さく、かつ、高速回転域における安定性の高い気体動圧軸受が好ましい。

次に、請求項３に記載の発明は、前記エンジンの吸気通路に、前記蓄電手段に蓄えられた電気で駆動される電動コンプレッサが配設されていることを特徴とする。

この発明は、エンジンの効率向上を目指したものであり、以上の構成により、エンジンの高い圧縮比や高い膨張比が可能となる。また、この電動コンプレッサは、排気ガスを用いないため冷却の必要がなく、従来のターボチャージャに比べ構造がシンプルで、軸方向の長さをコンパクトに構成できる。従って、この電動コンプレッサも、エンジンルーム内における配置自由度は高い。なお、このコンプレッサは電動駆動としたことにより、エンジン低回転からの加給が可能になるとともに、エンジンの回転数変動に依存しない過給システムとすることができる。

なお、前記電動コンプレッサの回転部分は、気体を潤滑流体とする動圧軸受により支持されることが好ましい（請求項４）。

この電動コンプレッサも、前記請求項２に記載の小型タービン発電機と同様、１００，０００ｒｐｍ〜数十万ｒｐｍで動作する必要がある。従って、この電動コンプレッサ回転軸を支持する軸受にも、摩擦損失が小さく、かつ、高速回転域における安定性の高い気体動圧軸受が好ましい。なお、気体動圧軸受は潤滑油を使用せずクリーンで、エンジン燃焼室に余計な油分等が混入する恐れがないことから、エンジン燃焼効率の低下を招くことがなく、このエンジンの寿命を向上させるというメリットもある。

なお、本発明における「エンジン」とは、ピストンエンジン（レシプロエンジン）やガスタービンエンジン等、燃焼排気ガスを排出する内燃機関全般を包含する。

以上のように、本発明の車両用エンジンユニットによれば、エンジン前端部に配置される補機が減少し、エンジンルーム内での配置の自由度が向上する。また、これら補機の駆動に、機械的ロスの大きなベルト駆動機構を用いないことから、エンジン全体としての効率を向上させることが可能となる。

以下、図面を参照しつつこの発明を実施するための形態について説明する。
図１は、本発明の第１実施形態における車両用エンジンユニットの構成を表す図であり、図２はこのエンジンユニットに用いられるタービン発電機のエンジンルーム内での配置を説明する図である。

本実施形態における車両用エンジンユニットは、自動車用のガソリンエンジンＥと、エンジンルーム内に配置される補機Ｈ_１，Ｈ_２（例えば、ウォータポンプ，パワステポンプなど）と、自動車の運行に必要な電力を供給する蓄電手段としてのバッテリＢ等を主体として構成されている。

これら補機Ｈ_１，Ｈ_２の回転軸には、モータＭ_１，Ｍ_２がそれぞれ一体に接続されているとともに、エンジンＥの排気通路（排気管）３の集合部と排気ガス浄化装置４との間には、エンジンＥの燃焼排気ガスで駆動されるタービン発電機１が配置されている。このタービン発電機１は、排気ガスを受けて高速で回転するタービンＴと、このタービンＴと同軸に配置された発電機（ジェネレータ）Ｇとからなり、図２に示すように、エンジンＥの各気筒に連通する排気通路３の集合部直下に配置されている。

なお、図中の符号２はエンジンの吸気通路、符号５はマフラーを、符号６は充電（発電）を制御するコントローラを、符号７はモータを制御するドライバを示す。また、このエンジンＥには、補機（オルタネータやウォータポンプ等）を駆動するためのベルト駆動機構が設けられておらず、このエンジンＥの前端部には、従来のアイドルプーリ，テンションプーリや、クランクプーリ等も配設されていない。

以上の構成の車両用エンジンユニットにおいては、エンジンＥが作動した場合、その排気ガスによりタービンＴが１００，０００ｒｐｍ以上の高速で回転し、ジェネレータＧにより高効率で発電が行われる。また、発生した電気はコントローラ６を通じてバッテリＢに充電されるとともに、充電された電気を用いて、補機Ｈ_１，Ｈ_２等を回転駆動するモータＭ_１，Ｍ_２が電動駆動される。

従って、本実施形態における車両用エンジンユニットは、従来補機のベルト駆動機構に組み込まれていたオルタネータを用いることなく、車両の運行に必要な電力を供給できるとともに、このベルト駆動機構による機械的ロスがなく、エンジン全体としての効率（燃費）を向上させることが可能になる。

また、エンジン前端部に配置されるベルトやプーリ等がなく、しかも電動化された補機類はエンジンルーム内で配置自由となることから、これら補機を含めたエンジンユニット全体を、コンパクトに効率良く配置（設計）することが可能になる。

なお、本実施形態においては、バッテリＢの充電を制御するコントローラ６とモータＭ_１，Ｍ_２の駆動を制御するドライバ７を別体としたが、これらは一体の制御手段としても良い。また、タービン発電機１から発生する電気の蓄電手段としてバッテリＢを例示したが、この蓄電手段は特に限定されるものではなく、鉛蓄電池、アルカリマンガン電池、リチウムイオン電池等の二次電池の他、例えば大容量のコンデンサや電気二重層キャパシタ等でも良い。また更に、バッテリＢに充電された電気エネルギーは、車両のその他の電装機器の運用に用いられる場合もある。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図３は、本発明の第２実施形態における車両用エンジンユニットの構成を表す図である。また、図４は、このエンジンユニットに用いられるタービン発電機１０の構造を示す軸方向断面図であり、図５は、このエンジンユニットに用いられる電動コンプレッサ２０の構造を示す軸方向断面図である。なお、図４のタービン発電機１０は、排気ガスの高温からジェネレータＧ部を守る冷却機構の図示を省略してある。

本実施形態における車両用エンジンユニットも、基本的な構成は第１実施形態における車両用エンジンユニットと同様である。この実施形態におけるエンジンユニットの特徴は、排気ガスが流れる排気通路３の途中に、空気動圧軸受により支承された回転部分（回転軸１２およびタービン）を備えるタービン発電機１０が配設されているとともに、その吸気通路２に、同様の空気動圧軸受により支承された回転部分（回転軸２２およびタービン）を備える電動コンプレッサ（電動スーパーチャージャ）２０が配置されている点である。

先ず、タービン発電機１０は、図４に示すように、エンジンＥの燃焼排気ガスにより回転するタービンＴ_１と、このタービンＴ_１と同軸（回転軸１２）に配置されたジェネレータＧとが同一のハウジング１１内に収容されたものである。タービンＴ_１は周方向に複数の羽根（ブレード）を備え、図示上方から流入する排気ガスにより、高速で回転する。また、ジェネレータＧ部は、ハウジング１１側に配置された発電機のステータコア１４およびコイル１５と、回転軸１２側に固定された発電機のロータコア１６およびマグネット１７とからなる。

回転軸１２は、その一端が前記タービンＴ_１に接続され、他端側が、ハウジング１１中央に設けられた穴からジェネレータＧ側に挿通されているとともに、ロータコア１６の軸方向両側の回転軸１２周囲には、それぞれ軸受スリーブ１３，１３が配置されている。また、この軸受スリーブ１３，１３の内周面には、例えば周方向に略Ｖ字状、ヘリングボーン状あるいはスパイラル状等の溝（動圧溝１３ｖ，１３ｖ）が設けられており、ラジアル動圧軸受として構成されている。これらの２つのラジアル動圧軸受は、空気を潤滑流体とする空気動圧軸受であり、動圧溝１３ｖ，１３ｖのポンピング効果により、回転軸１２の回転を非接触に支持する。なお、これらの動圧溝は、各軸受スリーブの内周面に対向する回転軸１２の外周面側に形成しても良い。

また、この回転軸１２におけるタービンＴ_１の近傍には、回転軸１２と同心状に円筒状部材１８が取り付けられており、この円筒状部材１８に対向するハウジング１１側には、円板状部材１９が配設されている。これら円筒状部材１８と円板状部材１９の対向面の少なくとも一方には、例えば周方向に略Ｖ字状、ヘリングボーン状あるいはスパイラル状等の溝（動圧溝）が設けられており、スラスト（アキシャル）方向の荷重を受け止める空気動圧軸受が形成されている。

以上の構成により、前記タービン発電機１０は、１００，０００回転以上、数十万ｒｐｍでの回転が可能となり、補機Ｈ_１，Ｈ_２等を回転駆動するモータＭ_１，Ｍ_２や、車両のその他の部位に配置された電装機器に供給するのに十分な発電量を得ることができる。また、軸の回転の支持に空気動圧軸受を用いたことから、排気ガス浄化装置４に悪影響を与える油分等を排出せず、クリーンで寿命の長いタービン発電機１０とすることができる。

次に、吸気通路２に配置された電動コンプレッサ２０は、先のタービン発電機１０により得られた電力により、このエンジンＥの吸気を加給して、エンジン効率の向上を図るものである。この電動コンプレッサ２０は、図５のように、ハウジング２１と、このハウジング２１の中に収容されたモータＭ_０部と、このモータＭ_０の回転軸２２の一端に固定されたタービンＴ_２とからなる。

モータＭ_０部は、ハウジング２１側に配置されたモータのステータコア２４およびコイル２５と、回転軸２２側に固定されたモータのロータコア２６およびマグネット２７とから構成されている。また、そのロータコア２６の軸方向両側には、前記タービン発電機１０と同様、回転軸２２の回転を支持する２つのラジアル動圧軸受が形成されている。これらのラジアル動圧軸受も、空気を潤滑流体とする空気動圧軸受であり、軸方向に距離を置いて配置された軸受スリーブ２３，２３の内周面にそれぞれ設けられた動圧溝２３ｖ，２３ｖのポンピング効果により、回転軸２２の回転を非接触に支持する。

なお、これらのラジアル動圧溝は、回転軸２２の外周面側に形成しても良い。また、この回転軸２２におけるタービンＴ_２の近傍には、前記タービン発電機１０と同様、回転軸２２に取り付けられた円筒状部材２８と、ハウジング２１側に配設された円板状部材２９とからなるスラスト空気動圧軸受が形成されている。

このような構成の電動コンプレッサ２０は、冷却の必要がなく、かつ、従来のターボチャージャに比べ構造がシンプルであることから、軸方向の長さをコンパクトに構成できるとともに、エンジンの低回転時にも加給が可能というメリットがある。

以上の構成により、本実施形態における車両用エンジンユニットは、補機を駆動するためのベルト駆動機構がなく、そこから発生する機械的ロスもないため、ユニット全体としての効率を向上させることができる。また、エンジン前端部に配置されるベルトやプーリ等がなく、電動化された補機類はエンジンルーム内で配置自由となることから、配管等を含めたエンジンユニット全体を、コンパクトに効率良く配置（設計）することが可能になる。

なお、本発明のエンジンユニットに用いられるタービン発電機と電動コンプレッサの構成は、これら実施形態での例に限定されるものではない。また、タービン発電機と電動コンプレッサの回転軸を支承するラジアルおよびスラスト動圧軸受の位置も、その構成に合わせ適宜変更すれば良く、動圧溝型動圧軸受の代わりに、フォイル型動圧溝を形成しても良い。また更に、それぞれスラスト動圧軸受に代わり、各タービンと反対側の回転軸端部を半球状としてピボット軸受を構成したり、あるいは磁気軸受を採用することもできる。

本発明の第１実施形態における車両用エンジンユニットの構成図である。 本発明の第１実施形態の車両用エンジンユニットに用いられているタービン発電機のエンジンルーム内での配置を説明する図である。 本発明の第２実施形態における車両用エンジンユニットの構成図である。 本発明の第２実施形態の車両用エンジンユニットに用いられているタービン発電機の構造を示す断面図である。 本発明の第２実施形態の車両用エンジンユニットに用いられている電動コンプレッサの構造を示す断面図である。

符号の説明

１ タービン発電機
２ 吸気通路
３ 排気通路
４ 排気ガス浄化装置
５ マフラー
６ コントローラ
７ ドライバ
１０ タービン発電機
１１ ハウジング
１２ 回転軸
１３ 軸受スリーブ
１４ ステータコア
１５ コイル
１６ ロータコア
１７ マグネット
１８ 円筒状部材
１９ 円板状部材
２０ 電動コンプレッサ
２１ ハウジング
２２ 回転軸
２３ 軸受スリーブ
２４ ステータコア
２５ コイル
２６ ロータコア
２７ マグネット
２８ 円筒状部材
２９ 円板状部材
Ｂ バッテリ
Ｅ エンジン
Ｇ ジェネレータ
Ｈ 補機
Ｍ モータ
Ｔ タービン

Claims (4)

1. エンジンのクランクプーリに巻き掛けられた無端ベルトにより複数の補機を回転駆動するベルト駆動機構に代わり、
   これら補機に、車両に搭載された蓄電手段に蓄えられた電気で駆動される電動機がそれぞれ接続されているとともに、前記エンジンの排気通路に、このエンジンの排気ガスで駆動されて前記蓄電手段を充電するタービン発電機が配設されていることを特徴とする車両用エンジンユニット。
2. 前記タービン発電機の回転部分が、気体を潤滑流体とする動圧軸受により支持されていることを特徴とする請求項１に記載の車両用エンジンユニット。
3. 前記エンジンの吸気通路に、前記蓄電手段に蓄えられた電気で駆動される電動コンプレッサが配設されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の車両用エンジンユニット。
4. 前記電動コンプレッサの回転部分が、気体を潤滑流体とする動圧軸受により支持されていることを特徴とする請求項３に記載の車両用エンジンユニット。
   

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