JP2007046570A - 電動機付過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】 ディフューザ部におけるオイルミストの固化堆積を抑制あるいは防止でき、かつ、そのための冷却系統の構造を簡素化できる電動機付過給機を提供する
【解決手段】 本発明の電動機付過給機１０では、電動機２０はコンプレッサインペラ６に隣接する位置に配置されており、センターハウジング１４は、電動機２０を取り囲み且つディフューザ部２５に隣接するように形成された冷却液流路３４を有する。冷却液流路３４のうち、電動機２０側の部位に第１冷却構造部３８が形成され、ディフューザ部２５側の部位に第２冷却構造部３９が形成されており、第１冷却構造部３８により電動機２０を冷却し、第２冷却構造部３９によりディフューザ部２５を冷却するようになっている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関の排気ガスにより駆動し吸気を圧縮して過給する過給機において、コンプレッサの回転駆動を補助する電動機を備えた電動機付過給機に関する。

内燃機関の性能向上のために、内燃機関の排気ガスで駆動し吸気を圧縮して過給する過給機（「ターボチャージャ」ともいう。）が広く用いられている。また、過給機のシャフトと同軸上に電動機を組み込み、コンプレッサの回転駆動を加速補助することにより、加速応答性等を改善した電動機付過給機も用いられている。

下記特許文献１には、電動機付過給機に関する先行技術が開示されている。図３は、特許文献１に開示された電動機付過給機５０の構成を示す断面図である。過給機５０の排気通路側には、タービンインペラ５２とこれを囲むタービンハウジング５１Ａが配設されている。タービンハウジング５１Ａは、タービンインペラ５２の周囲に形成されたスクロール室６３を有し、このスクロール室６３は環状ガス流路６４を介してタービンインペラ５２と連通している。また、タービンハウジング５１Ａには、中央部にタービンインペラ５２と同心の排気口６５が形成されている。

電動機付過給機５０の吸気通路側には、コンプレッサインペラ５３とこれを囲むコンプレッサハウジング５１Ｂが配設されている。コンプレッサハウジング５１Ｂは、コンプレッサインペラ５３の周囲に形成されたスクロール室６６を有し、このスクロール室６６は環状に形成されたディフューザ部６７を介してコンプレッサインペラ５３と連通している。また、コンプレッサハウジング５１Ｃには、中央部にコンプレッサインペラ５３と同心の吸気口６８が形成されている。

タービンインペラ５２とコンプレッサインペラ５３はシャフト５４により連結されている。シャフト５４はセンターハウジング５１Ｃに内蔵されたベアリング５５によって回転自在に支持されている。またセンターハウジング５１Ｃには、シャフト５４と同軸上に連結された回転子５６と、回転子５６の周囲に配設された固定子５７とを有する電動機５８が内蔵されている。

このように構成された電動機付過給機５０では、内燃機関（エンジン）からの排気ガスがスクロール室６３に導入されると、環状ガス流路６４を介して排気ガスが排気口６５へ流れてタービンインペラ５２を通過する過程でタービンインペラ５２を回転させる。すると、シャフト５４を介してタービンインペラ５２に連結されたコンプレッサインペラ５３が回転駆動されると同時に電動機５８によりその回転駆動が補助され、コンプレッサインペラ５３により吸気口から吸入された空気を加速する。加速した空気は、ディフューザ部６７を通過する過程で減速加圧されてスクロール室６６へと導入され、図示しない吐出部から吐き出されて内燃機関に供給される。

このような電動機付過給機５０では、過給機の稼働中、電動機５８が高速回転し風損や渦電流損により自己発熱する。また、タービンには高温の排気ガスが流れるため、タービンインペラ５２からシャフト５４、シャフト５４から電動機５８の回転子５６への熱伝導により電動機５８が高温となる。電動機５８が高温になると内部の永久磁石が減磁したり、電動機５８の効率が低下したりするという問題がある。そこで、特許文献１の過給機では、図３に示すように、ハウジング５１の内部に、電動機５８を取り囲むように冷却液流路６０を形成し、この冷却液流路６０に冷却液６１を流して電動機５８を冷却するように構成している。

また、このような電動機５８を搭載すると否とにかかわらず、過給機を備えた自動車では、排気ガス中の窒素酸化物を除去するために排気ガスを燃焼用空気に還流することが行われていることもある。また、エンジンからはブローバイガス（ピストンとシリンダの間を通って燃焼室からクランク室に漏れた混合気を含んだガス）が排出されるが、外気に放出される混合気を極力少なくするために、ブローバイガスを燃焼用空気に還流して再度燃焼させることも行われることがある。このため、過給機で吸入される燃焼用空気の一部には排気ガスやブローバイガス等が含まれている。この排気ガス中にはエンジンオイルのオイルミストが混入しているため、上述した電動機付過給機５０を例にすれば、ディフューザ部６７を通過する過程で、その流路を構成する両側壁部にオイルミストが付着する。このとき、ディフューザ部６７を通過する燃焼用空気は圧縮されて昇温するため、上記壁部に付着したオイルミストは圧縮空気の熱により炭化し、固化堆積する。このため、固化堆積した炭化層がディフューザ部６７の流路を狭めて流路抵抗を増大させ、この結果、過給機の圧縮効率を低下させ、ひいては信頼性の低下を招くという問題がある。また、コンプレッサハウジングと炭化層との熱膨張差、エンジンの振動等に起因して炭化層が剥離し、これがエンジンに吸気される恐れがあるという問題がある。

このような問題を解決するため、電動機を搭載しない過給機に関する先行技術文献として、下記特許文献２が開示されている。図４は、特許文献２に開示された過給機７０の構成を示す断面図である。図４に示すように、この過給機７０は、ディフューザ部６７が、ディフューザ流路６７ａと、これを挟んで対峙するシールプレート６７ｂ隣接部及びハウジング隣接部６７ｃにより構成されており、少なくともシールプレート隣接部７１ｂに冷却水を流通させる冷却路７２を設けたものである。この構成により、冷却路７２に冷却水が流通することでシールプレート隣接部７２ｂが冷却されるため、シールプレート隣接部７２ｂにオイルミストが付着しても炭化堆積しないようになっている。なお、図４において、図３に示した電動機付過給機５０の構成要素に対応する部分には、図３と同一符号を付している。

特開２００３−２９３７８５号公報 特開２００４−４４４５１号公報

上述したように、電動機を搭載しない過給機については、ディフューザ部におけるオイルミストの固化堆積を防止する技術が提案されているが、電動機付過給機については、同様の技術が提案されていない。このため、電動機付過給機においては、ディフューザ部においてオイルミストが固化堆積し、固化堆積した炭化層がディフューザ部６７の流路を狭めて流路抵抗を増大させ、この結果、過給機の圧縮効率を低下させるという問題が依然として残る。

また、電動機付過給機においても上述した特許文献２と同様の冷却構造（冷却路７２）を設け、ディフューザ部６７におけるオイルミストの固化堆積を防止することが考えられるが、特許文献１の電動機付過給機５０において特許文献２と同様の冷却路７２を設けた場合には、冷却液流路６０と冷却路をそれぞれ別個に設ける必要がある。このため、構造の複雑化、重量増大、装置の大型化、コスト増大を招くとともに、車両への搭載性に影響を与える結果、車両の重量増大を招くという問題がある。

本発明は、上述した問題点に鑑み、ディフューザ部におけるオイルミストの固化堆積を抑制あるいは防止して、ディフューザ部の流路が狭まることによる流路抵抗の増大を防止することにより過給機の圧縮効率及び信頼性を向上させることができ、かつ、電動機とディフューザ部を冷却するための個別の冷却系統を必要とせず、これにより、構造を単純化し、重量増大、装置の大型化、コスト増大を抑制できる電動機付過給機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、第１の発明は、内燃機関の排気ガスによって回転駆動されるタービンインペラと、該タービンインペラを囲むタービンハウジングと、前記タービンインペラとシャフトで連結されて回転し吸気を圧縮するコンプレッサインペラと、該コンプレッサインペラを囲むコンプレッサハウジングと、前記タービンインペラと前記コンプレッサインペラとの間に位置し前記シャフトを回転駆動し得る電動機と、前記シャフトを回転自在に支持し且つ前記電動機を内蔵するセンターハウジングと、を備えるとともに、前記コンプレッサハウジング内に環状に形成され圧縮空気を吐出すスクロール室と、前記コンプレッサインペラ出口から半径方向外方に延び前記コンプレッサインペラ出口と前記スクロール室とを連通するディフューザ部とを有する電動機付過給機において、前記センターハウジングは、冷却液により前記電動機を冷却する第１冷却構造部と、該第１冷却構造部の冷却液と共通の冷却液により前記ディフューザ部を冷却する第２冷却構造部と、を有する、ことを特徴とするものである。

第２の発明は、上記第１の発明において、前記電動機は、前記コンプレッサインペラに隣接する位置に配置されており、前記センターハウジングは、前記電動機を取り囲み且つ前記ディフューザ部に隣接するように形成され内部に前記冷却液を流通させる冷却液流路を有し、該冷却液流路のうち、前記電動機側の部位に前記第１冷却構造部が形成され、前記ディフューザ部側の部位に前記第２冷却構造部が形成されている、ことを特徴とするものである。

上記第１の発明によれば、第１冷却構造部において電動機を冷却し、第２冷却構造部においてディフューザ部を冷却するので、ディフューザ部におけるオイルミストの固化堆積を抑制あるいは防止することができる。また、第１冷却構造部と第２冷却構造部では、共通の冷却液により電動機及びディフューザ部を冷却するので、それぞれの冷却構造部に独立に冷却液を供給する必要が無い。このため、電動機とディフューザ部の両方を冷却するための冷却構造部を設けても、冷却系統を簡素化することができる。

上記第２の発明によれば、コンプレッサインペラに隣接する位置に電動機が配設され、その周りに、第１冷却構造部と第２冷却構造部を持つ冷却液流路が形成されているので、電動機の冷却とディフューザ部の冷却を単一の冷却系統により実現することができる。このため、電動機を冷却する第１冷却構造部と、ディフューザ部を冷却する第２冷却構造部とをそれぞれ別個に設ける必要が無く、すなわち、個別の冷却系統を設ける必要が無いので、冷却系統が簡素化され、重量増大、装置の大型化、コスト増大を抑制できる。また、これにより、車両への搭載性に与える影響を最小限に抑えることができるため、車両の軽量化に多いに貢献できる。

すなわち、上記本発明によれば、ディフューザ部におけるオイルミストの固化堆積を抑制あるいは防止して、ディフューザ部の流路が狭まることによる流路抵抗の増大を防止することにより過給機の圧縮効率及び信頼性を向上させることができ、かつ、電動機とディフューザ部を冷却するために個別の冷却系統を必要とせず、これにより、構造を単純化し、重量増大、装置の大型化、コスト増大を抑制できるという優れた効果が得られる。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は本発明の実施形態に係る電動機付過給機の断面図である。図１に示すように、この電動機付過給機１０は、タービンインペラ２、タービンハウジング４、シャフト１２、コンプレッサインペラ６、コンプレッサハウジング８、電動機２０、センターハウジング１４等の要素から構成される。

排気通路側には、内燃機関の排気ガスＧにより回転駆動されるタービンインペラ２と、このタービンインペラ２を囲むタービンハウジング４が配設されている。タービンハウジング４は、タービンインペラ２の周囲に形成されたスクロール室９を有し、このスクロール室１３は環状ガス流路１１を介してタービンインペラ２と連通している。また、タービンハウジング４には、中央部にタービンインペラ２と同心の排気口１７が形成されている。

吸気側通路には、吸気を圧縮するコンプレッサインペラ６と、このコンプレッサインペラ６を囲むコンプレッサハウジング８が配設されている。コンプレッサハウジング８は、コンプレッサインペラ６の周囲に環状に形成され圧縮空気Ａを吐き出すスクロール室２１を有する。コンプレッサインペラ６出口とスクロール室２１との間には、その間を連通するようにコンプレッサインペラ６出口から半径方向外方に延びる環状のディフューザ部２５が形成されており、これによりコンプレッサインペラ６によって加速された空気Ａを減速加圧してスクロール室２１へ導くようになっている。また、コンプレッサハウジング８には、中央部にコンプレッサインペラ６と同心の吸気口２７が形成されている。

タービンインペラ２とコンプレッサインペラ６はシャフト１２により連結されており、シャフト１２はセンターハウジング１４に内蔵された軸受１９によって回転自在に支持されている。タービンハウジング４とセンターハウジング１４とは、カップリング３により連結され、コンプレッサハウジング８とセンターハウジングとは、ボルト５により連結されている。

電動機２０は、センターハウジング１４に内蔵され、かつコンプレッサインペラ６に隣接する位置に配置されており、シャフト１２と同軸上に連結されシャフト１２と共に回転する永久磁石からなる回転子２０Ａ（ロータ）と、回転子２０Ａの周囲に配設されたコイルからなる固定子２０Ｂ（ステータ）とから構成される。

センターハウジング１４には、軸受１６に潤滑油４２を供給するための油供給路２２と、軸受１６内部を通過して軸受１９を潤滑・冷却した潤滑油４２を排出するための油排出路２４とが形成されている。油供給路２２には、外部に設置された潤滑油ポンプ（図示せず）により例えば８０℃前後の潤滑油４２が供給されるようになっている。

センターハウジング１４のタービンインペラ２側には、センターハウジング１４とシャフト１２の隙間から潤滑油４２が漏れるのを防止するためのタービン側シールリング２６が介装されている。

図２は、図１の部分拡大図である。図２に示すように、センターハウジング１４内の電動機２０と軸受部と間の位置に設けられたタービン側シールプレート２８とシャフト１２との間には、その隙間から潤滑油が漏れるのを防止するコンプレッサ側シールリング３０が介装されている。

センターハウジング１４とコンプレッサハウジング８との間には、円盤状のシールプレート２９が介装されており、本実施形態のディフューザ部２５は、シールプレート２９、コンプレッサハウジング８のうちシールプレート２９に対向する部分８ａ、及びその間の流路２５ａによって規定されている。

また、センターハウジング１４は、冷却液により電動機２０を冷却する第１冷却構造部３８と、この第１冷却構造３８と共通の冷却液によりディフューザ部２５を冷却する第２冷却構造部３９とを有している。この第１冷却構造部３８と第２冷却構造部３９について、以下、より詳しく説明する。

図２に示すように、センターハウジング１４は、ハウジング本体１５と、流路形成部材１６とを備え、このハウジング本体１５と流路形成部材１６との間に冷却液流路３４を有している。流路形成部材１６は、冷却液を流通させるための流路凹部１６ａを有し、全体としてリング状に形成され、ハウジング本体１５に嵌入されて挿着されている。そして、ハウジング本体１５と流路形成部材１６の流路凹部１６ａとにより冷却液を流通させる冷却液流路３４が規定されている。ハウジング本体１５と流路形成部材１６との間には、Ｏリング３１が介装されており、その間が水密に保持される。

冷却液流路３４は、センターハウジング１４内を周方向に延びて環状に形成され、内部に電動機２０とディフューザ部２５を冷却するための冷却液を流通させるようになっている。冷却液流路３４は、電動機２０の外周を完全に一周するように形成されても良いし、シャフト１２の軸方向から見てＣ字状に形成されても良い。冷却液は、冷却液供給口（図示せず）を介して外部に設置された冷却液ポンプ（図示せず）により冷却液流路３４に供給され、冷却液排出口（図示せず）から外部に排出される。この冷却液としては例えば、水を適用することができる。また、油（潤滑油４２等）を冷却液として用いても良い。

図２に示すように、冷却液流路３４の電動機２０側の部位に上述した第１冷却構造部３８が形成され、冷却液流路３４のディフューザ部２５側の部位に上述した第２冷却構造部３９が形成されている。また、第１冷却構造部３８と第２冷却構造部３９には、それぞれ複数のフィン形状部３８ａ、３９ａが形成されおり、伝熱面積を広くして熱伝導の効率を高めるようになっている。また、第２冷却構造部３９を構成する部位の部材の厚さは、冷却液とディフューザ部２５との熱交換を十分に行うことができるように設定される。そして、このような構造により、冷却液流路３４を流れる冷却液と電動機２０との間、及びこの冷却液とディフューザ部２５との間で熱交換を行うようになっている。すなわち、電動機２０及びディフューザ部２５の熱を冷却液流路３４の冷却液に伝達し、電動機２０及びディフューザ部２５を冷却するようになっている。

なお、本実施形態では、流路形成部材１６とシールプレート２９は別体に構成されているが、これらを一体に構成した部材であっても良い。

次に、このように構成された電動機付過給機１０の動作及び作用について、図１及び図２を参照して説明する。

電動機付過給機１０では、内燃機関（エンジン）からの排気ガスＧがスクロール室９に導入されると、環状ガス流路１１を介して排気ガスＧが排気口１７へ流れてタービンインペラ２を通過する過程でタービンインペラ２を回転させる。すると、シャフト１２を介してタービンインペラ２に連結されたコンプレッサインペラ６が回転駆動されると同時に電動機２０によりその回転駆動が補助され、コンプレッサインペラ６により吸気口２７から吸入された空気Ａを加速する。加速した空気Ａは、ディフューザ部２５を通過する過程で減速加圧されてスクロール室２１へと導入され、図示しない吐出部から吐き出されて内燃機関に供給される。コンプレッサインペラ６により吸気する空気は例えば２０℃、常圧であり、これがコンプレッサインペラ６出口で例えば１８０℃、１．５気圧まで昇温・昇圧し、ディフューザ部２５出口で例えば１８０℃、２．０気圧まで昇圧する。

また、冷却液流路３４には冷却液が供給され、第１冷却構造部３８により電動機２０をその周囲から冷却するとともに、第２冷却構造部３９によりディフューザ部２５のうち第２冷却構造部３９に隣接する部分（以下、「シールプレート隣接部」という。）を冷却する。この結果、シールプレート隣接部は１２０℃以下に温度上昇が抑制される。エンジンオイルは１２０℃程度では、炭化することなく流動性を有することが確認されている。このため、エンジンオイルのオイルミストを含む吸気がディフューザ部２５を通過する過程において、上記シールプレート隣接部にオイルミストが付着した場合でも、その付着部分に固化堆積することが無く、空気流によってスクロール室２１へ吹き飛ばされる。

また、シールプレート隣接部が冷却されることでディフューザ部２５を通過する圧縮空気が冷却されるので、圧縮空気を介してコンプレッサハウジング８のうち流路２５ａに隣接する部分８ａも冷却される。このため、この部分８ａにオイルミストが付着した場合でも、その付着部分に固化堆積することが無く、空気流によってスクロール室２１へ吹き飛ばされる。

なお、上記シールプレート隣接部とコンプレッサハウジング８の部分８ａに、エンジンオイルと親和性の無いオイルミストをはじく材質により撥油膜を形成し、その部分にオイルミストが付着するのを防止するようにしても良い。撥油膜の材料としては、例えば、耐熱性、耐腐食性に優れるフッ素樹脂（ポリテトラフルオロエチレン）が好ましい。

このように、上述した本発明の電動機付過給機１０によれば、第１冷却構造部３８により電動機２０を冷却し、第２冷却構造部３９によりディフューザ部２５を冷却するので、ディフューザ部２５におけるオイルミストの固化堆積を抑制あるいは防止することができる。また、第１冷却構造部３８と第２冷却構造部３９では、共通の冷却液により電動機２０及びディフューザ部２５を冷却するので、それぞれの冷却構造部に独立に冷却液を供給する必要が無い。このため、電動機２０とディフューザ部２５の両方を冷却するための冷却構造部を設けても、冷却系統を簡素化することができる。

また、本発明の電動機付過給機１０によれば、コンプレッサインペラ６に隣接する位置に電動機２０が配設され、その周りに、第１冷却構造部３８と第２冷却構造部３９を持つ冷却液流路３４が形成されているので、電動機２０の冷却とディフューザ部２５の冷却を単一の冷却系統により実現することができる。このため、電動機２０を冷却する第１冷却構造部３８と、ディフューザ部２５を冷却する第２冷却構造部３９とをそれぞれ別個に設ける必要が無く、すなわち、個別の冷却系統を設ける必要が無いので、冷却系統が簡素化され、重量増大、装置の大型化、コスト増大を抑制できる。また、これにより、車両への搭載性に与える影響を最小限に抑えることができるため、車両の軽量化に多いに貢献できる。

したがって、上記本発明によれば、ディフューザ部におけるオイルミストの固化堆積を抑制あるいは防止して、ディフューザ部の流路が狭まることによる流路抵抗の増大を防止することにより過給機の圧縮効率及び信頼性を向上させることができ、かつ、電動機とディフューザ部を冷却するために個別の冷却系統を必要とせず、これにより、構造を単純化し、重量増大、装置の大型化、コスト増大を抑制できるという優れた効果が得られる。

その他、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。

本発明の実施形態を示す断面図である。 図１の部分拡大図である。 従来技術を説明する図である。 従来技術を説明する図である。

符号の説明

２ タービンインペラ
４ タービンハウジング
６ コンプレッサインペラ
８ コンプレッサハウジング
９ スクロール室
１０ 電動機付過給機
１１ 環状ガス流路
１２ シャフト
１３ スクロール室
１４ センターハウジング
１５ ハウジング本体
１６ 流路形成部材
１６ａ 流路凹部
１７ 排気口
１９ 軸受
２０ 電動機
２１ スクロール室
２０Ａ 回転子
２０Ｂ 固定子
２２ 油供給路
２４ 油排出路
２５ ディフューザ部
２５ａ 流路
２６ タービン側シールリング
２７ 吸気口
２８ タービン側シールプレート
２９ シールプレート
３０ コンプレッサ側シールリング
３１ Ｏリング
３４ 冷却液流路
３８ 第１冷却構造部
３９ 第２冷却構造部
３８ａ，３９ａ フィン形状部
４２ 潤滑油
Ａ 空気
Ｇ 排気ガス

Claims (2)

1. 内燃機関の排気ガスによって回転駆動されるタービンインペラと、該タービンインペラを囲むタービンハウジングと、前記タービンインペラとシャフトで連結されて回転し吸気を圧縮するコンプレッサインペラと、該コンプレッサインペラを囲むコンプレッサハウジングと、前記タービンインペラと前記コンプレッサインペラとの間に位置し前記シャフトを回転駆動し得る電動機と、前記シャフトを回転自在に支持し且つ前記電動機を内蔵するセンターハウジングと、を備えるとともに、前記コンプレッサハウジング内に環状に形成され圧縮空気を吐出すスクロール室と、前記コンプレッサインペラ出口から半径方向外方に延び前記コンプレッサインペラ出口と前記スクロール室とを連通するディフューザ部とを有する電動機付過給機において、
   前記センターハウジングは、冷却液により前記電動機を冷却する第１冷却構造部と、該第１冷却構造部の冷却液と共通の冷却液により前記ディフューザ部を冷却する第２冷却構造部と、を有する、ことを特徴とする電動機付過給機。
2. 前記電動機は、前記コンプレッサインペラに隣接する位置に配置されており、
   前記センターハウジングは、前記電動機を取り囲み且つ前記ディフューザ部に隣接するように形成され内部に前記冷却液を流通させる冷却液流路を有し、
   該冷却液流路のうち、前記電動機側の部位に前記第１冷却構造部が形成され、前記ディフューザ部側の部位に前記第２冷却構造部が形成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電動機付過給機。

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