JP2010133397A - ターボチャージャ - Google Patents

Abstract

【課題】ターボラグが短いターボチャージャが提供される。
【解決手段】ターボチャージャ１は、アキシャルギャップ型のリラクタンスモータ３をもち、このアキシャルギャップ型のリラクタンスモータ３は、ターボチャージヤの回転軸に固定されたロータコアと、このロータコアの軸方向両側に配置されて磁束をほぼ軸方向に流す前側ステータと後側ステータとをもつ。このアキシャルギャップ型のリラクタンスモータは、スイッチドリラクタンスモータにより構成されている。これにより、ロータイナーシャが小さく、ターボラグの短縮を実現することができる。このターボラグの短縮により、車両の走行に必要なトルクの制御の大部分をアシストモータをもつターボチャージャにより行うことができるので、スロットルバルブの絞りによる本ピン偶数損失を低減するとともに、車両加速に必要なトルクの急増能力を確保しつつエンジン排気量を減らすことができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、車両用エンジンをアシストするターボチャージャに関する。

ターボチャージャ（ＴＣ）はディーゼルエンジンやガソリン直噴エンジンなどの燃費を改善する。更に、ＴＣはエンジントルクを増大するため、エンジンを小型軽量化して車両燃費を改善する可能性をもつ。しかし、ＴＣはターボラグをもつのでＴＣによる車両用エンジンの小型軽量化は難しかった。本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、ターボラグの短縮が可能なＴＣを提供することをその目的としている。
また、高温の排気ガス（ＥＧＲガス）をエンジンの吸気管に戻すＥＧＲ装置とＴＣとをもつエンジンも公知であるが、ＥＧＲガスの冷却のためのＥＧＲクーラーが、冷却系の複雑化と装置重量の増大とを招くという問題があった。

この問題を改善するため、下記の特許文献１は、エンジンの排気ガスの一部をボルテックスチューブ（ＶＴ）に入力し、ＶＴから排出される高温排気ガスを排気系に戻し、ＶＴから排出される低温排気ガスをＥＧＲバルブを通じて吸気系に導入するＥＧＲ装置を提案している。つまり、このＥＧＲ装置のＶＴは、ＥＧＲクーラを構成する。しかしながら、このＥＧＲ装置では、ＶＴで低圧となった高温排気ガスを排気系に戻すのが困難であるうえ、ＶＴにはエンジンの排気ガスの一部だけが導入されるに過ぎないため、エンジンから排出される排気ガス流量が少ない場合にはＶＴの排気ガス冷却効果が低下するという問題があった。本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、ＥＧＲガスの冷却性の向上が可能なＴＣを提供することをその目的としている。

ターボチャージャをモータアシストすることによりターボラグを短縮することにより、エンジンの小型軽量化と燃費改善とを図ることができる。特許文献２は、永久磁石がコンプレッサホィールの背面に固定された磁石界磁型同期モータ（ＰＭ）をもつモータアシストターボチャージャ（ＭＡＴＣ）を提案している。しかしながら、このＰＭ型ＭＡＴＣは、永久磁石の遠心力支持と永久磁石の冷却という困難な問題を有している。その他、ＰＭ型モータアシストターボチャージャは、回転する永久磁石がモータトルクアシストが不要な場合でも磁気引きずりトルクを発生させ、持続的な鉄損を発生させるという問題がある。更に、従来のモータは、そののロータイナーシャが大きいのでモータトルクの多くがロータ加速に消費されてしまうという問題があった。このモータやそのロータの軽量化やロータイナーシャ低減の問題は、インホイルモータにおいても重要であった。インホイルモータでは、運転フィーリングの点でモータやそのロータの軽量化が強く要望されていた。

その他、ターボチャージャは高速回転するため、モータ電流の周波数が高くなる。このことは、正弦波回転磁界の発生に必要な正弦波電流の形成を困難とする。更に、アシストモータ追加によるＴＣの回転軸長の増加による回転軸の軸長の増大は、ＴＣの制振性を低下させる。

上記した解決困難な諸問題のため、モータアシストターボチャージャ（ＭＡＴＣ）は実際の製品化が難しかった。更に、従来のＭＡＴＣは、アシストモータによるトルクアシストによりターボラグを短縮してその加速遅れを減らすものの、ＴＣの回転数が必要値まで増大した後、ＴＣのロータの慣性回転質量により上記必要値を超えてオーバーシュートしてしまい、その分だけエンジン出力、回転数が過大となってしまうという問題もあった。本発明は上記問題に鑑みなされたものであり、加速時又は減速時のターボラグを短縮しつつエンジン回転数のオーバーシュートも抑止可能なモータアシストターボチャージャを提供することをその目的としている。

特開２００２−７０６５７ ＷＯ９８／０２６５２

ターボチャージャ（ＴＣ）に関して複数の発明が以下に開示される。このターボチャージャ（ＴＣ）は、車両に搭載されたエンジンの排気管から流入する排気ガスにより駆動されるタービンと、前記タービンにより駆動されて外気取り入れ管から流入する空気を圧縮して前記エンジンの吸気管へ送り出すコンプレッサとを備える。

（第１発明のＴＣ）
第１発明のＴＣは、前記コンプレッサと前記タービンとの間に位置して前記コンプレッサ及び前記タービンと連結されるスイッチドリラクタンスモータからなるアシストモータと、前記アシストモータを制御するコントローラとを備え、前記アシストモータは、ディスク状のロータと、前記ロータの前端面に軸方向へ小ギャップを隔てて対面するフロント側ステータと、前記ロータの後端面に軸方向へ小ギャップを隔てて対面するバック側ステータとを有するアキシャルギャップ構造を有し、前記フロント側ステータ及び前記バック側ステータの互いに同一位相の磁極は、ほぼ同一の周方向位置に配置されてほぼ同一量の磁束を発生し、前記ロータは、軸方向磁路断面積の半分以下の周方向磁路断面積を有するロータコアを有することを特徴としている。
本発明のモータアシストターボチャージャ（ＭＡＴＣ）によれば、ロータコアは自己に作用する遠心力以外に他の部材の遠心力を負担する必要はなく、そのうえ軟磁性のロータコアは、高磁気抵抗部の形成のために高速となる外周面近傍に凹部を有するためロータの慣性回転質量（イナーシャ）を他の形式のモータに比べて大幅に低減することができる。
このため、ターボラグ及びターボラグ後の回転数オーバーシュートを短縮することができる。その結果、必要な車両加速性能を確保しつつエンジンの小型軽量化を図ることができる。ＳＲＭのロータイナーシャが他の形式のモータのそれに比べて小さく、モータアシストターボチャージャに好適である点について、従来知られていなかった。

更に説明すると、ＳＲＭは、磁束を流すためのロータコアのみにより構成できるうえ、ロータコアの多くを軽量な非磁性金属（たとえばアルミニウム）により構成することができるため、永久磁石やそれを支持するための支持部材や籠形コイル導体を必要としない。その結果、ＳＲＭをもつターボチャージャは、永久磁石同期モータ（ＰＭ）をもつや籠型誘導モータ（ＩＭ）をターボチャージャに装備するのに比べて大幅にロータの慣性回転質量を低減することができ、ＭＡＴＣのターボラグを改善することができる。

その他、ＰＭの磁石ロータは、磁石の耐遠心力支持及びその熱絶縁が困難な問題を発生する。特に、高温のタービンを急停止する場合などにおいて、タービンから回転軸などを通じて永久磁石に熱が伝達されるため、磁石が減磁する問題は解決が容易ではない。これに対してＩＭは磁石支持及び磁石減磁の問題をもたない。

けれども、ロータの籠形コイルの質量は、ＲＭのそれに対してアシストモータのイナーシャを増大する。これに対して、ＳＲＭをもつアシストモータは、その駆動に際して正弦波電流を必要としないため、ＩＭに比べてインバータのスイッチング損失を低減することができる。アシストモータの回転数は極めて高いため、それを駆動するインバータの駆動周波数の低減により、インバータのスイッチング損失は、正弦波駆動が好適なＩＭに比べて大幅に改善される。なお、ＩＭを疑似正弦波駆動することは可能であるが、この疑似正弦波電流に重畳する高周波成分はほとんどトルクに関与しないため、大きな損失を発生する。

好適には、ＳＲＭは、非磁性金属製の回転部材の表面部に周方向所定ピッチで複数の軟磁性セグメントをもつセグメント型ＳＲＭとされる。セグメント型ＳＲＭのロータは、通常のＳＲＭのロータに比べて高比重の軟磁性材料の必要量が小さいので、ロータイナーシャの一層の低減を実現でき、ターボラグを更に短縮することができる。
なお、「ほぼ同一の周方向位置」とは、互いに同一電流位相をもつフロント側のステータコイルとバック側のステータコイルとの間の周方向ずれ量が電気角π／１２以下とされることを意味する。また、「ほぼ同一量の磁束」とは、磁束量の差が１５％未満であることを意味する。

本発明は、磁束がロータコア内をほぼ軸方向に流れ、ロータコア内を周方向へほとんど流れない構造のアキシャルギャップ構造（後述する斜めギャップ構造を含む）のモータをＭＡＴＣのアシストモータとして用い、ロータコア内の磁束がほとんど軸方向へ流れるロータコア構造は、ロータコアの軸方向両側に設けられた一対のステータコイルに互いに同一の空間位相ステータ電流を流すことにより実現される。このようにすれば、ロータコアは、周方向へ磁束を流すためのヨーク（磁路部材）をほとんど必要としないため大幅な軽量化が可能となる。その結果、アシストモータの追加によるＭＡＴＣの慣性回転質量の増大を抑止することができるので、ターボラグを大幅に低減することができ、その分だけＴＣの過給圧の増大とエンジンの小型軽量化を促進することができる。

また、ロータの軸方向両側にステータをもつ形式のＡＸＭ（アキシャルギャップモータ）は、同一サイズのラジアルギャップモータに比べてステータとロータとの間の電磁ギャップ面積を大幅に増大することができる。モータトルクやモータ出力はこの電磁ギャップ面積に正相関をもつため、ターボラグを短縮することができ、その分だけ、ＴＣの過給圧の増大とエンジンの小型軽量化を促進することができる。更に説明すると、モータトルクは、磁束φとステータ電流Ｉとの積に比例する。ロータは、磁束φの大きさに応じた磁路断面積のロータコアをモータの形式とは無関係に必要とする。軸方向両側にステータをもつＡＸＭのロータの磁路長は軸方向に形成されるため大幅に小さくでき、かつ、ロータの磁路断面積はロータの端面面積に比例するため大幅に増大することができる。結局、磁束量はロータの端面面積に比例し、ロータ質量はロータの端面面積とロータの軸方向厚さとの積に比例するため、軸方向両側にステータをもつＡＸＭを採用することにより、アシストモータのモータトルク当たりのロータ質量を大幅に低減することができる。

更に、ＭＡＴＣのコンプレッサとタービンとの間に配置されるアシストモータにおいて、大量の熱が高温のタービンから回転軸を通じてロータや軸受けに伝達される。本発明で用いるＡＸＭは、ロータとステータとの間の電磁ギャップがロータの両端面に沿いつつ径方向へ延在しているので、ロータの回転によりこの電磁ギャップの空気が径方向外側へ付勢されて強力な冷却空気流となる。この冷却空気流は、ロータの両端面を良好に冷却するため、ロータ、回転軸及び軸受けの温度上昇を良好に抑止することができる。なお、ＡＸＭの磁気吸引力はステータとロータとの間のギャップに軸方向に作用するが、ＴＣはスラスト軸受け機能を元々もつため、新たにスラスト軸受けを追加する必要が無く、軸受け構造の複雑化を防止することができる。

好適な態様において、ロータコアは、プレス加工により高磁気抵抗部分が打ち抜かれた電磁鋼板を螺旋巻きすることにより形成されている。ロータ回転方向は、螺旋巻き電磁鋼板が巻き締められる向きに回転される。このようにすれば、簡素な製造工程により軸方向磁路をもつロータコアを容易に形成することができる。

好適な態様において、前記コントローラは、車両加速時に前記アシストモータを電動動作させてターボラグを短縮し、その後、前記ＭＡＴＣ又は前記エンジンの回転数が所定しきい値を上回ったことを検出したら前記アシストモータを発電動作させて回転数の正オーバーシュートを抑制する。これにより、アクセルペダル踏量増加に応じてターボラグを短縮しつつエンジン回転数を必要値まで増大させることができるとともに、その後のオーバーシュートを良好に抑止することができる。

（第２発明のＴＣ）
第２発明のＴＣは、前記タービンの入り口側に配置されて前記排気ガスを断熱膨張させるとともに、前記コンプレッサから出た加圧吸気を前端面排気ガスの流れにより吸引して前記タービンに送るエゼクタを有することを特徴としている。すなわち、この発明では、エンジンの排気ガスはエゼクタにより断熱膨張した後、タービンに流入する。好適には、エゼクタはタービンの入り口近傍に配置され、エゼクタから出た高速の排気ガスはタービンの翼部に衝突してタービンを駆動する。これにより、排気ガスのエネルギーの損失を低減することができる。その他、エゼクタから出た高速排気ガス流をディフユーザにより圧縮してタービンに流入させても良い。コンプレッサから出た加圧吸気は、エゼクタに導入され、エゼクタ内の高速排気ガス流により吸引されてタービンに送られる。これにより、エンジン回転数が低く、その流量が小さくても、コンプレッサ及びタービンの流量を高く維持して、ＴＣの効率低下を防止することができる。

好適な態様において、前記コンプレッサから前記エゼクタに前記加圧吸気を送るバイパス管に配置されて前記加圧吸気の流量を調節するバイパスバルブを有する。この態様によれば、バイパスバルブの開閉によりエゼクタに送る加圧吸気の流量を調節することができる。たとえば、エンジンの回転数及び出力が大きく、その流量が大きい場合にはバイパスバルブは閉じられる。バイパスバルブを閉じても、コンプレッサから出た大流量の加圧吸気はエンジンにより吸収されることができ、エンジンから出た大流量の排気ガスはタービンにより吸収されることができる。エンジンの回転数及び出力が小さく、その流量が小さい場合にはバイパスバルブは開かれる。これにより、コンプレッサから出た大流量の加圧吸気の一部のみがエンジンに送られ、残りの加圧吸気はエゼクタにより吸収されてタービンに送られる。エゼクタに送られる加圧吸気に与えられたコンプレッサのエネルギーはタービンにより回収される。これにより、エンジン小出力運転時のＴＣの損失増加を良好に防止することができる。なお、このＴＣにアシストモータを連結しても良いことはもちろんである。

好適な態様において、前記エゼクタは、前記タービンの径方向外側に配置されて前記排気ガスが環状に流れる環状通路を有し、前記排気ガス及び前記加圧吸気の一方は、軸方向及び径方向の一方の方向へ流れて前記環状通路へ流入し、前記排気ガス及び前記加圧吸気の他方は、軸方向及び径方向の他方の方向へ流れて前記環状通路へ流入する。このようにすれば、タービンへ流入する高速環状排気ガス流を形成する前記環状通路が前記エゼクタを兼ねるため、流体損失を低減し、構造を簡素化することができる。

（第３発明のＴＣ）
第３発明のＴＣは、前記排気ガスが前記エンジンの排気管から流入する前記入り口と、前記吸気管に低温排気ガスを送り出す低温出口と、旋回する高温ガスを排出する高温出口とを有するボルテックスチューブ（ＶＴ）を有し、前記ＶＴの高温出口は、前記ＴＣのタービンの入り口部に連通し、前記ＶＴは、前記タービンの入り口ノズルの機能を有する。すなわち、この発明は、エンジンの排気管からＶＴを通じて高温となった排気ガスを受け取って、その速度エネルギーを利用するＴＣを備える。ＶＴの低温排気ガスはエンジンの吸気管に導入される。ただし、ＶＴの低温排気ガスはエンジンの吸気管に直接導入されてもよく、ＴＣのコンプレッサの上流側に導入されても良い。つまり、ＶＴから排出される低温排気ガスはＥＧＲガスとなる。好適には、エンジンから出た排気ガスの全量がＶＴに導入される。このようにすれば、ＶＴから高速旋回しつつ排出される高温排気ガスの速度エネルギーをＴＣのタービンにおいて回収することができる。

つまり、ＶＴは、タービンの入り口ノズルの機能の一部又は全部を兼ねる。これにより、ＶＴのエネルギー損失をＴＣにより回収できるので、エンジン総合効率を向上することができる。更に、排気ガスに含まれるたとえばディーゼルパテイキュレートのような微粒子を遠心力によりタービン側に誘導することができるので、ＶＴからエンジンの吸気管側に環流させるガス通路に設けられるＥＧＲ弁やエンジンの吸気弁にカーボンが堆積するのを良好に抑止し、かつ、シリンダ内にカーボンが付着するのを良好に抑止することができる。

好適な態様において、前記ＶＴ内の前記排気ガスの回転方向は、前記タービンの回転方向と同じ向きとされる。これにより、ＶＴとタービンとの間の排気ガス管路構造を簡素化することができる。

以下、本発明の各実施態様を図面を参照して説明する。ただし、下記の実施態様は本発明のすべての態様を説明するものではなく、代表的な態様を説明するものである。

（実施形態１）
実施形態１のターボチャージャ（ＴＣ）を図１を参照して説明する。図１は、この実施形態のＴＣをもつエンジン（内燃機関）のブロック図である。１はモータアシストターボチャージャ１（ＭＡＴＣ）であって、回転軸により連結されたコンプレッサ２、アシストモータ３及びタービン４を有している。５はたとえばバッテリからなる直流電源、６はインバータ、７はコントローラである。インバータ６は直流電源５と直流電力を双方向に授受し、アシストモータ３と交流電力を双方向に授受する。アシストモータ３は、スイッチドリラクタンスモータ（ＳＲＭ）により構成されている。コントローラ７は、図略の種々のセンサの検出信号と外部からの指令に基づいてインバータ６を通じてアシストモータ３の動作を制御するマイクロコンピュータ装置からなる。

８は内燃機関（エンジン）、９はエンジン８の吸気管、１０はエンジン８の排気管、１１は吸気管９と排気管１０とを接続するバイパス管である。１２はインタークーラ、１３は排気ガス環流クーラ（ＥＧＲクーラ）、１４は排気ガス環流バルブ（ＥＧＲバルブ）、１５はスロットルバルブである。インタークーラ１２は、コンプレッサ２から出た加圧吸気を冷却した後、スロットルバルブ１５を通じてエンジン８の吸気バルブに供給する。ＥＧＲクーラ１３は、排気管１０から流入する排気を冷却した後、ＥＧＲバルブ１４を通じて吸気管９に供給する。スロットルバルブ１５は、インタークーラ１２から出た加圧吸気の流量を調整する。スロットルバルブ１５の設置は必須ではない。１７はロータがクランクシャフトに連結されたエンジン駆動モータである。エンジン駆動モータ１７は、タイミングベルトを通じてクランクシャフトにより駆動される車両用交流発電機により構成されることもできる。エンジン駆動モータ１７は、電源ライン１６を通じて直流電源５と電力を授受するインバータ１８により駆動される。ＭＡＴＣ１のトルクアシスト制御を以下に説明する。

アクセルペダルの踏量の増大を検出した場合には、コントローラ７は、踏量に応じてスロットルバルブ１５を開き、直噴エンジンでは燃料噴射量を増大させる。これにより、エンジン回転数が増大し、車両が加速される。また、コントローラ７は、この加速期間（エンジン出力が増大する期間）の初期にエンジン駆動モータ１７を発電動作から電動動作に切り替えるとともに、アシストモータ３を電動動作させる。エンジン駆動モータ１７が車両用交流発電機である場合には、その発電を減らす。その結果、この切り替え前後のエンジン駆動モータ１７のトルク差によりエンジン８が加速される。また、ＭＡＴＣ１の電動トルクによりＭＡＴＣ１が加速され、ターボラグが短縮される。その後、増加したエンジン回転数が、アクセルペダルの踏量に対応して所定のマップから求めたしきい値回転数を超えたと判定したら、アシストモータ３を発電動作させる。これにより、ＭＡＴＣ１の回転数の正方向へのオーバーシュートが抑制され、エンジン回転数は、アクセルペダルの踏量に応じた値にレスポンス良く調整される。

ブレーキペダルが踏まれた場合、コントローラ７は、踏量に応じてスロットルバルブ１５を閉じ、直噴エンジンでは燃料噴射量を減少させる。これにより、エンジン回転数が減少し、車両が減速される。更に、コントローラ７は、この減速期間（エンジン出力が減少する期間）の初期にインバータ６を制御してアシストモータ３及びエンジン駆動モータ１７を発電動作させる。その結果、ＭＡＴＣ１は、公知のターボラグ後に低速となり、エンジン８に流入する加圧吸気の流量及び圧力は減少する。その後、低下したエンジン回転数が、アクセルペダルの踏量に対応して所定のマップから求めたしきい値回転数を下回ったと判定したら、アシストモータ３を電動動作させる。これにより、ＭＡＴＣ１の回転数の負方向へのオーバーシュートが抑制される。

図１に示すＭＡＴＣ１の具体的な構造例を図２を参照して説明する。図２は、このＭＡＴＣ１の模式部分軸方向断面図である。ただし、コンプレッサ２、アシストモータ及びタービン４を包むケーシング（ハウジング）の図示は省略されている。２０は回転軸である。ラジアルコンプレッサからなるコンプレッサ２の翼車２１は回転軸２０の左端部に固定され、ラジアルタービンからなるタービン４の翼車４１は回転軸２０の右端部に固定されている。アシストモータ３は、ディスク状のロータ３０とフロント側ステータ３Ｆとバック側ステータ３Ｂと、モータハウジング３１とを有している。モータハウジング３１は非磁性金属により構成されて円筒状ケーシング（図示せず）の内周面に固定されている。フロント側ステータ３Ｆはステータコイル４０Ｆを有し、バック側ステータ３Ｂはステータコイル４０Ｂを有している。

モータハウジング３１は、それぞれリブ付きディスク形状のフロント側ケーシング３１Ｆ及びバック側ケーシング３１Ｂとからなる。リブ３２Ｆはフロント側ケーシング３１Ｆの外周縁から軸方向後方へ突出している。リブ３２Ｂはバック側ケーシング３１Ｂの外周縁から軸方向前方に突出している。リブ３２Ｆの先端とリブ３２Ｂの先端とは突き合わせられ、フロント側ケーシング３１Ｆ及びバック側ケーシング３１Ｂの内部にロータ及びステータを収容するモータ空間Ｓが区画形成されている。互いに突き合わせられるリブ３２Ｆの先端部及びリブ３２Ｂの先端部は周方向一定ピッチで形成された凹部と凸部とをもつ。リブ３２Ｆ及びリブ３２Ｂの凸部同士が軸方向に突き合わせられている。リブ３２Ｆ及びリブ３２Ｂの凹部は、外部からモータ空間Ｓに冷却空気を導入する吸入孔３２Ｃを構成している。

フロント側ケーシング３１Ｆ及びバック側ケーシング３１Ｂの内周面と回転軸２０との間にアンギュラ軸受３３Ｆ、３３Ｂが設けられている。ころがり軸受けの代わりに滑り軸受けの採用及び滑りスラスト軸受けを採用してもよい。３４Ｆはフロント側ケーシング３１Ｆに軸方向に設けられた空気流通孔、３４Ｂはバック側ケーシング３１Ｂに軸方向に設けられた空気流通孔である。

ロータ３０は、非磁性金属製の支持円筒３０Ａと、この支持円筒３０Ａの外周面に固定されたロータコア３０Ｂとからなる。支持円筒３０Ａは回転軸２０に嵌着、固定されている。３５Ｆ、３５Ｂは支持円筒３０Ａを挟持して回転軸２０に嵌着、固定される支持リングである。支持リング３５Ｆ、３５Ｂと支持円筒３０Ａとを一体に形成してもよい。
フロント側ステータコイル４０Ｆ及びバック側ステータコイル４０Ｂとロータコア３０Ｂとの一部周方向展開図を図３に示す。ロータコア３０Ｂは、螺旋巻きされた電磁鋼板によりディスク状に形成されている。ロータコア３０Ｂは、電磁鋼板のプレス打ち抜きにより周方向所定ピッチで径方向へ延在する孔部３０Ｃ（図３参照）をもつ。孔部３０Ｃはロータコア３０Ｂの軸方向磁気抵抗を増大させるので、孔部３０ＣはＳＲＭロータの高磁気抵抗部をなす。

隣接する孔部３０Ｃと孔部３０Ｃとの間のロータコア３０Ｂは軸方向磁気抵抗が小さい低磁気抵抗部３０Ｄを構成する。この実施形態では、孔部３０Ｃは、１８０度ピッチ（電気角πピッチ）で構成され、２極のＳＲＭロータを構成している。これにより、このロータコア３０Ｂは、ＳＲＭのロータを構成することができる。孔部３０Ｃに繊維強化樹脂部材などの電気絶縁性かつ軽量の遠心力強化部材を設けても良い。

図３において、ＰＨは周方向、ＡＸは軸方向を意味する。図３に示すフロント側ステータコイル４０Ｆ及びバック側ステータコイル４０Ｂは、互いに電気角π／２だけ離れて配置されており、相電流Ｉｘ、Ｉｙが個別に流れる２相コイルによりそれぞれ構成されている。フロント側ステータ３Ｆ及びバック側ステータ３Ｂは、スロットを打ち抜かれた螺旋巻きされた電磁鋼板によりディスク状に形成されている。フロント側ステータ３Ｆは径方向へ延在するフロント側ステータコイル４０Ｆをもち、バック側ステータ３Ｂは径方向へ延在するバック側ステータコイル４０Ｂを収容する複数のスロットをもつ。

フロント側ステータコイル４０Ｆ及びバック側ステータコイル４０Ｂは、通常のモータのステータコイルと同じく、周知の分布巻き又は集中巻きにより構成されることができ、複数の相コイルを周方向に位相をずらせて巻くことにより構成される。フロント側ステータコイル４０Ｆ及びバック側ステータコイル４０Ｂの同一相の相コイルは、周方向同じ位置に巻かれる。これにより、フロント側ステータ３Ｆのステータ磁極と同一相のバック側ステータ３Ｂのステータ磁極は周方向同一位置に形成されることになる。

このようにすれば、フロント側ステータコイル４０Ｆ及びバック側ステータコイル４０Ｂがロータコア３０Ｂ内に形成する磁束のほとんどは、ロータコア３０Ｂ内を軸方向（ＡＸ方向）に流れる。このことは、ロータコア３０Ｂは、磁束を周方向へ流すための磁性部材を必要としないことを意味する。つまり、この実施形態の前後ステータ配置アキシャルギャップ型スイッチドリラクタンスモータは、非常に軽量でかつ、ロータを貫通するトルク発生に有効な磁束量が多いモータとなる。このため、このモータをもつこの実施形態のＭＡＴＣ１のターボラグは大幅に低減される。更に、コンプレッサ２及びタービン４のスラストを支持するため、このＭＡＴＣ１は元々スラスト軸受け（この実施形態ではアンギュラ軸受けにより構成している）をもつ。したがって、アキシャルギャップモータの軸方向電磁力を支持するためのスラスト軸受け構造を新たに追加する必要はない。

上記したロータコア３０Ｂを周方向へ流れる磁束が少ないのは、この実施形態では、フロント側ステータコイル４０Ｆの電流分布とバック側ステータコイル４０Ｂの電流分布とが周方向において一致してためである。つまり、前後一対のステータコイルに、互いに同一の空間位相電流を流すことにより、ロータコア３０Ｂの周方向磁路断面積を大幅に減らすことができる。

アシストモータ３の冷却機構を図２を参照して説明する。４０はバック側ステータ３Ｂの後端面に張り付けられたセラミック製の熱絶縁ディスクである。バック側ステータ３Ｂの後端面には径方向へ溝部４２が形成されている。４３は熱絶縁ディスク４１の後端面とタービン４の翼車４１の背面との間の隙間である。同じく、４４はコンプレッサ２の翼車２１の背面とフロント側ステータ３Ｆの前端面との間の隙間である。吸入孔３２Ｃからモータ室Ｓ内に冷却空気が導入される。この冷却空気は、フロント側ステータ３Ｆ及びバック側ステータ３Ｂとロータコア３０Ｂとの間の径方向隙間を通じて径内方向へ流れ、空気流通孔３４Ｆ、隙間４４を通じて排出され、同様に空気流通孔３４Ｂ、隙間４２を通じて排出される。隙間４３から径方向内側に流入する排気ガスは、隙間４２を通じて排出される。これにより、アシストモータ３はタービン４の熱から良好に冷却される。

アシストモータ３は、ＳＲＭにより構成されているので、ロータをロータコア３０Ｂのみで構成することができ、その慣性回転質量を低減することができる。また、ＳＲＭは、形成のために高周波スイッチングが必要な正弦波磁界を必要とせず、ＭＡＴＣではインバータＰＷＭ制御もほとんど必要がないため、インバータ損失及びアシストモータ３の鉄損を低減することができる。

（実施形態２）
実施形態２のＴＣを図４を参照して説明する。図４は、このターボチャージャ（ＴＣ）５０の模式部分軸方向断面図である。コンプレッサ２の翼車２１は回転軸２０の左端部に固定され、タービン４の翼車４１は回転軸２０の右端部に固定されている。５１Ｃはコンプレッサ用のケーシングであり、５１Ｔはタービン用のケーシングである。３３は回転軸２０を回転自在に支持する軸受けである。軸受け３３はケーシング５１Ｃ、５１Ｔと一体のハウジングに支持されている。

５２はケーシング５１Ｃの環状流路であり、リング状のディフユーザをなす。コンプレッサ２の翼から径方向外側及び周方向一方側へ排出された加圧吸気は、環状流路５２、排出孔５３を通じて外部の吸気管に送り出される。実際には、排出孔５３は渦巻き状に１周する環状流路５２の出口部に設けられている。５４はバイパス弁、５５はバイパス管である。環状流路５２から排出孔５３を通じて外部に排出された加圧吸気は図略のエンジンのインテークマニホルドに送られる。また、加圧吸気はバイパス管５５を通じてタービン４にバイパスされる。バイパス弁５４は加圧吸気のバイパス量を調節する弁である。

５８はケーシング５１Ｔの環状流路である。図略のエンジンから排出された排気ガスはケーシング５１Ｔに設けた吸入孔５６を通じて、ケーシング５１Ｔの環状流路５８に送り込まれる。実際には、吸入孔５６は、図略の渦巻き状に１周する環状流路５８の入り口部に設けられたノズルからなる。環状流路５８は、タービン４の翼部の外周端に隣接する位置にて案内翼（ベーン）５９を有している。案内翼５９は、環状流路５８内を高速で旋回する排気ガス流を周方向一方側へ偏向し又は増速してタービン４の翼部に吹き付ける。５７はケーシング５１Ｔの第２吸入孔である。第２吸入孔５７は、加圧吸気を周方向一方側へ案内する案内翼をもち、環状流路５８の側面に開口している。

図４において吸入孔５６として略示されているノズルにより増速されて環状流路５８内を高速旋回する排気ガス流は低圧となり、第２吸入孔５７から加圧吸気を吸入する。つまり、エンジンから出た排気ガスはノズルをなす吸入孔５６で断熱膨張して環状流路５８内に高速で吹き込まれるため、バイパス管５５から出た加圧吸気は第２吸入孔５７を通じて環状流路５８に吸引される。つまり、環状流路５８はリング状のエゼクタを構成している。なお、吸入孔５６を環状流路５２の側面に設けても良く、第２吸入孔５７を環状流路５８の側面に設けても良く、吸入孔５６を環状流路５８の外周面側に設けても良い。

このＴＣ５０の動作を説明する。バイパス弁５４は、コンプレッサ２及びタービン４の流量が小さい場合に開かれる。これにより、コンプレッサ２から出た加圧吸気の一部は排気ガスが高速旋回する環状流路５８を通じてタービン４に流入するため、ターボチャージャ５０の回転数は増大し、コンプレッサ２の流量及びタービン４の流量が増大する。その結果、エンジン小出力運転時においても、ＴＣ５０の流体損失を低減することができる。なお、コンプレッサ２の加圧吸気流量の増大は、コンプレッサ２が消費する仕事の増加を招くが、コンプレッサ２から出た加圧吸気はタービン４により膨張してタービン４を駆動するため、全体としての損失は減少する。
次に、バイパス弁５４は、アクセルペダルの踏量が増大してエンジンを加速する場合に閉じられる。その結果、コンプレッサ２からエンジンに吸入される加圧吸気の流量は直ちに増加し、エンジン出力は急速に増大する。したがって、この実施形態によれば、簡素な構成により加速時のターボラグ問題を解決することができる。なお、長期にわたって、エンジン出力が小さいと推定される場合には、エンジン出力が小さい場合でもバイパス弁５４を部分的にあるいは全面的に閉じてもよい。好適には、バイパス弁５４は、ブレーキペダルの踏量が増大してエンジンを減速する場合に開かれる。その結果、エンジンが吸入する加圧吸気の流量が減り、エンジン出力は急速に減少する。したがって、この実施形態によれば、簡素な構成により減速時のターボラグ問題を解決することができる。

（実施形態３）
実施形態３のＴＣを図５を参照して説明する。図５はエンジンのブロック図である。図５は、図１において、アシストモータ３を省略し、ボルテックスチューブ（ＶＴ）６０を追加した点にその特徴がある。
ＶＴ６０は、エンジン８の排気ガスが流入するノズル６１をもつ。ＶＴ６０は、円筒状部材である。ＶＴ６０の一端は、タービン４に高温排気ガスを送り出す高温出口をもち、ＶＴ６０の他端は、ＥＧＲクーラ１３に低温排気ガスを送り出す低温出口をもつ。６１は、ＶＴ６０の他端側の周面に設けられたノズルであり、ノズル６１は、ＶＴ６０の接線方向に配置されており、エンジン８から出た高圧の排気ガスを断熱膨張してＶＴ６０に吹き込む。

これにより、ＶＴ６０の内部には排気ガスの高速旋回流が形成される。良く知られているように、ＶＴ６０内の旋回空間のの径方向中心部を流れる旋回流は低温となり、ＶＴ６０内の旋回空間の径方向外側部分を流れる旋回流は高温となる。これにより、高速旋回する高温の排気ガス流はタービン４に送られ、低温の排気ガス流はＥＧＲクーラ１３に送られる。

この実施形態によれば、ＥＧＲクーラ１３に低温の排気ガスが流入するため、ＥＧＲクーラ１３の冷却負担が減る。また、排気ガスに含まれる微粒子は遠心力によりタービン４に送られるため、ＥＧＲバルブ１４やエンジン８の吸入弁へのカーボン堆積やシリンダ内面の摩耗を減らすことができる。また、高温の排気ガス流はタービン４の仕事量を増大する。ボルテックスチューブ６０における断熱膨張によりタービン４での断熱膨張仕事量が減る問題は、ＶＴ６０から出る高速旋回流の速度エネルギーをタービン４により回収することができるため改善される。つまり、ＶＴ６０は、タービン４の入り口ノズル（ベーン）の断熱膨張機能の一部又は全部を兼ねる。

排気ガスの流路構造の一例を図６を参照して説明する。６２はボルテックスチューブ６０の高温出口とタービン４の入り口とを連通する排気ガス連通管である。排気ガス連通管６２は、ＶＴ６０の接線方向へ延在しており、ＶＴ６０の高温出口から流入する高温の排気ガスをタービン４の外周に存在する環状流路にタービン４の接線方向へ吹き込む。このタービン４の環状流路は、タービン４を囲んで配置されている。ＶＴ６０の高温出口もＶＴ６０の一端を囲んで配置された環状流路からなる。この環状流路から出た排気ガスはＶＴ６０の接線方向へ延在する排気ガス連通管６２に流入する。６３は低温の排気ガスをＥＧＲクーラ１３に吹き出すＶＴ６０の低温出口である。この実施形態では、低温出口６３はノズル６１側に配置されている。

（変形態様１）
変形態様を図７に示す。この変形態様では、低温出口６３は排気ガス連通管６２の近くに配置されている。排気ガス連通管６２は、ＶＴ６０及びタービン４の略接線方向に配置されている。

（変形態様２）
変形態様を図８に示す。６４はＶＴ６０の環状の高温出口である。この変形態様では、排気ガス連通管６２は、螺旋状に周回してタービン４の環状流路５８に達している。ＶＴ６０とＴＣ１とは同軸上に配置され、ＴＣ１の低圧排気ガス排出筒４４は直角に湾曲している。

本発明のターボチャージャの実施形態１を示すブロック図である。 図１のターボチャージャの具体的な構造例を示す模式軸方向半断面図である。 図２のアシストモータの一部周方向展開図である。 ターボチャージャの実施形態２の模式軸方向半断面図である。 ターボチャージャの実施形態３を示すブロック図である。 図５の排気ガスの流路構造の一例を示す模式断面図である。 図６の変形態様１を示す模式断面図である。 図６の変形態様２を示す模式断面図である。

Claims (7)

1. 車両に搭載されたエンジンの排気管から流入する排気ガスにより駆動されるタービンと、前記タービンにより駆動されて外気取り入れ管から流入する空気を圧縮して前記エンジンの吸気管へ送り出すコンプレッサとを備えるターボチャージャにおいて、
   前記コンプレッサと前記タービンとの間に位置して前記コンプレッサ及び前記タービンと連結されるスイッチドリラクタンスモータからなるアシストモータと、前記アシストモータを制御するコントローラとを備え、
   前記アシストモータは、ディスク状のロータと、前記ロータの前端面に軸方向へ小ギャップを隔てて対面するフロント側ステータと、前記ロータの後端面に軸方向へ小ギャップを隔てて対面するバック側ステータとを有するアキシャルギャップ構造を有し、
   前記フロント側ステータ及び前記バック側ステータの互いに同一位相の磁極は、ほぼ同一の周方向位置に配置されてほぼ同一量の磁束を発生し、
   前記ロータは、軸方向磁路断面積の半分以下の周方向磁路断面積を有するロータコアを有することを特徴とするターボチャージャ。
2. 前記コントローラは、車両加速時に前記アシストモータを電動動作させてターボラグを短縮し、その後、前記モータアシストターボチャージャ又は前記エンジンの回転数が所定しきい値を上回ったことを検出したら前記アシストモータを発電動作させて回転数の正オーバーシュートを抑制する請求項１記載のターボチャージャ。
3. 車両に搭載されたエンジンの排気管から流入する排気ガスにより駆動されるタービンと、前記タービンにより駆動されて外気取り入れ管から流入する空気を圧縮して前記エンジンの吸気管へ送り出すコンプレッサとを備えるターボチャージャにおいて、
   前記タービンの入り口側に配置されて前記排気ガスを断熱膨張させるとともに、前記コンプレッサから出た加圧吸気を前端面排気ガスの流れにより吸引して前記タービンに送るエゼクタを有することを特徴とするターボチャージャ。
4. 前記コンプレッサから前記エゼクタに前記加圧吸気を送るバイパス管に配置されて前記加圧吸気の流量を調節するバイパス弁を有する請求項３記載のターボチャージャ。
5. 前記エゼクタは、前記タービンの径方向外側に配置されて前記排気ガスが環状に流れる環状通路を有し、
   前記排気ガス及び前記加圧吸気の一方は、軸方向及び径方向の一方の方向へ流れて前記環状通路へ流入し、
   前記排気ガス及び前記加圧吸気の他方は、軸方向及び径方向の他方の方向へ流れて前記環状通路へ流入する請求項４記載のターボチャージャ。
6. 車両に搭載されたエンジンの排気管から流入する排気ガスにより駆動されるタービンと、前記タービンにより駆動されて外気取り入れ管から流入する空気を圧縮して前記エンジンの吸気管へ送り出すコンプレッサとを備えるターボチャージャにおいて、
   前記排気ガスが前記エンジンの排気管から流入する前記入り口と、前記吸気管に低温排気ガスを送り出す低温出口と、旋回する高温ガスを排出する高温出口とを有するボルテックスチューブを有し、
   前記ボルテックスチューブの前記高温出口は、前記ターボチャージャのタービンの入り口部に連通し、
   前記ボルテックスチューブは、前記タービンの入り口ノズルを兼ねることを特徴とするターボチャージャ。
7. 前記ボルテックスチューブ内の前記排気ガスの回転方向は、前記タービンの回転方向と同じ向きとされる請求項６記載のターボチャージャ。

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