JP2011153583A - 過給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの運転状態に応じてタービン動翼の回転速度を任意に選択することができる過給装置を提供する。
【解決手段】変速機構１０においては、ピニオンギア１３を介してサイドギア１１，１２間で回転が伝達され、さらに、ピニオンギア１３を回転自在に支持する回転ケース１４の回転によりピニオンギア１３がサイドギア１１の回転中心軸まわりに周回することで、サイドギア１１，１２と回転ケース１４との間で回転が伝達される。回転ケース１４に接続されたモータ５０の回転速度に応じて、サイドギア１１に接続されたタービンインペラ４１とサイドギア１２に接続されたコンプレッサインペラ３１との回転速度比が変化する。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンからの排気を利用してエンジンへの吸気を加圧する過給装置に関する。

エンジンへの吸気を加圧する過給装置として、ターボチャージャーが用いられている。ターボチャージャーは、エンジンからの排気のエネルギーを利用してタービンの動翼を回転駆動することで、タービンの動翼に接続されたコンプレッサの動翼を回転駆動してエンジンへの吸気を加圧する。

ターボチャージャーによりエンジンへの吸気を加圧する場合に、エンジンの回転速度が低く、エンジンからの排気のエネルギーが少ないときは、タービン動翼の回転速度も低くなりやすく、コンプレッサによる過給圧が低下しやすくなる。エンジンの回転速度が低い運転状態であってもコンプレッサによる過給圧を速やかに上昇させるために、タービン動翼とコンプレッサ動翼とを接続するシャフトに補助駆動用のモータを設け、モータの回転駆動によりコンプレッサ動翼の回転駆動をアシストする技術が下記特許文献１，２に開示されている。

特公平５−５１０４７号公報 特開平７−２５９５７６号公報 特開２００４−３６０４８７号公報

ターボチャージャーにおいて、タービンの効率は、例えば図５に示すように、タービン動翼の回転速度とタービンの膨張比に応じて変化し、タービン動翼の回転速度が低いときにタービンの効率が低下しやすくなる。特許文献１，２では、エンジン低回転域からの加速時において補助駆動用のモータの回転駆動により過給圧上昇速度の向上が図れるが、タービン動翼とコンプレッサ動翼がシャフトを介して接続されており、タービン動翼とコンプレッサ動翼とで回転速度が常に等しくなるため、エンジンの運転状態に応じてタービン動翼の回転速度を任意に選択することが困難となる。その結果、エンジン低回転域において、タービン動翼の回転速度が低くなり、タービンの効率が低下しやすくなる。

本発明は、エンジンの運転状態に応じてタービン動翼の回転速度を任意に選択することができる過給装置を提供することを目的とする。

本発明に係る過給装置は、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明に係る過給装置は、エンジンからの排気を利用してタービン動翼を回転させるタービンと、コンプレッサ動翼の回転によりエンジンへの吸気を加圧するコンプレッサと、タービン動翼とコンプレッサ動翼との回転速度比を変化させる変速機構と、を備え、変速機構は、第１及び第２回転要素と、第１及び第２回転要素間で回転を伝達する第３回転要素と、第３回転要素を回転自在に支持する第４回転要素であって、その回転により第３回転要素を第１回転要素の回転軸まわりに周回させる第４回転要素と、を含み、第１回転要素と第２回転要素と第４回転要素のうちの１つがタービン動翼に接続され、第１回転要素と第２回転要素と第４回転要素のうちの他の１つがコンプレッサ動翼に接続され、第１回転要素と第２回転要素と第４回転要素のうちの残りの１つが原動機に接続され、原動機の回転速度に応じてタービン動翼とコンプレッサ動翼との回転速度比が変化することを要旨とする。

本発明の一態様では、第４回転要素が原動機に接続され、原動機から第４回転要素に伝達されたトルクが第１及び第２回転要素に分配されることが好適である。

本発明の一態様では、変速機構は差動機構であることが好適である。

また、本発明に係る過給装置は、エンジンからの排気を利用してタービン動翼を回転させるタービンと、コンプレッサ動翼の回転によりエンジンへの吸気を加圧するコンプレッサと、を備え、タービン動翼とコンプレッサ動翼との回転速度比を連続的に変化させることが可能な変速機構を介して、タービン動翼からコンプレッサ動翼へ回転が伝達されることを要旨とする。

本発明によれば、原動機の回転速度に応じてタービン動翼とコンプレッサ動翼との回転速度比を任意に変化させることができるので、エンジンの運転状態に応じてタービン動翼の回転速度を任意に選択することができる。

本発明の実施形態に係る過給装置を備える過給エンジンシステムの概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る過給装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る過給装置の動作を説明する図である。 本発明の実施形態に係る過給装置の動作を説明する図である。 タービン効率特性の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る過給装置の他の概略構成を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る過給装置を備える過給エンジンシステムの概略構成を示す図であり、図２は、本発明の実施形態に係る過給装置の概略構成を示す図である。本実施形態に係る過給エンジンシステムは、エンジン（内燃機関）５３と、過給装置としてターボチャージャー（ターボ過給機）２０と、を備える。本実施形態に係る過給エンジンシステムについては、例えば車両を駆動するための動力源として用いることができる。

ターボチャージャー２０は、タービン４０及びコンプレッサ３０を含んで構成される。タービン４０は、例えば遠心タービンにより構成され、エンジン５３からの排気のエネルギーを利用してタービンインペラ（タービン動翼）４１を回転駆動する。コンプレッサ３０は、例えば遠心圧縮機等のターボ圧縮機により構成され、コンプレッサインペラ（コンプレッサ動翼）３１が回転駆動することで、コンプレッサ３０上流の吸気通路からの吸気（エンジン５３への吸気）を入口から吸入し、吸入した吸気を加圧して出口から吐出する。コンプレッサインペラ３１の回転駆動によりコンプレッサ３０で加圧された吸気は、コンプレッサ３０下流の吸気通路を通り、エンジン５３の吸気弁が開いているときに（吸気行程において）エンジン５３の燃焼室内に導入される。エンジン５３は、燃焼室内に導入された吸気を間欠的に燃焼させることで動力を発生する。その際には、燃料を吸気通路に噴射することも可能であるし、燃料を燃焼室内に直接噴射することも可能である。燃焼室内における燃焼後の排気は、エンジン５３の排気弁が開いているときに（排気行程において）タービン４０上流の排気通路へ排出され、さらに、タービンインペラ４１を回転駆動するためにタービン４０へ供給される。タービンインペラ４１の回転駆動に利用された排気は、タービン４０下流の排気通路へ排出される。

本実施形態では、タービンインペラ４１とコンプレッサインペラ３１が変速機構１０を介して接続されており、タービンインペラ４１から変速機構１０を介してコンプレッサインペラ３１へ回転が伝達される。ここでの変速機構１０は、タービンインペラ４１とコンプレッサインペラ３１との回転速度比を連続的に変化させることが可能である。以下、変速機構１０の構成例について説明する。

図１，２に示す例では、変速機構１０は、第１及び第２回転要素としての一対のサイドギア１１，１２と、第３回転要素としての複数のピニオンギア１３と、第４回転要素としての回転ケース１４とを含む差動機構（差動歯車機構）により構成される。サイドギア１２の回転中心軸はサイドギア１１の回転中心軸と一致しており、回転ケース１４の回転中心軸はサイドギア１１，１２の回転中心軸と一致しており、各ピニオンギア１３の回転中心軸はサイドギア１１，１２及び回転ケース１４の回転中心軸と直交している。各ピニオンギア１３はサイドギア１１，１２と噛み合っており、各ピニオンギア１３を介してサイドギア１１，１２間で回転が伝達される。その際には、サイドギア１１，１２同士でトルクの方向が互いに逆方向になるように、各ピニオンギア１３でトルクの方向が反転してからサイドギア１１，１２間でトルクが伝達される。さらに、各ピニオンギア１３は回転ケース１４に回転自在に支持されており、回転ケース１４の回転により各ピニオンギア１３がサイドギア１１の回転中心軸（サイドギア１２及び回転ケース１４の回転中心軸と一致する）まわりに周回（公転）する。各ピニオンギア１３の周回により、サイドギア１１，１２と回転ケース１４との間で回転が伝達される。その際には、サイドギア１１とサイドギア１２と回転ケース１４とでトルクの方向が互いに同方向になるように、サイドギア１１，１２と回転ケース１４との間でトルクが伝達される。

変速機構１０においては、サイドギア１１，１２と回転ケース１４のうちの１つがタービンインペラ４１に接続され、サイドギア１１，１２と回転ケース１４のうちの他の１つがコンプレッサインペラ３１に接続され、サイドギア１１，１２と回転ケース１４のうちの残りの１つが原動機としてのモータ５０に接続される。このように、タービンインペラ４１、コンプレッサインペラ３１、及びモータ５０は、変速機構１０の異なる回転要素にそれぞれ接続される。図１，２に示す例では、サイドギア１１がタービンシャフト４２を介してタービンインペラ４１に接続され、サイドギア１２がコンプレッサシャフト３２を介してコンプレッサインペラ３１に接続され、回転ケース１４がリングギア５１及びピニオンギア５２を介してモータ５０に接続されている。タービンシャフト４２（タービンインペラ４１及びサイドギア１１）は、軸受４３を介して回転自在に支持されており、コンプレッサシャフト３２（コンプレッサインペラ３１及びサイドギア１２）は、軸受３３を介して回転自在に支持されている。モータ５０は、例えば二次電池等の蓄電装置から供給された電力を利用して回転駆動可能である。さらに、モータ５０は、発電運転を行うことも可能であり、発電運転による電力を蓄電装置に回収することも可能である。モータ５０の回転駆動は制御装置により制御される。図２に示す例では、モータ５０がターボチャージャー２０本体外に配置されている。

モータ５０（回転ケース１４）の回転が停止している状態では、図１の矢印に示すように、タービンインペラ４１の回転は、サイドギア１１から各ピニオンギア１３を介してサイドギア１２へ伝達されることで、コンプレッサインペラ３１へ伝達される。その際には、コンプレッサインペラ３１（サイドギア１２）がタービンインペラ４１（サイドギア１１）と逆方向に回転し、コンプレッサインペラ３１とタービンインペラ４１とで回転速度の大きさ（絶対値）は等しくなる。

一方、モータ５０を回転駆動することで、モータ５０の回転は、回転ケース１４から各ピニオンギア１３の公転によりサイドギア１１，１２へ伝達されることで、タービンインペラ４１及びコンプレッサインペラ３１へ伝達される。その際には、モータ５０から回転ケース１４に伝達されたトルクが、サイドギア１１，１２に分配（等分配）されてからタービンインペラ４１及びコンプレッサインペラ３１へ伝達される。さらに、コンプレッサインペラ３１がタービンインペラ４１と逆方向に回転している状態において、モータ５０を回転駆動することで、モータ５０（回転ケース１４）の回転速度に応じて、タービンインペラ４１の回転速度及びコンプレッサインペラ３１の回転速度が連続的に変化し、タービンインペラ４１の回転速度とコンプレッサインペラ３１の回転速度との比が連続的に変化する。その場合において、回転ケース１４をタービンインペラ４１と同方向に回転させる（各ピニオンギア１３をタービンインペラ４１と同方向に周回させる）ようにモータ５０を回転駆動するときは、図３の矢印に示すように、タービンインペラ４１の回転速度が増加するとともにコンプレッサインペラ３１の回転速度が減少し、タービンインペラ４１とコンプレッサインペラ３１との回転速度比の大きさ（絶対値）が増加する。一方、回転ケース１４をタービンインペラ４１と逆方向に回転させる（各ピニオンギア１３をタービンインペラ４１と逆方向に周回させる）ようにモータ５０を回転駆動するときは、図４の矢印に示すように、タービンインペラ４１の回転速度が減少するとともにコンプレッサインペラ３１の回転速度が増加し、タービンインペラ４１とコンプレッサインペラ３１との回転速度比の大きさ（絶対値）が減少する。このように、変速機構１０においては、モータ５０の回転速度に応じて、タービンインペラ４１とコンプレッサインペラ３１との回転速度比を変化させることができ、タービンインペラ４１とコンプレッサインペラ３１の回転速度を任意に選択することができる。

タービン４０の効率は、例えば図５に示すように、タービンインペラ４１の回転速度とタービン４０の膨張比に応じて変化し、タービンインペラ４１の回転速度が低いときにタービン４０の効率が低下しやすくなる。通常のターボチャージャーでは、タービンインペラとコンプレッサインペラが直結されており、タービンインペラとコンプレッサインペラとで回転速度が常に等しくなる。そのため、エンジン低回転域においては、タービンインペラ及びコンプレッサインペラともに回転速度が低くなり、タービンの効率が低下しやすくなる。一方、エンジン高回転域においては、タービンインペラ及びコンプレッサインペラともに回転速度が高くなり、タービンインペラの過回転やコンプレッサによる過給圧の過度な上昇を招きやすくなる。

これに対して本実施形態では、エンジン５３の回転速度が低い場合は、回転ケース１４をタービンインペラ４１と同方向に回転させるようにモータ５０を回転駆動することで、タービンインペラ４１の回転駆動をモータ５０のトルクによりアシストすることができ、コンプレッサインペラ３１の回転速度に対してタービンインペラ４１の回転速度を増加させることができる。これによって、タービン４０の運転状態を例えば図５のＡからＢに移行させることができ、タービン４０の効率を向上させることができる。したがって、エンジン５３の加速時にコンプレッサ３０による過給圧の上昇を速めることができるとともに、エンジン５３の背圧を低減することができる。その結果、エンジン５３の加速性能の向上、燃焼の改善、燃費向上の効果が得られる。さらに、エンジン５３がガソリンエンジン等の火花点火機関である場合には、エンジン５３の背圧を低減することによるノッキング抑制効果も期待できる。

一方、エンジン５３の回転速度が高い場合は、タービンインペラ４１の回転方向と逆方向のトルクを回転ケース１４に作用させるようにモータ５０にトルクを発生させて発電運転を行うことで、タービンインペラ４１の余剰な動力（余剰な排気エネルギー）をモータ５０の発電電力に変換して蓄電装置に回収することができ、タービンインペラ４１の回転速度の上昇を抑えることができる。したがって、タービン４０の効率が良好となるタービンインペラ４１の回転速度を維持しながら、タービンインペラ４１の過回転、及びコンプレッサ３０による過給圧の過度な上昇を抑えることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、モータ５０の回転速度に応じてタービンインペラ４１とコンプレッサインペラ３１との回転速度比を任意に変化させることができるので、エンジン５３の運転状態に応じてタービンインペラ４１の回転速度を任意に選択することができる。その結果、エンジン５３の運転状態が変化しても、タービン４０の効率が良好となる運転条件でターボチャージャー２０の運転が可能となる。

また、特許文献１，２では、タービンインペラとコンプレッサインペラとを接続するシャフトに補助駆動用のモータを設けているため、モータは、常にタービンインペラ及びコンプレッサインペラと同じ回転速度で回転する。そのため、高速モータ及び高精度な制御系が必要となる。これに対して本実施形態では、コンプレッサインペラ３１とタービンインペラ４１が同じ回転速度で回転するときは、モータ５０の回転は停止しており、タービンインペラ４１とコンプレッサインペラ３１との回転速度比を変化させる分だけモータ５０を回転駆動すればよいため、モータ５０の回転速度は、タービンインペラ４１の回転速度及びコンプレッサインペラ３１の回転速度よりも十分低くなる。そのため、安価な低速モータ及び制御系が使用可能となり、モータ５０の効率も高くなる。また、本実施形態では、モータ５０をターボチャージャー２０本体外に配置することで、タービン４０の高熱の影響を避けてモータ５０の熱負荷を低減することができるとともに、モータ５０の配置の自由度を高めることができる。

本実施形態では、例えば図６に示すように、モータ５０をターボチャージャー２０本体に内蔵することも可能である。図６に示す例では、図２に示す例と比較して、リングギア５１及びピニオンギア５２が省略されており、変速機構１０の回転ケース１４がモータ５０のロータに接続されている。ただし、モータ５０をターボチャージャー２０本体外に配置した方が、モータ５０の配置の自由度を高める点では有利である。

また、本実施形態では、サイドギア１１，１２とピニオンギア１３の代わりに第１及び第２サイドローラとピニオンローラをそれぞれ設けることで、変速機構１０がトラクションドライブ機構による差動機構であってもよい。

また、本実施形態において、タービンインペラ４１とコンプレッサインペラ３１とモータ５０の、変速機構１０の各回転要素への接続は、図１，２に示す例に限られるものではない。例えば、サイドギア１１（あるいは第１サイドローラ）をモータ５０に接続することも可能である。その場合は、サイドギア１２（あるいは第２サイドローラ）をタービンインペラ４１に接続し且つ回転ケース１４をコンプレッサインペラ３１に接続してもよいし、サイドギア１２（あるいは第２サイドローラ）をコンプレッサインペラ３１に接続し且つ回転ケース１４をタービンインペラ４１に接続してもよい。その場合においても、モータ５０の回転速度に応じて、タービンインペラ４１とコンプレッサインペラ３１との回転速度比を連続的に変化させることが可能である。ただし、回転ケース１４をモータ５０に接続する構成の方が、モータ５０の回転速度を低くする点では有利である。

また、本実施形態では、変速機構１０が、第１及び第２回転要素としてのサンギア及びリングギアと、第３回転要素としてのピニオンギア（遊星ギア）と、第４回転要素としてのキャリアとを含む遊星歯車機構であってもよいし、第１及び第２回転要素としてのサンローラ及びリングローラと、第３回転要素としてのピニオンローラ（遊星ローラ）と、第４回転要素としてのキャリアとを含むトラクションドライブ機構による遊星ローラ機構であってもよい。その場合は、ピニオンギア（あるいはピニオンローラ）を介してサンギアとリングギアとの間（あるいはサンローラとリングローラとの間）で回転が伝達される。さらに、ピニオンギア（あるいはピニオンローラ）はキャリアに回転自在に支持されており、キャリアの回転によりピニオンギア（あるいはピニオンローラ）がサンギア（あるいはサンローラ）の回転中心軸まわりに周回（公転）する。

変速機構１０がシングルピニオン遊星歯車機構（あるいはシングルピニオン遊星ローラ機構）である例においては、例えばサンギア（あるいはサンローラ）をタービンインペラ４１に接続し、リングギア（あるいはリングローラ）をコンプレッサインペラ３１に接続し、キャリアをモータ５０に接続することで、モータ５０の回転速度に応じて、タービンインペラ４１とコンプレッサインペラ３１との回転速度比を連続的に変化させることが可能である。その際には、モータ５０からキャリアに伝達されたトルクが、サンギア及びリングギア（あるいはサンローラ及びリングローラ）に分配（等分配）されてからタービンインペラ４１及びコンプレッサインペラ３１へ伝達される。ただし、例えばサンギア（あるいはサンローラ）をモータ５０に接続することも可能である。その場合は、リングギア（あるいはリングローラ）をタービンインペラ４１に接続し且つキャリアをコンプレッサインペラ３１に接続してもよいし、リングギア（あるいはリングローラ）をコンプレッサインペラ３１に接続し且つキャリアをタービンインペラ４１に接続してもよい。その場合においても、モータ５０の回転速度に応じて、タービンインペラ４１とコンプレッサインペラ３１との回転速度比を連続的に変化させることが可能である。ただし、変速機構１０がシングルピニオン遊星歯車機構（あるいはシングルピニオン遊星ローラ機構）である例においては、キャリアをモータ５０に接続する構成の方が、モータ５０の回転速度を低くする点では有利である。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

１０ 変速機構、１１，１２ サイドギア、１３ ピニオンギア、１４ 回転ケース、２０ ターボチャージャー、３０ コンプレッサ、３１ コンプレッサインペラ、３２ コンプレッサシャフト、３３，４３ 軸受、４０ タービン、４１ タービンインペラ、４２ タービンシャフト、５０ モータ、５３ エンジン。

Claims (4)

1. エンジンからの排気を利用してタービン動翼を回転させるタービンと、
   コンプレッサ動翼の回転によりエンジンへの吸気を加圧するコンプレッサと、
   タービン動翼とコンプレッサ動翼との回転速度比を変化させる変速機構と、
   を備え、
   変速機構は、
   第１及び第２回転要素と、
   第１及び第２回転要素間で回転を伝達する第３回転要素と、
   第３回転要素を回転自在に支持する第４回転要素であって、その回転により第３回転要素を第１回転要素の回転軸まわりに周回させる第４回転要素と、
   を含み、
   第１回転要素と第２回転要素と第４回転要素のうちの１つがタービン動翼に接続され、
   第１回転要素と第２回転要素と第４回転要素のうちの他の１つがコンプレッサ動翼に接続され、
   第１回転要素と第２回転要素と第４回転要素のうちの残りの１つが原動機に接続され、
   原動機の回転速度に応じてタービン動翼とコンプレッサ動翼との回転速度比が変化する、過給装置。
2. 請求項１に記載の過給装置であって、
   第４回転要素が原動機に接続され、
   原動機から第４回転要素に伝達されたトルクが第１及び第２回転要素に分配される、過給装置。
3. 請求項１または２に記載の過給装置であって、
   変速機構は差動機構である、過給装置。
4. エンジンからの排気を利用してタービン動翼を回転させるタービンと、
   コンプレッサ動翼の回転によりエンジンへの吸気を加圧するコンプレッサと、
   を備え、
   タービン動翼とコンプレッサ動翼との回転速度比を連続的に変化させることが可能な変速機構を介して、タービン動翼からコンプレッサ動翼へ回転が伝達される、過給装置。

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