JP2012092802A - Electrically-assisted turbocharger - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ターボチャージャに電気モータを組み合わせた電動アシストターボチャージャに係り、電気モータの鉄損を低減すると共にターボ軸に偏荷重が加わらない電動アシストターボチャージャに関する。 The present invention relates to an electric assist turbocharger in which an electric motor is combined with a turbocharger, and relates to an electric assist turbocharger that reduces iron loss of an electric motor and that does not apply a bias load to a turbo shaft.
エンジンにターボチャージャを付加したシステムでは、エンジン回転速度が低くトルクが低いときには排気ガスエネルギが小さいことから排気タービンの回転速度が低く、吸気コンプレッサにて過給される吸気量が少ない。このため、エンジン低回転時に高トルクが要求されると、吸気量が燃料噴射量からくる要求に対して不足してしまう。また、エンジン状態が変動する過渡運転時に、ターボ軸の回転慣性により、ターボチャージャの回転がエンジン状態の変動に対して応答遅れするため、例えば、車両が加速のために燃料噴射量を急速に増加させたい時に、ターボチャージャの回転が上がるのが遅く吸気量が迅速に増加しない。 In a system in which a turbocharger is added to the engine, when the engine speed is low and the torque is low, the exhaust gas energy is small, so that the exhaust turbine has a low speed and the amount of intake air supercharged by the intake compressor is small. For this reason, if a high torque is required at the time of low engine rotation, the intake amount is insufficient with respect to the request coming from the fuel injection amount. In addition, during transient operation where the engine condition fluctuates, the rotation of the turbocharger is delayed in response to fluctuations in the engine condition due to the rotational inertia of the turboshaft. For example, the vehicle rapidly increases the fuel injection amount for acceleration. When you want to make it happen, the turbocharger rotates slowly and the intake volume does not increase rapidly.
これに対し、ターボチャージャに電気モータを組み合わせた電動アシストターボチャージャが知られている。電動アシストターボチャージャは、エンジン低回転時や過渡運転時に電気モータの力でターボ軸の駆動を補助することで、迅速に吸気量を増加させることができる。 On the other hand, an electrically assisted turbocharger in which an electric motor is combined with a turbocharger is known. The electric assist turbocharger can quickly increase the intake air amount by assisting the drive of the turbo shaft by the power of the electric motor at the time of low engine speed or transient operation.
従来の電動アシストターボチャージャ３０１は、図６に示されるように、排気ガスにより回転されるタービンホイール３０２を有する排気タービン３０３と、回転により空気を圧縮するコンプレッサホイール３０４を有する吸気コンプレッサ３０５と、タービンホイール３０２とコンプレッサホイール３０４とに一体化され排気タービン側から吸気コンプレッサ側へ回転を伝達するターボ軸３０６と、ターボ軸３０６と同軸かつターボ軸３０６に一体化された電気モータ３０７の回転子（図示せず）と、回転子の外周に位置する電気モータ３０７の固定子（図示せず）とを備える。 As shown in FIG. 6, a conventional electric assist turbocharger 301 includes an exhaust turbine 303 having a turbine wheel 302 rotated by exhaust gas, an intake compressor 305 having a compressor wheel 304 that compresses air by rotation, and a turbine. A turbo shaft 306 that is integrated with the wheel 302 and the compressor wheel 304 and transmits rotation from the exhaust turbine side to the intake compressor side, and a rotor of the electric motor 307 that is coaxial with the turbo shaft 306 and integrated with the turbo shaft 306 (see FIG. And a stator (not shown) of the electric motor 307 located on the outer periphery of the rotor.
前述したように、従来の電動アシストターボチャージャ３０１では、電気モータ３０７の回転子がターボ軸３０６と同軸に配置され、かつ、ターボ軸３０６に一体化されるので、回転子はターボ軸３０６と同じ回転速度で回転する。 As described above, in the conventional electrically assisted turbocharger 301, the rotor of the electric motor 307 is arranged coaxially with the turbo shaft 306 and integrated with the turbo shaft 306, so the rotor is the same as the turbo shaft 306. It rotates at the rotation speed.
ところが、図７に示されるように、一般の電気モータには、回転速度が低い領域に銅損が大きい領域があり、回転速度が高い領域に鉄損が大きい領域がある。銅損は、巻線に流れる電流によるものである。鉄損は、鉄心に流れる渦電流により電気エネルギが消費されるために生じる。さらに詳しくは、鉄損には、渦電流損とヒステリシス損とがあるが、両者とも回転速度に応じて大きくなる。渦電流損は、式（１）により求めることができる。 However, as shown in FIG. 7, a general electric motor has a region where the copper loss is large in a region where the rotational speed is low, and a region where the iron loss is large in a region where the rotational speed is high. Copper loss is due to the current flowing in the winding. Iron loss occurs because electrical energy is consumed by eddy currents flowing through the iron core. More specifically, the iron loss includes eddy current loss and hysteresis loss, both of which increase according to the rotational speed. The eddy current loss can be obtained by equation (1).
式（１）中、運転周波数ｆが回転速度に比例している。式（１）のｆ2の項から、回転速度が高くなると渦電流損が増大することが分かる。 In equation (1), the operating frequency f is proportional to the rotational speed. It can be seen from the term f 2 in equation (1) that the eddy current loss increases as the rotational speed increases.
このように、一般の電気モータは、回転速度が高いと鉄損が大きいので、数千ｒｐｍから２万ｒｐｍの範囲が適切な使用回転速度とされている。 Thus, since the general electric motor has a large iron loss when the rotational speed is high, the range of several thousand rpm to 20,000 rpm is set as an appropriate rotational speed.
これに対し、ターボチャージャは排気ガスが多くなればなるほど高速で回転されるものであり、例えば、小型エンジンに搭載されるターボチャージャでは回転速度が１０万〜２０万ｒｐｍにもなることがある。この回転速度は、一般の電気モータにおいては渦電流損が大きい領域に相当する。 On the other hand, the turbocharger rotates at a higher speed as the exhaust gas increases. For example, a turbocharger mounted on a small engine may have a rotation speed of 100,000 to 200,000 rpm. This rotational speed corresponds to a region where eddy current loss is large in a general electric motor.
このように、従来の電動アシストターボチャージャ３０１では、電気モータ３０７の回転子がターボ軸３０６と同じ回転速度となることから、電気モータ３０７が推奨されない回転速度領域で使用されることになり、鉄損による電力の無駄な消費が避けられない。 Thus, in the conventional electrically assisted turbocharger 301, the rotor of the electric motor 307 has the same rotational speed as that of the turbo shaft 306. Therefore, the electric motor 307 is used in a rotational speed region that is not recommended. Wasteful power consumption due to loss is inevitable.
なお、１０万ｒｐｍを超える超高速回転でも鉄損増加を抑制できる超高速モータがあるが、特殊な材料や構造を採用しているので高価であり、普及車への搭載には適さない。 Although there is an ultra-high-speed motor that can suppress an increase in iron loss even at ultra-high speed rotation exceeding 100,000 rpm, it is expensive because it uses a special material and structure, and is not suitable for mounting on a popular vehicle.
また、一般にターボチャージャは、高速で回転しているときにターボ軸に偏荷重が加わると、容易に軸受けが焼き付いてしまう。したがって、鉄損低減対策のために部材を付加するにあたっては、偏荷重を十分に考慮する必要がある。 In general, when a turbocharger rotates at a high speed and a biased load is applied to the turboshaft, the bearing is easily seized. Therefore, when adding a member for reducing iron loss, it is necessary to fully consider the unbalanced load.
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、電気モータの鉄損を低減すると共にターボ軸に偏荷重が加わらない電動アシストターボチャージャを提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide an electric assist turbocharger that solves the above-described problems, reduces iron loss of an electric motor, and does not apply a biased load to a turbo shaft.
上記目的を達成するために本発明は、排気ガスにより回転されるタービンホイールを有する排気タービンと、回転により空気を圧縮するコンプレッサホイールを有する吸気コンプレッサと、前記タービンホイールと前記コンプレッサホイールとに一体化され排気タービン側から吸気コンプレッサ側へ回転を伝達するターボ軸と、前記ターボ軸に取り付けられたドリブンギアと、前記ドリブンギアに噛み合い前記ドリブンギアを挟んで互いに対向する２つのアイドルギアと、前記２つのアイドルギアの両方に噛み合い前記ドリブンギアよりも歯数が多いドライブギアと、前記ドライブギアを回転させる電気モータとを備えたものである。 In order to achieve the above object, the present invention integrates an exhaust turbine having a turbine wheel rotated by exhaust gas, an intake compressor having a compressor wheel for compressing air by rotation, and the turbine wheel and the compressor wheel. A turboshaft transmitting rotation from the exhaust turbine side to the intake compressor side, a driven gear attached to the turboshaft, two idle gears that mesh with the driven gear and face each other across the driven gear, A drive gear that meshes with both idle gears and has more teeth than the driven gear, and an electric motor that rotates the drive gear.
前記ドリブンギアは、前記ターボ軸の軸振動の節部分に取り付けられてもよい。 The driven gear may be attached to a node portion of shaft vibration of the turbo shaft.
前記ドリブンギアの歯数は、前記ドリブンギアの歯数の５倍以上であってもよい。 The number of teeth of the driven gear may be five times or more the number of teeth of the driven gear.
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。 The present invention exhibits the following excellent effects.
（１）電気モータの鉄損を低減することができる。 (1) The iron loss of the electric motor can be reduced.
（２）ターボ軸に偏荷重が加わらない。 (2) Unbalanced load is not applied to the turbo shaft.
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図１に示されるように、本発明に係る電動アシストターボチャージャ１は、排気ガスにより回転されるタービンホイール２を有する排気タービン３と、回転により空気を圧縮するコンプレッサホイール４を有する吸気コンプレッサ５と、タービンホイール２とコンプレッサホイール４とに一体化され排気タービン側から吸気コンプレッサ側へ回転を伝達するターボ軸６と、ターボ軸６に取り付けられたドリブンギア７と、ドリブンギア７に噛み合いドリブンギア７を挟んで互いに対向する２つのアイドルギア８ａ，８ｂ（８ｂは図示せず；図２参照）と、アイドルギア８ａ，８ｂの両方に噛み合いドリブンギア７よりも歯数が多いドライブギア９と、ドライブギア９を回転させる電気モータ１０とを備える。なお、図示の都合上、図面手前に位置するアイドルギア８ｂを省略した。また、図示の都合上、図面奥に位置するアイドルギア８ａは他のギアより幅を太く描いたが、実際には他のギアより幅を太くする必要はない。 As shown in FIG. 1, an electrically assisted turbocharger 1 according to the present invention includes an exhaust turbine 3 having a turbine wheel 2 that is rotated by exhaust gas, and an intake compressor 5 having a compressor wheel 4 that compresses air by rotation. The turbo shaft 6 integrated with the turbine wheel 2 and the compressor wheel 4 transmits rotation from the exhaust turbine side to the intake compressor side, the driven gear 7 attached to the turbo shaft 6, and the driven gear 7 meshed with the driven gear 7 Two idle gears 8a and 8b (8b not shown; see FIG. 2) facing each other across the gear, a drive gear 9 that meshes with both idle gears 8a and 8b and has more teeth than the driven gear 7, and a drive And an electric motor 10 for rotating the gear 9. For the convenience of illustration, the idle gear 8b located in front of the drawing is omitted. For the sake of illustration, the idle gear 8a located at the back of the drawing is drawn wider than the other gears, but actually it is not necessary to make the width wider than the other gears.
電気モータ１０は、一般的な電気モータであり、図示しない回転子が回転軸１１と一体的に回転するようになっている。この回転軸１１にドライブギア９が取り付けられる。 The electric motor 10 is a general electric motor, and a rotor (not shown) rotates integrally with the rotary shaft 11. A drive gear 9 is attached to the rotating shaft 11.
ターボ軸６は、排気タービン側の軸受け１２と吸気コンプレッサ側の軸受け１３とにより、２箇所で軸承されている。ドリブンギア７は２箇所の軸受け１２，１３の間、より具体的には、ターボ軸６の軸振動の節部分に位置する。軸振動については、後に詳しく述べる。 The turbo shaft 6 is supported at two locations by a bearing 12 on the exhaust turbine side and a bearing 13 on the intake compressor side. The driven gear 7 is located between the two bearings 12, 13, more specifically, at the node portion of the shaft vibration of the turbo shaft 6. The shaft vibration will be described in detail later.
図２（ａ）及び図２（ｂ）に示されるように、ドライブギア９が２つのアイドルギア８ａ，８ｂのそれぞれに噛み合い、２つのアイドルギア８ａ，８ｂがいずれもドリブンギア７に噛み合う。２つのアイドルギア８ａ，８ｂは、ドリブンギア７を挟んで互いに対向しており、したがって、アイドルギア８ａの中心とドリブンギア７の中心とアイドルギア８ｂの中心が一直線上に存在する。 2A and 2B, the drive gear 9 meshes with each of the two idle gears 8a and 8b, and the two idle gears 8a and 8b both mesh with the driven gear 7. The two idle gears 8a and 8b are opposed to each other with the driven gear 7 interposed therebetween. Therefore, the center of the idle gear 8a, the center of the driven gear 7, and the center of the idle gear 8b are in a straight line.
図中に矢印で示したように、ドライブギア９が時計回りであれば、２つのアイドルギア８ａ，８ｂは反時計回りとなり、ドリブンギア７は時計回りとなる。ドライブギア９は、ドリブンギア７よりも歯数が多く、したがって、電気モータ１０の回転は増速されてターボ軸６に伝達される構成となっている。２つのアイドルギア８ａ，８ｂの歯数は特に限定しないが、２つのアイドルギア８ａ，８ｂ同士は歯数が同じである。 As indicated by the arrows in the figure, if the drive gear 9 is clockwise, the two idle gears 8a and 8b are counterclockwise and the driven gear 7 is clockwise. The drive gear 9 has a larger number of teeth than the driven gear 7, and thus the rotation of the electric motor 10 is increased and transmitted to the turbo shaft 6. The number of teeth of the two idle gears 8a and 8b is not particularly limited, but the number of teeth of the two idle gears 8a and 8b is the same.
図３に示されるように、本発明の電動アシストターボチャージャ１を搭載したエンジンシステム２１は、エンジン２２の排気マニホールド２３に接続された高圧側排気管２４と、高圧側排気管２４が排気タービン３の入口に接続された電動アシストターボチャージャ１と、排気タービン３の出口に接続された低圧側排気管２５と、電動アシストターボチャージャ１の吸気コンプレッサ５の入口に接続された低圧側吸気管２６と、吸気コンプレッサ５の出口に接続され吸気マニホールド２７に吸気を送り込む高圧側吸気管２８とを備える。 As shown in FIG. 3, an engine system 21 equipped with the electrically assisted turbocharger 1 of the present invention includes a high pressure side exhaust pipe 24 connected to an exhaust manifold 23 of the engine 22, and a high pressure side exhaust pipe 24 that is connected to the exhaust turbine 3. The electric assist turbocharger 1 connected to the inlet of the exhaust gas turbine, the low pressure side exhaust pipe 25 connected to the outlet of the exhaust turbine 3, and the low pressure side intake pipe 26 connected to the inlet of the intake compressor 5 of the electric assist turbocharger 1. And a high-pressure side intake pipe 28 that is connected to the outlet of the intake compressor 5 and feeds intake air to the intake manifold 27.
高圧側排気管２４から高圧側吸気管２８にかけて、排気ガスを環流するＥＧＲ管２９が設けられる。ＥＧＲ管２９には、ＥＲＧクーラ３０、ＥＧＲ弁３１が設けられる。低圧側排気管２５には、排気ガス浄化装置３２、排気スロットル３３、消音装置３４が設けられる。高圧側吸気管２８には、インタークーラ３５、吸気スロットル３６が設けられる。低圧側吸気管２６にはエアフィルタ３７が設けられる。 An EGR pipe 29 that circulates exhaust gas is provided from the high-pressure side exhaust pipe 24 to the high-pressure side intake pipe 28. The EGR pipe 29 is provided with an ERG cooler 30 and an EGR valve 31. The low pressure side exhaust pipe 25 is provided with an exhaust gas purification device 32, an exhaust throttle 33, and a silencer 34. The high pressure side intake pipe 28 is provided with an intercooler 35 and an intake throttle 36. An air filter 37 is provided in the low pressure side intake pipe 26.
電動アシストターボチャージャ１の電気モータ１０には、電源ユニット４１とターボドライバユニット４２が電気的に接続されており、ターボドライバユニット４２において電源ユニット４１から電気モータ１０に印加される電力を調整及び入／切することで、電動アシストする力を加えたり、なくしたり、増減させることができる。ターボドライバユニット４２は、電子制御回路（Engine Control Module；以下、ＥＣＭと言う）４３により、あらかじめ設定されたプログラムに従って制御される。 A power supply unit 41 and a turbo driver unit 42 are electrically connected to the electric motor 10 of the electric assist turbocharger 1, and the turbo driver unit 42 adjusts and inputs power applied from the power supply unit 41 to the electric motor 10. By turning off / on, the power assisting power can be applied, eliminated, or increased or decreased. The turbo driver unit 42 is controlled by an electronic control circuit (Engine Control Module; hereinafter referred to as ECM) 43 according to a preset program.
次に、本発明の電動アシストターボチャージャ１の動作を説明する。 Next, the operation of the electric assist turbocharger 1 of the present invention will be described.
電動アシストターボチャージャ１において、ターボ軸６の回転速度が低く、吸気コンプレッサ５から過給される吸気量が少ない状態のとき、燃料噴射量を多くするには、吸気量を多くする必要がある。このような場合に、電気モータ１０を回転させることにより、ドライブギア９から２つのアイドルギア８ａ，８ｂとドリブンギア７を介してターボ軸６の回転を補助する。このとき、電気モータ１０の回転が増速されてターボ軸６に伝達されるので、電気モータ１０は所望するターボ軸６の回転速度よりも低回転速度で回転させればよいことになる。 In the electrically assisted turbocharger 1, when the rotational speed of the turbo shaft 6 is low and the intake air amount supercharged from the intake air compressor 5 is small, it is necessary to increase the intake air amount in order to increase the fuel injection amount. In such a case, by rotating the electric motor 10, the rotation of the turbo shaft 6 is assisted from the drive gear 9 via the two idle gears 8 a and 8 b and the driven gear 7. At this time, since the rotation of the electric motor 10 is accelerated and transmitted to the turbo shaft 6, the electric motor 10 may be rotated at a lower rotational speed than the desired rotational speed of the turbo shaft 6.
ターボ軸６の回転速度が高い状態にて、エンジン状態をさらに高負荷なエンジン状態にさせるような過渡運転時（例えば、追い越し運転時）、電気モータ１０を回転させることにより、ターボ軸６の回転を補助する。このときは、ターボ軸６の回転速度は高いが、電気モータ１０の回転速度は所望するターボ軸６の回転速度よりも低回転速度となるので、鉄損が小さい回転速度領域で電気モータ１０が使用される。 During a transient operation (for example, during overtaking operation) in which the engine state is changed to a higher-load engine state with the rotation speed of the turbo shaft 6 being high, the rotation of the turbo shaft 6 is performed by rotating the electric motor 10. To assist. At this time, the rotational speed of the turbo shaft 6 is high, but the rotational speed of the electric motor 10 is lower than the desired rotational speed of the turbo shaft 6, so the electric motor 10 operates in a rotational speed region where the iron loss is small. used.
ところで、本発明に先立ち、２つのアイドルギア８ａ，８ｂを使用せず、ドライブギア９がドリブンギア７に直接噛み合う構成を検討した。すなわち、図４に示した参考例の電動アシストターボチャージャ４０１は、ドライブギア９がドリブンギア７に噛み合うようにした点が本発明の電動アシストターボチャージャ１と異なる。 By the way, prior to the present invention, a configuration in which the drive gear 9 is directly meshed with the driven gear 7 without using the two idle gears 8a and 8b was examined. That is, the electrically assisted turbocharger 401 of the reference example shown in FIG. 4 is different from the electrically assisted turbocharger 1 of the present invention in that the drive gear 9 is engaged with the driven gear 7.
この構成においては、ドリブンギア７がドライブギア９からの噛み合い圧力を受けるために、ターボ軸６に偏荷重が発生しやすい。 In this configuration, since the driven gear 7 receives the meshing pressure from the drive gear 9, an uneven load is likely to occur on the turbo shaft 6.
これに対し、本発明の電動アシストターボチャージャ１は、ドリブンギア７を挟んで互いに対向する２つのアイドルギア８ａ，８ｂがそれぞれドリブンギア７に噛み合う。このため、アイドルギア８ａ，８ｂからの噛み合い圧力が軸対称に同じ大きさでかかる。この結果、噛み合い圧力によってターボ軸６に発生する偏荷重が相殺され、ターボ軸６には偏荷重が加わらなくなる。 On the other hand, in the electrically assisted turbocharger 1 of the present invention, the two idle gears 8a and 8b facing each other with the driven gear 7 interposed therebetween mesh with the driven gear 7, respectively. For this reason, the meshing pressures from the idle gears 8a and 8b are applied with the same magnitude in an axisymmetric manner. As a result, the unbalanced load generated on the turbo shaft 6 is canceled by the meshing pressure, and the unbalanced load is not applied to the turbo shaft 6.
次に、ドリブンギア７をターボ軸６の軸振動の節部分に配置した効果を説明する。 Next, the effect of arranging the driven gear 7 at the node portion of the shaft vibration of the turbo shaft 6 will be described.
図５に示されるように、ターボ軸６は、一端にタービンホイール２が一体的に取り付けられ、他端にコンプレッサホイール４が一体的に取り付けられ、タービンホイール２よりも軸央側の軸受け１２とコンプレッサホイール４よりも軸央側の軸受け１３とにより軸承されている。ただし、ここではターボ軸６にドリブンギア７を取り付けていないものとする。このような構造において、ターボ軸６が１０万ｒｐｍを超える高速回転をすると、軸振動が発生する。軸振動は、図示のようにターボ軸６の端部が回転中心から径方向に変位する運動であり、ターボ軸６の軌跡が円錐を描くので、すりこぎ運動とも呼ばれる。円錐の先端に相当する部分は、節部分であり、変位がゼロであり、その近傍は変位が微小である。 As shown in FIG. 5, the turboshaft 6 has a turbine wheel 2 integrally attached to one end, a compressor wheel 4 integrally attached to the other end, and a bearing 12 on the center side of the turbine wheel 2. The bearing is supported by a bearing 13 on the center side of the shaft relative to the compressor wheel 4. However, here, it is assumed that the driven gear 7 is not attached to the turbo shaft 6. In such a structure, when the turbo shaft 6 rotates at a high speed exceeding 100,000 rpm, shaft vibration occurs. The shaft vibration is a motion in which the end portion of the turbo shaft 6 is displaced in the radial direction from the center of rotation as shown in the figure, and the locus of the turbo shaft 6 draws a cone, so it is also called a rake motion. The portion corresponding to the tip of the cone is a node portion, the displacement is zero, and the displacement in the vicinity thereof is minute.
軸振動の変位が大きくなると、軸受け１２，１３に強負荷がかかり、ベアリングが損傷する不具合が生じるが、軸振動それ自体はタービンホイール２やコンプレッサホイール４における気体の振る舞いにわずかでもアンバランスがあると発生するため、軸振動それ自体を皆無とすることは難しい。そこで、軸受け１２，１３の位置で共に変位が小さくなるよう、軸振動の節部分が排気タービン側にも吸気コンプレッサ側にも偏らない最適の位置に設定され、軸受け１２，１３に強負荷が加わらない。 When the displacement of the shaft vibration increases, a heavy load is applied to the bearings 12 and 13 and the bearing is damaged. However, the shaft vibration itself has a slight imbalance in the gas behavior in the turbine wheel 2 and the compressor wheel 4. Therefore, it is difficult to eliminate the shaft vibration itself. In order to reduce the displacement at both the positions of the bearings 12 and 13, the nodal portion of the shaft vibration is set at an optimal position so that neither the exhaust turbine side nor the intake compressor side is biased, and a heavy load is applied to the bearings 12 and 13. Absent.
ところが、ターボ軸６にドリブンギア７という新たな部材を付加すると、重量バランスが変わり、さらに２つのアイドルギア８ａ，８ｂからの力が加わるため、軸振動の振動モードが変わることが懸念される。軸振動の振動モードが変わると、節部分の位置が最適の位置からずれ、軸受け１２，１３のどちらかの変位が増大して強負荷が加わる。 However, if a new member called the driven gear 7 is added to the turbo shaft 6, the weight balance is changed, and further, the force from the two idle gears 8a and 8b is applied, so there is a concern that the vibration mode of the shaft vibration may change. When the vibration mode of the shaft vibration is changed, the position of the node portion is deviated from the optimum position, and the displacement of either one of the bearings 12 and 13 is increased and a heavy load is applied.
これに対し、本発明の電動アシストターボチャージャ１は、ターボ軸６の軸振動の節部分にドリブンギア７が取り付けられ、ドリブンギア７を介して２つのアイドルギア８ａ，８ｂからの力が加わる。軸振動の節部分では、部材や外力が加わっても、振動モードに影響が及ばない。よって、節部分の位置が最適の位置からずれることがなく、軸振動による軸受け１２，１３の変位が増大しない。 On the other hand, in the electrically assisted turbocharger 1 of the present invention, the driven gear 7 is attached to the shaft vibration node portion of the turbo shaft 6, and the forces from the two idle gears 8 a and 8 b are applied via the driven gear 7. Even if a member or an external force is applied to the node portion of the shaft vibration, the vibration mode is not affected. Therefore, the position of the node portion does not deviate from the optimum position, and the displacement of the bearings 12 and 13 due to the shaft vibration does not increase.
以上説明したように、本発明の電動アシストターボチャージャ１は、ターボ軸６に取り付けられたドリブンギア７と、ドリブンギア７に噛み合いドリブンギア７を挟んで互いに対向する２つのアイドルギア８ａ，８ｂと、アイドルギア８ａ，８ｂの両方に噛み合いドリブンギア７よりも歯数が多いドライブギア９と、ドライブギア９を回転させる電気モータ１０とを備えたので、電気モータ１０は所望するターボ軸６の回転速度よりも低回転速度で回転させればよく、電気モータ１０の鉄損を低減することができる。 As described above, the electrically-assisted turbocharger 1 of the present invention includes the driven gear 7 attached to the turbo shaft 6 and the two idle gears 8a and 8b that are engaged with the driven gear 7 and face each other with the driven gear 7 interposed therebetween. In addition, since the drive gear 9 that meshes with both the idle gears 8a and 8b and has more teeth than the driven gear 7 and the electric motor 10 that rotates the drive gear 9, the electric motor 10 rotates the turbo shaft 6 as desired. The iron loss of the electric motor 10 can be reduced by rotating at a lower rotational speed than the speed.
このように、本発明の電動アシストターボチャージャ１によれば、鉄損による電力の無駄な消費が節減され、結果的に燃料消費が抑制されるので、燃費を向上させることができる。 Thus, according to the electrically assisted turbocharger 1 of the present invention, wasteful consumption of electric power due to iron loss is reduced, and as a result, fuel consumption is suppressed, so that fuel efficiency can be improved.
また、本発明の電動アシストターボチャージャ１は、電気モータ１０が低回転速度で運転されるので、超高速モータを採用する必要がなく、材料や構造が一般的な電気モータを採用でき、コストの上昇を抑えることができる。 In addition, since the electric motor 10 is operated at a low rotational speed, the electric assist turbocharger 1 according to the present invention does not need to employ an ultra-high speed motor, and can employ an electric motor having a general material and structure. The rise can be suppressed.
さらに、本発明の電動アシストターボチャージャ１は、ドリブンギア７に噛み合いドリブンギア７を挟んで互いに対向する２つのアイドルギア８ａ，８ｂを設けて、ドライブギア９がアイドルギア８ａ，８ｂの両方に噛み合うようにしたので、ターボ軸６に偏荷重が加わらなくなる。 Furthermore, the electrically assisted turbocharger 1 of the present invention is provided with two idle gears 8a and 8b that mesh with the driven gear 7 and face each other with the driven gear 7 interposed therebetween, and the drive gear 9 meshes with both of the idle gears 8a and 8b. As a result, an eccentric load is not applied to the turbo shaft 6.
さらに、本発明の電動アシストターボチャージャ１は、ターボ軸６の軸振動の節部分にドリブンギア７が取り付けられるので、ドリブンギア７の付加によってターボ軸６の軸振動が悪化することがなく、軸受け１２，１３が保護される。 Further, since the electrically driven turbocharger 1 of the present invention has the driven gear 7 attached to the node portion of the shaft vibration of the turbo shaft 6, the shaft vibration of the turbo shaft 6 is not deteriorated by the addition of the driven gear 7. 12 and 13 are protected.
ドライブギア９とドリブンギア７のギア比としては、５：１〜２０：１が望ましく、例えば１０：１にすれば、ターボ軸６の回転速度が２０万ｒｐｍのとき、電気モータ１０の回転速度は２万ｒｐｍでよいことになる。 The gear ratio between the drive gear 9 and the driven gear 7 is preferably 5: 1 to 20: 1. For example, when the gear ratio is 10: 1, the rotation speed of the electric motor 10 is obtained when the rotation speed of the turbo shaft 6 is 200,000 rpm. 20,000 rpm is sufficient.
電動アシストターボチャージャ１は、排気ガスエネルギに余力がある場合に、電気モータ１０を発電機として使用し、回生電力を得ることができる。この場合も、電気モータ１０が高回転速度では発電効率が低下するが、本発明ではターボ軸６の回転を減速して電気モータ１０に伝達することにより、発電効率を向上させることができる。 The electric assist turbocharger 1 can obtain regenerative power by using the electric motor 10 as a generator when the exhaust gas energy has a surplus. In this case as well, the power generation efficiency decreases when the electric motor 10 rotates at a high speed. However, in the present invention, the power generation efficiency can be improved by decelerating the rotation of the turbo shaft 6 and transmitting it to the electric motor 10.
１ 電動アシストターボチャージャ
２ タービンホイール
３ 排気タービン
４ コンプレッサホイール
５ 吸気コンプレッサ
６ ターボ軸
７ ドリブンギア
８ａ，８ｂ アイドルギア
９ ドライブギア
１０ 電気モータ
１１ 回転軸
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electric assist turbocharger 2 Turbine wheel 3 Exhaust turbine 4 Compressor wheel 5 Intake compressor 6 Turbo shaft 7 Driven gear 8a, 8b Idle gear 9 Drive gear 10 Electric motor 11 Rotating shaft
Claims (3)
回転により空気を圧縮するコンプレッサホイールを有する吸気コンプレッサと、
前記タービンホイールと前記コンプレッサホイールとに一体化され排気タービン側から吸気コンプレッサ側へ回転を伝達するターボ軸と、
前記ターボ軸に取り付けられたドリブンギアと、
前記ドリブンギアに噛み合い前記ドリブンギアを挟んで互いに対向する２つのアイドルギアと、
前記２つのアイドルギアの両方に噛み合い前記ドリブンギアよりも歯数が多いドライブギアと、
前記ドライブギアを回転させる電気モータとを備えたことを特徴とする電動アシストターボチャージャ。 An exhaust turbine having a turbine wheel rotated by exhaust gas;
An intake compressor having a compressor wheel for compressing air by rotation;
A turboshaft integrated with the turbine wheel and the compressor wheel to transmit rotation from the exhaust turbine side to the intake compressor side;
A driven gear attached to the turboshaft;
Two idle gears meshing with the driven gear and facing each other across the driven gear;
A drive gear that meshes with both of the two idle gears and has more teeth than the driven gear;
An electrically assisted turbocharger comprising an electric motor for rotating the drive gear.
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