JP2016084815A - 減速機械式ターボ過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の一目的は、エンジンシステム用の改善した機械式ターボ過給機を提供することである。
【解決手段】トラクション接触部を用いてターボ軸に連結される逓減ローラーを使用する減速機械式ターボ過給機が開示される。平坦か又は形状加工されたトラクション接触部を用いることができる。逓減ローラーは、機械的伝達装置若しくは油圧式伝達装置のいずれかを機械的に作動させるか、又は電気モーター／発電機に機械的に連結することができる。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、エンジンシステム用の機械式ターボ過給機に関する。

機械式ターボ過給機は通常のターボ過給機に優る改良形態である。機械式ターボ過給機（スーパーターボチャージャー）は、排気ガスタービン以外によっても動力を得るので、過給されたエンジンにおけるターボラグを低減するからである。大幅に発展した機械式ターボ過給機の１つの種類は、電動ターボ過給機である。電動ターボ過給機では、電気モーター／発電機がターボ軸に一体化されており、ターボ軸を迅速に全速まで駆動するとともにターボ軸からの余剰のエネルギーを取り出すことができる。

本発明の一目的は、エンジンシステム用の改善した機械式ターボ過給機を提供することである。

したがって、本発明の一実施形態は、
エンジンシステム用の機械式ターボ過給機であって、
ターボ軸と、
前記ターボ軸の第１の位置に接続されたコンプレッサーと、
前記ターボ軸の第２の位置に接続されたタービンと、
前記ターボ軸の第３の位置でトラクション接触部を介して前記ターボ軸に連結されたローラーであって、前記ローラーの回転速度が前記ターボ軸の回転速度より小さくなるように前記第３の位置における前記ターボ軸の直径より大きい直径を有する前記ローラーと、
前記ローラーに接続された低速軸と、
前記機械式ターボ過給機と前記エンジンシステムとの間で動力を伝達するように前記低速軸と前記エンジンシステムとに連結され、前記ターボ軸の前記回転速度より小さい回転速度で前記低速軸を駆動するか又は前記低速軸により駆動される伝達装置と、
を備える機械式ターボ過給機を含むことができる。

本発明の一実施形態は、
機械式ターボ過給機をエンジンシステムに連結する方法であって、
タービンとコンプレッサーとに接続されたターボ軸と、前記ターボ軸の直径より大きいローラー径を有するローラーとの間にトラクション接触部を形成することと、
前記ローラーに接続された低速軸を、前記エンジンシステムと前記ターボ軸との間で動力を伝達する伝達装置に接続することと、
を含む方法を更に含むことができる。

本発明の一実施形態は、
エンジンシステム用の機械式ターボ過給機であって、
第１の直径を有するターボ軸と、
前記ターボ軸の第１の位置に接続されたコンプレッサーと、
前記ターボ軸の第２の位置に接続されたタービンと、
前記ターボ軸の第３の位置で第１の側において前記ターボ軸と接触し、前記ターボ軸の前記第１の直径より大きい第２の直径を有する第１のローラーと、
前記ターボ軸の前記第３の位置で前記ターボ軸の前記第１の側とほぼ反対の側の第２の側において前記ターボ軸と接触し、第３の直径を有する第２のローラーと、
前記第１のローラーに連結されるとともに、前記エンジンシステムと前記ターボ軸との間で動力を伝達することができるように前記エンジンシステムに電気的に接続されている第１の電気モーター／発電機と、
前記第２のローラーに連結されるとともに、前記エンジンシステムと前記ターボ軸との間で動力を伝達することができるように前記エンジンシステムに電気的に接続されている第２の電気モーター／発電機と、
を備える機械式ターボ過給機を更に含むことができる。

ターボ軸の中間部分によって駆動されるローラートラクションドライブの概略図である。 ターボ軸の中間部分によって駆動されるローラートラクションドライブの概略図である。 ターボ軸の外側部分によって駆動されるローラートラクションドライブの概略図である。 ターボ軸の外側部分によって駆動されるローラートラクションドライブの概略図である。 本発明の別の実施形態の概略図である。 ハイブリッド電気車両に取り付けられた電気モーター−発電機伝達装置を示す本発明の別の実施形態の概略図である。 伝達装置として伝達装置／電気モーター／発電機を実施する別の実施形態を示す図である。 トラクションドライブからの垂直力に抗するためにターボ軸に対して単式ローラーと反対の側に配置された遊びローラーを備えるローラートラクションドライブの概略図である。 トラクションドライブからの垂直力に抗するためにターボ軸に対して単式ローラーと反対の側に配置された遊びローラーを備えるローラートラクションドライブの概略図である。 ターボ軸の両側に配置され、２つの電気モーター／発電機に連結されている２つのローラートラクションドライブの概略図である。 ターボ軸の両側に配置され、２つの電気モーター／発電機に連結されている２つのローラートラクションドライブの概略図である。

図１Ａは、エンジンシステム１１６を過給する一実施形態の減速トラクションドライブ機械式ターボ過給機１００の概略図である。ターボ軸１０２は、一方の端部にコンプレッサー１０６が取り付けられ、他方の端部にタービン１０４が取り付けられている。減速トラクションドライブ１０８は、ターボ軸１０２の中央部分と噛み合うものであり、ターボ軸１０２と接触するローラー１１４からなる。ローラー１１４は、ターボ軸１０２よりも大きい直径を有し、ローラー１１４の回転速度がターボ軸１０２の回転速度より小さくなるようになっている。ローラー１１４は、ターボ軸１０２に押し付けられ、ターボ軸１０２に対して垂直力を発生し、トラクション接触部１２２においてローラー１１４とターボ軸１０２との間でトルクを伝達する。上記力は、低速軸軸受（図示せず）又は他の軸受を介して印加することができ、また、２０１３年１０月２２日に発行された「Super-Turbocharger Having a High Speed Traction Drive and a Continuously Variable Transmission」という名称の米国特許第８，５６１，４０３号に開示されているような種々の装置によって印加することができる。この米国特許は、この米国特許が開示及び教示している全てに関して引用することにより明確に本発明の一部をなす。ターボ軸１０２とローラー１１４との間の接触部（インターフェース）１２２は、トラクション接触部である。トラクション流体をトラクション接触部１２２に用いて、トラクション接触部１２２の摩擦及び寿命を増大させることができる。このようにして、エンジンシステム１１６の過渡動作中にターボ軸１０２にトルクを伝達し、ターボ軸１０２の回転速度を迅速に上昇させるとともにターボラグを低減することができ、また、タービン１０４が、コンプレッサー１０６が消費するよりも多い動力を発生させているエンジンシステム１１６の高負荷動作中に、ターボ軸１０２からローラー１１４へトルクを伝達することができる。軸受１１８、１１９は、ターボ軸１０２を図１Ａに示す位置に位置決めし、ローラー１１４からの垂直力又はタービン１０４及びコンプレッサー１０６からの推力等、ターボ軸１０２にかかる力を吸収する。低速軸１１０は、ローラー１１４を伝達装置１１２へ連結する。さらに、伝達装置１１２は、電気的又は機械的なカップリング１２０を介して減速トラクションドライブ機械式ターボ過給機１００をエンジンシステム１１６に連結する。低速軸１１０の回転速度が比較的低いことにより、従来の電気モーター、発電機又は機械的伝達装置を伝達装置１１２として使用することが可能になる。伝達装置１１２は、エンジンシステム１１６の動作状況に応じてターボ軸１０２の速度を制御するようにエンジンシステム１１６に機械的に連結される機械式無段変速機（ＣＶＴ）又は油圧式ＣＶＴとすることができる。伝達装置１１２は、エンジンシステム１１６に機械的に連結された一又は二以上の歯車比を有する離散的歯車機構伝達装置とすることもできる。第３の選択肢としては、伝達装置１１２を、図２Ｄ、図２Ｅに示すようにエンジンシステム１１６の電力エレクトロニクスに電気的に連結される電気モーター／発電機とすることができる。エンジンシステム１１６の種々の構成が図２Ｃ、図２Ｄ、及び図２Ｅに示されており、これらのエンジンシステム構成は、図１Ｂ、図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、及び図４Ｂに示す実施形態においても用いることができる。軸受１１８及び１１９は、ターボ軸１０２を適所に保持し、また、大きい軸方向力を吸収することが可能なスラスト軸受を含んでもよい。

図１Ｂは、トラクションドライブ機械式ターボ過給機１５０の概略図である。機械式ターボ過給機１５０は、図１Ａの機械式ターボ過給機１００と同じであるが、ただし、機械式ターボ過給機１５０は推力吸収トラクションドライブ１５２を用いている。推力吸収トラクションドライブ１５２は、形状加工されたトラクション接触部１５４を有する。トラクション接触部１５４は、図１Ｂに示すように、ローラー１６０又はターボ軸１６２のいずれかにかかる横力、すなわち水平方向の力に応じて形状加工された軸表面１５８及び形状加工されたローラー表面１５６を心出しする機能をする。形状加工された軸表面１５８及び形状加工されたローラー表面１５６は、湾曲形状として示しているが、２０１３年１１月２１日に提出された「Thrust Absorbing Planetary Traction Drive Superturbo」という名称の米国特許出願第６１／９０６９３８号に開示されているような種々の形状を用いることができる。この米国特許出願が開示及び教示している全ての内容は、明確に本明細書の一部をなす。

図２Ａは、代替的な一実施形態のトラクションドライブ機械式ターボ過給機２００の概略図である。この実施形態の動作は、実際上図１Ａと同じであるが、ただし、減速トラクションドライブ２０８は、コンプレッサー２０６に対して外側のターボ軸２０２上の位置においてターボ軸２０２に噛み合う。このようにして、減速トラクションドライブ機械式ターボ過給機２００の部品は、タービン２０４の熱から隔離される。機械式ターボ過給機２００の機能は同様である。トラクションドライブ２０８は、ローラー２１４とターボ軸２０２との間でトルクを伝達するトラクション接触部２２２を形成するようにターボ軸２０２と接触するローラー２１４からなり、低速軸２１０の回転速度がターボ軸２０２に対して減少する。低速軸２１０は、ローラー２１４を伝達装置２１２に連結し、さらに、伝達装置２１２は、エンジンシステム２１６に対して動力の伝達を行う。

図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、及び図２Ｂに示す伝達装置は、上記で開示したような機械的伝達装置とすることができるか、又は、ローラー２１４及び低速軸２１０がターボ軸２０２によって駆動される場合に電気を生成するか若しくは低速軸２１０及びローラーを駆動するモーターとして機能する複合型モーター／発電機を備えることができ、それにより駆動コンプレッサー２０６がエンジンシステムの動作状況に応じて過給を行う。この実施形態は、２０１３年１０月２２日に発行された「Super-Turbocharger Having a High Speed Traction Drive and a Continuously Variable Transmission」という名称の米国特許第８，５６１，４０３号により詳細に開示されている。この米国特許が開示及び教示している全ての内容は、明確に本明細書の一部をなす。

図２Ｂは、トラクションドライブ機械式ターボ過給機２５０を示している。トラクションドライブ機械式ターボ過給機２５０は、図２Ａの実施形態と同じであるが、ただし、平坦なトラクション接触部２２２（図２Ａ）ではなく推力吸収トラクションドライブ２５２を用いている。換言すれば、タービン２７０と、コンプレッサー２７２と、伝達装置２６４と、エンジンシステム２６６とは、図２Ａの対応する装置と同じである。図２Ｂに示すように、推力吸収トラクションドライブ２５２は、形状加工されたトラクション接触部２５４を有する。ここでも、２０１３年１１月２１日に提出された「Thrust Absorbing Planetary Traction Drive Superturbo」という名称の米国特許出願第６１／９０６９３８号に教示されているような、種々の形状を用いることができる。この米国特許出願の引用により、この米国特許出願が開示及び教示している全ての内容は、明確に本明細書の一部をなす。ターボ軸２６２は、ローラー２６０の形状加工されたローラー表面２５６と実質的に合致する、形状加工された軸表面２５８を有する。

図２Ｃ、図２Ｄ、及び図２Ｅは、図１Ａの伝達装置１１２と、図１Ａのエンジンシステム１１６と、他の図に示す同様の構成部品との組合せを用いる種々の実施形態を示している。図２Ｃ、図２Ｄ、及び図２Ｅは全て、本明細書に開示の他の図でシステムを実施する際に用いることができる電気モーター／発電機、伝達装置、及び蓄電池システムといった種々の要素の様々な組合せ方法を開示している。

図２Ｃは、本発明の別の応用実施形態の概略図である。図２Ｃに示すように、タービン２７４が、ターボ軸２７６によってコンプレッサー２７５に連結されている。ローラー２７７は、ターボ軸２７６と接触する形状加工されたトラクション面を有する。軸２７８がローラー２７７に結合され、伝達装置２７９を駆動するか又は伝達装置２７９によって駆動される。伝達装置２７９は、軸２７８と軸２８０との間のインターフェースである。伝達装置２７９は、無段変速機（ＣＶＴ）、離散的機械的伝達装置、油圧式伝達装置又は他の伝達装置とすることができる。伝達装置２７９は、軸２７８と軸２８０とが異なる回転速度で回転することを可能にする。伝達装置２７９は、軸２８０と、連結器２８２と、クランク軸２８４と、エンジン２８５と、コントローラー２０９とで構成されるエンジンシステム２７１に連結される。エンジンシステム２７１は、図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、及び図４Ｂの種々の実施形態のエンジンシステムに対応する。伝達装置２７９は、エンジンの動作状況に関する動作データ２８１をモニターするコントローラー２０９に応答して動作する。これは、２０１３年１０月２２日に発行された「Super-turbocharger Having a High Speed Traction Drive and Continuously Variable Transmission」という名称の米国特許第８，５６１，４０３号及び２０１４年７月８日に発行された「Superturbocharger Control Systems」という名称の米国特許第８，７６９，９４９号により完全に開示されている。これらの米国特許の引用により、これらの米国特許が開示及び教示している全ての内容は、明確に本明細書の一部をなす。軸２８０は、連結器２８２を駆動するか又は連結器２８２によって駆動される。連結器２８２は、チェーン、ベルト、歯車、トラクションドライブ等のような任意のタイプの機械的な連結器を含むことができる。連結器２８２は、エンジン２８５のクランク軸２８４に結合される。エンジン２８５が高出力で動作し、タービン２７４から余剰の動力がある場合等のいくつかの動作状況において、伝達装置２７９は、タービン２７４からの余剰の動力によって駆動する際にエンジン２８５のクランク軸２８４を援助するように調整することができる。始動時等の他の動作状況において、加速が要求される場合、エンジン２８５は、クランク軸２８４を駆動して、それによりターボ軸２７６及びコンプレッサー２７５を駆動することができ、それにより、図２Ｃに示すシステムは機械式過給機（スーパーチャージャー）として動作する。ここでも、これは、コントローラー２０９を用いて伝達装置２７９を調整することにより行われる。コントローラーの動作は、２０１４年７月８日に発行された「Superturbocharger Control Systems」という名称の米国特許第８，７６９，９４９号に開示されている。この米国特許の引用により、この米国特許が開示及び教示している全ての内容は、明確に本明細書の一部をなす。

図２Ｄは、軸２８７がハイブリッド車両内のモーター／発電機２８６を駆動するか又はモーター／発電機２８６によって駆動される、別の実施形態を示している。モーター／発電機２８６は、電力エレクトロニクス２８８に電気的に接続される。モーター／発電機２８６は、図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、及び図４Ｂに記載の伝達装置の一実施形態であり、エンジン２９１と、クランク軸２５５と、ハイブリッド伝達装置２９３と、電力エレクトロニクス２８８と、蓄電池バンク（蓄電池列）２８９とで構成されるエンジンシステム２９０に連結される。エンジンシステム２９０は、図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、及び図４Ｂの種々の実施形態のエンジンシステムに対応する。モーター／発電機２８６が発電機として動作する場合、タービン２０３とローラー２０１と軸２８７とがモーター／発電機２８６の発電機部を駆動し、電力エレクトロニクス２８８に印加する電力を生成する。その後、モーター／発電機２８６からのその電力は、制御信号２５３によって指定されたように、蓄電池バンク２８９に印加されて蓄電池バンク２８９を充電するか、又は、ハイブリッド伝達装置２９３に印加されて車輪２９５に動力を与える。エンジン２９１が高出力で動作している場合、タービン２０３からの余剰のエネルギーは、タービン２０３からトラクション接触部２０５を介してローラー２０１及び軸２８７に伝達することができる。制御信号２５３は、モーター／発電機２８６からの電力を印加して蓄電池バンク２８９を充電するか又はハイブリッド伝達装置２９３に動力を与えるように電力エレクトロニクス２８８を制御する。

図２Ｄに示すシステムは、機械式過給機としても機能することができる。モーター／発電機２８６のモーター部は、制御信号２５３に応答して、電力エレクトロニクス２８８を介して蓄電池バンク２８９により作動し、軸２８７とローラー２０１とコンプレッサー２０７とを駆動して過給をもたらすことができる。これは、高出力が要求されるがタービン２０３を駆動する排気ガスの生成量が少ない場合（初期加速状況中に発生する）に行うことができる。

図２Ｅは、モーター／発電機２３９が、図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、及び図４Ｂの伝達装置として機能し、エンジン２４９と、クランク軸２５７と、連結器２４７と、軸２５１と、モーター／発電機２４５と、電力エレクトロニクス２４１と、蓄電池バンク２４３とで構成されるエンジンシステム２３０に連結される一実施形態を示す別の実施形態である。エンジンシステム２３０は、図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、及び図４Ｂの種々の実施形態のエンジンシステムに対応する。図２Ｅに示すように、タービン２２９は、エンジン２４９からの排気ガスに応じて作動する。タービン２２９は、トラクション接触部２３１を介してコンプレッサー２３３及びローラー２３５を回転させる。ローラー２３５は、軸２３７を回転させる。軸２３７にかかる機械的な回転エネルギーは、モーター／発電機２３９の発電機部を作動させる。モーター／発電機２３９の発電機部は、電力エレクトロニクス２４１に印加される電気エネルギーを生成する。電気エネルギーの全部又は一部が、蓄電池バンク２４３に格納される。モーター／発電機２３９の発電機部からの電気エネルギーは、電力エレクトロニクス２４１からの電気エネルギーの印加によって、モーター／発電機２４５のモーター部を作動させることもできる。蓄電池バンク２４３は、モーター／発電機２３９の発電機部からの電気エネルギーを補うか又はモーター／発電機２３９の発電機部からの電気エネルギーの全部に換わる電気エネルギーを提供し、モーター／発電機２４５のモーター部を作動させることもできる。モーター／発電機２４５のモーター部は、軸２５１を回転させる。連結器２４７は、軸２５１からエンジン２４９のクランク軸２５７に機械的な回転エネルギーを伝達し、クランク軸２５７の回転を援助する。

図２Ｅのシステムは、機械式過給モードで動作することもできる。この例では、エンジン２４９は、クランク軸２５７に、連結器２４７に伝達される機械的な回転エネルギーを生成する。連結器２４７は、軸２５１とクランク軸２５７との間で機械的な回転エネルギーを伝達するための任意のタイプの連結器又は伝達装置を備えてもよい。軸２５１は、電力エレクトロニクス２４１に印加される電気エネルギーを生成するモーター／発電機２４５の発電機部を作動させる。蓄電池バンク２４３からの電気エネルギーを電力エレクトロニクス２４１に印加することもでき、蓄電池バンク２４３を用いて、エンジン２４９によって生成された機械的な回転エネルギーによってもたらされる、モーター／発電機２４５の発電機部によって生成される電気エネルギーを補うことができる。電力エレクトロニクス２４１は、モーター／発電機２４５及び／又は蓄電池バンク２４３によって生成された電気エネルギーを用いて、モーター／発電機２３９のモーター部を作動させる。モーター／発電機２３９のモーター部は、軸２３７及びローラー２３５を回転させる。コンプレッサー２３３は、トラクション接触部２３１を介して伝達されるローラー２３５の機械的な回転エネルギーによって回転する。このようにして、図２Ｅのシステムは、ターボ過給機と機械式過給機の複合型として機能する。これは一般に機械式ターボ過給機と称される。

また図２Ｅに示すように、モーター／発電機２４５の発電機部によって、発電機部の磁界を有効にすることにより機械的抵抗を発生させ、それにより、軸２５１における抵抗を得てエンジン２４９を減速し、制動を達成することができる。この場合、発電機は、電力エレクトロニクス２４１に印加される電気エネルギーを生成し、この電気エネルギーを用いて蓄電池バンク２４３を充電する。このようにして、上記システムによって車両の回生制動を達成することができる。

これに応じて、図２Ｃ、図２Ｄ、及び図２Ｅは、図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、及び図４Ｂに使用することができる種々の実施形態を示している。

図３Ａは、別の実施形態の減速トラクションドライブ機械式ターボ過給機３００の概略図である。図３Ａに示すように、遊びローラー３２０は、ローラー３１４と略反対側の位置でターボ軸３０２と接触する。トラクション接触部３０８がトルクを伝達するには、ローラー３１４とターボ軸３０２との間に略垂直の力が存在しなければならない。遊びローラー３２０を追加することは、遊びローラー３２０が、ローラー３１４とは略反対側にあり、ターボ軸３０２にかかる等しいが逆向きの垂直反力を有することができるので、ターボ軸３０２を圧する垂直力に反作用するのに役立つ。図３Ａに示すように、遊びローラー３２０を用いることにより、ローラー３１４及び遊びローラー３２０からターボ軸３０２にかかる正味の力がゼロに近づくので、ターボ軸３０２を安定化及び位置決めする軸受３１８、３１９にかかる力が低くなる。

図３Ｂは、別の実施形態のトラクションドライブ機械式ターボ過給機３５０の概略図である。図３Ｂに示すように、ターボ軸３５２は、タービン３５４をコンプレッサー３５６に連結する。推力吸収トラクションドライブ３５８は、ローラー３６４とターボ軸３５２との間に形状加工されたトラクション接触部３７２を設け、トラクション接触部３７２はターボ軸３５２を軸方向に位置決めする。そのため、ターボ軸３５２を軸方向に支持するために軸受３１８、３１９が必要とされない。形状加工されたトラクション接触部３７２は、形状加工された軸表面３７４に係合する形状加工されたローラー表面３８０を含む。さらに、形状加工された軸表面３７４は、形状加工された遊びローラー表面３７８に係合する。ここでも、図３Ｂには湾曲形状が示されているが、２０１３年１１月２１日に提出された「Thrust Absorbing Planetary Traction Drive Superturbo」という名称の米国特許出願第６１／９０６９３８号に開示されているような種々の形状を用いることができる。この米国特許出願が開示及び教示している全ての内容は、明確に本明細書の一部をなす。遊びローラー３７０は、ローラー３６４によって生成されるターボ軸３５２に対して垂直の力に抗し、そのため、ターボ軸をターボ軸３５２の回転軸に対して垂直の方向において支持するために軸受３１８、３１９が必要とされない。遊びローラー３７０及び形状加工されたトラクション接触部３７２を追加することにより、ターボ軸３５２にかかる総合的な力がゼロに近づき、そのため軸受３１８及び３１９の設計要件が低くなる。ローラー３６４をターボ軸３５２に押し付け、トルクを伝達することが可能な形状加工されたトラクション接触部３７２を形成する任意の所望の方法を用いることができる。２０１３年１０月２２日に発行された「Super-Turbocharger Having a High Speed Traction Drive and a Continuously Variable Transmission」という名称の米国特許第８，５６１，４０３号に開示されている、トルクを増大する種々の方法及び負荷に応じてトルクを変化させる種々の方法を用いることができる。米国特許第８，５６１，４０３号の引用により、この米国特許が開示及び教示している全ての内容は、明確に本明細書の一部をなす。当然ながら、これは、本明細書に開示の実施形態の全てに当てはまる。ローラー３６４は伝達装置３６２に連結され、さらに、伝達装置３６２はエンジンシステム３６６に連結することができる。

図４Ａは、２つの電気モーター／発電機４１２、４１３を用いる別の実施形態のトラクションドライブ機械式ターボ過給機４００の概略図である。この実施形態は、２つの同一のトラクション接触部４０８、４０９をターボ軸４０２の両側に有することが効果的である。対向するローラー４１４、４１５が、トラクション接触部４０８、４０９においてトルクを伝達するのに必要な垂直力によって生じる、ターボ軸４０２にかかる径方向力を相殺する。このことは、ターボ軸４０２をターボ軸４０２の回転軸に対して垂直の方向において位置決めする要件を低減する。各ローラー４１４、４１５は低速軸４１０、４１１に結合され、さらに、低速軸４１０、４１１は電気モーター／発電機４１２、４１３に結合される。２つの機械的伝達装置をターボ軸４０２の両側に組むことは困難であるので、電気モーター／発電機４１２、４１３の使用が好ましい。各電気モーター／発電機４１２、４１３は、エンジンシステム４１６に電気的に接続され、エンジンシステム４１６との間で等量の力を伝達して、トラクションドライブ機械式ターボ過給機４００による力を均衡させて維持するように一緒に制御される。電気モーター／発電機４１２、４１３は、電気モーター／発電機４１２、４１３との間の力を制御するエンジンシステム４１６の電力エレクトロニクスに接続され、この場合、この電力エレクトロニクスは、図２Ｄ及び図２Ｅに示すような蓄電池システム又はエンジンシステム４１６のエンジンに取り付けられた別のモーター／発電機に更に接続することができる。

図４Ｂは、別の実施形態の機械式ターボ過給機４５０の概略図である。図４Ｂの実施形態は、図４Ａの実施形態と同じであるが、ただし、推力吸収トラクションドライブ４５２を用いている。図４Ｂに示すように、形状加工されたトラクション接触部４５４と形状加工されたトラクション接触部４５５とをそれぞれ形成された、２つのローラー４５６、４５８がある。これらの形状加工されたトラクション接触部４５４、４５５は、まとめて推力吸収トラクションドライブ４５２と称する。ターボ軸４５１は、タービン４６８とコンプレッサー４７０とを連結する。ターボ軸４５１は、ローラー４５６の形状加工されたローラー表面４６０及びローラー４５８の形状加工されたローラー表面４６２と接触する形状加工された軸表面４６４を有する。ローラー４５６、４５８は、ターボ軸４５１に向かって内方に押され、推力吸収トラクションドライブ４５２を形成する。ローラー４５６、４５８にかかる力は自然に均衡するため、ターボ軸４５１はローラー４５６、４５８間の心出し位置に留まる。ローラー４５６は電気モーター／発電機４７２を駆動する。ローラー４５８は電気モーター／発電機４７４を駆動する。電気モーター／発電機４７２、４７４はエンジンシステム４７６に連結される。

これに応じて、本発明の実施形態は、ターボ軸から、より従来的な電気モーター／発電機又は機械的伝達装置に結合することができる低速軸へのトラクションドライブ、すなわち速度逓減変換器を提供する。このトラクションドライブの基本形態は、減速トラクションドライブを形成するようにターボ軸と接触する、ターボ軸より大きい直径を有するローラーである。ローラーは、過剰なスリップがない状態でターボ軸に対するトルク伝達及びターボ軸からのトルク伝達を行うように十分な垂直力によって、ターボ軸に押し付けられる。また、より多くのトルクを伝達することができるように、トラクション流体を用いて摩擦係数を増大させてもよい。このようにして、過渡加速中にターボ軸にトルクを伝達してターボラグを低減することができ、コンプレッサーの駆動に要求されるものを超える余剰のタービン動力が存在する高負荷動作中に、ターボ軸からトルクを伝達することができる。この場合、この余剰の力は、複合力としてエンジンシステムへ伝達し、エンジンシステムの電力及び効率性を高めることができる。

減速トラクションドライブを用いれば、１０００００〜２０００００の高いターボ軸速度を、１０：１の減速比で低速軸において１００００〜２００００の範囲の速度へ減少させることができる。一例として、直径１０ｍｍのターボ軸の場合、この１０：１の比を達成するには１００ｍｍのローラー径が要求される。パッケージ要件及び性能要件に応じて、他の減速比を用いることもできる。減速後のより低い速度は、より従来的な電気モーターにとって許容可能な速度であり、電気モーター／発電機は、ターボ軸上の高温のタービン及びコンプレッサーから隔離されたより良好な動作環境に移動させることができる。同様に、より低い速度は、ＣＶＴ伝達装置及び離散的歯車駆動伝達装置を含む機械的伝達装置にとって許容可能である。その場合、電気モーター／発電機又は機械的伝達装置は、エンジンシステムに連結され、エンジンシステムと機械式ターボ過給機との間で動力を伝達する。

本発明の前述の記載は、例示及び説明のために提示されている。本発明の前述の記載は、網羅的であることも本発明を開示の厳密な形態に限定することも意図しておらず、上記教示に鑑みて他の変更形態及び変形形態が考えられ得る。実施形態は、本発明の原理及び本発明の実際的応用を最もよく説明し、それにより当業者が本発明を種々の実施形態及び意図する特定の用途に合わせた種々の変更形態で最適に利用することを可能にするように選択及び記載されている。添付の特許請求の範囲は、従来技術により制限されることを除き、本発明の他の代替的な実施形態を包含するように解釈されることが意図される。

Claims (13)

1. エンジンシステム用の機械式ターボ過給機であって、
   ターボ軸と、
   前記ターボ軸の第１の位置に接続されたコンプレッサーと、
   前記ターボ軸の第２の位置に接続されたタービンと、
   前記ターボ軸の第３の位置でトラクション接触部を介して前記ターボ軸に連結されたローラーであって、前記ローラーの回転速度が前記ターボ軸の回転速度より小さくなるように前記第３の位置おける前記ターボ軸の直径より大きい直径を有する前記ローラーと、
   前記ローラーに接続された低速軸と、
   前記機械式ターボ過給機と前記エンジンシステムとの間で動力を伝達するように前記低速軸と前記エンジンシステムとに連結され、前記ターボ軸の前記回転速度より小さい回転速度で前記低速軸により駆動される伝達装置と、
   を備える機械式ターボ過給機。
2. 前記伝達装置は、前記エンジンシステムに電気的に接続されている電気モーター／発電機である請求項１に記載の機械式ターボ過給機。
3. 前記伝達装置は、前記エンジンシステムに機械的に連結されている機械的伝達装置である請求項１に記載の機械式ターボ過給機。
4. 前記機械的伝達装置は、無段変速機である請求項３に記載の機械式ターボ過給機。
5. 遊びローラーは、減速トラクションドライブから前記ターボ軸にかかる垂直力を均衡させるために、前記ターボ軸に対して前記ローラーと反対の側に配置されている請求項１に記載の機械式ターボ過給機。
6. 前記ローラーと前記ターボ軸との間に、前記ターボ軸を軸方向に位置決めする形状加工されたトラクション接触部がある請求項１に記載の機械式ターボ過給機。
7. 機械式ターボ過給機をエンジンシステムに連結する方法であって、
   タービンとコンプレッサーとに接続されたターボ軸と、前記ターボ軸の直径より大きいローラー径を有するローラーとの間にトラクション接触部を形成することと、
   前記ローラーに接続された低速軸を、前記エンジンシステムと前記ターボ軸との間で動力を伝達する伝達装置に接続することと、
   を含む方法。
8. 前記伝達装置は、前記エンジンシステムに電気的に接続されている電気モーター／発電機を含む請求項７に記載の方法。
9. 前記伝達装置は、前記エンジンシステムに機械的に連結されている機械的伝達装置である請求項７に記載の方法。
10. 前記機械的伝達装置は、無段変速機である請求項９に記載の方法。
11. 遊びローラーは、減速トラクションドライブから前記ターボ軸にかかる垂直力を均衡させるために、前記ターボ軸に対して前記ローラーと反対の側に配置されている請求項７に記載の方法。
12. 前記ローラーと前記ターボ軸との間に、前記ターボ軸を軸方向に位置決めする形状加工されたトラクション接触部がある請求項７に記載の方法。
13. エンジンシステム用の機械式ターボ過給機であって、
    第１の直径を有するターボ軸と、
    前記ターボ軸の第１の位置に接続されたコンプレッサーと、
    前記ターボ軸の第２の位置に接続されたタービンと、
    前記ターボ軸の第３の位置で第１の側において前記ターボ軸と接触し、前記ターボ軸の前記第１の直径より大きい第２の直径を有する第１のローラーと、
    前記ターボ軸の前記第３の位置で前記ターボ軸の前記第１の側とほぼ反対の側の第２の側において前記ターボ軸と接触し、第３の直径を有する第２のローラーと、
    前記第１のローラーに連結されるとともに、前記エンジンシステムと前記ターボ軸との間で動力を伝達することができるように前記エンジンシステムに電気的に接続されている第１の電気モーター／発電機と、
    前記第２のローラーに連結されるとともに、前記エンジンシステムと前記ターボ軸との間で動力を伝達することができるように前記エンジンシステムに電気的に接続されている第２の電気モーター／発電機と、
    を備える機械式ターボ過給機。

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