JP2016118136A - ターボチャージャ - Google Patents

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Abstract

【課題】タービンホイールの回転を補助が可能な電動機を効率よく冷却する。【解決手段】ターボチャージャ１は、排気により駆動されるタービンホイール３と、軸部材６を介してタービンホイール３と同軸に連結された第１及び第２コンプレッサホイール４、５と、第１、第２コンプレッサホイール４、５を収容するとともに、第１コンプレッサホイール４で加圧された空気を第２コンプレッサホイール５に送る連通路１７が内部に形成されたコンプレッサハウジング８と、連通路１７内に配置され、軸部材６を回転軸とする電動機１１と、を有している。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関のターボチャージャに関する。
排気エネルギーを利用して軸部材の一端に取り付けられたタービンホイールを回転させるとともに、この軸部材の他端にタービンホイールと同軸に取り付けられたコンプレッサホイールで空気を加圧して内燃機関の燃焼室に供給するターボチャージャが従来から知られている。
特許文献１には、このようなターボチャージャにおいて、タービンホイールとコンプレッサホイールとを連結する軸部材に電動機を設け、発進時などの内燃機関の回転数が低く、タービンホイールの回転が上がらずに十分な過給が行えない場合でも、電動機を駆動してコンプレッサホイールの回転数を高くして過給圧を上昇させ、発進時の早い時期から必要な動力性能を得るようにした構成が開示されている。
特開２０００−１３０１７６号公報
しかしながら、このような特許文献１においては、軸部材に所望の回転力を付与するために電動機を高回転高出力とする必要があり、電動機が大型化してターボチャージャ全体が大型化する虞がある。
また、高回転高出力が要求される電動機は、当該電動機を構成するステータコイル（固定子）の発熱が大きくなり、その発熱によって当該電動機を構成するマグネット（回転子）が高温となって当該マグネットが劣化し、磁力の低下が起こって電動機の駆動効率が悪化する虞がある。
本発明のターボチャージャは、内燃機関から排出された排気により駆動されるタービンホイールと、軸部材を介して上記タービンホイールと同軸に連結された第１及び第２コンプレッサホイールと、上記第１、第２コンプレッサホイールを収容するとともに、該第１コンプレッサホイールで加圧された空気を該第２コンプレッサホイールに送る連通路が内部に形成されたメインハウジングと、上記連通路内に配置され、上記軸部材を回転軸とする電動機と、を有することを特徴としている。
上記電動機の外周には、上記連通路内に突出する複数の放熱フィンを形成してもよい。
また、上記電動機は、筒状の電動機ハウジングと、該電動機ハウジングの内周側に固定された固定子と、上記軸部材に固定された回転子と、を有し、上記第１コンプレッサホイール側に位置する上記電動機ハウジングの一方の端部側から上記連通路内の空気が内部に導入され、上記第２コンプレッサホイール側に位置する上記電動機ハウジングの他方の端部側から上記電動機ハウジング内の空気が上記連通路内に排出されるようにしてもよい。
本発明によれば、空気が常時第２コンプレッサホイール５側に向かって流れる第１コンプレッサホイールと第２コンプレッサホイールとの間の連通路１７内に電動機が配置されているので、電動機を効率良く冷却することができ、温度上昇による電動機の駆動効率の悪化を抑制することができる。また、第１コンプレッサホイールと第２コンプレッサホイールによって空気を２段階で加圧しているので、軸部材の回転数を相対的に低くしても所望の過給圧を得ることが可能となり、電動機の発熱を抑制することができるとともに、電動機を相対的に小型化することが可能となる。
本発明に係るターボチャージャの一部を切り欠いて示した説明図。 本発明に係るターボチャージャの断面図。 本発明に係るターボチャージャの断面図。
以下、本発明の一実施例を図１〜図３を用いて詳細に説明する。図１は、本発明に係るターボチャージャ１の一部を切り欠いて示した説明図である。図２は、本発明に係るターボチャージャ１の断面図である。図３は、本発明に係るターボチャージャ１の断面図であって、図２のＡ−Ａ線に沿った位置に相当する断面図である。
ターボチャージャ１は、例えば車両等に搭載された内燃機関（図示せず）へ供給する空気を、ターボチャージャハウジング２内で２段階圧縮するものである。すなわち、ターボチャージャ１は、細長い円柱形状の軸部材６に、タービンホイール３と第１コンプレッサホイール４と第２コンプレッサホイール５とを同軸状に取り付けることで、排気エネルギーを利用した過給を行うものである。
略筒状のターボチャージャハウジング２は、図１、図２に示すように、一端側のタービンハウジング７と、他端側のメインハウジングとしてのコンプレッサハウジング８と、タービンハウジング７とコンプレッサハウジング８との間に位置する中間ハウジング９と、によって大略構成されており、内部に軸部材６が収容されている。
軸部材６は、金属材料からなり、その一端にタービンホイール３が固定され、他端に第１コンプレッサホイール４が固定され、中間部分に第２コンプレッサホイール５が固定されている。
タービンハウジング７、コンプレッサハウジング８、中間ハウジング９は、例えば金属材料の鋳造品からなっている。
タービンハウジング７には、タービンホイール３が収容されている。タービンホイール３は、例えば金属材料の鋳造品であって、複数のタービンブレード１０を有している。
中間ハウジング９は、主として軸部材を支持するものである。また、この中間ハウジングは、タービンハウジング７とコンプレッサハウジング８とを軸方向に連結している。
コンプレッサハウジング８には、第１コンプレッサホイール４と、第２コンプレッサホイール５と、第１コンプレッサホイール４と第２コンプレッサホイール５の間に配置された電動機１１と、第１コンプレッサホイール４と電動機１１の間に介装された第１筒状部材１２と、第２コンプレッサホイール５と電動機１１の間に介装された第２筒状部材１３と、が収容されている。
ここで、コンプレッサハウジング８は、第１ハウジング１４と、第２ハウジング１５と、第３ハウジング１６とから大略構成されており、内部に第１コンプレッサホイール４で加圧された空気を第２コンプレッサホイール５に送る連通路１７が形成されている。連通路１７は、第１コンプレッサホイール４と第２コンプレッサホイール５との間に位置し、軸部材６外周面とコンプレッサハウジング８内周面との間に形成された軸部材６の軸方向に沿って連続した空間である。
第１ハウジング１４は、第１コンプレッサホイール４を主として収容するものである。第２ハウジング１５は、連通路１７内に第１筒状部材１２と電動機１１を主として収容するものであり、第１ハウジング１４と第３ハウジング１６とを軸方向で連結している。第３ハウジング１６は、第２コンプレッサホイール５と第２筒状部材１３とを主として収容するものであり、第２ハウジング１５と中間ハウジング９とを軸方向で連結している。
第１コンプレッサホイール４は、例えば金属材料の鋳造品であって、複数の第１コンプレッサブレード１８を有している。第２コンプレッサホイール５は、例えば金属材料の鋳造品であって、複数の第２コンプレッサブレード１９を有している。
電動機１１は、図２、図３に示すように、筒状の電動機ハウジング２０と、電動機ハウジング２０の内周側に固定されたスタータコイルからなる複数の固定子２１と、軸部材６に固定された永久磁石からなる複数の回転子２２と、から大略構成されている。この電動機１１は、軸部材６を回転軸とするものであり、タービンホイール３の回転不足により十分な過給が行えない場合には、固定子２１に通電することにより回転駆動してタービンホイール３の回転不足を補うことが可能となっている。また、電動機１１は、状況に応じて発電することが可能である。
電動機ハウジング２０は、例えば金属材料からなり、外周に軸方向に沿った複数の放熱フィン２３と放熱フィン２３に比べて厚肉の複数のリブ２４とを有している。この電動機ハウジング２０は、リブ２４が電動機ハウジング２０半径方向から第２ハウジング１５に図示せぬボルトで固定されている。また、電動機ハウジング２０は、第１コンプレッサホイール側の端部に第１筒状部材１２が図示せぬボルトにより固定されているともに、第２コンプレッサホイール側の端部に第２筒状部材１３が軸方向から図示せぬボルトで固定されている。
第１筒状部材１２は、例えば金属材料の鋳造品であって、外周に複数の整流フィン２５を有している。整流フィン２５は、第１コンプレッサホイール４で加圧された空気の流れを整流しつつ、電動機ハウジング２０と第２ハウジング１５との間の空間に導入するものである。この第１筒状部材１２は、第１コンプレッサホイール４側の端部が、第１コンプレッサホイール４の背面と離間しているとともに、第２コンプレッサホイール５側の端部が電動機ハウジング２０の第１コンプレッサホイール４側の端部に図示せぬボルトにより固定されている。
第１筒状部材１２には、軸方向に沿った複数の第１空気導入穴２６が貫通形成されている。第１空気導入穴２６は、一端が電動機ハウジング２０の内周面よりも内側に開口し、他端が第１コンプレッサホイール４の背面と対向する位置に開口している。また、第１筒状部材１２には、一端が第１筒状部材１２の外周面に開口し、他端が第１空気導入穴２６の中央部分に接続された径方向に沿った複数の第２空気導入穴２７が形成されている。
第２筒状部材１３は、例えば金属材料の鋳造品である。この第２筒状部材１３には、軸方向に沿った複数の空気排出穴２８が貫通形成されている。この空気排出穴２８は、一端が第３ハウジング１６内で連通路１７と連通し、他端が電動機ハウジング２０の内周面よりも内側に開口している。
第１空気導入穴２６と第２空気導入穴２７によって、第１コンプレッサホイール４の背面側と整流フィン２５の間から加圧された空気の一部が電動機ハウジング２０に導入される。電動機ハウジング２０内に導入された空気は、固定子２１と固定子２１の間や、固定子２１と回転子２２との間を軸方向に沿って第２コンプレッサホイール５側に流れ、第２筒状部材１３に形成された複数の空気排出穴２８を介して第３ハウジング１６内の連通路１７に排出される。なお、図２中の２９は、軸部材６を回転可能に支持する軸受けである。
このような構成のターボチャージャ１においては、第２コンプレッサホイール５による空気の吸い込みにより、連通路１７内の空気が常時第２コンプレッサホイール５側に向かって流れる。そのため、電動機１１を第１コンプレッサホイール４と第２コンプレッサホイール５の間の連通路１７内に配置することで、電動機１１の周囲に空気が滞留せず電動機１１を効率良く冷却することができ、ひいては電動機１１の温度上昇による電動機１１の駆動効率の悪化を効果的に抑制することができる。
例えば、電動機１１による過給圧の上昇アシスト時であれば、電動機１１の温度上昇による電動機１１の駆動効率の悪化が抑制されると、所期の過給圧が得られなくなることを回避できるため、十分な過給圧を確保して良好な車両運転状態を維持することができる。また、例えば、電動機１１による発電時であれば、電動機１１の温度上昇による電動機１１の駆動効率の悪化が抑制されると、所期の発電効率が得られなくなることを回避できるため、排気による余剰のタービンホイール３の回転を効率良く電気エネルギーに回生することにより車両の燃費性能の向上に寄与できる。
そして、電動機ハウジング２０の外周に放熱フィン２３が設けられているので、電動機ハウジング２０の内周に固定された固定子２１の熱を効率良く連通路１７の空気に放熱することができ、固定子２１の温度上昇が抑制することができる。
また、第１コンプレッサホイール４で加圧された空気の一部が電動機１１内に導入されているので、電動機１１内に導入された空気で発熱した固定子２１と固定子２１の発熱によって温度上昇した回転子２２を直接冷却することが可能となり、電動機１１を内側と外側から効率良く冷却することができる。
第１コンプレッサホイール４と第２コンプレッサホイール５によって空気を２段階で加圧しているので、軸部材６の回転数を相対的に低くしても所望の過給圧を得ることが可能となり、電動機１１の発熱を抑制することができるとともに、電動機１１の小型化が可能となる。
そして、第１コンプレッサホイール４と第２コンプレッサホイール５によって空気を２段階で加圧しているので、第１コンプレッサホイール４での過給率を大きくしなくても所望の過給圧を得ることができ、第１コンプレッサホイール４で圧縮された空気の温度上昇を低くして電動機１１を効率良く冷却することができる。
また、ターボチャージャ１は、空気を２段階で加圧しているとともに、タービンホイール３の回転不足を電動機１１で補うことが可能な構成となっているため、相対的に小型化した電動機１１を用いても低回転から過給効率が良好なシステムをコンパクトに構築できる。さらに、ターボチャージャ１は、相対的に低回転での使用により回転力や遠心力を相対的に小さくでき、軸部材６を回転可能に支持する軸受け２９や電動機１１の強度等も比較的簡素で安価な構造にすることができる。
１…ターボチャージャ
２…ターボチャージャハウジング
３…タービンホイール
４…第１コンプレッサホイール
５…第２コンプレッサホイール
６…軸部材
８…コンプレッサハウジング
１１…電動機
１２…第１筒状部材
１３…第２筒状部材
１４…第１ハウジング
１５…第２ハウジング
１６…第３ハウジング
１７…連通路
２０…電動機ハウジング
２３…放熱フィン
２６…第１空気導入穴
２７…第２空気導入穴
２８…空気排出穴

Claims (3)

  1. 内燃機関から排出された排気により駆動されるタービンホイールと、
    軸部材を介して上記タービンホイールと同軸に連結された第１及び第２コンプレッサホイールと、
    上記第１、第２コンプレッサホイールを収容するとともに、該第１コンプレッサホイールで加圧された空気を該第２コンプレッサホイールに送る連通路が内部に形成されたメインハウジングと、
    上記連通路内に配置され、上記軸部材を回転軸とする電動機と、を有することを特徴とするターボチャージャ。
  2. 上記電動機の外周には、上記連通路内に突出する複数の放熱フィンが形成されていることを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャ。
  3. 上記電動機は、筒状の電動機ハウジングと、該電動機ハウジングの内周側に固定された固定子と、上記軸部材に固定された回転子と、を有し、上記第１コンプレッサホイール側に位置する上記電動機ハウジングの一方の端部側から上記連通路内の空気が内部に導入され、上記第２コンプレッサホイール側に位置する上記電動機ハウジングの他方の端部側から上記電動機ハウジング内の空気が上記連通路内に排出されていることを特徴とする請求項１または２に記載のターボチャージャ。
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