JP5111634B2 - プレッシャーウェーブスーパーチャージャ - Google Patents

Description

本発明は、請求項１における前提部分の特徴に基づくプレッシャーウェーブスーパーチャージャに関するものである。

また、本発明は、原動機付き車両（以下単に「車両」という。）の内燃エンジンに設けるプレッシャーウェーブスーパーチャージャに関するものであり、このような内燃エンジンは、その効率を向上させるために過給されるものである。この吸排気過程は吸気時にシリンダ内の充填度を高めることにより改善され、このような過給されたエンジンは、過給がなされないエンジンに比べて低い燃料消費率（燃費）を有している。また、過給がなされるエンジンは、内部抵抗が同じであれば、排気量がより大きなエンジンと同様の空燃費で動作する。すなわち、過給がなされるものは、より高い効率を有していることになる。

閉鎖された空気ダクト内において気体流動工程を発生させるとともに過給に使用される過給システムは一般的にプレッシャーウェーブスーパーチャージャ又はプレッシャーウェーブ装置と呼ばれ、このプレッシャーウェーブスーパーチャージャにおいて使用されるロータ（セル式ロータ）は、通常、円筒状に形成されているとともに、多くの場合、高温ガス側から低温ガスへ延在する断面一定のダクトを有している。

また、制御性の観点から、このプレッシャーウェーブスーパーチャージャは、今日では、以前のベルト駆動に代わってモータにより駆動されている。このモータはクラッチを介してセル式ロータの軸に直結されており、そのため、動作条件の範囲内における動作状態に応じて回転数を自由に設定することが可能であるとともに、内燃エンジンの回転数を独立して制御することも可能となっている。

しかして、特許文献１には内燃機関用の過給装置が開示されており、ケーシング内に配置されつつモータによって駆動されるロータ（セル式ロータ）を有するプレッシャーウェーブスーパーチャージャが記載されている。ここで、モータは互いに軸受を介して支持されたロータ及びステータを備えており、ケーシングの一部において位置するモータ軸は、その一方側でモータ軸に結合するために設けられたセル式ロータのハブから突出している。そして、これにより、熱負荷の変化によるセル式ロータの長さ変化によって支持箇所に負荷が生じないという利点が得られるようになっている。

ただし、セル式ロータのハブとモータ軸の間のクラッチについての加工技術的な手間が大きく、このクラッチは、通常設けられる沈みテーパキーや締付ボルトなどの締結要素による影響を受けてしまう。

また、ターボチャージャやプレッシャーウェーブスーパーチャージャとして構成された過給装置が特許文献２〜５に記載されている。

ところで、内燃機関周辺の空間は限られるため、内燃機関周辺の他の構成要素と同様にプレッシャーウェーブスーパーチャージャについてもできる限りその設置空間を小さくする必要がある。このためには、電気的な始動出力を最小化する必要がある。そのため、クラッチや軸受などの結合要素について、その摩擦部分をできる限り小さくする一方、そのシステムにおける剛性を最大化する必要がある。また、セル式ロータあるいはその軸をその軸方向位置について固定するために、たわみ及び振動に対して必要なシステムにおける剛性に基づき、セル式ロータあるいはその軸のための固定支持部−スラスト支持部間の結合部が設けられている。また、軸に結合されたモータは、独立した軸受を有している。

しかしながら、個々の長さ及び個々の軸受内で生じる摩擦は、それぞれ積み重なって、全体としてロータ駆動の出力損失又は設置空間の拡大につながる大きな長さ及び摩擦となってしまう。

欧州特許第０８６４０３５号明細書 独国実用新案出願公開第２０２００６００４９７５号明細書 欧州特許出願公開第０２８６９３１号明細書 欧州特許出願公開第１１８４３４６号明細書 米国特許第４９１０９５６号明細書

本発明の目的とするところは、より少ない出力損失を有し、より小さな設置空間で足りるプレッシャーウェーブスーパーチャージャを提供することにある。

上記目的は、請求項１記載の特徴により達成される。また、本発明の他の実施形態は各従属請求項に記載されている。

本発明によるプレッシャーウェーブスーパーチャージャはケーシングを備えており、このケーシング内にはモータにより駆動されるセル式ロータが配置されている。また、このモータは、機械的なエネルギーを発生させる変換器としてのロータ及びステータを有しており、これらロータ及びステータは、摩擦をできる限り小さく維持するために、軸受を介して互いに支持されている。そして、本発明によるこのようなプレッシャーウェーブスーパーチャージャにおいては、ステータをロータに対して支持している軸受と同一の軸受を介してロータ（セル式ロータ）がケーシングに対して支持されている。

軸受を統合することにより、軸受の個々の長さを小さくすることが可能である。また、支持箇所が少なく摩擦も小さいため、出力損失も少なくすることができる。また、同時に、モータ又はセル式ロータ用の独立した軸受をなくすことでプレッシャーウェーブスーパーチャージャのコンパクト化及び軽量化を図ることができ、該プレッシャーウェーブスーパーチャージャの設置空間を削減することが可能である。

本発明の一実施形態においては、モータにおけるステータがケーシングに固定されている一方、ロータは内部ロータとしてセル式ロータの軸上に配置されている。すなわち、モータは内部ロータ式に形成されている。また、セル式ロータの軸と従来はモータに設けられていた駆動軸の間のクラッチは全く設けられていない。すなわち、セル式ロータの軸は、セル式ロータからモータまで延在する一部材で形成された軸となっている。したがって、モータのロータが設けられたこの一部材で形成された軸はセル式ロータから延びており、セル式ロータとモータの間には軸受による第１の支持箇所が形成されている。

また、ロータを支持する軸を特にセル式ロータから段階的により細く形成することが考えられ、これにより、必要な軸受シートを得ることが可能である。なお、この軸受シートとしては、締まりばめが用いられる。さらに、必要なロータ用のシートも得られる。このような構成の利点は、セル式ロータから延びる軸において、後続のすべての部材を焼きばめ又はプレスばめによって固定することが可能であることにある。

内部ロータとして形成された場合の本発明の特徴は、モータがセル式ロータの軸上に配置されており、この逆でない点にある。したがって、この軸はセル式ロータの軸ということができ、その支持点は、セル式ロータの一方側であるものの、モータの両側に配置されている。

また、モータ自体は、当該モータに特別に配置された支持箇所を設けないことによって、セル式ロータ上にほぼ馬乗りのような形で取り付けられているとともに、プレッシャーウェーブスーパーチャージャのケーシング内に統合されている。よって、モータ専用のケーシングを設ける必要がなく、また、これにより軽量化及び設置空間の削減を達成することが可能である。さらに、決定的な利点は、セル式ロータの軸受が同時にモータの軸受の機能も果たすことにより生じる。

ところで、本発明の他の実施形態においては、モータの外側部分が外部ロータとして形成されており、この外部ロータは、セル式ロータに結合されている。したがって、モータのステータは内側部分に設けられているとともにケーシングに結合された軸受ジャーナル上に配置されている。この場合、セル式ロータは中空に形成されており、該中空のセル式ロータと軸受ジャーナルの間にはモータが配置されている。

また、モータをセル式ロータの軸のみに設けるだけでなく、セル式ロータに直結させることも可能である。この場合、モータはセル式ロータに対して軸方向位置をずらして配置されずにセル式ロータ内部に配置される。このような構成によればセル式ロータの径が大きくなってしまうものの、軸方向にずらして配置されたモータに比して長さを大幅に減少させることが可能である。

固定された軸受ジャーナルを有するこのようなコンパクトは構造は、この軸受ジャーナルを通してモータに給電がなされることが前提となっている。特に、この軸受ジャーナルを通して冷却媒体供給部や場合によっては更に冷却媒体排出部として形成されるが好ましい。したがって、軸受ジャーナルは中空に形成されている。また、冷却媒体としては、特に吸入される外気を用いることが考えられる。すなわち、冷却媒体供給部は吸気ダクトととして形成されるのが好ましい。

また、内部ロータの場合の実施形態においても、外部ロータの場合の実施形態においても、ピボット軸受対が設けられており、このピボット軸受対は、セル式ロータと共にステータあるいはケーシングに対してロータを支持するものとなっている。なお、セル式ロータ用及びロータ用のこのケーシングは、トルク受け（Drehmomentstuetze）として機能する。また、セル式ロータは、唯一、ピボット軸受対によってケーシングに対して回転可能に支持されている。

本発明の他の実施形態においては、軸流圧縮機がセル式ロータ上に配置されており、この軸流圧縮機は、導入される冷気の圧力レベルを該冷気のセル式ロータへの供給前に高めるようにするものである。また、この軸流圧縮機は、特に、冷気流通方向に見たモータの前方に配置されているとともに、少なくとも１つの圧縮段（動翼）によって冷気を強制的に流通させるものとなっている。

また、モータにおけるステータコイルの冷却は、ステータプレートと、プレッシャーウェーブスーパーチャージャのケーシングを流通する吸気とによってなされる。さらに、排熱は、熱伝導並びに対流及び／又はエンジンの冷却のために導入される外気から分岐しつつ外気を導入する冷気ダクトによってなされる。

本発明によれば、システム全体の長さに関して、コンパクトな構造を達成することが可能である。また、少なくとも３つの部材、すなわちモータ軸受（Motorlagerung）、クラッチ及びモータブラケット（Motortraeger）又はモータフランジ（Motorflansch）を設ける必要もない。さらに、２つの要素、すなわちモータ軸受及び必要なクラッチ摩擦力による摩擦をなくすことができる。また、質量慣性モーメントも減少する。そのため、少ない加速力で足り、プレッシャーウェーブスーパーチャージャの迅速な応答が達成できる。

プレッシャーウェーブスーパーチャージャを駆動するモータの概要を示す図である。 本発明の他の実施形態を示す図である。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１にはプレッシャーウェーブスーパーチャージャを駆動するモータ１の概要が示されており、このプレッシャーウェーブスーパーチャージャについては、セル式ロータ２のみが示されている。このセル式ロータ２は、不図示のケーシング内で回転可能に支持されているとともに、軸受４，５を介してこの不図示のケーシングに対して支持されたセル式ロータの軸３上に位置している。ここで重要なことは、セル式ロータの軸３が一部材としてモータ１を貫通してガイドされていることである。

したがって、軸受４，５は、セル式ロータ２をケーシングに対して支持するだけでなく、モータ１の内側でセル式ロータの軸３に結合された当該モータ１のロータ部６を該モータ１の外側のステータ部７に対して支持するものでもある。すなわち、モータ１は、内部ロータ式に形成されている。また、軸受４，５はモータ１の両側に配置されており、紙面に対して右側の支持箇所は、必然的にモータ１とセル式ロータ２の間に位置することになる。

図２に示す実施形態においては、モータ８がセル式ロータ２の内部に配置されている。すなわち、このモータ８は外部ロータ式に形成されており、そのロータ部９は、セル式ロータ２のハブ１０と共にステータ部１１の周囲を回転するようになっている。モータ８のこのステータ部１１は軸受ジャーナル１２上に固定されており、セル式ロータ２のハブ１０とこの軸受ジャーナル１２の間には、軸受１３，１４がモータ８の両側において配置されている。ここで、紙面に対して左側の軸受１３は、アンギュラコンタクト玉軸受として形成されており、固定式の軸受となっている。一方、紙面に対して右側の軸受１４は、スラストベアリングとして形成されている。なお、高温ガス側は、カバー１５によって遮蔽されている。

ところで、モータ８の冷却は、中空軸として形成された軸受ジャーナル１２を通って導入される冷気によってなされるようになっている。この軸受ジャーナル１２は不図示の冷却媒体供給部を備えており、冷気は、該冷却媒体供給部を通って流入し、軸受ジャーナル１２の端部においてその向きが変更される。なお、この向きの変更が図中に矢印Ｐで示されている。そして、冷気は、このように向きを変えられた後、モータ８へと供給される。

なお、図示していないが、軸受ジャーナル１２の内部には、モータ８へ給電するための電力供給部も設けられている。

１，８ モータ
２ セル式ロータ
３ セル式ロータの軸
４，５ 軸受
６，９ モータのロータ部
７，１１ モータのステータ部
１０ ハブ
１２ 軸受ジャーナル
１３，１４ 軸受
１５ カバー

Claims (5)

1. ケーシング内に配置されつつモータ（１，８）によって駆動されるセル式ロータ（２）を備えたプレッシャーウェーブスーパーチャージャであって、前記モータ（１，８）がロータ部（６，９）とステータ部（７，１１）を備え、これらロータ部（６，９）とステータ部（７，１１）が互いに対して軸受（４，５，１３，１４）を介して支持されており、前記セル式ロータ（２）も前記軸受（４，５，１３，１４）を介して前記ケーシングに対して支持されている前記プレッシャーウェーブスーパーチャージャーにおいて、
   前記モータ（８）を外部ロータ式に形成し、かつ、前記ステータ部（１１）を前記ケーシングに結合された前記モータにおける軸受ジャーナル（１２）上に配置するとともに、前記ロータ部（６，９）を前記セル式ロータ（２）に結合させたことを特徴とするプレッシャーウェーブスーパーチャージャー。
2. 前記モータ（８）を前記セル式ロータ（２）内に配置したことを特徴とする請求項１記載のプレッシャーウェーブスーパーチャージャー。
3. 前記軸受ジャーナル（１２）を中空に形成するとともに、該軸受ジャーナル（１２）内に冷却媒体供給部を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載のプレッシャーウェーブスーパーチャージャー。
4. 導入される冷気の圧力レベルを該冷気の前記セル式ロータ（２）への供給前に高める軸流圧縮機を前記セル式ロータの軸（３）に設けたことを特徴とする請求項１記載のプレッシャーウェーブスーパーチャージャー。
5. 前記軸流圧縮機を、冷気流通方向に見た前記モータ（１）の前方に配置したことを特徴とする請求項４記載のプレッシャーウェーブスーパーチャージャー。

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