JP5589759B2

JP5589759B2 - 電動アシストターボチャージャ

Info

Publication number: JP5589759B2
Application number: JP2010239650A
Authority: JP
Inventors: 翔吾坂下; 知宏菅野; 義幸阿部; 治世木村; 由加利水島; 章飯島; 功橘川; 朝幸伊藤; 直樹石橋
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-10-26
Filing date: 2010-10-26
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2030-10-26
Also published as: JP2012092707A

Description

本発明は、ターボチャージャに電動機（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関するものである。

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ときに、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。

これに対し、ターボチャージャに電動機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動機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。

従来の電動アシストターボチャージャは、排気ガスにより回転される排気タービンと排気タービンにターボ軸を介して接続された吸気コンプレッサとを有するターボチャージャに、ターボ軸に一体に設けられたロータとロータの外周に位置するステータとを有する電動機を組み合わせてなる。

この電動アシストターボチャージャでは、電動機のロータがターボ軸に一体に設けられるので、ロータはターボ軸と同じ回転速度で回転する。

特開２００４−１６９６２９号公報特開２００６−３２０１４３号公報

ところが、一般の電動機には、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。更に詳しくは、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。

一般の電動機は、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。

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、一般の電動機においては渦電流損が大きい領域に相当する。

このように、従来の電動アシストターボチャージャでは、電動機のロータがターボ軸と同じ回転速度となることから、電動機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。

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。

また、ターボチャージャは、前述したように最高回転速度が数十万ｒｐｍにも達する超小型の超高速回転機械であり、そのターボ軸の軸受けは回転軸の両端にインペラを取り付けたオーバーハング型の構造をしている。

このような高速回転のロータを支える軸受けにはすべり軸受けが多用されるが、真円軸受けではオイルウィップと呼ばれる自励振動が発生するため、浮動ブッシュ軸受けが使用される。

しかしながら、この浮動ブッシュ軸受けはその構造が特殊であり、浮動ブッシュ軸受けを用いると機械全体のコストアップにつながってしまうという問題がある。

そこで、本発明の目的は、電動機の鉄損を低減でき、且つ、ターボ軸の振動を効果的に抑制し、ターボ軸の軸受けとして安価な転がり軸受けを用いることが可能な電動アシストターボチャージャを提供することにある。

この目的を達成するために創案された本発明は、ターボチャージャと電動機とを減速ギア機構で連結して構成した電動アシストターボチャージャであって、前記減速ギア機構は、前記ターボチャージャのターボ軸に取り付けられたターボ側ギアと、前記電動機のロータに取り付けられると共に前記ターボ側ギアに連結され、且つ、前記ターボ側ギアよりも歯数が多い電動機側ギアとを有し、前記ターボ側ギアが、前記ターボ軸の振動の腹に取り付けられた電動アシストターボチャージャである。

前記ターボ軸を軸承する軸受けは、転がり軸受けからなると良い。

本発明によれば、電動機の鉄損を低減でき、且つ、ターボ軸の振動を効果的に抑制し、ターボ軸の軸受けとして安価な転がり軸受けを用いることが可能な電動アシストターボチャージャを提供することができる。

本発明の実施の形態に係る電動アシストターボチャージャを示す側面図である。図１の電動アシストターボチャージャの減速ギア機構を示す正面図である。（ａ），（ｂ）はターボ側ギアの位置決め方法を説明する図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本発明の好適な実施の形態に係る電動アシストターボチャージャを示す側面図である。

図１に示すように、本実施の形態に係る電動アシストターボチャージャ１０は、ターボチャージャ１１と電動機１２とを減速ギア機構１３で連結して構成したものである。

ターボチャージャ１１は、排気ガスにより回転される排気タービン１４と、回転により空気を圧縮する吸気コンプレッサ１５と、排気タービン１４と吸気コンプレッサ１５とを同軸上で接続すると共に排気タービン１４側から吸気コンプレッサ１５側へ回転を伝達するターボ軸１６とを備える。ターボ軸１６は、排気タービン１４側の軸受け１７と吸気コンプレッサ１５側の軸受け１８とにより、２箇所で軸承されている。

軸受け１７，１８は、一般的に使用されるすべり軸受けや安価な転がり軸受けからなる。

図２に示すように、減速ギア機構１３は、ターボチャージャ１１のターボ軸１６に取り付けられたターボ側ギア１９と、電動機１２のロータ２０に取り付けられると共にターボ側ギア１９に連結され、且つ、ターボ側ギア１９よりも歯数が多い電動機側ギア２１とを有する。

図３に示すように、ターボ側ギア１９は、ターボ軸１６の振動を予め解析しておき（図３（ａ））、その解析に基づいて振動の腹（振動時に振幅が最も大きくなる箇所）に位置決めして取り付ける（図３（ｂ））。

次に、電動アシストターボチャージャ１０の動作を説明する。

電動アシストターボチャージャ１０において、ターボ軸１６の回転速度が低く、吸気コンプレッサ１５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、電動機１２を回転させることにより、電動機側ギア２１からターボ側ギア１９を介してターボ軸１６の回転を補助する。このとき、電動機１２の回転が増速されてターボ軸１６に伝達されるので、電動機１２は所望するターボ軸１６の回転速度よりも低回転速度で回転させれば良いことになる。

ターボ軸１６の回転速度が高い状態にて、エンジン状態を更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）、電動機１２を回転させることにより、ターボ軸１６の回転を補助する。このときは、ターボ軸１６の回転速度は高いが、電動機１２の回転速度は所望するターボ軸１６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動機１２が使用される。

本実施の形態に係る電動アシストターボチャージャ１０では、ターボ側ギア１９が、ターボ軸１６の振動の腹に取り付けられるため、ターボ軸１６の振動（図３（ｂ）で言えば上下方向の振動）を抑制することができる。その結果、ターボ軸１６の軸受け１７，１８として、高価な浮動ブッシュ軸受けを用いる必要がなくなり、一般的に使用されるすべり軸受けや安価な転がり軸受けを用いることができる。

以上説明したように、本実施の形態に係る電動アシストターボチャージャ１０は、電動機１２を所望するターボ軸１６の回転速度よりも低回転速度で回転させれば良く、電動機１２の鉄損を低減することができる。つまり、電動アシストターボチャージャ１０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。

また、本実施の形態に係る電動アシストターボチャージャ１０は、電動機１２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動機を採用でき、コストの上昇を抑えることができる。

更に、ターボ側ギア１９が、ターボ軸１６の振動の腹に取り付けられるため、ターボ軸１６の振動を抑制することができ、ターボ軸１６の軸受け１７，１８として、一般的に使用されるすべり軸受けや安価な転がり軸受けを用いることができる。

なお、電動機側ギア２１とターボ側ギア１９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１６の回転速度が２０万ｒｐｍのとき、電動機１２の回転速度は２万ｒｐｍで良いことになる。

電動アシストターボチャージャ１０は、排気ガスエネルギに余力がある場合に、電動機１２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、電動機１２が高回転速度では発電効率が低下するが、本実施の形態ではターボ軸１６の回転を減速して電動機１２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。

１０電動アシストターボチャージャ
１１ターボチャージャ
１２電動機
１３減速ギア機構
１４排気タービン
１５吸気コンプレッサ
１６ターボ軸
１７軸受け（排気タービン側）
１８軸受け（吸気コンプレッサ側）
１９ターボ側ギア
２０ロータ
２１電動機側ギア

Claims

ターボチャージャと電動機とを減速ギア機構で連結して構成した電動アシストターボチャージャであって、
前記減速ギア機構は、
前記ターボチャージャのターボ軸に取り付けられたターボ側ギアと、
前記電動機のロータに取り付けられると共に前記ターボ側ギアに連結され、且つ、前記ターボ側ギアよりも歯数が多い電動機側ギアとを有し、
前記ターボ側ギアが、前記ターボ軸の振動の腹に取り付けられたことを特徴とする電動アシストターボチャージャ。
前記ターボ軸を軸承する軸受けは、転がり軸受けからなる請求項１に記載の電動アシストターボチャージャ。