JP5691403B2 - 電動アシストターボチャージャ - Google Patents

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。

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。

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。

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。

特開２００４−１６９６２９号公報 特開２００６−３２０１４３号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、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。

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。

上記目的を達成するための本発明は、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、前記電気モータの回転が前記ドライブギアと前記２つのアイドルギアと前記ドリブンギアとを介して増速されて前記ターボ軸に伝達される電動アシストターボチャージャである。

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。

前記ドライブギアの歯数は、前記ドリブンギアの歯数の５倍以上であってもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）電気モータの鉄損を低減することができる。

（２）ターボ軸に偏荷重が加わらない。

本発明の一実施形態を示す電動アシストターボチャージャの構成図である。 （ａ）は、図１の電動アシストターボチャージャにおけるギアの噛み合いを示す図であり、（ｂ）は、図１の電動アシストターボチャージャの部分図である。 本発明の電動アシストターボチャージャを搭載したエンジンシステムの構成図である。 本発明に先立って検討した参考例を示す電動アシストターボチャージャの構成図である。 ターボ軸の軸振動を説明するためのイメージ図である。 従来の電動アシストターボチャージャの構成図である。 一般の電気モータにおける回転速度対トルク特性図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (3)

1. 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、
   前記電気モータの回転が前記ドライブギアと前記２つのアイドルギアと前記ドリブンギアとを介して増速されて前記ターボ軸に伝達されることを特徴とする電動アシストターボチャージャ。
2. 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たことを特徴とする請求項１記載の電動アシストターボチャージャ。
3. 前記ドライブギアの歯数は、前記ドリブンギアの歯数の５倍以上であることを特徴とする請求項１又は２記載の電動アシストターボチャージャ。