JP5707852B2 - Electric assist turbocharger - Google Patents
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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。 The present invention relates to an electrically assisted turbocharger in which an electric motor (motor) is combined with a turbocharger.
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。 In a system in which a turbocharger is added to the engine, when the engine speed is low and the torque is low, the exhaust gas energy is small, so that the exhaust turbine has a low speed and the amount of intake air supercharged by the intake compressor is small. For this reason, if a high torque is required at the time of low engine rotation, the intake amount is insufficient with respect to the request coming from the fuel injection amount. In addition, during transient operation where the engine condition fluctuates, the rotation of the turbocharger is delayed in response to fluctuations in the engine condition due to the rotational inertia of the turboshaft. For example, the vehicle rapidly increases the fuel injection amount for acceleration When you want to make it happen, the turbocharger rotates slowly and the intake volume does not increase rapidly.
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、排気タービンの駆動力が小さいときでも自由に過給圧をコントロールすることができる。 On the other hand, an electric assist turbocharger in which an electric motor is combined with a turbocharger is known. The electric assist turbocharger can freely control the supercharging pressure even when the driving force of the exhaust turbine is small by assisting the driving of the turboshaft with the power of the electric motor at the time of low engine speed or transient operation.
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。 A conventional electrically-assisted turbocharger is a turbocharger having an exhaust turbine rotated by exhaust gas and an intake compressor connected to the exhaust turbine via a turboshaft. And an electric motor having a stator positioned at the center.
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。 In this electrically assisted turbocharger, since the rotor of the electric motor is provided integrally with the turbo shaft, the rotor rotates at the same rotational speed as the turbo shaft.
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。 However, in a general electric motor, there is a region where the copper loss is large in a region where the rotational speed is low, and there is a region where the iron loss is large in a region where the rotational speed is high. Copper loss is due to the current flowing in the winding. Iron loss occurs because electrical energy is consumed by eddy currents flowing through the iron core. More specifically, the iron loss includes eddy current loss and hysteresis loss, both of which increase according to the rotational speed.
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。 Since a general electric motor has a large iron loss when the rotation speed is high, an appropriate use rotation speed is set in a range of several thousand rpm to 20,000 rpm.
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。 On the other hand, the turbocharger rotates at a higher speed as the exhaust gas increases. For example, a turbocharger mounted on a small engine may have a rotation speed of 100,000 to 200,000 rpm. This rotational speed corresponds to a region where eddy current loss is large in a general electric motor.
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。 As described above, in the conventional electric assist turbocharger, the rotor of the electric motor has the same rotational speed as that of the turbo shaft, so the electric motor is used in a rotational speed region that is not recommended, and wasteful power consumption due to iron loss. Is inevitable.
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。 Although there is an ultra-high-speed motor that can suppress an increase in iron loss even at ultra-high speed rotation exceeding 100,000 rpm, it is expensive because it uses a special material and structure, and is not suitable for mounting on a popular vehicle.
また、電動機を使用しない場合、ロータは作動する必要がないが、ロータがターボ軸に一体に設けられるので、電動機を使用しない場合であっても、ターボ軸が回転するとロータも回転し、無駄な仕事が発生しているという問題もある。 In addition, when the electric motor is not used, the rotor does not need to be operated. However, since the rotor is provided integrally with the turbo shaft, even when the electric motor is not used, the rotor rotates when the turbo shaft rotates, which is useless. There is also the problem that work is occurring.
更に、エンジン高速域では余剰排気ガスエネルギを電力としてエネルギ回生し、燃費改善を図ることが望まれている。 Furthermore, it is desired to improve the fuel consumption by regenerating energy using surplus exhaust gas energy as electric power in the engine high speed range.
そこで、本発明の目的は、電動機の鉄損を低減でき、且つ、電動機の停止時における無駄な仕事を無くすと共にエネルギ回生を可能にした電動アシストターボチャージャを提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an electric assist turbocharger that can reduce iron loss of an electric motor, eliminate wasteful work when the electric motor is stopped, and enable energy regeneration.
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、ツーウェイクラッチを介して前記ターボ軸に取り付けられ、前記電動機の回転が、前記ツーウェイクラッチと前記電動機側ギアと前記ターボ側ギアとを介して増速されて前記ターボ軸に伝達され、前記ツーウェイクラッチは、前記ターボ軸に固定される多角形状の内輪と、前記内輪と所定の間隙を持って配置されると共に前記ターボ側ギアに固定される外輪と、を備える電動アシストターボチャージャである。 The present invention devised to achieve this object is an electrically assisted turbocharger configured by connecting a turbocharger and an electric motor by a reduction gear mechanism, and the reduction gear mechanism is attached to a turbo shaft of the turbocharger. a turbo-side gear mounted, said being connected to the turbo-side gear with attached to the motor rotor, and has an electric motor-side gear is larger number of teeth than the turbo-side gear, the turbo-side gear The rotation of the electric motor is accelerated through the two-way clutch, the motor-side gear, and the turbo-side gear and transmitted to the turbo shaft, and the two-way clutch Is arranged with a polygonal inner ring fixed to the turboshaft, a predetermined gap from the inner ring, and the tag. An outer ring fixed to Bo gear, an electric assisted turbocharger comprising a.
前記ツーウェイクラッチは、アシスト時には前記電動機から前記ターボ軸に駆動力を伝達し、エネルギ回生時には前記ターボ軸から前記電動機に駆動力を伝達し、それ以外のときには前記電動機と前記ターボ軸との間で駆動力を伝達しないように構成されると良い。 The two-way clutch transmits a driving force from the electric motor to the turbo shaft during assist, transmits a driving force from the turbo shaft to the electric motor during energy regeneration, and between the electric motor and the turbo shaft at other times. It may be configured not to transmit the driving force.
前記ツーウェイクラッチは、前記内輪と前記外輪との間の間隙に配置されるロック機構を更に備え、前記ロック機構は、前記内輪の各辺と前記外輪との間に設けられる複数のローラと、それらローラの配置間隔を保持すると共に前記内輪に対する前記ローラの位置を変化させる保持器と、からなると良い。 The two-way clutch, prior Symbol further comprising a locking mechanism disposed in a gap between the inner ring and the outer ring, the locking mechanism includes a plurality of rollers provided between the outer ring and the sides of the inner ring, a retainer for changing the position of the roller relative to the inner ring holds the arrangement interval thereof roller, may consist.
本発明によれば、電動機の鉄損を低減でき、且つ、電動機の停止時における無駄な仕事を無くすと共にエネルギ回生を可能にした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。 According to the present invention, it is possible to provide an electric assist turbocharger that can reduce the iron loss of the electric motor, eliminate unnecessary work when the electric motor is stopped, and enable energy regeneration.
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。 Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
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。 FIG. 1 is a side view showing an electrically assisted turbocharger according to a preferred embodiment of the present invention.
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。
As shown in FIG. 1, the electrically assisted
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。
The
図2(a)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。
As shown in FIG. 2A, the
ターボ側ギア19は、図2(b)に示すようなツーウェイクラッチ22を介してターボ軸16に取り付けられる。このツーウェイクラッチ22は、ターボ軸16に固定される多角形(図では8角形)状の内輪(カム)23と、内輪23と所定の間隙を持って配置されると共にターボ側ギア19に固定される外輪24と、内輪23と外輪24との間の間隙に配置されるロック機構25とを備える。
The
ロック機構25は、内輪23の各辺と外輪24との間に設けられる複数(図では8個)のローラ26と、それらローラ26の配置間隔を保持すると共に内輪23に対するローラ26の位置を変化させる保持器27とからなる。
The
ツーウェイクラッチ22では、保持器27を回転させることで内輪23に対するローラ26の位置を変化させ、内輪23と外輪24のロック、及びロック解除を行えるようになっている。
In the two-
具体的には、排気ガスエネルギが不足するエンジン低速時は電動機12によるアシストを行うべく、図3(a)に示すように、保持器27を回転させてローラ26を内輪23の回転方向前方の頂点側に位置させ、楔効果によって外輪24の回転に対して内輪23が追従して回転するようにロックして、電動機12からターボ軸16に駆動力を伝達するようにされる。
Specifically, as shown in FIG. 3 (a), the
一方、エンジン高速域では余剰排気ガスエネルギを電力としてエネルギ回生すべく、図3(b)に示すように、保持器27を回転させてローラ26を内輪23の回転方向後方の頂点側に位置させ、楔効果によって内輪23の回転に対して外輪24が追従して回転するようにロックして、ターボ軸16から電動機12に駆動力を伝達するようにされる。
On the other hand, in order to regenerate the surplus exhaust gas energy as electric power in the engine high speed range, as shown in FIG. The
また、アシスト時、或いはエネルギ回生時以外のときには、図3(c)に示すように、保持器27を回転させてローラ26を内輪23の各辺中央部に位置させ、内輪23と外輪24をロック解除して、電動機12とターボ軸16との間で駆動力を伝達しないようにされる。
Further, when not assisting or regenerating energy, as shown in FIG. 3C, the
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。
Next, the operation of the
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。
In the electrically assisted
このような場合に、ツーウェイクラッチ22のロック機構25を制御して外輪24の回転に対して内輪23が追従して回転するようにロックした上で、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、及びツーウェイクラッチ22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。
In such a case, the
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。
During a transient operation (for example, during overtaking operation) in which the engine state is changed to a higher-load engine state with the rotational speed of the
一方、高負荷運転時であってターボ軸16の回転速度がターボ側ギア19の回転速度よりも早くなった場合には、ツーウェイクラッチ22のロック機構25を制御して内輪23の回転に対して外輪24が追従して回転するようにロックすることで、ターボ軸16の駆動力を用いて電動機12を回し発電する。
On the other hand, when the rotational speed of the
それ以外の場合には、ツーウェイクラッチ22のロック機構25を制御して内輪23と外輪24をロック解除することで、ツーウェイクラッチ22を空転させ、ロータ20とターボ軸16との間で駆動力を伝達しない。これにより、電動機12が作動していないときなどは、ターボ軸16の駆動力がロータ20に伝達されることはなく、無駄な仕事をしないため、排気タービン14の駆動力をより効率的に吸気コンプレッサ15に伝達することが可能となる。
In other cases, the two-way clutch 22 is idled by controlling the
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。
As described above, the electrically-assisted
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。
Further, in the electrically assisted
更に、ターボ側ギア19が、ツーウェイクラッチ22を介してターボ軸16に取り付けられるため、電動機12の停止時などにおける無駄な仕事を無くすことができ、排気タービン14の駆動力をより効率的に吸気コンプレッサ15に伝達することが可能となると共に、余剰排気ガスエネルギがある場合はエネルギ回生することが可能となる。
Further, since the
よって、このような構成の電動アシストターボチャージャ10をエンジンに搭載した場合、フリクション低減、エネルギ回生により燃費改善が期待できる。
Therefore, when the electrically assisted
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。
The gear ratio between the motor-
また、ツーウェイクラッチ22は、図2(b)及び図3(a)〜(c)に示した構成に限定されず、ツーウェイクラッチとしての機能を果たすものであればどのような構成のものであっても良い。 Further, the two-way clutch 22 is not limited to the configuration shown in FIG. 2B and FIGS. 3A to 3C, and may have any configuration as long as it functions as a two-way clutch. May be.
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
22 ツーウェイクラッチ
23 内輪
24 外輪
25 ロック機構
26 ローラ
27 保持器
DESCRIPTION OF
18 Bearing (intake compressor side)
19
Claims (3)
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、ツーウェイクラッチを介して前記ターボ軸に取り付けられ、前記電動機の回転が、前記ツーウェイクラッチと前記電動機側ギアと前記ターボ側ギアとを介して増速されて前記ターボ軸に伝達され、
前記ツーウェイクラッチは、前記ターボ軸に固定される多角形状の内輪と、前記内輪と所定の間隙を持って配置されると共に前記ターボ側ギアに固定される外輪と、を備えることを特徴とする電動アシストターボチャージャ。 An electrically assisted turbocharger configured by connecting a turbocharger and an electric motor with a reduction gear mechanism,
The reduction gear mechanism is
A turbo-side gear attached to a turbo shaft of the turbocharger;
An electric motor-side gear attached to the rotor of the electric motor and connected to the turbo-side gear, and having more teeth than the turbo-side gear ;
Have
The turbo side gear is attached to the turbo shaft via a two-way clutch, and the rotation of the electric motor is accelerated through the two-way clutch, the electric motor side gear, and the turbo side gear and transmitted to the turbo shaft. And
The two-way clutch includes a polygonal inner ring fixed to the turbo shaft, and an outer ring disposed with a predetermined gap from the inner ring and fixed to the turbo side gear. Assist turbocharger.
前記内輪と前記外輪との間の間隙に配置されるロック機構を更に備え、
前記ロック機構は、
前記内輪の各辺と前記外輪との間に設けられる複数のローラと、
それらローラの配置間隔を保持すると共に前記内輪に対する前記ローラの位置を変化させる保持器と、
からなる請求項1又は2に記載の電動アシストターボチャージャ。 The two-way clutch is
Further comprising a locking mechanism disposed in a gap between the front Symbol inner and the outer ring,
The locking mechanism is
A plurality of rollers provided between each side of the inner ring and the outer ring;
A cage that holds the arrangement interval of the rollers and changes the position of the rollers with respect to the inner ring ;
The electrically assisted turbocharger according to claim 1 or 2.
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