JP5760386B2

JP5760386B2 - 電動アシストターボチャージャの冷却装置

Info

Publication number: JP5760386B2
Application number: JP2010244391A
Authority: JP
Inventors: 治世木村; 知宏菅野; 義幸阿部; 飯島　章; 章飯島; 由加利水島; 功橘川; 朝幸伊藤; 直樹石橋; 翔吾坂下
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2015-08-12
Anticipated expiration: 2030-10-29
Also published as: JP2012097611A

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係り、特にその電動アシストターボチャージャのモータを冷却するための電動アシストターボチャージャの冷却装置に関するものである。

図３に示すようにターボチャージャ２０は、タービン２１とコンプレッサ２２をターボ軸２３で連結して構成される。タービン２１は、タービンホイール２４とタービンホイール２４を囲み、排ガスが導入されるタービンハウジング２５からなり、コンプレッサ２２は、コンプレッサホイール２６を囲み、吸気が導入されるコンプレッサハウジング２７からなり、タービンホイール２４とコンプレッサホイール２６を連結するターボ軸２３がベアリングハウジング２８内に収容されると共にベアリングハウジング２８内に設けた軸受部２９で軸承される。ベアリングハウジング２８の上部には、潤滑油を軸受部２９に供給する潤滑油入口３０が設けられ、下部には潤滑油排出路３１が形成される。

図４は、ターボチャージャ２０をエンジン４０に付加した際の吸排気系と潤滑油による冷却系統を示したものである。

ターボチャージャ２０は、エンジン４０のエギゾーストパイプ４１にタービン２１が接続され、インテークパイプ４２にコンプレッサ２２が接続され、エンジン４０の燃焼室４３から排気された排ガスがエギゾーストパイプ４１を通してタービン２１に供給されて、タービン２１を駆動し、吸気はエアクリーナ４４からコンプレッサ２２に導入されて圧縮され、インタークーラ４６で冷却され、吸気スロットル４５を介してエンジン４０の燃焼室４３に導入される。

このターボチャージャ２０は、ベアリングハウジング２８内の軸受部２９の潤滑のためと、排ガスからの受熱による軸受部２９の冷却のために、エンジン４０からの潤滑油を、オイル供給管４７を通してベアリングハウジング２８内に導入し、軸受部２９を潤滑すると共に冷却するようになっており、ベアリングハウジング２８に供給された潤滑油は、潤滑油排出路３１からオイル戻し管４８にてオイルパンへ戻され、再度ベアリングハウジング２８内に循環されるようになっている。

このエンジン４０にターボチャージャ２０を付加したシステムでは、エンジンの低回転域での過給圧の立ち上がりが悪く、低回転時に高トルクが要求されてもエンジンの出力特性が良好でない問題がある。

そこで最近は、ターボチャージャのターボ軸にモータのロータを直結し、高トルクが要求されたときにモータでターボ軸を回転して過給圧を上げ、また逆にタービンの回転でモータを発電機として使用する電動アシストターボチャージャが開発されてる（特許文献１，２）。

特開２００４−１６９６２９号公報特開２００６−３２０１４３号公報

この電動アシストターボチャージャにおいては、ベアリングハウジングとコンプレッサーハウジングの間にモータを設置したものであるが、モータ駆動時にステータの自己発熱およびタービンからの受熱により、モータの温度が２００℃以上に上昇するため、駆動力低下が生じる問題があると共にブースト立ち上がり時間の遅れが生じ、排ガス性能の悪化、ドライビングレスポンス性の悪化が生じると共に、モータの耐熱性にも問題を生じる。

そこで、モータをエンジン冷却水で冷却することが考えられるが、エンジン冷却水はシリンダブロックやシリンダヘッドを冷却するものであり、ステータの急激な発熱に冷却能力が追従できない問題がある。またステータからの放熱で冷却水温度が上昇した場合、同一系統内の他の冷却部への冷却が満足できない問題もある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、電動アシストターボチャージャのモータを冷却できる電動アシストターボチャージャの冷却装置を提供することにある。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、ターボチャージャのターボ軸にモータのロータを連結した電動アシストターボチャージャにおいて、ターボ軸を軸承するベアリングハウジングとターボチャージャのコンプレッサハウジングとをモータケースで接続すると共にモータケース内にロータとステータからなるモータを収容し、そのステータ外周のモータケースに主水冷室を形成し、その主水冷室にエンジン冷却水とは別系統の冷却水を供給する冷却水ラインを接続したことを特徴とする電動アシストターボチャージャの冷却装置である。

請求項２の発明は、前記ベアリングハウジングに、前記主水冷室と連通する副水冷室が形成され、前記モータケースの下部に前記主水冷室の冷却水入口が設けられ、ベアリングハウジングの上部に副水冷室の冷却水出口が設けられ、その冷却水入口と冷却水出口間にサブラジエータを含む冷却水ラインが接続される請求項１記載の電動アシストターボチャージャの冷却装置である。

請求項３の発明は、前記冷却水ラインには電動冷水ポンプが接続される請求項２記載の電動アシストターボチャージャの冷却装置である。

請求項４の発明は、サブラジエータは、エンジンを冷却するラジエータに対して車両方向前方に設けられる請求項２又は３記載の電動アシストターボチャージャの冷却装置である。

本発明は、モータのステータの冷却性能が向上し、モータ駆動力の低下を防止できると共にモータを発電機として使用する際には発電効率を向上させることができるという優れた効果を発揮する。

本発明の一実施の形態を示す図である。図１における電動アシストターボチャージャの詳細断面図である。従来のターボチャージャを示す断面図である。従来のターボチャージャをエンジンの吸排気系に組み込んだ図である。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

先ず、図２により、本発明の電動アシストターボチャージャを説明する。

図２において、電動アシストターボチャージャ１０は、モータ１２の構成を除いて、タービンとコンプレッサは、図３で説明したターボチャージャ２０のタービン２１とコンプレッサ２２の構造と基本的に同じであり、同一符号を付すと共にその説明は省略する。

さて、ベアリングハウジング２８とコンプレッサハウジング２７とはモータケース１１で接続され、そのモータケース１１内にモータ１２が設けられて電動アシストターボチャージャ１０が構成される。

モータ１２は、ターボ軸２３に連結されたロータ１３と、そのロータ１３の外周にエアギャップを介して配置されるステータ１４とからなり、そのステータ１４を囲繞するようにモータケース１１が設けられると共にモータケース１１内に主水冷室１５が形成される。

またベアリングハウジング２８には、主水冷室１５と連通する副水冷室１９が形成される。

主水冷室１５を形成するモータケース１１は、外周壁１１ｏと、ベアリングハウジング２８と接する側壁１１ｓと、コンプレッサハウジング２７と接する側壁１１ｒと、その両側壁１１ｓ、１１ｒを連結する内周壁１１ｉとで形成され、その内周壁１１ｉが、ステータ１４と接するステータ外周壁部１６ａと、ステータ１４のコンプレッサハウジング２７側端面中央に沿って延びるステータ端面壁部１６ｂと、ステータ端面壁部１６ｂの内周端とベアリングハウジング２８側の側壁１１ｓとを結ぶ内周壁部１６ｃとで形成される。

主水冷室１５は、コンプレッサハウジング２７と接する側壁１１ｒと内周壁１１ｉのステータ外周壁部１６ａと外周壁１１ｏとで形成される中空リング状の冷却水流路１５ａと、内周壁１１ｉのステータ端面壁部１６ｂと、内周壁部１６ｃとベアリングハウジング２８側の側壁１１ｓとで形成される端面冷却流路１５ｂとで構成される。

このモータケース１１の側壁１１ｓとベアリングハウジング２８との間には、ベアリングハウジング２８からステータ１４の端面への入熱を阻止する断熱ガスケット１８が設けられる。モータケース１１の側壁１１ｓの内周には、オイルシール１７が設けられる。

また、ベアリングハウジング２８の断熱ガスケット１８側には、ターボ軸２３のスラスト荷重を受けるスラスト軸受３２が設けられる。

ベアリングハウジング２８に形成される副水冷室１９は、主水冷室１５の上側部と接続され、タービン２１に延びる導入流路１９ａと、タービンハウジング２５側に形成された環状の冷却流路１９ｂとで構成される。

なお、本実施の形態では、ターボ軸２３を図３と同様に軸受部２９で直接軸承した例を示しているがボールベアリングで軸承するように構成してもよい。

モータケース１１の下部には、主水冷室１５に冷却水を導入する冷却水入口３３が設けられ、ベアリングハウジング２８の上部には、副水冷室１９の環状の冷却流路１９ｂから冷却水を排出する冷却水出口３４が設けられる。

ベアリンハウジング２８の軸受部２９とスラスト軸受３２への潤滑油の供給は、図４で説明したようにシリンダブロック４０ｓ、シリンダヘッド４０ｈを通った潤滑油がオイル供給管４７を通してベアリングハウジング２８内に導入され、軸受部２９とスラスト軸受３２を潤滑すると共に冷却し、潤滑油排出路３１からオイル戻し管４８にてオイルパンへ戻されて循環されるようになっている。

さて、図１は、図２で説明した電動アシストターボチャージャ１０を高圧段として、図３で説明したターボチャージャ２０を低圧段として、エンジン４０の吸排気系に組み込むと共に冷却系統に組み込んだ本発明の実施の形態を示したものである。

エンジン４０からの排ガスのエギゾーストライン４１ａには、電動アシストターボチャージャ１０Ｈのタービン２１Ｈが接続され、その下流にターボチャージャ２０Ｌのタービン２１Ｌが接続される。また、エンジン４０からの排ガスのエギゾーストライン４１ａには、電動アシストターボチャージャ１０Ｈをバイパスしてターボチャージャ２０Ｌのタービン２１に直接排ガスを流すバイパスライン４１ｂが接続される。

インタークーラ４６に至るインテークライン４２ａには、ターボチャージャ２０Ｌのコンプレッサ２２Ｌが接続されると共に電動アシストターボチャージャ１０Ｈのコンプレッサ２２Ｈが接続される。またインテークライン４２ａには、電動アシストターボチャージャ１０Ｈをバイパスしてターボチャージャ２０Ｌのコンプレッサ２２Ｌから直接インタークーラ４６に過給吸気を流すバイパスライン４２ｂが接続される。

インタークーラ４６の下流側のインテークライン４２ａはエンジン４０の吸気系に接続され、またその下流側のインテークライン４２ａには、エンジン４０からの排ガスのエギゾーストライン４１ａから分岐したＥＧＲライン４９が接続される。このＥＧＲライン４９には、前段側ＥＧＲクーラ５８ａと後段側ＥＧＲクーラ５８ｂが接続される。

エンジン４０のエンジン冷却水ライン５０は、エンジン４０で駆動される冷却水ポンプ５１を有し、冷却水ポンプ５１からの冷却水は、オイルクーラ５２を通し、エンジン４０のシリンダブロック４０ｓとシリンダヘッド４０ｈを通ってエンジン４０を冷却し、コントロールバルブ５３、アウトレットパイプ５４を介してラジエータ５５に流れて冷却され、再度冷却水ポンプ５１に戻って循環されるように構成される。また、コントロールバルブ５３から冷却水が冷却水ポンプ５１の吸込側に戻るようにされ、さらにシリンダヘッド４０ｈからの冷却水の一部がキャブヒータ５６を通して冷却水ポンプ５１の吸込側に戻るようにされる。

次に本発明の電動アシストターボチャージャ１０の冷却水ライン３５を説明する。

先ずラジエータ５５の車両側前方にはサブラジエータ３６が設けられ、また電動モータで駆動される電動冷却水ポンプ３７が設けられ、この電動冷却水ポンプ３７とサブラジエータ３６とで冷却水ライン３５が構成される。

冷却水ライン３５の冷却水は、電動冷却水ポンプ３７から、電動アシストターボチャージャ１０Ｈの主水冷室１５と副水冷室１９に流れ、後段のＥＧＲクーラ５２ｂを通ってサブラジエータ３６に流れ、サブラジエータ３６から再度電動冷却水ポンプ３７にて循環されるようになっている。

また、ラジエータ５５とサブラジエータ３６には、給水用リザーバータンク５７が接続され冷却水が給水できるようになっている。

次に本実施の形態の作用を説明する。

先ず、低負荷時には、エンジン４０からの排ガスが、エギゾーストライン４１ａにて、電動アシストターボチャージャ１０Ｈのタービン２１Ｈに流れ、さらにターボチャージャ２０Ｌのタービン２１Ｌに流れて排気される。一方吸気は、インテークライン４２ａから、ターボチャージャ２０Ｌのコンプレッサ２２Ｌを通し、電動アシストターボチャージャ１０Ｈのコンプレッサ２２Ｈを通ってエンジン４０に過給される。

一方高負荷時には、エンジン４０からの排ガスが、エギゾーストライン４１ａからバイパスライン４１ｂを通ってターボチャージャ２０Ｌのタービン２１Ｌに流れて排気され、吸気はターボチャージャ２０Ｌのコンプレッサ２２Ｌからバイパスライン４２ｂを通ってインタークーラ４６を介してエンジン４０に過給される。

また低負荷と高負荷の間の中負荷時には、バイパスライン４１ｂ、４２ｂでの通気量が制御されて、電動アシストターボチャージャ１０Ｈとターボチャージャ２０Ｌの双方が駆動されるようになっている。

さて、低負荷時に高トルクが要求され過給圧を上げる際には、電動アシストターボチャージャ１０Ｈのモータ１２のステータ１４のコイルに通電してロータ１３を回転し、ターボ軸２３を介してコンプレッサ２２Ｈを駆動し、またタービン２１Ｈの駆動から発電する際には、ステータ１４のコイルに生じた回生電流でバッテリを充電する。

このモータ１２の駆動時には、ステータ１４が２００℃に発熱するため、冷却水ライン３５からの冷却水をモータケース１１内の主水冷室１５内に流すと共に、ベアリングハウジング２８の副水冷室１９に流すことで、モータ１２の温度を８０℃以下に冷却することができる。また副水冷室１９では、タービン２１側からベアリングハウジング２８に伝達される熱をカットする。さらに主水冷室１５では、ステータ１４の端面を冷却する端面冷却流路１５ｂが形成されており、これによりタービン２１からベアリングハウジング２８を通しての伝熱をカットすることができ、またベアリングハウジング２８とモータケース１１間に設けた断熱ガスケット１８により受熱をカットすることができる。この断熱ガスケット１８は、ベアリングハウジング２８のスラスト軸受３２と隣接するよう設けられており、そのスラスト軸受３２に供給される潤滑油による冷却効果と併せて、タービン２１側からモータ１２に伝わる熱をカットすることができる。

この冷却水ライン３５は、エンジン冷却水ライン５０と独立して設けられるため、電動冷却水ポンプ３７による冷却水循環量を、モータ１２の発熱量に応じて自在に変えることができると共に、エンジン４０の冷却水系統に影響を与えることなく冷却性能を可変することが可能となる。

また、冷却水ライン３５には、ＥＧＲライン４９の後段側ＥＧＲクーラ５８ｂが接続され、電動アシストターボチャージャ１０Ｈのモータ１２を冷却する他に、そのモータ１２の不作動時に、前段側ＥＧＲクーラ５８ａで、エンジン冷却水ライン５０の冷却水で冷却され、後段側ＥＧＲクーラ５８ｂを通るＥＧＲガスを、冷却水ライン３５の冷却水で、さらに冷却することができる。

１０電動アシストターボチャージャ
１１モータケース
１２モータ
１３ロータ
１４ステータ
１５主水冷室
１９副水冷室
２１タービン
２２コンプレッサ
２３ターボ軸
２７コンプレッサハウジング
２８ベアリングハウジング
３５冷却水ライン
３６サブラジエータ

Claims

ターボチャージャのターボ軸にモータのロータを連結した電動アシストターボチャージャにおいて、ターボ軸を軸承するベアリングハウジングとターボチャージャのコンプレッサハウジングとをモータケースで接続すると共にモータケース内にロータとステータからなるモータを収容し、そのステータ外周のモータケースに主水冷室を形成し、前記モータケースの側壁とベアリングハウジングとの間に、ベアリングハウジングから前記ステータの端面への入熱を阻止する断熱ガスケットを設け、前記ステータの端面と前記断熱ガスケット間に位置する端面冷却流路を含む前記主水冷室に冷却水を供給する冷却水ラインを接続したことを特徴とする電動アシストターボチャージャの冷却装置。
前記ベアリングハウジングに、前記主水冷室と連通する副水冷室が形成され、前記モータケースの下部に前記主水冷室の冷却水入口が設けられ、前記ベアリングハウジングの上部に副水冷室の冷却水出口が設けられ、その冷却水入口と冷却水出口間にサブラジエータを含む前記冷却水ラインが接続される請求項１記載の電動アシストターボチャージャの冷却装置。
前記冷却水ラインには電動冷水ポンプが接続される請求項２記載の電動アシストターボチャージャの冷却装置。
前記サブラジエータは、エンジンを冷却するラジエータに対して車両方向前方に設けられる請求項２又は３記載の電動アシストターボチャージャの冷却装置。