JP6485252B2 - エンジンの過給装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの過給装置に関するものである。

エンジンへの吸気を過給する電動過給機を設けるとともに、低圧ＥＧＲを有する吸排気系としたエンジン、即ち、電動過給機のインペラの上流側にエンジンの排気ガスを供給するためのＥＧＲ通路にＥＧＲバルブを設けたエンジンが知られている（特許文献１等）。特許文献１ではパティキュレートフィルタの冷却のために電動過給機を使用している。

特開２００９−２０９７２１号公報

ところが、図７に示すように、低圧ＥＧＲを有する吸排気系に電動過給機２００を取り付ける場合、ＥＧＲバルブ２０１が開弁した時に、ＥＧＲガス（排気ガス）が電動過給機２００のコンプレッサ２０２を通過する。このとき、排気ガスの一部がモータケース２０３内部に流れ込み、部品（軸受のグリス、磁石、コイル、鉄心）を腐食、汚染し寿命低下や故障の原因となる。その対策として、例えば、図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、電動モータ２０４により発生した回転力をインペラ２０５に伝えるためのシャフト（回転軸）２０６における電動モータ２０４とインペラ２０５との間の部位においてラビリンス型のシール材２０７を設けることが考えられる。これによりシャフト２０６の隙間からガスのモータケース２０８内への進入を防ぐことが可能となる。この場合には、シール材２０７の不具合に起因する漏れが発生する可能性がある。また、シール材２０７が必要となり、シール材２０７の分だけ軸長が長くなり、大型化を招く。さらに、シール長さが必要となることから軸長が長くなり固有振動数が低下し、共振回転数が下がり、電動モータ２０４で使用する回転数域において共振が起きやすくなる。

本発明の目的は、排気ガスがモータケース内部に流れ込むのを抑制することができるエンジンの過給装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、エンジンの吸気通路に設けられたインペラを電動モータで回転させて前記エンジンへの吸気を過給する電動過給機と、前記吸気通路における前記電動過給機のインペラの上流側に前記エンジンの排気ガスを供給するためのＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲバルブと、前記電動過給機の電動モータを駆動させた後に前記ＥＧＲバルブを開弁させる制御手段と、を備えることを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、ＥＧＲバルブの開弁により、ＥＧＲ通路から、吸気通路における電動過給機のインペラの上流側にエンジンの排気ガスが供給される。ここで、制御手段により、電動過給機の電動モータが駆動された後にＥＧＲバルブが開弁される。これにより、排気ガスがモータケース内部に流れ込むのを抑制することができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のエンジンの過給装置において、前記電動過給機の電動モータは密閉型モータであることを要旨とする。
請求項２に記載の発明によれば、排気ガスがモータケース内部に流れ込むのを抑制しやすくなる。

請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載のエンジンの過給装置において、前記制御手段は、前記ＥＧＲバルブの開弁に先立ち前記電動過給機の電動モータを駆動させてモータケース内を新気で充填し、前記モータケース内を新気で充填したことを前記電動過給機の電動モータの回転数から確認することを要旨とする。

請求項３に記載の発明によれば、電動過給機の電動モータの回転数から容易にモータケース内を新気で充填したことを確認することができる。

本発明によれば、排気ガスがモータケース内部に流れ込むのを抑制することができる。

実施形態におけるエンジンの過給装置を模式的に示す構成図。 電動過給機を示す断面図。 作用を説明するためのフローチャート。 作用を説明するためのタイムチャート。 作用を説明するためのエンジン吸気系の概略説明図。 作用を説明するためのエンジン吸気系の概略説明図。 課題を説明するためのエンジン吸気系の概略説明図。 （ａ）は課題を説明するための電動過給機を示す断面図、（ｂ）は電動過給機の要部拡大図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、本実施形態におけるエンジンの過給装置１０は、電動過給機１１と、排気タービン過給機１２と、制御手段としての電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）１５を備えている。

車両にエンジン１６が搭載されており、エンジン１６の出力が変速機を介して車輪に伝達される。エンジン１６には、排気ガスが通る排気通路１７および吸入空気が通る吸気通路１８が接続されている。排気通路１７には、排気タービン過給機１２のタービン１９が設けられている。一方、吸気通路１８には排気タービン過給機１２のコンプレッサ２０が設けられている。排気タービン過給機１２において、コンプレッサ２０とタービン１９とは一体的に接続され、排気ガスの圧力によってタービン１９が回転駆動されるとともにコンプレッサ２０も回転する。即ち、排気タービン過給機１２はエンジン１６の排気ガスのエネルギーによって駆動されて吸入空気を圧縮する。また、吸気通路１８において、排気タービン過給機１２のコンプレッサ２０の下流には順に、第一インタークーラ２１、電動過給機１１のコンプレッサ２２および第二インタークーラ２３が設けられている。

電動過給機１１のコンプレッサ２２は、エンジン１６の吸気通路１８に設けられたインペラ２４を備える。電動過給機１１は、インペラ２４に回転力を付与する電動モータ２５が備えられ、インペラ２４は電動モータ２５によって回転駆動されて吸入空気を圧縮する。また、吸気通路１８には、電動過給機１１のコンプレッサ２２を迂回するバイパス流路２６が連結されている。バイパス流路２６の一端は、第一インタークーラ２１の下流かつ電動過給機１１のコンプレッサ２２の上流に接続されている。また、バイパス流路２６の他端は、電動過給機１１のコンプレッサ２２の下流かつ第二インタークーラ２３の上流に接続されている。バイパス流路２６には逆止弁２７が設けられている。

ここで、図１を参照して吸入空気の流れについて説明する。
エンジン１６が所定速度以上で回転している場合、排気通路１７に流入する排気の圧力によって排気タービン過給機１２のタービン１９は高速で回転駆動される。これにより、排気タービン過給機１２のコンプレッサ２０が駆動され、吸気通路１８を流通する吸入空気はコンプレッサ２０によって圧縮される。この圧縮された吸入空気は第一インタークーラ２１によって冷却される。ＥＣＵ１５は、エンジン１６が所定速度以上の高速度で回転している場合は、電動過給機１１の電動モータ２５を停止状態に維持する。

回転駆動していない電動過給機１１のコンプレッサ２２のインペラ２４は、吸気通路１８における吸入空気の流れに対する抵抗となる。そのため、吸入空気はバイパス流路２６に流入する。この時、吸入空気の圧力によって逆止弁２７は開状態となり、吸入空気はバイパス流路２６を流通し、再び吸気通路１８に流入し、第二インタークーラ２３を通過して、エンジン１６に流入する。

一方、エンジン１６の回転が所定速度以上の高速度回転から所定速度未満の低速度回転に切り替わった場合、排気タービン過給機１２のタービン１９は排気ガスによる充分なエネルギーを得ることができず、排気タービン過給機１２のコンプレッサ２０は吸入空気の過給圧を充分に高めることができない。ＥＣＵ１５は、エンジン１６が所定速度未満で回転している場合は、電動過給機１１の電動モータ２５を駆動させる。これによってコンプレッサ２２のインペラ２４が回転して、充分圧縮されずに排気タービン過給機１２のコンプレッサ２０を通過した吸気通路１８の吸入空気は、第一インタークーラ２１を通過して、電動過給機１１のコンプレッサ２２によって圧縮される。この時、バイパス流路２６に設けられた逆止弁２７は閉状態であり、吸入空気はバイパス流路２６には流通しない。そして、電動過給機１１のコンプレッサ２２により圧縮された吸入空気は第二インタークーラ２３によって冷却された後、エンジン１６に流入する。

電動過給機１１の詳細を、図２を用いて説明する。
図２に示すように、電動過給機１１の電動モータ２５は、金属製のモータケース３０を備える。モータケース３０は、有底円筒状のモータケース本体３１と、モータケース本体３１の軸方向一端の開口部に固定された円板状のシールプレート３２を有する。電動モータ２５は密閉型モータであり、モータケース３０の内部、即ち、モータケース本体３１とシールプレート３２とで囲まれた空間は密閉されている。

モータケース３０の内部において有底円筒状のモータケース本体３１の底部の中央部には軸受支持部３３が固定されている。軸受支持部３３には固定側軸受３４が支持されている。モータケース３０の内部においてシールプレート３２の中央部には軸受支持部３５が固定されている。軸受支持部３５には可動側軸受３６が支持されている。

電動モータ２５のシャフト（回転軸）３７は、軸方向の一端側が固定側軸受３４によって回転可能に支持されている。電動モータ２５のシャフト３７は、軸方向の他端側が可動側軸受３６によって回転可能に支持されている。軸受支持部３５の内部には予圧ばね３８が収納されている。この予圧ばね３８の軸方向一端は、回り止め部材３９を介して可動側軸受３６に当接し、予圧ばね３８の軸方向他端はシールプレート３２に固定されたカバー４０の内面に当接している。予圧ばね３８は、軸方向に圧縮された状態で回り止め部材３９とカバー４０との間に配置されている。そして、可動側軸受３６には、圧縮された予圧ばね３８の原形状へ復帰しようとする力によって荷重が加えられている。予圧ばね３８によって可動側軸受３６に加えられた荷重は、可動側軸受３６を介してシャフト３７に伝わり、そのシャフト３７を介して固定側軸受３４に伝わる。その結果、予圧ばね３８によって固定側軸受３４が予圧されている。

電動過給機１１のコンプレッサ２２は、内部にインペラ２４が配置される金属製のコンプレッサハウジング４３を備える。コンプレッサハウジング４３は、コンプレッサハウジング本体部４４と、コンプレッサハウジング本体部４４に固定された円板状のシールプレート４５で構成されている。コンプレッサハウジング本体部４４には、気体を吸入するための吸気口４６が設けられている。コンプレッサハウジング本体部４４とシールプレート４５との間には、インペラ２４を中心として渦巻状に形成されたスクロール流路４７が形成されている。シャフト３７における有底円筒状のモータケース本体３１の底部からの突出端部にはインペラ２４が固定されている。

そして、電動モータ２５の駆動に伴いシャフト３７に固定されたインペラ２４が回転する。このインペラ２４の回転に伴いコンプレッサ２２の吸気口４６からコンプレッサハウジング４３に気体が吸入される。さらに、吸入された気体は、インペラ２４の回転によってスクロール流路４７に送り出され、圧縮された状態でエンジン１６に供給される。

このように、電動過給機１１は、エンジン１６の吸気通路１８に設けられたインペラ２４を電動モータ２５で回転させてエンジン１６への吸気を過給する。
図１に示すように、排気通路１７におけるタービン１９の下流側と吸気通路１８における電動過給機１１のコンプレッサ２０の上流側とはＥＧＲ通路１３で接続されている。ＥＧＲ通路１３は、吸気通路１８における電動過給機１１のインペラ２４の上流側にエンジン１６の排気ガスを供給するためのものである。ＥＧＲ通路１３にＥＧＲバルブ１４が設けられている。

このように、低圧ＥＧＲと電動過給機１１の両方を有する吸排気系となっている。
図１に示すように、電動過給機１１の電動モータ２５にはＥＣＵ１５が電気的に接続されている。ＥＣＵ１５にはＥＧＲバルブ１４が接続されている。ＥＣＵ１５は、エンジン回転速度、ブレーキ操作、アクセル開度、車速、電動モータ２５の回転数等に基づいて電動モータ２５やＥＧＲバルブ１４を制御する。電動モータ２５の回転数は回転数センサＳ１からの信号ＮｍをＥＣＵ１５が受信することにより検知される。ＥＧＲの制御について詳しくは、排気ガスの再循環のためにエンジン低回転・低負荷時においてＥＧＲバルブ１４が開かれる。

ＥＣＵ１５は、ＥＧＲバルブ１４の開弁の際に電動過給機１１の電動モータ２５の駆動タイミングを制御する。即ち、ＥＣＵ１５は、ＥＧＲバルブ１４の開弁に先立ち電動過給機１１の電動モータ２５を駆動させてモータケース３０内を新気で充填した後にＥＧＲバルブ１４を開弁させることができるようになっている。

次に、作用について説明する。
図３にはＥＣＵ１５が実行する処理を示す。図４には、ＥＧＲバルブ開指令の発生状況、電動モータの駆動状況、電動モータの回転数の推移、ＥＧＲバルブの開閉状況を示す。

図３において、ＥＣＵ１５はステップ１００においてＥＧＲバルブ１４の開指令に基づきステップ１０１において電動モータ２５が駆動しているか否か判定する。そして、ＥＣＵ１５は電動モータ２５が駆動していないとステップ１０２に移行して電動モータ２５を駆動させる（図４のｔ１のタイミング）。さらに、ステップ１０３でＥＣＵ１５は電動モータ２５の回転数が閾値以上か否か判定し、閾値未満ならばステップ１０２に戻り電動モータ２５の駆動を継続する。

ＥＣＵ１５は電動モータ２５の回転数が閾値以上ならば、モータケース３０内が新気で充填されモータケース３０内が新気で高圧になっており、以後においてＥＧＲガス（排気ガスの一部）がモータケース３０内に入ることがなくなったと判定してステップ１０４に移行してＥＧＲバルブ１４を開く（図４のｔ２のタイミング）。即ち、ＥＣＵ１５は、モータケース３０の内部を新気で充填したことを電動モータ２５の回転数から確認する。

一方、図４において仮想線Ｌで示すように、ＥＧＲバルブ１４の開指令に基づくｔ１のタイミングで電動モータ２５が駆動しており、かつ、電動モータ２５の回転数が閾値未満ならば、次のようになる。ステップ１０１→ステップ１０３→ステップ１０２に移行して電動モータ２５の駆動を継続する。そして、図４のｔ３のタイミングで電動モータ２５の回転数が閾値になるとモータケース３０内が新気で充填したと判定してＥＧＲバルブ１４を開く。

このようにして、従来、シャフト（回転軸）３７の隙間からＥＧＲガスがモータケース３０内部に流れ込むと、軸受３４，３６のグリス、永久磁石、コイル、コア（鉄心）の汚染・腐食の原因となる。そのため、本実施形態では、ＥＧＲバルブ１４が開かれる前に、電動過給機１１を駆動させモータケース３０内部を新気で充填しておく。その後にＥＧＲバルブ１４を開くことで、ＥＧＲガスのモータケース３０内部への流れ込みが防止される。

つまり、図７のように、電動過給機２００（電動モータ）を停止している状態で、ＥＧＲバルブ２０１を開くと、モータケース２０３内部にＥＧＲガスが流れ込んでしまう。
これに対し、本実施形態では、図５に示すようにＥＧＲバルブ１４を閉めた状態で電動過給機１１を駆動し、その後に図６に示すようにＥＧＲバルブ１４を開く。この場合にはモータケース３０内部は新気で充填されているためＥＧＲガスがモータケース３０の内部に流れ込むことが防止される。

即ち、電動過給機１１の停止中にＥＧＲバルブ１４を開くとモータケース３０内部にＥＧＲガスが流れ込むが、電動過給機１１の駆動中にはモータケース３０内部は新気で充填されているためＥＧＲガスは流れ込まない。電動過給機１１が駆動していなければ、ＥＧＲバルブ１４は閉じたまま待機して、電動過給機１１を先に駆動させモータケース３０内部が新気で充填してから、ＥＧＲバルブ１４を開く。

このように、ＥＧＲガスのモータケース３０内部への流れ込みを制御方法で防止でき、軸受３４，３６のグリスが排気ガスで劣化する等を防止することができる。また、図８でのシール材２０７を不要にでき、部品点数の削減、回転軸長の短縮化（体格ダウン）を図ることができる。また、シール材２０７の不具合に起因する漏れの発生を回避できる。さらに、シール材が不要となることから、大型化を回避できるとともにシール長さが不要となり、固有振動数が低くなることもなく電動モータで使用する回転数域において共振を防止することができる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）エンジンの過給装置１０の構成として、エンジン１６の吸気通路１８に設けられたインペラ２４を電動モータ２５で回転させてエンジン１６への吸気を過給する電動過給機１１を備える。また、吸気通路１８における電動過給機１１のインペラ２４の上流側にエンジン１６の排気ガスを供給するためのＥＧＲ通路１３と、ＥＧＲ通路１３に設けられたＥＧＲバルブ１４を備える。さらに、電動過給機１１の電動モータ２５を駆動させた後にＥＧＲバルブ１４を開弁させるＥＣＵ１５を備える。よって、排気ガスがモータケース３０内部に流れ込むのを抑制することができる。

（２）電動過給機１１の電動モータ２５は密閉型モータであるので、排気ガスがモータケース３０内部に流れ込むのを抑制しやすくなる。
（３）ＥＣＵ１５は、ＥＧＲバルブ１４の開弁に先立ち電動過給機１１の電動モータ２５を駆動させてモータケース３０内を新気で充填し、モータケース３０内を新気で充填したことを電動過給機１１の電動モータ２５の回転数から確認する。よって、電動過給機１１の電動モータ２５の回転数から容易にモータケース３０内を新気で充填したことを確認することができる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・図３のステップ１０３において電動モータ２５の回転数が閾値になるとモータケース３０内が新気で充填されたと判定した。これに代わり、モータケース３０内の圧力を測定してモータケース３０内の圧力が閾値以上になるとモータケース３０内が新気で充填されたと判定してもよい。他にも、電動モータ２５の駆動時間を測定して電動モータ２５の駆動時間が閾値以上になるとモータケース３０内が新気で充填されたと判定してもよい。このようにモータケース３０内部の充填の確認は圧力センサか電動過給機の駆動時間を使うことができるが、一瞬で充填するならば時間計測のみでセンサを省略することも可能である。

・モータケース３０内を新気で充填可能であるならば、電動過給機の電動モータ２５は密閉型モータでなくてもよい。
・電動過給機の電動モータ２５は永久磁石埋め込みタイプのモータでなくてもよく、その形式は問わない。

・吸気通路１８における排気タービン過給機のコンプレッサ２０と電動過給機のコンプレッサ２２の配置位置として、図１では上流側に排気タービン過給機のコンプレッサ２０を設けたが、これに代わり、上流側に電動過給機のコンプレッサ２２を設けてもよい。

・図１における排気タービン過給機１２はなくてもよい。

１０…エンジンの過給装置、１１…電動過給機、１３…ＥＧＲ通路、１４…ＥＧＲバルブ、１５…ＥＣＵ、１６…エンジン、１８…吸気通路、２４…インペラ、２５…電動モータ、３０…モータケース。

Claims (3)

1. エンジンの吸気通路に設けられたインペラを電動モータで回転させて前記エンジンへの吸気を過給する電動過給機と、
   前記吸気通路における前記電動過給機のインペラの上流側に前記エンジンの排気ガスを供給するためのＥＧＲ通路と、
   前記ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲバルブと、
   前記電動過給機の電動モータの駆動と前記ＥＧＲバルブの開弁を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記ＥＧＲバルブの開弁によって排気ガスを再循環させる前記ＥＧＲバルブの開指令が発生したことに基づいて、前記電動過給機の電動モータが駆動しているか否かを判定し、駆動していない場合には、前記ＥＧＲバルブを閉じた状態のままで、前記電動過給機の電動モータを駆動させた後に前記ＥＧＲバルブを開弁させることを特徴とするエンジンの過給装置。
   
2. 前記電動過給機の電動モータは密閉型モータであることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの過給装置。
3. 前記制御手段は、前記ＥＧＲバルブの開弁に先立ち前記電動過給機の電動モータを駆動させてモータケース内を新気で充填し、前記モータケース内を新気で充填したことを前記電動過給機の電動モータの回転数から確認することを特徴とする請求項１または２に記載のエンジンの過給装置。