JP4367184B2 - ターボチャージャ - Google Patents

Description

本発明は、ターボチャージャのコンプレッサホイールを電動機で駆動することができるようにした電動機付ターボチャージャに関する。

エンジン（内燃機関）の吸入空気量をターボチャージャで過給して、高出力（あるいは、低燃費）を得ようとする試みは以前から常用されている。ターボチャージャの改善が要望されている点の一つとして、低回転域の過給圧の立ち上がりが悪く、低回転域でのエンジン出力特性が良好でないというものがある。これは、排気エネルギーを利用して吸入空気を過給するというターボチャージャの原理上、排気エネルギーの少ない低回転域で発生する現象であった。これを改善するために、ツインターボ化などが一般に行われているが、タービン／コンプレッサに電動機（モータ）を組み込んで強制的にタービンを駆動して所望の過給圧を得ようとする試みもなされている。このような電動機付ターボチャージャとしては［特許文献１］に記載のようなものがある。
特開平２−９９７２２号公報

しかし、このような電動機付ターボチャージャにおいては、電動機が高温に曝されるために電動機の種類によっては、例えば、電動機内部の永久磁石が減磁（あるいは消磁）したり、温度上昇に伴う電動機の効率低下を招くという問題があった。また電動機をインダクションモーター（誘導モーター）とした場合などは、回転子として用いられる積層鋼板を固めている耐熱性の低いラミネート材が溶けたりするという問題も懸念されている。そこで、上述した［特許文献１］に記載の電動機付ターボチャージャなどでは、電動機の内部に外気を取り入れるための送風ベーンを設けて空冷することが開示されている。しかし、この手法であると、電動機の内部に送風ベーンを内蔵させるため、電動機の内部構造が複雑になってしまうという問題もあった。

従って、本発明の目的は、電動機付ターボチャージャにおける電動機の冷却を簡便に行え、電動機の効率低下を防止することのできるターボチャージャを提供することにある。

本発明に係るターボチャージャは、内燃機関の吸気通路上に設けられたターボチャージャにおいて、ターボチャージャのコンプレッサホイールを回転駆動させ得る電動機と、電動機を内蔵するハウジングと、ハウジング内に冷却用気体流を導入する導入路とを備えており、導入路の一端がハウジングに接続されると共に、他端が吸気通路上に配設されたエアクリーナの下流側近傍で且つブローバイガスを吸気通路上に戻すＰＣＶ管の接続部分の上流側に接続されていることを特徴としている。

また、本発明に係るターボチャージャは、ハウジングは、吸気通路から離れて位置し、ターボチャージャのコンプレッサホイールとタービンホイールと間に配された電動機を内蔵することを特徴としている。
また、本発明に係るターボチャージャは、ハウジング内に導入された冷却用気体流を導出する導出路をさらに備え、この導出路の一端がハウジングに接続されると共に、他端が吸気通路上に配設されたコンプレッサホイールの上流側近傍に接続されおり、吸気通路における導入路の他端が接続された部分の流路断面積が、導出路の他端が接続された部分の流路断面積よりも大きくされていることを特徴としている。

また、本発明に係るターボチャージャは、電動機の回転軸がコンプレッサホイールの回転軸に一致し、この回転軸がハウジングを貫通しており、ハウジングと回転軸の間にシール部材が配されていることを特徴としている。

また、本発明に係るターボチャージャは、エアコンディショナーの冷却風をハウジング内に導入する冷却風導入手段をさらに備えていることを特徴としている。

本発明に係るターボチャージャによれば、吸気通路上のエアクリーナ下流近傍の吸入空気を電動機のハウジング内に導入して電動機を冷却するため、異物による電動機への悪影響（異物堆積による効率低下など）を防止することができる。また、エアクリーナの下流側近傍の温度の低い吸入空気を用いて電動機を冷却するため、冷却効果が高い。

また、導入路及び導出路の一端が電動機のハウジングに接続され、さらに、導入路の他端が流路面積の大きいエアクリーナ下流近傍部分に接続され、導出路の他端が流路面積の小さいコンプレッサホイール上流側近傍に接続されている。流路面積の小さいコンプレッサホイール上流側近傍の方が流路面積の小さいエアクリーナ下流近傍よりも吸入空気の流速が早いので、導入路他端→ハウジング→導出路他端と吸入空気（冷却用気体）の一部が還流される。このようにすることで、特別な動力源を用いることなく冷却用気体の流れを生成し、効率よく電動機を冷却することができる。

また、電動機及びコンプレッサホイールの回転軸とハウジングとの間にシール部材を配することで、ハウジング内の気密性を高め、冷却用気体のハウジング外への漏れを防止して冷却効果を向上させている。また、温度の高い排気流を利用するターボチャージャは高温になりやすいので、気密性を確保することでその他の部分の高温の気体がハウジング内に進入するのを防止することで冷却効果を高めているという側面もある。

また、エアコンディショナーの冷却風によっても電動機の冷却を行うことが可能となり、より効果的に電動機を冷却することができる。

本発明のターボチャージャの一実施形態について以下に説明する。本実施形態のターボチャージャのターボユニット１を図１に示す。なお、ターボユニット１は、通常のように内燃機関（エンジン）の吸気通路２上に配されているものである。ここでは、ターボユニット１とその上流側の吸気通路を抜き出して図１に図示している。また、ターボユニット１の下流側の吸気通路２もその図示が省略されている。

ターボユニット１は、通常のターボチャージャと同様に吸気通路２と排気通路３との間に架けて配設されている。ターボユニット１の内部には、両端にコンプレッサホイール４及びタービンホイール５とを有する回転軸６が貫通して配されている。この回転軸６のコンプレッサホイール４寄りには、その出力軸が回転軸６に一致するようにモータ（電動機）７が内蔵されている。モータ７は、交流モータであり電動機としても発電機としても機能し得る。ターボユニット１は、排気エネルギーによってのみ過給を行う通常の過給機としても機能し得るが、モータ７によってコンプレッサホイール４を強制的に回転駆動することでさらなる過給を行うこともできる。

また、モータ７は、排気流によってタービンホイール５を回転させることで回生発電することも可能である。即ち、回生発電によって電力を回収することも可能である。モータ７は、回転軸６に固定されたロータ（永久磁石）と、その周囲に配置されたステータ（鉄心に巻かれたコイル）とを主たる構成部分として有している。これらのコンプレッサホイール４・タービンホイール５・回転軸６・モータ７は、ハウジング８の内部に収納されている。本実施形態においては、ターボユニット１のハウジングとモータ７のハウジングとが、上述したハウジング８として一体的に形成されている。

回転軸６は、ハウジング８に対して一対のベアリング９で回転可能に保持されている。また、ハウジング８の内部において、モータ７が収納されている部分は他の部分と隔絶されている。モータ７が収納された隔絶区画部分（モータハウジング）にも回転軸６が貫通しているが、回転軸６とハウジング８との間には隔絶区画部分（モータハウジング）内部の気密性を確保するための一対のシール部材１０が配設されている。

モータ７には、その内部の温度を検出する温度センサ６０が内蔵されている。この温度センサ６０は、モータ７の駆動を制御するＥＣＵ３０に接続されている。ＥＣＵ３０は、ターボユニット１を備えたエンジンを総合的に制御する電子コントロールユニットであり、ＣＰＵやＲＯＭ，ＲＡＭなどによって構成されている。ＥＣＵ３０には、アクセルポジションセンサ３１、吸気（過給）圧センサ３２、及び、回転数センサ３３なども接続されている。

アクセルポジションセンサ３１は、アクセルペダルの操作量を検出するものである。吸気圧センサ３２は、吸気管内の圧力を検出するセンサである。回転数センサ３３は、エンジン回転数を検出するセンサである。モータ７自体もＥＣＵ３０に接続されており、ＥＣＵ３０は、上述したセンサ３１〜３３の検出結果などに基づいて、モータ７の駆動を制御している。

上述したように、モータ７が高温に曝されると、モータ７内部の永久磁石が減磁（あるいは消磁）したり、温度上昇に伴う効率低下を招いてしまう。このため、モータ７は、ハウジング８の内部において、高温となる排気側（タービンホイール５側）ではなく温度の低い吸気側（コンプレッサホイール４側）に配置されている。そして、本実施形態のターボユニット１は、モータ７を冷却する機構がさらに構築されている。

モータ７を冷却する機構は、モータ７が収納された隔絶区画部分（モータハウジング）には、導入路１１と導出路１２とによって構成されている。導入路１１の一端１１ａは、ハウジング８のモータ７が収納された隔絶区画部分に接続されると共に、その他端１１ｂが吸気通路２上に配設されたエアクリーナ１３の下流側近傍（エアクリーナ１３のすぐ下流側）に接続されている。エアクリーナ１３は、吸気通路２の上流寄りに配設されており、吸入空気中のゴミや塵などを取り除くフィルタである。また、導出路１２の一端１２ａは、ハウジング８のモータ７が収納された隔絶区画部分に接続されると共に、その他端１２ｂが吸気通路２上に配設されたコンプレッサホイール４の上流側近傍（ターボユニット１のすぐ上流側）に接続されている。

このとき、導入路１１の他端１１ｂが接続されている部分（図１中のＬ部）の流路断面積は、導出路１２の他端１２ｂが接続されている部分（図１中のＳ部）の流路断面積寄りも大きい。このため、吸気通路２内の吸入空気の流速はＳ部の方がＬ部よりも速くなり、これに伴って上述した隔絶区画部分内部の気体が導出路１２を介して吸気通路２上に吸い出される。さらに、隔絶区画部分内部の気体が導出路１２を介して吸気通路２上に吸い出されることに伴って、吸気通路２内のエアクリーナ１３近傍のゴミや塵などを含まない温度の低い吸入空気が導入路１１を介して隔絶区画部分内部に導入される。

即ち、「エアクリーナ１３下流側→導入路１１→ハウジング８内部（モータ７を内蔵した隔絶区画部分内部）→導出路１２→ターボユニット１上流側」という気体流が生成される。これによって、モータ７ａが効率よく冷却され、モータ７ａを用いた過給促進及び回生発電を確実に行うことができる。モータ７を冷却することによって、高温による永久磁石の減磁などが原因となって生じる効率低下を防止することができる。特に、本実施形態においては、導入路１１及び導出路１２を用いて吸入空気を吸気通路２上からハウジング８の内部に導入している。通常のターボチャージャを有するエンジンに対して導入路１１及び導出路１２を単純に付加した構造が基本構造となるので、非常に簡便な構造で本実施形態のターボチャージャを実現することができる。ターボユニット１の構造が複雑化するようなこともない。

また、モータ７の冷却に用いられる吸入空気は、エアクリーナ１３の下流側近傍から取得されるため、ゴミや塵などを含んでおらず、モータ７の内部（隔絶区画部分内部）に異物が堆積してしまうようなことがないのでモータ７に悪影響が生じることもない。また、吸気通路２の上流寄りの温度の低い吸入空気を取得するため、モータ７の冷却効率がよい。さらに、このとき、シール部材１０を配することでハウジング８内部（モータ７を内蔵した隔絶区画部分内部）の気密性が高められているので、冷却用の気体が隔絶区画部分の外に漏れるのが確実に防止され、冷却効果が確実に得られるようにされている。また、温度の高い排気流に接するためターボユニット１は高温になるが、シール部材１０を配することで隔絶区画部分内部の気密性を確保することで、周囲の高温の気体が隔絶区画部分内部に進入するのを防止し、冷却効果が確実に得られるようにもされている。

さらに、本実施形態では、エンジン燃焼時にシリンダ内部からピストン下方のクランクケース内に漏れるブローバイガスを吸気通路２上に戻すＰＣＶ管１４も吸気通路２に接続されている。ブローバイガスの吸気通路２に戻すことをＰｏｓｉｔｉｖｅ Ｃｒａｎｋｃａｓｅ Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ（ＰＣＶ）と呼び、可燃性の炭化水素（未燃燃料）を含むブローバイガスを吸気通路２に戻して再燃焼させることが目的である。ブローバイガスは、ＰＣＶ管１４の吸気通路２への接続部分に発生する負圧によって吸気通路２内に導入される。その還流量は、ＰＣＶ管１４上に設けられた図示されないＰＣＶバルブによって調節される。

このようなブローバイガスを含む吸入空気をモータ７の冷却に使用すると、ブローバイガス中の未燃燃料成分やオイル成分がモータ７の内部や周囲に堆積してモータ７に悪影響を与えてしまうことが懸念される。しかし、本実施形態のように、モータ７の冷却に用いる吸入空気をエアクリーナ１３の下流側近傍から取得すれば、このようなことは生じ得ない。

またさらに、本実施形態のターボユニット１においては、上述した導入路１１（及び導出路１２）による冷却機構に加えて、エアコンディショナーの冷却風をハウジング８の内部に導入する機構も備えている。エアコンディショナーの冷却風をハウジング８の内部に導入することで、さらなる冷却効果を得ることが可能となる。この機構は、冷却風導入路（冷却風導入手段）２１を備えている。冷却風導入路２１の一端は、上述した導入路１１の一端１１ａ側に接続されている。冷却風導入路２１の図示されない他端は、エアコンディショナーの冷風ダクトやエバポレータ近傍に接続されている。

ここで、冷却風導入路２１の一端側の先端は細くされており、導入路１１のに対して内部の吸気流の方向に向けて挿入されている。このようにすることで、冷却風導入路２１がら流れ出る冷却風がエアクリーナ１３側に逆流しないようになされている。冷却風導入路２１の一端側の先端は、導入路１１の中央に位置しており、流路面積も小さいので、エゼクタ効果によって導入路１１内の空気が増加する構造となっている。

また、冷却風導入路２１の一端近傍には、冷却風導入路２１を開放・遮断する電磁式のバルブ２０が取り付けられている。バルブ２０は、上述したＥＣＵ３０に接続されており、その開閉がＥＣＵ３０によって制御される。通常時は、上述した導入路１１（及び導出路１２）による冷却のみが行われるが、温度センサ６０によるモータ７の温度監視の結果、モータ７のさらなる冷却が必要な場合はバルブ２０が開放され、ハウジング８内にエアコンディショナーの冷却風が導入される。

モータ７内の永久磁石の消磁などを考慮してモータ７の許容上限温度をＴａとし、バルブ２０の開閉閾温度をＴｂ（＜Ｔａ）とし、温度センサ６０によって検出されるモータ７の内部温度をＴする。このようにすると、バルブ２０は、Ｔ≦Ｔｂで閉、Ｔｂ＜Ｔ＜Ｔａで開とされる。

このようなエアコンディショナー冷却風を用いた冷却は、導入路１１（及び導出路１２）による冷却では冷却不足となるような場合に効果的である。例えば、外気温が高いような場合は、導入路１１（及び導出路１２）による冷却効果が減るため、エアコンディショナー冷却風を用いてモータ７を冷却することでモータ７の過熱を防ぎ、モータ７による過給促進を確実に行うことができる。

なお、冷却風導入路２１を設置しない構造も考えられる。即ち、エアコンディショナー冷却風を利用せず、吸入空気のみによって冷却を行うことも可能である。しかし、上述したように冷却風導入路２１を設置することで、エゼクタ効果によって導入路１１から導入される空気量が増加し、モータ７の冷却効率が向上するので、冷却風導入路２１を設置してエアコンディショナー冷却風を利用することが好ましい。モータ７の冷却効率が向上すれば、ターボユニット１の小型化が可能となる（冷却のために、放熱フィンを設けたりハウジング内容積を確保したりする必要がなくなる）。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態においては、モータ７の出力軸とタービン／コンプレッサの回転軸６とが一致していた。しかし、請求項１に記載の発明については、モータの出力軸とタービン／コンプレッサの回転軸が一致しないような（例えばギアなどによる減速機構を介している場合）電動機付ターボチャージャに対しても本発明は適用し得る。また、上述した実施形態においては、ハウジング８内に導入する気体量は吸気通路２内のＬ部とＳ部の流速差や圧力差に基づいて成り行きで決まるが、導入路１１上に導入量を調節するバルブを設けても良い。このとき、導入気体量はモータ７の駆動を管理する電子制御ユニット（ＥＣＵ）によって制御しても良い。例えば、モータ７の温度をセンサなどで検出し、ハウジング８内部への冷却気体の供給が必要か否か、必要な場合はどの程度の導入気体量とするかなどを制御することができる。

本発明のターボチャージャの一実施形態を示す断面図である。

符号の説明

１…ターボユニット（ターボチャージャ）、２…吸気通路、３…排気通路、４…コンプレッサホイール、５…タービンホイール、６…回転軸、７…モータ（電動機）、８…ハウジング、９…ベアリング、１０…シール部材、１１…導入路、１１ａ…（導入路の）一端、１１ｂ…（導入路の）他端、１２…導出路、１２ａ…（導出路の）一端、１２ｂ…（導出路の）他端、１３…エアクリーナ、１４…ＰＣＶ管。

Claims (5)

1. 内燃機関の吸気通路上に設けられたターボチャージャにおいて、
   前記ターボチャージャのコンプレッサホイールを回転駆動させ得る電動機と、
   前記電動機を内蔵するハウジングと、
   前記ハウジング内に冷却用気体流を導入する導入路とを備えており、
   前記導入路の一端が前記ハウジングに接続されると共に、他端が前記吸気通路上に配設されたエアクリーナの下流側近傍で且つブローバイガスを前記吸気通路上に戻すＰＣＶ管の接続部分の上流側に接続されていることを特徴とするターボチャージャ。
2. 前記ハウジングは、前記吸気通路から離れて位置し、前記ターボチャージャのコンプレッサホイールとタービンホイールと間に配された前記電動機を内蔵することを特徴とする請求項１記載のターボチャージャ。
3. 前記ハウジング内に導入された冷却用気体流を導出する導出路をさらに備え、該導出路の一端が前記ハウジングに接続されると共に、他端が前記吸気通路上に配設された前記コンプレッサホイールの上流側近傍に接続されおり、
   前記吸気通路における前記導入路の他端が接続された部分の流路断面積が、前記導出路の他端が接続された部分の流路断面積よりも大きくされていることを特徴とする請求項１又は２に記載のターボチャージャ。
4. 前記電動機の回転軸が前記コンプレッサホイールの回転軸に一致し、該回転軸が前記ハウジングを貫通しており、前記ハウジングと前記回転軸の間にシール部材が配されていることを特徴とする請求項３に記載のターボチャージャ。
5. エアコンディショナーの冷却風を前記ハウジング内に導入する冷却風導入手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャ。
   

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