WO2017145778A1

WO2017145778A1 - 過給装置

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Publication number: WO2017145778A1
Application number: PCT/JP2017/004773
Authority: WO
Inventors: 秋本　健太
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2016-02-22
Filing date: 2017-02-09
Publication date: 2017-08-31
Anticipated expiration: 2018-08-22
Also published as: EP3421757A1; JP2017150319A; EP3421757A4; US20210189950A1; CN108699965A

Abstract

過給装置は、シャフトを有するインペラと、前記インペラを回転させて過給を行うように構成されたモータジェネレータと、遊星歯車機構と、前記インペラの回転を制限するように構成された制限機構と、を備える。前記遊星歯車機構は、前記シャフトが連結されるサンギアと、エンジンからの動力により回転するように構成されたリングギアと、複数のプラネタリギアと、前記複数のプラネタリギアに連結されたキャリアとを有する。前記キャリアは、前記シャフトが挿通される筒部を有する。前記モータジェネレータは、前記筒部の外周面と一体化されたロータと、前記ロータの径方向外側に配置されているステータとを有する。

Description

過給装置

　本発明は、電動スーパーチャージャを改良することで汎用性を向上させた過給装置に関する。

　エンジンの動力を高めるための過給装置として、エンジンからの排気エネルギーを利用してコンプレッサ用のインペラを回転させることによって過給を行うターボチャージャがよく知られている。ターボチャージャにおいては、加速時に過給が開始されるまでの時間差（ターボラグ）が生じることがある。加速時における過給を補うために、インペラを電動式とした電動スーパーチャージャが、ターボチャージャとともに併用されることがある。

　一般的に、電動スーパーチャージャを有効に利用できるのは、上述のようにターボラグの影響が生じやすい急な加速時等に限定されるため、電動スーパーチャージャをより多様な場面で有効に活用することが望まれる。そこで、例えば特許文献１には、電動スーパーチャージャを改良して汎用性を持たせた過給装置が開示されている。この過給装置では、遊星歯車機構を構成するサンギア、リングギアおよびプラネタリギアのいずれかにインペラが連結されるとともに、残りの２つのギアのうちの１つにエンジンからの動力が入力され、残りのギアがモータジェネレータ（電気機器）によって回転する。

　そして、過給装置は、インペラの回転を制限するブレーキを作用させた状態で、モータジェネレータをモータとして動作させることにより、モータから出力される動力をインペラではなくエンジンに伝達し、エンジンをアシストするマイルドハイブリッドとして動作させることができる。或いは、モータジェネレータを発電機として動作させることにより、エンジンからの動力により発電することができる。つまり、モータによりインペラを回転させない場合においても、換言すると、過給装置を電動コンプレッサとして利用しない場合においても、過給装置をマイルドハイブリッドや発電機として動作させることで、過給装置を有効に活用できるものとなっている。

特表２００９－５２０９１５号公報

　しかしながら、特許文献１に記載の過給装置では装置が大型化する傾向がある。すなわち、特許文献１の図１に示されているように、モータジェネレータを遊星歯車機構の軸方向外側に配置した場合、すなわちモータジェネレータと遊星歯車機構とを軸方向に並べて配置した場合には、過給装置の軸方向寸法が大きくなる。また、特許文献１の図２に示されているように、モータジェネレータをリングギアの径方向外側に配置した場合には、過給装置の径方向寸法が大きくなる。その結果、車両への搭載性が悪化するという問題があった。

　本発明は、電動スーパーチャージャを改良して汎用性を持たせた過給装置において、装置の大型化を抑えることを目的とする。

　上記課題を解決する過給装置は、シャフトを有するインペラと、モータとして機能するとき、前記インペラを回転させて過給を行うように構成されたモータジェネレータと、遊星歯車機構であって、前記シャフトが連結されるサンギアと、エンジンからの動力により回転するように構成されたリングギアと、前記サンギアと前記リングギアとの間に配置された複数のプラネタリギアと、前記複数のプラネタリギアに連結されたキャリアとを有する遊星歯車機構と、前記インペラの回転を制限するように構成された制限機構と、を備え、前記キャリアは、前記シャフトが挿通される筒部を有し、前記モータジェネレータは、前記筒部の外周面と一体化されたロータと、前記ロータの径方向外側に配置されているステータとを有する。

第１実施形態にかかる過給装置の構成を示す横断面図である。（ａ）は、図１の過給装置が電動コンプレッサとして動作する時における、遊星歯車機構の動作を模式的に示す図であり、（ｂ）は、図１の過給装置がマイルドハイブリッドとして動作する時における、遊星歯車機構の動作を模式的に示す図であり、（ｃ）は、図１の過給装置が発電機として動作する時における、遊星歯車機構の動作を模式的に示す図である。第２実施形態にかかる過給装置の構成を示す横断面図である。（ａ）は、図３の過給装置が電動コンプレッサとして動作する時における、遊星歯車機構の動作を模式的に示す図であり、（ｂ）は、図３の過給装置がマイルドハイブリッドとして動作する時における、遊星歯車機構の動作を模式的に示す図であり、（ｃ）は、図３の過給装置が発電機として動作する時における、遊星歯車機構の動作を模式的に示す図である。

［第１実施形態］
　以下、第１実施形態にかかる過給装置について、図面を参照しつつ説明する。なお、当該過給装置は、ターボチャージャと併用されるものとして以下の説明を行うが、ターボチャージャを省略してもよい。

　図１に示すように、過給装置１は、ハウジング４０に収容された、インペラ１０、遊星歯車機構２０およびモータジェネレータ３０を有しており、インペラ１０が回転することによって、エンジンに供給される吸気を加圧して過給を行うものである。ハウジング４０は、主に遊星歯車機構２０を収容する第１ハウジング部４１と、主にモータジェネレータ３０を収容する第２ハウジング部４２と、主にインペラ１０を収容する第３ハウジング部４３とから構成される。

　遊星歯車機構２０は、外歯歯車であるサンギア２１と、サンギア２１よりも大径でサンギア２１の周りに配置された内歯歯車であるリングギア２２と、サンギア２１とリングギア２２との間に配置された外歯歯車である複数のプラネタリギア２３と、複数のプラネタリギア２３に連結されたキャリア２４とを有している。キャリア２４は、プラネタリギア２３がサンギア２１の周りを回転（公転）する回転速度と同じ回転速度で回転する。

　サンギア２１は、シャフト１１の一端部（図１の左端部）に連結固定されている。このシャフト１１の他端部（図１の右端部）には、インペラ１０が連結固定されている。これによって、インペラ１０、シャフト１１およびサンギア２１は一体回転する。

　リングギア２２の回転軸２２ａは、その一部が第１ハウジング部４１から突出しており、突出した部分にプーリ５１が連結固定されている。プーリ５１には、エンジンからの動力（クランクシャフトの回転）を伝達するベルト５２が掛けられており、ベルト５２およびプーリ５１を介して、エンジンからの動力が回転軸２２ａに入力される。逆に、後述するように、過給装置１がマイルドハイブリッドとして動作する場合は、モータジェネレータ３０がモータとして機能する際の、モータジェネレータ３０の出力が、回転軸２２ａ、プーリ５１およびベルト５２を介して、エンジンに伝達される。プーリ５１と回転軸２２ａとの間には、プーリ５１と回転軸２２ａとを接続する接続状態およびプーリ５１と回転軸２２ａとを切断する切断状態に選択的に切り換えられる第１クラッチ５３が設けられている。

　複数のプラネタリギア２３が連結されているキャリア２４には、筒部２４ａが形成されており、この筒部２４ａにシャフト１１が挿通されている。シャフト１１は筒部２４ａと同軸上に配置される。シャフト１１と筒部２４ａとの間には、シャフト１１と筒部２４ａ（キャリア２４）とを接続する接続状態およびシャフト１１と筒部２４ａ（キャリア２４）とを切断する切断状態に選択的に切り換えられる第２クラッチ１２が設けられている。第２クラッチ１２を接続状態にすると、シャフト１１とキャリア２４とが一体回転可能になり、第２クラッチ１２を切断状態にすると、シャフト１１とキャリア２４とが相対回転可能となる。

　なお、第１クラッチ５３および第２クラッチ１２は、例えば電磁クラッチによって構成されており、制御部６０からの指令によって接続状態と切断状態との間で切換可能とされている。

　モータジェネレータ３０は、キャリア２４の筒部２４ａの外周面に一体化されたロータ３１と、ロータ３１の径方向外側に配置されたステータ３２とからなる。このため、インペラ１０、シャフト１１、遊星歯車機構２０およびモータジェネレータ３０は、互いに同軸上に配置されていることになる。ロータ３１は例えば磁石によって構成され、ステータ３２は例えば制御部６０によって通電制御が可能なコイルによって構成されるが、ロータ３１およびステータ３２の具体的構成はこれに限定されない。「ロータ３１を筒部２４ａの外周面と一体化する」とは、ロータ３１と筒部２４ａとが一体回転するようにロータ３１を筒部２４ａの外周面に取り付ける又は固定することを意味する。

　コイルで構成されているステータ３２は、切換回路６１を介して制御部６０およびバッテリー６２と電気的に接続されている。切換回路６１は、モータジェネレータ３０をモータとして機能させるためのモータ用回路と、モータジェネレータ３０を発電機として機能させるための発電用回路とを有しており、制御部６０からの指令に応じて、モータ用回路と発電用回路との間で切換可能となっている。

　モータジェネレータ３０をモータとして動作させる場合には、制御部６０によって切換回路６１がモータ用回路に切り換えられ、バッテリー６２から切換回路６１を介してステータ３２に電力が供給されることで、ロータ３１がキャリア２４と一体回転する。一方、モータジェネレータ３０を発電機として動作させる場合には、制御部６０によって切換回路６１が発電用回路に切り換えられ、エンジンからの動力を受けてロータ３１がキャリア２４と一体回転することで、ステータ３２から切換回路６１を介してバッテリー６２に充電が行われる。

　以上のように構成された過給装置１の動作について、図２を参照しつつ説明する。制御部６０は、例えばアクセルの操作量やエンジンの回転速度等に基づいて、過給装置１を電動コンプレッサとして動作させるか、マイルドハイブリッドとして動作させるか、あるいは発電機として動作させるかを決定する。

　例えば、エンジンの回転速度が小さい領域でアクセルの操作量が急激に大きくなった場合には、ターボチャージャでターボラグが発生しやすいため、ターボラグ発生時の過給を補助するため、過給装置１を電動コンプレッサとして動作させる。具体的には、制御部６０は、第１クラッチ５３を接続し、第２クラッチ１２を切断し、切換回路６１をモータ用回路に切り換える。このとき、図２（ａ）に示すように、プラネタリギア２３がリングギア２２の回転方向とは反対方向に回転（公転）するように、ロータ３１が回転する。こうすることで、リングギア２２とプラネタリギア２３の相対回転速度差に増速比を乗じた回転速度でサンギア２１が回転させられることになり、その結果、インペラ１０の回転速度を増速させることができる。ただし、過給のためにエンジンからの動力を利用することは必須ではなく、第１クラッチ５３を切断しておいてもよい。

　モータ（モータジェネレータ３０）からの動力を過給のために利用するのではなく、この動力を直接的にエンジンの回転のアシストに利用したほうが好ましい場合がある。このような場合には、過給装置１をマイルドハイブリッドとして動作させるべく、制御部６０は、第１クラッチ５３および第２クラッチ１２をそれぞれ接続し、切換回路６１をモータ用回路に切り換える。このとき、図２（ｂ）に示すように、プラネタリギア２３がリングギア２２の回転方向と同じ方向に回転（公転）するように、ロータ３１が回転する。これによって、リングギア２２がプラネタリギア２３につられて回転し、モータ（モータジェネレータ３０）からの動力の一部が、プーリ５１およびベルト５２を介してエンジンに伝達され、エンジンの回転をアシストする。

　最後に、例えば減速時等には、エンジンからの動力によってバッテリー６２を充電すべく、過給装置１を発電機として動作させる。この場合、制御部６０は、第１クラッチ５３および第２クラッチ１２をそれぞれ接続し、切換回路６１を発電用回路とする。すると、図２（ｃ）に示すように、エンジンからの動力によってリングギア２２が回転するのに伴って、プラネタリギア２３が回転（公転）し、ロータ３１がキャリア２４と一体回転することで、ステータ３２で電力が生じる。この電力が、切換回路６１を介してバッテリー６２に充電される。このとき、サンギア２１はプラネタリギア２３と一体回転するので、インペラ１０も回転し、若干の過給が行われる。なお、発電時に第２クラッチ１２を切断することも可能であるが、そうすると、インペラ１０の回転が制限されず、エンジンからの動力がインペラ１０の回転により多く費やされるため、発電効率が低下するおそれがある。
［第２実施形態］
　図３を参照して、第２実施形態にかかる過給装置について説明する。第１実施形態では、インペラ１０の回転を制限するための制限機構として、キャリア２４の筒部２４ａとシャフト１１との間に第２クラッチ１２を設けたのに対し、第２実施形態では、第２クラッチ１２に代わって、インペラ１０とハウジング４０との間に第３クラッチ１３を設けた点が第１実施形態と異なる。そのほかの構成は、第１実施形態の構成と同様であるので、第１実施形態と同じ構成について同じ符号を付し、説明を省略する。

　第２実施形態の過給装置２においては、上述のように、インペラ１０とハウジング４０との間、より詳細には、インペラ１０の背面とこれに対向する第２ハウジング部４２の側面との間に、第３クラッチ１３が設けられている。第３クラッチ１３は、例えば電磁クラッチによって構成されており、インペラ１０と第２ハウジング部４２とを接続する接続状態およびインペラ１０と第２ハウジング部４２とを切断する切断状態に選択的に切り換えられる。制御部６０からの指令により第３クラッチ１３が接続されると、インペラ１０が不動の第２ハウジング部４２と接続されるので、インペラ１０の回転が停止する。一方、第３クラッチ１３が切断されると、インペラ１０の回転が可能となる。

　このように構成された過給装置２の動作は、基本的に第１実施形態の過給装置１と同じである。すなわち、過給装置２を電動コンプレッサとして動作させる場合は、制御部６０は、第１クラッチ５３を接続し、第３クラッチ１３を切断し、切換回路６１をモータ用回路に切り換える。これによって、インペラ１０の回転速度を増速させることができる（図４（ａ）参照）。

　過給装置２をマイルドハイブリッドとして動作させる場合には、制御部６０は、第１クラッチ５３および第３クラッチ１３をそれぞれ接続し、切換回路６１をモータ用回路に切り換える。これによって、モータ（モータジェネレータ３０）からの動力が、プーリ５１およびベルト５２を介してエンジンに伝達され、エンジンの回転をアシストする（図４（ｂ）参照）。

　過給装置２を発電機として動作させる場合には、制御部６０は、第１クラッチ５３および第３クラッチ１３をそれぞれ接続し、切換回路６１を発電用回路に切り換える。こうすることで、エンジンからの動力によってロータ３１が回転し、その結果、ステータ３２で生じた電力が切換回路６１を介してバッテリー６２に充電される（図４（ｃ）参照）。

　なお、第２実施形態の過給装置２がマイルドハイブリッドまたは発電機として動作するときには、第３クラッチ１３を接続することによって、図４（ｂ）、図４（ｃ）に示すように、サンギア２１の回転が完全に停止する、すなわち、第２実施形態は、インペラ１０の回転が完全に停止する点が第１実施形態と異なる。
［効果］
　第１実施形態の過給装置１および第２実施形態の過給装置２のいずれにおいても、遊星歯車機構２０のキャリア２４は、インペラ１０のシャフト１１が挿通される筒部２４ａを有し、モータジェネレータ３０は、筒部２４ａの外周面と一体化されたロータ３１と、ロータ３１の径方向外側に配置されているステータ３２とを有する。このように、シャフト１１が挿通されている筒部２４ａの径方向外側にモータジェネレータ３０を設けることで、モータジェネレータ３０を遊星歯車機構２０の軸方向外側に設ける必要がなくなり、軸方向における過給装置１、２の大型化を回避できる。また、筒部２４ａの径を小さくすれば、径方向において筒部２４ａとリングギア２２の外周部との間に十分なスペースを確保できるので、このスペースにモータジェネレータ３０を配置することができ、径方向における過給装置１、２の大型化も回避できる。以上のように、過給装置１、２は、軸方向および径方向の両方向において、大型化を抑えることができる。

　また、第１実施形態の過給装置１では、インペラ１０の回転を制限するための制限機構が、筒部２４ａとシャフト１１とを接続する接続状態および筒部２４ａとシャフト１１とを切断する切断状態を選択的に切り換えられる第２クラッチ１２として構成されている。したがって、第２クラッチ１２を接続した場合には、キャリア２４とシャフト１１とが一体回転可能になり、インペラ１０も回転することになる。

　ここで、過給装置１が発電機として動作する場合、第２実施形態の過給装置２のようにサンギア２１が完全に停止した状態だと（図４（ｃ）参照）、エンジンからの動力によってリングギア２２が回転するのに伴って、プラネタリギア２３が回転（公転）する際に、プラネタリギア２３が減速されてしまい、その結果、ロータ３１の回転速度が遅くなる。これに対して、第１実施形態の過給装置１では、図２（ｃ）に示すように、エンジンからの動力によってリングギア２２が回転するのに伴って、プラネタリギア２３がサンギア２１と一体回転するため減速が生じず、ロータ３１の回転速度を第２実施形態よりも速くすることができる。つまり、第１実施形態の過給装置１によれば、過給装置１が発電機として動作する際の発電効率を向上させることができる。

　一方、第２実施形態の過給装置２では、インペラ１０の回転を制限するための制限機構が、インペラ１０とハウジング４０とを接続する接続状態およびインペラ１０とハウジング４０とを切断する切断状態を選択的に切り換えられる第３クラッチ１３として構成されている。このため、第２実施形態の過給装置２では、第３クラッチ１３を接続するとインペラ１０の回転を完全に停止させることができる。

　ここで、過給装置２がマイルドハイブリッドとして動作する場合、第１実施形態の過給装置１のようにプラネタリギア２３がサンギア２１と一体回転するよりも（図２（ｂ）参照）、図４（ｂ）に示すように、サンギア２１が停止しているほうがプラネタリギア２３の回転速度（公転速度）を速くすることができる。このため、エンジンがより高回転の場合にも、モータ（モータジェネレータ３０）からの動力によってエンジンをアシストすることが可能となる。
［他の実施形態］
　本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上記実施形態の要素を適宜組み合わせまたは種々の変更を加えることが可能である。

　例えば、第２実施形態では、第３クラッチ１３をインペラ１０とハウジング４０との間に設け、第３クラッチ１３を接続することでインペラ１０の回転を停止させるものとした。しかしながら、インペラ１０の回転を停止させることのできる構成であれば、クラッチの配設場所を変更してもよい。

　また、１つの過給装置に、第２クラッチ１２および第３クラッチ１３を両方とも設けるようにしてもよい。上述のように、第２クラッチ１２を設けた場合は、発電機として動作する際の発電効率を向上させることができ、第３クラッチ１３を設けた場合は、高回転領域においてもエンジンのアシストを行うことが可能となる。したがって、１つの過給装置に、第２クラッチ１２および第３クラッチ１３を両方設け、適切に切り換えを行うことで、発電機としての機能もマイルドハイブリッドとしての機能も向上させることができる。

Claims

　シャフトを有するインペラと、
　モータとして機能するとき、前記インペラを回転させて過給を行うように構成されたモータジェネレータと、
　遊星歯車機構であって、
　　前記シャフトが連結されるサンギアと、
　　エンジンからの動力により回転するように構成されたリングギアと、
　　前記サンギアと前記リングギアとの間に配置された複数のプラネタリギアと、
　　前記複数のプラネタリギアに連結されたキャリアとを有する遊星歯車機構と、
　前記インペラの回転を制限するように構成された制限機構と、を備え、
　前記キャリアは、前記シャフトが挿通される筒部を有し、
　前記モータジェネレータは、前記筒部の外周面と一体化されたロータと、前記ロータの径方向外側に配置されているステータとを有する過給装置。
　前記制限機構は、前記筒部と前記シャフトとを接続する接続状態および前記筒部と前記シャフトとを切断する切断状態に選択的に切り換えられるように構成されたクラッチである請求項１に記載の過給装置。
　前記インペラ、前記モータジェネレータ及び前記遊星歯車機構を収容するハウジングをさらに備え、
　前記制限機構は、前記インペラと前記ハウジングとを接続する接続状態および前記インペラと前記ハウジングとを切断する切断状態に選択的に切り換えられるように構成されたクラッチである請求項１に記載の過給装置。
　前記インペラ、前記モータジェネレータ及び前記遊星歯車機構を収容するハウジングをさらに備え、
　前記制限機構は、前記インペラと前記ハウジングとを接続する接続状態および前記インペラと前記ハウジングとを切断する切断状態とに選択的に切り換えられるように構成されたクラッチをさらに備える請求項２に記載の過給装置。