JP5707852B2 - 電動アシストターボチャージャ - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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。

特開２００４−１６９６２９号公報 特開２００６−３２０１４３号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明の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。 （ａ）は図１の電動アシストターボチャージャの減速ギア機構を示す正面図であり、（ｂ）はツーウェイクラッチの一例を示す断面図である。 ツーウェイクラッチの原理を説明する図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (3)

1. 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、を備えることを特徴とする電動アシストターボチャージャ。
2. 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請求項１に記載の電動アシストターボチャージャ。
3. 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。

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