JP4780328B2 - 電動機付過給機 - Google Patents
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Description
また、タービンハウジング51Aには、中央部にタービンインペラ52と同心の排気口65が形成されている。
コンプレッサハウジング51Bは、コンプレッサインペラ53の周囲に形成されたスクロール室66を有し、このスクロール室66は環状に形成されたディフューザ部67を介してコンプレッサインペラ53と連通している。
また、コンプレッサハウジング51Bには、中央部にコンプレッサインペラ53と同心の吸気口68が形成されている。
また、センターハウジング51Cには、シャフト54と同軸上に連結された回転子56と、回転子56の周囲に配設された固定子57とを有する電動機58が内蔵されている。
電動機58が高温になると内部の永久磁石が減磁したり、電動機58の効率が低下したりする。また、電動機58が高温になり運転上限温度に達した場合、電動機58を駆動することができないため、電動アシスト機能を利用することができなくなる。
さらに、過給機50では、電動機58を取り囲むように電動機側冷却液流路61を形成し、この電動機側冷却液流路61に冷却液62を流してその冷却作用により電動機58の温度上昇を抑制するように構成している。
タービン側冷却液流路60と、電動機側冷却液流路61とは、センターハウジング内に形成された連通路(図示せず)により連通しており、両流路には共通の冷却液62が流れるようになっている。
また、上述した電動機付過給機において、冷却液流路60、61を流れる冷却液62は、ラジエタ水が使用されるのが一般的であり、この場合、冷却液62の温度は80℃〜120℃程度である。一般的に、電動機付過給機では、電動機を常時駆動する必要性は高くなく、ある一定時間、電動アシスト効果を発揮できればよいという考えに基づき設計されている。このため、冷却液62の冷却能力と電動機58の温度上昇とがバランスしない設計となっており、電動機側冷却液流路61に冷却液を流しても電動機58の温度を低下させるまでに至らず、電動機58の温度は上昇する。
すなわち、過給機50では、電動機側冷却液流路61に冷却液62を流して電動機58の温度上昇を抑制し、電動機58の運転時において、電動機58が上限温度(例えば180℃)に到達するまでの時間(連続運転時間)を長くするようになっている。
このため、定格運転時のように電動機58の温度が冷却液の温度より高い場合には、電動機58の温度上昇を抑制する効果がある。
しかしながら、運転開始直後や、定格運転より回転速度の低い部分負荷の状態において、電動機58の温度が冷却液62の温度より低い場合には、逆に、冷却液62により電動機58が加熱され、電動機58の上限温度までの温度差が減少する。すなわち、この場合、冷却液62は、電動機58の連続運転時間を短くする方向に作用し、本来の目的とは全く逆の機能を発揮していることになる。
このように電動機とディフューザ部の冷却を兼ねた電動機付過給機では、コンプレッサ吐出温度が冷却液温度より低くなる部分負荷においては、温度の高い冷却液が温度の低いディフューザ部を加熱する。
この結果、コンプレッサの吐出空気も加熱され、コンプレッサの効率が低下することがある。
すなわち、本発明にかかる電動機付過給機は、タービンハウジングとコンプレッサハウジングとの間に配設されたセンターハウジング内にコンプレッサインペラの回転を加速補助する電動機を備えるとともに、前記センターハウジング内に、冷却液を流通させて前記電動機を冷却する電動機側冷却液流路と、該電動機側冷却液流路の冷却液と共通の冷却液を流通させて前記センターハウジングの前記タービンハウジング側の部位を冷却するタービン側冷却液流路と、を有する電動機付過給機において、
前記冷却液の流量を調整可能な冷却液流量調節手段を備え、
前記冷却液流量調節手段は、前記電動機の温度から前記冷却液の温度を引いた温度差が零以上の所定の温度以上の状態においては前記冷却液の流量を前記電動機を冷却する第1の流量に設定し、前記温度差が零以上の所定の温度より低い状態においては前記冷却液の流量を前記第1の流量より小さい流量であって前記電動機に対する加熱作用を抑制する第2の流量に設定することを特徴とする。
また、電動機の温度が低く、かつコンプレッサの吐出空気温度が電動機の温度より低い部分負荷の状態では、コンプレッサ側から電動機側に流入する吐出空気により、電動機が冷却される。
センターハウジングのタービン側は、排気ガスが流入するタービンインペラに隣接しており、電動機の運転状態に関わらず高温となるため、当該タービン側の冷却に必要な最低限の冷却液を流さなければならない。この点、冷却液流量調節手段では、電動機の温度が低い場合でも第2の流量の冷却液を流すため、タービン側冷却液流路に一定流量の冷却液を流してセンターハウジングのタービン側の冷却を維持することができる。
一方、電動機の温度から冷却液の温度を引いた温度差が零以上の所定の温度以上の状態においては冷却液の流量を電動機を冷却する第1の流量に設定するので、冷却液の冷却作用により電動機の温度上昇が抑制される。
このように、冷却液による電動機の温度上昇抑制効果を適正に発揮させることができるので、電動機の温度上昇を効果的に抑制することができる。このため、運転上限温度に到達するまでの時間を長くすることができる。すなわち、電動機の連続運転時間を長くすることができる。
したがって、電動機による電動アシストの効果を最大限生かすことができる。
また、第1の流量から第2の流量に切り替える逆動作の基準となる第2の温度差が零以上に設定されているので、電動機の温度が冷却液の温度より低いときは常に第2の流量の冷却液が流れる。このため、冷却液による電動機の加熱が確実に抑えられる。
本発明のその他の目的及び有利な特徴は、添付図面を参照した以下の説明から明らかになろう。
以下、本発明の第1実施形態について説明する。
図1は本発明の第1実施形態にかかる電動機付過給機の概略構成を示す図である。図1に示すように、この電動機付過給機10は、タービンインペラ2、タービンハウジング4、シャフト12、コンプレッサインペラ6、コンプレッサハウジング8、電動機20、センターハウジング14等の要素から構成される。
タービンハウジング4は、タービンインペラ2の周囲に形成されたスクロール室9を有し、このスクロール室9は環状ガス流路11を介してタービンインペラ2と連通している。
また、タービンハウジング4には、中央部にタービンインペラ2と同心の排気口17が形成されている。
コンプレッサハウジング8は、コンプレッサインペラ6の周囲に環状に形成され圧縮空気Aを吐き出すスクロール室21を有する。
コンプレッサインペラ6出口とスクロール室21との間には、その間を連通するようにコンプレッサインペラ6出口から半径方向外方に延びる環状のディフューザ部25が形成されており、これによりコンプレッサインペラ6によって加速された空気Aを減速加圧してスクロール室21へ導くようになっている。
また、コンプレッサハウジング8には、中央部にコンプレッサインペラ6と同心の吸気口27が形成されている。
タービンハウジング4とセンターハウジング14とは、カップリング3により連結され、コンプレッサハウジング8とセンターハウジングとは、ボルト5により連結されている。
油供給路22には、外部に設置された潤滑油ポンプ(図示せず)により例えば80℃前後の潤滑油42が供給されるようになっている。
なお、本実施形態では、流路形成部材16とシールプレート29は別体に構成されているが、これらを一体に構成した部材であってもよい。
流路形成部材16は、冷却液を流通させるための環状凹部16aを有し、全体としてリング状に形成され、ハウジング本体15に嵌入されて挿着されている。そして、ハウジング本体15と流路形成部材16の環状凹部16aとにより冷却液41を流通させる電動機側冷却液流路34が規定されている。
また、環状凹部16aの電動機側の部位はフィン形状に形成されており、これにより熱伝導の効率を高めるようになっている。
ハウジング本体15と流路形成部材16との間には、Oリング31が介装されており、その間が水密に保持される。
電動機側冷却液流路34は、電動機20の外周を完全に一周するように形成されても良いし、シャフト12の軸方向から見てC字状に形成されても良い。
冷却液供給ライン32の上流側には冷却液ポンプ(図示せず)が接続され、冷却液41が送給されるようになっている。本実施形態において、冷却液41はラジエタ水であり、その温度は80℃〜120℃程度である。
タービン側冷却液流路35は、シャフト12の周りを完全に一周するように形成されても良いし、シャフト12の軸方向から見てC字状に形成されても良い。
また、タービン側冷却液流路35は、センターハウジング14内に形成された連通路(図示せず)により電動機側冷却液流路34と連通しており、電動機側冷却液流路34を通過した冷却液41が連通路を介してタービン側冷却液流路35に流入するようになっている。すなわち、この電動機付過給機10は、電動機側冷却液流路34とタービン側冷却液流路35に共通の冷却液41が流通するように構成されている。
センターハウジング14には、タービン側冷却液流路35から冷却液41を排出する冷却液排出ライン33が接続されている。
本実施形態において流量調節部37は、冷却液供給ライン32上に並列に配設された開閉弁38と固定オリフィス39とからなり、開閉弁38が開状態で冷却液41の流量が第1の流量(以下、大流量という。)となり、開閉弁38が閉状態で冷却液41の流量が第2の流量(以下、小流量という)となるように構成されている。すなわち、開閉弁38の開閉により、電動機側冷却液流路34に供給される冷却液41の流量が大流量と小流量とに切り替わるようになっている。
制御部40は、冷却液温度と電動機温度とに基づいて、開閉弁38の開閉を制御する機能を有する。制御部40には、ラジエタ水の温度計(図示せず)により計測された冷却液温度と、電動機温度計(図示せず)により計測された電動機温度の温度信号が入力されるようになっている。
本実施形態では、流量調節部37及び制御部40により、電動機20の温度から冷却液41の温度を引いた温度差が零以上の所定の温度以上の状態においては冷却液41の流量を大流量に設定し、上記の温度差が零以上の所定の温度より低い状態においては冷却液41の流量を小流量に設定する。すなわち、本実施形態において、流量調節部37及び制御部40は、冷却液の流量を調整可能な冷却液流量調節手段として機能する。本明細書において、以下、電動機20と冷却液41との温度差とは、電動機20の温度から冷却液41の温度を引いた温度差を意味するものとする。
この図に示すように、流量調節部37及び制御部40により、電動機20と冷却液41との温度差が零より大きい第1の温度差(T1)以上に増大したときに冷却液41の流量を小流量から大流量に切り替える。また、電動機20と冷却液41との温度差が零以上であって第1の温度差(T1)より小さい第2の温度差(T2)以下に減少したときに冷却液41の流量を大流量から小流量に切り替える。
第1の温度差(T1)は例えば4℃であり、第2の温度差(T2)は例えば2℃である。なお、第2の温度差(T2)は零であってもよい。
電動機20の温度が冷却液41の温度より低い状態では、冷却液41の電動機20に対する加熱作用を抑制する必要がある。一方、センターハウジング14のタービン側は、排気ガスGが流入するタービンインペラ2に隣接しており、電動機20の運転状態に関わらず高温となるため、当該タービン側の冷却に必要な最低限の冷却液41を流さなければならない。したがって、上記の小流量は、大流量より小さい流量であって、電動機20に対する加熱作用を抑制し、且つセンターハウジング14のタービン側の冷却を最低限維持できる程度の最低流量とする。
電動機付過給機10では、内燃機関(エンジン)からの排気ガスGがスクロール室9に導入されると、環状ガス流路11を介して排気ガスGが排気口17へ流れてタービンインペラ2を通過する過程でタービンインペラ2を回転させる。
すると、シャフト12を介してタービンインペラ2に連結されたコンプレッサインペラ6が回転駆動されると同時に電動機20によりその回転駆動が補助され、コンプレッサインペラ6により吸気口27から吸入された空気Aを加速する。
加速した空気Aは、ディフューザ部25を通過する過程で減速加圧されてスクロール室21へと導入され、図示しない吐出部から吐き出されて内燃機関に供給される。
電動機20の運転開始直後や部分負荷時において、電動機20と冷却水41の温度差が第1の温度差(T1)より低い状態においては、制御部40による制御の下、流量調節部37により冷却液41の流量が小流量に設定される。このため、冷却液41による電動機20に対する加熱作用は最小限に抑制される。
また、電動機20の温度が低く、かつコンプレッサの吐出空気温度が電動機20の温度より低い部分負荷の状態では、コンプレッサ側から電動機20側に流入する吐出空気により電動機20が冷却される。このため、電動機20の温度が低温に保持される。
本実施形態にかかる電動機付過給機10によれば、流量調節部37及び制御部40(冷却液流量調節手段)により、電動機20と冷却液41の温度差が零以上の所定の温度より低い状態においては冷却液41の流量を小流量に設定するので、冷却液41による電動機20に対する加熱作用は最小限に抑えられる。
また、電動機20の温度が低く、かつコンプレッサの吐出空気温度が電動機20の温度より低い部分負荷の状態では、コンプレッサ側から電動機20側に流入する吐出空気により、電動機20が冷却されるため、電動機20の温度を低温に保持できる。
また、電動機20の温度が低い場合でも小流量の冷却液41を流すため、タービン側冷却液流路35に一定流量の冷却液41を流してセンターハウジング14のタービン側の冷却を維持することができる。
一方、電動機20と冷却液41との温度差が零以上の所定の温度以上の状態においては冷却液41の流量を大流量に設定するので、冷却液41の冷却作用により電動機20の温度上昇が抑制される。
このように、冷却液41による電動機20の温度上昇抑制効果を適正に発揮させることができるので、電動機20の温度上昇を効果的に抑制することができる。このため、運転上限温度に到達するまでの時間を長くすることができる。すなわち、電動機20の連続運転時間を長くすることができる。
したがって、電動機20による電動アシストの効果を最大限生かすことができる。
また、大流量から小流量に切り替える逆動作の基準となる第2の温度差(T2)が零以上に設定されているので、電動機20の温度が冷却液41の温度より低いときは常に小流量の冷却液41が流れる。このため、冷却液41による電動機20に対する加熱作用を確実に抑えられる。
以下、本発明の第2実施形態について説明する。
図3は本発明の第2実施形態にかかる電動機付過給機10の概略構成を示す図である。
本実施形態において、流路形成部材16のディフューザ部25側の部位は、電動機側冷却液流路34を流れる冷却液41とディフューザ部25を流れる空気Aとの間で熱交換ができる構造になっている。また、流路形成部材16のディフューザ部25側の部位はフィン形状に形成され、伝熱面積を広くして熱伝導の効率を高めるようになっている。
伝熱部位を構成する部材の厚さは、冷却液とディフューザ部25との熱交換を十分に行うことができるように設定される。
このような構造により、冷却液流路34を流れる冷却液41と電動機20との間、及びこの冷却液41とディフューザ部25との間で熱交換を行い、電動機20及びディフューザ部25の双方を冷却するようになっている。
すなわち、本実施形態にかかる電動機付過給機10は、電動機20とディフューザ部25の双方の冷却機能を兼ね備えた冷却構造をもつ電動機付過給機である。
本実施形態にかかる電動機付過給機10においても、第1実施形態と同様に、内燃機関からの排気ガスGによりタービンインペラ2が回転させられ、これに連結されたコンプレッサインペラ6が回転駆動され、空気Aが圧縮されて内燃機関に供給される。このとき電動機20による電動アシストによりコンプレッサインペラ6の回転が補助される。
すなわち、電動機20の運転開始直後や部分負荷時において、電動機20と冷却水41の温度差が第1の温度差(T1)より低い状態においては、制御部40による制御の下、流量調節部37により冷却液41の流量が小流量に設定される。また、電動機20と冷却液41との温度差が零より大きい第1の温度差(T1)以上に増大すると、冷却液41の流量が小流量から大流量に切り替えられる。また、電動機20と冷却液41との温度差が零以上であって第1の温度差(T1)より小さい第2の温度差(T2)以下に減少したときは、冷却液41の流量が大流量から小流量に切り替えられる。
上記実施形態では、タービン側にシャフト12の軸受19が配設され、コンプレッサ側に電動機20が配設された電動機付過給機を対象としたが、本発明の適用範囲はこれに限られず、例えば特開2003−293785号公報に開示されている、中央部に電動機が配設されその両側に軸受を配設した形式の電動機付過給機にも当然に適用することができる。
4 タービンハウジング
6 コンプレッサインペラ
8 コンプレッサハウジング
9 スクロール室
10 電動機付過給機
11 環状ガス流路
12 シャフト
14 センターハウジング
15 ハウジング本体
16 流路形成部材
16a 環状凹部
17 排気口
19 軸受
20 電動機
21 スクロール室
20A 回転子
20B 固定子
22 油供給路
24 油排出路
25 ディフューザ部
27 吸気口
29 シールプレート
31 Oリング
32 冷却液供給ライン
33 冷却液排出ライン
34 電動機側冷却液流路
35 タービン側冷却液流路
37 流量調節部
38 開閉弁
39 オリフィス
40 制御部
41 冷却液
42 潤滑油
A 空気
G 排気ガス
Claims (3)
- タービンハウジングとコンプレッサハウジングとの間に配設されたセンターハウジング内にコンプレッサインペラの回転を加速補助する電動機を備えるとともに、前記センターハウジング内に、冷却液を流通させて前記電動機を冷却する電動機側冷却液流路と、該電動機側冷却液流路の冷却液と共通の冷却液を流通させて前記センターハウジングの前記タービンハウジング側の部位を冷却するタービン側冷却液流路と、を有する電動機付過給機において、
前記冷却液の流量を調整可能な冷却液流量調節手段を備え、
前記冷却液流量調節手段は、前記電動機の温度から前記冷却液の温度を引いた温度差が零以上の所定の温度以上の状態においては前記冷却液の流量を前記電動機を冷却する第1の流量に設定し、前記温度差が零以上の所定の温度より低い状態においては前記冷却液の流量を前記第1の流量より小さい流量であって前記電動機に対する加熱作用を抑制する第2の流量に設定する、ことを特徴とする電動機付過給機。 - 前記冷却液流量調節手段は、前記温度差が零より大きい第1の温度差以上に増大したときに前記冷却液の流量を前記第2の流量から前記第1の流量に切り替え、前記温度差が零以上であって前記第1の温度差より小さい第2の温度差以下に減少したときに前記冷却液の流量を前記第1の流量から前記第2の流量に切り替える、ことを特徴とする請求項1に記載の電動機付過給機。
- 前記冷却液流量調節手段は、前記センターハウジングに前記冷却液を供給する冷却液供給ライン上に並列に設けられた開閉弁及び固定オリフィスと、前記電動機の温度と前記冷却液の温度に基づいて前記開閉弁を制御する制御部と、を有し、
前記開閉弁が開状態で前記冷却液の流量が前記第1の流量となり、前記開閉弁が閉状態で前記冷却液の流量が前記第2の流量となる、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の電動機付過給機。
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