JP5760387B2 - 電動アシストターボチャージャの冷却装置 - 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係り、特にその電動アシストターボチャージャのモータを冷却するための電動アシストターボチャージャの冷却装置に関するものである。

図３に示すようにターボチャージャ２０は、タービン２１とコンプレッサ２２をターボ軸２３で連結して構成される。タービン２１は、タービンホイール２４とタービンホイール２４を囲み、排ガスが導入されるタービンハウジング２５からなり、コンプレッサ２２は、コンプレッサホイール２６を囲み、吸気が導入されるコンプレッサハウジング２７からなり、タービンホイール２４とコンプレッサホイール２６を連結するターボ軸２３がベアリングハウジング２８内に収容されると共にベアリングハウジング２８内に設けた軸受部２９で軸承される。ベアリングハウジング２８の上部には、潤滑油を軸受部２９に供給する潤滑油入口３０が設けられ、下部には潤滑油排出路３１が形成される。

図４は、ターボチャージャ２０をエンジン４０に付加した際の吸排気系と潤滑油による冷却系統を示したものである。

ターボチャージャ２０は、エンジン４０のエギゾーストパイプ４１にタービン２１が接続され、インテークパイプ４２にコンプレッサ２２が接続され、エンジン４０の燃焼室４３から排気された排ガスがエギゾーストパイプ４１を通してタービン２１に供給されて、タービン２１を駆動し、吸気はエアクリーナ４４からコンプレッサ２２に導入されて圧縮され、インタークーラ４６で冷却され、吸気スロットル４５を介してエンジン４０の燃焼室４３に導入される。

このターボチャージャ２０は、ベアリングハウジング２８内の軸受部２９の潤滑のためと、排ガスからの受熱による軸受部２９の冷却のために、エンジン４０からの潤滑油を、オイル供給管４７を通してベアリングハウジング２８内に導入し、軸受部２９を潤滑すると共に冷却するようになっており、ベアリングハウジング２８に供給された潤滑油は、潤滑油排出路３１からオイル戻し管４８にてオイルパンへ戻され、再度ベアリングハウジング２８内に循環されるようになっている。

このエンジン４０にターボチャージャ２０を付加したシステムでは、エンジンの低回転域での過給圧の立ち上がりが悪く、低回転時に高トルクが要求されてもエンジンの出力特性が良好でない問題がある。

そこで最近は、ターボチャージャのターボ軸にモータのロータを直結し、高トルクが要求されたときにモータでターボ軸を回転して過給圧を上げ、また逆にタービンの回転でモータを発電機として使用する電動アシストターボチャージャが開発されてる（特許文献１，２）。

特開２００４−１６９６２９号公報 特開２００６−３２０１４３号公報

この電動アシストターボチャージャにおいては、ベアリングハウジングとコンプレッサーハウジングの間にモータを設置したものであるが、モータ駆動時にステータの自己発熱およびタービンからの受熱により、モータの温度が２００℃以上に上昇するため、駆動力低下が生じる問題がある。

図５は、モータの温度が−２０℃、＋２５℃、＋７５℃のときの、トルクに対するモータ速度特性とモータ電流特性を示したもので、モータ温度が高いとモータの電流特性も速度特性も悪くなる。

従ってモータ温度が１００℃以上に上昇した場合には、ブースト立ち上がり時間の遅れが生じ、排ガス性能の悪化、ドライビングレスポンス性の悪化が生じると共に、モータの耐熱性にも問題を生じる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、電動アシストターボチャージャのモータを冷却できる電動アシストターボチャージャの冷却装置を提供することにある。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、ターボチャージャのターボ軸にモータのロータを連結した電動アシストターボチャージャにおいて、ターボ軸を軸承するベアリングハウジングとターボチャージャのコンプレッサハウジングとをモータケースで接続すると共にモータケース内にロータとステータからなるモータを収容し、モータにステータの温度を検出する温度センサを設け、前記ステータ外周のモータケースに主水冷室を形成し、その主水冷室に、エンジンからの冷却水を供給する主冷却ラインを接続すると共にラジエータからの冷却水を直接供給する分岐冷却ラインを接続し、その分岐冷却ラインに流量調整バルブを接続すると共に前記温度センサからの検出値に基づいて前記流量調整バルブを制御するコントローラを設けたことを特徴とする電動アシストターボチャージャの冷却装置である。

請求項２の発明は、ターボチャージャのターボ軸にモータのロータを連結した電動アシストターボチャージャにおいて、ターボ軸を軸承するベアリングハウジングとターボチャージャのコンプレッサハウジングとをモータケースで接続すると共にモータケース内にロータとステータからなるモータを収容し、モータにステータの温度を検出する温度センサを設け、前記ステータ外周のモータケースに主水冷室を形成し、その主水冷室に、エンジンからの冷却水を供給する主冷却ラインを接続すると共にラジエータからの冷却水を直接供給する分岐冷却ラインを接続し、その主冷却ラインと分岐冷却ラインに、両ラインを切り換える三方弁を接続すると共に前記温度センサからの検出値に基づいて前記三方弁を切り換え制御するコントローラを設けたことを特徴とする電動アシストターボチャージャの冷却装置である。

請求項３の発明は、前記ベアリングハウジングに前記主水冷室と連通する副水冷室が形成された請求項１又は２記載の電動アシストターボチャージャの冷却装置である。

請求項４の発明は、前記モータケースの下部に前記主水冷室の冷却水入口が設けられ、ベアリングハウジングの上部に副水冷室の冷却水出口が設けられ、前記主冷却ラインは、エンジン冷却ラインのシリンダブロックから分岐されて前記冷却水入口に接続された主冷却ラインを有し、分岐冷却ラインは、エンジン冷却ラインの冷却水ポンプからエンジンに至るエンジン冷却ラインから分岐されて前記冷却水入口に接続された分岐冷却ラインを有し、さらに、前記主冷却ラインと分岐冷却ラインは、前記冷却水出口とエンジン冷却ラインのラジエータ入口側を結んだ戻し側冷却ラインを有する請求項３記載の電動アシストターボチャージャの冷却装置である。

本発明は、過渡的なステータの温度上昇でもステータを冷却でき、過渡的なモータ駆動力低下を防止できると共にモータを発電機として使用する際には発電効率を向上させることができるという優れた効果を発揮する。

本発明の一実施の形態を示す図である。 本発明の他の実施の形態を示す図である。 従来のターボチャージャを示す断面図である。 従来のターボチャージャをエンジンの吸排気系に組み込んだ図である。 モータの各温度におけるトルクに対する速度特性と電流特性を示す図である。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１において、１０は、電動アシストターボチャージャを示し、モータ１２の構成を除いて、タービンとコンプレッサは、図２で説明したターボチャージャ２０のタービン２１とコンプレッサ２２の構造と基本的に同じであり、同一符号を付すと共にその説明は省略する。

さて、ベアリングハウジング２８とコンプレッサハウジング２７とはモータケース１１で接続され、そのモータケース１１内にモータ１２が設けられて電動アシストターボチャージャ１０が構成される。

モータ１２は、ターボ軸２３に連結されたロータ１３と、そのロータ１３の外周にエアギャップを介して配置されるステータ１４とからなり、そのステータ１４を囲繞するようにモータケース１１が設けられると共にモータケース１１内に主水冷室１５が形成される。

またベアリングハウジング２８には、主水冷室１５と連通する副水冷室１９が形成される。

主水冷室１５を形成するモータケース１１は、外周壁１１ｏと、ベアリングハウジング２８と接する側壁１１ｓと、コンプレッサハウジング２７と接する側壁１１ｒと、その両側壁１１ｓ、１１ｒを連結する内周壁１１ｉとで形成され、その内周壁１１ｉが、ステータ１４と接するステータ外周壁部１６ａと、ステータ１４のコンプレッサハウジング２７側端面中央に沿って延びるステータ端面壁部１６ｂと、ステータ端面壁部１６ｂの内周端とベアリングハウジング２８側の側壁１１ｓとを結ぶ内周壁部１６ｃとで形成される。

主水冷室１５は、コンプレッサハウジング２７と接する側壁１１ｒと内周壁１１ｉのステータ外周壁部１６ａと外周壁１１ｏとで形成される中空リング状の冷却水流路１５ａと、内周壁１１ｉのステータ端面壁部１６ｂと、内周壁部１６ｃとベアリングハウジング２８側の側壁１１ｓとで形成される端面冷却流路１５ｂとで構成される。

このモータケース１１の側壁１１ｓとベアリングハウジング２８との間には、ベアリングハウジング２８からステータ１４の端面への入熱を阻止する断熱ガスケット１８が設けられる。モータケース１１の側壁１１ｓの内周には、オイルシール１７が設けられる。 また、ベアリングハウジング２８の断熱ガスケット１８側には、ターボ軸２３のスラスト荷重を受けるスラスト軸受３２が設けられる。

なお、本実施の形態では、ターボ軸２３を図３と同様に軸受部２９で直接軸承した例を示しているがボールベアリングで軸承するように構成してもよい。

ベアリングハウジング２８に形成される副水冷室１９は、主水冷室１５の上側部と接続され、タービン２１に延びる導入流路１９ａと、タービンハウジング２５側に形成された環状の冷却流路１９ｂとで構成される。

モータケース１１の下部には、主水冷室１５に冷却水を導入する冷却水入口３３が設けられ、ベアリングハウジング２８の上部には、副水冷室１９の環状の冷却流路１９ｂから冷却水を排出する冷却水出口３４が設けられる。

次に、エンジン４０の冷却水系統と、主水冷室１５と副水冷室１９へ供給する冷却水系統を説明する。

先ず、エンジン４０を冷却するエンジン冷却ライン５０は、冷却水ポンプ３７を有し、冷却水ポンプ３７からの冷却水が、オイルクーラ４９を通し、エンジン４０のシリンダブロック４０ｓとシリンダヘッド４０ｈとを通り、ラジエータ３５を通って冷却水ポンプ３７に戻るように構成される。

次に電動アシストターボチャージャ１０の冷却系統は、エンジン冷却ライン５０のシリンダブロック４０ｓからの冷却水を主水冷室１５に供給する主冷却ライン３６と、冷却水ポンプ３７からオイルクーラ４９に至るラインから分岐し、ラジエータ３５で冷却された冷却水を直接主水冷室１５に供給する分岐冷却ライン３８と、冷却水出口３４とエンジン冷却ライン５０のラジエータ３５の入口側を結んだ戻し側冷却ライン３９とで構成される。

主冷却ライン３６には、流量をコントロールする絞り弁５１が接続され、分岐冷却ライン３８には流量調整バルブ５２が接続される。

モータケース１１には、ステータ１４の温度を検出する温度センサ５３が設けられ、その検出値がコントローラ５４に入力され、そのコントローラ５４で流量調整バルブ５２の開度が制御されるようになっている。

なお、ベアリングハウジング２８の軸受部２９とスラスト軸受３２への潤滑油の供給は、図３で説明したようにシリンダブロック４０ｓ、シリンダヘッド４０ｈを通った潤滑油がオイル供給管４７を通してベアリングハウジング２８内に導入され、軸受部２９とスラスト軸受３２を潤滑すると共に冷却し、潤滑油排出路３１からオイル戻し管４８にてオイルパンへ戻されて循環されるようになっている。

次に本実施の形態の作用を説明する。

低負荷時に高トルクが要求され過給圧を上げる際には、モータ１２のステータ１４のコイルに通電してロータ１３を回転し、ターボ軸２３を介してコンプレッサ２２を駆動し、またタービン２１の駆動から発電する際には、ステータ１４のコイルに生じた回生電流でバッテリを充電する。

このモータ１２の駆動時には、ステータ１４が２００℃に発熱するため、主冷却ライン３６と分岐冷却ライン３８からの冷却水をモータケース１１内の主水冷室１５内に流すと共に、ベアリングハウジング２８の副水冷室１９に流すことで、モータ１２の温度を８０℃以下に冷却することができる。

このステータ１４を冷却する際に、温度センサ５３でステータ１４の温度を検出し、その温度が設定温度以上にならないように、流量調整バルブ５２の開度やＯＮ／ＯＦＦのデューティ比を調整して分岐冷却ライン３８からの冷却水の流量を制御することで、ステータ１４を確実に設定温度以下に冷却することができる。すなわち、主冷却ライン３６からの冷却水は、シリンダブロック４０ｓを冷却した後の冷却水であり、その温度が高く、モータ１２が過渡的に高負荷となる場合には冷却不足となるが、この場合は、ラジエータ３５で冷却された低温の冷却水を分岐冷却ライン３８を通して主水冷室１５に供給することで、過渡的にステータ１４の温度が上昇しても直ちに設定温度以下にすることができる。

その後、ステータ１４が冷却不足と判断されなくなるまで温度センサ５３によるフィードバック制御を行い。ステータ１４の温度が設定温度以下となったならば、流量調整バルブ５２を閉とし、主冷却ライン３６からの冷却水で冷却を行うことで、エンジン冷却ライン５０によるエンジン４０の冷却に影響を与えることがない。

また副水冷室１９に流入した冷却水は、タービン２１側からベアリングハウジング２８に伝達される熱をカットする。さらに主水冷室１５では、ステータ１４の端面を冷却する端面冷却流路１５ｂが形成されており、これによりタービン２１からベアリングハウジング２８を通しての伝熱をカットすることができ、またベアリングハウジング２８とモータケース１１の間に設けた断熱ガスケット１８により受熱をカットすることができる。この断熱ガスケット１８は、ベアリングハウジング２８のスラスト軸受３２と隣接するよう設けられており、そのスラスト軸受３２に供給される潤滑油による冷却効果と併せて、タービン２１側からモータ１２に伝わる熱をカットすることができる。

図２は、本発明の他の実施の形態を示したものであり、基本的構成は図１と同じであるが、本実施形態においては、主冷却ライン３６と分岐冷却ライン３８を三方弁５５で接続し、温度センサ５３で検出した温度に応じて、コントローラ５４が三方弁５５を切り換え、過渡期には分岐冷却ライン３８からの冷却水を主水冷室１５に流し、ステータ１４の温度が定常であれば主冷却ライン３６からの冷却水を流すようにしたものである。

この実施の形態では三方弁５５でラインを切り換えるだけですみ、配管系統を簡便化できる。

１０ 電動アシストターボチャージャ
１１ モータケース
１２ モータ
１３ ロータ
１４ ステータ
１５ 主水冷室
１９ 副水冷室
２１ タービン
２２ コンプレッサ
２３ ターボ軸
２７ コンプレッサハウジング
２８ ベアリングハウジング
３６ 主冷却ライン
３８ 分岐冷却ライン
５２ 流量調整バルブ
５３ 温度センサ
５４ コントローラ

Claims (3)

1. ターボチャージャのターボ軸にモータを連結した電動アシストターボチャージャにおいて、
   前記ターボ軸を軸承するベアリングハウジングと、
   前記ターボチャージャのコンプレッサハウジングと、
   前記ベアリングハウジングと前記コンプレッサハウジングとを接続するモータケースと、
   前記モータケース内に収容された、前記ターボ軸に連結されたロータと、ステータと、からなる前記モータと、
   前記ステータの温度を検出する温度センサと、
   前記ステータ外周の前記モータケースに形成された主水冷室と、
   前記主水冷室に、エンジンのラジエータからの冷却水を供給する冷却水ポンプと、
   前記冷却水ポンプによって前記エンジンに供給され、前記エンジンから前記主水冷室に冷却水を供給する主冷却ラインと、
   前記冷却水ポンプによって前記ラジエータからの冷却水を、前記エンジンを介することなく、直接、前記主水冷室に供給する分岐冷却ラインと、
   前記分岐冷却ラインに備えられた流量調整バルブと、
   前記温度センサからの検出値に基づいて前記流量調整バルブを制御するコントローラと、
   前記ベアリングハウジングに形成され、前記主水冷室と連通する副水冷室と、
   前記モータケースの下部に設けられた前記主水冷室の冷却水入口と、
   前記ベアリングハウジングの上部に設けられた前記副水冷室の冷却水出口と、
   を備え、
   前記モータケースは、外周壁と、前記ベアリングハウジングと接する第１側壁と、前記コンプレッサハウジングと接する第２側壁と、前記第１側壁および前記第２側壁を連結する内周壁とで形成され、前記内周壁が、前記ステータと接するステータ外周壁部と、前記ステータのコンプレッサハウジング側端面中央に沿って延びるステータ端面壁部と、前記ステータ端面壁部の内周端と前記ベアリングハウジング側の前記第１側壁とを結ぶ内周壁部とで形成され、
   前記温度センサは、前記ステータ外周壁部の上端に取り付けられている
   ことを特徴とする電動アシストターボチャージャの冷却装置。
2. ターボチャージャのターボ軸にモータを連結した電動アシストターボチャージャにおいて、
   前記ターボ軸を軸承するベアリングハウジングと、
   前記ターボチャージャのコンプレッサハウジングと、
   前記ベアリングハウジングと前記コンプレッサハウジングとを接続するモータケースと、
   前記モータケース内に収容された、前記ターボ軸に連結されたロータと、ステータと、からなる前記モータと、
   前記ステータの温度を検出する温度センサと、
   前記ステータ外周の前記モータケースに形成された主水冷室と、
   前記主水冷室に、エンジンのラジエータからの冷却水を供給する冷却水ポンプと、
   前記冷却水ポンプによって前記エンジンに供給され、前記エンジンから前記主水冷室に冷却水を供給する主冷却ラインと、
   前記冷却水ポンプによって前記ラジエータからの冷却水を、前記エンジンを介することなく、直接、前記主水冷室に供給する分岐冷却ラインと、
   前記主冷却ラインと前記分岐冷却ラインとの合流地点に備えられ、両ラインを切り換える三方弁と、
   前記温度センサからの検出値に基づいて前記三方弁を切り換え制御するコントローラと、
   前記ベアリングハウジングに形成され、前記主水冷室と連通する副水冷室と、
   前記モータケースの下部に設けられた前記主水冷室の冷却水入口と、
   前記ベアリングハウジングの上部に設けられた前記副水冷室の冷却水出口と、
   を備え、
   前記モータケースは、外周壁と、前記ベアリングハウジングと接する第１側壁と、前記コンプレッサハウジングと接する第２側壁と、前記第１側壁および前記第２側壁を連結する内周壁とで形成され、前記内周壁が、前記ステータと接するステータ外周壁部と、前記ステータのコンプレッサハウジング側端面中央に沿って延びるステータ端面壁部と、前記ステータ端面壁部の内周端と前記ベアリングハウジング側の前記第１側壁とを結ぶ内周壁部とで形成され、
   前記温度センサは、前記ステータ外周壁部の上端に取り付けられている
   ことを特徴とする電動アシストターボチャージャの冷却装置。
3. 前記主冷却ラインは、エンジン冷却ラインのシリンダブロックから分岐されて前記冷却水入口に接続された前記主冷却ラインを有し、前記分岐冷却ラインは、前記エンジン冷却ラインの前記冷却水ポンプから前記エンジンに至る前記エンジン冷却ラインから分岐されて前記冷却水入口に接続された前記分岐冷却ラインを有し、さらに、前記主冷却ラインと前記分岐冷却ラインは、前記冷却水出口と前記エンジン冷却ラインの前記ラジエータ入口側を結んだ戻し側冷却ラインを有する請求項１又は２記載の電動アシストターボチャージャの冷却装置。