JP6466910B2

JP6466910B2 - 多段電動遠心圧縮機及び内燃機関の過給システム

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Publication number: JP6466910B2
Application number: JP2016504885A
Authority: JP
Inventors: 秉一安; 鈴木　浩; 浩鈴木
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Engine and Turbocharger Ltd
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Priority date: 2014-02-25
Filing date: 2014-02-25
Publication date: 2019-02-06
Anticipated expiration: 2034-02-25
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Description

本開示は、多段電動遠心圧縮機及びこの多段電動遠心圧縮機を備える内燃機関の過給システムに係る。

内燃機関の一例であるエンジンは、ダウンサイジング化が進み、低速トルクアップとレスポンスの向上の要求が高まっている。これらの要求を実現する手段として、電動圧縮機が注目されている。この電動圧縮機を用いた多段電動遠心圧縮機を備えるシステムは、例えば、エンジンの吸気通路及び排気通路に低圧段ターボを備え、低圧段ターボの低圧段コンプレッサよりも下流側の吸気通路に電動圧縮機を備えて構成されたものがある（特許文献１参照）。

この電動２ステージシステムは、第１段目に低圧段ターボによる過給、第２段目に電動圧縮機による過給という２段の過給が行えるように構成されている。

低圧段ターボは、排気通路に配置されて排気により駆動される低圧段タービンと、吸気通路に配置されて低圧段タービンの回転トルクにより駆動される低圧段コンプレッサと、を有して構成される。電動圧縮機は、低圧段コンプレッサよりも下流側の吸気通路に配置され、電動モータの回転トルクにより駆動される高圧段コンプレッサを有して構成される。

この電動２ステージシステムでは、エンジンの運転領域が低回転域である場合、過給遅れが発生しないように、電動圧縮機が駆動して高圧段コンプレッサの回転数を上げて低圧段コンプレッサによる吸気の過給をアシストして、低速時のトルクアップとレスポンスの向上を可能にしている。

特開２０１３−２４０５９号（図６参照）特開２００４−１１４４０号

しかしながら、近年では、エンジンの低速時におけるレスポンスの向上を目的とするターボのアシスト機能の他に、定常運転時にもターボのアシストが要求され、エンジンの使用環境はますます厳しくなっている。このため、従来の電動２ステージシステムによって、このような要求に答えようとすると、電動圧縮機をより高速で回転させる必要が生じ、電動圧縮機の寿命が短くなる虞が生じる。

そこで、特許文献２に記載された１軸２段の遠心圧縮機を使用してもよいが、この遠心圧縮機は、高速回転するため、遠心圧縮機の回転軸の一端側に設けられた低圧段圧縮機の回転による慣性力、及び回転軸の他端側に設けられた高圧段圧縮機の回転による慣性力による影響によって、遠心圧縮機を作動させる駆動手段の制御が難しくなる虞が生じる。

また、特許文献２では、図示された１軸２段の遠心圧縮機は低圧段圧縮機と高圧段圧縮機とで同一の圧縮機を用いている為、低圧段圧縮機と高圧段圧縮機とが同一の過給特性となり、ある回転数から急激に圧力比が上昇し、圧力比の制御が難しくなる虞がある。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも幾つかの実施形態は、１軸２段の遠心圧縮機を使用した場合に、回転軸の駆動手段の制御及び圧力比の制御を容易にすることができる多段電動遠心圧縮機及び内燃機関の過給システムを提供することを目的とする。

本発明の幾つかの実施形態に係わる多段電動遠心圧縮機は、
電動モータの両側に一対の遠心圧縮機を連結し、前記一対の遠心圧縮機は一方が低圧段圧縮機であり、他方が高圧段圧縮機になるように直列接続され、内燃機関への吸気を加圧する多段電動遠心圧縮機であって、
前記低圧段圧縮機及び前記高圧段圧縮機は、前記低圧段圧縮機の圧力比が、前記高圧段圧縮機の圧力比よりも小さくなるように形成され、
前記電動モータの回転数と前記多段電動遠心圧縮機の吐出流量との関係を示すマップと、
内燃機関の作動を制御するエンジン制御装置が、前記内燃機関の出力指令に応じて決定される目標吸気量であって前記内燃機関に供給される吸気の目標吸気量を設定すると、該目標吸気量に対応する信号が送られて、前記目標吸気量と前記吐出流量とを対応させて前記目標吸気量と前記マップとを照合して、前記目標吸気量に対応する前記電動モータの必要回転数を導出する照合手段と、
前記照合手段により導出された前記必要回転数になるように前記電動モータの回転数を制御する制御装置と
を備え、
前記低圧段圧縮機の羽根車の径は前記高圧段圧縮機の羽根車の径よりも小さいように構成される。

上記多段電動遠心圧縮機によれば、低圧段圧縮機及び高圧段圧縮機は、低圧段圧縮機の羽根車の回転によって圧縮された吸気の圧力比と、高圧段圧縮機の羽根車の回転によって圧縮された吸気の圧力比とが互いに異なる大きさになるように形成されているので、低圧段圧縮機の羽根車と高圧段圧縮機の羽根車の回転時には、ブレーキング作用によって、圧力比が大きい方の圧縮機の慣性力と、圧力比が小さい方の圧縮機の慣性力との差分が回転軸に作用する慣性力となると考えられ、慣性力が小さくなる。よって、電動モータの回転制御を容易に行うことが可能な多段電動遠心圧縮機を実現できる。

さらに、上記多段電動遠心圧縮機によれば、低圧段圧縮機及び高圧段圧縮機は、低圧段圧縮機の羽根車の回転によって圧縮された吸気の圧力比と、高圧段圧縮機の羽根車の回転によって圧縮された吸気の圧力比とが互いに異なる大きさになるように形成されているので、ある回転数における低圧段圧縮機と高圧段圧縮機のそれぞれの過給効率が異なる事を利用し、前記ある回転数から回転数を増減させた際の低圧段圧縮機と高圧段圧縮機のそれぞれの圧力比の伸び率を異ならせる事ができ、多段電動遠心圧縮機の圧力比をなだらかに変化させることができる。よって、任意の圧力比制御を容易に行うことが可能な多段電動遠心圧縮機を実現できる。
また、この場合、照合手段により導出された必要回転数になるように、制御手段によって電動モータの回転数が制御されるので、多段遠心圧縮機の吸気圧力又は吸気流量を上位コントローラが要求する吸気圧力又は吸気流量と同一にすることができる。このため、内燃機関の低速時におけるレスポンスの向上や、他の過給機のアシスト機能の他に、定常運転時にも他の過給機のアシストが要求された場合に、電動モータによって回転軸の回転数を容易に制御することができる。

幾つかの実施形態では、
前記低圧段圧縮機の羽根車の径と、前記高圧段圧縮機の羽根車の径は、互いに異なる大きさを有しているように構成される。

この場合、低圧段圧縮機の羽根車の径と、前記高圧段圧縮機の羽根車の径は、互いに異なる大きさを有しているように構成されているので、低圧段圧縮機によって圧縮される吸気の圧力比と、高圧段圧縮機によって圧縮される吸気の圧力比を容易に異なる大きさにすることができる。このため、低圧段圧縮機の羽根車及び高圧段圧縮機の羽根車の回転時に、回転軸に作用する慣性力をより小さくすることができる。よって、電動モータの回転制御を容易に行うことが可能な多段電動遠心圧縮機を実現できる。

さらにこの場合、低圧段圧縮機の羽根車の径と、高圧段圧縮機の羽根車の径は、互いに異なる大きさを有しているように構成されているので、低圧段圧縮機によって圧縮される吸気の圧力比と、高圧段圧縮機によって圧縮される吸気の圧力比を容易に異なる大きさにすることができる。このため、低圧段圧縮機の羽根車及び高圧段圧縮機の羽根車の回転数の増減による多段電動遠心圧縮機の圧力比変動をなだらかにすることができる。よって、任意の圧力比制御を容易に行うことが可能な多段電動遠心圧縮機を実現できる。

幾つかの実施形態では、
前記低圧段圧縮機の羽根車の形状と、前記高圧段圧縮機の羽根車の形状は、互いに異なる形状を有しているように構成される。

この場合、低圧段圧縮機の羽根車の形状と、高圧段圧縮機の羽根車の形状は、互いに異なる形状を有しているので、圧縮機内を流れる吸気の流路のレンジの調整が可能である。このため、低圧段圧縮機によって圧縮される吸気の圧力比と、高圧段圧縮機によって圧縮される吸気の圧力比を容易に異なる大きさにすることができる。このため、低圧段圧縮機の羽根車及び高圧段圧縮機の羽根車の回転時に、回転軸に作用する慣性力をより小さくすることができる。よって、電動モータの回転制御を容易に行うことが可能な多段電動遠心圧縮機を実現できる。

本発明の幾つかの実施形態に係わる内燃機関の過給システムは、
前記多段電動遠心圧縮機の吐出側が他の過給機の吸気側に接続され、
前記多段電動遠心圧縮機の吐出空気を前記ターボ過給機の遠心圧縮機の吸気側に導入するように構成される。

この場合、前記多段電動遠心圧縮機は、電動モータの回転制御を容易に行うことが可能であるので、内燃機関の低速時におけるレスポンスの向上や、他の過給機のアシスト機能の他に、定常運転時にも他の過給機のアシストが要求された場合に、電動モータによって回転軸の回転数を容易に制御することができる。このため、要求に応じた吸気の過給を、他の過給機を介して内燃機関に供給することができる。また、多段電動遠心圧縮機は、低圧段圧縮機によって圧縮された吸気を、高圧段圧縮機に供給して更に圧縮するので、回転軸の一端部のみに圧縮機が設けられた過給機と比較して、より圧力比の高い吸気を得ることができる。このため、多段電動遠心圧縮機の最大回転数を下げても、所望の吸気の過給が可能な内燃機関の過給システムを実現できる。

幾つかの実施形態では、
前記他の過給機は、内燃機関の排気ガスにより回転する排気タービンと、前記排気タービンの回転を受けて回転する遠心圧縮機とを備えるターボチャージャとするように構成される。

この場合、他の過給機は、内燃機関の排気ガスにより回転する排気タービンと、排気タービンの回転を受けて回転する遠心圧縮機とを備えるターボチャージャとすることで、
吸気を３段の圧縮機で圧縮するので、２段の圧縮機で吸気を圧縮する場合と比較して、より高圧の圧力となった吸気を内燃機関に供給することができる。このため、多段電動遠心圧縮機の回転数を下げても、内燃機関に過給される吸気の圧力を所望の圧力とすることができる。よって、多段電動遠心圧縮機の寿命の低下を防止することができる。

本発明の少なくとも幾つかの実施形態によれば、１軸２段の遠心圧縮機を使用した場合に、回転軸の駆動手段の制御及び圧力比の制御を容易にすることができる多段電動遠心圧縮機及び内燃機関の過給システムを提供することができる。

多段電動遠心圧縮機の断面図である。この多段電動遠心圧縮機を備える内燃機関の過給システムの概略構成図である。

以下、添付図面に従って本発明の多段電動遠心圧縮機及び内燃機関の過給システムの実施形態について、図１、図２を参照しながら説明する。先ず、多段電動遠心圧縮機について説明する。なお、この実施形態に記載されている構成部品の材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

多段電動遠心圧縮機１は、図１（断面図）に示すように、回転自在に支持された回転軸３と、回転軸３の一端側に取り付けられた低圧段羽根車１１を備えた低圧段圧縮機１０と、回転軸３の他端側に取り付けられた高圧段羽根車２１を備えた高圧段圧縮機２０と、回転軸３の長手方向中間部に装着された電動モータロータ３０と、を有して構成される。なお、電動モータロータ３０の周囲には、電動モータロータ３０を囲むようにして配置された電動モータステータ（図示せず）が設けられ、電動モータロータ３０及び電動モータステータを有して電動モータ（図示せず）を構成している。

低圧段圧縮機１０は、回転軸３の一端側に取り付けられた低圧段羽根車１１と、この低圧段羽根車１１を囲む低圧段ハウジング１６とを有してなる。低圧段ハウジング１６は、内部に低圧段羽根車１１を回転自在に収容する空間部１７を有する。空間部１７の中央部の一端側には吸気を吸い込む吸入口１７ａが開口し、空間部１７の径方向には吸入口１７ａに連通して低圧段圧縮機１０の周方向に湾曲する流路１７ｃが形成されている。また、低圧段ハウジング１６の幅方向の一方側端部、即ち図１紙面の手前側端部には、流路１７ｃに連通する排出口１７ｂが開口している。吸入口１７ａから流入した吸気は、低圧段羽根車１１によって圧縮されることで昇温し、流路１７ｃを流れ、排出口１７ｂから排出される。

低圧段ハウジング１６の他端側には、低圧段羽根車１１を挿入可能な側面視において円形状の挿入口１８が開口している。挿入口１８は低圧段羽根車１１よりも大きく開口して流路１７ｃの一部を露出させている。低圧段ハウジング１６の挿入口１８側の側面１６ａは、平面状に形成され、側面視において円環状に形成されている。

低圧段ハウジング１６の他端側には、露出した流路１７ｃを塞ぐように低圧段ハウジング１６の側面１６ａに取り付けられた背板３５が設けられている。背板３５の高圧段圧縮機２０側には、電動モータロータ３０及び軸受４０Ｒを保持するモータハウジング４５が取り付けられている。このモータハウジング４５の詳細については後述する。

低圧段羽根車１１は、円板状の背面板１２と、背面板１２の一方側の面から直交する方向に突出して背面板１２に一体的に設けられた円錐台状のボス部１３と、ボス部１３の外周面から背面板１２にかけて放射状に突設された複数の翼１４とを有してなる。ボス部１３の中央部には貫通孔１３ａが設けられ、この貫通孔１３ａに回転軸３が挿通されてナット１５を介して低圧段羽根車１１が回転軸３に取り付けられている。低圧段羽根車１１の径は、後述する高圧段圧縮機２０の高圧段羽根車２１の径よりも小径である。このため、低圧段圧縮機１０の圧力比は、高圧段圧縮機２０の圧力比よりも小さい。なお、高圧段羽根車２１の径が、低圧段羽根車１１の径よりも小径としてもよい。この場合には、高圧段圧縮機２０の圧力比は、低圧段圧縮機１０の圧力比よりも小さくなる。

高圧段圧縮機２０は、低圧段圧縮機１０と同様に構成され、回転軸３の他端側に取り付けられた高圧段羽根車２１と、この高圧段羽根車２１を囲む高圧段ハウジング２６とを有してなる。高圧段ハウジング２６は、内部に高圧段羽根車２１を回転自在に収容する空間部２７を有する。空間部２７の他端側には吸気を吸い込む吸入口２７ａが開口し、空間部２７の径方向には吸入口２７ａに連通して高圧段圧縮機２０の周方向に湾曲する流路２７ｃが形成されている。高圧段ハウジング２６の幅方向一端側端部、即ち、図１紙面の手前側端部には、流路２７ｃに連通する排出口２７ｂが開口している。吸入口２７ａから流入した吸気は、高圧段羽根車２１によって圧縮されることで昇温し、流路２７ｃを流れ、排出口２７ｂから排出される。高圧段ハウジング２６の吸入口２７ａは、吸気連通路２９を介して低圧段ハウジング１６の排出口１７ｂに連通している。

高圧段ハウジング２６の一端側には、高圧段羽根車２１を挿入可能な側面視において円形状の挿入口２８が開口している。挿入口２８は、高圧段羽根車２１よりも大きく開口して流路２７ｃの一部を露出させている。高圧段ハウジング２６の挿入口２８側の側面２６ａは、平面状に形成され、側面視において円環状に形成されている。

高圧段羽根車２１は、低圧段羽根車１１と同様に構成され、円板状の背面板２２と、背面板２２の一方側の面から直交する方向に突出して背面板２２に一体的に設けられた円錐台状のボス部２３と、ボス部２３の外周面から背面板２２に放射状に突設された複数の翼２４とを有してなる。ボス部２３の中央部には貫通孔２３ａが設けられ、この貫通孔２３ａに回転軸３の他端側が挿通されてナット１５を介して高圧段羽根車２１が回転軸３の他端側に取り付けられている。このため、回転軸３の一端側に低圧段羽根車１１が取り付けられ、回転軸３の他端側に高圧段羽根車２１が取り付けられて、低圧段羽根車１１及び高圧段羽根車２１は回転軸３とともに一体となって回転する。

高圧段羽根車２１の径は、前述した低圧段羽根車１１の径よりも大径である。このため、高圧段圧縮機２０の圧力比は、低圧段圧縮機１０の圧力比よりも大きい。なお、前述したように、低圧段羽根車１１の径が高圧段羽根車２１の径よりも大径である場合には、高圧段羽根車２１の圧力比は、低圧段羽根車１１の圧力比よりも小さくなる。

回転軸３の長手方向中間部には、軸方向に間隔を有して配置された一対の軸受４０Ｒ、４０Ｌが設けられている。これらの軸受４０Ｒ、４０Ｌは、グリースタイプの転がり軸受である。これらの軸受４０Ｒ、４０Ｌのうち高圧段圧縮機２０側の軸受４０Ｌは、軸受ハウジング５０に設けられている。

軸受ハウジング５０は、円環状に形成され、その中央部には回転軸３を挿通可能な挿通孔５０ａが設けられ、挿通孔５０ａの低圧段圧縮機１０側には、挿通孔５０ａよりも大径の軸受装着孔５０ｂが設けられている。この軸受装着孔５０ｂに軸受４０Ｌが装着され、軸受４０Ｌに回転軸３が挿通されて、回転軸３は軸受４０Ｌを介して回転自在に支持される。軸受ハウジング５０の高圧段圧縮機２０側の端部には、高圧段ハウジング２６の挿入口２８に嵌合される側面視において円環状の突出段部５１が設けられ、突出段部５１の径方向外側には、高圧段ハウジング２６の側面２６ａに対向して接触する円環状の面部５２が設けられている。軸受ハウジング５０は、高圧段ハウジング２６に挿通されたボルト５３を介して高圧段ハウジング２６に一体的に固定されている。

軸受ハウジング５０の低圧段圧縮機１０側の側面５４には、側面視において円形状の係合凹部５４ａが設けられている。この係合凹部５４ａにモータハウジング４５の高圧段圧縮機２０側の端部が挿入される。

モータハウジング４５の軸受ハウジング５０側には、電動モータロータ３０を回転自在に囲繞するロータ空間部４５ｂが設けられ、ロータ空間部４５ｂよりも低圧段圧縮機１０側には、軸受４０Ｒを装着する軸受装着孔４５ｃが設けられている。ロータ空間部４５ｂに電動モータロータ３０を配置するとともに、軸受装着孔４５ｃに軸受４０Ｒを装着した状態で、回転軸３を電動モータロータ３０及び軸受４０Ｒに挿通すると、回転軸３は回転自在に支持されるとともに、電動モータロータ３０からの駆動力を受けて回転可能である。モータハウジング４５の外周には、径方向外側へ延びる複数のフィン４６が設けられて、電動モータロータ３０や軸受４０Ｒ等から発生する熱を外部に放出可能である。

電動モータロータ３０は、電動モータの回転子であり、図示しないモータコイルによって駆動力を受けて、回転軸３を回転させるように構成され、高速で回転可能である。電動モータロータ３０及び前記モータコイルは、後述するモータ制御装置７４によって制御される。

次に、多段電動遠心圧縮機１の作動について説明する。電動モータロータ３０が駆動すると、回転軸３の回転とともに、低圧段羽根車１１及び高圧段羽根車２１が回転する。低圧段羽根車１１の回転によって、低圧段圧縮機１０の吸入口１７ａから吸気が吸入され、吸入された吸気は低圧段圧縮機１０内の流路１７ｃを通って圧縮されて所定の圧力比となって排出口１７ｂから排出される。

排出口１７ｂから排出された吸気は、吸気連通路２９を流れて高圧段圧縮機２０の吸入口２７ａから高圧段圧縮機２０内に流入する。高圧段圧縮機２０内に流入した吸気は、高圧段圧縮機２０内の流路２７ｃを通ってさらに圧縮されて所定の圧力比となって排出口２７ｂから排出される。

このように、多段電動遠心圧縮機１は、低圧段圧縮機１０によって圧縮された吸気の圧力比と、高圧段圧縮機２０によって圧縮された吸気の圧力比とは、大きさが互いに異なるので、ある回転数における低圧段圧縮機１０と高圧段圧縮機２０のそれぞれの過給効率が異なる事を利用し、前記ある回転数から回転数を増減させた際の低圧段圧縮機１０と高圧段圧縮機２０のそれぞれの圧縮比の伸び率を異ならせる事ができ、多段電動遠心圧縮機１の圧縮比をなだらかに変化させることができる。よって、任意の圧縮比制御を容易に行うことが可能な多段電動遠心圧縮機１を実現できる。

また、多段電動遠心圧縮機１は、低圧段圧縮機１０によって圧縮された吸気の圧力比と、高圧段圧縮機２０によって圧縮された吸気の圧力比とは、大きさが互いに異なるので、低圧段圧縮機１０の低圧段羽根車１１と高圧段圧縮機２０の高圧段羽根車２１の回転時には、ブレーキング作用によって、圧力比が大きい方の高圧段圧縮機２０の慣性力と、圧力比が小さい方の低圧段圧縮機１０の慣性力との差分が回転軸３に作用する慣性力となると考えられ、慣性力を小さくすることができる。よって、電動モータロータ３０の回転制御を容易に行うことが可能な多段電動遠心圧縮機１を実現できる。

次に、前述した多段電動遠心圧縮機１を備える内燃機関の過給システムについて、図１及び図２を参照しながら説明する。本実施形態では、内燃機関としてエンジンを例にして説明する。エンジン６０の過給システムは、図２に示すように、多段電動遠心圧縮機１の高圧段圧縮機２０の吐出側がターボ過給機６２の吸気側に接続されている。ターボ過給機６２は、エンジン６０の排気ガスにより回転する排気タービン６３と、排気タービン６３の回転を受けて回転する遠心圧縮機６５とを備える。多段電動遠心圧縮機１の高圧段圧縮機２０の吐出圧をターボ過給機６２の遠心圧縮機６５の吸気側に導入するように吸気通路６４ｂを介して供給している。

ターボ過給機６２よりも上流側の吸気通路６４ｂは、多段電動遠心圧縮機１の高圧段圧縮機２０の排出口２７ｃに連通する。ターボ過給機６２の遠心圧縮機６５は吸気通路６４ｃを介してエンジン６０の吸気側に連通し、ターボ過給機６２の排気タービン６３は排気通路６１を介してエンジン６０の排気側に連通している。なお、多段電動遠心圧縮機１は前述したので、その説明は省略する。

吸気通路６４ｃには、吸気通路６４ｃを流れる吸気の圧力を検出する吸気圧力センサ７０が設けられている。なお、吸気圧力センサ７０の代わりに吸気の流量を検出する吸気流量センサを使用してもよい。吸気圧力センサ７０は、エンジン６０の作動（点火時期や燃料供給量）を制御するエンジン制御装置７１に電気的に接続されている。エンジン制御装置７１は、アクセル開度センサ７２（アクセルペダル（図示せず）の踏み込み量に比例した信号を出力するセンサ）の信号に応じてエンジン６０に供給される吸気の目標吸気量及び燃料噴射量を設定し、この設定された目標吸気量及び燃料噴射量になるように多段電動遠心圧縮機１及び燃料噴射装置（図示せず）の作動を制御する。

エンジン制御装置７１は、目標吸気量を設定すると、この目標吸気量に対応する信号を照合手段７３に送る。照合手段７３は、電動モータロータ３０の必要回転数と多段電動遠心圧縮機１の吐出流量との関係を予め記憶させマップ７３ａを備え、エンジン制御装置７１から送られる目標吸気量に対応する電動モータロータ３０の必要回転数を導出する。導出された電動モータロータ３０の必要回転数に対応する信号は、電動モータロータ３０の回転を制御するモータ制御装置７４に送られる。モータ制御装置７４は、照合手段７３から送られる電動モータロータ３０の必要回転数になるように電動モータロータ３０の回転を制御する。

このエンジン６０の過給システムによれば、エンジン６０が駆動すると、エンジン６０から排出される排気が排気通路６１を通って排気タービン６３を回転させ、この排気タービン６３の回転を受けて遠心圧縮機６５によって吸気を圧縮してエンジン６０に吸気の過給を行う。また、多段電動遠心圧縮機１の低圧段圧縮機１０に繋がる吸気通路６４ａから吸入された吸気は、低圧段圧縮機１０の吸入口２７ａから流入すると、低圧段圧縮機１０によって圧縮されて所定の圧力となって排出口１７ｂから排出され、吸気連通路２９を流れて高圧段圧縮機２０に供給され、高圧段圧縮機２０によって更に圧縮されてさらに高圧の圧力となる。この高圧の圧力となった吸気が高圧段圧縮機２０と遠心圧縮機６５とを繋ぐ吸気通路６４ｂを流れて遠心圧縮機６５に供給されて、より高圧の圧力となった吸気が遠心圧縮機６５とエンジン６０とを繋ぐ吸気通路６４ｃを流れてエンジン６０に供給される。

ここで、多段電動遠心圧縮機１の電動モータロータ３０の必要回転数は、前述したように、エンジン制御装置が要求する目標吸気量になるように、照合手段がマップから目標吸気量に対応する電動モータロータ３０の必要回転数を選択して導出されたものである。このため、この導出された必要回転数で電動モータロータ３０が回転するので、エンジン６０に供給される吸気を目標吸気量にすることができる。

また、本願のエンジン６０の過給システムは、吸気を３段の圧縮機１０，２０，６５で圧縮するので、２段の圧縮機で吸気を圧縮する場合と比較して、より高圧の圧力となった吸気をエンジン６０に供給することができる。このため、多段電動遠心圧縮機１の回転数を下げても、エンジン６０に過給される吸気の圧力を所望の圧力とすることができる。よって、多段電動遠心圧縮機１の寿命の低下を防止することができる。

また、多段電動遠心圧縮機１を最大の回転数で駆動すれば、より高圧の圧力となった吸気をエンジン６０に過給することができるので、低速運転時でのレスポンスをさらに向上させることができ、また、定常運転時での高出力化や燃費の軽減を実現することができる。また、多段電動遠心圧縮機１は、エンジン６０の運転状況と関係なく電動モータロータ３０の回転制御を容易に行うことが可能であるので、エンジン６０の低速時におけるレスポンスの向上や、ターボ過給機６２のアシスト機能の他に、定常運転時にもターボ過給機６２のアシストが要求された場合に、電動モータロータ３０によって回転軸３の回転数を容易に制御することができる。このため、要求に応じた圧力の吸気を、ターボ過給機６２を介してエンジン６０に供給することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない範囲での種々の変更が可能である。例えば、上述した各種実施形態を適宜組み合わせてもよい。

１多段電動遠心圧縮機
３、６６回転軸
１０低圧段圧縮機
１１低圧段羽根車（羽根車）
１２、２２背面板
１３、２３ボス部
１３ａ、２３ａ貫通孔
１４、２４翼
１５ナット
１６低圧段ハウジング
１６ａ、２６ａ、５４側面
１７、２７空間部
１７ａ、２７ａ吸入口
１７ｂ、２７ｂ流路
１７ｃ、２７ｃ排出口
１８、２８挿入口
２０高圧段圧縮機
２１高圧段羽根車（羽根車）
２６高圧段ハウジング
２９吸気連通路
３０電動モータ
３５背板
４０Ｒ、４０Ｌ軸受
４５モータハウジング
４５ａ、５０ａ挿通孔
４５ｂモータ装着孔
４５ｃ、５０ｂ軸受装着孔
４６フィン
５０軸受ハウジング
５１突出段部
５２面部
５３ボルト
５４ａ係合凹部
６０エンジン（内燃機関）
６１排気通路
６２ターボ過給機
６３排気タービン
６４吸気通路
６５遠心圧縮機
７０吸気圧力センサ
７１エンジン制御装置（上位コントローラ）
７２アクセル開度スイッチ
７３照合手段
７４モータ制御装置（制御装置）

Claims

電動モータの両側に一対の遠心圧縮機を連結し、前記一対の遠心圧縮機は一方が低圧段圧縮機であり、他方が高圧段圧縮機になるように直列接続され、内燃機関への吸気を加圧する多段電動遠心圧縮機であって、
前記低圧段圧縮機及び前記高圧段圧縮機は、前記低圧段圧縮機の圧力比が、前記高圧段圧縮機の圧力比よりも小さくなるように形成され、
前記電動モータの回転数と前記多段電動遠心圧縮機の吐出流量との関係を示すマップと、
内燃機関の作動を制御するエンジン制御装置が、前記内燃機関の出力指令に応じて決定される目標吸気量であって前記内燃機関に供給される吸気の目標吸気量を設定すると、該目標吸気量に対応する信号が送られて、前記目標吸気量と前記吐出流量とを対応させて前記目標吸気量と前記マップとを照合して、前記目標吸気量に対応する前記電動モータの必要回転数を導出する照合手段と、
前記照合手段により導出された前記必要回転数になるように前記電動モータの回転数を制御するモータ制御装置と、
を備え、
前記低圧段圧縮機の羽根車の径は前記高圧段圧縮機の羽根車の径よりも小さいことを特徴とする多段電動遠心圧縮機。
前記低圧段圧縮機の羽根車の形状と、前記高圧段圧縮機の羽根車の形状は、互いに異なる形状を有していることを特徴とする請求項１に記載の多段電動遠心圧縮機。
前記請求項１に記載の多段電動遠心圧縮機の吐出側が他の過給機の吸気側に接続され、
前記多段電動遠心圧縮機の吐出空気を前記ターボ過給機の遠心圧縮機の吸気側に導入するようにしたことを特徴とする内燃機関の過給システム。
前記他の過給機は、内燃機関の排気ガスにより回転する排気タービンと、前記排気タービンの回転を受けて回転する遠心圧縮機とを備えるターボチャージャとしたことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の過給システム。