JP5699541B2 - 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２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内に設けた軸受筒２９で軸承される。ベアリングハウジング２８の上部には、潤滑油を軸受筒２９に供給する潤滑油入口流路３３が設けられ、下部には潤滑油排出路３４が形成される。

図３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内の軸受筒２９の潤滑のためと、排ガスからの受熱による軸受筒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、軸受筒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３４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４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、そのモータケースに、ベアリングハウジング内の潤滑油をステータとロータ間のエアギャップに供給すると共にベアリングハウジングに戻す冷却用油路を形成し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、前記冷却用油路は、ベアリングハウジングとモータケース間に設けられた潤滑油の導入路と排出路と、ロータとステータ間のエアギャップと、コンプレッサハウジングとモータケース間の内周部に形成された潤滑油循環路とから構成される請求項１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３の発明は、ベアリングハウジングには、軸筒部が設けられ、その軸筒部にボールベアリングを介してターボ軸が軸承され、ベアリングハウジング内上部には、ボールベアリングと前記冷却用油路に潤滑油を流す潤滑油入口流路が形成され、ベアリングハウジング内下部には、ボールベアリングからの潤滑油と前記冷却用油路からの潤滑油の潤滑油出口流路が形成される請求項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である。

請求項４の発明は、前記モータケースには、前記ステータの外周を冷却する水冷室が形成される請求項１〜３いずれかに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、モータのステータの冷却性能が向上し、モータ駆動力の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。 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。

ベアリングハウジング２８内の軸受筒２９に支持されるターボ軸２３は、軸受筒２９内の両端に設けたボールベアリング３０、３０で支持され、ボールベアリング３０、３０間にスラストカラー３１が設けられ、またモータケース１１側のボールベアリング３０が端板３２で支持される。

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内に水冷室１５が形成される。

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。

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。

ベアリングハウジング２８の上部には、ボールベアリング３０、３０に潤滑油を供給する潤滑油入口流路３３が形成され、下部には潤滑油排出路３４が形成される。

モータケース１１内には、潤滑油入口流路３３からの潤滑油をステータ１４とロータ１３間のエアギャップｇに供給すると共にベアリングハウジング２８の潤滑油排出路３４に戻す冷却用油路３５が形成される。

この冷却用油路３５は、端板３２に設けられた潤滑油の導入路３５ｉと、端板３２の下部に形成された排出路３５ｏと、ロータ１３とステータ１４間のエアギャップｇと、コンプレッサハウジング２７とモータケース１１間の内周部に形成された潤滑油循環路３５ｎとから構成される。

モータケース１１の下部には、冷却水入口３６が設けられ、上部には冷却水出口３７が設けられ、その冷却水入口３６と冷却水出口３７間にラジエータ３８を含むステータ冷却ライン３９が接続される。

ステータ冷却ライン３９は、エンジン冷却ライン５０から分岐して設けられるようになっている。

エンジン冷却ライン５０は、冷却水ポンプ５１を有し、冷却水ポンプ５１からオイルクーラ５２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３８を通って冷却水ポンプ５１に戻るように構成され、ステータ冷却ライン３９は、エンジン冷却ライン５０のシリンダブロック４０ｓから分岐されて設けられる。シリンダブロック４０ｓからの冷却水は、入口側ステータ冷却ライン３９ａを通して冷却水入口３６に流れ、水冷室１５を通り、冷却水出口３７から出口側ステータ冷却ライン３９ｂを通りシリンダヘッド４０ｈの出口側のエンジン冷却ライン５０に合流するようにされる。

また、ベアリングハウジング２８の軸受筒２９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内の潤滑油入口流路３３に導入され、潤滑油入口流路３３から、軸受筒２９のボールベアリング３０，３０に供給されてボールベアリング３０，３０を潤滑すると共に冷却して潤滑油排出路３４に流れる。また潤滑油入口流路３３に供給された潤滑油は、モータケース１１内に形成された、冷却用油路３５に流れてモータ１２を冷却した後、潤滑油排出路３４に戻る。すなわち、潤滑油入口流路３３からの潤滑油は、端板３２に設けられた潤滑油の導入路３５ｉを通って、エアギャップｇに流れ、そこでロータ１３とステータ１４を冷却して、コンプレッサハウジング２７とモータケース１１間の内周部に形成された潤滑油循環路３５ｎに流れ、再度ロータ１３とステータ１４間のエアギャップｇを流れて、排出路３５ｏから潤滑油排出路３４に流れる。

また、潤滑油排出路３４内に流れた潤滑油は、オイル戻し管４８にてオイルパンへ戻されて再度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、ベアリングハウジング２８内の潤滑油を、その潤滑油入口流路３３から冷却用油路３５に流してモータ１２を冷却し、同時にステータ冷却ライン３９からの冷却水をモータケース１１内の水冷室１５内に流すことで、モータ１２の温度を８０℃以下に冷却することができる。また水冷室１５には、ステータ１４の外周部を冷却する冷却水流路１５ａの他に、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、この端面冷却流路１５ｂにてベアリングハウジング２８から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。

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 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
３３ 潤滑油入口流路
３５ 冷却用油路

Claims (3)

1. 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、そのモータケースに、ベアリングハウジング内の潤滑油をステータとロータ間のエアギャップに供給すると共にベアリングハウジングに戻す冷却用油路を形成してなり、
   前記冷却用油路は、ベアリングハウジングとモータケース間に設けられた端板の上部に形成された潤滑油の導入路と、前記端板の下部に形成された排出路と、ロータとステータ間のエアギャップと、コンプレッサハウジングとモータケース間の内周部に形成された潤滑油循環路とから構成され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. ベアリングハウジングには、軸筒部が設けられ、その軸筒部にボールベアリングを介してターボ軸が軸承され、ベアリングハウジング内上部には、ボールベアリングと前記冷却用油路に潤滑油を流す潤滑油入口流路が形成され、ベアリングハウジング内下部には、ボールベアリングからの潤滑油と前記冷却用油路からの潤滑油の潤滑油出口流路が形成される請求項１に記載の電動アシストターボチャージャの冷却装置。
3. 前記モータケースには、前記ステータの外周を冷却する水冷室が形成される請求項１又は２に記載の電動アシストターボチャージャの冷却装置。

Images