(57)【要約】内燃エンジン（１４）に結合された電気補助ターボチャージャ（１０）における電気モータの温度を制御する装置は、モータハウジング（２０）内に位置する電気モータを備えたターボチャージャ（１０）を有する。モータハウジング（２０）はモータハウジング入口（４０）及びモータハウジング出口（４６）を有する。ターボチャージャ（１０）はコンプレッサ入口及びコンプレッサ出口（２６）を備えたコンプレッサ（１６）を有する。ターボチャージャはまたタービン（１８）を有する。第１の冷却ホース（３４）はコンプレッサ出口（２６）に結合され、モータハウジング入口（４０）に結合される。第２の冷却ホース（３６）はモータハウジング出口（４６）に結合され、コンプレッサ入口に結合される。
2005527723.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃エンジンに結合された電気補助ターボチャージャにおける電気モータの温度を制御する装置であって、
モータハウジング空気流入口及びモータハウジング空気流出口を有するモータハウジング内に位置する電気モータ、コンプレッサ入口及びコンプレッサ出口を有するコンプレッサ、並びにコンプレッサを駆動するように相互接続されたタービンを有するターボチャージャと、
コンプレッサ出口に結合され、モータハウジング入口に結合された第１の冷却ホースと、
モータハウジング出口に結合され、コンプレッサ入口に結合された第２の冷却ホースと、を含むことを特徴とする装置。
【請求項２】
請求項１の内燃エンジンに結合された電気補助ターボチャージャにおける電気モータの温度を制御する装置であって、更に
モータハウジング出口を通る空気の量を制御する可変オリフィス部材と、
可変オリフィス部材を制御する電気アクチュエータと、
電気モータに電気的に結合され、電気アクチュエータに電気的に結合され、電気モータの作動を制御し、電気アクチュエータの作動を制御する電気モータコントローラと、
モータコントローラに電気的に結合され、電気モータの温度を感知するモータ温度センサと、を含み、
前記電気モータコントローラはモータ温度センサからの信号に基づいて電気アクチュエータを制御するように構成されることを特徴とする装置。
【請求項３】
請求項１の内燃エンジンに結合された電気補助ターボチャージャにおける電気モータの温度を制御する装置であって、更に
モータハウジング出口を通る空気の量を制御する可変オリフィス部材と、
可変オリフィス部材を制御する電気アクチュエータと、
電気モータに電気的に結合され、電気アクチュエータに電気的に結合され、電気モータの作動を制御し、電気アクチュエータの作動を制御する電気モータコントローラと、
電気モータコントローラに電気的に結合され、内燃エンジンの回転速度を感知するエンジン速度センサと、
電気モータコントローラに結合され、ターボチャージャシャフトの回転速度を感知するターボチャージャ速度センサと、
電気モータコントローラに電気的に結合され、内燃エンジンの速度及びターボチャージャの速度に関連するサージ状態の多次元マップを内部に記憶したメモリーと、を含み、
前記電気モータコントローラは、メモリー内に記憶されたサージ状態の多次元マップを考慮して、エンジン速度センサからの及びターボチャージャ速度センサからの信号に基づいて電気アクチュエータを制御するように構成されることを特徴とする装置。
【請求項４】
請求項１の内燃エンジンに結合された電気補助ターボチャージャにおける電気モータの温度を制御する装置であって、更に
モータハウジング出口を通る空気の量を制御する可変オリフィス部材と、
可変オリフィス部材を制御する電気アクチュエータと、
電気モータに電気的に結合され、電気アクチュエータに電気的に結合され、電気モータの作動を制御し、電気アクチュエータの作動を制御する電気モータコントローラと、
電気モータコントローラに電気的に結合され、ターボチャージャへ入る空気の容積を感知する吸入空気センサと、
電気モータコントローラに結合され、コンプレッサ圧力比を感知する圧力比センサと、
電気モータコントローラに電気的に結合され、内燃エンジンの速度及びターボチャージャの速度に関連するサージ状態の多次元マップを内部に記憶したメモリーと、を含み、
前記電気モータコントローラは、メモリー内に記憶されたサージ状態の多次元マップを考慮して、吸入空気センサからの及び圧力比センサからの信号に基づいて電気アクチュエータを制御するように構成されることを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般にターボチャージャの分野に関し、特に電気補助（assist）ターボチャージャ内に位置する電気モータの温度を制御するための空気冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガソリン及びジーゼル内燃エンジンのためのターボチャージャは、エンジンを出る排気ガスの熱及び容積流れを使用することにより、エンジンの燃焼室へ送られる吸入空気流を加圧又は昇圧するために使用されるものとして当業界で知られている装置である。特に、エンジンを出る排気ガスは、排気ガス駆動タービンをハウジング内でスピンさせるような方法で、ターボチャージャのタービンハウジング内へ送られる。排気ガス駆動タービンはシャフトの他端に装着されたラジアル空気コンプレッサにとっては普通のそのシャフトの一端に装着される。従って、タービンの回転作用はまた排気ハウジングとは別のターボチャージャのコンプレッサハウジング内で空気コンプレッサをスピンさせる。空気コンプレッサのスピン作用は、吸入空気をコンプレッサハウジングへ流入させ、燃料と混合されてエンジン燃焼室内で燃焼される前に、吸入空気を所望量だけ加圧又は昇圧する。
【０００３】
タービンの回転作用がエンジンを出る排気ガスの熱及び容積流れに依存するので、ターボチャージャはしばしば、これに結合されたエンジンが低速で運転する場合に、その効果を減少させてしまう。減少した効果はしばしばターボラグ即ちターボ遅れと呼ばれる。排気ガスの熱及び容積流れが小さい場合のターボ遅れを克服するため、シャフトの回転を補助し、コンプレッサのスピンを減少させるために内部に位置する電気モータを利用するようにターボチャージャが構成された。
【０００４】
電気補助ターボチャージャ内で見つかる作動状態はモータをオーバーヒートさせるのに十分高い温度を生じさせることがある。モータのオーバーヒートは電気モータのステータを損傷させることがあり、また、電気モータのロータを恒久的に脱磁化させることがある。さらに、電気補助ターボチャージャは特にコンプレッサのサージ（surge;動揺）体制に入り易い。その理由は、コンプレッサのこのような電気制御が、エンジンの作動状態とは比較的独立な方法で、コンプレッサを機能させることができるからである。
【０００５】
一般的に言えば、コンプレッサのサージは、コンプレッサにより生じた加圧空気が内部の装置抵抗に遭遇して、ターボチャージャを介して加圧空気を戻る方向にしばしば強制送給させるターボチャージャ状態である。サージは異なるターボチャージャ作動状態から生じることがあり、エンジンの減速作動状態中に生じることが知られている。コンプレッササージは一般に、ターボチャージャ及びエンジンの寿命及び性能にとって有害となることのあるノイズから素子の故障までのいくつかの問題を生じさせることのある望ましくない状態である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
それ故、高作動温度による可能性のある電気モータの問題を最小化するような方法で電気補助ターボチャージャを構成することが望ましい。また、サージ状態が生じるのを最小化及び（又は）排除するような方法で電気補助ターボチャージャを形状づけることが望ましい。所望のターボチャージャ性能に悪影響を与えないような方法でこのような利点を提供するように、いかなる電気補助ターボチャージャをも構成することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は内燃エンジンに結合された電気補助ターボチャージャにおける電気モータの温度を制御する装置のためのものである。装置はモータハウジング内に位置する電気モータを備えたターボチャージャを有する。モータハウジングはモータハウジング空気流入口及びモータハウジング空気流出口を有する。ターボチャージャはコンプレッサ空気流入口及びコンプレッサ空気流出口を備えたコンプレッサを有する。ターボチャージャはまたタービンハウジング内に位置するタービンを有する。コンプレッサ出口から下流側に引き出された加圧空気はモータハウジング空気流入口へ送られ、電気モータに対する冷却空気を提供する。冷却空気はモータハウジング空気流出口を介して電気モータから除去され、コンプレッサ入口へ送られる。
【０００８】
本発明の付加的な実施の形態においては、装置はモータハウジング出口に隣接して位置し、モータハウジング出口を通過する空気の量を制御する可変オリフィス部材（fitting）を有する。オリフィスを作動させるための適当なアクチュエータが可変オリフィス部材に結合される。装置はまた、電気モータに電気的に結合され、アクチュエータに電気的に結合された電気モータコントローラを有する。電気モータコントローラは、電気モータの温度を制御する目的で、電気モータの作動及び電気アクチュエータの作動を制御して、電気モータの速度及びそこへ導かれる冷却空気の量を両方管理する。
【０００９】
モータ温度センサは電気モータコントローラに電気的に結合される。モータ温度センサは電気モータの温度を感知し、電気モータコントローラはモータ温度センサから受け取った信号に基づいて可変オリフィス部材を制御する。従って、可変オリフィス部材はモータのオーバーヒートを阻止するのに十分な冷却を許容し、また、エンジンの性能に悪影響を与えることのあるコンプレッサ出力からの過剰の空気の引き出しをも阻止する。
【００１０】
可変オリフィス部材及び電気アクチュエータを利用する付加的な実施の形態においては、エンジン速度センサが電気モータコントローラに電気的に結合され、内燃エンジンの回転速度を感知する。更に、ターボチャージャ速度センサが電気モータコントローラに結合され、ターボチャージャシャフトの回転速度を感知する。メモリーは電気モータコントローラに電気的に結合される。メモリーは内燃エンジン速度及びターボチャージャ速度に関連するサージ状態の多次元マップをその内部に記憶している。電気モータコントローラは、サージを回避するような方法で、メモリー内に記憶されたサージ状態の多次元マップを考慮して、エンジン速度センサからの及びターボチャージャ速度センサからの信号に基づき電気アクチュエータ及び可変オリフィス部材を制御するように構成される。
【００１１】
可変オリフィス部材及び電子アクチュエータを利用する更に付加的な実施の形態においては、吸入空気センサが電気モータコントローラに電気的に結合される。吸入空気センサはターボチャージャへ入る空気の容積を感知する。圧力比センサがまた電気モータコントローラに電気的に結合される。圧力センサはコンプレッサの圧力比を感知する。メモリーは電気モータコントローラに電気的に結合される。メモリーは内燃エンジンの速度及びターボチャージャ速度に関連するサージ状態の多次元マップをその中に記憶している。電気モータコントローラは、サージを回避するような方法で、メモリー内に記憶されたサージ状態の多次元マップを考慮して、吸入空気センサからの及び圧力比センサからの信号に基づき電子アクチュエータ及び可変オリフィス部材を制御するように構成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の態様は添付図面及び次の詳細な説明に関連して考察したときに一層容易に理解される。本発明の電気補助ターボチャージャは、電気モータを冷却し、可能性のある電気モータのオーバーヒートを阻止する目的で、コンプレッサの下流側の加圧空気を受け取るように形状づけられたモータハウジング内に位置する電気モータを有する。更に、本発明の電気補助ターボチャージャは電気モータへ導かれる冷却空気の量を規制して、電気モータ作動温度にわたる制御を可能にすると共に、コンプレッサの背圧の量の減少によるコンプレッササージの回避を可能にする。
【００１３】
図１に示すように、電気補助ターボチャージャ１０は内燃エンジン１４の排気マニホルド１２に隣接して装着される。電気補助ターボチャージャ１０はコンプレッサ１６とタービン１８とを有する。排気マニホルド１２から出る排気ガスはタービン１８をスピンさせる。モータハウジング２０はコンプレッサ１６とタービン１８との間にある。
【００１４】
コンプレッサ１６の入口は第１の空気ホース２４を介して空気フィルタ２２に接続される。空気は第２の空気ホース２６を通って増大した圧力の下でその出口を介してコンプレッサ１６を去る。コンプレッサにより生じた加圧空気は内部クーラー２８を通され、そこで空気が冷却される。空気が内部クーラー２８を通過した後、空気は、第３の空気ホース３０を介して、内燃エンジン１４へ空気を供給する吸入マニホルド３２へ導かれる。
【００１５】
本発明の実施の形態においては、コンプレッサ１６により生じた加圧空気は第１の冷却ホース３４を介して電気補助ターボチャージャ１０のモータハウジング２０へ導かれる。空気は、モータハウジング２０を通過し、第２の冷却ホース３６を通って流出し、このホースは第１の空気ホース２４を介して空気をコンプレッサ入口へ戻るように導く。本発明の付加的な実施の形態においては、第１の冷却ホース３４は第３の空気ホース３０とモータハウジング２０との間を接続し、そのため、第１の冷却ホース３４へ入る空気は、内部クーラーを既に通過している。更に別の実施の形態においては、第１の冷却ホース３４はコンプレッサの上流側から空気を送り、モータ空洞２０内へ空気を送る。付加的な実施の形態においては、空気はコンプレッサホイールの背部の如きコンプレッサの領域から又はコンプレッサスクロール内の領域からモータハウジング２０内へ抽気される。
【００１６】
モータハウジングを通る空気の経路を一層詳細に考察すると、図２に示すように、空気は、第１の冷却ホース３４からモータハウジング空気流入口４０を通ってモータハウジングへ入る。空気は、電気モータのステータ４２及びロータ４４を横切って進み、モータハウジング空気流入口４０とは反対側の円周方向端部に位置するモータハウジング空気流出口４６を通過する。
【００１７】
第１の冷却ホース３４を通ってコンプレッサから来て、モータハウジング２０を通り、一層低い圧力領域である第１の空気ホース２４へ戻る加圧空気により、圧力勾配が発生する。圧力勾配はモータハウジング２０を通って流れる空気を維持する。
【００１８】
本発明の実施の形態においては、モータハウジング入口４０及びモータハウジング出口４６はモータハウジング２０内に正圧を維持するように構成される。入口及び出口はコンプレッサによりチャージされて吸入マニホルド３２へ導かれる空気流に悪影響を与えずにモータを十分に冷却するのに適した寸法である。
【００１９】
図３、図４に示す付加的な実施の形態においては、一層多くのチャージ空気を内燃エンジンから逸らせずに電気モータの十分な冷却を許容するために、圧力勾配は空気流制御手段により制御される。例示的な実施の形態においては、このような空気流制御手段はモータハウジングを通して導かれている空気と空気流連通するように位置した可変オリフィス部材４８である。例示的な実施の形態においては、可変オリフィス部材は電気モータ空気流出口４６に位置する。可変オリフィス部材は電気アクチュエータ５０により制御される。エンジン電子制御ユニット（ＥＣＵ）又は電気モータコントローラに電気的に連通する温度センサ（図示せず）は電気モータのステータに接して位置する。ＥＣＵ又は電気モータコントローラは、最適な冷却空気流を保証するために、電気モータのステータの感知された温度に基づき、アクチュエータを通して可変オリフィス部材を操作する。
【００２０】
更に別の実施の形態においては、可変オリフィス部材はサージ状態を阻止し、改善するために使用される。電気モータコントローラは複数のセンサ（図示せず）に接続される。これらのセンサは多数の異なるエンジン及び（又は）ターボチャージャの作動状態／パラメータを監視するように構成される。本発明の実施の形態においては、センサは、例えば（１）回転数（ＲＰＭ）としてのエンジン速度、（２）エンジン負荷、（３）吸入空気流、（４）コンプレッサ前後のターボチャージャ作動圧力、及び（５）回転数（ＲＰＭ）としてのターボチャージャ速度にアクセスするように構成される。
【００２１】
電気モータコントローラは、複数の確認できるエンジン及びコンプレッサ特性に関連する特定のコンプレッサのサージ状態についての情報を収容する多次元マップを記憶し、読み取る能力を有するように構成される。電気モータコントローラは、コンプレッサがサージ状態に近づくか又はサージ状態に入るときに、アクチュエータ５０を使用して可変開口部材４８を変更するためにセンサにより感知された状態に関連して多次元マップを使用する。一般的に言えば、サージ状態が検出された場合、可変開口部材の寸法を開いてコンプレッサから下流側の昇圧空気の圧力レベルを減少させると共に電気モータへの冷却空気流の量を増大させるような方法でアクチュエータが作動するのが望ましい。
【００２２】
サージ状態を阻止するために可変オリフィス部材を利用する本発明の第１の実施の形態はエンジン速度を監視するように形状づけられたセンサと、ターボチャージャ速度を監視するように形状づけられたセンサとを含む。制御されている特定の電気補助ターボチャージャに対するサージ状態に関してエンジン速度及びターボチャージャ速度を関連づける、即ち、特定のコンプレッサ及びエンジンデザインに対する可能なサージ体系を作図即ちプロットする多次元マップが形成される。
【００２３】
ここで、図５を参照すると、このようなマップは３つの異なる区域、即ち、通常の作動範囲の第１の区域、サージの恐れのある第２の区域及びサージ状態の第３の区域に分割される。図５の多次元マップは仮想のターボチャージャ及びエンジン装置に対する３つのこのような区域を示し、参照の目的で提供される。３つの区域は特定の応用及びターボチャージャデザイン特性即ちコンプレッサデザインに応じてこのようなプロット上の異なる位置を示すことを理解すべきである。
【００２４】
マップは電気モータコントローラによりアクセスされるメモリー内に記憶される。エンジン速度及びターボチャージャ速度が電気モータコントローラに関連する毎に、電気モータコントローラは記憶された多次元マップ上にエンジン速度及びターボチャージャ速度をプロットする。
【００２５】
提供されたセンサ情報から得たプロットが、ターボチャージャが通常の作動範囲にあることを示した場合、可変オリフィス部材はサージ状態の脅威に基づいて変更されない。ターボチャージャが通常の範囲で作動している例示的なシナリオは、エンジンがほぼ４，０００ｒｐｍの速度で作動し、ターボチャージャがほぼ２０，０００ｒｐｍの速度で作動している場合である。図５に示すマップ上でプロットされたとき、これらの作動状態はマップの通常の作動範囲部分内にある地点Ａで示す位置を与える。
【００２６】
しかし、センサ情報から得たプロットがサージの恐れがあることを示した場合、モータコントローラはアクチュエータを作動させ、アクチュエータはサージ状態を阻止するために可変オリフィス部材を作動させる。サージの恐れがある例示的なシナリオは、エンジンが２，０００ｒｐｍの速度で作動し、ターボチャージャが２０，０００ｒｐｍの速度で作動している場合である。図５に示すマップ上でプロットされたとき、このような作動状態はマップのサージ恐れ部分内にある地点Ｂで示す位置を与える。
【００２７】
センサ情報から得たプロットがサージ状態に入ってしまったことを示した場合、モータコントローラはアクチュエータを作動させ、アクチュエータは可変オリフィスを開いてサージ状態を停止させる。可変オリフィスを開くことにより、一層圧縮された空気がモータハウジングを通って流れ、コンプレッサ空気入口空気流内へ戻り、エンジンの吸入マニホルドをバイパスさせる。サージ状態に達してしまった例示的なシナリオは、エンジンがほぼ１，０００ｒｐｍの速度で作動し、ターボチャージャが３０，０００ｒｐｍの速度で作動している場合である。図５に示すマップ上でプロットされたとき、このような作動状態はマップのサージ部分内にある地点Ｃで示す位置を与える。
【００２８】
図５におけるマップは３つの異なるコンプレッサ作動状態を伴う二次元マップを示す。本発明の付加的な実施の形態においては、マップは３つ以上の状態に分割され、各状態は異なる作動過程を有する。更に、マップは２より多い異なるエンジン及び（又は）ターボチャージャ性能パラメータに基づくことができる。
【００２９】
サージ状態を阻止するために可変オリフィス部材を利用する第２の実施の形態においては、空気流センサはコンプレッサへの空気流を感知する。更に、コンプレッサを横切る圧力比が監視される。この代わりの実施の形態においては、多次元マップはコンプレッサにとって特定の情報を含む。
【００３０】
サージ情報は吸入空気流及びコンプレッサ圧力比の関数として多次元マップ内に記憶される。空気流及びコンプレッサ圧力比が電気モータコントローラに関連する毎に、電気モータコントローラは記憶された多次元マップ上に空気流及びコンプレッサ圧力比をプロットする。（エンジン速度及びターボチャージャ速度のために）上記において提供された例示的な実施の形態と同様、プロットが、サージ状態が存在しないか又はそれに近づいていることを示した場合、アクチュエータ及び可変オリフィス部材はサージ状態を阻止するように操作されない。しかし、プロットが、サージ状態が近づいているか又は生じていることを示した場合、電気モータコントローラはアクチュエータを作動させて可変オリフィス部材を開き、一層チャージされた空気が吸入マニホルドから抽気されて低圧コンプレッサ吸入空気流内へ戻るのを許容する。
【００３１】
特許状況に必要な程度に詳細に本発明を説明したが、当業者なら、ここに開示された特定の実施の形態に対する修正及び置換を認識できよう。このような修正は本発明の範囲及び意図に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態に係るターボチャージャ及びエンジン装置の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るターボチャージャの断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るモータハウジングの可変オリフィス部材を制御するアクチュエータを有するターボチャージャの断面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るモータハウジングの可変オリフィス部材を制御するアクチュエータを有するターボチャージャの第２の断面図である。
【図５】エンジン速度（ｘ軸）及びターボチャージャ速度（ｙ軸）の関数としてのサージ状態の多次元マップを示すグラフである。
【図１】
2005527723.tif 000003
【図２】
2005527723.tif 000004
【図３】
2005527723.tif 000005
【図４】
2005527723.tif 000006
【図５】
2005527723.tif 000007
【国際調査報告】
2005527723.tif 000008
2005527723.tif 000009
2005527723.tif 000010