内燃機関用の排気ターボチャージャー及びその制御方法
本発明は、クラッチ（５）を介して排気ターボチャージャーに接続できるモータ（２０）が追加された、コンプレッサ（２）と、タービン（３）と、コンプレッサ（２）及びタービン（３）を回転可能なように固定するシャフト（４）とを有する内燃機関用の排気ターボチャージャー（１）に関する。本発明によれば、ディスク状遠心質量体（１０）によって排気ターボチャージャー（１）を少なくとも一時的に駆動できる。本発明は、排気ターボチャージャー（１）の応答挙動の改善に適しており、主に自動車において使用される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前段による内燃機関用の排気ターボチャージャー、及び、請求項１５の前段による排気ターボチャージャーの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
排気ターボチャージャーは、火花点火式及び自己着火式内燃機関の双方に使用され、シリンダー充填量を増やす。シリンダー充填量の増量により、燃焼空気比が増大して出力が増加し、それゆえ、自己着火式内燃機関での低・中負荷、及び低・中回転速度範囲におけるすすの形成を減少するので、燃焼温度による窒素酸化物排出量の減少をもたらすことができる。
【０００３】
排気ターボチャージャーは一般的に、内燃機関の排気ガス流が利用されるタービンと、固定シャフトを介してタービンによって駆動され吸気を圧縮するコンプレッサとの、固定シャフトによって結合される２つのターボ機械を含む。ターボ機械は内燃機関とは異なる運転挙動を有するので、排気ターボチャージャー及び／又はその周辺機器は、内燃機関の所望の運転制御のために、低・高負荷、及び低・高回転速度範囲の双方において十分な空気が排気ターボチャージャーによって給気可能となるように設計されなければならない。
【０００４】
排気ターボチャージャーは、内燃機関の負荷及び／又は回転速度が急激に増加すると、その質量の慣性モーメントにより遅れて反応する。この応答挙動の遅れは、通称「ターボラグ」として知られ、内燃機関の排気ターボチャージャーが対応する動作点に対して利用できる空気が少なすぎる状態にある。この非定常状態の内燃機関の運転モードにおいて、応答挙動が悪いと加速力が不足し、燃料消費率が悪くなるが、これらは応答挙動の悪さを改善することにより減少できる。
【０００５】
排気ターボチャージャーが内燃機関の最大出力点のために構成されるとすると、排気ターボチャージャーは一般的に低・中負荷、又は、低・中回転速度範囲における高応答には構成が大きくなりすぎ、その質量の慣性モーメントにより、エンジントルク、レスポンス及び燃料消費率の点で、内燃機関の運転挙動に関して不満足な結果を与える。上述の範囲における排気ターボチャージャーの応答挙動を改善するために様々な取り組みが試みられている。
【０００６】
この取り組みの１つは、排気ターボチャージャーを電気式のモータに結合することである。モータは、排気ターボチャージャーに直接固定され、必要な場合に排気ターボチャージャーを加速する。モータの必要な出力レベルは、例えば４気筒エンジンで約１〜２ｋＷである。現在の車両の電気系統は、ここで出力限界にぶつかる。供給されるエネルギーの大部分は、モータ自体を加速するために使用される。排気ターボチャージャーに固定されるモータの回転子が、前記回転子の質量の慣性モーメントにより、モータが作動していない作動範囲における排気ターボチャージャーの原動力を減少する。
【０００７】
特許文献１には、内燃機関用の排気ターボチャージャーが開示されている。排気ターボチャージャーは、排気ガスタービン及びコンプレッサを有する。タービン及びコンプレッサは、シャフトを介して互いに回転可能なように固定される。排気ターボチャージャーには、クラッチを介して電気機械により駆動できる。さらに、排気ターボチャージャーは、クラッチを介して電気機械を駆動できる。
【０００８】
排気ターボチャージャーは、発電機を含み、発電機と内燃機関との間に位置するクラッチを介して内燃機関によって作動される。この過程で得られた電気エネルギーはモータに供給され、次にそれは電動機として作動し、排気ターボチャージャーを駆動する。排気ターボチャージャーを駆動し、この駆動により排気ターボチャージャーの回転速度が増加することによって、コンプレッサは、動作点に適合した、十分な量の空気を内燃機関に供給する、特性ダイアグラム範囲(characteristic diagram range)において作動される。この過程において、発電機はクラッチを介して内燃機関のクランクシャフトに接続されるので、内燃機関のクランクシャフトでモーメントの増大が発生する。その結果、燃料消費率は増加するが、内燃機関の平均有効効率は同じままである。
【０００９】
【特許文献１】欧州特許第０ ３４５ ９９１ Ｂ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、設置スペースをほとんど必要とせず、エネルギー消費が少ないモータを排気ターボチャージャーを取り付けて、排気ターボチャージャーの回転を補助することを目的とする。さらに排気ターボチャージャーの過渡応答挙動を改善し、排気ターボチャージャーの過剰エネルギーを利用する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この目的は、本発明によれば、請求項１の特徴を有する排気ターボチャージャーによって、又は請求項１５の特徴を有する制御方法によって達成される。
【００１２】
本発明によれば、排気ターボチャージャーは、ディスク状遠心質量体（ｍａｓｓ）によって駆動され得る。排気ターボチャージャーを加速するための所要動力は、モータによって満たされる必要がない。なぜなら、排気ターボチャージャーを加速するために必要なエネルギーは、遠心質量体の回転エネルギーによって高出力密度で排気ターボチャージャーに伝達されるからである。必要に応じ、遠心質量体と排気ターボチャージャーとの間が、クラッチによって接続されたり、又は解放されたりする。
【００１３】
請求項２に記載の実施形態において、クラッチは、排気ターボチャージャーのシャフトに回転可能なように固定されているディスクと、電極構造と、ヨークと、コイルとからなる。
【００１４】
請求項３に記載の実施形態において、遠心質量体は、モータによって駆動される。モータは、遠心質量体で発生する摩擦損失を補償する。必要に応じ、モータは、遠心質量体を加速できるか又はエネルギーを生成できる。摩擦損失を補償するため又は遠心質量体を加速するために要する電力は低いので、車両の電気系統への負荷は無視できる程度である。
【００１５】
請求項４に記載のさらなる実施形態において、遠心質量体は、遠心質量体の効果を増すための電極構造を含む。さらに、電極構造は、クラッチの一部を構成し、排気ターボチャージャーはそれを介して遠心質量体又はモータに結合できる。
【００１６】
請求項５に記載のさらなる実施形態において、電極構造は、機能的に信頼できるクラッチのための少なくとも２つのディスクを有する。
【００１７】
請求項６に記載のさらなる実施形態において、電極構造のディスクは、重量的な理由で円環型に構成されている。排気ターボチャージャーを遠心質量体によって加速する場合には、大きな遠心質量体が望ましい。しかしながら、排気ターボチャージャーを加速できるようになる前に、遠心質量体それ自体が加速されるべきである。この過程においては、対照的に、小さな質量体が望ましい。このため、この電極構造のような円環型が、重量の点で最も有利な形状である。
【００１８】
請求項７に記載のさらなる実施形態において、クラッチの構成要素として、回転可能なように排気ターボチャージャーのシャフトに固定されているディスクが、電極構造のディスク間に配置されている。
【００１９】
請求項８に記載のさらなる実施形態において、電極構造のディスクは、歯、及び歯間の間隙を備える歯付き構造であり、一方のディスクの歯は、他方のディスクの歯間の間隙に対向している。歯付き構造、特に歯と、歯間の間隙とを互いに対向するように位置決めすることは、機能的に信頼できるクラッチを設計するために必要である。なぜなら、この設計によって、電極構造の２つのディスク間に位置決めされているディスクにおいて、誘起された磁束を分けて、偏向し、その偏向によってディスクにトルクをかけることができるからである。
【００２０】
請求項９に記載のさらなる実施形態において、電極構造の２つのディスクは、非磁化性ストラップによってまとめられている。回転運動中に発生する遠心力によって、２つのディスクは変形され得る。ストラップ無しでは機能的に信頼できるクラッチを保証することができない。非磁化性ストラップは、２つのディスクが互いに平行に間隔をあけているように、高速回転時でも２つのディスクをまとめている。これにより機能的に信頼できるクラッチを保証する。
【００２１】
請求項１０に記載のさらなる実施形態において、重量及び設置スペースの理由で、遠心質量体は、モータの回転子と、ディスクと、管状要素と、電極構造とからなる。
【００２２】
請求項１１に記載のさらなる実施形態において、電極構造は、遠心質量体の効果を増すため及び遠心質量体の回転速度を増すために、ディスク及び管状要素を介してモータの回転子に回転可能なように固定されている。
【００２３】
請求項１２に記載のさらなる実施形態において、クラッチは、高温からモータを保護するとともに、油の侵入からコンプレッサを保護するために、排気ターボチャージャーのコンプレッサとタービンとの間に配置されている。
【００２４】
請求項１３に記載のさらなる実施形態において、クラッチは、渦電流クラッチ又はヒステリシスクラッチである。これにより、磨耗のない作動及び良好な電気的特性が得られるという利益がもたらされる。
【００２５】
請求項１４に記載の実施形態において、遠心質量体は、排気ターボチャージャーが加速する時に遠心質量体の回転エネルギーを十分に利用できるようにするために、モータによって、又は排気ターボチャージャーによって、定格回転速度に対応する最低回転速度にできる限り保たれる。
【００２６】
請求項１５に記載の排気ターボチャージャーを作動するための本発明による方法において、排気ターボチャージャーの回転速度が遠心質量体の定格回転速度よりも高い場合、モータは、遠心質量体を駆動するために活動状態にあるのではなく、むしろ前記モータは、発電機としてのその運転モードにおいて排気ターボチャージャーでの過剰エネルギーを吸収し、獲得したエネルギーを、例えば、自動車の電気系統に供給し、遠心質量体の駆動は排気ターボチャージャーによって維持される。
【００２７】
請求項１６に記載の本発明による方法のさらなる実施形態において、排気ターボチャージャーの回転速度が遠心質量体の定格回転速度よりも低い作動範囲において排気ターボチャージャーを加速するために、遠心質量体の回転速度が定格回転速度よりも低くなった場合にのみ、モータを使用して遠心質量体を加速して、その後の遠心質量体の回転エネルギーが十分であることを保証する。
【００２８】
請求項１７に記載の本発明による方法の一発展形態において、排気ターボチャージャーの回転速度が遠心質量体の少なくとも定格回転速度に一致する作動範囲において、遠心質量体は、クラッチが閉じられている時に排気ターボチャージャーによって加速されるので、省エネ対策としてモータの電源を切ることができる。
【００２９】
請求項１８に記載の本発明による方法のさらなる実施形態において、排気ターボチャージャーは、排気ターボチャージャーの回転速度が遠心質量体の回転速度よりも低い作動範囲において、遠心質量体によって駆動される。
【００３０】
本発明のさらなる実施形態は、特許請求の範囲、詳細な説明及び図面から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
図１は、内燃機関（詳細は図示せず）、例えば火花点火機関又はディーゼル機関、の排気ターボチャージャー１を示す。自動車に使用される内燃機関は、内燃機関の燃焼室（詳細は図示せず）に空気を供給する、例えば、吸気弁を備える吸気セクション（詳細は図示せず）を有する。空気は燃焼に使用され、燃焼室外又は燃焼室内で燃料油が加えられる。そして燃焼室内の混合気が燃焼する。混合気の燃焼によって、燃焼室から、例えば排気弁（詳細は図示せず）を介して排気システム（詳細は図示せず）へ排出される排気ガスが生成される。その結果、内燃機関の吸排気回路に排気ターボチャージャー１を設置することによって、排気エネルギーをいくらか使用して、燃焼室への空気供給量を増加できる。
【００３２】
内燃機関の排気システムの排気弁の下流には、排気ターボチャージャー１のタービン３を設け、内燃機関の吸気セクションの吸気弁より前の下流には、排気ターボチャージャー１のコンプレッサ２を収容している。タービン３は、内燃機関の排気ガスによって駆動され、シャフト４を介してコンプレッサ２を駆動するので、コンプレッサ２は空気を吸い込み、圧縮できる。シャフト４は回転軸４０を有する。排気ターボチャージャー１の回転構成部品、例えばコンプレッサ２、タービン３及びシャフト４などは、軸受（詳細は図示せず）によって排気ターボチャージャー１のハウジング（詳細は図示せず）に支持される。
【００３３】
コンプレッサ２とタービン３との間のシャフト４には、モータ２０と、排気ターボチャージャー１のシャフト４にモータ２０を接続するクラッチ５と、排気ターボチャージャー１を駆動する遠心質量体１０とを配置している。モータ２０は、クラッチ５を回転させるように固定される。
【００３４】
モータ２０は、円筒形の回転子２１と、回転子２１を取り囲む固定子２３とからなる。シャフト４の回転軸４０は、回転子２１の回転軸４１に対応する。回転子２１とシャフト４との間に、軸受５０、例えば滑り軸受を設け、シャフト４の回転速度とは無関係に回転子２１を回転させる。回転子の回転速度は、シャフト４の回転速度とは異なる。モータ２０を内燃機関を有する車両の電気系統１００に接続する。
【００３５】
コンプレッサの端部に配置されているクラッチ５は、排気ターボチャージャー１のシャフト４に回転の点で固定して接続されている第１のディスク１１と、第１のディスク１１の周辺と分岐した形態で境界を接する電極構造３１と、電極構造３１を取り囲むヨーク１５と、ヨーク１５に収容されているコイル３０とからなる。電極構造３１は、共に回転するクラッチ５の要素とみなすこともできる。クラッチ５の回転部品はディスク状に設計してあるので、遠心力により、材料に排他的に引張応力を生じさせることができる。シャフト４、クラッチ５及び回転子２１は、同じ回転軸４０を有する。
【００３６】
図２は、さらに明瞭にするために排気ターボチャージャー１の分解図を示す。電極構造３１を取り囲むヨーク１５は、２つの円形ディスク状カバー、第１のカバー１５１及び第２のカバー１５２からなり、カバー１５１、１５２は、各々、カバー面に垂直に配置された第１のカラー１５５又は第２のカラー１５６を有している。カバー１５１、１５２の中央には、シャフト４を収容するための第１の円形開口１５３又は第２の円形開口１５４が形成されている。カバー１５１、１５２は、互いに鏡反転の位置にあるので、第１のカラー１５５の第１の端面１５７は、第２のカラー１５６の第２の端面１５８に隣り合う。互いの対面する端面１５７、１５８は、例えば溶接又はハンダ付けによる取り付け後、互いに永久に接続される。
【００３７】
ヨーク１５は、取り付けのために２つの部品で供される。摩擦なしにシャフト４を収容するために、カバー１５１、１５２の２つの開口１５３及び１５４の直径を、シャフト４の直径の大きさとなるよう構成される。同様に、ヨーク１５の開口１５３、１５４にシャフト４の軸受を組み込むこともできる。
【００３８】
ヨーク１５は電極構造３１を収容する。電極構造３１は３つの部品で設計されている。電極構造３１の第１の部品は、歯付き構造４４、外径ＤＲ１を有する第１の環状ディスク３２と、直径ＤＩ１の中空部３７（詳細は図１に示す）とを形成する。電極構造３１の第２の部品（図２に示す）は、歯付き構造４４を同じく有する外径ＤＲ２の第２の環状ディスク３６を形成する。シャフト４と共に回転可能に固定されている第１のディスク１１は、第１の環状ディスク３２と第２の環状ディスク３６との間に配置される。
【００３９】
第１の環状ディスク３２及び第２の環状ディスク３６は、電極構造３１の第３の部品、非磁化性ストラップ３８によって、ディスク面を互いに平行に向き合って配置するように、外周でまとめられている。ストラップ３８が存在しなかったら、クラッチ５の作動中に発生する遠心力によって２つの環状ディスク３２、３６が変形し、もはやクラッチ５の連結機能を保証できなくなる。第１のディスク１１とストラップ３８との間の摩擦を回避するために、第１のディスク１１に対向したストラップ３８に、放射状に凹部１３が設けられている。
【００４０】
第１の環状ディスク３２の外径ＤＲ１及び第２の環状ディスク３６の外径ＤＲ２は、第１のディスク１１の外径ＤＳと一致する。ヨーク１５の内径ＤＪｏｃｈは電極構造３１の外径ＤＰｏｌより大きいので、ヨーク１５には環状隙間１８が残る。この環状隙間１８の存在は、コイル３０を収容するために設けられている。ヨーク１５に収容されているコイル３０は、磁界を生成する働きをする。このために、コイル３０には、自動車の電気系統１００から電流が供給される。
【００４１】
回転電極構造３１とヨーク１５との間のほか、電極構造３１と共に回転するストラップ３８とコイル３０との間にも、空隙５２（図１に詳細を示す）がある。空隙５２によって、電極構造３１とヨーク１５との間の摩擦、又はストラップ３８とコイル３０との間の摩擦を回避できる。
【００４２】
モータ２０のクラッチ５への接続は、シャフト４を収容する第２のディスク３５と、シャフト４を収容し、第２のディスク３５に回転可能なように固定されている管状要素３４とによって実現される。管状要素３４の、モータ２０に面している一端は、回転子２１と回転可能なように固定されている。管状要素３４の、クラッチ５に面している他端は、第２のディスク３５に回転可能なように固定されている。第２のディスク３５は、第１の環状ディスク３２が第２のディスク３５をその中空部３７に収容するように、第１の環状ディスク３２に回転可能なように固定されている。第２のディスク３５は、シャフト４を収容するための開口４９を有する。
【００４３】
第２のディスク３５の、第１の環状ディスク３２の中空部３７へ収容して固定する方法は、例えば、ハメ締めによって行うことができる。さらに、第１の環状ディスク３２と第２のディスク３５を一体的に形成することもでき、その場合第２のディスク３５は、第１の環状ディスク３２と対応する歯付き構造４４を有することもできる。第２のディスク３５に対向している第２の環状ディスク３６の部分は歯付き構造でないので、第２のディスク３５の歯付き構造は意味がないであろうが、これは、歯付き構造を有するクラウンギヤや、クラウンギヤに取り囲まれた歯付き構造のない面を備えるディスクよりも製作技術の点で容易であるからである。
【００４４】
第１のディスク１１と電極構造３１との間には、空隙５１が形成されている。空隙５１は、まず第１に環状ディスク３２、３６と第１のディスク１１との間の摩擦、又はストラップ３８と第１のディスク１１との間の摩擦を回避し、第２に、コイル３０によって誘起される磁束５４のための担体として働く。電極構造３１もまた、単一部品であっても２部品設計であってもよい。これに関連して、環状ディスク３２と３６との間に配置されている第１のディスク１１の取り付けの可能性について、説明する。
【００４５】
図３は、排気ターボチャージャー１の電極構造３１の詳細を示す。第１及び第２の環状ディスク３２、３６は、歯４５、及び歯４５に隣接する歯間の間隙４６を備え、その面が各自第１のディスク１１に面する歯付き構造４４を構成する。歯４５は、軸方向に歯の高さＨＺ、円周方向に歯の長さＬＺを有する。第１及び第２の環状ディスク３２、３６の歯付き構造４４は、第１の環状ディスク３２の歯４５が第２の環状ディスク３６の歯間の間隙４６に対向するように供される。
【００４６】
図４は、電流がコイル３０に流れて作動中に、磁極５３に発生する磁束５４を示す電極構造３１の断面図を示す。磁束５４は、電流が流れるコイル３０（図示せず）によって誘起される。第１の環状ディスク３２及び第２の環状ディスク３６の歯４５が磁極５３となる。磁束５４の磁束の方向によって、磁極５３は、図４にそれぞれＮ及びＳと示されるように、Ｎ極とＳ極に分かれる。コイル３０を流れる電流がないと、磁束５４は誘起されない。
【００４７】
図４において、Ｎ極は第１の環状ディスク３２に、Ｓ極は第２の環状ディスク３６に形成される。磁束５４は、２つの環状ディスク３２、３６間に位置決めされている第１のディスク１１を透過する。この透過、及び環状ディスク３２、３６に互いにずれて配置されている歯によって、電極構造３１の環状ディスク３２、３６の回転速度と異なる回転速度で第１のディスク１１の回転運動がある時、第１のディスク１１の磁化（再磁化）に変化が発生する。
【００４８】
クラッチ５のヒステリシス現象又は渦電流現象を利用することが可能である。電極構造３１の回転運動又は回転速度が一致するかしないかは、クラッチ５に利用されるその現象による。
【００４９】
ヒステリシス現象が使用されると、第１のディスク１１は、略してＢ−Ｈ線図と称される磁束密度Ｂ−磁界の強さＨの線図において、顕著なヒステリシスループを有する半硬質材料からなる。電極構造３１は、軟磁性材料、例えば、鉄でできている。互いにずれている、電極構造３１の歯４５によって、各極５３を透過する磁束５４を２つの部分に分け、部分的に第１のディスク１１を接線方向に通過する。この状況において、磁気的に半硬質材料でできている第１のディスク１１は磁化される。理想的な場合には、極５３から生じる２つの部分的な磁束の方向が、互いに対して１８０度ずれているであろう。
【００５０】
電極構造３１が、例えば、１つの歯の長さＬＺにわたって回転すると、第１のディスク１１のちょうど磁化された場所に、磁束５４が他方向に透過する。第１のディスク１１は、反対方向に磁化する。ヒステリシスループの領域に対応する再磁化によって行われる作業は、再磁化作業と称される。
【００５１】
再磁化作業は、第１のディスク１１にトルクを生成し、電極構造３１と第１のディスク１１との間には電磁的な接続を生じ、その結果、排気ターボチャージャー１は、クラッチ５、及びシャフト４へ回転可能なように固定している第１のディスク１１を介して、最終的にモータ２０に連結される。その場合は、クラッチ５は閉じられたことになる。ヒステリシス現象を利用したクラッチ５の場合、第１のディスク１１及び電極構造３１は、同じ回転速度になると推定される。
【００５２】
渦電流現象が利用されると、第１のディスク１１には、導電性材料、例えば鉄、銅又はアルミニウムなどが使用される。第１のディスク１１が回転する時、磁束５４の局所的に誘起された磁界が、その強度及びその方向に関して変化する。磁界の変化によって局所的に誘起される、磁界に垂直な渦電流によって、順次磁界が生成され、生成される磁界は、適用された磁界とは反対方向に向いている。このことにより、電極構造３１と第１のディスク１１との間に電磁接続を生じるトルクを生み、その結果、最終的に、排気ターボチャージャー１のモータ２０への接続が、クラッチ５、及びシャフトへ回転可能なように固定している第１のディスク１１を介して形成される。その場合は、クラッチ５は閉じられたことになる。
【００５３】
渦電流のクラッチの場合、発生するトルクは、第１のディスク１１と電極構造３１の相対的回転速度に依存する、すなわち、第１のディスク１１の回転速度と電極構造３１の回転速度が近似することない。渦電流のクラッチに使用される材料は、好ましくは、ヒステリシスのクラッチの材料よりもバースト抵抗性があるものである。
【００５４】
双方の現象を利用したものでは、電流がコイル３０を流れないと、電極構造３１に磁束５４は生まれず、モータ２０と排気ターボチャージャー１との間に接続は形成されない。その場合は、クラッチ５は開放されたことになる。
【００５５】
両方のタイプのクラッチのために、コイル３０及び固定子２３は固定式に配置され、磁束５４は、空隙５２を介して電極構造３１に伝わる。管状要素３４及び第２のディスク３５を介して回転子２１に接続される第１の環状ディスク３２は、ストラップ３８によって、第２の環状ディスク３６とまとめられ、前記環状ディスク３２、３６は、回転の結果作用する遠心力による純粋な引張応力を受ける。
【００５６】
モータ２０によって持続的な回転運動を励起される回転性の回転子２１、回転電極構造３１、回転子２１と電極構造３１との間の回転固定式接続を構成する部品（管状要素３４）、及び管状要素３４に回転可能なように固定されている第２のディスク３５は、遠心質量体１０を構成する。排気ターボチャージャー１の回転速度を増すために、遠心質量体１０は、必要な場合には、クラッチ５を介して排気ターボチャージャー１に接続される。
【００５７】
例えば、１０００００ｒ／ｍｉｎの回転速度ｎｋｏｎｔＳの、遠心質量体１０の回転運動を生むためには、モータ２０によって約１００Ｗの電力を印加しなければならず、その結果、先行技術とは対照的に、排気ターボチャージャー１を加速するために必要な電気出力を著しく削減することができる。電力需要は、例えば、軸受（詳細は図示せず）における摩擦損失の低減及び／又は遠心質量体１０の空気抵抗の低減により、さらに減少することができる。遠心質量体１０の空気抵抗の低減は、例えば電極構造３１の歯付間隙４６を非化性材料で充てんすることにより達成できる。また、歯付間隙４６を非磁性材料で充てんすることにより、騒音を低く抑えることができる。
【００５８】
本発明による、回転子２１及びディスク状電極構造３１の遠心質量体１０としての使用は、モータ２０の駆動力が少なくてよく、その結果、本発明による排気ターボチャージャー１に必要な設置スペースが、これまでの設計に比べて著しく削減される。
【００５９】
内燃機関がアイドリング範囲Ｌｌｅｅｒで、又は低部分負荷範囲ＬＴｅｉｌｎで、又は低回転速度ｎｋｌｅｉｎでのエンジンブレーキ状態ＬＳｃｈｕｂで作動している間、クラッチ５は開放され、排気ターボチャージャー１はモータ２０に結合しない。低摩擦損失及び遠心質量体１０に貯蔵された大量の回転エネルギーのおかげで、遠心質量体１０は、遠心質量体１０の定格回転速度ｎＫｏｎｔＳよりも高い回転速度で回転する。ここで、遠心質量体１０はモータ２０に結合していない、すなわちモータ２０によるエネルギー供給を受けずに回転する。
【００６０】
遠心質量体１０がその定格回転速度ｎＫｏｎｔＳよりも低くなるとすぐに、モータ２０は遠心質量体１０を駆動する。モータ２０によって印加される電力は、軸受摩擦損失及び空気抵抗をちょうど克服するのに十分な程度であるべきである。
【００６１】
内燃機関が高部分負荷ＬＴｅｉｌｈ及び低回転速度ｎｋｌｅｉｎで作動している間、遠心質量体１０は、その結果閉じられたクラッチ５を介して排気ターボチャージャー１に接続され、排気ターボチャージャー１の対応する回転速度ｎＡＴＬで駆動される。モータ２０はこの場合、電源が入っていない。
【００６２】
内燃機関が高回転速度ｎｇｒｏｓｓにおいて高部分負荷ＬＴｅｉｌｈで、又は全負荷ＬＶｏｌｌで作動していると、遠心質量体１０は、排気ターボチャージャー１に接続され、排気ターボチャージャー１の対応する回転速度ｎＡＴＬで作動する。排気ターボチャージャー１の回転速度ｎＡＴＬは、遠心質量体１０の連続的な定格回転速度ｎＫｏｎｔＳよりも高いので、モータ２０を利用して発電エネルギーが得られ、例えば、それを自動車車両の電気系統１００に供給できる。
【００６３】
内燃機関が高出力を要求される場合、クラッチ５は閉じられ、遠心質量体１０は排気ターボチャージャー１を加速する。この状況において、遠心質量体１０の定格回転速度ｎＫｏｎｔＳを、加速過程中にモータ２０が遠心質量体１０を再び駆動するまで減少することができるので、遠心質量体１０の定格回転速度ｎＫｏｎｔＳに再び到達する。排気ターボチャージャーの必要な回転速度ｎＡＴＬに到達すると、遠心質量体１０は排気ターボチャージャー１から切り離される。
【００６４】
高回転速度での内燃機関のエンジンブレーキ状態においては、はじめに遠心質量体１０は、エンジンと共に自由に回転し、その回転速度ｎＳが定格回転速度ｎＫｏｎｔＳ未満になるとすぐにモータ２０により駆動されて、遠心質量体１０は定格回転速度ｎＫｏｎｔＳとなる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明による排気ターボチャージャーの概略断面図である。
【図２】本発明による排気ターボチャージャーの分解図である。
【図３】排気ターボチャージャーの電極構造の詳細な斜視図である。
【図４】電流がコイルを流れる時、作動中に発生する磁束線及び磁極を示す電極構造の展開図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前段による内燃機関用の排気ターボチャージャー、及び、請求項１５の前段による排気ターボチャージャーの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
排気ターボチャージャーは、火花点火式及び自己着火式内燃機関の双方に使用され、シリンダー充填量を増やす。シリンダー充填量の増量により、燃焼空気比が増大して出力が増加し、それゆえ、自己着火式内燃機関での低・中負荷、及び低・中回転速度範囲におけるすすの形成を減少するので、燃焼温度による窒素酸化物排出量の減少をもたらすことができる。
【０００３】
排気ターボチャージャーは一般的に、内燃機関の排気ガス流が利用されるタービンと、固定シャフトを介してタービンによって駆動され吸気を圧縮するコンプレッサとの、固定シャフトによって結合される２つのターボ機械を含む。ターボ機械は内燃機関とは異なる運転挙動を有するので、排気ターボチャージャー及び／又はその周辺機器は、内燃機関の所望の運転制御のために、低・高負荷、及び低・高回転速度範囲の双方において十分な空気が排気ターボチャージャーによって給気可能となるように設計されなければならない。
【０００４】
排気ターボチャージャーは、内燃機関の負荷及び／又は回転速度が急激に増加すると、その質量の慣性モーメントにより遅れて反応する。この応答挙動の遅れは、通称「ターボラグ」として知られ、内燃機関の排気ターボチャージャーが対応する動作点に対して利用できる空気が少なすぎる状態にある。この非定常状態の内燃機関の運転モードにおいて、応答挙動が悪いと加速力が不足し、燃料消費率が悪くなるが、これらは応答挙動の悪さを改善することにより減少できる。
【０００５】
排気ターボチャージャーが内燃機関の最大出力点のために構成されるとすると、排気ターボチャージャーは一般的に低・中負荷、又は、低・中回転速度範囲における高応答には構成が大きくなりすぎ、その質量の慣性モーメントにより、エンジントルク、レスポンス及び燃料消費率の点で、内燃機関の運転挙動に関して不満足な結果を与える。上述の範囲における排気ターボチャージャーの応答挙動を改善するために様々な取り組みが試みられている。
【０００６】
この取り組みの１つは、排気ターボチャージャーを電気式のモータに結合することである。モータは、排気ターボチャージャーに直接固定され、必要な場合に排気ターボチャージャーを加速する。モータの必要な出力レベルは、例えば４気筒エンジンで約１〜２ｋＷである。現在の車両の電気系統は、ここで出力限界にぶつかる。供給されるエネルギーの大部分は、モータ自体を加速するために使用される。排気ターボチャージャーに固定されるモータの回転子が、前記回転子の質量の慣性モーメントにより、モータが作動していない作動範囲における排気ターボチャージャーの原動力を減少する。
【０００７】
特許文献１には、内燃機関用の排気ターボチャージャーが開示されている。排気ターボチャージャーは、排気ガスタービン及びコンプレッサを有する。タービン及びコンプレッサは、シャフトを介して互いに回転可能なように固定される。排気ターボチャージャーには、クラッチを介して電気機械により駆動できる。さらに、排気ターボチャージャーは、クラッチを介して電気機械を駆動できる。
【０００８】
排気ターボチャージャーは、発電機を含み、発電機と内燃機関との間に位置するクラッチを介して内燃機関によって作動される。この過程で得られた電気エネルギーはモータに供給され、次にそれは電動機として作動し、排気ターボチャージャーを駆動する。排気ターボチャージャーを駆動し、この駆動により排気ターボチャージャーの回転速度が増加することによって、コンプレッサは、動作点に適合した、十分な量の空気を内燃機関に供給する、特性ダイアグラム範囲(characteristic diagram range)において作動される。この過程において、発電機はクラッチを介して内燃機関のクランクシャフトに接続されるので、内燃機関のクランクシャフトでモーメントの増大が発生する。その結果、燃料消費率は増加するが、内燃機関の平均有効効率は同じままである。
【０００９】
【特許文献１】欧州特許第０ ３４５ ９９１ Ｂ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、設置スペースをほとんど必要とせず、エネルギー消費が少ないモータを排気ターボチャージャーを取り付けて、排気ターボチャージャーの回転を補助することを目的とする。さらに排気ターボチャージャーの過渡応答挙動を改善し、排気ターボチャージャーの過剰エネルギーを利用する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この目的は、本発明によれば、請求項１の特徴を有する排気ターボチャージャーによって、又は請求項１５の特徴を有する制御方法によって達成される。
【００１２】
本発明によれば、排気ターボチャージャーは、ディスク状遠心質量体（ｍａｓｓ）によって駆動され得る。排気ターボチャージャーを加速するための所要動力は、モータによって満たされる必要がない。なぜなら、排気ターボチャージャーを加速するために必要なエネルギーは、遠心質量体の回転エネルギーによって高出力密度で排気ターボチャージャーに伝達されるからである。必要に応じ、遠心質量体と排気ターボチャージャーとの間が、クラッチによって接続されたり、又は解放されたりする。
【００１３】
請求項２に記載の実施形態において、クラッチは、排気ターボチャージャーのシャフトに回転可能なように固定されているディスクと、電極構造と、ヨークと、コイルとからなる。
【００１４】
請求項３に記載の実施形態において、遠心質量体は、モータによって駆動される。モータは、遠心質量体で発生する摩擦損失を補償する。必要に応じ、モータは、遠心質量体を加速できるか又はエネルギーを生成できる。摩擦損失を補償するため又は遠心質量体を加速するために要する電力は低いので、車両の電気系統への負荷は無視できる程度である。
【００１５】
請求項４に記載のさらなる実施形態において、遠心質量体は、遠心質量体の効果を増すための電極構造を含む。さらに、電極構造は、クラッチの一部を構成し、排気ターボチャージャーはそれを介して遠心質量体又はモータに結合できる。
【００１６】
請求項５に記載のさらなる実施形態において、電極構造は、機能的に信頼できるクラッチのための少なくとも２つのディスクを有する。
【００１７】
請求項６に記載のさらなる実施形態において、電極構造のディスクは、重量的な理由で円環型に構成されている。排気ターボチャージャーを遠心質量体によって加速する場合には、大きな遠心質量体が望ましい。しかしながら、排気ターボチャージャーを加速できるようになる前に、遠心質量体それ自体が加速されるべきである。この過程においては、対照的に、小さな質量体が望ましい。このため、この電極構造のような円環型が、重量の点で最も有利な形状である。
【００１８】
請求項７に記載のさらなる実施形態において、クラッチの構成要素として、回転可能なように排気ターボチャージャーのシャフトに固定されているディスクが、電極構造のディスク間に配置されている。
【００１９】
請求項８に記載のさらなる実施形態において、電極構造のディスクは、歯、及び歯間の間隙を備える歯付き構造であり、一方のディスクの歯は、他方のディスクの歯間の間隙に対向している。歯付き構造、特に歯と、歯間の間隙とを互いに対向するように位置決めすることは、機能的に信頼できるクラッチを設計するために必要である。なぜなら、この設計によって、電極構造の２つのディスク間に位置決めされているディスクにおいて、誘起された磁束を分けて、偏向し、その偏向によってディスクにトルクをかけることができるからである。
【００２０】
請求項９に記載のさらなる実施形態において、電極構造の２つのディスクは、非磁化性ストラップによってまとめられている。回転運動中に発生する遠心力によって、２つのディスクは変形され得る。ストラップ無しでは機能的に信頼できるクラッチを保証することができない。非磁化性ストラップは、２つのディスクが互いに平行に間隔をあけているように、高速回転時でも２つのディスクをまとめている。これにより機能的に信頼できるクラッチを保証する。
【００２１】
請求項１０に記載のさらなる実施形態において、重量及び設置スペースの理由で、遠心質量体は、モータの回転子と、ディスクと、管状要素と、電極構造とからなる。
【００２２】
請求項１１に記載のさらなる実施形態において、電極構造は、遠心質量体の効果を増すため及び遠心質量体の回転速度を増すために、ディスク及び管状要素を介してモータの回転子に回転可能なように固定されている。
【００２３】
請求項１２に記載のさらなる実施形態において、クラッチは、高温からモータを保護するとともに、油の侵入からコンプレッサを保護するために、排気ターボチャージャーのコンプレッサとタービンとの間に配置されている。
【００２４】
請求項１３に記載のさらなる実施形態において、クラッチは、渦電流クラッチ又はヒステリシスクラッチである。これにより、磨耗のない作動及び良好な電気的特性が得られるという利益がもたらされる。
【００２５】
請求項１４に記載の実施形態において、遠心質量体は、排気ターボチャージャーが加速する時に遠心質量体の回転エネルギーを十分に利用できるようにするために、モータによって、又は排気ターボチャージャーによって、定格回転速度に対応する最低回転速度にできる限り保たれる。
【００２６】
請求項１５に記載の排気ターボチャージャーを作動するための本発明による方法において、排気ターボチャージャーの回転速度が遠心質量体の定格回転速度よりも高い場合、モータは、遠心質量体を駆動するために活動状態にあるのではなく、むしろ前記モータは、発電機としてのその運転モードにおいて排気ターボチャージャーでの過剰エネルギーを吸収し、獲得したエネルギーを、例えば、自動車の電気系統に供給し、遠心質量体の駆動は排気ターボチャージャーによって維持される。
【００２７】
請求項１６に記載の本発明による方法のさらなる実施形態において、排気ターボチャージャーの回転速度が遠心質量体の定格回転速度よりも低い作動範囲において排気ターボチャージャーを加速するために、遠心質量体の回転速度が定格回転速度よりも低くなった場合にのみ、モータを使用して遠心質量体を加速して、その後の遠心質量体の回転エネルギーが十分であることを保証する。
【００２８】
請求項１７に記載の本発明による方法の一発展形態において、排気ターボチャージャーの回転速度が遠心質量体の少なくとも定格回転速度に一致する作動範囲において、遠心質量体は、クラッチが閉じられている時に排気ターボチャージャーによって加速されるので、省エネ対策としてモータの電源を切ることができる。
【００２９】
請求項１８に記載の本発明による方法のさらなる実施形態において、排気ターボチャージャーは、排気ターボチャージャーの回転速度が遠心質量体の回転速度よりも低い作動範囲において、遠心質量体によって駆動される。
【００３０】
本発明のさらなる実施形態は、特許請求の範囲、詳細な説明及び図面から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
図１は、内燃機関（詳細は図示せず）、例えば火花点火機関又はディーゼル機関、の排気ターボチャージャー１を示す。自動車に使用される内燃機関は、内燃機関の燃焼室（詳細は図示せず）に空気を供給する、例えば、吸気弁を備える吸気セクション（詳細は図示せず）を有する。空気は燃焼に使用され、燃焼室外又は燃焼室内で燃料油が加えられる。そして燃焼室内の混合気が燃焼する。混合気の燃焼によって、燃焼室から、例えば排気弁（詳細は図示せず）を介して排気システム（詳細は図示せず）へ排出される排気ガスが生成される。その結果、内燃機関の吸排気回路に排気ターボチャージャー１を設置することによって、排気エネルギーをいくらか使用して、燃焼室への空気供給量を増加できる。
【００３２】
内燃機関の排気システムの排気弁の下流には、排気ターボチャージャー１のタービン３を設け、内燃機関の吸気セクションの吸気弁より前の下流には、排気ターボチャージャー１のコンプレッサ２を収容している。タービン３は、内燃機関の排気ガスによって駆動され、シャフト４を介してコンプレッサ２を駆動するので、コンプレッサ２は空気を吸い込み、圧縮できる。シャフト４は回転軸４０を有する。排気ターボチャージャー１の回転構成部品、例えばコンプレッサ２、タービン３及びシャフト４などは、軸受（詳細は図示せず）によって排気ターボチャージャー１のハウジング（詳細は図示せず）に支持される。
【００３３】
コンプレッサ２とタービン３との間のシャフト４には、モータ２０と、排気ターボチャージャー１のシャフト４にモータ２０を接続するクラッチ５と、排気ターボチャージャー１を駆動する遠心質量体１０とを配置している。モータ２０は、クラッチ５を回転させるように固定される。
【００３４】
モータ２０は、円筒形の回転子２１と、回転子２１を取り囲む固定子２３とからなる。シャフト４の回転軸４０は、回転子２１の回転軸４１に対応する。回転子２１とシャフト４との間に、軸受５０、例えば滑り軸受を設け、シャフト４の回転速度とは無関係に回転子２１を回転させる。回転子の回転速度は、シャフト４の回転速度とは異なる。モータ２０を内燃機関を有する車両の電気系統１００に接続する。
【００３５】
コンプレッサの端部に配置されているクラッチ５は、排気ターボチャージャー１のシャフト４に回転の点で固定して接続されている第１のディスク１１と、第１のディスク１１の周辺と分岐した形態で境界を接する電極構造３１と、電極構造３１を取り囲むヨーク１５と、ヨーク１５に収容されているコイル３０とからなる。電極構造３１は、共に回転するクラッチ５の要素とみなすこともできる。クラッチ５の回転部品はディスク状に設計してあるので、遠心力により、材料に排他的に引張応力を生じさせることができる。シャフト４、クラッチ５及び回転子２１は、同じ回転軸４０を有する。
【００３６】
図２は、さらに明瞭にするために排気ターボチャージャー１の分解図を示す。電極構造３１を取り囲むヨーク１５は、２つの円形ディスク状カバー、第１のカバー１５１及び第２のカバー１５２からなり、カバー１５１、１５２は、各々、カバー面に垂直に配置された第１のカラー１５５又は第２のカラー１５６を有している。カバー１５１、１５２の中央には、シャフト４を収容するための第１の円形開口１５３又は第２の円形開口１５４が形成されている。カバー１５１、１５２は、互いに鏡反転の位置にあるので、第１のカラー１５５の第１の端面１５７は、第２のカラー１５６の第２の端面１５８に隣り合う。互いの対面する端面１５７、１５８は、例えば溶接又はハンダ付けによる取り付け後、互いに永久に接続される。
【００３７】
ヨーク１５は、取り付けのために２つの部品で供される。摩擦なしにシャフト４を収容するために、カバー１５１、１５２の２つの開口１５３及び１５４の直径を、シャフト４の直径の大きさとなるよう構成される。同様に、ヨーク１５の開口１５３、１５４にシャフト４の軸受を組み込むこともできる。
【００３８】
ヨーク１５は電極構造３１を収容する。電極構造３１は３つの部品で設計されている。電極構造３１の第１の部品は、歯付き構造４４、外径ＤＲ１を有する第１の環状ディスク３２と、直径ＤＩ１の中空部３７（詳細は図１に示す）とを形成する。電極構造３１の第２の部品（図２に示す）は、歯付き構造４４を同じく有する外径ＤＲ２の第２の環状ディスク３６を形成する。シャフト４と共に回転可能に固定されている第１のディスク１１は、第１の環状ディスク３２と第２の環状ディスク３６との間に配置される。
【００３９】
第１の環状ディスク３２及び第２の環状ディスク３６は、電極構造３１の第３の部品、非磁化性ストラップ３８によって、ディスク面を互いに平行に向き合って配置するように、外周でまとめられている。ストラップ３８が存在しなかったら、クラッチ５の作動中に発生する遠心力によって２つの環状ディスク３２、３６が変形し、もはやクラッチ５の連結機能を保証できなくなる。第１のディスク１１とストラップ３８との間の摩擦を回避するために、第１のディスク１１に対向したストラップ３８に、放射状に凹部１３が設けられている。
【００４０】
第１の環状ディスク３２の外径ＤＲ１及び第２の環状ディスク３６の外径ＤＲ２は、第１のディスク１１の外径ＤＳと一致する。ヨーク１５の内径ＤＪｏｃｈは電極構造３１の外径ＤＰｏｌより大きいので、ヨーク１５には環状隙間１８が残る。この環状隙間１８の存在は、コイル３０を収容するために設けられている。ヨーク１５に収容されているコイル３０は、磁界を生成する働きをする。このために、コイル３０には、自動車の電気系統１００から電流が供給される。
【００４１】
回転電極構造３１とヨーク１５との間のほか、電極構造３１と共に回転するストラップ３８とコイル３０との間にも、空隙５２（図１に詳細を示す）がある。空隙５２によって、電極構造３１とヨーク１５との間の摩擦、又はストラップ３８とコイル３０との間の摩擦を回避できる。
【００４２】
モータ２０のクラッチ５への接続は、シャフト４を収容する第２のディスク３５と、シャフト４を収容し、第２のディスク３５に回転可能なように固定されている管状要素３４とによって実現される。管状要素３４の、モータ２０に面している一端は、回転子２１と回転可能なように固定されている。管状要素３４の、クラッチ５に面している他端は、第２のディスク３５に回転可能なように固定されている。第２のディスク３５は、第１の環状ディスク３２が第２のディスク３５をその中空部３７に収容するように、第１の環状ディスク３２に回転可能なように固定されている。第２のディスク３５は、シャフト４を収容するための開口４９を有する。
【００４３】
第２のディスク３５の、第１の環状ディスク３２の中空部３７へ収容して固定する方法は、例えば、ハメ締めによって行うことができる。さらに、第１の環状ディスク３２と第２のディスク３５を一体的に形成することもでき、その場合第２のディスク３５は、第１の環状ディスク３２と対応する歯付き構造４４を有することもできる。第２のディスク３５に対向している第２の環状ディスク３６の部分は歯付き構造でないので、第２のディスク３５の歯付き構造は意味がないであろうが、これは、歯付き構造を有するクラウンギヤや、クラウンギヤに取り囲まれた歯付き構造のない面を備えるディスクよりも製作技術の点で容易であるからである。
【００４４】
第１のディスク１１と電極構造３１との間には、空隙５１が形成されている。空隙５１は、まず第１に環状ディスク３２、３６と第１のディスク１１との間の摩擦、又はストラップ３８と第１のディスク１１との間の摩擦を回避し、第２に、コイル３０によって誘起される磁束５４のための担体として働く。電極構造３１もまた、単一部品であっても２部品設計であってもよい。これに関連して、環状ディスク３２と３６との間に配置されている第１のディスク１１の取り付けの可能性について、説明する。
【００４５】
図３は、排気ターボチャージャー１の電極構造３１の詳細を示す。第１及び第２の環状ディスク３２、３６は、歯４５、及び歯４５に隣接する歯間の間隙４６を備え、その面が各自第１のディスク１１に面する歯付き構造４４を構成する。歯４５は、軸方向に歯の高さＨＺ、円周方向に歯の長さＬＺを有する。第１及び第２の環状ディスク３２、３６の歯付き構造４４は、第１の環状ディスク３２の歯４５が第２の環状ディスク３６の歯間の間隙４６に対向するように供される。
【００４６】
図４は、電流がコイル３０に流れて作動中に、磁極５３に発生する磁束５４を示す電極構造３１の断面図を示す。磁束５４は、電流が流れるコイル３０（図示せず）によって誘起される。第１の環状ディスク３２及び第２の環状ディスク３６の歯４５が磁極５３となる。磁束５４の磁束の方向によって、磁極５３は、図４にそれぞれＮ及びＳと示されるように、Ｎ極とＳ極に分かれる。コイル３０を流れる電流がないと、磁束５４は誘起されない。
【００４７】
図４において、Ｎ極は第１の環状ディスク３２に、Ｓ極は第２の環状ディスク３６に形成される。磁束５４は、２つの環状ディスク３２、３６間に位置決めされている第１のディスク１１を透過する。この透過、及び環状ディスク３２、３６に互いにずれて配置されている歯によって、電極構造３１の環状ディスク３２、３６の回転速度と異なる回転速度で第１のディスク１１の回転運動がある時、第１のディスク１１の磁化（再磁化）に変化が発生する。
【００４８】
クラッチ５のヒステリシス現象又は渦電流現象を利用することが可能である。電極構造３１の回転運動又は回転速度が一致するかしないかは、クラッチ５に利用されるその現象による。
【００４９】
ヒステリシス現象が使用されると、第１のディスク１１は、略してＢ−Ｈ線図と称される磁束密度Ｂ−磁界の強さＨの線図において、顕著なヒステリシスループを有する半硬質材料からなる。電極構造３１は、軟磁性材料、例えば、鉄でできている。互いにずれている、電極構造３１の歯４５によって、各極５３を透過する磁束５４を２つの部分に分け、部分的に第１のディスク１１を接線方向に通過する。この状況において、磁気的に半硬質材料でできている第１のディスク１１は磁化される。理想的な場合には、極５３から生じる２つの部分的な磁束の方向が、互いに対して１８０度ずれているであろう。
【００５０】
電極構造３１が、例えば、１つの歯の長さＬＺにわたって回転すると、第１のディスク１１のちょうど磁化された場所に、磁束５４が他方向に透過する。第１のディスク１１は、反対方向に磁化する。ヒステリシスループの領域に対応する再磁化によって行われる作業は、再磁化作業と称される。
【００５１】
再磁化作業は、第１のディスク１１にトルクを生成し、電極構造３１と第１のディスク１１との間には電磁的な接続を生じ、その結果、排気ターボチャージャー１は、クラッチ５、及びシャフト４へ回転可能なように固定している第１のディスク１１を介して、最終的にモータ２０に連結される。その場合は、クラッチ５は閉じられたことになる。ヒステリシス現象を利用したクラッチ５の場合、第１のディスク１１及び電極構造３１は、同じ回転速度になると推定される。
【００５２】
渦電流現象が利用されると、第１のディスク１１には、導電性材料、例えば鉄、銅又はアルミニウムなどが使用される。第１のディスク１１が回転する時、磁束５４の局所的に誘起された磁界が、その強度及びその方向に関して変化する。磁界の変化によって局所的に誘起される、磁界に垂直な渦電流によって、順次磁界が生成され、生成される磁界は、適用された磁界とは反対方向に向いている。このことにより、電極構造３１と第１のディスク１１との間に電磁接続を生じるトルクを生み、その結果、最終的に、排気ターボチャージャー１のモータ２０への接続が、クラッチ５、及びシャフトへ回転可能なように固定している第１のディスク１１を介して形成される。その場合は、クラッチ５は閉じられたことになる。
【００５３】
渦電流のクラッチの場合、発生するトルクは、第１のディスク１１と電極構造３１の相対的回転速度に依存する、すなわち、第１のディスク１１の回転速度と電極構造３１の回転速度が近似することない。渦電流のクラッチに使用される材料は、好ましくは、ヒステリシスのクラッチの材料よりもバースト抵抗性があるものである。
【００５４】
双方の現象を利用したものでは、電流がコイル３０を流れないと、電極構造３１に磁束５４は生まれず、モータ２０と排気ターボチャージャー１との間に接続は形成されない。その場合は、クラッチ５は開放されたことになる。
【００５５】
両方のタイプのクラッチのために、コイル３０及び固定子２３は固定式に配置され、磁束５４は、空隙５２を介して電極構造３１に伝わる。管状要素３４及び第２のディスク３５を介して回転子２１に接続される第１の環状ディスク３２は、ストラップ３８によって、第２の環状ディスク３６とまとめられ、前記環状ディスク３２、３６は、回転の結果作用する遠心力による純粋な引張応力を受ける。
【００５６】
モータ２０によって持続的な回転運動を励起される回転性の回転子２１、回転電極構造３１、回転子２１と電極構造３１との間の回転固定式接続を構成する部品（管状要素３４）、及び管状要素３４に回転可能なように固定されている第２のディスク３５は、遠心質量体１０を構成する。排気ターボチャージャー１の回転速度を増すために、遠心質量体１０は、必要な場合には、クラッチ５を介して排気ターボチャージャー１に接続される。
【００５７】
例えば、１０００００ｒ／ｍｉｎの回転速度ｎｋｏｎｔＳの、遠心質量体１０の回転運動を生むためには、モータ２０によって約１００Ｗの電力を印加しなければならず、その結果、先行技術とは対照的に、排気ターボチャージャー１を加速するために必要な電気出力を著しく削減することができる。電力需要は、例えば、軸受（詳細は図示せず）における摩擦損失の低減及び／又は遠心質量体１０の空気抵抗の低減により、さらに減少することができる。遠心質量体１０の空気抵抗の低減は、例えば電極構造３１の歯付間隙４６を非化性材料で充てんすることにより達成できる。また、歯付間隙４６を非磁性材料で充てんすることにより、騒音を低く抑えることができる。
【００５８】
本発明による、回転子２１及びディスク状電極構造３１の遠心質量体１０としての使用は、モータ２０の駆動力が少なくてよく、その結果、本発明による排気ターボチャージャー１に必要な設置スペースが、これまでの設計に比べて著しく削減される。
【００５９】
内燃機関がアイドリング範囲Ｌｌｅｅｒで、又は低部分負荷範囲ＬＴｅｉｌｎで、又は低回転速度ｎｋｌｅｉｎでのエンジンブレーキ状態ＬＳｃｈｕｂで作動している間、クラッチ５は開放され、排気ターボチャージャー１はモータ２０に結合しない。低摩擦損失及び遠心質量体１０に貯蔵された大量の回転エネルギーのおかげで、遠心質量体１０は、遠心質量体１０の定格回転速度ｎＫｏｎｔＳよりも高い回転速度で回転する。ここで、遠心質量体１０はモータ２０に結合していない、すなわちモータ２０によるエネルギー供給を受けずに回転する。
【００６０】
遠心質量体１０がその定格回転速度ｎＫｏｎｔＳよりも低くなるとすぐに、モータ２０は遠心質量体１０を駆動する。モータ２０によって印加される電力は、軸受摩擦損失及び空気抵抗をちょうど克服するのに十分な程度であるべきである。
【００６１】
内燃機関が高部分負荷ＬＴｅｉｌｈ及び低回転速度ｎｋｌｅｉｎで作動している間、遠心質量体１０は、その結果閉じられたクラッチ５を介して排気ターボチャージャー１に接続され、排気ターボチャージャー１の対応する回転速度ｎＡＴＬで駆動される。モータ２０はこの場合、電源が入っていない。
【００６２】
内燃機関が高回転速度ｎｇｒｏｓｓにおいて高部分負荷ＬＴｅｉｌｈで、又は全負荷ＬＶｏｌｌで作動していると、遠心質量体１０は、排気ターボチャージャー１に接続され、排気ターボチャージャー１の対応する回転速度ｎＡＴＬで作動する。排気ターボチャージャー１の回転速度ｎＡＴＬは、遠心質量体１０の連続的な定格回転速度ｎＫｏｎｔＳよりも高いので、モータ２０を利用して発電エネルギーが得られ、例えば、それを自動車車両の電気系統１００に供給できる。
【００６３】
内燃機関が高出力を要求される場合、クラッチ５は閉じられ、遠心質量体１０は排気ターボチャージャー１を加速する。この状況において、遠心質量体１０の定格回転速度ｎＫｏｎｔＳを、加速過程中にモータ２０が遠心質量体１０を再び駆動するまで減少することができるので、遠心質量体１０の定格回転速度ｎＫｏｎｔＳに再び到達する。排気ターボチャージャーの必要な回転速度ｎＡＴＬに到達すると、遠心質量体１０は排気ターボチャージャー１から切り離される。
【００６４】
高回転速度での内燃機関のエンジンブレーキ状態においては、はじめに遠心質量体１０は、エンジンと共に自由に回転し、その回転速度ｎＳが定格回転速度ｎＫｏｎｔＳ未満になるとすぐにモータ２０により駆動されて、遠心質量体１０は定格回転速度ｎＫｏｎｔＳとなる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明による排気ターボチャージャーの概略断面図である。
【図２】本発明による排気ターボチャージャーの分解図である。
【図３】排気ターボチャージャーの電極構造の詳細な斜視図である。
【図４】電流がコイルを流れる時、作動中に発生する磁束線及び磁極を示す電極構造の展開図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンプレッサと、タービンと、前記コンプレッサを前記タービンに回転可能に固定するシャフトと、クラッチを介して排気ターボチャージャーに接続できるモータを有する内燃機関用の排気ターボチャージャーにおいて、
ディスク状遠心質量体（１０）によって前記排気ターボチャージャー（１）を少なくとも一時的に駆動でき、前記クラッチを介して前記ディスク状遠心質量体（１０）を前記排気ターボチャージャー（１）に接続できることを特徴とする排気ターボチャージャー。
【請求項２】
前記クラッチ（５）は、前記排気ターボチャージャー（１）の前記シャフト（４）に回転可能なように固定されている第１のディスク（１１）と、電極構造（３１）と、ヨーク（１５）と、コイル（３０）を有することを特徴とする請求項１に記載の排気ターボチャージャー。
【請求項３】
前記モータ（２０）によって前記ディスク状遠心質量体（１０）を駆動されることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の排気ターボチャージャー。
【請求項４】
前記遠心質量体（１０）は電極構造（３１）を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の排気ターボチャージャー。
【請求項５】
前記電極構造（３１）は、少なくとも２つのディスク（３２、３６）で構成されることを特徴とする請求項４に記載の排気ターボチャージャー。
【請求項６】
前記電極構造（３１）の前記ディスク（３２、３６）は、環状構成であることを特徴とする請求項５に記載の排気ターボチャージャー。
【請求項７】
前記排気ターボチャージャー（１）の前記シャフト（４）に回転可能なように固定される前記ディスク（１１）は、前記電極構造（３１）の前記ディスク（３２、３６）間に配置されることを特徴とする請求項５あるいは６に記載の排気ターボチャージャー。
【請求項８】
前記電極構造（３１）の前記ディスク（３２、３６）は、歯（４５）及び歯間の間隙（４６）を備える歯付き構造（４４）であり、一方のディスク（３２；３６）の歯（４５）は、他方のディスク（３６；３２）上の歯間の間隙（４６）に対向して配置されることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の排気ターボチャージャー。
【請求項９】
前記電極構造（３１）の前記ディスク（３２、３６）は、非磁化性ストラップ（３８）によってまとめられることを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項に記載の排気ターボチャージャー。
【請求項１０】
前記遠心質量体（１０）は、前記モータ（２０）の回転子（２１）と、前記電極構造（３１）内に保持されるディスク（３５）と、管状要素（３４）と、前記電極構造（３１）を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の排気ターボチャージャー。
【請求項１１】
前記電極構造（３１）は、前記ディスク（３５）及び前記管状要素（３４）を介して前記モータ（２０）の回転子（２１）に回転可能なように固定されることを特徴とする請求項１０に記載の排気ターボチャージャー。
【請求項１２】
前記クラッチ（５）は、前記排気ターボチャージャー（１）の前記コンプレッサ（２）と前記タービン（３）の間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の排気ターボチャージャー。
【請求項１３】
前記クラッチ（５）は、渦電流クラッチ又はヒステリシスクラッチであることを特徴とする請求項１に記載の排気ターボチャージャー。
【請求項１４】
前記遠心質量体（１０）は、前記排気ターボチャージャー（１）によって、又は前記モータ（２０）によって、定格回転速度（ｎｋｏｎｔＳ）に対応する最低回転速度に保たれることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の排気ターボチャージャー。
【請求項１５】
コンプレッサと、タービンと、前記コンプレッサを前記タービンに回転可能に固定するシャフトと、クラッチを介して排気ターボチャージャーに接続できるモータを有する請求項１〜１４のいずれか１項に記載の排気ターボチャージャーの制御方法において、
排気ターボチャージャーの回転速度ｎＡＴＬが、前記遠心質量体（１０）の定格回転速度ｎｋｏｎｔＳよりも高い場合、前記遠心質量体（１０）を駆動するためのモータ（２０）は前記排気ターボチャージャー（１）に存在する過剰なエネルギーを吸収する発電機としての運転モードで動作し、発生した電気エネルギーを車両の電気系統に供給し、前記遠心質量体（１０）の駆動は前記排気ターボチャージャー（１）によって維持されることを特徴とする排気ターボチャージャーの制御方法。
【請求項１６】
前記定格回転速度ｎｋｏｎｔＳよりも低い前記排気ターボチャージャーの回転速度ｎＡＴＬにおいて、前記遠心質量体の回転速度ｎＳが前記定格回転速度ｎｋｏｎｔＳより低くなった場合に前記モータ（２０）を使用して前記遠心質量体（１０）を加速させることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記定格回転速度ｎｋｏｎｔＳに一致する前記排気ターボチャージャーの回転速度ｎＡＴＬにおいて、前記遠心質量体（１０）は、前記クラッチ（５）が閉じられる時に前記排気ターボチャージャー（１）によって加速されることを特徴とする請求項１５あるいは１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記遠心質量体の回転速度ｎＳよりも低い前記排気ターボチャージャーの回転速度ｎＡＴＬにおいて、前記排気ターボチャージャー（１）は前記遠心質量体（１０）によって駆動されることを特徴とする請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１】
コンプレッサと、タービンと、前記コンプレッサを前記タービンに回転可能に固定するシャフトと、クラッチを介して排気ターボチャージャーに接続できるモータを有する内燃機関用の排気ターボチャージャーにおいて、
ディスク状遠心質量体（１０）によって前記排気ターボチャージャー（１）を少なくとも一時的に駆動でき、前記クラッチを介して前記ディスク状遠心質量体（１０）を前記排気ターボチャージャー（１）に接続できることを特徴とする排気ターボチャージャー。
【請求項２】
前記クラッチ（５）は、前記排気ターボチャージャー（１）の前記シャフト（４）に回転可能なように固定されている第１のディスク（１１）と、電極構造（３１）と、ヨーク（１５）と、コイル（３０）を有することを特徴とする請求項１に記載の排気ターボチャージャー。
【請求項３】
前記モータ（２０）によって前記ディスク状遠心質量体（１０）を駆動されることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の排気ターボチャージャー。
【請求項４】
前記遠心質量体（１０）は電極構造（３１）を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の排気ターボチャージャー。
【請求項５】
前記電極構造（３１）は、少なくとも２つのディスク（３２、３６）で構成されることを特徴とする請求項４に記載の排気ターボチャージャー。
【請求項６】
前記電極構造（３１）の前記ディスク（３２、３６）は、環状構成であることを特徴とする請求項５に記載の排気ターボチャージャー。
【請求項７】
前記排気ターボチャージャー（１）の前記シャフト（４）に回転可能なように固定される前記ディスク（１１）は、前記電極構造（３１）の前記ディスク（３２、３６）間に配置されることを特徴とする請求項５あるいは６に記載の排気ターボチャージャー。
【請求項８】
前記電極構造（３１）の前記ディスク（３２、３６）は、歯（４５）及び歯間の間隙（４６）を備える歯付き構造（４４）であり、一方のディスク（３２；３６）の歯（４５）は、他方のディスク（３６；３２）上の歯間の間隙（４６）に対向して配置されることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の排気ターボチャージャー。
【請求項９】
前記電極構造（３１）の前記ディスク（３２、３６）は、非磁化性ストラップ（３８）によってまとめられることを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項に記載の排気ターボチャージャー。
【請求項１０】
前記遠心質量体（１０）は、前記モータ（２０）の回転子（２１）と、前記電極構造（３１）内に保持されるディスク（３５）と、管状要素（３４）と、前記電極構造（３１）を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の排気ターボチャージャー。
【請求項１１】
前記電極構造（３１）は、前記ディスク（３５）及び前記管状要素（３４）を介して前記モータ（２０）の回転子（２１）に回転可能なように固定されることを特徴とする請求項１０に記載の排気ターボチャージャー。
【請求項１２】
前記クラッチ（５）は、前記排気ターボチャージャー（１）の前記コンプレッサ（２）と前記タービン（３）の間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の排気ターボチャージャー。
【請求項１３】
前記クラッチ（５）は、渦電流クラッチ又はヒステリシスクラッチであることを特徴とする請求項１に記載の排気ターボチャージャー。
【請求項１４】
前記遠心質量体（１０）は、前記排気ターボチャージャー（１）によって、又は前記モータ（２０）によって、定格回転速度（ｎｋｏｎｔＳ）に対応する最低回転速度に保たれることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の排気ターボチャージャー。
【請求項１５】
コンプレッサと、タービンと、前記コンプレッサを前記タービンに回転可能に固定するシャフトと、クラッチを介して排気ターボチャージャーに接続できるモータを有する請求項１〜１４のいずれか１項に記載の排気ターボチャージャーの制御方法において、
排気ターボチャージャーの回転速度ｎＡＴＬが、前記遠心質量体（１０）の定格回転速度ｎｋｏｎｔＳよりも高い場合、前記遠心質量体（１０）を駆動するためのモータ（２０）は前記排気ターボチャージャー（１）に存在する過剰なエネルギーを吸収する発電機としての運転モードで動作し、発生した電気エネルギーを車両の電気系統に供給し、前記遠心質量体（１０）の駆動は前記排気ターボチャージャー（１）によって維持されることを特徴とする排気ターボチャージャーの制御方法。
【請求項１６】
前記定格回転速度ｎｋｏｎｔＳよりも低い前記排気ターボチャージャーの回転速度ｎＡＴＬにおいて、前記遠心質量体の回転速度ｎＳが前記定格回転速度ｎｋｏｎｔＳより低くなった場合に前記モータ（２０）を使用して前記遠心質量体（１０）を加速させることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記定格回転速度ｎｋｏｎｔＳに一致する前記排気ターボチャージャーの回転速度ｎＡＴＬにおいて、前記遠心質量体（１０）は、前記クラッチ（５）が閉じられる時に前記排気ターボチャージャー（１）によって加速されることを特徴とする請求項１５あるいは１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記遠心質量体の回転速度ｎＳよりも低い前記排気ターボチャージャーの回転速度ｎＡＴＬにおいて、前記排気ターボチャージャー（１）は前記遠心質量体（１０）によって駆動されることを特徴とする請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公表番号】特表２００８−５０１８８２（Ｐ２００８−５０１８８２Ａ）
【公表日】平成２０年１月２４日（２００８．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５１３７０４（Ｐ２００７−５１３７０４）
【出願日】平成１７年３月２３日（２００５．３．２３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００５／００３０９７
【国際公開番号】ＷＯ２００５／１１９８８２
【国際公開日】平成１７年１２月１５日（２００５．１２．１５）
【出願人】（５９８０５１８１９）ダイムラー・アクチェンゲゼルシャフト (1,147)
【氏名又は名称原語表記】Ｄａｉｍｌｅｒ ＡＧ
【住所又は居所原語表記】Ｍｅｒｃｅｄｅｓｓｔｒａｓｓｅ １３７，７０３２７ Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ，Ｄｅｕｔｓｃｈｌａｎｄ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２０年１月２４日（２００８．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月２３日（２００５．３．２３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００５／００３０９７
【国際公開番号】ＷＯ２００５／１１９８８２
【国際公開日】平成１７年１２月１５日（２００５．１２．１５）
【出願人】（５９８０５１８１９）ダイムラー・アクチェンゲゼルシャフト (1,147)
【氏名又は名称原語表記】Ｄａｉｍｌｅｒ ＡＧ
【住所又は居所原語表記】Ｍｅｒｃｅｄｅｓｓｔｒａｓｓｅ １３７，７０３２７ Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ，Ｄｅｕｔｓｃｈｌａｎｄ
【Ｆターム（参考）】
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