JP2005220863A - サージング防止装置、過給機およびサージング防止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 過給機の圧縮機のサージングを防止するためのサージング防止装置において、使用環境の変化や経年変化によって、サージングの発生ポイントがずれた場合でも、サージングの発生を回避する。
【解決手段】 サージング防止装置２９において、圧縮機７の運転時における振動を検出する振動検出手段３１と、上記圧縮機７の過給圧を低減可能な過給圧低減手段３３と、上記振動検出手段３１が、上記圧縮機７のサージングの前兆となる短い周期の振動を検出した場合、上記過給圧低減手段３３によって、上記圧縮機７の過給圧を低減するように制御する制御手段１９とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、サージング防止装置、過給機およびサージング防止方法に係り、特に、圧縮機の振動の検出によって、サージングを防止するものに関する。

従来、電動機と、この電動機以外の過給圧変更手段を有するターボチャージャー（過給機）において、電動機と他の過給圧変更手段との各制御を干渉させることなく、すなわち、上記他の過給圧変更手段による過給圧制御を優先して実行することにより、出力特性等を改善することができるものが知られている（たとえば特許文献１参照）。
特開２００３−２３９７５５号公報

ところで、上記従来の制御では、使用環境の変化や経年変化（たとえば、コンプレッサー羽根への異物の付着）によって、サージングの発生ポイントがずれた場合、圧縮機のサージングの発生を回避することができない場合があるという問題がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、過給機等の圧縮機のサージングを防止するためのサージング防止装置において、使用環境の変化や経年変化によって、サージングの発生ポイントがずれた場合でも、サージングの発生を回避することができるサージング防止装置およびサージング防止方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、圧縮機のサージングを防止するためのサージング防止装置において、上記圧縮機の運転時における振動を検出する振動検出手段と、上記圧縮機の過給圧を低減可能な過給圧低減手段と、上記振動検出手段が、上記圧縮機のサージングの前兆となる短い周期の振動を検出した場合、上記過給圧低減手段によって、上記圧縮機の過給圧を低減するように制御する制御手段とを有するサージング防止装置である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のサージング防止装置において、上記圧縮機は、レシプロエンジンまたはロータリエンジンに使用される過給機の圧縮機であり、また、上記圧縮機は、上記エンジンの排気ガスで回転するタービンで駆動される圧縮機であり、上記過給圧低減手段は、上記圧縮機の回転エネルギーを発電機で電気エネルギーに変換することにより、上記圧縮機の回転数を低減する手段であり、上記振動検出手段は、上記圧縮機の回転数の変動を検出することにより、上記圧縮機の振動を検出する手段であり、上記制御手段は、上記圧縮機の回転数の変動であって、上記エンジンにおける排気ガスの脈動の周期よりも短い周期の変動を、上記振動検出手段が検出した場合、上記過給圧低減手段によって、上記圧縮機の回転数を低減するように制御する手段であるサージング防止装置である。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のサージング防止装置において、上記過給圧低減手段は、上記回転軸部材に永久磁石を備え上記回転軸部材の周りに上記回転軸部材とは非接触なコイルが設けられた発電機であり、上記振動検出手段は、上記筐体に設けられたホールセンサーで上記回転軸部材に設けられた永久磁石の磁束の変化を検出することによって、上記圧縮機の回転数の変動を検出するように構成されているサージング防止装置である。

請求項４に記載の発明は、請求項２または請求項３に記載のサージング防止装置において、上記過給圧低減手段が発生する電気エネルギーによって、上記エンジンの電気システム電圧が上昇することを抑制するための電圧上昇抑制手段を有するサージング防止装置である。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のサージング防止装置において、上記電圧上昇抑制手段は、電力を一時的に充電可能な充電回路を備えており、上記制御手段は、上記圧縮機の回転数を上昇させる場合には、上記発電機を電気モータとして使用すると共に、この電気モータに、上記充電回路に蓄えられている電気エネルギーを供給して、上記圧縮機の回転数を上昇させる手段であるサージング防止装置である。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のサージング防止装置を備えたレシプロエンジン用またはロータリエンジン用の過給機である。

請求項７に記載の発明は、圧縮機のサージングを防止するためのサージング防止方法において、上記圧縮機の運転時における振動を検出する振動検出段階と、上記振動検出手段によって、上記圧縮機のサージングの前兆となる短い周期の振動が検出された場合、上記圧縮機の過給圧を低減するように制御する制御段階とを有するサージング防止方法である。

本発明によれば、過給機等の圧縮機のサージングを防止するためのサージング防止装置において、使用環境の変化や経年変化によって、サージングの発生ポイントがずれた場合でも、サージングの発生を回避することができるという効果を奏する。

図1は、本発明の実施形態に係る過給機１の概略構成を示す図である。

過給機１は、筐体３と、この筐体３の内部でたとえば流体軸受け（図示せず）を介して上記筐体３に対して回転する回転軸部材５と、この回転軸部材５の一端部５Ａ側に設けられた遠心式圧縮機７と、上記回転軸部材５の他端部５Ｂ側に設けられた遠心式タービン９とを備えている。

なお、上記圧縮機７は、上記回転軸部材５の端側部５Ａで上記回転軸部材５に、基端側部が一体的に設けられているコンプレッサーディスク１１と、このコンプレッサーディスク１１の先端部側で上記コンプレッサーディスク１１に一体的に設けられているコンプレッサー羽根１３とを備えている。

また、上記タービン９は、上記回転軸部材５の端側部５Ｂで上記回転軸部材５に、基端側部が一体的に設けられているタービンディスク１５と、このタービンディスク１５の先端部側で上記タービンディスク１５に一体的に設けられているタービン羽根１７とを備えている。

過給機１は、レシプロエンジンまたはロータリエンジンに使用され、たとえば、４サイクルピストンエンジンＥ１から出てきた高温高圧の排気ガスＧ３で上記タービン９を回転駆動し、この回転によって上記圧縮機７を回転駆動し、この圧縮機７の回転によって得られた圧縮空気Ｇ１を、上記エンジンＥ１に供給するようになっている。

なお、上記圧縮空気Ｇ１は、上記エンジンＥ１のシリンダ内での燃料の燃焼に供され、この燃焼によって上記高温高圧の排気ガス（上記タービン９を回転駆動する燃焼ガス）Ｇ３が排出されるものである。

上記過給機１には、たとえば、上記エンジンＥ１や上記エンジンＥ１が設けられている車両等を制御する制御装置１９が設けられており、この制御装置１９には、バッテリー２１が常時接続され、また、後述するホールセンサー２３からの信号線２３Ａが接続されている。なお、上記バッテリー２１は、図示しない発電機（上記エンジンＥ１のクランク軸の回転駆動力によって発電する発電機）等にも接続されている。

また、上記過給機１には、上記回転軸部材５の回転駆動力によって発電可能な発電機２５が設けられている。なお、上記発電機２５は、制御装置１９の制御の下、上記バッテリー２１等から電力の供給を受けて、電気モータとしても働くことができるようになっている。

上記制御装置１９は、発電機２５と互いに電気的に接続するようになっていると共に、ブレーキ回路２７とも互いに電気的に接続するようになっている。

なお、上記制御装置１９と上記発電機２５との間には、上記制御装置１９と上記発電機２５との間における電流の流れを、上記制御装置１９の制御の下でオン・オフ可能な発電機用スイッチ（図示せず）が設けられている。

また、上記制御装置１９と上記ブレーキ回路２７との間には、上記制御装置１９と上記ブレーキ回路２７との間における電流の流れを、上記制御装置の制御の下でオン・オフ可能なブレーキ回路用スイッチ（図示せず）が設けられている。

過給機１には、圧縮機７のサージングを防止するためのサージング防止装置２９が設けられている。

サージング防止装置２９には、上記圧縮機７の運転時における振動を検出する振動検出手段３１と、上記圧縮機７の過給圧を低減可能な過給圧低減手段３３とが設けられている。

そして、制御装置１９による制御の下、上記振動検出手段３１が、上記圧縮機７のサージングの前兆となる短い周期の振動を検出した場合、上記過給圧低減手段３３によって、上記圧縮機７の過給圧を低減するようになっている。

ここで、例を掲げてより詳しく説明すると、上記振動検出手段３１は、上記圧縮機７の回転数（回転速度）の変動を検出することにより、上記圧縮機７の振動を検出するようになっている。また、上記過給圧低減手段３３は、上記圧縮機７の回転エネルギーを発電機２５で電気エネルギーに変換することにより、上記圧縮機７の回転数（回転速度）を低減するようになっている。

そして、上記制御装置１９の制御の下、上記圧縮機７の回転数の変動であって、上記エンジンＥ１における排気ガスＧ３の脈動の周期よりも短い周期の変動（上記振動検出手段３１が検出可能な範囲の振動数）を、上記振動検出手段３１が検出した場合、上記過給圧低減手段３３によって、上記圧縮機７の回転数を低減するようにするようになっている。

ここで、上記圧縮機７の回転数が変動する理由について説明する。上記エンジンＥ１が、ピストンエンジンであるかロータリエンジンであるかにかかわらず、上記エンジンＥ１が圧縮や爆発等のサイクルを繰り返しているので、上記エンジンＥ１から排出される排気ガスＧ３の圧力は脈動している。すなわち、上記エンジンＥ１が６気筒の４サイクルエンジンであり、毎分６０００回転の回転数で回転しているとすると、上記排気ガスＧ３の圧力は、約３．３ｍｓｅｃの周期で変動する。そして、上記排気ガスＧ３の変動によって、上記タービン９や圧縮機７の回転速度も変動するものである。

したがって、上記振動検出手段３１が、たとえば、上記３．３ｍｓｅｃの周期よりも短い周期の回転速度の変動を検出した場合、上記過給圧低減手段３３が動作するようになっている。

また、上述したように、上記過給圧低減手段３３は、発電機２５を備えており、発電機２５は、上記回転軸部材５に永久磁石３５を一体的に備え、上記回転軸部材５の周りに上記回転軸部材５とは非接触なコイル３７（筐体３に一体的に設けられたコイル３７）を設けた構成である。

そして、上記タービン９と、上記圧縮機７と、上記タービン９（タービンの回転部）と上記圧縮機７（圧縮機の回転部）とを互いに連動連結している回転軸部材５との回転エネルギーを回生制動し、電気エネルギーに変換可能なようになっている。

上記振動検出手段３１は、上記筐体に設けられたホールセンサー２３で上記回転軸部材５に設けられた永久磁石３５の磁束の変化を検出することによって、上記圧縮機７の回転数の変動を検出するように構成されている。

なお、上記永久磁石３５は、上記回転軸部材５の回転円周上で、一端部がＮ極になっており、このＮ極から、上記回転軸部材５の回転中心軸を中心として１８０°のところに位置した他端部がＳ極になっている。

一方、上記ホールセンサー２３は、上記回転軸部材５の回転円周をたとえば３等分した位置に設けられている。

ここで、発電機２５によって、上記圧縮機７のコンプレッサー羽根１３（回転軸部材５）の回転の上昇を抑える場合について、例を掲げてより詳しく説明する。

上記振動検出手段３１が、サージングの前兆となる振動を検出した場合、上記制御装置１９が上記発電機用スイッチをオンすると共に、上記ブレーキ回路用スイッチをオンし、上記発電機２５からの電流の総てまたは一部を、上記ブレーキ回路２７に流すようになっている。

そして、上記発電機２５による発電により、上記回転軸部材５の回転エネルギーが電気エネルギーに変換され、上記ブレーキ回路２７で消費されもしくは上記ブレーキ回路２７に一時的に蓄えられ、または、上記バッテリー２１に蓄えられ、上記回転軸部材５の回転速度が減少し、上記圧縮機７の回転速度が下がり、圧縮機７のサージングを防止することができるようになっている。

また、過給機１には、上記過給圧低減手段３３が発生する電気エネルギーによって、上記エンジンＥ１の電気システム電圧が上昇することを抑制するための電圧上昇抑制手段３９が設けられている。

ここで、上記電圧上昇抑制手段３９について説明する。

上記発電機２５で変換された電気エネルギーは、通常は、上記エンジンＥ１等の電気システムのバッテリー２１に蓄えられるが、発電機２５での発電量が多く上記バッテリー２１に蓄えきれず、電気システムの電圧が上昇するおそれがある。

そこで、上記電圧上昇抑制手段３９によって、上記電気システムの電圧の過度な上昇を抑えるようにしている。

上記電圧上昇抑制手段３９について、さらに詳しく説明する。

上記電圧上昇抑制手段３９は、上記ブレーキ回路２７を備え、上記バッテリー２１に蓄えることができない分の電力量を上記ブレーキ回路２７に流すことによって、上記電気システムの電圧の過度な上昇を抑制するものである。

なお、ブレーキ回路２７として、たとえば、電気エネルギーを一時的に充電可能なコンデンサ等の充電回路や電気エネルギーを熱に変換する電気抵抗を採用することができる。コンデンサや電気抵抗を採用することにより、ブレーキ回路の構成を簡素化することができる。

すなわちたとえば、上記制御装置１９の制御の下、上記発電機用スイッチがオンしている状態で、上記電気システムの電圧を電圧検出手段（図示せず）で検出し、上記電気システムの電圧が、上記電気システムの許容電圧よりも上昇した場合、すなわち、たとえば、上記バッテリー２１の電圧に比べて所定の値以上（たとえば１Ｖ以上）電気システムの電圧が上昇した場合、上記ブレーキ用スイッチをオンし、上記ブレーキ回路２７へ電流を流すことにより、上記電気システムの電圧の過度な上昇を抑えるようになっている。

一方、上記発電機用スイッチがオンしている状態で、上記電気システムの電圧が、許容電圧よりも所定の値だけ低くなったことを、上記電圧検出手段が検出した場合、上記ブレーキ回路用スイッチをオフするようになっている。

さらに、上記回転軸部材５の速度の上昇を抑える必要がなくなったときには、上記ブレーキ回路用スイッチをオフすると共に、上記発電機用スイッチをオフするようになっている。

また、上記電圧上昇抑制手段３９が、電力を一時的に充電可能な充電回路を備えるように構成し、換言すれば、上記ブレーキ回路２７を、コンデンサ、小型充電式バッテリー等で構成し、上記圧縮機７の回転数（回転軸部材５の回転数）を上昇させる場合、すなわち、上記タービン９の回転駆動力よりも大きな力で、上記圧縮機７の回転数を上昇させる必要がある場合には、上記発電機２５を電気モータとして使用すると共に、この電気モータに、上記充電回路２７に蓄えられている電気エネルギーを供給して、上記圧縮機７の回転数を上昇させるようにしてもよい。

次に、サージング防止装置２９の動作について簡単に説明する。

図２は、サージング防止装置２９の動作について説明するフローチャートである。

なお、図２に示すスタートの状態では、エンジンＥ１と過給機１とが稼動しているものとする。

そして、ステップＳ１で、上記圧縮機７の運転時における振動を、振動検出手段３１が検出し、ステップＳ３で、上記圧縮機７のサージングの前兆となる短い周期の振動が検出された場合、上記圧縮機７の過給圧を、過給圧低減手段３３（発電機２５等）で低減する。

また、ステップＳ５において、過給圧低減手段３３（発電機２５）によって生成された電気エネルギーにより、上記電気システムの電圧が、許容電圧よりも上昇した場合には、ステップＳ７で、ブレーキ回路２７を用いて上記電気エネルギーを回収する。

サージング防止装置２９によれば、圧縮機７のサージングの前兆となる短い周期の振動を検出した場合、上記圧縮機７の過給圧を低減するように制御するので、使用環境の変化や経年変化によって、サージングの発生ポイントがずれた場合でも、そのずれたポイントを容易にサーチすることができ、サージングの発生を容易に回避することができる。

また、サージング防止装置２９によれば、圧縮機７の特性を示したマップや、このマップと条件式とにより、サージングの発生ポイントを見い出す必要がないので、簡素な構成と動作でサージングを防止することができる。

また、サージング防止装置２９によれば、圧縮機７の回転数の変動を検出することにより、上記圧縮機７の振動を検出しているので、たとえば、圧縮機７を通過する（圧縮機で圧縮される）空気等の流体の流量変化を検出するよりも、簡単かつ確実に、サージングの前兆を検出することができる。

また、エンジンＥ１における排気ガスの脈動の周期よりも短い周期の圧縮機回転数の変動が検出された場合に、サージングが発生するとみなすので、エンジンＥ１の脈動と区別して、サージングの前兆を検出することができる。

さらに、サージング防止装置２９によれば、圧縮機７のサージングの発生を防止するために、上記圧縮機７の回転エネルギーを発電機２５で電気エネルギーに変換して、上記圧縮機７の回転数を低減するようにしているので、圧縮機７の上流側と下流側とを互いにつなぐエアバイパス経路やこの経路途中にエアバイパスバルブ設け、サージングを防止する場合等のように、煩雑で高価なデバイスを使用する必要がなくなり、簡素な構成のサージング防止装置を得ることができる。

また、サージング防止装置２９によれば、回転軸部材５に永久磁石３５を設け上記回転軸部材５の周りに上記回転軸部材５とは非接触なコイル３７が設けられたものを発電機２５として使用しているので、誘導式の発電機に比べ装置を小型化することが容易である。

また、筐体３に設けられたホールセンサー２３で、上記回転軸部材５に設けられた永久磁石３５、すなわち、たとえば、上記発電機２５用に設けられた永久磁石３５を利用して、回転軸部材（圧縮機の回転部材）５の回転数の変化（圧縮機７の振動）を検出することができるので、簡素な構成で圧縮機７の振動を検出することができる。

また、サージング防止装置２９によれば、電圧上昇抑制手段３９として、電力を一時的に充電可能な充電回路を採用し、上記発電機２５を電気モータとして使用すると共に、この電気モータに、上記充電回路に蓄えられている電気エネルギーを供給して、上記圧縮機７の回転数を上昇させるので、エネルギー効率が良くし、上記圧縮機７の回転数を早く上昇させることができる。

なお、上記振動検出手段３１において、たとえば、回転軸部材５の回転中心軸の延伸方向の振動を検出してもよいし、または、圧縮機７の入口圧力や出口圧力の変化の振動を検出してもよい。

さらに、過給圧低減手段３３として、吸気側エアーバイパスバルブ制御によって、圧縮機７の下流側の圧力を下げる手段、ウェイストゲートバルブ制御によってタービン９の回転数を下げる手段、タービン９の入口に可変ノズルを設けこの可変ノズルによってタービン９の回転数を下げる手段、タービン９の容量を変えるＡ／Ｒ可変制御によって圧縮機７の回転速度を下げる手段等を採用することができる。

また、エンジンＥ１の回転出力軸で回転駆動する圧縮機にも、上記実施形態を適用することができる。この場合、過給圧低減手段３３として、たとえば、エンジンＥ１の回転軸と圧縮機の間にクラッチを設け、このクラッチをオン・オフして圧縮機の回転数を低減するものを採用することができる。

本発明の実施形態に係る過給機の概略構成を示す図である。 サージング防止装置の動作について説明するフローチャートである。

符号の説明

１ 過給機
３ 筐体
５ 回転軸部材
７ 圧縮機
９ タービン
１９ 制御装置
２３ ホールセンサー
２５ 発電機
２７ ブレーキ回路
２９ サージング防止装置
３１ 振動検出手段
３３ 過給圧低減手段

Claims (7)

1. 圧縮機のサージングを防止するためのサージング防止装置において、
   上記圧縮機の運転時における振動を検出する振動検出手段と；
   上記圧縮機の過給圧を低減可能な過給圧低減手段と；
   上記振動検出手段が、上記圧縮機のサージングの前兆となる短い周期の振動を検出した場合、上記過給圧低減手段によって、上記圧縮機の過給圧を低減するように制御する制御手段と；
   を有することを特徴とするサージング防止装置。
2. 請求項１に記載のサージング防止装置において、
   上記圧縮機は、レシプロエンジンまたはロータリエンジンに使用される過給機の圧縮機であり、また、上記圧縮機は、上記エンジンの排気ガスで回転するタービンで駆動される圧縮機であり、
   上記過給圧低減手段は、上記圧縮機の回転エネルギーを発電機で電気エネルギーに変換することにより、上記圧縮機の回転数を低減する手段であり、
   上記振動検出手段は、上記圧縮機の回転数の変動を検出することにより、上記圧縮機の振動を検出する手段であり、
   上記制御手段は、上記圧縮機の回転数の変動であって、上記エンジンにおける排気ガスの脈動の周期よりも短い周期の変動を、上記振動検出手段が検出した場合、上記過給圧低減手段によって、上記圧縮機の回転数を低減するように制御する手段であることを特徴とするサージング防止装置。
3. 請求項２に記載のサージング防止装置において、
   上記過給圧低減手段は、上記回転軸部材に永久磁石を備え上記回転軸部材の周りに上記回転軸部材とは非接触なコイルが設けられた発電機であり、
   上記振動検出手段は、上記筐体に設けられたホールセンサーで上記回転軸部材に設けられた永久磁石の磁束の変化を検出することによって、上記圧縮機の回転数の変動を検出するように構成されていることを特徴とするサージング防止装置。
4. 請求項２または請求項３に記載のサージング防止装置において、
   上記過給圧低減手段が発生する電気エネルギーによって、上記エンジンの電気システム電圧が上昇することを抑制するための電圧上昇抑制手段を有することを特徴とするサージング防止装置。
5. 請求項４に記載のサージング防止装置において、
   上記電圧上昇抑制手段は、電力を一時的に充電可能な充電回路を備えており、
   上記制御手段は、上記圧縮機の回転数を上昇させる場合には、上記発電機を電気モータとして使用すると共に、この電気モータに、上記充電回路に蓄えられている電気エネルギーを供給して、上記圧縮機の回転数を上昇させる手段であることを特徴とするサージング防止装置。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のサージング防止装置を備えたことを特徴とするレシプロエンジン用またはロータリエンジン用の過給機。
7. 圧縮機のサージングを防止するためのサージング防止方法において、
   上記圧縮機の運転時における振動を検出する振動検出段階と；
   上記振動検出手段によって、上記圧縮機のサージングの前兆となる短い周期の振動が検出された場合、上記圧縮機の過給圧を低減するように制御する制御段階と；
   を有することを特徴とするサージング防止方法。

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