JP2009024588A - 過給装置及び圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ圧縮機の構造の複雑化を招くことなく、ターボ圧縮機のサージングの発生を抑制しながらターボ圧縮機の運転可能範囲を広げる。
【解決手段】ターボコンプレッサ２０の出口２０ｂに配設された電磁弁２５の開閉動作をサージング発生時の気流振動周期Ｔ０よりも短い周期Ｔ１で繰り返すことで、ターボコンプレッサ２０の運転状態を安定領域とサージング領域との間で周期Ｔ１で変動させるように、ターボコンプレッサ２０の吸気ガス流れに周期Ｔ１の脈動を強制的に与える。これによって、ターボコンプレッサ２０の時間平均流量がサージング領域に入る小流量であっても、ターボコンプレッサ２０の運転状態がサージング領域に入るのは瞬間的でサージングの発生前に安定領域に移るため、サージングの発生を回避しながらターボコンプレッサ２０の運転を行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、過給装置及び圧縮機に関し、特に、ターボ圧縮機のサージングの発生を抑制しながらターボ圧縮機の運転可能範囲を広げるための技術に関する。

エンジンへの吸気ガスを加圧する過給装置として、ターボチャージャーが用いられている。ターボチャージャーは、エンジンからの排気ガスのエネルギーを利用してタービンを回転駆動することで、タービンに連結されたターボ圧縮機を回転駆動してエンジンへの吸気ガスを加圧する。

ターボ圧縮機のガス流量がある閾値よりも減少すると、ターボ圧縮機のガス流れが所定の周期で逆流を繰り返す気流振動現象、いわゆるサージング現象が発生する。サージングが発生する領域ではターボ圧縮機の運転を行うことができないため、ターボ圧縮機の運転可能範囲がサージングの発生しない領域に制限される。

ターボ圧縮機の運転可能範囲を広げるための技術としては、下記特許文献１，２による技術が開示されている。特許文献１，２においては、内部を空洞とした環状の空気室を遠心圧縮機のハウジング（シュラウド部）に設け、空気室とインペラとの間に吸込連通路を設けるとともに空気室と吸込口との間に吹出連通路を設けている。吸込連通路と空気室と吹出連通路とにより循環通路を形成し、回転中のインペラに吸引される空気の一部を循環通路を通じて循環させることで、サージングの発生する流量を減少させている。さらに、特許文献２においては、吹出連通路よりも上流側の流路に、回転中のインペラに流入する空気流にインペラと同一方向の旋回を与えるための可変案内翼を設けることで、循環通路を通じて循環する流量を制御可能としている。

特開２００４−１４４０２９号公報 特開２００５−２３７９２号公報

特許文献１，２においては、サージングの発生する流量を減少させるために、ターボ圧縮機のハウジングに圧縮ガスを循環させるための循環通路を形成する必要がある。そのため、ターボ圧縮機の構造が複雑化して部品点数と加工工程が増大するため、コスト上昇につながる。さらに、特許文献２においては、可変案内翼と、可変案内翼の角度を制御するためのアクチュエータとをターボ圧縮機に設ける必要があるため、ターボ圧縮機の構造がさらに複雑化して部品点数と加工工程がさらに増大する。

本発明は、ターボ圧縮機の構造の複雑化を招くことなく、ターボ圧縮機のサージングの発生を抑制しながらターボ圧縮機の運転可能範囲を広げることを目的とする。

本発明に係る過給装置及び圧縮機は、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明に係る過給装置は、エンジンへの吸気ガスを加圧するターボ圧縮機と、ターボ圧縮機の運転状態をサージングの発生しない安定領域とサージング領域との間でサージング発生時の振動周期よりも短い周期で変動させるように、ターボ圧縮機の吸気ガス流れにサージング発生時の振動周期よりも短い周期の脈動を与えることが可能な脈動発生手段と、を備えることを要旨とする。

本発明の一態様では、脈動発生手段は、ターボ圧縮機の入口または出口における吸気ガス流量を制御する制御弁を有し、制御弁によりターボ圧縮機の入口または出口における吸気ガス流量をサージング発生時の振動周期よりも短い周期で変動させることで、ターボ圧縮機の吸気ガス流れにサージング発生時の振動周期よりも短い周期の脈動を与えることが好適である。

本発明の一態様では、ターボ圧縮機の出口とエンジンの吸気管との間にはインタークーラーが配設され、吸気管内の吸気ガスは、吸気弁が開いているときにエンジンのシリンダ内に導入され、脈動発生手段は、インタークーラーをバイパスしてターボ圧縮機の出口と吸気管内とを連通させることが可能なバイパス手段を有することが好適である。この態様では、脈動発生手段は、バイパス手段における吸気ガス流量を制御する制御弁を有し、制御弁によりバイパス手段における吸気ガス流量をサージング発生時の振動周期よりも短い周期で変動させることで、ターボ圧縮機の吸気ガス流れにサージング発生時の振動周期よりも短い周期の脈動を与えることが好適である。あるいは、制御弁を開いたままにしておくことによっても、ターボ圧縮機の吸気ガス流れにサージング発生時の振動周期よりも短い周期の脈動を与えることが可能である。

本発明の一態様では、脈動発生手段は、ターボ圧縮機の入口と出口とを繋ぐバイパス手段と、バイパス手段における吸気ガス流量を制御する制御弁と、を有し、制御弁によりバイパス手段における吸気ガス流量をサージング発生時の振動周期よりも短い周期で変動させることで、ターボ圧縮機の吸気ガス流れにサージング発生時の振動周期よりも短い周期の脈動を与えることが好適である。

本発明の一態様では、エンジンにおける燃焼後の排気ガスは、排気弁が開いているときに排気管内へ排出され、脈動発生手段は、排気管内の排気ガスをターボ圧縮機の出口へ供給するための排気供給手段と、排気供給手段における排気ガス流量を制御する制御弁と、を有することが好適である。この態様では、脈動発生手段は、制御弁により排気供給手段における排気ガス流量をサージング発生時の振動周期よりも短い周期で変動させることで、ターボ圧縮機の吸気ガス流れにサージング発生時の振動周期よりも短い周期の脈動を与えることが好適である。

本発明の一態様では、脈動発生手段は、過給圧が設定過給圧よりも高い場合に、ターボ圧縮機の吸気ガス流れにサージング発生時の振動周期よりも短い周期の脈動を与えることが好適である。また、本発明の一態様では、脈動発生手段は、ターボ圧縮機の流量が設定流量よりも少ない場合に、ターボ圧縮機の吸気ガス流れにサージング発生時の振動周期よりも短い周期の脈動を与えることが好適である。また、本発明の一態様では、脈動発生手段は、エンジン負荷が設定負荷よりも高い場合に、ターボ圧縮機の吸気ガス流れにサージング発生時の振動周期よりも短い周期の脈動を与えることが好適である。

なお、本発明については、過給装置に関する発明の他に、圧縮機に関する発明として把握することもできる。本発明に係る圧縮機は、ガスを加圧するターボ圧縮機と、ターボ圧縮機の運転状態をサージングの発生しない安定領域とサージング領域との間でサージング発生時の振動周期よりも短い周期で変動させるように、ターボ圧縮機のガス流れにサージング発生時の振動周期よりも短い周期の脈動を与えることが可能な脈動発生手段と、を備えることを要旨とする。

本発明によれば、ターボ圧縮機の構造の複雑化を招くことなく、ターボ圧縮機のサージングの発生を抑制しながらターボ圧縮機の運転可能範囲を広げることができる。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。

「実施形態１」
図１は、本発明の実施形態１に係る過給装置を含む過給エンジンシステムの概略構成を示す図である。本実施形態に係る過給エンジンシステムは、エンジン（内燃機関）１０と、ターボチャージャー（ターボ過給機）１６と、を備える。なお、本実施形態に係る過給エンジンシステムについては、例えば車両を駆動するための動力源として用いることができる。図１では、エンジン１０を１気筒のみ図示しているが、エンジン１０を多気筒とすることができる。

ターボチャージャー１６は、シャフト（回転軸）１７を介して連結されたタービン１８及びターボコンプレッサ（ターボ圧縮機）２０を含む。タービン１８は、例えば遠心タービンにより構成され、エンジン１０からの排気ガスのエネルギーを利用して回転駆動する。ターボコンプレッサ２０は、例えば遠心圧縮機により構成され、タービン１８とともに回転駆動することで、エンジン１０への吸気ガスをその入口２０ａから吸入し、吸入した吸気ガスを加圧してその出口２０ｂから吐出する。ターボコンプレッサ２０で加圧された吸気ガスは、エンジン１０の吸気管２６内へ供給される。ただし、ターボコンプレッサ２０の出口２０ｂと吸気管２６との間にはインタークーラー２３が配設されており、ターボコンプレッサ２０の出口２０ｂから吐出された吸気ガスは、インタークーラー２３で冷却されてから吸気管２６内へ供給される。吸気管２６内に供給された吸気ガスは、エンジン１０の吸気弁２８が開いているときに（吸気行程において）エンジン１０のシリンダ１１内に導入される。シリンダ１１内に導入された吸気ガスは圧縮されて燃焼する。シリンダ１１内における燃焼後の排気ガスは、エンジン１０の排気弁２９が開いているときに（排気行程において）エンジン１０の排気管２７内へ排出され、さらに、タービン１８を回転駆動するためにタービン１８へ供給される。なお、インタークーラー２３にはサージタンク（図示せず）が設けられており、吸気弁２８の開閉に伴って吸気管２６内に生じる吸気ガスの脈動は、インタークーラー２３（サージタンク）内にて減衰する。

本実施形態では、ターボコンプレッサ２０の出口２０ｂ側（インタークーラー２３よりも上流側）には、開閉可能な電磁弁（制御弁）２５が配設されており、ターボコンプレッサ２０の出口２０ｂにおける吸気ガス流れ（吸気ガス流量）が電磁弁２５により制御される。電磁弁２５が開くことで、ターボコンプレッサ２０の出口２０ｂにおける吸気ガス流れが許容される。一方、電磁弁２５が閉じることで、ターボコンプレッサ２０の出口２０ｂにおける吸気ガス流れが遮断される。後述するように、電磁弁２５の開閉動作を繰り返す、あるいは電磁弁２５を開いておくことで、ターボコンプレッサ２０の吸気ガス流れに脈動を強制的に与えることができる。ここでの電磁弁２５の開閉制御は、電子制御ユニット５０から出力される制御指令により行われる。

ターボコンプレッサ２０において、ガス流量に対する圧力比（出口圧力／入口圧力）の特性は、例えば図２に示す曲線のようになり、ターボコンプレッサ２０の回転速度Ｎｃに応じて変化する。図２では、ターボコンプレッサ２０のガス流量を修正流量で示している。ターボコンプレッサ２０のガス流量がある閾値よりも減少した状態が継続すると、ターボコンプレッサ２０のガス流れが所定の周期で逆流を繰り返す気流振動現象、いわゆるサージング現象が発生する。サージング発生時の気流振動周期Ｔ０は、ほぼ決まった周期であり、例えば０．１秒程度の周期である。サージングの発生する流量の閾値は、ターボコンプレッサ２０の回転速度Ｎｃに応じて変化する。図２に示すように、閾値に対応する流量−圧力比曲線上の点（例えば図２の点Ｄ）をサージ限界点、回転速度Ｎｃに応じて変化する各サージ限界点を結んだ曲線をサージ限界線、サージ限界線よりも大流量側（図２の右側）の領域をサージングの発生しない安定領域、サージ限界線よりも小流量側（図２の左側）の領域をサージングの発生するサージング領域とする。ターボコンプレッサ２０の運転状態が安定領域にあるかサージング領域にあるかについては、ターボコンプレッサ２０のガス流量（修正流量）及び回転速度に基づいて決まる。

本実施形態では、サージング発生時の気流振動周期Ｔ０よりも短い周期Ｔ１（Ｔ１＜Ｔ０）で電磁弁２５の開閉動作を繰り返すことで、ターボコンプレッサ２０の出口２０ｂにおける吸気ガス流量を周期Ｔ１で変動させる。これによって、ターボコンプレッサ２０の運転状態を安定領域とサージング領域との間で周期Ｔ１で変動させるように、ターボコンプレッサ２０の吸気ガス流れに周期Ｔ１の脈動（パルス流）を強制的に与える。電子制御ユニット５０からの制御指令により電磁弁２５を開状態から閉状態に切り換えると、ターボコンプレッサ２０の吸気ガス流量が減少して、ターボコンプレッサ２０の運転状態（流量及び圧力比）は安定領域（例えば図２のＡに示す状態）からサージ限界線を越えて瞬間的にサージング領域（例えば図２のＢに示す状態）に移行する。一方、電子制御ユニット５０からの制御指令により電磁弁２５を閉状態から開状態に切り換えると、ターボコンプレッサ２０の吸気ガス流量が増大して、ターボコンプレッサ２０の運転状態（流量及び圧力比）はサージング領域（例えば図２のＢに示す状態）からサージ限界線を越えて安定領域（例えば図２のＡに示す状態）に移行する。電磁弁２５の開閉周期（脈動の周期）Ｔ１をサージング発生時の気流振動周期Ｔ０よりも短くすることで、ターボコンプレッサ２０の運転状態が瞬間的にサージング領域に移行してもサージングが発生する前に安定領域に戻るため、サージングが発生しない。さらに、電磁弁２５の開閉動作時におけるターボコンプレッサ２０の時間平均流量（時間Ｔ１における平均流量）は、電磁弁２５を開状態に維持したときの流量よりも減少する。したがって、ターボコンプレッサ２０の時間平均流量がサージ限界線に対応する流量よりも少ない場合（サージング領域に入る流量）であっても、ターボコンプレッサ２０の運転状態がサージング領域に入るのは瞬間的でサージングの発生前に安定領域に移るため、サージングが発生しない。

このように、本実施形態では、ターボコンプレッサ２０の吸気ガス流量を、安定領域に対応する流量とサージング領域に対応する流量との間でサージ限界線をまたいで、サージング発生時の気流振動周期Ｔ０よりも短い周期Ｔ１で変動させる。これによって、ターボコンプレッサ２０の時間平均流量がサージング領域に入る小流量であっても、サージングの発生を防止することができ、ターボコンプレッサ２０の運転を行うことができる。さらに、電磁弁２５の開閉制御によりターボコンプレッサ２０の吸気ガス流れに脈動を強制的に与えることができるため、ターボコンプレッサ２０の構造の複雑化を招くこともない。したがって、本実施形態によれば、ターボコンプレッサ２０の構造の複雑化を招くことなく、ターボコンプレッサ２０の運転可能な流量範囲を小流量側に広げることができる。

なお、ターボチャージャーによる過給エンジンにおいては、エンジンの低速域でターボコンプレッサの吸気ガス流量が少なく、サージングの発生を抑制するためにエンジンの低速域で過給圧を上げられず、エンジンの低速トルクが不足する。これに対して本実施形態では、ターボコンプレッサ２０の吸気ガス流量（時間平均流量）が少なくてもサージングの発生を防止することができるため、エンジン１０の低速域での過給圧を増大させることができる。したがって、エンジン１０の低速トルクの増大と過渡レスポンスの向上を実現することができる。

ここで、本願発明者が行った実験結果を図３，４に示す。図３は、ターボコンプレッサ２０のガス流れに脈動を付加したときの流量の時系列波形を示し、図４の作動線Ｅは、エンジン１０の回転速度Ｎｅ（ターボコンプレッサ２０の回転速度Ｎｃ）を変化させながらターボコンプレッサ２０の時間平均流量（修正流量）及び圧力比を測定した結果を示す。図４の作動線Ｅに示すように、ターボコンプレッサ２０の時間平均流量がサージング領域に入る小流量であっても、サージングが発生せず、ターボコンプレッサ２０の運転を行えることが確認された。

次に、ターボコンプレッサ２０の吸気ガス流れに脈動を強制的に付加する条件の好適な例について説明する。

前述のように、エンジン１０の低速域では、ターボコンプレッサ２０の吸気ガス流量が少なく、ターボコンプレッサ２０の運転状態がサージング領域に入りやすくなる。本実施形態では、図示しないセンサで検出されたエンジン１０の過給圧Ｐｅが設定過給圧Ｐ０よりも高い条件が成立する場合に、周期Ｔ１で電磁弁２５の開閉を繰り返す、つまり、ターボコンプレッサ２０の吸気ガス流れにサージング発生時の気流振動周期Ｔ０よりも短い周期Ｔ１の脈動を与えることが好ましい。ここでは、例えばエンジン１０の過給圧Ｐｅが設定過給圧Ｐ０以下である場合のターボコンプレッサ２０のガス流量が安定領域に入る流量となるように、設定過給圧Ｐ０を決定することができる。これによって、エンジン１０の低速域において、サージングの発生を防止しながら過給圧を増大させることができる。一方、エンジン１０の過給圧Ｐｅが設定過給圧Ｐ０以下である場合は、電磁弁２５を開状態に維持し、ターボコンプレッサ２０の吸気ガス流れに脈動を強制的に付加しない。この場合は、ターボコンプレッサ２０の吸気ガス流量が多く、ターボコンプレッサ２０の運転状態は安定領域に保たれ、サージングが発生することはない。

また、エンジン１０の高負荷運転時には、過給圧を増大させる必要があり、ターボコンプレッサ２０の運転状態がサージング領域に入りやすくなる。そのため、本実施形態では、例えば図示しないセンサで検出されたアクセル開度Ａが設定開度Ａ０よりも大きい場合等、エンジン１０の負荷が設定負荷よりも高い条件が成立する場合に、ターボコンプレッサ２０の吸気ガス流れに周期Ｔ１の脈動を与える（周期Ｔ１で電磁弁２５の開閉を繰り返す）ことが好ましい。ここでは、例えばアクセル開度Ａが設定開度Ａ０以下である場合のターボコンプレッサ２０のガス流量が安定領域に入る流量となるように、設定開度Ａ０を決定することができる。これによって、エンジン１０の高負荷運転時に、サージングの発生を防止しながら過給圧を増大させることができる。一方、例えばアクセル開度Ａが設定開度Ａ０以下の場合等、エンジン１０の負荷が設定負荷以下の場合は、電磁弁２５を開状態に維持する。この場合は、ターボコンプレッサ２０の吸気ガス流れに脈動を付加しなくても、ターボコンプレッサ２０の運転状態は安定領域に保たれ、サージングが発生することはない。

また、前述のように、ターボコンプレッサ２０のガス流量（時間平均流量）が少ないときは、ターボコンプレッサ２０の運転状態がサージング領域に入りやすくなる。そのため、本実施形態では、図示しないセンサで検出されたターボコンプレッサ２０の吸気ガス流量（時間平均流量）Ｇが設定流量Ｇ０よりも少ない条件が成立する場合に、ターボコンプレッサ２０の吸気ガス流れに周期Ｔ１の脈動を与える（周期Ｔ１で電磁弁２５の開閉を繰り返す）ことが好ましい。ここでは、例えば設定流量Ｇ０がサージ限界線に対応する流量となるように、設定流量Ｇ０を決定することができる。その際には、図示しないセンサで検出されたターボコンプレッサ２０の回転速度Ｎｃに応じて設定流量Ｇ０を変化させることもできる。これによって、ターボコンプレッサ２０の吸気ガス流量（時間平均流量）が少ないときに、サージングの発生を防止しながら過給圧を増大させることができる。一方、ターボコンプレッサ２０の吸気ガス流量（時間平均流量）Ｇが設定流量Ｇ０以上である場合は、電磁弁２５を開状態に維持する。この場合は、ターボコンプレッサ２０の吸気ガス流れに脈動を付加しなくても、ターボコンプレッサ２０の運転状態は安定領域に保たれ、サージングが発生することはない。また、上記に説明した複数の条件を組み合わせて電磁弁２５の開閉制御を行うこともできる。例えば、上記に説明した複数の条件のいずれか１つ以上が成立する場合に、ターボコンプレッサ２０の吸気ガス流れに周期Ｔ１の脈動を与える（周期Ｔ１で電磁弁２５の開閉を繰り返す）こともできる。

なお、本実施形態では、電磁弁２５をターボコンプレッサ２０の入口２０ａ側に設け、ターボコンプレッサ２０の入口２０ａにおける吸気ガス流れ（吸気ガス流量）を電磁弁２５により制御することもできる。この場合も、サージング発生時の気流振動周期Ｔ０よりも短い周期Ｔ１で電磁弁２５の開閉動作を繰り返すことで、ターボコンプレッサ２０の入口２０ａにおける吸気ガス流量を周期Ｔ１で変動させることができる。したがって、ターボコンプレッサ２０の運転状態を安定領域とサージング領域との間で周期Ｔ１で変動させるように、ターボコンプレッサ２０の吸気ガス流れに周期Ｔ１の脈動（パルス流）を強制的に与えることができる。

「実施形態２」
図５は、本発明の実施形態２に係る過給装置を含む過給エンジンシステムの概略構成を示す図である。以下の実施形態２の説明では、実施形態１と同様の構成または対応する構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施形態では、インタークーラー２３（サージタンク）をバイパスしてターボコンプレッサ２０の出口２０ｂと吸気管２６内とを連通させるためのバイパス管３２が設けられている。そして、電磁弁２５は、このバイパス管３２に設けられており、バイパス管３２内における吸気ガス流れ（吸気ガス流量）が電磁弁２５により制御される。電磁弁２５が開くことで、バイパス管３２内における吸気ガス流れ（ターボコンプレッサ２０の出口２０ｂから吸気管２６内への吸気ガス流れ）が許容される。一方、電磁弁２５が閉じることで、バイパス管３２内における吸気ガス流れが遮断される。

本実施形態では、サージング発生時の気流振動周期Ｔ０よりも短い周期Ｔ１（Ｔ１＜Ｔ０）で電磁弁２５の開閉動作を繰り返すことで、バイパス管３２内における吸気ガス流量を周期Ｔ１で変動させる。これによって、ターボコンプレッサ２０の運転状態を安定領域とサージング領域との間で周期Ｔ１で変動させるように、ターボコンプレッサ２０の吸気ガス流れに周期Ｔ１の脈動（パルス流）を強制的に与える。電磁弁２５を開状態から閉状態に切り換えると、ターボコンプレッサ２０の吸気ガス流量が減少して、ターボコンプレッサ２０の運転状態（流量及び圧力比）は安定領域からサージ限界線を越えて瞬間的にサージング領域に移行する。一方、電磁弁２５を閉状態から開状態に切り換えると、ターボコンプレッサ２０の吸気ガス流量が増大して、ターボコンプレッサ２０の運転状態（流量及び圧力比）はサージング領域からサージ限界線を越えて安定領域に移行する。本実施形態でも、電磁弁２５の開閉周期（脈動の周期）Ｔ１をサージング発生時の気流振動周期Ｔ０よりも短くすることで、ターボコンプレッサ２０の時間平均流量がサージング領域に入る小流量であっても、ターボコンプレッサ２０の運転状態がサージング領域に入るのは瞬間的でサージングの発生前に安定領域に移るため、サージングの発生を回避しながらターボコンプレッサ２０の運転を行うことができる。したがって、ターボコンプレッサ２０の運転可能な流量範囲を小流量側に広げることができる。なお、ターボコンプレッサ２０の吸気ガス流れに脈動を強制的に付加する条件の好適な例については実施形態１と同様である。

なお、本実施形態では、電磁弁２５の開閉動作をサージング発生時の気流振動周期Ｔ０よりも短い周期で繰り返すことなく、ターボコンプレッサ２０の吸気ガス流れに脈動を与えることも可能である。電磁弁２５が閉状態のときは、吸気弁２８の開閉に伴って吸気管２６内に生じる吸気ガスの脈動は、インタークーラー２３（サージタンク）内にて減衰してターボコンプレッサ２０には伝達されない。一方、電磁弁２５を開状態に切り換えることで、吸気弁２８の開閉に伴って吸気管２６内に生じる吸気ガスの脈動は、バイパス管３２を介してターボコンプレッサ２０へ伝達される。このターボコンプレッサ２０に伝達された脈動によって、ターボコンプレッサ２０の吸気ガス流れに脈動を与えることができる。吸気弁２８が開閉する周期はサージング発生時の気流振動周期Ｔ０よりも十分短いため、ターボコンプレッサ２０の吸気ガス流れに与えられる脈動の周期もサージング発生時の気流振動周期Ｔ０よりも十分短くなる。ここでは、吸気管２６内からバイパス管３２を介してターボコンプレッサ２０に伝達される脈動の減衰が抑制されるように、吸気管２６やバイパス管３２の長さ等の仕様を設計することが好ましい。また、本実施形態では、エンジン１０の始動時や、寒冷時等のエンジン１０の冷却液温度が低いときに、電磁弁２５を開状態に切り換えることで、バイパス管３２を介して高い温度の吸気ガスをシリンダ１１内に供給することができる。

「実施形態３」
図６は、本発明の実施形態３に係る過給装置を含む過給エンジンシステムの概略構成を示す図である。以下の実施形態３の説明では、実施形態１，２と同様の構成または対応する構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施形態では、ターボコンプレッサ２０の内部流路をバイパスしてターボコンプレッサ２０の入口２０ａと出口２０ｂ（インタークーラー２３よりも上流側）とを繋ぐためのバイパス管４２が設けられている。そして、電磁弁２５は、このバイパス管４２に設けられており、バイパス管４２内における吸気ガス流れ（吸気ガス流量）が電磁弁２５により制御される。電磁弁２５が開くことで、バイパス管４２内における吸気ガス流れ（ターボコンプレッサ２０の出口２０ｂから入口２０ａへの吸気ガス流れ）が許容される。一方、電磁弁２５が閉じることで、バイパス管４２内における吸気ガス流れが遮断される。

本実施形態では、サージング発生時の気流振動周期Ｔ０よりも短い周期Ｔ１（Ｔ１＜Ｔ０）で電磁弁２５の開閉動作を繰り返すことで、バイパス管４２内における吸気ガス流量を周期Ｔ１で変動させる。これによって、ターボコンプレッサ２０の運転状態を安定領域とサージング領域との間で周期Ｔ１で変動させるように、ターボコンプレッサ２０の吸気ガス流れに周期Ｔ１の脈動（パルス流）を強制的に与える。電磁弁２５を開状態から閉状態に切り換えると、ターボコンプレッサ２０の吸気ガス流量が減少して、ターボコンプレッサ２０の運転状態（流量及び圧力比）は安定領域からサージ限界線を越えて瞬間的にサージング領域に移行する。一方、電磁弁２５を閉状態から開状態に切り換えると、ターボコンプレッサ２０の吸気ガス流量が増大して、ターボコンプレッサ２０の運転状態（流量及び圧力比）はサージング領域からサージ限界線を越えて安定領域に移行する。本実施形態でも、電磁弁２５の開閉周期（脈動の周期）Ｔ１をサージング発生時の気流振動周期Ｔ０よりも短くすることで、ターボコンプレッサ２０の時間平均流量がサージング領域に入る小流量であっても、ターボコンプレッサ２０の運転状態がサージング領域に入るのは瞬間的でサージングの発生前に安定領域に移るため、サージングの発生を回避しながらターボコンプレッサ２０の運転を行うことができる。したがって、ターボコンプレッサ２０の運転可能な流量範囲を小流量側に広げることができる。なお、ターボコンプレッサ２０の吸気ガス流れに脈動を強制的に付加する条件の好適な例については実施形態１と同様である。

なお、電磁弁２５を閉状態から開状態に切り換えると、ターボコンプレッサ２０の回転駆動に必要な動力が増大する。本実施形態では、例えばアクセル開度が大きい場合等、エンジン１０の高負荷運転時に、電磁弁２５を閉状態から開状態に切り換えることで、ターボコンプレッサ２０の回転速度を抑えることもできる。これによって、ターボコンプレッサ２０の過回転を防止することができる。

「実施形態４」
図７は、本発明の実施形態４に係る過給装置を含む過給エンジンシステムの概略構成を示す図である。以下の実施形態４の説明では、実施形態１〜３と同様の構成または対応する構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施形態では、排気管２７とターボコンプレッサ２０の出口２０ｂ（インタークーラー２３よりも上流側）とを繋ぐための排気供給管５２が設けられている。そして、電磁弁２５は、この排気供給管５２に設けられており、排気供給管５２内における排気ガス流れ（排気ガス流量）が電磁弁２５により制御される。電磁弁２５が開くことで、排気供給管５２内における排気ガス流れが許容され、排気管２７内の排気ガスが排気供給管５２内を通ってターボコンプレッサ２０の出口２０ｂへ供給される。一方、電磁弁２５が閉じることで、排気供給管５２内における排気ガス流れが遮断される。

本実施形態では、サージング発生時の気流振動周期Ｔ０よりも短い周期Ｔ１（Ｔ１＜Ｔ０）で電磁弁２５の開閉動作を繰り返すことで、排気供給管５２内における排気ガス流量を周期Ｔ１で変動させる。これによって、ターボコンプレッサ２０の運転状態を安定領域とサージング領域との間で周期Ｔ１で変動させるように、ターボコンプレッサ２０の吸気ガス流れに周期Ｔ１の脈動（パルス流）を強制的に与える。電磁弁２５を閉状態から開状態に切り換えると、ターボコンプレッサ２０の出口２０ｂ側に排気ガスが供給されることでターボコンプレッサ２０の吸気ガス流量が減少して、ターボコンプレッサ２０の運転状態（流量及び圧力比）は安定領域からサージ限界線を越えて瞬間的にサージング領域に移行する。一方、電磁弁２５を開状態から閉状態に切り換えると、ターボコンプレッサ２０の出口２０ｂ側への排気ガスの供給が停止されることでターボコンプレッサ２０の吸気ガス流量が増大して、ターボコンプレッサ２０の運転状態（流量及び圧力比）はサージング領域からサージ限界線を越えて安定領域に移行する。本実施形態でも、電磁弁２５の開閉周期（脈動の周期）Ｔ１をサージング発生時の気流振動周期Ｔ０よりも短くすることで、ターボコンプレッサ２０の時間平均流量がサージング領域に入る小流量であっても、ターボコンプレッサ２０の運転状態がサージング領域に入るのは瞬間的でサージングの発生前に安定領域に移るため、サージングの発生を回避しながらターボコンプレッサ２０の運転を行うことができる。したがって、ターボコンプレッサ２０の運転可能な流量範囲を小流量側に広げることができる。なお、ターボコンプレッサ２０の吸気ガス流れに脈動を強制的に付加する条件の好適な例については実施形態１と同様である。

なお、本実施形態では、電磁弁２５の開閉動作をサージング発生時の気流振動周期Ｔ０よりも短い周期で繰り返すことなく、ターボコンプレッサ２０の吸気ガス流れに脈動を与えることも可能である。電磁弁２５が閉状態のときは、排気弁２９の開閉に伴って排気管２７内に生じる排気ガスの脈動は、電磁弁２５で遮断されてターボコンプレッサ２０の出口２０ｂには伝達されない。一方、電磁弁２５を開状態に切り換えることで、排気弁２９の開閉に伴って排気管２７内に生じる排気ガスの脈動は、排気供給管５２を介してターボコンプレッサ２０の出口２０ｂへ伝達される。このターボコンプレッサ２０の出口２０ｂに伝達された脈動によって、ターボコンプレッサ２０の吸気ガス流れに脈動を与えることができる。排気弁２９が開閉する周期はサージング発生時の気流振動周期Ｔ０よりも十分短いため、ターボコンプレッサ２０の吸気ガス流れに与えられる脈動の周期もサージング発生時の気流振動周期Ｔ０よりも十分短くなる。ここでは、排気管２７内から排気供給管５２を介してターボコンプレッサ２０の出口２０ｂに伝達される脈動の減衰が抑制されるように、排気管２７や排気供給管５２の長さ等の仕様を設計することが好ましい。また、本実施形態では、電磁弁２５の開閉制御により、ターボコンプレッサ２０の吸気ガス流れに脈動を与えるだけでなく、ＥＧＲ（排気再循環）の制御も行うことができる。

上記に説明した各実施形態においては、電磁弁２５の代わりに、開閉動作可能なロータリバルブを制御弁として設けることもできる。ここでのロータリバルブについては、例えば電動モータ等により駆動することができ、電子制御ユニット５０により電動モータの駆動制御を行うことができる。ロータリバルブの開閉動作をサージング発生時の気流振動周期Ｔ０よりも短い周期Ｔ１で繰り返すことによっても、ターボコンプレッサ２０の吸気ガス流れに周期Ｔ１の脈動を与えることができる。

また、上記に説明した各実施形態におけるターボコンプレッサ２０については、エンジン１０の過給以外の用途に用いることも可能である。つまり、ターボコンプレッサ２０で加圧されるガスは、エンジン１０への吸気ガス以外のガスであってもよい。その場合においても、サージングの発生を回避しながら、ターボコンプレッサ２０の運転可能な流量範囲を小流量側に広げることができる。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明の実施形態１に係る過給装置を含む過給エンジンシステムの概略構成を示す図である。 ターボコンプレッサのガス流量に対する圧力比の特性の一例を示す図である。 ターボコンプレッサのガス流れに脈動を付加したときの流量の時系列波形の一例を示す図である。 エンジンの回転速度を変化させながらターボコンプレッサの時間平均流量及び圧力比を測定した結果の一例を示す図である。 本発明の実施形態２に係る過給装置を含む過給エンジンシステムの概略構成を示す図である。 本発明の実施形態３に係る過給装置を含む過給エンジンシステムの概略構成を示す図である。 本発明の実施形態４に係る過給装置を含む過給エンジンシステムの概略構成を示す図である。

符号の説明

１０ エンジン、１１ シリンダ、１６ ターボチャージャー、１８ タービン、２０ ターボコンプレッサ、２３ インタークーラー、２５ 電磁弁、２６ 吸気管、２７ 排気管、２８ 吸気弁、２９ 排気弁、３２，４２ バイパス管、５０ 電子制御ユニット、５２ 排気供給管。

Claims (11)

1. エンジンへの吸気ガスを加圧するターボ圧縮機と、
   ターボ圧縮機の運転状態をサージングの発生しない安定領域とサージング領域との間でサージング発生時の振動周期よりも短い周期で変動させるように、ターボ圧縮機の吸気ガス流れにサージング発生時の振動周期よりも短い周期の脈動を与えることが可能な脈動発生手段と、
   を備える、過給装置。
2. 請求項１に記載の過給装置であって、
   脈動発生手段は、
   ターボ圧縮機の入口または出口における吸気ガス流量を制御する制御弁を有し、
   制御弁によりターボ圧縮機の入口または出口における吸気ガス流量をサージング発生時の振動周期よりも短い周期で変動させることで、ターボ圧縮機の吸気ガス流れにサージング発生時の振動周期よりも短い周期の脈動を与える、過給装置。
3. 請求項１に記載の過給装置であって、
   ターボ圧縮機の出口とエンジンの吸気管との間にはインタークーラーが配設され、
   吸気管内の吸気ガスは、吸気弁が開いているときにエンジンのシリンダ内に導入され、
   脈動発生手段は、インタークーラーをバイパスしてターボ圧縮機の出口と吸気管内とを連通させることが可能なバイパス手段を有する、過給装置。
4. 請求項３に記載の過給装置であって、
   脈動発生手段は、
   バイパス手段における吸気ガス流量を制御する制御弁を有し、
   制御弁によりバイパス手段における吸気ガス流量をサージング発生時の振動周期よりも短い周期で変動させることで、ターボ圧縮機の吸気ガス流れにサージング発生時の振動周期よりも短い周期の脈動を与える、過給装置。
5. 請求項１に記載の過給装置であって、
   脈動発生手段は、
   ターボ圧縮機の入口と出口とを繋ぐバイパス手段と、
   バイパス手段における吸気ガス流量を制御する制御弁と、
   を有し、
   制御弁によりバイパス手段における吸気ガス流量をサージング発生時の振動周期よりも短い周期で変動させることで、ターボ圧縮機の吸気ガス流れにサージング発生時の振動周期よりも短い周期の脈動を与える、過給装置。
6. 請求項１に記載の過給装置であって、
   エンジンにおける燃焼後の排気ガスは、排気弁が開いているときに排気管内へ排出され、
   脈動発生手段は、
   排気管内の排気ガスをターボ圧縮機の出口へ供給するための排気供給手段と、
   排気供給手段における排気ガス流量を制御する制御弁と、
   を有する、過給装置。
7. 請求項６に記載の過給装置であって、
   脈動発生手段は、制御弁により排気供給手段における排気ガス流量をサージング発生時の振動周期よりも短い周期で変動させることで、ターボ圧縮機の吸気ガス流れにサージング発生時の振動周期よりも短い周期の脈動を与える、過給装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１に記載の過給装置であって、
   脈動発生手段は、過給圧が設定過給圧よりも高い場合に、ターボ圧縮機の吸気ガス流れにサージング発生時の振動周期よりも短い周期の脈動を与える、過給装置。
9. 請求項１〜７のいずれか１に記載の過給装置であって、
   脈動発生手段は、ターボ圧縮機の流量が設定流量よりも少ない場合に、ターボ圧縮機の吸気ガス流れにサージング発生時の振動周期よりも短い周期の脈動を与える、過給装置。
10. 請求項１〜７のいずれか１に記載の過給装置であって、
    脈動発生手段は、エンジン負荷が設定負荷よりも高い場合に、ターボ圧縮機の吸気ガス流れにサージング発生時の振動周期よりも短い周期の脈動を与える、過給装置。
11. ガスを加圧するターボ圧縮機と、
    ターボ圧縮機の運転状態をサージングの発生しない安定領域とサージング領域との間でサージング発生時の振動周期よりも短い周期で変動させるように、ターボ圧縮機のガス流れにサージング発生時の振動周期よりも短い周期の脈動を与えることが可能な脈動発生手段と、
    を備える、圧縮機。

Images