JP2009167938A - 内燃機関用ターボ過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】サージ限界を改善でき、かつバイパス通路を介してインペラに導かれる吸気の流れ方向の制御の自由度を高めることが可能な内燃機関用ターボ過給機を提供する。
【解決手段】内部に収容しているコンプレッサインペラ１３に吸気を導く入口通路２０を有するコンプレッサハウジング１４と、入口通路２０に周方向に設けられ、入口通路２０の流路断面積を変化させるように動作可能な複数のガイドベーン２５とを備えた内燃機関用ターボ過給機１０において、ガイドベーン２５より上流の入口通路２０に一端が開口するとともにハウジング１４の内面のうちインペラ１３の複数の翼１３ａと対向する部分に他端が開口し、かつ入口通路２０の外周に設けられる円環状のバイパス通路２８と、バイパス通路２８内に周方向に配置され、バイパス通路２８の半径方向に延びる回転軸を中心に回転可能に設けられる複数のベーン２９と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、排気エネルギを利用してコンプレッサのインペラを回転させ、これにより吸気を過給する内燃機関用ターボ過給機に関する。

遠心圧縮機においては、インペラの翼列のリーディングエッジより下流側の流路から流体の一部を取り出し、その取り出した流体をインペラの入口に還流させることにより、サージングの限界（以下、サージ限界と略称することがある。）を改善できることが知られている。このようにサージ限界を改善するものとして、インペラに流体を導く流体入口通路と、流体入口通路の周囲に９０°毎に設けられ、流体入口通路からインペラの翼列のリーディングエッジをバイパスしてリーディングエッジより下流の流体通路に流体を導くバイパス通路とを備え、流体入口通路には偏向されることにより流体流に対し旋回を付与するベーンが設けられ、バイパス通路にはその開度を制御するバイパス制御弁が設けられた遠心圧縮機が知られている（特許文献１参照）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２〜５が存在する。

特開２００６−２６５０号公報 特開２００５−２３７９２号公報 特開平５−１５７０９５号公報 特開平９−３１０６９９号公報 特開平８−３１２５８３号公報

特許文献１の圧縮機では、ベーンを回転させ、流体入口通路の流路断面積を減少させた際にバイパス通路からインペラに流体を導くことができるが、バイパス通路が流体入口通路の周囲に９０°毎にしか配置されていないため、流体入口通路からバイパス通路を介してインペラに導かれる流体の流出方向が限定される。

そこで、本発明は、サージ限界を改善でき、かつバイパス通路を介してインペラに導かれる吸気の流れ方向の制御の自由度を高めることが可能な内燃機関用ターボ過給機を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関用ターボ過給機は、複数の翼を有するインペラと、前記インペラを内部に収容するとともに回転自在に支持し、かつ前記インペラに吸気を導く入口通路を有するコンプレッサハウジングと、前記入口通路内に突出するように前記入口通路に周方向に設けられ、前記入口通路の流路断面積を変化させるように動作可能な複数の第１ベーンと、を備えた内燃機関用ターボ過給機において、前記複数の第１ベーンより上流の入口通路に一端が開口するとともに前記コンプレッサハウジングの内面のうち前記インペラの前記複数の翼と対向する部分に他端が開口し、かつ前記入口通路の外周に設けられる円環状のバイパス通路と、前記バイパス通路内に周方向に配置され、前記バイパス通路の半径方向に延びる回転軸を中心に回転可能に設けられる複数の第２ベーンと、を備えることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

本発明の内燃機関用ターボ過給機によれば、円環状のバイパス通路を入口通路の外周に設け、そのバイパス通路に回転軸を中心に回転可能な複数の第２ベーンを設けたので、これら複数の第２ベーンの角度を変化させることによってバイパス通路を流れる吸気の流れ方向を変化させることができる。例えば、バイパス通路が延びる方向と交差する方向に各第２ベーンの角度を変化させることにより、バイパス通路を流れる吸気を各第２ベーンによって旋回させることができる。そして、バイパス通路が延びる方向と交差する角度を変更することにより、吸気に付与する旋回の強さを変化させることができる。そのため、バイパス通路を介してインペラに導かれる吸気の流れ方向の制御の自由度を高めることができる。一方、ターボ過給機のコンプレッサで吸気を圧縮する場合は、バイパス通路の延びる方向に対して第２ベーンが平行になるように各第２ベーンの角度を変更することにより、インペラの翼列のリーディングエッジより下流から速やかにインペラの上流に吸気を還流させることができる。そのため、ターボ過給機のコンプレッサのサージ限界を改善することができる。

本発明の内燃機関用ターボ過給機の一形態においては、前記入口通路の流路断面積が減少するように前記複数の第１ベーンがそれぞれ駆動された場合、前記バイパス通路を介して前記コンプレッサハウジングに導かれる吸気に前記インペラが吸気を過給する際に回転する方向と同じ方向の旋回が付与されるように前記複数の第２ベーンが回転駆動されてもよい（請求項２）。この場合、入口通路の流路断面積が減少してバイパス通路に導かれた吸気にインペラが吸気を過給する際に回転する方向（以下、正回転方向と称することがある。）と同じ方向の旋回を付与し、この正回転方向の旋回を付与した吸気をインペラに直接吹き付けることができる。そのため、例えば内燃機関の吸入空気量が減少した場合などに第１ベーン及び第２ベーンをこのように駆動することにより、インペラの回転数が低下することを抑制することができる。

本発明の内燃機関用ターボ過給機の一形態においては、前記複数の第１ベーンと前記複数の第２ベーンとが共通の駆動手段にて駆動されてもよい（請求項３）。この場合、複数の駆動手段を設ける必要がないため、各ベーンの駆動機構をコンパクトにできる。

この形態において、前記駆動手段は、前記複数の第１ベーンを前記入口通路の流路断面積が最大となる位置に駆動した場合に前記バイパス通路を介して前記複数の第１ベーンより上流の入口通路に還流される吸気に前記インペラが吸気を過給する際に回転する方向と同じ方向の旋回が付与されるように前記複数の第２ベーンを回転駆動し、前記複数の第１ベーンを前記入口通路の流路断面積が最小となる位置に駆動した場合に前記バイパス通路を介して前記コンプレッサハウジングに導かれる吸気に前記インペラが吸気を過給する際に回転する方向と同じ方向の旋回が付与されるように前記複数の第２ベーンを回転駆動してもよい（請求項４）。この場合、例えば、内燃機関の吸入空気量が多い場合には複数の第１ベーンを入口通路の流路断面積が最大となる位置に駆動して複数の第２ベーンをバイパス通路を介して入口通路に還流される吸気に正回転方向の旋回が付与される角度に回転駆動することにより、サージ限界を改善することができる。一方、内燃機関の吸入空気量が少ない場合には複数の第１ベーンを入口通路の流路断面積が最小となる位置に駆動して複数の第２ベーンをバイパス通路を介してコンプレッサハウジングに導かれる吸気に正回転方向の旋回が付与される角度に回転駆動することにより、インペラの回転数が低下することを抑制することができる。そのため、このように第１ベーンと第２ベーンとを連動させて動作させることにより、内燃機関の吸入空気量が多い運転状態から少ない運転状態までの広い運転域において各第１ベーン及び各第２ベーンの角度をそれぞれ適切に変更することができる。

また、前記バイパス通路の外側から前記バイパス通路を貫通して前記入口通路内に突出するように前記入口通路の半径方向の延びる複数の回転軸部材が周方向に等間隔で設けられ、各回転軸部材に第１ベーン及び第２ベーンがそれぞれ一体回転するように設けられ、前記駆動手段は、前記複数の回転軸部材を回転駆動してもよい（請求項５）。この場合、回転軸部材を回転させることにより、第１ベーン及び第２ベーンの両方をそれぞれ容易に回転駆動することができる。

第１ベーン及び第２ベーンを駆動する駆動手段を備えた本発明の内燃機関用ターボ過給機の一形態においては、前記内燃機関のアクセル開度、前記内燃機関の吸入空気量、及び前記吸入空気量と相関する物理量のうちの少なくともいずれか一つと、前記内燃機関の回転数とに基づいて前記駆動手段の動作を制御する制御手段を備えてもよい（請求項６）。周知のようにターボ過給機の運転状態は、内燃機関の回転数及び吸入空気量に影響される。この形態では、吸入空気量を制御するアクセル開度、吸入空気量、及び吸入空気量と相関する物理量のうちの少なくともいずれか一つと内燃機関の回転数とに基づいて各第１ベーンの角度及び各第２ベーンの角度をそれぞれ変化させるので、内燃機関の運転状態に応じてターボ過給機の運転状態を適切に制御することができる。吸入空気量は内燃機関のトルク、出力、及び燃料噴射量などにより変化するので、吸入空気量と相関する物理量としては、例えばこれら内燃機関のトルク、出力、及び燃料噴射量などが用いられる。

この形態において、前記制御手段は、前記内燃機関の回転数が所定の判定回転数より低く、かつ前記アクセル開度、前記吸入空気量、及び前記物理量の少なくともいずれか一つがそれぞれに対応して設定された所定の判定値より大きい場合、前記入口通路を通過する吸気に前記インペラが吸気を過給する際に回転する方向とは逆方向の旋回が付与される角度に前記複数の第１ベーンが駆動されるように前記駆動手段の動作を制御してもよい（請求項７）。周知のように内燃機関の回転数が低く、かつ内燃機関の吸入空気量が多い場合はサージングが発生し易くなる。そこで、内燃機関の回転数と、アクセル開度、吸入空気量、及び物理量の少なくともいずれか一つとに基づいてサージングが発生し易い状態か否か判断し、サージングし易い状態であると判断した場合は入口通路を流れる吸気に正回転方向とは逆方向の旋回を付与する。これにより、サージングの発生を回避することができる。

以上に説明したように、本発明の内燃機関用ターボ過給機によれば、円環状のバイパス通路を入口通路の外周に設け、そのバイパス通路に周方向に複数の第２ベーンを配置したので、これら第２ベーンの角度を変化させることにより、バイパス通路を流れる吸気を旋回させたり、吸気を速やかにインペラの上流に還流させたりすることができる。そのため、サージ限界を改善でき、かつバイパス通路を介してインペラに導かれる吸気の流れ方向の制御の自由度を高めることができる。

（第１の形態）
図１は、本発明の第１の形態に係るターボ過給機が組み込まれた内燃機関の一例を示している。図１の内燃機関（以下、エンジンと称することもある。）１は、車両に走行用動力源として搭載されるものであり、複数の気筒（不図示）が設けられる機関本体２と、各気筒に接続される吸気通路３及び排気通路４とを備えている。また、エンジン１は、ターボ過給機１０を備えている。ターボ過給機１０は、吸気通路３に設けられるコンプレッサ１１と排気通路４に設けられるタービン１２とを備えている。コンプレッサ１１は、複数の翼１３ａを有するコンプレッサインペラ１３と、コンプレッサインペラ１３を内部に収容するとともに回転可能に支持するコンプレッサハウジング１４とを備えている。タービン１２は、複数の翼を有するタービンインペラ１５と、タービンインペラ１５を内部に収容するとともに回転可能に支持するタービンハウジング１６とを備えている。図１に示したようにコンプレッサインペラ１３とタービンインペラ１５とは駆動軸１７にて一体回転するように接続されている。

図２及び図３を参照してターボ過給機１０のコンプレッサ１１について説明する。図２は、ターボ過給機１０のコンプレッサ１１の内部を拡大して示した図である。図３は、図２のIII−III線におけるコンプレッサ１１の断面を示す図である。図２に示したようにコンプレッサハウジング１４には、上流側から順に吸気をコンプレッサインペラ１３に導く入口通路２０と、コンプレッサインペラ１３が配置されるインペラ室２１、コンプレッサインペラ１３の出口から排出された吸気が導かれるディフューザ部２２、ディフューザ部２２を通過した吸気が導かれて圧縮される渦巻き状のスクロール室２３とが設けられている。図２に示したように入口通路２０には、入口通路２０の半径方向に延びて入口通路２０の内周面から入口通路２０の中心に向かって突出する回転軸部材としての複数（図３で６本）の回転軸２４が設けられている。各回転軸２４は、コンプレッサハウジング１４のうち入口通路２０を形成する吸気導入管１４ａにそれぞれ回転可能に支持されている。図２及び図３に示したように、各回転軸２４には、コンプレッサインペラ１３と干渉しないように入口通路２０内に配置される第１ベーンとしてのガイドベーン２５がそれぞれ取り付けられている。ガイドベーン２５は、その中心に回転軸２４が位置し、かつ回転軸２４と一体に回転するように回転軸２４に取り付けられる。そのため、回転軸２４を回転させることにより、入口通路２０を流入する吸気の流れ方向Ａ（図２参照）に対するガイドベーン２５の角度を変化させることができる。そして、このように回転軸２４を回転させてガイドベーン２５の角度を変化させることにより入口通路２０の流路断面積を変化させることができる。

図３に示したように複数の回転軸２４は、吸気導入管１４ａに周方向に等間隔で設けられている。各ガイドベーン２５は、外周側が入口通路２０の内周面に沿った円弧状に形成され、図３に示したように入口通路２０を流入する吸気の流れ方向Ａと対向する角度に変化させた場合に一端が隣のガイドベーン２５の他端とそれぞれ重なり合うようにその大きさが設定されている。図２及び図３に示したように各回転軸２４は一端が吸気導入管１４ａの外側にそれぞれ突出しており、その一端には操作部２４ａがそれぞれ設けられている。各回転軸２４の操作部２４ａは、吸気導入管１４ａの外周に回転自在に設けられた操作リング２６とそれぞれ係合している。図４は、図２の矢印IV方向からコンプレッサハウジング１４を見た図である。図４に示したようにターボ過給機１０は、操作リング２６を左右方向に回転駆動する駆動手段としてのアクチュエータ２７を備えている。アクチュエータ２７が操作リング２６を回転駆動すると、その操作リング２６と係合している操作部２４ａが回転軸２４を中心に揺動される。これにより回転軸２４が回転し、ガイドベーン２５の角度が変更される。このように操作リング２６によって全ての回転軸２４の操作部２４ａを操作することにより、各ガイドベーン２５をそれぞれ同じ方向に連動して動作させることができる。

図２及び図３に示したようにターボ過給機１０は、入口通路２０の周囲に全周に亘って円環状に設けられるバイパス通路２８を備えている。図２に示したようにバイパス通路２８は、一端がガイドベーン２５より上流の入口通路２０に開口し、他端がコンプレッサハウジング１４の内面のうちコンプレッサインペラ１３の複数の翼１３ａと対向する部分、すなわちインペラ室２１の内面に開口するように設けられる。また、バイパス通路２８は、その流路断面積が入口通路２０の流路断面積よりも小さくなるように設けられる。バイパス通路２８内には各回転軸２４が貫通しており、各回転軸２４にはバイパス通路２８内における吸気の流れ方向を制御する第２ベーンとしての複数のベーン２９が設けられている。このベーン２９もガイドベーン２５と同様に、中心に回転軸２４が位置し、かつ回転軸２４と一体に回転するように回転軸２４に取り付けられている。

図５及び図６を参照してガイドベーン２５とベーン２９との関係について説明する。なお、図５は、各ガイドベーン２５が入口通路２０に流入する吸気の流れ方向Ａに対して平行になるように各回転軸２４を回転させたときのガイドベーン２５及びベーン２９の状態をそれぞれ示す図である。図６は、各ガイドベーン２５が入口通路２０に流入する吸気の流れ方向Ａと対向して入口通路２０を塞ぐように各回転軸２４を回転させたときのガイドベーン２５及びベーン２９の状態をそれぞれ示す図である。なお、図５及び図６の矢印Ｃはコンプレッサインペラ１３が吸気を圧縮する際に回転する回転方向（以降、正回転方向と称することがある。）を示している。以降、図５に示したガイドベーン２５の角度をゼロ点と称することがある。また、図６に示したガイドベーン２５の角度を全閉位置と称することがある。図５に示したように、ベーン２９は、ガイドベーン２５とは異なる方向を向くようにガイドベーン２５に対して角度Δθ分回転させた状態で回転軸２４に取り付けられている。この角度Δθは、図６に示したようにガイドベーン２５の角度が全閉位置になるように回転軸２４を回転させた場合に、各ベーン２９によってバイパス通路２８を介してインペラ室２１に流入する吸気がコンプレッサインペラ１３の正回転方向と同じ方向に旋回するように設定される。すなわち、バイパス通路２８を介してインペラ室２１に流入する吸気がベーン間２９を通過すると図６の矢印Ｓ方向に旋回するように設定される。

アクチュエータ２７の動作は制御手段としてのエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）４０にて制御される。ＥＣＵ４０は、マイクロプロセッサ及びその動作に必要なＲＡＭ、ＲＯＭ等の周辺機器を含んだコンピュータとして構成され、エンジン１に設けられた各種センサから出力された信号に基づいてエンジン１の運転状態を制御する周知のコンピュータユニットである。ＥＣＵ４０には、例えばエンジン１の回転数に対応する信号を出力する回転数センサ４１、及びアクセル開度に対応する信号を出力するアクセル開度センサ４２などが接続される。

ＥＣＵ４０は、エンジン１の運転状態に応じてアクチュエータ２７を制御し、これにより各ガイドベーン２５の角度を制御する。図７及び図８を参照してＥＣＵ４０によるガイドベーン２５の制御方法について説明する。なお、図７はエンジン１が所定の判定回転数Ｎ１より低い回転数で運転されている場合のガイドベーン２５及びベーン２９のそれぞれの角度とアクセル開度との関係の一例を示し、図８はエンジン１が判定回転数Ｎ１以上の回転数で運転されている場合のガイドベーン２５及びベーン２９のそれぞれの角度とアクセル開度との関係の一例を示している。なお、図７及び図８の実線θｉはガイドベーン２５の角度を示し、破線θｖはベーン２９の角度を示している。図７及び図８における角度は、入口通路２０に流入する吸気の流れ方向Ａと平行になる位置を０とする。そして、この０の位置から右回りの角度を正とし、０の位置から左回りの角度を負とする。上述したようにガイドベーン２５とベーン２９とは角度Δθ分ずらして回転軸２４に取り付けられている。そのため、この角度Δθ分のずれが実線θｉと破線θｖとのずれとなる。判定回転数Ｎ１としては、例えばアクセル開度が大きい場合にコンプレッサインペラ１３に正回転方向とは逆方向に旋回する吸気を導入してコンプレッサ１１のサージを抑制する必要がある回転数範囲の上限値が設定される。このような上限値は、コンプレッサインペラ１３の形状やコンプレッサハウジング１４の形状などに応じて変化するため、これらに応じて適宜設定される。

図７に示したようにエンジン１の回転数が判定回転数Ｎ１より低い場合、ガイドベーン２５の角度はアクセル開度に応じて３段階に切り替えられる。アクセル開度が所定の第１判定アクセル開度Ｆ１未満の場合、各ガイドベーン２５の角度が図６に示した全閉位置になるようにアクチュエータ２７が制御される。周知のようにアクセル開度が小さいと吸気通路３に設けられたスロットル弁（不図示）が閉じられ、エンジン１の吸入空気量が減少する。そこで、このような場合は各ガイドベーン２５を全閉位置に制御し、バイパス通路２８を介して吸気をインペラ室２１に導く。上述したようにバイパス通路２８の流路断面積は入口通路２０の流路断面積よりも小さいので、このようにバイパス通路２８を通過させることにより吸気の流速を高めることができる。また、上述したようにガイドベーン２５が全閉位置にある場合、各ベーン２９によってバイパス通路２８を介してインペラ室２１に導かれる吸気にコンプレッサインペラ１３の正回転方向と同じ方向の旋回を付与することができる。そのため、この旋回している吸気をコンプレッサインペラ１３に吹き付けることにより、コンプレッサインペラ１３を吸気で回転させ、コンプレッサインペラ１３の回転数が低下することを抑制することができる。そのため、所定の第１判定アクセル開度Ｆ１としては、例えばこのように吸気でコンプレッサインペラ１３を回転させる必要があるアクセル開度範囲の上限値が設定される。

アクセル開度が所定の第１判定アクセル開度Ｆ１以上、かつ所定の第２判定アクセル開度Ｆ２未満の範囲内の場合、各ガイドベーン２５の角度が図５に示したゼロ点になるようにアクチュエータ２７が制御される。この場合、各ガイドベーン２５が入口通路２０を流入する吸気の流れ方向Ａに対して平行になるため、入口通路２０を介して速やかに吸気をコンプレッサインペラ１３に導くことができる。この際、各ベーン２９はベーン２９間に隙間が形成される位置となり、図５に矢印Ｒで示したようにバイパス通路２８を介してインペラ室２１からガイドベーン２５の上流に吸気を還流させることができる。そのため、コンプレッサ１１のサージ限界を改善することができる。

アクセル開度が所定の第２判定アクセル開度Ｆ２以上の場合は、各ガイドベーン２５の角度が図９に示したようにゼロ点よりも左回りに回転した位置（以下、逆旋回位置と称することがある。）になるようにアクチュエータ２７が制御される。各ガイドベーン２５を図９に示した位置に制御すると、入口通路２０を流れる吸気にコンプレッサインペラ１３の正回転方向とは逆方向（以下、逆回転方向と称することがある。）Ｓｒの旋回を付与することができる。周知のようにエンジン１の回転数が低くかつアクセル開度が大きい場合はサージングが発生し易くなる。そこで、各ガイドベーン２５の角度を図９に示した位置に制御し、逆回転方向に旋回する吸気をコンプレッサインペラ１３に流入させることにより、このサージングの発生を回避する。これにより、コンプレッサ１１におけるサージングの発生をさらに抑制することができる。所定の第２判定アクセル開度Ｆ２としては、例えばコンプレッサインペラ１３に逆回転方向に旋回する吸気を導入する必要がある回転数範囲の下限値が設定される。そのため、この第２判定アクセル開度Ｆ２が本発明の所定の判定値に相当する。

次に図８に示した関係について説明する。なお、図８に示した第１判定アクセル開度Ｆ１は、図７に示したものと同じである。図８に示したように、エンジン１が判定回転数Ｎ１以上の回転数で運転されている場合、ガイドベーン２５の角度はアクセル開度に応じて２段階に切り替えられる。アクセル開度が所定の第１判定アクセル開度Ｆ１未満の場合、各ガイドベーン２５の角度が図６に示した全閉位置になるようにアクチュエータ２７が制御される。この場合、上述したようにバイパス通路２８を通過する吸気に正回転方向の旋回を付与し、この吸気をコンプレッサインペラ１３に吹き付けることができるので、コンプレッサインペラ１３の回転数が低下することを抑制できる。一方、アクセル開度が所定の第１判定アクセル開度Ｆ１以上の場合は、各ガイドベーン２５の角度が図５に示したゼロ点になるようにアクチュエータ２７が制御される。これにより、入口通路２０を介して速やかに吸気をコンプレッサインペラ１３に導くことができる。また、バイパス通路２８を介して吸気をインペラ室２１からガイドベーン２５の上流に還流させることができるので、コンプレッサ１１のサージ限界を改善することができる。

図１０は、エンジン１の運転状態に応じてガイドベーン２５の角度を上述したように制御するべくＥＣＵ４０がエンジン１の運転中に所定の周期で繰り返し実行するベーン制御ルーチンを示している。図１０のベーン制御ルーチンにおいてＥＣＵ４０は、まずステップＳ１１でエンジン１の運転状態を取得する。エンジン１の運転状態としては、例えばエンジン１の回転数Ｎｅ、及びアクセル開度Ｆなどが取得される。次にステップＳ１２においてＥＣＵ４０は、アクセル開度Ｆが第１判定アクセル開度Ｆ１未満か否か判断する。アクセル開度Ｆが第１判定アクセル開度Ｆ１未満と判断した場合はステップＳ１３に進み、ＥＣＵ４０は各ガイドベーン２５の角度が図６に示した全閉位置になるようにアクチュエータ２７の動作を制御する。その後、今回の制御ルーチンを終了する。

一方、アクセル開度Ｆが第１判定アクセル開度Ｆ１以上と判断した場合はステップＳ１４に進み、ＥＣＵ４０はアクセル開度Ｆが第２判定アクセル開度Ｆ２未満であるか否か判断する。アクセル開度Ｆが第２判定アクセル開度Ｆ２未満と判断した場合はステップＳ１５に進み、ＥＣＵ４０は各ガイドベーン２５の角度がゼロ点になるようにアクチュエータ２７の動作を制御する。その後、今回の制御ルーチンを終了する。

一方、アクセル開度Ｆが第２判定アクセル開度Ｆ２以上と判断した場合はステップＳ１６に進み、ＥＣＵ４０はエンジン１の回転数Ｎｅが判定回転数Ｎ１未満か否か判断する。エンジン１の回転数Ｎｅが判定回転数Ｎ１以上と判断した場合は、今回の制御ルーチンを終了する。一方、エンジン１の回転数Ｎｅが判定回転数Ｎ１未満と判断した場合はステップＳ１７に進み、各ガイドベーン２５の角度が図９に示した逆旋回位置になるようにアクチュエータ２７の動作を制御する。その後、今回の制御ルーチンを終了する。

以上に説明したように、第１の形態に係るターボ過給機１０によれば、アクセル開度が小さい場合、ガイドベーン２５の角度を全閉位置にしてバイパス通路２８に吸気を導くとともにベーン２９によってバイパス通路２８を流れる吸気に正回転方向の旋回を付与する。これにより、正回転方向に旋回する吸気をコンプレッサインペラ１３に吹き付けることができるので、コンプレッサインペラ１３の回転数の低下を抑制することができる。一方、アクセル開度が大きい場合はガイドベーン２５の角度をゼロ点にし、入口通路２０を介して速やかにコンプレッサインペラ１３に吸気を導くことができる。この際、図５に示したように各ベーン２９はベーン２９間に隙間が形成される角度になるため、バイパス通路２８を介してインペラ室２１からガイドベーン２５より上流に吸気を還流させることができる。そのため、コンプレッサ１１のサージ限界を改善することができる。さらに、エンジン１の回転数が低く、かつアクセル開度が小さい場合は、各ガイドベーン２５の角度を逆旋回位置にするので、逆回転方向に旋回する吸気をコンプレッサインペラ１３に導入し、サージングの発生を回避することができる。

このように第１の形態に係るターボ過給機１０によれば、入口通路２０の外周に全周に亘って円環状にバイパス通路２８を設け、そのバイパス通路２８に複数のベーン２９を角度を変更可能なように設けたので、バイパス通路２８を介してコンプレッサインペラ１３に導かれる吸気に旋回を付与するなどバイパス通路２８を流れる吸気の流れ方向の制御の自由度を高めることができる。そして、これによりターボ過給機１０の性能を改善することができる。

（第２の形態）
図１１〜図１５を参照して本発明の第２の形態に係るターボ過給機１０について説明する。なお、図１１は、第１の形態の図６に対応する図であり、図１２は第１の形態の図５に対応する図である。また、図１３は、第１の形態の図９に対応する図である。図１１に示したように、この形態ではガイドベーン２５が全閉位置になる角度が第１の形態と異なる。そして、ガイドベーン２５は、その角度が全閉位置から逆旋回位置を経由してゼロ点になるように駆動される。すなわち、ガイドベーン２５の角度を全閉位置からゼロ点に変化させる場合、図１１に示した状態から図１３に示した状態に変化し、その後図１２に示した状態に変化する。そして、ベーン２９は、図１１に示したようにガイドベーン２５の角度が全閉位置の場合においてバイパス通路２８を流れる吸気に正回転方向の旋回が付与されるように回転軸２４に取り付けられている。なお、これ以外の部分は第１の形態と同じであるため、図１１〜図１５において第１の形態と共通の部分には同一の符号を付して説明を省略する。

次に図１４及び図１５を参照してこの形態における各ガイドベーン２５の制御方法について説明する。なお、図１４は、第１の形態の図７に対応する図であり、図１５は第１の形態の図８に対応する図である。ただし、図１４及び図１５における角度は、入口通路２０に流入する吸気の流れ方向Ａと平行になる位置を０とする点は第１の形態と同じであるが、この０の位置から左回りの角度を正とし、０の位置から右回りの角度を負とする点が第１の形態と異なる。

図１４に示したように第２の形態においてもエンジン１の回転数が判定回転数Ｎ１より低い場合は、各ガイドベーン２５の角度がアクセル開度に応じて３段階に切り替えられる。アクセル開度が所定の第１判定アクセル開度Ｆ１未満の場合、各ガイドベーン２５の角度が図１１に示した全閉位置になるようにアクチュエータ２７が制御される。これにより、バイパス通路２８を通過する吸気に正回転方向の旋回を付与し、この吸気をコンプレッサインペラ１３に吹き付けることができるので、コンプレッサインペラ１３の回転数が低下することを抑制できる。アクセル開度が所定の第１判定アクセル開度Ｆ１以上、かつ所定の第２判定アクセル開度Ｆ２未満の範囲内の場合は、各ガイドベーン２５の角度が図１２に示したゼロ点になるようにアクチュエータ２７が制御される。これにより、入口通路２０を介して速やかに吸気をコンプレッサインペラ１３に導くことができる。また、バイパス通路２８を介してインペラ室２１からガイドベーン２５の上流に吸気を還流させることができるので、コンプレッサ１１のサージ限界を改善することができる。アクセル開度が所定の第２判定アクセル開度Ｆ２以上の場合は、図１４に示したようにガイドベーン２５の角度がゼロ点よりも正方向に戻り、図１３に示した逆旋回位置になるようにアクチュエータ２７が制御される。これにより、コンプレッサインペラ１３に逆回転方向に旋回する吸気を導入することができるので、サージングの発生をさらに抑制することができる。

一方、図１５に示したようにエンジン１の回転数が判定回転数Ｎ１以上の場合は、各ガイドベーン２５の角度がアクセル開度に応じて２段階に切り替えられる。アクセル開度が第１判定アクセル開度Ｆ１未満の場合、各ガイドベーン２５の角度が図１１に示した全閉位置になるようにアクチュエータ２７が制御される。この場合、正回転方向の旋回を付与した吸気をバイパス通路２８からコンプレッサインペラ１３に吹き付けることができるので、コンプレッサインペラ１３の回転数が低下することを抑制できる。そして、アクセル開度が第１判定アクセル開度Ｆ１以上の場合は、各ガイドベーン２５の角度が図１２に示したゼロ点になるようにアクチュエータ２７が制御される。これにより、速やかに吸気をコンプレッサインペラ１３に導くことができる。また、コンプレッサ１１のサージ限界を改善することができる。

本発明の第２の形態に係るターボ過給機１０によれば、ガイドベーン２５が逆旋回位置になる角度が全開位置とゼロ点との間にあるため、ガイドベーン２５の角度をゼロ点より負方向に変化させる必要がない。そのため、ガイドベーン２５の揺動範囲を第１の形態と比較して狭くし、ガイドベーン２５の制御の応答速度を高めたり、信頼性を高めることができる。また、ガイドベーン２５を駆動するための機構をコンパクトにすることができる。車両の発進時などは、まずエンジン１の回転数が低くアクセル開度が小さいため、ガイドベーン２５の角度が全閉位置に制御され、次にエンジン１の回転数が低い状態でアクセル開度が開けられるため、ガイドベーン２５の角度が逆旋回位置に制御される。その後、エンジン１の回転数が高くなってガイドベーン２５の角度がゼロ点に制御される。この場合、第２の形態に係るターボ過給機１０であれば、ガイドベーン２５を同じ方向に変化させることでこれらの制御ができる。そのため、バックラッシによる誤差の発生などを排除して制御精度を高めることができる。

本発明は、上述した各形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、ガイドベーンが取り付けられる回転軸とは別にベーンのみが取り付けられる回転軸を設けてもよい。この場合、ガイドベーンの数とベーンの数とを異ならせることができる。そのため、例えば図１６に示したようにガイドベーン２５の回転軸の間にベーン２９を取り付ける回転軸５０を設け、ベーン２９をガイドベーン２５よりも多く設けてもよい。この場合、バイパス通路２８を通過する吸気にさらに強い旋回を付与することができる。また、ガイドベーンが取り付けられた回転軸を駆動するアクチュエータとは別に、ベーンが取り付けられた回転軸を駆動するアクチュエータを設けてもよい。この場合、ガイドベーンの角度とベーンの角度とをそれぞれ別々に制御することができる。

本発明のターボ過給機は、ディーゼルエンジン及びガソリンその他の燃料を利用する各種の内燃機関に適用してよい。本発明のターボ過給機に設けられるバイパス通路は、その流路断面積が入口通路の流路断面積と同じ、又は入口通路の流路断面積より大きくなるように設けられてもよい。上述した各形態では、エンジンの回転数及びアクセル開度に基づいてアクチュエータの動作を制御したが、アクセル開度の代わりにエンジンの吸入空気量、又は吸入空気量と相関する物理量を用いてアクチュエータの動作を制御してもよい。なお、吸入空気量と相関する物理量としては、例えばエンジンのトルク、出力、及び燃料噴射量などが用いられる。一般に吸入空気量はアクセル開度に応じて制御されるので、アクセル開度の代わりに吸入空気量又はこれと相関する物理量をしても上述した形態と同様にアクチュエータの動作を制御することができる。

本発明の第１の形態に係るターボ過給機が組み込まれた内燃機関の一例を示す図。 ターボ過給機のコンプレッサの内部を拡大して示す図。 図２のIII−III線におけるコンプレッサの断面を示す図。 図２の矢印IV方向からコンプレッサハウジングを見た図。 各ガイドベーンが入口通路に流入する吸気の流れ方向に対して平行になるように各回転軸を回転させたときのガイドベーン及びベーンの状態をそれぞれ示す図。 各ガイドベーンが入口通路に流入する吸気の流れ方向と対向して入口通路を塞ぐように各回転軸を回転させたときのガイドベーン及びベーンの状態をそれぞれ示す図。 エンジンが所定の判定回転数より低い回転数で運転されている場合のガイドベーン及びベーンのそれぞれの角度とアクセル開度との関係の一例を示す図。 エンジンが判定回転数以上の回転数で運転されている場合のガイドベーン及びベーンのそれぞれの角度とアクセル開度との関係の一例を示す図。 各ガイドベーンが逆旋回位置になるように各回転軸を回転させたときのガイドベーン及びベーンの状態をそれぞれ示す図。 ＥＣＵが実行するベーン制御ルーチンを示すフローチャート。 第２の形態において各ガイドベーンが入口通路に流入する吸気の流れ方向と対向して入口通路を塞ぐように各回転軸を回転させたときのガイドベーン及びベーンの状態をそれぞれ示す図。 第２の形態において各ガイドベーンが入口通路に流入する吸気の流れ方向に対して平行になるように各回転軸を回転させたときのガイドベーン及びベーンの状態をそれぞれ示す図。 第２の形態において各ガイドベーンが逆旋回位置になるように各回転軸を回転させたときのガイドベーン及びベーンの状態をそれぞれ示す図。 第２の形態においてエンジンが所定の判定回転数より低い回転数で運転されている場合のガイドベーン及びベーンのそれぞれの角度とアクセル開度との関係の一例を示す図。 第２の形態においてエンジンが判定回転数以上の回転数で運転されている場合のガイドベーン及びベーンのそれぞれの角度とアクセル開度との関係の一例を示す図。 本発明のターボ過給機の変形例を示す図。

符号の説明

１ 内燃機関
１０ ターボ過給機
１３ コンプレッサインペラ
１３ａ 翼
１４ コンプレッサハウジング
２０ 入口通路
２４ 回転軸（回転軸部材）
２５ ガイドベーン（第１ベーン）
２７ アクチュエータ（駆動手段）
２８ バイパス通路
２９ ベーン（第２ベーン）
４０ エンジンコントロールユニット（制御手段）
Ｎ１ 判定回転数

Claims (7)

1. 複数の翼を有するインペラと、前記インペラを内部に収容するとともに回転自在に支持し、かつ前記インペラに吸気を導く入口通路を有するコンプレッサハウジングと、前記入口通路内に突出するように前記入口通路に周方向に設けられ、前記入口通路の流路断面積を変化させるように動作可能な複数の第１ベーンと、を備えた内燃機関用ターボ過給機において、
   前記複数の第１ベーンより上流の入口通路に一端が開口するとともに前記コンプレッサハウジングの内面のうち前記インペラの前記複数の翼と対向する部分に他端が開口し、かつ前記入口通路の外周に設けられる円環状のバイパス通路と、前記バイパス通路内に周方向に配置され、前記バイパス通路の半径方向に延びる回転軸を中心に回転可能に設けられる複数の第２ベーンと、を備えることを特徴とする内燃機関用ターボ過給機。
2. 前記入口通路の流路断面積が減少するように前記複数の第１ベーンがそれぞれ駆動された場合、前記バイパス通路を介して前記コンプレッサハウジングに導かれる吸気に前記インペラが吸気を過給する際に回転する方向と同じ方向の旋回が付与されるように前記複数の第２ベーンが回転駆動される請求項１に記載の内燃機関用ターボ過給機。
3. 前記複数の第１ベーンと前記複数の第２ベーンとが共通の駆動手段にて駆動される請求項１又は２に記載の内燃機関用ターボ過給機。
4. 前記駆動手段は、前記複数の第１ベーンを前記入口通路の流路断面積が最大となる位置に駆動した場合に前記バイパス通路を介して前記複数の第１ベーンより上流の入口通路に還流される吸気に前記インペラが吸気を過給する際に回転する方向と同じ方向の旋回が付与されるように前記複数の第２ベーンを回転駆動し、前記複数の第１ベーンを前記入口通路の流路断面積が最小となる位置に駆動した場合に前記バイパス通路を介して前記コンプレッサハウジングに導かれる吸気に前記インペラが吸気を過給する際に回転する方向と同じ方向の旋回が付与されるように前記複数の第２ベーンを回転駆動する請求項３に記載の内燃機関用ターボ過給機。
5. 前記バイパス通路の外側から前記バイパス通路を貫通して前記入口通路内に突出するように前記入口通路の半径方向の延びる複数の回転軸部材が周方向に等間隔で設けられ、
   各回転軸部材に第１ベーン及び第２ベーンがそれぞれ一体回転するように設けられ、
   前記駆動手段は、前記複数の回転軸部材を回転駆動する請求項３又は４に記載の内燃機関用ターボ過給機。
6. 前記内燃機関のアクセル開度、前記内燃機関の吸入空気量、及び前記吸入空気量と相関する物理量のうちの少なくともいずれか一つと、前記内燃機関の回転数とに基づいて前記駆動手段の動作を制御する制御手段を備える請求項３〜５のいずれか一項に記載の内燃機関用ターボ過給機。
7. 前記制御手段は、前記内燃機関の回転数が所定の判定回転数より低く、かつ前記アクセル開度、前記吸入空気量、及び前記物理量の少なくともいずれか一つがそれぞれに対応して設定された所定の判定値より大きい場合、前記入口通路を通過する吸気に前記インペラが吸気を過給する際に回転する方向とは逆方向の旋回が付与される角度に前記複数の第１ベーンが駆動されるように前記駆動手段の動作を制御する請求項６に記載の内燃機関用ターボ過給機。

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