JP2009270472A - 遠心式過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】遠心式過給機のディフューザに設けられるベーンへの異物の堆積を防止し、運転状態に合わせてより効率的に過給を行なう。
【解決手段】コンプレッサ１１において、インペラ１３を収容するインペラ収容部１２ａとスクロール１５とを連通するディフューザ部１６を設ける。ベーン１８Ａからなる大スロート用の翼列とベーン１８Ｂからなる小スロート用の翼列を設ける。ディフューザ底面１２ｃに各ベーン１８Ａ、１８Ｂの翼形状に沿った穴１７Ａ、１７Ｂを設け、これに各ベーン１８Ａ、１８Ｂを嵌入して各翼列をディフューザ底面１２ｃに格納自在とする。各ベーン１８Ａ、１８Ｂにリンク機構１９Ａ、１９Ｂを介してアクチュエータ２０Ａ、２０Ｂを接続し、運転状態に合わせて、大スロート用翼列または小スロート用翼列をディフューザ部１６内に突出させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、格納自在なベーンをディフューザに設けた遠心式過給機に関する。

遠心式過給機では、インペラを回転させて軸方向から供給される流体を外周部に向けて送出する。インペラから送出された流体は、ディフューザにおいて運動エネルギーの一部が圧力エネルギーに変換され、その後外周部に設けられたスクロールへと供給される。また、特定の運転域におけるコンプレッサ効率を高めるために、ディフューザ部に多数のベーンを配置したベーンドディフューザが知られている。しかし、ベーンドディフューザの適正運転域は狭く、設計点からずれるとベーンによるチョーク現象が発生して過給効率が低下する。このため、自動車用エンジンに用いられる過給機のように、使用される運転域が広い場合には、ベーンドディフューザは必ずしも過給効率の向上に寄与しない。

このような問題に対し、ベーンが設けられたディフューザ部の底部を昇降自在として、特定の運転域でのみベーンをディフューザ内に配置し、その他の運転域ではベーンを格納する構成が提案されている（特許文献１）。すなわち、このような構成では、運転状態に合わせてディフューザをベーンド／ベーンレスディフューザとすることにより、広い運転域に渡って高い過給効率を得ることが可能となる。
特開平８−２５４１２７号公報

ところで、ベーンドディフューザにおいては、オイル分など、吸気に含まれる異物によるベーンへのデポジットの付着が避けられない。したがって、ベーンを用いたディフューザでは経年的な性能低下を招く。これは、ベーンド／ベーンレスの間で切り換えが可能な特許文献１の構成においても同様であり、過給機の性能は経年的に低下する。

本発明は、遠心式過給機のディフューザに設けられるベーンへの異物の堆積を防止し、運転状態に合わせてより効率的に過給を行なうことを目的としている。

本発明の遠心式過給機は、インペラ収容部とスクロールとを連通するディフューザ部と、ディフューザ部に突出可能な翼列と、翼列を格納するための開口部とを備え、開口部が翼列の各ベーンの翼形状に沿った形状に成形されたことを特徴としている。

翼列は、異なる翼角に設定された複数組の翼列を備えることが好ましく、運転状態に対応して各組の翼列が選択的にディフューザ部へ突出され、または開口部に格納される。これにより、各運転域に適した翼列を選択して、より広い運転域においてコンプレッサ効率を高めることが可能となる。

例えば翼列は、小スロート用翼列と、大スロート用翼列とを供え、遠心式過給機は、小スロート用翼列を用いて運転されるモードと、大スロート用翼列を用いて運転されるモードと、何れの翼列も用いずにベーンレス状態で運転されるモードとを備える。また、運転状態に対応する各モードの選択においては、コンプレッサ効率が最も高いモードが選択される。これにより、翼列の組数が少なくても広い運転域で連続的に高いコンプレッサ効率を得ることができる。

また、モードの切り替えは、切り替え先のモードにおけるサージ領域を超えてから行なわれることが好ましく、これにより切り替え時におけるサージの発生が防止される。

以上のように、本発明によれば、遠心式過給機のディフューザに設けられるベーンへの異物の堆積を防止し、運転状態に合わせてより効率的に過給を行なうことができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態である自動車用エンジンに用いられる模式的な遠心式過給機の部分断面図である。

過給機１０は、例えばターボ過給機であり、図１にはコンプレッサ１１の一部のみが示される。コンプレッサハウジング１２のインペラ収容部１２ａには、インペラ１３が配置され、インペラ１３はシャフト１４により回転駆動される。本実施形態ではシャフト１４は、図示しないタービンに連結され、タービンはエンジンからの排気により回転される。なお、インペラ１３は他の動力源により駆動される構成であってもよい。

コンプレッサハウジング１２では、吸入口１２ｂを通して軸方向からインペラ１３に向けて吸気され、吸入された流体はインペラ１３の回転により外周部に向けて送出される。コンプレッサハウジング１２の外周部にはスクロール１５が設けられ、インペラ１３により外周部に向けて送出された流体は、スクロール１５を介して吸気マニホルドへと出力される。

インペラ１３とスクロール１５の間は、ディフューザ部１６によって連通され、ディフューザ部１６の底部は、コンプレッサハウジング１２の一部を構成するディフューザ底面１２ｃによって画成される。ディフューザ底面１２ｃには、ディフューザ側とその反対側とを連通する複数の穴１７Ａ、１７Ｂが形成され、穴１７Ａ、１７Ｂにはそれぞれ、ベーン１８Ａ、１８Ｂが嵌入される。

ベーン１８Ａは、大スロートに対応する翼角（径方向に対して相対的に小さな翼角）でインペラ１３の周りに軸対称に配置され、大スロート用の翼列を構成する。またベーン１８Ｂは、小スロートに対応する翼角（径方向に対して相対的に大きな翼角）でインペラ１３の周りに軸対称に配置され、小スロート用の翼列を構成する。また、ベーン１８Ａ、１８Ｂは、図２に示されるように、周方向に沿って交互に配置される。

各ベーン１８Ａ、１８Ｂにはリンク機構１９Ａ、１９Ｂの一端が接続され、リンク機構１９Ａ、１９Ｂの他端にはそれぞれアクチュエータ２０Ａ、２０Ｂが接続される。すなわち、ベーン１８Ａ、１８Ｂは、ディフューザ外部に配置されたアクチュエータ２０Ａ、２０Ｂの駆動によりリンク機構１９Ａ、１９Ｂを介して穴１７Ａ、１７Ｂに沿って（インペラ軸に沿って）移動自在とされる。これにより、ベーン１８Ａ、１８Ｂは、各翼列毎に必要に応じてディフューザ部１６内へと突出、またはディフューザ底面１２ｃ内へと格納される。

なお、アクチュエータ２０Ａ、２０Ｂの駆動は、後述するように運転状態に対応して図示しないＥＣＵにより制御される。また、図１では、大スロート用ベーン１８Ａがディフューザ部１６に突出され、小スロート用ベーン１８Ｂがディフューザ底面１２ｃに格納された状態が示される。

図２は、ディフューザ底面１２ｃ上においてインペラ１３周りに配列された小スロートおよび大スロート用のベーン１８Ａ、１８Ｂの配置を模式的に示す平面図である。図２（ａ）は、大スロート時に対応する翼列の配置を示すもので、実線で示される大スロート用ベーン１８Ａがディフューザ部１６内に配置され、破線で示される小スロート用ベーン１８Ｂがディフューザ底面１２ｃ内に格納される。なおこのとき、小スロート用ベーン１８Ｂの上端面は、ディフューザ底面１２ｃと同じ高さに配置され底面の一部を構成する。

図２（ｂ）は、小スロート時に対応する翼列の配置を示すもので、実線で示される小スロート用ベーン１８Ｂがディフューザ部１６内に配置され、破線で示される大スロート用ベーン１８Ａがディフューザ底面１２ｃ内に格納される。図２（ａ）と同様に、ディフューザ底面１２ｃに格納された大スロート用ベーン１８Ａの上端面は、ディフューザ底面１２ｃと同じ高さに配置され底面の一部を構成する。

また図２（ｃ）は、破線で示されるベーン１８Ａ、１８Ｂの何れもがディフューザ底面１２ｃ内に収容された状態を示し、ディフューザ部１６は、ベーンレス状態とされる。なお、この状態は後述するように、小スロート運転域と、大スロート運転域の間の運転域で使用される。なお、図３に図２（ｂ）の状態を斜視図として示す。

図４は、ベーン１８Ａ、１８Ｂ、穴１７Ａ、１７Ｂ、およびディフューザ部１６の関係を示す部分拡大断面図である。穴１７Ａ、１７Ｂはベーン１８Ａ、１８Ｂの翼型に沿った形状とされ、ベーン１８Ａ、１８Ｂと穴１７Ａ、１７Ｂとの間には公差分の隙間のみが設けられる。図４（ａ）には、ベーン１８Ａ、１８Ｂがディフューザ部１６内に突出された状態が示され、図４（ｂ）には、ベーン１８Ａ、１８Ｂがディフューザ底面１２ｃ内に格納された状態が示される。

図４（ａ）に示されるように、ベーン１８Ａ、１８Ｂがディフューザ部１６内に突出され、ディフューザ部１６がベーンドディフューザとして使用される場合には、ベーン１８Ａ、１８Ｂの上端面がディフューザ部１６の上面を画成するディフューザ上面１６ａに当接される。また、図４（ｂ）に示されるように、ベーン１８Ａ、１８Ｂがディフューザ底面１２ｃ内に格納される場合には、ベーン１８Ａ、１８Ｂの上端面は、ディフューザ底面１２ｃと同じ高さに配置され、底面の一部を構成する。

なお、本実施形態では、穴１７Ａ、１７Ｂの両開口部の縁部は、面取り加工が施されるとともに、ベーン１８Ａ、１８Ｂの上下両端面の周縁部は、穴１７Ａ、１７Ｂの面取りに対応した形状に加工され、ディフューザ部１６の気密性が高められるとともに、ベーン１８Ａ、１８Ｂの移動におけるストッパーとしての機能を果たしている。

以上のように、本実施形態では、ディフューザ底面１２ｃにベーン１８Ａ、１８Ｂが嵌入される穴１７Ａ、１７Ｂを形成し、その形状をベーン１８Ａ、１８Ｂの翼形状に合わせたことにより、ベーン１８Ａ、１８Ｂがディフューザ底面１２ｃ内へと格納される際に、ベーン１８Ａ、１８Ｂの翼面に付着した異物が掻き落とされ、デポジットの形成が防止される。

次に図５を参照して、運転域に対応したベーン１８Ａ、１８Ｂの突出・格納動作について説明する。

図５は、大スロートに対応したベーン１８Ａの翼列を用いたときのサージラインＳ１と、ベーンレスに対応し、何れのベーンも用いないときのサージラインＳ３と、小スロートに対応したベーン１８Ｂの翼列を用いたときのサージラインＳ２とを示したコンップレッサマップであり、横軸が空気質量流量、縦軸がコンプレッサ圧力比である。

また、図５に示された領域Ａ１〜Ａ３は、大スロート用ベーン１８Ａを用いたときに所定の効率以上のコンプレッサ性能が得られる領域、ベーンレスのときに所定の効率以上のコンプレッサ性能が得られる領域、および小スロート用ベーン１８Ｂを用いたときに所定の効率以上のコンプレッサ性能が得られる領域をそれぞれ示す。

本実施形態では、センサを用いて空気質量流量およびコンプレッサ圧力比をモニタして運転状態を把握し、コンプレッサマップからそのときの運転状態において最も高いコンプレッサ効率が得られるモード、すなわち大スロート用ベーン１８Ａを用いたモード、ベーンレスモード、小スロート用ベーン１８Ｂを用いたモードの何れかが選択される。例えば、空気質量流量が大きく圧力比の高い運転点Ｐ１では、大スロート用ベーン１８Ａを用いたモードが選択され、空気質量流量が少なく圧力比の低い運転点Ｐ２では、小スロート用ベーン１８Ｂを用いたモードが選択される。

また、空気質量流量とターボ回転数を取得して、コンプレッサの寸法と速度三角形の関係式から主流のインペラ流出角を計算することにより、最適な翼角を備える翼列を選択する構成とすることもできる。

なお、小スロート用の翼列（ベーン１８Ｂ）を用いた状態において空気流量が増大される場合には、例えばスロットル開度と空気流量センサからの出力に基づいて、ベーンレス状態におけるサージラインＳ２を超えてから（サージ領域を超えてから）小スロットル用の翼列（ベーン１８Ｂ）がディフューザ底面１２ｃ内へと格納されサージの発生が回避される。また、ベーンレス状態において空気流量が増大される場合には、同様にスロットル開度と空気流量センサからの出力に基づいて、大スロート用の翼列（ベーン１８Ａ）を用いたときのサージラインＳ１を超えてから（サージ領域を超えてから）大スロットル用の翼列（ベーン１８Ａ）がディフューザ部１６内へと突出されサージの発生が回避される。

以上のように、本実施形態によれば、ベーンが格納される穴をベーンの翼形状に合わせたことにより、ベーンを格納する際にベーンの翼面に付着した異物が掻き落とされ、ベーンへの異物の堆積を防止することができる。また翼角の異なる複数組の翼列を設けたことにより、広い運転域において高いコンプレッサ効率を得ることができる。

なお、本実施形態では、ベーンは、ディフューザ底面に設けられた穴（開口部）に嵌入されたが、周囲が閉じられた穴ではなく、周囲の一部がディフューザ底面の外側へと開放された切り欠き状の開口部を通してベーンのディフューザ部への出し入れを行なってもよい。また、構造的に可能であるのであれば、ベーンの格納はディフューザ上面側で行なわれてもよい。

本実施形態では２種類の翼列を用いた場合を例に説明を行なったが、翼列の数は３種類以上でもよく、デポジットの形成防止のみを目的とする場合には、翼列は１種類でもよい。

本発明の一実施形態である自動車エンジン用遠心式過給機の部分断面図である。 ディフューザ底面上においてインペラ周りに配列されたベーンの配置を模式的に示す平面図である。 図２（ｂ）の状態を模式的に示す斜視図である。 ベーン、穴、およびディフューザ部の関係を示す模式的な部分拡大断面図である。 大スロートに対応したベーンを用いたとき、何れのベーンも用いないとき、小スロートに対応したベーンを用いたときのサージラインを示したコンプレッサマップである。

符号の説明

１０ 過給機
１１ コンプレッサ
１２ コンプレッサハウジング
１２ａ インペラ収容部
１２ｃ ディフューザ底面
１３ インペラ
１４ シャフト
１５ スクロール
１６ ディフューザ部
１６ａ ディフューザ上面
１７Ａ、１７Ｂ 穴（開口部）
１８Ａ、１８Ｂ ベーン（翼列）
１９Ａ、１９Ｂ リンク機構
２０Ａ、２０Ｂ アクチュエータ

Claims (5)

1. インペラ収容部とスクロールとを連通するディフューザ部と、前記ディフューザ部に突出可能な翼列と、前記翼列を格納するための開口部とを備え、前記開口部が前記翼列の各ベーンの翼形状に沿った形状に成形されることを特徴とする遠心式過給機。
2. 前記翼列が、異なる翼角に設定された複数組の翼列を備え、運転状態に対応して各組の翼列が選択的に前記ディフューザ部へ突出され、または前記開口部に格納されることを特徴とする請求項１に記載の遠心式過給機。
3. 前記翼列が、小スロート用翼列と、大スロート用翼列とを供え、前記遠心式過給機は、前記小スロート用翼列を用いて運転されるモードと、前記大スロート用翼列を用いて運転されるモードと、前記何れの翼列も用いずにベーンレス状態で運転されるモードとを備えることを特徴とする請求項２に記載の遠心式過給機。
4. 運転状態に対応する前記各モードの選択において、コンプレッサ効率が最も高いモードが選択されることを特徴とする請求項３に記載の遠心式過給機。
5. 前記モードの切り替えが、切り替え先のモードにおけるサージ領域を超えてから行なわれることを特徴とする請求項３に記載の遠心式過給機。
   

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