JP2010196542A - 遠心圧縮機、及びターボ過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも効率を低下させることなく作動範囲を広げることが可能な遠心圧縮機を提供する。
【解決手段】コンプレッサロータ４の周囲に設けられたディフューザ通路７に周方向に所定間隔で並ぶように複数のディフューザベーン１０が設けられている遠心圧縮機２において、各ディフューザベーン１０は、その厚さ方向に並ぶ複数のベーン部材１１、１２、１３にてそれぞれ形成され、かつ複数のベーン部材の一つがディフューザ通路７に固定された固定ベーン１１であるとともに、残りが軸線Ａｘ方向に移動可能な第１及び第２可動ベーン１２、１３であり、これら可動ベーン１２、１３をディフューザ通路７に突出する突出位置とディフューザ通路７に隣接して設けられた格納室８内に格納される格納位置との間で駆動する駆動装置２０をさらに備え、駆動装置２０は遠心圧縮機２の作動状態に基づいて制御される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディフューザにベーンが設けられている遠心圧縮機、及びその遠心圧縮機を備えたターボ過給機に関する。

コンプレッサロータの外周に複数のベーンが周方向に並ぶように設けられた過給用コンプレッサが知られている。また、このようなコンプレッサにおいて、複数のベーンが角度を変更可能なようにハウジングに支持され、コンプレッサの作動状態に応じて各ベーンの角度を変更してベーン間のスロートの面積を変更し、これによりコンプレッサの作動範囲を広げるものが知られている（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、３が存在する。

特開２００５−１６３６９１号公報 特開２００７−３０９２９９号公報 特開平１−６６４１９号公報

特許文献１のようにベーンを回転させてベーン間のスロート部の面積を変更し、これによりコンプレッサの作動範囲を広げる場合、コンプレッサロータから吐出される吸気の向きとベーンの角度とが一致する作動範囲が限られる。この場合、それ以外の作動範囲では吐出される吸気の向きとベーンの角度との差が大きくなり、コンプレッサの効率が大幅に低下するおそれがある。

そこで、本発明は、従来よりも効率を低下させることなく作動範囲を広げることが可能な遠心圧縮機、及びその遠心圧縮機を備えたターボ過給機を提供することを目的とする。

本発明の遠心圧縮機は、インペラを内部に収容するとともに前記インペラを軸線回りに回転自在に支持するハウジングと、前記インペラの外周に配置されるように前記ハウジングに設けられた渦巻き状のスクロールと、前記インペラの吐出側と前記スクロールとを通じるように前記ハウジングに設けられたディフューザ通路と、前記ディフューザ通路に周方向に所定間隔で並べて設けられている複数のディフューザベーンと、を備えた遠心圧縮機において、各ディフューザベーンは、その厚さ方向に並ぶ複数のベーン部材にてそれぞれ形成され、かつ前記複数のベーン部材の一部が前記ディフューザ通路に固定された固定ベーンであるとともに、前記複数のベーン部材の残りが前記軸線方向に移動可能な可動ベーンであり、前記可動ベーンを前記ディフューザ通路に突出する突出位置と前記ディフューザ通路に隣接して設けられた格納室内に格納される格納位置との間で駆動する駆動手段と、前記遠心圧縮機の作動状態に基づいて前記駆動手段を制御する制御手段と、をさらに備えている（請求項１）。

本発明の遠心圧縮機によれば、可動ベーンを突出位置に移動させたり格納位置に移動させたりすることができるので、ディフューザベーンの厚さを変更することができる。そのため、ディフューザベーンの取り付け角を変更することなくディフューザベーン間のスロートの面積を変更することができる。そのため、従来よりも効率を低下させることなく作動範囲を広げることができる。

本発明の遠心圧縮機の一形態において、各ディフューザベーンは、前記可動ベーンを複数有し、前記駆動手段は、それら複数の可動ベーンを別々に前記突出位置と前記格納位置との間で駆動可能であってもよい（請求項２）。この場合、ディフューザベーンの厚さを細かく調整することができる。

本発明の遠心圧縮機の一形態において、前記制御手段は、前記遠心圧縮機に流入するガス流量が所定の小流量域内の場合に前記可動ベーンが前記突出位置に移動し、前記遠心圧縮機に流入するガス流量が前記小流量域の上限値より大きい所定の大流量域内の場合に前記可動ベーンが前記格納位置に移動するように前記駆動手段を制御してもよい（請求項３）。このように可動ベーンの位置を制御することにより、小流量域でのサージングを抑えて作動範囲を広げることができる。

この形態において、各ディフューザベーンは、前記固定ベーンを１つ有し、隣り合う固定ベーン間に形成されるスロートの面積は、前記遠心圧縮機に流入するガス流量が前記大流量域内のときに前記インペラから吐出されるガスの流れ方向に基づいて設定されていてもよい（請求項４）。この場合、ガス流量が大流量域内のときのコンプレッサの効率を高めることができる。

本発明のターボ過給機は、上述した遠心圧縮機を備え、前記遠心圧縮機が内燃機関の吸気通路に設けられている（請求項５）。

本発明のターボ過給機によれば、上述した遠心圧縮機を備えているので、従来よりも効率を低下させることなく作動範囲を広げることができる。

以上に説明したように、本発明の遠心圧縮機によれば、ディフューザベーンの取り付け角を変更することなくディフューザベーン間のスロートの面積を変更することができる。そのため、従来よりも効率を低下させることなく作動範囲を広げることができる。また、本発明のターボ過給機はこの遠心圧縮機を備えているので、同様に従来よりも効率を低下させることなく作動範囲を広げることができる。

本発明の一形態に係るターボ過給機の概略を示す図。 図１の矢印II方向から見たコンプレッサロータ及びディフューザ通路を示す図。 ベーンの周囲を拡大して示す図。 コンプレッサの特性曲線、及びエンジンが全負荷で運転されている場合における作動線を示す図。 ＥＣＵが実行する可動ベーン制御ルーチンを示すフローチャート。

図１は、本発明の一形態に係るターボ過給機の概略を示している。このターボ過給機１は、不図示の内燃機関（以下、エンジンと称することもある。）を過給するためのものである。ターボ過給機１は不図示のタービンを有し、そのタービンによって遠心圧縮機（以下、コンプレッサと称することもある。）２を駆動するように構成されている。コンプレッサ２は、複数の翼３が周方向に設けられたインペラとしてのコンプレッサロータ４と、そのコンプレッサロータ４を内部に収容するとともにコンプレッサロータ４を軸線Ａｘ回りに回転自在に支持するハウジング５とを備えている。ハウジング５には、コンプレッサロータ４の外周に配置される渦巻き状のスクロール６と、コンプレッサロータ４の吐出側とスクロール６とを通じるディフューザ通路７とが設けられている。またハウジング５には、ディフューザ通路７と隣接するように格納室８が設けられている。この格納室８は、ディフューザ通路７と軸線Ａｘ方向に並ぶように配置されている。ディフューザ通路７と格納室８とは、隔壁９にて区分されている。

ディフューザ通路７には、周方向に所定間隔で並ぶように複数のディフューザベーン（以下、ベーンと略称する。）１０が設けられている。なお、以下では１つのベーン１０について説明するが他のベーン１０も同様に構成されている。図２は、コンプレッサロータ４及びディフューザ通路７を図１の矢印II方向から見た図である。この図に示したようにベーン１０は、固定ベーン１１、第１可動ベーン１２、及び第２可動ベーン１３にて形成されている。これらのベーン１１、１２、１３は、ベーン１０の厚さ方向に並ぶように設けられている。そのため、固定ベーン１１、第１可動ベーン１２、及び第２可動ベーン１３が本発明のベーン部材に相当する。固定ベーン１１は、最も外周側に配置されている。また、固定ベーン１１は、ディフューザ通路７に固定されている。隣り合う固定ベーン１１間に形成されるスロートＴの面積は、コンプレッサ２に流入する吸入空気量が大流量のときにコンプレッサロータ４から吐出される吸気の流れを妨げないように設定される。すなわち、スロートＴの面積は、大流量側の出力点近傍に合わせて設計される。図３は、ベーン１０の周囲を拡大して示す図である。この図の矢印Ｆ１は、吸入空気量が大流量のときにコンプレッサロータ４から吐出される吸気の流れを示している。また、矢印Ｆ２は、吸入空気量が大流量よりも少ない小流量のときにコンプレッサロータ４から吐出される吸気の流れを示している。この図に示したように固定ベーン１１は、取り付け角θが大流量時にコンプレッサロータ４から吐出される吸気の流れと一致するように設けられている。

第１可動ベーン１２は、固定ベーン１１の内側に隣接するように配置されている。第２可動ベーン１３は、第１可動ベーン１２の内側に隣接するように配置されている。図１に示したように第１可動ベーン１２は、格納室８内に配置される操作部１２ａと、操作部１２ａからディフューザ通路７側に軸線Ａｘに沿って延びる翼部１２ｂとを備えている。第２可動ベーン１３も同様に格納室８内に配置される操作部１３ａと、操作部１３ａからディフューザ通路７側に軸線Ａｘに沿って延びる翼部１３ｂとを備えている。隔壁９のうち各ベーン１０の第１可動ベーン１２及び第２可動ベーン１３が配置されている位置には、貫通孔９ａがそれぞれ設けられている。各可動ベーン１２、１３は、翼部１２ｂ、１３ｂがこの貫通孔９ａを貫通するように設けられている。また、第１可動ベーン１２及び第２可動ベーン１３は、軸線Ａｘ方向に移動可能なようにハウジング５に支持されている。

第１可動ベーン１２及び第２可動ベーン１３は、駆動手段としての駆動装置２０にて駆動される。駆動装置２０は、第１可動ベーン１２を駆動する第１アクチュエータ２１と、第１可動ベーン１２を格納室８側に付勢するコイルばね２２と、第２可動ベーン１３を駆動する第２アクチュエータ２３とを備えている。第１アクチュエータ２１は、翼部１２ｂがディフューザ通路７に突出する突出位置まで第１可動ベーン１２をディフューザ通路７側（図１の左側）に押し出す操作状態と、その押し出しを解除する解除状態とに状態を切り替えることができる。コイルばね２２は、翼部１２ｂが格納室８内に格納される格納位置に第１可動ベーン１２が移動するように第１可動ベーン１２の操作部１２ａを格納室８側（図１の右側）に付勢する。なお、格納位置では、翼部１２ｂのディフューザ通路７側の先端が隔壁９のディフューザ通路７側の面と同じ位置になる。そのため、第１可動ベーン１２は、第１アクチュエータ２１が操作状態になると突出位置に駆動され、第１アクチュエータ２１が解除状態になるとコイルばね２２により格納位置に戻される。第２アクチュエータ２３は、翼部１３ｂがディフューザ通路７に突出する突出位置と翼部１３ｂが格納室８内に格納される格納位置との間で第２可動ベーン１３を駆動する。この第２可動ベーン１３も同様に格納位置では、翼部１３ｂのディフューザ通路７側の先端が隔壁９のディフューザ通路７側の面と同じ位置になる。

このように駆動装置２０で各可動ベーン１２、１３の位置を切り替えることができるので、本形態のターボ過給機１ではベーン１０の厚さを３段階に切り替えることができる。これによりこのターボ過給機１ではスロートＴの面積を３段階に切り替えることができる。ベーン１０の厚さは、第１可動ベーン１２及び第２可動ベーン１３がそれぞれ格納位置に駆動された場合に最も小さくなる。一方、スロートＴの面積はこの場合に最も大きくなる。以下、ベーン１０のこの状態を最小状態と称することがある。第１可動ベーン１２が突出位置に駆動され、第２可動ベーン１３が格納位置に駆動された場合はベーン１０の厚さが第１可動ベーン１３の厚さ分大きくなる。以下、ベーン１０のこの状態を中間状態と称することがある。そして、第１可動ベーン１２及び第２可動ベーン１３がそれぞれ突出位置に駆動された場合はベーン１０の厚さが最も大きくなる。そして、スロートＴの面積は、この場合に最も小さくなる。以下、ベーン１０のこの状態を最大状態と称することがある。図３に示したようにベーン１０を最大状態にした場合は、コンプレッサロータ４から吐出される吸気を第２可動ベーン１３の内周側の面に沿って流すことができる。

駆動装置２０の第１アクチュエータ２１及び第２アクチュエータ２３の動作は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）３０にて制御される。ＥＣＵ３０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周知のコンピュータユニットとして構成され、エンジンに設けられた各種のセンサの出力信号に基づいてエンジンの運転状態を制御する周知のものである。ＥＣＵ３０には、エンジンの運転状態を検出するためのセンサとしてエンジンの吸入空気量に対応する信号を出力するエアフローメータ３１、コンプレッサ２よりも下流側の吸気通路の圧力、すなわち過給圧に対応する信号を出力する圧力センサ３２、及びアクセルペダルの開度（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３３等が接続されている。この他にもＥＣＵ３０には各種センサが接続されているが、それらの図示は省略した。

図４を参照してＥＣＵ３０による各可動ベーン１２、１３の制御方法について説明する。図４は、コンプレッサ２の特性曲線、及びエンジンが全負荷で運転されている場合における作動線を示している。なお、圧力比はコンプレッサ２の入口の吸気の圧力とコンプレッサ２の出口の吸気の圧力との比である。この図の実線Ｌ１がエンジンが全負荷で運転されている場合における作動線を示している。また。破線Ｓ１ａ、Ｓ１ｂはベーン１０が最大状態のときのサージラインを示し、破線Ｓ２ａ、Ｓ２ｂはベーン１０が中間状態のときのサージラインを示している。そして、破線Ｓ３ａ、Ｓ３ｂはベーン１０が最小状態のときのサージラインを示している。この図に示したようにベーン１０の厚さを大きくするほど、すなわちスロートＴの面積を小さくするほどサージラインは小流量側に移動する。そこで、ＥＣＵ３０は、吸入空気量が第１判定量Ｑ１未満の場合にはベーン１０が最大状態になるように駆動装置２０を制御する。また、ＥＣＵ３０は、吸入空気量が第１判定量Ｑ１以上かつ第２判定量Ｑ２未満の場合にはベーン１０が中間状態になるように駆動装置２０を制御する。そして、ＥＣＵ３０は、吸入空気量が第２判定量Ｑ２以上の場合にはベーン１０が最小状態になるように駆動装置２０を制御する。このようにベーン１０の状態を切り替えることにより、コンプレッサ２のサージングを抑制しつつ作動範囲を広げることができる。また、各可動ベーン１２、１３を突出させたり格納したりすることにより、各流量に合わせてスロートＴの面積を変更することができるので、コンプレッサ２の効率が低下することを抑制できる。

図５は、このように第１アクチュエータ２１及び第２アクチュエータ２３の動作を制御すべくＥＣＵ３０がエンジンの運転中に所定の周期で繰り返し実行する可動ベーン制御ルーチンを示している。この制御ルーチンを実行することにより、ＥＣＵ３０が本発明の制御手段として機能する。

図５の制御ルーチンにおいてＥＣＵ３０は、まずステップＳ１１でエンジンの運転状態を取得する。エンジンの運転状態としては、例えば吸入空気量、過給圧、及びアクセル開度等が取得される。次のステップＳ１２においてＥＣＵ３０は、エンジンが所定の低速域で運転されているか否か判断する。低速域としては、吸入空気量が図４に示した第１判定量Ｑ１未満になる運転範囲が設定される。吸入空気量、過給圧、及びアクセル開度に基づいてコンプレッサ２の作動状態を推定することができる。そこで、この処理では、例えば図４に示した関係を予め実験等で求めてＥＣＵ３０のＲＯＭにマップとして記憶させておき、取得した吸入空気量、過給圧、及びアクセル開度に基づいて推定したコンプレッサ２の作動状態が図４に示した小流量域Ａ１内か否か判断する。そして、コンプレッサ２の作動状態が小流量域Ａ１内の場合に、エンジンが低速域で運転されていると判断する。エンジンが低速域で運転されていると判断した場合はステップＳ１３に進み、ＥＣＵ３０は第１可動ベーン１２及び第２稼動ベーン１３の両方が突出位置に駆動されるように第１アクチュエータ２１及び第２アクチュエータ２３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、エンジンが低速域で運転されていないと判断した場合はステップＳ１４に進み、ＥＣＵ３０はエンジンが所定の中速域で運転されているか否か判断する。中速域としては、吸入空気量が図４に示した第１判定量Ｑ１以上かつ第２判定量Ｑ２未満になる運転範囲が設定される。そのため、この判断もステップＳ１２と同様に行えばよい。すなわち、取得した吸入空気量、過給圧、及びアクセル開度に基づいてコンプレッサ２の作動状態を推定し、この推定した作動状態が図４に示した中流量域Ａ２内か否か判断する。そして、推定した作動状態がこの中流量域Ａ２内の場合にエンジンが所定の中速域で運転されていると判断する。エンジンが中速域で運転されていると判断した場合はステップＳ１５に進み、ＥＣＵ３０は第１可動ベーン１２が突出位置に駆動され、第２可動ベーン１３が格納位置に駆動されるように第１アクチュエータ２１及び第２アクチュエータ２３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、エンジンが中速域で運転されていないと判断した場合はステップＳ１６に進み、ＥＣＵ３０は第１可動ベーン１２及び第２稼動ベーン１３の両方が格納位置に駆動されるように第１アクチュエータ２１及び第２アクチュエータ２３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。

このターボ過給機１によれば、コンプレッサ２の作動状態に応じて各ベーン１０の厚さを切り替えてスロートＴの面積を変更することができる。具体的には、図４のコンプレッサ２の作動状態が小流量域Ａ１の場合にはベーン１０が最大状態に切り替えられ、コンプレッサ２の作動状態が中流量域Ａ２の場合にはベーン１０が中間状態に切り替えられる。そして、コンプレッサ２の作動状態が図４の大流量域Ａ３の場合にはベーン１０が切り替えられる。そのため、スロートＴの面積を吸入空気量の増加に従って大きくすることができる。これにより、コンプレッサ２のサージングを抑制して作動範囲を広げつつコンプレッサ２の効率が低下することを抑制できる。

このターボ過給機１では、ベーン１０が最小状態、中間状態、及び最大状態のいずれの状態の場合においてもディフューザ通路７に固定ベーン１１がある。そのため、ディフューザ通路７における吸気流れの急変を防止することができるので、エンジンのトルク変動を抑制することができる。また、固定ベーン１１をディフューザ通路７に固定したので、ベーン１０の取り付け角θを変化させることなくベーン１０の厚さを変更してスロートＴの面積を変更することができる。そのため、流量が低下してコンプレッサロータ４から図４の矢印Ｆ２方向に吸気が吐出されても、その吸気の流れ方向とベーン１０の取り付け角θとが大きく異なることがない。そのため、コンプレッサ２の大幅な効率低下を抑制することができる。

本発明は、上述した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、可動ベーンの個数は２つに限定されない。可動ベーンは１つでもよいし、３つ以上でもよい。また、固定ベーンの個数も１つに限定されない。固定ベーンが２つ以上設けられてもよい。上述した形態では、本発明の遠心圧縮機をターボ過給機に組み込んだ形態を示したが、本発明の遠心圧縮機はターボ過給機に組み込まずに単独で使用してもよい。

１ ターボ過給機
２ 遠心圧縮機
４ コンプレッサロータ（インペラ）
５ ハウジング
６ スクロール
７ ディフューザ通路
８ 格納室
１０ ディフューザベーン
１１ 固定ベーン（ベーン部材）
１２ 第１可動ベーン（ベーン部材）
１３ 第２可動ベーン（ベーン部材）
２０ 駆動装置（駆動手段）
３０ エンジンコントロールユニット（制御手段）
Ａ１ 小流量域
Ａ３ 大流量域
Ａｘ 軸線
Ｔ スロート

Claims (5)

1. インペラを内部に収容するとともに前記インペラを軸線回りに回転自在に支持するハウジングと、前記インペラの外周に配置されるように前記ハウジングに設けられた渦巻き状のスクロールと、前記インペラの吐出側と前記スクロールとを通じるように前記ハウジングに設けられたディフューザ通路と、前記ディフューザ通路に周方向に所定間隔で並べて設けられている複数のディフューザベーンと、を備えた遠心圧縮機において、
   各ディフューザベーンは、その厚さ方向に並ぶ複数のベーン部材にてそれぞれ形成され、かつ前記複数のベーン部材の一部が前記ディフューザ通路に固定された固定ベーンであるとともに、前記複数のベーン部材の残りが前記軸線方向に移動可能な可動ベーンであり、
   前記可動ベーンを前記ディフューザ通路に突出する突出位置と前記ディフューザ通路に隣接して設けられた格納室内に格納される格納位置との間で駆動する駆動手段と、前記遠心圧縮機の作動状態に基づいて前記駆動手段を制御する制御手段と、をさらに備えている遠心圧縮機。
2. 各ディフューザベーンは、前記可動ベーンを複数有し、
   前記駆動手段は、それら複数の可動ベーンを別々に前記突出位置と前記格納位置との間で駆動可能である請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 前記制御手段は、前記遠心圧縮機に流入するガス流量が所定の小流量域内の場合に前記可動ベーンが前記突出位置に移動し、前記遠心圧縮機に流入するガス流量が前記小流量域の上限値より大きい所定の大流量域内の場合に前記可動ベーンが前記格納位置に移動するように前記駆動手段を制御する請求項１又は２に記載の遠心圧縮機。
4. 各ディフューザベーンは、前記固定ベーンを１つ有し、
   隣り合う固定ベーン間に形成されるスロートの面積は、前記遠心圧縮機に流入するガス流量が前記大流量域内のときに前記インペラから吐出されるガスの流れ方向に基づいて設定されている請求項３に記載の遠心圧縮機。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の遠心圧縮機を備え、前記遠心圧縮機が内燃機関の吸気通路に設けられているターボ過給機。

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