JP2016536501A - 可変式のコンプレッサ流入部を備えるコンプレッサ - Google Patents

Abstract

ターボチャージャのコンプレッサであって、コンプレッサハウジングと、該コンプレッサハウジング内で支持された、コンプレッサベーンを有するコンプレッサインペラと、コンプレッサ流入部とを備えるものを説明する。コンプレッサ流入部は、少なくともコンプレッサハウジングに隣接する部分に、内管と、該内管を包囲する外管とを有している。内管は、コンプレッサベーンの半径方向内側領域に向けられており、外管は、コンプレッサベーンの半径方向外側領域に向けられている。外管及び／又は内管の流過横断面は、遮蔽装置を介して少なくとも部分的に遮蔽可能であり、これにより、コンプレッサベーンに対して可変に流入することができるようになっている。よってコンプレッサインペラへの流入量が、エンジン負荷に応じて最適化される。

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の特徴を有する、ターボチャージャ、特に排気ガスターボチャージャのコンプレッサに関する。

燃費の改善という目的を伴ったガソリンエンジンの最適化に基づき、ターボチャージャの作動範囲に対する要求は高まっている。その最も重要な理由は、部分負荷時の効率を向上させるために、エンジンを最低限の回転数で、しかし高トルクで運転させることにある。このためには、比較的少ない体積流量において高い過給圧が要求される。よってコンプレッサインペラへの流入量を、広範な体積流量範囲に関して最適化する必要がある。将来的に高まる要求を満たすことができるようにするために必要なのは、流入量を切り換えられるようにすることであり、これにより、体積流量に応じて大きな又は小さな流れ横断面を選択することができるようになる。つまり、大きな体積流量の場合のみならず、小さな体積流量の場合でも、コンプレッサベーンへの十分に高い流入速度を達成することが可能である。つまり流入速度は低いがコンプレッサ回転数は高い場合には、ベーン縁部に対して極端に急峻な流入が生じ、このことは、流れの剥離を招く。この運転範囲は、サージ限界と呼ばれる。

この問題を解決するために、スワール流を生ぜしめる空気案内部を備えたターボチャージャが開発された。このような空気案内部は、流入速度が低い場合にコンプレッサベーンへの流入角度を改善するために寄与する。しかしながらこの構成は、全負荷時に不要な流れ抵抗を生ぜしめることになる。

別の構成では、既に圧縮された空気が、環状の通路を介してコンプレッサ流入部に戻されるようになっている。

これにより、吸気量が少ないにもかかわらず、コンプレッサにおいて比較的高い流れ速度が達成され得る。しかしながら、この構成はチャージャ効率を広範に悪化させるので、乗用車に適用した場合、コンプレッサを駆動するにはタービン出力が不十分である。

独国特許出願公開第１０２０１００２６１７６号明細書に記載されたシステムでは、流入横断面の減少により、低いエンジン回転数でも流速が高められる。このためには、機械的に比較的複雑な部品が、コンプレッサ流入部に直接に取り付けられる。この場合に危機的であり得るのは、この装置のために十分な取付け空間が供与されておらず、且つサイクル数及び熱負荷に関して頑健性が問題になる、という点である。

前掲の独国特許出願公開第１０２０１００２６１７６号明細書からは、コンプレッサの特性曲線を安定化させる装置及び方法が公知である。コンプレッサの流入領域において、ハウジングの内壁に、角度が可変の円錐体が配置されている。よって円錐角の変化に基づき、コンプレッサインペラの流入横断面を変化させることができるようになっている。

国際公開第２０１３／１６６６２６号からは、請求項１の上位概念に記載の特徴を有するコンプレッサが公知である。この場合、コンプレッサ流入部は、内管と、この内管を包囲する外管とを有しており、この場合、内管は、コンプレッサベーンの半径方向内側領域に向けられている。内管の流過横断面は、遮蔽装置を介して少なくとも部分的に遮蔽可能である。

本発明の根底を成す課題は、コンプレッサ流入部の特に簡単な構成形式において特に多面的に運転可能な、冒頭で述べた形式のコンプレッサを提供することにある。

この課題は本発明に基づき、前記形式のコンプレッサにおいて請求項１記載の特徴により解決される。

本発明による構成は、コンプレッサ流入部を２つの領域、つまり内側領域と、この内側領域を包囲する環状の外側領域とに分ける、という原理に基づいている。内側領域は、内管の流過横断面により形成されるのに対し、環状の外側領域は、外管の流過横断面により形成される。両領域は少なくとも部分的に遮蔽可能であることから、コンプレッサベーンには、両方の管の全流過横断面を介して、又は環状の外側領域（外管の流過横断面）のみを介して、又は内側領域（内管の流過横断面）のみを介して、（空気を）供給することができる。流過横断面は、部分的にのみ遮蔽可能であってもよいので、その時々で、相応する流過横断面を介した、又は両流過横断面を介した部分的な供給も可能である。

よってコンプレッサ流入部の流過横断面は、簡単な遮蔽により減少させることができ、この場合、遮蔽は、中心の内側領域か、又は半径方向外側の環状領域において行われる。内管を（部分的に）遮蔽することにより、外管における流速を増大させることができる。反対に外管を（部分的に）遮蔽することにより、内管における流速を増大させることができる。このようにしてコンプレッサインペラへの流入量を、広範な体積流量範囲にわたって最適化することができる。体積流量に応じて、大きな又は小さな流れ横断面を選択することができる。大きな体積流量の場合だけでなく、小さな体積流量においても、コンプレッサベーンへの十分に高い流入速度が達成され得る。

コンプレッサ流入部は、相並んで配置された２つの管を有しており、これらの管の一方は、他方の管の内部に案内されており、外管内に延在する内管として、コンプレッサハウジングまで延びている。よってこの場合、集合管を起点とするコンプレッサ流入部は、相並んで配置された２つの管に分かれており、次いで２つの管は内管と、この内管を包囲する外管とに移行している。この実施形態は、両方の管（内管と外管）の遮蔽が、それぞれ比較的簡単な手段によって実施可能である、という利点を有している。つまりこの場合、相並んで配置された各管の少なくとも一方に、遮蔽装置が設けられている。よってこれらの遮蔽装置は、各管の分離領域に配置されていて、各管（内管と外管）の同心的な領域に配置されているのではないので、比較的簡単に形成されていてよい。この場合、遮蔽装置としては、例えば摺動体又は簡単なエアフラップが使用可能であり、この場合はエアフラップが特に好適である。それというのも、エアフラップは特に簡単な遮蔽手段を成すものだからである。

つまり、このような構成は特に、横断面を減少させるための、形成に手間のかかる可変スロットルに代えて、簡単なエアフラップの使用を可能にする。この場合、エアフラップはコンプレッサハウジングから間隔を置いて、即ち各管の同心的な領域にではなく、各管の分離領域に配置されているので、遮蔽装置若しくはエアフラップは、コンプレッサハウジングの流入領域に直接に位置してはおらず、これにより構成空間及び熱の問題が、比較的簡単に解決され得る。

言及したように、本発明では外管及び／又は内管の流過横断面が、少なくとも部分的に遮蔽可能である。よって、相並んで配置された２つの管内に相応するエアフラップ又は摺動体が配置されているか、又は前記管の一方だけに、このような遮蔽装置が配置されていてもよい。相並んで配置された２つの管内に例えばエアフラップが配置されている場合には、コンプレッサの運転中に、コンプレッサベーンの外側領域へ流入させるべきか、又は内側領域へ流入させるべきかを選択することができる。

本発明の改良において、コンプレッサは、所属する内燃機関の運転パラメータに応じて遮蔽装置を制御するアクチュエータを有している。このようなアクチュエータは、例えばエンジン負荷に応じて遮蔽装置を制御してよい。特別な実施形態では、単一のアクチュエータが、２つの管の各遮蔽装置を制御する。

この場合、アクチュエータは例えば、全負荷から部分負荷へ移行する際に、外管の第１の流過横断面が遮蔽され、例えば相応するエアフラップが閉じられ、負荷が大幅に低減されて初めて、内管の流過横断面が絞られる、例えば相応するエアフラップが部分的に閉じられるように働く。

本発明の更に別の実施形態では、遮蔽装置は、集合管内のスロットルバルブを代替していてよい。

以下に、本発明を実施例に基づき図面に関連して詳細に説明する。

ターボチャージャのコンプレッサの流入領域の長手方向断面図である。

相応する概略断面図に、コンプレッサハウジング１が、付属するコンプレッサ流入部１２と共に示されている。コンプレッサハウジング１内には、相応するコンプレッサベーン（概略的な示唆のみ）を有するコンプレッサインペラ２が位置している。吸気フィルタ（図示せず）から空気が集合管３内に流入し、そこからコンプレッサ流入部に流入する。コンプレッサ流入部１２は集合管３に隣接して、相並んで配置された２つの分離された管４，５を有しており、集合管３は、これらの管４，５に移行している。図示の上側の管４は、下側の管５の内部へ延びており、これによりコンプレッサ流入部１２の領域には、コンプレッサハウジング１に隣接して２つの同心的な管、即ち内管７と外管６とが形成されることになる。この場合、内管７は、コンプレッサベーンの半径方向内側領域に向けられており、外管６は、半径方向外側領域に向けられている。横断面で見ると、内管７は円形の空気流過横断面を有しているのに対し、外管６は環状の空気流過横断面を有している。

よって集合管３から到来する空気は、コンプレッサに向かって管４及び後続の内管７と、管５及び後続の外管６とを通ってコンプレッサハウジング１に流入し、コンプレッサベーンのそれぞれ異なる半径方向領域に供給されることになる。

相並んで配置された管４，５の領域において、各管内には遮蔽装置が配置されている。この場合は、対応する管流過横断面を完全に又は部分的に遮蔽可能なエアフラップ８，９である。エアフラップ８が管５延いては外管６を遮蔽すると、空気は管４と内管７のみを介してコンプレッサに到達する。反対にエアフラップ９が管４延いては内管７を遮蔽すると、空気は管５と外管６のみを介してコンプレッサに到達する。両方のエアフラップ８，９が開かれている場合には、両方の管６，７の流過横断面を介して（空気が）コンプレッサベーンに流れ込む。

エアフラップ８，９は、アクチュエータ１０（概略的に図示）を介して制御され、アクチュエータ１０は、所属する自動車の制御ユニット１１により、その時々の負荷条件に応じて制御される。全負荷時のエンジン運転に関しては、例えばエアフラップ８が開放されているので、コンプレッサの全流入横断面（両方の管６，７の全流過横断面）が利用可能である。しかしながら、例えばミラーサイクルでの低いエンジン回転数及び低い空気処理量において、高い過給圧が必要とされる場合、コンプレッサベーンの前縁における流れの剥離を回避するためには、高回転数のコンプレッサでは流入速度が低すぎる。この場合、チャージャはサージ限界を超過して運転されており、このことは、過給圧の大幅な低下を意味する。コンプレッサインペラのその時々の周速と、流入速度とに基づいて流入角度が形成されるので、空気処理量が少なくても高い過給圧で運転するためには、流入速度を上げる必要がある。流入速度を上げるためには、エアフラップ８が閉じられ、これにより必然的に全ての吸気が、管４と後続の内管７とを通流することになる。このようにしてコンプレッサベーンの半径方向内側領域だけに、（吸気が）供給されるようになっている。

但しベーンの幾何学形状に応じて、空気流を中心に集中させるのではなく、コンプレッサベーンの外側領域に流入させることが、より有利なこともある。このことが所望される場合には、エアフラップ９が閉じられて、エアフラップ８が開かれる。

図示の実施形態では、両エアフラップ８，９は、単一のアクチュエータ１０により制御される。この場合、付属する機構は、例えば全負荷から部分負荷へ移行する際、まず最初にエアフラップ８が閉じられ、負荷が大幅に低減されて初めて、フラップ９が絞り始めるように形成されていてよい。

Claims (7)

1. ターボチャージャのコンプレッサであって、コンプレッサハウジング（１）と、該コンプレッサハウジング（１）内で支持された、コンプレッサベーンを有するコンプレッサインペラ（２）と、コンプレッサ流入部（１２）とを備えており、該コンプレッサ流入部（１２）は、少なくとも前記コンプレッサハウジング（１）に隣接する部分に、内管（７）と、該内管（７）を包囲する外管（６）とを有しており、前記内管（７）は、前記コンプレッサベーンの半径方向内側領域に向けられており、前記外管（６）及び／又は前記内管（７）の流過横断面は、遮蔽装置を介して少なくとも部分的に遮蔽可能であるものにおいて、
   前記外管（６）は、前記コンプレッサベーンの半径方向外側領域に向けられており、前記コンプレッサ流入部（１２）は、相並んで配置された２つの管（４，５）を有しており、これらの管（４，５）のうちの一方の管は、他方の管の内部に案内されており且つ前記外管（６）内に延在する前記内管（７）として、前記コンプレッサハウジング（１）まで延びており、前記遮蔽装置は、相並んで配置された前記管（４，５）の少なくとも１つに配置されていることを特徴とする、ターボチャージャのコンプレッサ。
2. 前記遮蔽装置にはエアフラップ（８，９）が含まれる、請求項１記載のコンプレッサ。
3. 前記遮蔽装置には摺動体が含まれる、請求項１記載のコンプレッサ。
4. 所属する内燃機関の運転パラメータに応じて前記遮蔽装置を制御するアクチュエータ（１０）を有している、請求項１から３までのいずれか１項記載のコンプレッサ。
5. 前記アクチュエータ（１０）は、エンジン負荷に応じて前記遮蔽装置を制御する、請求項４記載のコンプレッサ。
6. 単一のアクチュエータ（１０）が、前記２つの管（４，５）の前記遮蔽装置を制御する、請求項４又は５記載のコンプレッサ。
7. 前記遮蔽装置は、集合管（３）内のスロットルバルブを代替している、請求項１から６までのいずれか１項記載のコンプレッサ。

Images