JP2017535710A - 排気タービン式過給機のためのコンプレッサ - Google Patents

Abstract

本発明は貫通流路を構成する吸気流通部（３）を備えたコンプレッサに関する。前記吸気流通部（３）は、吸入流路（７）と、該吸入流路（７）の下流側に形成されコンプレッサ羽根車（４）を収容する羽根車チャンバ（５）と、該羽根車チャンバ（５）の下流側に形成された渦巻形流路（６）とを備えており、前記吸入流路（７）を前記羽根車チャンバ（５）に接続している移行領域において前記吸気流通部（３）に複数の流通スリット（９）が形成されており、前記移行領域は前記コンプレッサ羽根車（４）の羽根車入口縁の前後に亘って前記吸入流路（７）へ向かう方向と前記羽根車チャンバ（５）へ向かう方向との両方向へ延在しており、前記流通スリット（９）は、軸心方向には軸心方向第１長さ（Ｌ１）に亘って延在し、軸心方向に直交する平面内における該流通スリットの流路断面（Ｑ）は軸心方向直交平面内長さ（ＲＬ）に亘って延在している。本発明によれば、前記流路断面（Ｑ）は前記軸心方向第１長さ（Ｌ１）に沿って変化している。【選択図】図１

Description

本発明は請求項１の前提部分に記載した種類の排気タービン式過給機のためのコンプレッサに関する。

排気タービン式過給機のコンプレッサの動作範囲は、サージ限界及びチョーク限界により制約されており、それら限界は、コンプレッサ動作特性図上にサージ限界線及びチョーク限界線で示される。コンプレッサがサージ限界の近傍で動作しているときには、コンプレッサ羽根車の翼面上に局所的な失速領域が発生することにより、流れの向きが周期的に交替する脈流が生じるおそれがある。コンプレッサがサージ限界に達するのは、コンプレッサの中の流れの体積流量が過度に低下したときである。

これとは逆に、コンプレッサの動作点が、コンプレッサ動作特性図上の体積流量が非常に大きな位置へ移動したときには、チョーク限界に達するおそれがあり、このチョーク限界とは、羽根車入口における体積流量が大きいために羽根車入口への流入に支障が生じることによる限界である。

コンプレッサの動作範囲を拡大するための方法として、サージ限界とチョーク限界との両方を動作範囲が拡大する方向へ移動させる動作特性安定化法が知られている。

例えば、米国特許出願公開公報US 4,212,585 A号に示された動作特性安定化法では、コンプレッサのハウジングに複数のスリットが形成されており、それらスリットはコンプレッサ羽根車の羽根車入口縁の周囲を囲繞するように配列されている。それらスリットは所定の長さを有しており、その第１端がコンプレッサ羽根車の羽根車入口縁より上流側に位置し、その第２端がコンプレッサ羽根車の羽根車入口縁より下流側に位置するようにして形成されている。即ち、それらスロットは、コンプレッサ羽根車の羽根車入口縁の前後に亘って軸心方向に延在するようにして形成されている。

ヨーロッパ特許公報EP 0 614 014 B1号にも同様に、コンプレッサ羽根車の周囲を囲繞するように配列され、コンプレッサのハウジングに形成された複数のスリットが開示されている。それらスリットはコンプレッサ羽根車の羽根車入口縁より上流側に位置しており、良好な効果が得られるように、それらスリットの深さをコンプレッサ羽根車の外周縁と略々平行になるような深さとしている。これは、それらスリットの底部がコンプレッサ羽根車の外周縁の作用と同様の作用を提供し得るようにしたものである。

米国特許出願公開公報US 4,212,585 A号 ヨーロッパ特許公報EP 0 614 014 B1号

本発明は上記従来技術に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、改良された排気タービン式過給機のためのコンプレッサを提供することにある。

上記目的は請求項１に記載の特徴を備えた排気タービン式過給機により達成される。従属請求項は、本発明の好適且つ重要な構成上の特徴を備えた特に有利な実施の形態を記載したものである。

本発明によれば、貫通流路を構成する吸気流通部を備えたコンプレッサが提供される。前記吸気流通部は、吸入流路と、該吸入流路の下流側に形成されコンプレッサ羽根車を収容する羽根車チャンバとを備え、更に、該羽根車チャンバの下流側に形成された渦巻形流路と、前記吸入流路を前記羽根車チャンバに接続している移行領域に形成された複数の流通スリットとを備えている。前記移行領域は前記吸入流路へ向かう方向と前記羽根車チャンバへ向かう方向との両方向へ軸心方向に延在している。前記流通スリットは、軸心方向には軸心方向第１長さに亘って延在し、軸心方向に直交する平面内における該流通スリットの流路断面は軸心直交平面内長さに亘って延在しており、前記流路断面は前記軸心方向第１長さに沿って変化している。

前記流通スリットの流路断面が変化しているため、前記軸心方向第１長さに亘って前記流路断面を一定とした場合と比べて、前記流通スリットの中に生じる流れの流体力学的特性が異なったものとなり、それによって、サージ限界及びチョーク限界に関するコンプレッサ動作特性の改善がなされる。また、前記流通スリットの寸法形状を変化させることによって、コンプレッサ羽根車の中の流れの最大質量流量の増大という効果も得られる。

本発明に係るコンプレッサの１つの構成例によれば、前記吸入流路に臨む前記流通スリットの入口側開口における前記流路断面の幅寸法は第１幅寸法とされ、前記コンプレッサ羽根車に臨む前記流通スリットの出口側開口における前記流路断面の幅寸法は第２幅寸法とされており、前記第１幅寸法は前記第２幅寸法より大きいかまたはそれより小さい。換言するならば、前記流通スリットはその長手軸心方向に沿って前記コンプレッサ羽根車に近付くにつれてその流路断面が次第に縮小し、または次第に拡大している。これによって得られる利点は、前記羽根車チャンバから前記流通スリットを通って前記吸入流路へ流入する分流、即ち、再循環する分流が発生するために、コンプレッサ羽根車の回転方向に応じて速度低下が発生すると共に特に圧力低下が発生することである。また更に、コンプレッサがサージ限界から遠く離れた動作領域で動作しているときには、前記流通スリットの中を流れる部分流に更なる有利な速度上昇及び圧力上昇が発生することも利点となる。

また更なる利点としてコンプレッサの生産性に関する利点も認められる。前記流通スリットにテーパがつけられていれば、ハウジングの前記流通スリットに関連した部分を製作する上でダイカスト法を用いることができ、低コストでの製造が可能である。尚、ハウジングの当該部分の形状に応じて、当該部分をワンピース部品として製作してもよく、マルチピース部品として製作してもよい。

前記流通スリットは、該流通スリットのスリット長手軸心の軸心方向にテーパがつけられているようにし、該テーパのテーパ角の大きさは０．５°〜１０°の範囲内にあるようにすることが特に好ましい。

前記吸気流通部及び前記流通スリットを簡明に且つ低コストで製作するためには、前記吸入流路の中に装着可能な装着リング部材に前記流通スリットが形成されているようにするとよい。この場合、前記装着リング部材を前記吸気流通部とは別に製作することが可能である。前記流通スリットにテーパがつけられていれば、前記装着リング部材をダイカスト法を用いて製作することができ、低コストでの製造が可能である。

本発明に係るコンプレッサは、圧力比の小さい動作領域と圧力比の大きい動作領域とのいずれにおいても優れた動作特性を呈するものであり、そのため全体としてサージ限界が移動することによって、コンプレッサ動作特性図上におけるコンプレッサ動作範囲がコンプレッサの流量方向に拡大される。

また、コンプレッサ動作特性図上のコンプレッサ動作範囲の全域においてコンプレッサ効率が向上するため、このコンプレッサを装備した内燃エンジンでは、その内燃エンジンの燃費が改善される。

本発明の更なる利点、特徴、及び細部構成については、以下の好適な実施例についての説明を参照し、また添付図面を参照することにより明らかとなる。以上の説明中で言及した様々な特徴及びそれら特徴の組合せ、並びに、添付図面に関連した以下の説明中で言及し、及び／または、図面中に示すところの様々な特徴及びそれら特徴の組合せは、それら説明ないし図面に示した通りの組合せで利用し得るばかりでなく、それとは異なる組合せで利用することもでき、また、個々の特徴を単独で利用することも可能なものであって、そのように特徴を利用した場合でも本発明の範囲から逸脱するものではない

第１実施例による本発明に係るコンプレッサを部分破断して斜視図で示した図であり、特に装着リング部材及び保持スリーブ部材を示した図である。 図１に示した本発明に係るコンプレッサの装着リング部材の側面図である。 図２に示した装着リング部材の流通スリットの断面図である。 図１に示した保持スリーブ部材の一部分の断面図である。 図２に示した装着リング部材の斜視図である。 第２実施例による本発明に係るコンプレッサの装着リング部材を斜視図で示した図である。 図１に示したコンプレッサの縦断面図である。 第３実施例による本発明に係るコンプレッサを部分破断して斜視図で示した図であり、特に装着リング部材及び保持スリーブ部材を示した図である。

第１実施例による本発明に係る排気タービン式過給機２のコンプレッサ１は、図１に示したように構成されている。コンプレッサ１は、貫通流路を構成する吸気流通部３を備えており、この吸気流通部３はハウジングの一部分として形成されている。排気タービン式過給機２の動作中は、吸気流通部３の中を気体が流れており、その気体は、通常はおおむね外気から成るものである。また、その外気は、通常、内燃エンジン（不図示）の内部で燃料を燃焼させるためのものである。

排気タービン式過給機２は更に、ハウジングの不図示の別の一部分により形成された軸受部を備えており、この軸受部は排気タービン式過給機２のロータアセンブリ１７を軸支している。また、この軸受部は、貫通流路を構成する排気タービン式過給機２の不図示の排気流路部と、吸気流通部３との間に位置している。

ロータアセンブリ１７は、コンプレッサ羽根車４と不図示のタービン羽根車とを備えており、それら羽根車は不図示の連結軸６によりそれらが一体回転するように互いに連結されている。コンプレッサ羽根車４は、通常はおおむね外気である気体を吸入するために、吸気流通部３の羽根車チャンバ５の中に配設されている。不図示のタービン羽根車は、不図示の別の羽根車チャンバである、排気流通部の羽根車チャンバの中に回転可能に収容されている。

排気タービン式過給機２の動作中は、排気流通部の中を流れる排気がタービン羽根車に作用してタービン羽根車を駆動しており、それによってロータアセンブリ１７の回転軸心１６を中心としたタービン羽根車の回転運動が発生している。この回転運動が連結軸を介してコンプレッサ羽根車４へ伝達されることにより、タービン羽根車の回転運動と一体的なコンプレッサ羽根車４の回転運動が発生している。このコンプレッサ羽根車４の回転運動によって外気が吸入され、吸気流通部３の中で圧縮される。

吸気流通部３は、コンプレッサ羽根車チャンバ５の下流側に、貫通流路を構成する渦巻形流路６を備えている。吸気はこの渦巻形流路６を介して内燃エンジンに供給される。コンプレッサ羽根車チャンバ５の上流側には吸気流通部３の吸入流路７が形成されており、この吸入流路７を介して外気などの空気がコンプレッサ羽根車４へ導入される。

吸入流路７の中に、コンプレッサ羽根車４と同心的に装着リング部材８が配設されており、この装着リング部材８はコンプレッサ羽根車４の外周を囲繞する形状に形成されている。装着リング部材８には複数の流通スリット９が形成されており、それら流通スリット９の中を空気が流れることができ、その空気の流れはコンプレッサ羽根車４対して実質的に同心的な流れとなる。装着リング部材８のそれら流通スリット９によってコンプレッサ羽根車４に対するバイパス流路が形成され、このバイパス流路の働きによりサージ限界とチョーク限界との間に挟まれたコンプレッサ１の動作範囲が拡大される。

装着リング部材８の複数の流通スリット９は、軸心方向に延在しており、また、軸心方向に直交する平面内におけるそれら流通スリット９の流路断面は径方向から周方向へ傾斜して延在しており、吸入された外気の一部は、それら流通スリット９の中へ流入することで主流から別れた分流となり、その分流が、主流とは逆向きに流れたのちに、吸気流通部３の中を流れる主流に再合流することによって、再循環が発生する。ただし、チョーク限界の近傍の動作点で動作しているときには、装着リング部材８の流通スリット９の中を軸心方向に流れる分流の流れの向きが、吸入流路７に流入している外気の主流の流れの向きと同一になることもある。

装着リング部材８は保持スリーブ部材１０を介して吸入流路７の中に固定されている。保持スリーブ部材１０は、装着リング部材８を固定保持する機能に加えて、更に、導流手段としての機能も提供しており、これについては後述する。

図２に装着リング部材８を側面図で示した。装着リング部材８はワンピース部品として形成されており、その外周に沿って等間隔で形成された複数の流通スリット９を備えている。それら流通スリット９は、それらの流路断面が、装着リング部材８の径方向に対して所定の第１角度αを成して周方向へ傾斜して延在するように装着リング部材８に形成されており、また、それら流通スリット９は、隣り合う流通スリット９どうしが所定の第２角度βを成すようにして装着リング部材８の周方向に列設されている。更に、それら流通スリット９は、装着リング部材８の軸心方向の全長に亘って延在しており、即ち、軸心方向第１長さＬ１に亘って延在している。このように、装着リング部材８に形成された流通スリット９は、その軸心直交平面内における流路断面の延在方向が装着リング部材８の周方向へ傾斜しているため、装着リング部材８の外周壁の厚さが同じであるならば、流通スリット９の軸心直交平面内における流路断面の延在方向が装着リング部材８の径方向と一致している場合と比べて、流通スリット９の流路断面積を大きくとれるという利点が得られる。このように装着リング部材８は、分流を流すための円環形領域を備えたものであり、その円環形領域の外周直径寸法ＤＳは、この装着リング部材８の開放領域直径寸法ＤＲより大きい。

個々の流通スリット９の幅寸法は、コンプレッサ羽根車４とは逆の方向を向いている第１リング部材側面１１においては第１幅寸法Ｂ１とされ、コンプレッサ羽根車４に臨んでいる第２リング部材側面１２においては第２幅寸法Ｂ２とされている。そして、個々の流通スリット９は、その流通スリット９の軸方向第１長さＬ１に沿って、第１リング部材側面１１から第２リング部材側面１２へ近付くに従って、その流通スリット９の流路断面が次第に狭まるようにテーパをつけて形成されている（図３参照）。このように、スリット長手軸心１８に沿って、その軸心方向に流路断面が次第に狭まるようにしたテーパの、そのテーパ角の大きさは０．５°〜１０°の範囲内とすることが好ましい。

図４は保持スリーブ部材１０の一部分の縦断面図であり、図示した部分は、この保持スリーブ部材１０の装着リング部材８に臨む側の端部である。保持スリーブ部材１０は中空円筒形に形成されており、第１内径寸法ＤＩ１を有する内周面と、外径寸法ＤＡ１を有する外周面とを有する。この保持スリーブ部材１０の装着リング部材８に臨む側の端面１３には、第１内径寸法ＤＩ１より大きい第２内径寸法ＤＩ２を有する内周画成部が形成されている。第２内径寸法ＤＩ２は、上で述べた装着リング部材８の円環形領域の外周直径寸法ＤＳに対応している（図２参照）。第２内径寸法ＤＩ２は、上で述べた装着リング部材８の開放領域直径寸法ＤＲの１．０６倍〜１．１３倍の範囲内の寸法とすることが好ましい。また、第１内径寸法ＤＩ１は、この開放領域直径寸法ＤＲの０．９倍〜１．１倍の範囲内の寸法とすることが好ましい。

保持スリーブ部材１０の内径寸法ＤＩは、図中に軸心方向第２長さ寸法Ｌ２で示した領域において次第に縮小して、第２内径寸法ＤＩ２から、第１内径寸法ＤＩ１に対応した内径寸法ＤＩにまで縮小している。これによって、流通スリット９の中を流れる分流が主流と逆向きに流れるときに、その分流が、流通スリット９の流路断面の延在長さＲＬの全長に亘って流通スリット９から流出することができ、これが可能であるのは、第１リング部材側面１１に開口している流通スリット９の開口領域に保持スリーブ部材１０が直接当接しておらず、そのためその開口領域が保持スリーブ部材１０で閉塞されていないからである。

また、保持スリーブ部材１０の内径寸法ＤＩがこのように次第に縮小しているため、流通スリット９から流出したのちに軸心方向に主流と逆向きに流れる分流は、軸心方向第２長さ寸法Ｌ２の範囲までしか逆流し得ないようになっている。これは、保持スリーブ部材１０の当該部分の内周面がその逆流する分流に対して及ぼす流れ抵抗力が、流通スリット９の流路断面の延在長さＲＬの全長に亘って流出する分流の全体に対して作用するからである。従って保持スリーブ部材１０は、流通スリット９から流出した分流が逆流する範囲を限定するように分流を導流するための、導流手段構成部１４を備えている。

また、導流手段構成部１４は、そのように導流する分流が流れの剥離を生じるのを防止するために、軸心方向にアール（丸み）１５を付けた形状に形成されている。特に良好な流れ特性を得るには、軸心方向第２長さ寸法Ｌ２を、装着リング部材８の開放領域直径寸法ＤＲの０．０７倍〜０．２７倍とするのがよい。また、アール１５の半径寸法は、装着リング部材８の開放領域直径寸法ＤＲの０．０７倍〜０．１３倍とするのがよい。

図５は、図１〜図３に示した本発明に係る装着リング部材８を、斜視図で示した図である。

図６に示したのは、第２の実施例に係る装着リング部材８である。この装着リング部材８はアルミニウム系材料から成るダイカスト成形品であり、低コストでの製造することができる。この装着リング部材８は、例えば、プラスチック材料から成る射出成形品とすることもできる。

図７は、装着リング部材８及び保持スリーブ部材１０を備えたコンプレッサ１を縦断面図で示した図である。装着リング部材８はコンプレッサ羽根車４に対して同心的に配設されている。ただし、この装着リング部材８は、軸心方向第１長さ寸法Ｌ１で示されたその軸心方向長さの全長に亘って、コンプレッサ１の羽根車入口縁１９の近傍部分を囲繞しているのではなく、その軸心方向長さの一部分だけが羽根車入口縁１９の近傍部分を囲繞している。

装着リング部材８を吸入流路７の中に止着し、保持し、固定するために、吸入流路７の中に保持スリーブ部材１０が装着されている。保持スリーブ部材１０の第１リング部材側面１１に臨む側の端面１３が、この第１リング部材側面１１に当接している。

コンプレッサ羽根車４の羽根車入口縁１９に対する、流通スリット９の軸心方向延在範囲の相対的位置関係は、流通スリット９の軸心方向延在範囲と、コンプレッサ羽根車４の羽根車入口縁１９の軸心方向延在範囲とが重なり合う範囲の長さである軸心方向重なり長さＬＶが、上述した軸心方向第１長さ寸法Ｌ１の０．５倍の長さとなるような位置関係としてある。換言するならば、流通スリット９は、流通スリット９の軸心方向延在長さである軸心方向第１長さ寸法Ｌ１の、その半分の長さに相当する部分だけが、コンプレッサ羽根車４を囲繞している。コンプレッサの動作範囲を良好なものとするためには、コンプレッサ羽根車４の羽根車入口縁１９より下流側のこの軸心方向重なり長さＬＶを、上述した軸心方向第１長さ寸法Ｌ１の０．１倍〜０．８倍の範囲内の長さとすることが好ましいことが判明している。

図８に示したのは第３の実施例に係る装着リング部材８であり、この装着リング部材８は、軸心方向直交平面内における流通スリット９の流路断面の延在方向を、第１実施例の場合とは逆向きの周方向へ傾斜させたものである。流通スリット９の流路断面の延在方向をどちら向きの周方向へ傾斜させるかは、排気タービン式過給機２を装着しようとする内燃エンジンに要求される条件や、その目標とする動作特性などに応じて決定すればよく、例えば、燃料消費量の低減を達成したい場合には、その傾斜の向きをコンプレッサ羽根車４の回転方向と逆向きにすることが好ましく、一方、コンプレッサ１のサージ限界の移動量を大きくしたい場合には、その傾斜の向きをコンプレッサ羽根車４の回転方向とすることが好ましい。

Claims (9)

1. 貫通流路を構成する吸気流通部（３）を備えたコンプレッサであって、前記吸気流通部（３）は、吸入流路（７）と、該吸入流路（７）の下流側に形成されコンプレッサ羽根車（４）を収容する羽根車チャンバ（５）と、該羽根車チャンバ（５）の下流側に形成された渦巻形流路（６）とを備えており、前記吸入流路（７）を前記羽根車チャンバ（５）に接続している移行領域において前記吸気流通部（３）に複数の流通スリット（９）が形成されており、前記移行領域は前記コンプレッサ羽根車（４）の羽根車入口縁の前後に亘って前記吸入流路（７）へ向かう方向と前記羽根車チャンバ（５）へ向かう方向との両方向へ延在しており、前記流通スリット（９）は、軸心方向には軸心方向第１長さ（Ｌ１）に亘って延在し、軸心方向に直交する平面内における該流通スリットの流路断面（Ｑ）は軸心方向直交平面内長さ（ＲＬ）に亘って延在している、コンプレッサにおいて、
   前記流路断面（Ｑ）は前記軸心方向第１長さ（Ｌ１）に沿って変化していることを特徴とするコンプレッサ。
2. 前記吸入流路（７）に臨む前記流通スリット（９）の入口側開口における前記流路断面（Ｑ）の幅寸法は第１幅寸法（Ｂ１）とされ、前記コンプレッサ羽根車（４）に臨む前記流通スリット（９）の出口側開口における前記流路断面（Ｑ）の幅寸法は第２幅寸法（Ｂ２）とされており、前記第１幅寸法（Ｂ１）は前記第２幅寸法（Ｂ２）より大きいかまたはそれより小さいことを特徴とする請求項１記載のコンプレッサ。
3. 前記流通スリット（９）は、該流通スリット（９）のスリット長手軸心（１８）の軸心方向にテーパがつけられており、該テーパのテーパ角の大きさは０．５°〜１０°の範囲内にあることを特徴とする請求項１又は２記載のコンプレッサ。
4. 前記流通スリット（９）は前記吸入流路（７）の中に装着可能な装着リング部材（８）に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載のコンプレッサ。
5. 前記装着リング部材（８）は保持固定具（１０）を介して前記吸気流通部（３）の中に固定されていることを特徴とする請求項４記載のコンプレッサ。
6. 前記保持固定具（１０）はスリーブ形状に形成されていることを特徴とする請求項５記載のコンプレッサ。
7. 前記保持固定具（１０）は、該保持固定具（１０）の前記装着リング部材（８）に臨む側の端部に、導流手段構成部（１４）を備えていることを特徴とする請求項５又は６記載のコンプレッサ。
8. 前記導流手段構成部（１４）は前記保持固定具（１０）と前記装着リング部材（８）との間に空間を画成する手段であり、前記保持固定具（１０）は前記装着リング部材に当接するように形成されていることを特徴とする請求項７記載のコンプレッサ。
9. 前記コンプレッサ羽根車（４）の前記羽根車入口縁（１９）に対する、前記流通スリット（９）の軸心方向延在範囲の相対的位置関係は、前記コンプレッサ羽根車の前記羽根車入口縁（１９）の下流側における前記流通スリット（９）の軸心方向重なり長さ（ＬＶ）が、前記軸心方向第１長さ寸法（Ｌ１）の０．１倍〜０．８倍の範囲内の長さとなるような相対的位置関係であることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項記載のコンプレッサ。

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