JP3719337B2

JP3719337B2 - 遠心式圧縮機

Info

Publication number: JP3719337B2
Application number: JP25815598A
Authority: JP
Inventors: 壽彦佐野
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1998-09-11
Filing date: 1998-09-11
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2018-09-11
Also published as: JP2000087752A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、遠心式圧縮機の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンに備えられるターボチャージャは、吸気を遠心力により加速する遠心式圧縮機を備えているが、自動車用エンジンのように負荷状態が大幅に変動する場合に、過給効率を維持することが難しい。
【０００３】
この対策して、例えば特開昭６４−６６４１９号公報や実開平５−４２６４３号公報に開示されたものは、遠心式圧縮機のディフューザに可変翼を備え、運転条件に応じて可変翼の角度を調節して過給効率を高めるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の遠心式圧縮機にあっては、例えばエンジンブレーキ時等の吸入空気量の小さい運転領域では、空気の流れがディフューザの壁面から剥離するストール現象が起こり、このストールにより空気流が逆流するサージングを招くと、圧縮機から大きな騒音が発生するという問題点があった。
【０００５】
本発明は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、遠心式圧縮機において、サージングを防止し、過給効率を高めることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、空気を遠心力により加速するインペラと、インペラにその回転軸方向から空気を導くコンプレッサ入口と、インペラにより空気に与えられた運動エネルギーを圧力に変換するディフューザとを備える遠心式圧縮機に適用する。
【０００７】
そして、コンプレッサ入口に環状をした可動リングをインペラの回転軸方向に変位可能に介装するものとした。
【０００８】
そして、インペラを通過する空気量が減少するのにしたがって可動リングをインペラに近づけるものとした。
【０００９】
請求項２に記載の遠心式圧縮機は、請求項１に記載の発明において、圧縮機の過給圧により駆動する空気圧式アクチュエータを備え、過給圧が低下するのに伴って空気圧式アクチュエータにより可動リングをインペラに近づけるものとした。
【００１０】
請求項３に記載の遠心式圧縮機は、請求項２に記載の発明において、エンジンの排気ガスの圧力エネルギーによりインペラと一体となって回転するタービンと、タービンを迂回して排気ガスの一部を排出するバイパスバルブとを備え、空気圧式アクチュエータにより可動リングとバイパスバルブの両方を駆動するものとした。
【００１１】
請求項４に記載の遠心式圧縮機は、請求項１に記載の発明において、圧縮機の過給圧を検出する過給圧検出手段と、エンジン回転数を検出するエンジン回転数検出手段と、検出される過給圧またはエンジン回転数が低下するのに伴って可動リングをインペラに近づける制御手段とを備えるものとした。
【００１２】
【発明の作用および効果】
請求項１に記載の遠心式圧縮機において、可動リングがインペラの回転軸方向に変位してインペラに近づくことにより、圧縮機のトリムが実質的に小さくなる。
【００１３】
圧縮機のトリムが調節されることにより、過給効率が高められるとともに、サージングの発生を防止できる。
【００１４】
また、インペラを通過する空気量が減少するのにしたがって可動リングをインペラに近づけることにより、圧縮機のトリムが実質的に小さくなり、過給効率が高められるとともに、サージングを防止できる。
【００１５】
請求項２に記載の遠心式圧縮機において、過給圧に応じてトリムが変化し、過給効率が高められることにより、エンジンの出力向上がはかれる。
【００１６】
請求項３に記載の遠心式圧縮機において、空気圧式アクチュエータを可動リングとバイパスバルブとで共用することにより、構造の簡素化がはかれる。
【００１７】
請求項４に記載の遠心式圧縮機において、検出される過給圧またはエンジン回転数に応じてトリムが変化し、過給効率が高められることにより、エンジンの出力向上がはかれる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１に示すように、自動車用エンジン等に備えられるターボチャージャ１はエンジンからの排気ガスを導入するタービンハウジング１０にタービンロータ３を収装している。タービンロータ３に結合されるロータシャフト１９はベアリングハウジング３９に一対のボールベアリング３８を介して回転可能に支持されている。
【００２０】
図４に示すように、エンジン２０の各気筒から排出される排気ガスは排気マニホールド２２に集められて、タービンハウジンク１０に導入された後に、図示しない排気管を通って外部に排出される。タービンロータ３は排気ガスの圧力エネルギーにより高速回転する。
【００２１】
ターボチャージャ１の遠心式圧縮機９は、吸気管２５から吸入される空気をインペラ２の回転数に応じて過給し、スロットルバルブ２６を経て吸気マニホールド２７を通して各気筒に供給する。
【００２２】
遠心式圧縮機９は、タービンロータ３にロータシャフト１９を介して連結されるインペラ２と、インペラ２を収装するコンプレッサハウジング４とによって構成される。コンプレッサハウジング４は、インペラ２に軸方向から吸気を導入するコンプレッサ入口５と、インペラ２の遠心力により加速された空気を減速加圧する環状のディフューザ７と、このディフューザ７を通って減速された加圧空気を集める渦巻き状のスクロール部８、およびこのスクロール部８からエンジンに連通する出口部１８とによって形成される。
【００２３】
タービンハウジンク１０にはタービンロータ３を迂回して排気ガスの一部を排出するバイパスポート２９が形成され、このバイパスポート２９を開閉するバイパスバルブ３０が設けられる。バイパスバルブ３０はシャフト３６を介してタービンハウジンク１０に回動可能に支持され、シャフト３６の上端部にリンク３４が結合される。リンク３４を介してシャフト３６が回動することにより、バイパスバルブ３０が開閉するようになっている。
【００２４】
バイパスバルブ３０を空気圧により開閉駆動する空気圧式アクチュエータとして、ダイヤフラム式のアクチュエータ３１が設けられる。アクチュエータ３１のダイヤフラムに結合したロッド３３はリンク３４の回動端部に連結される。
【００２５】
アクチュエータ３１のダイヤフラム室は導圧通路３２を介してインペラ２より下流側の吸気通路に連通する。過給圧が設定値以下の運転条件ではバイパスバルブ３０が閉弁しており、過給圧が設定値を越えて上昇するとロッド３３を介してリンク３４を回動させてバイパスバルブ３０が開弁する。バイパスバルブ３０が開弁することにより、排気ガスの一部がバイパスポート２９を通ってタービンロータ３を迂回して流れるため、遠心式圧縮機９の最高過給圧が設定値以下に抑えられる。
【００２６】
一般に、遠心式圧縮機のトリムは、コンプレッサ入口の内径をｄ、インペラの外形をＤとすると、（ｄ／Ｄ）²×１００として表され、トリムが大きいほど遠心式圧縮機の最高効率点は大流量側に移動する。
【００２７】
そこで本発明は、遠心式圧縮機９のコンプレッサ入口５に環状をした可動リング１１をインペラ２の回転軸方向に変位可能に介装し、可動リング１１をインペラ２の回転軸方向に変位させることにより、遠心式圧縮機９のトリムを実質的に変化させる。
【００２８】
コンプレッサ入口５の内径をｄ₁、可動リング１１の内径をｄ₂、インペラ２の外形をＤとすると、遠心式圧縮機９のトリムは、図１、図３に１点鎖線で示すように可動リング１１がインペラ２から最も離れた状態で（ｄ₁／Ｄ）²×１００として表され、図１、図３に実線で示すように可動リング１１がインペラ２に最も近づいた状態で（ｄ₂／Ｄ）²×１００として表される。すなわち、可動リング１１がインペラ２に近づくほど遠心式圧縮機９のトリムが小さくなり、最高効率点が低流量側に移動する。
【００２９】
図２、図３に示すように、可動リング１１は円筒状のコンプレッサ入口５に摺接する円筒面状の外周面１１ａと、インペラ２の回転軸に対して平行に延びる円筒面状の内周面１１ｂと、インペラ２の回転軸に対して傾斜する円錐面状の上流側端面１１ｃと、インペラ２の回転軸に対して直交する平面状の下流側端面１１ｄを有する。吸気流に対向する上流側端面１１ｃを傾斜させることにより、可動リング１１が吸気流に付与する抵抗を小さくしている。
【００３０】
可動リング１１には一対のピン１２が結合される一方、コンプレッサハウジング４に回動可能に貫通するシャフト１３が設けられ、シャフト１３に各ピン１２に係合する一対のレバー１４が結合される。シャフト１３が図３に矢印で示す方向に回動することにより各レバー１４に係合する各ピン１２を介して可動リング１１がインペラ２から離れる方向に移動するようになっている。シャフト１３の一端にはリンク１５が結合され、リンク１５の回動端部にアクチュエータ３１のロッド３３が連結される。これらにより、インペラ２を通過する空気量が小さくなるのにしたがって可動リング１１をインペラ２に近づける駆動手段が構成される。
【００３１】
過給圧が第一の設定値以下の運転条件では可動リング１１が図１、図３に実線で示すようにインペラ２に最も近づいた位置に保持されている。過給圧が第一の設定値を越えて上昇するとアクチュエータ３１のロッド３３が突出し、これにより回動するリンク１５およびレバー１４等を介して可動リング１１がインペラ２から過給圧に応じて離れる。過給圧が第二の設定値を超えて上昇すると可動リング１１が図１、図３に１点鎖線で示すようにインペラ２から最も離れた位置に保持される。これにより、図５に示すように過給圧が第一の設定値以下の運転条件でトリムが最小値になり、過給圧が第一の設定値を超えて第二の設定値へと上昇するのに伴ってトリムが次第に大きくなり、過給圧が第二の設定値以上の運転条件でトリムが最大値になる。
【００３２】
以上のように構成される本発明の実施の形態につき、次に作用を説明する。
【００３３】
過給圧が上昇するのに伴って可動リング１１がインペラ２から離れることによりトリムが大きくなり、遠心式圧縮機９の最高効率点が大流量側に移動し、図６に示すように等空気重量線がエンジン高回転数側に移動する。こうして過給圧に応じてトリムが変化し、遠心式圧縮機９の過給効率が高められることにより、エンジン２０の出力向上がはかれる。
【００３４】
そして、吸入空気量が小さい運転条件では過給圧の低下に伴って可動リング１１がインペラ２に近づき、遠心式圧縮機９のトリムが小さくなり、サージングが発生する限界値であるサージラインが低流量側に移動する。このため、例えば自動車のエンジンブレーキ時に、スロットルバルブ２６が閉じられて吸気量が急減するような場合に、サージングを起こして大きな騒音が発生することを防止できる。
【００３５】
また、可動リング１１を駆動するダイヤフラム式アクチュエータ３１をバイパスバルブ３０と共用することにより構造の簡素化がはかれる。なお、可動リング１１を駆動するダイヤフラム式アクチュエータをバイパスバルブ３０を駆動するダイヤフラム式アクチュエータと別に設けて、可動リング１１とバイパスバルブ３０をそれぞれ独立に制御するようにしてもよい。
【００３６】
次に、図７に示す実施の形態について説明する。なお、図４との対応部分には同一符号を付す。
【００３７】
可動リング１１を駆動するステップモータ４１を設ける。ステップモータ４１は可動リング１１の位置を多段階に調節する。
【００３８】
可動リング１１の制御手段として設けられるコントロールユニット４２はエンジン回転数センサ４３、過給圧センサ４４からの信号を入力し、検出されるエンジン回転数と過給圧に応じて予め設定された図９に示すマップに基づいてトリムの目標値を検索し、ステップモータ４１の作動をデューティ制御して可動リング１１を目標トリムが得られるように駆動する。
【００３９】
図８のフローチャートはステップモータ４１の作動を制御するルーチンを示しており、コントロールユニット４２において所定周期で実行される。
【００４０】
これについて説明すると、ステップＳ１でエンジン運転中と判断された場合、ステップＳ２に進んで、エンジン回転数および過給圧の検出信号を入力する。続いてステップＳ３で図９に示すマップに基づいてトリムの目標値を検索し、ステップＳ４で目標トリムに応じたデューティ値をステップモータ４１の駆動回路に出力する。
【００４１】
図９に示すマップには、過給圧またはエンジン回転数の低い第一の領域で目標トリムが最小値になり、過給圧またはエンジン回転数が中間値となる第二の領域で目標トリムが過給圧またはエンジン回転数が上昇するのにしたがって次第に大きくなり、過給圧またはエンジン回転数が高い第三の領域で目標トリムが最大値になる。
【００４２】
この場合、過給圧またはエンジン回転数が上昇するのに伴ってトリムが大きくなり、遠心式圧縮機９の最高効率点が大流量側に移動し、遠心式圧縮機９の過給効率が高められることにより、エンジン２０の出力向上がはかれる。
【００４３】
さらに他の実施の形態として、コントロールユニット４１は、エアフロメータ４５からの信号も入力し、検出されるエンジン回転数と過給圧および吸入空気量に応じて可動リング１１の目標位置を算出し、サージラインに近い運転条件で可動リング１１をインペラ２側に移動して遠心式圧縮機９のトリムを小さくし、サージングの発生を防止するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示すターボチャージャの断面図。
【図２】同じくターボチャージャの断面図。
【図３】同じく可動リング等の側面図。
【図４】同じくエンジンのシステム図。
【図５】同じく目標トリムを設定したマップ。
【図６】同じく等空気重量の特性図。
【図７】他の実施の形態を示すエンジンのシステム図。
【図８】同じく制御内容を示すフローチャート。
【図９】同じく目標トリムを設定したマップ。
【符号の説明】
１ターボチャージャ
２インペラ
３タービン
４コンプレッサハウジング
５コンプレッサ入口
７ディフューザ
９遠心式圧縮機
１１可動リング
３０バイパスバルブ
３１アクチュエータ
４１ステップモータ
４２コントロールユニット
４３エンジン回転数センサ
４４過給圧センサ

Claims

空気を遠心力により加速するインペラと、
前記インペラにその回転軸方向から空気を導くコンプレッサ入口と、
前記インペラにより空気に与えられた運動エネルギーを圧力に変換するディフューザと、
を備える遠心式圧縮機において、
前記コンプレッサ入口に環状をした可動リングを前記インペラの回転軸方向に変位可能に介装し、
前記インペラを通過する空気量が減少するのにしたがって前記可動リングを前記インペラに近づける、
ことを特徴とする遠心式圧縮機。
前記圧縮機の過給圧により駆動する空気圧式アクチュエータを備え、
過給圧が低下するのに伴って前記空気圧式アクチュエータにより前記可動リングを前記インペラに近づける、
ことを特徴とする請求項１に記載の遠心式圧縮機。
エンジンの排気ガスの圧力エネルギーにより前記インペラと一体となって回転するタービンと、
前記タービンを迂回して排気ガスの一部を排出するバイパスバルブと、
を備え、
前記空気圧式アクチュエータにより前記可動リングを駆動するとともに前記バイパスバルブを開閉駆動する、
ことを特徴とする請求項２に記載の遠心式圧縮機。
前記圧縮機の過給圧を検出する過給圧検出手段と、
エンジン回転数を検出するエンジン回転数検出手段と、
検出される過給圧またはエンジン回転数が低下するのに伴って前記可動リングを前記インペラに近づける制御手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の遠心式圧縮機。