JP4407262B2

JP4407262B2 - サージ抑制手段を備えた過給用コンプレッサ

Info

Publication number: JP4407262B2
Application number: JP2003405453A
Authority: JP
Inventors: 末吉杉山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-12-04
Filing date: 2003-12-04
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2023-12-04
Also published as: JP2005163691A

Description

本発明は、過給用コンプレッサに係り、特に、過給用コンプレッサのサージ抑制手段の改良に係る、

内燃機関の出力性能を上げるべく吸気を加圧することが過給として知られており、そのための手段が過給用コンプレッサとして知られている。過給用コンプレッサは、通常、内燃機関の排気により駆動される排気タービンにより駆動され、内燃機関の排気よりエネルギを回収して内燃機関の熱効率を高めることにも寄与する。

過給用コンプレッサが排気タービンにより駆動される場合、特に内燃機関が車輌の内燃機関であるときには、その回転速度が低速域から高速域まで大幅に変化する。この場合、過給用コンプレッサが、コンプレッサロータと、その周縁に配置された環状のディフューザ列と、かかる環状ディフューザ列を囲む蝸牛状のハウジングとを有する構造のものであるときには、中流量乃至大流量域にてもそれなりの過給が得られるようなコンプレッサの設計がなされると、低流量域にてサージが起こりやすくなるという問題がある。かかる問題に対処して、環状ディフューザ列をコンプレッサロータの中心軸線に垂直な仮想断面で見て該中心軸線から放射状に延びる輻線に対する傾動角を可変に調節することができる傾動可能なベーンの列により構成し、コンプレッサロータの回転速度に応じてベーンの傾動角を変えるようにすることが下記の特許文献１に記載されている。また、この種の過給用コンプレッサに於いて、途中に開閉制御弁を備え、コンプレッサロータの下流側を上流側に連通する還流通路を設け、かかる還流通路を適宜に開いてコンプレッサにより昇圧された空気の一部をコンプレッサの吸入側に戻すことによりサージを抑制することが下記の特許文献２に記載されている。
特開昭６４−６６４１９特開平１１２００２−１８２２５７

本発明は、コンプレッサロータと、その周縁に配置された環状のディフューザ列と、該環状ディフューザ列を囲む蝸牛状のハウジングとを有する型の過給用コンプレッサに於いて、環状ディフューザ列がコンプレッサロータの中心軸線に垂直な仮想断面で見て該中心軸線から放射状に延びる輻線に対し傾斜したベーンの列により構成されるときには、サージの発生は、コンプレッサロータにより加速された空気流の動圧がディフューザ列により静圧に変換されることにより得られるディフューザ列を横切る静圧の上昇とディフューザ列を横切る空気流の流れを規制するベーンの傾斜角との関連により支配されることに鑑み、この点に着目して低速域から高速域に至る全速度域に亙ってサージをよりよく抑制しつつより高い作動効率にて作動するよう改良された過給用コンプレッサを提供することを課題としている。

上記の課題を解決するものとして、本発明は、コンプレッサロータと、その周縁に配置された環状のディフューザ列と、前記環状ディフューザ列を囲む蝸牛状のハウジングとを有し、前記環状ディフューザ列は前記コンプレッサロータの中心軸線に垂直な仮想断面で見て該中心軸線から放射状に延びる輻線に対する傾動角を可変に調節することができるよう傾動可能に設けられたベーンの列により構成されている過給用コンプレッサにして、前記ベーンの傾動に対応して開閉を制御され、前記ベーンの傾動角が所定値以上のとき前記ディフューザ列の出口領域を該ディフューザ列の上流側へ開く還流通路を有していることを特徴とする過給用コンプレッサを提案するものである。

この場合、前記還流通路の出口は、ディフューザ列より上流側の任意の位置であってよいが、特に、コンプレッサロータとディフューザ列の間、またはコンプレッサロータの上流側とされてよい。

また、前記ベーンの傾動角が前記所定値以上のとき該傾動角が所定範囲で増大するに連れて還流通路はより大きく開かれるようになっていてよい。

また、前記還流通路の入口は前記ベーンの端面に対向して開口するポートであり、該ポートの開口面積が前記ベーン端面により開閉制御されるようになっていてよい。

上記の如く、コンプレッサロータと、その周縁に配置された環状のディフューザ列と、環状ディフューザ列を囲む蝸牛状のハウジングとを有し、環状ディフューザ列がコンプレッサロータの中心軸線に垂直な仮想断面で見て該中心軸線から放射状に延びる輻線に対する傾動角を可変に調節することができるよう傾動可能に設けられたベーンの列により構成されている過給用コンプレッサに於いて、ベーンの傾動に対応して開閉を制御され、ベーンの傾動角が所定値以上のとき前記ディフューザ列の出口領域を該ディフューザ列の上流側へ開く還流通路が設けられていれば、コンプレッサロータの流入空気量の減小に応じてコンプレッサロータの周縁より排出される空気の流れに適合するようベーンの傾動角を増大させていく過程で、サージ発生の可能性が生じる速度領域に対応するベーン傾動角に合わせて前記還流通路を経てディフューザ列の出口領域より圧縮された空気の一部をその上流側へ還流させることにより、ベーン傾動角の制御によりサージを抑制する効果とディフューザ列での流れの不安定領域を空気の一部還流により低減してサージを抑制する効果とを最適に調和させ、コンプレッサロータ回転速度に応じて必要最小限度の空気還流量にてサージを確実に抑制しつつ、より高い作動効率にて過給用コンプレッサを作動させることができる。コンプレッササージに係るディフューザの流れの不安定領域を緩和するためのディフューザ列出口領域よりその上流側への還流は、コンプレッサロータの上流側まで行かなくても、コンプレッサロータとディフューザ列の間への還流によっても可能である。

ベーンの傾動角が前記所定値以上のとき該傾動角が所定範囲で増大するに連れて還流通路がより大きく開かれるようになっていれば、ベーン傾動角の制御によるサージ抑制とディフューザ列を横切る空気一部還流によるサージ抑制との相互調和をより好ましい状態とすることが可能となる。

また、還流通路の入口がベーンの端面に対向して開口するポートであり、該ポートの開口面積がベーン端面により開閉制御されるようになっていれば、ベーンを直接ポート可変開閉弁手段として利用することができ、ポート可変開閉のための可動手段を省略して還流通路の開閉とその度合をベーンの傾動に対応して制御することができる。

添付の図１は、本発明による過給用コンプレッサの一つの実施の形態をその要部についてのみ半ば解図的に示す縦断面に相当する図である。但し、この種の装置は、製品としての製造および組立ての便宜のため、一般にそのハウジングが縦割半体の組合せにより構成されることに鑑み、図はそのような構造の手前側ハウジング半体のみを除去した状態として示されている。

図示の過給用コンプレッサは、中心軸線Ｃの周りに回転するよう図には示されていない適当な軸受装置により回転式に支持されたコンプレッサロータ１０と、その周縁に配置された一連の翼型ベーン１２よりなる環状のディフューザ列１４と、環状ディフューザ列を囲む蝸牛状のハウジング１６と、環状ディフューザ列１４の周りに形成された蝸牛状ディフューザ列出口空間１８に接線方向に連通する過給空気出口ポート２０とを有している。この場合、一連のベーン１２は、各々回動軸２２によりコンプレッサロータの中心軸線Ｃに垂直な仮想断面で見て該中心軸線から放射状に延びる輻線（その一つをＲにて示す）に対するその傾動角αを変えることができるよう支持されており、これらの傾動角を一斉に可変に制御する図１には示されていないディフューザ傾動角制御機構によりその傾動角とそれに伴うディフューザ通路の拡開度をコンプレッサロータの回転速度の変化に応じて変化させる可変ディフューザを構成している。

図２は図１に於いてＤにて示す仮想切断面により図示の過給用コンプレッサの一部をコンプレッサロータ中心軸線に沿って切断した状態を一つの実施の形態について矢印方向に見た概略図である。吸入空気は吸入ポート２４から図中矢印にて示す如く吸入され、コンプレッサロータ１０の図１に矢印にて示す方向の回転により遠心加速され、その運動エネルギを環状ディフューザ列１４にて圧力エネルギに変換しつつ、蝸牛状ディフューザ列出口空間１８に集められ、これよりより過給空気出口ポート２０を経て流出する。

各ベーン１２の回動軸２２にはレバー２６の一端が取り付けられており、これらのレバーの他端が図には示されていないベーン傾動制御手段により周方向に一斉に駆動されることにより全てのベーン１２の傾動角が同時に変更されようになっている。

ハウジング１６が各ベーン１２の一方の端面２８に対向して呈する壁面３０には、各ベーンの傾動角αが或る第一の所定値以下であるときには各ベーンの端面により塞がれるが、各ベーンの傾動角αが該第一の所定値を越えるときから各ベーンの端面との重なりから外れて露呈されはじめ、これより各ベーンの傾動角が或る第二の所定値に至るまで、ベーンの傾動角が増大するに連れて各ベーンの端面との重なりからより大きく外れてより大きく露呈されるポート３２が設けられており、これらのポートは、ディフューザ列１４の出口領域より該ディフューザ列の上流側へ通じる還流通路３４に連通し、それが開かれるときには、その開度に応じて還流通路３４の開口度を制御するようになっている。図２に示す実施の形態に於いては、還流通路３４の出口はコンプレッサロータ１０とディフューザ列１４の間とされている。尚、図１に於いては、各ポート３２に対向してその開度を制御するベーンの端面２８は図にて手前に見える面であり、各ポート３２は見えないので、ベーン端面２８に対応するその位置と輪郭が破線にて示されている。

図３は本発明の他の一つの実施の形態を示す図２と同様の図である。図３に於いては、図２に示す部分と同じ部分は図２に於けると同じ符号により示されている。この場合、ディフューザ列１４の出口領域より該ディフューザ列の上流側へ通じる還流通路３４ａの出口は、コンプレッサロータ１０の上流側とされている。尚、３６は還流通路３４ａの流れを調整するための多孔質パッキンある。尚、かかる多孔質パッキンに代えて流量調節用のガイドベーンが設けられてもよい。

かくして、本発明によれば、環状ディフューザ列１４をコンプレッサロータ１０の中心軸線Ｃに垂直な仮想断面で見て該中心軸線から放射状に延びる輻線Ｒに対する傾動角αを可変に調節することができる傾動可能なベーン１２の列により構成し、コンプレッサロータの流入空気量に応じてベーンの傾動角を変えてディフューザ形状をコンプレッサロータの回転速度によりよく適合させてサージ発生を抑制することと、ディフューザ列の出口領域よりその上流側へ通じる還流通路３４，３４ａを適宜に開いてディフューザ列を経て昇圧された空気の一部をディフューザ列の上流側へ還流させ、流れの不安定領域を除去することによりサージ発生を抑制することとを関連制御することにより、これら２つのサージ抑制作用をよりよく調和させ、低流量域から高流量域に至る全作動域に亙ってサージをよりよく抑制しつつより高い作動効率にて過給用コンプレッサを作動させることができる。

以上に於いては本発明を二つの実施の形態について詳細に説明したが、これらの実施の形態について本発明の範囲内にて種々の変更が可能であることは当業者にとって明らかであろう。

本発明による過給用コンプレッサの一つの実施の形態をその要部についてのみ半ば解図的に示す縦断面に相当する図。図１に於いてＤにて示す仮想切断面により図示の過給用コンプレッサの一部をコンプレッサロータ中心軸線に沿って切断した状態を本発明の一つの実施の形態に於いて矢印方向に見た概略図。本発明の他の一つの実施の形態を示す図２と同様の概略図。

符号の説明

１０…コンプレッサロータ、１２…ベーン、１４…環状のディフューザ列、１６…蝸牛状のハウジング、１８…ディフューザ列出口空間、２０…過給空気出口ポート、２２…回動軸、２４…吸入ポート、２６…レバー、２８…ベーンの一方の端面、３０…ハウジング壁面、３２…ポート、３４，３４ａ…還流通路、３６…抵抗調整用多孔質パッキン

Claims

コンプレッサロータと、その周縁に配置された環状のディフューザ列と、前記環状ディフューザ列を囲む蝸牛状のハウジングとを有し、前記環状ディフューザ列は前記コンプレッサロータの中心軸線に垂直な仮想断面で見て該中心軸線から放射状に延びる輻線に対する傾動角を可変に調節することができるよう傾動可能に設けられたベーンの列により構成されている過給用コンプレッサにして、前記ベーンの傾動に対応して開閉を制御され、前記ベーンの傾動角が所定値以上のとき前記ディフューザ列の出口領域を該ディフューザ列の上流側へ開く還流通路を有していることを特徴とする過給用コンプレッサ。
前記還流通路の出口は前記コンプレッサロータと前記ディフューザ列の間であることを特徴とする請求項１に記載の過給用コンプレッサ。
前記還流通路の出口は前記コンプレッサロータの上流側であることを特徴とする請求項１に記載の過給用コンプレッサ。
前記ベーンの傾動角が前記所定値以上のとき該傾動角が所定範囲で増大するに連れて前記還流通路はより大きく開かれることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の過給用コンプレッサ。
前記還流通路の入口は前記ベーンの端面に対向して開口するポートであり、該ポートの開口面積が前記ベーン端面により開閉制御されるようになっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の過給用コンプレッサ。