JP5492212B2 - 内燃機関の排気ターボチャージャ用の遠心コンプレッサ - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前段に提示された種類の、特に内燃機関の排気ターボチャージャ用の遠心コンプレッサに関する。本発明はさらに、内燃機関及び内燃機関の吸気管内に配置されている遠心コンプレッサを備えた自動車に関する。

所望のトルク特性を備えた、商用車又は乗用車用の過給される内燃機関の開発には、より幅の広いコンプレッサマップがますます必要とされている。質量流量に対する出口圧力と入口圧力の比を表したコンプレッサマップは、一方ではいわゆるコンプレッサのサージライン、つまり最小のボリュームフィードによって、他方ではいわゆるコンプレッサの閉そく線、つまり最大のボリュームフィードによって限定されている。サージラインと閉そく線の間の範囲では、コンプレッサの、ひいては割り当てられた内燃機関の安定した作動が可能である。所与の動作基点及びそれに相応する定格流量は、遠心コンプレッサのサージライン位置を決める基準となる。割り当てられた内燃機関の最大トルクを持つトルクラインは、エンジンの中回転数域まで遠心コンプレッサのサージラインによって決められる。サージラインの左側では、質量流量が小さい場合、遠心コンプレッサ及び内燃機関の安定した作動はポンプ圧が原因でもはや保証できない。さらに、サージラインの下側で作動する場合、遠心コンプレッサがわずかな運転時間で損傷してしまう危険がある。いわゆる特性マップによる安定化処置（ＫＳＭ）を開発することにより、割り当てられた内燃機関の発進トルク、加速トルク、及び最大トルクを増大させることができるよう、サージラインを小さい質量流量にスライドさせることが試みられている。

これに関して従来技術では、コンプレッサハウジング内に配置されたコンプレッサホイールを有する遠心コンプレッサが公知である。このコンプレッサホイールは、コンプレッサハウジングのインレットポートを通ってコンプレッサホイールへ導かれる空気を圧縮するために使用される。圧縮された空気は続いてコンプレッサホイールを通ってコンプレッサハウジングのアウトレットポートに導かれる。特性マップによる安定化処置として、コンプレッサハウジングはさらにバイパスポートを含み、このバイパスポートはコンプレッサホイールのコンプレッサホイール入口の軸方向上流にある少なくとも１つの第一のフロー開口部、及びコンプレッサホイール入口の下流にある第二のフロー開口部を備えている。これに関してサージライン付近の作動範囲では、空気はコンプレッサホイールを通り第二のフロー開口部を通ってバイパスポートへ排出され、及び第一のフロー開口部から排出された後に再度コンプレッサホイール入口に導かれることが可能である。それによってコンプレッサホイール内に生じた質量流が高められて有利である。閉そく線付近の作動範囲では、フロー方向が反対になる。それゆえに、空気を第一のフロー開口部を通してバイパスポートに入れ、及び第二のフロー開口部を通してコンプレッサホイールへ導くことで、一方でインレットポートを、及び他方でバイパスポートを経由してコンプレッサホイールへの流入が行われる。このためにコンプレッサホイールのコンプレッサホイール入口で最も細い断面部で一部迂回が行われ、その結果コンプレッサによって送られる空気の質量を増大させることができる。別法として、コンプレッサホイール出口の下流にあるバイパスポートの第二のフロー開口部は、アウトレットポートに合流することが企図されている。

しかし、公知の遠心コンプレッサの課題点として、サージライン付近で作動する場合に、回転しているコンプレッサホイールのエリアで、相応する効率損失及びコンプレッサ作動における不安定性をもたらすフロー渦巻及びフロー分離が形成されるという状況が見られる。

従って本発明の課題は、冒頭に挙げた種類の遠心コンプレッサにおいて、構造的に簡単な方法で、サージラインを引き下げ、さまざまな種類の内燃機関の要求事項への適応を改善する遠心コンプレッサを提供することである。

構造的に簡単な方法でサージラインを引き下げ、さまざまな種類の内燃機関の要求事項への適応を改善する遠心コンプレッサは、本発明に従い、コンプレッサハウジングが、アウトレットポートの上流にある少なくとも１つのフローエリアでコンプレッサホイールの回転軸に対して回転非対称に形成されることによって実現される。すなわち、このコンプレッサハウジングは従来技術とは異なり、通常渦巻状であることで非対称に形成されたアウトレットポートの上流にある、ハウジングの貫流可能なエリアに、回転対称とは相違する形状を備えている。このことによって、目的に合わせた流れの非一様性及び相応する非対称のコンプレッサホイールのインフロー及びアウトフローを提供することができ、このことによって回転しながら分離するフローの大幅な安定化がコンプレッサハウジングのさまざまな流路内で達成され、及びコンプレッサホイールのポンプ傾斜が著しく小さい質量流量にスライドされる。この構造的に簡単な対策に基づき、さらにはさまざまな種類の内燃機関用の遠心コンプレッサの要求仕様に対する改善された、特に低費用な適応が実現される。

本発明の有利な一実施形態では、バイパスポート及び／又はインレットポート及び／又は第一のフロー開口部及び／又は第二のフロー開口部がコンプレッサホイールの回転軸に対して回転非対称に形成される。挙げられたポートの少なくとも１つ又はフロー開口部の１つが本発明に従って回転非対称性を備えることにより、内燃機関タイプ及び要求プロファイルに対する遠心コンプレッサのコンプレッサマップの目的に合わせた、個別に調整可能な適応が与えられる。

バイパスポート半径方向内側及び／又は半径方向外側のポート壁が回転軸に対して回転非対称に形成されるという別の利点が開示される。このことは、有利なサージラインの引き下げと並んで遠心コンプレッサの閉そく線を目的に合わせて引き上げることが可能になる。

別の実施形態では、バイパスポートの半径方向内側及び／又は半径方向外側のポート壁が、少なくとも１つの縦ゾーンの上に断面が円形、環状及び／又は楕円形状に形成されると有利であることが明らかになる。すなわちバイパスポートの該当するポート壁が少なくとも部分的に円筒状外側面及び／又は楕円状外側面として形成され、その際に少なくとも円筒状外側面として形成されるポート壁の場合に円筒の中心軸がコンプレッサホイールの回転軸に対して非同軸方向に配置されていてよい。これは構造的に簡単に及び低費用で、目的に合わせてコンプレッサマップに影響を与え、幅を広げる方法を表している。

フロー挙動、ひいては遠心コンプレッサのコンプレッサマップに目的に合わせて影響を与えるための別の有利な方法は、別の実施形態においてバイパスポート及び／又はインレットポート及び／又は第一のフロー開口部及び／又は第二のフロー開口部が回転軸に沿って配置されているコンプレッサハウジングの軸方向のメイン面に対して鏡面対称に形成されることによって得られる。

本発明の別の有利な一実施形態では、第一のフロー開口部及び／又は第二のフロー開口部が、バイパスポートの周囲の上にセグメント形状及び／又は楕円形状及び／又は曲線形状及び／又は正弦曲線形状及び／又は周囲上にさまざまに変化した合流面を備えて形成される。これもまた、目的に合わせたフローの非一様性をコンプレッサホイールのフローエリア内に作りだす構造的に簡単な手段である。

インレットポートの合流面を、コンプレッサハウジングの半径方向のメイン面の回転軸に垂直な線とある角度を成して配置することで、構造的に簡単な方法で比較的強く非対称なコンプレッサホイールのインフローが生成される。

その際に、角度が１°〜３０°の間、特に３°〜２０°の間、及び好ましくは５°〜１０°の間にあると有利であることが明らかになる。このことによって、さまざまな種類の内燃機関に対してインフロー挙動を簡単に適応させることができる。

インレットポート及びバイパスポートを互いに分離するポート壁が少なくとも１つの支柱を使用してコンプレッサハウジングに支えられることで、別の利点が開示される。この種の支柱を用いて、周囲フローの所望の非対称効果が引き起こされることができる。さらにこれはポート壁をコンプレッサハウジング内に位置固定するという構造的に簡単な手段である。

本発明の別の有利な一実施形態では複数の支柱が備えられ、これらの支柱は好ましくは回転軸に対して非対称にポート壁周囲上に形成される。このようにして、より大きな周囲エリアを目的に合わせて材料で覆うことができ、それによって、相応して非対称度をより高くすることが可能になる。加えて、複数の支柱を使用してコンプレッサハウジング内で機械的に特に安定なポート壁位置固定が与えられる。

本発明の別の観点では、内燃機関及び内燃機関の吸気管内に配置された遠心コンプレッサを備えた車両に関し、その際、遠心コンプレッサのサージラインの引き下げを構造的に簡単な方法、及びさまざまな種類の内燃機関の要求に対する改善された適応が、本発明により遠心コンプレッサを前述の実施例の１つに従って形成することで可能になる。このことから生じた利点は、対応する記述から読み取ることができる。

本発明のさらなる利点、特徴及び細部は、後続の一実施例の記述と、図を使用して示される。図では同一の要素には同一の符号が付けられている。

実施例に従った遠心コンプレッサの模式的側方断面図である。 図１に示された遠心コンプレッサの模式的正面図である。

図１は、実施例に従った遠心コンプレッサの模式的側方断面図である。ターボチャージャのコンプレッサとして形成された遠心コンプレッサはコンプレッサハウジング１０を含み、その中にはコンプレッサホイール１２が配置されている。コンプレッサホイール１２を使用して、コンプレッサハウジング１０のインレットポート１４からの空気が圧縮され、コンプレッサハウジング１０の渦巻状のアウトレットポート１６に導かれる。コンプレッサホイール１２の駆動は、ここではそれ自体周知の方法でターボチャージャのタービンのタービンホイール（図示せず）によって行われる。特性マップによる安定化処置（ＫＳＭ）として、コンプレッサハウジング１０はさらにここではリング状に形成されたバイパスポート１８を含み、このバイパスポートが少なくとも１つの、コンプレッサホイール１２のコンプレッサホイール入口２２の軸方向上流にあるインレットポート１４のエリアに配置されている第一のフロー開口部２０ａ、及びコンプレッサホイール１２のコンプレッサホイール入口２２の下流にある第二のフロー開口部２０ｂを備えている。サージライン付近の作動範囲では、ＫＳＭを使用して、空気が矢印Ｉに従ってコンプレッサホイール１２を通り第二のフロー開口部２０ｂを通ってバイパスポート１８へ排出され、及び第一のフロー開口部２０ａから排出した後に再度インレットポート１４内及びコンプレッサホイール入口２２へ導くことが可能である。このようにして、コンプレッサホイール１２内に生じた質量流は強力に高められる。構造的に簡単な方法でサージラインを引き下げ、さまざまな種類の内燃機関への要求に対する適応を改善するために、コンプレッサハウジング１０はフローエリアＩＩ−ＩＩ内でアウトレットポート１６上流でコンプレッサホイール１２の回転軸Ｄに対して回転非対称に形成される。従来技術と比較して、ここででは特に、バイパスポート１８及びインレットポート１４の合流面２４が回転非対称に形成される。このことによって、相応して非対称のインフローがコンプレッサホイール１２内に生成され、このインフローがコンプレッサハウジング１０内のさまざまな流路内で、回転しながら分離するフローの大幅な安定化をもたらす。このようにして、コンプレッサホイール１２のポンプ傾斜が構造的に簡単な及び低費用な方法で低減され、及びより小さい質量流量へとスライドされる。その際、第二のフロー開口部２０ｂが部分的にのみ又はセグメント形状でコンプレッサホイール１２の上に形成され、それによって非対称なインフローを目的に合わせて強めたり弱めたりすることができる。同様に第二のフロー開口部２０ｂは回転軸Ｄに対して、又は回転軸に対して垂直に配置されているメイン面Ｈｒに対して非半径方向に配置されてよい。これはまたメイン周囲方向に沿った軸方向の経路であってもよく、この経路は場合によっては曲線形状又は正弦曲線形状に形成されることができる。合流面２４は、ここでは回転軸に対して垂直に配置されているメイン面Ｈｒに対して約８°の角度αを成して配置されている。その際、基本的にコンプレッサハウジング１０が、少なくともフローエリアＩＩ−ＩＩ内で回転軸Ｄに沿って配置されている軸方向のメイン面Ｈａ（図２参照）に対して鏡面対称に形成されてよい。

内側のポート壁２６ａ及び外側のポート壁２６ｂを具備したバイパスポート１８は、示した実施例では回転軸Ｄに対して非常に大きく回転非対称である。ここで外側のポート壁２６ｂはほとんど回転対称であり、それに対して内側のポート壁２６ａは回転軸Ｄに対して高い非対称度を示している。内側のポート壁２６ａを回転軸Ｄに対してほとんど左右対称にし、及び外側のポート壁２６ｂを回転軸Ｄに対して所望の非対称度にすることで、この非対称は基本的に逆の造形でも作ることができる。同様に、２つのポート壁２６ａ、２６ｂのどちらも回転対称でなくしてもよい。さらに、２つのポート壁２６ａ、２６ｂは回転軸Ｄに対してずらした円筒状外側面、楕円形状又はその他の面展開を備えていてよい。

図２は図１に示された遠心コンプレッサの模式的正面図である。ここでは特に複数の支柱２８が認められ、これらを使用してインレットポート１４及びバイパスポート１８を互いに分離するポート壁２６がコンプレッサハウジング１０のところで支えられている。支柱２８はその際非対称にポート壁２６周囲に分けて配置されている。示された支柱２８の比較的小さい障害に対して、別法としてより大きなエリアで周囲上を材料で覆い、それによって、相応して周囲フローのより大きい非対称効果をもたらすことができる。コンプレッサハウジングの最適な非対称性を見つけることにより結果として、構造的に簡単な及び低費用な方法で、コンプレッサマップの幅を著しく広げるとともに、特にサージラインをより小さい質量流量へとスライドすることができる。

Claims (8)

1. 内燃機関の排気ターボチャージャ用の遠心コンプレッサであって、コンプレッサハウジング（１０）を備え、該コンプレッサハウジング内にコンプレッサホイール（１２）が配置されており、これを使用してコンプレッサハウジング（１０）のインレットポート（１４）からの空気を圧縮してコンプレッサハウジング（１０）のアウトレットポート（１６）に導き、コンプレッサハウジング（１０）がバイパスポート（１８）を備え、該バイパスポートがコンプレッサホイール（１２）のコンプレッサホイール入口（２２）の軸方向上流にある第一のフロー開口部（２０ａ）及びコンプレッサホイール入口（２２）の下流にある第二のフロー開口部（２０ｂ）を有する遠心コンプレッサにおいて、
   前記コンプレッサハウジング（１０）が少なくとも１つのフローエリア（ＩＩ−ＩＩ）で前記アウトレットポート（１６）の上流で前記コンプレッサホイール（１２）の回転軸（Ｄ）に対して回転非対称に形成され、
   前記インレットポート（１４）の合流面（２４）が、前記回転軸（Ｄ）に対して垂直に配置されている前記コンプレッサハウジング（１０）のメイン面（Ｈｒ）と角度（α）をなして配置されていることを特徴とする遠心コンプレッサ。
2. 前記バイパスポート（１８）及び／又は前記インレットポート（１４）及び／又は前記第一のフロー開口部（２０ａ）及び／又は前記第二のフロー開口部（２０ｂ）が前記コンプレッサホイール（１２）の回転軸（Ｄ）に対して回転非対称に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の遠心コンプレッサ。
3. 前記バイパスポート（１８）の半径方向内側の及び／又は半径方向外側のポート壁（２６ａ、２６ｂ）が前記回転軸（Ｄ）に対して回転非対称に形成されることを特徴とする、請求項２に記載の遠心コンプレッサ。
4. 前記バイパスポート（１８）及び／又は前記インレットポート（１４）及び／又は前記第一のフロー開口部（２０ａ）及び／又は前記第二のフロー開口部（２０ｂ）が、前記回転軸（Ｄ）に沿って配置されている前記コンプレッサハウジング（１０）の軸方向のメイン面（Ｈａ）に対して鏡面対称に形成されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の遠心コンプレッサ。
5. 前記角度（α）が１°〜３０°の間にあることを特徴とする、請求項１に記載の遠心コンプレッサ。
6. 前記インレットポート（１４）及び前記バイパスポート（１８）を互いに分離するポート壁（２６）が少なくとも１つの支柱（２８）を使用して前記コンプレッサハウジング（１０）のところで支えられていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の遠心コンプレッサ。
7. 複数の支柱（２８）が、前記回転軸（Ｄ）に対して非対称に前記ポート壁（２６）の周囲に配置されていることを特徴とする、請求項６に記載の遠心コンプレッサ。
8. 内燃機関及び内燃機関の吸気管内に配置された、排気ターボチャージャ用の遠心コンプレッサを備えた自動車において、
   遠心コンプレッサが請求項１から７のいずれか一項に従って形成される自動車。

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