JP5920127B2 - 過給機のデポジット除去装置 - Google Patents

Description

本発明は、デポジット除去剤を過給機に供給して同過給機に堆積したデポジットの量を減少させる過給機のデポジット除去装置に関する。

内燃機関の過給機では、コンプレッサにより吸気を加圧して燃焼室に過給するため、同コンプレッサが高温となる。そのため、吸気通路に還流させたブローバイガスに含まれるオイルの一部がコンプレッサの熱により気化してデポジットとなり、コンプレッサのインペラやディフューザー等に堆積することがある。

そこで、特許文献１に記載の装置では、過給機よりも吸気上流側の吸気通路にデポジット除去剤を噴射してこれをコンプレッサに供給することにより、同コンプレッサに堆積したデポジットを減少させるようにしている。

特開２００８‐１３８６２３号公報

ところで、吸気通路に噴射されたデポジット除去剤は、吸気とともにコンプレッサのインペラに供給され、その流れ方向がインペラの回転軸方向から径方向に変化した後、ディフューザーに供給される。この際、デポジット除去剤に作用する慣性力の影響により、ディフューザーを通過するデポジット除去剤の多くがそのハブ側の壁面に供給されることとなる。その結果、ディフューザーにおいてハブ側の壁面と対向するシュラウド側の壁面に供給されるデポジット除去剤の量が少なくなり、同壁面に堆積するデポジットを効率よく除去できないおそれがある。

本発明はこうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、コンプレッサのシュラウド側の壁面に堆積したデポジットを効率よく除去することのできる過給機のデポジット除去装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決する過給機のデポジット除去装置は、コンプレッサ用のインペラと、ディフューザーが形成されたケーシングと、インペラよりも吸気上流側で吸気通路から分岐し同インペラの外周に開口する還流路を形成するケーシングトリートメントと、吸気通路においてインペラをバイパスするバイパス通路と、該バイパス通路に設けられた吸気バイパスバルブと、還流路にデポジット除去剤を噴射する噴射装置とを含む過給機をその適用対象としている。そして、上記デポジット除去装置は、前記インペラの回転速度が予め設定された所定回転速度以上である場合、又は、前記インペラを通過する吸気量が予め設定された所定吸気量以上である場合、又は、前記インペラを通過する排気量が予め設定された所定排気量以上である場合に、前記インペラの回転速度が高回転域にあると判断する制御装置を備え、噴射装置は、インペラの回転速度が高回転域にあり且つ吸気バイパスバルブが開弁状態であることを実行条件として還流路にデポジット除去剤を噴射することとした。

過給機が通常の過給状態にあると、インペラの外周部分における吸気の圧力がその上流側の圧力と比較して高くなるため、ケーシングトリートメントに形成された還流路にはインペラ側から吸気通路上流側に逆流する吸気の流れが形成される。このように吸気の一部が還流路を通じて吸気通路上流側に戻されることにより、インペラを通過する吸気の量が増大して過給機のサージングが抑制される。

一方、インペラの回転速度が上昇するとともに、バイパス通路を通じて吸気がインペラに戻されることによりインペラを通過する吸気の量が更に増大すると、過給機はチョーク状態、すなわち、それ以上過給することができない状態となる。このように過給機がチョーク状態となった場合には、インペラの外周部分における吸気の圧力が吸気上流側の圧力よりも低くなる。そのため、還流路には、吸気が吸気上流側からインペラの外周部分に流れる順流が形成される。

そのため、上記構成のように、コンプレッサのインペラの回転速度が高回転域にあり、且つ吸気バイパスバルブが開弁状態であることを実行条件として還流路にデポジット除去剤を噴射するようにすれば、還流路の吸気の流れが順流となっているときに同還流路にデポジット除去剤を噴射することができる。そして、デポジット除去剤は、還流路の順流によってインペラの外周部分に供給され、ディフューザーのシュラウド側の壁面に沿って流動する吸気によって同壁面にも供給される。したがって、上記構成によれば、シュラウド側壁面に対するデポジット除去剤の供給量を増大させることができ、同壁面に付着するデポジットを効率よく除去することができるようになる。

また、上記デポジット除去装置では、吸気通路及び還流路に対してデポジット除去剤を噴射可能な噴射装置を採用し、上記実行条件が成立しないときには吸気通路にデポジット除去剤を噴射するのが望ましい。

上記構成によれば、還流路に順流が形成されているときには、同還流路にデポジット除去剤を噴射することで、シュラウド側の壁面に堆積したデポジットを効率よく除去することができる。一方、還流路に逆流が形成されているときには、吸気通路にデポジット除去剤を噴射することで、インペラ及びディフューザーのハブ側の壁面に堆積したデポジットを効率よく除去することができる。したがって、コンプレッサに堆積したデポジットの量を効果的に減少させることができるようになる。

過給機のデポジット除去装置の一実施形態の全体構成図。 コンプレッサの断面構造を示す断面図。 デポジット除去ルーチンの手順を示すフローチャート。 過給機が過給状態にあるときのコンプレッサにおける吸気の流れについてその一例を示す図。 過給機がチョーク状態にあるときのコンプレッサにおける吸気の流れについてその一例を示す図。

以下、過給機のデポジット除去装置の一実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。
図１に示すように、内燃機関の過給機１は、吸気通路２に設けられたコンプレッサ３と、排気通路４に設けられたタービン５とを備えている。コンプレッサ３のインペラ６とタービン５のインペラ７とは回転軸８により連結されている。燃焼室９から排気通路４に排出された排気は、その下流側に設けられたタービン５のインペラ７を回転させる。この回転に伴ってコンプレッサ３のインペラ６が回転すると、吸気通路２の吸気が加圧され、吸気が燃焼室９に過給される。

また、吸気通路２にはコンプレッサ３よりも吸気上流側の部分に第１の噴射弁１０と第２の噴射弁１１とが配設されている。
吸気通路２においてコンプレッサ３の吸気下流側には、スロットルバルブ１２が設けられている。スロットルバルブ１２の開度が調節されることによって燃焼室９に吸入される吸気が調量される。

また、吸気通路２には、コンプレッサ３の上流側部分と下流側部分とをバイパスするバイパス通路１３が設けられている。バイパス通路１３には吸気バイパスバルブ１４が取付けられている。吸気バイパスバルブ１４が開閉することによりコンプレッサ３の上流部分と下流部分とが連通又は遮断される。例えば、運転者が高速走行時にアクセルの踏込み操作を解除した場合等、コンプレッサ３が高い回転速度を維持した状態でスロットルバルブ１２が閉弁された場合には、吸気通路２においてスロットルバルブ１２とコンプレッサ３との間の吸気の圧力が過度に上昇する。そして、コンプレッサ３の下流側の吸気がインペラ６を通過して上流側へ逆流することにより、騒音が発生する。したがって、こうした場合には、吸気バイパスバルブ１４を開弁させて、コンプレッサ３とスロットルバルブ１２との間の吸気をコンプレッサ３上流側に戻すようにしている。

また、吸気通路２においてコンプレッサ３の上流側と内燃機関のクランクケース１５とはブローバイガス通路１６により連通されている。ブローバイガス通路１６には、ＰＣＶ（ポジティブ・クランクケース・ベンチレーション）バルブ１７が設けられている。このＰＣＶバルブ１７が開弁することでクランクケース１５内のブローバイガスが吸気通路２に還流される。

内燃機関の制御装置１８には、過給機１の回転軸８の回転速度を検出する回転速度センサ１９等、各種センサの検出信号が取り込まれる。制御装置１８は、各種センサの検出信号に基づいてスロットルバルブ１２、吸気バイパスバルブ１４、及びＰＣＶバルブ１７等の開度制御、並びに第１の噴射弁１０及び第２の噴射弁１１の噴射制御等を実行する。

次に、こうした過給機１のコンプレッサ３の構成について詳細に説明する。
図２に示すように、コンプレッサ３は、回転軸８を中心として回転可能に設けられたインペラ６と、ケーシング２０とを有している。ケーシング２０には、回転軸８の径方向に延びるディフューザー２１が形成されている。ディフューザー２１は、回転軸８の軸方向後方（図中の右側）に位置するハブ側の壁面２２と、ハブ側の壁面２２に対向するシュラウド側の壁面２３とを有している。また、ケーシング２０には、その内周から突出して円筒状に形成されたケーシングトリートメント２４が形成されている。ケーシングトリートメント２４には、インペラ６の外周に開口する開口部２５が形成されている。これにより、ケーシングトリートメント２４には、インペラ６よりも吸気上流側で吸気通路２から分岐する円筒状の還流路２６が形成されている。なお、開口部２５はインペラ６のスロート部２７よりも吸気下流側に設けられている。

ここで、過給機１が通常の過給状態にあるときには、インペラ６の外周部分における吸気の圧力がその上流側の圧力と比較して高くなるため、還流路２６にはインペラ６側から吸気通路２上流側に逆流する吸気の流れが形成される。こうして吸気の一部が還流路２６を通じて吸気通路２上流側に戻されることによりインペラ６を通過する吸気の量が増大し、過給機１のサージングが抑制される。

また、第１の噴射弁１０は、その噴射口が還流路２６に指向した状態で設けられている。一方、第１の噴射弁１０よりも吸気上流側に設けられた第２の噴射弁１１は、その噴射口が吸気通路２に指向した状態で設けられている。これら第１の噴射弁１０及び第２の噴射弁１１が還流路２６にデポジット除去剤を噴射する噴射装置として機能する。

次に、本実施形態の過給機１のデポジット除去装置の動作について図３に示すフローチャートを参照して説明する。なお、この処理は過給機１のコンプレッサ３に堆積したデポジットを除去するためのデポジット除去ルーチンであり、制御装置１８を通じて所定の周期で繰り返し実行される。

図３に示すように、本処理ではまず、前回のデポジット除去処理が実行されてからのインペラ６の回転数積算値を算出し、同回転数積算値に基づいてコンプレッサ３におけるデポジット堆積量を推定する（ステップＳ１）。

次に、ステップＳ１において算出されたデポジット堆積量が所定量Ｔｄ以上であるか否かを判定する（ステップＳ２）。この所定量Ｔｄは、この所定量Ｔｄを上回る量のデポジットが堆積すると過給機１の性能低下が無視できなくなる値に設定されている。そして、ステップＳ２の処理において、デポジット堆積量が所定量Ｔｄ未満であると判断された場合（ステップＳ２：ＮＯ）、すなわち、過給機１の性能低下が生じるほどデポジットが堆積していないと判断された場合には、その後の処理を行わずに本処理を終了する。

一方、ステップＳ２の処理において、デポジット堆積量が所定量Ｔｄ以上であると判断された場合（ステップＳ２：ＹＥＳ）には、その処理をステップＳ３へ移行する。ステップＳ３の処理では、回転速度センサ１９からの信号に基づいて過給機１における回転軸８の回転速度、換言すれば、インペラ回転速度Ｎｔが所定回転速度Ｔｎ以上であるか否かを判定する。所定回転速度Ｔｎは、インペラ６の回転速度Ｎｔが高回転域にあるか否かを判定するための値であり、例えば、８００００ｒｐｍに設定される。そして、ステップＳ３の処理において、インペラ回転速度Ｎｔが所定回転速度Ｔｎ以上であると判断された場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）には、次に吸気バイパスバルブ１４が開弁状態であるか否かを判定する（ステップＳ４）。なお、吸気バイパスバルブ１４に制御装置１８から開弁信号が出力されていることによって、同バルブ１４が開弁状態であると判断できる。

そして、吸気バイパスバルブ１４が開弁状態であると判断された場合（ステップＳ４：ＹＥＳ）、すなわち、インペラ６の回転速度Ｎｔが高回転域にあり、且つインペラ６を通過する吸気の量が多いと判断された場合、換言すれば過給機１がチョーク状態であると判断された場合には、第１の噴射弁１０から還流路２６にデポジット除去剤を噴射する（ステップＳ５）。

一方、インペラ回転速度Ｎｔが所定回転速度Ｔｎ未満であると判断された場合（ステップＳ３：ＮＯ）や、吸気バイパスバルブ１４が閉弁状態であると判断された場合（ステップＳ４：ＮＯ）、すなわち、過給機１がチョーク状態ではないと判断された場合には、第２の噴射弁１１から吸気通路２にデポジット除去剤を噴射する（ステップＳ６）。

次に、本実施形態の過給機１のデポジット除去装置の作用について説明する。
本実施形態では、上述したように、インペラ６の回転速度Ｎｔが所定回転速度Ｔｎ以上であり且つ吸気バイパスバルブ１４が開弁状態であることを実行条件として第１の噴射弁１０から還流路２６にデポジット除去剤を噴射するようにしている。

図４に示すように、インペラ６の回転速度Ｎｔが所定回転速度Ｔｎ以上であり且つ吸気バイパスバルブ１４が開弁状態であるとき、すなわち過給機１がチョーク状態であるときには、インペラ６の外周部分における吸気の圧力が吸気上流側の圧力よりも低くなる。そのため、還流路２６には、吸気が吸気通路２の上流側からインペラ６の外周部分に流れる順流が形成される。

そのため、第１の噴射弁１０から還流路２６に噴射されたデポジット除去剤は、吸気によってインペラ６の外周部分に運ばれ、ディフューザー２１のシュラウド側の壁面２３に沿って流動する吸気によって同壁面２３に供給される。

一方、上記実行条件が成立しないとき、すなわち過給機１がチョーク状態ではなく通常の過給状態にある場合には、第２の噴射弁１１から吸気通路２にデポジット除去剤を噴射するようにしている。

図５に示すように、過給機１が通常の過給状態にあると、インペラ６の外周部分における吸気の圧力が吸気上流側の圧力と比較して高くなる。そのため、還流路２６にはインペラ６側から吸気通路２の上流側に逆流する吸気の流れが形成される。

そのため、第２の噴射弁１１から吸気通路２に噴射されたデポジット除去剤は、還流路２６を流れずに、ケーシングトリートメント２４よりも内側の吸気通路２を流動する。そして、吸気とともにインペラ６に供給され、その流れ方向がインペラ６の回転軸８方向から径方向に変化した後、ディフューザー２１に供給される。この際、デポジット除去剤に作用する慣性力の影響により、ディフューザー２１を通過するデポジット除去剤の多くがそのハブ側の壁面２２に供給される。

本実施形態の過給機１のデポジット除去装置によれば、以下の効果が得られるようになる。
（１）還流路２６の吸気の流れが順流となっているときに同還流路２６にデポジット除去剤を噴射するようにした。そのため、ディフューザー２１のシュラウド側の壁面２３に沿って流動する吸気によってデポジット除去剤が同壁面２３に供給される。したがって、シュラウド側壁面２３に対するデポジット除去剤の供給量が増大し、同壁面２３に付着するデポジットを効率的に除去することができる。

（２）還流路２６に逆流が形成されているときには、吸気通路２にデポジット除去剤を噴射するようにした。そのため、インペラ６及びディフューザー２１のハブ側の壁面２２に堆積したデポジットを効率よく除去することができ、コンプレッサ３に堆積したデポジットの量を効果的に減少させることができる。

（３）デポジット除去剤を噴射する噴射装置として、吸気通路２に向けてデポジット除去剤を噴射する第２の噴射弁１１とは別に、還流路２６にデポジット除去剤を噴射する第１の噴射弁１０を備えることとした。そのため、第１の噴射弁１０から還流路２６に効果的にデポジット除去剤を導入することができる。

なお、上記実施形態は、これを変更した以下の形態にて実施することもできる。
・上記実施形態では、所定量Ｔｄを、この所定量Ｔｄを上回る量のデポジットが堆積すると過給機１の性能低下が無視できなくなる値に設定したが、所定量Ｔｄは適宜変更することが可能である。また、このようにデポジットの堆積量を監視することなく、所定時間毎に第１の噴射弁１０又は第２の噴射弁１１からデポジット除去剤を噴射するようにしてもよい。

・上記実施形態では、デポジットの堆積量をインペラ６の回転数積算値に基づいて推定するようにしたが、デポジット堆積量と相関がある他のパラメータ、例えば吸入空気量の積算値等に基づいてデポジット堆積量を算出するようにしてもよい。あるいは、過給機１の過給効率の低下度合いに基づいてデポジットの堆積量を推定することもできる。

・上記各実施形態では、インペラ６の回転速度Ｎｔが高回転域にあるか否かを同回転速度Ｎｔが所定回転速度Ｔｎ以上であることに基づいて判断するようにしたが、例えば、インペラ６を通過する吸気量や排気流量が所定量以上であることに基づいてこれを判断することもできる。

・上記各実施形態では、制御装置１８から吸気バイパスバルブ１４に開弁信号が出力されているときに同バルブ１４が開弁状態であると判断したが、吸気バイパスバルブ１４の開度を検出するセンサを設け、同センサの信号に基づいて吸気バイパスバルブ１４の開弁状態を判断するようにしてもよい。また、減速時であるときに常に吸気バイパスバルブ１４が開弁状態に移行するのであれば、減速時であることに基づいて吸気バイパスバルブ１４が開弁状態であることを判断するようにしてもよい。

・上記各実施形態では、過給機１がチョーク状態にあるときには、第１の噴射弁１０からデポジット除去剤を噴射する一方、第２の噴射弁１１からデポジット除去剤を噴射しない構成としたが、過給機１がチョーク状態にあるときに、第１及び第２の噴射弁１０、１１からデポジット除去剤を噴射するようにしてもよい。こうした構成であっても、第１の噴射弁１０から還流路２６に効果的にデポジット除去剤を導入することができる。

・上記各実施形態では、還流路２６にデポジット除去剤を噴射する噴射装置として２つ噴射弁１０、１１を設けたが、１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。なお、噴射弁を１つとする場合には、デポジット除去剤を還流路２６へ噴射する態様と、デポジット除去剤を吸気通路２へ噴射する態様とでその噴射態様を切替えることが可能な噴射弁を採用する。

・上記各実施形態では、過給機１が通常の過給状態にあるときには、第２の噴射弁１１からデポジット除去剤を噴射するようにしたが、こうした構成を省略してもよい。この場合であっても、第１の噴射弁１０から還流路２６に噴射されたデポジット除去剤はシュラウド側の壁面２３の他、その一部がディフューザー２１のハブ側の壁面２２にも供給されるため、同壁面２２に堆積したデポジットについてもこれを除去することはできる。

１…過給機、２…吸気通路、３…コンプレッサ、４…排気通路、５…タービン、６…コンプレッサのインペラ、７…タービンのインペラ、８…回転軸、９…燃焼室、１０…第１の噴射弁、１１…第２の噴射弁、１２…スロットルバルブ、１３…バイパス通路、１４…吸気バイパスバルブ、１５…クランクケース、１６…ブローバイガス通路、１７…ＰＣＶバルブ、１８…制御装置、１９…回転速度センサ、２０…ケーシング、２１…ディフューザー、２２…ハブ側の壁面、２３…シュラウド側の壁面、２４…ケーシングトリートメント、２５…開口部、２６…還流路、２７…スロート部。

Claims (2)

1. コンプレッサ用のインペラと、ディフューザーが形成されたケーシングと、前記インペラよりも吸気上流側で吸気通路から分岐し同インペラの外周に開口する還流路を形成するケーシングトリートメントと、前記吸気通路において前記インペラをバイパスするバイパス通路と、該バイパス通路に設けられた吸気バイパスバルブと、前記還流路にデポジット除去剤を噴射する噴射装置とを含む過給機のデポジットを除去する除去装置において、
   前記インペラの回転速度が予め設定された所定回転速度以上である場合、又は、前記インペラを通過する吸気量が予め設定された所定吸気量以上である場合、又は、前記インペラを通過する排気量が予め設定された所定排気量以上である場合に、前記インペラの回転速度が高回転域にあると判断する制御装置を備え、
   前記噴射装置は、前記インペラの回転速度が高回転域にあり且つ前記吸気バイパスバルブが開弁状態であることを実行条件として前記還流路にデポジット除去剤を噴射する
   ことを特徴とする過給機のデポジット除去装置。
2. 前記噴射装置は、前記吸気通路及び前記還流路に対してデポジット除去剤を噴射可能であり、前記実行条件が成立しないときには前記吸気通路にデポジット除去剤を噴射する
   請求項１に記載の過給機のデポジット除去装置。