JP6294174B2 - 内燃機関の過給装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の過給装置に関する。より詳しくは、吸気を還流するバイパス通路を有する内燃機関の過給装置に関する。

従来、車両などの内燃機関の過給装置として特許文献１に開示された技術がある。特許分文献１に開示された技術では、インペラが回転して得られる放射方向の遠心力にて加圧した吸気を還流するバイパス通路を設けている。また、バイパス通路の途中には、吸気の還流量を調節する調節弁が設けられる。
ところで、過給装置は、ターボラグを解消するために小型化かつハイレスポンス化が進行している。この現状においては、インペラが駆動力を得て回転しても吸気を加圧できずに空転し、サージングが発生する。バイパス通路は、過給装置にて加圧した吸気を還流して加圧前の吸入される吸気に流入させることで、サージングを解消する。

特開平０７−２７９６７７号公報

ところで、バイパス通路には、過給装置の吸気流れ上流側の吸気通路からブリーザにて回収されたオイル成分や結露による凝縮水などの液状物が流入する場合がある。バイパス通路に流入した液状物は、バイパス通路の途中に設けられた調節弁の手前に溜まる。そして、バイパス通路内で液状物が凍結すると、吸気の還流に悪影響を与える課題が発生する。また、溜まっていた液状物が調節弁の開弁作動時に吹き返すと、エアーフローメーターなどのセンシングに悪影響を与える課題が発生する。

本発明は上記課題を解決するためのものであり、その目的は、液状物がバイパス通路に流入することを抑制できる内燃機関の過給装置を提供することにある。

本発明の内燃機関（例えば後述の内燃機関１）の過給装置（例えば後述のコンプレッサ５２）は、内燃機関の吸気通路（例えば後述の吸気管３）に配置され、インペラ（例えば後述のインペラ５２１）が回転して得られる放射方向の遠心力にて流入した吸気を加圧して吐出させる遠心式のコンプレッサと、前記インペラに吸気が流通する加圧前流路（例えば後述の加圧前流路１１）と、車両搭載時に前記加圧前流路に対して下方に配置され、前記インペラで加圧されて流出した吸気が流通する加圧後流路（例えば後述の加圧後流路１４）と、前記加圧後流路の吸気を前記加圧前流路に還流させるバイパス通路（例えば後述のバイパス通路１５）と、前記バイパス通路の途中に配置され、吸気の還流量を調節する調節弁（例えば後述の調節弁１５ｃ）と、を備え、前記バイパス通路と前記加圧前流路との接続部（例えば後述の接続部１６）は、車両搭載時の前記加圧前流路の流路断面における最下面部（例えば後述の最下面部１１１）を避けて配置されることを特徴とする。

本発明は、バイパス通路と加圧前流路との接続部が車両搭載時の加圧前流路の流路断面における最下面部を避けて配置される。本発明によると、過給装置の吸気流れ上流側の吸気通路からブリーザにて回収されたオイル成分や結露による凝縮水などの液状物がバイパス通路に流入することを抑制できる。よって、液状物がバイパス通路に流入し難くなり、バイパス通路の途中に設けられた調節弁の手前に溜まり難くなる。その結果、バイパス通路内で液状物が凍結せず吸気の還流が良好に実施できる。また、調節弁の開弁作動時に調節弁の手前に溜まっていた液状物が吹き返さず、エアーフローメーターなどのセンシングが良好に行える。

前記最下面部は、車両搭載時の前記加圧前流路の流路断面において、前記加圧前流路の中心を通る鉛直線を挟んで前記中心回りに左右にそれぞれ１５°振った位置を左右の端部とすることが好ましい。

本発明によると、内燃機関が搭載された車両が一般的に水平面に対して１５°以内の傾斜面にて停止するため、バイパス通路と加圧前流路との接続部が車両搭載時の加圧前流路の流路断面における最下位置に来ることを確実に避けられる。その結果、バイパス通路に過給装置の吸気流れ上流側の吸気通路からブリーザにて回収されたオイル成分や結露による凝縮水などの液状物が流入することを抑制できる効果が確実に得られる。

前記バイパス通路における前記接続部と前記調節弁との間の流路は、前記インペラの回転方向と前記バイパス通路を流通して還流する吸気の流れ方向とのなす角度（例えば後述の角度θ）が小さくなる方向に湾曲していることが好ましい。

本発明によると、バイパス通路における接続部と調節弁との間の流路がインペラの回転方向とバイパス通路を流通して還流する吸気の流れ方向とのなす角度が小さくなる方向に湾曲している湾曲構造であることで、仮に直線構造である場合の流路断面積が十分に確保できないことと屈曲部などを有することとで生じる課題とそれに伴う圧力損失の低下が生じる課題とが改善できる。
また、上記湾曲構造がインペラの回転方向とバイパス通路を流通して還流する吸気の流れ方向とのなす角度が小さくなる方向に滑らかに湾曲する。これにより、インペラの回転に抗わずにスムーズに加圧した吸気が還流でき、インペラに流入する吸気とバイパス通路を流通して還流する吸気との合流時の圧力損失が低下でき、合流した高圧の吸気が回転するインペラに流入し、インペラが空転するサージングを解消できる。

前記インペラが収納されたコンプレッサハウジング（例えば後述のコンプレッサハウジング５２２）は、前記バイパス通路と一体に構成されることが好ましい。

本発明によると、バイパス通路がインペラの収納されたコンプレッサハウジング自体に形成されるため、部品点数が削減でき、製造コストおよび装置重量が低下できる。また、バイパス通路の経路が短縮化でき、インペラに流入する吸気とバイパス通路を流通して還流する吸気との合流時の圧力損失が低下できる。

本発明によれば、液状物がバイパス通路に流入することを抑制できる内燃機関の過給装置を提供できる。

本発明の実施形態に係る内燃機関を示す概略構成図である。 本実施形態に係る内燃機関を示す外観図であり、（ａ）が外観側面図であり、（ｂ）が外観正面図である。 本実施形態に係る内燃機関に搭載されたターボチャージャを示す断面図である。 本実施形態に係るコンプレッサを示す概略構成図であり、（ａ）が一部透過側面図であり、（ｂ）が（ａ）のＡＡ断面図である。 本実施形態に係るコンプレッサのバイパス通路と加圧前流路との接続部を示す説明図である。 本実施形態に係るコンプレッサの最下面部の範囲を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係る内燃機関１を示す概略構成図である。図２は、本実施形態に係る内燃機関１を示す外観図であり、（ａ）が外観側面図であり、（ｂ）が外観正面図である。

内燃機関１は、車両に搭載され、４つの気筒２を有する。内燃機関１は、各気筒２の燃焼室内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンである。内燃機関１の各気筒２には、不図示の燃料噴射弁が設けられる。
内燃機関１は、燃料噴射弁と電気的に接続された不図示の電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ）を備える。ＥＣＵは、燃料噴射弁の開弁時間および閉弁時間を制御する。

内燃機関１は、吸気管３と、排気管４と、ターボチャージャ５と、を備える。

吸気管３は、吸気を流通させる吸気通路として機能し、吸気マニホールド６の複数の分岐部を介して内燃機関１の各気筒２の吸気ポートに接続される。

吸気管３の途中には、エアーフローメーター３１が設けられる。
エアーフローメーター３１は、吸気管３を流通する吸気量をセンシングする。
エアーフローメーター３１は、ＥＣＵに電気的に接続され、吸気管３を流通する吸気量の検出信号をＥＣＵに送信する。

エアーフローメーター３１よりも吸気流れ下流側の吸気管３の途中と内燃機関１との間には、ＰＣＶ通路７が設けられる。
ＰＣＶ通路７は、内燃機関１のブリーザにて回収されたオイル成分を吸気管３に流入させる。吸気管３に流入させたオイル成分は、内燃機関１にて燃焼除去される。

排気管４は、排気を流通させる排気通路として機能し、排気マニホールド８の複数の分岐部を介して内燃機関１の各気筒２の排気ポートに接続される。

図３は、本実施形態に係る内燃機関１に搭載されたターボチャージャ５を示す断面図である。図３は、図２（ａ）のＡＡ断面線における内燃機関１に搭載されたターボチャージャ５の断面を示す。
ターボチャージャ５は、排気のエネルギーを用いて吸気を圧送する。
ターボチャージャ５は、タービン５１と、タービン５１から同軸上のシャフト５３にて接続されたコンプレッサ５２と、を有する。
ターボチャージャ５は、車両に配置された内燃機関１の図２（ｂ）に示す正面側において、タービン５１を右側に配置し、コンプレッサ５２を左側に配置する。また、ターボチャージャ５には、吸気流れ上流側の吸気管３が右上側からターボチャージャ５の上方を回り込んでコンプレッサ５２に左側から接続される。そして、吸気流れ下流側の吸気管３がコンプレッサ５２から下向きに延出される。さらに、排気流れ下流側の排気管４がタービン５１の右側から延出される。

タービン５１は、排気管４の途中に配置される。
タービン５１は、凹曲の外周斜面を有する円錐台状のタービンホイール５１１と、タービンホイール５１１を収容するタービンハウジング５１２と、を有する。タービンハウジング５１２は、円筒形状であり、その中心軸がシャフト５３の軸線と同軸となるように、筒状のベアリングハウジング５３１の一端に連結される。タービンホイール５１１には、複数のタービンブレード５１１ａが配列される。
タービン５１は、タービンブレード５１１ａ間の開口面積を変化させて排気の流通量を調整する可変ノズル（ＶＮＴ）を有する。可変ノズルは、リンク機構を介してアクチュエータに連結され、アクチュエータにて開閉駆動される。アクチュエータは、タービンハウジング５１２の外部に形成された取付座に取り付けられ、ＥＣＵにて制御される。

コンプレッサ５２は、ＰＣＶ通路７との接続部１６よりも吸気流れ下流側の吸気管３に配置される。
コンプレッサ５２は、シャフト６３にてタービンホイール５１１と同軸かつ一体回転するようにタービンホイール５１１と向きを逆にして連結されて凹曲の外周テーパ面を有する円錐台状のインペラ５２１と、インペラ５２１を収納するコンプレッサハウジング５２２と、を有する。インペラ５２１には、複数のコンプレッサブレード５２１ａが配列される。
コンプレッサハウジング５２２は、円筒形状であり、その中心軸がシャフト５３の軸線と同軸となるように、筒状のベアリングハウジング５３１の他端に連結される。コンプレッサハウジング５２２は、タービンハウジング５１２に比して径方向に大きく容量が大きい。

ベアリングハウジング５３１は、タービンハウジング５１２とコンプレッサハウジング５２２とを連結するとともに、不図示のベアリングを用いてシャフト５３を回転可能に支持する。

タービン５１の排気流れ下流側の排気管４には、排気浄化装置９が設けられる。排気浄化装置９は、酸化触媒９１とＤＰＦ９２とが排気流れ上流側からこの順でケース９３内に収容される。

酸化触媒９１は、排気や燃料との反応により発生する熱で排気を昇温する。
酸化触媒９１は、例えば、触媒として作用する白金（Ｐｔ）を、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）担体に担持させたものに、ＨＣの吸着作用に優れたゼオライトと、ＨＣの水蒸気改質作用に優れたロジウム（Ｒｈ）を加えて構成されたものを用いる。

ＤＰＦ９２は、排気がフィルタ壁の微細な孔を通過する際に、ＰＭをフィルタ壁の表面およびフィルタ壁中の孔に堆積させることで捕集する。フィルタ壁の構成材料は、例えば、炭化ケイ素などのセラミックスの多孔体が使用される。
ＤＰＦ９２は、捕集能力の限界すなわち堆積限界までＰＭを捕集すると排気管４の圧力損失が大きくなるため、ＤＰＦ９２に捕集したＰＭを燃焼除去させるＤＰＦ再生制御が実行される。または、ＤＰＦ９２は、連続的にＰＭを捕集しながらＤＰＦ９２に捕集したＰＭを燃焼除去させてもよい。
ＤＰＦ９２の排気流れ方向下流側の排気管４には、尿素水の添加を受けて排気中のＮＯｘを還元浄化するＳＣＲ触媒を有してもよい。

次に、本実施形態に係るターボチャージャ５のコンプレッサ５２を説明する。
図４は、本実施形態に係るコンプレッサ５２を示す概略構成図であり、（ａ）が一部透過側面図であり、（ｂ）が（ａ）のＢＢ断面図である。

コンプレッサ５２は、インペラ５２１が回転して得られる放射方向の遠心力にて流入した吸気を加圧して吐出させる遠心式のコンプレッサである。
コンプレッサ５２は、コンプレッサハウジング５２２に、加圧前流路１１と、インペラ収納室１２と、スクロール流路１３と、加圧後流路１４と、バイパス通路１５と、が一体に構成される。

加圧前流路１１は、インペラ５２１の軸線と同方向に軸線を有する円筒状に形成され、吸気管３から流通する吸気を軸線に沿ってインペラ５２１に流入させる。

インペラ収納室１２は、加圧前流路１１の吸気流れ下流側に同円筒状に連続して形成され、インペラ５２１が配置される。また、インペラ収納室１２は、インペラ５２１の配置箇所の背面にてスクロール流路１３に連続するよう閉塞されている。

スクロール流路１３は、断面円形の円環状であり、インペラ収納室１２の外周に軸線に対して一回りして構成され、インペラ５２１にて加圧されて流出した吸気を流通させる。スクロール流路１３は、中央のインペラ収納室１２との間を、インペラ収納室１２の円筒状の端部を円環状に外向きに延出させ、閉塞された背面とで軸線方向に垂直な小円環流路１７にて接続される。スクロール流路１３は、円環状の断面円形の面積を、最小面積にて開始された始点からインペラ５２１の軸線の下向き延長線上の下側および上側を通過して１周し、始点から軸線位置のずれた終点まで面積を拡大しながら戻る。

加圧後流路１４は、車両上の内燃機関１搭載時に加圧前流路１１に対して下方に配置され、スクロール流路１３に集合して加圧された吸気を流出させる。加圧後流路１４は、スクロール流路１３の終点から下向きに延出され、スクロール流路１３の終点位置のスクロールエンド１４ａから連続した管状に形成される。

バイパス通路１５は、加圧後流路１４の吸気を加圧前流路１１に還流させる。
バイパス通路１５は、このバイパス通路１５と一体に構成されたコンプレッサハウジング５２２の加圧後流路１４と加圧前流路１１とを接続する。具体的には、図３に示すように、バイパス通路１５は、加圧後流路１４をインペラ５２１の軸線方向と等しい水平方向に分岐させてコンプレッサハウジング５２２の側端面５２２ａに開口した第１流路１５ａと、側端面５２２ａにおける第１流路１５ａの開口の上側に隣接した開口から加圧前流路１１に連続する第２流路１５ｂと、から構成される。

バイパス通路１５は、バイパス通路１５の途中である、コンプレッサハウジング５２２の側端面５２２ａの第１流路１５ａの開口と第２流路１５ｂの開口とを吸気が流通するように接続するとともに、吸気の還流量を調節する調節弁１５ｃを有する。
調節弁１５ｃには、リンク機構を介して負圧アクチュエータに連結されてこの負圧アクチュエータに負圧が供給されることで弁体を調節する負圧式や、リンク機構を介して電動モータに連結されて弁体を調節する電動式などを用いる。調節弁１５ｃは、コンプレッサハウジング５２２の側端面５２２ａに取り付けられ、ＥＣＵにて制御される。

図５は、本実施形態に係るコンプレッサ５２のバイパス通路１５と加圧前流路１１との接続部１６を示す説明図である。
第２流路１５ｂは、断面矩形の流路形状であって、加圧前流路１１との接続部１６と調節弁１５ｃとの間を接続する。第２流路１５ｂは、図５に示すインペラ５２１の回転方向ａとこの第２流路１５ｂを流通して還流する図５に示す吸気流れ方向ｂとのなす角度θが小さくなる方向に滑らかに湾曲した湾曲構造である。第２流路１５ｂの湾曲構造は、スクロール流路１３のスクロールエンド１３ａから大きな曲率にて中心の加圧前流路１１の斜下側壁に接続される。図５に示すインペラ５２１の回転方向ａとこの第２流路１５ｂを流通して還流する図５に示す吸気流れ方向ｂとのなす角度θは、加圧前流路１１の外周に接続された円周方向幅の両端にて、１８０°以下に設定される。

図６は、本実施形態に係るコンプレッサ５２の最下面部１１１の範囲を示す説明図である。
第２流路１５ｂと加圧前流路１１との接続部１６は、インペラ５２１の軸線方向垂直断面では、加圧前流路１１の内周面（流路断面）における最下面部１１１を避けて配置される。
図６に示すように、最下面部１１１は、インペラ５２１の軸線方向垂直断面において、加圧前流路１１の流路中心に対して加圧前流路１１の内周面（流路断面）における最上端を０°としたときに１６５°から１９５°までの範囲である。言い換えると、最下面部１１１は、車両搭載時の加圧前流路１１の流路断面において、加圧前流路１１の中心を通る鉛直線を挟んで中心回りに左右にそれぞれ１５°振った位置を左右の端部とする。
接続部１６は、インペラ５２１の軸線方向垂直断面において、加圧前流路１１の側方位置から最下面部１１１の鋭角側１６５°未満の隣接する位置までの間に所定幅Ｘにて設けられる。

図３および図４（ｂ）に示すように、接続部１６は、インペラ５２１の軸線方向縦断面では、第２流路１５ｂを、コンプレッサハウジング５２２の加圧前流路１１のインペラ５２１頂部から吸気流れ上流側に所定距離Ｙだけ離間した位置に連結する。
接続部１６は、第２流路１５ｂを流通して還流する吸気の流れを、インペラ５２１の回転方向に対して図５のように交差させる。このため、接続部１６を介して加圧前流路１１に還流した吸気は、吸気管３から流入する吸気よりも高圧な状態でこの吸気に合流し、加圧された吸気が回転するインペラ５２１に流入してターボチャージャ５の運転中のサージングを解消する。

本実施形態によれば、以下の効果を奏する。

（１）本実施形態によれば、バイパス通路１５と加圧前流路１１との接続部１６が車両搭載時の加圧前流路１１の流路断面における最下面部１１１を避けて配置される。ターボチャージャ５の吸気流れ上流側の吸気管３からブリーザにて回収されたオイル成分や結露による凝縮水などの液状物がバイパス通路１５に流入することを抑制できる。よって、液状物がバイパス通路１５に流入し難くなり、バイパス通路１５の途中に設けられた調節弁１５ｃの手前に溜まり難くなる。その結果、バイパス通路１５内で液状物が凍結せず吸気の還流が良好に実施できる。また、調節弁１５ｃの開弁作動時に調節弁１５ｃの手前に溜まっていた液状物が吹き返さず、バイパス通路１５よりも吸気流れ上流側の吸気管３に配置されたエアーフローメーター３１のセンシングが良好に行える。

（２）本実施形態によれば、内燃機関１が搭載された車両が一般的に水平面に対して１５°以内の傾斜面にて停止する。このため、仮にインペラ５２１の軸線方向垂直断面において車両が水平面に対してＭＡＸ１５°の傾斜面に停止しても、加圧前流路１１の側方位置から最下面部の鋭角側１６５°未満に形成された接続部１６が、インペラ５２１の軸線方向垂直断面において、加圧前流路１１の液状物が流入する最下位置に来ることを確実に避けられる。その結果、バイパス通路１５にターボチャージャ５の吸気流れ上流側の吸気管３からブリーザにて回収されたオイル成分や結露による凝縮水などの液状物が流入することを抑制できる効果が確実に得られる。

（３）本実施形態によれば、バイパス通路１５における接続部１６と調節弁１５ｃとの間の第２流路１５ｂがインペラ５２１の回転方向ａとバイパス通路１５を流通して還流する吸気の流れ方向ｂとのなす角度θが小さくなる方向に湾曲している湾曲構造である。このため、仮に直線構造である場合の流路断面積が十分に確保できないことと屈曲部などを有することとで生じる課題とそれに伴う圧力損失の低下が生じる課題とが改善できる。
また、湾曲構造がインペラ５２１の回転方向ａとバイパス通路１５を流通して還流する吸気の流れ方向ｂとのなす角度θが小さくなる方向に滑らかに湾曲する。これにより、インペラ５２１の回転に抗わずにスムーズに加圧した吸気を還流でき、インペラ５２１に流入する吸気とバイパス通路１５を流通して還流する吸気との合流時の圧力損失を低下でき、還流する吸気が吸気をインペラ５２１に流入するように補助し、サージングを解消できる。

（４）本実施形態によれば、インペラ５２１が収納されたコンプレッサハウジング５２２自体にバイパス通路１５を形成するため、部品点数を削減でき、製造コストおよび装置重量を低下できる。また、バイパス通路１５の経路を短縮化でき、インペラ５２１に流入する吸気とバイパス通路１５を流通して還流する吸気との合流時の圧力損失を低下できる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれる。
本発明の過給装置は、上記実施形態に係るコンプレッサハウジング５２２に一体に構成された加圧後流路１４と加圧前流路１１とを接続するバイパス通路１５に限られない。例えば、加圧後流路と加圧前流路とを接続するバイパス通路はコンプレッサハウジング内部だけでなく隣接および離間して加圧前流路に構成されてもよい。
本発明の過給装置は、上記実施形態に係るインペラ５２１の軸線方向垂直断面において、加圧前流路１１の流路中心に対して加圧前流路１１の内周面（流路断面）における最上端を０°としたときに１６５°から１９５°までの範囲である最下面部１１１を有する。例えば、最下面部は、インペラの軸線方向垂直断面において、加圧前流路の流路中心に対して加圧前流路の内周面（流路断面）における最上端を０°としたときに少なくとも１６５°以上１９５°以下の範囲である。
本発明の過給装置は、上記実施形態に係るターボチャージャ５のコンプレッサ５２に限られない。例えば、電動モータを用いるスパーチャージャなどに用いるコンプレッサでもよい。

１…内燃機関
３…吸気管（吸気通路）
１１…加圧前流路
１１１…最下面部
１４…加圧後流路
１５…バイパス通路
１５ｃ…調節弁
１６…接続部
５２…コンプレッサ
５２２…コンプレッサハウジング
５２１…インペラ

Claims (4)

1. 内燃機関の吸気通路に配置され、インペラが回転して得られる放射方向の遠心力にて流入した吸気を加圧して吐出させる遠心式のコンプレッサと、
   前記インペラに流入する吸気が流通する加圧前流路と、
   車両搭載時に前記加圧前流路に対して下方に配置され、前記インペラで加圧されて流出した吸気が流通する加圧後流路と、
   前記加圧後流路の吸気を前記加圧前流路に還流させるバイパス通路と、
   前記バイパス通路の途中に配置され、吸気の還流量を調節する調節弁と、を備え、
   前記バイパス通路と前記加圧前流路との接続部は、車両搭載時の前記加圧前流路の流路断面における下面部側において、その最下面部を避けて配置されることを特徴とする内燃機関の過給装置。
2. 前記最下面部は、車両搭載時の前記加圧前流路の流路断面において、前記加圧前流路の中心を通る鉛直線を挟んで前記中心回りに左右にそれぞれ１５°振った位置を左右の端部とすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の過給装置。
3. 前記バイパス通路における前記接続部と前記調節弁との間の流路は、前記インペラの回転方向と前記バイパス通路を流通して還流する吸気の流れ方向とのなす角度が小さくなる方向に湾曲していることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の過給装置。
4. 前記インペラが収納されたコンプレッサハウジングは、前記バイパス通路と一体に構成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の内燃機関の過給装置。

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