JP6294391B2 - コンプレッサ及び内燃機関の過給システム - Google Patents

Description

本発明は、コンプレッサ及びこのコンプレッサを備える内燃機関の過給システムに関する。

過給機のコンプレッサは、内燃機関の吸気流路の一部を構成するコンプレッサハウジングと、このコンプレッサハウジング内に回転可能に設けられたコンプレッサインペラと、を備える。コンプレッサインペラは、内燃機関の排気流路の一部を構成するタービンハウジング内に回転可能に設けられたタービンインペラと回転軸によって連結されている。排気のエネルギーによってタービンインペラが回転するとコンプレッサインペラも回転し、コンプレッサインペラの周囲に形成された環状のスクロール通路へ向けて吸気が吐出され、これにより吸気が昇圧される。

特許文献１には、コンプレッサインペラに流入する吸気に対して、コンプレッサインペラの回転方向と同じ向きの旋回流を付与する技術が示されている。特許文献１の技術では、コンプレッサインペラの入口に至る主吸気流路の周囲に全周にわたって旋回吸気流路を形成することにより、主吸気流路を介してコンプレッサインペラの入口に流入する吸気に対し旋回流を付与する。コンプレッサで過給できる吸気流量の範囲（以下、「流量レンジ」ともいう）には下限があり、この下限を下回るとストールが発生するが、このような旋回流を付与することにより下限を下げることができると考えられる。

ところで特許文献１の技術では、主吸気流路から分岐し旋回吸気流路に至る分岐吸気流路を設けることにより、主吸気流路を流れる主流の一部を旋回吸気流路に導入することによって上述のような旋回流を付与している。また特許文献１の技術では、主吸気流路と分岐吸気流路とが分岐する部分に吸気流路調整弁を設けており、この吸気流路調整弁の主流に対する傾斜角度を０〜９０°の範囲で変化させることによって、主流から分岐吸気流路に導入する吸気の量、すなわち旋回流の速さを調整している。

特開２０１１−１１１９８８号公報

このように特許文献１の技術では、タービンインペラに流入する吸気の主流の一部を分岐吸気流路に導入することによって旋回流を発生させることから、十分な速さの旋回流を発生させることができない場合がある。また特許文献１の技術では、主流の一部を分岐吸気流路に導入するために主吸気流路に吸気流路調整弁を設けているため、これが吸気流路における圧力降下を大きくすることとなり、十分な量の空気を内燃機関に供給できなくなるおそれがある。

本発明は、コンプレッサインペラに流入する流体の主流を妨げずにこの主流に対して十分な速度の旋回流を発生させることができるコンプレッサ及びこのコンプレッサを備える内燃機関の過給システムを提供することを目的とする。

（１）コンプレッサ（例えば、後述のコンプレッサ６，６´）は、流体流路を流れる流体を圧縮するものであって、回転軸（例えば、後述の回転軸２１）を中心として回転可能なインペラ（例えば、後述のコンプレッサインペラ８）と、前記インペラの側部（例えば、後述のチップ端縁８４３）を覆い前記流体流路の一部を構成するシュラウド（例えば、後述のシュラウド７２１）と、前記インペラの軸方向に沿って延び前記インペラの前縁（例えば、後述の前縁部８４１）へ流体を導く管状の流体ダクト（例えば、後述の吸気ダクト７３）と、流体導入部（例えば、後述のスワールガス導入部７７４）が設けられた基端側（例えば、後述の基端部７７１側）から先端側（例えば、後述の先端部７７２側）へ向けて前記インペラの周方向に沿って徐々に流路断面積が減少する前記回転軸を中心とした環状のスクロール流路（例えば、後述のスクロール流路７７３）と、前記インペラの径方向に沿って延び前記スクロール流路の内部と前記流体ダクトの内部とを接続する流体噴出路（スワールガス噴出路７８）と、を備え、前記流体導入部は、前記流体流路のうち前記インペラの前縁より下流側の部分と接続される。

（２）この場合、前記流体噴出路の延在方向と前記流体ダクト内の内周面との成す角は鋭角であることが好ましい。

（３）この場合、前記スクロール流路は、前記基端側から前記先端側へ向けて前記インペラの回転方向と同じ向きに沿って徐々に流路断面積が減少することが好ましい。

（４）この場合、前記スクロール流路は、前記基端側から前記先端側へ向けて前記インペラの回転方向と逆の向きに沿って徐々に流路断面積が減少することが好ましい。

（５）この場合、前記コンプレッサは、前記流体ダクトと、前記シュラウドと、前記スクロール流路と、前記流体流路の一部でありかつ前記インペラの後縁（例えば、後述の後縁部８４２）から吐出される流体が流れる高圧流路（例えば、後述のディフューザ室７４及び主スクロール流路７５）と、が形成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７）をさらに備え、前記流体導入部は、前記コンプレッサハウジングのうち前記シュラウド又は前記高圧流路と接続されることが好ましい。

（６）この場合、前記流体導入部は前記シュラウドと接続されることが好ましい。

（７）この場合、前記コンプレッサハウジングには、前記高圧流路の一部でありかつ前記インペラの後縁から前記径方向に吐出される流体を減速するディフューザ室（例えば、後述のディフューザ室７４）が設けられ、前記流体導入部は前記ディフューザ室と接続されることが好ましい。

（８）この場合、前記コンプレッサハウジングには、前記高圧流路の一部でありかつ前記インペラの後縁から前記径方向に吐出される流体が流れる前記回転軸を中心とした環状の主スクロール流路（例えば、後述の主スクロール流路７５）が設けられ、前記流体導入部は前記主スクロール流路と接続されることが好ましい。

（９）内燃機関の過給システム（例えば、後述の過給システムＳ）は、内燃機関（例えば、後述の内燃機関９１）の吸気流路（例えば、後述の吸気流路９２）に設けられたコンプレッサ（例えば、後述のコンプレッサ６´）と、前記内燃機関の排気流路（例えば、後述の排気流路９３）に設けられたタービン（例えば、後述のタービン３）と、前記コンプレッサのインペラ（例えば、後述のコンプレッサインペラ８）と前記タービンのインペラ（例えば、後述のタービンインペラ５）とを連結する回転軸（例えば、後述の回転軸２１）と、を備え、前記コンプレッサには（１）又は（２）に記載のものが用いられ、前記流体導入部は、前記排気流路のうち前記タービンのインペラより上流側と接続される。

（１）本発明では、インペラの軸方向に沿って延びインペラの前縁へ流体の主流を導く管状の流体ダクトと、流体導入部が設けられた基端側から先端側へ向けてインペラの周方向に沿って徐々に流路断面積が減少する回転軸を中心とした環状のスクロール流路と、インペラの径方向に沿って延びスクロール流路の内部と、主流が流れる流体ダクトとを接続する流体噴出路と、を設ける。これにより、流体導入部からスクロール流路へ導入された流体は、スクロール流路内を周方向に沿って加速しながら流れ、流体噴出路を介して流体ダクト内へ噴出し、流体ダクト内を流れる主流に対し周方向に沿った旋回流を与える。これにより、インペラの前縁へ流体が流入しやすくなるので、コンプレッサの流量レンジの下限を下げることができる。また本発明では、スクロール流路の入口である流体導入部を、流体流路のうちインペラの前縁より下流側の部分と接続する。ここで流体流路のうちインペラの前縁より下流側の部分は、流体ダクトの内部よりも動圧と静圧とを合わせた全圧が高い。したがって本発明では、このような差圧によって還流される流体を利用して旋回流を発生させる。これにより本発明では、流体ダクトを流れる主流の一部を用いることなく旋回流を発生させることができるので、従来と比較して十分な速度の旋回流を発生させることができる。また本発明では流体を還流することによって旋回流を発生させることから、流体ダクトに主流の流れを妨げる装置を設ける必要がないので、流体ダクトにおける圧力降下が大きくなることもない。

（２）本発明では、スクロール流路内と流体ダクト内とを接続する流体噴出路の延在方向と流体ダクト内の内周面との成す角を鋭角にすることにより、流体噴出路からは軸方向の速度成分を含む旋回流を噴出させることができる。これにより、流量レンジの下限をさらに下げることができる。

（３）本発明では、スクロール流路の流路断面積をインペラの回転方向と同じ向きに沿って徐々に減少させる。これにより、流体導入部からスクロール流路に導入された流体は、基端側から先端側へ流れる過程でインペラの回転方向と同じ向きに加速しながら流れ、流体噴出路を介して流体ダクト内へ噴出し、流体ダクト内を流れる主流に対しインペラの回転方向と同じ向きの旋回流を与える。インペラの前縁へ流れる流体にこのような旋回流を付与すると、後に図６及び図７を参照して説明するように、インペラの径方向外側における流体の相対流入角度が小さくなり、インペラの前縁へ流体が流入しやすくなるので、コンプレッサの流量レンジの下限をさらに下げることができる。

（４）本発明では、スクロール流路の流路断面積をインペラの回転方向と逆の向きに沿って徐々に減少させる。これにより、流体導入部からスクロール流路に導入された流体は、基端側から先端側へ流れる過程でインペラの回転方向と逆の向きに加速しながら流れ、流体噴出路を介して流体ダクト内へ噴出し、流体ダクト内を流れる主流に対しインペラの回転方向と逆の向きの旋回流を与える。ここでストールに近い状態、すなわち流体の流量が下限に近い状態では、流体ダクト内のうちインペラの径方向外側のシュラウド近傍における主流はインペラの回転方向に連れまわる傾向がある。これに対し本発明ではインペラの回転方向と逆の向きの旋回流を付与することによって、連れまわりを低減できるので、コンプレッサの流量レンジの下限をさらに下げることができる。ただし、本発明のようにスクロール流路の向きをインペラの回転方向と逆の向きにする場合、連れまわりのみを低減しかつ流体ダクト内を流れる主流全体には大きな影響を及ぼさないようにするため、流体噴出路から流体ダクト内へ噴出する流体の流量は、インペラに流入する流体全体の流量に対し約１０％以下にすることが好ましい。

（５）本発明では、コンプレッサハウジングに流体ダクトと、シュラウドと、スクロール流路と、高圧流路とを形成し、スクロール流路の流体導入部とシュラウド又は高圧流路とを接続する。これにより、コンプレッサハウジング内で流体を還流させることができるので、コンプレッサ全体の大きさを小さなものにできる。すなわち、流体導入部と接続する流体の供給源をコンプレッサハウジングの外に設けた場合、コンプレッサハウジングとは別に配管が必要になるが、本発明によればこのような配管が不要となる。また流体流路のうち、シュラウド及び高圧流路はインペラの近傍であって他の部分と比較して全圧が高い。したがってこのような部分から流体を還流することにより、速い旋回流を発生させることができる。

（６）本発明では、流体導入部とシュラウドとを接続することにより、速い旋回流を発生させることができる。またシュラウドと流体ダクトとスクロール流路とは互いに近い位置に設けられるため、本発明によれば、流体導入部とシュラウドとを接続する流路を短くできるので、この流路における圧力降下を小さくできる。

（７）本発明では、流体導入部とディフューザ室とを接続することにより、速い旋回流を発生させることができる。またディフューザ室と流体ダクトとスクロール流路とは互いに近い位置に設けられるため、本発明によれば、流体導入部とディフューザ室とを接続する流路を短くできるので、この流路における圧力降下を小さくできる。

（８）本発明では、流体導入部と主スクロール流路とを接続することにより、速い旋回流を発生させることができる。

（９）本発明の内燃機関の過給システムでは、スクロール流路の入口である流体導入部を、流体流路のうちインペラの前縁より下流側であり、さらに排気流路のうちタービンインペラより上流側と接続する。すなわち本発明では、いわゆる高圧外部ＥＧＲガスを流体導入部に供給し、旋回流を発生させる。これにより、速度の大きな旋回流を発生できるという効果に加えて、排気中のＮＯｘの低減や燃費向上等の排気の一部を吸気に還流することにより期待される効果も奏することができる。

本発明の第１実施形態に係るコンプレッサが適用された過給機の構成を示す断面図である。 コンプレッサインペラの斜視図である。 コンプレッサハウジングの線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図である。 コンプレッサハウジングの軸線を含む面に沿った断面斜視図である。 コンプレッサハウジングの断面図であり、ガス取得口を設ける位置を模式的に示す図である。 軸流スワラーによって軸流流路内に旋回流を発生させた場合における、コンプレッサインペラの前縁部での速度三角形の変化を模式的に示す図である。 コンプレッサインペラの前縁部における相対流入角度の径方向分布を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る内燃機関の過給システムの構成を示す図である。

＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係るコンプレッサが適用された過給機１の構成を示す断面図である。

過給機１は、ベアリングハウジング２と、ベアリングハウジング２の一端部側に組み付けられたタービン３と、ベアリングハウジング２の他端部側に組み付けらえたコンプレッサ６と、を備える。ベアリングハウジング２は、タービン３とコンプレッサ６との間に延在する棒状の回転軸２１と、この回転軸２１を回転可能に支持するベアリング２２と、を備える。

タービン３は、図示しない内燃機関の排気が流れる排気流路の一部を構成するタービンハウジング４と、このタービンハウジング４内に設けられたタービンインペラ５と、を備え、排気流路を流れる排気のエネルギーを機械的動力に変換する。

タービンハウジング４には、内燃機関の排気流路と接続された排気導入ダクト（図示せず）と、この排気導入ダクトから導入された排気が流れる環状のタービンスクロール流路４２と、このタービンスクロール流路４２に取り囲まれるように形成された管状のタービンインペラ室４３と、タービンスクロール流路４２とタービンインペラ室４３の基端部側とを連通する環状の排気流路４５と、が設けられている。

タービンインペラ５は、回転軸２１の一端部側に連結された状態で、タービンインペラ室４３内で回転可能に設けられている。排気流路４５には、複数個の翼形状のノズルベーン４６がタービンインペラ室４３の基端部側を取り囲むように、回転軸２１の円周方向に沿って等間隔かつ円周方向に対し所定の角度で設けられている。

排気導入ダクトを介してタービンスクロール流路４２内に導入された内燃機関の排気は、このタービンスクロール流路４２内を流れる過程で円周方向に加速しながら排気流路４５を介して回転軸２１の径方向内側へ向かってタービンインペラ５の基端部側に流入する。タービンインペラ５は、以上のようにして導かれた排気のエネルギーによって回転する。

コンプレッサ６は、内燃機関の吸気流路の一部を構成するコンプレッサハウジング７と、回転軸２１の他端部側に連結された状態で、コンプレッサハウジング７に形成されたコンプレッサインペラ室７２内において回転軸２１を中心として回転可能に設けられた円盤状のコンプレッサインペラ８と、を備え、これらによって吸気流路を流れる吸気を圧縮する。

図２は、コンプレッサインペラ８の斜視図である。
コンプレッサインペラ８は、円錐状のホイール８１と、このホイール８１の外周面に設けられた板状の複数のメインブレード８４及びスプリッタ８６と、を備える。

ホイール８１は、軸線Ｃと平行な軸方向の先端側８１ａから基端側８１ｂへかけて径方向外側へ滑らかに延びるハブ面８２と、その中心において基端側８１ｂから先端側８１ａへ貫通する軸取付孔８３と、を備える。タービンインペラと連結された回転軸は、軸取付孔８３に挿通した状態で図示しないキャップを螺合することによって、ホイール８１に接続される。これにより、コンプレッサインペラ８とタービンインペラとが回転軸を介して一体に連結される。

メインブレード８４は、ホイール８１のハブ面８２において周方向に沿って等間隔で複数設けられている。各メインブレード８４は、ハブ面８２において、吸気の入口である先端側８１ａの前縁部８４１から、吸気の出口である基端側８１ｂの後縁部８４２に向かって所定の角度分布で延びる板状である。メインブレード８４のチップ端縁８４３は、コンプレッサインペラ８をコンプレッサインペラ室７２に収めたときに対向する後述のシュラウド７２１（図１参照）の表面形状に沿って形成される。

スプリッタ８６は、ハブ面８２において互いに隣接する２枚のメインブレード８４，８４の間に設けられている。各スプリッタ８６は、ハブ面に８２において先端側８１ａの前縁部８６１から、基端側８１ｂの後縁部８６２に向かって所定の角度分布で延びる板状である。スプリッタ８６のチップ端縁８６３は、メインブレード８４のチップ端縁８４３と同様に、シュラウド７２１（図１参照）の表面形状に沿って形成される。

以上のように構成されたコンプレッサインペラ８は、これと回転軸によって連結されたタービンインペラが、排気が吹き付けられることによって回転すると、図２中時計周りで回転する。コンプレッサインペラ室内に設けられた状態でコンプレッサインペラ８が回転すると、先端側８１ａから流入する吸気は、メインブレード８４の前縁部８４１及びスプリッタ８６の前縁部８６１から軸方向に沿って流入し、メインブレード８４とスプリッタ８６との間を流れ、各々の後縁部８４２，８６２から径方向外側へ向かって吐出される。

図１に戻り、コンプレッサハウジング７には、コンプレッサインペラ８を収容するコンプレッサインペラ室７２と、内燃機関の吸気流路（図示せず）に接続され、この吸気流路を流れる吸気をコンプレッサインペラ室７２に導く吸気ダクト７３と、コンプレッサインペラ室７２から吐出される吸気を減速するディフューザ室７４と、ディフューザ室７４から吐出される吸気が流れる主スクロール流路７５と、吸気ダクト７３を介してコンプレッサインペラ室７２に流入する吸気の主流に対し旋回流を発生させる軸流スワラー７６と、が形成されている。

コンプレッサインペラ室７２には、コンプレッサインペラ８の側部を覆うシュラウド７２１が形成されている。シュラウド７２１は、コンプレッサインペラ８の前縁部８４１から後縁部８４２までチップ端縁８４３に沿った形状のシュラウド面、より具体的には、コンプレッサインペラ８が回転軸２１を中心として回転した時に、コンプレッサインペラ８のチップ端縁８４３によって形成される包絡面と略等しい形状のシュラウド面を備え、このシュラウド面によってコンプレッサインペラ８の側部であるチップ端縁８４３を覆う。このようなシュラウド７２１のうちコンプレッサインペラ８の前縁部８４１側は、この前縁部８４１の外径と略等しい内径を有する吸気流入口となっている。またシュラウド７２１のうち、コンプレッサインペラ８の後縁部８４２側は、この後縁部８４２の高さと略等しい幅を有する環状の吸気吐出口となっている。

吸気ダクト７３には、回転軸２１の軸線Ｃと平行な軸方向に沿って延びコンプレッサ室７２の吸気流入口に至る軸流流路７１が形成されている。軸流流路７１は、上流側から下流側である吸気流入口側へ向けてその内径が徐々に縮径する縮径部７１１と、シュラウド７２１の吸気流入口と略等しい内径を有する直線部７１２と、に分けられる。軸流流路７１は、図示しない内燃機関の吸気流路に接続される。内燃機関の吸気は、縮径部７１１を流れる過程で加速された後、吸気流入口に設けられるコンプレッサインペラ８の前縁部８４１へ導かれる。

ディフューザ室７４は、環状でありコンプレッサインペラ室７２の吸気吐出口を囲むように形成されている。ディフューザ室７４には、コンプレッサインペラ８の周方向に沿って所定の間隔で立設された線条の翼列が形成されている。したがって、コンプレッサインペラ８が回転することによってその後縁部８４２から吸気吐出口７２３を介して径方向外側へ吐出された吸気は、ディフューザ室７４に形成された翼列に沿って拡がりながら流れる過程で減速され、これにより圧縮される。

主スクロール流路７５は、環状でありディフューザ室７４を囲むように形成されている。主スクロール流路７５の流路断面積は、コンプレッサインペラ８の回転方向と同じ向きに沿って徐々に大きくなっている（例えば、後述の図３参照）。これにより、ディフューザ室７４から径方向外側へ吐出された吸気は、主スクロール流路７５を流れる過程でさらに減速された後、図示しない内燃機関の燃焼室に導かれる。

以上のように構成されたコンプレッサハウジング７では、後述の軸流スワラー７６を除けば、吸気ダクト７３の軸流流路７１と、コンプレッサインペラ室７２のシュラウド７２１と、ディフューザ室７４と、主スクロール流路７５と、によって内燃機関の吸気流路の一部が構成される。

次に、図１及び図３〜図５を参照しながら、軸流スワラー７６の構成について説明する。
図３は、コンプレッサハウジング７の線ＩＩＩ−ＩＩＩ（図１参照）に沿った断面図である。
図４は、コンプレッサハウジング７の軸線Ｃを含む面に沿った断面斜視図である。

軸流スワラー７６は、スワールガスをコンプレッサインペラ８の周方向に沿って加速する環状のスワール流路７７と、スワール流路７７によって周方向に加速されたスワールガスを軸流流路７１内へ噴出するスワールガス噴出路７８と、スワールガスをスワール流路７７へ供給するスワールガス供給装置７９と、を備える。

スワール流路７７は、その基端部７７１から先端部７７２へ向けてコンプレッサインペラ８の周方向に沿って延びるスクロール流路７７３と、基端部７７１から接線方向に沿って外側へ延びるスワールガス導入部７７４と、を備える。スクロール流路７７３は、基端部７７１と先端部７７２とで連通しており、図３に示すように平面視で環状である。またスクロール流路７７３の流路断面積は、基端部７７１から先端部７７２へ向けて周方向、より具体的にはコンプレッサインペラ８の回転方向と同じ向き（すなわち、図３において時計周り）に沿って徐々に減少する。したがって、スワールガス供給装置７９から、スワールガス導入部７７４へスクロール流路７７３の接線方向へ向けてスワールガスが供給されると、このスワールガスはスクロール流路７７３内を基端部７７１から先端部７７２へ向けて流れる過程でコンプレッサインペラ８の回転方向と同じ向きに加速される。

スワールガス噴出路７８は、コンプレッサインペラ８の径方向に沿って延び、スクロール流路７７３の内部と吸気ダクト７３の内部に形成された軸流流路７１のうち直線部７１２とを接続する。スワールガス噴出路７８は、回転軸２１を中心とした環状であり、スクロール流路７７３の内部の径方向内側の部分と直線部７１２とを全周にわたって接続する。また図１に示すように、スワールガス噴出路７８は直線部７１２を流れる軸流に対し傾斜している。すなわち、スワールガス噴出路７８の延在方向と直線部７１２の内周面との成す角（以下、「軸方向傾斜角」という）α（図４参照）は、鋭角である。

以上のような構成により、スワールガス供給装置７９からスワールガス導入部７７４へ供給されたスワールガスは、スクロール流路７７３をその基端部７７１から先端部７７２へ向けて流れながら、スワールガス噴出路７８から直線部７１２の内部へ向けて噴出する。この際、スワールガスはスクロール流路７７３を流れる過程でコンプレッサインペラ８の回転方向と同じ向きに加速されることから、スワールガス噴出路７８におけるスワールガスの噴出流は、回転方向と同じ向きの速度成分を有する。加えてスワールガス噴出路７８は軸流に対し傾斜していることから、スワールガスの噴出流は、軸流と同じ向きの速度成分も有する。このような速度成分を有するスワールガスを直線部７１２の内部へ噴出することにより、直線部７１２を流れる軸流には旋回流が付与される。

なお、スクロール流路７７３の流路断面積の減少率は、スワールガス噴出路７８におけるスワールガスの噴出流の回転方向成分の大きさと相関がある。より具体的には、スクロール流路７７３の流路断面積の減少率を大きくすると、スクロール流路７７３におけるスワールガスの径方向速度も大きくなる。このため、流路断面積の減少率は、スワールガス噴出路７８における噴出流の軸線Ｃに対する角度が例えば３０度以上になるように調整される。また上述の軸方向傾斜角αは、例えば１５〜６０度の間で設定される。

スワールガス供給装置７９は、内燃機関の吸気流路又は排気流路においてスワールガス供給源として定められた部分に形成されたガス取得口７９１と、ガス取得口７９１とスワールガス導入部７７４とを接続するガス供給路７９２と、を備える。スワールガス供給装置７９は、供給源における吸気又は排気をスワールガスとしてガス取得口７９１から取得し、ガス供給路７９２を介してスワールガス導入部７７４へ供給する。ここで、ガス供給路７９２には、ガス取得口７９１からスワールガス導入部７７４へ流れるスワールガスの流量を調整するための流量調整弁を設けてもよい。

ここで、軸流流路７１内に十分な強さの旋回流を発生させるためには、スクロール流路７７３内を基端部７７１から先端部７７２へ向けてスワールガスが流れるよう、ガス取得口７９１は、少なくとも、スワールガスの噴出流が形成される直線部７１２内よりも静圧と動圧を合わせた全圧が高い部分に設ける必要がある。そこで、ガス取得口７９１は、内燃機関の吸気流路及び排気流路を合わせた全体の流路のうち、コンプレッサインペラ８の前縁部８４１より下流側の部分、すなわち軸流流路７１のうち直線部７１２よりも全圧が高い部分にガス取得口７９１を設け、これによりスワールガス導入部７７４とこの全圧が高い部分とをガス供給路７９２を介して接続する。

図５は、コンプレッサハウジング７の断面図である。上述のようにコンプレッサハウジング７では、シュラウド７２１、ディフューザ室７４、及び主スクロール流路７５は、それぞれコンプレッサインペラ８の前縁部８４１より下流側の吸気流路の一部を構成し、かつコンプレッサインペラ８の回転時における各部分における全圧は直線部７１２の内部より高い。よってシュラウド７２１（すなわち、図５において、矢印５ａで示される区間）、ディフューザ室７４（すなわち、図５において、矢印５ｂで示される区間）、及び主スクロール流路７５は、ガス取得口を設ける位置として何れも適格である。特にこれら３つの部分のうち、矢印５ａ及び矢印５ｂで示す区間は、スワール流路７７のスワールガス導入部と近いため、これらを接続するガス供給路を短くでき、ひいてはこの流路における圧力降下を小さくできるという利点がある。

図６は、上述のような軸流スワラーによって軸流流路内に旋回流を発生させた場合における、コンプレッサインペラの前縁部での速度三角形の変化を模式的に示す図である。

先ず、軸流スワラーを用いなかった場合、軸流流路内にはコンプレッサインペラの軸方向に沿った軸流が発生する。すなわちこの場合、前縁部における絶対速度ベクトルＵ１は、軸方向と平行になる。また矢印ωを回転方向としてコンプレッサインペラが回転している場合、前縁部における接線速度ベクトルＶ１は、矢印ωとは逆向きで回転速度に比例した長さのものとなる。したがってこれら２つのベクトルＵ１とＶ１とを合わせた相対速度ベクトルＷ１は、軸方向に対し角度θ１だけ傾いたものとなる。

次に、軸流スワラーを用いた場合、軸流流路内には回転方向と同じ向きの速度成分と軸方向と同じ速度成分とを有する旋回流が発生する。したがってこの場合、前縁部における絶対速度ベクトルＵ２は、軸流スワラーを用いなかった場合の絶対速度ベクトルＵ１に対し回転方向の速度成分（スワラー回転方向成分）だけ傾き、かつこの絶対速度ベクトルＵ１よりも軸方向の速度成分（スワラー軸方向成分）だけ長いものとなる。
したがってこの絶対速度ベクトルＵ２と接線速度ベクトルＶ１とを合わせて得られる相対速度ベクトルＷ２は、軸方向に対し上記角度θ１より小さな角度θ２だけ傾いたものとなる。すなわち、軸流スワラーによって発生される旋回流には、コンプレッサインペラの前縁部における吸気の相対流入角度を小さくする効果がある。

図７は、コンプレッサインペラの前縁部における相対流入角度の径方向分布を示す図である。図７において破線は軸流スワラーを用いなかった場合の分布を示し、実線は軸流スワラーを用いた場合の分布を示す。

図７に示すように、軸流スワラーを用いなかった場合、すなわち軸流流路内に軸線に沿った軸流を発生させた場合、相対流入角度は径方向外側に向かうに従い大きくなる。これは径方向外側に向かうに従い回転速度が大きくなるからである。また軸流スワラーを用いた場合、軸流流路内の壁面の近傍で旋回流が発生する。また上述のようにこの旋回流には相対流入角度を小さくし、コンプレッサインペラへの吸気の流入を容易にする効果がある。したがって図７に示すように、軸流スワラーを用いた場合には、径方向外側、より具体的には軸流流路の壁面の近傍において部分的に相対流入角度が小さくなる。このため、軸流スワラーを用いることによって、軸流流路の壁面の近傍におけるコンプレッサインペラへの吸気の流入が促進されるため、コンプレッサの流量レンジの下限を下げることができる。

本実施形態のコンプレッサ６によれば、以下の効果を奏する。
（１）本実施形態のコンプレッサ６によれば、スワールガス導入部７７４からスクロール流路７７３へ導入された吸気は、スクロール流路７７３内をコンプレッサインペラ８の回転方向と同じ方向に沿って加速しながら流れ、スワールガス噴出路７８を介して吸気ダクト７３の軸流流路７１内へ噴出し、この軸流流路７１内を流れる軸流に対し回転方向と同じ方向に沿った旋回流を与える。コンプレッサインペラ８の前縁部８４１へ流れる吸気にこのような旋回流を付与することにより、前縁部８４１における相対流入角度が小さくなり、前縁部８４１には吸気が流れやすくなるので、コンプレッサ６の流量レンジの下限を下げることができる。またコンプレッサ６では、スクロール流路７７３の入口であるスワールガス導入部７７４を、内燃機関の吸気流路及び排気流路を合わせた全流路のうちコンプレッサインペラ８の前縁部８４１より下流側の部分、すなわち直線部７１２の内部よりも全圧が高い部分と接続し、差圧によって還流されるスワールガスを利用して旋回流を発生させる。これによりコンプレッサ６では、軸流流路７１を流れる主流の一部を用いることなく旋回流を発生させることができるので、従来と比較して十分な速度の旋回流を発生させることができる。またコンプレッサ６ではスワールガスを還流することによって旋回流を発生させることから、軸流流路７１に主流の流れを妨げる装置を設ける必要がないので、軸流流路７１における圧力降下が大きくなることもない。

（２）コンプレッサ６では、スクロール流路７７３内と軸流流路７１内とを接続するスワールガス噴出路７８の延在方向と軸流流路７１の内周面との成す角を鋭角にすることにより、スワールガス噴出路７８からは軸方向の速度成分を含む旋回流を噴出させることができる。これにより、流量レンジの下限をさらに下げることができる。

（３）コンプレッサ６では、コンプレッサハウジング７に吸気ダクト７３と、シュラウド７２１と、スワール流路７７と、ディフューザ室７４と、主スクロール流路７５と、を形成し、スワール流路７７のスワールガス導入部７７４と、シュラウド７２１、ディフューザ室７４、及び主スクロール流路７５の何れかとを接続する。これにより、コンプレッサハウジング７内でスワールガスを還流させることができるので、コンプレッサ６全体の大きさを小さなものにできる。また吸気流路及び排気流路を合わせた全流路のうち、シュラウド７２１、ディフューザ室７４、及び主スクロール流路７５はコンプレッサインペラ８の近傍であって、他の部分と比較して全圧が高い。したがってこのような部分からスワールガスを還流することにより、速い旋回流を発生させることができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図８は、本実施形態に係る内燃機関の過給システムＳの構成を示す図である。

過給システムＳは、内燃機関９１の燃焼室へ吸気を導く吸気流路９２と、内燃機関９１の燃焼室から排出される排気を導く排気流路９３と、吸気流路９２に設けられたコンプレッサ６´及び排気流路９３に設けられたタービン３を組み合わせて構成される過給機１´と、コンプレッサ６´によって圧縮された吸気を冷却水や外気を用いて冷却するインタークーラ９６と、排気流路９３を流れる排気の一部を吸気流路９２に還流するＥＧＲ流路９４と、ＥＧＲ流路９４を流れる排気を冷却水や外気を用いて冷却するＥＧＲクーラ９７と、を備える。なお過給システムＳに設けられる過給機１´は、第１実施形態で説明した過給機１と、コンプレッサ６の構成、より詳しくはスワールガス供給装置の構成が異なり、他の部分の構成は同じである。

ＥＧＲ流路９４は、排気流路９３のうちタービン３のタービンインペラ５より上流側の部分と、コンプレッサ６´に形成されたスワールガス導入部７７４とを接続することにより、排気流路９３を流れる排気の一部をスワールガスとしてスワールガス導入部７７４へ供給する。

本実施形態の過給システムＳによれば、上記（１）〜（２）の効果に加えて、以下の効果（３）を奏する。
（３）過給システムＳでは、スワール流路の入口であるスワールガス導入部７７４を、吸気流路９２及び排気流路９３を合わせた全流路のうちコンプレッサインペラ８の前縁部より下流側であり、さらに排気流路９３のうちタービンインペラ５より上流側である部分と、ＥＧＲ流路９４で接続する。すなわち過給システムＳでは、いわゆる高圧外部ＥＧＲガスをスワールガス導入部７７４に供給し、旋回流を発生させる。これにより、速度の大きな旋回流を発生できるという効果に加えて、排気中のＮＯｘの低減や燃費向上等の排気の一部を吸気に還流することにより期待される効果も奏することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限らない。本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜変更してもよい。

例えば上記実施形態では、スクロール流路７７３は、基端部７７１から先端部７７２へ向けてコンプレッサインペラ８の回転方向と同じ向きに沿って徐々にその流路断面積が減少するようにすることにより、スワールガスをコンプレッサインペラ８の回転方向と同じ向きに加速させたが、本発明はこれに限らない。スクロール流路は、基端部から先端部へ向けてコンプレッサインペラの回転方向と逆の向きに沿って徐々にその流路断面積が減少するようにし、スワールガスをコンプレッサインペラ８の回転方向と逆の向きに加速させてもよい。ストールに近い状態では、吸気ダクト７３内のうちシュラウド７２１近傍における主流はコンプレッサインペラ８の回転方向に連れまわる傾向がある。これに対し、上記のようにスクロール流路を構成し、スワールガスをコンプレッサインペラ８の回転方向と逆の向きに加速させることにより、コンプレッサインペラ８の回転方向と逆の向きの旋回流を付与し、連れまわりを低減できるので、流量レンジの下限をさらに下げることができる。ただし、このようにスクロール流路の向きをコンプレッサインペラ８の回転方向と逆の向きにする場合、連れまわりのみを低減しかつ吸気ダクト７３内を流れる主流全体には大きな影響を及ぼさないようにするため、スワールガス噴出路７８から吸気ダクト７３内へ噴出する吸気の流量は、コンプレッサインペラ８に流入する吸気全体の流量に対し約１０％以下にすることが好ましい。

例えば上記実施形態では、本発明のコンプレッサを、内燃機関が吸入する吸気を圧縮する過給機に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限らない。本発明のコンプレッサは、内燃機関の過給機の他、ジェットエンジンやポンプ等、インペラを用いて流体のエネルギーと機械的エネルギーとの変換を行ういわゆるターボ機械に適用できる。

１…過給機
２１…回転軸
３…タービン
５…タービンインペラ
６，６´…コンプレッサ
７…コンプレッサハウジング
７２１…シュラウド
７３…吸気ダクト（流体ダクト）
７１…軸流流路（流体ダクト）
７１１…縮径部（流体ダクト）
７１２…直線部（流体ダクト）
７４…ディフューザ室（ディフューザ室、高圧流路）
７５…主スクロール流路（主スクロール流路、高圧流路）
７６…軸流スワラー
７７…スワール流路（スクロール流路）
７７３…スクロール流路
７７４…スワールガス導入部（流体導入部）
７８…スワールガス噴出路（流体噴出路）
８…コンプレッサインペラ

Claims (9)

1. 流体流路を流れる流体を圧縮するコンプレッサであって、
   回転軸を中心として回転可能なインペラと、
   前記インペラの側部を覆い前記流体流路の一部を構成するシュラウドと、
   前記インペラの軸方向に沿って延び前記インペラの前縁へ流体を導く管状の流体ダクトと、
   流体導入部が設けられた基端側から先端側へ向けて前記インペラの周方向に沿って徐々に流路断面積が減少する前記回転軸を中心とした環状のスクロール流路と、
   前記インペラの径方向に沿って延び前記スクロール流路の内部と前記流体ダクトの内部とを接続する流体噴出路と、を備え、
   前記流体導入部は、前記流体流路のうち前記インペラの前縁より下流側の部分と接続されることを特徴とするコンプレッサ。
2. 前記流体噴出路の延在方向と前記流体ダクト内の内周面との成す角は鋭角であることを特徴とする請求項１に記載のコンプレッサ。
3. 前記スクロール流路は、前記基端側から前記先端側へ向けて前記インペラの回転方向と同じ向きに沿って徐々に流路断面積が減少することを特徴とする請求項１又は２に記載のコンプレッサ。
4. 前記スクロール流路は、前記基端側から前記先端側へ向けて前記インペラの回転方向と逆の向きに沿って徐々に流路断面積が減少することを特徴とする請求項１又は２に記載のコンプレッサ。
5. 前記流体ダクトと、前記シュラウドと、前記スクロール流路と、前記流体流路の一部でありかつ前記インペラの後縁から吐出される流体が流れる高圧流路と、が形成されたコンプレッサハウジングをさらに備え、
   前記流体導入部は、前記コンプレッサハウジングのうち前記シュラウド又は前記高圧流路と接続されることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載のコンプレッサ。
6. 前記流体導入部は前記シュラウドと接続されることを特徴とする請求項５に記載のコンプレッサ。
7. 前記コンプレッサハウジングには、前記高圧流路の一部でありかつ前記インペラの後縁から前記径方向に吐出される流体を減速するディフューザ室が設けられ、
   前記流体導入部は前記ディフューザ室と接続されることを特徴とする請求項５に記載のコンプレッサ。
8. 前記コンプレッサハウジングには、前記高圧流路の一部でありかつ前記インペラの後縁から前記径方向に吐出される流体が流れる前記回転軸を中心とした環状の主スクロール流路が設けられ、
   前記流体導入部は前記主スクロール流路と接続されることを特徴とする請求項５に記載のコンプレッサ。
9. 内燃機関の吸気流路に設けられたコンプレッサと、
   前記内燃機関の排気流路に設けられたタービンと、
   前記コンプレッサのインペラと前記タービンのインペラとを連結する回転軸と、を備える内燃機関の過給システムであって、
   前記コンプレッサには請求項１から４の何れかに記載のものが用いられ、
   前記流体導入部は、前記排気流路のうち前記タービンのインペラより上流側と接続されることを特徴とする内燃機関の過給システム。

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