JP6762259B2 - ガス還流装置 - Google Patents

Description

本開示は、ガス還流装置に関する。

自動車等のエンジンにおける排出規制は年々厳しさを増しており、エンジンの燃費や効率に効果がある過給機のニーズが増加している。また、ＥＧＲ技術は再燃焼による排気ガス浄化（ＮＯｘ低減）やポンピングロスの低減等に有効であり、エンジンへの適用が年々拡大している。そのため、特にディーゼルエンジン等において過給機とＥＧＲ技術との組み合わせはエンジン技術のトレンドとなっている。

特許文献１には、吸気通路におけるターボチャージャのコンプレッサの上流側に排気ガスを還流する際に発生する凝縮水が、コンプレッサのインペラに衝突して損傷を生じることが記載されている。また、この損傷を抑制するために、インペラとハウジングとのクリアランスに排気ガスを案内するガイド部材を設ける技術が開示されている。

特許５７２９１１２号公報

ところで、ターボチャージャに用いられる遠心圧縮機には広い作動範囲が求められるところ、遠心圧縮機は流量が減少するとサージングという不安定現象が発生して流量範囲が制限されることが知られている。この点、特許文献１には、低流量時におけるサージングを抑制するための知見については何ら開示されていない。

本発明の少なくとも一実施形態は、上述したような従来の課題に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、低流量時におけるサージング限界流量を低減可能なガス還流装置を提供することである。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係るガス還流装置は、エンジンから排出された排気ガスとブローバイガスの少なくとも一方を含む再循環ガスをターボチャージャのコンプレッサより上流側の吸気通路に供給する供給通路を備えるガス還流装置であって、前記供給通路は、前記供給通路を流れる前記再循環ガスと前記吸気通路を流れる空気との合流点において、前記コンプレッサの軸方向における下流側へ向かう成分を有する方向へ前記再循環ガスを導入する少なくとも一つの導入口を含む。

上記（１）に記載のガス還流装置によれば、軸方向における下流側へ向かう成分を有する方向へ再循環ガスを導入口から導入することにより、吸気通路における導入口より下流側のガス流れの軸方向の流速成分を増加させることができる。したがって、コンプレッサにおける入口近傍の流れの軸方向の流速成分を増加させて、低流量時におけるサージングの発生を抑制することができる。よって、低流量時におけるサージング限界流量を低減することができる。

また、導入口から導入された再循環ガスは、コアンダ効果によってコンプレッサのインペラを収容するケーシングの内周面に引き寄せられるため、低流量時にケーシングのシュラウド部（ケーシングのうちインペラ翼の先端に対向する部分）近傍で生じる失速を抑制し、それに起因するサージングを効果的に抑制することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載のガス還流装置において、前記供給通路は、前記導入口が先端に設けられたノズル部を含む。

上記（２）に記載のガス還流装置によれば、ノズル部によって増速した再循環ガスの流れが導入口から噴射されるため、吸気通路における導入口より下流側の流れの軸方向の流速成分を効果的に増加させることができる。したがって、コンプレッサにおける入口近傍の流れの軸方向の流速成分を増加させる効果を高めて、低流量時におけるサージングの発生を効果的に抑制することができる。また、ノズル部によって増速した再循環ガスの流れが導入口から噴流として噴射されるため、上述したコアンダ効果を高めて低流量時にコンプレッサのシュラウド部近傍で生じる失速を抑制し、それに起因するサージングを効果的に抑制することができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載のガス還流装置において、前記供給通路における前記導入口を含む一定範囲の流路部の流路面積は、前記再循環ガスの流れ方向位置によらず一定である。

上記（３）に記載のガス還流装置によれば、導入口を含む一定範囲の流路部を容易に製造することができ、ガス還流装置の製造コストの低減が可能となる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れかに記載のガス還流装置において、前記供給通路は、前記コンプレッサの径方向に沿って延在する径方向流路部と、前記径方向流路部と接続し、前記コンプレッサの軸方向における下流側へ向かう成分を有する方向へ前記径方向流路部との接続位置から延在する軸方向流路部と、を含み、前記導入口は、前記軸方向流路部の先端に設けられる。

上記（４）に記載のガス還流装置によれば、径方向流路部を径方向に沿って流れる再循環ガスの流れを、軸方向における下流側へ向かう成分を有する方向へ軸方向流路部によって転向させることができる。これにより、簡素な構成でコンプレッサにおける入口近傍の流れの軸方向の流速成分を増加させて、低流量時におけるサージングの発生を抑制することができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れかに記載のガス還流装置において、前記供給通路は、前記導入口が先端に設けられたノズル部を含み、前記吸気通路は周面に貫通孔が形成された管であり、前記ノズル部は、前記管とは別部品として構成されて前記管の貫通孔に装着される。

上記（５）に記載のガス還流装置によれば、ノズル部を管とは別部品として構成することにより、ノズル部の流路形状の設計自由度を高めることができる。これにより、低流量時におけるサージングの発生を効果的に抑制可能なノズル部の流路形状を設計することができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（５）に記載のガス還流装置において、前記ノズル部は、前記管の径方向に沿って前記管の外側から内側まで延在する径方向流路部と、前記管の内側にて前記径方向流路部と接続し、前記コンプレッサの軸方向における下流側へ向かう成分を有する方向へ前記径方向流路部との接続位置から延在する軸方向流路部と、を含み、前記導入口は、前記管の内側にて前記軸方向流路部の先端に設けられる。

上記（６）に記載のガス還流装置によれば、軸方向における下流側へ向かう成分を有する方向へ再循環ガスを管の内側から噴射することができるため、方向を軸方向又は該軸方向に近い方向に設定することができる。これにより、シュラウド部の近傍領域に向けて再循環ガスを噴射することができるため、低流量時におけるサージングの発生を効果的に抑制することができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（５）又は（６）に記載のガス還流装置において、前記ノズル部は、前記ノズル部を前記管に固定するためのフランジ部を含み、前記ノズル部の前記フランジ部は、前記管の外周面に固定される。

上記（７）に記載のガス還流装置によれば、吸気通路としての管の外側からノズル部を容易に着脱することができる。このため、ノズル部の清掃等のメンテナンスが容易となる。

本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、低流量時におけるサージング限界流量を低減可能なガス還流装置が提供される。

一実施形態に係るエンジン装置１００の概略構成を示す図である。 一実施形態に係るＥＧＲ通路７２（７２Ａ）の概略構成を示す断面図である。 一実施形態に係るＥＧＲ通路７２（７２Ｂ）の概略構成を示す断面図である。 一実施形態に係るＥＧＲ通路７２（７２Ｃ）の概略構成を示す断面図である。 図４に示した軸方向流路部１０における径方向に直交する断面の一例を示す図である。 図４に示した軸方向流路部１０における径方向に直交する断面の他の一例を示す図である。 吸気通路５６ｕにおけるＥＧＲ通路７２が接続する部分（コンプレッサ入口管）が湾曲している例を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は、一実施形態に係るエンジン装置１００の概略構成を示す図である。

図１に示すように、エンジン装置１００は、エンジン５４、エンジン５４に供給される吸気ガスが流れる吸気通路５６、エンジン５４から排出される排気ガスが流れる排気通路５８及びターボチャージャ６０等を備えている。

ターボチャージャ６０は、排気通路５８に配置された排気タービン６４、吸気通路５６に配置されたコンプレッサ６２、及びこれら排気タービン６４とコンプレッサ６２とを連結するタービン軸６３を含む。ターボチャージャ６０は、エンジン５４から排出された排気ガスによって排気タービン６４が駆動し、タービン軸６３を介してコンプレッサ６２が同軸駆動することで、吸気通路５６を流れる吸気ガスを過給するように構成されている。

また、吸気通路５６におけるコンプレッサ６２の下流側には、エンジン５４に供給する吸気ガスを冷却する中間冷却器７０が配置されている。

また、エンジン装置１００は、エンジン５４から排出された排気ガスの一部（以下「再循環ガス」という。）をターボチャージャ６０のコンプレッサ６２より上流側の吸気通路５６ｕに供給するＥＧＲ装置７５（ガス還流装置）を備える。

ＥＧＲ装置７５は、ＥＧＲ通路７２及びＥＧＲ通路７２に配置されたＥＧＲバルブ７４を含む。ＥＧＲ通路７２は、排気通路５８における排気タービン６４の下流側と吸気通路５６におけるコンプレッサ６２の上流側とを接続するように構成されている。そして、ＥＧＲバルブ７４の弁開度を調節することにより、弁開度に応じた流量の再循環ガスが吸気通路５６に還流する。そして、この再循環ガスを含む吸気ガスが、ターボチャージャ６０のコンプレッサ６２へと供給される。このように、図１に示す形態において、ＥＧＲ通路７２は、再循環ガスをターボチャージャ６０のコンプレッサ６２より上流側の吸気通路５６ｕに供給する供給通路として機能する。

図２は、一実施形態に係るＥＧＲ通路７２（７２Ａ）の概略構成を示す断面図である。図３は、一実施形態に係るＥＧＲ通路７２（７２Ｂ）の概略構成を示す断面図である。図４は、一実施形態に係るＥＧＲ通路７２（７２Ｃ）の概略構成を示す断面図である。

以下では、コンプレッサ６２の軸方向（コンプレッサ６２のインペラ６６の軸方向）を単に「軸方向」といい、コンプレッサ６２の径方向（コンプレッサ６２のインペラ６６の径方向）を単に「径方向」といい、コンプレッサ６２の周方向（コンプレッサ６２のインペラ６６の周方向）を単に「周方向」ということとする。また、以下では、「軸方向」における「上流側」及び「下流側」とは、それぞれ、コンプレッサ６２の吸込方向における「上流側」及び「下流側」を意味する。

幾つかの実施形態では、例えば図２〜図４に示すように、ＥＧＲ通路７２は、ＥＧＲ通路７２を流れる再循環ガスと吸気通路５６ｕを流れる空気との合流点Ｐにおいて、軸方向における下流側へ向かう成分ａを有する方向ｄへ再循環ガスを導入する少なくとも一つの導入口２を含む。図２及び図４に示す例示的形態では、導入口２は、軸方向に再循環ガスを噴射するよう構成されており、図３に示す例示的形態では、導入口２は、軸方向に対して径方向内側に傾斜した方向へ再循環ガスを導入するよう構成されている。

かかる構成によれば、軸方向における下流側へ向かう成分ａを有する方向ｄへ再循環ガスを導入口２から導入することにより、吸気通路５６ｕにおける導入口２より下流側のガス流れの軸方向の流速成分を増加させることができる。したがって、コンプレッサ６２における入口近傍の流れＦの軸方向の流速成分を増加させて、低流量時におけるサージングの発生を抑制することができる。よって、低流量時におけるサージング限界流量を低減することができる。

また、導入口２から導入された再循環ガスは、コアンダ効果によってコンプレッサ６２のインペラ６６を収容するケーシング６８の内周面に引き寄せられるため、低流量時にケーシング６８のシュラウド部６９（ケーシング６８のうちインペラ翼６７の先端に対向する部分）近傍で生じる失速を抑制し、それに起因するサージングを効果的に抑制することができる。

なお、導入口２は、周方向において一か所のみに設けられていてもよいし、周方向に間隔をあけて複数個所に設けられていてもよいし、周方向全体に亘って環状に設けられていてもよい。コンプレッサ６２のインペラ６６が高速で回転することにともなって失速領域も旋回するため、導入口２を周方向において一か所のみに設けた場合であっても、低流量時におけるサージングの発生を抑制することができる。

幾つかの実施形態では、例えば図２及び図４に示すように、ＥＧＲ通路７２は、導入口２が先端に設けられたノズル部４を含む。ノズル部４の導入口２の流路面積は、ＥＧＲ通路７２のうちノズル部４より上流側の部分の流路面積より小さく設定されている。

かかる構成によれば、ノズル部４によって増速した再循環ガスの流れが導入口２から噴流として噴射されるため、吸気通路５６ｕにおける導入口２より下流側の流れの軸方向の流速成分を効果的に増加させることができる。したがって、コンプレッサ６２における入口近傍の流れＦの軸方向の流速成分を増加させる効果を高めて、低流量時におけるサージングの発生を効果的に抑制することができる。また、ノズル部４によって増速した再循環ガスの流れが導入口２から噴流として噴射されるため、上述したコアンダ効果を高めて低流量時にケーシング６８のシュラウド部６９近傍で生じる失速を抑制し、それに起因するサージングを効果的に抑制することができる。

幾つかの実施形態では、例えば図３に示すように、ＥＧＲ通路７２における導入口２を含む一定範囲の流路部６の流路面積は、再循環ガスの流れ方向位置によらず一定である。

かかる構成によれば、導入口２を含む一定範囲の流路部６を容易に製造することができ、ＥＧＲ装置７５の製造コストの低減が可能となる。

幾つかの実施形態では、例えば図２及び図４に示すように、ＥＧＲ通路７２は、径方向に沿って延在する径方向流路部８と、径方向流路部８と接続し、軸方向における下流側へ向かう成分ａを有する方向へ径方向流路部８との接続位置から延在する軸方向流路部１０と、を含む。この場合、導入口２は、軸方向流路部１０の先端に設けられる。

かかる構成によれば、径方向流路部８を径方向に沿って流れる再循環ガスの流れを、軸方向における下流側へ向かう成分ａを有する方向ｄへ軸方向流路部１０によって転向させることができる。これにより、簡素な構成で低流量時におけるサージングの発生を抑制することができる。

幾つかの実施形態では、例えば図４に示すように、吸気通路５６ｕは周面に貫通孔１２が形成された管１４（コンプレッサ入口管）であり、ノズル部４は、管１４とは別部品として構成されて管１４の貫通孔１２に装着される。

かかる構成によれば、ノズル部４を管１４とは別部品として構成することにより、ノズル部４の流路形状の設計自由度を高めることができる。これにより、低流量時におけるサージングの発生を効果的に抑制可能なノズル部４の流路形状を設計することができる。

幾つかの実施形態では、例えば図４に示すように、ＥＧＲ通路７２におけるノズル部４の上流側には導入口２からの再循環ガスの噴射のタイミングを制御するためのスイッチとしての電磁弁２２が設けられる。

かかる構成によれば、電磁弁２２の開閉によって導入口２からの再循環ガスの噴射のタイミングを適切に制御することができる。また、電磁弁２２をＥＧＲバルブ７４のバックアップ又は代替手段として利用することが可能となる。

幾つかの実施形態では、例えば図４に示すように、径方向流路部８は、管１４の径方向に沿って管１４の外側から内側まで延在し、軸方向流路部１０は、管１４の内側にて径方向流路部８と接続し、軸方向における下流側へ向かう成分ａを有する方向ｄへ径方向流路部８との接続位置から延在する。この場合、導入口２は、管１４の内側にて軸方向流路部１０の先端に設けられる。

かかる構成によれば、軸方向における下流側へ向かう成分ａを有する方向ｄへ再循環ガスを管１４の内側から噴射することができるため、方向ｄを軸方向又は該軸方向に近い方向に設定することができる。これにより、シュラウド部６９の近傍領域に向けて再循環ガスを噴射することができるため、低流量時におけるサージングの発生を効果的に抑制することができる。

幾つかの実施形態では、例えば図４に示すように、ノズル部４は、ノズル部４を管１４に固定するためのフランジ部１６を含み、フランジ部１６は、管１４の外周面１８に不図示のボルト（締結具）によって固定されている。図示する例示的形態では、管１４の外周面１８には、フランジ部１６が収納されるザグリ穴２０が形成されており、貫通孔１２はザグリ穴２０の底面を貫通するように設けられている。

かかる構成によれば、吸気通路５６ｕとしての管１４の外側からノズル部４を容易に着脱することができる。このため、ノズル部４の清掃等のメンテナンスが容易となる。

図５は、図４に示した軸方向流路部１０における径方向に直交する断面の一例を示す図である。図６は、図４に示した軸方向流路部１０における径方向に直交する断面の他の一例を示す図である。

幾つかの実施形態では、径方向視における軸方向流路部１０の流路幅Ｗは、例えば図５に示すように再循環ガスの流れ方向位置によれず一定であってもよいし、図６に示すように再循環ガスの流れ方向において下流側に向かうにつれて増加してもよい。上記流路幅Ｗは、要求されるＥＧＲ率に応じて適宜設計される。

また、例えば図６に示すノズル部４において、径方向視における軸方向流路部１０の流路幅Ｗ（周方向の流路幅）を再循環ガスの流れ方向において下流側に向かうにつれて増加させるとともに、軸方向流路部１０の径方向の流路幅を再循環ガスの流れ方向において下流側に向かうにつれて減少させてもよい。

これにより、軸方向流路部１０の流路面積を再循環ガスの流れ方向位置によらず維持しつつ、シュラウド部６９の近傍領域に向けて再循環ガスを周方向に拡散させながら効果的に噴射することができる。よって、ノズル部４における圧損の増大を抑制しつつ、低流量時におけるサージングの発生を効果的に抑制することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

例えば、上述した実施形態では、エンジン５４から排出された排気ガスをターボチャージャ６０のコンプレッサ６２より上流側の吸気通路５６ｕに供給する構成を例示した。しかしながら、本発明はかかる形態に限定されず、例えばエンジン５４から排出されたブローバイガスをターボチャージャ６０のコンプレッサ６２より上流側の吸気通路５６ｕに供給する構成にも適用することができる。また、エンジン５４から排出された排気ガスとブローバイガスの両方をターボチャージャ６０のコンプレッサ６２より上流側の吸気通路５６ｕに供給する構成にも適用することができる。

また、上述した幾つかの形態では、吸気通路５６ｕにおける軸方向に直線状に延在する部分にＥＧＲ通路７２が接続する場合を例示したが、吸気通路５６ｕにおけるＥＧＲ通路７２が接続する部分（コンプレッサ入口管）は、図７に示すように湾曲していてもよい。この場合、シュラウド部近傍で生じる失速の抑制の観点では、図７に示すように、吸気通路５６ｕの湾曲部２４の外周側にＥＧＲ通路７２の導入口２を設けることが望ましい。

２ 導入口
４ ノズル部
６ 流路部
８ 径方向流路部
１０ 軸方向流路部
１２ 貫通孔
１４ 管
１６ フランジ部
１８ 外周面
２０ ザグリ穴
５４ エンジン
５６，５６ｕ 吸気通路
５８ 排気通路
６０ ターボチャージャ
６２ コンプレッサ
６３ タービン軸
６４ 排気タービン
６６ インペラ
６７ インペラ翼
６８ ケーシング
６９ シュラウド部
７０ 中間冷却器
７２ ＥＧＲ通路（供給通路）
７４ ＥＧＲバルブ
７５ ＥＧＲ装置（ガス還流装置）
１００ エンジン装置

Claims (6)

1. 再循環ガスをターボチャージャのコンプレッサより上流側の吸気通路に供給する供給通路を備えるガス還流装置であって、
   前記供給通路は、前記供給通路を流れる前記再循環ガスと前記吸気通路を流れる空気との合流点において、前記コンプレッサの軸方向における下流側へ向かう成分を有する方向へ前記再循環ガスを前記吸気通路に導入する少なくとも一つの導入口を含み、
   前記供給通路は、前記導入口が先端に設けられたノズル部を含み、
   前記吸気通路は周面に貫通孔が形成された管であり、
   前記ノズル部は、前記管とは別部品として構成されて前記管の貫通孔に装着され、
   前記ノズル部は、
   前記管の径方向に沿って前記管の外側から内側まで延在する径方向流路部と、
   前記管の内側にて前記径方向流路部と接続し、前記コンプレッサの軸方向における下流側へ向かう成分を有する方向へ前記径方向流路部との接続位置から延在する軸方向流路部と、
   を含み、
   前記導入口は、前記管の内側にて前記軸方向流路部の先端に設けられ、
   前記軸方向流路部の周方向の流路幅は、前記コンプレッサの軸方向における下流側に向かうにつれて増加し、
   前記軸方向流路部の径方向の流路幅は、前記コンプレッサの軸方向における下流側に向かうにつれて減少する、
   ガス還流装置。
2. 前記供給通路は、前記導入口が先端に設けられたノズル部を含む、請求項１に記載のガス還流装置。
3. 前記供給通路における前記導入口を含む一定範囲の流路部の流路面積は、前記再循環ガスの流れ方向位置によらず一定である、請求項１に記載のガス還流装置。
4. 前記供給通路は、
   前記コンプレッサの径方向に沿って延在する径方向流路部と、
   前記径方向流路部と接続し、前記コンプレッサの軸方向における下流側へ向かう成分を有する方向へ前記径方向流路部との接続位置から延在する軸方向流路部と、
   を含み、
   前記導入口は、前記軸方向流路部の先端に設けられた、請求項１乃至３の何れか１項に記載のガス還流装置。
5. 前記軸方向流路部の流路面積は、前記コンプレッサの軸方向の位置によらず一定である、請求項１乃至４の何れか１項に記載のガス還流装置。
6. 前記ノズル部は、前記ノズル部を前記管に固定するためのフランジ部を含み、
   前記ノズル部の前記フランジ部は、前記管の外周面に固定された、請求項１乃至５の何れか１項に記載のガス還流装置。
   

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