JP2007211717A - 遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】ベーンレスディフューザ付近に発生する失速セルに起因するサージングを抑制することができる遠心圧縮機を提供する。
【解決手段】サージ限界付近の作動領域で局所的に圧力の高い失速セルがベーンレスディフューザプレート９付近に発生した際、その失速セルがベーンレスディフューザプレート９の全周にわたって形成された複数のバイパス孔９Ａを通過してスクロール流路３Ａに流出するため、ベーンレスディフューザプレート９付近に発生する失速セルに起因するサージングが十分に抑制される。
【選択図】図１

Description

本発明は、遠心圧縮機に関し、詳しくは、ベーンレスディフューザを備えた遠心圧縮機に関するものである。

コンプレッサハウジング内で回転するコンプレッサホイール（羽根車）により吸入気体をコンプレッサホイールの周囲に形成されるスクロール流路に向けて圧送する遠心圧縮機において、コンプレッサホイールの外周とその周囲のスクロール流路との間には、通常、ディフューザによって環状の気体流路が形成されている。この環状の気体流路は、内周側から外周側に向けて流路断面積が徐々に増大することにより、コンプレッサホイールからスクロール流路に向けて圧送される吸入気体の流速を低下させてその圧力を上昇させる。

この種のディフューザを備えた遠心圧縮機として、翼板を有しない所謂ベーンレスディフューザを備えたターボチャージャ用のコンプレッサが従来一般に知られている（例えば特許文献１〜３参照）。
特開２０００−２５７４３７号公報 特開２００２−２６６７９７号公報 実開平６−６３８９７号公報

ところで、特許文献１〜３に記載されたようなベーンレスディフューザを備えた遠心圧縮機において、吸入気体の流量が少なく、かつ、吸入気体の圧力比（圧縮後の圧力／圧縮前の圧力）が高いサージ限界付近の作動領域では、局所的に圧力の高い失速セルがベーンレスディフューザ付近に発生し、その結果、遠心圧縮機がサージング（吸入気体の周期的な圧力変動や流速変動）により作動不能となる恐れがある。

そこで、本発明は、ベーンレスディフューザ付近に発生する失速セルに起因するサージングを抑制することができる遠心圧縮機を提供することを課題とする。

本発明に係る遠心圧縮機は、コンプレッサハウジング内のコンプレッサホイールの外周とその周囲のスクロール流路との間に環状の気体流路を形成するためのベーンレスディフューザプレートを備えた遠心圧縮機であって、ベーンレスディフューザプレートには、気体流路とスクロール流路とを連通するバイパス孔が設けられていることを特徴とする。

本発明に係る遠心圧縮機では、そのサージ限界付近の作動領域で局所的に圧力の高い失速セルがベーンレスディフューザプレート付近に発生した際、その失速セルがベーンレスディフューザプレートに沿って旋回しつつバイパス孔を通過してスクロール流路に流出するため、ベーンレスディフューザプレート付近に発生する失速セルに起因するサージングが抑制される。

本発明の遠心圧縮機において、バイパス孔がベーンレスディフューザプレートの全周にわたって複数設けられていると、ベーンレスディフューザプレート付近に発生した複数の失速セルを複数のバイパス孔からスクロール流路に流出させることができ、ベーンレスディフューザプレート付近に発生する失速セルに起因するサージングを十分に抑制できるので好ましい。

ここで、本発明の遠心圧縮機は、そのサージ限界付近の作動領域でのみバイパス孔を開き、それ以外の作動領域ではバイパス孔を閉じるバイパス孔開閉手段を備えた構造とすることができる。

本発明に係る遠心圧縮機によれば、そのサージ限界付近の作動領域で局所的に圧力の高い失速セルがベーンレスディフューザプレート付近に発生した際、その失速セルがバイパス孔を通過してスクロール流路に流出するため、ベーンレスディフューザプレート付近に発生する失速セルに起因するサージングを抑制することができる。

以下、図面を参照して本発明に係る遠心圧縮機の最良の実施形態を説明する。この説明において、同一または同様の構成要素については、同一の符号を付して重複した説明を省略することがある。ここで、参照する図面において、図１は第１実施形態に係る遠心圧縮機をコンプレッサとして備えたターボチャージャの構造を示す断面図、図２は図１に示したベーンレスディフューザプレートの正面図である。

第１実施形態に係る遠心圧縮機は、図１に示すターボチャージャ１のコンプレッサとして構成されている。このターボチャージャ１は、図示しない車両用エンジンの排気系の途中に介設されるタービン用のタービンハウジング２と、吸入系の途中に介設されるコンプレッサ用のコンプレッサハウジング３と、両者を接続するセンターハウジング（ベアリングハウジング）４とを備えている。

タービンハウジング２内には、車両用エンジンの排気系を流通する排気ガスを導入するスクロール流路２Ａが形成されている。そして、このスクロール流路２Ａから流入する排気ガスの通過によって回転駆動されるタービンホイール５がタービンハウジング２内に収容されている。

一方、コンプレッサハウジング３内には、車両用エンジンの吸入系の空気を大気圧以上に加圧して過給するためのコンプレッサホイール６が収容されている。このコンプレッサホイール６の周囲には、加圧された吸入空気を車両用エンジンの吸入系に送出するスクロール流路３Ａが形成されている。

タービンハウジング２内のタービンホイール５と、コンプレッサハウジング３内のコンプレッサホイール６とは、一体に回転するようにシャフト７を介して相互に連結されている。このシャフト７は、フローティングベアリング８を介してセンターハウジング４に回転自在に支持されている。

ここで、コンプレッサハウジング３内には、コンプレッサホイール６の基端部外周とコンプレッサホイール６の周囲のスクロール流路３Ａとの間に環状の空気流路（気体流路）３Ｂを形成するためのベーンレスディフューザプレート９（図２参照）が設置されている。このベーンレスディフューザプレート９は、コンプレッサハウジング３のバックプレート３Ｃに対面する扁平なリング状に形成されており、その内周がコンプレッサハウジング３の内部に形成された円形の支持部３Ｄに嵌合して固定されている。

このようなベーンレスディフューザプレート９とバックプレート３Ｃとの間に形成される環状の空気流路３Ｂは、内周側から外周側に向けて流路断面積が徐々に増大することにより、コンプレッサホイール６の基端部外周からスクロール流路３Ａに向けて圧送される吸入空気の流速を低下させてその圧力を上昇させる。

ここで、ベーンレスディフューザプレート９には、その片側の環状の空気流路３Ｂと反対側のスクロール流路３Ａとを連通するバイパス孔９Ａが形成されている。このバイパス孔９Ａは、例えば図２に示すような円弧状のスリット孔として形成されており、ベーンレスディフューザプレート９の全周にわたって複数形成されている。なお、これらのバイパス孔９Ａは、例えば図３に示すような複数の円形孔に変更してもよい。

以上のように構成されたターボチャージャ１においては、図示しない車両用エンジンの運転に伴いその排気系に排出された排気ガスがタービンハウジング２内のスクロール流路２Ａからタービンホイール５を通過して流通することにより、タービンホイール５が回転駆動される。そして、このタービンホイール５の回転に連動してコンプレッサハウジング３内のコンプレッサホイール６が回転駆動されることにより、車両用エンジンの吸入系の吸入空気が大気圧以上に加圧されて過給される。

その際、第１実施形態の遠心圧縮機として構成されたターボチャージャ１のコンプレッサにおいて、コンプレッサホイール６の基端部外周からスクロール流路３Ａに向けて圧送される吸入空気は、環状の空気流路３Ｂを内周側から外周側へ向けて通過する過程で徐々に流速が低下して圧力が上昇するのであり、ベーンレスディフューザプレート９の複数のバイパス孔９Ａを通過してスクロール流路３Ａに流出することは殆どない。

ここで、ターボチャージャ１のコンプレッサ（第１実施形態の遠心圧縮機）においては、吸入空気の流量が少なく、かつ、吸入空気の圧力比（圧縮後の圧力／圧縮前の圧力）が高いサージ限界付近の作動領域で局所的に圧力の高い失速セルがベーンレスディフューザプレート９付近に発生した場合、圧力の高い失速セルは、ベーンレスディフューザプレート９に沿って旋回しつつ複数のバイパス孔９Ａの何れかを通過してスクロール流路３Ａに流出する。このため、ベーンレスディフューザプレート９付近に発生する失速セルに起因するサージングが効果的に抑制される。

このようにサージングが抑制されることは、ターボチャージャ１のコンプレッサ（第１実施形態の遠心圧縮機）の作動特性を示す図４の線図において、サージラインが二点鎖線で示す位置から実線で示す位置に向かって吸入空気量の少ない側へ移動することを意味する。従って、吸入空気量の少ない領域におけるエンジンの作動ラインは、点線で示す位置から実線で示す位置に向かって吸入空気量のより少ない側へ移動させることが可能となり、エンジンの作動領域をより低速側に拡大することが可能となる。

次に、図５、図６を参照して第２実施形態に係る遠心圧縮機を説明する。この第２実施形態の遠心圧縮機は、図５に示すターボチャージャ１０のコンプレッサとして構成されており、図１に示したベーンレスディフューザプレート９に代わる２枚一組の固定ベーンレスディフューザプレート１１と可動ベーンレスディフューザプレート１２とを備えている。なお、図５に示すターボチャージャ１０は、図１に示したターボチャージャ１と略同様に構成されているため、同様の構成部分については、同一の符号を付すことで説明を省略する。

図５に示すように、固定ベーンレスディフューザプレート１１は、扁平なリング状に形成されており、その内周がコンプレッサハウジング３の内部に形成された円形の支持部３Ｄに嵌合して固定されている。一方、可動ベーンレスディフューザプレート１２は、例えば固定ベーンレスディフューザプレート１１の外周を包持するカギ形の断面形状のリング状に形成されており、固定ベーンレスディフューザプレート１１に対し相対回動可能に重ねられてコンプレッサハウジング３のバックプレート３Ｃに対面している。

図６に示すように、固定ベーンレスディフューザプレート１１には、バイパス孔１１Ａとしての複数の円弧状長孔が同一円周上に配置して間欠的に複数形成されている。同様に、可動ベーンレスディフューザプレート１２には、バイパス孔１２Ａとしての複数の円弧状長孔が同一円周上に配置して間欠的に複数形成されている。

ここで、固定ベーンレスディフューザプレート１１に対する可動ベーンレスディフューザプレート１２の回動位置が所定の第１回動位置にあるとき、可動ベーンレスディフューザプレート１２の各バイパス孔１２Ａが固定ベーンレスディフューザプレート１１の各バイパス孔１１Ａに重なって各バイパス孔１１Ａが全開とされ、固定ベーンレスディフューザプレート１１に対する可動ベーンレスディフューザプレート１２の回動位置が所定の第２回動位置にあるとき、可動ベーンレスディフューザプレート１２の各バイパス孔１２Ａが固定ベーンレスディフューザプレート１１の各バイパス孔１１Ａからずれて各バイパス孔１１Ａが全閉とされるようになっている。

そこで、可動ベーンレスディフューザプレート１２を固定ベーンレスディフューザプレート１１に対し第１回動位置と第２回動位置との間で回動させることにより固定ベーンレスディフューザプレート１１の各バイパス孔１１Ａを開閉させるバイパス孔開閉手段が設けられている。このバイパス孔開閉手段は、図５に示したターボチャージャ１０のコンプレッサ（第２実施形態の遠心圧縮機）のサージ限界付近の作動領域でのみ固定ベーンレスディフューザプレート１１の各バイパス孔１１Ａを全開とさせ、それ以外の作動領域では各バイパス孔１１Ａを全閉とさせるものである。

バイパス孔開閉手段２０は、図５に示したターボチャージャ１０の作動領域を検出するための一群のセンサとして、図７に示すように、コンプレッサハウジング３内を流通する吸入空気の流量Ｑを検出するエアフローセンサ２１と、コンプレッサハウジング３の入口側の流入空気圧Ｐｉｎを検出する入口側エア圧力センサ２２と、コンプレッサハウジング３の出口側の流出空気圧Ｐｏｕｔを検出する出口側エア圧力センサ２３とを備えている。

また、バイパス孔開閉手段２０は、エアフローセンサ２１、入口側エア圧力センサ２２および出口側エア圧力センサ２３からそれぞれ検出信号が入力される制御装置２４と、この制御装置２４から出力される制御信号によりモータ駆動回路２５を介して回転が制御される駆動モータ２６とを備えている。

制御装置２４は、車両に搭載されている図示しないＥＣＵ（ElectricControl Unit）等のマイクロコンピュータのハードウェアおよびソフトウェアを利用して構成されている。この制御装置２４は、エアフローセンサ２１、入口側エア圧力センサ２２、出口側エア圧力センサ２３およびモータ駆動回路２５との間の入出力インターフェースＩ／ＯおよびＡ／Ｄコンバータの他、プログラムおよびデータを記憶したＲＯＭ（ReadOnly Memory）、入力データ等を一時記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）、プログラムを実行するＣＰＵ（CentralProcessing Unit）等をハードウェアとして備えている。

ここで、制御装置２４には、コンプレッサ圧力比算出部２４Ａ、バイパス孔開閉部２４Ｂ、データマップ２４Ｃ、駆動信号出力部２４Ｄがソフトウェアとして構成されている。そして、データマップ２４Ｃには、図４に二点鎖線で示したサージラインが２次元マップとして記憶されている。

コンプレッサ圧力比算出部２４Ａは、入口側エア圧力センサ２２および出口側エア圧力センサ２３からそれぞれ入力される流入空気圧Ｐｉｎおよび流出空気圧Ｐｏｕｔの検出信号に基づき、図５に示したターボチャージャ１０のコンプレッサ（第２実施形態の遠心圧縮機）の圧力比を算出し、その圧力比（Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ）の信号をバイパス孔開閉部２４Ｂに出力する。

バイパス孔開閉部２４Ｂは、コンプレッサ圧力比算出部２４Ａから入力されるコンプレッサの圧力比（Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ）の信号と、エアフローセンサ２１から入力されるコンプレッサの吸入空気流量Ｑの信号とに基づいてデータマップ２４Ｃをルックアップすることにより、コンプレッサの吸入空気流量Ｑおよび圧力比（Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ）に対応する作動領域が図４に二点鎖線で示したサージラインの右側近傍のサージ限界付近にあるか否かを判定し、その判定信号を駆動信号出力部２４Ｄに出力する。

駆動信号出力部２４Ｄは、バイパス孔開閉部２４Ｂから入力される判定信号に基づき、コンプレッサの吸入空気流量Ｑおよび圧力比（Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ）に対応する作動領域がサージ限界付近にある場合には、可動ベーンレスディフューザプレート１２を固定ベーンレスディフューザプレート１１に対し第１回動位置に回動させてバイパス孔１１Ａを全開とさせるための駆動信号（全開）をモータ駆動回路２５に出力する。そして、この駆動信号出力部２４Ｄは、コンプレッサの作動領域がサージ限界付近にない場合には、可動ベーンレスディフューザプレート１２を固定ベーンレスディフューザプレート１１に対し第２回動位置に回動させてバイパス孔１１Ａを全閉とさせるための駆動信号（全閉）をモータ駆動回路２５に出力する。

モータ駆動回路２５は、駆動信号出力部２４Ｄから駆動信号（全開）が入力されると、駆動モータ２６が図示しないリンク機構を介して可動ベーンレスディフューザプレート１２を第１回動位置に回動させるように駆動モータ２６の回転方向および回転量を制御する。そして、このモータ駆動回路２５は、駆動信号出力部２４Ｄから駆動信号（全閉）が入力されると、駆動モータ２６が図示しないリンク機構を介して可動ベーンレスディフューザプレート１２を第２回動位置に回動させるように駆動モータ２６の回転方向および回転量を制御する。

以下、バイパス孔開閉手段２０の制御装置２４が実行するバイパス孔開閉処理の手順を図８に示すフローチャートに沿って説明する。まず、ステップＳ１では、入口側エア圧力センサ２２から制御装置２４のコンプレッサ圧力比算出部２４Ａに流入空気圧Ｐｉｎの信号が入力され、続くステップＳ２では、出口側エア圧力センサ２３からコンプレッサ圧力比算出部２４Ａに流出空気圧Ｐｏｕｔの信号が入力される。そして、次のステップＳ３では、コンプレッサ圧力比算出部２４Ａによりコンプレッサの圧力比（Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ）が算出される。

続くステップＳ４では、コンプレッサ圧力比算出部２４Ａにより算出された圧力比（Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ）の信号がバイパス孔開閉部２４Ｂに入力され、次のステップＳ５では、エアフローセンサ２１からバイパス孔開閉部２４Ｂに吸入空気流量Ｑの信号が入力される。

すると、バイパス孔開閉部２４Ｂは、ステップＳ６でデータマップ２４Ｃをルックアップすることにより、コンプレッサの吸入空気流量Ｑおよび圧力比（Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ）に対応する作動領域が図４に二点鎖線で示したサージラインの右側近傍のサージ限界付近にあるか否かを判定し（Ｓ７）、その判定信号を駆動信号出力部２４Ｄに出力する。

ここで、ステップＳ７の判定結果がＹＥＳであれば、続くステップＳ８で駆動信号出力部２４Ｄが駆動信号（全開）をモータ駆動回路２５に出力する。これにより、駆動モータ２６が図示しないリンク機構を介して可動ベーンレスディフューザプレート１２を第１回動位置に回動させる。その結果、図５および図６に示した固定ベーンレスディフューザプレート１１の各バイパス孔１１Ａが全開とされる。

一方、ステップＳ７の判定結果がＮＯであれば、ステップＳ９で駆動信号出力部２４Ｄが駆動信号（全閉）をモータ駆動回路２５に出力する。これにより、駆動モータ２６が図示しないリンク機構を介して可動ベーンレスディフューザプレート１２を第２回動位置に回動させる。その結果、図５および図６に示した固定ベーンレスディフューザプレート１１の各バイパス孔１１Ａが全閉とされる。

このように、図５に示したターボチャージャ１０のコンプレッサ（第１実施形態の遠心圧縮機）においては、その作動領域が図４に二点鎖線で示したサージラインの右側近傍のサージ限界付近にない場合、固定ベーンレスディフューザプレート１１の各バイパス孔１１Ａが全閉とされる。このため、コンプレッサホイール６の基端部外周からスクロール流路３Ａに向けて圧送される吸入空気は、固定ベーンレスディフューザプレート１１の各バイパス孔１１Ａからスクロール流路３Ａに不用意に流出することがなく、環状の空気流路３Ｂを内周側から外周側へ向けて確実に通過し、その過程で徐々に流速が低下して圧力が効率的に上昇する。

これに対し、図５に示したターボチャージャ１０のコンプレッサ（第１実施形態の遠心圧縮機）の作動領域が図４に二点鎖線で示したサージラインの右側近傍のサージ限界付近にある場合には、固定ベーンレスディフューザプレート１１の各バイパス孔１１Ａが全開とされる。このため、局所的に圧力の高い失速セルが可動ベーンレスディフューザプレート１２付近に発生した場合、圧力の高い失速セルは、可動ベーンレスディフューザプレート１２に沿って旋回しつつその複数のバイパス孔１２Ａおよび固定ベーンレスディフューザプレート１１の複数のバイパス孔１１Ａを通過してスクロール流路３Ａに流出する。従って、可動ベーンレスディフューザプレート１２付近に発生する失速セルに起因するサージングが効果的に抑制される。

このようにサージングが抑制されるため、図５に示したターボチャージャ１０のコンプレッサ（第１実施形態の遠心圧縮機）では、図４に示したサージラインが二点鎖線で示す位置から実線で示す位置に向かって吸入空気量の少ない側へ移動する。従って、吸入空気量の少ない領域におけるエンジンの作動ラインは、点線で示す位置から実線で示す位置に向かって吸入空気量のより少ない側へ移動させることが可能となり、エンジンの作動領域をより低速側に拡大することが可能となる。

本発明に係る遠心圧縮機は、前述した各実施形態に限定されるものではない。例えば、図１に示したベーンレスディフューザプレートのバイパス孔の形状は、図２、図３に示した形状に限らず、適宜の形状に変更することができる。同様に、図５に示した固定ベーンレスディフューザプレートのバイパス孔および可動ベーンレスディフューザプレートのバイパス孔の形状も図６に示した形状に限らず、適宜の形状に変更することができる。

本発明の第１実施形態に係る係る遠心圧縮機をコンプレッサとして備えたターボチャージャの構造を示す断面図である。 図１に示したベーンレスディフューザプレートの正面図である。 図１に示したベーンレスディフューザプレートの変形例を示す正面図である。 図１に示したターボチャージャのコンプレッサの作動特性を示す線図である。 本発明の第２実施形態に係る係る遠心圧縮機をコンプレッサとして備えたターボチャージャの構造を示す断面図である。 図５に示した固定ベーンレスディフューザプレートおよび可動ベーンレスディフューザプレートの正面図である。 図５に示したターボチャージャに設けられたバイパス孔開閉手段の構成を示すブロック図である。 図７に示したバイパス孔開閉手段の処理手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１…ターボチャージャ、２…タービンハウジング、３…コンプレッサハウジング、３Ａ…スクロール流路、３Ｂ…空気流路、３Ｃ…バックプレート、４…センターハウジング、５…タービンホイール、６…コンプレッサホイール、９…ベーンレスディフューザプレート、９Ａ…バイパス孔、１０…ターボチャージャ、１１…固定ベーンレスディフューザプレート、１１Ａ…バイパス孔、１２…可動ベーンレスディフューザプレート、１２Ａ…バイパス孔、２０…バイパス孔開閉手段、２４…制御装置。

Claims (3)

1. コンプレッサハウジング内のコンプレッサホイールの外周とその周囲のスクロール流路との間に環状の気体流路を形成するためのベーンレスディフューザプレートを備えた遠心圧縮機であって、
   前記ベーンレスディフューザプレートには、前記気体流路とスクロール流路とを連通するバイパス孔が設けられていることを特徴とする遠心圧縮機。
2. 請求項１に記載の遠心圧縮機であって、前記バイパス孔がベーンレスディフューザプレートの全周にわたって複数設けられていることを特徴とする遠心圧縮機。
3. 請求項１または２に記載の遠心圧縮機であって、そのサージ限界付近の作動領域でのみ前記バイパス孔を開き、それ以外の作動領域では前記バイパス孔を閉じるように構成されたバイパス孔開閉手段を備えていることを特徴とする遠心圧縮機。

Images