(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、より良好な過給効果を得ることのできる可変容量コンプレッサを提供すること。【解決手段】  本発明の可変容量コンプレッサ２は、コンプレッサホイール２ｂを回転させて過給を行うもので、コンプレッサホイール２ｂの回転軸方向に沿ってコンプレッサホイール２ｂの上流側に配設された吸気通路７内に、コンプレッサホイール２ｂに近接して筒状の内管２ｃが配設されており、この内管２ｃ内の流路面積を変更する弁２ｅが内管２ｃ内に配設されていることを特徴としている。【選択図】      図２
2006112323.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンプレッサホイールを回転させて過給を行う可変容量コンプレッサであって、
前記コンプレッサホイールの回転軸方向に沿って該コンプレッサホイールの上流側に配設された吸気通路内に、該コンプレッサホイールに近接して筒状の内管が配設されており、前記内管内の流路面積を変更する弁が該内管内に配設されていることを特徴とする可変容量コンプレッサ。
【請求項２】
請求項１に記載の可変容量コンプレッサによって吸入空気の過給を行う内燃機関であって、
前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、前記運転状態検出手段によって検出された運転状態に応じて前記弁を制御する弁制御手段とを備えていることを特徴とする内燃機関。
【請求項３】
前記コンプレッサホイールが、前記内燃機関の排気流によって回転されるタービンホイールと回転軸を共有してターボチャージャを構成しており、
前記弁制御手段は、前記内燃機関の低負荷時に前記弁を制御して前記内管の流路面積を減ずることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記コンプレッサホイールの回転軸端部の上流側に位置する前記内管の内部に、円錐状の整流部材が配設されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記弁制御手段が、前記運転状態検出手段によって検出された運転状態に応じて、第一開度と該第一開度よりも開度の小さい第二開度との少なくとも二つの開度を切り替え制御するもので、第一開度から第二開度への切り替えと第二開度から第一開度への切り替えとの間にヒステリシスを設けて制御を行うことを特徴とする請求項２〜４の何れか一項に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンプレッサホイールを回転させて過給を行う可変容量コンプレッサと、可変容量コンプレッサを備えた内燃機関とに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関などでは、燃費向上や出力向上のためにより多くの空気を取り入れるためのコンプレッサ（過給機）が用いられている。車両に搭載される内燃機関（エンジン）などでは、排気エネルギーを利用するターボチャージャなどがよく利用されている（［特許文献１］など）。
【特許文献１】実開昭６４−２９２２７号公報
【０００３】
上述したターボチャージャのコンプレッサなどでは、低負荷（低速）から高負荷（高速）までの広い範囲で過給効果を確保する必要がある。このとき、吸入空気量の少ない低負荷時に合わせてコンプレッサのサイズ（容量）を決めてしまうと、レスポンスはよくなるが高負荷時にはチョークが生じて良好な過給効果が得られなくなってしまう。このため、吸入空気量の多い高負荷時での性能を確保するようにコンプレッサのサイズ（容量）が決定される。この結果、低負荷時のレスポンス（過給立ち上がり）はある程度遅くなることは許容せざるを得ない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したように、排気エネルギーが弱い低負荷時にはターボチャージャの容量との関係から、過給効果（過給圧・過給レスポンス）が得られないため、さらなる改善が要望されている。この点を改善するものとしてはバリアブルノズルターボなどもあるが、本発明はできるだけ簡便な構造、ただし、これまでにない新規な構造によって、上述した改善が要望される点に対処しようとするものである。なお、ターボチャージャのような排気エネルギーを利用するものではなく、単なるコンプレッサを考えた場合でも、吸気流速をより速くすることでさらなる過給効果を得られる。従って、本発明の目的は、より良好な過給効果を得ることのできる可変容量コンプレッサ、あるいは、低負荷から高負荷までの全域にわたってより良好な過給効果を得ることのできる内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１に記載の可変容量コンプレッサは、コンプレッサホイールを回転させて過給を行うもので、コンプレッサホイールの回転軸方向に沿ってコンプレッサホイールの上流側に配設された吸気通路内に、コンプレッサホイールに近接して筒状の内管が配設されており、この内管内の流路面積を変更する弁が内管内に配設されていることを特徴としている。
【０００６】
請求項２に記載の内燃機関は、請求項１に記載の可変容量コンプレッサによって吸入空気の過給を行うもので、内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、運転状態検出手段によって検出された運転状態に応じて弁を制御する弁制御手段とを備えていることを特徴としている。
【０００７】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の内燃機関において、コンプレッサホイールが、内燃機関の排気流によって回転されるタービンホイールと回転軸を共有してターボチャージャを構成しており、弁制御手段は、内燃機関の低負荷時に弁を制御して内管の流路面積を減ずることを特徴としている。なお、内燃機関が低負荷で運転されていることは運転状態検出手段によって検出される。
【０００８】
請求項４に記載の発明は、請求項２又は３に記載の内燃機関において、コンプレッサホイールの回転軸端部の上流側に位置する内管の内部に、円錐状の整流部材が配設されていることを特徴としている。
【０００９】
請求項５に記載の発明は、請求項２〜４の何れか一項に記載の内燃機関において、弁制御手段が、運転状態検出手段によって検出された運転状態に応じて、第一開度と第一開度よりも開度の小さい第二開度との少なくとも二つの開度を切り替え制御するもので、第一開度から第二開度への切り替えと第二開度から第一開度への切り替えとの間にヒステリシスを設けて制御を行うことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に記載の可変容量コンプレッサによれば、コンプレッサホイールに近接して配設された筒状の内管の内側の流路面積を変更することができる、即ち、内管の内側の流路面積を減じることで、コンプレッサホイールへの流路面積全体も減じることができる。この結果、内管の外側を通過した気流の流速を速めて、内管直後のコンプレッサホイールの外周側に吹き付けることで、サージの発生を抑制しつつより効果的な過給効果を得ることができる。
【００１１】
請求項２に記載の内燃機関によれば、内燃機関の運転状態に応じて弁の絞り制御を行うことで、内燃機関の運転領域の全域で良好な過給効果を得ることができる。
【００１２】
請求項３に記載の内燃機関によれば、特に、コンプレッサがターボチャージャのコンプレッサである場合には、排気流速が遅く、流量の少ない低負荷域に内管内側の流路面積を減じることで、吸気流速を速めて良好な過給効果を得ることができる。
【００１３】
請求項４に記載の内燃機関によれば、コンプレッサホイールの回転軸端部の上流側に整流部材を配設することで、吸入空気を回転軸端部ではなくその外側の翼部分に導いて、吸気抵抗を低減しつつコンプレッサホイールの回転による過給に有効に利用されるようにし、過給効果を向上させることができる。
【００１４】
請求項５に記載の内燃機関によれば、第一開度から第二開度への切り替えと第二開度から第一開度への切り替えとの間にヒステリシスを設けることで、バルブの開閉制御が頻繁に行われてしまうことが防止でき、安定した過給圧制御を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の可変容量コンプレッサ及び内燃機関の一実施形態について以下に説明する。図１に、本実施形態の内燃機関（エンジン）１の構成を示す。エンジン１は、ターボチャージャ付四気筒直列ガソリンエンジンである。エンジン１は、車両に搭載され、車両を走行させる駆動力を発生する。図１には、エンジン１の一気筒の断面のみが示されている。追って詳しく説明するターボチャージャ２以外は、通常のガソリンエンジンと同様であるため、ターボチャージャ２以外の部分の詳しい説明を省略する。ただし、エンジン１は、ＥＣＵ３によってその制御全般が統括されており、ＥＣＵ６には、エンジン１の運転状態を検出する様々なセンサ類が接続されている。
【００１６】
本実施形態では、エンジン１の運転状態としてエンジン負荷を利用する。エンジン負荷は、吸入空気量とスロットルバルブ４の開度（スロットル開度）とから求められる。このため、吸入空気量を検出するエアフロメータ５及びスロットル開度を検出するスロットルポジションセンサ６がＥＣＵ３に接続されている。ターボチャージャ２は、通常のように、吸気通路７及び排気通路８との間に配設されている。ターボチャージャ２のタービンホイール２ａが排気流によって回され、これに伴ってタービンホイール２ａと繋がっているコンプレッサホイール２ｂが回されて過給が行われる。
【００１７】
ターボチャージャ２のコンプレッサホイール２ｂ側の拡大断面図を図２に示す。また、ターボチャージャ２を図２左方から見た図を図３に示す。ただし、図２には、タービンホイール２ａ及びコンプレッサホイール２ｂの回転軸部が収納されるブロックの図示が省略されている。また、図３には、コンプレッサホイール２ｂが収納されるブロックの図示が省略されている。コンプレッサホイール２ｂ自体は、通常のターボチャージャに用いられるものである。
【００１８】
本実施形態では、このコンプレッサホイール２ｂの直前に円筒状の内管２ｃが配設されている。この内管２ｃは、ターボチャージャ２に接続される吸気管（吸気通路７）の内部に、互いの中心軸を一致させた状態で配設されている。図２中の吸気管７ａは、ターボチャージャ２の一部として形成されている部分である。この吸気管７ａは、その中心軸がコンプレッサホイール２ｂの回転軸の延長線上に位置するように形成されており、内管２ｃの中心軸もコンプレッサホイール２ｂの回転軸の延長線上に位置している。
【００１９】
内管２ｃは、その外周から吸気管７ａの内面に対して放射状に均等に延設された三つのステー２ｄによって吸気管７ａの内部に固定されている。内管２ｃの内部には、内管２ｃ内の流路面積を変化させるバルブ（弁）２ｅが配設されている。バルブ２ｅは、回転軸に円板が取り付けられたスロットルバルブであり、バルブ２ｅの回転軸２ｆは、上述した三つのステー２ｄのうちの一つの中を通され、さらに吸気管７ａを貫通して吸気通路７の外部に導出されている。
【００２０】
吸気通路７の外部に導出された回転軸２ｆの端部にはレバー２ｇが取り付けられており、このレバー２ｇをアクチュエータ２ｈ（図１参照）で操作することでバルブ２ｅが開閉される。なお、レバー２ｇはワイヤなどを介して操作されてもよい。本実施形態の場合、バルブ２ｅは、通常時には全開状態となるようになされており、アクチュエータ２ｈによって全閉状態に制御される。アクチュエータ２ｈによる閉制御を解除すると、レバー２ｇに取り付けられたバネ（図示せず）の弾性復元力によって、バルブ２ｅは全開状態に復帰する。即ち、本実施形態のバルブ２ｅは、全開状態（第一開度）と全閉状態（第二開度）とを選択的に切り替えて使用される。このように、二つの開度を選択的に切り替えて使用するような構造とすれば、機構を簡潔にでき（例えば、アクチュエータ２ｈを安価なソレノイドで構成できる）、制御も行いやすい。
【００２１】
また、内管２ｃの下流側の端部は、コンプレッサホイール２ｂの直前まで延設されているが、その内径及び外径は吸気通路７の絞り込みに合わせて径を縮小させたテーパー状に形成されている。内管２ｃの後端は極力薄肉化されており、内管２ｃ後端での吸気流の乱れが極力発生しないように（特に、バルブ２ｅの開放時）なされている。吸気管７ａの内面と内管２ｃの外面との間には隙間が確保されており、コンプレッサホイール２ｂの上流側の最外周部がこの隙間に向いている。
【００２２】
さらに、コンプレッサホイール２ｂの回転軸の上流側端部のさらに上流側には、円錐状（流線型状）の整流部２ｉが配設されている。整流部２ｉは、カップ状の形態とされており、その内部にコンプレッサホイール２ｂの回転軸端部が収納されており、整流部２ｉの外面がコンプレッサホイール２ｂの翼部に滑らかに連続するようになされている。整流部２ｉは、その外周面から内管２ｃの内面に対して放射状に均等に延設された三つのステー２ｊによって内管２ｃの内部に固定されている。内管２ｃを吸気管７ａの内部に固定するステー２ｄや整流部２ｉを内管２ｃの内部に固定するステー２ｊは、極力薄い形状とされており、吸気流に対して平行となるように配設されている。
【００２３】
上述した構成のターボチャージャ２による過給について説明する。まず、低負荷（低速）時について説明する。低負荷時には吸入空気量が少ないため、吸入空気の流速が遅くなる傾向にある。流速が遅くなると、コンプレッサホイール２ｂの入口翼角度に対して吸入空気の流れが合わなくなって流れが剥離してしまい、いわゆるサージが発生しやすくなる。このため、本実施形態では、エアフロメータ５によって吸入空気量を検出する。或いは、エンジン回転数と共にスロットルポジションセンサ６によってスロットル開度を検出し、これらからエンジン負荷を求め、エンジン負荷が低負荷領域にあると判定された場合は、内管２ｃ内部のバルブ２ｅを全閉とする。
【００２４】
このようにすると、吸気通路７内の流路面積が減少されることによって、内管２ｃの外側を通る吸入空気の流速が上昇し、コンプレッサホイール２ｂの翼角に対して吸気流の相対角が大きくなり、サージが生じにくくなる。即ち、低負荷時に吸入空気量が減っても流速の低下を抑止し、サージが発生しない領域を広げることができる。また、このとき、内管２ｃの外側を通ってコンプレッサホイール２ｂに導入される吸入空気は、コンプレッサホイール２ｂの外周側に導入される。コンプレッサホイール２ｂは（角速度が一緒でも）内周側よりも外周側の方が線速度が速くてサージが生じやすいが、この部分に流速の上げられた吸気流を集中させることでサージを発生させずに過給を行う。
【００２５】
なお、内管２ｃとバルブ２ｅの隙間を通って吸気流が流れることもあるが、この流れは少なく希薄であり、最終的にはコンプレッサホイール２ｂに導入されて外径側の主流に吸収される。あるいは、吸気抵抗を低減する目的でバルブ２ｅの円板部分に小孔を設けてもよい。このような場合も、バルブ２ｅに設けた小孔を通って吸気流が流れるが、この流れは少なく希薄であり、最終的にはコンプレッサホイール２ｂに導入されて外径側の主流に吸収される。
【００２６】
一方、高負荷（高速走行）時には、バルブ２ｅを閉じたままであると、流路面積が制限されている状態であるためにチョークが生じてしまい、高負荷運転に対応できるほどの十分な吸入空気を流すことができない。そこで、上述したように検出したエンジン負荷が高負荷領域にあると判定された場合は、内管２ｃ内部のバルブ２ｅを全開とする。これにより、吸気管７ａの内部断面積のほぼ全体を流路面積として確保し、高負荷運転に十分な吸入空気量を確保して過給を行うことができる。
【００２７】
なお、バルブ２ｅは、内管２ｃの内部であっても、上流側の比較的内管２ｃの内径の大きい部分に設けられているのでバルブ２ｅ全開時の圧力損失が抑制され、空入空気量が多い時でも吸気抵抗の増大を最小限に抑制している。さらに、内管２ｃの内側にも吸入空気を流す高負荷時には、内管２ｃの内側を通過する吸入空気は、整流部２ｉによって整流されて流れを乱すことなく（吸気損失の増大を最小限に抑制しつつ）コンプレッサホイール２ｂに導かれる。
【００２８】
さらに、上述したバルブ２ｅの全開→全閉制御と全閉→全開制御との間にはヒステリシスが設けられている（それぞれの制御が実行される条件となる運転状態が異なるように設定されている）。これを図示したものが図４である。図４に示されるように、バルブ２ｅの全閉→全開制御が行われるエンジン負荷が、全開→全閉制御が行われる負荷よりも高く設定されている。このため、エンジン負荷が小さな範囲で増減するような場合に、バルブ２ｅの開閉が頻繁に行われてしまうようなことがなく、吸気を乱すことを抑制できる。
【００２９】
なお、本発明の内燃機関は、上述した実施形態に限定されない。例えば、上述した実施形態ではエンジン１の運転状態としてエンジン負荷を利用したが、運転状態を示す他の情報量が用いられてもよい。あるいは、エンジン負荷に加えて、回転数センサ９によって検出されるエンジン回転数も加味してエンジン１の運転状態を検出するなどしてもよい。回転数センサ９によって検出されるエンジン回転数のみによって弁の開閉を制御してもよい（この場合も、図４に示されるようにヒステリシスを設けることが好ましい）。なお、本発明はディーゼルエンジンに対しても適用可能であり、この場合は、回転数センサ９によって検出されるエンジン回転数と燃料噴射量とからエンジン負荷を検出しても良い。また、上述した実施形態では、バルブ（弁）２ｅは全開と全閉とを選択的に切り替えるものであったが、請求項５以外の発明に関しては、弁は開度がリニアに変えられるようなものであっても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の内燃機関の一実施形態の構成図である。
【図２】図１のエンジンにおけるターボチャージャ（コンプレッサホイール側）ユニットの断面図である。
【図３】図２のターボチャージャユニットの側面図である。
【図４】バルブ開閉とエンジン負荷（エンジン回転数）との関係を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３１】
１…エンジン（内燃機関）、２…ターボチャージャ（コンプレッサ）、２ａ…タービンホイール、２ｂ…コンプレッサホイール、２ｃ…内管、２ｅ…バルブ（弁）、２ｉ…整流部、３…ＥＣＵ（運転状態検出手段）、５…エアフロメータ（運転状態検出手段）、６…アクセルポジションセンサ（運転状態検出手段）、７ａ…吸気管、７…吸気通路、８…排気通路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2006112323.tif 000006