(57)【要約】【課題】応答性の高い遠心式圧縮機を提供する。【解決手段】流路から導入される低速流体を回転により圧縮して出力するインペラと、インペラより上流側から低速流体の流れに沿って低速流体よりも速い高速流体をインペラに対して供給する高速流体発生装置２６と、を備える遠心式圧縮機２２とする。【選択図】図１
2015137556.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路から導入される低速流体を回転により圧縮して出力するインペラと、
前記インペラより上流側から前記低速流体の流れに沿って前記低速流体よりも速い高速流体を前記インペラに対して供給する高速流体導入手段と、
を備える遠心式圧縮機。
【請求項２】
請求項１に記載の遠心式圧縮機であって、
高圧流体により駆動され、前記インペラに動力を与えるタービンをさらに備え、
前記高速流体導入手段は、前記タービンを駆動した流体を前記高速流体として前記インペラに対して供給する遠心式圧縮機。
【請求項３】
請求項２に記載の遠心式圧縮機であって、
前記高速流体導入手段は、前記タービンを駆動した流体の速度を上げて前記高速流体として前記インペラに対して供給するノズルを備える遠心式圧縮機。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の遠心式圧縮機であって、
前記高速流体導入手段は、前記高速流体の前記インペラへの流入角度を変化させる可変翼を備える遠心式圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遠心式圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ過給付エンジンでは、エンジンの排気ガスでタービンを駆動し、タービンと同軸に接続されたコンプレッサを回転させて吸入空気を圧縮してシリンダ内に供給する。これにより、シリンダ内の吸入空気密度が高くなり、より多くの燃料を燃焼できるようになり、単位排気量あたりのエンジン出力を高めることができる。
【０００３】
ターボ過給付エンジンの低速加速時には排気エネルギーが少ないため、減速後に再加速したとき等においてコンプレッサが機能するまでの遅延であるターボラグが生ずるおそれがある。すなわち、減速時にアクセルペダルを戻すと排気エネルギーが減少しタービン回転数が徐々に下がり、同時にスロットルバルブより上流の空気が行き場を無くして逆流し、コンプレッサの回転が妨げられる。その後、再加速のためにアクセルペダルを踏み込むと、タービン回転数が再び上昇し、コンプレッサが機能するまでの遅延時間が生じ、この間は十分な過給が行なえず、期待した機関出力を得られなくなる。
【０００４】
そこで、ターボラグを改善するため、外部動力をターボ過給機に加える技術が開示されている。例えば、外部動力として蓄圧タンクを備え、減圧弁を介して蓄圧タンクから高圧空気をターボ過給機のタービンに直接導入して排気ガスのエネルギーを増大させる技術が開示されている（特許文献１）。また、蓄圧タンクからの高圧空気をコンプレッサのケーシング内に直接噴射して回転をアシストする技術が開示されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４７３５４３４号公報
【特許文献２】特許第１９９２９９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、減圧弁を介して蓄圧タンクの圧縮空気を供給すると、減圧された圧力エネルギー分はエネルギーが有効に利用されない。また、コンプレッサの背圧が上がるので、アシストのための空気を大量に供給することができない。
【０００７】
さらに、圧縮空気をタービンに供給してアシストを行う場合、供給された空気は排気ガスと混合されて排出されるのでエンジンのシリンダを通過せず、燃料の燃焼に有効に利用されない。
【０００８】
また、コンプレッサのケーシングからインペラの途中へ圧縮空気を直接噴射する方法では、インペラでの仕事を完全に利用することができない。さらに、運転条件によっては、インペラの入り口からの主流空気の流れを堰き止めることになり、インペラでの仕事を低下させる。また、それを防ぐためには、圧縮空気の流入角度を調整する必要があり、そのための機構や制御システムが必要となる。
【０００９】
さらに、圧縮機のインペラとケーシングとの隙間（クリアランス）を通じて排気側から吸気側に向けて空気が逆流することに起因するサージング現象が生ずるおそれがある。特に、低速時には圧縮機のインペラを通過する空気量が少なくなるので、サージング現象が顕著となることが多い。
【００１０】
本発明は、上記課題を鑑み、簡潔なシステムにおいて効果的に流体圧縮を行う遠心式圧縮機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の１つの態様は、流路から導入される低速流体を回転により圧縮して出力するインペラと、前記インペラより上流側から前記低速流体の流れに沿って前記低速流体よりも速い高速流体を前記インペラに対して供給する高速流体導入手段と、を備える遠心式圧縮機である。
【００１２】
ここで、高圧流体により駆動され、前記インペラに動力を与えるタービンをさらに備え、前記高速流体導入手段は、前記タービンを駆動した流体を前記高速流体として前記インペラに対して供給することが好適である。
【００１３】
また、前記高速流体導入手段は、前記タービンを駆動した流体の速度を上げて前記高速流体として前記インペラに対して供給するノズルを備えることが好適である。
【００１４】
また、前記高速流体導入手段は、前記高速流体の前記インペラへの流入角度を変化させる可変翼を備えることが好適である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、応答性の高い遠心式圧縮機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態におけるエンジンシステムの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態における高速流体の導入方法の例を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態における高速流体による作用を説明する図である。
【図４】本発明の実施の形態における高速流体による翼面圧力の変化を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態におけるエンジンシステムの構成の別例を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態における高速流体の導入方法の別例を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態における高速流体による作用を説明する図である。
【図８】本発明の実施の形態における高速流体の導入方法の別例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の第１の実施の形態について説明する。第１の実施の形態に係るエンジンシステムは、図１に示すように、エンジン本体１０、エアクリーナ１２、インタークーラ１４、インテークマニホールド１６、エキゾーストマニホールド１８、排気タービン２０、圧縮機（遠心式圧縮機）２２、ロータシャフト２４及び高速流体発生装置２６を含んで構成される。
【００１８】
エアクリーナ１２及びインタークーラ１４を介してインテークマニホールド１６に空気が供給される。さらに、インテークマニホールド１６からエンジン本体１０のシリンダ１０ａの各々に空気が分配供給される。シリンダ１０ａには、燃料供給系（図示しない）から燃料が供給され、インテークマニホールド１６から供給された空気と混合されて燃焼する。燃料の燃焼によって生じた排気ガスは、シリンダ１０ａからエキゾーストマニホールド１８を介して排気される。
【００１９】
また、エンジンシステムには排気タービン２０及び圧縮機２２が設けられており、エアクリーナ１２から導入される空気を圧縮してインタークーラ１４へ供給する。具体的には、圧縮機２２は、図２に示すように、ケーシング３０内にロータシャフト２４に接続されたインペラ３２を収納した構成とされている。排気タービン２０からの動力はロータシャフト２４を介してインペラ３２に伝達され、インペラ３２が回転することによってケーシング３０の吸気口３４から空気を低速流体として吸い込んで圧縮して排気口３６から圧縮空気をインタークーラ１４へ供給する。
【００２０】
さらに、本実施の形態では、高速流体発生装置２６が設けられている。高速流体発生装置２６は、圧縮機２２に対して高速流体を供給できる高速流体導入手段として機能する。流体は、空気とすることが好適である。高速流体発生装置２６は、圧縮機２２によって吸気口３４から吸引される空気の流速よりも速い流速を有する高速流体を発生させ、圧縮機２２のインペラ３２の上流側、すなわち吸気口３４側から吸入空気の主流に沿って高速流体を供給する。高速流体の速さは、主流である吸入空気の速さよりも大きくし、音速を超えないことが好適である。
【００２１】
例えば、図２に示すように、ケーシング３０の吸気口３４に内管３４ａを設けて二重管構造とし、ケーシング３０と内管３４ａとの間からインペラ３２に直接当るように高速流体を導入する。
【００２２】
なお、図２では、高速流体及び吸入空気の流れを矢印で示した。また、流れが速いほど太い矢印で示した。
【００２３】
図３は、インペラ３２に対して高速流体を導入することによる効果を説明する図である。高速流体を導入しない場合、インペラ３２のブレード（インペラ翼）３２ａの周速Ｕに対して吸気された空気は空気速度Ｃ１で流入するのでインペラ３２の入口では相対速度Ｗ１となる。これに対して、高速流体を導入した場合、インペラ３２のブレード３２ａの周速Ｕに対して高速流体は空気速度Ｃ１よりも速い流体流速Ｃ２で流入するのでインペラ３２の入口では相対速度Ｗ２となる。相対速度Ｗ２は、相対速度Ｗ１よりもブレード３２ａに対する迎え角が角度θほど大きくなり、流体はブレード３２ａに強く衝突する。これにより、図４に示すように、インペラ３２の正圧面３２ｂと負圧面３２ｃ側との間に大きな圧力差が生じる。その結果、ブレード３２ａに回転方向のトルクが発生し、高速流体を導入しない場合に比べて加速応答性が改善される。
【００２４】
特に、低速加速時において圧縮機２２が機能するまでの遅延であるターボラグを小さくすることができる。これにより、エンジン本体１０に対して十分な過給を行うことができ、期待した機関出力を得ることができる。
【００２５】
なお、本実施の形態では、高速流体はインペラ３２の入口側から導入されるので、高速流体のエネルギーをインペラ３２に有効に利用することができる。さらに、インペラ３２の入口から吸引される空気の流れを堰き止めることなく、圧縮機２２からエンジン本体１０へ圧縮空気を効果的に供給することが可能となる。
【００２６】
さらに、圧縮機２２のインペラ３２とケーシング３０との隙間（クラアランス）を通じた空気の逆流を抑制でき、さらにはサージング現象の発生を抑制することができる。
【００２７】
また、エアクリーナ１２からケーシング３０と内管３４ａの隙間へと空気を供給できるようにバルブ２８を設けてもよい。バルブ２８を設けることによって、高速流体発生装置２６から高速流体を導入しないときにはバルブ２８を開状態とすればケーシング３０と内管３４ａの隙間からインペラ３２へ空気を吸気することができる。一方、高速流体発生装置２６から高速流体を導入するときにはバルブ２８を閉状態とすればエアクリーナ１２からケーシング３０と内管３４ａの隙間への空気の流れを止めることができる。
【００２８】
高速流体発生装置２６は、図５に示すように、補助圧縮流体供給装置４０、逆止弁４２、蓄圧タンク４４、流量調整電磁弁４６、駆動タービン４８、ロータシャフト５０、ワンウェイクラッチ５２及び制御装置５４を含んで構成することができる。
【００２９】
補助圧縮流体供給装置４０は、例えば、圧縮ポンプやターボ圧縮機などの流体の圧縮手段を備える。補助圧縮流体供給装置４０によって圧縮された流体は、逆止弁４２を介して、蓄圧タンク４４に高圧状態で蓄えられる。逆止弁４２は、蓄圧タンク４４に蓄えられた圧縮流体が補助圧縮流体供給装置４０へ逆流しないようにする弁である。
【００３０】
蓄圧タンク４４に蓄えられた圧縮流体は、流量調整電磁弁４６を介して高圧流体として駆動タービン４８に供給される。流量調整電磁弁４６は、制御装置５４の制御によって駆動タービン４８に供給される圧縮流体の流量を調整する。流量調整電磁弁４６が閉状態である場合、蓄圧タンク４４から駆動タービン４８へ圧縮流体は供給されない。流量調整電磁弁４６が開状態である場合、蓄圧タンク４４から駆動タービン４８へ圧縮流体が供給される。駆動タービン４８は、流量調整電磁弁４６の開度（開きの度合い）に応じた流量の圧縮流体によって駆動される。
【００３１】
駆動タービン４８はワンウェイクラッチ５２を介してロータシャフト５０によって排気タービン２０、あるいは遠心圧縮機２２に結合されており、駆動タービン４８の回転数が排気タービン２０の回転数より高い場合のみ駆動タービン４８の回転に排気タービン２０の回転を連動させるように構成されている。ワンウェイクラッチ５２は、圧縮機２２の応答性が必要とされないときには駆動タービン４８が排気タービン２０及び圧縮機２２の抵抗とならないようにするために設けられている。
【００３２】
このような構成によって、低速加速時のようにエンジン本体１０からの排気ガスの排出量が少ない状態であっても圧縮機２２のインペラ３２の回転数を高めることができ、エンジン本体１０へ圧縮空気を効果的に供給することができる。
【００３３】
さらに、駆動タービン４８の排気流体を圧縮機２２に導入する流路５６が設けられている。これによって、駆動タービン４８から排気された高速の流体が圧縮機２２に供給される。その結果、インペラ３２のブレード３２ａに回転方向のトルクが発生して加速応答性が改善される。また、ターボラグを小さくすることができ、機関出力を十分に得ることができる。
【００３４】
流路５６には、駆動タービン４８から排気される流体の流速を上げるためにノズル５８を設けてもよい。ノズル５８を設けることによって、駆動タービン４８からの流体の流速を上げることができ、インペラ３２のブレード３２ａに回転力を高めることができる。
【００３５】
なお、本実施の形態では、流路５６には減圧弁を設けないことが好適である。減圧弁を介して圧縮空気を供給すると、減圧された圧力エネルギーが有効に利用されなくなるからである。
【００３６】
また、高速流体の流路に流路に対して角度が変更できる可変ブレード（可変翼）を設け、高速流体がインペラ３２のブレード３２ａに衝突する角度を制御できるようにしてもよい。例えば、図６に示すように、ケーシング３０と内管３４ａとによって形成される高速流体の流路に、流路に対して回転可能な可変ブレード６０を周方向に沿って複数配置した構成とする。可変ブレード６０を流路に対して回転させることによって、流路を流れる高速流体の流れを流路の周方向に沿って変化させることができる。
【００３７】
これによって、図７に示すように、可変ブレード６０が設けられていない構成において流体流速Ｃ２で流入していた高速流体に旋回を与えることができ、高速流体の流入角度を変えてインペラ３２のブレード３２ａに対して流体流速Ｃ３で流入するようにすることができる。インペラ３２のブレード３２ａの周速Ｕに対して高速流体は空気速度Ｃ１よりも速く、流体流速Ｃ２より可変ブレード６０に対して大きな迎え角である流体流速Ｃ３で流入するのでインペラ３２の入口では相対速度Ｗ３となる。相対速度Ｗ３は、相対速度Ｗ２よりもブレード３２ａに対する迎え角が大きくなり、流体はブレード３２ａに強く衝突する。したがって、インペラ３２の正圧面と負圧面側との間の圧力差はより大きくなり、ブレード３２ａに対する回転方向のトルクも大きくなり、可変ブレード６０により高速流体を旋回させない場合に比べて加速応答性が改善される。
【００３８】
また、インペラ３２へ高速流体を導入するための流路には、図８に示すように、インペラ３２への導入直前に吸気口の外側から内側へ向けて細く絞られる傾斜部３０ａを設けてもよい。なお、高速流体によって空気の流れが邪魔されることを防ぐために、傾斜部３０ａの傾斜角度はできるだけ緩やかにすることが好適である。
【００３９】
このように傾斜部３０ａを設けることによって、エアクリーナ１２から圧縮機２２へ吸引される空気の流路の幅Ｄ１をインペラ３２への導入口の幅Ｄ２と略等しく保ちつつ、高速流体発生装置２６からの高速流体をインペラ３２の外周部に導入することが可能となる。また、吸引される空気の流路の幅Ｄ１を従来の圧縮機のものと同程度にすることができるので、高速流体発生装置２６から高速流体を導入しない状態においても圧縮機２２によって吸引される空気の流量を従来に比べて低下させることがなくなる。
【符号の説明】
【００４０】
１０  エンジン本体、１０ａ  シリンダ、１２  エアクリーナ、１４  インタークーラ、１６  インテークマニホールド、１８  エキゾーストマニホールド、２０  排気タービン、２２  （遠心式）圧縮機、２４  ロータシャフト、２６  高速流体発生装置、２８  バルブ、３０  ケーシング、３０ａ  傾斜部、３２  インペラ、３２ａ  ブレード（インペラ翼）、３４  吸気口、３４ａ  内管、３６  排気口、４０  補助圧縮流体供給装置、４２  逆止弁、４４  蓄圧タンク、４６  流量調整電磁弁、４８  駆動タービン、５０  ロータシャフト、５２  ワンウェイクラッチ、５４  制御装置、５６  流路、５８  ノズル、６０  可変ブレード（可変翼）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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