(57)【要約】【課題】サージングを抑制しつつコンプレッサにて圧送可能な吸気量を増加させることが可能な内燃機関用ターボ過給機を提供する。【解決手段】コンプレッサハウジング１１と、コンプレッサハウジング１１内に設けられ、複数のブレード１４を有するコンプレッサホイール１３と、を備えた内燃機関１用ターボ過給機１０において、圧縮空気を供給する圧縮機２０と、コンプレッサホイール１３の各ブレード１４間に形成された複数の吸気流路１５に圧縮機２０から供給された圧縮空気が各吸気流路１５の途中からそれぞれ供給されるように空気導入口１１ａがコンプレッサハウジング１１に設けられ、空気導入口１１ａと圧縮機とが空気導入通路２３で連通されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンプレッサハウジングと、前記コンプレッサハウジング内に設けられ、複数のブレードを有するコンプレッサホイールと、を備えた内燃機関用ターボ過給機において、
圧縮空気を供給する圧縮機と、前記コンプレッサホイールの各ブレード間に形成された複数の吸気流路に前記圧縮機から供給された圧縮空気が各吸気流路の途中からそれぞれ供給されるように前記コンプレッサハウジングに設けられた空気導入口と前記圧縮機とを連通する空気導入通路と、を備えていることを特徴とする内燃機関用ターボ過給機。
【請求項２】
前記空気導入口は、各吸気流路にそれぞれ設定され、各吸気流路の入口のスロート部を通過した吸気が次に流入する所定領域に圧縮空気が供給されるように前記コンプレッサハウジングに設けられていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用ターボ過給機。
【請求項３】
前記内燃機関の吸気量を取得する吸気量取得手段と、前記吸気量取得手段により取得された吸気量が予め設定した所定値より大きい場合に前記複数の吸気流路に圧縮空気が供給されるように前記圧縮機の動作を制御する動作制御手段と、をさらに備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関用ターボ過給機。
【請求項４】
前記圧縮機は電動式圧縮機であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関用ターボ過給機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気エネルギを利用して過給する内燃機関用ターボ過給機に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ過給機と並列に又は直列に接続された補助的コンプレッサを備える過給型内燃機関が知られている（特許文献１参照）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２〜５が存在する。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−０２１５７３号公報
【特許文献２】実開昭６１−１９０４４２号公報
【特許文献３】特開平０１−３０１９２０号公報
【特許文献４】特開平０７−１８９７１６号公報
【特許文献５】特開２００２−３３９７５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ターボ過給機のコンプレッサに設けられるコンプレッサホイールには圧送可能な吸気量の上限値、いわゆるチョーク流量が存在する。このチョーク流量は、コンプレッサホイールに設けられた複数のブレード間に形成される流路の流路断面積によって規定される。流路断面積を増加させることによってチョーク流量を増加させることができるが、この場合はサージングが発生し易くなる。上述した従来の内燃機関においては、過渡応答性の向上やサージングの発生抑制を目的としており、ターボ過給機のコンプレッサにて圧送可能な吸気量を増加させることは考慮されていない。
【０００５】
そこで、本発明は、サージングを抑制しつつコンプレッサにて圧送可能な吸気量を増加させることが可能な内燃機関用ターボ過給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】
【０００６】
本発明の内燃機関用ターボ過給機は、コンプレッサハウジングと、前記コンプレッサハウジング内に設けられ、複数のブレードを有するコンプレッサホイールと、を備えた内燃機関用ターボ過給機において、圧縮空気を供給する圧縮機と、前記コンプレッサホイールの各ブレード間に形成された複数の吸気流路に前記圧縮機から供給された圧縮空気が各吸気流路の途中からそれぞれ供給されるように前記コンプレッサハウジングに設けられた空気導入口と前記圧縮機とを連通する空気導入通路と、を備えていることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。
【０００７】
本発明のターボ過給機によれば、吸気流路内に直接圧縮空気を供給することができるので、吸気流路の流路断面積にて規定されるチョーク流量よりも多くの吸気流量を圧送することができる。また、吸気流路内に直接圧縮空気を供給するので、吸気流路の流路断面積を小さくしてコンプレッサホイールを小型化できる。これにより、サージ限界を改善できるので、サージングの発生を抑制できる。さらにターボ過給機の容量を小さくできるので、搭載性を向上させることができる。
【０００８】
本発明のターボ過給機の一形態において、前記空気導入口は、各吸気流路にそれぞれ設定され、各吸気流路の入口のスロート部を通過した吸気が次に流入する所定領域に圧縮空気が供給されるように前記コンプレッサハウジングに設けられていてもよい（請求項２）。コンプレッサに流入する吸気量が増加して各吸気流路を流れる吸気量が増加すると、スロート部において衝撃波が発生し、所定領域における圧力がその前後の圧力よりも低下する。この形態では、この所定領域に圧縮空気が供給されるように空気導入口が設けられるので、所定領域の圧力が低下した時に圧縮空気を導入することにより、圧縮機の仕事を低減でき、圧縮機にて消費されるエネルギを低減できる。
【０００９】
本発明のターボ過給機の一形態においては、前記内燃機関の吸気量を取得する吸気量取得手段と、前記吸気量取得手段により取得された吸気量が予め設定した所定値より大きい場合に前記複数の吸気流路に圧縮空気が供給されるように前記圧縮機の動作を制御する動作制御手段と、をさらに備えていてもよい（請求項３）。このように圧縮機の動作を制御することにより、圧縮機による無駄な圧縮空気の供給を防止できる。そのため、圧縮機の仕事をさらに低減し、圧縮機にて消費されるエネルギをさらに低減できる。
【００１０】
本発明のターボ過給機の一形態において、前記圧縮機は電動式圧縮機であってもよい（請求項４）。この場合、内燃機関の運転状態に拘わらず圧縮機を動作させて適切な量の圧縮空気をターボ過給機に供給することができる。
【発明の効果】
【００１１】
以上に説明したように、本発明の内燃機関用ターボ過給機によれば、コンプレッサホイールに形成された複数の吸気流路に直接圧縮空気を供給するので、吸気流路の流路断面積にて規定されるチョーク流量よりも多くの吸気流量を圧送できる。また、各吸気流路の流路断面積を小さくしてコンプレッサホイールを小型化できるので、サージ限界を改善してサージングの発生を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本発明の一形態に係るターボ過給機が組み込まれた内燃機関を示す概略図である。図１の内燃機関（以下、エンジンと呼ぶこともある。）１は、車両に走行用動力源として搭載されるもので、機関本体２と吸気通路３と排気通路４とを備えている。吸気通路３には、ターボ過給機１０のコンプレッサ１０ａと圧縮された吸気を冷却するためのインタークーラ５が設けられ、排気通路４にはターボ過給機１０のタービン１０ｂが設けられている。
【００１３】
また、エンジン１は、ターボ過給機１０とは別に空気を圧縮する圧縮機２０を備えている。圧縮機２０は、その駆動軸２０ａに連結された電動モータ２１によって駆動される。また、圧縮機２０は、吸気通路３から分岐する分岐通路２２を介して吸気を吸い込み、空気導入通路２３を介してターボ過給機１０のコンプレッサ１０ａ内に直接圧縮空気を供給する。空気導入通路２３には、空気導入通路２３を開閉するバルブ２４が設けられている。
【００１４】
図２はターボ過給機１０のコンプレッサ１０ａの一部を拡大した図である。図２に示したようにコンプレッサ１０ａは、コンプレッサハウジング１１と、コンプレッサハウジング１１内に回転軸１２を中心として回転自在に設けられるコンプレッサホイール１３とを備えている。図３に吸気の流れ方向上流側、すなわち図２の左側から見たコンプレッサホイール１３の一部を示す。図３に示したようにコンプレッサホイール１３には複数のブレード１４が設けられ、各ブレード１４の間には吸気流路１５がそれぞれ形成される。図２に示したように、コンプレッサハウジング１１には空気導入口１１ａが設けられており、空気導入口１１ａは空気導入通路２３によって圧縮機２０と連通されている。また、図２に示したように空気導入口１１ａは、各吸気流路１５の入口のスロート部１５ａの直ぐ下流に設定された負圧領域１５ｂ、言い換えるとスロート部１５ａを通過した吸気が次に流入する負圧領域１５ｂに圧縮空気が供給されるように設けられている。すなわち、負圧領域１５ｂが本発明の所定領域に相当する。
【００１５】
圧縮機２０及びバルブ２４の動作は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）３０によってそれぞれ制御される。ＥＣＵ３０は、マイクロプロセッサ及びその動作に必要なＲＡＭ、ＲＯＭ等の周辺機器を含んだコンピュータとして構成され、各種センサから入力される信号に基づいてエンジン１の運転状態を制御する周知のコンピュータユニットである。ＥＣＵ３０には、例えば吸気量に対応した信号を出力する吸気量取得手段としての吸気量センサ３１などが接続される。なお、ＥＣＵ３０にはこの他にも種々のセンサが接続されるが図示を省略した。
【００１６】
図４は、ＥＣＵ３０がエンジン１の運転中に所定の周期で繰り返し実行する圧縮機制御ルーチンを示している。図４の制御ルーチンにおいてＥＣＵ３０は、まずステップＳ１１で吸気量などのエンジン１の運転状態を取得する。次のステップＳ１２においてＥＣＵ３０は、エンジン１の吸気量が所定の閾値より大きいか否か判断する。所定の閾値としては、例えばコンプレッサホイール１３の形状にて規定されるチョーク流量が設定される。なお、チョーク流量は、ターボ過給機１０の特性及びエンジン１の特性によって変化するので、所定の閾値は本発明を適用するエンジン１及びターボ過給機１０に応じて適宜設定される。また、チョーク流量はターボ過給機１０の回転数に応じて変化するため、所定の閾値をターボ過給機１０の回転数に応じて適宜変更してもよい。
【００１７】
吸気量が所定の閾値より大きいと判断した場合はステップＳ１３に進み、ＥＣＵ３０は圧縮機２０を起動するとともにバルブ２４を開ける。なお、既に圧縮機２０が起動され、バルブ２４が開けられていた場合はその状態を維持する。その後、今回の制御ルーチンを終了する。一方、吸気量が閾値以下と判断した場合はステップＳ１４に進み、ＥＣＵ３０は圧縮機２０を停止させるとともにバルブ２４を閉じる。その後、今回の制御ルーチンを終了する。
【００１８】
図５は、コンプレッサ１０ａの特性曲線の一例を示している。なお、図５の実線Ａ〜Ｃは、圧縮機２０にて圧縮空気を供給しているときの流量と圧力比との関係の一例を示し、点線Ｄ〜Ｆは、圧縮機２０にて圧縮空気を供給していないときの流量と圧力比との関係の一例を示している。また、図５の実線Ｓはサージングラインを示している。図５に示したように圧縮機２０から圧縮空気を供給することにより流量と圧力比との関係を点線Ｄ〜Ｆから実線Ａ〜Ｃに変化させることができるので、コンプレッサホイール１３の形状によって規定されるチョーク流量よりも多くの量の吸気を圧送することができる。
【００１９】
本発明のターボ過給機１０では、吸気流路１５内に直接圧縮空気を供給するので、吸気流路１５の流路断面積を小さくできる。そのため、コンプレッサホイール１３を小型化して図５のサージングラインＳを図５の左上方向に移動させることができる。これにより、コンプレッサ１０ａのサージ限界を改善してサージングの発生を抑制することができる。
【００２０】
コンプレッサ１０ａに流入する吸気量が多くなり、各吸気流路１５を流れる吸気量が増加するとスロート部１５ａで衝撃波が発生し、スロート部１５ａの直ぐ下流に設定された負圧領域１５ｂの圧力はその前後の圧力よりも低くなる。本発明のターボ過給機１０では、その負圧領域１５ｂに圧縮空気を供給するので、圧縮機２０の仕事を低減し、圧縮機２０にて消費されるエネルギを低減できる。
【００２１】
コンプレッサ１０ａの効率はコンプレッサ１０ａを通過した後の吸気の温度及び圧力比とそれぞれ相関を有しており、コンプレッサ１０ａを通過後の吸気の温度が低いほど、また圧力比が高いほど効率が改善される。本発明では、圧縮機２０にて圧縮空気を供給することにより図５に示したように大流量側での圧力比を改善してコンプレッサ１０ａの効率を改善できるので、コンプレッサ１０ａ内における吸気の温度の上昇を抑えてコンプレッサ１０ａ通過後の吸気の温度を低下させることができる。そのため、例えば吸気通路３にブローバイガスが戻されている場合は、このブローバイガスに含まれるオイルがコンプレッサハウジング１１内に付着してデポジットとなるオイルコーキングを抑制できる。
【００２２】
本発明では、エンジン１が最高出力付近で運転されている場合に圧縮機２０からの圧縮空気の供給が必要なようにコンプレッサホイール１３の形状及び所定の閾値を設定してもよい。このようにコンプレッサホイール１３の形状及び所定の閾値を設定することにより圧縮機２０の動作頻度を低下させることができる。これにより、圧縮機２０の耐久性及び信頼性を改善できる。
【００２３】
なお、図４の制御ルーチンを実行して圧縮機２０の動作を制御することにより、ＥＣＵ３０は本発明の動作制御手段として機能する。
【００２４】
図６は、本発明のターボ過給機１０の変形例を示している。なお、図６において図１と共通の部分には同一の符号を付して説明を省略する。図６に示した変形例では、エンジン１のクランク軸２ａによって圧縮機２０が駆動される。圧縮機２０の駆動軸２０ａとエンジン１のクランク軸２ａとは電磁クラッチ４０を介して連結されている。電磁クラッチ４０の動作はＥＣＵ３０によって制御される。ＥＣＵ３０は、吸気量が所定の閾値より大きい場合に電磁クラッチ４０をオン状態に切り替えてエンジン１のクランク軸２ａと圧縮機２０の駆動軸２０ａとを連結し、圧縮機２０を起動させる。一方、吸気量が所定の閾値以下の場合は電磁クラッチ４０をオフ状態に切り替えてエンジン１のクランク軸２ａと圧縮機２０の駆動軸２０ａとを切り離し、圧縮機２０を停止させる。なお、バルブ２４は図４の制御ルーチンと同様に制御される。このように電磁クラッチ４０の動作を制御することにより、この変形例においても図１に示したターボ過給機１０と同様の作用効果を得られる。
【００２５】
本発明は上述した形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、空気導入口１１ａを設ける位置は図２に示した位置に限定されない。コンプレッサホイールに形成された各吸気流路に圧縮空気を吸気流路の途中からそれぞれ供給できる位置に設けられていればよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一形態に係るターボ過給機が組み込まれた内燃機関を示す概略図。
【図２】ターボ過給機のコンプレッサの一部を拡大して示す図。
【図３】コンプレッサホイールを吸気の流れ方向上流側から見た図。
【図４】ＥＣＵが実行する圧縮機制御ルーチンを示すフローチャート。
【図５】本発明のターボ過給機の性能曲線の一例を示す図。
【図６】本発明のターボ過給機の変形例を示す図。
【符号の説明】
【００２７】
１  内燃機関
１０  ターボ過給機
１１  コンプレッサハウジング
１１ａ  空気導入口
１３  コンプレッサホイール
１４  ブレード
１５  吸気流路
１５ａ  スロート部
１５ｂ  負圧領域（所定領域）
２０  圧縮機
２３  空気導入通路
３０  エンジンコントロールユニット（動作制御手段）
３１  吸気量センサ（吸気量取得手段）
【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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