(57)【要約】【課題】インレット部にエルボ状に接続された上流管路を有する遠心圧縮機において、予旋回を制御しうる新規な手段を提供する。【解決手段】エルボ状に相互接続されたインレット部３と上流管路４との接続点の近傍に、板状の流路制御フラップ１０を旋回可能に設置する。流路制御フラップ１０の角度を変更することにより、従来のＶＩＧＶのような複雑な構造を用いることなく、インレット部３内の旋回流を制御することが可能になる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンプレッサホイールに臨んで形成されたインレット部と、前記インレット部の上流側に隣接し、前記インレット部にエルボ状に接続された上流管路とを備えた遠心圧縮機であって、
前記インレット部と前記上流管路との接続点の近傍に、板状の流路制御フラップが旋回可能に設置され、当該流路制御フラップによって前記インレット部内の旋回流が制御されることを特徴とする遠心圧縮機。
【請求項２】
請求項１に記載の遠心圧縮機であって、
給気流量および前記コンプレッサホイールの回転数に基づいて前記流路制御フラップを制御する制御手段を更に備えたことを特徴とする遠心圧縮機。
【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に臨んで形成されたインレット部と、このインレット部にエルボ状に接続された上流管路とを有する遠心圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、可変入口案内翼（Variable Inlet Guide Vane,以下ＶＩＧＶという）を有する遠心圧縮機が種々提案されている（例えば、特許文献１）。このＶＩＧＶは、遠心圧縮機のコンプレッサホイールの上流側に隣接するインレット部に、放射状に配置された複数の静翼を設置してなり、これら複数の静翼の傾き角を制御することで、コンプレッサホイールに流入する空気に予旋回を与えて、遠心圧縮機の流量特性を変化させている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１９０５５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、遠心圧縮機の配置上の理由などから、遠心圧縮機のインレット部に上流管路をエルボ状に接続する場合がある。このような構造では、たとえＶＩＧＶを設けても、エルボ状となった流路の形状に起因してインレット部内に生じる乱流により、予旋回を正確に制御することが困難になる場合がある。
【０００５】
そこで本発明の目的は、インレット部にエルボ状に接続された上流管路を有する遠心圧縮機において、予旋回を制御しうる新規な手段を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の本発明は、コンプレッサホイールに臨んで形成されたインレット部と、前記インレット部の上流側に隣接し、前記インレット部にエルボ状に接続された上流管路とを備えた遠心圧縮機であって、前記インレット部と前記上流管路との接続点の近傍に、板状の流路制御フラップが旋回可能に設置され、当該流路制御フラップによって前記インレット部内の旋回流が制御されることを特徴とする遠心圧縮機である。
【０００７】
第１の本発明では、エルボ状に相互接続されたインレット部と上流管路との接続点の近傍に、板状の流路制御フラップが旋回可能に設置されているので、この流路制御フラップの角度を変更することにより、従来のＶＩＧＶのような複雑な構造を用いることなく、インレット部内の旋回流を制御することが可能になる。
【０００８】
本発明では、給気流量および前記コンプレッサホイールの回転数に基づいて前記流路制御フラップを制御する制御手段を更に備えるのが好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の実施形態について、以下に図面に従って説明する。図１において、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機１は、自動車用内燃機関の過給機であるターボチャージャの一部として構成されている。遠心圧縮機１は、コンプレッサホイール２に臨んで形成されたインレット部３と、前記インレット部３の上流側に隣接し、前記インレット部３にエルボ状に接続された上流管路４とを備える。インレット部３は概ね円筒形であり、上流管路４の断面形状は概ね矩形である。上流管路４の断面形状の横寸法Ｄ（図２参照）は、インレット部３の内径Ｄと等しくされている。
【００１０】
コンプレッサホイール２は、ロータ軸を介して、不図示のタービンホイールに固定されている。ロータ軸はハウジング６に回転可能に保持されている。上流管路４の上流側は、スロットル弁およびエアクリーナを有する吸気経路を経て外気に連通している。コンプレッサホイールの下流側に設けられたスクロール部７は、不図示のエンジンの吸気ポートに連通している。
【００１１】
インレット部３と上流管路４との接続点の近傍には、単一の平板状の流路制御フラップ１０が旋回可能に設置されている。流路制御フラップ１０は概ね矩形であり、その下流側の端部で、ロータリアクチュエータ１１の旋回軸１２に固定されている。ロータリアクチュエータ１１としてはステップモータが好適に採用される。
【００１２】
旋回軸１２の軸線は、上流管路４内の流れ方向に平行な中心線４ａと、インレット部３の流れ方向であるロータ軸の軸線５ａとがなす中立面Ｍ（図２参照）に含まれ、且つ上流管路４の流れ方向４ａに概ね垂直である。流路制御フラップ１０は、中立面Ｍと一致し又は平行な中立姿勢をとることができる。また流路制御フラップ１０が旋回軸１２を中心に旋回した場合には、その先端部１０ａの変位に応じて、流路制御フラップ１０を挟む両側の流路Ｐ１，Ｐ２の実質的な開口面積の割合が変化する。したがって、流路制御フラップ１０を利用して、インレット部３内の旋回流Ｒｆの方向および速度を制御することができる。図２では、旋回流Ｒｆはコンプレッサホイール２の回転方向Ｒｗと同方向であり、これによってコンプレッサホイール２に予旋回を与えている状態が示されている。
【００１３】
インレット部３内に生じた旋回流とコンプレッサホイール２との相対流入角β（図示せず）は、上流管路４内の幾何的寸法を示す各固定値（インレット部３と上流管路４との交差角θ、インレット部の内径Ｄ、上流管路４の断面の縦寸法ａおよび横寸法Ｄ）と、変数であるコンプレッサホイール２の回転数Ｎｔ、上流管路４内の体積流量Ｑ、および流路制御フラップ１０が中立面Ｍに対してなす角度γを含む関数として求めることができる。したがって、実現したい相対流入角βが与えられれば、当該関数によって、現在のコンプレッサホイール２の回転数Ｎｔおよび体積流量Ｑに基づいて、流路制御フラップ１０の角度γを算出することができる。なお相対流入角βは、旋回流の周方向成分がコンプレッサホイール２に対してなす角である。
【００１４】
そのような関数は、例えば以下のように導出することができる。体積流量をＱとすると、コンプレッサホイール２に流入する軸流方向速度成分Ｃ１は式（１）で与えられる。
C1=Q/(π/4*D2)      ・・・（１）
【００１５】
上流管路４内におけるロータ軸に垂直な方向の速度成分Ｖ１は式（２）で与えられる。
V1=Q/(D*a)*sinθ      ・・・（２）
【００１６】
上流管路４内の流れが均一であると仮定して、流路制御フラップ１０の角度γの場合における流路Ｐ２を流れる流量は式（３）で、また流路Ｐ１で与えられる流量は式（４）で与えられる。  
Q2=(D/2+r*sinγ)/D*Q      ・・・（３）
Q1=(D/2-r*sinγ)/D*Q      ・・・（４）
【００１７】
流路Ｐ１，Ｐ２を通る流れは上流管路４の管壁に沿って流れ、インレット部３内で衝突する。ロータ軸に垂直な方向について、流路Ｐ１，Ｐ２を通る流れ乗り軌跡の差ΔＦは、密度をρとすると式（５）で与えられる。
ΔF=ρ*Q2*V1-ρ*Q1*V1=ρ*{(D/2+r*sinγ)/D*Q}*{Q/(D*a)*sinθ}-ρ*{(D/2-r*sinγ)/D*Q}*{Q/(D*a)*sinθ}      ・・・（５）
【００１８】
合流後の速度Ｖ１’は式（６）となる。
V1'=2*r*Q*sinγ*sinθ/(a*D)
【００１９】
回転によるコンプレッサホイール２の入口の旋回方向速度成分Ｕ１は、回転速度をＮｔとすると式（７）のとおりである。
U1=Nt*D*π      ・・・（７）
【００２０】
相対流入速度の周方向成分Ｗｒは式（８）のとおりである。
Wr=U1-V1'=Nt*D*π-2*r*Q*sinγ*sinθ/(a*D)      ・・・（８）
【００２１】
ゆえに相対流入角βは、式（９）のとおりとなる。この式（９）に基づいて、実現したい相対流入角βから、流路制御フラップ１０の角度γを算出することができる。
tanβ=Wr-C1= Nt*D*π-2*r*Q*sinγ*sinθ/(a*D)/{Q/(π/4*D2)}      ・・・（９）
【００２２】
ロータリアクチュエータ１１を制御する電子制御装置（ＥＣＵ）２１は、図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポートおよび不揮発性メモリ等を含むものである。ＥＣＵ２１の入力ポートには、ロータ軸の近傍に設置されロータ軸の回転数を検出する回転センサ２２、および吸気通路に設けられ吸入空気量を検出するエアフローメータ２３等の各種センサ類が、不図示のＡ／Ｄ変換器を介して接続されている。ＥＣＵ２１では、エンジンの状態を示すこれらの検出信号に基づいて夫々の値が算出され、後述のとおり処理される。ＥＣＵ２１の出力ポートには、不図示のＤ／Ａ変換器および駆動回路を介して、ロータリアクチュエータ１１が接続されている。
【００２３】
ＥＣＵ２１のＲＯＭには、圧縮機性能マップが格納されている。この圧縮機性能マップは、遠心圧縮機１内の吸気流量すなわち体積流量Ｑ、コンプレッサホイール２の前後の圧力比、およびこれらによって定義される座標平面中の領域ごとに予め定められた相対流入角βとの関係を示すものである。遠心圧縮機１は、この圧縮機性能マップにおいてサージラインＳＬよりも大流量側で運転される。
【００２４】
以上のとおり構成された本実施形態の動作の一例について説明する。図４において、まずＥＣＵ２１は、回転センサ２２によって検出される回転数（Ｓ１０）、およびエアフローメータ２３によって検出される吸入空気量（Ｓ２０）をそれぞれ読み込む。次に、これらの検出値に基づいて圧縮機性能マップを参照することにより、相対流入角βの目標値が算出される（Ｓ３０）。
【００２５】
ここで、図３に示されるように、サージラインに隣接する低速領域Ａでは、相対流入角βは、コンプレッサホイール２に予旋回を与える角度となるように、すなわちコンプレッサホイールの翼角と相対流入角とを一致させるように設定される。これは、低速領域でも流れの剥離を低減してサージの発生を抑制するためである。
【００２６】
また、遠心圧縮機１の効率のピーク領域を中心とした所定の高効率領域を含む中立領域Ｂでは、コンプレッサホイールの翼角と相対流入角とが一致しているので旋回流を発生しないよう、相対流入角βは中立位置に設定される。
【００２７】
また、高効率領域よりも大流量側の高速領域Ｃでは、相対流入角βは、コンプレッサホイール２に予旋回を与えるように設定される。これは、コンプレッサホイール２における衝撃波の発生を抑制するためである。
【００２８】
このようにして相対流入角βの目標値が設定されると、次にＥＣＵ２１は、設定された相対流入角βと、各種変数の現在値とに基づき、上記所定の関数により、流路制御フラップ１０の角度γの目標を算出すると共に、この目標値と現在値とが一致するように、ロータリアクチュエータ１１に対して制御出力を行う（Ｓ４０）。
【００２９】
以上の処理は、エンジンの運転中にわたって繰返し実行される。以上の処理の結果、本実施形態では、流路制御フラップ１０によってコンプレッサホイール２の予旋回が制御される。すなわち、流路制御フラップ１０の角度γは、サージラインに隣接する低速領域Ａ、および高効率領域よりも大流量側の高速領域Ｃではコンプレッサホイール２に予旋回を与えるように制御され、また中立領域Ａでは中立位置となるように制御される。その結果、遠心圧縮機１は、圧縮機性能マップにおいて作動線Ｏｐのとおり、サージラインＳＬよりも大流量側で運転されることになる。
【００３０】
以上のとおり、本実施形態では、エルボ状に相互接続されたインレット部３と上流管路４との接続点の近傍に、板状の流路制御フラップ１０が旋回可能に設置されているので、この流路制御フラップ１０の角度を変更することにより、従来のＶＩＧＶのような複雑な構造を用いることなく、インレット部３内の旋回流を制御することが可能になる。
【００３１】
また本実施形態では、給気流量およびコンプレッサホイール２の回転数に基づいて流路制御フラップ１０を制御するので、コンプレッサホイール２の運動を考慮した旋回流の制御が可能になる。
【００３２】
なお、上記実施形態では、本発明をある程度の具体性をもって説明したが、本発明については、特許請求の範囲に記載された発明の精神や範囲から離れることなしに、さまざまな改変や変更が可能であることは理解されなければならない。すなわち、本発明は特許請求の範囲およびその等価物の範囲および趣旨に含まれる修正および変更を包含するものである。例えば、上記実施形態では、インレット部３と上流管路４との交差角θを直角に近い角度としたが、本発明における交差角θはインレット部３と上流管路４とがエルボ状、すなわち０°より大きく９０°以下の範囲で交叉して接続された場合を広く含む。ただし、交差角θは４５°以上９０°以下、より好適には６０°以上９０°以下とすることができる。
【００３３】
また、上記実施形態では流路制御フラップ１０を概ね矩形の平板状としたが、本発明における流路制御フラップは矩形でなくてもよく、また曲面状でもよく、また断面形状は水滴形状など厚さが不均一であってもよい。また、上記実施形態では流路制御フラップをその下流側の端部を中心に旋回するようにしたが、流路制御フラップの旋回軸は該フラップの上流側の端部であっても、また流れ方向における中間部であってもよい。また上記実施形態では旋回軸１２の軸線を、上流管路４の流れ方向４ａに概ね垂直としたが、旋回軸の方向は例えばロータ軸の軸線５ａに一致させるなど、上記以外の方向としてもよい。さらに、上流管路４の断面形状は矩形でなくともよい。
【００３４】
また、上記実施形態では、流路制御フラップ１０の角度γにつき、サージラインに隣接する低速領域Ａ、および高効率領域よりも大流量側の高速領域Ｃではコンプレッサホイール２に予旋回を与えるように設定し、また高効率領域を含む中立領域Ｂでは中立位置に設定したが、このような設定は例示にすぎず、本発明における流路制御フラップの角度は、サージラインを変化させるように設定するなど、遠心圧縮機１の運転上の必要に応じて任意に設定・制御することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施形態に係る遠心圧縮機の概略構成を示す側面図である。
【図２】遠心圧縮機の正面図である。
【図３】圧縮機性能マップの設定例を示すグラフである。
【図４】ＥＣＵにおける制御の一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３６】
１      遠心圧縮機
２      コンプレッサホイール
３      インレット部
４      上流管路
７      スクロール部
１０    流路制御フラップ
１１    ロータリアクチュエータ
Ｒｆ    旋回流
Ｒｗ    コンプレッサホイールの回転方向
【図１】
2007211697.tif 000003
【図２】
2007211697.tif 000004
【図３】
2007211697.tif 000005
【図４】
2007211697.tif 000006