(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動車用エンジンのシリンダに接続した吸気通路の途中に遠心圧縮機を介在し、自動車用エンジンのシリンダに接続した排気通路の途中にガスタービンを介在し、排気通路を流れる排気ガスで回転するガスタービンと、吸気通路を流れる空気を圧縮する遠心圧縮機を連結し、自動車用エンジンのシリンダに高圧空気を供給する遠心圧縮機に、回転中の羽根車に流入する空気流に羽根車と同一方向の旋回を与える空気流旋回機構を旋回量調整可能に設けたエンジンの過給装置において、
自動車用エンジンの低速域では、遠心圧縮機は、羽根車に流入する空気流に与える旋回を大きくし、小流量域で現れるサージング限界を更に小流量側に移動し、また、最高効率点を小流量側に移動し、
自動車用エンジンの高速域では、遠心圧縮機は、羽根車に流入する空気流に与える旋回を小さくまたは零にし、最高効率点を大流量側に戻し、また、空気流に旋回を与えることによる圧力損失を少なくすることを特徴とする制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載の制御方法を実施するエンジンの過給装置であって、
空気流旋回機構は、羽根車と同芯状の空気入口の中心を挟む複数個所に、それぞれ、軸を羽根車の径方向に軸受し、各軸にそれぞれ案内羽根を固定し、各案内羽根をそれぞれ羽根車の入口の前側に配置し、回転中の羽根車に流入する空気流に羽根車と同一方向の旋回を与える案内羽根を、羽根車の軸芯方向からの傾斜角度を調整可能に設けたことを特徴とするエンジンの過給装置。
【請求項３】
案内羽根の軸に、その軸を所望の角度回転する回転駆動装置を連結し、回転駆動装置を自動車用エンジンの回転速度に応じて制御する制御装置を設けたことを特徴とする請求項２に記載のエンジンの過給装置。
【請求項４】
案内羽根の軸に、その軸の案内羽根を羽根車の軸芯方向から傾斜させる弾性回転力を付与し、この弾性回転力に抗して案内羽根を、羽根車に流入する空気流がその流量に応じて回転させ、自動車用エンジンの低速域では、案内羽根が羽根車の軸芯方向から傾斜する角度を大きくし、自動車用エンジンの高速域では、案内羽根が羽根車の軸芯方向から傾斜する角度を小さくまたは零にする構成にしたことを特徴とする請求項２に記載のエンジンの過給装置。
【請求項５】
全案内羽根を連動して傾斜させる機構を設けたことを特徴とする請求項２，３または４に記載のエンジンの過給装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンのシリンダに遠心圧縮機で高圧空気を供給する過給装置とその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ターボチャージャとも呼ばれる排気タービン過給装置は、エンジンのシリンダに接続した吸気通路の途中に遠心圧縮機を介在し、エンジンのシリンダに接続した排気通路の途中にガスタービンを介在し、遠心圧縮機とガスタービンを同軸に連結している。
【０００３】
排気通路を流れる排気ガスでガスタービンが回転されて遠心圧縮機が回転さ  れ、吸気通路を流れる空気が遠心圧縮機で圧縮され、高圧になった空気がエンジンのシリンダに供給される。
【０００４】
エンジンは、その外周の大気圧より高圧の空気が供給されることにより、出力特性が向上する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、エンジンの過給装置は、エンジンの低速域では、遠心圧縮機のサージング限界のため、遠心圧縮機の圧力比を十分に高めることができず、十分に過給することができない。従って、エンジンの低速域では、過給による加速性能の向上や排気エミッションの低減を達成することが困難である。
【０００６】
また、自動車用エンジンのように運転範囲が広いエンジンの過給装置においては、遠心圧縮機は、運転範囲が広く、最高効率点をはずれた条件でも運転され、小流量域では、効率が高くない。従って、エンジンの低速域では、過給効率が高いとは言い難い。
【０００７】
【課題を解決するための着眼】
エンジンの過給装置において、遠心圧縮機は、空気入口から回転中の羽根車に流入する空気流に羽根車と同一方向の旋回を与えると、小流量域で現れるサージング限界が更に小流量側に移動し、小流量域でも、圧力比を高めることができ、また、最高効率点が小流量側に移動し、小流量域でも、効率を高めることができることを発見した。
【０００８】
そこで、遠心圧縮機は、図２に示すように、羽根車と同芯状の空気入口に、回転中の羽根車１２に流入する空気流に旋回を与える案内羽根２３を、羽根車１２の軸芯方向からの傾斜角度を調整可能に設け、空気流量が少なくなるエンジンの低速域では、案内羽根２３の傾斜角度を大きくして、回転中の羽根車１２に流入する空気流に羽根車１２と同一方向の大きな旋回を与え、空気流量が多くなるエンジンの高速域では、案内羽根２３の傾斜角度を小さくし、または、零にして、回転中の羽根車１２に流入する空気流に羽根車１２と同一方向の小さな旋回を与え、または、旋回を与えないことを考え付いた。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、自動車用エンジンのシリンダに接続した吸気通路の途中に遠心圧縮機を介在し、自動車用エンジンのシリンダに接続した排気通路の途中にガスタービンを介在し、排気通路を流れる排気ガスで回転するガスタービンと、吸気通路を流れる空気を圧縮する遠心圧縮機を連結し、自動車用エンジンのシリンダに高圧空気を供給する遠心圧縮機に、回転中の羽根車に流入する空気流に羽根車と同一方向の旋回を与える空気流旋回機構を旋回量調整可能に設けたエンジンの過給装置において、
自動車用エンジンの低速域では、遠心圧縮機は、羽根車に流入する空気流に与える旋回を大きくし、小流量域で現れるサージング限界を更に小流量側に移動し、また、最高効率点を小流量側に移動し、
自動車用エンジンの高速域では、遠心圧縮機は、羽根車に流入する空気流に与える旋回を小さくまたは零にし、最高効率点を大流量側に戻し、また、空気流に旋回を与えることによる圧力損失を少なくすることを特徴とする制御方法である。
【００１１】
【発明の効果】
エンジンの低速域でも、遠心圧縮機の圧力比を高めて、過給による加速性能の向上や排気エミッションの低減を達成することができ、また、遠心圧縮機の効率を高めることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
＜第１例（図１〜図５参照）＞
本例のエンジンの過給装置は、図１に略示するように、自動車用エンジンの排気タービン過給装置であり、自動車用エンジンの複数のシリンダ１の吸気口に接続した吸気通路２の途中に遠心圧縮機３を介在し、複数のシリンダ１の排気口に接続した排気通路４の途中にガスタービン５を介在し、遠心圧縮機３とガスタービン５を同軸に連結している。
【００１３】
エンジンの排気通路４を流れる排気ガスでガスタービン５が回転されて遠心圧縮機３が回転され、吸気通路２を流れる空気が遠心圧縮機３で圧縮され、高圧になった空気が各シリンダ１に供給される。
【００１４】
遠心圧縮機３は、図２に示すように、ケーシング１１の中央部に羽根車１２を入れ、羽根車１２の軸１３をケーシング１１の後部に軸受し、ケーシング１１の前部に円筒形状の空気入口管１４を羽根車１２と同芯状に設け、ケーシング１１の外周部にディフューザ１５と渦巻室１６を内外に同芯状に設けている。渦巻室１６の大径部には、図示しないが、空気出口管を接続している。
【００１５】
羽根車１２は、図３に示すように、円盤形状の主板１７の中心部に軸１３を貫通して固定し、主板１７の前面に湾曲板形状の羽根１８を等間隔位置にほぼ径方向に沿って固定している。
【００１６】
エンジンの吸気通路２を流れる空気は、遠心圧縮機３の空気入口管１４から回転中の羽根車１２の前面の入口に流入し、羽根車１２の羽根１８の間の湾曲通路を通って、羽根車１２の外周の出口からディフューザ１５を経て渦巻室１６に流入し、高圧になった空気が渦巻室１６の空気出口管から流出し、エンジンのシリンダ１に流入する。
【００１７】
遠心圧縮機３は、図２に示すように、羽根車１２と同芯状の空気入口に、回転中の羽根車１２に流入する空気流に羽根車１２と同一方向の旋回を与える空気流旋回機構２１を旋回量調整可能に設けている。
【００１８】
空気流旋回機構２１は、図２に示すように、円筒形状の空気入口管１４の中心を挟む上下の２個所に、それぞれ、軸２２を空気入口管１４の径方向に貫通して軸受し、空気入口管１４内に突出した両軸２２の内側部の後側に、それぞれ、その軸２２の軸芯方向に沿って略三角板形状の案内羽根２３の前側を固定し、空気入口管１４の中心に近付くに従って空気入口管１４の軸芯方向の幅が狭くなる両案内羽根２３を、それぞれ、羽根車１２の前面の入口の前側に配置している。
【００１９】
空気入口管１４外に突出した両軸２２の外端には、図２に示すように、それぞれ、その軸２２を所望の角度回転する回転駆動装置２４を連結し、上下の両案内羽根２３を、それぞれ、その案内羽根２３と対面した羽根車１２の羽根１８の移動方向に傾斜可能にし、図４に示すように、両案内羽根２３がそれぞれ空気入口管１４と羽根車１２の軸芯方向から傾斜する角度を調整可能にしている。回転駆動装置２４には、ステップモータ式、油圧または空圧式のアクチュエータが例示される。
【００２０】
両案内羽根２３が羽根車１２の軸芯方向に配置されて羽根車１２の軸芯方向から傾斜していないと、両案内羽根２３のない従来の場合と同様に、空気入口管  １４の空気流が羽根車１２の軸芯方向に流れて羽根車１２の入口に流入する。
【００２１】
両案内羽根２３がそれぞれその案内羽根２３と対面した羽根車１２の羽根１８の移動方向に傾斜していると、各案内羽根２３を通過する空気流がそれぞれその案内羽根２３でその傾斜方向に折曲されて羽根車１２の軸芯方向から傾斜し、回転中の羽根車１２の入口に流入する空気流が羽根車１２と同一方向に同芯状に旋回する。
【００２２】
羽根車１２の入口の速度三角形は、両案内羽根２３が羽根車１２の軸芯方向から傾斜せず、空気入口管１４を流れる空気流が羽根車１２の軸芯方向から羽根車１２の入口に流入するときには、図４に破線で示すようになり、両案内羽根２３が羽根車１２の軸芯方向から傾斜して、羽根車１２の入口に流入する空気流が羽根車の羽根１８の移動方向に傾斜するときには、図４に実線で示すようになる。
【００２３】
図４中、Ｃは、空気入口管１４を流れる空気流の絶対速度を示し、Ｕは、羽根車１２の入口の周方向速度を示し、Ｗは、空気流が羽根車１２の入口に流入する相対速度を示す。αは、羽根車１２の入口に流入する空気流が羽根車１２の軸芯方向から羽根車の羽根１８の移動方向に傾斜する角度を示し、βは、空気流が羽根車１２の入口に流入する相対角度を示す。
【００２４】
羽根車１２の入口の速度三角形から明らかなように、両案内羽根２３が羽根車１２の軸芯方向から傾斜して、羽根車１２の入口に流入する空気流が羽根車の羽根１８の移動方向に傾斜して羽根車１２と同一方向に旋回すると、空気流が羽根車１２の入口に流入する相対角度βがほとんど変化せずに、空気入口管１４を流れる空気流の軸芯方向の絶対速度Ｃcosαと、空気流が羽根車１２の入口に流入する相対速度Ｗが減少する。
【００２５】
羽根車１２に流入する空気流が傾斜する角度αが大きくなるに従って、空気流が羽根車１２に流入する相対角度βがほとんど変化せずに、空気流の軸芯方向の絶対速度Ｃcosαと空気流の相対流入速度Ｗ、即ち、羽根車１２に流入する空気流量が徐々に減少する。遠心圧縮機３は、空気流が羽根車１２に流入する相対角度βが羽根車の羽根１８の入口角度に一致して空気流が羽根車の羽根１８に沿って流れるときに効率が最高になり、また、空気流が羽根車の羽根１８から激しく剥離して不安定になるとサージングになるので、空気流の傾斜角度αが大きくなるに従って、最高効率点が小流量側に移動し、また、サージング限界が小流量側に移動する。
【００２６】
遠心圧縮機３の空気流量に対する効率と圧力比の特性は、回転速度がｎ1とｎ2（ｎ1＜ｎ2）である場合、空気流の傾斜角度αが小さいまたは零のときには、図５に細線で示すようになり、空気流の傾斜角度αが大きいときには、図５に実線で示すようになる。
【００２７】
図５から明らかなように、空気流の傾斜角度αが大きくなると、効率の最高点が小流量側に移動し、また、小流量域でサージング線が小流量側に移動してエンジン作動線が小流量側に移動する。
【００２８】
回転速度が遅くてｎ1である場合、空気流の傾斜角度αが小さいまたは零のときには、遠心圧縮機３が有効に作動する最小の空気流量がＱ2であるが、空気流の傾斜角度αが大きくなると、圧力比と効率がほとんど変化せずに、最小の空気流量が更に小さくなってＱ1になる。空気流量がＱ2より少ない領域でも、遠心圧縮機３が有効に作動する。即ち、エンジンの更に低速の領域でも、遠心圧縮機３の圧力比を高めて、過給による加速性能の向上や排気エミッションの低減を達成することができる。
【００２９】
また、回転速度がｎ1より速くてｎ2であり、空気流量が中流量域のＱ3である場合、空気流の傾斜角度αが小さいまたは零のときには、効率がη1であるが、空気流の傾斜角度αが大きくなると、圧力比が変化せずに、効率が高くなって  η2になる。
【００３０】
図２に示すように、両案内羽根２３の回転駆動装置２４をエンジンの回転速度に応じて制御する制御装置２５を設けている。エンジンの低速域では、両案内羽根２３の傾斜角度を大きくして、羽根車１２に流入する空気流に与える旋回を大きくし、エンジンの高速域では、両案内羽根２３の傾斜角度を小さくまたは零にして、羽根車１２に流入する空気流に与える旋回を小さくまたは零にする。
【００３１】
＜第２例（図６と図７参照）＞
本例のエンジンの過給装置は、第１例における遠心圧縮機の空気流旋回機構  ２１の案内羽根の回転駆動装置２４とその制御装置２５を簡単な構造にしたものである。
【００３２】
案内羽根２３の傾斜角度をエンジンの回転速度に応じて制御する制御装置３１は、図６と図７に示すように、両案内羽根２３の軸２２の外端に、それぞれ、その径方向に突出した腕３２を固定し、各腕３２の先端とケーシング１１の外面の間に螺旋ばね３３を取り付けて、各軸２２に、それぞれ、その軸２２の後側の案内羽根２３を羽根車１２の軸芯方向から羽根車の羽根１８の移動方向に傾斜させる弾性回転力を付与し、ケーシング１１の外面に、各腕３２に当たるストップピン３４を固定して、各案内羽根２３の傾斜角度が許容角度を越えない構成にしている。
【００３３】
エンジンの低速域では、遠心圧縮機の羽根車１２に流入する空気流の流量が少なく、空気流が螺旋ばね３３による弾性回転力に抗して各案内羽根２３を回転させる力が弱く、両案内羽根２３が羽根車の羽根１８の移動方向に傾斜する角度が大きくなって、羽根車１２に流入する空気流に与えられる旋回が大きくなる。
【００３４】
エンジンの高速域では、遠心圧縮機の羽根車１２に流入する空気流の流量が多く、空気流が螺旋ばね３３による弾性回転力に抗して各案内羽根２３を回転させる力が強く、図６と図７に示すように、両案内羽根２３が羽根車の羽根１８の移動方向に傾斜する角度が小さくまたは零になって、羽根車１２に流入する空気流に与えられる旋回が小さくまたは零になる。
【００３５】
その他の点は、第１例におけるのと同様である。
【００３６】
＜第３例（図８参照）＞
本例のエンジンの過給装置は、第１例における遠心圧縮機の空気流旋回機構  ２１の案内羽根２３の形状を変えて枚数を増やし、全案内羽根を連動して傾斜させる機構を設けたものである。
【００３７】
空気流旋回機構４１は、図８に示すように、円筒形状の空気入口管１４の中心を挟む上下と左右の４個所に、それぞれ、軸４２を空気入口管１４の径方向に貫通して軸受し、空気入口管１４内に突出した各軸４２の内側部の後側と前側に、それぞれ、その軸の軸芯方向に沿って三角板形状の案内羽根４３を固定し、空気入口管１４の中心に近付くに従って空気入口管１４の軸芯方向の幅が狭くなる各案内羽根４３を、それぞれ、羽根車１２の前面の入口の前側に配置している。
【００３８】
全案内羽根４３を連動して傾斜させる機構は、図８に示すように、空気入口管１４外に突出した各軸４２の外端にそれぞれピニオン４４を固定し、ケーシング１１の外周段部に軸受４５を介して円環形状のフェースギヤ４６を嵌合し、フ  ェースギヤ４６に各ピニオン４４を噛み合わせている。いずれかのピニオン４４またはフェースギヤ４６を回転すると、４枚のピニオン４４が同様に回転して、４枚の案内羽根４３が連動して傾斜する。
【００３９】
１本の軸４２には、図８に示すように、その軸４２を所望の角度回転する回転駆動装置２４を連結し、回転駆動装置２４をエンジンの回転速度に応じて制御する制御装置２５を設けている。エンジンの低速域では、全案内羽根４３の傾斜角度を大きくして、羽根車１２に流入する空気流に与える旋回を大きくし、エンジンの高速域では、全案内羽根４３の傾斜角度を小さくまたは零にして、羽根車  １２に流入する空気流に与える旋回を小さくまたは零にする。
【００４０】
その他の点は、第１例におけるのと同様である。
【００４１】
回転駆動装置２４は、軸４２に代えてフェースギヤ４６に連結してもよい。ピニオン４４とフェースギヤ４６は、ベベルギヤにしてもよい。
【００４２】
全案内羽根を連動して傾斜させる機構４４，４５，４６は、第１例または第２例における空気流旋回機構２１に設けて、回転駆動装置２４または弾性回転力付与機構３２，３３，３４を１個にしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の第１例のエンジンの過給装置の概略図。
【図２】同過給装置の遠心圧縮機の縦断面図であって案内羽根が傾斜していない状態の図。
【図３】同過給装置の遠心圧縮機の羽根車の斜視図。
【図４】図２のＡ−Ａ線断面図であって案内羽根が傾斜している状態の図。
【図５】同過給装置の遠心圧縮機の空気流量に対する効率と圧力比の特性線図。
【図６】第２例の過給装置の遠心圧縮機の縦断面図であって案内羽根が傾斜していない状態の図。
【図７】図６のＢ−Ｂ線断面図。
【図８】第３例の過給装置の遠心圧縮機の縦断面図であって案内羽根が傾斜していない状態の図。
【符号の説明】
１  エンジンのシリンダ
３  過給装置の遠心圧縮機
１２  羽根車
２１，４１  空気流旋回機構
２２，４２  軸
２３，４３  案内羽根
２４  回転駆動装置
２５  制御装置
３２  腕，弾性回転力付与機構
３３  螺旋ばね，弾性回転力付与機構
４４  ピニオン，全案内羽根を連動して傾斜させる機構
４６  フェースギヤ，全案内羽根を連動して傾斜させる機構
【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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