JP2002505400A - 体積流量に比例した積分フィードバックを有する排気ガス再循環弁 - Google Patents

体積流量に比例した積分フィードバックを有する排気ガス再循環弁

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Abstract

(57)【要約】 排気ガス再循環装置用の制御弁（２６）は、排気ガス再循環流れを調整する弁（９８）に接続された可変圧力アクチュエータ（１０６）と、アクチュエータに作動圧力を供給するように接続された差圧弁とを備えている。差圧弁（１２６）は圧力平衡ピストン（９７）に連結された比例ソレノイド（９４）を収容しており、この圧力平衡ピストンは一方で排気ガス再循環圧力を受け、他方で排気流動圧力を受ける。ピストン（９７）は第１の位置に圧力源（１０４）に隣接して位置決めされるオリフィス（１２８）と、圧力アクチュエータと連通するオリフィスの出口である第２の位置に設けられた圧力排出部（１０８）とを有する軸（１３０）に連結されている。排気ガス再循環の制御はピストン（９７）に対して圧力平衡点を移す比例ソレノイド（９４）に信号を送ることによりなされる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本出願は、「一体型ポンプ、制御弁及びミキサを内蔵するターボチャージャを
採用する排気ガスの再循環装置（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａ
ｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ Ａ Ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ
Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇ Ａｎ Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｐｕｍｐ，Ａ Ｃｏ
ｎｔｒｏｌ Ｖａｌｖｅ Ａｎｄ Ａ Ｍｉｘｅｒ）」という名称の１９９７年
３月３日付けの仮特許出願第６０／０３９，２４６号の出願日の利益を主張する
。
【０００２】
【技術分野】
本発明は、全体として、発生量を改良する内燃機関排気ガス再循環（ＥＧＲ）
の分野に関する。より具体的には、本発明は、ＥＧＲポンプとして作用し得るよ
うにコンプレッサのインペラの反対側の側部に取り付けられたインペラー羽根と
、別個のディフューザと、ポンプからのＥＧＲ流れ排出分用の渦巻室と、ＥＧＲ
ポンプへの別個のスクロール入口と、再循環した排気ガスをエンジンに対する給
気中に取り込むためのミキサとを有するコンプレッサホイールを備えるターボチ
ャージャと組み合わせるべく排気ガスを計測量供給して再循環させる制御弁を提
供するものである。
【０００３】
【関連技術の説明】
ＥＧＲは、内燃機関におけるＮＯＸ発生量を減少させる公知の方法である。効
率良く使用するためには、ＥＧＲは、近代的な高効率のディーゼルエンジンにて
その作動範囲の少なくとも一部分にて典型的である、エンジンをわたる正の圧力
勾配により形成された好ましくない圧力勾配を解消しなければならない。ＥＧＲ
を具体化する色々なアプローチ法は、排気ガスの一部を排気マニホルドから吸気
マニホルドまで圧送することを含んでいる。エンジンにおける従来のターボチャ
ージャ又はスーパーチャージャの圧縮入口に排気ガスを導入するか又はこれと代
替的に、排気ガスを受け取る別個のコンプレッサを提供し且つその排気ガスをエ
ンジンにおける給気ブースト装置の下流にて給気に導入するのに適した圧力まで
加圧することにより圧送が行われる。かかる装置によって、全体として幾分か燃
料の消費の点にて不利益が生ずる。
【０００４】 ＥＧＲは、また、性能の低下を防止し且つ混合損失を最小にして、更なる燃料
消費上の不利益を回避するため、再循環された排気ガスを供給される新給気と十
分に混合させることを必要とする。更に、変化する作動状態にて、エンジンの吸
気マニホルドに供給された給気混合体内での適正な比較を確保するため再循環し
た排気ガスの流れを確実に制御することが必要とされる。更に、ＥＧＲ装置の構
成要素及び特徴は、近代的なエンジン室に割り当てられた利用可能な限られたス
ペース内に収容しなければならない。
【０００５】 このため、ターボチャージャのような既存のエンジン装置の構成要素を緊密に
物理的に且つ機能的に協働して排気ガスを再循環させるため圧送構成要素を採用
する高度に一体化したＥＧＲ装置を提供することが望ましい。排気ガスの流量及
び給気中の混合に対する必要な制御を行い、エンジンにより吸引して、シリンダ
毎の排気ガスの比率の変化を最小にし得るようなＥＧＲの流路の形態とし且つ新
規な制御構成要素を提供することが更に望ましい。
【０００６】
【発明の概要】
内燃機関用のＥＧＲ装置の制御弁は、排気ガス流動管からＥＧＲ流道管までＥ
ＧＲの流れを計測供給するポペット弁を作動させる可変圧力のアクチュエータを
備えるＥＧＲ弁を具体化する。該圧力アクチュエータは、圧力ポートを有し且つ
該圧力ポート内の圧力に応答可能である。差圧制御装置は、ＥＧＲ弁に取り付け
られ、該制御装置は、排気ガス流動管に接続された第一の圧力ポートと、ＥＧＲ
流動管に接続された第二の圧力ポートとを有している。比例電気ソレノイドが第
一の圧力ポートと連通するピストンの第一の側部に第一のチャンバを形成し且つ
第二の圧力ポートと連通するピストンの第二の側に第二のチャンバを形成するシ
リンダ内にてピストンに接続されている。ピストンが、可動のオリフィスを支持
する軸に更に接続されている。該可動のオリフィスは、第二の圧力ポートよりも
第一の圧力ポートの方が低圧であることに起因してピストンの第一の位置にて圧
力源に隣接して配置された入口と、第二の圧力ポートよりも第一の圧力ポートの
方が高圧であることに起因してピストンの第二の位置にて圧力通気口に隣接して
配置されたオリフィス入口とを備えている。オリフィスの出口はアクチュエータ
の圧力ポートに接続されている。比例電気ソレノイドに対して制御信号を提供す
ることによりＥＧＲの流れが制御される。
【０００７】 本発明の詳細及び特徴は、詳細な説明及び図面を参照することにより一層明確
に理解されよう。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図面を参照すると、図１には、吸気マニホルド１２と、排気マニホルド１４と
を有する内燃機関１０が図示されている。ターボチャージャ１６は、給気をブー
ストし、吸気マニホルド内に導入する前に給気冷却器２０に対し加圧した空気を
提供するコンプレッサロータ１８により圧縮するため吸気を受け取る。コンプレ
ッサロータは、エンジンの排気マニホルドからの排気ガスを受け取るタービン２
４に接続された軸２２により駆動される。
【０００９】 再循環のための排気ガスは、排気制御弁２６を通じてＥＧＲ冷却器２８まで排
気マニホルドの流れから得られる。ＥＧＲ冷却器からのガスは、ＥＧＲポンプの
入口に供給され、該入口は、図面に図示した実施の形態について、タービンによ
り駆動されるようにターボチャージャの軸に取り付けられたコンプレッサロータ
３０である。ＥＧＲポンプからの加圧した排気ガスは、ミキサ３２まで流れ、該
ミキサは再循環した排気ガスの流れを給気と組み合わせて、吸気マニホルド内に
導入するため実質的に均一な流れ流を形成する。
【００１０】 図２には、本発明による一定型のＥＧＲコンプレッサを採用するターボチャー
ジャの詳細が図示されている。このタービンは、図面に図示した実施の形態につ
いて、分岐した渦巻室３８に供給する半径方向の排気ガス入口３６を内蔵する鋳
造したタービンハウジング３４内に保持されている。タービンを通って流れるガ
スはタービンの出口４０から出る。軸２２は、スペーサ４４により分離されたジ
ャーナルベアリング４２と、ベアリング４８を有するスラストカラー４６とを含
むベアリング装置により支持されている。これら全ては、潤滑剤通路５２を内蔵
する中央ハウジング５０内に保持されている。給気コンプレッサは鋳造したコン
プレッサハウジング５４内に保持されており、該ハウジングは圧縮した給気に対
する空気入口５６と、ディフューザ５８と、渦巻室６０とを提供する。
【００１１】 ＥＧＲポンプは、インペラー羽根６２をコンプレッサホイールの後側に追加す
ることにより、ターボチャージャの既存のロータ群内に組み込まれる。スクロー
ル入口６４は、循環するため、排気ガスを提供し、別個のディフーザ６６を圧縮
した排気ガスを渦巻室６８まで運ぶ。ＥＧＲポンプ入口、ディフーザ及び渦巻室
は、鋳造品７０内に内蔵されており、該鋳造品は、ターボチャージャに対する従
来のコンプレッサのバックプレートに置換し、これにより、全体として、ロータ
群及びターボチャージャの長さを僅かだけ長くすればよい。コンプレッサ内の給
気の流れをＥＧＲポンプ内の再循環した排気ガスと分離することは、コンプレッ
サハウジングとＥＧＲポンプ鋳造品との間に拘束されたバッフル７２により維持
される。ＥＧＲポンプ鋳造品は、コンプレッサハウジング内に受け入れた保持リ
ング７４及びボルト７６を使用してコンプレッサハウジングに取り付ける。
【００１２】 ＥＧＲポンプからの加圧した排気ガス及びターボチャージャコンプレッサ及び
給気（チャージエア）冷却器からの加圧した給気は、図３に詳細に図示したミキ
サ３２内で組み合わされる。ポンプからの排気ガスは主要の新気流の流れで周方
向に配分された渦巻室８０への入口７８を通ってミキサに導入され、給気冷却器
から入口８２を通って入る。渦巻室は、スロット８４を通って新気の流れの外周
の周りで均一に排気ガスを導入し、該スロット８４は比較的小径の特別製造の上
流のリップ部８６と、比較的大径の下流のリップ部８８とを備え、ＥＧＲ流れに
対して三次元的角度を形成し、中心流れへの侵入及び下流の流れを更に混合する
ための渦流の双方を促進する。
【００１３】 新気の流路の内壁９０は、新気の給気の速度を増し、流れの静圧力を降下させ
且つ新気の給気中へのＥＧＲの取り込みを増大させる収斂／拡がりノズル効果を
提供し得る形状とされている。混合した流れは出口９２から出る。
【００１４】 ミキサの第二の実施の形態が図６に図示されており、該ミキサは、ＥＧＲと新
気の給気との混合を更に促進し且つ流れ内での速度の適合状態を向上させる拡が
りノズル部分９１を内蔵している。
【００１５】 図１には、吸気マニホルド入口付近に配置された別個の構成要素としてミキサ
が図示されている。しかしながら、代替的な実施の形態において、ミキサの位置
は相違し、ＥＧＲ冷却器が採用される場合、ミキサは給気冷却器の出口付近に配
置され、或いは該出口内に一体化され、或いは、エンジンの吸気マニホルドの鋳
造部分又は機械加工した部分として形成する。ＥＧＲ冷却器が採用されない用途
において、ミキサはコンプレッサハウジング出口付近に又は給気冷却気の入口付
近に配置され、或いはその出口又は入口の一体部分として形成される。
【００１６】 再循環させるための排気ガスは、制御弁２６を通じてＥＧＲポンプに供給され
る。図４及び図５には、弁の機械的な形態及び一つの実施の形態の作用が図示さ
れている。比例電気ソレノイド９４は、ピストン又はダイヤフラム９７により提
供される対抗力により三方空圧弁又は液圧弁９６に作用する一方、ピストン又は
ダイヤフラム９７には、別個の排気ガス再循環弁９８を通る流れにより発生され
た差圧のみが作用する。この差圧はポート１００、１０２を通じて感知される。
三方弁は、管１０４からＥＧＲ弁に対するアクチュエータ１０６まで空気を供給
し又はアクチュエータの空気を通気口１０８を通じて排気する。電気ソレノイド
の力が正確にピストンの力と釣り合ったとき、ＥＧＲ弁のアクチュエータに対し
又は該アクチュエータから何ら流れは生じない。ピストンの力がソレノイドの力
を釣り合わせるのに十分でないとき、三方弁は開放し、アクチュエータに空気を
供給し、これにより、主排気ガス流動管１１０からＥＧＲ弁を通ってＥＧＲ流動
管１１２へのＥＧＲの流れを増し、これにより、弁をわたる差圧を増大させ、力
の釣り合いを回復する。これと逆に、ピストンの力がソレノイドの力よりも大き
い場合、三方弁は開放してＥＧＲ弁アクチュエータから空気を排出し、これによ
りＥＧＲの流れ及び弁をわたる差圧を減少させ、再度、力の釣り合いを回復する
。次に、エンジンの制御装置から比例電気ソレノイドに対し制御信号を提供する
ことにより、ＥＧＲの量が制御される。
【００１７】 図４に図示するように、図面に図示した実施の形態の場合、ＥＧＲ弁アクチュ
エータは、圧力ケース１１８内に包み込まれたダイヤフラム１１４及びばね１６
を採用し、該ダイヤフラム及びばねは、座部１２４におけるポペット弁１２２を
制御し、ＥＧＲの流れを計測供給すべく軸１２０を位置決めする。該三方弁は、
供給管及び排気管を内蔵し、軸１３０に支持された可動のオリフィス１２８がソ
レノイド及びピストンに係合する多数ポート本体１２６を採用する。中心決めば
ね１３２はソレノイド及び圧力ピストンの反力を釣り合わせる。
【００１８】 特許法が要求するように、本発明を詳細に説明したが、当業者は、本明細書に
開示した特定の実施の形態に対する改変例及び置換が認識されよう。かかる改変
例及び置換は特許請求の範囲に記載された本発明の範囲及び意図の範囲に属する
ものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の組み合わせ及び構成要素を採用するエンジン及びＥＧＲ装置の概略図
である。
【図２】 ターボチャージャと一体型である本発明の一つの実施の形態にて採用されるＥ
ＧＲポンプの詳細な断面図である。
【図３】 本発明の開示した実施の形態にて具体化されたＥＧＲポンプからの再循環され
た排気ガス及びターボチャージャコンプレッサからの新気の給気に対するミキサ
の詳細な断面図である。
【図４】 再循環すべき排気ガスを制御する図面に図示した本発明の実施の形態にて使用
される弁の詳細な断面図である。
【図５】 図４の弁の作動及び要素の概略図である。
【図６】 図面のミキサの第二の実施の形態の詳細な断面図である。
【手続補正書】
【提出日】平成１２年９月２８日（２０００．９．２８）
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１】
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正内容】
【図３】
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正内容】
【図４】
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正内容】
【図５】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，Ｍ Ｗ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＵ ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＣＡ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ， ＥＥ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，Ｋ Ｐ，ＫＲ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＶ，ＭＧ，ＭＫ ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＺ，ＰＬ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ， ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＺ，Ｖ Ｎ，ＹＵ，ＺＷ Ｆターム(参考） 3G005 EA24 FA05 GB15 GB17 HA12 HA13 JA41 JA45 3G062 AA05 DA09 EA07 ED08 FA10 FA13 GA01 GA21 GA23

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 内燃機関用の排気ガス再循環装置において、 排気ガス入口とタービン出口とを備えたタービンハウジングを有するターボチ
    ャージャーと、 排気ガス入口を介して受け入れられたガスにより駆動されかつ回転軸に連結さ
    れたタービンと、 前記回転軸を受ける軸受け組立体を支持し、タービンハウジングに連結する手
    段を含む中央ハウジングと、 空気入口とチャージエア出口とを有するコンプレッサハウジングと、 前記回転軸に取り付けられたコンプレッサローターであって、コンプレッサハ
    ウジング入口を介して空気を受け入れ、チャージエア出口へ圧縮空気を排出する
    第１のベーンの組と、第１のベーンの組とは反対側のローターに一体に装着され
    ていて排気ガス再循環装置の入口からの排気ガスを受け入れ、ディフーザを介し
    て圧縮された排気ガスを排気ガス出口に排出する第２のベーンの組とを有し、前
    記排気ガス出口及びチャージエア出口が別々の流路を有するようにした、前記コ
    ンプレッサローターと、 前記ロータの周囲に流路を隔離して排気ガスとチャージエアの流路を分離する
    手段と、 排気ガスとチャージエアを受け入れるターボチャージャーの下流に設けられ、
    出口を有するミキサーと、 排気マニホールドと排気ガス再循環装置の入口の中間に設けられ、ターボチャ
    ージャーの第２のベーンの組に再循環された排気ガスの量を制御する、電気的に
    作動する比例制御弁と、 排気ガス出口をミキサーに取り付ける手段と、 チャージエア出口をミキサーに取り付ける手段と、 ミキサー出口をエンジン用入口マニホールドに取り付ける手段と、 を備えた排気ガス再循環装置。
  2. 【請求項２】 内燃機関用の排気ガス再循環装置の制御弁において、 弁ポペットを作動する可変圧力アクチュエータを有していて、排気用流動ライ
    ンから排気ガス再循環ラインまでの排気ガス再循環量を計量し、前記可変圧力ア
    クチュエータが圧力ポートを有しかつ前記圧力ポートの圧力に応答するようにし
    た、排気ガス再循環弁と、 差圧制御装置とを備え、 前記差圧制御装置が、 排気用流動ラインに接続された第１の圧力ポートと、排気ガス再循環ライ
    ンに接続された第２の圧力ポートと、 第１の圧力ポートと第２の圧力ポートに接続された圧力検出手段に接続さ
    れた比例電気ソレノイドと、 前記圧力検出手段に応答する第２のアクチュエータであって、前記第２の
    圧力ポートではなく第１の圧力ポートの低圧により生じるアクチュエータの第１
    の位置に、圧力源に隣接するオリフィスの入口を位置決めし、前記オリフィスの
    入口が、前記第２の圧力ポートではなく第１の圧力ポートの高圧により生じるア
    クチュエータの第２の位置に圧力ベントに隣接して位置決めされ、前記オリフィ
    スの出口が前記可変圧力アクチュエータの圧力ポートに連結されている、前記第
    ２のアクチュエータと、 前記比例電気ソレノイドに制御信号を与える手段と、 を備えた制御弁。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載の制御弁において、前記圧力検出手段がシリ
    ンダ内にピストンを備え、前記シリンダは、第１の圧力ポートに連通する前記ピ
    ストンの第１の側に第１のチャンバを、第２の圧力ポートに連通する前記ピスト
    ンの第２の側に第２のチャンバを形成し、第２のアクチュエータはピストンに連
    結されかつ可動オリフィスを支持する軸を備えている、制御弁。
  4. 【請求項４】 請求項３に記載の制御弁において、前記軸に連結されていて
    前記比例電気ソレノイドと前記ピストンとを平衡させる手段を更に備えている、
    制御弁。
  5. 【請求項５】 請求項４に記載の制御弁において、前記平衡させる手段が前
    記軸に取り付けられたばねを備えている、制御弁。
  6. 【請求項６】 請求項２に記載の制御弁であって、前記排気ガス再循環装置
    の制御弁が、排気ガス用流動ラインに接続された排気ガス再循環装置の入口と、
    排気ガス再循環ラインに接続された排気ガス再循環装置の出口とを備え、前記弁
    本体が圧力ポートとアクチュエータに連結されたチャンバを更に有する前記制御
    弁において、 前記チャンバに坦持されかつ圧力ポートの圧力に応答して変形可能なダイヤフ
    ラムに連結された軸と、 前記軸に連結されていて排気ガス再循環装置の入口およびその出口の中間にあ
    る弁本体の座と係合する弁ポペットと、 を備えている制御弁。
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