JP2009024502A - Exhaust bypass valve - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、過給機のタービンをバイパスするバイパス流路に設けられる排気バイパスバルブに関する。 The present invention relates to an exhaust bypass valve provided in a bypass flow path that bypasses a turbine of a supercharger.
近年、ディーゼルエンジンにおいて、NOx(窒素酸化物)及びスモークの低減を同時に可能にする予混合圧縮着火燃焼(PCI燃焼)の研究が活発に行われている。PCI燃焼は均一且つ希薄な混合気をピストンの圧縮上死点よりも早期に生成しその後燃焼させるものである。エンジン負荷が増すと過早着火が発生し着火時期の制御が困難となるため、PCI燃焼を行うことができる運転領域が低負荷域に限定されるという問題がある。 In recent years, research on premixed compression ignition combustion (PCI combustion) that enables NOx (nitrogen oxide) and smoke to be simultaneously reduced in a diesel engine has been actively conducted. In PCI combustion, a uniform and lean mixture is generated earlier than the compression top dead center of the piston and then burned. When the engine load increases, pre-ignition occurs and it becomes difficult to control the ignition timing, so that there is a problem that the operating range in which PCI combustion can be performed is limited to the low load range.
PCI燃焼を行う運転領域を拡大する手法としては、高EGR(排気再循環)化して混合気中の酸素濃度を低下させて燃焼の着火時期を制御し、高A/F(空燃比)を確保することが効果的であることが知られている。具体的対応策のひとつとして、二段過給装置を用い、高圧段の小型過給機により低速低負荷域から高ブーストを得て高EGR及び高A/Fを確保することが考えられる。 As a method of expanding the operating range for PCI combustion, high EGR (exhaust gas recirculation) is used to reduce the oxygen concentration in the air-fuel mixture to control the ignition timing of combustion and ensure a high A / F (air-fuel ratio) It is known to be effective. As a specific countermeasure, it is conceivable to use a two-stage turbocharger and obtain a high boost from a low-speed and low-load region by using a high-pressure small turbocharger to ensure high EGR and high A / F.
また、二段過給装置の使用は、高圧段の小型過給機による市街地走行(低中速低中負荷)における燃費の低減と、低圧段の大型過給機による出力点における高出力化とを両立させる手段として有効である。 In addition, the use of a two-stage turbocharger reduces fuel consumption during city driving (low, medium, and low and medium loads) with a small high-pressure turbocharger, and increases output at the output point of a large-scale turbocharger with low pressure. It is effective as a means to achieve both.
上記二段過給装置において、高圧段過給機及び低圧段過給機をエンジンに直列に接続して用いた場合には所定の運転領域において使用する過給機を切り替える必要がある。この過給機の切替には吸気系、排気系共にバイパスバルブが必要となり、一般に、排気系のバイパスバルブとして、ダイヤフラム・アクチュエータを有するバタフライ式バルブが用いられる。 In the two-stage supercharging device, when the high-pressure supercharger and the low-pressure supercharger are connected in series to the engine, it is necessary to switch the supercharger to be used in a predetermined operation region. In order to switch the supercharger, a bypass valve is required for both the intake system and the exhaust system. In general, a butterfly valve having a diaphragm / actuator is used as a bypass valve for the exhaust system.
なお、特許文献1から3には、ダイヤフラム・アクチュエータを有し、EGRバルブとして用いられるポペット式バルブが記載されている。
ここで、高圧段過給機のみを作動させる場合に、バタフライ式バルブでは流路の切替はできても、機構上バルブ部において高いガスシール性を確保することは困難である。バルブ部においてガスリークが生じると高圧段過給機を効率よく作動できないことが懸念される。 Here, when only the high-pressure supercharger is operated, it is difficult to ensure high gas sealing performance in the valve portion of the mechanism even if the flow path can be switched with the butterfly valve. If a gas leak occurs in the valve section, there is a concern that the high-pressure supercharger cannot be operated efficiently.
そこで、排気系のバイパスバルブとしては、セルフシール性を有し、既にEGRバルブに用いられているポペット式バルブが適していると考えられる。 Therefore, as an exhaust system bypass valve, it is considered that a poppet type valve having a self-sealing property and already used for an EGR valve is suitable.
しかし、排気系のバイパスバルブとしてダイヤフラム・アクチュエータを有するポペット式バルブを用いた場合、バルブの軸部にアクチュエータのダイヤフラムが接続されているため、エンジンが高負荷運転された際には高温の排気ガスからの熱伝導により、ゴム等の比較的耐熱性に劣る弾性体からなるダイヤフラムの熱害が問題となる。 However, when a poppet valve having a diaphragm / actuator is used as an exhaust system bypass valve, the actuator diaphragm is connected to the shaft of the valve. Due to heat conduction from the diaphragm, heat damage of a diaphragm made of an elastic body having relatively poor heat resistance such as rubber becomes a problem.
そこで、本発明の目的は、過給機のタービンをバイパスするバイパス流路に設けられる排気バイパスバルブにおいて、高温の排気ガスからの熱伝導によるダイヤフラムの熱害を防止できる排気バイパスバルブを提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an exhaust bypass valve that can prevent thermal damage to a diaphragm due to heat conduction from high-temperature exhaust gas in an exhaust bypass valve provided in a bypass flow path that bypasses a turbocharger turbine. It is in.
上記目的を達成するために、本発明は、エンジンからの排気ガスを流通する排気ガス流路を有するハウジングと、上記排気ガス流路を開閉する弁体と、該弁体に弁軸を介して接続され上記弁体の開度を調節するためのダイヤフラムを有するアクチュエータとを備えた排気バイパスバルブにおいて、上記ハウジングと上記アクチュエータとの間に、上記弁軸を冷却すべく冷却媒体を流通する冷却室を有する冷却ケーシングを介設し、該冷却ケーシングに、上記冷却ケーシングの軸貫通部をシールするパッキン部材を設けたものである。 In order to achieve the above object, the present invention provides a housing having an exhaust gas flow path for circulating exhaust gas from an engine, a valve body for opening and closing the exhaust gas flow path, and a valve shaft connected to the valve body. An exhaust bypass valve provided with an actuator having a diaphragm connected to adjust the opening of the valve body, and a cooling chamber in which a cooling medium is circulated between the housing and the actuator to cool the valve shaft And a packing member for sealing the shaft penetrating portion of the cooling casing is provided on the cooling casing.
ここで、上記弁軸に、上記冷却室内に位置させて、冷却用の孔が上記弁軸の径方向に貫通させて設けられても良い。 Here, a cooling hole may be provided in the valve shaft so as to penetrate the valve shaft in a radial direction of the valve shaft.
また、上記パッキン部材は、上記弁軸の外周に装着され四ふっ化エチレン樹脂からなる環状部材と、該環状部材の外周に装着されふっ素系ゴムからなるOリングとを有しても良い。 The packing member may have an annular member made of ethylene tetrafluoride resin attached to the outer periphery of the valve shaft, and an O-ring made of fluorine-based rubber attached to the outer periphery of the annular member.
また、上記パッキン部材は、上記弁軸を上記冷却室内に露出させるための切欠部を有するパッキンガイドを介して、上記弁軸の長手方向に間隔を隔てて複数設けられても良い。 A plurality of the packing members may be provided at intervals in the longitudinal direction of the valve shaft via a packing guide having a notch for exposing the valve shaft to the cooling chamber.
また、上記冷却室への上記冷却媒体の出入口は、入口が出口よりも上側に設けられても良い。 Moreover, the inlet / outlet of the cooling medium to the cooling chamber may be provided above the outlet.
また、上記冷却媒体が冷却油であっても良い。 The cooling medium may be cooling oil.
本発明によれば、過給機のタービンをバイパスするバイパス流路に設けられる排気バイパスバルブにおいて、高温の排気ガスからの熱伝導によるダイヤフラムの熱害を防止できる排気バイパスバルブを提供することができるという優れた効果を奏する。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the exhaust bypass valve provided in the bypass flow path which bypasses the turbine of a supercharger can provide the exhaust bypass valve which can prevent the thermal damage of a diaphragm by the heat conduction from high temperature exhaust gas. There is an excellent effect.
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
まず、二段過給装置を図5を用いて説明する。 First, the two-stage supercharging device will be described with reference to FIG.
図5は、二段過給装置を適用したエンジンの概略図である。 FIG. 5 is a schematic view of an engine to which the two-stage supercharging device is applied.
図5中、符号1がエンジン本体(ディーゼルエンジン)、2が吸気マニフォールド、3が吸気管、4が排気マニフォールド、5が排気管、6がEGR管、7がEGRバルブ、8がEGRクーラである。
In FIG. 5,
エンジン本体1には、小容量の高圧段過給機HTC及び大容量の低圧段過給機LTCがエンジン本体1に近い方から直列に接続されている。
A small-capacity high-pressure supercharger HTC and a large-capacity low-pressure supercharger LTC are connected to the
エンジン本体1に接続された排気管5には、高圧段過給機HTCの高圧段タービンHT及び低圧段過給機LTCの低圧段タービンLTがエンジン本体1に近い方から直列に接続される。高圧段タービンHTは、排気管5に接続され、高圧段タービンHTをバイパスする排気バイパス流路としての排気バイパス管9と、排気バイパス管9に設けられ、排気バイパス管9を開閉可能な排気バイパスバルブ10とを有している。
The
一方、エンジン本体1に接続された吸気管3には、高圧段過給機HTCの高圧段コンプレッサHC及び低圧段過給機LTCの低圧段コンプレッサLCがエンジン本体1に近い方から直列に接続されている。高圧段コンプレッサHCは、吸気管3に接続され、高圧段コンプレッサHCをバイパスする吸気バイパス流路としての吸気バイパス管11と、吸気バイパス管11に設けられ、吸気バイパス管11を開閉可能な吸気バイパスバルブ12とを有している。
On the other hand, to the intake pipe 3 connected to the
吸気管3には、高圧段コンプレッサHC及び低圧段コンプレッサLCにより昇圧した吸気を冷却するインタクーラ13が設けられている。
The intake pipe 3 is provided with an
係る二段過給装置においては、エンジンの低中速低中負荷域では、排気バイパスバルブ10により排気バイパス管9を閉じて、エンジン本体1からの排気ガスを高圧段タービンHTへと供給して、高圧段過給機HTCを主に作動させるようになっている。このようにすることで、エンジンの低中速低中負荷域では、高圧段タービンHTが主に作動され、高圧段コンプレッサHCにより過給が行われる。
In such a two-stage turbocharging device, in the low, medium and low middle load region of the engine, the
一方、エンジンの高速高負荷域では、排気バイパスバルブ10により排気バイパス管9を開いて、エンジン本体1からの排気ガスをバイパスすると共に低圧段タービンLTへと供給して、低圧段過給機LTCを作動させるようになっている。このようにすることで、エンジンの高速高負荷域では、低圧段タービンLTが作動され、低圧段コンプレッサLCにより過給が行われる。
On the other hand, in the high-speed and high-load region of the engine, the
また、エンジンの低中速低中負荷域及び高速高負荷域を相互に遷移する遷移域では、排気バイパスバルブ10の開度を調節することで、高圧段過給機HTC及び低圧段過給機LTCを作動させるようになっている。このようにすることで、遷移域では、高圧段タービンHT及び低圧段タービンLTが作動され、高圧段コンプレッサHC及び低圧段コンプレッサLCにより過給が行われる。
Further, in the transition region where the low, medium, low and medium load regions and the high speed and high load region of the engine transition to each other, the high pressure supercharger HTC and the low pressure supercharger are adjusted by adjusting the opening of the
次に、本実施形態に係る排気バイパスバルブ10を図1を用いて説明する。
Next, the
図1は、本発明の一実施形態に係る排気バイパスバルブの縦断面図である。 FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an exhaust bypass valve according to an embodiment of the present invention.
図1に示すように、本実施形態に係る排気バイパスバルブ10は、排気バイパス管9(図5参照)の途中に配設され、排気ガスを流通する排気ガス流路21を有するハウジング22と、ハウジング22に昇降自在に支持されるポペットバルブ23とを備えている。
As shown in FIG. 1, an
ポペットバルブ23は、ハウジング22内の排気ガス流路21を開閉する弁体24と、一端部(下端部)に弁体24が設けられ他端部(上端部)に鍔部25が設けられた弁軸26とを有している。弁軸26は、ハウジング22に装着されたブッシュ27に昇降自在に且つ回転不能に支持される。また、弁軸26は、ブッシュ27に軸シールをなしつつ挿入される。鍔部25と後述するアクチュエータハウジング28との間にはポペットバルブ23(弁軸26)を閉方向(X方向)に付勢するための付勢手段としてのリターンスプリング29が圧縮状態で配設される。ポペットバルブ23の全閉時には、弁体24がハウジング22に装着されたバルブシート30に着座するようになっている。
The
ハウジング22の上部には、ポペットバルブ23を駆動するための駆動手段としてのダイヤフラム・アクチュエータ(アクチュエータ)31が設けられる。ダイヤフラム・アクチュエータ31は、ハウジング22の上部に設けられ、内部にダイヤフラム収容室32が形成されたアクチュエータハウジング28を有している。アクチュエータハウジング28内に形成されたダイヤフラム収容室32には、ポペットバルブ23(弁体24)の開度を調節するためのダイヤフラム33が張設されており、ダイヤフラム33によりダイヤフラム収容室32が負圧室34と大気圧室35とに区画される。ダイヤフラム33はゴム等の弾性材料からなる。ダイヤフラム33は弁軸26の端部に設けられた鍔部25に接続される。負圧室34には上記リターンスプリング29が収容され、負圧室34は吸引管36を介して真空ポンプ(図示せず)に接続される。大気圧室35は大気に開放される。
A diaphragm actuator (actuator) 31 as a driving means for driving the
アクチュエータハウジング28は、ボルト37等を用いてハウジング22に固着される。アクチュエータハウジング28とハウジング22との間には、後述する冷却ケーシング38が介設される。本実施形態では、アクチュエータハウジング28は、弁軸26の長手方向軸廻りに等間隔で複数箇所(例えば、120°間隔で3カ所)がハウジング22に対して固着される。
The
ハウジング22とアクチュエータハウジング28との間には、弁軸26の長手方向中間部を冷却すべく冷却媒体を流通する冷却室39を有する冷却ケーシング38が介設されている。本実施形態では冷却媒体として冷却油を用いており、冷却室39への冷却媒体(冷却油)の出入口は、入口(冷却油入口)をなす入口管40が出口(冷却油出口)をなす出口管41よりも上側に設けられる。冷却室39は、入口管40及び出口管41を介してオイルポンプやオイルタンク等(図示せず)に接続される。冷却油は、オイルポンプによって入口管40を介して冷却室39に適宜導入され、出口管41を介して冷却室39から適宜排出される。
Between the
冷却ケーシング38内には、冷却ケーシング38の軸貫通部をシールして冷却室39を気密に保つべく弁軸26に装着されたパッキン部材(組合せパッキン)42が配設されている。本実施形態に係るパッキン部材42は、弁軸26の外周に装着され、耐熱性材料(例えば、四ふっ化エチレン樹脂)からなる環状部材43と、環状部材43の外周に装着され、耐熱性材料(ふっ素系ゴム)からなるOリング44とから構成されている。これら環状部材43及びOリング44は、弁軸26を冷却室39内に露出させるための切欠部45を有する筒状のパッキンガイド46(図2参照)を介して、弁軸26の長手方向に間隔を隔てて上下に設けられる。図1中、符号47及び48はそれぞれ、負圧室34及び冷却室39を気密に保つべく弁軸26に装着されたシールラバーである。
In the cooling
弁軸26の外周とパッキンガイド46の内周との間には冷却油路をなす所定隙間49が形成されており、その所定隙間49を冷却油が通過し得るようになっている。また、弁軸26の長手方向中間部には、冷却室39内に位置させて、冷却油路をなす冷却用の孔50(図3参照)が弁軸26の径方向に貫通させて設けられており、その孔50を冷却油が通過し得るようになっている。
A
本実施形態では、冷却油への熱流路は、弁軸26の外周部、弁軸26の孔50、ハウジング22と冷却ケーシング38との接触部である。すなわち、本実施形態では、高温の排気ガスからダイヤフラム・アクチュエータ31に伝わる熱を、弁軸26の外周部、弁軸26の孔50、ハウジング22と冷却ケーシング38との接触部において冷却油により除去するようにしている。
In the present embodiment, the heat flow path to the cooling oil is the outer peripheral portion of the
次に、本実施形態の作用を説明する。 Next, the operation of this embodiment will be described.
図示しない真空ポンプにより負圧室34内の空気を吸引して、負圧室34内の圧力を所定の負圧とすると、ダイヤフラム33がリターンスプリング29の付勢力に抗して負圧室34側に変形する。これにより、弁軸26及び弁体24が開方向(Y方向)に移動され、ポペットバルブ23が開方向(Y方向)にリフトされる。
When the air in the
ここで、本実施形態では、内部に排気ガス流路21を形成したハウジング22と内部にダイヤフラム収容室32を形成したアクチュエータハウジング28との間に、冷却媒体を流通する冷却室39を有する冷却ハウジング28が設けられるので、排気ガス流路21を流れる高温の排気ガスから弁軸26を介してダイヤフラム・アクチュエータ31(ダイヤフラム33)に伝わる熱を、ハウジング22及びアクチュエータハウジング28間の狭小空間において積極的に冷却油により除去し、ダイヤフラム・アクチュエータ31(ダイヤフラム33)を低温に保持することができる。よって、排気ガス流路21を流れる高温の排気ガスの熱が弁軸26を介して弁軸26の端部に接続されたダイヤフラム33に伝わることを抑制して、高温の排気ガスからの熱伝導によるダイヤフラム33の熱害を防止できる。
Here, in this embodiment, a cooling housing having a cooling
また、冷却ケーシング38の軸貫通部にパッキン部材42が配設されるので、冷却ケーシング38の軸貫通部(弁軸26)からの排気ガスをシールして、冷却室39を気密に保つことができる。また、冷却ケーシング38内に形成された冷却室39を流通する冷却油が冷却ケーシング38の軸貫通部を通じて冷却室39外に漏れることが防止され、冷却室39を気密に保つことができる。
Further, since the packing
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず他の様々な実施形態を採ることが可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above embodiments, and various other embodiments can be adopted.
例えば、図4に示すように、上記弁軸26に、冷却用の孔50を交差させて複数設けても良い。
For example, as shown in FIG. 4, a plurality of cooling holes 50 may be provided in the
また、上記実施形態では上記冷却媒体が冷却油であるとしたが、これには限定はされず、上記冷却媒体が冷却水であっても良い。 In the above embodiment, the cooling medium is cooling oil. However, the present invention is not limited to this, and the cooling medium may be cooling water.
10 排気バイパスバルブ
21 排気ガス流路
22 ハウジング
24 弁体
26 弁軸
31 ダイヤフラム・アクチュエータ(アクチュエータ)
33 ダイヤフラム
38 冷却ケーシング
39 冷却室
42 パッキン部材
43 環状部材
44 Oリング
45 切欠部
46 パッキンガイド
50 孔
10
33
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