JP2012241619A - ターボチャージャー付内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成にてターボチャージャーを制御するアクチュエータの熱害を十分に防止することができるターボチャージャー付内燃機関の提供。
【解決手段】排気マニホールド８からタービンハウジング１２にかけて壁部１４ａ内に冷却水流路８ｂ，１２ｃが形成されている。電動モータを主体とするアクチュエータ２０は、排気マニホールド８側の冷却水流路８ｂが形成されている壁部１４ａの外面側に取り付けられている。したがってアクチュエータ２０は排気通路８ａ内の排気流からの伝熱によって加熱されることはない。このことからアクチュエータ２０に冷却水を配管にて供給する必要がない。しかも壁部１４ａの外面側に取り付けるだけで良い。このため取り付け構成も簡易である。このようにして簡易な構成にてウエイストゲートバルブ２２を駆動するアクチュエータ２０の熱害を十分に防止することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、排気マニホールドから排気流を導入してタービンホイールを回転させるタービンと、タービンホイールの回転力により吸気を圧縮するコンプレッサとを有するターボチャージャーを備えた内燃機関に関する。

ターボチャージャー付内燃機関の排気系を構成する部材に対して冷却水を供給して各部材の熱害を防止する構成が知られている（例えば特許文献１〜４参照）。
特許文献１では、排気冷却用アダプタ、ターボハウジング、ウエイストゲートバルブにそれぞれ冷却水を供給して各部材の熱害を防止している。

特許文献２では、ウエイストゲートバルブ用アクチュエータの切換弁に排気を供給するための排気通路を冷却水にて冷却することにより、切換弁の熱害を防止している。
特許文献３では、シリンダヘッドから冷却水をタービンハウジングに導入してタービンの熱害を防止している。

特許文献４では、タービンをシリンダヘッドに内蔵し、タービンがシリンダヘッド内を流れる冷却水により冷却されることで、コンプレッサの昇温を抑制している。
上述したごとく冷却水による冷却の代わりにウエイストゲートバルブのアクチュエータをタービンに対して他所よりも低温雰囲気にある場所に配置することで、熱害を防止する構成が知られている（例えば特許文献５参照）。

実開昭６４−１５７１８号全文公報（第１４〜１７頁、図３） 特開昭６２−１３１９２１号公報（第４頁、図４） 特開２００８−１９０５０３号公報（第６〜９頁、図３〜４） 特開２００２−３０３１４５号公報（第４〜５頁、図２〜３） 特開昭６３−２１３２８号公報（第４頁、図１〜２）

しかし特許文献１の構成では、アクチュエータが載置されたウエイストゲートバルブを冷却するための冷却水配管や冷却水還流配管などの配管が複雑に配置されており、内燃機関が大型化したり、生産効率が低下するおそれがある。

特許文献２ではアクチュエータについては冷却されておらず熱害を防止できない。
特許文献３，４ではアクチュエータはシリンダヘッドに配置されていることにより、シリンダヘッドの構成が大型化したり、複雑化して生産効率が低下するおそれがある。

特許文献５では、アクチュエータを積極的に冷却していないので熱害防止が不十分となるおそれがある。
本発明は、簡易な構成にてウエイストゲートバルブ用アクチュエータなどのターボチャージャーを制御するアクチュエータの熱害を十分に防止することができるターボチャージャー付内燃機関の提供を目的とするものである。

以下、上記目的を達成するための手段及びその作用・効果について記載する。
請求項１に記載のターボチャージャー付内燃機関は、排気マニホールドから排気流を導入してタービンホイールを回転させるタービンと、タービンホイールの回転力により吸気を圧縮するコンプレッサとを有するターボチャージャーを備えた内燃機関であって、排気マニホールドからタービンハウジングにかけて壁部内に冷却水流路が形成されていると共に、この冷却水流路が形成されている壁部の外面側に、ターボチャージャーを制御するアクチュエータを取り付けたことを特徴とする。

このように排気マニホールドからタービンハウジングにかけて壁部内に冷却水流路が形成されることで、排気系の冷却がなされている構成に対して、アクチュエータは、冷却水流路が形成されている壁部の外面側に取り付けられている。

このようにアクチュエータは冷却水により冷却されている壁部に取り付けられるため、排気からの伝熱により加熱されることがない。このことからアクチュエータに冷却水を配管にて供給する必要がない。しかも該当する壁部の外面側に取り付けるだけで良い。

このようにして簡易な構成にてターボチャージャーを制御するアクチュエータの熱害を十分に防止することができる。
請求項２に記載のターボチャージャー付内燃機関では、請求項１に記載のターボチャージャー付内燃機関において、前記アクチュエータの一部又は全部のハウジングは、前記冷却水流路が形成されている壁部の外面に一体成形されているものであることを特徴とする。

このようにアクチュエータの一部又は全部のハウジングが、冷却水により冷却されている壁部の外面に一体成形されていることにより、締結部品などの部品点数が少なくなって更に簡易な構成となる。しかも伝熱性が向上して、アクチュエータの冷却効果が高まる。

請求項３に記載のターボチャージャー付内燃機関では、請求項１に記載のターボチャージャー付内燃機関において、前記アクチュエータの基台部が、前記冷却水流路が形成されている壁部の外面に一体成形されているものであることを特徴とする。

このようにアクチュエータの基台部が、冷却水により冷却されている壁部の外面に一体成形されていることにより、締結部品などの部品点数が少なくなって更に簡易な構成となる。しかも基台部を介することによりアクチュエータから冷却水流路側への放熱性が向上して、アクチュエータの冷却効果が高まる。

請求項４に記載のターボチャージャー付内燃機関では、請求項１〜３のいずれか一項に記載のターボチャージャー付内燃機関において、前記排気マニホールドと前記タービンハウジングとが一体成形されていることを特徴とする。

排気マニホールドとタービンハウジングとは一体成形されたものでも良い。このように構成すると、排気マニホールドとタービンハウジングとの接続部のシールが不要となり、排気漏れに対する信頼性も向上する。

請求項５に記載のターボチャージャー付内燃機関では、請求項１〜４のいずれか一項に記載のターボチャージャー付内燃機関において、前記アクチュエータは、前記タービンホイールに対する排気流の迂回により過給圧を内燃機関運転状態に応じて調節するウエイストゲートバルブを駆動するアクチュエータであることを特徴とする。

アクチュエータとしてはウエイストゲートバルブを駆動するものが挙げられる。このアクチュエータの熱害を防止することにより、高精度な過給圧制御を長期にわたって継続することができる。

請求項６に記載のターボチャージャー付内燃機関では、請求項１〜４のいずれか一項に記載のターボチャージャー付内燃機関において、前記アクチュエータは、ノズルベーンの角度調節によりタービンホイールに吹き付けられる排気流の流速を変化さることで過給圧を内燃機関運転状態に応じて調節するアクチュエータであることを特徴とする。

アクチュエータとしてはノズルベーンの角度調節するものが挙げられる。このアクチュエータの熱害を防止することにより、高精度な過給圧制御を長期にわたって継続することができる。

請求項７に記載のターボチャージャー付内燃機関では、請求項１〜６のいずれか一項に記載のターボチャージャー付内燃機関において、前記アクチュエータは、電動アクチュエータであることを特徴とする。

特に電動アクチュエータでは、機械式のアクチュエータに比較して熱劣化が進行しやすいが、前述のごとく高温化が十分に抑制できることから、電動アクチュエータについても、簡易な構成にて熱害を十分に防止することができる。

実施の形態１の内燃機関における排気系の概略構成図。 実施の形態１における排気マニホールドとタービンハウジングとの一体物の斜視図。 実施の形態１の内燃機関における排気系の要部断面図。 実施の形態２の内燃機関における排気系の要部断面図。 実施の形態３の内燃機関における排気系の要部断面図。 実施の形態４の内燃機関における排気系の要部断面図。

［実施の形態１］
〈構成〉図１は、上述した発明が適用された内燃機関２の排気系を示している。内燃機関２は直列４気筒の内燃機関であり、そのシリンダヘッド４の排気ポート６側には排気マニホールド８が接続されている。この排気マニホールド８はターボチャージャー１０のタービンハウジング１２と共に一体成形されたものである。図２は、鋳造にて一体形成された排気マニホールド８とタービンハウジング１２との一体物１４を示している。

尚、図１，２では、ターボチャージャー１０はタービンハウジング１２のみ示している。実際にはターボチャージャー１０は、タービンハウジング１２の内部にタービンホイールが配置された状態でコンプレッサと組み合わされている。

ターボチャージャー１０内に配置されたタービンホイールは、排気マニホールド８内の排気通路８ａから流れ込む排気流により回転される。
タービンホイールを回転させた排気流は、タービンフランジ１２ａに接続した排気管側へ排出される。このことにより排気流はターボチャージャー１０から排出されて、排気浄化触媒側へ流れる。

タービンフランジ１２ａと反対側にはコンプレッサハウジング接続部１２ｂが形成されており、コンプレッサハウジング接続部１２ｂにコンプレッサハウジングが接続される。コンプレッサハウジング内にはタービンホイールと一体回転するコンプレッサブレードが配置され、エアクリーナを介して吸い込まれた吸気を圧縮する。圧縮された吸気は、インタークーラやスロットルバルブを介して、吸気ポート１６から各気筒の燃焼室１８内へ供給されて燃焼に用いられる。

ここで排気マニホールド８は水冷式であり、図３に示すごとく、排気通路８ａの周囲に冷却水流路８ｂが設けられている。排気マニホールド８と共に一体成形されているタービンハウジング１２にも排気冷却用の冷却水流路１２ｃが設けられている。これら排気マニホールド８側の冷却水流路８ｂとタービンハウジング１２側の冷却水流路１２ｃとは連続して形成されている。

シリンダブロックやシリンダヘッド４へ供給されてくる冷却水の一部を分流させた冷却水、あるいはシリンダブロックやシリンダヘッド４を冷却した後の冷却水が、排気マニホールド８側の導入口８ｃから供給される。この冷却水は排気マニホールド８側の冷却水流路８ｂを流れて、タービンハウジング１２側の冷却水流路１２ｃ内へ流れ込む。そしてタービンハウジング１２側に設けられた排出口１２ｄから排出される。排出口１２ｄから排出された冷却水は高温化しているので、ラジエータにて熱交換して冷却した後に、ウォータポンプにより再度、循環が行われる。

排気マニホールド８とタービンハウジング１２との一体物１４には、外面側にアクチュエータ２０が取り付けられている。このアクチュエータ２０はウエイストゲートバルブ２２を開閉駆動するために設けられている。

内燃機関２にはアクチュエータ２０を制御するための電子回路が設けられており、内燃機関２の運転状態に応じて、ターボチャージャー１０のコンプレッサによる過給圧が過剰にならないようにウエイストゲートバルブ２２の開閉状態を調節している。

アクチュエータ２０は、ここでは電動モータを主体とするものであり、ギヤ機構を介してコントロールシャフト２０ａを回転させる。コントロールシャフト２０ａは一体物１４の壁部１４ａを介してタービンハウジング１２内のウエイストゲートバルブ２２に接続し、軸回りに回転することでウエイストゲートバルブ２２を開閉駆動する。

ウエイストゲートバルブ２２が閉じられていると排気マニホールド８から供給される排気流はそのままタービンホイールを回転させるので、コンプレッサにて十分に過給圧を上昇できる。ウエイストゲートバルブ２２が開けられると排気マニホールド８から供給される排気流はウエイストゲートバルブ２２を通過して排気流はタービンホイールを迂回するので過給圧を抑制できる。

図３に示したごとくアクチュエータ２０が配置されている一体物１４の外面は、ここでは排気マニホールド８において冷却水流路８ｂが形成されている部分の壁部１４ａの外面に相当する。
〈作用〉アクチュエータ２０と排気通路８ａとの間には冷却水流路８ｂが存在するため、排気通路８ａに高温の排気が流れても排気からアクチュエータ２０への伝熱が阻止され、かつ、アクチュエータ２０についても冷却水にて冷却されることから、アクチュエータ２０は高温化することはない。
〈効果〉（１）上述したごとく排気マニホールド８からタービンハウジング１２にかけて壁部１４ａ内に冷却水流路８ｂ，１２ｃが形成されている。電動モータを主体とするアクチュエータ２０は、排気マニホールド８側の冷却水流路８ｂが形成されている壁部１４ａの外面側に取り付けられている。

壁部１４ａは冷却水流路８ｂ内の冷却水により冷却されているので、アクチュエータ２０は排気通路８ａ内の排気流からの伝熱によって加熱されることはない。このことからアクチュエータ２０に冷却水を配管にて供給する必要がない。しかも壁部１４ａの外面側に取り付けるだけで良い。このため取り付け構成も簡易である。

このようにして簡易な構成にてウエイストゲートバルブ２２を駆動するアクチュエータ２０の熱害を十分に防止することができる。
（２）特にアクチュエータ２０は電動アクチュエータである。ここでは電動モータを主体としている。このような電動アクチュエータではダイヤフラムなどによる機械式のアクチュエータに比較して熱劣化が進行しやすいが、上述した構成とすることにより高温化が十分に抑制され、簡易な構成にても十分に熱害を防止することができる。このことにより高精度な過給圧制御を長期にわたって継続することができる。

（３）排気マニホールド８とタービンハウジング１２とは一体成形されて一体物１４となっている。このように一体物１４とすることにより、排気マニホールド８とタービンハウジング１２との接続部のシールが不要となり、排気漏れに対する信頼性も向上する。

［実施の形態２］
〈構成〉本実施の形態の内燃機関１０２における排気系の構成を図４に示す。ここで排気マニホールド１０８とタービンハウジング１１２との一体物１１４の外面側に取り付けられているアクチュエータ１２０は、その基台部１２０ａが一体物１１４の壁部１１４ａの外面に鋳造により一体成形されている。アクチュエータ１２０は、基台部１２０ａの上で、樹脂製カバー１２０ｂに覆われた状態で取り付けられている。他の構成は前記実施の形態１と同じである。
〈作用〉アクチュエータ１２０の基台部１２０ａが、このような壁部１１４ａの外面側に一体成形されていることにより、締結部品などの部品点数が少なくなり構成が一層簡易となる。しかも基台部１２０ａを介することで、アクチュエータ１２０から冷却水流路１０８ｂ側への放熱性も向上する。
〈効果〉（１）前記実施の形態１の効果が生じると共に、より構成が簡易となり、壁部１１４ａ内の冷却水流路１０８ｂによるアクチュエータ１２０の冷却効果が高まる。

（２）冷却水流路１０８ｂ内の冷却水により冷却されている基台部１２０ａを覆うためには、高い耐熱性は不要であることから、金属製でない樹脂製カバー１２０ｂで内部のアクチュエータ１２０を覆っている。このため材料の軽量化や低コスト化に貢献できる。

［実施の形態３］
〈構成〉本実施の形態の内燃機関２０２における排気系の構成を図５に示す。ここで排気マニホールド２０８とタービンハウジング２１２との一体物２１４の外面側に取り付けられているアクチュエータ２２０は、排気マニホールド２０８側でなく、タービンハウジング２１２側において一体物２１４の外面側に取り付けられている。

アクチュエータ２２０が取り付けられている部分の壁部２１４ａには、冷却水流路２１２ｃが形成されている。他の構成は前記実施の形態１と同じである。
〈作用〉このようにアクチュエータ２２０を、一体物２１４のタービンハウジング２１２側に配置した構成とした場合も、冷却水流路２１２ｃがアクチュエータ２２０と排気通路２１２ａとの間に存在している構成となっている。このため冷却水流路２１２ｃ内の冷却水の冷却作用により、排気通路２１２ａ内を高温の排気が流れても、アクチュエータ２２０は高温化することはない。
〈効果〉（１）前記実施の形態１の効果が生じると共に、特にアクチュエータ２２０がウエイストゲートバルブ２２２の近くに配置できるので、コントロールシャフト２２０ａが短くでき、内燃機関２０２が軽量化できる。更にコントロールシャフト２２０ａを駆動するためのアクチュエータ２２０における消費電気エネルギーも少なくて済む。

［実施の形態４］
〈構成〉本実施の形態の内燃機関３０２における排気系の構成を図６に示す。
ここでタービンハウジング３１２側では、ウエイストゲートバルブは設けられておらず、この代わりにタービンにノズルベーン角度調節機構３２２が設けられている。

タービンハウジング３１２内に配置されているタービンには、ノズルベーンが回動可能に設けられており、ノズルベーン角度調節機構３２２は、このノズルベーンを回動してその向きを調整するものである。

そして電動モータからなるアクチュエータ３２０はコントロールシャフト３２０ａの軸回転あるいは軸方向移動により、ノズルベーン角度調節機構３２２を駆動してノズルベーンの角度を調節するものである。

このノズルベーンの角度調節により、タービンを作動させる排気流を調整することができ、排気圧力の変化に伴ったターボチャージャー３１０から内燃機関３０２に供給される吸気量の低下を抑制することができる。

アクチュエータ３２０は、前記実施の形態１と同様に、排気マニホールド３０８とタービンハウジング３１２との一体物３１４において、排気マニホールド３０８側の冷却水流路３０８ｂが形成されている壁部３１４ａの外面側に取り付けられている。その他の構成についても前記実施の形態１と同じである。
〈作用〉このようにターボチャージャー制御用のアクチュエータとして、ノズルベーン角度調節機構３２２を駆動するアクチュエータ３２０を用いた場合にも前記実施の形態１と同様の作用を生じる。
〈効果〉（１）ノズルベーン角度調節機構３２２用のアクチュエータ３２０についても前記実施の形態１と同様な効果が生じる。

［その他の実施の形態］
・前記実施の形態２のアクチュエータ１２０は基台部１２０ａが、排気マニホールド１０８とタービンハウジング１１２との一体物１１４に一体成形されていたが、アクチュエータ１２０のハウジングについてもその一部あるいは全部が一体物１１４と一体成形されたものでも良い。他の実施の形態についても同様である。

・前記実施の形態３のアクチュエータ２２０についても前記実施の形態２のごとく基台部が一体物２１４に一体成形されていても良く、あるいはアクチュエータ２２０のハウジングの一部又は全部が一体物２１４と一体成形されていても良い。このことは前記実施の形態４におけるノズルベーン角度調節機構３２２を駆動するアクチュエータ３２０についても同じである。

・前記各実施の形態において、ウエイストゲートバルブやノズルベーン角度調節機構を駆動するアクチュエータは電動モータであったが、ソレノイドなどの電動アクチュエータでも良い。

又、ダイヤフラムなどによる機械式アクチュエータであっても良い。このように機械式であっても熱害による作動不良を防止できる。
・前記各実施の形態では、排気マニホールドとタービンハウジングとは一体成形されたものであったが、排気マニホールドとタービンハウジングとは別体に成形して機械的に接続するものであっても良い。

２…内燃機関、４…シリンダヘッド、６…排気ポート、８…排気マニホールド、８ａ…排気通路、８ｂ…冷却水流路、８ｃ…導入口、１０…ターボチャージャー、１２…タービンハウジング、１２ａ…タービンフランジ、１２ｂ…コンプレッサハウジング接続部、１２ｃ…冷却水流路、１２ｄ…排出口、１４…一体物、１４ａ…壁部、１６…吸気ポート、１８…燃焼室、２０…アクチュエータ、２０ａ…コントロールシャフト、２２…ウエイストゲートバルブ、１０２…内燃機関、１０８…排気マニホールド、１０８ｂ…冷却水流路、１１２…タービンハウジング、１１４…一体物、１１４ａ…壁部、１２０…アクチュエータ、１２０ａ…基台部、１２０ｂ…樹脂製カバー、２０２…内燃機関、２０８…排気マニホールド、２１２…タービンハウジング、２１２ａ…排気通路、２１２ｃ…冷却水流路、２１４…一体物、２１４ａ…壁部、２２０…アクチュエータ、２２０ａ…コントロールシャフト、２２２…ウエイストゲートバルブ、３０２…内燃機関、３０８…排気マニホールド、３０８ｂ…冷却水流路、３１０…ターボチャージャー、３１２…タービンハウジング、３１４…一体物、３１４ａ…壁部、３２０…アクチュエータ、３２０ａ…コントロールシャフト、３２２…ノズルベーン角度調節機構。

Claims (7)

1. 排気マニホールドから排気流を導入してタービンホイールを回転させるタービンと、タービンホイールの回転力により吸気を圧縮するコンプレッサとを有するターボチャージャーを備えた内燃機関であって、
   排気マニホールドからタービンハウジングにかけて壁部内に冷却水流路が形成されていると共に、この冷却水流路が形成されている壁部の外面側に、ターボチャージャーを制御するアクチュエータを取り付けたことを特徴とするターボチャージャー付内燃機関。
2. 請求項１に記載のターボチャージャー付内燃機関において、前記アクチュエータの一部又は全部のハウジングは、前記冷却水流路が形成されている壁部の外面に一体成形されているものであることを特徴とするターボチャージャー付内燃機関。
3. 請求項１に記載のターボチャージャー付内燃機関において、前記アクチュエータの基台部が、前記冷却水流路が形成されている壁部の外面に一体成形されているものであることを特徴とするターボチャージャー付内燃機関。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のターボチャージャー付内燃機関において、前記排気マニホールドと前記タービンハウジングとが一体成形されていることを特徴とするターボチャージャー付内燃機関。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のターボチャージャー付内燃機関において、前記アクチュエータは、前記タービンホイールに対する排気流の迂回により過給圧を内燃機関運転状態に応じて調節するウエイストゲートバルブを駆動するアクチュエータであることを特徴とするターボチャージャー付内燃機関。
6. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のターボチャージャー付内燃機関において、前記アクチュエータは、ノズルベーンの角度調節によりタービンホイールに吹き付けられる排気流の流速を変化さることで過給圧を内燃機関運転状態に応じて調節するアクチュエータであることを特徴とするターボチャージャー付内燃機関。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載のターボチャージャー付内燃機関において、前記アクチュエータは、電動アクチュエータであることを特徴とするターボチャージャー付内燃機関。

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