JP2013024043A - 多段過給システム - Google Patents

Abstract

【課題】万が一バルブアッセンブリの軸部が疲労破壊した場合であっても、直ちに圧縮空気の生成が停止することを防止する。
【解決手段】弁体５１ａ及び座金５１ｂの厚みは、バルブアッセンブリ５１から第１過給機のタービンインペラに至る流路の最小幅よりも大きく設定されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、多段過給システムに関するものである。

従来から、２つ（複数）の過給機を備える二段過給システム（多段過給システム）が提案されている。このような二段過給システムは、容量の異なる２つの過給機を備えており、内燃機関から供給される排気ガスの流量に応じて、２つの過給機に対する排気ガスの供給状態を変化させることで効率的に圧縮空気を生成する。

より詳細には、二段過給システムは、例えば、内燃機関から排出される排気ガスが供給される低圧段過給機（第１過給機）と、当該低圧段過給機よりも上流側に配置される高圧段過給機（第２過給機）と、内燃機関から排出される排気ガスを高圧段過給機のタービンインペラをバイパスして低圧段過給機に供給するバイパス流路の開閉を行う排気バイパスバルブ装置とを備えている。
このような排気バイパスバルブ装置としては、例えば、特許文献２に開示された排気バイパスバルブ装置を応用することができる。

そして、排気バイパスバルブ装置によってバイパス流路を閉鎖する場合には排気ガスが高圧段過給機に供給され、排気バイパスバルブ装置によってバイパス流路を開放する場合には排気ガスが低圧段過給機に供給されるように構成されている。

特開２００９−９２０２６号公報 特表２００２−５０８４７３号公報

ところで、排気バイパスバルブ装置は、バイパス流路の開閉を直接的に行う弁体と、当該弁体を取付部に対して固定する座金とが軸部を介して連結されて構成されるバルブアッセンブリを備えており、取付部を回動させてバルブアッセンブリを回動させることでバイパス流路の開閉を行っている。

このようなバルブアッセンブリは、排気ガスの流れを遮る等によって大きな荷重を受けるため、当該荷重に十分に耐えうる強度を有するように設計されている。
しかしながら、意図しない運転状態にて長期間使用された場合などの異常事態の際には、最も大きな応力が作用するバルブアッセンブリの軸部が疲労破壊し、上述の座金や弁体がバイパス流路中に脱落する可能性がある。
このような脱落した座金や弁体がバイパス流路を介して低圧段過給機のタービンインペラまで到達すると、低圧段過給機のタービンインペラが破損して圧縮空気の生成を行うことができなくなる。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、多段過給システムにおいて、万が一バルブアッセンブリの軸部が疲労破壊した場合であっても、直ちに圧縮空気の生成が停止することを防止することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、内燃機関から排出される排気ガスが供給される第１過給機と、当該第１過給機よりも上記排気ガスの流れの上流側に配置される第２過給機と、上記内燃機関から排出される上記排気ガスを上記第２過給機のタービンインペラをバイパスして上記第１過給機に供給するバイパス流路の開閉を行う排気バイパスバルブ装置とを備える多段過給システムであって、上記排気バイパスバルブ装置は、上記バイパス流路開口を開閉する弁体と当該弁体を取付部に対して固定する座金とが軸部を介して連結されて構成されるバルブアッセンブリを備え、上記弁体及び座金の少なくともいずれか一方の厚みが、上記バルブアッセンブリから上記第１過給機のタービンインペラに至る流路の最小幅よりも大きく設定されているという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記座金の厚みが上記バルブアッセンブリから上記第１過給機のタービンインペラに至る流路の最小幅よりも大きく設定されており、上記座金と上記軸部とが溶接接合されているという構成を採用する。

第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記弁体及び座金の少なくともいずれか一方の厚みが、上記第１過給機のタービンインペラ周りに形成されるディフューザの幅よりも大きく設定されているという構成を採用する。

本発明によれば、バルブアッセンブリが備える弁体あるいは座金の厚みが、バルブアッセンブリから第１過給機のタービンインペラに至る流路の最小幅よりも大きく設定されている。
このため、万が一バルブアッセンブリの軸部が疲労破壊した場合であっても、弁体あるいは座金が、少なくともバルブアッセンブリから第１過給機のタービンインペラに至る流路の最小幅を通り抜けることができず、第１過給機のタービンインペラに到達することを防止することができる。
つまり、本発明によれば、万が一バルブアッセンブリの軸部が疲労破壊した場合であっても、バルブアッセンブリの分解物である弁体あるいは座金がタービンインペラを破損することを防止することができる。
この結果、第１過給機のタービンインペラに排気ガスが供給され続けて圧縮空気の生成が継続されるため、直ちに圧縮空気の生成が停止することを防止し、例えば最寄のサービスステーションまで車両を容易に移動させることができる。

本発明の一実施形態における二段過給システムを備えるエンジンシステムの概略構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態における二段過給システムが備える低圧段過給機のタービンハウジングを含む拡大図である。 本発明の一実施形態における二段過給システムが備えるバルブアッセンブリの拡大図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る多段過給システムの一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。また、以下の説明においては、多段過給システムの一例として、２つの過給機を備える二段過給システムについて説明する。

図１は、本実施形態の二段過給システム１を備えるエンジンシステム１００の概略構成を示す模式図である。
エンジンシステム１００は、車両等に搭載されるものであり、二段過給システム１と、
エンジン１０１（内燃機関）と、インタークーラ１０２と、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）バルブ１０３と、ＥＧＲクーラ１０４と、ＥＣＵ（Engine Control Unit）１０５とを備えている。

二段過給システム１は、エンジン１０１から排出される排気ガスに含まれるエネルギを回転動力として回収し、当該回転動力によってエンジン１０１に供給する圧縮空気を生成するものである。
この二段過給システム１については、本発明の特徴を有するものであり、後に図面を参照して詳説する。

エンジン１０１は、搭載された車両の動力源として機能するものであり、二段過給システム１から供給される圧縮空気と燃料との混合気を燃焼して動力を生成すると共に、混合気の燃焼により発生した排気ガスを二段過給システム１に供給する。

インタークーラ１０２は、二段過給システム１からエンジン１０１に供給される圧縮空気を冷却するものであり、二段過給システム１とエンジン１０１の吸気口との間に配設されている。

ＥＧＲバルブ１０３は、エンジン１０１から排出された排気ガスの一部をエンジン１０１の吸気側に戻す返流流路の開閉を行うものであり、ＥＣＵ１０５によってその開度が調節される。

ＥＧＲクーラ１０４は、返流流路を介してエンジン１０１の吸気側に戻される排気ガスを冷却するものであり、ＥＧＲバルブ１０３の上流側に配置されている。

ＥＣＵ１０５は、エンジンシステム１００の全体を制御するものである。
そして、本エンジンシステム１００においてＥＣＵ１０５は、エンジン１０１の回転数（すなわち排気ガスの流量）に応じて、上述のＥＧＲバルブ１０３と、後述の排気バイパスバルブ装置５を制御する。

このような構成を有するエンジンシステム１００においては、エンジン１０１にて混合気が燃焼された排気ガスが排気されると、排気ガスの一部がＥＧＲクーラ１０４を介してエンジン１０１の吸気側に返送され、排気ガスの多くが二段過給システム１に供給される。そして、二段過給システム１において圧縮空気が生成され、当該圧縮空気がインタークーラ１０２で冷却された後にエンジン１０１に供給される。

次に、二段過給システム１について詳説する。
図１に示すように、二段過給システム１は、低圧段過給機２（第１過給機）と、高圧段過給機３（第２過給機）と、逆止弁４と、排気バイパスバルブ装置５と、ウエストゲートバルブ６とを備えている。

低圧段過給機２は、排気ガスの流れ方向において高圧段過給機３よりも下流側に配置されており、高圧段過給機３よりも大きく構成されている。
この低圧段過給機２は、低圧段コンプレッサ２ａと、低圧段タービン２ｂとを備えている。
そして、低圧段コンプレッサ２ａは、コンプレッサインペラと、当該コンプレッサインペラを囲うと共に内部に空気流路が形成されたコンプレッサハウジングとを備えている。
また、低圧段タービン２ｂは、タービンインペラと、当該タービンインペラを囲うと共に内部に排気ガス流路が形成されたタービンハウジングとを備えている。
そして、コンプレッサインペラとタービンインペラとが軸によって連結され、タービンインペラが排気ガスで回転駆動されることによってコンプレッサインペラが回転駆動されて圧縮空気が生成される。

高圧段過給機３は、排気ガスの流れ方向において低圧段過給機２よりも上流側に配置されている。
この高圧段過給機３は、高圧段コンプレッサ３ａと、高圧段タービン３ｂとを備えている。
そして、高圧段コンプレッサ３ａは、コンプレッサインペラと、当該コンプレッサインペラを囲うと共に内部に空気流路が形成されたコンプレッサハウジングとを備えている。
また、高圧段タービン３ｂは、タービンインペラと、当該タービンインペラを囲うと共に内部に排気ガス流路が形成されたタービンハウジングとを備えている。
そして、コンプレッサインペラとタービンインペラとが軸によって連結され、タービンインペラが排気ガスで回転駆動されることによってコンプレッサインペラが回転駆動されて圧縮空気が生成される。

なお、図２に示すように、低圧段タービン２ｂのタービンハウジング２ｃと、高圧段タービン３ｂのタービンハウジング３ｃとは、互いが有するフランジを突き合わせて接合されている。

高圧段タービン３ｂのタービンハウジング３ｃの内部には、高圧段タービン３ｂのタービンインペラを通過した排気ガスを排出する排気流路３ｄと、当該タービンインペラを介さずに低圧段タービン２ｂに供給するためのバイパス流路３ｅとが設けられている。

また、低圧段タービン２ｂのタービンハウジング２ｃの内部には、低圧段タービン２ｂのタービンインペラ２ｄに排気ガスを供給するための供給流路２ｅが設けられている。

そして、低圧段タービン２ｂのタービンハウジング２ｃと高圧段タービン３ｂのタービンハウジング３ｃとが接合されることによって、排気流路３ｄ及びバイパス流路３ｅと供給流路２ｅとが接続される。

また、図２に示すように、低圧段タービン２ｂのタービンハウジング２ｃの内部には、タービンインペラ２ｄが収容されている。そして、低圧段タービン２ｂの内部には、図２（ｂ）に示すように、タービンインペラ２ｄを囲うようにディフューザ２ｆが設けられている。

このディフューザ２ｆは、タービンインペラ２ｄに供給される排気ガスの流速を落とすことによって昇圧する部位であり、後述する排気バイパスバルブ装置５が備えるバルブアッセンブリ５１から低圧段過給機２のタービンインペラ２ｄに至る流路の中で最も狭い部位である。つまり、本実施形態においては、当該ディフューザ２ｆの幅ｄが、バルブアッセンブリ５１から低圧段過給機２のタービンインペラ２ｄに至る流路の最小幅となっている。

図１に戻り、逆止弁４は、高圧段過給機３の高圧段コンプレッサ３ａが駆動されていない場合に、低圧段過給機２の低圧段コンプレッサ２ａから排出された圧縮空気を、高圧段コンプレッサ３ａを介さずにエンジン１０１の吸気側に供給するバイパス流路に設けられている。そして、図１に示すように、逆止弁４は、低圧段コンプレッサ２ａ側からエンジン１０１側への圧縮空気の流れを許容すると共に、エンジン１０１側から低圧段コンプレッサ２ａ側への圧縮空気の逆流を防止するように構成されている。

排気バイパスバルブ装置５は、エンジン１０１から排出される排気ガスを高圧段過給機３のタービンインペラをバイパスして低圧段過給機２に供給するためのバイパス流路３ｅの開閉を行うものである。
そして、排気バイパスバルブ装置５は、図２に示すように、バルブアッセンブリ５１と、取付板５２（取付部）と、アクチュエータ５３とを備えている。

図３は、バルブアッセンブリ５１及び取付板５２との拡大図である。
この図に示すように、バルブアッセンブリ５１は、バイパス流路３ｅ開口を開閉する弁体５１ａと当該弁体５１ａを取付板５２に対して固定する座金５１ｂとが軸部５１ｃを介して連結された構成を有している。
このバルブアッセンブリ５１は、図２（ａ）に示すように、低圧段タービン２ｂのタービンハウジング２ｃと高圧段タービン３ｂのタービンハウジング３ｃとの境界領域において、バイパス流路３ｅの開口端を開閉するように回動可能とされている。

そして、本実施形態においては、弁体５１ａの厚みＤ１が、上述のディフューザ２ｆの幅ｄよりも大きく設定されている。つまり、本実施形態において弁体５１ａの厚みＤ１は、バルブアッセンブリ５１から低圧段過給機２のタービンインペラ２ｄに至る流路の最小幅よりも大きく設定されている。

また、本実施形態においては、座金５１ｂの厚みＤ２も、上述のディフューザ２ｆの幅ｄよりも大きく設定されている。つまり、本実施形態において座金５１ｂの厚みＤ２は、バルブアッセンブリ５１から低圧段過給機２のタービンインペラ２ｄに至る流路の最小幅よりも大きく設定されている。

また、本実施形態においては、座金５１ｂの中央部に貫通孔が設けられており、軸部５１ｃが弁体５１ａの上部から座金５１ｂの貫通孔に挿通されることで、軸部５１ｃの先端が座金５１ｂから突出して配置されている。
そして、軸部５１ｃの先端と座金５１ｂとが溶接接合されることによって、軸部５１ｃと座金５１ｂとが固定されている。

取付板５２は、軸部５１ｃが挿通される貫通孔を有しており、当該貫通孔に軸部５１ｃが挿通され、弁体５１ａと座金５１ｂとで狭持されている。
そして、取付板５２は、不図示のリンク板アッセンブリを介してアクチュエータからの駆動力が伝達されることによって図２（ａ）に示すように回動される。この取付板５２の回動によってバルブアッセンブリ５１も回動される。

図１に戻り、ウエストゲートバルブ６は、高圧段過給機３から排出された排気ガスあるいはバイパス流路３ｅを介して排出された排気ガスの一部を、低圧段過給機２のタービンインペラ２ｄを介することなくバイパスするものであり、ＥＣＵ１０５または低圧段コンプレッサ２ａの過給圧によって開度を調節される。

以上のような本実施形態の二段過給システム１によれば、バルブアッセンブリ５１が備える弁体５１ａの厚みＤ１及び座金５１ｂの厚みＤ２が、バルブアッセンブリ５１から低圧段過給機２のタービンインペラ２ｄに至る流路の最小幅よりも大きく設定されている。
このため、万が一バルブアッセンブリ５１の軸部５１ｃが疲労破壊した場合であっても、弁体５１ａ及び座金５１ｂが、図２（ｂ）に示すように、バルブアッセンブリ５１から低圧段過給機２のタービンインペラ２ｄに至る流路の最小幅（ディフューザ２ｆ）を通り抜けることができず、低圧段過給機２のタービンインペラ２ｄに到達することを防止することができる。

つまり、本実施形態の二段過給システム１によれば、万が一バルブアッセンブリ５１の軸部５１ｃが疲労破壊した場合であっても、バルブアッセンブリ５１の分解物である弁体５１ａ及び座金５１ｂがタービンインペラ２ｄを破損することを防止することができる。
この結果、低圧段過給機２のタービンインペラ２ｄに排気ガスが供給され続けて圧縮空気の生成が継続されるため、直ちに圧縮空気の生成が停止することを防止し、例えば最寄りのサービスステーションまで車両を容易に移動させることができる。

また、本実施形態においては、弁体５１ａ及び座金５１ｂの両方の厚みが、バルブアッセンブリ５１から低圧段過給機２のタービンインペラ２ｄに至る流路の最小幅よりも大きく設定される構成を採用している。
しかしながら、弁体５１ａは、座金５１ｂよりも大径であることから、バルブアッセンブリ５１から低圧段過給機２のタービンインペラ２ｄに至る湾曲する流路を通過することが難しい。このため、弁体５１ａの厚みを、バルブアッセンブリ５１から低圧段過給機２のタービンインペラ２ｄに至る流路の最小幅に関わらずに設定し、座金５１ｂの厚みのみをバルブアッセンブリ５１から低圧段過給機２のタービンインペラ２ｄに至る流路の最小幅よりも大きく設定しても良い。

なお、低圧段過給機２のタービンインペラ２ｄへの座金５１ｂの到達を防止するためのみであれば、座金５１ｂの厚みＤ２を厚くするほど効果が高い。
しかしながら、座金５１ｂの厚みＤ２を厚くするほど、座金５１ｂと低圧段過給機２のタービンハウジング２ｃの内壁とが干渉しやすくなり、弁体５１ａの最大開口率が低下することとなる。したがって、座金５１ｂの厚みＤ２は、求められる弁体５１ａの最大開口率を確保できる範囲で、最大限に設定することが好ましい。

また、本実施形態においては、座金５１ｂと軸部５１ｃとが溶接接合されている構成を採用している。
従来において座金と軸部とは、カシメにより接合されている。ただし、本実施形態において座金５１ｂは、厚みが従来の座金よりも厚くなることで大型化し重量が増している。このため、座金と軸部とをカシメにより接合した場合には、十分な接合強度を確保することができずに、座金にがたつきが生じる恐れもある。
そこで、本実施形態のように、座金５１ｂと軸部５１ｃとが溶接接合されることによって、座金５１ｂと軸部５１ｃとの接合強度を向上させ、座金５１ｂにがたつきが生じることを防止することができる。
なお、座金５１ｂを軽量化するべく、座金５１ｂに対して、溝部や貫通孔を形成しても良い。

また、本実施形態においては、弁体５１ａ及び座金５１ｂの両方の厚みが、ディフューザ２ｆの幅よりも大きく設定される構成を採用している。
ディフューザは、一般的にバルブアッセンブリから低圧段過給機のタービンインペラに至る流路において最も流路幅が狭い部位である。このため、弁体及び座金の厚みを設定する際に、当該ディフューザの幅を基準とすることで、容易に弁体及び座金の厚みを、バルブアッセンブリから低圧段過給機のタービンインペラに至る流路の最小幅よりも大きく設定することができる。
ただし、ディフューザの幅がバルブアッセンブリから低圧段過給機のタービンインペラに至る流路の最小幅でない場合には、弁体及び座金の厚みを、当該最小幅より大きく、ディフューザの幅より小さく設定することも可能である。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、過給機を２つ備える構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、さらに複数の過給機を備える構成を採用することも可能である。

１……二段過給システム（多段過給システム）、２……低圧段過給機（第１過給機）、２ｃ……タービンハウジング、２ｄ……タービンインペラ、２ｆ……ディフューザ、３……高圧段過給機（第２過給機）、３ｃ……タービンハウジング、３ｅ……バイパス流路、５……排気バイパスバルブ装置、５１……バルブアッセンブリ、５１ａ……弁体、５１ｂ……座金、５１ｃ……軸部、５２……取付板（取付部）、１０１……エンジン（内燃機関）

Claims (3)

1. 内燃機関から排出される排気ガスが供給される第１過給機と、当該第１過給機よりも前記排気ガスの流れの上流側に配置される第２過給機と、前記内燃機関から排出される前記排気ガスを前記第２過給機のタービンインペラをバイパスして前記第１過給機に供給するバイパス流路の開閉を行う排気バイパスバルブ装置とを備える多段過給システムであって、
   前記排気バイパスバルブ装置は、前記バイパス流路開口を開閉する弁体と当該弁体を取付部に対して固定する座金とが軸部を介して連結されて構成されるバルブアッセンブリを備え、
   前記弁体及び座金の少なくともいずれか一方の厚みは、前記バルブアッセンブリから前記第１過給機のタービンインペラに至る流路の最小幅よりも大きく設定されている
   ことを特徴とする多段過給システム。
2. 前記座金の厚みが前記バルブアッセンブリから前記第１過給機のタービンインペラに至る流路の最小幅よりも大きく設定されており、前記座金と前記軸部とが溶接接合されていることを特徴とする請求項１記載の多段過給システム。
3. 前記弁体及び座金の少なくともいずれか一方の厚みは、前記第１過給機のタービンインペラ周りに形成されるディフューザの幅よりも大きく設定されていることを特徴とする請求項１または２記載の多段過給システム。

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