JP2013024205A - 排気タービン過給機及び内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】ウェイストゲートバルブの通路部がタービンハウジングと一体にて板金により形成されるものにあって、ウェイストゲートバルブから排出される排気の流れ方向を所望の方向に設定することができる。
【解決手段】排気タービン過給機１０は板金により形成されるとともにタービンホイールを囲繞するタービンハウジング２０を備える。また、タービンハウジング２０の内部にウェイストゲートバルブ３０が設けられている。また、ウェイストゲートバルブ３０に排気を導入するための通路部３１がタービンハウジング２０と一体形成されている。また、通路部３１の先端にはウェイストゲートバルブ３０の弁体が着座するポート部材３２がタービンハウジング２０とは別体にて設けられている。
【選択図】図４

Description

本発明は、排気タービン過給機及び該過給機が設けられる内燃機関に関する。

従来、燃費の節減等を目的として排気のエネルギによって過給を行なう排気タービン過給機及び内燃機関としては例えば特許文献１に記載のものがある。特許文献１に記載のものも含め従来一般の排気タービン過給機では、排気の一部を分流してタービンホイールへの流入量を調節するウェイストゲートバルブが設けられている。このウェイストゲートバルブは通常、タービンハウジングの内部に設けられており、タービンホイールの上流側の排気を導入するための通路部と、この通路部の先端のポート部に設けられて該ポート部を開閉する弁体とを有している。ちなみに、この通路部とタービンハウジングとは鋳造にて一体形成されている。

実開平１―７６５２３号公報

ところで、従来のタービンハウジングは鋳造にて形成されているため、薄肉化を図ることが困難であり、軽量化には自ずと限界がある。
そこで、タービンハウジングを、板金をプレス成形することによって形成することが考えられる。この場合、タービンハウジングに対して例えばバーリング加工することによりウェイストゲートバルブの通路部を形成することが考えられる。

ところが、この場合には、成形のし易さや剛性の確保といった観点から、通路部はその軸線方向がタービンホイールの軸線方向に沿った形状となる。すなわち、通路部の形状の自由度が低いものとなる。その結果、ウェイストゲートバルブから排出される排気の流れ方向を所望の方向に設定することが困難なものとなっている。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ウェイストゲートバルブの通路部がタービンハウジングと一体にて板金により形成されるものにあって、ウェイストゲートバルブから排出される排気の流れ方向を所望の方向に設定することのできる排気タービン過給機及び内燃機関を提供することにある。

以下、上記課題を解決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に記載の発明は、板金により形成されてタービンホイールを囲繞するタービンハウジングを備える排気タービン過給機であって、前記タービンハウジングの内部にウェイストゲートバルブが設けられてなる排気タービン過給機において、前記ウェイストゲートバルブに排気を導入するための通路部が前記タービンハウジングと一体形成され、前記通路部の先端には前記ウェイストゲートバルブの弁体が着座するポート部材が前記タービンハウジングとは別体にて設けられてなることをその要旨としている。

同構成によれば、ウェイストゲートバルブに排気を導入するための通路部がタービンハウジングと一体にて板金により形成されるため、タービンハウジングの軽量化を図ることができる。また、ウェイストゲートバルブの弁体が着座するポート部材がタービンハウジングとは別体にて設けられるため、ポート部材の形状を適宜設定することによって、ウェイストゲートバルブから排出される排気の流れ方向を通路部の形状とは独立して設定することが可能となる。従って、ウェイストゲートバルブの通路部がタービンハウジングと一体にて板金により形成されるものにあって、ウェイストゲートバルブから排出される排気の流れ方向を所望の方向に設定することができる。

請求項１に記載の発明は、請求項２に記載の発明によるように、前記ポート部材は筒状をなすとともにその内部空間の軸線方向が前記通路部の軸線方向と異なるように形成されてなるといった態様をもって具体化することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の排気タービン過給機において、前記ポート部材は前記通路部の先端に固定されてなることをその要旨としている。
同構成によれば、ポート部材が通路部の先端に固定されているため、ウェイストゲートバルブを通じて排出される排気の流れ方向を所望の方向に確実に維持することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の排気タービン過給機において、前記ポート部材は筒状をなし、前記ポート部材の内部空間の軸線方向を可変する可変機構が設けられてなることをその要旨としている。

同構成によれば、可変機構によってポート部材の内部空間の軸線方向を変更することができることから、ウェイストゲートバルブを通じて排出される排気の流れ方向を変更することが可能となる。

請求項５に記載の発明は、請求項３に記載の排気タービン過給機を備える内燃機関において、内燃機関の排気通路におけるウェイストゲートバルブの下流側には触媒装置が配置され、前記ポート部材は筒状をなし、前記ポート部材における内部空間の軸線方向は前記通路部の軸線方向よりも前記触媒装置の中心を指向してなることをその要旨としている。

同構成によれば、ウェイストゲートバルブを通じて排出される排気が触媒装置の中心に向けて流れるようになる。従って、触媒装置の暖機性を向上させることができる。
請求項６に記載の発明は、請求項３に記載の排気タービン過給機を備える内燃機関において、内燃機関の排気通路におけるウェイストゲートバルブの下流側には排気の空燃比を検出する空燃比センサが配置され、前記ポート部材は筒状をなし、前記ポート部材における内部空間の軸線方向は前記通路部の軸線方向よりも前記空燃比センサを指向してなることをその要旨としている。

多気筒内燃機関においては、気筒間における空燃比の不均衡が生じると、排気性状が悪化する等の不都合が生じるおそれがある。そこで、排気通路に空燃比センサを設け、該空燃比センサの出力に基づき気筒間における空燃比の不均衡が生じているか否かを判定するようにしている。ここで、一般に排気タービン過給機の下流側に触媒装置が配置されていることから、該触媒装置の直前、換言すれば排気タービン過給機の直後に空燃比センサを配置することが当該触媒装置に流入する排気の空燃比を精度良く検出する上では望ましい。

上記構成によれば、ウェイストゲートバルブを通じて排出される排気が空燃比センサに向けて流れるようになる。従って、過給機の下流側に空燃比センサが配置される構成にあって、気筒間における空燃比の不均衡が生じているか否かを的確に判定することができる。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜請求項４に記載の排気タービン過給機を備える内燃機関、及び請求項５のいずれか一項に記載の内燃機関において、内燃機関の排気通路におけるウェイストゲートバルブの下流側には排気の空燃比を検出する空燃比センサが配置され、前記ポート部材は筒状をなし、前記ポート部材の内周面と下流側端面とを貫通するとともに前記空燃比センサを指向する連通路が形成されてなることをその要旨としている。

同構成によれば、各気筒から排出された排気の一部がタービンホイールを通過することなくポート部材に貫通形成された連通路を通じて空燃比センサに向けて流れるようになる。従って、過給機の下流側に空燃比センサが配置される構成にあって、気筒間における空燃比の不均衡が生じているか否かを的確に判定することができる。

本発明に係る一実施形態について、排気タービン過給機の部分断面構造を示す部分断面図。 同実施形態のタービンハウジングについて、先端側フランジ側からの斜視構造を示す斜視図。 同実施形態のタービンハウジングについて、基端側フランジ側からの斜視構造を示す斜視図。 同実施形態における内燃機関の排気通路について、排気タービン過給機を中心とした断面構造を示す断面図。 同実施形態のウェイストゲートバルブの断面構造を示す断面図。 同実施形態の変形例について、排気タービン過給機を中心とした断面構造を示す断面図。

以下、図１〜図５を参照して、本発明に係る排気タービン過給機及び内燃機関を具体化した一実施形態について詳細に説明する。
図１に、本実施形態における排気タービン過給機１０の部分断面構造を示す。また、図２に、先端側フランジ１４側からのタービンハウジング２０の斜視構造を示す。また、図３に、基端側フランジ１３側からのタービンハウジング２０の斜視構造を示す。

尚、以降において、タービンホイール１１の軸線方向Ｃにおいてタービンシャフト１２に近接する側（図１において左側）を基端側とし、タービンシャフト１２から離間する側（図１において右側）を先端側とする。

図１〜図３に併せ示すように、排気タービン過給機１０は、図示しないベアリングによって回転可能に支持されるタービンシャフト１２と、タービンシャフト１２に連結されるタービンホイール１１と、タービンホイール１１を囲繞するとともにスクロール部をなすタービンハウジング２０とを備えている。

タービンハウジング２０は、ベアリングハウジング（図示略）に連結される基端側フランジ１３と、後述する下流側排気管３に連結される先端側フランジ１４との間に配置されており、大きくは、外側ハウジング部材２１と、外側ハウジング部材２１の内部に設けられる内側ハウジング部材２４とによって構成されている。

外側ハウジング部材２１は、基端側ハウジング部材２２と先端側ハウジング部材２３との分割構造とされている。尚、図２及び図３において符号「６」によって示される部位は、排気マニホルド（図示略）に連結される上流側フランジ１５である。

基端側ハウジング部材２２は、外側ハウジング部材２１の基端側の部位を構成するものであり、タービンホイール１１の基端側を覆うように設けられている。基端側ハウジング部材２２の基端部２２ａは基端側フランジ１３の先端外周面に接合されている。基端側ハウジング部材２２には、基端部２２ａから外周側に延びる基端側スクロール部２２ｃが形成されている。また、先端部２２ｂは基端側スクロール部２２ｃの外周側端部から軸線方向Ｃに沿って延びている。

先端側ハウジング部材２３は、外側ハウジング部材２１の先端側の部位を構成するものであり、後述する内側ハウジング部材２４、支持パイプ２５を覆うように設けられている。先端側ハウジング部材２３の基端部２３ａは軸線方向Ｃに沿って延びており、その内周面が基端側ハウジング部材２２の先端部２２ｂの外周面に接合されている。また、先端側ハウジング部材２３は、その基端部２３ａの先端側において基端部２３ａよりも縮径された第１縮径部２３ｂを有するとともに、第１縮径部２３ｂの先端側において第１縮径部２３ｂよりも更に縮径された第２縮径部２３ｃを有している。尚、第２縮径部２３ｃの外周面には先端側フランジ１４の内周面が接合されている。

内側ハウジング部材２４は、断面略Ｓ字状をなしており、軸線方向Ｃにおいてタービンホイール１１の羽根部１１ａに対向するシュラウド面２４ｄを有している。内側ハウジング部材２４の基端部２４ａは軸線方向Ｃに沿って延びており、その外周面が基端側ハウジング部材２２の先端部２２ｂの内周面に接合されている。すなわち、基端側ハウジング部材２２の先端部２２ｂ、先端側ハウジング部材２３の基端部２３ａ、及び内側ハウジング部材２４の基端部２４ａは互いに重なり合うようにアーク溶接にて接合されている。また、基端部２４ａからは断面略円弧状をなす先端側スクロール部２４ｃが延びており、この先端側スクロール部２４ｃと基端側ハウジング部材２２の基端側スクロール部２２ｃとによって排気マニホルドから排出された排気をタービンホイール１１の羽根部１１ａに導入するための通路であるスクロール部が構成される。また、先端側スクロール部２４ｃからは断面略円弧状をなすシュラウド面２４ｄを有する部位が先端側に向けて延びており、その先端部２４ｂは軸線方向Ｃに沿って延びている。

ここで、本実施形態では、ステンレス鋼からなる板状が金型プレス成形されることによって基端側ハウジング部材２２、先端側ハウジング部材２３、及び内側ハウジング部材２４がそれぞれ形成されている。

先端側ハウジング部材２３の内周面には支持パイプ２５が連結されている。具体的には、支持パイプ２５はタービンホイール１１の軸線方向Ｃに沿って延びるとともに、その先端部２５ｂが基端部２５ａよりも縮径されている。この基端部２５ａの外周面が先端側ハウジング部材２３の第１縮径部２３ｂの内周面に接合されている。ここで、基端部２５ａは内側ハウジング部材２４の先端部２４ｂを覆うように配置されており、基端部２５ａの内周面と先端部２４ｂの外周面との間にはこれらの間隙をシールするシール部材２６が設けられている。ここで、シール部材２６は、セラミックファイバー（例えばアルミナ）を周知の結合剤によって互いに結合させることによって形成されている、所謂セラミックマットである。内側ハウジング部材２４の先端部２４ｂは、このシール部材２６を介して支持パイプ２５により軸線方向Ｃにおいて変位可能に支持されている。

次に、ウェイストゲートバルブ３０の構成について説明する。
図４に、本実施形態の内燃機関１の排気通路２について、排気タービン過給機１０を中心とした断面構造を示す。尚、図４は、図１に示す断面構造とは排気タービン過給機１０における異なる回転位置での断面構造を示している。また、図４では、便宜上、タービンホイール１１が図示されていない。

図５に、ウェイストゲートバルブ３０の断面構造を示す。
図４に併せ示すように、排気通路２において先端側フランジ１４の排気下流側には下流側フランジ３ａを介して下流側排気管３が接続されている。この下流側排気管３の内部には排気を浄化するための触媒装置４が配置されている。ちなみに、触媒装置４は略円柱状をなしている。

タービンハウジング２０の内部には、排気マニホルドからの排気の一部を分流してタービンホイール１１への流入量を調節するためのウェイストゲートバルブ３０が設けられている。

ウェイストゲートバルブ３０は、タービンホイール１１の上流側の排気を導入するための通路部３１と、この通路部３１の先端に取り付けられるポート部材３２と、このポート部材３２に着座可能に設けられてポート部材３２の先端開口部を開閉する弁体３３とを備えて構成されている。ポート部材３２は通路部３１に対して固定されている。尚、図４では、便宜上、弁体３３が図示されていない。

図５に併せ示すように、通路部３１は筒状をなしており、内側ハウジング部材２４の形成に際して同部材２４に対してバーリング加工することにより形成される。すなわち、通路部３１はタービンハウジング２０と一体形成されている。また、通路部３１はその軸線方向Ｑがタービンホイール１１の軸線方向Ｃに沿うように形成されている。これは、バーリング加工をし易いといった理由や、通路部３１の剛性を確保する等の理由によるものである。

ポート部材３２は、筒状をなすとともに通路部３１の内部に挿通される内挿部３２ａと、内挿部３２ａの先端に形成されて弁体３３が着座可能な円盤状の弁座３２ｂとを有している。弁座３２ｂは全周にわたって内挿部３２ａよりも外周方向に突出している。すなわち、ポート部材３２はタービンハウジング２０とは別体にて設けられている。

ここで、ポート部材３２の内部空間３５は略円筒状をなしており、この内部空間３５の軸線方向Ｐは通路部３１の軸線方向Ｑとは異なるように形成されている。具体的には、図４に示すように、ウェイストゲートバルブ３０の通路部３１は触媒装置４の中心Ｃｃａｔよりも外周側に位置しているのに対して、内部空間３５の先端側の開口部（図４において右側の開口部）は基端側の開口部（図４において左側の開口部）よりも内周側に位置している。また、図５に示すように、内部空間３５の先端側の開口部は、基端側の開口部よりも排気タービン過給機１０のスクロール部内を排気が流れる方向Ｂの前方に位置している。すなわち、ポート部材３２の軸線方向Ｐは通路部３１の軸線方向Ｑよりも触媒装置４の中心Ｃｃａｔを指向している。

弁体３３はフラップ式のものであり、周知のアクチュエータ（図示略）により駆動される。
次に、本実施形態の作用について説明する。

ウェイストゲートバルブ３０の弁体３３が弁座３２ｂに着座して閉弁状態とされているときには、排気マニホルドからタービンハウジング２０の内部に流入した排気は全てスクロール部を通じてタービンホイール１１に流入する。

一方、ウェイストゲートバルブ３０が開弁状態とされると、排気マニホルドからタービンハウジング２０の内部に流入した排気の一部はウェイストゲートバルブ３０の通路部３１、ポート部材３２を通じてタービンハウジング２０の外部に流出するようになり、タービンホイール１１を迂回するようになる。

ここで、ウェイストゲートバルブ３０の通路部３１がタービンハウジング２０（具体的には、内側ハウジング部材２４）と一体にて板金により形成されるため、これらを鋳造にて形成する従来構成に比べて、タービンハウジング２０の軽量化を図ることができる。

また、ポート部材３２がタービンハウジング２０（通路部３１）とは別体にて設けられるため、ウェイストゲートバルブ３０から排出される排気の流れ方向を通路部３１の形状とは独立して設定することが可能となる。そして、本実施形態では、ポート部材３２の軸線方向Ｐは通路部３１の軸線方向Ｑよりも触媒装置４の中心Ｃｃａｔを指向していることから、ウェイストゲートバルブ３０を通じて排出される排気が触媒装置４の中心Ｃｃａｔに向けて流れるようになる。

以上説明した本実施形態に係る排気タービン過給機及び内燃機関によれば、以下に示す作用効果が得られるようになる。
（１）ウェイストゲートバルブ３０に排気を導入するための通路部３１がタービンハウジング２０と一体形成されている。また、通路部３１の先端にはウェイストゲートバルブ３０の弁体３３が着座するポート部材３２がタービンハウジング２０とは別体にて設けられている。こうした構成によれば、ウェイストゲートバルブ３０の通路部３１がタービンハウジング２０と一体にて板金により形成されるものにあって、ウェイストゲートバルブ３０から排出される排気の流れ方向を所望の方向に設定することができる。

（２）ポート部材３２は筒状をなすとともにその内部空間３５の軸線方向Ｐが通路部３１の軸線方向Ｑと異なるように形成されている。具体的には、ポート部材３２の軸線方向Ｐは通路部３１の軸線方向Ｑよりも触媒装置４の中心Ｃｃａｔを指向している。こうした構成によれば、ウェイストゲートバルブ３０を通じて排出される排気が触媒装置４の中心Ｃｃａｔに向けて流れるようになるため、触媒装置４の暖機性を向上させることができる。

（３）ポート部材３２は通路部３１の先端に固定されている。こうした構成によれば、ウェイストゲートバルブ３０を通じて排出される排気が触媒装置４の中心Ｃｃａｔに向けて流れる状態を確実に維持することができる。

尚、本発明に係る排気タービン過給機及び内燃機関は、上記実施形態にて例示した構成に限定されるものではなく、これを適宜変更した例えば次のような形態として実施することもできる。

・多気筒内燃機関においては、気筒間における空燃比の不均衡が生じると、排気性状が悪化する等の不都合が生じるおそれがある。そこで、図６に示すように、排気通路２において触媒装置４の直前、換言すれば排気タービン過給機１０の直後に空燃比センサ４０を配置し、空燃比センサ４０の出力に基づき気筒間における空燃比の不均衡が生じているか否かを判定するようにすればよい。この場合、ポート部材１３２に内部空間１３５とは別に、ポート部材１３２の内周面と先端側端面（下流側端面）とを貫通するとともに空燃比センサ４０を指向する連通路１３４が形成されるものを採用することもできる。この場合、各気筒から排出された排気の一部がタービンホイール１１を通過することなくポート部材１３２に貫通形成された連通路１３４を通じて空燃比センサ４０に向けて流れるようになる。従って、気筒間における空燃比の不均衡が生じているか否かを的確に判定することができる。

・上記実施形態及びその変形例では、ポート部材３２，１３２の内部空間３５，１３５の軸線方向Ｐが触媒装置４の中心Ｃｃａｔを指向するものについて例示した。これに代えて、ポート部材の内部空間の軸線方向Ｐが通路部の軸線方向Ｑよりも空燃比センサを指向するようにポート部材を形成することもできる。この場合、ウェイストゲートバルブを通じて排出される排気が空燃比センサに向けて流れるようになる。従って、気筒間における空燃比の不均衡が生じているか否かを的確に判定することができる。

・上記実施形態及びその変形例では、ポート部材３２が通路部３１の先端に固定されるものについて例示したが、これに代えて、筒状のポート部材の内部空間の軸線方向Ｐを可変とする可変機構を備えるものとしてもよい。すなわち、例えば、ポート部材が通路部の先端により回動可能に支持されるものとし、ポート部材を回動するアクチュエータが設けられるものとすれば、アクチュエータによってポート部材を通路部の先端に対して回動させることができる。このため、ウェイストゲートバルブを通じて排出される排気の流れ方向を変更することが可能となる。

・上記実施形態及びその変形例では、ポート部材の内部空間の軸線方向が直線状をなすものについて例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。ポート部材の内部空間の軸線方向が曲線状をなすものであってもよい。

１…内燃機関、２…排気通路、３…下流側排気管、３ａ…下流側フランジ、４…触媒装置、１０…排気タービン過給機、１１…タービンホイール、１１ａ…羽根部、１２…タービンシャフト、１３…基端側フランジ、１４…先端側フランジ、１５…上流側フランジ、２０…タービンハウジング、２１…外側ハウジング部材、２２…基端側ハウジング部材、２２ａ…基端部、２２ｂ…先端部、２２ｃ…基端側スクロール部、２３…先端側ハウジング部材、２３ａ…基端部、２３ｂ…第１縮径部、２３ｃ…第２縮径部、２４…内側ハウジング部材、２４ａ…基端部、２４ｂ…先端部、２４ｃ…先端側スクロール部、２４ｄ…シュラウド面、２５…支持パイプ、２５ａ…拡径部、２５ｂ…縮径部、２６…シール部材、３０，１３０…ウェイストゲートバルブ、３１，１３１…通路部、３２，１３２…ポート部材、３２ａ…内挿部、３２ｂ…弁座、３３…弁体、３５，１３５…内部空間、１３４…連通路、４０…空燃比センサ。

Claims (7)

1. 板金により形成されてタービンホイールを囲繞するタービンハウジングを備える排気タービン過給機であって、前記タービンハウジングの内部にウェイストゲートバルブが設けられてなる排気タービン過給機において、
   前記ウェイストゲートバルブに排気を導入するための通路部が前記タービンハウジングと一体形成され、
   前記通路部の先端には前記ウェイストゲートバルブの弁体が着座するポート部材が前記タービンハウジングとは別体にて設けられてなる
   ことを特徴とする排気タービン過給機。
2. 請求項１に記載の排気タービン過給機において、
   前記ポート部材は筒状をなすとともにその内部空間の軸線方向が前記通路部の軸線方向と異なるように形成されてなる
   ことを特徴とする排気タービン過給機。
3. 請求項１又は請求項２に記載の排気タービン過給機において、
   前記ポート部材は前記通路部の先端に固定されてなる
   ことを特徴とする排気タービン過給機。
4. 請求項１又は請求項２に記載の排気タービン過給機において、
   前記ポート部材は筒状をなし、
   前記ポート部材の内部空間の軸線方向を可変する可変機構が設けられてなる
   ことを特徴とする排気タービン過給機。
5. 請求項３に記載の排気タービン過給機を備える内燃機関において、
   内燃機関の排気通路におけるウェイストゲートバルブの下流側には触媒装置が配置され、
   前記ポート部材は筒状をなし、
   前記ポート部材における内部空間の軸線方向は前記通路部の軸線方向よりも前記触媒装置の中心を指向してなる
   ことを特徴とする内燃機関。
6. 請求項３に記載の排気タービン過給機を備える内燃機関において、
   内燃機関の排気通路におけるウェイストゲートバルブの下流側には排気の空燃比を検出する空燃比センサが配置され、
   前記ポート部材は筒状をなし、
   前記ポート部材における内部空間の軸線方向は前記通路部の軸線方向よりも前記空燃比センサを指向してなる
   ことを特徴とする内燃機関。
7. 請求項１〜請求項４に記載の排気タービン過給機を備える内燃機関、及び請求項５のいずれか一項に記載の内燃機関において、
   内燃機関の排気通路におけるウェイストゲートバルブの下流側には排気の空燃比を検出する空燃比センサが配置され、
   前記ポート部材は筒状をなし、
   前記ポート部材の内周面と下流側端面とを貫通するとともに前記空燃比センサを指向する連通路が形成されてなる
   ことを特徴とする内燃機関。

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