JP2013068201A

JP2013068201A - 排気バイパスバルブ

Info

Publication number: JP2013068201A
Application number: JP2011209038A
Authority: JP
Inventors: Akira Iijima; 章飯島
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2013-04-18

Abstract

【課題】エンジンが高過給となっても、排気バイパスバルブを作動させるアクチュエータの荷重を上げなくとも済む排気バイパスバルブを提供する。
【解決手段】過給器２１のタービン２８をバイパスする排気バイパス通路２３と、排気バイパス通路２３を開閉する弁体４１とを備えた排気バイパスバルブ４０において、排気バイパス通路２３よりも小径に形成され、弁体４１の上流と下流とを連通する通気通路４６と、通気通路４６に配設され、弁体４１の上流側圧力（Ｐｅ）と下流側圧力（Ｐｐ）との差圧（Ｐｅ−Ｐｐ）が所定圧力を下回っている間は通気通路４６を開放し、弁体４１の上流側圧力（Ｐｅ）と下流側圧力（Ｐｐ）との差圧（Ｐｅ−Ｐｐ）が所定圧力を超えると通気通路４６を閉塞する開閉バルブ４７とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、過給器のタービンをバイパスする排気バイパス通路に配設される排気バイパスバルブに関する。

排気バイパスバルブが用いられる二段過給エンジンは、一般的に図５に示すような回路となっている。

この二段過給エンジン１０では、図５に示すように、エンジン本体１１の吸排気通路１２、１３に直列に高圧段ターボチャージャ（High-pressure turbocharger）２１及び低圧段ターボチャージャ（Low-pressure turbocharger）２２が配設され、高圧段ターボチャージャ２１の高圧段タービン２８をバイパスする高圧段側排気バイパス通路２３に、排気バイパスバルブ４０Ｘが配設されている。二段過給エンジン１０では、低負荷から中負荷時は、排気バイパスバルブ４０Ｘを閉じ、高圧段ターボチャージャ２１を作動させ、中負荷から高負荷時は、排気バイパスバルブ４０Ｘを開き、高圧段ターボチャージャ２１を作動させないようにする。

また、排気バイパスバルブは、一般的に図６に示すような構造となっている。

この排気バイパスバルブ４０Ｘは、図６に示すように、所謂フラップバルブであり、弁体４１と、弁体４１を保持するアーム４２と、弁体４１を着座させるための弁座（バルブシート）４４とを有する。排気バイパスバルブ４０Ｘは、図示しないアクチュエータにより駆動される。

特開２００９−２０３８３５号公報

エンジンのダウンサイジング（小型化）が進み過給圧が上がってくると、排気圧（排気マニホールド内のガス圧）Ｐｅも高圧になる。そのため、排気バイパスバルブを閉じる荷重が高くなり、非常に大きなアクチュエータが必要となる。

そこで、本発明の目的は、エンジンが高過給となっても、排気バイパスバルブを作動させるアクチュエータの荷重を上げなくとも済む排気バイパスバルブを提供することにある。

上述の目的を達成するために、本発明は、過給器のタービンをバイパスする排気バイパス通路と、前記排気バイパス通路を開閉する弁体とを備えた排気バイパスバルブにおいて、前記排気バイパス通路よりも小径に形成され、前記弁体の上流と下流とを連通する通気通路と、前記通気通路に配設され、前記弁体の上流側圧力と下流側圧力との差圧が所定圧力を下回っている間は前記通気通路を開放し、前記弁体の上流側圧力と下流側圧力との差圧が前記所定圧力を超えると前記通気通路を閉塞する開閉バルブとを備えたものである。

前記開閉バルブは、板状に形成され前記通気通路を開閉する板状弁体と、板状弁体の最大開度を規定するストッパと、前記ストッパにおける前記板状弁体が当接する部分に設けられた貫通穴とを有するリード弁であっても良い。

また、前記開閉バルブは、球状に形成され前記通気通路を開閉する球状弁体と、球状弁体の最大開度を規定するストッパと、前記ストッパにおける前記球状弁体が当接する部分に設けられた貫通穴と、前記ストッパに前記球状弁体が当接した状態で排気の通過を許容すべく、前記貫通穴の周囲に設けられた切り欠きとを有するボール弁であっても良い。

本発明によれば、エンジンが高過給となっても、排気バイパスバルブを作動させるアクチュエータの荷重を上げなくとも済む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。

本発明の一実施形態に係る排気バイパスバルブの側断面図である。（ａ）はリード弁の側断面図であり、（ｂ）はリード弁の平面図である。本発明の他の実施形態に係る排気バイパスバルブの側断面図である。（ａ）はボール弁の側断面図であり、（ｂ）はボール弁の平面図である。二段過給エンジンの概略図である。従来例に係る排気バイパスバルブの側断面図である。

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。

図５に本実施形態に係る排気バイパスバルブが用いられる二段過給エンジンを示す。

図５に示すように、二段過給エンジン１０は、エンジン本体１１と、エンジン本体１１に吸気を供給する吸気通路（吸気管）１２と、エンジン本体１１からの排気を排出する排気通路（排気管）１３と、排気通路１３の排気の一部を吸気通路１２に戻すＥＧＲ装置１４と、エンジン本体１１に供給する吸気を昇圧するための二段過給システム１５とを備える。

二段過給エンジン１０は、エンジン本体１１に複数のシリンダ（燃焼室）１６が形成された多気筒エンジン（本実施形態では、四気筒のディーゼルエンジン）であり、シリンダ１６が、吸気通路１２の下流端をなす吸気マニホールド１７と、排気通路１３の上流端をなす排気マニホールド１８とに接続される。

ＥＧＲ装置１４は、排気通路１３と吸気通路１２とを接続するＥＧＲ通路（ＥＧＲ管）１９と、ＥＧＲ通路１９に設けられたＥＧＲバルブ２０とを備える。

二段過給システム１５は、エンジン本体１１の吸排気通路１２、１３に直列に設けられた高圧段ターボチャージャ２１及び低圧段ターボチャージャ２２と、高圧段ターボチャージャ２１の後述する高圧段タービン２８をバイパスする高圧段側排気バイパス通路（高圧段側排気バイパス管）２３と、高圧段側排気バイパス通路２３を開閉して低圧段ターボチャージャ２２のみによる一段過給と高圧段ターボチャージャ２１及び低圧段ターボチャージャ２２による二段過給とを切り換えるための排気バイパスバルブ４０と、高圧段ターボチャージャ２１の後述する高圧段コンプレッサ２９をバイパスする吸気バイパス通路（吸気バイパス管）２４と、吸気バイパス通路２４を開閉する吸気バイパスバルブ２５と、低圧段ターボチャージャ２２の後述する低圧段タービン３０をバイパスする低圧段側排気バイパス通路（低圧段側排気バイパス管）２６と、低圧段側排気バイパス通路２６を開閉するウェイストゲートバルブ２７とを有する。

なお、高圧段ターボチャージャ２１、高圧段タービン２８及び高圧段側排気バイパス通路２３がそれぞれ、本発明の「過給器」、「タービン」及び「排気バイパス通路」を構成する。

高圧段ターボチャージャ２１は、排気通路１３に配設された高圧段タービン２８と、吸気通路１２に配設された高圧段コンプレッサ２９とを有する。また、高圧段ターボチャージャ２１は、低圧段ターボチャージャ２２よりも小さな容量を有する。

低圧段ターボチャージャ２２は、高圧段タービン２８よりも下流側の排気通路１３に配設された低圧段タービン３０と、高圧段コンプレッサ２９よりも上流側の吸気通路１２に配設された低圧段コンプレッサ３１とを有する。また、低圧段ターボチャージャ２２は、高圧段ターボチャージャ２１よりも大きな容量を有する。

高圧段コンプレッサ２９の下流の吸気通路１２には、高圧段コンプレッサ２９（又は低圧段コンプレッサ３１）で過給された吸気を冷却するためのインタークーラ３２が設けられる。

高圧段側排気バイパス通路２３は、高圧段タービン２８の上流と下流とを連通する。本実施形態では、高圧段側排気バイパス通路２３の上流端が排気マニホールド１８に接続され、下流端が高圧段タービン２８と低圧段タービン３０との間の排気通路１３に接続される。

吸気バイパス通路２４は、高圧段コンプレッサ２９の上流と下流とを連通する。本実施形態では、吸気バイパス通路２４の上流端が低圧段コンプレッサ３１と高圧段コンプレッサ２９との間の吸気通路１２に接続され、下流端が高圧段コンプレッサ２９とインタークーラ３２との間の吸気通路１２に接続される。

低圧段側排気バイパス通路２６は、低圧段タービン３０の上流と下流とを連通する。本実施形態では、低圧段側排気バイパス通路２６の上流端が高圧段タービン２８と低圧段タービン３０との間の排気通路１３に接続され、下流端が低圧段タービン３０の下流側の排気通路１３に接続される。

係る二段過給エンジン１０では、低負荷から中負荷時は、排気バイパスバルブ４０を閉じ、高圧段ターボチャージャ２１を作動させ、中負荷から高負荷時は、排気バイパスバルブ４０を開き、高圧段ターボチャージャ２１を作動させないようにする。

図１に本実施形態に係る排気バイパスバルブを示す。

図１に示すように、排気バイパスバルブ４０は、所謂フラップバルブ（flap valve）であり、弁体４１と、弁体４１を保持するアーム４２と、アーム４２が固定された回動可能な回動軸４３とを有し、アーム４２が回動軸４３を支点に回動して弁体４１が高圧段側排気バイパス通路２３を開閉するように構成される。また、高圧段側排気バイパス通路２３には、弁体４１を着座させるための弁座（バルブシート）４４が配設される。さらに、高圧段側排気バイパス通路（高圧段側排気バイパス管）２３と排気マニホールド１８との間には、ガスケット４５が介設される。

より詳細には、排気バイパスバルブ４０においては、弁体４１が弁座４４に着座した状態（高圧段側排気バイパス通路２３が閉塞された状態）から、アーム４２が図１において反時計回りに回動すると、弁体４１が弁座４４から離間し、高圧段側排気バイパス通路２３が開放される。一方、弁体４１が弁座４４から離間した状態（高圧段側排気バイパス通路２３が開放された状態）から、アーム４２が図１において時計回りに回動すると、弁体４１が弁座４４に着座し、高圧段側排気バイパス通路２３が閉塞される。

本実施形態に係る排気バイパスバルブ４０では、高圧段側排気バイパス通路２３よりも小径に形成され、弁体４１の上流と下流とを連通する通気通路４６を設けると共に、通気通路４６に別途小径の開閉バルブ４７Ａを配設している。

通気通路４６は、弁座４４、ガスケット４５及び高圧段側排気バイパス通路（高圧段側排気バイパス管）２３にそれぞれ設けられ、互いに連なる通気穴（オリフィス）４８、４９、５０からなる。

開閉バルブ４７Ａは、図２に示すようなリード弁であり、板状に形成され、通気通路４６を開閉する板状弁体（リード）５１と、板状に形成され、板状弁体５１の最大開度を規定するストッパ５２と、ストッパ５２における板状弁体５１が当接する部分に設けられた貫通穴５３とを有する。

板状弁体５１は、例えばステンレスにて形成された可撓性を有する長方形状の薄板からなる。また、板状弁体５１は、板状弁体５１自体の弾性力によって開き側（排気上流側）に付勢される。一方、ストッパ５２は、例えばアルミニウムにて形成された長方形状の薄板からなる。板状弁体５１及びストッパ５２は、互いに重ねられた状態でリベットやボルト５４等によって弁座４４に固定される。

より詳細には、開閉バルブ４７Ａにおいては、排気マニホールド１８内のガス圧（以下、排気圧という）Ｐｅと高圧段側排気バイパス通路２３内のガス圧（以下、ポート圧という）Ｐｐとの差圧（Ｐｅ−Ｐｐ）が所定圧力を下回っている間は、板状弁体５１がストッパ５２に当接し、通気通路４６が開放される。一方、排気圧Ｐｅとポート圧Ｐｐとの差圧（Ｐｅ−Ｐｐ）が所定圧力を超えると、板状弁体５１が弁座４４に着座し、通気通路４６が閉塞される。

次に、本実施形態の作用を説明する。

図６に示す従来例に係る排気バイパスバルブ４０Ｘの場合、排気バイパスバルブ４０Ｘが開いているとき（つまり、弁体４１が弁座４４から離間した状態）は、ポート圧Ｐｐと排気圧Ｐｅとが等しい状態（Ｐｐ＝Ｐｅ）であるので、弁体４１は低い荷重で閉じ側（排気上流側）へ閉じていく。弁体４１が徐々に閉じてきて、弁体４１と弁座４４との隙間が狭くなってくると、ポート圧Ｐｐが排気圧Ｐｅよりも低い状態（Ｐｐ＜Ｐｅ）となる。このとき、排気圧Ｐｅが高いと、排気圧Ｐｅとポート圧Ｐｐとの差圧（Ｐｅ−Ｐｐ）が大きくなり、従来より高い荷重で作動させないと、弁体４１が閉じなくなる。

一方、図１に示す本実施形態に係る排気バイパスバルブ４０の場合も、排気バイパスバルブ４０が開いているとき（つまり、弁体４１が弁座４４から離間した状態）は、ポート圧Ｐｐと排気圧Ｐｅとが等しい状態（Ｐｐ＝Ｐｅ）であるので、弁体４１は低い荷重で閉じ側（排気上流側）へ閉じていく。弁体４１が徐々に閉じてきて、弁体４１と弁座４４との隙間が狭くなってきても、開閉バルブ４７Ａが開いている（つまり、通気通路４６が開放されている）ためポート圧Ｐｐと排気圧Ｐｅとが等しい状態（Ｐｐ＝Ｐｅ）のままで、図６に示す従来例に係る排気バイパスバルブ４０Ｘよりも低い荷重で弁体４１は閉じる。この弁体４１による高圧段側排気バイパス通路２３の閉塞により、高圧段側排気バイパス通路２３を介する排気の流通が遮断されることとなる。

そして、弁体４１が閉じる（つまり、弁体４１が弁座４４に着座する）と、通気通路４６に配設した開閉バルブ４７Ａの前後（排気上下流）に差圧が生じるため、開閉バルブ４７Ａが閉じる（つまり、板状弁体５１が弁座４４に着座する）。この開閉バルブ４７Ａによる通気通路４６の閉塞により、排気バイパスバルブ４０（高圧段側排気バイパス通路２３及び通気通路４６）を介する排気の流通が完全に遮断されることとなる。

以上要するに本実施形態に係る排気バイパスバルブ４０によれば、エンジンが高過給となっても、排気バイパスバルブ４０を作動させるアクチュエータの荷重を上げなくとも済む。そのため、アクチュエータのサイズアップ、質量アップを防ぐことができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述の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。

例えば、図１及び図２に示すようなリード弁からなる開閉バルブ４７Ａの代わりに、図３及び図４に示すようなボール弁からなる開閉バルブ４７Ｂを用いても良い。この開閉バルブ４７Ｂは、図４に示すように、球状に形成され、通気通路４６を開閉する球状弁体５５と、有底筒状に形成され、球状弁体５５の最大開度を規定するストッパ５６と、ストッパ５６における球状弁体５５が当接する部分に設けられた貫通穴５７と、ストッパ５６に球状弁体５５が当接した状態で排気の通過を許容すべく、貫通穴５７の周囲に設けられた複数の切り欠き５８とを有する。球状弁体５５は、スプリング（図例では、コイルスプリング）５９によって開き側（排気上流側）に付勢される。ストッパ５６は、ストッパ５６の基部に設けたフランジ部６０にてリベットやボルト６１等により弁座に固定される。なお、図３において、図１に示す排気バイパスバルブと実質的に同一の構成要素には同一符号を付している。

２１高圧段ターボチャージャ（過給器）
２３高圧段側排気バイパス通路（排気バイパス通路）
２８高圧段タービン（タービン）
４０排気バイパスバルブ
４１弁体
４６通気通路
４７開閉バルブ
５１板状弁体
５２ストッパ
５３貫通穴
５５球状弁体
５６ストッパ
５７貫通穴
５８切り欠き

Claims

過給器のタービンをバイパスする排気バイパス通路と、前記排気バイパス通路を開閉する弁体とを備えた排気バイパスバルブにおいて、前記排気バイパス通路よりも小径に形成され、前記弁体の上流と下流とを連通する通気通路と、前記通気通路に配設され、前記弁体の上流側圧力と下流側圧力との差圧が所定圧力を下回っている間は前記通気通路を開放し、前記弁体の上流側圧力と下流側圧力との差圧が前記所定圧力を超えると前記通気通路を閉塞する開閉バルブとを備えたことを特徴とする排気バイパスバルブ。
前記開閉バルブは、板状に形成され前記通気通路を開閉する板状弁体と、板状弁体の最大開度を規定するストッパと、前記ストッパにおける前記板状弁体が当接する部分に設けられた貫通穴とを有するリード弁である請求項１に記載の排気バイパスバルブ。
前記開閉バルブは、球状に形成され前記通気通路を開閉する球状弁体と、球状弁体の最大開度を規定するストッパと、前記ストッパにおける前記球状弁体が当接する部分に設けられた貫通穴と、前記ストッパに前記球状弁体が当接した状態で排気の通過を許容すべく、前記貫通穴の周囲に設けられた切り欠きとを有するボール弁である請求項１に記載の排気バイパスバルブ。