JP2015143485A - 過給機付き内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイヤフラム式のアクチュエータに作用する吸気を電磁弁で制御することで排気ターボ過給機のウエストゲートバルブの開度を調節する内燃機関において、電磁弁の動作に起因した騒音や振動を抑制すると共に、オイルミストの悪影響も防止する。【解決手段】吸気通路１４は排気ターボ過給機１５のコンプレッサ室１６を挟んで吸気通路第１部分１４ａとバイパス通路第２部分３２ｂとに区分されており、吸気通路第１部分１４ａとバイパス通路第２部分３２ｂとがバイパス通路３２で接続されている。バイパス通路３２は、電磁弁３３によりバイパス通路第１部分３２ａとバイパス通路第２部分３２ｂとに区分されており、バイパス通路第２部分３２ｂから分岐した枝通路３２にダイヤフラム式のアクチュエータ２８を接続している。バイパス通路第２部分３２ｂと枝通路３４との接続部にチャンバー部３５を設けている。【選択図】図１

Description

本願発明は、排気ガス駆動式過給機を備えた内燃機関に関するものである。

排気ガスで駆動される排気ターボ過給機には、タービン室を迂回して排気出口に向かう逃がし通路が形成されており、逃がし通路に流れる排気ガスの量をウエストゲートバルブで調節することで、過給機の出力（過給圧）が調節されている。

ウエストゲートバルブはアクチュエータで駆動されるが、このアクチュエータとして、吸気圧で制御されるダイヤフラム式のものを使用することが広く行われている。その例として特許文献１には、過給機を跨ぐ状態で吸気通路に接続されたバイパス通路にダイヤフラム式アクチュエータを介挿して、バイパス通路のうちアクチュエータよりも上流側の部分に電磁弁を介在させ、エンジンコントーロルコンピュータで電磁弁をＯＮ・ＯＦＦしてアクチュエータに作用する吸気圧を変動させることで、ウエストゲートバルブの開度を調節する方式が開示されている。

また、特許文献１には、電磁弁の動きに伴う圧力変動等によってダイヤフラムに脈動が発生することを防止するため、バイパス通路のうち電磁弁とダイヤフラム式との間の部分に拡張器（拡張室）を設けることが開示されている。

特開２００７−２１８１５５号公報

さて、特許文献１ではダイヤフラム式アクチュエータはバイパス通路に直接介挿しているため、アクチュエータには下流側と上流側との両方から圧力が作用する。そして、拡張器を電磁弁とアクチュエータとの間に設けているため、電磁弁のＯＮ・ＯＦＦに伴う脈動は吸収できるが、内燃機関の運転に伴う脈動がアクチュエータに作用することは防止できないという問題がある。

また、吸気が過給機のコンプレッサを通る過程でオイルミストが微量ながら混入することがあり、オイルミストが電磁弁の弁体と弁座とに付着して電磁弁の開き動の応答性遅れが発生したり開き動しなくなったりすることがあり、この点、特許文献１では、ダイヤフラム式のアクチュエータをバイパス通路に介在させていることから、オイルミストをアクチュエータのダイヤフラム室で分離できるとは云えるものの、ダイヤフラム膜がオイルミストで劣化するおそれがある。すなわち、特許文献１では、拡張器をオイルミストの除去に有効利用できないという問題もある。

本願発明は、このような現状を改善すべく成されたものである。

本願発明は、吸気通路の中途部に介在した排気ガス駆動式の過給機と、前記過給機の出力を制御するウエストゲートバルブと、前記吸気通路のうち過給機を挟んだ両側に連通したバイパス通路とを備えており、前記バイパス通路は、その中途部に設けた電磁弁を挟んで上流側に位置したバイパス通路第１部分と下流側に位置したバイパス通路第２部分とに区分されており、前記バイパス通路第２部分から分岐した枝通路に、前記ウエストゲートバルブを制御するアクチュエータが接続されている。

そして、前記バイパス通路第２部分及び枝通路より成る通路のうちそれら前記バイパス通路第２部分と枝通路との接続部か又はその近傍部に、容積が拡大したチャンバー部を設けている。

バイパス通路第２部分及び枝通路より成る通路のうちそれらの接続部の近傍部にチャンバー部を設ける場合、チャンバー部は、バイパス通路第２部分のうち接続部の片側又は両側の１か所に設けてもよいし、枝通路のみに設けてもよい。或いは、バイパス通路第２部分のうち接続部の片側と枝通路との２か所に設けたり、バイパス通路第２部分の２か所と枝通路との３か所に設けたりすることも可能である。

また、オイルミストの補集性を高めるため、チャンバー部を挟んだ両側の部分をずらしたり、チャンバー部の内部にオイルミスト補集手段としてフィルターやバッフルプレートを設けたりすることも可能である。

本願発明では、電磁弁のＯＮ・ＯＦＦに伴う圧力変動がチャンバー部で吸収（緩和）されるため、アクチュエータやウエストゲートバルブの振動・踊り現象を防止して、騒音（チャタリング音）を防止又は著しく抑制できると共に、振動の抑制によって電磁弁やアクチュエータ、ウエストゲートバルブの耐久性向上にも貢献できる。また、アクチュエータは枝通路に設けているため、エンジンの脈動が吸気通路を介してアクチュエータに作用することも防止できる。

また、吸気に含まれているオイルミストをチャンバー部で補集できるため、オイルミストが電磁弁の弁体や弁座に付着して電磁弁に作動遅れや作動不良が発生することも防止又は著しく抑制できる。従って、ウエストゲートバルブの制御の信頼性（換言すると、過給圧制御の信頼性）を向上できる。この場合、アクチュエータは枝通路の先端に設けているため、オイルミストを含んだ吸気がアクチュエータに到達することはなく、従って、アクチュエータのダイヤフラム膜がオイルで劣化するような不具合は発生せず、この面からもアクチュエータの耐久性を向上できる。つまり、チャンバー部をオイルミストの補集に有効利用できるのである。

チャンバー部をバイパス通路第２部分と枝通路との接続部に設けると、コンパクト化できるのみならず、チャンバー部がバイパス通路第２部分と枝通路との継手を兼用するため、部品点数を抑制してコストアップ防止にも貢献できる。更に、バイパス通路第２部分を吸気通路のどこかの箇所に向けて下向きに傾斜させておくと、チャンバー部に付着したオイルミストを排出できる利点がある。

第１実施形態を示す図で、（Ａ）は全体の模式図、（Ｂ）は電磁弁の模式的断面図、（Ｃ）はチャンバー部の箇所の拡大図である。 バイパス通路第２部分の姿勢を示す正面図である。 （Ａ）は第２実施形態の断面図、（Ｂ）は第２実施形態の断面図である。

(1).第１実施形態の構成
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図１，２に示す第１実施形態を説明する。内燃機関の基本構成は従来と同様であり、まず、主要要素として、シリンダブロック１とその上面に固定されたシリンダヘッド２、及び、シリンダヘッド２の上面に固定されたシリンダヘッドカバー３を備えている。

敢えて述べるまでもないが、シリンダブロック１にはシリンダボア４が形成されていてこれにピストン５が摺動自在に嵌まっており、シリンダヘッド２には、吸気弁６で開閉される吸気ポート７と排気弁８で開閉される排気ポート９とが形成されている。吸気ポート７には吸気マニホールド１０が接続されて、排気ポート９には排気マニホールド１１が接続されている。吸気ポート１０には、燃料噴射ポンプ１２を望ませている。

吸気マニホールド１０には、エアクリーナ１３を始端とする吸気通路１４が接続されており、吸気通路１４の中途部に、排気ターボ過給機１５のコンプレッサ室１６が介挿されている。従って、吸気通路１４は、排気ターボ過給機１５の上流側に位置した吸気通路第１部分１４ａと、排気ターボ過給機１５の下流側に位置した吸気通路第２部分１４ｂとに分かれている。

そして、吸気通路第２部分１４ｂの中途部にインタークーラ１７を介在させ、吸気通路第２部分１４ｂの終端にはスロットルバルブ１８を備えたサージタンク１９が接続されていて、サージタンク１９が吸気マニホールド１０に接続されている。

排気ターボ過給機１５は、排気ガスが通るタービン室２１と、タービン室２１を迂回して出口２２に向かう逃がし通路２３とを備えており、タービン室２２に配置したタービンインペラー２４とコンプレッサ室１６に配置したコンプレッサインペラー２５とが、回転軸２６を介して接続されている。なお、コンプレッサ室１６には、吸気は軸方向から入って外周方向（接線方向）に排出され、タービン室２１には、排気ガスは外周方向（接線方向）から入って軸方向に排出される。

排気ターボ過給機１５には、逃がし通路２３の開度（或いはタービン室２１に至る通路の開度）を調節するウエストゲートバルブ２７を設けている。図面ではウエストゲートバルブ２７は回動式に表示しているが、スライド式等もある。

ウエストゲートバルブ２７は、吸気によって作動するダイヤフラム式のアクチュエータ２８で制御される。アクチュエータ２８は、ダイヤフラム室２９に配置したダイヤフラム膜３０と、ダイヤフラム膜３０に固定されたロッド３１を有しており、ロッド３１の先端がウエストゲートバルブ２７に連結されている。図示では省略しているが、アクチュエータ２８には、ロッド３１を後退方向に付勢するばねが内蔵されており、ダイヤフラム室２９の圧力が変化することで、ロッド３１が前進したり後退したりする。

吸気通路１４の吸気通路第１部分１４ａと吸気通路第２部分１４ｂとにはバイパス通路３２か連通しており、バイパス通路３２の中途部に、吸気の流れを継断する電磁弁（切り換え弁）３３を介挿している。従って、バイパス通路３２は、電磁弁３３を挟んで吸気通路第１部分１４ａの側（上流側）に位置したバイパス通路第１部分３２ａと、電磁弁３３を挟んで吸気通路第２部分１４ｂの側（下流側）に位置したバイパス通路第２部分３２ｂとに区分されており、バイパス通路第２部分３２ｂから分岐した枝通路３４の先端に、アクチュエータ２８のダイヤフラム室２９に接続している。

そして、バイパス通路第２部分３２ｂと枝通路３２との接続部に、容積（或いは通路面積）が拡大したチャンバー部３５を設けている。従って、バイパス通路第２部分３２ｂは、チャンバー部３５を挟んで電磁弁３３の側に位置した上流部３２ｂ′と、吸気通路第２部分１４ｂの側に位置した下流部３２ｂ″とに区分されている。

この場合、図１（Ｂ）のとおり、例えばチャンバー部３５を円筒状に構成して、バイパス通路第２部分３２ｂの上流部３２ｂ′と下流部３２ｂ″とをチャンバー部３５の軸方向にずらしている。従って、バイパス通路第２部分３２ｂでは、下流部３２ｂ″から上流部３２ｂ′に吸気がダイレクトに入ることはなく、吸気は方向変換して下流部３２ｂ″から上流部３２ｂ′に入る（逆方向の流れの場合も同様である。）。

電磁弁３３は、図１（Ｂ）に模式的に示すように、ばね３６で付勢された弁体３７と、弁体３７をばね３６に抗して後退させる電磁石３８とを有しており、非通電状態では弁体３７が弁座３９に当接して吸気の流れは遮断され、通電状態では弁体３７が後退して、バイパス通路第１部分３２ａとバイパス通路第２部分３２ｂとが連通する。敢えて述べるまでもないが、電磁弁３３は、ニードル式やバタフライ式等の様々なタイプを採用できる。

内燃機関は、制御手段の一例としてのエンジンコトロールユニット（ＥＣＵ）４０を備えており、スロットルバルブ１８や燃料噴射ポンプ１２、電磁弁３３はＥＣＵ４０によって制御される。

(2).第１実施形態のまとめ
以上の構成において、電磁弁３３が通電ＯＦＦでバイパス通路３２が遮断された状態では、アクチュエータ２８のダイヤフラム室２９に吸気の正圧が作用するため、電磁弁３３の通電ＯＦＦ状態を維持していると、ダイヤフラム膜３０はどんどん前進してウエストゲートバルブ２７は全開状態（逃がし通路２９への排気ガスのリーク量が最も多くなっている状態）になる。この状態では最小の過給が行われる。

逆に、電磁弁３３の通電状態（ＯＮ状態）を維持してバイパス通路３２を連通状態に維持していると、ダイヤフラム室２９の圧力が低下することで、ダイヤフラム膜３０はばねに押されて後退し、後退し切ると、ウエストゲートバルブ２７は全閉状態（排気ガスの全量がタービン室２１に流れる状態になる。この状態では最大の過給が行われる。

従って、電磁弁３３を小刻みにＯＮ・ＯＦＦしてダイヤフラム室２９の圧力を調節することで、ロッド３１の前進量を制御してウエストゲートバルブ２７の開度を調節することができる（ダイヤフラム室２９の圧力がばね力と均衡するように、電磁弁３３のＯＮ・ＯＦＦを制御することで、ウエストゲートバルブ２７の開度を一定に保持できる。）。

従って、通常は電磁弁３３が常に小刻みに動いており、このため、バイパス通路３２には吸気の圧力変動が生じているが、本願発明では、圧力変動がチャンバー部３５で吸収されるため、ダイヤフラム膜３０が過敏に反応することでウエストゲートバルブ２７が小刻みに振動してチャタリング音を発生するようなことはない。従って、騒音を防止できると共に、アクチュエータ２８及びウエストゲートバルブ２７の耐久性も向上できる。

バイパス通路３２の圧力変動は電磁弁３３にも波及するため、何等の手段を講じていないと、電磁弁３３は自身のＯＮ・ＯＦＦ動作に起因して振動や弁体３７の踊り現象が発生しやすくなるが、本実施形態では、圧力変動がチャンバー部３５で吸収されるため、圧力変動によって電磁弁３３に振動や弁体３７の踊り現象が発生することはなくて、動作の信頼性を確保できると共に、耐久性を向上できるのである。

さて、吸気が排気ターボ過給機１５を通過する過程でオイルミストが混入することがあり、このため、オイルミストがバイパス通路第２部分３２ｂから電磁弁３３に向けて飛来することがある。このため、なんらの対策を講じていないと、オイルミストが電磁弁３３における弁体３７と弁座３９との重合面に付着して、弁体３７の応答性が悪化したり、弁体３７が動かずに、ウエストゲートバルブ２７を制御できなくあったりすることがあり得る。

甚だしいし場合は、機関の停止後にオイルミストが固まって接着剤のようになって、次の始動時に通電しても弁体３７が後退しなくいことがあり、この場合は、過給の制御をできずに所定の出力が出ないため、特に問題になる。

しかるに、本実施形態では、チャンバー部３５がオイルミストの補集部材として機能しており、オイルミストはチャンバー部３５の内面に付着するため、オイルミストが電磁弁３３に飛来することを防止又は著しく抑制できる。その結果、電磁弁３３の応答性遅れや作動不能といった事態を防止できる。そして、オイルミストはチャンバー部３５で補集されてアクチュエータ２８には飛来しないため、アクチュエータ２８のダイヤフラム膜３０がオイルミストで劣化するようなこともない。この面からも、アクチュエータ２８の耐久性を向上できる。

チャンバー部３５の内面に付着したオイルミストは、吸気通路１４に戻して燃焼させるのが好ましい。この点については、図２に示すように、バイパス通路第２部分３２ｂの下流部３２ｂ″を、吸気通路第２部分１４ｂとの接続部が下になるように傾斜姿勢又は鉛直姿勢にしたらよい。

このように構成すると、チャンバー部３５の内面に付着したオイルミストは機関の停止時に油滴となって吸気通路第２部分１４ｂに向けて垂れ落ち、次の始動時に吸気流に乗って燃焼室に運ばれる。なお、チャンバー部３５に付着したオイルミストが全てバイパス通路第２部分３２ｂに流下することを促進するため、チャンバー部３５に、バイパス通路第２部分３２ｂにおける下流部３２ｂ″の接続部に向けて傾斜したジョウゴ部を形成してもよい。

図２に一点鎖線で示すように、電磁弁３３やチャンバー部３５をシリンダヘッドカバー３に内蔵することも可能である（従って、バイパス通路３２の一部又は全部もシリンダヘッドカバー３に内蔵される。）。この場合は、内燃機関を全体的にコンパクト化できる利点である。

(3).他の実施形態・その他
上記の第１実施形態では、バイパス通路第２部分３２ｂにおける上流部３２ｂ′と下流部３２ｂ″との開口部をずらしてチャンバー部３５に接続したが、図３（Ａ）に示す第２実施形態では、上流部３２ｂ′と下流部３２ｂ″とを同一線状に配置しつつ、チャンバー部３５の内部に、上流部３２ｂ′と下流部３２ｂ″との間を遮る邪魔板４１を設けることで、オイルミストを含んだ吸気が下流部３２ｂ″から上流部３２ｂ′に流れることを阻止している。

図３のうち（Ｂ）に示す第３実施形態では、枝通路３２のうち三者の接続部４２に近接した部位にチャンバー部３５を設けている。チャンバー部３５は、一点鎖線で示すように、下流部３２ｂ″のうち接続部４２に近接した箇所に設けたり、点線で示すように、上流部３２ｂ′のうち接続部４２に近接した箇所に設けたりすることも可能である。３か所のうちの２か所又は全部に設けてもよい。複数箇所にチャンバー部３５を設ける場合、容積や形状を互いに異ならせることも可能である。

本願発明の具体例は上記の実施形態に限定されるものではなく、他にも様々に具体化できる。例えば、チャンバー部３５は角形や球状など、様々な形状にすることができる。チャンバー部３５に不織布状や金網状等のオイルフィルターを配置してもよい。

本願発明は、実際に内燃機関に適用できる。従って、産業上利用できる。

２ シリンダヘッド
３ シリンダヘッドカバー
１０ 吸気マニホールド
１１ 排気マニホールド
１３ エアクリーナ
１４ 吸気通路
１４ａ 吸気通路第１部分
１４ｂ 吸気通路第２部分
１５ 排気ターボ過給機
２２ 排気ガス出口
２３ 逃がし通路
２７ ウエストゲートバルブ
２８ アクチュエータ
３０ バイパス通路
３２ａ バイパス通路第１部分
３２ｂ バイパス通路第２部分
３２ｂ′ バイパス通路第２部分の上流部
３２ｂ″ バイパス通路第２部分の下流部
３４ 枝通路
３５ チャンバー部
４０ 制御手段の一例としてＥＣＵ

Claims (1)

1. 吸気通路の中途部に介在した排気ガス駆動式の過給機と、前記過給機の出力を制御するウエストゲートバルブと、前記吸気通路のうち過給機を挟んだ両側に連通したバイパス通路とを備えており、前記バイパス通路は、その中途部に設けた電磁弁を挟んで上流側に位置したバイパス通路第１部分と下流側に位置したバイパス通路第２部分とに区分されており、前記バイパス通路第２部分から分岐した枝通路に、前記ウエストゲートバルブを制御するアクチュエータが接続されている構成であって、
   前記バイパス通路第２部分及び枝通路より成る通路のうちそれら前記バイパス通路第２部分と枝通路との接続部か又はその近傍部に、容積が拡大したチャンバー部を設けている、
   過給機付き内燃機関。

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