JP6117532B2

JP6117532B2 - 排気ターボ過給機付き内燃機関

Info

Publication number: JP6117532B2
Application number: JP2012260903A
Authority: JP
Inventors: 徹陽原; 雄太關根
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2012-11-29
Filing date: 2012-11-29
Publication date: 2017-04-19
Anticipated expiration: 2032-11-29
Also published as: JP2014105674A

Description

本願発明は、排気ターボ過給機を備えた内燃機関燃料に関するもので、特に、車両（自動車）用の内燃機関を好適な対象にしている。

車両用内燃機関において、出力向上等のために排気ターボ過給機を設けることは広く行われているが、排気ターボ過給機は内燃機関の運転状態に応じてコンプレッサの能力を調節する必要があるため、排気通路に排気ターボ過給機を跨ぐバイパス通路を設けて、バイパス通路に設けたウエストゲートバルブを制御して、排気タービンを通る排気ガスの流量を調節している。

ウエストゲートバルブには、排気ガスのバイパス流量を開度に応じて正確に変化させて過給量・過給圧を正確に制御できる機能が求められる。つまり、開度が僅かの場合にはそれに応じて僅かの量の排気ガスを正確に流し、開度が大きい場合はその開度に応じた大量の排気ガスを正確に流す、という機能が求められる。

しかし、従来のウエストゲートバルブは、開度が小さいと排気ガスがバイパス通路の入口を素通りしてバイパス通路に流れずに、開度がある程度に大きくなると一気に流れるという現象が発生することがあり、制御の正確さに問題があった。

この点について、特許文献１には、バイパス通路に拡大径部を設けることで段差面を形成し、段差面に重なるスイング式のバルブ体を設けたウエストゲートバルブにおいて、バルブ体に、バイパス通路のうち小径部の内部に入り込む台錘状の突起を設けることで、開度に応じた流量を確保せんとした構成が開示されている。

特開平２０１１−１７９４０１号公報

ウエストゲートバルブを開いた状態でのバイパス通路における排気ガスの流れの難易は様々な要素が関連するが、ウエストゲートバルブの開き開始初期において排気ガスの流れが悪いのは、流れ抵抗が大きいためと推測される。つまり、ウエストゲートバルブを開くとバルブ体の周囲に連通空間が空くが、バルブ体の開度が小さいと連通空間の間隔が小さくて流れ抵抗が大きいため、排気ガスは流れにくくてバイパス通路の入口を素通りしてしまう現象が発生し易いと推測される。そして、バルブ体の開度がある程度まで大きくなると流れ抵抗が小さくなって、排気ガスが一気に流入すると云える。

他方、スイング式のハルブ体を備えたウエストゲートバルブの場合、開度に対して連通空間が大きい割合で増大する性質があり、そこで、特許文献１のように突起を設けると、連通空間の増大率を開度の度合いに合わせることができるため、ウエストゲートバルブの開度に応じて流量を確保して、制御の正確性を向上できると云える。

しかし、特許文献１においてもウエストゲートバルブの開き開始初期において流れ抵抗が大きいことは従来と変わりないため、バイパス流量が少ない場合の微調整が難しいという点は課題として残っていると云える。すなわち、特許文献１も、排気ガスのバイパス量が少ない場合の排気ターボ過給機の過給量・過給圧の微調整が難しいと云える。

また、ウエストゲートバルブを開いてバイパス通路を通過する排気ガスをＥＧＲガスとして利用すると、排気ガスはその動圧を利用してＥＧＲ通路に導入され得るため、ＥＧＲガス量を増大できる利点があるが、特許文献１も含めた従来のウエストゲートバルブは、バルブ体の周囲の連通空間を排気ガスが流れるに過ぎないため、ウエストゲートバルブの開き初期のバイパス流量が少ない状態において排気ガスに流れの方向性を付与しにくく、このため、バイパス通路にＥＧＲ通路を接続しても、ウエストゲートバルブの開き初期においては排気ガスの動圧を利用してＥＧＲガス量を増大させることが困難であったと云える。

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、
排気通路に、排気ガスで駆動される排気ターボ過給機と、排気ガスが前記排気ターボ過給機を迂回して流れるバイパス通路とを設け、前記バイパス通路にはウエストゲートバルブを設けている、という前提の構成において、
前記ウエストゲートバルブは、開き開始タイミングが異なる複数のバルブ体から成っており、前記バイパス通路に、排気ガスを吸気系に還流させるＥＧＲ通路に接続されるＥＧＲ通路接続口が、前記ウエストゲートバルブの開き動によって流れる排気ガスの前進方向と対向した方向に向いて開口している。

本願発明では、複数のバルブ体のうちの１つのバルブ体を開くことにより、ウエストゲートバルブとしての開度が小さくても、狭い範囲を集中的に開くことができる。つまり、排気ガスが通る連通空間を狭い範囲にまとめることができる。

このため、流量が少なくても流れ抵抗は低くすることができるのであり、その結果、排気ガスを排気通路から的確に通過させて、ウエストゲートバルブの開度に対する排気ガスのバイパス流量の応答性・正確性を確保することができ、延いては、過給量・過給圧の微調整も正確に行うことできる。また、複数のバルブ体の全体を開くことで大量の排気ガスを通過させることができるため、排気ガスのバイパス量が多い場合の調節機能にはなんら問題は生じない。

また、本願発明では、バイパス通路を流れる排気ガスをＥＧＲ通路に導くにおいて、バイパスする流量が少なくても、流れの方向性・指向性が高い排気ガスをいわば直進させるような状態でＥＧＲ通路に導入できるため、排気ガスの動圧を利用してＥＧＲガスを増大させることを確実化できる。

実施形態を示す要部の断面図である。（Ａ）は図１のIIA-IIA 視断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ視断面図である。（Ａ）は図２（Ａ）のIIIA-IIIA 視断面図、（Ｂ）（Ｃ）は作動状態を示す断面図である。

(1).構造の説明
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１のとおり、排気ターボ過給機１は排気ガス通路（排気管）２に介挿されており、排気ガス通路２に固定されたハウジング３を備えている。ハウジング３の内部には、入口４と出口５とを直交させた状態で排気ガス流路６が空いていると共に、排気ガスで駆動されるタービン７が回転自在に保持されている。排気ガスは、タービン７に半径方向外側から当たって軸方向に抜けていく。敢えて述べるまでもないが、タービン７は回転軸８の一端部に固定されており、回転軸８の他端部にはコンプレッサ翼が固定されている。

ハウジング３には、排気ガスをタービン７に導かずに出口５にリークさせるバイパス通路９が形成されており、バイパス通路９の入り口部にウエストゲートバルブ１０を設けている。図１ではウエストゲートバルブ１０はおおまかに示しており、詳細な構造は図２及び図３（Ａ）に示している。なお、ハウジング３は複数の部品を重ね合わせて固定した構造になっている。

図２に示すように、バイパス通路９には、排気ガスの流れ方向に向かって前方が拡大するように内径を拡大した拡径部９ａが形成されており、このため、バイパス通路９には、排気ガスの流れ方向前方に向いて露出した段差面１１が形成されている。そして、この段差面１１に、ウエストゲートバルブ１０を構成するスイング式の第１及び第２のバルブ体（弁体）１３，１２が配置されている。

第１バルブ体１３と第２バルブ体１２とは全体として円板状を構成しており、第２バルブ体１２は大きい面積で、第１バルブ体１３は小さい面積になっている。つまり、両バルブ体１２，１３は、円板をその円の縁に寄った弦で２つに分割した形態になっている。両バルブ体１２，１３には互いに噛み合う凹凸部１２ａ，１３ａを形成しており、これら凹凸部１２ａ，１３ａを枢支ピン１４で連結することにより、２つのバルブ体１２，１３が相対回動するようになっている。

段差面１１のうち、第２バルブ体１２が重なる第２段差面１１ａと第１バルブ体１３が重なる第１段差面１１ｂとは平坦でなくて、排気ガスの流れ方向に向かって凸の状態に交叉している。そして、第２バルブ体１２のうち枢支ピン１４と反対側の端部に枢支ピン１４と平行な突出部１２ｂを設けて、この突出部１２ｂを、ハウジング３に形成して支持壁１５に当接又は近接させている。従って、第２バルブ体１２及び第１バルブ体１３は、第２バルブ体１２の突出部１２ｂの先端を中心にして、枢支ピン１４と平行な回動軸心を中心にして回動し得る。

バルブ体１２，１３を挟んだ両側のうち排気ガスの流れ方向の前方側に、両バルブ体１２，１３を回動させるためのＬ型のアーム体１６が配置されている。アーム体１６は枢支ピン１４と直交した方向でかつバイパス通路９を横切る方向に長い形状であり、先端部は、第１バルブ体１３に、枢支ピン１４と平行な連結ピン１７で相対回動可能に連結されている。連結ピン７による連結を可能ならしめるため、第１バルブ体１３には、アーム体１６の先端部が嵌まる切欠き部１８を形成している。なお、第１バルブ体１３にブラケットを突設して、このブラケットにアーム体１６の先端を連結してもよい。

アーム体１６の基端は作動軸１９に固定されている（作動軸１９とアーム体１６とを一体化してもよい。）。作動軸１９はアーム体１６と直交すると共にバイパス通路９とも直交した姿勢であり、その一端はハウジング３の外側に露出している。そして、作動軸１９は電動モータ等のアクチェータ２０の回転軸に固定されている。従って、アクチェータ２０を駆動すると作動軸１９が回転し、これに伴ってアーム体１６は作動軸１９の軸心回りに回動する。

第２バルブ体１２は、ハウジング３の支持壁１５に設けた板ばね２１により、第２段差面１１ａに重なる方向に押えられている。板ばね２１は、第２バルブ体１２を閉じ方向に付勢するばね手段の一例である。ばね手段としては、引っ張りぱねや圧縮コイルばねを使用してもよい。

ハウジング３には、バイパス通路９からバイパスした排気ガスをＥＧＲ通路（図示せず）に流し込むためのＥＧＲ通路接続口２２を設けている。ＥＧＲ通路接続口２２は、バイパス通路９を挟んで作動軸１９と反対側に位置しており、バルブ体１２，１３を向いた方向に開口している。

(2).作用の説明
次に、作用を説明する。図３（Ｂ）に示すように、作動軸１９が正転すると、第１バルブ体１３が連結ピン１７を中心にして回動し、これにより、作動軸１９の回転初期において第１バルブ体１３のみが回動して、バイパス通路９が僅かに開く（この状態では、第２バルブ体１２は板ばね２１で押えられた状態のままで、第２段差面１１ａを少し滑り移動する。

次いで、作動軸１９がある程度以上に回転すると、第１バルブ体１３による引っ張り力が板ばね２１のばね力に勝ることにより、図３（Ｃ）に示すように、第２バルブ体１２はその突出部１３ｂの先端を中心にして回動する。すなわち、作動軸１９の回転角度がある程度以上になると、第１バルブ体１３と第２バルブ体１２とが一緒に回動する。これにより、バイパス通路９は大きく開口する。

そして、作動軸１９の回転初期においては、第１バルブ体１３のみが回動してバイパス通路９に排気ガスの連通路が形成されるが、第１バルブ体１３で塞がれていた狭い部分が集中的に開口するため、バイパス量は少なくても流れ抵抗は低くなっており、このため、少ない量の排気ガスを正確に流すことができる。従って、ウエストゲートバルブ１０の開度が低い状態での排気ガスのリーク量を微調整できるのであり、その結果、過給圧も微調整して内燃機関の適切な制御に貢献できる。

また、ＥＧＲ通路接続口２２は、第１バルブ体１３の開きによって流れる排気ガスの前進方向と対向するように開口しているため、第１バルブ体１３の開きによってバイパス通路９に流入した排気ガスは、そのまま方向性（指向性）を持ってＥＧＲ通路接続口２２からＥＧＲ通路に流れ込む。このため、排気ガスの動圧を利用してＥＧＲガスとして取り込むことができるのであり、その結果、ＥＧＲガスの量を増大できる。

本願発明は、上記の実施形態の他にも様々に具体化できる。例えばウエストゲートバルブを構成するバルブ体はスイング式でなくてもよいのであり、例えばバタフライ方式やニードル方式なども採用可能である。また、３つ以上のバルブ体で構成することも可能である。

本願発明は、内燃機関の排気ターボ過給機に実際に適用できて機能を発揮する。従って、産業上利用できる。

１排気ターボ過給機
２排気通路
３排気ターボ過給機を構成するハウジング
６排気ガス通路
７タービン
９バイパス通路
１０ウエストゲートバルブ
１１段差面
１２第２バルブ体
１３第１バルブ体
１４枢支ピン
１６アーム体
１７連結ピン
１９作動軸
２０アクチェータ
２１板ばね
２２ＥＧＲ通路接続口

Claims

排気通路に、排気ガスで駆動される排気ターボ過給機と、排気ガスが前記排気ターボ過給機を迂回して流れるバイパス通路とを設け、前記バイパス通路にはウエストゲートバルブを設けている構成であって、
前記ウエストゲートバルブは、開き開始タイミングが異なる複数のバルブ体から成っており、
前記バイパス通路に、排気ガスを吸気系に還流させるＥＧＲ通路に接続されるＥＧＲ通路接続口が、前記ウエストゲートバルブの開き動によって流れる排気ガスの前進方向と対向した方向に向いて開口している、
排気ターボ過給機付き内燃機関。