JP6675907B2 - 排気ガス駆動式過給機制御用チャンバー - Google Patents

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おいて、過給機を制御する制御用吸気経路中に配置されるチャンバーの改良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が広く使用されている。すなわち、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配置し、エンジンコントーロルユニット（ＥＣＵ）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により、ウエストゲートバルブの開度を調節している。

そして、従来は、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を防止できないという問題や、微量ながらゴミが混入すると電磁弁の動作不良が発生しやすくなるいう問題があったことに鑑みて、本願出願人は、特許文献１において、制御用吸気が流れる経路のうち分岐部をチャンバーで構成して、このチャンバーで脈動を吸収することを提示した。

また、特許文献１では、チャンバーをオイルミストの補集手段として機能させることによって電磁弁の保護を図ることも開示している。オイルミストの補集機能をアップさせる具体的な構成としては、フィルターやバッフルプレートが開示されている。

特開２０１５−１４３４８５号公報

上記のとおり、特許文献１にはチャンバーの内面に付着するオイルミストの問題が提起されているが、本願発明者たちが研究したところ、実際に、制御用吸気には、過給機から漏洩したと思われるオイルミストが含まれており、これがチャンバーの内面に付着して油滴に成長する現象が見られた。

そして、チャンバーの内部で制御用吸気の流れが存在している場合は、油滴が存在しても制御用吸気の流通は確保できるが、電磁弁が閉じた状態では吸気の流れが止まるため、低温環境下で電磁弁の閉じ状態がある程度継続すると、油滴が氷結してポートが塞がれてしまうことが懸念される、すると、過給圧を制御できなくなるためフューエルカットされてエンジンの出力低下に至ってしまうことになる。

従って、特許文献１に記載されているオイルミストの補集手段は適切な配慮であるが、フィルターやバッフルプレートはチャンバーとは別部材であるため、コストが嵩むと共に組み付けの手間もかかるという問題がある。また、フィルターの場合は、フィルターに包含されたオイルが凍結すると、フィルターが仕切り壁になって吸気の流通が遮断されるため、必ずしも好ましいとは云えない。従って、まだ改良の余地が見られる。

本願発明はこのような知見を基に成されたものであり、特許文献１のようなチャンバーを、オイルミストの弊害を防止できる構造にして提供せんとするものである。

本願発明は、
「過給圧を制御するアクチュエータに吸気を導入するために過給経路にコンプレッサを跨ぐように接続された過給圧制御用バイパス通路に配置されて吸気の脈動を防止するチャンバーであって、
前記過給経路のうち前記コンプレッサよりも下流側に連通した制御空気流入ポートと、前記アクチュエータに連通した制御空気流出ポートとが、底面よりも上において互いに高さを異ならせて内部に開口している」
という基本構成になっており、請求項１の発明は、この基本構成にいて、
「内面に、制御空気流出ポートと制御空気流入ポートとを繋ぐ通気溝が形成されており、前記通気溝は、その開口部に油滴が付着しても表面張力によって入り込みできない細幅になっている」
という特徴を備えている。

また、請求項２の発明は、上記基本構成において、
「内面に、オイルミストを補集するための格子状リブの群が形成されている」
という特徴を備えている。

本願発明では、脈動を吸収して過給機の適切な制御を図るチャンバーにおいて、請求項２のようにリブを採用すると、オイルミストの補集を確実化して電磁弁をオイルミストから保護できるが、リブはチャンバー自体に形成するものであるため、部材点数の増加や組み付けの手間増大はない。従って、コストを抑制しつつ、オイルミストの補集を確実化して電磁弁の保護を確実化できる。

また、各ポートは底面よりも上の位置に開口しているため、油滴が底まで流下してもポートに流入することはない。この面でも、オイルミストによる弊害防止が図られている。そして、オイルミスト補集手段としてリブを採用すると、内燃機関が寒冷地で使用されてオイルミストが凍結しても、オイルミストがリブで補集されてポートに至ることを防止又は著しく抑制できるため、凍結した油滴によってポートが塞がれることを防止して、制御を確実化できる。

また、請求項１のように通気溝を採用すると、２つのポートを繋ぐ部位に油滴が付着してこれが下方のポートに流下して凍結したり、チャンバーの底部にオイルが溜まった液位が下部のポートまで上昇したりしても、オイルは表面張力によって通気溝の底面までは浸入できないため、上下のポートは連通状態に保持されている。従って、この場合も、吸気の流通を確保して電磁弁を作動させることができる。その結果、過給機の制御を確実化して内燃機関の信頼性も向上できる。

また、通気溝もチャンバーの構成部材にその一部の形状として形成するものであり、別部材を設けるものではないため、部材点数の増加や組み付けの手間の増大はない。

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）はチャンバーの箇所の拡大図である。 チャンバーの具体例の外観を示す図であり、（Ａ）（Ｂ）は横方向から見た斜視図、（Ｃ）は平面図である。 チャンバーの分離斜視図である。

(1).内燃機関の概要
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に基づいて内燃機関の基本構成を説明する。この構成は特許文献１と同じである。内燃機関は、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７には、インジェクタ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。なお、本実施形態では、吸気通路１４それ自体が過給経路になっていて、吸気の全量が過給経路を通過するが、吸気経路の一部に過給経路をバイパス状に設けることも可能である。

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に向かうリーク通路２３とを備えており、タービン室２１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。

排気ターボ過給機１５には、リーク通路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。図面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が連通しており、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３４との接続部に、容積が拡大したチャンバー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。なお、図では下流部３２ｂ″を排気ターボ過給機１５から離れた状態に表示しているが、実際には、コンプレッサ室１６を構成するハウジングに接続していることが多い（過給圧を敏感に感知できるためである。）。

この場合、図１（Ｃ）のとおり、チャンバー３５の上端にバイパス通路第２部分３２ｂの上流部３２ｂ′を接続して、チャンバー３５の一側面に枝通路３４を接続している。従って、バイパス通路第２部分３２ｂでは、吸気はチャンバー３５の内部で下から上に方向変換して流れる。

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やインジェクタ１２、電磁弁３３はＥＣＵ４０によって制御される。

(2).チャンバー３５の具体的構造
チャンバー３５の具体的な構造を図２，３で示している。チャンバー３５は、左右方向に重なった第１部材４２と第２部材４３とから成っており、両者は樹脂製であって振動溶着で接合されている。第１部材３２と第２部材４３との区別は便宜的なものであり、バイパス通路第２部分３２ｂの上流部３２ｂ′が繋がる第１ポート４４を上向きに突設したものを第１部材４２と呼んで、バイパス通路第２部分３２ｂの下流部３２ｂ″が繋がる第２ポート４５及び枝通路３４が繋がる第３ポート４６を設けたものを第２部材４３と呼んでいる。
従って、図３のとおり（図１（Ｃ）も参照）、第１ポート４４はチャンパーの上端に位置し、第２ポート４５は第３ポート４６よりも下に位置している。請求項との関係では、第２ポート４５が制御空気流入ポートに該当し、第３ポート４６が制御空気流出ポートに該当する。

便宜的に、２つの部材４２，４３の重なり方向を左右方向と呼んで、左右方向と直交した水平方向を前後方向と呼ぶこととする。上下方向は鉛直方向と同じである。チャンバー３５は、上部の前後幅が広くて下方に向けて前後幅が狭くなった形状である。従って、上部に張り出し部を設けたような形態であって、前後内面のうち一方の面は、上下に長い縦長面４７になって、前後内面のうち他方の面は、上に行くほど縦長面４７から離れる傾斜面４８を有している。また、チャンバー３５は、平面視ではおおよそ三角形に近い形態になっている。第１部材４２の内部は、おおまかにはＶ形の平断面になっている。

両部材４２，４３の内側面（内周面）には、それぞれ縦長リブ４９と横長リブ５０の群を形成している。第１部材４２の内面のうち縦長面４７の側では、縦長リブ４９の群と横長リブ５０の群とを交叉した状態に形成しており、従って、格子状リブ５１の群が形成されている。第１部材４２の内面のうち、傾斜面４８の側の面には横長リブ５０の群だけを形成している。傾斜面４８の側の面に横長リブ５０の群だけが形成されているのは、製造に際しての型抜きの困難性のためであり、条件が許せば、全体を格子状のリブと成すことは可能であるし、その方が好ましい。

第１部材４２において、格子状リブ５１は上下全長にわたって形成されている。また、傾斜面４８の側に設けた横長リブ５０は、第１部材４２の前後幅が下方に向けて狭まっていることに対応して、上から下に向けて長さが短くなっている。

第２部材４３の内面では、第１部材４２と対向した広い面積の個所において格子状リブ５１が形成されており、前後内面のうち傾斜面４８の側に位置した個所では、横長リブ５０だけで構成されている。また、格子状リブ５１は、第２ポート４５と第３ポート４６とを避けた状態で形成されており、第２ポート４５の内向き開口縁と第３ポート４６の内向き開口縁とは、上下長手の通気溝５２によって連通している。

オイルには水よりも強い表面張力が作用しており、従って、かなり大きさの油滴が構成されるが、図３（Ｂ）に示すように、通気溝５２は、その開口縁に油滴５３が付着しても、油滴５３が表面張力によって粒状に保持されていることによって底部に浸入できないような溝幅に設定されている。つまり、表面張力によって粒状に保持される油滴５３の外径よりも小さい溝幅に設定されている。通気溝５２の深さは、少なくとも溝幅と同じ程度の寸法があったらよい。

以上のように、両部材４２，４３にリブ４９，５０，５１を形成しているため、チャンバー３５の内部に浸入したオイルミストはこれらに補集されて、ポート４４，４５，４６への入り込みが阻止される。特に、バイパス通路第２部分３２ｂの下流部３２ｂ″にオイルミストが浸入すると、電磁弁３３のスムースな作動が妨げられて、甚だしい場合は作動不能に至るおそれがあるが、本実施形態では、オイルミストを各リブ４９，５０，５１で的確に補集できるため、電磁弁３３の軽快な動きを損なうことはなくて、過給圧制御の信頼性を向上できる。

さて、電磁弁３３が開いていると、吸気は各ポート４４，４５，４６を流れているため、油滴があってもそれらポート４４，４５，４６が塞がれることはないが、電磁弁３３が閉じていると、第２ポート４５も塞がれた状態になるため、内燃機関が寒冷地で使用されている場合、第２ポート４５の開口縁に油滴が付着していると、電磁弁３３が閉じて時間の経過と共に油滴が凍結して、第２ポート４５が塞がれてしまうことが考えられる。すると、過給圧の制御が不能になるため、燃料の供給がカットされて、結果としてエンジンの出力低下に至ってしまう。

しかるに、本実施形態では、多数のリブ４９〜５１によってオイルミストを補集できるため、油滴がポート４５，４６に至ることを防止又は著しく抑制できるのであり、これにより、特に第２ポート４５が油滴で塞がれる事態をなくすことができる。従って、内燃機関の信頼性の向上にも貢献できるのである。

また、内燃機関を長期に亙って使用していると、チャンバー３５の底部にオイルが溜まることが予想される。その場合、オイルの液位が第２ポート４５に至っても、通気溝５２は完全には閉じておらずに第３ポート４６との連通状態（或いはチャンバー３５の内部との連通状態）は保持されているため、電磁弁３３とアクチュエータ２８との連動関係は確保される。従って、長期にわたって高い信頼性を確保できる。

なお、実施形態では第２ポート４５の開口縁と第３ポート４６の開口縁とを通気溝５２で連通させたが、通気溝５２は、第２ポート４５から単に上向きに延ばしただけでも足りる。この場合も、第２ポート４５と他のポート４４，４６とはチャンバー３５の内部区間を介して連通しているので、電磁弁３３とアクチュエータ２８との連係した動きは阻害されない。

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、チャンバー３５は図示の形状に限定されるものではなく、様々に具体化できる。円筒状や楕円筒状、小判形筒状なども採用可能である。通気溝を複数本形成することも可能である。

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。

１４ 吸気通路（過給経路）
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 過給機のリーク通路
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
４２，４３ チャンバーを構成する部材
４４ バイパス通路第２部分の上流部が接続される第１ポート
４５ バイパス通路第２部分の下流部が接続される第２ポート（制御空気流入ポート）
４６ 枝通路が接続される第３ポート（制御空気流出ポート）
４９ 縦長リブ
５０ 横長リブ
５１ 格子状リブ
５２ 通気溝

Claims (2)

1. 過給圧を制御するアクチュエータに吸気を導入するために過給経路にコンプレッサを跨ぐように接続された過給圧制御用バイパス通路に配置されて吸気の脈動を防止するチャンバーであって、
   前記過給経路のうち前記コンプレッサよりも下流側に連通した制御空気流入ポートと、前記アクチュエータに連通した制御空気流出ポートとが、底面よりも上において互いに高さを異ならせて内部に開口している構成において、
   内面に、制御空気流出ポートと制御空気流入ポートとを繋ぐ通気溝が形成されており、前記通気溝は、その開口部に油滴が付着しても表面張力によって入り込みできない細幅になっている、
   排気ガス駆動式過給機制御用チャンバー。
2. 過給圧を制御するアクチュエータに吸気を導入するために過給経路にコンプレッサを跨ぐように接続された過給圧制御用バイパス通路に配置されて吸気の脈動を防止するチャンバーであって、
   前記過給経路のうち前記コンプレッサよりも下流側に連通した制御空気流入ポートと、前記アクチュエータに連通した制御空気流出ポートとが、底面よりも上において互いに高さを異ならせて内部に開口している構成において、
   内面に、オイルミストを補集するための格子状リブの群が形成されている、
   排気ガス駆動式過給機制御用チャンバー。

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