JP6792432B2

JP6792432B2 - 内燃機関

Info

Publication number: JP6792432B2
Application number: JP2016232148A
Authority: JP
Inventors: 章橋本
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2016-11-30
Filing date: 2016-11-30
Publication date: 2020-11-25
Anticipated expiration: 2036-11-30
Also published as: JP2018087555A

Description

本願発明は、排気ターボ過給機を備えた内燃機関に関するものである。

自動車用内燃機関を初めとして、内燃機関に排気ターボ過給機を設けることは広く行われている。排気ターボ過給機は、排気ガスでタービンを駆動し、タービンでコンプレッサを駆動するものであるが、過給の必要性と程度とは内燃機関の負荷等に応じて変化するため、排気ガスをタービンに対してバイパスさせるウエストゲート通路を設けて、ウエストゲート通路に流れる排気ガスの量をウエストゲートバルブで制御している。

他方、特に自動車用内燃機関（ガソリン機関）では、排気ガスを浄化するために、排気通路に触媒方式の浄化装置を設けているが、触媒はある程度の温度に昇温しないと効率が悪い（活性化しない）という問題がある。この場合、触媒を昇温させる熱源は排気ガスしかないので、触媒の早期昇温のためには、できるだけ高温の排気ガスを触媒にダイレクトに当てることが有効である。

そこで、特許文献１には、タービンハウジングに形成した排気ガス導入通路にウエストゲート通路を横穴状に形成した場合において、回動式のウエストゲートバルブを排気ガスの案内部材に兼用して、ウエストゲート通路に流入した排気ガスを触媒ケースに向けて直進させることが開示されている。

ＷＯ２０１３−１４５２７８号公報

始動時（特に暖機運転時）には過給は必要でない場合が多いため、特許文献１のようにウエストゲート通路に流入した排気ガスを触媒に当てると、従来に比べて触媒の早期昇温に貢献できると云えるが、特許文献１は、３つの問題点により、触媒の早期昇温効果が十分でないと思料される。

第１の問題は、ウエストゲート通路が排気ガス通路から横穴のようにして開口しているため、ウエストゲート通路への排気ガスの流入性が悪くて、このため、触媒の早期昇温効果が十分でないという点である。また、排気ガスが排気ガス導入通路からウエストゲート通路に方向変換するにおいて流速が低下するが、このときに熱がタービンハウジングに奪われるため、触媒に当たる排気ガスの温度が低下しがちになるという点も、問題であると云える。なお、ウエストゲート通路への排気ガスの流入性は、過給圧の制御の応答性にも影響している。

特許文献１の第２の問題点は、ウエストゲートバルブが開いて、排気ガス導入通路から方向変換してウエストゲート通路に流入したときに、排気ガスがウエストゲートバルブに衝突して拡散するため、触媒に向かう直進性が低下すると共に、熱がタービンハウジングやウエストゲートバルブに奪われて排気ガスの温度が低下してしまい、このため、排気ガスから触媒への熱交換が不十分になって、触媒の早期昇温効果が不十分になりやすいという点である。

更に、特許文献１の第３の問題点は、ウエストゲートバルブを排気ガスの流れのガイドに利用しているため、ウエストゲートバルブの開度によって排気ガスの流れ方向が変化してしまい、触媒に対する排気ガスの当たり具合が安定せず、結果として、触媒の早期昇温効果が不十分になる虞れがある点である。

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。

本願発明の内燃機関は、
「排気ガスで回転駆動されるタービンが配置されたタービン側スクロール室と、前記タービンで駆動されるコンプレッサと、排気ガスを前記タービン側スクロール室に案内する排気ガスメイン通路と、排気ガスが前記タービン側スクロール室をバイパスして流れるウエストゲート通路と、前記タービン側スクロール室を通過した排気ガス及びウエストゲート通路を通過した排気ガスが流入する排気通路と備えており、前記排気通路には、触媒を内蔵した触媒ケースが介挿されている、」
という基本構成である

そして、請求項１の発明は、上記基本構成において、
「前記排気ガスメイン通路の入口とウエストゲート通路の入口とは同じ方向に開口して両者に排気ガスが直進して流入するようになっており、前記排気ガスメイン通路を直進する排気ガスの流れ方向前方に前記タービン側スクロール室が配置されている一方、
前記ウエストゲート通路は、その出口部が前記排気ガス排出筒部に向かうように湾曲していて、前記ウエストゲート通路の出口部は、前記排気ガス排出筒部よりも小径で前記排気ガス排出筒部に突出したパイプ状部になっており、前記パイプ状部の出口は前記触媒ケースの内部の中央部に向けて開口している」
という構成が付加されている。

請求項２の発明は、請求項１において、
「前記パイプ状部を含むウエストゲート通路の全体が、前記タービン側スクロール室及び排気ガス排出筒部と一緒にタービンハウジングに形成されており、
前記排気ガスメイン通路は、前記ウエストゲート通路の入口部と一体化した入口部と、前記排気ガスメイン通路から分岐して独立した部分とを有して、前記独立した部分に前記パイプ状部が形成されており、
更に、前記タービンハウジングに、前記パイプ状部の出口端面に対して弁蓋が当接・離反するように回動するウエストゲートバルブを設けている」
という構成になっている。

請求項３の発明は、請求項１又は２において、
「前記パイプ状部を含むウエストゲート通路の全体が、前記タービン側スクロール室及び排気ガスメイン通路と一緒にタービンハウジングに形成されており、かつ、前記タービンハウジングには、前記排気ガスメイン通路の少なくとも一部及びウエストゲート通路の少なくとも一部を囲う冷却水ジャケットが形成されている」
という構成になっている。

本願発明において、排気ガスメイン通路の入口とウエストゲート通路の入口とは分離してもよいし、一体化してもよい。一体化した場合は、途中から分岐するが、この場合も、排気ガスはウエストゲート通路の入口に直進性を持って流入し、直進性を持ったままウエストゲート通路の出口に向かうことになる。

本願発明によると、排気マニホールド又はシリンダヘッドから排出された排気ガスはウエストゲート通路にも向かうため、ウエストゲート通路への排気ガスの取り込みを確実化できる。また、排気ガスは、ウエストゲート通路のガイド作用で直進性を持ったまま触媒に向かうため、拡散することは殆どなく、かつ、放熱性も低い。更に、ウエストゲート通路の少なくとも出口部はパイプ状部になっていて、その出口は触媒の中央部に向かって開口しているため、排気ガスを触媒に確実に当てることができる。

結局、本願発明では、排気ガスをウエストゲート通路にしっかりと取り込みできることと、排気ガスの拡散を防止又は抑制して排気ガスの流れの方向性（直進性）を保持できること、排気ガスの温度低下を抑制できること、及び、排気ガスを触媒に確実に当てることができることが相まって、触媒の早期昇温効果を向上できる。その結果、排気ガスの浄化性能を向上できる。また、ウエストゲート通路への排気ガスの取り込み性が高いため、過給圧の制御の応答性を向上できる利点もある。

また、ウエストゲート通路の出口部がパイプ状部になっていると、ウエストゲート通路の出口を触媒ケースに近づけることができるため、請求項２のようにウエストゲート通路の出口を蓋方式のウエストゲートバルブが開閉する場合でも、ウエストゲートバルブに当たった排気ガスを、拡散する前に触媒に当てることができる。このため、ウエストゲートバルブの開度に関係なく、排気ガスを触媒に的確に当てて、触媒の早期昇温を一層確実化できる。

請求項２のように、ウエストゲートバルブを、パイプ状部の出口端面に対して当接・離反する回動式に構成すると、ウエストゲートバルブの回動軸は排気ガスの流れに晒されることはないため、ウエストゲートバルブの開閉の確実性と高い耐久性とを確保できる。また、排気ガスから弁蓋に熱交換されて弁蓋等の部材が加熱されるが、弁蓋は触媒に近い空間に配置されているため、弁蓋等の部材の輻射熱で触媒を加熱することができる。従って、熱の損失は殆どないと云える。

請求項３の構成を採用すると、排気ガスの熱を冷却水に熱交換して、機関の暖機促進に貢献できる。また、タービンハウジングをアルミ製にして軽量化することも、容易に実現できる。

実施形態の排気ターボ過給機をシリンダヘッドの排気側面と直交した方向から見た正面図である。排気ターボ過給機を図１と反対側から見た背面図である。（Ａ）は要部平面図、（Ｂ）はウエストゲートバルブを閉じた状態での（Ａ）のＢ−Ｂ視部分断面図、（Ｃ）はウエストゲート通路を開いた状態での（Ｂ）と同じ断面図である。図３（Ａ）の IV-IV視部分断面図である。

次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。排気ターボ過給機１は、タービン２が内蔵されたタービンハウジング３と、コンプレッサ（図示せず）が内蔵されたコンプレッサハウジング４と、両者の間に位置した軸受けハウジング５とを有している。図４に示すように、タービン２には回転軸６の一端部が固定されており、回転軸６の他端部にコンプレッサ（図示ぜず）が固定されている。

図４のとおり、軸受けハウジング５は、フローティングメタル７を介して回転軸６を回転自在に保持するものであり、本実施形態では、タービンハウジング３と軸受けハウジング５とは、アルミの鋳造品として一体に製造されている。

図４のとおり、タービンハウジング３には、タービン２を囲うようにタービン側スクロール室８が形成されており、タービン側スクロール室８には、排気ガス導入筒部９と、排気ガス排出筒部１０とが連通している。排気ガス排出筒部１０は、排気通路の一部を構成している。排気ガス導入筒部９の先端（開口端）には、入口側フランジ９ａが一体に形成されており、この入口側フランジ９ａが、排気マニホールドの集合部１１又はシリンダヘッドに固定される。

そして、排気ガス導入筒部９には、排気ガスをタービン側スクロール室８に導く排気ガスメイン通路１２と、排気ガスをタービン側スクロール室８に通さずに排気ガス排出筒部１０にバイパスさせるウエストゲート通路１３の入口側部分１３ａとが形成されている。すなわち、本実施形態では、ウエストゲート通路１３の入口側部分１３ａが、排気ガスメイン通路１２と一体に連通している。従って、排気ガス導入筒部９の開口穴は１つだけである。

図２に示すように、排気ガスメイン通路１２の入口と、ウエストゲート通路１３の入口側部分１３ａとは水平方向に並んでおり、かつ、排気ガスメイン通路１２の入口の開口面積は、ウエストゲート通路１３の入口側部分１３ａの開口面積よりも大きくなっている。このため、排気ガス導入筒部９の開口穴は、真円ではなくて、大径の円と小径の円とを繋いだ形状になっている。

図３に示すように、排気ガス導入筒部９と排気ガス排出筒部１０とは平面視でＬ形の姿勢を成しており、部分的に繋がっている。そして、ウエストゲート通路１３は、排気ガス導入筒部９から（排気ガスメイン通路１２から）分かれて排気ガス排出筒部１０の先端部に向かう出口側部分を有しており、この出口側部分はパイプ状部１３ｂに形成されている。

排気ガス排出筒部１０の先端（開口端）は、正面視において斜め下方に向くように略４５度の角度に傾斜しており、この先端に出口側フランジ１４を一体に設けて、出口側フランジ１４に触媒ケース１５を接続している。触媒ケース１５は、ストレート状本体部１５ａの上下両端に先窄まりのコーン部１５ｂを設けた形態であり、上コーン部１５ｂに設けた継手部１５ｃが、出口側フランジ１４にボルト止め又は溶接によって固定されている。継手部１５ｃも排気通路を構成している。触媒ケース１５は、おおよそ鉛直の姿勢になっている。

そして、前記したウエストゲート通路１３のパイプ状部１３ｂは、平面視及び正面視で傾斜しており、触媒ケースの内部に向けて開口している。正確に述べると、パイプ状部１３ｂの軸心の延長線上に、触媒（図示せず）の上面が位置している。従って、パイプ状部１３ｂから噴出した排気ガスは、触媒の上面に当たる。この場合、パイプ状部１３ｂは、触媒の中央部に向かうように設定している。

排気ガス導入筒部９と排気ガス排出筒部１０とは平面視で直交した姿勢になっているので、ウエストゲート通路１３は、排気ガスメイン通路１２と連通した入口側部分１３ａから湾曲してパイプ状部１３ｂに至っている。従って、ウエストゲート通路１３に流入した排気ガスは途中で方向を変えるが、方向変換部は湾曲しているので、排気ガスは、ウエストゲート通路１３の全体において直進性を持って流れていく。

タービンハウジング３の排気ガス排出筒部１０には、図３（Ｂ）（Ｃ）に示すように、ウエストゲート通路１３を開閉するためのウエストゲートバルブ１６を取付けている。ウエストゲートバルブ１６は、軸心周りに回転する操作軸１７と、操作軸１７の先端部にブラケット１８を介して設けた弁蓋１９とを有しており、操作軸１７を低回させると、弁蓋１９が回動して（スイングして）、パイプ状部１３ｂの先端（開口端）に当接（密着したり）、パイプ状部１３ｂから離反したりする。

操作軸１７は、図１〜図３（Ａ）では単なる線として表示している。排気ガス排出筒部１０には、操作軸１７を回転自在に保持する軸受け筒２０が形成されている。図示していないが、軸１７のうち排気ガス排出筒部１０の外側に露出した基端部にはリンクが一体に固定されており、リンクには、コンプレッサハウジング４に設けたダイヤフラム式のアクチェータ（図示せず）で駆動されるロッドが連結されている。従って、ウエストゲートバルブ１６は、ロッドを介してアクチェータで操作される（操作軸１７は、電動モータなどで回転することも可能である。）。

図３に示すように、排気ガス導入筒部９には、第１冷却水ジャケット２１が形成されている。他方、図４に示すように、タービン側スクロール室８の外側には、隔壁２２で左右に仕切られた一対の第２冷却水ジャケット２３が形成されている。第１冷却水ジャケット２１にも、補強のために隔壁又はブリッジ部を設けるのが好ましい。また、第１冷却水ジャケット２１と第２冷却水ジャケット２３とを連通させることも可能である。

図２に示すように、入口側フランジ１１には、第１冷却水ジャケット２１への給排水を行うための冷却水ポート２４が左右に分かれて開口している。左右のポート２４は、いずれか一方を入口に使用して他方を出口に使用したら良い。第１冷却水ジャケット２１の入口ポートや出口ポートは、排気ガス導入筒部９の外周部に設けることも可能である。

以上の説明から容易に理解できるように、ウエストゲートバルブ１６を全閉した状態では、排気ガスは、その全量がメイン通路１２からタービン側スクロール室８に流れて、タービン２を駆動する仕事をした排気ガスは、排気ガス排出筒部１０から触媒ケース１５に排出される。

他方、ウエストゲートバルブ１６が全開状態では、排気ガス導入筒部９に流入した排気ガスのうち相当量がウエストゲート通路１３を通過して、触媒ケース１５に流入する。この場合、排気ガスは直進性を持ってウエストゲート通路１３の入口側部分１３ａに流入するため、ウエストゲート通路１３への排気ガスの取り込みを確実化できる。

また、ウエストゲート通路１３は途中で緩く湾曲しているだけであり、排気ガスが直角に方向変換するようなことはないため、排気ガスは、ウエストゲート通路１３の全体にわたって直進する。このため、排気ガスの放熱を抑制しつつ、高温の排気ガスをパイプ状部１３ｂから触媒の上面に噴出させることができる。従って、触媒の早期に昇温させて、排気ガスから有害成分を除去する触媒作用を速やかに活性化させることができる。

ウエストゲート通路１３を流れる排気ガスの量は、ウエストゲートバルブ１６の開度に応じて変化するが、パイプ状部１３ｂの先端を触媒に近づけることができるため、排気ガスが弁蓋１９に当たって方向変換しても、排気ガスを速やかに触媒に当てることができる。すなわち、排気ガスは、拡散する前に触媒に当たるのであり、このため、ウエストゲートバルブ１６の開度に関係なく、排気ガスを触媒の上面に当てることができる。

なお、パイプ状部１３ｂの先端は斜めにカットされているが、弁蓋１９の位置などを変更すると、パイプ状部１３ｂの端面を軸線に対して直交させることもできる。パイプ状部１３ｂはストレート状に形成しているが、先窄まりのテーパ状に形成したり、先広がりのテーパ状に形成したりすることも可能である。

本実施形態のように冷却水ジャケット２１，２３を形成すると、熱害を防止しつつタービンハウジング３，５をアルミ化して軽量化できる利点がある。また、タービンハウジング３と軸受けハウジング５とが一体化しているため、組み立ての手間を軽減できると共に、タービン２とコンプレッサとの回転精度も向上できる。第１冷却水ジャケット２１と第２冷却水ジャッケト２３とは、いずれか一方のみを形成することも可能である。

冷却水ジャケット２１，２３を設ける場合、冷却水ジャケット２１，２３にラジェータからの戻り冷却水が流入するように構成しておくと、暖機時には冷却水ジャケット２１，２３に冷却水が流れないため、排気ガスから冷却水への熱交換を防止して、触媒の早期昇温を確実化することができる。

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、本願発明は、冷却水ジャケットを備えていない排気ターボ過給機や、タービンハウジングと軸受けハウジングとが別部材で構成されている排気ターボ過給機にも適用できる。また、実施形態では排気ガス排出筒部の先端を斜めにカットしたが、排気ガス排出筒部を、水平部と下向き部とを有するＬ形に形成して、下向き部に触媒ケースを固定してもよい。

また、排気ガスメイン通路とウエストゲート通路とを完全に分離させることも可能であり、ウエストゲート通路の全体をパイプ状部に形成することも可能である。更に、ウエストゲートバルブは、ウエストゲート通路の始端を開閉するように配置することも可能であるし、ウエストゲートバルブの構造としては、弁蓋が大きく移動する回動式（スイング式）には限らず、例えばバタフライ方式なども採用できる。

本願発明は、実際に内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１排気ターボ過給機
２タービン
３タービンハウジング
４コンプレッサハンジング
５軸受けハウジング
８タービン側スクロール室
９排気ガス導入筒部
１０排気通路の一部を構成する排気ガス排出筒部
１１排気マニホールドの集合部
１２排気ガスメイン通路
１３ウエストゲート通路
１３ａウエストゲート通路の入口側部分
１３ｂウエストゲート通路の出口側部分を構成するパイプ状部
１５触媒ケース
１５ｃ排気通路を構成する接続部
１６ウエストゲートバルブ
１７操作軸
１９弁蓋
２１第１冷却水ジャケット
２３第２冷却水ジャケット

Claims

排気ガスで回転駆動されるタービンが配置されたタービン側スクロール室と、前記タービンで駆動されるコンプレッサと、排気ガスを前記タービン側スクロール室に案内する排気ガスメイン通路と、排気ガスが前記タービン側スクロール室をバイパスして流れるウエストゲート通路と、前記タービン側スクロール室を通過した排気ガス及びウエストゲート通路を通過した排気ガスが流入する排気ガス排出筒部、前記排気ガス排出筒部に接続されて触媒が内蔵された触媒ケースとを備えており、
前記排気ガス排出筒部は前記排気ガスメイン通路と交叉した姿勢になっていて、前記触媒ケースは前記排気ガス排出筒部に向けて開口している構成であって、
前記排気ガスメイン通路の入口とウエストゲート通路の入口とは同じ方向に開口して両者に排気ガスが直進して流入するようになっており、前記排気ガスメイン通路を直進する排気ガスの流れ方向前方に前記タービン側スクロール室が配置されている一方、
前記ウエストゲート通路は、その出口部が前記排気ガス排出筒部に向かうように湾曲していて、前記ウエストゲート通路の出口部は、前記排気ガス排出筒部よりも小径で前記排気ガス排出筒部に突出したパイプ状部になっており、前記パイプ状部の出口は前記触媒ケースの内部の中央部に向けて開口している、
内燃機関。
前記パイプ状部を含むウエストゲート通路の全体が、前記タービン側スクロール室及び排気ガス排出筒部と一緒にタービンハウジングに形成されており、
前記排気ガスメイン通路は、前記ウエストゲート通路の入口部と一体化した入口部と、前記排気ガスメイン通路から分岐して独立した部分とを有して、前記独立した部分に前記パイプ状部が形成されており、
更に、前記タービンハウジングに、前記パイプ状部の出口端面に対して弁蓋が当接・離反するように回動するウエストゲートバルブを設けている、
請求項１に記載した内燃機関。
前記パイプ状部を含むウエストゲート通路の全体が、前記タービン側スクロール室及び排気ガスメイン通路と一緒にタービンハウジングに形成されており、かつ、前記タービンハウジングには、前記排気ガスメイン通路の少なくとも一部及びウエストゲート通路の少なくとも一部を囲う冷却水ジャケットが形成されている、
請求項１又は２に記載した内燃機関。