JP7116107B2

JP7116107B2 - 排気ターボ過給機付き内燃機関

Info

Publication number: JP7116107B2
Application number: JP2020029581A
Authority: JP
Inventors: 真人澤下
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2020-02-25
Filing date: 2020-02-25
Publication date: 2022-08-09
Anticipated expiration: 2040-02-25
Also published as: JP2021134681A

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。

車両用の内燃機関において、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。この排気ターボ過給機は、タービン翼とコンプレッサ翼とが１本の回転軸に固定されており、排気ガスによってタービン翼を駆動することにより、コンプレッサ翼によって吸気が加圧されるが、運転状態に応じて過給態様を制御するために、排気ガスをタービン翼に当てることなくリークさせるウェイストゲート通路を設けて、ウェイストゲートバルブを駆動してバイパス通路の開度を制御している。

そして、ウェイストゲートバルブはアクチュエータで駆動されており、アクチュエータは、電動式と吸気作動式とに大別される。吸気作動式のアクチュエータはダイヤフラム式のものが多用されており、ウェイストゲートバルブが開いている状態を基本として、真空ポンプで発生させた負圧によって閉じ操作する負圧駆動タイプと、ウェイストゲートバルブが閉じている状態を基本として、排気ターボ過給機によって加圧された正圧の吸気を利用してウェイストゲートバルブを開き操作する正圧駆動タイプ（例えば特許文献１）とに大別される。

特開２０１５－１４３４８５号公報

アクチュエータとして電動モータを使用すると、コストが嵩む問題や、バッテリー負荷の増大を通じて燃費が悪化するという問題がある。他方、負圧駆動式では、クランク軸等で駆動される真空ポンプが必要になるため、電動モータの場合と同様にコストが嵩むのみならず、機関の出力の一部が真空ポンプの駆動エネルギとして消費されるため、それだけ燃費が悪化してしまうという問題がある。

これに対して、排気ターボ過給機によって加圧された正圧の吸気を利用するタイプは、専用の部材を追加する必要はないため、コストを抑制できると共に燃費の悪化も防止できる利点がある。

さて、自動車用内燃機関では排気ガスの浄化が義務付けられており、ガソリン車では、触媒ケースに触媒（三元触媒）を装填した排気ガス浄化装置が使用されているが、この触媒は、ある程度の温度に昇温しないと活性化しないという性質がある。従って、排気ターボ過給機を備えた内燃機関では、機関温度が低い状態で始動されたとき、排気ターボ過給機のウェイストゲートバルブを開いて高温の排気ガスを触媒ケースに送ることにより、触媒の早期昇温を図るのが好ましい。

しかし、正圧の吸気を使用してアクチュエータを駆動するタイプの排気ターボ過給機では、ウェイストゲートバルブを閉じて排気ガスをタービンスクロール室に送らないと正圧を確保できないため、冷間始動時における触媒の早期昇温を達成しにくいという問題があった。

本願発明はこのような現状を背景に成されたものであり、正圧吸気によってアクチュエータを制御するタイプの排気ターボ過給機を使用しつつ、冷間始動後における触媒の早期昇温を実現しようとするものである。

本願発明は排気ターボ過給機付き内燃機関に係り、この内燃機関は、
「ウェイストゲートバルブを備えた排気ターボ過給機と、前記排気ターボ過給機で加圧された正圧の吸気によって作動するアクチュエータと、前記アクチュエータの動きを前記ウェイストゲートバルブに伝えるロッドと、前記排気ターボ過給機の下流側に配置された触媒式排気ガス浄化装置とを備えており、
前記アクチュエータが作動していないときには前記ウェイストゲートバルブは閉じている状態が基準状態になっている」
という基本構成になっている。

そして、上記基本構成において、
「前記ロッドに、冷却水ジャケットを有して冷却水の温度に感応して当該ロッドの長さを変える感温式伸縮部が設けられており、
前記感温式伸縮部によって前記ロッドの長さが変わることにより、冷間始動後で前記触媒が活性温度に昇温していない状態では、前記アクチュエータが作動していない状態でも前記ウェイストゲートバルブを開き状態に保持し、前記触媒が活性温度に昇温した後に前記基準状態に戻るように制御される」
という構成を付加している。

ここに、感温式伸縮部の具体的な構成としては、冷却水の流れを制御するサーモ弁に多用されている感温ワックスを使用することができる。また、ロッドの動きとウェイストゲートバルの開閉との関係は、ロッドの押しによってウェイストゲートバルブが開く態様と、ロッドの引きによってウェイストゲートバルブが開く態様とが有り得るので、その態様に応じて感温式伸縮部の構造を設定して、ロッドの伸びによってウェイストゲートバルブを開く態様と、ロッドの縮みによってウェイストゲートバルブを開く態様とを選択したらよい。

更に、触媒は機関の始動後の経過時間に比例して昇温するが、冷却水の温度も始動後の時間に比例して昇温するので、感温式伸縮部には、冷却水の温度に感応して体積等が変化する材料を使用したらよい。

本願発明では、触媒が活性温度に昇温している通常運転時には、排気ターボ過給機によって生成された正圧の吸気によってアクチュエータを作動させてウェイストゲートバルブを駆動できる一方、冷間始動後の暖機運転時には、アクチュエータを作動させることなくウェイストゲートバルブを開いた状態に保持できるため、高温の排気ガスを触媒ケースに流入させて触媒の早期昇温を達成できる。

そして、感温式伸縮部は冷却水の温度によって自動的に長さが変化するものであり、モータのような動力で駆動されるものではないため、コストアップを抑制できる。

実施形態に係る排気ターボ過給機の全体図であり、（Ａ）は吸気入口の方向から見た斜視図、（Ｂ）は排気ガスの入口方向から見た斜視図である。（Ａ）は排気ターボ過給機の平面図、（Ｂ）は正面図である。ロッドが縮んでいる通常運転状態での一部破断部分正面図である。ロッドが伸びている暖機運転状態での一部破断部分正面図である。

(1).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１，２を参照して、排気ターボ過給機とその周辺部の概要を説明する。

図２（Ｂ）が判りやすいと思われるが、排気ターボ過給機は、タービンハウジング１とコンプレッサハウジング２、及び、両者の間に位置した軸受けハウジング（センターハウジング）３とを有している。タービンハウジング１と軸受けハウジング３とは、アルミの鋳造品として一体に製造されている。コンプレッサハウジング２は、アルミのダイキャスト品又は鋳造品である。図示は省略しているが、タービンハウジング１にはタービン翼が回転自在に保持されて、コンプレッサハウジング２はコンプレッサ翼が回転自在に保持されており、両者は回転軸によって一体に連結されている。

タービンハウジング１には、タービン翼が回転自在に配置されたタービン側スクロール室が形成されており、その始端（上端）に、図１（Ｂ）に示す入口通路４が連通されている。従って、タービンハウジング１は、タービン側スクロール室が形成されたドラム状部１ａと、入口通路４が形成された筒部１ｂとを有しており、かつ、軸受けハウジング３と反対側に突出したサイド張り出し部１ｃを備えている。筒部１ｂの後端には、シリンダヘッド（又は排気マニホールドの集合部）にボルトで固定される入口側フランジ５が形成されている。

また、図１（Ｂ）から理解できるように、サイド張り出し部１ｃには、排気ガス出口６を開口させた出口側フランジ７が、入口側フランジ５と交叉（略直交）した姿勢で形成されており、出口側フランジ７には、触媒ケースが直接に又は継手を介して接続される。

図１（Ｂ）から理解できるように、排気ガス出口６には、タービン側スクロール室とウェイストゲート通路８とが連通している。ウェイストゲート通路８の始端は入口通路４の中途部に開口しており、ウェイストゲート通路８の終端が回動式のウェイストゲートバルブ９によって開閉される。本実施形態の排気ターボ過給機は、排気ガスが入口通路４から下向きに流れてタービン側スクロール室に入る下巻き構造になっている。

コンプレッサハウジング２の内部にはコンプレッサスクロール室（図示せず）が形成されており、コンプレッサスクロール室に吸気を送る吸気入り口１１（図２参照）が軸心方向に開口している。コンプレッサ側スクロール室で加圧された吸気は、回転軸心と交叉した方向に開口した排出口１２から排出される。軸受けハウジング３には、回転軸を回転自在に保持する軸受け部が形成されており、そこで、軸受けハウジング３には、オイル入り口１３（図２（Ａ）参照）が上向きに開口していると共に、オイル出口１４（図２（Ｂ）参照）が下向き開口している。

コンプレッサハウジング２には、ウェイストゲートバルブ９を駆動するダイヤフラム式のアクチュエータ１５が、ブラケット１６，１７を介して固定されている。アクチュエータ１５は、排気ターボ過給機で加圧された吸気で作動する正圧作動タイプであり、加圧吸気で作動する弁体にロッド１８が固定されており、弁体の動きに連動してロッド１８を軸方向に進退動させることにより、ウェイストゲートバルブ９の開度が制御される。

そこで、図１（Ｂ）から理解できるように、ウェイストゲートバルブ９のアーム９ａに固定された支軸１９にリンク２０を固定し、リンク２０にロッド１８の先端部がピン２１で連結されている。アクチュエータ１５の弁板は撓み変形可能であってロッド１８は回動しつつ進退動できるため、ロッド１８とリンク１９とはピン２１で単に連結しただけで、互いの相対動が許容されている。アクチュエータ１５への過給吸気の供給量の制御は、電磁式等の過給圧制御バルブ（ＶＳＶ、図示せず）によって行われる。

図示は省略しているが、タービンハウジング１の内部には冷却水ジャケットを形成している。冷却水ジャケットはタービンハウジング１の上端と下端とに開口しており、そこで、タービンハウジング１の下端には冷却水入り口ポート２２を設けて、タービンハウジング１の上端には冷却水出口ポート２３を設けている。冷却水入り口ポート２２にはホースより成る冷却水送り通路２４が接続されて、冷却水出口ポート２３にはホースより成る冷却水戻り通路２５が接続されている。

(2).感温式伸縮部
アクチュエータ１５の動きをウェイストゲートバルブ９に伝えるロッド１８には、温度に感応して長さを変える感温式伸縮部２６が設けられている。

図３，４に示すように、ロッド１８は、アクチュエータ１５の弁体（膜部材）に固定された主動部１８ａと、リンク２０に連結された従動部１８ｂとに分離しており、感温式伸縮部２６は、従動部１８ｂに固定された有底筒状のアウターケース２７と、アウターケース２７の内部に固定的に配置した有底筒状のインナーケース２８とを備えており、アウターケース２７の底板２７ａに設けた筒状ボス２９に、従動部１８ｂがねじ込み等の手段で固定されている。

また、アウターケース２７のうち底板２７ａと反対側には、インナーケース２８の外周に密嵌する内向きフランジ３０を形成しており、これにより、アウターケース２７とインナーケース２８とで囲われた環状の冷却水ジャケット３１を形成している。冷却水ジャケット３１には下向きの入り口ポート３２と上向きの出口ポート３３とが形成されており、入り口ポート３２は冷却水送り通路２４に送りホース３２ａを介して接続されて、出口ポート３３は冷却水戻り通路２５に戻りホース３３ａを介して接続されている。

入り口ポート３２と出口ポート３３とは、ロッド１８の軸心方向に向いた反対側に位置されている。また、ロッド１８はリンク２０に向けて（先端に向けて）低くなるように傾斜しているが、入り口ポート３２よりも出口ポート３３が高くなるように、出口ポート３３をアクチュエータ１５の側に配置している（気泡を排除するためである。）。

ロッド１８における主動部１８ａの先端には、アウターケース２７の底板２７ａと対向したフランジ部３４を一体的に又は別体として設けており、主動部１８ａのフランジ部３４とインナーケース２８の底板２８ａとの間の環状空間に、温度によってロッド１８の長さを変える感温作動部材の一例として、温度が高くなると膨張する感温ワックス３５を充填している。

感温ワックス３５は、ラジエータへの冷却水の流れを制御するサーモ弁に使用されているものと同じものであり、冷却水の温度が予め設定した所定温度を超えている通常運転状態では図３に示すように膨張しきっており、冷間始動時後の暖機運転時のように、冷却水温度が予め設定した所定温度に至ってない低温域の場合は、図４に示すように収縮しきっている（従って、本実施形態では、触媒の活性温度を冷却水の温度で代替している。）。

そして、ロッド１８における主動部１８ａのフランジ部３４とインナーケース３５の底板３５ａとは、感温ワックス３５に包まれた状態の引っ張りばね３６で連結されている。従って、冷間始動時のように低温環境下で機関を始動する場合は、図４に示すように、感温ワックス３５は縮みきっていて、主動部１８ａのフランジ部３４はアクチュエータ１５の側に移動しており、結果としてロッド１８は、全体として、フランジ部３４の移動距離だけ伸長している。

従って、アクチュエータ１５が作動していない状態でウェイストゲートバルブ９は開いた状態に保持されており、これにより、排気ガスの相当割合がウェイストゲート通路８を介して触媒ケースに流入し、高温の排気ガスによって触媒を早期昇温させることができる。この場合、ウェイストゲートバルブ９は全開しているのが好ましい。

ウェイストゲートバルブ９が全開していると過給は行われないのでアクチュエータ１５を作動させることはできないが、念のため、暖機運転時にはアクチュエータ１５に吸気が供給されないように過給圧制御弁を制御しておくのが好ましい。

機関の運転時間の経過とともに冷却水の温度（及び触媒の温度）は昇温していき、暖機運転を脱すると触媒は活性温度に達する。そして、暖機運転を脱して触媒が活性温度に達すると、冷却水の温度も予め設定した低温域から脱するため、感温ワックス３５が図３の状態に膨張して、ロッド１８の長さが短くなる。これにより、アクチュエータ１５が作動していない状態でウェイストゲートバルブ９は閉じた基準状態になり、アクチュエータ１５への正圧の吸気の供給を過給圧制御バルブで制御することにより、過給圧を制御できる。

以上のとおり、本実施形態では、正圧の吸気によってアクチュエータ１５を作動させるタイプでありながら、暖機運転時にはウェイストゲートバルブ９を開き状態に保持して触媒を早期昇温させることができる。従って、コストの抑制と燃費の向上とを図りつつ、排気ガスの浄化性能を向上できる。

感温媒体として冷却水を使用する場合、タービンハウジングを経由した冷却水を感温式伸縮部２６に取り込むことも可能である（この場合は、シリンダヘッドを経由した冷却水よりも温度が高くなっているので、感温ワックス３５の応答性が高くなると思料される。）。

また、アウターケース２７及びインナーケース２８をアクチュエータ１５に固定することも可能である。低温域のときにロッド１８を縮ませておく手段としては、主動部１８ａのフランジ部３４とアウターケース２７の底板２７ａとの間に圧縮ばねを配置することも可能である。

本願発明は、排気ターボ過給機を備えた内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１タービンハウジング
２コンプレッサハウジング
４入口通路
６排気ガス出口
８ウェイストゲート通路
９ウェイストゲートバルブ
１５アクチュエータ
１８ロッド
１８ａ主動部
１８ｂ従動部
１９支軸
２０リンク
２２冷却水入り口ポート
２３冷却水出口ポート
２４冷却水送り通路
２５冷却水戻り通路
２６感温式伸縮部
２７アウターケース
２８インナーケース
３１冷却水ジャケット
３２入り口ポート
３３出口ポート
３４フランジ部
３５感温ワックス
３６ばね（引っ張りばね）

Claims

ウェイストゲートバルブを備えた排気ターボ過給機と、前記排気ターボ過給機で加圧された正圧の吸気によって作動するアクチュエータと、前記アクチュエータの動きを前記ウェイストゲートバルブに伝えるロッドと、前記排気ターボ過給機の下流側に配置された触媒式排気ガス浄化装置とを備えており、
前記アクチュエータが作動していないときには前記ウェイストゲートバルブは閉じている状態が基準状態になっている構成であって、
前記ロッドに、冷却水ジャケットを有して冷却水の温度に感応して当該ロッドの長さを変える感温式伸縮部が設けられており、
前記感温式伸縮部によって前記ロッドの長さが変わることにより、冷間始動後で前記触媒が活性温度に昇温していない状態では、前記アクチュエータが作動していない状態でも前記ウェイストゲートバルブを開き状態に保持し、前記触媒が活性温度に昇温した後に前記基準状態に戻るように制御される、
排気ターボ過給機付き内燃機関。