WO2013128720A1 - 弁 - Google Patents

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WO2013128720A1
WO2013128720A1 PCT/JP2012/079211 JP2012079211W WO2013128720A1 WO 2013128720 A1 WO2013128720 A1 WO 2013128720A1 JP 2012079211 W JP2012079211 W JP 2012079211W WO 2013128720 A1 WO2013128720 A1 WO 2013128720A1
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valve
valve body
exhaust
vibration
opening
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行日出 永代
浩之 細谷
東條　正希
雄祐 古田
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三菱重工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a valve that is provided in the middle of an exhaust passage of an internal combustion engine and switches an exhaust path.
  • a wastegate valve (valve) is provided in the exhaust system of an engine equipped with this exhaust turbocharger.
  • the wastegate valve opens and closes an exhaust bypass passage that bypasses a part from a passage that supplies engine exhaust to the exhaust turbine and leads to an exhaust outlet passage.
  • the waste gate valve is opened when the flow rate of exhaust gas is large, that is, when the engine speed is high. By opening the waste gate valve, a part of the exhaust toward the exhaust turbine is bypassed. For this reason, the supply of excessive exhaust gas to the exhaust turbine is limited, and the supercharging amount (engine output) is suppressed to an appropriate range.
  • FIG. 6A and 6B show an exhaust turbine of an exhaust turbocharger equipped with a conventional valve.
  • 6A is a front view of the main part
  • FIG. 6B is a cross-sectional view of the main part.
  • 1 is a turbine casing of an exhaust turbine
  • 2 is a turbine provided inside the turbine casing 1
  • 3 is a wastegate valve.
  • the wastegate valve 3 opens and closes an opening 5 provided on the upstream side of the exhaust passage 4.
  • the exhaust passage 4 and the exhaust outlet passage 6 are communicated with each other by opening the waste gate valve 3. For this reason, the exhaust gas supplied from the engine (not shown) to the turbine 2 through the exhaust passage 4 flows into the exhaust outlet passage 6 and bypasses the turbine 2.
  • the wastegate valve 3 includes a valve body 7, an arm 8, and a drive unit 9.
  • the valve body 7 opens and closes the opening 5. When the valve is closed, the valve body 7 is in close contact with the valve seat 5 a so as to surround the periphery of the opening 5.
  • the arm 8 supports the valve body 7.
  • the drive unit 9 rotates the arm 8 around the fulcrum P to move the valve body 7 in a direction intersecting the opening 5.
  • the specific configuration of the drive unit 9 is omitted.
  • the drive unit 9 uses an actuator or the like as a drive source (not shown).
  • the drive unit 9 opens the valve body 7 through the arm 8 when the engine body has a predetermined rotation speed or higher (see, for example, Patent Document 1).
  • Such vibration of the valve body 7 is likely to occur particularly when the engine body has a low rotational speed.
  • the vibration of the valve body 7 becomes a cause of wear, breakage, and noise associated with the contact with the valve seat 5a when the valve is closed. For this reason, the problem that the durability of the valve body 7 is impaired arises.
  • An object of the present invention is to provide a valve capable of improving the durability of a valve body.
  • the valve is a valve that is provided in the middle of the exhaust flow path of the internal combustion engine and discharges exhaust, the valve seat opening in the exhaust flow path, and the valve seat A valve body having a conical surface or a spherical surface that contacts and closes the opening; a moving means that moves the valve body in a direction that intersects the opening; and a bias that biases the valve body in a direction that intersects the opening.
  • Force means The urging means controls the urging force by the moving means in such a direction as to suppress the vibration of the valve body due to the vibration of the exhaust pulsation frequency determined by the rotational speed of the internal combustion engine and the number of cylinders.
  • the valve seat opens into the exhaust passage, and the valve body having a conical surface or a spherical surface contacts the valve seat to close the opening.
  • the moving means moves the valve body in a direction crossing the opening.
  • the urging means urges the valve body in a direction crossing the opening.
  • the urging force is set so as to control in a direction to suppress the vibration of the valve body due to the vibration of the exhaust pulsation frequency determined by the rotational speed of the internal combustion engine and the number of cylinders. For this reason, it can suppress that a valve body resonates by the vibration of an exhaust pulsation frequency during rotation of an internal combustion engine. Therefore, the durability of the valve body can be improved.
  • the moving means may control the urging force of the urging means in accordance with an exhaust pulsation frequency due to a change in the rotational speed of the internal combustion engine.
  • the urging force of the urging means is changed according to the frequency of exhaust pulsation due to the change in the rotational speed of the internal combustion engine. For this reason, the resonance of the valve body can be suppressed in a wide range of rotational speed. Therefore, the durability of the valve body and the valve seat with which the valve body contacts can be improved.
  • the exhaust flow path may be joined to one exhaust flow path by an exhaust path corresponding to the number of cylinders of the internal combustion engine.
  • the valve seat may be provided in the middle of the one exhaust passage after joining.
  • the urging means is a spring member that urges the valve body in a valve closing direction, and is determined by a predetermined rotation speed and the number of cylinders of the internal combustion engine when the valve body is in close contact with the valve seat.
  • the spring constant may be set to suppress the vibration of the valve body due to the vibration of the exhaust pulsation frequency.
  • the moving means moves the valve body in a direction to suppress vibration of the valve body due to vibration of an exhaust pulsation frequency applied to the valve body when the rotational speed of the internal combustion engine becomes lower than a predetermined rotational speed. May be.
  • the exhaust passage is joined to one exhaust passage by the exhaust passage corresponding to the number of cylinders of the internal combustion engine.
  • a valve seat is provided in the middle of one exhaust passage after joining.
  • the urging means is constituted by a spring member that urges the valve body in the valve closing direction, and the spring constant is determined by the predetermined number of revolutions of the internal combustion engine and the number of cylinders when the valve body is in close contact with the valve seat. It is set to suppress the vibration of the valve body due to the vibration of the exhaust pulsation frequency.
  • the moving means moves the valve body in a direction to suppress the vibration of the valve body due to the vibration of the exhaust pulsation frequency applied to the valve body. For this reason, the further resonance of a valve body can be suppressed. Therefore, the durability of the valve body can be improved.
  • valve according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
  • embodiment shown below is a suitable specific example in the valve which concerns on this invention.
  • the technical scope of the present invention is not limited to these embodiments unless specifically described to limit the present invention.
  • the components in the embodiments described below can be replaced with existing components as appropriate.
  • various variations including combinations with other existing components are possible. Therefore, the content of the invention described in the claims is not limited by the description of the embodiment shown below.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram of an engine air supply / exhaust system equipped with a valve according to a first embodiment of the present invention.
  • 2A and 2B show an example of an exhaust turbine of an exhaust turbocharger equipped with the valve of the present embodiment.
  • FIG. 2A is a front view of the main part of the exhaust turbine
  • FIG. 2B is a cross-sectional view of the main part.
  • 3A, 3B, and 3C show the relationship between the biasing means of the valve and the spring constant.
  • FIG. 3A is an explanatory diagram of a main part illustrating an example of a spring member.
  • FIG. 3B is an explanatory diagram of a main part showing another example of the spring member.
  • 3C is a graph showing the relationship between the exhaust pulsation frequency and the natural frequency of the valve body.
  • 4A and 4B show a comparison in the relationship between the engine speed, the valve body, and the number of cylinders.
  • 4A is a comparison graph in the case of a four-cylinder four-cycle engine
  • FIG. 4B is a comparison graph in the case of a two-cylinder four-cycle engine.
  • 5A and 5B show a modification of the present embodiment.
  • FIG. 5A is a cross-sectional view of a main part showing a modification of the valve seat
  • FIG. 5B is a cross-sectional view of a main part showing a modification of the valve body.
  • an air supply manifold 12 and an exhaust manifold 13 are connected to an engine body 11 of the engine 10.
  • the air supply manifold 12 distributes intake air to each cylinder.
  • the exhaust manifold 13 joins the exhaust from each cylinder.
  • the air supply manifold 12 is provided with a compressor 21 of a turbocharger 20.
  • the compressor 21 is driven by an exhaust turbine 22 connected coaxially.
  • An intercooler 15 is provided in the intake passage 14 between the air supply manifold 12 and the compressor 21.
  • the intercooler 15 exchanges heat between the intake air that has been compressed by the compressor 21 and whose temperature has increased, and the atmosphere.
  • a slot valve 16 is provided downstream of the intercooler 15 in the intake passage 14. The slot valve 16 adjusts the output of the engine 10 by adjusting the flow rate of the intake air flowing through the intake passage 14.
  • the exhaust turbine 22 is provided on the downstream side of the exhaust passage 17 through which the exhaust gas merged by the exhaust manifold 13 flows.
  • the exhaust turbine 22 is driven by exhaust discharged from the engine 10 and supplied from the exhaust passage 17.
  • a bypass flow path 18 is provided in the exhaust flow path 17.
  • the bypass flow path 18 bypasses the exhaust turbine 22 by directly connecting the exhaust inlet side and the exhaust outlet side of the exhaust turbine 22.
  • the bypass channel 18 is opened and closed with respect to the exhaust channel 17 by the wastegate valve 30.
  • the exhaust from the engine body 11 is gathered by the exhaust manifold 13 and sent to the exhaust turbine 22 of the turbocharger 20 through the exhaust passage 17.
  • the exhaust turbine 22 converts the exhaust into kinetic (rotational) energy.
  • the compressor 21 is rotated by driving the exhaust turbine 22 and pressurizes the supply air.
  • the pressurized supply air is supplied from the supply manifold 12 to the engine body 11 via the intake passage 14, the intercooler 15, and the supply pipe 58.
  • the waste gate valve 30 is opened to allow the bypass passage 18 to communicate with the exhaust passage 17.
  • the exhaust from the engine body 11 flows through the bypass flow path 18 and bypasses (detours) the exhaust turbine 22. For this reason, excessive rotation of the turbocharger 20 is prevented.
  • the opening and closing of the waste gate valve 30 is controlled by the outlet pressure of the compressor 21, for example. That is, the waste gate valve 30 is opened when the detected outlet pressure is equal to or higher than a preset threshold value, and the waste gate valve 30 is closed when the detected outlet pressure becomes equal to or lower than the preset threshold value.
  • exhaust gas is discharged while bypassing the exhaust turbine 22, thereby preventing the turbocharger 20 from over-rotating.
  • various measured values such as the number of revolutions of the turbocharger 20, the number of revolutions of the engine 10, the pressure and flow rate of the exhaust gas, and the like that change in conjunction with the rotation of the turbocharger are used for the opening / closing control of the wastegate valve 30. it can.
  • the exhaust turbine 22 is provided in a turbine casing 23 as shown in FIGS. 2A and 2B.
  • the turbine casing 23 forms a part of the exhaust passage 17.
  • a valve seat 19 a having an opening 19 communicating with the bypass flow path 18 is provided on the upstream side of the turbine casing 23.
  • the waste gate valve 30 includes a valve body 31, an arm 32, and a drive unit 33.
  • the valve body 31 opens and closes the opening 19.
  • the valve body 31 is in close contact with the peripheral edge of the opening 19 of the valve seat 19a when the valve is closed.
  • the arm 32 supports the valve body 31.
  • the drive unit 33 rotates the arm 32 to move the valve body 31 in a direction intersecting the opening 19.
  • the valve body 31 is supported so as to be movable in the tangential direction of the rotation with respect to the arm 32. Further, the valve body 31 is urged toward the valve seat 19 a by the compression coil spring 34 with respect to the arm 32.
  • the valve body 31 has a substantially conical shape formed so as to taper toward the exhaust flow path 17. When the outer periphery of the valve body 31 comes into contact with the inner periphery of the opening 19 (ideally a line contact), the opening 19 is closed. The valve body 31 opens the opening 19 by moving away from the opening 19.
  • the specific configuration of the drive unit 33 is omitted.
  • the drive unit 33 is a known rotary actuator that rotates by magnetism, air pressure, or the like.
  • the drive unit 33 rotates the arm 32 around the fulcrum P.
  • the driving unit 33 functions as a moving unit in cooperation with the arm 32. Specifically, the drive unit 33 rotates the arm 32 to close the valve body 31 when the engine body is at a predetermined rotation speed or less (for example, 3000 rpm). Further, the drive unit 33 rotates the arm 32 to open the valve body 31 when the engine body has a predetermined rotation speed or higher.
  • the coil spring 34 is in a compressed state when the valve body 31 is in a closed state and is in contact with the valve seat 19a, thereby bringing the valve body 31 into close contact with the valve seat 19a.
  • the arm 32 itself may be a leaf spring 35 so as to bias the valve body 31 from the bypass flow path 18 toward the exhaust flow path 17.
  • a leaf spring 35 may be provided at the tip of the arm 32 and the valve element 31 may be supported by the leaf spring 35.
  • the spring constants of the coil spring 34 and the leaf spring 35 are set to spring constants that suppress the vibration of the valve body 31 due to the vibration of the exhaust pulsation frequency.
  • the exhaust pulsation frequency is determined by the predetermined rotation speed and the number of cylinders (four cylinders in FIG. 1) of the engine body 11 when the valve body 31 is in close contact with the valve seat 19a. Specifically, as shown in FIG. 3C, the vibration of the valve body 31 can be suppressed by making the natural frequency of the valve body 31 lower than the exhaust pulsation frequency (region of ⁇ 2 or more in FIG. 3C). it can.
  • the above configuration is as follows.
  • the explosion of 4 cycles is 1 time, it divides by 2.
  • valve eigenvalue can be made sufficiently smaller than the exhaust pulsation frequency in the engine speed range of the engine body 11 when the engine speed is in the normal speed range or the valve open state. For this reason, the inherent vibration due to the frequency of the exhaust pulsation of the valve body 31 can be suppressed.
  • valve body 31 may incline with respect to the valve seat 19a. Therefore, as shown in FIG. 5A, the shape of the valve seat 19a may be a tapered cross section that widens the peripheral edge (corner) toward the bypass channel 18. Further, the shape of the valve body 31 may be a substantially hemispherical shape formed so as to taper toward the exhaust passage 17 as shown in FIG. 5B.
  • the engine body 11 rotates at 0 to 10 thousand [rpm] per minute.
  • the valve body 31 closes the opening 19 when the rotational speed is equal to or lower than a predetermined rotational speed (for example, 3000 [rpm]). Therefore, the valve body 31 is subjected to exhaust vibration in a wide range from 0 to a predetermined rotational speed. In particular, the smaller the number of revolutions, the greater the vibration due to exhaust.
  • the drive unit 33 that drives the valve body 31 is used to change the natural frequency of the valve body 31 corresponding to the engine speed. Thereby, it is possible to suppress the resonance due to the vibration of the exhaust pulsation frequency more reliably.
  • the engine body 11 also operates in a low rotational speed range.
  • the valve body 31 is kept in a closed state by a method of increasing the spring constant using an electromagnetic spring or the like, or operating the actuator of the drive unit 33 to further press the valve body 31 in the valve closing direction. Resonance can be made difficult to occur.
  • the spring constant and the pressing force are set in a plurality of steps (for example, in units of 1000 [rpm] or 500 [rpm]) below a predetermined number of revolutions, and stored in a storage medium (not shown) in a table manner. It is also possible to monitor the rotational speed of the engine body 11 with a known sensor and control the drive unit 33 so as to obtain the spring constant and the pressing force stored in the storage medium according to the rotational speed stage.
  • the engine body 11 operates in a high speed range.
  • the natural frequency of the valve body 31 and the exhaust pulsation frequency are close, there is a possibility of resonance. For this reason, it is possible to suppress vibration by making the spring constant of the valve body 31 sufficiently low (lowering the natural frequency).
  • the valve element 31 having a conical surface or a spherical surface contacts the valve seat 19a to close the opening 19.
  • the drive unit 33 moves the valve body 31 in a direction intersecting the opening 19.
  • the coil spring 34 or the leaf spring 35 biases the valve body 31 in the moving direction.
  • the biasing force (specifically, spring constant) of the coil spring 34 or the leaf spring 35 so as to control in a direction to suppress the vibration of the valve body 31 due to the vibration of the exhaust pulsation frequency determined by the rotational speed of the engine body 11 and the number of cylinders. Is set. With such a configuration, it is possible to prevent the valve body 31 from resonating due to vibration of the exhaust pulsation frequency when the engine body 11 is driven. Therefore, the durability of the valve body 31 can be improved.
  • the natural frequency of the valve body 31 is changed according to the vibration frequency of the valve body 31 by adjusting the biasing force of the coil spring 34 or the leaf spring 35 according to the frequency of the exhaust pulsation due to the change in the rotational speed of the engine body 11. You may do it.
  • the exhaust passage 17 may be joined to one exhaust passage 17 by an exhaust passage according to the number of cylinders of the engine body 11.
  • a valve seat 19a may be provided in the middle of one exhaust flow path 17 after being merged.
  • a coil spring 34 or a leaf spring 35 is configured as a spring member that urges the valve body 31 in the valve closing direction, and the spring constant thereof is a predetermined value of the engine body 11 when the valve body 31 is in close contact with the valve seat 19a. It may be set so as to suppress the vibration of the valve body 31 due to the vibration of the exhaust pulsation frequency determined by the rotation speed and the number of cylinders.
  • the valve according to the present embodiment is disclosed as applied to the wastegate valve 30.
  • the present invention can be applied to an exhaust system of an internal combustion engine in general.
  • the case of a 4-cylinder 4-cycle engine or a 2-cylinder 4-cycle engine has been described. Not limited to these, in particular, in response to a reduction in the number of cylinders (down to two cylinders) due to recent downsizing, etc., as well as to a rotary engine, temporary stop control of the number of driven cylinders by idling stop, etc. Is also possible.

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Abstract

　この弁は、内燃機関の排気流路の途中に設けられて排気を放出する弁であって、前記排気流路に開口する弁座と、前記弁座に接して前記開口を閉弁する円錐面又は球面を有する弁体と、前記弁体を前記開口と交差する方向に移動させる移動手段と、前記弁体を前記開口と交差する方向に付勢する付勢手段と、を備え、前記付勢手段は、前記移動手段により、前記内燃機関の回転数と気筒数とで定まる排気脈動周波数の振動による前記弁体の振動を抑制する方向に付勢力を制御する。

Description

弁
　本発明は、内燃機関の排気流路の途中に設けられて排気経路を切り替える弁に関する。
　本願は、２０１２年２月２８日に、日本国に出願された特願２０１２－０４１３８２号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　従来、車両用４サイクルエンジン等のエンジンとして、排気により駆動される排気タービンを利用したターボ過給機を備えたものが知られている。
　この排気ターボ過給機を備えたエンジンの排気系には、ウエストゲートバルブ（弁）が設けられている。ウエストゲートバルブは、排気タービンへエンジン排気を供給する通路から、一部をバイパスさせて排気出口通路に導く排気バイパス流路の開閉を行う。ウエストゲートバルブは、排気の流量が大きいとき、すなわち、エンジンの回転数が高いときに開弁する。ウエストゲートバルブの開弁により、排気タービンへ向かう排気の一部がバイパスされる。このため、排気タービンへの過剰な排気の供給を制限し、過給量（エンジン出力）が適正な範囲に抑えられる。
　図６Ａおよび図６Ｂは、従来の弁を搭載した排気ターボ過給機の排気タービンを示す。図６Ａは要部の正面図、図６Ｂは要部の断面図である。
　図６Ａおよび図６Ｂにおいて、１は排気タービンのタービンケーシング、２はタービンケーシング１の内部に設けられたタービン、３はウエストゲートバルブである。ウエストゲートバルブ３は、排気流路４の上流側に設けられた開口５を開閉する。ウエストゲートバルブ３の開弁により、排気流路４と排気出口通路６とを連通させる。このため、エンジン（図示を略す）から排気流路４を通ってタービン２に供給される排気が排気出口通路６に流入し、タービン２をバイパスする。
　ウエストゲートバルブ３は、弁体７と、アーム８と、駆動部９と、を備えている。弁体７は、開口５を開閉する。閉弁時には、弁体７は、開口５の周囲を取り巻くように弁座５ａに密着する。アーム８は、弁体７を支持する。駆動部９は、アーム８を支点Ｐで回動させて弁体７を開口５と交差する方向に移動させる。
　駆動部９の具体的な構成は省略する。駆動部９は、図示しない駆動源としてアクチュエータ等を用いる。駆動部９は、エンジン本体が所定回転数以下（例えば、３０００ｒｐｍ～round/min＝回転／分）のときにアーム８を介して弁体７を閉弁させる。駆動部９は、エンジン本体が所定回転数以上のときにアーム８を介して弁体７を開弁させる（例えば、特許文献１参照）。
日本国特開２００９－２３６０８８号公報
　近年、エンジンのダウンサイジング化が進んでいる。具体的には、より気筒数の少ないエンジンの採用や、小出力時に一部の気筒を停止させる運用を行うことである。このため、エンジンの低回転時の振動が増加する傾向にある。上述した弁は、弁体７が弁座５ａの開口５に密着するとともに、弁体７の形状が略円板状であることから、弁体７と弁座５ａとの接触面積が大きい。このため、この振動増加の傾向に関して、上述した弁ではエンジン本体の回転数と気筒数とで定まる排気脈動その他の振動に対して共振し易いという問題がある。
　このような弁体７の振動は、特にエンジン本体の回転数が低い閉弁時において発生し易い。弁体７の振動は、その閉弁時における弁座５ａとの接触に伴う磨耗・破損・騒音の発生要因となってしまう。このため、弁体７の耐久性を損なうという問題が生じる。
　本発明は、弁体の耐久性を向上することができる弁を提供することを目的とする。
　本発明の第一の様態によれば、弁は、内燃機関の排気流路の途中に設けられて排気を放出する弁であって、前記排気流路に開口する弁座と、前記弁座に接して前記開口を閉弁する円錐面又は球面を有する弁体と、前記弁体を前記開口と交差する方向に移動させる移動手段と、前記弁体を前記開口と交差する方向に付勢する付勢手段と、を備える。前記付勢手段は、前記移動手段により、前記内燃機関の回転数と気筒数とで定まる排気脈動周波数の振動による前記弁体の振動を抑制する方向に付勢力を制御する。
　上記した弁によれば、弁座が排気流路に開口し、円錐面又は球面を有する弁体が弁座に接して開口を閉弁する。移動手段が弁体を開口と交差する方向に移動させる。付勢手段が弁体を開口と交差する方向に付勢する。内燃機関の回転数と気筒数とで定まる排気脈動周波数の振動による弁体の振動を抑制する方向に制御するように付勢力が設定されている。このため、内燃機関の回転中に排気脈動周波数の振動によって弁体が共振してしまうことを抑制することができる。したがって、弁体の耐久性を向上することができる。
　上記の弁において、前記移動手段は、前記内燃機関の回転数の変化による排気脈動周波数に応じて前記付勢手段の付勢力を制御してもよい。
　上記した弁によれば、内燃機関の回転数の変化による排気脈動の周波数に応じて付勢手段の付勢力が変更される。このため、広い回転数の範囲において弁体の共振を抑制することができる。したがって、弁体およびこの弁体が接触する弁座の耐久性を向上することができる。
　上記の弁において、前記排気流路は前記内燃機関の気筒数に応じた排気経路によって一つの排気流路に合流されてもよい。前記弁座は合流された後の前記一つの排気流路の途中に設けられてもよい。前記付勢手段は、前記弁体を閉弁方向に付勢するバネ部材であって、前記弁体が前記弁座に密着した閉弁時における前記内燃機関の所定回転数と気筒数とで定まる排気脈動周波数の振動による前記弁体の振動を抑制するバネ定数に設定されてもよい。前記移動手段は、前記内燃機関の回転数が所定回転数よりもさらに低くなったときに前記弁体に加わる排気脈動周波数の振動による前記弁体の振動を抑制する方向に前記弁体を移動させてもよい。
　上記した弁によれば、内燃機関の気筒数に応じた排気経路によって排気流路が一つの排気流路に合流される。合流された後の一つの排気流路の途中に弁座が設けられる。弁体を閉弁方向に付勢するバネ部材によって付勢手段が構成されるとともに、そのバネ定数は弁体が弁座に密着した閉弁時における内燃機関の所定回転数と気筒数とで定まる排気脈動周波数の振動による弁体の振動を抑制するように設定される。内燃機関の回転数が所定回転数よりもさらに低くなったときに弁体に加わる排気脈動周波数の振動による弁体の振動を抑制する方向に移動手段が弁体を移動させる。このため、弁体のさらなる共振を抑制することができる。したがって、弁体の耐久性を向上することができる。
　上記した弁によれば、弁による流路の閉鎖を確実にするとともに、弁体および弁座の耐久性を向上することができる。
本発明の第一実施形態に係る弁を搭載したエンジンの給排気システムの説明図である。 本発明の第一実施形態に係る弁を搭載した排気ターボ過給機の排気タービンの要部の正面図である。 本発明の第一実施形態に係る弁を搭載した排気ターボ過給機の排気タービンの要部の断面図である。 本発明の第一実施形態に係る弁の付勢手段として使用できるバネ部材の一例を示す要部の説明図である。 本発明の第一実施形態に係る弁の付勢手段として使用できるバネ部材の他例を示す要部の説明図である。 排気脈動周波数と弁体の固有振動数との関係を示すグラフである。 ４気筒４サイクルエンジンの場合のエンジン回転数と弁体との関係における比較を示したグラフである。 ２気筒４サイクルエンジンの場合のエンジン回転数と弁体との関係における比較を示したグラフである。 本発明の第一実施形態に係る弁の弁座の変形例を示す要部の断面図である。 本発明の第一実施形態に係る弁の弁体の変形例を示す要部の断面図である。 従来の弁を搭載した排気ターボ過給機の排気タービンの要部の正面図である。 従来の弁を搭載した排気ターボ過給機の排気タービンの要部の断面図である。
　本発明の第一実施形態に係る弁について、図面を参照して説明する。なお、以下に示す実施形態は本発明に係る弁における好適な具体例である。技術的に好ましい種々の限定を付している場合もあるが、本発明の技術範囲は、特に本発明を限定する記載がない限り、これらの態様に限定されるものではない。以下に示す実施形態における構成要素は適宜、既存の構成要素等との置き換えが可能である。さらに、他の既存の構成要素との組合せを含む様々なバリエーションが可能である。したがって、以下に示す実施形態の記載をもって、請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。
　図１は、本発明の第一実施形態に係る弁を搭載したエンジンの給排気システムの説明図である。図２Ａおよび図２Ｂは、本実施形態の弁を搭載した排気ターボ過給機の排気タービンの一例を示す。図２Ａは、排気タービンの要部の正面図、図２Ｂは、要部の断面図である。図３Ａ、図３Ｂ、および図３Ｃは、弁の付勢手段とバネ定数との関係を示す。図３Ａは、バネ部材の一例を示す要部の説明図である。図３Ｂは、バネ部材の他例を示す要部の説明図である。図３Ｃは、排気脈動周波数と弁体の固有振動数との関係を示すグラフである。図４Ａおよび図４Ｂは、エンジン回転数と弁体と気筒数との関係における比較を示す。図４Ａは、４気筒４サイクルエンジンの場合の比較グラフ、図４Ｂは、２気筒４サイクルエンジンの場合の比較グラフである。図５Ａおよび図５Ｂは、本実施形態の変形例を示す。図５Ａは、弁座の変形例を示す要部の断面図、図５Ｂは、弁体の変形例を示す要部の断面図である。
　図１において、エンジン１０のエンジン本体１１には、給気マニホールド１２と排気マニホールド１３が接続されている。給気マニホールド１２は、吸気を各シリンダに分配する。排気マニホールド１３は、各シリンダからの排気を合流する。
　前記給気マニホールド１２には、ターボチャージャ２０のコンプレッサ２１が設けられている。コンプレッサ２１は同軸上に連結された排気タービン２２によって駆動される。前記給気マニホールド１２とコンプレッサ２１との間の吸気経路１４には、インタークーラー１５が設けられている。インタークーラー１５は、前記コンプレッサ２１で圧縮されて温度上昇した吸入空気と大気とで熱交換を行う。前記吸気経路１４の前記インタークーラー１５よりも下流側には、スロットバルブ１６が設けられている。スロットバルブ１６は、前記吸気経路１４内を流通する吸入空気の流量を調整して、前記エンジン１０の出力を調整する。
　前記排気マニホールド１３によって合流した排気が流れる排気流路１７の下流側には、前記排気タービン２２が設けられている。この排気タービン２２は、前記エンジン１０から排出されて前記排気流路１７から供給される排気により駆動される。前記排気流路１７には、バイパス流路１８が設けられている。バイパス流路１８は、前記排気タービン２２の排気入口側と排気出口側とを直接接続して前記排気タービン２２をバイパス（迂回）する。バイパス流路１８は、ウエストゲートバルブ３０によって排気流路１７に対して開閉される。
　かかる構成により、前記エンジン本体１１からの排気は、前記排気マニホールド１３により集合して、前記排気流路１７を通して前記ターボチャージャ２０の排気タービン２２へと送り込まれる。この排気タービン２２により、排気は運動(回転)エネルギーに変換される。
　この排気タービン２２の駆動によりコンプレッサ２１が回転し、給気を加圧する。加圧された給気は、吸気経路１４、インタークーラー１５、給気管５８を経て給気マニホールド１２からエンジン本体１１に供給される。
　ここで、ウエストゲートバルブ３０を開いてバイパス流路１８を排気流路１７と連通させる。この場合、エンジン本体１１からの排気がバイパス流路１８を流れて排気タービン２２をバイパス（迂回）する。このため、ターボチャージャ２０の過回転が防止される。
　前記ウエストゲートバルブ３０の開閉は、例えば、コンプレッサ２１の出口圧により制御される。すなわち、検出された出口圧が予め設定した閾値以上になったときに、ウエストゲートバルブ３０を開き、また、予め設定した閾値以下になったときに、ウエストゲートバルブ３０を閉じる。このような制御によって、排気タービン２２をバイパスして排気を排出することにより、ターボチャージャ２０の過回転を防止することができる。なお、ターボチャージャ２０の回転数、エンジン１０の回転数、排気の圧力や流量など、凡そターボチャージャの回転に連動して変化する各種の測定値を前記ウエストゲートバルブ３０の開閉制御に用いることができる。
　前記排気タービン２２は、図２Ａおよび図２Ｂに示すように、タービンケーシング２３に設けられている。タービンケーシング２３は、排気流路１７の一部を形成している。タービンケーシング２３の上流側にはバイパス流路１８と連通する開口１９を有する弁座１９ａが設けられている。
　前記ウエストゲートバルブ３０は、弁体３１と、アーム３２と、駆動部３３とを備えている。弁体３１は、前記開口１９を開閉する。弁体３１は、閉弁時には前記弁座１９ａの開口１９の周縁部に密着する。アーム３２は、弁体３１を支持する。駆動部３３は、アーム３２を回動させて前記弁体３１を開口１９と交差する方向に移動させる。前記弁体３１はアーム３２に対して、その回動の接線方向に移動可能に支持される。さらに、弁体３１はアーム３２に対して、圧縮コイルバネ３４により、弁座１９ａへ向けて付勢されている。
　前記弁体３１は、前記排気流路１７に向けて先細りするように形成された略円錐形状のものが用いられている。弁体３１の外周が開口１９の内周に当接（理想的には線接触）することにより、開口１９を閉じる。弁体３１が、開口１９から離れることによって開口１９を開く。
　前記駆動部３３の具体的な構成は省略する。駆動部３３は、磁気、空気圧等により回転動作する周知のロータリーアクチュエータが用いられる。駆動部３３は、支点Ｐを中心としてアーム３２を回動させる。前記駆動部３３は、アーム３２と協働して移動手段として機能する。具体的には、駆動部３３は、エンジン本体が所定回転数以下（例えば、３０００ｒｐｍ）のときにアーム３２を回動させて弁体３１を閉弁させる。また、駆動部３３は、エンジン本体が所定回転数以上のときにアーム３２を回動させて弁体３１を開弁させる。
　前記コイルバネ３４は、図３Ａに示すように、前記弁体３１が閉弁状態で弁座１９ａに接触した状態で圧縮状態となって弁体３１を弁座１９ａに密着させている。なお、付勢手段としては、図３Ｂに示すように、前記弁体３１をバイパス流路１８から排気流路１７に向けて付勢するように前記アーム３２自体を板バネ３５としてもよい。あるいは、前記アーム３２の先端に板バネ３５を設けてこの板バネ３５に弁体３１を支持させても良い。
　この際、これらコイルバネ３４や板バネ３５のバネ定数は、排気脈動周波数の振動による前記弁体３１の振動を抑制するバネ定数に設定されている。排気脈動周波数は、前記弁体３１が弁座１９ａに密着した閉弁時における前記エンジン本体１１の所定回転数と気筒数（図１では、４気筒）とで定まる。具体的には、図３Ｃに示すように、前記弁体３１の固有振動数が排気脈動周波数よりも低くする（図３Ｃの√２以上の領域）ことで弁体３１の振動を抑制することができる。
　上記の構成において、より具体的には、以下の通りである。図４Ａに示すように、前記エンジン本体１１が、４気筒４サイクルエンジンであった場合、そのエンジン回転数が１０００［ｒｐｍ］の場合の排気脈動周波数は、
　１０００［ｒｐｍ］／６０×４［気筒］／２＝３３［Ｈｚ］
である。なお、４サイクルの爆発は２回に１回であるため２で除算する。このエンジン回転数（１０００［ｒｐｍ］）以上を常用回転数と仮定した場合の弁体３１の固有振動値は、
　３３［Ｈｚ］／√２＝２３［Ｈｚ］
以下とするのが望ましい。
　これにより、常用回転数域又は弁開状態としたときの前記エンジン本体１１の回転数域の排気脈動周波数よりもバルブ固有値を十分小さくしておくことができる。このため、前記弁体３１の排気脈動の振動数による固有の振動を抑制することができる。
　同様に、図４Ｂに示すように、前記エンジン本体１１が、２気筒４サイクルエンジンであった場合、そのエンジン回転数が１０００［ｒｐｍ］の場合の排気脈動周波数は、
　１０００［ｒｐｍ］／６０／ｍｉｎ×２［気筒］／２＝１７［Ｈｚ］
である。このエンジン回転数（１０００［ｒｐｍ］）以上を常用回転数と仮定した場合の前記弁体３１の固有振動値は、
　１７［Ｈｚ］／√２＝１２［Ｈｚ］
以下とするのが望ましい。
　尚、図３Ｂに示したよう板バネ３５を用いた場合、この板バネ３５の撓りによって弁体３１が円弧運動をする。このため、弁体３１が弁座１９ａに対して傾斜する可能性がある。
　そこで、図５Ａに示すように、弁座１９ａの形状を、その周縁部（角部）をバイパス流路１８に向けて拡開する断面テーパ状としても良い。また、弁体３１の形状を、図５Ｂに示すように、排気流路１７に向けて先細りするように形成された略半球面形状としても良い。
　前記エンジン本体１１は、毎分０～１万数千［ｒｐｍ］の回転をする。前記弁体３１は、その回転数が所定回転数以下（例えば、３０００［ｒｐｍ］）において開口１９を閉弁する。したがって、前記弁体３１は、０～所定回転数の広い範囲で排気振動を受ける。特に、その回転数が少ないほど排気による振動は大きい。
　そこで、前記弁体３１を駆動する駆動部３３を利用して、そのエンジン回転数に対応して弁体３１の固有振動数を変化させる。これによって、より確実に、排気脈動周波数の振動によって共振することを抑制することができる。
　例えば、前記弁体３１が開口１９を閉じている閉弁状態では、エンジン本体１１も低回転数域で動作する。この際、前記弁体３１の固有振動数が小さい（バネ定数が小さい）と排気の静圧に対応できない。このため、電磁バネ等を用いてバネ定数大きくする、駆動部３３のアクチュエータを作動させて閉弁方向に弁体３１をさらに押し付けるなどの方法によって、前記弁体３１は閉弁状態を確保しつつ、共振を発生し難くすることができる。この際、例えば、所定回転数以下の複数段階（例えば、１０００［ｒｐｍ］単位や５００［ｒｐｍ］単位）でバネ定数や押しつけ力を設定し、図示しない記憶媒体にテーブル方式で記憶させる。前記エンジン本体１１の回転数を公知のセンサで監視し、回転数の段階に応じて記憶媒体に記憶したバネ定数や押し付け力が得られるように駆動部３３を制御することも可能である。
　一方、前記弁体３１が開口１９を開いている開弁状態では、前記エンジン本体１１は高回転数域で動作する。この際、弁体３１の固有振動数と排気脈動周波数とが近いと共振する可能性がある。このため、弁体３１のバネ定数を十分低く（固有振動数を低く）しておくことで振動を抑えることが可能である。
　このように、本実施形態のウエストゲートバルブ３０によれば、円錐面又は球面を有する弁体３１が弁座１９ａに接して開口１９を閉弁する。駆動部３３が弁体３１を開口１９と交差する方向に移動させる。コイルバネ３４又は板バネ３５が弁体３１を移動方向に付勢する。エンジン本体１１の回転数と気筒数とで定まる排気脈動周波数の振動による弁体３１の振動を抑制する方向に制御するようにコイルバネ３４又は板バネ３５の付勢力（具体的には、バネ定数）が設定されている。このような構成により、エンジン本体１１が駆動している際の排気脈動周波数の振動によって弁体３１が共振してしまうことを抑制することができる。したがって、弁体３１の耐久性を向上することができる。
　エンジン本体１１の回転数の変化による排気脈動の周波数に応じてコイルバネ３４又は板バネ３５の付勢力を調整することにより、弁体３１の振動周波数に応じて弁体３１に固有振動数を変更するようにしてもよい。
　さらに、エンジン本体１１の気筒数に応じた排気経路によって排気流路１７が一つの排気流路１７に合流されてもよい。合流された後の一つの排気流路１７の途中に弁座１９ａが設けられてもよい。弁体３１を閉弁方向に付勢するバネ部材としてのコイルバネ３４又は板バネ３５が構成されるとともに、そのバネ定数は弁体３１が弁座１９ａに密着した閉弁時におけるエンジン本体１１の所定回転数と気筒数とで定まる排気脈動周波数の振動による弁体３１の振動を抑制するように設定されてもよい。エンジン本体１１の回転数が所定回数よりもさらに低くなったときに弁体３１に加わる排気脈動周波数の振動による弁体３１の振動を抑制する方向に駆動部３３が弁体３１を移動させてもよい。上記した構成により、弁体３１のさらなる共振を抑制することができる。したがって、弁体３１の耐久性を向上することができる。
　本実施形態に係る弁にあっては、ウエストゲートバルブ３０に適用したもので開示した。しかしながら、内燃機関全般の排気系に適用することができることは勿論である。また、上記した実施形態では、４気筒４サイクルエンジン又は２気筒４サイクルエンジンの場合で説明した。これらに限らず、特に近年のダウンサイジングに伴う気筒数の縮小化（２気筒化）等への対応は勿論、ロータリエンジンへの対応や、アイドリングストップによる一時的な駆動気筒数の停止制御等への対応も可能である。
　上記した弁によれば、弁による流路の閉鎖を確実にするとともに、弁体および弁座の耐久性を向上することができる。
　１０　エンジン
　１１　エンジン本体（内燃機関）
　１７　排気流路
　１８　バイパス流路
　１９　開口
　１９ａ　弁座
　３０　ウエストゲートバルブ（弁）
　３１　弁体
　３２　アーム（移動手段）
　３３　駆動部（移動手段）
　３４　コイルバネ（付勢手段）
　３５　板バネ（付勢手段）

Claims (3)

  1. 　内燃機関の排気流路の途中に設けられて排気を放出する弁であって、
    　前記排気流路に開口する弁座と、
    　前記弁座に接して前記開口を閉弁する円錐面又は球面を有する弁体と、
    　前記弁体を前記開口と交差する方向に移動させる移動手段と、
    　前記弁体を前記開口と交差する方向に付勢する付勢手段と、
    　を備え、
    　前記付勢手段は、前記移動手段により、前記内燃機関の回転数と気筒数とで定まる排気脈動周波数の振動による前記弁体の振動を抑制する方向に付勢力を制御する
    　弁。
  2. 　請求項１に記載の弁において、
    　前記移動手段は、前記内燃機関の回転数の変化による排気脈動周波数に応じて前記付勢手段の付勢力を制御する
    　弁。
  3. 　請求項１に記載の弁において、
    　前記排気流路は前記内燃機関の気筒数に応じた排気経路によって一つの排気流路に合流され、
    　前記弁座は合流された後の前記一つの排気流路の途中に設けられ、
    　前記付勢手段は、前記弁体を閉弁方向に付勢するバネ部材であって、前記弁体が前記弁座に密着した閉弁時における前記内燃機関の所定回転数と気筒数とで定まる排気脈動周波数の振動による前記弁体の振動を抑制するバネ定数に設定され、
    　前記移動手段は、前記内燃機関の回転数が所定回転数よりもさらに低くなったときに前記弁体に加わる排気脈動周波数の振動による前記弁体の振動を抑制する方向に前記弁体を移動させる
    　弁。
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