JP2012529598A - 排気ブレーキ - Google Patents

Abstract

排気ブレーキ及び排気ブレーキの操作方法が開示される。排気ブレーキは、中央の開口と、中央の開口と交差する中央の穴を備えたボスとを有するハウジングを有してもよい。中央の開口内にバタフライゲートが枢動自在に装着されてもよい。バタフライゲートは、バタフライゲートの外縁部に提供されたバイパス開口と上流側とを有してもよい。２重径ピストンは、中央の穴の内部に摺動自在に配置されてもよい。ピストンは、バイパス開口内に収容された下端部とバイパス開口の遠位側の上端部とを有してもよい。バタフライゲートの上流側で中央の開口と中央の穴との間に１つ又は複数の通路が延在してもよく、ばねがピストンの下端部をバイパス開口内に付勢してもよい。ピストンの下端部は、ピストンの上端部への排気ガス静圧力の印加に応じてバイパス開口を選択的に閉塞解除してもよい。バイパス開口とピストンの下端部の形状は、ピストンの下端部がバイパス開口内に密に嵌合して、それによって排気ブレーキ操作の結果として開口内に堆積した煤を除去するように選択されてもよい。

Description

本発明は、内燃機関の排気システム内の排気圧を制御する装置及び方法に関し、特に排気ブレーキ効果を達成するための装置及び方法に関する。

車両のエンジンブレーキを提供するために内燃機関を通過する排気ガスのフロー制御が使用されてきた。エンジンブレーキは、排気ブレーキ、圧縮圧力開放式エンジンブレーキ、ブリーダ型エンジンブレーキ、及び／又はそれらの任意の組合せを含んでいてもよい。そのようなブレーキの基礎となる一般原理は、ピストンの運動を減速してエンジンが結合しているドライブトレーン及び車両の制動を支援するためにエンジンの往復ピストンによって生成されたガス圧縮力の利用である。

排気ブレーキは、車両を制動する助けとして有益であることが知られている。排気ブレーキは、排気マニホールドの下流側の排気システム内に制限装置を設けることで排気マニホールドを含む排気システム内に増大した排気ガス背圧を生成することができる。そのような制限装置は、ターボチャージャ、開閉自在のバタフライゲート又はバルブ、あるいは排気システムを部分的に又は完全に閉塞するその他の手段の形態であってもよい。

排気マニホールド内の圧力を高めることで、排気ブレーキは排気工程の終了時のエンジンシリンダ内部の残留シリンダ圧力も増大させる。次に、シリンダ内部の増大した圧力によってピストンがその後の上昇工程（すなわち、圧縮及び排気工程）で遭遇する抵抗が増大する。ピストンが受ける増大した抵抗によってクランクシャフトを介してピストンに結合できる車両のドライブトレーンが制動される。

幾つかの周知の車両制動システムでは、排気システム内の制限が完全に実施されるか又は完全に実施されない排気ブレーキが提供される。これらの排気ブレーキは、排気制動時にエンジン速度（ＲＰＭ）に比例した様々な制動力を生成することができる。エンジン速度が大きいほど、排気マニホールド及びシリンダ内部の圧力は大きい。圧力が大きくなるとシリンダ内のピストンの上昇工程への抵抗が増し、制動が増大する。

排気システムとエンジンは無制限の圧力には耐えられないため、多くのシステムは最大定格エンジン速度での動作によって圧力限界を超える許容できない高い圧力が排気システム及び／又はエンジン内部に生成されないように設計された排気ブレーキ制限装置を含む。しかしながら、最大定格エンジン速度に達しないエンジン速度では、上記の排気ブレーキ制限装置は必要な程度に満たない圧力を生成する場合がある。その結果、最大定格エンジン速度未満では最適未満の制動が実行されることがある。

幾つかの周知の車両制動システムでは、排気ブレーキはゲートに形成された固定サイズの開口又はオリフィスを有するバタフライゲートを備える。ゲートが閉鎖されると、オリフィスはゲートを通過する排気ガス流路を提供する。オリフィスは、最大定格エンジン速度でバタフライゲートの上流側からの圧力を排気圧がエンジンの圧力限界を超えない程度に十分に開放できる。その全体が参照によりその全体を本明細書に組み込むものとする米国特許第７，３５０，５０２号の図１は弁とオリフィスとを有する排気ブレーキシステムの制動力及び背圧とエンジン速度（ＲＰＭ）との関係を示すグラフである。このグラフは、さらに特定のエンジンについてのある範囲のエンジン速度についての排気圧限界と目標制動力とを示す。

幾つかの周知の車両制動システムでは、排気ブレーキは可変制限装置又はバイパスを備える。幾つかの可変制限排気ブレーキシステムは、規定の背圧に達した時にのみ排気ガスのフローを受け入れるように動作可能なばね内蔵圧力開放弁を含んでもよい。１つのそのような排気ブレーキが、参照によりその全体を本明細書に組み込むものとする米国特許第４，７５０，４５９号に開示されている。そのような排気ブレーキでは、規定の背圧に達すると、圧力はバイパス弁のばねの力に打ち勝って弁を開けて圧力を開放する。しかしながら、弁が開くと、弁を通過するガスのフローが弁の近くで局所的な動圧の低下を示すことがある。この圧力低下によって弁は早期に閉鎖されるか、又は急激に閉じてまた開くことがある。その結果、所望の大きさの排気背圧は容易に保持できず、所望の大きさの制動力が達成できないことがある。したがって、排気動圧よりも排気静圧に対してより敏感に動作するバイパスを備えた排気ブレーキを設計することが有利であろう。

排気ブレーキは、多くの場合、ディーゼルエンジン車両で使用される。ディーゼル排気は、煤と呼ばれる微粒子物質を大量に有する傾向がある。長期間に、ディーゼル煤は、排気ブレーキの部品に付着して底に堆積することがある。上述のように、幾つかの排気ブレーキは、最大定格エンジン速度で所望の大きさの排気背圧を提供するように設計された所定のサイズのバイパス開口を備えたバイパス弁又は機構を含んでもよい。そのような選択的なサイズのバイパス開口上に煤が堆積すると、開口は排気背圧が最大定格エンジン速度での所望の背圧を超えるほどに閉塞されることがある。これによって過剰な意図しない排気制動が発生し、エンジン、排気システム、及び／又は排気ブレーキを損傷する可能性がある。したがって、煤がバイパス通路上又はその内部に堆積する傾向を低減するように排気ブレーキを設計することが有利であろう。

米国特許第７，３５０，５０２号 米国特許第４，７５０，４５９号

本発明の幾つかの実施形態は、内燃機関内の排気圧を制御する装置及び方法を提供できる。必ずしも全部ではないが、本発明の幾つかの実施形態は、排気ブレーキバイバス機構への排気動圧の影響から独立して、又はその影響を低減した状態で排気ガス背圧を制御できる。また本発明の幾つかの実施形態は、煤が堆積し、及び／又は排気ブレーキバイパス機構を閉塞する傾向を低減できる。本発明の実施形態の上記及びその他の利点は、一部は以下の説明で述べられ、一部はこの説明及び／又は本発明の実施から当業者には明らかであろう。

上述の課題に対して、出願者らは、中央の開口と中央の開口と交差する中央の穴を備えたボスとを有するハウジングと、中央の開口内に枢動自在に装着されたバタフライゲートであって、バタフライゲートの外縁部に提供されたバイパス開口と上流側とを有するバタフライゲートと、中央の穴の内部に摺動自在に配置されたピストンであって、バイパス開口内に収容された下端部と中央の穴の内部のバイパス開口の遠位側に配置された上端部とを有するピストンと、バタフライゲートの上流側で中央の開口と中央の穴との間に延在する１つ又は複数の通路と、ピストンの下端部をバイパス開口内に付勢するばねとを備える革新的な排気ブレーキを開発した。

出願者らはさらに、バタフライゲートとピストンを有する排気ブレーキでエンジン内部の排気圧を制御する革新的な方法であって、バタフライゲートは、その外縁部に提供されたバイパス開口を有し、摺動自在のピストンは、摺動自在であり、且つ、バイパス開口を選択的に閉塞するように構成された下端部と排気ガス静圧を受けるように構成された上端部とを有し、方法は、バタフライゲートを閉鎖するステップと、バタフライゲートを閉鎖した結果としてバタフライゲートのバイパス開口をピストンの下端部で閉塞するステップと、バタフライゲートの閉鎖に応答して排気ブレーキ内の排気ガス静圧を生成してバイパス開口を閉塞するステップと、ピストンの上端部に排気ガス静圧を印加するステップと、ピストンの上端部への排気ガス静圧の印加に応答してバイパス開口の少なくとも一部からピストンの下端部をスライドすることでバタフライゲートのバイパス開口を閉塞解除するステップとを含む方法を開発した。

出願者らはさらに、中央の開口と中央の開口と交差する中央の穴を備えたボスとを有するハウジングと、中央開口を選択的に閉塞する手段であって、内部に提供されたバイパス開口と上流側とを有する手段と、バイパス開口を選択的に閉塞する手段であって、中央の穴の内部のバイパス開口の遠位側に配置された上端部を有する手段と、中央の開口を選択的に閉塞する手段の上流側で中央の開口と中央の穴との間に延在する１つ又は複数の通路と、バイパス開口を選択的に閉塞する手段をバイパス開口内に付勢する手段とを備える革新的な排気ブレーキを開発した。

上記の概要と以下の詳細な説明の両方とも例示としてのものであって本発明の特許請求の範囲を限定するものではないことを理解されたい。参照により本明細書に組み込むものとする本明細書の一部を構成する添付の図面は本発明の特定の実施形態を図示し、詳細な説明と共に本発明の原理を説明している。

本発明の理解を深めるために、同様の参照文字が同様の要素を示す添付の図面について説明する。各図面は例示的なものであって、本発明を限定するものと解釈してはならない。

本発明の第１の実施形態による排気ブレーキのバイパス開口が閉塞された状態の概略側断面図である。 図１に示す排気ブレーキのバイパス開口が閉塞された状態の概略端面図である。 図１及び図２に示す排気ブレーキのバイパス開口が閉塞解除された状態の概略側断面図である。 図１〜図３に示す排気ブレーキのバイパス開口が閉塞解除された状態の概略端面図である。 本発明の第２の実施形態による排気ブレーキの一部のバイパス開口が閉塞解除された状態の概略部分断面図である。 本発明の第３の実施形態による排気ブレーキの一部のバイパス開口が閉塞解除された状態の概略部分断面図である。

その例が添付の図面に示されている本発明の実施形態について以下に詳述する。図１及び図２を参照すると、排気マニホールドの下流側の車両排気システム内に排気ブレーキ１０を配置できる。排気ブレーキ１０は、中央の開口１０２を備えたハウジング１００を有してもよい。中央の開口１０２内の軸１１２上にバタフライゲート１１０が枢動自在に装着されてもよい。バタフライゲート１１０は、開位置１１０ａ（想像線で示す）から閉位置（図示）へ反時計回りに枢動した時にバタフライゲート１１０が中央の開口１０２を右から左へ通過する排気ガスのフローを実質的に又は完全に閉塞するようなサイズであってもよい。バタフライゲート１１０は、ゲートの外周に沿って、好ましくは軸１１２から遠位側の場所にバイパス開口１１４を含んでもよい。図１〜図４に示す実施形態では、バイパス開口はバタフライゲートの縁部に提供された四角形の切欠き形状を有してもよい。当技術分野で周知の任意のタイプのバタフライアクチュエータ１１８を用いてバタフライゲート１１０を閉位置（図１に示す）と開位置１１０ａ（図１に想像線で示す）の間で枢動させることができる。

また、ハウジング１００は、ハウジングのほぼ円筒形の本体部から延在するボス１０４を有してもよい。ボス１０４は、その内部に延在する中央の円筒形の穴１０６を有してもよい。穴１０６は中央の開口１０２と交差してもよく、中央の開口の遠位側の端部で直径が大きく、中央の開口と交差する端部で直径が小さくてもよい。中央の開口１０２とバタフライゲート１１０の上流側の穴１０６の直径がより大きい部分との間に１つ又は複数の通路１０８が延在してもよい。

２重径ピストン１２０が穴１０６内に摺動自在に配置されてもよい。ピストン１２０は、ピストンの下端部１２４より直径が比較的大きいピストンの上端部１２２を有してもよい。ピストンの下端部１２４は、バタフライゲート１１０に提供されたバイパス開口１１４を選択的に閉塞するように構成された形状を有してもよい。図１〜図４に示すように、ピストンの下端部１２４は、バイパス開口１１４の四角形の切欠き形状に嵌合する直円筒形状で終わっている。ピストンの上端部１２２は、ピストンの上端部を通過する排気ガス圧の漏れが小さいように穴１０６の封止を形成してもよい。

ピストンの上端部１２２にスロット１２６を設けてもよい。スロット１２６は、ボス１０４の壁面を通してスロット内に延在するピン１３０を収容するサイズであってもよい。ピン１３０は、ピストンが穴１０６の軸に沿って自由に摺動できるが穴の内部では回転しないようにピストン１２０に対してねじ山又はその他の手段によって所定位置に固定されてもよい。ピン１３０の配置とスロット１２６の長さと形状とを用いて穴１０６の軸に沿ったピストン１２０の運動を制限することができる。

またピストン１２０は、穴１０６の大きい直径部分の端壁の近位側のピストンの表面に環状リング１２８を有してもよい。環状リング１２８は、穴１０６の大きい直径部分の端壁と当該壁面の近位側のピストン１２０の表面との間に小さい空間を形成できる。その結果として得られる小さい空間によって、１つ又は複数の通路１０８から穴１０６に進入する排気ガスは穴の端壁の近位側のピストン１２０の表面領域の大部分に作用することができる。

ピストン１２０と調整止め具１４２との間の穴１０６の内部に１つ又は複数のばね１４０を提供できる。調整止め具１４２は、１つ又は複数の通気孔１５２を備えたキャップ１５０を貫通可能である。穴１０６の軸上の止め具１４２の位置は、ナット１４４を選択的に締め付け、且つ緩めることで調整できる。キャップ１５０は、１つ又は複数のねじなどの任意の手段によってボス１０４の端部に固定されてもよい。止め具１４２は、空気が該止め具１４２を通って穴１０６の上部へ、さらに１つ又は複数の通気孔１５２を通って容易に漏出できるような直径を有してもよい。その結果、穴１０６の軸に沿ったピストン１２０の運動は穴の上部の空気圧によって制限されない。

バタフライゲート１１０が閉じ、１つ又は複数の通路１０８内の排気ガス静圧が比較的小さい時にピストンの下端部１２４がバイパス開口１１４を完全に閉塞するように、１つ又は複数のばね１４０はピストン１２０を穴１０６内に付勢してもよい。好ましくは、１つ又は複数のばね１４０は、ピストンの全予想移動経路にわたってピストン１２０上に作用する比較的一定のばね荷重又はバイアス力を有するように選択される。あるいは、１つ又は複数のばね１４０は、ピストンが１つ又は複数の通路１０８内に提供された排気静圧によって穴１０６からさらに押し出されるにつれてピストン１２０上に漸進的に増大するバイアス力を提供してもよい。

図１〜図４を参照しながら排気ブレーキ１０の動作を説明する。図１を参照すると、バタフライゲート１１０は、図示のように、開位置１１０ａ（想像線）から閉位置へ回転することができる。バタフライゲート１１０が回転して閉じると、ピストンの下端部１２４はバイパス開口１１４内に収容される。ピストンの下端部１２４とバイパス開口は密に嵌合でき、したがって、バタフライゲートが閉じるたびに煤がバイパス開口１１４の外側にこすり落とされ、その結果、バイパス開口内の煤の堆積が防止される。バイパス開口１１４内の煤は、また下記のようにバイパス開口を垂直方向に出入りするピストンの下端部１２４からもこすり落とされる。この時点で、バイパス開口１１４はピストンの下端部１２４によって閉塞され、中央の開口１０２はバタフライゲート１１０によって閉塞される。その結果、排気ガス静圧がバタフライゲート１１０の上流側に形成され、この圧力は１つ又は複数の通路１０８を通って中央の穴１０６へ移送される。この排気ガス静圧はピストンの上端部１２２上に作用し、１つ又は複数のばね１４０のバイアスに抗ってピストン１２０を上昇させることができる。ピストン１２０は、スロット１２６をピストンの上端部１２２内に係合させるピン１３０によって回転できない。ピストン１２０が上昇するにつれて、ピストンの下端部１２４はバイパス開口１１４から引き出され、排気ガスのバイパスフロー１１６（図２）はバイパス開口１１４を通過できる。

あらかじめ１つ又は複数のばね１４０を選択し、調整止め具１４２の位置を選択的に設定し、穴１０６の内側端部の近位側におけるピストンの上端部１２２の表面領域のサイズを決定することによって、排気背圧は所定の大きさに維持される。この背圧の大きさは、エンジンの制動力を最適化するように高いエンジン速度でのエンジンの排気圧の限界値に近いことが好ましい。

本発明の代替実施形態は、別の形状のピストンの下端部１２４と、嵌合用バイパス開口１１４とを組み込んでもよい。例えば、図５には、丸みを帯びた形状又は球形１２５を有するピストンの下端部１２４と、嵌合用の丸みを帯びた形状又は球形を有するバイパス開口が示されている。図６には、円錐台、テーパ、又はくさび形状１２７を備えたピストンの下端部１２４と、嵌合用円錐台、テーパ、又はくさび形状を有するバイパス開口が示されている。

本発明の範囲と精神とを逸脱することなく、本発明を様々に変形又は変更することができることは当業者には明らかであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲及びその等価物の範囲に収まる限り、上記の変更及び変形をすべて対象として含む。

Claims (20)

1. バタフライゲートとピストンを有する排気ブレーキでエンジン内部の排気圧を制御する方法であって、前記バタフライゲートは、その外縁部に提供されたバイパス開口を有し、前記摺動自在のピストンは、摺動自在であり、且つ、前記バイパス開口を選択的に閉塞するように構成された下端部と排気ガス静圧を受けるように構成された上端部とを有し、前記方法は、
   前記バタフライゲートを閉鎖するステップと、
   前記バタフライゲートを閉鎖した結果として前記バタフライゲートの前記バイパス開口を前記ピストンの下端部で閉塞するステップと、
   前記バタフライゲートの閉鎖に応答して前記排気ブレーキ内の排気ガス静圧を生成して前記バイパス開口を閉塞するステップと、
   前記ピストンの前記上端部に前記排気ガス静圧を印加するステップと、
   前記ピストンの上端部への前記排気ガス静圧の印加に応答して前記バイパス開口の少なくとも一部から前記ピストンの下端部をスライドすることで前記バタフライゲートのバイパス開口を閉塞解除するステップと
   を含む方法。
2. 前記ピストンの上端部を前記排気ガス静圧に向けて付勢するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記ピストンの上端部が前記排気ブレーキに対して回転することを抑止するステップをさらに含む、請求項２に記載の方法。
4. 中央の開口と、中央の開口と交差する中央の穴を備えたボスとを有するハウジングと、
   前記中央の開口内に枢動自在に装着されたバタフライゲートであって、該バタフライゲートの外縁部に提供されたバイパス開口と上流側とを有するバタフライゲートと、
   前記中央の穴の内部に摺動自在に配置されたピストンであって、前記バイパス開口内に収容された下端部と、前記中央の穴の内部のバイパス開口の遠位側に配置された上端部とを有するピストンと、
   前記バタフライゲートの上流側で前記中央の開口と前記中央の穴との間に延在する１つ又は複数の通路と、
   前記ピストンの下端部を前記バイパス開口内に付勢するばねと
   を備える排気ブレーキ。
5. 前記ピストンの上端部に提供されたスロットと、
   前記ボスを通って前記スロットへ延在するピンと
   をさらに備える、請求項４に記載の排気ブレーキ。
6. 前記ピストンの上端部の端面上に提供された環状リングをさらに備える、請求項５に記載の排気ブレーキ。
7. 前記中央の穴の内部に配置された調整式止め具をさらに備え、前記調整式止め具と前記ピストンの上端部との間にばねが配置される、請求項６に記載の排気ブレーキ。
8. 前記ピストンの上端部が、前記ピストンの下端部よりも大きい直径を有する、請求項７に記載の排気ブレーキ。
9. 前記ピストンの下端部が直円筒形状を有し、前記バイパス開口が嵌合用四角形の切欠き形状を有する、請求項４に記載の排気ブレーキ。
10. 前記ピストンの下端部が球形を有し、前記バイパス開口が嵌合用球形を有する、請求項４に記載の排気ブレーキ。
11. 前記ピストンの下端部が前記円錐台形状を有し、前記バイパス開口が嵌合用円錐台形状を有する、請求項４に記載の排気ブレーキ。
12. 前記ピストンの下端部がくさび形状を有し、前記バイパス開口が嵌合用くさび形状を有する、請求項４に記載の排気ブレーキ。
13. 前記ピストンの上端部の端面上に提供された環状リングをさらに備える、請求項４に記載の排気ブレーキ。
14. 前記中央の穴の内部に配置された調整式止め具をさらに備え、前記調整式止め具と前記ピストンの上端部との間にばねが配置される、請求項４に記載の排気ブレーキ。
15. 前記ピストンの上端部が、前記ピストンの下端部よりも大きい直径を有する、請求項４に記載の排気ブレーキ。
16. 中央の開口と、前記中央の開口と交差する中央の穴を備えたボスとを有するハウジングと、
    前記中央開口を選択的に閉塞する手段であって、内部に提供されたバイパス開口と上流側とを有する手段と、
    バイパス開口を選択的に閉塞する手段であって、前記中央の穴の内部の前記バイパス開口の遠位側に配置された上端部を有する手段と、
    前記中央の開口を選択的に閉塞する手段の上流側で前記中央の開口と前記中央の穴との間に延在する１つ又は複数の通路と、
    前記バイパス開口を選択的に閉塞する手段を前記バイパス開口内に付勢する手段と
    を備える排気ブレーキ。
17. 前記バイパス開口を選択的に閉塞する手段が直円筒形状を有し、前記バイパス開口が嵌合用四角形の切欠き形状を有する、請求項１６に記載の排気ブレーキ。
18. 前記バイパス開口を選択的に閉塞する手段が球形を有し、前記バイパス開口が嵌合用球形を有する、請求項１６に記載の排気ブレーキ。
19. 前記バイパス開口を選択的に閉塞する手段が円錐台形状を有し、前記バイパス開口が嵌合用円錐台形状を有する、請求項１６に記載の排気ブレーキ。
20. 前記バイパス開口を選択的に閉塞する手段がくさび形状を有し、前記バイパス開口が嵌合用くさび形状を有する、請求項１６に記載の排気ブレーキ。
    

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