JP2014084758A - 排気弁装置およびターボ過給機付エンジン - Google Patents

排気弁装置およびターボ過給機付エンジン Download PDF

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Abstract

【課題】隣接する排気通路に排気ガスが漏出することを抑制しつつ、エンジンの小型化、軽量化を図る。
【解決手段】排気弁装置は、互いに並列にかつ特定方向に一列に並ぶ高速用通路24b、25b、26bを備える装置本体21と、各通路24b、25b、26b内に配設される弁体30(弁本体32)および装置本体21に回動可能に支持されかつ各弁体30を連結する操作シャフト36を含む排気可変弁とを備える。操作シャフト36は、各通路24b、25b、26bの側壁に形成された貫通穴22に挿入されることで、各各通路24b、25b、26bを前記特定方向に貫通する状態で装置本体21支持される。各弁体30の弁本体32は、操作シャフト36よりも上流側に位置し、前記特定方向における両端部が上流側に向かって反り返った形状の折曲部32aを有する。
【選択図】図5

Description

本発明は、排気通路内の排気ガスの流通面積を変更するための排気弁装置およびこの排気弁装置を備えたターボ過給機付エンジンに関するものである。
上記のようなエンジンとして、例えば特許文献1に記載されるものが知られている。この特許文献1に記載されるエンジンは、エンジン本体と、このエンジン本体の各気筒の排気ポートに通じる排気マニホールドと、その下流側に接続されるターボ過給機と、このターボ過給機と前記排気マニホールドとの間に介設されて、排気通路内の排気ガスの流通面積を変更するための排気可変弁とを備えている。このエンジンは、車両の走行状態に応じて排気ガスの前記流通面積を変更することでターボ過給機に導入される排気ガスの流速を制御し、これによりターボ過給機の過給能力を高める構成となっている。
特開2009−114991号公報
特許文献に開示される従来のエンジンでは、排気マニホールドの下流側に、これとは別にいわゆる排気弁装置が設けられているが、最近では、エンジンの小型化、軽量化を図るために、排気マニホールドに排気弁装置を組み込むことで、エンジン全体の小型化、軽量化を図ることが考えられている。具体的には、排気マニホールドの各排気通路内に弁体が配置され、各排気通路を貫通するように設けられた操作軸に上記各弁体が連結された上で、この操作軸が回転駆動されることで、各排気通路内の排気ガスの流通面積が変更される。
しかし、この構成では、上記の通り、各排気通路を貫通するように操作軸が設けられるため、操作軸が挿入された孔部を通じて排気通路内の排気ガスが隣接する排気通路に漏出、逆流し、排気干渉を誘発することが考えられる。そのため、この点を改善することが求められる。
本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、隣接する排気通路に排気ガスが漏出することを抑制しつつ、エンジンの小型化、軽量化を図ることができる排気弁装置等を提供することを目的とする。
上記のような課題を解決するために、本発明の排気弁装置は、互いに並列にかつ特定方向に一列に並ぶ複数の排気通路を備える装置本体と、前記排気通路内に各々配置される弁部材と前記装置本体に回動可能に支持されかつ前記各弁部材を連結する操作軸とを含み、前記各排気通路内の排気ガスの流通面積を変更する排気可変弁と、を備え、前記操作軸は、前記各排気通路の側壁に形成された孔部に挿入されることで、当該各排気通路を前記特定方向に貫通する状態で前記装置本体に支持され、前記各弁部材は、前記操作軸よりも前記排気通路の上流側に位置し、前記特定方向における両端部が前記上流側に向かって反り返った形状を有するものである。
この排気弁装置によれば、複数の排気通路と、これら排気通路を開閉する排気可変弁(弁部材および操作軸)とが装置本体一つに集約されるため、エンジンの小型化、軽量化に寄与することが可能となる。しかも、各弁部材の両端部(前記特定方向における両端部)が上流側に向かって反り返った形状であるため、排気通路内の排気ガスが側壁側、つまり孔部に向かって流れることが抑制される。よって、各排気通路内の排気ガスが上記孔部を通じて隣接する排気通路に漏出することが効果的に抑制される。
より具体的に、前記弁部材は、前記特定方向の両端が、前記孔部の径方向外側に位置するように形成されているものである。
この排気弁装置の構成によれば、弁部材の両端部によって孔部が上流側から覆われた状態となるので、排気ガスが孔部に流れ込むことがより確実に抑制される。
なお、上記のような構成は、前記操作軸が半月状の断面を有しており、その外周面のうち平面部分に沿って前記弁部材が装着されている構成において特に有用である。
すなわち、この構成の場合には、上記孔部の内周面と操作軸との間に半円形の比較的大きい隙間が形成されるため、隣接する排気通路間で相互に排気ガスが漏出することが懸念されるが、上述したような排気弁装置の構成によれば、そのような排気ガスの漏出を効果的に抑制することが可能となる。
一方、本発明にかかるターボ過給機付エンジンは、エンジン本体と、このエンジン本体から排出される排気ガスのエネルギーにより駆動されるターボ過給機と、前記エンジン本体と前記ターボ過給機との間に介設され、前記エンジン本体から排気通路を通じてターボ過給機に送られる排気ガスの流速を、前記排気通路内の排気ガスの流通面積を変更することにより可変的に設定する排気弁装置とを備え、前記排気弁装置が、上述した何れかの排気弁装置であることを特徴とする。
このターボ過給機付エンジンによれば、複数の排気通路と、これら排気通路内の排気ガスの流通面積を変更する排気可変弁とが一つ(排気弁装置)に集約されるので、エンジンの小型化、軽量化を図ることが可能となる。
以上説明したように、本発明の排気弁装置によれば、複数の排気通路と、これら排気通路内の排気ガスの流通面積を変更する排気可変弁とが一つ(排気弁装置)に集約されるので、エンジンの小型化、軽量化に寄与することができる。しかも、排気可変弁を構成する各弁部材の両端部が上流側に向かって反り返った形状を有しているので、排気通路内の排気ガスが、操作軸が挿入された孔部を通じて隣接する排気通路に漏出することも効果的に抑制される。
本発明が適用されたターボ過給機付エンジンを示す一部断面の平面略図である。 排気通路とEGR通路との関係を示すエンジンの断面模式図である。 排気弁装置をターボ過給機側から見た側面図(図1のIII−III線断面図)である。 排気弁装置を示す断面図(図3のIV−IV線断面図)である。 排気弁装置を示す断面図(図3のV−V線断面図)である。 弁体および操作軸を示す斜視図である。
以下、添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施の一形態について詳述する。
図1及び図2は、本発明の一実施形態にかかるエンジンを示している。同図に示されるエンジンは、ターボ過給機50を備えた直列4気筒の4サイクルエンジンでる。このエンジンは、列状に並ぶ4つの気筒2A〜2D(1番気筒2A、2番気筒2B、3番気筒2C、4番気筒2D)を有する直列4気筒のエンジン本体1と、エンジン本体1に空気を導入するための図外の吸気マニホールドと、エンジン本体1で生成された排気ガスを排出するための後記排気マニホールドと、本発明に係る排気弁装置20と、上記ターボ過給機50とを備えており、排気マニホールドを通じて排出される排気ガスによりターボ過給機50を作動させることで、各気筒2A〜2Dへと圧送される吸気を圧縮して吸気圧を上昇させるように構成されている。そして、車両の運転状態に応じ、ターボ過給機50に導入される排気ガスの流速が、エンジン本体1とターボ過給機50との間に介設される上記排気弁装置20によって制御されることで、このターボ過給機50による吸気圧特性が変更されるように構成されている。
なお、以下の説明では、方向関係を明確にするために、図1を基準として、エンジン本体1における気筒2A〜2Dの配列方向を「左右方向」、これに直交する方向(図1の上下方向)を「前後方向」とし、ターボ過給機50側をエンジンの「前側」とする。
エンジン本体1のシリンダヘッド10には、4つの気筒2A〜2Dに対して3つの独立排気通路が形成されている。具体的には、1番気筒2Aの排気に使用される第1上流側排気通路14と、2番気筒2Bおよび3番気筒2Cの排気に共通して使用される第2上流側排気通路15と、4番気筒2Dの排気に使用される第3上流側排気通路16とが形成されている。第2上流側排気通路15は、2番気筒2B及び3番気筒2Cに対して共通に使用可能なように上流側がY字状に分岐した形状とされている。
これら上流側排気通路14、15、16は、その下流側端部がシリンダヘッド10の左右方向略中央に集約されるように形成され、互いに近接して左右方向に一列に並んだ状態でシリンダヘッド10の前面に開口している。
また、シリンダヘッド10には、EGR下流側通路18が形成されている。このEGR下流側通路18は、図1に示すように、シリンダヘッド10のうち、1番気筒2Aの左側を前後方向に横断するように形成されている。このEGR下流側通路18の上流側端部は、シリンダヘッド10の前面であって前記上流側排気通路14の左側の位置に開口している。一方、EGR下流側通路18の下流側端部は、シリンダヘッド10の後面に開口している。なお、図1中の符号12は、シリンダヘッド10に形成された、各気筒2A〜2Dの吸気ポートであり、これら吸気ポート12のうち、1番気筒2Aの吸気ポート12の左側の位置に上記EGR下流側通路18の下流側端部が開口している。
上記排気弁装置20は、エンジン本体1から排出される排気ガスの流通面積を変更することにより、ターボ過給機50に導入される排気ガスの流速を変更させるものであり、エンジン本体1の前面にボルトにより固定されている。
この排気弁装置20は、シリンダヘッド10側の前記上流側排気通路14、15、16とそれぞれ連通する3つの独立した下流側排気通路24、25、26(第1下流側排気通路24、第2下流側排気通路25、第3下流側排気通路26)と、シリンダヘッド10側の前記EGR下流側通路18と連通するEGR中間通路28とが形成された装置本体21と、下流側排気通路24、25、26内の排気ガスの流通面積を変更するための排気可変弁とを備えている。なお、装置本体21は、金属鋳造体で構成されている。
各下流側排気通路24、25、26はそれぞれ、下流側がY字状に分岐した形状とされている。すなわち、図2及び図3に示すように、第1下流側排気通路24は、シリンダヘッド10側の第1上流側排気通路14に連通する共通通路24aと、この共通通路24aから上下二股状に分岐する高速用通路24bおよび低速用通路24cとを有している。第2下流側排気通路25および第3下流側排気通路26も同様に、シリンダヘッド10側の上流側排気通路15、16にそれぞれ連通する共通通路25a、26a(図示省略)と、この共通通路25a、26aから二股状に上下に分岐する高速用通路25b、26bおよび低速用通路25c、26cとを有している。なお、当実施形態では、各高速用通路24b、25b、26bが本発明の複数の排気通路に相当する。
各高速用通路24b、25b、26bは、断面形状が略矩形であり、左右方向に一列に並ぶように形成されている。各低速用通路24c、25c、26cも同様に、断面形状が略矩形であり、前記各高速用通路24b、25b、26bの上方の位置において、左右方向に一例に並ぶように形成されている。なお、詳しく図示していないが、各低速用通路24c、25c、26cは、上流側から下流側に向かって通路断面積が漸減するように形成されるとともに、両側の低速用通路24c、26cが中央の低速用通路25cに接近するように形成されている。これにより、図3に示すように、装置本体21の前端面、すなわちターボ過給機50の取付面21aに、互いに近接して左右方向に一列に並んだ状態で高速用通路24b、25b、26bの下流側端部が開口するとともに、これら高速用通路24b、25b、26bのうち、中央の高速用通路25bの上方位置に、互いに近接して左右方向に一列に並んだ状態で低速用通路24c、25c、26cの下流側端部が開口している。
一方、前記EGR中間通路28は、図1および図3に示すように、装置本体21の左端に形成されている。このEGR中間通路28は、断面形状が略矩形であり、第1下流側排気通路24のうち高速用通路24bの左側に位置し、各高速用通路24b、25b、26bと共に左右方向(本発明の特定方向に相当する)に一列に並ぶように形成されている。なお、EGR中間通路28及び各高速用通路24b、25b、26bは、これら各通路24b、25b、26b、28の断面中心(上下方向中心)が左右方向に延びる同一軸線上(図3中の符号Oで示す軸線上)に位置するようにそれぞれ上記装置本体21に形成されている。
前記排気可変弁は、前記下流側排気通路24、25、26のうち、各高速用通路24b、25b、26b内の排気ガスの流通面積を変更するものである。この排気可変弁は、各高速用通路24b、25b、26b内にそれぞれ配置される合計3つの弁体30と、各弁体30を連結する操作シャフト36(本発明の操作軸に相当する)と、この操作シャフト36を回転駆動する駆動源(図1ではモータ42)とを含む。つまり、排気可変弁は、上記モータ42により操作シャフト36を介して各弁体30を回転駆動することにより、各高速用通路24b、25b、26bを同時に開閉する。
ここで、排気可変弁の構成について具体的に説明すると、図1〜図4に示すように、装置本体21には、EGR中間通路28および各高速用通路24b、25b、26bを左右方向に貫通するように上記操作シャフト36が設けられている。詳しくは、装置本体21には、これを左右方向に貫通する断面円形の貫通穴22(本発明の孔部に相当する)が形成されており、操作シャフト36が当該貫通穴22に挿入されるとともに、その両端の位置で軸受38を介して装置本体21に回転自在に支持されている。この操作シャフト36は、EGR中間通路28及び高速用通路24b、25b、26bの断面中心(上下方向中心;図3参照)を通るように上記装置本体21に支持されている。
上記操作シャフト36は、図6に示すように、一端側(同図の左端)から一定の領域が断面円形(円形部36aという)で、これより他端側の領域が断面半円形(半円形部36bという)に形成されており、図5に示すように、装置本体21に支持された状態では、EGR中間通路28と高速用通路24bとの隔壁を境にして、この隔壁から左側の領域に円形部36aが位置し、右側、つまり高速用通路24b、25b、26bに対応する領域に半円形部36bが位置するようになっている。
弁体30は、図4〜図6に示すように、プレート状の弁本体32(本発明の弁部材に相当する)と、半円弧状の一対のブリッジ部34aを備え、弁本体32の裏側に固定される装着部材34とから構成されており、ブリッジ部34aの内側に操作シャフト36の半円形部36bが挿入されることで当該操作シャフト36の平坦面37(本発明の平面部分に相当する)に沿って装着されている。つまり、操作シャフト36(半円形部36b)と各弁体30とは、ボルトなどによる固定は行われておらず、弁本体32の裏面と半円形部36bの平坦面37とが互いに当接する状態でブリッジ部34aの内側に操作シャフト36が挿入されることで、操作シャフト36に対する弁本体32の相対回転が阻止され、これにより各弁体30と操作シャフト36とが一体的に回転するようになっている。従って、各弁体30は、操作シャフト36に対してその軸方向への相対変位が許容される状態で当該操作シャフト36に装着されている。このような構成によれば、操作シャフト36がその軸方向に熱伸縮(熱変形)した場合でも、弁体30が操作シャフト36に対して相対的に軸方向に移動することで、高速用通路24b、25b、26bの側壁に弁体30が押し当てられてその作動に支障が生じるといった不都合を未然に回避することができる。
各弁体30の弁本体32は、各高速用通路24b、25b、26bの断面形状に対応した矩形とされている。各弁体30は、弁本体32が上流側(エンジン本体1側)に指向するように各高速用通路24b、25b、26b内に配置された上で、それぞれ操作シャフト36よりも上流側に弁本体32が位置する状態で当該操作シャフト36に装着されている。なお、各弁体30の弁本体32は、その左右方向両端部(すなわち操作シャフト36の軸方向に沿った方向の両端部)に、高速用通路24b、25b、26bの上流側に向かって反り返るように形成された折曲部32aを備えている。各折曲部32aは、図4及び図5に示すように、少なくともその先端が、各高速用通路24b、25b、26bの隔壁に形成された上記貫通穴22の径方向外側に位置するように形成されている。すなわち、このような折曲部32aが弁本体32の両端部に形成されていることで、各高速用通路24b、25b、26b内の排気ガスが貫通穴22を通じて隣接する高速用通路24b、25b、26bに漏出、逆流することを防止可能となっている。
上記ターボ過給機50は、図1及び図2に示すように、排気弁装置20の装置本体21にボルトにより固定されている。ターボ過給機50は、装置本体21の取付面21aに固定されるタービンハウジング52と、このタービンハウジング52内に配設されるタービン56と、連結軸57を介して前記タービン56に連結され、図外の吸気通路内に配設されるコンプレッサとを含む。前記タービンハウジング52には、排気弁装置20の各下流側排気通路24、25、26(高速用通路24b、25b、26b及び低速用通路24c、25c、26c)が連通する集合部54を備えており、各下流側排気通路24、25、26からの排気ガスがこの集合部54で合流してタービン56に送られる。つまり、このエンジンには、上記排気マニホールドとして独立した部品は備えられておらず、エンジン本体1(シリンダヘッド10)の上流側排気通路14、15、16、排気弁装置20の下流側排気通路24、25、26およびターボ過給機50の集合部54が協働して上記排気マニホールドを構成している。
また、タービンハウジング52の上流側の左側部には、集合部54から分岐して排気弁装置20の上記EGR中間通路28に連通するEGR上流側通路58が形成されており、ターボ過給機50に流入する排気ガスの一部が、EGRガスとしてこのEGR上流側通路58、上記EGR中間通路28及びEGR下流側通路18を通じて吸気通路に導入されるようになっている。つまり、このエンジンでは、EGR下流側通路18、EGR中間通路28およびEGR上流側通路58によりEGR通路が構成されている。
上記のように構成されたエンジンにおいて、エンジン本体1で生成された排気ガスは、上流側排気通路14、15、16から排気弁装置20の下流側排気通路24、25、26を介してターボ過給機50に導入される。その際、排気弁装置20の各高速用通路24b、25b、26bを流通する排気ガスの流通面積が、車両の運転状態において変更される。具体的には、車両の低速運転域では、高速用通路24b、25b、26bを閉じるように排気弁装置20が制御される。つまり、少ない排気ガスを低速用通路24c、25c、26cに集中させることで排気ガスの流速を高め、これによりターボ過給機50のタービン56の駆動力をアップさせて吸気圧を高めるようになっている。一方、車両の高速運転域では、高速用通路24b、25b、26bを開くように排気弁装置20が制御される。つまり、高速用通路24b、25b、26bおよび低速用通路24c、25c、26cの両方を通じて排気ガスをターボ過給機50に導入することで、排気可変弁(弁体30や操作シャフト36)が排気抵抗となるのを防止しつつターボ過給機50を駆動させて吸気圧を高めるようになっている。
この実施形態のエンジンによれば、下流側排気通路24、25、26が形成された金属鋳造体からなる装置本体21に排気可変弁が組み込まれた排気弁装置20が設けられ、この排気弁装置20がエンジン本体1とターボ過給機50との間に介設されることで、この排気弁装置20の下流側排気通路24、25、26とエンジン本体1(シリンダヘッド10)に形成される上流側排気通路14、15、16とターボ過給機50(タービンハウジング52)に形成される集合部54とが協働して排気マニホールドを構成する。このような構成によれば、独立した部品としての排気マニホールドは存在せず、排気マニホールドを形成するための下流側排気通路24、25、26(高速用通路24b、25b、26b)や、これら通路24、25、26内の排気ガスの流通面積を変更するための排気可変弁が排気弁装置20一つに集約される。従って、従来のエンジン(背景技術で説明した従来エンジン)、すなわち、排気マニホールドが独立した部品としてエンジンに組み込まれた上で、この排気マニホールドとは別にさらに専用の排気弁装置がエンジンに組み込まれる従来エンジンと比較すると、エンジンをより小型化、軽量化することが可能となる。
しかも、排気弁装置20の排気可変弁については、上記の通り、各弁体30の弁本体32の左右方向両部に、上流側に向かって反り返るように形成された折曲部32aが設けられているので、各高速用通路24b、25b、26b内の排気ガスが、貫通穴22を通じて隣接する高速用通路24b、25b、26bに漏出することが抑制される。特に、当実施形態では、少なくとも折曲部32aの先端が、各高速用通路24b、25b、26bの隔壁に形成された上記貫通穴22の径方向外側に位置するように当該折曲部32aが形成されているので、貫通穴22は弁本体32の両端部(折曲部32a)によって上流側から覆われた状態となっており、これにより、排気ガスが貫通穴22に流れ込むことが効果的に抑制される。従って、この排気弁装置20によれば、下流側排気通路24、25、26(高速用通路24b、25b、26b)および排気可変弁を一つに集約した構成を採用する一方で、隣接する高速用通路24b、25b、26bの間で排気ガスが漏出、逆流して排気干渉を誘発することを効果的に防止することが可能となる。
なお、以上説明した上記実施形態のエンジンは、本発明に係るターボ過給機付多気筒エンジンの好ましい実施形態の例示であって、当該エンジンやこれに組み込まれる排気弁装置20の具体的な構成は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上記実施形態では、エンジン本体1(シリンダヘッド10)に上流側排気通路14、15、16が、排気弁装置20に下流側排気通路24、25、26が、ターボ過給機50に集合部54が各々設けられることで、これら上流側排気通路14、15、16、下流側排気通路24、25、26および集合部54が協働して排気マニホールドを構成しているが、シリンダヘッド10には各気筒2A〜2Dの排気ポートのみが形成されていて、排気弁装置20(装置本体21)側に上流側排気通路14、15、16に相当する通路が形成された構成としてもよい。また、ターボ過給機50の集合部54に相当する部分が排気弁装置20(装置本体21)側に形成された構成としてもよい。
また、上記実施形態の排気可変弁では、操作シャフト36に半円形部36bが形成され、この半円形部36bが弁体30のブリッジ部34aに挿入されることで、各弁体30が、操作シャフト36に対してその軸方向に相対的に変位可能な状態で連結されているが、例えば断面円形の操作シャフト36の外周面に、その軸方向に延びるキー溝を形成する一方、弁体30側にキーを形成し、操作シャフト36に対して弁体30が軸方向に変位可能となるように、弁体30を操作シャフト36に外嵌(キー結合)させる構成を採用してもよい。この構成によれば、操作シャフト36の断面形状をより円形に近づけることが可能となる。そのため、弁本体32の上記折曲部32aの作用効果と相俟って、隣接する高速用通路24b、25b、26bの間で排気ガスが漏出することをより確実に抑制することが可能となる。
また、上記実施形態では、本発明の排気弁装置を直列4気筒の4サイクルエンジンに適用した例について説明したが、本発明の排気弁装置は、勿論、上記実施形態以外のエンジンについても適用可能である。
1 エンジン本体
10 シリンダヘッド
20 排気弁装置
21 装置本体
22 貫通穴
24 第1下流側排気通路
24a、25a、26a 共通通路
24b、25b、26b 高速用通路
24c、25c、26c 低速用通路
25 第2下流側排気通路
26 第3下流側排気通路
30 弁体
32 弁本体
32a 折曲部
34 装着部材
34 ブリッジ部
36 操作シャフト
36a 円形部
36b 半円形部
37 平坦面
50 ターボ過給機

Claims (4)

  1. 排気弁装置であって、
    互いに並列にかつ特定方向に一列に並ぶ複数の排気通路を備える装置本体と、
    前記排気通路内に各々配置される弁部材と、前記装置本体に回動可能に支持されかつ前記各弁部材を連結する操作軸とを含み、前記各排気通路内の排気ガスの流通面積を変更する排気可変弁と、を備え、
    前記操作軸は、前記各排気通路の側壁に形成された孔部に挿入されることで、当該各排気通路を前記特定方向に貫通する状態で前記装置本体に支持され、
    前記各弁部材は、前記操作軸よりも前記排気通路の上流側に位置し、前記特定方向における両端部が前記上流側に向かって反り返った形状を有することを特徴とする排気弁装置。
  2. 請求項1に記載の排気弁装置において、
    前記弁部材は、前記特定方向の両端が、前記孔部の径方向外側に位置するように形成されていることを特徴とする排気弁装置。
  3. 請求項1に記載の排気弁装置において、
    前記操作軸は半月状の断面を有しており、その外周面のうち平面部分に沿って前記弁部材が装着されていることを特徴とする排気弁装置。
  4. エンジン本体と、このエンジン本体から排出される排気ガスのエネルギーにより駆動されるターボ過給機と、前記エンジン本体と前記ターボ過給機との間に介設され、前記エンジン本体から排気通路を通じてターボ過給機に送られる排気ガスの流速を、前記排気通路内の排気ガスの流通面積を変更することにより可変的に設定する排気弁装置とを備え、
    前記排気弁装置は、請求項1乃至3の何れか一項に記載の排気弁装置であることを特徴とするターボ過給機付エンジン。
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