JP2016061393A - 開閉バルブ構造 - Google Patents

Abstract

【課題】熱や圧力による変形が抑制され、開閉動作が円滑に行え、信頼性が確保される開閉バルブ構造を提供する。【解決手段】エンジンの排気通路を開閉する可変排気バルブ１２３の構造は、複数のバタフライバルブ２３ａ，２３ｂｃ，２３ｄ及びバタフライバルブ２３ａ，２３ｂｃ，２３ｄを相互連結する軸部２３ｘ，２３ｙを含むバルブ本体２３と、バルブ本体２３をバルブ本体２３の軸方向の両端部で回転可能に支持する一対のブッシュ部材２５ａ，２５ｂと、一方のブッシュ部材２５ａの内部を軸方向に貫通し、バルブ本体２３の一端部側の内部でブッシュ部材２５ａから所定長さ突出し、その突出した部分でバルブ本体２３に回転方向に相対移動不能に結合されるシャフト部材２４とを備える。ブッシュ部材２５ａ，２５ｂは、その一部がバルブ本体２３の両端部に軸方向に嵌入し、残部がバルブ本体２３の両端部から軸方向に突出する。【選択図】図６

Description

本発明は、開閉バルブ構造、特に、エンジンの吸気通路及び排気通路の少なくとも一方を開閉する開閉バルブの構造に関する。

従来、複数のバタフライバルブ及び上記バタフライバルブを相互連結する軸部を有する開閉バルブが知られている。例えば、特許文献１には、それぞれ内燃機関の吸気装置の通路に配置される３つのバタフライバルブが円筒状の軸部や軸受当接部等で相互連結され、かつ両端部にも当該開閉バルブを回転可能に支持するための円筒状の軸部や軸受当接部が軸方向に突設された開閉バルブが開示されている。

特開２００１−２４１５５６号公報（特に段落００１３及び図１）

上記特許文献１に開示されるように開閉バルブをエンジンの吸気系の複数の吸気通路に跨って設けた場合、吸気の圧力を受けてバタフライバルブや軸部が塑性変形を起こし、開閉動作が円滑に行えず、当該開閉バルブの信頼性が確保されないという不具合がある。開閉バルブをエンジンの排気系に設けた場合は、さらに排気ガスの熱による熱変形が加わるので、より一層不具合が大きくなる。

上記特許文献１には、バタフライバルブを相互連結する複数の軸部の曲がり易い方向を相互に異ならせることが記載されている。しかし、これは、バタフライバルブと軸部とを樹脂で一体成形した場合、樹脂は反りや撓みが発生しやすいので、摺動抵抗の増加を防止するため、軸部の寸法や形状のバラツキを吸収しようとするものであって、前述のような熱や圧力を受けてバタフライバルブや軸部が変形する不具合に対処するものではない。

本発明は、エンジンの吸気通路及び排気通路の少なくとも一方を開閉する開閉バルブにおける上記のような現状に鑑みてなされたもので、熱や圧力による変形が抑制され、もって、開閉動作が円滑に行え、信頼性が確保される開閉バルブ構造の提供を目的とする。

上記課題を解決するためのものとして、本発明は、エンジンの吸気通路及び排気通路の少なくとも一方を開閉する開閉バルブの構造であって、複数のバタフライバルブ及び上記バタフライバルブを相互連結する軸部を含むバルブ本体と、上記バルブ本体をバルブ本体の軸方向の両端部で回転可能に支持する一対のブッシュ部材と、一方のブッシュ部材の内部を上記軸方向に貫通し、上記バルブ本体の一端部側の内部で上記ブッシュ部材から所定長さ突出し、その突出した部分で上記バルブ本体に回転方向に相対移動不能に結合されるシャフト部材とを備え、上記ブッシュ部材は、その一部が上記バルブ本体の両端部に上記軸方向に嵌入し、残部が上記バルブ本体の両端部から上記軸方向に突出することを特徴とする。

本発明によれば、バルブ本体の両端部にブッシュ部材の一部が嵌入し、ブッシュ部材の残部がバルブ本体の両端部から軸方向に突出するので、この突出するブッシュ部材の部分を介してバルブ本体を所定のハウジング部材等に組み付けることができる。

したがって、バルブ本体の軸方向の両端部はバタフライバルブの側部のままで終わることができ、例えば、バルブ本体の両端部に軸部が軸方向に突設され、この軸部がハウジング部材の側壁等に挿入されて回転可能に支持される場合と比べて、上記軸部が軸方向に突設される必要がない分、バルブ本体のスパン（回転可能に支持される両端部間の距離）が短くなる。そのため、バルブ本体を構成するバタフライバルブや軸部の熱や圧力による変形の度合いが抑制され、もって、開閉動作が円滑に行え、信頼性が確保される開閉バルブ構造が提供される。

そして、バルブ本体の変形が抑制されることから、バルブ本体とブッシュ部材との間の余裕代（クリアランス）を小さくでき、これによっても、開閉動作の精度が保たれ、当該開閉バルブの信頼性が確保される。また、バルブ本体とブッシュ部材との間のガタツキ音が低減され、騒音の発生が抑制される。

さらに、シャフト部材がバルブ本体の一端部側からバルブ本体の一部の範囲でバルブ本体の内部に嵌入しているので、たとえバルブ本体が変形しても、その変形で生じる荷重がシャフト部材に大きく作用することがない。そのため、シャフト部材の回転動作の精度も保たれ、ひいては当該開閉バルブの信頼性が確保される。

本発明においては、上記バルブ本体の軸心に、バルブ本体を軸方向に貫通し、上記ブッシュ部材及びシャフト部材が嵌入可能な中空部が形成されることが好ましい。

この構成によれば、バルブ本体の軸心が中空構造となるので、バルブ本体の剛性が高められ、かつ軽量化が図られる。また、バルブ本体へのブッシュ部材及びシャフト部材の嵌入も容易となる。

本発明においては、上記バルブ本体の両端部に、上記ブッシュ部材を嵌入させるためのボス部が上記軸部よりも大径に形成されることが好ましい。

この構成によれば、ボス部の形成により、バルブ本体の形状が複雑化し、バルブ本体の剛性がより一層高められる。

本発明においては、上記開閉バルブが、エンジンの吸気通路又は排気通路を構成する上流側ハウジング部材と下流側ハウジング部材との合わせ面部に設けられ、上記バルブ本体の軸部が、上流側ハウジング部材の複数の通路間に位置する通路壁に下流側から上流側に切り欠かれた凹部の上流端部に収容されることが好ましい。

この構成によれば、上流側ハウジング部材と下流側ハウジング部材とを合わせる前にバルブ本体の軸部を上流側ハウジング部材の凹部に収容することにより、当該開閉バルブをエンジンの吸気通路又は排気通路に容易に組み付けることができる。また、バルブ本体の軸部が上記凹部の上流端部にあるので、当該開閉バルブが閉じたときは、たとえ上記軸部と凹部との間に隙間があっても、その隙間から上流側のガスが下流側に漏れることが防がれる。

本発明においては、上記排気通路は、低速用通路と、低速用通路よりも排気ガス流通面積が大きい高速用通路とを備え、上記低速用通路及び高速用通路は、それぞれ、上流側から、気筒に対応する複数の独立通路と、上記独立通路から噴出する排気ガスが集合する集合通路とを備え、上記開閉バルブは、上記高速用通路の独立通路に備えられることが好ましい。

この構成によれば、上記低速用通路の独立通路の下流端部が排気ガス流通面積が減少するように絞り形状とされ、かつ相互に近接する場合は、開閉バルブが閉じることにより、低速用通路の集合通路に負圧が発生する動圧排気システムが構築され、また、上記低速用通路の下流にターボ過給機のタービンが備えられる場合は、開閉バルブが閉じることにより、タービンに作用する排気ガスの流速が上昇する動圧過給システムが構築される。

したがって、上記開閉バルブが、エンジンの排気通路に設けられた動圧排気システム及び動圧過給システムの少なくとも一方で用いられることになり、その場合に、上記開閉バルブの信頼性が確保されるから、上記動圧排気システムや動圧過給システム自体の信頼性も確保され、その結果、例えば、動圧排気システムのエゼクタ効果による隣接オーバーラップ気筒（吸気弁と排気弁とがオーバーラップする気筒であって排気順序が１つ前の他の気筒）の吸気量アップや、当該開閉バルブの絞り制御による動圧過給システムの低速域での過給圧アップや、高速域での排圧低減による出力アップ等の種々の作用が十分に得られる。

本発明によれば、エンジンの吸気通路及び排気通路の少なくとも一方を開閉する開閉バルブにおいて、熱や圧力による変形が抑制されるから、開閉動作が円滑に行え、信頼性が確保される。

本発明の実施形態に係るエンジンの全体構成を示す図である。 上記エンジンのシリンダヘッド、排気マニホールド、及び過給機ケーシングの構成を示す図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う矢視図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う矢視図である。 上記エンジンの排気系に用いられる可変排気バルブのバルブ本体の斜視図である。 上記可変排気バルブの軸心に沿う断面図である。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う矢視図である。 図４の状態から上記可変排気バルブを除去した図である。 図８の状態から上記可変排気バルブを組み付ける手順を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ上記実施形態の変形例を示す図７相当図である。

図１は、本実施形態に係るエンジン１の全体構成を示す。ただし、図１においては、排気マニホールド２０内及び過給機ケーシング３０内では、後述する第１〜第３高速用通路２２ａ，２２ｂｃ，２２ｄ及び高速用排気導入通路３２が示される。本実施形態において、「上流」、「下流」というときは、そこを通過するガスの流れに関していう。

エンジン１は、走行用の動力源として車両に搭載される直列４気筒の４サイクル火花点火式エンジンであり、ターボ過給機５０を備える。ターボ過給機５０は、周知の構造であり、排気通路３３に備えられるタービン５２と吸気通路１０に備えられるコンプレッサ５３とが連結軸５１で連結される。図１は、便宜上、タービン５２とコンプレッサ５３とを分離して示すが、実際には１本の連結軸５１の一端にタービン５２が設けられ、他端にコンプレッサ５３が設けられる。ターボ過給機５０の設置位置付近では、吸気通路１０と排気通路３３とが近接し、その間にターボ過給機５０が介設される。

ターボ過給機５０は、その軸方向がエンジン１の気筒列方向と一致するように配置され、後述する低速用排気導入通路３１及び高速用排気導入通路３２と共に、過給機ケーシング３０に収容される。ターボ過給機５０は、排気ガスＷｅの圧力でタービン５２が回転することによりコンプレッサ５３が駆動して吸気Ｗｉを圧縮し吸気圧を上昇させる（過給圧）。排気通路３３には、ターボ過給機５０のタービン５２をバイパスするウエスト通路５５と、ウエスト通路５５を開閉するウエストゲート弁５６とが設けられる。

吸気通路１０には、コンプレッサ５３の下流に、吸気を冷却するインタークーラ１１が設けられ、インタークーラ１１の下流に、運転状態に応じて吸気量を調節するスロットル弁１２が設けられ、スロットル弁１２の下流に、吸気を一時的に滞留させるサージタンク１３が設けられ、サージタンク１３の下流に、吸気を第１〜第４気筒４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ（これらを総称するときは気筒４という）に導く吸気マニホールド１４が設けられる。

吸気マニホールド１４の下流端はシリンダヘッド２に接続される。シリンダヘッド２とシリンダブロック（図示せず）とを主要部材とするエンジン本体に、第１〜第４気筒４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄが一直線上に配設される。気筒４は、周知の構造であり、ピストン（図示せず）で画成される燃焼室の上部に、吸気マニホールド１４から供給される吸気Ｗｉを燃焼室に吸入するための吸気ポート５と、燃焼室で生成した排気ガスＷｅを第１〜第３独立排気通路１６ａ，１６ｂｃ，１６ｄに排出するための排気ポート６と、吸気ポート５を開閉する吸気弁７と、排気ポート６を開閉する排気弁８とが設けられる。燃焼室の頂部に点火プラグ９が設けられ、燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁（図示せず）が適宜位置に設けられる。

本実施形態では、第１気筒４ａ→第３気筒４ｃ→第４気筒４ｄ→第２気筒４ｂの順に１８０°ＣＡずつずれたタイミングで、吸気、圧縮、膨張、排気の各行程が実施される。ここで、「°ＣＡ」は、エンジン１の出力軸であるクランク軸（図示せず）の回転角（クランク角）を表す。

シリンダヘッド２に、吸気側の可変バルブタイミング機構１５ｉ及び排気側の可変バルブタイミング機構１５ｅが設けられる。これらの可変バルブタイミング機構１５ｉ，１５ｅは、吸気弁７及び排気弁８の開弁期間を維持したまま、吸気弁７及び排気弁８の開弁開始時期及び閉弁時期を平行移動させる。

本実施形態では、所定の低速域（タービン５２に作用する排気ガス量が所定量未満の運転領域）では、各気筒４の吸気弁７の開弁期間と排気弁８の開弁期間とが所定のオーバーラップ期間重複し、排気順序が１つ前の他の気筒４のオーバーラップ期間中に各気筒４の排気弁８の開弁が開始される。

具体的に、第１気筒４ａの吸気弁７と排気弁８とのオーバーラップ期間中に第３気筒４ｃの排気弁８が開弁し、第３気筒４ｃの吸気弁７と排気弁８とのオーバーラップ期間中に第４気筒４ｄの排気弁８が開弁し、第４気筒４ｄの吸気弁７と排気弁８とのオーバーラップ期間中に第２気筒４ｂの排気弁８が開弁し、第２気筒４ｂの吸気弁７と排気弁８とのオーバーラップ期間中に第１気筒４ａの排気弁８が開弁する。

第１気筒４ａの排気ポート６に第１独立排気通路１６ａの上流端部が接続され、第２気筒４ｂの排気ポート６に第１分岐通路１６ｂの上流端部が接続され、第３気筒４ｃの排気ポート６に第２分岐通路１６ｃの上流端部が接続され、第４気筒４ｄの排気ポート６に第３独立排気通路１６ｄの上流端部が接続される。第１分岐通路１６ｂと第２分岐通路１６ｃとが下流側で合流し、排気順序が連続しない第２気筒４ｂと第３気筒４ｃとで共通の第２独立排気通路１６ｂｃが形成される。これらの通路１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｂｃはシリンダヘッド２内に形成される。

図１〜図３に示すように（ただし、図２においては、排気マニホールド２０内及び過給機ケーシング３０内では、後述する第１〜第３低速用通路２１ａ，２１ｂｃ，２１ｄ及び低速用排気導入通路３１が示される）、排気通路３３には、第１〜第３独立排気通路１６ａ，１６ｂｃ，１６ｄの下流端部に、第１〜第３低速用通路（本発明の「低速用通路」及び「独立通路」に相当する）２１ａ，２１ｂｃ，２１ｄの上流端部と、第１〜第３高速用通路（本発明の「高速用通路」、「独立通路」、及び「複数の通路」に相当する）２２ａ，２２ｂｃ，２２ｄの上流端部とが接続される。これらの通路２１ａ，２１ｂｃ，２１ｄ，２２ａ，２２ｂｃ，２２ｄは気筒４ａ〜４ｄに対応し、排気マニホールド（本発明の「上流側ハウジング部材」に相当する）２０内に形成される。排気マニホールド２０は、その組付フランジ２０ｇと、エンジン側スタッドボルト及びナットＶ２とにより、シリンダヘッド２に結合される（図３）。

第１〜第３低速用通路２１ａ，２１ｂｃ，２１ｄ及び第１〜第３高速用通路２２ａ，２２ｂｃ，２２ｄは、排気ガスＷｅの流れ方向に沿って延びる隔壁２０ａ（図３）によって上下２段に区画される（図４参照）。上段の第１〜第３低速用通路２１ａ，２１ｂｃ，２１ｄは、下段の第１〜第３高速用通路２２ａ，２２ｂｃ，２２ｄに比べて、排気ガス流通面積が小さい値に設定される。

図２に示すように、第１〜第３低速用通路２１ａ，２１ｂｃ，２１ｄの下流端部は、排気ガス流通面積が減少するように、絞り形状とされる。一方、図１に示すように、第１〜第３高速用通路２２ａ，２２ｂｃ，２２ｄの下流端部は、絞り形状とされない。

図２に示すように、第１〜第３低速用通路２１ａ，２１ｂｃ，２１ｄの下流端部は、エンジン本体側の気筒列方向における気筒列長さの中心（エンジン中心）に集合するように相互に近接する。同様に、図１に示すように、第１〜第３高速用通路２２ａ，２２ｂｃ，２２ｄの下流端部も、エンジン中心に集合するように相互に近接する。

図１、図３、及び図４に示すように、第１〜第３高速用通路２２ａ，２２ｂｃ，２２ｄに可変排気バルブ（本発明の「開閉バルブ」に相当する）１２３が設けられる。可変排気バルブ１２３は、タービン５２に作用する排気ガス量が所定量以上の運転領域では第１〜第３高速用通路２２ａ，２２ｂｃ，２２ｄを開き、タービン５２に作用する排気ガス量が所定量未満の運転領域では閉じるように駆動される（絞り制御）。なお、可変排気バルブ１２３の構造については後述する。

図１〜図３に示すように、排気通路３３には、第１〜第３低速用通路２１ａ，２１ｂｃ，２１ｄの下流端部に、低速用排気導入通路（本発明の「低速用通路」及び「集合通路」に相当する）３１の上流端部が接続され、第１〜第３高速用通路２２ａ，２２ｂｃ，２２ｄの下流端部に、高速用排気導入通路（本発明の「高速用通路」及び「集合通路」に相当する）３２の上流端部が接続される。これらの通路３１，３２は第１〜第３低速用通路２１ａ，２１ｂｃ，２１ｄ及び第１〜第３高速用通路２２ａ，２２ｂｃ，２２ｄから噴出する排気ガスが集合し、過給機ケーシング（本発明の「下流側ハウジング部材」に相当する）３０内に形成される。過給機ケーシング３０は、その組付フランジ３０ｆ及び排気マニホールド２０側の組付フランジ２０ｆと、過給機側スタッドボルト及びナットＶ９とにより、排気マニホールド２０に結合される（図３）。

低速用排気導入通路３１及び高速用排気導入通路３２は、排気ガスＷｅの流れ方向に沿って延びる隔壁３０ａ（図３）によって上下２段に区画される。上段の低速用排気導入通路３１は、下段の高速用排気導入通路３２に比べて、排気ガス流通面積が小さい値に設定される。

これらの排気導入通路３１，３２は、エンジン本体側からの排気ガスＷｅをターボ過給機５０のタービン５２に導入するための通路であり、それぞれエンジン本体側が気筒列方向に拡幅されている。低速用排気導入通路３１は、第１〜第３低速用通路２１ａ，２１ｂｃ，２１ｄの下流端部とそれぞれ連通する共通の通路、すなわち低速用の集合通路である。高速用排気導入通路３２は、第１〜第３高速用通路２２ａ，２２ｂｃ，２２ｄの下流端部とそれぞれ連通する共通の通路、すなわち高速用の集合通路である。

図３に示すように、可変排気バルブ１２３が絞り制御により閉じたときは、排気ガスＷｅは、第１〜第３低速用通路２１ａ，２１ｂｃ，２１ｄ及び低速用排気導入通路３１を通ってタービン５２に導入され、可変排気バルブ１２３が開いたときは、排気ガスＷｅは、上記に加えて、さらに、第１〜第３高速用通路２２ａ，２２ｂｃ，２２ｄ及び高速用排気導入通路３２も通ってタービン５２に導入される。つまり、第１〜第３低速用通路２１ａ，２１ｂｃ，２１ｄ及び低速用排気導入通路３１は、エンジン回転速度に拘らず常時排気ガスＷｅが流れる低速用通路であり、第１〜第３高速用通路２２ａ，２２ｂｃ，２２ｄ及び高速用排気導入通路３２は、タービン５２に作用する排気ガス量が所定量以上のときにのみ排気ガスＷｅが流れる高速用通路である。

そのため、タービン５２に作用する排気ガス量が所定量未満の低速域では、可変排気バルブ１２３の絞り制御により、第１〜第３低速用通路２１ａ，２１ｂｃ，２１ｄ及び低速用排気導入通路３１の排気ガス流通面積が小さい分、排気ガスＷｅの上記通路２１ａ，２１ｂｃ，２１ｄ，３１内の流速が速くなり、タービン５２に作用する排気ガスＷｅの流速が上昇する。すなわち、動圧過給システムによる動圧過給効果が強められる。その結果、低速域での過給圧がアップする。

一方、タービン５２に作用する排気ガス量が所定量以上の高速域では、タービン５２に導入される排気ガスＷｅの量が増えると共に、可変排気バルブ１２３が開くことにより、排気ガス流通面積が拡大し、排圧が低減する。その結果、高速域での出力がアップする。

本実施形態では、タービン５２に作用する排気ガス量が所定量未満のとき、すなわち可変排気バルブ１２３が絞り制御により閉じる低速域では、前述のように、各気筒４の吸気弁７と排気弁８とがオーバーラップし、かつ排気順序が１つ前の他の気筒４のオーバーラップ期間中に各気筒４の排気弁８が開弁する。

そのため、タービン５２に作用する排気ガス量が所定量未満の低速域では、可変排気バルブ１２３の絞り制御により、第１〜第３低速用通路２１ａ，２１ｂｃ，２１ｄの排気ガス流通面積が小さい分、排気弁８の開弁直後に排出される排気ガスＷｅ（ブローダウンガス）の上記通路２１ａ，２１ｂｃ，２１ｄ内の流速が速くなり、さらに、第１〜第３低速用通路２１ａ，２１ｂｃ，２１ｄの下流端部が絞り形状とされている分、上記通路２１ａ，２１ｂｃ，２１ｄの下流端部から集合通路としての低速用排気導入通路３１に噴出する排気ガスＷｅの速度が速くなり、さらに、低速用排気導入通路３１の排気ガス流通面積が小さい分、上記通路３１に発生する負圧が増大して、吸気弁７と排気弁８とがオーバーラップ期間中にある気筒（隣接オーバーラップ気筒）４内の残留ガスの掃気が促進される。すなわち動圧排気システムによるエゼクタ効果が強められる。その結果、隣接オーバーラップ気筒４の吸気量がアップする。

また、エゼクタ効果によって隣接オーバーラップ気筒４から吸引された排気ガスＷｅが付加される分、タービン５２に作用する排気ガスＷｅの流速が上昇し、これによっても、動圧過給効果が促進され、低速域での過給圧がアップする。このことをさらに詳しく説明する。すなわち、可変排気バルブ１２３が全開のときはエゼクタ効果が得られず、このとき、第１〜第３低速用通路２１ａ，２１ｂｃ，２１ｄ及び第１〜第３高速用通路２２ａ，２２ｂｃ，２２ｄから噴出するブローダウンガスは低速用排気導入通路３１及び高速用排気導入通路３２を介して他の通路に回り込む（逆流する）。これは、排気通路３３の容積が見かけ上増えたように作用する。一方、可変排気バルブ１２３の絞り制御によるエゼクタ効果があると、第１〜第３低速用通路２１ａ，２１ｂｃ，２１ｄから噴出するブローダウンガスは他の通路から排気ガスＷｅを吸引し、上記のような回り込み（逆流）がない。これは、動圧過給システムにおいて、排気通路３３の容積が見かけ上減ったように作用する。したがって、本実施形態の動圧排気システム及び動圧過給システムによれば、エンジン１の低速域では、動圧過給システムの可変排気バルブ１２３の絞り制御による排気通路３３の容積減少により動圧過給効果が得られた上に、動圧排気システムのエゼクタ効果により上記動圧過給効果が促進される。

なお、図１及び図２において、符号６０は、排気通路３３を流れる排気ガスＷｅの一部を吸気通路１０に還流させる排気再循環（ＥＧＲ）を行うために排気通路３３と吸気通路１０とを連通するＥＧＲ通路を示す。ＥＧＲ通路６０の排気通路３３側の導入部６０ａは、高速用排気導入通路３２において、可変排気バルブ１２３の下流に開口する。ＥＧＲ通路６０の吸気通路１０側の導出部６０ｂは、スロットル弁１２とサージタンク１３との間に開口する。ＥＧＲ通路６０に、ＥＧＲ通路６０を通過するガスを冷却するＥＧＲクーラ６１と、ＥＧＲ通路６０を開閉するＥＧＲ弁６２とが設けられる。本実施形態では、ＥＧＲ通路６０の上流部は、排気マニホールド２０及びシリンダヘッド２の内部に形成される。

以上のように、可変排気バルブ１２３は、本実施形態において、エンジン１の排気通路３３に設けられた動圧排気システム及び動圧過給システムで用いられる。次に、図４〜図８を参照して、可変排気バルブ１２３の構造について説明する。

まず、可変排気バルブ１２３は、バルブ本体２３と、一対の円筒状の第１、第２ブッシュ部材２５ａ，２５ｂと、円柱状のシャフト部材２４とを備える（図６）。バルブ本体２３は、第１〜第３バタフライバルブ２３ａ，２３ｂｃ，２３ｄと、上記バタフライバルブ２３ａ，２３ｂｃ，２３ｄを相互連結する第１、第２軸部２３ｘ，２３ｙとを含む（図５）。第１、第２ブッシュ部材２５ａ，２５ｂは、上記バルブ本体２３をバルブ本体２３の軸方向の両端部で回転可能に支持する。シャフト部材２４は、第１ブッシュ部材２５ａの内部を上記軸方向に貫通し、上記バルブ本体２３の第１バタフライバルブ２３ａ側の内部で第１ブッシュ部材２５ａから所定長さ突出し、その突出した部分で上記バルブ本体２３に回転方向に相対移動不能に結合される（図６）。

上記バルブ本体２３の軸方向の両端部は第１バタフライバルブ２３ａ及び第３バタフライバルブ２３ｄの側部のままである（図４）。上記ブッシュ部材２５ａ，２５ｂは、その一部が上記バルブ本体２３の両端部に上記軸方向に嵌入し、残部が上記バルブ本体２３の両端部から上記軸方向に突出する。

上記バルブ本体２３の軸心に、バルブ本体２３を軸方向に貫通し、上記ブッシュ部材２５ａ，２５ｂ及びシャフト部材２４が嵌入可能な中空部２３ｈが形成される。

上記バルブ本体２３の両端部に、上記ブッシュ部材２５ａ，２５ｂを嵌入させるための第１、第２ボス部２３ｅ，２３ｆが上記軸部２３ｘ，２３ｙよりも大径に形成される（図５）。

上記可変排気バルブ１２３は、エンジン１の排気通路３３を構成する上流側の排気マニホールド２０と下流側の過給機ケーシング３０との合わせ面部Ｍに設けられる（図３及び図７）。

上記バルブ本体２３の軸部２３ｘ，２３ｙが、排気マニホールド２０の第１〜第３高速用通路（本発明の「複数の通路」に相当する）２２ａ，２２ｂｃ，２２ｄ間に位置する通路壁２０Ｃに下流側から上流側に切り欠かれた凹部２０Ｘの上流端部に収容される（図７及び図８）。

より詳しくは、バルブ本体２３は耐熱鋼で一体成形され、一端部側（図４及び図６の左側）から、軸方向に、排気マニホールド２０の第１高速用通路２２ａに配置される第１バタフライバルブ２３ａと、円筒状の第１軸部２３ｘと、第２高速用通路２２ｂｃに配置される第２バタフライバルブ２３ｂｃと、円筒状の第２軸部２３ｙと、第３高速用通路２２ｄに配置される第３バタフライバルブ２３ｄとがこの順に並設される。軸部２３ｘ，２３ｙはバルブ本体２３の軸心上に位置し、バタフライバルブ２３ａ，２３ｂｃ，２３ｄはバルブ本体２３の軸心側の厚みが大きく形成されて、上記軸部２３ｘ，２３ｙと上記バタフライバルブ２３ａ，２３ｂｃ，２３ｄとは相互に表面が滑らかに連続する。第１ボス部２３ｅは、バルブ本体２３の一端部を構成する第１バタフライバルブ２３ａの側部に形成され、第２ボス部２３ｆは、バルブ本体２３の他端部を構成する第３バタフライバルブ２３ｄの側部に形成される。

中空部２３ｈは、円筒状のブッシュ部材２５ａ，２５ｂ及び円柱状のシャフト部材２４が嵌入可能なように円柱状に形成され、上記ボス部２３ｅ，２３ｆに相当する軸方向の両端部は他の部分、すなわち軸方向の中央部よりも拡径される。

ブッシュ部材２５ａ，２５ｂは、上記拡径された中空部２３ｈの両端部（すなわちボス部２３ｅ，２３ｆ）にバルブ本体２３の両端部の外方から軸方向に嵌入される。この状態で、シャフト部材２４がバルブ本体２３の一端部の外方から第１ブッシュ部材２５ａの内部を軸方向に貫通し、バルブ本体２３の一端部側の内部で第１ブッシュ部材２５ａから他端部側に突出して中空部２３ｈの中央部に嵌入される。

シャフト部材２４は、嵌入された突出部分でバルブ本体２３に回転方向に相対移動不能にスプライン係合される（図７）。本実施形態では、シャフト部材２４は、バルブ本体２３に外部のアクチュエータ（図示せず）から回転を伝えるための部材であり、そのために必要な所定長さだけ中空部２３ｈに嵌入される。そのため、シャフト部材２４はバルブ本体２３の全長に亘って延びておらず、比較的短いものである。

ブッシュ部材２５ａ，２５ｂにおいてバルブ本体２３の両端部からバルブ本体２３の外方へ軸方向に突出する部分は、排気マニホールド２０の支持壁２０Ａ，２０Ｂに形成された円形の突入孔２０ｉ，２０ｊに突入し、バルブ本体２３を排気マニホールド２０に回転可能に支持する（図６）。排気マニホールド２０の第１支持壁２０Ａは、第１高速用通路２２ａと第２高速用通路２２ｂｃとの間の通路壁２０Ｃと協働して第１高速用通路２２ａを形成するバルブ本体２３の一端部側の縦壁であり、第２支持壁２０Ｂは、第２高速用通路２２ｂｃと第３高速用通路２２ｄとの間の通路壁２０Ｃと協働して第３高速用通路２２ｄを形成するバルブ本体２３の他端部側の縦壁である（図４及び図８）。

この可変排気バルブ１２３を排気通路３３に組み付ける際は、図８及び図９に示すように、まず、バルブ本体２３を排気マニホールド２０の過給機ケーシング３０との合わせ面側、すなわち組付フランジ２０ｆ側から第１〜第３高速用通路２２ａ，２２ｂｃ，２２ｄ内に設置する。

このとき、バルブ本体２３の軸部２３ｘ，２３ｙが通路壁２０Ｃの凹部２０Ｘの上流端部に収容される（図７）。凹部２０Ｘは、バルブ本体２３の軸部２３ｘ，２３ｙが嵌り易いように、その幅（図７において上下の高さ）が軸部２３ｘ，２３ｙの径よりも所定量大きく形成される。そのため、バルブ本体２３の軸部２３ｘ，２３ｙが凹部２０Ｘに収容された状態で、軸部２３ｘ，２３ｙと凹部２０Ｘとの間に隙間が生成する。また、凹部２０Ｘの上流端部は円弧状であり、バルブ本体２３の軸部２３ｘ，２３ｙと凹部２０Ｘの上流端部との間にも同様の隙間が形成される。

この状態で、バルブ本体２３の中空部２３ｈと排気マニホールド２０の第１支持壁２０Ａ及び第２支持壁２０Ｂの突入孔２０ｉ，２０ｊとは相互に軸心が一致する。

次いで、図９に示すように、上記突入孔２０ｉ，２０ｊを介してバルブ本体２３の両端部の外方からブッシュ部材２５ａ，２５ｂを差し込み、バルブ本体２３のボス部２３ｅ，２３ｆに嵌入させる。このとき、ブッシュ部材２５ａ，２５ｂの差し込みの先端部がバルブ本体２３に嵌入され、差し込みの後端部がバルブ本体２３の両端部から外方へ突出して上記突入孔２０ｉ，２０ｊに残り、支持壁２０Ａ，２０Ｂに係止される（図６）。

次いで、図９に示すように、第１支持壁２０Ａの突入孔２０ｉに係止された第１ブッシュ部材２５ａを介してバルブ本体２３の一端部の外方からシャフト部材２４を差し込み、バルブ本体２３の中空部２３ｈに嵌入させる（図６）。シャフト部材２４の差し込みの先端部及びバルブ本体２３の中空部２３ｈには予めスプライン加工を施しておき、バルブ本体２３とシャフト部材２４とをスプライン係合させる。シャフト部材２４の差し込みの後端部（図４参照）は、図外のアクチュエータに連係され、アクチュエータによりシャフト部材２４が回転されて、バルブ本体２３が図７に矢印で示すように開閉駆動される。なお、第２支持壁２０Ｂの突入孔２０ｊは、ブッシュ部材２５ｂを差し込んだ後、外方からキャップ等で封鎖してもよい。

次いで、排気マニホールド２０に過給機ケーシング３０を合わせ面部Ｍ、すなわち組付フランジ２０ｆ，３０ｆで合わせて過給機側スタッドボルト及びナットＶ９で結合することにより、可変排気バルブ１２３の排気通路３３への組み付けが終了する。

以上の構成により、本実施形態では次のような作用が得られる。

（１）エンジン１の排気通路３３を開閉する可変排気バルブ１２３の構造において、複数のバタフライバルブ２３ａ，２３ｂｃ，２３ｄ及び上記バタフライバルブ２３ａ，２３ｂｃ，２３ｄを相互連結する軸部２３ｘ，２３ｙを含むバルブ本体２３と、上記バルブ本体２３をバルブ本体２３の軸方向の両端部で回転可能に支持する一対のブッシュ部材２５ａ，２５ｂと、一方のブッシュ部材２５ａの内部を上記軸方向に貫通し、上記バルブ本体２３の一端部側の内部で上記ブッシュ部材２５ａ，２５ｂから所定長さ突出し、その突出した部分で上記バルブ本体２３に回転方向に相対移動不能に結合されるシャフト部材２４とが備えられ、上記ブッシュ部材２５ａ，２５ｂは、その一部が上記バルブ本体２３の両端部に上記軸方向に嵌入し、残部が上記バルブ本体２３の両端部から上記軸方向に突出することから、この突出するブッシュ部材２５ａ，２５ｂの部分を介してバルブ本体２３を排気マニホールド２０に組み付けることができる。

したがって、バルブ本体２３の軸方向の両端部は第１バタフライバルブ２３ａ及び第３バタフライバルブ２３ｄの側部のままで終わることができ、例えば、バルブ本体２３の両端部に軸部が軸方向に突設され、この軸部が排気マニホールド２０の支持壁２０Ａ，２０Ｂに挿入されて回転可能に支持される場合と比べて、上記軸部が軸方向に突設される必要がない分、バルブ本体２３の両端部間の距離、すなわちスパンが短くなる。そのため、バルブ本体２３を構成するバタフライバルブ２３ａ，２３ｂｃ，２３ｄや軸部２３ｘ，２３ｙの排気ガスＷｅの熱や圧力による変形の度合いが抑制され、もって、開閉動作が円滑に行え、信頼性が確保される可変排気バルブ１２３の構造が提供される。

そして、バルブ本体２３の変形が抑制されることから、バルブ本体２３とブッシュ部材２５ａ，２５ｂとの間の余裕代（クリアランス）を小さくでき、これによっても、開閉動作の精度が保たれ、当該可変排気バルブ１２３の信頼性が確保される。また、バルブ本体２３とブッシュ部材２５ａ，２５ｂとの間のガタツキ音が低減され、騒音の発生が抑制される。

さらに、シャフト部材２４がバルブ本体２３の一端部側からバルブ本体２３の一部の範囲でバルブ本体２３の内部に嵌入しているので、たとえバルブ本体２３が変形しても、その変形で生じる荷重がシャフト部材２４に大きく作用することがない。そのため、シャフト部材２４の回転動作の精度も保たれ、ひいては当該可変排気バルブ１２３の信頼性が確保される。

（２）上記バルブ本体２３の軸心に、バルブ本体２３を軸方向に貫通し、上記ブッシュ部材２５ａ，２５ｂ及びシャフト部材２４が嵌入可能な中空部２３ｈが形成されることから、バルブ本体２３の軸心が中空構造となり、バルブ本体２３の剛性が高められ、かつ軽量化が図られる。また、バルブ本体２３へのブッシュ部材２５ａ，２５ｂ及びシャフト部材２４の嵌入も容易となる。

（３）上記バルブ本体２３の両端部に、上記ブッシュ部材２５ａ，２５ｂを嵌入させるためのボス部２３ｅ，２３ｆが上記軸部２３ｘ，２３ｙよりも大径に形成されることから、バルブ本体２３の形状が複雑化し、バルブ本体２３の剛性がより一層高められる。

（４）上記可変排気バルブ１２３が、エンジン１の排気通路３３を構成する排気マニホールド２０と過給機ケーシング３０との合わせ面部Ｍに設けられ、上記バルブ本体２３の軸部２３ｘ，２３ｙが、排気マニホールド２０の第１〜第３高速用通路２２ａ，２２ｂｃ，２２ｄ間に位置する通路壁２０Ｃに下流側から上流側に切り欠かれた凹部２０Ｘの上流端部に収容されることから、排気マニホールド２０と過給機ケーシング３０とを合わせる前にバルブ本体２３の軸部２３ｘ，２３ｙを排気マニホールド２０の凹部２０Ｘに収容することにより、当該可変排気バルブ１２３をエンジン１の排気通路３３に容易に組み付けることができる。また、バルブ本体２３の軸部２３ｘ，２３ｙが上記凹部２０Ｘの上流端部にあるので、当該可変排気バルブ１２３が閉じたときは、たとえ上記軸部２３ｘ，２３ｙと凹部２０Ｘとの間に隙間があっても、その隙間から上流側の排気ガスが下流側に漏れることが防がれる。

（５）上記排気通路３３は、低速用通路２１ａ，２１ｂｃ，２１ｄ，３１と、低速用通路よりも排気ガス流通面積が大きい高速用通路２２ａ，２２ｂｃ，２２ｄ，３２とを備え、上記低速用通路２１ａ，２１ｂｃ，２１ｄ，３１及び高速用通路２２ａ，２２ｂｃ，２２ｄ，３２は、それぞれ、上流側から、気筒４に対応する複数の独立通路２１ａ，２１ｂｃ，２１ｄ；２２ａ，２２ｂｃ，２２ｄと、上記独立通路２１ａ，２１ｂｃ，２１ｄ；２２ａ，２２ｂｃ，２２ｄから噴出する排気ガスが集合する集合通路３１，３２とを備え、上記可変排気バルブ１２３は、上記高速用通路２２ａ，２２ｂｃ，２２ｄ，３２の独立通路２２ａ，２２ｂｃ，２２ｄに備えられることから、上記低速用通路２１ａ，２１ｂｃ，２１ｄ，３１の独立通路２１ａ，２１ｂｃ，２１ｄの下流端部が排気ガス流通面積が減少するように絞り形状とされ、かつ相互に近接しているので、可変排気バルブ１２３が閉じることにより、低速用通路２１ａ，２１ｂｃ，２１ｄ，３１の集合通路３１に負圧が発生する動圧排気システムが構築され、また、上記低速用通路２１ａ，２１ｂｃ，２１ｄ，３１の下流にターボ過給機５０のタービン５２が備えられているので、可変排気バルブ１２３が閉じることにより、タービン５２に作用する排気ガスの流速が上昇する動圧過給システムが構築される。

したがって、上記可変排気バルブ１２３が、エンジン１の排気通路３３に設けられた動圧排気システム及び動圧過給システムで用いられることになり、その場合に、上記可変排気バルブ１２３の信頼性が確保されるから、上記動圧排気システムや動圧過給システム自体の信頼性も確保され、その結果、例えば、動圧排気システムのエゼクタ効果による隣接オーバーラップ気筒４の吸気量アップや、当該可変排気バルブ１２３の絞り制御による動圧過給システムの低速域での過給圧アップや、高速域での排圧低減による出力アップ等の種々の作用が十分に得られる。

なお、上記実施形態では、バルブ本体２３とシャフト部材２４との結合の態様として、バルブ本体２３とシャフト部材２４とをスプライン係合させたが、これに限らず、例えば図１０（ａ）に示すように、バルブ本体２３の中空部２３ｈとシャフト部材２４とを二面幅加工したり、図１０（ｂ）に示すように、バルブ本体２３に形成された開口を介してバルブ本体２３とシャフト部材２４とを溶接してもよい（溶接部Ｚ）。

また、上記実施形態では、可変排気バルブ１２３をエンジン１の排気通路３３に備えたが、これに代えて又はこれと共に、例えばスワール弁等として吸気通路１０の吸気ポート５等に備えてもよい。

１ エンジン
２ シリンダヘッド
４ａ〜４ｄ 第１〜第４気筒
１６ａ，１６ｂｃ，１６ｄ 第１〜第３独立排気通路
１０ 吸気通路
２０ 排気マニホールド（上流側ハウジング部材）
２０Ａ，２０Ｂ 第１、第２支持壁
２０Ｃ 通路壁
２０Ｘ 凹部
２０ａ，３０ａ 隔壁
２１ａ，２１ｂｃ，２１ｄ 第１〜第３低速用通路（低速用通路、独立通路）
２２ａ，２２ｂｃ，２２ｄ 第１〜第３高速用通路（高速用通路、独立通路、複数の通路）
２３ バルブ本体
２３ａ，２３ｂｃ，２３ｄ 第１〜第３バタフライバルブ
２３ｅ，２３ｆ 第１、第２ボス部
２３ｈ 中空部
２３ｘ，２３ｙ 第１、第２軸部
２４ シャフト部材
２５ａ，２５ｂ 第１、第２ブッシュ部材
３０ 過給機ケーシング（下流側ハウジング部材）
３１ 低速用排気導入通路（低速用通路、集合通路）
３２ 高速用排気導入通路（高速用通路、集合通路）
３３ 排気通路
５０ ターボ過給機
１２３ 可変排気バルブ（開閉バルブ）
Ｍ 合わせ面部

Claims (5)

1. エンジンの吸気通路及び排気通路の少なくとも一方を開閉する開閉バルブの構造であって、
   複数のバタフライバルブ及び上記バタフライバルブを相互連結する軸部を含むバルブ本体と、
   上記バルブ本体をバルブ本体の軸方向の両端部で回転可能に支持する一対のブッシュ部材と、
   一方のブッシュ部材の内部を上記軸方向に貫通し、上記バルブ本体の一端部側の内部で上記ブッシュ部材から所定長さ突出し、その突出した部分で上記バルブ本体に回転方向に相対移動不能に結合されるシャフト部材とを備え、
   上記ブッシュ部材は、その一部が上記バルブ本体の両端部に上記軸方向に嵌入し、残部が上記バルブ本体の両端部から上記軸方向に突出することを特徴とする開閉バルブ構造。
2. 請求項１に記載の開閉バルブ構造において、
   上記バルブ本体の軸心に、バルブ本体を軸方向に貫通し、上記ブッシュ部材及びシャフト部材が嵌入可能な中空部が形成されることを特徴とする開閉バルブ構造。
3. 請求項１又は２に記載の開閉バルブ構造において、
   上記バルブ本体の両端部に、上記ブッシュ部材を嵌入させるためのボス部が上記軸部よりも大径に形成されることを特徴とする開閉バルブ構造。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の開閉バルブ構造において、
   上記開閉バルブが、エンジンの吸気通路又は排気通路を構成する上流側ハウジング部材と下流側ハウジング部材との合わせ面部に設けられ、
   上記バルブ本体の軸部が、上流側ハウジング部材の複数の通路間に位置する通路壁に下流側から上流側に切り欠かれた凹部の上流端部に収容されることを特徴とする開閉バルブ構造。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の開閉バルブ構造において、
   上記排気通路は、低速用通路と、低速用通路よりも排気ガス流通面積が大きい高速用通路とを備え、
   上記低速用通路及び高速用通路は、それぞれ、上流側から、気筒に対応する複数の独立通路と、上記独立通路から噴出する排気ガスが集合する集合通路とを備え、
   上記開閉バルブは、上記高速用通路の独立通路に備えられることを特徴とする開閉バルブ構造。

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