JP2018053727A - 排気ターボ過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ターボ過給機において、ウエストゲートバルブ１１の連結部のシールの容易性を確保しつつ、過給制御の応答性を向上させる。【解決手段】ウエストゲートバルブ１１は弁板１２とアーム１３とを有しており、アーム１３の開き回動により、弁板１２はメイン通路６の内部に向けて移動する。アーム１３の回動中心である支軸１４は、メイン通路６の外側でかつ、メイン通路６の排気ガスの流れ方向から見て、バイパス通路１０よりも下流側に位置している。従って、開弁時には、弁板１２は、メイン通路６の上流の端が下流側の端よりもバイパス通路１０から離れた傾斜姿勢になる。その結果、メイン通路６の排気ガスがバイパス通路１０に誘い込まれて、高い制御応答性を確保できる。支軸１４を設けたポケット部１６は高圧の排気ガスに晒されることはないので、支軸１４とタービンハウジング３との間のシールも容易である。【選択図】図３

Description

本願発明は、自動車用等の内燃機関に使用される排気ターボ過給機に関するものである。

排気ターボ過給機は排気ガスでタービンを回転させて過給しているが、過給の必要度合いは回転数や負荷などによって変化するため、排気ガスをタービン室に至らせずにメイン通路から排気出口に逃がすバイパス通路を設けて、バイパス通路をウエストゲートバルブで開閉することが行われており、ウエストゲートバルブの制御は、吸気圧に連動したダイヤフラム式等のアクチュエータで制御していることが多い。

ウエストゲートバルブは、特許文献１に開示されているように、弁板の背面にアームを設けて、アームを支軸にてハウジングに連結した構成になっていることが多い。アームはバイパス通路の側に位置しており、メイン通路から離れた部位において支軸でハウジングに連結されている。従って、弁板は支軸を中心にしてスイングするが、弁板がバイパス通路の内部に入り込むことにより、当該バイパス通路が開くように設定されている。

他方、本願出願人は、特許文献２において、弁板がメイン通路に向けて入り込んでバイパス通路が開かれる構成の排気ターボ過給機を開示した。

特開２００４−３３２６８６号公報 特開２０１３−１５５７０５号公報

バイパス通路を形成してウエストゲートバルブを設けるに当たっては、ウエストゲートバルブを開いた状態で排気ガスをバイパス通路に応答性良く逃がすことと、排気ガスが支軸の箇所から漏洩しないようにしっかりとシールすることが要請される。

この点、特許文献１では、支軸はメイン通路の外側に配置されているため、支軸による連結部の箇所で排気ガスの圧力は高くはなくて、従って、高いシール性を確保することは容易である。しかし、弁板はバイパス通路の内部に入り込んで開くものである一方、排気ガスは直進性を有するため、ウエストゲートバルブが開いても排気ガスがメイン通路からバイパス通路に逃げずにタービン室に流入する傾向があり、過給の応答性は必ずしも高くないと懸念される。

他方、特許文献２のように弁板をメイン通路に向けて移動させる構成では、弁板がガイドになって排気ガスがバイパス通路に導かれるため、排気ガスの逃がし機能が高くて過給制御の応答性に優れているが、支軸による連結部がメイン通路の箇所に位置しているため、連結部はウエストゲートバルブの開閉に関係なく常に排気ガスの高い圧力と流れとに晒されており、このため、支軸の箇所のシール性を確保するのが厄介になるという問題がある。

本願発明はこのような現状に鑑み成されたものであり、シール性を容易に確保しつつ、排気ガスの逃がし機能を向上できるようにした技術を提供しようとするものである。

本願発明の排気ターボ過給機は、
排気ガスをタービン室に導くメイン通路と、前記タービン室を経由した排気ガスが排出される出口通路と、前記メイン通路と出口通路とに連通したバイパス通路と、前記バイパス通路を開閉するウエストゲートバルブとを有しており、
前記ウエストゲートバルブは、前記バイパス通路の入口部を塞ぐ弁板と、前記弁板のうちバイパス通路に向いた背面に設けたアームとから成っており、前記アームを、前記メイン通路から離れた部位において支軸でハウジングに連結することにより、前記弁板が前記支軸を支点にスイングしてバイパス通路を開閉するようになっており、かつ、前記支軸の回転がアクチュエータで制御される、という基本構成である。

そして、上記基本構成において、前記支軸はメイン通路における排気ガスの流れ方向から見て前記バイパス通路の入口部よりも下流側に配置しており、前記アームが支軸を中心にして開き方向に回動すると、前記弁板がメイン通路に入り込んだ開き位置に移動するように設定されている。

アクチュエータは、過給圧の変動に連動してロッドが軸方向に動くダイヤフラム式のものが広く使用されているが、本願発明でも、従来のアクチュエータをそのまま使用できる。ロッドの動きをリンクによって支軸に伝達すると、簡単な構造で弁板を的確に開閉操作できる利点がある。

本願発明では、弁板がメイン通路に向けて移動してウエストゲートバルブが開くが、弁板の回動中心は、メイン通路の外側で、かつ、メイン通路を通る排気ガスの流れ方向から見て、バイパス通路の入口部よりも下流側に位置しているため、弁板がメイン通路に入り込むように移動すると、弁板は、メイン通路上流側に位置した端部が下流側に位置した端部よりもバイパス通路から大きく離れるように傾斜する。従って、弁板がガイドになって、排気ガスの一部がメイン通路からバイパス通路に導かれる。このため、引用文献２と同様に、排気ガスの逃がしを確実化して、過給制御の高い応答性を実現できる。

また、メイン通路に入り込むのは弁板だけであって、支軸はメイン通路の外側に位置しており、支軸の箇所に排気ガスの正圧が作用することは殆どなく、あっても僅かであるため、支軸とハウジングとの間のシール性の確保は容易である。

また、支軸を回転させてウエストゲートバルブを開閉することは特許文献１のような従来技術と同様であり、従来のアクチュエータをそのまま使用できる。従って、実用性にも優れている。

排気ターボ過給機の要部平面図である。 ウエストゲートバルブを閉じた状態での要部平断面図である。 ウエストゲートバルブを開いた状態での要部平断面図である。

(1).概略
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。排気ターボ過給機の基本的な構造は従来と同様であり、タービン翼１が配置されたタービン室２を有するタービンハウジング３と、コンプレッサ翼が配置された圧縮室を有するコンプレッサハウジング（いずれも図示せず）と、両者を繋ぐセンターハウジング４とを有しており、タービン翼１とコンプレッサ翼とは回転軸５で連結されている。

タービン室２はタービン翼１の軸心回りに延びており、タービン室２の始端には、円筒状のメイン通路６が一体に繋がっている。メイン通路６は、タービン翼１の軸心を中心とした円に対する接線の方向に延びており、開口端にはフランジ７を設けている。フランジ７が、排気マニホールドかシリンダヘッド８に固定される。図では、排気ターボ過給機は、排気マニホールド一体型のシリンダヘッド８に固定された状態を表示している。

タービン室２は、下流側に行くに従ってタービン翼１の軸心からの間隔が小さくなる渦状に形成されており、タービン室２に、タービン翼１の軸心と同じ方向に開口した排気出口９が連通している。そして、メイン通路６と排気出口９とがバイパス通路１０を介して連通しており、メイン通路６からバイパス通路１０への排気ガスの流れがウエストゲートバルブ１１で制御される。バイパス通路１０の始端はメイン通路６の側面に開口しており、バイパス通路１０の出口部（終端部）は、排気出口９に対して上から連通している。従って、バイパス通路１０は平面視で略Ｌ型に曲がっている。

(2).ウエストゲートバルブ
ウエストゲートバルブ１１は、バイパス通路１０の入口部１０ａを塞ぐ弁板１２と、弁板１２のうちバイパス通路１０に向いた背面に設けたアーム１３とを有しており、アーム１３の基端（弁板１２を基準にして見ると先端）が、支軸１４によってタービンハウジング３に回転自在に連結されている。バイパス通路１０の入口部１０ａと弁板１２とは、メイン通路６に向けて拡径するテーパ状に形成されており、完全に閉じた状態で、弁板１２はほぼメイン通路６の側面と同一面を成している。なお、全閉状態で、弁板１２をメイン通路６に向けて突出させておいてもよい。

アーム１３は、弁板１２の背面から突出した第１部分１３ａとこれから曲がった第２部分１３ｂとを有する平面視で略Ｌ型になっており、第２部分１３ｂの基端が、支軸１４によってタービンハウジング３に回転自在に連結されている。見方を変えて述べると、支軸１４で回転自在に連結されたアーム１３の先端に弁板１２を設けている。

アーム１３の第２部分１３ｂは、第１部分１３ａからメイン通路６の下流側に向かって延びており、従って、支軸１４は、メイン通路６の外側でかつ、メイン通路６を流れる排気ガスの流れ方向から見て、バイパス通路１０の入口部１０ａよりも下流側に位置している。従って、アーム１３が開き方向に回動すると、図３のとおり、弁板１２は、メイン通路６の内部に入り込んで、排気ガスの流れ方向に向かってバイパス通路１０との間隔が狭まって行くように傾斜する。これにより、排気ガスの一部がバイパス通路１０に向かうようにガイドされる。その結果、メイン通路６からバイパス通路１０への排気ガスのリーク応答性を高めて、加速・減速のフィーリングを向上できる。

支軸１４は、弁板１２の背面と直交した線（垂線）を向いている。この場合、図２に示すように、支軸１４の軸心方向から見て、バイパス通路１０のテーパ状入口部１０ａのうち下流側の端と直交した垂線１５が想定されるが、支軸１４の軸心は、垂線１５よりもメイン通路６の側に寄っている。支軸１４の軸心が垂線を挟んでメイン通路６と反対側に位置していると、弁板１２が入口部１０ａにつかえて、アーム１３を回動させることはできない。

そして、アーム１３を小型化するには、支軸１４をできるだけメイン通路６の側に寄せるべきであるが、支軸１４をメイン通路６の側に寄せつつ弁板１２がメイン通路６に大きく入り込むことを許容するため、アーム１３は、第１部分１３ａと第２部分１３ｂとで成す角が夾角になるように設定している。

アーム１３を設けた部位は、アーム１３の回動を許容するために空間になっているが、バイパス通路１０の断面積はさほど大きくなくてもよい。このため、タービンハウジング３には、アーム１３の第２部分１３ｂを配置するポケット部１６が、バイパス通路１０と連通した状態に形成されている。

ポケット部１６はバイパス通路１０からはみ出ているため、メイン通路６からリークした排気ガスは、ポケット部１６に向かうことなく排気出口９に向けて流れる。従って、支軸１４とタービンハウジング３との連結部に排気ガスの動圧が作用することはなく、また、ポケット部１６はメイン通路６に比べて圧力は格段に低い。

更に述べると、排気ガスがバイパス通路１０を通ると、オリフィス効果によってポケット部１６が負圧になることも想定されるため、支軸１４とこれが嵌まる穴との間に僅かのクリアランスを設けただけの構造であっても、排気ガスの漏洩を生じることなく、アーム１３を支軸１４で連結できる。従って、支軸１４とタービンハウジング３との間のシールも容易である。なお、タービンハウジング３のうちアーム１３を配置している部分は、複数の部材で構成されている。

支軸１４はタービンハウジング３の外側に露出しており、図１に示すように、支軸１４の露出端部にリンク１７の一端を固定し、リンク１７の他端に、ダイヤフラム式等のアクチュエータ（図示せず）のロッド１８が相対回動可能に連結されている。リンク１７を使用することに代えて、ロッド１８にラックを設けて、支軸１４にピニオンギアを設けることも可能である。或いは、支軸１４を電動モータで駆動することも可能である。リンク１７を使用すると、リンク１７の長さを適宜設定することにより、ロッド１８の移動量と弁板１２の開度との関係を適切な状態に簡単に設定できる。

弁板１２及びバイパス通路１０の入口部１０ａはテーパ状になっているので、組み立てに際しては、弁板１２はメイン通路６から挿入することになる。この場合、組み立ての手順としては、弁板１２とアーム１３とを別々に用意しておいて、弁板１２をメイン通路６に挿通してから、アーム１３と弁板１２とをねじや溶接等で固定することが可能である。

ウエストゲートバルブ１１をメイン通路６に挿入できる大きさにしておくと、ウエストゲートバルブ１１をメイン通路６に挿入してから、アーム１３をバイパス通路１０に向けて嵌め込み、次いで、アーム１３を支軸１４で連結する、という手順を採で組み立てることが可能である。バイパス通路１０の入口部１０ａと弁板１２の外周とをテーパ面に形成せずに、入口部１０ａはストレート状に形成して弁板１２の外周は丸みを持たせると、弁板１２をバイパス通路１０から嵌め入れることができる。弁板１２とバイパス通路１０との間のシール性は高精度である必要はないので、このような構造も採用可能である。

以上の説明では、各図を平面図として、支軸１４が略鉛直姿勢になっているように説明したが、弁板１２は、メイン通路６の上部や下部に配置することも可能であり、弁板１２の配置位置によって支軸１４や他の部材の姿勢も異なってくる。

本願発明は、実際に排気ターボ過給機に適用できる。従って、産業上利用できる。

１ タービン翼
２ タービン室
３ タービンハウジング
６ メイン通路
９ 排気出口
１０ バイパス通路
１０ａ バイパス通路の入口部
１１ ウエストゲートバルブ
１２ 弁板
１３ アーム
１４ 支軸
１６ ポケット部

Claims (1)

1. 排気ガスをタービン室に導くメイン通路と、前記タービン室を経由した排気ガスが排出される出口通路と、前記メイン通路と出口通路とに連通したバイパス通路と、前記バイパス通路を開閉するウエストゲートバルブとを有しており、
   前記ウエストゲートバルブは、前記バイパス通路の入口部を塞ぐ弁板と、前記弁板のうちバイパス通路に向いた背面に設けたアームとから成っており、前記アームを、前記メイン通路から離れた部位において支軸でハウジングに連結することにより、前記弁板が前記支軸を支点にスイングしてバイパス通路を開閉するようになっており、かつ、前記支軸の回転がアクチュエータで制御される構成であって、
   前記支軸はメイン通路における排気ガスの流れ方向から見て前記バイパス通路の入口部よりも下流側に配置しており、前記アームが支軸を中心にして開き方向に回動すると、前記弁板がメイン通路に入り込んだ開き位置に移動するように設定されている、
   排気ターボ過給機。

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