JP2010025104A - 後処理装置の受動的暖機制御用熱操作バイパス弁 - Google Patents

Abstract

【課題】 後処理装置の受動的暖機制御用熱操作バイパス弁を提供する。
【解決手段】 自動車の排気触媒が機能するには、それが運転温度になければならない。エンジンが低温から始動する場合は、車両は、排気系およびその中に配置されるあらゆる後処理装置を含めて大気温度にある。排出される全排出物質の６０％〜８０％が、エンジンの低温始動と１２０秒までのアイドリングとにおいて発生するので、触媒が可及的速やかに機能することがどうしても必要になる。本発明は、排気の流れが、ターボチャージャのタービンホイールを駆動することによって惹起されるエンタルピー損失を回避し、従って、熱をより急速に触媒または後処理装置に供給することを可能にする受動的熱制御バイパス弁を提供する。
【選択図】図４

Description

ウェイストゲート弁は、排気ガスの幾分かが、タービンホイールをバイパスしてタービンホイールの下流側でタービンハウジングに流体接続することを可能にするが、このウェイストゲート弁は、真空、過給圧および電子装置のいずれかによって駆動され、マニホールド内の過給圧、排気圧力および真空のいずれかによって制御されるか、あるいは、エンジンまたは車両のＥＣＵによって指令される電子装置によって制御される。前者の制御の場合、制御は受動的であり、後者の制御の場合、制御は能動的である。本発明は、新しいタイプのウェイストゲート弁の制御および作動を提供する。

ターボチャージャは５つの主要な部品群から構成される。すなわち、高温側においてタービンホイール（３１）およびタービンハウジング（３９）を支持する軸受ハウジング（３０）と、低温側のコンプレッサホイール（３３）およびコンプレッサハウジング（３０）とである。タービンハウジング（３９）には、エンジンから排気マニホールド（４３）を通して排気ガス（５）が供給される。タービンハウジングは、ガスを、エクスデューサ（３２）を通して車両のダウンパイプ（３４）に排気する。

自動車の排気触媒が機能するには、それが運転温度になければならない。エンジンが低温から始動する場合は、車両は、排気系およびその中に配置されるあらゆる後処理装置を含めて大気温度にある。排出される全排出物質の６０％〜８０％が、エンジンの低温始動と１２０秒までのアイドリングとにおいて発生するので、運転温度への昇温が必要な触媒が可及的速やかに機能することがどうしても必要になる。本発明は、排気の流れが、ターボチャージャのタービンホイールを駆動することによって惹起されるエンタルピー損失を回避し、従って、熱をより急速に触媒または後処理装置に供給することを可能にする受動的熱制御手段を提供する。

ウェイストゲート弁の基本的機能は、必要に応じて、タービンへの動力供給の上限を設定し、従ってタービチャージャが過大な圧力を加圧しないようにすること、あるいは、ターボ速度を制限することにある。ウェイストゲート弁は、ターボチャージャの性能マップの上限領域において操作される。それが、過給圧が最高点にある領域だからである。受動的排気ウェイストゲートは、エンジンの始動時には、それらがなんらかの動きをなすように指令する吸気系または排気系からの有意の信号がまだないので作動しない。排気ウェイストゲートの基本的機能は上限の加圧または速度を制御することにあるので、いかなる下限制御に対しても要求は存在しない。

タービン段は、コンプレッサの駆動に十分な動力をタービンが供給するように、エンジンおよびコンプレッサ段に適合させられる。ターボ速度を制限するために、あるいは過給圧を制限するために、このタービンの適合操作は、タービンに利用可能な過剰動力が存在するようなものとすることができる。この理由は、ターボがより高速で作動する高度において、最高高度よりも低い位置でオーバシュートさせずに、速度または加圧制御できるようにするためである。もう１つの理由は、上限速度、従って上限過給圧を制御しながら、より高い下限速度を供給するためである場合がある。

エンジンが、始動において、エンジンシステム従って車両システムの温度を高めるためにできるだけ多くの仕事をなすべき重要な理由が存在する。例えば、米国特許第５，０７９，９２１号明細書（ＭｃＣａｎｄｌｅｓｓ）は、バタフライ弁を排気内においてほぼ閉位置に回転させ、エンジンに、１つの形態の人工負荷である排気の背圧に対して強制的に仕事をさせる方式を教示している。これによって、できるだけ速やかに風防窓の除霜に用いられるクーラントの温度を高めるのである。「システムの運転は、外気温度が２℃以下であれば、かつまた、エンジン始動以降の経過時間が３０秒未満である時間の間、可能である。」

ターボチャージャが果たすべき役割は、ディーゼルエンジンおよびガソリンエンジン両者において変化しつつあり、現代のエンジンのターボチャージャにはより多くの機能が求められている。当初は、ターボチャージャは、単に、排気ガスを取り入れて、そのエネルギーの幾分かをコンプレッサ駆動用に転換し、エンジン吸気系内の空気密度を高めるだけであった。

高速道路のディーゼルエンジンに対する１９９２年のＥＰＡ排出物質規制において、パティキュレートが制御されるべきことが公布され、その結果、パティキュレートが形成されるのは過渡応答のモードにおいてであるので過渡応答が決定的に重要になった。過給圧制御されるウェイストゲートをタービン側に付加することによって、例えば車両が高地で運転される場合に、上限速度を高めることなく、ターボの平均運転速度を増大させることができた。ターボの平均速度の向上によって、過渡応答が改善され、それに対応して、パティキュレートの排出が低下した。

１９９８年および２００４年のＥＰＡ排出物質規制において、さらなる速度および／または加圧制御が必要になった。しかもこれは、ＮＯ_ｘ形成を低減するための、燃焼温度を低下させる必要性をも同時に伴っていた。これは、多くの方法で実現されたが、その１つが、吸気系へのＥＧＲ給気を駆動する背圧を制御することによって排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：ＥＧＲ）を達成する可変タービン流れの導入によるものであった。

過去２０年にわたって、ディーゼルエンジンメーカは、ＮＯ_ｘを８５％、およびＰＭを９５％低減してきた。２０１０年の排出物質規制においては、排出物質をさらに８３％低下させなければならないことが規定される。ＥＰＡは、ヘビーデューティエンジンの排出物質を２００７年以降「後処理義務化」することを意図した。Ｔｉｅｒ２Ｂｉｎ５のライトデューティエンジンに対しては、現在、排出物質要件は後処理義務化となっている。これは、これらの目標のすべてを満たすために、なんらかの新しい取り組みが必要となるであろう。

また、頻繁なエンジンの停止を伴う、より燃費効率的なドライブトレインの場合およびハイブリッド化の場合には、平均試験サイクル排気温度が、触媒の活性化状況を劣化させる触媒活性化温度以下に低下するであろう点に留意すべきである。

現代のガソリンエンジンの典型的な排気組成は、
−未燃炭化水素−ＨＣ
−二酸化炭素および一酸化炭素−ＣＯ_２およびＣＯ
−Ｎ_２およびＮＯ_ｘの項目で分類される窒素および窒素の酸化物
−未反応酸素−Ｏ_２
を含む。

現代のディーゼルエンジンの排気組成は、ガソリンエンジンの排気組成とは僅かに異なる。ディーゼルは、空気／燃料比（Ａ／Ｆ）＞２２という非常に希薄な化学量論的領域で運転されるので、ディーゼルのＣＯ_２、ＣＯ、気体ＮＯ_ｘおよびＨＣの生成量は少ない。ディーゼルが低希薄度で（すなわち、よりリッチに）運転されると、燃焼によってさらなる高温が発生し、燃焼は一層完全になり、その結果、ＮＯ_ｘは増大し、パティキュレートは低下する。

しかし、一般的に、ディーゼルは、より多くの固体および液体を発生させる。これらの固体および液体は、通常、粒子状物質（ＰＭ）として分類され、かつそのように呼称される。ディーゼル排出物質のＰＭ成分は、
ａ．潤滑油由来の溶解性有機成分（ｓｏｌｕｂｌｅ ｏｒｇａｎｉｃ ｆｒａｃｔｉｏｎ：ＳＯＦ）
ｂ．乾燥炭素（すすとして知られる）
ｃ．燃料由来のＳＯＦ
ｄ．ＳＯ_３およびＨ_２Ｏ
を含む。

ディーゼルの排出物質と、特にＰＭ部分との測定法は欧州および米国で異なる。エンジンメーカが直面する１つの状況は、ＮＯ_ｘおよびＰＭの生成が通常互いに反対向きであるという点である。業界においては、これをＰＭ−ＮＯ_ｘトレードオフと称する。エンジンの燃焼温度が高いと、ＮＯ_ｘ生成量が多く、ＰＭ生成量は低いが、エンジンの燃焼温度が低下すると、ＮＯ_ｘ生成量が少なくなり、ＰＭ生成量が増大するので、エンジンメーカはこの条件を調整しなければならない。米国では、正規のモードは、ＰＭが「ＰＭボックス」として公知のＰＭ規制限界の内部に入るまで、ＰＭを低減することであり、ＮＯ_ｘに関する作業は、ＰＭをそのボックス内部に維持した状態で、ＮＯ_ｘをできるだけ低くするということになる。欧州では、ＰＭは、個々別々のエンジン運転点で測定される。このため異なる解決策が必要になる。

米国の方法は、ＰＭを、連邦取引手順（Ｆｅｄｅｒａｌ Ｔｒａｄｅ Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ：ＦＴＰ）の一部として測定し、全サイクルに対するＰＭを収集し、従ってエンジンの過渡状態の間に生成されるＰＭを捕捉する。連邦取引手順（ＦＴＰ）においては、異なる運転サイクルを代表するある範囲の所定の複数のサイクルにわたってエンジンが運転される。本発明は、排出物質の気体部分のみを取り扱う。ＰＭ部分は、温度上昇がその性能に有害な粒子捕捉器を用いて処理される。

２００７年以後の米国のほとんどのヘビーデューティディーゼルエンジンはディーゼルパティキュレートフィルタ（ｄｉｅｓｅｌ ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ ｆｉｌｔｅｒ：ＤＰＦ）を装備するようになっている。触媒ベースのＤＰＦは、超低硫黄燃料と共に使用すると、９０％の範囲のＰＭ低減が達成できる。

新しいディーゼルエンジンは、ほぼすべて排気ガス再循環（ＥＧＲ）条件とＮＯ_ｘ低減用の触媒とを採用している。これは、乾燥すすおよび溶解性有機成分（ＳＯＦ）低減用の後処理解決策を必要とする結果をもたらしている。

ディーゼルエンジンの排出物質は、ガソリンエンジンのそれよりは遥かに複雑であるので、触媒による解決策も一層複雑であり、明確に異なっている。

ディーゼルエンジンにおけるＴＨＣ、ＣＯおよびＴＰＭの低減には、ディーゼル酸化触媒（Ｄｉｅｓｅｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｃａｔａｌｙｓｔ：ＤＯＣ）が普通に用いられる。ＤＯＣが有効に機能するためには、それが所定の温度になければならない。図１４は、ベンチ流れリアクタから得たＤＯＣ用の簡単な活性化曲線を示す。Ｙ軸（１４４）は、パーセント効率として表現されたＣＯおよびＴＨＣの転換効率を表す。Ｘ軸（１４３）は摂氏表示の触媒温度である。この場合、触媒が２５％効率を超えて機能する前に触媒は２１０℃でなければならず、２２０℃では触媒は９０％の効率で機能することが分かる。１７５℃の場合と同じように低い活性度を示す触媒活性度の試験サイクルもあった。すなわち、触媒温度を運転態勢に高めるシステムを有するためには、そのシステムが、低温始動後の最初の６０〜１２０秒間に１７５℃〜２１０℃の間の温度を達成できなければならないことが理解できる。

ディーゼルエンジンにおけるＮＯ_ｘ低減については、現在ＥＧＲが多くの場合に用いられるが、これは、燃費が低下するので最終使用者を満足させていない。用いられるいくつかのＮＯ_ｘ低減技術は、尿素またはアンモニアと組み合わせて用いられる選択的触媒還元（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ：ＳＣＲ）、および、希薄ＮＯ_ｘ捕集器（ｌｅａｎ ＮＯ_ｘ ｔｒａｐ：ＬＮＴ）としても知られるＮＯ_ｘ吸着器である。

ＮＯ_ｘ吸着器は、希薄条件の下でＮＯ_ｘを貯蔵し、続いて低希薄（リッチ）条件の下で貯蔵ＮＯ_ｘを放出してそれを触媒還元することによって作用する。ＮＯ_ｘ吸着器は、そのＮＯ_ｘ貯蔵能力が温度の上昇と共に消滅するという点で、自動車用ガソリン触媒と逆である。図１５のチャートにおいて、Ｙ軸（１２５）はパーセント表示の吸着であり、Ｘ軸（１２４）は時間を分で示す。このチャートは、サイクルに入ってからの３０秒においては、吸着能力はほぼ等しいことを示している。サイクルに入ってから１分経つと、２００℃での試験（１２１）はなお１００％の吸着能力を有するが、５００℃での試験（１２３）はほぼゼロである。サイクルに入ってから２分経つと、２００℃での試験（１２１）はなお１００％の吸着能力を有するが、その時間後には低下する。５００℃での試験は僅かに５％に上昇した。すなわち、この方法は本発明によって補助されないであろう。

典型的な４シリンダガソリンエンジンについて、ＦＴＰサイクルの下でのエンジン排出物質が示されている。図１６において、左側またはＹ軸（１３４）はエンジンのＨＣをグラム／マイルで表し、右側またはＹ軸（１３６）は車両速度をｋｍ／ｈｒで表す。Ｘ軸（１３３）はＦＴＰサイクルに入ってからの時間を秒で表す。ＵＬＥＶ排出物質規制に適合するために、排出物質装置は５０秒以内に機能化しなければならない。ＬＥＶ排出物質規制に適合するために、装置は８０秒以内に機能化しなければならない。

触媒が運転温度にある場合は、触媒は、排気ガス中の不純物のいくらか、例えばあらゆる未燃燃料または燃焼副生物質のいくらかを、排気ガスがテールチューブから大気中に放出される前に転換する。エンジンがなお大気温度にあるエンジン運転の最初の数分間、触媒の有効性はガソリンエンジンにおいてはほとんど存在しない。気体排出物質の６０％〜８０％は、触媒が約３００℃のその運転温度に達する前のこの数分間に（場合によってはさらに早く２０秒で）発生する。ガソリンエンジンの触媒は、走行運転の終了までには約６００℃で運転される。それは、その後、３０分以内に３００℃に冷却して戻されるであろう。ディーゼル触媒は、さらに低い温度（２００℃〜３００℃）用として調製される。図１６は、エンジン始動からの時間（１３３）に対するエンジン排出炭化水素の発生（１３１）を示す。炭化水素生成のスケールはＹ軸（１３４）に示されており、車両速度は、そのスケールが２Ｙ軸（１３６）の線（１３５）である。チャートから、ＨＣ発生の大部分が、エンジン始動後約２０秒（１３２）で始まり、始動後１２０秒まで漸増する高率で発生し続けることが分かる。

触媒によるＣＯの転換は温度に敏感である。図１４は、典型的なＣＯ触媒の転換効率を示す。Ｘ軸（１４３）は、触媒における、摂氏表示の触媒温度を示す。Ｙ軸（１４４）は転換効率である。チャートから、触媒温度が２２０℃に達するまでは、転換効率（１４１）が実際には始まらない（１４２）ことが分かる。

この「触媒活性化までの時間」問題に対しては、いくつかの既存の解決策が存在する。その１つは、触媒基質温度を触媒機能に必要な温度に近い状態に維持するために、触媒本体内部に相変化材料を使用する方式である。もう１つの方法は、熱慣性を最小化するために、触媒をエンジンと密接連結する方式である。さらに別の発展形態は、タービンハウジングの前にプレ触媒を配置する方式である。触媒のこの始動時熱的非活性問題に対処するための多くの方法があるが、これらはすべて、複雑で、空間を要しかつ高価である。

米国特許第６，３８９，８０６号明細書（Ｇｌｕｇｌａ）は、運転温度に達するまでの時間を短縮するために、エンジンが、遅延点火タイミングを備えた可変排気量と、始動中および始動後の短時間、作動シリンダバンクに対して希薄側に偏倚した空気／燃料比とを有することによって、触媒活性化に要する時間をさらに短縮する方式を教示している。

米国特許第７，１１７，６６８号明細書（Ｎａｓｈｂｕｒｎ）は、排気コンバータが熱的に非機能状態にある間、全燃料を確実に燃焼するために、燃料希薄の改質油燃料混合体をエンジンに供給する炭化水素改質装置の使用を教示している。

米国特許第５，８７８，５６７号明細書（Ａｄａｍｃｚｙｋ）は、第１の高負荷パラジウムまたはトリメタル触媒要素と、それに続く１つ以上の第２の触媒要素とを有する触媒コンバータを教示している。第１の触媒要素は、比較的大きな粒子径のパラジウムを含むもので、エンジンの排気マニホールドに密接して連結され、第２の触媒要素は、高い酸素貯蔵容量を有し、加温されたエンジン排出物質の通り抜けに対する防護を提供する。この触媒コンバータは、初期段階の触媒活性度を通過する低温始動時の排出物質の低減に効率的である。

米国特許第５，４１０，８７２号明細書（Ａｄａｍｃｚｙｋ）は、触媒に流入する排気中に含まれる酸素量を測定する排気ガス酸素センサを使用し、空気源および酸素センサに接続されるエンジン制御コンピュータが、排気中に含まれる酸素量を監視して、空気源が排気の流れに供給する空気量を、利用可能な酸素が化学量論的要求量を僅かに超過するように制御する。この方法で、触媒の活性化時間が最小化される。

後処理装置をＰＭ再生または清浄化する目的で後処理装置に熱を供給する複数の装置が存在する。これらの装置は、より急速な触媒の活性化を補助するようには意図されていない。これらの装置は７００℃〜８００℃の範囲の温度を取り扱う。米国特許第３，９０８，３７１号明細書（Ｔａｄａｓｈｉ）は、排気ガスを清浄化する方法および装置を教示している。エンジンから排出される排気ガス中に一酸化炭素および水素がほぼ存在しないように、エンジンは、約１．０〜１．１５の過剰空気比をもたらすように調整された排気ガスを供給する。酸化物の超過分を除去しかつ排気ガス中の窒素酸化物を低減するために、炭化水素のような還元剤が、還元触媒に流入する排気ガスに添加混合され、一方、酸化触媒を通過する排気ガス中に残存する一酸化炭素および炭化水素の酸化を補助するために、２次空気が、酸化触媒に流入する排気ガスに供給される。この場合、この方式によって、触媒が高温で清浄化される。

米国特許出願公開第２００５／００１９１５８号明細書（Ｃｌａｕｓ）は、二重壁構造を備えた金属シートのタービンハウジングの利点を教示している。これは、一方では重量節減のためであるが、特に、そしてさらに重要なこととして、触媒の完全な効果を実現するためには下流側の触媒を排気ガスによって可及的速やかに運転温度に加熱しなければならないので、ターボチャージャが低温の場合にエンジンの排気ガスを過度に冷却しないようにするためである。

欧州特許出願公開第１ ５４１ ８２６ Ａ１号明細書（Ｂｊｏｒｎｓｓｏｎ）は、溶接構造のジャケット式軽量排気マニホールドを教示している。さらに、被加熱質量が小さければより速やかな触媒活性化が可能になるので、「効率的質量」、すなわち触媒活性化の前に加熱しなければならない質量を大幅に低減することが有利であると示されている。この特許は、ウェイストゲートのオプションを含んでいるが、それは、ウェイストゲート開口への管をジャケット化して溶接構造のジャケット式マニホールドの一部分として製造するという点のみにおいてである。この特許には、ウェイストゲート弁はウェイストゲートにいつでも装着することが可能であるが、すべての溶接が完了した後が望ましいと記載されている。この構成の低熱慣性特性は、触媒の活性化時間の短縮には好ましいが、触媒の活性化時間の短縮を補助する特性が常に存在し、受動的に制御されない。

従って、触媒の活性化時間の短縮に資するために、車両におけるソフトウェアとは無関係に操作可能な、簡素で低コストの解決策に対する必要性が存在する。

エンジン始動時には、触媒活性化時間を最小化するために、可能最大限の熱エネルギー量が触媒に伝達されることが重要である。本発明は、これを、受動的熱操作弁を設けることによって達成する。この受動弁は、タービンのバイパスを開放して、加熱された排気ガスの流れを、熱エネルギーを吸収するタービンハウジングを通すのではなく、タービンハウジングをバイパスするように導く。この方法で、より多くの熱エネルギーが触媒に供給される。受動的に操作されるので、バイパス弁の開閉を指令する高価で複雑な電子的または電気的制御装置は必要でない。

以下に、図面に示した実施形態を参照して本発明を詳しく説明する。

代表的なターボチャージャの断面図である。 バイメタルバイパスディスク弁が開いている時の弁形状を表す。 バイメタルバイパスディスク弁が閉じている時の形状を表す。 バイメタルバイパスディスク弁が、タービン段を、ターボチャージャの下流側の点で排気管に連結するエンジン構成を表す。 バイメタルバイパスディスク弁が、タービン段を、低熱慣性のバイパス管でターボチャージャの下流側の排気管に連結するエンジン構成を表す。 バイメタルバイパスディスク弁が、排気マニホールドを、ターボチャージャの下流側の点で排気管に連結するエンジン構成を表す。 バイメタルバイパスディスク弁が、排気マニホールドを、低熱慣性のバイパス管でターボチャージャの下流側の排気管に連結するエンジン構成を表す。 バイメタルバイパスディスク弁が、低熱慣性のバイパス管によって直接後処理装置に繋がるエンジン構成を表す。 作動ロッドにオプションとしてのバイメタル構造を備えたウェイストゲート作動装置を開位置において表す。 作動ロッドにオプションとしてのバイメタル構造を備えたウェイストゲート作動装置を閉位置において表す。 通常のウェイストゲート機構を表す。 バイメタルのバイパスをオプションとして追加したウェイストゲート弁を閉位置において表す。 バイメタルのバイパスをオプションとして追加したウェイストゲート弁を開位置において表す。 温度に対するＣＯ転換効率を示すチャートである（２００８年ＳＡＥ大会（ＳＡＥ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ）へのボーグ・ワーナー（Ｂｏｒｇ Ｗａｒｎｅｒ）社の提示資料）。 ＮＯ_ｘ吸着効率対時間および温度を示すチャートである（ディーゼルネット技術レポート（ＤｉｅｓｅｌＮｅｔ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｐｏｒｔ）１９９７年１２月）。 ガソリンエンジンの低温始動時間経過を示すチャートである（ＨｅｃｋおよびＦａｒｒａｕｔｏ著「触媒による大気汚染防止（Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ａｉｒ Ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）」第２版の「触媒による大気汚染防止（Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ａｉｒ Ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）」）。

ターボ過給される内燃機関において、タービンハウジングが、タービンホイールの上流側に弁およびポートを含む。この弁およびポートは、タービンホイール上流側のガス流れに流体連通しており、エンジンが正常な運転温度で作動している間は、閉じられた密閉位置にあって、全排気ガスを、タービンホイールを通るように導く。排気ガスの圧力は弁に圧力を加え、エンジンの正常な運転状態の間、シール作用を補助する。しかし、始動時においてエンジンが低温の場合には、受動的バイメタル弁が熱的に開位置に変形し、これによって、静止または緩速回転のタービンホイールが発生する圧力が、排気ガスの流れを弁およびポートを通って低熱慣性のバイパス装置に至るように偏倚させ、従って後処理装置を予熱することを可能にする。これは、触媒の活性化時間を短縮する効果を有する。

この弁はバイメタルの熱制御装置とすることが最も望ましい。この弁は、低温始動時（図２）にバイパス弁（１）の受動的なバイメタル部分が開位置にあるように構成される。バイパス弁が開位置にあるので、排気の流れ（５）は、タービンホイールおよび排気系の双方に流れることが可能になる。静止または緩速回転のタービンホイールによって背圧が発生し、それによって、排気ガスの流れは、最小抵抗の径路に向かう径路を取るバイパス流れ（３）に分流するであろう。このバイパス流れ（３）は、ターボチャージャをターボチャージャ下流側の触媒コンバータに接続するタービンバイパスダクトを通り、これによって、バイパスがない場合に比べてより多くのエネルギーを触媒コンバータに供給する。このエネルギーは、触媒コンバータを、バイパス弁が存在しない場合よりも早期に、それが機能する活性化温度に加熱する。残りの排気ガスの流れ（５Ａ）は、タービンハウジングを通り、タービンホイール（３１）を通り、続いて排気系を通って流れる。

エンジンの排気温度が上昇してくると、バイパス弁の図３の受動的なバイメタル部分（１）がスナップ閉止され、流入する全排気流れ（５）を、強制的にタービンハウジング（３９）を通してタービンホイール（３１）に導く。バイメタルの弁がスナップ閉止される温度は、バイメタル要素に用いられる金属または合金の関数であり、弁がバイパスポートを最適に遮断または遮断解除する温度は、触媒コンバータの温度とバイパス弁の温度との間の関係に基づいて経験的に決定される。

可変ジオメトリのタービン段を採用するエンジンの場合は、羽根をエンジン停止時の閉位置に動かす。受動的バイメタルバイパス弁は、排気温度が低温の場合に開くが、エンジンが作動しなくなった時にもそうであろう。受動的バイメタルバイパス弁は、また、低温始動時、あるいは触媒が活性化温度以下にある状態の下での始動時に開く。ＶＴＧ羽根を閉じることによって、バイパス弁を横切る排気流れの圧力損失が増大し、羽根が開位置にある場合よりも多くの排気ガスを、バイパスを通して流すことになるであろう。

受動的バイメタル弁組立体は、タービンハウジングまたはタービン上流側の排気マニホールドの上に取り付けることができる。本発明の図５の実施例は、タービンハウジング（３９）におけるポートをシールするディスク（１）を備えた取り付け具（４）の上に装着された受動的バイメタルディスクを有する。装置が機能するには、それが、燃焼室とタービンホイールとの間に配置されることが必要である。

図４の実施例においては、タービンハウジング（３９）を排気管（３４）と連結するのに、重構造壁の管または鋳造品（６８）が用いられる。流入する排気ガスの流れ（５）の幾分かは、排気マニホールドから弁（１）を通ってバイパスダクト（６８）に分岐し、そこで、その幾分かのガスは、タービンハウジングから流入するガス流れの残りの部分（５Ｂ）と合流し、全流れ（５Ａ）は、続いて、ダウンパイプ（３４）を通って排気管に、そしてさらに触媒コンバータまたは後処理装置に流れる。

別の実施形態においては、熱エネルギーの最大量を後処理装置に供給するように熱慣性を最小化するために、図５の薄い超合金のフレキシブルな回旋加工ダクト（６９）がバイパスガス（３）搬送用として用いられる。超合金、好ましくは鉄ベースの超合金は、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｂ、ＨｆおよびＺｒの１つ以上を含み、適切な例として、ＳＵＨ６６０、インコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）７１３Ｃおよびインコロイ（Ｉｎｃｏｌｏｙ）８００Ｈが挙げられる。本発明のこの実施形態においては、低熱慣性のバイパスダクト（６９）がタービンハウジング（３９）を排気管（３４）に連結しており、タービンハウジング（３９）の残りの部分をバイパスしている。タービンハウジングを低熱慣性のダクトによって車両のダウンパイプ（３４）に連結することによって、ダクトが重構造壁の鋳造品である場合よりも、ダクトによって吸収される排気熱が少なくなる。そのため、より多くの排気エネルギーを触媒の加熱に利用できる。車両のダウンパイプ（３４）は、排気の流れを、車両のさらに下流側に位置する後処理装置に導く。

本発明のさらに別の図６の実施形態においては、排気ガス（５）が排気マニホールド（４３）から取られる。受動的バイメタル弁（１）は、幾分かの排気ガス（３）を取り込むように排気マニホールドに取り付けられる。その幾分かの排気ガス（３）は、タービンハウジング（３９）をバイパスし、厚壁管または鋳造品のバイパスダクト（４９）を通って車両のダウンパイプ（３４）に導かれ、そこで、バイパスしなかった排気ガス（５Ｂ）と合流し、続いて排気管および触媒コンバータに至る。

本発明のさらに別の図７の実施形態においては、排気ガス（５）が排気マニホールド（４３）から取られる。受動的バイメタル弁（１）は、幾分かの排気ガス（３）を取り込むように排気マニホールドに取り付けられる。その幾分かの排気ガス（３）は、タービンハウジング（３９）をバイパスし、バイパスガス（３）の搬送用として用いられる薄いフレキシブルな回旋加工超合金ダクト（５９）を通って導かれる。この場合、低熱慣性のバイパスダクト（５９）がタービンハウジング（３９）をダウンパイプ（３４）に連結しており、タービンホイールをバイパスしている。ダウンパイプは、車両の排気管に繋がっており、この排気管は、これらのガスの流れを、車両のさらに下流側に位置する触媒コンバータに導く。

排気マニホールドを低熱慣性のダクトによって車両のダウンパイプ（３４）に連結することによって、ダクトが重構造壁の鋳造品である場合よりも、ダクトによって吸収される排気熱が少なくなり、そのため、より多くの排気エネルギーを触媒の加熱に利用できる。「熱慣性」という用語は、熱伝導率および容積熱容量に関係するバルク材料特性であり、配管の熱慣性を低くする多様な方法がある。本明細書で用いる「低熱慣性」は、同じ厚さおよび寸法の鋳鉄管よりも遥かに低いことを意味する。材料の熱慣性は、材料のバルク熱伝導率と容積熱容量との積の平方根として定義される。この場合、後者の容積熱容量は、密度と比熱容量との積である。すなわち、

である。

上記の発明のさらに別の実施形態においては、上記の実施形態と同様に、受動的バイメタル弁が、排気マニホールド上またはタービンハウジング内のいずれかに配置される。後者の場合が図８に示される。この実施形態においては、触媒コンバータ（７４）をターボチャージャ排気管（４２）またはダウンパイプ（３４）のいずれかに直接接続することによって、ダウンパイプおよび排気管双方の熱慣性が低減される。バイパスされる排気ガス（３）は、低熱慣性の管（７９）によって、直接、触媒コンバータ上流側のダクトに導かれる。このダクトが、排気管またはダウンパイプのように傾けられているかどうかは任意である。重要な点は、触媒コンバータをターボチャージャにできるだけ近接して配置することである。

本発明の一実施形態は、ターボチャージャが正常な運転状態用のウェイストゲートを採用しているエンジンの場合に用いられる。ウェイストゲートの操作は、既存のウェイストゲートポートをバイパスポートとして使用できるようにするために、同様の熱によるバイメタル装置を採用している。ウェイストゲートの場合、この装置は２つの具現化態様を取ることができる。すなわち、以下のとおりである。

第１の具現化態様においては、図９の典型的なウェイストゲート弁（１０７）が、アクチュエータ（１０１）によるエンジン給気圧制御用として用いられる。アクチュエータは、真空または圧力によって、液圧によって、あるいは電気的に駆動することができる。これらは、すべて、操作において同様の結果をもたらす。エンジン信号は、アクチュエータに、タービンホイールへの圧力を制御するために開くように指令する。これが開くと、好ましくない排気の流れが、タービンホイールをバイパスして、タービンホイールの下流側の排気管に再流入し、触媒コンバータにエネルギーを供給する。

上記の本発明の実施形態の第１の具現化態様においては、ウェイストゲート駆動アーム（８７）をアクチュエータ（１０１）に連結する軸の中間に、受動的バイメタル制御組立体が挿入され、アクチュエータ（１０１）とウェイストゲート弁（１０７）との間に取り付けられる。図２の実施例の場合と同様に、受動的バイメタルディスク（１）は開位置にスナップ変形されており、アクチュエータロッド（１０３、１０８）の有効長さが延長されて、弁（１０７）をその弁座（１０６）から離して開くように弁アーム（８７）が回動されている。複数のバイメタルディスクがハウジング内に組み込まれる。このディスク（１０５）は、それらが、１つの方向に向かってハウジング（１０２）の本体に対して作用し、もう１つの方向にアクチュエータロッド（１０８）に作用する摺動プレート（１０４）に対して作用するように配置される。ハウジングをエンジン系から放射される熱エネルギーに対して敏感にするために、ハウジングの外側にフィンを備えることができる。アクチュエータロッド（１０３）は１つの方向においてハウジングに固定され、もう一方のアクチュエータロッド（１０８）はもう１つの方向において弁アームに連結される。この配置は逆にすることもできる。どちらのロッドを、ハウジング組立体のどちらの部分（ハウジングまたは摺動プレート）に結合するかの選択は任意である。

続いてウェイストゲートの作動を必要とする場合があるエンジンの出力運転状態の間、ウェイストゲート弁（１０７）は、図１０に示すように、典型的なアクチュエータ（１０１）によってその位置に保持される。エンジンの運転状態は、主にバイメタルディスクを含むハウジングの外側の熱伝導フィンを通して本体（１０２）に熱を供給し、それによってアクチュエータがアクチュエータロッド（１０３）に抵抗をもたらす。加熱された状態においては、バイメタルディスクは、末端側のアクチュエータロッド（１０８）をアクチュエータに向かって動かす最小変位の平坦な状態にスナップ変形する。これは、軸（８５）の回りに回転する弁アーム（８７）を、開の動きの方向とは反対方向に、上方に、ウェイストゲート弁を閉じるように引き込む。ウェイストゲート弁のこの閉止によって、全排気ガスが、弁の上流側からタービンホイールに流れることが可能になる。

図１１の典型的なウェイストゲートは、典型的なアクチュエータ（１０１）と、アクチュエータロッド（１０３）と、ウェイストゲート弁（１０７）が取り付けられる弁アーム（８７）とを有する。アクチュエータは、軸（８５）の回りに回転する（２１）弁アーム（８７）を操作するために、アクチュエータからのおよびアクチュエータに向かう方向（２０）に、ロッドを伸張させるか、あるいは後退させる。弁アームは、弁（１０７）をその弁座（１０６）に対して開閉するために回転する。これが、典型的なウェイストゲート弁の通常の操作である。

この実施形態の第２の具現化態様である図１２においては、ウェイストゲート弁が１つの弁ヘッド（８１）から構成され、その弁ヘッド（８１）にウィンドウまたはポート（８３）が形成される。また、弁ヘッド（８１）には、１つ以上の受動的バイメタルディスクが装着される。低温状態においては（すなわち、エンジンが、たとえあるとしてもさほど高くない排気温度しか生成しない時には）、受動的バイメタルディスクは、変形したまたはカップ形状の図１３の開状態にある。加熱された状態においては（すなわち、エンジンが排気温度を生成する時には）、ディスクは、図１２のシール状態またはフラットな状態にある。このため、バイメタルディスクが開いている時は、排気ガスは、弁ヘッドを通って触媒コンバータに流れ、短い活性化時間をもたらすことができる。排気が低温である場合は、受動的バイメタルディスクはフラットで閉じた状態にあり、排気ガスは弁ヘッドを通過できない。

弁は、例えば、米国特許第４，２４７，０４１号明細書（Ｋａｚｕｈｋｏ）に示されるようなものとすることができる。この特許は、自動車排出物質制御用の熱応答性弁装置であって、温度変化に応答したバイメタルディスクの作用によって２つの通路が同時に開閉する弁装置を教示している。バイメタルディスクは所定の熱膨張係数を有する１つの金属層を備えており、その結果、バイメタルディスクは、所定温度において、スナップ動作によって逆の皿型形状に動くことができる。

バイメタルディスクは、米国特許第３，９３３，０２２号明細書（Ｐｅｌｚ）に教示されるように製造することができる。この特許は、熱膨張するバイメタル部材のスナップ動作特性を制御する改善された方法を教示している。この改善は、成形操作中におけるバイメタル部材の加熱を含んでおり、これが、前記特性を規定する上限温度よりも実質的に高い温度に対して、部材に、前記スナップ動作特性を付与する。

別の受動的熱作動弁が米国特許第４，０２６，４６４号明細書（Ｄｏｈｅｒｔｙ）に教示される。図５に最もよく示されるように、このバイメタル組立体は、担体または支持ハウジングと、第１および第２の皿形バイメタル要素と、波形スプリングとを含む。皿形のバイメタル要素は、それぞれ、低熱膨張係数の１つの金属層と、それよりやや高い熱膨張係数のもう１つの金属層とを有しており、その結果、その要素は、それぞれ所定の温度において、中心を越えて、逆転した皿形形状にスナップ動作する。２つのバイメタル要素に対する金属材料と、予成形量または皿形加工量とは、２つの要素が異なる温度で中心を越えてスナップ動作するように選定される。この特許の場合、バイメタルディスクは異なる温度でスナップ動作し、これらの温度に対して、異なるポート形成の選択肢を提供する。

さらに別の受動的熱作動弁が米国特許第４，０７６，１７２号明細書（Ｉｎａｄａ）に教示される。バイメタルの組立体は、入口ポートと、第１および第２出口ポートとを含む支持ハウジングを含む。本体内部に配備されるサーモスタットのバイメタルディスクは、温度の変化に反応してその曲線形状を第１位置から第２位置に変化させ、それによって、スプール弁を動かして、入口から第１位置への流れを制御する。温度がさらに変化すると、スプール弁が動いて、入口から第２位置への流れを制御する。熱制御されるバイパス弁の場合には、バイメタルディスクは実際には被制御流体によって浸され、事実上は弁そのものが浸される。

さらに別の受動的熱作動弁が、導管内の流れを変化させる方法の選択肢を教示している米国特許第４，１４２，６７６号明細書（Ｗｉｌｌｉａｍｓ）に教示される。弁の周囲温度の変化に応答したバイメタルディスクのスナップ動作によって、流体流れの導管を開閉するか、あるいは、流路を互いに変更するように調整されるバイメタル弁が開示される。第１の実施形態においては、２つのバイメタルディスクと、それらと協動する１つの弁座との組合せが用いられ、それによって、２つのポート間の流体の流れを開閉する。第２の実施形態においては、２つのバイメタルディスクと、弁体をその上に有する１つの押さえ付けプレートとの組合せが用いられ、それによって、２つのポート間の流体の流れを開閉する。さらに別の実施形態においては、流路を複数の選択された方向に変化させる他の選択肢がある。この場合、それぞれの流体の方向は１００％流れの選択である。熱制御されるバイパス弁の場合には、流れは、部分的にのみ方向変更される。

米国特許第４，１４４，９９８号明細書（Ｗａｋａｂａｙａｓｈｉ）は、２つの流路（１６）および（１８）を通る第１位置におけるいくらかの流れを可能にする弁組立体を教示している。エンジンの温度が高くなると、バイメタル部材がスナップ動作して、流路（１６）から（１８）への連絡から、流路（１８）から（２０）への連絡に変化させる。この場合、流れの変化は、バイメタル部材のスナップ動作のために全流れである。この弁の構成は、二元作動が、シールの過度な圧縮によるエラストマーシールの永久変形を回避するようになっている。熱制御されるバイパス弁においては、弁の面がバイメタルディスクそのものであるので、エラストマーのシールはない。

米国特許第４，３８２，５４５号明細書（Ｓａｔｏｍｏｔｏ）は、２つのバイメタルディスクを含むバイメタル作動の温度応答型弁組立体を教示している。これらのディスクは、流れの制御が段階的に調整されるように配置される。第１温度においては、弁は全開される。第２の所定温度においては、弁は部分的に開となり、第３所定温度においては、弁は完全閉止される。この特許においては、バイメタルディスク１９および２０は目的に合わせてチャンバ１８内に配置されるので、それらが、被制御流体の温度によって影響を受けることはないであろう。これは、バイメタルディスクが実際に弁であり流体の流れによって浸される熱制御バイパス弁の意図および機能とは異なるものである。

航空機用のガスタービンエンジンにおいては、米国特許第４，３５８，９２５号明細書（Ｗｉｌｌｉａｍｓ）が、流れ成分を有する気体媒体の流れの温度を連続的に感知する温度感知組立体であって、その流れ成分の温度が変化する温度感知組立体を提供する方法を教示している。この場合、温度感知は、予め選択された温度範囲に従って縮退または膨張する把持的に保持された複数の隣接バイメタルディスクと、温度感知サブ組立体の作動に反応して、気体流れの第２の流れ成分の流れを選択的に防止するスプリング付勢の協動型ボール弁サブ組立体との作用である。この発明の基本的な目的は連続的に感知されるべき温度感知組立体を提供することにある。この感知に応答して、サーボ空気圧を発生させ、それを、流れ成分の流れを防止する（あるいは可能にする）空気弁の駆動に用いる。この発明は、航空機のタービンエンジン用として用いられるので、触媒コンバータまたは後処理装置とは関係ないが、熱制御バイパス弁においては、バイメタルディスクが、成分ガスの温度を連続的に感知してそれに応答しながら、実際には、そのガスが流れる弁になる。

米国特許第４，２４４，１８７号明細書（Ｌａｎｅ）は、典型的なターボチャージャのウェイストゲート弁が、図に示される第１位置から、接続された電気コイル（６７）が付勢された場合の第２位置に可動な往復動の弁要素（６６）によって操作される方式を教示している。コイルが付勢されない第１位置においては、アクチュエータのスプリング側チャンバ（５５）にはコンプレッサ入口の真空が供給され、一方、スプリング側でないチャンバ（５６）は大気に連通される。これは、ターボ過給されるガソリンエンジンにおいてのみ機能し、真空を有しないディーゼルエンジンの場合は不可能である。この特許は、エンジンの冷却水温度によって発動される電気コイルの付勢または非付勢指令に依拠している。これは、それを受動装置ではなく能動装置とするものである。

以上、発明を説明したので、別項[特許請求の範囲]の通り特許請求する。

１ バイパス弁（ディスク）
２ バイパスポート
３ バイパス流れ
４ ディスク取り付け具
５ 全排気流れ
５Ａ 排気流れ
５Ｂ 排気流れ
２０ ロッドの作動方向
２１ アームの回転方向
３０ ハウジング
３１ タービンホイール
３２ エクスデューサ／第２排気管
３３ コンプレッサホイール
３４ 排気管／ダウンパイプ
３８
３９ タービンハウジング
４２ ターボチャージャ排気管
４３ 排気マニホールド
４９ バイパスダクト
５９ 低熱慣性ダクト
６８ バイパス配管
６９ 低熱慣性ダクト
７４ 触媒コンバータ／後処理装置
７９ 低熱慣性管
８１ 弁ヘッド
８３ ポート
８４
８５ 軸
８７ 弁アーム
１０１ アクチュエータ
１０２ ハウジング
１０３ アクチュエータロッド
１０４ 摺動プレート
１０５ ディスク
１０６ 弁座
１０７ ウェイストゲート弁
１０８ アクチュエータロッド
１０９ アクチュエータロッド
１２１ ２００℃試験
１２２
１２３ ５００℃試験
１２４ Ｘ軸（時間）
１２５ Ｙ軸（ＮＯ_ｘ吸着率）
１３１ 炭化水素の発生
１３２ エンジン始動後２０秒の時点
１３３ Ｘ軸（時間）
１３４ Ｙ軸（ＨＣ）
１３５ 車両速度
１３６ Ｙ軸（車両速度）
１４１ 転換効率
１４２ 転換開始時点
１４３ Ｘ軸（温度）
１４４ Ｙ軸（転換効率）

Claims (10)

1. ａ．燃焼ガスの吸気部および排気ガスの出口を含むエンジンと、
   ｂ．タービンホイール、並びに、入口および出口を有するタービンハウジングを含むターボチャージャと、
   ｃ．前記エンジンの排気を前記ターボチャージャのタービンハウジングの入口に接続する第１排気配管と、
   ｄ．後処理装置（７４）と、
   ｅ．前記ターボチャージャハウジングの出口を前記後処理装置に接続する第２排気配管（３２）と、
   ｆ．前記タービンホイールの上流側の排気ガス流れに流体連結されるバイパスポート（２）と、
   ｇ．前記ターボチャージャをバイパスするバイパス配管（６８）であり、前記ポートおよび前記第２排気配管に接続されるバイパス配管（６８）と、
   ｈ．前記バイパスポート（２）を遮断および遮断解除するための前記ポートに関連する弁（１）であり、前記バイパスポート（２）を遮断および遮断解除することによって、前記バイパス配管への排気ガスの流れを制御する弁（１）であって、
   ある所定温度以下において前記バイパスポート（２）の遮断を解除し、ある所定温度を超えると前記バイパスポート（２）を遮断するように構成される受動的熱応答弁である弁（１）と、
   を含む車両。
2. 前記弁（１）が、閉位置にある前記弁のシールを補助するために排気ガス圧力が圧力を加えるように配置される、請求項１に記載の車両。
3. 前記弁（１）が、正常なエンジン運転温度におけるエンジンの排気温度以下においては、前記バイパスポート（２）の遮断を解除するように熱的に変形し、正常なエンジン運転温度におけるエンジンの排気温度においては、前記バイパスポートを遮断するように構成されるバイメタル弁である、請求項１に記載の車両。
4. 前記後処理装置（７４）が触媒コンバータである、請求項１に記載の車両。
5. エンジンおよびターボチャージャタービンの間のウェイストゲートポートにウェイストゲートが接続される、請求項１に記載の車両。
6. 前記ウェイストゲートポートが前記バイパスポートでもあり、かつ、前記受動的熱応答弁が、ウェイストゲート弁作動リンク機構（１０８）の中に一体的に組み込まれる、またはそのリンク機構（１０８）に連結される、請求項１に記載の車両。
7. 前記バイパス管が低熱慣性の管である、請求項１に記載の車両。
8. 前記バイパス管が超合金材料の薄いフレキシブルな回旋加工されたダクトである、請求項１に記載の車両。
9. 前記バイパスポートが前記タービンハウジングに配置される、請求項１に記載の車両。
10. 前記バイパスポートが前記第１排気配管に配置される、請求項１に記載の車両。