JP5848159B2

JP5848159B2 - 弁

Info

Publication number: JP5848159B2
Application number: JP2012041382A
Authority: JP
Inventors: 行日出永代; 浩之細谷; 東條　正希; 正希東條; 雄祐古田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2012-02-28
Publication date: 2016-01-27
Anticipated expiration: 2032-02-28
Also published as: CN104169540B; EP2821614B1; EP2821614A4; US10234038B2; US20150014564A1; WO2013128720A1; JP2013177836A; EP2821614A1; CN104169540A

Description

本発明は、内燃機関の排気流路の途中に設けられて排気経路を切り替える弁に関する。

従来、車両用４サイクルエンジン等のエンジンとして、排気により駆動される排気タービンを利用したターボ過給機を備えたものが知られている。

この排気ターボ過給機を備えたエンジンの排気系には、排気タービンへエンジン排気を供給する通路から、一部をバイパスさせて排気出口通路に導く排気バイパス流路１８を開閉するウエストゲートバルブ（弁）が設けられている。このウエストゲートバルブは、排気の流量が大きいとき、すなわち、エンジンの回転数が高いときに開弁する。このウエストゲートバルブの開弁により、排気タービンへ向かう排気の一部がバイパスされて、排気タービンへの過剰な排気の供給を制限し、過給量（エンジン出力）が適正な範囲に抑えられる。

図６は、従来の弁を搭載した排気ターボ過給機の排気タービンを示し、図６（Ａ）は要部の正面図、図６（Ｂ）は要部の断面図である。

図６において、１は排気タービンのタービンケーシング、２はタービンケーシング１の内部に設けられたタービン、３はウエストゲートバルブである。ウエストゲートバルブ３は、排気流路４の上流側に設けられた開口５を開閉することにより、エンジン（図示を略す）から排気流路４を通ってタービン２に供給される排気を排気出口通路６と連通させることにより、タービン２をバイパスさせている。

ウエストゲートバルブ３は、開口５を開閉するとともに閉弁時には開口５の周囲を取り巻くように弁座５ａに密着する弁体７と、弁体７を支持するアーム８と、アーム８を支点Ｐで回動させて弁体７を開口５と交差する方向に移動させる駆動部９と、を備えている。

駆動部９の具体的な構成は省略するが、図示しない駆動源としてアクチュエータ等を用い、エンジン本体が所定回転数以下（例えば、３０００ｒｐｍ〜round/min＝回転／分）のときにアーム８を介して弁体７を閉弁させ、エンジン本体が所定回転数以上のときにアーム８を介して弁体７を開弁させる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−２３６０８８号公報

しかしながら、近年のエンジンのダウンサイジング化、より具体的には、より気筒数の少ないエンジンの採用や、小出力時に一部の気筒を停止させる運用が行われたりすることから、低回転時の振動が増加する傾向がある。このような振動増加の傾向から、上述した弁にあっては、弁体７が弁座５ａの開口５に密着するとともに、その形状が略円板状であることと相俟って、接触面積が大きく、エンジン本体の回転数と気筒数とで定まる排気脈動その他の振動に対して共振し易いという問題がある。

このような弁体７の振動は、特にエンジン本体の回転数が低い閉弁時において発生し易く、その閉弁時における弁座５ａとの接触に伴う磨耗・破損・騒音の発生要因となってしまい、弁体７の耐久性を損なうという問題が生じていた。

そこで、本発明は、弁体の耐久性を向上することができる弁を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の弁は、内燃機関の排気流路の途中に設けられて排気を放出する弁であって、前記排気流路に開口する弁座と、前記弁座に接して前記開口を閉弁する円錐面又は球面を有する弁体と、前記弁体を前記開口と交差する方向に移動させる移動手段と、前記弁体を前記移動方向に付勢する付勢手段と、を備え、前記付勢手段は、前記内燃機関の回転数と気筒数とで定まる排気脈動周波数の振動による前記弁体の振動を抑制する方向に制御することを特徴とする。

本発明の弁によれば、弁座が排気流路に開口し、円錐面又は球面を有する弁体が弁座に接して開口を閉弁し、移動手段が弁体を開口と交差する方向に移動し、付勢手段が弁体を移動方向に付勢するとともに、内燃機関の回転数と気筒数とで定まる排気脈動周波数の振動による弁体の振動を抑制する方向に制御するように付勢力が設定されていることにより、内燃機関の回転中に排気脈動周波数の振動によって弁体が共振してしまうことを抑制することができ、弁体の耐久性を向上することができる。

また、本発明の弁は、前記移動手段は、前記内燃機関の回転数の変化による排気脈動周波数に応じて前記付勢手段の付勢力を制御することを特徴とする。

本発明の弁によれば、内燃機関の回転数の変化による排気脈動の周波数に応じて付勢手段の付勢力が変更されることから、広い回転数の範囲において弁体の共振を抑制することができ、弁体およびこの弁体が接触する弁座の耐久性を向上することができる。

さらに、本発明の弁は、前記排気流路は前記内燃機関の気筒数に応じた排気経路によって一つの排気流路に合流され、前記弁座は合流された後の前記一つの排気流路の途中に設けられ、前記付勢手段は、前記弁体を閉弁方向に付勢するバネ部材であって、前記弁体が前記弁座に密着した閉弁時における前記内燃機関の所定回転数と気筒数とで定まる排気脈動周波数の振動による前記弁体の振動を抑制するバネ定数に設定され、前記移動手段は、前記内燃機関の回転数が所定回数よりもさらに低くなったときに前記弁体に加わる排気脈動周波数の振動による前記弁体の振動を抑制する方向に前記弁体を移動させることを特徴とする。

本発明の弁によれば、内燃機関の気筒数に応じた排気経路によって排気流路が一つの排気流路に合流され、合流された後の一つの排気流路の途中に弁座が設けられ、弁体を閉弁方向に付勢するバネ部材によって付勢手段が構成されるとともに、そのバネ定数は弁体が弁座に密着した閉弁時における内燃機関の所定回転数と気筒数とで定まる排気脈動周波数の振動による弁体の振動を抑制するように設定され、内燃機関の回転数が所定回数よりもさらに低くなったときに弁体に加わる排気脈動周波数の振動による弁体の振動を抑制する方向に移動手段が弁体を移動させることにより、弁体のさらなる共振を抑制することができ、弁体の耐久性を向上することができる。

本発明の弁は、弁による流路の閉鎖を確実にするとともに、弁体および弁座の耐久性を向上することができる。

本発明の一実施形態に係る弁を搭載したエンジンの給排気システムの説明図である。本発明の一実施形態の弁を搭載した排気ターボ過給機の排気タービンの一例を示し、（Ａ）は排気タービンの要部の正面図、（Ｂ）は要部の断面図である。弁の付勢手段とバネ定数との関係を示し、（Ａ）はバネ部材の一例を示す要部の説明図、（Ｂ）はバネ部材の他例を示す要部の説明図、（Ｃ）は排気脈動周波数と弁体の固有振動数との関係を示すグラフ図である。エンジン回転数と弁体の気筒数との関係における比較を示し、（Ａ）は４気筒４サイクルエンジンの場合の比較グラフ、（Ｂ）は２気筒４サイクルエンジンの場合の比較グラフである。本発明の変形例を示し、（Ａ）は弁座の変形例を示す要部の断面図、（Ｂ）は弁体の変形例を示す要部の断面図である。従来の弁を搭載した排気ターボ過給機の排気タービンを示し、（Ａ）は要部の正面図、（Ｂ）は要部の断面図である。

次に、本発明の一実施形態に係る弁について、図面を参照して説明する。なお、以下に示す実施形態は本発明の弁における好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定を付している場合もあるが、本発明の技術範囲は、特に本発明を限定する記載がない限り、これらの態様に限定されるものではない。また、以下に示す実施形態における構成要素は適宜、既存の構成要素等との置き換えが可能であり、かつ、他の既存の構成要素との組合せを含む様々なバリエーションが可能である。したがって、以下に示す実施形態の記載をもって、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。

図１は本発明の一実施形態に係る弁を搭載したエンジンの給排気システムの説明図、図２は本発明の一実施形態の弁を搭載した排気ターボ過給機の排気タービンの一例を示し、図２（Ａ）は排気タービンの要部の正面図、図２（Ｂ）は要部の断面図、図３は弁の付勢手段とバネ定数との関係を示し、図３（Ａ）はバネ部材の一例を示す要部の説明図、図３（Ｂ）はバネ部材の他例を示す要部の説明図、図３（Ｃ）は排気脈動周波数と弁体の固有振動数との関係を示すグラフ図、図４はエンジン回転数と弁体の気筒数との関係における比較を示し、図４（Ａ）は４気筒４サイクルエンジンの場合の比較グラフ、図４（Ｂ）は２気筒４サイクルエンジンの場合の比較グラフ、図５は本発明の変形例を示し、図５（Ａ）は弁座の変形例を示す要部の断面図、図５（Ｂ）は弁体の変形例を示す要部の断面図である。

図１において、エンジン１０のエンジン本体１１には、その吸気を各シリンダに分配する給気マニホールド１２が接続され、各シリンダからの排気を合流する排気マニホールド１３が接続されている。

また、前記給気マニホールド１２には、ターボチャージャ２０のコンプレッサ２１が設けられている。このコンプレッサ２１は同軸上に連結された排気タービン２２によって駆動される。前記給気マニホールド１２とコンプレッサ２１との間の吸気経路１４には、前記コンプレッサ２１で圧縮されて温度上昇した吸入空気と大気とで熱交換を行うインタークーラー１５が設けられている。また、前記吸気経路１４の前記インタークーラー１５よりも下流側には、前記吸気経路１４内を流通する吸入空気の流量を調整して、前記エンジン１０の出力を調整するスロットバルブ１６が設けられている。

前記排気マニホールド１２によって合流した排気が流れる排気流路１７の下流側には、前記排気タービン２２が設けられている。この排気タービン２２は、前記エンジン１０から排出されて前記排気流路１７から供給される排気により駆動される。また、前記排気流路１７には、前記排気タービン２２の排気入口側と排気出口側とを直接接続して前記排気タービン２２をバイパス（迂回）するバイパス流路１８が設けられている。このバイパス流路１８は、ウエストゲートバルブ３０によって排気流路１７に対して開閉される。

かかる構成により、前記エンジン本体１１からの排気は、前記排気マニホールド１３により集合して、前記排気流路１７を通して前記ターボチャージャ２０の排気タービン２２へと送り込まれ、この排気タービン２２により運動(回転)エネルギーに変換される。

この排気タービン２２の駆動によりコンプレッサ２１が回転し、給気を加圧する。加圧された給気は、吸気経路１４、インタークーラー１５、給気管５８を経て給気マニホールド１２からエンジン本体１１に供給される。

ここで、ウエストゲートバルブ３０を開いてバイパス流路１８を排気流路１７と連通させると、エンジン本体１１からの排気がバイパス流路１８を流れて排気タービン２２をバイパス（迂回）し、ターボチャージャ２０の過回転が防止される。

前記ウエストゲートバルブ３０の開閉は、例えば、コンプレッサ２１の出口圧により制御される。すなわち、検出された出口圧が予め設定した閾値以上になったときに、ウエストゲートバルブ３０を開き、また、予め設定した閾値以下になったときに、ウエストゲートバルブ３０を開いて、排気タービン２２をバイパスして排気を排出することにより、ターボチャージャ２０の過回転を防止することができる。なお、ターボチャージャ２０の回転数、エンジン１０の回転数、排気の圧力や流量など、凡そターボチャージャの回転に連動して変化する各種の測定値を前記ウエストゲートバルブ３０の開閉制御に用いることができる。

前記排気タービン２０は、図２に示すように、タービンケーシング２３に設けられている。このタービンケーシング２３は、排気流路１７の一部を形成しており、その上流側にはバイパス流路１８と連通する開口１９を有する弁座１９ａが設けられている。

前記ウエストゲートバルブ３０は、前記開口１９を開閉するとともに閉弁時には前記弁座１９ａの開口１９の周縁部に密着する弁体３１と、この弁体３１を支持するアーム３２と、このアーム３２を回動させて前記弁体３１を開口１９と交差する方向に移動させる駆動部３３とを備えている。前記弁体３１はアーム３２に対して、その回動の接線方向に移動可能に支持されるとともに、圧縮コイルバネ３４により、弁座１９ａへ向けて付勢されている。

前記弁体３１は、前記排気流路１７に向けて先細りとなる略円錐形状のものが用いられており、その外周が開口１９の内周に当接（理想的には線接触）することにより、開口１９を閉じ、また、開口１９から離れることによって開くようになっている。

前記駆動部３３の具体的な構成は省略するが、磁気、空気圧等により回転動作する周知のロータリーアクチュエータが用いられていて、支点Ｐを中心としてアーム３２を回動させる。また、前記駆動部３３は、エンジン本体が所定回転数以下（例えば、３０００ｒｐｍ）のときにアーム３２を回動させて弁体３１を閉弁させ、エンジン本体が所定回転数以上のときにアーム３２を回動させて弁体３１を開弁させるようにアーム３２と協働して移動手段として機能する。

前記コイルバネ３４は、図３（Ａ）に示すように、前記弁体３１が閉弁状態で弁座１９ａに接触した状態で圧縮状態となって弁体３１を弁座１９ａに密着させている。なお、付勢手段としては、図３（Ｂ）に示すように、前記弁体３１をバイパス流路１８から排気流路１７に向けて付勢するように前記アーム３２自体を板バネ３５とし、あるいは、前記アーム３２の先端に板バネ３５を設けてこの板バネ３５に弁体１９ａを支持させても良い。この際、これらコイルバネ３４や板バネ３５のバネ定数は、前記弁体３１が弁座１９ａに密着した閉弁時における前記エンジン本体１１の所定回転数と気筒数（図１では、４気筒）とで定まる排気脈動周波数の振動による前記弁体３１の振動を抑制するバネ定数に設定されている。具体的には、図３（Ｃ）に示すように、前記弁体３１の固有振動数が排気脈動周波数よりも低くする（図３（Ｃ）の√２以上の領域）ことで弁体３１の振動を抑制することができる。

上記の構成において、より具体的には、図４（Ａ）に示すように、前記エンジン本体１１が、４気筒４サイクルエンジンであった場合、そのエンジン回転数が１０００［ｒｐｍ］の場合の排気脈動周波数は、
１０００［ｒｐｍ］／６０×４［気筒］／２＝３３［Ｈｚ］
となる。なお、４サイクルの爆発は２回に１回であるため２で除算する。また、このエンジン回転数（１０００［ｒｐｍ］）以上を常用回転数と仮定した場合の弁体３１の固有振動値は、
３３［Ｈｚ］／√２＝２３［Ｈｚ］
以下とするのが望ましい。

これにより、常用回転数域又は弁開状態としたときの前記エンジン本体１１の回転数域の排気脈動周波数よりもバルブ固有値を十分小さくしておくことができ、前記弁体３１の排気脈動の振動数による固有の振動を抑制することができる。

また、同様に、図４（Ａ）に示すように、前記エンジン本体１１が、２気筒４サイクルエンジンであった場合、そのエンジン回転数が１０００［ｒｐｍ］の場合の排気脈動周波数は、
１０００［ｒｐｍ］／６０／ｍｉｎ×２［気筒］／２＝１７［Ｈｚ］
となる。また、このエンジン回転数（１０００［ｒｐｍ］）以上を常用回転数と仮定した場合の前記弁体３１の固有振動値は、
１７［Ｈｚ］／√２＝１２［Ｈｚ］
以下とするのが望ましい。

尚、図３（Ｂ）に示したよう板バネ３５を用いた場合、この板バネ３５の撓りによって弁体３１が円弧運動をするため、弁体３１が弁座１９ａに対して傾斜する可能性がある。そこで、図５（Ａ）に示すように、弁座１９ａの形状を、その周縁部（角部）をバイパス流路１８に向けて拡開する断面テーパ状としても良い。また、弁体３１の形状を、図５（Ｂ）に示すように、排気流路１７に向けて先細りとなる略半球面形状としても良い。

ところで、前記エンジン本体１１は、毎分０〜１万数千[ｒｐｍ]の回転をし、前記弁体３１は、その回転数が所定回転数以下（例えば、３０００［ｒｐｍ］）において開口１９を閉弁する。したがって、前記弁体３１は、０〜所定回転数の広い範囲で排気振動を受けることとなり、特に、その回転数が少ないほど排気による振動は大きくなる。

そこで、前記弁体３１を駆動する駆動部３３を利用して、そのエンジン回転数に対応して弁体３１の固有振動数を変化させることで、より確実に、排気脈動周波数の振動によって共振することを抑制することができる。

例えば、前記弁体３１が開口１９を閉じている閉弁状態では、エンジン本体１１も低回転数域となることから、前記弁体３１の固有振動数が小さい（バネ定数が小さい）と排気の静圧に対応できなくなるため、電磁バネ等を用いてバネ定数大きくしたり、駆動部３３のアクチュエータを作動させて閉弁方向に弁体３１をさらに押し付けることによって、前記弁体３１は閉弁状態を確保しつつ、共振を発生し難くすることができる。この際、例えば、前記エンジン本体１１の回転数を公知のセンサで監視し、所定回数以下の複数段階（例えば、１０００［ｒｐｍ］単位や５００［ｒｐｍ］単位）で設定して図示しない記憶媒体にテーブル方式で記憶したバネ定数や押し付け力が得られるように駆動部３３を制御することも可能である。

一方、前記弁体３１が開口１９を開いている開弁状態では、前記エンジン本体１１の回転数が高回転数域となることから、弁体３１の固有振動数と排気脈動周波数とが近いと共振する可能性があるため、弁体３１のバネ定数を十分低く（固有振動数を低く）しておくことで振動を抑えることが可能となる。

このように、本発明のウエストゲートバルブ３０によれば、円錐面又は球面を有する弁体３１が弁座１９ａに接して開口１９を閉弁し、駆動部３３が弁体３１を開口１９と交差する方向に移動させ、コイルバネ３４又は板バネ３５が弁体３１を移動方向に付勢するとともに、エンジン本体１１の回転数と気筒数とで定まる排気脈動周波数の振動による弁体３１の振動を抑制する方向に制御するようにコイルバネ３４又は板バネ３５の付勢力（具体的には、バネ定数）が設定されていることにより、エンジン本体１１が駆動している際の排気脈動周波数の振動によって弁体３１が共振してしまうことを抑制することができ、弁体３１の耐久性を向上することができる。

また、エンジン本体１１の回転数の変化による排気脈動の周波数に応じてコイルバネ３４又は板バネ３５の付勢力を調整することにより、弁体３１の振動周波数に応じて弁体３１に固有振動数を変更するようにしてもよい。

さらに、エンジン本体１１の気筒数に応じた排気経路によって排気流路１７が一つの排気流路１７に合流され、合流された後の一つの排気流路１７の途中に弁座１９ａが設けられ、弁体３１を閉弁方向に付勢するバネ部材としてのコイルバネ３４又は板バネ３５が構成されるとともに、そのバネ定数は弁体３１が弁座１９ａに密着した閉弁時におけるエンジン本体１１の所定回転数と気筒数とで定まる排気脈動周波数の振動による弁体３１の振動を抑制するように設定され、エンジン本体１１の回転数が所定回数よりもさらに低くなったときに弁体３１に加わる排気脈動周波数の振動による弁体３１の振動を抑制する方向に駆動部３３が弁体３１を移動させることにより、弁体３１のさらなる共振を抑制することができ、弁体３１の耐久性を向上することができる。

ところで、本発明の弁にあっては、ウエストゲートバルブ３０に適用したもので開示したが、内燃機関全般の排気系に適用することができることは勿論である。また、上記実施の形態では、４気筒４サイクルエンジン又は２気筒４サイクルエンジンの場合で説明したが、特に近年のダウンサイジングに伴う気筒数の縮小化（２気筒化）等への対応は勿論、ロータリエンジンへの対応や、アイドリングストップによる一時的な駆動気筒数の停止制御等への対応も可能である。

１０…エンジン
１１…エンジン本体（内燃機関）
１７…排気流路
１８…バイパス流路
１９…開口
１９ａ…弁座
３０…ウエストゲートバルブ（弁）
３１…弁体
３２…アーム（移動手段）
３３…駆動部（移動手段）
３４…コイルバネ（付勢手段）
３５…板バネ（付勢手段）

Claims

内燃機関の排気流路の途中に設けられて排気を放出する弁であって、
前記排気流路に開口する弁座と、
前記弁座に接して前記開口を閉弁する円錐面又は球面を有する弁体と、
前記弁体を前記開口と交差する方向に移動させる移動手段と、
前記弁体を前記移動方向に付勢する付勢手段と、
を備え、
前記付勢手段は、前記移動手段により、前記内燃機関の回転数と気筒数とで定まる排気脈動周波数の振動による前記弁体の振動を抑制する方向に付勢力が制御される
ことを特徴とする弁。
請求項１に記載の弁において、
前記移動手段は、前記内燃機関の回転数の変化による排気脈動周波数に応じて前記付勢手段の付勢力を制御する
ことを特徴とする弁。
請求項１に記載の弁において、
前記排気流路は前記内燃機関の気筒数に応じた排気経路によって一つの排気流路に合流され、
前記弁座は合流された後の前記一つの排気流路の途中に設けられ、
前記付勢手段は、前記弁体を閉弁方向に付勢するバネ部材であって、前記弁体が前記弁座に密着した閉弁時における前記内燃機関の所定回転数と気筒数とで定まる排気脈動周波数の振動による前記弁体の振動を抑制するバネ定数に設定され、
前記移動手段は、前記内燃機関の回転数が所定回数よりもさらに低くなったときに前記弁体に加わる排気脈動周波数の振動による前記弁体の振動を抑制する方向に前記弁体を移動させる
ことを特徴とする弁。