JP2011144762A - ウエストゲートバルブ - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガス通路上のターボチャージャのタービンをバイパスするバイパス通路に設けられ、該バイパス通路を開閉するウエストゲートバルブであって、バルブ開度を調整することで前記バイパス通路を通過する排気ガス流量を安定して容易に制御することができるウエストゲートバルブを提供する。
【解決手段】エンジンの排気ガス通路上のターボチャージャのタービンをバイパスするバイパス通路に設けられ、該バイパス通路を開閉するウエストゲートバルブにおいて、前記バイパス通路上に、前記バイパス通路の軸方向と垂直又は傾斜角度を持った面上に形成される弁座と、前記弁座を含む面と０°＜β＜９０°である傾斜角度βを持った回転中心をもって回動可能であり、回動によって前記弁座から離接して弁を開閉する弁体とを有する。前記弁座は、前記バイパス通路の軸方向と垂直な面に対して、４５〜８０°の傾斜角で傾斜しており、前記傾斜角が６０〜７０°であることがさらに好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、エンジンの排気ガス通路上のターボチャージャのタービンをバイパスするバイパス通路に設けられ、該バイパス通路を開閉するウエストゲートバルブに関するものである。

エンジンの排気ガスのエネルギーにより、エンジンへの給気を加圧するターボチャージャにおいては、排気ガス圧力の増大によるターボチャージャの過回転を防止するため、ターボチャージャのタービンの排気ガス入口側から出口側に接続され、ウエストゲートバルブにより開閉されるバイパス通路が設けられている。

図９は、ウエストゲートバルブが適用されるエンジンの給排気装置の構成図である。
図９において、エンジン５２には、給気マニホールド５６を介して給気通路５８が接続されるとともに、排気マニホールド５４を介して排気通路６０が接続されている。
給気通路５８には、ターボチャージャ７０のコンプレッサ７０ａが設けられている。コンプレッサ７０ａは後述するタービン７０ｂに同軸駆動されるものである。給気通路５８のコンプレッサ２０ａよりも下流側には、給気通路５８を流れる吸入空気と大気で熱交換を行うインタークーラー６２が設けられている。また、給気通路５８のインタークーラー６２よりも下流側には、給気通路５８内を流通する吸入空気の流量を調節するスロットバルブ６４が設けられている。

排気通路６０には、ターボチャージャ７０のタービン７０ｂが設けられている。タービン７０ｂは、エンジン５２からの排気ガスにより駆動されるものである。また、排気通路６０には、タービン７０ｂの排気ガス入口側から出口側に接続されてタービン７０ｂをバイパスするバイパス通路２が設けられている。バイパス通路２には、該バイパス通路２を開閉するウエストゲートバルブ４が設けられている。

かかる構成により、エンジン２が運転されると、エンジン５２からの排気ガスは、排気マニホールド５４に集合して、排気通路６０を通してターボチャージャ７０のタービン７０ｂに送り込まれ、排気ガスによってタービン７０ｂを駆動する。

ターボチャージャ７０においては、タービン７０ｂの駆動によりコンプレッサ７０ａが同軸駆動されて給気を加圧する。該加圧された給気は、給気通路５８、インタークーラー６２、給気管５８を経て給気マニホールド５６からエンジン２に供給される。

ここで、ターボチャージャ２の過回転を防止する場合に、ウエストゲートバルブ４を開とし、エンジン２からの排気ガスをバイパス通路を流通させてタービン７０ｂをバイパスさせる運転を実施することがある。

例えば、コンプレッサ７０ａの出口圧を検出し、該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４を開き、排気ガスがタービン７０ｂをバイパスする運転とすることでターボチャージャの過回転を防止することができる。

従来、かかるウエストゲートバルブとして、バイパス通路の開口端のバイパス通路の軸方向と垂直な面上に弁座を設けたスイング式のバルブが採用されており、このようなウエストゲートバルブは例えば特許文献１などに開示されている。

図１１は、従来のウエストゲートバルブを示す側面図であり、図１２は、図１１におけるＢ方向矢視図である。なお図１１、図１２とも一部断面で表している。
図１１及び図１２において、ウエストゲートバルブ１０４は、一端を回転軸１４６に支持され該回転軸１４６の軸心ｒ’周りに、支持アーム１４８を介して矢印Ｗのように回動自在に支持された弁体１４４と、弁体１４４が着座する弁座１４２とを備えている。ウエストゲートバルブ１０４は、弁体１４４が弁座１４２に着座することで閉弁する構成である。
図１１及び図１２において、弁座１４２は、バイパス通路の軸方向と垂直な面上に構成されている。

弁体１４４を開く際には、回転軸１４６を回動させることで、該回転により支持アーム１４８を介して弁体１４４が弁座１４２から離隔する矢印Ｗ’のように回動して開弁する。

特開２００９−９２０２６号公報

従来、ウエストゲートバルブは、前記コンプレッサの出口圧などターボチャージャの過回転と関連のあるパラメータが予め設定した閾値以上となったときに全開、そうでないときに全閉とする開閉制御を行うことが主であった。
しかし近年、ウエストゲートバルブを積極的にターボチャージャの制御に用いることが求められており、ウエストゲートバルブの開度を全開及び全閉だけでなく中間開度で使用し、タービンのバイパス通路を通過する排気ガス量を調整することが求められている。

図１０は、図１１及び図１２に示したような従来のウエストゲートバルブにおけるバルブ開度とウエストゲートバルブ通過流量／全開流量［％］の関係を表したグラフである。ここで全開流量とは、ウエストゲートバルブを全開にしたときに、バイパス通路を流れる排気ガス流量をいい、ウエストゲートバルブ通過流量とは当該バルブ開度のときにバイパス通路を流れる排気ガス流量をいう。

図１０に示すように、バイパス通路の軸方向と垂直な面上に弁座を設けた従来のウエストゲートバルブにおいては、バルブ開度−流量特性のグラフの傾きが一定ではない。特にバルブ開度が小さいときには該グラフの傾きが大きく、バルブ開度の少しの違いでバイパス通路を通過する排気ガス流量が大きく変化する。そのため、従来のウエストゲートバルブでは、バイパス流路を通過する排気ガス量の制御が難しく、これはバルブ開度の小さな領域で顕著である。

また、ウエストゲートバルブには組み立てのためのがたつきが存在している場合がある。この場合、バルブ開度の小さな領域では、排気ガスの流れの変動により前記がたつき分だけバルブ開度が変化し、排気ガス流量が大きく変化してしまう可能性がある。

以上のように、バイパス通路の軸方向と垂直な面上に弁座を設けた従来の構造のウエストゲートバルブでは、バルブ開度を調整して、バイパス通路を通過する排気ガス量を制御することは困難である。

なお、近年ストロークセンサ付きのアクチュエータの適用化も進んでおり、エンジン側からの過給圧のより細かな制御が要求されている。該より細かな制御を行う方法としてＶＧ Ｎｏｚｚｌｅがあるが、高価なことや構造が複雑なことからガソリンエンジン用の高温度では信頼性が充分ではない。

従って、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、排気ガス通路上のターボチャージャのタービンをバイパスするバイパス通路に設けられ、該バイパス通路を開閉するウエストゲートバルブであって、バルブ開度を調整することで前記バイパス通路を通過する排気ガス流量を安定して容易に制御することができるウエストゲートバルブを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明においては、エンジンの排気ガス通路上のターボチャージャのタービンをバイパスするバイパス通路に設けられ、該バイパス通路を開閉するウエストゲートバルブにおいて、前記バイパス通路上に、前記バイパス通路の軸方向と垂直又は傾斜角度αを持った面上に形成される弁座と、前記弁座を含む面の傾斜方向と０°＜β＜９０°である傾斜角度βを持った回転中心をもって回動可能であり、回動によって前記弁座から離接して弁を開閉する弁体とを有することを特徴とする。

これにより、ウエストゲートバルブのストロークの分解能が細かくなる。よって、ウエストゲートバルブを通過する排気ガス流量がバルブ開度に対して鈍感になる。これは特にバルブ開度の小さい領域で顕著である。
従って、バルブ開度によってバイパス流路を通過する排気ガス量を制御することがバルブ開度の小さな領域を含めて全般に容易となる。

また、前記弁体は、前記弁座を含む面と傾斜を持った回転軸に、該回転軸の軸心周りに回動可能に支持されているとよい。
これにより、前記弁体を排気ガスの流れと垂直な方向の回転中心をもって回動させることが容易になる。

また、前記弁座は、バイパス通路の軸方向と垂直な面に対して、α＝４５〜８０°の傾斜角で傾斜しているとよい。
前記傾斜角が８０°を超えると閉弁したときのシール性の確保が難しくなり、閉弁時においてもウエストゲートバルブを排気ガスが通過してしまう可能性がある。
また、傾斜角が４５°を下回ると、排気ガス流量を安定して制御することができる効果が小さい。

また、前記弁座は、バイパス通路の軸方向と垂直な面に対して、α＝６０〜７０°の傾斜角で傾斜しているとよい。
前記傾斜角が７０°以下であると閉弁したときに高いシール性を確保することができる。また、前記傾斜角が６０°以上であると、ウエストゲートバルブを通過する排気ガス流量をより安定して制御することができる。

排気ガス通路上のターボチャージャのタービンをバイパスするバイパス通路に設けられ、該バイパス通路を開閉するウエストゲートバルブであって、バルブ開度を調整することで前記バイパス通路を通過する排気ガス流量を安定して容易に制御することができる。

本発明のウエストゲートバルブを示す側面図であって、傾斜角度αを有する一部断面で示したものである。 図１におけるＡ方向矢視図である。 図１に示したウエストゲートバルブの角度βを０°に近い角度に変形した変形例におけるウエストゲートバルブを示す側面図である。 図１に示したウエストゲートバルブの角度βを９０°に近い角度に変形した変形例におけるウエストゲートバルブを示す側面図 図１に示したウエストゲートバルブの角度αを０°に変形した変形例におけるウエストゲートバルブを示す側面図である。 図５に示したウエストゲートバルブの角度βを０°に近い角度に変形した変形例におけるウエストゲートバルブを示す側面図である。 図５に示したウエストゲートバルブの角度βを９０°に近い角度に変形した変形例におけるウエストゲートバルブを示す側面図である。 図１に示した本実施例のウエストゲートバルブにおける回転量とウエストゲートバルブ通過流量／全開流量［％］の関係を示すグラフである。 ウエストゲートバルブが適用されるエンジンの給排気装置の構成図である。 従来のウエストゲートバルブにおけるバルブ開度とウエストゲートバルブ通過流量／全開流量［％］の関係を表したグラフである。 従来のウエストゲートバルブを示す側面図であり、一部断面で示したものである。 図１１におけるＢ方向矢視図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

実施例において、本発明のウエストゲートバルブが適用されるエンジンの給排気装置の構成は、図９に示した従来の構成と同様であるため、図９を本実施例に流用しその説明を省略する。

図１は、本発明のウエストゲートバルブを示す側面図であって、一部断面で示したものである。図２は、図１におけるＡ方向矢視図である。
図１及び図２を用いて本実施例のウエストゲートバルブについて説明する。

ウエストゲートバルブ４は、バイパス通路２の端部で排気通路６０（図１においては不図示）に開口した開口端を弁座４２とし、一端を回転軸４６に支持され該回転軸の軸心ｒ周りに、支持アーム４８を介して矢印Ｗのように回動自在に支持された弁体１４４が弁体１４２に着座することで閉弁する構成である。

バイパス通路の開口端である弁座４２は、バイパス通路２の軸方向、即ちバイパス通路２内の排気ガスの流れｆと垂直な仮想面ｐに対して角度αだけ傾斜した面上に形成されている。

また、支持アーム４８を介して弁体４４を支持している回転軸４６は、回転軸４６の回転中心ｒと弁座４２が形成される面とが０°＜β＜９０°である傾斜角度βを持つように配置される。本実施例においては、回転軸４６の回転中心ｒが前記仮想面ｐと平行な面上にあり、β＝αである例を示している。
これにより、弁体４４を開く際には、回転軸４６を回動させることで、該回転により支持アーム４８を介して弁体４４が弁座４２から離隔する矢印Ｗのように回動して開弁する。

以上のように、バイパス通路の開口端である弁座４２をバイパス通路２の軸方向、即ち排気ガスの流れｆと垂直な仮想面ｐと角度αだけ傾斜した面上に形成し、弁体４４を回転中心が弁座４２が形成される面と傾斜角度を持った方向となるように回転させる構成とすることで、ウエストゲートバルブのストロークの分解能が細かくなる。これにより、ウエストゲートバルブを通過する排気ガス流量がバルブ開度に対して鈍感になる。これは特にバルブ開度の小さい領域で顕著である。

従って、バルブ開度によってバイパス流路２を通過する排気ガス量を制御することが、バルブ開度の小さな領域を含めて全般に容易となる。
また、ウエストゲートバルブには組み立てのためのがたつきが存在している場合であって、前記がたつきによってバルブ開度が少量変化しても、ウエストゲートバルブを通過する流量がバルブ開度に鈍感であるので、ウエストゲートバルブを通過する排気ガス流量は大きく変化せず特に問題は生じない。

図３は、図１に示したウエストゲートバルブの角度βを０°に近い角度に変形した変形例におけるウエストゲートバルブを示す側面図、図４は、図１に示したウエストゲートバルブの角度βを９０°に近い角度に変形した変形例におけるウエストゲートバルブを示す側面図である。
角度βが図１、図３、図４に示したように、０°＜β＜９０°の範囲であれば、ウエストゲートバルブのストロークの分解能が細かくなり、ウエストゲートバルブを通過する排気ガス流量がバルブ開度に対して鈍感になる効果を得ることができる。

図５は、図１に示したウエストゲートバルブの角度αを０°に変形した変形例におけるウエストゲートバルブを示す側面図である。即ち、図５においてはバイパス通路の軸方向と垂直な面上に弁座が設けられている。図６は、図５に示したウエストゲートバルブの角度βを０°に近い角度に変形した変形例におけるウエストゲートバルブを示す側面図、図７は、図５に示したウエストゲートバルブの角度βを９０°に近い角度に変形した変形例におけるウエストゲートバルブを示す側面図である。
角度αが０°、即ちバイパス通路の軸方向と垂直な面上に弁座が設けられており、角度βが図５〜図７に示したように、０°＜β＜９０°の範囲である場合にも、ウエストゲートバルブのストロークの分解能が細かくなり、ウエストゲートバルブを通過する排気ガス流量がバルブ開度に対して鈍感になる効果を得ることができる。

図８は、図１に示した本実施例のウエストゲートバルブにおける回転量とウエストゲートバルブ通過流量／全開流量［％］の関係を示すグラフである。縦軸はウエストゲートバルブ通過流量／全開流量［％］、横軸は回転量を表している。ここで回転量とは、弁体４４がバイパス通路２の軸方向、即ち排気ガスの流れｆと垂直な方向の回転中心を中心に回転した量であって、バルブ開度に相当する。

図８には、図１に示した傾斜角度αが０°、４５°、６０°、７０°の４種類のグラフを示している。傾斜角度０°のグラフは従来のウエストゲートバルブを意味する。
図８から、傾斜角度αが大きいほどウエストゲートバルブを通過する排気ガス流量がバルブ開度に対して鈍感になっていることが確認できる。従って傾斜角度αを大きくするほど、バルブ開度を調整してウエストゲートバルブを通過する排気ガス流量を安定して制御することができるといえる。
傾斜角度αが４５°を下回ると、排気ガス流量を安定して制御することができる効果が小さいことから傾斜角度αの下限値は４５°とする必要があり、より安定して排気ガス流量を制御するために傾斜角度αの下限値を６０°とすることが好ましい。

また、傾斜角度αが大きすぎると閉弁したときのシール性の確保が難しくなり、傾斜角度αが８０°を超えると閉弁時においてもウエストゲートバルブを排気ガスが通過してしまう可能性がある。そのため傾斜角度αの上限値は８０°とする必要があり、該上限値を７０°とすることが好ましい。

即ち、傾斜角度αが４５〜８０°、より好ましくは６０〜７０°であれば、高いシール性を確保することができ、しかもウエストゲートバルブの開度調整によって、ウエストゲートバルブを通過する排気ガス量を安定して制御することができる。

排気ガス通路上のターボチャージャのタービンをバイパスするバイパス通路に設けられ、該バイパス通路を開閉するウエストゲートバルブであって、バルブ開度を調整することで前記バイパス通路を通過する排気ガス流量を安定して容易に制御することができるウエストゲートバルブとして使用することができる。

２ バイパス通路
４ ウエストゲートバルブ
４２ 弁座
４４ 弁体
５２ エンジン
６０ 排気通路
７０ ターボチャージャ
７０ｂ タービン

Claims (4)

1. エンジンの排気ガス通路上のターボチャージャのタービンをバイパスするバイパス通路に設けられ、該バイパス通路を開閉するウエストゲートバルブにおいて、
   前記バイパス通路上に、前記バイパス通路の軸方向と垂直又は傾斜角度を持った面上に形成される弁座と、
   前記弁座を含む面の傾斜方向と０°＜β＜９０°である傾斜角度βを持った回転中心をもって回動可能であり、回動によって前記弁座から離接して弁を開閉する弁体とを有することを特徴とするウエストゲートバルブ。
2. 前記弁体は、前記弁座を含む面と傾斜角βを持った回転軸に、該回転軸の軸心周りに回動可能に支持されていることを特徴とする請求項１記載のウエストゲートバルブ。
3. 前記弁座は、バイパス通路の軸方向と垂直な面に対して、４５〜８０°の傾斜角αで傾斜していることを特徴とする請求項１又は２に記載のウエストゲートバルブ。
4. 前記傾斜角αは、６０〜７０°であることを特徴とする請求項３記載のウエストゲートバルブ。

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