JP6020962B2 - ターボチャージャのウェストゲート構造 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気通路にターボチャージャの排気タービンと排気浄化装置とが配設された過給機付き内燃機関の排気浄化装置に関する。

一般に、内燃機関の出力向上、燃費改善を図るため排ガスを利用したターボチャージャ等の過給機が多用されている。
ターボチャージャは、排気通路を流れる排ガスによって排気タービンを駆動し、排気タービンと同軸的に連結されたコンプレッサによって、空気を過給し、内燃機関の出力を上げている。
排気タービンの排ガス流路下流側には、排ガスを浄化する排気浄化装置が配置されている。
排気浄化装置は排ガス流路の軸線に対する直角方向の断面積がより大きいハニカム構造の触媒担体が筒状のケーシング内に収納されている。

このように、内燃機関の排気通路にターボチャージャの排気タービンが設けられた場合、排気タービンより下流側の排気通路内において、排ガスの流れは排気通路の軸線周りに旋回する旋回流となる。
この排ガスの旋回流は、円柱状の触媒担体の前端面に対して接線方向ないしは傾斜方向の速度が大きい状態で、該触媒担体に流入することになる。
このことに起因して、該触媒担体の各セルに排ガスが流入しがたくなる。

特許文献１によると、排気通路のターボチャージャのウェストゲートの出口に、排気タービンの下流側に形成される旋回流を相殺する逆方向の旋回流を生じさせる逆旋回流発生手段を設けた技術が提案されている。
提案によると、排気タービンから流出した時に、下流側に形成される排ガスの旋回流が、ウェストゲートの出口に設けられた逆旋回流発生手段によって生じられた排ガスの逆旋回流によって、相殺されるので、排気浄化装置に流入する時は排気通路の軸線方向と略平行な流れになるので、排ガスが排気浄化装置内に入り易くなるとしている。

特開２００９−２７５５２７号公報

ところが特許文献１によると、ウェストゲートを開放する内燃機関稼働の領域は、これ以上過給圧を上げたくない場合に実施される。
この場合、過給圧をコントロールしている領域で排ガス流量が非常に多く、高温状態になっている。
このような状態においては、排気浄化装置の触媒担体温度も十分に高くなっており、排ガス浄化作用は問題なく行われる。
ところが、内燃機関始動時、即ち、冷態始動直後は、排気浄化装置の触媒温度が低く、排気浄化装置での排ガス浄化作用が十分に行われない。
そのため、触媒温度を早期に高める必要があるが、特許文献１には、冷態始動直後の触媒活性早期化に関する技術開示が成されていない。

本発明は、上述した従来技術の課題に鑑みなされた発明であって、内燃機関冷態始動直後の排ガス排出量の少ない時期に、排気浄化装置の温度上昇と、排ガスを混合（均一化）させて、排ガスと触媒との接触を促進し、触媒活性早期化による排ガス浄化の促進を図るターボチャージャのウェストゲート構造の提供を目的とする。

上記目的を達成するため本発明は、内燃機関の排気通路にターボチャージャの排気タービンと排気浄化装置とが配設された前記ターボチャージャのウェストゲート構造において、
ウェストゲート開口部の周辺で、且つ該ウェストゲート開口部の下流側に前記排気タービンから排出される排ガスの旋回流と同方向の旋回流を生起させる旋回流発生手段であって、
前記旋回流発生手段は、
前記ウェストゲート開口部を開閉すると共に排気通路側に開閉する蓋部材と、
該蓋部材に固着され、前記ウェストゲート開口部に対し外周部が摺動自在に嵌合する中空円筒状のガイド部材と、
を備え、
該ガイド部材の周壁は前記排ガスの旋回流と同方向に開口している切欠部を有し、
前記内燃機関の冷態時に前記蓋部材を開操作して前記ウェストゲート開口部を開放し、排ガスが前記ウェストゲート開口部を通過するようにした。

このような構成にすることにより、排ガスは排気タービンを駆動すると膨張により温度が低下する。
従って、内燃機関冷態時にウェストゲートを強制的に開操作することにより、排気タービン駆動による排ガス温度低下を防止して、高温を維持した排ガスを排気浄化装置に導入することにより、触媒活性早期化が可能となり、内燃機関始動早期における排ガス浄化の促進が可能となる。
更に旋回流により、排ガスの混合が促進され、触媒での浄化が効率よく行わせることができる。

このような構成にすることにより、ウェストゲート開口部を閉塞する蓋部材に旋回方向に切欠部を設けた構造なので、ターボチャージャ本体に設ける旋回流発生手段に対し、コストを抑制できる。

また、本発明において好ましくは、前記ウェストゲート開口部は、該ウェストゲート開口部が設けられている前記排気通路の円筒状の中心に対し偏心して配置され、前記切欠部は前記排ガスの旋回流と同方向に開口しているとよい。

このような構成にすることにより、ウェストゲート開口部を円筒状のウェストゲート通路に対し偏心、即ち、切欠部から噴出する排ガスが排気通路の内周面に沿って噴出してくるので、旋回流が強化される。

本発明によれば、内燃機関冷態始動直後の排ガス排出量の少ない時期に、排気浄化装置の温度上昇と、排ガスを混合（均一化）させて、排ガスと触媒との接触を促進し、触媒活性早期化による排ガス浄化の促進を図るターボチャージャのウェストゲート構造を提供することができる。

（Ａ）は本発明の実施形態における内燃機関の排気通路にターボチャージャと排気浄化装置とが配設された概略説明図、（Ｂ）は（Ａ）のＺ部拡大を示す。 図１（Ｂ）のＡ矢視における旋回流発生手段の第１実施例を示す。 本発明の旋回流発生手段の第２実施形態を示し、（Ａ）はウェストゲート閉塞状態図、（Ｂ）はウェストゲート解放状態図、（Ｃ）は（Ａ）のＺ矢視図を示す。 図１のＢ−Ｂ断面で、第２実施形態における排ガス旋回の説明図を示す。

以下、本発明の実施形態を図に基づいて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

（第１実施形態）
図１（Ａ）は、図示省略の内燃機関の排気通路にターボチャージャ１と排気浄化装置２とが配設された概略説明図を示す。
内燃機関（図示省略）のエキゾーストマニホールド１５から、排出された排ガスは、ターボチャージャ１を駆動して、排気通路である排気管６によって排気浄化装置２に導入され、該排気浄化装置２によって無害化（浄化）されて、大気に放出される。
一方、ターボチャージャ１の駆動によってエアクリーナ３にて取入れられた空気は圧縮されて、インレットマニホールド３１を介して内燃機関に供給される。

ターボチャージャ１は、内燃機関の排気マニホールドから排出される排ガスによって回転駆動される排気タービン１２と、該排気タービン１２に同軸的に連結され、エアクリーナ３から導入された空気を圧縮して、内燃機関のインレットマニホールド３１に圧縮空気を供給するコンプレッサ１３と、該コンプレッサ１３と排気タービン１２とそれらを連結する回転軸１４を内包したハウジング１１と、該ハウジング１１の排気タービン１２の排ガス流路上流側に配設され、コンプレッサ１３の過給圧が規定圧力を超えると、排ガスの一部を排気タービン１２をバイパスさせるウェストゲート５と、を備えている。

図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＺ部拡大図で、ウェストゲート５の排ガス排出部を示す。
ウェストゲート５は、ハウジング１１内に形成される排ガス流路で、且つ排気タービン１２の上流側に配設され、排ガスをバイパスさせるウェストゲート開口部５３と、該ウェストゲート開口部５３の開閉を行う蓋部材であるウェストゲートバルブ５１と、該ウェストゲートバルブ５１の開閉動作を行う電磁アクチュエータ５４と、該電磁アクチュエータ５４の開閉動作を制御するコントローラ５５と、エアクリーナ３が吸い込む空気圧を検知する空気圧センサ５５ｇと、該空気圧センサ５５ｇの検知圧力をコントローラ５５に入力する第１配線５５ａと、コンプレッサ１３による過給圧を検知する過給圧センサ５５ｆと、該過給圧センサ５５ｆの検知圧をコントローラ５５に入力する第２配線５５ｂ、内燃機関の冷却水温度検知する水温センサ５５ｅと、該水温センサ５５ｅが検知した水温をコントローラ５５に入力する第３配線５５ｃと及び電磁アクチュエータ５４を作動させる電力を供給する第４配線５５ｈと、電磁アクチュエータ５４の作動でウェストゲートバルブ５１を駆動するリンク部材５５ｄと、を備えている。

ウェストゲート５の一般状態時の作動について説明する。
内燃機関が作動すると、エキゾーストマニホールド１５から排ガスが排出される。排出される排ガスの量は、内燃機関の運転状況によって異なり、高負荷の場合は、排ガス排出量が多くなり、排気タービン１２の回転力及び回転数が高くなる。
それに伴い、排気タービン１２に同軸的に連結しているコンプレッサ１３の過給圧が上昇する。
ところが内燃機関の過給圧力は、内燃機関の耐久性を維持するため規定値以上の過給を行わないようになっている。
ウェストゲート５は、コンプレッサ１３による過給圧が規定以上になると電磁アクチュエータ５４を作動させて、ウェストゲートバルブ５１をウェストゲート開口部５３から離間させて、排ガスの一部を排気管６側に流し、排気タービン１２をバイパスさせるようになっている。

排ガスを排気タービン１２に対してバイパスさせることにより、コンプレッサ１３の過給圧は下がる。過給圧が規定値になるとウェストゲート５はウェストゲート開口部５３を閉塞して、内燃機関の正常な運転を維持するようになっている。

ところが、内燃機関始動時、即ち、内燃機関冷態時は、排気浄化装置２も大気温度と略同じ温度になっている。
即ち、水温センサ５５ｅの検知温度が規定値より低い温度を検知している。
一方、排気浄化装置２内に配設されている、排ガス浄化触媒は一定以上の温度にならないと十分な浄化作用を行わない。
このような状態においては、排ガス浄化触媒の温度を早く昇温させる必要がある。
内燃機関始動直後、排ガス量は少ないので、強制的にウェストゲート５を作動させて、排ガスの一部を排気管６側に流し、排ガス浄化触媒の昇温を促進させる。
排ガスは排気タービン１２を駆動した後は、排ガスの膨張により温度が下がると共に、排気タービン１２に排ガスの熱が吸収されるのを防止するため、ウェストゲート５を開放させて、排ガスが排気タービン１２をバイパスすることにより排ガス浄化触媒の昇温を促進させる。

ところが、排気浄化装置２は排気管６の軸線に対する直角方向の断面積が大きいハニカム構造の触媒担体が筒状のケーシング内に収納されている。
従って、内燃機関冷態時で、排ガス排出量が少ない昇温制御中の場合には、排気管６内の排ガスを旋回させながら触媒に導入させる方が触媒の活性が早くなることが、社内の実験結果で確認されている。
これは、触媒の昇温制御中であっても、排ガスが旋回しながら触媒に導入されることにより、触媒入口端面での面積利用率（排ガスと触媒との接触面積）の向上と、排ガスの混合が促進され、触媒での反応が高くなるためと解析している。

図２は、図１（Ｂ）のＢ−Ｂ断面で、本実施形態における排ガス旋回流を生起させる突起５２の配設状況を示す。
本実施形態では、内燃機関冷態運転中（内燃機関の水温センサ５５ｅの検出温度が所定値以下の間）にウェストゲート５を強制的に開放すると共に、ウェストゲート５の排ガス出口に旋回流発生手段である円弧状に延在する条状の突起５２が複数配設されている。
突起５２は、ウェストゲート開口部５３が形成されている壁面の排気管６側の外周縁から径方向に拡大した壁面５３ａに設けられている。
突起５２は、基端部がウェストゲート開口部５３の外周縁に位置し、先端部が径方向外方に向けて円弧状に形成されている。
円弧状の方向は、排気タービン１２の排ガス出口１７から排出される排ガス旋回流と同じ方向に、ウェストゲート開口部５３から排出された排ガスが流れるように設けてある。

このような構造にすることにより、排ガス排出量の少ない内燃機関始動直後で、冷態運転中にウェストゲート５を開放させる。ウェストゲート５の開放は、温度の高い排ガスを触媒に導入すると共に、排ガスを旋回させて、排ガス中に存在するＨＣ、窒素酸化物等の有害物質を混合させて、有害物質の均一化を図る。有害物質の均一化は、触媒入口端面での面積利用率（排ガスと触媒との接触面積）の向上と、排ガス中の有害物質の浄化が促進され、触媒での反応量を高くして、早期の排ガス浄化効果を得ることができる。

（第２実施形態）
本実施形態は、旋回流発生手段の構造が異なる以外は、第１実施形態と同じである。
従って、旋回流発生手段以外の説明は省略し、同じものは同一符号を付して説明は省略する。

図３（Ａ）は、ウェストゲート閉塞状態図、（Ｂ）はウェストゲート解放状態図、（Ｃ）は（Ａ）のＺ矢視図を示す。
ウェストゲート７のバイパス開閉部は、排ガスが通過するウェストゲート開口部７３と、該ウェストゲート開口部７３を閉塞又は解放するウェストゲートバルブ７１とで構成されている。
ウェストゲート７のウェストゲート開口部７３は、排気タービン１２の排ガス通路上流側に配設されている。
ウェストゲート開口部７３は、排気タービン１２のハウジング１１に対し直角方向に穿設されており、ハウジング１１の外側部は円錐状の第１シール面１１ａが形成されている。図１のＢ−Ｂ断面で、第２実施形態における排ガス旋回の説明図を示す。
図４は、図１（Ｂ）のＢ−Ｂ断面で、本実施形態における排ガス旋回例の説明図を示す。ウェストゲート開口部７３を排気通路６の下流側からの上流側視を示す。
ウェストゲート開口部７３は、該ウェストゲート開口部７３が設けられている排気管６側の壁面１１の外周が円筒状に形成され、該円筒形状の中心（軸線中心）である第２中心ＣＰ２に対し、ウェストゲート開口部７３の開口中心である第１中心ＣＰ１は、オフセットした位置に配設されている。

一方、ウェストゲートバルブ７１は、ウェストゲート開口部７３の円錐状の第１シール面１１ａに対向した円錐状の第２シール面７１ａを有した蓋部材である円錐台形状を成している。
ウェストゲートバルブ７１の円錐台形状の頂部には、ウェストゲート開口部７３の内周面に対し摺動自在のガイド部材７２が固着されている。
図３（Ｃ）に示すように、ガイド部材７２は中空円筒状を成し、該中空円筒状の壁面の一部に、排気管６の円筒状の周壁面と同方向で且つ、排気タービン排出口１７から排出される排ガスの旋回流と同方向に開口している切欠部７２ａを有している。
切欠部７２ａからの排ガスは、排気管６の円筒状の周壁面に沿った状態で排出されて旋回流となり、排気タービンの排ガス出口１７から排出される排ガスの旋回流と同じ方向に旋回するようになっている。

図３に基づいてウェストゲートバルブ７１の開閉について説明する。
図３（Ａ）にウェストゲートバルブ７１によってウェストゲート開口部７３が閉塞されている状況を示す。
ウェストゲートバルブ７１は、電磁アクチュエータ５４によってウェストゲートバルブ７１の第２シール面７１ａが第１シール面１１ａに押圧され、且つガイド部材７２がウェストゲート開口部７３に嵌合している。
従って、ウェストゲート開口部７３から排気管６側への排ガスの流出はない。

次にウェストゲートバルブ７１を作用させる場合について説明する。
ウェストゲート開口部７３から排ガスを排気管６に流す場合は、図３（Ｂ）の状態になる。即ち、電磁アクチュエータ５４によってウェストゲートバルブ７１が開方向〔図３（Ｂ）において右方向〕に駆動される。
ウェストゲートバルブ７１の第２シール面７１ａが第１シール面１１ａから離間すると共に、ガイド部材７２も開方向に駆動される。
ガイド部材７２の切欠部７２ａは、第２シール面７１ａと第１シール面１１ａとの離間部分（隙間）に連通した状態になる。
排ガスは、ガイド部材７２の中空円筒状部及び切欠部７２ａを通り、第２シール面７１ａと第１シール面１１ａとの離間部分から排気管６側へ流れる。

このような構造にすることにより、ウェストゲート開口部７３の開口中心ＣＰ１を、該ウェストゲート開口部７３を設けてある円形状の壁部の中心ＣＰ２に対してオフセットさせていることに加え、ガイド部材７２の切欠部７２ａを、排気管６の円筒形状の周壁面に沿った方向に開口してある。
従って、図４に示すように、切欠部７２ａを出た排ガスは、排気管６の円筒形状の周壁面によって旋回力が与えられ、且つ排気タービンの排ガス出口１７から排出される排ガスの旋回流と同じ方向になるように配置したので、暖機運転中の排ガス排出量の少ない状態時にあっても、排ガスの旋回流が加速される。
その結果、排ガスは、触媒入口端面での面積利用率（排ガスと触媒との接触面積）の向上と、排ガスの混合が促進され、触媒での反応量を高くして、早期の排ガス浄化効果を得るようにすることができる。

内燃機関の排気通路にターボチャージャと排気浄化装置とが配設された過給機付き内燃機関に利用できる。

１ ターボチャージャ
２ 排気浄化装置
５、７ ウェストゲート
６ 排気管（排気通路）
１１ ハウジング
１１ａ 第１シール面
１２ 排気タービン
１３ コンプレッサ
１７ 排ガス出口
５１、７１ ウェストゲートバルブ（蓋体）
５２ 突起
５３、７３ ウェストゲート開口部
５３ａ 外周壁面
５４ アクチュエータ
５５ コントローラ
７１ａ 第２シール面
７２ ガイド部材
７２ａ 切欠部

Claims (2)

1. 内燃機関の排気通路にターボチャージャの排気タービンと排気浄化装置とが配設された前記ターボチャージャのウェストゲート構造において、
   ウェストゲート開口部の周辺で、且つ該ウェストゲート開口部の下流側に前記排気タービンから排出される排ガスの旋回流と同方向の旋回流を生起させる旋回流発生手段であって、
   前記旋回流発生手段は、
   前記ウェストゲート開口部を開閉すると共に排気通路側に開閉する蓋部材と、
   該蓋部材に固着され、前記ウェストゲート開口部に対し外周部が摺動自在に嵌合する中空円筒状のガイド部材と、
   を備え、
   該ガイド部材の周壁は前記排ガスの旋回流と同方向に開口している切欠部を有し、
   前記内燃機関の冷態時に前記蓋部材を開操作して前記ウェストゲート開口部を開放し、排ガスが前記ウェストゲート開口部を通過するようにしたことを特徴とするターボチャージャのウェストゲート構造。
2. 前記ウェストゲート開口部は、該ウェストゲート開口部が設けられている前記排気通路の円筒状の中心に対し偏心して配置され、前記切欠部は前記排ガスの旋回流と同方向に開口していることを特徴とする請求項１記載のターボチャージャのウェストゲート構造。

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