説明

調整バルブ及び過給装置

【課題】流体を円滑に流動させ、流体の流動に関する損失を減少させることのできる調整バルブ及び過給装置を提供すること。
【解決手段】本発明の調整バルブ75は、第1流路71と、該第1流路71に合流する第2流路72との合流部Mに設けられ、第2流路72から第1流路71に導入される流体の流量を調整する調整バルブであって、第2流路72の第1流路71側に設けられる弁座81と、少なくとも、弁座81に当接して第2流路72を閉塞する第1位置P1と、第2流路72から第1流路71に導入される流体の流動特性に基づいて設定される第2位置P2との間を移動する弁体82とを有するという構成を採用する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、調整バルブ及び過給装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来から、容量の異なる複数のターボチャージャを備え、これら複数のターボチャージャの動作を逐次切り替えることで、エンジンの低回転域から高回転域に亘りその性能を向上させる過給装置が用いられている(例えば、特許文献1参照)。
ターボチャージャは、エンジンから排出される排気ガスの流動によって動作する。上記過給装置は、エンジンの低回転域では排気ガスの流量が少ないため、応答性の良い小型ターボチャージャに排気ガスを供給することでターボラグを短縮し、エンジンの高回転域では排気ガスの流量が多くなるため、大型ターボチャージャに排気ガスを供給してエンジンの性能を大きく向上させている。
【0003】
エンジンから排出される排気ガスの流路は分岐され、複数のターボチャージャにそれぞれ接続されている。流路の分岐点(又は、分岐した流路が再び合流する箇所)には、排気ガスの流動方向を切り替えると共にその流量を調整する調整バルブが設けられている。この調整バルブには、ターボチャージャにおけるウェイストゲートバルブと同様のバルブ構成が用いられており、流路の端部に設けられる略円環状の弁座と、アクチュエータ等の作動により上記弁座に当接して流路を開閉できる弁体とを有している。弁体と弁座との間の間隔を調整することで、排気ガスの流量が調整され、各ターボチャージャに導入される排気ガスの流量が変化する。そして、調整バルブが排気ガスの流量を調整することで、複数のターボチャージャ間における動作の切替が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2007−71179号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、上述した従来技術には、以下のような課題が存在する。
上述したように、従来の調整バルブにはウェイストゲートバルブと同様のバルブ構成が用いられている。
しかし、このバルブ構成を用いた場合、特にバルブ開度が小さいときに排気ガスを円滑に流動させることが難しく、複数のターボチャージャ間における動作の切り替えを円滑に行うことが困難であるという課題があった。また、流動に関する損失が大きいことから、過給装置の効率が低下するという課題があった。
【0006】
本発明は、以上のような点を考慮してなされたもので、流体を円滑に流動させ、流体の流動に関する損失を減少させることのできる調整バルブ及び過給装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の調整バルブは、第1流路と、該第1流路に合流する第2流路との合流部に設けられ、第2流路から第1流路に導入される流体の流量を調整する調整バルブであって、第2流路の第1流路側に設けられる弁座と、少なくとも、弁座に当接して第2流路を閉塞する第1位置と、第2流路を開放し第2流路から第1流路に導入される流体の流動特性に基づいて設定される第2位置との間を移動する弁体とを有するという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、第2位置が、第2流路から第1流路に導入される流体の流動特性に基づいて設定されていることから、弁体が第2位置にあるときに、流体は第2流路から第1流路に円滑に流入し、且つその流動に関する損失が低減する。
【0008】
また、本発明の調整バルブは、第2位置にある弁体を通過した流体の流動方向が、第1流路の延在方向と略同一であるという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、第2流路から第1流路に導入され第2位置にある弁体を通過した流体の流動方向が、第1流路の延在方向と略同一であることから、流体は第2流路から第1流路に円滑に流入し、且つその流動に関する損失が低減する。
【0009】
また、本発明の調整バルブは、弁体が、所定の支持部に回動自在に支持される回動レバーに設けられ、支持部が、第1流路と第2流路との間に設置されているという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、支持部を第2流路の第1流路と逆側に設置した場合に比べ、調整バルブを設置するためのスペースを縮小することができる。
【0010】
また、本発明の調整バルブは、第1流路と第2流路との間の壁部が、第1流路に臨んで設けられる凹部を有し、支持部が、凹部内に設置されるという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、支持部が凹部内に設置されていることから、弁体が弁座に当接して第2流路を閉塞している場合での、第1流路内での流体の流動に関する損失が低減する。
【0011】
また、本発明の過給装置は、容量の異なる複数のターボチャージャと、調整バルブの開度を制御する制御部とを備え、調整バルブは、制御部の制御に基づいて、複数のターボチャージャのそれぞれに導入される流体の流量を調整して、複数のターボチャージャ間での動作の切り替えを行うという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、第2位置は、第2流路から第1流路に導入される流体の流動特性に基づいて設定されていることから、弁体が第2位置にあるときに、流体は第2流路から第1流路に円滑に流入し、且つその流動に関する損失が低減する。そのため、複数のターボチャージャ間での動作の切り替えが円滑に行われ、過給装置の効率を向上させることが可能となる。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、調整バルブを用いて第2流路から第1流路に導入される流体の流量を調整するにあたり、流体を円滑に流動させることができ、且つ流体の流動に関する損失を減少させることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】駆動系1の全体構成を示す概略図である。
【図2】調整バルブ75の構成を示す概略図である。
【図3】調整バルブ75の動作を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、本発明の調整バルブ及び過給装置に係る実施の形態を、図1から図3を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。
【0015】
図1は、本実施形態に係る調整バルブ及び過給装置が設けられている駆動系1の全体構成を示す概略図である。
駆動系1は、車両等に設けられ、該車両を走行させるための系であって、エンジン2と、過給装置3とを有している。
【0016】
エンジン2は、空気と燃料との混合気体を燃焼させて、車両を走行させるための駆動力を発生する駆動装置である。エンジン2は、過給装置3から吐出された空気が導入される流路であるエンジン給気流路21と、エンジン給気流路21から供給された空気と燃料との混合気体を燃焼させる複数の燃焼室(図示せず)を備えるエンジンブロック22と、エンジンブロック22から排出された排気ガスを過給装置3に供給する流路であるエンジン排気流路23とを有している。
【0017】
過給装置3は、容量の異なる複数のターボチャージャを備え、ターボチャージャの動作により圧縮された空気をエンジン2に供給してエンジン2の性能を向上させる装置である。また、上記複数のターボチャージャは、エンジン2の排気ガスの流動に関して直列に配列されており、過給装置3はいわゆるシーケンシャルタイプの過給装置である。過給装置3は、第1ターボチャージャ(ターボチャージャ)4と、第2ターボチャージャ(ターボチャージャ)5と、給気部6と、排気部7と、制御部9とを有している。
【0018】
第1ターボチャージャ4は、導入される排気ガスの流量が少なくても作動することのできる小型・小容量のターボチャージャである。第1ターボチャージャ4は、エンジン2から排出された排気ガスが導入されることで回転する第1タービン41と、給気部6から供給される空気を圧縮する第1コンプレッサ42と、第1タービン41の回転駆動力を第1コンプレッサ42に伝達する軸である第1回転軸43とを有している。なお、第1タービン41の排気ガス導入口にはエンジン排気流路23が接続され、第1コンプレッサ42の吐出口にはエンジン給気流路21が接続されている。
【0019】
第2ターボチャージャ5は、第1ターボチャージャ4よりも大型・大容量のターボチャージャである。第2ターボチャージャ5は、エンジン2から排出された排気ガスが導入されることで回転する第2タービン51と、給気部6から供給される空気を圧縮する第2コンプレッサ52と、第2タービン51の回転駆動力を第2コンプレッサ52に伝達する軸である第2回転軸53とを有している。
【0020】
給気部6は、車両の外部から導入された空気を、第1ターボチャージャ4及び第2ターボチャージャ5に供給するものであって、空気が流動する流路である第1給気流路61から第3給気流路63と、空気を一方向のみに流動させる逆止弁64とを有している。
【0021】
第1給気流路61は、車両の外部から導入された空気を第2コンプレッサ52に供給する流路であって、その上流側には車両の外部から導入された空気を濾過して粉塵等を除去する不図示のエアクリーナが接続され、その下流側は第2コンプレッサ52の吸気口に接続されている。
第2給気流路62は、第2コンプレッサ52から吐出された空気を第1コンプレッサ42に供給する流路であって、その上流側は第2コンプレッサ52の吐出口に接続され、その下流側は第1コンプレッサ42の吸気口に接続されている。
【0022】
第3給気流路63は、第2コンプレッサ52から吐出された空気を、第1コンプレッサ42を通さずにエンジン2側に流動させるバイパス流路であって、第2給気流路62とエンジン給気流路21との間に設けられている。
逆止弁64は、第2給気流路62と第3給気流路63との接続部に設けられ、第1コンプレッサ42によって圧縮されエンジン給気流路21に流入した空気が第3給気流路63を介して第2給気流路62に戻ることを防止するための弁である。
【0023】
排気部7は、エンジン2から排出された排気ガスを第1タービン41及び第2タービン51に供給し、最終的には車両の外部に放出するものであって、第1排気流路(第1流路)71から第4排気流路74と、調整バルブ75と、ウェイストゲートバルブ76とを有している。
【0024】
第1排気流路(第1流路)71は、第1タービン41から吐出された排気ガスを第2タービン51に供給する流路であって、その上流側は第1タービン41の吐出口に接続され、その下流側は第2タービン51の排気ガス導入口に接続されている。
第2排気流路(第2流路)72は、エンジン2から吐出された排気ガスを、第1タービン41を通さずに第2タービン51側に流動させるバイパス流路であって、エンジン排気流路23と第1排気流路71との間に設けられている。
【0025】
第3排気流路73は、第2タービン52から吐出された排気ガスを車両の外部に向けて流動させる流路であって、その上流側は第2タービン51の吐出口に接続され、その下流側は排気ガスを浄化する不図示のガス浄化装置に接続されている。
第4排気流路74は、第1タービン41から吐出された排気ガスを、第2タービン51を通さずに車両の外部に向けて流動させるバイパス流路であって、第1排気流路71と第3排気流路73との間に設けられている。
【0026】
調整バルブ75は、制御部9の制御に基づいて、第2排気流路72から第1排気流路71に導入される排気ガスの流量を調整し、第1ターボチャージャ4と第2ターボチャージャ5との動作の切り替えを行うものである。調整バルブ75は、第1排気流路71と第2排気流路72との合流部M(図2参照)に設けられている。なお、調整バルブ75の詳細は後述する。
【0027】
ウェイストゲートバルブ76は、第1排気流路71と第4排気流路74との接続部に設けられ、第2タービン51に所定の流量以上の排気ガスが流入するときに、排気ガスを下流側にバイパスさせて第2タービン51のオーバーブーストによる破損を防ぐための弁である。ウェイストゲートバルブ76には、不図示のアクチュエータが接続されている。
【0028】
制御部9は、調整バルブ75の動作を制御して、第2排気流路72から第1排気流路71に導入される排気ガスの流量を調整し、第1ターボチャージャ4と第2ターボチャージャ5との動作の切り替えを制御するためのものである。なお、制御部9は、例えば駆動系1においてエンジン2等の動作を制御するエンジンコントロールユニット(ECU)であってもよい。
【0029】
続いて、調整バルブ75の構成を、図2を参照して詳細に説明する。
図2は、調整バルブ75の構成を示す概略図である。
調整バルブ75は、図2の紙面上下方向に略平行して延在する第1排気流路71と、第1排気流路71に合流する第2排気流路72との合流部Mに設けられ、第2排気流路72から第1排気流路71に導入される排気ガスの流量を調整するためのバルブである。調整バルブ75は、弁座81と、弁体82と、回動レバー83と、支持軸(支持部)84と、不図示の駆動部とを有している。
【0030】
弁座81は、第2排気流路72における第1排気流路71側の端部に設けられている。弁座81における弁体82が当接する当接面は、所定の平面と平行すると共に、略環状に形成されている。なお、弁座81の上記当接面は、従来の調整バルブと比較すると、より第1排気流路71の延在方向に沿う姿勢で設けられ、第2排気流路72から第1排気流路71に導入される排気ガスの流動特性(例えば、排気ガスの流量や流動に関する損失等)に基づいて設定されている。すなわち、排気ガスの流動特性に基づいて、弁座81の位置及び姿勢が設定されている。
【0031】
弁体82は、略円板状の部材であって、弁座81と協働して第2排気流路72から第1排気流路71に導入される排気ガスの流量を調整するものである。弁体82は、弁座81と逆側に設けられた第2支持軸85を介して、回動レバー83に設けられている。また、弁体82は、合流部Mの第1排気流路71側に配置されている。
弁体82における弁座81と当接する箇所は、略平面状に形成され、弁座81と当接することで第2排気流路72を閉塞できる形状で形成されている。また、弁座81又は弁体82に、第2排気流路72の密閉性を高めるためのシール部材等を設けてもよい。
【0032】
回動レバー83は、弁体82を移動させるためのレバー状の部材であって、支持軸84に回動自在に支持されている。回動レバー83には、弁体82の第2支持軸85が貫通する孔部(図示せず)が形成されている。該孔部は、第2支持軸85との間に所定の隙間を有しており、回動レバー83は多少のガタがある状態で第2支持軸85を支持している。
【0033】
支持軸84は、第1排気流路71を有する管部材71aに回転自在に軸支され、管部材71aの外部に設けられている不図示の駆動部と連結されている。該駆動部は、制御部9と電気的に接続され、制御部9の制御に従い支持軸84を回転させることができる。また、支持軸84は、回動レバー83と一体的に接続されている。
支持軸84は、第1排気流路71と第2排気流路72との間に設置されている。このため、支持部84を第2排気流路72の第1排気流路71と逆側に設置した場合に比べ、調整バルブ75を設置するためのスペースを縮小することができる。また、より詳細には、第1排気流路71と第2排気流路72との間の壁部71bは、第1排気流路71に臨んで設けられる凹部71cを有しており、支持軸84は凹部71c内に設置されている。
【0034】
上述したように、弁体82は、回動レバー83を介して支持軸84に支持されている。そのため、支持軸84が不図示の駆動部の作動によって回転することで、弁体82は第1排気流路71内で移動することができる。すなわち、弁体82は、図2に示す第1位置P1、第2位置P2及び第3位置P3の間を移動することができる。
【0035】
第1位置P1は、弁体82が弁座81に当接する位置である。第1位置P1にある弁体82は、第2排気流路72を閉塞している。
第2位置P2は、弁体82が弁座81との間に所定の間隔を形成する位置であり、且つ第2排気流路72から弁体82を通過した排気ガスの流動方向が、第1排気流路71の延在方向と略同一となる位置である。すなわち、第2位置P2は、排気ガスの流動特性、例えば排気ガスの流動方向や流動に関する損失に基づいて設定される位置である。
第3位置P3は、弁体82が弁座81から最大に離間した位置であり、エンジン2から排出される排気ガスがほぼ全て第2排気流路72を流動しているときの位置である。
【0036】
続いて、本実施形態における駆動系1の動作を説明する。なお、エンジン2及び各ターボチャージャ等の一般的な動作についてはその説明を省略し、本発明に係る調整バルブ75と関わる動作についてのみ説明する。
【0037】
以下、駆動系1における調整バルブ75と関わる動作を、図3を参照して説明する。
図3は、調整バルブ75の動作を示す概略図であって、(a)は弁体82が第1位置P1にあるときの概略図、(b)は弁体82が第2位置P2にあるときの概略図、(c)は弁体82が第3位置P3にあるときの概略図である。
【0038】
以下の動作説明は、エンジン2がその回転数を低回転域から高回転域まで上昇させる過程について説明する。
まず、エンジン2の回転数が低回転域にあるときは、制御部9は弁体82を第1位置P1に保持させる(図3(a)参照)。第1位置P1にある弁体82は弁座81に当接しているため、第2排気流路72は弁体82によって閉塞され、第2排気流路72内を排気ガスは流動しない。よって、エンジン2から排出された排気ガスは、全てエンジン排気流路23から第1タービン41に導入される。
【0039】
第1タービン41に導入された排気ガスは、第1ターボチャージャ4を作動させた後、第1タービン41の吐出口から第1排気流路71に流動する。そして、調整バルブ75の近傍では、排気ガスは、図3(a)に示す矢印G1の向きで流動する。
このとき、支持部84が凹部71c内に設けられているため、回動レバー83も凹部71c内に配置され、回動レバー83及び弁体82は第1排気流路71内における排気ガスの流動(G1)を阻害しない位置に設けられることから、その流動に関する損失を低く抑えることができる。
【0040】
次に、エンジン2の回転数が上昇すると共に、過給装置3の動作の主体を第1ターボチャージャ4から第2ターボチャージャ5に切り替える。
エンジン2の回転数が上昇すれば、排出される排気ガスの流量が増加することから、小型・小容量の第1ターボチャージャ4では排気ガスの流動に関するエネルギーを十分に利用することができなくなる。そのため、過給装置3の動作の主体を、大型・大容量の第2ターボチャージャ5に切り替える。ここで、駆動系1全体としての動作を不安定化させないために、第1ターボチャージャ4から第2ターボチャージャ5への動作の切り替えは円滑に行う必要がある。
【0041】
制御部9が不図示の駆動部を作動させて支持部84を回転させ、回動レバー83に接続される弁体82を弁座81から僅かに離間させる。すなわち、制御部9が弁体82を、図3(b)に示す第2位置P2に移動させる。
【0042】
弁体82と弁座81とが互いに離間するため、第2排気流路72から第1排気流路71に排気ガスが矢印G2Aの向きで流動し始める。このとき、未だ矢印G1で示される排気ガスの流れは存在しており、第1ターボチャージャ4も作動している。もっとも、排気ガスの流動においては、第1タービン41を通るよりもバイパス流路である第2排気流路72を通る方がその流動抵抗が少なくなるため、調整バルブ75の開度が大きくなるに従い、排気ガスはより第2排気流路72を流動し、過給装置3の動作の主体が漸次第1ターボチャージャ4から第2ターボチャージャ5に切り替わる。
【0043】
ここで、第2位置P2は、弁体82を通過した後の排気ガスの流動特性、すなわち排気ガスの流動方向や流動に関する損失に基づいて設定されており、弁体82を通過した後の排気ガスの流動方向を示す矢印G2Aは、第1排気流路71の延在方向すなわち矢印G1と略同一の方向となる。
よって、矢印G2Aに沿って流動する排気ガスは、第1排気流路71内における矢印G1に沿って流動する排気ガスに円滑に合流でき、排気ガスの流動に関する損失を低減させることができる。したがって、過給装置3の動作を、第1ターボチャージャ4から第2ターボチャージャ5に円滑に切り替えることができる。
【0044】
次に、エンジン2の回転数の上昇と共に、制御部9は弁体82を弁座81から更に離間させ、図3(c)に示す第3位置P3に移動させる。
この状態では、エンジン2から排出される排気ガスは、ほぼ全てが第2排気流路72を流動しており、第1ターボチャージャ4は停止している。よって、調整バルブ75の近傍においても、第1排気流路71の上流側からの排気ガスの流れは無く、矢印G2Bに示す第2排気流路72からの流れのみとなる。したがって、過給装置3の動作は、第1ターボチャージャ4から大型・大容量の第2ターボチャージャ5に完全に切り替わっており、エンジン2からの排気ガスの流動に関するエネルギーを十分に利用することができ、結果としてエンジン2の性能を大きく向上させることができる。
【0045】
なお、図3(b)から(c)に示す状態に変化するに従い、回動レバー83の、第1排気流路71内への突出量は次第に大きくなるが、この変化に伴い第1排気流路71の上流側から流れる排気ガスの流量は減少していくので、過給装置3の効率を大きく低下させる虞はない。
【0046】
したがって、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
本実施形態によれば、調整バルブ75を用いて第2排気流路72から第1排気流路71に導入される排気ガスの流量を調整するにあたり、調整バルブ75の開度が小さい場合であっても排気ガスを円滑に流動させることができ、且つ排気ガスのの流動に関する損失を減少させることができるという効果がある。
【0047】
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【0048】
例えば、上記実施形態では、調整バルブ75は車両に設けられる駆動系1に設置されているが、これに限定されるものではなく、第1流路に第2流路が合流している箇所で、第2流路から第1流路に流体を円滑に損失少なく導入させる必要の有る場合に用いてもよい。また、流体も排気ガスに限定されず、その他の流体(気体・液体)であってもよい。
【符号の説明】
【0049】
3…過給装置、4…第1ターボチャージャ(ターボチャージャ)、5…第2ターボチャージャ(ターボチャージャ)、71…第1排気流路(第1流路)、71b…壁部、71c…凹部、72…第2排気流路(第2流路)、75…調整バルブ、81…弁座、82…弁体、83…回動レバー、84…支持軸(支持部)、9…制御部、M…合流部、P1…第1位置、P2…第2位置


【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1流路と、該第1流路に合流する第2流路との合流部に設けられ、前記第2流路から前記第1流路に導入される流体の流量を調整する調整バルブであって、
前記第2流路の前記第1流路側に設けられる弁座と、
少なくとも、前記弁座に当接して前記第2流路を閉塞する第1位置と、前記第2流路を開放し前記第2流路から前記第1流路に導入される前記流体の流動特性に基づいて設定される第2位置との間を移動する弁体とを有することを特徴とする調整バルブ。
【請求項2】
請求項1に記載の調整バルブにおいて、
前記第2位置にある前記弁体を通過した前記流体の流動方向は、前記第1流路の延在方向と略同一であることを特徴とする調整バルブ。
【請求項3】
請求項1又は2に記載の調整バルブにおいて、
前記弁体は、所定の支持部に回動自在に支持される回動レバーに設けられ、
前記支持部は、前記第1流路と前記第2流路との間に設置されていることを特徴とする調整バルブ。
【請求項4】
請求項3に記載の調整バルブにおいて、
前記第1流路と前記第2流路との間の壁部は、前記第1流路に臨んで設けられる凹部を有し、
前記支持部は、前記凹部内に設置されることを特徴とする調整バルブ。
【請求項5】
請求項1から4のいずれか一項に記載の調整バルブと、
容量の異なる複数のターボチャージャと、
前記調整バルブの開度を制御する制御部とを備え、
前記調整バルブは、前記制御部の制御に基づいて、前記複数のターボチャージャのそれぞれに導入される流体の流量を調整して、前記複数のターボチャージャ間での動作の切り替えを行うことを特徴とする過給装置。



【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2011−58425(P2011−58425A)
【公開日】平成23年3月24日(2011.3.24)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−209154(P2009−209154)
【出願日】平成21年9月10日(2009.9.10)
【出願人】(000000099)株式会社IHI (5,014)
【Fターム(参考)】