JPH081134B2 - ターボチャージャの流路切換弁のアクチュエータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はアクチユエータ、特に流路切換方式のターボ
チヤージヤに使用するアクチユエータに関するものであ
る。

〔従来の技術〕

ターボチヤージヤは、機関に供給する空気圧を所定値
に調整する圧縮機を、機関の排気エネルギーで駆動して
いるので、機関の機械効率を低下させることがなく、ま
た、装置がコンパクトで搭載時の占有空間が小さくてす
むので、車両への利用が増加している。

第８図に構成を示すのは、前述のようなターボチヤー
ジヤの流路断面積を変化させる流路切換弁を作動するた
めに従来使用されているアクチユエータで米国特許4339
922号明細書等に示されたものであり、筐体７の一端に
機関に供給される所定圧の空気が分岐されて導入する導
入口８が設けられている。また、筐体７の他端には挿通
孔7aが形成され、この挿通孔7aから一端を出入自在にし
て、作動軸６が筐体７に取り付けられている。この作動
軸６の他端は、筐体７内で互いに重ね合せて配設されて
いるプレート部材5a,5b及び5cに固定され、これらのプ
レート部材によつて外縁部が筐体７に固定されている可
撓性のダイヤフラム４の中心部分の板面が挟持されてい
る。

前述の挿通孔7a側に位置するプレート部材5cと、筐体
７の他端内面間にばね部材２が配設されている。このば
ね部材２は、プレート部材5a,5b及び5cに挟持されたダ
イヤフラム４を、筐体７の導入口８が形成されている一
端側に偏倚している。

そして、筐体７はダイヤフラム４によつて導入口８側
の圧力室１と、挿通孔7a側の大気圧室３とに区分されて
いる。

また、図示していないが導入口８はターボチヤージヤ
の圧縮機の出口に接続され、作動軸６の一端はターボチ
ヤージヤの流路断面積を変化させる流路切換弁に連結さ
れている。

このようにして、ターボチヤージヤの圧縮機の出口の
空気圧が増大すると、圧力室１の圧力が高まるためにば
ね部材２の偏倚力に抗してダイヤフラム４が挿通孔7a方
向に移動し、この移動によつて作動軸６の一端に連結さ
れている流路切換弁が開方向に制御されるようになつて
いる。

なお、前述のばね部材２としてはばね部材に対する印
加圧力Ｐと変位ｘとの関係を示す第７図で20に示すよう
に、印加圧力Ｐに対して変位ｘが直線的に変化する直線
特性のものや、第９図に断面を示すように、ばね材30の
線径を軸心方向で変化させた構成として、第７図で21に
示すように印加圧力Ｐに対して変位ｘが非直線的に変化
する非直線特性のものを使用することが出来る。

第８図においてばね部材２のばね定数ｋが一定である
とし、ばね部材２を自由長からx_sだけ圧縮してセツトし
た時のダイヤフラム４に加えられるばねの力F_sは次式で
与えられる。

F_s＝−ｋ・x_s ……（１） 作動軸６の軸心に沿つて圧力室１から大気圧室３に向
かう方向の力を正とし、圧力室１内の圧力をＰ、圧力Ｐ
の印加されるダイヤフラム４の有効面積をＡとし、ダイ
ヤフラム４に加えられる力F_pは次式で与えらえる。

F_p＝Ｐ・Ａ ……（２） この時のダイヤフラム４の変位をｘとすれば、フツク
の法則により次式が得られる。

（３）式において、Ｐ・Ａ≦ｋ・k_sであると、ばね部
材２の偏倚力によつて、ダイヤフラム４、プレート部材
5a,5b,5c及び作動軸６が導入口８方向に移動し、プレー
ト部材5bが筐体７の内面と対接した位置にある。

この位置を変位ｘ＝０として、印加圧力Ｐと変位ｘと
の関係を示すと、前述したように第７図の特性直線20が
得られる。

また、前述した第９図に示すような非直線特性ばねを
ばね部材２に使用する場合には、ばね部材２を圧縮して
行くと、ばね歪が増加するに従つてばね定数が増加する
ので、印加圧力Ｐと変位ｘとの間には、第７図の曲線21
に示されるような関係が得られる。

一般に、ターボチヤージヤのタービンケーシングのス
クロール流路断面積を大にすると、機関速度に対する過
給圧は第４図に示すこれら間の特性図で曲線90に示すよ
うな特性となり、機関速度に対するトルクは第４図で曲
線91に示すような特性となつて、低速時のトルクが小さ
く且つ過給圧の加速応答が充分でない。

また、ターボチヤージヤのタービンケーシングのスク
ロール流路断面積を小にすると、機関速度に対する過給
圧は第４図で曲線92に示すような特性となり、機関速度
に対するトルクは第４図で曲線93に示すような特性とな
つて、低速時のトルクは改善されるが、高速時にタービ
ン入口圧力が異常上昇するために排気効率が低下するた
めにトルクが低下する。

一方、流路切換弁全開時の流れ損失を小にするには、
流路切換弁が取り付けられる弁座の流路断面積を他部分
の流路断面積に近づけるように、大きくすることが必要
である。

しかし、弁座の流路断面積を大きくすると、低速域か
ら高速域にわたつての過給圧を制御する弁開度範囲が狭
くてよく、高速域でも流路切換弁が全開とされない状態
となつて、排気抵抗が生じ出力低下の原因となることが
ある。

また、弁座の流路断面積を他部分の流路断面積に比し
て、余り小さくするとこの流路断面積部分が絞りとなつ
て、流れ損失が発生するためにタービンの性能が低下す
る。

しかし、タービンケーシングのスクロール流路断面積
或いはタービン出口の流路断面積を、弁座の流路断面積
に合せて小さくすると、最大タービン流量が減少して可
変範囲も狭くなる。

これらのことから、流路切換弁が取り付けられる弁座
の流路断面積を可能な限り大にし、且つ流路切換弁の駆
動に際して、同一の駆動量に対して機関の高速域側で低
速域側よりも流路切換弁の開度速度が大になるように流
路切換弁を制御することが必要となる。

この制御は、前述した第７図の印加圧力Ｐに対する変
位ｘの特性が、曲線22に示されるような制御となるが、
前述した非直線特性ばねを使用しても、この特性の制御
は行なうことが出来ない。

そこで、第７図の曲線22に示すような特性、即ち印加
圧力Ｐに対する変位ｘの変化率dx/dpが増加する制御特
性を得るために、第８図の作動軸６にバルブを組付けた
機械制御方式のアクチユエータや、電子回路を組込んで
所望の制御を行なわせる電子制御方式のアクチユエータ
が提案されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前述した機械制御方式のアクチユエータは、部品点数
が多く構造が複雑となつて大型化し、その製造コストも
増大するという難点がある。

また、前述した電子制御方式のアクチユエータは、エ
ンジンルーム内に配置されて−40゜Ｃ乃至200゜Ｃとい
う広温度範囲下で且つ、常に振動状態に置かれるという
過酷な雰囲気での使用に対して、特性の変動を生じるこ
とがあり信頼性の面で充分でない。

本発明は、前述したようなこの種のアクチユエータの
現状に鑑みてなされたものであり、その目的は部品点数
が少なく構造が簡単で小型化が実現され、耐熱性と耐震
性にも優れたターボチヤージヤの流路切換弁のアクチユ
エータを提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

前述の目的を達成するために、本発明は、機関の排気
エネルギーで駆動され、所定圧の空気を前記機関に供給
するターボチャージャの流路切換弁を作動させて流路断
面積を変化させるターボチャージャの流路切換弁のアク
チュエータにおいて、筐体と、該筐体の一端に設けら
れ、前記所定圧の空気が流入する導入口と、該導入口に
連続して前記筐体内に形成される圧力室と、一端を前記
筐体の他端から出入自在にして前記筐体に取り付けられ
る作動軸と、前記筐体内において前記作動軸の他端が固
定され、前記筐体内を前記圧力室と大気圧室とに区分す
る可撓性のダイヤフラムと、該ダイヤフラムを前記導入
口側に偏倚するばね部材と、前記筐体に対して移動自在
に取り付けられ、前記作動軸の変位に対応して所定の特
性で変位し、前記流路切換弁の開度を制御する出力軸
と、前記作動軸の変位に対する前記出力軸の変位を所定
の変位特性に変換する変位特性変換機構とを有し、当該
変位特性変換機構は、機関の速度変化に対する前記流路
切換弁の開度の変化率が機関の低速度領域よりも高速度
領域で大きくなるように前記作動軸の変位に対する前記
出力軸の変位を調整することを特徴としている。

〔作用〕

本発明では、機関に供給される空気の圧力が増加する
と、圧力室の圧力が上昇するのでばね部材の偏倚力に抗
して可撓性のダイヤフラムが移動し、このダイヤフラム
に固定されている作動軸の一端が、筐体外で直線上を移
動する。

この作動軸の変位に対応して変位特性変換機構は出力
軸の変位を所定の変位特性に変換する。

このために、出力軸に取り付けられる流路切換弁は、
機関の低速度域よりも高速度域で開度の変化率が増加す
るように制御されるので、最適な機関特性が得られるよ
うな制御が行なわれる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を第１図乃至第６図を用いて詳
細に説明する。

ここで、第１図は本発明の実施例の構成を示す断面
図、第２図は本発明の実施例をターボチヤージヤに適用
した場合の全体の構成を示す断面図、第３図はターボチ
ヤージヤの機関速度と作動軸の変位、流路切換弁の開
度、過給圧との関係をそれぞれ示す特性図、第４図はタ
ーボチヤージヤの機関速度と過給圧及びトルクとの関係
をそれぞれ示す特性図、第５図はターボチヤージヤの機
関速度とタービン入口圧力及び軸出力との関係をそれぞ
れ示す特性図、第６図は本発明に要求されるばね歪とば
ね定数との関係を示す特性図である。

第１図に示すように、本発明の実施例ではすでに第８
図を用いて説明したアクチユエータの筐体７の挿通孔7a
の近傍にフレーム９が固定され、このフレーム９に筐体
７に対して回動自在に非直線性位置設定体としてカム10
が取り付けられている。

このカム10には作動軸６の挿通孔7aからの突出端部が連
結され、作動軸６の挿通孔7aに対しての出入移動によつ
て、カム10は回動軸10aを中心に回動自在な構成となつ
ている。

前述のフレーム９の延長端部には軸受部11が形成さ
れ、この軸受部11に対して出入自在に出力軸12が軸支さ
れている。そして、この出力軸12には鍔12aが形成さ
れ、フレーム９の延長端部の板面と鍔12a間にはばね13
が配され、このばね13の偏倚力によつて出力軸12の一端
はカム10に押しつけられて接触している。

このようにして、作動軸６の移動によつてカム10が回
動すると、カム10の回動によつてカム10と出力軸12との
接触位置が、カム10の周面上で変化するので出力軸12の
軸受部11からの突出端が、移動するように構成されてい
る。

従つて、カム10の形状を選択することによつて、作動
軸６の移動に伴つて出力軸12の軸受部11からの突出端の
移動距離が、作動軸６が圧力室１の圧力により押し込ま
れる方向において、正の変化率で変化するように構成す
ることが出来る。

このような構成のアクチユエータが、第２図に示すよ
うに、導入口８部分と出力軸12部分で、ターボチヤージ
ヤ60に対して取り付けられている。

即ち、ターボチヤージヤ60は機関50の吸気管51に接続
される圧縮機部61と機関50の排気管52に接続されるター
ビン部62と、これらの圧縮機部61とタービン部62とを連
結する軸受部63とで構成されている。圧縮機部61では、
コンプレツサケーシング64内に、コンプレツサ翼車65が
配され、コンプレツサ入口66からは空気が取り込まれ、
コンプレツサ出口67は機関50の吸気管51に接続されてい
る。

また、コンプレツサ出口67に導出管85が連結分岐さ
れ、この導出管85の導出端部はアクチユエータの導入口
８に連結されている。

一方、タービン部62では、タービンケーシング68内に
タービン翼車69が配され、このタービン翼車69は前述の
コンプレツサ翼車65と共通の回転軸72を有し、この回転
軸72は軸受部63の軸受73に軸支されている。

また、タービンケーシング68にはタービン出口71が形
成され、さらにタービンケーシング68には第１スクロー
ル室74と第２スクロール室75とが形成され、これら第１
及び第２のスクロール室74及び75は、隔壁76によつて分
割され、この隔壁76はタービン入口70の途中まで延長さ
れている。

そして、このタービン入口70は、第１スクロール室74
に接続される第１排気ガス導入路77と、第２スクロール
室75に接続される第２排気ガス導入路78とで構成され、
第２排気ガス導入路78には、流路切換弁79が排気ガスの
流動方向に開放可能に設けられている。

さらに、タービン入口のフランジ80と排気管52のフラ
ンジ81に、ボルト締めで弁座82が挟持され、この弁座82
に開口82aが形成されて弁座82の流路断面積が設定され
ている。

前述の流路切換弁79の弁軸83に腕体84の一端が連結さ
れ、腕体84の他端は出力軸12の軸受部11からの突出端部
に連結されている。

このような構成の本発明の実施例について、その動作
を次に説明する。

第３図乃至第５図において、機関50の速度がN_min〜N_i
の低速度域では、コンプレツサ出口67の圧力は低いので
アクチユエータは作動せず、流路切換弁79は閉じてい
る。この時、排気管52からの排気ガスは第１排気ガス導
入路77を通つて、タービン翼車69を駆動しタービン出口
71から放出される。

この状態では過給圧は、第４図のすでに説明したター
ビンケーシングのスクロール流路断面積が小さい場合の
曲線92に従つて変化するので、その応答性のよい過給圧
特性が得られる。この場合に得られるトルクも、同様に
して第４図の曲線93に従つた特性が得られる。

機関50の速度がN_iを越えると、導入口８の圧力が高く
なり圧力室１の内圧がばね部材２の偏倚力よりも大きく
なるので、作動軸６が押し込まれてカム10が回動軸10a
を中心にして回動を開始する。

そして、機関速度がN_i〜N_mの領域ではカム10を介して
作動軸６の変位が、出力軸12に直線変換されるので第３
図に示すように、流路切換弁79の開度は機関50の速度の
増加に対して直線的に増大する。また、この領域では第
５図に示すように、機関50の速度が増加するとタービン
入口圧力及び軸出力は、直線的に増大する。

さらに、機関速度がN_mを越えると、カム10の回動に伴
つて出力軸12は非直線的に変位し、ばね歪に対するばね
定数が第６図に示すような特性を示すように、流路切換
弁79の開度が作動軸６の変位の正の変化率に比例して制
御される。

従つて第３図の曲線105に示すように流路切換弁79の
開度が制御され、機関速度N_m〜N_maxでは過給圧が低下す
る。同様にして第５図に示すように、機関速度N_m〜N_max
においてタービン入口圧力が低下する。

この場合、タービン入口圧力が低下することにより排
気効率が改善されるために、過給圧の低下があるにもか
かわらず軸出力は第５図の曲線108に示すように、従来
の場合に比して増大する。

このようにして、機関速度N_mix〜N_maxの広速度範囲に
おいて、ターボチヤージヤのタービン入口圧力と軸出力
とを最適の状態に保持するように制御することが出来
る。

また、実施例においてはカム10の形状を選択すること
によつて、流路切換弁79の開度を機関速度に対して所望
の変化率で変化させることが簡単に出来る。

さらに、部品点数も少なく構造も簡単で小型化が実現
され、車両に搭載して使用するに充分な耐熱性と耐震性
とを有し、動作寿命も延長される。

そして、製造コストも大幅に低減されると共に、ター
ボチヤージヤに対するアクチユエータのマツチングも容
易に行なわれる。

〔発明の効果〕

本発明によると、広範囲の機関速度に対してターボチ
ヤージヤの制御を最適の条件で行なうことが可能であ
り、また、その制御特性も変位特性変換機構によって作
動軸の変位に対する出力軸の変位を調整することによつ
て目的の制御を容易に高精度で実現することが出来る。

部品点数が少なく構造も簡単で小型化が実現され、製
造コストを低減させることが出来ると共に、耐熱性及び
耐震性が優れていて車載用としての過酷な条件にも耐え
ることが出来る。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の実施例の構成を示す断面図、第２図は
本発明の実施例をターボチヤージヤに適用した場合の全
体の構成を示す断面図、第３図はターボチヤージヤの機
関速度と作動軸の変位、流路切換弁の開度、過給圧との
関係をそれぞれ示す特性図、第４図はターボチヤージヤ
の機関速度と過給圧及びトルクとの関係をそれぞれ示す
特性図、第５図はターボチヤージヤの機関速度とタービ
ン入口圧力及び軸出力との関係をそれぞれ示す特性図、
第６図は本発明に要求されるばね歪とばね定数との関係
を示す特性図、第７図はばね部材の印加圧力と変位との
関係を示す特性図、第８図は従来使用されているアクチ
ユエータの構成を示す断面図、第９図は非直線特性のば
ね部材の構成を示す断面図である。 １……圧力室、２……ばね部材、３……大気圧室、４…
…ダイヤフラム、5a,5b,5c……プレート部材、６……作
動軸、７……筐体、８……導入口、10……カム、11……
軸受部、12……出力軸、13……ばね、50……機関、51…
…吸気管、52……排気管、60……ターボチヤージヤ、61
……圧縮機部、62……タービン部、63……軸受部、64…
…コンプレツサケーシング、65……コンプレツサ翼車、
66……コンプレツサ入口、67……コンプレツサ出口、68
……タービンケーシング、69……タービン翼車、70……
タービン入口、71……タービン出口、72……回転軸、73
……軸受、74……第１スクロール室、75……第２スクロ
ール室、76……隔壁、77……第１排気ガス導入路、78…
…第２排気ガス導入路、79……流路切換弁、80……フラ
ンジ、81……フランジ、82……弁座、82a……開口、83
……弁軸、84……腕体、85……導出管。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】機関の排気エネルギーで駆動され、所定圧
   の空気を前記機関に供給するターボチャージャの流路切
   換弁を作動させて流路断面積を変化させるターボチャー
   ジャの流路切換弁のアクチュエータにおいて、 筐体と、 該筐体の一端に設けられ、前記所定圧の空気が流入する
   導入口と、 該導入口に連続して前記筐体内に形成される圧力室と、 一端を前記筐体の他端から出入自在にして前記筐体に取
   り付けられる作動軸と、 前記筐体内において前記作動軸の他端が固定され、前記
   筐体内を前記圧力室と大気圧室とに区分する可撓性のダ
   イヤフラムと、 該ダイヤフラムを前記導入口側に偏倚するばね部材と、 前記筐体に対して移動自在に取り付けられ、前記作動軸
   の変位に対応して所定の特性で変位し、前記流路切換弁
   の開度を制御する出力軸と、 前記作動軸の変位に対する前記出力軸の変位を所定の変
   位特性に変換する変位特性変換機構と、 を有し、当該変位特性変換機構は、機関の速度変化に対
   する前記流路切換弁の開度の変化率が機関の低速度領域
   よりも高速度領域で大きくなるように前記作動軸の変位
   に対する前記出力軸の変位を調整することを特徴とする
   ターボチャージャの流路切換弁のアクチュエータ。