JP2019502860A - 排気タービン式過給機のための制御装置 - Google Patents

Abstract

本発明は排気タービン式過給機のための制御装置に関し、前記排気タービン式過給機は貫流流路として形成された排気流通部を備え、該排気流通部は、該排気流通部の中に回転可能に配設されたタービン羽根車を通過させずに迂回させて排気を流すためのバイパス流路を備え、前記制御装置は前記バイパス流路の流路断面を開閉するために設けられた弁体部材（２）を担持する制御アーム（３）を備え、該制御アーム（３）は前記排気流通部の中に可動状態で収容されており、少なくとも前記弁体部材（２）の姿勢保持のために、前記制御アーム（３）にバネ部材（１４）が備えられている。本発明によれば、制御力を低減するべく、前記バネ部材（１４）は径方向に摺動可能な形状に形成されている。【選択図】図６

Description

本発明は、請求項１の前提部分に記載した種類の排気タービン式過給機のための制御装置に関する。本発明は更に、請求項８の前提部分に記載した種類の排気タービン式過給機に関する。

特許文献１（ドイツ特許公開公報第DE 10 2012 101 322 A1号）に、タービンを備えた排気タービン式過給機のための制御装置が記載されており、そのタービンは、貫流流路として形成された排気流通部と、この排気流通部の中に配設されたタービン羽根車を通過させずに迂回させて排気を流すためのバイパス流路とを備えている。また、その制御装置は、バイパス流路を閉塞するための弁体部材と、この弁体部材を担持する制御アームとを備えている。制御アームは排気流通部の中に回動可能に支持されている。排気タービン式過給機の作動中の騒音発生を防止するために、弁体部材はバネ部材を介して、制御アームに取付けられ、姿勢保持がなされている。

ここで問題となるのは、排気タービン式過給機が作動することによって、また特に、排気タービン式過給機がエンジンに結合されているために、排気タービン式過給機は必然的に温度変動及び機械的振動に曝されるということである。その温度変動により排気タービン式過給機の個々の構成部品には、継続的に加熱と冷却とが反復して作用し、そしてその作用は特に、排気タービン式過給機のタービンの近傍部分において甚だしく、なんとなれば、排気流通部の中を流れるエンジンの排気のために、タービンの近傍部分には最も大きな温度変動が発生しているからである。それゆえ排気タービン式過給機の個々の構成部品のうち、エンジンの排気が貫流して流れる排気流通部の管路の近くに位置している構成部品ほど、その故障発生率が高くなる。即ち、継続的に反復する温度変動は構成部品の熱膨張量の継続的な変動をもたらすことから、それによって組付箇所の緩み、応力の発生、材料の疲労などが生じ得るのである。上述した制御アームを含む連結機構には、弾発押圧力を利用した保持部材が用いられているが、この保持部材の外側面は、排気が流れる管路に近接して位置しており、そのため上述した温度変動に曝されている。

その保持部材はバネ部材から成り、このバネ部材は弁体部材を様々な操作位置において姿勢保持する機能を果たしている。閉弁位置においては、流路断面が弁体部材によって完全に閉塞されて漏れが生じないようにしており、それによって排気タービン式過給機の効率の低下を防止している。弁体部材が開弁位置にあり、流路断面が部分的にまたは完全に開放されているときには、バイパス流路の中を流れる排気の流れによって弁体部材の振動が誘起されるおそれが存在する。そのような弁体部材の振動は防止すべきであり、なぜならば、騒音の発生原因となりかねないからである。

ドイツ特許公開公報第DE 10 2012 101 322 A1号

本発明の目的は、改良を加えた排気タービン式過給機のための制御装置を提供することにある。また更なる目的は、改良を加えた排気タービン式過給機を提供することにある。

上記目的は、請求項１に記載した特徴を備えた排気タービン式過給機のための制御装置により達成される。また更なる目的は、請求項８に記載した特徴を備えた排気タービン式過給機により達成される。その他の請求項は、本発明の好適且つ重要な構成上の特徴を備えた特に有利な構成例を記載したものである。

本発明に係る排気タービン式過給機のための制御装置は、該制御装置の制御アームに担持された弁体部材を備えている。該弁体要素は、貫流流路として形成された排気流通部の中に配設されており、より詳しくは該排気流通部のバイパス流路の中に配設されており、該バイパス流路の流路断面を開閉するものである。前記バイパス流路は前記排気流通部の中に回転可能に配設されたタービン羽根車を通過させずに迂回させて排気を流せるようにするものであり、前記バイパス流路の流路断面が閉塞されているときには前記排気流通部の中を流れる排気の全量が前記タービン羽根車を通過して流れる。前記制御アームは前記排気流通部の中に可動状態で収容されている。前記弁体部材の姿勢保持のために、前記制御アームにバネ部材が設けられている。本発明によれば、制御力を低減するべく、前記バネ部材が径方向に摺動可能であるように構成されている。

従来のバネ部材は、通常、弁体部材の軸心方向に沿った当該バネ部材の軸心方向に移動可能とされている。この場合、バネ部材は圧縮されると軸心方向の寸法が縮小し、圧縮力が除去されると軸心方向の寸法が増大する。このバネ部材の伸縮量の変化は、弁体部材に作用する力の大きさの変化に応じて発生する。弁体部材に加わる荷重が中心から外れている場合には、バネ部材に加わる荷重が大きなものとなるため、バネ部材の圧縮力を大きくしておかねばならず、そのためアクチュエータから作用させる制御力も大きなものとせざるを得ない。そのため、バネ部材の摩耗量が大となっており、そのせいで制御装置の使用寿命が短くなっている。

本発明に係る制御装置のバネ部材は、径方向に摺動可能であるため、弁体部材と制御アームとで構成される機構系の内部において、弁体部材に加わる荷重が中心から外れているために発生する弁体部材の傾動が吸収され、そのため、それら構成部品それ自体が更に変形されることなく、その傾動に応じたそれら構成部品どうしの相対的移動が許容される。それゆえ、その傾動に伴ってアクチュエータそのものに作用する荷重やバネ部材そのものに加わる荷重が増大したとしても、その増大量は非常に僅かなものでしかない。そのため制御装置の使用寿命が長くなっており、また、アクチュエータを小型化することが可能となっている。また更に、バイパス流路を閉塞する際に発生するカチャカチャ音も抑制されている。

更に、弁体部材を制御アームに組付ける際にバネ部材に付与する予荷重も、公知の機構系のものより格段に小さくすることができ、なぜならば、公知の機構系と比べた場合に、組付時のバネ部材の圧縮は不要であるか、もしくは、格段に小さな圧縮量で済むからである。

１つの構成例によれば、前記バネ部材は、前記弁体部材の傾動支点を中心とした回動を行うように摺動可能な形状に形成されている。この構成とするならば、構造的条件に応じて決まる傾動支点の発生位置を予め判定し、その判定した傾動支点の発生位置に基づいてバネ部材の寸法形状を適切に決定することが可能となる。これによって、制御力を更に小さくすることができるため、制御装置がより一層改善される。

別の１つの構成例によれば、前記バネ部材は、押え板と前記制御アームとの間に介装されている。この構成とするならば、それら２つの構成部品の間に前記バネ部材を適宜に配設することにより、それら２つの構成部品のうちの一方の表面に沿って前記径方向の摺動を行わせることが可能となる。

前記押え板は、前記バネ部材を径方向に摺動させるのに適した形状に形成されているようにするとよい。ここで、前記バネ部材を径方向に摺動させるのに適した形状に形成する構成部品は、適宜の加工方法を用いて製作することができるが、ただし、制御アームと押え板とを比べるならば、押え板の方がより取扱いが容易であるため、押え板の方をそのように形成することによって、より低コストでの製造が可能となる。

別の１つの構成例によれば、前記押え板は、該押え板の前記バネ部材に臨む面である押え面に溝部を備えている。この溝部は、前記バネ部材との係合を容易にし、また、前記バネ部材の支持を容易にする。また特に、この溝部が、少なくとも部分的に湾曲形状とした溝表面横断面形状を備えているようにする場合には、その湾曲の半径を、前記傾動支点を中心とした半径とすることで、前記バネ部材がその溝部の中で径方向に摺動可能であるようにすることができる。

本発明の第２の局面は排気タービン式過給機に関するものであり、この排気タービン式過給機は、貫流流路として形成された排気流通部を備え、該排気流通部は、該排気流通部の中に回転可能に配設されたタービン羽根車を通過させずに迂回させて排気を流すためのバイパス流路を備えており、更に、前記バイパス流路の流路断面を開閉するための制御装置を備えた排気タービン式過給機であり、以上において、前記制御装置は請求項１乃至７の何れか１項に記載されたように構成されている。この構成とすることで、排気タービン式過給機の使用寿命を長寿命とし得ることに加えて、制御装置の応答特性も高速とすることが可能となる。またそれによって、この排気タービン式過給機が連結されるエンジンの排気中の排出物の量も低減される。

本発明の更なる利点、特徴、及び細部構成については、以下に示す好適な実施の形態についての説明を参照し、また添付図面を参照することにより明らかとなる。以上の説明中で言及した様々な特徴及びそれら特徴の組合せ、並びに、添付図面に関連した以下の説明中で言及し、及び／または、図面中に示す様々な特徴及びそれら特徴の組合せは、それら説明ないし図面に示した通りの組合せで利用し得るばかりでなく、それとは異なる組合せで利用することもでき、また、個々の特徴を単独で利用することも可能なものであって、そのように特徴を利用した場合でも本発明の範囲から逸脱するものではない

従来例に係る排気タービン式過給機の制御装置の斜視図である。 図１に示した制御装置の切断斜視図である。 図１に示した制御装置の縦断面図である。 本発明に係る排気タービン式過給機の本発明に係る制御装置の斜視図である。 図４に示した制御装置の切断斜視図である。 図４に示した制御装置の縦断面図である。

従来例に係る排気タービン式過給機の制御装置として、図１に示したように構成された制御装置１があり、同図では排気タービン式過給機は不図示としてある。排気タービン式過給機は、貫流流路として形成された不図示の排気流通部を備えている。排気タービン式過給機の作動中はこの排気流通部の中を気体が流れており、その気体は一般的には排気そのものである。またその排気は通常、エンジンの燃焼ガスであり、ただし図１ではエンジンを不図示としている。かかる制御装置はウェイストゲート装置と呼ばれている。

排気タービン式過給機は、貫流流路として形成された不図示の吸気流通部を備えていると共に、排気流通部と吸気流通部との間に配置された不図示の軸受構造部を備えており、その軸受構造部の中に不図示の回転体アセンブリが回転可能に収容されている。回転体アセンブリは、不図示のコンプレッサ羽根車と不図示のタービン羽根車とを備えており、それら２つの羽根車は不図示の連結軸により一体回転するように互いに連結されている。コンプレッサ羽根車は、吸気流通部の不図示の第１羽根車ケーシングの中に回転可能に収容されており、気体を吸入するものであり、吸入する気体は通常、空気である。また、タービン羽根車は、排気流通部の不図示の第２羽根車ケーシングの中に回転可能に収容されている。排気タービン式過給機の作動中は、排気流通部の中を流れる排気がタービン羽根車に作用してタービン羽根車を駆動しており、それによってタービン羽根車の回転運動が発生している。この回転運動が連結軸を介してコンプレッサ羽根車に伝達されるため、コンプレッサ羽根車がタービン羽根車の回転運動と一体的な回転運動をする。コンプレッサ羽根車によって、即ちこのコンプレッサ羽根車の回転運動によって、空気が吸入され、そしてその吸入された空気が吸気流通部において圧縮される。

この排気タービン式過給機は、いわゆるウェイストゲート式チャージャーとして構成されていることから、排気の全部または一部をタービン羽根車に流さずに迂回させるための制御装置１を備えており、その排気の迂回は、排気流通部の中に形成されている不図示のバイパス流路に排気を流すことにより行われる。制御装置１は、バイパス流路の不図示の流路断面を制御するように構成された装置であり、当該流路断面の開閉を行い得る形状に形成された弁体部材２と、この弁体部材２を作動させるための制御装置とを備えている。弁体部材２の好適例はフラップ弁体であり、これは一般的にウェイストゲートフラップ、ないしはウェイストゲート弁体などと呼ばれているものである。

弁体部材２は弁体部材長手軸心２５を有しており、制御装置の制御アーム３に取付けられている。制御アーム３は、この制御アーム３の両端部のうち、制御軸４が結合している端部とは反対側の端部５が、二又形状に形成されており、その二又の間の部分が、係止突起７が嵌合する嵌合部６となっている。

係止突起７は弁体部材２の回転を阻止する回り止めとして機能している。弁体部材２は突柱ないし突軸の形状に形成された軸状突起９を有しており、この軸状突起９が制御アーム３の第２の嵌合部である嵌合孔８に嵌合している。軸状突起９及び係止突起７は、弁体部材２の両面のうち、制御アーム３に臨む第１弁体部材面１０に形成されている。弁体部材２の両面のうち、この第１弁体部材面１０とは反対側に形成されている第２弁体部材面１１は、弁体部材２が制御しようとする流れ断面に臨む面である。

弁体部材２は押え板１２を介して制御アーム３に結合されている。軸状突起９は制御アーム３の第２嵌合部である嵌合孔８を貫通し、そして更に、押え板１２を貫通して延在している。この軸状突起９の先端部である軸状突起先端部１３は、第２弁体部材面１１から延出しており、この軸状突起先端部１３がカシメ加工により押え板１２に結合されることによって、軸状突起９が押え板１２を介して制御アーム３に連結されている。尚、カシメ加工に替えて、溶接加工により結合するようにしてもよく、或いは、溶接加工とカシメ加工とを併用して結合するようにしてもよい。

制御アーム３と押え板１２との間にバネ部材１４が介装されている。バネ部材１４は、弁体部材２に弾発押圧力を印加する機能を果たしており、これによって弁体部材２の運動に伴うカチャカチャ音が抑制されている。バネ部材１４は更に、遊びを吸収する機能を果たしており、その遊びとは特に、排気タービン式過給機の作動中の大きな温度変化により発生する遊びである。これによって、制御アーム３と、弁体部材２と、押え板１２との間の接触部の摩耗が抑制されている。

バネ部材１４は皿バネの形状に形成されており、内周縁ＤＩと外周縁ＤＡとを有する。内周縁ＤＩの近傍領域に第１当接支持面１５が形成されており、この第１当接支持面は制御アーム３に当接する平面状の面である。即ち、第１当接支持面１５は制御アーム３に対して平面的に面接触して当接するように形成されている。また、外周縁ＤＡの近傍領域には第２当接支持面１６が形成されており、この第２当接支持面１６は押え板１２に当接する平面状の面である。即ち、第２当接支持面１６は押え板１２に対して平面的に面接触して当接するように形成されている。

制御装置１の作動中は、弁体部材２は制御軸４の回転軸心１７を中心として回動するように運動する。その運動によって、弁体部材２のいわゆる傾動支点１８が発生し、弁体部材２に作用する荷重が中心から外れているために弁体部材２はこの傾動支点１８を中心として傾動するように運動する。その結果として、バネ部材１４に更なる荷重が作用することから、制御力もその分だけ大きくなる。ここでいう制御力とは、弁体部材２を制御させるために、不図示のアクチュエータから印加される力である。

図４〜図６は本発明に係る制御装置１を示した図である。本発明に係る制御装置１はバネ部材１４を備えており、このバネ部材１４は、排気タービン式過給機の作動中に、矢印１９で示したように径方向に摺動可能な形状に形成されている。

バネ部材１４は、その内周縁ＤＩの近傍領域に第１当接支持面１５が形成されている。またバネ部材１４は、その外周縁ＤＡの近傍領域が湾曲形状に形成されており、外周縁ＤＡにはバネ部材丸み部ＲＦが形成されている。制御アーム３に当接する平面状の面である第１当接支持面１５は、組立時にバネ部材１４の中心合わせを行う機能も担っている。

押え板１２は、その両面のうちのバネ部材１４に臨む側の面である押え面２０に、溝部２１が形成されている。この溝部２１の溝表面横断面形状２４は、湾曲形状に形成されている。溝表面横断面形状２４のうちの押え面２０近傍部分である移動許容領域２２に、押え板丸み部ＲＤが形成されており、この押え板丸み部ＲＤのアール（半径）の寸法は、傾動支点１８とバネ部材１４の外周縁先端縁２３との間の離隔距離Ａに対応している。

バネ部材丸み部ＲＦが形成されているために第２当接支持面１６は擬似線形的な形状の当接面となっており、これは、外周縁先端縁２３が制御アーム３に当接していない上に、外周縁先端縁２３と制御アーム３との間に更に広い離隔距離２６が維持されていることによるものである。

制御装置１の作動中に、バネ部材１４は傾動支点１８を中心とした回動を行うことができ、その回動を行うことでバネ部材１４に加わっている荷重が緩和される。即ち、バネ部材１４の外周縁先端縁２３が湾曲形状に形成されているため、バネ部材１４は溝部２１の中において、弁体部材２の傾動支点１８を中心とした回動を行うように摺動可能となっている。また押え板１２は、バネ部材１４を径方向に摺動させるのに適した形状に形成されている。

Claims (8)

1. 排気タービン式過給機のための制御装置であって、前記排気タービン式過給機は貫流流路として形成された排気流通部を備え、該排気流通部は、該排気流通部の中に回転可能に配設されたタービン羽根車を通過させずに迂回させて排気を流すためのバイパス流路を備え、前記制御装置は、前記バイパス流路の流路断面を開閉するために設けられた弁体部材（２）を担持する制御アーム（３）を備え、該制御アーム（３）は前記排気流通部の中に可動状態で収容されており、少なくとも前記弁体部材（２）の姿勢保持のために、前記制御アーム（３）にバネ部材（１４）が備えられている、排気タービン式過給機のための制御装置において、
   制御力を低減するべく、前記バネ部材（１４）は径方向に摺動可能な形状に形成されていることを特徴とする制御装置。
2. 前記バネ部材（１４）は、前記弁体部材（２）の傾動支点（１８）を中心とした回動を行うように摺動可能な形状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の制御装置。
3. 前記バネ部材（１４）は、押え板（１２）と前記制御アーム（３）との間に介装されていることを特徴とする請求項１又は２記載の制御装置。
4. 前記押え板（１２）は、前記バネ部材（１４）を径方向に摺動させるのに適した形状に形成されていることを特徴とする請求項３記載の制御装置。
5. 前記押え板（１２）は、該押え板（１２）の前記バネ部材（１４）に臨む面である押え面（２０）に溝部（２１）を備えることを特徴とする請求項４記載の制御装置。
6. 前記溝部（２１）は、少なくとも部分的に湾曲形状とした溝表面横断面形状（２４）を備えることを特徴とする請求項５記載の制御装置。
7. 前記バネ部材（１４）の外周縁先端縁（２３）より小径の前記バネ部材（１４）の第２当接支持面（１６）が前記制御アーム（３）に当接しており、その一方で、前記外周縁先端縁（２３）と前記制御アーム（３）との間に更に広い離隔距離（２６）が維持されていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項記載の制御装置。
8. 貫流流路として形成された排気流通部を備え、該排気流通部は、該排気流通部の中に回転可能に配設されたタービン羽根車を通過させずに迂回させて排気を流すためのバイパス流路を備えており、更に、前記バイパス流路の流路断面を開閉するための制御装置を備えた、排気タービン式過給機において、
   前記制御装置（１）は請求項１乃至７の何れか１項に記載されたように構成されていることを特徴とする排気タービン式過給機。

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