JP2015521722A - ターボチャージャー用可変フローバルブ - Google Patents

Abstract

【構成】本発明は位置フィードバック機能を備えた可変フローバルブに関する。この可変フローバルブは給気口および吐き出し口を有するハウジングおよび一つ以上の制御口を有し、また一次バルブに接続され、ハウジングの給気口と吐き出し口との流体連絡を開閉するピストンを有する。このハウジングとピストンがかみ合って、それぞれがそれぞれの制御口と流体連絡する内室および外室を形成する。制御口バルブが制御口の少なくとも一つを開閉し、圧力源へのアクセスを制御する。位置フィードバック機能の一部を構成する位置センサーが、吐き出し口に対する一次バルブの位置を制御装置に連絡し、この制御装置が制御口を動作させて、吐き出し口が部分的に開く位置に一次バルブを保持する。
【選択図】図１

Description

関連出願

本出願は２０１２年６月２０日に出願した米国仮出願第６１/６６２，２５５号の優先権を主張する出願である。

本出願は可変フローバルブに関し、特に圧縮機再循環バルブなどのバルブを始めとする、バルブに流れる流体の流れについて位置制御を行い、また計量制御を行うバルブに関する。

各種の移動式または非移動式の車両または住宅には内燃機関、その機構、微調整およびイテレーション（ｉｔｅｒａｔｉｏｎｓ）が利用されている。現在、例えば、内燃機関は陸上を走行する旅客車両、産業用車両として、また海洋用途、据え付け用途、航空宇宙用途に使用されている。一般に２つの支配的な点火サイクルがあり、それぞれ、通常はガスサイクルおよびディーゼルサイクルと呼ばれ、より形式的には火花点火サイクル（ＳＩ）および圧縮点火サイクル（ＣＩ）と呼ばれている。最近、排気駆動式ターボチャージャーを内燃機関に接続されたシステムに組み込み、エンジンの出力および全体効率を改善している。

内燃機関のターボチャージャーシステムに現在利用されているバルブ、例えば圧縮機バイパスバルブの場合、このシステム内の変化に反応して閉じるか、あるいは開くように動作する。これらバルブの場合、バルブの位置に関しては能動的な制御を行わない。

本発明は、ターボチャージャーを使用する供給元業者(original equipment manufacturers)（ＯＥＭｓ）などがこのバルブの位置を従来考えられていない精度で能動的に制御することを可能にする圧縮機再循環バルブに関する。このレベルの制御の目的はターボ速度をより正確に制御し、ＯＥＭなどがターボ速度をより高く維持し、これによってターボ反応時間を短縮し、燃費を改善し、かつ車両の操作性を改善することである。

米国特許出願第１２/７１７，１３０号 米国特許出願第１３/３６９，９７１号

本発明の一つの態様は、可変フローバルブを有する排気駆動式ターボチャージャーシステムを備えた内燃機関（エンジン）に関する。一つの実施態様では、制限するものではないが、この可変フローバルブとして圧縮機バイパスバルブを利用することができる。このシステムの場合、可変フローバルブが排気駆動式ターボチャージャーシステムを制御する。ターボチャージャーの圧縮機吐き出し口がこの可変フローバルブに流体連絡し、またエンジンの給気口と流体連絡している。この可変フローバルブは内部の一次バルブの位置を検出し、この位置を制御装置に伝達し、可変フローバルブの開閉を制御する位置センサーを有する。特に、この一次バルブの場合、吐き出し口が部分的に開く位置に保持され、これによってエンジンの給気口に流入する空気の流れに作用することが可能になる。

可変フローバルブの場合、給気口と吐き出し口を有するハウジングおよび一つ以上の制御口を備え、またピストンが一次バルブに接続して、ハウジングの給気口および吐き出し口との流体連絡を開閉して可変制御を可能にする。ここでハウジングとピストンがかみ合って、内室および外室を形成する。各室はその制御口と流体連絡する。制御口バルブが開閉して、制御口の少なくとも一つを制御し、圧力変化源へのアクセスを制御する。位置センサーも吐き出し口に対する一次バルブの位置を制御装置に伝達し、制御口バルブを作動させて一次バルブを部分的に開いた位置に保持する可変フローバルブの一部を構成する。

圧縮機再循環バルブ（ＣＲＶ）を有する内燃機関ターボシステムの一実施態様の流路および流れ方向を示す概略図である。 開いた位置にある圧縮機再循環バルブの一実施態様を示す横断面図である。 閉じた位置にある図２の圧縮機再循環バルブを示す横断面図である。

以下本発明の包括的な原理を詳細に説明し、実施例を添付図面に示す。添付図面において、同じ参照符号は同じ要素、あるいは機能的に同じ要素を示す。

図１に内燃機関ターボシステム１００の一実施態様を示す。このターボシステム１００はターボチャージャーの動作パラメーターを制御する以下の部材を有する。即ち、タービン部分２２および圧縮機部分２４をもつ排気駆動式ターボチャージャー（ＥＤＴ）２、通常ウェイストゲート１３と呼ばれているタービンバイパスバルブ、および（図２および図３に細部を示す）圧縮機再循環バルブ６を有する。ＥＤＴはタービン羽根車２６を収めた排気ハウジング１７、１８を有し、このタービン羽根車が排気エネルギーを利用し、共通シャフトを介して排気エネルギーを機械的作用に変換し、圧縮機羽根車２８を回転させ、空気を取り込み、圧縮し、圧縮空気をより高い動作圧力で内燃機関１０の給気口１１に供給する。

さらに図１の説明を続けると、ウェイストゲート１３は内燃機関１０の排気マニホルド１２から来る排気体１６およびＥＤＴタービン羽根車２６を回転させるために利用できるエネルギーを計量するために使用する制御バルブである。ウェイストゲート１３は（図示を省略した）バルブを開くことによってバイパス１９に動作し、排気がタービン羽根車２６から離れ、これによってＥＤＴ２の速度および発生したＩＣＥ吸気マニホルドの動作圧力を直接制御できる。このウェイストゲート１３は、出願人の米国特許出願第１２/７１７，１３０号に開示されている実施態様を始めとする数多くの実施態様で実施することが可能である。なお、この公報の開示全体はここに援用するものとする。

いずれのＥＤＴシステムでも、圧縮機給気口３、吸気マニホルド５、１１（ＩＭ）、排気マニホルド１２、１６（ＥＭ）および排気ハウジング１８、２１には動作圧力が存在する。図１において、ＥＤＴ圧縮機給気口は吸気システム１から、例えば単段ＥＤＴシステムでは周囲圧力で動作するＥＤＴ圧縮機部２４の給気口３に至る流路になる。エンジンの吸気マニホルドはＥＤＴ圧縮機吐き出し部４とＩＣＥ吸気バルブ（複数の場合もある）１１との間の流路になる。エンジンの排気マニホルドはＩＣＥ排気バルブ１２とＥＤＴタービン給気口１７との間の流路になる。大きくみると、排気ハウジングはＥＤＴタービン吐き出し部１８後の流路になる。有効な排気ガス再循環（ＥＧＲ）を行うためには、排気マニホルドの圧力は吸気マニホルドの圧力よりも高くする必要があり、こうすると排気ガスはその方向に流れる。ＥＤＴの設計および圧縮機および排気ハウジングサイズの各種の組み合わせは広範囲にわたる。つまり、ＥＤＴ排気ハウジングの構成が小さくなるほど、目的の排気マニホルドの圧力が高くなり、効率が犠牲になる。なお、当業者ならば、効率とＥＧＲ効果とのバランスをうまく取れるはずである。

圧縮機再循環バルブ６は定義すると、排気駆動式でもよく、あるいは機械駆動式でもよいＥＤＴ２の圧縮機部２４の吐き出し口４（排気口とも呼ばれる）とＩＣＥ入り口１１との間の流路５に設けられる調整バルブである。図２および図３の拡大図において、ＣＲＶ６は吐き出し口８を有する。この吐き出し口８としては、限定するわけではないが、大気と通気しているか、あるいは（図１に示すように）再循環して圧縮機の大気口３に戻るものであればよい。

図１に示すようにスロットルプレート９をもつ火花点火式ＩＣＥにＣＲＶを使用することができる。任意の所定のＩＣＥ動作範囲では、ＥＤＴの回転数/分（ＲＰＭ）は２００，０００以下に設定できる。スロットルプレート９が突然閉じてもＥＤＴ２の回転数が直ちに落ちるわけではない。即ち、閉じたスロットルプレートとＥＤＴ圧縮機部分２４との間の流路５などの流路の圧力が突然上昇する。ＣＲＶ６はこの圧力を緩和するか、あるいはバイパスしてこれを空気誘導システム１と圧縮機部２４との間の流路に戻すことにより機能を発揮する。

図２および図３のＣＲＶ６の場合、ディーゼルエンジンを始めとする任意のＥＤＴで動作可能なＩＣＥに利用でき、かつバルブの一部として組み込まれる位置センサー９２からの信号に応答して各種の部分的開放位置にバルブを開き、かつ/また閉じることができる多室形バルブである。ＣＲＶ６は給気口７および吐き出し口８をもつハウジング５０、このハウジングを通り、制御口バルブ７２に接続されて一つ以上の制御口３８を開閉し、圧力変化源（図２および図３に制限するわけではないが、アーマチュアと一体化されたソレノイド７０を制御口バルブとして示す）へアクセスする制御口３８、およびハウジング内に着座させたバルブ３０に接続されたピストン３６を有する。ハウジング５０の構成は一部材構成でもよく、あるいは二部材構成でもよい。二部材構成の実施態様では、ハウジング５０はカバー８０および本体８２から構成することができる。ソレノイド７０はカバー８０に直接取り付けることができ、この場合アーマチュア７２は一つ以上の制御口３８を、ソレノイド７０を介して流路７６に、そして真空７８（圧力変化源の一例）に接続する流体流路９０（両方向矢印で示す）に存在する。ソレノイド７０を直接取り付けるため、ホースを接続する必要がなく、流路が短くなるため応答時間が速くなり、また全体がよりコンパクトな構成になるため、構成部材が少なくて済み、将来故障する潜在的な恐れが小さい。圧力変化源の他の例は流体を正の方向に、負の方向に、あるいはこれらの方向に交互に移動させる任意のポンプであればよく、限定するわけではないが、空気ポンプ、油圧ポンプ、流体注入器、真空ポンプを例示することができる。

ピストン３６は第１端部４１および第２端部４２をもつ中心シャフト４０を有する。第１端部４１は、限定するわけではないが、Ｏリングなどのシール作用部材５２を有し、この部材がハウジング５０の第１部分にシール係合する。第２端部４２からフランジ４４が延在し、このフランジは第１端部４１の方向に延在するが、ピストン３６の中心シャフト４０から所定距離離れている。フランジ４４は厚みのあるリム４５まで延在し、このリムは、限定するわけではないが、Ｏリングなどの第２シール作用部材５６の着座部５４を有する。この第２シール作用部材５６もハウジング５０の第２部分にシール係合する。フランジ４４は中心シャフト４０との間において全体としてカップ状室４６（図３を参照）を形成する。そしてハウジング５０の内部に設けられると、複数の室部分５８´（最内室）および５８´´（最外室）を形成する。ピストン３６はバイアス作用バネ３２、流体流路９０を介して（例えば真空によって与えられる）正または負の付勢圧力、またはこれらの組み合わせたものによって開いた位置（図２に示す）と閉じた位置（図３に示す）との間で動作可能である。

シール作用部材としては、往復動部材をシールできる任意の適当なシールまたは座金（ワッシャー）、例えばリップシールを使用することができる。シール作用部材５２、５６の少なくとも一つとしてＯリングを使用する実施態様では、このＯリングは各種の横断面形状を取ることができ、円形、Ｘ形状、正方形、全体としてＶ形、全体としてＵ形やその他の往復動部材をシールするために好適な形状を取ることができる。

図２および図３について説明すると、位置センサー９２は位置を測定できる任意の装置であればよい。一つの実施態様では、バルブ３０が給気口７にある場合も、あるいは吐き出し口８にある場合も、バルブ３０が着座する開口へのバルブ３０の移動に基づく相対的な位置センサー（変位センサー）を使用する。位置センサー９２としては、容量型変換器、渦電流センサー（ｅｄｄｙ−ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｅｎｓｏｒ)、グレーティングセンサー（ｇｒａｔｉｎｇ ｓｅｎｓｏｒ）、ホール効果センサー（Ｈａｌｌ−ｅｆｆｅｃｔ ｓｅｎｓｏｒ）、誘導非接触式位置センサー（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ ｎｏｎ−ｃｏｎｔａｃｔ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒｓ）、（光学式）レーザードップラー振動計、線形可変差動型変換器（ＬＶＤＴ）、多軸変位変換器、フォトダイオードアレー、圧電変換器、電位計、（光学式）近接センサー（ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ ｓｅｎｓｏｒ）、地震変位ピックアップ、（ストリングポット、ストリングエンコーダー、ケーブル位置変換器としても知られている）弦電位計やこれらを組み合わせたものを使用することができる。

図２および図３に示す実施態様では、位置センサー９２は並進できるようにバルブ３０に接続された磁石９４の変位を検出するチップ/ホール効果位置センサー９６からなるホール効果センサーである。磁石９４はピストン３６またはバルブ３０に、あるいはこれらの内部に取り付けることができる。例えば、磁石９４はバルブ３０またはピストン３６に収めることができる（図示省略）。図２および図３において、磁石９４はピストン３６に接続されたブラケット９８内に収める。ブラケット９８によって、ピストン３６とハウジング５０との間に形成した最内室５８´（図３を参照）内に磁石９４を吊り下げる。ブラケット９８は一つ以上の孔１０２を有し、これらは吐き出し口８と流体連絡するバルブ３０を介して流路１０４に至る。ブラケット９８のこれら孔によって、給気口７（あるいはハウジング５０内の一次バルブ３０の取り付け方向に応じて、またシステム内のＣＲＶの方向に応じて吐き出し口８）も流路１０４を介して最内室５８´に流体連絡する。チップ/ホール効果位置センサー９６は十分近接した位置において付勢装置内に設けることができ、磁石９４の移動を検出することができる。図２および図３の実施態様では、チップ/ホール効果位置センサー９６は、磁石９４より高い位置においてカバー８０の一部として水平に位置する。即ち、磁石９４に対して軸方向に位置する。別な実施態様では、チップ/ホール効果位置センサー９６は磁石９４から半径方向外側に離れた位置において垂直に位置してもよい。最内室には、磁石９４が干渉しないようにバイアス作用部材３２を収める。

流路１０４（図２）はバルブ３０を軸方向に貫通して形成する。

上記したように、制御口バルブ７２はソレノイド７０であればよく、これのアーマチュア７２がＣＰＵ１０６からの指示に応答して動作し、ソレノイド７０がオンになる。これによってアーマチュア７２が移動し、最外室５８´´と圧力変化源７８との間の流路９０（図２）が開く。

本発明の場合、ＩＣＥエンジニアが指令に応じて排気マニホルド１２、１６の動作圧力を制御することを可能にする。ＣＲＶ６が閉じた位置にあるときにこれが着座する開口に対して複数の部分的開放位置を含む目的の変位位置までＣＲＶ６を選択的に開くことによって（図３を参照）、目的の作用効果を発揮するように動作圧力を制御できる。一つの実施態様では、オペレーターがＣＲＶ６を使用することによってエンジンの吸気マニホルド５、１１の動作圧力を有効に制御できる。この作用効果を発揮するＣＲＶ６の実施態様の開閉を制御する場合いくつかの方法がある。一つの実施態様では、バイアス作用バネ３２に対してＣＲＶ６を自然に開く。即ち、動作圧力がバネの予荷重力を超えたときに、ＣＲＶ６が開き、この予荷重力に対して調整を行い、吸気マニホルド５、１１に所定の動作圧力を維持する（図１）。信号を受けて開くと、ＣＲＶ６が前述の実施例と同様に動作する。さらに、ＣＲＶ６は、直動形の場合も、あるいは空気圧形の場合も、信号を受けて、回路が所定のデューティサイクル（ｄｕｔｙ ｃｙｃｌｅ）の制御周波数を発生することにより開き、吸気マニホルド５、１１に目的の動作圧力を発生し、この圧力に対してＣＲＶ６のバルブ３０の高さおよび位置を調整するか、恐らくは決定する。

ここで、図２および図３から理解できるように、選択的な計量（バルブの複数の位置への部分的開放）については、ＣＰＵ１０６およびこのＣＰＵ１０６が位置センサー９２から受け取る信号を使用して行う。この選択的計量はバルブシート１１０およびバルブ３０の寸法形状によって改善できる。特にバルブシート１１０およびバルブ３０については、バルブが少しでも変位すると、吐き出し口が開くように形状決定することができる。

システムの動作圧力の検出を可能にするか、あるいはシステムの動作圧力をシステム内部のバルブの機械的動作に対して参照し、この後出力を出力して作用効果を発揮することを可能にする各種の制御方法は公知であり、また今後開発されていくことも考え得る。システム構成は、システム内に発生する圧力信号をバネバイアスに対して作用する機械的付勢装置の表面積に空気連絡する構成と同じ程度基本的な構成である。システム条件が変化すると、これに対応して、単純な閉ループロジックで付勢装置の特性が変化する。制御システムもまた、信号を電子処理ユニットに伝達し、これら信号を電子的に統合するか、あるいは比較値表と参照し、次に付勢装置の作用を空気圧により制御するソレノイドに出力する圧力センサーを備えるためより複雑になる。本明細書に援用する米国特許出願第１３/３６９，９７１号に記載されているように、図１のＣＲＶ６の位置におけるバルブの制御については、ウェイストゲート１３の開閉に同調させて、吸気マニホルド５、１１における押し込み圧力を制御することができる。

以上本発明を詳細に、かつ好適な実施態様を参照して説明してきたが、特許請求の範囲に記載した発明の範囲から逸脱しなくても変更修正が可能であることはいうまでもない。

２：排気駆動式ターボチャージャー（ＥＤＴ）
３：圧縮機給気口
５：流路
６：圧縮機再循環バルブ，ＣＲＶ
７：給気口
８：吐き出し口
９：スロットルプレート
１０：内燃機関
１１：給気口
１２：排気マニホルド
１３：通常ウェイストゲート
１６：排気体
１７，１８：排気ハウジング
１９：バイパス
２２：タービン部分
２４：圧縮機部分
２６：タービン羽根車
２８：圧縮機羽根車
３０：バルブ
３６：ピストン
３８：制御口
５０：ハウジング
５８´：最内室
５８´´：最外室
７０：ソレノイド
７２：制御口バルブ，アーマチュア
７６：流路
７８：真空，圧力変化源
９０：流体流路
９２：位置センサー
９４：磁石
９６：チップ/ホール効果位置センサー
９８：ブラケット
１００：内燃機関ターボシステム
１０２：孔
１０４：流路

Claims (14)

1. 位置フィードバック機能を備えた可変フローバルブにおいて、
   給気口および吐き出し口を有するハウジングであって、このハウジングの内部と流体連絡する一つ以上の制御口を有するハウジング、および
   一次バルブに接続されたピストンであって、これら両者が前記ハウジング内に着座し、前記給気口と前記吐き出し口との間の流体連絡を開閉するピストンを有し、
   前記ハウジングと前記ピストンがかみ合って内室と外室を形成し、この内室が前記制御口の一つと流体連絡し、そしてこの外室が別な制御口と流体連絡し、そしてさらに、
   圧力変化源にアクセスする前記制御口の少なくとも一つを開閉するように設けた制御口バルブ、および
   少なくとも一つの構成部材が前記一次バルブに接続され、前記吐き出し口に対する前記一次バルブの位置を検出する位置センサーを有し、
   前記一次バルブの前記位置を使用して、前記制御口バルブに連絡させて、前記吐き出し口が部分的に開く位置に前記一次バルブを保持することを特徴とする可変フローバルブ。
   
2. さらに、前記一次バルブを貫通して形成され、前記給気口を前記内室に接続して両者を流体連絡する流路を有する請求項１に記載の可変フローバルブ。
   
3. 前記制御口バルブが、前記内室と流体連絡している前記制御口と前記外室と流体連絡している前記制御口との間の流体連絡を開閉する請求項１に記載の可変フローバルブ。
   
4. 前記一次バルブが閉じた位置にあるときに、前記制御口バルブが開き、これによって前記内室と前記外室とを流体連絡させ、そして前記一次バルブが完全に開いた位置にあるときに、前記制御口バルブが閉じ、これによって前記外室と前記圧力変化源とを流体連絡させるが、前記内室と前記外室とは流体連絡させない請求項３に記載の可変フローバルブ。
   
5. 前記吐き出し口について、前記一次バルブが前記の完全に開いた位置の方向に少しでも変位すると、前記吐き出し口が部分的に開くように寸法形状を設定した請求項１に記載の可変フローバルブ。
   
6. 前記位置センサーが、前記制御口バルブの開閉を制御するＣＰＵと信号連絡している請求項１に記載の可変フローバルブ。
   
7. 前記位置センサーがホール効果センサーであり、このホール効果センサーが前記一次バルブに接続された位置磁石およびこの位置磁石に近接したセンサーチップからなり、その位置に変化があった場合にこの変化を検出する請求項１に記載の可変フローバルブ。
   
8. 圧縮機吐き出し口が可変フローバルブおよびエンジンの給気口に流体連絡するターボチャージャーからなる排気駆動式ターボチャージャーシステムの制御システムにおいて、
   前記可変ブローバルブが、
   一次バルブが着座するハウジングの給気口と吐き出し口との流体連絡を制御する前記一次バルブに接続されたピストンであって、前記ハウジングおよび前記ピストンがかみ合って内室および外室を形成し、この内室が第１制御口と流体連絡し、かつこの外室が第２制御口と流体連絡するピストン、
   圧力変化源にアクセスする前記第１制御口および第２制御口の少なくとも一つを開閉するように設けられた制御口バルブ、および
   少なくとも一つの構成部材が前記一次バルブに接続され、前記吐き出し口に対する前記一次バルブの位置を決定する位置センサーからなり、前記一次バルブの位置によって、前記制御口バルブの開閉を制御し、
   前記一次バルブの位置を使用して前記制御口バルブに連絡し、前記吐き出し口が部分的に開き、これによって前記エンジンの給気口への空気の流れに影響する位置に前記一次バルブを保持することを特徴とする排気駆動式ターボチャージャーシステムの制御システム。
   
9. 前記可変フローバルブがさらに、前記一次バルブを軸方向に貫通して形成され、前記給気口を前記内室に接続しこれらを流体連絡する流路を有する請求項８に記載のシステム。
   
10. 前記制御口バルブが、前記内室と流体連絡する前記制御口と前記外室と流体連絡する前記制御口との間の流体連絡を開閉する請求項８に記載のシステム。
    
11. 前記一次バルブが閉じた位置にあるときに、前記制御口バルブが開き、これによって前記内室と前記外室とを流体連絡させ、そして前記一次バルブが完全に開いた位置にあるときに、前記制御口バルブが閉じ、これによって前記外室と前記圧力変化源とを流体連絡させるが、前記内室と前記外室とは流体連絡させない請求項１０に記載のシステム。
    
12. 前記吐き出し口について、前記一次バルブが前記の完全に開いた位置の方向に少しでも変位すると、前記吐き出し口が部分的に開くように寸法形状を設定した請求項８に記載のシステム。
    
13. 前記位置センサーが、前記制御口バルブの開閉を制御するＣＰＵと信号連絡している請求項８に記載のシステム。
    
14. 前記位置センサーがホール効果センサーであり、このホール効果センサーが前記一次バルブに接続された位置磁石およびこの位置磁石に近接したセンサーチップからなり、その位置に変化があった場合にこの変化を検出する請求項８に記載のシステム。

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