JP4641521B2

JP4641521B2 - 可変ターボ過給機およびその駆動方法

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Publication number: JP4641521B2
Application number: JP2006268779A
Authority: JP
Inventors: 利彦西山; 秀司堀; 任久飯野; 大輔小塚
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2026-09-29
Also published as: US8202038B2; WO2008041577A1; GB2476756B; GB0906586D0; JP2008088851A; GB2455477A; DE112007002323B4; CN101523026B; CN101523026A; GB201106444D0; US20100054909A1; DE112007002323T5; GB2476756A; GB2455477B

Description

本発明は、可変ターボ過給機およびその駆動方法に関する。

従来、排気タービンのノズル部に可動式のノズルベーンを設け、このノズルベーンを回動させることによりノズル開度（ノズル部の開口面積）を調整できるようにした可変ターボ過給機が知られている。この可変ターボ過給機によれば、排気量が少ないエンジンの低速回転域では、ノズルベーンを回動させてノズル開度を小さくすればよく、こうすることで排気タービンに流入する排気ガスの流速が増加するため、排気タービンホイールの回転エネルギが大きくなり、よって給気コンプレッサの過給能力を上げることができる。

ノズルベーンを回動させる具体的な構造としては、複数のノズルベーンの１つに外部から回動駆動可能な駆動シャフトが連結されており、この駆動シャフトの途中には駆動レバーが取り付けられている。駆動レバーは連結リングを介して他のノズルベーンに設けられた従動レバーを回動させる。従って、１つのノズルベーンを駆動シャフトで回動させることにより、結果として全てのノズルベーンを回動させることが可能である。（例えば特許文献１）。

また、前記特許文献１によれば、ノズルベーンに連結されている駆動シャフトは、吸気通路内の負圧を利用した空気圧アクチュエータで駆動されるようになっている。ここで、空気圧アクチュエータは、吸気通路から負圧が導入される負圧室と大気開放された大気圧室とを有するハウジングを備えた構造であり、ハウジング内の各室が負圧の大きさに応じて作動する作動板（ダイアフラム）で仕切られ、この作動板にロッドが設けられ、作動板の動きに応じてロッドが進退するようになっている。そして、この進退運動が駆動シャフトの回動運動に変換され、ノズル開度が調整される。

一方、空気圧アクチュエータの代わりに４ポート式の油圧サーボアクチュエータを用いることも提案されている（例えば、特許文献２）。特許文献２においては、ノズル開度を可変にする機構を油圧サーボアクチュエータで駆動することにより、より緻密な開度制御が可能である。この油圧サーボアクチュエータでは、サーボピストン両側の油圧室に対する圧油供給の切り換えを比例電磁弁で行っている。すなわち、電磁弁を構成するスプールの位置を切り換えることで、各油圧室への油圧の供給を切り換えるのである。

特開平１１−３４３８５７号公報特表２００３−５２７５２２号公報

しかしながら、特許文献１によれば、作動板を空気圧とばね力といった異なる手段により往復動させるため、一方向への作動板の移動時と他方向への移動時とでは作動板の動き、ひいてはノズルベーンの動きに違いが生じ、ヒステリシスが大きくなってノズル部の緻密な開度制御が困難になる。しかも、ノズルベーンを回動させる際の負荷がそのまま作動板に作用する構造であり、負荷の大小によって負荷ドリフトが生じるため、この点でも緻密な開度制御ができないという問題がある。つまり、特許文献１の技術は、所謂ばねバランス方式のオープン制御の技術であり、ヒステリシス特性および負荷ドリフト特性が良好とはいえない。

これに対し、特許文献２によれば、４ポート式の油圧サーボアクチュエータを用いることで各特性を向上させることが可能である。しかし、特許文献２では、各油圧室への圧油供給の切り換えを電磁弁のスプールで行っており、電磁弁のソレノイド推力と電磁弁内に設けられたばねのばね力とのつり合いによりスプールが移動し、スプールが動くと油圧回路が開いてサーボピストンが移動し、サーボピストンに一体に設けられたラックと噛み合うピニオンが回動し、ピニオンと一体の偏心カムが回動してノズル開度調整機構を駆動する構造である。従って、このような構造では、位置制御用のスプールは、ソレノイド推力とばね荷重とでバランスしているのであるが、サーボピストンを駆動するための大量の圧油がスプールを通して流れるうえ、ばね荷重もさほど大きくないために、スプールの動きがフローフォースの影響を受けやすく、スプールを緻密に位置制御するのには限界がある。なお、ばね荷重を大きくするためにソレノイド推力を大きくすると、ソレノイドのサイズが大きくなって場積を取るという問題が生じる。

本発明の目的は、ヒステリシス特性や負荷ドリフト特性といった制御特性を良好にして緻密な制御を行えるとともに、信頼性を向上させることができる可変ターボ過給機およびその駆動方法を提供することにある。

本発明の請求項１に係る可変ターボ過給機は、タービンホイール外側のノズル部に互いに対向して設けられた排気導入壁と、前記排気導入壁の間で前記タービンホイールの周方向に沿って所定間隔をあけて配置された複数のノズルベーンと、前記複数のノズルベーンを回動させるスイング機構と、前記スイング機構を駆動する油圧サーボ駆動装置とを備え、前記油圧サーボ駆動装置は、一部に開口部を有するハウジングと、前記ハウジング内に摺動自在に収容されるとともに、前記開口部を介して前記スイング機構と連結されたサーボピストンと、前記サーボピストンのセンターホール内に収容されてパイロット圧によって摺動するパイロットスプールとを備え、前記ハウジング内での前記サーボピストンの一端側および他端側には、圧油が流入出する第１油圧室および第２油圧室がそれぞれ設けられており、前記サーボピストンには、外部からの圧油を前記センターホール内に流入させるプレッシャポートと、前記センターホールおよび前記第１油圧室を連通させる第１ピストンポートと、前記センターホールおよび前記第２油圧室を連通させる第２ピストンポートと、前記第１、第２油圧室の圧油を外部に流出させるリターンポートとが個別に設けられ、前記パイロットスプールには、前記各ポートの連通形態を切り換える切換手段が設けられており、前記第１、第２圧油室の少なくともいずれか一方には、前記サーボピストンを一方向への移動側に付勢するコイルばねが設けられていることを特徴とする。
なお、パイロットスプールに設けられる切換手段としては、パイロットスプールのスプールランド等で構成することができる。

請求項２に係る可変ターボ過給機は、請求項１に記載の可変ターボ過給機において、前記ハウジング内での前記サーボピストンの一端側には、前記第１油圧室とは仕切部材で仕切られたパイロット油圧室が設けられ、前記パイロット油圧室は、前記第１油圧室に対して前記ハウジングの軸方向の外側に位置していることを特徴とする。

請求項３に係る可変ターボ過給機は、請求項１に記載の可変ターボ過給機において、前記ハウジング内での前記サーボピストンの一端側には、前記第１油圧室とは仕切部材で仕切られたパイロット油圧室が設けられ、前記パイロット油圧室は、前記第１油圧室に対して前記ハウジングの径方向の内側に位置していることを特徴とする。

請求項４に係る可変ターボ過給機は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の可変ターボ過給機において、前記サーボピストンには、前記プレッシャポートに対して軸方向にずれた位置に前記スイング機構との連結部が設けられていることを特徴とする。

請求項５に係る可変ターボ過給機は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の可変ターボ過給機において、前記スイング機構は、前記複数のノズルベーンのうち、少なくとも一つのノズルベーンを回動させる駆動シャフトと、このノズルベーンの回動を他のノズルベーンに伝達する連結リングとを備えて構成され、前記駆動シャフトおよび前記サーボピストンは、当該サーボピストンの進退運動を前記駆動シャフトの回動運動に変換する変換手段を介して連結されていることを特徴とする。

請求項６に記載の可変ターボ過給機は、請求項５に記載の可変ターボ過給機において、前記変換手段は、前記サーボピストンの外周に軸方向に直交して設けられた摺動溝と、摺動溝内に摺動自在に係合されるスライダと、一端が前記スライダに回動自在に係合し、かつ他端が前記駆動シャフトに連結されたアームとで構成されていることを特徴とする。

請求項７に係る可変ターボ過給機の駆動方法は、請求項１に記載の構成を備えた可変ターボ過給機の駆動方法であって、パイロット圧を増大させて前記パイロットスプールを一方向に摺動させることにより、前記プレッシャポートと前記第１ピストンポートを連通させるとともに、前記第２ピストンポートと前記リターンポートとを連通させ、よって前記サーボピストンを前記パイロットスプールの前記一方向への摺動に追従させ、パイロット圧を減少させて前記パイロットスプールを他方向に摺動させることにより、前記プレッシャポートと前記第２ピストンポートを連通させるとともに、前記第１ピストンポートと前記リターンポートとを連通させ、よって前記サーボピストンを前記パイロットスプールの前記他方向への摺動に追従させ、これらのサーボピストンの摺動により前記スイング機構を駆動して前記複数のノズルベーンを回動させることを特徴とする。

以上において、請求項１および請求項７の発明によれば、サーボピストンとパイロットスプールとにより４ポート式の油圧サーボ駆動装置を実現できるため、駆動シャフトや連結リングを介して行う各ノズルベーンの回動を小さなヒステリシスで行えるうえ、回動時の駆動負荷がパイロットスプールに伝達されことがなく、負荷ドリフトが生じない。従って、ヒステリシス特性や負荷ドリフト特性といった制御特性を向上させることができ、ノズル部の開度制御を緻密にできる。また、パイロットスプールは、特許文献２での電磁弁のスプールとして機能するが、サーボピストンを駆動するための油圧ではなく、これとは独立したパイロット圧で動作するため、フローフォースの影響を受ける心配がなく、パイロットスプールの位置制御をより正確に行え、開度制御を一層緻密にできる。
さらに、パイロットスプールがサーボピストン内を摺動することで、油圧サーボ駆動装置を小型化でき、可変ターボ過給機の大型化を抑制して狭いエンジンルーム内に好適に配置できる。
また、サーボピストンの一方側への移動をコイルばねでアシストすることになるので、何らかの理由により、油圧サーボ駆動装置につながる配管内の圧油がなくなった時でも、コイルばねのばね力によって可変ターボ過給機のノズル開度を所定の状態に維持できる。

請求項２の発明によれば、パイロット油圧室が第１油圧室の軸方向の外側に設けられるので、油圧サーボ駆動装置が径方向に大きくなるのを抑制でき、反対に、請求項３の発明によれば、パイロット油圧室と第１油圧室とが径方向に重なって設けられるから、軸方向に大きくなるのを抑制できる。

プレッシャポートはサーボピストンを移動させるための圧油が高圧状態で通る部位であり、プレッシャポート周りの形状はサーボピストンの動きに影響を及ぼしやすい。そこで、請求項４の発明では、プレッシャポートから離れた位置にスイング機構との連結部を設けることとし、こうすることによりプレッシャポート周りの形状を連結部の形状に左右されることなく油圧駆動上理想的な形状にでき、サーボピストンをスムースに移動させることができる。

請求項５の発明によれば、各変換手段によりサーボピストンの直線運動を回動運動に変換し、駆動シャフトを確実に回動させることができる。この際、請求項６の発明のように、変換手段を摺動溝、スライダ、およびアームにて構成することにより、簡易な構造にできる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態に係る可変ターボ過給機１の断面図である。可変ターボ過給機１は、図中の右側にタービンを備え、左側にコンプレッサを備えた構成であり、図示略のエンジン本体に設けられている。タービン側のタービンハウジング２内にはタービンホイール３が収容され、コンプレッサ側のコンプレッサハウジング４内にはコンプレッサインペラ５が収容されている。タービンホイール３にはシャフト６が一体に設けられ、シャフト６の先端にコンプレッサインペラ５が取り付けられている。シャフト６はセンターハウジング７に回転自在に支持されている。このため、排気ガスによって回転するタービンホイール３の回転が、シャフト６を介してコンプレッサインペラ５に伝達され、コンプレッサインペラ５の回転によって吸気が圧縮過給される。

タービンハウジング２には、エンジン本体からの排気ガスを導入するボリュート状の排気導入路１０が設けられている。排気導入路１０には、排気ガスをタービンホイール３側に噴出するためのノズル部１１が周方向に連続して設けられており、ノズル部１１から噴出した排気ガスがタービンホイール３を回転させた後に排気出口１２から排気される。ノズル部１１は、互いに対向する一対の排気導入壁１３，１４によって形成されている。

排気導入壁１３，１４間には、周方向に沿って複数のノズルベーン１７が等周間隔で配置されている。各ノズルベーン１７には、センターハウジング７側の排気導入壁１３を貫通するシャフト１８が設けられており、このシャフト１８を回動軸としてノズルベーン１７が回動する。そして、ノズルベーン１７を後述するスイング機構２０によって回動させることにより、ノズル部１１の開口面積を変更する。

なお、コンプレッサ側の構成は、通常のターボ過給機と同じであり、公知であるため、ここでの詳細な説明を省略する。以下には、スイング機構２０について詳説する。

スイング機構２０は、図２に示すように、一つのシャフト１８に連結され、かつセンターハウジング７（図２では不図示）から突出することとなる駆動シャフト２１を回動駆動することで、全てのノズルベーン１７を回動させる構造である。具体的に、駆動シャフト２１が連結されたシャフト１８には、略まゆ型（瓢箪型）形状の駆動レバー２２の基端側が固定されている。一方、センターハウジング７と排気導入壁１３との間の空間には、各シャフト１８の内側に位置するように環状の連結リング２３が配置されている。連結リング２３には、各シャフト１８に対応した切欠部２３Ａが設けられ、この切欠部２３Ａの一つに駆動レバー２２の先端側が嵌合されている。さらに、他の切欠部２３Ａには、同じく略まゆ型形状とされた従動レバー２４の先端が嵌合し、各従動レバー２４の基端側が他のシャフト１８に固定されている。

従って、駆動シャフト２１を回動させると、これに連結されたシャフト１８およびノズルベーン１７が回動すると同時に、駆動レバー２２が回動し、連結リング２３が回動する。連結リング２３の回動はさらに、従動レバー２４を介して他のシャフト１８に伝達され、他のノズルベーン１７が回動する。よって駆動シャフト２１を回動させることで、全てのノズルベーン１７を同時に回動させることとなる。

スイング機構２０の駆動シャフト２１は、その端部に設けられたアーム２７を介して油圧サーボ駆動装置３０によって回動駆動される。このような油圧サーボ駆動装置３０は、センターハウジング７の中央から外側にずれた位置に設けられており、図示を省略するが、センターハウジング７の一部が油圧サーボ駆動装置３０を逃げた形状とされ、この部分に周囲のハウジング部分と干渉することなく取り付けられている。以下には、油圧サーボ駆動装置３０について詳説する。

図３に示すように、油圧サーボ駆動装置３０は基本的に、サーボピストン３１を上下に進退運動させることで駆動シャフト２１を回動させる構造である。このためにサーボピストン３１の外周には、軸方向に対して直交した摺動溝３２が設けられ、駆動シャフト２１側のアーム２７には、摺動溝３２側に突出したピン２８が設けられ、このピン２８にスライダ２９が嵌め込まれ、スライダ２９が前記摺動溝３２に摺動自在に嵌合している。

つまり、本実施形態では、摺動溝３２、スライダ２９、ピン２８、アーム２７を含んで、サーボピストン３１の進退運動を駆動シャフト２１の回動運動に変換する変換手段が構成されている。サーボピストン３１を上下動させると、それに伴ってスライダ２９が上下動するとともに摺動溝３２に沿って摺動し、このスライダ２９の動きとピン２８の回動とによりアーム２７の円弧動を許容し、アーム２７を回動させることが可能である。

図４には、油圧サーボ駆動装置３０の縦断面が示されている。図４において、油圧サーボ駆動装置３０は、前記サーボピストン３１と、このサーボピストン３１を摺動自在に収容し、かつ一部に開口部３３Ａを有したハウジング３３と、サーボピストン３１の軸方向に貫通したセンターホール３４内に収容されてパイロット圧によって摺動するパイロットスプール３６とを備え、開口部３３Ａ周りをシールするＯリング１００を介して可変ターボ過給機１のセンターハウジング７に取り付けられている。

先ず、ハウジング３３は、外形形状が角柱状とされているとともに、その内部には上下に貫通する円筒状のシリンダ空間３５が設けられており、このシリンダ空間３５内にサーボピストン３１が収容されている。シリンダ空間３５の上下端側はＯリング１０１，１０２を介して閉塞部材３７，３８によって密閉されている。ハウジング３３の開口部３３Ａに対応した位置には、駆動シャフト２１とサーボピストン３１との連結部３９が設けられている。従って、開口部３３Ａの大きさは、サーボピストン３１およびスライダ２９の摺動量を考慮して設定されている。

ハウジング３３において、開口部３３Ａとは反対側の側面には、例えば可変ターボ過給機１から離れた位置にある比例電磁弁９５（図７）からのパイロット圧を供給するパイロットポート４１、昇圧ポンプ９２（図７）からの圧油を供給するポンプポート４２、および圧油を戻すドレインポート４３が設けられている。昇圧ポンプ９２および比例電磁弁９５は、本実施形態の可変ターボ過給機１が搭載される図示しない同一のエンジン本体に設置されている。比例電磁弁９５がハウジング３３とは独立してエンジン本体に設けられていることにより、ハウジング３３を小型化でき、可変ターボ過給機１自身を小型化できて場積を小さくできる。輸送トラックなどとは異なってエンジンルームが極めて狭い建設機械などでは、この場積を小さくできるといったメリットは大きい。

ハウジング３３のシリンダ空間３５は、サーボピストン３１が摺動する部分と、その上方の部分とが仕切部材４４によって仕切られている。この仕切部材４４は、シリンダ空間３５の内周面に設けられた段差部分に当接しており、当接部分の近傍には、仕切部材４４で仕切られた空間をシールするためのＯリング１０３が設けられている。仕切部材４４には下方に垂下した筒部４５が設けられており、この筒部４５がサーボピストン３１のセンターホール３４の上方側に入り込んでいる。そして、仕切部材４４で仕切られた上方の空間がパイロット油圧室４６とされ、このパイロット油圧室４６とパイロットポート４１とが連通している。

これに対して、仕切部材４４で仕切られた下方の空間は、当該仕切部材４４とサーボピストン３１の上端面との間に形成される第１油圧室４７となっている。つまり、前記パイロット油圧室４６は、第１油圧室４７に対して軸方向の外側（本実施形態では上側）にずれているのであり、この配置によって油圧サーボ駆動装置３０全体が大径化するのを抑制している。さらに、サーボピストン３１の下端面と下側の閉塞部材３８との間には第２油圧室４８が形成されている。

次に、サーボピストン３１について説明する。サーボピストン３１には、センターホール３４とハウジング３３のポンプポート４２とを連通させて、ポンプからの圧油をセンターホール３４内に流入させるプレッシャポート５１が設けられている。このプレッシャポート５１の外側は、径方向に対向して形成された溝部分に開口しており、溝部分が所定の上下寸法を有することにより、サーボピストン３１のストローク内でプレッシャポート５１とポンプポート４２とが常時連通することになる。

さらに、サーボピストン３１には、センターホール３４とハウジング３３のドレインポート４３とを連通させて、センターホール３４内の圧油をタンクに戻すリターンポート５２が設けられている。このリターンポート５２の外側には、サーボピストン３１の外周に形成された溝部分に開口しており、サーボピストン３１のストローク内ではやはりリターンポート５２とドレインポート４３とが常時連通する。また、本実施形態では、サーボピストン３１と駆動シャフト２１との連結部３９が丁度、リターンポート５２の反対側に対応した位置に設けられていることになり、プレッシャポート５１に対して軸方向の下方側にずれて位置している。

サーボピストン３１には加えて、図５中に点線で示すように、センターホール３４と上方の第１油圧室４７とを連通させる第１ピストンポート５３、およびセンターホール３４と下方の第２油圧室４８とを連通させる第２ピストンポート５４が設けられている。この際、第１ピストンポート５３のセンターホール３４側の開口部分は、プレッシャポート５１の開口部分よりも下方に位置し、第２ピストンポート５４のセンターホール３４側の開口部分は、プレッシャポート５１の開口部分よりも上方に位置している。第１、第２ピストンポート５３，５４はそれぞれ、プレッシャポート５１およびリターンポート５２に対して連通しない位置にずれて設けられている。

センターホール３４の下方側は、当接部材５５がサーボピストン３１にＯリング１０４を介して螺設されることで密閉されており、当接部材５５を介してサーボピストン３１が閉塞部材３８に当接し、当接した位置がサーボピストン３１の最下位置となる。第２油圧室４８内において、閉塞部材３８と当接部材５５との間にはコイルばね５６が配置され、サーボピストン３１の上方側への移動をアシストしている。昇圧ポンプ９２の故障等により、油圧サーボ駆動装置３０につながる配管内の圧油がなくなった時でも、コイルばね５６のばね力によって可変ターボ過給機１のノズル開度が開き側（好ましくは全開）で維持されるようになっている。

パイロットスプール３６は、略中央部分に本発明に係る切換手段としての２つの第１、第２スプールランド６１，６２を備えている。パイロットスプール３６の内部には、下方に開口したリターン流路６３が設けられており、第１スプールランド６１の上側の溝部分とリターン流路６３とが連通し、第２スプールランド６２の下側の溝部分とリターン流路６３とが同様に連通している。さらに、リターン流路６３の下側が開口していることで、このリターン流路６３、リターンポート５２、ドレインポート４３が連通している。

また、パイロットスプール３６は、仕切部材４４の筒部４５を通してサーボピストン３１のセンターホール３４内を上下に摺動可能であり、その上端部分がパイロット油圧室４６内に配置された保持部材６４に螺合保持されている。パイロット油圧室４６内において、保持部材６４はコイルばね６５によって上方に付勢されており、コイルばね６５の付勢力に抗するパイロット圧によってパイロットスプール３６が下方に移動し、パイロット圧油の戻り（ドレイン流路については図示しないが、電磁弁９５側でオイルパン８０にドレインされる）によりコイルばね６５の付勢力で上方へ移動する。

このような構成の油圧サーボ駆動装置３０では、パイロットスプール３６がサーボピストン３１に対して上昇すると、それに追従してサーボピストン３１も上昇し、パイロットスプール３６が下降すると、サーボピストン３１も追従して下降する。この際、パイロットスプール３６は、サーボピストン３１内を軸方向に摺動するだけであるから、各ノズルベーン１７の回動時の駆動負荷は、スイング機構２０を介してサーボピストン３１に作用するが、パイロットスプール３６には一切作用しない。

このため、本実施形態では、パイロットスプール３６の位置を制御し、よってサーボピストン３１の位置制御を行い、ひいては全ノズルベーン１７を回動させてノズル部１１の開口面積を変えるのであるが、この際、パイロットスプール３６の位置制御を駆動負荷に左右されずに行うことができ、負荷ドリフトをなくすことができる。従って、排気ガスによる流体圧が一定していない排気ターボ、つまり本実施形態のような可変ターボ過給機１の場合でも、ノズル部１１の開口面積を容易にコントロールでき、エミッションを正確に制御できる。また、位置制御を正確に行えることで、制御方式を例えばフィードバック制御からフィードフォワード制御にして応答時間を短くすることもでき、トランジェントにも精度よく対応できる。

次に、図４ないし図６を参照し、油圧サーボ駆動装置３０の動きについて具体的に説明する。図４では、コイルばね６５の付勢力を越えるパイロット圧が供給されることで、パイロットスプール３６およびサーボピストン３１の両方が共に最下位置にある。従って、この状態においては、パイロットスプール３６の下端が当接部材５５の上端に当接し、また、当接部材５５の下端は閉塞部材３８に当接している。さらに、この位置では、パイロットスプール３６の上側の第１スプールランド６１が第２ピストンポート５４から下方にずれており、第２ピストンポート５４がリターン流路６３を通してリターンポート５２に連通し、第２油圧室４８内の圧油がドレインされている。

一方、下側の第２スプールランド６２も第１ピストンポート５３に対して下方にずれており、プレッシャポート５１と第１ピストンポート５３とが連通している。このため、プレッシャポート５１および第１ピストンポート５３を通して第１油圧室４７に圧油が供給されている。

なお、パイロット油圧室４６に供給された圧油の一部は、仕切部材４４の筒部４５と保持部材６４との間に形成されている僅かな隙間や、筒部４５とパイロットスプール３６の上端側外周部分との間に形成されている僅かな隙間を通して、その下方に区画されている空間、すなわちサーボピストン３１のセンターホール３４内周と、パイロットスプール３６の外周と、筒部４５の下端とで区画される空間に入り込む。

この状態から、図５に示すように、パイロット油圧室４６内の圧油を戻して所定のパイロット圧まで下げると、パイロット圧とコイルばね６５とがつり合う位置までパイロットスプール３６が上昇する。この時、上側の第１スプールランド６１は第２ピストンポート５４の上方にずれるため、第２ピストンポート５４とプレッシャポート５１とが連通し、第２油圧室４８に圧油が供給される。

これと同時に、下側の第２スプールランド６２も第１ピストンポート５３の上方にずれるため、第１ピストンポート５３とリターン流路６３が連通し、第１油圧室４７内にあった圧油の一部がドレインされ、よってサーボピストン３１がパイロットスプール３６に追従するようにして上昇する。このサーボピストン３１の上昇は、第１、第２スプールランド６１，６２によって第１、第２ピストンポート５３，５４が閉じられた時点で終了し、サーボピストン３１はパイロットスプール３６の停止位置に応じた位置で同様に停止する。サーボピストン３１がパイロットスプール３６を追い越して上昇することはない。

続いて、図６に示すように、パイロット圧を完全に抜いた状態では、保持部材６４の上端がパイロット油圧室４６の天面に当接した状態となるまでパイロットスプール３６が上方に移動し、この移動に追従したサーボピストン３１は、上端が仕切部材４４に当接するまで上昇する。そして、この状態では、パイロットスプール３６およびサーボピストン３１は共に最上位置にあり、第２圧油室４８内に圧油が充満した状態で第１、第２ピストンポート５３，５４はそれぞれ、第１、第２スプールランド６１，６２で閉じられる。

この際、サーボピストン３１のセンターホール３４内周と、パイロットスプール３６の外周と、筒部４５の下端とで区画される空間内に入り込んでいた圧油は、前述の隙間を通してパイロット油圧室４６に戻ることになる。

サーボピストン３１を下方の所定位置に移動させる場合には、パイロット圧を供給してパイロットスプール３６を所定位置まで下降させる。こうすることで再度、第２ピストンポート５４がリターン流路６３と連通し、第２油圧室４８内の圧油の一部がドレインされ、サーボピストン３１が下降する。この下降はやはり、第１、第２スプールランド６１，６２によって第１、第２ピストンポート５３，５４が閉じられた時点で終了し、サーボピストン３１はパイロットスプール３６の停止位置に応じた位置で同様に停止する。勿論、サーボピストン３１がパイロットスプール３６を追い越して下降することもない。

以上の動作をする油圧サーボ駆動装置３０によれば、サーボピストン３１およびパイロットスプール３６は、３位置式の４ポートバルブとして機能するようになり、サーボピストン３１の上下動の両方を、第１、第２圧油室４７，４８の一方への圧油の供給、およびこれと同時に行われる他方からの圧油のドレインによって行うことができ、従来のばねバランス方式のオープン制御に比してヒステリシス特性を大幅に改善できる。従って、負荷ドリフトが生じないことと、ヒステリシス特性が良好なことともより、ノズル部１１の開度調整を緻密に行うことができる。さらに、パイロットスプール３６は、ソレノイド推力によらず、パイロット圧によって動作するので、特許文献２の場合とは異なって圧油のフローフォースの影響を受けず、パイロットスプール３６の位置制御自身をより正確に行える。

また、第１、第２油圧室４７，４８に対して圧油の供給を切り換えるパイロットスプール３６は、特許文献２での電磁弁のスプールの機能も果たすのであるが、このパイロットスプール３６がサーボピストン３１内を摺動することで、油圧サーボ駆動装置３０をコンパクトにでき、可変ターボ過給機１が大型化するのを抑制できる。しかも、本実施形態では、特許文献２のような電磁弁がパイロット圧を供給するために必要であるが、このような電磁弁は、可変ターボ過給機１から離れた熱影響の少ない任意の箇所に配置することもできるので、電磁弁での誤動作を防止でき、信頼性を向上させることができる。

図７には、本実施形態の可変ターボ過給機１が搭載されるエンジンの潤滑回路７０が模式的に示されている。潤滑回路７０は、オイルパン８０内の潤滑油を油圧ポンプ８１で汲み上げて、オイルクーラ８２およびオイルフィルタ８３を介してメインギャラリ８４に供給するように形成されている。このメインギャラリ８４からの潤滑油では主に、クランクシャフト８５およびカムシャフト８６が潤滑される。

また、潤滑回路７０には、メインギャラリ８４からそれぞれ分岐して燃料噴射装置８７内のカム駆動部等を潤滑する噴射装置側回路７１と、タイミングギアを含む動力伝達機構８８を潤滑する伝達機構側回路７２と、ロッカアーム８９を潤滑するロッカアーム側回路７３と、可変ターボ過給機１のシャフト６を支持する軸受部分を潤滑する過給機側回路７４と、可変ターボ過給機１および燃料噴射装置８７から潤滑油をオイルパン８０に戻すための第１ドレイン回路７５とが設けられている。さらに、本実施形態では、潤滑回路７０とは別に、潤滑油の一部を駆動圧油として油圧サーボ駆動装置３０に供給する圧油供給回路９０と、油圧サーボ駆動装置３０のドレインポート４３から圧油をオイルパン８０に戻すための第２ドレイン回路９１とが設けられている。

すなわち、本実施形態では、油圧サーボ駆動装置３０を駆動するための圧油をエンジン潤滑油の一部で賄っているが、その圧油を供給するための回路がメインギャラリ８４手前から分岐された圧油供給回路９０である。そして、圧油供給回路９０の基端側には昇圧ポンプ９２が設けられ、昇圧された圧油が先端側の駆動圧回路９３を通して油圧サーボ駆動装置３０のポンプポート４２に供給される。油圧ポンプ８１での吐出圧は約１９６〜２９４kN/m²（２〜３kg/cm²）で、昇圧ポンプ９２による昇圧後の吐出圧は約１４７０kN/m²（１５kg/cm²）である。そして、圧油供給回路９０の先端側は、ポンプポート４２側へ供給される前記駆動圧回路９３と、油圧サーボ駆動装置３０のパイロットポート４１にパイロット圧を供給するパイロット圧回路９４とに分岐されており、このため、パイロット圧回路９４には、パイロット圧を生じさせる比例電磁弁９５が設けられている。電磁弁９５に所定の電流を通電させることで、電流に応じた０〜１４７０kN/m²（０〜１５kg/cm²）のパイロット圧を生じさせ、パイロットスプール３６をパイロット圧に応じた位置に移動させることが可能である。

なお、本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
従って、上記に開示した形状、数量などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、数量などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。

例えば、図８には、パイロット油圧室４６が第１油圧室４７（図では完全に圧油を抜いた状態が示されている）に対して内側に設けられ、パイロット油圧室４６と第１油圧室４７とが径方向に重なる例が示されている。このような例では、仕切部材４４がシリンダ空間３５の最上部に設けられており、仕切部材４４の内部空間によってパイロット油圧室４６の大部分が形成されている。
このような構造では、各油圧室４６，４７が径方向に重なることにより、ハウジング３３の軸方向の寸法を短くでき、油圧サーボ駆動装置３０をより小型化できるというメリットがある。

本発明は、例えば、エンジンルームが狭く、かつ油圧ポンプを一般的に搭載している建設機械用の可変ターボ過給機として好適に利用できる。

本発明の一実施形態に係る可変ターボ過給機を示す断面図。可変ターボ過給機のスイング機構を示す図であり、図１のII−II矢視図。スイング機構と油圧サーボ駆動装置との連結部を示す斜視図。油圧サーボ駆動装置を示す断面図。油圧サーボ駆動装置の動きを説明するための断面図。油圧サーボ駆動装置の動きを説明するための別の断面図。エンジンの潤滑回路を示す模式図。本発明の変形例を示す断面図。

符号の説明

１…可変ターボ過給機、３…タービンホイール、１１…ノズル部、１３，１４…排気導入壁、１７…ノズルベーン、２０…スイング機構、２７…アーム、２９…スライダ、３０…油圧サーボ駆動装置、３１…サーボピストン、３２…摺動溝、３３…ハウジング、３３Ａ…開口部、３４…センターホール、３６…パイロットスプール、３９…連結部、４４…仕切部材、４６…パイロット油圧室、４７…第１油圧室、４８…第２油圧室、５１…プレッシャポート、５２…リターンポート、５３…第１ピストンポート、５４…第２ピストンポート、５６…コイルばね、６１，６２…切換手段である第１、第２スプールランド。

Claims

可変ターボ過給機において、
タービンホイール外側のノズル部に互いに対向して設けられた排気導入壁と、
前記排気導入壁の間で前記タービンホイールの周方向に沿って所定間隔をあけて配置された複数のノズルベーンと、
前記複数のノズルベーンを回動させるスイング機構と、
前記スイング機構を駆動する油圧サーボ駆動装置とを備え、
前記油圧サーボ駆動装置は、一部に開口部を有するハウジングと、前記ハウジング内に摺動自在に収容されるとともに、前記開口部を介して前記スイング機構と連結されたサーボピストンと、前記サーボピストンのセンターホール内に収容されてパイロット圧によって摺動するパイロットスプールとを備え、
前記ハウジング内での前記サーボピストンの一端側および他端側には、圧油が流入出する第１油圧室および第２油圧室がそれぞれ設けられており、
前記サーボピストンには、外部からの圧油を前記センターホール内に流入させるプレッシャポートと、前記センターホールおよび前記第１油圧室を連通させる第１ピストンポートと、前記センターホールおよび前記第２油圧室を連通させる第２ピストンポートと、前記第１、第２油圧室の圧油を外部に流出させるリターンポートとが個別に設けられ、
前記パイロットスプールには、前記各ポートの連通形態を切り換える切換手段が設けられており、
前記第１、第２圧油室の少なくともいずれか一方には、前記サーボピストンを一方向への移動側に付勢するコイルばねが設けられている
ことを特徴とする可変ターボ過給機。
請求項１に記載の可変ターボ過給機において、
前記ハウジング内での前記サーボピストンの一端側には、前記第１油圧室とは仕切部材で仕切られたパイロット油圧室が設けられ、
前記パイロット油圧室は、前記第１油圧室に対して前記ハウジングの軸方向の外側に位置している
ことを特徴とする可変ターボ過給機。
請求項１に記載の可変ターボ過給機において、
前記ハウジング内での前記サーボピストンの一端側には、前記第１油圧室とは仕切部材で仕切られたパイロット油圧室が設けられ、
前記パイロット油圧室は、前記第１油圧室に対して前記ハウジングの径方向の内側に位置している
ことを特徴とする可変ターボ過給機。
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の可変ターボ過給機において、
前記サーボピストンには、前記プレッシャポートに対して軸方向にずれた位置に前記スイング機構との連結部が設けられている
ことを特徴とする可変ターボ過給機。
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の可変ターボ過給機において、
前記スイング機構は、前記複数のノズルベーンのうち、少なくとも一つのノズルベーンを回動させる駆動シャフトと、このノズルベーンの回動を他のノズルベーンに伝達する連結リングとを備えて構成され、
前記駆動シャフトおよび前記サーボピストンは、当該サーボピストンの進退運動を前記駆動シャフトの回動運動に変換する変換手段を介して連結されている
ことを特徴とする可変ターボ過給機。
請求項５に記載の可変ターボ過給機において、
前記変換手段は、前記サーボピストンの外周に軸方向に直交して設けられた摺動溝と、摺動溝内に摺動自在に係合されるスライダと、一端が前記スライダに回動自在に係合し、かつ他端が前記駆動シャフトに連結されたアームとで構成されている
ことを特徴とする可変ターボ過給機。
請求項１に記載の構成を備えた可変ターボ過給機の駆動方法であって、
パイロット圧を増大させて前記パイロットスプールを一方向に摺動させることにより、前記プレッシャポートと前記第１ピストンポートを連通させるとともに、前記第２ピストンポートと前記リターンポートとを連通させ、よって前記サーボピストンを前記パイロットスプールの前記一方向への摺動に追従させ、
パイロット圧を減少させて前記パイロットスプールを他方向に摺動させることにより、前記プレッシャポートと前記第２ピストンポートを連通させるとともに、前記第１ピストンポートと前記リターンポートとを連通させ、よって前記サーボピストンを前記パイロットスプールの前記他方向への摺動に追従させ、
これらのサーボピストンの摺動により前記スイング機構を駆動して前記複数のノズルベーンを回動させる
ことを特徴とする可変ターボ過給機の駆動方法。