JP4848811B2

JP4848811B2 - ターボチャージャの制御装置

Info

Publication number: JP4848811B2
Application number: JP2006088381A
Authority: JP
Inventors: 健朗中島
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2006-03-28
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2026-03-28
Also published as: JP2007262964A

Description

本発明は、ターボチャージャの制御装置に関するものである。

ディーゼルエンジンにおいては、低ＮＯｘと低スモークの同時低減を可能にする予混合圧縮着火燃焼の研究が近年活発に行われている。この予混合圧縮着火燃焼は、均一で希薄な混合気を早期に生成し燃焼させるため、技術課題としてエンジン負荷を増すと過早着火が発生して着火時期の制御が困難となり、そのため運転領域が低負荷領域に限定されるといった問題がある。

この予混合圧縮着火燃焼による運転領域を拡大する手法としては、排気ガスの一部を排気系から取り出して吸気系に戻し、混合気に加えるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation:排気再循環）のＥＧＲ率を高め、混合気の酸素濃度を低減することにより燃焼を抑制し、空燃比（Ａ／Ｆ）を確保することが効果的である。そして、その具体的対応策としては、多段例えば２段式のターボチャージャ（排気タービン駆動式過給機）を用い、高圧段の小型ターボチャージャにより低速低負荷領域から高ブーストを得て、高ＥＧＲ率と高空燃比を確保することが考えられる。

このような２段過給システムにおいては、高圧段ターボチャージャと低圧段ターボチャージャを用いた場合、所定の運転領域において、使用するターボチャージャを切り替える必要があり、この切り替えを行うために、バイパスバルブが必要となり、バタフライ式やポペット式等のバルブが用いられている。このバルブには、全流量を流すための開度（開口面積）が必要となるが、一方では高圧段ターボチャージャから低圧段ターボチャージャに切り替える遷移域において、バイパスバルブ開度とガス流量の関係を見た場合、ＥＧＲ率と高空燃比を緻密に制御するには、バイパスバルブ開度に対するガス流量の感度が高く精密なバイパスバルブ開度の制御が必要となる。

ここで、バイパスバルブの開度と流量の関係に着目すると、排気バイパスバルブを１個用いる場合には、高速域で全排気ガス流量を流せるようにしなければならないので、大きな開口面積が必要となるが、大きな開口面積のバイパス流路をバタフライ式やポペット式等のバルブで緻密な開度制御を行うことは難しい。排気バイパスバルブを２個用いる場合には、緻密な流量制御用の小径バルブと、全排気ガス流量用の大径バルブとを組合せることが可能になるが、バルブ数量及び配管が増加し、構造が煩雑化し、車両への搭載性も問題になる。

そこで、緻密な流量制御用の小型バルブとして、ウエストゲートバルブを採用すると共に、その駆動手段として、電動モータ部を有する電動アクチュエータを採用することが考えられる。なお、ウエストゲートバルブのアクチュエータに関する関連技術としては、特許文献１に記載されているようにダイヤフラム式のものに電磁コイル式のものを組合わせた複合構造のものなどが提案されている。

特開平５−２３１１６５号公報

ところで、ウエストゲートバルブの開度制御を電動アクチュエータにより行うようにした場合、電動アクチュエータとウエストゲートバルブを繋ぐアクチュエータロッドが高温の排気ガスと接触するウエストゲートバルブからの熱伝導により昇温して熱膨張を生じるため、この熱膨張を考慮した遊び（ガタ）を設ける必要がある。しかしながら、このように電動アクチュエータとウエストゲートバルブとの間にアクチュエータロッドの熱膨張を考慮した遊び（ガタ）を設けるとなると、応答性の悪化を招き、精密なバルブ開度制御を行うことが困難になる。また、電動アクチュエータにおいては、電動モータ部に焼付き等の熱害が発生するおそれもある。

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、ウエストゲートバルブからの熱伝導によるアクチュエータロッドの熱膨張及び電動モータ部の熱害を抑制することができると共に応答性の向上が図れるターボチャージャの制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、ターボチャージャにウエストゲートバルブを設け、該ウエストゲートバルブを、電動モータ部及び該電動モータ部により軸方向に直線運動される直線駆動軸を有する電動アクチュエータにより開度制御するようにしたターボチャージャの制御装置であって、上記電動アクチュエータの直線駆動軸とウエストゲートバルブを繋ぐアクチュエータロッドの電動モータ部側端部と該電動モータ部側端部に装着されるロッドキャップ部との間に低熱伝導材を介装させると共に、上記アクチュエータロッドの電動モータ部側端部における上記低熱伝導材との接触面に第１の中空用の凹部を形成し、上記直線駆動軸の軸方向端面と上記ロッドキャップ部の軸方向端面とが当接する面を当接面とし、上記直線駆動軸は、軸方向に駆動されることで上記直線駆動軸の軸方向端面で上記ロッドキャップ部を押して上記ロッドキャップ部を軸方向に移動させると共に、上記当接面の当接面積を低減する第２の中空用の凹部を形成したことを特徴とする。

上記アクチュエータロッドに中空管を介在させたことを特徴とする。

上記アクチュエータロッドは、低熱伝導材からなることを特徴とする。

上記第２の中空用の凹部が、上記直線駆動軸の先端部が当接する上記ロッドキャップ部の当接部に設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、電動アクチュエータの直線駆動軸とロッドキャップ部との当接面において、伝熱面積を低減しつつ、ロッドキャップ部に対して、直線駆動軸からの直線運動量を伝達することができ、ウエストゲートバルブからの熱伝導によるアクチュエータロッドの熱膨張及び電動モータ部の熱害を抑制することが可能となり、アクチュエータロッドの熱膨張を考慮した遊び（ガタ）を減少でき、応答性の向上が図れる。

本発明を多段例えば２段過給システムに適用すれば、高圧段ターボチャージャから低圧段ターボチャージャに切り替える遷移域において、予混合圧縮着火燃焼におけるＥＧＲ率と空燃比の緻密な制御が可能となり、予混合圧縮着火燃焼の運転領域の拡大が図れる。また、排気バイパスバルブの占める空間の縮小化、構造の簡素化及び車両への搭載性の向上が図れる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基いて詳述する。図１の（ａ）は本発明を実施の形態であるターボチャージャの制御装置を概略的に示す図、（ｂ）は（ａ）のＡ部の断面図である。図２はエンジンの吸排気システムを概略的に示す図、図３は図２のＢ部の詳細を示す図である。

図２において、１は内燃機関であるエンジン例えばディーゼルエンジンで、このエンジン１のエンジン本体１ａには吸気系の一部を構成する吸気マニホールド２と、排気系の一部を構成する排気マニホールド３とが設けられている。吸気マニホールド２には吸気系の配管である吸気流路４が接続され、排気マニホールド３には排気系の配管である排気ガス流路５が接続されている。

吸気流路４には、下流から順にスロットルバルブ６、インタークーラ７、高圧段ターボチャージャ８のコンプレッサ８ａ、低圧段ターボチャージャ９のコンプレッサ９ａ及びエアフローセンサ（図示省略）が設けられている。本実施の形態では、エンジン１の吸気系には多段例えば２段のターボチャージャ８，９が直列に設けられている。ターボチャージャ８，９は、コンプレッサ８ａ，９ａとこれを駆動する排気タービン８ｂ，９ｂとからなっている。一方、上記排気ガス流路５には、上流から順に高圧段ターボチャージャ８の排気タービン８ｂ、低圧段ターボチャージャ９の排気タービン９ｂが設けられている。

また、上記エンジン１には、排気ガスの一部を排気系から取り出して再びエンジン１の吸気系に戻すＥＧＲガス流路１０が設けられている。このＥＧＲガス流路１０の一端は排気マニホールド３に接続され、ＥＧＲガス流路１０の他端は吸気流路４のスロットルバルブ６よりも下流に接続されている。ＥＧＲガス流路１０には、下流側から順に、ＥＧＲバルブ１１及びＥＧＲクーラ１２が設けられている。

上記ターボチャージャを直列に多段例えば２段に配置した２段過給システムにおいては、低速〜中速域用の高圧段ターボチャージャ８と、中速〜高速域用の低圧段ターボチャージャ９とを切り替えて使用するために、上記排気ガス流路５には、高圧段ターボチャージャ８の排気タービン８ｂの上流と下流を繋ぐための第１の排気バイパスバルブ１３を有する第１の排気バイパス流路１４と、低圧段ターボチャージャ９の排気タービン９ｂの上流と下流を繋ぐための第２の排気バイパスバルブ１５を有する第２の排気バイパス流路１６とが設けられている。また、上記吸気流路４には、高圧段ターボチャージャ８のコンプレッサ８ａの上流と下流を繋ぐための第１の吸気バイパスバルブ１７を有する第１の吸気バイパス流路１８と、低圧段ターボチャージャ９のコンプレッサ９ａの上流と下流を繋ぐための第２の吸気バイパスバルブ１９を有する第２の吸気バイパス流路２０とが設けられている。

低速〜中速域では、第１の排気バイパスバルブ１３及び第１の吸気バイパスバルブ１７が全閉とされ、且つ第２の排気バイパスバルブ１５及び第２の吸気バイパスバルブ１９が全開とされる。中速〜高速域では、第１の排気バイパスバルブ１３及び第１の吸気バイパスバルブ１７が全開とされ、且つ第２の排気バイパスバルブ１５及び第２の吸気バイパスバルブ１９が全閉とされる。

高圧段ターボチャージャ８から低圧段ターボチャージャ９に切り替える遷移域においては、予混合圧縮着火燃焼による運転領域を拡大するべく２段過給システムのバイパス開度を緻密に制御してＥＧＲ率と空燃比を最適にするために、図３に示すように高圧段ターボチャージャ８には、第３の排気バイパスバルブであるウエストゲートバルブ２１を有する第３の排気バイパス流路（ウエストゲート）２２が設けられている。上記高圧段ターボチャージャ８の排気タービン８ｂをバイパスする２つの流路のうち、第１の排気バイパス流路１４は大口径とされ、第３の排気バイパス流路（ウエストゲート）２２は小口径とされている。

図１の（ａ），（ｂ）及び図３に示すように、高圧段ターボチャージャ８の排気タービン８ｂのタービンハウジング２３には、その上流側と下流側を連通する開口部であるウエストゲート（第３の排気バイパス流路）２２が設けられていると共に、このウエストゲート２２を開度制御可能に開閉するべくウエストゲートバルブ２１が設けられている。このウエストゲートバルブ２１の開度を緻密に制御するために、ウエストゲートバルブ２１には、これを緻密に制御可能な電動モータ部２４を有する電動アクチュエータ２５が設けられている。この電動アクチュエータ２５は予め設定されたプログラムに基いてコントローラ２６により制御されるように構成されている。

上記遷移域においては、第１の排気バイパスバルブ１３及び第１の吸気バイパスバルブ１７が全閉とされ、且つ第２の排気バイパスバルブ１５及び第２の吸気バイパスバルブ１９が全開とされ、この状態でウエストゲートバルブ２１の緻密な開度制御が行われる。なお、この遷移域から低圧段ターボチャージャ９に完全に切り替える場合、ウエストゲートバルブ２１を全開にすると共に、第１の排気バイパスバルブ１３及び第１の吸気バイパスバルブ１７を全開にすればよい。

電動アクチュエータ２５は、ウエストゲートバルブ２１を操作する操作軸であるアクチュエータロッド２７を有している。このアクチュエータロッド２７は電動アクチュエータ２５とウエストゲートバルブ２１を繋いでいる。上記タービンハウジング２３にはウエストゲートバルブ２１を開閉操作する入力レバー２８と出力レバー２９を有する回動軸３０が設けられ、その出力レバー２９にウエストゲートバルブ２１が取付けられ、入力レバー２８に上記アクチュエータロッド２７の先端部が連結部材３１及び連結ピン３２を介して連結されている。

電動アクチュエータ２５は、電動モータ部２４と、アクチュエータロッド２７をスライド可能に支持するロッド支持部３３とを連結する連結フレーム３４を有し、この連結フレーム３４が高圧段ターボチャージャ８のコンプレッサ８ａのコンプレッサハウジング３５に取付られている。電動モータ部２４は、モータハウジング３６内に設けられたステータ部３７と、モータハウジング３６内に軸受３８を介して回転自在に設けられたロータ部３９とを有している。ロータ部３９の回転をその軸方向の直線駆動軸４０の直線（進退）運動に変換するために、ロータ部３９の軸芯部には雌ネジ孔部４１が設けられ、この雌ネジ孔部４１には直線駆動軸４０に設けられた雄ネジ部４２が螺合されている。直線駆動軸４０を回転させることなく軸方向にスライド可能に支持するために、モータハウジング３６の前端部には直線駆動軸４０を軸方向にスライド可能に支持するガイド孔部４３が設けられている。直線駆動軸４０の回転を防止する手段としては、例えばキーとキー溝があり、或いは直線駆動軸４０及びガイド孔部４３を円形以外の断面形状（例えば断面方形）にすることが考えられる。

上記直線駆動軸４０の先端側にはこれを前進方向に付勢するコイルバネを有する第１の付勢機構４４が設けられ、上記アクチュエータロッド２７の基端部（後端部）側にはこれを後退方向に付勢するコイルバネを有する第２の付勢機構４５が設けられており、直線駆動軸４０の先端部とアクチュエータロッド２７の後端部とが直線上で互いに対向して当接されている。

高圧段ターボチャージャ８のタービンハウジング２３内にあって高温の排気ガスに晒されたウエストゲートバルブ２１からの熱伝導によるアクチュエータロッド２７の熱膨張及び電動モータ部２４の熱害を抑制すると共にウエストゲートバルブ２１の応答性の向上を図るために、上記アクチュエータロッド２７は次のように構成されていることが好ましい。先ず、伝導による熱移動により熱抵抗を大きくすることを考えると、Ｑ＝λＡ（ｔ１−ｔ２）／Ｌとなる。ここで、Ｑ：熱量、λ：熱伝導率、Ａ：面積、Ｌ：長さ、ｔ１，ｔ２：高温度点，低温度点である。熱抵抗Ｒは、Ｒ＝Ｌ／λＡで定義されるので、熱抵抗を大きくするには、熱伝導率λを小さくする、伝熱面積Ａを小さくする、或いは伝熱長さＬを長くすればよい。なお、伝熱長さＬを長くすることは、装置の大型化を助長するので、本実施の形態では好ましくはない。

本実施の形態では、図１又は図４に示すように、アクチュエータロッド２７に中空管４６を介在させることにより、伝熱面積を小さくしている。この場合、アクチュエータロッド２７の中間部を中空管４６に替えるために、アクチュエータロッド２７の中間部を切除し、アクチュエータロッド２７の前端部２７ａと後端部２７ｂとの間に中空管４６を介設している。この場合、アクチュエータロッド２７の前端部２７ａと後端部２７ｂとの間に中空管４６を接合するために、アクチュエータロッド２７の前端部２７ａと後端部２７ｂの対向部に、中空管４６の中空部４６ａの両端に嵌合する凸部４７が形成されている。なお、この構成は、アクチュエータロッド２７に凹凸嵌合部４８を設け、該凹凸嵌合部４８の内部に中空部４９を設けた構成にもなっている。

上記中空管４６は、アクチュエータロッド２７と同じ材質からなっていてもよいが、低熱伝導材により形成されていることが更に好ましい。アクチュエータロッド２７を熱伝導率λの低い材料により形成することが熱抵抗を大きくする上で好ましいからである。低熱伝導材としては、例えばジルコニア、チタン（Ｔｉ-６Ａｌ-４Ｖ）、ＳＵＳ３０４、インコネル（６２５）、チラノ繊維（β-ＭＡＳ）、チタン酸アルミ等が適用可能である。

また、本実施の形態では、図５に示すように、アクチュエータロッド２７の電動モータ部側端部に低熱伝導材５０を介在させていると共に、上記アクチュエータロッド２７の電動モータ部側端部２７ｂ及び該ロッドの端部に装着されるロッドキャップ部５１の少なくとも一方（図示例では両方）に中空用の凹部５２，５３が設けられている。図示例では、アクチュエータロッド２７の電動モータ部側端部（後端部）２７ｂとこれに装着されるロッドキャップ部５１との間に低熱伝導材５０が介在されている。低熱伝導材５０としては、例えば上記したジルコニア、チラノ繊維が好適である。アクチュエータロッド２７の電動モータ部側端部２７ｂに凹部（第１の中空用の凹部）５２を設けることにより低熱伝導材５０との間の接触面積を低減している。また、ロッドキャップ部５１に凹部（第２の中空用の凹部）５３を設けることにより直線駆動軸４０との間の接触面積を低減している。以上の構成によりターボチャージャの制御装置５４が構成されている。

以上の構成からなるターボチャージャの制御装置５４によれば、電動アクチュエータ２５とウエストゲートバルブ２１を繋ぐアクチュエータロッド２７に中空管４６を介在させ、或いはアクチュエータロッド２７に凹凸嵌合部４８を設け、該凹凸嵌合部４８の内部に中空部４９を設けたので、ウエストゲートバルブ２１からの熱伝導によるアクチュエータロッド２７の熱膨張及び電動モータ部２４の焼付き等の熱害を抑制することが可能となり、アクチュエータロッド２７の熱膨張を考慮した遊び（ガタ）を減少でき、これにより応答性の向上が図れる。

また、上記ターボチャージャの制御装置５４を多段例えば２段過給システムに適用すれば、高圧段ターボチャージャ８から低圧段ターボチャージャ９に切り替える遷移域において、予混合圧縮着火燃焼におけるＥＧＲ率と空燃比の緻密な制御が可能となり、予混合圧縮着火燃焼の運転領域の拡大が図れる。また、排気バイパスバルブの占める空間の縮小化、構造の簡素化及び車両への搭載性の向上が図れる。

以上、本発明の実施の形態ないし実施例を図面により詳述してきたが、本発明は前記実施の形態ないし実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲での種々の設計変更が可能である。例えば、アクチュエータロッド２７の伝熱面積を低減させる構造としては、図６に示すようにアクチュエータロッド２７に環状溝５５を適宜設けてもよく、或いは、アクチュエータロッド２７に凹凸嵌合部４８を設け、内部に中空部４９を設ける構造としては、図７に示すように凹部４８ａと凸部４８ｂを螺合により接合する構造であってもよく、或いは図８に示すように凹部４８ａと凸部４８ｂを溶接５７で接合する構造であってもよい。また、アクチュエータロッド２７の熱伝導率を低減させる構造としては、図９に示すようにアクチュエータロッド２７をポーラス材（多孔質焼結材）により形成してもよい。

また、電動アクチュエータ２５の電動モータ部２４への熱害対策としては、上述したアクチュエータロッド２７の低伝熱構造に加えて例えば図１０に示すように電動モータ部２４の外周に冷却ジャケット５９を設け、該冷却ジャケット５９に冷却媒体例えば水または油を流通させて電動モータ部２４を強制的に冷却するようにしてもよい。或いは、図１１に示すように電動モータ部２４の外周に放熱フィン６０を設けたり、アクチュエータロッド２７に放熱フィン６１を設けることにより、これらを冷却するようにしてもよい。

（ａ）は本発明を実施の形態であるターボチャージャの制御装置を概略的に示す図、（ｂ）は（ａ）のＡ部の断面図ある。エンジンの吸排気システムを概略的に示す図である。図２のＢ部の詳細を示す図である。図１のＣ部の拡大断面図である。図１のＤ部の拡大断面図である。軸の変形例を示す断面図である。軸の変形例を示す断面図である。軸の変形例を示す断面図である。軸の変形例を示す断面図である。本発明の他の実施の形態を示す図である。本発明の他の実施の形態を示す図である。

符号の説明

８ターボチャージャ
２１ウエストゲートバルブ
２４電動モータ部
２５電動アクチュエータ
４６中空管
４８凹凸嵌合部
４９中空部
５０低熱伝導材
５１ロードキャップ部
５２，５３凹部
５４制御装置

Claims

ターボチャージャにウエストゲートバルブを設け、該ウエストゲートバルブを、電動モータ部及び該電動モータ部により軸方向に直線運動される直線駆動軸を有する電動アクチュエータにより開度制御するようにしたターボチャージャの制御装置であって、上記電動アクチュエータの直線駆動軸とウエストゲートバルブを繋ぐアクチュエータロッドの電動モータ部側端部と該電動モータ部側端部に装着されるロッドキャップ部との間に低熱伝導材を介装させると共に、上記アクチュエータロッドの電動モータ部側端部における上記低熱伝導材との接触面に第１の中空用の凹部を形成し、上記直線駆動軸の軸方向端面と上記ロッドキャップ部の軸方向端面とが当接する面を当接面とし、上記直線駆動軸は、軸方向に駆動されることで上記直線駆動軸の軸方向端面で上記ロッドキャップ部を押して上記ロッドキャップ部を軸方向に移動させると共に、上記当接面の当接面積を低減する第２の中空用の凹部を形成したことを特徴とするターボチャージャの制御装置。
上記アクチュエータロッドに中空管を介在させたことを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャの制御装置。
上記アクチュエータロッドは、低熱伝導材からなることを特徴とする請求項１又は２に記載のターボチャージャの制御装置。
上記第２の中空用の凹部が、上記直線駆動軸の先端部が当接する上記ロッドキャップ部の当接部に設けられていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のターボチャージャの制御装置。