JP6217597B2 - ウェイストゲートバルブの駆動機構 - Google Patents

Description

本発明は、ターボチャージャに取り付けられたウェイストゲートバルブの駆動機構に関するものである。

ターボチャージャとして、タービンホイールを迂回するバイパス通路と同通路を開閉するウェイストゲートバルブとを有するものが知られている。
ウェイストゲートバルブの駆動機構は、特許文献１に記載のように、駆動ロッドを有するアクチュエータや、ウェイストゲートバルブの弁体が揺動可能な状態で固定された回転シャフト、一端が回転シャフトに固定されるとともに他端がアクチュエータの駆動ロッドに相対回転可能に連結されたリンクプレートを備えている。回転シャフトは、タービンハウジングの貫通孔に挿通されて同タービンハウジングに支持されており、その回転中心がウェイストゲートバルブ（詳しくは、その弁体）の揺動軸になっている。また、上記回転シャフトは、タービンハウジングの内部から外部まで延びて、その内部側の端部が弁体に固定されるとともに、外部側の端部がリンクプレートに固定されている。リンクプレートは、回転シャフトの回転軸と直交する方向に延びている。

こうした駆動機構では、アクチュエータの駆動ロッドを進退させると、リンクプレートおよび回転シャフトを介して弁体が揺動して、同弁体の開度が変更される。
ここで、ウェイストゲートバルブが開かれると、これに伴い通過する排気の衝突によって、弁体が振動するようになる。そして、この振動は回転シャフトを介してリンクプレートに伝達されるため、リンクプレートとタービンハウジングの外面（詳しくは、貫通孔の周縁）との間や、リンクプレートと駆動ロッドとの連結部分に隙間があると、その隙間において騒音（いわゆるびびり音）が発生してしまう。特に、ウェイストゲートバルブの開度が大きいときほど、排気の衝突による振動が大きくなる傾向があるため、騒音も大きくなる。

そこで従来、リンクプレートと同プレートに対向する対向部材（タービンハウジング、または駆動ロッド）との隙間に、皿ばねを介設することや（特許文献２参照）、圧縮コイルばねを介設すること（特許文献３参照）が提案されている。これら駆動機構によれば、リンクプレートと対向部材との隙間（いわゆるガタ）がなくなるため、リンクプレートの振動に起因する騒音の発生が抑えられる。

特開２０１３−２２９６号公報 米国特許出願公開第２０１２／０３１７９７５号明細書 特開２０１３−１８５５５２号公報

従来の駆動機構のように、リンクプレートと対向部材との間にばね部材（皿ばねや圧縮コイルばね）を設けると、ばね部材が常にリンクプレートや対向部材に押し付けられた状態になる。そのため、ばね部材とリンクプレートとの間やばね部材と対向部材との間に作用する摩擦力によって、リンクプレートの円滑な回転動作、ひいてはウェイストゲートバルブの円滑な開閉動作が損なわれるおそれがある。

本発明は、そうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、騒音の発生抑制と開閉機能の低下抑制との両立を図ることのできるウェイストゲートバルブの駆動機構を提供することにある。

上記課題を達成するためのウェイストゲートバルブの駆動機構は、駆動ロッドを有し、同駆動ロッドを変位させるアクチュエータと、タービンハウジングの貫通孔に挿通された状態で同タービンハウジングの内部から外部まで延びて、その内部側の端部に回転中心がウェイストゲートバルブの弁体の揺動軸になるように同弁体が固定された回転シャフトと、前記回転シャフトの回転軸と交差する方向に延びて、同回転シャフトにおける前記タービンハウジングの外部側の端部に固定され、且つ、前記アクチュエータの駆動ロッドに対して相対回転可能な態様で同駆動ロッドに連結されたリンクプレートと、を備える。そして、前記リンクプレートと同プレートに対向する対向部材との間に、前記リンクプレートおよび前記対向部材の相対回転における回転軸周りにおいて螺旋の一部をなすように捩れた形状で延びる弾性部材が設けられる。前記弾性部材における前記リンクプレートとの接触面は、前記弁体が開かれるときの前記対向部材に対する前記リンクプレートの回転方向を開方向とすると、開方向側の部位ほど前記対向部材から離れるように形成される。前記弾性部材は、前記リンクプレートの回転位置が開方向側の回転位置になるほど前記対向部材に対する前記リンクプレートの相対回転における回転軸方向での弾性変形の度合いが大きくなるものであり、且つ前記対向部材に対する前記リンクプレートの相対回転における回転軸周りでの回転を妨げるように回り止めされている。

上記駆動機構では、アクチュエータの駆動によって弁体が開かれる際に、回転シャフトともどもリンクプレートが開方向に回動すると、リンクプレートと対向部材との間に配置された弾性部材の弾性変形の度合いが大きくなるため、弾性部材からリンクプレートや対向部材に作用する弾性力が大きくなる。そのため、この弾性部材の弾性力によってリンクプレートの振動を抑えることができ、リンクプレートが他の部材を叩くことによる騒音を抑えることができる。このように上記駆動機構によれば、弁体の開度が大きいときには、弁体の振動に起因する騒音の発生を抑えることができる。しかも、弁体の開度が小さいときには、弾性部材の弾性変形の度合いが比較的小さく、弾性部材とリンクプレートとの接触部分に作用する摩擦力が小さいために、ウェイストゲートバルブの弁体が円滑に開閉するようになる。このように上記駆動機構によれば、弁体の開度が小さいときにおける同弁体の開閉機能の低下を抑えることができる。

上記駆動機構において、前記弾性部材は、合口を有するリング形状であることが好ましい。
上記駆動機構によれば、合口を介して、弾性部材の取り付けと取り外しとを容易に行うことができる。

上記駆動機構において、前記弾性部材の一方の端部と前記対向部材との接触面、および前記弾性部材の他方の端部と前記リンクプレートとの接触面のうちの少なくとも一方は、前記対向部材に対する前記リンクプレートの相対回転における回転軸と直交する方向に延びる平面形状であることが好ましい。

上記駆動機構によれば、弾性部材の端部が面接触するようになるため、弾性部材の姿勢を安定させることができ、同弾性部材の付勢力を安定して作用させることができる。

ウェイストゲートバルブの駆動機構の概略構成を示す略図。 タービンの部分断面図。 図２の３−３線に沿ったタービンの断面図。 ウェイストゲートバルブの駆動機構の可動部分を示す斜視図。 介設リングおよびその周辺部分を拡大して示すタービンの側面図。 図５の矢印６方向から見た介設リングおよびその周辺部分を拡大して示すタービンの側面図。 介設リングの（ａ）平面図および（ｂ）側面図。 リンクプレートの回転位置と介設リングの回転軸方向における高さとの関係を示すグラフ。

以下、ウェイストゲートバルブの駆動機構の一実施形態について説明する。
図１に示すように、排気駆動式のターボチャージャ２０は、吸気通路１１に設けられるコンプレッサ２１と、排気通路１２に設けられるタービン２４とを備えている。コンプレッサ２１は内部にコンプレッサインペラ２２を備えており、タービン２４は内部にタービンホイール２５を備えている。これらコンプレッサインペラ２２とタービンホイール２５とは、シャフト２３を介して一体回転可能に連結されている。こうしたターボチャージャ２０において、タービンホイール２５に排気が吹き付けられると、同タービンホイール２５およびコンプレッサインペラ２２が一体回転し、これにより吸気通路１１を流れる吸気が加圧されてエンジンの燃焼室に強制的に送り込まれるようになる。すなわち、吸入空気の過給が行われるようになる。また、排気通路１２には、タービンホイール２５を迂回するバイパス通路２６が設けられている。

図２に示すように、タービン２４のハウジング２４ａにおける上記タービンホイール２５よりも排気上流側の部分には排出孔２８が貫通している。そして、バイパス通路２６は、その排気上流側が排出孔２８を介してタービン２４の内部と連通可能になっており、排気下流側が上記ハウジング２４ａにおけるタービンホイール２５よりも排気下流側の部分および排気通路１２に連通されている。また、バイパス通路２６には、その通路断面積を調節するウェイストゲートバルブ３０が設けられている。ウェイストゲートバルブ３０は、駆動源としてのアクチュエータ２７をエンジンの運転状態に応じて駆動させることによって開閉駆動される。アクチュエータ２７は、駆動ロッド２７ａを有し、供給された負圧に応じて駆動ロッド２７ａを変位させる負圧アクチュエータである。アクチュエータ２７に供給される負圧は、電子制御装置によってエンジンの運転状態に応じた量に制御される。これにより、駆動ロッド２７ａの進退量がエンジンの運転状態に応じて変更される。

図３および図４に示すように、ウェイストゲートバルブ３０は、バイパス通路２６に設けられて排出孔２８を開閉する弁体３１を備えている。そして、この弁体３１を開閉駆動するための駆動機構は、支持ピン３２によって弁体３１に連結された揺動アーム３５や、揺動アーム３５に一体に連結された回転シャフト３６、回転シャフト３６とアクチュエータ２７の駆動ロッド２７ａとを連結するリンクプレート３７を備えている。

揺動アーム３５は、支持ピン３２に連結された延設部３３と、延設部３３に接合されて同延設部３３に一体化された湾曲部３４とを備えている。延設部３３は角柱状をなし、支持ピン３２と略垂直をなす状態で同支持ピン３２と連結されている。また、湾曲部３４は、その一方の端部から他方の端部にかけて湾曲する円柱状をなし、その一方の端部が延設部３３に接合されている。揺動アーム３５は、支持ピン３２を介して弁体３１を開閉可能に支持している。

バイパス通路２６を区画形成するハウジング４０は、その内部と外部とを連通する貫通孔４１と、同貫通孔４１の周縁を始点に外面から円筒状で突出するボス部４２とを備えている。ボス部４２には円筒状のブッシュ４３が固定されている。そして、上記回転シャフト３６は、貫通孔４１およびボス部４２（詳しくは、ブッシュ４３）に挿通されることにより、ハウジング４０の内部から外部まで延びるように同ハウジング４０に回転可能に支持されている。回転シャフト３６における上記ハウジング２４ａの内部側の端部は、揺動アーム３５の湾曲部３４に接合されている。これにより、回転シャフト３６は、その回転中心が弁体３１の揺動軸になるように、揺動アーム３５と一体回転可能に連結されている。

リンクプレート３７は、回転シャフト３６の回転軸Ｌ１と直交する方向に延びる平板状である。リンクプレート３７は、その一方の端部３７ａが回転シャフト３６における上記ハウジング２４ａの外部側の端部に接合（固定）されるとともに、他方の端部３７ｂが連結ピン３８によって駆動ロッド２７ａに連結されている。これにより、リンクプレート３７は、一方の端部３７ａが回転シャフト３６に一体回転可能になっており、他方の端部３７ｂが連結ピン３８を回転中心として駆動ロッド２７ａと相対回転可能になっている。

本実施形態のターボチャージャ２０には、開弁時におけるウェイストゲートバルブ３０の弁体３１の振動に起因する騒音の発生を抑えるために、弾性部材としての介設リング５０が設けられている。以下、この介設リング５０について詳細に説明する。

図５および図６に示すように、介設リング５０は、リンクプレート３７と同プレート３７に対向する対向部材としてのハウジング４０のボス部４２との間に配置されている。介設リング５０は、ハウジング４０に対するリンクプレート３７の相対回転における回転軸Ｌ１周りにおいて、前記ブッシュ４３の外面に沿う方向に、螺旋の一部をなすように捩れた形状で延びている。介設リング５０は、弾性を有する金属材料（例えばステンレス鋼）により形成されている。

図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、介設リング５０は、合口を有するリング形状である。そのため、介設リング５０の取り付けを、その合口を一旦拡げて同介設リング５０の内部にブッシュ４３および回転シャフト３６を入れた後に合口を閉じるといったように容易に行うことができる。また介設リング５０の取り外しを、その合口を拡げて同介設リング５０の内部からブッシュ４３および回転シャフト３６を脱出させるといったように容易に行うことができる。しかも、そうした介設リング５０の取り付けや取り外しを、回転シャフト３６にリンクプレート３７が接合された状態で容易に行うことができる。

なお本実施形態では、タービン２４に取り付けられていない状態の介設リング５０の内径が、ブッシュ４３の外径よりも小さい。そのため、タービン２４に介設リング５０が取り付けられると、ブッシュ４３の中心軸に対して介設リング５０の中心軸が上記合口から離間する方向にずれる。これにより、タービン２４に介設リング５０が取り付けられた状態で、介設リング５０の弾性力のうちの上記合口を閉じるように作用する力をブッシュ４３の外面に作用させることができるため、その力によって介設リング５０がブッシュ４３から脱落し難い構造になっている。

ここで、図５および図６に示すように、ウェイストゲートバルブ３０の弁体３１が開かれるときのハウジング４０（ボス部４２）に対するリンクプレート３７の回転方向（図５中に矢印Ａで示す方向）を開方向とする。本実施形態では、介設リング５０が螺旋の一部をなすように捩れた形状であるため、介設リング５０の開方向側の部位ほど、上記回転軸Ｌ１方向における上記リンクプレート３７側の端部（リンクプレート３７との接触面）がボス部４２の先端から離れる形状になる。

図８に、介設リング５０が弾性変形していないと仮定した場合におけるリンクプレート３７の接触部分での同介設リング５０の回転軸Ｌ１方向の高さ（詳しくは、ボス部４２の先端から介設リング５０の上記リンクプレート３７側の端部までの距離）と、リンクプレート３７の回転位置との関係を示す。なお図８中の一点鎖線はリンクプレート３７とハウジング４０のボス部４２との間隙の距離を示している。

図８から明らかなように、リンクプレート３７の回転位置がその回転範囲における最も閉方向側の回転位置（全閉位置、図５に一点鎖線で示す位置）であるときには、リンクプレート３７とボス部４２との間隙の距離よりも、弾性変形していない状態での介設リング５０の回転軸Ｌ１方向における高さが高い。そのため、介設リング５０は、リンクプレート３７とボス部４２との間に配置された状態では、弾性変形した状態になっている。

また、弁体３１を開くべくリンクプレート３７が開方向に回転して、リンクプレート３７と介設リング５０との接触部分が開方向側に変化すると、上記間隙の距離と弾性変形していない状態での介設リング５０の回転軸Ｌ１方向における高さとの差が大きくなるため、介設リング５０の弾性変形の度合いが大きくなる。そして、この弾性変形の度合いは、リンクプレート３７の回転位置が開方向の回転位置になるほど大きくなる。

介設リング５０は、その合口がリンクプレート３７の回転範囲における最も開方向側の回転位置（全開位置、図５に実線で示す位置）よりも開方向側の位置になるように配置されている。リンクプレート３７が開方向に回転して介設リング５０の開方向側の端部５０ａを超えてしまうと、同介設リング５０の弾性変形の度合いが小さくなってしまう。本実施形態では、介設リング５０の合口をリンクプレート３７の全開位置よりも開方向側に配置することにより、同リンクプレート３７が介設リング５０の開方向側の端部５０ａを超えないようになっている。

また、ボス部４２の先端において、介設リング５０の開方向側の端部５０ａに隣接する位置には、回転軸Ｌ１方向に突出する形状のストッパ部材５１が取り付けられている。このストッパ部材５１に介設リング５０の端部５０ａが突き当たることにより、回転軸Ｌ１周りにおける回転を妨げるように介設リング５０が回り止めされている。

図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、介設リング５０におけるハウジング４０側の端部５０ａにおいて同ハウジング４０に対向する対向面には、表面が回転軸Ｌ１と略直交する方向に延びる平面である平面部５２が形成されている。また、介設リング５０におけるリンクプレート３７側の端部５０ｂにおいて、同リンクプレート３７に対向する対向面には、表面が回転軸Ｌ１と略直交する方向に延びる平面である平面部５３が形成されている。なお、図７（ｂ）中の破線は、平面部５２，５３が形成されずに同一の断面形状で延びる場合における介設リングの形状を示している。

なお本実施形態では、ボス部４２の先端が回転軸Ｌ１と略直交する平面形状であり、リンクプレート３７の介設リング５０側の面が平面形状である。そのため、介設リング５０の一方の端部５０ａとボス部４２との接触面、および介設リング５０の他方の端部５０ｂとリンクプレート３７との接触面の全てが上記回転軸Ｌ１と略直交する方向に延びる平面である。

本実施形態によれば、介設リング５０の一方の端部５０ａとハウジング４０のボス部４２とが面接触するようになる。また、リンクプレート３７が全開位置（または全開位置に近い位置）なったときには、介設リング５０の上記リンクプレート３７側の端部５０ｂと同リンクプレート３７とが面接触するようになる。そのため、平面部５２，５３が形成されない場合と比較して、介設リング５０の姿勢を安定させることができ、同介設リング５０の付勢力をリンクプレート３７やボス部４２に安定して作用させることができる。

以下、介設リング５０を設けることによる作用について説明する。
アクチュエータ２７の駆動によって弁体３１が開かれる際に、回転シャフト３６ともどもリンクプレート３７が開方向に回動すると、同リンクプレート３７とハウジング４０のボス部４２との間に配置された介設リング５０の弾性変形の度合いが大きくなる。そのため、介設リング５０からリンクプレート３７やハウジング４０のボス部４２に作用する弾性力が大きくなる。これにより、弁体３１の開度が大きいときには、介設リング５０の弾性力によってリンクプレート３７が強く押圧されるようになり、この押圧力によってリンクプレート３７の振動を抑えることができる。したがって、リンクプレート３７がブッシュ４３の外面を叩くことによる騒音や回転シャフト３６がブッシュ４３の内面を叩くことによる騒音など、弁体３１の振動に起因する騒音の発生を抑えることができる。

しかも、弁体３１の開度が小さいときには、介設リング５０の弾性変形の度合いが比較的小さいため、介設リング５０からリンクプレート３７やハウジング４０のボス部４２に作用する弾性力も小さくなる。これにより、介設リング５０とリンクプレート３７との接触部分に作用する摩擦力が小さくなるため、リンクプレート３７が円滑に回動するようになり、ひいてはウェイストゲートバルブ３０の弁体３１が円滑に開閉するようになる。したがって本実施形態によれば、介設リング５０が設けられているとはいえ、弁体３１の開度が小さいときにおける同弁体３１の開閉機能の低下を抑えることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、以下に記載する効果が得られる。
（１）介設リング５０を、リンクプレート３７とハウジング４０のボス部４２との間に配置するようにした。そのため、弁体３１の開度が大きいときには、弁体３１の振動に起因する騒音の発生を抑えることができる。しかも、弁体３１の開度が小さいときにおける同弁体３１の開閉機能の低下を抑えることもできる。

（２）介設リング５０を、合口を有するリング形状にした。そのため、合口を介して、介設リング５０の取り付けと取り外しとを容易に行うことができる。
（３）介設リング５０の一方の端部５０ａとボス部４２との接触面、および介設リング５０の他方の端部５０ｂとリンクプレート３７との接触面の全てを、上記回転軸Ｌ１と略直交する方向に延びる平面にした。そのため、介設リング５０の姿勢を安定させることができ、同介設リング５０の付勢力をリンクプレート３７やボス部４２に安定して作用させることができる。

なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・ストッパ部材５１を設けることに代えて、ボス部４２の先端に形成した凹部と介設リング５０の端部とを係合させたり、ボス部４２の先端に介設リング５０の端部を溶接（あるいは接着）したりしてもよい。また、介設リング５０の配設に際して同介設リング５０の端部がボス部４２の先端面に食い込むなど、リンクプレート３７の回動に際して介設リング５０が回動しないのであれば、ストッパ部材５１を省略することも可能である。要は、介設リング５０が、ハウジング４０に対するリンクプレート３７の相対回転における回転軸Ｌ１周りでの回転を妨げるように回り止めされていればよい。

・介設リング５０を形成する材料としては、金属材料を採用することに限らず、リンクプレート３７の回動に伴う押圧によって介設リング５０が適度に弾性変形するのであれば、樹脂材料などの任意の材料を採用することができる。

・介設リング５０の平面部５２，５３の一方または両方を省略してもよい。
・介設リング５０の周方向における長さは、ブッシュ４３の周囲を１．５周する長さにする等、任意に変更することができる。

・介設リング５０を、ブッシュ４３とリンクプレート３７との連結部分におけるそれらの間に設けてもよい。その他、介設リング５０を、リンクプレート３７と駆動ロッド２７ａとの間に設けることも可能である。この場合には、駆動ロッド２７ａがリンクプレート３７に対向する対向部材になり、連結ピン３８の中心軸が、リンクプレート３７および駆動ロッド２７ａの相対回転における回転軸になる。

１１…吸気通路、１２…排気通路、２０…ターボチャージャ、２１…コンプレッサ、２２…コンプレッサインペラ、２３…シャフト、２４…タービン、２４ａ…ハウジング、２５…タービンホイール、２６…バイパス通路、２７…アクチュエータ、２７ａ…駆動ロッド、２８…排出孔、３０…ウェイストゲートバルブ、３１…弁体、３２…支持ピン、３３…延設部、３４…湾曲部、３５…揺動アーム、３６…回転シャフト、３７…リンクプレート、３７ａ，３７ｂ…端部、３８…連結ピン、４０…ハウジング、４１…貫通孔、４２…ボス部、４３…ブッシュ、５０…介設リング、５０ａ，５０ｂ…端部、５１…ストッパ部材、５２，５３…平面部。

Claims (3)

1. 駆動ロッドを有し、同駆動ロッドを変位させるアクチュエータと、
   タービンハウジングの貫通孔に挿通された状態で同タービンハウジングの内部から外部まで延びて、その内部側の端部に回転中心がウェイストゲートバルブの弁体の揺動軸になるように同弁体が固定された回転シャフトと、
   前記回転シャフトの回転軸と交差する方向に延びて、同回転シャフトにおける前記タービンハウジングの外部側の端部に固定され、且つ、前記アクチュエータの駆動ロッドに対して相対回転可能な態様で同駆動ロッドに連結されたリンクプレートと、を備えるウェイストゲートバルブの駆動機構において、
   前記リンクプレートと同プレートに対向する対向部材との間に、前記リンクプレートおよび前記対向部材の相対回転における回転軸周りにおいて螺旋の一部をなすように捩れた形状で延びる弾性部材が設けられ、
   前記弾性部材における前記リンクプレートとの接触面は、前記弁体が開かれるときの前記対向部材に対する前記リンクプレートの回転方向を開方向とすると、開方向側の部位ほど前記対向部材から離れるように形成され、
   前記弾性部材は、前記リンクプレートの回転位置が開方向側の回転位置になるほど前記対向部材に対する前記リンクプレートの相対回転における回転軸方向での弾性変形の度合いが大きくなるものであり、且つ前記対向部材に対する前記リンクプレートの相対回転における回転軸周りでの回転を妨げるように回り止めされている
   ことを特徴とするウェイストゲートバルブの駆動機構。
2. 前記弾性部材は、合口を有するリング形状である
   請求項１に記載のウェイストゲートバルブの駆動機構。
3. 前記弾性部材の一方の端部と前記対向部材との接触面、および前記弾性部材の他方の端部と前記リンクプレートとの接触面のうちの少なくとも一方は、前記対向部材に対する前記リンクプレートの相対回転における回転軸と直交する方向に延びる平面形状である
   請求項１または２に記載のウェイストゲートバルブの駆動機構。