JP6380167B2 - ターボチャージャ - Google Patents

Description

本発明は、エンジンが排出した排気ガスの浄化を行う触媒の早期暖機を実施可能なターボチャージャに関する。

触媒は、排気タービンの排気下流側に配置される。
触媒によって排気の浄化を行うには、触媒を活性化温度に昇温させる必要がある。
触媒は、排気ガスの熱により加熱される。このため、エンジンの冷間始動直後に排気ガスの浄化能力を高めるには、始動直後の排気ガスにより触媒を素早く加熱する必要がある。

しかし、ターボチャージャを搭載する車両では、触媒の排気上側流に存在する排気タービンが大きな熱容量を有するため、触媒を活性化温度に昇温させる時間が長くなってしまう。
そこで、触媒の早期暖機が要求される運転条件の時（エンジンの冷間始動時等）に、ウエストゲートバルブによってバイパス路（タービン羽根車の上下流を連通してタービン羽根車を迂回するように排気ガスを流す通路）を開く技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の技術は、１つの電動アクチュエータによって、上述したウエストゲートバルブの他に、排気タービンへ排気ガスを導く排気ガス導入路（タービン羽根車へ排気ガスを導く通路）の開閉を行う切替バルブの両方を開閉するものである。
具体的に特許文献１の技術は、電動アクチュエータの出力軸の回動操作によって、ウエストゲートバルブと切替バルブの両方の開閉操作を行うものである。

引用文献１の技術は、出力軸を最小回動角θ１から最大回動角θ４の範囲で回動操作するものであり、回動角θ１〜θ３の間で排気タービンの排気容量のコントロールを行う。そして、触媒の早期暖機を行う際は、触媒の早期暖機を行う目的で、ウエストゲートバルブの開度を大きくするべく、出力軸を回動角θ４（触媒の早期暖機ポジション）に設定する。

引用文献１の技術は、出力軸の回動角が回動角θ１から回動角θ３に向かうに従って切替バルブが開弁方向へ向かうものであり、出力軸の回動角θ３の時に切替バルブが最大開度に達する。そして、出力軸の回動角が回動角θ３から回動角θ４に向かうに従い、再び切替バルブが閉弁方向へ向かう。
即ち、切替バルブは、回動角θ３を境にオーバーターンするように設けられている。

しかしながら、引用文献１の技術は、触媒の早期暖機を行う際、即ち出力軸の回動角が回動角θ４に設定される時、切替バルブの開度が必要開度以上に設定されている。
なお、「必要開度」は、切替バルブの開度を変化させた際に、
・排気ガス導入路を通過する排気ガスの流量が変化する開度範囲と、
・排気ガス導入路を通過する排気ガスの流量が最大値に達して、流量変化が生じない開度範囲と、
の境界開度である。

このため、引用文献１の技術を用いて触媒の早期暖機を行う際、切替バルブの開度が必要開度以上に設定されていたため、タービン羽根車を通過する排気ガスの流量が多くなり、逆にタービン羽根車をパイパスする排気ガスの流量が少なくなる。
即ち、引用文献１の技術は、タービン羽根車を通過して温度低下する排気ガスの流量が多くなってしまい、逆にタービン羽根車をバイパスする高温の排気ガスの流量が少なくなってしまうため、触媒の暖機時間が長くなる不具合があった。

特開２０１４−２３１８２９号公報

本発明は、上記問題点に鑑みて成されたものであり、その目的は、触媒の暖機時間を短縮できるターボチャージャの提供にある。

本発明のターボチャージャ（２）は、触媒（１５）の早期暖機を行う際に、出力軸（２５ａ）の回動角が回動角θ４に設定される。すると、ウエストゲートバルブ（１８）が開かれるとともに、切替バルブ（１７）が必要開度Ｖθｘより低い開度に設定される。
また、排気タービンは、排気ガスを旋回させてタービン羽根車（５ａ）へ吹き付ける独立した第１、第２排気スクロール（２１、２２）を有する容量可変タイプであり、第１排気スクロール（２１）は常に開かれ、第２排気スクロール（２２）は切替バルブ（１７）によって開閉される。
触媒（１５）の暖機時にウエストゲートバルブ（１８）が開かれることで、タービン羽根車（５ａ）を通過しない高温の排気ガスがバイパス路（２４）を介して触媒（１５）に導かれる。
一方、触媒（１５）の暖機時に切替バルブ（１７）が必要開度Ｖθｘより低い開度に設定されることで、タービン羽根車（５ａ）を通過することで温度の下がる排気ガス量を減らすことができる。

このように、タービン羽根車（５ａ）を通過する排気ガスの流量を減らすことで、逆にタービン羽根車（５ａ）をパイパスする排気ガスの流量を増加させることができる。
このため、タービン羽根車（５ａ）を通過して温度低下する排気ガスの流量を減らし、逆にタービン羽根車（５ａ）をバイパスする高温の排気ガスの流量を増加できるため、触媒（１５）の暖機時間を短縮できる。

エンジンの吸排気システムの概略図である。 切替バルブとウエストゲートバルブの駆動機構を含むターボチャージャの外観図である。 図２のターボチャージャを９０度異なる方向から見た外観図である。 タービンハウジングの断面図である。 （ａ）アクチュエータ作動角の変化に対する切替バルブとウエストゲートバルブの開度変化を示すグラフ、（ｂ）第１リンク機構の模式図である（実施例１）。 （ａ）切替バルブを変化させた場合におけるタービン膨張比とタービン修正流量の関係を示すグラフ、（ｂ）切替バルブの開度変化に対するタービン可変特性を示すグラフである。 ウエストゲートバルブの説明図である。 （ａ）アクチュエータ作動角の変化に対する切替バルブとウエストゲートバルブの開度変化を示すグラフ、（ｂ）第１リンク機構の模式図である（実施例２）。

以下において発明を実施するための形態を、図面に基づいて詳細に説明する。

本発明を適用したターボチャージャの具体例を説明する。なお、以下で開示する実施例は、一例を開示するものであって、本発明が実施例に限定されないことは言うまでもない。

［実施例１］
実施例１を図１〜図７に基づき説明する。
車両走行用のエンジン１（燃料の燃焼により回転動力を発生する内燃機関：燃料の種類は問わない、またレシプロエンジン、ロータリーエンジン等のエンジン形式を問わない）は、ターボチャージャ２を搭載する。

エンジン１は、吸気をエンジン気筒内へ導く吸気通路３を備えるとともに、気筒内で発生した排気ガスを浄化して大気中に排出する排気通路４を備える。
ターボチャージャ２は、エンジン１から排出される排気ガスのエネルギーによって、エンジン１に吸い込まれる吸気を加圧する過給器であり、エンジン１の排気ガスによって駆動される排気タービン５と、この排気タービン５により駆動されてエンジン１に吸い込まれる吸気を加圧する吸気コンプレッサ６とを備える。

排気タービン５は、エンジン１から排出された排気ガスによって回転駆動されるタービン羽根車５ａと、このタービン羽根車５ａを収容する渦巻形状のタービンハウジング５ｂとを備えて構成される。なお、排気タービン５の詳細は後述する。

吸気コンプレッサ６は、タービン羽根車５ａの回転力により駆動されて吸気通路３内の吸気を加圧するコンプレッサ羽根車６ａと、このコンプレッサ羽根車６ａを収容する渦巻形状のコンプレッサハウジング６ｂとを備えて構成される。
そして、タービン羽根車５ａとコンプレッサ羽根車６ａはシャフト７を介して結合されるものであり、このシャフト７はセンターハウジング７ａによって高速回転自在に支持される。

吸気通路３は、吸気管、インテークマニホールド、吸気ポートの各内部通路によって構成される。
具体的に、吸気通路３には、エンジン１に吸い込まれる吸気中に含まれる塵や埃を除去するエアクリーナ１１、ターボチャージャ２の吸気コンプレッサ６、この吸気コンプレッサ６により圧縮されて昇温した吸気を強制冷却するインタークーラ１２、エンジン１へ吸引される吸気量の調整を行うスロットルバルブ１３、サージタンク等に設置されて過給圧を検出する過給圧センサ１４などが設けられている。

排気通路４は、排気ポート、エキゾーストマニホールド、排気管の各内部通路によって構成される。
具体的に、排気通路４には、ターボチャージャ２の排気タービン５、排気タービン５の排気下流側に配置されて排気ガスの浄化を行う触媒１５、排気音を消音させて排気ガスを大気中に排出するマフラー１６などが設けられている。
なお、触媒１５は周知なものであり、具体的な一例を開示すると、周知のモノリス構造を採用する三元触媒であり、活性化温度に昇温されることで排気ガス中に含まれる有害物質を酸化作用と還元作用により浄化する。

ターボチャージャ２は、容量可変タイプであり、排気タービン５には、タービン羽根車５ａを駆動する排気ガスの流量を調整する切替バルブ１７と、タービン羽根車５ａを迂回する排気ガスの流量を調整するウエストゲートバルブ１８とが設けられる。

具体的に、タービンハウジング５ｂの内部にはエンジン１から排出された排気ガスを旋回させてタービン羽根車５ａへ吹き付ける独立した第１、第２排気スクロール２１、２２が設けられている。

第１排気スクロール２１には、開閉手段が設けられておらず、常に開かれており、排気ガスが常に第１排気スクロール２１を通過するように設けられている。
具体的に、第１排気スクロール２１の排気上流部は、タービンハウジング５ｂの排気入口（即ち、エキゾーストマニホールドとの接続口）と常に連通しており、排気ガスが常時第１排気スクロール２１を通ってタービン羽根車５ａに吹き出される。

一方、第２排気スクロール２２は、切替バルブ１７によって開閉可能に設けられている。
具体的に、第２排気スクロール２２の排気上流部は、タービンハウジング５ｂに形成された排気ガス導入路２３を介して第１排気スクロール２１の排気ガス上流域（即ち、エキゾーストマニホールドとの接続口）に連通するものであり、この排気ガス導入路２３が切替バルブ１７によって開閉される。

この切替バルブ１７は、排気ガス導入路２３の開閉および開度調整を行なうものであり、切替バルブ１７の開度調整を行うことにより、第２排気スクロール２２に流入する排気ガス量（即ち、第２排気スクロール２２を通ってタービン羽根車５ａに吹き出される排気ガス量）をコントロールして過給圧を制御する。

なお、切替バルブ１７は、図４に示すように、排気ガス導入路２３の下流端を開閉するものであっても良いが、図４とは異なり、排気ガス導入路２３の上流端を開閉するものであっても良い。即ち、図４とは異なり、排気ガス導入路２３の上流空間に切替バルブ１７を配置するものであっても良い。

切替バルブ１７は、弁体が回動操作されるスイングバルブ構造を採用するものであり、排気ガス導入路２３を直接開閉する弁体の他に、タービンハウジング５ｂに対して回転自在に支持される第１バルブ軸１７ａと、この第１バルブ軸１７ａと弁体を結合する第１内部アーム１７ｂとを備える。
なお、第１バルブ軸１７ａの一部はタービンハウジング５ｂの外部に露出するものであり、タービンハウジング５ｂの外部に露出する第１バルブ軸１７ａには、後述する第１リンク機構２６の一部を成す第１バルブレバー３２が結合されており、この第１バルブレバー３２が回動操作されることで、切替バルブ１７が開閉操作される。

一方、タービンハウジング５ｂには、タービンハウジング５ｂ内へ流入した排気ガスの一部を、タービン羽根車５ａを迂回（バイパス）させて排気下流側（触媒１５の排気上流側）へ導くバイパス路２４が形成されている。
このバイパス路２４は、ウエストゲートバルブ１８によって開閉される。このウエストゲートバルブ１８は、バイパス路２４の開度調整を行なうものであり、ウエストゲートバルブ１８の開度調整を行うことにより、タービン羽根車５ａを迂回する排気ガス量をコントロールして過給圧を制御する。

ウエストゲートバルブ１８は、上述した切替バルブ１７と同様、弁体が回動操作されるスイングバルブ構造を採用するものであり、バイパス路２４を直接開閉する弁体の他に、タービンハウジング５ｂに対して回転自在に支持される第２バルブ軸１８ａと、この第２バルブ軸１８ａと弁体を結合する第２内部アーム１８ｂとを備える。
なお、第２バルブ軸１８ａの一部はタービンハウジング５ｂの外部に露出するものであり、タービンハウジング５ｂの外部に露出する第２バルブ軸１８ａには、後述する第２リンク機構２７の一部を成す第２バルブレバー４２が結合されており、この第２バルブレバー４２が回動操作されることで、ウエストゲートバルブ１８が開閉操作される。

次に、切替バルブ１７とウエストゲートバルブ１８の駆動機構を説明する。
切替バルブ１７とウエストゲートバルブ１８の駆動機構は、
・回動可能に支持される出力軸２５ａを最小回動角θ１から最大回動角θ４の範囲で駆動するアクチュエータ２５と、
・アクチュエータ２５の回転出力を第１バルブ軸１７ａへ伝達する第１リンク機構２６と、
・アクチュエータ２５の回転出力を変換して第２バルブ軸１８ａへ伝達し、切替バルブ１７の開度変化途中でウエストゲートバルブ１８を開弁させる第２リンク機構２７と、
を備えて構成される。

アクチュエータ２５は、エンジン制御を行うＥＣＵ２８によって通電制御されて出力軸２５ａに回転出力を生じさせるものであり、一例として排気ガスの熱影響を受け難い吸気コンプレッサ６側に取り付けられる。
アクチュエータ２５の形式は限定するものではないが、この実施例１では一例として電動アクチュエータを採用する。電動アクチュエータは、通電により回転出力を発生する電動モータ（例えばＤＣモータ）と、この電動モータの回転出力を減速して出力トルクを増大させる減速装置（例えば歯車減速機）とを組み合わせたものであり、電動モータに印加される通電量に応じた回転トルクを出力軸２５ａに発生する。
なお、この実施例のアクチュエータ２５は、電動モータの通電停止時に出力軸２５ａを初期位置へ戻すためのリターンスプリングを持たないタイプを採用するが、もちろん限定するものではない。

また、アクチュエータ２５には、出力軸２５ａの回転角度を検出する回転角センサ２９が設けられている。回転角センサ２９の具体的な一例は、磁気センサを用いた非接触型であり、回転角センサ２９によって検出される出力軸２５ａの角度はＥＣＵ２８へ出力される。

第１リンク機構２６は、
・出力軸２５ａと一体に回動する第１駆動レバー３１と、
・第１バルブ軸１７ａと一体に回動する第１バルブレバー３２と、
・「第１駆動レバー３１の回動に伴なって円弧を描く第１駆動関節３３」の動きを「第１バルブレバー３２の回動に伴って円弧を描く第１従動関節３４」へ伝える第１ロッド３５と、
を備えて構成される。

この第１リンク機構２６を採用すると、出力軸２５ａの回動範囲は、切替バルブ１７の全閉によって機械的に制限される。即ち、出力軸２５ａの回動範囲のうち、一方の回動端（出力軸２５ａの最小回動角θ１）と他方の回動端（出力軸２５ａの最大回動角θ４）のそれぞれが、切替バルブ１７の全閉によって機械的に制限される。

このため、出力軸２５ａを回動角θ１から回動角θ４へ駆動すると、切替バルブ１７が全閉から最大開度に達した後に再び全閉へ戻る「オーバーターン」を生じる。
具体的には、図５（ａ）の実線Ａに示すように、出力軸２５ａを回動角θ１から回動角θ４へ駆動すると、回動角θ１から回動角θ３に変位するに従って切替バルブ１７の開度が全閉状態から大きくなり、回動角θ３で切替バルブ１７が最大開度に達し、回動角θ３から回動角θ４に変位するに従って切替バルブ１７の開度が再び閉弁方向に向かい、回動角θ４で切替バルブ１７が全閉する。

第１駆動レバー３１は、出力軸２５ａに結合された金属板であり、出力軸２５ａから径方向に離れた位置に第１駆動関節３３が設けられる。
第１駆動関節３３は、第１駆動レバー３１に対して第１ロッド３５を回動自在に結合するものであり、具体的な一例は、第１駆動レバー３１に設けられたピン（軸部）と、第１ロッド３５に設けられた軸受部（穴部）との嵌合によって設けられる。

第１バルブレバー３２は、第１バルブ軸１７ａに結合された金属板であり、第１バルブ軸１７ａから径方向に離れた位置に第１従動関節３４が設けられる。
第１従動関節３４は、第１バルブレバー３２に対して第１ロッド３５を回動自在に結合する連結部であり、具体的な一例は、第１ロッド３５に設けられたピン（軸部）と、第１バルブレバー３２に設けられた軸受部（穴部）との嵌合によって設けられる。

第１ロッド３５は、吸気コンプレッサ６側に設けられるアクチュエータ２５から、排気タービン５側に設けられる切替バルブ１７へ駆動力を伝達する金属シャフトであり、第１駆動レバー３１のピンに嵌まり合う軸受部と、第１バルブレバー３２の軸受部に嵌まり合うピンとの距離が調整構造（ネジ構造等）によって調整可能に設けられている（限定しない）。

第２リンク機構２７は、
・出力軸２５ａが回動角θ１から回動角θ２の範囲では出力軸２５ａの回転出力の伝達がなされず、出力軸２５ａの回動角度が回動角θ２以上において出力軸２５ａと一体に回動する第２駆動レバー４１と、
・第２バルブ軸１８ａと一体に回動する第２バルブレバー４２と、
・「第２駆動レバー４１の回動に伴なって円弧を描く第２駆動関節４３」の動きを「第２バルブレバー４２の回動に伴って円弧を描く第２従動関節４４」へ伝える第２ロッド４５と、
・ウエストゲートバルブ１８に閉弁力を付与するスプリング４６と、
を備えて構成される。

第２駆動レバー４１は、出力軸２５ａの周囲にベアリングを介して回転自在に支持される。
具体的には、出力軸２５ａが回動角θ１〜θ２の範囲では出力軸２５ａに対して第２駆動レバー４１が回動自在であるが、出力軸２５ａの回動角度が回動角θ２以上になると第１駆動レバー３１に係合し、第２駆動レバー４１が第１駆動レバー３１と一体に回動するように設けられている。

この構造を可能にするべく、第２駆動レバー４１には、回動角θ２以上で第１駆動レバー３１に設けられた突起部３１ａに当接して第１駆動レバー３１から回動力を受ける受力部４１ａが設けられている。
図２に示す受力部４１ａには、アジャスタスクリュ４１ｂが設けられており（限定しない）、このアジャスタスクリュ４１ｂによって回動角θ２（突起部３１ａが受力部４１ａに当接する角度）の調整が可能に設けられている。

第２駆動レバー４１には、第１駆動レバー３１と同様、出力軸２５ａから径方向に離れた位置に第２駆動関節４３が設けられる。
第２駆動関節４３は、第２駆動レバー４１に対して第２ロッド４５を回動自在に結合する連結部であり、具体的な一例は、第２駆動レバー４１に設けられたピン（軸部）と、第２ロッド４５に設けられた軸受部（穴部）との嵌合によって設けられる。

第２バルブレバー４２は、第１バルブレバー３２と同様、第２バルブ軸１８ａに結合された金属板であり、第２バルブ軸１８ａから径方向に離れた位置に第２従動関節４４が設けられる。
第２従動関節４４は、第２バルブレバー４２に対して第２ロッド４５を回動自在に結合するものであり、具体的な一例は、第２ロッド４５に設けられたピン（軸部）と、第２バルブレバー４２に設けられた軸受部（穴部）との嵌合によって設けられる。

第２ロッド４５は、第１ロッド３５と同様、吸気コンプレッサ６側に設けられるアクチュエータ２５から、排気タービン５側に設けられる切替バルブ１７へ駆動力を伝達する金属シャフトであり、第２駆動レバー４１のピンに嵌まり合う軸受部と、第２バルブレバー４２の軸受部に嵌まり合うピンとの距離が調整構造（ネジ構造等）によって調整可能に設けられている（限定しない）。

スプリング４６は、一端が第１駆動レバー３１に係合し、他端が第２駆動レバー４１に係合するねじりコイルバネであり、出力軸２５ａの回転角θ１〜θ２の範囲において第２ロッド４５に対して「ウエストゲートバルブ１８が閉弁する方向の付勢力」を付与するように設けられている。

上述した第２リンク機構２７を採用することにより、切替バルブ１７の開度変化途中でウエストゲートバルブ１８が開弁を開始する。
即ち、図５（ａ）の実線Ｂに示すように、出力軸２５ａの回転角θ１〜θ２の範囲ではウエストゲートバルブ１８が全閉位置に保たれ、出力軸２５ａの回転角θ２〜θ４の範囲では出力軸２５ａの駆動角度が大きくなるに従ってウエストゲートバルブ１８の開度が大きくなり、出力軸２５ａが回転角θ４においてウエストゲートバルブ１８が最大開度（または最大開度に近い開度）に設定される。

ここで、図６を参照して、ウエストゲートバルブ１８が開弁を開始する回転角θ２の設定例を説明する。
切替バルブ１７の開度を変化させると、図６（ａ）に示すように、高開度になるほど、等膨張比でのタービン修正流量が大きくなる。なお、タービン修正流量は、タービン羽根車５ａへ流入する排気ガスの流量を、排気ガスの圧力と排気ガスの温度で修正したものである。

切替バルブ１７の開度とタービン可変特性との関係は、図６（ｂ）に示すものであり、切替バルブ１７の開度が必要開度Ｖθｘに達すると過給圧の変化がなくなる。
即ち、必要開度Ｖθｘは、切替バルブ１７の開度を変化させた際に、排気ガス導入路２３を通過する「排気ガスの流量が変化する開度範囲」と、排気ガス導入路２３を通過する「排気ガスの流量が最大値に達して流量変化が生じない開度範囲」との境界開度である。
このため、回転角θ２を必要開度Ｖθｘより大きく設定すると、出力軸２５ａの回動角を変化させた場合、ウエストゲートバルブ１８が開く直前の回動範囲に「過給圧が変化しない不感帯」が生じてしまう。

そこで、この実施例１では、回転角θ２を必要開度Ｖθｘに設定している。あるいは回転角θ２を必要開度Ｖθｘより回動角θ１に少し近い開度（図中「ズレても良い」範囲参照）に設定している。
なお、図中、Ｖθ１は出力軸２５ａの回動角θ１の時の切替バルブ１７の開度であり、Ｖθ２は出力軸２５ａの回動角θ２の時の切替バルブ１７の開度であり、Ｖθ３は出力軸２５ａの回動角θ３の時の切替バルブ１７の開度である。

ＥＣＵ２８は、マイクロコンピュータを搭載するエンジン・コントロール・ユニットであり、アクチュエータ２５を通電制御することでターボチャージャ２の過給圧をコントロールする「過給圧コントロール手段（制御プログラム）」を備える。
具体的に、「過給圧コントロール手段」は、エンジン１の運転状態（エンジン１に設けられたエンジン回転数センサ５０によって検出されるエンジン回転数や、スロットルバルブ１３の開度など）からエンジン１の運転状態に適した目標過給圧を算出する。そして、過給圧センサ１４で検出した実過給圧（吸気圧）が目標過給圧に合致するように、アクチュエータ２５を圧力フィードバック制御する（一例であり、限定しない）。

一方、ＥＣＵ２８には、エンジン１の冷間始動直後など触媒１５の早期暖機が望まれる運転状態の時、即ち、触媒１５の実温度または予測温度が活性化温度に達していない時に、上述した「過給圧コントロール手段」の作動に優先して、触媒１５の早期暖機を実施する「触媒暖機手段（制御プログラム）」が設けられている。
この「触媒暖機手段」は、触媒１５の早期暖機を行う際に、出力軸２５ａを回動角θ４に設定する。

この実施例１のターボチャージャ２は、出力軸２５ａが回動角θ４の時、ウエストゲートバルブ１８によってバイパス路２４を開くとともに、切替バルブ１７の開度を必要開度Ｖθｘより小さい開度に設定するように設けられている。
触媒１５の早期暖機を行う際（出力軸２５ａが回動角θ４の時）の具体的な一例は、バイパス路２４を通過する排気ガスの流量を少しでも多くする目的でウエストゲートバルブ１８を最大開度（全開）に設定するとともに、排気ガス導入路２３を通過する排気ガスの流量を少なくする目的で切替バルブ１７を全閉にするように設けられている。

もちろん、ＥＣＵ２８は、触媒１５の早期暖機が完了すると、上述した「過給圧コントロール手段」によってターボチャージャ２による過給圧コントロールを開始するように設けられている。
また、ＥＣＵ２８には、触媒１５の早期暖機中に大きなエンジン出力が要求された場合など（例えば、アクセル開度が所定値を超えた場合など）に、「触媒暖機手段」を中断して「過給圧コントロール手段」へ移行するように設けられている。

（実施例１の特徴技術１）
上述した実施例１の要部を説明する。
この実施例１のエンジン吸排気システムは、排気ガスの浄化を行う触媒１５の排気上流側に、ターボチャージャ２の排気タービン５を配置する構造を採用している。
そして、この実施例１のターボチャージャ２は、上述したように、第１バルブ軸１７ａの回動により開閉操作される切替バルブ１７と、第２バルブ軸１８ａの回動により開閉操作されるウエストゲートバルブ１８とを備えるものであり、切替バルブ１７が排気ガス導入路２３の開閉を行い、ウエストゲートバルブ１８がバイパス路２４の開閉を行う。

また、この実施例１のターボチャージャ２は、上述したように、出力軸２５ａを最小回動角θ１から最大回動角θ４の範囲で駆動するアクチュエータ２５と、このアクチュエータ２５の回転出力を第１バルブ軸１７ａへ伝達する第１リンク機構２６と、アクチュエータ２５の回転出力を変換して第２バルブ軸１８ａへ伝達し、切替バルブ１７の開度変化途中でウエストゲートバルブ１８の開弁を開始させる第２リンク機構２７とを備える。

第１リンク機構２６は、上述したように、出力軸２５ａと一体に回動する第１駆動レバー３１と、第１バルブ軸１７ａと一体に回動する第１バルブレバー３２と、第１駆動関節３３の動きを第１従動関節３４へ伝える第１ロッド３５とを備え、出力軸２５ａを回動角θ１から回動角θ４へ駆動すると切替バルブ１７が全閉から最大開度に達した後に再び全閉するものである。

この実施例１のターボチャージャ２は、上記の構成を採用することにより、
・出力軸２５ａの回動角が回動角θ１の時に切替バルブ１７とウエストゲートバルブ１８が共に全閉し（具体的には、この時、アクチュエータ２５は出力軸２５ａへ図１の左回転方向の閉弁トルクを付与して切替バルブ１７とウエストゲートバルブ１８の閉弁性能を高めるように設けられる）、
・出力軸２５ａの回動角が回動角θ１から所定の回動角θ２を介して所定の回動角θ３に向かって変化する間、切替バルブ１７が最大開度に向かって開弁し、
・出力軸２５ａの回動角が所定の回動角θ２の時にウエストゲートバルブ１８が開弁を開始し、
・出力軸２５ａが所定の回動角θ３の時（「出力軸２５ａの中心と第１駆動関節３３の中心を結ぶ線」と「第１駆動関節３３の中心と第１従動関節３４の中心を結ぶ線」が直線上に並ぶ時）に切替バルブ１７が最大開度に達し、
・出力軸２５ａの回動角が所定の回動角θ３から回動角θ４に向かって変化する間、切替バルブ１７の開度が減少するとともにウエストゲートバルブ１８の開度が増加し、
・出力軸２５ａの回動角が回動角θ４の時にウエストゲートバルブ１８が大きく開くとともに、切替バルブ１７が必要開度Ｖθｘより低い開度に設定されて触媒１５の早期暖機を実施する。

具体的には、上記の構成を採用することにより、
・出力軸２５ａの回動角θ１〜θ２の範囲では切替バルブ１７の開度変化により過給圧コントロールが行われ、
・出力軸２５ａの回動角θ２〜θ３の範囲ではウエストゲートバルブ１８の開度調整により過給圧コントロールが行われ、
・出力軸２５ａの回動角θ４ではウエストゲートバルブ１８が大きく開かれるとともに、切替バルブ１７が全閉に設定されて（この時、アクチュエータ２５は出力軸２５ａへ図１の右回転方向の閉弁トルクを付与して切替バルブ１７の閉弁性能を高めるように設けられる）、触媒１５の早期暖機が行われる。

（実施例１の効果１）
この実施例１のターボチャージャ２は、触媒１５の早期暖機を行う際、出力軸２５ａの回動角を回動角θ４に設定する。すると、ウエストゲートバルブ１８が大きく開かれるとともに、切替バルブ１７が全閉（必要開度Ｖθｘより低い開度の一例）に設定される。
ウエストゲートバルブ１８がバイパス路２４を大きく開くことで、タービン羽根車５ａを通過しない高温の排気ガスがバイパス路２４を介して触媒１５に導かれる。

一方、触媒１５の暖機時に切替バルブ１７が排気ガス導入路２３を閉じることで、タービン羽根車５ａを通過して温度の下がる排気ガス量を減らすことができる。即ち、排気ガス導入路２３を閉じることで、逆にタービン羽根車（５ａ）をパイパスする排気ガスの流量を増加させることができる。
このように、この実施例１のターボチャージャ２は、触媒の早期暖機を行う際、タービン羽根車５ａを通過して温度低下する排気ガスの流量を減らし、逆にタービン羽根車５ａをバイパスする高温の排気ガスの流量を増加できるため、触媒１５の暖機時間を短縮できる。

（実施例１の特徴技術２）
出力軸２５ａの回動範囲が回動角θ１〜θ３では、過給圧のコントロールが行われる「制御区間（切替バルブによる過給圧制御範囲＋ウエストゲートバルブによる過給圧制御範囲）」になる。
一方、出力軸２５ａの回動範囲が回動角θ３〜θ４では、使用されない「空走区間」になる。

このように、出力軸２５ａの回動範囲に「制御区間」と「空走区間」が生じる場合は、「制御区間」を広くし、逆に「空走区間」を狭くすることが望まれる。
具体的に、「制御区間」として用いられる回動角θ１〜θ３が狭いと、出力軸２５ａの僅かな回動変化によって過給圧の変化度合が大きくなってしまうため、過給圧コントロールの精度が劣化する不具合がある。

また、「空走区間」である回動角θ３〜θ４が広いと、触媒の早期暖機の終了から、過給圧コントロールへ移行する時間（タイムラグ）が長くなり、そのタイムラグによってドライバビリティの悪化を招く懸念がある。理解補助の目的で具体的な一例を開示すると、触媒の早期暖機中にアクセル開度が急に大きくなって、触媒の早期暖機を中断して過給圧コントロールに移行する際に、タイムラグが長くなる不具合が生じてしまう。

そこで、この実施例１では、図５（ｂ）に示すように、
・出力軸２５ａが回動角θ１の時に「出力軸２５ａの中心と第１駆動関節３３の中心を結ぶ線」から「出力軸２５ａの中心と第１従動関節３４の中心を結ぶ線」までの角度をα（図中、θ１から一点鎖線までの角度）、
・回動角θ１から回動角θ３までの角度をγ（図中、θ１から破線までの角度）とした場合に、
γ＞α
の関係を満足するように設けられる。

上述した構造の第１リンク機構２６を採用すると、出力軸２５ａの回動範囲は、一方の回動端と他方の回動端のそれぞれが、切替バルブ１７の全閉によって機械的に制限される。この構造のために、角度αは、「回動角θ１から回動角θ４までの角度」の１／２になる。
一方、角度γは、切替バルブ１７が最大開度（全開）時の「第１従動関節３４の中心位置」によって変化可能であり、「角度α＝角度γ」になるとは限らない。

上述した第１リンク機構２６を採用する場合、切替バルブ１７の最大開度時の「第１従動関節３４の中心位置」を変化させることで、角度γを変化させることが可能になる。
本願発明者は、角度γを角度αより大きく設定（γ＞α）することにより「制御区間」を「空走区間」より広く設けることができることを見いだした。
具体的には、切替バルブ１７の最大開度時の「第１従動関節３４の中心位置」を、「回動角θ１から回動角θ４までの角度」の１／２の角度よりも回動角θ４側に設定することで、「γ＞α」の関係が得られることを見いだした。

そこで、この実施例１では、図５（ｂ）に示すように、切替バルブ１７の最大開度時の「第１従動関節３４の中心位置」を、「回動角θ１から回動角θ４までの角度」の１／２の角度よりも回動角θ４側（即ち、出力軸２５ａの中心と全閉時における第１従動関節３４の中心とを結ぶ直線の延長上より図示下側）に設定することで、「γ＞α」の関係を満足するように設けている。

（実施例１の効果２）
この実施例１は、上述したように「γ＞α」の関係を満足するように設けられる。
これにより、回動角θ１から回動角θ３までの回動範囲を、回動角θ３から回動角θ４までの回動範囲より大きく設けることができ、「制御区間」を「空走区間」より広くできる。
このように、「制御区間」として用いられる回動角θ１〜θ３を広くできるため、出力軸２５ａの回動変化に伴う過給圧の変化度合を小さく抑えることができ、過給圧のコントロール精度を向上できる。
また、「空走区間」である回動角θ３〜θ４を狭くできるため、触媒１５の早期暖機の終了から過給圧コントロールへ移行するタイムラグを短縮することができ、ドライバビリティの向上を図ることができる。

その他にも、「空走区間」である回動角θ３〜θ４を狭し、逆に「制御区間」である回動角θ１〜θ３を広くすることにより、第１リンク装置２６および第２リンク装置２７の減速比を大きくし易くできる。
第１リンク装置２６と第２リンク装置２７の減速比を大きくすることで、アクチュエータ２５に求められる出力トルクを小さくできる。このため、アクチュエータ２５の出力トルクを小さく設けても、切替バルブ１７やウエストゲートバルブ１８に十分な駆動力や荷重を与えることができる。なお、一般的には、発生させるべきトルクが大きいほどアクチュエータ２５の体格も大きくなる。このため、上記のように「γ＞α」の関係を満足させることで、満足させない場合に比較してアクチュエータ５自体の体格を小型化することができる。

（実施例１の効果３）
この実施例１のウエストゲートバルブ１８は、出力軸２５ａが回動角θ４に設定されて、触媒１５の早期暖機を行う際に、図７に示すように、バイパス路２４を通過した排気ガスの直進性を妨げない位置まで開弁する。

この実施例１とは異なり、図７の破線に示すように、出力軸２５ａが回動角θ４に設定されて、触媒１５の早期暖機を行う際に、ウエストゲートバルブ１８がバイパス路２４を通過した排気ガスの直進性を妨げる場合が考えられる。
この場合、ウエストゲートバルブ１８に当たって直進性が阻害された排気ガスは、下流壁面５１（排気タービン５の壁面や、排気タービン５の下流側の排気管の壁面）に強く当たってしまい、排気ガスの熱の多くが壁面５１に奪われてしまう。あるいは、ウエストゲートバルブ１８の下流に強い乱流が生じて、排気ガスの熱の多くが壁面５１に奪われてしまう。また、排気ガスがウエストゲートバルブ１８に強く当たることで、排気ガスの熱がウエストゲートバルブ１８に奪われてしまう
このように、ウエストゲートバルブ１８が排気ガスの直進性を阻害すると、触媒１５の早期暖機が遅れてしまう。

これに対し、この実施例１では、出力軸２５ａが回動角θ４に設定されて、触媒１５の早期暖機を行う際に、図７に示すように、ウエストゲートバルブ１８が大きく開かれ、バイパス路２４を通過した排気ガスの流れに対して、ウエストゲートバルブ１８の弁体のシール面が略平行となる開度に設定される。具体的には、ウエストゲートバルブ１８の開弁角度が全閉時（０度）に対して７０度以上、好ましくは８０度以上に開かれる。
なお、ウエストゲートバルブ１８の最大開弁時の開弁角度を大きくする手段の一例は、第２バルブレバー４２の長さ（具体的には、第２バルブ軸１８ａの中心から第２従動関節４４の中心までの径方向距離）を短縮することで可能になる。

これにより、触媒１５の早期暖機を行う際に、バイパス路２４を通過した排気ガスの直進性を、ウエストゲートバルブ１８が妨げないため、バイパス路２４を通過した排気ガスの温度低下を防いで触媒１５に導くことができる。即ち、触媒１５の早期暖機時に、ウエストゲートバルブ１８を大きく開くように設けたことで、高温の排気ガスを触媒１５へ導く効果が得られるため、触媒１５の暖機時間を短縮できる。

［実施例２］
実施例２を図８に基づき説明する。なお、この実施例２において上記実施例１と同一符合は同一機能物を示すものである。
上記の実施例１では、回動角θ１の時に「出力軸２５ａの中心と第１駆動関節３３の中心を結ぶ線」から「出力軸２５ａの中心と第１従動関節３４の中心を結ぶ線」までの角度をα、回動角θ１から回動角θ３までの角度をγとした場合に、
γ＞α
の関係を満足するように設けた。

しかし、本発明は実施例１で示した角度γを角度αより大きく設定（γ＞α）するものに限定するものではない。
即ち、本発明は、角度αと角度γが同じ（α＝γ）であっても良いし、角度αを角度γより大きく設定（α＞γ）しても良い。具体的な一例として、この実施例２は、図８に示すように、角度αを角度γより大きく設定（α＞γ）したものである。
この実施例２を採用しても、上述した「実施例１の効果１」と同様の効果を得ることができる。

上記の実施例では、アクチュエータ２５の一例として電動モータを駆動源とした電動アクチュエータを用いる例を示したが、ＥＣＵ２８により通電制御可能なアクチュエータ２５であれば他の形式（負圧アクチュエータ、油圧アクチュエータ等）であっても良い。

上記の実施例では、回動角θ１および回動角θ４の際に切替バルブ１７が全閉となる例を示したが、必ずしも全閉でなくても良く、例えば殆ど閉じている状態であっても良い。具体的な一例として、回動角θ１の時に切替バルブ１７は殆ど閉じている状態で、そこから回動角θ２に向かう途中で一時的に全閉となり、その後に開度が大きくなって回動角θ３で全開となるような構成を採用しても良い。

上記の実施例では、触媒１５の早期暖機を行う際に、ウエストゲートバルブ１８を最大開度にする例を示したが、限定するものではない。具体的に、触媒１５の早期暖機を行う際は、ウエストゲートバルブ１８の開度を最大開度もしくは最大開度に近く設定することが好ましいものであり、最大開度に限定するものではない。

２・・・ターボチャージャ
５ａ・・タービン羽根車 １５・・・触媒
１７・・・切替バルブ １７ａ・・第１バルブ軸
１８・・・ウエストゲートバルブ １８ａ・・第２バルブ軸
２３・・・排気ガス導入路 ２４・・・バイパス路
２５・・・アクチュエータ ２５ａ・・出力軸
２６・・・第１リンク機構 ２７・・・第２リンク機構
３１・・・第１駆動レバー ３２・・・第１バルブレバー
３３・・・第１駆動関節 ３４・・・第１従動関節
３５・・・第１ロッド

Claims (4)

1. 回動可能に支持される第１バルブ軸（１７ａ）の回動により開閉操作される切替バルブ（１７）と、回動可能に支持される第２バルブ軸（１８ａ）の回動により開閉操作されるウエストゲートバルブ（１８）とを備え、
   前記切替バルブ（１７）がタービン羽根車（５ａ）へ排気ガスを導く排気ガス導入路（２３）の開閉を行い、前記ウエストゲートバルブ（１８）が前記タービン羽根車（５ａ）を迂回させるバイパス路（２４）の開閉を行うターボチャージャ（２）において、
   このターボチャージャ（２）は、回動可能に支持される出力軸（２５ａ）を最小回動角θ１から最大回動角θ４の範囲で駆動するアクチュエータ（２５）と、このアクチュエータ（２５）の回転出力を前記第１バルブ軸（１７ａ）へ伝達する第１リンク機構（２６）と、前記アクチュエータ（２５）の回転出力を変換して前記第２バルブ軸（１８ａ）へ伝達し、前記切替バルブ（１７）の開度変化途中で前記ウエストゲートバルブ（１８）の開弁を開始させる第２リンク機構（２７）とを備え、
   前記出力軸（２５ａ）の回動角をθ１＜θ２＜θ３＜θ４とすると、
   前記第１リンク機構（２６）は、前記出力軸（２５ａ）と一体に回動する第１駆動レバー（３１）と、前記第１バルブ軸（１７ａ）と一体に回動する第１バルブレバー（３２）と、「前記第１駆動レバー（３１）の回動に伴なって円弧を描く第１駆動関節（３３）」の動きを「前記第１バルブレバー（３２）の回動に伴って円弧を描く第１従動関節（３４）」へ伝える第１ロッド（３５）とを備え、前記出力軸（２５ａ）を前記回動角θ１から前記回動角θ４へ駆動すると前記切替バルブ（１７）が最大開度に達した後に閉弁を開始するものであり、
   前記出力軸（２５ａ）の回動角が前記回動角θ１から所定の回動角θ３に向かって変化する間、前記切替バルブ（１７）が最大開度に向かって開弁し、
   前記出力軸（２５ａ）の回動角が所定の回動角θ２の時に前記ウエストゲートバルブ（１８）が開弁を開始し、
   前記出力軸（２５ａ）の回動角が前記回動角θ３の時に前記切替バルブ（１７）が最大開度に達し、
   前記出力軸（２５ａ）の回動角が前記回動角θ３から前記回動角θ４に向かって変化する間、前記切替バルブ（１７）の開度が減少するとともに前記ウエストゲートバルブ（１８）の開度が増加するものであり、
   前記切替バルブ（１７）の開度を変化させた際に、前記排気ガス導入路（２３）を通過する排気ガスの流量が変化する開度範囲と、前記排気ガス導入路（２３）を通過する排気ガスの流量が最大値に達して流量の変化が生じない開度範囲との境界開度を必要開度Ｖθｘとすると、
   前記出力軸（２５ａ）の回動角が前記回動角θ４の時に前記ウエストゲートバルブ（１８）が開いて、且つ前記切替バルブ（１７）が前記必要開度Ｖθｘより低い開度に設定されて排気ガスの浄化を行う触媒（１５）の早期暖機を実施し、
   前記タービン羽根車（５ａ）が設けられる排気タービン（５）は、排気ガスを旋回させて前記タービン羽根車（５ａ）へ吹き付ける独立した第１、第２排気スクロール（２１、２２）を有するタービンハウジング（５ｂ）を備えるものであり、
   前記第１排気スクロール（２１）は常に開かれ、前記第２排気スクロール（２２）は前記切替バルブ（１７）によって開閉されることを特徴とするターボチャージャ（２）。
2. 請求項１に記載のターボチャージャ（２）において、
   前記出力軸（２５ａ）が前記回動角θ１の時に「前記出力軸（２５ａ）の中心と前記第１駆動関節（３３）の中心を結ぶ線」から「前記出力軸（２５ａ）の中心と前記第１従動関節（３４）の中心を結ぶ線」までの角度をα、
   前記回動角θ１から前記回動角θ３までの角度をγとした場合、
   γ＞α
   の関係を満足することを特徴とするターボチャージャ（２）。
3. 請求項１または請求項２に記載のターボチャージャ（２）において、
   前記第２リンク機構（２７）は、前記出力軸（２５ａ）が前記回動角θ１から前記回動角θ２の範囲では前記出力軸（２５ａ）の回転出力の伝達がなされず、前記出力軸（２５ａ）の回動角度が前記回動角θ２以上において前記出力軸（２５ａ）と一体に回動する第２駆動レバー（４１）と、前記第２バルブ軸（１８ａ）と一体に回動する第２バルブレバー（４２）と、「前記第２駆動レバー（４１）の回動に伴なって円弧を描く第２駆動関節（４３）」の動きを「前記第２バルブレバー（４２）の回動に伴って円弧を描く第２従動関節（４４）」へ伝える第２ロッド（４５）とを備えることを特徴とするターボチャージャ（２）。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のターボチャージャ（２）において、
   前記ウエストゲートバルブ（１８）は、前記出力軸（２５ａ）が前記回動角θ４に設定されて、前記触媒（１５）の早期暖機を行う際に、前記バイパス路（２４）を通過した排気ガスの直進性を妨げない位置まで開弁することを特徴とするターボチャージャ（２）。

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