JP6831846B2 - 排気タービン式過給機のための制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部分に記載した種類の排気タービン式過給機のための制御装置に関する。本発明は更に、請求項７の前提部分に記載した種類の排気タービン式過給機に関する。

特許文献１（ドイツ特許公開公報第DE 10 2012 101 322 A1号）に、タービンを備えた排気タービン式過給機のための制御装置が記載されており、そのタービンは、貫流流路として形成された排気流通部と、この排気流通部の中に配設されたタービン羽根車を通過させずに迂回させて排気を流すためのバイパス流路とを備えている。また、その制御装置は、バイパス流路を閉塞するための弁体部材と、この弁体部材を担持する制御アームとを備えている。制御アームは排気流通部の中に回動可能に支持されている。排気タービン式過給機の作動中の騒音発生防止並びに摩耗発生状況の最適化ないし摩耗発生量の軽減のために、弁体部材はバネ部材を介して制御アームに取付けられて姿勢保持がなされている。

ここで問題となるのは、排気タービン式過給機が作動することによって、また特に、排気タービン式過給機がエンジンに結合されているために、排気タービン式過給機は必然的に温度変動及び機械的振動に曝されるということである。その温度変動により排気タービン式過給機の個々の構成部品には、継続的に加熱と冷却とが反復して作用し、そしてその作用は特に、排気タービン式過給機のタービンの近傍部分において甚だしく、なんとなれば、排気流通部の中を流れるエンジンの排気のために、タービンの近傍部分には最も大きな温度変動が発生しているからである。それゆえ排気タービン式過給機の個々の構成部品のうち、エンジンの排気が貫流して流れる排気流通部の管路の近くに位置している構成部品ほど、その故障発生率が高くなる。即ち、継続的に反復する温度変動は構成部品の熱膨張量の継続的な変動をもたらすことから、それによって組付箇所の緩み、応力の発生、材料の疲労などが発生し得る。上述した制御アームを含む連結機構には、弾発押圧力を利用した保持部材が用いられているが、この保持部材の外側面は、排気が流れる管路に近接して位置しており、そのため上述した温度変動に曝されている。

その保持部材はバネ部材から成り、このバネ部材は弁体部材を様々な操作位置において姿勢保持する機能を果たしている。閉弁位置においては、流路断面が弁体部材によって完全に閉塞されて漏れが生じないようにしており、それによって排気タービン式過給機の効率の低下を防止している。一方、弁体部材が開弁位置にあって流路断面が部分的にまたは完全に開放されているときには、バイパス流路の中を流れる排気の流れによって弁体部材の振動が誘起されるおそれが存在している。そのような弁体部材の振動は防止すべきであり、なぜならば、騒音の発生原因となりかねないからである。

ドイツ特許公開公報第DE 10 2012 101 322 A1号

本発明の目的は、改良を加えた排気タービン式過給機のための制御装置を提供することにある。また更なる目的は、改良を加えた排気タービン式過給機を提供することにある。

上記目的は、請求項１に記載した特徴を備えた排気タービン式過給機のための制御装置により達成される。また更なる目的は、請求項７に記載した特徴を備えた排気タービン式過給機により達成される。その他の請求項は、本発明の好適且つ重要な構成上の特徴を備えた特に有利な構成例を記載したものである。

本発明に係る排気タービン式過給機のための制御装置は、該制御装置の制御アームに担持された弁体部材を備えている。該弁体要素は、貫流流路として形成された排気流通部の中に配設されており、より詳しくは該排気流通部のバイパス流路の中に配設されており、該バイパス流路の流路断面を開閉するものである。前記バイパス流路は前記排気流通部の中に回転可能に配設されたタービン羽根車を通過させずに迂回させて排気を流せるようにするものであり、前記バイパス流路の流路断面が閉塞されているときには前記排気流通部の中を流れる排気の全量が前記タービン羽根車を通過して流れる。前記制御アームは前記排気流通部の中に可動状態で収容されている。前記弁体部材の姿勢保持のために、前記制御アームにバネ部材が設けられている。本発明によれば、前記バネ部材は径方向及び軸心方向に固定された状態で前記弁体部材に取付けられている。

従来のバネ部材は、通常、弁体部材の軸心方向に沿った当該バネ部材の軸心方向に移動可能とされている。この場合、バネ部材は圧縮されると軸心方向の寸法が縮小し、圧縮力が除去されると軸心方向の寸法が増大する。このバネ部材の伸縮量の変化は、弁体部材に作用する力の大きさの変化に応じて発生する。カチャカチャ音を抑制するために、バネ部材から制御アームに作用する力によって弁体部材の姿勢保持がなされるようにしている。そして、バネ部材が制御アームに力を作用させることができるように、バネ部材は制御アームと、バネ部材を保持するために設けられている押え板との間に取付けられている。

本発明によれば、前記制御装置の部品コストを低減するべく、前記バネ部材は径方向及び軸心方向に固定された状態で前記弁体部材に取付けられている。これによって上述した押え板が不要となるため、部品コストが軽減される。また更なる利点として、バイパス流路を閉塞する際に発生するカチャカチャ音が抑制される。

前記バネ部材は前記弁体部材の軸状突起に、該軸状突起との間に遊びがなく嵌着された状態で取付けられているようにするとよい。これにより、前記軸状突起を介して前記バネ部材を前記弁体部材に結合できるため、前記弁体部材の取付作業を容易化することが可能となる。

また、前記バネ部材は前記弁体部材の第１部分と前記弁体部材の第２部分との間に、遊びがなく嵌着された状態で取付けられているようにするとよい。これにより、前記バネ部材を前記弁体部材に固着させることができる。また、その場合には特にカシメ加工を用いて、前記バネ部材を前記第１部分と前記第２部分との間に、遊びがなく嵌着された状態で固定するとよい。

別の１つの構成例によれば、前記バネ部材は押え部材を介して前記弁体部材に取付けられている。前記押え部材は、カシメ加工を施すときに前記バネ部材を押えておけるようにすることで、組付作業を容易化するものである。前記バネ部材は、従来構成のようにその外周縁が押え板に当接するものではないため、バネ部材の外周縁が押え板の外周縁の内側に収まるようにせねばならないという制約がなく、そのため最適な設計とすることができる。前記押え部材の更なる利点として、前記弁体部材の反転変形を防止することや、カシメ加工を施すときに加わる荷重を分担することで、前記弁体部材に加わる荷重を低減することなどができ、その荷重の低減によって、前記弁体部材はカシメ加工に際して殆ど塑性変形を生ぜずに済むようになる。また、カシメ加工の替わりに溶接加工を採用する場合にも前記押え部材を装備することで利点が得られ、それは、前記押え部材を装備することで前記弁体部材に流入する熱量を小さく抑えることができるからである。

別の１つの構成例によれば、前記押え部材は外周縁を有しており、該外周縁の直径は前記弁体部材の外周縁の直径より小さい。この構成とすれば、前記弁体部材の移動可能域が前記押え部材により制約されることがない。

別の１つの構成例によれば、前記バネ部材の外周縁先端縁より小径の前記バネ部材の第２当接支持面が前記制御アームに当接しており、前記外周縁先端縁と前記制御アームとの間に離隔距離が維持されている。この構成とすれば、前記制御アームに対して前記弁体部材が径方向に摺動することが容易となるため、弁体部材と制御アームとで構成される機構系の内部において荷重が中心から外れているために発生する傾動が、その径方向の摺動によって吸収される。しかもその際に、それら構成部品どうしの当接箇所におけるそれら構成部品どうしの相対運動によって、余分な摩耗が生じるということもない。そのため、制御装置の使用寿命が更に長くなる。

本発明の第２の局面は排気タービン式過給機に関するものであり、この排気タービン式過給機は、貫流流路として形成された排気流通部を備え、該排気流通部は、該排気流通部の中に回転可能に配設されたタービン羽根車を通過させずに迂回させて排気を流すためのバイパス流路を備えており、更に、前記バイパス流路の流路断面を開閉するための制御装置を備えた排気タービン式過給機であり、以上において、前記制御装置は請求項１乃至６の何れか１項に記載されたように構成されている。この構成とすることで、使用寿命の長い排気タービン式過給機が得られ、また、応答特性が高速の制御装置を備えた排気タービン式過給機が得られる。

本発明の更なる利点、特徴、及び細部構成については、以下に示す好適な実施の形態についての説明を参照し、また添付図面を参照することにより明らかとなる。以上の説明中で言及した様々な特徴及びそれら特徴の組合せ、並びに、添付図面に関連した以下の説明中で言及し、及び／または、図面中に示す様々な特徴及びそれら特徴の組合せは、それら説明ないし図面に示した通りの組合せで利用し得るばかりでなく、それとは異なる組合せで利用することもでき、また、個々の特徴を単独で利用することも可能なものであって、そのように特徴を利用した場合でも本発明の範囲から逸脱するものではない

従来例に係る排気タービン式過給機の制御装置の斜視図である。 図１に示した制御装置の切断斜視図である。 図１に示した制御装置の縦断面図である。 本発明に係る排気タービン式過給機の本発明の第１実施例に係る制御装置の斜視図である。 図４に示した制御装置の切断斜視図である。 図４に示した制御装置の縦断面図である。 本発明の第２実施例に係る制御装置の斜視図である。 図７に示した制御装置の切断斜視図である。 図８に示した制御装置の縦断面図である。

従来例に係る排気タービン式過給機の制御装置として、図１に示したように構成された制御装置１があり、同図では排気タービン式過給機は不図示としてある。排気タービン式過給機は、貫流流路として形成された不図示の排気流通部を備えている。排気タービン式過給機の作動中はこの排気流通部の中を気体が流れており、その気体は一般的には排気そのものである。またその排気は通常、エンジンの燃焼ガスであり、ただし図１ではエンジンを不図示としている。かかる制御装置はウェイストゲート装置とも呼ばれている。

排気タービン式過給機は、貫流流路として形成された不図示の吸気流通部を備えていると共に、排気流通部と吸気流通部との間に配置された不図示の軸受構造部を備えており、その軸受構造部の中に不図示の回転体アセンブリが回転可能に収容されている。回転体アセンブリは、不図示のコンプレッサ羽根車と不図示のタービン羽根車とを備えており、それら２つの羽根車は不図示の連結軸により一体回転するように互いに連結されている。コンプレッサ羽根車は、吸気流通部の不図示の第１羽根車ケーシングの中に回転可能に収容されており、気体を吸入するものであり、吸入する気体は通常、空気である。また、タービン羽根車は、排気流通部の不図示の第２羽根車ケーシングの中に回転可能に収容されている。排気タービン式過給機の作動中は、排気流通部の中を流れる排気がタービン羽根車に作用してタービン羽根車を駆動しており、それによってタービン羽根車の回転運動が発生している。この回転運動が連結軸を介してコンプレッサ羽根車に伝達されるため、コンプレッサ羽根車がタービン羽根車の回転運動と一体的な回転運動をする。コンプレッサ羽根車によって、即ちこのコンプレッサ羽根車の回転運動によって、空気が吸入され、そしてその吸入された空気が吸気流通部において圧縮される。

この排気タービン式過給機は、いわゆるウェイストゲート式チャージャーとして構成されていることから、排気の全部または一部をタービン羽根車に流さずに迂回させるための制御装置１を備えており、その排気の迂回は、排気流通部の中に形成されている不図示のバイパス流路に排気を流すことにより行われる。制御装置１は、バイパス流路の不図示の流路断面を制御するための装置であり、当該流路断面の開閉を行い得る形状に形成された弁体部材２と、この弁体部材２を作動させるための制御装置とを備えている。弁体部材２の好適例はフラップ弁体であり、これは一般的にウェイストゲートフラップ、ないしはウェイストゲート弁体などと呼ばれているものである。

弁体部材２は弁体部材長手軸心２５を有しており、制御装置の制御アーム３に取付けられている。制御アーム３は、この制御アーム３の両端部のうち、制御軸４が結合している端部とは反対側の端部５が、二又形状に形成されており、その二又の間の部分が、係止突起７が嵌合する嵌合部６となっている。

係止突起７は弁体部材２の回転を阻止する回り止めとして機能している。弁体部材２は突出柱ないし突出軸の形状に形成された軸状突起９を有しており、この軸状突起９が制御アーム３の第２の嵌合部である嵌合孔８に嵌合している。軸状突起９及び係止突起７は、弁体部材２の両面のうち、制御アーム３に臨む第１弁体部材面１０に形成されている。弁体部材２の両面のうち、この第１弁体部材面１０とは反対側に形成されている第２弁体部材面１１は、弁体部材２が制御しようとする流れ断面に臨む面である。

弁体部材２は押え板１２を介して制御アーム３に結合されている。軸状突起９は制御アーム３の第２嵌合部である嵌合孔８を貫通し、そして更に、押え板１２を貫通して延在している。この軸状突起９の先端部である軸状突起先端部１３は、第２弁体部材面から延出しており、この軸状突起先端部１３がカシメ加工により押え板１２に結合されることによって、軸状突起９が押え板１２を介して制御アーム３に連結されている。尚、カシメ加工に替えて、溶接加工により結合するようにしてもよく、或いは、溶接加工とカシメ加工とを併用して結合するようにしてもよく、或いはまた、ロウ付け加工、圧入加工、接着加工などにより結合するようにしてもよい。

制御アーム３と押え板１２との間にバネ部材１４が介装されている。バネ部材１４は、弁体部材２に弾発押圧力を印加する機能を果たしており、これによって弁体部材２の運動に伴うカチャカチャ音が抑制されている。バネ部材１４は更に、遊びを吸収する機能を果たしており、その遊びとは特に、排気タービン式過給機の作動中の大きな温度変化により発生する遊びである。また、これによって特に、制御アーム３と、弁体部材２及びバネ部材１４との間の接触部の摩耗が軽減ないしは抑制されている。弁体部材２の摩耗量は弁体部材２の組付形態にも左右され、また弁体部材の重量にも左右されるが、バネ部材１４を用いることでその摩耗量を小さく抑えることができる。

バネ部材１４は皿バネの形状に形成されており、内周縁ＤＩと外周縁ＤＡとを有する。内周縁ＤＩの近傍領域に第１当接支持面１５が形成されており、この第１当接支持面は制御アーム３に当接する平面状の面である。即ち、第１当接支持面１５は制御アーム３に対して平面的に面接触して当接するように形成されている。また、外周縁ＤＡの近傍領域には第２当接支持面１６が形成されており、この第２当接支持面１６は押え板１２に当接する面であり、第１当接支持面と同じく平面状の面である。即ち、第２当接支持面１６は押え板１２に対して平面的に面接触して当接するように形成されている。

図４〜図６は本発明の第１実施例に係る制御装置１を示した図である。本発明に係る制御装置１はバネ部材１４を備えており、このバネ部材１４は径方向及び軸心方向に固定された状態で弁体部材２に取付けられている。

特に図６から明らかなように、バネ部材１４は、弁体部材２の第１部分１９と第２部分２０との間に、遊びがなく嵌着され状態で取付けられている。バネ部材１４の取付けが行われる前の状態では、第１部分１９と第２部分とは互いに異なる外径寸法を有しており、第１部分１９の外周にバネ部材１４を嵌合することで、バネ部材１４を第１部分１９に装着できるようになっている。第１部分１９は軸状突起９の形状に形成されており、この軸状突起９にカシメ加工を施すことで、バネ部材１４は弁体部材２に結合される。またそのために、軸状突起９はリベットのごとくカシメ加工を施せるように形成されている。バネ部材１４は、このカシメ加工によって第１部分１９と第２部分２０との間に挟圧され、それら２つの部分１９、２０の間に、遊びがなく嵌着された状態で取付けられる。このカシメ加工が完了した時点で、バネ部材１４は弁体部材２に固着された状態となっている。またこのカシメ加工が完了した時点で、第１部分１９と第２部分２０との間に周溝２１が形成されており、バネ部材１４はその周溝２１に嵌合した状態で取付けられている。

バネ部材１４は、その内周縁ＤＩの近傍領域に第１当接支持面１５が形成されている。またバネ部材１４は、外周縁ＤＡを有する外周部分２２の領域が湾曲形状に形成されており、それによって外周縁ＤＡにバネ部材丸み部ＲＦが形成されている。このバネ部材丸み部ＲＦの丸み半径（アール）は非常に小さなものとすることもでき、そうした場合には、バネ部材１４の形状は、第２当接支持面１６の近傍領域において屈曲した形状となる。

バネ部材丸み部ＲＦが形成されているため、第２当接支持面１６は擬似線形的な形状の当接面となっており、これは特に、バネ部材１４の外周縁先端縁２３が制御アーム３に当接しておらず、外周縁先端縁２３と制御アーム３との間に離隔距離Ａが維持されていることによるものである。即ち、本発明における第２当接支持面１６は、先に説明した従来例における第２当接支持面１６と比べて、その当接面積が非常に小さいことによって、弁体部材２を安定させるための押圧力を、より強力なものとすることが可能となっている。更に加えて、第２当接支持面１６の当接面積が小さいため、第２当接支持面１６に作用する静止摩擦力も小さなものとなっており、それゆえ、弁体部材２が傾動支点１８を中心とする傾動を生じた場合でも、その傾動がただちに解消されることから、アクチュエータから作用させる制御力も小さなもので済むようになっている。

図７〜図９は本発明の第２実施例に係る制御装置を示した図である。組付作業を容易化するために、第１当接支持面１５の近傍領域に押え部材２４が装備されており、この押え部材２４は周溝２１に嵌着された状態で取付けられている。押え部材２４は外周縁ＤＡ２を有しており、この外周縁の直径は弁体部材１４の外周縁ＤＡの直径より小さく、これによって、弁体部材２を移動操作する際に、第２当接支持面１６が衝突してその移動操作が妨げられるということがないようにしている。

Claims (7)

1. 排気タービン式過給機のための制御装置であって、前記排気タービン式過給機は貫流流路として形成された排気流通部を備え、該排気流通部は、該排気流通部の中に回転可能に配設されたタービン羽根車を通過させずに迂回させて排気を流すためのバイパス流路を備え、前記制御装置は、前記バイパス流路の流路断面を開閉するために設けられた弁体部材（２）を担持する制御アーム（３）を備え、該制御アーム（３）は前記排気流通部の中に可動状態で収容されており、少なくとも前記弁体部材（２）の姿勢保持のために、前記制御アーム（３）にバネ部材（１４）が備えられている、排気タービン式過給機のための制御装置において、
   前記バネ部材（１４）は径方向及び軸心方向に固定された状態で前記弁体部材（２）に取付けられており、
   前記バネ部材（１４）の内部分が前記弁体部材（２）に形成された溝（２１）に移動不能に嵌着されており、前記バネ部材（１４）の外部分が前記制御アーム（３）上に位置し、該外部分における外周縁先端縁（２３）が前記制御アーム（３）から離間している
   ことを特徴とする制御装置。
2. 前記バネ部材（１４）は、前記弁体部材（２）の軸状突起（９）に形成された前記溝（２１）に、該溝（２１）との間に遊びがなく嵌着された状態で取付けられていることを特徴とする請求項１記載の制御装置。
3. 前記バネ部材（１４）は前記弁体部材（２）の第１部分（１９）と前記弁体部材（２）の第２部分（２０）との間に形成された前記溝（２１）に、遊びがなく嵌着された状態で取付けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の制御装置。
4. 前記バネ部材（１４）は押え部材（２４）を介して前記弁体部材（２）に取付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１項記載の制御装置。
5. 前記押え部材（２４）は外周縁（ＤＡ２）を有しており、該外周縁の直径は、前記バネ部材（１４）の外周縁（ＤＡ）の直径より小さいことを特徴とする請求項４記載の制御装置。
6. 前記バネ部材（１４）の前記外周縁先端縁（２３）より小径の前記バネ部材（１４）における前記外部分の第２当接支持面（１６）が前記制御アーム（３）に当接しており、前記外周縁先端縁（２３）と前記制御アーム（３）との間に離隔距離（Ａ）が維持されていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の制御装置。
7. 貫流流路として形成された排気流通部を備え、該排気流通部は、該排気流通部の中に回転可能に配設されたタービン羽根車を通過させずに迂回させて排気を流すためのバイパス流路を備えており、更に、前記バイパス流路の流路断面を開閉するための制御装置を備えた、排気タービン式過給機において、
   前記制御装置（１）は請求項１乃至６の何れか１項に記載されたように構成されていることを特徴とする排気タービン式過給機。

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