JP7322959B2 - 過給機 - Google Patents

Description

本開示は過給機に関する。

従来、下記特許文献１に記載の過給機が知られている。この過給機は、内燃機関に供給する空気の圧力を制御するために、タービンへの排ガス入口と排ガス出口とを直接接続するバイパス流路と、上記バイパス流路を開閉するウエストゲートバルブと、を備えている。内燃機関に供給される空気の圧力が所定値を超えたときには、ウエストゲートバルブが開かれ、タービンに供給される排ガスの一部がバイパス流路を通じて排出される。この過給機は、ウエストゲートバルブの開閉操作のための操作機構を備えている。操作機構において、アクチュエータのロッドが進退されると、ロッド先端にヒンジ結合されたレバーが揺動して弁体の回動軸が回動し、ウエストゲートバルブが開閉動作する。

特許5845650号公報 特開2003-148155号公報 特開2012-132554号公報 特開2013-210101号公報

このウエストゲートバルブでは、弁体が排ガスの流体力を受け、この流体力に起因する力が操作機構のレバーやロッドに作用することになる。このウエストゲートバルブの例のように、過給機の可動部品を操作する操作機構に対して力が繰返し作用すると、操作機構を組付ける締結部分が緩んだり位置ずれしたりするといった虞がある。そして、締結部分の緩みや位置ずれによって、操作制御が不安定になる虞がある。上記のような課題に鑑み、本開示は、可動部品の操作制御の安定性を確保する過給機を説明する。

本開示の一態様に係る過給機は、所定の駆動力を受けて操作レバーを揺動させ可動部品の操作を行う操作機構を備え、操作機構は、駆動力によって往復動する原動部材と、原動部材に対して締結材で締結され原動部材と一緒に往復動するジョイント部材と、第１ヒンジ部を介してジョイント部材に結合されると共に、第２ヒンジ部を介して操作レバーに結合されたリンク板と、を有し、第１ヒンジ部の回転中心は、ジョイント部材の往復動に伴って所定の仮想直線上を往復動し、操作レバーの揺動中心と第２ヒンジ部の回転中心との距離が、揺動中心と仮想直線との距離よりも短い。

本開示の過給機によれば、可動部品の操作制御の安定性を確保することができる。

実施形態に係る過給機の断面図である。 ウエストゲートバルブ近傍を示す断面図である。 操作機構を拡大して示す図である。 ジョイント部材とロッドとの締結状態を示す分解斜視図である。 比較例の操作機構を拡大して示す図である。 比較例の操作機構の他の状態を拡大して示す図である。

本開示の一態様に係る過給機は、所定の駆動力を受けて操作レバーを揺動させ可動部品の操作を行う操作機構を備え、操作機構は、駆動力によって往復動する原動部材と、原動部材に対して締結材で締結され原動部材と一緒に往復動するジョイント部材と、第１ヒンジ部を介してジョイント部材に結合されると共に、第２ヒンジ部を介して操作レバーに結合されたリンク板と、を有し、第１ヒンジ部の回転中心は、ジョイント部材の往復動に伴って所定の仮想直線上を往復動し、操作レバーの揺動中心と第２ヒンジ部の回転中心との距離が、揺動中心と仮想直線との距離よりも短い。

可動部品は、動作によってタービンの流量を調整する部品であってもよい。また、可動部品は、操作レバーの揺動によって開閉されるウエストゲートバルブの弁体であってもよい。本開示の過給機は、駆動力を発生する電動アクチュエータを更に備えることとしてもよい。

また、操作機構による操作レバーの揺動範囲は、揺動中心から仮想直線に下ろした垂線上に第２ヒンジ部の回転中心が位置する姿勢から、第２ヒンジ部の回転中心が第１ヒンジ部とは反対の方向に所定量移動した姿勢まで、の範囲であることとしてもよい。

以下、図面を参照しつつ本開示の実施形態について詳細に説明する。図１は、過給機１の回転軸線Ｈを含む断面を取った断面図である。過給機１は、例えば、船舶や車両の内燃機関に適用されるものである。

図１に示されるように、過給機１は、タービン２とコンプレッサ３とを備えている。タービン２は、タービンハウジング４と、タービンハウジング４に収納されたタービン翼車６と、を備えている。タービンハウジング４は、タービン翼車６の周囲において周方向に延びるスクロール流路１６を有している。コンプレッサ３は、コンプレッサハウジング５と、コンプレッサハウジング５に収納されたコンプレッサ翼車７と、を備えている。コンプレッサハウジング５は、コンプレッサ翼車７の周囲において周方向に延びるスクロール流路１７を有している。

タービン翼車６は回転軸１４の一端に設けられており、コンプレッサ翼車７は回転軸１４の他端に設けられている。タービンハウジング４とコンプレッサハウジング５との間には、軸受ハウジング１３が設けられている。回転軸１４は、軸受１５を介して軸受ハウジング１３に回転可能に支持されており、回転軸１４、タービン翼車６及びコンプレッサ翼車７が一体の回転体１２として回転軸線Ｈ周りに回転する。

タービンハウジング４には、排気ガス流入口８及び排気ガス流出口１０が設けられている。内燃機関（図示せず）から排出された排気ガスが、排気ガス流入口８を通じてタービンハウジング４内に流入し、スクロール流路１６を通じてタービン翼車６に流入し、タービン翼車６を回転させる。その後、排気ガスは、排気ガス流出口１０を通じてタービンハウジング４外に流出する。

コンプレッサハウジング５には、吸入口９及び吐出口１１が設けられている。上記のようにタービン翼車６が回転すると、回転軸１４を介してコンプレッサ翼車７が回転する。回転するコンプレッサ翼車７は、吸入口９を通じて外部の空気を吸入する。この空気が、コンプレッサ翼車７及びスクロール流路１７を通過して圧縮され吐出口１１から吐出される。吐出口１１から吐出された圧縮空気は、前述の内燃機関に供給される。

図２に示されるように、過給機１は、バイパス流路３１とウエストゲートバルブ３３とを備えている。バイパス流路３１は、タービン２の排気ガス流入口８と排気ガス流出口１０とを直接接続する。ウエストゲートバルブ３３は、上記バイパス流路３１を開閉する。ウエストゲートバルブ３３の開度調整によって、タービン２をバイパスする排ガスの量が調整され、タービン２の流量が調整される。そして、タービン２の流量調整によって、内燃機関に供給される圧縮空気の圧力が調整される。

図３に示されるように、過給機１は、ウエストゲートバルブ３３の開閉操作のための操作機構３５を備えている。操作機構３５は、電動アクチュエータ３７と、ジョイント部材３９と、リンク板４１と、操作レバー４３と、を備えている。以下では、各図に示されるように互いに直交するＸ、Ｙ、及びＺ方向を定め説明に用いる。また、「前」、「後」等の語を用いる場合には、＋Ｘ方向を前方とし、－Ｘ方向を後方とする。また、「上」、「下」等の語を用いる場合には、＋Ｙ方向を上方とし、－Ｙ方向を下方とする。以下では、ＸＹ平面に投影した状態の、操作機構３５の各部品の位置関係及び動作について説明する。

操作レバー４３は、ウエストゲートバルブ３３の弁体５５の回動軸５７を含んでいる。回動軸５７は、操作レバー４３の上端部に設けられており、タービンハウジング４を貫通して弁体５５に連結されている。操作レバー４３、回動軸５７及び弁体５５は、タービンハウジング４に対して相対的に、揺動中心５９の周りに、ＸＹ平面内で揺動可能である。揺動中心５９は回動軸５７の中心でもある。上記のように操作レバー４３が揺動中心５９周りに回動することで、弁体５５が回動し、ウエストゲートバルブ３３が開閉する。

電動アクチュエータ３７は、操作レバー４３の揺動のための駆動力を発生する駆動源である。電動アクチュエータ３７は、例えばタービンハウジング４に固定される本体部３７ａとロッド３７ｂ（原動部材）とを有している。ロッド３７ｂは、本体部３７ａから＋Ｘ方向に延びており、本体部３７ａに対して±Ｘ方向に伸縮する。

図４に示されるように、ロッド３７ｂの前端部にはネジが切られており、ナット４５，４７（締結材）が螺着される。ジョイント部材３９の後端部にはＸ方向に直交する平板状の平板部３９ａが形成され、平板部３９ａにはＸ方向に貫通するボルト穴３９ｂが形成されている。２つのナット４５，４７に前後に挟まれた状態で平板部３９ａのボルト穴３９ｂにロッド３７ｂの前端部が挿通されている。この状態でナット４５，４７が締め付けられることで、ジョイント部材３９が、ロッド３７ｂの前端部に対して締結され固定される。また、ロッド３７ｂに対するナット４５，４７の螺着位置を調整することにより、ロッド３７ｂに対するジョイント部材３９のＸ位置を調整することができる。

図３に示されるように、ジョイント部材３９の前端部には、第１ヒンジ部５１を介してリンク板４１の後端部が結合されている。リンク板４１は、ジョイント部材３９に対して相対的に、第１ヒンジ部５１の回転中心５１ａの周りに、ＸＹ平面内で回転可能である。リンク板４１の前端部は、第２ヒンジ部５２を介して操作レバー４３の下端部に結合されている。リンク板４１は、操作レバー４３に対して相対的に、第２ヒンジ部５２の回転中心５２ａの周りに、ＸＹ平面内で回転可能である。

以上のような構造の操作機構３５においては、電動アクチュエータ３７に駆動電力が供給され、電動アクチュエータ３７の駆動力でロッド３７ｂがＸ方向に伸縮し、ジョイント部材３９がＸ方向に往復動する。このとき、第１ヒンジ部５１の回転中心５１ａは、Ｘ方向に平行な仮想直線Ｌ上で往復動する。なお、仮想直線Ｌはロッド３７ｂの軸にも一致する。上記のジョイント部材３９の往復動により、リンク板４１を介して駆動力が操作レバー４３の下端部の第２ヒンジ部５２に伝達され、その結果、操作レバー４３が揺動中心５９の周りに揺動する。これにより、弁体５５が回動し、ウエストゲートバルブ３３が開閉する。

図３に実線で示される状態は、ウエストゲートバルブ３３が全閉である状態（以下、単に「全閉状態」という）を示している。すなわち、全閉状態においては、揺動中心５９から仮想直線Ｌに下ろした垂線Ｔ上に回転中心５２ａが位置する。このような操作レバー４３の姿勢から、電動アクチュエータ３７のロッド３７ｂが＋Ｘ方向に伸長されると、回転中心５２ａが＋Ｘ方向に移動し、操作レバー４３は図３における反時計回りに回動する。そして、図３に二点鎖線で示されるように、回転中心５２ａが＋Ｘ方向に所定量移動した状態において、ウエストゲートバルブ３３が全開である状態（以下、単に「全開状態」という）となる。

すなわち、操作機構３５による操作レバー４３の揺動範囲は、揺動中心５９から仮想直線Ｌに下ろした垂線Ｔ上に回転中心５２ａが位置する姿勢（全閉状態に対応）から、回転中心５２ａが第１ヒンジ部５１とは反対の方向に所定量移動した姿勢（全開状態に対応）まで、の範囲である。すなわち、操作機構３５による回転中心５２ａの移動範囲は、揺動中心５９から仮想直線Ｌに下ろした垂線Ｔよりも前方の領域のみである。

また、操作機構３５では、操作レバー４３の揺動中心５９と第２ヒンジ部５２の回転中心５２ａとの距離は、揺動中心５９と仮想直線Ｌとの距離よりも短い。この構成により、回転中心５２ａは、仮想直線Ｌよりも下方の領域に移動することはない。全閉状態においては、回転中心５１ａと回転中心５２ａとを結ぶ直線は仮想直線Ｌに対して傾いている。

以上説明した操作機構３５を備える過給機１の作用効果について説明する。まずは、操作機構３５に対する比較例として、仮に、操作レバー４３の揺動中心５９と第２ヒンジ部５２の回転中心５２ａとの距離を、揺動中心５９と仮想直線Ｌとの距離と等しく設定した場合を考える。この設定では、全閉状態において、回転中心５１ａと回転中心５２ａとを結ぶ直線と、揺動中心５９と回転中心５２ａとを結ぶ直線と、が直交することになる。

しかしながら、この設定によれば、部品の公差により、例えば操作レバー４３の寸法がやや大きい場合などの要因で、図５に示される状態になる可能性がある。この図５に示される状態の操作機構を、以下では操作機構１３５と呼ぶ。操作機構１３５では、操作レバー４３の揺動中心５９と第２ヒンジ部５２の回転中心５２ａとの距離は、揺動中心５９と仮想直線Ｌとの距離よりも長い。そして、全閉状態においては図５に示されるように回転中心５２ａが仮想直線Ｌよりも下方に位置するが、全開状態においては図６に示されるように回転中心５２ａが仮想直線Ｌよりも上方に位置することになる。すなわち、操作機構１３５の回転中心５２ａは、ウエストゲートバルブ３３の開閉動作によって、仮想直線Ｌよりも上方に行ったり下方に行ったりする。

ところで、ウエストゲートバルブ３３の弁体５５は排ガスの流体力を受ける。この流体力は、操作レバー４３を図５及び図６における反時計回りに回転させる力である。そして、上記流体力に起因する力は、リンク板４１を介してジョイント部材３９を第２ヒンジ部５２側に引っ張り、すなわち図中の矢印で示す力Ｆとしてジョイント部材３９に作用する。回転中心５２ａが仮想直線Ｌよりも上方に位置するとき（図６参照）には力ＦのＹ方向成分は上向きであり、回転中心５２ａが仮想直線Ｌよりも下方に位置するとき（図５参照）には力ＦのＹ方向成分は下向きである。

図５及び図６に示されるように、操作機構１３５では、前述したとおり、回転中心５２ａが仮想直線Ｌよりも上方に行ったり下方に行ったりすることから、運転中のジョイント部材３９には、上向き成分をもつ力と下向き成分をもつ力とが交互に作用することになる。このような力が繰返しジョイント部材３９に作用すると、ロッド３７ｂに対するジョイント部材３９の固定位置が上下に変位する虞がある。すなわち、ジョイント部材３９が、ロッド３７ｂとボルト穴３９ｂとのクリアランスの分だけ、ナット４５，４７の締結力に逆らって上下に滑ることで、ロッド３７ｂに対し上下に変位する虞がある。

そうすると、ロッド３７ｂの伸縮量と回動軸５７の回動量との相関関係に狂いが生じる虞があり、その結果、ウエストゲートバルブ３３の開閉制御が不安定になる。特に、過給機１は、電動アクチュエータ３７を採用してウエストゲートバルブ３３の開度を高精度に制御するものであるので、上記のようなジョイント部材３９の僅かな変位にも影響を受けやすい。また、前述のような上向き成分をもつ力と下向き成分をもつ力とが交互にジョイント部材３９に作用することで、ナット４５，４７が緩んでしまうといった問題もある。

これに対し、操作機構３５によれば、予め、全閉状態における回転中心５２ａが仮想直線Ｌよりも上方に位置するように設定されている。従って、部品の公差によっても操作機構１３５の状態になる可能性は低く、上述の問題を回避することができる。よって、ウエストゲートバルブ３３の開閉制御の安定性が確保される。

すなわち、図３に示されるように、操作機構３５では、回転中心５２ａが常に仮想直線Ｌよりも上方の領域に位置するので、ジョイント部材３９に作用する力ＦのＹ方向成分は常に上向きである。そうすると、仮に、ジョイント部材３９の固定位置が上方に変位するとしても、いずれはジョイント部材３９のボルト穴３９ｂの下縁がロッド３７ｂに当たり、それ以降はロッド３７ｂに対するジョイント部材３９の固定位置は安定する。よって、ウエストゲートバルブ３３の開閉制御の安定性が確保される。なお、操作機構３５の組立て時に予め、ジョイント部材３９のボルト穴３９ｂの下縁がロッド３７ｂに当たるようにジョイント部材３９を組付けてもよい。

本開示は、上述した実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。また、上述した実施形態に記載されている技術的事項を利用して、実施例の変形例を構成することも可能である。各実施形態の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。

例えば、上述の実施形態は、ウエストゲートバルブ３３の開閉の操作機構３５を例として説明したが、前述の操作機構３５の構成を過給機１の他の可動部品の操作機構にも適用することができる。過給機１の他の可動部品としては、例えば、可変ノズル機構のノズルの回動の操作機構であってもよい。

１ 過給機
２ タービン
３３ ウエストゲートバルブ
３５ 操作機構
３７ 電動アクチュエータ
３７ｂ ロッド（原動部材）
３９ ジョイント部材
４１ リンク板
４３ 操作レバー
４５，４７ ナット（締結材）
５１ 第１ヒンジ部
５１ａ 回転中心
５２ 第２ヒンジ部
５２ａ 回転中心
５５ 弁体（可動部品）
５９ 揺動中心
Ｌ 仮想直線
Ｔ 垂線

Claims (7)

1. 所定の駆動力を受けて操作レバーを揺動させ可動部品の操作を行う操作機構を備え、
   前記操作機構は、
   前記駆動力によって往復動する原動部材と、
   前記原動部材に対して締結材で締結され前記原動部材と一緒に往復動するジョイント部材と、
   第１ヒンジ部を介して前記ジョイント部材に結合されると共に、第２ヒンジ部を介して前記操作レバーに結合されたリンク板と、を有し、
   前記第１ヒンジ部の回転中心は、前記ジョイント部材の往復動に伴って前記原動部材の軸に一致する仮想直線上を往復動し、
   前記操作レバーの揺動中心と前記第２ヒンジ部の回転中心との距離が、前記揺動中心と前記仮想直線との距離よりも短い、過給機。
2. 前記可動部品は、動作によってタービンの流量を調整する部品である、請求項１に記載の過給機。
3. 前記可動部品は、前記操作レバーの揺動によって開閉されるウエストゲートバルブの弁体である、請求項２に記載の過給機。
4. 前記駆動力を発生する電動アクチュエータを更に備える、請求項１～３の何れか１項に記載の過給機。
5. 所定の駆動力を受けて操作レバーを揺動させ可動部品の操作を行う操作機構を備え、
   前記操作機構は、
   前記駆動力によって往復動する原動部材と、
   前記原動部材に対して締結材で締結され前記原動部材と一緒に往復動するジョイント部材と、
   第１ヒンジ部を介して前記ジョイント部材に結合されると共に、第２ヒンジ部を介して前記操作レバーに結合されたリンク板と、を有し、
   前記第１ヒンジ部の回転中心は、前記ジョイント部材の往復動に伴って所定の仮想直線上を往復動し、
   前記操作レバーの揺動中心と前記第２ヒンジ部の回転中心との距離が、前記揺動中心と前記仮想直線との距離よりも短く、
   前記操作機構による前記操作レバーの揺動範囲は、
   前記揺動中心から前記仮想直線に下ろした垂線上に前記第２ヒンジ部の回転中心が位置する姿勢から、前記第２ヒンジ部の回転中心が前記第１ヒンジ部とは反対の方向に所定量移動した姿勢まで、の範囲である、過給機。
6. 前記可動部品は、前記リンク板を介して前記ジョイント部材を前記第２ヒンジ部側に引っ張るように作用する排ガスの流体力を受ける、請求項１～５の何れか１項に記載の過給機。
7. 請求項１～６の何れか１項に記載の過給機の組立て方法であって、
   前記操作機構の組立て時に予め、前記ジョイント部材のボルト穴の下縁が前記原動部材に当たるように前記ジョイント部材を組付ける、過給機の組立て方法。

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