JPH04287835A - ターボチャージャの過給圧制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車エンジン等のタ
ーボチャージャの過給圧制御装置に関し、詳細にはダイ
ヤフラム式アクチュエータを用いて排気通路のウェイス
トゲートバルブの開閉を行う過給圧制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ターボチャージャ付きのエンジンでは、
過給圧が過度に上昇してエンジンの燃焼圧力が過大にな
ることを防止するため、排気タービンをバイパスする排
気バイパス通路を設け、このバイパス通路をウェイスト
ゲートバルブを用いて開閉することによりタービンを通
る排気流量を調整して過給圧上昇を抑制する方法がとら
れている。また、上記ウェイストゲートバルブを開弁し
てエンジン排気流をバイパス通路側に流すことによりエ
ンジンの排気抵抗を大きく低減できることから、例えば
軽、中負荷定常運転等の過給を必要としない領域におい
てウェイストゲートバルブを開弁して排気抵抗の低減に
よりエンジンの燃費向上を図ることが行なわれている。

【０００３】この種の制御を行う過給圧制御装置の例と
しては例えば実開昭６１−１２００３６号公報に記載さ
れたものがある。同公報の装置は、ウェイストゲートバ
ルブの開閉を行うダイヤフラム式のアクチュエータを設
け、そのダイヤフラムの一側の作動室（以下区別のため
「上室」と呼ぶ）にターボチャージャのコンプレッサ吐
出圧を導き、もう一方の側の作動室（以下「下室」と呼
ぶ）には電磁三方切換弁を介して、スロットルバルブ下
流の吸気管圧力と大気圧とを選択的に導入可能な構成と
している。上記アクチュエータはダイヤフラムが上室側
から下室側に向けて変位したときにダイヤフラムにリン
クを介して連結されたウェイストゲートバルブが開弁さ
れるようになっている。また、このダイヤフラムは通常
はスプリングによりウェイストゲートバルブの閉じ側に
ばね付勢されている。

【０００４】電磁三方弁によりダイヤフラム下室にスロ
ットルバルブ下流側の圧力を導入すると、ダイヤフラム
には上記ばねの付勢力と上室に加わるコンプレッサ吐出
圧（スロットルバルブ上流側吸気管圧力と略等しい）と
下室に加わるスロットルバルブ下流側圧力との差圧によ
る力が作用し、上記差圧（以下スロットル差圧という）
による力がばねの付勢力に打ち勝ったときにウェイスト
ゲートバルブが開弁を始める。従って、軽、中負荷定常
運転時等でスロットルバルブの開度が小さいような条件
ではスロットル差圧が増大するためウェイストゲートバ
ルブは開弁することになる。また高負荷時等でスロット
ルバルブが全開となったときにはスロットル差圧が減少
するためウェイストゲートバルブは閉弁し、ターボチャ
ージャによる過給が行われる。

【０００５】しかし、このままでは高負荷運転時におい
て、過給圧が上昇して所定値以上になった場合でもスロ
ットルバルブが全開である限りはウェイストゲート弁が
開弁しないことになる。そこで上記公報の装置では吸気
圧力スイッチを設け、吸気圧（過給圧）が所定値以上に
なった場合には前記電磁三方切換弁を切換えてダイヤフ
ラム下室に大気圧を導入することにしている。これによ
り下室側の圧力はコンプレッサ吐出圧より低い大気圧に
なるため、ダイヤフラムは上室側に加わるコンプレッサ
吐出圧に押されてばね付勢力に抗して変位するためウェ
イストゲートバルブが開弁する。これにより過給圧の過
大な上昇が抑制されることになる。

【０００６】すなわち実開昭６１−１２００３６号公報
の装置では、スロットルバルブの下流側圧力と大気圧と
を電磁三方切換弁により選択的にダイヤフラム下室に導
入することによって、エンジン負荷状態に応じたウェイ
ストゲートバルブ開度制御と過給圧の過大上昇防止とを
１つのダイヤフラム式アクチュエータで行っている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記実開昭６
１−１２００３６号公報の装置は、圧力スイッチで過給
圧力を検知して電磁三方弁の切換を行うため、設定過給
圧力近傍では電磁三方弁切換が頻繁に行われ、ハンチン
グを生じやすい。また適切な制御を行うためには別に制
御回路を設ける必要があり装置が複雑になる問題がある
。更に電磁弁や圧力スイッチを使用しているため、コス
トが比較的高くなる問題や、電磁弁、圧力スイッチ等の
誤作動による信頼性低下の問題がある。本発明は上記課
題に鑑み、電磁弁や圧力スイッチ等を使用せず、特別な
制御回路を設ける必要のない、簡易で作動の確実な過給
圧制御装置を提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、ターボ
チャージャの排気タービンをバイパスして排気を流すバ
イパス通路と、該バイパス通路を開閉するウェイストゲ
ートバルブと、該ウェイストゲートバルブを開閉駆動す
るアクチュエータとを備えたターボチャージャの過給圧
制御装置において、前記アクチュエータはそれぞれ１つ
のダイヤフラムとその両側に形成された２つの作動室と
を含む第一と第二の２つの作動部を備え、前記第一の作
動部の２つの作動室のうち、一方の作動室にはターボチ
ャージャのコンプレッサ下流部に設けたスロットルバル
ブの下流側吸気管圧力を、他方の作動室にはターボチャ
ージャコンプレッサ出口圧力をそれぞれ導き、上記２つ
の圧力の差が大きい程前記ウェイストゲートバルブが大
きく開弁するように第一の作動部のダイヤフラムとウェ
イストゲートバルブを連結するとともに、前記第二の作
動部の２つの作動室のうち一方の作動室には大気圧を、
他方の作動室には前記コンプレッサ出口圧力をそれぞれ
導き、前記コンプレッサ出口圧力が高い程前記ウェイス
トゲートバルブが大きく開弁するように第二の作動部の
ダイヤフラムとウェイストゲートバルブとを連結したこ
とを特徴とするターボチャージャの過給圧制御装置が提
供される。

【０００９】

【作用】アクチュエータの第一の作動部は吸気管のスロ
ットルバルブの前後差圧によりウェイストゲートバルブ
を制御する。すなわちスロットルバルブ開度が大きく前
後差圧が小さい場合（高負荷運転時等）にはウェイスト
ゲートバルブを閉じ、過給圧を高める。またスロットル
バルブ開度が小さく前後差圧が大きい場合（中、軽負荷
定常運転時等）にはウェイストゲートバルブを開弁して
排気抵抗を低減する。

【００１０】一方アクチュエータの第二の作動部はター
ボチャージャのコンプレッサ吐出圧力と大気圧との差圧
でウェイストゲートバルブを制御し、コンプレッサ吐出
圧力が大気圧より所定値以上高くなるとウェイストゲー
トの開弁を開始する。従って高負荷時等でスロットルバ
ルブが全開の状態であってもコンプレッサ吐出圧が所定
値以上に上昇すると第二の作動部によりウェイストゲー
トバルブが開弁され、コンプレッサ吐出圧力の過大上昇
が抑制される。

【００１１】

【実施例】図１は本発明による過給圧制御装置の一実施
例の構成を示す略示図である。図において４はターボチ
ャージャ１の排気タービンを示す。排気タービン４はエ
ンジン（図示せず）の排気通路２に設置され排気ガスの
エネルギにより回転駆動され、吸気通路６に配置された
コンプレッサ５を駆動してエンジン過給を行っている。 排気通路２にはタービン４をバイパスしてエンジン排気
を流すバイパス通路３と、バイパス通路３を開閉するウ
ェイストゲートバルブ１０が設けられている。また吸気
通路６のコンプレッサ５下流側には運転者の図示しない
アクセルペダル操作により全閉から全開まで連続的に開
度が変化するスロットルバルブ７が設けられている。

【００１２】図に２０で示すのはエンジンの運転条件に
応じてウェイストゲートバルブ１０を開閉駆動するダイ
ヤフラム式アクチュエータである。アクチュエータ２０
はハウジング２０ａ内に２つの作動部２１ａと２１ｂと
を備えている。第一の作動部２１ａは第一のダイヤフラ
ム２２と、その両側に形成された下室２３と上室２４と
を備えている。下室２３には前述のスロットルバルブ７
下流側の吸気管圧力ＰＢ　が圧力ポート８、導圧管８ａ
、下室圧力ポート２５ａを介して導入されており、上室
２４にはコンプレッサ５の吐出圧力ＰＣ　（スロットル
弁７の上流側吸気管圧力）が圧力ポート９、導圧管９ａ
、上室圧力ポート２５ｂを介して導入されている。

【００１３】また第一のダイヤフラム２２はロッド１２
とリンク１１を介してウェイストゲートバルブ１０に連
結されており、ダイヤフラム２２が下室２３側に変位す
るとウェイストゲートバルブ１０が開弁するようになっ
ている。更に、下室２３と上室２４にはそれぞれ下室ス
プリング２６と上室スプリング２７が縮装されていて、
それぞれダイヤフラム２２を互いに対抗する方向に押圧
している。ここで下室スプリング２６は上室スプリング
２７よりやや強いばね定数とされ、上室２４と下室２３
との圧力差がゼロに近いときにはウェイストゲートバル
ブ１０に加わる排気ガス圧力に抗してウェイストゲート
バルブを閉弁位置に安定して保持できるようになってい
る。

【００１４】なお、本実施例で互いに対抗する２つのス
プリング２６，２７を設けたのは、比較的ばね定数の高
い（強度の高い）２つのスプリングを用いて、低い合成
ばね定数を得るためであり、耐久性、へたり等の問題が
生じなければ低いばね定数のスプリングを１つだけ設け
てダイヤフラム２２を小さな力で上室２４側に押圧する
ようにしても良い。なお、２９はロッド１２のハウジン
グ２０ａ貫通部に設けたシールであり、ロッド１２の動
きを妨害しないように本実施例ではベローズタイプのシ
ールを用いている。

【００１５】アクチュエータ２０の第二の作動部２１ｂ
は、ハウジング２０ａ内に、前述の第一の作動部２１ａ
から隔壁２０ｂにより分離されて設けられ、第二のダイ
ヤフラム３２と、その両側に形成された第二の下室３３
、第二の上室３４とを備えている。本実施例では下室３
３はポート３５ａを通じて大気に開放されており、第二
の上室３４には第一上室２４と同様コンプレッサ５の吐
出圧力ＰＣ　が導圧管９ａ、圧力ポート３５ｂを介して
導入されている。また、第二の下室３３には第二のダイ
ヤフラム３２を第二の上室３４側に押圧するスプリング
３６が設けられており、ダイヤフラム固定金具３７はス
プリング３６に対しストッパとしての役割を果している
。ここで第二のダイヤフラム３２にはロッド１３が取着
されており、第二のダイヤフラム３２が下室側に変位す
るとロッド１３は前述の第一のダイヤフラム２２を第一
の下室側に押圧するようになっている。なお、ロッド１
３は第一のダイヤフラム２２とは分離されており、上室
２４と下室２３の圧力差により第一のダイヤフラム２２
自身が変位してウェイストゲートバルブ１０を開弁する
際の動作を妨げないようになっている。また３９はロッ
ド１３の隔壁２０ｂ貫通部に設けた、２９と同様のベロ
ーズシールである。上記の構成から、本実施例のウェイ
ストゲートバルブはスロットル弁７の前後差圧（ＰＣ　
−ＰＢ　）　が大きくなるか、或いはコンプレッサ吐出
圧力ＰＣ　が処定値まで上昇すると開弁することがわか
る。

【００１６】図２は本実施例の過給圧制御装置を備えた
自動車用エンジンの運転モードと各部分の作動状況を示
す図であり、図２（ａ）はスロットル弁７の開度、図２
（ｂ）はウェイストゲートバルブ１０の開度、図２（ｃ
）はターボチャージャ１のコンプレッサ５の吐出圧力Ｐ
Ｃ　（実線）及びスロットルバルブ７下流側圧力ＰＢ　
（点線）を、図２（ｄ）はエンジン排気の背圧（タービ
ン入口圧力）をそれぞれ示す。各図の横軸は同一の時間
軸で表してある。

【００１７】図２（ａ）区間Ｉはアイドル状態を示す。 この状態ではスロットルバルブ７は全閉であり、アクチ
ュエータの第一下室２３にはスロットルバルブ７下流側
の大きな負圧が加わるため、ダイヤフラム２２は下室２
３側に変位し、ロッド１２、リンク１１を介してウェイ
ストゲートバルブ１０を開弁させる（図２（ｂ））。こ
のためエンジン背圧（図２（ｄ））も大きく低下し、排
気抵抗が減少する。

【００１８】次に区間ＩＩは、急加速状態を示し、この
状態ではスロットルバルブは全開とされ（図２（ａ））
、第一下室２３と第一上室２４との間には圧力差がなく
なるため、ダイヤフラム２２はスプリング２６，２７の
付勢力の差により上室２３側に変位しウェイストゲート
バルブ１０は全閉となる。（図２（ｂ））。しかし、急
加速が継続するとターボチャージャ１の回転数が上昇し
てコンプレッサ吐出圧力ＰＣ　も増大する。このため第
二の上室３４の圧力も上昇して、コンプレッサ吐出圧力
ＰＣ　が所定値ＰＣＯを越えるとスプリング３６の付勢
力に抗して第二のダイヤフラム３２を第二の下室３３側
に変位させる。これにより第二のダイヤフラム３２に取
着されたロッド１３は第一のダイヤフラム２２を下室２
３側に押動するためウェイストゲートバルブ１０が開弁
してコンプレッサ５の吐出圧は所定値ＰＣＯ付近に保持
される（図２（ｂ），図２（ｃ））。

【００１９】次に区間ＩＩＩ　はこの状態から急減速（
ＩＩＩａ）を経て緩加速（ＩＩＩｂ）、軽負荷定常運転
（ＩＩＩｃ）に移行する状態を示す。急減速時（ＩＩＩ
ａ）はスロットル弁７が全閉となるため、アイドル時（
区間Ｉ）と同様ウェイストゲートバルブは全開となり、
緩加速中（ＩＩＩｂ）及び軽負荷定常運転中（ＩＩＩｃ
）でもスロットル弁７下流側圧力ＰＢ　は負圧となって
いるため（図２（ｃ））、ウェイストゲートバルブ１０
は全開のままである。（図２（ｂ））。

【００２０】区間ＩＶはこの状態からの緩加速（ＩＶａ
）と中負荷定常運転（ＩＶｂ）を示す。この状態ではＰ
Ｂ　は負圧若しくは低い正圧となっているが、排気エネ
ルギが増大してターボチャージャの回転数増加によりＰ
Ｃ　は上昇傾向にあるため第一上室２４の圧力は高くな
り、ＰＣ　とＰＢ　の差がスプリング２６，２７の付勢
力の差と均衡するようにウェイストゲートバルブの開度
が制御される。（図２（ｂ））。

【００２１】次に区間Ｖではこの状態から緩加速（Ｖａ
）を経て全負荷定常運転（Ｖ（ｂ））に移行するがこの
ときも区間ＩＩと同様、ＰＣ　は所定値ＰＣＯに保持さ
れる。 区間ＶＩは軽負荷運転（ＶＩ（ａ））から急加速（ＶＩ
（ｂ））を経て全負荷定常運転に移行する状態を示す。 軽負荷運転からアクセルを踏み込んでスロットル弁を全
開にした状態ではスロットルバルブ前後圧力ＰＣ　とＰ
Ｂ　とが略等しくなるためウェイストゲートバルブ１０
は一時的に全閉となるがターボチャージャの回転数上昇
とともにＰＣ　が増大してＰＣＯに達すると区間ＩＩと
同様ウェイストゲートバルブが開弁してコンプレッサ５
の吐出圧はＰＣＯに保持される。

【００２２】上記の説明から明らかなようにウェイスト
ゲートバルブ１０は軽負荷域では全開に保持され、エン
ジン排気の背圧は低く維持されるためエンジンの燃費が
向上するとともに、中、高負荷域ではコンプレッサ吐出
圧力ＰＣは所定値ＰＣＯを越えない範囲に制御されてい
る。 また急加速時にはウェイストゲートバルブは一時的に全
閉となり、タービン回転数を速やかに上昇させることが
できる。

【００２３】次に図３に本発明の過給圧制御装置の別の
実施例を示す。本実施例ではアクチュエータ２０の第一
の下室２３とスロットルバルブ７下流側吸気通路とを結
ぶ導圧管８ａに遅延弁５０が設けられている点で図１の
実施例と相違する。遅延弁５０は逆止弁５０ａとオリフ
ィス５０ｂとを並列に配置した構成であり、第一の下室
２３に空気が流入する方向にはほとんど抵抗なく空気を
流すが第一の下室２３から吸気通路６側へ空気が流出す
る際には逆止弁５０ａが閉じるため空気はオリフィス５
０ｂのみを通って流れる。このため第一の下室２３内で
は圧力の上昇は遅滞なく生じるが、圧力低下は少し遅れ
て生じることになる。

【００２４】本実施例の遅延弁５０は車両走行時のいわ
ゆるターボラグを低減する目的で設けられたものである
。 図１の実施例においては、第一の下室２３はスロットル
バルブ７の下流側吸気通路と直接接続されているため、
第一の下室２３内の圧力はスロットルバルブ７の開度変
化に応答して敏感に変動してしまう。このため加速中の
シフトチェン時等の際にスロットルバルブ７が瞬間的に
閉じた場合にも第一の下室２３内の圧力が上昇してウェ
イストゲートバルブ１０が一瞬開弁してしまう。

【００２５】大型のターボチャージャや慣性モーメント
の比較的大きい金属製ロータを使用するターボチャージ
ャではウェイストゲートバルブ１０が短時間開弁した程
度では回転数の低下も少く、あまり問題になることはな
いが、小型のターボチャージャや慣性モーメントの小さ
いセラミックロータを使用するターボチャージャでは回
転数がウェイストゲートバルブの開度に敏感に反応して
短時間の開弁でも大きく低下する場合があり、このため
過給圧が低下し、加速応答性が悪くなるターボラグが生
じることになる。

【００２６】本実施例は、遅延弁５０を設けることによ
りこの問題を解消している。図４は本実施例の場合のシ
フトチェンジの際の各部動作を示し、図４（ａ）はスロ
ットル弁開度、図４（ｂ）はウェイストゲート弁開度、
図４（ｃ）はコンプレッサ出口圧力ＰＣ　、図４（ｄ）
はターボチャージャの回転数を示している、また、各図
中点線で示したのは遅延弁５０を設けない図１の実施例
の場合の各部の挙動を示している。

【００２７】図４（ａ）でシフトチェンジによりスロッ
トルバルブ開度が一瞬全閉になってから再度全開になっ
た場合、遅延弁５０が設けられていないと、ウェイスト
ゲートバルブは即全開となるが（図４（ｂ）　点線）、
本実施例では遅延弁５０の作用により第一の下室２３内
の圧力はスロットルバルブ７全開時の高い正圧に保持さ
れる。このためスロットル全閉による排気エネルギの減
少でコンプレッサ吐出圧ＰＣ　がわずかに低下しただけ
で第一のダイヤフラム２２が上室２４側に移動し、ウェ
イストゲート弁１０は全閉となる（図４（ｂ））。また
シフトチェンジ完了後スロットルバルブ７が再び全開に
なるとターボチャージャの回転が落ちていないため、Ｐ
Ｃ　は即座に上昇し、シフトチェンジ前の圧力ＰＣＯま
で回復してウェイストゲートバルブ１０は開弁し、シフ
トチェンジ前の状態に戻る。このため遅延弁５０を設け
ない場合と比較してターボチャージャの回転数低下（図
４（ｄ））、コンプレッサ吐出圧力低下（図４（ｃ））
とも少なく、ターボラグが低減される。なお、本実施例
においては急減速等でスロットルバルブ７が全閉になっ
た場合も短時間ウェイストゲートバルブ１０の開弁が遅
れることになるが、ウェイストゲートバルブ１０の開弁
後はターボチャージャ回転数、コンプレッサ吐出圧力と
も速やかに低下するため減速操作に影響を与えることは
ない。

【００２８】上述のように本実施例ではダイヤフラム式
アクチュエータと遅延弁とを用いることにより運転状況
に応じたウェイストゲートバルブの開度制御が可能とな
り、エンジンの燃費と加速応答性の向上とを同時に達成
することができる。

【００２９】

【発明の効果】本発明は２つの作動部を備えたダイヤフ
ラム式アクチュエータを用いてウェイストゲートバルブ
の開度制御を行うようにしたことにより、圧力スイッチ
や電磁三方切換弁を使用することなく運転状況に応じた
過給圧制御を行うことができ、装置の簡素化と信頼性向
上、コストダウン等が可能となる優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例構成を示す略示図である
。

【図２】同上実施例の各運転モードにおける各部挙動を
説明する図である。

【図３】本発明の第二の実施例構成を示す略示図である
。

【図４】同上実施例のシフトチェンジ操作時の各部挙動
を説明する図である。

【符号の説明】

１…ターボチャージャ ２…排気通路 ３…排気バイパス通路 ６…吸気通路 ７…スロットルバルブ ８ａ，９ａ…導圧管 １０…ウェイストゲートバルブ ２０…アクチュエータ ２２…第一のダイヤフラム ２３…第一の下室 ２４…第一の上室 ３２…第二のダイヤフラム ３３…第二の下室 ３４…第二の上室 ５０…遅延弁 ５０ａ…逆止弁 ５０ｂ…オリフィス

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ターボチャージャの排気タービンをバ
   イパスして排気を流すバイパス通路と、該バイパス通路
   を開閉するウェイストゲートバルブと、該ウェイストゲ
   ートバルブを開閉駆動するアクチュエータとを備えたタ
   ーボチャージャの過給圧制御装置において、前記アクチ
   ュエータはそれぞれ１つのダイヤフラムとその両側に形
   成された２つの作動室とを含む第一と第二の２つの作動
   部を備え、前記第一の作動部の２つの作動室のうち、一
   方の作動室にはターボチャージャのコンプレッサ下流部
   に設けたスロットルバルブの下流側吸気管圧力を、他方
   の作動室にはターボチャージャコンプレッサ出口圧力を
   それぞれ導き、上記２つの圧力の差が大きい程前記ウェ
   イストゲートバルブが大きく開弁するように第一の作動
   部のダイヤフラムとウェイストゲートバルブを連結する
   とともに、前記第二の作動部の２つの作動室のうち一方
   の作動室には大気圧を、他方の作動室には前記コンプレ
   ッサ出口圧力をそれぞれ導き、前記コンプレッサ出口圧
   力が高い程前記ウェイストゲートバルブが大きく開弁す
   るように第二の作動部のダイヤフラムとウェイストゲー
   トバルブとを連結したことを特徴とするターボチャージ
   ャの過給圧制御装置。