JPWO2010089879A1

JPWO2010089879A1 - 内燃機関の可変容量型過給機

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Publication number: JPWO2010089879A1
Application number: JP2010549318A
Authority: JP
Inventors: 宜司築山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-02-06
Filing date: 2009-02-06
Publication date: 2012-08-09
Anticipated expiration: 2029-02-06
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Abstract

内燃機関の可変容量型過給機（１）は、可動ベーン（２３）の開閉動作によりタービンホイール（５）に導入される排気の流路の断面積を変化させる排気側可動ベーン機構（２０）を有するタービン（２）と、可動ベーン（３３）の開閉動作によりコンプレッサホイール（１１）から送り出される吸気の流路の断面積を変化させる吸気側可動ベーン機構（３０）を有するコンプレッサ（３）と、排気側可動ベーン機構（２０）及び吸気側可動ベーン機構（３０）との間で共用されるアクチュエータ（４１）を有し、該アクチュエータの動作を両可動ベーン機構（２０、３０）に伝達して各可動ベーン機構の可動ベーン（２３、３３）を開閉動作させる駆動機構（４０）とを備えている。

Description

本発明は、可動ベーンを操作して過給効率を変化させることが可能な内燃機関の可変容量型過給機に関する。

内燃機関に使用される過給機として、コンプレッサのディフューザ部に複数の可動ベーンを環状の列をなすように配置し、それらの可動ベーンを操作することにより過給効率を変化させる可変ジオメトリ型の過給機が知られている（例えば特許文献１参照）。その他、本願発明に関連する先行技術文献として特許文献２及び３が存在する。

特開２００５−１６３６９１号公報特開平８−２５４１２７号公報特開２００６−１６９９８５号公報

タービンの可動ベーンをアクチュエータで駆動する可変ノズル型のターボチャージャに、上述した可変ジオメトリ型のコンプレッサを組み合わせた場合、タービン側の可動ベーンとコンプレッサ側の可動ベーンとをそれぞれ別のアクチュエータにて駆動する構成とすれば、二つのアクチュエータが存在して駆動機構が大型化し、過給機の搭載スペースが増加するといった不都合が生じる。

そこで、本発明は、タービン及びコンプレッサのそれぞれに可動ベーン機構を設けたときの駆動機構の大型化を抑えることが可能な内燃機関の可変容量型過給機を提供することを目的とする。

本発明の可変容量型過給機は、可動ベーンの開閉動作によりタービンホイールに導入される排気の流路の断面積を変化させる排気側可動ベーン機構を有するタービンと、可動ベーンの開閉動作によりコンプレッサホイールから送り出される吸気の流路の断面積を変化させる吸気側可動ベーン機構を有するコンプレッサと、前記排気側可動ベーン機構及び吸気側可動ベーン機構との間で共用されるアクチュエータを有し、該アクチュエータの動作を両可動ベーン機構に伝達して各可動ベーン機構の可動ベーンを開閉動作させる駆動機構と、を備えたものである。

本発明の可変容量型過給機によれば、排気側可動ベーン機構及び吸気側可動ベーン機構のそれぞれの可動ベーンを共通のアクチュエータにて駆動するため、各可動ベーン機構に専用のアクチュエータを設けた場合と比較してアクチュエータの個数を削減することができる。そのため、可動ベーン機構に対する駆動機構の大型化を抑え、過給機の搭載に要するスペースを削減することが可能である。

本発明の過給機の一形態においては、前記排気側可動ベーン機構の可動ベーンが開方向に動作するときは前記吸気側可動ベーン機構の可動ベーンも開方向に動作するように前記駆動機構と両可動ベーン機構の操作入力部とがそれぞれ接続され、前記排気側可動ベーン機構及び前記吸気側可動ベーン機構の少なくとも一方には、前記可動ベーンを開方向に動作させる際に前記操作入力部に加えるべき開方向駆動力を、前記可動ベーンを閉方向に動作させる際に前記操作入力部に加えるべき閉方向駆動力よりも低減させる手段が設けられてもよい。この形態によれば、排気側可動ベーン機構の可動ベーン及び吸気側可動ベーン機構の可動ベーンを共通のアクチュエータにて同一方向に動作させることができる。しかも、少なくとも一方の可動ベーン機構の開方向駆動力を閉方向駆動力よりも低減させる手段を設けているので、その手段を省略した場合と比較して、二つの可動ベーン機構のそれぞれの操作入力部に加えるべき開方向駆動力が小さくて足りる。従って、アクチュエータに要求される出力を減少させ、それによりアクチュエータの小型化、ひいては過給機のさらなる小型化を図ることができる。なお、可動ベーンを開く際の排気又は吸気の抵抗は、可動ベーンを閉じる際の抵抗よりも相対的に増加する傾向がある。そのため、開方向駆動力を閉方向駆動力よりも低減させることがアクチュエータの小型化を図る上で効果が大きい。

さらに、前記低減させる手段として、前記可動ベーンの回転中心から該可動ベーンの外周側の端縁までの距離が、前記中心位置から該可動ベーンの内周側の端縁までの距離よりも大きく設定されてもよい。これによれば、排気又は吸気の流れが可動ベーンに与える力により、可動ベーンに開方向のモーメントを作用させることができる。これにより、排気又は吸気が可動ベーンに与える力を、開方向駆動力に対するアシスト力として利用して操作入力部にアクチュエータが加えるべき開方向駆動力を低減することができる。

本発明の過給機の一形態においては、前記排気側可動ベーン機構の操作入力部及び前記吸気側ベーン駆動機構の操作入力部のそれぞれの操作方向が前記タービン及び前記コンプレッサの周方向に設定され、前記吸気側可動ベーン機構における前記操作入力部の操作方向と該吸気側可動ベーン機構の可動ベーンの開閉方向との関係が、前記排気側可動ベーン機構における前記操作入力部の操作方向と該排気側可動ベーン機構の可動ベーンの開閉方向との関係に対して逆に設定され、前記駆動機構は、前記アクチュエータによって回転駆動される出力軸と、前記出力軸の中心部に対して一方の側と前記排気側可動ベーン機構の操作入力部との間に介在して前記出力軸の回転を当該排気側可動ベーン機構の操作入力部の回転に変換する排気側連係機構と、前記出力軸の前記中心部に対して他方の側と前記吸気側可動ベーン機構の操作入力部との間に介在して前記出力軸の回転を当該吸気側可動ベーン機構の操作入力部の回転に変換する吸気側連係機構とを備えていてもよい。これによれば、アクチュエータにより出力軸を回転させることにより、その回転運動が連係機構を介して排気側可動ベーン機構の操作入力部及び吸気側可動ベーン機構の操作入力部に対して周方向に互いに逆向きに伝達される。そのため、例えば、一方の可動ベーン機構が開方向に動作すれば、他方の可動ベーン機構も開方向に動作する等、アクチュエータが発生させる一方向の回転運動により一対の可動ベーン機構のそれぞれの可動ベーンを同一方向に動作させることができる。

さらに、前記排気側可動ベーン機構の操作入力部と前記吸気側可動ベーン機構の操作入力部とがタービン軸からみて同一の側に配置され、前記出力軸は前記タービン軸と平行に配置され、前記排気側連係機構及び前記吸気側連係機構のそれぞれは、前記出力軸と前記操作入力部のそれぞれに対して回転自在に連結されるロッドを含んでいてもよい。これによれば、アクチュエータの出力軸を一方向に回転させると、一方の可動ベーン機構の操作入力部がロッドを介して押し出され、他方の可動ベーン機構の操作入力部がロッドを介して引き寄せられる。その結果、周方向に関して両可動ベーン機構の操作入力部が互いに逆向きに操作されて可動ベーンが同一方向に動作する。

本発明の一形態に係るターボチャージャのタービン側の部分破断側面図。本発明の一形態に係るターボチャージャのコンプレッサ側の部分破断側面図。本発明の一形態に係るターボチャージャの軸線方向に沿った部分断面図。タービン側の可動ベーン機構における操作レバーからアームまでの構成を示す図。タービン側の可動ベーン機構における可動ベーン周囲の構成を示す図。コンプレッサ側の可動ベーン機構における操作レバーからアームまでの構成を示す図。コンプレッサ側の可動ベーン機構における可動ベーン周囲の構成を示す図。一部の可動ベーンを拡大して示す図。可動ベーンを開方向に駆動する際のモーメントを説明するための図。

図１〜図３は本発明の一形態に係る可変容量型過給機としてのターボチャージャを示している。ターボチャージャ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、そのタービンハウジング４の内部に配置されたタービンホイール５とを有している。タービンハウジング４は、不図示の内燃機関（以下、エンジンと称する。）の排気通路の途中に設けられており、その外周には排気通路の上流側（つまりエンジンの排気ポート側）と接続される排気入口４ａが、中心部には排気通路の下流側と瀬接続される排気出口４ｂがそれぞれ設けられている。なお、図３ではタービンハウジング４及びその周囲の構成に関して図示を省略している。タービンホイール５にはタービン軸６が同軸的に形成され、そのタービン軸６はベアリングハウジング７内の軸受部８により回転自在に支持されている。

一方、コンプレッサ３は、コンプレッサハウジング１０と、そのコンプレッサハウジング１０の内部に配置されたコンプレッサホイール１１とを備えている。コンプレッサハウジング１０はエンジンの吸気通路の途中に設けられており、その中心部にはエンジンの吸気通路の上流側と接続される吸気入口１０ａが、外周には吸気通路の下流側と接続される吸気出口１０ｂがそれぞれ設けられている。コンプレッサホイール１１は、タービン軸６の先端部に一体回転可能に取り付けられている。

図１及び図２では図示を省略したが、タービン２及びコンプレッサ３には、さらに可動ベーン機構が設けられている。また、また、ターボチャージャ１には、それらの可動ベーン機構を駆動するための駆動機構４０がさらに設けられている。

図４及び図５はタービン２側の可動ベーン機構（以下、これを排気側可動ベーン機構と呼ぶ。）２０の詳細を示している。なお、図４及び図５のいずれも、タービン２を図１と同一の方向（図３の矢印I方向に相当）から見たときの状態を示している。

排気側可動ベーン機構２０は、タービンホイール５の背後、つまりベアリングハウジング７側に配置されたベースプレート２１と、そのベースプレート２１の表面にピン２２を軸として回転自在に取り付けられた多数の可動ベーン２３と、ベースプレート２１の裏面側に配置されたベーン操作機構２４とを備えている。可動ベーン２３は、タービンハウジング４内に流入した排気がタービンホイール５の外周に導かれるように排気の流れを方向付ける翼型形状の部品である（図８参照）。つまり、可動ベーン２３間の隙間がタービンホイール５に向かう排気の流路となる。各可動ベーン２３はピン２２の一端部に一体回転可能に取り付けられている。ピン２２の周方向のピッチは一定である。それらのピン２２を軸として可動ベーン２３が回転することにより、可動ベーン２３がそれらの間の排気の流路を開閉するように回転してその排気流路の断面積が変化する。なお、図５においては、可動ベーン２３間の排気流路が開いた状態を実線で示している。一部の可動ベーン２３に関しては、それらの間の排気流路がほぼ閉じるまで回転した状態を想像線で示している。

ベーン操作機構２４は、駆動リング２５と、その駆動リング２５の内側に配置された多数のベーンアーム２６と、一対のベーンアーム２６間に配置された一本の駆動アーム２７と、その駆動アーム２７とピン２８を介して一体に回転可能に接続された操作レバー２９とを備えている。操作レバー２９がベーン操作機構２４における操作入力部である。駆動リング２５は、ベースプレート２１に取り付けられた適宜数のローラ２１ａにより、タービン軸６（図３）の軸線を中心として回転可能に支持されている。ベーンアーム２６の個数は可動ベーン２３と同数である。各ベーンアーム２６は、ベースプレート２１を貫いて裏面側に突出したピン２２の他端部と一体回転可能に接続されている。従って、可動ベーン２３とベーンアーム２６とはピン２２を軸として一体に回転する。

駆動リング２５の内周には、多数のベーンアーム用溝部２５ａと、一対の溝部２５ａ間に位置する駆動アーム用溝部２５ｂとが設けられている。ベーンアーム用溝部２５ａはベーンアーム２６と同数設けられており、それらの周方向のピッチは一定である。各ベーンアーム用溝部２５ａにはベーンアーム２６の先端部２６ａが嵌り合っている。一方、駆動アーム用溝部２５ｂには駆動アーム２７の先端部２７ａが嵌り合っている。従って、操作レバー２９を図４の矢印Ｃｔ方向（時計方向）に回転操作すると、その回転がピン２８から駆動アーム２５を経由して駆動リング２５に伝わって駆動リング２５が同一方向に回転し、これに連動して各ベーンアーム２６がピン２２を中心として図４及び図５の時計方向に回転する。これにより、可動ベーン２３もピン２２を中心として時計方向に回転し、可動ベーン２３間の排気流路の断面積が減少する。一方、操作レバー２９を図４の矢印Ｏｔ方向（反時計方向）に回転操作すると、駆動リング２５が上記とは反対方向に回転し、それに伴って可動ベーン２３がピン２２を中心として反時計方向に回転する。それにより可動ベーン２３間の排気流路の断面積が増加する。つまり、駆動リング２５がタービン軸６の回転方向Ｒと同一方向に回転すれば可動ベーン２３が開き、駆動リング２５がタービン軸６の回転方向Ｒと逆方向に回転すれば可動ベーン２３が閉じる。

図６及び図７はコンプレッサ３側の可動ベーン機構（以下、これを吸気側可動ベーン機構と呼ぶ。）３０の詳細を示している。なお、図６及び図７のいずれも、コンプレッサ３を図２と同一の方向（図３の矢印II方向に相当）から見たときの状態を示している。

吸気側可動ベーン機構３０は、コンプレッサホイール１１の背後、つまりベアリングハウジング７側に配置されたベースプレート３１と、そのベースプレート３１の表面にピン３２を軸として回転自在に取り付けられた多数の可動ベーン３３と、ベースプレート３１の裏面側に配置されたベーン操作機構３４とを備えている。可動ベーン３３は、コンプレッサホイール１１の中心部に流入した吸気がコンプレッサホイール１１の外周に導かれるように吸気の流れを方向付ける翼型形状の部品である。つまり、可動ベーン３３間の隙間がコンプレッサホイール１１から送り出される吸気の流路となる。各可動ベーン３３はピン３２の一端部に一体回転可能に取り付けられている。ピン３２の周方向のピッチは一定である。それらのピン３２を軸として可動ベーン３３が回転することにより、可動ベーン３３がそれらの間の吸気の流路を開閉するように回転してその吸気流路の断面積が変化する。なお、図７においては、可動ベーン３３間の吸気流路が開いた状態を実線で示している。一部の可動ベーン３３に関しては、それらの間の吸気流路がほぼ閉じるまで回転した状態を想像線で示している。

ベーン操作機構３４は、駆動リング３５と、その駆動リング３５の内側に配置された多数のベーンアーム３６と、一対のベーンアーム３６間に配置された一本の駆動アーム３７と、その駆動アーム３７とピン３８を介して一体に回転可能に接続された操作レバー３９とを備えている。操作レバー３９がベーン操作機構３４における操作入力部である。その操作レバー３９は、タービン軸６からみて排気側可動ベーン機構２０の操作レバー２９と同一の側（例えば図１においてタービン軸の右側）に配置されている。駆動リング３５は、ベースプレート３１に取り付けられた適宜数のローラ３１ａにより、タービン軸６（図３）の軸線を中心として回転可能に支持されている。ベーンアーム３６の個数は可動ベーン３３と同数である。各ベーンアーム３６は、ベースプレート３１を貫いて裏面側に突出したピン３２の他端部と一体回転可能に接続されている。従って、可動ベーン３３とベーンアーム３６とはピン３２を軸として一体に回転する。

駆動リング３５の内周には、多数のベーンアーム用溝部３５ａと、一対の溝部３５ａ間に位置する駆動アーム用溝部３５ｂとが設けられている。ベーンアーム用溝部３５ａはベーンアーム３６と同数設けられており、それらの周方向のピッチは一定である。各ベーンアーム用溝部３５ａにはベーンアーム３６の先端部３６ａが嵌り合っている。一方、駆動アーム用溝部３５ｂには駆動アーム３７の先端部３７ａが嵌り合っている。従って、操作レバー３９を図６の矢印Ｃｃ方向（時計方向）に回転操作すると、その回転がピン３８から駆動アーム３５を経由して駆動リング３５に伝わって駆動リング３５が同一方向に回転し、これに連動して各ベーンアーム３６がピン３２を中心として図６及び図７の時計方向に回転する。これにより、可動ベーン３３もピン３２を中心として時計方向に回転し、可動ベーン３３間の吸気流路の断面積が減少する。一方、操作レバー３９を図６の矢印Ｏｃ方向（反時計方向）に回転操作すると、駆動リング３５が上記とは反対方向に回転し、それに伴って可動ベーン３３がピン３２を中心として反時計方向に回転する。それにより可動ベーン３３間の吸気流路の断面積が増加する。つまり、駆動リング３５がタービン軸６の回転方向Ｒと同一方向に回転すれば可動ベーン３３が閉じ、駆動リング２５がタービン軸６の回転方向Ｒと逆方向に回転すれば可動ベーン３３が開く。操作レバー３９の操作方向と可動ベーン３３の開閉方向との関係は、排気側可動ベーン機構２０における操作レバー２９の操作方向と可動ベーン２３の開閉方向との関係に対して逆である。

図８に示すように、排気側可動ベーン機構２０の可動ベーン２３に対するピン２２の取付位置は、可動ベーン２３の長手方向の中心位置よりも可動ベーン２３の後縁（内周側の端縁）２３ｂ側に偏っている。すなわち、可動ベーン２３の全長をＬａ、ピン２２から可動ベーン２３の前縁（外周側の端縁）２３ａまでの距離をＬｂとしたとき、ピボット比Ｌｂ／Ｌａが下式（１）で示すように０．５より大きくなるようにピン２２の取付位置が定められている。可動ベーン２３は、排気の流れ方向をタービンホイール５の周方向から半径方向中心側に偏向させるものであることから、その排気の流れが衝突する表面２３ｃ側が裏面２３ｄ側よりも排気からより大きな力を受ける。そして、可動ベーン２３の前縁２３ａからピン２２までの間では排気から受ける力で可動ベーン２３に開方向のモーメントが作用し、ピン２２から後縁２３ｂまでの間では可動ベーン２３に閉方向のモーメントが作用する。それらのモーメントの大小関係はピン２２から前縁２３ａ、後縁２３ｂまでのそれぞれの距離の大小関係に依存する。そのため、ピボット比を上記の通りに設定すれば、可動ベーン２３にはこれを開く方向のモーメントＭｏが作用する。すなわち、排気側可動ベーン機構２０では、可動ベーン２３を開方向に動作させる際に操作レバー２９に入力すべき開方向駆動力が、可動ベーン２３を閉方向に動作させる際に操作レバー２９に入力すべき閉方向駆動力よりも低減される。

また、吸気側可動ベーン機構３０の可動ベーン３３に対するピン３２の取付位置も図８と同様に設定されている。すなわち、図８の可動ベーン２３を可動ベーン３３に置き換えたとき、そのピボット比は上式（１）の通りである。従って、可動ベーン３３に関しても、これをピン３２の回りに開く方向のモーメントが作用する。よって、吸気側可動ベーン機構３０においても、可動ベーン３３を開方向に動作させる際に操作レバー３９に入力すべき開方向駆動力が、可動ベーン３３を閉方向に動作させる際に操作レバー３９に入力すべき閉方向駆動力よりも小さくなる。

図１及び図２に示すように、駆動機構４０は、単一の電動モータ４１を有している。電動モータ４１は可動ベーン機構２０、３０の間で共用されて、可動ベーン２３、３３のそれぞれの駆動源として機能するアクチュエータである。電動モータ４１の回転は減速機構４２で減速されて出力軸４３から取り出される。出力軸４３はタービン軸６と平行に設けられており、電動モータ４１によりその中心部４３ａの回りに一定の角度範囲内で回転駆動される。駆動機構４０には、出力軸４３と可動ベーン機構２０、３０のそれぞれの操作レバー２９、３０とを接続するリンク機構４５がさらに設けられている。

リンク機構４５は、出力軸４３の中心部４３ａに対する一端側にピン４６を介して回転自在に連結された第１ロッド４７と、ピン４６とは中心部４３ａを挟んで反対側の位置にピン４８を介して回転自在に連結された第２ロッド４９とを備えている。図１に示したように、第１ロッド４７の先端部は排気側可動ベーン機構２０の操作レバー２９とピン５０を介して回転自在に連結されている。一方、図２に示したように、第２ロッド４９の先端部は、吸気側可動ベーン機構３０の操作レバー３９とピン５１を介して回転自在に連結されている。リンク機構４５においては、ピン４６、第１ロッド４７及びピン５０が排気側連係機構として機能し、ピン４８、第２ロッド４８及びピン５１が吸気側連係機構として機能する。

次に、駆動機構４０による可動ベーン機構２０、３０の駆動について説明する。駆動機構４０のモータ４１によって出力軸４３が図２の矢印Ｏ方向に回転駆動された場合、第１リンク４７は引き上げられ、操作レバー２９がタービン軸６の回転方向Ｒに回転し、操作レバー２９がタービン軸６の回転方向Ｒに回転駆動される。図４及び図５から明らかなように、操作レバー２９が回転方向Ｒに駆動される場合には、可動ベーン２３がそれらの間の流路を開く方向（矢印Ｏｔ方向）に回転する。また、第２リンク４９は押し下げられ、操作レバー３９はタービン軸６の回転方向Ｒと逆方向に回転する。図６及び図７から明らかなように、操作レバー３９がタービン軸６の回転方向Ｒと逆方向に回転すれば、可動ベーン３３がそれらの間の流路を開く方向（矢印Ｏｃ方向）に回転する。

一方、駆動機構４０のモータ４１によって出力軸４３が図２の矢印Ｃ方向に回転駆動された場合、第１リンク４７は押し下げられ、操作レバー２９がタービン軸６の回転方向Ｒと逆方向に回転し、操作レバー２９がタービン軸６の回転方向Ｒと逆方向に回転駆動される。図４及び図５から明らかなように、操作レバー２９が回転方向Ｒと逆方向に駆動される場合には、可動ベーン２３がそれらの間の流路を閉じる方向（矢印Ｃｔ方向）に回転する。また、第２リンク４９は引き上げられ、操作レバー３９はタービン軸６の回転方向Ｒに回転する。図６及び図７から明らかなように、操作レバー３９がタービン軸６の回転方向Ｒに回転すれば、可動ベーン３３がそれらの間の流路を閉じる方向（矢印Ｃｃ方向）に回転する。

以上に説明したように、本形態のターボチャージャ１によれば、単一の電動モータ４１により、タービン２側の可動ベーン２３とコンプレッサ３側の可動ベーン３３とを開方向又は閉方向に一体的に駆動することができる。従って、タービン側及びコンプレッサ側のそれぞれに専用のアクチュエータを設ける場合と比較して小型軽量化を図ることができる。そのため、車両のエンジンルームにターボチャージャー１を収容する際のスペース上の制約を緩和することができる。これにより、車両の軽量化、コストダウンも図ることが可能である。

なお、可動ベーン２３、３３の開度制御に関しては、公知の可変容量型のターボチャージャのそれと同様でよい。例えば、エンジンがアイドリング運転をしている際には可動ベーン２３、３３をいずれも最大限に閉じておき、エンジンの回転数が上昇する際には、その上昇に伴って可動ベーン２３、３３が徐々に開くように電動モータ４１の動作を制御すればよい。また、エンジンの回転数が低下する際には可動ベーン２３、３３をいずれも閉じ側に駆動すればよい。エンジンの回転数及び負荷に対して目標過給圧を設定し、その目標過給圧が得られるように可動ベーン２３、３３の開度をフィードバック制御してもよい。

本形態のターボチャージャ１では、共通の電動モータ４１にて可動ベーン２３、３３の両者を駆動しているので、タービン２側の可動ベーン２３の開度が決まれば、コンプレッサ３側の可動ベーン３３の開度も一義的に定まる。そのため、タービン側又はコンプレッサ側のいずれか一方の可動ベーンに関する制御プログラムが存在していれば、それを利用して可動タービン２３、３３の両者の開度を最適に制御できる利点がある。例えば、同一仕様のタービンに関して、エンジンの回転数及び負荷に応じて可動ベーン２３の開度を最適に制御するプログラムが存在していれば、そのプログラムに従って可動ベーン２３を動作させつつ、可動ベーン２３の開度（位置）に応じてコンプレッサ効率が最大となる可動ベーン３３の開度のデータを予め取得し、得られたデータに従って可動ベーン３３が動作するように出力軸４３と第２ロッド４９、操作レバー３９の長さ寸法、取付位置等を調整しておくことにより、タービン２側の可動ベーン２３の制御プログラムを利用するだけでコンプレッサ３側の可動ベーン３３の開度も最適に制御することができる。ちなみに、可動ベーン２３、３３をそれぞれ別々のアクチュエータで駆動する場合には、例えばタービン２側の可動ベーン２３の開度をフィードバック制御しつつ、その制御効果として現れる過給圧や空気流量等の状態量を検出した上でコンプレッサ効率が最大となるように可動ベーン３３の開度を制御する必要があり、制御パラメータが増えて制御が複雑化し、両者の制御の応答性に差が生じれば、過給性能が損なわれる。これに対して本形態では、タービン側又はコンプレッサ側のみに可動ベーンが存在するターボチャージャと同様の制御で足り、制御が容易でかつ応答遅れによる過給性能の低下が生じるおそれもない。

さらに、本形態のターボチャージャ１では、可動ベーン２３、３３のピボット比を上記の通りに設定することにより、可動ベーン２３、３３を開方向に動作させる際に排気又は吸気の流れを利用して可動ベーン２３、３３に開方向のアシスト力を作用させ、それにより操作レバー２９、３９に入力べき駆動力を軽減している。従って、可動ベーン２３、３３を開方向に駆動する際に必要な電動モータ４１の出力トルクを低減することができる。すなわち、図９に示したように、出力軸４３とロッド４７、４９との連結点に位置するピン４６、４８には、可動ベーン２３、３３が排気から受ける力に対応するアシスト力ＦＡｖｎ、ＦＡｖｇｃが可動ベーン２３、３３を開く方向（矢印Ａ方向）に作用し、その一方で、可動ベーン２３、３３を閉じる方向（矢印Ｂ方向）に駆動抵抗ＦＢｖｎ、ＦＢｖｇｃが作用する。出力軸４３の中心４３ａからロッド４７、４９の連結点であるピン４６、４８までの距離をＬｖｎ、Ｌｖｇｃとすれば、可動ベーン２３、３３を開くために出力軸４３の中心部４３ａの回りに発生させるべき駆動トルク（モーメント）Ｔｍは下式（２）で与えられる。

式（２）の括弧内は、可動ベーン２３、３３のピボット比を上記の通りに設定したことによって発生するモーメントであり、その方向は可動ベーン２３、３３を開く方向に駆動する際の出力軸４３の回転方向（駆動トルクＴｍの方向）と一致する。従って、同一方向のモーメントが得られない場合、あるいは逆方向のモーメントが生じる場合と比較して、電動モータ４１の出力トルクが小さくて足りる。よって、単一の電動モータ４１にてタービン２側の可動ベーン２３及びコンプレッサ３側の可動ベーン３３の両者を駆動する構成であっても、電動モータ４１に要求される定格トルクを減少させ、それによりモータ４１の小型化、軽量化を図ることができる。

本発明は上述した形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、上記の形態では、操作レバー２９、３９の開方向駆動力を閉方向駆動力よりも低減させる手段として、可動ベーン２３、３３のピボット比を（１）式の通りに設定したが、いずれか一方の可動ベーン機構のみ、ピボット比を（１）式のように設定した場合でも、両可動ベーン機構のピボット比が（１）式を満たさない場合と比較して電動モータ４１の出力トルクを低減することが可能である。また、ピボット比に限らず、ばね等の手段により可動ベーンに開方向の力を付与することにより、電動モータ等のアクチュエータに要求される駆動力を低減することが可能である。さらに、排気側及び吸気側のそれぞれの可動ベーン機構において開方向駆動力が閉方向駆動力以上に設定した場合でも十分な能力を有するアクチュエータを設置可能な場合には、開方向駆動力を閉方向駆動力よりも低減させる手段を省略可能である。

上述した排気側可動ベーン機構２０及び吸気側可動ベーン機構３０の構成は一例であり、それらの可動ベーン機構は、可動ベーンの開閉動作によって排気又は吸気の流路の断面積を変化させるように構成されている限り、適宜に変更されてよい。アクチュエータは電動モータに限らず、流体圧あるいは電力を利用して駆動力を発生する装置であれば適宜に変更可能である。アクチュエータ及びその出力軸の配置、排気側連係機構及び吸気側連係機構の構成も図示例に限らず、例えば直線運動型のアクチュエータの動作をギア、レバー、リンク等の各種の機械要素を利用して可動ベーン機構の操作入力部に伝達するといった変更が可能である。

本発明の可変容量型過給機は、可動ベーンの開閉動作によりタービンホイールに導入される排気の流路の断面積を変化させる排気側可動ベーン機構を有するタービンと、可動ベーンの開閉動作によりコンプレッサホイールから送り出される吸気の流路の断面積を変化させる吸気側可動ベーン機構を有するコンプレッサと、前記排気側可動ベーン機構及び吸気側可動ベーン機構との間で共用されるアクチュエータを有し、該アクチュエータの動作を両可動ベーン機構に伝達して各可動ベーン機構の可動ベーンを開閉動作させる駆動機構と、を備え、前記排気側可動ベーン機構の可動ベーンが開方向に動作するときは前記吸気側可動ベーン機構の可動ベーンも開方向に動作するように前記駆動機構と両可動ベーン機構の操作入力部とがそれぞれ接続され、前記排気側可動ベーン機構及び前記吸気側可動ベーン機構の少なくとも一方には、前記可動ベーンを開方向に動作させる際に前記操作入力部に加えるべき開方向駆動力を、前記可動ベーンを閉方向に動作させる際に前記操作入力部に加えるべき閉方向駆動力よりも低減させる手段が設けられているものである。

また、本発明の過給機によれば、排気側可動ベーン機構の可動ベーン及び吸気側可動ベーン機構の可動ベーンを共通のアクチュエータにて同一方向に動作させることができる。しかも、少なくとも一方の可動ベーン機構の開方向駆動力を閉方向駆動力よりも低減させる手段を設けているので、その手段を省略した場合と比較して、二つの可動ベーン機構のそれぞれの操作入力部に加えるべき開方向駆動力が小さくて足りる。従って、アクチュエータに要求される出力を減少させ、それによりアクチュエータの小型化、ひいては過給機のさらなる小型化を図ることができる。なお、可動ベーンを開く際の排気又は吸気の抵抗は、可動ベーンを閉じる際の抵抗よりも相対的に増加する傾向がある。そのため、開方向駆動力を閉方向駆動力よりも低減させることがアクチュエータの小型化を図る上で効果が大きい。

本発明の過給機の一形態においては、前記低減させる手段として、前記可動ベーンの回転中心から該可動ベーンの外周側の端縁までの距離が、前記中心位置から該可動ベーンの内周側の端縁までの距離よりも大きく設定されてもよい。これによれば、排気又は吸気の流れが可動ベーンに与える力により、可動ベーンに開方向のモーメントを作用させることができる。これにより、排気又は吸気が可動ベーンに与える力を、開方向駆動力に対するアシスト力として利用して操作入力部にアクチュエータが加えるべき開方向駆動力を低減することができる。

本発明の過給機の一形態においては、前記排気側可動ベーン機構の操作入力部及び前記吸気側可動ベーン機構の操作入力部のそれぞれの操作方向が前記タービン及び前記コンプレッサの周方向に設定され、前記吸気側可動ベーン機構における前記操作入力部の操作方向と該吸気側可動ベーン機構の可動ベーンの開閉方向との関係が、前記排気側可動ベーン機構における前記操作入力部の操作方向と該排気側可動ベーン機構の可動ベーンの開閉方向との関係に対して逆に設定され、前記駆動機構は、前記アクチュエータによって回転駆動される出力軸と、前記出力軸の中心部に対して一方の側と前記排気側可動ベーン機構の操作入力部との間に介在して前記出力軸の回転を当該排気側可動ベーン機構の操作入力部の回転に変換する排気側連係機構と、前記出力軸の前記中心部に対して他方の側と前記吸気側可動ベーン機構の操作入力部との間に介在して前記出力軸の回転を当該吸気側可動ベーン機構の操作入力部の回転に変換する吸気側連係機構とを備えていてもよい。これによれば、アクチュエータにより出力軸を回転させることにより、その回転運動が連係機構を介して排気側可動ベーン機構の操作入力部及び吸気側可動ベーン機構の操作入力部に対して周方向に互いに逆向きに伝達される。そのため、例えば、一方の可動ベーン機構が開方向に動作すれば、他方の可動ベーン機構も開方向に動作する等、アクチュエータが発生させる一方向の回転運動により一対の可動ベーン機構のそれぞれの可動ベーンを同一方向に動作させることができる。

図１〜図３は本発明の一形態に係る可変容量型過給機としてのターボチャージャを示している。ターボチャージャ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、そのタービンハウジング４の内部に配置されたタービンホイール５とを有している。タービンハウジング４は、不図示の内燃機関（以下、エンジンと称する。）の排気通路の途中に設けられており、その外周には排気通路の上流側（つまりエンジンの排気ポート側）と接続される排気入口４ａが、中心部には排気通路の下流側と接続される排気出口４ｂがそれぞれ設けられている。なお、図３ではタービンハウジング４及びその周囲の構成に関して図示を省略している。タービンホイール５にはタービン軸６が同軸的に形成され、そのタービン軸６はベアリングハウジング７内の軸受部８により回転自在に支持されている。

駆動リング２５の内周には、多数のベーンアーム用溝部２５ａと、一対の溝部２５ａ間に位置する駆動アーム用溝部２５ｂとが設けられている。ベーンアーム用溝部２５ａはベーンアーム２６と同数設けられており、それらの周方向のピッチは一定である。各ベーンアーム用溝部２５ａにはベーンアーム２６の先端部２６ａが嵌り合っている。一方、駆動アーム用溝部２５ｂには駆動アーム２７の先端部２７ａが嵌り合っている。従って、操作レバー２９を図４の矢印Ｃｔ方向（時計方向）に回転操作すると、その回転がピン２８から駆動アーム２７を経由して駆動リング２５に伝わって駆動リング２５が同一方向に回転し、これに連動して各ベーンアーム２６がピン２２を中心として図４及び図５の時計方向に回転する。これにより、可動ベーン２３もピン２２を中心として時計方向に回転し、可動ベーン２３間の排気流路の断面積が減少する。一方、操作レバー２９を図４の矢印Ｏｔ方向（反時計方向）に回転操作すると、駆動リング２５が上記とは反対方向に回転し、それに伴って可動ベーン２３がピン２２を中心として反時計方向に回転する。それにより可動ベーン２３間の排気流路の断面積が増加する。つまり、駆動リング２５がタービン軸６の回転方向Ｒと同一方向に回転すれば可動ベーン２３が開き、駆動リング２５がタービン軸６の回転方向Ｒと逆方向に回転すれば可動ベーン２３が閉じる。

駆動リング３５の内周には、多数のベーンアーム用溝部３５ａと、一対の溝部３５ａ間に位置する駆動アーム用溝部３５ｂとが設けられている。ベーンアーム用溝部３５ａはベーンアーム３６と同数設けられており、それらの周方向のピッチは一定である。各ベーンアーム用溝部３５ａにはベーンアーム３６の先端部３６ａが嵌り合っている。一方、駆動アーム用溝部３５ｂには駆動アーム３７の先端部３７ａが嵌り合っている。従って、操作レバー３９を図６の矢印Ｃｃ方向（時計方向）に回転操作すると、その回転がピン３８から駆動アーム３７を経由して駆動リング３５に伝わって駆動リング３５が同一方向に回転し、これに連動して各ベーンアーム３６がピン３２を中心として図６及び図７の時計方向に回転する。これにより、可動ベーン３３もピン３２を中心として時計方向に回転し、可動ベーン３３間の吸気流路の断面積が減少する。一方、操作レバー３９を図６の矢印Ｏｃ方向（反時計方向）に回転操作すると、駆動リング３５が上記とは反対方向に回転し、それに伴って可動ベーン３３がピン３２を中心として反時計方向に回転する。それにより可動ベーン３３間の吸気流路の断面積が増加する。つまり、駆動リング３５がタービン軸６の回転方向Ｒと同一方向に回転すれば可動ベーン３３が閉じ、駆動リング２５がタービン軸６の回転方向Ｒと逆方向に回転すれば可動ベーン３３が開く。操作レバー３９の操作方向と可動ベーン３３の開閉方向との関係は、排気側可動ベーン機構２０における操作レバー２９の操作方向と可動ベーン２３の開閉方向との関係に対して逆である。

リンク機構４５は、出力軸４３の中心部４３ａに対する一端側にピン４６を介して回転自在に連結された第１ロッド４７と、ピン４６とは中心部４３ａを挟んで反対側の位置にピン４８を介して回転自在に連結された第２ロッド４９とを備えている。図１に示したように、第２ロッド４９の先端部は排気側可動ベーン機構２０の操作レバー２９とピン５１を介して回転自在に連結されている。一方、図２に示したように、第１ロッド４７の先端部は、吸気側可動ベーン機構３０の操作レバー３９とピン５０を介して回転自在に連結されている。リンク機構４５においては、ピン４８、第２ロッド４９及びピン５１が排気側連係機構として機能し、ピン４６、第１ロッド４７及びピン５０が吸気側連係機構として機能する。

次に、駆動機構４０による可動ベーン機構２０、３０の駆動について説明する。駆動機構４０のモータ４１によって出力軸４３が図１の矢印Ｏ方向に回転駆動された場合、第２ロッド４９は引き上げられ、操作レバー２９がタービン軸６の回転方向Ｒに回転し、操作レバー２９がタービン軸６の回転方向Ｒに回転駆動される。図４及び図５から明らかなように、操作レバー２９が回転方向Ｒに駆動される場合には、可動ベーン２３がそれらの間の流路を開く方向（矢印Ｏｔ方向）に回転する。また、第１ロッド４７は押し下げられ、操作レバー３９はタービン軸６の回転方向Ｒと逆方向に回転する。図６及び図７から明らかなように、操作レバー３９がタービン軸６の回転方向Ｒと逆方向に回転すれば、可動ベーン３３がそれらの間の流路を開く方向（矢印Ｏｃ方向）に回転する。

一方、駆動機構４０のモータ４１によって出力軸４３が図１の矢印Ｃ方向に回転駆動された場合、第２ロッド４９は押し下げられ、操作レバー２９がタービン軸６の回転方向Ｒと逆方向に回転し、操作レバー２９がタービン軸６の回転方向Ｒと逆方向に回転駆動される。図４及び図５から明らかなように、操作レバー２９が回転方向Ｒと逆方向に駆動される場合には、可動ベーン２３がそれらの間の流路を閉じる方向（矢印Ｃｔ方向）に回転する。また、第１ロッド４７は引き上げられ、操作レバー３９はタービン軸６の回転方向Ｒに回転する。図６及び図７から明らかなように、操作レバー３９がタービン軸６の回転方向Ｒに回転すれば、可動ベーン３３がそれらの間の流路を閉じる方向（矢印Ｃｃ方向）に回転する。

本形態のターボチャージャ１では、共通の電動モータ４１にて可動ベーン２３、３３の両者を駆動しているので、タービン２側の可動ベーン２３の開度が決まれば、コンプレッサ３側の可動ベーン３３の開度も一義的に定まる。そのため、タービン側又はコンプレッサ側のいずれか一方の可動ベーンに関する制御プログラムが存在していれば、それを利用して可動ベーン２３、３３の両者の開度を最適に制御できる利点がある。例えば、同一仕様のタービンに関して、エンジンの回転数及び負荷に応じて可動ベーン２３の開度を最適に制御するプログラムが存在していれば、そのプログラムに従って可動ベーン２３を動作させつつ、可動ベーン２３の開度（位置）に応じてコンプレッサ効率が最大となる可動ベーン３３の開度のデータを予め取得し、得られたデータに従って可動ベーン３３が動作するように出力軸４３と第１ロッド４７、操作レバー３９の長さ寸法、取付位置等を調整しておくことにより、タービン２側の可動ベーン２３の制御プログラムを利用するだけでコンプレッサ３側の可動ベーン３３の開度も最適に制御することができる。ちなみに、可動ベーン２３、３３をそれぞれ別々のアクチュエータで駆動する場合には、例えばタービン２側の可動ベーン２３の開度をフィードバック制御しつつ、その制御効果として現れる過給圧や空気流量等の状態量を検出した上でコンプレッサ効率が最大となるように可動ベーン３３の開度を制御する必要があり、制御パラメータが増えて制御が複雑化し、両者の制御の応答性に差が生じれば、過給性能が損なわれる。これに対して本形態では、タービン側又はコンプレッサ側のみに可動ベーンが存在するターボチャージャと同様の制御で足り、制御が容易でかつ応答遅れによる過給性能の低下が生じるおそれもない。

Claims

可動ベーンの開閉動作によりタービンホイールに導入される排気の流路の断面積を変化させる排気側可動ベーン機構を有するタービンと、
可動ベーンの開閉動作によりコンプレッサホイールから送り出される吸気の流路の断面積を変化させる吸気側可動ベーン機構を有するコンプレッサと、
前記排気側可動ベーン機構及び吸気側可動ベーン機構との間で共用されるアクチュエータを有し、該アクチュエータの動作を両可動ベーン機構に伝達して各可動ベーン機構の可動ベーンを開閉動作させる駆動機構と、
を備えた内燃機関の可変容量型過給機。
前記排気側可動ベーン機構の可動ベーンが開方向に動作するときは前記吸気側可動ベーン機構の可動ベーンも開方向に動作するように前記駆動機構と両可動ベーン機構の操作入力部とがそれぞれ接続され、
前記排気側可動ベーン機構及び前記吸気側可動ベーン機構の少なくとも一方には、前記可動ベーンを開方向に動作させる際に前記操作入力部に加えるべき開方向駆動力を、前記可動ベーンを閉方向に動作させる際に前記操作入力部に加えるべき閉方向駆動力よりも低減させる手段が設けられている請求項１に記載の可変容量型過給機。
前記低減させる手段として、前記可動ベーンの回転中心から該可動ベーンの外周側の端縁までの距離が、前記中心位置から該可動ベーンの内周側の端縁までの距離よりも大きく設定されている請求項２に記載の可変容量型過給機。
前記排気側可動ベーン機構の操作入力部及び前記吸気側ベーン駆動機構の操作入力部のそれぞれの操作方向が前記タービン及び前記コンプレッサの周方向に設定され、
前記吸気側可動ベーン機構における前記操作入力部の操作方向と該吸気側可動ベーン機構の可動ベーンの開閉方向との関係が、前記排気側可動ベーン機構における前記操作入力部の操作方向と該排気側可動ベーン機構の可動ベーンの開閉方向との関係に対して逆に設定され、
前記駆動機構は、前記アクチュエータによって回転駆動される出力軸と、前記出力軸の中心部に対して一方の側と前記排気側可動ベーン機構の操作入力部との間に介在して前記出力軸の回転を当該排気側可動ベーン機構の操作入力部の回転に変換する排気側連係機構と、前記出力軸の前記中心部に対して他方の側と前記吸気側可動ベーン機構の操作入力部との間に介在して前記出力軸の回転を当該吸気側可動ベーン機構の操作入力部の回転に変換する吸気側連係機構とを備えている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の可変容量型過給機。
前記排気側可動ベーン機構の操作入力部と前記吸気側可動ベーン機構の操作入力部とがタービン軸からみて同一の側に配置され、
前記出力軸は前記タービン軸と平行に配置され、
前記排気側連係機構及び前記吸気側連係機構のそれぞれは、前記出力軸と前記操作入力部のそれぞれに対して回転自在に連結されるロッドを含んでいる、請求項４に記載の可変容量型過給機。