JPWO2018042661A1 - ターボ用空圧式アクチュエータ - Google Patents

Abstract

安定した特性と、ヒステリシスを抑制した制御が容易なターボ用空圧式アクチュエータを提供する。ターボ用空圧式アクチュエータ（１０）は、圧力印加口（２２）を有するケース（１８）と、ケース（１８）とハウジング（１９）とで挟着された弾性体のダイアフラム（２０）と、ダイアフラム（２０）を付勢するスプリング（２４）と、一端がダイアフラム（２０）に取り付けられ、他端がバルブ（９）に接続されて回動するレバー（１５）に取り付けられたハウジング（１９）から突出するアクチュエータロッド（１６）と、アクチュエータロッド（１６）を貫通させてアクチュエータロッド（１６）の外周部にて摺動し、外周面を球面に形成した球面軸受がハウジング（１９）の保持部（２７）に収納される。

Description

この発明は、ターボチャージャのウエストゲートバルブ開閉用のレバー等を駆動するターボ用空圧式アクチュエータに関する。

ターボチャージャは、エンジンからの排気ガスによってタービンを回転させ、タービンと一体に回転するコンプレッサで吸気を加圧して、その加圧された空気をエンジンに供給する構成である。そのため、加圧の過上昇を防止するために排気ガスの流量を制限するウエストゲートバルブが備えられている。ウエストゲートバルブには、バルブを回動して開閉するレバーが設けられており、レバーの端部にはターボ用空圧式アクチュエータのアクチュエータロッドの先端が取り付けられている。このアクチュエータロッドの直動運動によりレバーを揺動させてバルブを開閉している。

そこで、従来のターボチャージャのウエストゲート開閉装置は、アクチュエータの作動の円滑化を図るため、第１及び第２ロッドと、第１及び第２ロッドを連結するユニバーサルジョイントを備えて構成している。（例えば特許文献１参照）

実開平６−６３８３４号公報

上記した従来のターボチャージャのウエストゲート開閉装置は、第１及び第２ロッドと、第１及び第２ロッドを連結するユニバーサルジョイントを備えて構成している。従って、部品点数が増加するため、ウエストゲート開閉装置にがたつきが生じる。その結果、ウエストゲート開閉装置の特性が不安定になるという問題点があった。

また、例えば図８及び図９に示すように、アクチュエータロッド１６をハウジング１９に設けた従来の軸受３６よって支持する構成においては、レバー１５の揺動によってアクチュエータロッド１６に生じる中心軸の振れＹにより摺動抵抗が増大する。そのため、アクチュエータロッド１６の往復運動においてヒステリシスが発生する。その結果、ターボ用空圧式アクチュエータの制御が困難になるという問題点もあった。

この発明は、上記した問題点を解決するためになされたものであり、アクチュエータロッドのがたつきを抑制して特性を安定させるとともに、摺動抵抗を低減してヒステリシスを抑制することにより、制御が容易なターボ用空圧式アクチュエータを得ることを目的とするものである。

この発明に係わるターボ用空圧式アクチュエータは、ケースと、ケースに設けられ、圧力が印加される圧力印加口と、ケースに対向して圧着されたハウジングと、ケースとハウジングに挟着され、弾性体で形成されたダイアフラムと、ケースに配置されてダイアフラムを付勢するスプリングと、一端がダイアフラムに取り付けられ、他端がバルブに接続されて回動するレバーに取り付けられたハウジングから突出するアクチュエータロッドと、ハウジングに収納され、アクチュエータロッドを貫通させてアクチュエータロッドの外周部にて摺動し、外周面を球面に形成した球面軸受が設けられたものである。

上記のように構成されたターボ用空圧式アクチェータは、アクチュエータロッドを貫通させてアクチュエータロッドの外周部にて摺動し、外周面を球面に形成した球面軸受を設けることにより、アクチュエータロッドのがたつきを低減して特性を安定させるとともに、摺動抵抗を低減してヒステリシスを抑制することによって、制御が容易なターボ用空圧式アクチュエータを得ることができるという効果を有する。

この発明の実施の形態１に係るターボ用空圧式アクチュエータが搭載されるターボチャージャシステムの構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るターボ用空圧式アクチュエータによってバルブが開閉される構造を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るターボ用空圧式アクチュエータを説明するためのアクチュエータロッドが押出された状態を示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係るターボ用空圧式アクチュエータを説明するためのアクチュエータロッドが押出された状態を示す断面図である図３におけるＡ１領域の拡大図である。 この発明の実施の形態１に係るターボ用空圧式アクチュエータを説明するためのアクチュエータロッドが引込まれた状態を示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係るターボ用空圧式アクチュエータを説明するためのアクチュエータロッドが引込まれた状態を示す断面図である図５におけるＡ２領域の拡大図である。 この発明の実施の形態１に係るターボ用空圧式アクチュエータが搭載されたターボチャージャシステムにおける印加圧力（負圧）とアクチュエータロッドストロークとの関係の一例を示す図である。 従来の軸受にて支持したターボ用空圧式アクチュエータのアクチュエータロッドが押出された状態を示す断面図である。 従来の軸受にて支持したターボ用空圧式アクチュエータのアクチュエータロッドが引込まれた状態を示す断面図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１におけるターボ用空圧式アクチュエータについて図１〜７を用いて説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係るターボ用空圧式アクチュエータが搭載されるターボチャージャシステムの構成を示す図である。図２は、この発明の実施の形態１に係るターボ用空圧式アクチュエータによってバルブが開閉される構造を示す図である。図３は、この発明の実施の形態１に係るターボ用空圧式アクチュエータを説明するためのアクチュエータロッドが押出された状態を示す断面図である。図４は、この発明の実施の形態１に係るターボ用空圧式アクチュエータを説明するためのアクチュエータロッドが押出された状態を示す断面図である図３におけるＡ１領域の拡大図である。図５は、この発明の実施の形態１に係るターボ用空圧式アクチュエータを説明するためのアクチュエータロッドが引込まれた状態を示す断面図である。図６は、この発明の実施の形態１に係るターボ用空圧式アクチュエータを説明するためのアクチュエータロッドが引込まれた状態を示す断面図である図５におけるＡ２領域の拡大図である。図７は、この発明の実施の形態１に係るターボ用空圧式アクチュエータが搭載されたターボチャージャシステムにおける印加圧力（負圧）とアクチュエータロッドストロークとの関係の一例を示す図である。図８は、従来の軸受にて支持したターボ用空圧式アクチュエータのアクチュエータロッドが押出された状態を示す断面図である。図９は、従来の軸受にて支持したターボ用空圧式アクチュエータのアクチュエータロッドが引込まれた状態を示す断面図である。

図１に示すように、ターボチャージャ１は、エンジン２からの排気通路３を流通する排気ガスにより回転するタービン４と、タービン４と一体に回転して吸入した空気を加圧してエンジン２への吸入通路５へ流通させるコンプレッサ６と、排気通路３に設けられて排気ガスの一部を排気バイパス通路７からマフラ８へ迂回させるためのバルブ９と、バルブ９を開閉させるターボ用空圧式アクチュエータ１０と、ターボ用空圧式アクチュエータ１０を駆動させるための負圧を発生させる負圧ポンプ１１、及び、負圧ポンプ１１で発生させた負圧を制御してターボ用空圧式アクチュエータ１０へ印加するソレノイドバルブ１２とで構成されている。

図２に示すように、バルブ９は、排気通路３を流通する排気ガスを排気バイパス通路７へ迂回させるための開口であるウエストゲート１３に設けられ、排気バイパス通路７の内部に配置されている。

バルブ９は、回動自在に軸支された軸１４が一体的に設けられている。

軸１４は、排気バイパス通路７に設けられた穴から排気ガスが漏れないようにシール部材（図示せず）を介在して回動自在に外部へ突出している。

レバー１５は、一端が排気バイパス通路７から突出した軸１４に取り付けられてバルブ９と一体的に回動し、他端がターボ用空圧式アクチュエータ１０から突出するアクチュエータロッド１６の先端にピン軸１７により屈曲自在に取り付けられている。

図３が示すように、ターボ用空圧式アクチュエータ１０は、アクチュエータロッド１６と、ケース１８と、ハウジング１９と、ダイアフラム２０と、スプリング２４と、スプリングホルダ２５と、球面軸受２６、及び、ホルダ２８とで構成されている。

ターボ用空圧式アクチュエータ１０は、片側が閉じた円筒状のケース１８と、同じく片側が閉じた円筒状のハウジング１９とが開口側を対向してダイアフラム２０を挟み込んでかしめられている。これにより、ケース１８とダイアフラム２０とて気密された圧力室２１が形成されている。また、ケース１８、ハウジング１９、及び、ダイアフラム２０の中心軸は同一線上に配置されている。

ケース１８は、板金で形成されており、圧力室２１へ負圧を印加する圧力印加口２２が設けられている。

ハウジング１９は、板金で形成されており、ターボ用空圧式アクチュエータ１０をターボチャージャ１に固定するための固定ボルト２３が突出して取り付けられている。

ダイアフラム２０は、圧力室２１の圧力により弾性変形するゴムなどの弾性体によって椀状に形成されている。

スプリング２４は、圧力室２１の内部に配置され、片端がケース１８に設けられた円環状の突出部に嵌め込まれ、他端がスプリングホルダ２５を介在してダイアフラム２０を付勢している。また、スプリング２４の中心軸はケース１８の中心軸と同一線上に配置されている。

スプリングホルダ２５は、板金又は樹脂によって外形がダイアフラム２０より若干小さい椀状に形成され、ダイアフラム２０に密接されている。また、スプリングホルダ２５の中心軸はダイアフラム２０の中心軸と同一線上に配置されている。

このスプリングホルダ２５には、レバー１５が取り付けられた反対側のアクチュエータロッド１６の端部が、ダイアフラム２０を挟着して取り付けられている。

アクチュエータロッド１６は、金属の棒材で形成されてハウジング１９から突出している。また、アクチュエータロッド１６の中心軸はアクチュエータロッド１６が押し出された状態において、ハウジング１９と同一線上に配置されている。

図４が示すように、球面軸受２６は、アクチュエータロッド１６を貫通させてアクチュエータロッド１６の外周部にて摺動させる球体、又は、外周面が球面に形成されている。また、アクチュエータロッド１６の軸心Ｃは、球面または球体の中心を貫通している。

この球面軸受２６は、ハウジング１９に形成された保持部２７に収納されて、ホルダ２８によって回転自在に保持されている。

また、球面軸受２６は金属又は樹脂などで形成される。

保持部２７は、ハウジング１９に円筒状の凸部として形成され、アクチュエータロッド１６の外径より若干大きな開口が突設されて、アクチュエータロッド１６が突出している。

ホルダ２８は、アクチュエータロッド１６の外径より若干大きな開口が突設されて、アクチュエータロッド１６が挿通している。また、ホルダ２８は、ハウジング１９に固定ボルト２３と一緒に固定される。

図５は、図３の構成において、アクチュエータロッド１６が引込まれた状態を示している。

図６は、図４の構成において、アクチュエータロッド１６が引込まれた状態を示している。

次に、このように構成されたターボ用空圧式アクチュエータにおける作用について図３から図６を用いて説明する。圧力印加口２２に印加された負圧は、圧力室２１に大気との差圧を発生させる。この差圧がスプリング２４の付勢力を超えると、ダイアフラム２０が弾性変形して圧力室２１の側へ引き寄せられる。そして、ダイアフラム２０に接続されたアクチュエータロッド１６が、球面軸受２７を摺動してターボ用空圧式アクチュエータ１０の内部へ引き込まれる。その結果、アクチュエータロッド１６はピン軸１７によりレバー１５に屈曲自在に取り付けられているので、レバー１５はアクチュエータロッド１６の引き込み動作によりレバー１５に取り付けられた軸１４を回転させる。これにより、軸１４が一体的に設けられたバルブ９とレバー１５とが一体的に回動してバルブ９が開かれる。

圧力印加口２２に印加された負圧が解除されると、スプリング２４の付勢力によってダイアフラム２０の弾性変形は元に戻される。そして、ダイアフラム２０に接続されたアクチュエータロッド１６は、ターボ用空圧式アクチュエータ１０から押し出される。その結果、レバー１５は反対方向へ回動される。これにより、バルブ９が閉じられる。

したがって、アクチュエータロッド１６の往復運動により、アクチュエータロッド１６の先端は揺動するので、その先端には中心軸の振れＹが生じる。この振れＹは、球面軸受２６が角度ｙの回転をすることによって、アクチュエータロッド１６の中心軸を軸心Ｃから軸心Ｃｙへ傾くことにより吸収される。

図７は、ターボ用空圧式アクチュエータが搭載されたターボチャージャシステム１における圧力印加口２２に印加された負圧によるアクチュエータロッド１６のストローク量の遷移の一例を示すグラフである。縦軸は印加された負圧の圧力値、横軸はアクチュエータロッド１６のストロース量を示す。ここで、実線が本発明の球面軸受２５、破線が図８及び図９で示す従来の軸受３６を示す。破線Ｊ１は従来の軸受３６においてアクチュエータロッド１６の押し出し状態から引き込み状態への遷移、すなわち、バルブ９の閉状態から開状態への遷移を示す。破線Ｊ２は従来の軸受３６においてアクチュエータロッド１６の引き込み状態から押し出し状態への遷移、すなわち、バルブ９の開状態から閉状態への遷移を示す。実線Ｋ１は球面軸受２５においてアクチュエータロッド１６の押し出し状態から引き込み状態への遷移、すなわち、バルブ９の閉状態から開状態への遷移を示す。実線Ｋ２は球面軸受２５においてアクチュエータロッド１６の引き込み状態から押し出し状態への遷移、すなわち、バルブ９の開状態から閉状態への遷移を示す。アクチュエータロッド１６の引き込み動作と押し出し動作において印加する負圧の差異がヒステリシスＨＪ、ＨＫとして発生するが、図７が示すように、本発明の球面軸受２５のヒステリシスＨＫは従来の軸受３６のヒステリシスＨＪと比べてヒステリシスが抑制される。

以上述べたように、この実施の形態１にて示したターボ用空圧式アクチュエータにあっては、アクチュエータロッドを貫通させてアクチュエータロッドの外周部にて摺動し、外周面を球面に形成した球面軸受を設けることにより、従来の軸受３６を用いる場合に比べて、摺動抵抗を低減してヒステリシスを抑制できる。その結果、制御が容易にできるという効果を奏する。

また、実施の形態１におけるターボ用空圧式アクチュエータにあっては、１本のアクチュエータロッド１６で構成することにより、２本のロッドをユニバーサルジョイントで連結する場合に比べて、部品点数を削減できる。その結果、がたつきを低減して特性を安定させることができるという効果を奏する。

さらに、部品点数を削減できるので、安価となり、また、信頼性、組立性及びメンテナンス性も向上させることができる効果も奏する。

なお、上記した実施の形態１では、圧力印加口２２へは負圧が印加されるものとしたが、正圧であっても良い。

ところで、上記した実施の形態に示したターボ用空圧式アクチュエータは、ターボチャージャのウエストゲートバルブ開閉用のレバー等を駆動するアクチュエータとして説明したが、ウエストゲートバルブに限られるものではなく、ウエストゲートバルブとは異なるバルブを駆動するものであっても良いことは言うまでもない。

また、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

本発明のターボ用空圧式アクチュエータは、ウエストゲートバルブの開度制御に用いることができる。

１ ターボチャージャシステム、 ２ エンジン、 ３ 排気通路、 ４ タービン、 ５ 吸気通路、 ６ コンプレッサ、 ７ 排気バイパス通路、 ８ マフラ、 ９ バルブ、 １０ ターボ用空圧式アクチュエータ、 １１ 負圧ポンプ、 １２ ソレノイドバルブ、 １３ ウエストゲート、 １４ 軸、 １５ レバー、 １６ アクチュエータロッド、 １７ ピン軸、 １８ ケース、 １９ ハウジング、 ２０ ダイアフラム、 ２１ 圧力室、 ２２ 圧力印加口、 ２３ 固定ボルト、 ２４ スプリング、 ２５ スプリングホルダ、 ２６ 球面軸受、 ２７ 保持部、 ２８ ホルダ、 ３６ 軸受、 Ｙ 振れ、 ｙ 角度、Ｃ 軸心、 Ｃｙ 軸心、 Ｊ１ 破線、 Ｊ２ 破線、 Ｋ１ 実線、 Ｋ２ 実線、 ＨＪ ヒステリシス、 ＨＫ ヒステリシス

Claims (2)

1. ケースと、
   前記ケースに設けられ、圧力が印加される圧力印加口と、
   前記ケースに対向して圧着されたハウジングと、
   前記ケースと前記ハウジングに挟着され、弾性体で形成されたダイアフラムと、
   前記ケースに配置されて前記ダイアフラムを付勢するスプリングと、
   一端が前記ダイアフラムに取り付けられ、他端が前記バルブに接続されて回動するレバーに取り付けられた前記ハウジングから突出するアクチュエータロッドと、
   前記ハウジングに収納され、前記アクチュエータロッドを貫通させて前記アクチュエータロッドの外周部にて摺動し、外周面を球面に形成した球面軸受と、
   を備えたターボ用空圧式アクチュエータ。
2. 前記球面軸受が球体であること
   を特徴とする請求項１に記載のターボ用空圧式アクチュエータ。

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