WO2011111090A1 - ターボ用ウェストゲートアクチュエータ - Google Patents

ターボ用ウェストゲートアクチュエータ Download PDF

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藤田陽一
松本達也
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三菱電機株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K31/00—Actuating devices; Operating means; Releasing devices
    • F16K31/02—Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic
    • F16K31/04—Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic using a motor
    • F16K31/047—Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic using a motor characterised by mechanical means between the motor and the valve, e.g. lost motion means reducing backlash, clutches, brakes or return means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/12—Control of the pumps
    • F02B37/18—Control of the pumps by bypassing exhaust from the inlet to the outlet of turbine or to the atmosphere
    • F02B37/183—Arrangements of bypass valves or actuators therefor
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • This invention relates to a turbo wastegate actuator (WGA) in which a link for opening and closing a valve is attached to one end of an actuator shaft.
  • WGA turbo wastegate actuator
  • the electrically driven actuator described in Patent Document 1 suppresses thermal expansion of the actuator rod and heat damage of the electric motor unit due to heat conduction from the wastegate valve, and is driven by the electric motor unit.
  • An urging mechanism that urges the linear drive shaft in the forward direction and a urging mechanism that urges the linear drive shaft in the backward direction are provided on the actuator rod base end side. It is not disclosed about solving the problem of the (positive pressure / negative pressure) type actuator.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a turbo wastegate actuator that makes it possible to stabilize and improve the position retention and to perform operations other than during supercharging. To do.
  • a turbo wastegate actuator includes an actuator main body and a motor main body in which an end face of an actuator shaft and an end face of a motor shaft are brought into contact with each other so as to be separable, and the actuator main body always closes the actuator shaft.
  • the motor main body includes a conversion unit that converts the rotational force of the rotor into a linear driving force of the motor shaft.
  • the swinging motion of the actuator shaft can be absorbed on the actuator body side and transmitted to the motor body. Without adversely affecting the motor body. Since the end face of the actuator shaft and the end face of the motor shaft are in contact with each other, the assembly is excellent and the actuator shaft and the motor shaft can be obtained at low cost. As a result, the position holding can be stabilized and highly accurate, and operations other than during supercharging can be performed.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a closed state of a turbo wastegate actuator according to an embodiment of the present invention, in which an end face of an actuator shaft 1 and an end face of a motor shaft 2 are brought into contact with each other so as to be separably connected.
  • a main body 3 and a motor main body 4 are provided.
  • the actuator main body 3 includes a biasing member 5 that constantly biases the actuator shaft in the valve closing direction. It is the structure provided with the conversion part 7 converted into force.
  • the actuator body 3 has a bearing portion 8 that supports the actuator shaft 1 so as to be movable in the axial direction.
  • the actuator shaft 1 has a small-diameter groove 1a in a ring shape on the peripheral surface of the end contacting the motor shaft 2, and a wedge member 9 divided into at least two parts is engaged with the small-diameter groove 1a.
  • a spring receiving member 10 is attached by engaging the central cylindrical portion 10a, and a biasing member 5 such as a coil spring that normally biases the actuator shaft 1 in the valve closing direction between the spring receiving member 10 and the actuator body 3. Is provided. For this reason, even if the actuator shaft 1 and the motor shaft 2 are separated, the actuator shaft 1 is always in contact with the motor shaft 2 by the urging force of the urging member 5 during operation of the motor shaft 2, and the two shafts are integrated. And it works.
  • One end of an L-shaped link 18 that rotates around the shaft 19 is attached to an end (one end) of the actuator shaft 1 that protrudes from the actuator body 3 to the outside so as to be bent by a pin shaft 19a. Accordingly, when the L-shaped link 18 rotates about the shaft 19, the valve 20 provided at the other end of the L-shaped link 18 opens.
  • the motor body 4 has a stator core 11 therein, and stator coils 15 are provided on the stator core 11 at substantially equal intervals.
  • a rotor 6 having a magnet 12 coaxially is provided inside the stator core 11, and a screw hole 14 is formed at the center of the rotor 6.
  • a predetermined gap (not shown) is formed between the outer surface of the magnet 12 and the inner surface of the stator core 11.
  • the upper and lower portions of the rotor 6 are rotatably supported by the motor body 4 by rotating bearings 16a and 16a.
  • a power supply terminal portion 17 for supplying power to the stator coil 15 is formed outside the motor body 4.
  • FIG. 1 shows a valve closed state.
  • the screw portion 2a of the motor shaft 2 screwed with the screw hole 14 of the rotor center hole receives a driving force from the screw.
  • the motor shaft 2 moves linearly while pressing the actuator shaft 1 and protrudes out of the motor body 4 without rotating by the rotation-preventing portion 2b inserted through the slit hole 4a at the lower part of the rotor.
  • the actuator shaft 1 pressed by the motor shaft 2 protrudes from the actuator body 3 while increasing the urging force of the urging member 5 and presses one end of the L-shaped link 18. For this reason, the L-shaped link 18 rotates about the shaft 19 as a fulcrum, and the valve 20 is opened as shown in FIG.
  • the actuator shaft is pushed laterally with respect to the axis by the rotation of the L-shaped link 18 and tilts as shown by the oblique lines in FIG. 3, but the end surface of the actuator shaft and the end surface of the motor shaft Since they are in contact with each other in an arc shape, the motor shaft does not cause a dimensional deviation in the axial direction. Further, since the area of the end surface of the actuator shaft and the one end surface of the motor shaft is increased, a large inclination of the actuator shaft is allowed as shown by the oblique lines in FIG.
  • the motor that converts the rotational force of the rotor 6 to the linear driving force of the motor shaft 2 is exemplified as the actuator shaft drive source.
  • the motor shaft moves on the linear shaft when energized.
  • an electric control actuator an actuator such as a linear solenoid.
  • the opening / closing operation of the valve is controlled by electric control of the motor.
  • the valve can be controlled, and the valve can be stably operated regardless of the presence / absence and influence of the engine exhaust pressure.
  • the end surface of the actuator shaft and the end surface of the motor shaft are configured as circular arc surfaces, even if the actuator shaft is tilted during operation, the motor shaft does not deviate in the axial direction. Also, a large inclination of the actuator shaft can be allowed by increasing the area of the one end face.
  • the basic concept of the actuator shaft 1, the biasing member 5, the bearing portion 8, and the spring receiving member 10 in the actuator body 3 is the same as that of the conventional (pneumatic) actuator body. That is, the actuator main body remains the same, and only the drive source is changed from the pneumatic type to the electric control type. This affects the layout, and the electric control type is the same direct acting type as the conventional pneumatic type, and the mountability is good because the drive source is only changed from the pneumatic type to the electric control type.
  • the valve closing use of the turbo wastegate actuator is basically performed by the actuator main body, and the motor main body acts on the valve opening.
  • current consumption can be reduced.
  • the motor unit and the actuator unit are not fastened, the swinging motion of the actuator shaft 1 can be absorbed on the actuator body 3 side without being transmitted to the motor body 4.
  • ⁇ Oscillating motion of the actuator shaft can be absorbed on the actuator body side and is not transmitted to the motor body, so that the motor body is not adversely affected. Since the actuator shaft and the motor shaft are brought into contact with each other, the assembly is excellent and the actuator shaft and the motor shaft can be obtained at low cost. As a result, it is possible to stabilize and improve the position holding of the wastegate valve provided in the turbocharger and to perform operations other than during supercharging.
  • the turbo wastegate actuator according to the present invention is suitable for stabilizing the position holding of the wastegate valve provided in the turbocharger, increasing the accuracy, and enabling operations other than during supercharging.

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Abstract

　アクチュエータ軸１の端面とモータ軸２の端面とを当接させて分離可能に連結したアクチュエータ本体３およびモータ本体４とを備え、アクチュエータ本体３は前記アクチュエータ軸１を常時閉弁方向に付勢する付勢部材５を備え、モータ本体４は、通電により直線軸上を移動する上記モータ軸２を備えたもの、ターボチャージャに設けたウェストゲートバルブの位置保持の安定化、高精度化および過給時以外の動作を可能にする。

Description

ターボ用ウェストゲートアクチュエータ
　この発明は、アクチュエータ軸の一端に弁を開閉するリンクを取り付けたターボ用ウェストゲートアクチュエータ（ＷＧＡ）に関する。
　ガソリンエンジン車では、今後の燃費規制の強化に伴い、エンジンのダウンサイジングによる燃費改善手段としてターボチャージャ搭載のニーズが高まっている。従来のターボ用アクチュエータにおいては、空圧（正圧・負圧）を駆動源としているが、この空圧（正圧・負圧）式アクチュエータでは、
　・エンジン排圧の影響により位置を保持しにくい（位置保持が不安定、精度が悪い）
　・過給時以外に動作できない（過給時以外に動作するためには、別途ポンプ等必要）
等の課題があった。
　また、ターボ用ウェストゲートアクチュエータにおいては、過給圧の高精度制御のニーズがあり、従来の空圧（正圧・負圧）式アクチュエータに対して電制駆動式アクチュエータが増加傾向にある。特に、ガソリンエンジンのダウンサイジング化に際しては、ターボ用ウェストゲートアクチュエータの電制化がキーであり、この電制駆動式アクチュエータとしては特許文献１がある。
特開２００７－２６２９６４号公報
　しかしながら、この特許文献１に記載されている電制駆動式アクチュエータは、ウェストゲートバルブからの熱伝導によるアクチュエータロッドの熱膨張及び電動モータ部の熱害を抑制するもので、電動モータ部で駆動される直線駆動軸の先端側にはこれを前進方向に付勢する付勢機構と、アクチュエータロッド基端側にはこれを後退方向に付勢する付勢機構が設けられているが、上記空圧（正圧・負圧）式アクチュエータの課題を解消することについては開示されていない。
　この発明は上記のような課題を解消するためになされたもので、位置保持の安定化・高精度化及び過給時以外の動作を可能にするターボ用ウェストゲートアクチュエータを提供することを目的とする。
　この発明に係るターボ用ウェストゲートアクチュエータは、アクチュエータ軸の端面とモータ軸の端面とを当接させて分離可能に連結したアクチュエータ本体およびモータ本体とを備え、アクチュエータ本体は前記アクチュエータ軸を常時閉弁方向に付勢する付勢部材を備え、モータ本体は、ロータの回転力をモータ軸の直線駆動力に変換する変換部を備えたものである。
　この発明によれば、アクチュエータ軸の端面とモータ軸の端面とを当接させて分離可能に連結した構成であるので、アクチュエータ軸の揺動運動はアクチュエータ本体側で吸収でき、モータ本体へ伝達することがなく該モータ本体に悪影響を与えることがない。アクチュエータ軸の端面とモータ軸の端面とを当接させる構成であるから、組立性に優れ、アクチュエータ軸とモータ軸を安価に得ることができる。この結果、位置保持の安定化・高精度化及び過給時以外の動作を可能にする。
この発明のターボ用ウェストゲートアクチュエータを示す閉弁状態の縦断面図である。 この発明のターボ用ウェストゲートアクチュエータを示す開弁状態の縦断面図である。 アクチュエータ軸とモータ軸の当接部の拡大図である。 アクチュエータ軸とモータ軸の当接部の変形例を示す拡大図である。
　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．
　図１はこの発明の実施の形態に係るターボ用ウェストゲートアクチュエータを示す閉弁状態の縦断面であり、アクチュエータ軸１の端面とモータ軸２の端面とを当接させて分離可能に連結したアクチュエータ本体３およびモータ本体４とを備え、アクチュエータ本体３は前記アクチュエータ軸を常時閉弁方向に付勢する付勢部材５を備え、モータ本体４は、ロータ６の回転力をモータ軸２の直線駆動力に変換する変換部７を備えた構成である。
　アクチュエータ本体３は内部にアクチュエータ軸１を軸線方向に移動自在に支持する軸受け部８を有する。アクチュエータ軸１はモータ軸２と当接する端部周面に細径溝１ａをリング状に有し、この細径溝１ａに少なくとも２分割された楔部材９を係合させ、この楔部材９に中心の筒部１０ａを係合させてバネ受け部材１０が取り付けられ、このバネ受け部材１０とアクチュエータ本体３との間にアクチュエータ軸１を常時閉弁方向に付勢するコイルバネ等の付勢部材５が設けられている。このため、アクチュエータ軸１とモータ軸２とは分離されていても、モータ軸２の動作時は、アクチュエータ軸１が付勢部材５の付勢力によってモータ軸２に常時当接し、両軸は一体となって動作する。
　アクチュエータ本体３から外部に突出したアクチュエータ軸１の端部（一端）には、軸１９を支点に回動するＬ字型リンク１８の一端がピン軸１９ａで屈曲自在に取り付けられている。従って、Ｌ字型リンク１８が軸１９を支点に回動すると、そのＬ字型リンク１８の他端に設けられた弁２０が開弁する。
　モータ本体４は内部にステータコア１１を有し、このステータコア１１にはほぼ等間隔にステータコイル１５が設けられている。ステータコア１１の内部には同軸にマグネット１２を備えたロータ６が設けられ、ロータ６の中心にネジ穴１４が形成されている。このマグネット１２の外面とステータコア１１の内面との間には図示しない所定のギャップが形成されている。
　ロータ６の上下部は回転軸受け１６ａ，１６ａによりモータ本体４に回転可能に支持されている。また、モータ本体４の外部には、ステータコイル１５に給電するための電源供給端子部１７が形成されている。
　次に動作について説明する。
　図１は閉弁状態を示すもので、この状態でロータ６が回転すると、そのロータ中心穴のネジ穴１４と螺合しているモータ軸２のネジ部２ａが該ネジから駆動力を受けるため、モータ軸２はロータ下部のスリット穴４ａに挿通した回り止め部２ｂによって回転することなく、アクチュエータ軸１を押圧しながら直線移動してモータ本体４の外に突出する。このモータ軸２で押圧されたアクチュエータ軸１は付勢部材５の付勢力を強めながらアクチュエータ本体３から突出してＬ字型リンク１８の一端を押圧する。このため、Ｌ字型リンク１８は軸１９を支点に回動して、図２に示すように弁２０を開弁状態となる。
　また、図２の開弁状態において、ロータ６を上記とは逆方向に回転させると、そのロータ中心穴のネジ穴１４と螺合しているモータ軸２のネジ部２ａが該ネジから図１の場合とは逆方向の駆動力を受けるため、モータ軸２はロータ下部のスリット穴４ａに挿通した回り止め部２ｂによって回転することなく、直線移動してモータ本体４内に後退する。モータ軸２が後退すると、このモータ軸２に追従して、アクチュエータ軸１が付勢部材５の復元力によってアクチュエータ本体３内に後退する。この後退に伴って、Ｌ字型リンク１８が反時計方向に回動し、図１に示すように弁２０を閉弁させる。この閉弁状態において、アクチュエータ軸１の後退動作は停止する。一方、モータ軸２はアクチュエータ軸１から離れた所定位置まで後退したことが不図示のセンサ等で検出されることでロータ６が停止し、図１に示す閉弁状態となる。
　アクチュエータ軸は上記の動作過程において、Ｌ字型リンク１８の回動によって軸線に対し横方向に押されて、図３に示す斜線示のように傾くが、アクチュエータ軸の端面とモータ軸の端面とが円弧状で当接しているので、モータ軸は軸方向に寸法ずれを生じることがない。また、アクチュエータ軸の端面とモータ軸の一方の端面の面積を大きくしたので、図４に示す斜線示のようにアクチュエータ軸の大きな傾きを許容する。
　なお、上記実施の形態１では、アクチュエータ軸の駆動源として、ロータ６の回転力をモータ軸２の直線駆動力に変換するモータを例示したが、例えば、通電するとモータ軸が直線軸上を移動する電制アクチュエータ（リニアソレノイド等のアクチュエータ）を利用することもできる。
　以上のように、この実施の形態によれば、アクチュエータ軸の端面とモータ軸の端面とを当接させて分離可能に連結した構成であるので、モータの電気的なコントロールによりバルブの開閉動作を制御することができ、エンジン排圧の有無及び影響に関係なくバルブを安定的に動作させることが可能である。この場合、アクチュエータ軸の端面とモータ軸の端面とを円弧面に構成しているので、動作中にアクチュエータ軸が傾いても、モータ軸は軸方向の寸法がずれることがない。また、その一方の端面の面積を大きくすることにより、アクチュエータ軸の大きな傾きを許容することができる。
　また、この構成ではアクチュエータ本体３内のアクチュエータ軸１、付勢部材５、軸受け部８、バネ受け部材１０の基本コンセプトは従来（空圧式）のアクチュエータ本体と同じである。つまり、アクチュエータ本体は従来のままで、駆動源のみ空圧式から電制式へ変更することになる。これはレイアウトに影響し、電制式は従来の空圧式と同じ直動式タイプであり、駆動源が空圧式から電制式へ変更しているだけなので搭載性も良い。
　そして、モータ本体４とアクチュエータ本体３が締結していない（分離可能である）から、ターボ用ウェストゲートアクチュエータの閉弁用途はアクチュエータ本体で行うことを基本としており、モータ本体は開弁に作用するだけでよく、電流消費量を少なくすることが可能である。その他に、モータ部とアクチュエータ部が締結していないことにより、アクチュエータ軸１の揺動運動をモータ本体４へ伝達することなくアクチュエータ本体３側で吸収できる。
　アクチュエータ軸の揺動運動はアクチュエータ本体側で吸収でき、モータ本体へ伝達することがなく該モータ本体に悪影響を与えることがない。アクチュエータ軸とモータ軸とを当接させる構成であるから、組立性に優れ、アクチュエータ軸とモータ軸を安価に得ることができる。この結果、ターボチャージャに設けたウェストゲートバルブの位置保持の安定化・高精度化及び過給時以外の動作を可能にする。
　この発明に係るターボ用ウェストゲートアクチュエータは、ターボチャージャに設けたウェストゲートバルブの位置保持の安定化、高精度化および過給時以外の動作を可能にするのに適するものである。

Claims (3)

  1. 　アクチュエータ軸の一端に弁を開閉するリンクを取り付けたターボ用ウェストゲートアクチュエータにおいて、
    　前記アクチュエータ軸の端面とモータ軸の端面とを当接させて分離可能に連結したアクチュエータ本体およびモータ本体とを備え、
    　前記アクチュエータ本体は、前記アクチュエータ軸を常時閉弁方向に付勢する付勢部材を備え、
    　前記モータ本体は、通電により直線軸上を移動する上記モータ軸を備えたことを特徴とするターボ用ウェストゲートアクチュエータ。
  2. 　当接させるアクチュエータ軸の端面とモータ軸の端面とを円弧面としたことを特徴とする請求項１記載のターボ用ウェストゲートアクチュエータ。
  3. 　当接させるアクチュエータ軸の端面とモータ軸の端面の一方の面積を大きくしたことを特徴とする請求項２記載のターボ用ウェストゲートアクチュエータ。
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