JP5262543B2

JP5262543B2 - ダイヤフラムアクチュエータ

Info

Publication number: JP5262543B2
Application number: JP2008260491A
Authority: JP
Inventors: 文得佐々木; 誠一鈴木
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2008-10-07
Filing date: 2008-10-07
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2028-10-07
Also published as: JP2010090766A

Description

本発明は、排気バイパスバルブを開閉するためのダイヤフラムアクチュエータに関するものである。

車両に搭載されたエンジンの２ステージターボシステムとして、異なる大きさ、特性違いの２個のターボを、高圧段と低圧段とで直列に設けると共に、高圧段ターボのタービンをバイパスする排気バイパス通路を設けたものがある。その２ステージターボシステムでは、排気バイパス通路に設けた排気バイパスバルブの開閉を切り換えることで、エンジンから排出されたガスを、高圧段ターボまたは低圧段ターボのどちらかのタービンに導くようにしている（例えば、特許文献１参照）。

従来、この排気バイパスバルブの切り換え機構として、例えば、図４のように、ダイヤフラムアクチュエータを用いたものが知られている。

図４において、１００は排気バイパス通路、１０１は排気バイパスバルブ、１０２はダイヤフラムアクチュエータである。

ダイヤフラムアクチュエータ１０２は、リンク機構１０３を介して排気バイパスバルブ１０１に連結されたシャフト１０４と、そのシャフト１０４に固定されたダイヤフラム１０５と、そのダイヤフラム１０５により内部が上室１０６と下室１０７とに区画されたケース１０８と、そのケース１０８の上室１０６に収容されシャフト１０４を下方（開側）に付勢するスプリング１０９とを有する。

ケース１０８の上室１０６には、バキュームポンプに連通する負圧ライン１１０が接続され、その負圧ライン１１０には、電子バキュームレギュレーティングバルブ（ＥＶＲＶ）１１１が設けられる。そのＥＶＲＶ１１１は、図示しない車両の電子制御モジュール（ＥＣＭ）により制御される。

この切り換え機構では、バキュームポンプの負圧をＥＶＲＶ１１１を介して制御して、ケース１０８の上室１０６に供給される負圧値を制御することで、アクチュエータ１０２のシャフト１０４を作動させている。

すなわち、ＥＣＭによりＥＶＲＶ１１１が全閉とされると、スプリング１０９の付勢力によりシャフト１０４が押し下げられ、排気バイパスバルブ１０１が全開となる。このときは、排気バイパス通路１００が開放されて１段過給が行われる。

ＥＣＭによりＥＶＲＶ１１１が開側に作動されると、ケース１０８の上室１０６に負圧がかかり、その負圧によりダイヤフラム１０５およびシャフト１０４が引き上げられ、排気バイパスバルブ１０１が閉側に作動する。さらに、ＥＶＲＶ１１１が全開となると排気バイパスバルブ１０１が全閉となり、２段過給が行われる。

ここで、２ステージターボシステムでは、排気ガス・燃費をより改善するために、エンジンの排気圧を下げ、かつ排気ガス走行域での高圧段ターボをいかに有効に使うかが一つの鍵となる。

例えば、車両走行中に加速アクセル操作により、エンジンの排気圧が過度に高くなると燃費が悪化する。そこで、図４の切り換え機構では、２段過給時に、エンジンの排気圧が過度に上昇したときには、ＥＣＭがＥＶＲＶ１１１を制御して排気バイパスバルブ１０１を僅かに開き、エンジンの排気を排気バイパス通路１００から逃がして、排気圧を低減するようにしている。

特開２００８−１３３８０８号公報

しかしながら、従来の排気バイパスバルブ１０１の切り換え機構には、エンジンの排気を逃がす際に、排気バイパスバルブ１０１の応答遅れが生じるという問題があった。

すなわち、エンジンの排気を逃がすために排気バイパスバルブ１０１を僅かに開くには、ＥＶＲＶ１１１をＥＣＭからの電気信号で動かしてダイヤフラムアクチュエータ１０２に供給される負圧値を変える必要があり、この負圧ソース発生のロジックにより、ＥＶＲＶ１１１を作動させてもダイヤフラムアクチュエータ１０２に供給される負圧がすぐには低下しないことから排気バイパスバルブ１０１の応答遅れが発生していた。この排気バイパスバルブ１０１の応答遅れを極力なくし、微少な開閉制御の応答性を上げることが望まれていた。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、排気バイパスバルブの応答遅れを抑制できるダイヤフラムアクチュエータを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、エンジンに高圧段ターボと低圧段ターボとが設けられると共に上記エンジンの排気通路に上記高圧段ターボのタービンから上記低圧段ターボのタービンへバイパスする排気バイパス通路が設けられ、その排気バイパス通路に設けられた排気バイパスバルブを開閉するためのダイヤフラムアクチュエータにおいて、上記排気バイパスバルブを直接開閉する第１アクチュエータ部と、その第１アクチュエータ部を介して上記排気バイパスバルブを開閉する第２アクチュエータ部とからなり、上記第１アクチュエータ部が、大気圧室と第１負圧室とを区画する大径の第１ダイヤフラムと、一端に上記排気バイパスバルブが連結されると共に、他端に上記第１ダイヤフラムが固定され、上記排気バイパスバルブ側に移動したとき上記排気バイパスバルブを開弁する第１シャフトと、該第１シャフトを上記排気バイパスバルブの閉弁側である上記大気圧室側に付勢する第１スプリングとを備え、上記第２アクチュエータ部が、上記高圧段ターボの過給圧が導入される過給圧室と第２負圧室とを区画する小径の第２ダイヤフラムと、一端に上記第１シャフトが係合すると共に、他端に上記第２ダイヤフラムが固定された第２シャフトと、該第２シャフトを上記排気バイパスバルブの閉弁側である上記過給圧室側に付勢する第２スプリングとを備え、上記第１及び第２負圧室には、バキュームスイッチングバルブを介して負圧源が接続され、上記バキュームスイッチングバルブには、エンジンの運転状態に基づいて２段過給と１段過給とを切り換えると共に、２段過給にするとき上記第１及び第２負圧室を大気開放して上記排気バイパスバルブを閉弁又は上記過給圧に応じた微少開度開弁し、１段過給にするとき上記第１及び第２負圧室と負圧源とを接続して上記排気バイパスバルブを全開する電子コントロールモジュールが電気的に接続されたものである。

本発明によれば、排気バイパスバルブの応答遅れを抑制できるという優れた効果を発揮するものである。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

本実施形態のダイヤフラムアクチュエータは、例えば、トラックなどの車両に搭載されたディーゼルエンジンの多段ターボシステムに適用される。

まず、図１に基づきエンジンおよびターボシステムの概略構造を説明する。

図１に示すように、エンジン２０は、エンジン本体２１と、そのエンジン本体２１に吸気を供給する吸気通路２２と、エンジン本体２１からの排気を排出する排気通路２３と、その排気通路２３の排気の一部を吸気通路２２に戻すＥＧＲ装置２４と、エンジン２０への吸気を加圧、圧縮するための多段ターボシステム２５とを備える。

図例のエンジン２０は、エンジン本体２１に複数のシリンダ２１１（燃焼室）が形成された多気筒ディーゼルエンジンであり、シリンダ２１１が、吸気通路２２の下流端をなす吸気マニフォールド２２１と排気通路２３の上流端をなす排気マニフォールド２３１とに接続される。

ＥＧＲ装置２４は、排気通路２３と吸気通路２２とを接続するＥＧＲ通路２４１と、そのＥＧＲ通路２４１に設けられたＥＧＲバルブ２４２とを備える。

本実施形態の多段ターボシステム２５は、２ステージターボシステムであり、エンジン２０の吸排気通路２２、２３に直列に設けられた高圧段ターボ２６および低圧段ターボ２７と、高圧段ターボ２６の後述する高圧段タービン３４をバイパスする排気バイパス通路２８と、その排気バイパス通路２８を開閉して低圧段ターボ２７のみによる１段過給と高圧段ターボ２６および低圧段ターボ２７による２段過給とを切り換えるための排気切り換え装置２９と、その排気切り換え装置２９を制御するための電子コントロールモジュール（以下ＥＣＭという、図２参照）１２とを有する。

低圧段ターボ２７は、吸気通路２２に設けられた低圧段コンプレッサ３１と排気通路２３に設けられた低圧段タービン３２とを有する。高圧段ターボ２６は、低圧段コンプレッサ３１よりも下流の吸気通路２２に設けられた高圧段コンプレッサ３３と、低圧段タービン３２よりも上流の排気通路２３に設けられた高圧段タービン３４とを有する。本実施形態の高圧段ターボ２６は、低圧段ターボ２７よりも大きな容量を有する。

高圧段コンプレッサ３３の下流の吸気通路２２には、高圧段コンプレッサ３３（または低圧段コンプレッサ３１）で過給された吸気を冷却するためのインタークーラー２２２が設けられる。

排気バイパス通路２８は、高圧段タービン３４の上流と下流とを連通する。図例では、排気バイパス通路２８の上流端が排気マニフォールド２３１と高圧段タービン３４との間の排気通路２３に接続され、下流端が高圧段タービン３４と低圧段タービン３２との間の排気通路２３に接続される。

図２および図３に示すように、排気切り換え装置２９は、排気バイパス通路２８に設けられた排気バイパスバルブ３７と、その排気バイパスバルブ３７を駆動するダイヤフラムアクチュエータ１とを有する。

排気バイパスバルブ３７は、所謂スイング弁であり、弁体４１と、その弁体４１を保持するアーム４２と、ダイヤフラムアクチュエータ１の後述する第１シャフト２に連結されたレバー４３と、それらアーム４２とレバー４３とが固定された回動自在な回動軸４４とを有し、第１シャフト２が軸方向に沿って移動することで、レバー４３とアーム４２とが回動軸４４を支点に一体的に回動して弁体４１が排気バイパス通路２８を開閉するように構成される。また、排気バイパス通路２８には、弁体４１を着座させるための弁座４５が形成される。

より詳細には、排気バイパスバルブ３７は、ノーマルクローズであり、弁体４１が弁座４５に着座した状態（排気バイパス通路２８が閉塞した状態）から、第１シャフト２が軸方向に沿って下方に移動すると、レバー４３およびアーム４２が反時計回りに回転して弁体４１が弁座４５から離間し、排気バイパス通路２８が開放される。このとき、開放される排気バイパス通路２８の面積（排気バイパスバルブ３７の開度）は、第１シャフト２の移動量が大きいほど大きくなる。

本実施形態のダイヤフラムアクチュエータ１は、一端に排気バイパスバルブ３７が連結されると共に他端に第１ダイヤフラム３が固定され第１ダイヤフラム３に所定の圧力（本実施形態では負圧）が付与されたときに排気バイパスバルブ３７を全開にする第１シャフト２と、その第１シャフト２を閉弁側に付勢する第１スプリング４と、一端に第１シャフト２が係合すると共に他端に高圧段ターボ２６の過給圧が付与される第２ダイヤフラム５が固定され第２ダイヤフラム５に付与される過給圧に応じて第１シャフト２を介して排気バイパスバルブ３７を開弁側に作動させる第２シャフト６と、その第２シャフト６を閉弁側に付勢する第２スプリング７と、第１ダイヤフラム３および第２ダイヤフラム５を収容するケース８とを備える。

以下の説明では、図２の上下方向が第１シャフト２の軸方向であり、図２の上方が閉弁側、下方が開弁側である。

ケース８は、上下方向に延び第１シャフト２および第２シャフト６を囲う筒状に形成される。図例のケース８は、複数の筒状のケース部材を上下方向に連結して構成され、下方から順に第１ケース部材８１と第２ケース部材８２と第３ケース部材８３とを有する。

第１ケース部材８１は、上下方向に延びる円筒状の筒体部８１１と、その筒体部８１１の下端を閉塞する底部８１２とを有する。

第１ケース部材８１の底部８１２には、第１シャフト２が上下に貫通する貫通穴８１３と、第１シャフト２に摺動し貫通穴８１３（および後述する第１負圧室９）を気密に保つための環状のシール部材５１と、第１シャフト２を軸方向に移動可能に支持する環状のガイド部材５２とが設けられる。図例では、底部８１２の上面に形成された凹部８１４内に第１シャフト２を囲うようにボス部８１５が形成され、そのボス部８１５に貫通穴８１３が形成されると共に、ボス部８１５内にシール部材５１とガイド部材５２とが配置される。

第１ケース部材８１の筒体部８１１の上端には、第２ケース部材８２を取り付けるためのフランジ８１６が形成される。そのフランジ８１６は、後述する第２ケース部材８２のフランジ８２４に突き合わされ接合（図例ではボルト接合）される。それら第１ケース部材８１と第２ケース部材８２との間には、第１ダイヤフラム３が配置される。

第１ダイヤフラム３は、ほぼ円板状に形成され、その周縁部が、第１ケース部材８１と第２ケース部材８２との間に挟み込まれて保持される。また、第１ダイヤフラム３の中心部は、第１シャフト２の上端部に固定される。

この第１ダイヤフラム３により、第１ケース部材８１が上方から閉塞され、第１ケース部材８１内に第１ダイヤフラム３に上記所定負圧を付与するための第１負圧室９が形成される。

より具体的には、第１負圧室９は、第１ダイヤフラム３の下面と筒体部８１１の内面と底部８１２の上面とにより区画形成され、筒体部８１１に設けられた供給口８１７とその供給口８１７に接続された負圧ライン３９とを介して負圧源３８に接続される。その第１負圧室９内には、第１スプリング４が配置される。

第１スプリング４は、例えば、コイルスプリングからなり、第１シャフト２の上端の後述するスプリングリテーナ５５と第１ケース部材８１との間に、上下方向に伸縮可能に配置される。第１スプリング４の下端は第１ケース部材８１のボス部８１５に嵌め合わされ、上端は、スプリングリテーナ５５に係合する。

第１シャフト２は、第１ケース部材８１と同心的に配置され、第１ダイヤフラム３のほぼ中心から下方に延び、第１ケース部材８１を貫通して第１ケース部材８１から下方に突出する。

第１シャフト２の下端は、上述した排気バイパスバルブ３７のレバー４３に回動自在に取り付けられる。また、第１シャフト２の下端部（第１ケース部材８１から突出する部分）に、第１シャフト２の長さを調整するためのターンバックル５９が設けられる。

第１シャフト２の上端部には、第１スプリング４を保持するためのスプリングリテーナ５５が設けられると共に、そのスプリングリテーナ５５との間に第１ダイヤフラム３を挟持するためのダイヤフラムリテーナ５６が設けられる。

スプリングリテーナ５５は、上端が閉塞された円筒状に形成され、その上端面に、下方に突出し第１スプリング４の上端を囲繞する環状の突出部が形成される。

ダイヤフラムリテーナ５６は、下端が閉塞された円筒状に形成され、そのダイヤフラムリテーナ５６の下端面と、スプリングリテーナ５５の上端面との間に第１ダイヤフラム３が挟み込まれる。

第２ケース部材８２は、第１ケース部材８１から上方に延びる円筒状の大径部８２１と、その大径部８２１の上端を閉塞する仕切部８２２と、その仕切部８２２から上方に延びる円筒状の小径部８２３とを有する。

大径部８２１は、第１ケース部材８１の筒体部８１１とほぼ同じ内径を有し、その筒体部８１１と同心的に配置される。大径部８２１の下端には、第１ケース部材８１のフランジ８１８に接合されるフランジ８２４が形成される。

大径部８２１の内面と仕切部８２２の下面と第１ダイヤフラム３の上面とにより、大気開放された大気圧室１４が区画形成される。大径部８２１には、大気圧室１４内を大気圧に保つための、外部に連通する開放口８２５が形成される。

仕切部８２２には、第２シャフト６が上下に貫通する貫通穴８２６と、第２シャフト６に摺動し貫通穴８２６（および後述する第２負圧室１０）を気密に保つための環状のシール部材５１と、第１シャフト２を軸方向に移動可能に支持する環状のガイド部材５２とが設けられる。図例では、仕切部８２２の上面に第２シャフト６を囲うようにボス部８２７が形成され、そのボス部８２７に貫通穴８２６が形成されると共に、ボス部８２７内にシール部材５１とガイド部材５２とが配置される。

小径部８２３は、大径部８２１よりも小さな内径を有し、大径部８２１と同心的に形成される。小径部８２３の上端には、第３ケース部材８３を取り付けるためのフランジ８２８が形成される。そのフランジ８２８と第３ケース部材８３の後述するフランジ８３３とが互いに接合（図例ではボルト接合）される。それら小径部８２３と第３ケース部材８３との間には、第２ダイヤフラム５が配置される。

第２ダイヤフラム５は、第１ダイヤフラム３よりも小径のほぼ円板状に形成され、その周縁部が、第２ケース部材８２の上端と第３ケース部材８３の下端との間に挟まれて保持される。また、第２ダイヤフラム５の中心部は、第２シャフト６の上端部に固定される。

この第２ダイヤフラム５により、第２ケース部材８２の小径部８２３が上方から閉塞され、第２ケース部材８２内に第２ダイヤフラム５に負圧を付与するための第２負圧室１０が形成される。

より具体的には、第２負圧室１０は、第２ダイヤフラム５の下面と小径部８２３の内面と仕切部８２２の上面とにより区画形成される。本実施形態では、第２負圧室１０に、第１負圧室９と同じ大きさの負圧が供給される。第２負圧室１０は、小径部８２３に設けられた供給口８２９とその供給口８２９に接続された負圧ライン３９とを介して負圧源３８に接続される。その第２負圧室１０内には、第２スプリング７が配置される。

第２スプリング７は、例えば、コイルスプリングからなり、第２シャフト６の上端の後述するスプリングリテーナ５７と第２ケース部材８２の仕切部８２２との間に、上下方向に伸縮可能に配置される。第２スプリング７は、下端が第２ケース部材８２のボス部８２７に嵌め合わされ、上端がスプリングリテーナ５７に係合する。

第２シャフト６は、第１シャフト２のほぼ真上に位置し、第１シャフト２と上下に一列に並ぶように配置される。第２シャフト６は、第２ダイヤフラム５のほぼ中心から下方に延び、第２ケース部材８２の仕切部８２２を貫通して、第１シャフト２（第１ダイヤフラム３）まで延びる。第２シャフト６の下端は、第１シャフト２を下方に押圧すべく第１シャフト２の上端に係合する。本実施形態では、第２シャフト６の下端が、第１シャフト２の上端と離間可能に当接する。

第２シャフト６の上端部には、第２スプリング７を保持するためのスプリングリテーナ５７が設けられると共に、そのスプリングリテーナ５７との間に第２ダイヤフラム５を挟み保持するダイヤフラムリテーナ５８が設けられる。それらスプリングリテーナ５７およびダイヤフラムリテーナ５８は、第１シャフト２のものと同様の構造を有し、ダイヤフラムリテーナ５８の下端面とスプリングリテーナ５７の上端面との間に第２ダイヤフラム５が挟み込まれる。

第３ケース部材８３は、上下方向に延びる円筒状の筒体部８３１と、その筒体部８３１の上端を閉塞する天井部８３２とを有する。筒体部８３１の下端には、第２ケース部材８２のフランジ８２８に接合されるフランジ８３３が形成される。

第３ケース部材８３の天井部８３２の下面と筒体部８１１の内面と第２ダイヤフラム５の上面とにより、第２ダイヤフラム５に高圧段コンプレッサ３３の過給圧（正圧）を付与するための過給圧室１１が区画形成される。

過給圧室１１は、第３ケース部材８３の天井部８３２に設けられた供給口８３４とその供給口８３４に接続された過給圧ライン１５とを介して高圧段コンプレッサ３３の下流に接続される。供給口８３４は、天井部８３２の下面のほぼ中心部に形成され、その供給口８３４を囲うように天井部８３２の下面に下方に突出する環状部８３５が形成される。本実施形態の過給圧ライン１５は、図１に示すように、高圧段コンプレッサ３３とエンジン本体２１との間の吸気通路２２に接続される。

負圧源３８は、例えば、車両に搭載されエンジン本体２１により駆動されるバキュームポンプや、そのバキュームポンプによる負圧を貯めるバキュームタンクなどからなる。

負圧ライン３９は、一端が負圧源３８に接続され、他端が２つに分岐して第１負圧室９および第２負圧室１０に各々接続される。負圧ライン３９には、第１負圧室９および第２負圧室１０に負圧を供給するか否かを切り換えるためのバキュームスイッチングバルブ（以下、ＶＳＶという）１３が設けられる。

ＶＳＶ１３は、ＥＣＭ１２に電気的に接続され、そのＥＣＭ１２からのＥＣＭ信号により制御される。ＶＳＶ１３は、ノーマルクローズ型のＯＮ／ＯＦＦ弁であり、ＥＣＭ信号を受信していないときに負圧ライン３９を閉塞し、ＥＣＭ信号を受信したときに負圧ライン３９を開放する。

ＥＣＭ１２には、ＶＳＶ１３などの各種アクチュエータ類や、図示しないエンジン回転数センサ、アクセル開度センサなどの各種センサ類が電気的に接続される。

ＥＣＭ１２は、エンジン回転数センサやアクセル開度センサの検出信号からエンジン２０の運転状態（エンジン回転数、エンジン負荷）を求め、その求めたエンジン２０の運転状態に基づいて１段過給と２段過給とを切り換えるべく、ＶＳＶ１３をＯＮ／ＯＦＦ制御する。

以上のように、本実施形態のダイヤフラムアクチュエータ１では、第２スプリング７と過給圧室１１と第２ダイヤフラム５とにより正圧（過給圧）で動作するアクチュエータが構成され、第１スプリング４、第１負圧室９および第１ダイヤフラム３と、第２スプリング７、第２負圧室１０および第２ダイヤフラム５とにより負圧で動作するアクチュエータが構成され、これらのアクチュエータの２段階のアクションで第１シャフト２および第２シャフト６を介し排気バイパスバルブ３７が制御される。

詳しくは後述するが、ダイヤフラムアクチュエータ１は、初期（エンジン低回転出力域）の排気バイパスバルブ３７の微少開度を、コンプレッサの過給圧（正圧）を過給圧室１１にかけることで、自動に微少開度制御し、エンジン高回転出力域では、排気ガスの全量を低圧段ターボ２７へ導く必要があるため、第１負圧室９および第２負圧室１０に負圧を掛け、排気バイパスバルブ３７を全開とする。この第１負圧室９および第２負圧室１０にかける負圧は、ＶＳＶ１３で制御される。

次に、図２および図３に基づき本実施形態のダイヤフラムアクチュエータ１の作用を説明する。

そのダイヤフラムアクチュエータ１は、多段ターボシステム２５を２段過給と１段過給とで切り換えるべくＥＣＭ１２により制御される。

まず、２段過給について説明する。

２段過給は、エンジン２０が低回転領域（および／または低負荷領域）で運転されるときに行われる。その２段過給が行われる際、ＥＣＭ１２はＶＳＶ１３を全閉にし、これによりダイヤフラムアクチュエータ１の第１負圧室９と第２負圧室１０とが大気開放される。また、過給圧室１１には、高圧段コンプレッサ３３の下流からの過給圧が付与（印可）され、その過給圧室１１の過給圧が第２ダイヤフラム５の上面に下向きに作用する。

第２シャフト６には、第２ダイヤフラム５からの下向き（開弁側）の力と第２スプリング７からの上向き（閉弁側）の力とが作用し、第１シャフト２には、その第２シャフト６からの下向きの力と、第１スプリング４からの上向きの力とが作用する。

ここで、通常時（車両の定速走行時など）は、第２ダイヤフラム５の下向きの力が、第１スプリング４と第２スプリング７とによる上向きの力以下であり、第１シャフト２は、最も上方に位置して排気バイパスバルブ３７を全閉にする（図２参照）。その排気バイパスバルブ３７により排気バイパス通路２８が閉塞され、排気マニフォールド２３１からの排気はほぼ全量が高圧段タービン３４に導入され、その後、高圧段タービン３４から低圧段タービン３２へと導入される。

これにより、高圧段ターボ２６と低圧段ターボ２７との両方が作動し、それらによる２段過給が行われる。

一方、車両の加速時に、過給圧および排気圧が瞬間的に過度に上昇したときは、過給圧による第２ダイヤフラム５の下向きの力が、第１スプリング４と第２スプリング７とによる上向きの力を超え、その超えた分だけ第１シャフト２が排気バイパスバルブ３７を開弁させる。

これにより、排気バイパス通路２８が一部開放され、その排気バイパス通路２８を通りエンジン２０の排気が排出されることで、排気マニフォールド２３１内の排気圧が低減される。

より具体的には、車両加速時の燃費悪化を防止すべく過給圧の制限値が予め設定されており、その制限値を基に、第１スプリング４と第２スプリング７とのバネ力が、過給圧が制限値のときに第２ダイヤフラム５に作用する力と釣り合うように設定される。なお、本実施形態の制限値は、上記所定の負圧の絶対値よりも大きい。

このように、本実施形態では、ダイヤフラムアクチュエータ１を、２段過給の実行時に過給圧が制限値以下のときに排気バイパスバルブ３７を閉弁し、制限値を超えるときに排気バイパスバルブ３７を過給圧に応じた微少開度にて開弁するように構成したので、排気バイパスバルブ３７の応答遅れを抑制することができる。

すなわち、図４に示す従来のアクチュエータ１０２は、排気バイパスバルブ１０１がノーマルオープンとなるように構成されており、２段過給を行う場合は、アクチュエータ１０２に負圧をかけることで排気バイパスバルブ１０１を全閉保持し、車両加速時に排気マニフォールド圧上昇による燃費悪化を防ぐ必要があるときには、排気バイパスバルブ１０１を一瞬、少量開け、再度全閉するようにしている。その排気バイパスバルブ１０１の作動は、負圧アクチュエータ１０２にかける負圧を一瞬抜き、再度かけるという負圧の制御をＥＶＲＶ１１１でＥＣＭからの信号で制御するので、その信号の出力やＥＶＲＶ１１１の作動のために、排気バイパスバルブ１０１を全閉−少量開−全閉とする動作に時間を要していた。

これに対して、本実施形態のダイヤフラムアクチュエータ１は、排気バイパスバルブ３７がノーマルクローズとなるように構成されており、過給圧室１１にかかるターボコンプレッサ圧（過給圧）のみでの排気バイパスバルブ３７の全閉−少量開−全閉と動作させることができ、ＥＣＭ信号とＥＶＲＶとを介さないので、それら作動の時間の分だけ、応答性を向上させることができる。その結果、２ステージターボシステムの高圧段ターボ２６の過給を有効とできる。

次に、１段過給について説明する。

１段過給は、エンジン２０が、高回転領域（および／または高負荷領域）で運転されるときに行われる。その１段過給が行われる際、ＥＣＭ１２は、ＶＳＶ１３にＥＣＭ信号を送信して、ＶＳＶ１３を全開にする。これにより、第１負圧室９と第２負圧室１０とに所定の負圧が各々付与され、その第１負圧室９内の負圧が第１ダイヤフラム３の下面に上向きに作用し、第２負圧室１０内の負圧が第２ダイヤフラム５の下面に上向きに作用する。また、上述したように、過給圧室１１の過給圧が第２ダイヤフラム５の上面に下向きに作用する。

第２シャフト６には、過給圧および負圧による第２ダイヤフラム５からの下向きの力と第２スプリング７からの上向き（閉弁側）の力とが作用し、第２シャフト６が、下方に付勢される。

第１シャフト２には、第２シャフト６からの下向きの力と、負圧による第１ダイヤフラム３からの下向きの力と、第１スプリング４とからの上向きの力とが作用し、第１シャフト２は、最も下方に位置して排気バイパスバルブ３７を全開にする（図３参照）。その排気バイパスバルブ３７により排気バイパス通路２８が開放されると、エンジン２０からの排気は高圧段タービン３４を迂回してほぼ全量が低圧段タービン３２に導入される。

これにより、高圧段ターボ２６が非作動となり低圧段ターボ２７のみが作動し、１段過給が行われる。

以上のように、本実施形態のダイヤフラムアクチュエータ１は、排気バイパスバルブ３７の応答遅れを抑制することができる。

また、シリンダ２１１内に供給する過給された空気圧（過給圧）により、高圧段ターボ２６と低圧段ターボ２７とへの排気ガスの分配を自動に行え、エキゾーストマニフォールド内圧も自動で抑えることができ、燃費面、排ガス面での改善が期待できる。特に、車両加速時に、アクセルが開いた状態から閉じたときの排気バイパスバルブ３７の全閉応答が上がることで、ＥＧＲ装置２４によるＥＧＲ制御の応答も上がりスモークの改善も見込まれる。

また、ＥＶＲＶに比べて安価なＶＳＶ１３により制御できるので、ＥＶＲＶが不要となりコストを低減できる。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されず、様々な変形例や応用例が考えられるものである。

図１は、本発明に係る一実施形態による２ステージターボシステムの模式図である。図２は、本実施形態のダイヤフラムアクチュエータの概略断面図であり、排気バイパスバルブが全閉のときの状態を示す。図３は、本実施形態のダイヤフラムアクチュエータの概略断面図であり、排気バイパスバルブが全開のときの状態を示す。図４は、従来のダイヤフラムアクチュエータの概略断面図である。

符号の説明

１ダイヤフラムアクチュエータ
２第１シャフト
３第１ダイヤフラム
５第２ダイヤフラム
６第２シャフト
２０エンジン
２２吸気通路
２３排気通路
２６高圧段ターボ
２７低圧段ターボ
２８排気バイパス通路
３７排気バイパスバルブ

Claims

エンジンに高圧段ターボと低圧段ターボとが設けられると共に上記エンジンの排気通路に上記高圧段ターボのタービンから上記低圧段ターボのタービンへバイパスする排気バイパス通路が設けられ、その排気バイパス通路に設けられた排気バイパスバルブを開閉するためのダイヤフラムアクチュエータにおいて、
上記排気バイパスバルブを直接開閉する第１アクチュエータ部と、その第１アクチュエータ部を介して上記排気バイパスバルブを開閉する第２アクチュエータ部とからなり、
上記第１アクチュエータ部が、大気圧室と第１負圧室とを区画する大径の第１ダイヤフラムと、一端に上記排気バイパスバルブが連結されると共に、他端に上記第１ダイヤフラムが固定され、上記排気バイパスバルブ側に移動したとき上記排気バイパスバルブを開弁する第１シャフトと、該第１シャフトを上記排気バイパスバルブの閉弁側である上記大気圧室側に付勢する第１スプリングとを備え、
上記第２アクチュエータ部が、上記高圧段ターボの過給圧が導入される過給圧室と第２負圧室とを区画する小径の第２ダイヤフラムと、一端に上記第１シャフトが係合すると共に、他端に上記第２ダイヤフラムが固定された第２シャフトと、該第２シャフトを上記排気バイパスバルブの閉弁側である上記過給圧室側に付勢する第２スプリングとを備え、
上記第１及び第２負圧室には、バキュームスイッチングバルブを介して負圧源が接続され、上記バキュームスイッチングバルブには、エンジンの運転状態に基づいて２段過給と１段過給とを切り換えると共に、２段過給にするとき上記第１及び第２負圧室を大気開放して上記排気バイパスバルブを閉弁又は上記過給圧に応じた微少開度開弁し、１段過給にするとき上記第１及び第２負圧室と負圧源とを接続して上記排気バイパスバルブを全開する電子コントロールモジュールが電気的に接続されたことを特徴とするダイヤフラムアクチュエータ。