(57)【要約】【課題】駆動モータの消費電力を低減させることができる、エンジンにおけるアクチュエータの動弁機構を提供する。【解決手段】駆動モータ５５によって駆動ギア７０を回転駆動し、駆動ギア７０を回転駆動することによって駆動ギア７０に螺合されるバルブシャフト６５を軸方向に進退させ、バルブシャフト６５を進退させることによってバルブシャフト６５に設けられたバルブ６１をバルブシート６２から移動させて流路８２を開閉させ、バルブ６１を開方向に向けて付勢するバネ部材を備えるウェイストゲートバルブ６０に用いられる動弁機構であって、バネ部材を最大に圧縮した際の弾性荷重によって、バルブシャフト６５及び駆動ギア７０を介して駆動モータ５５に加わるトルクが、駆動モータ５５のコギングトルクよりも小さくなるように、バネ部材の最大圧縮荷重が設定される。【選択図】図４
2017057814.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンにおけるアクチュエータに配設される駆動モータと、
該駆動モータによって回転駆動される駆動ギアと、
該駆動ギアに螺合され、前記駆動ギアの回転駆動により軸方向に進退されるバルブシャフトと、
該バルブシャフトの一端部と連結され、前記バルブシャフトが進退されることによってバルブシートに近接離間して前記エンジン内部の流路を開閉するバルブと、
前記バルブシャフトの他端部を、前記軸方向の一方に向けて付勢するバネ部材と、を備えるアクチュエータの動弁機構であって、
前記バネ部材を最大に圧縮した際の弾性荷重によって、前記バルブシャフト及び前記駆動ギアを介して前記駆動モータに加わるトルクが、前記駆動モータのコギングトルクよりも小さくなるように、前記バネ部材の最大圧縮荷重が設定される、アクチュエータの動弁機構。
【請求項２】
前記バネ部材は、板状のプレートを介して直列に配置された第一バネ及び第二バネで構成される、ことを特徴とする、請求項１に記載のアクチュエータの動弁機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンにおけるアクチュエータの動弁機構の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、エンジンにおけるウェイストゲートバルブなどのアクチュエータで用いられる動弁機構として、駆動モータによって駆動ギアを回転駆動することで、駆動ギアに螺合されたバルブシャフトを進退させる構成が知られている（例えば、特許文献１を参照）。ウェイストゲートバルブとは、過給機に設けられ、排気ガスの一部を分流させることによりタービンへの排気ガスの流入量を調節するものである。このようなエンジンの動弁機構においては、バルブシャフトを付勢するためにバネが用いられる。
【０００３】
従来技術に係る動弁機構について、図５及び図６を用いて具体的に説明する。図５に示す如く、動弁機構は、駆動モータと、バルブと、バルブ支持部と、バルブシートと、バルブシャフトと、駆動ギアと、バルブケーシングと、バネと、を具備している。上記の動弁機構においては、駆動モータによって駆動ギアが駆動され、駆動ギアが駆動されることによってバルブシャフトが軸方向に進退され、バルブ支持部が搖動されることによって、バルブがバルブシートから移動して流路が開閉される。バネは、バルブケーシングとフランジとの間に介挿され、フランジ及びバルブシャフトを介して、バルブをバルブケーシングに対して開閉方向の開側に向けて（フランジ及びバルブシャフトを押し上げる方向に）付勢している。
【０００４】
上記の如く、動弁機構にバネを用いた場合に、図５に示す如くバルブシャフトが軸方向に移動し、バルブが流路を閉じると、バネが最大長さＬ０から最小長さＳ０にまで圧縮される。従来技術においては、バネを圧縮した際の弾性荷重によってバルブシャフト及び駆動ギアを介して駆動モータに加わるトルクは、駆動モータのコギングトルク（非通電状態でロータを動かした際に発生するマグネットとコアの間に働く磁気吸引力に起因する位置トルク）よりも大きくなるように設定されていた。これにより、バネの弾性荷重によってバルブシャフトを図５における開側に移動させて、バルブを開状態とすることができる。一方、バネを圧縮した状態でバルブを静止させるためには図６に示す如く、バルブが開状態（バネが最大長さＬ０に伸長した状態）以外の状態においては常に駆動モータを駆動させておく必要があり、駆動モータの消費電力を低減させることが求められていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１９７７６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の解決しようとする課題は、駆動モータの消費電力を低減させることができる、アクチュエータの動弁機構を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【０００８】
即ち、請求項１においては、エンジンにおけるアクチュエータに配設される駆動モータと、該駆動モータによって回転駆動される駆動ギアと、該駆動ギアに螺合され、前記駆動ギアの回転駆動により軸方向に進退されるバルブシャフトと、該バルブシャフトの一端部と連結され、前記バルブシャフトが進退されることによってバルブシートに近接離間して前記エンジン内部の流路を開閉するバルブと、前記バルブシャフトの他端部を、前記軸方向の一方に向けて付勢するバネ部材と、を備えるアクチュエータの動弁機構であって、前記バネ部材を最大に圧縮した際の弾性荷重によって、前記バルブシャフト及び前記駆動ギアを介して前記駆動モータに加わるトルクが、前記駆動モータのコギングトルクよりも小さくなるように、前記バネ部材の最大圧縮荷重が設定されるものである。
【０００９】
請求項２においては、前記バネ部材は、板状のプレートを介して直列に配置された第一バネ及び第二バネで構成されるものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のエンジンの動弁機構によれば、駆動モータの消費電力を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】エンジンの全体的な構成を示した模式図。
【図２】動弁機構（閉状態）の構成を示す側面図。
【図３】動弁機構（開状態）の構成を示す側面図。
【図４】バルブ位置とモータ出力との関係を示した図。
【図５】従来技術に係る動弁機構の構成を示す側面図。
【図６】従来技術に係るバルブ位置とモータ出力との関係を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１を用いて、エンジン１００の構成について説明する。
なお、図１では、エンジン１００の構成をブロック線図にて模式的に表している。また、図１の破線は、電気信号線を表している。
【００１３】
エンジン１００は、本発明の動弁機構が採用された実施形態であるウェイストゲートバルブ６０のアクチュエータを備えるものである。エンジン１００は、給気経路１０と、排気経路２０と、エンジン本体３０と、過給機４０と、制御手段としてのＥｎｇｉｎｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ（以下、ＥＣＵ）５０と、を備えている。エンジン１００は、過給機を備えた直噴式６気筒ディーゼルエンジンとされている。
【００１４】
給気経路１０は、エンジン本体３０に空気を供給する経路であって、給気配管に給気マニホールド１１と、インタークーラー１２と、コンプレッサ４１と、エアクリーナー１４と、を接続して構成されている。
【００１５】
給気マニホールド１１、インタークーラー１２、コンプレッサ４１及びエアクリーナー１４は、外部からエンジン本体３０に向かって、エアクリーナー１４、コンプレッサ４１、インタークーラー１２、給気マニホールド１１の順に配置され、給気配管によって接続されている。
【００１６】
給気マニホールド１１は、エンジン本体３０の各気筒３１・３１・・・に空気を導入するための多岐管である。インタークーラー１２は、コンプレッサ４１の圧縮により温度が上がった空気を冷却する熱交換器である。コンプレッサ４１は、過給機４０の構成部品であって詳しくは後述する。エアクリーナー１４は、不織布等の濾材で給気中に含まれる粉塵などを分離するものである。
【００１７】
排気経路２０は、エンジン本体３０から空気（排気）を排出する経路であって、排気管に排気マニホールド２１と、タービン４２と、を接続して構成されている。排気マニホールド２１、タービン４２は、エンジン本体３０から外部に向かって、排気マニホールド２１、タービン４２の順に配置され、排気管によって接続されている。
【００１８】
排気マニホールド２１は、エンジン本体３０の各気筒３１・３１・・・からの複数の排気管を１つにまとめる多岐管である。タービン４２は、過給機４０の構成部品であって詳しくは後述する。
【００１９】
エンジン本体３０は、シリンダブロック（図示略）と、シリンダヘッド（図示略）と、燃料噴射装置３５と、を備えている。シリンダブロックには、複数（６つ）の気筒３１・３１・・・が形成されている。燃料噴射装置３５は、コモンレールに蓄圧された燃料をインジェクタによって各気筒に噴射する装置である。
【００２０】
過給機４０は、エンジン１００が吸入する空気の圧力を大気圧以上に高める装置である。過給機４０は、コンプレッサ４１と、タービン４２と、を備えている。タービン４２は、排気配管から排出される排気ガスの内部エネルギーを利用して高速回転されるものである。コンプレッサ４１は、タービン４２によって駆動され、圧縮した空気を給気管からエンジン１００に送り込むものである。
【００２１】
バイパス経路４５は、バイパス配管４６によってタービン４２の上流側と下流側とを接続している。バイパス経路４５には、ウェイストゲートバルブ６０が設けられている。ウェイストゲートバルブ６０は、バイパス経路４５を通過する排気流量を制限するものである。
【００２２】
ＥＣＵ５０は、エンジン１００を総合的に電子制御するものである。ＥＣＵ５０は、ウェイストゲートバルブ６０と接続されている。ＥＣＵ５０は、ウェイストゲートバルブ６０を開閉制御して、バイパス経路４５を通過する排気の流量を制御する機能を有している。
【００２３】
次に、図２及び図３を用いて、本発明に係る動弁機構が用いられたウェイストゲートバルブ６０の構成について説明する。図２はウェイストゲートバルブ６０におけるバルブ６１の閉状態を、図３はウェイストゲートバルブ６０におけるバルブ６１の開状態を示している。図２及び図３では、ウェイストゲートバルブ６０の構成を一部断面視かつ側面視として表している。
【００２４】
ウェイストゲートバルブ６０における動弁機構は、駆動手段としての駆動モータ５５と、バルブ６１と、バルブシート６２と、バルブシャフト６５と、駆動ギア７０と、バルブケーシング８０と、バネ部材としての第一バネ９１及び第二バネ９２と、を具備している。第一バネ９１と第二バネ９２とは略同一の構成であり、円板状のプレート６３を介して直列に配置されている。
【００２５】
バルブ６１は、バルブシート６２から移動することによってバルブケーシング８０に形成される流路８２を開閉するものである。流路８２は、バイパス経路４５の途中に設けられている。バルブ６１は、バルブ支持部６８の先端部に配設されている。バルブ支持部６８は、リンク６７を介してバルブシャフト６５の開閉方向の先端部に連結されており、回動軸６９を中心に搖動可能に配設されている。バルブシート６２は、バルブケーシング８０に形成される流路８２の途上に設けられている。
【００２６】
本実施形態においては図２及び図３に示す如く、バルブ６１を開く際にバルブシャフト６５が移動する側（図２及び図３における上側）を「開側」、バルブ６１を閉じる際にバルブシャフト６５が移動する側（図２及び図３における下側）を「閉側」と記載する。上記の如く構成されることにより、図２に示す如くバルブシャフト６５が閉側に移動するとバルブ６１が流路８２を閉塞し、図３に示す如くバルブシャフト６５が開側に移動するとバルブ６１が流路８２を開放する。即ち、バルブ６１は、バルブシャフト６５の閉側端部と連結され、バルブシャフト６５が進退されることによってバルブシート６２に近接離間してエンジン１００の内部の流路８２を開閉するのである。本実施形態においては、図２に示すバルブ６１の位置を「閉位置」、図３に示すバルブ６１の位置を「開位置」、閉位置と開位置との中間におけるバルブ６１の位置を「中間位置」と記載する。
【００２７】
バルブケーシング８０には、収納室８１と、流路８２と、が形成されている。収納室８１は、流路８２よりも開側に形成されている。流路８２は、略Ｌ字形状に形成されている。流路８２の上流側及び下流側には、バイパス配管４６が接続され、バイパス経路４５が構成されている。
【００２８】
バルブシャフト６５は、軸方向（開閉方向）に進退し、バルブ支持部６８を搖動させることによって、バルブ６１をバルブシート６２から移動させるものである。バルブシャフト６５は、バルブケーシング８０に形成される収納室８１を貫通して配置されている。バルブシャフト６５の中途部には螺旋部６５Ｒ（リードスクリュー）が形成されている。
【００２９】
バルブシャフト６５の開閉方向の開側は、ガイドブッシュ６４を介してバルブケーシング８０を貫通して、バルブケーシング８０から延出されている。バルブシャフト６５の開閉方向の開側先端には、円板状の固定板６６が連結されている。バルブシャフト６５の中途部は、収納室８１にて、螺旋部６５Ｒを駆動ギア７０の螺旋部７０Ｒに螺合させて、駆動ギア７０を貫通して配置されている。
【００３０】
第一バネ９１、第二バネ９２、及び、板状のプレート６３からなるバネ部材は、バルブケーシング８０と固定板６６との間に介装される。第一バネ９１及び第二バネ９２はプレート６３を介して直列に配置され、第一バネ９１の開側端部は固定板６６に、第二バネ９２の閉側端部はバルブケーシング８０にそれぞれ固定される。これにより、第一バネ９１及び第二バネ９２はバルブ６１が開く方向である開方向にバルブシャフト６５を付勢している。図２に示す如く、ウェイストゲートバルブ６０におけるバルブ６１が閉状態の時は、第一バネ９１及び第二バネ９２の長さはそれぞれ最小長さＳ１及びＳ２となっている。
【００３１】
プレート６３には、プレート６３を貫通する貫通孔が開口されている。図２及び図３に示す如く、プレート６３の貫通孔の内周部分には、筒状の摺動部材６３ａが配設されている。そして、バルブシャフト６５の中途部が摺動部材６３ａに挿入されている。摺動部材６３ａの内径は、バルブシャフト６５の外径よりも少し（数百μ程度）大径に形成されている。即ち、バルブシャフト６５は、外周面を摺動部材６３ａの内周面と摺接させながら、軸方向に進退することになる。本実施形態において、摺動部材６３ａはバルブシャフト６５の摩耗を抑制するために、摺動性能の高い樹脂系の素材で形成されているが、他の素材で形成することも可能である。動弁機構が使用される環境が高温であれば、摺動部材を例えばカーボンや表面処理を施した金属で形成することが好ましい。
【００３２】
駆動ギア７０は、略円筒形状の内部に螺旋部７０Ｒが形成され、略円筒形状の中途部にギア部が形成されて構成されている。駆動ギア７０は、開閉方向の開側端部及び閉側端部のそれぞれがベアリング７５によって収納室８１（バルブケーシング８０）に対して回動可能に支持されている。
【００３３】
駆動ギア７０のギア部は、ピニオン７１と螺合されている。ピニオン７１は、収納室８１にて回動自在に配置されている。ピニオン７１は、駆動ピニオン７２と螺合されている。駆動ピニオン７２は、駆動モータ５５によって駆動されるものである。
【００３４】
このような構成とすることで、ウェイストゲートバルブ６０では、駆動モータ５５によって駆動ピニオン７２が駆動され、駆動ピニオン７２が駆動されることによってピニオン７１を介して駆動ギア７０が駆動され、駆動ギア７０が駆動されることによってバルブシャフト６５が軸方向に進退され、バルブシャフト６５が軸方向に進退されることによって、バルブ６１がバルブシート６２から移動して流路８２が開閉される。図３に示す如く、ウェイストゲートバルブ６０におけるバルブ６１が開状態の時は、第一バネ９１及び第二バネ９２の長さはそれぞれ最大長さＬ１及びＬ２となる。
【００３５】
上記の如く構成した動弁機構において、図２及び図３に示す如くバルブシャフト６５が移動し、バルブ６１が閉じられると、第一バネ９１は最大長さＬ１から最小長さＳ１にまで圧縮される。また、第二バネ９２は最大長さＬ２から最小長さＳ２にまで圧縮される。この際、第一バネ９１と第二バネ９２とをプレート６３を介して直列に配置することにより、それぞれの第一バネ９１及び第二バネが圧縮されたときのバネ一個あたりの圧縮量（（Ｌ１−Ｓ１）及び（Ｌ２−Ｓ２））を、従来技術のバネが一個の構成における圧縮量（Ｌ０−Ｓ０）と比較して約半減させることができる。これにより、第一バネ９１及び第二バネ９２が圧縮した際の共振周波数を、従来技術のバネが圧縮した際の共振周波数と比較して約２倍とすることができる。即ち、バネの圧縮により固有振動数が小さくなる程度を抑制することができるため、バネの固有振動数がエンジンの振動帯域に入ってバネ（動弁機構）とエンジンとが共振することを防止できる。
【００３６】
本実施形態に係るウェイストゲートバルブ６０においては、バネ部材である第一バネ９１及び第二バネ９２を最大に圧縮した際（最小長さＳ１・Ｓ２に圧縮した際）の弾性荷重によって、バルブシャフト６５及び駆動ギア７０を介して駆動モータ５５に加わるトルクが、駆動モータ５５のコギングトルクよりも小さくなるように、バネ部材の最大圧縮荷重が設定される。具体的には、第一バネ９１及び第二バネ９２の径及び高さを調節することにより、バネ部材の最大圧縮荷重を設定するのである。
【００３７】
本実施形態においては上記の如く構成することにより、バルブ６１が開位置、中間位置、閉位置の何れに位置する場合のバネ部材の圧縮量においても、バネ部材の弾性荷重によって駆動モータ５５に加えられるトルクを、駆動モータ５５のコギングトルクよりも小さくすることができる。このため、バルブ６１の位置に関わらず、駆動モータ５５の駆動を停止した場合には、バネ部材の弾性荷重によってバルブシャフト６５が進退することを防止できる。即ち、図４に示す如く、バルブ６１が開位置、中間位置、閉位置の何れかで静止する場合に、駆動モータ５５の駆動を停止してモータ出力をゼロにすることが可能となり、駆動モータ５５の消費電力を低減させることができるのである。
【００３８】
一方、バルブ６１を開く場合及び閉じる場合のみ、図４に示す如く駆動モータ５５を駆動させることにより、バルブ６１によって流路８２を開閉することができる。具体的には、バルブ６１を閉位置から中間位置に変位させる際、及び、中間位置から開位置に変位させる際には、モータ出力が開側となる方向に駆動モータ５５を駆動する。逆に、バルブ６１を開位置から中間位置に変位させる際、及び、中間位置から閉位置に変位させる際には、モータ出力が閉側となる方向に駆動モータ５５を駆動するのである。
【００３９】
なお、本実施形態において、バネ部材による弾性荷重は、バルブシャフト６５の振動を制止する程度の荷重に設定されている。換言すれば、本実施形態におけるバネ部材は、弾性荷重によりバルブシャフト６５を移動させるために機能するのではなく、バルブシャフト６５の振動を制止する制振部材として機能するのである。また、本実施形態においては、バネ部材を板状のプレート６３を介して直列に配置された第一バネ９１及び第二バネ９２で構成している。これにより、バネ部材の弾性荷重低下によるばね固有値の低下を抑制している。
【００４０】
なお、本実施形態では、本発明の動弁機構をウェイストゲートバルブ６０に用いる構成としたがこれに限定されない。例えば、本発明の動弁機構をＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）に用いる構成であっても良い。
【符号の説明】
【００４１】
６１      バルブ
６２      バルブシート
６３      プレート
６３ａ    摺動部材
６５      バルブシャフト
７０      駆動ギア
８０      バルブケーシング
９１      第一バネ（バネ部材）
９２      第二バネ（バネ部材）
１００    エンジン
【図１】
2017057814.tif 000003
【図２】
2017057814.tif 000004
【図３】
2017057814.tif 000005
【図４】
2017057814.tif 000006
【図５】
2017057814.tif 000007
【図６】
2017057814.tif 000008