ターボチャージャ（過給器）用流量制限装置
【課題】より多くのエネルギーが、各排気プロセス期間の間回収されるターボチャージャ用流量制限装置を提供すること。
【解決手段】
本発明のターボチャージャ用流量制御装置（１００）は、ターボチャージャの入口の流量を可変的に制限する可変配置の流量制限装置（１０２）を有する。制御装置（３１２）は、ターボチャージャ入口（３０１）のセンサ圧力（３００）に基づいて流量制限装置の位置を制御する。
【解決手段】
本発明のターボチャージャ用流量制御装置（１００）は、ターボチャージャの入口の流量を可変的に制限する可変配置の流量制限装置（１０２）を有する。制御装置（３１２）は、ターボチャージャ入口（３０１）のセンサ圧力（３００）に基づいて流量制限装置の位置を制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボチャージャの流量制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガソリンとディーゼルの内燃機関用のターボチャージャは、従来公知の装置である。ターボチャージャは、吸引した空気流を圧縮しエンジンの燃焼室に流す。これは、エンジンから出た排気ガスの熱と容積流を用いて、行う。具体的には、エンジンから出た排気ガスは、ターボチャージャのタービン・ハウジング内に流され、ハウジング内で排気ガス駆動タービンを回転する。この排気ガス駆動タービンは、シャフトの一端に搭載される。このシャフトは、その他端に搭載される半径方向のエアコンプレッサのシャフトと共通である。かくして、タービンの回転運動により、エアコンプレッサは、ターボチャージャのコンプレッサ・ハウジング内で回転する。このコンプレッサ・ハウジングは、排気ハウジングから分離している。エアコンプレッサの回転動作により、取り込まれた空気は、コンプレッサ・ハウジング内に入り、所望の圧力に圧縮され、その後燃料と混合され、エンジンの燃焼室内で燃焼する。
【０００３】
取り込まれた空気が圧縮される量は、タービン・ハウジングを通る排気ガスの量を調整することにより制御される。この調整は、排気ゲートにより、或いはタービンにタービン・ハウジングを介して接続される排気ガスチャネル（即ち通路）を選択的に開閉することにより、行われる。このような調整可能な排気ガスチャネルを有するターボチャージャは、産業界では可変形状ターボチャージャ（Variable Geometry Turbbocharger (VGT)）と称する。ＶＧＴは、通常タービン・ハウジング内で、排気ガス・ソースとタービンとの間に配置された可動部材を有する。この可動部材は、タービン・ハウジング外から適宜の駆動機構で活性化され、排気ガスからタービンへの体積流量を、その時のエンジンの動作状態（例、エンジン速度、エンジン負荷、ブースト（コンプレッサ）圧力あるいはエンジンにかかる差圧）の要求により、増減する。排気ガスをタービンに流す体積流量を増減することは、タービン・シャフトの反対側に搭載されたコンプレッサにより生成される取り込み空気圧力を、増減する。
【０００４】
現在公知のＶＧＴは、特許文献１に記載されている。ＶＧＴは、内燃機関が準備段階モードあるいは遷移動作モードのいずれかにある時に、内燃機関と共に動作する。これは、エンジン動作パラメータと称し、例えばエンジンの回転速度、一定あるいは変動する負荷である。
【０００５】
従って、従来のＶＧＴは、所定の最適設計ポイントを超えたエンジンの動作範囲に渡って、タービンの入口形状を排気ガス流の特性に合わせるので、近年では極めて一般的となっている。これによれば、固定形状のターボチャージャが最初に設計された。この結果、（特に排気ガス再循環システムと組み合わせて、）放出粒子が減少し、特に低速でのより高い圧力となり、低負荷状態となる。それ故に利用可能なトルクが増大し、エンジンの動作範囲の低速領域での加速度の向上につながる。さらに、ターボチャージャのラグ（反応遅れ）性能は、大幅に改善された。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６１５８９５６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし問題は残る。ＶＧＴは、エンジン動作状態に応じてターボチャージャの形状を変えることができるが、利用可能なエネルギの利点を全て享受している訳ではない。より多くのエネルギーが、各排気プロセス期間の間回収されると、タービンにより吸収されるエネルギーの量が増加し、それ故に、ターボチャージャは、同一のエンジン動作状態の下で、より多くのパワーを取り出すことができる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は特許請求の範囲に記載したとおりである。流量制限装置の動きは、その瞬間のエンジンの状態に依存して制御されるために、エネルギーの取り出しが改善される。さらに、往復運動するアクチュエータと流量制限装置との間に、旋回（回転）リンクを具備することにより、流量制限装置の速い応答が得られる。
本明細書において、旋回と回転は同義で使用（翻訳）している。即ち、旋回とは、３６０度未満の回転を意味し、回転とは３６０度以上の旋回を意味するからである。
【０００９】
特に本発明は、排気ガス流がパルス状になる性質を考慮に入れており、従来のＶＧＴで知られる動作ポイントの変化のみに応答するものではない。このようなエンジンの排気バルブの動作は、次のようなものである。即ち、排気プロセスの間、大量のガス質量流と圧力が、バルブが開き始めた低圧値から、バルブの開放期間の前半の前のピークに達するまで、観測できるようにする。この前半では、ガス流は、排気プロセスの開始時と同一条件にまで消失する。このように高いパルス状の流れは、直接タービンに、排気マニホールドとタービン・ハウジングを介して、送られる。本発明は、エンジンの排気パルスの周波数に等しい周波数で、タービンの形状を変えて、どのようなエンジン状態に対しても、利用可能な一定なタービン入口圧力の最大値を達成する。その結果、ターボチャージャ（大幅に変動する圧力と質量流量の高いパルス状の流体を含む）に対する実際の入口条件（圧力）が、有効に利用できる。
【００１０】
本発明のＡＣＴは、実際の内燃機関に対するより正確な応答を提供できる。この応答は、空気の吸気、圧縮、燃焼、膨張、排気を伴う動作の周期的性質に合っている。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】図１Ａは、能動的制御のターボチャージャの構成要素の展開図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、ターボチャージャの構成要素の側面断面図である。
【図２】図２は、能動的制御のターボチャージャとアクチュエータの側面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、電子制御システムのブロック図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、制御のフローチャート図である。
【図４Ａ−Ｃ】図４Ａ−Ｃは、動作状態にある能動的制御フローを表す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、エンジンの状態（エンジン速度Ｎｅｎｇ）に応じた、ＶＧＴ流量制限装置の移動量（％で表した開口面積）を表す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、あるエンジン状態に対し、クランク角（crank angle (CA)）に対する、本発明の流量制限装置の移動量（％で表した開口面積）を表す図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、クランク角ＣＡと、排気ガス圧力Ｐｓを表すグラフである。
【図６】図６は、回転ベーンの流量制限装置部材の実施例の部品展開図である。
【図７Ａ】図７Ａは、回転ベーンの斜視図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、図７Ａの回転ベーンの側面図である。
【図８】図８は、完全に開いた状態（半径方向に対し４０度傾いた状態）にある回転ベーン・リングの組立体の正面図である。
【図９Ａ】図９Ａは、図８の配置位置Ａにある隣接するベーンの相対位置を表す図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、図８の配置位置Ｂにある隣接するベーンの相対位置を表す図である。
【図１０】図１０は、ほぼ閉鎖状態（半径方向に対し９０度傾いた状態）にある回転ベーン・リングの組立体の正面図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、図１０の配置位置Ｃにある隣接するベーンの相対位置を表す図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、図１０の配置位置Ｄにある隣接するベーンの相対位置を表す図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、混合流ロータを具備した状態の回転ベーン・リングを表す図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、図１２Ａの配置位置Ｅにおける隣接するベーンの側面斜視図である。
【図１２Ｃ】図１２Ｃは、図１２Ｂの配置位置Ｅにおける隣接するベーンの上面斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明によれば、可変且つ軽量の流量制限部材が、タービン・ハウジング内で、主排気ガス・ソースとタービン・ブレードとの間に配置される。流量制限部材は、タービン・ハウジング内で軸方向に配置される。流量制限部材は、回転するヨークに取り付けられ、このヨークが適宜のアクチュエータに取り付けられる。センサが具備され、入口での質量流量と圧力レベルとを監視し、流量制限部材の軸方向配置位置を測定する。この情報は、コントローラに流されて、このコントローラが、排気圧力レベルの周波数と振幅に軸方向のノズル動作の位相を合わせる。その結果、エンジンの排気バルブの開閉を考慮に入れた、内燃機関に用いられるターボチャージャのタービンの入口におけるパルス状の排気ガスの流れを能動的に制御するシステムと方法を提供できる。
【実施例】
【００１３】
図１Ａ、１Ｂに、本発明の装置の詳細が示されている。ターボチャージャ１００は、様々な配置位置を取りうる、細い（直径１．５ｍｍ）の円筒状の流量制限装置１０２を有する。この流量制限装置１０２は、タービン渦巻き１０４の壁内の開口内に突出する。流量制限装置１０２は、その長手軸が、挿入点で、タービン渦巻き１０４内でガス流の方向に直交するよう、向けられる。流量制限装置１０２は、タービン渦巻き１０４内に、その長手軸に平行に移動できる適宜の長さがある。この長さは、タービン渦巻き１０４の断面積が、流量制限装置１０２が完全に引っ込んだ時に得られる断面積の１７．３％になるような長さである。
【００１４】
いかなる時点でも、タービン渦巻き１０４内に突出しない流量制限装置１０２の後部部分は、円筒状の同心の内側と外側にある固定ガイド１０６，１０８の間を移動するよう制限される。外側固定ガイド１０６は、最小のクリアランスでもって、流量制限装置１０２の外側直径の周囲に適合する。内側固定ガイド１０８は、流量制限装置１０２の内側と同一直径を有し、流量制限装置１０２の内側にきっちりと適合して、流量制限装置１０２がスライドする担持表面を提供する。内側ガイド１０８は、タービン渦巻き１０４の壁に取り付けられて、組立体を一体に保持する。
【００１５】
タービン渦巻き１０４から離れ、外側端部に向かって、流量制限装置１０２は、半径方向に対向した、第１と第２の外側突起部１１６を有する。この外側突起部１１６により、ヨーク１１４の受けアーム１２１ａ、１２１ｂへの取り付けが可能となる。外側突起部１１６は、流量制限装置１０２とヨーク１１４との間に適合して、ヨーク１１４の回転（旋回）運動を、流量制限装置１０２の往復運動に変換するのを、補助する。
【００１６】
ヨーク１１４は、半円形状の受けアーム１２１ａ、１２１ｂから下方向に伸びる搭載アーム１２３を有し、搭載アーム１２３と受けアーム１２１ａ、１２１ｂの結合（接合）領域の回転ピン１１８の周囲で、回転する。搭載アーム１２３は、回転ピンの下方向に向かって、１本のテーパ状レバーとして伸びる。ヨーク１１４の搭載アーム１２３は、上方の半円形部分よりも若干短く、より少ないアクチュエータの動きで、流量制限装置１０２に必要とされる線形移動ができるような比率を提供する。
【００１７】
図１ａ、１ｂ、２において、回転ピン１１８は、ヨーク１１４のネックに挿入された回転ベアリング１２２を貫通する。この回転ベアリング１２２は、ヨーク１１４を、タービン渦巻き１０４と外側固定ガイド１０６の両方に取り付ける。
【００１８】
図２を参照すると、ヨーク１１４の搭載アーム１２３の底部部分は、断面が円形のピン２００を有する。このピン２００は、アクチュエータ２０４に連結されるレバー２０２を搭載する。アクチュエータ２０４は、電気力学的振動装置である。この振動装置が往復振動運動を提供する。この往復運動をヨーク１１４が回転運動に変換する。この回転運動が、流量制限部材の線形動作に変換される。この変換は、流量制限装置１０２の内側の外側突起部１１６の手段と内側固定ガイド１０８の軸方向のガイドにより行われる。
【００１９】
装置を効果的に動作させるために、本発明は、電子制御システムを、図３Ａに示すよう具備する。図３Ａは、エンジン３０２とターボチャージャ１００との間に、排気導管３０１を有する開放ループ制御システムを示す。従来のＶＧＴの特徴であるコンプレッサの圧力トランデューサ３０６以外に、本発明のシステムは、エンジン３０２とターボチャージャ１００のタービン渦巻き１０４の口との間の排気導管３０１に、タービン入口の圧力を瞬時に測定する圧力センサ３００を有する。この圧力センサ３００により測定された測定値は、エンジン制御ユニット３１２に送られる。このエンジン制御ユニット３１２が、信号を生成し、それがアクチュエータ２０４に送られる。アクチュエータ２０４は、測定された圧力に応じて、流量制限装置１０２を動かす。
【００２０】
能動フロー制御の原理を図４Ａ−４Ｃに示す。図４Ａは、排気バルブ４００が開放された直後で排気ガス圧力が低い状態を示す。流量制限装置１０２は、さらにタービン渦巻き１０４内に動く。これにより、排気ガスが流れる断面積４０２が制限されて、ガス圧を上げる。図４Ｂにおいて、排気バルブ４００は完全に開いた状態で、排気ガス圧力はピーク状態にある。流量制限装置１０２は戻り、ガスが流れる断面積４０２がより大きくなる。これにより、既に高い入口圧力が、エンジンの動作限界を超えるのを阻止する。図４Ｃにおいて、排気バルブ４００は閉じられ、流量制限部材４０６は、さらにタービン渦巻き１０４内に移動し圧力レベルを高い状態に維持する。入口圧力を増加させることにより、より多くの仕事がタービン・モータにより吸収され、より多くの仕事が、従来のＶＧＴよりも各パルス・サイクル毎に行われる。
【００２１】
図５Ｃは、走行サイクルの間の３本のシリンダに対する質量流量（ｍ）と排気ガス圧力（Ｐｓ）の変動を示す。同図によれば、１個の排気バルブ・パルス内でパルスの開始時のガス圧力はパルスの終了時のそれと同じで、その間にピークがある。これに追従するために、流量制限部材の動きは、サイン波形の制御入力に追従し、その結果、それ自身サイン波形の動きをする。エンジン動作状態が、排気バルブ・パルスの周期の長さと必要な入口圧力を決定する。それ故に、ＥＣＵは、このエンジン動作状態を用いて、あらゆる瞬間の後のサイン波形の振幅と周波数を決定し、それを排気バルブ・パルスの位相を合わせる。いかなる圧力変動も、例えばあらゆる数のシリンダとタイミングにより引き起こされる圧力変動も、本発明の制御方式で吸収可能である。
【００２２】
図５Ａは、走行状態に応じたＶＧＴ流量制限装置の移動量を示す。個々のラインは、一定の空気／燃料比率（air/fuel ratio (AFR)）を示し、各グラフは、１個のコンプレッサ出口あるいはエンジン入口のマニホールド（ブースト）圧力に対応し、それ自身はエンジン負荷の測量値でもある。同図から分かるように、あるＡＦＲに対しては、ＶＧＴの開放スロート（のど）面積は、エンジン速度（Ｎｅｎｇ）と共に増加するが、あるエンジン速度に対しては一定である。図５Ｂは、ＶＧＴグラフの特定の点に対する、本発明の能動制御ターボチャージャ（Active Control Turbocharger (ACT)）の移動量を示す。ある状態においては、最大のＡＣＴ移動量は、等価の一定のＶＧＴ移動量と等しい。排気ガス圧力に関するさらに収集された情報は、クランク角に対するＡＣＴ流量制限装置の余分のサイン波形変動を引き起こす、すなわち時間と共に変動する。このことは、図５Ａの矢印Ａから分かる。図５は、この動作ポイントにおけるＡＣＴの開放スロート面積の範囲を示す。別の構成として、流量制限装置の移動は、これらの入力に応答するためにアクチュエータのダイナミック・キャパシティに依存して、サイン波形以外の波形も採用することもあり、平均値として或いは他の適宜の変調系として、ＶＧＴ値の近傍で変動してもよい。
【００２３】
動作中における４個の基本的な制御ステップを図３Ｂに示す。第１ステップ（３５０）は、ＶＧＴ装置に対するものと同一であり、コンプレッサの圧力（Ｐｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）が検出される。第２ステップ（３５２）においては、ＡＣＴの流量制限装置１０２は、ＶＧＴの流量制限装置がある状態（Ｘｖｇｔ）でとるような配置位置をとる。第３ステップ（３５４）は、関連変動値の測定値からの瞬時の排気ガス圧力（Ｐｅｘｈａｕｓｔ）を得る。第４ステップ（３５６）において、流量制限装置の配置位置は、Ｐｅｘｈａｕｓｔに従ってＸｖｇｔに関連して変わる。しかし、以上とは異なる如何なる適宜の制御方式も採用できる。
【００２４】
本発明の流量制限部材は、適宜のＶＧＴ装置を用いて実現することもできる。サイズ、重量、形状の要件により、さまざまな適宜の装置が形成できる。これらの装置は、スライドする壁、スライドする管状ピストン、回転するベーン、固定ベーンを具備するスライドする壁を含む。回転するベーン（羽根）の構成においては、一連のベーンが、タービンの周囲に配置され、タービンの周囲で、空気流がタービン・ブレードに入る開口部に、配置される。排気バルブが完全に開いて排気ガス圧力が高い時には、ベーンは、空気流に平行な方向を向いて開口を塞がないようにしている。排気ガス圧力が低く、ベーンが空気流に対し鋭角で傾いている時には、ブレードへの開口を制限し、ガス圧力を高める。
【００２５】
図６−１１Ｂは、回転ベーンのＡＣＴ構成を示す。図６に示すように、ベーン・リング６００は、複数のベーン（羽根）６０２を有し、ベーン回転ピン６０６の手段と回転機構ディスク６０８により、混合流タービン６０４に適合するよう構成される。ベーン回転ピン６０６は、軸方向アーム６１０（タービンの軸方向に平行な方向に伸びる）と半径方向内側向きアーム６１２とを有する。半径方向内側向きアーム６１２の先端６１６は、非回転動作部分に当てて、固定される。軸方向アーム６１０は、回転機構ディスク６０８の孔６１８に挿入される。各ベーン６０２は、軸方向ベーン・アーム６１４に取り付けられる。この軸方向ベーン・アーム６１４は、半径方向内側向きアーム６１２の先端６１６に搭載される。回転機構ディスク６０８が回転すると、ベーン回転ピン６０６も、固定された先端６１６上で回転する。これにより今度は、対応する軸方向ベーン・アーム６１４が、中心軸（タービンの軸方向に平行な軸）の周囲で回転し、ベーン６０２の方向角を変化させる。これは、図８、１０、１２ａ−１２Ｃに示す。
【００２６】
図７Ａ、７Ｂに示すように、各ベーンは、混合流タービン６０４内で混合流量ロータに面する内側翼表面７００と、それに対向する外側翼表面７０２とからなる。各ベーンは、チェンバを有さずに構成される。各ベーンは、上部（半径方向で最内側）から底部（半径方向で最外側）に向かって断面積が広がる張った（末広がりの）形状を有する。その結果、底部表面７０４の面積は、上部表面７０６の面積より、１６．７％大きい。断面積の増加は、ベーン６０２の弦の長さを、入口空気流に面する一定のリーディング・エッジ７０８から伸ばすことにより達成できる。かくして、張った方向に対し、各ベーン６０２は、一定のリーディング・エッジ７０８幅を有し、一方、トレーリング・エッジ７１０は、上部表面７０６から底部表面７０４方向に、混合流ロータの方向に向かって進む。これにより、ベーン６０２に、くさび形状トレーリング・エッジ７１０が形成できる。
【００２７】
この実施例によれば、ベーン・リング６００は、６２ｍｍの半径方向の環状リング領域内に等間隔に配置された１５枚のベーン６０２を具備する。図８−１１Ｂに示すように、このベーン・リング６００の組み立てにより、ベーン・リング６００の軸方向の回転が、完全開放状態から閉鎖状態まで可能となる。完全開放状態では、ベーン６０２の外側翼表面７０２の面は、半径方向から４０度の方向を向き、閉鎖状態では８０度の方向を向いている。ここに示す実施例の最適の角度範囲は、４０−８０度であるが、ある実施例では、最適の角度範囲は、入力状態に依存する。例えばタービンからエンジンに供給されるエネルギー量に依存する。一般的に、ターボチャージャは、ベーンが半径に対し６０度と７０度の間傾いている時が、最も効率的である。
【００２８】
図１２Ａ−１２Ｃに示すように、ベーン・リング６００は、タービン渦巻き１０４内で混合流ロータ１２０２の上流側に配置される。その結果、混合流ロータ１２０２のブレード１２０４に到達するために、排気ガスが、ベーン６０２の間のギャップ１２０６を通るようにしなければならない。排気バルブ・サイクルの排気バルブが開いた直後で排気ガス圧力が低い時には、回転機構ディスク６０８が回転し、半径に対する角度が高く、排気ガスが流れるギャップ１２０６が制限され、これによりガス圧が上がる。逆に、排気バルブが完全に開いた状態で排気ガス圧力がそのピークにある時には、角度は小さく、隣接するベーン６０２間のギャップ１２０６は、より大きな断面積を提供し、その間をガスが流れる。これにより、高い入口圧力がエンジンの動作限界を超えることがない。
【００２９】
各ベーン６０２は傾斜して、混合流ロータ１２０２のリーディング・エッジに適合している。この傾斜角（混合流タービン６０４の面に対し）は、混合流ロータ１２０２のコーン（円錐台）角に等しい。図７Ｂに示す実施例においては、混合流ロータ１２０２のコーン角は５０°であり、従って傾斜角は４０°である。これにより、ベーン・ノズルの方向は、混合流ロータ１２０２のリーディング・エッジの方向に正確に向いている。
【００３０】
ＶＧＴをＡＣＴに改造できるが、これは、流量制限装置を追加することによりあるいは適宜の制御システムを追加することにより、可能である。
【００３１】
使用される制御システムは、さまざまな方法で変更可能である。例えば圧力センサ３００を、エンジン３０２とタービン渦巻き１０４の間で、排気マニホールド内あるいはタービン内の排気導管３０１内に配置することも可能で、これにより、タービンの瞬間入口圧力を表す変化を検出する。例えば、質量流量（mass flow rate）である。別の構成として、排気バルブ開放期間の間で、流量制限装置１０２を活性化することも可能である。この操作は、ＥＣＵに、カムシャフトの回転に基づいて、別の排気バルブの開閉からのタイミング信号を送信することにより行われる。流量制限装置１０２のサイン波形の動きの振幅を決定するために、この方法は、圧力センサ３００の使用あるいは以前使用されたシステムの校正のいずれかを必要とする。
【００３２】
さらに装置を追加して、本発明の制御システムをより高級化することができる。追加される装置は、例えば、エンジンにかかる差圧を測定するセンサ、図３ａに示すＬＶＤＴ（線形変形可能な差分トランスフォーマ(Linear Variable Differential Transformer)）の流量制限装置の配置位置トランデューサ３０４である。これにより、ＡＣＴの閉鎖ループ・フィードバック制御が可能となる。可能な制御フローを表すフローチャートを図３Ｂに示す。
【００３３】
上記の装置および構成要素は、適宜の材料および適宜の方法により形成することができる。例えば、外側ガイド、内側ガイド、ヨークは、アルミ合金６０８２−Ｔ６から形成することができる。流量制限装置は、軽量材料、例えばカーボンファイバの強化プラスチックから形成できる。
【００３４】
ＶＧＴに対する本発明の利点は、流量面積は、駆動サイクルを通していつでも、最適化可能であり、安定した正圧力がタービン内で、あるエンジン状態に対し得られる。これは、各ガス・パルスのエネルギーを利用し、タービンからの高い平均パワーが得られることになる。流量制限装置は、タービン入口で一定の最大圧力を形成し、これは、タービンの回転運動の特性に利点を与える。本発明の方法の利点は、燃費を改善し、パワー出力を高め、さらに排気ガスを改善し、トルクとその遅れを改善する。さらに、本発明の構成要素は、疲労強度が大きく、軽量である。これにより、少なくとも６０Ｈｚ、例えば２０−８０Ｈｚの領域におけるアクチュエータ入力の高速応答を可能とし、ダンピングを回転ヨークにより提供できる。
【００３５】
上記の説明は、車のエンジンに使用される能動制御流のターボチャージャの使用を例に説明したが、特性サイクルで動作する如何なるエンジンと組み合わせて、ＡＣＴを使用することができる。
【００３６】
以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。特許請求の範囲の構成要素の後に記載した括弧内の番号は、図面の部品番号に対応し、発明の容易なる理解の為に付したものであり、発明を限定的に解釈するために用いてはならない。また、同一番号でも明細書と特許請求の範囲の部品名は必ずしも同一ではない。これは上記した理由による。
【符号の説明】
【００３７】
１００ ターボチャージャ
１０２ 流量制限部材
１０４ タービン渦巻き
１０６ 外側ガイド
１０８ 内側ガイド
１１４ ヨーク
１１６ 外側突起部
１１８ 回転ピン
１２１ 受けアーム
１２２ 回転ベアリング
１２３ 搭載アーム
２００ ピン
２０２ レバー
２０４ アクチュエータ
３００ 圧力センサ
３０１ 排気導管
３０２ エンジン
３０４ 配置位置トランデューサ
３０６ 圧力トランデューサ
３１２ エンジン制御ユニット
４００ 排気バルブ
４０２ 断面積
４０６ 流量制限部材
６００ ベーン・リング
６０２ ベーン（羽根）
６０４ 混合流タービン
６０６ ベーン回転ピン
６０８ 回転機構ディスク
６１０ 軸方向アーム
６１２ 半径方向内側向きアーム
６１４ 軸方向ベーン・アーム
６１６ 先端
６１８ 孔
７００ 内側翼表面
７０２ 外側翼表面
７０４ 底部表面
７０６ 上部表面
７０８ リーディング・エッジ
７１０ トレーリング・エッジ
１２０２ 混合流ロータ
１２０４ ブレード
１２０６ ギャップ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボチャージャの流量制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガソリンとディーゼルの内燃機関用のターボチャージャは、従来公知の装置である。ターボチャージャは、吸引した空気流を圧縮しエンジンの燃焼室に流す。これは、エンジンから出た排気ガスの熱と容積流を用いて、行う。具体的には、エンジンから出た排気ガスは、ターボチャージャのタービン・ハウジング内に流され、ハウジング内で排気ガス駆動タービンを回転する。この排気ガス駆動タービンは、シャフトの一端に搭載される。このシャフトは、その他端に搭載される半径方向のエアコンプレッサのシャフトと共通である。かくして、タービンの回転運動により、エアコンプレッサは、ターボチャージャのコンプレッサ・ハウジング内で回転する。このコンプレッサ・ハウジングは、排気ハウジングから分離している。エアコンプレッサの回転動作により、取り込まれた空気は、コンプレッサ・ハウジング内に入り、所望の圧力に圧縮され、その後燃料と混合され、エンジンの燃焼室内で燃焼する。
【０００３】
取り込まれた空気が圧縮される量は、タービン・ハウジングを通る排気ガスの量を調整することにより制御される。この調整は、排気ゲートにより、或いはタービンにタービン・ハウジングを介して接続される排気ガスチャネル（即ち通路）を選択的に開閉することにより、行われる。このような調整可能な排気ガスチャネルを有するターボチャージャは、産業界では可変形状ターボチャージャ（Variable Geometry Turbbocharger (VGT)）と称する。ＶＧＴは、通常タービン・ハウジング内で、排気ガス・ソースとタービンとの間に配置された可動部材を有する。この可動部材は、タービン・ハウジング外から適宜の駆動機構で活性化され、排気ガスからタービンへの体積流量を、その時のエンジンの動作状態（例、エンジン速度、エンジン負荷、ブースト（コンプレッサ）圧力あるいはエンジンにかかる差圧）の要求により、増減する。排気ガスをタービンに流す体積流量を増減することは、タービン・シャフトの反対側に搭載されたコンプレッサにより生成される取り込み空気圧力を、増減する。
【０００４】
現在公知のＶＧＴは、特許文献１に記載されている。ＶＧＴは、内燃機関が準備段階モードあるいは遷移動作モードのいずれかにある時に、内燃機関と共に動作する。これは、エンジン動作パラメータと称し、例えばエンジンの回転速度、一定あるいは変動する負荷である。
【０００５】
従って、従来のＶＧＴは、所定の最適設計ポイントを超えたエンジンの動作範囲に渡って、タービンの入口形状を排気ガス流の特性に合わせるので、近年では極めて一般的となっている。これによれば、固定形状のターボチャージャが最初に設計された。この結果、（特に排気ガス再循環システムと組み合わせて、）放出粒子が減少し、特に低速でのより高い圧力となり、低負荷状態となる。それ故に利用可能なトルクが増大し、エンジンの動作範囲の低速領域での加速度の向上につながる。さらに、ターボチャージャのラグ（反応遅れ）性能は、大幅に改善された。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６１５８９５６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし問題は残る。ＶＧＴは、エンジン動作状態に応じてターボチャージャの形状を変えることができるが、利用可能なエネルギの利点を全て享受している訳ではない。より多くのエネルギーが、各排気プロセス期間の間回収されると、タービンにより吸収されるエネルギーの量が増加し、それ故に、ターボチャージャは、同一のエンジン動作状態の下で、より多くのパワーを取り出すことができる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は特許請求の範囲に記載したとおりである。流量制限装置の動きは、その瞬間のエンジンの状態に依存して制御されるために、エネルギーの取り出しが改善される。さらに、往復運動するアクチュエータと流量制限装置との間に、旋回（回転）リンクを具備することにより、流量制限装置の速い応答が得られる。
本明細書において、旋回と回転は同義で使用（翻訳）している。即ち、旋回とは、３６０度未満の回転を意味し、回転とは３６０度以上の旋回を意味するからである。
【０００９】
特に本発明は、排気ガス流がパルス状になる性質を考慮に入れており、従来のＶＧＴで知られる動作ポイントの変化のみに応答するものではない。このようなエンジンの排気バルブの動作は、次のようなものである。即ち、排気プロセスの間、大量のガス質量流と圧力が、バルブが開き始めた低圧値から、バルブの開放期間の前半の前のピークに達するまで、観測できるようにする。この前半では、ガス流は、排気プロセスの開始時と同一条件にまで消失する。このように高いパルス状の流れは、直接タービンに、排気マニホールドとタービン・ハウジングを介して、送られる。本発明は、エンジンの排気パルスの周波数に等しい周波数で、タービンの形状を変えて、どのようなエンジン状態に対しても、利用可能な一定なタービン入口圧力の最大値を達成する。その結果、ターボチャージャ（大幅に変動する圧力と質量流量の高いパルス状の流体を含む）に対する実際の入口条件（圧力）が、有効に利用できる。
【００１０】
本発明のＡＣＴは、実際の内燃機関に対するより正確な応答を提供できる。この応答は、空気の吸気、圧縮、燃焼、膨張、排気を伴う動作の周期的性質に合っている。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】図１Ａは、能動的制御のターボチャージャの構成要素の展開図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、ターボチャージャの構成要素の側面断面図である。
【図２】図２は、能動的制御のターボチャージャとアクチュエータの側面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、電子制御システムのブロック図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、制御のフローチャート図である。
【図４Ａ−Ｃ】図４Ａ−Ｃは、動作状態にある能動的制御フローを表す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、エンジンの状態（エンジン速度Ｎｅｎｇ）に応じた、ＶＧＴ流量制限装置の移動量（％で表した開口面積）を表す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、あるエンジン状態に対し、クランク角（crank angle (CA)）に対する、本発明の流量制限装置の移動量（％で表した開口面積）を表す図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、クランク角ＣＡと、排気ガス圧力Ｐｓを表すグラフである。
【図６】図６は、回転ベーンの流量制限装置部材の実施例の部品展開図である。
【図７Ａ】図７Ａは、回転ベーンの斜視図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、図７Ａの回転ベーンの側面図である。
【図８】図８は、完全に開いた状態（半径方向に対し４０度傾いた状態）にある回転ベーン・リングの組立体の正面図である。
【図９Ａ】図９Ａは、図８の配置位置Ａにある隣接するベーンの相対位置を表す図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、図８の配置位置Ｂにある隣接するベーンの相対位置を表す図である。
【図１０】図１０は、ほぼ閉鎖状態（半径方向に対し９０度傾いた状態）にある回転ベーン・リングの組立体の正面図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、図１０の配置位置Ｃにある隣接するベーンの相対位置を表す図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、図１０の配置位置Ｄにある隣接するベーンの相対位置を表す図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、混合流ロータを具備した状態の回転ベーン・リングを表す図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、図１２Ａの配置位置Ｅにおける隣接するベーンの側面斜視図である。
【図１２Ｃ】図１２Ｃは、図１２Ｂの配置位置Ｅにおける隣接するベーンの上面斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明によれば、可変且つ軽量の流量制限部材が、タービン・ハウジング内で、主排気ガス・ソースとタービン・ブレードとの間に配置される。流量制限部材は、タービン・ハウジング内で軸方向に配置される。流量制限部材は、回転するヨークに取り付けられ、このヨークが適宜のアクチュエータに取り付けられる。センサが具備され、入口での質量流量と圧力レベルとを監視し、流量制限部材の軸方向配置位置を測定する。この情報は、コントローラに流されて、このコントローラが、排気圧力レベルの周波数と振幅に軸方向のノズル動作の位相を合わせる。その結果、エンジンの排気バルブの開閉を考慮に入れた、内燃機関に用いられるターボチャージャのタービンの入口におけるパルス状の排気ガスの流れを能動的に制御するシステムと方法を提供できる。
【実施例】
【００１３】
図１Ａ、１Ｂに、本発明の装置の詳細が示されている。ターボチャージャ１００は、様々な配置位置を取りうる、細い（直径１．５ｍｍ）の円筒状の流量制限装置１０２を有する。この流量制限装置１０２は、タービン渦巻き１０４の壁内の開口内に突出する。流量制限装置１０２は、その長手軸が、挿入点で、タービン渦巻き１０４内でガス流の方向に直交するよう、向けられる。流量制限装置１０２は、タービン渦巻き１０４内に、その長手軸に平行に移動できる適宜の長さがある。この長さは、タービン渦巻き１０４の断面積が、流量制限装置１０２が完全に引っ込んだ時に得られる断面積の１７．３％になるような長さである。
【００１４】
いかなる時点でも、タービン渦巻き１０４内に突出しない流量制限装置１０２の後部部分は、円筒状の同心の内側と外側にある固定ガイド１０６，１０８の間を移動するよう制限される。外側固定ガイド１０６は、最小のクリアランスでもって、流量制限装置１０２の外側直径の周囲に適合する。内側固定ガイド１０８は、流量制限装置１０２の内側と同一直径を有し、流量制限装置１０２の内側にきっちりと適合して、流量制限装置１０２がスライドする担持表面を提供する。内側ガイド１０８は、タービン渦巻き１０４の壁に取り付けられて、組立体を一体に保持する。
【００１５】
タービン渦巻き１０４から離れ、外側端部に向かって、流量制限装置１０２は、半径方向に対向した、第１と第２の外側突起部１１６を有する。この外側突起部１１６により、ヨーク１１４の受けアーム１２１ａ、１２１ｂへの取り付けが可能となる。外側突起部１１６は、流量制限装置１０２とヨーク１１４との間に適合して、ヨーク１１４の回転（旋回）運動を、流量制限装置１０２の往復運動に変換するのを、補助する。
【００１６】
ヨーク１１４は、半円形状の受けアーム１２１ａ、１２１ｂから下方向に伸びる搭載アーム１２３を有し、搭載アーム１２３と受けアーム１２１ａ、１２１ｂの結合（接合）領域の回転ピン１１８の周囲で、回転する。搭載アーム１２３は、回転ピンの下方向に向かって、１本のテーパ状レバーとして伸びる。ヨーク１１４の搭載アーム１２３は、上方の半円形部分よりも若干短く、より少ないアクチュエータの動きで、流量制限装置１０２に必要とされる線形移動ができるような比率を提供する。
【００１７】
図１ａ、１ｂ、２において、回転ピン１１８は、ヨーク１１４のネックに挿入された回転ベアリング１２２を貫通する。この回転ベアリング１２２は、ヨーク１１４を、タービン渦巻き１０４と外側固定ガイド１０６の両方に取り付ける。
【００１８】
図２を参照すると、ヨーク１１４の搭載アーム１２３の底部部分は、断面が円形のピン２００を有する。このピン２００は、アクチュエータ２０４に連結されるレバー２０２を搭載する。アクチュエータ２０４は、電気力学的振動装置である。この振動装置が往復振動運動を提供する。この往復運動をヨーク１１４が回転運動に変換する。この回転運動が、流量制限部材の線形動作に変換される。この変換は、流量制限装置１０２の内側の外側突起部１１６の手段と内側固定ガイド１０８の軸方向のガイドにより行われる。
【００１９】
装置を効果的に動作させるために、本発明は、電子制御システムを、図３Ａに示すよう具備する。図３Ａは、エンジン３０２とターボチャージャ１００との間に、排気導管３０１を有する開放ループ制御システムを示す。従来のＶＧＴの特徴であるコンプレッサの圧力トランデューサ３０６以外に、本発明のシステムは、エンジン３０２とターボチャージャ１００のタービン渦巻き１０４の口との間の排気導管３０１に、タービン入口の圧力を瞬時に測定する圧力センサ３００を有する。この圧力センサ３００により測定された測定値は、エンジン制御ユニット３１２に送られる。このエンジン制御ユニット３１２が、信号を生成し、それがアクチュエータ２０４に送られる。アクチュエータ２０４は、測定された圧力に応じて、流量制限装置１０２を動かす。
【００２０】
能動フロー制御の原理を図４Ａ−４Ｃに示す。図４Ａは、排気バルブ４００が開放された直後で排気ガス圧力が低い状態を示す。流量制限装置１０２は、さらにタービン渦巻き１０４内に動く。これにより、排気ガスが流れる断面積４０２が制限されて、ガス圧を上げる。図４Ｂにおいて、排気バルブ４００は完全に開いた状態で、排気ガス圧力はピーク状態にある。流量制限装置１０２は戻り、ガスが流れる断面積４０２がより大きくなる。これにより、既に高い入口圧力が、エンジンの動作限界を超えるのを阻止する。図４Ｃにおいて、排気バルブ４００は閉じられ、流量制限部材４０６は、さらにタービン渦巻き１０４内に移動し圧力レベルを高い状態に維持する。入口圧力を増加させることにより、より多くの仕事がタービン・モータにより吸収され、より多くの仕事が、従来のＶＧＴよりも各パルス・サイクル毎に行われる。
【００２１】
図５Ｃは、走行サイクルの間の３本のシリンダに対する質量流量（ｍ）と排気ガス圧力（Ｐｓ）の変動を示す。同図によれば、１個の排気バルブ・パルス内でパルスの開始時のガス圧力はパルスの終了時のそれと同じで、その間にピークがある。これに追従するために、流量制限部材の動きは、サイン波形の制御入力に追従し、その結果、それ自身サイン波形の動きをする。エンジン動作状態が、排気バルブ・パルスの周期の長さと必要な入口圧力を決定する。それ故に、ＥＣＵは、このエンジン動作状態を用いて、あらゆる瞬間の後のサイン波形の振幅と周波数を決定し、それを排気バルブ・パルスの位相を合わせる。いかなる圧力変動も、例えばあらゆる数のシリンダとタイミングにより引き起こされる圧力変動も、本発明の制御方式で吸収可能である。
【００２２】
図５Ａは、走行状態に応じたＶＧＴ流量制限装置の移動量を示す。個々のラインは、一定の空気／燃料比率（air/fuel ratio (AFR)）を示し、各グラフは、１個のコンプレッサ出口あるいはエンジン入口のマニホールド（ブースト）圧力に対応し、それ自身はエンジン負荷の測量値でもある。同図から分かるように、あるＡＦＲに対しては、ＶＧＴの開放スロート（のど）面積は、エンジン速度（Ｎｅｎｇ）と共に増加するが、あるエンジン速度に対しては一定である。図５Ｂは、ＶＧＴグラフの特定の点に対する、本発明の能動制御ターボチャージャ（Active Control Turbocharger (ACT)）の移動量を示す。ある状態においては、最大のＡＣＴ移動量は、等価の一定のＶＧＴ移動量と等しい。排気ガス圧力に関するさらに収集された情報は、クランク角に対するＡＣＴ流量制限装置の余分のサイン波形変動を引き起こす、すなわち時間と共に変動する。このことは、図５Ａの矢印Ａから分かる。図５は、この動作ポイントにおけるＡＣＴの開放スロート面積の範囲を示す。別の構成として、流量制限装置の移動は、これらの入力に応答するためにアクチュエータのダイナミック・キャパシティに依存して、サイン波形以外の波形も採用することもあり、平均値として或いは他の適宜の変調系として、ＶＧＴ値の近傍で変動してもよい。
【００２３】
動作中における４個の基本的な制御ステップを図３Ｂに示す。第１ステップ（３５０）は、ＶＧＴ装置に対するものと同一であり、コンプレッサの圧力（Ｐｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）が検出される。第２ステップ（３５２）においては、ＡＣＴの流量制限装置１０２は、ＶＧＴの流量制限装置がある状態（Ｘｖｇｔ）でとるような配置位置をとる。第３ステップ（３５４）は、関連変動値の測定値からの瞬時の排気ガス圧力（Ｐｅｘｈａｕｓｔ）を得る。第４ステップ（３５６）において、流量制限装置の配置位置は、Ｐｅｘｈａｕｓｔに従ってＸｖｇｔに関連して変わる。しかし、以上とは異なる如何なる適宜の制御方式も採用できる。
【００２４】
本発明の流量制限部材は、適宜のＶＧＴ装置を用いて実現することもできる。サイズ、重量、形状の要件により、さまざまな適宜の装置が形成できる。これらの装置は、スライドする壁、スライドする管状ピストン、回転するベーン、固定ベーンを具備するスライドする壁を含む。回転するベーン（羽根）の構成においては、一連のベーンが、タービンの周囲に配置され、タービンの周囲で、空気流がタービン・ブレードに入る開口部に、配置される。排気バルブが完全に開いて排気ガス圧力が高い時には、ベーンは、空気流に平行な方向を向いて開口を塞がないようにしている。排気ガス圧力が低く、ベーンが空気流に対し鋭角で傾いている時には、ブレードへの開口を制限し、ガス圧力を高める。
【００２５】
図６−１１Ｂは、回転ベーンのＡＣＴ構成を示す。図６に示すように、ベーン・リング６００は、複数のベーン（羽根）６０２を有し、ベーン回転ピン６０６の手段と回転機構ディスク６０８により、混合流タービン６０４に適合するよう構成される。ベーン回転ピン６０６は、軸方向アーム６１０（タービンの軸方向に平行な方向に伸びる）と半径方向内側向きアーム６１２とを有する。半径方向内側向きアーム６１２の先端６１６は、非回転動作部分に当てて、固定される。軸方向アーム６１０は、回転機構ディスク６０８の孔６１８に挿入される。各ベーン６０２は、軸方向ベーン・アーム６１４に取り付けられる。この軸方向ベーン・アーム６１４は、半径方向内側向きアーム６１２の先端６１６に搭載される。回転機構ディスク６０８が回転すると、ベーン回転ピン６０６も、固定された先端６１６上で回転する。これにより今度は、対応する軸方向ベーン・アーム６１４が、中心軸（タービンの軸方向に平行な軸）の周囲で回転し、ベーン６０２の方向角を変化させる。これは、図８、１０、１２ａ−１２Ｃに示す。
【００２６】
図７Ａ、７Ｂに示すように、各ベーンは、混合流タービン６０４内で混合流量ロータに面する内側翼表面７００と、それに対向する外側翼表面７０２とからなる。各ベーンは、チェンバを有さずに構成される。各ベーンは、上部（半径方向で最内側）から底部（半径方向で最外側）に向かって断面積が広がる張った（末広がりの）形状を有する。その結果、底部表面７０４の面積は、上部表面７０６の面積より、１６．７％大きい。断面積の増加は、ベーン６０２の弦の長さを、入口空気流に面する一定のリーディング・エッジ７０８から伸ばすことにより達成できる。かくして、張った方向に対し、各ベーン６０２は、一定のリーディング・エッジ７０８幅を有し、一方、トレーリング・エッジ７１０は、上部表面７０６から底部表面７０４方向に、混合流ロータの方向に向かって進む。これにより、ベーン６０２に、くさび形状トレーリング・エッジ７１０が形成できる。
【００２７】
この実施例によれば、ベーン・リング６００は、６２ｍｍの半径方向の環状リング領域内に等間隔に配置された１５枚のベーン６０２を具備する。図８−１１Ｂに示すように、このベーン・リング６００の組み立てにより、ベーン・リング６００の軸方向の回転が、完全開放状態から閉鎖状態まで可能となる。完全開放状態では、ベーン６０２の外側翼表面７０２の面は、半径方向から４０度の方向を向き、閉鎖状態では８０度の方向を向いている。ここに示す実施例の最適の角度範囲は、４０−８０度であるが、ある実施例では、最適の角度範囲は、入力状態に依存する。例えばタービンからエンジンに供給されるエネルギー量に依存する。一般的に、ターボチャージャは、ベーンが半径に対し６０度と７０度の間傾いている時が、最も効率的である。
【００２８】
図１２Ａ−１２Ｃに示すように、ベーン・リング６００は、タービン渦巻き１０４内で混合流ロータ１２０２の上流側に配置される。その結果、混合流ロータ１２０２のブレード１２０４に到達するために、排気ガスが、ベーン６０２の間のギャップ１２０６を通るようにしなければならない。排気バルブ・サイクルの排気バルブが開いた直後で排気ガス圧力が低い時には、回転機構ディスク６０８が回転し、半径に対する角度が高く、排気ガスが流れるギャップ１２０６が制限され、これによりガス圧が上がる。逆に、排気バルブが完全に開いた状態で排気ガス圧力がそのピークにある時には、角度は小さく、隣接するベーン６０２間のギャップ１２０６は、より大きな断面積を提供し、その間をガスが流れる。これにより、高い入口圧力がエンジンの動作限界を超えることがない。
【００２９】
各ベーン６０２は傾斜して、混合流ロータ１２０２のリーディング・エッジに適合している。この傾斜角（混合流タービン６０４の面に対し）は、混合流ロータ１２０２のコーン（円錐台）角に等しい。図７Ｂに示す実施例においては、混合流ロータ１２０２のコーン角は５０°であり、従って傾斜角は４０°である。これにより、ベーン・ノズルの方向は、混合流ロータ１２０２のリーディング・エッジの方向に正確に向いている。
【００３０】
ＶＧＴをＡＣＴに改造できるが、これは、流量制限装置を追加することによりあるいは適宜の制御システムを追加することにより、可能である。
【００３１】
使用される制御システムは、さまざまな方法で変更可能である。例えば圧力センサ３００を、エンジン３０２とタービン渦巻き１０４の間で、排気マニホールド内あるいはタービン内の排気導管３０１内に配置することも可能で、これにより、タービンの瞬間入口圧力を表す変化を検出する。例えば、質量流量（mass flow rate）である。別の構成として、排気バルブ開放期間の間で、流量制限装置１０２を活性化することも可能である。この操作は、ＥＣＵに、カムシャフトの回転に基づいて、別の排気バルブの開閉からのタイミング信号を送信することにより行われる。流量制限装置１０２のサイン波形の動きの振幅を決定するために、この方法は、圧力センサ３００の使用あるいは以前使用されたシステムの校正のいずれかを必要とする。
【００３２】
さらに装置を追加して、本発明の制御システムをより高級化することができる。追加される装置は、例えば、エンジンにかかる差圧を測定するセンサ、図３ａに示すＬＶＤＴ（線形変形可能な差分トランスフォーマ(Linear Variable Differential Transformer)）の流量制限装置の配置位置トランデューサ３０４である。これにより、ＡＣＴの閉鎖ループ・フィードバック制御が可能となる。可能な制御フローを表すフローチャートを図３Ｂに示す。
【００３３】
上記の装置および構成要素は、適宜の材料および適宜の方法により形成することができる。例えば、外側ガイド、内側ガイド、ヨークは、アルミ合金６０８２−Ｔ６から形成することができる。流量制限装置は、軽量材料、例えばカーボンファイバの強化プラスチックから形成できる。
【００３４】
ＶＧＴに対する本発明の利点は、流量面積は、駆動サイクルを通していつでも、最適化可能であり、安定した正圧力がタービン内で、あるエンジン状態に対し得られる。これは、各ガス・パルスのエネルギーを利用し、タービンからの高い平均パワーが得られることになる。流量制限装置は、タービン入口で一定の最大圧力を形成し、これは、タービンの回転運動の特性に利点を与える。本発明の方法の利点は、燃費を改善し、パワー出力を高め、さらに排気ガスを改善し、トルクとその遅れを改善する。さらに、本発明の構成要素は、疲労強度が大きく、軽量である。これにより、少なくとも６０Ｈｚ、例えば２０−８０Ｈｚの領域におけるアクチュエータ入力の高速応答を可能とし、ダンピングを回転ヨークにより提供できる。
【００３５】
上記の説明は、車のエンジンに使用される能動制御流のターボチャージャの使用を例に説明したが、特性サイクルで動作する如何なるエンジンと組み合わせて、ＡＣＴを使用することができる。
【００３６】
以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。特許請求の範囲の構成要素の後に記載した括弧内の番号は、図面の部品番号に対応し、発明の容易なる理解の為に付したものであり、発明を限定的に解釈するために用いてはならない。また、同一番号でも明細書と特許請求の範囲の部品名は必ずしも同一ではない。これは上記した理由による。
【符号の説明】
【００３７】
１００ ターボチャージャ
１０２ 流量制限部材
１０４ タービン渦巻き
１０６ 外側ガイド
１０８ 内側ガイド
１１４ ヨーク
１１６ 外側突起部
１１８ 回転ピン
１２１ 受けアーム
１２２ 回転ベアリング
１２３ 搭載アーム
２００ ピン
２０２ レバー
２０４ アクチュエータ
３００ 圧力センサ
３０１ 排気導管
３０２ エンジン
３０４ 配置位置トランデューサ
３０６ 圧力トランデューサ
３１２ エンジン制御ユニット
４００ 排気バルブ
４０２ 断面積
４０６ 流量制限部材
６００ ベーン・リング
６０２ ベーン（羽根）
６０４ 混合流タービン
６０６ ベーン回転ピン
６０８ 回転機構ディスク
６１０ 軸方向アーム
６１２ 半径方向内側向きアーム
６１４ 軸方向ベーン・アーム
６１６ 先端
６１８ 孔
７００ 内側翼表面
７０２ 外側翼表面
７０４ 底部表面
７０６ 上部表面
７０８ リーディング・エッジ
７１０ トレーリング・エッジ
１２０２ 混合流ロータ
１２０４ ブレード
１２０６ ギャップ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ａ） 流量制限装置の配置位置により、ターボチャージャの入口の流量を制限する配置位置が変更可能な流量制限装置と、
（Ｂ） 前記流量制限装置の配置位置を変更するアクチュエータと、
（Ｃ） 排気ガスのパラメータの値を検出するセンサと、
（Ｄ） 前記検出された排気ガスのパラメータの値に基づいて、前記流量制限装置の配置位置を決めるために、前記アクチュエータを制御するコントローラとを有し、
上記コントローラは、エンジン排気サイクル中の流量制限装置の配置位置を変更するようにアクチュエータを制御するものである
ことを特徴とするエンジンで使用するためのターボチャージャ用流量制御装置。
【請求項２】
排気ガスのパラメータは時間と共に変わり、排気ガスのパラメータは排気ガス圧力、瞬時の排気ガス圧力、ターボチャージャの入口圧力、ターボチャージャの瞬時の入口圧力、排気ガスの最大流量、排気バルブの開度、排気バルブの位置またはカムシャフトの回転角度のいずれかを含む
ことを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャ用流量制御装置。
【請求項３】
排気ガスのパラメータは排気ガス圧力または瞬時の排気ガス圧力を含み、 コントローラは、流量制限装置の配置位置の変更を一つ以上のエンジン排気サイクル中のエンジンの排気圧力レベルの周波数と振幅に合わせるようにアクチュエータを制御するものである
ことを特徴とする請求項１または２に記載のターボチャージャ用流量制御装置。
【請求項４】
流量制限装置は、排気ガス流路内で配置位置が変更可能であり、コントローラは、排気ガスのパラメータの値がしきい値より低いとき、排気ガス流路の断面積を減少するように流量制限装置の配置位置を変更するようにアクチュエータを制御するものである
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のターボチャージャ用流量制御装置。
【請求項５】
コントローラは、排気ガスのパラメータの値がしきい値より高いとき、排気ガス流路の断面積を増加するように流量制限装置の配置位置を変更するようにアクチュエータを制御するものである
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のターボチャージャ用流量制御装置。
【請求項６】
コントローラは、エンジンの排気サイクル中に時間に依存するように流量制限装置の配置位置を変更するようにアクチュエータを制御するものである
ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のターボチャージャ用流量制御装置。
【請求項７】
コントローラは、エンジン排気サイクル中に流量制限装置の配置位置をサイン波形状に変更するようにアクチュエータを制御するものである
ことを特徴とする請求項６に記載のターボチャージャ用流量制御装置。
【請求項８】
エンジン負荷またはエンジン速度を検知するためのセンサを有し、コントローラは、エンジンサイクル中の流量制限装置の配置位置を決定するために、検出されたエンジン負荷またはエンジン速度を使用するものである
ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載のターボチャージャ用流量制御装置。
【請求項９】
流量制限装置の配置位置は、エンジンサイクル中にゼロ位置から最大位置まで変位するものである
ことを特徴とする請求項８に記載のターボチャージャ用流量制御装置。
【請求項１０】
閉鎖されたループ位置制御のための流量制限装置配置位置センサを有する
ことを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載のターボチャージャ用流量制御装置。
【請求項１１】
（Ａ） ターボチャージャの入口の排気ガスのパラメータを表す変数を検出するステップと、
（Ｂ） 前記検出された排気ガスのパラメータを表す変数に基づいて、流量制限装置の配置位置を制御するステップと
を有し、
流量制限装置の配置位置は、エンジンからターボチャージャへの排気ガス流れの断面積の大きさを決定し、流量制限装置の配置位置の制御は、エンジン排気サイクル中の流量制限装置の配置位置を変更することを含む
ことを特徴とするターボチャージャがエンジンと共に使用されるときターボチャージャの入口の流量を制御する方法。
【請求項１２】
（Ｃ） 前記流量制限装置の配置位置を検出するステップと、
（Ｄ） 前記検出された配置位置に基づいて、配置位置を修正するステップと
を有することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
修正は、開放されたループ制御システムを使用して行われる
ことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記流量制限装置は、エンジン負荷またはエンジン速度に応じて、制御されることを特徴とする請求項１１ないし１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
排気ガスのパラメータの値がしきい値より低いとき、排気ガス流路の断面積を減少するように流量制限装置の配置位置を変更する
ことを特徴とする請求項１１ないし１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
排気ガスのパラメータの値がしきい値より高いとき、排気ガス流路の断面積を増加するように流量制限装置の配置位置を変更する
ことを特徴とする請求項１１ないし１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の流量制限装置を有する
ことを特徴とするターボチャージャ。
【請求項１８】
請求項１７に記載されたターボチャージャを有する
ことを特徴とする車又はエンジン。
【請求項１９】
請求項１１ないし１６のいずれか１項に記載された方法を実行するインストラクションを有する
ことを特徴とするコンピュータ・プログラム。
【請求項２０】
請求項１９に記載されたプログラムを記憶する
ことを特徴とするコンピュータで読みとり可能な媒体。
【請求項１】
（Ａ） 流量制限装置の配置位置により、ターボチャージャの入口の流量を制限する配置位置が変更可能な流量制限装置と、
（Ｂ） 前記流量制限装置の配置位置を変更するアクチュエータと、
（Ｃ） 排気ガスのパラメータの値を検出するセンサと、
（Ｄ） 前記検出された排気ガスのパラメータの値に基づいて、前記流量制限装置の配置位置を決めるために、前記アクチュエータを制御するコントローラとを有し、
上記コントローラは、エンジン排気サイクル中の流量制限装置の配置位置を変更するようにアクチュエータを制御するものである
ことを特徴とするエンジンで使用するためのターボチャージャ用流量制御装置。
【請求項２】
排気ガスのパラメータは時間と共に変わり、排気ガスのパラメータは排気ガス圧力、瞬時の排気ガス圧力、ターボチャージャの入口圧力、ターボチャージャの瞬時の入口圧力、排気ガスの最大流量、排気バルブの開度、排気バルブの位置またはカムシャフトの回転角度のいずれかを含む
ことを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャ用流量制御装置。
【請求項３】
排気ガスのパラメータは排気ガス圧力または瞬時の排気ガス圧力を含み、 コントローラは、流量制限装置の配置位置の変更を一つ以上のエンジン排気サイクル中のエンジンの排気圧力レベルの周波数と振幅に合わせるようにアクチュエータを制御するものである
ことを特徴とする請求項１または２に記載のターボチャージャ用流量制御装置。
【請求項４】
流量制限装置は、排気ガス流路内で配置位置が変更可能であり、コントローラは、排気ガスのパラメータの値がしきい値より低いとき、排気ガス流路の断面積を減少するように流量制限装置の配置位置を変更するようにアクチュエータを制御するものである
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のターボチャージャ用流量制御装置。
【請求項５】
コントローラは、排気ガスのパラメータの値がしきい値より高いとき、排気ガス流路の断面積を増加するように流量制限装置の配置位置を変更するようにアクチュエータを制御するものである
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のターボチャージャ用流量制御装置。
【請求項６】
コントローラは、エンジンの排気サイクル中に時間に依存するように流量制限装置の配置位置を変更するようにアクチュエータを制御するものである
ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のターボチャージャ用流量制御装置。
【請求項７】
コントローラは、エンジン排気サイクル中に流量制限装置の配置位置をサイン波形状に変更するようにアクチュエータを制御するものである
ことを特徴とする請求項６に記載のターボチャージャ用流量制御装置。
【請求項８】
エンジン負荷またはエンジン速度を検知するためのセンサを有し、コントローラは、エンジンサイクル中の流量制限装置の配置位置を決定するために、検出されたエンジン負荷またはエンジン速度を使用するものである
ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載のターボチャージャ用流量制御装置。
【請求項９】
流量制限装置の配置位置は、エンジンサイクル中にゼロ位置から最大位置まで変位するものである
ことを特徴とする請求項８に記載のターボチャージャ用流量制御装置。
【請求項１０】
閉鎖されたループ位置制御のための流量制限装置配置位置センサを有する
ことを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載のターボチャージャ用流量制御装置。
【請求項１１】
（Ａ） ターボチャージャの入口の排気ガスのパラメータを表す変数を検出するステップと、
（Ｂ） 前記検出された排気ガスのパラメータを表す変数に基づいて、流量制限装置の配置位置を制御するステップと
を有し、
流量制限装置の配置位置は、エンジンからターボチャージャへの排気ガス流れの断面積の大きさを決定し、流量制限装置の配置位置の制御は、エンジン排気サイクル中の流量制限装置の配置位置を変更することを含む
ことを特徴とするターボチャージャがエンジンと共に使用されるときターボチャージャの入口の流量を制御する方法。
【請求項１２】
（Ｃ） 前記流量制限装置の配置位置を検出するステップと、
（Ｄ） 前記検出された配置位置に基づいて、配置位置を修正するステップと
を有することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
修正は、開放されたループ制御システムを使用して行われる
ことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記流量制限装置は、エンジン負荷またはエンジン速度に応じて、制御されることを特徴とする請求項１１ないし１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
排気ガスのパラメータの値がしきい値より低いとき、排気ガス流路の断面積を減少するように流量制限装置の配置位置を変更する
ことを特徴とする請求項１１ないし１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
排気ガスのパラメータの値がしきい値より高いとき、排気ガス流路の断面積を増加するように流量制限装置の配置位置を変更する
ことを特徴とする請求項１１ないし１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の流量制限装置を有する
ことを特徴とするターボチャージャ。
【請求項１８】
請求項１７に記載されたターボチャージャを有する
ことを特徴とする車又はエンジン。
【請求項１９】
請求項１１ないし１６のいずれか１項に記載された方法を実行するインストラクションを有する
ことを特徴とするコンピュータ・プログラム。
【請求項２０】
請求項１９に記載されたプログラムを記憶する
ことを特徴とするコンピュータで読みとり可能な媒体。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１２Ｃ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１２Ｃ】
【公開番号】特開２０１２−３６９０７（Ｐ２０１２−３６９０７Ａ）
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５８３０２（Ｐ２０１１−２５８３０２）
【出願日】平成２３年１１月２５日（２０１１．１１．２５）
【分割の表示】特願２００７−５４３９２８（Ｐ２００７−５４３９２８）の分割
【原出願日】平成１７年１２月６日（２００５．１２．６）
【出願人】（５０７１８１３８３）インペリアル イノベーションズ リミテッド (2)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２５日（２０１１．１１．２５）
【分割の表示】特願２００７−５４３９２８（Ｐ２００７−５４３９２８）の分割
【原出願日】平成１７年１２月６日（２００５．１２．６）
【出願人】（５０７１８１３８３）インペリアル イノベーションズ リミテッド (2)
【Ｆターム（参考）】
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