CN1680702A - 发动机的废气节流阀 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种排气节流阀，其被设置在阀轴(5)的旋转中心轴(12)与废气通路的通路中心轴偏心的位置，防止伴随热膨胀的阀体(4)与废气通路的管壁接触的同时，减小阀体(4)的周边部与废气通路的管壁的间隙。在比旋转中心轴(12)更靠近通路中心轴的一侧、且阀体(4)的周边部与废气通路上开口有阀轴(5)的插入孔(8)的边缘部(9)相对的位置上，对称地形成切除阀体(4)的表面的2个凹处(11)。该位置为阀体(4)的周边部与边缘部的距离最小的位置，通过增大设有凹处(11)的部分的间隙，能够防止因热膨胀的阀体(4)与边缘部(9)的接触，同时，能够使排气节流阀封闭时的阀体(4)的周边部与废气通路(2)的管壁的间隙变小。

Description

发动机的废气节流阀
技术领域
本发明涉及一种设置于柴油发动机的废气后处理装置下游的节流阀或辅助车辆减速运转中的制动力的排气制动阀等、设置于发动机的排气系统中的排气节流阀的结构。
背景技术
作为环境对策的重要一环，是对车辆用发动机实施对废气中的有害成分的限制、另外、降低有害成分的各种技术的开发投入了很大的精力。特别是，对柴油发动机、尤其是柴油发动机废气的限制近年来逐渐强化，并且，未来具有实施更加严厉的限制的倾向。柴油发动机，与汽油发动机相比，通常热效率较高，虽然具有二氧化碳(CO2)的排出量减少一些的特性，但还是强烈要求削减粒状物(微粒物：PM)和氮氧化物(Nox)。
为了防止PM的排出，具有在柴油发动机的排气系统上装有称作柴油机微粒过滤器(DPF)的过滤器、并捕捉PM的废气后处理装置。DPF通常在多孔质的堇青石等陶瓷体上沿轴向设有格子状划分的多个细小通路，相邻通路的出入口被交替地封住。柴油发动机的废气通过相邻通路间的多孔质陶瓷的壁而向下流，时，捕集微粒、即PM。作为如此的废气后处理装置，最近关注于所谓的连续再生型DPF，但该连续再生型DPF为，在DPF的上游设置氧化型催化剂，在氧化废气中的未燃烧成分等并使其温度上升等作用下，将由DPF捕集的PM在发动机工作中连续地氧化去除，防止DPF的堵塞并使DPF再生。
为了连续再生型DPF的催化剂活性化并进行良好的再生，废气相应于催化剂特性的活性化温度需要在例如约350℃以上。可是，柴油发动机的燃料喷射量较少的低负载时，废气温度下降很多，长时间继续该运转状态时，催化剂的温度低于活性温度，PM会蓄积到DPF上。因此，即使在连续再生型DPF中，也存在着需要有意使废气温度上升，将催化剂活性化，不得不去除PM的情况，这样的连续再生型DPF的再生在下面称作强制再生。
在强制再生时，为了使废气的温度上升，在发动机的排气行程中，用喷射燃料的后喷射等机构，向排气系统供给添加燃料，该燃料由催化剂等氧化燃烧。此外，还具有在连续再生型DPF的下游设置排气节流阀、在实施强制再生时通过使排气通路节流、而使废气温度进一步上升的机构，例如日本公开公报2003-343287号所示。在此，根据图8的概略图，对在连续再生型DPF的下游设有排气节流阀的柴油发动机进行说明，另外，参照图7对这样的排气节流阀的具体结构进行说明。
在图8中，通过空气滤清器22和进气管23向柴油发动机主体的汽缸内供给空气。在压缩行程的结束期从燃料喷嘴24向汽缸内喷射燃料，喷射的燃料与压缩的空气混合并在汽缸内燃烧以产生动力。燃烧后的废气向排气管25排出，并且其一部分通过EGR通路26在进气管23中再循环。再循环的目的主要在于防止NOx的产生，再循环的废气的量由EGR阀27控制。另外，在排气管25上设置有具有陶瓷体的DPF281和配置于上游的氧化型催化剂282的连续再生型DPF28，以捕集废气中的PM。在连续再生型DPF28的下游设有由流体压驱动器18操作的排气节流阀1。该排气节流阀1通过电磁阀91控制导入流体压驱动器18中的动作流体，并在柴油发动机的通常运转中保持全开。
在连续再生型DPF28中，若柴油发动机的废气温度在预定值以上，则氧化型催化剂282被活化，由在该氧化作用下成为高温的废气，使由DPF281捕集并堆积的PM与废气中的氧等化合而氧化去除。可是，柴油发动机长时间在低负载下运转时，废气的温度降低，氧化型催化剂282的活性下降，被捕集的PM的堆积量增大。堆积量超过一定量时，为了进行DPF的强制再生，而用通过来自燃料喷嘴24的后喷射而供给添加燃料等方法来提高废气的温度。这样的控制由ECU210根据DPF281前后的差压、其温度、发动机转速等而输出的指令来执行。
在通过后喷射等页难以使催化剂活化的发动机的低负载区域中，进行使设置于连续再生型DPF28的下游的排气节流阀1的开度变小、使废气的流动强制节流的控制。由此，由于防止来自连续再生型DPF28的热量的发散、其内部被保温，并且随着发动机排压上升而作用于发动机上的负载扭矩增大，燃料喷射量也增大，因而，废气的温度进一步上升，氧化型催化剂282充分活化，以促进DPF281的再生。但是，使排气节流阀1节流时，由于多少会影响到柴油发动机的运转，因此并用排气节流阀1的强制再生被设定成在车辆停止且发动机处于空转状态时执行。另外，在此，虽然对将排气节流阀1设置于连续再生型DPF28的下游的废气后处理装置进行了说明，但如前述的日本专利公开公报2003-343287号所记载的那样，也具有将排气节流阀1设置于上游侧的情况。
如图7所示，排气节流阀1作为设置于阀体3的废气通路2内的碟阀而成。在废气通路2的壁部设有阀轴5的插入孔8，在此通过套筒(bush)使阀轴5的两端部嵌入并对其支承着。贯通废气通路2的阀轴5的中间部，其直径比两端部大，但在其上方部分贯穿排气通路2的整个宽度被切除，以成为平坦的表面。为此，在阀轴5的中间部与两端部之间，形成突缘部51。在阀轴5的插入孔8开口于废气通路2上的位置的管壁上形成边缘部9。
碟阀的板状阀体4通过螺栓6而被固定到阀轴5的中间部的平坦表面上。阀体4在俯视图上看去为接近圆形的椭圆形，以便在阀封闭时，使其周边部与废气通路2的管壁基本一致。该图示出阀全开时的情况，但在关闭阀时，由与流体压驱动器连接的连杆7，使阀轴5旋转例如75度左右，以使阀体4的周边部与废气通路2的管壁接近。但是，即使在阀全闭的位置上，也不会完全地封闭废气通路2，为了使DPF强制再生时等的柴油发动机可运转，要在阀体4的周边部与废气通路2的管壁之间确保少量的间隙。
这样的排气节流阀不仅与连续再生型DPF组合使用，而且作为一例被记载在日本专利公开公报平11-257104那样、从过去以来也被用为排气制动阀。即，装载于柴油发动机的车辆中，在车辆总重较大的大型卡车等中，为了辅助车辆减速运转中的制动以提高安全性，大多设置有同样结构的排气制动阀，在减速时由此使排气强制节流并使作用于柴油发动机上的负载扭矩增加。
【专利文献1】日本特开2003-343287号公报
【专利文献2】日本特开平11-257104公报
正如前述，对于氧化、去除由连续再生型DPF捕集的PM，并用添加燃料的喷射等所致的废气的高温化和排气节流阀是有效的。但是，在排气管上设置的排气节流阀，通常被置于高温的废气中，其构件会产发生热膨胀。特别是，DPF强制再生时，添加燃料在排气系统氧化燃烧，废气温度高于通常柴油发动机运转时的温度，并且，由于也燃烧堆积在DPF上的PM，因而连续再生型DPF下游侧的温度进一步提升，根据情况会成为超过600℃的温度。为此，设置于连续再生型DPF下游的排气节流阀上作用的热负载非常大，构件的热膨胀过度。
另外，DPF强制再生时、封闭排气节流阀以运转柴油发动机时，排气节流阀上游的废气压力上升。该废气由于是从排气节流阀的阀体周边部与废气通路的管壁之间的间隙，边产生压力下降边强势地流出，因而此时会从排气节流阀的周边产生较大的噪音。该噪音在排气节流阀的下游侧存在连续再生型DPF时会由此得到缓和，但在设置于连续再生型DPF后侧的排气节流阀中，不能期待连续再生型DPF会起到降低噪音的作用。
为了降低上述噪音，考虑到在排气节流阀的阀体上设有连通孔，在封闭排气节流阀以运转柴油发动机时，废气从连通孔排出，使阀体与废气通路的管壁间流动的废气尽可能较少。为此，需要在封闭时，使阀体的周边部接近废气通路的管壁，以极力减少其间的间隙。
可是，排气节流阀上产生的热膨胀的量因构件的不同而不同。即，由于与排气节流阀阀体的周围时常流过高温的废气相对，形成废气通路的阀体的外侧存在常温的大气，因此，即使将这些构件用同一材质制造，也会根据温度的不同而存在热膨胀量的差异，阀体周边部与废气通路的管壁的间隙随着废气温度的上升逐渐减少。为了降低噪音，将阀体设计成接近废气通路的管壁时，有热膨胀时这些构件的接触会产生所谓的咬住现象、阀体会固定住的可能。
另外，排气节流阀在柴油发动机的通常运转时，必须保持全开。为此，在排气节流阀中，大多是以作用于阀体上的废气的压力通常朝向打开方向作用地、将安装阀体的阀轴的旋转中心轴与废气的通路中心轴偏心设置。此时，作用于阀体上的废气的压力中心成为废气的通路中心轴与阀体的交点即阀体的椭圆形状的中心点附近，从而在使其中心点稍微错开旋转中心轴的状态下，将阀体固定到阀轴上。并且，如此固定时，阀轴的插入孔开口于废气通路部分的边缘部与阀体的周边部间的间隙成为在旋转中心轴的两侧不同的结果，阀体中心点一侧的间隙变窄。
本发明涉及一种以作用于排气节流阀的阀体上的废气的压力通常朝向打开方向作用地、将安装阀体的阀轴的旋转中心轴与废气的通路中心轴偏心设置的排气节流阀。另外，本发明的课题为，在这样的排气节流阀中，即使在由高温的废气产生热膨胀之际，也防止阀体与废气通路的管壁的接触，避免阀体固定着而不能动作的现象。这样的课题不仅是对于与连续再生型DPF组合的排气节流阀，对于作为排气制动阀等装备的排气节流阀也是共通的。
发明内容
鉴于上述的技术问题，本发明的目的是防止伴随热膨胀的阀体与废气通路的管壁接触，在排气节流阀的阀体中，在阀体周边部与管壁最接近的位置的表面形成凹处。即，本发明的排气节流阀为，设置于发动机的排气系统中的排气节流阀，具有：通过废气的剖面为圆形的废气通路、设置于所述废气通路的壁部的剖面为圆形的插入孔、嵌入所述插入孔中并贯通所述废气通路的可旋转的阀轴、以及安装于所述阀轴上的板状的阀体，所述阀轴的旋转中心轴被设定在与所述废气通路的通路中心轴偏心的位置，其特征在于，在所述阀体的、比所述旋转中心轴靠近所述通路中心轴一侧的周边部，在与所述插入孔开口于所述废气通路上的边缘部相对置的位置上，对称地形成有切除所述阀体的表面的2个凹处。
所述凹处的形状如技术方案2所述，最好被形成为，所述阀体的周边部与所述边缘部相对置的点的深度最大。
为了确保废气的流路，如技术方案3所述，可在所述阀体的、隔着所述旋转中心轴的与所述通路中心轴相反一侧的部分，设有连通孔。
如技术方案4所述，可将本发明的排气节流阀适用于配置有具有捕集废气中的粒状物的柴油机微粒过滤器和催化剂的废气后处理装置的柴油发动机，在氧化去除堆积在所述柴油机微粒过滤器上的粒状物并使该过滤器再生时，所述排气节流阀被操作成其开度变小。此时，如技术方案5所述，最好所述排气节流阀被设置于所述废气后处理装置的下游。
另外，如技术方案6所述，本发明的排气节流阀也可作为排气制动阀使用，在车辆的减速运转中被操作成开度变小。
本发明具有如下的效果。
成为本发明对象的排气节流阀为了在柴油发动机的通常运转中打开方向的扭矩起作用，阀轴的旋转中心轴被设定在与废气通路的通路中心轴偏心的位置。这样的排气节流阀被固定在椭圆形的阀体中心与旋转中心轴错开的位置上，阀体的周边部与废气通路的管壁的间隙在旋转中心轴的两侧不均匀。在本发明中，在该间隙较小侧、即比旋转中心轴还靠近通路中心侧的阀体的周边部上，在与阀轴的插入孔开口于废气通路的边缘部相对置的位置上，对称地形成阀体的表面被切除的2个凹处。
阀体的周边部与相对置的废气通路的管壁的距离越接近于旋转中心轴的周边部越短。上述位置由于是阀体的整个周边部中、周边部与边缘部的距离最小的位置，因而在由高温的废气使排气节流阀产生热膨胀之际，成为阀体与边缘部接触的危险最大的地方。在本发明中，在此通过形成凹处，而间隙变大，能够避免由热膨胀引起的接触的可能，从而可成为阀体的周边部与废气通路的管壁的整体的间隙尽可能较小的设计。由此，排气节流阀封闭时流过阀体周围的废气减少，产生的噪音降低。另外，通过切除阀体的表面的简单的加工，就可获得如此效果，因而几乎不会增加制造成本等。
如技术方案2所述，凹处的形状以阀体周边部与边缘部相对置部分的深度成为最大的方式形成时，可最有效地实现上述的效果，能够使阀体的周边部与废气通路的管壁的整体间隙非常小。
另外，如技术方案3所述，在隔着旋转中心轴并与通路中心轴相反侧的部分上设有连通孔时，即使在阀体周边部与废气通路的管壁的整体间隙较小时，也可确保封闭时的废气的流路。
将具有捕集废气中的粒状物的柴油机微粒过滤器和催化剂的废气后处理装置与排气节流阀组合的情况下，强制再生时，可对排气节流阀施加较大的热负载。因此，如技术方案4所述，本发明的排气节流阀特别适用于配置有这样的废气后处理装置的柴油发动机，并且如技术方案5所述，将排气节流阀设置于废气后处理装置的下游，本发明就可发挥更有效的效果。
对于设置于发动机的排气系统中的排气节流阀，除了与废气后处理装置组合的排气节流阀外，还有在大型车辆等上使用的排气制动阀。即使对于排气制动阀，也会产生由高温的废气所致的热膨胀，因而如技术方案6所述，本发明适用于排气制动阀，能够避免由热膨胀引起的固定。
附图说明
图1为根据本发明的排气节流阀的俯视剖面图。
图2为根据本发明的排气节流阀的正视剖面图。
图3为本发明的阀体示意图。
图4为本发明的排气节流阀的动作涉及的说明图。
图5为示出阀体的周边部与边缘部的间隙的图表。
图6为表示阀体的封闭位置中的边缘部附近的详图。
图7为以往的排气节流阀的示意图。
图8为适用排气节流阀的柴油发动机的概略图。
具体实施方式
以下，根据附图，对本发明的排气节流阀进行说明。但是，本发明涉及排气节流阀自身，适用的废气后处理装置的结构和动作与图8所示相同，故在此省略对其详述。另外，对于本发明的排气节流阀，与以往例(图7)的部件、装置相对应的部分标以相同的符号。
图1、图2所示的本发明的排气节流阀与图7相同，成为在形成废气通路2的阀体3内设置的碟阀。安装阀体4的阀轴5也与图7的阀轴为同样的形状，具有嵌入在阀体3上形成的插入孔8中的两端部、和固定阀体4的中间的平坦面，在平坦面与两端部之间形成凸缘部51，阀轴5的插入孔8在排气通路2上开口的部分成为边缘部9。图1、图2为示出排气节流阀全开状态的示意图，在DPF强制再生时，通过添加燃料的燃烧等，使废气温度上升，并且根据运转状况，将阀体4处于封闭位置。阀轴5通过连杆7而与例如具有汽缸-活塞机构的流体压驱动器连接，在关闭排气节流阀时，向流体压驱动器内导入压缩空气等，以使阀轴5旋转。
本发明的阀轴5的旋转中心轴12被设定在离开废气通路2的通路中心轴13与阀体4交叉的点C、即、椭圆形状的阀体4的中心点的位置上。即，如图4所示，阀轴5的旋转中心轴12通过只偏离通路中心轴13的距离为E的因而，通过偏置，在阀体4上作用有根据废气压力的打开方向的扭矩。因此，即使在柴油发动机的通常运转时无论何种原因封闭，排气节流阀都自动地打开。另外，在图4中，为了容易理解，夸大记载了偏置量E，但实际的偏置量只是废气通路2的直径的1/20～1/40左右。
如此将阀轴5的旋转中心轴12偏置于废气通路2的通路中心轴13设定时，阀体4以使其椭圆形状的中心点C成为仅离开旋转中心轴12偏置的程度的位置地、被安装于阀轴5上。结果，阀体4的周边部与形成于阀轴的插入孔8开口于排气通路2上的部分的边缘部9的距离在旋转中心轴12的两侧不同，如图6所详细表示的，具有阀体4的中心点C的一侧的间隙变窄。
为了使阀体4封闭时产生的噪音降低，需要使阀体4与排气通路2的管壁的间隙尽可能小。在使间隙变窄时，也为了确保发动机的废气的排出量，而在本发明中，在阀体4上设有3个连通孔10。在排气节流阀封闭时，废气的大部分通过该连通孔10流动，但由于连通孔10被设置于阀体4的中央部附近，并且，成为一定程度宽的流路面积，从而在封闭时，与废气仅流过阀体4的周围的排气节流阀相比，所产生的噪音大幅度减少。
阀体4的周边部与废气通路2的距离在周边部越接近阀轴5的旋转中心轴的位置越短，因此，插入孔8开口部分上所形成的边缘部9和与此相对的位置的周边部的间隙成为最短。另外，由于边缘部9形成于圆形的管壁上，因而阀体4从全开旋转到全闭期间，周边部与边缘部9的距离(间隙)也根据阀体4的厚度等一般如图5那样变化，大致在全闭附近成为最小。并且，在旋转中心轴12的两侧，正如上述，具有阀体4的中心点C的一侧的距离较短。
即，因高温的废气产生的热膨胀，阀体4的周边部与废气通路2的管壁首先接触的是，具有阀体4的中心点C的一侧的、与边缘部9相对的位置的周边部。在本发明中，在该位置的阀体4的表面上形成凹处11。由该凹处增大边缘部9与阀体4的周边部的距离，即使产生热膨胀时，也可防止两者接触咬住。设有凹处11的位置为最容易产生热膨胀引起的接触的地方，若在此不接触，则不会与其他周边部接触。
图3示出实施了本发明的阀体4的形状。在阀体4中，在阀轴5的旋转中心轴12上，设有通过安装用螺栓6的2个孔52，此外，开有3个封闭时的废气的连通孔10。C为椭圆形的阀体4的中心点，废气通路2的通路中心轴13通过该点。旋转中心轴12的右侧的、实施阴影线部分的面积比左侧的面积大，由此，废气的压力给予阀体4以打开方向的扭矩。凹处11，与旋转中心轴12有关地、在废气通路2的通路中心轴13存在的一侧的周边部对称地形成2个。
图6示出安装于旋转轴5上的阀体4与插入孔8的开口的边缘部9附近的放大图。凹处11由例如使用圆形的工具切除阀体4的表面而形成，但其形状以使周边部与边缘部9的间隙成为最小的位置、即、与边缘部9相对的周边部的位置最深地形成。另外，如剖面A-A所示，由于不切除阀体4的厚度的整体而存留周边部分，因而在排气节流阀封闭时，通过该部分的间隙的废气量不会通过凹处11而增大。
正如以上所详述地，本发明的目的在于防止随着热膨胀的阀体与废气通路的管壁的接触，在排气节流阀的阀体中，在关闭动作的过程中，在阀体与管壁最接近的位置的表面上形成凹处。因此，很显然，本发明不仅适用于与废气后处理装置一同使用的排气节流阀，一般也可适用于例如作为排气制动阀而设置的排气节流阀等、在发动机的排气管中使用的排气节流阀。

Claims (6)

1、一种排气节流阀，其是设置于发动机的排气系统中的排气节流阀，具有：通过废气的剖面为圆形的废气通路(2)、设置于所述废气通路(2)的壁部的剖面为圆形的插入孔(8)、嵌入所述插入孔(8)中并贯通所述废气通路(2)的可旋转的阀轴(5)、以及安装于所述阀轴(5)上的板状的阀体(4)，所述阀轴(5)的旋转中心轴(12)被设定在与所述废气通路(2)的通路中心轴(13)偏心的位置，其特征在于，在所述阀体(4)的、比所述旋转中心轴(12)靠近所述通路中心轴(13)一侧的周边部，在与所述插入孔(8)开口于所述废气通路(2)上的边缘部(9)相对置的位置上，对称地形成有切除了所述阀体(4)的表面的2个凹处(11)。
2、如权利要求1所述的排气节流阀，其特征在于，所述凹处(11)的形状被形成为，所述阀体(4)的周边部与所述边缘部(9)相对置的点的深度最大。
3、如权利要求1或2所述的排气节流阀，其特征在于，在所述阀体(4)的、隔着所述旋转中心轴(12)的与所述通路中心轴(13)相反一侧的部分，设有连通孔(10)。
4、如权利要求1～3的任一项所述的排气节流阀，其特征在于，所述发动机为柴油发动机，在其排气系统中设置有具有捕集废气中的粒状物的柴油机微粒过滤器(281)和催化剂(282)的废气后处理装置，在氧化去除堆积在所述柴油机微粒过滤器(281)上的粒状物并使该过滤器再生时，所述排气节流阀被操作成其开度变小。
5、如权利要求4所述的排气节流阀，其特征在于，所述排气节流阀被设置于所述废气后处理装置的下游。
6、如权利要求1～5的任一项所述的排气节流阀，其特征在于，所述发动机被搭载于车辆上，所述排气节流阀在车辆的减速运转中被操作成开度变小。
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