JP2000234565A - 排気ガス再循環システム - Google Patents
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Abstract
より閉じるタイプのEGR弁のためのアクチュエータと
を提供する。 【解決手段】 内燃機関用排気ガス再循環システム11
は、排気ガスの流入を阻止する閉じる位置を有し、排気
ガス通路(E)内のガス圧により、閉じる位置に付勢さ
れている弁を含む。このシステムは、入力ギア55を有
する電気モータと、セクタギア73を駆動するおよびギ
ア列57,59とを含む。電気モータと、リンク部材9
3の端部91,95にそれぞれセクタギア73と弁棒2
9が連結されている。セクタギア73およびリング部材
93は、弁が排気ガス圧に抗して開き始めるときに、弁
棒の運動が相対的により大きい力で、かつ相対的により
低速になるように構成されている。弁が完全に開いた位
置に向かって移動するときには、弁棒の運動は、相対的
により小さい力でかつ相対的により高速となる。
Description
ガス通路からエンジン空気取り入れ通路への排気ガスの
流れを制御する排気ガス再循環システムに関し、特に、
排気ガス再循環システムのためのアクチュエータ組立体
に関する。
定されることはないが、本発明は、以下に明らかになる
理由により、ディーゼルエンジンと関連した使用におい
て特に有利である。
は、エンジン排気マニホルドとエンジン空気取入マニホ
ルドとの間に配置されており、弁は、弁が開いた位置に
あるときに排気ガスをエンジンの排出側から吸気側に戻
して再循環させるように動作可能である。当業者によく
知られているように、このような排気ガスの再循環は種
々のエンジン排出物を低減するのに有用である。
テムが、米国特許第5,606,957号に図示および
記載されている。前記特許において、弁棒のためのアク
チュエータはステッパモータであり、このステッパモー
タは、EGR弁の開閉の基本機能を実行するのにはほぼ
満足できる。しかしながら、EGR弁を用いる多くの車
両用途、特にディーゼルエンジンでの用途においては、
EGR弁を、閉じ指令が出されたときから約50ミリセ
カンドの時間内に閉じ、かつ、開き指令が出されたとき
から約100ミリセカンドの時間内に開くことができな
くてはならない。しかし、上記特許の装置は、一般に、
そのような迅速な開閉は可能ではない。
・D.・ロレンツ(Edwin D. Lorenz)、グレン・R.リ
レイ(Glen R. Lilley)およびデビッド・ターナ(David T
urner)により「EGRシステムおよび該システムのため
の改良アクチュエータ」と題されて1997年6月24
日に出願された同時係属中の米国出願08/881,6
62号が、EGR弁のための改良されたアクチュエータ
を教示している。この同時係属中出願において、アクチ
ュエータは、永久磁石直流整流子モータのような比較的
高速で連続回転するタイプの電気モータを含み、このよ
うなモータの出力は、比較的高速で低トルクである。こ
のアクチュエータはまた、出力が、適切なリンク機構に
よりEGR弁の弁棒に連結された出力ギアの比較的高ト
ルクで低速の回転である減速ギア列を含む。この同時係
属出願のアクチュエータは、ほぼ十分な性能を有し、か
つ、要求される時間内でEGR弁を開閉させることがで
きるが、この出願の上記の減速ギア列は、アクチュエー
タ組立体の全体の寸法、複雑性およびコストを過大なも
のにしている。
ップモータのようなモータの出力が、出力ギアにより、
セクタギア(扇形歯車)を含むアクチュエータ組立体に
伝達されるEGR弁のためのアクチュエータを示してい
る。セクタギアがモータの作動に応答してピボット運動
することにより、EGR弁がリンク部材を介して移動さ
せられる。上記特許の装置は、オットサイクルエンジン
のみと共に用いられるように意図されているようである
が、この装置においては、種々の流路および弁座が、排
気マニホルド内の排気ガスの圧力がEGR弁を開いた位
置へと付勢しようとするように配置されている。したが
って、アクチュエータがガス圧で助けられてEGR弁を
開く性能基準は、特には厳しくはなく、また、上記特許
において、セクタギアは、EGR弁を開くするときに比
較的一定のレベルのトルクおよび速度をもたらすように
配置されている。
ジンにターボが装填されており、これは、排気ガスマニ
ホルド内の圧力がターボチャージャの入力部(インペ
ラ)を駆動するという事実を考慮すると、排気ガスマニ
ホルド内の排気ガス圧が大気圧よりも実質的に大きくな
ければならないことを意味する。このようなターボ装填
ディーゼルエンジンにおいては、EGR弁が、前記米国
特許第4,690,119号に示されているような「圧
力の付勢により開く」タイプの弁ではなく、「圧力の付
勢により閉じる」タイプの弁であることが必要であると
考えられている。もし、ターボ装填ディーゼルエンジン
のEGR弁が「圧力の付勢により開く」タイプの弁であ
ったならば、排気ガスマニホルドの圧力の上昇により、
排気ガス吸気マニホルド内への実質的な漏れが、それが
望ましくないときに生じることになる。しかし、EGR
弁を「圧力の付勢により閉じる」タイプの弁にすること
により、アクチュエータ組立体に、より大きい「開く
力」が要求される。
EGRシステムと、圧力の付勢により閉じるタイプのE
GR弁のための、排気ガス圧に抗してEGR弁を開くこ
とができるアクチュエータとを提供することにある。
R弁と、上記目的を達成し、EGR弁を概ね特定された
極めて短い時間内で開放することができるアクチュエー
タを提供することにある。
弁と、弁の変位に対するモータの回転比が可変であり、
かつEGR弁がその閉じた位置から開いた位置に移動す
るに従って減少するアクチュエータとを提供することに
ある。
目的は、弁棒を含み、エンジン排気ガス通路とエンジン
吸気通路との連通を阻止する閉じた位置と、開いた位置
との間を移動可能である弁を有する、内燃機関用の改良
された排気ガス再循環システムを提供することにより達
成される。エンジン排気ガス通路内の圧力が弁を閉じる
位置に付勢する。このシステムは、ハウジング手段と、
電気モータへの電気的入力信号の変化に応答して比較的
高速で低トルクの運動を入力ギアに与えるために、ハウ
ジング手段と入力ギアに作動可能に組合された電気モー
タを有する。入力ギアは、第1の軸心のまわりをピボッ
ト回転可能な内歯付きセクタギアと駆動係合している。
リンク手段が、セクタギアと弁棒とに作動可能に組合さ
れて、セクタギアのピボット運動を弁棒の軸方向の運動
に伝達する。
ムは、弁が閉じた位置から開く位置に向って移動すると
きに、セクタギアとリンク手段がまず、弁棒の、比較的
より大きい力で、かつ比較的より低速の軸方向の運動を
発生するように構成されたセクタギアとリンク手段を特
徴とする。それから、弁がさらに開くとき、セクタギア
およびリンク手段は、弁棒の、比較的により小さい力で
かつ比較的より高速の軸方向の運動を発生する。
て図面を参照して説明する。本発明を限定することを意
図するものではない図面を参照すると、図1は全体が参
照番号11で示されている排気ガス再循環システム示し
ている。EGRシステム11は複数の部分を有し、この
実施形態においては、マニホールド部13、アクチュエ
ータ15、および熱伝達(冷却)部17を含む(図2参
照)。冷却部17は、マニホールド部13とアクチュエ
ータ部15との間に配置されている。
システムは、エンジンの排気および吸気システムに、多
くの方法により設置することができる。この設置を行う
ための特定の機構は、特に言及されるもの以外には本発
明の一部を含まない。したがって、設置機構は、ここで
は、単に概略的に、かつ一例としてのみ示す。
照)を形成するマニホールドハウジング19と、全体が
参照番号25で示された弁部材が、軸方向に往復運動す
るように内部に支持されている穴23を有する。弁部材
25は弁棒29と一体的に形成されたポペット弁部27
を含む。
が「閉じ止め部」として働くように、弁部材25が閉じ
るときにポペット弁部27が着座する弁座33を形成し
ている。図2においては、図示を明瞭にするために、ポ
ペット弁部27が弁座33からわずかに間隔をあけて配
置されているように示されているが、図2に示されたも
のを以後弁部材25の閉じた位置を表すものと称する。
単に一例として、マニホールドハウジング19は、図2
のポペット弁部27の下方の領域が排気ガス通路Eを含
むように排気マニホールド(図示せず)と接続されるフ
ランジ35を含む。マニホールドハウジング19は、通
路21の下流端に、通路21の下流端を吸気通路Iと称
するように吸気マニホールドに連結されるフランジ37
を含む。
と、アクチュエータ部15と熱伝達部17は、単一の一
体のハウジング部材39を含むものとしてここに示され
ており、マニホールドハウジング19がここでは複数の
ボルト41として示されている任意の好適な手段によっ
て、ハウジング部材39の下側の面に取り付けられてい
る。ハウジング部材39の下方部分を「熱伝達部17」
と称する理由は、ハウジング部材39が通路45を通じ
てエンジン冷却剤を受け入れるようになっている冷却室
43を形成していることである。通路45はハウジング
部材39の外部に、取付部品を受け入れるようになって
いるポート47を有する。取付部品はエンジン冷却剤の
循環路の残りの部分(図示せず)に連結されている。当
業者によく知られているように、マニホールドハウジン
グ19は、排気ガスの通路Eから吸気通路Iに流入する
熱い排気ガスと接触することにより非常に熱くなり、例
えば、華氏550度を超える。ここに示された構造の1
つの重要な態様に従えば、熱伝達部17は断熱部として
働くように、アクチュエータ部15をできる限り低温
に、好ましくは華氏250度未満に保つためにマニホー
ルド部13とアクチュエータ部15の間に配置されてい
る。
タ部15をやや詳細に説明する。ハウジング部材39の
前面には、何らかの適切な手段によりカバー49が取り
付けられている。ハウジング部材39の後面には、全体
が参照番号51で示された電気モータのケーシングが取
り付けられており、電気モータの特別な構造および仕様
は本発明にとって本質的なものではない。しかし、[従
来の技術]において説明した理由により、電気モータ5
1は、比較的高速で連続回転するタイプであることが好
ましく、また、電気モータ51としては、本発明の範囲
内でブラシレスDCモータが含まれるが、永久磁石DC
整流子モータ、または高いトルク−慣性比を有する他の
任意のモータが用いることが好ましい。電気モータ51
は、幾分概略的に参照番号52で示された1対のリード
またはワイヤによって電気が入力される。
すると、電気モータ51は、モータピニオンギア55が
取り付けられているモータ出力シャフト53に低トルク
で、高速の回転を出力する。モータピニオンギア55
は、ギア列の入力ギアを含み、ギア列の一般的な機能
は、電気モータ51の比較的低トルクの高速回転出力
を、弁部材25に伝達され得る比較的高トルクの低速回
転出力に変換することである。モータピニオンギア55
は、比較的大きなギア57と噛合っており、ギア57
は、比較的小さいピニオン59を駆動する。ギア57お
よびピニオン59は、ギア列の機能がトルクを増大させ
る一方で速度を漸次低減させることであることを単に示
すために、それぞれ、「相対的により大きい」および
「相対的により小さい」と称されており、したがって、
特定なギアおよびピニオン、ならびにそれらの間の歯の
割合を選択することは当業者の能力の範囲内にあると考
えられる。
のギア57に、トルク制限(滑り)カップリングが動作
可能に付属している。このようなトルク制限カップリン
グは、先に引用した同時係属出願に、より詳細に図示お
よび記載されており、ここでは記載の一部とする。ある
種のトルク制限カップリングを有することがここに示さ
れたタイプのEGRシステムの適切な動作にとって重要
であるが、図3に示したカップリングの特定の構造およ
び動作は本発明の本質的な特徴ではないことが理解され
るべきである。カップリングは、一端がハウジング部材
39内で支持されているシャフト61を含む。シャフト
61の左端付近(図3)にピニオン59が配置され、シ
ャフト61とピニオン59の間に、スリップ部材65の
円筒部63が半径方向に配置されている。円筒部63と
ピニオン59は、一緒に回転するように固定されてお
り、ギア57は、板ばね67により付勢されて、スリッ
プ部材65の、半径方向に延びる部分と摩擦係合してい
る。板ばね67は、リテーナとスナップリングの組立体
69によって軸方向に別限されている。トルク制限カッ
プリング、すなわちスリップクラッチの分野の技術者に
よく知られているように、ギア57とピニオン59は、
所定の最大入力トルクまでは一体として回転し、トルク
がそれより大きくなるとトルクはばね67の能力を超
え、ギア57は、スリップ部材65に対して滑り始め、
したがってピニオン59に対して滑り始める。
は、主に、ギア列を、特にギア歯部を保護することにあ
る。電気モータ51が発生するトルクの大部分は、単に
モータ自体の慣性に打勝つために必要とされる。全電流
がモータに流れると、ギア列の歯部は上記のトルク制限
(滑り)能力がなければ、弁部材25がその閉じた停止
位置または開いた停止位置に到達すればいつでも、破壊
されるであろう。本発明の範囲において、トルク制限ク
ラッチは、全トルク伝達径路内の他の場所に配置しても
よいが、図3に示した場所が好ましい。なぜならば、こ
の場所では、トルク制限カップリングを、装置の全体寸
法および複雑さを実質的に増大させずにギア57および
ピニオン59と組合せることができるからである。
参照すると、小さい方のピニオン59は、図3および4
の両方において断片的に示されているセクタギア73内
に形成された1群の内歯71と噛み合っている。図4に
おいて最もよくわかるように、セクタギア73は、セク
タギア取付シャフト75の軸のまわりをピボット運動す
るように取り付けられている。本発明の重要な一態様に
従えば、取付シャフト75の軸は第1の軸心A1を含み
(図4参照)、弁棒29は第2の軸心A2を形成してい
る(図2参照)。最後に、モータピニオン(入力)ギア
55は第3の軸心A3を形成している(図3参照)。第
1の軸心A1および第3の軸心A3は弁棒29の第2の
軸心A2に対して実質的に垂直であり、第2の軸心A2
は、以下に明らかになる理由により、軸心A1と軸心A
3との間を横切るように配置されている。
シャフト75の後端77が取付シャフト75、したがっ
てセクタギア73の瞬間的な回転位置を示す信号を出力
する機能を有する、ここでは不図示のシャフト位置セン
サを収容するようになっているハウジング79内に配置
されている。捩りばね81が取付シャフト75を取り囲
んでおり(図2も参照のこと)、また、ほぼ円筒状のハ
ウジング支持部分83が、取付シャフト75とばね81
との間に半径方向に配置されている。ハウジング支持部
分83の機能は、取付シャフト75が種々の方向の荷重
を受けるときに取付シャフト75を支持することであ
る。本発明の1つの特徴に従えば、捩りばね81は、弁
25を図2に示された弁の閉じた位置に向かって付勢す
る弁戻しばねとして働く。米国特許第4,690,11
9号を含む、EGR弁の多くの従来技術においては、弁
棒は、弁をその閉じた位置に向かって付勢するコイル圧
縮ばねによって囲まれているが、このような構造は、本
発明が、図2で最も良くわかるように、EGR弁のパッ
ケージングを実質的に改良しているのに対して、弁棒の
周りのかなりの大きさの空間を占めることになる。
タギア73を詳しく説明する。セクタギア73は、周方
向に、かつ内歯71にほぼ平行に延びるアーチ状の構造
部分85を含むことが好ましい。図6で最もよくわかる
ように、セクタギア73は、取付シャフト75の付近で
はほぼ中実であり、それから構造部分85から半径方向
内側に開いていることが好ましい。最後に、セクタギア
73は、セクタギア73の前面に、構造部分85からセ
クタギア73の外周に向かって半径方向外向きに延びる
カバー部87を含むことが好ましい。実際、カバー部8
7は、ピニオン59と歯部71との噛み合い部に流れ込
む潤滑液が液溜め内で飛散し液溜め内に留められ、それ
により歯の噛み合いの潤滑を向上させるように内歯71
の領域に液溜めを形成している。
タギア73の半径方向内側の中実の部分は開口89を形
成し(図5を参照)、リンク部材93の下方の軸部91
が、セクタギアの後端部から開口部89内に延びてい
る。リンク部材93はまた、軸方向に延び、そして後方
に延びて弁棒29の上端部付近の開口部を通っている上
方軸部95を含む。したがって、リンク部材93は、図
5に示すように幾分「Z字状」であり、通常硬化ばねワ
イヤから作られるであろう。リンク部材93の目的は、
セクタギア73の、その軸心A1のまわりのピボット運
動を、弁棒29の、弁棒29の軸心A2に沿った直線運
動に伝達することである。
クタギア73の向きおよびリンク部材93の形状は、開
く(閉じる)力および速度が一定でなく、その代わり
に、図示の環境、すなわち、ポペット弁部27が「圧力
により付勢されて閉じる」タイプである場合においてE
GR弁の必要性を満たすように調整されるように選択さ
れる。[従来の技術]において述べたように、ポペット
弁部27が圧力に付勢されて閉じるタイプである場合、
弁が、図2に示すその閉じた位置から開いた位置へ向か
って移動を始めるとき、より大きい力とより低い速度が
必要である。次いで、弁が、わずかに開いた位置から完
全に開いた位置へと移動するに従い、所望の開き時間を
得るためには、必要とされる力はかなり小さくなるが、
より大きい速度が必要となる。
じた位置に対応する図6を主に参照すると、セクタギア
73が、リンク部材93とセクタギア73(すなわち、
開口部89と下方軸部91)の連結場所がセクタギア取
付シャフト75の軸心A1と弁棒29の軸心A2の間で
横方向の位置にあるように向けられていることが分かる
であろう。したがって、弁が図2および6のように閉じ
ている状態では、リンク部材93は図6に示す角度に向
けられ、弁棒29の垂直運動の速度は、最初は、セクタ
ギア73が図7に示した位置に向かってピボット回転し
たときよりも小さくなり、リンク部材93はほぼ垂直に
なる。図6の位置においては、下方軸部91の位置は、
横方向において軸心A1により近く、したがって、弁棒
29により大きい横方向のセパレーション(「モーメン
トアーム」)および、より小さい下向きの力が生じる。
図7の位置での力よりも大きい下向きの力を弁棒29に
もたらす。より大きい力からより大きい速度への変化の
数学的関係は、4バーリンゲージの分野の技術者に良好
に理解されるであろう。
フである図8に示されている。ここで、度数は、セクタ
ギア73が、図6の位置(「閉じた」)を出発して図7
の位置(開いた)に向って移動する半時計回りのピボッ
ト運動の度数である。本発明が、弁が排気ガス圧力に抗
して開き始めるときに最大の機械的利点をもたらし、弁
を開くために必要な力がより小さくなるにしたがって、
図8に示すように機械的利点が徐々に減少するというこ
とがリンケージと機械の比率の分野の当業者に理解され
るであろう。当業者はまた、弁の運動速度が、図8のグ
ラフのちょうど逆のグラフ、すなわち、ゆっくりと上昇
し始め、弁が図7の開いた位置に近づくにしたがって最
大値にまで徐々に増大するグラフに従うことを理解する
であろう。
組立体のほぼ後部の斜視図である。
ータ組立体の、弁が閉じた位置にある状態の、前方から
見た軸方向の垂直断面図である。
面の拡大破断図である。
面の拡大破断図である。
組立体のギア列をより大きい尺度で示す、ほぼ後部の斜
視図である。
の上部の、図5よりもわずかに小さい縮尺で、図2の弁
が閉じる位置に対応している正面図である。
の全体の、図6よりも小さい縮尺で、弁が閉じた位置に
ある正面図である。
ット運動の角度に対する弁を開く力のグラフである。
Claims (11)
- 【請求項1】 弁棒(29)を含み、エンジン排気ガス
通路(E)からエンジン吸気通路(I)への連通を阻止
する閉じた位置と、開いた位置との間を移動可能な弁
(25)を有し、前記エンジン排気ガス通路(E)内の
圧力が前記弁(25)を前記閉じた位置に付勢し、さら
にハウジング手段(39)と電気モータ(51)とを有
し、前記電気モータ(51)は、前記ハウジング手段
(39)および入力ギア(55)と動作可能に組み合さ
れて、前記電気モータ(51)への電気的入力信号(5
2)の変化に応答して比較的高速で低トルクの運動を、
前記入力ギア(55)に出力し、前記入力ギア(55)
は、第1の軸心(A1)のまわりをピボット回転可能な
内歯付きセクタギア(73)と駆動係合しており、さら
に、前記セクタギア(73)と前記弁棒(29)とに動
作可能に組合され、前記セクタギア(73)のピボット
運動を前記弁棒(29)の軸方向の運動に伝達するリン
ク手段を有する内燃機関用排気ガス再循環システム(1
1)において、 前記セクタギア(73)と前記リンク手段(93)が、
前記弁が前記閉じた位置から前記開く位置に向って移動
するときに、 前記セクタギア(73)および前記リンク手段(93)
がまず、前記弁棒の、比較的により大きい力でかつ比較
的により低速の軸方向の運動を発生させ、 次いで、前記弁(25)がさらに開き、かつ、前記セク
タギア(73)および前記リンク手段(93)が、前記
弁棒(29)の比較的より小さい力でかつ比較的より高
速の軸方向の運動を発生させるように構成されているこ
とを特徴とする内燃機関用排気ガス再循環システム。 - 【請求項2】 前記セクタギア(73)に動作可能に組
み合され、かつ前記弁(25)を前記閉じた位置に向か
って付勢するばね手段(81)を有し、前記セクタギア
(73)と組み合されたばね手段(81)は、前記排気
ガス再循環アセンブリ(11)内で、前記弁(25)に
働く唯一の実質的な付勢力を有する、請求項1に記載の
排気ガス再循環システム。 - 【請求項3】 前記弁棒(29)が第2の軸心(A2)
を形成し、前記入力ギア(55)が第3の軸心(A3)
を形成し、前記第1の軸心(A1)および第3の軸心
(A3)が前記第2の軸心(A2)に対して実質的に垂
直に配置されている、請求項1に記載の排気ガス再循環
システム(11)。 - 【請求項4】 前記第2の軸心(A2)が前記第1の軸
心(A1)と前記第3の軸心(A3)の間を横切るよう
に配置されている、請求項3に記載の排気ガス再循環シ
ステム。 - 【請求項5】 前記リンク手段(93)が、前記弁(2
5)が前記閉じた位置にあるときに前記第1の軸心(A
1)と第3の軸心(A3)の中間の横方向の位置にある
場所(89)にて前記セクタギア(73)に連結されて
いる部分(91)を含む、請求項4に記載の排気ガス再
循環システム。 - 【請求項6】 前記リンク手段(93)の部分(91)
が、前記セクタギア(73)に、前記弁(25)が前記
開いた位置にあるときに前記第1の軸心(A1)と横方
向にほぼ位置合わせされる場所(89)にて連結されて
いる、請求項5に記載の排気ガス再循環システム。 - 【請求項7】 前記入力ギア(55)が、前記セクタギ
ア(73)に比較的低速で比較的高トルクの入力を与え
るために、中間ギア(57,59)によって前記内歯付
きセクタギア(73)と駆動係合している、請求項1に
記載の排気ガス再循環システム。 - 【請求項8】 前記ギア列が、前記入力ギア(55)と
噛み合っている比較的より大きいギア(57)と、前記
セクタギア(73)と噛合っている比較的より小さいギ
ア(59)を有する、請求項7に記載の排気ガス再循環
システム。 - 【請求項9】 前記ギア列が、前記入力ギア(55)か
ら前記セクタギア(73)に伝達されるトルクを制限す
るように動作可能なトルク制限カップリング(65,6
7,69)を有する、請求項8に記載の排気ガス再循環
システム。 - 【請求項10】 前記セクタギア(73)が前記弁棒
(29)の前方に配置され、前記リンク手段が、前記セ
クタギア(73)と係合する下方軸部(91)と、前記
弁棒(29)と係合する上方軸部(95)とを含む幾分
Z状の部材(93)を有する、請求項1に記載の排気ガ
ス再循環システム。 - 【請求項11】 前記セクタギア(73)が1群の内側
歯部(71)と、前記内歯部(71)の前に、かつ前記
内歯の半径方向内向きに配置されて前記内歯(71)の
噛合部の付近に循滑油溜めを形成する前カバー部(8
7)を含む、請求項1に記載の排気ガス再循環システ
ム。
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