JP2006118476A - バルブ装置、排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】弁軸部分からのガス外部漏れを防止することができ、しかも比較的部品点数が少なくて低コストなバルブ装置を提供すること。
【解決手段】本発明のバルブ装置３１は、排気流路の切り替えまたは開閉を行うためのものであって、ハウジング３２、弁軸５１、弁本体４１、付勢手段５２を備える。ハウジング３２の弁軸挿通孔３３には、ハウジング側テーパ面Ｔ１が形成されている。弁軸５１の外周部には弁軸側テーパ面Ｔ２形成されている。ハウジング側テーパ面Ｔ１の傾斜角度はθ１、弁軸側テーパ面Ｔ２の傾斜角度はθ２である。弁軸５１は弁軸挿通孔３３に対して回動可能に挿通される。弁本体４１は、弁軸５１に対して連結され弁軸５１の回動に伴って回動する。付勢手段５２は、弁軸５１をその中心軸線Ｃ１方向に付勢する。付勢手段５２は、ハウジング側テーパ面Ｔ１に弁軸側テーパ面Ｔ２を押し付けて線接触させる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ガスの外部漏れ防止構造に特徴を有するバルブ装置、及びそれを含んで構成される排気ガス浄化装置に関するものである。

従来、内燃機関の排気流路の途上に設置されることで排気流路の切り替えまたは開閉を行うバルブ装置が各種提案されている。その具体例としては、エンジンブレーキの効率を向上させる排気ブレーキに使用されるバルブ装置などが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載のバルブ装置は、第１及び第２の軸受部に回動可能に支持された弁軸と、その弁軸に取り付けられ、弁軸の回動に伴って回動するバタフライバルブとを備えている。弁軸における一方の開放端は、蓋体、転がり軸受け手段、押圧手段等からなる第１の軸受部に支持されている。弁軸における他方の開放端は、重ね合わされた複数のシールリングからなるラビリンスシール構造を有する第２の軸受部に支持されている。

ところで、同バルブ装置では、弁軸を回動可能とするべく、複数のシールリング間に若干の隙間を設けている。そして、排気ガスの外部漏れを抑制するべく、押圧手段で弁軸を押圧し、シールリング同士を面接触させてそれらの密着性を向上させるように構成している。
実開平４−１１２３４号公報（図１等）

ところが、ラビリンスシール構造を有する上記従来技術のバルブ装置では、排気ガスの熱によってシールリングが変形する可能性もあり、この場合には気密性を確保することが困難となる。よって、弁軸部分からのガス外部漏れを防止することが難しくなる。また、上記従来技術のバルブ装置は、多くの部品を用いて構成されているため組み付け工程が煩雑であり、それゆえコスト高になりやすいという問題がある。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、弁軸部分からのガス外部漏れを防止することができ、しかも比較的部品点数が少なくて低コストなバルブ装置、排気ガス浄化装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、排気流路の切り替えまたは開閉を行うためのバルブ装置において、弁軸挿通孔を有するとともに、その弁軸挿通孔にハウジング側テーパ面が形成されたハウジングと、前記ハウジング側テーパ面とは傾斜角度が異なる弁軸側テーパ面が外周部に形成され、前記弁軸挿通孔に対して回動可能に挿通された弁軸と、前記弁軸に対して連結され、前記弁軸の回動に伴って回動する弁本体と、前記弁軸をその中心軸線方向に付勢することにより、前記ハウジング側テーパ面に前記弁軸側テーパ面を押し付けて線接触させる付勢手段とを備えたことを特徴とするバルブ装置をその要旨とする。

従って、請求項１に記載の発明によれば、ハウジング側テーパ面と弁軸側テーパ面とでは傾斜角度が異なるため、付勢手段の付勢力が作用することで、両テーパ面同士がほぼ全周にわたって線接触する。その結果、弁軸挿通孔と弁軸との間に高い気密性が確保され、弁軸部分からのガス外部漏れが防止される。しかも、この構成によれば、ラビリンスシール構造を有する従来のバルブ装置とは異なり、排気ガスの熱によるシールリングの変形といった問題が起こらないため、好適な気密性を維持することができる。また、本発明のバルブ装置は、ラビリンスシール構造を有する従来のバルブ装置に比べて少ない部品で構成可能なため、組み付け工程を簡素化することができ、低コスト化を実現することができる。

ここで「傾斜角度」とは、弁軸挿通孔の中心軸線を基準とした場合のテーパ面の傾斜角度のことを指す。前記ハウジング側テーパ面及び前記弁軸側テーパ面の傾斜角度の差は特に限定されないが、強いて言えば５°〜１５°であることが好ましい。即ち、傾斜角度の差が大きすぎると、弁軸が横に振れやすくなる結果、好適な気密性が維持されにくくなるおそれがあるからである。一方、傾斜角度の差が小さすぎると、テーパ面同士が線接触ではなく面接触に近い状態になり、この場合も好適な気密性が維持されにくくなるおそれがあるからである。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記弁軸挿通孔の中心軸線を基準とした場合の前記ハウジング側テーパ面の傾斜角度は２０°〜３０°であり、前記弁軸挿通孔の中心軸線を基準とした場合の前記弁軸側テーパ面の傾斜角度は１０°〜１５°であることをその要旨とする。

従って、請求項２に記載の発明によると、ハウジング側テーパ面と弁軸側テーパ面との傾斜角度の差が好適範囲内となるので、両テーパ面同士の線接触状態を保ちつつ弁軸の横振れを防止することができ、好適な気密性を確実に維持することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のバルブ装置を排気流路内に設けたことを特徴とする排気ガス浄化装置をその要旨とする。従って、請求項３に記載の発明によると、請求項１または２に記載の発明と同様の作用効果を奏するため、排気流路の切り替えまたは開閉を確実に行うことができ、必要に応じて効率よく排気ガスの浄化を行うことが可能となる。

以上詳述したように請求項１〜３に記載の発明によれば、弁軸部分からのガス外部漏れを防止することができ、しかも比較的部品点数が少なくて低コストなバルブ装置、排気ガス浄化装置を提供することができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態の排気ガス浄化装置を図１〜図３に基づき詳細に説明する。

図１に示されるように、本実施形態の排気ガス浄化装置１（補助触媒コンバータ）は、図示しない内燃機関に連結されたエキゾーストマニホールド２の終端と、排気ガスの通路となる排気管３との間に配置される。この排気ガス浄化装置１は、ケーシング１１、酸化触媒２１及びバルブ装置３１によって構成されている。ケーシング１１はステンレス系合金からなる中空円筒状の部材であって、外壁１２ａと内壁１２ｂとを有している。内壁１２ｂの内側の領域には第１流路１３が形成される一方、外壁１２ａと内壁１２ｂとの間の領域には第２流路１４が形成されている。酸化触媒２１は第２流路１４の途中に設けられている。そして、この酸化触媒２１を通過する際に排気ガス中のＮＯｘ等が酸化され、排気ガスが浄化されるようになっている。なお、排気ガス浄化装置１よりも下流側にはメイン触媒コンバータ（図示略）が配設されており、メイン触媒コンバータによっても排気ガスが浄化される。

図１に示されるように、バルブ装置３１はケーシング１１の下流側開口に配設されている。バルブ装置３１を構成するハウジング３２は、耐熱性に優れたステンレス系合金からなる部材であって、円盤部３２ａと弁軸収容部３２ｂとにより構成されている（図２参照）。円盤部３２ａはケーシング１１の直径とほぼ等しく、ケーシング１１内の第２流路１４の下流側開口を塞ぐような状態で設けられている。円盤部３２ａの中央部には、第１流路１３に対応して円形状の中央孔３５が貫通形成されている。そして、この中央孔３５の周囲には、中央孔３５よりも直径が小さい６個の小孔３４が等間隔を隔てて貫通形成されている。これらの小孔３４は、円盤部３２ａを介して第２流路１４を連通可能とするためのものである。一方、弁軸収容部３２ｂには、弁軸５１を挿通可能な大きさの弁軸挿通孔３３が形成されている。

図２，図３に示されるように、弁軸５１は耐熱性に優れたステンレス系合金からなる棒状の部材であって、弁軸挿通孔３３内にて回動可能な状態で挿通されている。弁軸５１は第１端５１ａ（突出端）及び第２端５１ｂ（非突出端）を有している。第１端５１ａは、弁軸挿通孔３３から突出するとともに、弁軸５１に回動力を与えるための図示しない部材に対して連結されている。一方、第２端５１ｂは、常に弁軸挿通孔３３の内部に位置している。このような弁軸５１に対しては弁本体４１が連結されている。この弁本体４１は、中央孔３５を閉塞可能な大きさの円形状の蓋体４５と、連結アーム４２と、蓋体４５に連結アーム４２の一端を取り付けるためのボス４３とによって構成されている。連結アーム４２の他端には貫通孔４４が形成されており、その貫通孔４４には弁軸５１が挿通されかかつ溶接等によって連結固定されている。従って、自身の中心軸線Ｃ１を中心として弁軸５１が回動すると、その弁軸５１の回動に伴って連結アーム４２が回動し、蓋体４５が中央孔３５を開閉するようになっている（図１参照）。

つまり、蓋体４５が中央孔３５を閉塞しない開状態のとき（図１においてバルブ装置３１が二点鎖線で示す位置にあるとき）には、相対的に圧力損失の小さい第１流路１３側を排気ガスが優先的に通過する。よって、排気ガスが第２流路１４上の酸化触媒２１を殆ど通過せず、このとき排気ガスの浄化は行われない。これに対して、蓋体４５が中央孔３５を閉塞する閉状態のとき（図１においてバルブ装置３１が実線で示す位置にあるとき）には、第１流路１３の終端開口が蓋体４５によって閉鎖される。よって、排気ガスが第１流路１３側ではなく第２流路１４側を流れるようになる。そして、このとき排気ガスが酸化触媒２１を通過し、その際に排気ガス中のＮＯｘ等が酸化され、排気ガスが浄化されるようになっている。即ち、本実施形態においては、バルブ装置３１の開閉により排気流路の切り替えが行われ、これに伴い排気ガスの浄化を補助触媒コンバータで行うか否かが決定されるようになっている。

次に、本実施形態のバルブ装置３１におけるガス外部漏れ防止のための構造について述べる。

図２，図３に示されるように、本実施形態のバルブ装置３１の場合、弁軸挿通孔３３の開口部付近には、当該開口部に向かうほど小径となるハウジング側テーパ面Ｔ１が形成されている。本実施形態において、弁軸挿通孔３３の中心軸線Ｃ１を基準とした場合のハウジング側テーパ面Ｔ１の傾斜角度θ１は、約２５°に設定されている。一方、弁軸５１の第１端５１ａ側の外周部には、第１端５１ａに向かうほど小径となる弁軸側テーパ面Ｔ２が形成されている。本実施形態において、弁軸挿通孔３３の中心軸線Ｃ１を基準とした場合の弁軸側テーパ面Ｔ２の傾斜角度θ２は、上記傾斜角度よりも約１０°小さく、約１５°に設定されている。

また、弁軸挿通孔３３においてハウジング側テーパ面Ｔ１が形成されていない側の開口部は、封止体としてのキャップ５４によって封止されている。キャップ５４の内端面と、弁軸５１の第２端５１ｂ側の端面との間にできる空間には、付勢手段としての圧縮コイルばね５２及びばね座プレート５３が収容されている。圧縮コイルばね５２の一端は、キャップ５４の内端面に当接している。圧縮コイルばね５２の他端は、弁軸５１の第２端５１ｂ側の端面よりも若干大面積のばね座プレート５３に当接している。従って、圧縮コイルばね５２のばね力は、ばね座プレート５３を介して弁軸５１に常時作用する。その結果、弁軸５１が中心軸線Ｃ１方向に沿って第１端５１ａ側に常時押圧され、ハウジング側テーパ面Ｔ１に弁軸側テーパ面Ｔ２が押し付けられる。よって、ハウジング側テーパ面Ｔ１と弁軸側テーパ面Ｔ２とが全周にわたって確実に線接触した状態となっている。なお、本実施形態では、圧縮コイルばね５２、ばね座プレート５３及びキャップ５４は、いずれも耐熱性に優れたステンレス系合金を用いて形成されている。

従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。

（１）上記構造のバルブ装置３１によると、傾斜角度が異なるハウジング側テーパ面Ｔ１と弁軸側テーパ面Ｔ２とが線接触する結果、弁軸挿通孔３３と弁軸５１との間に高い気密性が確保される。よって、弁軸５１部分（弁軸挿通孔３３と弁軸５１との間）からのガス外部漏れを確実に防止することができる。また、このバルブ装置３１を備えた排気ガス浄化装置１によれば、第１流路１３及び第２流路１４の流路切り替えを確実に行うことができ、必要に応じて効率よく排気ガスの浄化を行うことが可能となる。

（２）また、本実施形態のバルブ装置３１によれば、ラビリンスシール構造を有する従来のバルブ装置とは異なり、排気ガスの熱によるシールリングの変形といった問題が起こらない。しかも、排気ガスの熱がバルブ装置３１の各部材に加わることで、仮にハウジング側テーパ面Ｔ１の傾斜角度θ１や、弁軸側テーパ面Ｔ２の傾斜角度θ２がいくぶん変化したとしても、本実施形態の構成であれば好適な線接触状態が維持される。ゆえに、弁軸挿通孔３３と弁軸５１との間における高い気密性を確実に維持することが可能となる。

（３）また、本実施形態のバルブ装置３１は、ラビリンスシール構造を有する従来のバルブ装置に比べて少ない部品で構成することができる。そのため、組み付け工程を簡素化することができ、低コスト化を実現することができる。

（４）本実施形態のバルブ装置３１では、ハウジング３２、弁軸５１、弁本体４１及び圧縮コイルばね５２などの部材が、いずれもステンレス系合金を用いて形成されている。このため、各部材の耐熱性が向上することで熱変形等を防止することができる。

（５）本実施形態のバルブ装置３１では、ハウジング側テーパ面Ｔ１の傾斜角度θ１＝約２５°に設定し、弁軸側テーパ面Ｔ２の傾斜角度θ２＝約１５°に設定することで、その差を約１０°としている。そして、このような角度設定によれば、両テーパ面Ｔ１，Ｔ２同士の線接触状態を保ちつつ弁軸５１の横振れを防止することができ、高い気密性を確実に維持することができる。

（６）本実施形態のバルブ装置３１では、ばね座プレート５３を介して圧縮コイルばね５２を配置しているため、いわゆるばねの片当たりが防止される。その結果、圧縮コイルばね５２のばね力が、弁軸５１の第２端５１ｂ側の端面に均一に作用するようになる。勿論このことは高気密性の維持を達成するうえで貢献する。

なお、本発明の実施形態は以下のように変更してもよい。

・上記実施形態では、ハウジング側テーパ面Ｔ１の傾斜角度θ１を相対的に大きく設定し、弁軸側テーパ面Ｔ２の傾斜角度θ２を相対的に小さく設定したが、図４に示される別の実施形態のバルブ装置６１のように、この大小関係を逆にして設定することも可能である。

・上記実施形態では、付勢手段である圧縮コイルばね５２を、排気ガスの通路となる排気管３の内部に配置したが、図５に示される別の実施形態のバルブ装置７１のように、これを排気管３の外部に配置してもよい。即ち、このバルブ装置７１では、弁軸５１の第１端５１ａにフランジ部７２が形成されている。そのフランジ部７２とハウジング３２の弁軸収容部３２ｂとの間には、圧縮コイルばね５２が介在されている。従って、弁軸５１が中心軸線Ｃ１方向に沿って第１端５１ａ側に常時押圧され、ハウジング側テーパ面Ｔ１と弁軸側テーパ面Ｔ２とが全周にわたって確実に線接触するようになっている。なお、図５の構成の利点は、圧縮コイルばね５２が高温に晒されにくくなり、ばね力の劣化等を未然に防止できることである。

・上記実施形態では付勢手段としてコイルばねを用いたが、例えば板ばね等を用いてもよく、さらにはばね以外の周知の付勢手段を用いることも可能である。

・上記実施形態ではばね座プレート５３を介して圧縮コイルばね５２を配置したが、ばね座プレート５３は必須の構成ではないので、これを省略した構成としても構わない。

・上記実施形態では、バルブ装置３１を排気ガス浄化装置１に使用したが、これを排気ガス浄化装置以外のもの、例えば排気ブレーキ装置などに使用しても勿論よい。

・上記実施形態では、バルブ装置３１を用いることにより２つの排気流路（第１流路１３及び第２流路１４）を切り替えるようにしたが、１つの排気流路を単に開閉するようにしてもよい。
次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。

（１）請求項１乃至３のいずれか１項において、前記ハウジング側テーパ面及び前記弁軸側テーパ面の傾斜角度の差は５°〜１５°であること。この構成によると、両テーパ面同士の線接触状態を保ちつつ弁軸の横振れを防止することができる。

（２）請求項１乃至３のいずれか１項において、前記ハウジング、前記弁軸、前記弁本体及び前記付勢手段は、いずれもステンレス系合金からなること。この構成によると、各部材の耐熱性が向上することで熱変形等を防止できる。

（３）請求項１乃至３のいずれか１項において、前記弁軸は第１端及び第２端を有するとともに、前記第１端側に前記弁軸側テーパ面が配置され、前記第２端側に前記付勢手段としての圧縮ばねが配置されていること。

（４）請求項１乃至３のいずれか１項において、前記弁軸は第１端及び第２端を有するとともに、前記第１端側に前記弁軸側テーパ面が配置され、前記第２端側に、前記弁軸の第２端側端面よりも大面積のばね座プレートを介して前記付勢手段としての圧縮ばねが配置されていること。この構成によると、いわゆる片当たりが防止される結果、圧縮ばねの付勢力が弁軸に均一に作用する。

（５）請求項１乃至３のいずれか１項において、前記付勢手段を排気流路内に配置したこと。

（６）請求項１乃至３のいずれか１項において、前記付勢手段を排気流路外に配置したこと。この構成によると、付勢手段が高温に晒されにくくなり、付勢力の劣化等を防止しやすくなる。

本発明を具体化した一実施形態の排気ガス浄化装置を示す概略断面図。 実施形態の排気ガス浄化装置に使用されるバルブ装置を示す正面図。 前記バルブ装置を示す要部拡大断面図。 別の実施形態のバルブ装置を示す要部拡大断面図。 別の実施形態のバルブ装置を示す要部拡大断面図。

符号の説明

１…排気ガス浄化装置
３１，６１，７１…バルブ装置
３２…ハウジング
３３…弁軸挿通孔
４１…弁本体
５１…弁軸
５２…付勢手段としての圧縮コイルばね
Ｃ１…中心軸線
Ｔ１…ハウジング側テーパ面
Ｔ２…弁軸側テーパ面
θ１，θ２…傾斜角度

Claims (3)

1. 排気流路の切り替えまたは開閉を行うためのバルブ装置において、
   弁軸挿通孔を有するとともに、その弁軸挿通孔にハウジング側テーパ面が形成されたハウジングと、
   前記ハウジング側テーパ面とは傾斜角度が異なる弁軸側テーパ面が外周部に形成され、前記弁軸挿通孔に対して回動可能に挿通された弁軸と、
   前記弁軸に対して連結され、前記弁軸の回動に伴って回動する弁本体と、
   前記弁軸をその中心軸線方向に付勢することにより、前記ハウジング側テーパ面に前記弁軸側テーパ面を押し付けて線接触させる付勢手段と
   を備えたことを特徴とするバルブ装置。
2. 前記弁軸挿通孔の中心軸線を基準とした場合の前記ハウジング側テーパ面の傾斜角度は２０°〜３０°であり、前記弁軸挿通孔の中心軸線を基準とした場合の前記弁軸側テーパ面の傾斜角度は１０°〜１５°であることを特徴とする請求項１に記載のバルブ装置。
3. 請求項１または２に記載のバルブ装置を排気流路内に設けたことを特徴とする排気ガス浄化装置。
   

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