JP2006258077A

JP2006258077A - エンジン用リードバルブ

Info

Publication number: JP2006258077A
Application number: JP2005080302A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Miyashita; 篤宮下
Original assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Current assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Priority date: 2005-03-18
Filing date: 2005-03-18
Publication date: 2006-09-28

Abstract

【課題】リード着座時にリードに与えられる応力を低減することができるエンジン用リードバルブを提供する。
【解決手段】ケース５０は、弁口５１ａ〜５１ｄとこの弁口５１ａ〜５１ｄの周囲に設けられた着座面５２とを有する。リード５３ａ〜５３ｄは、ケース５０に固定される固定端５４ａ〜５４ｄと、着座面５２と接触して弁口５１ａ〜５１ｄを閉塞させる閉状態と着座面５２から離れて弁口５１ａ〜５１ｄを開放させる開状態との間で変位可能な自由端５５ａ〜５５ｄを有する。弁口５１ａ〜５１ｄにリード５３ａ〜５３ｄが着座する台座７０が設けられている。
【選択図】図４

Description

この発明は、ディーゼルエンジン等のエンジンに設けられるエンジン用リードバルブに関する。

ディーゼルエンジン等のエンジンでは、排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘ量を低減させるために、ＥＧＲ（排気還流）を行うものが知られている。排気ガスの一部を吸気に還流することで、燃焼温度を低く抑え、ＮＯ_Ｘの生成を抑制することができる。

ディーゼルエンジンにおいてＮＯ_Ｘの生成をより低減させるためには、ＮＯ_Ｘの排出量が多い高負荷領域でもＥＧＲを行うのが好ましい。しかし、過給機を備えたディーゼルエンジンでは、エンジンの回転数が低速及び中速領域であって、且つ、中負荷及び高負荷となるような領域では、ブースト圧力（吸気圧）Ｐｂの平均圧力が排気圧Ｐｅの平均圧力よりも高くなるため、排気ガスの一部を吸気に還流（再循環）させることが困難となる。

そのため、ＥＧＲ装置としては、瞬時的にブースト圧力Ｐｂが排気圧Ｐｅよりも小さくなる領域において排気ガスの一部を吸気に還流させることができるように、ＥＧＲ通路にリードバルブを設けたものが知られている。

模型ヘリコプタ等に搭載される小型エンジンのエンジン用リード弁装置（リードバルブ）としては、リード弁板がポリエーテルエーテルケトン樹脂主体の材料で形成されたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

また、リード弁（リードバルブ）を備えたＥＧＲ装置としては、リード弁の閉弁時に、リードが着座部に衝突するリード着座速度を３．０ｍ／ｓ以下の範囲にして形成したものが知られている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００２−８９３８２号公報特開２００１−１３２５５７号公報

ところで、エンジン用リードバルブでは、リードがケースに着座する際、リードに応力が与えられ、リードが撓んでしまうことがわかった。このようなリードの撓みは、リードの疲労をまねくため好ましくない。

本発明は、このような事情にもとづいてなされたもので、リード着座時にリードに与えられる応力を低減することができるエンジン用リードバルブを提供することを目的とする。

本発明の一形態にかかるエンジン用リードバルブは、弁口、及び、この弁口の周囲に設けられた着座面を有するケースと、前記ケースに固定された固定端、及び、前記着座面と接触して前記弁口を閉塞させる閉状態と前記着座面から離れて前記弁口を開放させる開状態との間で変位可能な自由端を有するリードと、を具備するエンジン用リードバルブであって、前記閉状態で前記リードが着座可能な台座を前記弁口に設けている。

本発明の一形態にかかるエンジン用リードバルブによれば、弁口にリードが着座する台座を設けているため、リード着座時にリードに与えられる応力を低減することができる。

本発明によれば、リード着座時にリードに与えられる応力を低減することができるエンジン用リードバルブが得られる。

以下、本発明一実施形態を、図１乃至図８を参照して説明する。
図１は、エンジンの一例として、トラックやバス等の車両に搭載される走行用ディーゼルエンジン１を示している。このディーセルエンジン１は、ＥＧＲ（排気還流）装置１３を備えている。また、ディーゼルエンジン１が備えるエンジン本体１ａは、例えば、直列に並んだ４つの気筒２ａ〜２ｄを備えている。なお、気筒の数及び配置はこれに限定されるものではない。

気筒２ａ〜２ｄには、夫々、ピストン（図示せず）が往復可能に収容されている。各気筒２ａ〜２ｄの上部には、各気筒２ａ〜２ｄ毎に、インジェクタ３ａ〜３ｄと、吸気ポート４ａ〜４ｄと、排気ポート５ａ〜５ｄと、吸・排気弁（図示せず）とが夫々設けられている。

各インジェクタ３ａ〜３ｄには、燃料供給装置（図示せず）が接続されている。各気筒２ａ〜２ｄ毎に所定のタイミングで、各吸・排気弁の吸・排気動作と、各インジェクタ３ａ〜３ｄの噴射動作が行われる。これにより、各気筒２ａ〜２ｄで、例えば、吸気、圧縮、燃焼、排気の工程が、所定のサイクルで行われる。

エンジン本体１ａの一方側には、吸気ポート４ａ〜４ｄが形成されている。これら吸気ポート４ａ〜４ｄには、吸気マニホールド６が接続されている。吸気マニホールド６には、吸気管９が接続されている。吸気管９には、例えば空冷式のインタークーラ７と、ターボ過給機８のコンプレッサ部８ａとが組み付けられている。燃焼用空気は、吸気管９を通じて各気筒２ａ〜２ｄに導入される。

エンジン本体１ａの他方側には、排気ポート５ａ〜５ｄが形成されている。これら排気ポート５ａ〜５ｄには、排気マニホールド１０が接続されている。排気マニホールド１０には、排気管１１が接続されている。排気管１１には、ターボ過給機８のタービン部８ｂが組み付けられている。

各気筒２ａ〜２ｄで燃焼を終えた排気ガスは、排気管１１を通じて外部へ排気される。タービン部８ｂには、排気逃がし部８ｃが設けられている。排気逃がし部８ｃの一例としては、バイパス路１２ａと、ウエストゲートバルブ１２ｂとを有して構成されたものを挙げることができる。バイパス路１２ａは、タービン部８ｂの入口と出口との間を繋いでいる。ウエストゲートバルブ１２ｂは、バイパス路１２ａを開閉する機能を有している。

ディーゼルエンジン等のエンジンでは、排気ガス中のＮＯ_Ｘを低減させるために、不活性ガスである排気ガスの一部を吸気に還流することで、燃焼温度を低く抑えてＮＯ_Ｘの生成を抑制するＥＧＲ（排気還流）が有効であることが知られている。上述したディーゼルエンジン１は、排気ガス対策のために、ＥＧＲ装置１３を備えている。

ＥＧＲ装置１３は、吸気マニホールド６と排気マニホールド１０との間に設けられている。ＥＧＲ装置１３は、例えば、吸気マニホールド６と排気マニホールド１０との間を繋ぐＥＧＲ通路１３ａ、ＥＧＲ通路１３ａ内を還流する排気ガスを冷却するＥＧＲクーラ１３ｄ、ＥＧＲ通路１３ａを開閉するＥＧＲバルブ１３ｂ、及び、ＥＧＲバルブ１３ｂよりも排気の下流側に設けられたリードバルブ（逆止弁）１３ｃ等を備えている。このＥＧＲ装置１３では、ＥＧＲ通路１３ａにＥＧＲバルブ１３ｂを設けることで、ＥＧＲガスの流量を調整し、排気還流を行うように構成されている。

制御部として機能するＥＣＵ（図示せず）は、例えばマイクロコンピュータによって構成されている。ＥＣＵには、インジェクタ３ａ〜３ｄ、ウエストゲートバルブ１２ｂ、及びＥＧＲバルブ１３ｂ等が電気的に接続されている。このＥＣＵには、車両の運転時に、その運転状況に応じて、インジェクタ３ａ〜３ｄ、ウエストゲートバルブ１２ｂ、及びＥＧＲバルブ１３ｂ等を制御する制御プログラムが組み込まれている。

目標のＥＧＲ量は、図示しないセンサ群から得られるエンジンの回転数やエンジンの負荷等から演算される。ＥＧＲは、目標のＥＧＲ量を流通させるための信号をＥＣＵから出力させ、ＥＧＲバルブ１３ｂを調整制御することによって行われる。

ところで、排気ガス中のＮＯ_Ｘの低減効果を向上させるためには、ＮＯ_Ｘの排出量が多い高負荷領域でも、ＥＧＲを行うのが好ましい。しかしながら、ターボ過給機を備えたディーゼルエンジンでは、排気マニホールドの出口に設けられたターボ過給機のタービン部が排気ガスによって駆動され、コンプレッサ部により吸気を圧縮することで、ブースト圧力（吸気圧）を高めている。そのため、エンジンの回転数が低速及び中速であって、且つ、中負荷及び高負荷であるエンジンの運転領域では、ブースト圧力の平均圧力が排気圧の平均圧力より高くなる。

このように、ＥＧＲが困難なエンジンの運転領域であっても、少しでも多くのＥＧＲを行うためには、ブースト圧力Ｐｂと排気圧Ｐｅとの脈動現象を利用するとよい。そのため上記ＥＧＲ装置１３では、ＥＧＲ通路１３ａ内、具体的にはＥＧＲバルブ１３ｂよりも吸気マニホールド６側に、エンジン用リードバルブ（以下、リードバルブという）１３ｃが設けられている。

ブースト圧力Ｐｂと排気圧Ｐｅとの排気脈動により、ブースト圧力Ｐｂの平均圧力が排気圧Ｐｅの平均圧力よりも大きくなる領域においても、瞬時的にブースト圧力Ｐｂが排気圧Ｐｅよりも小さくなることがある。図２に二点鎖線で示すように、ブースト圧力Ｐｂが排気圧Ｐｅよりも小さくなると、リードバルブ１３ｃが開弁するため、ＥＧＲガスが吸気マニホールド６側に流入し、ＮＯ_Ｘの排出量を低減させる。一方、ブースト圧力Ｐｂが排気圧Ｐｅよりも大きくなる領域では、図２に実線で示すように、リードバルブは閉弁する。したがって、吸気が吸気側から排気側に逆流するのが抑止され、エンジンの燃焼の悪化や、エンジン性能の低下の抑制を図ることができる。

上述のようなターボ過給機８を備えるディーゼルエンジン１では、ＥＧＲ通路１３ａにリードバルブ１３ｃを設けることにより、ＥＧＲが困難なエンジンの運転領域であっても、排気脈動を利用して、ＮＯ_Ｘの排出量を良好に低減させることができる。

図２に示すように、ＥＧＲ通路１３ａ内には、リードバルブ１３ｃを取付けるための張り出し部６１が設けられている。リードバルブ１３ｃ（後述するケース５０）には、リードバルブ１３ｃをＥＧＲ通路１３ａ内に固定するためのネジ止め部５０ａが設けられている。図３及び図４に示すように、ネジ止め部５０ａには、ネジ孔５０ｂ（図３及び図４では一方の図示）が形成されている。リードバルブ１３ｃは、ネジ止め部５０ａを張り出し部６１にネジ止めすることで、ＥＧＲ通路１３ａ内に固定されている。また、ＥＧＲ通路１３ａ内には、リードバルブ１３ｃ（後述するリード５３ａ〜５３ｄ）が過度に開くのを抑制するためのストッパ６０が設けられている。

次に、リードバルブ１３ｃについて詳しく説明する。
図３乃至図５に示すように、リードバルブ１３ｃは、ケース５０と、一対のリード部材５３とを備えている。ケース５０は、排気ガス中の酸化化合物による腐蝕を防ぐため、材料をステンレス（ＳＵＳ）とし、また、側面形状が二等辺三角形状となるように形成されている。ケース５０は、その一端面７２及び他端面７３に、夫々、１以上例えば４つの弁口５１ａ〜５１ｄを有している。さらに、ケース５０は、その一端面７２及び他端面７３に、夫々、リード部材５３を取付けるためのネジ孔５９を有している。これらネジ孔５９は、各弁口５１ａ〜５１ｄの下側（底部側）に夫々４つずつ設けられている。各弁口５１ａ〜５１ｄの周囲は、着座面５２が形成されている。

また、ケース５０は、その一側面及び他側面に、夫々、外方に張り出す前記ネジ止め部５０ａを有している。これらネジ止め部５０ａは、ケース５０の底部から外方に張り出している。これらネジ止め部５０ａには、夫々、前記ネジ孔５０ｂ（図３及び図４では一方の図示）が設けられている。

一対のリード部材５３は、夫々、ケース５０と同様に、排気ガス中の酸化化合物による腐蝕を防ぐためステンレス（ＳＵＳ）板によって形成されている。図４に示すように、ケース５０の一端面７２に取付けられるリード部材５３は、ケース５０の一端面７２に設けられた各弁口５１ａ〜５１ｄと夫々対応する４つのリード５３ａ〜５３ｄを有している。同様に、ケース５０の他端面７３に取付けられるリード部材５３は、ケース５０の他端面７３に設けられた各弁口５１ａ〜５１ｄと夫々対応する４つのリード５３ａ〜５３ｄを有している。なお、弁口及びリードの数は任意である。また、本実施形態では、４つのリードのうち、後述する固定端５４ａ〜５４ｄ側を繋ぎ合わせて、１つの部材（リード部材５３）としているが、各リード５３ａ〜５３ｄは、各弁口５１ａ〜５１ｄに対応するように個別に設けてもよい。

各リード５３ａ〜５３ｄは、夫々、繋ぎ合わせ端が、ケース５０に固定される固定端５４ａ〜５４ｄとなる。各リード５３ａ〜５３ｄの固定端５４ａ〜５４ｄ側には、ケース５０に設けられたネジ孔５９と対向するように、夫々、ネジ孔５６が設けられている。各リード５３ａ〜５３ｄは、ネジ孔５６をケースのネジ孔５９と一致させ、リード部材５３をケース５０にネジ止めすることにより、ケース５０に固定されている。

また、各リード５３ａ〜５３ｄは、夫々、固定端５４ａ〜５４ｄとは反対側の端が、自由端５５ａ〜５５ｄとなっている。すなわち、各リード５３ａ〜５３ｄは、ケース５０に固定された固定端５４ａ〜５４ｄ、及び、着座面５２と接触して対応する弁口５１ａ〜５１ｄを閉塞させる閉状態（閉弁状態）と、着座面５２から離れて対応する弁口５１ａ〜５１ｄを開放させる開状態（開弁状態）との間で変位可能な自由端５５ａ〜５５ｄを有し、板ばねとして機能する。このリードバルブ１３ｃは、上述したように、ブースト圧力Ｐｂが排気圧Ｐｅよりも大きくなると閉弁し、ブースト圧力Ｐｂが排気圧Ｐｅよりも小さくなると開弁する（図２参照）。

ところで、ＥＧＲ装置１３では、リード５３ａ〜５３ｄの疲労破壊を判断基準として、リード５３ａ〜５３ｄが着座面５２に着座する着座速度（衝突速度）を設定している。着座速度は、ブースト圧力Ｐｂと排気圧Ｐｅとの差圧、リード５３ａ〜５３ｄの形状、リード５３ａ〜５３ｄのバネ定数等に依存する。したがって、リード５３ａ〜５３ｄの形状とバネ定数が決定されると、リード５３ａ〜５３ｄの着座速度は、ブースト圧力Ｐｂと排気圧Ｐｅとの差圧によって決まる。

着座速度が前記判断基準を超えた場合、ブースト圧力と排気圧との差圧を改善や、リードのバネ定数や寸法の見直しを行わなくてはならない。しかしながら、これらの改善には、部品の変更、ＥＧＲバルブの取付位置の変更、或いは、ＥＧＲ通路の内径の変更等を行わなくてはならない。また、リードの形状変更は、ＥＧＲ作用に影響を与えるため、排ガスの特性が変化する。すなわち、エンジン出力全域での排ガス特性を調整した後に、リードバルブの仕様を変更しようとすると、多大な工数増となる。すなわち、ＥＧＲ特性を向上させるためには、リードの疲労を低減させることが重要となる。

図６及び図７に示すように、リードがケースに着座する際、リードに応力が与えられ、リードが撓んでしまうことが本発明者により見出された。詳しくは、リードがケースに衝突すると（２）（（開弁状態（１）から閉弁状態（２）に移動すると）、凹状に圧縮（３）される力と、凸状に引張られる引張り応力（４）（両振幅）とが発生し、応力振幅を繰り返した後、ゼロに収束する（５）。しかも、リードの撓みは、自由端ｉと固定端ｉｉｉとの中央Ｃよりも自由端ｉ側に近い位置（前記中央と自由端ｉとの中間近傍の位置）ｉｉに振幅の腹が現れる。このようなリードの撓みは、リードの疲労をまねくため好ましくない。

このようなリードの撓みを抑制するため、このリードバルブ１３ｃでは、図５に示すように、各弁口５１ａ〜５１ｄに、前記閉弁状態でリード５３ａ〜５３ｄが着座可能な台座７０ａ〜７０ｄが夫々設けている。台座７０ａ〜７０ｄは、以下のようにして設けるのが好ましい。

まず、リード５３ａ〜５３ｄの固定端５４ａ〜５４ｄ側から自由端５５ａ〜５５ｄ側に延びる一対の縁部５７と対向するように、着座面５２が一対の着座部５８を有している場合、台座７０は、一対の着座部５８の間を跨ぐように架設するとよい。

また、図６及び図７に示すように、台座が設けられていない場合には、リードは、夫々、弁口の中央よりも、自由端側と対向する一端側に寄せた位置において撓む。そのため、台座７０ａ〜７０ｄは、弁口５１ａ〜５１ｄの中央Ｃよりも自由端５５ａ〜５５ｄ側と対向する一端５２ａ側に寄せた位置に設けるとよい。さらに好ましくは、台座が設けられていない状態においてリードが撓む振幅の腹となる位置（図６及び図７においてｉｉとなる位置）と対向する位置に、台座７０ａ〜７０ｄを設けるとよい。

さらに、台座７０ａ〜７０ｄは、リード５３ａ〜５３ｄが着座する台座面７１が着座面５２と同一平面上に位置するように設けるとよい。また、台座７０ａ〜７０ｄは、ケース５０と一体に形成するとよい。

図８に示すように、各弁口５１ａ〜５１ｄに夫々台座７０を設けたリードバルブ１３ｃは、台座を設けていない従来のリードバルブと比べて、位置ｉｉにおける圧縮によるひずみ（時系列３における位置ｉｉのひずみ）が低減されることがわかった。すなわち、従来のリードバルブでは、着座時にリードが両振幅していたが、本実施形態のリードバルブ１３ｃでは、着座時のリード５３ａ〜５３ｄの振幅を片振幅にすることができた。さらに、本実施形態のリードバルブ１３ｃでは、従来のリードバルブと比べて、振幅がゼロとなるまでの振幅回数を低減させることができた。

以上のように、本実施形態のエンジン用リードバルブ１３ｃによれば、弁口５１ａ〜５１ｄに、夫々、閉状態でリード５３ａ〜５３ｄが着座可能な台座７０が設けられている。上記構成とすることにより、リード５３ａ〜５３ｄがケース５０に着座した際に、リード５３ａ〜５３ｄに発生する応力（本実施形態においては、リード５３ａ〜５３ｄの中央からリード５３ａ〜５３ｄの自由端近傍にかけて発生する応力）を、台座７０によって受けることができる。したがって、リード５３ａ〜５３ｄの着座時に、該リード５３ａ〜５３ｄにかかる応力を低減でき、リード５３ａ〜５３ｄの疲労破壊強度を向上させることができる。

また、台座７０は、着座面５２のうちの上記一対の着座部５８の間に架設されている。さらに、台座７０は、弁口５１ａ〜５１ｄの中央Ｃよりもリード５３ａ〜５３ｄの自由端５５ａ〜５５ｄ側と対向する一端５２ａ側に寄せた位置に設けられている。上記構成とすることにより、リード５３ａ〜５３ｄの着座時において、該リード５３ａ〜５３ｄに与えられる応力が大きい部分と対応する位置に台座７０を設けることができる。したがって、リード５３ａ〜５３ｄにかかる応力をより効果的に低減でき、リード５３ａ〜５３ｄの疲労破壊強度を向上させることができる。

しかも、台座７０のうちのリード５３ａ〜５３ｄが着座する台座面７１が着座面５２と同一平面上に位置するように、該台座７０が設けられている。上記構成とすることにより、リード５３ａ〜５３ｄがケース５０に着座した際に、着座面５２と台座面７１との両方で、リード５３ａ〜５３ｄを支持することができる。したがって、リード５３ａ〜５３ｄにかかる応力をより効果的に低減でき、リード５３ａ〜５３ｄの疲労破壊強度を向上させることができる。

さらに、台座７０は、ケース５０と一体に形成されている。上記構成とすることにより、エンジン用リードバルブ１３ｃの製造コストの向上を抑制できる。

上記エンジン用リードバルブ１３ｃを備えるＥＧＲ装置１３では、排気ガスに影響を与えることなく、リード５３ａ〜５３ｄの疲労破壊強度を向上させることができる。したがって、上記エンジン用リードバルブ１３ｃを備えるＥＧＲ装置１３では、ＮＯ_Ｘの生成を長期にわたって良好に低減させることができる。

なお、本発明を実施するに当たって、前記実施形態以外にも、本発明の構成要素を、発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施できることは言うまでもない。本発明のエンジン用リードバルブは、ＥＧＲ装置に設けられるリードバルブに限定されるものではなく、エンジンにおいて脈動を利用して開閉を行うためのリードバルブとして広く用いることができる。

エンジンの一例としてのディーセルエンジンを示す概略図。本発明の一実施形態にかかるエンジン用リードバルブをＥＧＲ通路に取付けた状態で示す断面図。図２のエンジン用リードバルブを示す斜視図。図２のエンジン用リードバルブを示す分解斜視図。図２のエンジン用リードバルブを、弁体を取り外した状態で示す正面図。従来のエンジン用リードバルブにおいて、弁体のケースに着座したときに位置（自由端）ｉ，位置（振幅の腹）ｉｉ，位置（固定端）ｉｉｉにかかるひずみの時間変化を示す図。従来のエンジン用リードバルブにおいて、弁体がケースに着座したときにかかるひずみを時系列で示す図。図２のエンジン用リードバルブと従来のリードバルブにおいて、弁体がケースに着座したときに位置ｉｉにかかるひずみの時間変化を示す図。

符号の説明

１３ｃ…エンジン用リードバルブ、５１ａ〜５１ｄ…弁口、５２…着座面、５３ａ〜５３ｄ…リードバルブ、５４ａ〜５４ｄ…固定端、５５ａ〜５５ｄ…自由端、５８…着座部、７０…台座、７１…台座面

Claims

弁口、及び、この弁口の周囲に設けられた着座面を有するケースと、
前記ケースに固定された固定端、及び、前記着座面と接触して前記弁口を閉塞させる閉状態と前記着座面から離れて前記弁口を開放させる開状態との間で変位可能な自由端を有するリードと、を具備するエンジン用リードバルブであって、
前記閉状態で前記リードが着座可能な台座を前記弁口に設けたことを特徴とするエンジン用リードバルブ。
前記リードは、前記固定端側から前記自由端側に延びる一対の縁部を有しており、
前記着座面は、前記一対の縁部と対向する一対の着座部を有しており、
前記台座は、前記一対の着座部の間に架設されていることを特徴とする請求項１に記載のエンジン用リードバルブ。
前記台座は、前記弁口の中央よりも前記自由端側と対向する着座面の一端側に寄せた位置に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジン用リードバルブ。
前記台座は、前記リードが着座する台座面を有しているとともに、前記台座面が前記着座面と同一平面上に位置するように設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のエンジン用リードバルブ。
前記台座は、前記ケースと一体に形成されていることを特徴とする１乃至４のいずれか１項に記載のエンジン用リードバルブ。