JP2007224757A - スロットル弁 - Google Patents

Abstract

【課題】弁体外周部に対向する吸気流路壁面に生成されるデポジットを減少させ、エンストの発生することのないスロットル弁を提供する。
【解決手段】吸気流路を横断する弁軸１２と、弁軸１２に設けられる板状の弁体１４とを備え、弁体１４を弁軸１２を中心に回動させて流路における流体の流量を調節するスロットル弁であって、弁体１４が、流路の下流側の全周に渡って形成された整流部１５を有する。
【選択図】図１

Description

この発明は、流路を横断する弁軸と、その弁軸に設けられる板状の弁体とを備え、弁体を、弁軸を中心に回動させて流路における流体流量を調節するスロットル弁に関するものである。

スロットル弁として、従来、いわゆるバタフライ弁が使用されており、一般的に、図７に示すようなものが使用されている。図７に示すように、流路５１を横断して回転可能に軸支された金属製の弁軸５２と、弁軸５２固設された略円板状の金属製の弁体５３とを備え、弁体５３を、弁軸５２を中心に回動させて、流路５１の開口面積を変化させることにより、流体の流量を調節するようになっている。ここで、スロットル弁は、弁軸５２と弁体５３とで構成されている。弁体５３は、弁軸５２の外径より薄い均一な板厚に形成される。図に示すスロットル弁の位置は、アイドル状態での位置を示している。弁軸５２はアイドル状態から通常は、図中「バルブ回転方向」として矢印で示す方向に回転して開口面積を拡大する。

スロットル弁においては、下流側から再循環排気ガスやブローバイガスが、スロットル弁まで吹き返しする場合がある。そして、特許文献１に記載されているように、吹き返されたガスにより、炭素等の燃焼生成物であるデポジットが流路壁面に堆積する問題が指摘されている。
特許文献１に記載のスロットル弁は、デポジットの堆積を防止するために、図８に示すように、流路５１の下流側の面の外周から少し中心よりの位置に、障壁５５が形成されている。図に示すように、絞り弁がおおむね全閉状態にあるとき、ブローバイ等の吹き返しの流れが、障壁５５により方向が変えられ、絞り弁の外周部、及びその外周部に対向する吸気通路壁面に向わないため、絞り弁の外周部に対向する吸気通路壁面にデポジットが堆積しないとの効果が記載されている。

一方、本出願人は、特許文献２において、図９に示すように、スロットル弁６０の弁体の外周部の半分は下流側に、残りの半分は上流側に開口規制部６１が形成されている。すなわち、スロットル弁を閉じる回転方向の面に開口規制部６１を形成することを提案している。この目的は、吸気通路壁面に磨耗が生じることが無く、摺接するスロットル弁の戻りの作動不良をなくすことにある。

特開２００１−８２１８３号公報 実開平１−８５４３３号公報

しかしながら、従来技術には、次のような問題点があった。
すなわち、特許文献１の技術においては、長期間または長距離使用した場合に、スロットル弁の外周部に対向する吸気流路壁面にデポジット（図７において、Ｂで示す。）が堆積することを十分に防止できない問題があった。それにより、アイドル状態のときに、スロットル弁の弁体の外周部と吸気流路壁面とで構成される隙間が狭められて、ラフアイドル状態となり、最悪の場合にはエンストを起こす可能性があった。特許文献１の技術では不十分な効果しか得られない理由は、特許文献１においては、デポジットが堆積するメカニズムは、ブローバイ等の吹き返しの流れが弁体の下流側面に当たって、吸気流路壁面に当たるためであるとされているが、このメカニズムは誤りであると考えられるからである。

本出願人の考察によれば、アイドル状態でスロットル弁の弁体と吸気流路壁面の隙間が狭いので、その隙間がノズルの働きをして、下流において渦が発生する。ブローバイ等の吹き返しの流れがあったときに、吹き返しの流れが、発生した渦に巻き込まれて、弁体と吸気流路壁面との隙間付近で滞留する。炭素粒子等を含んだ吹き返しガスの滞留が吸気流路壁面でのデポジットの生成の原因なのである。
本出願人の考察したメカニズムによれば、特許文献１の技術では、障壁５５が弁体の外周部より内側に位置しているため、渦の発生に関しては影響を与えることがない。そのため、デポジットの発生を十分に防止することができないと考えられる。

この発明は上記課題を解決すためになされたものであって、その目的は、弁体外周部に対向する吸気流路壁面に生成されるデポジットを減少させ、エンストの発生することのないスロットル弁を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係るスロットル弁は、次のような構成を有している。
（１）流路を横断する弁軸と、弁軸に設けられる板状の弁体とを備え、弁体を弁軸を中心に回動させて前記流路における流体の流量を調節するスロットル弁であって、弁体が、流路の下流側の全周に渡って形成された整流部を有する。
（２）（１）に記載するスロットル弁において、前記整流部が、前記流路との隙間を順次拡大するものであり、アイドル状態における最低隙間と最大隙間の比が、１以上１００以下であることを特徴とする。

（３）（１）または（２）に記載するスロットル弁において、前記弁軸と前記弁体とが樹脂により一体的に成形されていることを特徴とする。
（４）（１）乃至（３）に記載するスロットル弁の１つにおいて、前記整流部のうちの最大厚み部分が、前記弁軸の直径以内にあることを特徴とする。
（５）（１）乃至（３）に記載するスロットル弁の１つにおいて、前記弁軸の前記流路内にある部分に、前記弁体平面部と同じ平面となる切り欠き部が形成されており、前記整流部のうち最大厚み部分が、前記弁軸より外側まで延設されていることを特徴とする。

上記構成を有する本発明に係るスロットル弁の作用及び効果を説明する。
弁体が、流路下流側の全周に渡って形成された整流部を有しているので、アイドル状態のときに、弁体外周部と吸気流路壁面とで構成される隙間から下流側に流れ出た吸気の流れが、整流部により整流され層流状態で流れるため、乱流となることがなく渦を発生させない。渦が発生しないので、下流から吹き返しがあった場合でも、炭素粒子を含む吹き返しの流れが弁体の整流部の付近で滞留することが少なく、デポジットが堆積する量を減少させることができる。
特許文献２の技術では、スロットル弁６０の弁体の外周部のうち、スロットル弁を閉じる回転方向の面に開口規制部６１を形成しているので、スロットル弁の半分だけは開口規制部が下流側にあるため、本発明と同じ効果を奏するが、全体としては、開口規制部６１の無い下流側にデポジットが付着するため、本発明と同じ効果は得られない。
すなわち、特許文献２には、デポジットの堆積を防止するために、開口規制部を用いるということに関しては、全く気が付いていなかったのである。

また、整流部は、課題を解決するための手段の（２）に記載しているように、弁体の下流側にアイドル状態で隙間が順次拡大している。この整流部から下流側に吸気が流れ出るときには、渦が少し発生していることを確認している。そのため、実験結果によれば、整流部よりも下流側の吸気流路壁面にデポジットの生成が少しあった。しかし、アイドル状態における最低隙間と最大隙間の比が、１以上１００以下であり、具体的に言えば、図３の断面Ａ−Ａで弁体の外周部と吸気流路壁面との隙間を、例えば０．０４ｍｍとすると、整流部の下流端での隙間は、０．１２〜４．００ｍｍある。弁体の外周部に対向する吸気流路壁面に０．０４ｍｍのデポジットの堆積があると、吸気が流れなくなり、エンストを起こす可能性があるが、整流部の下端部に対向する吸気流路壁面にデポジットが例え０．０４ｍｍ堆積しても、隙間が０．１２〜４．００ｍｍあるため、問題がない。

また、整流部は、弁軸と一体的に樹脂で成形されるため、整流部の形状を任意に設計できる。
また、整流部のうちの最大厚み部分が、弁軸の直径以内にあるので、スロットル弁が全開状態のときに、従来の整流部を有しないスロットル弁と比較して、開口面積を減少させることがない。
また、弁軸の吸気流路内にある部分の一面側に、前記弁体平面部と同じ平面となる切り欠き部が形成されている。これにより、スロットル弁が全開状態のときに、弁軸が吸気流路を塞ぐ面積を減少できる。その減少分を、整流部のうち最大厚み部分が、弁軸より外側まで延設される場合に吸気流路の開口を塞ぐ量の手当てとすることができる。すなわち、単純に整流部のうちの最大厚み部分を弁軸より外側まで延設すると、吸気流路の開口面積を減少させてしまうが、その減少分を弁軸に切り欠き部を形成して補っているのである。

本発明に係るスロットル弁について、図面に基づいて詳細に説明する。図１に、本発明の１実施の形態であるスロットル弁が吸気流路に取り付けられている状態における断面図を示す。図３にスロットル弁を下流側から見たときの平面図を示す。図１は、図３のＡＡ断面図である。
スロットルボディ本体１７には、吸気流路が形成されている。吸気流路壁面を図中１１で示す。吸気流路においては通常、空気の流れ方向として示す矢印の方向に吸気が流れている。
スロットル弁の弁軸１２が、吸気流路外のスロットルボディ本体１７において、図示しない軸受により回転可能に軸支されている。弁軸１２には、円盤形状の弁体１４が一体的に取り付けられている。本実施例では、弁軸１２と弁体１４とは、樹脂により一体的に成形されている。樹脂で一体成形せずに、弁軸１２をアルミ製とし、弁体１４を真ちゅう製として、ロウ付け等することにより接合しても良い。

図に示す弁体１４は、アイドル状態（全閉状態）における位置を示している。弁体１４は通常、図１中バルブ回転方向として示す矢印の方向に回転する。アイドル状態において、弁体１４は水平より少しバルブ回転方向側に回転した位置にある。また、弁体１４の先端面は、アイドル状態において、吸気流路壁面１１とほぼ平行となるように形成されており、Ｗ１＝０．０４ｍｍ程度の隙間１３を構成している。
図３に示すように、本実施例では、弁軸１２と弁体１４とは、樹脂（ＰＰＳ樹脂）により一体的に成形されているので、金属板では必要としない補強を目的として、リブ１６が下流側に６対設けられている。また、上流側にもリブ１８が６対設けられている。
また、図４に、図３のＢＢ断面図を示す。

図１に示すように、弁体１４の下流側には、弁体１４の全周に渡って整流部１５が形成されている。整流部は、弁体１４から下流側に隙間を順次拡大している。整流部の厚みは外周において、図中Ｌに示すように、Ｌ＝１０ｍｍであり、上流側の隙間は、Ｗ１＝０．０４ｍｍであり、下流側の隙間は、Ｗ２＝１．０ｍｍである。すなわち、本実施の形態では、最低隙間と最大隙間との比は、２５である。
図４に示すように、ＢＢ断面においては、整流部１５の厚みは、図１と比べて薄くなっているので、Ｗ１＝０．０４ｍｍは同じであるが、整流部１５の下流端での隙間Ｗ３＝０．４ｍｍとしている。この場合、最低隙間と最大隙間との比は、１０である。ただし、スロットル弁の軸部分（図３のＣ−Ｃ断面部）では、この比は限りなく１に近づく。

次に、上記構成を有するスロットル弁の作用及び効果について説明する。
弁体１４が、流路下流側の全周に渡って形成された整流部１５を有しているので、アイドル状態のときに、弁体外周部と吸気流路壁面とで構成される最低隙間Ｗ１を経て最大隙間Ｗ２から下流側に流れ出た吸気の流れが、整流部により整流され層流状態で流れる。これは、順次拡大している隙間が急激な速度変化を発生させないためである。これにより、乱流となることがなく渦を発生させない。
そして、渦が発生しないため、下流から吹き返しがあった場合でも、炭素粒子を含む吹き返しの流れが弁体の整流部の付近で滞留することが少ない。そのため、吹き返しガスが流れてきても、スロットル弁の弁体１４の外周部に対向する位置に、滞留することがなくデポジットが付着を防止して、デポジットが堆積する量を減少させることができる。

また、整流部１５は、弁体の下流側にアイドル状態で隙間が順次拡大している。この整流部から下流側に吸気が流れ出るときには、渦が少し発生していることを確認している。そのため、実験結果によれば、図２に示すように、整流部１５の下流側端部よりも下流側の吸気流路壁面１１にデポジットの生成が少しあった。しかし、アイドル状態における最低隙間と最大隙間の比が、１以上１００以下であり、具体的に言えば、弁体の外周部と吸気流路壁面との隙間を、例えば０．０４ｍｍとすると、整流部の下流端での隙間は、０．１２〜４．００ｍｍある。弁体の外周部に対向する吸気流路壁面に０．０４ｍｍのデポジットの堆積があると、吸気が流れなくなり、エンストを起こす可能性があるが、整流部の下端部に対向する吸気流路壁面にデポジットが０．０４ｍｍ堆積しても、隙間が０．１２〜４．００ｍｍあるため、問題がない。

次に、第２の実施の形態について説明する。図５に第２の実施の形態のスロットル弁を断面図で示す。第２実施の形態のスロットル弁の構造は、ほとんど第１実施の形態のスロットル弁と同じなので、第１実施の形態と異なる部分のみ説明する。
弁体１４の下流部に形成された整流部１５の最大厚み部分である最外周端部は、弁軸１２の直径内にある。従って、図５に示すように、全開状態のときに、直径１２が流れを妨げる以上に、整流部１５が流れを妨げることがない。ここで、リブ１６及びリブ１８も、弁軸１２の直径内に収まっている。
整流部１５のうちの最大厚み部分が、弁軸１２の直径以内にあるので、スロットル弁が全開状態のときに、開口面積を減少させることがない。

次に、第３の実施の形態について説明する。図６に第３の実施の形態のスロットル弁を断面図で示す。第３実施の形態のスロットル弁の構造は、ほとんど第１実施の形態のスロットル弁と同じなので、第１実施の形態と異なる部分のみ説明する。
弁軸１２の吸気流路内にある部分の一面側に、弁体１４の平面部と同じ平面となる切り欠き部２０が形成されている。
これにより、図６に示すように、スロットル弁が全開状態のときに、弁軸１２が吸気流路を塞ぐ面積を減少できる。その減少分を、整流部１５のうち最大厚み部分が、弁軸より外側まで延設される場合に（図では、Ｗ４だけ延設されている。）、吸気流路の開口を塞ぐ量の手当てとすることができる。すなわち、単純に整流部１５のうちの最大厚み部分を弁軸１２より外側まで延設すると、吸気流路の開口面積を減少させてしまうが、その減少分を弁軸１２に切り欠き部２０を形成して補っているのである。

尚、この発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜変更して実施することもできる。
例えば、本実施の形態では、樹脂製スロットル弁について説明したが、金属製スロットル弁に整流部を設けても良い。

本発明の１実施の形態であるスロットル弁の構成を示す断面図である。 デポジットの堆積状態を示す断面図である。 スロットル弁の平面図である。 図３のＢＢ断面図である。 第２実施の形態のスロットル弁の断面図である。 第３実施の形態のスロットル弁の断面図である。 従来のスロットル弁の断面図である。 従来のスロットル弁の断面図である。 従来のスロットル弁の断面図である。

符号の説明

１１ 吸気流路壁面
１２ 弁軸
１３ 隙間
１４ 弁体
１５ 整流部
１６ リブ
１７ スロットルボディ本体

Claims (5)

1. 流路を横断する弁軸と、前記弁軸に設けられる板状の弁体とを備え、前記弁体を前記弁軸を中心に回動させて前記流路における流体の流量を調節するスロットル弁において、
   前記弁体が、前記流路の下流側の全周に渡って形成された整流部を有することを特徴とするスロットル弁。
2. 請求項１に記載するスロットル弁において、
   前記整流部が、前記流路との隙間を順次拡大するものであり、アイドル状態における最低隙間と最大隙間の比が、１以上１００以下であることを特徴とするスロットル弁。
3. 請求項１または請求項２に記載するスロットル弁において、
   前記弁軸と前記弁体とが樹脂により一体的に成形されていることを特徴とするスロットル弁。
4. 請求項１乃至請求項３に記載するスロットル弁のうちの１つにおいて、
   前記整流部のうちの最大厚み部分が、前記弁軸の直径以内にあることを特徴とするスロットル弁。
5. 請求項１乃至請求項３に記載するスロットル弁のうちの１つにおいて、
   前記弁軸の前記流路内にある部分に、前記弁体平面部と同じ平面となる切り欠き部が形成されており、
   前記整流部のうち最大厚み部分が、前記弁軸より外側まで延設されていることを特徴とするスロットル弁。

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