JP2010270738A - 弁装置、内燃機関、及び弁装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】弁装置の内部に設置した弁体３を、駆動軸４を介して外部に設置した駆動装置５（アクチュエータ等）により作動する弁装置において、弁装置のケース２と駆動軸４の間から流体が漏洩することを防止する軸シール構造を有した弁装置１を提供する。
【解決手段】気密のケース２内に設置した弁体３と、弁体３に接続した駆動軸４と、ケース２の外に配置され駆動軸４を回転して弁体３を弁座に当接する駆動装置５を有する弁装置１において、駆動軸４を、駆動装置５に接続する駆動装置側軸６と、弁体３に接続する弁体側軸７と、駆動装置側軸６と弁体側軸７の間で、かつ、駆動軸４の軸方向に移動する移動軸と８で形成し、更に、駆動装置側軸６の回転を、移動軸８を介して弁体側軸７に伝達するように構成し、移動軸８が前記駆動装置側軸６の方向に移動したときに、ケース２の穴側に形成したシール部９ａと、移動軸８側に形成したシール部９ｂが接してシールする。
【選択図】図２

Description

本発明は、軸シール構造を有した弁装置に関し、より詳細には、気密のケース内に設置した弁体と、ケース外に設置した駆動装置を連結する駆動軸と、ケースに形成した穴の隙間をシールする軸シール構造を有した弁装置、内燃機関、及び弁装置の制御方法に関する。

エンジン等の内燃機関において、ターボチャージャ等の過給装置を用いて、幅広い運転域での最適な過給を行う手段として、２ステージターボ過給が用いられている（２ステージターボシステム）。これは、排気マニホールド出口に、容量の異なるターボチャージャを配置し、エンジンの低速低負荷運転領域では容量の小さいターボチャージャ（高圧段ターボチャージャ）を用いて高過給を行い、高速高負荷運転領域では容量の大きいターボチャージャ（低圧段ターボチャージャ）を用いて高過給を行う構成としたシステムである。

また、高圧段ターボチャージャ及び低圧段ターボチャージャの作動がオーバーラップする、エンジンの運転領域においては、高圧段ターボチャージャと低圧段ターボチャージャを直列に使用し、２段過給を行う構成としている。それぞれのターボチャージャの作動領域の切換えは、排気マニホールドに取付けた排気切換えバルブと、吸気通路に取付けた吸気切換えバルブにより行っている。このバルブの操作により、それぞれ排気ガス、及び吸入空気の流れをコントロールし、最適な条件でターボシステムをコントロールする構成としている。

特に高温高圧の環境で使用する排気切換えバルブのバルブ構造は、ターボチャージャのウエストゲートバルブ等と同様にポペット弁構造として、排気ガスの流れを切換えるものが多く見られる。これらの切換えバルブは、おおむね９０度回転するシャフト上にポペット弁を取り付けており、このシャフトをバルブ本体の外部に取付けたアクチュエータ等の動力で回転させることで、バルブの開閉を実現している（例えば特許文献１及び２参照）。

図５に従来の排気切換えバルブ１Ｘの概要を示す。図５に示す様に、前述のポペットバルブ３Ｘを有する排気切換えバルブ１Ｘは、回転するシャフトの駆動軸４Ｘと、バルブ本体のケース２Ｘの穴部との隙間に、シール構造が必要となる。このシール構造として、従来は、ポペットバルブ３Ｘの駆動軸４Ｘに複数のシールリング１８を設置していた。これらのシールリング１８により高圧領域である排気切換えバルブ１Ｘの内側から、圧力を徐々に緩和してガスのシールを行っている。

しかしながら、このシールリング１８によるシール方法は、エンジン内の爆発など、衝撃的なガス等に対するシールには有効であるが、常にある程度の圧力が継続的に付加するガス等に対するシールには効果が低い。つまり、シールリング１８の合口部、及び、リング１８と駆動軸４Ｘの隙間や、リング１８とケース２Ｘの穴部との隙間等により排気ガスＧの漏れは継続的に発生してしまうという問題を有している。また、この継続的な高温の排気ガスの漏れにより、排気切換えバルブ１Ｘ周辺の部品等に熱害等が発生してしまうという問題も有している。

特開２００９−８０２２号公報 特開２００５−２４０６６９号公報

本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、弁装置（バルブ）の内部に設置した弁体を、駆動軸を介して外部に設置した駆動装置（アクチュエータ等）により作動する弁装置において、弁装置のケースと駆動軸の間から流体が漏洩することを防止する軸シール構造を有した弁装置、内燃機関、及び弁装置の制御方法を提供することである。

上記の目的を達成するための本発明に係る弁装置は、気密のケース内に設置した弁体と、前記弁体に接続した駆動軸と、前記ケースの外に配置され前記駆動軸を回転して前記弁体を弁座に当接する駆動装置を有する弁装置において、前記駆動軸を、前記駆動装置に接続する駆動装置側軸と、前記弁体に接続する弁体側軸と、前記駆動装置側軸と前記弁体側軸の間で、かつ、前記駆動軸の軸方向に移動する移動軸とで形成し、更に、前記駆動装置側軸の回転を、前記移動軸を介して前記弁体側軸に伝達するように構成し、前記移動軸が移動したときに、前記ケースの穴側に形成したシール部と、前記移動軸側に形成したシール部が接してシールすることを特徴とする。

この移動軸を移動して、ケースの穴側のシール部と、移動軸側のシール部を接触してシールする構成により、圧力変動の少ない静的な状態におけるシール性能を向上することができる。また、移動軸を移動可能とした構成により、駆動軸が回転する際には、移動軸を移動させて穴側のシール部と移動軸側のシール部との接触を解除することができる。そのため、駆動軸が回転する際のシール部の接触抵抗を軽減することができ、シール部が摩耗等により損傷することを防止することができる。

上記の弁装置において、前記駆動装置側軸と前記移動軸を第１嵌合部で接続し、前記弁体側軸と前記移動軸を第２嵌合部で接続したことを特徴とする。

上記の弁装置において、前記第１嵌合部に、前記移動軸を前記弁体側軸の方向に付勢する弾性体を設置し、前記第２嵌合部に、前記移動軸を前記駆動装置側軸の方向に移動させる加圧ガスを供給する加圧管を設置したことを特徴とする。

第１嵌合部に弾性体を設置する構成により、移動軸をスプリング等の弾性体で弁体側軸の方向に移動させ、穴側のシール部と移動軸側のシール部の接触を解除することができる。また、第２嵌合部に加圧ガスを供給する加圧管を設置する構成により、第２嵌合部の内部の圧力を上げて、移動軸を駆動装置側軸の方向に移動させ、穴側のシール部と移動軸側のシール部を接触してシール構造とすることができる。そのため、圧力変化の少ない静的な圧力を有する流体（例えば、排気ガス等）であっても、弁装置の内部から外部への漏洩を防止することができる。

上記の目的を達成するための本発明に係る内燃機関は、内燃機関の排気切換えバルブに、前記弁装置を採用したことを特徴とする。

この構成により、高温の排気ガスが弁装置（排気切換えバルブ）の外部に漏洩し、弁装置周辺の部品等に生じる熱害等を防止することができる。

更に、前記駆動装置側軸と前記移動軸の嵌合部、及び、前記弁体側軸と前記移動軸の嵌合部をそれぞれスプライン構造又はキー構造としてもよい。この構成により、移動軸を軸
方向に移動可能とし、かつ、回転を、駆動装置から駆動軸を介して弁体まで伝達することができる。

上記の目的を達成するための本発明に係る弁装置の制御方法は、上記の弁装置の制御方法であって、前記弁体を作動する第１の条件下では、前記第２嵌合部の圧力を開放するステップと、前記弾性体の付勢力で前記移動軸を前記弁体側軸の方向へ移動させるステップと、前記駆動装置で発生する回転力を前記弁体に伝達するステップを有する制御を行い、前記弁体の作動を行わない第２の条件下では、第２嵌合を加圧するステップと、前記移動軸を前記駆動装置側軸の方向へ移動させるステップを有する制御を行うことを特徴とする。

この制御により、弁体の開閉を行う場合には、穴側のシール部と移動軸側のシール部が接触しないため、小さな力で駆動軸を回転することができ、かつ、シール部の摩耗等を防止することができる。また、弁体の開閉を行わない場合には、穴側のシール部に移動軸側のシール部を押し付けるため、圧力変化の少ない静的な状態の流体に対しても、効果的なシールを実現することができる。

本発明に係る弁装置及びその制御方法によれば、弁装置のケースと駆動軸の間から流体が漏洩することを防止でき、特に、圧力変動の少ない静的な状態の流体に対するシール性能を向上することができる。また、駆動軸が回転する際に、シール部を形成している移動軸が、ケースの穴側に形成したシール部との接触を解除できる。そのため、弁体を駆動する際のフリクションが増加することを防止できる。

本発明に係る実施の形態の弁装置の構成を示した図である。 本発明に係る実施の形態の弁装置の断面を示した図である。 本発明に係る実施の形態の弁装置の断面を示した図である。 内燃機関の概略を示した図である。 従来技術の弁装置の断面を示した図である。

以下、本発明に係る実施の形態の弁装置及びその制御方法について、図面を参照しながら説明する。図１に本発明に係る弁装置１に設置する駆動軸４の斜視図を示しており、この駆動軸４は、駆動装置側軸６、移動軸８及び弁体側軸７で構成し、それぞれ第１嵌合部２０、又は第２嵌合部２１で接続するように構成している。なお、第１嵌合部２０を、第１雌部１０と第１雄部１１で構成し、第２嵌合部２１を、第２雌部１２と第２雄部１３で構成している。

この駆動装置側軸６は、一端を刳り貫いて第１雌部１０を形成し、外周には、シールリング１８、及び、駆動装置側軸６のスラスト方向の移動（図１の左右方向）を拘束するためのスナップリング１７を設置している。また、弁体側軸７は、一端を刳り貫いて第２雌部１２を形成し、外周には、シールリング１８を設置している。

また、移動軸８は、両端に第１雄部１１と第２雄部１３を形成し、この第１雄部１１は第１雌部１０と、第２雄部１３は第２雌部１２とそれぞれ連結するように構成している。この連結部は、スプライン構造又はキー構造等の回転を伝達できる構造としており、かつ、移動軸８が、軸方向（図１の左右方向）に移動自在となるように構成している。加えて、移動軸８に、シール部９ｂを形成する。

ここで、図１では、駆動軸４を三分割とした例を示しているが、本発明はこの分割数に限定されるものではなく、分割数を増やしたとしても同様の作用効果を得ることができる。また、第１嵌合部２０は、駆動装置側軸６に形成した雄部と、移動軸８に形成した雌部で構成してもよい。つまり、第１及び第２嵌合部２０、２１の雄雌は、逆に形成してもよいが、移動軸８に雄部１１、１３を形成した方が、移動軸８を小型、且つ軽量に形成することができるため、弁装置１をコンパクトに構成できる。

図２に、本発明に係る実施の形態の弁装置１の断面図を示している。弁装置１は、気密のケース２内に設置した弁体３と、この弁体３に接続した駆動軸４（駆動装置側軸６と弁体側軸７と移動軸８で構成する）と、ケース２の外に配置され、駆動軸４を回転する駆動装置５を有している。ここで、駆動軸４は、ケース２の内部に形成した穴部に配置している。また、ケース２は、駆動軸４や弁体３等を内部に設置するため、複数に分割して形成しており、ガスケット３２を介して固定している。

更に、ケース２には、駆動装置側軸６の第１雌部１０、及び弁体側軸７の第２雌部１２に連通する第１加圧管１５及び第２加圧管１６を設置し、この上流に、三方弁３１（例えば電磁三方弁等）を設置している。この三方弁３１に、制御装置３０から信号を送り、弁の開閉制御を行うことができる。具体的には、例えば、加圧ガスＣを第２雌部１２内に供給して内部を加圧したり、第２雌部１２と第１雌部１０を連通して、内部の圧力を均圧したりする制御を行うことができる。

次に、弁装置１の動作に関して説明する。図２に、弁装置１において、弁体３を作動する場合（以下、第１の条件という）の様子を示しており、図３に、弁体３を停止している場合（以下、第２の条件という）の様子を示している。

まず、図２を参照しながら、第１の条件下における弁装置１の制御を説明する。例えば、弁体３の開閉動作をする場合等の第１の条件下では、移動軸８を、第１雌部１０内に設置した弾性体１４（例えば、スプリング等）で押圧し、弁体側軸７の方向に移動させる。このとき、ケース２に形成した穴側のシール部９ａと、移動軸８に形成したシール部９ｂは接触していない状態となる。このため、シール部９ａ、９ｂが、駆動軸４の回転の抵抗となることを防止することができ、比較的小さな力で、駆動軸４を回転し、弁体３を作動することが可能となる。

次に、図３を参照しながら、第２の条件下における弁装置１の制御を説明する。例えば、弁体３が流路を閉塞又は開放した状態を維持している等の第２の条件下では、移動軸８を、駆動装置側軸６の方向に移動させる。この移動軸８の移動は、第２雌部１２に加圧ガスＣを供給し、この加圧ガスＣの圧力で移動軸８を、駆動装置側軸６の方向に押し出すことで行っている。このとき、移動軸８のシール部９ｂを、ケース２に形成した穴側のシール部９ａに押し付ける構成となるため、このシール部９で弁装置１の内部と外部を遮断するシール構造を構成することができる。

なお、加圧ガスＣの制御は、三方弁３１を制御装置３０で制御することにより行っている。また、移動軸８を図３に示した状態から、図２に示した状態に移動する場合、三方弁３１を切換えて、第２雌部１２と第１雌部１０を連通し、等しい圧力とする。これにより、移動軸８は、加圧ガスＣから受ける力が軸方向でバランスするため、弾性体１４で押圧する力が支配的となり、弁体側軸７の方向に移動する（図２の状態）。また、圧力が上昇した第１雌部１０の圧力は、駆動装置側軸６の方向から弁装置１の外部に抜けるか、又は、弁体側軸７の方向から弁装置１の内部に抜けるように形成することができる。

ここで、本発明は、加圧ガスＣの供給路（第１加圧管１５や第２加圧管１６）の構成に
限定されるものではなく、第１雌部１０及び第２雌部１２内を加圧し、又は、脱圧することができる構成であればよい。また、弾性体１４を第２雌部１２側に設置した構成としてもよい。更に、移動軸８を弁体側軸７の方向に移動して、そのときに、弁体側のケース２と移動軸８に形成したシール部が接触して、シール構造を構成するようにすることもできる。

図４に、２ステージターボシステムを有する内燃機関の概略を示しており、図４を参照しながら、内燃機関の排気切換えバルブに、本発明に係る実施の形態の弁装置１Ａを採用した内燃機関をする。

まず、２ステージターボシステムを有し、且つ排気切換えバルブに弁装置１Ａを採用した内燃機関の構成を説明する。吸入空気Ａを、吸気絞り弁４３、低圧段ターボチャージャ３８、高圧段ターボチャージャ３７、インタークーラ３９、吸気マニホールド３４を経由して内燃機関（以下、エンジン３３という）に供給する。また、排気ガスＧを、排気マニホールド３５、高圧段ターボチャージャ３７、低圧段ターボチャージャ３８、後処理装置４７、排気絞り弁４４を経由して外界に排出する。

更に、吸入空気Ａを、吸気切換えバルブ４５により、高圧段ターボチャージャ３７をバイパスして、インタークーラ３９に送ることもできる。同様に、排気ガスＧを、排気切換えバルブ（弁装置）１Ａにより、高圧段ターボチャージャ３７をバイパスして、低圧段ターボチャージャ３８に送ることもできる。

更に、排気ガスＧを、排気マニホールド３５から、ＥＧＲクーラ４２ａ及びＥＧＲ弁４１ａを有するＥＧＲ通路４０ａを経由して、吸気マニホールド３４に供給するＥＧＲ（排気再循環）を行うことができる。同様に、排気ガスＧを、後処理装置４７から、ＥＧＲクーラ４２ｂ及びＥＧＲ弁４１ｂを有するＥＧＲ通路４０ｂを経由して、低圧段ターボチャージャ３８に供給するＥＧＲを行うことができる。

また、内燃機関の制御は、各所に設置した各種のセンサ４８（圧力センサ、温度センサ等）の入力をパラメータとして、制御装置３０により行う。

以下に、排気切換えバルブ１Ａの動作について説明する。まず、排気切換えバルブ１Ａの開閉動作を行う場合（第１の条件）における動作について説明する。第１の条件における排気切換えバルブ１Ａの制御は、図２に示す三方弁３１を制御装置３０からの信号により切り替え、第２雌部１２と第１雌部１０を連通し、２つの雌部１０、１２の内部の圧力を等しい状態とする。これにより、駆動装置側６の第１雌部１０内に設置したスプリング（弾性体１４）により、移動軸８を、弁体側軸７の方向に押圧し、ケース２のシール部９ａと移動軸８のシール部９ｂの接触を解除する。このシール部９の接触力を開放した状態で、排気切換えバルブ１Ａの開閉動作を行うことができる。

ここで、制御装置３０は、例えばＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）等を利用することができる。このＥＣＵは、２つのターボチャージャの運転切り替えマップを制御パラメータとして、２つのターボチャージャの運転切り替えを行うように構成しており、この運転切り替えの信号により、三方弁３１の切り替えを行うように構成する。

なお、排気切換えバルブ１Ａの開閉動作は、駆動装置側軸６を、外部からアクチュエータ等の駆動装置５で回転し、更に、スプライン構造等を介して移動軸８、及び弁体側軸７に伝達し、弁体３の開閉を行うように構成している。

次に、排気切換えバルブ１Ａの開状態、及び閉状態のいずれかの場合（第２の条件）に
おける動作について説明する。第２の条件における排気切換えバルブ１Ａの制御は、図３に示す三方弁３１を切り替え、第２雌部１２に加圧ガスＣを供給するように切換える。この加圧ガスＣは、例えば、エアーブレーキ用のエアータンク、もしくは、排気切換えバルブ１Ａ内より圧力の高い状態である場合の排気マニホールド３５等から供給することができる。

加圧ガスＣの供給により、第２雌部１２内の圧力が上昇し、移動軸８が駆動装置側軸６の方向に押され、ケース２のシール部９ａと移動軸８のシール部９ｂが接触する。このシール構造により、排気切換えバルブ１Ａ内部からのガス漏れをシールすることができる。このとき、駆動装置側軸６は、スナップリング１７により、脱落しないように構成している。

上記の排気切換えバルブ１Ａにより、排気切換えバルブ１Ａの開又は閉状態（第２の条件）において、排気切換えバルブ１Ａ内部から、駆動軸４とケース２の隙間を通り、排気ガスＧが外部に漏洩することを防止できる。このため、排気ガスの漏洩により、排気切換えバルブ１Ａ周辺の部品等に生じる熱害等を防止することができる。

更に、排気ガスの漏洩により、低圧段ターボチャージャ３８に流入する排気ガスの全体量が減少し、ターボチャージャの効率低下する問題を解決することができる。また、排気切換えバルブ１Ａの開閉動作の際に、移動軸８のシール部９ｂと、ケース２のシール部９ａの接触がないため、弁体３の駆動におけるフリクション増加を防止することができる。

本発明の弁装置１は、駆動軸とケースの隙間から流体が漏洩することを防止でき、あらゆる弁装置に適用することができる。例えば、内燃機関の排気ガスの流路を切換える弁装置や、化学プラント等で原料ガス等の流れを制御する弁装置等、適用の幅は広い。特に、弁装置１内を流れる流体の圧力変化が少なく、かつ、弁装置１の外部との差圧が大きい場合には、有効なシール構造となる。

１ 弁装置
１Ａ 排気切換えバルブ
２ ケース
３ 弁体
４ 駆動軸
５ 駆動装置
６ 駆動装置側軸
７ 弁体側軸
８ 移動軸
９、９ａ、９ｂ シール部
１０ 第１雌部
１１ 第１雄部
１２ 第２雌部
１３ 第２雄部
１４ 弾性体
１５ 第１加圧管
１６ 第２加圧管
２０ 第１嵌合部
２１ 第２嵌合部

Claims (5)

1. 気密のケース内に設置した弁体と、前記弁体に接続した駆動軸と、前記ケースの外に配置され前記駆動軸を回転して前記弁体を弁座に当接する駆動装置を有する弁装置において、
   前記駆動軸を、前記駆動装置に接続する駆動装置側軸と、前記弁体に接続する弁体側軸と、前記駆動装置側軸と前記弁体側軸の間で、かつ、前記駆動軸の軸方向に移動する移動軸とで形成し、
   更に、前記駆動装置側軸の回転を、前記移動軸を介して前記弁体側軸に伝達するように構成し、
   前記移動軸が移動したときに、前記ケースに形成した穴側のシール部と、前記移動軸側に形成したシール部が接してシールすることを特徴とする弁装置。
2. 前記駆動装置側軸と前記移動軸を第１嵌合部で接続し、前記弁体側軸と前記移動軸を第２嵌合部で接続したことを特徴とする請求項１に記載の弁装置。
3. 前記第１嵌合部に、前記移動軸を前記弁体側軸の方向に付勢する弾性体を設置し、前記第２嵌合部に、前記移動軸を前記駆動装置側軸の方向に移動させる加圧ガスを供給する加圧管を設置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の弁装置。
4. 内燃機関の排気切換えバルブに、前記弁装置を採用したことを特徴とする内燃機関。
5. 前記弁装置の制御方法であって、前記弁体を作動する第１の条件下では、
   前記第２嵌合部の圧力を開放するステップと、
   前記弾性体の付勢力で前記移動軸を前記弁体側軸の方向へ移動させるステップと、
   前記駆動装置で発生する回転力を前記弁体に伝達するステップを有する制御を行い、
   前記弁体の作動を行わない第２の条件下では、
   第２嵌合部を加圧するステップと、
   前記移動軸を前記駆動装置側軸の方向へ移動させるステップを有する制御を行うことを特徴とする前記弁装置の制御方法。

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