JP2011111963A

JP2011111963A - 切替バルブ構造

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Publication number: JP2011111963A
Application number: JP2009268690A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Yasuda; 正義保田; Moriyoshi Kadokura; 盛義角倉
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2009-11-26
Filing date: 2009-11-26
Publication date: 2011-06-09

Abstract

【課題】製造コストを削減することができる切替バルブ構造を提供する。
【解決手段】
拡大部（４１１）を有する第１の排気管（４１）と、端部の一部に平坦部（４２２、４３２）が形成された差込部（４２１、４３１）を有する第２の排気管（４２）及び第３の排気管（４３）と、拡大部（４１１）に備えられた回転軸（５１）に支持され、第２の排気管（４２）又は第３の排気管（４３）への排ガスの流れを制限するバルブ（５０）と、を備え、第２の排気管の平坦部（４２２）と第３の排気管の平坦部（４３２）とを向かい合わせた状態で、第２の排気管の差込部（４２１）と第３の排気管の差込部（４３１）とが拡大部（４１１）へと挿嵌され、第３の排気管の平坦部（４３１）の端部が、第２の排気管の平坦部（４２１）の端部よりも第１の排気管側（４１）へと延設される。
【選択図】図２

Description

本発明は、排ガスの配管等に用いられる切替バルブ構造に関し、より詳細には、低コスト化が可能な切替バルブ構造に関する。

従来、車両に搭載される内燃機関の排熱を回収し、この熱エネルギーを他の用途（暖房や発電）に利用することにより、内燃機関の燃費効率を高めている。

排熱の回収は、内燃機関の排気管の途中に排熱回収器を設け、この排熱回収器に冷却水等を流通させることにより行うことが一般的である。この場合、内燃機関の運転状態によっては、常に排熱回収器に冷却水を流通させることが適切でない場合がある。

そこで、排気管の途中を分岐させ、この分岐された経路の一方に排熱回収器を備え、他方はバイパス経路とする。分岐された経路は、再び合流部において一つの排気管に合流され、その後大気へと排出される。この分岐部及び合流部の少なくとも一方に、切替バルブを備えて、排熱回収器への排ガスの流量を調節することが一般的である。

このように、排ガス経路中の分岐部分の流量を調整する切替バルブの構造として、駆動軸により回転駆動される切替バルブにより、二つの通路にそれぞれ連結される第１及び第２開口部を交互に開閉する切替バルブ（特許文献１参照。）が開示されている。

また、ＥＧＲガスクーラ及びバイパス配管の排気ガス流れの下流側に配置された排気ガス流量比調節弁を備えるＥＧＲモジュール（特許文献２参照。）が開示されている。

特開２００２−１７４１１９号公報特開２００７−９７２４号公報

前述のように、排気管の経路を切り替える切替バルブ構造は、複数の流路を合流、分岐する連結部と、この連結部に備えられるバルブとから構成される。

この連結部は、バルブの構造にあわせて、プレス形成やロストワックス工法による鋳造等により、流路の配管とは異なる構造体として形成される。また、バルブに関しても、開閉動作に対するストッパーをバルブ又は連結部の構成としている。

そのため、連結部を排気管の構成にあわせて別部品として構成するためのコストが上昇するという問題がある。

また、バルブのストッパーとなる部品が排ガスの抵抗となってしまい、排圧が上昇して満足する性能が得られない場合があるという問題がある。

また、これら連結部及びバルブによる部品点数の増加や、排圧を低下させるため形状が複雑化し、加工コストが増加することにより、コストが上昇するという問題がある。

本発明はこのような問題点を鑑みてなされたものであり、コストを増加させることなく、排ガスの排圧を増加させない切替バルブ構造を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、内燃機関の排ガスの通路を分岐する切替バルブ構造であって、端部に向かうにつれて拡径された拡大部を有する第１の排気管と、端部に向かうにつれて縮径されると共に、端部の一部に平坦部が形成された差込部を備えた第２の排気管及び第３の排気管と、拡大部に備えられた回転軸に支持され、第２の排気管又は第３の排気管への排ガスの流れを制限するバルブと、を備え、第２の排気管の平坦部と第３の排気管の平坦部とを向かい合わせた状態で、第２の排気管の差込部と第３の排気管の差込部とが拡大部へと挿嵌され、第３の排気管の平坦部の端部が、第２の排気管の平坦部の端部よりも第１の排気管側へと延設されることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の切替バルブ構造において、回転軸からバルブと異なる方向へ突設される突設部を備え、第３の排気管の差込部の平坦部へと突設部を当接することによって、第２の排気管への排ガスの流れを制限することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の切替バルブ構造において、バルブは、拡大部の内壁に当接することで第２の排気管への排ガスの流れを制限する第１のバルブと、バルブの回転軸からバルブと異なる方向へ突設され、第３の排気管の差込部の平坦面へと当接することで第３の排気管への排ガスの流れを規制する第２のバルブと、を備えることを特徴とする。
を特徴とする。

請求項１に記載の発明によると、各排気管の端部を加工したもの同士を組み合わせることにより切替バルブ構造を構成するので、構成する部品を削減することができる。これにより、継手部分が必要なくなり、プレスによる鍛造品やロストワックスによる鋳物品等を別部品として形成する必要がなく、内部に抵抗となる構造が少ないため排圧を増加させないと共に、製造コストを抑えることができる。また、第３の排気管の差込部の平坦部を、第１の排気管へと延設させたので、バルブの回転軸と平坦部の端部との距離を縮小でき、バルブを閉成した側の排気管への排ガスの漏れを抑制することができる。

請求項２に記載の発明によると、バルブにストッパーを備えたので、構成する部品を削減しつつ、一方の排気管への排ガスの流れを完全に抑制することができる。特に、第１の排気管へと延設させた平坦部には溶接等の加工痕が残らないため、第２の排気管を完全に閉塞することができる。、

請求項３に記載の発明によると、バルブの作動角度を小さくすることができるので、バルブを回動させるための必要トルクが小さくなり、切替バルブ構造のコストを抑えることができると共に、排気管の構成を小型化することができる。

本発明の第１の実施形態のエンジンを中心とした駆動システムの説明図である。本発明の第１の実施形態の切替バルブ構造の断面図である。本発明の第２の実施形態の切替バルブ構造の断面図である。本発明の第３の実施形態の切替バルブ構造の断面図である。

以下に、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態のエンジン１０を中心とした駆動システムの説明図である。

本実施形態の駆動システムは、車両に搭載されたエンジン１０により車両を駆動させる。

内燃機関としてのエンジン１０は、空気と気化された化石燃料とによる混合燃料を爆発燃焼させることにより回転駆動力を得る。爆発燃焼後の排ガスは、マニホルド１２、排気管２０等を経て、大気へと排出される。

エンジン１０は、エンジン１０を適切な温度に保つための冷却水系統１００が備えられる。冷却水系統１００は、ラジエータ１１、ヒータ１３、ウォーターポンプ１０１、サーモスタット１０２が備えられる。

ウォーターポンプ１０１により冷却水系統１００内を循環させられる冷却水は、ラジエータ１１において熱交換を行うことで適切に冷却され、エンジン１０を適切な温度に保つ。サーモスタット１０２は、冷却水温度が所定温度以下の場合に閉成し、ラジエータ１１をバイパスさせることにより、エンジンの暖機を促進する。ヒータ１３は、冷却水の余熱を用いて、車室内を暖房する。

排気管２０は、マニホルド１２、触媒２１、上流側管２２、分岐部３０、分岐管２３、排熱回収器２４、下流側管２５、合流部３１、バイパス管２６、消音器２７及びテールパイプ２８により構成される。

エンジン１０から排出される排ガスは、マニホルド１２を経て、触媒２１により浄化される。触媒２１の下流側には上流側管２２が接続される。上流側管２２の下流側には分岐部３０が構成される。

分岐部３０は、排ガスを分岐管２３に送るか、バイパス管２６に送るかを切り替える切替バルブ構造４０を備える。この切替バルブ構造４０の詳細は後述する。

分岐管２３は排熱回収器２４が備えられる。排熱回収器２４は、導入される媒体と排ガスとで熱交換を行うことによって、媒体の温度を上昇させる。

排熱回収器２４は、通常、エンジン１０の冷却水系統１００に接続され、媒体としての冷却水温度を上昇させる。

なお、排熱回収器２４には、冷却水系統１００とは別の経路を接続してもよい。また、媒体は冷却水に限られず、例えば、フロン類や二酸化炭素等を用いてもよい。

バイパス管２６は、排ガスを排熱回収器２４に流さない場合に、排ガスの排出経路となる。排ガスを排熱回収器２４に流通させるか、バイパス管２６を経由させるかは、エンジン１０の運転状態や媒体である冷却水の温度等によって決定される。

排熱回収器２４又はバイパス管２６を通過した排ガスは、合流部３１により合流され、下流側管２５を経由して消音器２７で消音させられた後、テールパイプ２８から排出される。

このように構成することにより、本実施形の駆動システムは、エンジン１０から排出される排熱を、冷却水等の媒体により回収することができる。回収された熱エネルギーは、他の用途（例えば、暖房や、熱エネルギーを運動エネルギーに変換することによる発電等）に用いることができる。

次に、切替バルブ構造４０について説明する。

図２は、本発明の第１の実施形態の切替バルブ構造４０の断面図である。

切替バルブ構造４０は、第１の排気管４１と、第２の排気管４２と、第３の排気管４３とが互いに接合されて構成される。

なお、これら三つの排気管は、図１における上流側管２２が第１の排気管４１に、図１における分岐管２３が第２の排気管４２に、図１におけるバイパス管２６が第３の排気管４３に、それぞれ対応する。

第１の排気管４１の端部は、その外径が、端部に向かうにつれて徐々に拡径された拡大部４１１が構成されている。

また、第２の排気管４２は、端部へと向かうにつれて徐々に縮径すると共に、その端部の一部がガス流れ方向に平坦に加工された平坦部４２２を備える差込部４２１が構成されている。

同様に第３の排気管４３も、端部へと向かうにつれて徐々に縮径すると共に、その端部の一部がガス流れ方向に平坦に加工された平坦部４３２を備える差込部４３１が構成されている。

これら差込部４２１及び４３１の端部の断面は、半月状（アルファベットの“Ｄ”形状）となっている。この差込部４２１及び４３１を、平坦部４２２及び４３２で互いに向かい合わせて接触させた状態で、第２の排気管４２及び第３の排気管４３を、第１の排気管の拡大部４１１に挿嵌されている。

そして、これらを第１の排気管４１、第２の排気管４２及び第３の排気管４３を、溶接等によって接合することによって、切替バルブ構造４０が構成される。なお、平坦部４２２及び４３２で互いに接触させた差込部４２１及び４３１の外周の形状は、拡大部４１１の内周の形状と略同一に形成されていることは言うまでもない。

これにより、切替バルブ構造４０が構成される。

なお、第２の排気管４２の平坦部４２２と、第３の排気管４３の平坦部４３２とは、拡大部４１１への差し込み深さが異なる。

具体的には、図２に示すように、第３の排気管４３の差込部４３１が、第２の排気管４２の差込部４２１よりも、拡大部４１１の奥側へと挿入されている。これにより、平坦部４３２の端部が、平坦部４２２の端部よりも、拡大部４１１の奥側へと延設されている。

これにより、第３の排気管４３の差込部４３１の平坦部４３２の外周側の一部が、切替バルブ構造４０の内部に露出するように構成されている。

第１の排気管４１の拡大部４１１の内部には、第２の排気管４２及び第３の排気管４３のいずれか一方への排ガスの流れを規制するためのバルブ５０が備えられる。バルブ５０は、軸５１によって回転可能に軸支される。

なお、バルブ５０は、図示しないモータやソレノイド等のアクチュエータによって軸５１を回転駆動することにより回動される。

図２に示す例では、バルブ５０が、第３の排気管４３の差込部４３１の下方側の端部に接触している状態を示す。この状態では、第３の排気管４３側を閉成して、第２の排気管４２側へと排ガスを流通させることができる。この状態での排ガスの流れが、図中太線矢印で示されている。

また、バルブ５０を、点線で示すように、第２の排気管４２の差込部４２１の上方側の端部に接触させた場合は、第２の排気管４２側を閉成して、第３の排気管４３側へと排ガスを流通させることができる。この状態での排ガスの流れが、図中点線矢印で示されている。

このような構造により、切替バルブ構造４０は、第１の排気管４１から流入する排ガスを、他の二つの排気管（第２の排気管４２、第３の排気管４３）のうち、少なくとも一方への排ガスの流れを制限して、他方へと流通させるように切り替えることができる。

軸５１は、切替バルブ構造４０内部の平坦部４３２の端部よりも、排気ガス流れ上流方向に備えられる。そのため、バルブ５０によって、一方の排気管を閉成した場合にも、若干の隙間が生じ、閉成側の排気管に若干の排ガスの漏れを生じる。

例えば、熱交換を行うためにバイパス管２６側を閉成し、分岐管２３側を開成した場合にも、バイパス管２６側へと若干の排ガスの漏れが生じる。

しかしながら、熱交換を行う場合は、通常、エンジン１０の出力が高い場合であり、排ガスの量及び温度も十分な状態である場合がほとんどである。従って、エンジン１０から排出された全ての排ガスを熱交換機へと流通させないとしても、熱効率の低下は僅かであり、影響は小さい。

また一方で、熱交換を停止するために行うために分岐管２３側を閉成し、バイパス管２６側を開成した場合には、排熱回収器２４が介在する分岐管２３は、バイパス管２６よりも通気抵抗が高いため、若干の隙間があったとしても、排ガスは分岐管２３側へはほとんど流れないため、影響は少ない。

このように構成された切替バルブ構造４０は、上流側、すなわち第１の排気管４１から流入する排ガスを、バルブ５０の開閉状態によって、第２の排気管４２及び第３の排気管４３の少なくとも一方への通過を規制することができる。

例えば、排ガスを排熱回収器２４に流通させる場合（排熱回収時）には、バルブ５０によって第３の排気管４３側を閉成して、第１の排気管４１から第２の排気管４２（分岐管２３）にのみ排ガスを流通させるように制御する。

また、媒体温度の状況等により排ガスを排熱回収器２４に流通させない場合（非回収時）には、バルブ５０によって第２の排気管４２を閉成して、第１の排気管４１から第３の排気管４３（バイパス管２６）にのみ排ガスを流通させるように制御する。

またさらに、バルブ５０の開度を制御して、第２の排気管４２及び第３の排気管４３に、排ガスを所定の割合で分配して流通させることもできる。

以上説明したように、本発明の第１の実施形態の切替バルブ構造４０は、上流側の第１の排気管４１からの排ガスを、第２の排気管４２及び第３の排気管４３の少なくとも一方への通過を規制するバルブ５０を備えた。

また、切替バルブ構造４０は、第１の排気管４１の端部を拡大した拡大部４１１に、第２の排気管４２及び第３の排気管４３の端部をそれぞれ加工した差込部４２１及び４３１を差し込んだ構造となっている。また、バルブ５０は、拡大部４１１の内部に備えた。

このような構造により、切替バルブ構造４０を構成する部品を削減することができる。これによりバルブ５０を備えるための継手部分が必要なくなり、プレスによる鍛造品やロストワックスによる鋳物品等を別部品として形成する必要がなく、製造コストを抑えることができる。

特に、第１の排気管４１の拡大部４１１の加工、第２の排気管４２及び第３の排気管４３の差込部４２１及び４３１の加工は、従来一般的に行われている管の加工方法により行うことができるので，加工コストを抑えることができる。

また、差込部４２１又は４３１の端部がバルブ５０に接触することでバルブ５０の開閉のストッパーにするので、排ガス通路内にバルブ５０を受けるための別部品を設けることがないので、排ガスの抵抗となる物体が存在せず、排圧の悪化を抑制することができる。

また、差込部４３１の平坦部４３２を拡大部４１１側へと延設させることによって、バルブ５０の軸５１との距離を縮小できるので、バルブ５０を閉成した側の排気管への排ガスの漏れを抑制することができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。

本発明の第２の実施形態の切替バルブ構造４０は、前述の第１の実施形態とバルブ５０の構造が異なる。なお、図１に示す第１の実施形態と基本構造は同一である。また、第１の実施形態と同一の構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。

図３は、本発明の第２の実施形態の切替バルブ構造４０の断面図である。なお、図３（ａ）は、バルブ５０によって第２の排気管４２を閉成した場合の断面図であり、図３（ｂ）は、バルブ５０によって第３の排気管４３を閉成した場合の断面図である。

拡大部４１１の内部には、前述の第１の実施形態と同様にバルブ５０が備えられる。また、軸５１からバルブ５０とは異なる側に突設されたストッパー５２が備えられている。

このストッパー５２は、バルブ５０と共に円弧状に回転するように軸５１に軸支されている。また、ストッパー５２が平坦部４３２へと当接することによって、バルブ５０と共に第２の排気管４２の開口部分を全て閉成する。

この平坦部４３２の平坦面には溶接等の加工がされていないので、組み立て後も平坦が保たれるので、ストッパー５２が当接したときの排ガスの漏れを抑えることができる。

図３（ａ）に示すように、ストッパー５５が、第３の排気管４３の差込部４３１の平坦部４３２へと当接し、かつ、バルブ５０が、拡大部４１１の内壁に当接している状態で、第２の排気管４２側を完全に閉成して、第３の排気管４３側のみに排ガスを流通させることができる。

また、図３（ｂ）に示すように、バルブ５０が、第３の排気管４３の差込部４３１の下方側の端部に当接した場合は、第３の排気管４３側を閉成して、第２の排気管４２側へと排ガスを流通させることができる。なお、この状態では、ストッパー５２は、いずれの構造にも接触していない。

このように構成することによって、本発明の第２の実施形態では、第１の実施形態の効果に加え、軸５１からバルブ５０とは異なる側に突設されたストッパー５２によって第２の排気管４２の開口部を全て閉成することができるので、排ガスを第２の排気管４２側へと一切流さず、第３の排気管４３にのみ流すことができる。

特に、図１に示すように、第２の排気管４２が排熱回収器２４側へと接続されている場合は、エンジン１０の運転状態によっては排ガスの熱交換を一切行わず、排ガスを全てバイパス管２６へと流すよう制御したい場合がある。このときに、排ガスを全てバイパス管２６に流すことにより、エンジン１０への負荷が減るため燃費効率を高めるように制御することが可能となる。

なお、バイパス管２６側を閉成し、熱交換状態とした場合には、バイパス管２６へと若干の漏れが発生するが、前述の第１の実施形態と同様に、エンジン１０から排出された全ての排ガスを分岐管２３へと流通させないとしても、熱効率の低下は僅かであるので、影響は少ない。

また、ストッパー５２により排ガスの流れを完全に閉成する側を、分岐管２３ではなく、バイパス管２６側としてもよい。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。

本発明の第３の実施形態の切替バルブ構造４０は、前述の第２の実施形態と類似しているが、バルブ５０の構造がさらに異なる。なお、図１に示す第１の実施形態と基本構造は同一である。また、第１又は第２の実施形態と同一の構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。

図４は、第３の実施形態の切替バルブ構造４０の断面図である。

拡大部４１１の内部には、前述の第１の実施形態のバルブ５０と同様の第１のバルブ５３が備えられる。また、軸５１から第１のバルブ５３とは異なる側に突設された第２のバルブ５４が備えられている。

この第１のバルブ５３と第２のバルブ５４とは、互いに略直角となるように、その軸方向の断面が「Ｌ」字形状に構成される。また、第１のバルブ５３と第２のバルブ５４とは、その形状（軸５１からの突き出し長、面積）が略同一に構成される。

第１のバルブ５３は、第２の排気管４２を閉成する。第２のバルブ５４は、第３の排気管４３を閉成する。

図４（ａ）に示すように、第１のバルブ５３が、拡大部４１１の内壁に当接している状態で、第２の排気管４２側を閉成して、第２の排気管４２側への排ガスの流れを規制する。このとき、第２のバルブ５４はいずれの構造にも接触していない。

また、図３（ｂ）に示すように、これら第１のバルブ５３及び第２のバルブ５４を９０度回転させて、第２のバルブ５４が、第３の排気管４３の差込部４３１の下方側の端部に当接した場合は、第３の排気管４３側を閉成して、第３の排気管４３側への排ガスの流れを規制する。このとき、この状態では、第１のバルブ５３は、いずれの構造にも接触していない。

このように、本発明の第３の実施形態では、第２の排気管４２を閉成する第１のバルブ５３と、第３の排気管４３を閉成する第２のバルブ５４と、を備えた。

これらのバルブは軸５１により回転可能に軸支されるが、その作動角度は、前述の第１又は第２の実施形態よりも小さい。

これにより、第１の実施形態の効果に加え、バルブ５０を回動させるための必要トルクが小さくなるので、より小型のアクチュエータを用いることができ、切替バルブ構造４０のコストを抑えることができると共に、排気管の構成を小型化することができる。

なお、以上説明した本発明の第１から第３の実施形態では、エンジン１０の排ガスを回収する排熱回収器２４を備える分岐管２３と、バイパス管２６と、の分岐部３０に用いる切替バルブ構造４０を例に説明したが、これに限られるものではなく、合流部３１に切替バルブ構造４０を備えてもよい。この場合は、第１の排気管４１が下流側管２５に、第２の排気管４２が分岐管２３に、第３の排気管４３がバイパス管２６に、それぞれ相当する。

また、排ガスをエンジンに環流するＥＧＲシステムにおいて、本実施形態の切替バルブ構造４０を用いてもよい。これにより、ＥＧＲシステムを小型化することができると共に、製造コストの削減ができる。

１０エンジン（内燃機関）
２０排気管
２２上流側管
２３分岐管
２４排熱回収器
２５下流側管
３０分岐部
３１合流部
４０切替バルブ構造
４１第１の排気管
４１１拡大部
４２第２の排気管
４２１差込部
４２２平坦部
４３第３の排気管
４３１差込部
４３２平坦部
５０バルブ
５１軸
５２ストッパー
５３第１のバルブ
５４第２のバルブ

Claims

内燃機関の排ガスの通路を分岐する切替バルブ構造であって、
端部に向かうにつれて拡径された拡大部を有する第１の排気管と、
端部に向かうにつれて縮径されると共に、前記端部の一部に平坦部が形成された差込部を有する第２の排気管及び第３の排気管と、
前記拡大部に備えられた回転軸に支持され、前記第２の排気管又は第３の排気管への排ガスの流れを制限するバルブと、
を備え、
前記第２の排気管の平坦部と前記第３の排気管の平坦部とを向かい合わせた状態で、前記第２の排気管の差込部と前記第３の排気管の差込部とが前記拡大部へと挿嵌され、
前記第３の排気管の平坦部の端部が、前記第２の排気管の平坦部の端部よりも前記第１の排気管側へと延設されることを特徴とする切替バルブ構造。
請求項１に記載の切替バルブ構造において、
前記回転軸から前記バルブと異なる方向へ突設される突設部を備え、前記第３の排気管の差込部の平坦部に前記突設部を当接することによって、前記第２の排気管への排ガスの流れを制限することを特徴とする切替バルブ構造。
請求項１又は２に記載の切替バルブ構造において、
前記バルブは、前記拡大部の内壁に当接することによって前記第２の排気管への排ガスの流れを制限する第１のバルブと、前記バルブの回転軸から前記バルブと異なる方向へ突設され、前記第３の排気管の差込部の平坦面に当接することによって前記第３の排気管への排ガスの流れを規制する第２のバルブと、を備えることを特徴とする切替バルブ構造。