JP2013113239A

JP2013113239A - リードバルブの構造

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Publication number: JP2013113239A
Application number: JP2011261277A
Authority: JP
Inventors: Shogo Isaka; 尚吾井阪
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2013-06-10
Anticipated expiration: 2031-11-30
Also published as: JP5916358B2

Abstract

【課題】リードバルブの初期応答を改善し、正方向の流体の流れに対して流路を開放しやすくする。
【解決手段】流体が流通する流路２０を、一端部２３２が固定され他端部２３１が可動となっている弾性変形可能な薄板状の弁体２３により閉塞するものとし、弁体２３の上流に位置する流路２０の内壁の少なくとも一部分２０１を湾曲させて当該内壁の部分２０１に沿って流れる流体の流速を高め、当該内壁の部分２０１に沿って流れた流体が弁体２３の他端部２３１側に当たるように構成した。
【選択図】図２

Description

本発明は、リードバルブの構造に関する。特に、排気ガス再循環通路における逆流を抑止する目的で用いられるリードバルブの構造に関する。

近時の車両用内燃機関には、ポンピングロスの低減やＮＯ_xの排出量の削減を企図して、排気ガス再循環（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置が付随していることが多い。ＥＧＲ装置は、排気通路と吸気通路とを連通するＥＧＲ通路上に流量制御弁であるＥＧＲバルブを設けてなり。そのＥＧＲバルブの操作を通じて気筒から排気通路に排出された燃焼ガスの一部を吸気通路に還流せしめ、気筒に充填する吸気に混交するものである。

ＥＧＲ通路を流れるＥＧＲガスの量は、排気通路側入口の排気圧力と吸気通路側出口の吸気圧力との差圧の大きさに依存する。少数気筒（特に、二気筒）の機関では、排気脈動及び吸気脈動がともに大きくなる傾向にある。それ故、瞬間的に吸気圧力が排気圧力を上回る時期が発生する。この時期にＥＧＲバルブを開弁すると、吸気またはＥＧＲガスがＥＧＲ通路を排気通路に向かって逆流するおそれがある。

そこで、従来より、ＥＧＲ通路の末端にワンウェイバルブの一種であるリードバルブを設置しておき、ＥＧＲ通路における逆流を予防している（例えば、下記特許文献を参照）。

リードバルブは、その弁体の材質や寸法、形状等に応じて感度、応答性が変わってくる。リードバルブの初期応答が悪い、即ち弁体が弁座に着座して流路を完全閉鎖している状態から、弁体が弁座から離反し流路を開け始めるまでの間に要する時間が長いと、ＥＧＲを行わない運転領域からＥＧＲを行う運転領域へと遷移した場合にＥＧＲバルブを開弁操作してもすぐにはＥＧＲガスが吸気通路に流入せず、ＥＧＲ制御が遅れることとなる。さすれば、失火、エミッションの悪化またはノッキングの発生を招くこととなりかねない。

実開平０６−０４０３４３号公報

本発明は、リードバルブの初期応答を改善することを所期の目的としている。

本発明に係るリードバルブの構造では、流体が流通する流路を、一端部が固定され他端部が可動となっている弾性変形可能な薄板状の弁体により閉塞するものとし、弁体の上流に位置する流路の内壁の少なくとも一部分を湾曲させて当該内壁の部分に沿って流れる流体の流速を高め、当該内壁の部分に沿って流れた流体が弁体の他端部側に当たるように構成した。

本発明によれば、リードバルブの初期応答を改善することができる。

本発明の一実施形態における内燃機関の全体構成を示す図。同実施形態におけるリードバルブの構造を示す図。本発明の変形例の一に係るリードバルブの構造を示す図。本発明の変形例の一に係るリードバルブの構造を示す図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。この内燃機関は、筒内直接噴射式のものであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）と、各気筒１内に燃料を噴射するインジェクタ１１と、各気筒１に吸気を供給するための吸気通路３と、各気筒１から排気を排出するための排気通路４と、吸気通路３を流通する吸気を過給する排気ターボ過給機５と、排気通路４から吸気通路３に向けてＥＧＲガスを還流させる外部ＥＧＲ装置２とを具備している。

本実施形態における内燃機関は、二気筒の４ストローク機関であり、第一気筒１の行程と第二気筒１の行程との間には３６０°ＣＡ（クランク角度）の位相差が存在する。つまり、第一気筒１のピストン１２と第二気筒１のピストン１２とは同時に上昇し、また同時に下降する。

吸気通路３は、外部から空気を取り入れて気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、過給機５のコンプレッサ５１、インタクーラ３２、電子スロットルバルブ３３、サージタンク３４、吸気マニホルド３５を、上流からこの順序に配置している。

排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２、過給機５の駆動タービン５２及び三元触媒４１を配置している。加えて、タービン５２を迂回する排気バイパス通路４３、及びこのバイパス通路４３の入口を開閉するバイパスバルブであるウェイストゲートバルブ４４を設けてある。ウェイストゲートバルブ４４は、アクチュエータに制御信号ｌを入力することで開閉操作することが可能な電動ウェイストゲートバルブであり、そのアクチュエータとしてＤＣサーボモータを用いている。

排気ターボ過給機５は、駆動タービン５２とコンプレッサ５１とを同軸で連結し連動するように構成したものである。そして、駆動タービン５２を排気のエネルギを利用して回転駆動し、その回転力を以てコンプレッサ５１にポンプ作用を営ませることにより、吸入空気を加圧圧縮（過給）して気筒１に送り込む。

外部ＥＧＲ装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものである。外部ＥＧＲ通路２０の入口は、排気通路４におけるタービン５２の上流の所定箇所に接続している。外部ＥＧＲ通路２０の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３３の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク３４に接続している。外部ＥＧＲ通路２０上にも、ＥＧＲクーラ２１及びＥＧＲバルブ２２を設けてある。

内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

入力インタフェースには、車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるエンジン回転信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３３の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するアクセル開度センサから出力されるアクセル開度信号ｃ、吸気通路３（特に、サージタンク３４）内の吸気温を検出する温度センサから出力される吸気温信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３４）内の吸気圧（または、過給圧）を検出する圧力センサから出力される吸気圧信号ｅ、内燃機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、吸気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力される排気カム信号ｇ等が入力される。エンジン回転センサは、１０°ＣＡ毎にパルス信号ｂを発する。カム角センサは、７２０°ＣＡを気筒数で割った角度、二気筒エンジンであれば３６０°ＣＡ毎にパルス信号ｇを発する。

出力インタフェースからは、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｈ、点火プラグ（のイグニッションコイル）に対して点火信号ｉ、ＥＧＲバルブ２２に対して開度操作信号ｊ、スロットルバルブ３３に対して開度操作信号ｋ、ウェイストゲートバルブ４４に対して開度操作信号ｌ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、ＥＧＲ量（または、ＥＧＲ率）及びＥＧＲバルブ２２の開度といった各種運転パラメータを決定する。運転パラメータの決定手法自体は、既知のものを採用することが可能であるので説明を割愛する。しかして、運転パラメータに対応した各種制御信号ｈ、ｉ、ｊ、ｋ、ｌを出力インタフェースを介して印加する。

ＥＧＲ装置２のＥＧＲ通路２０には、図２に示すようなリードバルブを設置している。リードバルブは、ワンウェイバルブの一種であり、ＥＧＲ通路２０経由で吸気通路３側から排気通路側４に向けて吸気またはＥＧＲガスが逆流することを抑止するものである。

リードバルブの弁体２３は、カーボンまたは金属等を素材とする弾性変形可能な薄板体であり、その一端部２３２が固定された固定端、他端部２３１が弾性変形を通じてフラップ動作可能な可動端となっている。弁体２３は、ＥＧＲ通路２０の開放端、即ち吸気通路に接続するＥＧＲ通路２０の出口に設定した弁座２４に当接してＥＧＲ通路２０を閉鎖し（図中実線で示す）、以て吸気通路３からＥＧＲ通路２０への吸気またはＥＧＲガスの流入を阻む。

ＥＧＲ通路２０を吸気通路３側に向かって流れるＥＧＲガスは、弁体２３に当たり、この弁体２３を押圧して弾性変形させ弁座２４から離反させる（図中鎖線で示す）。結果、ＥＧＲ通路２０と吸気通路３とが連通し、ＥＧＲガスが吸気通路３に流入する。弁体２３は、ちょうど板ばねのような作用を営む。弁体２３の上流側圧力即ちＥＧＲ通路２０内圧力と、弁体２３の下流側圧力即ち吸気通路３内圧力との差圧が小さい、または後者が前者を上回る場合には、弁体２３は弁座２４に着座する。

その上で、本実施形態では、図２に示しているように、ＥＧＲ通路２０の開放端近傍の部位２０１を湾曲させている。ＥＧＲ通路２０の開放端近傍部位の内壁のうち、弁体２３の一端部２３２寄りにある部分２０２と、弁体２３の他端部２３１寄りにある部分２０１とを比較した場合、後者２０１の曲率半径の方が前者２０２の曲率半径よりも大きい。従って、後者２０１に沿って流れるガスの流速は比較的高くなり、逆に前者２０２に沿って流れるガスの流速は比較的低くなる。本実施形態では、後者２０２に沿って流れるガスが弁体２３の他端部２３１に直に当たるよう、弁体２３をＥＧＲ通路２０に対して位置づけている。

本実施形態におけるリードバルブの構造では、流体（ＥＧＲガス）が流通する流路（ＥＧＲ通路２０）を、一端部２３２が固定され他端部２３１が可動となっている弾性変形可能な薄板状の弁体２３により閉塞するものとし、弁体２３の上流に位置する流路２０の内壁の少なくとも一部分２０１を湾曲させて当該内壁の部分２０１に沿って流れる流体の流速を高め、当該内壁の部分２０１に沿って流れた流体が弁体２３の他端部２３１側に当たるように構成している。

本実施形態によれば、流速を高めた流体によって弁体２３を押圧し、弁座２４から離反させて流路２０の開放端（ＥＧＲ通路２０の出口）を開通せしめることができる。従って、リードバルブの初期応答性能が向上する。例えば、ＥＧＲを行わない低負荷または高負荷運転領域から、ＥＧＲを行う中負荷運転領域へと遷移する場合において、閉止していたＥＧＲバルブ２２を開弁操作することで速やかにリードバルブも開弁し、ＥＧＲガスを吸気通路３に導き入れることが可能となる。ひいては、ＥＧＲ制御の遅れが小さくなり、失火、エミッションの悪化またはノッキングの発生のおそれを低減することができる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。上記実施形態では、弁座２４に着座している状態の弁座２４の形状は平板状であった。これに対し、図３に示すように、弁体２３を弁座２４に着座している状態で弁体２３が非平板形状をなしている態様をとることができる。

図３に示した変形例における弁体２３は、流路２０の開放端から流体が流出する方向に沿って凹んだ、換言すれば下流方に向けて膨出した形状をなしている。このような形状により、流路２０を流れる流体が弁体２３に当たる面積がより大きくなり、リードバルブとしての感度がより高まる。図３に示した例とは逆に、弁体２３を、流路２０の上流方に向けて（流路２０内に入り込むように）膨出した形状に成形しても構わない。

加えて、当該変形例では、弁体２３と弁座２４とが線接触するようにして、両者の当たりの面積を縮小している。弁体２３と弁座２４とが線接触することは、チャタリング音の低減に寄与する。

また、図４は、本発明に係るリードバルブ構造の別の変形例である。図４に示した変形例において、流体が流出する流路２０は、当該流路２０の開放端（出口）となる開口に対して所定角度αを以て交差するように延伸しており、開放端近傍にて湾曲して開放端の開口縁に対し略直交するように接続している。角度αは、例えば約６０°である。

弁体２３は、その一端部２３２が固定された固定端、他端部２３１が弾性変形を通じてフラップ動作可能な可動端となっている。弁体２３の一端部２３２は、湾曲する流路２０の内周寄りに位置づけられる。そして、弁体２３の他端部２３１は、同流路２０の外周寄りに位置づけられる。弁体２３の他端部２３１にはビード２３３を設けており、このビード２３３を介して弁体２３と弁座２４とが線接触するようにしてある。

流路２０を流通する流体の流れは、湾曲している当該流路２０の外周側に偏ることから、流体の圧力中心もまた開放端の中心軸から寸法βだけ外周側にオフセットする。これにより、弁体２３における、流体の圧力中心が当たる箇所と、固定された一端側との距離γが大きくなり、回転モーメントが増大して開弁動作の応答性が向上する。

図４に示した変形例では、湾曲する流路２０の内周側の内壁に、（内周側の内壁が滑らかに連続した曲面とならないように）凹凸または段差２０３を形成している。これにより、流路２０の内周側の内壁に沿って流れる流体に剥離が発生し、その流速が落ちる。他方、凹凸または段差２０３にて発生した剥離流体のベアリング効果のため、流路２０の外周側の内壁に沿って流れる流体の流速がより一層増すので、開弁動作の応答性がさらに向上する。

ＥＧＲ装置は、高圧ループＥＧＲ装置には限定されない。コンプレッサ５１の上流側とタービン５２（さらには、触媒４１）の下流側とをＥＧＲ通路を介して連通し、低温低圧のＥＧＲガスを還流せしめる低圧ループＥＧＲ装置において、そのＥＧＲ通路に本発明に係るリードバルブを設置することも考えられる。

本発明に係るリードバルブの適用対象が、ＥＧＲ通路に限られないことは言うまでもない。

その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両に搭載される内燃機関に付随するＥＧＲ装置等に実装して利用することができる。

２０…流路（ＥＧＲ通路）
２０１…流路の内壁の湾曲部分
２３…弁体
２３１…弁体の他端部
２３２…弁体の一端部

Claims

流体が流通する流路を、一端部が固定され他端部が可動となっている弾性変形可能な薄板状の弁体により閉塞するものとし、
弁体の上流に位置する流路の内壁の少なくとも一部分を湾曲させて当該内壁の部分に沿って流れる流体の流速を高め、当該内壁の部分に沿って流れた流体が弁体の他端部側に当たるように構成したリードバルブの構造。