JP2014040792A - 排気ガス制御弁 - Google Patents
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Abstract
【課題】 従来のEGR制御弁は、ハウジングのバルブシートに対してバルブヘッドが相対的に回転する。このため、バルブシートに対してバルブヘッドが摺動するので、バルブヘッドとバルブシートとの摩耗が進行するという課題があった。
【解決手段】 出力ギア7および出力シャフトと一体回転可能に連結し、且つ出力ギア7の回転中心軸の周囲を囲む円筒部15を有する円筒カム8を採用することにより、バルブステム3の駆動方向を、出力ギア7の回転面に対して直交する垂直方向に変換することが可能となる。また、バルブステム3は、円筒カム8の円筒内面71および円筒外面72にて回転規制されているので、ポペットバルブ1の動きは、中心軸線方向のリフト運動のみとなる。これにより、バルブヘッド2とバルブシート19との回転摺動がなくなるため、バルブヘッド2とバルブシート19との摩耗を低減することが可能となる。
【選択図】 図3
【解決手段】 出力ギア7および出力シャフトと一体回転可能に連結し、且つ出力ギア7の回転中心軸の周囲を囲む円筒部15を有する円筒カム8を採用することにより、バルブステム3の駆動方向を、出力ギア7の回転面に対して直交する垂直方向に変換することが可能となる。また、バルブステム3は、円筒カム8の円筒内面71および円筒外面72にて回転規制されているので、ポペットバルブ1の動きは、中心軸線方向のリフト運動のみとなる。これにより、バルブヘッド2とバルブシート19との回転摺動がなくなるため、バルブヘッド2とバルブシート19との摩耗を低減することが可能となる。
【選択図】 図3
Description
本発明は、例えば内燃機関の排気通路に連通する流路を流れる排気ガスを制御する排気ガス制御弁に関するもので、特に内燃機関の排気循環装置(EGRシステム)に使用される排気ガス制御弁に係わる。
[従来の技術]
従来より、例えばディーゼルエンジン等の内燃機関(エンジン)の燃焼室より排出される排気ガス中に含まれる有害物質(例えば窒素酸化物:NOx)の低減を図るという目的で、排気ガスの一部であるEGRガスを排気通路から吸気通路へ再循環(還流)させるためのEGRガスパイプを備えた排気ガス循環装置(EGRシステム)が公知である。
このEGRシステムには、EGRガスパイプの内部を流れるEGRガスの流量を可変制御するEGRガス流量制御弁(以下EGR制御弁)が設置されている(例えば、特許文献1参照)。
従来より、例えばディーゼルエンジン等の内燃機関(エンジン)の燃焼室より排出される排気ガス中に含まれる有害物質(例えば窒素酸化物:NOx)の低減を図るという目的で、排気ガスの一部であるEGRガスを排気通路から吸気通路へ再循環(還流)させるためのEGRガスパイプを備えた排気ガス循環装置(EGRシステム)が公知である。
このEGRシステムには、EGRガスパイプの内部を流れるEGRガスの流量を可変制御するEGRガス流量制御弁(以下EGR制御弁)が設置されている(例えば、特許文献1参照)。
このEGR制御弁は、EGRガスが流れる流路が形成されるハウジングと、このシリンダに支持された円環状のバルブシートと、このバルブシートに対して着座、離脱して流路を閉鎖、開放するバルブヘッド(弁体)と、先端側の外周にバルブヘッドを固定したバルブステム(弁軸)と、このバルブステムをその軸線方向に摺動可能に支持する筒状の軸受とを備えている。
ハウジングには、軸受の外周を保持する筒状の軸受ホルダが設けられている。また、ハウジングには、バルブステムやバルブヘッドを駆動する電動モータを有するアクチュエータが搭載されている。
ハウジングには、軸受の外周を保持する筒状の軸受ホルダが設けられている。また、ハウジングには、バルブステムやバルブヘッドを駆動する電動モータを有するアクチュエータが搭載されている。
アクチュエータは、電動モータの回転を減速する減速機構を備えている。この減速機構には、電動モータの回転動力を受けて回転する出力ギアが設けられている。この出力ギアは、出力ギアの往復回転(回動)運動をバルブステムやバルブヘッドの往復直線運動に変換する変換機構に連結されている。
変換機構は、ハウジングの内側に固定された鐘状の支持部材を備えている。支持部材は、バルブステムのストローク方向と同心の管状の壁、およびこの壁と共軸の中心ピンと一体化された凹所を有している。
管状の壁には、2つの溝が形成されている。各溝は、螺旋形状で、その傾斜形状の下面は、ローラが回転するカム面を構成している。ローラは、支軸の両端に取り付けられている。支軸は、バルブステムの端部に回動可能に取り付けられている。支軸は、連結素子を介して、出力ギアの回転に連動するように構成されている。
変換機構は、ハウジングの内側に固定された鐘状の支持部材を備えている。支持部材は、バルブステムのストローク方向と同心の管状の壁、およびこの壁と共軸の中心ピンと一体化された凹所を有している。
管状の壁には、2つの溝が形成されている。各溝は、螺旋形状で、その傾斜形状の下面は、ローラが回転するカム面を構成している。ローラは、支軸の両端に取り付けられている。支軸は、バルブステムの端部に回動可能に取り付けられている。支軸は、連結素子を介して、出力ギアの回転に連動するように構成されている。
[従来の技術の不具合]
ところで、従来のEGR制御弁は、燃焼残滓やカーボン等の微粒子状物質(煤、煤に付着している炭化水素、黒煙や不完全燃焼物等の粉末状固定微粒子:パティキュレート)が含まれているEGRガスが流れる流路内に開閉自在に収容されている。
このため、EGR制御弁の弁体であるバルブヘッドの表面、バルブシートの表面に微粒子状物質が付着してデポジットを形成したり、バルブヘッドとバルブシートとの間に跨がってデポジットが形成されたりすると、バルブシートに対してバルブヘッドが閉弁固着(スティック)される懸念がある。
ところで、従来のEGR制御弁は、燃焼残滓やカーボン等の微粒子状物質(煤、煤に付着している炭化水素、黒煙や不完全燃焼物等の粉末状固定微粒子:パティキュレート)が含まれているEGRガスが流れる流路内に開閉自在に収容されている。
このため、EGR制御弁の弁体であるバルブヘッドの表面、バルブシートの表面に微粒子状物質が付着してデポジットを形成したり、バルブヘッドとバルブシートとの間に跨がってデポジットが形成されたりすると、バルブシートに対してバルブヘッドが閉弁固着(スティック)される懸念がある。
ところが、従来のEGR制御弁は、モータへの通電が無い状態からモータへの通電がLow状態の時、つまり管状の壁のカム面とローラとの間の隙間移動時には、バルブヘッドが全閉位置で回動運動のみ行うように構成されている。これにより、カム面とローラとの間の隙間移動時には、バルブヘッドに回転力しか伝わらず、バルブヘッドとバルブシートとの間に跨がって形成されたデポジットからバルブヘッドを引き剥がすことができ難くなるので、バルブシートに対してバルブヘッドが閉弁固着(スティック)されるという問題が生じている。
また、バルブシートに対してバルブヘッドが相対的に回転した場合、バルブシートに対してバルブヘッドが摺動するため、バルブヘッドとバルブシートとの摩耗が進行するという問題が生じている。
また、バルブシートに対してバルブヘッドが相対的に回転した場合、バルブシートに対してバルブヘッドが摺動するため、バルブヘッドとバルブシートとの摩耗が進行するという問題が生じている。
本発明の目的は、耐デポジット固着解除性能を容易に得ることのできる排気ガス制御弁を提供することにある。また、バルブの弁体とハウジングのシートとの摩耗を低減することのできる排気ガス制御弁を提供することにある。
請求項1に記載の発明(排気ガス制御弁)は、内燃機関の排気ガスが流れる流路、およびこの流路の周囲に設けられる環状のシートを有するハウジングと、シートに対して着座、離脱して流路を閉鎖、開放する弁体、およびこの弁体の中心軸線方向に延びる弁軸を有するバルブと、電力の供給を受けてバルブを駆動する動力を発生するモータ、およびこのモータの動力を弁軸を介して弁体に伝える出力部材を有するアクチュエータとを備えている。
出力部材は、モータの動力を受けて回転する出力ギア、およびこの出力ギアと一体回転可能に連結し、出力ギアの回転中心軸の周囲を囲む円筒カムを有している。
円筒カムは、出力ギアの回転中心軸を中心とする曲率半径の円筒内外面、および出力ギアの回転運動をバルブの直線(往復)運動に変換する溝形状のカムスロットを有している。
弁軸の中心軸線は、円筒内面と前記円筒外面との間で、且つ出力ギアの回転面に対して直交する垂直方向に配置されている。
出力部材は、モータの動力を受けて回転する出力ギア、およびこの出力ギアと一体回転可能に連結し、出力ギアの回転中心軸の周囲を囲む円筒カムを有している。
円筒カムは、出力ギアの回転中心軸を中心とする曲率半径の円筒内外面、および出力ギアの回転運動をバルブの直線(往復)運動に変換する溝形状のカムスロットを有している。
弁軸の中心軸線は、円筒内面と前記円筒外面との間で、且つ出力ギアの回転面に対して直交する垂直方向に配置されている。
請求項1に記載の発明によれば、出力部材として、出力ギアと一体回転可能に連結し、且つ出力ギアの回転中心軸の周囲を囲む円筒カムを使用することにより、バルブの弁軸のストローク方向(駆動方向)を、出力ギアの回転面に対して直交する垂直(直角)方向に変換することができる。これによって、バルブの弁軸とモータの回転軸とを平行に配置することが可能となるので、弁軸の中心に対して、モータの飛び出し量(モータ突き出し寸法:L)が減る。これにより、モータの対振性を向上させることができる。
また、バルブの弁軸は、円筒カムの円筒内外面にて回転規制され、バルブの弁体の動きは、中心軸線方向のストローク(リフト)運動のみとなる。これにより、バルブの弁体とハウジングのシートとの回転摺動がなくなるため、バルブの弁体とハウジングのシートとの摩耗を低減することができる。
また、仮にバルブの弁体の表面やハウジングのシートの表面に微粒子状物質が付着してデポジットを形成したり、弁体とシートとの間に跨がってデポジットが形成されたりしていた場合であっても、弁体の耐デポジット固着解除性能を容易に向上(または得ることが)できるので、シートに対して弁体が閉弁固着(スティック)される可能性が少なくなる。
また、バルブの弁軸は、円筒カムの円筒内外面にて回転規制され、バルブの弁体の動きは、中心軸線方向のストローク(リフト)運動のみとなる。これにより、バルブの弁体とハウジングのシートとの回転摺動がなくなるため、バルブの弁体とハウジングのシートとの摩耗を低減することができる。
また、仮にバルブの弁体の表面やハウジングのシートの表面に微粒子状物質が付着してデポジットを形成したり、弁体とシートとの間に跨がってデポジットが形成されたりしていた場合であっても、弁体の耐デポジット固着解除性能を容易に向上(または得ることが)できるので、シートに対して弁体が閉弁固着(スティック)される可能性が少なくなる。
請求項2〜5に記載の発明によれば、出力シャフトの外周は、軸受の内輪に圧入で支持され、軸受の外輪は、ハウジングに圧入固定されている。また、円筒カムの被係止部は、カラーを介して軸受の内輪と出力シャフトの係止部との間に挟み込まれて固定される。
これによって、モータから伝達される回転動力(トルク)と、(例えばスプリングの付勢力により発生し、)弁軸から伝達されるスラスト力とを軸受で受けることができるので、出力シャフトの摺動トルクを低減することができる。
これによって、モータから伝達される回転動力(トルク)と、(例えばスプリングの付勢力により発生し、)弁軸から伝達されるスラスト力とを軸受で受けることができるので、出力シャフトの摺動トルクを低減することができる。
請求項6に記載の発明によれば、軸受は、円筒カムの内側に配置されている。
これによって、排気ガス制御弁の体格の小型化を図ることができる。これにより、内燃機関を搭載する自動車等の車両における排気ガス制御弁の搭載スペースを容易に確保することができる。また、モータ突き出し寸法(L)が小さくなるので、弁軸の中心からのモータの飛び出し量が減る。これにより、モータの対振性を向上させることができる。
これによって、排気ガス制御弁の体格の小型化を図ることができる。これにより、内燃機関を搭載する自動車等の車両における排気ガス制御弁の搭載スペースを容易に確保することができる。また、モータ突き出し寸法(L)が小さくなるので、弁軸の中心からのモータの飛び出し量が減る。これにより、モータの対振性を向上させることができる。
請求項7〜11に記載の発明によれば、排気ガス制御弁には、バルブの弁軸に対して、バルブの弁体を閉じる側(流路を閉塞する側、全閉側、閉弁方向)に付勢する(バネ)荷重(弾性力、スプリング力)を発生するスプリングが設置されている。
このスプリングの付勢力によって、バルブの弁体を常時閉じる側に押し付けているので、フォロアと円筒カムのカムスロットとの間のガタ付きがなくなる。これにより、モータへの通電を停止する時に、バルブの弁体および弁軸を全閉位置まで戻すことができる。
なお、スプリングとして、コンプレッションスプリング(圧縮コイルスプリング)を使用しても良い。
このスプリングの付勢力によって、バルブの弁体を常時閉じる側に押し付けているので、フォロアと円筒カムのカムスロットとの間のガタ付きがなくなる。これにより、モータへの通電を停止する時に、バルブの弁体および弁軸を全閉位置まで戻すことができる。
なお、スプリングとして、コンプレッションスプリング(圧縮コイルスプリング)を使用しても良い。
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
[実施例1の構成]
図1ないし図6は、本発明の排気ガス制御弁を適用したEGR制御弁(実施例1)を示したものである。
図1ないし図6は、本発明の排気ガス制御弁を適用したEGR制御弁(実施例1)を示したものである。
本実施例の内燃機関の排気装置は、例えば自動車等の車両に搭載される内燃機関(エンジン)の排気管から吸気管へ排気ガス(以下EGRガス)を再循環(還流)させる排気循環装置(以下EGRシステム)を備えている。
EGRシステムは、エキゾーストマニホールドまたは排気管内の排気通路からインテークマニホールドまたは吸気管内の吸気通路へEGRガスを還流させるEGRガスパイプを備えている。このEGRガスパイプ内には、排気通路から吸気通路へEGRガスを流入させるEGRガス流路が形成されている。
EGRシステムは、エキゾーストマニホールドまたは排気管内の排気通路からインテークマニホールドまたは吸気管内の吸気通路へEGRガスを還流させるEGRガスパイプを備えている。このEGRガスパイプ内には、排気通路から吸気通路へEGRガスを流入させるEGRガス流路が形成されている。
EGRガスパイプには、EGRガス流路を流れるEGRガスの流量をポペットバルブ1の開閉動作により制御するEGR制御弁が設置されている。
ここで、EGRシステムは、エンジンの運転状況に基づいてEGR制御弁の弁体であるポペットバルブ1を開閉制御するEGRバルブ制御装置(内燃機関のEGR制御装置)として使用される。このEGRバルブ制御装置は、EGR制御弁のアクチュエータを他のシステムと連動して制御するエンジン制御ユニット(電子制御装置:以下ECU)を備えている。
ここで、EGRシステムは、エンジンの運転状況に基づいてEGR制御弁の弁体であるポペットバルブ1を開閉制御するEGRバルブ制御装置(内燃機関のEGR制御装置)として使用される。このEGRバルブ制御装置は、EGR制御弁のアクチュエータを他のシステムと連動して制御するエンジン制御ユニット(電子制御装置:以下ECU)を備えている。
EGR制御弁は、EGRガス流路を開閉するポペットバルブ1と、このポペットバルブ1のバルブヘッド2およびバルブシャフト(弁軸:以下バルブステム)3をその軸線方向に往復移動させるバルブ駆動装置と、ポペットバルブ1およびバルブ駆動装置を収容するハウジング4とを備えている。
バルブ駆動装置は、ポペットバルブ1を駆動する回転動力を発生するモータM、このモータMの回転を2段減速する減速機構(ピニオンギア5、中間ギア6、出力ギア7)、およびこのモータMの回転動力をバルブステム3を介してバルブヘッド2に伝える出力部材(出力ギア7、円筒カム8等)を有するアクチュエータと、バルブステム3に対して、バルブヘッド2を閉じる側(バルブ全閉側)に付勢するバネ荷重を発生するスプリング9と、出力部材の回転角度を検出する回転角度検出装置とを備えている。
バルブ駆動装置は、ポペットバルブ1を駆動する回転動力を発生するモータM、このモータMの回転を2段減速する減速機構(ピニオンギア5、中間ギア6、出力ギア7)、およびこのモータMの回転動力をバルブステム3を介してバルブヘッド2に伝える出力部材(出力ギア7、円筒カム8等)を有するアクチュエータと、バルブステム3に対して、バルブヘッド2を閉じる側(バルブ全閉側)に付勢するバネ荷重を発生するスプリング9と、出力部材の回転角度を検出する回転角度検出装置とを備えている。
アクチュエータは、モータM、減速機構および変換機構を備えている。
モータMは、その軸線方向(以下回転軸方向)に延びるモータシャフト(回転軸:以下モータ軸)11を有するインナロータ(電機子)と、この電機子の周囲を円周方向に取り囲む筒状のステータと、このステータに対して固定されたブラシホルダに収容保持された一対の給電ブラシ(以下ブラシ)とを備えている。
減速機構は、モータ軸11に連動して回転する3つの減速ギアと、モータMのモータ軸11に対して並列配置された中間シャフト(中間軸)12と、出力ギア7および円筒カム8と一体回転可能に連結した出力シャフト(出力軸)13とを備えている。
3つの減速ギアは、上述したように、ピニオンギア(入力ギア、モータギア)5、中間ギア6、および出力ギア(バルブギア)7等によって構成されている。
モータMは、その軸線方向(以下回転軸方向)に延びるモータシャフト(回転軸:以下モータ軸)11を有するインナロータ(電機子)と、この電機子の周囲を円周方向に取り囲む筒状のステータと、このステータに対して固定されたブラシホルダに収容保持された一対の給電ブラシ(以下ブラシ)とを備えている。
減速機構は、モータ軸11に連動して回転する3つの減速ギアと、モータMのモータ軸11に対して並列配置された中間シャフト(中間軸)12と、出力ギア7および円筒カム8と一体回転可能に連結した出力シャフト(出力軸)13とを備えている。
3つの減速ギアは、上述したように、ピニオンギア(入力ギア、モータギア)5、中間ギア6、および出力ギア(バルブギア)7等によって構成されている。
変換機構は、出力ギア7の回転往復(回動)運動をポペットバルブ1の直線往復運動(ポペットバルブ1の軸線方向の往復運動)に変換する動力変換機構である。
円筒カム8の入力部には、円環状の被係止部(円環部)14が設けられている。この被係止部14は、例えば出力ギア7にインサート成形されることで、出力シャフト13と一体回転可能に連結し、円筒カム8の出力部にアクチュエータの動力を伝える出力レバープレートを構成している。また、被係止部14には、後述する減速機構の出力シャフト13の外周に嵌合固定するための嵌合孔(例えば四角孔)が形成されている。
円筒カム8の出力部には、円筒部15が設けられている。この円筒部15には、バルブステム3に取り付けられる部品(変換機構の一部)と係合するカムスロット16が形成されている。このカムスロット16には、ポペットバルブ1の動作パターンに対応した部分螺旋溝形状の第1、第2カム溝壁面(カムプロフィール)17、18が形成されている。 なお、バルブ駆動装置の詳細は、後述する。
円筒カム8の入力部には、円環状の被係止部(円環部)14が設けられている。この被係止部14は、例えば出力ギア7にインサート成形されることで、出力シャフト13と一体回転可能に連結し、円筒カム8の出力部にアクチュエータの動力を伝える出力レバープレートを構成している。また、被係止部14には、後述する減速機構の出力シャフト13の外周に嵌合固定するための嵌合孔(例えば四角孔)が形成されている。
円筒カム8の出力部には、円筒部15が設けられている。この円筒部15には、バルブステム3に取り付けられる部品(変換機構の一部)と係合するカムスロット16が形成されている。このカムスロット16には、ポペットバルブ1の動作パターンに対応した部分螺旋溝形状の第1、第2カム溝壁面(カムプロフィール)17、18が形成されている。 なお、バルブ駆動装置の詳細は、後述する。
ポペットバルブ1は、ハウジング4のバルブシート19に対して着座、離脱して流路孔21〜23を閉鎖、開放する円筒状のバルブヘッド(バルブ本体)2を備えている。つまりバルブヘッド2は、EGR制御弁の弁体を構成している。本実施例では、バルブヘッド2の外周端面(テーパー状の円錐面)が、バルブシート19に着座するバルブフェースとなっている。
ポペットバルブ1は、円筒カム8の回転変位に連動してポペットバルブ1の中心軸線方向に往復移動するバルブステム3を有している。
なお、バルブヘッド2とバルブステム3とを一体部品で構成したポペットバルブ1を使用しても良い。
ポペットバルブ1は、円筒カム8の回転変位に連動してポペットバルブ1の中心軸線方向に往復移動するバルブステム3を有している。
なお、バルブヘッド2とバルブステム3とを一体部品で構成したポペットバルブ1を使用しても良い。
バルブステム3は、ポペットバルブ1の中心軸線方向に真っ直ぐに延伸されており、ポペットバルブ1と円筒カム8を含む変換機構とに結合されている。このバルブステム3は、モータMのモータ軸11、中間シャフト12および出力シャフト13と並列して設置され、且つ円筒カム8の回転面(被係止部14の図示上端面)に対して垂直な直交方向に延びるように設置されている。
バルブステム3の軸線方向の基端部には、円筒カム8のカムプロフィール17、18からアクチュエータの動力が伝達される入力部が設けられている。また、バルブステム3の軸線方向の先端部には、ポペットバルブ1へアクチュエータの動力を出力する出力部が設けられている。
バルブステム3の軸線方向の基端部には、円筒カム8のカムプロフィール17、18からアクチュエータの動力が伝達される入力部が設けられている。また、バルブステム3の軸線方向の先端部には、ポペットバルブ1へアクチュエータの動力を出力する出力部が設けられている。
バルブステム3の出力部の外周(先端外周)には、圧入、かしめまたは溶接等の手段を用いてバルブヘッド2が固定されている。また、バルブステム3は、その軸線方向の中間部分が、メタルベアリング24を介してハウジング4のベアリングホルダ25に摺動自在に支持されている。
バルブステム3の入力部は、2股状に分岐(分離)した2つの対向片(第1、第2対向部)26を備えている。これらの対向片26は、円筒カム8の円筒部15が挿入可能なスリット27を隔てて対向している。スリット27は、バルブステム3の出力部(ポペットバルブ側端部)に対して反端側の端面で開口し、バルブステム3の軸線方向に真っ直ぐに延びている。
バルブステム3の入力部は、2股状に分岐(分離)した2つの対向片(第1、第2対向部)26を備えている。これらの対向片26は、円筒カム8の円筒部15が挿入可能なスリット27を隔てて対向している。スリット27は、バルブステム3の出力部(ポペットバルブ側端部)に対して反端側の端面で開口し、バルブステム3の軸線方向に真っ直ぐに延びている。
ここで、バルブステム3の各対向片26には、支軸であるピボットピン32がその軸線方向に貫通するように嵌合する第1、第2嵌合孔がそれぞれ設けられている。
2つの対向片26のうちの一方側の対向片26は、ピボットピン32の軸線方向の一端側(図5において図示左側)の一端部を嵌合支持している。また、2つの対向片26のうちの他方側の対向片26は、ピボットピン32の軸線方向の他端側(図5において図示右側)の他端部を嵌合支持している。
ピボットピン32は、一対の対向片26に跨がって保持されて、フォロアローラ(以下ボールベアリング)31を回転自在に支持している。
2つの対向片26のうちの一方側の対向片26は、ピボットピン32の軸線方向の一端側(図5において図示左側)の一端部を嵌合支持している。また、2つの対向片26のうちの他方側の対向片26は、ピボットピン32の軸線方向の他端側(図5において図示右側)の他端部を嵌合支持している。
ピボットピン32は、一対の対向片26に跨がって保持されて、フォロアローラ(以下ボールベアリング)31を回転自在に支持している。
ポペットバルブ1は、ボールベアリング31およびピボットピン32が円筒カム8のカムスロット16の形成方向の一端側(図示上端側)に位置している時に全閉位置に配置され、ボールベアリング31およびピボットピン32がカムスロット16の形成方向の他端側(図示下端側)に位置している時に全開位置に配置される。
円筒カム8を除く変換機構の一部を構成する構成部品は、円筒カム8のカムプロフィール17、18に沿って移動可能に案内されるボールベアリング31、および円筒カム8のカムスロット16内に移動可能に挿入されて、ボールベアリング31を介して円筒カム8のカムプロフィール17、18からアクチュエータの動力を受けるピボットピン32等により構成されている。
円筒カム8を除く変換機構の一部を構成する構成部品は、円筒カム8のカムプロフィール17、18に沿って移動可能に案内されるボールベアリング31、および円筒カム8のカムスロット16内に移動可能に挿入されて、ボールベアリング31を介して円筒カム8のカムプロフィール17、18からアクチュエータの動力を受けるピボットピン32等により構成されている。
また、EGRガス等の排気ガスには、燃焼残滓やカーボン等の排気微粒子(粒子状物質:PM)が混入している。そのため、バルブステム3の中間部分とベアリングホルダ25との間には、EGRガス中に含まれる粒子状物質(PM)がバルブステム3とメタルベアリング24との間に侵入するのを抑制するためのスリーブ34が装着されている。
また、バルブステム3の中間部の外周には、バルブステム3とメタルベアリング24との摺動部に供給される潤滑油の流出を防止するためのオイルシール35が装着されている。
また、バルブステム3の中間部の外周には、バルブステム3とメタルベアリング24との摺動部に供給される潤滑油の流出を防止するためのオイルシール35が装着されている。
ハウジング4には、メタルベアリング24の外周を保持する円筒状のベアリングホルダ25が一体的に形成されている。このハウジング4内には、EGRガス流路の一部を構成する流路孔21〜23が形成されている。また、ハウジング4は、流路孔21と流路孔23とを区画する円筒状の隔壁(仕切り部)にバルブシート19が圧入固定されている。このバルブシート19内には、流路孔21と流路孔23とを連通する流路孔22が形成されている。流路孔21〜23は、EGRガス(流体)が流通する流路である。
ハウジング4には、バルブステム3をその軸線方向に摺動可能に支持する円筒状のメタルベアリング(軸受)24の外周を保持する円筒状の軸受保持部(以下ベアリングホルダ)25が設けられている。このベアリングホルダ25は、メタルベアリング24の周囲を円周方向に取り囲むように配置されている。
ハウジング4の図示下端側(バルブシート19側)には、結合フランジ36が設けられている。この結合フランジ36は、EGR制御弁の取付部材(固定部材)に取り付けられる結合端面を有し、ボルト等の締結具を用いて固定部材の取付面に締結固定される。これにより、EGR制御弁がエンジン側(車両側)の固定部材に固定される。
ハウジング4の図示下端側(バルブシート19側)には、結合フランジ36が設けられている。この結合フランジ36は、EGR制御弁の取付部材(固定部材)に取り付けられる結合端面を有し、ボルト等の締結具を用いて固定部材の取付面に締結固定される。これにより、EGR制御弁がエンジン側(車両側)の固定部材に固定される。
ハウジング4には、モータMを収容保持するモータケース41が一体的に形成されている。このモータケース41は、モータMの円筒ヨーク42の周囲を円周方向に取り囲む円筒状の側壁部、およびこの側壁部の一端側で開口し、組み付け時にモータMをモータ収納凹部43内に挿入するための開口部(モータ挿入口)を有している。このモータ挿入口は、モータMのフロントブラケット44により塞がれている。
フロントブラケット44は、モータケース41のモータ挿入口の開口周縁部にボルト等を用いて締結固定されている。これにより、モータMがモータケース41内に収容保持される。
フロントブラケット44は、モータケース41のモータ挿入口の開口周縁部にボルト等を用いて締結固定されている。これにより、モータMがモータケース41内に収容保持される。
ハウジング4には、減速機構、変換機構およびバルブステム3を収容するギアケース45が形成されている。このギアケース45には、組み付け時にアクチュエータをアクチュエータ収納凹部46内に挿入するための開口部を有している。この開口部は、センサカバー47により塞がれている。
センサカバー47には、EGR(バルブ)開度センサ48およびモータMと外部(ECUやバッテリ)との電気的な接続を行うコネクタ49が設けられている。コネクタ49は、相手側コネクタとの嵌合方向(コネクタ接続方向)へ向けて延設された角筒状のハウジングと、センサカバー47を形成するモールド樹脂材からハウジングの内部空間内に突出して露出したターミナル(外部接続端子)とを備えている。
センサカバー47には、EGR(バルブ)開度センサ48およびモータMと外部(ECUやバッテリ)との電気的な接続を行うコネクタ49が設けられている。コネクタ49は、相手側コネクタとの嵌合方向(コネクタ接続方向)へ向けて延設された角筒状のハウジングと、センサカバー47を形成するモールド樹脂材からハウジングの内部空間内に突出して露出したターミナル(外部接続端子)とを備えている。
ハウジング4には、出力シャフト13をその回転方向に摺動可能に支持する2連ボールベアリング(軸受)51、52の外輪の外周を保持する円筒状の軸受ホルダ(以下ベアリングホルダ)53が設けられている。このベアリングホルダ53は、2連ボールベアリング51、52の各外輪の周囲を円周方向に取り囲むように配置されている。また、ベアリングホルダ53は、ギアケース45の底面よりも内部に突出した円筒状の突出部を有している。この突出部には、外部へ向けて開放された開口部が形成されている。この開口部は、キャップ53aによって気密的に閉塞されている。
ベアリングホルダ53の内部には、出力シャフト13の軸線方向に真っ直ぐに延びる軸受孔が形成されている。
突出部の内周には、圧入孔が形成されている。この圧入孔には、2連ボールベアリング51、52の各外輪が圧入嵌合によって嵌合保持される。
ここで、2連ボールベアリング51、52は、出力シャフト13の外周に圧入固定される内輪、ベアリングホルダ53の圧入孔に圧入固定される外輪、および内輪と外輪との2つの軌道輪の間に滑動自在に収容される複数の鋼球(転動体)を備えている。
なお、転動体をローラに代えても良い。
突出部の内周には、圧入孔が形成されている。この圧入孔には、2連ボールベアリング51、52の各外輪が圧入嵌合によって嵌合保持される。
ここで、2連ボールベアリング51、52は、出力シャフト13の外周に圧入固定される内輪、ベアリングホルダ53の圧入孔に圧入固定される外輪、および内輪と外輪との2つの軌道輪の間に滑動自在に収容される複数の鋼球(転動体)を備えている。
なお、転動体をローラに代えても良い。
アクチュエータは、電力の供給を受けるとバルブヘッド2を駆動する動力(トルク)を発生するモータMと、このモータMの回転を2段減速して出力シャフト13に伝達する減速機構(動力伝達機構)と、この減速機構の出力シャフト13の回転角度を検出する回転角度検出装置と、ポペットバルブ1を所定の開弁位置から全閉位置へ戻すためのスプリング9とを備えている。
出力シャフト13の回転角度は、出力ギア7および円筒カム8の回転角度と同一であり、円筒カム8の回転角度は、バルブヘッド2のリフト量またはバルブステム3のストローク量に対応している。これにより、回転角度検出装置は、バルブヘッド2のリフト量を検出するリフト量検出装置またはバルブステム3のストローク量を検出するストローク量検出装置として使用できる。
出力シャフト13の回転角度は、出力ギア7および円筒カム8の回転角度と同一であり、円筒カム8の回転角度は、バルブヘッド2のリフト量またはバルブステム3のストローク量に対応している。これにより、回転角度検出装置は、バルブヘッド2のリフト量を検出するリフト量検出装置またはバルブステム3のストローク量を検出するストローク量検出装置として使用できる。
モータMは、ハウジング4に一体的に形成された有底筒状のモータケース41のモータ収納凹部43内に収容保持されている。円筒ヨーク42のフロント側には、フロントブラケット44が接続されている。
モータMは、アウタステータの内周側にインナロータが相対回転可能に配置されるブラシ付きのDCモータであり、回転軸方向に真っ直ぐに延びるモータ軸11を有する電機子と、この電機子の周囲を円周方向(モータ周方向)に取り囲む筒状のステータと、モータ軸11に固定された整流子に押圧接触する一対のブラシとを備えている。
モータMは、アウタステータの内周側にインナロータが相対回転可能に配置されるブラシ付きのDCモータであり、回転軸方向に真っ直ぐに延びるモータ軸11を有する電機子と、この電機子の周囲を円周方向(モータ周方向)に取り囲む筒状のステータと、モータ軸11に固定された整流子に押圧接触する一対のブラシとを備えている。
ステータは、有底円筒状の円筒ヨーク42、およびこの円筒ヨーク42の内周面に固定された複数の永久磁石(界磁マグネット)を有している。
電機子は、ステータの半径方向内側に所定のギャップを介して設置されている。この電機子は、円筒ヨーク42の軸受支持部(ベアリングホルダ)およびフロントブラケット44の軸受支持部(ベアリングホルダ)に軸受(ベアリング)を介して、回転自在に支持されたモータ軸11と、このモータ軸11の回転軸方向に磁性鋼板を複数積層して形成された電機子鉄心(電機子コア)と、この電機子コアに巻装される電機子巻線(電機子コイル)と、一対のブラシに押圧接触される整流子(コンミテータ)とを有している。
電機子は、ステータの半径方向内側に所定のギャップを介して設置されている。この電機子は、円筒ヨーク42の軸受支持部(ベアリングホルダ)およびフロントブラケット44の軸受支持部(ベアリングホルダ)に軸受(ベアリング)を介して、回転自在に支持されたモータ軸11と、このモータ軸11の回転軸方向に磁性鋼板を複数積層して形成された電機子鉄心(電機子コア)と、この電機子コアに巻装される電機子巻線(電機子コイル)と、一対のブラシに押圧接触される整流子(コンミテータ)とを有している。
減速機構は、モータMのモータ軸11の回転動力(トルク)を出力シャフト13を介して円筒カム8に伝えてポペットバルブ1をその中心軸線方向に往復移動させる動力伝達機構である。
減速機構は、モータMのモータ軸11と並列配置された中間シャフト12、モータ軸11と中間シャフト12に並列配置された出力シャフト13、モータ軸11の先端外周に固定されたピニオンギア5、このピニオンギア5と噛み合って回転する中間ギア6、およびこの中間ギア6と噛み合って回転する出力ギア7等によって構成されている。
また、3つのギア5〜7は、ハウジング4に一体的に形成されたギアケース45とセンサカバー47との間に形成されるアクチュエータ収納凹部46内に回転自在に収容されている。
減速機構は、モータMのモータ軸11と並列配置された中間シャフト12、モータ軸11と中間シャフト12に並列配置された出力シャフト13、モータ軸11の先端外周に固定されたピニオンギア5、このピニオンギア5と噛み合って回転する中間ギア6、およびこの中間ギア6と噛み合って回転する出力ギア7等によって構成されている。
また、3つのギア5〜7は、ハウジング4に一体的に形成されたギアケース45とセンサカバー47との間に形成されるアクチュエータ収納凹部46内に回転自在に収容されている。
中間シャフト12は、例えばステンレス鋼等の鉄系金属(または非鉄系金属)によって円柱形状(丸棒形状)に一体的に形成されている。この中間シャフト12は、その軸線方向の一端がハウジング4のギアケース45の嵌合凹部に圧入嵌合(固定)されている。また、中間シャフト12の軸線方向の他端は、センサカバー47の嵌合凹部に嵌め込まれている。
出力シャフト13は、例えばステンレス鋼等の鉄系金属(または非鉄系金属)によって円柱形状(丸棒形状)に一体的に形成されている。この出力シャフト13は、2連ボールベアリング51、52を介して、ハウジング4のベアリングホルダ53の内部に回転自在に収容されている。また、2連ボールベアリング51、52は、円筒カム8の円筒部15の内側に配置されている。
出力シャフト13は、例えばステンレス鋼等の鉄系金属(または非鉄系金属)によって円柱形状(丸棒形状)に一体的に形成されている。この出力シャフト13は、2連ボールベアリング51、52を介して、ハウジング4のベアリングホルダ53の内部に回転自在に収容されている。また、2連ボールベアリング51、52は、円筒カム8の円筒部15の内側に配置されている。
出力シャフト13の軸線方向(回転軸方向)の基端側には、最大外径部である鍔状のフランジ54、および2面幅を有する第1嵌合部55が設けられている。なお、第1嵌合部55が四角形状の断面を有しても良い。
また、出力シャフト13の軸線方向の先端側には、断面円形の第2嵌合部56が設けられている。
出力シャフト13の第1嵌合部55の外周には、円筒カム8の被係止部14が嵌合されている。また、第1嵌合部55の外周には、フランジ54との間に、被係止部14を挟み込むための円環状の金属カラー57が設置されている。
出力シャフト13の第2嵌合部56の外周には、2連ボールベアリング51、52の各内輪が圧入嵌合によって嵌合保持されている。
2連ボールベアリング51、52は、第2嵌合部56の外周に圧入固定される内輪、ベアリングホルダ53の内周に圧入固定される外輪、および内輪と外輪との2つの軌道輪の間に滑動自在に収容される複数の鋼球を備えている。
金属カラー57は、所定の軸方向距離を有する円筒状のパイプである。
また、出力シャフト13の軸線方向の先端側には、断面円形の第2嵌合部56が設けられている。
出力シャフト13の第1嵌合部55の外周には、円筒カム8の被係止部14が嵌合されている。また、第1嵌合部55の外周には、フランジ54との間に、被係止部14を挟み込むための円環状の金属カラー57が設置されている。
出力シャフト13の第2嵌合部56の外周には、2連ボールベアリング51、52の各内輪が圧入嵌合によって嵌合保持されている。
2連ボールベアリング51、52は、第2嵌合部56の外周に圧入固定される内輪、ベアリングホルダ53の内周に圧入固定される外輪、および内輪と外輪との2つの軌道輪の間に滑動自在に収容される複数の鋼球を備えている。
金属カラー57は、所定の軸方向距離を有する円筒状のパイプである。
ピニオンギア5は、金属または合成樹脂によって一体的に形成されている。このピニオンギア5は、モータMのモータ軸11と同軸的(例えば同一軸線上)に配設されて、中間ギア6の最大外径部(大径ギア)のギア径よりも小さいギア径を有している。また、ピニオンギア5は、モータ軸11の先端外周に圧入嵌合等により固定されて、モータ軸11と一体的に回転する円筒部(モータMのフロント先端部)を有している。そして、ピニオンギア5の円筒部の外周には、複数の凸状歯(ピニオンギア歯61)が円周方向全体に形成されている。
中間ギア6は、金属または合成樹脂によって一体的に形成されている。この中間ギア6は、中間シャフト12の外周に相対回転可能に嵌め合わされている。
また、中間ギア6は、中間シャフト12の外周に回転自在に嵌め合わされて、中間シャフト12の中心軸線周りに回転する円筒部を有している。
中間ギア6の円筒部の軸線方向の一端部には、円筒部の外径よりも大きく、ピニオンギア5のピニオンギア歯61と噛み合う大径ギアが形成されている。この大径ギアは、円筒部の軸線方向の一端部に設けられた円環板状の大径部、およびこの大径部の外周の周方向全体に形成された複数の凸状歯(中間ギア歯62)を有している。
また、中間ギア6の円筒部の軸線方向の他端部には、出力ギア7と噛み合う小径ギアが形成されている。この小径ギアは、中間ギア6の円筒部、およびこの円筒部の外周の周方向全体に形成された複数の凸状歯(中間ギア歯63)を有している。
また、中間ギア6は、中間シャフト12の外周に回転自在に嵌め合わされて、中間シャフト12の中心軸線周りに回転する円筒部を有している。
中間ギア6の円筒部の軸線方向の一端部には、円筒部の外径よりも大きく、ピニオンギア5のピニオンギア歯61と噛み合う大径ギアが形成されている。この大径ギアは、円筒部の軸線方向の一端部に設けられた円環板状の大径部、およびこの大径部の外周の周方向全体に形成された複数の凸状歯(中間ギア歯62)を有している。
また、中間ギア6の円筒部の軸線方向の他端部には、出力ギア7と噛み合う小径ギアが形成されている。この小径ギアは、中間ギア6の円筒部、およびこの円筒部の外周の周方向全体に形成された複数の凸状歯(中間ギア歯63)を有している。
出力ギア7は、合成樹脂によって一体的に形成されている。この出力ギア7の内周部には、円筒状のマグネットロータ64が一体的に形成されている。また、出力ギア7は、マグネットロータ64よりも半径方向の外側に部分円筒状の最大外径部を有している。この最大外径部には、中間ギア6の中間ギア歯63と噛み合う複数の凸状歯(出力ギア歯65)が所定の角度分だけ扇状に形成されている。
マグネットロータ64の内周には、永久磁石であるセンサマグネット66が固定され、また、マグネットロータ64には、内部に2面幅(出力シャフト13の空回りを防ぐ構造、回り止め構造)を有する嵌合孔が形成された円筒カム8の被係止部14がインサート成形されている。これにより、出力ギア7は、円筒カム8を介して、出力シャフト13の第1嵌合部55に回り止めされた状態で固定されている。
マグネットロータ64の内周には、永久磁石であるセンサマグネット66が固定され、また、マグネットロータ64には、内部に2面幅(出力シャフト13の空回りを防ぐ構造、回り止め構造)を有する嵌合孔が形成された円筒カム8の被係止部14がインサート成形されている。これにより、出力ギア7は、円筒カム8を介して、出力シャフト13の第1嵌合部55に回り止めされた状態で固定されている。
ここで、アクチュエータの動力源であるモータMは、ECUによって電子制御されるモータ駆動回路を介して、自動車等の車両に搭載されたバッテリに電気的に接続されている。
ECUには、制御処理、演算処理を行うCPU、制御プログラムまたは制御ロジックや各種制御データ(マップ等)を保存する記憶装置(ROMやRAM等のメモリ)、入力回路(入力部)、出力回路(出力部)、電源回路、タイマー回路等の機能を含んで構成される周知の構造のマイクロコンピュータが設けられている。
ECUには、制御処理、演算処理を行うCPU、制御プログラムまたは制御ロジックや各種制御データ(マップ等)を保存する記憶装置(ROMやRAM等のメモリ)、入力回路(入力部)、出力回路(出力部)、電源回路、タイマー回路等の機能を含んで構成される周知の構造のマイクロコンピュータが設けられている。
ECUは、イグニッションスイッチがオン(IG・ON)されると、マイクロコンピュータのメモリに格納された制御プログラムまたは制御ロジックに基づいて、EGR制御弁のアクチュエータ(モータM)を通電制御するように構成されている。
ECUは、EGR開度センサ48、エアフロメータ、クランク角度センサ、アクセル開度センサ、スロットル開度センサ、吸気温度センサ、冷却水温度センサおよび排気ガスセンサ(空燃比センサ、酸素濃度センサ)等の各種センサからのセンサ出力信号が、A/D変換回路によってA/D変換された後に、マイクロコンピュータに入力されるように構成されている。
なお、EGR開度センサ48、エアフロメータ、クランク角度センサ、アクセル開度センサ、スロットル開度センサ、吸気温度センサ、冷却水温度センサおよび排気ガスセンサは、エンジンの運転状態(運転状況)を検出する運転状態検出手段を構成している。
ECUは、EGR開度センサ48、エアフロメータ、クランク角度センサ、アクセル開度センサ、スロットル開度センサ、吸気温度センサ、冷却水温度センサおよび排気ガスセンサ(空燃比センサ、酸素濃度センサ)等の各種センサからのセンサ出力信号が、A/D変換回路によってA/D変換された後に、マイクロコンピュータに入力されるように構成されている。
なお、EGR開度センサ48、エアフロメータ、クランク角度センサ、アクセル開度センサ、スロットル開度センサ、吸気温度センサ、冷却水温度センサおよび排気ガスセンサは、エンジンの運転状態(運転状況)を検出する運転状態検出手段を構成している。
回転角度検出装置は、出力ギア7と一体回転可能に連結された円筒状のマグネットロータ64、およびこのマグネットロータ64の回転角度を測定して減速機構の出力シャフト13の回転角度および円筒カム8の回転角度に相当するEGRバルブ開度を検出するEGR開度センサ48を備えている。マグネットロータ64の内周面には、複数のセンサマグネット66および磁性体であるロータコアが取り付けられている。
EGR開度センサ48は、センサカバー47のセンサ搭載部に設置された一対のステータコアの対向部間に挟み込まれて保持されている。このEGR開度センサ48は、センサ搭載部から出力シャフト13側へ突出するように設置されている。また、EGR開度センサ48は、半導体ホール素子の感磁面を鎖交する磁束密度に対応した電圧信号(アナログ信号)をECUへ向けて出力するホールICを主体として構成されている。なお、ホールICの代わりに、ホール素子単体、磁気抵抗素子等の非接触式の磁気検出素子を使用しても良い。
EGR開度センサ48は、センサカバー47のセンサ搭載部に設置された一対のステータコアの対向部間に挟み込まれて保持されている。このEGR開度センサ48は、センサ搭載部から出力シャフト13側へ突出するように設置されている。また、EGR開度センサ48は、半導体ホール素子の感磁面を鎖交する磁束密度に対応した電圧信号(アナログ信号)をECUへ向けて出力するホールICを主体として構成されている。なお、ホールICの代わりに、ホール素子単体、磁気抵抗素子等の非接触式の磁気検出素子を使用しても良い。
スプリング9は、バルブステム3の中間部の周囲を渦巻き状(螺旋状)に取り囲むように設置されている。このスプリング9は、バルブステム3の中間部の段差(円環状の段差67)に係止される円環状のプレート68のスプリング座部とギアケース45の底部(ベアリングホルダ25の外周側の円筒凹溝の底部)のスプリング座部との間に渦巻き状に巻装されたコイル部を有している。
スプリング9は、バルブステム3に対して、バルブヘッド2を閉弁作動方向に付勢する弾性力を発生するコンプレッション(圧縮コイル)スプリングである。
スプリング9の軸線方向の一端側には、プレート68のスプリング座部に接触する円環状の第1コイル端部が設けられている。
スプリング9の軸線方向の他端側には、ギアケース45のスプリング座部に接触する円環状の第2コイル端部が設けられている。
スプリング9は、バルブステム3に対して、バルブヘッド2を閉弁作動方向に付勢する弾性力を発生するコンプレッション(圧縮コイル)スプリングである。
スプリング9の軸線方向の一端側には、プレート68のスプリング座部に接触する円環状の第1コイル端部が設けられている。
スプリング9の軸線方向の他端側には、ギアケース45のスプリング座部に接触する円環状の第2コイル端部が設けられている。
変換機構は、アクチュエータの回転運動(減速機構の出力シャフト13の回転運動)を、バルブヘッド2のバルブステム3の直線運動に変換する運動方向変換機構である。この変換機構は、出力シャフト13の中心軸線を中心にして出力ギア7と一体回転可能に連結した円筒カム8と、この円筒カム8のカムスロット16内に移動自在に挿入されるボールベアリング31と、各ボールベアリング31の内輪と圧入嵌合して各ボールベアリング31の外輪を回転自在に支持するピボットピン32とを備えている。
円筒カム8は、例えばステンレス鋼等の鉄系金属(または非鉄系金属)によって部分有底円筒形状に一体的に形成されている。この円筒カム8は、バルブヘッド2が全閉位置の時に、円筒カム8の回転位置(角度)が全閉状態(カム全閉位置)となる。また、円筒カム8は、バルブヘッド2が全開位置の時に円筒カム8の回転位置(角度)が全開状態(カム全開位置)となる。
円筒カム8は、出力シャフト13の第1嵌合部55の外周を円周方向に取り囲む円環状の被係止部14を有している。この被係止部14には、四角孔形状の嵌合孔が貫通形成されている。これにより、円筒カム8は、出力シャフト13の第1嵌合部55に回り止めされた状態で固定されている。
円筒カム8は、出力シャフト13の第1嵌合部55の外周を円周方向に取り囲む円環状の被係止部14を有している。この被係止部14には、四角孔形状の嵌合孔が貫通形成されている。これにより、円筒カム8は、出力シャフト13の第1嵌合部55に回り止めされた状態で固定されている。
被係止部14は、金属カラー57を介して、ボールベアリング51の外輪と出力シャフト13のフランジ54との間に挟み込まれた状態で、第1嵌合部55の外周に固定されている。
円筒カム8は、2連ボールベアリング51、52およびベアリングホルダ53の周囲を部分的に取り囲むように部分円筒形状の円筒部15が設けられている。この円筒部15は、被係止部14を介して、出力ギア7および出力シャフト13と一体回転可能に連結している。また、円筒部15は、出力ギア7および出力シャフト13の回転中心軸の周囲を円周方向に部分的に取り囲む周壁部を構成している。
円筒カム8は、2連ボールベアリング51、52およびベアリングホルダ53の周囲を部分的に取り囲むように部分円筒形状の円筒部15が設けられている。この円筒部15は、被係止部14を介して、出力ギア7および出力シャフト13と一体回転可能に連結している。また、円筒部15は、出力ギア7および出力シャフト13の回転中心軸の周囲を円周方向に部分的に取り囲む周壁部を構成している。
円筒カム8の円筒部15には、出力ギア7および出力シャフト13の回転中心軸を中心とする曲率半径を持つ円筒面(円筒内面71および円筒外面72)が設けられている。この円筒部15には、出力ギア7の回転運動をポペットバルブ1の直線往復運動に変換する部分螺旋形状のカムスロット(カム溝)16が、円筒カム8の半径方向に貫通形成されている。
このカムスロット16の各カム溝壁面には、バルブヘッド2の動作パターン(円筒カム8の回転角度に対するバルブヘッド2のリフト量)に対応したカムプロフィール17、18が形成されている。このカムプロフィール17は、カムスロット16の図示上側のカム溝壁面に設けられている。また、カムプロフィール18は、カムスロット16の図示下側のカム溝壁面に設けられている。
このカムスロット16の各カム溝壁面には、バルブヘッド2の動作パターン(円筒カム8の回転角度に対するバルブヘッド2のリフト量)に対応したカムプロフィール17、18が形成されている。このカムプロフィール17は、カムスロット16の図示上側のカム溝壁面に設けられている。また、カムプロフィール18は、カムスロット16の図示下側のカム溝壁面に設けられている。
カムスロット16は、円筒カム8の回転方向の一端側(バルブヘッド2の全閉位置側に対応したカム全閉側)から他端側(バルブヘッド2の全開位置側に対応したカム全開側)まで所定の曲率で延びる部分螺旋状のガイド溝である。
ここで、円筒カム8の回転角度およびカムスロット16のカム形状(カムプロフィール17、18)は、バルブヘッド2を全閉位置から全開位置まで駆動するのに必要なバルブステム3のストローク量に対して決定される。
ここで、ポペットバルブ1のバルブステム3の中心軸線は、円筒部15の円筒内面71と円筒外面72との間で、且つ出力ギア7の回転面に対して直交する垂直方向に配置されている。
ここで、円筒カム8の回転角度およびカムスロット16のカム形状(カムプロフィール17、18)は、バルブヘッド2を全閉位置から全開位置まで駆動するのに必要なバルブステム3のストローク量に対して決定される。
ここで、ポペットバルブ1のバルブステム3の中心軸線は、円筒部15の円筒内面71と円筒外面72との間で、且つ出力ギア7の回転面に対して直交する垂直方向に配置されている。
ボールベアリング31は、ピボットピン32の外周に圧入固定される内輪、カムスロット16の各壁面に接触する外輪、および内輪と外輪との2つの軌道輪の間に滑動自在に収容される複数の鋼球を備えている。
ピボットピン32は、金属によって所定の形状に形成されており、2つの対向片26の各嵌合孔に打ち込まれてバルブステム3の入力部に圧入固定されている。
これらのボールベアリング31およびピボットピン32は、円筒カム8と共に、2つの対向片26間に形成されるスリット27内に移動可能に挿入されている。
ピボットピン32は、金属によって所定の形状に形成されており、2つの対向片26の各嵌合孔に打ち込まれてバルブステム3の入力部に圧入固定されている。
これらのボールベアリング31およびピボットピン32は、円筒カム8と共に、2つの対向片26間に形成されるスリット27内に移動可能に挿入されている。
[実施例1の作用]
次に、本実施例のEGR制御弁の作動を図1ないし図6に基づいて簡単に説明する。
本実施例のシャフトバルブを駆動するモータは、ECUによって通電制御されるように構成されている。
ECUは、IG・ONされると、先ず、エンジンの運転状況(運転状態)または運転条件を算出するのに必要は各種センサ出力信号を入力する。
ECUは、エンジンの運転状況に対応してEGR率が最適値となるように、EGR制御弁の開度を可変制御する。
具体的には、EGR開度センサ48より出力されるセンサ出力信号が、エンジンの運転状況(特にエンジン回転速度、アクセル開度(エンジン負荷)等)に対応して設定される制御目標値(目標EGR率)に相当する目標開度(目標リフト量または目標ストローク量)と一致するように、EGR制御弁のモータMへの供給電力をフィードバック制御する。
次に、本実施例のEGR制御弁の作動を図1ないし図6に基づいて簡単に説明する。
本実施例のシャフトバルブを駆動するモータは、ECUによって通電制御されるように構成されている。
ECUは、IG・ONされると、先ず、エンジンの運転状況(運転状態)または運転条件を算出するのに必要は各種センサ出力信号を入力する。
ECUは、エンジンの運転状況に対応してEGR率が最適値となるように、EGR制御弁の開度を可変制御する。
具体的には、EGR開度センサ48より出力されるセンサ出力信号が、エンジンの運転状況(特にエンジン回転速度、アクセル開度(エンジン負荷)等)に対応して設定される制御目標値(目標EGR率)に相当する目標開度(目標リフト量または目標ストローク量)と一致するように、EGR制御弁のモータMへの供給電力をフィードバック制御する。
ここで、モータMへの電力供給が成されない場合には、スプリング9の付勢力(スプリング荷重)によって、バルブステム3を摺動可能に支持するハウジング4に保持されたバルブシート19に着座して流路孔21〜23を閉鎖(全閉)するゼロリフト(全閉位置)となるようにバルブヘッド2のリフト量またはバルブステム3のストローク量が設定される。これにより、EGRガスが、エアクリーナを通過した清浄な吸気(新気)に混入しない。
次に、EGR制御弁を開弁させるような運転状況(エンジンの運転状況)になると、モータMへの電力供給が制御される。
モータMに電力が供給されると、モータ軸11が開弁作動方向に回転する。これにより、モータMのモータ軸11の回転動力(トルク)が、ピニオンギア5、中間ギア6および出力ギア7に伝達される。そして、出力ギア7からトルクが伝達された出力シャフト13が、出力ギア7の回転に伴って所定の回転角度だけ開弁作動方向に回転する。そして、出力シャフト13からトルクが伝達された円筒カム8が、出力シャフト13の回転に伴って所定の回転角度(出力ギア7の作動角度と等しいカム角度)だけ開弁作動方向に回転する。
モータMに電力が供給されると、モータ軸11が開弁作動方向に回転する。これにより、モータMのモータ軸11の回転動力(トルク)が、ピニオンギア5、中間ギア6および出力ギア7に伝達される。そして、出力ギア7からトルクが伝達された出力シャフト13が、出力ギア7の回転に伴って所定の回転角度だけ開弁作動方向に回転する。そして、出力シャフト13からトルクが伝達された円筒カム8が、出力シャフト13の回転に伴って所定の回転角度(出力ギア7の作動角度と等しいカム角度)だけ開弁作動方向に回転する。
ここで、ピボットピン32に支持されたボールベアリング31は、スプリング9によってカムスロット16のカムプロフィール17に押圧されているので、円筒カム8が回転すると、2つのボールベアリング31が円筒カム8のカムスロット16の各カム溝壁面を摺動(滑動)して、カムスロット16のカム全閉位置からカム全開位置までの範囲内で移動することにより、スプリング9の付勢力に抗して、ピボットピン32を保持するバルブステム3がその軸線方向のバルブ開側へ直線移動する。
そして、バルブステム3の直線移動に伴って、バルブステム3の出力部の外周(先端外周)に固定されたバルブヘッド2が、ハウジング4に保持されたバルブシート19より離脱して、エンジンの運転状況に対応した所定のリフト量またはストローク量分だけリフトする。これにより、EGRガス流路(流路孔21〜23)が開放される。
このように、エンジンの運転状況に対応してEGR制御弁の開度、バルブヘッド2のリフト量またはバルブステム3のストローク量をリニアに可変制御することで、エアクリーナを通過した清浄な吸気(新気)に対する、EGRガスの導入量(混入量)が調節される。
これによって、排気ガス中に含まれる有害物質(例えばNOx等)が低減される。
このように、エンジンの運転状況に対応してEGR制御弁の開度、バルブヘッド2のリフト量またはバルブステム3のストローク量をリニアに可変制御することで、エアクリーナを通過した清浄な吸気(新気)に対する、EGRガスの導入量(混入量)が調節される。
これによって、排気ガス中に含まれる有害物質(例えばNOx等)が低減される。
[実施例1の効果]
以上のように、本実施例のEGR制御弁においては、モータMのモータ軸11の回転運動をポペットバルブ1の直線往復運動に変換する出力部材(変換機構、カム機構)として、出力ギア7および出力シャフト13と一体回転可能に連結し、且つ出力ギア7の回転中心軸の周囲を囲む円筒部15を有する円筒カム8を採用することにより、ポペットバルブ1のバルブステム3のストローク方向(駆動方向)を、出力ギア7の回転面に対して直交する垂直(直角)方向に変換することができる。
以上のように、本実施例のEGR制御弁においては、モータMのモータ軸11の回転運動をポペットバルブ1の直線往復運動に変換する出力部材(変換機構、カム機構)として、出力ギア7および出力シャフト13と一体回転可能に連結し、且つ出力ギア7の回転中心軸の周囲を囲む円筒部15を有する円筒カム8を採用することにより、ポペットバルブ1のバルブステム3のストローク方向(駆動方向)を、出力ギア7の回転面に対して直交する垂直(直角)方向に変換することができる。
これによって、ポペットバルブ1のバルブステム3とモータMの回転軸とを平行に配置することが可能となるので、バルブステム3の中心軸線から、モータMを収容するモータケース41の端部(フロントブラケット44の端部)までのモータ突き出し寸法(L)を小さくすることができる。この結果、EGR制御弁全体の体格の小型化を図ることができるので、エンジンを搭載する自動車等の車両のエンジンルーム内におけるEGR制御弁の搭載スペースを容易に確保することができる。
また、モータ突き出し寸法(L)が小さくなるので、ハウジング4の取付面(例えばEGR制御弁の取付部材(固定部材)に結合する結合フランジ36の結合端面)からのモータMの飛び出し量が減る。これにより、モータMの耐振性を向上させることができる。
また、モータ突き出し寸法(L)が小さくなるので、ハウジング4の取付面(例えばEGR制御弁の取付部材(固定部材)に結合する結合フランジ36の結合端面)からのモータMの飛び出し量が減る。これにより、モータMの耐振性を向上させることができる。
また、2連ボールベアリング51、52は、円筒カム8の円筒部15の内側、つまり円筒部15で周囲を囲まれた内部空間内に配置されているので、2連ボールベアリング51、52を円筒カム8の円筒部15の外側に配置したものと比べて、EGR制御弁全体の体格の小型化を図ることができる。これにより、エンジンを搭載する自動車等の車両のエンジンルーム内におけるEGR制御弁の搭載スペースを容易に確保することができる。
また、モータ突き出し寸法(L)が小さくなるので、バルブステム3の中心からのモータMの飛び出し量が減る。これにより、モータMの対振性を向上させることができる。
また、モータ突き出し寸法(L)が小さくなるので、バルブステム3の中心からのモータMの飛び出し量が減る。これにより、モータMの対振性を向上させることができる。
また、ポペットバルブ1のバルブステム3は、円筒カム8の円筒部15の円筒内面71および円筒外面72にて回転規制されているので、ポペットバルブ1のバルブヘッド2の動きは、中心軸線方向のストローク(リフト)運動のみとなる。これにより、ポペットバルブ1のバルブヘッド2とハウジング4のバルブシート19との回転摺動がなくなるため、バルブヘッド2とバルブシート19との摩耗を低減することができる。
また、仮にバルブヘッド2の表面やバルブシート19の表面に微粒子状物質が付着してデポジットを形成したり、バルブヘッド2とバルブシート19との間に跨がってデポジットが形成されたりしていた場合であっても、バルブヘッド2の耐デポジット固着解除性能を容易に向上(または得ることが)できるので、バルブシート19に対してバルブヘッド2が閉弁固着(スティック)される可能性が少なくなる。
また、仮にバルブヘッド2の表面やバルブシート19の表面に微粒子状物質が付着してデポジットを形成したり、バルブヘッド2とバルブシート19との間に跨がってデポジットが形成されたりしていた場合であっても、バルブヘッド2の耐デポジット固着解除性能を容易に向上(または得ることが)できるので、バルブシート19に対してバルブヘッド2が閉弁固着(スティック)される可能性が少なくなる。
また、出力シャフト13の外周は、ボールベアリング51の内輪に圧入で支持され、ボールベアリング51の外輪は、ハウジング4に圧入固定されている。また、円筒カム8の被係止部14は、金属カラー57を介してボールベアリング51の内輪と出力シャフト13のフランジ54との間に挟み込まれて固定される。
これによって、モータMから伝達される回転動力(トルク)と、(例えばスプリングの付勢力により発生し、)バルブステム3から伝達されるスラスト力とをボールベアリング51で受けることができるので、出力シャフト13の摺動トルクを低減することができる。
これによって、モータMから伝達される回転動力(トルク)と、(例えばスプリングの付勢力により発生し、)バルブステム3から伝達されるスラスト力とをボールベアリング51で受けることができるので、出力シャフト13の摺動トルクを低減することができる。
また、EGR制御弁には、ポペットバルブ1のバルブステム3に対して、ポペットバルブ1のバルブヘッド2を閉じる側(円筒カム8のカムスロット16のカムプロフィール17にボールベアリング31およびピボットピン32を押し付ける側)に付勢する(バネ)荷重(弾性力、スプリング力)を発生するスプリング9が設置されている。すなわち、スプリング9の付勢力によって、ポペットバルブ1のバルブヘッド2を常時閉じる側(円筒カム8のカムスロット16のカムプロフィール17にボールベアリング31およびピボットピン32を押し付ける側)に押し付けているので、ボールベアリング31と円筒カム8のカムスロット16との間のガタ付きがなくなる。これにより、モータMへの通電を停止する時に、ポペットバルブ1のバルブヘッド2およびバルブステム3を全閉位置まで戻すことができる。
[変形例]
本実施例では、本発明の排気ガス制御弁を、内燃機関の排気循環装置に組み込まれるEGR制御弁に適用しているが、本発明の排気ガス制御弁を、内燃機関の排気装置に組み込まれる排気ガス制御弁に適用しても良い。
なお、排気制御弁としては、ウェイストゲート弁、スクロール切替弁、排気流量制御弁、排気圧力制御弁、排気切替弁、排気絞り弁等が考えられる。
本実施例では、本発明の排気ガス制御弁を、内燃機関の排気循環装置に組み込まれるEGR制御弁に適用しているが、本発明の排気ガス制御弁を、内燃機関の排気装置に組み込まれる排気ガス制御弁に適用しても良い。
なお、排気制御弁としては、ウェイストゲート弁、スクロール切替弁、排気流量制御弁、排気圧力制御弁、排気切替弁、排気絞り弁等が考えられる。
また、排気ガス制御弁の弁体として、ポペットバルブ1を採用しているが、バルブとシャフトとの間にリンク機構を介することにより、バタフライバルブ、フラップバルブ、プレートバルブ、ロータリバルブ等の回転型バルブを採用しても良い。また、ダブルポペットバルブを採用しても良い。
また、シャフトとしてバルブステム3の代わりに、軸線方向に延びる作動ロッドを用いても良い。
また、シャフトとしてバルブステム3の代わりに、軸線方向に延びる作動ロッドを用いても良い。
また、ボールベアリング31の代わりに、ピボットピン(支軸)32の外周に回転自在に支持されるフォロワローラを使用しても良い。この場合でも、バルブステム3の入力部(支軸、フォロワローラ)が、円筒カム8のカムスロット16のカムプロフィール17、18に沿って移動(摺動、滑動)可能に案内される。
また、内燃機関(エンジン)として、多気筒ディーゼルエンジンの代わりに、多気筒ガソリンエンジンを用いても良い。また、単気筒エンジンに適用しても良い。
また、内燃機関(エンジン)として、多気筒ディーゼルエンジンの代わりに、多気筒ガソリンエンジンを用いても良い。また、単気筒エンジンに適用しても良い。
M モータ(アクチュエータの動力源)
1 ポペットバルブ
2 バルブヘッド(弁体)
3 バルブステム(弁軸)
7 出力ギア(出力部材)
8 円筒カム(出力部材)
14 円筒カムの被係止部(入力部、円環部)
15 円筒カムの円筒部(出力部)
16 カムスロット(カム溝)
19 バルブシート
1 ポペットバルブ
2 バルブヘッド(弁体)
3 バルブステム(弁軸)
7 出力ギア(出力部材)
8 円筒カム(出力部材)
14 円筒カムの被係止部(入力部、円環部)
15 円筒カムの円筒部(出力部)
16 カムスロット(カム溝)
19 バルブシート
Claims (11)
- (a)内燃機関の排気ガスが流れる流路(21〜23)、およびこの流路(21〜23)の周囲に設けられる環状のシート(19)を有するハウジング(4)と、
(b)前記シート(19)に対して着座、離脱して前記流路(21〜23)を閉鎖、開放する弁体(2)、およびこの弁体(2)の中心軸線方向に延びる弁軸(3)を有するバルブ(1)と、
(c)電力の供給を受けて前記バルブ(1)を駆動する動力を発生するモータ(M)、およびこのモータ(M)の動力を前記弁軸(3)を介して前記弁体(2)に伝える出力部材(7、8、13)を有するアクチュエータと
を備え、
前記出力部材は、前記モータ(M)の動力を受けて回転する出力ギア(7)、およびこの出力ギア(7)と一体回転可能に連結し、前記出力ギア(7)の回転中心軸の周囲を囲む円筒カム(8)を有し、
前記円筒カム(8)は、前記出力ギア(7)の回転中心軸を中心とする曲率半径の円筒内外面(71、72)、および前記出力ギア(7)の回転運動を前記バルブ(1)の直線(往復)運動に変換する溝形状のカムスロット(16)を有し、
前記弁軸(3)の中心軸線は、前記円筒内面(71)と前記円筒外面(72)との間で、且つ前記出力ギア(7)の回転面に対して直交する垂直方向に配置されていることを特徴とする排気ガス制御弁。 - 請求項1に記載の排気ガス制御弁において、
前記出力部材は、前記出力ギア(7)および前記円筒カム(8)と一体回転可能に連結し、前記出力ギア(7)の回転中心軸上に配置される出力シャフト(13)を有し、
前記ハウジング(4)は、前記出力シャフト(13)をその回転方向に摺動可能に支持する軸受(51、52)、およびこの軸受(51、52)の外周を保持する筒状の軸受ホルダ(53)を有していることを特徴とする排気ガス制御弁。 - 請求項2に記載の排気ガス制御弁において、
前記軸受(51、52)は、前記出力シャフト(13)の外周に圧入固定される内輪、前記軸受ホルダ(53)の内周に圧入固定される外輪、および前記内輪と前記外輪との間を転動する複数の転動体を有していることを特徴とする排気ガス制御弁。 - 請求項3に記載の排気ガス制御弁において、
前記出力部材は、前記出力シャフト(13)の外周に嵌合する環状のカラー(57)、および前記出力シャフト(13)と一体回転可能に設けられる鍔状の係止部(55)を有し、
前記円筒カム(8)は、前記カラー(57)と前記係止部(55)との間に挟み込まれる被係止部(14)を有していることを特徴とする排気ガス制御弁。 - 請求項4に記載の排気ガス制御弁において、
前記被係止部(14)は、前記カラー(57)を介して前記軸受(51)の内輪と前記係止部(55)との間に挟み込まれていることを特徴とする排気ガス制御弁。 - 請求項2ないし請求項5のうちのいずれか1つに記載の排気ガス制御弁において、
前記軸受(51、52)は、前記円筒カム(8)の内側に配置されていることを特徴とする排気ガス制御弁。 - 請求項1ないし請求項6のうちのいずれか1つに記載の排気ガス制御弁において、
前記弁軸(3)は、前記円筒カム(8)が挿入可能なスリット(27)を有していることを特徴とする排気ガス制御弁。 - 請求項7に記載の排気ガス制御弁において、
前記弁軸(3)は、前記カムスロット(16)のカムプロフィール(17、18)に沿って案内される筒状のフォロア(31)、および前記カムスロット(16)内に移動可能に挿入されて、前記フォロア(31)を介して前記円筒カム(8)から動力を受ける支軸(32)を有していることを特徴とする排気ガス制御弁。 - 請求項8に記載の排気ガス制御弁において、
前記弁軸(3)は、前記スリット(27)を隔てて対向する一対の対向部(26)を有し、
前記支軸(32)は、前記一対の対向部(26)に跨がって保持されて、前記フォロア(31)を回転自在に支持していることを特徴とする排気ガス制御弁。 - 請求項8または請求項9に記載の排気ガス制御弁において、
前記バルブ(1)は、前記支軸(32)が前記カムスロット(16)の形成方向の一端側に位置している時に全閉位置に配置され、前記支軸(32)が前記カムスロット(16)の形成方向の他端側に位置している時に全開位置に配置され、
前記円筒カム(8)は、前記バルブ(1)が全閉位置の時に前記円筒カム(8)の回転位置が全閉状態となり、前記バルブ(1)が全開位置の時に前記円筒カム(8)の回転位置が全開状態となることを特徴とする排気ガス制御弁。 - 請求項1ないし請求項10のうちのいずれか1つに記載の排気ガス制御弁において、
前記弁軸(3)に対して、前記バルブ(1)を閉じる側に付勢する荷重を発生するスプリング(9)を備えたことを特徴とする排気ガス制御弁。
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