JP2014092113A - 弁装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の吸排気系統に使用される弁装置において、デポジットの流路壁９における堆積を抑制する。
【解決手段】弁装置は、流路壁９との間に隙間２９を形成するとともに、排気ガスの流れを一時的に流路壁９の側の流れと流路軸３０の側の流れとに分ける分流体４を備える。また、分流体４は、シールリング１０の流路壁９における接触部位よりもＥＧＲ流路２の上流側でシールリング１０の回転範囲と交差しないようにＥＧＲ流路２内に配置される。これにより、分流体４の流路壁９の側（外周側）の隙間２９には排気ガスが絞られて流入するので、流路壁９の近傍の流速は、分流体４が存在しない場合の流速よりも大きくなる。このため、デポジットの流路壁９における堆積を抑制することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の吸排気系統における排気ガスや吸入空気の流路を開閉する弁装置に関する。

従来から、内燃機関の吸排気系統に使用される弁装置には、回転駆動されて排気ガスや吸入空気の流路の開度を増減するバタフライ状の弁体を備えるものが公知である。そして、この弁装置によれば、流路を通過する流体の流量がゼロに略一致するときに、弁体の周縁は流路壁に環状に着座して流路を全閉に保つ（例えば、特許文献１、２参照。）。

ところで、排気ガスや吸入空気には極微量の炭化物等が含まれており、このような炭化物等が長期の使用によりデポジットとして流路壁に堆積する虞がある。そして、デポジットが流路壁に堆積すると、デポジットにより弁体の周縁が流路壁に固着してしまい、弁体の開弁動作が阻害される虞がある。

特開２００４−１６２６６５号公報 特表２００２−５２１６１０号公報

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、内燃機関の吸排気系統に使用される弁装置において、デポジットの流路壁における堆積を抑制することにある。

本願の第１発明の弁装置は、内燃機関の吸排気系統における排気ガスや吸入空気の流路を開閉するものであり、以下の流量調整弁と分流体とを備える。
すなわち、流量調整弁は、回転駆動されて流路の開度を増減するバタフライ状の弁体であり、周縁を流路壁に接触させて流路壁との間を閉鎖することで、流路を通過する流体の流量をゼロに略一致させる。また、分流体は、流量調整弁の流路壁における接触部位よりも流路の上流側で流量調整弁の周縁の回転範囲と交差しないように流路内に配置される静止物であり、流路壁との間に隙間を形成し、流体の流れを一時的に流路壁側の流れと、流路の流路軸側の流れとに分ける。

これにより、分流体の流路壁側（外周側）の隙間には流体が絞られて流入するので、流路壁近傍の流速は、分流体が存在しない場合の流速よりも大きくなる。このため、内燃機関の吸排気系統に使用される弁装置において、デポジットの流路壁における堆積を抑制することができる。

本願の第１発明に従属する第２発明によれば、流量調整弁は円板状である。そして、分流体の径方向に関する厚さｄは、流量調整弁の直径Ｄに０．２を乗じて得た数値以下である。
これにより、分流体を流路内に配置することによる流体の圧力損失を抑制することができる。

本願の第１発明および第２発明に従属する第３発明によれば、弁装置は、分流体および流路壁に接続して分流体を流路内に保持する保持部を備える。そして、流路壁において保持部が接続する位置は、流量調整弁の回転中心軸と流路壁とが交差する位置と、流路の周方向に関して略一致する。
これにより、流路壁の周方向に関してデポジットが最も堆積しにくい部位に保持部を接続することができる。このため、保持部を流路壁に接続することによるデポジットの堆積抑制効果の低下を最小限に抑えることができる。

弁装置の全体構成を示す断面図である（実施例１）。 ノズルの上流側から流量調整弁を視たときの内部構成図である（実施例１）。 弁装置の要部を示す断面図である（実施例１）。 分流体による流速の増加を示す説明図である（実施例１）。 分流体による圧力損失とｄ／Ｄとの相関を示す説明図である（実施例１）。 弁装置の要部を示す断面図である（実施例２）。 弁装置の要部を示す断面図である（実施例３）。 弁装置の要部を示す断面図である（実施例４）。

実施形態の弁装置を実施例に基づき説明する。

〔実施例１の構成〕
実施例１の弁装置１の構成を、図１〜図３を用いて説明する。
弁装置１は、内燃機関（図示せず。）の吸排気系統を構成する流路を開閉するものであり、例えば、排気ガスを吸気側に還流するＥＧＲ装置に利用され、排気ガスの環流路（以下、ＥＧＲ流路と呼ぶ。）２を開閉するために利用される。そして、弁装置１は、以下の流量調整弁３、分流体４および保持部５を備える。

流量調整弁３は、円板状のバタフライ弁であって回転駆動されてＥＧＲ流路２の開度を増減する。ここで、流量調整弁３は、円板状に設けられて回転軸７にネジ締結される弁体８と、弁体８の周縁に装着されてＥＧＲ流路２の閉鎖時に弁体８の周縁とＥＧＲ流路２の流路壁９との間を封鎖するシールリング１０とを有する。

シールリング１０は、例えば、Ｃ字状の円環として設けられて合口（図示せず。）を形成するものであり、弁体８の周縁に設けられた嵌合溝１１（図３参照。）に嵌まって弁体８とともに回転し、流量調整弁３の周縁をなす。そして、シールリング１０は、ＥＧＲ流路２を閉鎖するときに（つまり、ＥＧＲ流路２を通過する排気ガスの流量をゼロに略一致させるときに）、流路壁９に環状に摺接して弁体８の周縁と流路壁９との間を封鎖する。このとき、シールリング１０は、合口を狭めるように弾性変形した状態で流路壁９に摺接する。

また、流量調整弁３は、弁装置１のハウジング１２に圧入された円筒状のノズル１３に回転自在に収容されている。
ノズル１３は円筒状に設けられており、ノズル１３の内周面はシールリング１０の摺接を受ける流路壁９をなす。また、弁体８、シールリング１０およびノズル１３は耐熱性、耐腐食性等の点から、例えば、ステンレス鋼を素材として設けられ、ハウジング１２は軽量化等の点から、例えば、アルミニウム合金を素材として設けられている。

そして、流量調整弁３は、回転軸７にネジ締結されて回転軸７と一体化している。
ここで、回転軸７は、ハウジング１２の軸受孔に収容されたボール軸受１４により回転自在に支持されている。また、回転軸７には、電動機１５および減速機１６を有するアクチュエータ１７からトルクが伝達される。

電動機１５は、例えば、内燃機関の動作を制御する電子制御ユニット（ＥＣＵ：図示せず。）からの指令に応じて動作するものであり、ＥＣＵからの指令に応じて、流量調整弁３や回転軸７を開側に回転させるトルクを発生する。
減速機１６は、電動機１５の出力軸に装着されたモータギヤ１９と、回転軸７に装着されて流量調整弁３等とともに回転するバルブギヤ２０と、モータギヤ１９と噛み合う大径歯車２１およびバルブギヤ２０と噛み合う小径歯車２２を同軸的に有する中間ギヤ２３とからなり、電動機１５が発生するトルクを増幅して回転軸７に伝達する。

なお、ハウジング１２とバルブギヤ２０との間には、流量調整弁３を閉側に付勢する付勢手段としての捩りバネ２４がセットされている。
また、バルブギヤ２０には永久磁石２５が装着されており、永久磁石２５は、ホールＩＣ２６とともに、流量調整弁３および回転軸７の回転角を検出する回転角センサ２７を形成する。そして、回転角センサ２７の出力信号は、ＥＣＵに出力されて流量調整弁３等の動作を制御するために利用される。

分流体４は、ＥＧＲ流路２内に配置される静止物であり、シールリング１０の流路壁９における摺接部位よりもＥＧＲ流路２の上流側で流量調整弁３の回転範囲と交差しないようにＥＧＲ流路２内に配置される（図３参照。）。そして、分流体４は、流路壁９との間に隙間２９を形成し、排気ガスの流れを一時的に流路壁９の側と、ＥＧＲ流路２の流路軸３０の側の流れとに分ける。

また、分流体４は、円環状に設けられてノズル１３と同軸に配置されている。さらに、分流体４の断面は直角三角形であり、分流体４の内周面３１は円筒面であって内周径は一定であり、分流体４の外周面３２は円錐面であって外周径は下流側ほど大きい。
ここで、シールリング１０を含む流量調整弁３の直径をＤ、分流体４の径方向に関する厚さをｄとすると、ｄはＤに０．２を乗じて得た数値以下である（つまり、ｄ≦０．２×Ｄである。）。また、外周面３２と流路軸３０とがなす角度θは、例えば、４５°に設定されている。

保持部５は、分流体４および流路壁９に接続して分流体４を流路内に保持するものであり（図２参照。）、２箇所に分かれて分流体４を保持する。そして、ノズル１３の上流側からＥＧＲ流路２を視たときに、流路壁９において保持部５が接続する位置は、流量調整弁３の回転中心軸３４と流路壁９とが交差する位置と重なって視える。つまり、流路壁９において保持部５が接続する位置は、流量調整弁３の回転中心軸３４と流路壁９とが交差する位置と、ＥＧＲ流路２の周方向に関して略一致する。なお、保持部５と分流体４との接続や、保持部５と流路壁９との接続は、溶接、接着等種々の方法を採用することができる。また、分流体４と保持部５とを一体物として設けてもよい。

〔実施例１の作用効果〕
実施例１の弁装置１は、流路壁９との間に隙間２９を形成するとともに、排気ガスの流れを一時的に流路壁９の側の流れと流路軸３０の側の流れとに分ける分流体４を備える。また、分流体４は、シールリング１０の流路壁９における接触部位よりもＥＧＲ流路２の上流側でシールリング１０の回転範囲と交差しないようにＥＧＲ流路２内に配置される。
これにより、分流体４の流路壁９の側（外周側）の隙間２９には排気ガスが絞られて流入するので、流路壁９の近傍の流速は、分流体４が存在しない場合の流速よりも大きくなる。このため、デポジットの流路壁９における堆積を抑制することができる。

ここで、円管内をＰＭ等の汚れ成分を含む排気ガスが流れるとき、円管の内壁における汚れ成分の堆積厚さδは、以下の数式１〜３に示す「Ｋｅｒｎの円管汚れ堆積式」と呼ばれる理論式により近似できる。
〔数式１〕

〔数式２〕

〔数式３〕

数式１〜３において、ｋ_１、ｋ_２は排気ガスの汚れに応じて定まる係数であり、Ｓは円管内流路の断面積である。また、Ｄは円管内流路の内径であって流量調整弁３の直径に略一致するものである。さらに、ｖは排気ガスの流速であり、ｇは重力加速度であり、ρは排気ガスの密度であり、μは排気ガスの粘性係数である。

よって、円管内に排気ガスを無限大の時間流し続けたときの飽和堆積厚さδ_∞は、以下の数式４、５により近似することができる。
〔数式４〕

〔数式５〕

したがって、飽和堆積厚さδ_∞は、流速ｖに反比例する。
以上により、分流体４をＥＧＲ流路２内に配置して分流体４の外周側で排気ガスの流れを絞って流速ｖを高めることで、飽和堆積厚さδ_∞を下げてデポジットの流路壁９における堆積を抑制することができる。例えば、図４に示すように、分流体４をＥＧＲ流路２内に配置することで、分流体４をＥＧＲ流路２内に配置しない場合に比べて流速ｖを２．５倍に高めることができ、流速ｖの増加に反比例して飽和堆積厚さδ_∞を下げてデポジットの堆積を抑制することができる。

また、分流体４の径方向に関する厚さｄは、流量調整弁３の直径Ｄに０．２を乗じて得た数値以下である。
ここで、図５に示すように、厚さｄと直径Ｄとの比ｄ／Ｄが０．２を超えるとＥＧＲ流路２における圧力損失が急増する。そこで、比ｄ／Ｄを０．２以下に設定することで、分流体４を配置することによるＥＧＲ流路２における排気ガスの圧力損失を抑制することができる。

さらに、弁装置１は、分流体４および流路壁９に接続して分流体４をＥＧＲ流路２内に保持する保持部５を備える。そして、流路壁９において保持部５が接続する位置は、流量調整弁３の回転中心軸３４と流路壁９とが交差する位置と、ＥＧＲ流路２の周方向に関して略一致する。
これにより、流路壁９の周方向に関してデポジットが最も堆積しにくい部位に保持部５を接続することができる。このため、保持部５を流路壁９に接続することによるデポジットの堆積抑制効果の低下を最小限に抑えることができる。

〔実施例２〕
実施例２の弁装置１によれば、分流体４は、図６に示すように、半円状の２つのパーツ４ａ、４ｂに分割されており、一方のパーツ４ａは、ＥＧＲ流路２の流れ方向に関して実施例１と同じ位置に配置され、他方のパーツ４ｂは、実施例１よりも下流側に配置されている。ここで、他方のパーツ４ｂは、実施例１よりも下流側に移動することで、シールリング１０の回転半径の内側に入り込む。

〔実施例３〕
実施例３の弁装置１によれば、分流体４は、図７に示すように、断面が円であって内周面３１、外周面３２は、それぞれ、内周側、外周側に半円凸状に膨らむ環状面である。

〔実施例４〕
実施例４の弁装置１によれば、分流体４は、図８に示すように、内周面３１、外周面３２が両方ともシールリング１０の回転半径よりも大きい半径である球面の一部を環状に切り取ったものである。そして、分流体４は、回転中心軸３４の上流側で、内周面３１、外周面３２の球中心が回転中心軸３４上に存在するように配置されている。

〔変形例〕
弁装置１の態様は、実施例に限定されず種々の変形例を考えることができる。
例えば、実施例１の弁装置１によれば、角度θは４５°に設定されていたが、角度θを ０°〜４５°の範囲に設定してもよい。
また、実施例２の弁装置１によれば、分流体４は、２つのパーツ４ａ、４ｂに分割されていたが、分流体４を３つ以上のパーツに分割してもよい。
さらに、実施例１〜４の弁装置１は、排気ガスを吸気側に還流するＥＧＲ装置に利用されていたが、吸入空気の流量を調節するためのスロットル装置に利用してもよい。

１ 弁装置 ２ ＥＧＲ流路（流路） ３ 流量調整弁 ４ 分流体 ９ 流路壁 ２９ 隙間 ３０ 流路軸

Claims (3)

1. 内燃機関の吸排気系統における排気ガスや吸入空気の流路（２）を開閉する弁装置（１）であって、
   回転駆動されて流路（２）の開度を増減するバタフライ状の弁体であり、周縁を流路壁（９）に接触させて流路壁（９）との間を閉鎖することで、前記流路（２）を通過する流体の流量をゼロに略一致させる流量調整弁（３）と、
   この流量調整弁（３）の前記流路壁（９）における接触部位よりも前記流路（２）の上流側で前記流量調整弁（３）の周縁の回転範囲と交差しないように前記流路（２）内に配置される静止物であり、前記流路壁（９）との間に隙間（２９）を形成し、前記流体の流れを一時的に前記流路壁（９）側の流れと、前記流路の流路軸（３０）側の流れとに分ける分流体（４）とを備えることを特徴とする弁装置（１）。
2. 請求項１に記載の弁装置（１）において、
   前記流量調整弁（３）は円板状であり、
   前記分流体（４）の径方向に関する厚さｄは、前記流量調整弁（３）の直径Ｄに０．２を乗じて得た数値以下であることを特徴とする弁装置（１）。
3. 請求項１または請求項２に記載の弁装置（１）において、
   前記分流体（４）および前記流路壁（９）に接続して前記分流体（４）を前記流路（２）内に保持する保持部（５）を備え、
   前記流路壁（９）において前記保持部（５）が接続する位置は、前記流量調整弁（３）の回転中心軸（３４）と前記流路壁（９）とが交差する位置と、前記流路の周方向に関して略一致することを特徴とする弁装置（１）。

Images