JP2014169668A - 流体制御弁 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 EGR制御弁は、ハウジング4の絞り壁65の内周との間にクリアランス部62を形成する出力シャフト5の第1突出軸部41または径大軸部43に、出力シャフト5の周囲のA点とB点の圧力差を平準化するための少なくとも1つ以上の径方向孔71を設けている。これによって、ハウジング4の絞り壁65の内周と出力シャフト5の第1突出軸部41の外周との間に形成されるクリアランス部62におけるシャフト周方向の圧力差がなくなる。この理由により、高価なPTFEシールを廃止しても、ハウジング4の流路孔22、23から軸受孔61内に凝縮水が浸入しない。
【選択図】 図4
Description
従来より、内燃機関(エンジン)から排出される排気ガスを制御する流体制御弁の一例として、排気管から排気還流管を経て吸気管へ還流するEGRガスの流量を制御するEGR制御弁が公知である。
また、ボールベアリング107よりもメタルブッシュ106の方が、シャフト104に対するラジアル隙間(摺動クリアランス)が大きいため、従来設計では、ボールベアリング107に対してメタルブッシュ106を所定の軸方向距離を隔てて離間配置することにより、シャフト104の軸振れが抑制されるように構成されている。
軸受孔110内に異物が侵入すると、シャフト104の摺動面とメタルブッシュ106の摺動孔の壁面との間に形成される摺動クリアランスに異物が噛み込む可能性がある。仮に摺動クリアランスに異物が噛み込んでしまうと、メタルブッシュ106に対するシャフト104の摺動抵抗が大きくなる。これにより、シャフト104の回転運動が妨げられてバルブ103やシャフト104の動作不能または動作不良が発生する可能性がある。
そこで、特許文献1に記載のEGR制御弁では、メタルブッシュ106よりも流路孔側にオイルシール108を設置することにより、上記の不具合を解消している。
ところで、排気管からEGR制御弁の流路孔102を経由して吸気管へ還流するEGRガス中には、多量の水分(水蒸気)が含まれている。このため、EGR制御弁の上流側または下流側にEGRガスを冷却するEGRクーラが設けられている場合、EGRクーラによってEGRガスが冷やされ、EGRガス中の水分が凝縮して凝縮水が発生する。また、EGRガスは、エンジンに吸入される外気、つまり吸気と混合される際に、吸気との温度差により凝縮水が発生する。
このとき、EGR制御弁のハウジング101内に流入した凝縮水は、EGR制御弁のバルブ103付近で滞留する。そして、バルブ103付近で滞留していた凝縮水は、シャフト104を伝って軸受孔110内に浸入する可能性がある。
このような構造の場合、シャフト104の周方向における圧力差発生部位において大きな圧力差が生じると、圧力が高い方から圧力が低い方へ凝縮水が流れたり、圧力が低い負圧側に凝縮水が吸い込まれたりするため、軸受孔110内に凝縮水が吸い込まれて、メタルブッシュ106等の軸受側へ浸入する可能性がある。
このとき、仮にメタルブッシュ106よりも流路側に設置されているオイルシール108のシール性能が何らかの原因で低下していると、軸受孔110内に吸い込まれた凝縮水が、シャフト104の摺動面とオイルシール108のシールリップとの間を通り抜けてメタルブッシュ106に到達し、メタルブッシュ106を錆び付かせる可能性がある。このようにメタルブッシュ106に錆が発生すると、軸受としての性能が低下するため、シャフト104の動作不能または動作不良が発生する可能性がある。
しかし、PTFEシールは、非常にコストが高く、しかも軸受孔に対してPTFEシールを組み付ける際にPTFEシール単体では軸受孔に組み付けることができず、金属製のホルダーやアタッチメント等の取付金具が複数必要となるので、軸受孔に対する組付工数や部品点数が多くなるという問題がある。
したがって、EGR制御弁の製造コストが高くなるという問題がある。
なお、シャフトの周方向に圧力勾配分布が発生する筒状のクリアランス部を有する場合には、そのクリアランス部に対応して浸水防止手段を設けることが望ましい。この場合、浸水防止手段をクリアランス部を形成するハウジングの内周またはシャフトの外周に設けたり、また、浸水防止手段をクリアランス部よりも流路側のハウジングの壁面またはシャフトの外周に設けたりしても構わない。
また、シャフトを回転方向に摺動可能に支持(軸支)するボールベアリングやメタルブッシュ等の軸受、およびシャフトの外周に接触してハウジングの内周とシャフトの外周との間を密閉(封止)するオイルシール等の接触(液密、気密)シールよりも軸受孔の開口側または流路側において、軸受およびオイルシールとの間に所定の軸方向距離を隔てて浸水防止手段を設ける(離間配置する)ことが望ましい。
図1ないし図6は、本発明の流体制御弁を適用したEGR制御弁(実施例1)を示したものである。
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。
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、出力シャフト5を回転駆動してバルブ1を開閉動作させるアクチュエータとして、モータM、減速機構およびリターンスプリング6を備えた電動アクチュエータが採用されている。
減速機構は、バルブ1と一体回転可能に連結した出力シャフト(出力ギヤ軸、弁軸)5と、モータMのモータ軸(モータシャフト:以下入力シャフト)11に対して並列配置された中間ギヤ軸(中間軸:以下中間シャフト)12と、入力シャフト11の回転を2段減速して出力シャフト5に伝達する3つの第1〜第3減速ギヤとを備えている。
3つの第1〜第3減速ギヤは、ハウジング4のギヤケース9と、ハウジング4とは別体で構成された合成樹脂製のセンサカバー16との間に形成されるギヤ収納空間17内に回転自在に収容されている。なお、センサカバー16には、EGR開度センサ18およびモータMと外部回路(ECU、バッテリ等)との電気的な接続を行う外部接続用コネクタ19が設けられている。
また、EGR制御弁は、ハウジング4に対して、出力シャフト5を回転自在に支持する支持機構(出力シャフト5の軸受機構)を備えている。この軸受機構は、オイルシール24および2連ボールベアリング25、26等によって構成されている。
バルブ1は、ハウジング4の内部において、バルブ1の中央部を通り、出力シャフト5の軸線方向(回転軸方向)に対して所定の傾斜角度分だけ傾斜して、出力シャフト5の回転軸方向の先端側に溶接等により固定され、バルブ1の中央部の軸心を中心にして放射状に延びるプレート(円板)状のバタフライバルブにより構成されている。
シールリング3は、耐熱性の金属によりC字形状に形成されている。このシールリング3は、その外周側端部が、バルブ1の外周端面より半径方向の外側に突出した状態で、内周側端部が、シールリング溝2内を半径方向、軸線方向および円周方向に移動できるようにシールリング溝2の内部に嵌め込まれて保持されている。
リターンスプリング6のコイル部の巻回方向の一端側は、ギヤケース9の固定フック(図示せず)に係止または保持されている。また、リターンスプリング6のコイル部の巻回方向の他端側は、出力ギヤ15の可動フック(図示せず)に係止または保持されている。
ECUには、制御処理や演算処理を行うCPU、制御プログラムや各種制御データ(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、EGR開度センサ18、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。
EGR開度センサ18は、センサカバー16のセンサ搭載部に設置されている。このEGR開度センサ18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アナログ電圧信号を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。
3つの減速ギヤは、ギヤケース9のギヤ収納凹部とセンサカバー16のギヤ収納凹部との間に形成される内部空間(ギヤ収納空間17)内に回転自在に収容されている。
第1、第2突出軸部41、42間には、ハウジング4の軸受孔(後述する)内に配置される軸方向部(径大軸部43、周溝部44、径大軸部45)が設けられている。
なお、本実施例の出力シャフト5の詳細は、後述する。
ピニオンギヤ13は、モータMの入力シャフト11の先端外周に圧入嵌合等により固定されている。
ハウジング4には、排気通路から吸気通路へEGRガスを還流させるEGRガス流路(流路孔21〜23)が形成されている。このハウジング4のバルブボディ8には、例えば耐熱金属製のノズル7を圧入嵌合する圧入孔55が形成されている。このノズル7には、流路孔21と流路孔23とを連通する連通路(流路孔)22が形成されている。
ベアリングホルダ56には、オイルシール24の圧入固定位置を規制する第1規制部としての機能を有する円環状の第1段差、および2連ボールベアリング25、26の圧入固定位置を規制する第2規制部としての機能を有する円環状の第2段差が設けられている。 ベアリングホルダ56の内部には、バルブ1および出力シャフト5の回転軸方向(軸線方向)に真っ直ぐに延びる軸受孔61が形成されている。
軸受孔61は、ハウジング4の内周と出力シャフト5の外周との間のクリアランスのうちで最も小さい(狭い)最小クリアランス部(以下クリアランス部)62、オイルシール24を収容するシール収容孔63、および2連ボールベアリング25、26を収容する軸受収容孔64を備えている。
軸受収容孔64は、2連ボールベアリング25、26の各外輪(第1、第2外環部)が圧入される第2圧入孔を構成している。
軸受孔61は、第1ポートから第2ポートへ向かって段階的に孔径が大きくなっている。
2連ボールベアリング25、26の各内輪は、出力シャフト5の径大軸部45の外周に気密的に圧入固定される圧入固定部を構成している。
2連ボールベアリング25、26の各外輪は、ベアリングホルダ56の第2段差に当接することによって2連ボールベアリング25、26の外輪の圧入固定位置が規制される。
なお、鋼球の代わりに、コロ等の転動体を用いても良い。また、2つのリップシールの代わりに、金属製の補強材(取付リング)を用いても良い。
次に、本実施例の出力シャフト5の詳細を図1ないし図6に基づいて簡単に説明する。 出力シャフト5は、上述したように、第1、第2突出軸部41、42および軸方向部(径大軸部43、径大軸部45)を備えている。
第2突出軸部42は、出力シャフト5の回転軸方向の他端側に設けられて、径大軸部45からギヤ収納空間17内に向かって突出している。なお、第2突出軸部42には、減速機構の出力ギヤ15と結合するための金属プレート51が固定されている。
このような構造のクリアランス部62では、図4ないし図6に示したように、シャフト周方向における圧力差発生部位(A点とB点、C点とD点)において大きな圧力差が発生する。なお、(A点とB点の圧力差)<(C点とD点の圧力差)である。
径方向孔71、72は、オイルシール24のシールリップよりも軸受孔61の開口側、つまりクリアランス部62に対応して、軸受孔61の奥側に配置された2連ボールベアリング25、26(軸受)側への凝縮水の浸入を防止するための浸水防止手段を設けている。
径方向孔71、72は、シャフト周方向に圧力勾配分布(圧力差)が発生するクリアランス部62に対応して設置されている。
なお、少なくとも1つ以上の径方向孔71、72は、出力シャフト5の第1突出軸部41または径大軸部43の外周面で開口していれば直線状の貫通孔以外でも構わない。また、少なくとも1つ以上の径方向孔71、72の両側の開口(ポート)は、出力シャフト5の第1突出軸部41または径大軸部43の円周方向に所定の間隔(等間隔等)で形成されていなくても構わない。
次に、本実施例のEGR制御弁の作用を図1ないし図6に基づいて簡単に説明する。
ここで、モータMへの電力供給が成されない場合には、リターンスプリング6の付勢力(スプリング荷重)によって出力シャフト5の第1突出軸部41に溶接固定されたバルブ1が全閉位置に設定される。
したがって、ノズル7の内周面とバルブ1の外周端面との間の環状隙間が完全にシールされる。つまりハウジング4内に形成される流路孔21〜23が閉鎖される。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(EGRカット)。
そして、モータMに電力を供給し、モータMの入力シャフト11を開弁作動方向に回転させる。これにより、モータMの回転動力(トルク)が、ピニオンギヤ13、中間ギヤ14および出力ギヤ15に伝達される。そして、出力ギヤ15からトルクが伝達された出力シャフト5が、出力ギヤ15の回転に伴って所定の回転角度(バルブ開度)だけ開弁作動方向に回転する。
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。
以上のように、本実施例のEGR制御弁においては、ハウジング4の絞り壁65の内周との間にクリアランス部62を形成する出力シャフト5の第1突出軸部41または径大軸部43に、出力シャフト5の周囲のA点とB点の圧力差、あるいはC点とD点との圧力差を平準化するための少なくとも1つ以上の径方向孔71、72を設けている。
また、合流部よりも吸気流方向の上流側または下流側の吸気管内で結露した水分が水滴となって合流部からEGR制御弁へ流れ込む場合がある。
また、自動車にブローバイガス還元装置(PCV装置)が搭載されている場合、PCVガス中に多量の水分が含まれているため、PCVガスが冷やされてると、PCVガス中に含まれる水分が凝縮して凝縮水が発生する。この凝縮水が合流部からEGR制御弁へ流れ込む場合がある。
図7は、本発明の流体制御弁を適用したEGR制御弁(実施例2)を示したものである。ここで、実施例1と同じ符号は、同一の構成または機能を示すものであって、説明を省略する。
具体的には、ハウジング4の絞り壁65の内周面に、撥水性の高分子処理剤、薄膜状のPTFE(4フッ化エチレン樹脂)等のフッ素樹脂、あるいは撥水性の二硫化モリブデン等の撥水剤81、82を塗布することにより、ハウジング4の絞り壁65の内周面のみに撥水性の表面処理を付与する。
また、出力シャフト5の径大軸部43の外周面に、同様な撥水剤を塗布することにより、出力シャフト5の径大軸部43の外周面のみに撥水性の表面処理を付与する。
また、撥水性の表面処理は、ハウジング4の絞り壁65の内周と出力シャフト5の径大軸部43の外周との間に形成される最小のクリアランス部62に対応して設置されている。
以上のように、本実施例のEGR制御弁においては、実施例1と同様な効果を奏する。 なお、本実施例の浸水防止手段に実施例1の浸水防止構造を組み合わせても良い。
図8は、本発明の流体制御弁を適用したEGR制御弁(実施例3)を示したものである。ここで、実施例1及び2と同じ符号は、同一の構成または機能を示すものであって、説明を省略する。
また、クリアランス部62は、軸受孔61の壁面と堰83の頂き部分との間に形成される円環状の微小隙間84を備えている。この微小隙間84は、軸受孔61から2連ボールベアリング25、26(軸受)側への凝縮水の浸入をし難くするクリアランスシール(浸水防止手段)を構成している。
以上のように、本実施例のEGR制御弁においては、実施例1及び2と同様な効果を奏する。
なお、本実施例の浸水防止手段に実施例1又は2のうちのいずれか1つ以上の浸水防止構造を組み合わせても良い。また、堰83の頂き部分に出力シャフト5の径大軸部43の外周面を回転方向に摺動させても良い。
図9〜11は、本発明の流体制御弁を適用したEGR制御弁(実施例4)を示したものである。ここで、実施例1〜3と同じ符号は、同一の構成または機能を示すものであって、説明を省略する。
凹溝91は、図9および図11に示したように、軸受孔61の壁面の円周方向に延びる第1周方向溝である。
凹溝92は、図10および図11に示したように、径大軸部43の外周面の円周方向に延びる第2周方向溝である。
凹溝92は、図11に示したように、凹溝91の底面との間に円環状隙間93を隔てて対向するように設けられている。
また、凹溝91または凹溝92は、ハウジング4の絞り壁65の内周と出力シャフト5の径大軸部43の外周との間に形成される最小のクリアランス部62に対応して設置されている。
以上のように、本実施例のEGR制御弁においては、実施例1〜3と同様な効果を奏する。
なお、本実施例の浸水防止手段に実施例1〜3のうちのいずれか1つ以上の浸水防止構造を組み合わせても良い。
本実施例では、EGR制御弁等の流体制御弁の弁体であるバルブ1を駆動するアクチュエータとして、電力の供給を受けてトルクを発生するモータM、このモータMの回転を減速する減速機構(動力伝達機構)を備えた電動アクチュエータを採用しているが、アクチュエータとして、負圧制御弁を介して電動バキュームポンプからの負圧により駆動される負圧作動式アクチュエータや、コイルを含む電磁石を備えたリニアソレノイド(電磁アクチュエータ)を採用しても良い。
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、排気切替弁等が考えられる。
なお、吸気制御弁としては、吸気絞り弁(スロットル弁)、タンブル弁、スワール弁等が考えられる。
また、排気制御弁や吸気制御弁の弁体を構成するバルブとして、バタフライバルブを採用しているが、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、シャフトを回転方向に摺動可能に支持する軸受として、内部に潤滑油(潤滑グリース、潤滑オイル)が含浸された筒状の焼結含油軸受であるメタルブッシュを使用しても良い。
また、軸受の内部に潤滑油が含浸されなくても、軸受とシャフトとの間の摺動部(摺動クリアランス)に潤滑油供給機構から潤滑油が供給されるタイプのベアリングを使用しても良い。
第1、第2軸受よりも流路側の軸受孔の壁面にオイルシール等の密閉(液密、気密)シールをそれぞれ設置しても良い。
4 ハウジング
5 出力シャフト
23 流路孔
24 オイルシール
25 ボールベアリング(軸受)
26 ボールベアリング(軸受)
61 軸受孔
62 クリアランス部
Claims (13)
- (a)内燃機関に連通する流路(21〜23)、およびこの流路(21〜23)の壁面で開口し、この開口側から奥側へ延びる軸受孔(61)を有するハウジング(4、65)と、
(b)このハウジング(4、65)の内部に収容されて、前記流路(21〜23)を開閉するバルブ(1)と、
(c)前記軸受孔(61)内に嵌挿されて、前記バルブ(1)を支持するシャフト(5、41、43)を有し、
前記シャフト(5、41、43)を回転駆動して前記バルブ(1)を開閉動作させるアクチュエータと、
(d)前記軸受孔(61)の奥側に収容されて、前記シャフト(5、41、43)を回転方向に摺動可能に支持する軸受(25、26)と
を備えた流体制御弁において、
前記ハウジング(4、65)または前記シャフト(5、41、43)は、前記軸受(25、26)よりも前記軸受孔(61)の開口側に設けられて、前記軸受孔(61)の開口側から前記軸受孔(61)の奥側または前記軸受(25、26)側への浸水を防ぐための浸水防止手段(71、72、81〜84、91、92)を有していることを特徴とする流体制御弁。 - 請求項1に記載の流体制御弁において、
前記軸受(25、26)よりも前記軸受孔(61)の開口側に収容されて、前記ハウジング(4、65)の内周と前記シャフト(5、41、43)の外周との間を密閉する環状のシール(24)を備えたことを特徴とする流体制御弁。 - 請求項2に記載の流体制御弁において、
前記浸水防止手段(71、72、81〜84、91、92)は、前記シール(24)または前記軸受(25、26)と非接触となるように配置されていることを特徴とする流体制御弁。 - 請求項1ないし請求項3のうちのいずれか1つに記載の流体制御弁において、
前記浸水防止手段(71、72、81〜84、91、92)は、前記ハウジング(4、65)の内周と前記シャフト(5、41、43)の外周との間に形成される筒状のクリアランス部(62)に対応して設けられていることを特徴とする流体制御弁。 - 請求項4に記載の流体制御弁において、
前記浸水防止手段(71、72、81〜84、91、92)は、前記シャフト(5、41、43)の周方向に圧力勾配分布が発生する前記クリアランス部(62)に対応して設けられていることを特徴とする流体制御弁。 - 請求項1ないし請求項5のうちのいずれか1つに記載の流体制御弁において、
前記浸水防止手段は、前記シャフト(5、41、43)の直径方向の両側を連通する連通路(71、72)を有していることを特徴とする流体制御弁。 - 請求項6に記載の流体制御弁において、
前記連通路は、前記シャフト(5、41、43)の径方向に延びると共に、前記シャフト(5、41、43)を貫通する少なくとも1つの径方向孔(71、72)を有していることを特徴とする流体制御弁。 - 請求項1ないし請求項7のうちのいずれか1つに記載の流体制御弁において、
前記浸水防止手段とは、前記ハウジング(4、65)の内周面または前記シャフト(5、41、43)の外周面に付与される撥水性の表面処理(81、82)のことであることを特徴とする流体制御弁。 - 請求項1ないし請求項8のうちのいずれか1つに記載の流体制御弁において、
前記浸水防止手段は、前記軸受孔(61)の開口側から前記軸受孔(61)の奥側または前記軸受(25、26)側への浸水を妨げる堰(83)を有していることを特徴とする流体制御弁。 - 請求項9に記載の流体制御弁において、
前記堰(83)は、前記シャフト(5、41、43)の周囲を周方向に取り囲むように設置されて、前記ハウジング(4、65)の内周面または前記軸受孔(61)の壁面から前記シャフト(5、41、43)の外周面側へ突出する環状の突条リブを有していることを特徴とする流体制御弁。 - 請求項9または請求項10に記載の流体制御弁において、
前記浸水防止手段は、前記軸受孔(61)の壁面と前記堰(83)の頂き部分との間に形成される環状の微小隙間(84)を有し、
前記微小隙間(84)は、前記軸受孔(61)の開口側から前記軸受孔(61)の奥側または前記軸受(25、26)側への凝縮水の浸入をし難くするクリアランスシールを構成することを特徴とする流体制御弁。 - 請求項1ないし請求項11のうちのいずれか1つに記載の流体制御弁において、
前記浸水防止手段は、前記ハウジング(4、65)の内周面で開口し、且つ前記軸受孔(61)の周方向に延びる凹溝(91)を有していることを特徴とする流体制御弁。 - 請求項1ないし請求項12のうちのいずれか1つに記載の流体制御弁において、
前記浸水防止手段は、前記シャフト(5、41、43)の外周面で開口し、且つ前記シャフト(5、41、43)の周方向に延びる凹溝(92)を有しているを有していることを特徴とする流体制御弁。
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