JP2015113758A

JP2015113758A - ポペット弁およびバルブアセンブリ

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Publication number: JP2015113758A
Application number: JP2013255973A
Authority: JP
Inventors: 研吾新妻; Kengo Niitsuma; 慎吾井口; Shingo Iguchi
Original assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Current assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Priority date: 2013-12-11
Filing date: 2013-12-11
Publication date: 2015-06-22
Anticipated expiration: 2033-12-11
Also published as: JP6207994B2

Abstract

【課題】弁体のうち弁軸に対する取付部に応力が集中しにくいポペット弁、およびバルブアセンブリを提供することを課題とする。
【解決手段】ポペット弁３は、弁軸３１と、弁軸３１に取り付けられる取付部３００を有し、弁座５４に対して着座、離座可能な弁体３０と、を備える。弁体３０のうち、肉厚が最も薄い薄肉部Ａは、取付部３００以外の部分に配置される。取付部３００と比較して、薄肉部Ａは、弾性変形しやすい。このため、閉弁時における取付部３００への応力集中を緩和することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば、ＥＧＲ（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）通路を流れる排気ガスの流量調整に用いられるポペット弁、およびバルブアセンブリに関する。

バルブアセンブリは、ポペット弁と、弁座と、を備えている。ポペット弁は、直線方向に往復動可能である。通路を完全に閉じる全閉状態において、ポペット弁は弁座に着座している。一方、通路を完全に開く全開状態において、ポペット弁は弁座から離座している。閉弁時（通路が開いている状態から全閉状態に切り換える時）においては、ポペット弁が弁座に当接する。当接時の衝撃により、ポペット弁や弁座は摩耗してしまう。

この点、特許文献１には、突出部付きのシール部材（弁体）を備えるポペット弁が開示されている。シール部材は、弁軸に環装されている。シール部材のうち弁座に当接する部分には、可撓性を有する突出部が形成されている。ポペット弁が弁座に当接すると、突出部が撓む。このため、当接による衝撃を、吸収することができる。

特開平９−２６４４３１号公報

しかしながら、同文献記載のポペット弁によると、突出部は、シール部材の外縁付近に、環状に形成されている。一方、シール部材の径方向中心付近には、弁軸に対する取付部が配置されている。このため、閉弁時に突出部が弁座に当接すると、取付部に応力が集中してしまう。そこで、本発明は、弁体のうち弁軸に対する取付部に応力が集中しにくいポペット弁、およびバルブアセンブリを提供することを目的とする。

（１）上記課題を解決するため、本発明のポペット弁は、弁軸と、該弁軸に取り付けられる取付部を有し、弁座に対して着座、離座可能な弁体と、を備えるポペット弁であって、前記弁体のうち、肉厚が最も薄い薄肉部は、前記取付部以外の部分に配置されることを特徴とする。

本発明のポペット弁の弁軸と弁体とは別体である。閉弁時（通路が開いている状態から全閉状態に切り換える時）においては、弁体が弁座に当接する。当接時の衝撃により、弁体の取付部には、応力が集中しやすい。この点、本発明のポペット弁の弁体には、薄肉部が配置されている。薄肉部は、弁体のうち、取付部以外の部分に配置されている。取付部と比較して、薄肉部は、弾性変形しやすい。このため、閉弁時における取付部への応力集中を緩和することができる。また、閉弁時に薄肉部が弾性変形することにより、弁座に着座する際の衝撃の少なくとも一部を吸収することができる。また、本発明のポペット弁によると、弁体と弁座との間の接触面積を確保しやすい。このため、全閉状態におけるシール性が高い。

（２）上記（１）の構成において、前記弁体は、前記弁座に当接する当接部と、該当接部と前記取付部との間に介在する傘部と、を有し、前記薄肉部は、該当接部と該傘部との境界に配置される構成とする方がよい。

本構成によると、薄肉部が、当接部と傘部との境界に配置されている。言い換えると、薄肉部が、当接部の根本部分に配置されている。このため、閉弁時に、薄肉部を起点として、当接部が弾性変形しやすい。したがって、当接部が、弁座の形状に倣って変形しやすい。本構成によると、全閉状態における、当接部と弁座との密着性を向上させることができる。

（３）上記（１）または（２）の構成において、前記弁体は、該弁体が前記弁座に着座する際の衝撃で弾性変形する構成とする方がよい。本構成によると、弁体が弾性変形することにより、弁体が弁座に着座する際の衝撃の少なくとも一部を吸収することができる。

（４）上記課題を解決するため、本発明のバルブアセンブリは、上記（１）ないし（３）のいずれかのポペット弁を備えることを特徴とする。本発明のバルブアセンブリによると、上記（１）同様に、閉弁時における取付部への応力集中を緩和することができる。また、閉弁時に薄肉部が弾性変形することにより、弁座に着座する際の衝撃の少なくとも一部を吸収することができる。また、全閉状態におけるシール性が高い。

本発明によると、弁体のうち弁軸に対する取付部に応力が集中しにくいポペット弁、およびバルブアセンブリを提供することができる。

本発明のバルブアセンブリの一実施形態であるバルブアセンブリの全開状態における軸方向断面図である。同バルブアセンブリの全閉状態における軸方向断面図である。図１の枠ＩＩＩ内の拡大図である。その他の実施形態（その１）のポペット弁の弁体の一部分の軸方向断面図である。その他の実施形態（その２）のポペット弁の弁体の一部分の軸方向断面図である。

以下、本発明のバルブアセンブリをＥＧＲ用のバルブアセンブリとして具現化した実施の形態について説明する。

＜バルブアセンブリの構成＞
まず、本実施形態のバルブアセンブリの構成について説明する。図１に、本実施形態のバルブアセンブリの全開状態における軸方向断面図を示す。図２に、同バルブアセンブリの全閉状態における軸方向断面図を示す。図３に、図１の枠ＩＩＩ内の拡大図を示す。

図１〜図３に示すように、本実施形態のバルブアセンブリ１は、ハウジング２と、ポペット弁３と、アキシャル軸受５１と、コイルスプリング５２と、モータ５３と、弁座５４と、を備えている。

ハウジング２には、ＥＧＲ通路２０と、凹部２１と、弁軸挿通孔２２と、が形成されている。ＥＧＲ通路２０は、Ｌ字状に延在している。排気ガスは、ＥＧＲ通路２０を、下側（上流側）から右側（下流側）に向かって、流動する。凹部２１は、ハウジング２の上面に凹設されている。凹部２１の底面には、スプリング座２１ａが配置されている。弁軸挿通孔２２は、ＥＧＲ通路２０と、凹部２１と、を上下方向に連通している。

弁座５４は、環状を呈している。弁座５４は、ＥＧＲ通路２０の下端開口（上流端開口）付近に、配置されている。アキシャル軸受５１は、弁軸挿通孔２２の内周面に配置されている。モータ５３は、凹部２１を上側から覆っている。モータ５３は、モータ側シャフト５３０を、上下方向に往復動可能である。

ポペット弁３は、弁体３０と、弁軸３１と、を備えている。弁軸３１は、軸本体３１０と、フランジ部３１１と、を備えている。軸本体３１０は、ステンレス鋼製であって、上下方向（軸方向）に延在する丸棒状を呈している。軸本体３１０は、アキシャル軸受５１の径方向内側に、挿通されている。軸本体３１０の下端部付近には、段差部３１０ａが形成されている。段差部３１０ａにおいては、上側から下側に向かって、軸本体３１０の外径が拡径している。一方、軸本体３１０の上端は、モータ側シャフト５３０に当接している。フランジ部３１１は、上側に開口するカップ状を呈している。フランジ部３１１は、軸本体３１０の上端に配置されている。フランジ部３１１の外周縁には、スプリング座３１１ａが配置されている。

弁体３０は、ステンレス鋼製であって円板状を呈している。弁体３０は、ステンレス鋼製の板材をプレス成形することにより、作製される。図３に示すように、弁体３０は、取付部３００と、当接部３０１と、傘部３０２と、薄肉部Ａと、を備えている。取付部３００は、上下方向（軸方向）に延在する円筒状を呈している。取付部３００は、弁軸３１の軸本体３１０の下端部に、環装されている。取付部３００は、段差部３１０ａに対して、上側から係止されている。このため、取付部３００つまり弁体３０は、軸本体３１０つまり弁軸３１から、下側に脱落しない。傘部３０２は、水平方向（径方向）に延在する円板状を呈している。傘部３０２は、取付部３００の上端から、径方向外側に張り出している。当接部３０１は、下側から上側に向かって尖る、テーパ円筒状を呈している。当接部３０１は、傘部３０２の外縁から、斜め下方向に延在している。図２に示すように、弁座５４に対して、当接部３０１は、下側から着座、離座可能である。図３に示すように、取付部３００と傘部３０２との境界、傘部３０２と当接部３０１との境界には、丸面取状の湾曲部Ｒ１、Ｒ２が配置されている。

図３に示すように、薄肉部Ａは、当接部３０１の上端と、傘部３０２の外縁と、の境界（つまり湾曲部Ｒ２）に配置されている。薄肉部Ａは、弁体３０の下面（上流側の面）に凹設されている。すなわち、湾曲部Ｒ２の下面には、環状の溝Ｂが凹設されている。当該溝Ｂの分だけ湾曲部Ｒ２の肉厚が薄くなることにより、薄肉部Ａが形成されている。なお、図３に点線で示すのが、薄肉部Ａが設けられていない状態である。弁体３０全体において、薄肉部Ａの肉厚は最薄である。すなわち、薄肉部Ａの肉厚Ｔ１（湾曲部Ｒ２の上面（下流側の面）と下面（上流側の面）との間の距離であって、湾曲部Ｒ２の上面の曲率半径方向の距離）は、取付部３００の肉厚Ｔ２よりも、薄い。また、薄肉部Ａの肉厚Ｔ１は、当接部３０１の肉厚Ｔ３よりも、薄い。また、薄肉部Ａの肉厚Ｔ１は、傘部３０２の肉厚Ｔ４よりも、薄い。このため、薄肉部Ａは、取付部３００、当接部３０１、傘部３０２と比較して、剛性が低く、弾性変形しやすい（撓みやすい）。

図１、図２に示すように、コイルスプリング５２は、スプリング座３１１ａと、スプリング座２１ａと、の間に配置されている。コイルスプリング５２は、ハウジング２に対して、ポペット弁３を上側に付勢している。

＜バルブアセンブリの動き＞
次に、本実施形態のバルブアセンブリの動きについて簡単に説明する。図２に示す全閉状態から図１に示す全開状態に切り換える場合は、モータ５３を駆動し、コイルスプリング５２の付勢力に抗して、弁軸３１を下降させる。弁体３０の当接部３０１は、弁座５４から離座する。一方、図１に示す全開状態から図２に示す全閉状態に切り換える場合は、モータ５３を停止し、コイルスプリング５２の付勢力Ｆ１により、弁軸３１を上昇させる。弁体３０の当接部３０１は、弁座５４に着座する。全閉状態においては、弁体３０に対して、コイルスプリング５２の付勢力Ｆ１が、上向きに作用する。並びに、全閉状態においては、弁体３０に対して、排気ガスの圧力Ｆ２が、上向きに作用する。

＜作用効果＞
次に、本実施形態のバルブアセンブリの作用効果について説明する。図２に一点鎖線で誇張して示すように、閉弁時（ＥＧＲ通路２０が開いている状態から図２に示す全閉状態に切り換える時）において、当接部３０１は、弁座５４に、下側から着座する。また、当接部３０１が弁座５４に係止された状態で、取付部３００は、弁軸３１により、上側に引っ張られる。このため、弁体３０は、全体として、円錐状に弾性変形する。当接部３０１が弁座５４に当接する際の衝撃により、取付部３００には応力が集中しやすい。

この点、本実施形態のポペット弁３の弁体３０には、図３に示すように、薄肉部Ａが配置されている。薄肉部Ａは、当接部３０１と傘部３０２との境界（つまり湾曲部Ｒ２）に配置されている。すなわち、薄肉部Ａは、弁体３０のうち、取付部３００以外の部分に配置されている。取付部３００と比較して、薄肉部Ａは、弾性変形しやすい。このため、閉弁時における取付部３００への応力集中を緩和することができる。したがって、取付部３００に発生する最大応力、つまり取付部３００の許容応力を、小さくすることができる。また、閉弁時に薄肉部Ａが弾性変形することにより、弁座５４に着座する際の衝撃の少なくとも一部を吸収することができる。

また、特許文献１のポペット弁の場合、シール部材（弁体）に衝撃吸収用の突出部を形成する必要がある。このため、全閉状態におけるシール性が低下するおそれがある。すなわち、全閉状態においては、シール部材と弁座とが接触することにより、シール性を確保している。シール部材に突出部を形成すると、シール部材と弁座との間の接触面積が小さくなる。このため、シール性が低下するおそれがある。これに対して、本実施形態のポペット弁３によると、敢えて弁体３０の当接部３０１に突出部を形成する必要がない。このため、当接部３０１と弁座５４との間の接触面積を大きくすることができる。したがって、全閉状態において、高いシール性を確保することができる。

また、本実施形態のポペット弁３によると、図３に示すように、薄肉部Ａが、当接部３０１と傘部３０２との境界に配置されている。言い換えると、薄肉部Ａが、当接部３０１の根本部分に配置されている。このため、閉弁時に、薄肉部Ａを起点として、当接部３０１が弾性変形しやすい。したがって、当接部３０１が、弁座５４の形状に倣って変形しやすい。よって、全閉状態における、当接部３０１と弁座５４との密着性を向上させることができる。また、当接部３０１の肉厚Ｔ３は、１．５ｍｍ以下と薄い。この点においても、当接部３０１が、弁座５４の形状に倣って変形しやすい。よって、全閉状態における、当接部３０１と弁座５４との密着性を向上させることができる。また、図２に一点鎖線で示すように、弁体３０は、着座時の衝撃で弾性変形する。このため、着座時の衝撃の少なくとも一部を吸収することができる。

＜その他＞
以上、本発明のポペット弁およびバルブアセンブリの実施の形態について説明した。しかしながら、実施の形態は上記形態に特に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。

図４に、その他の実施形態（その１）のポペット弁の弁体の一部分の軸方向断面図を示す。なお、図３と対応する部位については、同じ符号で示す。図４に示すように、薄肉部Ａを、傘部３０２の径方向中央付近に配置してもよい。図５に、その他の実施形態（その２）のポペット弁の弁体の一部分の軸方向断面図を示す。なお、図３と対応する部位については、同じ符号で示す。図５に示すように、傘部３０２から湾曲部Ｒ２に向かって（径方向内側から径方向外側に向かって）肉厚が徐々に薄くなるように弁体３０を形成してもよい。また、湾曲部Ｒ１、Ｒ２は配置しなくてもよい。

また、ポペット弁３用のアクチュエータは特に限定しない。例えば、ソレノイドを用いてもよい。また、ポペット弁３の配置方向は特に限定しない。例えば、弁軸３１が水平方向を向くように、ポペット弁３を配置してもよい。また、上記実施形態においては、ＥＧＲバルブ用として、バルブアセンブリ１を用いた。しかしながら、吸気側ターボバイパスバルブ、スロットルバルブ、排気ブレーキバルブ、排気絞りバルブなど、多種多様のバルブ用として、バルブアセンブリ１を用いてもよい。

以下、図１〜図３に示すポペット弁３の解析モデル（実施例）に対して行ったＦＥＭ（ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄ）解析の結果について説明する。解析ソフトとしては、ＣＡＴＩＡ（登録商標）−ａｎａｌｙｓｉｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎを用いた。実施例においては、図３に示す薄肉部Ａの肉厚Ｔ１を、１．１ｍｍとした。傘部３０２の肉厚Ｔ４を、１．６ｍｍとした。当接部３０１の肉厚Ｔ３を、１．４ｍｍとした。当接部３０１の外縁から溝Ｂの内縁までの距離Ｌ１を、５．３ｍｍとした。当接部３０１の上面の延在方向と、薄肉部Ａの上面の延在方向（薄肉部Ａにおける湾曲部Ｒ２の上面の接線方向）と、の交角θ１を、３５°とした。図２に示す閉弁時のコイルスプリング５２の付勢力Ｆ１を、４０Ｎとした。排気ガスの圧力Ｆ２の最大値を、６６．７ｋＰａとした。

なお、比較のために、図３に点線で示すように、薄肉部Ａつまり溝Ｂが配置されていない従来のポペット弁の解析モデル（比較例）についても、同様のＦＥＭ解析を行った。なお、実施例と比較例とでは、図３に示す肉厚Ｔ３、Ｔ４、交角θ１は、一致している。

ＦＥＭ解析の結果、比較例の場合、図３に示す円α部分の最大応力は、１３．３ＭＰａだった。また、円β部分（取付部３００）の最大応力は、３１．８ＭＰａだった。これに対して、実施例の場合、図３に示す円α部分（薄肉部Ａ）の最大応力は、１３．８ＭＰａだった。また、円β部分（取付部３００）の最大応力は、２９．７ＭＰａだった。

このように、比較例に対して、実施例は、円β部分の最大応力が大きくなった。また、比較例に対して、実施例は、円β部分の最大応力が小さくなった。実施例によると、閉弁時における円β部分（取付部３００）への応力集中を緩和することができた。

１：バルブアセンブリ、２：ハウジング、３：ポペット弁、２０：ＥＧＲ通路、２１：凹部、２１ａ：スプリング座、２２：弁軸挿通孔、３０：弁体、３１：弁軸、５１：アキシャル軸受、５２：コイルスプリング、５３：モータ、５４：弁座、３００：取付部、３０１：当接部、３０２：傘部、３１０：軸本体、３１０ａ：段差部、３１１：フランジ部、３１１ａ：スプリング座、５３０：モータ側シャフト、Ａ：薄肉部、Ｂ：溝、Ｒ１：湾曲部、Ｒ２：湾曲部。

Claims

弁軸と、
該弁軸に取り付けられる取付部を有し、弁座に対して着座、離座可能な弁体と、
を備えるポペット弁であって、
前記弁体のうち、肉厚が最も薄い薄肉部は、前記取付部以外の部分に配置されることを特徴とするポペット弁。
前記弁体は、前記弁座に当接する当接部と、該当接部と前記取付部との間に介在する傘部と、を有し、
前記薄肉部は、該当接部と該傘部との境界に配置される請求項１に記載のポペット弁。
前記弁体は、該弁体が前記弁座に着座する際の衝撃で弾性変形する請求項１または請求項２に記載のポペット弁。
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のポペット弁を備えるバルブアセンブリ。