JP2015117586A - 流量制御弁 - Google Patents
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Abstract
Description
従来より、ディーゼルエンジン等の内燃機関(エンジン)においては、エンジンの気筒より排出される排出ガス(排気)中に含まれる窒素酸化物(NOx)を低減する排気循環装置(EGRシステム)が搭載されている。
EGRシステムは、エンジンの気筒から排出される排気の一部をEGRガスとして吸気管内の吸気通路へ再循環(還流)させ、エアクリーナを通過した吸入空気(新気)に混入させて燃焼温度を下げることによってNOxの発生を抑制している。
そこで、EGRシステムにおいては、排気管の分岐部と吸気管の合流部とを接続する排気流路管(EGRガスパイプ)の途中に外開き弁方式のEGRガス流量制御弁(以下EGR制御弁)を設置し、EGR制御弁の弁体であるポペットバルブの開度を調整することで、エンジンの気筒へ導入されるEGRガスの流量を制御している。
このEGR制御弁は、モータシャフトおよびピニオンギアを有する電動モータと、ピニオンギアと噛み合って回転する中間ギアを有する中間シャフトと、中間ギアと噛み合って回転する出力ギアおよびエキセンを有するエキセンシャフトと、ポペットバルブと、バルブステムと、エキセンが噛み合っている連結リンクとを備えている。
そして、中間シャフトは、エキセンと連結リンクとが電動モータ近傍に配置されるように側方で、エキセンシャフト近傍に配置されている。
ところが、従来の外開き弁方式のEGR制御弁においては、出力ギアとエキセンとの間にハウジング壁が存在しておらず、エキセンシャフトをその回転方向に摺動可能に支持する軸受(ベアリング)を配置することが困難であった。これにより、エキセンシャフトが軸振れするため、中間ギアと出力ギアとの噛み合いが悪く、電動モータの動力が効率良くエキセンおよびポペットバルブに伝わらないという問題があった。
そこで、エキセンシャフトを支持する軸受の配置を容易とすることで、電動モータの動力を効率良くスコッチヨークおよびポペットバルブに伝達するという目的で、本発明者等が図12ないし図16に示したEGR制御弁(比較例1)を試作した(周知技術ではない)。
また、バルブボディ11は、EGRガス流方向の上流側に位置する流路孔22とEGRガス流方向の下流側に位置する流路孔24、25とを区画する円環状の隔壁(仕切り部)14に円環状のバルブシート15を備えている。このバルブシート15の内部には、流路孔22と流路孔24とを連通する弁孔(EGR制御弁の弁孔)23が形成されている。
ところで、比較例1のEGR制御弁は、図12ないし図14に示したように、バルブシャフト2の軸線方向の先端部が、軸受孔31の開口から流路孔24、25内へ突出し、且つ流路孔24、25から弁孔23を通り抜けて流路孔22内へ突出するように構成されている。そして、バルブシャフト2の軸線方向の先端外周にバルブ本体1が固定されている。
なお、図14(a)は、ポペットバルブのバルブ本体1がバルブシート15に着座して弁孔23を閉鎖する閉弁(全閉)状態を示す。また、図14(b)は、ポペットバルブのバルブ本体1がバルブシート15から所定のバルブリフト量分だけ流路孔22側に向かって外開き(リフト)して弁孔23を開放する開弁状態を示す。
したがって、比較例1のEGR制御弁は、バルブ本体1の中心と流路孔22の中心とが同軸であるため、インレットポート21から流路孔22内に流入したEGRガスは、バルブ本体1の周方向全体(全周)と流路孔22の周囲を円周方向に取り囲む円筒状の流路壁(バルブボディ11の内壁)との間に形成される円筒状の隙間流路76を通って、バルブシャフト2の周方向全体(全周)と弁孔23の周囲を円周方向に取り囲む円筒状の流路壁(バルブシート15の内壁)との間に形成される円筒状の隙間流路80へ向かって均等に逆円錐(漏斗)形状に流れ込む(図14参照)。
そして、ポペットバルブの高リフト域(高流量域)で、EGRガスの流量を細かく精度良く制御したい場合、すなわち、バルブリフト量の変化量(ΔSt)に対してEGRガスの流量の変化量(ΔQ)を細かく制御したい場合、つまりΔQ/ΔStを小さくしたい場合には、例えばポペットバルブの全開時におけるEGRガスの流量(全開流量)を図15に示した実線の特性線から破線の特性線(A)まで下げる方法が考えられる。
また、ポペットバルブのバルブストローク(バルブリフト量)を、図15に示した実線の特性線から破線の特性線(B)のように延長することも考えられる。
ところが、比較例1のEGR制御弁では、バルブストロークを伸ばすことは構造的に実現不可能である。あるいは大がかりな設計変更を伴うため、コストアップとなるという問題が生じる。
これによって、ポペットバルブの低ストローク域および流体の低流量域では、比較例1と同じ流量を確保することができ、且つポペットバルブの高ストローク域および流体の高流量域では、ポペットバルブのバルブストロークの変化量に対する流体の流量の変化量を減らすことができるので、ポペットバルブの高ストローク域および流体の高流量域において、流体の流量を細かく精度良く制御することができる。
図1ないし図9は、本発明を適用したEGRシステムに使用される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。
EGRガスパイプには、EGRガス流路を流れるEGRガスの流量を可変制御する外開き弁方式のEGR制御弁が設置されている。
ここで、バルブ本体1、バルブシャフト2、スコッチヨーク3およびリターンスプリング4は、予め組み立てられてバルブサブアッセンブリの状態で、ハウジング5に組み付けられる。
スコッチヨーク3は、バルブシャフト2の入力部の外周(図2において図示上端外周)にバルブシャフト2と一体移動可能となるように圧入(連結)固定されている。あるいは例えばレーザー溶接等の結合手段を用いてバルブシャフト2と一体移動可能に連結固定されている。
これらのうちバルブボディ11の隔壁14の内周には、バルブ本体1が着座可能な円環状のバルブシート15が圧入固定されている。
バルブシャフト2は、出力部材の回転変位に連動してポペットバルブの中心軸線方向に往復移動するバルブステム(弁軸)である。このバルブシャフト2の軸線方向の基端部には、スコッチヨーク3から電動アクチュエータの動力を受ける入力部が設けられている。
また、バルブシャフト2の軸線方向の中間部分は、メタルベアリング27を介して、ハウジング5のベアリングホルダ28に摺動自在に支持されている。また、バルブシャフト2の中間部分の外周には、バルブシャフト2とメタルベアリング27との摺動部を潤滑する潤滑グリースや潤滑オイル油の流出を防止するためのオイルシール29が装着されている。
そこで、本実施例のEGR制御弁は、ハウジング5のベアリングホルダ28内に形成される軸受孔31内に保持されて、軸受孔31の開口32から流路孔25内に突出するように配置される異物除去パイプ33を備えることで、EGRガス中に含まれるPMにより形成されるデポジット(異物)が、ハウジング5のベアリングホルダ28内に形成される軸受孔31内へ侵入するのを抑制するように構成されている。
モータMは、その回転軸方向に延びるモータシャフト34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(第1、第2ブラシ)とを備えている。
モータMの電機子は、モータシャフト34と一体回転可能に連結した電機子鉄心(電機子コア)、この電機子コアに巻装される電機子巻線(電機子コイル)、および一対の第1、第2ブラシに押圧接触される整流子(コンミテータ)等を有している。
出力部材は、モータMの回転動力をバルブシャフト2を介してバルブ本体1に伝えるものである。この出力部材は、モータMの回転動力を受けて回転する出力ギア37と、この出力ギア37の回転中心軸上に設置されて、出力ギア37と一体回転可能に連結した出力シャフト39とを備えている。
これらの出力ギア37および出力シャフト39は、減速機構の一部を構成し、また、出力シャフト39は、減速機構の出力軸を構成している。
また、出力部材は、出力シャフト39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45と、これらの2連ボールベアリング45の外周に圧入固定される円筒カラー46とを備えている。
ここで、変換機構は、スコッチヨーク3、出力レバー41、ピボットピン42およびフォロア43等を有している。
リターンスプリング4は、バルブシャフト2の図示上端側の周囲、およびベアリングホルダ28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。このリターンスプリング4は、バルブシャフト2の上端側の段差(円環状の段差)に係止される円環状のスプリングシート48のスプリング座部とハウジング5の底部(ベアリングホルダ28の外周側の円筒凹溝49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。なお、ベアリングホルダ28の外周部は、リターンスプリング4のコイル内径をガイド(保持)するスプリング内周ガイドとしての機能を有している。
バルブボディ11の上流側端面には、排気管の分岐部またはEGRガスパイプの結合フランジの結合端面に複数のスクリューを用いて螺子締結により結合される鍔状の結合フランジ51が設けられている。この結合フランジ51には、例えば締結ボルト等のスクリューが貫通する挿通孔が形成されている。この挿通孔の内部には、スクリューが挿通可能な補強用の金属カラーが嵌め込まれている。
これらの結合フランジ51は、排気管の分岐部または吸気管の合流部等のエンジン側(車両側)の固定部材に取り付けられる結合端面を有している。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。
ベアリングホルダは、円筒カラー46の外環部を保持する円筒状の第1軸受ホルダである。このベアリングホルダの内部には、出力シャフト39が回転可能に嵌挿される軸受孔(図示せず)が設けられている。この軸受孔は、円筒カラー46の外環部が圧入固定される圧入孔を有している。
2連ボールベアリング45は、出力シャフト39の中間軸部の外周に圧入固定される内輪、円筒カラー46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。また、2連ボールベアリング45は、2つの軌道輪の間で、且つ鋼球よりも回転軸方向の両端側にそれぞれ装着された2つのリップシール(シール材)、および複数の鋼球の脱落を防止するための2つのリテーナを備えている。
円筒カラー46は、2連ボールベアリング45の各外輪の外周とギアケース13のベアリングホルダの内周との間に圧入されている。
円筒カラー46の内部には、出力シャフト39の周囲を円周方向に取り囲む軸受孔が形成されている。円筒カラー46の内周には、ベアリングホルダの軸受孔と同一軸芯上に形成された2つの第1、第2圧入孔を有している。これらの第1、第2圧入孔には、2連ボールベアリング45の外環部である各外輪が圧入固定される。
ECUには、CPU、メモリ(ROM、RAMおよびEEPROM等)、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に基づいて、EGR制御弁のモータMを通電制御するように構成されている。
ここで、マイクロコンピュータの入力部には、回転角度センサだけでなく、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、吸気温センサ、水温センサおよび空燃比センサや酸素濃度センサ等の排出ガス(排気)センサ等が接続されている。
回転角度センサは、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センサ出力信号(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。
また、3つの減速ギアは、ギアケース13の凹部とセンサカバー7の凹部との間に形成される内部空間であるギア収容室内に回転自在に収容されている。
ピニオンギア35は、モータシャフト34の先端外周に圧入嵌合等により固定される円筒部を有している。この円筒部の外周には、中間ギア36と噛み合うピニオンギア歯61が形成されている。
出力ギア37には、円筒ボス56の一端側(バルブ側)の開口部を塞ぐようにシャフト結合部66が一体的に設けられている。このシャフト結合部66の中央部には、2面幅(出力シャフト39の空回りを防ぐ構造、回り止め構造)を有する嵌合部67が貫通形成されている。この嵌合部67には、出力シャフト39の入力部(出力シャフト39の第1突出軸部)が回り止めされた状態で嵌合固定されている。
出力シャフト39は、円筒カラー46および2連ボールベアリング45を介して、ハウジング5のギアケース13のベアリングホルダの内部に回転自在または摺動自在に収容されている。
第1突出軸部は、出力シャフト39の軸線方向(回転軸方向)の基端側(入力部)に設けられて、2面幅を有している。なお、第1突出軸部が、四角形状の断面を有しても良い。
第2突出軸部は、出力シャフト39の軸線方向(回転軸方向)の先端側(出力部)に設けられて、円形の断面を有している。なお、第2突出軸部に2面幅を設けても良い。
出力シャフト39の中間軸部の外周には、2連ボールベアリング45の各内輪が圧入嵌合によって嵌合保持されている。
スコッチヨーク3は、フォロア43を介してピボットピン42からモータMの回転動力を受けてバルブシャフト2の軸線方向に往復移動する。このスコッチヨーク3は、バルブシャフト2と一体移動可能に連結している。
スコッチヨーク3の入力部は、組み付け時にピボットピン42およびフォロア43が挿入される挿入方向に対向する2面の他に、少なくとも4面の第1〜第4側面を有する多面体形状(断面コの字状または断面角環状)を呈している。
なお、スコッチヨーク3の入力部をフォロア43の周囲を円周方向に取り囲むように断面円環状に形成しても良い。
スコッチヨーク3の出力部には、有底円(または角)筒状の嵌合部72が一体的に設けられている。この嵌合部72の内部には、バルブシャフト2の軸線方向の基端部(入力部)が圧入嵌合される圧入溝73が形成されている。
また、出力レバー41の基端部には、出力シャフト39の第2突出軸部がその軸線方向に貫通するように圧入嵌合する第1嵌合孔がそれぞれ設けられている。これにより、出力レバー41が出力シャフト39と一体回転可能に連結される。
ピボットピン42は、出力レバー41の第2嵌合孔に打ち込まれて出力レバー41の出力部に圧入固定されている。このピボットピン42は、フォロア43を回転自在に支持している。このピボットピン42は、フォロア43と共に、スコッチヨーク3のヨーク溝47内に挿入される。
フォロア43は、ピボットピン42の外周に回転自在に支持されて、スコッチヨーク3のヨーク溝47内に摺動(転動)可能に挿入されている。このフォロア43は、出力シャフト39の第2突出軸部の回転中心軸から所定の距離だけ偏芯した位置に設けられている。また、フォロア43は、出力レバー41およびピボットピン42を介して、出力シャフト39と一体回転可能に連結されている。
バルブボディ11の内部には、EGRガス流路の一部を構成するインレットポート21→流路孔22〜25→アウトレットポート26が形成されている。このバルブボディ11には、EGRガス流路を、バルブシート15よりも排気の流れ方向の上流側に位置する第1流路(以下インレットポート21および流路孔22)と、バルブシート15よりも排気の流れ方向の下流側に位置する第2流路(以下流路孔24、25およびアウトレットポート26)とに区画する円環状(円筒状)の隔壁(仕切り部)14が形成されている。
ここで、弁孔23は、バルブシート15の中央部を貫通するように設けられて、第1流路(以下流路孔22)と第2流路(以下流路孔24)とを連通するEGR制御弁の弁孔(連通孔)である。
インレットポート21は、ハウジング5のバルブボディ11の上流側端面で開口し、排気管内の排気通路から排気の一部であるEGRガスを取り込むための流路入口を構成している。
流路孔22は、バルブシート15よりも排気の流れ方向の上流側に設けられて、インレットポート21からバルブ本体1の周囲を通って弁孔23へEGRガスが流れ込む入口側EGRガス流路(入口側流路)のことである。
インレットポート21は、弁孔23の孔径よりも大きい開口径(流路径)を有している。なお、バルブ本体1は、インレットポート21の開口径(流路径)よりも小さく、且つ弁孔23の孔径よりも大きい外径を有している。
流路孔24、25は、バルブシート15よりも排気の流れ方向の下流側に設けられて、弁孔23から流れ込んだEGRガスをアウトレットポート26へ導く出口側EGRガス流路(出口側流路)である。
アウトレットポート26は、ハウジング5のバルブボディ11の下流側端面で開口し、吸気管内の吸気通路へEGRガスを排出させるための流路出口を構成している。このアウトレットポート26は、弁孔23の孔径よりも大きい開口径(流路径)を有している。なお、バルブ本体1は、アウトレットポート26の開口径(流路径)よりも小さく、且つ弁孔23の孔径よりも大きい外径を有している。
バルブボディ11には、メタルベアリング27の外周を保持する円筒状のベアリングホルダ28が一体的に形成されている。このベアリングホルダ28は、メタルベアリング27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、バルブボディ11には、ポペットバルブのバルブ本体1がバルブシート15から離脱することで流路孔22側へ外開き(リフト)して弁孔23を開放した際に、第1流路壁75とバルブ本体1の外周(後述するバルブシール面)との合いに形成される円筒状の隙間流路76の円周方向の一部に、第1流路壁75とバルブ本体1のバルブシール面との間の距離を狭くした流路絞り77が設けられている。
また、バルブボディ11は、流路孔24、25の周囲を円周方向に取り囲む円筒状の第2流路壁78を備えている。この第2流路壁78は、バルブシート15よりも排気の流れ方向の下流側に設けられている。
このメタルベアリング27は、その摺動孔内に嵌挿されるバルブシャフト2の往方向(開弁方向)または復方向(閉弁方向)の直線運動による負圧によって、その内部気孔に浸透している潤滑油がバルブシャフト2との摺動面(内径面)の開口から滲み出すことで、メタルベアリング27の内径面とバルブシャフト2の外径面との摺動部分の油膜を形成し、この油膜によってバルブシャフト2が往復移動可能に支持される。
メタルベアリング27は、ベアリングホルダ28の軸受圧入孔の壁面に圧入固定される円筒状の外環部を有している。この外環部の外周部分は、ベアリングホルダ28の軸受圧入孔に気密的に圧入固定される圧入固定部として使用される。また、外環部は、ベアリングホルダ28の第1段差に当接することによってメタルベアリング27の圧入固定位置が規制される。
この軸受孔31の内部には、バルブシャフト2がその軸線方向に往復移動可能に嵌挿されている。また、軸受孔31の軸線方向の一端側(流路孔側、開口側)には、第1流路壁75で開口した開口(第1ポート)32が形成されている。また、軸受孔31の軸線方向の他端側(流路孔側に対して反対側、奥側)には、ギア収容室の壁面で開口した開口(第2ポート)が形成されている。
なお、軸受孔31には、メタルベアリング27の外環部を圧入嵌合する軸受圧入孔、オイルシール29の外環部を圧入嵌合するシール圧入孔、および異物除去パイプ33の外周を保持する円筒状の収容孔が設けられている。
本実施例のEGR制御弁は、バルブ本体1がバルブシート15の弁座(シートエッジ)に着座して弁孔である弁孔23を閉鎖した全閉(閉弁)状態から、モータMを通電することによりスコッチヨーク3、バルブシャフト2を介して電動アクチュエータの動力(開弁力)がバルブ本体1に加わることによって、ポペットバルブ(バルブ本体1、バルブシャフト2)が、インレットポート21からEGRガスが流れ込む入口側流路である流路孔22側、つまりEGRガス(排気)の流れ方向の上流側へ向かって所定のバルブリフト量分だけ外開き(リフト)して弁孔23を開放する外開き弁方式のポペットバルブを採用している。
バルブ本体1の中央部には、バルブシャフト2の軸線方向の先端外周に嵌合する嵌合孔が一体的に設けられている。この嵌合孔は、バルブ本体1の中央部をその板厚方向に貫通形成されている。
バルブ本体1の外周部(背面側または外径面側)には、バルブシート15のシートエッジに着座可能な円錐状のバルブシール面(バルブフェース)79が一体的に設けられている。このバルブシール面79は、インレットポート21、流路孔22〜25、アウトレットポート26を流れる排気の流れ方向の上流側から下流側へ向かって外径が徐々に減少するように所定の傾斜角度分だけ傾斜した傾斜面(円錐面)である。
また、バルブシャフト2の基端側の外周には、スコッチヨーク3を含む変換機構が一体移動可能に結合されている。また、バルブシャフト2の先端側の外周には、バルブ本体1が一体移動可能に結合されている。
また、バルブシャフト2は、モータシャフト34、中間シャフト38および出力シャフト39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。
なお、バルブ本体1とバルブシャフト2とを一体部品で構成したポペットバルブを使用しても良い。
第1、第2突出軸部81、82間には、バルブボディ11のベアリングホルダ28の軸受孔31内に配置される中間軸部83が設けられている。
バルブシャフト2の軸線方向の先端部(出力部)、つまり第1突出軸部81は、バルブシャフト2の軸線方向の一端側(先端側)に設けられて、軸受孔31の開口32から流路孔24、25内へ突出し、且つ流路孔24、25から弁孔23を通り抜けて流路孔22内へ突出するように構成されている。
径大軸部84は、断面円形状を呈する。この径大軸部84の外径面には、異物除去パイプ33が摺接する摺接面が形成されている。また、径大軸部84の先端側、つまりバルブシャフト2の出力部の外周(先端外周)には、例えばレーザー溶接等の接合手段を用いて環状のバルブ本体1を溶接により結合固定する結合軸部85が設けられている。この結合軸部85は、径大軸部84と略同一の外径を有し、バルブ本体1の中央部を貫通するように嵌合孔内に嵌合している。
なお、バルブシャフト2の第2突出軸部82の基端部をスコッチヨーク3の嵌合部72にかしめまたは溶接等の手段を用いて固定しても良い。また、バルブシャフト2とスコッチヨーク3を一体部品で構成しても良い。
次に、本実施例のEGR制御弁の作動を図1ないし図9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4の付勢力(スプリング荷重)によって、バルブシャフト2の軸線方向の出力部(先端外周)に溶接固定されたバルブ本体1のバルブシール面79がバルブシート15のシートエッジに着座することにより、バルブシート15の弁孔23を閉鎖する閉弁(全閉)状態となる。
したがって、バルブシート15の中央部に貫通形成される弁孔23が閉鎖されることで、バルブボディ11内に形成されるEGRガス流路(インレットポート21→流路孔22〜25→アウトレットポート26)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のモータシャフト34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、ピニオンギア35、中間ギア36および出力ギア37に伝達される。
そして、出力ギア37からトルクが伝達された出力シャフト39が、出力ギア37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。
ここで、出力レバー41の突出端部、つまり出力シャフト39の回転中心軸から所定の距離だけ偏芯した位置にピボットピン42が取り付けられている。そして、ピボットピン42に支持されたフォロア43は、出力シャフト39および出力レバー41が回転すると、フォロア43の外周部(外輪)がスコッチヨーク3のヨーク溝47の溝側面と摺動接触することにより、回転運動が直線運動に変換される。
そして、バルブシャフト2の直線移動に伴って、バルブシャフト2に固定されたバルブ本体1が、バルブシート15のシートエッジより離脱して、エンジンの運転状況に対応した所定のバルブリフト量またはストローク量分だけ流路孔22側へ向かって外開き(リフト)することにより、バルブシート15の弁孔23を開放する開弁状態となる。
したがって、エンジンの各気筒より流出した排気の一部であるEGRガスが、排気管内に形成される排気通路の分岐部から、EGRガス流路を経由して、吸気管内に形成される吸気通路の合流部へ再循環される。これにより、エンジンの各気筒に供給される吸気にEGRガスが混入される。
これによって、排気中に含まれる有害物質(例えばNOx等)が低減される。
これにより、インレットポート21から流路孔22内に流入したEGRガスは、図5に示したように、バルブ本体1の周方向全体(全周)と流路孔22の周囲を円周方向に取り囲む円筒状(または角筒状)の第1流路壁(バルブボディ11の内壁)75との間に形成される円筒状の隙間流路76に流れ込む。
そして、径大軸部84の外径面に衝突したEGRガスは、径大軸部84の外径面に沿って流れた後、流路孔24から流路孔25内へ流れ込み、アウトレットポート26から吸気管内の吸気通路へ導かれる。
以上のように、本実施例のEGRシステムに使用される外開き弁方式のEGR制御弁においては、ハウジング5のバルブボディ11に、バルブ本体1が第1流路(流路孔22)側へ所定のバルブリフト量分だけ外開き(リフト)して弁孔23を開放した際に、第1流路壁75とバルブ本体1の外周との間に形成される円筒状の隙間流路76の周方向の一部に、第1流路壁75とバルブ本体1の外周との間の距離を狭くした流路絞り77を設けている。
すなわち、バルブ本体1の中心軸線とインレットポート21、流路孔22、24および弁孔23の中心軸線とを、第1流路壁75の円周方向の一部側(流路絞り77が形成される側)に所定のオフセット量(α)分だけオフセット配置することにより、ポペットバルブのバルブ本体1と第1流路(流路孔22)における周方向の全流路壁面のうちの一部の流路壁面(第1流路壁75)との距離の狭い部分ができるため、狭い部分を通り抜けるEGRガスの圧力損失が生じる。
これによって、ポペットバルブの低(小)ストローク(高リフト)域およびEGRガスの低(小)流量域では、図6のグラフに示したように、比較例1のEGR制御弁と比べてEGRガスの流量が低減することは無く、比較例1のEGR制御弁と同じ流量を確保することができる。
また、図6のグラフに示したように、比較例1のEGR制御弁では、バルブストローク量が6mmのストロークでEGRガスの流量が700L/minであったものが、本実施例のEGR制御弁では、バルブストローク量が7mmのストロークでEGRガスの流量が700L/minとなる。
すなわち、ポペットバルブの高リフト域(高流量域)において、バルブリフト量の変化量(ΔSt)に対してEGRガスの流量の変化量(ΔQ)を細かく制御したい場合することができる。つまりΔQ/ΔStを小さくすることができる。
なお、バルブシート15よりもEGRガスの流れ方向の下流側の流路孔24、25およびアウトレットポート26の流路径を絞れば同じような効果を得られるが、流路孔24、25およびアウトレットポート26の流路径を小さくしなくてはならず、相手側配管を入口側流路管と出口側流路管とで管径を別径としたり、凝縮水の溜まり場になってしまうという不具合が生じる。
例えばEGRガスの流量バリエーションが、600L/minのEGR制御弁(比較例2:図7参照)から1000L/minのEGR制御弁(比較例3:図8参照)へ変更する場合、バルブボディ11を有するハウジング5を共通使用(共用)する場合、バルブ本体1の外径およびバルブシート15のシート径や孔径を変更する必要がある。
これにより、部品点数の増加や部品管理の複雑化により、コストアップとなるという問題が生じる。
また、本実施例のEGR制御弁においては、ポペットバルブのバルブストローク(バルブリフト量)を図15に示した特性線(B)のように伸ばすことなく、ポペットバルブの高リフト域(高流量域)における、EGRガスの流量を細かく精度良く制御できるので、大がかりな設計変更を伴うことはなく、コストアップを抑えることができる。
図10は、本発明を適用したEGRシステムに使用される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。
また、EGR制御弁のハウジング5のバルブボディ11には、バルブ本体1が流路孔22側へ所定のバルブリフト量分だけ外開き(リフト)して弁孔23を開放した際に、バルブ本体1の外周との間に三日月状の流路絞り77を形成する部分円環状(半円弧状)の突条91が設けられている。
突条91は、第1流路壁75の円周方向の一部である半周部分に亘って連続して設けられて、第1流路壁75の円周方向の半周部分の壁面からバルブ本体1の外周(バルブシール面79)へ向かって突出形成されている。
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。
図11は、本発明を適用したEGRシステムに使用される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、EGR制御弁のハウジング5のバルブボディ11には、バルブ本体1が第1流路(流路孔22)側へ所定のバルブリフト量分だけ外開き(リフト)して弁孔23を開放した際に、バルブ本体1の外周との間に複数(3個)の流路絞り77を形成する複数(3個)の突起92が設けられている。
突起92は、第1流路壁75の円周方向の一部である半周部分に亘って所定の間隔(例えば45°等間隔または任意の間隔)を持って複数(3個)設けられて、第1流路壁75の円周方向の半周部分に亘って所定の間隔を隔てた壁面からバルブ本体1の外周(バルブシール面79)へ向かって突出形成されている。
以上のように、本実施例のEGR制御弁においては、実施例1及び2と同様な効果を奏する。
本実施例では、本発明の排気装置に使用される排気制御弁を、内燃機関の排気循環装置(EGRシステム)に使用されるEGR制御弁に適用しているが、本発明の排気装置に使用される排気制御弁を、内燃機関の排気装置に組み込まれる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、排気切替弁または排気絞り弁等に適用しても良い。
また、シャフト(弁軸)としてバルブシャフト2の代わりに、軸線方向(往復移動方方向)に真っ直ぐに延びる作動ロッドを用いても良い。
また、ボールベアリングよりなるフォロア43の代わりに、ピボットピン(支軸)22の外周に回転自在に支持されるフォロアローラを使用しても良い。
本実施例では、バルブ本体(バルブヘッド)1の外周に、バルブシート15のシートエッジ(弁座)に着座可能な円錐台形状のバルブシール面79を設けたが、バルブ本体1の外周に、バルブシート15のシートエッジ(弁座)に着座可能な角錐台形状のバルブシール面79を設けても良い。
すなわち、外開き弁方式のEGR(排気)制御弁の代わりに、内開き弁方式のEGR(排気)制御弁に本発明の構造を適用しても良い。
この場合、バルブシャフトの突出軸部は、軸受孔の開口から第1流路(流路孔22)内へ突出し、且つ第1流路(流路孔22)から弁孔23を通り抜けて第2流路(流路孔24または流路孔25)内へ突出するように構成される。
また、ポペットバルブのバルブ本体1の中心軸線と第1、第2流路(インレットポート21、流路孔22、24)および弁孔23の中心軸線とを同軸として、実施例2及び3のように、第1流路壁の周方向の一部に部分円環状の突条91や複数の突起92を設けても構わない。
2 バルブシャフト(ポペットバルブの弁軸)
5 ハウジング
15 バルブシート
75 第1流路壁
76 隙間流路
77 流路絞り
79 バルブシール面(バルブ本体の外周)
91 突条
92 突起
Claims (13)
- (a)流体が流れる流路(21、22、24〜26)、この流路(21、22、24〜26)に連通する弁孔(23)、この弁孔(23)が貫通形成された環状のシート(15)、および前記流路(21、22、24〜26)を、前記シート(15)よりも流体の流れ方向の上流側に位置する第1流路(21、22)と、前記シート(15)よりも流体の流れ方向の下流側に位置する第2流路(24〜26)とに区画する仕切り部(14)を有するハウジング(5、11、28)と、
(b)このハウジング(5、11、28)の内部に往復移動可能に設置されて、前記シート(15)に接離して前記弁孔(23)を閉鎖、開放する弁体(1)を有し、
前記弁体(1)が前記シート(15)に着座している状態から、前記弁体(1)が前記第1流路(21、22)側へ向かって外開きする外開き弁方式のポペットバルブ(1、2)と
を備えた流量制御弁において、
前記ハウジング(5、11、28)は、前記弁体(1)の外周および前記第1流路(21、22)の周囲を周方向に取り囲む筒状の第1流路壁(75)を有し、
前記ハウジング(5、11、28)または前記ポペットバルブ(1、2)は、前記弁体(1)が前記第1流路(21、22)側へ外開きして前記弁孔(23)を開放した際に、前記第1流路壁(75)と前記弁体(1)の外周との間に形成される筒状の隙間流路の周方向の一部に、前記第1流路壁(75)と前記弁体(1)の外周との間の距離を狭くした流路絞り(77)を設けたことを特徴とする流量制御弁。 - 請求項1に記載の流量制御弁において、
前記弁体(1)の中心を通り、且つ前記ポペットバルブ(1、2)の往復移動方向に延びる中心軸線を、前記弁体(1)の中心軸線とし、
前記第1流路(21、22)の中心を通り、前記ポペットバルブ(1、2)の往復移動方向に平行な軸線方向に延びる中心軸線を、前記第1流路(21、22)の中心軸線としたとき、
前記弁体(1)の中心軸線と前記第1流路(21、22)の中心軸線とが、前記第1流路壁(75)の周方向の一部側にオフセットして配置されていることを特徴とする流量制御弁。 - 請求項1または請求項2に記載の流量制御弁において、
前記ハウジング(5、11、28)は、前記第1流路壁(75)の周方向の一部から前記弁体(1)の外周に向かって突出すると共に、前記弁体(1)の外周との間に前記流路絞り(77)を形成する部分環状の突条(91)または複数の突起(92)を有していることを特徴とする流量制御弁。 - 請求項3に記載の流量制御弁において、
前記突条(91)は、前記第1流路壁(75)の周方向の半周部分に亘って連続して設けられていることを特徴とする流量制御弁。 - 請求項3に記載の流量制御弁において、
前記複数の突起(92)は、前記第1流路壁(75)の周方向の半周部分に亘って所定の間隔を持って設けられていることを特徴とする流量制御弁。 - 請求項1ないし請求項5のうちのいずれか1つに記載の流量制御弁において、
前記弁体(1)は、その背面側または外径面側に、前記シート(15)に着座可能な円錐台形状または角錐台形状のシール面(79)を有していることを特徴とする流量制御弁。 - 請求項1ないし請求項6のうちのいずれか1つに記載の流量制御弁において、
前記ハウジング(5、11、28)は、前記第2流路(24〜26)の周囲を周方向に取り囲む筒状の第2流路壁(78)、この第2流路壁(78)で開口し、且つこの開口側から奥側へ延びる軸受孔(31)、およびこの軸受孔(31)の奥側に設置される軸受(27)を有し、
前記ポペットバルブ(1)は、前記軸受孔(31)の開口(32)から前記第2流路(24〜26)内へ突出すると共に、前記第2流路(24〜26)から前記弁孔(23)を通り抜けて前記第1流路(21、22)内へ突出するシャフト(2)を有していることを特徴とする流量制御弁。 - 請求項7に記載の流量制御弁において、
前記シャフト(2)は、前記軸受孔(31)の奥側に位置する基端側から前記第1流路(21、22)内へ突出する先端側へ向かって軸線方向に延伸していることを特徴とする流量制御弁。 - 請求項7または請求項8に記載の流量制御弁において、
前記弁体(1)は、前記シャフト(2)の軸線方向の先端側に溶接固定されていることを特徴とする流量制御弁。 - 請求項1ないし請求項9のうちのいずれか1つに記載の流量制御弁において、
前記ハウジング(5、11)は、その上流側端面で開口し、または前記第1流路(21、22)の中で最も上流側で開口した流路入口(21)を有し、
前記第1流路(22)とは、前記流路入口(21)から前記弁体(1)の周囲を通って前記弁孔(23)へ流体が流れ込む入口側流路のことであることを特徴とする流量制御弁。 - 請求項10に記載の流量制御弁において、
前記流路入口(21)は、前記弁孔(23)の孔径よりも大きい開口径を有し、
前記弁体(1)は、前記流路入口(21)の開口径よりも小さく、且つ前記弁孔(23)の孔径よりも大きい外径を有していることを特徴とする流量制御弁。 - 請求項1ないし請求項11のうちのいずれか1つに記載の流量制御弁において、
前記ハウジング(5、11)は、その下流側端面で開口し、または前記第2流路(24〜26)の中で最も下流側で開口した流路出口(26)を有し、
前記第2流路(24〜26)とは、前記弁孔(23)から前記流路出口(26)へ向かって流れる流体の流れ方向が略直角に変化する出口側流路のことであることを特徴とする流量制御弁。 - 請求項12に記載の流量制御弁において、
前記流路出口(26)は、前記弁孔(23)の孔径よりも大きい開口径を有し、
前記弁体(1)は、前記流路出口(26)の開口径よりも小さく、且つ前記弁孔(23)の孔径よりも大きい外径を有していることを特徴とする流量制御弁。
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