JP2015505000A - ポペット弁を有する排気ガス再循環システム - Google Patents

Abstract

【課題】改善された漏洩性を有する廉価で小型な構造の弁を提供する。【解決手段】本体が、第２ダクト２に直交して開口することにより、弁座７を形成する交差点を定める第１ダクト１を有し、弁体８は、閉位置と、弁座７に面して配置されている第１ダクト１の壁５に極めて接近する開位置との間で、弁座７に直交して第１ダクト１内を滑動し、弁体８を閉位置から開位置に動かす手段１２と、弁体８を閉位置に移動させる弾性スプリング機構とを有する少なくとも１つの弁１００を備える排気ガス再循環回路であり、排気管は、弁１００の第１ダクト１に連結され、吸気管は、弁１００の第２ダクト２に連結され、少なくとも、弁体８が閉位置に極めて接近しているとき、排気ガス再循環回路は、ガスの流れが弁体８を閉位置に移動するように、第１ダクト１から第２ダクト２に向かう流れ方向となるように構成されている。【選択図】図４

Description

本発明は、例えば、自動車の燃焼機関の排気ガス再循環（または、英頭文字によるＥＧＲ）回路に使用しうる流量調整弁に関する。

このような弁は、高い流量率を得るために、排気ガスを弁に供給する第１ダクトと、排気ガスを弁から排出する第２ダクトとを備えている。第１ダクトは、第２ダクトと直交し、第２ダクトが連結されることで交差点を規定する連結部に開口する。交差点には、弁体のための弁座が形成される。弁体は、弁体が弁座に押圧される閉位置と、弁体が弁座から離れる広い開位置との間で、第２ダクトの連結部を弁座と直交する方向に滑動する。弁体は、弁座に対する弁体の離隔距離を調整するとともに、排気ガスの通路断面積を調整するため、アクチュエータにより閉位置と開位置との間を移動する。広い開位置では、排気ガスは、最大流量で弁を通過できる。

本発明は、漏洩性が改善され、廉価であるとともに、比較的小型の弁を提供することを目的としている。

本発明の弁は、第２ダクトに直交して開口することにより、弁座を形成する交線を定める第１ダクトを定めている本体と、
閉位置と、弁座に面して配置される前記第１ダクトの壁に極めて接近する開位置との間で、前記弁座に直交して前記第１ダクト内を滑動する弁体と、
前記弁体を前記閉位置から前記開位置に動かす手段と、
前記弁体を前記閉位置に移動させる弾性スプリング機構とを備えている。前記弁体が、前記閉位置に極めて接近しているとき、前記弁は、ガスの流れが、前記弁体を前記閉位置に移動させるように、前記第１ダクトから前記第２ダクトへのガス流の方向が定められた構成を有する。

本発明によれば、前記弁を通過するガスの流れは、弁体を前記閉位置に保持して、前記弾性スプリング機構の動作に寄与する。これにより、前記弾性スプリング機構、および前記弁体を動かす手段の寸法を小さくすることができる。従って、前記弁体が前記開位置に移動し、または、前記弁体が前記開位置に維持される間の前記弁体を動かすような手段の動作を少なくすることができる。さらに、前記弁体、前記第１ダクトおよび第２ダクトの構成は、前記弁の吸入口と排出口との間の経路を最短とし、前記弁体によって生じる弊害を小として、漏洩性を改善することができる。

発明者は、驚くべきことに、このような弁において、ガスが流れる前記開口部を提供することにより、ガスが弁体を介して排出口に到達しなければならないという事実に関連した通常の外乱や圧力低下が生じない、ということを知った。

前記弁は、相補的な形状を有する弁座の縁に支えられる縁状の斜面を有する環状の縁を備えていてもよい。

また、本発明は、前記第１ダクトが排気管に連結され、前記第２ダクトが吸気マニフォールドに連結される、上記のように規定された少なくとも１つの弁を備える排気ガス再循環回路を提供するものである。

さらに、本発明は、本体が、第２ダクトに直交して開口することで弁座を形成する交差点を規定する第１ダクトを有し、弁体が、閉位置と、弁座に面して配置される前記第１ダクトの壁に極めて接近する開位置との間で、前記弁座に直交して前記第１ダクト内を滑動し、前記弁が、前記弁体を前記閉位置から前記開位置に動かす手段と、前記弁体を前記閉位置に移動させる弾性スプリング機構とを有する少なくとも１つの弁により、熱機関の排気ガスを再循環させる方法であって、
−前記第１ダクトは、熱交換器を介して排気管に連結され、
−前記第２ダクトは、直接的または間接的に、吸気管に連結されている方法を提供するものである。

本発明の他の特徴および利点は、本発明の非限定的な一実施形態に関する以下の説明から、明らかになると思う。

以下、図を参照して説明するが、各図の示すところは、次の如くである。
図２のＩ−Ｉ線で縦断した、本発明に係る弁の略図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線で断面して下方へ見た略図で、第２ダクトの内側形状および弁座の形状を示す。 弁の内側を略示する斜視図である。 本発明に係る弁を有する排気ガス再循環回路を備える熱機関の略図である。

図示のように、全体を符号１００で示す弁は、ガス吸入管に連結されている第１ダクト１と、ガス排出管に連結され、第１ダクト１と直交している第２ダクト２とを備えている。

第１ダクト１は、第２ダクト２に連なる連結部３を有している。連結部３は、端壁６によって連結されている互いに向き合う２つの平坦上下の壁４、５を備えている。第２ダクト２は、平坦な下壁４を介して、連結部３に連なっている。下壁４には、弁体８に対応する弁座７が形成されている。弁体８は、連結部３内に収容されている。弁体８は、平らな上壁５に設けられているボア１０に滑動可能に挿入された作動軸９を備えている。ボア１０は、弁座７と直交しており、連結部３に向かって開口している。作動軸９の上端は、アクチュエータ１２に連結され、他端は、弾性スプリング機構に連結されている。これらの全ての要素は、第１ダクト（１）に固定されている。

弁体８は、弁座７に面する円弧状の曲がった回転表面からなる湾曲面１３を有している。湾曲面１３は、弁座７に面する小径の前面１４を有し、弁座７から離れて弁体８の周縁部１５まで連なる曲線形状を有している。周縁部１５では、母線は、滑動方向と直交する平面に接するように延び、この平面に合流している。基台１４は、弁体８を貫通して弁体８に溶接されている作動軸９のアクチュエータ１２とは反対の端部である平坦な端部からなっている。弁体８は、弁座７とは反対側に、ボス１１が中心から延在して突出する平坦な背面１６を有している。

連結部３の端壁６は、弁体８の滑動方向と平行をなすとともに、弁体８を囲撓し、連結領域１７において、第１ダクト１の残りの部分に繋がっている。端壁６は、周縁部１５から所定距離離間している。その目的について、以下に、弁１００の動作と関係づけて説明する。

従って、アクチュエータ１２は、弁体８が弁座７に圧着される完全な閉位置から、図１に示す開位置、すなわち、弁体８が弁座７から離間した位置である弁体８の最大上昇位置まで、弁座７と直交する方向の弁体８の滑動を制御する。弁体８の周縁部１５は、図３に細い鎖線で示す排気ガスの理論上の最大通路断面積２２と合致する弁座７を規定する。

反対に、少なくとも弁体８が閉位置に極めて接近したときに、弾性スプリング機構は、弁体８を、開位置から、排気ガスの流れが弾性スプリング機構の動作に寄与する閉位置まで滑動させる。しかし、弾性スプリング機構は、排気ガスの流入がない場合であっても、弁体８を閉位置に維持する寸法とされている。

広い開位置では、アクチュエータ１２は、弁体８が壁５に極めて接近するように制御される。これにより、弁体８の後ろに排気ガスが流れることが防止され、また、弁体８の上流の排気ガスの流れを妨害する乱流の発生を阻止することができる。この位置では、弁体８は、弁座７よりも壁５により接近する。従って、弁体８と弁座７との間を排気ガスが流れるための残りの空間は、弁体８と壁５との間の残りの空間よりも大きい。そのため、排気ガスが弁体８と弁座７との間を流れることが促進される。

より具体的には、広い開位置では、弁体８のボス１１が壁５に当接し、狭い空間２３が壁５と弁体８との間に残るように、弁体８は、ボア１０を閉塞し、排気ガスにより運ばれるいかなる粒子やほこりがボア１０に入ることを阻止する一方、作動軸９の容易な滑動が影響を受けることを阻止する。弁体８と壁５との間に空間２３が残されているため、弁体８が広い開位置から完全な閉位置まで戻ることを阻止するいかなる吸引効果も回避できる。

壁５の小さな表面領域に対する弁体８の支持により、広い表面領域の支持であれば、例えば作動軸９と弁体８は、厳密には直交していないか、または、壁５もしくは背面１６に、平坦性について欠陥が存在した場合には、作動軸９と弁体８との間の連結部にもたらされる応力が抑制されるものである。

湾曲面１３の目的は、湾曲面１３を通る排気ガスの流れを直交する方向に偏向させ、第２ダクトに向けることである。排気ガスの流れは、湾曲面１３によって導かれるため、第１ダクト１から第２ダクトに流れる排気ガスの流れにおける乱流の発生が抑制され、弁１００を通る流量が改善される。曲がった母線を有する回転表面である湾曲面１３の形状は、弁体８の製造を容易にする。円弧状の母線を有することは、生産を簡単にする上で効果的である。

連結部３の端壁６は、広い開位置において、端部の壁６が弁体８の周縁１５および弁座７に対して、端部の壁６の中央軸１９から連結領域１７に向かって断面積が増加する通路１８を規定するように、周縁部１５から所定距離離間している。より詳細に述べると、端壁６は、中央軸１９と端部の壁６の任意の点との間に規定されるいかなる扇形角θに対しても、この点に近接する端部の壁６と周縁部１５と弁座７との間に局部的に規定される通路断面積２０が、所望の扇形角θにおける周縁部１５と弁座７との間の弁座７に合致する局部的に規定される有効通過面積２１と少なくとも等しくなるように設計されている。有効通過面積２１は、所望の扇形角θにおいて、局部的に規定される理論上の最大通路断面積２２の略半分である。

通路断面積２０は、少なくとも、扇形角θに応じて、１よりも大きい係数ｋによって修正される有効通路断面積２１と等しい。

この場合、係数ｋは、πを扇形角θで割ったラジアン（π／θ）と等しい。従って、θ＝π／４に対しては、通路断面積２０は、有効通路断面積２１の４倍である。０に近い扇形角θの値に対しては、端壁６は、平坦であり、扇形角θが小さい値であっても、通路断面積２０が有効通路断面積２１よりも大きくなるように、中央軸１９において所定の距離ｄだけ弁体８から離間している。扇形角θに依存する係数ｋは、扇形角θの増加に従って増加する排気ガスの局部的な流量を考慮することができる。

このように構成することにより、弁１００には、過大な弾性スプリング機構を組み込む必要がなく、小型の構造を有するスプリング機構とアクチュエータとを使用することができる。

さらに、弁１００の構成は、排気ガスの流れに対して、弁１００の吸入口と排出口との間の経路を最短とし、従って、漏洩性が改善される。図４に示すように、このような弁１００は、しばしば、第１ダクト１が必要に応じて熱交換器２８を介して排気管２４に連結され、第２ダクトが直接的または間接的に吸気管３１に連結されている熱機関の排気ガス再循環（ＥＧＲ）回路に使用される。

このように、熱機関の燃焼室２６から排出される排気ガスの一部は、熱交換器２８側に偏向されて、冷却される。一旦冷却された排気ガスは、アクチュエータ１２に連結されているＥＣＵ（電子制御ユニット）２５により、吸気管３１の内部に射出される排気ガスの量が調整される弁１００に向かって移動する。吸気管３１から供給されるきれいなガスと、弁１００から供給される再循環された排気ガスとが混合される。次いで、この混合ガスは、新たな作動サイクルを遂行可能とするために燃焼室２６に射出される。

もちろん、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、請求項に定義されている本発明の範囲内のいかなる選択的な実施形態を包含するものである。

弁体８を開位置に拘束するための停止手段を、平坦な壁５から突出するボス１１により構成してもよい。

一般に、通路面積２０は、中央軸１９の両側において、おおよそ、０と２π／３との間で変化する扇形角θに対して、１＜ｋ＜π／θである有効断面積２１のｋ倍である。しかしながら、他の大きさも可能である。

第１ダクト１の形状、弁体８の湾曲面１３の形状、および開位置の配置方法の組み合わせは、弁１００を介した流量を最大にするための最適解であるが、請求項で規定されている本発明の他の方法で構成することも可能である。最後に、図４に示される排気ガス再循環回路が組み込まれる熱機関には、燃焼室２６の上流に配置されるコンプレッサ、燃焼室２６の下流に配置される触媒変換器、または、機関の動作を改善する他のいかなる装置等の付加的要素を組み込むことができる。

ターボチャージャ付きエンジンでは、排気ガス再循環回路を、タービンの上流または下流の排気管と、コンプレッサの上流または下流の吸気管とに連結することができる。

１ 第１ダクト
２ 第２ダクト
３ 連結部
４ 下壁
５ 上壁
６ 端壁
７ 弁座
８ 弁体
９ 作動軸
１０ ボア
１１ ボス
１２ アクチュエータ
１３ 湾曲面
１４ 基台
１５ 周縁部
１６ 背面
１７ 連結領域
１８ 通路
１９ 中央軸
２０ 通路面積
２１ 有効断面積
２２ 最大断面積
２３ 空間
２４ 排気管
２５ ＥＣＵ（電子制御ユニット）
２６ 燃焼室
２８ 熱交換器
３１ 吸気管
１００ 弁

Claims (3)

1. 第２ダクト（２）に直交して開口することにより、弁座（７）を形成する交線を定めている第１ダクト（１）を定めている本体と、
   閉位置と、弁座（７）に面して配置されている前記第１ダクト（１）の壁（５）に極めて接近する開位置との間で、前記弁座（７）に直交して前記第１ダクト（１）内を滑動する弁体（８）と、
   前記弁体（８）を前記閉位置から前記開位置に動かす手段（１２）と、
   前記弁体（８）を前記閉位置に移動させる弾性スプリング機構とを有する少なくとも１つの弁（１００）を備える排気ガス再循環回路であって、
   −排気管は前記弁（１００）の前記第１ダクト（１）に連結され、
   −吸気管は前記弁（１００）の前記第２ダクト（２）に連結され、
   少なくとも、前記弁体（８）が前記閉位置に極めて接近しているとき、ガスの流れが、前記弁体（８）を前記閉位置に移動させるように、前記第１ダクト（１）から、前記第２ダクト（２）へのガス流の方向が定められている排気ガス再循環回路。
2. 前記弁（１００）の弁体（８）は、相補的な形状を有する弁座（７）の縁に押圧しうる斜面を有する環状の縁（１５）を備える請求項１記載の排気ガス再循環回路。
3. 第２ダクト（２）に直交して開口することにより弁座（７）を形成する交線を定めている第１ダクト（１）を定めている本体と、
   閉位置と、弁座（７）に面して配置される前記第１ダクト（１）の壁（５）に極めて接近する開位置との間で、前記弁座（７）と直交して、前記第１ダクト（１）内を滑動する弁体（８）と、
   前記弁体（８）を前記閉位置から前記開位置に動かす手段（１２）と、
   前記弁体（８）を前記閉位置に移動させる弾性スプリング機構とを有する少なくとも１つの弁（１００）により、熱機関の排気ガスを再循環させる方法であって、
   −前記第１ダクト（１）は、必要に応じて熱交換器（２８）を介して、排気管に連結され、
   −前記第２ダクト（２）は、直接的または間接的に、吸気管（３１）に連結されている熱機関の排気ガス再循環方法。

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