JP3933688B2 - 回転ディーゼル電気排気ガス再循環弁 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は内燃機関用の排気ガス再循環（ＥＧＲ）に関し、かつ特に専用ではないが、ディーゼル機関における機関の排気ガスの再循環を制御するために特に有用である排気ガス再循環弁に関する。
発明の背景および要約
制御される機関排気ガスの再循環は、内燃機関から大気に排出される燃焼生成物中の窒素酸化物を減少させるために一般に使用される技術である。典型的な排気ガス再循環（ＥＧＲ）装置はＥＧＲ弁を有しており、該弁は機関の運転状態に従って制御され、燃焼温度を制限し、それゆえに窒素酸化物の形成を減少させるように、燃焼するために機関に流入する導入燃料空気流れに再循環される機関の排気ガスの量を調整する。
ピントル型排気ガス再循環（ＥＧＲ）弁が一般に使用されているが、弁通路の内部のピントルの存在のために、流れを導くために利用できる通路の面積が制限され、それゆえに、所定の流れに対して、通路の直径をピントルの存在を考慮して十分に大きくしなければならない。バタフライ型弁は、特にディーゼル機関に適用されるときに、ピントル型と比較してある利点を有する。
排気ガス再循環（ＥＧＲ）弁が典型的なディーゼル機関において遭遇する種々の作動状態は、高い流量が最小限度に制限された状態で導かれなければならずかつ大きい圧力差が排気ガス再循環（ＥＧＲ）弁の前後に発生することができる状態を含む。バタフライ型弁は、低流量に制限された作動状態を提供することができ、かつ該弁はその本来の力を平衡する性質のために該弁を横切る圧力差に対する感度がより低い。しかしながら、ディーゼル機関の用途にバタフライ型弁を十分に利用すると共に、すべての必要な作動状態を満足させるために、ある範囲の回転運動が必要である。バタフライ型弁は、通常、その望ましい特性を利用するために、全開位置と全閉位置との間で実質的に９０°回転させなければならない。
このような運動は、弁に線形アクチュエータおよびリンク仕掛装置により伝達することができるが、リンク仕掛装置は、典型的には、複雑さおよびコストを増大し、かつある用途においては不利になることすらある。
弁の一つの既知の形態は、作動軸を経て運動を伝達する作動装置により作動するときに通路を通じての流体媒体の流れを制限するための弁ブレードが内部に配置された壁部で囲まれた通路を有する本体を含む欧州特許公開第６０４８３５号明細書に開示されている。この弁は、流れを制限するために弁ブレードと接続しているシール装置を備えている。
弁の別の一つの形態は、米国特許第４１９８９４０号明細書に開示されている。この特許は排気ガス再循環（ＥＧＲ）弁を利用する排気ガス再循環装置を開示している。
そのうえ、既知のバタフライ弁が米国特許Ａ−第４２９０６１５号明細書に開示されている。この米国特許は壁部で囲まれた通路内に配置された弁ブレードを備え、該弁ブレードは、弁の位置を選択的に制御するために、作動軸を経て回転トルクモータに作用する関係に連結されている。壁部で囲まれた通路は、さらに、弁ブレードをシールする役目をする壁部で囲まれた通路の内部のみぞ内に配置されたシールリングを含む。
排気ガス再循環（ＥＧＲ）弁は、また、該弁が広範囲の極度の温度および腐食要素にさらされる場合に苛酷な運転環境に耐えることが可能でなければならない。政府の法規が典型的には自動車の機関の排気ガス再循環（ＥＧＲ）装置に適用されているので、排気ガス再循環（ＥＧＲ）弁は、また、このような法規が車両の機関の排気放出制御装置に適用可能である期間をも満足可能でなければならない。
バタフライ弁が全閉されているときに弁本体を貫通する通路の壁部に対する該弁のシールが時々極めて重要になることがある。そのうえ、バタフライ弁のみぞの内部のシールリングの位置もまた、この弁に確実なシールを行うために重要であり、かつシールリングが正しく位置決めされることを保証する場合に技術的な問題が発生する。
本発明によれば、内燃機関用排気ガス再循環（ＥＧＲ）弁であって、本体と、再循環されるべき機関の排気ガスが前記本体に流入する入口と、前記入口に流入した機関の排気ガスを搬送するために前記本体を通じて延在する壁部で囲まれた通路と、機関の排気ガスが前記本体から前記の壁部で囲まれた通路を経て流出する出口と、前記の壁部で囲まれた通路の内部に配置された弁ブレードとを備え、前記弁ブレードは該弁ブレードの選択可能な位置と関係なくシール装置とシール可能に係合するように適合した周囲を有し、さらに、作動装置を備え、該作動装置は前記弁ブレードを前記作動装置により選択的に位置決めするために前記弁ブレードと作動軸により連結され、それにより前記選択可能な位置と関係なく排気ガスの流れを制御可能に制限する排気ガス再循環弁において、
前記弁本体が軸線方向に端と端を接して配置されかつ内部にシールリングが配置された半径方向に内方に開口したみぞを協働して画成するそれぞれの軸線方向に延在する本体部分を備え、それにより前記シールリングの組立および取付けを容易にすることを特徴とする排気ガス再循環弁が提供される。
本発明はシール装置をバタフライ弁に組み込む場合のある不利点を認識し、かつそのようなシール装置のかわりに、通路の壁部のみぞ内に取り付けられたシールリングを備えている。シールリングをバタフライ弁に組み込むかわりにシールリングを通路の壁部に配置することにより、バタフライ弁の質量を最小限度にとどめることができ、それにより指令された位置の変化に対するバタフライ弁の改良された応答性が得られる。バタフライ弁に関するある機械加工作業もまた、回避される。しかしながら、シールリングを壁部のみぞ内に取り付ける作業は、シールリングをバタフライ弁に取り付ける複雑さがシールリングを弁本体に取り付けることに単に変更されないように実施されなければならず、特に回避されるべき作業は複雑な機械加工および組立作業である。
本発明の排気ガス再循環（ＥＧＲ）弁においては、このみぞは、種々の部品を有利に組み立てるために弁本体の２つの軸線方向に端と端を接して接合された部分により協働して画成されている。シールリングおよびバタフライ弁は、組立工程の間に自動調心され、かつこの組立工程それ自体がシールリングおよび２つの組み合わされた部分を捕獲するために弁本体の２つの端と端を接する部分を一緒に取り付けることのみからなり、かつそれと同時にシーリリングに対するバタフライ弁の心出しが保証される。
本発明の弁の好ましい形態は、弁本体部分に対してアルミニウムまたはアルミニウム合金を使用し、かつスチールシールリングとアルミニウム弁本体との間に電池作用が発生する可能性を最小限度にとどめるために、それぞれのステンレススチール要素がシールリングと弁本体との間のみぞの各々の側に配置される。これらの要素の一つの要素は、軸線方向の弾力がシールリングに作用するように弾力で押圧されている。
回転トルクモータもまた、本発明の弁に独特の幾何学的な関係に有利に使用され、かつ弁本体の二部分からなる構造が本発明の弁にこの特徴を組み込むことを容易にしている。トルクモータは、その軸を４５°回転することにより、バタフライ弁を全閉位置から流路を最小限度に制限する位置まで位置決めすることができる。
本発明のその他の特徴、利点および利益は、図面が添付された以下の説明および請求の範囲から理解されよう。これらの図面は、本発明を実施するために現時点で考えられる最良のモードによる本発明の現在での好ましい実施例を開示している。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の原理を包含した排気ガス再循環（ＥＧＲ）弁の第１実施例の長手方向横断面図である。
第２図は第１図の円２の拡大図である。
第３図は異なる作動位置を示す第１図の一部分の図である。
第４図はさらに異なる作動位置を示す第３図と同様な図である。
第５図は例示の目的のみのためにある細部を除外した第２実施例の長手方向断面図である。
第６図は異なる作動位置を示す第５図と同様な図である。
第７図は例示の目的のみのためにある細部を除外した第３実施例の長手方向断面図である。
好ましい実施例の説明
第１図および第２図は閉ざされた位置における本発明の排気ガス再循環弁１０の第１実施例を示す。弁１０は、一緒に連結された本体部分１２ａ、１２ｂを有する弁本体１２と、バタフライ弁（butterfly）１４と、該バタフライ弁を通常作動させるための作動機構１６とを備えている。
本体１２は、再循環させるべき機関の排気ガスが本体部分１２ａに流入する入口１８と、それ自体の軸線２２を有しかつ入口１８に流入した機関の排気ガスを搬送するために本体１２を通じて延在する壁部で囲まれた通路２０と、前記通路２０を通過した機関の排気ガスが本体部分１２ｂから流出する出口２４とを備えている。第１図および第２図は、機関の排気ガスが排気ガス再循環（ＥＧＲ）弁１０を通じて再循環されることが遮断されるように閉ざされた作動位置にあるバタフライ弁１４を示す。通路２０の壁部は、軸線２２のまわりに円形であり、かつ軸線２２はそれぞれの本体部分１２ａ、１２ｂ内の通路２０のそれぞれの部分が同軸をなすように一直線に延在している。バタフライ弁１４は、中央領域１４ｃと境接する円形の周囲１４ｐを有する。円形のシールリング２６が通路２０の壁部内のみぞ２８内に取り付けられ、かつ第１図および第２図はシールリング２６に対して同心のシールする関係にある周囲１４ｐを示す。
作動機構１６は、バタフライ弁１４の中央領域１４ｃが固定された軸３０を備えている。周囲１４ｐが図示した閉鎖位置においてシールリング２６でシールするために同一平面上にありかつ円形であるが、中央領域１４ｃは非円形の穴３２を画成する形状を有する。穴３２内には、軸３０の適合した非円形の遠位端部３０ａが挿入されている。バタフライ弁１４は軸端部３０ａに取り付けられ、それにより軸３０のそれ自体の軸線３４のまわりの回転位置決めによりバタフライ弁１４が作動しかつ排気ガスが取付部を通じて漏洩しないようになっている。軸線３４は軸線２２と実質的に交差しているが、バタフライ弁１４が図示したように閉ざされているときに、本体部分１２ａを通じて延在する軸線２２の部分に対して実質的に約７０°をなしかつ周囲１４ｐの平面に対して実質的に約２０°をなして斜めに延在している。シールリング２６が軸線２２に対して実質的に直角をなしているので、該シールリングは、閉ざされたバタフライ弁１４のように、軸線３４に対して実質的に約２０°の角度をなして配置されている。
第１図において矢印３６の方向に見た場合に、軸３０が時計回りの方向に回転運動を行うときに、バタフライ弁１４が開く。第３図は部分的に開いた位置におけるバタフライ弁１４を示しかつ第４図は最大限度に開いた位置におけるバタフライ弁１４を示す。最大限度に開いた位置においては、周囲１４ｐの平面は、軸線２２に実質的に平行であり、かつバタフライ弁１４は流れに対して実質的に最小限度の制限を与える。第１図の閉弁位置（すなわち、バタフライ弁が通路２０を閉塞する場合の流れを最大限度に制限する位置）から流れを最小限度に制限する第３図の位置までのバタフライ弁１４の合成運動（compound motion）が軸線３４のまわりの軸３０の実質的に４５°の回転に応じてなされる。
このような範囲の運動を必要なトルク、速度および精度により発生することができる電気機械式アクチュエータは、回転トルクモータである。作動機構１６はこのようなアクチュエータ３８を備えている。本体部分１２ａの外部は、軸３０を軸支しかつトルクモータ３８を取り付ける役目をする一体の取付部材４０を備えている。取付部材４０は部分１２ａおよび１２ｂの接合部に最も近くに配置された基部４２と、円形のリム４６に終端するために軸線３４と同軸をなす基部４２から外方にフレアが付けられたほぼ円錐台形の壁部４４とを備えている。肩部が形成された通し穴が基部４２を通じて延在しかつブッシング４８を所定位置に保持する役目を有する。軸３０がブッシング４８を経て軸線３４のまわりに回転運動を行うために軸支されている。軸３０はその取付部からバタフライ弁１４までブッシング４８を通じて延在しかつ壁部４４の内部で終端している。軸３０のブッシング４８および該ブッシングを通しての通路は、排気ガスが壁部４４の内部まで通過することができないように流体密になっている。
トルクモータ３８は、取付部材４０のリム４６に嵌合するリム５０を有するハウジングを備えている。保持リング５２がトルクモータ３８をリム４６上に確実に保持している。トルクモータ３８は、通常のコイル５４と、軸線３４と同軸であるトルクモータの軸線のまわりに通常の電機子５８を位置決めするために組み合わされた固定子構体５６とを備えており、それゆえに同様に符号を付けてある。電機子５８は、固定子構体５６に対して軸線方向に保持されかつ軸線３４のまわりに回転位置決めするために軸支された軸６０を含む。ねじりばね６２が軸線３４のまわりの軸６０を第１図の閉弁位置にあるバタフライ弁１４に相当する位置まで弾性で偏位させるために固定子構体５６と軸６０との間に作用するために軸６０の外側端部に最も近くに配置されている。電流が（図示していない電気端子を経て）コイル５４に次第に増大するように供給されると、次第に増大する電磁トルクが電機子５８に作用し、それにより電機子５８、それゆえに、軸６０が次第に軸線３４のまわりに回転する。この増大するトルクは、ばね６２の増大する逆トルクによる抵抗をうけ、その結果、電機子５８がコイル５４に供給された電流により決定された軸線３４のまわりの位置において最終的に停止する。従って、軸６０の回転位置は、コイル５４に供給された電流の関数であり、かつこの電流は、典型的には、一つまたはそれ以上のアルゴリズムによる関連したセンサからの機関管理コンピュータ処理データを含む機関制御系により検出された種々の作動状態により決定される。機関管理コンピュータにトルクモータの位置フイードバックを供給するために、位置センサ６４がトルクモータハウジングの遠隔端部に取り付けられかつ軸６０の遠隔端部に作用するように結合されている。
壁部４４は、軸６０の回転運動を軸３０に伝達する（couple）ために設置されるべきクリップ６６を提供する開口部６５を備え、それによりトルクモータ３８がバタフライ弁１４の位置決めの完全な制御を行う。それぞれの軸６０、３０に対するクリップ６６の接続は、から動きがせいぜい無視できる程度になりかつ微微たる程度になるように極めて正確である。
本発明の別の特徴は、シールリング２６を通路２０の壁部に取り付ける方法に関する。それぞれの軸線方向に延在する本体部分１２ａ，１２ｂは、軸線方向に端と端とを接して配置されかつ半径方向に内方に開口したみぞ２８を協働して画成している。みぞ２８の内部には、前記シールリング２６が配置されている。みぞ２８は、本体部分１２ａ，１２ｂのそれぞれの対向した軸線方向に面した壁面２８ａ、２８ｂを備えている。このみぞは、半径方向に内方に面した壁面２８ｃを有する。壁面２８ｃは、シールリング２６の外径よりも僅かに大きい円形の直径上に配置されている。みぞ２８に２つの円形リング６７、６８を加えることにより、排気ガス再循環弁１０の構成部分を一緒に組み立てる工程の間にシールリング２６それ自体をみぞ２８の内部に位置決めすることができる。リング６７は、壁面２８ａとシールリング２６のそれぞれの軸線方向に面する端面２６ａとの間に配置され、一方、リング６８は壁面２８ｂとシールリング２６のそれぞれの軸線方向に面する端面２６ｂとの間に配置されている。本体部分１２ａ，１２ｂは、好ましくは、アルミニウムまたはアルミニウム合金製であるので、リング６７、６８は、スチールシールリング２６とアルミニウム弁本体１２との間に電池作用が起きる可能性を減らすためにステンレススチール製である。
リング６８には、該リングを本体部分１２ａの円形みぞ７２内に配置する軸線方向に延在するフランジ７０が形成されている。みぞ７２は本体部分１２ｂに向かって軸線方向に開口しかつ軸線２２と同軸をなしている。みぞ７２もまた、軸線２２に対してみぞ２８の半径方向に外方に隔置されている。リング６８は、フランジ７０からシールリング２６の半径方向に重なり合う端面２６ｂまで半径方向に内方に延在しかつ弾力により反対側のシールリング面２６ａをリング６７に押圧しかつリング６７をみぞの表面２８ａに押圧するための弾性を有する。
２つの本体部分１２ａ、１２ｂを組み立てるために端と端を接して一緒に移動するときに、シールリング２６およびバタフライ弁１４が自動調心される。みぞ７２のさらに半径方向に外側には、排気ガスが２つの組み立てられた本体部分１２ａ、１２ｂの間から漏洩しないように接合流体（joint fluid）を液密にするためのシール７６が設けられている。
第５図および第６図は、軸線２２の部分２２ａ、２２ｂ、２２ｃが同一直線上にない実施例を示す。該実施例では、壁部で囲まれた通路２０が同一直線上にない軸線２２の部分２２ａ、２２ｂ、２２ｃを形成する曲げ部分を備えている。シールリング２６およびみぞ２８は、曲げ部分内に配置されかつ曲げ部分の軸線部分２２ａは、軸線部分２２ｂ、２２ｃに対して実質的に４５°をなしている。第５図は閉弁位置を示し、かつ第６図は開弁位置を示す。円形のバタフライブレード１４が該ブレードの直径上に配置された軸線１４ｘのまわりに４５°回転することが理解できよう。トルクモータ３８は、ブレードの回転軸線１４ｘと同軸をなす軸を有することができかつ該軸はブレードと直接に結合され、かつ２つの本体部分１２ａ、１２ｂの間の接続部は、排気ガスの漏洩を導くことなく、トルクモータからブレードまでの接続部の通過を可能にするために好適に変更されている。シールリングは、第５図および第６図にその細部を明確に示していないが、第１実施例に記載したシールリングと同様な態様で取り付けられている。
第７図は、軸線２２が一直線をなしているが、みぞ２８が通路２０の内側のまわりに延在する円形の突起部８０内に配置された第３実施例を示す。第７図は、前述した二つの実施例と同様に、端と端を接して接合された２つの本体部分１２ａ、１２ｂと、組立の間にシールリングに対するバタフライブレードの自動調心を行うみぞ２８の内部のシールリング２６の装着台とを利用している。トルクモータが第５図および第６図についてまさに記載した態様と類似の態様で同じ４５°の回転をバタフライ弁に伝達するために使用される。
本発明の現在好ましい実施例を例示しかつ記載したが、本発明の原理を次の特許請求の範囲に該当するその他の構造に実施することができることは理解されよう。

Claims (8)

1. 内燃機関用排気ガス再循環（ＥＧＲ）弁（１０）であって、
   本体（１２）と、
   再循環されるべき機関の排気ガスが前記本体（１２）に流入する入口（１８）と、
   機関排気ガスが前記本体（１２）を出て行く出口（２４）と、
   前記本体（１２）を通じて延在する壁部で囲まれた通路（２０）にして、前記入口（１８）を前記出口（２４）に接続し、軸線（２２；２２ａ、２２ｂ、２２ｃ）の回りに形成されている壁部で囲まれた通路（２０）と、
   前記壁部で囲まれた通路（２０）の内部に配置された弁ブレード（１４）にして、中央領域（１４ｃ）と周囲（１４ｐ）とを備えた弁ブレード（１４）と、
   前記壁部で囲まれた通路（２０）を通る排気ガス流を制御するために前記弁ブレード（１４）の複数の位置を選択する作動装置（１６）にして、軸線（３４）を有した作動軸（３０）を有し、該軸は前記弁ブレード（１４）に連結されていて、前記作動装置（１６）の前記軸線（３４）は前記壁部で囲まれた通路（２０）の前記軸線（２２）と角度を成し、前記作動装置（１６）は、前記弁ブレード（１４）を軸線（１４ｘ）回りに最大開位置と閉位置との間で回転させるために、前記軸（３０）を該軸の軸線回りにほぼ４５度の角度範囲で回転させる作動装置（１６）と、
   前記壁部で囲まれた通路（２０）中に形成された溝（２８、８０）内に取り付けられたシール装置（２６、６７、６８）にして、前記弁ブレードが閉位置にある時前記弁ブレード（１４）の前記周囲（１４ｐ）をシールするシール装置（２６、６７、６８）とを有したＥＧＲ弁において、
   前記本体（１２）が、前記壁部で囲まれた通路（２０）の前記軸線（２２；２２ａ、２２ｂ、２２ｃ）に沿って軸線方向に端と端を接して配置されかつ前記シール装置（２６、６７、６８）が配置される半径方向内方に開口した溝（２８；８０）を協働して画成する２つの本体部分（１２ａ、１２ｂ）を備え、
   前記溝（２８；８０）が、前記２つの本体部分（１２ａ、１２ｂ）にそれぞれ形成された軸線方向に対向した壁面（２８ａ、２８ｂ）を有し、
   前記シール装置（２６、６７、６８）が、シールリング（２６）と、該シールリング（２６）を前記溝（２８；８０）内に位置決めする２つの環状リング（６７、６８）とを有し、
   前記環状リング（６７、６８）のそれぞれが前記軸線方向に対向した壁面（２８ａ、２８ｂ）と前記シールリング（２６）の軸線方向端面（２６ａ、２６ｂ）との間にそれぞれ配置され、
   前記環状リング（６７、６８）の一方（６８）が、前記シールリング（２６）の前記軸線方向端面（２６ａ）の一方を前記環状リング（６７、６８）の他方（６７）に弾性的に付勢し、それにより、前記環状リング（６７、６８）の他方（６７）が前記軸線方向に対向した壁面（２８ａ、２８ｂ）の一方（２８ａ）に押圧されていることを特徴とする、排気ガス再循環弁。
2. 前記作動装置（１６）の前記軸線（３４）と前記壁部で囲まれた通路（２０）の前記軸線（２２）との間の前記角度がほぼ７０度である、請求の範囲第１項に記載の排気ガス再循環弁。
3. 前記壁部で囲まれた通路（２０）の前記軸線（２２）が直線であり、前記シールリング（２６）が該軸線（２２）に対してほぼ直角に配置されている、請求の範囲第１項又は第２項に記載の排気ガス再循環弁。
4. 前記壁部で囲まれた通路（２０）が、同一直線上にない軸線部分（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ）を形成する曲げ部分を有し、前記溝（２８）が前記曲げ部分に形成されている、請求の範囲第１項又は第２項に記載の排気ガス再循環弁。
5. 前記本体部分（１２ａ、１２ｂ）がアルミニウムまたはアルミニウム合金であり、前記環状リング（６７、６８）がステンレススチールである、請求の範囲第１項から第４項のいずれか１項に記載の排気ガス再循環弁。
6. 前記溝（２８）が、前記壁部で囲まれた通路（２０）の周りに延在する円形の突起部（８０）には位置されている、請求の範囲第３項に記載の排気ガス再循環弁。
7. 機関の排気ガスが前記本体部分（１２ａ、１２ｂ）の間の前記壁部で囲まれた通路（２０）外に漏洩しないように、前記本体部分（１２ａ、１２ｂ）の間をシールするための、前記溝（２８）の半径方向外方に配置されたシール装置（７６）をさらに備えている、請求の範囲第１項から第６項のいずれか１項に記載の排気ガス再循環弁。
8. 前記作動装置（１６）が前記壁部で囲まれた通路（２０）の外側に配置された回転トルクモータ（３８）を備え、前記作動軸（３０）が前記回転トルクモータ（３８）から前記壁部で囲まれた通路（２０）の中に延在する、請求の範囲第１項から第７項のいずれか１項に記載の排気ガス再循環弁。

Images