JP4131829B2 - Egrバルブ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、EGR(Exhaust Gas Recirculation:排気ガス再循環)バルブに関する。
【0002】
【従来の技術】
自動車用ディーゼルエンジンの排気ガス、特に、NOxを低減する方法の一つとしてEGR法がある。EGR法は、エンジンの排気ガスの一部を吸気系に戻して新しい空気(吸入空気)と混ぜて燃焼室に送り込むことにより、酸素の量を減らし燃焼温度を下げてNOxの生成を抑制する方法、である。EGR法はエンジンのポンピングロス(ピストンが吸気を吸い込む仕事)を緩和するので、その分、エンジンの機械効率を向上させることができる。他面、酸素の量が減る分だけ熱効率を下げることになる。また、酸素の量が減ると不完全燃焼を起こし、NOxの低減とは相反してPM(粒子状物質)は増大する。そこで、エンジンの効率を落とさずにNOxを適正に減らすため、また、相反するPMの増大を押えるためには、エンジンに戻す排気ガスの流量をエンジンの運転条件(負荷、回転数)に応じてEGRバルブによって細かく制御する必要がある。
【0003】
エンジンに戻す排気ガスの流量を細かく制御する従来のEGRバルブとしては、EGRバルブの開度を多段階位置決め用アクチュエータによって多段階に調整するものがある(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
ところが、エンジンに戻す排気ガスの流量を段階的に制御するのではエンジンの効率を落とさずにNOxを減らすことと、相反するPMの増大を押えることには限界があるので、排気ガス規制の強化に伴って、エンジンに戻す排気ガスの流量を無段階に制御するEGRバルブの開発が要望されて来ている。エンジンに戻す排気ガスの流量を無段階に制御する従来のEGRバルブとしては、第一弁口を開閉する第一バルブと第二弁口を開閉する第二バルブとが排気ガス還流路に接続されるバルブハウジングに進退自在に挿通されたバルブシャフトに離間して固定されており、このバルブシャフトのリフト位置がステッピングモータによって上下動されるシャフトにより無段階に調整されるように構成されているものがある(例えば、特許文献2参照)。
【0005】
【特許文献1】
実開平7−41008号公報
【特許文献2】
国際公開第99/61775号パンフレット
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一対のバルブが装備されたバルブシャフトの位置をステッピングモータによって無段階に調整することによって排気ガスの流量を無段階に制御するEGRバルブにおいては、一対のバルブが使用されているために、次のような問題点がある。部品点数が多く、かつ、組立作業が複雑であるので、製造コストが増大する。圧力損失が大きいので、排気ガスを多く流すことができない。また、一対のバルブを同時に着座させるための調整が困難であり、バルブを付勢するスプリング力を大きくできないため、シート洩れも大きい。フェイルセーフは断線等によりモータへの電力供給がストップする故障には対応することができるが、モータの固着等の機械的故障には対応することができない。
【0007】
本発明の目的は、部品点数を低減し、組立作業を容易にし、バルブの圧力損失を低減し、シート洩れを低減し、モータの固着等の機械的故障にも対応することができる排気ガス流量の無段階制御可能なEGRバルブを提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項1に係るEGRバルブは、排気ガス再循環路に介設された弁箱と、この弁箱の弁通路に形成された弁座と、この弁座に離着座する弁体と、この弁体を着座させる方向に付勢するバルブスプリングと、この弁体を進退させる弁棒とを有するEGRバルブにおいて、
前記弁箱の前記弁棒側のボデーに形成されたメインシリンダ室と、このメインシリンダ室の中心線の延長線上に形成され、このメインシリンダ室より小径の挿通孔と、前記メインシリンダ室に軸心方向に摺動自在に嵌入されたメインピストンと、このメインピストンの中心線の延長線上に形成され、前記挿通孔に摺動自在に嵌入されたピストンロッドと、前記メインピストンの前記弁棒の中心線の延長線上に形成されたサブシリンダ室と、このサブシリンダ室に軸心方向に摺動自在に嵌入されて前記弁棒に突合するサブピストンと、前記メインシリンダ室と前記サブシリンダ室とを連通させる連通孔と、前記メインシリンダ室に連通して流体を供給排出する給排通路と、前記メインピストンに突合しモータの回転によって軸方向に往復動される操作ロッドとを有することを特徴とするEGRバルブ。
【0009】
前記したEGRバルブにおいては、排気ガスをエンジンに還流させない時には弁体が弁座に着座して弁口を閉じた状態になっている。エンジンの運転条件に応じた排気ガスの流量をエンジンに戻す時には、給排通路から流体がメインシリンダ室に供給されることにより、バルブスプリングの初期弾発力がメインピストン、サブピストンおよび弁棒を介して相殺される。バルブスプリングの弾発力が減少された状態で、操作ロッドがモータの回転によって所定量だけストロークされると、弁棒はメインピストンを介してバルブスプリングの弾発力に抗してストロークされる。この際、バルブスプリングの弾発力が減少されているので、モータによる操作ロッドへの小さな押し下げ力であっても弁棒をバルブスプリングの弾発力に抗してストロークさせることができる。弁体は弁棒、サブピストンおよびメインピストンを介して操作ロッドのストローク量の分だけ弁座から離間されるために、EGRバルブの開度はモータによる回転によって無段階に制御されることになる。モータが逆回転されてEGRバルブの開度が減少されるときには、弁棒がバルブスプリングの弾発力によって押し戻されるので、メインピストンはメインシリンダ室をモータの逆回転に伴う操作ロッドの復帰ストロークに追従して押し戻される。この際、サブシリンダ室には流体が充填された状態になっているので、サブピストンはサブシリンダ室に固定された状態のままを維持している。
【0010】
本発明の請求項2に係るEGRバルブは、前記請求項1のEGRバルブに加うるに、前記ボデーのストローク代室とスプリング設置室との間に第一ブリーザ孔を設けるとともに、弁箱に第二のブリーザ孔を設けたことを特徴とする。
【0011】
モータの作動により前記ボデーのストローク代室とスプリング設置室との容積が変化しても、第一のブリーザ孔および第二のブリーザ孔を通して大気に連通しているので、モータ駆動に抵抗を生ずることはない。
【0012】
本発明の請求項3に係るEGRバルブは、前記請求項1若しくは請求項2に係るEGRバルブに加うるに、前記給排通路のエア源と給排ポートとの間に減圧弁を介装したことを特徴とする。
【0013】
通常、車両のエア源の圧力はブレーキの使用によるエアの消費とエアコンプレッサによるエアの充填の繰り返しにより637〜931kPaの間で圧力が変動しているが、減圧弁を介装しない場合にはEGRバルブにこのまま作用することになる。しかしながら、減圧弁を介装することによりEGRバルブに作用する圧力の変動を小さく押えることができ、これにより、モータの駆動トルクや消費電力等の容量を小さなものにすることが可能となる。
【0014】
本発明の請求項4に係るEGRバルブは、請求項1乃至請求項3の構成を前提として、前記メインピストンの上端部には、ピストンスプリングシートが突設されており、このピストンスプリングシートと前記ボデーとの間にはスプリングが介装されていることを特徴とする。
【0015】
電磁切換弁(30)がオフになり、給排通路(28)が大気に解放されると、サブピストン(24)を介してメインピストン(21)を弁体(6)に押し下げる力がなくなるため、メインピストン(21)の位置決めをしている力がなくなる。したがって、メインピストン(21)はメインシリンダ室(19)内を自由に動くことができるようになり、振動し易い状態になる。ピストンスプリングシート(38)とボデー(12)との間にメインピストンスプリング(40)を介装することによりメインピストン(21)の振動を防止することができる。
【0016】
本発明の請求項5に係るEGRバルブは、請求項4の構成を前提として、前記サブシリンダ室の上端と前記サブピストンとの間にはスプリングが介装されていることを特徴とする。
【0017】
電磁切換弁(30)がオフになり、給排通路(28)が大気に解放されると、サブシリンダ室(23)とメインシリンダ室(19)の圧力が大気圧となってサブピストン(24)を弁体(6)に押し下げる力がなくなるため、サブピストン(24)の位置決めをしている力がなくなる。したがって、サブピストン(24)はサブシリンダ室(23)内を自由に動くことができるようになり、振動し易い状態になる。サブシリンダ室(23)の上端とサブピストン(24)との間にサブピストンスプリング(45)を介装することにより、サブピストン(24)の振動を防止することができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図面に即して説明する。
【0019】
図1に示されているように、本実施の形態に係るEGRバルブ1には無段階位置決め用アクチュエータ11が一体的に組み付けられており、無段階位置決め用アクチュエータ11はEGRバルブ1の弁体6の開度を無段階に制御するように構成されている。EGRバルブ1はディーゼルエンジン(図示せず)の吸気路と排気路とを連絡する排気ガス再循環路(図示せず)の途中に介設されている。すなわち、EGRバルブ1は弁通路3が開設された弁箱2を備えており、弁通路3は排気ガス循環路の途中に介設されるようになっている。弁通路3の途中には弁口4が形成されており、弁口4の周囲には弁座5が形成されている。弁座5には弁体6が離着座するように装着されており、弁体6は弁座5の中心線に沿って進退移動することにより、弁口4の開度を増減調整し得るようになっている。弁体6には弁棒7が一体に形成されており、弁棒7は弁箱2に固定されたガイド8によって摺動自在に支承されている。弁棒7の先端部にはスプリングシート10が装着されており、スプリングシート10と弁箱2の天井壁との間にはバルブスプリング9が蓄力状態で介設されている。つまり、弁棒7はバルブスプリング9によって、弁体6が弁座5に着座される方向に常時付勢されている。
【0020】
無段階位置決め用アクチュエータ11はボデー12を備えており、ボデー12はEGRバルブ1の弁箱2の弁棒7側に最中合わせに組み付けられており、ボデー12および弁箱2に対向して設けられた図示しない3組のフランジのボルト挿通孔にボルトを挿通してナットで締め付けられている。ボデー12と弁箱2との合わせ面間にはバルブスプリング9が設置されたスプリング設置室13が形成されており、ボデー12の上端部にはストローク代室14が形成されている。ボデー12のスプリング設置室13とストローク代室14との隔壁には、第一ブリーザ孔15がスプリング設置室13とストローク代室14とを連通させるように開設されており、スプリング設置室13の弁箱2側の側壁にはフィルタ17を有する第二ブリーザ孔16がスプリング設置室13と大気とを連通させるように開設されている。第一ブリーザ孔15および第二ブリーザ孔16を開設することにより、モータ33の作動によってストローク代室14およびスプリング設置室13の容積が変化しても、モータ33の駆動に抵抗が発生するのを防止することができる。
【0021】
ボデー12のスプリング設置室13とストローク代室14との隔壁における中央部にはシリンダ部18が形成されており、シリンダ部18の弁棒7の中心線の延長線上にはメインシリンダ室19と、メインシリンダ室19よりも小径の挿通孔20とが直列かつ同心円に開設されている。メインシリンダ室19にはメインピストン21が軸心方向に摺動自在に嵌入されており、メインピストン21の上面に連設されたピストンロッド22は挿通孔20に摺動自在に挿通されている。メインピストン21の弁棒7の中心線の延長線上には、サブシリンダ室23が同心円に開設されており、サブシリンダ室23にはサブピストン24が軸心方向に摺動自在に嵌入されている。メインピストン21の下端部外周にはストッパ25が螺着されており、サブピストン24はその底部の周囲がストッパ25に当接した状態で、その底部の中心部に弁棒7の上端が突き当たるように設定されている。メインピストン21よりも小径のピストンロッド22のメインピストン21との接続部には、連通孔26がメインシリンダ室19とサブシリンダ室23とを連通させるように開設されており、シリンダ部18の側壁には給排ポート27がメインシリンダ室19の上端部に連通するように開設されている。給排ポート27には圧力流体としての圧縮空気(以下、エアという。)を供給し排出する給排通路28が接続されており、給排通路28は電磁切換弁30および減圧弁29を介してエア源31に接続されている。減圧弁29を介装したのは、エア源の圧力が637〜931kPaの範囲で変動するので、この圧力変動の影響を避けて、モータを小型化するためである。モータの駆動力に余裕がある場合には、減圧弁29を介装しなくともよい。電磁切換弁30はコントローラ32の指令によって給排ポート27に対するエアの供給と排出とを切り換えるように構成されている。
【0022】
ボデー12の上端面にはDCモータ33が据え付けられており、DCモータ33の中空回転軸の内周面に形成された雌ねじ部には、モータハウジング34に回り止めされて軸方向に摺動自在に支承された操作ロッド35の外周面に形成された雄ねじ部36が螺合されている。ピストンロッド22の上端部のねじ穴39にはピストンスプリングシート38が螺着されており、ピストンスプリングシート38とシリンダ部18との間にはメインピストンスプリング40が蓄力状態で介設されている。また、サブシリンダ室23の上端とサブピストン24との間にはサブピストンスプリング45が介装されている。メインピストンスプリング40を介装した理由は、次の通りである。電磁切換弁30を切り換えて、給排通路28を排気すると、サブシリンダ室23とメインシリンダ室19の圧力が大気圧となってサブピストン24を介してメインピストン21を押し下げる力がなくなるため、メインピストン21の位置決めをしている力がなくなる。したがって、メインピストン21はメインシリンダ室19内を自由に動くことができるようになり振動し易い状態になる。このメインピストン21の振動を防止するのが、メインピストンスプリング40である。同様に、サブピストンスプリング45はサブシリンダ室23内が大気圧となってサブピストン24が自由に振動するのを防止するためである。操作ロッド35の下端はピストンロッド22のねじ穴39の底面に突き当たるように設定されている。DCモータ33はコントローラ32によって回転を制御されることにより、操作ロッド35の上下ストロークを調節するように構成されている。なお、41はステムシール、42、43、44はOリングである。
【0023】
次に、作用および効果を説明する。
【0024】
排気ガスをエンジンに還流させない時には、図1に示されているように、EGRバルブ1は弁体6が弁座5に着座して弁口4を閉じた状態になっている。この際には、バルブスプリング9が弁棒7を上方に強力に付勢することにより、弁体6を弁座5に強力に着座させているために、万一、弁通路3の弁体6の下流側(エンジン側)における圧力が上流側(排気管側)の圧力よりも高くなった場合であっても、弁体6が弁座5から離座して弁口4を開いてしまう事態は確実に防止することができる。また、弁体6が弁座5に強力に着座されているので、シート洩れも低減することができる。
【0025】
コントローラ32はエンジンの運転条件に応じてEGRバルブ1によるエンジンに戻す排気ガスの流量に対応した弁体6の開度を求めるとともに、その開度に対応した操作ロッド35をストロークさせるためのDCモータ33の回転数を演算して、電磁切換弁30に切換信号を送信するとともに、DCモータ33に所定の制御信号を送信する。電磁切換弁30が切り換えられると、エア源31のエアが減圧弁29および電磁切換弁30を介して給排通路28から給排ポート27に供給されることにより、メインシリンダ室19にはメインピストン21を押し下げ力が作用し、かつ、サブシリンダ室23にはサブピストン24をストッパ25に押し付ける力が作用するために、弁棒7にはスプリングシート10を介してバルブスプリング9を押し縮めようとする力が作用する。このエア圧によるバルブスプリング9を押し縮めようとする力は、実際にはバルブスプリング9を押し縮めないが、バルブスプリング9の弾発力を減少させる。例えば、300Nの初期弾発力を50Nに減少させる。
【0026】
バルブスプリング9の弾発力が減少された状態で、図2に示されているように、DCモータ33の回転によって操作ロッド35が下降されると、メインピストン21を介して弁棒7はバルブスプリング9の弾発力に抗して押し下げられる。この際には、バルブスプリング9の弾発力が充分に減少しているために、DCモータ33による操作ロッド35の小さな押し下げ力であっても弁棒7をバルブスプリング9の弾発力に抗して押し下げることができる。換言すると、バルブスプリング9の初期弾発力を大きく設定しても、DCモータ33による操作ロッド35の小さな押し下げ力によって弁棒7を押し下げる作動を達成することができる。つまり、バルブスプリング9の強力な弾発力によって弁体6を弁座5に確実に着座させることができるとともに、DCモータ33による操作ロッド35の小さな押し下げ力によって弁体6を弁座5から離座させることができる。
【0027】
図2においては、操作ロッド35がフルストロークした場合すなわちEGRバルブ1が全開した場合が示されているが、EGRバルブ1の開度はDCモータ33の回転による操作ロッド35のストローク量の調整によって無段階に制御することができる。すなわち、弁体6は弁棒7、サブピストン24およびメインピストン21を介して操作ロッド35のストローク量の分だけ弁座5から離間されるために、EGRバルブ1の開度はDCモータ33による回転によって無段階に制御されることになる。そして、EGRバルブ1の開度の無段階の制御に対応してエンジンに戻される排気ガスの流量を無段階に細かく制御することができるので、エンジンを運転条件に対応して精密に制御することができ、エンジンの効率を落とさずにNOxを適正に減少させることができる。
【0028】
なお、DCモータ33が逆回転されてEGRバルブ1の開度が減少されるときには、弁棒7がバルブスプリング9の弾発力によって押し上げられるので、メインピストン21はメインシリンダ室19をDCモータ33の逆回転に伴う操作ロッド35の上昇に追従して押し上げられることになる。この際にも、サブシリンダ室23にはエアが充填された状態になっているので、サブピストン24はストッパ25に押し付けられた状態のままを維持している。
【0029】
ところで、弁体6が弁座5から離座した状態のままでDCモータ33が故障してロックすると、EGRバルブ1が開いたままの状態になってしまうことにより、排気ガスがエンジンに運転条件にかかわらず還流されてしまうために、エンジンの熱効率が低下するばかりでなく、排気管から黒煙が吹き出す不具合が発生するおそれがある。
【0030】
本実施の形態に係るEGRバルブ1においては、弁体6が弁座5から離座した状態のままでDCモータ33が故障等によってロックしても、図3に示されているように、電磁切換弁30が切換位置から通常位置に戻ると、サブシリンダ室23のエアが連通孔26、メインシリンダ室19、給排ポート27、給排通路28、電磁切換弁30および減圧弁29を経由して大気に排出されるので、弁棒7はバルブスプリング9の弾発力によってサブピストン24をサブシリンダ室23に対して押し上げることにより、弁体6を弁座5にバルブスプリング9の弾発力によって着座させることができる。このようにして、DCモータ33のロックが発生しても、EGRバルブ1による排気ガスのエンジンへの還流を防止することができるので、エンジンの熱効率の低下や排気管からの黒煙の吹出現象の発生は防止することができる。
【0031】
以上説明した本実施の形態によれば、EGRバルブの開度を無段階に制御することができるので、排気ガスの再循環量を運転状況に対応して細く最適制御することにより、ディーゼルエンジンのNOx量をディーゼルエンジンの性能を損なわずにきわめて効果的に低減させることができる。
【0032】
EGRバルブの開度を単一の弁体によって無段階に制御する構成であるので、部品点数や組立工数を低減させることができ、EGRバルブひいてはディーゼルエンジンの製造コストを低減することができる。また、弁通路が単純な構成になるので、EGRバルブの圧力損失を小さく抑制することができ、エンジンに戻す排気ガスの流量を大きく設定することができる。
【0033】
EGRバルブの弁体を弁座に着座させるバルブスプリングの初期弾発力を大きく設定することができるので、シート洩れを低減することができるとともに、弁通路のエンジン側における圧力が排気管側における圧力よりも大きくなった場合であっても弁体が弁座から離座するのを防止することができる。
【0034】
DCモータのロックが発生しても、EGRバルブによる排気ガスのエンジンへの還流を防止することができるので、エンジンの熱効率の低下や排気管からの黒煙の吹出現象の発生は防止することができる。
【0035】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変更が可能であることはいうまでもない。
【0036】
例えば、圧力流体としては、圧縮空気(エア)を使用するに限らず、油圧を使用してもよい。また、モータはDCモータを使用するに限らず、ステッピングモータやその他のモータを使用してもよい。
【0037】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、エンジンの吸気系に戻す排気ガスの流量を無段階に制御することができるので、排気ガスの再循環量を運転状況に対応して細く最適制御することにより、ディーゼルエンジンのNOx量をディーゼルエンジンの性能を損なわずにきわめて効果的に低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態であるEGRバルブを示す正面断面図である。
【図2】その開弁時の作動を示す正面断面図である。
【図3】そのDCモータの異常時の作動を示す正面断面図である。
【符号の説明】
1…EGRバルブ、2…弁箱、3…弁通路、4…弁口、5…弁座、6…弁体、7…弁棒、8…ガイド、9…バルブスプリング、10…スプリングシート、11…無段階位置決め用アクチュエータ、12…ボデー、13…スプリング設置室、14…ストローク代室、15…第一ブリーザ孔、16…第二ブリーザ孔、17…フィルタ、18…シリンダ部、19…メインシリンダ室、20…挿通孔、21…メインピストン、22…ピストンロッド、23…サブシリンダ室、24…サブピストン、25…ストッパ、26…連通孔、27…給排ポート、28…給排通路、29…減圧弁、30…電磁切換弁、31…エア源、32…コントローラ、33…DCモータ、34…モータハウジング、35…操作ロッド、36…雄ねじ部、38…ピストンスプリングシート、39…ねじ穴、40…メインピストンスプリング、41…ステムシール、42、43、44…Oリング、45…サブピストンスプリング。
Claims (5)
- 排気ガス再循環路に介設された弁箱と、この弁箱の弁通路に形成された弁座と、この弁座に離着座する弁体と、この弁体を着座させる方向に付勢するバルブスプリングと、この弁体を進退させる弁棒とを有するEGRバルブにおいて、
前記弁箱の前記弁棒側のボデーに形成されたメインシリンダ室と、このメインシリンダ室の中心線の延長線上に形成され、このメインシリンダ室より小径の挿通孔と、前記メインシリンダ室に軸心方向に摺動自在に嵌入されたメインピストンと、このメインピストンの中心線の延長線上に形成され、前記挿通孔に摺動自在に嵌入されたピストンロッドと、前記メインピストンの前記弁棒の中心線の延長線上に形成されたサブシリンダ室と、このサブシリンダ室に軸心方向に摺動自在に嵌入されて前記弁棒に突合するサブピストンと、前記メインシリンダ室と前記サブシリンダ室とを連通させる連通孔と、前記メインシリンダ室に連通して流体を供給排出する給排通路と、前記メインピストンに突合しモータの回転によって軸方向に往復動される操作ロッドとを有することを特徴とするEGRバルブ。 - 前記ボデーのストローク代室とスプリング設置室との間には第一ブリーザ孔が開設されており、前記弁箱には第二のブリーザ孔が開設されていることを特徴とする請求項1に記載のEGRバルブ。
- 前記給排通路のエア源と給排ポートとの間には減圧弁が介装されていることを特徴とする請求項1または2に記載のEGRバルブ。
- 前記メインピストンの上端部には、ピストンスプリングシートが突設されており、このピストンスプリングシートと前記ボデーとの間にはスプリングが介装されていることを特徴とする請求項1、2または3に記載のEGRバルブ。
- 前記サブシリンダ室の上端部と前記サブピストンとの間にはスプリングが介装されていることを特徴とする請求項4に記載のEGRバルブ。
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