JP4987087B2 - 排気ガス循環バルブ弁体機構 - Google Patents

Description

この発明は、エンジン排気ガスを吸気通路へ循環させる排気ガス循環バルブに取り付けられ、流路の開閉を行うための排気ガス循環バルブ弁体機構に関するものである。

従来、エンジン排気ガスを吸気通路へ循環させる排気ガス循環バルブは、バルブを支持する支持軸が軸方向に往復動作することにより弁体が往復動作して排気ガス循環量を調整するポペット式と、弁体を支持する支持軸が軸芯周りに回転動作することにより弁体が回転し、排気ガス循環量を調整するバタフライ式が公知である。

図７は従来のバタフライ式の弁体を用いた排気ガス循環バルブの構成を示す図であり、図７（ａ）はその断面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＺ−Ｚ線断面図を示している。排気ガス循環バルブ９の排気ガス循環量を調整する弁体９５は、弁体９５を動作させる支持軸９３で支持され、支持軸９３は排気ガス通路を形成するハウジング９１に設けられた軸受９２により支持される。また、ハウジング９１により支持されたアクチュエータ（図示せず）により支持軸９３を回転動作させることによって弁体９５が回転し、ハウジング９１に支持されたバルブシート９４との間に開口通路を形成し、排気ガス循環量を調整する。

また図７（ａ）に示すように、この従来の排気ガス循環バルブ９では、開口通路内で弁体９５が回転動作するため、弁体９５の閉弁時にバルブシート９４のシール面９４ａに対して弁体９５のシール面９５ａが接触する際の入射角度Ｄがほぼ０度となる。排気ガス中には煤などの粒子物質が含まれ、これら粒子物質が開口通路内壁面またはバルブシート９４に堆積するため、バルブシート９４のシール面９４ａに対して弁体９５が接触する際の入射角度Ｄが０度であると、粒子物質がバルブシート９４と弁体９５の間に噛み込まれ、弁体９５の開閉動作に支障をきたす場合があった。

この対策として、図８に示すバタフライ式の弁体を用いた排気ガス循環バルブ９では、弁体９５と接触するバルブシート９４ｂを略Ｌ字形状とし、弁体９５の閉弁時にバルブシート９４ｂのシール面９４ｃに対して弁体９５のシール面９５ｃが接触する際の入射角度が約９０度となるように構成している。

従来のバタフライ式の弁体は以上のように構成されているので、弁体閉弁時に粒子物質がバルブシートと弁体の間に噛み込まれて弁体の開閉動作を阻害する、あるいは、バルブシート上に軸部が存在するため弁体とのシール面を形成することができず、弁体閉弁時の気密性を確保しにくいという課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、バルブシートに対する弁体の入射角度を所定値に維持して密着動作性を向上させると共に、バルブシート上に存在した軸部をずらすことでバルブシートの軸部にシール面を形成して弁体閉弁時の排気ガスの漏れを抑制することを目的とする。

この発明に係る排気ガス循環バルブ弁体機構は、管状の流体通路を有するハウジングと、ハウジングに回動可能に配設された支持軸と、ハウジング内に形成されるバルブシートと、支持軸により回動されて流体通路を開閉する弁体とからなる排気ガス循環バルブの弁体機構において、支持軸の中心を弁体が接触するバルブシートのシール面の中心線から離間させる一次偏心と、支持軸の中心を弁体外周の中心から離間させる二次偏心と、弁体のシール面及びバルブシートのシール面を構成する円錐形状の頂点を、支持軸の反対側に位置させると共に、ハウジングの中心線に対して傾斜させる三次偏心とからなり、弁体は、支持軸に対して平行方向に短径、および支持軸に対して垂直方向に長径を有する概略楕円形状を有し、且つ概略楕円形状において支持軸を中心としてより大きい面積を有する側の縁部が切り取られているものである。

この発明によれば、支持軸の中心を弁体が接触するバルブシートのシール面の中心線から離間させる一次偏心と、支持軸の中心を弁体外周の中心から離間させる二次偏心と、弁体のシール面及びバルブシートのシール面を構成する円錐形状の頂点を、支持軸の反対側に位置させると共に、ハウジングの中心線に対して傾斜させる三次偏心とからなり、前記弁体は、支持軸に対して平行方向に短径、および支持軸に対して垂直方向に長径を有する概略楕円形状を有し、且つ概略楕円形状において支持軸を中心としてより大きい面積を有する側の縁部を切り取って構成したので、弁体閉弁時にバルブシートと弁体の密着動作性を向上させることができる。また、弁体閉弁時に粒子物質を噛み込むのを防ぎ、弁体のスムーズな開閉動作を維持することができる。

この発明の実施の形態１に係る排気ガス循環バルブ弁体機構を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る排気ガス循環バルブ弁体機構の三重偏心形を概念的に示す図である。 この発明の実施の形態１に係る排気ガス循環バルブ弁体機構の閉弁動作を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る排気ガス循環バルブ弁体機構の他の構成を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る排気ガス循環バルブ弁体機構の構成を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る排気ガス循環バルブ弁体機構の構成を示す説明図である。 従来のバタフライ弁の構成を示す図である。 従来のバタフライ弁の構成を示す図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための最良の形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る排気ガス循環バルブ弁体機構を示す図であり、図１（ａ）はその断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ−Ｘ線断面図を示している。図２は、この発明の実施の形態１に係る排気ガス循環バルブ弁体機構の三重偏心形を概念的に示す図である。
図１及び図２を用いてこの実施の形態１に係る排気ガス循環バルブ弁体機構の構成について説明する。排気ガス循環バルブ１は、内部に略円筒形状のハウジング２を有し、ハウジング２内の流路は、軸受３によって支持軸４に回動自在に軸支された円板状の弁体５が配設されている。支持軸４の一端部は、排気ガス循環バルブ１の外部の延出し、アクチュエータ（図示せず）に連結され、アクチュエータの駆動力により、弁体５を回転駆動させる。支持軸４と共に弁体５が回転することにより、ハウジング２の流体通路を開閉する。なお、支持軸４の表面にはクロムメッキなどが施されている。

ハウジング２の流体通路内周面には、内径方向に突出するバルブシート２ａが一体成型されている。バルブシート２ａは先細り形状を有しており、この先細り形状の先端部には弁体５と密着するシール面２ｂが形成されている。一方、弁体５の外周部は先細り形状を有し、この先細り形状の先端部にはバルブシート２ａと密着するシール面５ａが形成されている。弁体５の閉弁時には、バルブシート２ａのシール面２ｂと弁体５のシール面５ａが密着して流路を閉止する。シール面２ｂとシール面５ａの密着部分の幅は同一となるように構成している。図１（ａ）のＩ及びＩＩにおいて、シール面２ｂとシール面５ａの構成を拡大して示している（以下、他の図においては省略）。

ハウジング２、支持軸４及び弁体５はそれぞれ相互に偏心した三重偏心形を備えている。図２に示すように排気ガス循環バルブ１は、回転軸となる支持軸４の中心Ｏをバルブシート２ａのシール面２ｂと弁体５のシール面５ａの接触面の中心線Ｐから偏心させる一次偏心Ａ、支持軸４の中心Ｏを三次偏心前のバルブシート２ａと弁体５のシール面５ａの中心線Ｑ、すなわち、弁体５外周の中心線Ｑ（ハウジング２の中心線Ｑ）から偏心させる二次偏心Ｂ、及びバルブシート２ａのシール面２ｂと弁体５のシール面５ａの接触面を構成する円錐６の中心線Ｒをハウジング２の中心線Ｑに対して傾斜させる三次偏心Ｃ、の三重偏心形により構成されている。この三重偏心形により、支持軸４は循環排気ガスの流れＥに対して下流側に位置するように配設されている。

バルブシート２ａのシール面２ｂ及び弁体５のシール面５ａは、一次偏心Ａ、二次偏心Ｂ及び三次偏心Ｃにより形成される円錐６を斜めに切断した際に形成される概略楕円形状を有している。また、シール面２ｂ及びシール面５ａは、支持軸４に対して平行方向で概略楕円形状の短径となり、支持軸４に対して垂直方向では概略楕円形状の長径となる。シール面２ｂ及びシール面５ａは、円錐６を斜めに切断した概略楕円形状を有することから、シール面２ｂとシール面５ａの接触面が弁体５の中心線Ｐに対して垂直に交わる平行部と、シール面２ｂとシール面５ａの接触面が弁体５の中心線Ｐに対して鋭角に交わるテーパ部が形成される。具体的には、図２において弁体５上部に平行部（２ｂ´、５ａ´）が形成され、この平行部（２ｂ´、５ａ´）から１８０度回転した弁体５下部に最大の傾斜を有するテーパ部（２ｂ´´、５ａ´´）が形成される。

シール面２ｂとシール面５ａには、平行部（２ｂ´、５ａ´）からテーパ部（２ｂ´´、５ａ´´）に向けて連続的に傾斜角を増加させたテーパ面が形成される。この構造により、シール面２ｂ及びシール面５ａをハウジング２の流路内周面の全周に設けることができる。また、シール面２ｂ及びシール面５ａを概略楕円形状とすることにより、バルブシート２ａに対する弁体５の係止及び離間をスムーズに行うことができる。なお、円錐６は、図２に示すように頂点Ｇを有し、この頂点Ｇは平行部（２ｂ´、５ａ´）におけるシール面２ｂとシール面５ａの接線Ｓ上に存在する。この接線Ｓはハウジング２の中心線Ｑに対して平行である。

また、シール面２ｂとシール面５ａは同一の概略楕円形状を有しているが、シール面２ｂの内径はシール面５ａの外径よりも若干大きく構成されている。これは、外気に接するハウジング２に形成されたシール面２ｂと外気に接触しない弁体５に形成されたシール面５ａでは、循環排気ガスの熱により膨張率の差が生じるので、この膨張率の差を吸収するためである。これにより、バルブシート２ａと弁体５の密着性を大きく損なうことなく、嵌合性を向上させることができる。

図３は、この発明の実施の形態１に係る排気ガス循環バルブ弁体機構の閉弁動作を示す図である。入射角度Ｄは、バルブシート２ａのシール面２ｂに対して弁体５のシール面５ａが密着する際の弁体５の入射角度を示している。この入射角度Ｄを５度以上８０度以下に設定することにより、弁体５の閉弁時にバルブシート２ａと弁体５の密着動作性を向上させることができる。また、入射角度Ｄを５度以上８０度以下に設定することにより、弁体５の閉弁時に循環排気ガス中に含まれる粒子物質がシール面２ｂとシール面５ａの間に噛み込まれるのを防ぎ、弁体５の開閉動作をスムーズに行うことができる。

一方、三重偏心形の弁体５は、図１において示したように支持軸４の中心Ｏを三次偏心前のバルブシート２ａと弁体５のシール面５ａの中心線Ｑ、すなわち、弁体５外周の中心線Ｑ（ハウジング２の中心線Ｑ）から偏心させる二次偏心Ｂ、及び弁体５のシール面５ａを構成する円錐６の中心線Ｒをハウジング２の中心線Ｑから傾斜させる三次偏心Ｃにより形成されているため、弁体５の形状が支持軸４に関して非対称となる。そのため、図１（ａ）に示すように、ハウジング２を循環する循環排気ガスの流れＥから弁体５が受ける面圧力によって支持軸４に回転力Ｆが加わり、弁体５が開弁する方向にトルクが加わる。一般的に弁体５に加わるトルクは自動閉弁力以下であることが望ましく、この回転力Ｆを抑制する必要がある。

そこで、弁体５に加わる回転力Ｆを抑制する構造を示す。図４はこの発明の実施の形態１に係る排気ガス循環バルブ弁体機構の他の構成を示す図であり、図４（ａ）はその断面図、図４（ｂ）は弁体の正面図である。
図４に示す構成では、支持軸４を中心線としてより広い面積を有する側の弁体５（図４において、弁体５の下側部分）の弁体縁部５ｂを削除する。支持軸４に関して弁体５が受ける面圧力による回転力Ｆがキャンセル又は一定以下となるように弁体縁部５ｂを削除して弁体５を構成することにより、循環排気ガスの流れＥから受ける面圧力を均一化することができる。また、弁体縁部５ｂを削除すると共にバルブシート２ａの突出量を弁体縁部５ｂの削除量に合わせて増加させ、バルブシート２ａのシール面２ｂと弁体５のシール面５ａとが密接するように形成する。

さらに、排気ガス循環バルブ１に弁体５を自動で閉弁させる自動閉弁機構（図示せず）を設ける場合には、弁体縁部５ｂの削除量を調整し、弁体５に加わる回転力Ｆを自動閉弁機構の自動閉弁力以下に調整してもよい。また、図１では支持軸４を循環排気ガスの流れＥに対して下流側に配設しているが、弁体５の自動閉弁力を優先する場合には、支持軸４に対して弁体５の上側部分と下側部分の面積を調整して、弁体５に加わる回転力を図１に示した回転力Ｆの逆方向となるように構成してもよい。さらに、偏心形を構成する際に、一次偏心Ａの偏心量を支持軸４の半径よりも大きく、且つ、二次偏心Ｂの偏心量を一次偏心Ａの偏心量よりも小さくすることにより、支持軸４に加わる回転力Ｆを最小限に抑制する。

以上のように、この実施の形態１によれば、排気ガス循環バルブ弁体機構を三重偏心形により構成したので、ハウジング内に円周を形成するバルブシートのシール面及び弁体のシール面を設けることができる。

また、この実施の形態１によれば、バルブシートのシール面と弁体のシール面が密着する際の弁体の入射角度を５度以上８０度以下に設定することにより、弁体閉弁時のバルブシートと弁体の密着動作性を向上させることができる。さらに、弁体閉弁時に循環排気ガス中に含まれる粒子物質が弁体とバルブシートの間に噛み込まれるのを防ぎ、弁体のスムーズな開閉動作を維持することができる。

また、この実施の形態１によれば、支持軸を循環排気ガスの流れに対して下流側に設けるように構成したので、循環排気ガスに含まれる煤などが支持軸の軸受部などに入り込むのを防ぎ、支持軸のスムーズな回転動作を維持することができる。

また、この実施の形態１によれば、バルブシートをハウジングの内径方向に突出させるように構成したので、バルブシートのシール面の加工が容易となる。また、バルブシート及び弁体の各シール面の幅がほぼ同一となるように構成したので、各シール面の加工工程を最小限に抑えることができる。

また、この実施の形態１によれば、支持軸に関して非対称である三重偏心形の弁体について、支持軸を中心として広い面積を有する側の弁体の縁部を削除するように構成したので、循環排気ガスの流れにより弁体が受ける面圧力によって支持軸に加わる回転力を操作することができる。また、排気ガス循環バルブ内の高圧条件下においても、小さい駆動力で弁体を任意の開度に動作させることができる。

また、この実施の形態１によれば、支持軸の表面にはクロムメッキなどのめっきを施すように構成したので、支持軸が循環排気ガスに含まれる煤などが付着するのを低減する。

なお、上述した実施の形態１では、支持軸を中心線としてより広い面積を有する側の弁体縁部の面積を抑制する構成を示したが、支持軸を中心線としてより狭い面積を有する側の弁体縁部を伸張させて面積を増加させる構成としてもよく、この場合にも弁体が受ける面圧力が均一化され、支持軸に加わる回転力を調整することができる。

実施の形態２．
上述した実施の形態１において、支持軸に加わる回転力を調整するために弁体縁部を削除する構成を示したが、この実施の形態２に係る排気ガス循環バルブ弁体機構では、三重偏心により形成される円錐と相似な円錐形状を用いて支持軸に加わる回転力を抑制する構成を示す。図５はこの実施の形態２に係る排気ガス循環バルブ弁体機構の構成を示す図であり、図５（ａ）はその断面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＹ−Ｙ線断面図を示している。なお、図６は実施の形態１に係る排気ガス循環バルブ弁体機構の構成を示す図であり、この実施の形態２との差異を明示するために記載している。以下では、実施の形態１に係る排気ガス循環バルブ弁体機構の構成要素と同一の部分には実施の形態１で使用した同一の符号を付して説明を省略または簡略化する。

図５（ａ）では第１の円錐６と第２の円錐７を示している。第１の円錐６は上述した実施の形態１において示した三重偏心により形成された円錐である。一方、この実施の形態２に係る第２の円錐７は、第１の円錐６と相似な形状を有すると共に第１の円錐６よりも小さい形状を有する円錐であり、その頂点は円錐６の中心線上に位置し、かつ円錐６と同様の三次偏心の傾斜を有する。

図５（ａ）に示すように、第２の円錐７は弁体８の中心線Ｐに対して垂直方向に延びるバルブシート２ａのシール面２ｂの平行部（２ｂ´）と弁体８のシール面８ａの平行部（８ａ´）の接線Ｓを有している。第１の円錐６も同様に、図６に示すように弁体５の中心線Ｐに対して垂直方向に延びるバルブシート２ａのシール面２ｂの平行部（２ｂ´）と弁体５のシール面５ａの平行部（５ａ´）の接線Ｓを有している。つまり、実施の形態２に係る弁体８のシール面８ａの平行部（８ａ´）の位置は、実施の形態１に係る弁体５のシール面５ａの平行部（５ａ´）の位置と同一である。

一方、第２の円錐７を形成するバルブシート２ａのシール面２ｂと弁体８のシール面８ａの最大傾斜を有するテーパ部（２ｂ´´，８ａ´´）の接線Ｔは、第１の円錐６を形成するバルブシート２ａのシール面２ｂと弁体５のシール面５ａの最大傾斜を有するテーパ部（２ｂ´´，５ａ´´）の接線Ｕよりも第１の円錐６の内側に位置するように構成されている。第２の円錐７と第１の円錐６は相似な形状を有していることから、接線Ｔと接線Ｕは平行である。

図５（ａ）に示すように、弁体８は第１の円錐６よりも小さい第２の円錐７に内接するように形成されているため、弁体５よりも外径が小さい。図６に示した弁体５と比較すると弁体８のシール面８ａの平行部（８ａ´）から最大の傾斜を有するテーパ部（８ａ´´）に向けて徐々に連続的に外径が減少している。弁体８の外径が減少することに伴い、バルブシート２ａの突出量がシール面２ｂの平行部（２ｂ´）から最大の傾斜を有するテーパ部（２ｂ´´）に向けて徐々に増加している。つまり、実施の形態２のバルブシート２の突出量は、実施の形態１のバルブシート２の突出量よりも大きい。なお、実施の形態１と同様に、シール面２ｂの内径をシール面８ａの外径よりも若干大きく構成し、バルブシート２ａと弁体８の嵌合性を向上させている。また、シール面２ｂとシール面８ａの密着部分の幅は同一となるように構成している。

バルブシート２ａのシール面２ｂ及び弁体８のシール面８ａは、第２の円錐７を斜めに切断した際に形成される概略楕円形状を有する。この概略楕円形状を図５（ｂ）に示している。第２の円錐７は第１の円錐６よりも小さいので、図１（ｂ）の概略楕円形状と比較してシール面２ｂの内径及びシール面５ａの外径が共に小さくなると共に、支持軸４を中心線とした弁体５の上側部分と下側部分の面積の非対称性が減少している。これによりハウジング２を循環する循環排気ガスの流れＥから弁体５が受ける面圧力により支持軸４に加わる回転力Ｆを調整することができる。

さらに、第１の円錐６と第２の円錐７は相似形状であるため、バルブシート２ａのシール面２ｂと弁体８のシール面８ａが密着する際の弁体５の入射角度Ｄを５度以上８０度以下に設定することが可能となり、バルブシート２ａと弁体８の密着動作性を損なうことがない。

以上のように、この実施の形態２によれば、三重偏心により形成した第１の円錐に対して相似形状を有する第２の円錐を形成し、この第２の円錐を斜めに切断した際に形成される概略楕円上にバルブシート及び弁体の各シール面を形成するように構成したので、バルブシートに対する弁体の入射角度を所定値以上に設定することが可能となり、バルブシートと弁体の密着性を損なうことがない。また、支持軸を中心とした弁体の非対称性が減少するため、弁体が循環排気ガスの流れから受ける面圧力を均一化することができ、支持軸に加わる回転力を抑制することができる。

以上のように、この発明に係る排気ガス循環バルブ弁体機構は、三重偏心構造により、弁体閉弁時にバルブシートと弁体の密着動作性を向上させ、弁体閉弁時に粒子物質を噛み込むのを防ぎ、弁体のスムーズな開閉動作を維持することができる構成にして、排気ガスが漏れることなく吸気通路へ循環させるようにしたので、車両用の排気ガス循環バルブなどに用いるのに適している。

Claims (9)

1. 管状の流体通路を有するハウジングと、
   前記ハウジングに回動可能に配設された支持軸と、
   前記ハウジング内に形成されるバルブシートと、
   前記支持軸により回動されて流体通路を開閉する弁体とからなる排気ガス循環バルブの弁体機構において、
   前記支持軸の中心を前記弁体が接触する前記バルブシートのシール面の中心線から離間させる一次偏心と、
   前記支持軸の中心を前記弁体外周の中心から離間させる二次偏心と、
   前記弁体のシール面及び前記バルブシートのシール面を構成する円錐形状の頂点を、前記支持軸の反対側に位置させると共に、前記ハウジングの中心線に対して傾斜させる三次偏心とからなり、
   前記弁体は、前記支持軸に対して平行方向に短径、および前記支持軸に対して垂直方向に長径を有する概略楕円形状を有し、且つ前記概略楕円形状において前記支持軸を中心としてより大きい面積を有する側の縁部が切り取られていることを特徴とする排気ガス循環バルブの弁体機構。
2. 管状の流体通路を有するハウジングと、
   前記ハウジングに回動可能に配設された支持軸と、
   前記ハウジング内に形成されるバルブシートと、
   前記支持軸により回動されて流体通路を開閉する弁体とからなる排気ガス循環バルブの弁体機構において、
   前記支持軸の中心を前記弁体が接触する前記バルブシートのシール面の中心線から離間させる一次偏心と、
   前記支持軸の中心を前記弁体外周の中心から離間させる二次偏心と、
   前記弁体のシール面及び前記バルブシートのシール面を構成する円錐形状の頂点を、前記支持軸の反対側に位置させると共に、前記ハウジングの中心線に対して傾斜させる三次偏心とからなり、
   前記弁体は、前記支持軸に対して平行方向に短径、および前記支持軸に対して垂直方向に長径を有する概略楕円形状を有し、且つ前記概略楕円形状において前記支持軸を中心としてより小さい面積を有する側の縁部が拡張されていることを特徴とする排気ガス循環バルブの弁体機構。
3. バルブシートのシール面に対する弁体の入射角度を５度以上８０度以下とすることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の排気ガス循環バルブの弁体機構。
4. 一次偏心の離間量を支持軸の半径以上とし、且つ、二次偏心の離間量を前記一次偏心の離間量以下とすることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の排気ガス循環バルブの弁体機構。
5. バルブシートのシール面の内径は、弁体のシール面の外径よりも大きいことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の排気ガス循環バルブの弁体機構。
6. 支持軸は、ハウジングを流れる流体の下流側に設けることを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載の排気ガス循環バルブの弁体機構。
7. バルブシートのシール面は、ハウジングの内径方向に突出していることを特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれか１項記載の排気ガス循環バルブの弁体機構。
8. 弁体のシール面とバルブシートのシール面は略同一の幅を有することを特徴とする請求項７記載の排気ガス循環バルブの弁体機構。
9. 支持軸は、表面にめっきを施していることを特徴とする請求項１から請求項７のうちのいずれか１項記載の排気ガス循環バルブの弁体機構。

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