JP5673602B2 - バルブ装置 - Google Patents
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Description
なお、以下では、バルブの全閉位置(流路内壁に対してバルブが垂直の角度位置)を基準(0°)とし、全閉位置(以下、0°位置と称す)より開弁方向を「プラス側(プラス方向)」、0°位置より開弁方向とは異なる方向を「マイナス側(マイナス方向)」として説明する。
バルブ駆動用のアクチュエータを制御装置によりコントロールするバルブ装置として、特許文献1に開示される排気ガス再循環装置が知られている。
特許文献1の排気ガス再循環装置は、EGRバルブのアクチュエータを制御装置によってコントロールする構成を採用して、「デポジット掻き落とし制御」を実施可能なものである。
・バルブを0°位置よりプラス側に回動させるプラス回動と、
・バルブを0°位置よりマイナス側に回動させるマイナス回動と、
を交互に行うものである。
この作動により、バルブ周囲のクリーニングを実施して、エンジンの停止中に冷えたデポジットによってバルブが閉弁固着する不具合や開弁時のトルク上昇を回避することができる。
上記「デポジット掻き落とし制御」を実施するためには、上述した「マイナス回動」を実施する必要があり、バルブの回動範囲を0°位置よりマイナス側(例えば−10°)まで設ける必要がある。
このため、従来技術では、バルブを初期開度へ戻すリターンスプリングとして、
・プラス側に回動しているバルブを0°位置へ戻す第1スプリングと、
・マイナス側に回動しているバルブを0°位置へ戻す第2スプリング(第1スプリングとは逆巻きのデフォルトスプリング)と、
を組み合わせたダブルスプリングを採用している。
このダブルスプリングは、両巻バネであるため、スプリング構造が複雑となり、コストアップの要因になってしまう。
・「第1スプリングの端部(自由端)」、
・「第2スプリングの端部(自由端)」、
・「第1スプリングと第2スプリングの接合部分に設けられる中間フック」、
の3箇所の組付けを実施する必要があり、組付け工数が多くなってしまう。
そこで、ダブルスプリングを廃止して、バルブを全閉方向のみへ付勢するシングルスプリング(単巻バネ)を採用することができる。
シングルスプリングを採用することにより、「スプリング構造の簡素化」と「組付けの簡易化」が可能になり、コストを抑えることができる。
メカストッパは、シングルスプリングの付勢力に抗してバルブの停止位置を0°位置に規制するものであり、2つの部材(回動部材と固定部材)の突当箇所によって設けられる。
即ち、バルブを閉弁させる際は、バルブの減速制御を実施する必要が生じる。このため、シングルスプリングを採用する場合には、バルブを0°位置へ回動する際の応答性(即ち、全閉応答性)が劣化する問題点がある。
メカストッパによるバルブのストッパ位置は、0°位置よりマイナス側に設定されるものであり、以下においてストッパ位置を−α°位置と称するものであり、0°位置から−α°位置までに所定のオーバーターン範囲が設けられる。
さらに、制御装置は、バルブの開度を「0°位置〜全開位置の範囲のみ」で制御するものであり、アクチュエータが停止すると(イグニッションスイッチのOFF)、リターンスプリングの付勢力によりバルブが0°位置よりマイナス側に回動し、−α°位置にて停止する。
即ち、本発明により、アクチュエータのリターンスプリングにシングルスプリングを採用しても全閉応答性を低下させることを回避できる。
排気ガス再循環装置(バルブ装置の一例)は、エンジンの排出した排気ガスの一部をEGRガスとしてエンジンの吸気側へ戻すものであり、EGRバルブ1と、このEGRバルブ1を制御するECU2(エンジン・コントロール・ユニットの略:制御装置の一例)とを備える。
EGRバルブ1は、EGR流路3(流体通路の一例)に固定されたノズル4の内側を開閉可能なバタフライ型のバルブ5と、このバルブ5を開閉駆動する電動アクチュエータ6(アクチュエータの一例)とを備える。
このメカストッパ8によりバルブ5が停止する−α°位置は、0°位置よりマイナス側に設定されるものであり、0°位置から−α°位置までに所定のオーバーターン範囲θが設定される。
そして、イグニッションスイッチがOFFされると(即ち、エンジンが停止し、ECU2による電動アクチュエータ6の通電制御が停止すると)、リターンスプリング7のバネ力のみによりバルブ5がマイナス側へ回動し、メカストッパ8の突き当たりによってバルブ5が−α°位置にて停止する。
なお、以下の実施例において、上記[発明を実施するための形態]と同一符号は、同一機能物を示すものである。
排気ガス再循環装置は、排気通路を流れる排気ガスの一部を吸気通路へ戻すEGR流路3の開閉および開度調整を行なうEGRバルブ1を少なくとも備えるものであり、このEGRバルブ1がECU2により制御される。
なお、以下では、図1の図示上側を上、図示下側を下と称して説明するが、この上下は実施例の説明のための方向であり、限定されるものではない。
・内部にEGR流路3の一部を形成するハウジング11と、
・EGR流路3中に配置されるバルブ5と、
・このバルブ5を支持するシャフト12と、
・このシャフト12に回転力を付与する電動アクチュエータ6と、
を備える。
・通電により回転動力を発生する電動モータ13と、
・この電動モータ13の回転トルクを増幅してシャフト12に伝達する歯車減速機14と、
・バルブ5(シャフト12)を閉弁方向のみに向けて付勢するリターンスプリング7と、・バルブ5(シャフト12)の開度を検出する回転角センサ15と、
を備える。
ハウジング11は、アルミニウム合金のダイカスト製であり、ハウジング11の内部に形成されるEGR流路3の内壁には、耐熱性、耐腐食性に優れた部材(ステンレス)によって設けられた円筒形状を呈したノズル4が固定配置されている。このノズル4の内周は、ハウジング11内のEGR流路3の一部の内壁を成す。
バルブ5の外周縁には、バルブ5とノズル4の内周壁の隙間を無くすシールリング16が設けられている。なお、このシールリング16の詳細は後述する。
バルブ5はシャフト12の下端に固定されるものであり、シャフト12と一体にバルブ5が回動する。なお、バルブ5とシャフト12の結合技術は限定されるものではなく、例えば、溶接技術やネジ等によって結合されるものである。
また、ハウジング11とシャフト12の間には、シャフト12とハウジング11との間からEGRガスが洩れ出るのを防ぐシール部材18が配置される。
そして、ハウジング11に形成されたモータ収容室に電動モータ13が収容され、ハウジング11とギヤカバー19との間に形成された空間に、歯車減速機14およびリターンスプリング7等が収容される。
・電動モータ13と一体に回転するモータギヤ(ピニオンギヤ)21と、
・このモータギヤ21によって回転駆動される中間ギヤ22と、
・この中間ギヤ22によって回転駆動される最終ギヤ(バルブギヤ)23と、
からなり、最終ギヤ23はシャフト12と一体に回動する。
中間ギヤ22は、大径ギヤ22aと小径ギヤ22bが同芯で設けられた2重歯車であり、ハウジング11とギヤカバー19とにより支持される支持軸24によって回転自在に支持される。そして、大径ギヤ22aがモータギヤ21と常に噛合し、小径ギヤ22bが最終ギヤ23と常に噛合する。
最終ギヤ23は、シャフト12の端部とカシメにより固定される締結プレートをインサートしてなる大径の外歯歯車であり、噛合歯(外歯)はバルブ5の回動に伴う範囲のみに設けられている。そして、最終ギヤ23は、モータギヤ21→大径ギヤ22a→小径ギヤ22bの順で減速により増幅された回転トルクをシャフト12に伝達する。
具体的に、回転角センサ15は、2つの部材の相対回転を非接触で検出する磁気型センサであり、最終ギヤ23の内部にインサートされてシャフト12と一体に回転する略筒状を呈する磁気回路部25と、ギヤカバー19に取り付けられて磁気回路部25に対して非接触に配置される磁気検出部26とで構成され、この磁気検出部26の発生する電圧信号(ホールICの出力信号)がECU2に与えられる。
なお、フィードバック制御は周知なものであり、例えば、PI制御やPID制御などのフィードバック技術を用いてバルブ5の開度を目標開度に収束させるものである。
EGRバルブ1には、バルブ5を閉弁方向のみに向けて付勢するリターンスプリング7が設けられる。
このリターンスプリング7は、図3に示すように、一方向のみに巻かれたコイルバネよりなるシングルスプリングであり、図1に示すように、シャフト12の周囲に同軸的に配置される。
メカストッパ8は、バルブ5の閉弁方向の回動限界を機械的に規制するものであり、回動部材と固定部材との突当箇所によって設けられる。
この実施例のメカストッパ8は、最終ギヤ23に設けられて外径方向へ突出するストッパ突起(ストッパレバー)31と、ハウジング11の内壁(最終ギヤ23等の収容壁)に設けられた段差面32とにより構成される。そして、バルブ5がマイナス側へ回動し、ストッパ突起31が段差面32に突き当たることで、バルブ5が−α°位置において停止する。
一方、電動アクチュエータ6を介してバルブ5の開度を制御するECU2は、バルブ5を「0°位置〜全開位置の範囲のみ」において制御するものである。
即ち、ECU2は、バルブ5の目標開度を「0°位置〜全開位置の範囲のみ」に設定するものであり、0°位置よりマイナス側に目標開度を設定しない。
この実施例のオーバーターン範囲θは、「アンダーシュート角θ1」に「余裕角θ2」を加算して設定される。
この「アンダーシュート角θ1」は、図4に示すように、ECU2がフィードバック制御を用いてバルブ5を開弁側から0°位置に操作する際、バルブ開度が0°位置を通り越してマイナス側にオーバーする最大角(予測される最大のアンダーシュート量)である。
一方、「余裕角θ2」は、「アンダーシュート角θ1」にバルブ開度が達した状態で あっても、メカストッパ8の突き当たりを回避するのに用いる衝突回避角であり、部品公差を含むものである。
また、「余裕角θ2」は、「例えば1°以上、好ましくは2°以上」に設定されるものである。
この実施例のオーバーターン範囲θは、−α°位置が「閉弁不感帯」の範囲内に収まるように設定される。
この「閉弁不感帯」は、バルブ5の開度が0°位置の前後に変化してもシールリング16によって閉弁状態が保たれる開度範囲である。
バルブ5の外周縁には、バルブ5とノズル4の隙間を無くすシールリング16が組付けられる。このシールリング16は、バルブ5の外周縁に全周に亘って形成された環状溝(シールリング溝)に嵌め入れられるものである。
この構成により、バルブ5が0°位置に対してプラス側およびマイナス側の所定範囲内で回動しても、シールリング16の外周縁がノズル4の内壁に接して、実質的に閉弁状態が保たれる。このように、バルブ5が回動しても実質的に閉弁状態が保たれる範囲が「閉弁不感帯」である。
そこで、この実施例では、オーバーターン範囲θを、バルブ5が−α°位置で停止した状態であっても実質的な閉弁状態が保たれるように「5°」に設定するものである。
即ち、この実施例は、「アンダーシュート角θ1」が「3°」であり、「余裕角θ2」を「2°」に設定するものであり、−α°位置が「閉弁不感帯」の範囲内に収まるように設けられる。もちろん、この数値は実施例説明のための数値であり、限定されるものではない。
この実施例の排気ガス再循環装置は、上記構成を採用することにより、電動アクチュエータ6によってバルブ5が開弁側から0°位置へ駆動されても、オーバーターン範囲θによってメカストッパ8の突き当たりが回避される。
このことを具体的に説明すると、電動アクチュエータ6によってバルブ5が開弁側から0°位置へ駆動された際、バルブ5が「アンダーシュート角θ1」によってマイナス側へ回動しても、「アンダーシュート角θ1」+「余裕角θ2」により設定されたオーバーターン範囲θによってメカストッパ8の突き当たりが回避される。
このように、この実施例の排気ガス再循環装置では、電動アクチュエータ6のリターンスプリング7にシングルスプリングを採用してEGRバルブ1の低コスト化を可能にし、さらに全閉応答性を高めることができる。
この実施例の排気ガス再循環装置は、イグニッションスイッチがOFFされると、リターンスプリング7のバネ力のみによりバルブ5がマイナス側へ回動し、メカストッパ8の突き当たりによってバルブ5が−α°位置において停止する。
このリターンスプリング7のバネ力のみによりメカストッパ8が突き当たる速度(具体的には、ストッパ突起31が段差面32に突き当たる速度)は、電動アクチュエータ6による突き当たり速度に対して非常に遅い。
このため、メカストッパ8の破損(具体的には、最終ギヤ23の折損)を防ぐことができ、EGRバルブ1の信頼性を高めることができる。
この実施例の排気ガス再循環装置は、上述したように、−α°位置が「閉弁不感帯」の範囲内に収まるように設定されるため、バルブ5が−α°位置で停止した状態であっても実質的な閉弁状態が保たれる。
これにより、エンジン始動後バルブ全閉状態が継続した場合でもバルブ全閉洩れ量が抑えられるため、エミッションの悪化を抑止することができる。
この実施例の排気ガス再循環装置は、万が一に何らかの理由により電動アクチュエータ6が停止した場合でも、リターンスプリング7の付勢力によりバルブ5が全閉方向に戻される。このため、予期せぬ不具合が生じた場合でも、エンジンの燃焼状態を良好に保つことができる。
3 EGR流路(流体通路)
5 バルブ
6 電動アクチュエータ(アクチュエータ)
7 リターンスプリング
8 メカストッパ
Claims (5)
- 回動変位することで排気ガスが通過する流体通路(3)内を開閉可能なバルブ(5)と、このバルブ(5)を開閉駆動するアクチュエータ(6)と、このアクチュエータ(6)の作動を制御することで前記バルブ(5)の開度を制御する制御装置(2)とを具備するバルブ装置において、
このバルブ装置は、一方向のみに巻かれたシングルスプリングによって設けられて前記バルブ(5)を閉弁方向のみに向けて付勢するリターンスプリング(7)と、前記バルブ(5)の閉弁方向の回動限界を機械的に規制するメカストッパ(8)とを備えるものであり、
前記流体通路(3)の流路内壁に対して前記バルブ(5)が垂直の角度位置を0°位置とし、
前記バルブ(5)の0°位置を基準として、0°位置より開弁方向をプラス側、0°位置より開弁方向とは異なる方向をマイナス側とした場合、
前記メカストッパ(8)によって前記バルブ(5)が停止する−α°位置は、0°位置よりマイナス側に設定されて、0°位置から前記−α°位置までに所定のオーバーターン範囲(θ)が設けられ、
前記制御装置(2)は、前記バルブ(5)の開度を0°位置から全開位置の範囲のみで制御するものであり、
イグニッションスイッチがオフされると、前記リターンスプリング(7)のバネ力のみにより前記バルブ(5)がマイナス側へ回動して−α°位置で停止することを特徴とするバルブ装置。
- 請求項1に記載のバルブ装置において、
前記アクチュエータ(6)は、前記バルブ(5)の開度を検出する回転角センサ(15)を備え、
前記制御装置(2)は、前記回転角センサ(15)の検出角に基づいて前記バルブ(5)を目標角にフィードバック制御するものであり、
このフィードバック制御を用いて前記バルブ(5)を開弁側から0°位置に操作する際に、0°位置からマイナス側にオーバーする最大角をアンダーシュート角(θ1)とした場合、
前記オーバーターン範囲(θ)は、前記アンダーシュート角(θ1)に余裕角(θ2)を加算して設定されることを特徴とするバルブ装置。
- 請求項1または請求項2に記載のバルブ装置において、
前記バルブ(5)の外周縁にはシールリング(16)が設けられ、
前記−α°位置は、前記バルブ(5)の開度が変化しても前記シールリング(16)によって閉弁状態が保たれる閉弁不感帯の範囲内に設定されることを特徴とするバルブ装置。 - 請求項1〜請求項3のいずれか1つに記載のバルブ装置において、
前記アクチュエータ(6)は、通電により回転トルクを発生する電動モータ(13)と、この電動モータ(13)の回転トルクを増幅する歯車減速機(14)とを備える電動アクチュエータ(6)であり、
前記メカストッパ(8)は、前記歯車減速機(14)の最終ギヤ(23)と、前記電動アクチュエータ(6)を収容するハウジング(11)との突当箇所によって設けられることを特徴とするバルブ装置。 - 請求項1〜請求項4のいずれか1つに記載のバルブ装置において、
このバルブ装置は、エンジンの排出した排気ガスの一部をEGRガスとして前記エンジンの吸気側へ戻す排気ガス再循環装置であることを特徴とするバルブ装置。
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