JP5735432B2 - 液冷式排気バルブ組立品 - Google Patents

Description

この出願は、２００９年１２月１１日に出願された米国実用新案登録出願番号１２／６３６，１２３と、２００８年１２月１２日に出願された米国仮出願番号６１／１２１，９３６に基づく優先権を主張する。

本開示は、排出量を調整するためのバルブを用いた排気部品に関する。後述の例と議論は一般的に排気ガスの熱回収活用に関し、ここで議論される一般的な概念は非制限的な例により、当業者に排気ガス部品の熱保護やＥＧＲ（排気ガスの再循環）システムのようなその他の“排気ガス用途”にも適用可能であると理解される。

このセクションは、必ずしも先行技術ではない本開示に関連した背景情報を提供する。

自動車製造と全体の輸送部門は、ますますの厳しい政府規制に直面している。例えば、より低いレベルの汚染物質の排出のための命令や、より高い燃料効率のための要求（現在は、しばしば、より低い二酸化炭素の排出レベルと表現されている）が、しきりに締め付けている。しかしながら、過去に首尾よく用いられていた自動車システムは、この新しい環境において、もはや適切でないことが判明している。それゆえに、新しい法律、命令および要求に合うように、自動車メーカーは、新しい技術やシステムを採用し、および／または既存の技術とシステムの修正を行わなければならない。

燃料経済と汚染物質の排出レベルの両方に影響を与える自動車のシステムの一つは、排気システムである。自動車エンジニアは、これらの地域における政府の命令に合うように助ける排気システムの新しい方法を探している。例えば、エンジンの排気からの熱は回収が可能であり、スタートアップ時の（エンジン、トランスミッションやトランスアクスルオイルなどの）自動車の作動流体を温めるためや、摩擦を減らすための冷却操作条件において使われ、効率を向上させ、燃料経済を上昇させる。改善されたエンジン冷却液の温めもまた、運転手や通行人を快適にするのに望ましい、なぜならば、これは自動車のキャビンをより素早く温めるのに使われ、冷却スタートアップ時により少ない時間でフロントガラスの霜取りを行うのに使われる。そして、新しいエンジン技術のため、効率的なＮＯｘトラップのような新しい排気部品は、亜酸化窒素を発生するスモッグを減らすためのいくつかの排気システムが含まれる。これらの排気部品は、しばしばピーク効率を保持するための注意深い熱調整を要求し、そうでなければ、高価な貴金属の大量の添加物が変換効率を保持するために要求されるだろう。

これらの理由などから、自動車メーカーは、彼らのゴールに到達する彼らの自動車に対して非標準の排気システム部品の付加を検討している。特に、排気ガスの流れや経路の制御は新しい要求になりつつある。排気システムにおけるガスの流れを制御するための熱交換器と排気バルブは、新しい排気システムのデザインを可能にする。排気システムにおける熱交換器もまた使用される、例えば、さもなければ排気管で失ってしまう熱を回収するために、また、自動車システムの全体の効率を上昇させるその他の構造に用いられる。この例は、消耗排気ガスエネルギーからのスチームの発生であり、これは、電気の発生に用いられたり、直接的な自動車の駆動力のための原動力に変換される。

排気ガス熱交換器の機能は、エンジンが稼働している全体の時間が要求され、それゆえに、停止機能が要求され、同様に、熱交換器のレベルは、所定の機能の１００％未満の水準に制御される必要があるかもしれない。これらの場合のように、熱交換器の中の排気ガスの流れを制御するいくつかの方法が要求される。

多くの現代のガソリンエンジンは、排気ガスを９５０℃〜１０５０℃の間の温度に到達させる。今日の多くの排気バルブのデザインは、この部品がその耐用年数を費やす極端な熱環境を反映する。多くの排気バルブの種類がある一方、高価で、耐熱性の素材がいつも使われ、デザインは、製造するにあたり相対的に複雑である。加えて、もし、排気バルブが外面的に高い温度でふるまわれると、バルブのアクチュエーターは、遮蔽または、より高価で高い温度の素材の使用を必要とする。

本開示は、連結された熱交換器を流れる同じ流体であってもよい作動流体により活発に冷却された低コストの排気バルブを提供するである。

排気システムは、排気システムの全部または一部を流れる排気流れの調整を必要とする特徴または部品を含んでもよい。排気流れの調整は、第２流路または排気チャンネルに入る排気ガスの流路変更を含んでもよく、エンジン冷却液またはその他の熱移動流路を通る熱交換器を含んでもよい。排気ガスの流路は、全開流れの所定の割合に抑制され、または調整される方法などにより制御されてもよく、第１チャンネルを通る流れの完全な停止を含んでも含まなくてもよい。

本開示によれば、排気バルブ組立品は、排気流れの調整を達成するのに用いても良く、この排気バルブは、前記熱交換器の前または後ろに置かれてもよい。前記バルブ組立品は、バルブシャフト、バルブボディ、ダイバータ、を含んでもよい。本開示によれば、エンジン冷却液またはその他の冷却流体が通るバルブボディの流路で、熱交換器に入るのも出るのも、バルブシャフトに近接して送られる。これはバルブ部品を比較的冷たく保持し、より低コストの構造を可能にし、バルブ組立品のより信頼できる操作を可能にする。

本開示によれば、前記バルブは、バタフライタイプ（シャフトから両方向に進む）でもよく、または、前記バルブは、“二峰性”でもよく、すなわち、“平坦な”タイプは、シャフトの一方だけから進む。前記バルブは、両端が軸受表面によって支えられていても良いし、片持ち梁のよう一端だけで支えられていてもよい。

加えて、前記バルブボディは、排気流れの制御および調整のための分離されたチャンネルを作るための形状になっていてもよい。これらのチャンネルは、それぞれ独立して配置されてもよく；分岐したチャンネルを作るための共通の壁に配置されてもよく；他方の中に一つのチャンネルが配置されてもよい。

適用性のさらなる範囲は、ここでの記述から明らかになる。本開示における記述と特定の実施例は、説明を目的とすることのみを意図したものであり、本開示の目的の制限を意図するものではない。

ここに記載の図面は、選択された実施形態の説明のみを目的とするものであり、全ての可能な実施形態ではなく、本開示の目的の制限を意図するものではない。

図１は、本開示の技術による排気バルブの概略断面図である。

図２は、ダイバータとバルブボディの第２実施形態の概略断面図である。

図３ａと３ｂは、排気部品の熱交換器の下流に備えられる排気バルブ組立品の第１実施形態の説明図であり、バルブオープン（バイパスモード）とクローズド（熱交換器モード）の流路の排気ガスを示す。

図４ａと４ｂは、排気部品の熱交換器の上流に備えられる排気バルブ組立品の第２実施形態の説明図であり、バルブオープン（バイパスモード）とクローズド（熱交換器モード）の流路の排気ガスを示す。

図５は、排気バルブ組立品の第３実施形態の透視図である。

図６ａと６ｂは、第３排気バルブ実施形態の操作を示す断面図である。

対応する参照する数字は、図のいくつかの視野の対応する部分を示す。

実施形態は、添付図面の参照により十分に記載される。

実施形態はこの開示が徹底され、当業者にこれらの目的を十分に伝えるように提供される。多数の特定の詳細として、本開示の実施形態の理解の徹底のための特定の部品、製品などの例が記載される。特定の詳細が採用されることは、当業者によって明らかであり、実施形態は多くの異なる形態で具現化され、開示の目的を制限するように解釈されない。いくつかの実施形態において、よく知られた方法、よく知られた製品、構造、およびよく知られた技術は詳細に記載されていない。

ここで用いられる専門用語は、記載している特定の例の目的のみであり、制限することを意図していない。ここで用いられているように、単数形の“ａ”、“ａｎ”および“the”は、明らかにそうでないと記載されていなければ、複数形と同様に用いられるかもしれない。用語の“含む”、“含む”、“含む”および“有する”は、包含的であり、それゆえに、記載の特徴、整数、工程、操作、要素および／または部品の存在を明確にするが、存在または１以上のその他の特徴、整数、工程、操作、要素、部品、および／または群それに関して、排除しない。

要素または層が、その他の要素または層に対して“の上に”、“関与する”、“に接続する”または“と結合する”と記載されていた場合、それは、直接的に要素または層“の上”にあり、“関与”し、“接続”し、または“結合”していたり、介在している要素または層が存在しているかもしれない。一方、要素が他の要素または層に対して“直接的に〜の上に”、“直接的に関与する”、“直接的に接続する”、“直接的に結合する”と記載されていた場合には、介在している要素または層は存在しないかもしれない。要素間の関係を記述するのに用いるその他の単語は、同様に解釈されるべきである（“〜の間”に対して“直接的に〜の間”、“隣接した”に対して“直接的に隣接した”など）。ここで用いられているように、“および／または”は、列挙された要素の１以上の組み合わせのいずれかおよびすべてを含む。

第１、第２、第３などの用語は、ここで様々な要素、部品、範囲、層、および／またはセクションを記述するのに用いられるかもしれないが、これらの要素、部品、範囲、層、および／またはセクションは、これらの用語に限られるべきではない。これらの用語は、他の範囲、層、またはセクションから１の要素、部品、範囲、層、またはセクションを区別するためにのみ用いられてもよい。“第１”、“第２”、などの数字の用語は、文脈によって明らかに示されていない限り、順序や順番を示すのに使用されるものではない。このように、第１要素、部品、範囲、層またはセクションの後で議論された後は、第２要素、部品、範囲、層またはセクションと、本実施形態の教示から離れることなく、呼ばれる。

“内側の”、“外側の”、“の真下に”、“より下に”、“下の方”、“の上に”、“上の”などの空間に関係する用語は、図面におけるその他の要素、または特徴に対する１の要素または特徴の関係の記述の容易さにより用いられてもよい。空間に関係する用語は、図面に描かれた方向に付加する使用または操作の異なる方向性を含んでもよい。例えば、もし、図面における製品が回転していれば、他の要素または特徴の“より下に”、“の真下に”、と記載された要素は、他の要素または特徴の“の上に”の向きになるだろう。このように、例の用語“より下に”は、“の上に”と“より下に”の両方の向きを含む可能性がある。製品は、別の方法で方向づけられ（９０℃回転されたり、その他の方向に）、空間に関係する記載は、適宜解釈される。

図１はバルブシャフト１とダイバータ４を備えるバルブボディ１０を含む排気バルブ組立品２０である。この実施形態において、ダイバータ４は、バタフライタイプのダイバータプレート２およびリング形状のダイバータ３の組立品である。前記バルブボディ１０は、好ましくは、必然的ではないが、ステンレス鋼などの耐熱素材を用いた鋳造工程により製造される。前記バルブボディ１０は、２つの分離した流路を作る外壁８と内壁７を有する。第１軸方向流路５は、前記バルブボディ１０の中心に配置される。第２流路６は、前記軸方向流路５の周りを環状型に配置される。前記排気バルブ組立品２０は、バルブシャフト１の角度位置の制御により、前記第１と第２の流路５，６を通る排気ガスの選択的な調整を可能にする。

前記バルブシャフト１の回転は、バルブシャフトの端位置１３へのアクチュエーター（図示なし）の取り付けにより成し遂げられる。前記バルブプレート２とダイバータリング３は、比較的薄い（約２〜３ミリメートル）耐熱素材から製造されてもよい。前記素材は、適用温度に依存しても良い。例えば、オーステナイトステンレス鋼は、高温のガソリンエンジンに用いられてもよい。前記バルブプレート２は、平らなシートから、切ったり、押したりしてもよく、円形であってもなくてもよい。前記ダイバータ４は、溶接されても、ブレーズドしても、押されてもよく、そうでなければ、前記バルブシャフト１に付着していてもよい。前記バルブシャフト１は、高温のステンレス鋼から形成されてもよい。前記バルブプレート２のくぼみに対応することにより、ダイバータリング３およびバルブシャフト１は、部品が確実に配置され、一致することを可能にする。

図１に示す前記バルブボディ１０は、エンジン／自動車の冷却システムに接続する冷却液経路１１を含む。比較的狭い温度範囲で前記バルブシャフト１の軸受表面とバルブボディ１０を保持するために、前記冷却液経路１１は、前記バルブシャフト１に近接して配置される。冷却なしでバルブに接触するような、広い温度範囲からの前記バルブシャフト１の軸受座面と前記バルブボディ１０の隔離により、これらの部品の耐久性は大いに高められ、より低コストの素材が使用される。冷却効果は前記バルブシャフト１と前記バルブボディ１０の間の一致する表面における剥離を防ぐ。前記バルブシャフト１のメインシール表面と前記バルブボディ１０の間の接触は、固定器具１９により行われるスプリング１８により保持されてもよい。加えて、前記バルブシャフト１のＯ-リング２１は、排気バルブ組立品２０の外側へのガス漏れを防ぐ。冷却液連結部は、前記バルブボディ冷却液の出口ニップル１４と前記熱交換器冷却液の入口ニップル１２の間を通る冷却管（図示なし）を通る前記熱交換器からなる。同様に、外側冷却液システムの冷却液連結部は、バルブボディ冷却液の入口ニップル１５と熱交換器冷却液の出口ニップル（図示なし）を接続するホースにより成し遂げられる。前記冷却液ニップル１４と１５は、前記バルブボディ１０に一般的にブレーズドまたは溶接される。

前記外壁８の縁１６と前記内壁７の縁２２を用いることにより、前記バルブボディ組立品２０は、熱交換器および／または排気部品の組み合わせにより組み立てられる。加えて、部品は、小さな孤立体９の系の方法により、中央流路に取り付けてもよい。前記バルブ組立品２０は、溶接またはボルトを有するフランジ１７の方法により、全体の排気システムに接続する。

図２によれば、排気バルブ組立品３０の他の実施形態が提供され、上記の排気バルブ組立品２０と２つの主な除外点を有する以外は似ている。第１は、ダイバータが、バルブプレート３２だけからなることである。第２の主な相違は、バルブボディ３１が、熱交換器（３３ａ）を通る冷却液と熱交換器（３４ａ）からの戻りの冷却液のための２つの冷却液経路３３と３４を含むことである。前記冷却液経路３３と３４は前記バルブシャフト３５に近接して置かれ、前記バルブシャフト３５の軸受表面とバルブボディ３１を比較的低温において維持するように置かれてもよい。熱交換器との冷却液連結部は、熱交換器の冷却管３６と３７を冷却経路３３と３４にスライドし、それをＯ-リング３８でシールすることにより得られる。同様に、外側冷却液システムを備える冷却液連結部は、通常、前記バルブボディ３１にブレーズドまたは溶接されるホース連結部３９から成る。

図３ａと３ｂは、排気バルブ組立品２０、３０が、排気システム部分組立品に一体化される方法を説明している。この図では、排気バルブ組立品２０は、標準の３つの方向の自動車触媒５０の下流に配置される。図３ａの熱交換器バイパスモードにおいて、ダイバータ４は、バルブプレート２に沿って、中央排気ガス流路５を通ることを可能にする。この配置において、ダイバータリング３は、第２流路６を閉鎖する。最大熱抽出を得たい場合には、バルブプレート２が、排気ガスが環状に通り、熱交換器５１を通り、最終的にバルブボディ１０の第２流路６に出るように強制するように、ダイバータ４は第２ポジションに９０℃回転する（図３ｂ）。熱抽出の中間のレベルでは、ダイバータ４は、それぞれの流路の部分的な流れを調整するために、第１と第２ポジションの間の中間のポジションに位置してもよい。

熱交換器５１は、分離壁５５によって分けられる内部流路５２と外部流路５３を含んでもよい。熱交換器部材５６は、外部流路５３に位置し、冷却液ジャケット５７により囲まれてもよい。内部流路５２は、触媒基板５９およびマット６０における計上のための触媒缶の測定のための必要による触媒缶の様々な径などの製造および組立品のバリエーションによっては、空の空間であってもよい。いくつかの実施形態においては、流路５２は、望ましい熱性能を促進するために、熱交換器部材を含んでも良い。

図４ａは、排気部品７４および／または熱交換機７５の上流に位置に示されるバルブボディ７０のその他の実施形態である。内側バルブボディ壁７１と外側バルブボディ壁７２は、熱交換器のバイパスモード（図４ａ）における中央流路７３を通る排気ガスを導くのを助ける形状でもよい。同様に、図４ｂの完全熱交換モードにおいて、内壁７１は触媒コンバーターのような排気部品７４に入るガスが良好に均一になるような排気ガスの分散を助ける形状でもよい。

他のバルブボディ８０とバルブプレート８１の配置は、図５に示されている。この実施形態において、前記バルブプレート８１は、２つの流路のうちの一つを選択的に閉じる不平衡なデザインであり、それぞれの流路の部分的な流れを調整する中間的なポジションに位置することができる。冷却液流路８２は、バルブシャフト８４を囲んで冷却する水ジャケット８３に結合している。

図６ａと６ｂは、前記バルブボディ８０がより大きな組立品に使用される方法を説明している。前記バルブプレート８１が、図６ａの熱交換器のバイパスモードの場合、排気ガスは、第１流路９２を通って、排気部品９３（触媒コンバータ、基板など）に導かれる。排気部品が熱保護を必要とする場合、または熱エネルギーがその他の目的で抽出されることを望む場合、図６ｂに示すように、バルブプレート８１は、一部の、または全ての排気ガスが第２流路９４を通り、熱交換器９５に入り、排気部品９３に入る前に冷却することを可能にする。

前記実施形態の記載は、説明と記載を目的として提供してきた。本発明の全てまたは限定を意図するものではない。特定の実施形態のそれぞれの要素または特徴は、一般的に、その特定の実施形態に限定されないが、適用可能であり、互換性がある場合には、特別な示唆や記載がなくても、選択的な実施形態において用いられることができる。同じものは、様々な方法に代えても良い。そのようなバリエーションは、本発明からの脱却とみなされず、全てのそのような修正は、本発明の目的の範囲に含まれることを意図している。

Claims (17)

1. 入口と、出口と、前記入口および出口と流体連通している第１流路と第２流路と、を有するバルブボディと、
   前記バルブボディに配置され、流体が前記第１流路を通ることを防ぎ流体が前記第２流路を通ることを可能とする第１ポジションと流体が前記第２流路を通ることを防ぎ流体が前記第１流路を通ることを可能にする第２ポジションの間で動くことが可能なバルブ部材と、
   前記バルブボディに対する相対的な回転が可能なように、前記バルブボディに取り付けられ、前記バルブ部材に固定されたバルブシャフトと、
   を含むバルブ組立品であって、
   前記第１流路は前記バルブボディの少なくとも一部を通って軸方向に延び、
   前記第２流路は第１環状壁と第２環状壁により区画されて少なくとも部分的に前記第１流路を取り囲み、
   前記バルブ部材は互いに固定され前記第１ポジションと前記第２ポジションとの間で動くことが可能なダイバータリングとバルブプレートを含み、前記バルブプレートは前記第１ポジションで前記第１流路を塞ぎ前記ダイバータリングは前記第２ポジションで前記第２流路を塞ぐ、バルブ組立品。
2. 少なくとも前記バルブボディの一部を通る冷却液経路をさらに含み、
   前記冷却液経路は、前記バルブシャフトと冷却液経路を通る冷却液との間の熱交換を促進するために前記バルブシャフトに近接するように配置される請求項１に記載のバルブ組立品。
3. 前記バルブ部材は、流体が前記第１流路と前記第２流路を通ることが可能なように、中間のポジションへ選択的に動くことができる請求項１に記載のバルブ組立品。
4. 前記バルブシャフトの外径を少なくとも部分的に冷却液経路が取り囲んでいる請求項１に記載のバルブ組立品。
5. 前記バルブボディに配置された複数の冷却液経路をさらに含む請求項１に記載のバルブ組立品。
6. バルブボディと調整可能バルブ部材とを含むバルブ組立品と、
   前記バルブボディに取り付けられ、第１排気ガス流路と第２排気ガス流路に選択的に流体連通している排気部品と、
   前記第２排気ガス流路と熱交換関係にある熱交換器と、を有する自動車排気システムであって、
   前記バルブボディは、前記第１排気ガス流路と前記第２排気ガス流路を備え、
   前記調整可能バルブ部材は、流体が前記第１排気ガス流路を通ることを防ぎ流体が前記第２排気ガス流路を通ることを可能とする熱交換ポジションと流体が前記第２排気ガス流路を通ることを防ぎ流体が前記第１排気ガス流路を通ることを可能とするバイパスポジションとの間で選択的に動くことができ、
   前記バルブ部材が互いに固定され前記第１ポジションと前記第２ポジションとの間で動くことが可能なダイバータリングとバルブプレートを含み、前記バルブプレートは前記熱交換ポジションで前記第１排気ガス流路を塞ぎ前記ダイバータリングは前記バイパスポジションで前記第２排気ガス流路を塞ぐ、自動車排気システム。
7. 前記排気部品は、前記バルブ部材が前記熱交換ポジションにあるとき、前記熱交換器と流体連通する請求項６に記載の自動車排気システム。
8. 前記第１流路が少なくとも前記バルブボディの一部を軸に沿って通るように延び、
   前記第２流路は、第１環状壁と第２環状壁により区画されて、少なくとも部分的に前記第１流路を取り囲む請求項６に記載の自動車排気システム。
9. 前記熱交換器の外側流路を少なくとも部分的に取り囲む冷却液ジャケットをさらに備える請求項６に記載の自動車排気システム。
10. 前記バルブボディに対する相対的な回転が可能なように、前記バルブボディに取り付けられ、前記バルブ部材に固定されたバルブシャフトをさらに備える請求項６に記載の自動車排気システム。
11. 前記バルブボディが、前記バルブシャフトと少なくとも１つの冷却液経路を通る冷却液流れとの間の熱交換を促進するためにバルブシャフトに近接して配置された少なくとも１つの冷却液経路を含む請求項１０に記載の自動車排気システム。
12. 前記排気部品が前記バルブボディの上流に配置されている請求項６に記載の自動車排気システム。
13. 前記排気部品が前記バルブボディの下流に配置されている請求項６に記載の自動車排気システム。
14. 前記熱交換器が、少なくとも部分的に前記排気部品を取り囲んでいる請求項６に記載の自動車排気システム。
15. 前記熱交換器が、前記排気部品の上流に配置されている請求項６に記載の自動車排気システム。
16. 入口と、出口と、前記入口と流体連通している第１排気ガス流路と第２排気ガス流路と、を有するバルブボディと、
    前記バルブボディに配置され、流体が第１排気ガス流路を通ることを可能にするバイパスポジションと、流体が第１排気ガス流路を通ることを防ぐ熱交換ポジションの間で動くことが可能なバルブ部材と、
    前記バルブボディに対する相対的な回転が可能なように、前記バルブボディに取り付けられ、前記バルブ部材に固定されたバルブシャフトと、
    前記バルブボディの少なくとも一部に延びている冷却液経路と、
    前記バルブボディに取り付けられ、前記入口および前記出口と流体連通している触媒コンバーターと、
    前記バルブボディに取り付けられ、前記バルブ部材が熱交換ポジションにあるとき、第２排気ガス流路および触媒コンバーターと流体連通する熱交換器と、
    を含む自動車排気システムであって、
    前記第１流路は少なくともバルブボディの一部を軸方向に通るように延び、
    前記第２排気ガス流路は第１環状壁と第２環状壁により区画されて、少なくとも第１排気ガス流路を部分的に取り囲んでおり、
    前記冷却液経路は、前記バルブシャフトと前記冷却液経路を通る冷却液流れとの間の熱交換を促進するために前記バルブシャフトに近接して配置されており、
    前記バルブ部材が前記バイパスポジションにあるとき、流体が第２排気ガス流路を通ることを防ぎ、前記バルブ部材が前記熱交換ポジションにあるとき、流体が第１排気ガス流路を通ることを防ぐ自動車排気システム。
17. 前記冷却液経路が少なくとも部分的に前記バルブシャフトを取り囲む冷却液ジャケットを含み、前記冷却液経路は熱交換器から延びる導管と流体連通している請求項１６に記載の自動車排気システム。

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