JP5967027B2 - バタフライバルブ - Google Patents

Description

本発明は、流路の開度を調整するバタフライバルブに関する。

従来より、吸排気システムとして、エンジンに吸気を導く吸気通路と、エンジンから排気を排出するための排気通路と、排気通路に配される排気タービンと吸気通路に配されるコンプレッサとを有する過給機と、排気の一部を吸気通路へ還流する高圧ＥＧＲ装置及び低圧ＥＧＲ装置とを備えるものがある。そして、吸気通路には、低圧ＥＧＲ通路よりも吸気上流において吸気通路の開度を調整する吸気絞り弁が設けられている（例えば、特許文献１）。そして、吸気絞り弁にはバタフライバルブが用いられている。

ところで、従来のバタフライバルブ１００として、図７に示すように、シャフト１０１の軸方向から見た形状がＺ形状となるようなバタフライ弁板１０２を有するものがある。
すなわち、バタフライ弁板１０２は、シャフト１０１の吸気上流側に配置される部分である上流板部１０３と、バタフライ弁板１０２の内、上流板部１０３との間に段差を形成して、シャフト１０１の吸気下流側に配置される下流板部１０４とを有し、上流板部１０３と下流板部１０４との間に段差部１０５が設けられている。

このような形状のバタフライ弁板１０２の場合、流路の断面積が最大となる全開状態において、図７に示すように、上流側からの流れが、段差部１０５に衝突してよどみが生じ、吸気流れの圧力損失が大きくなるという問題が生じる。

特開２０１１−３２９２９号公報

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、Ｚ形状のバタフライバルブにおいて特に全開状態における吸気流れの圧力損失を低減することにある。

本発明のバタフライバルブは、シャフトに支持されてシャフトと一体的に回動して、エンジンに吸気を導入する吸気通路を開閉するバタフライ弁板と、バタフライ弁板の内、シャフトの吸気上流側に配置される部分である上流板部と、バタフライ弁板の内、上流板部との間に段差を形成して、シャフトの吸気下流側に配置される下流板部と、上流板部と下流板部との間に設けられる段差部と、上流板部に設けられて、シャフトの軸方向に垂直な断面が上流側からの流れに対して流線形状であり、段差部への流れの衝突を抑制するためのガイド部とを備える。

これによれば、吸気通路の開度が最大となる全開状態において、ガイド部の流線型状に沿って吸気が流れ、段差部への流れの衝突が抑制されるので、段差部付近でのよどみが抑制されて、圧力損失を低減することができる。

内燃機関の吸排気システムの概略図である（実施例１）。 吸気絞り弁（バタフライバルブ）が全開状態にあるときのバルブ装置の断面図である（実施例１）。 吸気絞り弁（バタフライバルブ）の断面図である（実施例１）。 吸気絞り弁（バタフライバルブ）を流れ方向からみた平面図である（実施例１）。 本発明の効果を説明する説明図である（実施例１）。 吸気絞り弁（バタフライバルブ）の断面図である（実施例２）。 従来の吸気絞り弁（バタフライバルブ）の問題点を説明する説明図である。

本発明を実施するための形態を以下の実施例により詳細に説明する。

〔実施例１〕
実施例１を図１〜５を用いて説明する。
まず、本実施例のバタフライバルブが適用される内燃機関の吸排気システムを図１を用いて説明する。
吸排気システムは、エンジン１に吸気を導く吸気通路２と、エンジン１から排気を排出するための排気通路３と、排気通路３に配される排気タービン４と吸気通路２に配されるコンプレッサ５とを有する過給機と、排気の一部を吸気通路２へ還流する高圧ＥＧＲ装置及び低圧ＥＧＲ装置とを備える。

吸気通路２には、吸気上流側から、吸気の異物を取り除くエアクリーナ８、過給機のコンプレッサ５、コンプレッサ５で圧縮された吸気を冷却するインタークーラ９、吸気量を調整するスロットルバルブ１０、所定の容積室を形成するサージタンク１１等が配置されている。

排気通路３には、排気上流側から、過給機の排気タービン４、排気に含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕集するＤＰＦ１２等が配されている。

排気タービン４は、排気のエネルギを回転力に変換するもので、コンプレッサ５は、排気タービン４と同軸に連結され排気タービン４の回転力によって回転して吸気を圧縮するものである。

高圧ＥＧＲ装置は、エンジン１から排出された直後の比較的高圧高温の排気の一部を高圧ＥＧＲガスとして吸気通路２へ還流させる装置である。
高圧ＥＧＲ装置は、排気タービン４より排気上流側の排気通路３と、スロットルバルブ１０よりも吸気下流側の吸気通路２とを接続する高圧ＥＧＲ通路１３と、高圧ＥＧＲ通路１３を流れる高圧ＥＧＲガスの流量を調整する高圧ＥＧＲバルブ１４と、高圧ＥＧＲガスを冷却する高圧ＥＧＲクーラ１５と、高圧ＥＧＲクーラ１５を通過する経路と高圧ＥＧＲクーラ１５をバイパスする経路との間を切り替える切替弁１６とを有する。

低圧ＥＧＲ装置は、比較的低圧低温の排気の一部を低圧ＥＧＲガスとして吸気通路２へ還流させる装置である。
低圧ＥＧＲ装置は、排気タービン４より排気下流側（本実施例では、ＤＰＦ１２の下流側）の排気通路３と、コンプレッサ５より吸気上流側の吸気通路２とを接続する低圧ＥＧＲ通路２０と、低圧ＥＧＲ通路２０を流れる低圧ＥＧＲガスの流量を調整する低圧ＥＧＲバルブ２１と、低圧ＥＧＲガスを冷却する低圧ＥＧＲクーラ２２と、低圧ＥＧＲバルブ２１の開閉操作に連動して低圧ＥＧＲ通路２０よりも吸気上流において吸気通路２の開度を調整する吸気絞り弁２３とを有する。

低圧ＥＧＲバルブ２１と吸気絞り弁２３とは１つのアクチュエータによって駆動する１つのバルブ装置２４としてユニット化されている。
バルブ装置２４は、低圧ＥＧＲバルブ２１と、吸気絞り弁２３と、低圧ＥＧＲバルブ２１を駆動させる電動アクチュエータ２５と、低圧ＥＧＲバルブ２１の回転角度に応じた電気信号を出力するバルブ角度センサ２６とを備える。

低圧ＥＧＲバルブ２１は、シャフト２８に固定された弁体を有するバタフライバルブであり、シャフト２８は低圧ＥＧＲ通路２０を形成するダクト２９に回転自在に支持されている。

電動アクチュエータ２５は、例えば電動モータであり、動力伝達機構を介してシャフト２８に回転駆動力を与える。電動アクチュエータ２５は、例えばＥＣＵ４０により通電制御される。

動力伝達機構は、電動モータの出力軸に設けられたピニオン３１と、ピニオン３１に噛み合う減速ギヤ３２と、減速ギヤ３２と一体に設けられて共通の中心軸周りに回転する小径ギヤ３３と、小径ギヤ３３と噛み合うバルブギヤ３４とで構成される。バルブギヤ３４はシャフト２８に固定されており、電動モータの回転がシャフト２８に伝達される。

吸気絞り弁２３は、シャフト３６に固定された弁体を有するバタフライバルブであり、シャフト３６は吸気通路２を形成するダクト３７に回転自在に支持されている。吸気絞り弁２３の構造は後に詳述する。

ダクト３７とダクト２９とは交差して接続されている。
吸気絞り弁２３は、低圧ＥＧＲガスの流量を増加させるために吸気通路２を絞るものであり、低圧ＥＧＲ通路２０と吸気通路２との接続部の吸気上流に設けられる。吸気絞り弁２３が吸気通路２の通路断面積を最も絞った状態が全閉状態であり、吸気絞り弁２３は吸気通路２の通路断面積を最大に開放した状態が全開状態である。

吸気絞り弁２３のシャフト３６は、低圧ＥＧＲバルブ２１のシャフト２８と平行に設けられている。
シャフト２８とシャフト３６とはリンク機構を介して連結しており、電動モータによってシャフト２８が回動するのに伴ってシャフト３６が回動するように構成されている。

リンク機構は、シャフト２８と一体に回転する駆動プレート３８と、シャフト３６と一体的に回転する従動プレート３９とを有し、駆動プレート３８に形成されたカム溝３８ａと、従動プレート３９に形成されたピン３９ａとの係合によって構成されている。

ＥＣＵ４０は、制御処理、演算処理を行うＣＰＵ、各種プログラムおよび各種データを保存する記憶装置（ＲＯＭやＲＡＭ等のメモリ）、入力回路（入力部）、出力回路（出力部）等の機能を含んで構成される周知の構造のマイクロコンピュータを有する。

ＥＣＵ４０は、バルブ角度センサ２６からのセンサ出力と、予め記憶されている所定の角度−流量相関とに基づいて所望の流量を得られるように電動アクチュエータ２５へ制御信号を出力する。すなわち、バルブ角度センサ２６からのセンサ出力が入力されて、バルブ角度センサ２６によって検出されるバルブ角度が、所望の流量を得るために必要な目標値に略一致するように電動アクチュエータ２５への制御信号（供給電力等）が生成される。

〔吸気絞り弁２３の構造〕
吸気絞り弁２３は、本発明のバタフライバルブであって、シャフト３６に支持されてシャフト３６と一体的に回動して、吸気通路２を開閉するバタフライ弁板４１を有する。
バタフライ弁板４１は、楕円形の板状の弁体であって、シャフト３６の吸気上流側に配置される部分である上流板部４２と、シャフト３６の吸気下流側に配置される下流板部４３とを有する。なお、本実施例では、シャフト３６の回転中心が、ダクトの径方向中心を通る中心線Ｘ上に存在する。

下流板部４３と上流板部４２とはダクト３７の径方向において段違いに配されており、上流板部４２と下流板部４３との間には段差部４４が設けられている。
この段差部４４は、シャフト３６に螺子締結されており、シャフト３６との接続部としての役割を果たす。

全開状態において、流れ方向に対して傾斜して配される傾斜板部４５がシャフト３６の側面に装着され、この傾斜板部４５の一端から下流板部４３が延び、他端から上流側へ延びる上流板部４２が延びている。この傾斜板部４５が上述の段差部４４を構成している。
これにより、バタフライ弁板４１は、シャフト３６の軸方向から見た形状がＺ形状となっている。

全開状態では、バタフライ弁板４１の流れ方向への投影面積が最小となる弁位置となっており、上流板部４２はシャフト３６の上流側にダクト３７内の流れ方向に沿って延び、下流板部４３は、シャフト３６の下流側に流れ方向に沿って延びている。
本実施例では、全開状態において、上流板部４２が中心線Ｘ上に配され、上流板部４２から段差部４４が径方向外側へ隆起して設けられ、下流板部４３が中心線Ｘよりも径方向外側に配されている。

そして、上流板部４２には、シャフト３６の軸方向に垂直な断面が上流側からの流れに対して流線形状であり、段差部４４への流れの衝突を抑制するためのガイド部５０が設けられている。

ここで、上流板部４２の段差部が隆起する側の板面を表面４２ａとし、上流板部４２の表面４２ａから段差部４４が隆起する側を上方と呼ぶ（図４参照）。
ガイド部５０は、上流板部４２の表面４２ａから上方へ隆起する突起として設けられている。

図３に示すように、全開状態において、シャフト３６の軸方向に垂直な断面が、上流側から下流側に向かうにつれて徐々に上方へ隆起する高さ大きくなるような流線形状に形成されている。流れ方向における長さは、上流板部４２の上流端から、段差部４４の手前（上流側）の所定位置に亘って設けられている。
なお、ダクト内の流れの流線に沿う形状であればよく、テーパ形状であってもよい。

また、本実施例では、全開状態において、中心線Ｘからガイド部５０の頂部５０ａまでの径方向距離と、中心線Ｘから段差部４４の頂部４４ａまでの径方向距離とがほぼ等しい。これにより、ダクト３７の流れ方向上流側からみて、シャフト３６に接続される段差部４４がガイド部５０により覆われる。

また、本実施例では、ガイド部５０は上流板部４２と一体に形成されている。

〔実施例１の作用効果〕
本実施例では、シャフト３６の軸方向から見た形状がＺ形状となっているバタフライ弁板４１において、上流板部４２には、シャフト３６の軸方向に垂直な断面が上流側からの流れに対して流線形状であり、段差部４４への流れの衝突を抑制するためのガイド部５０を設けた。
これによれば、全開状態において、上流側からの吸気は、ガイド部５０の流線型状に沿って流れ、段差部４４への流れの衝突が抑制されるので、段差部４４付近でのよどみが抑制されて、圧力損失を低減することができる（図５参照）。

なお、本実施例では、全開状態において、ダクト３７の径方向中心からガイド部５０の頂部５０ａまでの径方向距離と、ダクト３７の径方向中心から段差部４４の頂部４４ａまでの径方向距離とがほぼ等しくなっていたが、ガイド部５０の高さが段差部４４よりも小さくてもよい。この場合でも、ガイド部５０がない場合と比較して、段差部４４付近でのよどみを抑制することができる。

〔実施例２〕
実施例２を、実施例１とは異なる点を中心に、図６を用いて説明する。
なお、実施例１と同じ符号は、同一の機能物を示すものであって、先行する説明を参照する。
本実施例では、ガイド部５０と上流板部４２とが別体に形成されている。
例えば、ガイド部５０は樹脂成形されており、金属製の上流板部４２に熱かしめで固定されている。

本実施例のように、ガイド部５０を別体にするならば、バタフライ弁板４１を金属にて形成する場合にも、ガイド部５０の追加によって重量が増大するのを抑えることができる。

〔変形例〕
本実施例では本発明を吸気絞り弁２３に適用したが、様々なバタフライバルブに本発明を適用することができる。

２ 吸気通路
２３ 吸気絞り弁（バタフライバルブ）
３６ シャフト
４１ バタフライ弁板
４２ 上流板部
４３ 下流板部
４４ 段差部
５０ ガイド部

Claims (3)

1. シャフト（３６）に支持されて前記シャフト（３６）と一体的に回動して、エンジンに吸気を導入する吸気通路（２）を開閉するバタフライ弁板（４１）と、
   前記バタフライ弁板（４１）の内、前記シャフト（３６）の吸気上流側に配置される部分である前記上流板部（４２）と、
   前記バタフライ弁板（４１）の内、前記上流板部（４２）との間に段差を形成して、前記シャフト（３６）の吸気下流側に配置される前記下流板部（４３）と、
   前記上流板部（４２）と前記下流板部（４３）との間に設けられる段差部（４４）と、
   前記上流板部（４２）に設けられて、前記シャフト（３６）の軸方向に垂直な断面が上流側からの流れに対して流線形状であり、前記段差部（４４）への流れの衝突を抑制するためのガイド部（５０）とを備えるバタフライバルブ。
2. 請求項１に記載のバタフライバルブにおいて、
   前記ガイド部（５０）は、前記上流板部（４２）と一体的に形成されていることを特徴とするバタフライバルブ。
3. 請求項１に記載のバタフライバルブにおいて、
   前記ガイド部（５０）は、前記上流板部（４２）と別体に形成されていることを特徴とするバタフライバルブ。
   

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