JP6107631B2

JP6107631B2 - バルブ装置

Info

Publication number: JP6107631B2
Application number: JP2013257109A
Authority: JP
Inventors: 山口　雅史; 雅史山口
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2013-12-12
Filing date: 2013-12-12
Publication date: 2017-04-05
Anticipated expiration: 2033-12-12
Also published as: JP2015113782A

Description

本発明は、例えば、ウェイストゲートバルブとして用いられるバルブ装置に関する。

従来より、ウェイストゲートバルブとして用いられるバルブ装置として、フラップ式のバルブ装置が公知である（例えば、特許文献１及び２）。
ウェイストゲートバルブとは、排気ガスをタービンへ導入する排気ガス入口流路と、排気ガスをタービンより迂回させるバイパス流路との間を開閉するバルブであって、排気ガス入口流路とバイパス流路との間の隔壁に形成された開口を開閉する。

図７に示すように、フラップ式のバルブ装置１００は、弁体１０１と、一端に弁体１０１を保持するとともに、所定の回転中心Ａ周りにスイングするアーム１０２と、アーム１０２を駆動するアクチュエータとを備える。
弁体１０１は、開口１０３の周縁に形成される弁座１０４に着座することで開口１０３を閉鎖する閉鎖面１０５を先端に有する。そして、アーム１０２のスイングに伴って弁体１０１が動き、開口１０３を開閉する。

このようなバルブにおいて、閉弁時の弁体による締め切り荷重を大きくしようとすると、閉弁時の閉鎖面１０５の中心Ｂにおける法線Ｈと、閉鎖面１０５の中心Ｂと回転中心Ａとを結ぶ直線Ｊとのなす角度θ（以下、この角度をアーム傾斜角度θと呼ぶ）を小さくする必要がある。

すなわち、回転中心からみた平面図において、直線Ｊの延びる方向をｙ´方向とし、この方向に垂直な方向をｘ´方向とした場合の、ｘ´方向の釣り合いは、閉鎖方向への回転トルクをＴｉｎ、点ＡＢ間の距離をＬ、閉鎖面が受ける垂直抗力をＦとすると、
Ｔｉｎ／Ｌ＝Ｆｓｉｎθ＋μＦｃｏｓθ
となっている（μは摩擦係数）。

従って、
Ｆ＝Ｔｉｎ／｛Ｌ（ｓｉｎθ＋μｃｏｓθ）｝
となる。
このＦが締め切り荷重であり、μが金属摩擦における一般的な摩擦係数である場合、θを小さくすればＦが大きくなる。

特にアーム傾斜角度θを４５°未満にするならば、締め切り荷重が増大し、閉弁時の漏れ流量が低減される。
しかし、アーム傾斜角度θを４５°未満とした場合、以下に説明する「こじり現象」という問題が生じる。

こじり現象とは、回転トルクが負荷されていない場合でも、閉弁位置において点Ａと弁座１０４との間にアーム１０２及び弁体１０１が挟み込まれた状態となって、アーム１０２及び弁体１０１の弾性力によって発生する弁体１０１と弁座１０４との摩擦によって、弁体１０１が開口１０３を閉鎖した状態を維持してしまう状態をいう。
すなわち、閉弁状態にした後に、こじり現象が発生すると、閉弁方向に回転トルクが負荷されていない状態でも、閉弁方向に力が負荷されてしまっているため、開弁するのに大きな力が必要となってしまう。

図８に示す回転中心からみた平面図において、法線Ｈの延びる方向をｙ方向とし、この方向に垂直な方向をｘ方向とし、アーム１０２及び弁体１０１の弾性力によって弁座１０４に作用する力をｆとすると、
ｆｓｉｎθ＜μｆｃｏｓθ
が成立する場合には、閉鎖方向に回転トルクを発生させたような状態となってしまい、こじり現象が発生してしまう。

すなわち、こじり現象の発生条件は、
ｔａｎθ＜μ
となる。
一般的に金属の摩擦係数は１以下であるため、アーム傾斜角度θが４５°未満では「こじり現象」が発生する可能性がある。

なお、特許文献１及び２に記載のバルブ装置ではアーム傾斜角度θはおよそ９０°である。このため、こじり現象が生じにくく、こじり現象に対する対策については一切開示されていない。

特表２０１３−５１９８１３号公報特表２０１０−５１２４８２号公報

そこで、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、フラップ式のバルブ装置において、こじり現象の発生を抑制することにある。

本発明は、２つの空間を区画する隔壁に形成された開口を開閉することで、２つの空間の間を連通及び閉鎖するフラップ式のバルブ装置である。
バルブ装置は、弁体と、アームと、押圧面とを備える。
弁体は、開口の周縁に形成される弁座に着座することで開口を閉鎖する閉鎖面を先端に有する。
アームは、一端に弁体を保持するとともに、所定の回転中心周りにスイングし、弁体に開口を開閉させる。
押圧面は、アームに設けられるとともに、弁体が開口を閉鎖する閉弁時に、弁体を弁座に向けて押圧する面である。

そして、弁体は、閉鎖面の反対側に、後端に向かうほど径小となる円錐面もしくは多角錐面からなるテーパ面を有し、押圧面は弁体のテーパ面に面接触するような面、すなわちテーパ面をなしている。

これによれば、押圧面が閉鎖面に平行な平面である場合と比較して、アーム傾斜角度θが４５°未満である場合であっても、こじり現象が生じにくい。

バルブ装置の部分断面図を含む全体構成図である（実施例１）。バルブ装置が適用された過給システムの要部の構成図である（実施例１）。（ａ）〜（ｃ）は閉弁状態から開弁状態に至る作動を説明する説明図である（実施例１）。比較例におけるこじり現象発生の条件を説明する説明図である。実施例１におけるこじり現象発生の条件を説明する説明図である。バルブ装置の部分断面図を含む全体構成図である（実施例２）。バルブ装置の締め切り荷重について説明する説明図である（従来例）。こじり現象について説明する説明図である（従来例）。

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の構成〕
実施例１の構成を図１〜３を用いて説明する。
本発明のバルブ装置は、内燃機関の排気ガスの圧力を利用して吸気ガスを過給するターボチャージャを有する過給システムに搭載されるウェイストゲートバルブ１である。

過給システムは、エンジンの吸気管の途中に設けられたコンプレッサ（図示せず）と、エンジンの排気管の途中に設けられたタービン（図示せず）と、このタービンのハウジングの内部に設置されたウェイストゲートバルブ１と、このウェイストゲートバルブ１を駆動するアクチュエータ（図示せず）とを備えている。

タービンのハウジングは耐熱性金属（例えば耐熱アルミニウム合金や耐熱鋼等）により形成されている。
タービンのハウジングは、エンジンの排気通路に連通する排気ガス流路、この排気ガス流路を互いに隣り合うように配置される２つの第１、第２排気ガス流路２、３に仕切る隔壁４、および第１排気ガス流路２と第２排気ガス流路３とを連通する連通孔５が設けられている（図２参照）。

ここで、第１排気ガス流路２とは、排気ガスをタービンへ導入する排気ガス入口流路のことである。また、第２排気ガス流路３とは、排気ガスをタービンより迂回させるバイパス流路のことである。また、連通孔５とは、以上の２つの空間（第１排気ガス流路２と第２排気ガス流路３）の間を連通するように隔壁４をその板厚方向に貫通する連通路のことである。

ウェイストゲートバルブ１は、第２排気ガス流路３内に配されて、連通孔５を開閉するものである。
ターボチャージャの過給圧が設定値以下の場合、連通孔５を閉じた状態とし、エンジンより排出された排気ガスを第１排気ガス流路２を介してターボチャージャのタービンのハウジングの内部に流入させる。第１排気ガス流路２に流入した排気ガスは、タービンホイールを回転駆動した後に、排気ガス出口流路（図示せず）を通って外部へ排出される。
また、ターボチャージャの過給圧が設定値以上に上昇した場合、連通孔５を開いて、第１排気ガス流路２に流入した排気ガスの一部を、連通孔５および第２排気ガス流路３を介してタービンより迂回させて排気ガス出口流路に逃がす。これにより、ターボチャージャの過給圧が設定値以下に抑える。

ウェイストゲートバルブ１は、以下に説明する弁体９及びアーム１０を備える。
弁体９は、耐熱性金属（例えば耐熱アルミニウム合金や耐熱鋼等）により形成されており、連通孔５の第２排気ガス流路３側の開口１１の周縁に形成される弁座１２に着座することで開口１１を閉鎖する閉鎖面１３を先端に有する。
具体的には、弁体９は、先端に閉鎖面１３を有する弁部１５と、弁部１５の後端側に形成されるテーパ部１６と、テーパ部１６の後端側に形成される柱部１７、柱部１７の後端側に形成されるフランジ部１８とを有する。

弁部１５は、円板状を呈し、先端側の面（弁座１２側の面）が閉鎖面１３となっている。本実施例では、閉鎖面１３及び弁座１２の座面は互いに平面である。
テーパ部１６は、弁部１５の後端側に、後端に向かうほど径小となる円錐面からなるテーパ面１９を有している。テーパ面１９は、先端側から後端側に至り、所定の傾斜角度φで傾斜している。なお、傾斜角度φは、テーパ面１９の閉鎖面１３に対する傾斜度合いを表すもので、閉鎖面１３とテーパ面１９とのなす角度である。

柱部１７は、テーパ部１６の最小径部と同径もしくはそれより小径に円柱状に設けられている。本実施例では、テーパ部１６が円錐台形状を呈しており、その頂部１６ａの後端側に連続して、頂部１６ａの円の径と同径に柱部１７が設けられている。

フランジ部１８は、柱部１７の後端に設けられて、柱部１７より径大にフランジ状に設けられている。例えば、柱部１７の後端にワッシャを圧入等により固定することで設けてもよい。

アーム１０は、弁体９よりも弾性係数の低い耐熱性金属（例えば耐熱アルミニウム合金や耐熱鋼等）により形成されている。
このアーム１０は、連通孔４の流路中心線方向（連通孔４を流れる排気ガスの流れ方向（排気流方向））に対して垂直な方向（図示紙面奥行き方向）に延びるシャフト２１、このシャフト２１に連結されてシャフト２１の半径方向の外側に延びるアーム本体２２を有する。

シャフト２１は、ベアリングを介して、ハウジングの軸受け孔に回転自在に支持されている。このシャフト２１の回転中心は、アーム１０の回転中心Ａである。
なお、シャフト２１の一端はハウジングの内部から外部へ突出しており、アクチュエータの出力軸が固定されている。
アーム本体２２の一端には弁体９が保持され、アーム本体２２の他端はシャフト２１に連結されている。
これにより、アクチュエータの駆動力により、アーム１０は回転中心Ａ周りに回転し、アーム本体２２がスイングし、アーム本体２２とともに弁体９が回転中心Ａ周りに回転する。

アーム１０本体の一端には、弁体９を保持するための筒部２５が設けられている。
筒部２５は、柱部１７の外周を囲う筒状を呈している。筒部２５の筒軸方向において、弁体９における先端側と同じ方向を先端側、その反対側を後端側とすると、筒部２５の先端側の開口周縁２５ａはテーパ面１９に面接触可能なテーパ面を有しており、後端側の開口周縁２５ｂはフランジ部１８と対向する対向面をなしている。

これにより、筒部２５がフランジ部１８とテーパ部１６との間で柱部１７を囲うことで、アーム本体の他端に弁体９が保持される。
弁体９及びアーム１０は、閉弁時において、筒部２５の内周面と柱部１７の外周面との間、及び、開口周縁２５ｂとフランジ部１８との間にはクリアランスＣが設けられており、筒部２５の軸方向及び径方向において、弁体９がわずかに変位可能となっている。

開口周縁２５ａのテーパ面は、図１に示すように、閉弁時に、テーパ面１９に面接触して弁体９を弁座１２に向けて押圧する押圧面２７をなす。

アーム１０の回転中心Ａは、閉鎖面１３の中心Ｂにおける法線Ｈ上ではなく、法線Ｈから点Ｂを中心に所定角度θだけ図示時計回りに回転させた直線Ｊ上に存在する。
すなわち、図１に示すように、弁体９が着座して開口１１を閉鎖する閉弁時おいて、法線Ｈに対して、閉鎖面１３の中心Ｂと回転中心Ａとを結ぶ直線Ｊが、図示時計回りに所定の角度θ傾くように、アーム本体２２が回転中心Ａに対して弁体９を保持している。この角度θをアーム傾斜角度と呼ぶ。

本実施例では、アーム傾斜角度θが４５°未満である。
また、テーパ面１９の傾斜角度φが４５°未満である。

図３を用いて、ウェイストゲートバルブ１の作動を説明する。
ターボチャージャの過給圧が設定値以下の場合、図３（ａ）に示すように、弁体９が弁座１２に着座して、開口１１を閉鎖した状態、すなわち連通孔５を閉じた状態となっている。アーム１０はアクチュエータから図示反時計周りに向かう回転トルクを負荷されており、その回転トルクに応じた締め切り荷重が弁体９に作用している（図７参照）。

そして、ターボチャージャの過給圧が設定値以上に上昇したら、アクチュエータが作動し、アクチュエータからの回転トルクがアーム１０に負荷されて、アーム１０が回転中心Ａ周りに図示時計回りに回転する。これにより、図３（ｂ）に示すように、アーム１０と共に弁体９が回転中心Ａ周りに回転し、閉鎖面１３が弁座１２から離れて、開口１１が開放される。図３（ｃ）は、図３（ｂ）の状態からさらにアーム１０が回転した状態を示す図である。

〔実施例１の効果〕
本実施例によれば、アーム１０が弁体９を押圧する押圧面２７が閉鎖面１３に平行な平面ではなく、テーパ面１９となっている。これによれば、平面である場合と比較して、アーム傾斜角度θが４５°未満である場合であっても、こじり現象が生じにくい。
アーム傾斜角度θが４５°未満であると、図７を用いて説明したように締め切り荷重を大きくできる。しかしながら、図８を用いて説明したようなこじり現象が生じる。

こじり現象とは、上述したとおり、回転トルクが負荷されていない場合でも、閉弁位置において回転中心Ａと隔壁４との間にアーム１０及び弁体９が挟み込まれた状態となって、アーム１０及び弁体９の弾性力によって発生する弁体９と弁座１２との摩擦によって、弁体９が開口１１を閉鎖した状態を維持してしまう状態をいう。
図４及び図５を用いて本実施例の効果を詳細に説明する。

図４に、押圧面２７が閉鎖面１３に平行な平面であり、テーパ面１９の代わりに押圧面２７に面接触する平面２９を有する比較例を示す。
図５に実施例１を示す。
そして、比較例と実施例１のそれぞれにおいて、こじり現象が発生する条件を考察する。

なお、弁体９よりもアーム１０の弾性係数が低いので、アーム１０及び弁体９と弁座１２との間で生じるこじり現象を、弁体９とアーム１０との間で生じるこじり現象と同等として考える。
すなわち、図４及び図５で説明するこじり現象とは、弁体９と回転中心Ａとの間にアーム１０が挟み込まれた状態となって、アーム１０の弾性力によって発生するアーム１０と弁体９との摩擦によって、アーム１０が動かず弁体９が開口１１を閉鎖した状態を維持してしまう状態である。

まず、比較例のこじり現象の発生条件を考える。
回転中心からみた平面図において、平面２９の法線が延びる方向をｙ_１方向、これに垂直な方向をｘ_１方向とする。

比較例においては、押圧面２７及び押圧面２７と面接触する平面２９が、閉鎖面１３に平行な平面であるため、押圧面２７から平面２９が受ける荷重は平面２９に平均的に負荷されると考えられるため、平面２９と法線Ｈの交点Ｂ_１を代表点として、代表点における力関係を考える。

点Ｂ_１と回転中心Ａとの間でアームが挟み込まれて弾性変形することによって、点Ｂ_１では弁体９にアーム１０の弾性力によって発生する力ｆ_１が、点Ａから点Ｂ_１に向かう方向に負荷される。

このｆ_１のｙ_１方向成分である垂直効力ｆ_１ｃｏｓθ_１によって発生する摩擦力μｆ_１ｃｏｓθ_１がｆ_１のｘ_１方向成分であるｆ_１ｓｉｎθ_１よりも大きいとこじり現象が発生する。すなわち、ｔａｎθ_１＜μが成立すればこじり現象が発生する。つまり、θ_１を４５°以上にすればこじり現象が発生しないことになる。
なお、θ_１とは、点Ａと点Ｂ_１を結ぶ直線と平面２９の法線とのなす角度である。
しかしながら、アーム傾斜角度θが４５°以下の場合、このθ_１を４５°以上にすることは困難である。

次に、実施例１のこじり発生条件を考える。
回転中心からみた平面図において、テーパ面２９の法線が延びる方向をｙ_２方向、これに垂直な方向をｘ_２方向とする。

実施例１の場合には、押圧面２７からテーパ面１９が受ける荷重は回転中心Ａから遠い側のテーパ面１９ａに主に負荷されるため、テーパ面１９ａ上の点Ｂ_２を代表点として、代表点における力関係を考える。

点Ｂ_２と回転中心Ａとの間でアームが挟み込まれて弾性変形することによって、点Ｂ_１では弁体９にアーム１０の弾性力によって発生する力ｆ_２が、点Ａから点Ｂ_２に向かう方向に負荷される。

このｆ_２のｙ_２方向成分である垂直効力ｆ_２ｃｏｓθ_２によって発生する摩擦力μｆ_２ｃｏｓθ２がｆ_２のｘ_２方向成分であるｆ_２ｓｉｎθ_２よりも大きいとこじり現象が発生する。すなわち、ｔａｎθ_２＜μが成立すればこじり現象が発生する。つまり、θ_２を４５°以上にすればこじり現象が発生しないことになる。

なお、θ_２とは、点Ａと点Ｂ_１を結ぶ直線とテーパ面１９の法線とのなす角度である。
本実施例では、テーパ面１９を採用することで、アーム傾斜角度θが４５°以下の場合であっても、θ_２を４５°以上にすることが容易となっている。すなわち、比較例のθ_１と比べてテーパ面１９の傾斜角度φを上乗せできるため、実施例のθ_２は大きくできる。
従って、本実施例では、こじり現象発生の条件成立を回避して、こじり現象の発生を抑制することができる。

なお、テーパ面１９ではなく、円弧面を採用した場合には、傾斜角度φが一定ではなくなるため、θ_２を確実に４５°以上とする設計が困難である。

また、本実施例では、アーム傾斜角度θが４５°未満である。従来はアーム傾斜角度θが４５°未満であるとこじり現象を生じやすいので、アーム傾斜角度θを４５°未満にしにくい場合があった。しかし、本実施例では、テーパ面１９を設けることで、こじり現象の発生を抑制できるので、締め切り荷重の増大を目的にアーム傾斜角度θを４５°未満にすることができる。

また、テーパ面１９の傾斜角度φが４５°未満である。
これによれば、押圧面２７とテーパ面１９との関係のみで摩擦を考えた場合に、押圧面２７とテーパ面１９との間に発生する摩擦力が過大になって、押圧面２７とテーパ面１９とが固着する現象を抑制することができる。

また、本実施例では、筒部２５の内周面と柱部１７の外周面との間、及び、開口周縁２５ｂとフランジ部１８との間にはクリアランスＣ（ガタ）が設けられている。
これによれば、高温の排気ガスが流通する排気通路のような高温環境下で弁体９およびアーム１０が使用された場合であっても、クリアランスＣによって熱歪みによる変形を吸収することができる。
このため、熱歪みが生じた場合でも、閉弁時に閉鎖面１３で確実に開口１１を閉鎖することができる。

〔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。
実施例１では、閉鎖面１３が平面であり、弁座１２は閉弁時に閉鎖面１３に面接触する平面を有していたが、本実施例では閉鎖面１３は円筒面もしくは球面であり、弁座１２は閉弁時に閉鎖面１３に面接触する円筒面もしくは球面を有する。

すなわち、図６に示すように、弁体９の閉鎖面１３は先端側に凸となる円筒面もしくは球面となっている。そして、弁座１２には、この閉鎖面１３に対応して凹面が形成されている。
アーム１０の回転中心Ａは、法線Ｈから点Ｂを中心に所定角度θだけ図示反時計回りに回転させた直線Ｊ上に存在する。この角度θ（すなわち、アーム傾斜角度θ）は、４５°未満である。

本実施例においても、弁体９がテーパ面１９を有し、押圧面２７がテーパ面１９に面接触する構成を有しており、実施例１と同様の作用効果を奏する。

加えて、アーム１０の回転中心Ａと閉鎖面１３の中心Ｂとの法線Ｈに垂直な方向の距離をＬｘとすると、距離Ｌｘを実施例１の場合と比較して小さくすることができる。なお、実施例１の場合は、距離Ｌｘは弁部１５の半径以上必要である。

（変形例）
実施例では、アーム傾斜角度θが４５°未満であったが、アーム傾斜角度θが４５°以上であってもよい。また、テーパ面１９の傾斜角度φが４５°以上であってもよい。
また、実施例ではテーパ面１９は円錐面であったが多角錐面であってもよい。

１ウェイストゲートバルブ、２第１排気ガス流路、３第２排気ガス流路、４隔壁、９弁体、１０アーム、１１開口、１２弁座、１３閉鎖面、１９テーパ面、２７押圧面

Claims

２つの空間（２、３）を区画する隔壁（４）に形成された開口を開閉することで、前記２つの空間（２、３）の間を連通及び閉鎖するフラップ式のバルブ装置であって、
前記開口（１１）の周縁に形成される弁座（１２）に着座することで前記開口（１１）を閉鎖する閉鎖面（１３）を先端に有する弁体（９）と、
一端に前記弁体（９）を保持するとともに、所定の回転中心Ａ周りにスイングし、前記弁体（９）に前記開口を開閉させるアーム（１０）と、
前記アーム（１０）に設けられるとともに、前記弁体（９）が前記開口（１１）を閉鎖する閉弁時に、前記弁体（９）を前記弁座（１２）に向けて押圧する押圧面（２７）とを備え、
前記弁体（９）は、前記閉鎖面（１３）の反対側に、後端に向かうほど径小となる円錐面もしくは多角錐面からなるテーパ面（１９）を有し、
前記押圧面（２７）は、前記テーパ面（１９）に面接触する面に形成されてい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、
前記閉弁時の閉鎖面（１３）の中心Ｂにおける法線Ｈと、前記閉鎖面（１３）の中心Ｂと前記回転中心Ａとを結ぶ直線とのなす角度θが４５°未満であることを特徴とするバルブ装置。
請求項１または２に記載のバルブ装置において、
前記テーパ面（１９）の傾斜角度φが４５°未満であることを特徴するバルブ装置。
請求項１〜３のいずれか１つに記載のバルブ装置において、
前記閉鎖面（１３）は平面であり、
前記弁座（１２）は前記閉弁時に前記閉鎖面（１３）に面接触する平面を有することを特徴とするバルブ装置。
請求項１〜３のいずれか１つに記載のバルブ装置において、
前記閉鎖面（１３）は円筒面もしくは球面であり、
前記弁座（１２）は前記閉弁時に前記閉鎖面（１３）に面接触する円筒面もしくは球面を有することを特徴とするバルブ装置。
請求項１〜４のいずれか１つに記載のバルブ装置において、
前記弁体（９）は、前記閉鎖面（１３）を有する弁部（１５）と、前記弁部（１５）の後端側に形成されて前記テーパ面を有するテーパ部（１６）と、前記テーパ部（１６）の後端側に前記テーパ部（１６）の最小径部と同径もしくはそれより小径に設けられた柱部（１７）と、前記柱部（１７）の後端に前記柱部（１７）より径大に設けられたフランジ部（１８）とを有し、
前記アーム（１０）は、前記柱部（１７）の外周を囲う筒状を呈し、先端側の開口周縁（２５ａ）が前記押圧面（２７）をなし、後端側の開口周縁（２５ｂ）が前記フランジ部（１８）と対向する筒部（２５）を有し、
前記閉弁時に、前記フランジ部（１８）と前記筒部（２５）の後端との間、及び、前記筒部（２５）の内周面と前記柱部（１７）の外周面との間にクリアランスが形成されていることを特徴とするバルブ装置。