WO2013105135A1 - 排気ガス循環バルブ - Google Patents

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Abstract

 吸入空気通路2とEGR通路3の合流部4に、一方端面を半球状にした円柱形状のポペットバルブ5を、傾斜した状態で設置する。ポペットバルブ5はバルブシート7から離間してEGR通路3を徐々に開放し、それと同時に半球状の先端部を吸入空気通路2へ進入させ徐々に遮蔽する。EGR通路3から吸入空気通路2へ合流するEGRガスはガス分散空間8で分散促進され、吸入空気と均一に混合されてターボチャージャへ導入される。

Description

排気ガス循環バルブ
 この発明は、吸入空気通路へ循環される排気ガスを調整する排気ガス循環(EGR:Exhaust Gas Recirculation)バルブに関する。
 従来の排気ガス循環バルブにおいて、排気ガスを調整する弁体は、排気ガス通路を遮蔽するバルブと、このバルブを動作させるシャフトとで構成され、シャフトはハウジングに設けられた軸受け部で支持される。一方、バルブと当接して排気ガス通路を遮蔽するバルブシートは、この排気ガス通路を構成するハウジングに設けられている。
 他方、従来の三方弁構造としては、例えば特許文献1,2がある。
 特許文献1に係る排気ガス処理装置は、排気ガス中の不純物採取を目的としたバルブであり、1つの入口と2つ出口が形成された弁室内に支軸を支点にして回動するアームと、このアームに取り付けられたフラップバルブとから構成され、フラップバルブの表裏面で2つの出口を交互に開閉して排気ガスの流れる方向を切り替えていた。
 また、特許文献2に係る排気ガス再循環装置は、クーラのバイパスを目的としたバルブであり、EGR通路の途中に、EGRクーラを備えたクーラ通路と、EGRクーラを迂回するバイパス通路とを並行に設け、合流部にバタフライバルブを設置して各通路から流れる排気ガスの混合比を調整していた。
特開平10-121996号公報 特開2009-156115号公報
 従来の排気ガス循環バルブは上述したような二方弁構造のため、排気ガス量を調整するのみであって、吸入空気通路を流れる吸入空気量を同時に調整することができないという課題があった。
 また、従来の三方弁構造では、流体がバルブを通過する際または合流する際に圧力損失が生じて流量の低下が起こり易いという課題があった。また、合流した流体が通路配管内で偏り易い、さらに混合割合も不均等になり易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、ポペットバルブを使用した三方弁構造により吸入空気量および排気ガス量を同時に調整する排気ガス循環バルブを提供することを目的とする。
 この発明の排気ガス循環バルブは、吸入空気をターボチャージャへ供給する吸入空気通路、および当該吸入空気通路に合流して、排気ガスを吸入空気に混合する排気ガス循環通路を有するハウジングと、吸入空気通路と排気ガス循環通路の合流部に形成されたバルブシートと、合流部に配置され、バルブシートに接離して排気ガス循環通路を開閉するポペットバルブと、ポペットバルブを往復動作させるバルブシャフトと、ポペットバルブの吸入空気通路を向く面から突出した形状であって、排気ガス循環通路を開弁したときに吸入空気通路に進入して遮蔽する遮蔽部とを備えるものである。
 この発明によれば、ポペットバルブが開弁することによって排気ガス循環通路を徐々に開放し、それと同時に遮蔽部が吸入空気通路を徐々に遮蔽することにより、吸入空気量および排気ガス量を同時に調整することができる。
この発明の実施の形態1に係る排気ガス循環バルブの構成を示す断面斜視図であり、EGR通路を開弁した状態を示す。 図1に示す排気ガス循環バルブの構成を示す断面斜視図であり、EGR通路を閉弁した状態を示す。 一般的なポペットバルブの構成を示す断面図であり、EGR通路を開弁した状態を示す。 実施の形態1に係る排気ガス循環バルブの変形例を示す概略図である。 実施の形態1によるハウジングの構成を示す断面図である。 図6(a)は図5に示すハウジングをAA線に沿って切断した断面図、図6(b)は図3に示すハウジングを同位置で切断した断面図である。 図7(a)および図7(b)は図5に示すハウジング内の流体の流れを可視化した図、図7(c)および図7(d)は図3に示すハウジング内の流体の流れを可視化した図である。 図8(a)および図8(b)は楕円通路を形成した吸入空気通路内の流体の流れを可視化した図、図8(c)および図8(d)は楕円通路を形成していない吸入空気通路内の流体の流れを可視化した図である。 実施の形態1に係る排気ガス循環バルブの変形例を示す断面斜視図である。 実施の形態1に係る排気ガス循環バルブの別の変形例を示し、図10(a)は断面斜視図、図10(b)は吸入空気通路を上流側から見た正面図である。 実施の形態1に係る排気ガス循環バルブの、ポペットバルブの変形例を示す外観斜視図である。 実施の形態1に係る排気ガス循環バルブの、ポペットバルブの別の変形例を示す外観斜視図であり、図12(a)はEGR通路を閉弁した状態、図12(b)は開弁した状態を示す
 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.
 車両に搭載される排気ガス循環バルブとしては、ターボチャージャのタービン下流を流れる低圧の排気ガスをターボチャージャのコンプレッサ上流側の吸入空気通路へ循環させるためのバルブと、内燃機関から排出される高圧の排気ガスを内燃機関上流側の吸入空気通路へ循環させるためのバルブの2種類がある。
 以下では、本実施の形態1に係るバルブを、前者の低圧用の排気ガス循環バルブに適用する場合を例に説明する。
 図1および図2に示すように、本実施の形態1に係る排気ガス循環バルブは、ハウジング1の内部に、不図示のターボチャージャへ吸入空気を供給する吸入空気通路2と、このターボチャージャへ循環される排気ガス(以下、EGRガス)を吸入空気通路2へ導入する排気ガス循環通路(以下、EGR通路)3と、これら吸入空気通路2とEGR通路3が合流する合流部4に設置されたポペットバルブ5とを備える三方弁構造である。このポペットバルブ5は、先端面を半球状にした円柱形状(遮蔽部)とする。軸方向に往復動作するバルブシャフト6の先端に取り付けられたポペットバルブ5が吸入空気通路2側へ移動することによって、ポペットバルブ5がバルブシート7から離間してEGR通路3を徐々に開放し、それと同時に半球状の先端部が吸入空気通路2へ突出して徐々に遮蔽する。
 図1のようにEGR通路3を開弁した状態では、ポペットバルブ5の半球状の先端部が吸入空気通路2を遮蔽するため、吸入空気量が抑制され、結果、吸入空気とEGRガスが混合された混合ガスに占めるEGRガス量の割合を増加することが可能となる。この混合ガスは、吸入空気通路2の下流側からターボチャージャへ導入される。
 このように、本実施の形態1に係る排気ガス循環バルブはEGRガス量を調整するEGRバルブとしての機能だけでなく、吸入空気量を調整する吸気バルブとしての機能も兼ね備えている。
 また、図2のようにEGR通路3を閉弁した状態では、吸入空気のみが吸入空気通路2を流れ、ターボチャージャへ導入される。その際、ポペットバルブ5の先端部が吸入空気通路2に突出して干渉するため、この突出部分で圧力損失が生じ、吸入空気の流量が減少することになる。ただし、この突出部分を半球状にすることで、通路への干渉による流体の乱れを低減できるので、吸入空気の流量損失を低減することができる。
 あるいは、ポペットバルブ5の開閉ストロークは長くなるが、閉弁時のポペットバルブ5が吸入空気通路2に干渉しない位置に設置してもよい。
 他方、図3は、一般的なポペットバルブ105を用いた排気ガス循環バルブの断面斜視図である。一般的なポペットバルブ105は平板形状であり、EGR通路103を開弁した際に吸入空気通路102を遮蔽できない。そのため、より多くのEGRガス量が必要となる場合でも吸入空気量は減少せず、混合ガスに占めるEGRガス量の割合を増加することが困難である。
 また、本実施の形態1において、ポペットバルブ5を中空構造にして重量を軽減してもよい。これにより、耐振動性の向上および部品コストの低減が可能となる。中空構造の肉厚は、ポペットバルブ5の材質によって任意に変更が可能である。
 さらに、このポペットバルブ5を開閉動作させるバルブシャフト6を、吸入空気通路2に対して傾斜した状態で設置する。また、EGR通路3は、バルブシャフト6の軸方向に対して直交する方向に形成している。
 仮に、バルブシャフト6を吸入空気通路2に対して直角に設置した場合、図4の概略図に示すように、EGR通路3のEGRガスがポペットバルブ5の上端面に当たりながら合流部4、吸入空気通路2へと流れるため、圧力損失が大きくなる傾向がある。また、合流部4において吸入空気とEGRガスが衝突するため流体の乱れが大きく、流量損失も大きくなる傾向がある。さらに、吸入空気がEGR通路3へ逆流したり、EGRガスが吸入空気通路2の上流側へ逆流したりする場合がある。
 これに対し、図1および図2のようにバルブシャフト6を吸入空気通路2に対して傾斜させた場合は、EGR通路3から吸入空気通路2へ合流するEGRガス流路をより直線的に構成することができるため、EGRガスが吸入空気通路2へスムーズに合流でき、吸入空気およびEGRガスの流量損失を低減することができる。また、吸入空気およびEGRガスの逆流を軽減することもできる。さらに、バルブシャフト6を傾斜して設置しても、上述したように、ポペットバルブ5の先端部で吸入空気量を充分に絞ることができる。
 次に、ハウジング1の構造を説明する。
 図5は、ハウジング1の構成を示す断面図である。図6(a)はハウジング1を図5のAA線に沿って切断した断面図、図6(b)は図3に示すハウジング101を同位置で切断した断面図である。
 図7(a)は本実施の形態1のハウジング1内の流体の流れを可視化した図であり、横断面Bの位置での流体の混合状態を図7(b)に示す。一方、図7(c)は図3に示すハウジング101内の流体の流れを可視化した図であり、横断面Cの位置での流体の混合状態を図7(d)に示す。
 また、図8(a)は本実施の形態1の吸入空気通路2を流体の流れる方向に沿って切断した断面図であり、吸入空気通路2内の流れを可視化して示す。図8(b)は矢印Dの方向から見た流体の混合状態を示す。一方、図8(c)は楕円通路9を形成していない、円筒状の吸入空気通路2aを流体の流れる方向に沿って切断した断面図であり、吸入空気通路2a内の流れを可視化して示す。図8(d)は矢印Eの方向から見た流体の混合状態を示す。
 図3のハウジング101では、図6(b)に示すように、EGR通路103と吸入空気通路102の合流部104に、バルブシート107の縁部107aが突出しているので、EGRガス流路径が縁部107aの通過位置で絞られる。そのため、バルブシート107を通過したEGRガスは分散し辛い。また、図7(c)に示すように、吸入空気通路102に対してEGRガスが合流する傾斜角度が大きいため、図7(d)に示すように、合流後の混合ガスが吸入空気通路2の下側に偏り易く、かつ、混合割合も不均一になり易い。
 そこで、本実施の形態1ではEGRガスをよりスムーズに吸入空気通路2へと合流させ、かつ、均一に混合させるために、図5に示すように、バルブシート7を吸入空気通路2より手前側に形成して、バルブシート7から吸入空気通路2までを連通するガス分散空間8を設ける。これにより、図6(a)に二点鎖線で示す縁部107a相当箇所が吸入空気通路2へ突出せず、EGRガス流路が広がるため、バルブシート7を通過したEGRガスが分散し易くなる。また、図7(a)に示すように、ガス分散空間8を形成することにより、吸入空気通路2に対してEGRガスが合流する傾斜角度が小さくなるため、EGRガスが吸入空気へスムーズに合流できる。そのため、合流時の圧力損失に起因した流量低下を低減することができ、結果としてより多くのEGRガスを吸入空気通路2へ取り込むことが可能となる。
 さらに、本実施の形態1では、図6(a)および図8(a)に示すように、ポペットバルブ5付近の吸入空気通路2の横断面を、バルブシャフト6の軸方向を短軸、軸方向に直交する方向を長軸にした略楕円形状にする。楕円通路9を形成することにより、図8(a)に示すように、ポペットバルブ5と楕円通路9の隙間が広がり、この隙間を通過した吸入空気が分散し易くなる。よって、図8(b)に示すように、EGRガスと吸入空気が分散され、両流体の偏りおよび混合の不均一化を低減でき、結果としてターボチャージャへ均等に混合ガスを導入することができる。
 これに対し、楕円通路9を形成しない場合は、図8(c)に示すように、吸入空気がポペットバルブ5と吸入空気通路2aの細い隙間を通過して吸入空気通路2aの中央へ回り込み、分散し辛い。そのため、図8(d)に示すように、EGRガスと吸入空気の混合割合が不均一になり易い。
 また、図5に示すように、合流部4の内壁面に、ポペットバルブ5の側面と接するガイド部10を突設する。
 一般に、三方弁構造では、EGRガスの流れと吸入空気の流れが互いに影響を及ぼし、いずれか一方の大流量の流れがもう一方の小流量の流れを抑制し、流量制御が困難となる可能性があった。そのため、ハウジング1の、吸入空気通路2とEGR通路3が合流する合流部4に、通路壁面とポペットバルブ5の側面の間の隙間を塞ぐガイド部10を設けることにより、吸入空気通路2の上流側からEGR通路3への吸入空気の逆流およびEGR通路3から吸入空気通路2の上流側へのEGRガスの逆流を防止できる。よって、合流時にEGRガスおよび吸入空気が互いに及ぼし合う影響を低減することができる。
 次に、変形例を説明する。
 図9は、本実施の形態1に係る排気ガス循環バルブの変形例を示す断面斜視図である。この変形例では、ハウジング1を、ハウジング1-1,1-2の2部品で構成している。吸入空気通路2、合流部4およびガス分散空間8等が設けられたハウジング1-2の中央の穴に、スプリング設置空間11、フィルタ14、軸受け部15およびバルブシート7等が設けられたハウジング1-1を落とし込み、ハウジング1を構成する。
 このハウジング1-1において、バルブシャフト6を軸方向へ付勢するためのスプリング(不図示)が設置されるスプリング設置空間11には、バルブシャフト6とフィルタ14および軸受け部15との間の隙間を吹き抜けた異物が溜まり易い。また、EGRガスが高温のため、スプリング設置空間11に凝縮水が溜まり易い。そのため、ハウジング1-1,1-2に、スプリング設置空間11とハウジング1の外部とを連通する大気開放孔12,13をそれぞれ形成し、異物等を外部へ排出できるようにする。
 なお、図1に示すハウジング1においても、バルブシャフト6の周面を吹き抜けた異物が溜まる箇所とハウジング1の外部とを連通する大気開放孔を形成して、異物等を外部へ排出すればよい。
 また、図9の変形例では、バルブシャフト6を、ポペットバルブ5の上下方向に伸ばしている。ポペットバルブ5から上方向へ伸びたバルブシャフト6の端部は、ハウジング1-1に設置された軸受け部15に摺動自在に支持されている。一方、ポペットバルブ5の半球状の先端部から下方向へ伸びたバルブシャフト6の他端部は、ハウジング1-2に設置された軸受け部16に摺動自在に支持されている。バルブシャフト6を上下方向2箇所で支持して強度を高めることにより、バルブシャフト6の耐偏荷重性を向上でき、吸入空気量が過大となってポペットバルブ5の側面に大きな圧力および荷重が加わる場合でもポペットバルブ5をスムーズに往復動作可能となる。
 なお、図1に示す排気ガス循環バルブの場合、例えば図9の軸受け部15に相当する軸受け部をハウジング1に設けて、バルブシャフト6を摺動自在に支持する構成にする。
 図10(a)は、本実施の形態1に係る排気ガス循環バルブの変形例を示す断面斜視図であり、図10(b)は吸入空気通路2を上流側から見た正面図である。
 図1に示す排気ガス循環バルブでは、EGR通路3が全開になっても吸入空気通路2を全閉せず、吸入空気通路2とポペットバルブ5の間に隙間を残すようにしたが、図10の変形例では隙間を残さないように構成する。具体的には、吸入空気通路2の内壁面のうち、ポペットバルブ5が接近する部位を肉盛りして凸部17とする。これにより、EGR通路3の開弁時に吸入空気通路2を全閉できるようになり、混合ガスに占めるEGRガス量の割合を大幅に増加することができる(即ち、吸入空気量を大幅に低減することができる)。
 以上より、実施の形態1によれば、排気ガス循環バルブは、吸入空気をターボチャージャへ供給する吸入空気通路2、およびこの吸入空気通路2に合流してEGRガスを吸入空気に混合するEGR通路3を有するハウジング1と、吸入空気通路2とEGR通路3の合流部4に形成されたバルブシート7と、合流部4に配置されバルブシート7に接離してEGR通路3を開閉するポペットバルブ5と、ポペットバルブ5を往復動作させるバルブシャフト6とを備え、このポペットバルブ5を、EGR通路3を開弁したときに吸入空気通路2へ進入して遮蔽する円柱形状にした。このため、ポペットバルブ5が開弁することによってEGR通路3を徐々に開放し、それと同時に円柱形状の先端側で吸入空気通路2を徐々に遮蔽して、吸入空気量およびEGRガス量を同時に調整することができる。
 また、実施の形態1によれば、円柱形状のポペットバルブ5の、吸入空気通路2側の先端面を半球状にしたので、吸入空気の流量損失を低減することができる。
 また、実施の形態1によれば、円柱形状のポペットバルブ5を中空にしたので、バルブ重量を軽量化でき、耐振性を向上することができる。
 また、実施の形態1によれば、ポペットバルブ5およびバルブシャフト6を、その軸方向が吸入空気通路2に対して傾斜して設置し、EGR通路3を軸方向と直交する方向に形成したので、EGRガスの流路を直線状に近づけることができ、吸入空気およびEGRガスの流量損失を低減することができる。
 また、実施の形態1によれば、合流部4は、バルブシート7から吸入空気通路2までを連通するガス分散空間8を有し、このガス分散空間8の通路径をバルブシート7の開口径より大きくするようにしたので、EGRガスの流量損失を低減することができる。
 また、実施の形態1によれば、合流部4の内壁面に、ポペットバルブ5の円柱側周面と接するガイド部10を突設するようにしたので、吸入空気とEGRガスの合流時、互いに及ぼし合う影響を低減することができる。
 また、実施の形態1によれば、吸入空気通路2の横断面を、バルブシャフト6の軸方向を短軸にした略楕円形状の楕円通路9にしたので、吸気空気とEGRガスの混合割合の不均一化および吸入空気通路2の配管内の流量偏りを低減することができる。
 また、実施の形態1によれば、ハウジング1は、バルブシャフト6の一端部を摺動自在に支持する軸受け部15と、軸受け部15よりバルブシャフト6先端側で、ハウジング1の内外を連通する大気開放孔12,13とを有する構成にしたので、ハウジング1の内部に発生した異物を外部へリリースすることができる。
 また、実施の形態1によれば、ハウジング1は、ポペットバルブ5からバルブシート7側へ伸びるバルブシャフト6の一端部と、ポペットバルブ5の半球状の先端部から吸入空気通路2側へ延びるバルブシャフト6の他端部とをそれぞれ摺動自在に支持する2箇所の軸受け部15,16を有する構成にした。このため、バルブシャフト6の耐偏荷重性を向上することができる。
 また、実施の形態1によれば、吸入空気通路2の、ポペットバルブ5の半球状の先端部が接近する部位に凸部17を設けるようにしたので、ポペットバルブ5がEGR通路3を開弁した際に吸入空気通路2を全閉でき、混合ガスに占めるEGRガス量を大幅に増加することができる。
 なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。
 例えば、ポペットバルブ5の遮蔽部は、図1に示すような一方端面を半球状にした円柱形状以外の形状であってもよい。図11および図12にポペットバルブ5の変形例を示す。
 図11の変形例では、ポペットバルブ5aを単なる円柱形状とし、先端を半球状にしない。この形状であっても、ポペットバルブ5aの一方端面でバルブシート7を遮蔽してEGR通路3を閉弁し、また、EGR通路3の開弁時には吸入空気通路2を遮蔽することによって混合ガスに占める吸入空気量の割合を低減できる。
 また、図12の変形例ではポペットバルブ5bを円形の平板部材とし、このポペットバルブ5bの端面に板部材を固定して遮蔽部5cとする。この構成の場合、バルブシャフト6は往復動作中に回転動作も行う。
 ポペットバルブ5bがバルブシート7を遮蔽する閉弁時、遮蔽部5cの表裏面が吸入空気の流れる方向と平行な状態になっているため(図12(a))、吸入空気の流れを邪魔しない。EGR通路3の開弁時には、ポペットバルブ5bをバルブシート7から離間させながら遮蔽部5cを時計回りに90度回転させ、図12(a)から図12(b)の状態へ変位させる。このため、開弁時には遮蔽部5cの表裏面が吸入空気通路2を遮蔽して(図12(b))、混合ガスに占める吸入空気量の割合を低減できる。開弁時にはポペットバルブ5bをバルブシート7へ接近させながら遮蔽部5cを反時計回りに回転させ、図12(b)から図12(a)の状態へ変位させる。
 以上のように、この発明に係る排気ガス循環バルブは、吸入空気とEGRガスを同時に調整するようにしたので、排気ガスをターボチャージャのコンプレッサへ再循環させるための低圧用の排気ガス循環バルブなどに用いるのに適している。
 1,1-1,1-2,101 ハウジング、2,2a,102 吸入空気通路、3,103 EGR通路、4,104 合流部、5,5a,5b,105 ポペットバルブ、5c 遮蔽部、6,106 バルブシャフト、7,107 バルブシート、8 ガス分散空間、9 楕円通路、10 ガイド部、11 スプリング設置空間、12,13 大気開放孔、14 フィルタ部、15,16 軸受け部、17 凸部、107a 縁部。

Claims (10)

  1.  吸入空気をターボチャージャへ供給する吸入空気通路、および当該吸入空気通路に合流して、排気ガスを前記吸入空気に混合する排気ガス循環通路を有するハウジングと、
     前記吸入空気通路と前記排気ガス循環通路の合流部に形成されたバルブシートと、
     前記合流部に配置され、前記バルブシートに接離して前記排気ガス循環通路を開閉するポペットバルブと、
     前記ポペットバルブを往復動作させるバルブシャフトと、
     前記ポペットバルブの前記吸入空気通路を向く面から突出した形状であって、前記排気ガス循環通路を開弁したときに前記吸入空気通路に進入して遮蔽する遮蔽部とを備える排気ガス循環バルブ。
  2.  前記ポペットバルブの遮蔽部は円柱形状であって、前記吸入空気通路側の端面が半球状であることを特徴とする請求項1記載の排気ガス循環バルブ。
  3.  前記ポペットバルブの遮蔽部は中空であることを特徴とする請求項1記載の排気ガス循環バルブ。
  4.  前記ポペットバルブおよび前記バルブシャフトは、その軸方向が吸入空気通路に対して傾斜して設置され、
     前記排気ガス循環通路は、前記軸方向と直交する方向に形成されたことを特徴とする請求項1記載の排気ガス循環バルブ。
  5.  前記合流部は、前記バルブシートから前記吸入空気通路までを連通する空間を有し、当該空間の通路径は前記バルブシートの開口径より大きいことを特徴とする請求項1記載の排気ガス循環バルブ。
  6.  前記合流部の内壁面に、前記ポペットバルブの遮蔽部側面と接するガイド部が突設されたことを特徴とする請求項1記載の排気ガス循環バルブ。
  7.  前記吸入空気通路の横断面は、前記バルブシャフトの軸方向を短軸にした略楕円形状であることを特徴とする請求項1記載の排気ガス循環バルブ。
  8.  前記ハウジングは、
     前記バルブシャフトの一端部を摺動自在に支持する軸受け部と、
     前記軸受け部より前記バルブシャフト先端側に、前記ハウジング内外を連通する大気開放孔とを有することを特徴とする請求項1記載の排気ガス循環バルブ。
  9.  前記ハウジングは、前記ポペットバルブから前記バルブシート側へ伸びる前記バルブシャフトの一端部と、前記ポペットバルブの遮蔽部から前記吸入空気通路側へ伸びる前記バルブシャフトの他端部とをそれぞれ摺動自在に支持する2箇所の軸受け部を有することを特徴とする請求項1記載の排気ガス循環バルブ。
  10.  前記吸入空気通路の、前記ポペットバルブの遮蔽部が接近する部位に凸部を設けたことを特徴とする請求項1記載の排気ガス循環バルブ。
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