JP2016070283A - バタフライ弁および排気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シールリングの合口の隙間に製造ばらつきがあっても、シール性を向上させる。
【解決手段】バタフライ弁４は、流体が通過する孔を有するハウジングと、回転する弁軸４２と、溝４３４が形成された外周縁４３３を有し、弁軸４２に接続された円板状の弁体４３と、合口４４１を有し、溝４３４にはめ込まれるシールリング４４と、溝４３４において合口４４１の位置に固定される固定部材４５とを有する。合口４４１は、シールリング４４の端部により形成される。固定部材４５は、シールリング４４の径方向から見て、合口４４１の間隔よりも広い第１部分、および合口４４１の間隔よりも狭い第２部分を有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、シールリングを用いたバタフライ弁において、シール性を向上させる技術に関する。

流体の流量を制御するための弁としてバタフライ弁が知られている。例えば、特許文献１は、自動車用の内燃機関において排気ガスの一部を再度吸気させる、排気再循環（Exhaust Gas Recirculation、ＥＧＲ）システムに用いるＥＧＲ弁として、バタフライ弁を用いた技術を開示している。特許文献１においては、弁体とハウジングとの間のシール性（気密性）を向上させるため、弁体の外周縁に溝を設け、この溝にシールリングをはめ込む構造が開示されている。ここで、シールリングは完全な環形状ではなく、一部に切り欠き（いわゆる合口）を有するＣ字形状を有する。シールリングが弁体に対して回転してしまうのを防止するため、切り欠きの位置に回り止めのピンが設けられる（図５）。

特開２００８−２２３５０５号公報

シールリングを量産すると、合口の隙間には製造ばらつきが生じる。しかし、特許文献１に記載の技術によっては、製造ばらつきにより合口の隙間が広がってしまうと、弁体とハウジングとのシール性が悪くなってしまうという問題があった。

これに対し本発明は、シールリングの合口の隙間に製造ばらつきがあっても、シール性を向上させる技術を提供する。

本発明は、流体が通過する孔を有するハウジングと、回転する弁軸と、前記孔の内部に設けられ、溝が形成された外周縁を有し、前記弁軸に接続された円板状の弁体と、合口を有し、前記溝にはめ込まれるシールリングと、前記溝において前記合口の位置に固定される固定部材とを有し、前記合口は、前記シールリングの第１端および第２端により形成され、前記固定部材は、前記シールリングの径方向から見て、前記第１端と前記第２端との間隔よりも広い第１部分、および当該第１端と当該第２端との間隔よりも狭い第２部分を有するバタフライ弁を提供する。

前記固定部材は、前記シールリングの径方向から見て、前記第１端と前記第２端との間隔よりも広い第３部分をさらに有し、前記第２部分は、前記第１部分および前記第２部分に挟まれ、前記第１端および前記第２端は、前記第１部分および前記第２部分の間の隙間にかみ合っていてもよい。

前記第１部分は、前記シールリングの径方向から見て、前記流体の流れの方向に対して、前記第２部分より上流側に位置してもよい。

前記固定部材は、前記シールリングの径方向から見て、当該固定部材の重心が前記シールリングの中心線からずれている位置に固定されていてもよい。

また、本発明は、内燃機関の排気ガスを流すための排気管と、前記排気管の途中に取り付けられた、上記いずれかのバタフライ弁とを有する排気装置を提供する。

本発明によれば、シールリングの合口の隙間に製造ばらつきがあっても、シール性を向上させることができる。

一実施形態に係る吸排気システム１０００の構成を例示する図。 一実施形態に係るバルブアセンブリ１の斜視図。 バタフライ弁４における弁軸および弁体の構造を示す斜視図。 バタフライ弁４の分解斜視図。 合口４４１と固定部材４５との関係を例示する図。 合口４４１の拡大図。 比較例に係る合口と固定部材４５との関係を例示する図。 図２のVIII−VIII断面図。 図８の領域IXの拡大図。 半開状態におけるバルブアセンブリ１の断面図。 固定部材４５の形状の別の例を示す図。

１．構造
図１は、一実施形態に係る吸排気システム１０００の構成を例示する図である。吸排気システム１０００は、エンジン２０００への吸排気を制御するシステムである。この例でエンジン２０００は自動車用のディーゼルエンジンである。吸排気システム１０００は、排気の一部を吸気系に再循環させる、いわゆるＥＧＲシステム（ＥＧＲ装置）である。吸排気システム１０００は、吸気系１１と、排気系１２と、ＨＰＬ（High Pressure Loop)−ＥＧＲ系１３と、ＬＰＬ(Low Pressure Loop）−ＥＧＲ系１４とを有する。

吸気系１１は、エンジン２０００に混合気を供給する。吸気系１１は、吸気側ターボバイパス弁１１１と、インタークーラー切替弁１１２と、インタークーラー１１３と、スロットル弁１１４とを有する。

排気系１２は、エンジン２０００から、排気ガスを排出する。排気系１２は、排気側ターボバイパス弁１２１と、排気ブレーキ弁１２２と、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）１２３と、排気絞り弁１２４とを有する。

吸気系１１と排気系１２との間には、第１ターボチャージャー１５および第２ターボチャージャー１６が設けられている。

ＨＰＬ−ＥＧＲ系１３は、排気の一部を吸気系１１に戻す。ＨＰＬ−ＥＧＲ系１３は、エンジン２０００の排気側と、吸気系１１（具体的にはスロットル弁１１４下流側）との間に設けられている。ＨＰＬ−ＥＧＲ系１３は、ＥＧＲクーラー切替弁１３１と、ＨＰＬ−ＥＧＲ弁１３２と、ＥＧＲクーラー１３３とを有する。

ＬＰＬ−ＥＧＲ系１４は、排気の一部を吸気系１１に戻す。ＬＰＬ−ＥＧＲ系１４は、排気系１２（具体的にはＤＰＦ９１２の下流側）と、吸気系１１（具体的には第２ターボチャージャー１６の上流側）との間に設けられている。ＬＰＬ−ＥＧＲ系１４は、ＬＰＬ−ＥＧＲ弁１４１と、ＥＧＲクーラー１４２とを有する。

図２は、一実施形態に係るバルブアセンブリ１の斜視図である。バルブアセンブリ１は、吸排気システム１０００において用いられる弁、例えば、排気側ターボバイパス弁１２１として用いられる弁である。バルブアセンブリ１は、駆動部２と、リンク機構部３と、バタフライ弁４とを有する。以下、説明のため、方向を以下のように定義する。バタフライ弁４において、流体の流れる方向の上流および下流をそれぞれ、「前」および「後」という。前からバタフライ弁４に向かって後ろを向いたときの上下左右を、「上」、「下」、「左」、および「右」という。なお、この定義は説明のための便宜的なものであって、システムにおいてバルブアセンブリ１が設置される向きや位置を限定するものではない。

バタフライ弁４は、ハウジング４１と、弁軸（図２では不図示）および弁体４３を有する。ハウジング４１は、ハウジング本体４１１と、スリーブ４１２とを有する。ハウジング本体４１１は、例えばステンレス鋼で形成され、直方体形状を有している。ハウジング本体４１１は、前後方向に延在する孔を有する。この孔を流体が通過する。図２では、流体の流れる向きを矢印で示している。スリーブ４１２は、例えばステンレス鋼で形成され、円筒形状を有する。スリーブ４１２は、ハウジング本体４１１の孔にはめ込まれている。

図３は、バタフライ弁４における弁軸および弁体の構造を例示する斜視図であり、図４はバタフライ弁４の分解斜視図である。バタフライ弁４は、弁軸４２と、弁体４３と、シールリング４４と、固定部材４５とを有する。

弁軸４２は、例えばステンレス鋼で形成され、円柱形状（丸棒形状）を有する。弁軸４２においては、弁体４３を接続するため側面の一部が削られ、平坦部４２１が形成されている。

弁体４３は、例えばステンレス鋼で形成され、円板形状を有する。すなわち弁体４３は、平坦面４３１および平坦面４３２、並びに外周縁４３３を有する。外周縁４３３には溝４３４（図４のハッチング部分）が形成されている。溝４３４は、外周縁４３３に沿って形成されており、前方から見ると円形である。また、上、下、左、または右方向から見ると、溝４３４は外周縁４３３に沿って真っ直ぐ延びている。弁軸４２および弁体４３は、平坦部４２１および平坦面４３２においてボルト４６により互いに固定されている。

シールリング４４は、例えばステンレス鋼で形成され、円環形状を有する。ただし、シールリング４４は完全な円環形状を有しているわけではなく、環は一部で切れており、隙間（ギャップ）が形成されている。すなわち、シールリング４４はＣ字形状を有する。環が切れている部分を合口４４１という。合口４４１を形成すると、合口の隙間がマージンとなって、シールリング４４は弾性変形しやすくなる。なお、シールリング４４および弁体４３は、要求される特性に応じて互いに異なる材料で形成されていてもよい。例えば、シールリング４４がＳＵＳ６３１Ｊ１で形成され、弁体４３がＳＵＳ３０３で形成されていてもよい。

固定部材４５は、シールリング４４が弁体４３に対し回転してしまうことを防ぐストッパーとして機能する。固定部材４５は、溝４３４のうち合口４４１に相当する位置において、弁体４３に固定されている。固定部材４５を弁体４３に固定する方法としては、例えば、圧入またはねじ込みが用いられる。固定部材４５は、例えばステンレス鋼で形成され、所定の断面形状の柱形状を有するピンである。

図５は、合口４４１と固定部材４５との関係を例示する図である。図５の上図は、前方から見た弁体４３およびシールリング４４の断面（図５下図のＶ−Ｖ断面）を示している。図５の下図は、弁体４３およびシールリング４４を下方から見た図である。すなわち図５の下図は、シールリング４４の径方向から見た合口４４１の形状および固定部材４５との位置関係を示している。なお、この図では説明のため、溝４３４およびシールリング４４が大きく描かれている。合口４４１は、シールリング４４の一端（端部４４２）および他端（端部４４３）により形成されている。シールリング４４は、溝４３４の底面まではめ込まれているわけではなく、シールリング４４の底面と溝４３４の底面との間には隙間（図９の隙間Ｇ３）が空いている。固定部材４５は、一部が弁体４３にはめ込まれ（またはねじ込まれ）、固定されている。弁体４３は、固定部材を固定するための穴（凹部）を有している。固定部材４５の径は溝４３４の幅以下であってもよいし、溝４３４の幅より広くてもよい。固定部材４５の径が溝４３４の幅より広い場合、溝４３４は、固定部材４５が固定される部分は、他よりも幅が広くなっている。シールリング４４は、全てが溝４３４にはめ込まれているわけではなく、一部が溝４３４からはみ出ている。一例として、シールリング４４の外径は４０〜７０ｍｍであり、高さ（径方向の長さ）ｄ１は１．８〜２．０ｍｍであり、このうち溝４３４からはみ出している部分の高さｄ２は０．８〜１．１ｍｍである。

図６は、合口４４１の拡大図である。この例で、固定部材４５は、円柱に２つの凹部（切り欠き）が形成された形状を有している。凹部は、溝４３４に沿った方向の、左右それぞれに形成されている。これらの凹部に、端部４４２および端部４４３が噛み合っている。固定部材４５の断面形状は、左右方向の長さについてみると、端部４４２と端部４４３との間隔Ｇ１よりも長い第１部分４５１および第３部分４５３と、間隔Ｇ１よりも短い第２部分４５２とを含んでいるということもできる。第２部分４５２は、第１部分４５１および第３部分４５３により挟まれている。なお第２部分４５２の幅は、シールリング４４の幅（詳細には、端部４４２の幅および端部４４３の幅）よりも広い。なお、ここで「幅」とは、前後方向の長さをいう。

図６（ａ）は流体による圧力がかかっていない状態を、図６（ｂ）は圧力がかかっている状態を、それぞれ示している。流体により圧力がかかると、シールリング４４は固定部材４５に押しつけられる。このとき、端部４４２および端部４４３は固定部材４５の凹部に噛み合っているので、第１部分４５１と端部４４２および端部４４３とが接触して気密状態になる。なおここで、気密性をより高める観点から、固定部材４５の凹部のうち端部ｙ４４２および端部４４３と噛み合う面は、シールリング４４の周方向に平行な平面部分を有することが望ましい。また、このとき、固定部材４５は、シールリング４４の径方向から見て、固定部材４５の重心Ｃがシールリング４４の中心線（図の一点鎖線）から（前方に）ずれている位置にある。

再び図５を参照する。固定部材４５の上下方向の寸法をシールリング４４と合わせて形成すれば、すなわち、シールリング４４および固定部材４５の外周縁（外周面）が滑らかな円弧を描いていれば、シール性を高めることができる。

図７は、比較例に係る固定部材５５と合口との関係を例示する図である。固定部材５５の断面形状は円であって、切り欠き（凹部）は形成されていない。製造誤差および製造ばらつき等の要因により、合口４４１の隙間を固定部材５５の径と完全に同じサイズにすることはできない。合口４４１の隙間が固定部材５５の径よりも大きいと、合口４４１と固定部材５５とがシールされず、流体が漏れてしまう。

これに対し、本実施形態の固定部材４５を用いれば、固定部材５５を用いた場合と比較してシール性を高めることができる。

再び図２を参照する。駆動部２は、弁軸４２を回転させる（すなわち弁軸４２を駆動する）。駆動部２は、モータ２１と、ブラケット２２とを有する。モータ２１は、ブラケット２２に固定されている。リンク機構部３は、モータ２１から弁軸４２に駆動力（回転力）を伝達する。リンク機構部３は、モータ２１の回転軸（図略）と弁軸４２とを連結している。

図８は、図２のVIII−VIII断面図を示す。この図で、バタフライ弁４は全閉状態である。この状態において、弁体４３は、弁軸４２の前方（上流側）に位置する。すなわち、弁軸４２の軸線Ｏ１に対して、弁体４３の径方向中心Ｏ２は、前方に位置している。

スリーブ４１２の内部には流体が通過する流体路となる孔が形成されている。この孔の壁面の一部には、摺動面４１２１が形成されている。摺動面４１２１は、弁体４３（シールリング４４）と摺動する面であり、曲率半径ｒ１の球面の一部の形状を有する。曲率半径ｒ１は、シールリング４４を含めた弁体４３の半径に相当する長さである。摺動面４１２１は、上方向から見たときに軸線Ｏ１より上流側に形成されている。軸線Ｏ１より下流側においては、スリーブ４１２の孔は一定であるかまたは下流に向かって広がるテーパを有する。

図９は、図８の領域IXの拡大図である。シールリング４４は、弁体４３の外周縁４３３
に形成された溝４３４にはめ込まれている。この例で、シールリング４４の断面形状は、長方形である。なお、この例で、シールリング４４は溝４３４の奥まで完全に押し込まれているわけではなく（シールリング４４と溝４３４の底面とが接しているわけではなく）、シールリング４４と溝４３４の底面との間には隙間Ｇ３が空いている。隙間Ｇ３があるとこれがマージンとなり、シールリング４４がより弾性変形しやすくなる。

再び図８を参照する。理想的には、弁軸４２の軸線Ｏ１は、摺動面４１２１を形成する球の中心を通過する。さらに、理想的には、摺動面４１２１の曲率半径ｒ１と、弁軸４２の軸線Ｏ１から弁体４３（シールリング４４）の外周縁までの距離とは同じである。このような理想的な状態においては、弁体４３の外周縁と摺動面４１２１とがずれず、隙間無く接触する。

しかし、実際には、弁体４３や摺動面４１２１の形状精度、弁軸４２と弁体４３との組付誤差、弁体４３やハウジング４１の熱収縮など、種々の要因により、弁体４３の外周縁と摺動面４１２１とにずれが生じる。

本実施形態のシールリング４４は、隙間Ｇ１〜Ｇ３により、無負荷状態から弾性変形することができる。軸線Ｏ１と摺動面４１２１との距離が設計値よりも短い部分においては、シールリング４４が弾性変形することにより、弁体４３と摺動面４１２１との摺動を損なわずに、シールすることができる。すなわち、全閉状態において、シールリング４４の外周縁の全周にわたって摺動面４１２１に接触させることができる。シールリング４４と摺動面４１２１との接触部分をシール部Ｓとして図示している（以下の図においても同様）。

図１０は、半開状態におけるバルブアセンブリ１の断面図を示す。図１０は、図８と同じ断面を示している。この状態で、弁体４３は全開状態と比較して傾いており、流体路Ａが部分的に開かれている。弁体４３の外周縁は、上下部分の一部において摺動面４１２１に接触している。換言すると、シールリング４４の上下２箇所が、摺動面４１２１により支持される。全開状態においても同様である。

２．変形例
本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。以下、変形例をいくつか説明する。以下の変形例のうち複数のものが組み合わせて用いられてもよい。

図１１は、固定部材４５の形状の別の例を示す図である。固定部材４５の形状は、実施形態で説明した、凹部を有する円柱に限定されない。図１１は、固定部材４５が、第３部分４５３を有さず、第１部分４５１および第２部分４５２のみを有する例を示している。この場合、第１部分４５１は第２部分４５２より前方に位置することが好ましい。

また、固定部材４５の形状は、図６および図１１で例示したもの以外であってもよい。例えば、固定部材４５は、四角柱に切り欠き（凹部）を形成したものであってもよい。

吸排気システム１０００の構造は図１で例示したものに限定されない。エンジン２０００からの排気の一部を吸気管に再循環させるものであれば、吸排気システム１０００の具体的な構造はどのようなものであってもよい。また、エンジン２０００は自動車用のディーゼルエンジンに限定されない。船舶等、自動車以外の用途に用いられるエンジンであってもよいし、ガソリンエンジンであってもよい。

バルブアセンブリ１の用途は、吸排気システム１０００の排気側ターボバイパス弁１２１に限定されない。吸排気システム１０００の他の弁に用いられてもよい。また、バルブアセンブリ１は、ＥＧＲシステム以外の排気システム（排気装置）に用いられてもよい。別の例で、バルブアセンブリ１は、気体（例えば混合気および排気）の流れを制御するものに限定されず、液体または気体の流れを制御する用途に用いられてもよい。

バルブアセンブリ１の構成部品の材料は実施形態で説明したものに限定されない。構成部品の各々は、ステンレス鋼以外にも、アルミニウムや鉄などの単体金属またはその合金、もしくは樹脂により形成されてもよい。また、バルブアセンブリ１およびその構成部品の形状は実施形態で例示したものに限定されない。実施形態で説明したサイズはあくまで一例である。

１０００…吸排気システム
１１…吸気系
１１１…吸気側ターボバイパス弁
１１２…インタークーラー切替弁
１１３…インタークーラー
１１４…スロットル弁
１２…排気系
１２１…排気側ターボバイパス弁
１２２…排気ブレーキ弁
１２３…ＤＰＦ
１２４…排気絞り弁
１３…ＨＰＬ−ＥＧＲ系
１３１…ＥＧＲクーラー切替弁
１３２…ＨＰＬ−ＥＧＲ弁
１３３…ＥＧＲクーラー
１４…ＬＰＬ−ＥＧＲ系
１４１…ＬＰＬ−ＥＧＲ弁
１４２…ＥＧＲクーラー
１５…第１ターボチャージャー
１６…第２ターボチャージャー
エンジン２０００
バルブアセンブリ１
２…駆動部
３…リンク機構部
４…バタフライ弁
４１…ハウジング
４１１…ハウジング本体
４１２…スリーブ
４２…弁軸
４２１…平坦部
４３…弁体
４３１…平坦面
４３２…平坦面
４３３…外周縁
４３４…溝
４４…シールリング
４４１…合口
４４２…端部
４４３…端部
４５…固定部材
４５１…第１部分
４５２…第２部分
４５３…第３部分
５５…固定部材
５５１…合口

Claims (5)

1. 流体が通過する孔を有するハウジングと、
   回転する弁軸と、
   前記孔の内部に設けられ、溝が形成された外周縁を有し、前記弁軸に接続された円板状の弁体と、
   合口を有し、前記溝にはめ込まれるシールリングと、
   前記溝において前記合口の位置に固定される固定部材と
   を有し、
   前記合口は、前記シールリングの第１端および第２端により形成され、
   前記固定部材は、前記シールリングの径方向から見て、前記第１端と前記第２端との間隔よりも広い第１部分、および当該第１端と当該第２端との間隔よりも狭い第２部分を有する
   バタフライ弁。
2. 前記固定部材は、前記シールリングの径方向から見て、前記第１端と前記第２端との間隔よりも広い第３部分をさらに有し、
   前記第２部分は、前記第１部分および前記第２部分に挟まれ、
   前記第１端および前記第２端は、前記第１部分および前記第２部分の間の隙間に噛み合っている
   ことを特徴とする請求項１に記載のバタフライ弁。
3. 前記第１部分は、前記シールリングの径方向から見て、前記流体の流れの方向に対して、前記第２部分より上流側に位置する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のバタフライ弁。
4. 前記固定部材は、前記シールリングの径方向から見て、当該固定部材の重心が前記シールリングの中心線からずれている位置に固定されている
   ことを特徴とする請求項１の記載のバタフライ弁。
5. 内燃機関の排気ガスを流すための排気管と、
   前記排気管の途中に取り付けられた、請求項１ないし４のいずれか一項に記載のバタフライ弁と
   を有する排気装置。

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