JP2002081571A - 流量制御弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 流量制御弁に関し、微小流量を安定して制御
できるとともに、弁体／弁座を大径化することなく大流
量を確保できるようにする。 【解決手段】 流体通路３，４に形成された第１弁座８
と、第１弁座８に着座する第１弁体２３と、第１弁体２
３に一端を連結された第１弁軸２２と、第１弁軸２２を
軸方向に移動させる第１アクチュエータ１０とを備え、
第１アクチュエータ１０により第１弁体２３を第１弁座
８に接離させるように構成するとともに、第１弁体２３
に形成された第２弁座２５と、第２弁座２５に着座する
第２弁体２９と、第１弁軸２２と同軸上に設けられ第２
弁体２９に一端を連結された第２弁軸２８と、第１弁軸
２２と一体的に設けられ第２弁軸２８を軸方向に移動さ
せる第２アクチュエータ３０とを備え、第２アクチュエ
ータ３０により第２弁体２９を第２弁座２５に接離させ
るように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、弁開度により流体の流
量を制御する流量制御弁に関し、特に、内燃機関のＥＧ
Ｒ制御等に使用されるＥＧＲバルブとして用いて好適
の、流量制御弁に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ディーゼルエンジン等の内燃機関
においては、ＮＯｘの発生を抑制するための手法として
排気ガス再循環装置（Exhaust Gas Recirculation Syst
em、以下、単にＥＧＲ装置と言う）が用いられている。
ＥＧＲ装置は、エンジンの排気通路と吸気通路とをＥＧ
Ｒ通路により接続し、このＥＧＲ通路を介して排気ガス
（ＥＧＲガス）を吸気通路内に再循環させるものであ
り、その排気ガスの再循環量（ＥＧＲ量）は、ＥＧＲ通
路に備えられた流量制御弁であるＥＧＲバルブによって
制御される。

【０００３】例えば、小型ディーゼルエンジンでは、ダ
イヤフラムアクチュエータ式のＥＧＲバルブが主として
用いられている。図５に示すように、この従来のＥＧＲ
バルブ５０は、バルブボディ５１と一体にダイヤフラム
６１を有するアクチュエータ６０が取り付けられてい
る。バルブボディ５１内には、弁室５２と弁室５２に連
通する排気側ポート５３及び吸気側ポート５４とが形成
されており、弁室５２と排気側ポート５３との間には弁
座５５が設けられている。一方、アクチュエータ６０
は、その内部をダイヤフラム６１によって負圧室６２と
大気圧室６３とに区画されている。そして、負圧室６２
には負圧が導入される配管６４が接続されるとともに、
その内部にはダイヤフラム６１を下方へ付勢するスプリ
ング６５が備えられている。また、ダイヤフラム６１に
は、弁室５２へ向かって延びる弁軸５７の後端部が取り
付けられている。弁軸５７の先端部には弁体５６が取り
付けられており、この弁体５６が弁座５５に着座するこ
とにより、両ポート５３，５４の間が遮断されるように
なっている。そして、配管６４から負圧室６２に負圧が
導入され、ダイヤフラム６１が負圧室６２側へ変位する
ことにより弁軸５７が変位して弁体５６と弁座５５との
間の開度が調節されるようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ディーゼルエンジンの
ＥＧＲ制御では、低負荷時には高ＥＧＲ率、高負荷時に
は低ＥＧＲ率となるようにＥＧＲバルブ５０の開度制御
が行なわれる。特に高負荷時には、ＥＧＲガスの微小な
制御のため、弁体５６の弁座５５に対する繊細なリフト
制御が要求される。

【０００５】ところが、ディーゼルエンジンの排ガス脈
動は振幅が大きく、特にＥＧＲバルブ５０が低リフト時
（ＥＧＲガス小流量時）にはＥＧＲバルブ５０の前後差
圧の拡大によりハンチングが生じ、安定したリフト制御
を維持することができない。このため、従来のＥＧＲバ
ルブ５０では、高負荷時に所望のＥＧＲ率を得ることが
できず排ガス性能が悪化してしまうという課題がある。

【０００６】また、近年では、更なるＮＯｘ排出量の低
減のため、低負荷時のＥＧＲガスの流量をより大きくす
ることが望まれている。ＥＧＲガスの流量を大きくする
には弁体５６の径を大きくすることが考えられるが、弁
体５６を大径化して高流量を確保しようとすると、高回
転，高負荷時にスプリング６５の付勢力が排圧に負けて
しまい、弁体５６が開いて排煙濃度が悪化してしまう虞
がある。また、弁体５６を大径化すると、排気側ポート
５３をはじめＥＧＲバルブ５０全体の大型化を招いてし
まうという課題もある。

【０００７】なお、上記課題を解決するための先行技術
としては、例えば、特開平８−３１２４７０号公報に開
示された技術が挙げられる。この技術は、正圧によりエ
アシリンダを作動させてバルブをリフトさせ、ＥＧＲガ
スの流量を調整する正圧式の流量制御弁に関する技術で
あり、ＥＧＲ通路に形成された弁座に着座する第１の弁
体を有する第１バルブを備えるとともに、第１の弁体に
形成された弁座に着座する小径の第２の弁体を有する第
２バルブを第１バルブと同軸上に備えたことを特徴とし
ている。そして、第２バルブを駆動して第２の弁体のリ
フト量を制御することにより微小流量の制御を行なうと
ともに、第１バルブを駆動して第１の弁体を開くことに
より大流量の制御を行なうようにしている。なお、この
技術では、構造上、第１バルブが開いたときには第２バ
ルブは閉じるようになっている。

【０００８】上記の技術では、径の異なる弁体を有する
２つのバルブを同軸上に備えることによって簡単な構成
で微小流量の安定した制御と大流量の確保とを可能にし
ている。しかしながら、上記の技術では、ＥＧＲガスの
最大流量は従来同様に第１バルブの弁体の径で決まるた
め、最大流量を大きくするためには第１の弁体の径を大
きくせざるを得ず、従来同様に流量制御弁全体の大型化
を招いてしまう。

【０００９】本発明は、このような課題に鑑み創案され
たもので、微小流量を安定して制御できるとともに、弁
体／弁座を大径化することなく大流量を確保できるよう
にした、流量制御弁を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の流量制御弁は、流体通路に形成された第１
弁座と、該第１弁座に着座する第１弁体と、該第１弁体
に一端を連結された第１弁軸と、該第１弁軸を軸方向に
移動させる第１アクチュエータとを備え、該第１アクチ
ュエータにより該第１弁体を該第１弁座に接離させるよ
うに構成されるとともに、該第１弁体に形成された第２
弁座と、該第２弁座に着座する第２弁体と、該第１弁軸
と同軸上に設けられ該第２弁体に一端を連結された第２
弁軸と、該第１弁軸と一体的に設けられ該第２弁軸を軸
方向に移動させる第２アクチュエータとを備え、該第２
アクチュエータにより該第２弁体を該第２弁座に接離さ
せるように構成されたことを特徴としている。

【００１１】上記構成により、該第１弁体／該第１弁座
間の開度と該第２弁体／該第２弁座間の開度とは互いに
独立して制御される。したがって、該第１弁体／該第１
弁座間は閉じた状態で、該第２アクチュエータにより該
第２弁体／該第２弁座間の開度を制御することにより微
小流量の制御が行なわれる。また、該第２弁体／該第２
弁座間は閉じた状態で、該第１アクチュエータにより該
第１弁体／該第１弁座間を開くことにより大流量が確保
される。また、該第１アクチュエータにより該第１弁体
／該第１弁座間を開いた状態で、更に該第２アクチュエ
ータにより該第２弁体／該第２弁座間を開くことにより
更に大流量が確保される。

【００１２】なお、該第１アクチュエータ及び該第２ア
クチュエータの形式には限定はなく、例えば、エアシリ
ンダやダイヤフラムアクチュエータを用いることができ
る。また、弁体／弁座間の開閉形式は、弁軸により弁体
を引くことで弁体／弁座間を開く引き開き形式でもよ
く、弁軸により弁体を押すことで弁体／弁座間を開く押
し開き形式でもよいが、より大きな流量を確保する上で
は、弁軸が弁座の開口を塞ぐことのない引き開き形式と
することが好ましい。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態について説明する。図１〜図４は、本発明の一実
施形態としての流量制御弁について示すものであり、本
実施形態では、本発明の流量制御弁をディーゼルエンジ
ンのＥＧＲ装置に備えられるＥＧＲバルブとして構成し
ている。まず、本実施形態にかかるＥＧＲバルブの構造
について図１を用いて説明する。

【００１４】図１（ａ）に示すように、ＥＧＲバルブ１
は金属製のバルブボディ２を備え、その上部に第１アク
チュエータ１０が取り付けられている。バルブボディ２
内には弁室３が形成され、弁室３から第１アクチュエー
タ１０が取り付けられた側とは反対側に向けて排気側ポ
ート４が形成されている。この排気側ポート４と弁室３
との間には円環状の弁座（第１弁座）８が配設されてい
る。また、弁室３から排気側ポート４に対して略直角方
向に向けて吸気側ポート５が形成されている。これら弁
室３及び両ポート４，５はＥＧＲ管（流体通路）の一部
を形成しており、排気側ポート４及び吸気側ポート５は
エンジンの排気管及び吸気管にそれぞれ接続される（図
示略）。

【００１５】第１アクチュエータ１０は負圧式のダイヤ
フラムアクチュエータであり、金属製のケーシング１１
内にダイヤフラム１２を備えている。ケーシング１１内
はダイヤフラム１２により区画され、バルブボディ２側
の部屋は大気圧が導入される大気圧室１３とされ、反対
側の部屋は負圧を導入される負圧室１４とされている。
負圧室１４への負圧の導入は、負圧室１４側のケーシン
グ１１に接続された配管１５を介して行なわれるように
なっている。また、負圧室１４内にはダイヤフラム１２
をバルブボディ２側に付勢するスプリング１６が備えら
れている。ダイヤフラム１２の上下面には皿状のプレー
ト１７，１８が取り付けられており、スプリング１６
は、ケーシング１１とプレート１７との間に介装されて
いる。

【００１６】更に、負圧室１４内には第２アクチュエー
タ３０が備えられている。第２アクチュエータ３０も負
圧式のダイヤフラムアクチュエータであり、金属製のケ
ーシング３１内にダイヤフラム３２を備えている。ケー
シング３１は、スプリング１６内に収まり、その底部が
プレート１７に固定されている。ケーシング３１の高さ
は、負圧室１４への負圧の導入によるダイヤフラム１２
の変位時に、ケーシング３１の上部が負圧室１４の天井
部に干渉しない高さに設定されている。ケーシング３１
内はダイヤフラム３２により区画され、第１アクチュエ
ータ１０と同様にバルブボディ２側の部屋は大気圧が導
入される大気圧室３３とされ、反対側の部屋は負圧を導
入される負圧室３４とされている。図１（ｂ）に示すよ
うに負圧室３４側のケーシング３１には金属配管３５ａ
が固設されており、この金属配管３５ａに第１アクチュ
エータ１０のケーシング１１に取り付けられた金属配管
３５ｃをゴム配管３５ｂを介して接続することにより、
負圧室３４内に負圧が導入されるようになっている。ま
た、ダイヤフラム３２の上下面には皿状のプレート３
７，３８が取り付けられており、ケーシング３１とプレ
ート３７との間には、ダイヤフラム３２をバルブボディ
２側に付勢するスプリング３６が介装されている。

【００１７】第１アクチュエータのダイヤフラム１２及
び上下プレート１７，１８には弁室３へ向かって延びる
弁軸（第１弁軸）２２の後端部が取り付けられている。
バルブボディ２の第１アクチュエータ１０が取り付けら
れた面には、弁室３に連通する挿通孔６が穿設されてお
り、弁軸２２はこの挿通孔６を通って弁室３内に延設さ
れるとともに、軸受け７を介して軸方向に摺動自在に軸
支されている。弁軸２２の先端には弁体（第１弁体）２
３が取り付けられており、この弁体２３と弁座８とで第
１バルブ４０を構成している。この第１バルブ４０が閉
じることにより、即ち、弁体２３が弁座８に着座するこ
とにより両ポート４，５間が遮断されるようになってい
る。

【００１８】弁体２３は円筒形であり、その内部には吸
気側ポート５側に開口した弁室（第２弁室）２４が形成
されている。弁体２３の底部の中央部には弁室２４を排
気側ポート５側に連通させる開口が穿設されており、そ
の縁部の弁室２４側には弁座（第２弁座）２５が形成さ
れている。一方、弁軸２２には弁室２４から第２アクチ
ュエータ３０の大気圧室３３まで通じる挿通孔２６が同
軸上に穿設されている。この挿通孔２６内には、弁室２
４から第２アクチュエータ３０まで延びる弁軸（第２弁
軸）２８が挿通されており、軸受け２７を介して軸方向
に摺動自在に軸支されている。弁軸２８の後端部は第２
アクチュエータのダイヤフラム３２及び上下プレート３
７，３８に取り付けられており、弁軸２８はダイヤフラ
ム３２の変位に連動して軸方向に変位するようになって
いる。一方、弁軸２８の弁室２４側端部には弁体（第２
弁体）２９が取り付けられており、この弁体２９と弁座
２５とで第２バルブ４１を構成している。この第２バル
ブ４１が閉じることにより、即ち、弁体２９が弁座２５
に着座することにより弁室２４を経由したＥＧＲガスの
流路が遮断されるようになっている。

【００１９】次に、上述のように構成された本実施形態
にかかるＥＧＲバルブ１の動作について、図１（ａ），
図２〜図４を用いて説明する。まず、第１アクチュエー
タの負圧室１４，第２アクチュエータの負圧室３４とも
に負圧を導入しない場合は、図１（ａ）に示すようにダ
イヤフラム１２，３２がスプリング１６，３６によりそ
れぞれバルブボディ２側に付勢され、ダイヤフラム１
２，３２にそれぞれ弁軸２２，２８を介して連結されて
いる弁体２３，２９が弁座８，２５にそれぞれ着座し、
第１バルブ４０，第２バルブ４１が共に閉じられる。こ
のように第１バルブ４０，第２バルブ４１が共に閉弁す
ることにより両ポート４，５間の連通は完全に遮断され
る。

【００２０】第１アクチュエータの負圧室１４には負圧
を導入せず、第２アクチュエータの負圧室３４にのみス
プリング３６の付勢力を上回る圧力の負圧が導入した場
合は、この負圧室３４への負圧の導入により、図２に示
すようにダイヤフラム３２が負圧室３４内側に変位し、
ダイヤフラム３２に弁軸２８を介して連結されている弁
体２９が弁座２５からリフトして第２バルブ４１が開弁
される。これにより、第２バルブ４１の開口面積及びリ
フト量に応じた流量のＥＧＲガスが、排気側ポート４か
ら吸気側ポート５へ弁室２４内を通って還流される。

【００２１】また、第２アクチュエータの負圧室３４に
は負圧を導入せず、第１アクチュエータの負圧室１４に
のみスプリング１６の付勢力を上回る圧力の負圧を導入
した場合には、この負圧室１４への負圧の導入により、
図３に示すようにダイヤフラム１２が負圧室１４内側に
変位し、ダイヤフラム１２に弁軸２２を介して連結され
ている弁体２３が弁座８からリフトして第１バルブ４０
が開弁される。これにより、第１バルブ４０の開口面積
及びリフト量に応じた流量のＥＧＲガスが、排気側ポー
ト４から吸気側ポート５へ弁室３内を通って還流され
る。また、このときの第１バルブ４０の開口面積は、第
２バルブ４１の開口面積に比べて大きいので、図２に示
す場合よりも大量のＥＧＲガスが環流される。

【００２２】そして、第１アクチュエータの負圧室１４
にスプリング１６の付勢力を上回る圧力の負圧を導入す
るとともに、第２アクチュエータの負圧室３４にもスプ
リング３６の付勢力を上回る圧力の負圧を導入した場合
には、この負圧室１４，３４への負圧の導入により、図
４に示すようにダイヤフラム１２，３２がそれぞれ負圧
室１４，３４内側に変位して弁体２３，２９が弁座８，
２５からそれぞれリフトして開弁される。これにより、
第１バルブ４０の開口面積及びリフト量に応じた流量の
ＥＧＲガスが、排気側ポート４から吸気側ポート５へ弁
室３内を通って還流されるとともに、更に第２バルブ４
１の開口面積及びリフト量に応じた流量のＥＧＲガス
が、弁室２４内を通って還流される。

【００２３】以上のように、本ＥＧＲバルブ１によれ
ば、同軸上に径の異なる２つのバルブ、即ち、第１バル
ブ４０（弁体２３／弁座８），第２バルブ４１（弁体２
９／弁座２５）を備えるとともに、これら第１バルブ４
０及び第２バルブ４１を互いに干渉することなく独立し
て制御できるので、エンジンの負荷状態に応じた効率的
なＥＧＲ制御が可能になる。

【００２４】即ち、エンジンの高負荷領域においては、
図２に示すように小径の第２バルブ４１によってＥＧＲ
ガスの流量を制御することにより、排ガス脈動の影響を
受けることなく微小流量の安定した繊細な制御が可能に
なる。また、エンジンの負荷が低下したときには、図３
に示すように小径の第２バルブ４１から大径の第１バル
ブ４０へ制御を切り換えることにより、エンジンの負荷
状態に応じたより多くのＥＧＲガスを還流させることが
可能になる。そして、エンジンの低負荷領域において
は、図４に示すように大径の第１バルブ４０に加えて小
径の第２バルブ４１も開弁し、双方を最大に開くことに
よって大流量のＥＧＲガスを確保することができ、更な
るＮＯｘ排出量の低減が可能になる。

【００２５】また、本ＥＧＲバルブ１によれば、大径の
第１バルブ４０と小径の第２バルブ４１とを同軸上に備
え、双方共に最大に開くことによって大流量を確保でき
るので、第１バルブ４０、即ち弁体２３／弁座８を大径
化する必要はない。したがって、例えば、従来のＥＧＲ
バルブにおける弁体／弁座の径のままでも、十分にＥＧ
Ｒガスの流量を確保してＮＯｘ排出量を低減することが
可能であり、ＥＧＲバルブ全体の大型化を防止すること
ができる。

【００２６】以上、本発明の流量制御弁の一実施形態に
ついて説明したが、本発明は上述の実施形態のものに限
定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲
で種々の変形が可能である。例えば、本実施形態では、
ダイヤフラム式のＥＧＲバルブとして構成したが、エア
シリンダ式のＥＧＲバルブとして構成することも勿論可
能である。また、ディーゼルエンジンのみならずガソリ
ンエンジンにも適用できることは言うまでもない。

【００２７】また、本発明の流量制御弁は、ＥＧＲバル
ブのみならず種々の用途に用いることができ、特に、脈
動の大きい流体や高圧の流体の流量を段階的に制御する
のに用いて好適である。

【００２８】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の流量制御
弁によれば、第１弁体／第１弁座間は閉じた状態で小径
の第２弁体／第２弁座間の開度を制御することにより微
小流量を安定して制御できるとともに、第１弁体／第１
弁座間と小径の第２弁体／第２弁座間とを共に開くこと
により、第１弁体／第１弁座を大径化せずとも大流量を
確保できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態にかかるＥＧＲバルブの構
成を示す断面図であり、（ａ）は側断面図であって第１
バルブ，第２バルブ共に閉じた状態を示す図、（ｂ）は
（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

【図２】本発明の一実施形態にかかるＥＧＲバルブの構
成を示す側断面図であり、第１バルブが閉じ、第２バル
ブが開いた状態を示す図である。

【図３】本発明の一実施形態にかかるＥＧＲバルブの構
成を示す側断面図であり、第２バルブが閉じ、第１バル
ブが開いた状態を示す図である。

【図４】本発明の一実施形態にかかるＥＧＲバルブの構
成を示す側断面図であり、第１バルブ，第２バルブとも
に開いた状態を示す図である。

【図５】従来の一般的なＥＧＲバルブの構成を示す側断
面図であり、バルブが閉じた状態を示す図である。

【符号の説明】

１ ＥＧＲバルブ ２ バルブボディ ３ 弁室 ８ 弁座（第１弁座） １０ 第１アクチュエータ １１，３１ ケーシング １２，３２ ダイヤフラム １６，３６ スプリング ２２ 弁軸（第１弁軸） ２３ 弁体（第１弁体） ２５ 弁座（第２弁座） ２８ 弁軸（第２弁軸） ２９ 弁体（第２弁体） ３０ 第２アクチュエータ ４０ 第１バルブ ４１ 第２バルブ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3G062 AA01 CA07 CA08 DA01 EA05 EC03 3H052 AA01 BA03 CA12 CB12 CD02 EA01 EA16 3H056 AA03 BB01 BB24 BB32 CA07 CB03 CD08 DD04 DD08 EE01 GG03 GG18

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体通路に形成された第１弁座と、 該第１弁座に着座する第１弁体と、 該第１弁体に一端を連結された第１弁軸と、 該第１弁軸を軸方向に移動させて該第１弁体を該第１弁
   座に接離させる第１アクチュエータと、 該第１弁体に形成された第２弁座と、 該第２弁座に着座する第２弁体と、 該第１弁軸と同軸上に設けられ該第２弁体に一端を連結
   された第２弁軸と、 該第１弁軸と一体的に設けられ該第２弁軸を軸方向に移
   動させて該第２弁体を該第２弁座に接離させる第２アク
   チュエータとを備えたことを特徴とする流量制御弁。