JP2007255357A - エンジンの排気還流量制御弁 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で低コストな排気還流量制御弁を提供する。
【解決手段】エンジンの排気通路３内の排気ガスの一部を取り入れる取入通路１７と、取入通路１７の両側に設けられ、取入通路１７から流入した排気ガスをエンジンの吸気通路２に供給する第一供給通路１８及び第二供給通路１９と、第一供給通路１８及び第二供給通路１９と取入通路１７との間をそれぞれ連通する第一開口部２０及び第二開口部２１と、第一開口部２０及び第二開口部２１をそれぞれ開閉するための第一弁体２２及び第二弁体２３が同軸上に一体形成されたバルブ２５とを備え、バルブ２５の第一弁体２２及び第二弁体２３を、バルブ２５のリフト量に対するガス流量の変化率が互いに異なるようにする。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンの排気通路内の排気ガスの一部をエンジンの吸気通路に還流させる際の排気還流量を調節する排気還流量制御弁に関する。

エンジンの排気通路内の排気ガスの一部をエンジンの吸気通路に還流させるための排気再循環装置（ＥＧＲ装置）は、例えば、エンジンの排気管（或いは排気マニフォールド）と吸気管（或いは吸気マニフォールド）とを結び、排気管からＥＧＲガス（排気ガス）を抜き出す排気還流管（ＥＧＲ管）と、排気還流管の途中に設けられ、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラと、エンジンの回転速度、負荷、吸入空気量（ＭＡＦ量）及びアクセル開度等を検出する検出手段と、排気還流管の途中に設けられ、検出手段により検出される検出値に応じて排気還流量（ＥＧＲ量）或いは排気還流率（ＥＧＲ率）を調節するためにガス流路面積（開口面積）が可変とされる排気還流量制御弁（ＥＧＲ弁）と、ＥＧＲ弁のガス流路面積を調節するためにＥＧＲ弁のリフト量（開度）を制御するコンピュータとから構成される。

例えば、エンジンの回転速度及び負荷を検出し、設定されたＥＧＲ率になるようにコンピュータの指示に基づきＥＧＲ弁のリフト量を制御することで、目標とするＥＧＲ率を得ようとする。或いは、エンジンの回転速度、負荷及びＭＡＦ量を検出し、設定されたＭＡＦ量になるようにコンピュータの指示に基づきＥＧＲ弁のリフト量を制御することで、目標とするＥＧＲ率を得ようとする。

近年、厳しい排気ガス規制に対応するために大量のＥＧＲを行う必要があり、ＥＧＲ弁も大量のＥＧＲガスを流すために、ＥＧＲ弁のリフト量に対するガス流路の必要面積（ガスの必要流量）は拡大する傾向にある。

ところで、エンジンの低負荷運転領域においてＮＯｘ（窒素酸化物）、ＰＭ（粒子状物質）を低減できる技術として有望なディーゼル予混合燃焼（ＰＣＩ燃焼）においては、過早着火やノッキング等を防止し、燃焼の着火時期を制御すべく大量のＥＧＲを行う。しかし、ＥＧＲ率を制御すべき範囲が狭く、この範囲を外れると過早着火やノッキング等を生じ、燃焼時のノッキング音発生やＰＭの排出量増大の問題を引き起こす。従って、エンジンの低負荷運転領域においては、ＥＧＲ率を狭い制御範囲で精度良く制御するために、ＥＧＲ弁のリフト量に対するガス流路面積（ガス流量）の変化率を小さくする必要がある。

通常燃焼（拡散燃焼）にＥＧＲを組み合わせてＮＯｘ低減を行う場合、車両の加速時に主として用いられるエンジンの高負荷運転領域においては、ターボチャージャの応答遅れにより定常運転に比べて空気過剰率が低下する。従って、エンジンの高負荷運転領域においても、ＥＧＲ率を狭い制御範囲で精度良く制御するために、ＥＧＲ弁のリフト量に対するガス流路面積（ガス流量）の変化率を小さくする必要がある。また、エンジンの高負荷運転領域においては、ＥＧＲ率を低く抑えるものの大量のＥＧＲガスを流すために、ＥＧＲ弁のガス流路面積（ガス流量）を大きくする必要がある。

通常燃焼にＥＧＲを組み合わせてＮＯｘ低減を行う場合、車両の定常走行時に主として用いられるエンジンの中負荷運転領域においては、変動が少なく、且つ、空気過剰率が比較的高い。従って、エンジンの中負荷運転領域においては、大量のＥＧＲを行い、ＥＧＲ率の制御範囲を広く設定することができる。

エンジンの中負荷運転領域では大量のＥＧＲを行い、エンジンの低・高負荷運転領域では大量のＥＧＲを狭い制御範囲で行うためには、ＥＧＲ弁のリフト量に対するガス流路面積（ガス流量）の変化率を小さくし、且つ、ＥＧＲ弁のリフト量を大きくする必要がある。

しかし、単にＥＧＲ弁のリフト量を大きくすると、（１）ＥＧＲ弁が大型化し車両への搭載性に支障をきたす、（２）ＥＧＲ弁を大リフト量で素早く動かすために大きな駆動力が必要となる、（３）ＥＧＲ弁のリフト量を大きくするために、ＥＧＲ弁の応答性がむしろ悪くなる、等の問題が発生する。

このような問題を解決すべく、リフト量に対するガス流路面積（ガス流量）の変化率が互いに異なる複数のバルブと、これら複数のバルブを適宜開閉動作させるための駆動手段とを備えたＥＧＲ弁が提案されている。このようなＥＧＲ弁は、特許文献１から３等にも記載されている。

特開平８−３１２４７０号公報 特開平１１−１３５５８号公報 特開２００２−８１５７１号公報

しかし、特許文献１から３等では、複数のバルブを全て別体で構成し、それら複数のバルブを適宜開閉動作させるための駆動手段を設けているため、構造が大型化し更にコストが掛かるという問題がある。

そこで、本発明の目的は、簡単な構成で低コストな排気還流量制御弁を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、エンジンの排気通路内の排気ガスの一部を上記エンジンの吸気通路に還流させる際の排気還流量を調節する排気還流量制御弁であって、上記排気通路内の排気ガスの一部を取り入れる取入通路と、該取入通路の両側に設けられ、上記取入通路から流入した排気ガスを上記吸気通路に供給する第一供給通路及び第二供給通路と、これら第一供給通路及び第二供給通路と上記取入通路との間をそれぞれ連通する第一開口部及び第二開口部と、これら第一開口部及び第二開口部をそれぞれ開閉するための第一弁体及び第二弁体が同軸上に一体形成されたバルブとを備え、該バルブの第一弁体及び第二弁体が、上記バルブのリフト量に対するガス流量の変化率が互いに異なることを特徴とするエンジンの排気還流量制御弁である。

請求項２の発明は、上記第一弁体が、上記バルブの閉弁時に上記第一開口部に挿入され、上記バルブのリフトに応じて上記第一開口部から離脱される環状の軸部を有する請求項１に記載のエンジンの排気還流量制御弁である。

請求項３の発明は、上記第一弁体が、上記軸部の径より小さく形成され、上記バルブのリフトに応じて上記第一開口部に挿入される板状の突起部を有する請求項２に記載のエンジンの排気還流量制御弁である。

請求項４の発明は、上記第一弁体は、小リフト域及び高リフト域での上記バルブのリフト量に対するガス流量の変化率が中リフト域での上記バルブのリフト量に対するガス流量の変化率よりも小さく設定され、上記第二弁体は、全リフト域での上記バルブのリフト量に対するガス流量が上記バルブのリフトに応じて増加するように設定される請求項１から３いずれかに記載のエンジンの排気還流量制御弁である。

請求項５の発明は、上記第一弁体は、小リフト域での上記バルブのリフト量に対するガス流量の変化率が中リフト域及び高リフト域での上記バルブのリフト量に対するガス流量の変化率よりも小さく設定され、上記第二弁体は、全リフト域での上記バルブのリフト量に対するガス流量が上記バルブのリフトに応じて増加するように設定される請求項１から３いずれかに記載のエンジンの排気還流量制御弁である。

本発明によれば、簡単な構成で低コストな排気還流量制御弁を提供することができるという優れた効果を奏する。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は、本発明の第一実施形態に係る排気還流量制御弁を備えたエンジンの概略図である。図２は、第一実施形態の排気還流量制御弁の断面図である。図３（ａ）から（ｃ）は、小リフト域、中リフト域及び高リフト域での第一実施形態の排気還流量制御弁をそれぞれ示す概略図である。図４は、第一実施形態の排気還流量制御弁の流量特性を示すグラフである。

本実施形態は、車両用等のディーゼルエンジン（以下、エンジンという）に適用したものである。

まず、エンジンについて説明する。

図１中、１がエンジン本体、２がエンジン本体１に接続され吸入空気が流通する吸気通路としての吸気管（或いは吸気マニフォールド）、３がエンジン本体１に接続され排気ガスが流通する排気通路としての排気管（或いは排気マニフォールド）である。

吸気管２には、ターボチャージャ４のコンプレッサ５が接続される。排気管３には、ターボチャージャ４のタービン６が接続される。

エンジンは、排気管３内の排気ガスの一部を吸気管２に還流させるための排気再循環装置７（以下、ＥＧＲ装置という）を備えている。

ＥＧＲ装置７は、排気管３と吸気管２とを結び、排気管３からＥＧＲガス（排気ガス）を抜き出す排気還流通路としての排気還流管８（以下、ＥＧＲ管という）と、ＥＧＲ管８の途中に設けられ、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ９と、ＥＧＲ管８の途中に設けられ、排気還流量（以下、ＥＧＲ量という）或いは排気還流率（以下、ＥＧＲ率という）を調節するためにガス流路面積（開口面積）が可変とされる排気還流量制御弁１０（以下、ＥＧＲ弁という）と、ＥＧＲ弁１０のガス流路面積を変化させるためにＥＧＲ弁１０のリフト量を制御するコンピュータ１１とを有している。

コンピュータ１１は、各種センサ類から実際のエンジン運転状態を検出し、このエンジン運転状態に基づいてＥＧＲ弁１０を制御する。上記センサ類としては、エンジンの回転速度を検出するエンジン回転検出手段としてのエンジン回転センサ１２、エンジンの負荷を検出するエンジン負荷検出手段としてのエンジン負荷センサ１３、吸入空気量（以下、ＭＡＦ量という）を検出する吸入空気量検出手段としての吸入空気量センサ１４、アクセル開度を検出するアクセル開度検出手段としてのアクセル開度センサ１５等が含まれ、これらセンサ１２、１３、１４、１５からの検出信号がコンピュータ１１に入力される。

例えば、コンピュータ１１は、エンジン回転センサ１２及びエンジン負荷センサ１３により検出されたエンジンの回転速度及び負荷の検出値を設定されたＥＧＲ率になるようなリフト量が予め入力されたマップに入力してリフト量を求め、求めたリフト量に従ってＥＧＲ弁１０を制御する。

或いは、コンピュータ１１は、エンジン回転センサ１２、エンジン負荷センサ１３及び吸入空気量センサ１４により検出されたエンジンの回転速度、負荷及びＭＡＦ量の検出値を設定されたＭＡＦ量（設定されたＭＡＦ量＝ＥＧＲ無しのＭＡＦ量−ＥＧＲ量）になるようなリフト量が予め入力されたマップに入力してリフト量を求め、求めたリフト量に従ってＥＧＲ弁１０を制御する。

次に、ＥＧＲ弁１０について図２により説明する。

本実施形態は、エンジンの空気過剰率が低く、ＥＧＲ量或いはＥＧＲ率の微妙な制御が必要となる中負荷運転領域から高負荷運転領域で使用することが考えられる。

図２に示すように、ＥＧＲ弁１０は、ＥＧＲ管８の途中に配設されるケーシング１６を備えている。ケーシング１６には、排気管３内の排気ガスの一部を取り入れる取入通路１７と、取入通路１７の両側（図示例では、上下）に設けられ、取入通路１７から流入した排気ガスを吸気管２に供給する第一供給通路１８及び第二供給通路１９と、第一供給通路１８及び第二供給通路１９と取入通路１７との間をそれぞれ連通する第一開口部２０及び第二開口部２１と、第一開口部２０を開閉するための第一弁体２２及び第二開口部２１を開閉するための第二弁体２３が同軸上に（同一の軸部２４上に）一体形成されたバルブ２５とが設けられている。

バルブ２５は、ケーシング１６に設けられた挿通穴２６に摺動自在に支持された軸部２４を有している。第一弁体２２が軸部２４の中間部に設けられ、第二弁体２３が軸部２４の端部（図示例では、下端部）に設けられる。

バルブ２５は、第一開口部２０に設けられた第一バルブ穴２７及び第二開口部２１に設けられた第二バルブ穴２８に挿通された状態で、付勢手段（図示せず）により閉方向（図示例では、上方）に付勢される。

第一弁体２２の弁部２９は、第一開口部２０の第一バルブ穴２７より大きい外径を有し、第一開口部２０に設けられたバルブシート３０の取入通路１７側（図示例では、下面）に着座するようになっている。

第一弁体２２は、小リフト域及び高リフト域でのバルブ２５のリフト量に対するガス流路面積（ガス流量）の変化率が中リフト域でのバルブ２５のリフト量に対するガス流路面積（ガス流量）の変化率よりも小さく設定される。

第一弁体２２は、第一バルブ穴２７の径より小さい範囲で拡径され、バルブ２５（第一弁体２２）の閉弁時に第一開口部２０（第一バルブ穴２７）に挿入され、バルブ２５のリフトに応じて第一開口部２０（第一バルブ穴２７）から離脱される円環状の軸部（拡径軸部）３１と、拡径軸部３１の径より小さく形成され、バルブ２５のリフトに応じて第一開口部２０（第一バルブ穴２７）に挿入される円板状の突起部（突起板）３２とを有している。

拡径軸部３１は、小リフト域で第一バルブ穴２７内に位置するものであり、弁部２９及び突起部３２と同軸上に（同一の軸部２４上に）一体形成される。拡径軸部３１は、弁部２９の端部（図示例では、上端部）に連続させて設けられる。拡径軸部３１の外径は、拡径軸部３１が第一バルブ穴２７に挿入された際の拡径軸部３１と第一バルブ穴２７との間の隙間面積が、比較的小さくなるように設定される。

突起部３２は、高リフト域で第一バルブ穴２７内に位置するものであり、弁部２９及び拡径軸部３１と同軸上に（同一の軸部２４上に）一体形成される。突起部３２は、弁部２９及び拡径軸部３１に対して軸方向に（図示例では、上方に）所定間隔を隔てて設けられる。

突起部３２の外径は、突起部３２が第一バルブ穴２７に挿入された際の突起部３２と第一バルブ穴２７との間の隙間面積が、拡径軸部３１が第一バルブ穴２７から離脱され、突起部３２が第一バルブ穴２７に挿入されるまでの拡径軸部３１と第一バルブ穴２７との間の最大開口面積よりわずかに大きくなるように設定される。

第二弁体２３の弁部３３は、第二開口部２１の第二バルブ穴２８より大きい外径を有し、第二開口部２１に設けられたバルブシート３４の第二供給通路１９側（図示例では、下面）に着座するようになっている。

第二弁体２３は、全リフト域でのバルブ２５のリフト量に対するガス流路面積（ガス流量）がバルブ２５のリフトに応じて直線的に増加するように設定される。第二弁体２３は、そのガス流路面積（ガス流量）が全リフト域で第一弁体２２のガス流路面積（ガス流量）より大きくなるように設定される。

本実施形態の作用を説明する。

駆動手段（図示せず）によりバルブ２５を開方向（図示例では、下方向）にリフトさせる。

拡径軸部３１が設けられている第一弁体２２においては、拡径軸部３１が第一バルブ穴２７内に位置する小リフト域（図３（ａ）参照）の間、第一弁体２２のガス流路面積は、拡径軸部３１と第一バルブ穴２７との間の隙間面積により規定されて一定となり、拡径軸部３１と第一バルブ穴２７との間の隙間を通るガス流量に抑えられる（図４参照）。

また、第一弁体２２においては、拡径軸部３１が第一バルブ穴２７から離脱され、突起部３２が第一バルブ穴２７に挿入されるまでの中リフト域（図３（ｂ）参照）の間、拡径軸部３１及び突起部３２が第一バルブ穴２７内に位置していない。したがって、中リフト域の間、第一弁体２２のガス流路面積はバルブ２５のリフトに応じて直線的に増加し、そのガス流路面積及びリフト量に応じたガス流量となる（図４参照）。

また、第一弁体２２においては、突起部３２が第一バルブ穴２７内に位置する高リフト域（図３（ｃ）参照）の間、第一弁体２２のガス流路面積は、突起部３２と第一バルブ穴２７との間の隙間面積により規定されて中リフト域までの拡径軸部３１と第一バルブ穴２７との間の最大開口面積を下回らない範囲で一定となり、突起部３２と第一バルブ穴２７との間の隙間を通るガス流量に抑えられる（図４参照）。

一方、拡径軸部３１及び突起部３２が設けられていない第二弁体２３においては、全リフト域（図３（ａ）〜（ｃ）参照）の間、ガス流路面積はバルブ２５のリフトに応じて直線的に増加し、そのガス流路面積及びリフト量に応じたガス流量となる（図４参照）。

従って、バルブ２５全体としては、小リフト域、中リフト域及び高リフト域の三段階でバルブ２５のリフト量に対するガス流路面積（ガス流量）の変化率が変化する（図４参照）。

詳しくは、ＰＣＩ燃焼領域（エンジンの低負荷運転領域）で用いる高リフト域、高負荷運転領域で用いる低リフト域では、第二弁体２３によってバルブ２５のリフト量に対するバルブ２５のガス流路面積（ガス流量）を十分に確保しながら、第一弁体２２によってバルブ２５のリフト量に対するガス流路面積（ガス流量）の変化率の感度を落とし、中負荷運転領域で用いる中リフト域では、第一弁体２２及び第二弁体２３によって少ないリフト量でバルブ２５のリフト量に対するバルブ２５のガス流路面積（ガス流量）を十分に確保できるようにしている。

本実施形態では、第一弁体２２は、小リフト域及び高リフト域でのバルブ２５のリフト量に対するガス流路面積（ガス流量）の変化率が中リフト域でのバルブ２５のリフト量に対するガス流路面積（ガス流量）の変化率よりも小さく設定され、第二弁体２３は、全リフト域でのバルブ２５のリフト量に対するガス流路面積（ガス流量）がバルブ２５のリフトに応じて増加するように設定されるため、バルブ２５全体として、小リフト域及び高リフト域でのバルブ２５のリフト量に対するガス流路面積（ガス流量）の変化率を中リフト域でのバルブ２５のリフト量に対するガス流路面積（ガス流量）の変化率より小さくすることができ、小リフト域及び高リフト域でのＥＧＲ率を狭い制御範囲で精度良く制御することが可能となる。

また、本実施形態では、第一弁体２２及び第二弁体２３を同軸上に（同一の軸部２４上に）一体形成するようにしているので、バルブ２５を動かす駆動手段を複数設ける必要がないため、構造が大型化したりコストが掛かるということはない。

以上要するに、本実施形態によれば、簡単な構成で低コストな排気還流量制御弁を提供することができる。

次に、第二実施形態について図５から図７に基づいて説明する。

第一実施形態と同一部材には同一符号を付して説明を省略し、相違点のみを説明する。

図５は、第二実施形態の排気還流量制御弁の断面図である。図６（ａ）から（ｃ）は、小リフト域、中リフト域及び高リフト域での第二実施形態の排気還流量制御弁をそれぞれ示す概略図である。図７は、第二実施形態の排気還流量制御弁の流量特性を示すグラフである。

本実施形態は、エンジンの空気過剰率が高い低負荷運転領域から中負荷運転領域で使用することが考えられる。

本実施形態においては、第一弁体２２に突起部３２（図２参照）が設けられていない。

従って、本実施形態では、バルブ２５全体としては、小リフト域、中・高リフト域（図６（ａ）〜（ｃ）参照）の二段階でバルブ２５のリフト量に対するガス流路面積（ガス流量）の変化率が変化する（図７参照）。

本実施形態では、第一弁体２２は、小リフト域でのバルブ２５のリフト量に対するガス流路面積（ガス流量）の変化率が中リフト域及び高リフト域でのバルブ２５のリフト量に対するガス流路面積（ガス流量）の変化率よりも小さく設定され、第二弁体２３は、全リフト域でのバルブ２５のリフト量に対するガス流路面積（ガス流量）がバルブ２５のリフトに応じて増加するように設定されるため、バルブ２５全体として、小リフト域でのバルブ２５のリフト量に対するガス流路面積（ガス流量）の変化率を中リフト域及び高リフト域でのバルブ２５のリフト量に対するガス流路面積（ガス流量）の変化率より小さくすることができ、小リフト域でのＥＧＲ率を狭い制御範囲で精度良く制御することが可能となる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず他の様々な実施形態を採ることが可能である。

本発明の第一実施形態に係る排気還流量制御弁を備えたエンジンの概略図である。 第一実施形態の排気還流量制御弁の断面図である。 （ａ）から（ｃ）は、小リフト域、中リフト域及び高リフト域での第一実施形態の排気還流量制御弁をそれぞれ示す概略図である。 第一実施形態の排気還流量制御弁の流量特性を示すグラフである。 第二実施形態の排気還流量制御弁の断面図である。 （ａ）から（ｃ）は、小リフト域、中リフト域及び高リフト域での第二実施形態の排気還流量制御弁をそれぞれ示す概略図である。 第二実施形態の排気還流量制御弁の流量特性を示すグラフである。

符号の説明

２ 吸気管（吸気通路）
３ 排気管（排気通路）
１０ 排気還流量制御弁（ＥＧＲ弁）
１７ 取入通路
１８ 第一供給通路
１９ 第二供給通路
２０ 第一開口部
２１ 第二開口部
２２ 第一弁体
２３ 第二弁体
２５ バルブ
３１ 拡径軸部（軸部）
３２ 突起部

Claims (5)

1. エンジンの排気通路内の排気ガスの一部を上記エンジンの吸気通路に還流させる際の排気還流量を調節する排気還流量制御弁であって、
   上記排気通路内の排気ガスの一部を取り入れる取入通路と、該取入通路の両側に設けられ、上記取入通路から流入した排気ガスを上記吸気通路に供給する第一供給通路及び第二供給通路と、これら第一供給通路及び第二供給通路と上記取入通路との間をそれぞれ連通する第一開口部及び第二開口部と、これら第一開口部及び第二開口部をそれぞれ開閉するための第一弁体及び第二弁体が同軸上に一体形成されたバルブとを備え、
   該バルブの第一弁体及び第二弁体が、上記バルブのリフト量に対するガス流量の変化率が互いに異なることを特徴とするエンジンの排気還流量制御弁。
2. 上記第一弁体が、上記バルブの閉弁時に上記第一開口部に挿入され、上記バルブのリフトに応じて上記第一開口部から離脱される環状の軸部を有する請求項１に記載のエンジンの排気還流量制御弁。
3. 上記第一弁体が、上記軸部の径より小さく形成され、上記バルブのリフトに応じて上記第一開口部に挿入される板状の突起部を有する請求項２に記載のエンジンの排気還流量制御弁。
4. 上記第一弁体は、小リフト域及び高リフト域での上記バルブのリフト量に対するガス流量の変化率が中リフト域での上記バルブのリフト量に対するガス流量の変化率よりも小さく設定され、
   上記第二弁体は、全リフト域での上記バルブのリフト量に対するガス流量が上記バルブのリフトに応じて増加するように設定される請求項１から３いずれかに記載のエンジンの排気還流量制御弁。
5. 上記第一弁体は、小リフト域での上記バルブのリフト量に対するガス流量の変化率が中リフト域及び高リフト域での上記バルブのリフト量に対するガス流量の変化率よりも小さく設定され、
   上記第二弁体は、全リフト域での上記バルブのリフト量に対するガス流量が上記バルブのリフトに応じて増加するように設定される請求項１から３いずれかに記載のエンジンの排気還流量制御弁。
   

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