JP2015117586A - 流量制御弁 - Google Patents

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Abstract

【課題】 比較例1のEGR制御弁は、EGRガスの高流量域において、ポペットバルブのバルブリフト量の変化量に対して流量の変化量を精度良く制御したい場合、EGRガスの低流量域での流量を十分に確保することができないという課題があった。【解決手段】 EGR制御弁は、外開き弁方式のポペットバルブを備え、ハウジング5の第1流路壁75とバルブ本体1の外周との間に形成される円筒状の隙間流路76の周方向の一部に、第1流路壁75とバルブ本体1の外周との間の距離を狭くした流路絞り77を設けている。また、バルブ本体1の中心軸線とインレットポート21、流路孔22、24および弁孔23の中心軸線とが、第1流路壁75の円周方向の一部側にオフセット配置されている。これにより、EGRガスの低流量域では、比較例1のEGR制御弁と同じ流量を確保でき、且つEGRガスの高流量域では、精度良く流量を制御することができる。【選択図】 図5

Description

本発明は、バルブシートよりも流体の流れ方向の上流側へ向かって弁体(バルブ本体)が外開き(リフト)して弁孔を開放する外開き弁方式のポペットバルブを備えた流量制御弁に関するもので、特に内燃機関の排気装置に使用される外開き弁方式のポペットバルブを備えた排気流量制御弁に係わる。
[従来の技術]
従来より、ディーゼルエンジン等の内燃機関(エンジン)においては、エンジンの気筒より排出される排出ガス(排気)中に含まれる窒素酸化物(NOx)を低減する排気循環装置(EGRシステム)が搭載されている。
EGRシステムは、エンジンの気筒から排出される排気の一部をEGRガスとして吸気管内の吸気通路へ再循環(還流)させ、エアクリーナを通過した吸入空気(新気)に混入させて燃焼温度を下げることによってNOxの発生を抑制している。
ここで、EGRガスを吸気通路に還流させると、エンジンの気筒内での混合気の着火性が低下して、エンジン出力の低下を招くので、エンジンの気筒へ導入されるEGRガスの流量をエンジンの運転状況に応じて調整する必要がある。
そこで、EGRシステムにおいては、排気管の分岐部と吸気管の合流部とを接続する排気流路管(EGRガスパイプ)の途中に外開き弁方式のEGRガス流量制御弁(以下EGR制御弁)を設置し、EGR制御弁の弁体であるポペットバルブの開度を調整することで、エンジンの気筒へ導入されるEGRガスの流量を制御している。
EGRシステムには、EGRガスパイプ内のEGRガス流路を流れるEGRガスの流量を可変制御する外開き弁方式のEGR制御弁が設置されている(例えば、特許文献1参照)。
このEGR制御弁は、モータシャフトおよびピニオンギアを有する電動モータと、ピニオンギアと噛み合って回転する中間ギアを有する中間シャフトと、中間ギアと噛み合って回転する出力ギアおよびエキセンを有するエキセンシャフトと、ポペットバルブと、バルブステムと、エキセンが噛み合っている連結リンクとを備えている。
そして、中間シャフトは、エキセンと連結リンクとが電動モータ近傍に配置されるように側方で、エキセンシャフト近傍に配置されている。
[従来の技術の不具合]
ところが、従来の外開き弁方式のEGR制御弁においては、出力ギアとエキセンとの間にハウジング壁が存在しておらず、エキセンシャフトをその回転方向に摺動可能に支持する軸受(ベアリング)を配置することが困難であった。これにより、エキセンシャフトが軸振れするため、中間ギアと出力ギアとの噛み合いが悪く、電動モータの動力が効率良くエキセンおよびポペットバルブに伝わらないという問題があった。
そこで、エキセンシャフトを支持する軸受の配置を容易とすることで、電動モータの動力を効率良くスコッチヨークおよびポペットバルブに伝達するという目的で、本発明者等が図12ないし図16に示したEGR制御弁(比較例1)を試作した(周知技術ではない)。
比較例1のEGR制御弁は、電動モータおよび減速機構を有する電動アクチュエータと、減速機構の出力軸である出力シャフト39と一体回転可能に連結した出力レバー41と、この出力レバー41の先端(出力シャフト39の回転中心から偏芯した位置)に取り付けられるフォロア43と、このフォロア43が係合するヨーク溝47を有するスコッチヨーク3と、このスコッチヨーク3に連結するポペットバルブと、このポペットバルブのバルブ本体(弁体)1およびシャフト(弁軸)2を閉弁方向に付勢するリターンスプリング4と、バルブ本体1、バルブシャフト2、スコッチヨーク3、リターンスプリング4および電動アクチュエータを収容するハウジングとを備えている。
ハウジングには、バルブ本体1、バルブシャフト2、スコッチヨーク3およびリターンスプリング4等を移動可能に収容するバルブボディ11が一体的に設けられている。このEGR制御弁では、バルブボディ11の上流端で開口したインレットポート21から流路孔22を経由して弁孔23に流れ込むように構成されている。また、弁孔23から流路孔24を経由して流路孔25に流れ込むように構成されている。また、流路孔25から、バルブボディ11の下流端で開口したアウトレットポート26を経由して吸気管側へ流出するように構成されている。
また、バルブボディ11は、EGRガス流方向の上流側に位置する流路孔22とEGRガス流方向の下流側に位置する流路孔24、25とを区画する円環状の隔壁(仕切り部)14に円環状のバルブシート15を備えている。このバルブシート15の内部には、流路孔22と流路孔24とを連通する弁孔(EGR制御弁の弁孔)23が形成されている。
ここで、ポペットバルブのバルブ本体1の外周には、バルブシート15のシートエッジに着座可能な円錐台形状のバルブシール面(円錐面)79が設けられている。また、バルブボディ11には、バルブシャフト2をその軸線方向に往復摺動可能に支持するメタルベアリング27の外周を保持するベアリングホルダ28が一体的に形成されている。
ところで、比較例1のEGR制御弁は、図12ないし図14に示したように、バルブシャフト2の軸線方向の先端部が、軸受孔31の開口から流路孔24、25内へ突出し、且つ流路孔24、25から弁孔23を通り抜けて流路孔22内へ突出するように構成されている。そして、バルブシャフト2の軸線方向の先端外周にバルブ本体1が固定されている。
すなわち、比較例1のEGR制御弁は、バルブ本体1がバルブシート15に着座して閉弁(全閉)した状態から、電動モータを通電することによりスコッチヨーク3、バルブシャフト2を介して電動アクチュエータの動力(開弁力)がバルブ本体1に加わることにより、バルブ本体1およびバルブシャフト2が、インレットポート21からEGRガスが流れ込む流路孔22側に外開き(リフト)して弁孔23を開放する外開き弁方式のポペットバルブが採用されている(図14(a)、(b)参照)。
なお、図14(a)は、ポペットバルブのバルブ本体1がバルブシート15に着座して弁孔23を閉鎖する閉弁(全閉)状態を示す。また、図14(b)は、ポペットバルブのバルブ本体1がバルブシート15から所定のバルブリフト量分だけ流路孔22側に向かって外開き(リフト)して弁孔23を開放する開弁状態を示す。
そして、比較例1のEGR制御弁は、上記のような外開き弁方式のポペットバルブを採用しているので、バルブ本体1の中心軸線と流路孔22の中心軸線とが同軸であり、バルブ本体1の外径面と流路孔22の流路壁面との距離(隙間寸法)は、バルブ本体1の周方向全体(全周)において均一となっている。
したがって、比較例1のEGR制御弁は、バルブ本体1の中心と流路孔22の中心とが同軸であるため、インレットポート21から流路孔22内に流入したEGRガスは、バルブ本体1の周方向全体(全周)と流路孔22の周囲を円周方向に取り囲む円筒状の流路壁(バルブボディ11の内壁)との間に形成される円筒状の隙間流路76を通って、バルブシャフト2の周方向全体(全周)と弁孔23の周囲を円周方向に取り囲む円筒状の流路壁(バルブシート15の内壁)との間に形成される円筒状の隙間流路80へ向かって均等に逆円錐(漏斗)形状に流れ込む(図14参照)。
ところで、ポペットバルブのバルブリフト量とEGRガスの流量との関係(流量カーブ)は、図15のグラフに示すようになる。
そして、ポペットバルブの高リフト域(高流量域)で、EGRガスの流量を細かく精度良く制御したい場合、すなわち、バルブリフト量の変化量(ΔSt)に対してEGRガスの流量の変化量(ΔQ)を細かく制御したい場合、つまりΔQ/ΔStを小さくしたい場合には、例えばポペットバルブの全開時におけるEGRガスの流量(全開流量)を図15に示した実線の特性線から破線の特性線(A)まで下げる方法が考えられる。
ところが、その場合、ポペットバルブの低リフト域(低流量域)における、EGRガスの流量を十分に確保することができないという問題が生じる。
また、ポペットバルブのバルブストローク(バルブリフト量)を、図15に示した実線の特性線から破線の特性線(B)のように延長することも考えられる。
ところが、比較例1のEGR制御弁では、バルブストロークを伸ばすことは構造的に実現不可能である。あるいは大がかりな設計変更を伴うため、コストアップとなるという問題が生じる。
国際公開第2012/126876号
本発明の目的は、流体の低流量域では、比較例1と同じ流量を確保することができ、且つ流体の高流量域では、ポペットバルブのバルブストロークの変化量に対する流体の流量の変化量を減らすことができるので、ポペットバルブの高リフト域において、流体の流量を細かく精度良く制御することのできる流量制御弁を提供することにある。
請求項1に記載の発明(流量制御弁)によれば、ハウジングまたはポペットバルブに、弁体が第1流路側へ外開き(リフト)して弁孔を開放した際に、第1流路壁と弁体の外周との間に形成される筒状の隙間流路の周方向の一部に、第1流路壁と弁体の外周との間の距離を狭くした流路絞りを設けたことにより、外開き弁方式のポペットバルブの弁体とハウジングの第1流路壁との間の距離を隙間流路の周方向において一部狭くすることができる。すなわち、第1流路壁と弁体の外周との間に形成される筒状の隙間流路の周方向の一部に、第1流路壁と弁体の外周との間の距離を狭くした流路絞りを形成することができるため、隙間流路の周方向の他部よりも狭い流路絞りを通り抜ける流体の圧力損失が大きくなる。
そして、流体の低流量域では、流体の圧力損失が低いため、流量低下が少ないが、流体の流量が多くなると、流体の圧力損失が大きくなるため、ポペットバルブのストローク範囲が同一でも、ポペットバルブのストロークの変化量に対して流体の流量の変化量を減らすことができる。
これによって、ポペットバルブの低ストローク域および流体の低流量域では、比較例1と同じ流量を確保することができ、且つポペットバルブの高ストローク域および流体の高流量域では、ポペットバルブのバルブストロークの変化量に対する流体の流量の変化量を減らすことができるので、ポペットバルブの高ストローク域および流体の高流量域において、流体の流量を細かく精度良く制御することができる。
外開き弁方式のEGR制御弁の外観を示した正面図である(実施例1)。 図1のII−II断面図である(実施例1)。 電動アクチュエータおよびポペットバルブを示した斜視図である(実施例1)。 電動アクチュエータおよびポペットバルブを示した斜視図である(実施例1)。 ポペットバルブのバルブストロークが7mm時の圧力分布図である(実施例1)。 ポペットバルブのバルブストロークとEGRガスの流量との関係を示したグラフである(実施例1)。 外開き弁方式のEGR制御弁を示した断面図である(比較例2)。 外開き弁方式のEGR制御弁を示した断面図である(比較例3)。 外開き弁方式のEGR制御弁を示した断面図である(実施例1)。 (a)は外開き弁方式のEGR制御弁の外観を示した正面図で、(b)は図10(a)のX(b)−X(b)断面図で、(c)は図10(a)のX(c)−X(c)断面図である(実施例2)。 (a)は外開き弁方式のEGR制御弁の外観を示した正面図で、(b)は図11(a)のXI(b)−XI(b)断面図で、(c)は図11(a)のXI(c)−XI(c)断面図である(実施例3)。 外開き弁方式のEGR制御弁の外観を示した正面図である(比較例1)。 図12のXIII−XIII断面図である(比較例1)。 (a)はバルブシートおよびポペットバルブの周辺構造を示した断面図で、(b)はポペットバルブの周辺のEGRガスの流れ方を示した説明図である(比較例1)。 ポペットバルブのバルブリフト量とEGRガスの流量との関係を示したグラフである(比較例1)。 ポペットバルブのバルブストロークが7mm時の圧力分布図である(比較例1)。
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
[実施例1の構成]
図1ないし図9は、本発明を適用したEGRシステムに使用されるEGR制御弁(実施例1)を示したものである。
本実施例の内燃機関の排気装置(排気システム)は、例えば自動車等の車両走行用の内燃機関(ディーゼルエンジン:以下エンジン)の排気管から吸気管へ排出ガス(排気)の一部であるEGRガスを還流させる排気循環装置(EGRシステム)を備えている。
EGRシステムは、エキゾーストマニホールドまたは排気管内の排気通路からインテークマニホールドまたは吸気管内の吸気通路へEGRガスを還流させるEGRガスパイプを備えている。このEGRガスパイプ内には、排気通路から吸気通路へEGRガスを流入させるEGRガス流路が形成されている。
EGRガスパイプには、EGRガス流路を流れるEGRガスの流量を可変制御する外開き弁方式のEGR制御弁が設置されている。
ここで、EGRシステムは、エンジンの運転状況に基づいてEGR制御弁のポペットバルブ(ポペット型EGRバルブ)を開閉制御するEGRバルブ制御装置(内燃機関のEGR制御装置)として使用される。このEGRバルブ制御装置は、ポペットバルブの弁体(バルブヘッド)であるバルブ本体1およびポペットバルブの弁軸(バルブステム)であるバルブシャフト2を、そのバルブシャフト2の軸線方向(軸方向)に往復駆動する電動アクチュエータに組み込まれる電動モータ(直流モータ:以下モータ)Mを他のシステム(例えば吸気システム、過給圧制御システム等)と連動して制御するエンジン制御ユニット(電子制御装置:以下ECU)を備えている。
EGR制御弁は、EGRガス流路を流れるEGRガスの流量を調量するポペットバルブと、このポペットバルブのバルブシャフト2をその往復方向に駆動する電動アクチュエータと、ポペットバルブ、電動アクチュエータ、断面コの字状(または断面矩形状)のスコッチヨーク3およびリターンスプリング4を収容(内蔵)するハウジング5とを備えている。
ここで、バルブ本体1、バルブシャフト2、スコッチヨーク3およびリターンスプリング4は、予め組み立てられてバルブサブアッセンブリの状態で、ハウジング5に組み付けられる。
ポペットバルブは、ハウジング5内のEGRガス流路を開閉(開口面積を変更)する円環状のバルブ本体1、およびこのバルブ本体1を支持固定するバルブシャフト2を備えている。このバルブシャフト2の軸線方向の基端部には、スコッチヨーク3を介して、電動アクチュエータからモータMの回転動力が伝達される入力部が設けられている。
スコッチヨーク3は、バルブシャフト2の入力部の外周(図2において図示上端外周)にバルブシャフト2と一体移動可能となるように圧入(連結)固定されている。あるいは例えばレーザー溶接等の結合手段を用いてバルブシャフト2と一体移動可能に連結固定されている。
ハウジング5は、EGR制御弁のバルブ開度(バルブリフト量またはバルブストローク量)を検出する回転角度センサ(図示せず)を搭載するセンサカバー7との間に、電動アクチュエータを収容する凹部を備えている。このハウジング5には、ポペットバルブを収容するバルブボディ11、モータMを収容するモータケース12、および減速機構を収容するギアケース13等が一体的に設けられている。
これらのうちバルブボディ11の隔壁14の内周には、バルブ本体1が着座可能な円環状のバルブシート15が圧入固定されている。
ここで、バルブ本体1は、ハウジング5のバルブシート15に接離してEGRガス流路(インレットポート21→流路孔22〜25→アウトレットポート26)を閉鎖、開放するバルブヘッド(弁体)である。
バルブシャフト2は、出力部材の回転変位に連動してポペットバルブの中心軸線方向に往復移動するバルブステム(弁軸)である。このバルブシャフト2の軸線方向の基端部には、スコッチヨーク3から電動アクチュエータの動力を受ける入力部が設けられている。
また、バルブシャフト2の軸線方向の先端部には、ポペットバルブへ電動アクチュエータの動力を出力する出力部が設けられている。
また、バルブシャフト2の軸線方向の中間部分は、メタルベアリング27を介して、ハウジング5のベアリングホルダ28に摺動自在に支持されている。また、バルブシャフト2の中間部分の外周には、バルブシャフト2とメタルベアリング27との摺動部を潤滑する潤滑グリースや潤滑オイル油の流出を防止するためのオイルシール29が装着されている。
ところで、ポペットバルブは、燃焼残滓やカーボン等の排気微粒子(PM)が含まれているEGRガスが流れるバルブボディ11の内部に開閉自在に収容されている。このため、エンジンの運転中に、EGRガス中に含まれるPMが、バルブ本体1の表面、バルブシャフト2の外周面、バルブボディ11の流路壁面に付着し堆積してデポジットを形成する可能性がある。
そこで、本実施例のEGR制御弁は、ハウジング5のベアリングホルダ28内に形成される軸受孔31内に保持されて、軸受孔31の開口32から流路孔25内に突出するように配置される異物除去パイプ33を備えることで、EGRガス中に含まれるPMにより形成されるデポジット(異物)が、ハウジング5のベアリングホルダ28内に形成される軸受孔31内へ侵入するのを抑制するように構成されている。
電動アクチュエータは、回転軸であるモータ軸(以下モータシャフト)34を有するモータMと、このモータMのモータシャフト34の回転を2段減速する減速機構と、この減速機構とスコッチヨーク3とを駆動連結する変換機構(リンク機構)と、減速機構および変換機構の一部を含んで構成されて、モータMの回転動力をヨーク側に出力する出力部材と、この出力部材の回転角度を検出する回転角度検出装置とを備えている。
モータMは、その回転軸方向に延びるモータシャフト34を有するインナロータ(電機子)と、この電機子の周囲を円周方向に取り囲む筒状のステータと、このステータに対して固定されたブラシホルダに収容保持された一対の給電ブラシ(第1、第2ブラシ)とを備えている。
モータMのステータは、電機子のモータシャフト34を回転可能に収容するモータケース(モータヨーク等)、およびこのモータヨークの内周面において円周方向に等間隔で接着剤等により固着された複数の界磁マグネット等を有している。
モータMの電機子は、モータシャフト34と一体回転可能に連結した電機子鉄心(電機子コア)、この電機子コアに巻装される電機子巻線(電機子コイル)、および一対の第1、第2ブラシに押圧接触される整流子(コンミテータ)等を有している。
減速機構は、モータMのモータシャフト34の先端外周に固定されたピニオンギア(入力ギア、モータギア)35、このピニオンギア35と噛み合って回転する中間ギア36、およびこの中間ギア36と噛み合って回転する出力ギア(バルブギア)37、モータシャフト34と並列配置された中間シャフト38、モータシャフト34と中間シャフト38に並列配置された出力シャフト39等によって構成されている。
出力部材は、モータMの回転動力をバルブシャフト2を介してバルブ本体1に伝えるものである。この出力部材は、モータMの回転動力を受けて回転する出力ギア37と、この出力ギア37の回転中心軸上に設置されて、出力ギア37と一体回転可能に連結した出力シャフト39とを備えている。
これらの出力ギア37および出力シャフト39は、減速機構の一部を構成し、また、出力シャフト39は、減速機構の出力軸を構成している。
出力部材は、出力シャフト39と一体回転可能に連結した出力レバー41と、この出力レバー41の突出端部に保持される偏芯ピン(以下ピボットピン)42と、このピボットピン42の外周に回転自在に支持されるボールベアリング(以下フォロア)43とを備えている。これらの出力レバー41、ピボットピン42およびフォロア43は、変換機構の一部を構成している。
また、出力部材は、出力シャフト39をその回転方向に摺動可能に支持する2連ボールベアリング45と、これらの2連ボールベアリング45の外周に圧入固定される円筒カラー46とを備えている。
出力部材を構成する出力ギア37、出力シャフト39、出力レバー41、ピボットピン42、フォロア43、2連ボールベアリング45および円筒カラー46は、予め組み立てられて出力ギアサブアッセンブリの状態で、ハウジング5に組み付けられる。このとき、ピボットピン42およびフォロア43は、スコッチヨーク3のヨーク溝47内に組み込まれる。
ここで、変換機構は、スコッチヨーク3、出力レバー41、ピボットピン42およびフォロア43等を有している。
EGR制御弁は、バルブシャフト2に対して、ポペットバルブを閉じる側(バルブ全閉側)に付勢するリターンスプリング4を備えている。このリターンスプリング4は、バルブシャフト2に対して、ポペットバルブを閉弁(全閉)方向に付勢する弾性力を発生するコイル状のコンプレッションスプリングである。
リターンスプリング4は、バルブシャフト2の図示上端側の周囲、およびベアリングホルダ28の周囲を渦巻き状(螺旋状)に取り囲むように設置されている。このリターンスプリング4は、バルブシャフト2の上端側の段差(円環状の段差)に係止される円環状のスプリングシート48のスプリング座部とハウジング5の底部(ベアリングホルダ28の外周側の円筒凹溝49の底部)のスプリング座部との間に渦巻き状に巻装されたコイル部を有している。なお、ベアリングホルダ28の外周部は、リターンスプリング4のコイル内径をガイド(保持)するスプリング内周ガイドとしての機能を有している。
ハウジング5には、ポペットバルブ(バルブ本体1、バルブシャフト2)、スコッチヨーク3およびリターンスプリング4等を移動可能に収容するバルブボディ11が一体的に形成されている。
バルブボディ11の上流側端面には、排気管の分岐部またはEGRガスパイプの結合フランジの結合端面に複数のスクリューを用いて螺子締結により結合される鍔状の結合フランジ51が設けられている。この結合フランジ51には、例えば締結ボルト等のスクリューが貫通する挿通孔が形成されている。この挿通孔の内部には、スクリューが挿通可能な補強用の金属カラーが嵌め込まれている。
また、バルブボディ11の下流側端面には、吸気管の合流部またはEGRガスパイプの結合フランジの結合端面に複数のスクリューを用いて螺子締結により結合される鍔状の結合フランジ(図示せず)が設けられている。この結合フランジには、例えば締結ボルト等のスクリューが貫通する挿通孔が形成されている。この挿通孔の内部には、スクリューが挿通可能な補強用の金属カラーが嵌め込まれている。
これらの結合フランジ51は、排気管の分岐部または吸気管の合流部等のエンジン側(車両側)の固定部材に取り付けられる結合端面を有している。これにより、EGR制御弁がエンジン側(車両側)の固定部材に固定される。
ハウジング5には、モータMを収容保持する有底円筒状のモータケース12が一体的に形成されている。このモータケース12は、モータMを収容するモータ収容室、モータMのモータヨークの周囲を円周方向に取り囲む円筒状の側壁部、およびこの側壁部の一端側で開口し、組み付け時にモータMをモータ収容室内に挿入するための開口部(モータ挿入口)を有している。このモータ挿入口は、モータMのフロントブラケット52により塞がれている。このフロントブラケット52は、モータケース12のモータ挿入口の開口周縁にスクリュー等を用いて締結固定されている。これにより、モータMがモータ収容室内に収容保持される。
ハウジング5には、減速機構を収容するギアケース13が形成されている。このギアケース13には、電動アクチュエータを収容するギア収容室、電動アクチュエータの周囲を取り囲む筒状の側壁部、この側壁部の一端側が開口し、組み付け時に電動アクチュエータをギア収容室内に挿入するための開口部、および側壁部の開口周縁の外周側に突出するように設けられて、合成樹脂製のセンサカバー7に螺子締結される鍔状の結合フランジ(第1結合部)53を備えている。ギアケース13の開口部は、合成樹脂製のセンサカバー7により塞がれている。
センサカバー7は、ギアケース13の結合フランジ53の結合端面に複数のスクリューを用いて螺子締結により結合される鍔状の結合フランジ(第2結合部)54が設けられている。このセンサカバー7には、モータMのフロントブラケット52より突出する一対の第1、第2ブラシターミナル55と一対の第1、第2モータターミナル(図示せず)との電気接続を行う内部接続用コネクタと、一対の第1、第2モータターミナルおよび回転角度センサの複数のセンサターミナルと外部回路(ECUやバッテリ)との電気接続を行う外部接続用コネクタが設けられている。
ギアケース13には、2連ボールベアリング45および円筒カラー46の外環部を保持するベアリングホルダ(図示せず)が一体的に形成されている。このベアリングホルダは、2連ボールベアリング45および円筒カラー46の周囲を円周方向に取り囲むように配置されている。
ベアリングホルダは、円筒カラー46の外環部を保持する円筒状の第1軸受ホルダである。このベアリングホルダの内部には、出力シャフト39が回転可能に嵌挿される軸受孔(図示せず)が設けられている。この軸受孔は、円筒カラー46の外環部が圧入固定される圧入孔を有している。
2連ボールベアリング45は、ベアリングホルダの軸受収容孔内に収容されて、出力部材の出力シャフト39をその回転方向に摺動可能に支持する第1軸受(ころがり軸受)である。
2連ボールベアリング45は、出力シャフト39の中間軸部の外周に圧入固定される内輪、円筒カラー46の内周に圧入固定される外輪、および内輪と外輪との2つの軌道輪の間に滑動自在に収容される複数の鋼球を備えている。また、2連ボールベアリング45は、2つの軌道輪の間で、且つ鋼球よりも回転軸方向の両端側にそれぞれ装着された2つのリップシール(シール材)、および複数の鋼球の脱落を防止するための2つのリテーナを備えている。
本実施例の円筒カラー46は、金属または合成樹脂によって一体的に形成されている。この円筒カラー46は、2連ボールベアリング45の各外輪の外周とギアケース13のベアリングホルダの内周との間に圧入固定される。
円筒カラー46は、2連ボールベアリング45の各外輪の外周とギアケース13のベアリングホルダの内周との間に圧入されている。
円筒カラー46の内部には、出力シャフト39の周囲を円周方向に取り囲む軸受孔が形成されている。円筒カラー46の内周には、ベアリングホルダの軸受孔と同一軸芯上に形成された2つの第1、第2圧入孔を有している。これらの第1、第2圧入孔には、2連ボールベアリング45の外環部である各外輪が圧入固定される。
電動アクチュエータは、電力の供給を受けるとポペットバルブを往復駆動する回転動力(トルク)を発生するモータMと、このモータMのモータシャフト34の回転を2段減速して出力シャフト39に伝達する減速機構と、この減速機構の出力ギア37の回転往復(回動)運動をポペットバルブの直線往復運動(ポペットバルブの軸線方向の往復運動)に変換する変換機構と、出力シャフト39の回転角度を検出する回転角度検出装置とを備えている。
ここで、電動アクチュエータの動力源であるモータMは、ECUによって電子制御されるモータ駆動回路を介して、外部電源(バッテリ)に電気的に接続されている。
ECUには、CPU、メモリ(ROM、RAMおよびEEPROM等)、入力回路(入力部)、出力回路(出力部)、電源回路、タイマー回路等の機能を含んで構成される周知の構造のマイクロコンピュータが設けられている。
ECUは、イグニッションスイッチがオン(IG・ON)されると、マイクロコンピュータのメモリに格納された制御プログラムに基づいて、EGR制御弁のモータMを通電制御するように構成されている。
そして、センサカバー7のセンサ搭載部に設置された回転角度センサからのセンサ出力信号(アナログ電圧信号)や、各種センサからのセンサ出力信号(電気信号)は、A/D変換回路によってA/D変換された後に、マイクロコンピュータに入力されるように構成されている。
ここで、マイクロコンピュータの入力部には、回転角度センサだけでなく、エアフロメータ、クランク角度センサ、アクセル開度センサ、スロットル開度センサ、吸気温センサ、水温センサおよび空燃比センサや酸素濃度センサ等の排出ガス(排気)センサ等が接続されている。
回転角度検出装置は、出力ギア37の円筒ボス56に一体回転可能に設けられた円筒状の磁気回路部と、この磁気回路部の回転角度を測定してEGR制御弁のバルブ開度を検出する回転角度センサ(図示せず)とを備え、磁気回路部と回転角度センサとの相対回転角度の変化を回転角度センサに磁気回路部から与えられる磁気変化によって検出する。
磁気回路部は、円筒ボス56の直径方向に2分割された一対の部分円筒状ヨーク57と、このヨーク57の分割部(対向部)に同一方向に磁極が向いて配置された一対のマグネット(永久磁石)58とを備え、円筒ボス56の内周に接着剤等により固定されている。なお、円筒ボス56が合成樹脂の場合には、磁気回路部が円筒ボス56にインサート成形されていても構わない。
回転角度センサは、半導体ホール素子の感磁面を鎖交する磁束密度に対応したセンサ出力信号(アナログ電圧信号)をECUへ向けて出力するホールICを主体として構成されている。なお、ホールICの代わりに、ホール素子単体、磁気抵抗素子等の非接触式の磁気検出素子を使用しても良い。
減速機構は、上述したように、ピニオンギア35、中間ギア36、出力ギア37、中間シャフト38および出力シャフト39を備えている。
また、3つの減速ギアは、ギアケース13の凹部とセンサカバー7の凹部との間に形成される内部空間であるギア収容室内に回転自在に収容されている。
ピニオンギア35は、モータシャフト34の先端外周に圧入嵌合等により固定される円筒部を有している。この円筒部の外周には、中間ギア36と噛み合うピニオンギア歯61が形成されている。
中間ギア36は、中間シャフト38の外周に相対回転可能に嵌め合わされている。この中間ギア36は、中間シャフト38の外周に回転自在に嵌め合わされて、中間シャフト38の中心軸線周りに回転する円筒部を有している。この円筒部の軸線方向の一端部には、ピニオンギア歯61と噛み合う大径ギア(中間ギア歯)62が形成されている。また、円筒部の軸線方向の他端部には、出力ギア37と噛み合う小径ギア(中間ギア歯)63が形成されている。
出力ギア37の内周部には、円筒状の円筒ボス56が一体的に形成されている。また、出力ギア37は、円筒ボス56よりも半径方向の外側に部分円筒状(扇状)の歯形成部64を有している。この歯形成部64の外周には、中間ギア歯63と噛み合う出力ギア歯65が所定の角度分だけ扇状に形成されている。
出力ギア37には、円筒ボス56の一端側(バルブ側)の開口部を塞ぐようにシャフト結合部66が一体的に設けられている。このシャフト結合部66の中央部には、2面幅(出力シャフト39の空回りを防ぐ構造、回り止め構造)を有する嵌合部67が貫通形成されている。この嵌合部67には、出力シャフト39の入力部(出力シャフト39の第1突出軸部)が回り止めされた状態で嵌合固定されている。
中間シャフト38は、金属または合成樹脂によって一体的に形成されている。この中間シャフト38の軸線方向の一端は、ハウジング5のギアケース13の嵌合凹部に圧入嵌合(固定)されている。また、中間シャフト38の軸線方向の他端は、センサカバー7の嵌合凹部に嵌め込まれている。
出力シャフト39は、円筒カラー46および2連ボールベアリング45を介して、ハウジング5のギアケース13のベアリングホルダの内部に回転自在または摺動自在に収容されている。
出力シャフト39は、その回転軸方向の両側に第1、第2突出軸部(径小軸部)をそれぞれ備えている。また、第1、第2突出軸部間には、ギアケース13のベアリングホルダの軸受収容孔内に配置される中間軸部(軸方向部、第1、第2突出軸部よりも外径が大きい径大軸部)が設けられている。
第1突出軸部は、出力シャフト39の軸線方向(回転軸方向)の基端側(入力部)に設けられて、2面幅を有している。なお、第1突出軸部が、四角形状の断面を有しても良い。
第2突出軸部は、出力シャフト39の軸線方向(回転軸方向)の先端側(出力部)に設けられて、円形の断面を有している。なお、第2突出軸部に2面幅を設けても良い。
出力シャフト39の中間軸部の外周には、2連ボールベアリング45の各内輪が圧入嵌合によって嵌合保持されている。
変換機構は、上述したように、スコッチヨーク3、出力レバー41、ピボットピン42およびフォロア43等を有している。
スコッチヨーク3は、フォロア43を介してピボットピン42からモータMの回転動力を受けてバルブシャフト2の軸線方向に往復移動する。このスコッチヨーク3は、バルブシャフト2と一体移動可能に連結している。
スコッチヨーク3は、フォロア43を介して出力部材の動力を受ける断面コの字状の入力部、およびバルブシャフト2へ出力部材の動力を伝える出力部を有している。
スコッチヨーク3の入力部は、組み付け時にピボットピン42およびフォロア43が挿入される挿入方向に対向する2面の他に、少なくとも4面の第1〜第4側面を有する多面体形状(断面コの字状または断面角環状)を呈している。
なお、スコッチヨーク3の入力部をフォロア43の周囲を円周方向に取り囲むように断面円環状に形成しても良い。
ヨーク溝47は、スコッチヨーク3に対する出力部材、特にフォロア43の組み付け時に、出力部材を直線移動させながらヨーク溝47内にフォロア43を挿入するための開口部71を有している。この開口部71は、バルブシャフト2の軸線方向に対して直交する垂直方向、特に組み付け時にピボットピン42およびフォロア43が挿入される挿入方向に対して反対方向に向かって開放されている。
スコッチヨーク3の出力部には、有底円(または角)筒状の嵌合部72が一体的に設けられている。この嵌合部72の内部には、バルブシャフト2の軸線方向の基端部(入力部)が圧入嵌合される圧入溝73が形成されている。
出力レバー41は、出力シャフト39の半径方向外側に突出するように設けられている。この出力レバー41は、出力シャフト39とピボットピン42およびフォロア43とを駆動連結して、モータMの回転動力をピボットピン42とフォロア43に伝達するリンクレバーである。
また、出力レバー41の基端部には、出力シャフト39の第2突出軸部がその軸線方向に貫通するように圧入嵌合する第1嵌合孔がそれぞれ設けられている。これにより、出力レバー41が出力シャフト39と一体回転可能に連結される。
出力レバー41の先端部には、ピボットピン42がその軸線方向に貫通するように圧入嵌合する第2嵌合孔がそれぞれ設けられている。これにより、ピボットピン42が出力レバー41と一体回転可能に連結される。第2嵌合孔は、出力シャフト39の第2突出軸部の回転中心軸から所定の距離だけ偏芯した位置に設けられている。
ピボットピン42は、出力レバー41の第2嵌合孔に打ち込まれて出力レバー41の出力部に圧入固定されている。このピボットピン42は、フォロア43を回転自在に支持している。このピボットピン42は、フォロア43と共に、スコッチヨーク3のヨーク溝47内に挿入される。
フォロア43は、ピボットピン42の外周に圧入固定される内輪、スコッチヨーク3のヨーク溝47の溝側面に摺動接触する外輪、および内輪と外輪との2つの軌道輪の間に滑動自在に収容される複数の鋼球を備えたボールベアリングである。
フォロア43は、ピボットピン42の外周に回転自在に支持されて、スコッチヨーク3のヨーク溝47内に摺動(転動)可能に挿入されている。このフォロア43は、出力シャフト39の第2突出軸部の回転中心軸から所定の距離だけ偏芯した位置に設けられている。また、フォロア43は、出力レバー41およびピボットピン42を介して、出力シャフト39と一体回転可能に連結されている。
次に、本実施例のハウジング5のバルブボディ11およびバルブシート15の詳細を図1ないし図5に基づいて簡単に説明する。
バルブボディ11の内部には、EGRガス流路の一部を構成するインレットポート21→流路孔22〜25→アウトレットポート26が形成されている。このバルブボディ11には、EGRガス流路を、バルブシート15よりも排気の流れ方向の上流側に位置する第1流路(以下インレットポート21および流路孔22)と、バルブシート15よりも排気の流れ方向の下流側に位置する第2流路(以下流路孔24、25およびアウトレットポート26)とに区画する円環状(円筒状)の隔壁(仕切り部)14が形成されている。
ここで、弁孔23は、バルブシート15の中央部を貫通するように設けられて、第1流路(以下流路孔22)と第2流路(以下流路孔24)とを連通するEGR制御弁の弁孔(連通孔)である。
第1流路、つまりインレットポート21および流路孔22は、インレットポート21から弁孔23へ向かってインレットポート21および流路孔22の中心を通る、インレットポート21および流路孔22の中心軸線が真っ直ぐに延びる直線流路である。
インレットポート21は、ハウジング5のバルブボディ11の上流側端面で開口し、排気管内の排気通路から排気の一部であるEGRガスを取り込むための流路入口を構成している。
流路孔22は、バルブシート15よりも排気の流れ方向の上流側に設けられて、インレットポート21からバルブ本体1の周囲を通って弁孔23へEGRガスが流れ込む入口側EGRガス流路(入口側流路)のことである。
インレットポート21は、弁孔23の孔径よりも大きい開口径(流路径)を有している。なお、バルブ本体1は、インレットポート21の開口径(流路径)よりも小さく、且つ弁孔23の孔径よりも大きい外径を有している。
第2流路、つまり流路孔24、25およびアウトレットポート26は、弁孔23からアウトレットポート26へ向かって流路孔24、25およびアウトレットポート26の中心を通る、流路孔24、25およびアウトレットポート26の中心軸線(EGRガスの流れ方向)が略直角に変化する曲がり流路である。
流路孔24、25は、バルブシート15よりも排気の流れ方向の下流側に設けられて、弁孔23から流れ込んだEGRガスをアウトレットポート26へ導く出口側EGRガス流路(出口側流路)である。
アウトレットポート26は、ハウジング5のバルブボディ11の下流側端面で開口し、吸気管内の吸気通路へEGRガスを排出させるための流路出口を構成している。このアウトレットポート26は、弁孔23の孔径よりも大きい開口径(流路径)を有している。なお、バルブ本体1は、アウトレットポート26の開口径(流路径)よりも小さく、且つ弁孔23の孔径よりも大きい外径を有している。
バルブボディ11の隔壁14の内周部分には、バルブシート15の周囲を円周方向に取り囲むように円環状の周方向溝74が形成されている(図14参照)。この周方向溝74の底面(周壁)には、断面矩形状のバルブシート15の外周が圧入固定されている。このバルブシート15のシートエッジには、ポペットバルブが着座可能な円環状の弁座が設けられている。また、バルブシート15の内部には、インレットポート21、流路孔22と流路孔24、25、アウトレットポート26とを連通し、且つEGRガスが通り抜ける弁孔23が形成されている。
バルブボディ11には、メタルベアリング27の外周を保持する円筒状のベアリングホルダ28が一体的に形成されている。このベアリングホルダ28は、メタルベアリング27の周囲を円周方向に取り囲むように配置されている。
ところで、バルブボディ11は、バルブ本体1の外周および流路孔22の周囲を円周方向に取り囲む円筒状の第1流路壁75を備えている。この第1流路壁75は、バルブシート15よりも排気の流れ方向の上流側に設けられている。
また、バルブボディ11には、ポペットバルブのバルブ本体1がバルブシート15から離脱することで流路孔22側へ外開き(リフト)して弁孔23を開放した際に、第1流路壁75とバルブ本体1の外周(後述するバルブシール面)との合いに形成される円筒状の隙間流路76の円周方向の一部に、第1流路壁75とバルブ本体1のバルブシール面との間の距離を狭くした流路絞り77が設けられている。
また、バルブボディ11は、流路孔24、25の周囲を円周方向に取り囲む円筒状の第2流路壁78を備えている。この第2流路壁78は、バルブシート15よりも排気の流れ方向の下流側に設けられている。
メタルベアリング27は、焼結材で形成され、内部に多数の気孔を有し、その内部気孔に潤滑油が含浸された円筒状の焼結含油軸受(第2軸受、円筒滑り軸受、メタルブッシュ)であって、その摺動孔の孔壁面(内径面)に多数の内部気孔の開口(表面気孔)が形成されている。
このメタルベアリング27は、その摺動孔内に嵌挿されるバルブシャフト2の往方向(開弁方向)または復方向(閉弁方向)の直線運動による負圧によって、その内部気孔に浸透している潤滑油がバルブシャフト2との摺動面(内径面)の開口から滲み出すことで、メタルベアリング27の内径面とバルブシャフト2の外径面との摺動部分の油膜を形成し、この油膜によってバルブシャフト2が往復移動可能に支持される。
メタルベアリング27は、バルブシャフト2をその移動方向に摺動可能に支持している。このメタルベアリング27の内部には、バルブシャフト2の外周面をその移動方向に摺動可能に支持する摺動孔が貫通形成されている。また、バルブシャフト2の外周面とメタルベアリング27の内周面との間には、バルブシャフト2の円滑な往復移動のための摺動クリアランスが設けられている。
メタルベアリング27は、ベアリングホルダ28の軸受圧入孔の壁面に圧入固定される円筒状の外環部を有している。この外環部の外周部分は、ベアリングホルダ28の軸受圧入孔に気密的に圧入固定される圧入固定部として使用される。また、外環部は、ベアリングホルダ28の第1段差に当接することによってメタルベアリング27の圧入固定位置が規制される。
ベアリングホルダ28は、メタルベアリング27の外環部を保持する円筒状の第2軸受ホルダである。このベアリングホルダ28の内部には、流路孔25の流路壁面(第1流路壁75)で開口し、この開口側から奥側までバルブシャフト2の軸線方向に真っ直ぐに延びる軸受孔31が形成されている。
この軸受孔31の内部には、バルブシャフト2がその軸線方向に往復移動可能に嵌挿されている。また、軸受孔31の軸線方向の一端側(流路孔側、開口側)には、第1流路壁75で開口した開口(第1ポート)32が形成されている。また、軸受孔31の軸線方向の他端側(流路孔側に対して反対側、奥側)には、ギア収容室の壁面で開口した開口(第2ポート)が形成されている。
ベアリングホルダ28は、メタルベアリング27の周囲を円周方向に取り囲むように円筒状の形成されている。このベアリングホルダ28には、メタルベアリング27の圧入固定位置を規制する第1規制部としての機能を有する円環状の第1段差、およびオイルシール29の圧入固定位置を規制する第2規制部としての機能を有する円環状の第2段差が設けられている。
なお、軸受孔31には、メタルベアリング27の外環部を圧入嵌合する軸受圧入孔、オイルシール29の外環部を圧入嵌合するシール圧入孔、および異物除去パイプ33の外周を保持する円筒状の収容孔が設けられている。
次に、本実施例のEGR制御弁に使用されるポペットバルブ(バルブ本体1、バルブシャフト2)の詳細を図1ないし図9に基づいて簡単に説明する。
本実施例のEGR制御弁は、バルブ本体1がバルブシート15の弁座(シートエッジ)に着座して弁孔である弁孔23を閉鎖した全閉(閉弁)状態から、モータMを通電することによりスコッチヨーク3、バルブシャフト2を介して電動アクチュエータの動力(開弁力)がバルブ本体1に加わることによって、ポペットバルブ(バルブ本体1、バルブシャフト2)が、インレットポート21からEGRガスが流れ込む入口側流路である流路孔22側、つまりEGRガス(排気)の流れ方向の上流側へ向かって所定のバルブリフト量分だけ外開き(リフト)して弁孔23を開放する外開き弁方式のポペットバルブを採用している。
ポペットバルブは、上述したように、バルブシート15のシートエッジに接離して弁孔23を閉鎖、開放するバルブ本体1、およびハウジング5の軸受孔31の奥側に位置する基端側から流路孔22〜25内へ突出する先端側へ向かって軸線方向に真っ直ぐに延びるバルブシャフト2を備えている。
バルブ本体1の中央部には、バルブシャフト2の軸線方向の先端外周に嵌合する嵌合孔が一体的に設けられている。この嵌合孔は、バルブ本体1の中央部をその板厚方向に貫通形成されている。
バルブ本体1の外周部(背面側または外径面側)には、バルブシート15のシートエッジに着座可能な円錐状のバルブシール面(バルブフェース)79が一体的に設けられている。このバルブシール面79は、インレットポート21、流路孔22〜25、アウトレットポート26を流れる排気の流れ方向の上流側から下流側へ向かって外径が徐々に減少するように所定の傾斜角度分だけ傾斜した傾斜面(円錐面)である。
バルブシャフト2は、バルブ本体1およびスコッチヨーク3と一体移動可能に連結されて、スコッチヨーク側(基端側)からEGRバルブ側(先端側)へ向かってポペットバルブの中心軸線方向に真っ直ぐに延伸されている。このバルブシャフト2は、ハウジング5のバルブボディ11の内部に往復移動方向に摺動可能に収容されている。
また、バルブシャフト2の基端側の外周には、スコッチヨーク3を含む変換機構が一体移動可能に結合されている。また、バルブシャフト2の先端側の外周には、バルブ本体1が一体移動可能に結合されている。
また、バルブシャフト2は、モータシャフト34、中間シャフト38および出力シャフト39に対して垂直な直交方向に延びるように設置されている。
なお、バルブ本体1とバルブシャフト2とを一体部品で構成したポペットバルブを使用しても良い。
バルブシャフト2は、その軸線方向の両側に第1、第2突出軸部81、82をそれぞれ備えている。
第1、第2突出軸部81、82間には、バルブボディ11のベアリングホルダ28の軸受孔31内に配置される中間軸部83が設けられている。
バルブシャフト2の軸線方向の先端部(出力部)、つまり第1突出軸部81は、バルブシャフト2の軸線方向の一端側(先端側)に設けられて、軸受孔31の開口32から流路孔24、25内へ突出し、且つ流路孔24、25から弁孔23を通り抜けて流路孔22内へ突出するように構成されている。
第1突出軸部81は、中間軸部83と略同一の外径を有する径大軸部84、この径大軸部84よりも軸線方向の先端側に設けられて、バルブ本体1と一体移動可能に連結する結合軸部85を有している。
径大軸部84は、断面円形状を呈する。この径大軸部84の外径面には、異物除去パイプ33が摺接する摺接面が形成されている。また、径大軸部84の先端側、つまりバルブシャフト2の出力部の外周(先端外周)には、例えばレーザー溶接等の接合手段を用いて環状のバルブ本体1を溶接により結合固定する結合軸部85が設けられている。この結合軸部85は、径大軸部84と略同一の外径を有し、バルブ本体1の中央部を貫通するように嵌合孔内に嵌合している。
バルブシャフト2の軸線方向の基端部(入力部)、つまり第2突出軸部82は、バルブシャフト2の軸線方向の他端側(基端側)に設けられて、ベアリングホルダ28の摺動孔の開口および軸受孔31の開口からギア収容室内に突出している。この第2突出軸部82は、その基端部が、スプリングシート48の中央部を貫通する貫通孔を通り抜けた後に、スコッチヨーク3の嵌合部72の圧入溝73内に圧入嵌合されている。
なお、バルブシャフト2の第2突出軸部82の基端部をスコッチヨーク3の嵌合部72にかしめまたは溶接等の手段を用いて固定しても良い。また、バルブシャフト2とスコッチヨーク3を一体部品で構成しても良い。
ここで、本実施例のEGR制御弁は、図2に示したように、バルブ本体1の中心を通り、且つポペットバルブの往復移動方向に延びる中心軸線を、バルブ本体1の中心軸線とし、また、第1、第2流路孔(以下インレットポート21、流路孔22、24)および弁孔23の中心を通り、且つポペットバルブの往復移動方向に延びる中心軸線を、インレットポート21、流路孔22、24および弁孔23の中心軸線としたとき、バルブ本体1の中心軸線とインレットポート21、流路孔22、24および弁孔23の中心軸線とが、第1流路壁75の円周方向の一部側(流路絞り77が形成される側)に所定のオフセット量(α)分だけオフセットして配置されている。
[実施例1の作用]
次に、本実施例のEGR制御弁の作動を図1ないし図9に基づいて簡単に説明する。
本実施例のポペットバルブのバルブ本体1およびバルブシャフト2を往復駆動するモータMは、ECUによって通電制御されるように構成されている。
ここで、モータMへの電力供給が成されない場合には、リターンスプリング4の付勢力(スプリング荷重)によって、バルブシャフト2の軸線方向の出力部(先端外周)に溶接固定されたバルブ本体1のバルブシール面79がバルブシート15のシートエッジに着座することにより、バルブシート15の弁孔23を閉鎖する閉弁(全閉)状態となる。
したがって、バルブシート15の中央部に貫通形成される弁孔23が閉鎖されることで、バルブボディ11内に形成されるEGRガス流路(インレットポート21→流路孔22〜25→アウトレットポート26)が閉鎖される。これにより、EGRガスが、エアクリーナを通過した清浄な吸気(新気)に混入しない(EGRカット)。
次に、EGR制御弁を開弁させるような運転状況(エンジンの運転状況)になると、ポペットバルブが運転状況に対応した所定のバルブ開度(バルブリフト量またはストローク量)に開弁するように開弁作動させる。
そして、モータMに電力を供給し、モータMのモータシャフト34を開弁作動方向に回転させる。これにより、モータMの回転動力(トルク)が、ピニオンギア35、中間ギア36および出力ギア37に伝達される。
そして、出力ギア37からトルクが伝達された出力シャフト39が、出力ギア37の回転に伴って所定の回転角度だけ開弁作動方向に回転する。
そして、出力シャフト39からトルクが伝達された出力レバー41が、出力シャフト39の回転に伴って所定の回転角度(出力ギア37の作動角度と等しい回転角度)だけ開弁作動方向に回転する。
ここで、出力レバー41の突出端部、つまり出力シャフト39の回転中心軸から所定の距離だけ偏芯した位置にピボットピン42が取り付けられている。そして、ピボットピン42に支持されたフォロア43は、出力シャフト39および出力レバー41が回転すると、フォロア43の外周部(外輪)がスコッチヨーク3のヨーク溝47の溝側面と摺動接触することにより、回転運動が直線運動に変換される。
そして、リターンスプリング4の付勢力に抗して、バルブシャフト2およびスコッチヨーク3が移動方向に移動する。このとき、ハウジング5のメタルベアリング27によってバルブシャフト2がその移動方向に案内(ガイド)されているので、バルブシャフト2がその軸線方向のバルブ開側へ直線移動する。
そして、バルブシャフト2の直線移動に伴って、バルブシャフト2に固定されたバルブ本体1が、バルブシート15のシートエッジより離脱して、エンジンの運転状況に対応した所定のバルブリフト量またはストローク量分だけ流路孔22側へ向かって外開き(リフト)することにより、バルブシート15の弁孔23を開放する開弁状態となる。
以上のように、エンジンの運転状況に対応して、モータMへの供給電力(駆動電流値または印加電圧値)を可変制御することで、EGR制御弁のバルブ開度を変化させることにより、エアクリーナを通過した清浄な吸気(新気)に対する、EGRガスの導入量(混入量)が調節される。すなわち、ポペットバルブは、エンジンの運転状況に対応して設定される制御目標値に相当するバルブ開度(目標開度)に開弁制御される。つまりバルブシート15の弁孔23が開放されることで、EGRガス流路(インレットポート21→流路孔22〜25→アウトレットポート26)が開放される。
したがって、エンジンの各気筒より流出した排気の一部であるEGRガスが、排気管内に形成される排気通路の分岐部から、EGRガス流路を経由して、吸気管内に形成される吸気通路の合流部へ再循環される。これにより、エンジンの各気筒に供給される吸気にEGRガスが混入される。
これによって、排気中に含まれる有害物質(例えばNOx等)が低減される。
ところで、本実施例のEGR制御弁においては、図2に示したように、バルブ本体1の中心を通り、且つポペットバルブの往復移動方向に延びる中心軸線を、バルブ本体1の中心軸線とし、また、インレットポート21、流路孔22、24および弁孔23の中心を通り、且つポペットバルブの往復移動方向に延びる中心軸線を、インレットポート21、流路孔22、24および弁孔23の中心軸線としたとき、バルブ本体1の中心軸線とインレットポート21、流路孔22、24および弁孔23の中心軸線とが、第1流路壁75の円周方向の一部側(流路絞り77が形成される側)に所定のオフセット量(α)分だけオフセットして配置されている。
これにより、インレットポート21から流路孔22内に流入したEGRガスは、図5に示したように、バルブ本体1の周方向全体(全周)と流路孔22の周囲を円周方向に取り囲む円筒状(または角筒状)の第1流路壁(バルブボディ11の内壁)75との間に形成される円筒状の隙間流路76に流れ込む。
そして、バルブ本体1の周方向全体(全周)と第1流路壁75との間に形成される円筒状の隙間流路76に流れ込んだEGRガスは、バルブシール面79の傾斜角度に沿って、バルブ本体1の全周のバルブシール面79と弁孔23の周囲を円周方向に取り囲む円筒状(または角筒状)の流路壁(バルブシート15の内壁)との間に形成される円筒状の隙間流路(流路孔22)へ向かって逆円錐台筒(漏斗)形状に集束するように均等に流れ込み、バルブシャフト2の径大軸部84の外径面に衝突する。
そして、径大軸部84の外径面に衝突したEGRガスは、径大軸部84の外径面に沿って流れた後、流路孔24から流路孔25内へ流れ込み、アウトレットポート26から吸気管内の吸気通路へ導かれる。
[実施例1の効果]
以上のように、本実施例のEGRシステムに使用される外開き弁方式のEGR制御弁においては、ハウジング5のバルブボディ11に、バルブ本体1が第1流路(流路孔22)側へ所定のバルブリフト量分だけ外開き(リフト)して弁孔23を開放した際に、第1流路壁75とバルブ本体1の外周との間に形成される円筒状の隙間流路76の周方向の一部に、第1流路壁75とバルブ本体1の外周との間の距離を狭くした流路絞り77を設けている。
また、本実施例のEGR制御弁は、図2に示したように、バルブ本体1の中心を通り、且つポペットバルブの往復移動方向に延びる中心軸線を、バルブ本体1の中心軸線とし、また、インレットポート21、流路孔22、24および弁孔23の中心を通り、且つポペットバルブの往復移動方向に延びる中心軸線を、インレットポート21、流路孔22、24および弁孔23の中心軸線としたとき、バルブ本体1の中心軸線とインレットポート21、流路孔22、24および弁孔23の中心軸線とが、第1流路壁75の円周方向の一部側(流路絞り77が形成される側)に所定のオフセット量(α)分だけオフセットして配置されている。
これによって、ポペットバルブのバルブ本体1とバルブボディ11の第1流路壁75との間の距離を隙間流路76の円周方向において一部狭くすることができる。すなわち、第1流路壁75とバルブ本体1の外周との間に形成される円筒状の隙間流路76の円周方向の一部に、第1流路壁75とバルブ本体1の外周との間の距離を狭くした流路絞り78を形成することができるため、隙間流路76の円周方向の他部よりも狭い流路絞り78を通り抜ける流体の圧力損失が大きくなる。
すなわち、バルブ本体1の中心軸線とインレットポート21、流路孔22、24および弁孔23の中心軸線とを、第1流路壁75の円周方向の一部側(流路絞り77が形成される側)に所定のオフセット量(α)分だけオフセット配置することにより、ポペットバルブのバルブ本体1と第1流路(流路孔22)における周方向の全流路壁面のうちの一部の流路壁面(第1流路壁75)との距離の狭い部分ができるため、狭い部分を通り抜けるEGRガスの圧力損失が生じる。
そして、ポペットバルブの低ストローク量域およびEGRガスの低流量域では、EGRガスの圧力損失が低いため、流量低下が少ないが、EGRガスの流量が多くなると、EGRガスの圧力損失が大きくなるため、ポペットバルブのストローク範囲が同一でも、ポペットバルブのストロークの変化量に対してEGRガスの流量の変化量を減らすことができる。
これによって、ポペットバルブの低(小)ストローク(高リフト)域およびEGRガスの低(小)流量域では、図6のグラフに示したように、比較例1のEGR制御弁と比べてEGRガスの流量が低減することは無く、比較例1のEGR制御弁と同じ流量を確保することができる。
ところで、図5および図16は、ポペットバルブのバルブストローク量が7mmの時の圧力分布図であるが、図16の比較例1のEGR制御弁の場合には、比較例1のバルブ本体1の周りの圧力変化が、比較例1のバルブシャフト2の中心軸線を中心に図示左右で同じ変化をしている。これに対し、図5の実施例1のEGR制御弁の場合には、実施例1のバルブ本体1の周りの圧力変化が、実施例1のバルブシャフト2の中心軸線を中心に図示左右で違う変化をしている。
また、図6のグラフに示したように、比較例1のEGR制御弁では、バルブストローク量が6mmのストロークでEGRガスの流量が700L/minであったものが、本実施例のEGR制御弁では、バルブストローク量が7mmのストロークでEGRガスの流量が700L/minとなる。
したがって、EGRガスの高(大)流量域では、ポペットバルブのバルブストロークの変化量(ΔSt)に対するEGRガスの流量の変化量(ΔQ)を減らすことができるので、ポペットバルブの高(大)ストローク(低リフト)域およびEGRガスの高(大)流量域での流量分解能が向上するため、EGRガスの流量を細かく精度良く制御することができる。
すなわち、ポペットバルブの高リフト域(高流量域)において、バルブリフト量の変化量(ΔSt)に対してEGRガスの流量の変化量(ΔQ)を細かく制御したい場合することができる。つまりΔQ/ΔStを小さくすることができる。
なお、バルブシート15よりもEGRガスの流れ方向の下流側の流路孔24、25およびアウトレットポート26の流路径を絞れば同じような効果を得られるが、流路孔24、25およびアウトレットポート26の流路径を小さくしなくてはならず、相手側配管を入口側流路管と出口側流路管とで管径を別径としたり、凝縮水の溜まり場になってしまうという不具合が生じる。
また、例えばポペットバルブの全開時におけるEGRガスの流量(全開流量)のバリエーション展開時には、そのバリエーション毎の部品(EGR制御弁)を作らなければならない。すなわち、バルブシート15のシート径や孔径、ポペットバルブのバルブ本体1の外径等をバリエーション毎に設計し、製作する必要がある。
例えばEGRガスの流量バリエーションが、600L/minのEGR制御弁(比較例2:図7参照)から1000L/minのEGR制御弁(比較例3:図8参照)へ変更する場合、バルブボディ11を有するハウジング5を共通使用(共用)する場合、バルブ本体1の外径およびバルブシート15のシート径や孔径を変更する必要がある。
これにより、部品点数の増加や部品管理の複雑化により、コストアップとなるという問題が生じる。
そこで、本実施例のEGR制御弁においては、車種毎の搭載要件等で形状や体格を変更するハウジング5を変更するのみで、ポペットバルブの全開時におけるEGRガス体の流量(全開流量)のバリエーション展開を容易に実現するという目的で、図9に示したように、バルブ本体1の中心軸線とインレットポート21、流路孔22、24および弁孔23の中心軸線とが、第1流路壁75の円周方向の一部側(流路絞り77が形成される側)に所定のオフセット量(α)分だけオフセットして配置することにより、車種毎の搭載要件等で形状や体格を変更するハウジング5を変更するのみで、すなわち、バルブ本体1やバルブシート15を共通使用(共用)することができる。したがって、ポペットバルブの全開時におけるEGRガスの流量(全開流量)のバリエーション展開を容易に実現することができる。
また、本実施例のEGR制御弁においては、ポペットバルブのバルブストローク(バルブリフト量)を図15に示した特性線(B)のように伸ばすことなく、ポペットバルブの高リフト域(高流量域)における、EGRガスの流量を細かく精度良く制御できるので、大がかりな設計変更を伴うことはなく、コストアップを抑えることができる。
[実施例2の構成]
図10は、本発明を適用したEGRシステムに使用されるEGR制御弁(実施例2)を示したものである。
ここで、実施例1と同じ符号は、同一の構成または機能を示すものであって、説明を省略する。
本実施例のEGR制御弁は、実施例1と同様に、ハウジング5のバルブボディ11に、第1流路壁75、隙間流路76および流路絞り77を備えている。また、EGR制御弁は、バルブ本体1の中心軸線とインレットポート21、流路孔22、24および弁孔23の中心軸線とを、第1流路壁75の円周方向の一部側(流路絞り77が形成される側)に所定のオフセット量(α)分だけオフセットして配置している。
また、EGR制御弁のハウジング5のバルブボディ11には、バルブ本体1が流路孔22側へ所定のバルブリフト量分だけ外開き(リフト)して弁孔23を開放した際に、バルブ本体1の外周との間に三日月状の流路絞り77を形成する部分円環状(半円弧状)の突条91が設けられている。
突条91は、第1流路壁75の円周方向の一部である半周部分に亘って連続して設けられて、第1流路壁75の円周方向の半周部分の壁面からバルブ本体1の外周(バルブシール面79)へ向かって突出形成されている。
以上のように、本実施例のEGR制御弁においては、実施例1と同様な効果を奏する。
[実施例3の構成]
図11は、本発明を適用したEGRシステムに使用されるEGR制御弁(実施例3)を示したものである。
ここで、実施例1及び2と同じ符号は、同一の構成または機能を示すものであって、説明を省略する。
本実施例のEGR制御弁は、実施例1及び2と同様に、ハウジング5のバルブボディ11に、第1流路壁75、隙間流路76および流路絞り77を備えている。また、EGR制御弁は、バルブ本体1の中心軸線とインレットポート21、流路孔22、24および弁孔23の中心軸線とを、第1流路壁75の円周方向の一部側(流路絞り77が形成される側)に所定のオフセット量(α)分だけオフセットして配置している。
また、EGR制御弁のハウジング5のバルブボディ11には、バルブ本体1が第1流路(流路孔22)側へ所定のバルブリフト量分だけ外開き(リフト)して弁孔23を開放した際に、バルブ本体1の外周との間に複数(3個)の流路絞り77を形成する複数(3個)の突起92が設けられている。
突起92は、第1流路壁75の円周方向の一部である半周部分に亘って所定の間隔(例えば45°等間隔または任意の間隔)を持って複数(3個)設けられて、第1流路壁75の円周方向の半周部分に亘って所定の間隔を隔てた壁面からバルブ本体1の外周(バルブシール面79)へ向かって突出形成されている。
以上のように、本実施例のEGR制御弁においては、実施例1及び2と同様な効果を奏する。
[変形例]
本実施例では、本発明の排気装置に使用される排気制御弁を、内燃機関の排気循環装置(EGRシステム)に使用されるEGR制御弁に適用しているが、本発明の排気装置に使用される排気制御弁を、内燃機関の排気装置に組み込まれるウェイストゲート弁、スクロール切替弁、排気流量制御弁、排気圧力制御弁、排気切替弁または排気絞り弁等に適用しても良い。
また、EGR制御弁や排気制御弁の弁体として、ポペットバルブ(ポペット型EGRバルブ)を採用しているが、バルブ(弁体)とシャフト(弁軸)との間に変換機構を介することにより、バタフライバルブ、フラップバルブ、プレートバルブ、ロータリバルブ等の回転型バルブを採用しても良い。また、ダブルポペットバルブを採用しても良い。
また、シャフト(弁軸)としてバルブシャフト2の代わりに、軸線方向(往復移動方方向)に真っ直ぐに延びる作動ロッドを用いても良い。
また、出力シャフト39の第2突出軸部(出力部)に出力レバー41を組み付ける前に、予め出力レバー41、ピボットピン42およびフォロア43を組み立てて、これらをユニット(サブアッシー)化したフォロアサブアッセンブリを構成し、フォロアサブアッセンブリを出力シャフト39の第2突出軸部(出力部)に組み付けるようにしても良い。
また、ボールベアリングよりなるフォロア43の代わりに、ピボットピン(支軸)22の外周に回転自在に支持されるフォロアローラを使用しても良い。
また、内燃機関(エンジン)として、多気筒ディーゼルエンジンの代わりに、多気筒ガソリンエンジンを用いても良い。また、単気筒エンジンに適用しても良い。
本実施例では、バルブ本体(バルブヘッド)1の外周に、バルブシート15のシートエッジ(弁座)に着座可能な円錐台形状のバルブシール面79を設けたが、バルブ本体1の外周に、バルブシート15のシートエッジ(弁座)に着座可能な角錐台形状のバルブシール面79を設けても良い。
本実施例では、EGR(排気)制御弁のポペットバルブとして、バルブ本体(弁体、弁部)1がバルブシート15のシートエッジ(弁座)に着座している閉弁(全閉)状態から、バルブ本体1がバルブシート15よりも排気の流れ方向の上流側に形成される流路孔(第1流路)22側へ向かって(所定のバルブリフト量またはストローク量分だけ)外開き(リフト)する外開き弁方式のポペットバルブを採用しているが、EGR(排気)制御弁のポペットバルブとして、バルブ(弁体)がシート(弁座)に着座している閉弁(全閉)状態から、バルブ(弁体)がシート(弁座)よりも排気の流れ方向の下流側に形成される流路孔(第2流路)24、25側へ向かって(所定のバルブリフト量またはストローク量分だけ)内開き(リフト)する内開き弁方式のポペットバルブを採用しても良い。
すなわち、外開き弁方式のEGR(排気)制御弁の代わりに、内開き弁方式のEGR(排気)制御弁に本発明の構造を適用しても良い。
本実施例では、ハウジングの軸受孔として、バルブシート15よりも排気の流れ方向の下流側(例えば内燃機関(エンジン)の吸気管内の吸気通路側)に位置する第2流路(流路孔24または流路孔25)の壁面(第2流路壁78)で開口し、且つこの開口側から奥側へ延びる軸受孔31を採用しているが、ハウジングの軸受孔として、バルブシート15よりも排気の流れ方向の上流側(例えば内燃機関(エンジン)の排気管内の排気通路側)に位置する第1流路(流路孔22)の壁面(第1流路壁75)で開口し、且つこの開口側から奥側へ延びる軸受孔を採用しても良い。
この場合、バルブシャフトの突出軸部は、軸受孔の開口から第1流路(流路孔22)内へ突出し、且つ第1流路(流路孔22)から弁孔23を通り抜けて第2流路(流路孔24または流路孔25)内へ突出するように構成される。
本実施例では、ポペットバルブのバルブ本体1の中心軸線と第1、第2流路(インレットポート21、流路孔22、24)および弁孔23の中心軸線とを、第1流路壁75の円周方向の一部側(流路絞り77が形成される側)に所定のオフセット量(α)分だけオフセットして配置しているが、ポペットバルブのバルブ本体1の中心軸線と第1、第2流路(インレットポート21、流路孔22、24)および弁孔23の中心軸線とを、同軸配置としても良い。
また、ポペットバルブのバルブ本体1の中心軸線と第1、第2流路(インレットポート21、流路孔22、24)および弁孔23の中心軸線とを同軸として、実施例2及び3のように、第1流路壁の周方向の一部に部分円環状の突条91や複数の突起92を設けても構わない。
1 バルブ本体(ポペットバルブの弁体、弁部、バルブヘッド、EGRバルブ)
2 バルブシャフト(ポペットバルブの弁軸)
5 ハウジング
15 バルブシート
75 第1流路壁
76 隙間流路
77 流路絞り
79 バルブシール面(バルブ本体の外周)
91 突条
92 突起

Claims (13)

  1. (a)流体が流れる流路(21、22、24〜26)、この流路(21、22、24〜26)に連通する弁孔(23)、この弁孔(23)が貫通形成された環状のシート(15)、および前記流路(21、22、24〜26)を、前記シート(15)よりも流体の流れ方向の上流側に位置する第1流路(21、22)と、前記シート(15)よりも流体の流れ方向の下流側に位置する第2流路(24〜26)とに区画する仕切り部(14)を有するハウジング(5、11、28)と、
    (b)このハウジング(5、11、28)の内部に往復移動可能に設置されて、前記シート(15)に接離して前記弁孔(23)を閉鎖、開放する弁体(1)を有し、
    前記弁体(1)が前記シート(15)に着座している状態から、前記弁体(1)が前記第1流路(21、22)側へ向かって外開きする外開き弁方式のポペットバルブ(1、2)と
    を備えた流量制御弁において、
    前記ハウジング(5、11、28)は、前記弁体(1)の外周および前記第1流路(21、22)の周囲を周方向に取り囲む筒状の第1流路壁(75)を有し、
    前記ハウジング(5、11、28)または前記ポペットバルブ(1、2)は、前記弁体(1)が前記第1流路(21、22)側へ外開きして前記弁孔(23)を開放した際に、前記第1流路壁(75)と前記弁体(1)の外周との間に形成される筒状の隙間流路の周方向の一部に、前記第1流路壁(75)と前記弁体(1)の外周との間の距離を狭くした流路絞り(77)を設けたことを特徴とする流量制御弁。
  2. 請求項1に記載の流量制御弁において、
    前記弁体(1)の中心を通り、且つ前記ポペットバルブ(1、2)の往復移動方向に延びる中心軸線を、前記弁体(1)の中心軸線とし、
    前記第1流路(21、22)の中心を通り、前記ポペットバルブ(1、2)の往復移動方向に平行な軸線方向に延びる中心軸線を、前記第1流路(21、22)の中心軸線としたとき、
    前記弁体(1)の中心軸線と前記第1流路(21、22)の中心軸線とが、前記第1流路壁(75)の周方向の一部側にオフセットして配置されていることを特徴とする流量制御弁。
  3. 請求項1または請求項2に記載の流量制御弁において、
    前記ハウジング(5、11、28)は、前記第1流路壁(75)の周方向の一部から前記弁体(1)の外周に向かって突出すると共に、前記弁体(1)の外周との間に前記流路絞り(77)を形成する部分環状の突条(91)または複数の突起(92)を有していることを特徴とする流量制御弁。
  4. 請求項3に記載の流量制御弁において、
    前記突条(91)は、前記第1流路壁(75)の周方向の半周部分に亘って連続して設けられていることを特徴とする流量制御弁。
  5. 請求項3に記載の流量制御弁において、
    前記複数の突起(92)は、前記第1流路壁(75)の周方向の半周部分に亘って所定の間隔を持って設けられていることを特徴とする流量制御弁。
  6. 請求項1ないし請求項5のうちのいずれか1つに記載の流量制御弁において、
    前記弁体(1)は、その背面側または外径面側に、前記シート(15)に着座可能な円錐台形状または角錐台形状のシール面(79)を有していることを特徴とする流量制御弁。
  7. 請求項1ないし請求項6のうちのいずれか1つに記載の流量制御弁において、
    前記ハウジング(5、11、28)は、前記第2流路(24〜26)の周囲を周方向に取り囲む筒状の第2流路壁(78)、この第2流路壁(78)で開口し、且つこの開口側から奥側へ延びる軸受孔(31)、およびこの軸受孔(31)の奥側に設置される軸受(27)を有し、
    前記ポペットバルブ(1)は、前記軸受孔(31)の開口(32)から前記第2流路(24〜26)内へ突出すると共に、前記第2流路(24〜26)から前記弁孔(23)を通り抜けて前記第1流路(21、22)内へ突出するシャフト(2)を有していることを特徴とする流量制御弁。
  8. 請求項7に記載の流量制御弁において、
    前記シャフト(2)は、前記軸受孔(31)の奥側に位置する基端側から前記第1流路(21、22)内へ突出する先端側へ向かって軸線方向に延伸していることを特徴とする流量制御弁。
  9. 請求項7または請求項8に記載の流量制御弁において、
    前記弁体(1)は、前記シャフト(2)の軸線方向の先端側に溶接固定されていることを特徴とする流量制御弁。
  10. 請求項1ないし請求項9のうちのいずれか1つに記載の流量制御弁において、
    前記ハウジング(5、11)は、その上流側端面で開口し、または前記第1流路(21、22)の中で最も上流側で開口した流路入口(21)を有し、
    前記第1流路(22)とは、前記流路入口(21)から前記弁体(1)の周囲を通って前記弁孔(23)へ流体が流れ込む入口側流路のことであることを特徴とする流量制御弁。
  11. 請求項10に記載の流量制御弁において、
    前記流路入口(21)は、前記弁孔(23)の孔径よりも大きい開口径を有し、
    前記弁体(1)は、前記流路入口(21)の開口径よりも小さく、且つ前記弁孔(23)の孔径よりも大きい外径を有していることを特徴とする流量制御弁。
  12. 請求項1ないし請求項11のうちのいずれか1つに記載の流量制御弁において、
    前記ハウジング(5、11)は、その下流側端面で開口し、または前記第2流路(24〜26)の中で最も下流側で開口した流路出口(26)を有し、
    前記第2流路(24〜26)とは、前記弁孔(23)から前記流路出口(26)へ向かって流れる流体の流れ方向が略直角に変化する出口側流路のことであることを特徴とする流量制御弁。
  13. 請求項12に記載の流量制御弁において、
    前記流路出口(26)は、前記弁孔(23)の孔径よりも大きい開口径を有し、
    前記弁体(1)は、前記流路出口(26)の開口径よりも小さく、且つ前記弁孔(23)の孔径よりも大きい外径を有していることを特徴とする流量制御弁。
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