JP3315445B2 - セラミック製バルブアッセンブリの支持構造 - Google Patents

セラミック製バルブアッセンブリの支持構造

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  • Supercharger (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は金属製管にセラミック製
バルブアッセンブリを支持する支持構造に関し、たとえ
ば過給機付内燃機関の排気制御弁の排気管からの支持構
造等に利用される。
【0002】
【従来の技術】2個の過給機を有しそのうち一方の過給
機の吸、排気系に吸気制御弁、排気制御弁を備え、これ
らの弁を開閉して1個ターボ運転、2個ターボ運転を切
替えるようにした過給機付エンジンにおいては、耐熱性
の向上、スティック防止等のバルブ作動の信頼性の向
上、バルブクリアランスの減少によるガス洩れ量の低減
による過給機の過渡応答性の向上等をはかるために、排
気制御弁をセラミック製バタフライバルブアッセンブリ
から構成することが望まれる。
【0003】しかし、セラミックと排気管材料である鋳
鋼との間には熱膨張差があるので、セラミック製バタフ
ライバルブアッセンブリの排気管からの支持が問題とな
る。たとえば隙間を極小にして支持すると熱膨張で隙間
がなくなったときに過大な圧接力がセラミック製部材お
よび排気管にかかってセラミック製部材および排気管が
割れるおそれがあるし、逆に隙間をもたせて支持する
と、振動時に、セラミック製部材と金属製部材が衝突し
て衝撃に弱いセラミック製部材が損傷するであろう。
【0004】たとえば、実開昭55−175663号公
報は、環状の金属製バルブボデーの内周面にセラミック
製ライナーを接着し、その内側に回転可能にセラミック
製バタフライバルブを配設した、セラミック製バタフラ
イバルブアッセンブリ支持構造を提案している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、実開昭55−
175663号の構造を、過給機付エンジンの排気制御
弁のような高温部位に適用すると、金属製バルブボデー
とセラミック製ライナーとの熱膨張差により、セラミッ
ク製ライナーは破損するであろう。また、バルブボデー
とセラミックライナーとは接着により一体となっている
ため、自動車用排気管に使用した場合、飛石等でバルブ
ボデーが衝撃を受けるとそれがそのままセラミックライ
ナーに伝わって、セラミックライナーが衝撃で損傷する
おそれがある。
【0006】本発明の目的は、熱膨張差があるにかかわ
らず、安定したシール力で、かつガタを生じさせずに、
セラミック製バルブアッセンブリを金属製管から支持で
きるセラミック製バルブアッセンブリの支持構造を提供
することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的は、本発明によ
れば、次のセラミック製バルブアッセンブリの支持構造
によって達成される。すなわち、フランジ部を有し互い
に連結される2つの金属製管、および一方の金属製管の
フランジ部の内周に形成された段付凹部と、内周にボア
を郭定するほぼ円筒状の壁を有し該円筒状の壁に前記ボ
アの軸芯と直交方向に延びるシャフト支持孔を有するセ
ラミック製のハウジング、前記シャフト支持孔に回転可
能に支持されたセラミック製のシャフト、前記セラミッ
ク製のシャフトに支持され前記ボア内に回転可能に配設
されたセラミック製のバルブとを有するバタフライバル
ブアッセンブリと、ハウジングの一端の端面と前記一方
の金属製管の段付凹部の段面との間、およびハウジング
の他端の端面と他方の金属製管のフランジ部端面との間
にそれぞれ介装された、金属製管の線膨張係数より大き
い線膨張係数を有するガスケットと、から成るセラミッ
ク製バルブアッセンブリの支持構造。
【0008】
【作用】上記支持構造では、金属製管とセラミック製ハ
ウジングとの熱膨張差によって生じる隙間は、金属管の
線膨張係数より大きい線膨張係数を有するガスケットの
熱膨張によって埋められ、ガタの発生とシール性の低下
が防止される。また、セラミック製バルブアッセンブリ
のハウジング、シャフト、バルブは、金属製管によって
覆われており、飛石等、外部からの衝撃に対しても保護
される。
【0009】
【実施例】図1は本発明の一実施例に係るセラミック製
バルブアッセンブリの支持構造を示している。この支持
構造は、2つの金属製管1、2と、セラミック製のバタ
フライバルブアッセンブリ4と、バルブアッセンブリ4
と金属製管1、2の間に介装されるガスケット3から構
成される。
【0010】金属製管1、2は、図1−図3に示すよう
に、それぞれ管端部にフランジ部7、8を有し、フラン
ジ部7、8で互いにボルト結合される。各金属製管1、
2は、2つの管が並設されたデュアル管から成ってい
る。すなわち、金属製管1は管1A、1Bを有し、管1
A、1Bはフランジ部7で一体となっている。また、金
属製管2は管2A、2Bを有し、管2A、2Bはフラン
ジ部8で一体となっている。管2A、2Bは下流側で合
流している。
【0011】金属製管1、2のうち一方の金属製管2に
は、デュアル管2A、2Bの一方2Aのフランジ部8の
内周に、段付凹部9が管2A軸芯と同芯状に形成されて
いる。段付凹部9の内径は管2Aの内径よりも拡径され
ており、管端から軸方向に所定距離だけ隔たったところ
に段面9Aを有する。この凹部9にバタフライバルブア
ッセンブリ4が挿入される。
【0012】バタフライバルブアッセンブリ4は、図4
に示すセラミック製のハウジング10と、図5−7に示
すセラミック製のシャフト11と、セラミック製のバル
ブ12とを有する。ハウジング10は、図4に示すよう
に、内周にボア13を郭定するほぼ円筒状の壁を有し、
この壁には、ボア13の軸芯と直交する方向に延びるシ
ャフト支持孔14が穿設されている。シャフト11は、
シャフト支持孔14に挿通されて、ハウジング10に回
転自在に支持される。バルブ12は、ボア13内に回転
自在に配置され、シャフト11に固定されてシャフト1
1と共に回転する。ハウジング10、シャフト11、バ
ルブ12は窒化珪素等の耐熱セラミック材から成り、シ
ャフト11とバルブ12は一体化成形された耐熱セラミ
ック焼結体でも、焼ばめ拡散接合などで一体化接合した
ものの何れでもよい。
【0013】図7に示すように、シャフト11の一端に
はカラー15が銀ロー付け等によって固定され、カラー
15には金属製のレバー16が固定されている。レバー
16にはアクチュエータ5(図1参照)が連結し、バル
ブ12を開閉する。アクチュエータ5はダイヤフラム式
のアクチュエータから成り、そのダイヤフラム室には、
過給圧または吸気管負圧が導かれ、その圧力導管上にデ
ューティ制御の電磁弁を配し、バルブ12を任意開度に
開閉制御する。
【0014】図8および図4に示すように、一方の金属
製管2の管2Aの段付凹部9の段面9Aとそれに対向す
るハウジング10の端面17との間、および他方の金属
製管1の管1Aのフランジ部7の端面18とそれに対向
するハウジング10の端面19との間には、それぞれ、
ガスケット3が介装されている。図10および図4に示
すように、フランジ部8のうち、一方の金属製管2の管
2Bのまわりに、溝20が形成されており、ここにもう
1つのガスケット6が挿入される。ガスケット6とガス
ケット3とは別体とされている。
【0015】ガスケット3は、金属製管1、2の金属材
の線膨張係数より大きな線膨張係数を有する。図9に示
すように、ガスケット3は、線膨張係数調整用のステン
レス材(SUS304)から成る重ね合された環状板2
1、22と、それらの重ね合せ体の両面に設けられた耐
高温のばね材から成るビード23と、これらを一体に固
定するステンレス材(SUS310S)のグロメット2
4、25とから成る。ビード23は径方向の一部23A
で環状板21、22に密着し、その他の部分23Bで環
状板21、22から離れており、密着部23Aと離れた
部分(圧接部)23Bとは屈曲部23Cを介してつなが
っている。
【0016】金属製管2の線膨張係数は14.7×10
-6、セラミックの線膨張係数は3.2×10-6、ステン
レス材(SUS304)の線膨張係数は18.9×10
-6である。したがって、室温状態でビード23の圧接部
23Bと対向面9A、18に圧接させて組付けられたガ
スケット3は、高温時に金属製管2とセラミック製ハウ
ジング10との熱膨張差によって生じる隙間を、環状板
21、22の大きな熱膨張によって埋めることができ、
ビード23の対向面9A、18への圧接力が弱まらない
ようにされている。さらに、ビード23の材質を使用環
境にあわせて設定することによって、バネ力の低下をさ
らに抑えることができる。従って、線膨張調整機能と合
せて、ビード23の対向面への圧接力を確保できる。
【0017】他方のガスケット6は、図11に示すよう
に、グラファイト26とステンレス板27との積層体を
ステンレスのグロメット28、29で固定したものから
成る。また、バルブ部位の洩れ量を押さえるために、バ
ルブ12とボア13との隙間、およびシャフト11とシ
ャフト支持孔14との隙間は、小とされている。これ
は、セラミック材の線膨張係数が金属のそれに比べて小
さいこと、また、隙間を小にして摺接させてもセラミッ
クの場合は金属材の高温時におけるようなカジリが生じ
ないこと、により可能である。
【0018】図12は、上記のようなセラミック製バル
ブアッセンブリの支持構造を、過給機付内燃機関の排気
制御弁に適用した場合を示している。図12において、
内燃機関30に対して2つのターボ過給機31、32が
並列に設けられ、一方の過給機(第1の過給機)31は
全吸入空気量域で運転され、他方の過給機(第2の過給
機)32は高吸入空気量域のみで運転される。1個ター
ボ運転と2個ターボ運転とを切替えるために、過給機3
2の排気通路33に排気制御弁34が、過給機32の吸
気通路35に吸気制御弁36が設けられる。吸、排気制
御弁36、34が閉じて過給機32の運転が停止された
ときが1個ターボ運転であり、吸、排気制御弁36、3
4が開いて過給機32が運転されたときが2個ターボ運
転である。なお、図12において、37はサージタン
ク、38は正圧保持タンク、39は排気マニホルド、4
0は酸素センサ、41、42は触媒コンバータである。
【0019】つぎに、作用を説明する。セラミック製バ
タフライバルブアッセンブリ4の金属製管1、2からの
支持において、ビード23を具備するガスケット3を介
して支持しているので、ビード23と対向面との間に、
セラミック製ハウジング10を損傷させることがない、
かつ必要なシール性を出せる、安定した圧接力が作用す
る。しかも排気制御弁34が開いて、排気通路33に高
温の排気ガスが流れ、排気制御弁34の部位が高温にな
って、金属製管2とセラミック製ハウジング10との熱
膨張差によって軸方向隙間が増大しようとしても、線膨
張係数の大きいガスケット3の軸方向膨張によって隙間
が埋められ、さらにビードのバネ力の追従性によって、
隙間は増大せず、ビード23の圧接力は少なくなること
はなく、ガタを発生させずに、安定したシール性が維持
される。
【0020】また、セラミック製バタフライバルブアッ
センブリ4のハウジング10、シャフト11、バルブ1
2は、金属製管2の段付凹部9内に配置されることによ
り、外管を金属部材で囲まれているので、飛石等があた
ることがなく、セラミック部材が衝撃によって損傷する
ことが防止される。
【0021】さらに、洩れも低減される。洩れとして
は、バルブ12とボア13との隙間からの洩れ、シャフ
ト11とシャフト支持孔14との隙間からの洩れがあ
る。何れもセラミック部材とセラミック部材との間の隙
間であり、隙間は小にしてもカジリが生じないこと、セ
ラミック材の線膨張係数は金属のそれに比べて小さいこ
とから、図13に示されているようにメタル部材間の隙
間に比べて、隙間を小にでき、洩れ量を小にできる。
【0022】図14は洩れ量の低減による過給機付内燃
機関の過渡特性の改善を示している。たとえば、1個タ
ーボ運転におけるスロットル弁開時点からの時間経過に
伴う軸トルクおよび過給圧の上昇を示すと、従来の金属
製バタフライバルブアッセンブリの場合が図14の破線
のようになり、本発明のセラミック製バタフライバルブ
アッセンブリが実線のようになる。セラミック製バタフ
ライバルブアッセンブリとすることによって、第2の過
給機32の排気通路33に逃げる排気量分第1の過給機
31を回転駆動する排気量が低減するのを防止でき、第
1の過給機31による1個ターボ運転時の立上りを良く
することができる。
【0023】
【発明の効果】本発明によれば、金属製管とセラミック
製ハウジングとの熱膨張差によって生じる隙間を、熱膨
張係数の大きなガスケットにより埋めることによって、
ガタの発生とシール性の低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例のセラミック製バルブアッセ
ンブリの支持構造の斜視図である。
【図2】図1の金属製管2の平面図である。
【図3】図2の金属製管2の正面図である。
【図4】図1の、セラミック製バタフライバルブアッセ
ンブリ装着部近傍の部分拡大断面図である。
【図5】セラミック製バタフライバルブアッセンブリの
シャフトおよびバルブの斜視図である。
【図6】図5のシャフトおよびバルブのアッセンブリの
平面図である。
【図7】図のシャフトおよびバルブのアッセンブリの正
面図である。
【図8】セラミック製バタフライバルブアッセンブリと
金属製管との間に介装されたガスケットとその近傍の拡
大断面図である。
【図9】図8のうち、ガスケットの拡大断面図である。
【図10】もう一つのガスケットとその近傍の拡大断面
図である。
【図11】図10のガスケットの拡大断面図である。
【図12】本発明のセラミック製バルブアッセンブリの
支持構造を排気制御弁に適用した過給機付エンジンの系
統図である。
【図13】バルブアッセンブリをセラミック製とした場
合と金属製とした場合の洩れの比較図である。
【図14】過給機付内燃機関において排気制御弁に本発
明に係るセラミック製バルブアッセンブリを適用した場
合とメタルアッセンブリとした場合との、過渡特性の比
較図である。
【符号の説明】
1 金属製管 2 金属製管 3 ガスケット 4 セラミック製バタフライバルブアッセンブリ 7 フランジ部 8 フランジ部 9 段付凹部 9A 段面 10 ハウジング 11 シャフト 12 バルブ 13 ボア 14 シャフト支持孔 17 ハウジング端面 18 フランジ部端面 19 ハウジング端面 21 環状板 22 環状板 23 ビード 30 内燃機関 31 第1の過給機 32 第2の過給機 34 排気制御弁
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鶴丸 尚文 鹿児島県国分市山下町1番1号 京セラ 株式会社 鹿児島国分工場内 (72)発明者 竹西 進介 鹿児島県国分市山下町1番1号 京セラ 株式会社 鹿児島国分工場内 (56)参考文献 特開 平4−285368(JP,A) 特開 昭63−21326(JP,A) 実開 昭60−137278(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F01N 7/08 F02B 37/007 F02B 37/02

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 フランジ部を有し互いに連結される2つ
    の金属製管、および一方の金属製管のフランジ部の内周
    に形成された段付凹部と、 内周にボアを郭定するほぼ円筒状の壁を有し該円筒状の
    壁に前記ボアの軸芯と直交方向に延びるシャフト支持孔
    を有するセラミック製のハウジング、前記シャフト支持
    孔に回転可能に支持されたセラミック製のシャフト、前
    記セラミック製のシャフトに支持され前記ボア内に回転
    可能に配設されたセラミック製のバルブとを有するバタ
    フライバルブアッセンブリと、 ハウジングの一端の端面と前記一方の金属製管の段付凹
    部の段面との間、およびハウジングの他端の端面と他方
    の金属製管のフランジ部端面との間にそれぞれ介装され
    た、金属製管の線膨張係数より大きい線膨張係数を有す
    るガスケットと、 から成るセラミック製バルブアッセンブリの支持構造。
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