JP4756993B2

JP4756993B2 - 摺動部材支持構造

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Publication number: JP4756993B2
Application number: JP2005312799A
Authority: JP
Inventors: 英行盛山; 泰生大久保; 宏史木澤; 健治三原
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2005-10-27
Filing date: 2005-10-27
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2025-10-27
Also published as: JP2007120386A

Description

本発明は、燃焼に伴って生じる排気ガスに晒される部位に、互いに摺接して相対移動する一方部材と他方部材と配置して成る摺動部材支持構造に関するものである。

図１０は、ＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation)システムを搭載したエンジンを示しており、このエンジンＡはエンジン本体Ｅから排気マニホルドＭｏに排出される排気ガスでターボチャージャＴを駆動して空気をアフタークーラＤに送給し、該アフタークーラＤで冷却された空気をベンチュリＬおよび吸気マニホルドＭｉを介してエンジン本体Ｅに供給している。因みに、図中の符号Ｃはエアクリーナ、符号Ｓはマフラを示し、符号Ｆは空冷ファンを示している。

さらに、上記エンジンＡは、排気マニホルドＭｏとベンチュリＬとを接続するＥＧＲ配管Ｈに、ＥＧＲクーラＱおよびＥＧＲバルブ装置Ｖを介装しており、排気ガスの一部をＥＧＲクーラＱに導入して冷却したのち吸気に再循環させ、エンジン本体Ｅに入る空気(新気)の量を制御して燃焼温度を下げることで、排気ガス中におけるＮＯｘ(窒素酸化物)の低減を達成している。

ＥＧＲバルブ装置Ｖは、エンジン本体Ｅへの排気ガスの供給量を制御する手段であり、一般的にケーシングと該ケーシングにスライド支持されたバルブとから成るポペット式バルブ装置が採用されている(例えば、特許文献１参照）。

図１１に示す如く、上記ＥＧＲバルブ装置Ｖは、導入路Ｈｉおよび排出路Ｈｏを有するＥＧＲ配管Ｈに接続されたケーシングＶｃと、該ケーシングＶｃにスライド支持されたバルブＶｖと、該バルブＶｖを開閉動作させる駆動制御部Ｖｄとを具備し、エンジン本体１Ｅの運転状況に基づく駆動制御部Ｖｄの動作により、上記バルブＶｖの開閉(ＥＧＲのｏｎ／ｏｆｆ)およびバルブリフト量の調整が行われる。
特開平９−１５１８１１号公報

ところで、上記ＥＧＲ配管Ｈの内部においては、ＥＧＲクーラＱやＥＧＲ配管Ｈの内外の温度差により、排気ガス中の水分が凝縮して結露水が発生し、特にディーゼルエンジンにおいては、その排気ガス中に硫黄を含んでいることから、硫黄を含んだ凝縮水が発生することとなる。

このため、上記ＥＧＲバルブ装置Ｖにおいては、上述した凝縮水が侵入することで摺動部が腐食し、ケーシングＶｃとバルブＶｖとが固着してしまう問題を生じていた。

このような問題に対して、耐食性に優れたマルテンサイト系ステンレスからケーシングＶｃを形成したり、ステンレス焼結体から成るバルブガイド(例えば、特開平１１−７１６４２号公報参照)を用いる等の対応が為されるものの、何れの材料も排気ガスの凝縮水に対しては十分な耐蝕性を得られなかった。また、何れの材料も素地硬度が低いため、ケーシングＶｃに対するバルブＶｖの囓りや焼付き等の不都合を招いてしまう問題があった。

本発明は上記実状に鑑みて、互いに摺接する一方部材と他方部材との固着を未然に防止することの可能な摺動部材支持構造の提供を目的とするものである。

請求項１の発明に関わる摺動部材支持構造は、燃焼に伴って生じる排気ガスに晒される部位に、互いに摺接して相対移動する一方部材と他方部材と配置して成る、摺動部材支持構造であって、前記一方部材をステンレス材から形成し、該一方部材における少なくとも前記他方部材と摺接する範囲に亘って表面硬化処理を施すとともに、前記他方部材をインコネル(商標名)材から形成し、該他方部材における少なくとも前記一方部材と摺接する範囲に亘って表面硬化処理を施して成り、前記一方部材がポペット式バルブ装置を構成するバルブおよびバルブガイドの一方要素であるとともに、前記他方部材がポペット式バルブ装置を構成するバルブおよびバルブガイドの他方要素であり、前記バルブガイドを構成する前記一方部材または前記他方部材が、前記バルブガイドを一体に形成したバルブケースを構成するとともに、前記バルブケースにおける内表面の全体に亘って表面硬化処理を施して成ることを特徴としている。

請求項２の発明に関わる摺動部材支持構造は、請求項１の発明に関わる摺動部材支持構造において、ステンレス材から成る一方部材における表面硬化処理が低温軟窒化処理であることを特徴としている。

請求項３の発明に関わる摺動部材支持構造は、請求項１の発明に関わる摺動部材支持構造において、ステンレス材から成る一方部材における表面硬化処理が炭素固溶拡散処理であることを特徴としている。

請求項４の発明に関わる摺動部材支持構造は、請求項１の発明に関わる摺動部材支持構造において、インコネル材から成る他方部材の表面硬化処理がＣｒメッキであることを特徴としている。

請求項１の発明に関わる摺動部材支持構造によれば、一方部材と他方部材とを共に耐食性の良好な材料から形成するとともに、一方部材と他方部材とに各々表面硬化処理を施したことにより、両者の摺動部に囓りや焼付きを生じることなく腐食を抑えることができ、もって互いに摺接する一方部材と他方部材との固着を未然に防止することが可能となる。
また、請求項１の発明に関わる摺動部材支持構造によれば、一方部材がポペット式バルブ装置を構成するバルブおよびバルブガイドの一方要素であるとともに、他方部材が上記バルブおよびバルブガイドの他方要素であることで、ポペット式バルブ装置を構成するバルブとバルブガイドとの摺動部に囓りや焼付きを生じることなく腐食を抑えることができ、もって互いに摺接するバルブとバルブガイドとの固着を未然に防止することが可能となる。
さらに、請求項１の発明に関わる摺動部材支持構造によれば、バルブガイドを一体に形成したバルブケースにおける内表面の全体に亘って表面硬化処理を施したことにより、バルブケースにおけるバルブシートの表面をも硬化することができ、構造が簡素化するとともにバルブケース全体の耐食性が向上することとなる。

請求項２の発明に関わる摺動部材支持構造によれば、ステンレス材から成る一方部材を低温軟窒化処理によって表面硬化させたことで、一方部材と他方部材との摺動部に囓りや焼付きを生じることなく腐食を抑えることができ、もって互いに摺接する一方部材と他方部材との固着を未然に防止することが可能となる。

請求項３の発明に関わる摺動部材支持構造によれば、ステンレス材から成る一方部材を炭素固溶拡散処理によって表面硬化させたことで、一方部材と他方部材との摺動部に囓りや焼付きを生じることなく腐食を抑えることができ、もって互いに摺接する一方部材と他方部材との固着を未然に防止することが可能となる。

請求項４の発明に関わる摺動部材支持構造によれば、インコネル材から成る他方部材をＣｒメッキによって表面硬化させたことで、一方部材と他方部材との摺動部に囓りや焼付きを生じることなく腐食を抑えることができ、もって互いに摺接する一方部材と他方部材との固着を未然に防止することが可能となる。

以下、本発明の構成を幾つかの実施例に基づいて詳細に説明する。
図１〜図７は、作業車両の一態様であるダンプトラックに搭載されたエンジン、詳しくはＥＧＲシステムを具備するディーゼルエンジンのＥＧＲバルブ装置に本発明を適用した例を示している。

図１に示す如く、上記エンジン１はエンジン本体１Ｅから排気マニホルド１Ｍｏに排出される排気ガスでターボチャージャ１Ｔを駆動してエアをアフタークーラ１Ｄに送給し、該アフタークーラ１Ｄで冷却されたエアをベンチュリ１Ｌおよび吸気マニホルド１Ｍｉを介してエンジン本体１Ｅに供給している。因みに、図中の符号１Ｃはエアクリーナ、符号１Ｓはマフラを示し、符号１Ｆはファンを示している。

また、上記エンジン１には、排気ガスの一部を吸気に再循環させるべく、排気マニホルド１Ｍｏとベンチュリ１Ｌとを接続したＥＧＲ配管１Ｈが設けられ、このＥＧＲ配管１Ｈには、ＥＧＲクーラ１ＱとともにＥＧＲバルブ装置１０が介装されている。

さらに、上記エンジン１には、エンジン本体１Ｅに吸気されるエアの一部を抜くために、アフタークーラ１Ｄの下流側の配管１Ｄｕと排気マニホルド１Ｍｏとを接続したバイパス配管１Ｂが設けられ、このバイパス配管１Ｂにはバイパスバルブ装置２０が介装されている。

ここで、図１および図３に示す如く、上記ＥＧＲバルブ装置１０およびバイパスバルブ装置２０は、エンジン本体１Ｅにおいてファン１Ｆの設置されている正面側に配設されており、上記ＥＧＲバルブ装置１０から延びるＥＧＲ配管１Ｈ、および上記バイパスバルブ装置２０から延びるバイパス配管１Ｂは、それぞれ略水平方向に延在する態様でレイアウトされている。

上記エンジン１におけるＥＧＲバルブ装置１０は、図４から明らかなようにポペット式バルブ装置であって、ＥＧＲ配管１Ｈと接続されたケーシング(一方部材)１１と、該ケーシング１１にスライド支持されたバルブ(他方部材)１２とを有している。

さらに、上記ＥＧＲバルブ装置１０は、既知の如く、バルブ１２を駆動する図示していない油圧ピストンと、バルブ１２のリフト量を検知するストロークセンサ(図示せず)とを備え、上記油圧ピストンを駆動ソレノイド(図示せず)により駆動される比例制御弁(図示せず)からの油圧で動作させ、かつ上記ストロークセンサにより検知したバルブリフト量で、上記駆動ソレノイドをフィードバック制御して、バルブ１２の開閉(ＥＧＲのｏｎ／ｏｆｆ)およびバルブリフト量を調整している。

上記ＥＧＲバルブ装置１０におけるケーシング１１は、図４〜図６に示す如く、入口側開口１１ｉと出口側開口１１ｏとを有する通路１１ｐが貫通形成されており、該通路１１ｐにおける入口側開口１１ｉの近傍には、後述するバルブ１２のヘッド部１２ｈと当接するバルブシート１１ｓが形成されている。

なお、上記通路１１ｐにおける入口側開口１１ｉには、バルブ１２のリフト時に排気ガスの流路を確保するべく拡径部１１ｒが形成されており、ケーシング１１と接続されるＥＧＲ配管１Ｈの端部１Ｈａにおいても、上述したと同じ目的から拡径部１Ｈｒが形成されている。

また、上記ケーシング１１は、バルブ１２をスライド自在に支承するガイド部(バルブガイド)１１ｇを有しており、該ガイド部１１ｇには後述するバルブ１２のステム部１２ｓが挿通されるガイド孔１１ｈが貫通形成されている。

上述した如き形態を呈するケーシング１１は、その全体をステンレス材、具体的にはオーステナイト系ステンレス鋳鋼(例えば、ＳＣＳ１６)を用いて形成されており、さらに上記ケーシング１１における内表面の全体に亘って、表面硬化処理の一態様である低温タフトライド(低温軟窒化処理)が施されている。

これにより、ケーシング１１において少なくともバルブ１２のステム部１２ｓと摺接する範囲、すなわちガイド部１１ｇのガイド孔１１ｈにおける内周面の全域は勿論のこと、通路１１ｐにおけるバルブシート１１ｓの表面も含めて表面硬化処理が施されることとなる。

一方、上記ＥＧＲバルブ装置１０におけるバルブ１２は、ヘッド部１２ｈと該ヘッド部１２ｈに連なるステム部１２ｓとを有し、これらヘッド部１２ｈとステム部１２ｓとは、インコネル材によって一体に形成されている。

また、上記バルブ１２におけるステム部１２ｓの外周面には、少なくともケーシング１１のガイド部１１ｇにおけるガイド孔１１ｈの内周面と摺接する範囲に亘って、表面硬化処理の一態様であるＣｒメッキ１２ｍが施されている。

ここで、上記Ｃｒメッキ１２ｍの厚さは、２〜２０μｍの範囲であることが好ましい。すなわち、メッキ層が２μｍより薄いと表面硬化が不十分であり、また摩耗量を考慮すると２μｍ以上のメッキ層の厚さは必要である。一方、メッキ層が厚いほど寿命は長くなるが、メッキ層が２０μｍを越えると表面の凹凸が大きくなって研磨作業を必要とするため、メッキ層の厚さを２０μｍ以下に抑えることが有効である。

因みに、図５中の符号１３はバルブスプリング、符号１４はバルブ１２のステム部１２ｓに装着されたスプリングリテーナを示している。また、図５に示す如く、上記ケーシング１１のガイド部１１ｇには、バルブ１２のステム部１２ｓに付着したカーボンを掻き落とすスクレーパ１５が設置されており、このスクレーパ１５はステンレス材から形成され、タフトライト(窒化処理)によって表面の硬化処理が施されている。

上述した構成のエンジン１においては、ＥＧＲクーラ１ＱやＥＧＲ配管１Ｈの内外の温度差により、排気ガス中の水分が凝縮することでＥＧＲ配管１Ｈの内部に結露水が発生し、特に実施例の如きディーゼルエンジンにおいては、その排気ガス中に硫黄を含んでいるために、硫黄を含んだ凝縮水が発生することとなる。

このため、従来のＥＧＲバルブ装置においては、上述した凝縮水が侵入することにより、ケーシングとバルブとの摺動部が腐食して固着する問題があった。

このような状況に対して、上述した構成のＥＧＲバルブ装置１０においては、一方部材であるケーシング１１を耐食性の良好なステンレス材から形成するとともに、他方部材であるバルブ１２を耐食性の良好なインコネル材から形成したことで、上記ケーシング１１およびバルブ１２は強酸性の凝縮水に対しても十分な耐食性を発揮する。

また、上述した構成のＥＧＲバルブ装置１０においては、ケーシング１１に表面硬化処理の一態様である低温タフトライドを施すとともに、バルブ１２に表面硬化処理の一態様であるＣｒメッキを施したことで、ケーシング１１とバルブ１２との摺動部における囓りや焼付きが未然に防止されることとなる。

もって、上述したＥＧＲバルブ装置１０によれば、ケーシング１１とバルブ１２との摺動部に囓りや焼付きを生じることなく腐食を抑えることができ、もって互いに摺接するケーシング１１とバルブ１２との固着を未然に防止することが可能となる。

図７は、従来のＥＧＲバルブ装置と、本実施例におけるＥＧＲバルブ装置１０との、ケーシングに対するバルブの固着の程度(有無)を、バルブ抜き力(閉じたバルブを開く方向へ静かに動かす際のステムとバルブガイドとの摺動抵抗力)の比較によって表したグラフである。ここで、従来のＥＧＲバルブ装置は、ケーシングをねずみ鋳鉄で形成し、バルブのステム部を耐熱鋼で形成したものである。

図７のグラフに示す如く、従来のＥＧＲバルブ装置においては、正味バルブ押し力(バルブスプリングの付勢力に抗してバルブを開くのに必要な推進力)の数倍にも及ぶ大きなバルブ抜き力ｆｐを要するのに対し、本実施例のＥＧＲバルブ装置１０におけるバルブ抜き力ｆｉが、正味バルブ押し力に対する１／１０以下の極めて少ない数値であることから、本実施例におけるＥＧＲバルブ装置１０によれば、ケーシング１１とバルブ１２との固着が可及的に抑えられることは明らかである。

なお、上述した実施例においては、ケーシング１１の内表面を低温タフトライドによって表面硬化させているが、上述した以外の様々な表面硬化処理、例えば炭素拡散固溶処理等によっても、ケーシング１１の内表面を硬化させ得ることは勿論である。

また、上述した実施例においては、バルブ１２にＣｒメッキを施すことによって表面硬化処理しているが、例えばステライト等の盛金材を溶射する、或いは適宜なセラミック材をＰＶＤ（物理的蒸着法）によって被覆する等、様々な方法によってバルブ１２の外表面を硬化させることが可能である。

因みに、ケーシング１１におけるガイド孔１１ｈの内周面等に対しては、盛金材を溶射する等の表面硬化処理を施すことが困難であるため、上述した実施例においては、内面形状の複雑なケーシング１１に対して、低温タフトライドや炭素拡散固溶処理等の表面硬化方法を提示するものである。

図８および図９は、ＥＲＧバルブ装置の参考例を示しており、このＥＧＲバルブ装置１０′におけるケーシング１１′(他方部材)は、そのガイド部１１ｇ′にガイドスリーブ(バルブガイド)１６′が圧入されている。

上記ケーシング１１′の全体は、従来からのねずみ鋳鉄によって形成されている一方、上記ガイドスリーブ１６′は、インコネル材で形成されており、そのガイド孔１６ｈ′における内周面の全域、すなわち後述するバルブ１２′のステム部１２ｓ′と摺接する範囲に亘って、表面硬化処理の一態様であるＣｒメッキが施されている。

また、上記ＥＧＲバルブ装置１０′におけるバルブ１２′(一方部材)は、インコネル材から形成したヘッド部１２ｈ′と、ステンレス材(オーステナイト系ステンレス鋳鋼)から形成したステム部１２ｓ′とを、圧接溶接により一体化しているとともに、ステンレス材から成るステム部１２ｓ′の外表面に、表面硬化処理の一態様である低温タフトライド(低温軟窒化処理)が施されている。

なお、上述したＥＧＲバルブ装置１０′の構成は、ケーシング１１′、ガイドスリーブ１６′、およびバルブ１２′以外、図１から図６に示したＥＧＲバルブ装置１０と基本的に変わるところはないので、ＥＧＲバルブ装置１０′の構成要素において、ＥＧＲバルブ装置１０の構成要素と同一の作用を成すものには、図８および図９において、図１から図６と同一の符号に′(ダッシュ)を附すことで詳細な説明は省略する。

上記構成のＥＧＲバルブ装置１０′においては、ケーシング１１′のガイドスリーブ１６′を耐食性の良好なインコネル材から形成するとともに、バルブ１２′のステム部１２ｓ′を耐食性の良好なステンレス材から形成したことで、上記ガイドスリーブ１６′とステム部１２ｓ′とは、強酸性の凝縮水に対しても十分な耐食性を発揮することとなる。

また、上述した構成のＥＧＲバルブ装置１０′においては、ガイドスリーブ１６′に表面硬化処理の一態様であるＣｒメッキを施すとともに、バルブ１２′のステム部１２ｓ′に表面硬化処理の一態様である低温タフトライドを施したことで、ガイドスリーブ１６′とバルブ１２′との摺動部における囓りや焼付きが未然に防止されることとなる。

もって、上述したＥＧＲバルブ装置１０′によれば、ケーシング１１′(ガイドスリーブ１６′)とバルブ１２′との摺動部に囓りや焼付きを生じることなく腐食を抑えることができ、もって互いに摺接するケーシング１１′(ガイドスリーブ１６′)とバルブ１２′との固着を未然に防止することが可能となる。

なお、ガイドスリーブ１６′におけるガイド孔１６ｈ′の表面硬化処理としては、適宜なセラミック材をＣＶＤ（化学的蒸着法）によって被覆する等の方法も採用可能であり、またバルブ１２′におけるステム部１２ｓ′の表面硬化処理としては、炭素拡散固溶処理等の様々な表面硬化処理を採用することが可能である。

ところで、上述した各実施例においては、エンジンに搭載されたＥＧＲバルブ装置に本発明を適用した例を示したが、図１〜図３に示したバイパスバルブ装置２０に本発明を適用することも可能である。

上記バイパスバルブ２０は、上述した如くアフタークーラ１Ｄを通過して冷却されたエアの一部を排気マニホルド１Ｍｏに流すバイパス配管１Ｂに介装されているため、脈動によって排気マニホルド１Ｍｏから逆流した排気ガスがバイパスバルブ装置２０に侵入し、排気ガスに晒された摺動部(バルブ／バルブガイド)に腐食を発生させる虞がある。

そこで、上記バイパスバルブ装置２０を、上述したＥＧＲバルブ装置１０、１０′と同様に構成することで、排気ガスの逆流に起因する摺動部(バルブ／バルブガイド)の腐食を未然に防止することできる。

また、上述したＥＧＲバルブ装置やバイパスバルブ装置のみならず、エンジンの排気ガスに晒される(或いは晒される虞れのある)バルブ装置、例えばエンジン本体における排気弁や吸気弁、或いは排気マフラにおける共鳴部容積の切換弁等、様々なバルブ装置にも本発明を有効に適用し得ることは勿論である。

また、上述した各実施例のＥＧＲバルブ装置は、何れもポペット式バルブ装置であるが、例えばバタフライ式バルブ装置においても、その弁体の回転軸と軸受けとの構成に、本発明の摺動部材支持構造を適用することが可能である。

さらに、上述した各実施例においては、本発明をダンプトラックに搭載されたディーゼルエンジンのＥＲＧバルブ装置に適用しているが、ディーゼルエンジン以外のガソリンエンジンにも本発明を適用することができ、また上記ダンプトラック以外の様々な作業車両、さらには作業車両以外の様々な車両に搭載されたエンジンを対象として、本発明を有効に適用し得ることは言うまでもない。

また、エンジンからの排気ガスに晒されるバルブ装置のみならず、互いに摺接する一方部材と他方部材とが、燃焼に伴って生じる排気ガスに晒される様々な機器や装置においても、本発明を極めて有効に適用し得ることは勿論である。

本発明を適用したエンジンの全体構成を示す概念図。図１に示したエンジンの外観全体平面図。図１に示したエンジンの外観全体正面図。図１のエンジンにおけるバルブ装置を示す要部破断斜視図。バルブ装置に本発明を適用した実施例を示す断面側面図。 (ａ)および(ｂ)は、図５に示したバルブ装置におけるケーシングの断面側面図およバルブの外観側面図。従来のバルブ装置と本発明を適用したバルブ装置との耐腐食性の相違を示すグラフ。バルブ装置の参考例を示す断面側面図。 (ａ)および(ｂ)は、図８に示したバルブ装置におけるケーシングの断面側面図およバルブの外観側面図。従来のエンジンにおける全体構成を示す概念図。従来のＥＧＲバルブ装置を示す概念的な断面図。

符号の説明

１…エンジン、
１Ｅ…エンジン本体、
１Ｈ…ＥＧＲ配管、
１０…ＥＧＲバルブ装置、
１１…ケーシング、
１１ｇ…ガイド部(バルブガイド)、
１２…バルブ、
１２ｓ…ステム部、
１２ｈ…ヘッド部、
１０′…ＥＧＲバルブ装置、
１１′…ケーシング、
１１ｇ′…ガイド部、
１２′…バルブ、
１２ｓ′…ステム部、
１２ｈ′…ヘッド部、
１６′…ガイドスリーブ(バルブガイド)。

Claims

燃焼に伴って生じる排気ガスに晒される部位に、互いに摺接して相対移動する一方部材と他方部材と配置して成る、摺動部材支持構造であって、
前記一方部材をステンレス材から形成し、該一方部材における少なくとも前記他方部材と摺接する範囲に亘って表面硬化処理を施すとともに、
前記他方部材をインコネル(商標名)材から形成し、該他方部材における少なくとも前記一方部材と摺接する範囲に亘って表面硬化処理を施して成り、
前記一方部材がポペット式バルブ装置を構成するバルブおよびバルブガイドの一方要素であるとともに、前記他方部材がポペット式バルブ装置を構成するバルブおよびバルブガイドの他方要素であり、
前記バルブガイドを構成する前記一方部材または前記他方部材が、前記バルブガイドを一体に形成したバルブケースを構成するとともに、前記バルブケースにおける内表面の全体に亘って表面硬化処理を施して成ることを特徴とする摺動部材支持構造。
ステンレス材から成る前記一方部材における表面硬化処理が、低温軟窒化処理であることを特徴とする請求項１記載の摺動部材支持構造。
ステンレス材から成る前記一方部材における表面硬化処理が、炭素固溶拡散処理であることを特徴とする請求項１記載の摺動部材支持構造。
インコネル材から成る前記他方部材における表面硬化処理が、Ｃｒメッキであることを特徴とする請求項１記載の摺動部材支持構造。