JP2019015226A

JP2019015226A - バルブ装置

Info

Publication number: JP2019015226A
Application number: JP2017132753A
Authority: JP
Inventors: 井上　勝文; Katsufumi Inoue; 勝文井上; 宏章鱒渕; Hiroaki Masubuchi; 瑞樹林田; Mizuki HAYASHIDA
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2017-07-06
Filing date: 2017-07-06
Publication date: 2019-01-31
Also published as: WO2019009268A1

Abstract

【課題】弁体の開度を大きくすることができ、排気ガスの高流量時の背圧を低減することができるバルブ装置を提供する。【解決手段】消音器１中の排気通路９ｂに設置され、排気ガスＧの排気圧力に応じて排気通路９ｂを開閉する弁体２０と、弁体２０を閉じる方向に付勢する弾性部材３０と、弁体２０が閉じた際に該弁体２０が当接する弁座１１とを備えて成るバルブ装置１０において、弁座１１の排気ガスＧの流れ方向の下流側の端部１４に、弁体２０が所定開度である場合に少なくとも弁体２０の所定部の一部を覆う外筒４０を設け、弁体２０は、弁座１１に設けられたガス入口管１３の断面積よりも大きい面積を有し、弁体２０が僅かでも開いた際にガス受圧面がガス入口管１３の断面積よりも大きくなるようにした。【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンからの排気ガスの排気圧力に応じて消音器中の排気通路を開閉するバルブ装置に関する。

この種のバルブ装置として、例えば、特許文献１に開示された圧力制御弁がある。この特許文献１に開示された圧力制御弁は、排気管に設けた支持部に支軸を介して揺動可能に取り付けられ、開口端を開閉可能な弁体と、この弁体に付勢力を付与して開口端を閉塞させる付勢体とを備え、排気管内の排気ガスの排気圧力が付勢体の付勢力より大きくなると、開口端を開放するものである。

特開２０１２−２４１５４３号公報

しかしながら、前記従来の圧力制御弁では、弁体が開くと弁体の周囲から排気ガスが逃げてしまい、弁体を大きく開くことができず、排気ガスの高流量時の背圧を低減することができなかった。

そこで、本発明は、前記した課題を解決すべくなされたものであり、弁体の周囲から排気ガスが逃げないようにすることで、弁体の開度を大きくすることができ、排気ガスの高流量時の背圧を低減することができるバルブ装置を提供することを目的とする。

本願発明は、消音器中の排気通路に設置され、排気ガスの排気圧力に応じて前記排気通路を開閉する弁体と、前記弁体を閉じる方向に付勢する弾性部材と、前記弁体が閉じた際に該弁体が当接する弁座とを備えて成るバルブ装置において、前記弁座の前記排気ガスの流れ方向の下流側の端部に、前記弁体が所定開度である場合に少なくとも前記弁体の所定部の一部を覆う外筒を設け、
たことを要旨とする。

以上説明したように、本願発明によれば、弁体が開くときに、排気ガスが排気通路の周囲から漏れない壁を設けることにより、弁体の開度を大きくすることができる。また、弁体の開度を大きくすることで、排気ガスの高流量時の背圧を低減することができる。

本発明の第１実施形態のバルブ装置を内蔵した消音器の概略構成図である。上記バルブ装置を弁体側から見た斜視図である。上記バルブ装置の分解斜視図である。（ａ）は上記バルブ装置の弁体が所定角度開いた場合の側面図、（ｂ）は弁体が所定角度開いた場合の流れの状態を示す説明図、（ｃ）は円管の曲り角度と損失係数の関係を示す参考図である。（ａ）は上記バルブ装置の弁体の開時の側面図、（ｂ）は同弁体の開時の背圧を示す説明図である。（ａ）は比較例のバルブ装置の弁体の開時の側面図、（ｂ）は同比較例の弁体の開時の背圧を示す説明図である。本発明の第２実施形態のバルブ装置を内蔵した消音器の概略構成図である。実施例のバルブ装置における弁体表面のガス流速の状態を示す説明図である。（ａ）は上記実施例の外筒が弁体の上壁から支軸と上壁との距離の３／４以内を覆う側面図、（ｂ）および（ｃ）は同外筒が入口管の中心位置より上部を覆う側面図である。（ａ）〜（ｃ）は側面から見るときに上記実施例の外筒の側壁が弁体の上壁から支軸と上壁との距離の３／４の一部を覆っている側面図である。（ａ），（ｂ）は上から見るときに上記実施例の外筒の上壁が弁体の上壁から支軸と上壁との距離の３／４の一部を覆っている側面図である。他の実施例のバルブ装置の側面図である。別の実施例のバルブ装置の側面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の第１実施形態のバルブ装置を内蔵した消音器の概略構成図、図２は同バルブ装置を弁体側から見た斜視図、図３は同バルブ装置の分解斜視図、図４（ａ）は同バルブ装置の弁体が所定角度開いた場合の側面図、図４（ｂ）は弁体が所定角度開いた場合の流れの状態を示す説明図、図４（ｃ）は円管の曲り角度と損失係数の関係を示す参考図、図５（ａ）は同弁体の開時の側面図、図５（ｂ）は同弁体の開時の背圧を示す説明図である。

図１に示すように、バルブ装置１０は、消音器（マフラ）１内を仕切るバッフルプレート（仕切板）９に形成された一対の貫通孔９ａ，９ｂのうちの片方の貫通孔９ｂに取り付けられており、図示しないエンジンからの排気ガスＧの排気圧力に応じて消音器１中の排気通路となる貫通孔９ｂを開閉するものである。

図１に示すように、消音器１は、略円筒状のアウタシェル２と、このアウタシェル２の前後両端開口部を閉塞するアウタプレート３，４とで消音器本体（マフラ本体）が構成されており、図示しないエンジンから発生する排気吐出音と高温の排気ガスＧを、内部に設けられたインレットパイプ（排気管）５とアウトレットパイプ６とインナパイプ７及び板状で一対のバッフルプレート（仕切板）８，９とによって消音、冷却するものである。

図１〜図３に示すように、バルブ装置１０は、バッフルプレート９の貫通孔９ｂにスポット溶接等により固着される金属製の弁座１１と、この弁座１１の排気通路となる円筒部（ガス入口管）１３を開閉する金属製の弁体２０と、この弁体２０を閉じる方向に付勢する捩りコイルバネ（弾性部材）３０と、弁座１１の排気ガスＧの流れ方向の下流側の端部１４にスポット溶接等により固着された金属製の外筒４０とで構成されている。

図２、図３に示すように、弁座１１は、両上角側が円弧状で略矩形の平板部１２と、この平板部１２の前面中央に円筒状に一体突出形成された円筒部１３と、平板部１２の上端縁及び両側端縁より後方に一体に折り曲げ形成された上端部１４ａと両側端部１４ｂ，１４ｂとを有した端部１４とを備えている。

弁座１１の平板部１２の下端縁には、弁体２０の揺動を規制するストッパ受部１５を後方に一体に折り曲げ形成してある。このストッパ受部１５の一側端部１４ｂ寄りには切欠き部１５ａを形成してある。また、弁座１１の両側端部１４ｂ，１４ｂの下側には、中央に軸貫通孔１６ａを有した一対のフランジ１６，１６を一体形成してある。この一対のフランジ１６，１６の各軸貫通孔１６ａ間には支軸１７が貫通している。この一対のフランジ１６，１６の各軸貫通孔１６ａを貫通した支軸１７の両端側は、一対のフランジ１６，１６に溶接等により固定されている。

図２、図３に示すように、弁体２０は、両上角側が円弧状で略矩形の平板部２１と、この平板部２１の上端縁及び両側端縁より後方に一体に折り曲げ形成された上部２２と両側部２３，２３とを備えている。

弁体２０の平板部２１の下端縁には、傾斜片部２４を後方に傾斜させて折り曲げ形成してある。この傾斜片部２４の中央には、弁座１１のストッパ受部１５に当接するストッパ２５を一体突出形成してある。この弁体２０のストッパ２５が弁座１１のストッパ受部１５に当接して弁体２０の揺動する角度が規制されるまでの角度が弁体２０の所定開度となっている。

また、傾斜片部２４の一側部２３寄りには、切欠き部２４ａを形成してある。さらに、弁体２０の両側部２３，２３の下側には、中央に軸貫通孔２６ａを有した一対のフランジ２６，２６を一体形成してある。この一対のフランジ２６，２６の各軸貫通孔２６ａに弁座１１に対して弁体２０を揺動自在に支持する支軸１７が貫通されている。

さらに、弁体２０の平板部２１の中央には、円形状の凸部２１ａを前面側に一体突出形成してあり、この平板部２１の前面の円形状の凸部２１ａの周りには、耐熱性で円環板状の緩衝マット２７をスポット溶接等により固着してある。弁体２０が閉じた際に、弁体２０の平板部２１が緩衝マット２７を介して弁座１１の平板部１２に隙間なく当接するようになっている。また、弁座１１の一対のフランジ１６，１６と弁体２０の一対のフランジ２６，２６の各間の支軸１７には円環状のブッシュ２８をそれぞれ貫通させている。この一対のブッシュ２８，２８を介して支軸１７に弁体２０を揺動自在に軸支してある。

図２に示すように、捩りコイルバネ３０は、支軸１７の回りに装着されていて、その一端３１側を弁体２０の平板部２１の裏面に当接係止させ、他端３２を弁座１１のストッパ受部１５の切欠き部１５ａに係止させている。これにより、弁座１１に対して弁体２０を閉じる方向に付勢している。

図２、図３に示すように、外筒４０は、弁座１１の端部１４の上端部１４ａを覆う上壁（天井壁）４１と、中央部４２ａが円弧状に突出した弁座１１の端部１４の両側端部１４ｂ，１４ｂを覆う両側壁４２，４２とを備えて略逆Ｕ字板状に形成されていて、弁座１１の端部１４に点付け溶接等により固着されている。

図５（ａ）及び図６（ａ）に示すように、外筒４０の上壁４１は、弁座１１の端部１４の上端部１４ａが例えば長さ１４ｍｍであるのに対して、例えば６０ｍｍと長くなっている。また、外筒４０の両側壁４２，４２は、先端部４２ｂ側から下端部４２ｃ側にかけて円弧状に突出形成されていて、下端部４２ｃは弁座１１の側端部１４ｂと略同じ幅になるように形成されている。

弁体２０が所定開度である場合に、外筒４０の上壁４１と両側壁４２，４２の各円弧状の中央部４２ａが、捩りコイルバネ３０の付勢力に抗した開いた弁体２０の上部２２と両側部２３，２３をそれぞれ覆うようになっている。即ち、弁体２０の所定開度（θ）は、排気ガスＧの排気圧力が最大であるときに弁体２０が揺動する角度であり、最大４５°に設定されている。これにより、弁体２０が開いたときに、弁体２０の周囲を外筒４０で覆うことで、弁体２０の開度を増加させ、低背圧化の効果が得られるようになっている。

以上実施形態のバルブ装置１０によれば、エンジンの低回転時において、消音器１内を流れる排気ガスＧの排気圧力が小さいため、バルブ装置１０の弁体２０は閉じている。この弁体２０が閉じている場合、排気ガスＧは、消音器１内を図１の矢印Ｒ１で示すように流れ、インレットパイプ５の端部５ａからインナパイプ７の中間ルートでは、バッフルプレート９の貫通孔９ａを通過し、この貫通孔９ａの孔径（通気抵抗）により音レベルの低減が図られる。

また、エンジンの回転数が所定の低速回転域を超え、排気ガスＧの排気圧力が捩りコイルバネ３０の弾性による付勢力を超える中・高回転時においては、バルブ装置１０の弁体２０が捩りコイルバネ３０の弾性付勢力に抗して開く。この場合、インレットパイプ５の端部５ａからインナパイプ７の中間ルートでは、バッフルプレート９の貫通孔９ａを通過する図１の矢印Ｒ１で示す流れと、バルブ装置１０の弁座１１の円筒部１３（バッフルプレート９の貫通孔９ｂ）を通過する図１の矢印Ｒ２で示す流れの２つの流れとなり、排気ガスＧが流れる断面積が増え、通気抵抗が低減する。

この場合、図４（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、バルブ装置１０の弁体２０の開度θが大きくなると、全体のガス流れの損失が減少する。開度２０°でおよそ半分になり、開度４５°を超えると損失低減度は低下する。即ち、弁体２０を２０°以上開かせると効果は大きく、４５°程度まで開くと効果は薄れる。

また、図６（ａ）に示す弁座１１の端部１４を外筒４０の壁で覆っていないバルブ装置１０′と比較して、弁体２０の開時に、弁体２０の上部２２と両側部２３，２３を覆う上壁４１と両側壁４２，４２を有した外筒４０を弁座１１の端部１４に設けることで、弁座１１の端部１４の上端部１４ａ及び両側端部１４ｂ，１４ｂ側からの排気ガスＧの漏れを防ぐことができるため、弁体２０の開度を、外筒４０を設けていないバルブ装置１０′よりも大きくすることができる。このように、排気ガスＧの全体のガス流れの損失減少により、図５（ｂ）及び図６（ｂ）に示すように、排気ガスＧの高流量時の背圧を低減することができる。

また、弁座１１の一対のフランジ１６，１６の間の同一の支軸１７に、ブッシュ２８を介して弁体２０の一対のフランジ２６，２６を揺動自在に支持すると共に、弁体２０を閉じる方向に付勢する捩りコイルバネ３０を介在してあるため、その分、部品点数を減らすことができ、全体の構造を簡素化することができる。

さらに、弁体２０の揺動を規制するストッパ受部１５を弁座１１に設けたことにより、図５（ａ）に示すように、弁体２０のストッパ２５が弁座１１のストッパ受部１５に当たって規制される開度（揺動角度）を最大角度とすることができる。

図７は本発明の第２実施形態のバルブ装置を内蔵した消音器の概略構成図である。

この第２実施形態では、消音器１中にあるインレットパイプ（排気管）５の端部５ａの外周にバルブ装置１０の弁座１１の円筒部を嵌め込んでスポット溶接等により固着してある。これにより、前記第１実施形態と同様の作用・効果を奏する。

尚、前記各実施形態によれば、弁体を閉じる方向に付勢する弾性部材として捩りコイルバネを用いた、板バネ等の他の弾性部材を用いても良い。

図８は、実施例のバルブ装置における弁体表面のガス流速の状態を示す説明図、図９（ａ）は外筒が弁体の上壁から支軸と上壁との距離の３／４以内を覆う側面図、図９（ｂ），（ｃ）は同外筒が入口管としての円筒部の中心位置より上部を覆う側面図、図１０（ａ）〜（ｃ）は側面から見るときに外筒の側壁が弁体の上壁から支軸と上壁との距離の３／４の一部を覆っている側面図、図１１（ａ），（ｂ）は上から見るときに外筒の上壁が弁体の上壁から支軸と上壁との距離の３／４の一部を覆っている側面図である。

図８に示すように、弁体２０の上部は排気ガスＧの流速が早いため、弁体２０のどこか一部以上でも外筒４０の上壁４１や両側壁４２，４２の壁で覆うことで、弁開度アップににつながる。

そこで、弁体２０は、弁座１１に設けられた円筒部（ガス入口管）１３の断面積よりも大きい面積を有したものを使用し、弁体２０が僅かでも開いた際にそのガス受圧面（平板部２１の外面）が弁座１１の円筒部１３の断面積よりも大きく形成されている。また、弁座１１の円筒部１３の中心位置は、弁体２０を揺動自在に支持する支軸１７より外筒４０の上壁４１側にある。さらに、外筒４０が弁座１１の円筒部１３の中心位置より上部、または、開時の弁体２０のガス受圧面面積のうち上壁４１側から３／４を占める部分、即ち、上壁４１から支軸１７と上壁４１との距離の３／４以内のいずれか大きい方を少なくとも一部覆うようになっている。ここで、外筒４０の上壁４１とは、支軸１７と対向する側の壁をいい、また、外筒４０の両側壁４２，４２とは、支軸１７の両端側に位置する側の壁をいう。また、覆うとは、排気ガスＧの流れ方向に平行な任意の面に弁体２０と外筒４０の壁４１，４２を投影した際に、弁体２０と外壁４０の壁４１，４２が重複することをいう。

詳述すると、弁体２０の開度θが所定角度（例えば４５°）で、図９（ａ）に示すように、弁体２０の上壁４１から支軸１７と上壁４１との距離の３／４以内、または、図９（ｂ），（ｃ）に示すように、外筒４０が排気通路となる円筒部（ガス入口管）１３の中心位置より上部のいずれか大きい方を少なくとも一部覆うようにした。また、両側壁４２，４２に上壁４１よりガス下流流れ方向に短い部分が少なくとも一部ある場合に、つまり、図１０（ｂ），（ｃ）に示すように、側面から見るときに外筒４０の両側壁４２，４２が弁体２０の上壁４１から支軸１７と上壁４１との距離の３／４の一部を覆うようにしたり、または、図１１（ａ），（ｂ）に示すように、上から見るときに外筒４０の上壁４１が弁体の上壁４１から支軸１７と上壁４１との距離の３／４の一部を覆うようにすることで、弁体２０の開度を簡単かつ確実に増加させることができ、背圧を確実に減少させることができる。

図１２は他の実施例のバルブ装置の側面図であり、図１３は別の実施例のバルブ装置の側面図である。

図１２に示すように、弁体２０を、外筒４０の上壁４１と同じ幅を有する矩形板状の両側壁４２，４２の壁で完全に覆うようにしたり、また、図１３に示すように、弁体２０を、外筒４０の上壁４１と同じ幅で、弁体２０の先端側が三角板状に切り欠かれた台形板状の両側壁４２，４２の壁でほぼ覆うようにすることで、弁体２０の開度を簡単かつ確実に増加させることができ、背圧を確実に減少させることができる。

１消音器
５インレットパイプ（排気管）
５ａ端部
９バッフルプレート（仕切板）
９ｂ貫通孔（排気通路）
１０バルブ装置
１１弁座
１３円筒部（ガス入口管）
１４排気ガスの流れ方向の下流側の端部
１５ストッパ受部
１７支軸
２０弁体
２２上部
２３，２３両側部
２５ストッパ
３０捩りコイルバネ（弾性部材）
４０外筒
４１上壁
４２，４２両側壁
４２ａ円弧状の中央部
Ｇ排気ガス
θ 弁体の揺動角度（所定開度）

Claims

消音器中の排気通路に設置され、排気ガスの排気圧力に応じて前記排気通路を開閉する弁体と、
前記弁体を閉じる方向に付勢する弾性部材と、
前記弁体が閉じた際に該弁体が当接する弁座とを備えて成るバルブ装置において、
前記弁座の前記排気ガスの流れ方向の下流側の端部に、前記弁体が所定開度である場合に少なくとも前記弁体の所定部の一部を覆う外筒を設け、
前記弁体は、前記弁座に設けられたガス入口管の断面積よりも大きい面積を有し、前記弁体が僅かでも開いた際にガス受圧面が前記ガス入口管の断面積よりも大きくなることを特徴とするバルブ装置。
請求項１記載のバルブ装置であって、
前記外筒の側壁に上壁よりガス下流方向に短い部分が少なくとも一部あることを特徴とするバルブ装置。
請求項１記載のバルブ装置であって、
前記ガス入口管の中心位置は、前記弁体を揺動自在に支持する支軸より前記外筒の上壁側にあることを特徴とするバルブ装置。
請求項３記載のバルブ装置であって、
前記外筒が前記ガス入口管の中心位置より上部または前記開時の弁体のガス受圧面面積のうち前記上壁側から３／４を占める部分のいずれか大きい方を少なくとも一部覆うことを特徴とするバルブ装置。
請求項２記載のバルブ装置であって、
前記上壁または前記側壁が前記弁体の一部を覆うことを特徴とするバルブ装置。
請求項１〜５のいずれか１項に記載のバルブ装置であって、
前記消音器内を仕切る仕切板に形成された前記排気通路となる貫通孔に前記弁座を取り付けたことを特徴とするバルブ装置。
請求項１〜５のいずれか１項に記載のバルブ装置であって、
前記消音器中にある排気管の端部に前記弁座を取り付けたことを特徴とするバルブ装置。
請求項１〜５のいずれか１項に記載のバルブ装置であって、
前記弁座に前記支軸を介して前記弁体を揺動自在に設け、かつ、前記弁座に前記弁体の揺動を規制するストッパを設け、前記弁体の所定開度は、前記弁体が前記ストッパに規制されるまで揺動する角度であることを特徴とするバルブ装置。
請求項８記載のバルブ装置であって、
前記弁体の所定開度は、前記排気ガスの排気圧力が最大であるときに前記弁体が揺動する角度であることを特徴とするバルブ装置。
消音器中の排気通路に設置され、排気ガスの排気圧力に応じて前記排気通路を開閉する弁体と、
前記弁体を閉じる方向に付勢する弾性部材と、
前記弁体が閉じた際に該弁体が当接する弁座とを備えて成るバルブ装置において、
前記弁座の前記排気ガスの流れ方向の下流側の端部に外筒を設け、
前記外筒は、前記弁体の上部を覆う上壁と、中央部が円弧状に突出した前記弁体の両側部を覆う両側壁とを有し、
前記弁体が所定開度である場合に、前記外筒の上壁と両側壁の円弧状の中央部が前記弁体の上部と両側部をそれぞれ覆うことを特徴とするバルブ装置。