JP4716908B2 - 排気流路制御弁 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関（例えば、自動車のエンジン等）の排気流路に配置される排気流路制御弁に関する。詳しくは、排気流路を流れる排気ガスの圧力が所定値以上となったときに開弁する排気流路制御弁に関する。

内燃機関の排気流路には、排気ガスの圧力が所定値以上となると開弁する排気流路制御弁が配置される。例えば自動車エンジンの場合、排気装置の消音器内には通気抵抗を低減させるバイパス流路が設けられ、このバイパス流路に排気流路制御弁が配置される。排気流路制御弁は、排気ガスの圧力が高いときは、開弁してエンジン出力を高出力化する。排気ガスの圧力が低いときは、排気流路制御弁は閉弁して消音性能を高める。
従来、この種の排気流路制御弁にはバタフライ弁が用いられてきた。バタフライ弁は、弁開度に比例してばね荷重が増加する。このため、排気ガスの圧力が所定値となりバタフライ弁が開弁を開始しても、バタフライ弁が全開となるためには排気ガスの圧力が所定値よりかなり高くなる必要があった。そこで、弁開度の増加に対する弁開き荷重の増加率を緩やかとし、排気ガスの圧力が所定値を超えると速やかに開いて、充分な弁開度を得ることができる排気流路制御弁が提案されている（特許３３２６７４６号公報）。

この排気流路制御弁は、エンジンの排気ガスが流れるハウジングと、ハウジングに取付けられた弁体と、弁体を閉じ側に付勢するねじりコイルばねを備えている。ねじりコイルばねは、弁体の反ハウジング側に配置されている。ねじりコイルばねのコイル部は、弁体の略中央に設けたばね受け部に支持されている。コイル部の巻回軸線は、弁体表面に対して略平行となっている。ねじりコイルばねのアームは、ばね取付部材に支持されている。ねじりコイルばねのアームは、ばね取付部材に対してその軸線方向にスライド可能となっている。これらの部品が組み立てられると、ねじりコイルばねのアームが回転変位する。アームが回転変位すると、アームに対してコイル部が撓む。コイル部の撓み反力によって、弁体は閉じ側に付勢される。
この排気流路制御弁では、弁体が開き側に変移すると、ねじりコイルばねのアームがばね取付部材に対して軸方向にスライドする。ばね取付け部材に対してアームがスライドすると、コイル部の中心からアーム取り付け位置までの距離（アームの有効長）が変化する。アームの有効長が長くなると、コイル部の撓み反力も小さくなる。この排気流路制御弁は、弁体の開き側への変移に伴ってアームの有効長が長くなるように設定されているため、弁開度の増加に対する弁開き荷重の増加を低く抑えることができる。これにより、排気ガスの圧力が所定値を超えると速やかに全開となり、充分な弁開度を得ることができる。

特許３３２６７４６号公報

特許文献１の排気流路制御弁では、ねじりコイルばねのコイル部がある程度の動きを許容された状態でばね受け部に保持されており、外力の作用で接触加重が増してコイル部が撓むとアームが回転変位する。ねじりコイルばねは、ばね素線を左右いずれかの巻方向に巻回したものであるから左右対称形状ではない。アームが回転変位すると左右のアーム支持点（２点支持状態）の荷重が増すとともに、その荷重の大きさおよび方向に偏差が生じ、コイル部がゆがみ易い。本発明者等は、弁開度の増加に伴って、ねじりコイルばねが巻回軸線と直交する軸線回りに回転しようとする動き（弁体が水平に回転する動き）を確認している。このように、ねじりコイルばねがゆがんでコイル部が横方向に不要な動きをすると、弁体が不安定になってがたつきや異音（打音）発生の要因となる。

本発明の目的は、ねじりコイルばねの不要な動きに起因する弁体の横ぶれや揺動を抑制することができて、弁体とハウジングとの接触による異音（打音）が発生し難い排気流路制御弁を提供することにある。

本明細書に開示する第１の排気流路制御弁は、内燃機関からの排気ガスが流れる排気流路を有するハウジングと、ハウジングの排気流路を開閉する弁体と、ねじりコイルばねとを備えている。ねじりコイルばねは、弁体表面と略平行となる巻回軸線を有するコイル部およびそのコイル部の両端に設けられたアームからなる。ねじりコイルばねのアームが、ハウジングに設けられたばね取付部に支持される一方、コイル部は弁体に支持されている。アームに対してコイル部が撓むことによって、その反力によって弁体が閉じ側に付勢されている。この排気流路制御弁は、上記のねじりコイルばねを複数備えている。それら複数のねじりコイルばねは、弁体表面の所定の中心線を対称軸として左右対称に配設されている。弁体は、１つの板状の部材であり、排気流路の軸線方向にスライド移動することで排気流路を開いた状態と閉じた状態とに切替える。弁体を閉じ側に付勢する力が各ねじりコイルばねのコイル部から弁体に作用する。
この排気流路制御弁では、ねじりコイルばねを複数備えており、それらが弁体表面の所定の中心線に対して左右対称に配されている。例えば、右巻きのねじりコイルばねと左巻きのねじりコイルばねとが左右対称に配設されている。このため、弁開度の増加に伴ってねじりコイルばねがゆがんでも、支持点（ばね取付部）に及ぼす荷重偏差が相殺される。また、ねじりコイルばねが弁体を回転させようとする力も左右逆向きに作用するので相殺される。したがって、弁開度（ストローク位置）にかかわらず弁体がぶれ難くなり、弁体の動きが安定する。これによって、弁体とハウジングとの接触による異音（打音）の発生が防がれる。

ここで、「弁体表面と略平行」とは、弁体によってハウジングの排気流路を閉じる面と略平行という意味である。
また、本発明でいう、「ねじりコイルばねを複数備える」とは、実質的に複数備えることを含む。たとえば、１本のばね素線から巻き方向の異なる複数のねじりコイルばねを連結状に形成したものであってもよい。
ねじりコイルばねは偶数個備えることが好ましい。

本明細書に開示する第２の排気流路制御弁は、内燃機関からの排気ガスが流れる排気流路を有するハウジングと、ハウジングの排気流路を開閉する弁体と、ねじりコイルばねとを備えている。ねじりコイルばねは、弁体表面と略平行となる巻回軸線を有するコイル部およびそのコイル部の両端に設けられたアームからなる。ねじりコイルばねのアームが、ハウジングに設けられたばね取付部に支持される一方、コイル部は、弁体に支持されている。アームに対してコイル部が撓むことによって、その反力によって弁体が閉じ側に付勢される。この排気流路制御弁は、ねじりコイルばねのコイル部が巻回軸線方向に変形することを規制する手段を備えている。弁体は、１つの板状の部材であり、排気流路の軸線方向にスライド移動することで排気流路を開いた状態と閉じた状態とに切替える。規制手段は、ねじりコイルばねのコイル部の両端部に隙間無く当接する壁である。
この排気流路制御弁では、ねじりコイルばねのコイル部が巻回軸線方向に変形することが規制される。このため、ねじりコイルばねによる弁体を回転させようとする力の発生が抑制される。これによって、弁体の動きが安定し、弁体とハウジングとの接触による異音（打音）の発生が防がれる。

下記の実施例に記載の技術の主要な特徴について列記する。
（形態１） ねじりコイルばねのアームがばね取付部によって当該アームの長手方向にスライド可能に支持されている。弁体の開き側への変移に伴ってアームの有効長が長くなるようにアームの支持位置が調整されている。
（形態２）コイル部は、弁体の略中央に配置されている。
（形態３）２個のねじりコイルばねが配されている。２個のねじりコイルばねのうち一方のねじりコイルばねの巻き方向は、他方のねじりコイルばねの巻き方向の反対となっている。２個のねじりコイルばねは弁体の中心線に対して左右対称に配置されている。

次に、第１実施例の排気流路制御弁について添付図面を参照して詳細に説明する。図１および図２に示すように、排気流路制御弁は筒状のハウジング１１を備えている。ハウジング１１の下端（排気管接続口）には、自動車等のエンジンから排出されるガスが流れる排気ガス流路（排気管）が接続される。排気ガス流路を流れる排気ガスは、ハウジング１１内に導かれる。ハウジング１１の上端（排気口）は、弁体３０によって開閉可能に閉じられている。

ハウジング１１の上端（排気口）は拡径されてフランジ１１ａが形成されている。フランジ１１ａには金属メッシュシート２０が載置されている。金属メッシュシート２０のシール部２０ａから下方に延びる溶接部２０ｂとハウジング１１の拡径部１１ｂとがスポット溶接等で固着されている。金属メッシュシート２０は、金属線を編込んでメッシュ状にしたものであり、ある程度の弾力性を備えている。金属メッシュシートとしては、例えばステンレス鋼線を編んだものを用いることができ、その他にも焼結多孔質金属板、黒鉛と金属線の複合体、セラミックス繊維からなるシート等を用いることができる。弁体３０がハウジング１１の上端（排気口）を閉じると、金属メッシュシート２０がハウジング１１のシール面と当接するようになっている。金属メッシュシート２０が弾力性を有することから、金属メッシュシート２０によってシール性の向上と、弁体３０が閉弁する時の弁体３０とハウジング１１との打音の発生防止が図られている。ハウジング１１の外周上の対向する位置には、ばね取付部１２，１３が起立状に設けられている。

弁体３０は、プレス成形等によって製造される板成形品である。弁体３０は、その中央に形成されたばね受け部３１と、その外周上の対向する位置に形成された一対の溝３２，３３を有している。ばね受け部３１は、ハウジング側に凹に形成されている。このばね受け部３１は、次述する一対のねじりコイルばね４１，４２を直列に並べた状態でコイル部の下半分程度を収容して保持できる形状を有している。

互いに巻方向が異なるねじりコイルばね４１，４２が弁体３０の反ハウジング側に配されている。ねじりコイルばね４１（４２）は、ばね素線をコイル状に巻回したコイル部４１ａ（４２ａ）と、コイル部４１ａ（４２ａ）の一端に形成されたアーム４１ｂ（４２ｂ）と、コイル部４１ａ（４２ａ）の他端に形成されたアーム４１ｃ（４２ｃ）とを備えている。両ねじりコイルばね４１，４２は弁体３０の中心線を対称軸として左右対称に配設されており、２つのコイル部４１ａ，４２ａが弁体３０のばね受け部３１に保持されている。コイル部４１ａ，４２ａの外周下部がばね受け部３１に支持された状態では、コイル部４１ａ，４２ａの巻回軸線が弁体３０（弁体３０の上面）と略平行となっている。なお、ねじりコイルばね４１と４２は、巻方向以外のばね緒元が同じものである。

ねじりコイルばね４１（４２）の一方のアーム４１ｂ（４２ｂ）は、ばね取付部１２に形成された取付孔１４ｂ（１５ｂ）に挿し込まれ、他方のアーム４１ｃ（４２ｃ）は、ばね取付部１３に形成された取付孔１４ｃ（１５ｃ）に挿し込まれる。アーム４１ｂ，４１ｃ，４２ｂ，４２ｃは、各々の取付孔１４ｂ，１４ｃ，１５ｂ，１５ｃに対してその長手方向にスライド可能に支持される。
ばね取付部１２，１３は、弁体３０を案内する案内部１２ａ，１３ａと、案内部１２ａ，１３ａより幅が広い係止部１２ｂ，１３ｂを有している。
弁体３０は、溝３２，３３が案内部１２ａ，１３ａに案内された状態で、図３（ａ）に示す閉弁状態から同図（ｂ）に示す開弁状態まで移動する。なお、開弁状態では、弁体３０の上面が係止部１２ｂ，１３ｂに当接し、弁体３０のそれ以上の開弁方向への移動が規制されている。

ねじりコイルばね４１，４２をばね取付部１２，１３に取付けると、各アーム４１ｂ，４１ｃ，４２ｂ，４２ｃが回転方向に所定量撓んだ状態になり、コイル部４１ａ，４２ａの撓み反力によって弁体３０が閉じ側に付勢される。すなわち、ねじりコイルばね４１，４２は、所定のセット荷重で弁体３０を付勢することができる。これによって、所望の排気ガス圧力となったときに弁体３０を開弁させることができる。図３（ａ）にアーム４１ｂ，４１ｃの取付け前（自由状態）の初期位置が想像線で示してある。
なお、ねじりコイルばね４１，４２の特性に製造上のばらつきがある場合には、各アーム４１ｂ〜４２ｃの初期回転量を調整可能な構造にするのが好ましい。具体的には、各取付孔１４ｂ〜１５ｃを縦方向に所定の間隔で複数並べて穿設しておき、各アーム４１ｂ〜４２ｃの挿し込み位置を選択できるようにする。また、取付部１２，１３をハウジング１１と別体構成とし、ねじりコイルばね４１，４２から弁体３０に作用する押圧力Ｐを計測しながら取付部１２，１３のハウジング１１への取付位置を決める方法でもよい。

上述した排気流路制御弁では、ハウジング１１内を流れる排気ガスの圧力が所定値より低いと、弁体３０がハウジング１１の排気口を閉じる（図３（ａ）参照）。排気ガスの圧力Ｐ’が所定値より高くなると、弁体３０がハウジング１１の排気口を開ける（図３（ｂ）参照）。弁体３０が開き方向に移動すると、ねじりコイルばね４１，４２のアーム４１ｂ，４１ｃ，４２ｂ，４２ｃがコイル部４１ａ，４２ａに対して回転方向に撓むとともにばね取付部１２に対してスライドし、アーム４１ｂ，４１ｃ，４２ｂ，４２ｃの荷重作用半径が長くなる。このため、弁体の移動量（弁開度）の増加に対して弁開き荷重の増加率を低く抑えることができる。ここで、荷重作用半径とは、コイル中心から取り付け位置までの距離をいう。

いま、ねじりコイルばね４１単体でみると、ばね受け部３１に支持されているコイル部４１ａに対し接触荷重が上向きに作用しており、アーム４１ｂ，４１ｃの回転位置に応じてばね取付部１２，１３のアーム支持点（取付孔１４ｂ，１４ｃの孔縁部）に荷重偏差が生じている。このため、コイル部４１ａは巻回軸線に直交する軸線回りの回転力が作用してゆがみ、弁体３０を略水平回転させようとする。同様に、これとは反対向きの回転力がねじりコイルばね４２のコイル部４２ａに作用する。本実施例の排気流路制御弁は、互いに巻方向が異なるねじりコイルばね４１，４２が中心軸線に対して左右対称に配設されているので、上記の回転力（荷重偏差）をほぼ相殺することができる。

図４はねじりコイルばね４１，４２に作用する接触荷重により生じる回転力を説明する模式図であり、図５は上述した排気流路制御弁の弁開度（リフト量）と弁回転角度（回転量）の関係を示す測定結果のグラフである。図５中、比較例として、単一のねじりコイルばねで構成した排気流路制御弁（図１０参照）の測定結果と、その単一のねじりコイルばねを剛性アップして使用したものの測定結果とを併せて示している。図５より明らかなように、本実施例の排気流路制御弁は、弁開度に対する弁回転角度の上昇率が低く抑えられており（僅かにマイナスになっている）、比較例のものと比べると、弁回転量を最大で９０％ほど低減できるという効果が確認できた。
また、本実施例の排気流路制御弁では、上記比較例のものと比べると、弁体移動時における弁体の最大揺動角が小さく抑えられていることがわかった。揺動角度量が大きくて弁体が不安定な場合は、排ガス圧が逃げて弁体に対し有効に作用しないので弁体の迅速な移動が阻害される。この点、本実施例の排気流路制御弁では、弁体移動特性がよく、安定動作が期待できる。
さらに、外部振動入力時の打音の発生頻度・音量についても低く抑えられていることがわかった。

上述したことから明らかなように、第１実施例の排気流路制御弁では、ねじりコイルばね４１，４２を左右対称に配設したことから、弁開度にかかわらず、弁体３０がぶれ難くなって動きが安定する。したがって、弁体３０とハウジング１１との接触を抑制して異音（打音）の発生を防ぐことができる。
また、本実施例では、弁体３０にねじりコイルばね４１，４２を受けるばね受け部３１を設けているため、部品点数が削減でき低コストで製造することができる。
さらに、弁体３０の反ハウジング側にねじりコイルばね４１，４２を配することから、ねじりコイルばね４１，４２が高温の排気ガスに直接晒されることが防止され、ばねの熱へたりが抑制される。

以下、他の実施例に係る排気流路制御弁について模式図を参照して説明する。
（他の実施例１）図６は、ねじりコイルばねの別例を説明する図である。同図に示すねじりコイルばね５１は、１本のばね素線から形成したダブルトーションタイプのねじりコイルばねである。ねじりコイルばね５１は左右対称に形成されている。したがって、このねじりコイルばね５１を前述のねじりコイルばね４１，４２に代えることで、部品点数を減らすことができる。このねじりコイルばね５１を装着した排気流路制御弁は前述の排気流路制御弁と同様の作用効果が得られる。

（他の実施例２）図７は、３つのねじりコイルばね６１，６２，６３を正三角形の３辺に配設した例を示している。この場合、アーム支持点が６箇所あり、弁体がコイル部から押圧力（付勢力）を受けるコイル支持部が３箇所ある。これらのアーム支持点およびコイル支持部は共に円周方向に等分に分散配置されていることから、２つのねじりコイルばねを使った前述の排気流路制御弁と比較すると、より弁体の作動が安定する。ねじりコイルばねの個数が奇数であると完全な左右対称とはならないが、ねじりコイルばね個数を多くすれば荷重の作用点が分散し、荷重偏差を少くすることができる。

（他の実施例３）弁体の横ぶれや揺動を抑制し作動を安定させるには、ねじりコイルばねの巻回軸線方向への変位を規制して、コイル部の座屈やゆがみを防ぐことが考えられる。図８は、単一のねじりコイルばね７１を備えた排気流路制御弁において、弁体７２の上面に矩形の枠体（ばねガイド）７３を起立状に設けている。ねじりコイルばね７１のコイル部は枠体７３に四周を囲まれている。そして、枠体７３の内面がねじりコイルばね７１の両端部に当接することによって巻回軸線方向への変位を規制しているので、弁体の開閉動に伴ってコイル部がゆがむのを効果的に防ぐことができる。
なお、図９に示すように、弁体８０に設けるばね受け部８１の内壁面と、ねじりコイルばね８２の両端部との間に隙間を作らない設定にすれば、コイル部の座屈やゆがみを防ぐことができ、弁体８０の横ぶれを抑制し作動を安定させることが可能になる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は、複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

実施形態に係る排気流路制御弁の閉弁時の斜視図。 実施形態に係る排気流路制御弁の分解斜視図。 実施形態に係る排気流路制御弁の正面図であり、（ａ）は閉弁時を示し、（ｂ）は開弁時を示す。 ねじりコイルばねに作用する接触荷重と回転力を説明する模式図。 排気流路制御弁の弁開度と弁回転角度の関係を示す線図。 別例に係るねじりコイルばねを説明する図。 別例に係るねじりコイルばねを説明する図。 別例に係るねじりコイルばねを説明する図。 別例に係るねじりコイルばねを説明する図。 比較例に係る排気流路制御弁の閉弁時の斜視図。

符号の説明

１１：ハウジング
１２，１３：ばね取付部
３０：弁体
４１，４２：ねじりコイルばね
４１ａ，４２ａ：コイル部
４１ｂ，４１ｃ，４２ｂ，４２ｃ：アーム

Claims (2)

1. 内燃機関からの排気ガスが流れる排気流路を有するハウジングと、ハウジングの排気流路を開閉する弁体と、ハウジングに設けられたばね取付部と、弁体表面と略平行となる巻回軸線を有するコイル部およびそのコイル部の両端に設けられたアームからなるねじりコイルばねとを備え、ばね取付部に支持されたアームに対して弁体に支持されたコイル部が撓むことによって弁体が閉じ側に付勢されている排気流路制御弁において、
   ねじりコイルばねを複数備えるとともに、それらのねじりコイルばねが弁体表面の所定の中心線を対称軸として左右対称に配設されており、
   弁体は、１つの板状の部材であり、排気流路の軸線方向にスライド移動することで排気流路を開いた状態と閉じた状態とに切替えており、
   弁体を閉じ側に付勢する力が各ねじりコイルばねのコイル部から弁体に作用することを特徴とする排気流路制御弁。
2. 内燃機関からの排気ガスが流れる排気流路を有するハウジングと、ハウジングの排気流路を開閉する弁体と、ハウジングに設けられたばね取付部と、弁体表面と略平行となる巻回軸線を有するコイル部およびそのコイル部の両端に設けられたアームからなるねじりコイルばねとを備え、ばね取付部に支持されたアームに対して弁体に支持されたコイル部が撓むことによって弁体が閉じ側に付勢されている排気流路制御弁において、
   前記ねじりコイルばねのコイル部が巻回軸線方向に変形することを規制する手段をさらに備えており、
   弁体は、１つの板状の部材であり、排気流路の軸線方向にスライド移動することで排気流路を開いた状態と閉じた状態とに切替えており、
   規制手段は、ねじりコイルばねのコイル部の両端部に隙間無く当接する壁であることを特徴とする排気流路制御弁。

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