JP4719777B2 - エンジンの排気制御弁 - Google Patents

Description

本発明は，エンジンの排気系内に設置され，排気系を流れるエンジンの排ガスの圧力上昇に応じ開弁して排気系の流路抵抗を減少させる，エンジンの排気制御弁の改良に関する。

かゝるエンジンの排気制御弁は，例えば特許文献１に開示されているように，既に知られている。
特開２００７−２９１９４６号公報

上記特許文献１に開示されるエンジンの排気制御弁では，排ガスの圧力により弁板が開き方向に押圧されると，それに伴ない，弁ばねの弁板に対する閉じ方向荷重が直線的に増加するようになっている。このため，弁板の開度が増加するにつれて，弁ハウジング内の圧力が上昇し，エンジンの背圧が高くなり，エンジンの高負荷運転時の出力性能上，好ましくない。

本発明は，かゝる事情に鑑みてなされたもので，弁ばねの弁板に対する閉じ方向荷重が，従来のものとは反対に弁板の開度増加に応じて減少するようして，エンジンの高負荷運転時での背圧の上昇を抑え，その出力向上に寄与し得る構造簡単なエンジンの排気制御弁を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために，本発明は，エンジンの排気系内に設置され，排気系を流れるエンジンの排ガスの圧力上昇に応じ開弁して排気系の流路抵抗を減少させる，エンジンの排気制御弁において，排ガスが通過可能の弁ハウジングと，この弁ハウジングに，これを開閉するよう回動可能に支持され，弁ハウジング内の排ガス圧力を開き方向に受ける弁板と，弁ハウジングに取り付けられて弁板を閉じ方向に付勢する弁ばねとからなり，弁板の一側には受圧片を形成する一方，弁ばねには，前記受圧片に摺動可能に弾発当接してこれを弁板の閉じ方向に付勢する押圧アームを形成し，この押圧アームの有効長さを弁板の開度増加に応じて増加させることにより，弁ばねが弁板に与える閉じ方向トルクが弁板の開度増加に応じて減少するようにしたことを第１の特徴とする。

また本発明は，第１の特徴に加えて，弁ハウジングと弁板との間には，弁板が閉じ位置にあるときでも，排ガスの通過を許容する小通路を形成したことを第２の特徴とする。

さらに本発明は，第１の特徴に加えて，弁板の回動中心側の端部に半円筒状のヒンジ軸を形成し，このヒンジ軸が回動可能に係合するスリットを弁ハウジングに設けたことを第３の特徴とする。

さらにまた本発明は，第１の特徴に加えて，弁板の他側に，前記受圧片と反対方向に突出する補助受圧片を形成し，この補助受圧片に摺動可能に弾発当接して弁板を閉じ方向に，前記弁ばねのセット荷重より小さいセット荷重をもって付勢する補助ばねを弁ハウジングに取り付けたことを第４の特徴とする。

本発明の第１の特徴によれば，エンジンの高負荷運転時，弁ハウジング内の排ガス圧力の上昇により，弁板が弁ばねの荷重に抗して開くとき，弁ばねの押圧アームの有効長さが弁板の開度増加に応じて増加して，弁ばねが弁板に与える閉じ方向トルクが弁板の開度増加に応じて減少することになるから，弁板は，弁ハウジング内の排ガスの圧力上昇により開き始めれば，即座に全開位置に向かって回動するようになり，これによりエンジンの背圧の上昇を効果的に抑えて，エンジンの出力特性の一層の向上を図ることができる。

しかも，このような弁ばねの弁板に対する荷重特性が，弁板の受圧片に，弁ばねの押圧アームを摺動可能に弾発当接させるという，極めて簡単な構造により得られるので，排気制御弁の簡素化をもたらすことができる。

本発明の第２の特徴によれば，エンジンの低負荷運転時には，弁板を閉じ位置に保持したまゝで，排ガスが弁ハウジングと弁板との間の小通路を通過することにより，排ガスに適度な流路抵抗を与えることができ，これによりエンジンの背圧を高めることなく，排ガスの消音効果を得ることができる。

本発明の第３の特徴によれば，弁板は，その下端部の半円筒状のヒンジ軸が弁ハウジングの弁体支持部の横方向スリットに係合するという，極めて簡単な構造により，弁ハウジングに開閉可能に支持されるので，排気制御弁の構造の更なる簡素化をもたらすことができる。

本発明の第４の特徴によれば，弁板は，左右両端部の受圧片に，弁ばね及び補助ばねの押圧アームから荷重を受けることになるので，弁板の閉じ位置ではその振動を防ぎ，開き時には，安定した開き姿勢を保つことができる。しかも，補助ばねのセット荷重は，弁ばねのセット荷重より小さく設定されるので，弁ばねの弁板に対する荷重特性に殆ど影響を与えないで済む。

本発明の実施の形態を，添付図面に示す本発明の好適な実施例に基づいて以下に説明する。

図１は本発明の第１実施例に係る排気制御弁を備える，自動車用エンジンの排気系側面図，図２は図１中の２部（排気制御弁周辺部）の拡大縦断面図，図３は図２中の３部拡大図，図４は図３の４−４線断面図，図５は排気制御弁の斜視図，図６は排気制御弁の全開状態を示す，図３との対応図，図７は弁ばねのセット荷重調整機の斜視図，図８は弁板の開度と弁ばねの荷重との関係を示す線図，図９は本発明の第２実施例を示す，図５との対応図である。

先ず，本発明の第１実施例の説明より始める。図１において，自動車のエンジンＥの排気ポートに接続される排気系１には，その上流側（エンジンＥ側）から触媒コンバータ２，本発明の排気制御弁３，１次マフラ４及び２次マフラ５が順次介装される。而して，エンジンＥの排ガスは，触媒コンバータ２で，ＣＯ，ＨＣ及びＮＯｘを除去され，排気制御弁３で圧力が制御され（詳しくは後述する。），１次及び２次マフラ４，５で順次消音された後，大気中に排出される。

上記排気制御弁３について，図２〜図８により説明する。

図２において，排気制御弁３は，上記排気系１の中間部を構成する中間排気管１０に設けられる。この中間排気管１０の上流端には，前記触媒コンバータ２に連なる上流側排気管９が，またその下流端には，前記１次マフラ４に連なる下流側排気管１１がそれぞれフランジ結合される。

図２〜図４において，中間排気管１０は，上流側排気管９及び下流側排気管１１にそれぞれフランジ結合される上流側接続管１２及び下流側接続管１３を備え，その上流側接続管１２には内側膨張管１４が，また下流側接続管１３には，上記内側膨張管１４を断熱空隙１６を存して囲繞する外側膨張管１５がそれぞれ連設され，内側膨張管１４の先端部は，縮径されて下流側接続管１３の内周面に耐熱ブッシュ１７を介して軸方向摺動自在に支持される。上記内側膨張管１４内に排気制御弁３が設置される。

この排気制御弁３は，図３〜図６に示すように，上流側接続管１２から内側膨張管１４の内部まで延びた延長管１２ａにより支持される弁ハウジング２０を備えており，この弁ハウジング２０は，それぞれ鋼板製の上部ハウジング半体２１及び下部ハウジング半体２２を相互に溶接して構成され，その上流側開口端２０ａは円形に形成される。

一方，弁ハウジング２０の下流側開口端２０ｂは，直線部を下方に向けた半長円形に形成され，その直線部には，下流側に突出するように弁板支持部２４が形成される。この弁板支持部２４に，弁ハウジング２０を開閉する弁板２５が回動可能に支持される。即ち，弁板支持部２４には弁ハウジング２０の横方向にに延びるスリット２６が穿設され，このスリット２６に，弁板２５の下端部に形成されて同軸上に並ぶ一対の半円筒状のヒンジ軸２５ａ，２５ａが回動自在に係合され，弁板２５は，その上端部が弁ハウジング２０の下流側開口端２０ｂ上部に着座する閉じ位置から，下流側開口端２０ｂ上部から離れる開き方向へと回動し得るようになっている。

この弁板２５の横幅は弁ハウジング２０の横幅より狭く設定され，これにより，弁板２５の閉じ位置においても，その左右両側縁と，弁ハウジング２０の左右側壁との間には，排ガスの通過を許容する小通路２８，２８が形成されるようになっている。

また，この弁板２５の一側には，その側方に突出する受圧片２７が一体に形成される。

弁ハウジング２０の上面には，ブラケット３０を介してばね保持器３１が固設される。このばね保持器３１は，ブラケット３０に溶接されて左右方向に延びるベース部３２と，このベース部３２の左右両端に形成される断面Ｃ字状の保持部３３，３４と，前記受圧片２７と反対側に位置する一方の保持部３３の外端に溶接３５により固着される支持板３６とで構成され，その支持板３６には，その外周部に一つの切欠き３７と一対のピン孔３８，３８とが設けられる。

而して，上記保持部３３，３４は，捩じりコイルばねよりなる弁ばね３９のコイル３９ａを回転自在に支持し，そのコイル３９ａの一端より突出する固定端部３９ｂが支持板３６の切欠き３７に係止され，コイル３９ａの他端から延出する押圧アーム３９ｃが，弁ばね３９のセット荷重（トルク）をもって弁板２５を閉じ側に付勢するように，弁板２５の受圧片２７に摺動可能に弾発当接する。押圧アーム３９ｃの先端部には，受圧片２７を受け止めて弁板２５の全開位置（図６参照）を規制する屈曲片４８が形成される。

上記弁ばね３９の捩じりセット荷重は，図７に示すセット荷重調整機４０により一定に調整される。このセット荷重調整機４０は，機台４１と，この機台４１の上部に回転自在に軸支されるリール４２と，このリール４２に一端を接続して巻き付けられると共に，機台４１に軸支されるガイドローラ４３に案内される糸４４と，ガイドローラ４３から下方に引き出される糸４４の下端に吊り下げられる重錘４５とからなっている。リール４２は，その端面に同軸状に突出する小径の連結軸４６を備えており，この連結軸４６の端面には，前記支持板３６の一対のピン孔３８，３８に嵌合し得る一対のピン４７，４７が突設されている。

図５及び図７を併せ参照して，前記弁ばね３９の捩じりセット荷重の調整に当たっては，先ず，ばね保持器３１のベース部３２に溶接する前の支持板３６のピン孔３８，３８を連結軸４６のピン４７，４７に係合することにより，支持板３６を連結軸４６に取り付け，そして所定重量の重錘４５を糸４４に吊り下げる。而して，重錘４５が糸４４を介してリール４２に与えるトルクが連結軸４６から支持板３６へ伝達される。この支持板３６には，弁ばね３９のコイル３９ａの固定端部３９ｂが係止されているから，支持板３６に伝達されるトルクは弁ばね３９に伝達され，弁ばね３９に所定の捩じりセット荷重が付与されることになる。この状態で支持板３６を溶接３５により前記ベース部３２に固着し，弁ばね３９の捩じりセット荷重の調整は完了する。

次に，この実施例の作用について説明する。

図２〜図５において，エンジンＥの運転中，上流側排気管９を通過した排ガスは，中間排気管１０内の弁ハウジング２０に流入して弁板２５に開き方向の圧力を及ぼす。ところで，エンジンＥの低負荷運転時には，その排ガスの圧力が比較的低いため，その圧力による弁板２５の開き方向トルクよりも，弁ばね３９のセット荷重により弁板２５の閉じ方向トルクの方が大きく，これにより弁板２５は閉じ位置を保持する。したがって，弁ハウジング２０に流入した排ガスは，弁板２５両側の狭い小通路２８，２８を通過することを余儀なくされるので，小通路２８，２８による流路抵抗により排ガスに対する消音効果が発生する。小通路２８，２８を通過した排ガスは，前述のように，第１及び第２マフラ４，５で更に消音され，大気に排出されるので，排気騒音を効果的低減することができる。

エンジンＥが高負荷運転状態に移ると，排ガスの圧力が上昇し，その圧力が所定値以上になると，その排ガスの圧力による弁ハウジング２０で弁板２５の開き方向トルクが，弁ばね３９のセット荷重による弁板２５の閉じ方向トルクを上回り，弁板２５が開き始め，その開きに応じて弁ハウジング２０での流路抵抗が減少するので，エンジンＥの背圧が減少し，その出力特性の向上を図ることができる。

ところで，弁板２５は，その閉じ位置から開くように回動すると，弁板２５の受圧片２７が弁ばね３９の押圧アーム３９ｃを押し動かしながら，押圧アーム３９ｃの先端側に移動していくので，押圧アーム３９ｃの有効腕長さ，即ち押圧アーム３９ｃの基端部から受圧片２７との当接点までの長さは，弁板２５の開度増加に応じて増加していく。

こゝで，押圧アーム３９ｃが弁板２５に与える荷重Ｆについて，図３及び図６を参照しながら考察するに，その荷重Ｆ（ｋｇｆ）は次式により求めることができる。

Ｆ＝ｋ×θ／Ｌａ
但し，
Ｌａ：押圧アーム３９ｃの有効腕長さ（ｍｍ）
θ：押圧アーム３９ｃの無負荷位置（荷重ゼロの位置）からの回動角度（＝弁ばね３９の捩れ角度）（ｄｅｇ）
ｋ：弁ばね３９のばね定数（ｋｇｆ・ｍｍ／ｄｅｇ）
上式から明らかなように，押圧アーム３９ｃの有効腕長さＬａが弁板２５の開度増加に応じて増加すると，押圧アーム３９ｃが弁板２５に与える荷重Ｆは，弁板２５の開度増加に応じて減少することになる。

しかも，押圧アーム３９ｃと弁板２５とのなす角度αは，弁板２５の開度増加に応じて減少していくので，上記荷重Ｆの，弁板２５の板面に対する垂直分力ｆ１は，弁板２５の開度増加に応じて減少することになる。（上記荷重Ｆの，弁板２５の板面に対する平行分力をｆ２で示す。）
上記のように，押圧アーム３９ｃの弁板２５に対する荷重Ｆが弁板２５の開度増加に応じて減少し，上記荷重Ｆの，弁板２５の板面に対する垂直分力ｆ１が弁板２５の開度増加に応じて減少することにより，図８に示すように，弁ばね３９が弁板２５に与える有効な閉じ方向トルク（ｆ１×弁板２５の有効腕長さＬｂ）は，弁板２５の開度増加に応じて加速度的に減少することになる。

このことは，弁ハウジング２０内の排ガスの圧力上昇により弁板２５が開き始めれば，即座に全開位置（図６参照）へと回動していくことを意味する。このことから，エンジンＥの背圧のエンジンＥの背圧の上昇を効果的に抑えることができ，エンジンＥの出力特性の一層の向上を図ることができる。

しかも，このような弁ばね３９の弁板２５に対する荷重特性が，弁板２５の受圧片２７に，弁ばね３９の押圧アーム３９ｃを摺動可能に弾発当接させるという，極めて簡単な構造により得られるので，排気制御弁３の簡素化をもたらすことができる。

また，弁板２５は，その下端部の半円筒状のヒンジ軸２５ａ，２５ａが弁ハウジング２０の弁板支持部２４の横方向スリット２６に係合するという，極めて簡単な構造により，弁ハウジング２０に開閉可能に支持されるので，排気制御弁３の更なる簡素化をもたらすことができる。

次に，図９に示す本発明の第２実施例について説明する。

この第２実施例では，弁板２５に，前記受圧片２７とは反対側に突出する補助受圧片５０が形成される。この補助受圧片５０を介して弁板２５を閉じ側に付勢する補助ばね５１が弁ハウジング２０の上部に配設される。この補助ばね５１も，前記弁ばね３９と同様に捩じりコイルばねよりなるもので，そのコイル部５１ａは，補助ブラケット５２を介して弁ハウジング２０に固着される断面Ｃ字状の保持器５３に保持されると共に，その一端の固定端部５１ｂが保持器５３の係止爪５３ａに係止され，その他端から延出する押圧アーム５１ｃが補助ばね５１の所定の捩じりセット荷重をもって補助受圧片５０に弾発当接するようになっている。但し，この補助ばね５１の捩じりセット荷重は，前記弁ばね３９のそれをも小さく設定される。

この補助ばね５１の押圧アーム５１ｃの先端にも，補助受圧片５０を受け止めて弁板２５の全開位置を規制する屈曲片４８が形成されている。

その他の構成は，前実施例と同様であるので，図９中，前実施例と対応する部分には同一の参照符号を付して，重複する説明を省略する。

この第２実施例によれば，弁板２５は，左右両端部に受圧片２７，５０を備え，これらに弁ばね３９及び補助ばね５１の押圧アーム３９ｃ，５１ｃがそれぞれ弾発当接するので，左右両端部に閉じ方向のばね付勢力を受けることになり，その閉じ位置では，弁板２５の上端部を弁ハウジング２０の下流側開口端２０ｂに確実に着座させて，振動を防ぐことができ，また開き時には，安定した開き姿勢を保つことができる。しかも，補助ばね５１のセット荷重は，弁ばね３９のセット荷重より充分に小さく設定されるので，弁ばね３９の弁板２５に対する荷重特性に殆ど影響を与えない。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく，その要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更が可能である。例えば，排気制御弁３は，１次マフラ４又は２次マフラ５内の排気流路に設置することもできる。また一対のヒンジ軸２５ａ，２５ａは，その間に間隔を置かず相互に一体化することもできる。

本発明の第１実施例に係る排気制御弁を備える，自動車用エンジンの排気系側面図。 図１中の２部（排気制御弁周辺部）の拡大縦断面図。 図２中の３部拡大図。 図３の４−４線断面図。 排気制御弁の斜視図。 排気制御弁の全開状態を示す，図３との対応図。 弁ばねのセット荷重調整機の斜視図。 弁板の開度と弁ばねの荷重との関係を示す線図。 本発明の第２実施例を示す，図５との対応図。

符号の説明

Ｅ・・・・・・エンジン
１・・・・・・排気系
３・・・・・・排気制御弁
２０・・・・・弁ハウジング
２５・・・・・弁板
２５ａ・・・・ヒンジ軸
２６・・・・・スリット
２７・・・・・受圧片
２８・・・・・小通路
３９・・・・・弁ばね
３９ｃ・・・・押圧アーム
５０・・・・・補助受圧片
５１・・・・・補助ばね

Claims (4)

1. エンジン（Ｅ）の排気系（１）内に設置され，排気系（１）を流れるエンジン（Ｅ）の排ガスの圧力上昇に応じ開弁して排気系（１）の流路抵抗を減少させる，エンジンの排気制御弁において，
   排ガスが通過可能の弁ハウジング（２０）と，この弁ハウジング（２０）に，これを開閉するよう回動可能に支持され，弁ハウジング（２０）内の排ガス圧力を開き方向に受ける弁板（２５）と，弁ハウジング（２０）に取り付けられて弁板（２５）を閉じ方向に付勢する弁ばね（３９）とからなり，弁板（２５）の一側には受圧片（２７）を形成する一方，弁ばね（３９）には，前記受圧片（２７）に摺動可能に弾発当接してこれを弁板（２５）の閉じ方向に付勢する押圧アーム（３９ｃ）を形成し，前記押圧アーム（３９ｃ）の有効長さを弁板（２５）の開度増加に応じて増加させることにより，弁ばね（３９）が弁板（２５）に与える閉じ方向トルクが弁板（２５）の開度増加に応じて減少するようにしたことを特徴とする，エンジンの排気制御弁。
2. 請求項１記載のエンジンの排気制御弁において，
   弁ハウジング（２０）と弁板（２５）との間には，弁板（２５）が閉じ位置にあるときでも，排ガスの通過を許容する小通路（２８）を形成したことを特徴とする，エンジンの排気制御弁。
3. 請求項１記載のエンジンの排気制御弁において，
   弁板（２５）の回動中心側の端部に半円筒状のヒンジ軸（２５ａ）を形成し，このヒンジ軸（２５ａ）が回動可能に係合するスリット（２６）を弁ハウジング（２０）に設けたことを特徴とする，エンジンの排気制御弁。
4. 請求項１記載のエンジンの排気制御弁において，
   弁板（２５）の他側に，前記受圧片（２７）と反対方向に突出する補助受圧片（５０）を形成し，この補助受圧片（５０）に摺動可能に弾発当接して弁板（２５）を閉じ方向に，前記弁ばね（３９）のセット荷重より小さいセット荷重をもって付勢する補助ばね（５１）を弁ハウジング（２０）に取り付けたことを特徴とする，エンジンの排気制御弁。

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