JP5264449B2 - 内燃機関の排気装置における開閉弁 - Google Patents

Description

本発明は、触媒コンバータで排気浄化を行う内燃機関の排気装置で、特に、メイン触媒コンバータが活性化していない冷間始動直後に、別の触媒コンバータを備えたバイパス流路側に排気を案内する開閉弁を備えた内燃機関の排気装置に関する。

従来、内燃機関の排気装置における開閉弁として特許文献１に記載の技術が公知になっている。
通常、このような内燃機関の排気装置における開閉弁は、ハウジングに排気ガスの流入側開口部と流出側開口部とが設けられ、この流出側開口部を開閉する弁体がハウジング内において回動自在に設けられている。
特開２００７−４６５５６号公報

しかしながら、従来例の内燃機関の排気装置における開閉弁にあっては、ハウジング内に弁体が設けられることで、弁体の回動スペースを確保するために、ハウジングの流入側開口部と流出側開口部との間が長くなる。これにより、ハウジングが大型し、重量が大きくなるという問題点があった。

本発明の解決しようとする課題は、ハウジングの大幅な小形軽量化が可能な内燃機関の排気装置における開閉弁を提供することにある。

上記課題を解決するため請求項１記載の発明は、開閉弁の開弁時に弁体が弁開口部の排気ガス流れ方向上流側開口端部より排気パイプ内に向けて回動して該排気パイプ内に配置されるように開閉弁の閉弁時に弁体が当接する座面が弁開口部の排気ガスの流れ方向上流側開口端部側に設けられ、弁体が配置される排気パイプに内に開閉弁の開弁時における弁体を受け止め、前記弁体を受け止める時の衝撃を緩衝する緩衝手段を備えたことを特徴とする手段とした。

請求項１記載の発明では、上述のように、開閉弁の開弁時に弁体が弁開口部の排気ガス流れ方向上流側開口端部より排気パイプ内に向けて回動して該排気パイプ内に配置されるように開閉弁の閉弁時に弁体が当接する座面が弁開口部の排気ガスの流れ方向上流側開口端部側に設けられている。
これにより、座面より上側（排気ガス流れ方向上流側）のハウジングが短縮される。
従って、開閉弁におけるハウジングの大幅な小形軽量化が可能になるという効果が得られる。
また、弁体が配置される排気パイプに内に開閉弁の開弁時における弁体を受け止めるストッパ手段が設けられている。
これにより、開弁時における弁体の揺動を阻止することができる。

以下にこの発明の実施例を図面に基づいて説明する。

まず、実施例１の内燃機関の排気装置における開閉弁を図面に基づいて説明する。

図１は実施例１の開閉弁が適用された内燃機関の排気装置を示す全体構成図、図２は実施例１の内燃機関の排気装置における開閉弁の開弁状態を示す縦断面図、図３は実施例１の内燃機関の排気装置における開閉弁の閉弁状態を示す縦断面図、
図４は上流側パイプを示す縦断面図、図５は実施例１の内燃機関の排気装置における開閉弁の取り付け状態を示す縦断面図である。

この内燃機関の排気装置は、図１に示すように、内燃機関のシリンダーヘッド１と、４つの上流側メイン通路２と、１つの下流側メイン通路３と、合流部４と、メイン触媒コンバータ５と、開閉弁６と、４つの上流側パイパス通路７と、１つのバイパス通路８と、バイパス触媒コンバータ９と、下流側バイパス通路１０と、を備えている。

さらに詳述すると、図１に示すように、上記内燃機関のシリンダーヘッド１に直列に配置された４つの各排気ポート＃１〜＃４には、それぞれ上流側メイン通路２が接続されている。
この４つの上流側メイン通路２の下流側にはこの下流側を１本の下流側メイン通路３に集合させる合流部４が接続されている。そして、この合流部４の下流側である下流側メイン通路３に上記メイン触媒コンバータ５が介装されている。
このメイン触媒コンバータ５は、車両の床下に配置される容量の大きなものであって、その触媒としては、三元触媒とＨＣトラップ触媒とを含んでいる。

上記４つの開閉弁６は各上流側メイン通路２を同時に開閉し、閉弁時には上記各上流側バイパス通路７側に排気ガスの流れを切り換える役目をなすもので、各上流側メイン通路２の上流側に介装されている。

各開閉弁６は、図２、３に示すように、ハウジング６１と、弁体６２と、回動アーム６３と、回転操作軸６４と、を備えている。
ハウジング６１は、弁開口部６１ａの両開口端部にそれぞれ排気パイプ接続部６１ｂ、６１ｃを有している。
弁開口部６１ａの排気ガス流れ方向上流側に、テーパ状の座面６１ｄが設けられている。
弁体６２は、弁開口部６１ａを排気ガス流れ方向上流側から開閉するもので、この弁体６２は、外面が球面の一部から成る曲面状の座部６２ａを有する弁部６２ｂと、弁軸６２ｃとを備えている。
該弁軸６２ｃは、頭部６２ｄを有するボルトで構成されていて、弁部６２ｂの軸心部にねじ結合されている。
この弁軸６２ｃは、回動アーム６３の自由端側に形成された弁軸６２ｃの直径より少し大径の装着孔（貫通穴）６３ａに摺動及び揺動可能に挿通され、頭部６２ｄにより装着孔（貫通穴）６３ａからの弁部６２ｂの抜け落ちが阻止されている。
なお、回動アーム６３は、その基部に形成された挿通孔６３ｂに回動操作軸６４を挿通した状態で固定されている。
そして、回動アーム６３が回動操作軸６４を中心として該回動操作軸６４の回動に伴って回動することにより、弁体６２による弁開口部６１ａの開閉操作が行われるようになっている。

また、開閉弁６の開弁時にこの弁体６２の弁部６２ｂが当接する座面６１ｄが弁開口部６１ａの排気ガスの流れ方向上流側開口端部側に設けられることで、図４に示すように、開閉弁６の開弁時に弁体６２が弁開口部６１ａの排気ガス流れ方向上流側開口端部６１ｅより後述の上流側パイプ２ａ内に向けて回動して上流側パイプ２ａ内に配置されるようになっている。

また、図４に示すように、開閉弁６の開弁時に弁体６２が配置される上流側パイプ２ａ内には、開弁時における弁体６２を受け止めるストッパストッパ手段１１と、開弁時における弁体６２を受け止める時の衝撃を緩衝する緩衝手段１２が設けられている。
緩衝手段１２は、圧縮コイルスプリング１２ａと、上流側パイプ２ａに形成された貫通孔２１を排気パイプ２ａの外周面側で塞ぐ有底円筒状のカバー１２ｂと、貫通穴２１内に対し摺動自在であり、開口縁部側に貫通孔２１における上流側パイプ２ａの外周面側の開口縁部に当接するストッパフランジ１２ｄを有する有底円筒状の摺動カバー１２ｃとで構成されている。
そして、圧縮コイルスプリング１２ａは、カバー１２ｂと摺動カバー１２ｃとの間に介装された状態で設けられている。
ストッパ手段１１は、貫通孔２１における上流側パイプ２ａの内周面側の開口縁部で構成されている。

以上のように構成された開閉弁６は、回動操作軸６４の一端に連結されたアクチュエータ（図示せず）で回転駆動されることにより、開閉弁６の開閉切り換え操作が行えるようになっている。

なお、図５に示すように、上流側の排気パイプ接続部６１ｂに上流側メイン通路２の上流側パイプ２ａのフランジ２ｆを溶接することにより接続し、下流側の排気パイプ接続部６１ｃに上流側メイン通路２の下流側パイプ２ｂのフランジ２ｃをボルト２ｄで締結することにより接続している。
なお、上流側メイン通路２の上流側パイプ２ａには、上流側バイパス通路７に連通する連通孔２ｅが形成されている。

そして、この各連通孔２ｅに接続される上流側バイパス通路７は、上流側メイン通路２よりも通路断面積が十分に小さなものであって、この４つの上流側バイパス通路７のうち互いに隣接した位置にある排気ポート♯１と♯２側の上流側バイパス通路７の下流側が、合流点Ｐ１において１本の中間バイパス通路８ａとして互いに合流している。同様に互いに隣接した位置にある排気ポート♯３と♯４側の上流側バイパス通路７とが合流点Ｐ２において１本の中間バイパス通路８ｂとして互いに合流している。
また、上記両中間バイパス通路８ａ、８ｂの下流側が、合流点Ｐ３において１本の中間バイパス通路８ｃとして互いに合流し、この中間バイパス通路８ｃの下流側に上記バイパス触媒コンバータ９が接続されている。

そして、このバイパス触媒コンバータ９の下流側が下流側バイパス通路１０を介して、合流部４とメイン触媒コンバータ５との間の下流側メイン通路３の途中に接続されている。
このバイパス触媒コンバータ９は、その内部に、前後に分割された２つのモノリス触媒担体である第１触媒９ａと第２触媒９ｂとから構成されている。
そして、これらの第１触媒９ａと第２触媒９ｂとの間の間隙９ｃに、排気還流通路９ｄの一端が接続されている。この排気還流通路９ｄの他端は、図示しない排気還流制御弁を介して機関吸気系へと延びている。
また、バイパス触媒コンバータ９は、メイン触媒コンバータ５に比べて容量が小さな小型のものであり、望ましくは、低温活性に優れた触媒が用いられる。
また、バイパス触媒コンバータ９は、バイパス通路の中で、可能な限り上流側に配置されている。
つまり、上流側バイパス通路７及び中間バイパス通路８ａ、８ｂ、８ｃもできるだけ短く形成されている。

そこで、上流側バイパス通路７に流れた排気ガスは、パイパス触媒コンバータ９で直ちに浄化された後、下流側メイン通路３に戻り、メイン触媒コンバータ５内を流れてメイン触媒コンバータ５を暖めながら流下する。

次に、この実施例１の作用を説明する。

まず、開閉弁６の切換について説明する。
このように構成された内燃機関の排気装置においては、内燃機関の冷間始動後のメイン触媒コンバータ５の温度または内燃機関温度ないしは排気温度が低い段階では、開閉弁６が閉じられる。なお、温度検出センサの図示は省略する。
そのため、各排気ポート＃１〜＃４から吐出された排気は、その全量が、上流側バイパス通路７および中間バイパス通路８ａ、８ｂを経由してバイパス触媒コンバータ９へと流れる。

バイパス触媒コンバータ９は、排気系の上流側つまり排気ポート＃１〜＃４に近い位置にあり、かつ小型のものであるので、速やかに活性化し、早期に排気浄化が開始される。

そして、浄化された排気は、メイン触媒コンバータ５の温度を上げながら流下する。また、この時、４つの各開閉弁６が閉弁することで、各排気ポート＃１〜＃４の上流側メイン通路２がその上流側において互いに非連通状態となる。
そのため、ある排気ポート＃１〜＃４から吐出された排気が他の排気ポート＃１〜＃４の上流側メイン通路２へと回り込む現象が防止され、この回り込みに伴う排気温度の低下が確実に回避される。

一方、内燃機関の暖機が進行して、バイパス触媒コンバータ９を流れた排気ガスにより、メイン触媒コンバータ５の温度が高くなり活性化した時、メイン触媒コンバータ５の温度の計測値に基づき図示しない制御回路を通じてアクチュエータが作動し、４つの開閉弁６が同時に開弁する。
または、内燃機関の冷却水温度または排気温度等の計測値が十分に高くなったときには、開閉弁６が開弁するようにしても良い。

この開閉弁６の開弁により、各排気ポート＃１〜＃４から吐出された排気は、主に、上流側メイン通路２を通り合流部４で下流側メイン通路３に集合された状態でメイン触媒コンバータ５を通過する。
この時バイパス流路側は特に遮断されていないが、バイパス流路側の方がメイン流路側よりも通路断面積が小さく、かつバイパス触媒コンバータ９が介在しているので、両者の通気抵抗の差により、排気流の大部分はメイン流路側を通り、バイパス流路側には殆ど流れない。
従って、バイパス触媒コンバータ９の熱劣化は十分に抑制される。

次に、実施例１の開閉弁６の作用について説明する。
<閉弁作用について>
開閉弁６の閉弁時には、図３に示すように、回動操作軸６４を介して回動アーム６３が回転して所定角度になることにより、弁体６２の曲面状の座部６２ａがテーパ状の座面６１ｄに着座して該弁開口部６１ａを塞ぐ。
この時、弁体６２の座部６２ｂが曲面状に形成されているため、弁体６２が僅かに揺動した姿勢のままでも弁体６２をテーパ状座面６１ｄに確実に着座させてシールされた状態になる。
さらに、上流側メイン通路２における弁開口部６１ａの上流側と下流側との差圧によって弁体６２が座面６１ｄに押しつけられて密着することで、さらにシール性が向上する。

<閉弁時における弁体の調芯作用について>
弁体６２が弁開口部６１ａを塞ぐ時に、弁体６２の中心が弁開口部６１ａの中心から多少ずれている場合であっても、弁軸６２ｄと回動アーム６３の装着孔６３ａは摺動及び揺動可能に挿通されているため、弁体６２の曲面状の座部６２ａが座面６１ｄに摺動して調芯されることにより、弁体６２を良好な姿勢で座面６１ｄに着座させて良好にシールされた状態になる。

<開弁時における回動アームの回動停止及び弁体の揺動規制作用について>

開閉弁６の開弁時には、図２、５に示すように、回動操作軸６４を介して回動アーム６３が回転して所定角度となることにより、弁開口部６１ａが開く。
そして、弁体６２における弁軸６２ｃの頭部６２ｄが上流側パイプ２ａに形成された貫通孔２１の開口縁部で構成されるストッパ手段１１に当接ことにより、開弁時における回動アーム６３の回動が停止されると共に、回動アーム６３に対する弁体６２の揺動が規制された状態になる。

<開閉弁の小形軽量化作用について>
開閉弁の開弁時に弁体６２の弁部６２ｂが当接する座面６１ｄが弁開口部６１ａの排気ガスの流れ方向上流側開口端部側に設けられることで、開閉弁６の開弁時に弁体６２が弁開口部６１ａの排気ガス流れ方向上流側開口端部６１ｅよりハウジング６１の外である上流側メイン通路２の上流側パイプ２ａ内へ向けて回動して上流側パイプ２ａ内に配置された状態になる。
すなわち、座面６１ｄより上側（排気ガス流れ方向上流側）のハウジング６１がその分だけ短縮され、素の結果、開閉弁６が大幅に小形軽量化された状態になる。

次に、この実施例１の効果を説明する。

まず、実施例１の開閉弁６が適用された内燃機関の排気装置の作用・効果を説明する。
この内燃機関の排気装置では、上述のように、４つの各上流側メイン通路の上流側に設けた分岐点からそれぞれ分岐された複数本の各上流側パイパス通路２と、該分岐点より下流側において上流側メイン通路２を開閉する開閉弁６とを備えた構成としたことで、各気筒の排気ポート＃１〜＃４からパイパス触媒コンバータ９までの距離を小さくすることができる。

従って、メイン触媒コンバータ５が活性化していない内燃機関の始動直後から直ちにバイパス触媒コンバータ９による排気浄化を開始させることができるようになるという効果が得られる。
また、開閉弁６の各ハウジング６０が別体で個別に設けられるため、一体で形成した場合に比べて気筒数に応じて容易に対応でき、設計自由度が高くなる。

次に、この実施例１の開閉弁の効果を請求項１〜５に対応する（１）〜（５）と共に列記する。

（１）実施例１の内燃機関の排気装置における開閉弁では、上述のように、開閉弁６の開弁時に弁体６２が弁開口部６１ａの排気ガス流れ方向上流側開口端部６１ｅよりハウジング６１の外側である上流側メイン通路２の上流側パイプ２ａ内へ向けて回動して上流側パイプ２ａ内に配置されるように、開閉弁６の閉弁時に弁体６２が当接する座面６１ｄが弁開口部６１ａの排気ガスの流れ方向上流側開口端部６１ｅ側に設けられている。
これにより、座面６１ｄより上側（排気ガス流れ方向上流側）のハウジング６１が短縮される。
従って、開閉弁におけるハウジング６１の大幅な小形軽量化が可能になるという効果が得られる。
また、弁体６２が配置される上流側パイプ２ａ内に開閉弁６の開弁時における弁体６２を受け止めるストッパ手段１１が設けられている。
これにより、開閉弁６におけるハウジング６１の構成を簡略化することができると共に、開弁時弁体６２が排気ガス流により、また、車両やエンジンが振動することにより回動アーム６３との間で音が発生することが無くなる。

（２）実施例１の内燃機関の排気装置における開閉弁では、上述のように、ストッパ手段１１が、上流側パイプ２ａの内周面で構成されている。
これにより、上流側パイプ２ａに特別な加工を施すことなくストッパ機能を発揮させることができる。

（３）実施例１の内燃機関の排気装置における開閉弁では、上述のように、弁体６２は外面が球面の一部から成る曲面状の座部６２ａを有する弁部６２ｂと、弁軸６２ｃを備え、弁軸６２ｃは弁部６２ｂの軸心部から突出されていて回動アーム６３の自由端側に形成された貫通孔６３ｂに摺動及び揺動自在に挿通された軸部と、該軸部の先端に形成されていて回動アーム６３の貫通孔６３ｂからの抜け落ちを阻止する頭部６２ｄとを備える。
これにより、弁体６２の閉弁時に、弁開口部６１ａに対する弁体６２の調芯機能が発揮され、弁開口部６１ａの良好なシール性を確保することができる。
また、ストッパ手段１１は、開閉弁６の開弁時に弁体６２における軸部の頭部６２ｄを受け止めるように構成されている。
これにより、開閉弁６の開弁時における回動アーム６３の回動停止機能と、弁体６２の揺動規制機能を同時に発揮させることができる。

（４）実施例１の内燃機関の排気装置における開閉弁では、上述のように、ストッパ手段１１は、弁体６２を受け止める時の衝撃を緩衝する緩衝手段１２が備えられている。
これにより、開閉弁６の開弁時におけるストッパ手段１１に対する衝撃を緩和すすることができる。

（５）実施例１の内燃機関の排気装置における開閉弁では、上述のように、ストッパ手段１１は、上流側パイプ２ａに形成された貫通孔２１の開口縁部で構成され 前記緩衝部材１２は、貫通孔２１を上流側パイプ２ａの外周面側で塞ぐカバー１２ｂ内に備えられている。
これにより、排気ガスの流通抵抗になる上流側パイプ２ａ内への突出部をなくすことができる。

以上本実施例を説明してきたが、本発明は上述の実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても、本発明に含まれる。

例えば、実施例では、各開閉弁６を各上流側メイン通路２の上流側にそれぞれ介装させた例を示したが、各上流側バイパス通路７を各上流側メイン通路２の上流側に接続し、開閉弁６を、下流側メイン通路３に１個だけ設けるようにしてもよい。

また、実施例では、圧縮スプリングとしてコイルスプリングを用いたが、板ばね等を用いることができる。

実施例１の開閉弁が適用された内燃機関の排気装置を示す全体構成図である。 実施例１の内燃機関の排気装置における開閉弁の開弁状態を示す縦断面図である。 実施例１の内燃機関の排気装置における開閉弁の閉弁状態を示す縦断面図である。 上流側パイプを示す縦断面図である。 実施例１の内燃機関の排気装置における開閉弁の取り付け状態を示す縦断面図である。

符号の説明

１ 内燃機関のシリンダーヘッド
＃１〜＃４ 排気ポート
２ 上流側メイン通路
２１ 貫通孔
２ａ 上流側パイプ（排気パイプ）
２ｂ 下流側パイプ
２ｃ フランジ
２ｄ ボルト
２ｅ 連通孔
２ｆ フランジ
３ 下流側メイン通路
４ 合流部
５ メイン触媒コンバータ
６ 開閉弁
６１ ハウジング
６１ａ 弁開口部
６１ｂ 上流側排気パイプ接続部
６１ｃ 下流側排気パイプ接続部
６１ｄ テーパ状座面
６１ｅ 排気ガス流れ方向上流側開口端部
６２ 弁体
６２ａ 曲面状の座部
６２ｂ 弁部
６２ｃ 弁軸
６２ｄ 頭部
６３ 回動アーム
６３ａ 装着孔（貫通穴）
６３ｂ 挿通孔
６４ 回動操作軸
７ 上流側パイパス通路
８ａ 中間バイパス通路
８ｂ 中間バイパス通路
８ｃ 中間バイパス通路
９ バイパス触媒コンバータ
９ａ 第１触媒
９ｂ 第２触媒
９ｃ 間隙
９ｄ 排気環流通路
１０ 下流側パイパス通路
１１ ストッパ手段
１２ 緩衝手段
１２ａ 圧縮コイルスプリング
１２ｂ カバー
１２ｃ 摺動カバー
１２ｄ ストッパフランジ
Ｐ１ 合流点
Ｐ２ 合流点
Ｐ３ 合流点

Claims (4)

1. 弁開口部の両開口端部にそれぞれ排気パイプへの排気パイプ接続部を有するハウジングと、
   前記弁開口部を排気ガス流れ方向上流側から開閉する弁体と、
   前記弁体を回動可能に支持する回動アームと、
   前記回動アームを回動操作する回転操作軸と、を備え、
   前記回転操作軸の回転操作による前記回動アームの回動で前記弁体による前記弁開口部の開閉が行われる内燃機関の排気装置における開閉弁において、
   前記開閉弁の開弁時に前記弁体が前記弁開口部の排気ガス流れ方向上流側開口端部より前記排気パイプ内に向けて回動して該排気パイプ内に配置されるように前記開閉弁の閉弁時に前記弁体が当接する座面が前記弁開口部の排気ガスの流れ方向上流側開口端部側に設けられ、
   前記弁体が配置される前記排気パイプ内に前記開閉弁の開弁時における前記弁体を受け止め、前記弁体を受け止める時の衝撃を緩衝する緩衝手段を備えたストッパ手段が設けられていることを特徴とする内燃機関の排気装置における開閉弁。
2. 請求項１に記載の内燃機関の排気装置における開閉弁において、
   前記ストッパ手段は、前記排気パイプの内周面で構成されていることを特徴とする内燃機関の排気装置における開閉弁。
3. 請求項１または２に記載の内燃機関の排気装置における開閉弁において、
   前記弁体は外面が球面の一部から成る曲面状の座部を有する弁部と、弁軸を備え、
   前記弁軸は前記弁部の軸心部から突出されていて前記回動アームの自由端側に形成された貫通穴に摺動及び揺動自在に挿通された軸部と、該軸部の先端に形成されていて前記回動アームの貫通穴からの抜け落ちを阻止する頭部とを備え、
   前記ストッパ手段は、前記開閉弁の開弁時に前記弁体における軸部の頭部を受け止めるように構成されていることを特徴とする内燃機関の排気装置における開閉弁。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の排気装置における開閉弁において、
   前記ストッパ手段は、前記排気パイプに形成された貫通孔の開口縁部で構成され、前記緩衝手段は、前記貫通孔を前記排気パイプの外周面側で塞ぐカバー内に備えられていることを特徴とする内燃機関の排気装置における開閉弁。

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