JP5689837B2 - エンジンの排気流制御弁 - Google Patents

Description

本発明は，エンジンの排気系内の上流側及び下流側間を連通する弁孔を有する弁座板と，前記弁孔を開閉するように前記弁座板上の支点で回動可能に支持され，前記上流側の圧力を開弁方向に受ける弁板と，この弁板を閉弁方向へ付勢し，前記上流側の圧力が所定値以上に上昇したとき弁板の開弁を許容する弁ばねとを備える，エンジンの排気流制御弁の改良に関する。

かゝるエンジンの排気流制御弁は，特許文献１に開示されるように，既に知られている。

特開２０１０−２４８９４号公報

上記特許文献１に記載されるエンジンの排気流制御弁は，弁孔を有する弁座板と，前記弁孔を開閉するように前記弁座板に回動可能に支持され，排ガスの上流側圧力を開弁方向に受ける弁板と，弁座板に取り付けられて弁板を閉弁方向へ付勢する弁ばねとからなっており，弁板の一側には受圧片を固設する一方，弁ばねには，受圧片に摺動自在に弾発当接してこれを弁板の閉弁方向へ付勢する押圧アームを設け，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ようになっている。

こうしたエンジンの排気流制御弁では，弁ばねの弁板に与える閉弁トルクが弁板の開度増加に応じて減少させることができるので，エンジンの高負荷，高回転時，弁板が排気系の上流側圧力の上昇に応じて開き始めると，即座に開度を増加させることになり，背圧を下げて，エンジン出力の増加に寄与することができる。しかしながら，特許文献１記載のものでは，弁板は，その開閉時，弁ばねの押圧アームと比較的長いストロークで擦れ合うので，その間の摩擦抵抗が弁板の開閉抵抗となり，弁板の開閉特性を不安定にさせることがある。

本発明は，かゝる事情に鑑みてなされたもので，弁ばねの弁板に与える閉弁トルクが弁板の開度増加に応じて減少させることができ，しかも弁ばねの摩擦が小さく，弁板の開閉特性を安定させ得る前記エンジンの排気流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の上流側及び下流側間を連通する弁孔を有する弁座板と，前記弁孔を開閉するように前記弁座板上の第１支点で回動可能に支持され，前記上流側の圧力を開弁方向に受ける弁板と，この弁板を閉弁方向へ付勢し，前記上流側の圧力が所定値以上に上昇したとき弁板の開弁を許容する弁ばねとを備える，エンジンの排気流制御弁であって，コイル部と，このコイル部より延出する第１及び第２アームとよりなり，その第１及び第２アーム間の挟み角度を増加させる方向に弾性反発力を発揮する捩じりコイルばねで前記弁ばねを構成し，前記弾性反発力により前記弁板に閉弁トルクを付与すべく，前記コイル部を前記弁板に支承させると共に第１アームを前記弁板に係止し，また第２アームを，前記第１支点より前記弁孔側にオフセットした，前記弁座板上の第２支点で回動可能に支持されるリンクの先端部に相対回動可能に連接したことを第１の特徴とする。尚，前記排気系は，後述する本発明の実施形態中のマフラＭに対応する。

また本発明は，第１の特徴に加えて，前記コイル部の一部を，前記弁板の一側面に形成した凹部に収容したことを第２の特徴とする。

さらに本発明は，第２の特徴に加えて，前記凹部の相対向する両内側面を前記弁板の外方に向かって相互に広がる斜面となし，この両斜面でコイル部の外周面を支承したことを第３の特徴とする。

本発明の第２の特徴に加えて，前記弁座板に固着される支軸によりコイル部の内周面の一部を支承して，前記コイル部の外周面を前記凹部の内周面より浮かせたことを第４の特徴とする。

さらにまた本発明は，第１〜第４の特徴の何れかに加えて，前記弁ばねの第１アームを，前記コイル部の両端より延出する一対となし，前記第２アームを前記コイル部の中央部より延出させたことを第５の特徴とする。

本発明の第１の特徴によれば，弁ばねの第２アームからリンクを介して第２支点に作用する弾性反発力は，第１及び第２支点間を結ぶ直線に垂直な第１分力と，上記直線に平行な第２分力とに分けられ，その第１分力と，第１及び第２支点間の距離との積が，弁板に及ぼす閉弁トルクとなる。この閉弁トルクは，弁板の開き時，リンクの倒れ角度の方が弁板の開き角度より大であることから，減少することになる。しかも，弁板の開度変化に伴なう第１及び第２アームの挟み角度の変化は少なく，したがってコイル部と，それを支承する弁板との間に生じる摩擦も極めて小さいから，弁板の開閉特性を安定させることができる。

本発明の第２の特徴によれば，コイル部の弁板からの突出量を少なくして，排気流制御弁のコンパクト化を図ることができる。

本発明の第３の特徴によれば，凹部の相対向する斜面でコイル部を安定よく支承することができ，その支承のための特別な支持部材を設ける必要がなく，構造の簡素化を図ることができる。

本発明の第４の特徴によれば，弁板に固着される支軸によりコイル部の内周面の一部を支承すること，並びにコイル部の外周面を凹部の内周面より浮かせたことにより，コイル部と，その支承部との摩擦部は一箇所となり，弁板の開度変化時，コイル部と支軸との間に生じる摩擦を小さく抑えることができ，弁板の開閉を一層スムーズに行うことができる。

本発明の第５の特徴によれば，一本の弁ばねにより弁板全体に閉弁トルクを付与して，弁板の開閉姿勢の安定化に寄与し得る。

本発明の第１実施形態に係る排気流制御弁を備える自動車用エンジンのマフラの縦断面図。 図１の２部拡大図。 図２の３−３線拡大断面図で，排気流制御弁の閉弁状態を示す。 排気流制御弁の開弁状態を示す，図３との対応図。 排気流制御弁の分解斜視図。 本発明の第２実施形態を示す，図３との対応図。 本発明の第２実施形態を示す，図６との対応図。 本発明の排気流制御弁の閉弁トルク特性線図。

本発明の実施形態を添付図面に基づいて以下に説明する。

先ず，図１〜図５に示す本発明の第１実施形態の説明より始める。

図１において，自動車用エンジンＥの排気系の一部を構成する排気マフラＭは，マフラ本体２，上流側排気管１０及び下流側排気管１１よりなっている。マフラ本体２は，胴部３と，この胴部３の前後両端に溶接される前部端板４及び後部端板５とで密閉ドラム状に構成される。このマフラ本体２の内部は，胴部３の中間部内周面に溶接される隔壁板６により前部消音室７及び後部消音室８に仕切られ，この隔壁板６には，両消音室７，８間を連通する多数の第１消音孔１３，１３…が設けられる。

上流側排気管１０は，その上流端をエンジンＥの排気ポートに接続すると共に，前部端板４及び隔壁板６を貫通して下流端部を後部消音室８に臨ませており，その下流端は溶接端板１６で閉鎖されるが，後部消音室８内の上流側排気管１０の周壁には，その管内を後部消音室８に連通する多数の第２消音孔１４，１４…が設けられる。この上流側排気管１０と，前部端板４及び隔壁板６との各間は溶接により結合される。

下流側排気管１１は，その上流端が前部消音室７から始まり，一旦，前部端板４を貫通して前部消音室７外に出てＵ字状に屈曲し，再び前部端板４を貫通し，更に前部消音室７，隔壁板６，後部消音室８及び後部端板５を貫通して下流端を大気に開放するように形成される。この下流側排気管１１の上流端は，前記隔壁板６の無孔部分により閉鎖されるが，その上流側の周壁には，その管内を前部消音室７に連通する多数の第３消音孔１５，１５…が設けられる。この下流側排気管１１と，前部端板４，隔壁板６及び後部端板５との各間は溶接により結合される。

図１〜図３に示すように，下流側排気管１１の後部消音室８に配置される中間部から下流端に至る部分は偏平状に形成され，この偏平部分の一側の平坦壁１１ａに，本発明の排気流制御弁２０が設けられる。

図２〜図６において，排気流制御弁２０は，弁孔２２を有する弁座板２１と，弁孔２２を開閉する弁板２３と，この弁板２３に閉弁トルクを付与する弁ばね２４と，前記閉弁トルクを弁板２３の開度増加に応じて減少制御するリンク２５とより構成される。

前記下流側排気管１１の平坦壁１１ａには，それを貫通する方形の開口部１７が設けられる。前記弁座板２１も方形をなしていて，上記開口部１７を閉鎖するよう，その周辺に沿って平坦壁１１ａの外面に溶接等により接合され，方形の弁孔２２は，前記開口部１７の内側に前記後部消音室８と下流側排気管１１内とを連通するように配置される。

弁座板２１には，後部消音室８側へ隆起して内側を支点溝２８とする隆起部２７が形成され，その支点溝２８は，断面山形をなして下流側排気管１１の横方向へ延び，且つ弁孔２２より下流側排気管１１の上流側に寄った位置に配置される。その支点溝２８の溝底が第１支点２９となる。また弁座板２１には，第１支点２９と弁孔２２との間に第２支点３０が後部消音室８側へ隆起するように形成される。

前記弁板２３も方形に形成されており，その一端には，前記第１支点２９に係合する突起３１と，この突起３１を挟んで並ぶ一対のストッパ片３２とが形成される。而して，弁板２３は，第１支点２９周りに，弁孔２２を閉鎖する全閉位置Ｃ（図３参照）と，ストッパ片３２を弁座板２１に当接させて弁孔２２を全開にする全開位置Ｏ（図４参照）との間を回動することができる。

また弁板２３の中央部には，弁孔２２側へ隆起して内側を凹部３６とする隆起部３５が形成され，その凹部３６は，断面台形をなして下流側排気管１１の横方向へ溝状に延びていて，両端を閉じている。したがって，この凹部３６の相対向する両内側面は，凹部３６の開放面に向かって相互に広がる斜面３６ａ，３６ａで構成される。

前記弁ばね２４は，コイル部２４ａと，このコイル部２４ａの両端より延出する棒状の一対の第１アーム２４ｂと，コイル部２４ａの中央部より延出するＵ字状の単一の第２アーム２４ｃとよりなり，その第１及び第２アーム２４ｂ，２４ｃ間の挟み角度δを増加させる方向に弾性反発力を発揮する捩じりコイルばねで構成される。そのコイル部２４ａは，その外周面が上記両斜面３６ａ，３６ａに支承されるように配置される。こうしてコイル部２４ａの一部は上記凹部３６に収容される。また一対の第１アーム２４ｂの先端部は，弁板２３の自由端に設けられる一対の係止爪３７に係止され，Ｕ字状の第２アーム２４ｃの先端部は，弁板２３の透孔２６を貫通して，前記第２支点３０に回動自在に支持されるリンク２５の先端部に相対回動自在に連接される。リンク２５は，両端にＵ字状の第１及び第２連接溝２５ａ，２５ｂを有しており，その第１連接溝２５ａが第１支点２９に回動自在に連接され，第２連接溝２５ｂに第２アーム２４ｃのＵ字状の屈曲部が回動自在に連接される。

次に，この第１実施形態の作用について説明する。

弁ばね２４の装着に際しては，弁板２３の，弁孔２２とは反対側の凹部３６の両斜面３６ａ，３６ａにコイル部２４ａを支承させ，第１及び第２アーム２４ｂ，２４ｃの挟み角度δを広げようとする弾性反発力に抗して，第１アーム２４ｂを弁板２３の自由端の係止爪３７に係止すると共に，第２アーム２４ｃをリンク２５を介して弁座板２１の第１支点２９に支承させるので，第１及び第２アーム２４ｂ，２４ｃの挟み角度δを広げようとする弾性反発力がコイル部２４ａを介して弁板２３を閉弁方向へ付勢する。

エンジンＥの低速，低負荷運転状態では，エンジンＥの排ガスは，矢印Ａのように，上流側排気管１０，第２消音孔１４，１４…，後部消音室８，第１消音孔１３，１３…，前部消音室７，第３消音孔１５，１５…，下流側排気管１１を順次通過することで，消音されながら大気に放出される。この間，排気流制御弁２０の弁板２３に作用する後部消音室８の圧力は比較的低いので，弁板２３は，弁ばね２４の付勢力により全閉位置Ｃに保持され，弁孔２２を閉鎖しているので，排ガスは，比較的長い下流側排気管１１をその全長に亙り通過することになり，低周波騒音の低減を図ることができる。

エンジンＥが高速，高負荷運転状態に移ると，上記の経路を流れる排ガスの流量が増加して後部消音室８の圧力が上昇し，その圧力による弁板２３の開弁トルクが，弁ばね２４による弁板２３の閉弁トルクを上回ると，弁板２３は全開位置Ｏに向かって回動していき，弁孔２２の開度を増加させていく。すると，弁孔２２の開度に応じて，上流側排気管１０から後部消音室８に出た排ガスが，矢印Ｂのように，弁孔２２へと短絡し，傾斜した弁板２３に誘導されながら，弁孔２２以降の短い下流側排気管１１を通過して大気に放出されることになる。これにより，背圧の減少によるエンジン出力の向上と，気流音の低減とを図ることができる。

こゝで，弁ばね２４の，弁板２３に与える閉弁トルクについて考察する。

図３において，弁ばね２４の第２アーム２４ｃからリンク２５を介して第２支点３０に作用する弾性反発力Ｆは，第１及び第２支点２９，３０間を結ぶ直線Ｓに垂直な第１分力Ｆ１と，上記直線Ｓに平行な第２分力Ｆ２とに分けられ，その第１分力Ｆ１と，第１及び第２支点２９，３０間の距離Ｌとの積が，弁板２３に及ぼす閉弁トルクとなる。

ところで，図３及び図４に示すように，弁板２３が全閉位置Ｃから開いていくと，リンク２５を支持する第２支点３０が，弁板２３を支持する第１支点２９より弁孔２２側へ距離Ｌだけオフセットしていることで，リンク２５が弁板２３の開きに応じて第２支点３０周りに弁座板２１側へ倒れる倒れ角度βは，弁板２３の開き角度αより大である。これに伴ない，第２アーム２４ｃから第２支点３０に作用する弾性反発力Ｆと第１分力Ｆ１とのなす角度をθは，弁板２３の開きに応じて増加するので，第１分力Ｆ１は減少することになる。その結果，第１分力Ｆ１による弁板２３の閉弁トルクは，図８に示すように，弁板２３の開度増加に応じて減少することになる。しかも，弁板２３の開度変化に伴なう第１及び第２アーム２４ｂ，２４ｃの挟み角度δの変化は少なく，したがってコイル部２４ａと凹部３６の斜面３６ａ，３６ａとの間に生じる摩擦も極めて小さい。

かくして，弁板２３が，後部消音室８の圧力により開き始めると，自動的にスムーズに全開位置Ｏへと回動し，背圧の減少及び気流音の低減を確実に図ることができる。また排ガスが上流側排気管１０から弁孔２２を経て後部消音室８へ移るとき，傾斜した弁板２３がその排ガスの流れをスムーズに誘導するので，背圧の減少及び気流音の低減を一層図ることができる。

エンジンＥが低速，低負荷運転状態に戻ると，後部消音室８の圧力による弁板２３の開弁トルクが，前記閉弁トルクより小さくなり，弁板２３は全閉位置Ｃへと戻っていく。

このような排気流制御弁２０において，弁ばね２４のコイル部２４ａの一部を，弁板２３の凹部３６に収容したことで，コイル部２４ａの弁板２３からの突出量を少なくして，排気流制御弁２０のコンパクト化を図ることができる。しかも，凹部３６の相対向する斜面３６ａ，３６ａでコイル部２４ａを安定よく支承することができ，その支承のための特別な支持部材を設ける必要がなく，構造の簡素化を図ることができる。

また弁ばね２４は，コイル部２４ａと，このコイル部２４ａの両端より延出する一対の第１アーム２４ｂと，コイル部２４ａの中央部より延出する第２アーム２４ｃとよりなり，そのコイル部２４ａを弁板２３に支承させ，一対の第１アーム２４ｂの先端部を，弁板２３の一対の係止爪３７に係止し，第２アーム２４ｃの先端部を，リンク２５の先端部に連接したことで，一本の弁ばね２４により弁板２３全体に閉弁トルクを付与して，弁板２３の開閉姿勢を安定させることができる。

次に，図６及び図７に示す本発明の第２実施形態について説明する。

この第２実施形態では，弁ばね２４のコイル部２４ａの中空部を貫通する，断面Ｕ字状の支軸４０が弁板２３の凹部３６の開放面を縦断するようにして弁板２３に固着され，この支軸４０の円弧面により，コイル部２４ａの内周面の一部を支承することで，コイル部２４ａの外周面を上記凹部３６の内周面より浮かせている。その他の構成は，前実施形態と同様であるので，図６及び図７中，前実施形態と対応する部分にはそれと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実施形態によれば，弁板２３に固着される支軸４０によりコイル部２４ａの内周面の一部を支承すること，並びにコイル部２４ａの外周面を凹部３６の内周面より浮かせたことにより，コイル部２４ａと，その支承部との摩擦部は一箇所となり，弁板２３の開度変化に伴なう第１及び第２アーム２４ｂ，２４ｃの挟み角度δの変化時，コイル部２４ａと支軸４０との間に生じる摩擦を小さく抑えることができ，弁板２３の開閉を一層スムーズに行うことができる。

本発明は上記実施形態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，下流排気管１１の平坦壁１１ａ自体を弁座板２１に利用することもできる。

Ｅ・・・・・・エンジン
Ｍ・・・・・・排気系（マフラ）
δ・・・・・・弁ばねの第１及び第２アームの挟み角度
２０・・・・・排気流制御弁
２１・・・・・弁座板
２２・・・・・弁孔
２３・・・・・弁板
２４・・・・・弁ばね
２４ａ・・・・コイル部
２４ｂ・・・・第１アーム
２４ｃ・・・・第２アーム
２５・・・・・リンク
２９・・・・・第１支点
３０・・・・・第２支点
３６・・・・・凹部
３６ａ・・・・斜面
４０・・・・・支軸

Claims (5)

1. エンジン（Ｅ）の排気系（Ｍ）内の上流側及び下流側間を連通する弁孔（２２）を有する弁座板（２１）と，前記弁孔（２２）を開閉するように前記弁座板（２１）上の第１支点（２９）で回動可能に支持され，前記上流側の圧力を開弁方向に受ける弁板（２３）と，この弁板（２３）を閉弁方向へ付勢し，前記上流側の圧力が所定値以上に上昇したとき弁板（２３）の開弁を許容する弁ばね（２４）とを備える，エンジンの排気流制御弁であって，
   コイル部（２４ａ）と，このコイル部（２４ａ）より延出する第１及び第２アーム（２４ｂ，２４ｃ）とよりなり，その第１及び第２アーム（２４ｂ，２４ｃ）間の挟み角度（δ）を増加させる方向に弾性反発力を発揮する捩じりコイルばねで前記弁ばね（２４）を構成し，
   前記弾性反発力により前記弁板（２３）に閉弁トルクを付与すべく，前記コイル部（２４ａ）を前記弁板（２３）に支承させると共に第１アーム（２４ｂ）を前記弁板（２３）に係止し，また第２アーム（２４ｃ）を，前記第１支点（２９）より前記弁孔（２２）側にオフセットした，前記弁座板（２１）上の第２支点（３０）で回動可能に支持されるリンク（２５）の先端部に相対回動可能に連接したことを特徴とする，エンジンの排気流制御弁。
2. 請求項１記載のエンジンの排気流制御弁において，
   前記コイル部（２４ａ）の一部を，前記弁板（２３）の一側面に形成した凹部（３６）に収容したことを特徴とする，エンジンの排気流制御弁。
3. 請求項２記載のエンジンの排気流制御弁において，
   前記凹部（３６）の相対向する両内側面を前記弁板（２３）の外方に向かって相互に広がる斜面（３６ａ，３６ａ）となし，この両斜面（３６ａ，３６ａ）でコイル部（２４ａ）の外周面を支承したことを特徴とする，エンジンの排気流制御弁。
4. 請求項２記載のエンジンの排気流制御弁において，
   前記弁座板（２１）に固着される支軸（４０）によりコイル部（２４ａ）の内周面の一部を支承して，前記コイル部（２４ａ）の外周面を前記凹部（３６）の内周面より浮かせたことを特徴とする，エンジンの排気流制御弁。
5. 請求項１〜４記載のエンジンの排気流制御弁において，
   前記弁ばね（２４）の第１アーム（２４ｂ）を，前記コイル部（２４ａ）の両端より延出する一対となし，前記第２アーム（２４ｃ）を前記コイル部（２４ａ）の中央部より延出させたことを特徴とする，エンジンの排気流制御弁。

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