JP7059876B2 - 車両マフラの排出孔開閉装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両マフラの凝縮水排出孔の開閉を行う車両マフラの排出孔開閉装置に関する。

車両のマフラ（「車両マフラ」と言う場合がある。）には、燃焼によって生成された水分が凝縮して溜まる。

下記特許文献１には、マフラの底面に排水孔を設け、この排水孔を開閉弁で塞ぐ構造が開示されている。開閉弁には、スプリングが取り付けられており、排気ガスの流れがないときは、スプリングの力によって開閉弁が開く。他方、排気ガスの流れがあるときは、排気ガス圧によってスプリングが圧縮されて、開閉弁が閉じる。

実開昭６１－１７５５２９号公報

上記特許文献１の技術では、マフラ内の高温環境下にスプリングを設置している。スプリングの耐久性を確保するためには部品コストが上昇してしまう。

本発明は、簡素な構成で、排出孔の開閉を行うことを目的とする。

本発明にかかる車両マフラの排出孔開閉装置は、車両マフラの壁面に設けられた凝縮水の排出孔と、前記車両マフラの内部に設けられ、支持軸回りの回動により前記排出孔を開閉する開閉蓋と、エンジンから排気が流れる排気管に連結されたインナパイプから排気の一部を前記車両マフラの内部に流れ出させる分流路と、を備え、前記開閉蓋は、下向きの荷重を与える錘が取り付けられた錘保持部と、前記排出孔の開閉を行う蓋として機能する蓋部と、前記分流路から流れ出る排気の流れにほぼ直交するように設けられた排気受けプレートが取り付けられ、前記分流路から流れ出る排気の圧力によって下向きの荷重が与えられる排気受け部と、を備え、前記錘の重力によって前記排出孔を開く方向に回動し、前記分流路から前記車両マフラの内部に流れ出す排気によって前記排出孔を閉じる方向に回動する、ことを特徴とする。

本発明の一態様にかかる車両マフラの排出孔開閉装置は、車両マフラの壁面に設けられた凝縮水の排出孔と、前記車両マフラ内において前記排出孔に対面して設けられ、形状変形により前記排出孔を開閉する開閉蓋と、を備え、前記開閉蓋は、前記車両マフラに流される排気の熱にともなう熱膨張または圧力にともなう弾性変形によって、前記排出孔を閉じる方向に変形する、ことを特徴とする。

本発明にかかる車両マフラの排出孔開閉装置によれば、車両マフラに設けた凝縮水の排出孔の開閉がシンプルな構成によって実現される。

実施形態にかかる車両マフラの斜視図である。 第１実施形態にかかる排出孔開閉装置を示す図である。 排出孔開閉装置におけるエンジン起動時の回動状態を示す図である。 変形例にかかる排出孔開閉装置を示す図である。 第２実施形態にかかる排出孔開閉装置を示す図である。 排出孔開閉装置における開閉蓋の変形状態を示す図である。 参考形態にかかる排出孔を示す図である。

以下に、図面を参照しながら、実施形態について説明する。説明においては、理解を容易にするため、具体的な態様について示すが、これらは実施形態を例示するものであり、他にも様々な実施形態をとることが可能である。

図１は、本実施形態にかかるマフラ１０の斜視図である。図中の座標系におけるＦ軸は車両前方向、Ｕ軸は上方向、Ｒ軸は搭乗者の右手方向を示している（以下の図でも同様）。マフラ１０は、ステンレスなどの金属で形成された略楕円筒形状の部品である。マフラ１０は、車両の後部の下面付近において、筒軸を前後方向に向け、楕円の短軸を上下方向に向けて設置されている。図１では、楕円形状の後壁１２と、軸の周りを囲む側壁１４が図示されている。後壁１２の下部には、内部に通じる排出孔１６が設けられている。

マフラ１０には、排気管２０が接続されている。排気管２０のうち、マフラ１０の前面に接続された上流側排気管２０ａは、車両前方に設けられたエンジンからの排気をマフラ１０に流す管である。また、排気管２０のうち、マフラ１０の後面に接続された下流側排気管２０ｂは、マフラ１０からの排気を外気に放出する管である。マフラ１０の内部には、上流側排気管２０ａと連結されたインナパイプが設けられている。通常、このインナパイプは、下流側排気管２０ｂにも連結される。しかし、上流側排気管２０ａが連結されたインナパイプと、下流側排気管２０ｂが連結されたインナパイプとが、マフラ１０内で直接的には接続されていないようなものもある。後壁１２及び側壁１４は、インナパイプの外側に設けられ、インナパイプよりも拡径されたアウタパイプとしての役割を有している。

エンジンの駆動中、マフラ１０には、上流側排気管２０ａを通じて、高温高圧の排気が流れ込む。マフラ１０では、上流側排気管２０ａに比べて拡径された内部空間を利用して、排気の温度と圧力を下げて、騒音を抑制している。マフラ１０の内部では、この過程で、排気に含まれる水蒸気が凝縮して凝縮水が生じ、マフラ１０の下部に溜まることになる。マフラ１０の後壁１２の排出孔１６は、凝縮水を排出するための水抜き孔として機能している。排出孔１６は、例えば、直径３ｍｍ～５ｍｍ程度の大きさに作られている。

排出孔１６では、排気漏れあるいは熱漏れも発生する。これは、外気に比べてマフラ１０の内部の排ガスが高温高圧状態にあることに起因する。高温高圧の排気が排出孔１６から漏れ出した場合には、急激な膨張に伴う爆発音が発生することになる。また、排出孔１６では、凝縮水を排出する際に、「ボコボコ」という異音が発生することがある。これは、排出孔１６に形成される水膜が断続的に破れて排水が行われるためである。本実施形態では、これらを抑制または防止するために、排出孔開閉装置を設けている。

（１）第１実施形態
図２及び図３を参照して、第１実施形態にかかる排出孔開閉装置について説明する。図２は、第１実施形態にかかるマフラ１０の内部から、後壁１２付近を見た図である。後壁１２における車幅方向中央のやや上部には、排気管２０と連結されたインナパイプ２２が通っている。インナパイプ２２には、後壁１２の近くにおいて、図の左下方向に排気の一部を流す分流路２４が設けられている。また、後壁１２の車幅方向中央の下部には、水抜き孔である排出孔１６が設けられている。

排出孔１６よりもやや上部には、排出孔１６を開閉するための開閉蓋３０が取り付けられている。開閉蓋３０は、ステンレスなどの金属で作られた部品であり、支持軸３２の周りに回動可能に取り付けられている。回動とは、支持軸３２を回転軸として、支持軸３２の周りに適当な角度で往復する動きをいう。支持軸３２は、金属製の部材であり、後壁１２の車幅方向中央における排出孔１６よりも若干上側に設けられている。

開閉蓋３０は、支持軸３２から主として３方向に延びた形状に形成されている。一つは、図２において右方向（Ｒ軸の反対方向）に延びる錘保持部３４である。錘保持部３４には、錘３６が取り付けられている。錘３６は厚い金属板などによって作られており、錘保持部３４に下向き（Ｕ軸の反対方向）の荷重を与える。もう一つは、支持軸３２から図２の左下方向（排出孔１６よりも若干左側）に延びる蓋部３８である。蓋部３８は、排出孔１６の開閉を行う蓋として機能する。残る一つは、支持軸３２から図の左方向に延びた排気受け部４０である。排気受け部４０には、排気受けプレート４２が取り付けられている。排気受けプレート４２は、車両の前方方向に拡がった金属製の板状部材である。排気受けプレート４２は、分流路２４からの排気の流れにほぼ直交するように設けられており、排気の圧力を受けて、排気受け部４０に下向きの荷重を与える。

開閉蓋３０における錘保持部３４の直下にはストッパ５０が設けられている。ストッパ５０は、後壁１２に固定的に取り付けられた金属であり、錘保持部３４が、図２の状態よりも下側に下がる（右回転する）ことを防止している。

図２には、排気が流れていない状態、すなわちエンジンが停止した状態を示している。この状態では、排気受けプレート４２に排気の圧力は作用しない。このため、排気受け部４０には、自重に対応した若干の重力のみが作用している。これに対し、錘保持部３４には、錘３６によって大きな重力を受けている。したがって、開閉蓋３０は全体として、重力により右回転をする力が作用している。しかし、開閉蓋３０の錘保持部３４は、ストッパ５０によって右回転の動きを制限され、ストッパ５０から抗力を受けている。この結果、図２に示す状態で静止することになる。

図２に示した状態では、蓋部３８は、排出孔１６を覆っておらず、排出孔１６は、外部と通じている。このため、マフラ１０内に溜まった凝縮水は、排出孔１６から流れだす。したがって、例えば寒冷地の冬季において、エンジン停止中の夜間にマフラ１０内の凝縮水が凍結することによる排気系統の詰まりなども防止される。

図３は、図２に対応する図であり、エンジンが高回転で起動している状態を示している。このため、分流路２４からは、排気５２が流れ出して、排気受けプレート４２に圧力を与えている。この圧力により排気受け部４０に作用するモーメントが、錘３６を通じて錘保持部３４に作用するモーメントよりも大きくなると、開閉蓋３０が支持軸３２の周りに左回転する。ただし、左回転の変位が大きくなると、排気受けプレート４２は排気５２から遠ざかり、かつ、排気受けプレート４２と排気５２との角度も小さくなる（垂直から遠ざかる）ことで、排気受けプレート４２が排気５２から受ける圧力が弱まる。この結果、図３に示した状態では、開閉蓋３０は排気受け部４０に作用するモーメントと、錘保持部３４に作用するモーメントがバランスして、ほぼ静止した状態となっている。

図３に示した状態では、蓋部３８が排出孔１６と重なる位置にあり、排出孔１６は閉じられた状態にある。したがって、凝縮水が排出孔１６から流れ出すことはない。しかし、一般に、エンジンが高回転し、インナパイプ２２を排気が高速で流れる状態では、凝縮水はマフラ１０内には溜まりにくい。これは、マフラ１０が高温化した状態にあり、凝縮水が気化しやすいことや、マフラ１０内に流れる排気の勢いによって凝縮水が吹き飛ばされるなどの理由による。

蓋部３８が排出孔１６を閉じることで、高速走行中には、排出孔１６を通じた排気の漏れや熱の漏れが防止される。これによって、排出孔１６からの爆発音の発生を低減することができる。

このように、分流路２４及び開閉蓋３０を用いて、排出孔１６の開閉を行う排出孔開閉装置を形成することができる。エンジンの回転数がどの程度になった段階で、排出孔１６を閉じ始めるか、完全に閉じるか、については様々に設定可能である。例えば、エンジンを起動しないときにのみ、排出孔１６を完全に開放し、エンジンがアイドリング状態になった場合には、排出孔１６を閉じ始める、あるいは、完全に閉じる態様が考えられる。あるいは、エンジンがアイドリング状態にある段階では、排出孔１６を完全に開放しておいてもよい。具体的な調整は、例えば、マフラ１０に溜まる凝縮水の量、マフラ１０からの爆発音などを考慮した上で行うことになる。

以上の説明では、ストッパ５０を用いて、開閉蓋３０の回動幅を制限した。しかし、例えば、開閉蓋３０の形状と、支持軸３２との位置関係を調整することで、ストッパ５０を用いない構成を実現することも可能である。一例としては、エンジンが停止し、重力の作用で錘３６が支持軸３２の真下に位置した状態において、排出孔１６を開口させるようにする態様を挙げることができる。

なお、図３に示した分流路２４からの排気５２の流れは、様々な態様によって作り出すことができる。例えば、インナパイプ２２を、上流側排気管２０ａと連結されたインナパイプ２２ａと、下流側排気管２０ｂと連結されたインナパイプ２２ｂとに分離した上で、インナパイプ２２ａに分流路２４を設ける態様が挙げられる。この態様では、高温高圧の排気５２がインナパイプ２２ａから分流路２４を通ってマフラ１０の内部に流れ出し、その後、インナパイプ２２ｂに入り込む流れを容易に作り出すことができる。

また、別の態様としては、インナパイプ２２に設けた分流路２４の開口面積に比べて、インナパイプ２２に戻る流路の開口面積を大きくすることで、流れに指向性を持たせる例が挙げられる。この態様では、通気抵抗が変化することを利用して、分流路２４からの排気５２の流れを作り出す。具体的な流路の構成は、流体力学的知見に基づいて、様々に設定することが可能である。

ここで、図４を参照して、図２及び図３に示した排出孔開閉装置の変形態様について説明する。図４は、マフラ１０の内部から後壁１２を見た図である。この態様では、インナパイプ２２には、分流路２４は設けられていない。また、排出孔１６の開閉を行う開閉蓋６０は、支持軸６２によって支持されているが、その形状はシンプルであり、蓋部６４が設けられているのみである。

この実施態様では、図示を省略したマフラ１０の外部にモータが設けられる。そして、モータによって支持軸６２が回転されることで、開閉蓋６０の回動が行われる。モータはマフラ１０の外部に設けるため、それほど高温化することはなく、安定して動作することになる。モータを用いた場合には、製造コストが上昇するが、例えば、排気の量、凝縮水の量などに応じて、細かな制御を行うことが可能となる。

（２）第２実施形態
図７及び図８を参照して、第２実施形態にかかる排出孔開閉装置について説明する。図７は、第２実施形態にかかるマフラ１０の内部から、排出孔１６付近を見た斜視図である。図７に示すように、後壁１２に設けられた排出孔１６の前面に、金属板を加工して形成した開閉蓋７０が設けられている。開閉蓋７０は、断面がハット形状に形成された部品である。具体的には、開閉蓋７０は、ハットのつば部分である取付部７２と、側面をなす側部７４と、ハットトップに相当する蓋部７６を備えている。取付部７２は、後壁１２にボルト締結あるいは溶接により取り付けられる部位である。側部７４は、後壁１２から車両前方に向かって立ち上がった部位である。また、蓋部７６は、排出孔１６の前面を覆っている部位である。

図６は、図５に示したＡＡ面で切った端面図である。図６においては、後壁１２と排出孔１６の前面に、図５に対応した開閉蓋７０を実線で示している。この開閉蓋７０は、エンジンを長時間停止し、マフラ１０の内部が外気の温度と等しくなった状態を示している。この相対的に温度が低い状態では、開閉蓋７０は蓋部７６が排出孔１６から離れるような大きさに設定されている。したがって、排出孔１６は開いた状態にあり、マフラ１０の内部にたまった凝縮水は排出孔１６から流れ出す。

図６には、二点鎖線で変形時の開閉蓋７０ａも示している。この開閉蓋７０ａは、エンジンが始動され、マフラ１０の内部が高温高圧の排気で満たされている場合の状態を示している。高温化した場合、マフラ１０の後壁１２と、開閉蓋７０は、ともに熱膨張を起こす。このとき、後壁１２では、例えば図中の長さＬ１の箇所は、線膨張係数α１、上昇温度ΔＴとした場合に、Ｌ１（１＋α１ΔＴ）の長さになる。他方、この両端において後壁１２と接続された開閉蓋７０は、蓋部７６と、二つの側部７４を併せた長さＬ２の箇所が熱膨張する。

後壁１２と開閉蓋７０の線膨張係数α１、α２が等しい場合、熱膨張後の両者の長さの比は熱膨張前と変わらないため、熱膨張後の形状は熱膨張前と相似の形状になる。しかし、開閉蓋７０の線膨張係数α２の方が、後壁１２の線膨張係数α１よりも大きい場合（α２＞α１）には、熱膨張後には、開閉蓋７０の方が後壁１２よりも相対的に長くなる。そこで、図８の二点鎖線で示した開閉蓋７０ａのように、蓋部７６ａが排出孔１６を塞ぐような変形を起こすことが期待できる。特に、蓋部７６は、排出孔１６の側に緩やかに凸となる形状に形成されている。したがって、熱膨張によって、この凸が強調されて、排出孔１６の側に接近していくことが期待できる。例えば、後壁１２をＳＵＳ４３６のステンレスで形成し、開閉蓋７０をＳＵＳ３０４のステンレスで形成した場合には、開閉蓋７０の線膨張係数α２を後壁１２の線膨張係数α１よりも大きくすることができる。

なお、開閉蓋７０の線膨張係数α２を後壁１２の線膨張係数α１よりも小さくした場合には、熱膨張によって開閉蓋７０が後壁１２に比べて相対的に短くなる。そこでこのメカニズムを利用して、高温時に開閉蓋７０を排出孔１６に接近させる変形を起こさせてもよい。

開閉蓋７０は、熱膨張の効果にかかわらず、排気の圧力によっても変形を起こす。マフラ１０の内部では、エンジン起動時には外気よりも高温高圧の排気で満たされる。このため、排出孔１６が開いている場合には、相対的に低圧である外部に向かって、排気が流れる。この流れ、あるいは圧力差によって、開閉蓋７０は排出孔１６に向かって変形する。そして、図６に示したように、変形した蓋部７６ａによって排出孔１６が閉じられることになる。開閉蓋７０は、取付部７２と側部７４の間に屈曲部があり、側部７４と蓋部７６との間にも屈曲部があって、これらによって変形が制御されるため、蓋部７６ａは着実に排出孔１６を閉じることができる。閉じられた状態では、蓋部７６ａは、マフラ１０内の圧力と外気の圧力の差による力を受けて後壁１２に押し付けられるため、安定的に排出孔１６を閉じることになる。

第２実施形態にかかる排出孔開閉装置は、このようにして、開閉蓋７０と排出孔１６を利用して形成されている。実施形態１と同様に、実施形態２の排出孔開閉装置においても、エンジン起動時における排気漏れ及び熱漏れを防ぎ、爆発音を低減させることが可能となる。排出孔１６を、エンジンの回転数がどの程度になった段階で、排出孔１６を閉じ始めるか、完全に閉じるか、については実施形態１と同様に、様々に設定可能である。

（３）参考形態
図７を参照して、排出孔１６の形状に関する参考形態について説明する。図７は、排出孔１６を含む面で切った後壁１２の端面図である。ここでは、後壁１２の一方が、排出孔１６の周囲において、マフラ１０の外側に折り曲げられて、部分的バーリングフランジ１２ａを形成している。この部分的バーリングフランジ１２ａを設けた場合、部分的バーリングフランジ１２ａを設けない場合に比べて、排出孔１６の周囲の線長が長くなり、また、形状も不規則となる。これにより、排出孔１６には、凝縮水の水膜が張られにくくなり、「ボコボコ」という凝縮水を排出する際の異音の発生を抑制することが可能となる。

部分的バーリングフランジ１２ａは、１か所のみに設けてもよいが、不均等に複数設けることで、水膜を防ぐ効果を高めることが可能となる。

この参考形態にかかる部分的バーリングフランジ１２ａは、上記第１実施形態あるいは第２実施形態にかかる排出孔開閉装置とともに実施することが可能である。

１０ マフラ、１２ 後壁、１２ａ 部分的バーリングフランジ、１４ 側壁、１６ 排出孔、２０ 排気管、２０ａ 上流側排気管、２０ｂ 下流側排気管、２２、２２ａ、２２ｂ インナパイプ、２４ 分流路、３０ 開閉蓋、３２ 支持軸、３４ 錘保持部、３６ 錘、３８ 蓋部、４０ 排気受け部、４２ 排気受けプレート、５０ ストッパ、５２ 排気、６０ 開閉蓋、６２ 支持軸、６４ 蓋部、７０、７０ａ 開閉蓋、７２ 取付部、７４ 側部、７６、７６ａ 蓋部。

Claims (1)

1. 車両マフラの壁面に設けられた凝縮水の排出孔と、
   前記車両マフラの内部に設けられ、支持軸回りの回動により前記排出孔を開閉する開閉蓋と、
   エンジンから排気が流れる排気管に連結されたインナパイプから排気の一部を前記車両マフラの内部に流れ出させる分流路と、
   を備え、
   前記開閉蓋は、
   下向きの荷重を与える錘が取り付けられた錘保持部と、前記排出孔の開閉を行う蓋として機能する蓋部と、前記分流路から流れ出る排気の流れにほぼ直交するように設けられた排気受けプレートが取り付けられ、前記分流路から流れ出る排気の圧力によって下向きの荷重が与えられる排気受け部と、を備え、
   前記錘の重力によって前記排出孔を開く方向に回動し、前記分流路から前記車両マフラの内部に流れ出す排気によって前記排出孔を閉じる方向に回動する、ことを特徴とする車両マフラの排出孔開閉装置。

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