排気流路用弁装置

本発明は、排気流路用弁装置に関する。

内燃機関の排気系において排気流路を開閉することにより流路形態を切り替える排気流路用弁装置が知られている。例えば特許文献1には、内燃機関用マフラの内部を上流室と下流室とに区画するセパレータに形成された開口部を開閉する排気流路用弁装置が開示されている。この排気流路用弁装置では、開口部を閉塞可能な弁体が、支持体により回転移動可能に支持され、コイルバネにより閉弁方向へ付勢されている。したがって、内燃機関の回転数が低い状態においては、上流室内の排ガスの圧力が低いため、開口部が弁体により閉塞された閉弁状態となり、排気音が低減される。一方、内燃機関の回転数が増加すると、上流室内の排ガスの圧力が高くなり、弁体が開口部から離間して開口部が開放された開弁状態となり、圧力損失が低減される。

ただし、特許文献1に記載の構成では、弁体が開弁方向へ移動するほどコイルバネの付勢力が大きくなる。このため、低回転状態での排気音低減を重視してコイルバネの付勢力を強めに設計すると、高回転状態で圧力損失を低減する効果が損なわれてしまう。逆に、高回転状態での圧力損失低減を重視してコイルバネの付勢力を弱めに設計すると、低回転状態で排気音を低減する効果が損なわれてしまう。

そこで、例えば特許文献2に記載のように、リンク式のトグル機構を備える排気流路用弁装置が提案されている。トグル機構を備える排気流路用弁装置は、支持体により回転移動可能に支持された支持側リンク部材と、弁体により回転移動可能に支持され、支持側リンク部材と互いに回転移動可能に接続された弁側リンク部材と、を備える。つまり、支持体、弁体、支持側リンク部材及び弁側リンク部材により、トグル機構が構成される。このため、閉弁状態において、支持側リンク部材と弁側リンク部材とにより形成される角度であるリンク角が大きい(180度に近い)ほど、弁体を開弁方向へ回転移動させるために強い外力を要する。したがって、弁体を付勢部材による付勢力のみで閉弁状態に維持する構成(例えば、前述した特許文献1に記載の構成)と比較して、付勢部材の付勢力を弱めつつ、弁体を開弁するために必要な外力を高くすることができる。

トグル機構による閉弁維持力を高めるためには、閉弁状態でのリンク角を大きく設計することが求められるが、リンク角が180度に達してしまうと弁体が正常に開弁できなくなる不具合が生じ得る。そこで、特許文献2に記載の構成においては、支持側リンク部材に形成された支持側ストッパ部と、弁側リンク部材に形成された弁側ストッパ部と、が当接することにより、リンク角を180度よりも小さい角度に制限するストッパ機構が形成されている。

特開平9−195749号公報

特開2013−174131号公報

閉弁状態でのリンク角は、弁体の開度特性(ひいては弁装置の性能)に大きく影響するものであり、長期間の使用においても一定に保たれることが好ましい。しかしながら、前述した特許文献2に記載の構成では、経年劣化等の要因で、ストッパ機構により制限されるリンク角のばらつきが大きくなってしまうという問題があった。

本発明は、ストッパ機構により制限されるリンク角のばらつきを抑制することのできる排気流路用弁装置を提供することを目的としている。

本発明の一側面は、トグル機構を備える排気流路用弁装置であって、支持体と、前記支持体により回転移動可能に支持され、排気流路を開閉するための弁体と、前記支持体により回転移動可能に支持された支持側リンク部材と、前記弁体により回転移動可能に支持され、前記支持側リンク部材と互いに回転移動可能に接続された弁側リンク部材と、前記弁体を閉弁方向へ付勢するための付勢部材と、を備え、前記支持側リンク部材及び前記弁側リンク部材は、前記支持側リンク部材に形成された第1支持側ストッパ部と、前記弁側リンク部材に形成された第1弁側ストッパ部と、が当接することにより、前記支持側リンク部材と前記弁側リンク部材とにより形成される角度であるリンク角を制限する第1ストッパ機構と、前記支持側リンク部材に形成された第2支持側ストッパ部と、前記弁側リンク部材に形成された第2弁側ストッパ部と、が当接することにより前記リンク角を制限する第2ストッパ機構と、を構成する。このような構成によれば、1つのストッパ機構のみでリンク角を制限する構成と比較して、ストッパ機構により制限されるリンク角のばらつきを抑制することが可能となる。

上記構成において、前記第2支持側ストッパ部は、前記第1支持側ストッパ部と前記第1弁側ストッパ部との当接位置を支点とする前記弁側リンク部材の前記リンク角が広がる側への回転移動を規制する位置に設けられていてもよい。このような構成によれば、リンク角のばらつきを効果的に抑制することができる。

上記構成において、前記第1支持側ストッパ部及び前記第2支持側ストッパ部は、前記弁側リンク部材の熱膨張による伸縮を許容する状態で当該弁側リンク部材に当接し、前記第1弁側ストッパ部及び前記第2弁側ストッパ部は、前記支持側リンク部材の熱膨張による伸縮を許容する状態で当該支持側リンク部材に当接してもよい。このような構成によれば、熱膨張による伸縮が阻害されることによる不具合等を生じにくくすることができる。

実施形態の排気流路用弁装置の斜視図である。

図2(A)は、実施形態の支持側リンク部材及び弁側リンク部材のがたつきの小さい接続状態を示す模式的な断面図、図2(B)は、実施形態の支持側リンク部材及び弁側リンク部材のがたつきの大きい接続状態であってリンク角が広がった状態を示す模式的な断面図、図2(C)は、実施形態の支持側リンク部材及び弁側リンク部材のがたつきの大きい接続状態であってリンク角が狭まった状態を示す模式的な断面図である。

図3(A)は、比較例の支持側リンク部材及び弁側リンク部材のがたつきの小さい接続状態を示す模式的な断面図、図3(B)は、比較例の支持側リンク部材及び弁側リンク部材のがたつきの大きい接続状態であってリンク角が広がった状態を示す模式的な断面図、図3(C)は、比較例の支持側リンク部材及び弁側リンク部材のがたつきの大きい接続状態であってリンク角が狭まった状態を示す模式的な断面図である。

図4(A)は比較例の構成での弁体開閉のサイクル数と弁体開弁時の荷重との関係を示すグラフ、図4(B)は実施形態の構成での弁体開閉のサイクル数と弁体開弁時の荷重との関係を示すグラフである。

図5(A)は比較例の構成でのエンジン回転数と音圧との関係を示すグラフ、図5(B)は実施形態の構成でのエンジン回転数と音圧との関係を示すグラフである。

図6(A)は第1変形例の排気流路用弁装置の斜視図、図6(B)は第1変形例の支持側リンク部材及び弁側リンク部材の接続状態を示す模式的な断面図である。

図7(A)は第2変形例の排気流路用弁装置の斜視図、図7(B)は第2変形例の支持側リンク部材及び弁側リンク部材の接続状態を示す模式的な断面図である。

以下、本発明が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。 [1.構成] 図1に示す排気流路用弁装置(以下、単に「弁装置」という。)1は、車両に搭載された内燃機関から排出される排ガスの排気流路に設けられる。なお、本実施形態の弁装置1は、前述した特許文献2に記載の構成と同様、排気流路の一部を構成する図示しないマフラの内部において、マフラ内に形成された複数室を連通するインナパイプの下流側端部に取り付けられ、当該端部の開口部(排ガスのバイパス流路)を開閉する。

図1及び図2(A)に示すように、弁装置1は、支持体(ステー)2と、弁体(バタフライ)3と、支持側リンク部材4と、弁側リンク部材5と、4つの回転軸部材61〜64と、付勢部材7と、を備える。

支持体2は、概略円環状の本体部21と、本体部の左右両側から立ち上がるように形成された左右対称形状の2枚の側板部22と、を備える。本体部21は、インナパイプの下流側端部の開口部に固定される。本体部21には、インナパイプの開口部と連通する連通孔が、弁体3で覆われた位置に形成されている。側板部22には、弁体3を回転移動可能に支持するための第1回転軸部材61が貫通する第1軸受部221と、支持側リンク部材4を回転移動可能に支持するための第2回転軸部材62が貫通する第2軸受部222と、が形成されている。

弁体3は、概略円板状の本体部31と、本体部の左右両側から立ち上がるように形成された左右対称形状の2枚の側板部32と、を備える。本体部31は、インナパイプの開口部(具体的には支持体2の本体部21に形成された連通孔)を閉塞可能な形状のものである。側板部32における基端側端部には、前述した第1回転軸部材61が貫通する第1軸受部321が形成されている。つまり、弁体3は、第1回転軸部材61を介して支持体2に接続され、支持体2により第1回転軸部材61の回転軸線(以下「第1回転軸線C1」という。)を中心に回転移動可能に支持されている。弁体3は、インナパイプの開口部を閉じた閉弁状態から、インナパイプの開口部を開放した開弁状態まで、回転移動可能となっている。また、側板部32における先端側端部には、弁側リンク部材5を回転移動可能に支持するための第3回転軸部材63が貫通する第3軸受部322が形成されている。

支持側リンク部材4は、軸方向両側に形成された左右対称形状の2枚の側板部41と、これら側板部41を連結する連結板部42と、を備える。側板部41の両端部のうちの一方(第1端部)には、前述した第2回転軸部材62が貫通する第2軸受部411が形成されている。つまり、支持側リンク部材4は、第2回転軸部材62を介して支持体2に接続され、支持体2により第2回転軸部材62の回転軸線(以下「第2回転軸線C2」という。)を中心に回転移動可能に支持されている。また、側板部41の両端部のうちの他方(第2端部)には、弁側リンク部材5を回転移動可能に支持するための第4回転軸部材64が貫通する第4軸受部412が形成されている。一方、連結板部42には、第2回転軸部材62の軸方向に沿って上方(弁体3側とは反対側)へ突出した突出部421が形成されている。

弁側リンク部材5は、軸方向両側に形成された左右対称形状の2枚の側板部51と、これら側板部51を連結する連結板部52と、を備える。側板部51の両端部のうちの一方(第1端部)には、前述した第3回転軸部材63が貫通する第3軸受部511が形成されている。つまり、弁側リンク部材5は、第3回転軸部材63を介して弁体3に接続され、弁体3により第3回転軸部材63の回転軸線(以下「第3回転軸線C3」という。)を中心に回転移動可能に支持されている。また、側板部51の両端部のうちの他方(第2端部)には、支持側リンク部材4を回転移動可能に支持するための第4回転軸部材64が貫通する第4軸受部512が形成されている。つまり、支持側リンク部材4と弁側リンク部材5とは、第4回転軸部材64を介して接続され、第4回転軸部材64の回転軸線(以下「第4回転軸線C4」という。)を中心に互いに回転移動可能に接続されている。弁側リンク部材5の2枚の側板部51は、支持側リンク部材4の2枚の側板部41の内側に位置する。なお、第1回転軸線C1、第2回転軸線C2、第3回転軸線C3及び第4回転軸線C4は、軸線方向が互いに平行である。

このように、支持体2、弁体3、支持側リンク部材4及び弁側リンク部材5が、4つの回転軸部材61〜64を介して互いに回転移動可能に接続され、リンク式のトグル機構(リンク機構)が構成されている。

付勢部材(本実施形態ではコイルバネ)7は、弁体3及び弁側リンク部材5に作用するように、第3回転軸部材63が挿通された状態で取り付けられており、弁体3及び弁側リンク部材5を、閉弁時の位置関係(角度)に近づける方向に付勢する。つまり、付勢部材7は、弁体3を閉弁方向へ付勢する。したがって、弁体3を開弁する外力が加わっていない状態では、弁体3が閉弁状態となる。

図2(A)に示すように、閉弁状態では、支持側リンク部材4と弁側リンク部材5とにより形成される角度であるリンク角が、180度に近い大きさの角度θ0となるように設計されている。つまり、支持側リンク部材4と弁側リンク部材5とが、閉弁状態において一直線に近い状態で並ぶように設計されている。具体的には、第1回転軸線C1の軸線と直交する平面において、第2回転軸線C2(詳細には軸線と平面との交点。以下同様。)と第4回転軸線C4とを結ぶ第1リンク線L1と、第3回転軸線C3と第4回転軸線C4とを結ぶ第2リンク線L2と、により形成されるリンク角が、閉弁状態で180度に近い角度θ0になる。リンク角は、弁体3が開弁方向に回転移動するほど小さくなるように設計されており、閉弁状態でのリンク角が最も大きく形成される。このため、閉弁状態において、弁体3を開弁方向へ回転移動させるために、強い外力を要する。

ところで、この種の弁装置1は、高温環境下で用いられるため、軸と軸受部との間には、各部材の熱膨張による伸縮を許容するための遊び(隙間)を設ける必要がある。具体的には、4つの回転軸部材61〜64と、これらが貫通する各軸受部221,222,321,322,411,412,511,512と、の間に遊びが設けられている。そして、遊びの部分には、金属製(例えばステンレス製)の線材が円筒状に成形された部材であるメッシュ部材(ワイヤメッシュ)8が設けられている。メッシュ部材8は、耐熱性及び弾性を有しているため、支持体2、弁体3、支持側リンク部材4及び弁側リンク部材5は、がたつきの小さい状態で接続される。

しかしながら、長期間の使用によりメッシュ部材8が経年劣化すると、がたつきが大きくなり得る。支持側リンク部材4及び弁側リンク部材5の接続状態のがたつきが大きくなることは、ストッパ機構により制限されるリンク角がばらついてしまう要因となる。

そこで、本実施形態では、支持側リンク部材4及び弁側リンク部材5が、リンク角を180度よりも小さい角度に制限するための2つのストッパ機構を構成する。第1ストッパ機構は、支持側リンク部材4の突出部421(第1支持側ストッパ部に相当)と、弁側リンク部材5の側板部51における先端部513(第1弁側ストッパ部に相当)と、が当接することによりリンク角を制限する。第2ストッパ機構は、支持側リンク部材4の側板部41に形成された爪部413(第2支持側ストッパ部に相当)と、弁側リンク部材5の側板部51における上縁部514(第2弁側ストッパ部に相当)と、が当接することによりリンク角を制限する。

突出部421及び爪部413は、弁側リンク部材5の熱膨張による伸縮を許容する状態で当該弁側リンク部材5に当接するように設計されている。具体的には、第2リンク線L2に沿った方向に対して垂直に近い面で弁側リンク部材5に当接するほど、その伸縮を阻害しやすくなるが、突出部421及び爪部413は、第2リンク線L2に沿った方向に対して平行に近い面で弁側リンク部材5に当接している。

同様に、先端部513及び上縁部514は、支持側リンク部材4の熱膨張による伸縮を許容する状態で当該支持側リンク部材4に当接するように設計されている。具体的には、第1リンク線L1に沿った方向に対して垂直に近い面で支持側リンク部材4に当接するほど、その伸縮を阻害しやすくなるが、先端部513及び上縁部514は、第1リンク線L1に沿った方向に対して平行に近い面で支持側リンク部材4に当接している。

また、爪部413は、支持側リンク部材4に対する弁側リンク部材5の回転移動中心位置にばらつきが生じた状態において、突出部421と先端部513との当接位置を支点とする弁側リンク部材5のリンク角が広がる側への回転移動を規制する位置に設けられている。換言すれば、先端部513は、弁側リンク部材5に対する支持側リンク部材4の回転移動中心位置にばらつきが生じた状態において、爪部413と上縁部514との当接位置を支点とする支持側リンク部材4のリンク角が広がる側への回転移動を規制する位置に設けられている。

[2.効果] 以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。 [2A]支持側リンク部材4及び弁側リンク部材5は、支持側リンク部材4に形成された突出部421と、弁側リンク部材5に形成された先端部513と、が当接することによりリンク角を制限する第1ストッパ機構と、支持側リンク部材4に形成された爪部413と、弁側リンク部材5に形成された上縁部514と、が当接することによりリンク角を制限する第2ストッパ機構と、を構成する。したがって、本実施形態によれば、1つのストッパ機構でリンク角を制限する従来の構成と比較して、ストッパ機構により制限されるリンク角のばらつきを抑制することが可能となる。

図3(A)に示す比較例は、ストッパ機構を1つのみ備える構成であって、第2ストッパ機構(爪部413及び上縁部514)を有しない点で実施形態と相違する。比較例の構成では、支持側リンク部材4及び弁側リンク部材5の接続状態のがたつきが大きくなると、ストッパ機構により制限されるリンク角のばらつきが大きくなる。具体的には、図3(B)に示すようにリンク角が初期状態での角度θ0よりも大きくなったり(θ1>θ0)、図3(C)に示すようにリンク角が初期状態での角度θ0よりも小さくなったりする(θ2<θ0)。支持側リンク部材4に対する弁側リンク部材5の回転移動中心位置にばらつきが生じた状態においては、突出部421と先端部513との当接位置を支点として弁側リンク部材5が揺動可能となるからである。

これに対し、本実施形態の構成では、支持側リンク部材4に対する弁側リンク部材5の回転移動中心位置にばらつきが生じた状態において、突出部421と先端部513との当接位置を支点とする弁側リンク部材5のリンク角が広がる側への回転移動を規制する位置に、爪部413が設けられている。つまり、弁側リンク部材5が、突出部421及び爪部413により挟まれる形となる。その結果、図2(B)及び図2(C)に示すように、比較例の構成よりもリンク角のばらつきが抑制される。

図4(A)の耐久試験データに示すように、比較例の構成では、長期間の使用に伴い、弁体3を閉弁状態から開弁方向へ回転移動させるための荷重が大きく変化(この例では低下)する。このため、図5(A)の耐久試験データに示すように、エンジン回転数に伴う排気音の音圧は、耐久前(実線)と耐久後(破線)とで大きく変化(悪化)してしまう。

これに対し、図4(B)の耐久試験データに示すように、本実施形態の構成では、長期間使用した場合にも、比較例よりも荷重の変化を抑えることができる。このため、図5(B)の耐久試験データに示すように、エンジン回転数に伴う排気音の音圧の悪化を抑制することができる。

[2B]爪部413は、支持側リンク部材4に対する弁側リンク部材5の回転移動中心位置にばらつきが生じた状態において、突出部421と先端部513との当接位置を支点とする弁側リンク部材5のリンク角が広がる側への回転移動を規制する位置に設けられている。したがって、本実施形態によれば、リンク角のばらつきを効果的に抑制することができる。

[2C]突出部421及び爪部413は、弁側リンク部材5の熱膨張による伸縮を許容する状態で当該弁側リンク部材5に当接し、先端部513及び上縁部514は、支持側リンク部材4の熱膨張による伸縮を許容する状態で当該支持側リンク部材4に当接する。したがって、本実施形態によれば、熱膨張による伸縮が阻害されることによる不具合等を生じにくくすることができる。

[3.他の実施形態] 以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

[3A]上記実施形態の第1ストッパ機構及び第2ストッパ機構の位置や構造等は一例であり、特に限定されない。 例えば、図6(A)及び図6(B)に示す第1変形例の弁装置1Aは、上記実施形態と同様の支持体2A及び弁体3Aと、上記実施形態とは形状の大きく異なる支持側リンク部材4A及び弁側リンク部材5Aと、を備える。なお、弁装置1Aは、上記実施形態と同様の4つの回転軸部材61A〜64Aと、付勢部材7Aと、を備える。

弁装置1Aにおいても、上記実施形態と同様、支持側リンク部材4A及び弁側リンク部材5Aが2つのストッパ機構を構成する。第1ストッパ機構は、支持側リンク部材4Aの上面41A(第1支持側ストッパ部に相当)と、弁側リンク部材5Aの先端爪部51A(第1弁側ストッパ部に相当)と、が当接することによりリンク角を制限する。第2ストッパ機構は、支持側リンク部材4Aの下縁部42A(第2支持側ストッパ部に相当)と、弁側リンク部材5Aの連結部52A(第2弁側ストッパ部に相当)と、が当接することによりリンク角を制限する。

上面41A及び下縁部42Aは、弁側リンク部材5Aの熱膨張による伸縮を許容する状態で当該弁側リンク部材5Aに当接するように設計されている。同様に、先端爪部51A及び連結部52Aは、支持側リンク部材4Aの熱膨張による伸縮を許容する状態で当該支持側リンク部材4Aに当接するように設計されている。

また、下縁部42Aは、支持側リンク部材4Aに対する弁側リンク部材5Aの回転移動中心位置にばらつきが生じた状態において、上面41Aと先端爪部51Aとの当接位置を支点とする弁側リンク部材5Aのリンク角が広がる側への回転移動を規制する位置に設けられている。換言すれば、先端爪部51Aは、弁側リンク部材5Aに対する支持側リンク部材4Aの回転移動中心位置にばらつきが生じた状態において、下縁部42Aと連結部52Aとの当接位置を支点とする支持側リンク部材4Aのリンク角が広がる側への回転移動を規制する位置に設けられている。

また例えば、図7(A)及び図7(B)に示す第2変形例の弁装置1Bは、上記実施形態と同様の支持体2B及び弁体3Bと、上記実施形態とは形状の大きく異なる支持側リンク部材4B及び弁側リンク部材5Bと、を備える。なお、弁装置1Bは、上記実施形態と同様の4つの回転軸部材61B〜64Bと、付勢部材7Bと、を備える。

弁装置1Bにおいても、上記実施形態と同様、支持側リンク部材4B及び弁側リンク部材5Bが2つのストッパ機構を構成する。第1ストッパ機構は、支持側リンク部材4Bの上面41B(第1支持側ストッパ部に相当)と、弁側リンク部材5Bの先端爪部51B(第1弁側ストッパ部に相当)と、が当接することによりリンク角を制限する。第2ストッパ機構は、支持側リンク部材4Bの下縁部42B(第2支持側ストッパ部に相当)と、弁側リンク部材5Bの連結部52B(第2弁側ストッパ部に相当)と、が当接することによりリンク角を制限する。

上面41B及び下縁部42Bは、弁側リンク部材5Bの熱膨張による伸縮を許容する状態で当該弁側リンク部材5Bに当接するように設計されている。同様に、先端爪部51B及び連結部52Bは、支持側リンク部材4Bの熱膨張による伸縮を許容する状態で当該支持側リンク部材4Bに当接するように設計されている。

また、下縁部42Bは、支持側リンク部材4Bに対する弁側リンク部材5Bの回転移動中心位置にばらつきが生じた状態において、上面41Bと先端爪部51Bとの当接位置を支点とする弁側リンク部材5Bのリンク角が広がる側への回転移動を規制する位置に設けられている。換言すれば、先端爪部51Bは、弁側リンク部材5Bに対する支持側リンク部材4Bの回転移動中心位置にばらつきが生じた状態において、下縁部42Bと連結部52Bとの当接位置を支点とする支持側リンク部材4Bのリンク角が広がる側への回転移動を規制する位置に設けられている。

一方、ストッパ機構は3つ以上であってもよい。 [3B]上記実施形態では、付勢部材7が、弁体3及び弁側リンク部材5に作用するように、第3回転軸部材63が挿通された状態で取り付けられた構成を例示したが、これに限定されるものではない。例えば、付勢部材7が、支持側リンク部材4及び弁側リンク部材5に作用するように、第4回転軸部材64が挿通された状態で取り付けられた構成であってもよい。また例えば、付勢部材7が、支持体2及び支持側リンク部材4に作用するように、第2回転軸部材62が挿通された状態で取り付けられた構成であってもよい。

[3C]上記実施形態では、マフラの内部においてインナパイプの下流側端部の開口部を開閉する弁装置1を例示したが、弁装置1の取付位置はこれに限定されるものではない。

[3D]上記実施形態における1つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を1つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を、課題を解決できる限りにおいて省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本発明の実施形態である。

1…弁装置、2…支持体、3…弁体、4…支持側リンク部材、5…弁側リンク部材、7…付勢部材、8…メッシュ部材、61…第1回転軸部材、62…第2回転軸部材、63…第3回転軸部材、64…第4回転軸部材、413…爪部、421…突出部、513…先端部、514…上縁部。