JP4085752B2 - 排気圧力制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの排気圧力を制御する装置に関し、特に、冷態始動時の排出ガスを効率良く浄化させるために用いて好適の、排気圧力制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５に示すように、従来、ガソリンエンジンから排出される有害物質（一酸化炭素ＣＯ，炭化水素ＨＣ，窒素酸化物ＮＯｘ等）を浄化して、より無害な物質に変換する排ガス浄化触媒（以下、触媒という）３３がエンジン３０の排気通路３２を構成する排気管３１に介装されている。
【０００３】
ところで、触媒３３は高温にならないと活性化しないため、エンジン３０の冷態始動時においては触媒３３が活性化せず、上記の有害物質はほとんど浄化されずにそのまま排出されてしまうおそれがある。特に、未燃ＨＣは、エンジン３０の冷態始動時にエンジン３０から多量に排出されるため、この未燃ＨＣの排出量を低減することが求められている。
【０００４】
そこで、図５に示すように、触媒３３と消音器（マフラー）３５との間に排気流動を制御する排気絞り弁３４ａと、この排気絞り弁３４ａを開閉駆動するアクチュエータ３６（図６参照）とをそなえた排気圧力制御装置３４を設け、エンジン３０始動時に排気絞り弁３４ａを全閉にして排気絞り弁３４ａよりも上流側の圧力を上げ、排気絞り弁３４ａよりも上流側の排気通路３２において未燃ＨＣと余剰空気とを反応させて未燃ＨＣを浄化させる技術が開発されている。
【０００５】
このような従来技術においては、未燃ＨＣを効率良く浄化するために、排気絞り弁３４ａ閉弁時の排圧を所定圧（例えば、大気圧＋９３．３ｋＰａ）に精度良くコントロールする必要がある。
このため、図６（ａ），（ｂ）に示すように、従来の排気圧力制御装置３４には、排圧コントロール用のリリーフバルブ３４ｂが設けられている。
【０００６】
このリリーフバルブ３４ｂは、通常、図示省略のスプリングにより閉方向〔図６（ｂ）中下方向〕に付勢されており、排圧が上記所定圧を超えると開方向〔図６（ｂ）中上方向〕へ動いてバイパス通路３４ｃを介して排気絞り弁３４ａよりも下流側へ排気を流通させ、排圧を上記所定圧に調整するように機能している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図６（ａ）に示すように、排気絞り弁３４ａを回転駆動するアクチュエータ３６は、排気管３１の外周部に設けられるが、排気管３１が配設される車両のアンダーフロア（図示省略）は、最低地上高の制約があるため、アクチュエータ３６は一般的に、排気管３１の左右いずれか側方に配置することになる。
【０００８】
一方、リリーフバルブ３４ｂは、このアクチュエータ３６や、アクチュエータ３６と反対側の排気絞り弁３４ａの軸支持部と干渉しないように、排気管３１の上部又は下部に配置することになる。しかし、リリーフバルブ３４ｂは、エンジン３０始動時にのみ作動するため、排気管３１の下部に配置すると、図６（ｂ）に示すように、錆や異物堆積による作動不良を招くおそれがあるため、これを回避すべくリリーフバルブ３４ｂを排気管３１の上側に設置することになる。この場合、必然的に、バイパス通路３４ｃも排気管３１の上側に設けることになる。
【０００９】
例えば、図７に示すように、特開２００１−５９４２８号公報には、バイパス通路８０内に入口ポート８１の開閉制御を行なう弁体８２と、弁体８２を入口ポート８１に向けて付勢する圧縮ばね８３とからなるリリーフ弁８４を排気管２２の上側に配置し、排気制御弁２４上流の排気管２２内の背圧が目標値を超えたときにリリーフ弁８４を開弁する技術が開示されている。
この技術においても、リリーフ弁８４及びバイパス通路８０は、排気管２２の上側に突出して設けられている。
【００１０】
しかしながら、前述のように、車両のアンダーフロアについては、一般に、最低地上高の制約があるため、排気管３１の上方にリリーフバルブ３４ｂ，バイパス通路３４ｃが突出した排気圧力制御装置３４の場合、設置場所が限定されてしまう。このため、このような排気圧力制御装置３４を設置することは、アンダーフロアの設計に大きな制約を与えることとなる。
このような理由から、排気圧力制御装置３４の全高を極力低くできるようにすることが望まれている。
【００１１】
本発明は、上述のような課題に鑑み創案されたもので、装置全高を低くして車両に容易に設置できるようにした、排気圧力制御装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明の排気圧力制御装置（請求項１）は、エンジンの排気通路に設けられ、中空軸を有する排気絞り弁と、該中空軸の内部に、該中空軸と同心上に配置される主軸と、該主軸の直径方向に貫通して形成された第１の通路と、該中空軸の直径方向に貫通して形成された第２の通路と、該主軸に結合され、該主軸と一体回転するアームと、該排気絞り弁を閉弁方向に付勢するリターンスプリングと、該アームに当接し、該リターンスプリングの付勢力による該排気絞り弁の回動を規制するストッパと、圧力室内に該排気絞り弁よりも上流側の圧力が導入されるとともに、該圧力室に対向する室内に負圧が導入され、該アームに接続されるロッドを軸方向に移動させて該アームを回転駆動させる流体圧アクチュエータと、該流体圧アクチュエータに該上流側の圧力および該負圧を導入するための圧力導入路と、該圧力導入路を開閉する電磁弁と、該電磁弁の開閉を制御する制御手段とを備え、該流体圧アクチュエータの該圧力室に対向する室内に該負圧が導入されると、該流体圧アクチュエータにより該主軸が該排気絞り弁の閉弁方向に回動されるとともに、該ストッパが該アームに当接した状態で該排気絞り弁が該主軸と連動して回動されて閉弁状態とされ、該排気絞り弁の閉弁状態時に該圧力室に該排気絞り弁よりも上流側の圧力が導入されると、該主軸のみがさらに閉弁方向に回動され、該第１の通路及び第２の通路が互いに連通して、該排気絞り弁の上下流間を開通するバイパス流路が形成されることを特徴としている。
【００１３】
また、該流体圧アクチュエータは、該排気絞り弁の閉弁状態時には、該排気絞り弁よりも上流側の圧力に応じて該主軸を回転駆動し、該上流側の圧力が所定値を超えた場合に、該第１の通路と該第２の通路とを連通させることが好ましい（請求項２）。
【００１６】
また、該制御手段は、該電磁弁を制御して、該エンジン始動時に該圧力室に対向する室内に該負圧を導入し、所定条件を満足した後、負圧導入を遮断することが好ましい（請求項３）。
また、該エンジンの該排気通路に介装され、該エンジンから排出される有害物質を浄化して、より無害な物質に変換する排ガス浄化触媒を有し、該制御手段は、該排ガス浄化触媒が活性したものと推定できる所定条件が成立したら、該排気絞り弁を開弁することが好ましい（請求項４）。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
図１〜図４は本発明の一実施形態としての排気圧力制御装置を示すもので、図１，図２はエンジンの通常運転時（即ち、エンジンの暖機完了後）の排気絞り弁と主軸との関係を排気管の縦断面と共に示す模式的な構成図、図３はその排気管の横断面図、図４は排気圧力制御装置作動時の排気絞り弁と主軸との関係を示す模式図である。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態としての排気圧力制御装置は、エンジン（図示省略）の排気管１６において、例えば触媒３３とマフラー３５（図５参照）との間に設けられるものであって、排気通路１７を流通する排気流量を調節する排気絞り弁１と、主軸６と、この主軸６及び排気絞り弁１を回転駆動する駆動手段１９とをそなえて構成されている。
【００１９】
排気絞り弁１は、排気管１６の排気通路１７内に、排気管１６の軸方向に対して垂直に設けられた中空軸２と、この中空軸２の周外方向に突設された弁体１ａ，１ａとを有しており、中空軸２には、中空軸２の直径方向に貫通する第２の通路４が形成されている。
また、図２，図３に示すように、中空軸２の両端部は、排気管１６の外側に突出して軸支されており、中空軸２の一端部２ａを回転させることにより、排気絞り弁１を排気管１６内において回転駆動させることができるようになっている。
【００２０】
さらに、排気絞り弁１を閉弁方向に付勢するリターンスプリング１５が、排気管１６の外周と中空軸２の一端部２ａ外周との間に介設されている。なお、ここでは、リターンスプリング１５は、中空軸２の軸回転方向（即ち、図１中矢印Ｘ２に示す排気絞り弁１の閉弁方向）に付勢力を与える渦巻ばねにより構成しているが、これに限定されるものではなく、その他の種類のばねを用いても良い。
【００２１】
また、中空軸２の一端部２ａには、後述するアーム７に当接するストッパ５が放射方向に突設されている。リターンスプリング１５の付勢力はストッパ５がアーム７に当接するように作用しており、排気絞り弁１が回動範囲内にある場合に、アーム７が回転すると、排気絞り弁１がアーム７の回転に追従（連動）するようになっている。
【００２２】
主軸６は、図１に示すように、中空軸２の内部に挿嵌されて中空軸２と同心上に配置されており、この主軸６には、主軸６の直径方向に貫通する第１の通路３が形成されている。
そして、図２，図３に示すように、主軸６が排気絞り弁１に対して回転することにより、主軸６の第１の通路３と排気絞り弁１の第２の通路４とが連通して、後述するように、排気絞り弁１が閉弁時であっても排気絞り弁１の上下流を微小に連通する１つの通路（バイパス通路）２０を形成するようになっている。
【００２３】
また、主軸６の両端部は、排気絞り弁１と同様に、排気管１６の外側に突出して軸支され、特に、一端部（リターンスプリング１５の配設される側の端部）は中空軸２よりも外方に突出しており、この主軸６の一端部６ａを駆動手段１９により回転させることにより、主軸６を回転駆動できるようになっている。
駆動手段１９は、主軸６の一端部６ａに結合されたアーム７と、アーム７にピン接続されたロッド９と、ロッド９を軸方向に移動させる流体圧アクチュエータ（ここでは、エアシリンダ）１０とをそなえて構成されている。
【００２４】
アーム７には孔部８が形成されており、ロッド９の一端部９ａがこの孔部８に回動可能に取り付けられ、他端部９ｂが、後述するアクチュエータ１０の可動の仕切壁１０ａに結合されている。従って、アクチュエータ１０の作動により仕切壁１０ａが移動してロッド９が軸方向に突出するように移動することで、主軸６が図１中矢印Ｘ１で示す方向に回転するようになっている。
【００２５】
また、ロッド９は、排気管１６の側部に排気管１６と略平行に設けられているので、ロッド９が図１及び図２中矢印Ｘ３で示す軸方向に移動しても排気管１６の上側に突出することがなく、装置の全高には何ら影響しないようになっている。
アクチュエータ１０は、ブラケット１８により排気管１６に固定されたエアシリンダにより構成され、アクチュエータ１０内部は、仕切壁１０ａにより、第１の圧力室（Ａ室）１１と第２の圧力室（Ｂ室）１２とに区分けされている。
【００２６】
Ａ室１１は、例えば図示しないエンジンのインテークマニホールドに連結された負圧タンク（図示省略）、及び、大気圧を導入する配管１３に接続されており、電磁弁１１ａの切り替えにより、負圧タンクの負圧と大気圧とが選択的にＡ室１１に入力されるようになっている。
Ｂ室１２は、排気絞り弁１よりも上流側の排気管１６、及び、大気圧を導入する配管１３に接続されており、電磁弁１２ａの切り替えにより、上記の上流側の圧力と大気圧とが選択的にＢ室１２に入力されるようになっている。
なお、電磁弁１１ａ，１２ａは、非通電時には、いずれも各圧力室１１，１２に大気圧を導入するように構成されている。
【００２７】
また、仕切壁１０ａは、スプリング１４により、Ｂ室１２を圧縮する方向（即ち、ロッド９が縮退する方向）に付勢されている。従って、Ｂ室１２に入力される圧力が大きくなるとスプリング１４の付勢力に抗して仕切壁１０ａが移動し、図１又は図２中矢印Ｘ３で示す方向にロッド９を突き出すようになり、これにより、主軸６が回転駆動されるようになっている。
【００２８】
本発明の一実施形態としての本排気圧力制御装置は、上述のように構成されているので、制御手段が図１に示すように、エンジン始動前（又は、エンジンの暖機完了後）は、電磁弁１１ａ，１２ａを非通電状態とし、Ａ室１１及びＢ室１２に大気圧を入力し、アクチュエータ１０を非作動とする。つまり、ロッド９はアクチュエータ１０内部に引き込まれた縮退状態であり、主軸６は図示するような位置で停止している。従って、排気絞り弁１のストッパ５が主軸６のアーム７に当接し、排気絞り弁１はロッド９及びストッパ５を通じて排気絞り弁１は全開弁状態に保持される。
【００２９】
そして、図４（ａ）に示すように、エンジン始動時（詳細には、エンジンの始動開始とともに）、電磁弁１１ａを通電して、Ａ室１１に負圧を導入し、Ｂ室１２には大気圧を入力したままとする。これにより、仕切壁１０ａがＡ室１１を圧縮する方向に移動し、ロッド９がエアシリンダ１０から突出して主軸６を回転駆動する。そして、この主軸６の回転に連動して中空軸２が回転することにより、排気絞り弁１が強制的に閉弁される。
【００３０】
図４（ｂ）に示すように、排気絞り弁１を閉弁した後、電磁弁１２ａを通電して、Ｂ室１２に上流側の圧力を導入する。エンジン始動後には、排気絞り弁１の上流側の圧力が上昇するため、Ｂ室１２に入力される圧力が増加し、ロッド９がアクチュエータ１０からさらに突出するので、主軸６はさらに回転する。なお、このとき、排気絞り弁１はすでに閉弁状態となっているので、これ以上の回転はしない。従って、排気絞り弁１の閉弁後は、上流側の圧力に応じて主軸６のみが回転を続ける。
【００３１】
そして、Ｂ室１２に入力される圧力が所定圧Ｐ（ここでは、大気圧＋９３．３ｋＰａ）になった時点で、第１の通路３と第２の通路４とが互いに連通してバイパス通路２０を形成し、図３（ｂ）中矢印Ｆで示すように、排気絞り弁１よりも上流側の排気を下流側へバイパスする。
このように、バイパス通路２０が開通すると、上流側圧力が低下するが、もしもＢ室１２に入力される上流側の圧力が所定圧Ｐよりも小さくなると、ロッド９が戻って主軸６も戻り側に回転するので第１の通路３と第２の通路４との相対的な位相が変化し、バイパス通路２０が遮断される。これにより、再び上流側圧力が上昇して所定圧Ｐを超えると、バイパス通路２０が開通する。このようにして、排気絞り弁１よりも上流側の圧力が所定圧Ｐを維持するように、第１の通路３と第２の通路４との連通面積が適宜調整されることになり、上記の上流側の圧力を所定圧Ｐに維持することができる。
【００３２】
そして、所定条件、即ち、触媒が活性したものと推定できる条件が成立したら、電磁弁１１ａ，１２ａを非通電にして、排気絞り弁１を開弁する。この場合の触媒が活性したか否かは、例えば、触媒の温度を高温センサにより直接計測したり、エンジン始動後の経過時間や総燃料噴射量から推定したりすることにより判定できる。
【００３３】
上述のように、本排気圧力制御装置では、リリーフ機能（バイパス通路２０）を、排気絞り弁１の軸部、つまり、排気管１６内、に設けたので、装置全高を低くすることができる。従って、排気圧力制御装置の設置場所が限定されないので、アンダーフロアの設計及び装置の設置が容易となる。
また、１つのアクチュエータ１０で、排気絞り弁１及び主軸６を駆動するので、構成が簡素になり、製造コストを抑制できる。
【００３４】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
例えば、本発明の排気圧力制御装置では、排気絞り弁１の閉弁時に、排気絞り弁１よりも上流側の圧力が所定圧になるように、主軸６の第１の通路３と中空軸２の第２の通路４とを連通面積を調整してバイパス通路２０を形成できれば良く、第１の通路３又は第２の通路４の開口面積又は開口形状は特に限定されない。また、第１の通路３を主軸６の軸方向に亘って複数形成するとともに、第２の通路４を中空軸２の軸方向に亘って複数形成しても良い。
【００３５】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１記載の本発明の排気圧力制御装置によれば、バイパス通路（リリーフ機能）を、排気絞り弁の軸部、つまり、排気管内、に設けることができるので、装置全高を低くすることができる。従って、排気圧力制御装置の設置場所が限定されないので、アンダーフロアの設計及び装置の設置が容易になる。
【００３６】
請求項２記載の本発明の排気圧力制御装置によれば、排気絞り弁の上流側の圧力に応じて、第１の通路と第２の通路とを連通して排気をバイパスするので、上記の上流側の圧力を所定圧に維持することができる。
請求項３記載の本発明の排気圧力制御装置によれば、ロッドを軸方向に移動させることにより、主軸を回転駆動することができる。
【００３７】
請求項４記載の本発明の排気圧力制御装置によれば、排気絞り弁の回動範囲では、排気絞り弁が主軸の回動に連動して回転するので、駆動手段により主軸を回動させることで排気絞り弁を回転させることができ、構成が簡素である。
請求項５記載の本発明の排気圧力制御装置によれば、電磁弁を開閉することにより、排気絞り弁を容易に開閉制御できる。
【００３８】
請求項６記載の本発明の排気圧力制御装置によれば、所定条件を満足したか否かに基づいて排気絞り弁の開閉制御を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態としての排気圧力制御装置にかかるエンジン始動前の排気絞り弁と主軸との関係を示す模式的な構成図であって、排気管については縦断面（図２，図３のＡ−Ａ矢視断面図）を示し、シリンダについても縦断面を示す。
【図２】本発明の一実施形態としての排気圧力制御装置を示す模式的な構成図であって、排気管については縦断面（図１，図３のＢ−Ｂ矢視断面）を示し、シリンダについても縦断面を示す。
【図３】本発明の一実施形態を示す排気管の横断面図（図１，図２のＣ−Ｃ矢視断面図）である。
【図４】本発明の一実施形態にかかる排気圧力制御装置の作動時の排気絞り弁閉鎖状況下でのバイパスの開閉状態を排気管の縦断面で示す構成図であり、（ａ）はバイパス閉状態を示し、（ｂ）はバイパス開状態を示す。
【図５】従来の排気圧力制御装置を適用したエンジンの排気系を模式的に示す全体構成図である。
【図６】従来の排気圧力制御装置を示すもので、（ａ）はその排気管の横断面図、（ｂ）はその排気管の縦断面図〔（ａ）のＤ−Ｄ矢視断面図〕である。
【図７】従来の排気圧力制御装置を模式的に示す排気系の構成図である。
【符号の説明】
１ 排気絞り弁
１ａ 弁体
２ 中空軸
２ａ 中空軸の一端部
３ 第１の通路
４ 第２の通路
５ ストッパ
６ 主軸
６ａ 主軸の一端部
７ アーム
８ 孔部
９ ロッド
９ａ ロッドの一端部
９ｂ ロッドの他端部
１０ エアシリンダ（流体圧アクチュエータ）
１０ａ 仕切壁
１１ 第１の圧力室（Ａ室）
１１ａ Ａ室の電磁弁
１２ 第２の圧力室（Ｂ室）
１２ａ Ｂ室の電磁弁
１３ 配管
１４ スプリング
１５ リターンスプリング
１６，２２，３１ 排気管
１７，３２ 排気通路
１８ ブラケット
１９ 駆動手段
２０ バイパス通路
２４ 排気制御弁
３０ エンジン
３３ 触媒
３４ 排気圧力制御装置
３４ａ バルブ
３４ｂ リリーフ弁
３４ｃ バイパス通路
３５ 消音器
３６ アクチュエータ
８０ バイパス通路
８１ 入口ポート
８２ 弁体
８３ 圧縮ばね
８４ リリーフ弁

Claims (4)

1. エンジンの排気通路に設けられ、中空軸を有する排気絞り弁と、
   該中空軸の内部に、該中空軸と同心上に配置される主軸と、
   該主軸の直径方向に貫通して形成された第１の通路と、
   該中空軸の直径方向に貫通して形成された第２の通路と、
   該主軸に結合され、該主軸と一体回転するアームと、
   該排気絞り弁を閉弁方向に付勢するリターンスプリングと、
   該アームに当接し、該リターンスプリングの付勢力による該排気絞り弁の回動を規制するストッパと、
   圧力室内に該排気絞り弁よりも上流側の圧力が導入されるとともに、該圧力室に対向する室内に負圧が導入され、該アームに接続されるロッドを軸方向に移動させて該アームを回転駆動させる流体圧アクチュエータと、
   該流体圧アクチュエータに該上流側の圧力および該負圧を導入するための圧力導入路と、
   該圧力導入路を開閉する電磁弁と、
   該電磁弁の開閉を制御する制御手段とを備え、
   該流体圧アクチュエータの該圧力室に対向する室内に該負圧が導入されると、該流体圧アクチュエータにより該主軸が該排気絞り弁の閉弁方向に回動されるとともに、該ストッパが該アームに当接した状態で該排気絞り弁が該主軸と連動して回動されて閉弁状態とされ、該排気絞り弁の閉弁状態時に該圧力室に該排気絞り弁よりも上流側の圧力が導入されると、該主軸のみがさらに閉弁方向に回動され、該第１の通路及び第２の通路が互いに連通して、該排気絞り弁の上下流間を開通するバイパス流路が形成される
   ことを特徴とする、排気圧力制御装置。
2. 該流体圧アクチュエータは、該排気絞り弁の閉弁状態時には、該排気絞り弁よりも上流側の圧力に応じて該主軸を回転駆動し、該上流側の圧力が所定圧を超えた場合に、該第１の通路と該第２の通路とを連通させる
   ことを特徴とする請求項１記載の排気圧力制御装置。
3. 該制御手段は、該電磁弁を制御して、該エンジン始動時に該圧力室に対向する室内に該負圧を導入し、所定条件を満足した後、負圧導入を遮断する
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の排気圧力制御装置。
4. 該エンジンの該排気通路に介装され、該エンジンから排出される有害物質を浄化して、より無害な物質に変換する排ガス浄化触媒を有し、該制御手段は、該排ガス浄化触媒が活性したものと推定できる所定条件が成立したら、該排気絞り弁を開弁する
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の排気圧力制御装置。

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