(57)【要約】【課題】幅広い運転領域で脈動効果が得られ、かつコンパクトな構成の排気装置を提供することを目的とする。【解決手段】容積室１２の内部と上流側の排気通路とを連通し、後端部が容積室１２に挿入された上流側接続管５と、容積室１２の内部と下流側の排気通路とを連通する下流側接続管６と、上流側接続管５の容積室１２に挿入された部分である第１筒部材５に対して同軸状かつ回転可能に配置された第２筒部材８と、両筒部材５、８を相対回転させる回転手段１０とを備え、両筒部材５、８の一方はその筒部材の長手方向に延びる第１スリット１１を、他方はその筒部材の長手方向軸に対して螺旋状の第２スリット７をそれぞれ有し、回転手段１０はエンジン回転数に応じて第１筒部材５と第２筒部材８を相対回転させて、上流側接続管５内部を流れる排気は第１スリット１１と第２スリット７とが重なる部分である上流側接続管開放端部２０の位置を変化させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路に介装された容積室と、
前記容積室の内部と前記容積室より上流側の排気通路とを連通し、後端部が前記容積室に挿入された上流側接続管と、
前記容積室の内部と前記容積室より下流側の排気通路とを連通する下流側接続管と、
前記上流側接続管の前記容積室に挿入された部分である第１筒部材に対して同軸状かつ回転可能に配置された第２筒部材と、
前記第１筒部材と前記第２筒部材を相対回転させる回転手段と、
を備え、
前記第１筒部材又は前記第２筒部材の一方はその筒部材の長手方向に延びる第１スリットを、他方はその筒部材の長手方向軸に対して螺旋状の第２スリットをそれぞれ有し、前記上流側接続管内部を流れる排気は前記第１スリットと前記第２スリットとが重なる部分である上流側接続管開放端部を通って前記容積室内に流出し、
前記回転手段は、エンジン回転数に応じて前記第１筒部材と前記第２筒部材を相対回転させて、前記上流側接続管開放端部の位置を変化させることを特徴とするエンジンの排気装置。
【請求項２】
前記回転手段は、前記上流側接続管開放端部が、そのエンジン回転数においてエンジン出力がより大きくなる位置となるように前記第１筒部材と前記第２筒部材を相対回転させることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気装置。
【請求項３】
前記第２スリットは、前記上流側接続管開放端部が下流側になるほどその開口面積が小さくなるよう形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のエンジンの排気装置。
【請求項４】
前記第２スリットは、前記上流側接続管開放端部の位置を相対的に速く変化させる部分が、前記第１筒部材と前記第２筒部材の相対回転角度あたりの前記上流側接続管開放端部位置の変化量が大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載のエンジンの排気装置。
【請求項５】
前記上流側接続管及び前記第２筒部材をさらに一組備え、
前記回転手段は、ギア機構を介して２組の前記第１筒部材と前記第２筒部材を相対回転させることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載のエンジンの排気装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気装置に関し、特に排気管長を可変制御可能な排気装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
排気弁が開弁することで発生する圧力波の脈動を利用して、充填効率や掃気効果を高める技術が知られている。例えば、特許文献１には、排気管の後端をマフラ筒の前部に挿入し、排気管の後端に連結管を摺動自在に嵌装し、かつバネで伸びる方向に付勢し、この連結管をワイヤ等でスロットル等に連結して、回転上昇とともにバネに抗して短くなるように摺動させる構成が開示されている。これは、マフラ筒内での排気管の開放端位置（つまり排気管の後端位置）を、当該エンジン回転数において脈動効果が得られる位置にすることで、幅広い運転領域で充填効率等を向上させることを狙ったものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実開昭６１−８６５３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示された構成では、開放端位置の可変幅はマフラ筒への排気管の挿入量及び連結管の長さにより定まり、最大でもマフラ筒長さの半分となる。したがって、低回転域から高回転域までの幅広い運転領域に対応するような可変幅を確保するためには、マフラ筒や連結管が大型化してしまうという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明では、幅広い運転領域で脈動効果が得られ、かつコンパクトな構成の排気装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の排気装置は、排気通路に介装された容積室と、容積室の内部と容積室より上流側の排気通路とを連通し、後端部が容積室に挿入された上流側接続管と、容積室の内部と容積室より下流側の排気通路とを連通する下流側接続管と、上流側接続管の容積室に挿入された部分である第１筒部材に対して同軸状かつ回転可能に配置された第２筒部材と、第１筒部材と第２筒部材を相対回転させる回転手段と、を備え、第１筒部材又は第２筒部材の一方はその筒部材の長手方向に延びる第１スリットを、他方はその筒部材の長手方向軸に対して螺旋状の第２スリットをそれぞれ有し、上流側接続管内部を流れる排気は第１スリットと第２スリットとが重なる部分である上流側接続管開放端部を通って容積室内に流出し、回転手段は、エンジン回転数に応じて第１筒部材と第２筒部材を相対回転させて、上流側接続管開放端部の位置を変化させる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、上流側接続管と第２筒部材の相対回転により上流側接続管開放端部の位置を変化させるので、コンパクトな構成で上流側接続管開放端部の可変幅を大きくとることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態の排気装置の構成図である。
【図２】排気装置のアウターユニットの構成図である。
【図３】排気装置のインナーユニットの構成図である。
【図４】第１実施形態の連通孔位置の変化を説明するための図である。
【図５】連通孔位置と発生トルクの関係の一例を示す図である。
【図６】第２実施形態の連通孔位置の変化を説明するための図である。
【図７】第３実施形態の連通孔位置の変化を説明するための図である（その１）。
【図８】第３実施形態の連通孔位置の変化を説明するための図である（その２）。
【図９】第４実施形態の排気装置の構成図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図１０】エンジン低回転域の吸気圧力及び排気圧力の脈動について示した図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１０】
図１は、本実施形態の可変排気装置１の全体構成図、図２は可変排気装置１の構成部品であるアウターユニット２の構成図、図３は同じくインナーユニット３の構成図である。
【００１１】
アウターユニット２は、図２に示すように、内部に容積室１２が形成されたアウターパイプ４と、エンジン側（上流側）の排気通路に接続される上流側接続管としてのエンジン側接続管５と、テールパイプ側（下流側）の排気通路に接続される下流側接続管としての大気側接続管６とで構成される。エンジン側接続管５は、アウターパイプ４の一方の端面４ａを貫通して容積室１２内に挿入されている。また、容積室１２内に挿入される部分（第１筒部材）の側面には、エンジン側接続管５の内外を連通する第２スリットとしての内側スリット７が長手方向軸に対して螺旋状に延びている。大気側接続管６は、アウターパイプ４の他方の端面４ｂに、容積室１２の内外を連通するように接続される。エンジン側接続管５及び大気側接続管６は、それぞれ端面４ａ、４ｂに固定支持されている。
【００１２】
一方、インナーユニット３は、図３に示すようにインナーパイプ８と、インナーパイプ８の一端に接続されたシャフト９と、シャフト９を介してインナーパイプ８を回転駆動するアクチュエータ１０とで構成される。インナーパイプ８には、第１スリットとして長手方向に直線状の外側スリット１１が形成されている。
【００１３】
なお、内側スリット７及び外側スリット１１の幅は、いずれも一定である。各スリット幅は、エンジンがより高いトルクを発生するように、エンジンの仕様に応じて設定する。
【００１４】
そして、インナーユニット３は、図１に示すように、インナーパイプ８がエンジン側接続管５の外側かつ同心状に設置される。シャフト９はアウターパイプ４の端面４ｂを貫通しており、アクチュエータ１０はアウターパイプ４の外部に位置する。
【００１５】
上記のような構成にすることで、エンジンから排出された排気ガスは、内側スリット７と外側スリット１１とが重なることで形成される上流側接続管開放端部（以下、連通孔２０という）を通って、エンジン側接続管５の内部から容積室１２内に放出され、大気側接続管６を通って下流側へと流れる。すなわち、連通孔２０がエンジン側接続管５の開放端となり、ここで負圧波が反転する。連通孔２０の位置は、インナーパイプ８を回転させることにより連続的に変化する。
【００１６】
図４は、エンジン側接続パイプ５の展開図と、これに対応するよう外側スリット１１を示した図である。内側スリット７と外側スリット１１が、図４中の実線で示した位置関係にある状態から、インナーパイプ８を図３中の矢印方向に回転させると、図４中では外側スリット１１は破線で示した位置に移動することになる。すなわち、連通孔２０は、図４中の位置Ａから下流側の位置Ｂへ移動することになる。連通孔２０が最も下流側の位置となった状態で、インナーパイプ８をさらに同方向に回転させると、連通孔２０は最も上流側の位置になり、そこから下流側へ向けて移動する。もちろん、インナーパイプ８の回転方向を逆にすれば、連通孔２０の位置変化も逆方向となる。
【００１７】
このように、インナーパイプ８を回転させるだけで、連通孔２０の位置をインナーパイプ８の長手方向の長さ分だけ変化させることができる。つまり、連通孔２０の位置を変化させるために、インナーパイプ８またはアウターパイプ４を長手方向に移動させるためのスペースを設ける必要がない。そして、アイドル回転数から高回転域までをカバーするためには、長手方向長さが１[ｍ]程度あれば十分であるとの知見が得られている。したがって、コンパクトな構成で十分な連通孔位置の変化量を確保できる。
【００１８】
図５は、エンジン回転数と発生トルクとの関係について、連通孔２０の位置ごとに示した図である。連通孔２０が最も上流側にある場合をＡ、最も下流側に近い場合をＦとする。図５に示すように、発生出力が最も高くなる連通孔位置は、エンジン回転数ごとに異なる。これは、エンジン回転数ごとに、排気の動的効果が高まる連通孔位置が異なるためである。ＮＥ１からＮＥ３までの領域では、最も高出力を発生する連通孔位置はエンジン回転数が高くなるのに伴ってＦ、Ｅ、Ｄ、Ｃ、Ｂ、Ａの順に、つまり徐々に上流側に近づくように変化する。一方、ＮＥ５からＮＥ８までの領域では、エンジン回転数が高くなるのに伴って徐々に下流側に近づくように変化する。また、ＮＥ３からＮＥ５の領域では、規則性はなくＡ、Ｃ、Ｂ、Ａ、Ｆというように変化する。
【００１９】
そこで、図５のようなエンジン回転数、発生トルク及び連通孔位置の関係を予め調べておき、エンジン回転数に応じて、そのエンジン回転数において最も高出力を発生する連通孔位置となるようにインナーパイプ８を回転させることとする。つまり、図５の場合には、エンジン回転数の上昇に伴い、Ｆ、Ｅ、Ｄ、Ｃ、Ｂ、Ａ、Ｃ、Ａ、Ｂ、Ａ、Ｆ、Ｅ、Ｄ、Ｃと変化させる。
【００２０】
これにより、低回転から高回転までの幅広い運転領域において、排気脈動効果により充填効率を高め、高出力を発生させることができる。
【００２１】
なお、内側スリット７を螺旋状、外側スリット１１を直線状として説明したが、これとは逆の構成にしても構わない。ただし、回転駆動するインナーパイプ８の剛性を考慮すると、インナーパイプ８に設ける外側スリット１１を直線状とする方が望ましい。
【００２２】
また、インナーパイプ８がエンジン側接続管５の外側となる構成について説明したが、この逆の構成であっても構わない。ただし、排気ガスが内側スリット７と外側スリット１１の交点以外の部分を通ってエンジン側接続管５から容積室１２へ流入することがないような構成になっている必要がある。
【００２３】
さらに、エンジン側接続管５と大気側接続管６が、アウターパイプ４の同じ端面に接続されていても構わない。
【００２４】
以上により本実施形態では、次のような効果が得られる。
【００２５】
（１）上流側接続管５はその長手方向軸に対して螺旋状の内側スリット７を、インナーパイプ８はその長手方向軸に延びる直線状の外側スリット１１を有し、上流側接続管５内部を流れる排気は両スリットが重なる部分である連通孔２０を通って容積室１２内に流出し、アクチュエータ１０は、エンジン回転数に応じてインナーパイプ８を回転させて、連通孔２０の位置を変化させる。すなわち、上流側接続管５とインナーパイプ８の相対回転により連通孔２０の位置を変化させるので、コンパクトな構成で連通孔位置の可変幅を大きくとることができる。
【００２６】
（２）連通孔２０が、そのエンジン回転数におけるエンジンの発生トルクがより大きくなる位置となるように、インナーパイプ８を回転させるので、広い運転領域でトルク向上を図ることができる。
【００２７】
第２実施形態について説明する。
【００２８】
本実施形態の可変排気装置１の構成は、基本的には第１実施形態と同様であるが、螺旋状の内側スリット７の形状が異なる。図６は、本実施形態の可変排気装置１について、図４と同様に内側スリット７の展開図と、これに対応する外側スリット１１を示した図である。
【００２９】
図６に示すように、内側スリット７のスリット幅は、上流側が広く、下流側が狭い。さらに、内側スリット７の下流側の端部付近における連通孔２０の開口面積は、上流側に比べて小さい。
【００３０】
このため、連通孔２０の位置を下流側に設定した場合には、連通孔２０の開口面積が小さくなり、連通孔２０部分で排気の流れが滞り、いわゆる内部ＥＧＲとして排気ガスが筒内に残り易くなる。
【００３１】
一方、連通孔２０が上流側に近い部分にある場合には、連通孔２０の開口面積は下流側に近い部分にある場合よりも大きくなる。
【００３２】
すなわち、エンジンから連通孔２０までの距離が図５中のＦのように長い場合には、内部ＥＧＲ量が多くなり、図５中のＡのように短い場合には連通孔２０の開口面積が大きくなるように、運転条件に応じて連通孔２０の開口面積を変化させる。
【００３３】
これにより、第１実施形態と同様の効果に加えて、さらに次のような効果が得られる。
【００３４】
（１）内側スリット７及び外側スリット１１は、連通孔２０が下流側になるほどその開口面積が小さくなるよう形成されているので、連通孔２０が下流側になるように制御することで、内部ＥＧＲ量を増加させて、燃費性能の向上を図ることができる。
【００３５】
第３実施形態について説明する。
【００３６】
本実施形態の可変排気装置１の構成も、基本的には第１実施形態と同様であるが、螺旋状の外側スリット１１のプロフィールが異なる。図７は、本実施形態の可変排気装置１について、図４と同様に内側スリット７の展開図と、これに対応する外側スリット１１を示した図である。なお、内側スリット７のプロフィールはあくまでも一例である。
【００３７】
図４では、内側スリット７は展開図上で直線になっている。この場合、インナーパイプ８の回転角あたりの連通孔位置の変化量は一定となる。これに対して、本実施形態の内側スリット７は、図７に示すように展開図上で直線にはならない。したがって、インナーパイプ８の回転角あたりの連通孔位置の変化量は一定ではない。図７においては、連通孔２０が上流側に近いところ、及び下流側に近いところにあるときには、インナーパイプ８の回転角あたりの連通孔位置変化量が図４の場合に比べて大きいが、その中間部では逆に小さくなる。
【００３８】
このように、内側スリット７のプロフィールの設定によって、インナーパイプ８の回転角あたりの連通孔位置変化量を変化させることができる。例えば、図５を用いて説明したような連通孔位置制御を実施する場合には、エンジン回転数ＮＥ２〜ＮＥ３間での連通孔位置Ｄ〜Ａの変化速度は、連通孔位置Ｆ〜Ｄの変化と比較して速い方が望ましい。この場合、連通孔位置Ｄ〜Ａの変化速度が相対的に大きくなるようなプロフィールを設定すれば、アクチュエータ１０の回転速度は一定のままでも、所望の連通孔位置の変化速度が得られる。つまり、アクチュエータ１０の回転速度の制御を簡素化することができる。
【００３９】
また、図８に示すようなプロフィールにしてもよい。この場合には、連通孔位置が単純に上流側から下流側へ移動するのではなく、インナーパイプ８の回転方向は一定のままで、連通孔位置を途中で上流側へ戻すことが可能となる。例えば、図５のＮＥ３〜ＮＥ５のように、連通孔位置を変化させる方向が不規則な場合に有効である。
【００４０】
（１）内側スリット７は、連通孔２０の位置を相対的に速く変化させる部分が、インナーパイプ８の回転角度あたりの連通孔位置変化量が大きくなるように形成されているので、連通孔２０の位置をエンジン回転数に応じて変化させる場合の、アクチュエータ１０の回転速度の制御を簡素化することができる。
【００４１】
第４実施形態について説明する。
【００４２】
図９は本実施形態の可変排気装置１の構成図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図９（ａ）に示すように、本実施形態の可変排気装置１は、図１と同様の構成にエンジン側接続管５ｂ及びインナーパイプ８ｂを一組追加した構成となっている。エンジン側接続管５ａ、５ｂは、それぞれＶ型エンジンの各バンクのエキゾーストマニホールドに接続される。インナーパイプ８ａ、８ｂの外周には、それぞれギア４０ａ、４０ｂが設けられており、これらのギア４０ａ、４０ｂは噛み合っている。このため、図９（ｂ）に示すように、アクチュエータ１０でインナーパイプ８ａを回転させると、ギア４０ａ、４０ｂを介してインナーパイプ８ｂも回転する。すなわち、一つのアクチュエータ１０で２本のインナーパイプ８ａ、８ｂを回転させて、連通孔２０ａ、２０ｂの位置を変化させる。
【００４３】
上記のように、一つの容積室１２内に各バンクからのエンジン側接続管５ａ、５ｂの開放端がある構成なので、逆バンクの排気脈動を利用することができる。例えば、ある回転域では、排気干渉が生じて内部ＥＧＲ量が増大するような連通孔位置に制御することで、燃費性能を向上させることができる。
【００４４】
一方、別の回転域では、逆バンクの負圧波により自バンクの排気が吸い出されるような連通孔位置に制御することで、充填効率を高めることができる。図１０は、エンジン低回転域の吸気圧力及び排気圧力の脈動について示した図であり、実線ＩＮは吸気圧力、実線ＥＸ１は連通孔２０が相対的に下流側にある場合の排気圧力、実線ＥＸ２は連通孔２０が相対的に上流側にある場合の排気圧力である。なお、図１０は圧縮上死点付近についてのみ示している。図１０に示すように、吸気圧力の脈動に対して排気圧力の脈動は振幅が大きい。そして、圧縮上死点（クランク角３６０度）の前後では、連通孔２０が下流側にある方が吸気圧力に対して低圧になっている。したがって、連通孔２０が下流側になるように（脈動が実線ＥＸ１となるように）制御し、圧縮上死点の前後でバルブオーバーラップをつけてやれば、吸気圧力と排気圧力との差圧により吸気が筒内に引き込まれ、充填効率が高まる。
【００４５】
なお、一つのアクチュエータ１０で２本のインナーパイプ８ａ、８ｂを回転させることができるのであれば、図９に示した構成以外の構成であっても構わない。
【００４６】
以上により本実施形態では、上述した各実施形態と同様の効果に加え、さらに次の効果が得られる。
【００４７】
（１）上流側接続管５とインナーパイプ５の二重管構造を２組備え、アクチュエータ１０は、ギア機構４０を介して２組の二重管構造を回転させるので、Ｖ型エンジンに適用する場合でも、コンパクトな構成で、かつアクチュエータ１０の個数を低減することができる。
【００４８】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００４９】
１    可変排気装置
２    アウターユニット
３    インナーユニット
４    アウターパイプ
５    エンジン側接続管
６    大気側接続管
７    内側スリット
８    インナーパイプ
９    シャフト
１０  アクチュエータ
１１  外側スリット
１２  容積室
４０ａ、４０ｂ  ギア
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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