(57)【要約】【課題】排気流路切替構造の熱容量を小さくする。【解決手段】弁部材が閉位置から中間位置までにある状態では弁部材を閉位置へ付勢すると共に閉塞方向への付勢力の増加率が弁開度の増加に伴って減少し、中間位置から開位置までにある状態では弁部材を開位置へ付勢すると共に開放方向への付勢力の増加率が弁開度の増加に伴って減少する第一付勢部材と、第一付勢部材の付勢力と合わせた付勢力で弁部材を閉位置へ付勢する第二付勢部材と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気管に設けられ、前記排気管の内部を閉塞する閉位置から、前記排気管の内部を開放する開位置へと排気を受けて回転する弁部材と、
前記弁部材が、前記閉位置から前記閉位置と前記開位置の間の中間位置までにある状態では前記弁部材を前記閉位置へ付勢すると共に閉塞方向への付勢力の増加率が弁開度の増加に伴って減少し、前記弁部材が前記中間位置から前記開位置までにある状態では前記弁部材を前記開位置へ付勢すると共に開放方向への付勢力の増加率が弁開度の増加に伴って減少する第一付勢部材と、
前記第一付勢部材の付勢力と合わせた付勢力で前記弁部材を閉位置へ付勢する第二付勢部材と、
を有する排気流路切替構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気流路切替構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
排気管の熱回収器に設けた排出支持部材にサーモアクチュエータを繋げ、温度上昇した冷却水でサーモアクチュエータを駆動し、切替バルブを回転させて排気ガスの流路を切り替える技術がある（たとえば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２４７２０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
排気流路切替構造として、弁部材を駆動するためにサーモアクチュエータを用いると、排気流路の排気流量に応じて、弁部材の開度を大きく切り替えることができる。しかし、サーモアクチュエータ自体が熱容量を有するため、排気流路切替構造の熱容量が大きくなる。サーモアクチュエータの有する熱容量により、排気の熱の一部がサーモアクチュエータに移動してしまうと、排気からの効率的な熱回収が難しい。
【０００５】
本発明は上記事実を考慮し、排気流路の排気流量に応じて弁部材の開度を大きく切り替えることができると共に、排気流路切替構造の熱容量を小さくすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第一の態様では、排気管に設けられ、前記排気管の内部を閉塞する閉位置から、前記排気管の内部を開放する開位置へと排気を受けて回転する弁部材と、前記弁部材が、前記閉位置から前記閉位置と前記開位置の間の中間位置までにある状態では前記弁部材を前記閉位置へ付勢すると共に閉塞方向への付勢力の増加率が弁開度の増加に伴って減少し、前記弁部材が前記中間位置から前記開位置までにある状態では前記弁部材を前記開位置へ付勢すると共に開放方向への付勢力の増加率が弁開度の増加に伴って減少する第一付勢部材と、前記第一付勢部材の付勢力と合わせた付勢力で前記弁部材を閉位置へ付勢する第二付勢部材と、を有する。
【０００７】
この排気流路切替構造では、弁部材が閉位置から回転して中間位置を超えると、第一付勢部材の付勢力が開放方向に作用する。したがって、この状態では、排気から作用する力が小さくても、弁部材を開放位置へと回転させることができる。弁部材が閉位置から中間位置にある状態では、第一付勢部材の閉塞方向への付勢力の増加率は、弁開度の増加に伴って減少する。これに対し、弁部材が中間位置から開位置にある状態では、第一付勢部材の開放方向への付勢力の増加率は、弁開度の増加に伴って減少する。すなわち、第一付勢部材は、弁部材が中間位置を通過する際に、第一部材部材から弁部材に作用する付勢力が、閉塞方向から開放方向へ急激に変化する非線形の特性を有する。このため、アクチュエータを用いなくとも、アクチュエータを用いた構成に近い動作特性で、弁部材を排気の流量に応じて閉位置及び開位置に大きく切り替えできる。アクチュエータを用いないので、アクチュエータを用いる構造と比較して、排気流路切替構造の熱容量が小さい。なお、第二付勢部材の付勢力は、第一付勢部材の付勢力と併せて、弁部材を閉位置へ常に付勢しているので、弁部材が不用意 に閉位置へ移動することはない。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は上記構成としたので、排気流路の排気流量に応じて弁部材の開度を大きく切り替えることができると共に、排気流路切替構造の熱容量を小さくできる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は第一実施形態の排気流路切替構造を排気管の一部と共に示す斜視図である。
【図２】図２は第一実施形態の排気流路切替構造を排気管の一部と共に示す断面図である。
【図３】図３は第一実施形態の排気流路切替構造を排気管の一部と共に示す断面図である。
【図４】図４は第一実施形態の排気流路切替構造を排気管の一部と共に示す断面図である。
【図５】図５は第一実施形態の排気流路切替構造において引張バネ及びネジリバネから弁部材に作用するトルクを示す説明図である。
【図６】図６は第一実施形態の排気流路切替構造において引張バネ及びネジリバネから弁部材に作用するトルクを示す説明図である。
【図７】図７は第一実施形態の排気流路切替構造において引張バネ及びネジリバネから弁部材に作用するトルクを示す説明図である。
【図８】図８は第一実施形態の排気流路切替構造において弁部材の弁開度と引張バネ及びネジリバネから弁部材に作用するトルクとの関係を示すグラフである。
【図９】図９は第一実施形態の及び比較例の排気流路切替構造における排気流量と熱交換効率の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
第一実施形態の排気流路切替構造について、図面を参照して説明する。  
【００１１】
図２〜図４に示すように、本実施形態の排気流路切替構造３２は、エンジンからの排気が流れる排気管３４に設けられる。図面において、排気の流れ方向を矢印Ｆ１で示す。単に「上流」及び 「下流」というときは、それぞれ、排気の流れ方向における「上流」及び 「下流」を意味する。本実施形態では、排気管３４は全体として略円筒状に形成されている。排気の流れ方向は、排気管３４の軸方向と一致する。
【００１２】
排気流路切替構造３２は、排気管３４の内部に配置される弁部材３８を有する。弁部材３８は、閉位置ＴＰ（図２参照）から中間位置ＣＰ（図３参照）を経て開位置ＨＰ（図４参照）までの間を、開放方向（矢印Ｈ方向）及びその反対方向である閉塞方向に回転する。ここで、弁開度θを、閉位置ＴＰを基準として測った開放方向への弁部材３８の角度と定義する。本実施形態では、一例として、中間位置ＣＰ及び開位置ＨＰでの弁開度θはそれぞれ、約２７度、約５１度である。
【００１３】
弁部材３８は、開位置ＨＰでは、排気管３４の内部を閉じており、閉位置ＴＰでは、排気管３４の内部を、排気が通過できるように開放している。
【００１４】
弁部材３８には、回転軸４０が固定されている。回転軸４０の両側部分は、図１に示すように、排気管３４に取り付けられた軸受け４２によって、排気管３４に対し回転可能に支持されている。回転軸４０と軸受け４２及び排気管３４の貫通部分（貫通孔）の間にはパッキンが配置されており、排気管３４の内部と外部との気密性が保たれている。
【００１５】
回転軸４０は、弁部材３８の中心よりも図２における上側にオフセットされており、弁部材３８は、広面積部３８Ａと狭面積部３８Ｂとに分けられる。図２から分かるように、弁部材３８に正面から（矢印Ｆ１方向に）排気が当たるとき、広面積部３８Ａで受ける開弁方向（矢印Ｈ方向）の力が、狭面積部３８Ｂで受ける閉弁方向（矢印Ｈと反対方向）の力よりも大きい。
【００１６】
本実施形態では、弁部材３８は平板状に形成されており、排気の流れ方向に沿った断面で見て、弁部材３８は直線状に現れる。
【００１７】
図１に示すように、回転軸４０には、第一付勢部材４２が設けられている。第一付勢部材４２は、リンク４６と、引張バネ５０を有する。リンク４６は回転軸４０に取り付けられており、回転軸４０と共に回転する。
【００１８】
リンク４６の一端には回転支持部４６Ｒが設けられており、回転支持部４６Ｒには、引張バネ５０の一端が係止されている。排気管３４の外周にはブラケット４８が取り付けられている。ブラケット４８には固定支持部４８Ｆが設けられており、固定支持部４８Ｆには、引張バネ５０の他端が係止されている。引張バネ５０は、固定支持部４８Ｆと回転支持部４６Ｒの間に引張力を作用させる。
【００１９】
図５〜図７に示すように、回転支持部４６Ｒの位置は、弁部材３８の回転角に応じて、移動円ＲＣ上を移動（回転）するが、固定支持部４８Ｆの位置は、回転軸４０が回転しても変化しない。したがって、図８に一点鎖線Ｔ１で示すように、引張バネ５０から弁部材３８に作用するトルクは、弁部材３８の弁開度θに応じて連続的に変化する特性（非線形特性）を示す。
【００２０】
本実施形態では、弁部材３８が中間位置ＣＰにあるとき、回転支持部４６Ｒが、固定支持部４８Ｆと弁部材３８（回転軸４０）の中心ＣＰを結ぶ直線Ｌ１上にあるように、リンク４６の形状が設定されている。したがって、図５に示すように、回転支持部４６Ｒの位置が直線Ｌ１よりも閉塞方向側にあるときは、引張バネ５０から作用するトルクＴ１は閉塞方向に向かう成分を持つ。これに対し、図７に示すように、回転支持部４６Ｒの位置が直線Ｌ１よりも開放方向側にあるときは、引張バネ５０から作用するトルクＴ１は開放方向に向かう成分を持つ。また、図６に示すように、回転支持部４６Ｒの位置が直線Ｌ１上にあるときは、引張バネ５０から作用するトルクＴ１はゼロである。
【００２１】
ここで、弁部材３８が閉位置ＴＰから中間位置ＭＰにある状態では、第一付勢部材４２から弁部材３８に作用するトルクＴ１について、閉塞方向を正とする。図８のグラフにおいて上向きが正である。この状態では、図８の一点鎖線から分かるように、第一付勢部材４２から弁部材３８に作用するトルクＴ１の増加率は、弁開度θの増加に伴って減少している。
【００２２】
これに対し、弁部材３８が中間位置ＭＰから閉位置ＨＰにある状態では、第一付勢部材４２から弁部材３８に作用するトルクＴ１について、開放方向を正とする。図８のグラフにおいて下向きが正である。この状態では、図８の一点鎖線から分かるように、第一付勢部材４２から弁部材３８に作用するトルクＴ１の増加率は、弁開度の増加に伴って減少している。
【００２３】
換言すれば、トルクＴ１は、弁開度θを独立変数とする関数として考えると、図８のグラフに示す範囲（弁部材３８の閉位置から開位置まで）では単調減少関数である。そして、閉位置から中間位置までは上に凸、中間位置から開位置までは下に凸の関数である。このように、第一付勢部材４２から弁部材３８に作用するトルクＴ１は、非線形特性を有する。したがって、第一付勢部材４２から弁部材３８に作用するトルクＴ１は、弁部材３８の中間位置ＭＰ（及びその近傍）では、弁部材３８が閉位置ＴＰや開位置ＨＰにあるときよりも急激に変化し、閉塞方向から開放方向へ、あるいはその逆へ転じていることが分かる。
【００２４】
図１に示すように、排気管３４の外側では、回転軸４０に、第二付勢部材４４の一例であるネジリバネ５２が装着されている。図８に二点鎖線Ｔ２で示すように、ネジリバネ５２から弁部材３８に作用するトルクは、弁部材３８の弁開度θに伴って増加する特性（線型特性）を示し、このトルクは、常に閉塞方向に作用する。
【００２５】
弁部材３８には、引張バネ５０（第一付勢部材４２）のトルクＴ１と、ネジリバネ５２（第二付勢部材４４）のトルクＴ２とを合成した合成トルクＴ３が作用する。ネジリバネ５２のバネ特性は、引張バネ５０から作用する開放方向のトルクＴ１よりも大きな閉塞方向のトルクＴ２となるよう設定されている。したがって、図８に実線で示すように、引張バネ５０とネジリバネ５２の合成トルクＴ３の大きさは弁部材３８の回転角度によって変化するが、合成トルクＴ３の向きは常に閉塞方向であり、合成トルクＴ３が開放方向に作用することはない。
【００２６】
図２〜図４に示すように、排気管３４において、弁部材３８の位置及び その上流側では、外筒３４Ｇ及び 内筒３４Ｎを有する二重筒の構造である。外筒３４Ｇと内筒３４Ｎの間には、熱交換器５６が収容されている。
【００２７】
熱交換器５６よりも上流側には、内筒３４Ｎに隙間Ｃ１が形成されており、熱交換器５６よりも下流側には、内筒３４Ｎと外筒３４Ｇとの間に隙間Ｃ２が形成されている。排気管３４内を流れる排気が隙間Ｃ１から熱交換器５６に達すると、熱交換器５６では、排気の熱をたとえばエンジン冷却水等の受熱対象 に作用させる。熱交換器５６を通った排気は、隙間Ｃ２から排気管３４内に戻る。
【００２８】
図２に示すように、弁部材３８の閉塞方向（矢印Ｈと反対方向）への回転は、弁部材３８が排気管３４の内面に接触することで制限され、弁部材３８は閉位置ＴＰを維持する。
【００２９】
図１に示すように、リンク４６にはストッパ５８が設けられている。排気管３４には、接触片６０が設けられている。弁部材３８の開放方向への回転は、図１に二点鎖線で示すように、ストッパ５８が接触片６０に接触することで制限され、弁部材３８は開位置ＨＰを維持する。
【００３０】
次に、本実施形態の作用を説明する。
【００３１】
弁部材３８には、図８に示すように、引張バネ５０からのトルクＴ１と、ネジリバネ５２からのトルクＴ２を合成した合成トルクＴ３が作用している。この合成トルクＴ３は、図５に示すように、弁部材３８を閉塞方向に付勢している。
【００３２】
図２に示すように弁部材３８が閉位置ＴＰにある状態で、排気の流量が少なく、排気から受ける開放方向のトルクが合成トルクＴ３よりも小さい場合は、弁部材３８は閉位置ＴＰを維持する。弁部材３８よりも下流側には排気が流れにくいので、排気の多くは、隙間Ｃ１から熱交換器５６に流れる。すなわち、この状態では、排気から熱交換器５６を経て受熱対象 に作用する熱量が多いので、熱交換効率が高い。
【００３３】
排気の流量が多く、排気から受ける開放方向のトルクが合成トルクＴ３よりも大きい場合は、弁部材３８は開放方向に回転する。弁開度θが中間位置ＣＰ（図３参照）を超えると、引張バネ５０のトルクＴ１は、図７に示すように、弁部材３８に対し開放方向に作用する。すなわち、弁部材３８には、ネジリバネ５２から作用する閉塞方向のトルクＴ２と、引張バネ５０から作用する開放方向のトルクＴ１とが打ち消って作用するため、実質的に、弁部材３８に対し閉塞方向に作用する合成トルクＴ３は小さくなる。弁部材３８に排気から作用する開放方向のトルクは、合成トルクＴ３よりも大きいので、排気の圧力が小さくても弁部材３８は開放方向に回転する。
【００３４】
弁部材３８が開位置ＨＰ（あるいは開位置ＨＰに近い位置）にあるときには、排気の多くは、排気管３４内で隙間Ｃ１よりも下流へ流れる。この状態では、排気から受熱対象 に作用する熱量が少ないので、熱交換効率が低い。
【００３５】
図９には、排気の流量と、熱交換器５６での熱交換効率の関係が、本実施形態の排気流路切替構造と、比較例の排気流路切替構造とで定性的に示されている。
【００３６】
比較例の排気流路切替構造では、排気管を開閉する弁部材を、アクチュエータ（たとえばサーモアクチュエータ）によって駆動する。図９の、破線Ｄ１は、比較例において弁部材が閉位置にあるとき、破線Ｄ２は、比較例において弁部材が開位置にあるときを示す。また、図９の実線は、本実施形態の排気流路切替構造３２の場合を示す。
【００３７】
比較例において、排気の流量が所定の値に達するまでは、弁部材が閉位置にあるため、熱交換効率は、破線Ｄ１に従う。そして、排気の流量が所定の値に達すると、アクチュエータが弁部材を開位置に移動させるので、熱交換効率は、一点鎖線Ｄ３で示すように変位し、破線Ｄ２へと移行する。すなわち、比較例では、弁部材の位置（開位置及び閉位置）がアクチュエータによって制御され、熱交換効率は、図９において、破線Ｄ１から一点鎖線Ｄ３を経て破線Ｄ２へ移行する特性となる。
【００３８】
これに対し、本実施形態では、図９に実線Ｌ３で示すように、排気の流量が少ない状態では、弁部材３８が閉位置ＴＰを維持する。そして、排気の流量が多くなると、弁部材３８は開放位置へと回転し始め、中間位置ＣＰ（図３参照）を超えた状態では、引張バネ５０のトルクが開放方向へ作用する。したがって、この状態では、排気から作用する開放方向のトルクが小さくても、弁部材３８は開位置ＨＰへ容易に移動すると共に、開位置ＨＰを維持しやすい。
【００３９】
特に、本実施形態では、上記したように、第一付勢部材４２から弁部材３８に作用するトルクＴ１は非線形特性を有する。すなわち、このトルクＴ１は、弁部材３８が中間位置ＭＰを通過するときに、閉塞方向から開放方向へ、あるいはその逆へと急激に変化する。これにより、本実施形態の排気流路切替構造３２では、排気の流量に応じて、弁部材３８の開度を大きく切り替えることで、アクチュエータを用いた比較例の排気流路切替構造と略同様の排熱回収効率の特性が得られる。
【００４０】
そして、比較例では、弁部材の開閉制御にアクチュエータを用いているのに対し、本実施形態では、アクチュエータを用いることなく弁部材３８の開閉を制御し、上記したような所望の熱回収効率の特性を得ている。アクチュエータを用いた構造では、アクチュエータが熱容量を有するので、排気の熱の多くがアクチュエータに奪われ、効率的な排熱回収が難しい場合がある。本実施形態では、アクチュエータを用いていないので、排気から効率的に熱回収し受熱対象 に熱を移動させることができると共に、燃費の向上に寄与できる。
【００４１】
しかも、本実施形態ではアクチュエータを有さないので、排気流路切替構造３２として軽量化や低コスト化を図ることも可能である。
【符号の説明】
【００４２】
３２  排気流路切替構造
３４  排気管
３８  弁部材
４０  回転軸
４２  第一付勢部材
４４  第二付勢部材
４６  リンク（第一付勢部材）
５０  引張バネ（第一付勢部材）
５２  ネジリバネ（第二付勢部材）
【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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