(57)【要約】【課題】排気管の開放端までの距離を簡易な構成で連続的に可変にできるサブマフラを提供する。【解決手段】サブマフラ１Ａは、エンジンにつながる排気管１１の端部が拡張室１０内に導入され、拡張室１０内で開口しており、拡張室１０内に導入された排気管１１の開口端部１１ｏの外周面に外筒１１１が摺動自在に装着されている。外筒１１１は、駆動部２０によって、排気管１１の端部外周面に沿って軸方向に移動可能であり、排気管１１の開口端部１１ｏから突出する外筒１１１の突出量を変えることができる。駆動部２０は、開放端位置制御部１２０によって制御され、エンジンの運転状態に応じて外筒１１１の移動量が設定される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンから排気ガスを排気する排気経路に設けられるサブマフラであって、
拡張室と、
前記拡張室内に開放端部を有する排気管と、
前記拡張室内の前記開放端部の位置を変更して前記開放端部の長さを変化させる開放端位置可変機構と、
前記エンジンの運転状態に応じて前記開放端位置可変機構を制御する開放端位置制御部とを備えるサブマフラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンから排気ガスを排気する排気経路に設けられるサブマフラに関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンが搭載される自動車などの車両には、一般に、エンジンから排出された排気ガスを排気する排気装置を備える。排気装置は、排気経路を構成する排気管を備え、排気経路（排気管）には、排気ガスを浄化する触媒が内蔵された排気ガス浄化装置や、排気音（騒音）を低減するマフラなどが設けられる。マフラとしては、２段階で消音を行うものがあり、メインマフラとは別にサブマフラを備える場合がある。通常、サブマフラはメインマフラの前段側（上流側）に配置される。
【０００３】
特許文献１には、２サイクルエンジン用可変長排気管の発明が開示され、エキゾーストパイプと、当該パイプに接続される膨張管からなる２サイクルエンジン用排気管において、エキゾーストパイプの長さをエンジンの回転速度に応じて可変にする技術が記載されている。特許文献１に記載の排気管では、エンジンの排気孔に接続されるエキゾーストパイプが途中で所定区間切断され、その切断された各端部間に切換室が設けられている。切換室にはロータが設けられ、ロータには２つの連通路が形成されており、ロータを回転させることで、エキゾーストパイプの端部間が一方の連通路を介して連通する状態と、２つの連通路を介して副通路管に連通する状態とに切換え可能になっている。前者の状態は、エキゾーストパイプの端部間が一方の連通路を介して接続されて短絡された状態であり、エキゾーストパイプの長さが短縮され、排気孔から膨張管までの排気経路の距離が短くなる。一方、後者の状態は、エキゾーストパイプの端部間に２つの連通路を介して副通路管が接続された状態であり、エキゾーストパイプの長さが延長され、上記排気経路の距離が長くなる。特許文献１では、エキゾーストパイプの長さをエンジンの低速回転時は長くし、高速回転時は短くするようにして、２サイクルエンジンでの混合気の吹き抜けを防止し、エンジンの出力性能を向上させることを目的としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５５−１１２８２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
エンジンを運転したとき、排気経路（排気管）内の排気圧が変動する排気脈動が発生し、排気脈動はエンジンの運転状態（回転数など）によって変化することが知られている。また、排気脈動は、排気管の開放端での反射波に起因するため、排気管の長さ（開放端までの距離）によっても変化する。エンジン運転時、この排気脈動によって吸気の吹き抜け（吸気ポートから気筒内へ吸入した吸気が排気ポートから流出する現象）や排気の吹き返し（排気管内の排気が排気ポートから気筒内へ逆流する現象）が起こることがあり、エンジンの出力性能が低下する場合がある。したがって、エンジンの排気脈動を最適化し、出力性能を改善することが望まれている。
【０００６】
図４は、４サイクルガソリンエンジンにおける、ある回転数（回転速度）でのクランク角と排気圧（実線）及び吸気圧（破線）との関係を示している。図４中、横軸がクランク角（°ＣＡ）、縦軸が圧力（ｋＰａ）を示し、クランク角が０°ＣＡのときを排気上死点とする。４サイクルエンジンでも、図４に示すように、排気工程から吸気工程へ移行する際、排気バルブが開く排気期間（ＥＸ）と吸気バルブが開く吸気期間（ＩＮ）とをオーバラップさせる場合がある。吸気期間（ＩＮ）と排気期間（ＥＸ）とが重なるオーバラップ期間（ＯＬ）に排気脈動のピーク（Ｐｅ）が位置する場合、吸気圧に比べて排気圧が高くなり、排気の吹き返しが発生することがある。吹き返しが発生すると、十分な吸気が行われず、エンジンの出力性能が低下する。通常は低回転域の性能を向上させるため、低回転域でオーバーラップ期間に排気脈動のピークが位置しないように、排気管の長さを調整して排気脈動のピーク位置をずらし、低回転域での排気脈動が適正となるように設定している。
【０００７】
しかしながら、低回転域で排気脈動が適正となるように、ある回転数に合わせて排気管の長さを設定しても、その近傍の回転域では、オーバーラップ期間に排気脈動のピークが位置することがあり、排気脈動が適正化されない場合がある。つまり、低回転域であっても、ある回転数から外れる回転域では出力性能が低下することがあり、広い回転域で出力性能を向上できない場合がある。例えば、低回転域でアクセル開度（スロットルバルブ開度）を全開にしたとき、排気脈動の影響を受けて十分な出力が得られない場合がある。
【０００８】
特許文献１に記載の技術は、２サイクルエンジンの排気管において、ロータとロータに形成された２つの連通路とを有する切換室と副通路管とによる可変長構造によって、エンジンの低速及び高速回転時に排気管（排気経路）の長さを変えられるようにしている。この技術では、エンジンの低速及び高速回転時に排気管の長さを２段階でしか変えられないため、低回転域の全域にわたって排気脈動を最適化できない。また、切換室と副通路管の設置スペースを確保することが難しい場合があり、スペース効率上も不利となる。
【０００９】
本発明の目的の一つは、排気管の開放端までの距離を簡易な構成で連続的に可変にできるサブマフラを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様に係るサブマフラは、
エンジンから排気ガスを排気する排気経路に設けられるサブマフラであって、
拡張室と、
前記拡張室内に開放端部を有する排気管と、
前記拡張室内の前記開放端部の位置を変更して前記開放端部の長さを変化させる開放端位置可変機構と、
前記エンジンの運転状態に応じて前記開放端位置可変機構を制御する開放端位置制御部とを備える。
【発明の効果】
【００１１】
上記サブマフラは、拡張室内における排気管の開放端部の位置を変更する開放端位置可変機構を備え、開放端位置制御部によりエンジンの運転状態（回転数など）に応じて開放端部の長さを変化させることができる。したがって、排気管の開放端部の長さを変えて、排気管の長さ（開放端までの距離）を連続的に可変にでき、広い回転域で最適な排気脈動となるように設定できる。そのため、低回転域の全域にわたって出力性能を向上させることができる。また、上記サブマフラは、従来のサブマフラの構造を変更したものであり、設置スペースを確保することが容易であり、スペース効率上有利である。したがって、上記サブマフラは、排気管の開放端までの距離を簡易な構成で連続的に可変にできる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態に係るサブマフラが設けられた排気経路の一例を示す模式図である。
【図２】実施形態１のサブマフラの構成例を示す模式図である。
【図３】実施形態２のサブマフラの構成例を示す模式図である。
【図４】４サイクルエンジンにおけるクランク角と排気脈動との関係を示すイメージ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施形態に係るサブマフラの具体例を、図面を参照して説明する。図中の同一符号は同一名称物を示す。
【００１４】
［実施形態］
図１〜図３を参照して、実施形態に係るサブマフラ１について説明する。サブマフラ１は、図１に示すように、エンジンＥから排気ガスを排気する排気経路１０ｅに設けられる。サブマフラ１の特徴の１つは、図２、図３に示すように、拡張室１０と拡張室１０内に開放端部１２を有する排気管１１とを備え、拡張室１０内における排気管１１の開放端部１２の位置を自在に変更できる点にある。初めに、図１を参照してエンジンＥ及び排気経路１０ｅの構成を簡単に説明し、その後、図２、図３を主に参照して実施形態のサブマフラ１の構成を詳しく説明する。
【００１５】
＜エンジン＞
エンジンＥは、自動車用エンジンであり、この例では、４サイクルガソリンエンジンである。エンジンＥには、図１に示すように、内部に気筒Ｓが形成され、気筒Ｓ内に空気又は燃料と空気の混合気を吸入する吸気ポートＰｉと、気筒Ｓ内から排気ガスを排出する排気ポートＰｅと、吸気ポートＰｉ及び排気ポートＰｅをそれぞれ開閉する吸気バルブＶｉ及び排気バルブＶｅが設けられている。エンジンＥの吸気ポートＰｉ及び排気ポートＰｅには、吸気経路１０ｉ及び排気経路１０ｅがそれぞれ接続される。図１では１つの気筒Ｓしか図示していないが、エンジンＥは複数の気筒Ｓを有していてもよい。エンジンＥは、電子制御ユニット（ＥＣＵ）２００によって電子制御され、ＥＣＵ２００には、エンジンＥの運転状態（エンジン回転数など）に関する情報が各種センサにより収集される。ＥＣＵ２００は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）及びメモリを備えるマイクロコンピュータで構成されている。
【００１６】
（吸気経路）
吸気経路１０ｉは、吸気管で構成され、その一端側が吸気マニホールド（図示せず）を介してエンジンＥ（吸気ポートＰｉ）に連結されている。吸気経路１０ｉには、吸気量を調整するスロットルバルブＶｓが設けられている。スロットルバルブＶｓは、アクセルペダル（図示せず）の操作によって開度が調整される。この例では、スロットルバルブＶｓがＥＣＵ２００によって制御される。具体的には、アクセル開度の情報がＥＣＵ２００に送られ、アクセル開度に基づいてスロットルバルブ開度が調整される。
【００１７】
（排気経路）
排気経路１０ｅは、排気管１１で構成され、その一端側が排気マニホールド（図示せず）を介してエンジンＥ（排気ポートＰｅ）に連結されており、排気経路１０ｅ（排気管１１）には、エンジンＥから排出された排気ガスが流通する。排気経路１０ｅには、サブマフラ１の他、排気ガス浄化装置（触媒コンバータ）２、メインマフラ３が設けられている。この例では、排気ガス浄化装置２の後段側（下流側）にサブマフラ１及びメインマフラ３が配置され、サブマフラ１がメインマフラ３の前段側（上流側）に配置されている。これらが排気管１１で接続されている。
【００１８】
＜サブマフラ＞
サブマフラ１は、排気経路１０ｅ（排気管１１）の途中に取り付けられ、図２、図３に示すように、エンジンＥにつながる排気管１１が拡張室１０に接続され、拡張室１０内に排気管１１の開放端部１２が設けられている。拡張室１０は、排気管１１から排気ガスを膨張させて消音する。サブマフラ１は、後述するように、拡張室１０内の開放端部１２の位置を変更する開放端位置可変機構１１０と、エンジンＥの運転状態に応じて開放端位置可変機構１１０を制御する開放端位置制御部１２０とを備える。以下に、実施形態に係るサブマフラ１の各実施形態を図２、図３に基づいて詳しく説明する。なお、図２、図３に示す各実施形態のサブマフラ１Ａ、１Ｂは、開放端位置可変機構１１０の構成が異なる。以下の各実施形態では、排気管１１の軸方向に沿った方向（図２、図３の左右方向）を前後方向とし、排気管１１のエンジンＥ側（図２、図３の左側）を前、その反対側（図２、図３の右側）を後とする。
【００１９】
［実施形態１］
図２を参照して、実施形態１のサブマフラ１Ａについて説明する。図２に示す実施形態１は、開放端位置可変機構１１０が、拡張室１０内に収容される排気管１１の開口端部１１ｏに装着され、排気管１１の軸方向に移動可能な外筒１１１と、外筒１１１を移動させる駆動部２０とによって構成される例である。
【００２０】
実施形態１のサブマフラ１Ａは、図２に示すように、エンジンＥにつながる排気管１１の端部が拡張室１０内に導入され、拡張室１０内で開口しており、拡張室１０内に導入された排気管１１の開口端部１１ｏの外周面に外筒１１１が摺動自在に装着されている。サブマフラ１Ａでは、排気管１１の開放端部１２が外筒１１１によって構成され、排気管１１の開口端部１１ｏから突出する外筒１１１の後端の位置が排気管１１の開放端となる。
【００２１】
また、外筒１１１は、駆動部２０によって、排気管１１の端部外周面に沿って軸方向（前後方向）に移動可能である。この例では、駆動部２０は、アーム２１を備えており、アーム２１を介して外筒１１１を前後方向に移動させる。アーム２１は、その一端側が外筒１１１の前端面に連結され、他端側が排気管１１に沿って拡張室１０の外側に引き出されている。駆動部２０は、拡張室１０外に配置され、アーム２１を前後方向に駆動することで、外筒１１１を前後方向に移動させる。駆動部２０には、例えば、モータとギア機構との組み合わせや、ソレノイドなどを利用できる。駆動部２０は、後述する開放端位置制御部１２０によって制御される。この駆動部２０により、排気管１１に対して外筒１１１の位置を連続的に変更することが可能であり、排気管１１の開口端部１１ｏから突出する外筒１１１の突出量を変えることができる。つまり、外筒１１１により構成される排気管１１の開放端部１２の位置を変更して、拡張室１０内の開放端部１２の長さを変化させることができ、これにより、排気管１１の開放端までの距離を連続的に可変にできる。この例では、図２に示すように、外筒１１１が基準位置（図２中、「０」で示す位置）を中心に前後方向に移動可能である。図２において、１点鎖線で示す外筒１１１は最大限後方に位置した状態、２点鎖線で示す外筒１１１は最大限前方に位置した状態を表している。外筒１１１を基準位置に対して後方（図２中、＋方向）に移動させることで、排気管１１の開放端部１２の長さを長くできる。この場合、排気管１１の開放端までの距離が長くなるため、排気脈動の位相が遅れることになる。反対に、外筒１１１を基準位置に対して前方（図２中、−方向）に移動させることで、排気管１１の開放端部１２の長さを短くできる。この場合、排気管１１の開放端までの距離が短くなるため、排気脈動の位相が進むことになる。基準位置は、例えば、エンジンＥの低回転域の回転数で排気脈動が適正となる位置に設定することが挙げられる。
【００２２】
開放端位置制御部１２０は、ＥＣＵ２００（図１を参照）に組み込まれており、ＥＣＵ２００において判定されるエンジンＥ（図１を参照）の運転状態に応じて駆動部２０を制御する。具体的には、エンジンＥの運転中、図４を参照して説明したオーバラップ期間（ＯＬ）に排気脈動のピーク（Ｐｅ）が位置するような運転状態のとき、排気脈動のピークがオーバラップ期間から外れるように、駆動部２０を制御して外筒１１１を基準位置から移動させる。例えば、排気脈動のピークがオーバラップ期間の後期（後半）に位置するような場合は、外筒１１１を後方（図２中、＋方向）に移動させ、開放端部１２の長さを長くする。これにより、排気管１１の開放端までの距離が長くなるため、排気脈動の位相が遅れ、排気脈動のピークが遅れ側（図４中、白抜き矢印の方向）にずれることになり、排気脈動のピークをオーバラップ期間から外し易い。一方、排気脈動のピークがオーバラップ期間の前期（前半）に位置するような場合は、外筒１１１を前方（図２中、−方向）に移動させ、開放端部１２の長さを短くする。これにより、排気管１１の開放端までの距離が短くなるため排気脈動の位相が進み、排気脈動のピークが進み側（図４中、黒塗り矢印の方向）にずれるため、排気脈動のピークをオーバラップ期間から外し易い。
【００２３】
エンジンＥの運転状態としては、例えば、エンジン回転数、スロットルバルブ開度（アクセル開度）などが挙げられる。この例では、運転状態（エンジン回転数及びスロットルバルブ開度）と、それに対応する排気脈動との関係を予め試験で測定しておき、運転状態に応じた外筒１１１の移動量がマップ化して開放端位置制御部１２０に記憶されている。開放端位置制御部１２０では、エンジン回転数及びスロットルバルブ開度から運転状態を判断し、これに対応する外筒１１１の移動量が設定され、設定された移動量だけ駆動部２０により外筒１１１が移動する。
【００２４】
［実施形態２］
図３を参照して、実施形態２のサブマフラ１Ｂについて説明する。図３に示す実施形態２は、開放端位置可変機構１１０が、拡張室１０内に収容される排気管１１の一部に装着され、排気管１１の軸方向に移動可能な外筒１１２と、排気管１１に形成された貫通孔１１５と、外筒１１２を移動させる駆動部２０とによって構成される例である。以下では、上述した図２に示す実施形態１との相違点を中心に説明し、同様の構成についてその説明を省略する。
【００２５】
実施形態２のサブマフラ１Ｂは、図３に示すように、エンジンＥにつながる排気管１１が拡張室１０を貫通して拡張室１０内に収容され、排気管１１の拡張室１０内に収容された部分に貫通孔１１５が形成されると共に、その外周に外筒１１２が摺動自在に装着されている。サブマフラ１Ｂでは、排気管１１の開放端部１２が外筒１１２と排気管１１に形成された貫通孔１１５とによって構成され、外筒１１２から露出して拡張室１０内に開口する貫通孔１１５のうち最もエンジンＥ側（前側）に位置する貫通孔１１５の位置が排気管１１の開放端となる。図３に示すサブマフラ１Ｂの場合は、外筒１１２から露出する貫通孔１１５のうち、排気管１１の最も前側に位置する貫通孔１１５（図３中、右から４個目）の位置が開放端となる。
【００２６】
この例では、排気管１１には、貫通孔１１５が排気管１１の軸方向に沿って間隔をあけて複数設けられている（図３では６個）。貫通孔１１５の数や位置、形状などは適宜変更することが可能である。例えば図３に示すように、貫通孔１１５を排気管１１の軸方向の異なる位置にそれぞれ設ける場合、貫通孔１１５の数は、３個以上が好ましく、４個以上、８個以上がより好ましい。この場合、貫通孔１１５の数が多いほど、排気管１１の開放端の位置をより連続的に変えることができる。また、図３では排気管１１の軸方向の異なる位置にそれぞれ１個ずつ貫通孔１１５が設けられているが、各貫通孔１１５を排気管１１の周方向に複数設けてもよい。更には、貫通孔１１５をメッシュ状に設けて、貫通孔１１５の位置が排気管１１の軸方向に連続するように配置されていることが好ましい。
【００２７】
外筒１１２は、駆動部２０によって、排気管１１の外周面に沿って軸方向（前後方向）に移動可能である。駆動部２０は、実施形態１と同様に、アーム２１を備える構成であり、アーム２１を介して外筒１１２を前後方向に移動させる。この駆動部２０により、排気管１１に対して外筒１１２の位置を連続的に変更することが可能であり、外筒１１２から露出して拡張室１０内に開口する貫通孔１１５の位置を変えることができる。つまり、外筒１１２により排気管１１の開放端部１２となる貫通孔１１５の位置を変更して、拡張室１０内の開放端部１２の長さを変化させることができ、これにより、排気管１１の開放端までの距離を連続的に可変にできる。この例では、図３に示すように、外筒１１２が基準位置（図３中、「０」で示す位置）を中心に前後方向に移動可能である。図３において、１点鎖線で示す外筒１１２は最大限後方に位置した状態を表し、２点鎖線で示す外筒１１２は最大限前方に位置した状態を表している。外筒１１２を基準位置に対して後方（図３中、＋方向）に移動させることで、排気管１１の開放端部１２の長さを長くできる。この場合、排気管１１の開放端までの距離が長くなるため、排気脈動の位相が遅れることになる。反対に、外筒１１２を基準位置に対して前方（図３中、−方向）に移動させることで、排気管１１の開放端部１２の長さを短くできる。この場合、排気管１１の開放端までの距離が短くなるため、排気脈動の位相が進むことになる。
【００２８】
駆動部２０は、開放端位置制御部１２０によって制御される。開放端位置制御部１２０は、実施形態１で説明したように、エンジンＥ（図１を参照）の運転状態に応じて駆動部２０を制御する。具体的には、実施形態１と同様に、オーバラップ期間に排気脈動のピークが位置するような運転状態のとき、排気脈動のピークがオーバラップ期間から外れるように、駆動部２０を制御して外筒１１２を基準位置から移動させる。例えば、排気脈動のピークがオーバラップ期間の後期に位置するような場合は、外筒１１２を後方（図３中、＋方向）に移動させ、排気管１１の開放端までの距離を長くすることにより、排気脈動の位相を遅らせる。一方、排気脈動のピークがオーバラップ期間の前期に位置するような場合は、外筒１１２を前方（図３中、−方向）に移動させ、排気管１１の開放端までの距離を短くすることにより、排気脈動の位相を進ませる。開放端位置制御部１２０には、運転状態（エンジン回転数及びスロットルバルブ開度）に応じた外筒１１２の移動量がマップ化して記憶されており、運転状態に対応する移動量が設定され、駆動部２０により外筒１１２が移動する。
【００２９】
〔作用効果〕
上述した実施形態１、２のサブマフラ１Ａ、１Ｂは、拡張室１０内における排気管１１の開放端部１２の位置をエンジンＥの運転状態に応じて変更することができ、これにより排気管１１の開放端までの距離を連続的に可変にできる。よって、広い回転域で排気脈動を最適化できるため、低回転域の全域にわたって出力性能を向上させることができる。例えば、低回転域でアクセル開度（スロットルバルブ開度）を全開にしたときでも、排気脈動に起因する出力性能の低下を抑制でき、十分な出力を得ることができる。
【００３０】
本発明は、これらの例示に限定されず、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明のサブマフラは、自動車用エンジンの排気系に好適に利用可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１０ｅ  排気経路
１、１Ａ、１Ｂ  サブマフラ
１０  拡張室
１１  排気管
１１ｏ  開口端部
１２  開放端部
１１０  開放端位置可変機構
１１１、１１２  外筒
１１５  貫通孔
２０  駆動部
２１  アーム
１２０  開放端位置制御部
２  排気ガス浄化装置
３  メインマフラ
Ｅ  エンジン
Ｓ  気筒
Ｐｉ  吸気ポート
Ｖｉ  吸気バルブ
Ｐｅ  排気ポート
Ｖｅ  排気バルブ
１０ｉ  吸気経路
Ｖｓ  スロットルバルブ
２００  ＥＣＵ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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