JP2002174368A - 差厚化流路分割パイプ及び自動車排気系二重管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 耐熱性を維持しながら早期に触媒コンバータ
を活性化できる。 【解決手段】 内側パイプ１０は、パイプ本体１１の内
部を仕切り板１２により２つの排ガス流路に仕切られて
いる。パイプ本体１１は上流端周辺の板厚ｔ１が他の部
分の板厚ｔ２に比べて厚く形成されている。内側パイプ
１０の上流端周辺は、高温の排ガスによって高温に曝さ
れるうえ、排ガスの脈動圧によって仕切り板１２が左右
に振られることによりパイプ本体１１と仕切り板１２と
の連結部分周辺に負荷が加わるが、それに耐え得るだけ
の十分な耐熱強度を有している。一方、パイプ本体１１
のうち上流端周辺以外の他の部分は板厚が薄く形成され
ているため、全体にわたって板厚が厚い場合に比べて、
熱容量が小さいのでここを通過する排ガスの温度低下が
抑制され、早期に触媒コンバータを活性化できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、車両エンジンの下
流側に接続され、内部が２つの排ガス流路に分割された
流路分割パイプ、及びこれを利用した自動車排気系二重
管に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、多気筒エンジンからの排ガスを流
通させるためのパイプとして、パイプ本体の内部に仕切
り板を設けることにより２つの排ガス流路を形成した流
路分割パイプが知られている。この流路分割パイプによ
れば、４気筒エンジンのうち排気干渉しにくい２つの気
筒からの排ガスを同じ排ガス流路に流通させることによ
り、エンジンの排気効率が向上し良好な出力特性が得ら
れる。

【０００３】このような流路分割パイプとしては、例え
ば図７に示すように、断面略Ｚ状の仕切り板１０２をパ
イプ本体１０１の内部に配置した状態で、パイプ本体１
０１の外側からレーザビーム照射することにより仕切り
板１０２のフランジ部１０２ａとパイプ本体１０１とを
溶接したものが知られていた（特開平９−２６４１２８
号公報参照）。この流路分割パイプ１００の端面には、
レーザ溶接ビード１０３つまりパイプ本体１０１とフラ
ンジ部１０２ａとが溶融後固化して結合した部分が見ら
れる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、環境面を考
慮すれば、エンジンをスタートさせた後できるだけ早い
段階で排気系の触媒コンバータを活性化温度に到達させ
て排ガスの浄化を図ることが好ましい。これを実現化す
る一手法として、エキゾーストマニホルドの熱容量を小
さくすることが考えられる。この場合、エンジンから排
出された高温の排ガスは、エキゾーストマニホルドを通
過してもそれほど温度が低下せず、高い温度を維持した
まま触媒コンバータに送り込まれるため、エンジンスタ
ート後、早期に触媒コンバータを活性化させることがで
きる。

【０００５】しかしながら、上述のようにレーザ溶接に
よりパイプ本体１０１とフランジ部１０２ａを接合した
タイプの流路分割パイプ１００では、熱容量を小さくし
ようとして板厚を下げると、上流端周辺の耐熱性が低下
してしまうという問題があった。即ち、流路分割パイプ
１００の上流端周辺には、高温の排ガスによって高温に
曝されるうえ、排ガスの脈動圧によって仕切り板１０２
が左右に振られることによりフランジ部１０２ａとパイ
プ本体１０１との連結部分であるレーザ溶接ビード１０
３の周辺に負荷が加わるが、高温下ではその負荷に耐え
られないおそれがあった。逆に、耐熱性を向上させよう
として板厚を上げると、熱容量が大きくなってしまい、
エンジンスタート後、早期に触媒コンバータを活性化さ
せることが難しくなるという問題があった。

【０００６】本発明は、上記課題に鑑みなされたもので
あり、耐熱性を維持しながら早期に触媒コンバータを活
性化できる流路分割パイプを提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段及び発明の効果】上記課題
を解決するため、請求項１記載の発明は、車両エンジン
の下流側に接続され、仕切り部により円筒部の内部が２
つの排ガス流路に分割された流路分割パイプにおいて、
上流端周辺の前記仕切り部及び前記円筒部の少なくとも
一方の板厚が下流側に比べて厚く形成されていることを
特徴とする。

【０００８】この差厚化流路分割パイプの上流端周辺
は、高温の排ガスによって高温に曝されるうえ、排ガス
の脈動圧によって仕切り部が左右に振られることにより
仕切り部と円筒部との連結部分周辺に負荷が加わるが、
本発明では上流端周辺の円筒部及び仕切り部の少なくと
も一方の板厚が他の部分（下流側）に比べて厚く形成さ
れているため、そのように高温に曝され且つ負荷が加わ
ったとしても、それに耐え得るだけの十分な耐熱強度を
有している。一方、上流端周辺以外の他の部分は板厚が
薄く形成されているため、全体にわたって板厚が厚い場
合に比べて、軽量になるうえ、熱容量が小さいのでここ
を通過する排ガスの温度低下が抑制され、エンジンスタ
ート後、早期に触媒コンバータを活性化できる。

【０００９】請求項２記載の発明は、請求項１記載の差
厚化流路分割パイプであって、鋳型によって一体成形さ
れたことを特徴とする。この場合、鋳型を適宜選択する
ことにより、差厚化流路分割パイプの上流端周辺の円筒
部を下流側に比べて厚く形成したり、あるいは上流端周
辺の仕切り部を下流側に比べて厚く形成したり、あるい
はその両方を下流側に比べて厚くしたりすることができ
る。

【００１０】請求項３記載の発明は、請求項１記載の差
厚化流路分割パイプであって、円筒部としてのパイプ本
体と、仕切り部としての仕切り板と、仕切り板に設けら
れたフランジ部とパイプ本体とを溶接したときに形成さ
れたビードとを備え、パイプ本体は、上流端周辺の板厚
が下流側に比べて厚く形成されていることを特徴とす
る。この場合、上流端周辺のパイプ本体の板厚が他の部
分（下流側）に比べて厚く形成されているため、請求項
１と同様の作用効果を奏する。

【００１１】請求項４記載の発明は、請求項３記載の差
厚化流路分割パイプであって、パイプ本体につき、内径
は全体にわたって略一定に形成され、外径は上流端周辺
が他の部分に比べて大きく形成されていることを特徴と
する。この場合、パイプ本体の内径は全体にわたって略
一定であるため、仕切り板をパイプ本体の内部に挿入す
る作業や仕切り板のフランジ部とパイプ本体とを溶接す
る作業に支障をきたすこともない。

【００１２】請求項５記載の発明は、請求項３又は４記
載の差厚化流路分割パイプであって、パイプ本体は、厚
肉のパイプにロータリスエージング加工を施すことによ
り上流端周辺以外の部分を薄肉化したものを用いること
を特徴とする。これ以外に、例えば薄肉のパイプに軸方
向の圧縮力を加えつつパイプを部分的に加熱して厚肉化
することも考えられるが、加工時に座屈しやすく、また
内径が略一定に保てないという問題がある。これに対し
て、厚肉のパイプにロータリスエージング加工を施して
薄肉化する場合には、圧縮力を加えないため座屈の心配
がなく、また内径を略一定に保てるという利点がある。

【００１３】請求項６記載の発明は、請求項３〜５のい
ずれかに記載の差厚化流路分割パイプであって、パイプ
本体につき、例えば、上流端周辺の板厚が１．５〜２．
５ｍｍであり、他の部分の板厚が１．２ｍｍ以下（特に
０．６〜１．２ｍｍ）であることを特徴とする。この場
合、本発明の効果を有効に得ることができる。更に、上
流端周辺の板厚に比べて他の部分の板厚が半分以下であ
ることが好ましい。

【００１４】請求項７記載の発明は、自動車排気系二重
管であって、請求項１〜６のいずれかに記載の差厚化流
路分割パイプである内管と、隙間をもって前記内管の外
周を取り囲むように形成された外管とを備えたことを特
徴とする。この場合、熱容量を小さくしてここを通過す
る排ガスの温度低下を抑制し、早期に触媒コンバータを
活性化することができる。特に、外管によって内管が断
熱化されるため、内管を通過する排ガスの温度が一層低
下しにくくなり、触媒コンバータの早期活性化が一段と
図られる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の好適な実施形態
を図面に基づいて説明する。 ［第１実施形態］図１は本実施形態の車両用エンジンの
排気系の概略説明図、図２はフロントパイプの端面図、
図３は図２のＡ−Ａ断面図である。

【００１６】図１に示すように、車両エンジン（４気
筒）の排気系は、エンジンに接続されるエキゾーストマ
ニホルド３と、上流側がエキゾーストマニホルド３に接
続され下流側が触媒コンバータ（図示せず）に接続され
るフロントパイプ５とを備えている。

【００１７】フロントパイプ５は、外側パイプ７と内側
パイプ１０から成り、全体が略Ｌ字状に湾曲され、外側
パイプ７は内側パイプ１０と所定のクリアランスをもっ
て内側パイプ１０の外周を取り囲むように配置されてい
る。このフロントパイプ５の上流端及び下流端には、そ
れぞれフランジ板１７が取り付けられている。なお、図
２及び図３では、便宜上、このフランジ板１７を省略し
て示してある。

【００１８】内側パイプ１０は、図２及び図３に示すよ
うに、車両エンジンの下流側に接続されるパイプ本体１
１と、このパイプ本体１１の内部を仕切ることにより２
つの排ガス流路Ｒ１、Ｒ２を形成する仕切り板１２と、
この仕切り板１２に設けられたフランジ部１２ａ、１２
ａとパイプ本体１１とをレーザ溶接して形成したレーザ
溶接ビード１３、１３とを備えている。パイプ本体１１
については、内径は略一定に形成され、外径は上流端周
辺が他の部分に比べて大きく形成されることにより、該
上流端周辺の板厚ｔ１が他の部分の板厚ｔ２に比べて厚
く形成されている。本実施形態では、上流端から長さ約
５０ｍｍにわたって板厚がｔ１となるように形成され、
また、板厚ｔ２は板厚ｔ１の半分以下に設定されてい
る。

【００１９】外側パイプ７は、排ガス上流側の端部が他
の箇所よりも小径に形成されている（小径部７ａとい
う）。この小径部７ａは、軸方向長さが約２０〜３０ｍ
ｍであり、内側パイプ１０の排ガス上流側の端部の外側
全周と接触している。次に、本実施形態のパイプ本体１
１の製造例について図４に基づいて説明する。図４はロ
ータリスエージング加工の説明図である。ロータリスエ
ージング装置５０は、パイプの一端を保持してパイプを
軸回転させるチャック部５１と、パイプの外周面を叩く
ダイス５６と、パイプに挿通されるマンドレル５７とを
備えている。このうちチャック部５１は、パイプの一端
に挿通される段付き変形防止用芯金５２と、この変形防
止用芯金５２に挿通されたパイプの外周面をクランプす
る油圧チャック５３と、このパイプを変形防止用芯金５
２及び油圧チャック５３ともども軸回転させる回転機５
４と、この回転機５４を軸方向に沿って前進後退させる
油圧シリンダ５５とを備えている。また、マンドレル５
７は油圧シリンダ５８により軸方向に沿って前進後退可
能に設置されている。

【００２０】さて、パイプ本体１１を製造するにあた
り、このロータリスエージング装置５０に板厚ｔ１のパ
イプ（素管）をセットする。即ち、パイプの一端に変形
防止用芯金５２を挿入して芯金５２に設けられた段差部
に突き当て、その状態でパイプの外周面を油圧チャック
５３でクランプする。一方、パイプの他端からマンドレ
ル５７を挿入する。そして、回転機５４によりパイプを
軸回転させながら、油圧シリンダ５５によりこの回転機
５４を軸方向に沿って前進（図４にて左方向に移動）さ
せ、更に、マンドレル５７が挿入されているパイプの外
周面をダイス５６で叩く。このとき、マンドレル５７は
油圧シリンダ５８により後退が防止されている。この結
果、パイプのうちダイス５６によって叩かれた部分は板
厚が薄くなり、ｔ１からｔ２になる。

【００２１】そして、パイプの前進に伴って板厚ｔ２の
部分が軸方向に長く形成されていき、最終的にパイプの
他端がマンドレル５７の段差部に突き当たった時点で、
ダイス５６の動作を停止し、油圧シリンダ５５，５８を
作動させて回転機５４を後退させると共にマンドレル５
７を移動させてパイプから引き抜く。その後、油圧チャ
ック５３を緩めてパイプを変形防止用芯金５２から引き
抜く。この結果、一端周辺が板厚ｔ１のままでその他の
部分が板厚ｔ２と薄くなったパイプ本体１１が得られ
る。

【００２２】次に、本実施形態の内側パイプ１０につ
き、ＣＡＥ評価結果を図５に示す。この図５では、第１
比較形態として、板厚０．８ｍｍのパイプ本体の内部に
板厚２．０ｍｍの仕切り板のフランジ部を溶接した流路
分割パイプを採用し、第２比較形態として、板厚１．２
ｍｍのパイプ本体の内部に板厚２．０ｍｍの仕切り板の
フランジ部を溶接し、この仕切り板と背中合わせに板厚
１．５ｍｍの補強板を付けた流路分割パイプを採用し、
本実施形態として、ｔ１が２．０ｍｍでｔ２が０．８ｍ
ｍのパイプ本体の内部に板厚２．０ｍｍの仕切り板のフ
ランジ部を溶接した差厚化流路分割パイプを採用した。
そして、各流路分割パイプを半割体（図５参照）とし、
仕切り板の左右方向（図５にて矢印方向）に３［Ｎ／
ｍ］のモーメントを加えた際の最大応力を計算したとこ
ろ、第１比較形態の最大応力が最も大きな値となり、本
実施形態は第２比較形態と同様、小さな値となった。こ
のことから、本実施形態は、第２比較形態のように補強
板を付けたときと同等の強度を有することがわかった。

【００２３】次に、上記フロントパイプ５の作用につい
て説明する。内側パイプ１０は、４気筒エンジンのうち
２つの気筒からの排ガスが一方の排ガス流路Ｒ１に導入
され、他の２つの気筒からの排ガスが他方の排ガス流路
Ｒ２に導入されるように、エキゾーストマニホルド３に
フランジ板１７を介して接続されている。各排ガス流路
Ｒ１、Ｒ２に導入される２つの気筒からの排ガスは、互
いに干渉の少ないものが組み合わされている。また、内
側パイプ１０の排ガス流路Ｒ１、Ｒ２に排ガスが流通し
ても、内側パイプ１０と外側パイプ７との間に空隙があ
るため、排ガスの温度が下がりにくい。

【００２４】本実施形態のフロントパイプ５によれば、
以下の効果が得られる。 互いに干渉する気筒の排ガスは異なる排ガス流路Ｒ
１、Ｒ２を流通するから、排気干渉によるエンジンの出
力低下を防止でき、中低速のトルクが向上する。また、
２つの単管を並設する場合に比べて設置スペースがコン
パクトになる。更に、互いの排ガス流路Ｒ１、Ｒ２が隣
接する構造であると同時に外側パイプ７を有する二重管
構造であるため、断熱性が非常に高く、エンジンから触
媒コンバータに至る間に排ガス温の低下を防止すること
ができる。

【００２５】内側パイプ１０の上流端周辺は、高温の
排ガスによって高温に曝されるうえ、排ガスの脈動圧に
よって仕切り板１２が左右（図２の矢印参照）に振れる
ことによりパイプ本体１１と仕切り板１２との連結部分
であるレーザ溶接ビード１３の周辺に負荷が加わるが、
パイプ本体１１の上流端周辺の板厚ｔ２は他の部分（下
流側）の板厚ｔ１よりも厚いため、そのように高温に曝
され且つ負荷が加わったとしても、それに耐え得るだけ
の十分な耐熱強度を有している。一方、上流端周辺以外
の他の部分は板厚が薄く形成されているため、全体にわ
たって板厚が厚い場合に比べて、軽量になるうえ、熱容
量が小さいのでここを通過する排ガスの温度低下が抑制
されて早期に触媒コンバータを活性化できる。

【００２６】パイプ本体１１の内径は略一定であるた
め、仕切り板１２をパイプ本体１１の内部に挿入する作
業や仕切り板１２のフランジ部１２ａとパイプ本体１１
とをレーザ溶接する作業に支障をきたすこともない。 ［第２実施形態］図６は本実施形態の説明図であり、
（ａ）はＢ−Ｂ断面図、（ｂ）はＣ−Ｃ断面図、（ｃ）
はＤ−Ｄ断面図である。

【００２７】本実施形態の差厚化流路分割パイプ６０
は、鋳型によって一体成形された鋳物であり、仕切り部
６２により円筒部６１の内部が２つの排ガス流路Ｒ１，
Ｒ２に分割されている。この差厚化流路分割パイプ６０
は、上流端が図示しない大径パイプに接続され、下流端
が図示しない小径パイプに接続されるものであり、それ
に応じて、上流側から順に大径部６０ａ、徐変部６０ｂ
（径が徐々に変化する部分）、小径部６０ｃを備えてい
る。つまり、大径部６０ａは上流端周辺に相当する部分
である。円筒部６１の板厚は小径部６０ｃ、徐変部６０
ｂ、大径部６０ａの順に厚くなるように形成され、ま
た、仕切り部６２の板厚も小径部６０ｃ、徐変部６０
ｂ、大径部６０ａの順に厚くなるように形成されてい
る。

【００２８】本実施形態の差厚化流路分割パイプ６０に
よれば、第１実施形態の、と略同等の作用効果が得
られる。特ににつき、上流端周辺である大径部６０ａ
は、高温の排ガスによって高温に曝されるうえ排ガスの
脈動圧によって仕切り部６２が左右に振れることにより
円筒部６１と仕切り部６２との連結部分周辺に負荷が加
わるが、大径部６０ａの円筒部６１及び仕切り部６２は
他の部分（徐変部６０ｂや小径部６０ｃ）に比べて厚く
形成されているため、そのように高温に曝され且つ負荷
が加わったとしても、それに耐え得るだけの十分な耐熱
強度を有している。一方、上流端周辺以外の他の部分は
板厚が薄く形成されているため、全体にわたって板厚が
厚い場合に比べて、軽量になるうえ、熱容量が小さいの
でここを通過する排ガスの温度低下が抑制されて早期に
触媒コンバータを活性化できる。しかも、大径部６０ａ
の仕切り部６２は板厚が厚いため剛性が高く、排ガスの
脈動圧によってそれほど大きく振れることはなく、した
がって円筒部６１と仕切り部６２との連結部分周辺に加
わる負荷も小さい。

【００２９】尚、本発明の実施の形態は、上記実施形態
に何ら限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に
属する限り種々の形態を採り得ることはいうまでもな
い。例えば、第１実施形態では、パイプ本体１１をロー
タリスエージング加工により形成したが、パイプ本体１
１の形状が得られるのであれば別の加工方法によって形
成してもよい。例えば、スピニング加工の一種でパイプ
（素管）に芯金を入れて回転し、外周にロール（例えば
３本）を押し付けながらパイプの軸方向に移動し、板厚
を所要寸法に減少させることにより、パイプ本体１１を
形成してもよい。

【００３０】また、第１実施形態において、仕切り板１
２の板厚は全体にわたって略均一としたが、仕切り板１
２の板厚を上流端周辺だけ厚くしてもよい。このとき、
パイプ本体１１の板厚を全体にわたって均一としてもよ
い。更に、第２実施形態では、上流端周辺の円筒部６１
及び仕切り部６２の両方とも下流側に比べて厚くした
が、上流端周辺の円筒部６１を下流側に比べて厚く形成
して仕切り部６２は全体にわたって同じ厚さとしてもよ
く、あるいは、上流端周辺の仕切り部６２を下流側に比
べて厚く形成して円筒部６１は全体にわたって同じ厚さ
としてもよい。

【００３１】更にまた、第２実施形態では、大径部６０
ａ、徐変部６０ｂ、小径部６０ｃを形成したが、全体に
わたって略同じ径としてもよい。このとき、上流端周辺
の円筒部６１の板厚を他の部分に比べて厚く形成するに
際し、全体にわたって外径を略同じ大きさにし、上流端
周辺の内径を他の部分（下流側）に比べて小さくしても
よいし、あるいは、全体にわたって内径を略同じ大きさ
にし、上流端周辺の外径を他の部分（下流側）に比べて
大きくしてもよい。第２実施形態は鋳物であるため、鋳
型を適宜選択すれば、いずれであっても作製可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第１実施形態の車両用エンジンの排気系の概
略説明図である。

【図２】 第１実施形態のフロントパイプの端面図であ
る。

【図３】 図２のＡ−Ａ断面図である。

【図４】 ロータリスエージング加工の説明図である。

【図５】 ＣＡＥ評価結果をまとめた表である。

【図６】 第２実施形態の差厚化流路分割パイプの説明
図である。

【図７】 従来の流路分割パイプの断面図である。

【符号の説明】

３・・・エキゾーストマニホルド、５・・・フロントパ
イプ、７・・・外側パイプ、７ａ・・・小径部、１０・
・・内側パイプ、１１・・・パイプ本体、１２・・・仕
切り板、１２ａ・・・フランジ部、１３・・・レーザ溶
接ビード、５０・・・ロータリスエージング装置、５１
・・・チャック部、５２・・・段付き変形防止用芯金、
５３・・・油圧チャック、５４・・・回転機、５５・・
・油圧シリンダ、５６・・・ダイス、５７・・・マンド
レル、５８・・・油圧シリンダ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 杉浦 政行 愛知県岡崎市橋目町字御茶屋１番地 フタ バ産業株式会社内 (72)発明者 中田 祐司 愛知県岡崎市橋目町字御茶屋１番地 フタ バ産業株式会社内 (72)発明者 大野 一成 愛知県岡崎市橋目町字御茶屋１番地 フタ バ産業株式会社内 Ｆターム(参考） 3G004 AA01 BA03 DA03 DA14 GA04 GA06 3H111 AA01 CA17 CA24 CB21 CB29 DA11 DB11 DB20

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 車両エンジンの下流側に接続され、仕切
   り部により円筒部の内部が２つの排ガス流路に分割され
   た流路分割パイプにおいて、 上流端周辺の前記仕切り部及び前記円筒部の少なくとも
   一方の板厚が下流側に比べて厚く形成されていることを
   特徴とする差厚化流路分割パイプ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の差厚化流路分割パイプで
   あって、 鋳型によって一体成形されたことを特徴とする差厚化流
   路分割パイプ。
3. 【請求項３】 請求項１記載の差厚化流路分割パイプで
   あって、 前記円筒部としてのパイプ本体と、 前記仕切り部としての仕切り板と、 前記仕切り板に設けられたフランジ部と前記パイプ本体
   とを溶接したときに形成されたビードとを備え、 前記パイプ本体は、上流端周辺の板厚が下流側に比べて
   厚く形成されていることを特徴とする差厚化流路分割パ
   イプ。
4. 【請求項４】 請求項３記載の差厚化流路分割パイプで
   あって、 前記パイプ本体につき、内径は全体にわたって略一定に
   形成され、外径は上流端周辺が他の部分に比べて大きく
   形成されていることを特徴とする差厚化流路分割パイ
   プ。
5. 【請求項５】 請求項３又は４記載の差厚化流路分割パ
   イプであって、 前記パイプ本体は、厚肉のパイプにロータリスエージン
   グ加工を施すことにより上流端周辺以外の部分を薄肉化
   したものである差厚化流路分割パイプ。
6. 【請求項６】 請求項３〜５のいずれかに記載の差厚化
   流路分割パイプであって、 前記パイプ本体につき、前記上流端周辺の板厚が１．５
   〜２．５ｍｍであり、他の部分の板厚が１．２ｍｍ以下
   である差厚化流路分割パイプ。
7. 【請求項７】 請求項１〜６のいずれかに記載の差厚化
   流路分割パイプである内管と、 隙間をもって前記内管の外周を取り囲むように形成され
   た外管とを備えたことを特徴とする自動車排気系二重
   管。