JP2008063958A - 車両排気管 - Google Patents

Abstract

【課題】湾曲した形状を有する二重管構造の排気管において、熱膨張に伴う内管の座屈や亀裂の発生を好適に抑制しつつ、同内管の薄肉化を図る。
【解決手段】湾曲した形状を有する二重構造の排気管において、内管４２は、その一端４２ａが外管４１に固定されるとともに、他端４２ｂは、他端４２ｂと外管４１との間に介在させた支持部材４３により外管４１に対してその延伸方向に沿って相対移動可能に支持されている。そして、内管４２の支持部材４３により支持される端部４２ｂは、その中心軸ＡＸが、同端部４２ｂの中心Ｙと外管４１に対して固定される端部４２ａの中心Ｘとを通る直線Ｌに重なるようにその延伸方向が設定される。
【選択図】図２

Description

この発明は、外管及び同外管に内挿される内管を有した二重構造の車両排気管に関する。

車両の排気通路には、排気を浄化するための触媒コンバータが設けられている。触媒コンバータは、その内部に設けられた触媒が活性化温度以上にまで温度上昇した状態で所定の排気浄化能力を発揮するため、例えば機関冷間時等、排気温度が低いときには、排気通路を流れる排気の浄化が十分に行われないおそれがある。

そこで従来、排気管を外管とこの外管に対してその断面が同心円状に位置するように内挿される内管とにより構成される二重管構造とし、この排気管を介して触媒コンバータに排気を導入するようにしている。こうした二重構造の排気管を採用することにより、外管と内管との間に形成された空気層の断熱作用によっての排気の熱が内管から外管に伝達されることを抑制し、排気を極力高温のまま触媒コンバータに導入してその触媒の早期活性化を図ることができるようになる。

また、こうした二重管構造の排気管にあっては、内管の肉厚を極力薄くしてその熱容量を小さくすることが排気温度の低下を好適に抑制する上で好ましい。
ところが、内管は排気に直接晒されるため、外管と比較して温度が高くなり、その長手方向において同外管よりも大きく熱膨張しようとする。そして、こうした内管の熱膨張が外管によって規制されると、同内管にはその長手方向に大きな熱応力が発生することとなり、内管に座屈が生じたり、亀裂等、その熱応力に起因する損傷が生じたりしてしまうこととなる。上述したように内管を薄肉化した場合には、内管の剛性低下により座屈や損傷が一層生じ易いものとなるため、このように内管を薄肉化して排気の温度低下を抑制するには自ずと限界が存在することとなる。

そこで、例えば特許文献１に記載の排気管では、図６に示されるように、排気管１における内管２の一端４を外管３に固定する一方、他端５と外管３との間に支持部材６を介在させ、同支持部材６により内管２の他端５を外管３に対してその長手方向（図６における矢印ａの方向）に相対移動可能に支持するようにしている。こうした構成によれば、内管２の長手方向における熱膨張が許容されるようになるため、内管２の座屈や亀裂の発生を抑制しつつ、内管２の薄肉化を図ることができるようになる。
特開２００４−１６２６１０号公報

こうした構成を採用することにより、同内管２の両端を外管３に固定するようにした構成と比較すれば確かに内管２に発生する熱応力を減少させ、その薄肉化に起因する座屈や亀裂の発生を抑制することができるようにはなる。しかしながら、上記特許文献１にも記載されるように排気管１が湾曲した形状を有したものである場合にあっては、以下に示す問題が存在する。即ち、こうした湾曲した形状を有する排気管１にあっては、直線状の排気管とは異なり、内管２が熱膨張した際に支持部材６により支持される端部５が外管３の長手方向にのみ相対移動するわけではなく、図７の二点鎖線にて示されるように、外管３の長手方向に対して傾斜した方向（図７の矢印ｂの方向）にも相対移動することがある。そしてこの場合、外管３と内管２の端部５との間の距離ｄが減少して支持部材６が圧縮されるようになり、この圧縮された部分と内管２の端部５との間の当接力が増大するようになる。その結果、内管２の端部５の相対移動が抑制され、同相対移動が抑制される分だけ内管２に発生する熱応力が増大することとなる。このように、内管２を外管３に対してその長手方向に相対移動可能とした従来の排気管１は、熱膨張に伴って発生する内管２の熱応力についてこれをある程度低減することが可能であるとはいえ、それが湾曲形状を有するものである場合には上述したような課題を依然として残すものとなっていた。

この発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、湾曲した形状を有する二重管構造の排気管において、熱膨張に伴う内管の座屈や亀裂の発生を好適に抑制しつつ、同内管の薄肉化を図ることにある。

以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、湾曲した外管と、同外管に対して断面が同心円状を呈するように内挿される内管とを有し、同内管の一部を前記外管に固定するとともに、その固定された部位から前記内管の延伸方向に離間した部位において前記内管と前記外管との間に介在させた支持部材により前記内管を前記外管に対してその延伸方向に沿って相対移動可能に支持する二重管構造の車両排気管において、前記内管の前記支持部材により支持される部分はその中心軸が、同部分の前記内管の中心と前記外管に対して固定される部分の中心とを通る直線と重なることをその要旨とする。

内管の一部を外管に対して固定するとともに、その固定された部位から内管の延伸方向に離間した部位において内管と外管との間に支持部材を介在させ同支持部材により内管を支持するようにした構成において、内管の支持部材により支持された部分（以下、「移動部」と称する）における熱膨張による相対移動量は、外管に対して固定された部分（以下、「固定部」と称する）から移動部までの各部位における熱膨張量を積算したものになり、その移動方向は、固定部における内管の中心と移動部における内管の中心とを通る直線の方向と一致する。この点、上記構成によれば、移動部の中心がこの直線上を相対移動するようになるため、支持部材により内管の相対移動が許容される方向と熱膨張によって実際に内管が相対移動する方向とが一致するようになる。従って、内管が熱膨張することにより支持部材が介装された部位において内管と外管との隙間が狭くなり、同内管と支持部材との間の当接力が増大して内管の相対移動が規制されるといった不都合の発生を抑制することができる。その結果、湾曲した形状を有する二重管構造の排気管において、熱膨張に伴って発生する内管の熱応力を低減することができるようになり、熱膨張に伴う内管の座屈や亀裂の発生を好適に抑制しつつ、同内管の薄肉化を図ることができるようになる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の車両排気管において、前記内管の支持部材により支持される部分は、弾性部材からなる前記支持部材を介して支持されることをその要旨とする。

内管は熱膨張によりその径が僅かに拡径する。内管が熱膨張により拡径する場合にも、支持部材が介装された部位において内管と外管との隙間が狭くなり、同内管と支持部材との間の当接力が増大する。上記構成のように弾性部材からなる支持部材を介して内管を支持することにより、熱膨張により内管が拡径した場合であっても、弾性部材が変形することにより内管の拡径に伴う上記当接力の増大を抑制することができるようになる。そのため、内管の熱膨張に伴って発生する熱応力を好適に低減することができるようになる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の車両排気管において、前記内管の前記支持部材により支持された部分は、前記内管の前記外管に固定された部分よりも排気下流側に設けられることをその要旨とする。

請求項４に記載の発明は、請求項２又は３に記載の車両排気管において、前記弾性部材は、金属の細線からなるワイヤメッシュであることをその要旨とする。
高温の排気の流れに晒されると弾性部材の劣化及び破損が生じやすくなる。そのため、こうした劣化や破損を抑制する上では、請求項３に記載の発明によるように、移動部を固定部よりも排気下流側となるように設け、弾性部材が排気の流れに直接晒され難くなるようにすることが望ましい。

また、請求項４に記載の発明によるように、耐熱性の高い金属の細線からなるワイヤメッシュを弾性部材として適用するといった構成を採用することもできる。
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の車両排気管を、車両床下の触媒コンバータに接続され、車両前方に搭載された内燃機関から排出される排気を前記触媒コンバータに導入するフロントパイプに適用することをその要旨とする。

触媒コンバータは車両の床下に配設されることが多く、車両前方に搭載された内燃機関から排出される排気を触媒コンバータに導入するフロントパイプは、変速機や左右の車輪を連結する車軸等を迂回して車両床下の触媒コンバータと接続されるため、湾曲した形状となることが避けられない。請求項５に記載の発明によれば、こうしたフロントパイプにあっても上記請求項１〜４に記載の構成を適用することにより、その内管の熱膨張に伴って発生する熱応力を低減することができるようになり、熱膨張に伴う内管の座屈や亀裂の発生を好適に抑制しつつ、同内管の薄肉化を図ることができるようになる。

以下、この発明にかかる車両排気管を、車両床下に配設された触媒コンバータに排気を導くフロントパイプに具体化した一実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。
図１は、本実施形態にかかるフロントパイプを含んで構成された排気系の概略構成を示している。尚、図１における左側が車両前方を示している。図１に示されるように本実施形態にかかる車両の排気系は、第１の触媒コンバータ３０と、第２の触媒コンバータ５０とを備えている。

エンジン１０の各気筒に対応する排気ポート１１（図１にはその１つのみを図示）には、排気マニホールド２０の分岐管２１がそれぞれ接続されている。排気マニホールド２０の集合管２２は第１の触媒コンバータ３０に接続されており、エンジン１０の各気筒から排出される排気は分岐管２１から集合管２２を介して第１の触媒コンバータ３０に導入される。

第１の触媒コンバータ３０は、その内部に触媒を担持させた担体を備え、内部を流れる排気に含まれる炭化水素、窒素酸化物及び一酸化炭素の酸化還元反応を触媒の作用により促進させて排気を浄化する。この第１の触媒コンバータ３０の下流側にはフロントパイプ４０が接続されている。

フロントパイプ４０は、エンジン１０の下方を回り込むように車両後方に向かって延伸し、（図示しない左右の車輪を連結している車軸６０を迂回するため、同車軸６０の上方を回り込むように）Ｓ字状に湾曲している。そして、フロントパイプ４０は、車両床下に配設された第２の触媒コンバータ５０に接続され、排気を第２の触媒コンバータ５０に導入する。

第２の触媒コンバータ５０も第１の触媒コンバータ３０と同様に、その内部に触媒を担持させた担体を有し、内部を流れる排気を浄化する。第２の触媒コンバータ５０によって浄化された排気は、車両後方に配設される図示しないマフラに導入され、同マフラから大気中に排出される。

ところで、触媒コンバータ３０，５０は、その内部に設けられた触媒が活性化温度以上にまで温度上昇した状態で所定の排気浄化能力を発揮する。そのため、機関冷間時等、排気温度が低いときには、排気系を流れる排気の浄化が十分に行われないおそれがある。特にエンジン１０から離間して配設される第２の触媒コンバータ５０にあっては、排気系を流れる間に排気の熱が奪われ、その温度が低下しやすいため、触媒が活性化されるまでの時間が長くなりやすい。

そこで、この排気系にあっては、フロントパイプ４０を二重管構造とし、フロントパイプ４０を介して第２の触媒コンバータ５０に排気を導入している。図２を参照して二重管構造を有するフロントパイプ４０の構成を説明する。図２はフロントパイプ４０の断面図である。フロントパイプ４０は、外管４１と、同外管４１に内挿された内管４２とにより二重管構造をなしている。尚、排気温度の低下を抑制する上では、内管４２の肉厚を極力薄くしてその熱容量を小さくすることが望ましい。このため、内管４２は、排気管として必要な強度が確保される範囲でその肉厚を極力薄く設定するようにしている。

一方、外管４１の一端には第１の触媒コンバータ３０と接続されるフランジ４１ａが、他端には第２の触媒コンバータ５０と接続されるフランジ４１ｂが、それぞれ設けられている。

図２に示されるように内管４２の一端４２ａは、外管４１におけるフランジ４１ａ近傍の内周面に接するように拡径され、溶接により外管４１に固定されている。
また、内管４２の他端４２ｂと外管４１におけるフランジ４１ｂ近傍の内周面との間には、金属の細線をメッシュ状に編み込んだワイヤメッシュからなり、弾性を有する支持部材４３が圧入されている。そのため、内管４２の他端４２ｂは、支持部材４３が介装されている部分における内管４２の延伸方向、即ち図２に一点鎖線で示される中心軸ＡＸに沿って相対的に移動できるように支持されている。

尚、フロントパイプ４０は、Ｓ字状に湾曲しているが、図２に示されるように移動可能に支持された内管４２の端部４２ｂ（以下、移動部４２ｂとする）とその近傍にあっては、外管４１及び内管４２がともに直線状に延伸している。そして、直線状に延伸した移動部４２ｂの中心軸ＡＸが、外管４１に固定された端部４２ａ（以下、固定部４２ａとする）の中心Ｘと移動部４２ｂの中心Ｙとを通る直線Ｌに重なるようになっている。

上記のように固定部４２ａと移動部４２ｂとによって内管４２が、その断面が外管４１と同心円状になるように支持されることにより、フロントパイプ４０は、外管４１と内管４２との間に空気層４４を有する二重管構造をなしている。この排気系では、こうした二重管構造を有するフロントパイプ４０を介して排気を第２の触媒コンバータ５０に導入することにより、空気層４４の断熱作用によって排気の熱が内管４２から外管４１に伝達されることを抑制し、極力高温のまま排気を導入して触媒の早期活性化を図るようにしている。

このように構成されたフロントパイプ４０において、内管４２が熱膨張した場合の変形態様について図３を参照して説明する。図３は、内管４２を固定部４２ａの中心Ｘから移動部４２ｂの中心Ｙにかけて点Ａ〜Ｄにおいて屈曲した線に近似した模式図である。

固定部４２ａは、上述のように外管４１に固定されているため、熱膨張による移動部４２ｂの外管４１に対する相対移動は、固定部４２ａから移動部４２ｂまでの内管４２の各部位における相対移動を積算したものになる。

内管４２の各部位における相対移動は、固定部４２ａの中心Ｘと移動部４２ｂの中心Ｙとを通る直線Ｌに平行なｘ方向の成分と、同直線Ｌに垂直なｙ方向の成分とに分解することができる。具体的には、図３に示されるように、固定部４２ａの中心Ｘから点Ａまでの部位における内管４２の相対移動は、矢印ＸＡｙ方向の移動と矢印ＸＡｘ方向の移動とに分解することができる。同様に、点Ａから点Ｂまでの部位における相対移動は矢印ＡＢｙ方向の移動と矢印ＡＢｘ方向の移動とに、点Ｂから点Ｃまでの部位における相対移動は矢印ＢＣｙ方向の移動と矢印ＢＣｘ方向の移動とに、点Ｃから点Ｄまでの部位における相対移動は矢印ＣＤｙ方向の移動と矢印ＣＤｘ方向の移動とに、点Ｄから移動部４２ｂの中心Ｙまでの部位における相対移動は矢印ＤＹｙ方向の移動と矢印ＤＹｘ方向の移動とに、それぞれ分解することができる。

そして、内管４２全体が熱膨張により均一に伸びる場合には、固定部４２ａから移動部４２ｂまでの各部位における相対移動を積算すると、矢印ＸＡｙ，ＡＢｙ，ＢＣｙ，ＣＤｙ，ＤＹｙ方向の移動は、互いに相殺される。そのため、熱膨張による移動部４２ｂの外管４１に対する相対移動は、各部位における矢印ＸＡｘ，ＡＢｘ，ＢＣｘ，ＣＤｘ，ＤＹｘ方向の移動を積算したものになる。要するに、熱膨張によって移動部４２ｂは、固定部４２ａの中心Ｘと移動部４２ｂの中心Ｙとを通る直線Ｌに平行なｘ方向に相対移動する。即ち、その移動方向は、固定部４２ａの中心Ｘと移動部４２ｂの中心Ｙとを通る直線Ｌと一致した方向になる。

以上説明した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
（１）中心軸ＡＸに沿って移動可能に支持された移動部４２ｂは、その中心軸ＡＸが、固定部４２ａの中心Ｘと移動部４２ｂの中心Ｙとを通る直線Ｌに重なっている。そのため、支持部材４３により内管４２の相対移動が許容される方向と熱膨張によって実際に内管４２が相対移動する方向とが一致するようになる。従って、内管４２が熱膨張することにより支持部材４３が介装された移動部４２ｂにおいて内管４２と外管４１との隙間が狭くなり、内管４２と支持部材４３との間の当接力が増大して内管４２の相対移動が規制されるといった不都合の発生を抑制することができる。その結果、湾曲した形状を有する二重管構造のフロントパイプ４０において、熱膨張に伴って発生する内管４２の熱応力を低減することができるようになり、熱膨張に伴う内管４２の座屈や亀裂の発生を好適に抑制しつつ、内管４２の薄肉化を図ることができるようになる。特に、こうした移動部４２ｂを内管４２の端部４２ｂに配置するようにしているため、同端部４２ｂにおいては内管４２の熱膨張による総変形量も自ずと大きくなり、上述した熱応力の発生に起因する不都合も生じ易いものとなる。この点、本実施の形態によれば、こうした構成にあっても上記不都合の発生を好適に抑制することができる。

（２）内管４２は、熱膨張によりその径が僅かに拡径する。内管４２が熱膨張により拡径すると支持部材４３が介装された部位において内管と外管との隙間が狭くなり、同内管と支持部材との間の当接力が増大する。弾性を有する支持部材４３を介して内管４２を支持したことにより、熱膨張により内管４２が拡径した場合であっても、支持部材４３が弾性変形することにより内管４２の拡径に伴う当接力の増大を抑制することができるようになる。そのため、内管４２の熱膨張に伴って発生する熱応力を好適に低減することができるようになる。

（３）高温の排気の流れに晒されると支持部材４３の劣化及び破損が生じやすくなる。上記実施形態では、移動部４２ｂを固定部４２ａよりも排気下流側に設けているため、支持部材４３は、排気の流れに直接晒され難くなる。そのため、支持部材４３の劣化や破損を抑制することができる。

（４）また、耐熱性の高い金属の細線からなるワイヤメッシュを支持部材４３として適用したため、支持部材４３の熱による劣化や破損をより好適に抑制することができる。
なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することもできる。

・上記実施形態では、内管４２の端部４２ｂと外管４１との間に支持部材４３を介装することにより、同端部４２ｂを移動可能に支持して移動部４２ｂとしたが、この発明は、このように移動可能に支持される部分の位置が内管４２の端部に限定されるものではない。例えば、図４に示されるように、内管４２の固定された一端４２ａから他端４２ｂ側に離間した部分において、内管４２と外管４１との間に支持部材４３を介装して移動部４５とし、内管４２をその中心軸ＡＸ１に沿って移動可能に支持する構成を採用してもよい。こうした構成を採用した場合であっても、図４に示されるように移動部４５の中心軸ＡＸ１が、固定部４２ａの中心Ｘと移動部４５の中心Ｙ１とを通る直線Ｌ１に重なる構成であれば、上記実施形態と同様に支持部材４３により内管４２の相対移動が許容される方向と熱膨張によって実際に内管４２が相対移動する方向とを一致させることができるようになり、上記実施形態に準じた効果を奏することができる。

・また、支持部材４３によってその延伸方向に沿って移動可能に支持される移動部を複数設ける構成を採用することもできる。例えば、図５に示されるように、内管４２の一端４２ａを固定部４２ａ、他端４２ｂを移動部４２ｂとするとともに、固定部４２ａと移動部４２ｂとの間に更に移動部４５を設けるといった構成を採用することもできる。こうした構成であっても、移動部４２ｂの中心軸ＡＸが、固定部４２ａの中心Ｘと移動部４２ｂの中心Ｙとを通る直線Ｌに重なるとともに、移動部４５の中心軸ＡＸ１が、固定部４２ａの中心Ｘと移動部４５の中心Ｙ１を通る直線Ｌ１に重なる構成であればよい。即ち、移動部を複数設ける構成であっても、移動部の中心軸が、同移動部の内管４２の中心と固定部の内管４２の中心とを通る直線に重なる構成であれば、支持部材４３により内管４２の相対移動が許容される方向と熱膨張によって実際に内管４２が相対移動する方向とを一致させることができるようになる。

・更に、この発明は、上記移動部の場合と同様に、外管４１に固定される部分の位置が内管４２の端部４２ａに限定されるものではない。即ち、移動部の中心軸が、同移動部の内管４２の中心と固定部の内管４２の中心とを通る直線に重なる構成であれば、上記実施形態と同様に支持部材４３により内管４２の相対移動が許容される方向と熱膨張によって実際に内管４２が相対移動する方向とを一致させることができるようになる。

・また、金属のワイヤメッシュからなる支持部材４３を内管４２と外管４１との間に圧入し、内管４２を移動可能に支持する構成を示したが、金属のワイヤメッシュに替えて弾性を有する耐熱樹脂等、他の弾性部材を支持部材として内管４２と外管４１との間に介装する構成を採用することもできる。

・また、支持部材４３としては、弾性部材以外にも、内管４２と外管４１との間における摩擦力を低減させる摩擦係数の小さな材料からなる部材等、その他の部材を適宜支持部材として採用することができる。

・固定部４２ａを排気上流側のフランジ４１ａの近傍に設け、移動部４２ｂ，４５を固定部４２ａよりも排気下流側に設ける構成を示した。これに対して、移動部を固定部よりも排気上流側に設ける構成を採用することもできる。

・車両床下の第２の触媒コンバータ５０に接続され、車両前方に搭載されたエンジン１０から排出される排気を第２の触媒コンバータ５０に導入するフロントパイプ４０として、この発明にかかる車両排気管を適用した構成を示しが、この発明にかかる車両排気管はフロントパイプに限定されるものではない。例えば、排気マニホールド２０の分岐管２１等、湾曲形状を有するその他の車両排気管に適用することができる。

この発明の一実施形態にかかるフロントパイプを含む排気系の概略構成を示す簡略図。 同実施形態にかかるフロントパイプの断面図。 同実施形態にかかるフロントパイプの内管を直線に近似して示す模式図。 変更例としてのフロントパイプの断面図。 変更例としてのフロントパイプの断面図。 一般の二重管構造を有する排気管の断面図。 同排気管の内管支持部を拡大して示す断面図。

符号の説明

１０…エンジン、１１…排気ポート、２０…排気マニホールド、２１…分岐管、２２…集合管、３０…第１の触媒コンバータ、４０…フロントパイプ、４１…外管、４１ａ，４１ｂ…フランジ、４２…内管、４２ａ…固定部（端部）、４２ｂ…移動部（端部）、４３…支持部材、４４…空気層、４５…移動部、５０…第２の触媒コンバータ、６０…車軸。

Claims (5)

1. 湾曲した外管と、同外管に対して断面が同心円状を呈するように内挿される内管とを有し、同内管の一部を前記外管に固定するとともに、その固定された部位から前記内管の延伸方向に離間した部位において前記内管と前記外管との間に介在させた支持部材により前記内管を前記外管に対してその延伸方向に沿って相対移動可能に支持する二重管構造の車両排気管において、
   前記内管の前記支持部材により支持される部分はその中心軸が、同部分の前記内管の中心と前記外管に対して固定される部分の中心とを通る直線と重なる
   ことを特徴とする車両排気管。
2. 請求項１に記載の車両排気管において、
   前記内管の支持部材により支持される部分は、弾性部材からなる前記支持部材を介して支持される
   ことを特徴とする車両排気管。
3. 請求項２に記載の車両排気管において、
   前記内管の前記支持部材により支持された部分は、前記内管の前記外管に固定された部分よりも排気下流側に設けられる
   ことを特徴とする車両排気管。
4. 請求項２又は３に記載の車両排気管において、
   前記弾性部材は、金属の細線からなるワイヤメッシュである
   ことを特徴とする車両排気管。
5. 車両床下の触媒コンバータに接続され、車両前方に搭載された内燃機関から排出される排気を前記触媒コンバータに導入するフロントパイプである
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の車両排気管。

Images