JP2009504968A - 排気管 - Google Patents

Abstract

本発明は、同心状に配された以下の要素、すなわち、無機マトリックス複合材で作られた内管（２２）、金属製外管（２４）、および繊維材料で作られた支持層（２６）を備える排気管（２０）に関する。支持層（２６）の厚さは２ｍｍから１０ｍｍの間で、好ましくは３ｍｍから６ｍｍの間である。支持層（２６）によって内管（２２）に加えられる最大支持圧力は１０^−４ＭＰａから５．１０^−１ＭＰａの間である。
【選択図】図２

Description

本発明は、同心状に配された以下の要素、すなわち、
− 無機マトリックス複合材で作られた内管と、
− 金属製外管と、
− 繊維材料で作られた支持層と
を備える排気管に関する。

今日では、排気系統における汚染除去装置の設置には、エンジンから排気口に至るまでの熱流の精確な管理が要求される。とりわけ、エンジンから発生する熱の大半は、排気系統に設置された汚染除去装置に到達できるようになっている必要がある。この熱伝達は、特に車両を始動する際、触媒要素の温度が速やかに上昇できるようにするために要求される。実際、触媒要素は、所定の温度に到達するまでは機能しない。

触媒の温度が速やかに上昇できるようにするため、エンジン出口と汚染除去装置の間の排気系統の要素が金属製外管によって断熱材を間に挟んで覆われたセラミック製内管を備えるようにすることが知られている。実際、セラミック管は、その熱慣性の低さにより、セラミック管への排気ガスの熱伝達を大幅に減らす。

さらに、セラミック製内管は熱膨張が小さいため、特に１０００°Cを超えるような、きわめて高温の排気ガスを発生させるエンジン用であっても、熱力学的破壊のリスクなしに、単体構造の内管を作ることができる。

このような構造は、エンジン排気口の直近に位置する排気マニホールドに特に使用される。

このようなマニホールドは、例えば米国特許第６７２５６５８号などで説明されている。

この文献では、高密度セラミック製内管と金属製外管の間に比較的厚いセラミック繊維の断熱層をセラミック管に接するようにして設けることが提案されている。セラミック繊維の厚い層は厚さが１ｍｍから４０ｍｍの間であり、好ましくは２ｍｍから２０ｍｍの間である。

１つの具体的な実施形態では、応力遮断層として知られる薄い層がセラミック繊維の厚い層と金属製外管の間に設けられる。この薄い応力遮断層の寸法は０．０５ｍｍから２ｍｍの間で、好ましくは０．１ｍｍから０．５ｍｍの間である。この応力遮断層は、セラミック繊維の厚い層の破壊を防ぐために、エンジンおよび道路の振動を吸収するように設計されている。この層は、排気系統が高温になったときにセラミック繊維の厚い層と金属製外管の間の熱膨張差を補償することなどによって、振動の減衰も行う。実際、高温のガスが内管の中を通るときには、高密度セラミック製内管およびセラミック繊維の厚い層は金属製外管と比べると膨張係数が比較的小さいことから、大きな熱膨張差が観測される。

米国特許第６７２５６５８号に説明されている装置では、セラミック繊維の厚い層が、高密度セラミック製内管と金属製外管の間の膨張差による隙間を埋めるために求められる性質を持たないため、この薄い応力遮断層が必要である。

米国特許第６７２５６５８号では、少なくとも１つの高密度セラミック製内層と、１つのセラミック繊維の厚い断熱層と、１つの金属層とを備える多層構造が説明されている。この構造は、セラミック繊維の厚い層を振動から保護するように設計された薄い応力遮断層によって補完することができる。

ところで、米国特許第６７２５６５８号で説明されている形式の構造は、セラミック繊維の厚い層を損う振動の可能性に加え、高密度セラミック製内管の内壁レベルで排気ガスの流れによる応力にもさらされる。こうした応力はガスの流れに伴って内管を動かす傾向があり、それによって金属製外管内でのセラミック製内管の保持に問題を生じる。

ところで、米国特許第６７２５６５８号の開示内容は、金属構造内における高密度セラミック製内層の保持の問題を解決すると考えられる要素を含んでいない。

上記に鑑み、本発明は、金属製の外側構造の中に保持された無機マトリックス複合材で作られた内管を備え、十分な熱輸送を可能とする排気管を提供することを目的とする。

上記目的のため、本発明は、保持層の厚さが２ｍｍから１０ｍｍの間で、好ましくは３ｍｍから６ｍｍの間であり、保持層によって内管に加えられる最小保持圧力が１０^−４ＭＰａから１０^−１ＭＰａの間であることを特徴とする上述の形式の排気管に関する。

具体的実施形態では、以下に説明する管は次に掲げる特徴のうちの１つまたはそれ以上を有する。
− 保持層によって内管に加えられる最小保持圧力は１０^−３ＭＰａから５．１０^−２ＭＰａの間である。
− 金属製外管の厚さは０．５ｍｍから３ｍｍの間である。
− 金属製外管は、鋼管、アルミニウム管およびチタン管からなるグループの中から選ばれる。
− 外管は、長手方向接合部によって組み立てられた樋形の２つの半シェルによって形成される。
− 無機マトリックス複合材で作られた内管の厚さは２ｍｍ未満である。
− 無機マトリックス複合材で作られた内管は少なくとも１種類の無機ポリマーからなるマトリックスを含む。
− 無機ポリマーはアルミノケイ酸塩主体のジオポリマーである。
− 無機マトリックス複合材で作られた内管は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、炭素、シリカ（ＳｉＯ_２）主体などの繊維、または６００℃以上の温度に耐える耐食性金属ワイヤによって強化されたマトリックスを含む。
− 保持層はセラミック繊維のシートを含む。
− 保持層はセラミック繊維および無機結合材を含み、保持層のセラミック繊維含有量は重量比で９０％から１００％である。
− セラミック繊維は、シリカ繊維、アルミナ繊維、ジルコニウム繊維、アルミナホウケイ酸繊維およびそれらの混合物からなるグループの中から選ばれた繊維である。
− 保持層に含まれる繊維は、アルミナ繊維とシリカ繊維のそれぞれ７２％と２８％の比率による混合物である。
− 保持層を構成する材料のＧＢＤ（ギャップバルク密度）は０．１から０．６の間である。
− 保持層を構成する材料の密度は５００ｇ／ｍ^２から３０００ｇ／ｍ^２の間である。
− 内管および外管の表面に対する保持層を形成する材料の摩擦係数は０．１５から０．７の間である。
− 排気マニホールドは上に規定されるとおりの排気管を少なくとも１つ持つ。

本発明のその他の特徴および利点は、純粋に例として図面を参照しながら行う以下の説明によって明らかになるはずである。

図１に示された排気マニホールド１０は、熱機関出口で原動機付き車両の排気系統入口に取り付けることを意図したものである。この排気系統は、マニホールド１０の下流側に過給システムおよび高温で動作するのに適した１つまたは複数の汚染除去装置を備えることができる。

マニホールド１０は出口フランジ１４に向かって収束するいくつかの入口１２を備える。入口１２は互いに合流しあう管２０によって出口フランジ１４に接続されている。

図２に示されるように、それぞれの管２０は、セラミックなどの無機マトリックス複合材で作られた１つの内管２２と１つの金属製外管２４とを持ち、その間にセラミック繊維材料を含んだ１つの保持層２６が設けられている。

好ましくは、管は３つの層２２、２４、２６のみを備える。

外管２４は、厚さが０．５から３ｍｍの間の金属壁によって形成される。第１の実施形態では、外管２４は、特に鋼、アルミニウムまたはチタンなどの金属で作られた円筒管である。

変形例では、図１に示すように、外管２４は、相対する長手方向接合部２８によって組み立てられた２つの樋形の金属製半シェル２７によって形成される。

外管２４は、その両端にフランジを持ち、それによって上流側は原動機に、下流側は車両の排気系統にそれぞれ結合できるようになっている。

金属製外管を選択することの正当性は、汚染除去装置の上流側において、とりわけ外管と上流側および下流側の金属フランジとの結合部において最適なシールを確保する必要があることによって裏付けられる。参考として、許容漏れ速度は、２０℃で１３０ｋＰａ（１．３バール）未満のとき、２５リットル毎時である。内管２２は、セラミックなどの無機マトリックス複合材によって形成される管である。内管２２の形成を可能とする無機マトリックス複合材の例は、米国特許出願６１３４８８１およびＷＯ２００４１０６７０５に示されている。これらの材料は、好ましくはジオポリマー型である少なくとも１つの無機ポリマーを含むマトリックスにアルミナケイ酸塩の基材を組み合わせることによって形成される。このマトリックスは、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、炭素もしくはシリカ（ＳｉＯ_２）主体などの繊維、または６００℃以上の温度に耐える耐食性金属ワイヤ（ステンレス鋼、インコネル（登録商標）等）によって強化される。好ましくは、内管２２は２ｍｍ未満の壁によって形成される。

保持層２６の厚さは２から１０ｍｍの間であり、好ましくは３から６ｍｍの間である。

保持層２６は、長いセラミック繊維などのセラミック繊維のシートによって形成され、好ましくは有機および／または無機結合材と組み合わされる。

有機結合材は保持層を内管のまわりに固定する際にのみ有用であって、車両において排気管の温度が最初に上昇した時点で消尽される。この結合材は、質量比で新品の保持層の０から１５％に相当する。

無機結合材は、車両動作時に繊維間のよりよい結合を確保するために必要である場合に使用されるものであり、したがって消尽されてはならないものである。この結合材は、質量比で有機結合材を除いた保持層の０から１０％に相当する。

そのため、動作時の構成では、セラミック繊維は重量比で保持層の９０から１００％を占め、残りは無機結合材である。

保持層２６に含まれるセラミック繊維は、シリカ繊維、アルミナ繊維、ジルコニウム繊維、アルミナホウケイ酸繊維およびそれらの混合物からなるグループの中から選ばれる。シートにはニードルパンチ処理を施すことができ、それによって耐用期間の向上を得る。

好ましくは、使用する繊維は、アルミナとケイ素をそれぞれ７２％と２８％の比率で混ぜ合わせたムライト繊維である。

保持層を構成する材料の密度は５００ｇ／ｍ^２から３０００ｇ／ｍ^２の間である。

この保持層２６は、動作条件にかかわらず、内管２２が外管２４の中に保持されるようにするものでなければならない。

前記内管を金属管の中に保持するために与えられなければならない最小圧力は、セラミック製内管の特徴および保持層の性質（重量、保持層との接触面積）、内管がさらされる最大加速度ならびに排気ガスの最大流量および圧力に基づいて計算される。この最小圧力には、上述の応力に加えて、セラミック製内管と保持層の動作中における挙動の固有の補正率が考慮に入れられる。この補正率には摩擦係数が影響する。保持層を構成する材料は、内管および外管を構成する材料に応じて、内管と外管の表面の間の減衰層の摩擦係数が０．１５から０．７の間となるように選ばれる。最小保持圧力は１０^−４から１０^−１ＭＰａの間であり、好ましくは１０^−３ＭＰａから５．１０^−２ＭＰａの間である。

１０^−３ＭＰａの値は、保持層との間に４０ｄｍ^２の接触面積を持ち、１０ｇの加速度と１００Ｐａの圧力低下にさらされる１００グラムの内管に相当する。この圧力低下は内管の壁に対するガスの摩擦によってもたらされるものである。５．１０^−２ＭＰａの値は、保持層との間に２０ｄｍ^２の接触面積を持ち、４０ｇの加速度と２５０Ｐａの圧力低下にさらされる２００グラムの内管に相当する。

保持層２６を構成するものとして選ばれるシートの種類によっては、シートを構成する繊維の破壊を防ぐ必要がある一方で、無機マトリックス複合材で作られた内管の損傷を防ぐ必要もあることがわかった。そのため、内管に加わる圧力が一定値を超えないこと、したがってシートの圧縮が特定値を超えないことが必須となる。この最大圧力は０．１から１ＭＰａの間であり、好ましくは０．３から０．７ＭＰａの間である。

ＧＢＤは、保持層を構成するものとして選ばれたシートの１平方メートル当たりのキログラムで表した密度と、外管と内管の間のミリメートル単位の間隔との関係である。密度はシートに固有の特徴である。本発明の範囲において、外管と内管の間の間隔の値は主として排気系統要素の形状の制約によって主に決定づけられる。利用することができるＧＢＤの範囲は０．１から０．６の間である。最小値は振動による繊維の損傷を防止するために与えられ、最大値は圧縮による繊維の損傷を防止するために与えられる。

保持層によって内管に加えられる圧力ＰとＧＢＤとの関係は、長いセラミック繊維を含むシートの場合、Ｐ＝Ａ．（ＧＢＤ）^３＋Ｂ．（ＧＢＤ）^２＋Ｃ（ＧＢＤ）＋Ｄのような方程式によって表される。

内管が外管から確実にある間隔で隔てられるように設計されたある密度のシートを選ぶ際には、加わる圧力が最小保持圧力を上回るとともに、繊維および内管が耐える最大圧力を下回るようにしなければならない。これには、使用中、内管と外管の間の間隔は内管と外管の間の膨張差によって１ｍｍ前後変化しうることも考慮に入れなければならない。

そのため、密度が９００ｇ／ｍ^２の長いセラミック繊維を含む１つのシートによって形成される保持層２６を、３ｍｍの最小間隔をあけて隔てた内管（保持層との接触面積が２０ｄｍ^２で、４０ｇの加速度にさらされる２００グラムの複合材料管）と外管の間に配した場合、ＧＢＤは０．３である。すると、セラミックマトリックス複合材で作られた内管に対してシートによって加えられる保持圧力は、ここで選んだ種類のシートでは０．２ＭＰａになる。この０．３というＧＢＤは推奨されるＧＢＤの範囲に十分収まっている。この圧力は、この用途について計算された最小保持圧力（５．１０^−２ＭＰａ）を上回り、内管の機械強度を下回る。

この同じ用途に対する最大間隔は４．２５ｍｍであり、これは０．２２のＧＢＤ、６．１０^−２ＭＰａの保持圧力に対応する。このＧＢＤはシートの利用可能範囲に収まり、それによって生じる圧力は最小保持圧力を上回る。

このような排気管であれば、排気系統の温度ならびに内管がさらされるガス流および加速度の条件がどのようなものであろうと、無機マトリックス複合材で作られた内管が劣化や損傷なしに金属製外管の中で適切に保持されることを保持材料が保障することがわかるはずである。

本発明による排気マニホールドの斜視図である。 図１に示されたマニホールドの排気管の断面図である。

Claims (17)

1. 同心状に配された以下の要素、すなわち、
   − 無機マトリックス複合材（２２）で作られた内管と、
   − 金属製外管（２４）と、
   − 繊維材料で作られた支持層（２６）と
   を備える排気管（２０）であって、前記保持層（２６）の厚さが２ｍｍから１０ｍｍの間、好ましくは３ｍｍから６ｍｍの間であり、前記保持層（２６）によって内管（２２）に加えられる最小保持圧力が１０^−４ＭＰａから１０^−１ＭＰａの間であることを特徴とする、排気管（２０）。
2. 前記保持層（２６）によって前記内管（２２）に加えられる最小保持圧力が１０^−３ＭＰａから５．１０^−２ＭＰａの間であることを特徴とする、請求項１に記載の管。
3. 前記金属製外管（２４）の厚さが０．５ｍｍから３ｍｍの間であることを特徴とする、前記請求項のいずれか一項に記載の管。
4. 前記金属製外管（２４）が鋼管、アルミニウム管およびチタン管からなるグループの中から選ばれることを特徴とする、前記請求項のいずれか一項に記載の管。
5. 前記外管（２４）が長手方向接合部（２８）によって組み立てられた樋形の２つの半シェル（２７）によって形成されることを特徴とする、前記請求項のいずれか一項に記載の管。
6. 無機マトリックス複合材（２２）で作られた前記内管の厚さが２ｍｍ未満であることを特徴とする、前記請求項のいずれか一項に記載の管。
7. 無機マトリックス複合材（２２）で作られた前記内管が少なくとも１種類の無機ポリマーからなるマトリックスを含むことを特徴とする、前記請求項のいずれか一項に記載の管。
8. 前記無機ポリマーがアルミノケイ酸塩主体のジオポリマーであることを特徴とする、請求項７に記載の管。
9. 無機マトリックス複合材（２２）で作られた前記内管が、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、炭素、シリカ（ＳｉＯ_２）主体の繊維、または６００℃以上の温度に耐える耐食性金属ワイヤによって強化されたマトリックスを含むことを特徴とする、前記請求項のいずれか一項に記載の管。
10. 前記保持層（２６）がセラミック繊維のシートを含むことを特徴とする、前記請求項のいずれか一項に記載の管。
11. 前記保持層（２６）がセラミック繊維および無機結合材を含み、前記保持層のセラミック繊維含有量が重量比で９０％から１００％であることを特徴とする、前記請求項のいずれか一項に記載の管。
12. 前記セラミック繊維が、シリカ繊維、アルミナ繊維、ジルコニウム繊維、アルミナホウケイ酸繊維およびそれらの混合物からなるグループの中から選ばれた繊維であることを特徴とする、請求項１１に記載の管。
13. 前記保持層（２６）に含まれる繊維が、アルミナ繊維とシリカ繊維のそれぞれ７２％と２８％の比率による混合物であることを特徴とする、請求項１２に記載の管。
14. 前記保持層（２６）を構成する材料のＧＢＤが０．１から０．６の間であることを特徴とする、前記請求項のいずれか一項に記載の管。
15. 前記保持層（２６）を構成する材料の密度が５００ｇ／ｍ^２から３０００ｇ／ｍ^２の間であることを特徴とする、前記請求項のいずれか一項に記載の管。
16. 前記内管（２２）および前記外管（２４）の表面に対する前記保持層（２６）を形成する材料の摩擦係数が０．１５から０．７の間であることを特徴とする、前記請求項のいずれか一項に記載の管。
17. 前記請求項のいずれか一項に記載の排気管（２０）を少なくとも１つ持つ排気マニホールド（１０）。

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