JP2011502224A - 排気管構造 - Google Patents

Abstract

本発明は自動車内燃機関の排気ガスを流通させる排気系に組み込むとともに振動吸収手段として機能する排気管構造１に関する。この排気管構造１は、波形管部分３；４を有する外側管２と、環状空隙によって外側管２から分離されるように外側管２に対して同軸配置された内側管８とを有している。本発明によれば、外側管２はさらに、平滑に形成された中央部分５と、第１および第２の波形管部分３；４と、それぞれ平滑に形成された第１および第２の末端部分６：７とを有している。内側管８は中央部分５内に配置された周回接合箇所９を介して外側管２と固着接合されており、直線状に形成された排気管構造１は該誘導部材の中央横断軸１０に関してほぼ軸対称的な構造を有している。この排気管構造は作業車における、内燃機関への排気浄化ユニットとの振動吸収結合を実現するのに適している。

Description

本発明は請求項１記載の上位概念に基づく振動吸収手段として機能する排気管構造に関する。

ドイツ特許出願公開第１９６０４３６７号公報から、自動車排気系の振動吸収を実現するために、外側管に波形管部分が設けられて空隙絶縁された排気管構造を使用することが知られている。外側管と同軸的に延びる内側管を備えた仕様によって熱損失はごく僅かに抑えられ、これによって、後置された触媒のコールドスタート時性能が改善される。
この種の部材の問題点は耐久性である。内側管と外側管との間の接触箇所または絶縁手段とそれに接続された排気系部分ないし部材との間の接触箇所には疲労破壊またはその他の望ましくない摩耗減少が現れることがある。

ドイツ特許出願公開第１９６０４３６７号公報

本発明の目的は、振動吸収手段として機能する高度な耐久性を有する排気管構造を提供することである。

上記課題は請求項１記載の特徴を有する排気管構造によって解決される。

本発明によれば、排気管構造は、平滑に形成された中央部分と、第１および第２の波形管部分と、さらに、それぞれ平滑に形成された第１および第２の末端部分とを有している。内側管は中央部分内に配置された周回接合箇所を介して外側管と少なくとも点状に固着接合されている。この場合、直線状に形成された排気管構造は、本発明により、その中央横断軸に関して少なくともほぼ軸対称的な構造を有している。それゆえ、この排気管構造は、それぞれ波形管として形成された部分を有する２つのほぼ同一に形成された半体（二分割体）から構成されていることになる。その波形管部分はほぼ同じ長さと同じ固有振動特性とを有し、同様なひずみ吸収体および振動吸収体として機能することができる。

上記構成によれば、２倍の長さに及ぶ単一の振動吸収域を有する実施形態に比較して、特に波形管部分の形成に必要な工作寸法の点で大幅な製造上の利点が得られる。また、固有振動特性の改善も得られる。剛性中央部分を通じて互いに結合された双方の波形管部分の各々は、それらの共鳴振動数が一般に内燃機関に起因する励起振動数以上にあるように設計されており、特に短く形成されている。他方、排気管構造は基本的には、特にその固有振動特性の点で低域に設計し、伝達された振動エネルギーが効果的に吸収されるように形成することが可能である。本発明による実施形態によれば、同じ長さで１つの波形管部分しか有していない部材ではほぼ不可能と思われる、振動特性の最適化調整が可能である。部材の少なくともほぼ全長にわたって存在する内側管と外側管との間の環状空隙により、内側管と外側管との相互摩擦が回避され、そこでの摩耗が回避される。外側管の剛性中央部分に接合箇所を介して内側管が機械的に固着接合される面積が一般にわずかですむことから、相互振動の励起もわずかとなる。さらになお、内側管の質量は部材全体の固有振動特性に好適な影響をもたらす。さらに、内側管と外側管との間の好ましくは環状に形成された接触面積がわずかであるために、熱伝達は減少し、したがって、排気管構造の絶縁特性は大幅に改善されている。

本発明の実施形態において、第１の波形管部分または第２の波形管部分あるいはその両方は波形輪郭を有するスパイラル管として形成されている。この実施形態により、中央部分の両側に連続している外側管部分の軸方向平行変位はある程度可能である。波形管部分はそれぞれ、一定の曲げ、ねじれないし軸方向運動を可能とする折り畳み型スパイラルシーム管として形成されるのが好適である。

本発明のさらに別な好ましい実施形態において、第１の波形管部分と第２の波形管部分のスパイラルが互いに逆向きに形成されている。これにより、ねじれ対する余裕が増大する。
本発明のさらに別な実施形態において、中央部分は一定形状で形成されている。これにより、外側管は良好な機械的安定性を得る。

本発明のさらに別な実施形態において、内側管は屈曲性を有しかつ長手方向にフレキシブルな金属管として形成され、それぞれ末端部分の末端域に設けられた周回接合箇所を介して外側管と少なくとも点状に固着接合されかつ当該接合箇所に設けられた外側管との接合部を別として外側管と接触せずに配置されている。したがって、外側管の両側末端および中央には、内側管の円周線上を走る内側管と外側管との固着接合部が存在している。固着接合箇所の間に位置する導管部分には、内側管と外側管との間に連続した空隙が存在している。ただし、接合箇所が円周上を周回して設けられているために空隙の貫流性はほぼまたは完全に排除されている。これにより、特に効果的な熱絶縁が生ずる。内側管は、屈曲性を有しかつ長手方向にフレキシブルに形成されているために、外側管の振動ひずみに追従することができ、内側管と外側管との間の応力は回避される。他方、排気管構造とそれに接続される部材との結合は好ましくは溶接ソケットとして形成された外側管末端部分を介して行われるために、内側管が大きな機械負荷を受けることはない。内側管は折畳み型スパイラルシーム管またはアグラフ管(agraff-schlauch)として形成されるのが好ましい。

本発明のさらに別な実施形態において、内側管は形状不変かつ平滑に形成され、全長のほとんどにわたって外側管と接触せずに配置されている。内側管は中央部分のみで外側管と固着接合されているのが好適である。これにより、外側管から発する内側管への振動励起は回避される。両側末端部分にはそれぞれ、外側管と内側管との相対運動を許容するすべり座または同様なシール継手が形成されるとよい。これにより、内側管には、外側管に対する少なくともほぼ摩擦のない相対移動の余裕が生まれる。これにより、外側管と内側管との間の機械的応力が回避される。また、形状不変ないし剛性仕様により、熱膨張または振動励起が生じても、内部摩擦は生じないかまたは無視し得る程度に生ずるにすぎない。したがって、内側管の機械荷重は大幅に減少し、相応して耐久性が向上する。空隙がほぼ全長に及んで設けられていることにより、良好な熱絶縁が保証される。

本発明のさらに別な実施形態において、内側管は一体に形成されている。内側管内に接合固定箇所を設けないことにより、耐摩耗性ならびに耐久性は大幅に改善される。

本発明のさらに別な実施形態において、外側管は一体に形成されているかまたは中央横断軸の領域に着脱式の分離箇所が設けられることで二体式に形成されている。一体仕様の外側管によれば耐摩耗性ならびに耐久性は改善されるが、ただし一定の長さを越えると製造上の難点が生ずる。したがって、仕様により外側管がかなり長くなる場合には二体式の形態が採用され、その形態では、２つの半体部分は中央部分において、例えば封止タイプのクランプ継手によって互いが固定されると好適である。

さらに別な好適実施形態において、接合箇所は実質的に連続溶接シームとして形成されている。内側管と外側管との間の接合箇所の固着性を良好なものとするには、内側管の円周線に沿って溶接シームが途切れることなく連続して延びているのが有利である。ただし、多数の直列した溶接点が円周線に沿って設けられていてもよい。これらの接合箇所は、内側管の実施形態に応じ、中央部分内にのみ設けられているかまたはさらに加えて両側末端部分の末端側に設けられている。

さらに別な好適な実施形態において、排気管構造の上記接合箇所には、折り曲げ技法、通し技法、リベット技法またはタウメルプレス(taumelpress)法によって達成された形状的絡み合い接合部または摩擦係止接合部あるいはその両方が形成されている。これらの接合技法は特に耐久的であることが判明した。溶接接合に比較して、製造上の利点が得られると共に、信頼度の点で改善された結果の達成が可能である。こうして形成された接合箇所は、内側管の実施形態に応じ、中央部分にのみ設けられているかまたはさらに加えて両側末端部分の末端側に設けられている。

特に好適な実施形態において、機械励起振動に対する排気管構造の共鳴振動数は３０Ｈｚ〜１００Ｈｚの範囲外にある。このような設計により、特に耐久性が保証されることが判明した。上記振動数域内の振動数で発生する高次のエンジン振動は、これによって、効果的に減衰されると同時に、特に効果的な振動吸収が与えられる。排気管構造はその固有振動数ないし共振点が３０Ｈｚ〜１００Ｈｚの振動数範囲以上となるように最適調整されて製作されるのが好ましい。

本発明による排気管構造の第１の好適な実施形態を示す図である。 本発明による排気管構造の第２の好適な実施形態を示す図である。 図１または図２に示した排気管構造の外側管と内側管とを固着接合するための接合箇所の好適な実施形態を示す図である。 図１または図２に示した排気管構造の外側管と内側管とを固着接合するための接合箇所の好適な実施形態を示す図である。 図１または図２に示した排気管構造の外側管と内側管とを固着接合するための接合箇所の好適な実施形態を示す図である。

以下、本発明の好適な実施形態を図面によって具体的に示して説明する。ただし、上述した特徴および以下になお説明する特徴はそれぞれに開示された特徴の組み合わせによるだけでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、その他の組み合わせまたは単独でも使用することが可能である。

図１に模式的に示した排気管構造は、自動車内燃機関、特に作業車両の内燃機関の排気ガスを誘導排出するための排気系に振動吸収手段として組み付けるためのものである。この排気管構造は好ましくは、排気ターボチャージャのタービンと排気後処理装置のハウジングとの間の管状連結手段として使用される。以下に詳細に説明する本発明による排気管構造１の使用によって、好ましくは弾性支持された内燃機関に起因する機械振動が好ましくは車両フレームに固定結合された排気後処理装置に伝達されることが防止される。

排気管構造１はそれぞれ円形断面を有する外側管２と内側管８とからなり、中央横断軸１０を基軸とした対称的構造を有している。外側管２は、第１の末端部分６と、第２の末端部分７と、中央部分５とを有し、これらの部分はそれぞれ平滑な剛性管部分として形成されている。この場合、末端部分６，７は前置ないし後置された部材との溶接ソケットとして利用される。同じく接合用に末端側フランジが設けられていてもよい。ひずみを補償すると共に振動吸収ないし振動吸収を実現するために第１の波形管部分３と第２の波形管部分４とが設けられており、これらの部分は好ましくは等しく形成されて、中央横断軸１０に関して対称的に、中央部分５とそれぞれの末端部分６，７との間に配置されている。

外側管２は好ましくは気密式または、僅少な漏洩率で少なくともほぼ気密式に形成されている。特に、少なくとも中央部分５は材料組織が微視的に緻密な材料からなる管部分として形成されているのが好ましい。

波形管部分３，４は外側管２に少なくとも軸方向において弾性を付与し、これによって、振動運動を相殺することが可能である。波形管部分３，４が波形輪郭を有するスパイラル管として形成されていれば、外側管はねじれが可能となり、これによって、ねじれ運動またはねじれ振動も相殺することが可能である。特に、波形管部分３，４が好ましい実施形態を実現していれば、排気管構造１の両側に接続されたユニット部材の軸方向平行変位も可能となる。ただし、波形管部分３，４は材料組織が微視的に緻密な管材料から形成されていてもよい。これによって外側管２の完全な気密性が達成される。

僅少な熱損失の要件を満たすべく、排気管構造は、空隙によって絶縁された外側管２と内側管８とを有する二重管として形成されている。内側管８の延びは排気管構造１の全長に及んでおり、その際、内側管８はそれぞれの末端部分６，７で外側管２とほぼ面一をなして終わっている。内側管８は、接合箇所９，１１，１２を別として、環状空隙が設けられて互いに無接触で外側管２と同軸的に配置されている。接合箇所９，１１，１２において、内側管８は円周線に沿って外側管２と固着接合されている。この場合、接合箇所９は略中央に設けられ、さらに別の２つの接合箇所１１，１２はそれぞれ末端側に設けられている。これらの接合箇所は、例えば連続的な周回溶接シームとして形成されている。ただし、その他の接合技法も使用可能であり、それらについてはさらに以下に詳細に説明する。
上述した実施形態によって、排気管構造１のそれぞれの半体には、それぞれの末端域から中央にまで達する連続した環状空隙が生じ、この環状空隙によって排気管構造１の内部から外側管２への熱伝達およびそれと共に周囲への熱放出が高度に抑止される。接合箇所９，１１，１２には、総寸法に比較して内側管８と外側管２との間の僅かな接触ゾーンが存在するにすぎないために、外側管２への伝熱に起因する熱損失も僅少である。

外側管２のひずみ、振動または曲げの各運動に追従し得るように、内側管８は屈曲性を有しかつ軸方向長さ変化に関してフレキシブルな導管部材として形成されている。折畳み型スパイラルシーム管ないしいわゆるアグラフ管として形成されているのが特に好ましい。

図１に示した本発明による上記の実施形態により、高度な耐久性を有する振動吸収手段が得られる。特に、内側管８と外側管２とのほぼ完全な分離によって、数十万キロの走行距離に達する高度な耐久性が達成可能である。ただし、多くの使用ケースにおいて、耐久性は内側管８の内部摩擦によって制限されている。こうした耐久性の制限は外側管２と平行な長さ変化によってもたらされ、これにより、スパイラル管またはアグラフ管として形成された内側管８の互いに接するスパイラル巻き層同士の摩擦がもたらされる。こうした短所は以下に図２を参照して説明する実施形態によって回避され、またそれと同時に耐久性のさらなる改善が達成可能である。

図２は振動吸収手段として機能する排気管構造１の好ましい実施形態を示しており、この実施形態は対称性と外側管２の仕様の点で図１に示した排気管構造と類似して形成されている。以下に両者の重要な相違について説明する。

特に、図２に示した排気管構造の内側管８は、一定(パターン)形状の剛性平滑管として形成されている。内側管８と外側管２とを固定するものとしては、中央部分５内に接合箇所が設けられているだけである。この接合箇所は図１に関連して述べた接合箇所と同様に形成されていてよい。内側管８と外側管２との直接の接触箇所はこれ以外には設けられていない。こうして同じく、実質的に部材全長にわたって延びる空隙絶縁が生ずる。排気管構造１の両端に、すべり座１３，１４としてまたは類似の形で形成されたガイドないし支えまたはシールによって、外側管２に対する内側管８の少なくともほぼ摩擦のない軸方向相対運動が可能になる。

排気管構造１の振動特性の点で、図２に示した実施形態に応じた内側管８は主として受動吸振器として機能する。これは排気管構造１に伝達される振動の特に効果的な減衰ないし絶縁をもたらす。外側管２の質量ならびに波形管部分３，４の弾性・減衰特性と関連させて内側管の質量を決定することにより、一般的に設定される条件の下で特に好適な特性を示すように、総合的最適化調整を実現することが可能である。この場合、約３０ヘルツ〜約１００ヘルツの範囲内の共鳴励起（共振）が回避されるようにして総合的最適化調整を行うのが特に有利であることが判明している。これは図１に示した実施形態についても等しく可能であることは言うまでもない。

固有振動特性ないし共振特性の適合化は有利には、波形管部分３，４の寸法設計、特にそれらの長さ寸法設計によっても達成することが可能である。ただし、波形状の寸法設計によって最適化調整を実現することも可能である。例えば、波形管部分３，４の端縁域に中央域におけるよりも振幅の小さい波形が設けられるか、または波形管部分３，４の全長にわたって可変的な波長が設けられるか、その両方の形態を採用してもよい。このようにして、設計仕様ないし製造条件の簡単かつ僅かな変更によって、振動状況に関する種々相違した周辺条件への適合化を実現することができる。

製造コスト面から見れば、特に外側管２を一体式ではなく、二体式に形成するのが有利である。両者の結合箇所は部材全体１の中央横断軸１０上ないしその直近に位置しているのが好適である。かくて、双方の半体に同一の部材を使用することができる。双方の半体は、例えばパイプクランプにより着脱式に結合されていてもまたは溶接接合されていてもよい。

接合箇所９，１１，１２が一定の機械式接合方式を使用して実現される場合には、図１または図２に示した排気ガス浄化部材にとって特に高度な耐久性を達成することが可能である。これにより、連続負荷容量の点でしばしば問題のある溶接接合を行わずに済ますことができる。以下に、図３ａ〜３ｃを参照して、好適な接合方式を説明する。

そのために設けられた接合箇所９，１１，１２における、図３ａに概略的に示したような折り曲げ継ぎの形による外側管２と内側管８との接合は特に耐久的である。適切なツールによるプレス力の作用によって、断面で見て外側管２が内側管８の対応する輪郭中にマッシュルーム状に陥入するようにして、外側管２と内側管８のそれぞれの薄板が共同して変形される。こうして生ずる折り曲げ継ぎは気密的であり、振動連続負荷に対して著しい耐久性を有している。この折り曲げ継ぎは外側管２ないし内側管８の円周線に沿った連続接合線として、または点接合の形で形成されてもよい。

強固で耐久性ある接合箇所は図３ｂに図示したブラインドリベット１５を用いた接合によっても達成可能であり、この場合、特に気密タイプのリベットが使用される。円周線上に配置された複数の、好ましくは３点以上のリベット継ぎが外側管２と内側管８との間の接合箇所９，１１，１２を形成する。

さらに別な好適な実施形態による接合箇所は、図３ｃに示したパンチリベット１６による接合である。この場合にも同じく複数の、好ましくは３点以上のリベット継ぎが円周線に沿って設けられている。

詳細には説明しないが、本発明による排気管構造１用の接合箇所９、１１、１３をつくり出すためのさらに別な好適な接合技法は、ソリッドリベットを使用したリベット法またはタウメルプレス法による成形法である。溶接接合技法に代えて使用可能な上記の接合技法は常温加工によって確実な接合を可能にする利点を有しており、さらに加えて、製造コスト面での利点も得られる。

Claims (11)

1. 自動車内燃機関の排気ガスを流通させる排気系に組み込むとともに、波形管部分（３；４）を有する外側管（２）と、環状空隙によって前記外側管（２）から分離されるように前記外側管（２）に対して同軸配置された内側管（８）とを含む振動吸収手段として機能する排気管構造（１）であって、
   前記外側管（２）は
   − 平滑に形成された中央部分（５）と、
   − 第１の波形管部分（３）および第２の波形管部分（４）と、
   − それぞれ平滑に形成された第１の末端部分（６）と第２の末端部分（７）とを有し、
   前記内側管（８）は前記中央部分（５）内に配置された周回接合箇所（９）を介して前記外側管（２）と少なくとも点状に固着接合され、前記排気管構造（１）は直線状に形成されて、その中央横断軸（１０）に関して少なくともほぼ軸対称的な構造を有することを特徴とする排気管構造。
2. 前記第１の波形管部分（３）または前記第２の波形管部分（４）あるいはその両方は波形輪郭を有するスパイラル管として形成されていることを特徴とする請求項１に記載の排気管構造。
3. 前記第１の波形管部分（３）および前記第２の波形管部分（４）のスパイラルは互いに逆向きであることを特徴とする請求項２に記載の排気管構造。
4. 前記中央部分（５）は一定形状で形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の排気管構造。
5. 前記内側管（８）は屈曲性を有しかつ長手方向にフレキシブルな金属管として形成され、それぞれ前記末端部分（６，７）の末端域に設けられた周回接合箇所（１１；１２）を介して、前記外側管（２）と少なくとも点状に固着接合されかつ前記接合箇所（９；１１；１２）に設けられた前記外側管（２）との接合部を別として前記外側管（２）と接触せずに配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の排気管構造。
6. 前記内側管（８）は形状不変かつ平滑に形成され、全長のほとんどにわたって前記外側管（２）と接触せずに配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の排気管構造。
7. 前記内側管（８）は一体に形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の排気管構造。
8. 前記外側管（２）は一体に形成されているかまたは前記中央横断軸（１０）の領域に着脱式の分離箇所が設けられることで二体式に形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の排気管構造。
9. 前記接合箇所（９；１１；１２）は実質的に連続溶接シームとして形成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の排気管構造。
10. 前記接合箇所（９；１１；１２）に、折り曲げ技法、通し技法、リベット技法またはタウメルプレス法によって達成された形状的絡み合い接合部または摩擦係止接合部あるいはその両方が形成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の排気管構造。
11. 機械励起振動に対する共鳴振動数が３０Ｈｚ〜１００Ｈｚの範囲外にあることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の排気管構造。

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