JP2012127289A - 排気管の接続構造 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接部の放熱を促進して疲労強度の低下を防止できる排気管の接続構造を提供する。
【解決手段】連結用排気管１７と熱回収器−マフラ間上流側排気管１０を溶接により接続してなる排気管の接続構造９において、連結用排気管１７および熱回収器−マフラ間上流側排気管１０の溶接部２５に一端部２４ａが溶接される放熱部材２４を備えたことを特徴とする。溶接部２５に放熱部材２４の一端部２４ａが溶接されているので、連結用排気管１７および熱回収器−マフラ間上流側排気管１０の熱は溶接部２５に伝導するものの、溶接部２５の熱は放熱部材２４から周囲に放出される。このため、溶接部２５が過熱されることを抑制できるので、溶接部２５の疲労強度の低下を防止できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関を搭載した車両に用いられる排気管の接続構造に関し、特に、排気管同士を溶接により接続する排気管の接続構造に関する。

一般に、自動車などの車両に搭載される内燃機関（以下、単にエンジンと呼ぶ）においては、排気ガスを大気中に排出するための排気管が設置されている。このような排気管の途中には、熱回収器やマフラなどの部品が設けられる。そして、これら部品と排気管、あるいは排気管同士は、溶接により連結されている場合がある。

従来、この種の排気管として、例えば、上流側排気管と下流側排気管とを溶接により連結するとともに、排気管を覆うことなく剥き出しのまま車体フレームに取り付けて使用するものがあった。しかし、この場合、排気管に高温の排気ガスを流通させることにより、排気管の加熱により溶接部が過熱して、溶接部の疲労強度が低下してしまうことがある。また、排気管から周囲へは高温の放熱がなされるので、排気管の周囲に設置される耐熱性の低い懸架ゴムや電子部品などに対して熱害を与えてしまうことがある。

溶接部の疲労強度の低下および周囲部品の熱害を防止するために、例えば、図３に示すように、Ｖ型エンジンの図示しない左排気マニホールドに連結された左側排気管１００と、図示しない右排気マニホールドに連結された右側排気管１０１とを溶接により連結するとともに、放熱機能を有する遮熱カバー１０２により覆った排気管の接続構造１０３が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この接続構造１０３は、左側排気管１００の外周に溶接して設けられた左側中間筒１０４と、右側排気管１０１の外周に溶接して設けられた右側中間筒１０５と、左側中間筒１０４の外周に設けられた金属メッシュからなる左側摺接部１０６と、右側中間筒１０５の外周に設けられた金属メッシュからなる右側摺接部１０７と、左側摺接部１０６および右側摺接部１０７を連結するよう外周に設けられた伝熱ブラケット１０８と、伝熱ブラケット１０８の外周の溶接部１０９にてスポット溶接されて設けられた遮熱カバー１０２とを備えている。
そして、左側中間筒１０４は、左側排気管１００に対して左側溶接部１１０で溶接されている。また、右側中間筒１０５は、右側排気管１０１に対して右側溶接部１１１で溶接されている。

このような排気管の接続構造１０３では、排気ガスの熱は、左側排気管１００からは左側中間筒１０４→左側摺接部１０６→伝熱ブラケット１０８→遮熱カバー１０２と伝わるとともに、右側排気管１０１からは右側中間筒１０５→右側摺接部１０７→伝熱ブラケット１０８→遮熱カバー１０２と伝わって、遮熱カバー１０２から周囲に放出される。これにより、左側排気管１００の左側溶接部１１０と右側排気管１０１の右側溶接部１１１の熱が放出されて、左側溶接部１１０および右側溶接部１１１の過熱が防止されるようになっている。

特開２００４−２０４７４２号公報

しかしながら、上述のような排気管の接続構造１０３の構成にあっては、左側中間筒１０４および右側中間筒１０５と伝熱ブラケット１０８との間に伝熱性の低い左側摺接部１０６および右側摺接部１０７が介在されているので、左側中間筒１０４および右側中間筒１０５から伝熱ブラケット１０８への伝熱抵抗が大きくなってしまい、左側溶接部１１０および右側溶接部１１１の放熱効率がよくないという問題があった。これにより、左側溶接部１１０および右側溶接部１１１からの放熱が不十分になり、左側溶接部１１０および右側溶接部１１１が過熱して疲労強度が低下してしまうという問題がある。

本発明は、上述のような従来の問題を解決するためになされたもので、溶接部の放熱を促進して疲労強度の低下を防止できる排気管の接続構造を提供することを目的とする。

本発明に係る排気管の接続構造は、上記目的達成のため、（１）第１の排気管および第２の排気管を溶接により接続してなる排気管の接続構造において、前記第１の排気管および前記第２の排気管の溶接部に一端部が溶接される放熱部材を備えたことを特徴とする。

この構成により、溶接部に放熱部材の一端部が溶接されているので、排気管の中を高温の排気ガスが流通したときは排気ガスの熱が排気管から溶接部に伝導するものの、溶接部の熱は放熱部材から周囲に放出されるようになる。このため、溶接部が過熱されることを抑制できるので、溶接部の疲労強度の低下を防止することができる。

上記（１）に記載の排気管の接続構造においては、（２）前記放熱部材は、前記第１の排気管と前記第２の排気管との少なくとも一方を囲む管であることが好ましい。この構成により、溶接部の全周に亘って放熱部材を溶接することができるので、放熱効率を高めることができる。

上記（１）または（２）に記載の排気管の接続構造においては、（３）前記放熱部材は、前記第１の排気管と前記第２の排気管との少なくとも一方の少なくとも一部の外周面に対して空間を開けて覆うことが好ましい。この構成により、排気管から周囲への放熱を放熱部材により遮蔽することができる。このため、排気管の周囲にゴムや電子部品などの耐熱性の低い部品が配置されている場合でも、そのような部品を排気管の熱から保護して熱害を防止することができる。

上記（１）から（３）に記載の排気管の接続構造においては、（４）前記溶接は全周に亘るろう付であることが好ましい。この構成により、排気管同士が気密になるように溶接できるので、溶接部からの排気ガスの漏出を防止することができる。

上記（１）から（４）に記載の排気管の接続構造においては、（５）前記放熱部材の他端部は開放されていることが好ましい。この構成により、放熱部材の一端部のみが溶接されるので、放熱部材と排気管とで熱膨張差が生じても溶接部に応力が発生することはない。

すなわち、放熱部材の一端部および他端部の２箇所が排気管に対して溶接されていると、排気管が放熱部材よりも高温である場合に、排気管の熱膨張率が放熱部材の熱膨張率を上回って放熱部材の一端部および他端部の２箇所の溶接部に応力を生じてしまう。これに対し、本発明の排気管の接続構造のように放熱部材の一端部とは反対側の他端部を開放することにより、放熱部材と排気管との熱膨張差が生じても溶接部に応力が発生することを防止できる。

上記（１）から（５）に記載の排気管の接続構造においては、（６）前記放熱部材は、前記放熱部材と一体的に形成された放熱手段を備えるようにしてもよい。この構成により、放熱部材の熱が放熱手段から放出されるので、放熱部材の放熱効率を向上することができる。

本発明によれば、第１の排気管および第２の排気管の排気管の溶接部に一端部が溶接される放熱部材を備えているので、溶接部の放熱を促進して疲労強度の低下を防止できる排気管の接続構造を提供することができる。

本発明の実施の形態の排気管の接続構造を搭載した自動車の排気装置の概略図である。 本発明の実施の形態の排気管の接続構造を示す中央縦断面図である。 従来の排気管の接続構造を示す中央縦断面図である。

以下、本発明の排気管の接続構造の実施の形態について、図面を参照して説明する。本実施の形態では、本発明の排気管の接続構造を自動車の排気装置に適用した例を示している。

まず、本実施の形態に係る自動車の排気装置１の構成について説明する。
図１および図２に示すように、排気装置１は、図示しないエンジンから排出される排気ガスの流れる方向の下流側に向けて、排気マニホールド２と、第１のボールジョイント３と、排気ガスを浄化する触媒コンバータ４と、触媒−熱回収器間排気管７と、エンジンの暖機促進や暖房維持のために排気ガスから熱を回収する熱回収器８と、熱回収器−マフラ間上流側排気管１０と、第２のボールジョイント１１と、熱回収器−マフラ間下流側排気管１２と、排気音を低減するマフラ１３と、テール排気管１４とを順にして備えている。これら排気マニホールド２からテール排気管１４までの排気ガスの接触する部材は、全てステンレス製としている。

排気マニホールド２は、エンジンの図示しないシリンダヘッドに取り付けられている。この排気マニホールド２には、排気ポートから排出される排気ガスが導入されるようになっている。

第１のボールジョイント３は、触媒コンバータ４に設けられた球面部を有する図示しないフランジと、排気マニホールド２に設けられるとともにフランジの球面部に摺動可能に接する図示しないガスケットと、これらフランジとガスケットとを近接方向に付勢する図示しない付勢ばねとを備えている。この第１のボールジョイント３は、排気マニホールド２と触媒コンバータ４とを任意の方向に角度変位可能かつ僅かに相対回転可能に連結している。そして、第１のボールジョイント３によりエンジンからの振動を吸収することで、振動および騒音が低減されるようになっている。

触媒コンバータ４は、三元触媒としている。この触媒コンバータ４は、排気ガスの所定の排気成分を浄化する公知の排気浄化触媒を含んで構成されている。この触媒コンバータ４は、筒状のケースと、ケース内に収められた例えばハニカム構造のセラミックコアに白金（Ｐｔ）などの貴金属を担持させた図示しない酸化触媒とを備えている。
触媒−熱回収器間排気管７は、触媒コンバータ４と熱回収器８とを連結している。

熱回収器８は、ケーシングの内部に設けられた図示しない隔壁パイプと、ステンレス製の円筒状の下流側ケース１６と、該下流側ケース１６の下流側が縮径されてなる第１の排気管である連結用排気管１７と、下流側ケース１６の外側面に設けられるとともに排気装置１を車体フレームに懸架する第１の支持ロッド１８と、下流側ケース１６の軸方向を中心に第１の支持ロッド１８と反対側の下流側ケース１６の外側面に設けられる図示しない第２の支持ロッドとを備えている。

隔壁パイプは、排気ガスとエンジン冷却水との熱交換を行うために、排気ガスの流路とエンジン冷却水の流路とを隔てるように設けられている。隔壁パイプにより、排気ガスとエンジン冷却水とが混ざり合うことなく、排気ガスの熱によりエンジン冷却水が加温される。すなわち、この熱回収器８は、排気ガスの熱を冷媒としてのエンジン冷却水に回収する構成とされている。熱回収器８が設けられることによりエンジン冷却水が加温され、エンジンの暖機時間短縮により燃費および暖房性能が向上されるようになっている。
また、図２に示すように、連結用排気管１７の下流端には、縮径した排気部２２が形成されている。

図１に示すように、第２の排気管である熱回収器−マフラ間上流側排気管１０は、熱回収器８とマフラ１３とを連結する排気経路の上流側を構成するものであり、熱回収器８と第２のボールジョイント１１とを連結している。熱回収器−マフラ間上流側排気管１０は、図２に示すように上流端に設けられた拡径した導入部２３と、図１に示すように外周面に設けられるとともに排気装置１を車体フレームに懸架する第３の支持ロッド１９とを備えている。導入部２３は、連結用排気管１７に外嵌可能な径となっている。

ここで、図２に示すように、熱回収器８と熱回収器−マフラ間上流側排気管１０との接続部位では、連結用排気管１７の下流側端部近傍の外側に導入部２３が嵌合されている。そして、導入部２３の外側に、放熱部材２４の一端部である上流側の端部２４ａが嵌合されている。放熱部材２４は、上流側の端部２４ａの端面を導入部２３の端面に一致させて設けられている。放熱部材２４は、ステンレス製の円管からなり、外周面および内周面ともに平滑面となっている。

これら連結用排気管１７と、熱回収器−マフラ間上流側排気管１０の導入部２３と、放熱部材２４とは、導入部２３および放熱部材２４の上流側の端部２４ａの端面部分でろう付により溶接されている。この溶接部２５は、全周に亘り形成されている。溶接が全周に亘るろう付であることから、連結用排気管１７および熱回収器−マフラ間上流側排気管１０は気密に溶接されており、溶接部２５からの排気ガスの漏出が防止されるようになっている。

放熱部材２４は、下流側を熱回収器−マフラ間上流側排気管１０に沿わせて設けられるとともに、熱回収器−マフラ間上流側排気管１０の外周面との間に空間２６が設けられている。そして、熱回収器−マフラ間上流側排気管１０から周囲に放出される熱を、放熱部材２４により遮蔽するようになっている。

また、放熱部材２４の他端部である下流側の端部２４ｂは、熱回収器−マフラ間上流側排気管１０に溶接されることなく開放されている。ここで、放熱部材２４の上流側の端部２４ａおよび下流側の端部２４ｂの２箇所が熱回収器−マフラ間上流側排気管１０に対して溶接されていると、熱回収器−マフラ間上流側排気管１０が放熱部材２４よりも高温である場合に、熱回収器−マフラ間上流側排気管１０の熱膨張率が放熱部材２４の熱膨張率を上回ってしまい、放熱部材２４の上流側の端部２４ａおよび下流側の端部２４ｂの２箇所の溶接部２５に応力を生じてしまう。

これに対し、ここでは放熱部材２４の下流側の端部２４ｂは、熱回収器−マフラ間上流側排気管１０に溶接されることなく開放されていて、放熱部材２４と熱回収器−マフラ間上流側排気管１０とに熱膨張差が生じても溶接部２５に応力が発生することを防止するようになっている。
本実施の形態に係る排気管の接続構造９は、連結用排気管１７と、熱回収器−マフラ間上流側排気管１０と、放熱部材２４と、溶接部２５とから構成されている。

図１に示すように、第２のボールジョイント１１は、熱回収器−マフラ間上流側排気管１０に設けられた球面部を有するフランジ１１ａと、熱回収器−マフラ間下流側排気管１２に設けられるとともにフランジ１１ａの球面部に摺動可能に接する図示しないガスケットと、これらフランジ１１ａとガスケットとを近接方向に付勢する付勢ばね１１ｂとを備えている。この第２のボールジョイント１１は、熱回収器−マフラ間上流側排気管１０と熱回収器−マフラ間下流側排気管１２とを任意の方向に角度変位可能かつ僅かに相対回転可能に連結している。そして、第２のボールジョイント１１により熱回収器−マフラ間上流側排気管１０からの振動を吸収することで、振動および騒音が低減されるようになっている。

熱回収器−マフラ間下流側排気管１２は、マフラ１３の近傍の外周面に設けられるとともに排気装置１を車体フレームに懸架する第４の支持ロッド２０を備えている。

マフラ１３は、排気ガスの圧力により排気ガス通路面積を調整可能な図示しない可変バルブと、外周面に設けられるとともに排気装置１を車体フレームに懸架する第５の支持ロッド２１とを備えている。可変バルブは、アイドリング時やエンジンの低回転時には閉じていて排気ガスの通路を縮小して消音効果を高めるとともに、エンジンの高回転時には開いていて排気ガスの通路を拡大して低背圧になって排気効率を高めるようになっている。

第１の支持ロッド１８と、図示しない第２の支持ロッドと、第３の支持ロッド１９と、第４の支持ロッド２０と、第５の支持ロッド２１とは、図示しない懸架ゴムにより車体フレームに吊下されて取り付けられている。よって、排気装置１は、懸架ゴムによって車体フレームに弾性的に支持されている。車体フレームとしては、サイドメンバ、クロスメンバ、あるいはサイドメンバとクロスメンバ上に設けられたフレーム部材などがある。

次に、排気管の接続構造９の作用について以下に説明する。
まず、熱回収器８と熱回収器−マフラ間上流側排気管１０とを連結するときは、熱回収器−マフラ間上流側排気管１０の下流側から放熱部材２４を外周に嵌め合わせる。そして、熱回収器−マフラ間上流側排気管１０の導入部２３の端面と放熱部材２４の上流側の端部２４ａの端面とを同一面上に一致させて、そのまま連結用排気管１７の外周に嵌め合わせてろう付する。これにより、熱回収器８と熱回収器−マフラ間上流側排気管１０とが連結される。

そして、エンジンが稼働して高温の排気ガスがエンジンの排気ポートから排出されると、排気ガスは排気マニホールド２→第１のボールジョイント３→触媒コンバータ４→触媒−熱回収器間排気管７を順に通過して熱回収器８に流入される。排気ガスが熱回収器８を通過することにより連結用排気管１７が加熱され、さらには溶接部２５も加熱される。

ここで、溶接部２５には放熱部材２４の上流側の端部２４ａが直接溶接されているので、溶接部２５の熱は放熱部材２４に伝導されて周囲に放出される。この放熱部材２４を設けることにより、溶接部２５の温度を例えば４００℃から３１０℃程度まで約９０℃下げることができる。これにより、連結用排気管１７が加熱されても溶接部２５は過熱されないので、溶接部２５の過熱による疲労強度の低下が抑えられる。

また、排気ガスは連結用排気管１７の排気部２２から排出され、熱回収器−マフラ間上流側排気管１０に至る。ここで、熱回収器−マフラ間上流側排気管１０の上流部の周囲には放熱部材２４が空間２６を開けて設けられているので、熱回収器−マフラ間上流側排気管１０の上流部から周囲への放熱は放熱部材２４によって遮蔽される。これにより、熱回収器−マフラ間上流側排気管１０の周囲に設けられた図示しない懸架ゴムや電子部品などの耐熱性の低い部品が、熱回収器−マフラ間上流側排気管１０からの熱による熱害を受けることが抑制される。

以上のように、本実施の形態に係る排気管の接続構造９によれば、溶接部２５に放熱部材２４が溶接されているので、連結用排気管１７の中を高温の排気ガスが流通したときに排気ガスの熱が連結用排気管１７に伝導しても、溶接部２５の熱は放熱部材２４により周囲に放出されるようになる。このため、溶接部２５が過熱されることを抑えて、溶接部２５の疲労強度の低下を抑制することができる。

また、本実施の形態に係る排気管の接続構造９によれば、放熱部材２４が管からなるとともに熱回収器−マフラ間上流側排気管１０の上流部の周囲に空間２６を開けて設けられているので、熱回収器−マフラ間上流側排気管１０の上流部からの放熱は放熱部材２４によって遮蔽される。これにより、熱回収器−マフラ間上流側排気管１０の上流部という比較的高温の放出がなされる部位を遮蔽することができるので、熱回収器−マフラ間上流側排気管１０の周囲に設けられた懸架ゴムや電子部品などの耐熱性の低い部品が、熱回収器−マフラ間上流側排気管１０からの熱による熱害を受けることを抑制できる。

ここで、上述した本実施の形態の排気管の接続構造９においては、熱回収器８の連結用排気管１７と、熱回収器−マフラ間上流側排気管１０と、放熱部材２４とを全周に亘るろう付により溶接しているが、本発明に係る排気管の接続構造においては、溶接は他の方法でもよく、例えば、全周に亘るアーク溶接であってもよい。

また、上述した本実施の形態の排気管の接続構造９においては、放熱部材２４の外周面は平滑な面としているが、本発明に係る排気管の接続構造においては、放熱部材２４の外周面は平滑でなくてもよく、例えば、放熱手段としてのフィン、歯状突起、エンボスなどを一体成型あるいは他部材として一体的に取り付けるようにしてもよい。この場合、放熱部材２４からの放熱効率を向上することができる。

また、上述した本実施の形態の排気管の接続構造９においては、放熱部材２４の上流側の端部２４ａが溶接部２５に溶接されるとともに下流側が熱回収器−マフラ間上流側排気管１０に沿って延びた形状としているが、本発明に係る排気管の接続構造においては、放熱部材２４の形状はこれに限られず、例えば、放熱部材２４の下流側の端部２４ｂが溶接部２５に溶接されるとともに上流側が連結用排気管１７に沿って延びた形状であってもよく、あるいは上流側の端部２４ａが溶接部２５に溶接された放熱部材２４と下流側の端部２４ｂが溶接部２５に溶接された放熱部材２４との２つを備えるようにしてもよい。

また、上述した本実施の形態の排気管の接続構造９においては、放熱部材２４は円管から成るようにしているが、本発明に係る排気管の接続構造においては、放熱部材２４の形状はこれに限られず、例えば、角管や、周方向に広がった円盤状であってもよい。あるいは、放熱部材２４は管や円盤のように全周に亘る形状にも限られず、例えば、溶接部２５の一部のみに溶接されるとともに熱回収器−マフラ間上流側排気管１０に沿って延びた平板や、熱回収器−マフラ間上流側排気管１０に沿って湾曲した曲板などとしてもよい。

また、上述した本実施の形態の排気管の接続構造９においては、連結用排気管１７は先端に縮径された排気部２２を備えたものとしているが、本発明に係る排気管の接続構造においては、連結用排気管１７の形状はこれに限られず、例えば、排気部２２を備えていなくてもよい。

さらに、上述した本実施の形態の排気管の接続構造９においては、排気管の接続構造９を熱回収器８と熱回収器−マフラ間上流側排気管１０との接続に適用しているが、本発明に係る排気管の接続構造においては、適用箇所はこれに限られず、例えば排気管同士の接続や、他の部品と排気管との接続に適用してもよい。

以上説明したように、本発明に係る排気管の接続構造は、溶接部の放熱を促進して疲労強度の低下を防止するとともに、排気管の周囲に設けられた耐熱性の低い部品の熱害を抑える場合に好適な排気管の接続構造全般に有用である。

１ 排気装置
８ 熱回収器
９ 排気管の接続構造
１０ 熱回収器−マフラ間上流側排気管（第２の排気管）
１７ 連結用排気管（第１の排気管）
２４ 放熱部材
２４ａ 上流側の端部（放熱部材の一端部）
２４ｂ 下流側の端部（放熱部材の他端部）
２５ 溶接部
２６ 空間

Claims (6)

1. 第１の排気管および第２の排気管を溶接により接続してなる排気管の接続構造において、
   前記第１の排気管および前記第２の排気管の溶接部に一端部が溶接される放熱部材を備えたことを特徴とする排気管の接続構造。
2. 前記放熱部材は、前記第１の排気管と前記第２の排気管との少なくとも一方を囲む管であることを特徴とする請求項１に記載の排気管の接続構造。
3. 前記放熱部材は、前記第１の排気管と前記第２の排気管との少なくとも一方の少なくとも一部の外周面に対して空間を開けて覆うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の排気管の接続構造。
4. 前記溶接は、全周に亘るろう付であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１の請求項に記載の排気管の接続構造。
5. 前記放熱部材の他端部は開放されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１の請求項に記載の排気管の接続構造。
6. 前記放熱部材は、前記放熱部材と一体的に形成された放熱手段を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１の請求項に記載の排気管の接続構造。

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