JP2018031346A - 排気管 - Google Patents

Abstract

【課題】内管の温度が高くなりすぎてしまうことを抑制できる排気管を提供する。【解決手段】排気管１０は、内部に排気通路２１が形成される管である内管１１と、内管１１を覆う外管１２と、を備える。外管１２と内管１１との間には、断熱材１３が設けられている。内管１１を構成する材料の線膨張率は、外管１２を構成する材料の線膨張率よりも大きい。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気管に関する。

内燃機関の排気管として、内側に排気通路が形成される内管と、内管を覆う外管と、を備える二重構造の排気管が知られている。特許文献１には、内管と外管との間に断熱材を配設することで、内管から外管への伝熱を抑制する排気管が開示されている。このような排気管では、内管の温度が早期に高くなる。このため、排気管よりも下流側に配置されている触媒に流入する排気の温度が高くなりやすい。したがって、当該触媒の暖機を早期に完了させることが可能となる。

特開２０１５‐１３７５８４号公報

特許文献１に開示されている排気管では、上記触媒の暖機完了後であっても内管から外管への伝熱が抑制される。このため、内管の温度が高くなりすぎてしまう虞があった。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決するための排気管は、内部に排気通路が形成される管である内管と、該内管を覆う外管と、を備える排気管であって、前記外管と前記内管との間には、断熱層が設けられており、前記内管を構成する材料の線膨張率が前記外管を構成する材料の線膨張率よりも大きいことをその要旨とする。

上記構成によれば、外管と内管との間に断熱層が設けられているため、内管から外管への伝熱が抑制される。そのため、内燃機関の暖機中などのように排気通路を通過する排気の温度が未だ低いときであっても、内管の温度を早期に高くすることができる。

そして、排気からの受熱によって内管の温度が高くなると、内管が熱膨張して拡径するようになり、内管と外管との間隔が狭くなる。上記構成では、内管を構成する材料の線膨張率が外管を構成する材料の線膨張率よりも大きい。このため、内管を構成する材料が外管を構成する材料と同じである排気管と比較して、内管の拡径度合いが大きくなりやすい。すなわち、内管と外管との間隔が狭くなりやすい。このように内管と外管との間隔が狭くなると、内管と外管との間の断熱層の厚さが薄くなる。断熱層は厚さが薄いほど熱抵抗が小さくなるため、内管と外管との間隔が狭くなって断熱層が薄くなると、内管から外管への断熱層を介した伝熱速度が上昇し、内管から外管に熱が伝わりやすくなる。すなわち、排気からの受熱によって内管と外管との間隔を狭くしやすくすることによって、内管から外管への放熱効率を高くすることができ、内管が過度に高温になることを抑制することができる。

排気管の一実施形態についてその断面構造を示す断面図。 同実施形態にかかる排気管の断面構造の一部を示す断面図。 同実施形態にかかる排気管が熱膨張した状態を示す断面図。 同実施形態にかかる排気管の断熱層としての断熱材について、当該断熱材の圧縮率と熱抵抗との関係を示す図。

以下、排気管の一実施形態である排気管１０について、図１〜図４を参照して説明する。
図１に示す排気管１０は、内燃機関に設けられているものである。排気管１０は、排気通路２１が内部に形成される内管１１と、内管１１を覆う外管１２とを備えている二重構造の排気管である。すなわち、内燃機関の燃焼室から排出された排気が排気通路２１を流れる。なお、図１では、内管１１の中心軸を軸線Ｃとして示している。

外管１２は、その内径が内管１１の外径よりも大きい管である。排気管１０では、外管１２の中心軸が軸線Ｃと同一軸線上に位置するように、内管１１の外周側に外管１２が配設されている。すなわち、外管１２は、内管１１に接触していない。外管１２の管の厚さは、内管１１の管の厚さと等しい。

内管１１を構成する材料の線膨張率は、外管１２を構成する材料の線膨張率よりも大きい。ここでは、外管１２を構成する材料として、フェライト系ステンレス鋼を用いている。そして内管１１を構成する材料としては、外管１２を構成する材料であるフェライト系ステンレス鋼よりも線膨張率の大きいオーステナイト系ステンレス鋼を用いている。

内管１１と外管１２との間には、断熱層を構成する断熱材１３が充填されている。すなわち、断熱材１３は、内管１１の外周面を囲うように円環状をなしている。そして、断熱材１３は、内管１１の外周面に接しているとともに、外管１２の内周面に接している。断熱材１３は、空気を内部に保持可能な繊維系断熱材であり、たとえばアルミナやシリカを材料とするものを採用することができる。

なお、本実施形態では、断熱材１３は、内管１１と外管１２との間に軸線Ｃ方向において部分的に配設されている。そして、内管１１と外管１２との間のうち、軸線Ｃ方向における断熱材１３の両側には、空気が滞留している空間１４がそれぞれ形成されている。すなわち、これら空間１４は空気層ということができる。そして、排気管１０のうち、内管１１と外管１２との間に空間１４が介在する部分にあっては、空間１４内に滞留する空気、すなわち空気層が断熱効果を奏するようになっている。

図２には、内管１１及び外管１２の双方が熱膨張していないときの排気管１０を模式的に示している。例えば、排気管１０が設けられている内燃機関の運転が停止している状態が継続されて、内管１１の壁面温度が外管１２の壁面温度と同じときの排気管１０である。

図２に示すように、軸線Ｃを中心とする径方向において、内管１１の軸線Ｃから内管１１の外周面までの長さを半径Ｒ１とし、外管１２の中心軸から外管１２の外周面までの長さを半径Ｒ２というものとする。この場合、半径Ｒ２は半径Ｒ１よりも大きい。以下では、内管１１について、軸線Ｃから外周面までの長さを内管１１の半径という。また、外管１２について、中心軸から外周面までの長さを外管１２の半径という。

外管１２は、内管１１と外管１２との間隔が間隔Ｌ１となるように、内管１１の周囲に配設されている。そして排気管１０では、内管１１の外周面と外管１２の内周面との間に断熱材１３が充填されている。このため間隔Ｌ１は、内管１１の径方向における断熱材１３の厚さに等しい。

次に本実施形態にかかる排気管１０の作用とともに、その効果について図２〜図４を用いて説明する。
排気管１０は、内管１１と外管１２との間に断熱層（すなわち、断熱材１３や空気が滞留する空間１４）が設けられているため、内管１１から外管１２への伝熱が抑制される。そのため、内燃機関の暖機中などのように排気通路２１を通過する排気の温度が未だ低いときであっても、内管１１の壁面温度を早期に高くすることができる。すなわち、内管１１の壁面と排気との温度差が大きくなりにくい。その結果、排気管１０よりも下流側に触媒が配置されている場合、暖機中であっても当該触媒に流入する排気の温度を高くすることができる。つまり、排気管１０よりも下流側に配置されている触媒の暖機を早期に完了させることができる。

そして、排気からの受熱によって内管１１の壁面温度が高くなると、図３に示すように、内管１１が熱膨張して拡径するようになり、内管１１と外管１２との間隔が狭くなる。本実施形態では、内管１１を構成する材料の線膨張率が外管１２を構成する材料の線膨張率よりも大きい。ここで、内管を構成する材料が外管を構成する材料と同じである排気管を比較例の排気管としたとする。本実施形態では、内管１１を構成する材料を外管１２を構成する材料とは異ならせたことによって、内管の熱膨張量、すなわち内管の拡径度合いが、比較例の排気管に比して大きくなりやすい。このため、内管１１と外管１２との間隔が狭くなりやすい。すなわち、比較例の排気管に比して、断熱層の熱抵抗がより小さくなり、内管１１から外管１２に熱が伝わりやすくなる。

また、内管１１と外管１２との間隔が狭くなると、排気管１０のうち、内管１１と外管１２との間に断熱材１３が介在している部分では、断熱材１３が圧縮され、断熱材１３の密度が大きくなる。このように断熱材１３の密度が大きくなると、以下に示すように断熱材１３の特性が変化する。

図４を参照して、断熱材１３の特性について説明する。上述のように断熱材１３は、空気を内部に保持可能である。空気は圧縮されるほど熱伝達係数が大きくなるため、断熱材１３の熱抵抗は、断熱材１３が圧縮されるほど小さくなる。そのため断熱材１３は、図４に示すように、圧縮率が高いほど熱抵抗が小さくなる。すなわち、内管１１と外管１２との間隔が狭くなって断熱材１３が圧縮されるほど、断熱材１３の熱抵抗が小さくなり、内管１１から外管１２に熱が伝わりやすくなる。

本実施形態では、比較例の排気管に比して、内管１１と外管１２との間隔をより狭くすることができるため、断熱材１３の圧縮率をより高くすることができる。このため、断熱材１３の熱抵抗をより小さくすることができる。その結果、内管１１から外管１２に熱がより伝わりやすくなる。

以上のように本実施形態では、内管１１の熱膨張に伴って内管１１と外管１２との間隔が狭くなりやすいことに加え、断熱材１３の圧縮率が高くなりやすいことによって、熱膨張に伴い内管１１から外管１２への伝熱速度が上昇しやすい。これによって排気管１０では、内管１１から外管１２への伝熱効率が高まり、放熱効率を高くすることができる。したがって、内管１１が過度に高温になることを抑制することができる。

なお、排気通路２１を高温の排気が通過する状態が継続すると、内管１１の壁面温度だけではなく、外管１２の壁面温度もまた昇温されることがある。ただし、こうした場合には、内管１１の壁面が高温の排気に曝されているのに対して外管１２の壁面は排気に曝されていないため、内管１１の壁面温度が外管１２の壁面温度よりも高くなっている。

図２に示した排気管１０の状態を定常状態とした場合、図３に示すように排気管１０が熱膨張した状態において、内管１１の熱膨張による定常状態からの内管１１の半径増加量を膨張量ΔＲ１とする。また同様に、外管１２の熱膨張による定常状態からの外管１２の半径増加量を膨張量ΔＲ２とする。すなわち、熱膨張している内管１１の半径は、［Ｒ１＋ΔＲ１］であり、同じく熱膨張している外管１２の半径は、［Ｒ２＋ΔＲ２］である。上述のように内管１１の壁面温度が外管１２の壁面温度よりも高く、さらに内管１１を構成する材料の線膨張率が外管１２を構成する材料の線膨張率よりも大きいため、内管１１の膨張量ΔＲ１は外管１２の膨張量ΔＲ２よりも大きい値になっている。このため、内管１１と外管１２との間隔Ｌ２は、図２に示した間隔Ｌ１よりも狭くなっている。したがって、外管１２が熱膨張する場合であっても、内管１１と外管１２との間隔を狭くすることができるとともに、内管１１と外管１２との間に設けられている断熱材１３を圧縮することができる。

以上のように、本実施形態によれば、排気通路２１を通過する排気の温度が未だ低いときには内管１１から外管１２への伝熱を抑制することで内管１１の壁面温度を早期に上昇させることができる。また、排気通路２１を通過する排気の温度が高くなると、内管１１から外管１２への伝熱効率を高めることで排気管１０としての放熱効率が高くなり、ひいては内管１１の温度が過度に高くなることを抑制できる。

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。
・内管１１と外管１２の厚さは適宜変更可能である。例えば内管１１の厚さを、外管１２の厚さよりも薄くしてもよい。

・内管１１を構成する材料の線膨張率が外管１２を構成する材料の線膨張率よりも大きいという関係を有していれば、内管１１を構成する材料と外管１２を構成する材料とを適宜変更してもよい。

・上記実施形態では、外管１２の中心軸が内管１１の中心軸である軸線Ｃと同一軸線上に位置するように外管１２が配設されているが、外管１２が内管１１を外周側から覆うように配置されているのであれば、外管１２の中心軸が軸線Ｃとずれるように外管１２を設けてもよい。こうした排気管であっても、内管１１の外周面が外管１２の内周面に接しないようにすれば、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。

・図１には直線状の排気管１０を示しているが、排気管は湾曲していてもよい。
・上記実施形態では排気管１０は、軸線Ｃ方向のうち一部にのみ断熱材１３が配置された構成となっている。しかし、排気管１０は、軸線Ｃ方向の全ての部分に断熱材１３が配置されている構成としてもよい。

・断熱材１３は、断熱効果を奏するとともに、圧縮されると熱抵抗が小さくなる性質を有しているのであれば、上記実施形態で説明した材料とは異なる他の材料で構成したものを採用することができる。

・排気管１０は、内管１１と外管１２との間に断熱材１３を設けない構成であってもよい。この場合、内管１１と外管１２との間に滞留する空気の層である空気層が断熱層として機能することとなる。この場合でも、内管１１を構成する材料の線膨張率が外管１２を構成する材料の線膨張率よりも大きいことによって、内管１１と外管１２との間隔が熱膨張によって狭くなりやすい。そして、このように内管１１と外管１２との間隔が狭くなることによって断熱層の熱抵抗が小さくなるため、内管１１から外管１２への伝熱速度が上昇し、排気管１０の放熱効率を向上させることができる。

なお、空気層によって断熱層を構成する場合には、内管１１及び外管１２が熱膨張したとしても内管１１の外周面が外管１２の内周面に接触しないように、内管１１及び外管１２の材料を選択するとともに、定常状態の間隔Ｌ１（図２）を設定することが好ましい。これによって、内管１１と外管１２とが接触することを抑制することができ、内管１１と外管１２との接触によって騒音が生じてしまうことを抑制することができる。

・断熱材１３と内管１１との間や、断熱材１３と外管１２との間にスペーサを介在させてもよい。すなわち、断熱材１３と内管１１との間や、断熱材１３と外管１２との間に空気層を形成し、こうした空気層と断熱材１３とを積層して断熱層を構成することもできる。

・二重構造の排気管１０を例示したが、排気管は内管１１と外管１２を有している多重構造であればよく、例えば三重構造であってもよい。

１０…排気管、１１…内管、１２…外管、１３…断熱材、１４…空間、２１…排気通路、Ｃ…軸線。

Claims (1)

1. 内部に排気通路が形成される管である内管と、該内管を覆う外管と、を備える排気管であって、
   前記外管と前記内管との間には、断熱層が設けられており、
   前記内管を構成する材料の線膨張率が前記外管を構成する材料の線膨張率よりも大きい排気管。

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