JP2018031346A - 排気管 - Google Patents
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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。
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。
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。
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。
・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)
- 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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016165571A JP2018031346A (ja) | 2016-08-26 | 2016-08-26 | 排気管 |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2016165571A JP2018031346A (ja) | 2016-08-26 | 2016-08-26 | 排気管 |
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JP2016165571A Pending JP2018031346A (ja) | 2016-08-26 | 2016-08-26 | 排気管 |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2022014612A1 (ja) * | 2020-07-13 | 2022-01-20 | 日本碍子株式会社 | 排気管 |
WO2022014614A1 (ja) * | 2020-07-13 | 2022-01-20 | 日本碍子株式会社 | 排気管 |
WO2022014613A1 (ja) * | 2020-07-13 | 2022-01-20 | 日本碍子株式会社 | 排気管 |
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2016
- 2016-08-26 JP JP2016165571A patent/JP2018031346A/ja active Pending
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