JP2018105207A - 自動車用排気管構造 - Google Patents

Abstract

【課題】外管の一端部及び他端部での伝熱による排気ガスの温度低下を抑制する。【解決手段】内管７０の外周に設けられ且つ第一外管６１の一端部及び他端部のそれぞれの内周面に固定された一対の中間材８０は、内管７０よりも熱伝導性が低くなっている。このため、第一外管６１の一端部及び他端部と内管７０との間での伝熱が抑制される。これにより、第一外管６１の一端部及び他端部での伝熱による排気ガスの温度低下を抑制できる。【選択図】図３

Description

本発明は、自動車用排気管構造に関する。

特許文献１には、エンジンの排気マニホルドから触媒コンバータまでの間の排気管を、外管と内管とを有する真空二重管で構成し、且つ、内管の一部を蛇腹管で形成した構造が開示されている。

特開平１１−３６８５６号公報

特許文献１の構造では、外管と内管との間の真空層による断熱効果によって、内管を流通する排気ガスの温度低下が抑制される。また、特許文献１の構造では、車両の高速走行時に高温の排気ガスが内管を流通すると、真空層による断熱効果によって、外管と内管との間で温度差が生じて、外管と内管とにおける軸方向への熱伸びの差により、内管に圧縮荷重がかかる。そして、当該圧縮荷重によって蛇腹管が軸方向に圧縮変形することで、外管と内管とにおける軸方向への熱伸びの差を吸収する。

ここで、特許文献１の構造では、外管の一端部及び他端部が内管に対して溶接により接合されているため、外管の一端部及び他端部において、外管と内管との間で伝熱する。このため、排気ガスの温度が露点温度以下に低下する場合がある。特に、真空二重管が短く、真空層による断熱効果が小さい場合には、排気ガスの温度が露点温度以下に低下して、凝縮水が発生しやすくなる。凝縮水が発生しやすいと、凝縮水の残留によって排気管の流路面積が減少して流通抵抗が大きくなり、エンジン出力の低下を招く。

本発明は、上記事実を考慮して、外管の一端部及び他端部での伝熱による排気ガスの温度低下を抑制できる排気管構造を得ることが目的である。

請求項１に係る自動車用排気管構造は、エンジンからの排気ガスを流通させる排気管と、前記排気管の外周に前記排気管の軸方向に沿って配置された第一外管と、前記第一外管の外周に前記第一外管の軸方向に沿って配置され、前記第一外管との間に真空層が形成された第二外管と、前記排気管の外周に設けられ且つ前記第一外管の一端部及び他端部のそれぞれの内周面に固定された一対の中間材であって、該一対の少なくとも一方が前記排気管の軸方向にスライド可能とされ、前記排気管よりも熱伝導性が低い前記一対の中間材と、を備える。

請求項１に係る自動車用排気管構造によれば、排気管がエンジンからの排気ガスを流通させる。この排気管の外周には、第一外管が、排気管の軸方向に沿って配置されている。この第一外管の外周には、第二外管が、第一外管の軸方向に沿って配置されている。この第二外管と第一外管との間には真空層が形成されている。この真空層による断熱効果によって、第一外管の内周側から外周側への放熱が抑制される。

さらに、請求項１に係る自動車用排気管構造では、一対の中間材が、排気管の外周に設けられ且つ第一外管の一端部及び他端部のそれぞれの内周面に固定されている。ここで、一対の中間材は、排気管よりも熱伝導性が低くなっている。このため、第一外管の一端部及び他端部が排気管に溶接により接合される構造に比べ、第一外管の一端部及び他端部と排気管との間での伝熱を抑制できる。これにより、第一外管の一端部及び他端部での伝熱による排気ガスの温度低下を抑制できる。

なお、請求項１に係る自動車用排気管構造では、例えば、車両の高速走行時に高温の排気ガスが排気管を流通すると、中間材による断熱効果により、排気管と第一外管との間で温度差が生じて、排気管と第一外管とにおける軸方向への熱伸びの差が生じる。これに対して、一対の中間材の少なくとも一方が、排気管の軸方向にスライドするので、排気管と第一外管とにおける軸方向への熱伸びの差を吸収することができる。

また、請求項１における「排気管よりも熱伝導性が低い中間材」には、排気管の材料よりも熱伝導率が低い材料を中間材に用いた構成と、中間材が複数の空隙を有することで接触面積が低減されている構成と、が含まれる。

請求項２に係る自動車用排気管構造は、前記第一外管の内周面及び外周面の少なくとも１つの面に設けられ、前記第一外管の水素透過率よりも水素透過率が低い材料で形成された第一低透過層と、前記第二外管の内周面及び外周面の少なくとも１つの面に設けられ、前記第二外管の水素透過率よりも水素透過率が低い材料で形成された第二低透過層と、を備える。

請求項２に係る自動車用排気管構造によれば、第一低透過層及び第二低透過層により、大気から第二外管及び第一外管を通じて真空層へ水素が透過することが抑制される。このため、真空層の圧力が大気中の水素分圧よりも上昇することが抑制される。これにより、真空層による断熱効果が維持できる。

本発明は、上記構成としたので、外管の一端部及び他端部での伝熱による排気ガスの温度低下を抑制できるという優れた効果を有する。

第一実施形態に係る排気管構造を示す斜視図である。 第一実施形態に係る排気管構造を示す側面図である。 第一実施形態に係る三重管を示す側断面図である。 図３に示す三重管の一部を拡大して示す側断面図である。 比較例に係る排気管構造の側断面図、及びその排気管構造の排気管を流通する排気ガスのガス温度を示すグラフである。 第一実施形態に係る三重管の側断面図、及びその三重管を流通する排気ガスのガス温度を示すグラフである。 第一実施形態に係る排気管構造において、変形例に係る中間材を適用した側断面図である。 第二実施形態に係る排気管構造を示す側断面図である。 第二実施形態に係る三重管の側断面図、及びその三重管を流通する排気ガスのガス温度を示すグラフである。 第二実施形態に係る排気管構造において、第一外管及び第二外管の両方の内周面及び外周面に低透過層を設けた変形例を示す側断面図である。

以下に、本発明に係る実施形態の一例を図面に基づき説明する。なお、各図に適宜示される矢印ＲＲ、矢印ＵＰ及び矢印ＲＨは、それぞれ、車両後方側、車両上方側及び車両右方側を示している。また、以下では、車両の前後方向及び車両上下方向を、それぞれ、単に、前後、上下と表現する場合がある。

＜第一実施形態＞
（排気管構造１０）
まず、第一実施形態に係る排気管構造１０（自動車用排気管構造の一例）について説明する。

図１及び図２は、それぞれ、排気管構造１０を示す斜視図及び側面図である。図１及び、図２を含む各図では、本実施形態に係る排気管構造１０を理解しやすくするため、構造を簡略化して図示している。

排気管構造１０は、自動車等の車両のエンジン（図示省略）から排出された排気ガスを大気（車両の外）へ排出するための管構造である。具体的には、排気管構造１０は、図１に示されるように、第一排気管１１と、第二排気管２０と、メインマフラ４０と、排出管５０と、を備えている。

第一排気管１１は、図１に示されるように、車両前後方向に沿って延びている管で構成されている。第一排気管１１の前端部は、車両のエンジン（図示省略）に接続されている。これにより、当該エンジンからの排気ガスが、第一排気管１１の前端部から流入し、車両後方側へ（第一排気管１１の後端部へ）流通する。

第一排気管１１には、触媒コンバータ１４と、排熱回収器１６と、サブマフラ１８とが、この順で車両前方側から配置されている。触媒コンバータ１４は、触媒コンバータ１４を通過する排気ガスから特定の物質を除去し、排気ガスを浄化する機能を有している。

排熱回収器１６は、水などの熱媒体との間で熱交換することで排気ガスの熱を回収し、その熱を再利用する機能を有している。サブマフラ１８は、排気ガスの排気音を低減する機能を有している。

第二排気管２０は、図１に示されるように、車両前後方向に沿って延びている管で構成されている。第二排気管２０の前端部は、第一排気管１１の後端部と連通している。これにより、第一排気管１１からの排気ガスが、第二排気管２０の前端部から流入し、車両後方側へ（第二排気管２０の後端部へ）流通する。なお、第二排気管２０の具体的な構成は後述する。

メインマフラ４０は、図２に示されるように、第二排気管２０に対する車両後方側且つ車両上方側に配置されている。このメインマフラ４０には、第二排気管２０の後端部が連通している。これにより、第二排気管２０からメインマフラ４０の内部に排気ガスが流入する。メインマフラ４０は、内部に流入した排気ガスの排気音を低減する機能を有している。

排出管５０は、図１に示されるように、メインマフラ４０から車両右側へ延出され、さらに車両後方側へ湾曲されている。そして、排出管５０は、メインマフラ４０から排気ガスを大気へ排出する。

（第二排気管２０の具体的な構成）
第二排気管２０は、具体的には、図２に示されるように、第二排気管２０の上流側部分を構成する上流管２５と、第二排気管２０の下流側部分を構成する下流管２７と、上流管２５と下流管２７との間に配置された三重管２３と、を有している。

上流管２５は、図２に示されるように、車両後方へ向かって下る下り勾配を有する傾斜部２５Ａと、車両前後方向に沿って延びている水平部２５Ｂと、を有している。傾斜部２５Ａの前端部が第一排気管１１の後端部に接続されることで、上流管２５が第一排気管１１と連通している。水平部２５Ｂの前端部は、傾斜部２５Ａの後端部と連通している。

下流管２７は、車両前後方向に沿って延びる水平部２７Ａと、車両後方へ向かって上る上り勾配を有する傾斜部２７Ｂと、を有している。水平部２７Ａの後端部は、傾斜部２７Ｂの前端部と連通している。傾斜部２７Ｂの後端部がメインマフラ４０に接続されることで、下流管２７がメインマフラ４０と連通している。

三重管２３は、車両のフロアパネル１７の下側に配置されている。具体的には、三重管２３は、フロアパネル１７から下側に張り出した張り出し部としての燃料タンク１９の下側に配置されており、排気管構造１０の排気管における最下部分（最も下側に配置された部分）を構成している。

三重管２３は、具体的には、図３に示されるように、車両前後方向に沿って延びる内管７０（排気管の一例）と、内管７０の外周に内管７０の軸方向に沿って配置された第一外管６１と、第一外管６１の外周に第一外管６１の軸方向に沿って配置された第二外管６２と、を有している。内管７０、第一外管６１及び第二外管６２は、一例として、ステンレスにより形成されている。

内管７０は、円筒状の円管で構成されている。この内管７０は、前端部（一端部）が上流管２５における水平部２５Ｂの後端部に接続されており、上流管２５と連通している。さらに、内管７０は、後端部（他端部）が下流管２７における水平部２７Ａの前端部に接続されており、下流管２７と連通している。これにより、内管７０は、エンジン（図示省略）からの排気ガスを下流管２７（車両後方側）へ流通させる。

第一外管６１は、円筒状の円管で構成されている。この第一外管６１は、図３に示されるように、内管７０との間に隙間を有している。すなわち、第一外管６１の内周面は、内管７０の外周面から離れている。なお、第一外管６１と内管７０との間であって、後述の一対の中間材８０の間の空間は、大気圧とされている。

さらに、第一外管６１は、図３及び図４に示されるように、前端部６１Ｆ及び後端部６１Ｒ（軸方向の両端部）で内径が軸方向中央側の内径よりも大径とされている。さらに、第一外管６１の前端及び後端（軸方向の両端）には、径方向内側に張り出す張出部６３が形成されている。張出部６３は、第一外管６１の周方向に沿って配置されている。

第二外管６２は、円筒状の円管で構成されている。この第二外管６２は、図３及び図４に示されるように、前端部６２Ｆ及び後端部６２Ｒ（軸方向の両端部）で内径が軸方向中央側の内径よりも小径とされている。この前端部６２Ｆ及び後端部６２Ｒは、第一外管６１の前端部６１Ｆ及び後端部６１Ｒと溶接等により接合されている。これにより、第一外管６１と第二外管６２との間には、真空層９０が形成されている。真空層９０の内圧は、少なくとも、大気圧よりも低く、例えば、１０^３Ｐａ程度の圧力に設定される。なお、真空層９０が形成された部分では、第一外管６１と第二外管６２とは、非接触とされている。

ここで、三重管２３は、図３に示されるように、内管７０の外周に設けられ且つ第一外管６１の前端部６１Ｆ（一端部の一例）及び後端部６１Ｒ（他端部の一例）のそれぞれの内周面に固定された一対の中間材８０を有している。各中間材８０は、具体的には、その外周面が、第一外管６１の前端部６１Ｆ及び後端部６１Ｒの内周面に固定されている。さらに、各中間材８０の端面が、張出部６３に固定されている（図４参照）。

各中間材８０は、内管７０及び第一外管６１の周方向に沿った円環状に形成されている。この各中間材８０は、内管７０に対しては固定されておらず、内管７０に対してその軸方向にスライド可能とされている。これにより、第一外管６１は、内管７０に対してスライド可能に支持されている。

さらに、各中間材８０は、一例として、複数の空隙を有するステンレスメッシュで構成されている。ステンレスメッシュは、一例として、ステンレスによる線材を平織りや綾織りすることで形成される。このように、中間材８０は、複数の空隙を有することで接触面積が低減されている。これにより、中間材８０は、空隙を有さない内管７０よりも伝熱しにくい形状をしており、内管７０よりも形状的に熱伝導性が低くされている。

なお、「内管７０よりも熱伝導性が低い中間材８０」には、中間材８０が複数の空隙を有することで接触面積が低減されている構成（形状的に熱伝導性が低い構成）だけでなく、内管７０の材料よりも熱伝導率が低い材料を中間材８０に用いた構成（材料的に熱伝導性が低い構成）も含まれる。

（排気管構造１０の作用効果）
次に、排気管構造１０の作用効果を説明する。

排気管構造１０によれば、車両のエンジン（図示省略）から排出された排気ガスは、第一排気管１１、第二排気管２０、メインマフラ４０及び排出管５０を通じて、大気へ排出される（図１参照）。

排気管構造１０では、図３に示されるように、三重管２３の第一外管６１と第二外管６２との間に真空層９０が形成されている。この真空層９０による断熱効果によって、第一外管６１の内周側から外周側への放熱が抑制される。

さらに、排気管構造１０では、一対の中間材８０は、内管７０よりも熱伝導性が低くなっている。このため、第一外管６１の前端部６１Ｆ及び後端部６１Ｒが内管７０に溶接により接合される構造に比べ、第一外管６１の前端部６１Ｆ及び後端部６１Ｒと内管７０との間での伝熱を抑制できる。これにより、第一外管６１の前端部６１Ｆ及び後端部６１Ｒでの伝熱による排気ガスの温度低下を抑制できる。

ここで、図５に示されるように、外管１６０の前端部１６０Ｆ及び後端部１６０Ｒが内管１７０に対して溶接により接合されている構造（比較例）では、外管１６０の前端部１６０Ｆ及び後端部１６０Ｒにおいて、外管１６０と内管１７０との間で伝熱する。このため、図５のグラフに示されるように、排気ガスの温度が露点温度以下に低下する場合がある。

これに対して、排気管構造１０では、前述のように、中間材８０及び真空層９０による断熱効果によって、内管７０を流通する排気ガスの温度低下が抑制されるので、図６のグラフに示されるように、排気ガスの温度が露点温度以下に低下することが抑制される。

これにより、内管７０において、排気ガスに含まれる水蒸気が凝縮しにくくなり、当該凝縮による凝縮水の発生が抑制される。なお、図６のグラフにおいて、実線が本実施形態の構造における排気ガスのガス温度を示し、破線が比較例の構造（図５に示す構造）における排気ガスのガス温度を示す。

以上のように、排気管構造１０では、凝縮水の発生が抑制できるので、凝縮水の残留による第二排気管２０の流路面積の減少や第二排気管２０の防錆性能の低下を効果的に抑制できる。よって、第二排気管２０の流路面積の減少による流通抵抗の増大が抑制され、エンジン出力の低下などの影響が抑制される。また、第二排気管２０の防錆性能の低下を抑制することで、第二排気管２０の材料として、耐錆性の低い材料や板厚の薄い材料を用いることができる。

なお、排気管構造１０では、例えば、車両の高速走行時に高温の排気ガスが内管７０を流通すると、中間材８０による断熱効果によって、内管７０と第一外管６１との間で温度差が生じて、内管７０と第一外管６１とにおける軸方向への熱伸びの差が生じる。これに対して、一対の中間材８０が、内管７０の軸方向にスライドするので、内管７０と第一外管６１とにおける軸方向への熱伸びの差を吸収することができる。このように、排気管構造１０では、一対の中間材８０が内管７０の軸方向にスライドすることで、内管７０と第一外管６１とにおける軸方向への熱伸びの差を吸収するので、内管７０の一部を蛇腹形状に形成する等の熱伸び吸収構造が不要となる。

（第一実施形態の変形例）
排気管構造１０では、中間材の一例として、ステンレスメッシュを用いたが、これに限られず、他の金属メッシュを用いてもよい。中間材としては、図７に示されるように、例えば、グラスウールを用いた中間材１８０であってもよい。さらに、中間材としては、例えば、セラミックを用いてもよく、種々の材料を用いることができる。

また、排気管構造１０では、一対の中間材８０の両方が、内管７０の軸方向にスライド可能とされていたが、一対の中間材８０の一方が内管７０に固定されている構造であってもよい。すなわち、一対の中間材８０は、少なくとも一方が、内管７０の軸方向にスライド可能となっていればよい。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係る排気管構造２００について説明する。前述の第１実施形態と同一機能を有する部分については、適宜、同一符号を付して、説明を適宜省略する。

排気管構造２００は、図８に示されるように、第一外管６１の外周面６１Ａに設けられた第一低透過層２１０と、第二外管６２の内周面６２Ｂに設けられた第二低透過層２２０と、を備えている。

第一低透過層２１０は、第一外管６１の水素透過率よりも水素透過率が低い材料で形成されている。第二低透過層２２０は、第二外管６２の水素透過率よりも水素透過率が低い材料で形成されている。具体的には、第一低透過層２１０及び第二低透過層２２０は、それぞれ、例えば、第一外管６１及び第二外管６２の形成材料であるステンレスよりも水素透過率が低いアルミニウムで形成されたアルミ層で構成されている。なお、アルミ層は、蒸着や、溶射などの方法により形成することができる。

第一低透過層２１０及び第二低透過層２２０としては、中間材８０の作用により第一外管６１及び第二外管６２の温度が耐熱温度に達しなければ、第一外管６１及び第二外管６２の形成材料であるステンレスよりも水素透過率が低い樹脂材料で形成された樹脂層を用いてもよい。樹脂材料としては、例えば、ポリカーボネート、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）などが挙げられる。

排気管構造２００によれば、第一低透過層２１０及び第二低透過層２２０により、大気から第二外管６２及び第一外管６１を通じて真空層９０へ水素が透過することが抑制される。このため、真空層９０の圧力が大気中の水素分圧よりも上昇することが抑制される。これにより、真空層９０による断熱効果が維持できる。

排気管構造２００では、図９のグラフにおいて一点鎖線に示されるように、第一低透過層２１０及び第二低透過層２２０を有さない構造（実線で示す）に比べ、内管７０を流通する排気ガスの温度低下が抑制される。

（排気管構造２００の変形例）
排気管構造２００では、第一低透過層２１０は、第一外管６１の外周面６１Ａに設けられていたが、図１０に示されるように、第一外管６１の内周面６１Ｂにも設けられる構成であってもよい。また、第一低透過層２１０は、第一外管６１の内周面６１Ｂにのみ設けられる構成であってもよい。すなわち、第一低透過層２１０は、第一外管６１の外周面６１Ａ及び内周面６１Ｂの少なくとも１つの面に設けられている構成であればよい。

排気管構造２００では、第二低透過層２２０は、第二外管６２の内周面６２Ｂに設けられていたが、図１０に示されるように、第二外管６２の外周面６２Ａにも設けられる構成であってもよい。また、第二低透過層２２０は、第二外管６２の外周面６２Ａにのみ設けられる構成であってもよい。すなわち、第二低透過層２２０は、第二外管６２の外周面６２Ａ及び内周面６２Ｂの少なくとも１つの面に設けられている構成であればよい。

排気管構造２００においても、中間材としては、グラスウールを用いた中間材１８０であってもよい。さらに、中間材としては、例えば、セラミックを用いてもよく、種々の材料を用いることができる。

排気管構造２００においても、一対の中間材８０の一方が内管７０に固定されている構造であってもよい。すなわち、一対の中間材８０は、少なくとも一方が、内管７０の軸方向にスライド可能となっていればよい。

本発明は、上記の実施形態に限るものではなく、その主旨を逸脱しない範囲内において種々の変形、変更、改良が可能である。

１０ 排気管構造
１７ フロアパネル
６１ 第一外管
６１Ｆ 前端部（一端部の一例）
６１Ｒ 後端部（他端部の一例）
６２ 第二外管
７０ 内管（排気管の一例）
８０ 中間材
９０ 真空層
１８０ 中間材
２００ 排気管構造
２１０ 第一低透過層
２２０ 第二低透過層

Claims (2)

1. エンジンからの排気ガスを流通させる排気管と、
   前記排気管の外周に前記排気管の軸方向に沿って配置された第一外管と、
   前記第一外管の外周に前記第一外管の軸方向に沿って配置され、前記第一外管との間に真空層が形成された第二外管と、
   前記排気管の外周に設けられ且つ前記第一外管の一端部及び他端部のそれぞれの内周面に固定された一対の中間材であって、該一対の少なくとも一方が前記排気管の軸方向にスライド可能とされ、前記排気管よりも熱伝導性が低い前記一対の中間材と、
   を備える自動車用排気管構造。
2. 前記第一外管の内周面及び外周面の少なくとも１つの面に設けられ、前記第一外管の水素透過率よりも水素透過率が低い材料で形成された第一低透過層と、
   前記第二外管の内周面及び外周面の少なくとも１つの面に設けられ、前記第二外管の水素透過率よりも水素透過率が低い材料で形成された第二低透過層と、
   を備える請求項１に記載の自動車用排気管構造。