JP2019214964A - 内燃機関のテールパイプ構造 - Google Patents

Abstract

【課題】テールパイプから放出される排気ガスの温度を低下させる。【解決手段】内燃機関Ｅの排気通路１４の出口部に設けられる筒状の筒体２３と、筒体２３よりも大径の筒状に形成されると共に、その上流端内周を筒体２３の下流端外周からクリアランスＣを隔てて配置され、その筒内にクリアランスＣから外気を導入可能なパイプ部２７と、筒体２３の下流端に設けられると共に、パイプ部２７内に送出する排気ガスを拡散させる拡散機構３０とを備えた。【選択図】図２

Description

本開示は、内燃機関のテールパイプ構造に関する。

一般的に、内燃機関等の排気通路の下流端には、排気通路を通過した排気ガスを外部に放出するためのテールパイプが設けられている（例えば、特許文献１，２参照）。

特開２０１６−１３８５０８号公報 特開２００９−１２１３１０号公報

上述のような内燃機関においては、特に高負荷運転時等に高温の排気ガスが排気通路からテールパイプを介して外部に放出されることになる。このような高温排気ガスの放出を効果的に抑制するには、排気ガスが外部に放出される前段階のテールパイプにて、排気ガスを外気と効果的に混合させることにより、温度の低下を図ることが望まれる。

本開示の技術は、テールパイプから放出される排気ガスの温度を効果的に低下させることを目的とする。

本開示の技術は、内燃機関の排気通路の出口部に設けられる筒状の第１筒体部と、前記第１筒体部よりも大径の筒状に形成されると共に、その上流端内周を前記第１筒体部の下流端外周からクリアランスを隔てて配置され、その筒内に前記クリアランスから外気を導入可能な第２筒体部と、前記第１筒体部の下流端に設けられると共に、前記第２筒体部内に送出する排気ガスを拡散させる拡散機構と、を備えることを特徴とする。

前記第１筒体部は、その一部を縮径させたテーパ部を有し、前記拡散機構は、前記第１筒体部の下流端開口を複数に分割するように設けられた仕切り部材を備えてもよい。

前記拡散機構は、前記第１筒体部の下流端開口の一部の領域を閉塞する拡散板と、前記下流端開口の他の領域を複数に分割するように設けられた仕切り部材とを備えてもよい
前記拡散板は、その上流側の面に凸部が形成されることができる。

前記第２筒体部の外周に開口形成されて、該第２筒体部内に外気を導入する複数の第２の導入穴をさらに備えることができる。

前記複数の第２の導入穴は、前記仕切り部材によって前記下流端開口に形成される複数の区画部に対応した位置に設けられることが好ましい。

本開示の技術によれば、テールパイプから放出される排気ガスの温度を効果的に低下させることができる。

各実施形態に係るテールパイプ構造が適用された内燃機関の排気系を示す模式的な全体構成図である。 （Ａ）は第一実施形態に係るテールパイプ構造を示す模式的な斜視図であり、（Ｂ）は第一実施形態に係るテールパイプ構造の一部を切り欠いて示す模式的な斜視図である。 （Ａ）は第一実施形態に係るテールパイプ構造の拡散機構を示す模式的な斜視図であり、（Ｂ）は第一実施形態に係るテールパイプ構造を排気上流側から視た模式的な斜視図である。 （Ａ）は第二実施形態に係るテールパイプ構造を示す模式的な斜視図であり、（Ｂ）は第二実施形態に係るテールパイプ構造の一部を切り欠いて示す模式的な斜視図である。 （Ａ）は第二実施形態に係るテールパイプ構造の増速拡散機構を示す模式的な斜視図であり、（Ｂ）は第二実施形態に係るテールパイプ構造を排気上流側から視た模式的な斜視図である。 他の実施形態に係るテールパイプ構造の増速拡散機構を示す模式的な斜視図である。 他の実施形態に係るテールパイプ構造の増速拡散機構を示す模式的な斜視図である。

以下、添付図面に基づいて、本実施形態に係る内燃機関のテールパイプ構造について説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

［第一実施形態］
（全体構成）
図１は、各実施形態に係るテールパイプ構造が適用された内燃機関の排気系を示す模式的な全体構成図である。同図に示すように、内燃機関としてのエンジンＥはシリンダヘッドＣＨを備えている。シリンダヘッドＣＨの排気側の側部には、各気筒から不図示の排気ポートを介して排気ガスを導出する排気マニホールド１１が設けられている。排気マニホールド１１には上流側排気管１２の上流端が接続され、上流側排気管１２の下流端には排気浄化装置及び、又は消音器（以下、単に排気装置という）１３が接続されている。また、排気装置１３には、下流側排気管１４の上流端が接続されている。下流側排気管１４には、排気装置１３にて浄化された排気ガスが導入される。これら上流側排気管１２、排気装置１３及び、下流側排気管１４の少なくとも一部は、好ましくは、不図示の車体フレームにブラケット等を介して固定されている。本実施形態のテールパイプ構造２０は、下流側排気管１４の下流端（出口部）に設けられている。以下、図２に基づいて、テールパイプ構造２０の詳細について説明する。

（テールパイプ構造）
図２（Ａ）は、本実施形態に係るテールパイプ構造２０を示す模式的な斜視図であり、図２（Ｂ）は、本実施形態に係るテールパイプ構造２０の一部を切り欠いて示す模式的な斜視図である。同図に示すように、テールパイプ構造２０は、上流側から順に、第１導入拡散部２１と、パイプ部２７（第２筒体部の一例）とを備えている。また、パイプ部２７には、第２導入機構２８が設けられている。

（第１導入拡散部）
第１導入拡散部２１は、下流側排気管１４から送出される排気ガスを拡散させると共に、パイプ部２７の上流口から外気を導入するように機能する。具体的には、第１導入拡散部２１は、上流側の被固定フランジ部２２と、下流側の筒体２３（第１筒体部の一例）と、筒体２３の出口部に設けられた拡散機構３０とを備えている。

被固定フランジ部２２は、下流側排気管１４の出口部に形成された固定フランジ部１５にボルトナット６０で締結固定されている。なお、被固定フランジ部２２の固定方法は、ボルトナット６０に限定されず、固定フランジ部１５に溶接等で接合してもよい。あるいは、筒体２３を下流側排気管１４の下流端に一体的に形成してもよい。筒体２３を下流側排気管１４に一体形成する場合には、各フランジ部２２，１５を省略すればよい。

筒体２３は、図２（Ｂ）に示すように、上流側から順に、下流側排気管１４と略同径、且つ、パイプ部２７よりも小径の略円筒状の大径部２３Ｃと、上流端側から下流側に向かうに従って縮径する略円錐台形状のテーパ部２３Ｂと、後述する拡散機構３０が取付けられる小径部２３Ａとを一体的に有している。

大径部２３Ｃは、その上流端の開口周縁を被固定フランジ部２２の側面に溶接等で接合されている。また、テーパ部２３Ｂを設けることで、筒体２３の流路面積が下流側に向かうに従い絞られるようになっている。これにより、筒体２３からパイプ部２７に向けて送出される排気ガスの流速が効果的に増速されるようになる。

（拡散機構）
図３（Ａ）は、本実施形態に係るテールパイプ構造２０の拡散機構３０を示す模式的な斜視図である。

拡散機構３０は、共通する中心部Ｘから所定のピッチ（図示例では１２０°毎の等ピッチ）で放射状に延びる複数枚（図示例では３枚）の細長の仕切りプレート部材３１Ａ，３２Ａ，３３Ａを有している。仕切りプレート部材３１Ａ，３２Ａ，３３Ａの各先端は、略直角に屈曲されることにより、それぞれ取付部３１Ｂ，３２Ｂ，３３Ｂとされている。取付部３１Ｂ，３２Ｂ，３３Ｂは、溶接３４によって、筒体２３の小径部２３Ａに固定されるようになっている。

拡散機構３０が小径部２３Ａに固定されることによって、小径部２３Ａの下流端開口には以下の区画部が形成される。すなわち、仕切りプレート部材３１Ａと仕切りプレート部材３２Ａとの間には第１区画部３６が形成され、仕切りプレート部材３２Ａと仕切りプレート部材３３Ａとの間には第２区画部３７が形成され、仕切りプレート部材３３Ａと仕切りプレート部材３１Ａとの間には第３区画部３８が形成される。これにより、筒体２３内を流れる排気ガスが３つの区画部（第１区画部３６、第２区画部３７、第３区画部３８）に分離されることで、排気ガスが効果的に拡散されるように構成されている。

また、本実施形態においては、図３（Ｂ）に示すように、筒体２３の小径部２３Ａ外周と、パイプ部２７の上流端内周との間には、周方向の全長に亘って所定のクリアランスＣが確保されている。すなわち、筒体２３からパイプ部２７内に増速して送出される排気ガスの流れに伴い、パイプ部２７内の圧力が低下することで、環状のクリアランスＣからパイプ部２７内に外気が効果的に導入されるように構成されている。これにより、拡散且つ増速された排気ガスと外気との混合が促進されるようになり、排気ガス温度を効果的に低下させることができる。

なお、筒体２３とパイプ部２７との位置関係は、小径部２３Ａのみがパイプ部２７内に挿入されても、或いはテーパ部２３Ｂの少なくとも一部分までがパイプ部２７内に挿入されてオーバラップするように配置されてもよい。又は、筒体２３の小径部２３Ａとパイプ部２７とが互いに筒軸方向に微小な空隙を隔ててオーバラップしないように配置されてもよい。これらの位置関係は、エンジンＥ（図１参照）の排気量等の各種仕様に応じて適宜に設定すればよい。

（パイプ部）
図２（Ａ），（Ｂ）に戻り、パイプ部２７は、全体として筒体２３よりも大径の略円筒状を呈しており、好ましくは、不図示の車体フレームに第１導入拡散部２１とは別個に取り付けられるか、或は、不図示のブラケットを介して第１導入拡散部２１に直接的に固定されている。また、パイプ部２７は、上流側の直線パイプ部２７Ａと、下流側の湾曲パイプ部２７Ｂとを有している。

直線パイプ部２７Ａの下流端外周（湾曲パイプ部２７Ｂとの接合部近傍）には、第２導入機構２８を構成する複数（図示例では３個）の導入穴２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃが周方向に等間隔で設けられている。各導入穴２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃは、直線パイプ部２７Ａの下流端外周のうち、拡散機構３０の各区画部３６，３７，３８（図３（Ａ）参照）に対応する位置にそれぞれ配置されている。

各導入穴２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃは、具体的には、直線パイプ部２７Ａの下流端外周を径方向内側に半円弧状に湾曲して凹ませることにより形成されている。すなわち、各導入穴２９の開口は、直線パイプ部２７Ａの凹ませた部分の下流端外周縁Ｘと、当該凹ませた部位に対応する湾曲パイプ部２７Ｂの上流端内周縁Ｙとにより区画されている。

このように、パイプ部２７に３つの導入穴２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃを設けることにより、第１導入拡散部２１にて拡散されて外気と混合された排気ガスが、さらに各導入穴２９から導入される外気と混合されるようになり、高温排気ガスの温度低下を確実に促進することができる。また、製造上の形状管理が容易な直線パイプ部２７Ａの下流端外周を凹ませるのみで各導入穴２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃが形成されるため、加工の容易化を図ることができる。

（本実施形態の作用・効果）
以上詳述した本実施形態によれば、まず、第１導入拡散部２１において、筒体２３のテーパ部２３Ｂによって排気ガスが増速される。この増速された排気ガスは、拡散機構３０の各仕切りプレート部材３１Ａ，３２Ａ，３３Ａにより区画された３つの区画部（第１区画部３６、第２区画部３７、第３区画部３８）を通過することによって、効果的に分離、拡散される。

次に、増速且つ拡散された排気ガスに対して、クリアランスＣから導入する外気と混合させることにより、排気ガスの温度を効果的に低下させることができる。

さらに、第１導入拡散部２１にて拡散混合されてパイプ部２７内に流通される排気ガスを第２導入機構２８（各導入穴２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃ）から導入する外気と混合されることにより、排気ガスの温度が二段階で低下する。特に、各導入穴２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃは、拡散機構３０の各区画部３６，３７，３８（図３（Ａ）参照）に対応する位置にそれぞれ配置されているため、各区画部を通過した排気ガスが効果的に外気と接触するようになり、高温排気ガスの温度低下を確実に促進することが可能になる。

また、本実施形態では、筒体２３の周面に凹部等を形成しなくても、別部材としての拡散機構３０を筒体２３の小径部２３Ａに取付けるだけで拡散効果が得られる。このため、同様の効果を得るための筒体２３の表面加工による製法と比較して、製造が容易であり、コスト面でも優位である。

［第二実施形態］
（テールパイプ構造）
図４（Ａ）は、本実施形態に係るテールパイプ構造２０を示す模式的な斜視図であり、図４（Ｂ）は、本実施形態に係るテールパイプ構造２０の一部を切り欠いて示す模式的な斜視図である。同図に示すように、テールパイプ構造２０は、上流側から順に、第１導入拡散部２１と、パイプ部２７（第２筒体部の一例）とを備えている。なお、パイプ部２７の構成は、第一実施形態と同じであるので、説明を省略する。

第二実施形態の第１導入拡散部２１は、下流側排気管１４から送出される排気ガスを拡散させると共に、パイプ部２７の上流口から外気を導入するように機能する。具体的には、第１導入拡散部２１は、上流側の被固定フランジ部２２と、下流側に設けられ上流端から下流端に至るまで略同径の筒体２４と、筒体２４の出口部に設けられ排気ガスを増速及び拡散させる増速拡散機構４０とを備えている。

（増速拡散機構）
図５（Ａ）は、本実施形態に係るテールパイプ構造２０の増速拡散機構４０を示す模式的な斜視図である。

増速拡散機構４０は、中心に位置する略円形の拡散板４１と、拡散板４１から所定のピッチ（図示例では１２０°毎の等ピッチ）で放射状に延びる複数枚（図示例では３枚）の細長の仕切りプレート部材４２Ａ，４３Ａ，４４Ａを有している。仕切りプレート部材４２Ａ，４３Ａ，４４Ａの各先端は、略直角に屈曲されることにより、それぞれ取付部４２Ｂ，４３Ｂ，４４Ｂとされている。取付部４２Ｂ，４３Ｂ，４４Ｂは、溶接４５によって、筒体２４の出口部に固定されるようになっている。

増速拡散機構４０が筒体２４の出口部に固定されることによって、筒体２４の下流端開口には以下の区画部が形成される。すなわち、仕切りプレート部材４２Ａと仕切りプレート部材４３Ａとの間には第１区画部４６が形成され、仕切りプレート部材４３Ａと仕切りプレート部材４４Ａとの間には第２区画部４７が形成され、仕切りプレート部材４４Ａと仕切りプレート部材４２Ａとの間には第３区画部４８が形成される。これにより、筒体２４内を流れる排気ガスが３つの区画部（第１区画部４６、第２区画部４７、第３区画部４８）に分離されることで、排気ガスが効果的に拡散されるように構成されている。

拡散板４１の面積は、排気ガスが通過する筒体２４の流路面積、及び上記３つの区画部の面積等を考慮して、適宜定めることができる。ここで、第一実施形態では、テーパ部２３Ｂによって筒体２３の流路面積が所定量減少される。他方、テーパ部２３Ｂを有していない本実施形態では、この減少量を考慮して、拡散板４１の面積を定めることができる。

また、本実施形態においては、図５（Ｂ）に示すように、筒体２４の出口部外周と、パイプ部２７の上流端内周との間には、周方向の全長に亘って所定のクリアランスＣが確保されている。すなわち、筒体２４からパイプ部２７内に増速して送出される排気ガスの流れに伴い、パイプ部２７内の圧力が低下することで、環状のクリアランスＣからパイプ部２７内に外気が効果的に導入されるように構成されている。これにより、拡散且つ増速された排気ガスと外気との混合が促進されるようになり、排気ガス温度を効果的に低下させることができる。

（本実施形態の作用・効果）
以上詳述した本実施形態によれば、まず、第１導入拡散部２１において、筒体２４を通過する排気ガスが増速拡散機構４０の拡散板４１によって増速されると共に、増速拡散機構４０の各仕切りプレート部材４２Ａ，４３Ａ，４４Ａにより区画された３つの区画部（第１区画部４６、第２区画部４７、第３区画部４８）を通過することによって、増速された排気ガスが効果的に分離、拡散される。

次に、増速且つ拡散された排気ガスに対して、クリアランスＣから導入する外気と混合させることにより、排気ガスの温度を効果的に低下させることができる。

さらに、第１導入拡散部２１にて拡散混合されてパイプ部２７内に流通される排気ガスを第２導入機構２８（各導入穴２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃ）から導入する外気と混合されることにより、排気ガスの温度が二段階で低下する。特に、各導入穴２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃは、増速拡散機構４０の各区画部４６，４７，４８（図５（Ａ）参照）に対応する位置にそれぞれ配置されているため、各区画部を通過した排気ガスが効果的に外気と接触するようになり、高温排気ガスの温度低下を確実に促進することが可能になる。

また、本実施形態では、上述したように、増速拡散機構４０に設けられた略円形の拡散板４１によって、排気ガスが増速される。このため、第一実施形態のように、テーパ部２３Ｂによる縮径によって排気ガスの増速を行う必要がない。このため、筒体２４として単純形状の円筒を用いることができ、原料コストを下げることができる。

［他の実施形態］
以上、本開示の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、本開示の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、本開示の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、本開示の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

例えば、増速拡散機構として、図５に示す増速拡散機構４０に代えて、図６に示すような増速拡散機構５０を用いることもできる。この増速拡散機構５０は、増速拡散機構４０の略円形の拡散板４１に代えて、略三角形状の拡散板５１を用いたものである。拡散板５１を設けることによって筒体２４の下流端開口に形成される３つの区画部（第１区画部５６、第２区画部５７、第３区画部５８）の形状及び面積は、排気ガスの流路面積、排気ガスの流量、温度や拡散させる割合等を考慮して、適宜決定することができる。

また、図５に示す増速拡散機構４０に代えて、図７に示すような増速拡散機構６０を用いることもできる。この増速拡散機構６０は、増速拡散機構４０の略円形の拡散板４１に代えて、同径の拡散板６１を用いたものである。
拡散板６１は、平面６１Ａの上流側面に形成された凸部６１Ｂと、下流側面に形成された凹部６１Ｃとを有している。

このように、上流側面に凸部６１Ｂを有することにより、図５に示す増速拡散機構４０のように、筒体２４を通過する排気ガスが直接拡散板４１の全面に衝突することがない。即ち、排気ガスが凸部６１Ｂの表面に沿って自然に３つの区画部（第１区画部４６、第２区画部４７、第３区画部４８）へと導入される。また、凸部６１Ｂ及び凹部６１Ｃは、平面６１Ａの一方の面をプレス加工等によって押込んで窪ませ、反対面に押し出すことによって容易に形成することができる。

さらに、上記各実施形態では、仕切りプレート部材に取付部を設けて、これらの取付部に溶接を行ったが、取付部を設けずに、仕切りプレート部材を筒体２３の小径部２３Ａ（又は筒体２４の下流端）に直接溶接してもよい。

また、第２導入機構２８は、パイプ部２７の直線パイプ部２７Ａに設けられるものとして説明したが、これらを湾曲パイプ部２７Ｂに設けてもよい。

さらに、拡散機構３０の仕切りプレート部材３１Ａ，３２Ａ，３３Ａ及び増速拡散機構４０の仕切りプレート部材４２Ａ，４３Ａ，４４Ａは、図示例のものに限定されず、排気ガスを拡散できる構成であれば、形状、個数を適宜変更できる。また、回転可能な複数のフィンを設けることもできる。

また、本実施形態の適用範囲は、内燃機関のテールパイプに限定されず、高温の気体を流通させる他の配管類の末端構造にも広く適用することが可能である。

Ｅ エンジン
１１ 排気マニホールド
１２ 上流側排気管
１３ 排気装置
１４ 下流側排気管
１５ 固定フランジ部
２０ テールパイプ構造
２１ 第１導入拡散部
２２ 被固定フランジ部
２３ 筒体（第１筒体部）
２３Ａ 小径部
２３Ｂ テーパ部
２３Ｃ 大径部
２４ 筒体（第１筒体部）
２７ パイプ部（第２筒体部）
２７Ａ 直線パイプ部
２７Ｂ 湾曲パイプ部
２８ 第２導入機構
２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃ 導入穴（第２の導入穴）
３０ 拡散機構
３１Ａ，３２Ａ，３３Ａ 仕切りプレート部材（仕切り部材）
３６，４６，５６ 第１区画部
３７，４７，５７ 第２区画部
３８，４８，５８ 第３区画部
４０，５０，６０ 増速拡散機構（拡散機構）
４１，５１，６１ 拡散板
４２Ａ，４３Ａ，４４Ａ 仕切りプレート部材（仕切り部材）
Ｃ クリアランス

Claims (6)

1. 内燃機関の排気通路の出口部に設けられる筒状の第１筒体部と、
   前記第１筒体部よりも大径の筒状に形成されると共に、その上流端内周を前記第１筒体部の下流端外周からクリアランスを隔てて配置され、その筒内に前記クリアランスから外気を導入可能な第２筒体部と、
   前記第１筒体部の下流端に設けられると共に、前記第２筒体部内に送出する排気ガスを拡散させる拡散機構と、を備える
   ことを特徴とする内燃機関のテールパイプ構造。
2. 前記第１筒体部は、その一部を縮径させたテーパ部を有し、
   前記拡散機構は、前記第１筒体部の下流端開口を複数に分割するように設けられた仕切り部材を備える
   請求項１に記載の内燃機関のテールパイプ構造。
3. 前記拡散機構は、前記第１筒体部の下流端開口の一部の領域を閉塞する拡散板と、前記下流端開口の他の領域を複数に分割するように設けられた仕切り部材とを備える
   請求項１に記載の内燃機関のテールパイプ構造。
4. 前記拡散板は、その上流側の面に凸部が形成されている
   請求項３に記載の内燃機関のテールパイプ構造。
5. 前記第２筒体部の外周に開口形成されて、該第２筒体部内に外気を導入する複数の第２の導入穴をさらに備える
   請求項１から４のいずれか１項に記載の内燃機関のテールパイプ構造。
6. 前記複数の第２の導入穴は、前記仕切り部材によって前記下流端開口に形成される複数の区画部に対応した位置に設けられる
   請求項５に記載の内燃機関のテールパイプ構造。

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