JP2022095223A - 排気管のフランジ構造 - Google Patents

Abstract

【課題】組み立ての作業効率の低下を防ぎつつ、排気管のフランジ部における断熱性を向上させることで排気温度低下を防止する排気管のフランジ構造を提供する。【解決手段】車両の排気浄化装置に向けてエンジンの排気が内部を流動する排気通路を構成する排気管２と、排気管２の外径より大きい内径を有し、排気管２の端部に設けられ、排気管２を相手側部材に接続するフランジ３と、少なくとも一部が、排気管２の外周面とフランジ３の内周面との間に介在し、排気管２の管軸方向において、フランジ３より長さが小さく、排気管２の端部より外側に突出する断熱部材４と、中空円板形状をなし、排気管２の端部より管軸方向外側において、一方の円板面が断熱部材４の管軸方向外側端面と接し、外周面がフランジ３の内周面に接するプレート５と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は排気管のフランジ構造に関する。

エンジンを備える車両においては、排気浄化のため、例えば尿素水などの還元触媒を用いた排気浄化装置が備えられる。この場合、還元剤を活性化させるために排気の温度が一定以上であることが必要になる。

エンジンから排出される排気は、排気管を通して、排気浄化装置に送られるが、排気管の通過時に温度が低下することがある。そこで、例えば、排気管の外側に断熱材を巻く、または排気管を中空二重構造などにする対策がとられている（特許文献１参照）。

特開２０１６－０２３５６５号公報

ところで、排気管と排気管を繋ぐフランジ部は、外気と接触する面積が広く熱容量も大きいので、排気温度低下の一因となっている。これに対し、フランジ部の外側に断熱材を巻く対策も考えられるが、組み立ての作業効率が低下する可能性がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、組み立ての作業効率の低下を防ぎつつ、排気管のフランジ部における断熱性を向上させることで排気温度低下を防止する排気管構造を提供することにある。

本発明は前述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様又は適用例として実現することができる。

本適用例に係る排気管のフランジ構造は、車両の排気浄化装置に向けてエンジンの排気が内部を流動する排気通路を構成する排気管と、前記排気管の外径より大きい内径を有し、前記排気管の端部に設けられ、前記排気管を相手側部材に接続するフランジと、少なくとも一部が、前記排気管の外周面と前記フランジの内周面との間に介在し、前記排気管の管軸方向において、前記フランジより長さが小さく、前記排気管の端部より外側に突出する断熱部材と、中空円板形状をなし、前記排気管の端部より管軸方向外側において、一方の円板面が前記断熱部材の管軸方向外側端面と接し、外周面が前記フランジの内周面に接するプレートと、を備える。

このように構成された排気管のフランジ構造は、フランジが排気管に対して断熱部材を介して配置され、フランジが排気管に直接的に接する部分がないか、又は、一部に限られるため、排気管を流通する排気の熱が、排気管からフランジに直接伝達することによる放熱を抑制することができる。従って、フランジに防熱カバーを取り付ける必要がなく、排気通路の組み立ての作業効率の低下を防ぐことができる。また、フランジにおける断熱性が向上することで排気浄化装置に流入する排気の温度低下を防止することができる。

本発明の一実施形態の排気管のフランジ構造を含む内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。 本発明の一実施形態の排気管のフランジ構造の上流側断面図である。 排気管のフランジ構造の第１変形例を示す図である。 排気管のフランジ構造の第２変形例を示す図である。 排気管のフランジ構造の第３変形例を示す図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の一実施形態の排気管のフランジ構造１（以下、単にフランジ構造１という）を含む内燃機関の排気浄化装置１０の概略構成図である。排気浄化装置１０は、図示しないディーゼルエンジン等の内燃機関（以下エンジンという）を駆動源とする車両の排気通路に介装されている。具体的には、車両の排気浄化装置１０に向けてエンジンからの排気が内部を流動する排気通路を構成する排気管２に続いて、排気浄化装置１０が設けられている。排気浄化装置１０は、排気に含まれる大気汚染物質である窒素酸化物（ＮＯｘ）、粒子状物質（ＰＭ）、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）等を除去するためのものである。排気浄化装置１０により浄化された排気は、後続の排気管２’からサイレンサー等を経由して大気に放出される。

排気浄化装置１０は、前段ユニット１１、後段ユニット１２、及び、これらを連結する連結管１３から構成される。前段ユニット１１は、前段ＤＯＣ１１１（前段排気処理部）、及びＤＰＦ１１２（後段排気処理部）が内蔵されている。前段ＤＯＣ１１１は、排気中のＨＣ及びＣＯを酸化することに加え、後述するＳＣＲ１２１を活性化させるためにその温度が活性温度以上であるときに排気中の一酸化窒素（ＮＯ）を酸化させ二酸化窒素（ＮＯ_２）にする機能を有している。また、前段ＤＯＣ１１１は、ＤＰＦ１１２再生時にディーゼルエンジンの燃焼行程後に噴射される燃料（ＨＣ）を酸化することにより排気を昇温させ、ＤＰＦ１１２内の燃焼を促進する機能も有している。

一方、後段ユニット１２は、ＳＣＲ１２１、及び後段ＤＯＣ１２２が内蔵されている。ＳＣＲ１２１は、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を窒素（Ｎ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）に還元する機能を有している。具体的には、連結管１３に設けられた尿素水インジェクタ１４から圧縮空気と共に噴射され供給される尿素水が、排気の熱により加水分解してアンモニア（ＮＨ_３）となり、ＳＣＲ１２１に供給される。供給されたアンモニア（ＮＨ_３）はＳＣＲ１２１に一旦吸着し、ＳＣＲ１２１の温度が活性温度以上であるときに、吸着したアンモニア（ＮＨ_３）と排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）との脱硝反応により、窒素酸化物（ＮＯｘ）が浄化されて無害な窒素（Ｎ_２）となる。後段ＤＯＣ１２２は、ＳＣＲ１２１で余ったアンモニア（ＮＨ_３）の排出を防止するため、その温度が活性温度以上であるときに、ＮＨ_３を窒素（Ｎ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）に酸化させる。

以上のように、排気浄化装置１０においては、前段ＤＯＣ１１１、ＤＰＦ１１２、ＳＣＲ１２１及び後段ＤＯＣ１２２がそれぞれの機能を正常に発揮する上で、流入する排気の温度が適度に上昇している必要がある。

このように構成されたフランジ構造１を含む内燃機関の排気浄化装置１０では、排気浄化装置１０の入力側において図１の一点鎖線で囲まれた領域で示すように、排気管２とフランジ３から構成されるフランジ構造１により上流側と下流側に２分割されている。排気管２は上流側排気管２ａと下流側排気管２ｂとに分割されている。そして、上流側排気管２ａ及び下流側排気管２ｂは、上流側排気管２ａの下流側の端部に設けられた上流側フランジ３ａと、下流側排気管２ｂの上流側の端部に設けられた下流側フランジ３ｂとを当接し、図示しない複数のボルト及びナット等の固定部材で連結することにより、互いに（相手側部材に）接続されている。なお、以下の説明において、軸方向とは、排気管２の管軸方向、即ち排気の流れに平行な方向、径方向とは排気管２の排気の流れに垂直な面において排気管２の管軸から外周方向に向かう方向、上流・下流とは、排気の流れに対する上流・下流、とする。また、フランジ構造１は上流側と下流側で基本的に対称であるため、以下、上流側について説明し、下流側についての説明は省略する。

図２は、本発明の一実施形態のフランジ構造１の上流側断面図である。具体的には、図１のフランジ構造１の上流側について、円筒形状の排気管２の管軸の軸心線（図２において一点鎖線で示されている）を通る断面を示す図である。フランジ構造１は、上流側排気管２ａ、上流側フランジ３ａ、断熱材（断熱部材）４、及びプレート５から構成される。

上流側排気管２ａは、排気が内部を流動する円筒状の内管２１と、内管２１の外側に空気層Ｓ１を介して配設された同心円の円筒状の外管２２とからなる二重管構造となっており、内管２１内を流動する排気の熱が外管２２から外気へ逃げるのを抑制するようにしている。外管２２は、図２に示すように、上流側フランジ３ａの近傍において、下流側の端部に向かって徐々に縮径されている。上流側排気管２ａでは、その下流側の端部において内管２１と外管２２との間に排気が浸入しないようにするため、外管２２の縮径により外管２２の内周面と内管２１の外周面とが直接接合された外径ｄ１の排気管端部２３を形成している。また、内管２１及び外管２２は、その排気管端部２３において、上流側フランジ３ａの開口部に挿入されている。上流側排気管２ａは鋼鉄やステンレス等の金属を材料として押し出し加工等により形成される。なお、本実施形態においては、排気管２は二重管構造であるが、通常の一重管の外周をグラスウール等の断熱材で覆ったものでも構わない。

上流側フランジ３ａは、円板面の中央に開口を有する中空円板形状で、上流側に面するフランジ上流側円板面３１、下流側に面するフランジ下流側円板面３２、フランジ上流側円板面３１とフランジ下流側円板面３２の外縁の間に形成されるフランジ外周面３３及びフランジ内周面３４を有し、上流側排気管２ａの排気管端部２３の外径（外周）ｄ１より大きい内径（内周）を有する。具体的には、上流側フランジ３ａは、内径が、図２に示すように上流側の径ｄ２、中間部分の径ｄ３、下流側の径ｄ４が、ｄ１＜ｄ２＜ｄ３＜ｄ４の関係となるように、上流側から下流側に向かって段階的に大きくなっている。説明の簡便のため、上流側フランジ３ａのフランジ上流側円板面３１からフランジ下流側円板面３２の間の領域について、図２に示すように、フランジ上流部３５（内径がｄ２かつ軸方向の長さがｔ１）、フランジ中間部３６（内径がｄ３かつ軸方向の長さがｔ２）、フランジ下流部３７（内径がｄ４かつ軸方向の長さがｔ３）と呼ぶことにする。なお、本実施形態において上流側フランジ３ａの外形は円であるが、多角形や小判形でも構わない。

上流側フランジ３ａは、図２に示すように、フランジ上流側円板面３１の開口縁から円筒状に上流側に突出し、上流側排気管２ａと同軸である突出部３８を有する。本実施形態において、突出部３８の内径はフランジ上流部３５と同じｄ２である。突出部３８は、上流側フランジ３ａが上流側排気管２ａに取り付けられた状態において、上流側排気管２ａの二重管構造の始点と排気管端部２３との境界付近まで延出するように、軸方向の長さが設定されている。上流側フランジ３ａは、鋼鉄等の金属材料を鋳造及び切削加工等して形成される。

断熱材４は、円板面の中央に開口を有する中空円板形状で、外径がｄ３の断熱材外周面４１と、内径がｄ１の断熱材内周面４２と、これら断熱材外周面４１と断熱材内周面４２の間に形成される断熱材上流側円板面４３及び断熱材下流側円板面４４と、を有する。また、断熱材４は、軸方向の長さ（厚み）が、突出部３８を含めた上流側フランジ３ａの長さより小さく、少なくともフランジ中間部３６の長さｔ２以上である。また、断熱材４は、少なくとも一部が、上流側排気管２ａの外周面と上流側フランジ３ａのフランジ内周面３４との間に介在する。具体的には、断熱材上流側円板面４３がフランジ上流部３５の上流側面と当接し、断熱材外周面４１がフランジ中間部３６の内周面と当接し、断熱材内周面４２が上流側排気管２ａの外周面と当接している。。すなわち、少なくとも排気管端部２３の外周面とフランジ中間部３６の内周面の間の空間を満たす形状である。

さらに、断熱材４は、上流側排気管２ａの排気管端部２３より下流側の外側に突出している。具体的には、断熱材４は、その下流側において、上流側排気管２ａの排気管端部２３の先端より更に下流側の外側であってフランジ下流部３７の内側においてわずかに突出している。

断熱材４は、例えば耐熱性を有するグラスウールやロックウールで、熱伝導率が低く、断熱性能を有する。このようにして、断熱材４は、上流側排気管２ａの外周面と上流側フランジ３ａの内周面の間に形成される空間における断熱性を高める機能と、上流側排気管２ａに対する上流側フランジ３ａの位置関係を保持したり、後述する溶接部にかかる応力を抑制したりする機能とを併せ持つ。

プレート５は、円板面の中央に開口を有する中空円板形状で、外径がｄ４のプレート外周面５１と、内径がｄ１より大きく、かつ、上流側排気管２ａの内径ｄ５より小さいプレート内周面５２と、これらプレート外周面５１とプレート内周面５２の間に形成されるプレート上流側円板面５３及びプレート下流側円板面５４と、を有する。また、プレート５は、軸方向の長さ（厚み）がフランジ下流部３７の長さｔ３より小さい。

プレート５は、上流側排気管２ａの排気管端部２３より軸方向外側（下流側）、かつ、フランジ下流部３７の径方向内側に配置される。また、プレート５は、一方の円板面、すなわちプレート上流側円板面５３が断熱材４の断熱材下流側円板面４４（軸方向外側端面）と接している。さらに、プレート５は、プレート外周面５１が上流側フランジ３ａのフランジ下流部３７の内周面に接している。このようにして、プレート５は、フランジ下流部３７の内側において突出している断熱材４を軸方向に押さえる機能を有する。プレート５は、上流側フランジ３ａと同じ材質等の金属材料により形成される。

上記のように配置された、上流側排気管２ａと上流側フランジ３ａ、上流側フランジ３ａとプレート５、プレート５と上流側排気管２ａ、はそれぞれ溶接により接合されて固定される。具体的には、図２に示すように、上流側フランジ３ａは、フランジ上流側円板面３１（被接合面）側において突出部３８の上流側の端部が、上流側排気管２ａの外管２２の外周面の一部と、円周方向に一周溶接接合されている。また、プレート５は、内周面側が上流側排気管２ａの排気管端部２３と接合され、また、外周面側が上流側フランジ３ａのフランジ下流部３７の内周面と、接合されている。具体的には、プレート５は、プレート内周面５２が、排気管端部２３の先端部と、円周方向に一周溶接接合されている。また、プレート５は、プレート外周面５１が上流側フランジ３ａの内周面に接する箇所の隅部において、円周方向に一周溶接接合されている。

上記の構成により、上流側排気管２ａ、上流側フランジ３ａ、及びプレート５の三者の間には気密な空気層が形成され、その空気層に断熱材４が配置されることで図２に示す空気層Ｓ２、空気層Ｓ３、及び空気層Ｓ４が形成されている。空気層Ｓ２は、上流側排気管２ａの排気管端部２３の外周、上流側フランジ３ａ、及び断熱材４で仕切られて形成される空気層である。空気層Ｓ２は、上流側フランジ３ａが２重管構造ではない（空気層がない）排気管端部２３と物理的に接触することを回避し、排気管端部２３から熱容量の大きい上流側フランジ３ａを介して外部に放熱されるのを防ぐ機能を有する。また、空気層Ｓ３は、上流側フランジ３ａ、プレート５、及び断熱材４で仕切られて形成される空気層である。空気層Ｓ４は、プレート５、上流側排気管２ａ、及び断熱材４で仕切られて形成される空気層である。空気層Ｓ３及び空気層Ｓ４も空気層Ｓ２と同様、プレート５が上流側排気管２ａ及び上流側フランジ３ａと接する面積を最小限に抑え、放熱を抑制する機能を有する。

以上のように構成されたフランジ構造１は、上流側フランジ３ａが上流排気管２ａに対して断熱材４及び空気層Ｓ２～Ｓ４を介して配置され、上流側排気管２ａに直接的に接する部分が溶接による接合部のみのため、上流側排気管２ａを流通する排気の熱が、上流側排気管２ａから上流側フランジ３ａに伝達することによる放熱を抑制することができる。また、上流側排気管２ａ、上流側フランジ３ａ、及びプレート５を溶接により接合することで、これら三者の間に気密空気層が形成され、より断熱効果を向上させることができる。さらに、上流側フランジ３ａが突出部３８を有することにより、内管２１と外管２２が互いに接しており内管２１から外管２２へ熱伝達が生じる排気管端部２３のほぼ全体が空気層で覆われることになり、排気管端部２３からの放熱をより抑制できる。従って、フランジ３に防熱カバー等の断熱部材を取り付ける必要がなく、排気通路の組み立ての作業効率の低下を防ぐことができる。また、排気管２のフランジ３における断熱性が向上することで排気温度低下を防止することができる。

以上で本発明に係るフランジ構造１の実施形態についての説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。

上記実施形態においては、断熱材４が上流側排気管２ａと上流側フランジ３ａの間の空気層の一部のみに介在していたが、図３に示す変形例１のように、断熱材４’を排気管２とフランジ３の間の空気層を満たすように設けてもよい。これにより、断熱効果がより向上する。

また、上記実施形態において、突出部３８は単純な円筒形状であったが、図４に示す変形例２のように、突出部３８’の上流側先端が上流側排気管２ａの外周に突き当たるまで延出する、断面Ｌ形状であってもよい。また、上記実施形態のプレート５についても、突出部３８’と同様、図４に示すように内周面端部を上流側に延出した断面Ｌ字形状にしてもよい。これにより、より容易な隅肉溶接によりより確実な溶着接合ができるとともに、上流側フランジ３ａの軸が上流側排気管２ａの軸から偏心することを防ぐことができる。

上記実施形態においては、上流側フランジ３ａは突出部３８を有していたが、図５の変形例３に示すように、排気管端部２３’の軸方向の長さが短い場合は、実施例の突出部３８を省略した上流側フランジ３ａ’でもよい。これにより、フランジ３自体の加工が容易になる。

上記実施形態においては、排気管２は、フランジ３との接続部分において内管２１と外管２２を備えているが、例えば、上流側排気管２ａは、上流側フランジ３ａとの接続部分を内管２１のみとしても良い。この場合、突出部３８の上流側の端部が、上流側排気管２ａの内管２２の外周面の一部と、円周方向に一周溶接接合されることになり、外管２２の端部は、上流側排気管２ａの内管２２の接合部よりも上流側に位置することになる。
また、例えば、排気管がグラスウール等の断熱材で覆った一重管の場合は、排気管とフランジの接合部分は一重管となる。

上記実施形態においては、連結管１３が一本の管から構成されているが、この管を２以上に分割し、それぞれの管をフランジで接続する構造としても構わない。
この場合、連結管１３にも本発明を適用することができる。

１ ：フランジ構造
２、２’ ：排気管
２ａ ：上流側排気管
２ｂ ：下流側排気管
３ ：フランジ
３ａ、３ａ’ ：上流側フランジ
３ｂ ：下流側フランジ
４、４’ ：断熱材
５ ：プレート
１０ ：排気浄化装置
１１ ：前段ユニット
１１１ ：前段ＤＯＣ
１２ ：後段ユニット
１２２ ：後段ＤＯＣ
１３ ：連結管
１４ ：尿素水インジェクタ
２１ ：内管
２２ ：外管
２３ ：排気管端部
３１ ：フランジ上流側円板面
３２ ：フランジ下流側円板面
３３ ：フランジ外周面
３４ ：フランジ内周面
３５ ：フランジ上流部
３６ ：フランジ中間部
３７ ：フランジ下流部
３８、３８’ ：突出部
４１ ：断熱材外周面
４２ ：断熱材内周面
４３ ：断熱材上流側円板面
４４ ：断熱材下流側円板面
５１ ：プレート外周面
５２ ：プレート内周面
５３ ：プレート上流側円板面
５４ ：プレート下流側円板面
Ｓ１～Ｓ４ ：空気層

Claims (1)

1. 車両の排気浄化装置に向けてエンジンの排気が内部を流動する排気通路を構成する排気管と、
   前記排気管の外径より大きい内径を有し、前記排気管の端部に設けられ、前記排気管を相手側部材に接続するフランジと、
   少なくとも一部が、前記排気管の外周面と前記フランジの内周面との間に介在し、前記排気管の管軸方向において、前記フランジより長さが小さく、前記排気管の端部より外側に突出する断熱部材と、
   中空円板形状をなし、前記排気管の端部より管軸方向外側において、一方の円板面が前記断熱部材の管軸方向外側端面と接し、外周面が前記フランジの内周面に接するプレートと、
   を備える、排気管のフランジ構造。
   

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