JP3201174U - 内燃機関の排気管 - Google Patents

Abstract

【課題】排気管の軽量化と強度確保が共に可能になり、触媒コンバータ、マフラ又はフランジに溶接される部位の溶け落ちを防止することもできる内燃機関の排気管を提供する。【解決手段】内燃機関の金属製の排気管において、触媒コンバータ３、マフラ８，１０又はフランジ１，５，６に溶接される部位を含む両方又は片方の管端部ｅは、長さ１０〜１００ｍｍにわたり肉厚が相対的に厚く（例えば、鋼材により肉厚が１．０５〜２．０ｍｍに）形成され、管端部ｅに連なる管中間部ｍは、肉厚が相対的に薄く（例えば、鋼材により肉厚が０．６〜１．０ｍｍに）形成されている。【選択図】図１

Description

本考案は、内燃機関の排気系に用いられる金属製の排気管に関するものである。

内燃機関の排気系は、フロントパイプ、センタパイプ、テールパイプ等の排気管と、触媒コンバータと、マフラ（消音器）と、パイプ接続用のフランジとにより構成されている（特許文献１）。各排気管の端部は、触媒コンバータ、マフラ又はフランジに溶接されている。

特開２００５−３２９７５８号公報

近年、自動車には燃費向上のために軽量化が求められており、排気系にも軽量化が要請されている。排気系の重量の相当部分は、排気管の重量である。従来の排気管の多くは、鋼材により肉厚１．２ｍｍ程度に形成されており、これを薄肉化すれば軽量化が見込める。

しかし、排気管は、薄肉化すると、強度が低下する。また、排気管の両端部は、その全周にわたって触媒コンバータ、マフラ又はフランジに溶接されるので、薄肉化すると、溶接時に溶け落ちる可能性がある。

そこで、本考案の目的は、排気管の軽量化と強度確保が共に可能になり、触媒コンバータ、マフラ又はフランジに溶接される部位の溶け落ちを防止することもできる内燃機関の排気管を提供することにある。

本考案は、内燃機関の排気系に配される金属製の排気管において、触媒コンバータ、マフラ又はフランジに溶接される部位を含む両方又は片方の管端部は、長さ１０〜１００ｍｍにわたり肉厚が相対的に厚く形成され、管端部に連なる管中間部は、肉厚が相対的に薄く形成されていることを特徴とする。

本考案によれば、管中間部は肉厚が相対的に薄いので、排気管の軽量化が可能になり、燃費が向上する。また、管端部は長さ１０〜１００ｍｍにわたり肉厚が相対的に厚いので、排気管の強度の確保が可能になり、触媒コンバータ、マフラ又はフランジに溶接される部位の溶接時における溶け落ちが発生しにくい。

管端部の長さは、排気管の長さを考慮して、管中間部が生じるように設定する。管端部の長さを１０〜１００ｍｍとするのは、１０ｍｍ未満だと排気管の強度が不足しやすく、１００ｍｍを超えると軽量化効果が減少するからである。管端部の長さは２０〜６０ｍｍがより好ましい。

排気管としては、触媒コンバータに溶接されるフロントパイプ、マフラに溶接されるセンタパイプ、排気口のあるテールパイプ等を例示できる。

管端部と管中間部とで肉厚を相対的に変える態様として、次の（ａ） 〜（ｃ）を例示できる。
（ａ）管端部の肉厚の外面側部分と管中間部とが、一体の第１パイプで構成され、管端部の肉厚の内面側部分が、第１パイプの端部の内周側に重ねられて接合された第２パイプで構成されている態様。この接合としては、特に限定されず、ロウ材や各種溶接等による接合を例示できるが、加工性及び強度の両方を満足する点で、ロウ材又はスポット溶接による接合が好ましく、ロウ材による接合が特に好ましい。
（ｂ）管端部の肉厚の内面側部分と管中間部とが、一体の第１パイプで構成され、管端部の肉厚の外面側部分が、第１パイプの端部の外周側に重ねられて接合された第２パイプで構成されている態様。この接合としては、特に限定されず、ロウ材や各種溶接等による接合を例示できるが、加工性及び強度の両方を満足する点で、ロウ材又はスポット溶接による接合が好ましく、ロウ材による接合が特に好ましい。
（ｃ）管端部の端面と管中間部の端面とが突き合わされて接合されている態様。この接合としては、特に限定されず、摩擦圧接や各種溶接等による接合を例示できるが、加工性及び強度の両方を満足する点で、摩擦圧接による管端部の端面と管中間部の端面との融着による接合が好ましい。この態様は、次の３態様（ア）〜（ウ）を含む。
（ア）管端部の外面と管中間部の外面とが面一で、管端部の内面が管中間部の内面よりも内側に突出した態様、
（イ）管端部の外面が管中間部の外面よりも外側に突出し、管端部の内面と管中間部の内面とが面一である態様、
（ウ）管端部の外面が管中間部の外面よりも外側に突出し、管端部の内面が管中間部の内面よりも内側に突出した態様、
の３態様を含む。

また、管端部と管中間部の金属材料は、特に限定されないが、鋼材である場合には、管端部の肉厚が１．０５〜２．０ｍｍ(より好ましくは１．１〜１．８ｍｍ)であり、管中間部の肉厚が０．６〜１．０ｍｍ(より好ましくは０．７〜０．９ｍｍ)である態様を例示できる。鋼材の種類は、特に限定されず、ステンレス鋼を含む。管端部の肉厚を１．０５〜２．０ｍｍとするのは、１．０５ｍｍ未満だと強度が不足しやすく、２．０ｍｍを超えると軽量化効果が減少するからである。管中間部の肉厚を０．６〜１．０ｍｍとするのは、０．６ｍｍ未満だと強度が不足しやすく、１．０ｍｍを超えると軽量化効果が減少するからである。

本考案の内燃機関の排気管によれば、排気管の軽量化と強度確保が共に可能になり、触媒コンバータ、マフラ又はフランジに溶接される部位の溶け落ちを防止することもできるという優れた効果を奏する。

実施例の排気管を用いた内燃機関の排気系を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は（ｂ）の部分拡大断面図である。 （ａ１）は第１例の排気管の製造方法を示す断面図、（ａ２）は第１例の排気管の断面図、（ｂ１）は第２例の排気管の製造方法を示す断面図、（ｂ２）は第２例の排気管の断面図である。 （ａ）は第３例の排気管の断面図、（ｂ）は第４例の排気管の断面図、（ｃ）は第５例の排気管の断面図である。 排気管とフランジとの関係３例を示す断面図である。

内燃機関の排気系に配される金属製の排気管において、触媒コンバータ、マフラ又はフランジに溶接される部位を含む両方又は片方の管端部は、長さ１０〜１００ｍｍにわたり肉厚が相対的に厚く（例えば、鋼材により肉厚が１．０５〜２．０ｍｍに）形成され、管端部に連なる管中間部は、肉厚が相対的に薄く（例えば、鋼材により肉厚が０．６〜１．０ｍｍに）形成されている。

本考案を自動車の内燃機関の排気管に具体化した実施例について、図１〜図４を参照して説明する。図１に示すように、内燃機関の排気系は、排気マニホールド３０のフランジ３１に接続される側から順に、フランジ１、第１フロントパイプ２、触媒コンバータ３、第２フロントパイプ４、フランジ５、フランジ６、第１センタパイプ７、サブマフラ８、第２センタパイプ９、メインマフラ１０及びテールパイプ１１で構成され、これら相互間は溶接されている。１２は溶接部である。以下、第１フロントパイプ２、第２フロントパイプ４、第１センタパイプ７、第２センタパイプ９及びテールパイプ１１を、まとめて排気管１３ということがある。

第１フロントパイプ２、第２フロントパイプ４、第１センタパイプ７及び第２センタパイプ９は、いずれも、両方の管端部ｅ，ｅと、両方の管端部ｅ，ｅの間に連なる管中間部ｍとからなる。テールパイプ１１は、片方の管端部ｅと、管端部ｅに連なる管中間部ｍとからなる。管端部ｅは、触媒コンバータ３、マフラ８，１０又はフランジ１，５，６に溶接される部位を含み、長さ１０〜１００ｍｍ（例えば、図示例では３０ｍｍ）にわたり肉厚が相対的に厚く（例えば、鋼材により肉厚が１．２〜１．５ｍｍに）形成されている。一方、管中間部ｍは、肉厚が相対的に薄く（例えば、鋼材により肉厚が０．７〜０．９ｍｍに）形成されている。

排気管１３の管端部ｅと管中間部ｍとで肉厚を相対的に変える態様として、次の５例を例示できる。
図２（ａ２）に示す第１例の排気管１３は、管端部ｅの肉厚の外面側部分ｅ１と管中間部ｍとが、一体の第１パイプ１４で構成され、管端部ｅの肉厚の内面側部分ｅ２が、第１パイプ１４の端部の内周側に重ねられて接合された第２パイプ１５で構成されている。１６は、第１パイプ１４と第２パイプ１５との重ねられた間を接合しているロウ材による接合部である。この排気管１３は、図２（ａ１）に示すように、第１パイプ１４の端部の内周側に第２パイプ１５を重ね、その合わせ口にニッケル合金、銀ロウ等よりなるリング状のロウ材１７をセットし、これらを炉に入れて加熱し、溶融したロウ材１７を第１パイプ１４と第２パイプ１５との重ねられた間に浸透させることにより製造することができる。なお、ロウ材１７をセットするために、第２パイプ１５の最端部が第１パイプ１４の端面から僅かに（例えば１〜２ｍｍ程度）突出してもよく、この突出した部分のある管端部ｅも、本考案における管端部に含まれるものとする。

図２（ｂ２）に示す第２例の排気管１３は、管端部ｅの肉厚の内面側部分ｅ２と管中間部ｍとが、一体の第１パイプ１４で構成され、管端部ｅの肉厚の外面側部分ｅ１が、第１パイプ１４の端部の内周側に重ねられて接合された第２パイプ１５で構成されている。１６は、第１パイプ１４と第２パイプ１５との重ねられた間を接合しているロウ材による接合部である。この排気管１３は、図２（ｂ１）に示すように、第１パイプ１４の端部の外周側に第２パイプ１５を重ね、その合わせ口にニッケル合金、銀ロウ等よりなるリング状のロウ材１７をセットし、これらを炉に入れて加熱し、溶融したロウ材１７を第１パイプ１４と第２パイプ１５との重ねられた間に浸透させることにより製造することができる。

図３に示す排気管１３は、いずれも、管端部ｅの端面と管中間部ｍの端面とが突き合わされて接合されてなるものである。１８は、管端部ｅ端面と管中間部ｍの端面との融着による接合部である。この融着による接合部１８は、摩擦圧接によるものが好ましい。図３（ａ）に示す第３例の排気管１３は、管端部ｅの外面と管中間部ｍの外面とが面一で、管端部ｅの内面が管中間部ｍの内面よりも内側に突出している。図３（ｂ）に示す第４例の排気管１３は、管端部ｅの外面が管中間部ｍの外面よりも外側に突出し、管端部ｅの内面と管中間部ｍの内面とが面一である。図３（ｃ）に示す第５例の排気管１３は、管端部ｅの外面が管中間部ｍの外面よりも外側に突出し、管端部ｅの内面が管中間部ｍの内面よりも内側に突出している。

上述のとおり、管端部ｅは、触媒コンバータ３、マフラ８，１０又はフランジ１，５，６に溶接される部位を含み、図１に示すように、触媒コンバータ３に対してはそのハウジング２１に同部位が全周にわたって溶接され、マフラ８，１０に対してはそのインナーパイプ２２に同部位が全周にわたって溶接され、フランジ１，５，６に対しても同部位が全周にわたって溶接されている（１２は溶接部を示す）。

図４に示すように、フランジ１，５，６は管端部ｅに対して種々の当て方が可能であり、同図（ａ）に示すように中央穴の内周面と管端部ｅの外周面を当ててもよいし、同図（ｂ）に示すようにフランジ面と管端部ｅの端面とを当ててもよいし、同図（ｃ）に示すようにフランジに形成した斜面と管端部ｅに形成した斜面とを当ててもよい。

本考案によれば、次の作用効果が得られる。
（１）管中間部ｍは肉厚が相対的に薄いので、排気管１３の軽量化が可能になり、燃費が向上する。例えば、排気管１３（２，４，７，９，１１）の合計長さ３５００ｍｍ、外径４５ｍｍ、管端部ｅの肉厚１．２ｍｍ、管中間部ｍの肉厚０．８ｍｍとすると、排気管１３の合計重量は約３２０３ｇとなる。これは、仮に全長で肉厚一定１．２ｍｍとしたときの排気管の合計重量約４６６５ｇと比べて、１４６２ｇの軽量化である。
（２）管端部ｅは長さ１０〜１００ｍｍにわたり肉厚が相対的に厚いので、排気管１３の強度の確保が可能になる。
（３）管端部ｅは長さ１０〜１００ｍｍにわたり肉厚が相対的に厚いので、触媒コンバータ３、マフラ８，１０又はフランジ１，５，６に溶接される部位の溶接時における溶け落ちが発生しにくい。
（４）管中間部ｍの肉厚が薄いと、排気ガスの熱を放熱しやすいので、パイプ内の圧力損失が小さくなり、内燃機関の出力が増加し、燃費も向上する。
（５）管中間部ｍの肉厚が薄いと、パイプ内の圧力が低下して、排気音が小さくなるので、マフラ８，１０を小型化することも可能となる。
（６）管中間部ｍの肉厚が薄いと、パイプの剛性が低下して、振動吸収しやすくなるので、溶接部１２の応力が小さくなり、折損しにくくなる。
（７）特にフロントパイプ２，４の管中間部ｍの肉厚が薄いと、冷間時に排気ガスの熱を奪わないので、触媒コンバータ３の反応が早くなり、浄化性能が向上する。
（８）特にフロントパイプ２，４の管中間部ｍの肉厚が薄いと、高速時及び温間時に排気ガスの熱を放熱しやすいので、触媒コンバータ３の温度が低下して、触媒コンバータ３の寿命が延びる。

なお、本考案は前記実施例に限定されるものではなく、考案の趣旨から逸脱しない範囲で適宜変更して具体化することができる。

１ フランジ
２ 第１フロントパイプ
３ 触媒コンバータ
４ 第２フロントパイプ
５ フランジ
６ フランジ
７ 第１センタパイプ
８ サブマフラ
９ 第２センタパイプ
１０ メインマフラ
１１ テールパイプ
１２ 溶接部
１３ 排気管
１４ 第１パイプ
１５ 第２パイプ
１６ ロウ材による接合部
１７ ロウ材
１８ 融着による接合部
２１ ハウジング
２２ インナーパイプ
３０ 排気マニホールド
３１ フランジ

図２（ｂ２）に示す第２例の排気管１３は、管端部ｅの肉厚の内面側部分ｅ２と管中間部ｍとが、一体の第１パイプ１４で構成され、管端部ｅの肉厚の外面側部分ｅ１が、第１パイプ１４の端部の外周側に重ねられて接合された第２パイプ１５で構成されている。１６は、第１パイプ１４と第２パイプ１５との重ねられた間を接合しているロウ材による接合部である。この排気管１３は、図２（ｂ１）に示すように、第１パイプ１４の端部の外周側に第２パイプ１５を重ね、その合わせ口にニッケル合金、銀ロウ等よりなるリング状のロウ材１７をセットし、これらを炉に入れて加熱し、溶融したロウ材１７を第１パイプ１４と第２パイプ１５との重ねられた間に浸透させることにより製造することができる。

Claims (4)

1. 内燃機関の排気系に配される金属製の排気管において、触媒コンバータ（３）、マフラ（８，１０）又はフランジ（１，５，６）に溶接される部位を含む両方又は片方の管端部（ｅ）は、長さ１０〜１００ｍｍにわたり肉厚が相対的に厚く形成され、管端部（ｅ）に連なる管中間部（ｍ）は、肉厚が相対的に薄く形成されていることを特徴とする内燃機関の排気管。
2. 管端部（ｅ）の肉厚の外面側部分（ｅ１）と管中間部（ｍ）とが、一体の第１パイプ（１４）で構成され、管端部の肉厚の内面側部分が、第１パイプの端部の内周側又は外周側に重ねられて接合された第２パイプで構成されている請求項１又は２記載の内燃機関の排気管。
3. 管端部の端面と管中間部の端面とが突き合わされて接合されている請求項１又は２記載の内燃機関の排気管。
4. 管端部と管中間部は鋼材により形成され、管端部の肉厚が１．０５〜２．０ｍｍであり、管中間部の肉厚が０．６〜１．０ｍｍである請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関の排気管。

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