JP3953246B2

JP3953246B2 - 内燃機関の排気管

Info

Publication number: JP3953246B2
Application number: JP2000002349A
Authority: JP
Inventors: 巧岡田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-01-11
Filing date: 2000-01-11
Publication date: 2007-08-08
Anticipated expiration: 2020-01-11
Also published as: JP2001193449A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の排気管に係り、詳しくは内管と外管との二重管構造を有する排気管に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、内燃機関の排気通路には、内燃機関から排出される燃焼ガスを浄化するための触媒コンバータが設けられている。この触媒コンバータは、その浄化特性が自身の温度に大きく依存しており、所定以上の高温となることでその浄化性能を十分に発揮することができる。このため、機関始動時など触媒コンバータの温度が低いときには、その浄化特性を確保するために、できるだけ早期にその温度を上昇させることが望ましい。
【０００３】
そこで従来は、例えば実開昭６３−１３０６１６号公報にみられるように、排気管を二重管構造にするとともに、排気管内において燃焼ガスが通過する通路である内側の排気管（内管）の肉厚を薄くして、その熱容量を小さく抑えるようにしたものなども提案されている。すなわちこの排気管では、その内管の熱容量を小さくすることで、燃焼ガスが内管に奪われる熱の総量を少なく抑えることができるため、機関始動時など排気管及び触媒コンバータの温度が低い場合であっても、その後における燃焼ガスからの奪熱による内管の温度上昇が早期に飽和するようになる。そしてその結果、触媒コンバータに至る燃料ガスの温度が早期に高温になり、ひいては触媒コンバータの温度を早期に上昇させることができるようになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の構造のように、排気管を二重管構造としてその内管の肉厚を薄くするようにすれば、確かに触媒コンバータの早期の昇温を図ることはできる。
【０００５】
ところが、上記二重管構造の排気管では、上記内管と外側の排気管（外管）とが一部分でしか接していないために、それら内管と外管との間に温度差が生じ易い。このため、内管の温度が燃焼ガスの熱によって大きく上昇する機関の低温始動時や、外管の温度が大きく下降する機関の高温停止時などでは、内管の温度が外管の温度と比較して高くなり、その結果外管と比較して内管の熱膨張量が大きくなる。従って、内管が外管にその変形（内管の熱膨張）を拘束されているそれら内管と外管との接合部において、上記熱膨張量の差異に起因する熱応力が内管の内部に生じることとなる。
【０００６】
なお、従来は、例えば実開昭６３−１９６４２５号公報にみられるように、その内部に隔壁を有する排気管も知られているが、このような隔壁を上記内管内に設けた場合には、燃焼ガスの熱によって隔壁も熱膨張するようになり、隔壁と内管とにも熱膨張量の差異が生じる。このため、こうした排気管においては、同隔壁と内管とが接合されている部分においても、上述同様の熱応力が生じることとなる。
【０００７】
この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、内管と外管との二重構造を有しつつも、内管の熱容量を低く抑えて且つ、その強度を好適に維持することのできる内燃機関の排気管を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
まず、請求項１に記載の発明では、内管と外管との二重管構造を有する内燃機関の排気管において、前記内管の外周面が前記外管の内周面に当接して接合される前記内管と前記外管との接合部位に施され、前記内管において同内管の内燃機関側の端部を選択的に補強する補強構造を備えることとする。
【０００９】
二重管構造の排気管では、前述したように内管と外管とに温度差が生じ易く、内管の温度が燃焼ガスの熱によって大きく上昇する機関の低温始動時には、内管の温度が外管の温度と比較して高くなり、この温度差によって内管の内部に熱応力が生じてしまう。また、こうした内管内のうち、特に内燃機関に近い部分においては、内燃機関から排出される燃焼ガスの熱及び圧力の影響もより大きくなり、その強度不足が懸念される。
【００１０】
この点、上記構成によれば、内管において内管の内燃機関側の端部を選択的に補強することで、強度が不足する部分のみを好適に補強することができる。更に同構成によれば、上記内管の内燃機関側の端部と比較してさほど強度を必要としないその他の部分については何ら補強構造を設けないことで、その熱容量を小さく抑えることができる。従って、内管の熱容量を低く抑えつつ、その強度を好適に維持することができるようになる。
前述のように、外管と内管との温度差によって内管の内部に生じる熱応力は、主には外管によって拘束されている部分において生じる。この点、上記構成によれば、内管の外周面が外管の内周面に当接して内管と外管とが接合されている部位、すなわち内管の変形が拘束されている部分の強度を選択的に補強することで、上記熱応力による影響を効率良く回避することができるようになる。
【００１１】
また、請求項２記載の発明では、請求項１に記載の内燃機関の排気管において、前記補強構造は、前記内管の内燃機関側の端部のみを同内管の他の部分に比して肉厚とした肉厚構造であることとする。
【００１２】
上記構成によれば、前記内管の機関側における端部のみを選択的に肉厚構造とするといった簡単な構造を通じて、上記内管の熱容量の低下及び強度の維持を併せ図ることができるようになる。
【００１５】
また、請求項３記載の発明では、請求項１または２に記載の内燃機関の排気管において、前記内管は、その内部に設けられた隔壁にてその内部が複数の通路に仕切られたものであって、前記補強構造は、前記内管の内燃機関側の端部の全周にわたって施されてなることとする。
【００１６】
これも前述のように、内管内に隔壁を有する排気管では、燃焼ガスの熱によって隔壁も熱膨張するようになり、隔壁と内管との間にも熱膨張量の差異が生じる。このため、こうした排気管においては、同隔壁と内管とが接合されている部分にも熱応力が生じることとなる。
【００１７】
この点、上記構成によれば、内管の内燃機関側の端部においてその全周を補強することで、こうした隔壁と内管との熱膨張量の差異によって応力が生じる部分をも好適に補強することができるようになる。
【００１８】
また、請求項４記載の発明では、内管と外管との二重管構造を有して、内燃機関の排気側に設けられた排気マニホールドから排出される燃焼ガスを触媒コンバータに導く内燃機関の排気管において、前記内管の外周面が前記外管の内周面に当接して接合される前記内管と前記外管との接合部位において、同内管の前記排気マニホールド側の端部全周を同内管の他の部位に比して肉厚としたものである。
【００１９】
通常、内燃機関の排気側には、各気筒から排出される燃焼ガスを排気管に導く排気マニホールドが設けられており、こうした排気管においてはその排気マニホールド側の端部にて上述した燃焼ガスの熱及び圧力の影響が最も大きくなる。
【００２０】
この点、上記構成によれば、前記内管における排気マニホールド側の端部全周を他の部分よりも肉厚とすることで、こうした熱応力が最も大きくなる部分が好適に補強される。また、上記排気マニホールド側の端部と比較してさほど熱応力が大きくないその他の部分についてはその肉厚を薄くすることができるため、この場合も、内管の熱容量を低く抑えつつ、その強度を好適に維持することができるようになる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明にかかる内燃機関の排気管の一実施の形態について説明する。
【００２２】
はじめに、内燃機関の排気系における排気管の配設態様について、図１を参照して説明する。なおここでは、同排気管を車載用４気筒直列エンジンに適用した例について示している。
【００２３】
エンジン１１の各燃焼室＃１〜＃４の排気側には、それぞれ図示しない排気弁を介して排気マニホールド１２が取り付けられており、この排気弁の開閉弁によって各燃焼室＃１〜＃４と排気マニホールド１２とがそれぞれ連通もしくは遮断される構造となっている。また、同マニホールド１２の下流側には接続部１３を介して排気管２０が取り付けられており、同排気管２０の下流側には三元触媒コンバータ１４が取り付けられている。これら排気マニホールド１２、接続部１３、排気管２０、及び三元触媒コンバータ１４が連通されて、排気通路が構成されている。
【００２４】
なお、上記接続部１３には、その内部にボールジョイント等の緩衝材が設けられており、車両の走行に伴う振動等に対する排気通路全体の強度を同接続部１３により確保するとともに、同接続部１３における排気通路の内部と外部との密閉性をも確保することができる構造となっている。
【００２５】
ここで、エンジン１１の爆発燃焼後の燃焼ガスは、燃焼室＃１内において爆発行程を経た後に上記排気弁が開かれることによって排気通路に排出され、排気マニホールド１２及び排気管２０を経て三元触媒コンバータ１４に導かれる。そして、同コンバータ１４によって浄化された後、排気通路外に排出される。また、他の燃焼室＃２〜＃４についても上記燃焼室＃１と同様の態様にて、燃焼ガスが排気通路に排出され、浄化された後、排気通路外に排出される。
【００２６】
ここで、上記三元触媒コンバータ１４は前述のように、その浄化特性が自身の温度に大きく依存しており、所定以上の高温となることで、その浄化性能を十分に発揮することができる。このため、機関始動時など三元触媒コンバータ１４の温度が低いときには、その浄化特性を確保するために、できるだけ早期にその温度を上昇させることが望ましい。
【００２７】
そこで本実施の形態では、排気管２０を二重管構造として排気管全体としての強度を確保するとともに、その内側の排気管（内管）の肉厚を全体として薄くすることで、排気管２０内において燃焼ガスが通過する通路である内管の熱容量を小さく抑えるようにしている。
【００２８】
次に、こうした排気管２０の構造を図２及び図３を参照して説明する。
図２に示されるように、排気管２０のエンジン１１側における端部には、上記接続部１３の一部であって、エンジン１１側に開口されてその内部に上記緩衝材が配設される空間を有する形状のケース２１が設けられている。このケース２１の三元触媒コンバータ１４側には、エンジン１１側の端部にて接合されて二重管構造をなす外側の排気管（外管）２２と上記全体として肉厚が薄く形成された内管２３とが取り付けられており、同内管２３内と上記ケース２１内の空間とが連通されている。なお、上記内管２３には、同内管２３内を二つの通路に仕切る隔壁２４が設けられている（図３参照）。
【００２９】
このように、排気管２０を二重管構造として内管２３の熱容量を小さくするようにしたことで、燃焼ガスが内管２３に奪われる熱の総量は少なく抑えられる。このため、エンジン１１の低温始動時など排気管２０及び三元触媒コンバータ１４の温度が低い場合であっても、その後における燃焼ガスからの奪熱による内管２３の温度上昇が早期に飽和する。すなわち、三元触媒コンバータ１４に至る燃焼ガスの温度が早期に高温になり、三元触媒コンバータ１４の温度が早期に上昇するようになる。
【００３０】
ところで、このような二重管構造の排気管２０では、内管２３と外管２２とが一部分でしか接していないために、内管２３と外管２２とに温度差が生じ易い。このため、内管２３の温度が燃焼ガスの熱によって大きく上昇するエンジン１１の低温始動時や、外管２２の温度が大きく下降するエンジン１１の高温停止時などでは、内管２３の温度が外管２２の温度と比較して高くなり、外管２２と比較して内管２３の熱膨張量が大きくなる。
【００３１】
従って、内管２３が外管２２にその変形（内管の熱膨張）を拘束されているそれらの接合部において、上記熱膨張量の差異に起因する熱応力が内管２３の内部に生じ易くなる。
【００３２】
また、本実施の形態の排気管２０では、内管２３の内部に隔壁２４が設けられているために、この隔壁２４も上記内管２３と同様に熱膨張するようになり、隔壁２４と内管２３との間にも熱膨張量の差異が生じる。このため、隔壁２４と内管２３とが接合されている部分においても熱応力が生じ易くなる。
【００３３】
また、こうした内管２３内のうち、特に排気マニホールド１２側の端部（エンジン１１に近い部分）においては、エンジン１１からの距離が近いために、同エンジン１１から排出される燃焼ガスの熱の影響が大きくなって上記熱膨張量もより大きくなる。更に、こうした部分においては、エンジン１１から排出される燃焼ガスの流れが早いために、同燃焼ガスの圧力も無視できないものとなる。
【００３４】
そこで、本実施の形態の排気管２０では、こうした燃焼ガスの熱及び圧力に対する強度を確保するために、内管２３のエンジン１１側の端部の全周にわたってその肉厚が厚くされた補強部２３ａが形成されている。すなわち、内管２３において、燃焼ガスの熱及び圧力の影響が大きいエンジン１１側の端部のみがその肉厚が厚くされ、強度が高められている。また、内管２３のエンジン１１側の端部と比較してさほど強度を必要とされないその他の部分は、上述のように全体としてその肉厚が薄く形成され、内管２３としての熱容量を小さく抑えるようにしている。
【００３５】
更には、上述した内管２３と隔壁２４との熱膨張量の差によって内管２３の内部に熱応力が生じる部分のうちで最も大きな熱応力がかかる部分、すなわち内管２３と隔壁２４とが接合されている部分におけるエンジン１１側の端部も同様に補強されるようになる。
【００３６】
また、上記内管２３における補強部２３ａの外周面が外管２２のエンジン１１側の端部の内周面に当接するといった態様をもって内管２３に外管２２が接合され、外管２２と内管２３とが二重管構造をなしている。このため、外管２２と内管２３とが接合されている部分に同内管２３の補強部２３ａが位置することとなり、上述した内管２３と外管２２との温度差により内管２３の内部に生じる熱応力についても、これに十分に耐え得る強度が得られるようになる。
【００３７】
以上説明した構造をもって構成される本実施の形態の排気管によれば、以下に列記するような優れた作用効果を奏することができる。
（１）内管２３のエンジン１１側の端部のみ、その強度が同内管２３の他の部分と比較して大きくなるように補強したことで、エンジン１１から排出される燃焼ガスの熱及び圧力の影響が大きく強度が必要とされる部分のみを好適に補強することができる。また、内管２３のエンジン１１側の端部と比較してさほど強度を必要としないその他の部分については、全体としてその肉厚を薄く形成したことで、内管２３全体としての熱容量を小さくすることができる。従って、内管２３の熱容量を低く抑えつつ、その強度を維持することができる。
【００３８】
（２）また、内管２３のエンジン１１側における端部のみの肉厚を厚くするといった簡単な構成をもって上記補強を施すようにしたことで、その実現が容易でもある。
【００３９】
（３）また更に、内管２３の外周面が外管２２の内周面に当接して内管２３と外管２２とが接合されている部分において同内管２３の強度を補強するようにしたことで、内管２３がその変形を外管２２に拘束されている部分の強度を的確に補強することができる。従って、内管２３と外管２２との温度差により内管２３の内部に生じる熱応力についても、これに耐え得る強度を得ることができる。
【００４０】
（４）内管２３のエンジン１１側の端部の全周にわたり同内管２３の肉厚を厚くして補強するようにしたことで、内管２３と隔壁２４との熱膨張量の差によって内管２３の内部に熱応力が生じる部分のうちで最も大きな熱応力がかかる部分、すなわち内管２３と隔壁２４とが接合されている部分についてもその強度を補強することができる。
【００４１】
なお、上記実施の形態は、以下のようにその構成を変更して実施することもできる。
・上記実施の形態では、内管２３のエンジン１１側の端部の肉厚を厚くして、同部分の強度を補強するようにしたが、同部分を折り返す形状とするなどして、その補強を図るようにしてもよい。
【００４２】
・上記実施の形態では、内管２３の内部を二つの通路に仕切るような態様で隔壁２４を設けるようにしたが、複数の通路に仕切るものであればどのような態様で設けるようにしてもよい。このように構成しても、上述した内管２３と隔壁２４との熱膨張量の差によって内管２３の内部に熱応力が生じる部分のうちで最も大きな熱応力がかかる部分、すなわち内管２３と隔壁とが接合されている部分におけるエンジン１１側の端部を補強することはできる。
【００４３】
・また、上記隔壁を必ずしも有しない排気管についても、この発明は同様に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる排気管の一実施の形態についてその配設態様を示す平面図。
【図２】同実施の形態の排気管の側面断面構造を示す断面図。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿った断面構造を示す断面図。
【符号の説明】
１１…エンジン、１２…排気マニホールド、１３…接続部、１４…三元触媒コンバータ、２０…排気管、２１…ケース、２２…外管、２３…内管、２３ａ…補強部、２４…隔壁。

Claims

内管と外管との二重管構造を有する内燃機関の排気管において、
前記内管の外周面が前記外管の内周面に当接して接合される前記内管と前記外管との接合部位に施され、前記内管において同内管の内燃機関側の端部を選択的に補強する補強構造を備える
ことを特徴とする内燃機関の排気管。
請求項１に記載の内燃機関の排気管において、
前記補強構造は、前記内管の内燃機関側の端部のみを同内管の他の部分に比して肉厚とした肉厚構造である
ことを特徴とする内燃機関の排気管。
請求項１または２に記載の内燃機関の排気管において、
前記内管は、その内部に設けられた隔壁にてその内部が複数の通路に仕切られたものであって、前記補強構造は、前記内管の内燃機関側の端部の全周にわたって施されてなる
ことを特徴とする内燃機関の排気管。
内管と外管との二重管構造を有して、内燃機関の排気側に設けられた排気マニホールドから排出される燃焼ガスを触媒コンバータに導く内燃機関の排気管において、
前記内管の外周面が前記外管の内周面に当接して接合される前記内管と前記外管との接合部位において、同内管の前記排気マニホールド側の端部全周を同内管の他の部位に比して肉厚とした
ことを特徴とする内燃機関の排気管。