JP4554294B2 - 内部熱シールドを有するマフラー - Google Patents

Description

本発明は、熱シールドされた車両の排気マフラーに関する。

自動車車両のエンジン内で生じる爆発は、相当の量の加熱された有害なガス、および著しい量の騒音を生じさせる。この結果、全ての自動車車両はエンジンから、加熱された排ガスが安全に排出される車両上の場所へと排ガスを輸送する排気システムを含んでいる。加えて、排気システムは、排ガス中の有害成分の相当量を、より有害でないガスに変換する構成部分を含んでいる。排気システムの構成部分はまた、エンジン内での爆発過程によって発生するガスの流れと急速な膨張に関連する騒音を減衰させるように機能する。

典型的な排気システムは、車両の前部に近いエンジン室から、排ガスが安全に排出されうるような車両の後部近傍の位置へと延びている。排気システムは、複数のパイプ、触媒コンバータおよび少なくとも一つのマフラーを含んでいる。車両のこれらのさまざまな構成部分は、車両の下面のスペースに関して、当該車両の他の必要な構成部分と競合している。マフラーは典型的には、排気システムの中で最大の構成部分であり、従って車両への配置がもっとも困難である。スタンプ成形（stamp forming）の技術によって、排気システムの設計者達は、車両の下面の空間に収容可能なように適切に構成されたマフラーを選択する自由を得ている。

排ガスを生じる爆発過程の間に生成された高い温度によって、短い時間の動作後に、排気システムは大変熱くなる。車両の下面の限られた空間にフィットする排気システムの設計の実際例は、排気システムのある種の構成部分を、車両における乗員室、荷室または他の、熱に敏感な構成部品または部分の近くに配置するのが典型的である。この結果、ほとんどの排気システムは、マフラーの近くの熱シールドを含む少なくとも一つの熱シールドを含まなければならない。

マフラー用の典型的な熱シールドは、マフラーの形状に概ね一致するようにスタンプその他の方法で成形された金属の薄いシートである。この熱シールドは、脚、またはマフラーに熱シールドを取り付けるための小領域を提供するような他の構造を有する。しかしながら、典型的な熱シールドのほとんどの部分は、加熱されたマフラーから車両の敏感な領域を絶縁するようなエアギャップを提供するために、マフラーの外部シェルから離間されている。熱シールドは典型的にはマフラーに溶接によって固定されている。しかしながら、例えばストラップ、リベットまたは折り込まれたシームなどの他の取り付け手段が、従来技術において採用されている。

熱シールドは、それらの主たる遮熱（heat shielding）機能を適正に実行するように設計されることができる。しかしながら、熱シールドの金属は、排気システムのコストと重量を上乗せする。これに関して、自動車製造業者は、車両の燃費を改善し車両の他の構成部分のための空間を最大化するために、サプライヤに対して彼らの製品のサイズと重量を減らすように実質的な圧力を加えている。加えて、自動車産業は著しく競争的であって、自動車産業へのサプライヤは恒常的にコスト節約を追究している。小さなコスト削減でさえも、実質的な商業的アドバンテージを持ちうる。

従来の熱シールドはまた、メンテナンス上の問題を生じる可能性がある。とくに、熱シールドの部品は、遮熱機能を実行するために、マフラーから離間していなければならない。その結果、熱シールドはマフラーの周辺領域よりも実質的に低温である。熱シールドとマフラーとの温度差は、熱膨張差に繋がる。このため、熱シールドとマフラーの間の溶接または他のそのような結合は、マフラーがその加熱・冷却サイクルを経過するにつれて、実質的且つ繰り返し的な力の対象になる。加えて、排気システム全体には、使用中に著しい振動が加わる。結果的に、熱シールドとマフラーとの間の溶接による結合は故障に繋がる。故障した結合は、マフラーの外部および／または他の近傍車両部品に対する熱シールドの振動を生じさせることになる。このような振動は、大変不快な騒音を生じさせうる。熱シールドとマフラーとの間の折り込まれた結合（a folded connection）は、マフラーと熱シールドとの間の長期的な結合に悪影響を与えることなく、熱膨張差の間に若干の動きを許容するように設計されうる。しかしながら、折り目（folds）その他の機械的結合は同様に、使用中に振動の対象となり、よって騒音を生じうる。

排気システムのマフラーは、排気管に接続する少なくとも一つの入口と、テールパイプに接続する少なくとも一つの出口と、を有する外部シェルを含んでいる。マフラーの内部は、排ガスの流れに関連する騒音を減衰させるような態様で、排ガスの拡散を制御することができるように設計された多数の管および／またはバッフルを含んでいる。いくつかのマフラーは、マフラー内の横断バッフルに支持された旧来の管状のパイプを含んでいる。バッフルは、マフラー内にチャンバーを画定し、パイプは、一つのチャンバーと他との流通を提供するようになされている。他のマフラーは、排ガスの経路を画定するためのスタンプ成形された内部プレートとバッフルとをマフラー内に含んでいる。いくつかのマフラーにおけるいくつかのチャンバーは、ガラス繊維またはＥグラス（E-glass）などの多数の緩い繊維で満たされている。繊維のアレイはチャンバーを満たすが、しかしそれらは排ガスがチャンバー内に広がり繊維のアレイを通じて流れるのを許容するように、十分にゆるく配置されている。繊維のアレイは、マフラーの内部管およびチャンバーの騒音減衰機能に寄与している。

上記からみて、本発明の目的は、外部に搭載された金属製の熱シールドに関連する上述の問題点なしに、有効な遮熱を達成するようなマフラーを提供することにある。

本発明の別の目的は、外部に配置された金属部材に関連するコスト・寸法および重量上の不利益のない熱シールドされたマフラーを提供することにある。

本発明のまた一つの目的は、振動に関連する騒音を生じにくいような、マフラーのための熱シールド構造を提供することにある。

本発明は、内部および外部表面を有する外部シェルを供えた排気マフラーに関する。マフラーは、シェルの内面の少なくとも一部を被覆するように配置された単層の高密度繊維絶縁パッド（insulation pad）から形成された熱シールドを含む。絶縁パッドは、連続または不連続のガラス繊維、セラミック繊維、またはその他の熱絶縁性能を呈する繊維によって製造することができる。絶縁パッドは、マフラーの外部シェルの内面によって画定される形状の少なくとも一部に実質的に適合するように、前もって形成することができる。他の実施形態では、絶縁パッドはその場所で（in-situ）形成することができる。

絶縁パッドは、金属箔の薄層によってラミネートされてもよい。金属箔は、好ましくは、マフラー内の雰囲気への暴露に耐える材料で形成される。箔は、マフラーの絶縁パッドにおける外部シェルに対面する面、またはマフラー内部に対面する面に形成することができる。

マフラーは、ガラス繊維またはＥグラス（E-glass）のアレイのような騒音絶縁性詰め物（noise insulation packing）のアレイを更に含んでいてもよい。ガラス繊維またはＥグラスの詰め物は、既知の絶縁機能を果たす。しかしながら、騒音絶縁機能を果たすためのガラス繊維またはＥグラスの詰め物の密度は、その詰め物が有意な熱絶縁機能を果たすのを妨げる。したがって、騒音絶縁性のガラス繊維またはＥグラスの詰め物は、機能的に、並びに構造的に、遮熱用の絶縁パッドとは別である。加えて、当該詰め物は遮熱用の絶縁パッドを定位置に拘束する機能を果たしてもよい。

マフラーは、少なくとも部分的に、スタンプ成形された構成部分から製造されることができる。具体的にはマフラーは、第一および第二の外部シェルを含んでよく、これら第一および第二の外部シェルのそれぞれは、周辺フランジと、該周辺フランジから伸びる少なくとも一つのチャンバーとを含む。第一および第二の外部シェルの周辺フランジは、互いに重なり合うように、寸法付けされ構成されることができる。第一の外部シェルは、車両の下面の選択された空間に嵌まり込む（nest）ようにされた上側外部シェルであってもよい。遮熱性の高密度繊維の絶縁パッドは、上側外部シェルの内面に嵌まり込む（nest）ようにされてもよく、マフラーによって生成された熱から、車両の隣接する部分をシールドするように機能する。

マフラーは、多数の経路および／または開口を有するように形成された少なくとも一つの内部プレートを更に含んでいてもよい。経路および／または開口は、マフラーを通じて排気ガスを案内するように機能する。騒音絶縁性のＥグラスの詰め物が、マフラーの内部プレートと、高密度繊維の絶縁パッドの遮熱層との間に配置されてもよい。

遮熱性の高密度繊維の絶縁パッドは、マフラーの外部に搭載される旧来の金属の熱シールドに比べて、実質的に安価である。加えて、高密度繊維の絶縁パッドは、マフラーの外部に配置される旧来の金属製の熱シールドよりも、著しく軽量である。さらに、内部に配置された高密度繊維の絶縁パッドは、熱膨張差や、熱膨張差に起因する接続点の故障の際における振動関連騒音に関連する上述の問題を生じない。

図１から図５までにおいて、本発明に従ったマフラーは、符号１０によって概括的に示されている。マフラー１０は、上側および下側の外部シェル１２および１４、および内部プレート１５からなり、これらは金属材料からスタンプその他の方法で成形されている。上側外部シェル１２は、概ね平坦な周辺フランジ１６、および当該周辺フランジによって画定される平面から上向きに延びるチャンバー１８を含んでいる。上側外部シェル１２は、概ね凹状の内面２０と、概ね凸状の外面２２とを含む。加えて、上側外部シェル１２は、入口経路２４および出口経路２５を含んでおり、それらの夫々は周辺フランジ１６から延びてチャンバー１８の凹状の内面２０と連通している。

下側外部シェル１４は、平坦な周辺フランジ２６と、周辺フランジ２６に画定される平面から下向きに延びているチャンバー２８とを含んでいる。チャンバー２８は、凹状の内面３０と、凸状の外面３２とを画定している。下側外部シェル１４は更に、チャンバー２８によって画定される凹状の内面３０に連通を提供している入口経路３４および出口経路３５によって特徴付けられる。

上側および下側の外部シェル１２および１４は、それらの周辺フランジ２４および３４が互いに重ね合わせられるように構成されている。加えて、入口経路２４および３４、および出口経路２５および３５は、周辺フランジ１６および２６が重ねられるときに、互いに重なり合う。したがって、重ねあわされた入口経路２４および３４は、排気管（不図示）に固定されることができ、これによってマフラー１０の外部への排気連通を提供する。同様に、重ねあわされた出口経路２５および３５は、テールパイプ（不図示）に固定されることができ、これによってマフラー１０の内部からの排気連通を提供する。上側および下側の外部シェル１２，１４はどのような形をとることもでき、図示されるような概ね矩形の形状には限られない。

内部プレート１５は、上側および下側の外部シェル１２および１４の周辺フランジ１６および２６に実質的に重なり合うように配置・設計された外縁３６を含んでいる。内部プレート１５において外縁３６の内側の部分には、内部プレート１５の一側面から他側面への連通を提供する多数のルーバー３８が形成されている。内部プレート１５は更に、入口経路４４および出口経路４５を含んでいる。入口経路４４は、下側外部シェル１４の入口経路３４に嵌まり込む（nest）ように配置され構成されている。出口経路４５は、上側外部シェル１２の出口経路２５に嵌まり込む（nest）ように配置され構成されている。この設計によって、周辺フランジ１６および２６は、内部プレート１５の周縁３６が上側および下側の外部シェル１２および１４の周辺フランジ１６および２６の間に、効果的にサンドイッチされるように、内部プレート１５の反対側の面にレーザー溶接等によって強固に固定されることができる。

この特定の設計によって、マフラー１０への入口が、内部プレートの入口経路４４と、上側外部シェル１２の入口経路２４との間に画定される。マフラー１０からの出口は、内部プレート１５の出口経路４５と下側外部シェル１４の出口経路３５との間に画定される。そして排ガスは、ルーバー３８を通じて流れ、内部プレート１５と下側外部シェル１４との間に画定されたチャンバーの中に広がる。排ガスは次に、下側外部シェル１４の出口経路３５と内部プレート１５の出口経路４５との間に画定された出口を通じて排出される。他の構造も採用可能である。例えば、従来技術には、互いに対面して、且つ上側および下側の外部シェル１２および１４の周辺フランジ１６および２６の間に固定された上側および下側のプレートを有するマフラーの例は豊富にある。これらの上側および下側の内部プレートには、マフラーの入口および出口の間の選択された排ガス流のパターンを提供するように、多数の経路（channel）および開口が形成されている。排ガス流のパターンは、エンジンの音響的な性質、マフラーのサイズおよび形状、並びに多くの他の設計ファクターに従って選択される。加えて、排気管またはテールパイプは、一つまたはそれ以上の内部プレートに協働して達成される選択された流れのパターンに貢献するために、マフラー内に延びることができる。流れパターンおよび内部プレートの構造は、本発明について決定的に重要ではなく、よってここでは更には言及しない。

マフラー１０は、さらに、上側外部シェル１２の凹状の内面２０に嵌まり込む（nest）ように構成された高密度繊維絶縁パッドから形成された熱シールド５０を含んでいる。パッドは、連続または非連続のガラス繊維、セラミック繊維または他の種類の繊維質絶縁材料（insulating material）であって、上側外部シェル１２のチャンバー１８によって画定される形状に実質的に適合する形状に、熱および圧力の下で圧縮されたものから、形成されることができる。熱シールド５０は、熱シールド５０の少なくとも一方の表面に接着されたステンレス鋼箔の薄層を含んでいてもよい。熱シールド５０は、好ましくは、リットルあたり８０．１ないし１７６．２グラム（立方フィートあたり５ないし１１ポンド）の範囲内の密度を画定するように圧縮されている。熱シールドの厚さは、個々の適用に応じて異なるが、典型的には、０．６３５ないし１．５９ミリメートル（１／４ないし５／８インチ）である。

マフラー１０は、内部プレート１５と熱シールド５０との間に配置されたＥグラス（E-glass）の詰め物５２のアレイを更に含んでいてもよい。詰め物５２は、音響的目的からそのような詰め物が必要とされる状況においてのみ提供され、全てのマフラー１０の必須の部分ではない。詰め物５２は、熱シールド５０と同じ材料から形成される必要はなく、典型的には、熱シールド５０よりも大変小さい密度である。例えば、詰め物はリットルあたり８０ないし１２０グラムの範囲内の密度を持ちうる。

熱シールド５０は、上側外部シェル１２と隣接する自動車車両部品との間の大変有効な熱絶縁を提供する。加えて、熱シールド５０は、大変低コストであり、またマフラーの外部に搭載される旧来の金属製の熱シールドよりも大変重量が小さい。さらに、熱シールド５０は旧来の外部搭載式の熱シールドにおける装着上の問題に匹敵するような、熱膨張差に関連する装着上の問題を惹起しない。したがって、熱シールド５０に起因する振動に関連した騒音の可能性はない。

本発明に従ったマフラーの分解斜視図である。 組み立てられたマフラーの斜視図である。 マフラーの平面図である。 図３の４−４線断面図である。 図３の５−５線断面図である。

符号の説明

１０ マフラー
１２ 上側外部シェル
１４ 下側外部シェル
１５ 内部プレート
１６，２６ 周辺フランジ
５０ 熱シールド
５２ 詰め物

Claims (16)

1. 熱シールドされたマフラーであって、
   金属材料からスタンプ成形され、周辺フランジおよび該周辺フランジから突出するチャンバーを有し、該チャンバーが凹状の内面を画定している第一の外部シェルと、
   金属材料からスタンプ成形され、前記第一の外部シェルの周辺フランジに固定される周辺フランジを有する第二の外部シェルと、を備え、前記両外部シェルが前記マフラーへの少なくとも一つの入口および前記マフラーからの少なくとも一つの出口を画定するように形成されており、
   更に、リットルあたり８０．１ないし１７６．２グラム（立方フィートあたり５ないし１１ポンド）の密度に圧縮された繊維質の絶縁材料からなり、前記第一の外部シェルの前記凹状の内面に適合するように構成された熱シールドを備え、前記第二の外部シェルの部分であってその前記周辺フランジに縁どられた部分が、それに隣接する熱シールドを有せず、
   更に、前記マフラー内に前記熱シールドに隣接して配置された遮音材料を備え、該遮音材料は前記熱シールドより低密度に成形されていることを特徴とする熱シールドされたマフラー。
2. 請求項１に記載のマフラーであって、前記熱シールドが連続繊維からなることを特徴とするマフラー。
3. 請求項１に記載のマフラーであって、前記熱シールドが不連続繊維からなることを特徴とするマフラー。
4. 請求項１に記載のマフラーであって、前記熱シールドがガラス繊維からなることを特徴とするマフラー。
5. 請求項１に記載のマフラーであって、前記熱シールドがセラミック繊維からなることを特徴とするマフラー。
6. 請求項１に記載のマフラーであって、
   前記遮音材料がＥグラスからなることを特徴とするマフラー。
7. 請求項１に記載のマフラーであって、
   前記遮音材料がリットルあたり９０ないし１２０グラムの範囲内の密度を有することを特徴とするマフラー。
8. 請求項７に記載のマフラーであって、
   前記両外部シェルの間に少なくとも一つの内部プレートを含み、前記遮音材料が、前記内部プレートと前記熱シールドとの間に画定されたマフラーの容量を実質的に満たしていることを特徴とするマフラー。
9. 請求項１に記載のマフラーであって、
   前記熱シールドが０．６３５ないし１．５９ミリメートル（１／４ないし５／８インチ）の厚さを有することを特徴とするマフラー。
10. 請求項１に記載のマフラーであって、
    前記熱シールドが、前記熱シールドの高密度繊維の少なくとも一つの面に固定された少なくとも一層の金属箔を更に含むことを特徴とするマフラー。
11. 請求項１に記載のマフラーであって、
    前記第二の外部シェルが、前記周辺フランジの内側にチャンバーを画定し、前記第二の外部シェルの前記チャンバーが凹状の内面を有することを特徴とするマフラー。
12. 請求項１１に記載のマフラーであって、
    前記入口と前記出口との間にガス流通パターンを画定する少なくとも一つの内部構成部分を更に含むことを特徴とするマフラー。
13. 熱シールドされたマフラーの製造方法であって、
    周辺フランジ、および該周辺フランジの内側の凹状の面を有する金属製の第一の外部シェルをスタンプ成形し、
    緩い繊維質の絶縁材料を前記第一の外部シェルの前記凹状の面に隣接して配置し、
    前記緩い繊維質の絶縁材料を前記金属製の第一の外部シェルの凹状の面に向けて熱と圧力とによって定位置で圧縮し、前記金属製の第一のシェルの前記凹状の面に嵌まり込まされた圧縮された繊維質のマットを形成して、熱シールドを画定し、
    少なくとも１つの金属製の内部プレートを、前記金属製の第一の外部シェルの前記周辺フランジに実質的に位置合わせして配置して、前記内部プレートと前記熱シールドとの間に第一のチャンバーを画定し、
    金属製の第二の外部シェルを前記金属製の内部プレートの周辺領域及び前記金属製の第一の外部シェルの前記周辺フランジに固定して、前記金属製の内部プレートと前記金属製の第二の外部シェルとの間に第二のチャンバーを画定することを特徴とするマフラーの製造方法。
14. 請求項１３に記載のマフラーの製造方法であって、
    金属箔の少なくとも一つの層を、前記熱シールドの少なくとも一つの面に固定するステップを更に含むことを特徴とするマフラーの製造方法。
15. 請求項１３に記載のマフラーの製造方法であって、
    多数の遮音性の繊維を前記チャンバー内に且つ前記熱シールドに実質的に隣接して配置するステップを更に含むことを特徴とするマフラーの製造方法。
16. 熱シールドマフラーの製造方法であって、
    周辺フランジと、該周辺フランジから内側に形成された凹状の面とを有する第一の外部シェルをスタンプ成形し、
    多数の緩い繊維を、前記第一の外部シェルの前記凹状の面によって画定される形状に適合する圧縮された繊維質のマットへと圧縮し、前記圧縮された繊維質のマットはリットルあたり８０．１ないし１７６．２グラム(立方フィートあたり５ないし１１ポンド)の密度と、０．６３５ないし１．５９ミリメートル（１／４ないし５／８インチ）の厚さとを有し、
    前記圧縮された繊維質のマットを前記第一の外部シェルの前記凹状の面の隣に嵌まり込ませて熱シールドを画定し、
    少なくとも１つの金属製の内部プレートを、前記第一の外部シェルの前記周辺フランジに実質的に位置合わせして配置して、前記内部プレートと前記熱シールドとの間に第一のチャンバーを画定し、
    金属製の第二の外部シェルを前記内部プレートの周辺領域及び前記第一の外部シェルの前記周辺フランジに固定して、前記内部プレートと前記第二の外部シェルとの間に第二のチャンバーを画定することを特徴とするマフラーの製造方法。

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