JP4692252B2 - 二重管式排気管 - Google Patents

Description

本発明は、車両に用いられる二重管構造の排気管に関する。

車両のエキゾーストマニホールドなどからなる排気管は、断熱効果や防音効果を高めるために、外管内に内管を同軸的に配置した二重管構造としたものがある。

例えば、二重管構造のエキゾーストマニホールドは、端部に設けられたフランジ部を介してエンジンに連結されるが、この二重管においては、外管の一端部が縮径され、フランジ部に溶接固定され、他端は集合管内に挿入され、溶接固定されている。内管の一端部も上記フランジ部に対応する位置で外管に溶接固定されているが、他端は自由端とされている。そして、この内管の他端は、内管をリング状に拡径したビードからなる突起部を具備し、これを外管に内接させることで外管に支持される。このような突起部を内管端部に形成すると、内管と外管との間に一定の空間部が形成され、内管内を流れる高温のガスにより内外管の間で熱膨張の伸びに差が生じても、内管が円滑に伸縮し、過大な熱応力の発生を防止する熱伸び収縮機構が形成される（下記特許文献１を参照）。

しかし、車両のエキゾーストマニホールドでは、外管を複雑に曲げ成形し、その曲率も大きく（曲率半径を小さく）しなければならないことがある。このような場合には、上記リング状突起部を内管の他端に設けるのみでは、不十分となる。つまり、エンジンが始動し、暖まると、内管が熱膨張により軸方向へ伸びるのに対し、外管は比較的低温なので伸びが小さい。また内管は外管に拘束されている。したがって、外管の曲率が大きく、複雑に曲がっていると、内管が外管に近づき空間部が小さくなったり、内管が外管に接し、内管に異常な応力が発生したり、変形などが生じる虞もある。

また、内管はその他端の突起部が外管に内接する密着状態で組み立てられるが、前述した従来の突起部は、リング状に内管を拡径したビードからなり、弾性変形しにくい構造である。このため、内管の径方向の伸びに対して突起部における変位吸収が不十分となり、エンジン運転時の熱膨張応力および振動応力により突起部の座屈や摩耗が発生し易い。したがって、その耐久信頼性の向上を図って、防音効果や断熱効果を長期にわたって維持し得る二重管式排気管の構造が望まれている。
特開２０００−１０４５４２号公報（図１、段落番号「００２４」など参照）。

本発明は、上述した従来の問題点を解決するためになされたものであり、内外管の接触面積が少なく、作動時でも内管と外管との間の空間部が確保され、防音効果や断熱効果の低減を防止した、耐久信頼性の高い二重管式排気管を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、外管と、内管と、前記外管と前記内管との間に所定の空間部を生じさせる突起部とを有し、前記内外管の少なくとも一端部を固定的に保持した二重管式排気管において、
少なくとも一対の前記突起部が前記内管の円周上の対向した位置に設けられ、
前記一対の突起部のそれぞれは、前記外管に点接触する凸部と、前記凸部の周囲に当該凸部を取り囲むように形成された平面部と、を含んでいることを特徴とする二重管式排気管である。

本発明の二重管式排気管では、外管に点接触する凸部を有する少なくとも一対の突起部を、内管の円周上の対向した位置に設けたので、熱膨張や振動により内管に変位が発生する場合でも、突起部の部位にて、当該突起部を含め内管そのものが弾性変形することより、軸線方向に対して直交する径方向の伸縮運動が許容される。したがって、三次元的に複雑に曲げられ曲率も大きい二重管式排気管であっても、内管の突起部の部位において径方向の伸びに対する変位吸収が十分に発揮される結果、突起部および内管周囲に無理な応力が集中しなくなり、突起部の座屈や摩耗の発生を防止することができる。このため、本発明によれば、二重管式排気管の耐久信頼性を高め、長期にわたって、防音効果や断熱効果を維持することが可能となる。
さらに、凸部の周囲に平面部を設けているので、平面部の弾性変形により、凸部のみの場合に較べて、より大きな変位応力を吸収することができる。すなわち、熱膨張により内管に大きな変位が発生した場合でも、平面部がこれに応じて弾性変形することから、内管における突起部の部位が、凸部のみの場合に較べて、より大きく弾性変形して変位吸収を行うことができる。よって、突起部および内管周囲への応力集中を軽減し、これにより突起部の座屈や摩耗の発生を防止して、二重管式排気管の耐久信頼性を一層向上することができる。

以下、本発明に係る実施形態を図面を参照しつつ説明する。

（第１の実施形態）
図１は、車両のエキゾーストマニホールドを示す斜視図、図２は、本発明の第１実施形態を示す、図１の２−２線に沿う断面図、図３は、図２の３−３線に沿う断面図である。

図１において、エキゾーストマニホールドは、気筒毎にブランチ外管１、２、３（以下単に、外管と称す）を有し、これら外管１〜外管３の一端は、エンジン側に取付けられるフランジ部４に溶接により固定され、他端は、集合管５に溶接により固定されている。この集合管５は、フランジ部６に溶接にて固定される。

なお、図中の符号「７」は、フランジ部４、６をエンジンあるいは排気系のフロントパイプと連結するためのボルト孔である。

この各外管１〜３は、それぞれが全体的に曲がり部の曲率が大きく、３次元的に複雑に曲げられた構造をした二重管であるが、この内の１つについて説明する。たとえば、外管３は、図２に示すように、排気ガス流の上流側端部３ａが縮径され、フランジ部４に溶接にて固定され、下流側端部３ｂは集合管５に溶接固定されており、その両端間の中間には曲がり部８、９が設けられている。

この外管３内には、より肉厚の薄いブランチ内管１０（以下単に、内管と称す）が設けられている。内管１０の管径は、外管３の縮径された端部の口径と一致している。この内管１０は、上流側端部１０ａが、フランジ部４の位置にて、外管３に溶接固定されている。内管１０の下流側端部１０ｂは、自由端とされ、外管３の下流側端部３ｂに対して軸方向に隙間Ｓ１だけ離して配置してある。

上記内管１０の両端間の中間には、上記外管３の曲がり部８、９に対応する位置に、外管３と内管１０との間に所定の空間部Ｓを形成する第１の突起部１１および第２の突起部１３が軸方向に相前後して設けられている。

第１の突起部１１は、曲がり部８、９において外管３と常時点接触するように、内管を局所的にエンボス状に膨出させて形成した円錐状あるいは断面半円弧状の凸部からなり、図３に示すように、内管１０の円周上の直径方向に対向した位置に存する一対の凸部１１ａ、１１ｂとして設けられている。

第２の突起部１３の構成も上記第１の突起部１１と同じであり、内管１０の円周上の直径方向に対向した位置に一対をなす形態で設けられている。ただし、この第２の突起部１３は、上記第１の突起部１１に対し軸方向に互い近接した位置にて配置されているとともに、上記一対の突起部の２組が相互に円周上の交差した位置にくるように配置してある。本明細書において「円周上の交差した位置にある」とは、一対の突起部１１の位置と一対の突起部１３の位置とが円周方向に互いにずれており、一対の突起部１１同士を結ぶ直線と、一対の突起部１３同士を結ぶ直線とが互いに交差した関係にある、という意味である。

このように構成したエキゾーストマニホールドにおいては、エンジンから吐出された高温の排気ガスが、内管１０内を流通する。排気ガスが流通する場合、外気温度が低い状態でのエンジン始動時（低温始動時）では、内管１０と外管３とは、突起部１１、１３のみの点接触により支持されているので、内管１０から外管３への熱伝達は最小限となり、エンジン低温始動時の排気温度上昇を早めることができる。また、排気ガスにより内管１０が温度上昇すると、外管３および内管１０は、軸線方向および径方向に熱膨張するが、いずれも外管３より内管１０の方が熱膨張量は大きく、両者間では熱膨張差が生じる。

ここにおいて、温度上昇が小さく、内管１０の軸線方向の伸びが小さい場合は、両者間の熱膨張差も小さい。この差は、外管３に常時点接触している突起部１１、１３が軸線方向に位置ズレし、内管１０の端部が自由端であるので吸収される。この場合、内管１０が外管３に直接接触したり、押圧したりすることはなく、空間部Ｓも所定の大きさが確保される。また、内外管の相互接触は、突起部１１、１３の点接触のみであることから、防音効果や断熱効果が低減することもない。

次に、排気ガス温度が上昇すると、内管１０は熱膨張により軸方向にさらに伸び径方向にもさらに拡径する。

まず、軸方向への熱膨張による変形応力については、外管３の下流側端部３ｂと内管１０の下流側端部１０ｂとの間の隙間Ｓ１によって吸収されるので、変位応力の発生が防止される。

内管１０の拡径方向の伸びによる変位応力は、一対の突起部１１を設けた構造とすることで、内管１０が弾性変形しやすくなっているので、これにより変位応力が十分に吸収される。すなわち、内外管の径方向の伸びに関しては、突起部１１、１３が円錐状あるいは断面半円弧状であり、かつ、それぞれ一対ずつ薄肉の内管１０に直径方向に対向する凸部として配置されていることから、この突起部１１、１３の部位にて、突起部１１、１３を含め内管１０そのものが弾性変形することになる。したがって、径方向の伸びも、突起部１１、１３を含む内管１０自体の弾性変形により、吸収されることから、内外管に大きな応力が発生することが防止される。このように内管１０自体の弾性変形により、変位応力を吸収して、突起部および内管周囲への応力集中を防止できることから、突起部１１、１３の座屈や摩耗の発生を防止することができる。

また、第１の突起部１１および第２の突起部１３は、それぞれ円周方向にずれた位置に配置されているので、あらゆる方向から変位応力が働いても、内管１０を確実に支持することができる。

本実施形態の内管１０は、前述の熱的影響のみでなく、振動や騒音に関しても、良好な抑止効果が得られる。つまり、内管１０には、曲がり部８、９にて常時接触する形で突起部１１、１３が設けられているので、これら突起部１１、１３が外管３に対する内管１０の支持点となり、支持点間での固有振動による異音発生や疲労破壊の防止も可能になる。

上述したように第１の実施形態の二重管式排気管によれば、外管３に点接触する凸部を有する一対の突起部１１、１３を、内管１０の円周上の対向した位置に設けたので、熱膨張や振動により内管１０に変位が発生する場合でも、突起部１１、１３の部位にて、当該突起部１１、１３を含め内管１０そのものが弾性変形することより、軸線方向に対して直交する径方向の伸縮運動が許容される。したがって、三次元的に複雑に曲げられ曲率も大きい二重管式排気管であっても、内管１０の突起部１１、１３の部位において径方向の伸びに対する変位吸収が十分に発揮される結果、突起部１１、１３および内管周囲に無理な応力が集中しなくなり、突起部１１、１３の座屈や摩耗の発生を防止することができる。このため、耐久信頼性を高め、長期にわたって、防音効果や断熱効果を維持することが可能な二重管式排気管が得られる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。突起部１１および突起部１３は同じ構成であるので、以下では代表的に突起部１１を例にして説明する。

図４は、本発明の第２実施形態を示したもので、図１の３−３線に沿う断面相当図である。

第２の実施形態における突起部１１は、内管１０の円周上に、互いに直径方向に対向して位置する一対の凸部１１ａ、１１ｂと、その各凸部１１ａ、１１ｂの周囲に、この凸部１１ａ、１１ｂの立ち上がり基部と連続し、かつ、当該凸部１１ａ、１１ｂを取り囲むように形成された平面部１４ａ、１４ｂとを含んでいる。換言すれば、内管１０の円周上の対向した位置において、矩形形状の平面部１４ａ、１４ｂが形成され、各平面部１４ａ、１４ｂの中心部に島状に凸部１１ａ、１１ｂが形成されている。凸部１１ａ、１１ｂおよび平面部１４ａ、１４ｂを備える突起部１１は、内管１０を局所的に押圧して平坦化することにより平面部１４ａ、１４ｂを形成し、さらに、その平面部１４ａ、１４ｂから、エンボス状、円錐状あるいは断面半円弧状の凸部１１ａ、１１ｂを膨出させることによって形成される。

このように内管１０の突起部１１の部位に、正確には凸部１１ａ、１１ｂの周囲に、平面部１４ａ、１４ｂを設けると、平面部１４ａ、１４ｂの弾性変形により、凸部１１ａ、１１ｂのみの場合に較べて、より大きな変位応力を吸収することができる。すなわち、熱膨張により内管１０に大きな変位が発生した場合でも、平面部１４ａ、１４ｂがこれに応じて弾性変形することから、内管１０における突起部１１の部位が、凸部１１ａ、１１ｂのみの場合に較べて、より大きく弾性変形して変位吸収を行う。よって、突起部１１および内管周囲への応力集中を軽減し、これにより突起部１１、１３の座屈や摩耗の発生を防止して、二重管エキゾーストマニホールドの耐久信頼性を一層向上することができる。

平面部１４ａ、１４ｂは内管１０における突起部１１の弾性変形を容易とするためのものであるので、必ずしも完全に平らな平面である必要はない。例えば、凹み状に湾曲した形状を有する平面であってもよい。

（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３実施形態を示したもので、図１の３−３線に沿う断面相当図である。

第３実施形態は、内管１０に、図４の如く一対の凸部１１ａ、１１ｂと平面部１４ａ、１４ｂとを備える突起部１１を形成したものに、さらに、一対の凸部１１ｃ、１１ｄと平面部１４ｃ、１４ｄとを備える別の突起部１２を、軸方向の同位置に形成したものである。

この形態は、内管１０の軸方向に対して直交する平面で見て、正方形の対向する一対の頂点の位置に一方の突起部１１を配置し、さらにこの正方形の他の対向する一対の頂点の位置に他方の突起部１２がくるように、合計２組の突起部１１、１２を、内管１０の円周上の交差した位置に配置した形態となっている。

この構成の下では、内管１０の拡径方向の伸びによる変形応力に対して、突起部１１、１２の計４箇所の部位において、平面部１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄが弾性変形することになる。したがって、あらゆる方向から変位応力が働いても、その変位応力を容易に吸収することができると共に、内管１０を確実に支持することができる。

第３実施形態では、四角形の頂点に突起部を形成しているが、三角以上の多角形の頂点に、これに対応する複数組の突起部を配置することもでき、同様の応力吸収作用および支持作用を発揮させることができる。すなわち、多角形状の各頂点に突起部を設ける形態とすることによって、いずれの方向からの変位に対しても突起部１１、１２および内管周囲への応力の集中を防止し、これにより突起部１１、１２の座屈や摩耗の発生を低減して、二重管エキゾーストマニホールドの耐久信頼性を一層向上することができる。

（第４の実施形態）
図６は、本発明の第４実施形態に係る二重管エキゾーストマニホールドの要部を示す側面図、図７は、図６の７−７線に沿う断面図である。

第４実施形態は、図７に示すように、内管１０に、一対の凸部１１ａ、１１ｂと平面部１４ａ、１４ｂとを備える第１の突起部１１を形成する一方、内管１０の軸方向の近傍にて、つまり軸方向に前後して、さらに、一対の凸部１３ａ、１３ｂと平面部１５ａ、１５ｂとを備える第２の突起部１３を配置し、かつ、それらの一対の突起部１１、１３が円周上の交差する位置にくるようにしたものである。すなわち、２組の突起部１１、１３を軸方向に離して位置させるとともに、一対の突起部１１、１３のそれぞれが、内管１０の円周上の交差した位置にくるように配置したものである。

図５に示した第３の実施形態と比較して、第４の実施形態は、第１の突起部１１および第２の突起部１３が、軸方向の同位置ではなく、軸方向に相前後して形成されている点で相違している。

第４実施形態は、図２に示した第１の実施形態と同様に、第２の突起部１３が、第１の突起部１１に対して軸方向に互いに近接した位置に配置されているとともに、第１の突起部１１に対して円周上に交差する方向に配置してある。つまり、一対の第１の突起部１１の位置と一対の第２の突起部１３の位置が、円周方向に互いにずれており、一対の第１の突起部１１同士を結ぶ直線と、一対の第２の突起部１３同士を結ぶ直線とが互いに交差した関係にある。しかしながら、第１の実施形態と異なり、第４の実施形態にあっては、第１の突起部１１および第２の突起部１３が、単に凸部１１ａ、１１ｂ、凸部１３ａ、１３ｂからなるのではなく、それらの周囲に平面部１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂを備えている、という相違がある。図６には、平面部１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂを矩形形状として示しているが、円形や楕円形状に形成することもできる。

このように、第１の突起部１１と第２の突起部１３とを、内管１０の軸方向に相前後した位置にて、円周上に交差する位置に設けることにより、内管１０は、曲がり部８または９の領域内において、外管３の内面に密着または押圧された状態で位置決め保持される。

熱膨張により変位した場合、内管１０は、その軸方向にずれた複数箇所、つまり突起部１１、１３の存する部位において、それぞれの平面部１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂが弾性変形することから、突起部１１、１３や内管周囲への応力の集中が防止され、これにより突起部１１、１３の座屈や摩耗の発生が防止され、二重管エキゾーストマニホールドの耐久信頼性が一層向上する。また、あらゆる方向の変位が加わった場合でも、内管１０の突起部１１、１３と外管との密着状態が保持され、内管１０と外管３との隙間（空間部）を保持することができ、断熱性の低下および接触による打音の発生を防止することができる。

車両のエキゾーストマニホールドを示す斜視図である。 本発明の第１実施形態を示す、図１の２−２線に沿う断面図である。 図２の３−３線に沿う断面図である。 本発明の第２実施形態を示す、図２の３−３線に沿う断面相当図である。 本発明の第３実施形態を示す、図２の３−３線に沿う断面相当図である。 本発明の第４の実施形態に係る二重管エキゾーストマニホールドの要部を示す側面図である。 図６の７−７線に沿う断面図である。

符号の説明

３ 外管、
８、９ 曲がり部、
１０ 内管、
１１ 突起部（第１の突起部）、
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ…凸部、
１２ 突起部、
１３ 突起部（第２の突起部）、
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ…平面部、
Ｓ 空間部。

Claims (4)

1. 外管と、内管と、前記外管と前記内管との間に所定の空間部を生じさせる突起部とを有し、前記内外管の少なくとも一端部を固定的に保持した二重管式排気管において、
   少なくとも一対の前記突起部が前記内管の円周上の対向した位置に設けられ、
   前記一対の突起部のそれぞれは、前記外管に点接触する凸部と、前記凸部の周囲に当該凸部を取り囲むように形成された平面部と、を含んでいることを特徴とする二重管式排気管。
2. 前記一対の突起部の複数組を、前記内管の軸方向に対して直交する平面内で多角形状の頂点に各突起部が位置するように、前記内管の円周上の交差した位置に配置したことを特徴とする請求項１に記載の二重管式排気管。
3. 前記一対の突起部の複数組を、前記内管の軸方向に沿って相前後して配置し、かつ、それぞれの一対の突起部が互いに前記内管の円周上の交差した位置にくるように配置したことを特徴とする請求項１または２に記載の二重管式排気管。
4. 前記一対の突起部を、前記内管の曲がり部の領域内に位置させたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の二重管式排気管。

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