JP6894341B2 - 内燃機関の排気装置 - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関の排気装置に関するものである。
自動車等の車両では、エンジンからの排気ガスが流通する排気管が、車両後部まで延びるように車体の下部に設けられるのが一般的であるが、かかる排気管に関し様々な構造が提案されている。
例えば、従来から、車両後部のクラッシュスペースによって後方衝突時の衝撃を吸収しようとする試みがなされているところ、排気管が車両後部の変形の妨げとなるのを避けるべく、特許文献１には、排気管に屈曲部や蛇腹部で形成された脆弱部を設けることで、後方衝突時に排気管を屈曲し易くして、衝撃吸収ストロークを確保することが開示されている。
また、例えば排気ガスの圧力が不足すると、排気管内に水が溜まる場合があるところ、特許文献２には、排水性を向上させるべく、センターパイプ（排気管）の下流側で管体の内部に仕切板を設けることで、排気通路と排水通路を形成することが開示されている。
ところで、後方衝突時における衝撃吸収ストロークを確保するという観点からは、上記特許文献１で開示されるような脆弱部は、排気管の下流端部に設けるのが好ましく、また、排気ガスおよび水を排気管の下流端からスムーズに排出するという観点からは、上記特許文献２で開示されるような仕切板も、排気管の下流端部に設けるのが好ましい。
しかしながら、排気管の内部に仕切板を設けると、仕切板を設けた部位における排気管の断面係数が大きくなるため、当該部位では排気管が折れ変形し難くなる。すると、脆弱部および仕切板を共に排気管の下流端部に設けた場合、両者の位置関係によっては、脆弱部を起点とする排気管の折れ変形を仕切板が妨げるおそれがあり、排気管の後突対応性と排水性とを両立させることが困難になるという問題がある。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、内燃機関の排気装置において、通常時における排気管内の排水性を向上させつつ、車両後突時等に排気管を確実に折れ変形させる技術を提供することにある。
前記目的を達成するため、本発明に係る内燃機関の排気装置では、排気管における仕切板を設ける位置を工夫することで、排気管の折れ変形を阻害しないようにしている。
具体的には、本発明は、内燃機関からの排気ガスが流通する排気管の下流端部に、当該排気管の折れ変形の起点となる脆弱部が設けられ、且つ、当該排気管内を上下に仕切る仕切板を設けることで、当該仕切板の下側に当該排気管に溜まった水を流通させる通路が形成された内燃機関の排気装置を対象としている。
そして、上記仕切板は、上記脆弱部の近傍、且つ、上記排気管の軸方向で上記脆弱部とラップしない位置に設けられていることを特徴とするものである。
この構成によれば、排気管の下流端部に、排気管内を上下に仕切る仕切板を設けることで、排気管に溜まった水を流通させる通路が形成されることから、通常時における排気管内の排水性を向上させることができる。
また、排気管の断面係数を高める方に作用する仕切板と、排気管の折れ変形の起点となる脆弱部とが、排気管の軸方向で互いにラップしない位置に設けられていることから、排気管の折れ変形が仕切板によって阻害されるのを抑えることができる。しかも、排気管の断面係数を高める方に作用する仕切板が、脆弱部の近傍に設けられることで、脆弱部への応力集中が誘発され易くなることから、車両後突時等に排気管を確実に折れ変形させることができる。これにより、後方衝突時に、排気管の下方への移動を可能にすることで、衝撃吸収ストロークを確保することができるとともに、例えばメインマフラー等を車両の下方領域に退避させることができる。
また、上記排気装置では、上記脆弱部は、上記仕切板よりも下流側に設けられた、上記排気管の上部を下方に凹ませた凹み部によって構成されており、上記仕切板は、上記通路の断面積が上流側および下流側よりも中央部で小さくなるように、その上流側部位が下流側に行くほど下方に傾斜し、且つ、その下流側部位が下流側に行くほど上方に傾斜するように形成されており、上記凹み部と上記下流側部位とは、当該凹み部の下端が当該下流側部位の仮想延長面よりも下側に突出しないように形成されていることが好ましい。
この構成によれば、脆弱部が、排気管の上部を下方に凹ませた凹み部によって構成されていることから、凹み部による断面積の減少に伴う排気管の断面二次モーメントや断面係数の低下と、凹み部への応力集中とが相俟って、脆弱部を起点として排気管を折れ変形させることができる。
また、仕切板は、その下側に形成される通路の断面積が上流側および下流側よりも中央部で小さくなるように、その上流側部位が下流側に行くほど下方に傾斜し、且つ、その下流側部位が下流側に行くほど上方に傾斜するように形成されていることから、当該通路において排気ガスの流速が高まるので、排気管の下流端部における排気作用および排水作用を促進することができる。
もっとも、凹み部の下端が下流側部位の仮想延長面よりも下側に突出していると、下流側に行くほど上方に傾斜する下流側部位に沿って流れる排水および排気ガスが凹み部に当接するため、排水作用が妨げられるとともに、排気ガスの流れが乱れて背圧が上昇するおそれがある。
この点、本発明では、凹み部と下流側部位とは、凹み部の下端が下流側部位の仮想延長面よりも下側に突出しないように構成されていることから、下流側部位に沿って流れる排水および排気ガスが凹み部に当接するのを抑えることができる。これにより、排水および排気ガスがスムーズに流れるので、排水作用が妨げられるのを抑えることができるとともに、背圧が上昇するのを抑えることができる。
さらに、上記排気装置では、上記凹み部と上記下流側部位とは、当該凹み部の下端と当該下流側部位の仮想延長面とが略面一になるように構成されていることが好ましい。
この構成によれば、下流側に行くほど上方に傾斜する下流側部位に沿って凹み部の方に流れた排水および排気ガスを、下流側部位の仮想延長面と略面一に設定された凹み部の下端に沿って流すことができるので、換言すると、凹み部の下端を恰もガイド部として利用することができるので、排水性および排気性を向上させることができる。
また、上記排気装置では、上記脆弱部および上記仕切板は、上記排気管のうち、上下二分割の半割管で構成される部位に設けられていることが好ましい。
この構成によれば、例えば、凹み部が形成された上側の半割管に、仕切板を溶接等で取り付けた後、上側の半割管と下側の半割管とを上下に接合することで、脆弱部と仕切板とが設けられた排水管を容易かつ精度よく製造することができる。
以上説明したように、本発明に係る内燃機関の排気装置によれば、通常時における排気管内の排水性を向上させつつ、車両後突時等に排気管を確実に折れ変形させることができる。
以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。なお、図１〜図７における矢印ＵＰは上下方向上側を示し、図１、図２および図４〜図７における矢印ＦＲは車両前後方向前側を示し、図３における矢印ＲＨは車幅方向右側を示している。また、図２〜図４、図６および図７では、図を見易くするために、断面を示すハッチングを省略している。
−全体構成−
図１は、本実施形態に係る内燃機関の排気装置１を模式的に示す図である。この排気装置１は、車両前後方向に延び、エンジン（内燃機関）２からの排気ガスが流通する排気管１０と、排気ガスを浄化する触媒コンバータ３と、排気音を小さくするサブマフラー４と、メインマフラー５と、を備えている。この排気管１０は、車両前後方向前側（上流側）のフロントパイプ１１と、車両前後方向中央部のセンターパイプ（図示せず）と、車両前後方向後側（下流側）のテールパイプ１３と、を備えている。フロントパイプ１１は、その上流端がエンジン２に設けられた排気マニホールド（図示せず）に接続されていて、触媒コンバータ３とサブマフラー４とが介設されている。テールパイプ１３は、上流側の第１パイプ１５と、下流側の第２パイプ１７と、を備えていて、第２パイプ１７の下流端がメインマフラー５に接続されている。
図１は、本実施形態に係る内燃機関の排気装置１を模式的に示す図である。この排気装置１は、車両前後方向に延び、エンジン（内燃機関）２からの排気ガスが流通する排気管１０と、排気ガスを浄化する触媒コンバータ３と、排気音を小さくするサブマフラー４と、メインマフラー５と、を備えている。この排気管１０は、車両前後方向前側（上流側）のフロントパイプ１１と、車両前後方向中央部のセンターパイプ（図示せず）と、車両前後方向後側（下流側）のテールパイプ１３と、を備えている。フロントパイプ１１は、その上流端がエンジン２に設けられた排気マニホールド（図示せず）に接続されていて、触媒コンバータ３とサブマフラー４とが介設されている。テールパイプ１３は、上流側の第１パイプ１５と、下流側の第２パイプ１７と、を備えていて、第２パイプ１７の下流端がメインマフラー５に接続されている。
なお、請求項との関係では、第２パイプ１７が「排気管の下流端部」に相当する。
−仕切板−
図２は、排気管１０の下流端部を模式的に示す縦断図である。また、図３は、排気管１０の下流端部を模式的に示す図であり、同図（ａ）は図２のIIIａ−IIIａ線の矢視断面図であり、同図（ｂ）は図２のIIIｂ−IIIｂ線の矢視断面図であり、同図（ｃ）は図２のIIIｃ−IIIｃ線の矢視断面図であり、同図（ｄ）は図２のIIIｄ−IIIｄ線の矢視断面図である。なお、図２では、第２パイプ１７および仕切板２０のみを断面で示している。排気管１０の下流端部に相当する第２パイプ１７は、図３に示すように、上下二分割の上側半割管１７ａと下側半割管１７ｂとを、僅かにラップさせて溶接で接合することで形成されており、所謂「モナカ管」として構成されている。
図２は、排気管１０の下流端部を模式的に示す縦断図である。また、図３は、排気管１０の下流端部を模式的に示す図であり、同図（ａ）は図２のIIIａ−IIIａ線の矢視断面図であり、同図（ｂ）は図２のIIIｂ−IIIｂ線の矢視断面図であり、同図（ｃ）は図２のIIIｃ−IIIｃ線の矢視断面図であり、同図（ｄ）は図２のIIIｄ−IIIｄ線の矢視断面図である。なお、図２では、第２パイプ１７および仕切板２０のみを断面で示している。排気管１０の下流端部に相当する第２パイプ１７は、図３に示すように、上下二分割の上側半割管１７ａと下側半割管１７ｂとを、僅かにラップさせて溶接で接合することで形成されており、所謂「モナカ管」として構成されている。
この第２パイプ１７には、当該第２パイプ１７内を上下に仕切る仕切板２０を設けることで、当該仕切板２０の上側に排気ガスを流通させる上側通路６が形成されているとともに、当該仕切板２０の下側に、排気ガスおよび排気管１０に溜まった水を流通させる下側通路７が形成されている。
仕切板２０は、図３（ａ）〜図３（ｃ）に示すように、底板部２１ａ，２２ａ，２３ａと、底板部２１ａ，２２ａ，２３ａの車幅方向両端部から上方に延びる縦板部２１ｂ，２２ｂ，２３ｂと、縦板部２１ｂ，２２ｂ，２３ｂの上端部から車幅方向外側に延びるフランジ部２１ｃ，２２ｃ，２３ｃと、を有していて、第２パイプ１７の軸方向に見て断面略ハット状に形成されている。この仕切板２０は、フランジ部２１ｃ，２２ｃ，２３ｃを上側半割管１７ａの内側面に溶接で取り付けた後、上側半割管１７ａと下側半割管１７ｂとを接合することで、第２パイプ１７内を上下に仕切るようになっている。
この仕切板２０は、図３（ａ）〜図３（ｃ）に示すように、縦板部２１ｂ，２２ｂ，２３ｂの長さを変化させることで、下側通路７の流路面積を変化させるようになっている。より詳しくは、仕切板２０は、縦板部２１ｂが下流側に行くほど下方に延びることで、底板部２１ａが下流側に行くほど下方に傾斜する上流側部位２１と、上流側部位２１の後端から縦板部２２ｂの長さおよび底板部２２ａの傾斜が変化することなく下流側に延びる中央部２２と、中央部２２の後端から、縦板部２３ｂが下流側に行くほど上方に縮むことで、底板部２３ａが下流側に行くほど上方に傾斜する下流側部位２３と、を有していて、下側通路７の断面積が上流側および下流側よりも中央部で小さくなるように形成されている。
このように、下側通路７の断面積が中央部２２で絞られることで、上流側部位２１から流入した排気ガスは、中央部２２でその流速が高められた後、下流側部位２３からメインマフラー５に排出されるとともに、排気ガスの流速が高められることで、排気管１０に溜まった水のメインマフラー５への排出も促されるようになっている。つまり、本実施形態の内燃機関の排気装置１では、第２パイプ１７に仕切板２０を設けて、絞り部を有する下側通路７を形成することで、排気管１０の下流端部における排気作用および排水作用が促進されるようになっている。
なお、図２に示すように、仕切板２０の上流側部位２１により、下側通路７の入口は広く設定される一方、上側通路６の入口は狭く設定されているため、通常時には、図２の白抜き矢印で示すように、下側通路７が排気ガスの大部分が流れるメイン通路として機能し、上側通路６はサブ通路として機能する。一方、例えば寒冷地等で排気管１０に溜まった水が凍って下側通路７が塞がったような場合には、図２の黒塗り矢印で示すように、上側通路６が排気ガスの大部分が流れるメイン通路として機能することになる。
−脆弱部−
また、第２パイプ１７には、図２に示すように、テールパイプ１３の折れ変形の起点となる脆弱部３０が設けられている。より詳しくは、脆弱部３０は、図３（ｄ）に示すように、仕切板２０よりも下流側に設けられた、第２パイプ１７の上部を下方に凹ませた凹み部３１によって構成されている。
また、第２パイプ１７には、図２に示すように、テールパイプ１３の折れ変形の起点となる脆弱部３０が設けられている。より詳しくは、脆弱部３０は、図３（ｄ）に示すように、仕切板２０よりも下流側に設けられた、第２パイプ１７の上部を下方に凹ませた凹み部３１によって構成されている。
このように、凹み部３１によって構成される脆弱部３０を第２パイプ１７に設けることで、凹み部３１による断面積の減少に伴う第２パイプ１７の断面二次モーメントや断面係数の低下と、凹み部３１への応力集中とが相俟って、後方衝突時に、脆弱部３０を起点として第２パイプ１７（第２パイプ１７を含むテールパイプ１３）を折れ変形させることができ、これにより、後方衝突時における衝撃吸収ストロークを確保することができる。
−仕切板と脆弱部との関係−
ところで、第２パイプ１７の内部に仕切板２０を設けると、第２パイプ１７の断面係数が大きくなるため、第２パイプ１７が折れ変形し難くなる。すると、第２パイプ１７を折れ易くする脆弱部３０と、第２パイプ１７を折れ難くする仕切板２０とを共に第２パイプ１７に設けた場合、両者の位置関係によっては、具体的には、脆弱部３０と仕切板２０とがラップする場合には、後方衝突時における脆弱部３０を起点とする第２パイプ１７の折れ変形を仕切板２０が妨げることになる。
ところで、第２パイプ１７の内部に仕切板２０を設けると、第２パイプ１７の断面係数が大きくなるため、第２パイプ１７が折れ変形し難くなる。すると、第２パイプ１７を折れ易くする脆弱部３０と、第２パイプ１７を折れ難くする仕切板２０とを共に第２パイプ１７に設けた場合、両者の位置関係によっては、具体的には、脆弱部３０と仕切板２０とがラップする場合には、後方衝突時における脆弱部３０を起点とする第２パイプ１７の折れ変形を仕切板２０が妨げることになる。
また、仕切板２０が脆弱部３０による折れ変形を阻害しなくても、図７に示すように、脆弱部１３０を構成する凹み部１３１の下端１３１ａが、仕切板１２０の下流側部位１２３の仮想延長面１２５よりも下側に突出していると、図７の白抜き矢印で示すように、下流側に行くほど上方に傾斜する下流側部位１２３に沿って流れる排水および排気ガスが凹み部１３１に当接するため、排水作用が妨げられるとともに、排気ガスの流れが乱れて背圧が上昇するおそれがある。
そこで、本実施形態の内燃機関の排気装置１では、第２パイプ１７における仕切板２０を設ける位置を工夫することで、第２パイプ１７の折れ変形を阻害することなく、且つ、排水作用および排気作用が妨げられないようにしている。具体的には、本実施形態の内燃機関の排気装置１では、脆弱部３０を構成する凹み部３１の近傍、且つ、第２パイプ１７の軸方向で凹み部３１とラップしない位置に仕切板２０を設けるとともに、凹み部３１の下端３１ａと仕切板２０の下流側部位２３の仮想延長面２５とが略面一になるように、凹み部３１と下流側部位２３とを形成している。
図４は、仕切板２０と脆弱部３０との関係を模式的に説明する図である。また、図５は、後方衝突時におけるテールパイプ１３の変形を模式的に説明する図であり、同図（ａ）は変形前の状態を示し、同図（ｂ）は変形後の状態を示している。なお、図５の符号４０は、車体の外側線を示している。
本実施形態の内燃機関の排気装置１では、図４に示すように、凹み部３１は仕切板２０とメインマフラー５との間に設けられており、第２パイプ１７における仕切板２０が設けられている領域Ａと凹み部３１が形成されている領域Ｂとが、第２パイプ１７の軸方向でラップしないような位置関係になっている。
このように、第２パイプ１７の断面係数を高める方に作用する仕切板２０と、第２パイプ１７の折れ変形の起点となる脆弱部３０（凹み部３１）とが、第２パイプ１７の軸方向で互いにラップしない位置に設けられていることから、第２パイプ１７の折れ変形が仕切板２０によって阻害されるのを抑えることができる。しかも、第２パイプ１７の断面係数を高める方に作用する仕切板２０が、脆弱部３０の近傍に設けられることで、脆弱部３０への応力集中が誘発されることから、車両後突時等に第２パイプ１７を含むテールパイプ１３を確実に折れ変形させることができる。これにより、図５（ａ）の白抜き矢印で示すように、車両後部に後方から荷重が作用する後方衝突時に、図５（ｂ）に示すように、脆弱部３０を起点として第２パイプ１７を確実に折れ変形させて、第２パイプ１７を含むテールパイプ１３を下方へ移動させることができる。したがって、テールパイプ１３が車両後部の変形の妨げとならず、衝撃吸収ストロークを確保することができるとともに、メインマフラー５を車両の下方領域に退避させることができる。
また、本実施形態の内燃機関の排気装置１では、凹み部３１の下端３１ａと仕切板２０の下流側部位２３の仮想延長面２５（より正確には、下流側部位２３の下面の仮想延長面２５）とが略面一になるように、凹み部３１と下流側部位２３とを形成していることから、下流側部位２３の下面に沿って流れる排水および排気ガスが凹み部３１（より正確には凹み部３１の下端３１ａ以外の部位）に当接するのを抑えることができる。これにより、排水および排気ガスがスムーズに流れるので、排水作用が妨げられるのを抑えることができるとともに、背圧が上昇するのを抑えることができる。
のみならず、下流側部位２３の下面に沿って凹み部３１の方に流れた排水および排気ガスを、図４の白抜き矢印で示すように、下流側部位２３の仮想延長面２５と略面一に設定された凹み部３１の下端３１ａに沿って流すことができるので、換言すると、凹み部３１の下端３１ａを恰もガイド部として利用することができるので、排水性および排気性をより一層向上させることができる。
なお、凹み部３１の下端３１ａと下流側部位２３の仮想延長面２５とが略面一になるように、凹み部３１と下流側部位２３とを第２パイプ１７に設けるには高い精度が要求されるが、本実施形態では、上下二分割の半割管１７ａ，１７ｂで第２パイプ１７を構成していることから、例えば、凹み部３１が形成された上側半割管１７ａに、仕切板２０を溶接等で取り付けた後、上側半割管１７ａと下側半割管１７ｂとを上下に接合することで、仕切板２０と脆弱部３０とが設けられた第２パイプ１７を容易かつ精度よく製造することができる。
（その他の実施形態）
本発明は、実施形態に限定されず、その精神又は主要な特徴から逸脱することなく他の色々な形で実施することができる。
本発明は、実施形態に限定されず、その精神又は主要な特徴から逸脱することなく他の色々な形で実施することができる。
上記実施形態では、凹み部３１の下端３１ａと下流側部位２３の仮想延長面２５とが略面一になるように、凹み部３１と下流側部位２３とを形成したが、凹み部３１の下端３１ａが下流側部位２３の仮想延長面２５よりも下側に突出していないのであれば、これに限らず、図６に示すように、凹み部３１の下端３１ａが仮想延長面２５よりも上側になるように、凹み部３１と下流側部位２３とを形成してもよい。この場合には、凹み部３１の下端３１ａによるガイド効果は得られないものの、下流側部位２３の下面に沿って流れる排水および排気ガスが凹み部３１に当接するのを抑えて、排水および排気ガスをスムーズに流すことができる。
また、上記実施形態では、凹み部３１で脆弱部３０を構成したが、後方衝突時におけるテールパイプ１３（第２パイプ１７）の折れ変形の起点となるのであれば、これに限らず、例えば屈曲部や蛇腹部で脆弱部３０を構成してもよい。
さらに、上記実施形態では、仕切板２０の下流側部位２３を直線状に傾斜させたが、仕切板２０の下流側部位２３が下流側に行くほど上方に傾斜し、且つ、凹み部３１の下端３１ａが下流側部位２３の仮想延長面２５よりも下側に突出しないのであれば、これに限らず、仕切板２０の下流側部位２３を、例えば下側に凸の円弧状に湾曲させてもよい。
このように、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。
本発明によると、通常時における排気管内の排水性を向上させつつ、車両後突時等に排気管を確実に折れ変形させることができるので、内燃機関の排気装置に適用して極めて有益である。
１ 排気装置
２ エンジン（内燃機関）
７ 下側通路（通路）
１０ 排気管
１７ 第２パイプ（下流端部）
１７ａ 上側半割管
１７ｂ 下側半割管
２０ 仕切板
２１ 上流側部位
２３ 下流側部位
２５ 仮想延長面
３０ 脆弱部
３１ 凹み部
３１ａ 下端
２ エンジン（内燃機関）
７ 下側通路（通路）
１０ 排気管
１７ 第２パイプ（下流端部）
１７ａ 上側半割管
１７ｂ 下側半割管
２０ 仕切板
２１ 上流側部位
２３ 下流側部位
２５ 仮想延長面
３０ 脆弱部
３１ 凹み部
３１ａ 下端
Claims (4)
- 内燃機関からの排気ガスが流通する排気管の下流端部に、当該排気管の折れ変形の起点となる脆弱部が設けられ、且つ、当該排気管内を上下に仕切る仕切板を設けることで、当該仕切板の下側に当該排気管に溜まった水を流通させる通路が形成された内燃機関の排気装置であって、
上記仕切板は、上記脆弱部の近傍、且つ、上記排気管の軸方向で上記脆弱部とラップしない位置に設けられていることを特徴とする内燃機関の排気装置。 - 上記請求項１に記載の内燃機関の排気装置において、
上記脆弱部は、上記仕切板よりも下流側に設けられた、上記排気管の上部を下方に凹ませた凹み部によって構成されており、
上記仕切板は、上記通路の断面積が上流側および下流側よりも中央部で小さくなるように、その上流側部位が下流側に行くほど下方に傾斜し、且つ、その下流側部位が下流側に行くほど上方に傾斜するように形成されており、
上記凹み部と上記下流側部位とは、当該凹み部の下端が当該下流側部位の仮想延長面よりも下側に突出しないように形成されていることを特徴とする内燃機関の排気装置。 - 上記請求項２に記載の内燃機関の排気装置において、
上記凹み部と上記下流側部位とは、当該凹み部の下端と当該下流側部位の仮想延長面とが略面一になるように構成されていることを特徴とする内燃機関の排気装置。 - 上記請求項１〜３のいずれか１つに記載の内燃機関の排気装置において、
上記脆弱部および上記仕切板は、上記排気管のうち、上下二分割の半割管で構成される部位に設けられていることを特徴とする内燃機関の排気装置。
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