JP2014118944A - 排気管の継手構造 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、添加された添加剤や生成された還元剤からシール部材やフランジを保護することができる排気管の継手構造を提供する。
【解決手段】本発明の継手構造は、上・下流側の第１，２管体１３ａ，１３ｂの向き合う端部のうち、第１管体１３ａの端部に、当該第１管体１３ａから流出する排気ガスの流れを第２管体１３ｂの軸心へ集める流れに変更する排気ガス流変更体５９を設けた。同構成によると、第１管体１３ａから流出する排気ガスは、排気ガス流変更体５９にて、第２管体１３ｂの軸心へ集まる流れに変更されながら第２管体１３ｂへ流入されるから、第１管体１３ａから流出する排気ガスが、周囲に有るシール部材４７を含むフランジ４５ａ、４５ｂ間へ向かいにくくなる。これにより、シール部材４７やフランジ４５ａ，４５ｂは、排気ガス中に添加される添加剤や、生成される還元剤と触れにくくなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、添加剤を添加する添加剤添加部を有する管体と、還元型触媒を有する管体との相互を連結する排気管の継手構造に関する。

ディーゼルエンジンを搭載した自動車（車両）の多くは、車体前部のエンジンルームにディーゼルエンジンを配置し、ディーゼルエンジンから延びる排気管を、エンジンルームから車体の床下を通して、車両後部へ延ばしている。この排気管にディーゼルエンジンから排気される排気ガスを浄化する排気浄化装置を設けている。近時では、排気ガス中に添加剤を添加して浄化することが行われている。多くは、排気管の上流側に、ＨＣ、ＣＯやＰＭ（パティキュレートマター）などの対策として、酸化触媒やディーゼルパティキュレートフィルタを設ける。その下流側にＮＯｘの対策として、還元型触媒、例えば選択還元型ＮＯｘ触媒を設け、この選択還元型ＮＯｘ触媒の上流側に、排気ガス中に添加剤、例えば尿素水溶液を噴射させるインジェクタ（添加剤添加部）を設けて、尿素水溶液の噴射でアンモニア（還元剤）を生成し、同アンモニアを用いて排気ガス中に含まれるＮＯｘを選択還元型ＮＯｘ触媒で無害な成分（窒素）に還元することが行われている。

ところで、還元型触媒は、振動の影響を受けやすい部品である。このため、エンジンのロールやエンジンからの振動が、選択還元型ＮＯｘ触媒に伝わらないよう、選択還元型ＮＯｘ触媒から上流の排気管部分に、振動を吸収する継手、多くは球面継手を介装することが行われている。球面継手の多くは、気密性を確保しながら相対角度変位を可能とするために、一対のフランジを、分割した上・下流側の排気管部分（第１，２管体）の端部に設け、フランジ間に環状のシール部材を介在させて、上・下流側の排気管部分間を相対角度変位可能に連結する構造が用いられる。

球面継手は、効果的にエンジンからの変位が吸収されるよう、配管のストレート部（真っ直ぐな部分）に据付ける。しかし、排気管は、車体に搭載されている各種機器を避けて配管されたり、排気浄化を制御する各種機器や排気ガス還流を実施するための各種機器が取り付くなどするため、球面継手の据付けに適したストレート部は少ない。
このため、近時では、尿素水溶液を噴射するインジェクタと選択還元型ＮＯｘ触媒との間で確保されるストレート部分（尿素水溶液と排気ガスとを混合させる領域）に、球面継手を設けることが進められている。

ところが、球面継手の、シール部材が有るフランジ間は、排気管内に晒される部分である。このため、尿素水溶液（添加剤）や同尿素水溶液の添加で生成されるアンモニア（還元剤）が、シール部材やフランジに触れることがある。アンモニアはアルカリ性が強いため、シール部材やフランジを腐食させてしまう問題がある。しかも、シール部材周辺の段部は流れが滞りやすくなるため、シール部材やシール部材周辺の段部には、尿素水溶液が付着しやすく、デポジットが生じやすい。デポジットは堆積しやすいので、堆積するデポジットで球面継手の機能が損なわれ、エンジンのロールやエンジンの振動を吸収できなくなるおそれがある。

エンジンの排気管で用いられている球面継手を見る限り、特許文献１に開示されているような遮熱の目的で筒形部材を、排気ガス流入先の管体端を延ばしたり、特許文献２に開示されているようなシール部材を挟み込む面を形成するために管体端を先細にしたりする構造が提案されているだけである。

実開平 ５− ３６０２０号公報 特開平１１−１０３７２０号公報

このため、引用文献１，２には、尿素水溶液やアンモニア等の添加剤が、シール部材やフランジへ触れるのを回避しようとする技術は見られなく、添加された添加剤や生成された還元剤から、シール部材やフランジを保護するものはなかった。
そこで、本発明の目的は、添加された添加剤や生成された還元剤から、シール部材やフランジを保護することができる排気管の継手構造を提供することにある。

本発明は、上・下流側の第１，２管体の向き合う端部のうち、第１管体の端部に、当該第１管体から流出する排気ガスの流れを第２管体の軸心へ集める流れに変更する排気ガス流変更体を設けることとした。
好ましくは排気ガス流変更体は、第１管体からの排気ガス流を第２管体の軸心に集めるように曲成した複数のフィンを放射状に配置して構成される収束フィン体から構成されるものとした。

好ましくは、排気ガス流変更体は、第１管体の端部に、当該第１管体の開口を縮める絞り部を形成してなるものとした。
好ましくは、排気ガス流変更体の先端部を第２管体の端内に差し込ませることとした。
好ましくは、第１管体は、エンジンからの排気ガス中に添加剤を添加する添加剤添加部を備えることとした。

好ましくは、還元型触媒は、尿素水溶液の噴射により生成されるアンモニアを用いて排気ガス中に含まれるＮＯｘを還元する選択還元型触媒であることとした。

本発明によれば、第１管体から流出する排気ガスは、排気ガス流変更体にて、第２管体の軸心に集まる流れに変更されながら第２管体へ流入されるから、第１管体からの排気ガスが、周囲に有るシール部材を含むフランジ間へ向かいにくくなる。
したがって、排気ガス中に添加される添加剤や、生成される還元剤は、シール部材やフランジに触れにくくなり、添加剤や還元剤から、シール部材やフランジを保護することができ、常に円滑な継手の動き（相対角度変位）が確保できる。

特に排気ガス流変更体は、複数のフィンで構成される収束フィン体や、絞り部を用いると、継手構造の継ぎ目に組み込みやすく、簡単な構造ですむ。
しかも、排気ガス流変更体の先端部を第２管体の端内に差し込ませることで、軸心に集まる流れが第２管体へ流入されやすくなり、効果的に添加剤や還元剤からシール部材やフランジが保護できる。

そのうえ、第１管体は、エンジンからの排気ガス中に添加剤を添加する添加剤添加部を備える構造は、還元型触媒に対して還元剤が供給しやすいものの（排気管噴射式）、フランジ間へのデポジット堆積が表れやすくなるが、第２管体の軸心に集まる流れに変更する構造により、デポジットの堆積を防ぐことができるので、還元剤供給容易性とデポジット堆積抑制とを両立することができる。

特に、還元剤として尿素水溶液を用い、還元型触媒として尿素水溶液の噴射で生成されるアンモニアを用いて排ガス中のＮＯｘを還元する選択還元型触媒を用いた構造には、有効である。

本発明の第１の実施形態に係る排気管の継手構造を、排気浄化装置と共に示す断面図。 同継手構造を拡大して示す断面図。 同継手構造に組み込まれている収束フィン体（排気ガス流変更体）を説明するための部分斜視図。 本発明の第２の実施形態の要部を示す断面図。

以下、本発明を図１から図３に示す第１の実施形態にもとづいて説明する。
図１は、ディーゼルエンジンの排気系を示している。同排気系を説明すると、図中１は、車体のエンジンルーム内（いずれも図示しない）に据付けられるディーゼルエンジン、３はターボ過給機（過給機）を示す。
ディーゼルエンジン１は、ピストン５を往復動可能に収めたシリンダ７、同シリンダ７の頭部に開口する吸・排気ポート９，１１、同吸・排ポート９，１１を開閉する吸・排気バルブ９ａ，１１ａ、吸・排気ポート９，１１とつながる吸・排気マニホルド１２，１５、シリンダ７の頭部へ燃料を噴射する燃料噴射弁１７などを有して構成される。

ターボ過給機３は、タービン部１９と同タービン部１９と同軸につながるコンプレッサ部２１とを有して構成される。タービン部１１の入口１９ａは、ディーゼルエンジン１の排気マニホルド１５に接続される。タービン部１９の出口１９ｂは、排気管１３が接続される。ちなみに排気管１３は、エンジンルームから車体（いずれも図示しない）の床下を通じて、車体後部へ延びる。

コンプレッサ部２１の入口２１ａは、エアクリーナ（図示しない）へ至る上流側の吸気管２５ａに接続される。コンプレッサ部２１の出口２１ｂは、下流側の吸気管２５ｂを介して、ディーゼルエンジン１の吸気マニホルド１２に接続され、過給した吸気がディーゼルエンジン１へ供給されるようにしている。
ターボ過給機３から延びる排気管１３には、排気ガス浄化装置２７が設けられる。排気ガス浄化装置２７は、ターボ過給機３近くの上流排気管部分に設けた、ＨＣ，ＣＯやＰＭ（パティキュレートマター）などを浄化するフィルタユニット２９と、その下流側の排気管部分に設けたＮＯｘを浄化する浄化機器３１とを有して構成される。フィルタユニット２９は、ケーシング１６内に酸化触媒３５やディーゼルパティキュレートフィルタ３７などを収めて構成され、排気ガス中のＰＭ（パティキュレートマター：粒子状物質）の捕集、排気ガス中に含まれるＨＣ，ＣＯなど酸化を行う。

浄化機器３１は、フィルタユニット２９からの下流側の排気管部分に設けた還元型触媒、例えば選択還元型ＮＯｘ触媒３９と、この選択還元型触媒３９の上流側に、ストレート部ａを挟んで設けた、排気ガス中に添加剤、例えば尿素水溶液を噴射させるインジェクタ４１（本願の添加剤添加部に相当）とを組み合わせた構造が用いられる。つまり、尿素水溶液の排気ガス中への噴射にて、アンモニア（還元剤）が生成され、同アンモニアによる選択還元型触媒３９でのＮＯｘ還元作用により、排気ガスに含まれるＮＯｘが無害な成分（窒素）に還元される。

このインジェクタ４１と選択還元型触媒３９との間で確保されているストレート部分ａ（尿素水溶液と排気ガスとを混合させる領域を形成）の途中には、エンジン側からのロールや振動を吸収する継手構造が介装されている。この継手構造には、例えば球面継手４３が用いられている。つまり、尿素水溶液と排気ガスとを混合させる領域を利用して、球面継手４３を設けている。この球面継手４３の各部の構造が図２に示されている。

すなわち、球面継手４３は、排気管１３を、ストレート部分ａの途中で分割した上流側の排気管部分１３ａ（本願の第１管体に相当）と、下流側の排気管部分１３ｂ（本願の第２管体に相当）とを連結する部品である。具体的には、図２に示されるように球面継手４３は、向き合うように配置された排気管部分１３ａ，１３ｂ（上・下流側の管体）の各端部の外周部に取着されたフランジ４５ａ，４５ｂと、排気管部分１３ａ（上流側）の外周端部に設けた環状のシール部材４７と、フランジ４５ｂの基端側の板面に形成された円弧曲面部４６と、シール部材４７を、フランジ４５ａの基端側の板面とフランジ部４５ｂの基端側の円弧曲面部４６とで挟み付ける圧接機構４９とを組み合わせて構成される。さらに述べれば、圧接機構４９は、複数のボルト・ナット部材５１，５３でフランジ４５ａ，４５ｂ間を変位可能につなぎ、スプリング部材５５でフランジ４５ａ，４５ｂを接近する方向へ付勢して、フランジ４５ａ，４５ｂでシール部材３５を圧接させる構造が用いられている。つまり、上流側の排気管部分１３ａと下流側の排気管部分１３ｂ間を相対角度変位可能に気密に連結して、上流側の排気管部分１３ａから伝わるエンジンロールやエンジン振動を、フランジ４５ａ，４５ｂ間の変位で逃がしたり吸収したりして、下流側の排気管部分１３ｂへ伝わるのを抑える。

通常、球面継手４３でつなぐ上流側の排気管部分１３ａの端部は、シール部材４７の配置される地点までしかない（シール部材４７を据付けるだけ）。このため、フランジ４５ａ，４５ｂ間は、そのまま排気管１３内に晒される。
ところが、球面継手４３は、尿素水溶液からアンモニアを生成するのに必要とされるストレート部ａの途中、すなわち尿素水溶液と排気ガスとを混合させる流路の途中に配置されるため、アルカリ性の強いアンモニアの付着により、シール部材４７やフランジ４５ａ，４５ｂを腐食させたり、還元剤を生成する尿素水溶液がシール部材４７やシール部材４７周辺の段部に付着してデポジットを生じさせたりして、球面継手４３の機能を損なわせるおそれがある。

そこで、球面継手４３には、こうした点を改善する工夫が施されている。
これは、上流側の排気管部分１３ａから流出される排気ガスの直線状の流れ（主流）を、下流側の排気管部分１３ｂの軸心に寄せて、同軸心へ集まる流れに変更し、排気ガスに添加された尿素水溶液や、生成されたアンモニアが球面継手４３の継ぎ目（シール部材４７、フランジ４５ａ，４５ｂ）と触れるのを防ぐものである。

この実現のため、図２に示されるように上流側の排気管部分１３ａ（排気ガスが流出する側）の端部には、同排気管部分１３ａからの排気ガス流を、排気管部分１３ｂの軸心に集めながら流通させる排気ガス流変更体５７が組み付けられている。排気ガス流変更体５７は、簡単な構造ですむよう、収束フィン体５９が用いられている。
収束フィン体５９は、例えば図２，３に示されるように細径な芯部６１（図３に一部しか図示せず）の外周面に、複数のプレートフィン６３（本願のフィンに相当）を放射状に設けた短柱形部品が用いられる。

具体的には、例えば複数のプレートフィン６３は、いずれも図３（二枚しか図示せず）に示されるように、排気ガス流を旋回させるように、芯部６１の外周面に当該芯部６１の軸方向に対し斜めに取着されている。旋回流の流出する各プレートフィン６３の端部外周側には、フィン外周端部分から曲成しながら縮径方向へ突き出たフィン部分が形成されている。このフィン部分を流れ変更部６５として、旋回する排気ガス流を軸心側（中央部、中心部）へ集められるようにしている。つまり、収束フィン体５９は、流れ変更部６５とは反対側の端部を流入部６７とし、流れ変更部６５の有る端部を流出部６９とした、気流を軸心（中心部）に集める部品で形成される。

ちなみに、流入部６７は、排気管部分１３ａ（上流側）の内径に応じた外径寸法に設定され、流出部６９は、排気管部分１３ｂ（下流側）の内径よりも、小さい外径寸法に設定され、収束フィン体５９の全長は、排気管部分１３ａ（上流側）に装着したとき、流出側の端が、排気管部分１３ｂ（下流側）内に配置される長さに設定されている。
この流入部６７が排気管部分１３ａ（上流側）の端部内に取着、ここでは嵌挿（あるいは圧入）される。排気管部分１３ａ端から突き出た流出側の先端部は、排気管部分１３ｂ（下流側）の端内へ差し込まれる。これで、排気管部材１３ａから流出する排気ガスの直線状の流れ（主流）が、複数のプレートフィン６３間を通過する間に、旋回ならびに排気管部分１３ｂの軸心部へ集まりながら前方へ進む流線（流れ）に変更される。

つぎに、このように構成された継手構造の作用について説明すると、図１，２に示されるようにフィルタユニット２９から流出する排気ガスは、上流側の排気管部分１３ａ、収束フィン体５９を経て、下流側の排気管部分１３ｂへ流出され、外部へ向かう。
このとき、収束フィン体５９を通過する排気ガスは、収束フィン体５９のプレートフィン６３により、当初の直線状の流れ（主流）が、旋回方向の流れ（プレートフィン６３の傾きによる）、排気管部分１３ｂ（下流側）の軸心（中央部）へ向かう流れ（流れ変更部６５の曲成による）に変更される。つまり、排気ガスは、旋回流、さらには図２中の矢印ａに示されるような軸心へ集まる流れ（収束流）を伴いながら、排気管部分１３ｂ端内へ流入する（主流）。

この際、上流のインジェクタ４１から、添加剤である尿素水溶液を排気ガスへ噴射させると、尿素水溶液が排気ガスと混じる。具体的には、ストレート部ａの領域を排気ガスが流れる間で、添加された尿素水溶液と排気ガスとが十分に混じり合い、選択還元型触媒３９の還元剤であるアンモニアを生成する。続く選択還元型触媒３９にて、アンモニアを用いたＮＯｘ還元作用により、排気ガス中に含まれるＮＯｘを無害な成分（窒素）に還元する。

このとき、上流側の排気管部分１３ａから流出される排気ガスは、収束フィン体５９により、当初の直線状の流れから、排気管部分１３ｂの軸心部（中央部，中心部）へ集まりながら進む流れに変更される。この収束流により、排気管部分１３ａから流出する排気ガスは、排気管部分１３ａ，１３間の周囲に有る、シール部材４７を含むフランジ４５ａ，４５ｂ間へは向かいにくくなる。しかも、旋回流を併用してあるので、排気ガスは、排気管部分１３ａの中心部に集まりやすく、一層、排気ガスは、周囲に有るシール部材４７を含むフランジ４５ａ，４５ｂ間へは向かいにくくなる。

特に収束フィン体５９の先端部（流出端）は、排気管部分１３ｂ端へ差し込まれているので、収束フィン体５９の先端と排気管部分１３ｂの内面との間の隙間δへ向かう排気ガスも抑えられる。
これにより、排気ガス中の尿素水（添加剤）やアンモニア（還元剤）が、球面継手４３の継ぎ目部をなすシール部材４７やフランジ４５ａ，４５ｂと触れるのを防ぐ。それ故、シール部材４７やフランジ４５ａ，４５ｂを腐食させたり、シール部材４７やシール部材４７周辺の段部などにデポジットが生成されたりするのを防ぐことができる。

したがって、尿素水（添加剤）やアンモニア（還元剤）から、シール部材４７やフランジ４５ａ、４５ｂを保護することができ、常に球面継手４３は、円滑な動き（相対角度変位）が約束できる。しかも、収束フィン体５９は、排気管部材１３ａ端に設けるだけで、容易に球面継手４３の継ぎ目に組み込めるので、簡単な構造ですむ。
そのうえ、収束フィン体５９の先端部を下流側の排気管部分１３ｂの端内に差し込ませたことで、軸心に集まる流れが排気管部分１３ｂ内へ流入されやすく、効果的に尿素水溶液やアンモニアからシール部材４やフランジ４５ａ，４５ｂを保護することができる。

さらに、上流側の排気管部分１３ａにインジェクタ４１を設けて、排気ガス中に添加剤を添加する排気管噴射式は、選択還元型ＮＯｘ触媒３９に対して尿素水溶液を供給しやすくフランジ４５ａ，４５ｂ間へのデポジット堆積が表れやすくなるが、収束フィン体５９の先端部（流出端）を排気管部分１３ｂ端へ差し込む構造により、デポジットの堆積を防ぐことができ、尿素水溶液（還元剤）の供給容易性とデポジット堆積抑制との両立を図ることができる。

特に、還元剤として尿素水溶液を用い、還元型触媒として選択還元型触媒３９を用いて、排気ガスを浄化する構造には、有効である。
図４は、本発明の第２の実施形態を示す。
本実施形態は、第１の実施形態の変形例で、収束フィン体に代えて、排気管部分１３ａ（上流側）の端部に、当該排気管部分１３ａ開口を縮めるテーパ形状の絞り部７１を形成し、同絞り部７１の先端部を排気管部分１３ｂ（下流側）の端へ差し込んだものである。ちなみに絞り部７１は、排気管部分１３ａと一体でなく、別体であっても構わない。

このようにしても、絞り部７１がもたらす絞り作用により、排気ガスの流れは、排気管部分１３ｂの軸心に集まる流れへ変更されるから、第１の実施形態と同様、排気ガス中の尿素水（添加剤）やアンモニア（還元剤）から、シール部材４７やフランジ４５ａ，４５ｂを保護することができる。しかも、絞り構造なので、簡単な構造ですむ。特に絞り部７１の先端部を排気管部分１３ｂの端内へ差し込むことにより、第１の実施形態と同様、軸心に集まる流れが排気管部分１３ｂ内へ流入されやすい。

また、図４中の二点鎖線に示されるように絞り部７１の先端部に、径を拡げながら外側（周囲）に向かう返し部７１ａを形成すると、一層、排気ガス中の尿素水やアンモニアが、絞り部７１の先端と排気管部分１３ｂの内面間の隙間δへ進入しにくくなる。
図４において、第１の実施形態と同一部分には、同一符号を付してその説明を省略した。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々可変して実施しても構わない。例えば上述した実施形態では、収束フィン体や絞り部を用いて、上流側の排気管部分から流出する排気ガスの流れを、下流側の排気管部分の軸心に寄せて、軸心に集まる流れとしたが、これに限らず、他の構造を用いて、下流側の排気管部分の軸心へ集まる排気ガスの流れを形成してもよい。

１ ディーゼルエンジン
１３ 排気管
１３ａ 上流側の排気管部分（第１管体）
１３ｂ 下流側の排気管部分（第２管体）
３９ 選択還元型ＮＯｘ触媒（還元型触媒）
４１ インジェクタ（添加剤添加部）
４３ 球面継手（継手）
４５ａ、４５ｂ フランジ
４７ シール部材
５９ 収束フィン体（排気ガス変更体）
６３ プレートフィン（フィン）

Claims (6)

1. エンジンからの排気ガス及び添加剤が流入される第１管体と、同第１管体と互いに開口が向き合うように配置され、前記第１管体からの排気ガスを受け入れるとともに、前記添加剤の添加により排気ガスを還元する還元型触媒を有する第２管体とを有し、
   前記第１及び第２管体の向き合う各端部を、各端部に設けたフランジ、当該フランジ間に設けたシール部材を介して相対角度変位可能に連結する排気管の継手構造であって、
   前記第１管体の端部に、当該第１管体から流出する排気ガスの流れを前記第２管体の軸心へ集める流れに変更する排気ガス流変更体を設けた
   ことを特徴とする排気管の継手構造。
2. 前記排気ガス流変更体は、前記第１管体からの排気ガス流を前記第２管体の軸心に集めるように曲成した複数のフィンを放射状に配置して構成される収束フィン体から構成されることを特徴とする請求項１に記載の排気管の継手構造。
3. 前記排気ガス流変更体は、前記第１管体の端部に、当該第１管体の開口を縮める絞り部を形成して構成されることを特徴とする請求項１に記載の排気管の継手構造。
4. 前記排気ガス流変更体の先端部を前記第２管体の端内に差し込ませてなることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の排気管の継手構造。
5. 前記第１管体は、前記エンジンからの排気ガス中に添加剤を添加する添加剤添加部を備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の排気管の継手構造。
6. 前記還元剤は尿素水溶液であり、
   前記還元型触媒は、前記尿素水溶液の噴射により生成されるアンモニアを用いて排気ガス中に含まれるＮＯｘを還元する選択還元型触媒であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の排気管の継手構造。

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