JP2021148076A - 管接合方法及び、管接合構造 - Google Patents

Abstract

【課題】内側管部材と外側管部材との接合構造において、耐久性を効果的に向上する。【解決手段】所定の金属材料で形成された内側管部材６１と、金属材料とは異なる金属材料で前記内側管部材６１よりも管内径を大径に形成されており、内側管部材６１の外周の少なくとも一部を囲む外側管部材５２と、内側管部材６１と外側管部材５２との間に介挿されると共に、金属材料と同じ金属材料で形成された中間部材６８とを接合するにあたり、外側管部材５２と中間部材６８とを溶接接合し、内側管部材６１と中間部材６８とを溶加材を用いない溶接で接合する。【選択図】図４

Description

本開示は、管接合方法及び、管接合構造に関し、特に、排気を流通させる排気管の接合に好適な技術に関するものである。

従来、内燃機関の排気後処理装置として、尿素水インジェクタから噴射される尿素水を排気熱や排気中の水蒸気によって加水分解することにより生成されるアンモニアを還元剤として、排気中に含まれる窒素酸化物（以下、ＮＯｘ）を還元浄化する選択還元型触媒（Selective Catalytic Reduction：以下、ＳＣＲ触媒）を備えるものが知られている。

例えば、特許文献１，２には、尿素水インジェクタから尿素水が噴射される内管と、該内管の外周を覆う外管とを備え、排気上流側から外管に導入される排気を、内管の開口部から該内管の内部に接線方向から流入させることにより、内管内に旋回流を生じさせるようにした排気管構造が開示されている。

特開２００８−２１５２８６号公報 特開２０１３−１０４３９５号公報

上記排気管構造においては、尿素水等に曝されない外管を加工に適したステンレス鋼で形成し、尿素水やアンモニアに曝される内管を、耐食性の高いクロム（Ｃｒ）を多く含有する高Ｃｒステンレス鋼で形成する場合がある。このような異種金属で形成された外管及び内管を、フィラー（溶接棒）を用いるアーク溶接等で接合すると、これらの溶融によりＣｒ量が希釈された裏ビードが内管の内周面に周方向に形成される可能性がある。

このため、例えば、尿素水インジェクタから内管内に噴射される尿素水が、排気旋回流によって内管の内周面に打ち付けられ、当該尿素水からアンモニアに生成される過程で生じる腐食性物質が裏ビードに付着すると、係る裏ビードの腐食を進展させることで、耐久性の低下を招くといった課題がある。

本開示の技術は、上記事情に鑑みてなされたものであり、内側管部材と外側管部材との接合構造において、耐久性を効果的に向上することを目的とする。

本開示の方法は、所定の金属材料で形成された内側管部材と、前記金属材料とは異なる金属材料で前記内側管部材よりも管内径を大径に形成されており、前記内側管部材の外周の少なくとも一部を囲む外側管部材と、前記内側管部材と前記外側管部材との間に介挿されると共に、前記金属材料と同じ金属材料で形成された中間部材とを接合するにあたり、前記外側管部材と前記中間部材とを溶接接合し、前記内側管部材と前記中間部材とを溶加材を用いない溶接で接合することを特徴とする。

また、前記内側管部材、前記中間部材、前記外側管部材がステンレス鋼で形成されており、前記内側管部材及び前記中間部材が、前記外側管部材よりも部材中に含まれるＣｒの質量％が高いことが好ましい。

また、前記内側管部材は、排気を流通させる排気管であり、前記内側管部材の管軸方向の一端部には、前記内側管部材の管内に尿素水を噴射するインジェクタが設けられており、前記中間部材は、前記内側管部材の外周面のうち、その内周側に前記インジェクタから噴射される尿素水が付着する部分に接合されることが好ましい。

本開示の管接合構造は、前記管接合方法により接合されたことを特徴とする。

本開示の技術によれば、内側管部材と外側管部材との接合構造において、耐久性を効果的に向上することができる。

本実施形態に係るエンジンの排気系を示す模式的な全体構成図である。 本実施形態に係る排気後処理装置を示す模式的な斜視図である。 本実施形態に係る第２チャンバ（外側管部材）及び、第１接続排気管（内側管部材）の接合構造を説明する模式的な断面図である。 （Ａ）は本実施形態に係る接合構造、（Ｂ）は比較例の接合構造を示す模式的な断面図である。 本実施形態に係る管接合方法の手順を説明するフロー図である。 他の実施形態に係る接合構造を示す模式図である。

以下、添付図面に基づいて、本実施形態に係る管接合方法及び、管接合構造を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

［全体構成］
図１は、本実施形態に係るエンジン１０の排気系を示す模式的な全体構成図である。

図１に示すように、エンジン１０は、シリンダヘッドや複数の気筒が形成されたシリンダブロック等を含むエンジン本体部１１を備えている。エンジン本体部１１のシリンダヘッドには、各気筒から排出される排気を集合させる排気マニホールド１２が設けられている。排気マニホールド１２には、排気上流側から順に、上流排気管１３、排気後処理装置２０、下流排気管１５、不図示の消音器等が接続されている。

排気後処理装置２０は、排気上流側から順に、前段ケーシング２１と、ミキサーチャンバ５０と、尿素水噴射装置３０と、接続排気管６０と、後段ケーシング４１とを備えている。

前段ケーシング２１の内部には、排気上流側から順に、酸化触媒２２及び、フィルタ２３が収容されている。

酸化触媒２２は、例えば、コーディエライトハニカム構造体等のセラミック製担体の表面に触媒成分等を担持して形成されている。酸化触媒２２は、エンジン１０のポスト噴射や図示しない排気管インジェクタの排気管噴射によって未燃燃料（炭化水素：ＨＣ）が供給されると、これを酸化して排気温度を上昇させる。

フィルタ２３は、例えば、多孔質性の隔壁で区画された多数のセルを排気の流れ方向に沿って配置し、これらセルの上流側と下流側とを交互に目封止して形成されている。フィルタ２３は、排気ガス中の粒子状物質（Particulate Matter：以下、ＰＭ）を隔壁の細孔や表面に捕集すると共に、ＰＭ堆積量が所定量に達すると、これを燃焼除去するフィルタ強制再生が実施される。

ミキサーチャンバ５０は、その上流端を前段ケーシング２１の下流端に接続されている。また、ミキサーチャンバ５０には、接続排気管６０の上流側が挿入固定されている。接続排気管６０の上流端には、尿素水噴射装置３０の尿素水インジェクタ３５が設けられており、尿素水インジェクタ３５から噴射される尿素水が、ミキサーチャンバ５０から流れ込む排気と撹拌混合されるようになっている。

尿素水噴射装置３０は、尿素水を貯留する尿素水タンク３１と、尿素水タンク３１内の尿素水に浸漬されて異物を除去するストレーナ３２と、ストレーナ３２に接続された供給配管３３と、供給配管３３に設けられて尿素水タンク３１から尿素水を汲み上げる尿素水ポンプ３４と、供給配管３３から供給される尿素水を接続排気管６０内に噴射する尿素水インジェクタ３５とを備えている。

尿素水インジェクタ３５から噴射された尿素水は、排気熱や排気中の水蒸気により加水分解されてアンモニア（ＮＨ３）に生成され、下流側のＳＣＲ触媒４８に還元剤として供給される。

接続排気管６０は、略円筒状に形成されており、ミキサーチャンバ５０と後段ケーシング４１の上流端とを接続する。接続排気管６０の上流端は、ミキサーチャンバ５０に挿入固定されており、その内部には尿素水インジェクタ３５から尿素水が軸方向に噴射される。

後段ケーシング４１の内部には、ＳＣＲ触媒４８（本開示の還元触媒の一例）が収容されている。ＳＣＲ触媒４８は、例えば多孔質のセラミック製担体にゼオライト等を担持して形成されている。ＳＣＲ触媒４８は、尿素水インジェクタ３５から還元剤として供給されるアンモニアを吸着すると共に、吸着したアンモニアで通過する排気中からＮＯｘを選択的に還元浄化する。

［排気後処理装置］
図２は、本実施形態に係る排気後処理装置２０を示す斜視図である。

図２に示すように、前段ケーシング２１と後段ケーシング４１とは円筒状であり、両者の軸線が互いに平行になるように並列され、これらの間に配された接続排気管６０により接続されている。接続排気管６０は、円筒状の第１接続排気管６１（本開示の内側管部材）を備え、該接続排気管６１の軸線が前段ケーシング２１及び後段ケーシング４１の軸線に対して平行になるように配されている。

ミキサーチャンバ５０は、前段ケーシング２１の排気下流端に配され側面が円弧状の第１チャンバ５１と、第１チャンバ５１の側面から後段ケーシング４１側に延びる側面が円弧状の第２チャンバ５２（本開示の外側管部材）とを備えている。第１チャンバ５１は、前段ケーシング２１と同軸に配されている。また、第２チャンバ５２の直径は、第１チャンバ５１の直径よりも小さく、両者の境界は円弧状に湾曲している。前段ケーシング２１の排気下流端と第１チャンバ５１の排気上流端とには環状のフランジが設けられており、両フランジがボルト・ナットによって締結されている。

接続排気管６０は、第２チャンバ５２に接続された円筒状の第１接続排気管６１と、該第１接続排気管６１と後段ケーシング４１の排気上流端とを接続する第２接続排気管６２とを備えている。第１接続排気管６１は、その上流端側を第２チャンバ５２内に挿入されており、尿素水インジェクタ３５の噴射軸と同軸に配されている。

第２接続排気管６２は、エルボ管であり、排気下流端は円盤状に形成されている。この第２接続排気管６２の直線部は第１接続排気管６１と同軸に配され、第１接続排気管６１の排気下流端と第２接続排気管６２の排気上流端とには環状のフランジが設けられており、両フランジがボルト・ナットで締結されている。また、第２接続排気管６２の排気下流端と後段ケーシング４１の排気上流端とには環状のフランジが設けられており、両フランジがボルト・ナットで締結されている。

尿素水インジェクタ３５は、第２チャンバ５２に挿入固定された第１接続排気管６１の上流端に設けられている。この尿素水インジェクタ３５の噴射軸は第１接続排気管６１の軸心に合わされており、尿素水インジェクタ３５から第１接続排気管６１の内部へ尿素水が噴射（噴霧）される。

第１接続排気管６１内では、尿素水インジェクタ３５から噴射された尿素水と、ミキサーチャンバ５０から後段ケーシング４１へ流れる排気とが混合され、尿素水が排気熱により加水分解されてアンモニア（ＮＨ３）が生成される。生成されたアンモニアは排気ガスの流れにより排気下流側のＳＣＲ触媒４８に供給される。

［接合構造］
図３は、本実施形態に係る第２チャンバ５２及び、第１接続排気管６１の接合構造を説明する模式的な断面図である。なお、以下では、第２チャンバ５２を単に外側管部材５２、第１接続排気管６１を単に内側管部材６１として説明する。

外側管部材５２は、内側管部材６１よりも大径に形成されており、内側管部材６１の外周を囲む略円弧状の外側周壁部５３と、第１側壁部５４と、第２側壁部５５とを備えている。

第１側壁部５４には、内側管部材６１の外径と略同径の貫通孔が設けられており、該貫通孔の周縁には第１フランジ部５６が形成されている。第１フランジ部５６には、内側管部材６１の上流端側外周が、溶接等によって接合されている。

第２側壁部５５には、内側管部材６１の外径よりも大径の貫通孔が設けられており、該貫通孔の周縁には第２フランジ部５７が形成されている。第２フランジ部５７には、内側管部材６１の外周が中間部材６８を介して溶接によって接合されている。

中間部材６８は、略円環状又は円筒状をなしており、その管内径を内側管部材６１の管外径と略同径、且つ、その管外径を第２フランジ部５７の内径と略同径に形成されている。また、中間部材６８の厚さは、好ましくは、内側管部材６１と同等、又は、内側管部材６１よりも板厚に形成されている。さらに、中間部材６８は、好ましくは、内側管部材６１と同じ金属材料で形成されている。これらの接合方法の詳細については後述する。

本実施形態において、外側管部材５２は、排気系部品に用いられる、標準的な量のクロム（Ｃｒ）を含有するステンレス鋼で形成されており、外側管部材５２を複雑な形状に容易に加工できるようになっている。

内側管部材６１は、略円筒状に形成されており、その上流側開口を円形の蓋部材６３で閉塞されている。蓋部材６３には、尿素水インジェクタ３５が固定されている。また、第１側壁部５４と第２側壁部５５との間に位置する内側管部材６１の周壁部には、外側管部材５２から排気を導入する略矩形状の開口部６４が形成されている。この開口部６４に略接線方向から流れ込む排気は、内側管部材６１内を略螺旋状に旋回しながら下流側へと流されるようになる。尿素水インジェクタ３５は、この螺旋状に旋回する排気に向けて尿素水を噴射する。

本実施形態において、内側管部材６１は、好ましくは、Ｃｒを所定質量％以上含有する高Ｃｒステンレス鋼で形成されている。これにより、尿素水からアンモニアに生成される過程で発生する腐食性物質に対して、内側管部材６１の耐食性を効果的に向上できるようになる。

ここで、図４（Ｂ）の比較例で示すように、外側管部材５２０の第２フランジ部５７０を内側管部材６１０の外周に、フィラーを用いるアーク溶接等で直接的に接合すると、これらが溶融した裏ビードＢが、内側管部材６１０の内周面に露出して周方向に形成される可能性がある。内側管部材６１０は高Ｃｒステンレス鋼、外側管部材５２０はステンレス鋼で形成されているため、これらが溶融した裏ビードＢは内側管部材６１よりＣｒ量が希釈する。このため、尿素水から生成される腐食性物質が排気の流れに伴い裏ビードＢに付着すると、当該裏ビードＢの腐食を進展させることで、耐久性の低下を招く要因となる。

これに対し、図４（Ａ）に示す本実施形態では、内側管部材６１及び、中間部材６８が同じ高Ｃｒステンレス鋼で形成されている。また、外側管部材５２は、内側管部材６１及び、中間部材６８とは異なるステンレス鋼で形成されている。

このような管部材同士の接合において、本実施形態においては、同じ高Ｃｒステンレス鋼で形成した内側管部材６１及び、中間部材６８を、フィラー（溶接棒・溶加材）を用いないノンフィラー溶接（フィラーレス溶接）で接合する。すなわち、ノンフィラー溶接により内側管部材６１及び、中間部材６８が溶融した溶接ビードＢ１は、内側管部材６１及び中間部材６８の材質により形成されてＣｒ含有値の希釈がないため、係る溶接ビードＢ１（接合部位）に尿素水から生成される腐食性物質が付着したとしても、当該接合部位の腐食を効果的に防止できるようになる。

また、本実施形態においては、異なる金属材料で形成した内側管部材６１及び、外側管部材５２を直接接合することなく、各部材６１，５２間に中間部材６８を介挿し、これら中間部材６８と外側管部材５２とを、フィラー（溶接棒）を用いるアーク溶接等で接合する。すなわち、異なる金属材料及びフィラーの溶融によりＣｒ含有値が希釈した溶接ビードＢ２は、各部材６１，５２間に介挿された中間部材６８を突き抜けたとしても内側管部材６１内に留められ、耐食性の劣る溶接ビードＢ２が内側管部材６１の内周面に露出することを効果的に防止できるようになっている。これにより、管接合部の耐久性を効果的に向上することが可能になる。

また、管接合部を内側管部材６１、中間部材６８及び、外側管部材５２の三層構造とすることで、構造上の強度も効果的に向上することが可能になる。

これら接合方法のステップとしては、図５に示すように、内側管部材６１及び、中間部材６８をノンフィラー溶接で接合する第１工程（Ｓ１００）と、中間部材６８及び、外側管部材５２を、フィラー（溶接棒）を用いるアーク溶接等で接合する第２工程（Ｓ１１０）とを順に行ってもよい。内側管部材６１及び、中間部材６８を予め溶接した後に、外側管部材５２を溶接すれば、中間部材６８を追加する前の仕様と同じ工程で溶接でき、作業性の効率を図ることができる。

［その他］
なお、本開示は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、尿素水から生成される腐食性物質が付着しうる管接合構造であれば、図６に示すように、尿素水インジェクタ３５を設けた排気管８０と、ＳＣＲ触媒４８を収容するケーシング８１との管接合構造に本開示を適用することも可能である。この場合も、排気管８０の下流端外周とケーシング８１の上流端内周との間に、本開示の中間部材６８を介挿すればよい。

また、内側管部材６１、中間部材６８及び、外側管部材５２を形成する金属材料は、上記実施形態に限定されず、内側管部材６１及び、中間部材６８が同じ金属材料、外側管部材５２が異なる金属材料であれば、他の材料を適宜に適用することが可能である。

また、中間部材６８は、略円環状又は円筒状でなくともよく、内側管部材６１の外周面や外側管部材５２の内周面に沿う曲面を有する板部材であってもよく、周方向に複数並べて設けられても良い。

また、本開示の適用は、エンジン１０の排気系に限定されず、腐食性物質に曝される管接合構造であれば、吸気系やＥＧＲ（排気再循環）系のダクトの接合にも広く適用することが可能である。

１０ エンジン
２０ 排気後処理装置
３０ 尿素水噴射装置
３５ 尿素水インジェクタ
４１ 後段ケーシング
４８ ＳＣＲ触媒（還元触媒）
５０ ミキサーチャンバ
５１ 第１チャンバ
５２ 第２チャンバ（外側管部材）
５７ 第２フランジ部
６０ 接続排気管
６１ 第１接続排気管（内側管部材）
６４ 開口部
６８ 中間部材

Claims (4)

1. 所定の金属材料で形成された内側管部材と、前記金属材料とは異なる金属材料で前記内側管部材よりも管内径を大径に形成されており、前記内側管部材の外周の少なくとも一部を囲む外側管部材と、前記内側管部材と前記外側管部材との間に介挿されると共に、前記金属材料と同じ金属材料で形成された中間部材とを接合するにあたり、
   前記外側管部材と前記中間部材とを溶接接合し、前記内側管部材と前記中間部材とを溶加材を用いない溶接で接合する
   ことを特徴とする管接合方法。
2. 前記内側管部材、前記中間部材、前記外側管部材がステンレス鋼で形成されており、
   前記内側管部材及び前記中間部材が、前記外側管部材よりも部材中に含まれるＣｒの質量％が高い
   請求項１に記載の管接合方法。
3. 前記内側管部材は、排気を流通させる排気管であり、
   前記内側管部材の管軸方向の一端部には、前記内側管部材の管内に尿素水を噴射するインジェクタが設けられており、
   前記中間部材は、前記内側管部材の外周面のうち、その内周側に前記インジェクタから噴射される尿素水が付着する部分に接合される
   請求項１又は２に記載の管接合方法。
4. 請求項１から３の何れか一項に記載の管接合方法により接合されたことを特徴とする管接合構造。

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