JP6154421B2 - 排気管の構造 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気系を構成する排気管の構造に関する。

従来、延びる方向が互いに異なる複数の排気管同士を連結することにより排気系のコンパクト化を図る構成が知られている。

特許文献１の図４には、第一の方向に沿って延びる第一排気管（特許文献１では第一のケーシングと称している）と、この第一排気管よりも排気ガス流れ方向の下流側に位置し且つ前記第一の方向に対して直交する第二の方向に沿って延びる第二排気管（特許文献１では第二のケーシングと称している）とを連結部材（特許文献１では連絡流路と称している）によって連結した構成が開示されている。また、これら排気管の内部にはＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）や選択還元型触媒が配設されている。

特開２０１３−１８５５２９号公報

ところで、排気系を更にコンパクト化する構成として、図９に模式的に示すように、第一排気管１００の下流端部分に対して第二排気管２００の上流端部分を差し込むように（第一排気管１００が延びる方向から見て第一排気管１００と第二排気管２００とが重なるように）、これら排気管同士を連結する構成が考えられる。つまり、この差し込み寸法分（図９における寸法ｔ）だけ排気系を更にコンパクト化することが可能になる（例えば図９における左右方向が車幅方向であった場合には、排気系の車幅方向の寸法を短縮化することが可能になる）。なお、この図９に示すものにあっては、第一排気管１００の内部にＮＳＲ（ＮＯｘ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）触媒１０１が、第二排気管２００の内部にＤＰＦ２０１がそれぞれ配設されている。

しかしながら、この場合、第一排気管１００と第二排気管２００との連結部分における排気ガス流通面積（図９におけるｓ部分での排気ガス流通面積）が、前記差し込み寸法分だけ縮小されてしまうことになる。このため、単に、第一排気管１００の下流端部分に対して第二排気管２００の上流端部分を差し込むように排気管同士を連結する構成とするのみでは、この連結部分での排気ガスの排出性能が悪化し、排気管内の圧力上昇を招いてしまう可能性がある。

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、延びる方向が互いに異なる複数の排気管同士を連結する排気管の構成に対し、これら排気管同士の連結部分での排気ガスの圧力上昇を抑制できる構成を提供することにある。

前記の目的を達成するための本発明の解決手段は、第一の方向に沿って延びる第一排気管と、この第一排気管よりも排気ガス流れ方向の下流側に位置し且つ前記第一の方向に対して交差する第二の方向に沿って延びる第二排気管と、前記第一排気管と前記第二排気管とが前記第一の方向から見て重なるように、これら排気管同士を連結する連結部材とを備えさせる。また、前記連結部材に、前記第一排気管の内部と前記第二排気管の内部とを連通させる開口と、前記第一の方向から見て前記開口に隣接し且つ前記第一排気管と前記第二排気管とが前記第一の方向から見て重なる領域に対応して形成された底板部とを備えさせる。そして、前記底板部において前記第一排気管の内部側に向いている面に、この底板部の外縁部に沿って前記開口に向かって延びる溝を形成している。

この特定事項により、第一排気管から連結部材に流れ込んだ排気ガスの一部は、この連結部材の底板部に形成された溝に沿って流れ、この溝から開口を経て第二排気管の内部に流れ込むことになる。つまり、この溝によって排気ガスの流れがガイドされることで、第一排気管と第二排気管とが重なるように連結されていても、この連結部分での排気ガスの排出性能が良好に確保され、この連結部分において排気ガスの圧力が上昇してしまうことを抑制できる。

また、前記第一排気管の内部に第一の排気浄化装置を配設する一方、前記第一の方向から見て前記第一排気管と前記第二排気管とが重なる領域における前記第二排気管の内部に第二の排気浄化装置を位置させることが好ましい。

これにより、第一の方向から見て第一排気管と第二排気管とが重なる領域における第二排気管の内部を第二の排気浄化装置の配設スペースとして有効利用できると共に、複数の排気浄化装置を配設することによる排気浄化性能の向上を図ることができる。

前記連結部材をステンレスのロストワックス鋳造により成形することが好ましい。

これによれば、連結部材の形状の自由度を高めることができると共に、耐食性の向上を図ることができる。

本発明では、延びる方向が互いに異なる第一排気管と第二排気管とが重なるように連結部材によって連結すると共に、連結部材の底板部に、排気ガスの流れをガイドする溝を形成している。これにより、排気系のコンパクト化を図りながらも、連結部分において排気ガスの圧力が上昇してしまうことを抑制できる。

マニバータおよびその周辺を含む排気系を車両の後方から見た図である。 図１におけるII矢視図である。 図１におけるIII矢視図である。 連結部材を示す正面図である。 連結部材を示す平面図である。 第一排気管と第二排気管とが重なる領域を説明するための図である。 図５におけるVII−VII線に沿った断面図である。 連結部材による排気管連結部分を示す断面図である。 第一排気管の下流端部分に第二排気管の上流端部分を差し込んだ構成の概略を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、車両に搭載されたディーゼルエンジン（内燃機関）の排気系に本発明を適用した場合について説明する。

−排気系の概略構成−
図１はマニバータおよびその周辺を含む排気系の一部を車両の後方から見た図である。図２は図１におけるII矢視図（上方から見た図）である。図３は図１におけるIII矢視図（車両の右側から見た図）である。

これらの図に示すように、排気系は、排気ガス流れ方向の上流側から下流側に亘って、マニホールド接続配管１、第一マニバータ２、連結部材３、第二マニバータ４が順に配置されている。

（マニホールド接続配管）
マニホールド接続配管１は、ステンレス製であって、図示しない排気マニホールドと第一マニバータ２とを連結する配管である。このマニホールド接続配管１は、排気ガス流れ方向の上流部分が略水平方向（車幅方向）に延び、排気ガス流れ方向の下流部分が略鉛直方向（より具体的には、鉛直方向に対して所定の傾斜角度（例えば１５°程度）だけ傾斜する方向）に延びるように湾曲されている。

このマニホールド接続配管１における排気ガス流れ方向の上流端部にはフランジ１１が設けられている。このフランジ１１が図示しない排気マニホールドに接続される。なお、ターボチャージャを搭載したエンジンの場合には、このフランジ１１が図示しないターボチャージャのタービンハウジングに接続されることになる。

（第一マニバータ）
第一マニバータ２は、略円筒形状の第一排気管２１と、この第一排気管２１の内部に収容されたＮＳＲ触媒（図１における破線を参照）２２とを備えている。

第一排気管２１は、ステンレス製であって、前記マニホールド接続配管１における排気ガス流れ方向の下流部分が延びる方向に沿って延びている。この第一排気管２１が延びる方向（第一排気管２１の中心線Ｏ１（図１を参照）に沿う方向）が本発明でいう第一の方向に相当する。

また、この第一排気管２１は、排気ガス流れ方向の上流端部の外径寸法が、前記マニホールド接続配管１における排気ガス流れ方向の下流端部の内径寸法に略一致している。この第一排気管２１における排気ガス流れ方向の上流端部が、前記マニホールド接続配管１における排気ガス流れ方向の下流端部に挿入され、この挿入部分においてマニホールド接続配管１と第一排気管２１とが溶接等の手段によって接合されている。なお、第一排気管２１の外周面の複数箇所には、第一マニバータ２を車両のボディ等に固定するための図示しない複数のブラケットが取り付けられている。

ＮＳＲ触媒２２（本発明でいう第一の排気浄化装置）は、第一マニバータ２に流入する排気ガスの酸素濃度が高いときには排気中のＮＯｘを吸蔵し、第一マニバータ２に流入する排気ガスの酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときには吸蔵していたＮＯｘを還元する。これにより、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを浄化できるようになっている。

（第二マニバータ）
本実施形態の特徴とする部材である連結部材３について説明する前に前記第二マニバータ４について説明する。

第二マニバータ４は、排気管ユニット４１と、この排気管ユニット４１の内部に収容されたＮＳＲ触媒４２およびＤＰＦ４３（それぞれ図１における破線を参照）とを備えている。

排気管ユニット４１は、それぞれステンレス製の第二排気管４４、第一サイドカバー４５、および、第二サイドカバー４６を備えている。

第二排気管４４は、略水平方向（車幅方向）に延びる円筒形状の配管である。この第二排気管４４が延びる方向（略水平方向）が本発明でいう第二の方向に相当する。つまり、この第二排気管４４は、前記第一の方向に対して交差する第二の方向に沿って延びている。

この第二排気管４４の外径寸法は、前記第一マニバータ２の第一排気管２１の外径寸法よりも大きく設定されている。また、この第二排気管４４の内部に収容されているＮＳＲ触媒（本発明でいう第二の排気浄化装置）４２は、同じく第二排気管４４の内部に収容されているＤＰＦ４３よりも排気ガス流れ方向の上流側に配置されている。

この第二排気管４４の内部に収容されているＮＳＲ触媒４２は、前記第一マニバータ２に備えられているＮＳＲ触媒２２よりも大型のものとなっている。また、その機能は、第一マニバータ２に備えられているＮＳＲ触媒２２と同じである。また、ＤＰＦ４３は、例えば多孔質セラミックス構造体から成り、排気ガスが多孔質の壁を通過する際に、この排気ガス中に含まれるＰＭ（Ｐａｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ：粒子状物質）を捕集するようになっている。

この第二排気管４４の特徴として、この第二排気管４４における排気ガス流れ方向の上流端部は、前記第一排気管２１とオーバラップしている。つまり、第一排気管２１が延びる方向から見た場合（前記第一の方向から見た場合）に、第一排気管２１と、第二排気管４４における排気ガス流れ方向の上流端部とが重なっている。より具体的には、第一排気管２１の中心線Ｏ１が第二排気管４４の外周面と交差するように、これら排気管２１，４４同士が重なっている（前記第一の方向から見て重なっている）。また、前記ＮＳＲ触媒４２は、第二排気管４４の内部において、その排気ガス流れ方向の上流端部に収容されている。このため、第一排気管２１の中心線Ｏ１は、このＮＳＲ触媒４２の外周面にも交差している。つまり、このＮＳＲ触媒４２の一部は、前記第一の方向から見て第一排気管２１と第二排気管４４とが重なる領域における第二排気管４４の内部に配設されている。

なお、第二排気管４４の外周面の複数箇所には、第二マニバータ４を車両のボディ等に固定するための図示しない複数のブラケットが取り付けられている。

第一サイドカバー４５は、後述する連結部材３と第二排気管４４との間に亘って配設され、これら連結部材３および第二排気管４４との間で排気ガスの流通空間を形成するものである。この第一サイドカバー４５と連結部材３および第二排気管４４との接合構造については後述する。

第二サイドカバー４６は、前記第二排気管４４における排気ガス流れ方向の下流端部分の開口を覆っている。また、この第二サイドカバー４６には、排気管接続部４６ａ（図２および図３を参照）が設けられており、この排気管接続部４６ａに下流側排気管５が接続されている。この下流側排気管５は、排気管接続部４６ａから車幅方向（図１における右方向）に沿って延びた後、車両後方に向けて屈曲している。

（連結部材）
次に、連結部材３について説明する。

連結部材３は、ステンレス製であって、前記第一マニバータ２の第一排気管２１と、第二マニバータ４の排気管ユニット４１とを連結する部材である。また、この連結部材３は、ステンレスのロストワックス鋳造により成形されている。

このロストワックス鋳造の一例について説明すると、まず、金型にろう（ワックス）を流し込み、ろう製の模型を作成して、その模型にコーティングを施し十分に乾燥させて鋳型を作製する。この鋳型に熱を加えることにより、コーティングされた中のろうを溶解、流出させることにより空洞を作り、これを焼成炉で焼き固めて鋳型を作製する。完成した鋳型に溶解金属を注入して冷却することで鋳物製品（前記連結部材３）を作製する。

図４は連結部材３を示す正面図（図１と同じく車両後方から見た図）である。図５は連結部材３を示す平面図（前記第一の方向から見た図）である。図７は図５におけるVII−VII線に沿った断面図である。図８は連結部材３による排気管連結部分を示す断面図である。

これらの図に示すように連結部材３は、第一排気管接合部３１、縦壁部３２、および、底板部３３を備えている。

第一排気管接合部３１は、高さ寸法が比較的短い略円筒形状の部分であって、その内径寸法が、前記第一排気管２１における排気ガス流れ方向の下流端部の外径寸法に略一致している。この第一排気管２１における排気ガス流れ方向の下流端部が、第一排気管接合部３１の内部に挿入され、この挿入部分において第一排気管２１と連結部材３（第一排気管接合部３１）とが溶接等の手段によって接合されている。

縦壁部３２は、前記第一排気管接合部３１の下側に連続し、車両前方側に位置する前側縦壁部３２ａ（図５を参照）と、車両後方側に位置する後側縦壁部３２ｂ（図１および図５を参照）とを備えている。これら前側縦壁部３２ａおよび後側縦壁部３２ｂの内側面（連結部材３と第二排気管４４とが接合された状態において、この第二排気管４４の外周面に対向する内側面；図７では、前側縦壁部３２ａの内側面を符号３２ｅで示している）は、第二排気管４４の外周面に沿う形状となっている。これら前側縦壁部３２ａおよび後側縦壁部３２ｂの内側面３２ｅが第二排気管４４の外周面に重ね合わされ、この重ね合わせ部分において連結部材３（連結部材３の各縦壁部３２ａ，３２ｂ）と第二排気管４４とが溶接等の手段によって接合されている。

また、図４に示すように、縦壁部３２は、車両右側には形成されていない。つまり、前記第一排気管接合部３１において車両右側に位置している部分の下端縁（図４における下端縁３１ａ）よりも下側部分は車両右側に開放されている。つまり、この下端縁３１ａよりも下側の部分は車両右側に向けて開放された開口３４となっている。この開口３４は、連結部材３に流入した排気ガスを、第二マニバータ４に向けて流すための空間として利用されるものである。つまり、この開口３４は、第一排気管２１の内部と第二排気管４４の内部とを連通させるものである。

また、前記前側縦壁部３２ａおよび後側縦壁部３２ｂにおける前記開口３４寄りの端縁部分は、第二マニバータ４の第一サイドカバー４５が接合される略平坦な外面を有する接合部３２ｃ，３２ｄとして形成されている。

図５に示すように、底板部３３は、前記第一排気管接合部３１の内側空間に位置し、前記第二排気管４４（図５では仮想線で示している）における排気ガス流れ方向の上流端部の外周面に沿う形状の板材で構成されている。具体的に、この底板部３３は、図５に示すように、前記第一の方向から見て前記開口３４に隣接し且つ第一排気管２１と第二排気管４４とが重なる領域に対応した形状の板材で構成されている。このため、この底板部３３は、前記開口３４に臨む端縁３３ａと、前記第一排気管接合部３１の内面に繋がる略円弧形状の外縁３３ｂとを備えた形状となっている。

ここで「第一排気管２１と第二排気管４４とが重なる領域」とは、図６（前記第一の方向から見た第一排気管２１と第二排気管４４とを示し、連結部材３を仮想線で示す図）に示す破線の斜線を付した領域である。前記底板部３３は、この領域の形状に略一致した形状となっている。

また、図１および図８に示すように、また、図４および図５において第二排気管４４を仮想線で示すように、連結部材３と第二排気管４４とが接合された状態において、底板部３３は、第二排気管４４の上面に重ね合わされ、この重ね合わせ部分においても、連結部材３と第二排気管４４とが接合されている。

また、図８に示すように、第二排気管４４と連結部材３とに亘って前記第一サイドカバー４５が接合されている。具体的に、この第一サイドカバー４５が、前記連結部材３の開口３４および第二排気管４４における排気ガス流れ方向の上流端部分の開口を覆っている。この第一サイドカバー４５は、その外縁部が、前記連結部材３の第一排気管接合部３１、各縦壁部３２ａ，３２ｂ（これら縦壁部３２ａ，３２ｂに形成された前記接合部３２ｃ，３２ｄ）、および、第二排気管４４における排気ガス流れ方向の上流端部分の開口縁部に亘って重ね合わされ、この重ね合わせ部分が溶接等の手段によって接合されている。これにより、連結部材３の内部空間と第二排気管４４の内部空間とは、連結部材３の開口３４と第一サイドカバー４５との間で形成されている空間を介して連通している。

連結部材３の特徴として、図５および図７に示すように、連結部材３における底板部３３には、この底板部３３の外縁部分（前記外縁３３ｂ）に沿って前記開口３４に向かって延びる溝３５が形成されている。

具体的に、底板部３３の外縁部分、つまり、この底板部３３において、第一排気管接合部３１の内面に繋がる略円弧形状の外縁３３ｂに沿う領域にあっては、その他の領域よりも下側に凹陥されており、この凹陥された部分が溝３５として形成されている。つまり、図７に示す断面位置での溝３５の断面形状が、底板部３３の上面（第一排気管２１の内部側に向いている面）に沿って開口３４まで延びている（図５を参照）。

このように底板部３３には溝３５が形成されているため、第一マニバータ２の第一排気管２１から連結部材３の内部に流れ込んだ排気ガスの一部は、この溝３５に沿って流れ（溝３５によって流れがガイドされ）、この溝３５の開放端（前記開口３４に臨む部分）から開口３４を経て第二マニバータ４に流れ込む構成となっている。

以上のようにして本発明に係る排気管構造は成っている。

（排気ガスの流れ）
次に、エンジンの運転時における排気ガスの流れについて説明する。

エンジンから排出された排気ガスは、排気マニホールドおよびマニホールド接続配管１を経て第一マニバータ２に流れ込む。この第一マニバータ２に流れ込んだ排気ガスは、ＮＳＲ触媒２２によって浄化された後、連結部材３に流れ込む。

この連結部材３に流れ込んだ排気ガスのうち、この連結部材３の内部において車両の比較的右寄りを流れる排気ガスは、前記第一排気管２１の中心線Ｏ１に沿い（前記第一の方向に沿い）この連結部材３の内部を開口３４に向かって流れることになる。このため、この排気ガスは、図７および図８に矢印Ａで示すように、そのまま開口３４を通過して第二マニバータ４に向かって流れる。つまり、連結部材３の内部を下向きに流れた後、開口３４を通過し、第一サイドカバー４５の内面形状に沿って、流れ方向が水平方向（車両左側方向）に変更されて、ＮＳＲ触媒４２およびＤＰＦ４３に向かう流れとなる。

一方、連結部材３に流れ込んだ排気ガスのうち、底板部３３に向かって流れる排気ガスの一部は、図５および図８に矢印Ｂで示すように、この底板部３３に沿って前記溝３５に流れ込むことになる。前述したように、この溝３５は、底板部３３の外縁部分に沿って延びている。つまり、この溝３５は開口３４に向かって円弧形状となっている。このため、この溝３５に沿って流れた排気ガスは、図５に矢印Ｃおよび矢印Ｄで示すように、連結部材３の第一排気管接合部３１の中心線を中心とする円弧形状の流れとなる。そして、この排気ガスは、溝３５の開放端（前記開口３４に臨む部分）から開口３４に流れ込み、円弧形状の流れとなって（図５に示すように前記第一の方向から見て円弧形状の流れとなって）第二マニバータ４に流れ込むことになる。

具体的に、溝３５のうち車両前側部分（図５における上側部分）を流れた排気ガスは、図５、図７および図８に矢印Ｅで示すように、この溝３５の開放端（開口３４に臨む部分）から開口３４を経て第二排気管４４の後側の内面（車両後側に位置する内面）に沿うように、この第二排気管４４の内部に流れ込む（図５中の矢印Ｅのうち破線部分、および、図７、図８中の矢印Ｅで示すように、底板部３３の下側に回り込んで第二排気管４４の内部に流れ込む）。一方、溝３５のうち車両後側部分（図５における下側部分）を流れた排気ガスは、図５に矢印Ｆで示すように、この溝３５の開放端（開口３４に臨む部分）から開口３４を経て第二排気管４４の前側の内面（車両前側に位置する内面）に沿うように、この第二排気管４４の内部に流れ込む（図５中の矢印Ｆのうち破線部分で示すように、底板部３３の下側に回り込んで第二排気管４４の内部に流れ込む）。このため、この開口３４から第二マニバータ４への排気ガスの流れ込みが円滑に行われ、排気ガスの排出性能が良好に確保されることになる。その結果、第一排気管２１と第二排気管４４との連結部分において排気ガスの圧力が上昇してしまうことが抑制される。

なお、第二マニバータ４に流れ込んだ排気ガスは、ＮＳＲ触媒４２によって浄化され、ＤＰＦ４３においてＰＭが捕集された後、大気中に放出される。

以上説明したように、本実施形態では、排気管２１，４４同士を重なるように連結することで排気系のコンパクト化を図りながらも、連結部材３の底板部３３に形成された溝３５に沿うように排気ガスを流すことにより、開口３４から第二マニバータ４への排気ガスの流れ込みを円滑に行うことができる。このため、排気ガスの排出性能が良好に確保され、第一排気管２１と第二排気管４４との連結部分において排気ガスの圧力が上昇してしまうことを抑制できる。その結果、エンジン性能を十分に発揮することが可能になる。また、前述したように、連結部材３から第二マニバータ４に流れ込む排気ガスは円弧形状の流れとなるため、排気ガスのミキシング性が向上し、排気ガスの流速や温度の偏りが解消されるため、これによっても排気ガスの排出性能を良好に確保できる。

また、本実施形態では、第一の方向から見て第一排気管２１と第二排気管４４とが重なる領域における第二排気管４４の内部にＮＳＲ触媒４２を配設しているため、この重なる部分をＮＳＲ触媒４２の配設スペースとして有効利用できると共に、複数のＮＳＲ触媒２２，４２を配設することによる排気浄化性能の向上を図ることができる。

また、本実施形態に係る連結部材３は、ステンレスのロストワックス鋳造により成形されたものであるので、その形状の自由度を高めることができると共に、耐食性の向上を図ることができる。

−他の実施形態−
以上説明した実施形態は、連結部材３をステンレスのロストワックス鋳造により成形した場合について説明した。連結部材３の材質および製法はこれに限定されるものではなく、適宜選択可能である。

また、前記実施形態では、車両に搭載されたディーゼルエンジンの排気系に本発明を適用した場合について説明した。本発明はこれに限らず、車両以外のものに搭載されたエンジンの排気系に適用することも可能である。また、ディーゼルエンジンの排気系に限らず、ガソリンエンジンの排気系にも本発明は適用可能である。

また、各マニバータ２，４に収容される排気浄化装置としては、前記実施形態のものには限定されない。例えば、選択型還元触媒（ＳＣＲ触媒）や三元触媒等を適用することも可能である。

本発明は、延びる方向が互いに異なる複数の排気管同士を連結部材によって連結して成る排気管構造に適用可能である。

２１ 第一排気管
２２ ＮＳＲ触媒（第一の排気浄化装置）
３ 連結部材
３３ 底板部
３４ 開口
３５ 溝
４２ ＮＳＲ触媒（第二の排気浄化装置）
４４ 第二排気管

Claims (3)

1. 第一の方向に沿って延びる第一排気管と、
   この第一排気管よりも排気ガス流れ方向の下流側に位置し且つ前記第一の方向に対して交差する第二の方向に沿って延びる第二排気管と、
   前記第一排気管と前記第二排気管とが前記第一の方向から見て重なるように、これら排気管同士を連結する連結部材と、
   を備え、
   前記連結部材は、前記第一排気管の内部と前記第二排気管の内部とを連通させる開口と、前記第一の方向から見て前記開口に隣接し且つ前記第一排気管と前記第二排気管とが前記第一の方向から見て重なる領域に対応して形成された底板部とを備えており、この底板部において前記第一排気管の内部側に向いている面には、この底板部の外縁部に沿って前記開口に向かって延びる溝が形成されていることを特徴とする排気管の構造。
2. 請求項１記載の排気管の構造において、
   前記第一排気管の内部には第一の排気浄化装置が配設されている一方、
   前記第一の方向から見て前記第一排気管と前記第二排気管とが重なる領域における前記第二排気管の内部には第二の排気浄化装置が位置していることを特徴とする排気管の構造。
3. 請求項１または２記載の排気管の構造において、
   前記連結部材は、ステンレスのロストワックス鋳造により成形されていることを特徴とする排気管の構造。

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