JP6589825B2

JP6589825B2 - 排気管構造

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Publication number: JP6589825B2
Application number: JP2016216247A
Authority: JP
Inventors: 一稔若月
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-11-04
Filing date: 2016-11-04
Publication date: 2019-10-16
Anticipated expiration: 2036-11-04
Also published as: CN108019268A; US20180128415A1; US10865930B2; CN108019268B; JP2018071521A

Description

本発明は、排気管構造に関する。

特許文献１には、エンジンの排気マニホルドから触媒コンバータまでの間の排気管を、外管と内管とを有する真空二重管で構成し、且つ、内管の一部を蛇腹管で形成した構造が開示されている。

特開１１−３６８５６号公報

外管と内管とを備え且つ外管と内管との間に真空層が形成された排気管では、真空層による断熱効果によって、内管を流通する排気ガスの温度低下が抑制される。これにより、排気ガスに含まれる水蒸気が凝縮しにくくなり、当該凝縮による凝縮水の発生が抑制される。

ここで、例えば、車両の高速走行時に高温の排気ガスが内管を流通すると、真空層による断熱効果によって、外管と内管との間で温度差が生じ、外管と内管との軸方向への熱伸びの差により、内管に圧縮荷重がかかる。内管の一部が蛇腹管で構成される構造では、当該圧縮荷重によって蛇腹管が軸方向に圧縮変形することで、外管と内管との軸方向への熱伸びの差を吸収する。

しかしながら、蛇腹管は、蛇腹状を有さない円筒状の円管よりも、曲げ方向のばね定数が低い性質を有するため、蛇腹管に圧縮荷重がかかった場合に、蛇腹管が曲げ方向に変形しやすい。蛇腹管が曲げ方向に変形して、真空層が形成された部分で蛇腹管が外管に接触すると、その接触部分で伝熱するため、真空層による断熱効果が低下する。また、蛇腹管が曲げ方向に変形して蛇腹管が破損すると、真空層の真空状態が維持できない場合がある。

本発明は、上記事実を考慮して、外管と内管とを備え且つ外管と内管との間に真空層が形成された排気管構造において、真空層による断熱効果を維持できる排気管構造を得ることが目的である。

請求項１に係る排気管構造は、車体から下側へ張り出した燃料タンクの下側に車両前後方向に沿って延びている外管と、前記外管の内部に前記外管の軸方向に沿って配置され、前記外管との間に真空層が形成され、ＰＣＣＰシェル形状を有する内管と、前端部が前記外管の後端部に接続されかつ前記内管と連通され、車両後方へ向かって上る上り勾配を有する接続管と、を備える。

請求項１に係る排気管構造によれば、外管は、車両前後方向に沿って延びている。内管は、外管の内部に外管の軸方向に沿って配置されている。

外管と内管との間には真空層が形成されている。この真空層による断熱効果によって、内管を流通する排気ガスの温度低下が抑制される。これにより、排気ガスに含まれる水蒸気が凝縮しにくくなり、当該凝縮による凝縮水の発生が抑制される。

ここで、例えば、車両の高速走行時に高温の排気ガスが内管を流通すると、真空層による断熱効果によって、外管と内管との間で温度差が生じ、外管と内管との軸方向への熱伸びの差により、内管に圧縮荷重がかかる。

そして、請求項１の構造では、内管がＰＣＣＰシェル形状を有している。ＰＣＣＰシェル形状を有する内管は、円筒状の内管に比べ、軸圧縮方向のばね定数が低い性質を有している。このため、内管に圧縮荷重がかかった場合に、内管が軸方向に圧縮変形しやすく、内管の軸方向への圧縮変形により、外管と内管との軸方向への熱伸びの差を吸収することができる。

さらに、ＰＣＣＰシェル形状を有する内管は、円筒状の内管に比べ、曲げ方向のばね定数が高い性質を有するため、内管に圧縮荷重がかかった場合でも、曲げ方向には変形しにくい。このため、内管が曲げ方向に変形することによる内管と外管との接触が生じにくく、当該接触による内管と外管との間での伝熱が抑制される。また、内管が曲げ方向に変形することによる内管の破損も生じにくく、真空層を真空状態に維持できる。

したがって、請求項１に係る排気管構造によれば、真空層による断熱効果を維持できる。

また、本発明によれば、外管は、車体から下側へ張り出した燃料タンクの下側に配置されている。この外管の後端部に前端部が接続されかつ内管と連通された接続管は、車両後方へ向かって上る上り勾配を有している。このため、内管で発生した凝縮水は、接続管へ流れにくく、内管に残留しやすい。

これに対して、外管と内管との間に形成された真空層による断熱効果によって、内管を流通する排気ガスの温度低下が抑制される。これにより、凝縮水が残留しやすい内管において、排気ガスに含まれる水蒸気の凝縮による凝縮水の発生が抑制される。

しかも、前述のように、ＰＣＣＰシェル形状を有する内管を用いることで、真空層による断熱効果が維持されるので、凝縮水が残留しやすい内管における凝縮水の発生が効果的に抑制される。これにより、凝縮水の残留による内管の流路面積の減少や内管の防錆性能の低下を抑制できる。
請求項２に係る排気管構造によれば、前記外管は、軸方向全長にわたって一定の外径を有している。

本発明は、上記構成としたので、真空層による断熱効果を維持できるという優れた効果を有する。

本実施形態に係る排気管構造を示す斜視図である。本実施形態に係る排気管構造を示す側面図である。本実施形態に係る二重管の側断面図である。本実施形態に係る二重管を軸方向に見た断面図であり、（Ａ）は図３の４Ａ−４Ａ線断面図、（Ｂ）は図３の４Ｂ−４Ｂ線断面図、（Ｃ）は図３の４Ｃ−４Ｃ線断面図、（Ｄ）は図３の４Ｄ−４Ｄ線断面図である。本実施形態に係る内管の一部の展開図である。変形例に係る内管の一部の展開図である。

以下に、本発明に係る実施形態の一例を図面に基づき説明する。なお、各図に適宜示される矢印ＲＲ、矢印ＵＰ及び矢印ＲＨは、それぞれ、車両後方側、車両上方側及び車両右方側を示している。また、以下では、車両の前後方向、車両の左右方向及び車両上下方向を、それぞれ、単に、前後、左右、上下という場合がある。

また、以下の説明で用いる「車両側面視」とは、車両幅方向の一方側から他方側へ向けて見た場合をいい、構成部品の一部を透視して見た場合が含まれる。

（排気管構造１０）
まず、本実施形態に係る排気管構造１０について説明する。

図１及び図２は、それぞれ、排気管構造１０を示す斜視図及び側面図である。図１及び、図２を含む各図では、本実施形態に係る排気管構造１０を理解しやすくするため、構造を簡略化して図示している。

排気管構造１０は、エンジン（図示省略）から排出された排気ガスを大気（車両の外）へ排出するための管構造である。具体的には、排気管構造１０は、図１に示されるように、第一排気管１１と、第二排気管２０と、メインマフラ４０と、排出管５０と、を有している。

第一排気管１１は、図１に示されるように、車両前後方向に沿って延びている管で構成されている。第一排気管１１の前端部は、エンジン（図示省略）に接続されている。これにより、当該エンジンからの排気ガスが、第一排気管１１の前端部から流入し、車両後方側へ（第一排気管１１の後端部へ）流通する。

第一排気管１１には、触媒コンバータ１４と、排熱回収器１６と、サブマフラ１８とが、この順で車両前方側から配置されている。触媒コンバータ１４は、触媒コンバータ１４を通過する排気ガスから特定の物質を除去し、排気ガスを浄化する機能を有している。

排熱回収器１６は、水などの熱媒体との間で熱交換することで排気ガスの熱を回収し、その熱を再利用する機能を有している。サブマフラ１８は、排気ガスの排気音を低減する機能を有している。

第二排気管２０は、図１に示されるように、車両前後方向に沿って延びている管で構成されている。第二排気管２０の前端部は、第一排気管１１の後端部と連通している。これにより、第一排気管１１からの排気ガスが、第二排気管２０の前端部から流入し、車両後方側へ（第二排気管２０の後端部へ）流通する。なお、第二排気管２０の具体的な構成は後述する。

メインマフラ４０は、図２に示されるように、第二排気管２０に対する車両後方側且つ車両上方側に配置されている。このメインマフラ４０には、第二排気管２０の後端部が連通している。これにより、第二排気管２０からメインマフラ４０の内部に排気ガスが流入する。メインマフラ４０は、内部に流入した排気ガスの排気音を低減する機能を有している。

排出管５０は、メインマフラ４０から車両右側へ延出され、さらに車両後方側へ湾曲されている。そして、排出管５０は、メインマフラ４０から排気ガスを大気へ排出する。

（第二排気管２０の具体的な構成）
第二排気管２０は、具体的には、図２に示されるように、第二排気管２０の上流側部分を構成する上流管２５と、第二排気管２０の下流側部分を構成する下流管２７（接続管の一例）と、上流管２５と下流管２７との間に配置された二重管２２と、を有している。

上流管２５は、図２に示されるように、車両後方へ向かって下る下り勾配を有する傾斜部２５Ａと、車両前後方向に沿って延びている水平部２５Ｂと、を有している。傾斜部２５Ａの前端部が第一排気管１１の後端部に接続されることで、上流管２５が第一排気管１１と連通している。水平部２５Ｂの前端部は、傾斜部２５Ａの後端部と連通している。

下流管２７は、車両前後方向に沿って延びる水平部２７Ａと、車両後方へ向かって上る上り勾配を有する傾斜部２７Ｂと、を有している。水平部２７Ａの後端部は、傾斜部２７Ｂの前端部と連通している。傾斜部２７Ｂの後端部がメインマフラ４０に接続されることで、下流管２７がメインマフラ４０と連通している。

二重管２２は、車体１７（フロアパネル等）から下側に張り出した燃料タンク１９（張出部の一例）の下側に配置されるため、排気管構造１０の排気管における最下部分（最も下側に配置された部分）を構成している。このように、本実施形態では、車体１７（フロアパネル等）から下側に張り出す張出部の一例として、燃料タンク１９が車体１７に配置されている。

二重管２２は、具体的には、図３に示されるように、車両前後方向に沿って延びている外管６０と、外管６０の内部に外管６０の軸方向に沿って配置された内管７０と、を有している。

外管６０は、円筒状の円管で構成されており、前端部（一端部）が上流管２５における水平部２５Ｂの後端部に接続されており、上流管２５と内管７０とが連通されている。具体的には、水平部２５Ｂの後端部が外管６０の前端部に差し込まれて溶接等により接合されることで、外管６０と上流管２５とが接続されている。外管６０の後端部（他端部）は、下流管２７における水平部２７Ａの前端部に接続されており、下流管２７と内管７０とが連通されている。具体的には、水平部２７Ａの前端部が、外管６０の後端部に差し込まれて溶接等により接合されることで、外管６０と下流管２７が接続されている。

内管７０は、接合部７１、７９と、テーパ部７２、７８と、円筒部７３、７７と、多角形部７４、７６と、シェル形状部８０と、を有している。なお、内管７０は、左右対称に形成されている。また、以下の説明では、内管７０の軸方向両端部から軸方向中央部に向かう方向側を軸方向内側という場合がある。

接合部７１、７９は、内管７０の軸方向両端部を構成しており、円筒状に形成されている。この接合部７１、７９は、外周面が外管６０の内周面に溶接等により接合されている。なお、内管７０の軸方向長さが外管６０の軸方向長さよりも短くされており、外管６０の軸方向両端部が内管７０の軸方向両端部よりも外側に張り出した状態で、接合部７１、７９が外管６０に接合されている。

テーパ部７２、７８は、接合部７１、７９における軸方向内側の端部から軸方向内側に向かって縮径されるテーパ形状に形成されている。これにより、テーパ部７２、７８は、内管７０の軸方向中央側にいくにつれて、徐々に、外管６０の内周面から遠ざかる。

円筒部７３、７７は、円筒状に形成されており（図４（Ａ）参照）、テーパ部７２、７８の軸方向内側の端部から軸方向内側に延びている。この円筒部７３、７７は、テーパ部７２、７８の軸方向内側の端部と略同一の外径を有している。また、円筒部７３、７７の外径は、外管６０の内径よりも小さくなっており、円筒部７３、７７の外周面が外管６０の内周面から離れている。

多角形部７４、７６は、それぞれ、円筒部７３、７７の軸方向内側の端部から軸方向内側に延びており、多角形部７４、７６の軸方向内側の端部がシェル形状部８０の軸方向一端部及び他端部に連続している。多角形部７４、７６は、多角形状（例えば、正十二角形）の筒体で形成されている（図４（Ｂ）参照）。具体的には、シェル形状部８０の軸方向両端部と同じ多角形状とされている（図４（Ｃ）参照）。また、多角形部７４、７６の外接円は、外管６０の内径よりも小さくなっており、多角形部７４、７６の外周面が外管６０の内周面から離れている。

シェル形状部８０は、ＰＣＣＰシェル形状に形成されている。このＰＣＣＰシェル（Pseudo-Cylindrical Concave Polyhedral Shell)形状は、所謂、疑似円筒凹多面体と称されるものであり、三角形状の平面を立体的に組み合わせることで形成されている。具体的には、図５（シェル形状部８０の一部を展開した展開図）に示されるように、シェル形状部８０は、隣接する三角形状の平面８２の面同士が一辺を共有し、三角形状の平面８２の面同士の一辺の山の稜線８２Ａ（実線で示す）または谷８２Ｂ（破線で示す）を形成するようにして凹凸状に連接される多面構造となっている。

ＰＣＣＰシェル形状の管は、円筒状の円管に比べ、軸圧縮方向のばね定数が低く、曲げ方向のばね定数が高い性質を有している。具体的には、ＰＣＣＰシェル形状の管における圧縮方向の耐荷重は、例えば、円筒状の円管における圧縮方向の耐荷重の１／４倍であり、ＰＣＣＰシェル形状の管における曲げ方向の耐荷重は、例えば、円筒状の円管における曲げ方向の耐荷重の２倍とされる。

なお、ＰＣＣＰシェル形状としては、図６に示されるように、台形状の平面を立体的に組み合わせることで形成してもよい。図６に示す構成では、接する台形状の平面１８２の面同士が一辺を共有し、台形形状の平面１８２の面同士の一辺の山の稜線１８２Ａ（実線で示す）または谷１８２Ｂ（破線で示す）を形成するようにして凹凸状に連接される多面構造となっている。

シェル形状部８０は、内管７０の軸方向の中央を含む部分を構成しており、接合部７１、７９、テーパ部７２、７８、円筒部７３、７７及び多角形部７４、７６よりも、軸方向長さが長くなっている。シェル形状部８０は、少なくとも、内管７０の軸方向長さの半分以上であって、外管６０の軸方向長さの半分以上の軸方向長さを有している。

また、シェル形状部８０の外接円は、シェル形状部８０の軸方向のいずれの部分においても、外管６０の内径よりも小さくなっており、シェル形状部８０の外周面が外管６０の内周面から離れている。

以上のように、内管７０は、接合部７１、７９を除く各部で外管６０と離れた状態で配置されており、内管７０と外管６０との間には、真空層９０が形成されている。真空層９０の内圧は、少なくとも、大気圧よりも低く、例えば、１０^３Ｐａ程度の圧力に設定される。なお、真空層９０が形成された部分では、内管７０と外管６０とは、非接触とされており、内管７０と外管６０とに接触して内管７０を支持する支持部材も配置されていない。

（排気管構造１０の作用効果）
次に、排気管構造１０の作用効果を説明する。

排気管構造１０によれば、エンジン（図示省略）から排出された排気ガスは、第一排気管１１、第二排気管２０、メインマフラ４０及び排出管５０を通じて、大気へ排出される（図１参照）。

この排気管構造１０では、図２に示されるように、第二排気管２０の二重管２２が、車体から下側に張り出した燃料タンク１９の下側に配置されるため、二重管２２は、排気管構造１０における排気管の最下部分（最も下側に配置された部分）を構成している。そして、二重管２２の外管６０の後端部に前端部が接続された下流管２７は、車両後方へ向かって上る上り勾配を有する傾斜部２７Ｂを有している。このため、内管７０で発生した凝縮水は、下流管２７へ流れにくく、内管７０に残留しやすい。

これに対して、排気管構造１０では、図３に示されるように、二重管２２の外管６０と内管７０との間に真空層９０が形成されている。この真空層９０による断熱効果によって、内管７０を流通する排気ガスの温度低下が抑制される。これにより、凝縮水が残留しやすい内管７０において、排気ガスに含まれる水蒸気が凝縮しにくくなり、当該凝縮による凝縮水の発生が抑制される。

ここで、例えば、車両の高速走行時に高温の排気ガスが内管７０を流通すると、真空層９０による断熱効果によって、外管６０と内管７０との間で温度差が生じ、外管６０と内管７０との軸方向への熱伸びの差により、内管７０に圧縮荷重がかかる。

そして、排気管構造１０では、内管７０のシェル形状部８０がＰＣＣＰシェル形状とされている。ＰＣＣＰシェル形状の管は、円筒状の円管に比べ、軸圧縮方向のばね定数が低い性質を有している。このため、内管７０に圧縮荷重がかかった場合に、シェル形状部８０が軸方向に圧縮変形しやすく、シェル形状部８０の軸方向への圧縮変形により、外管６０と内管７０との軸方向への熱伸びの差を吸収することができる。

ここで、シェル形状部８０がＰＣＣＰシェル形状に替えて蛇腹状とされた内管７０を用いる構造（比較例）では、本実施形態の内管７０と同様に、内管７０に圧縮荷重がかかった場合に、シェル形状部８０が軸方向に圧縮変形することで、外管６０と内管７０との軸方向への熱伸びの差を吸収することができる。

しかしながら、蛇腹管は円筒状の円管に比べ、曲げ方向のばね定数も低い性質を有するため、内管７０に圧縮荷重がかかった場合に、シェル形状部８０が曲げ方向に変形しやすい。シェル形状部８０が曲げ方向に変形して外管６０に接触すると、その接触部分で伝熱するため、真空層９０による断熱効果が低下する。また、シェル形状部８０が曲げ方向に変形してシェル形状部８０が破損すると、真空層９０の真空状態が維持できない場合がある。

これに対して、シェル形状部８０がＰＣＣＰシェル形状とされた内管７０は、円筒状の内管に比べ、曲げ方向のばね定数が高い性質を有するため、内管７０に圧縮荷重がかかった場合でも、曲げ方向には変形しにくい。このため、内管７０が曲げ方向に変形することによる内管７０と外管６０との接触が生じにくく、当該接触による内管７０と外管６０との間での伝熱が抑制される。また、内管７０が曲げ方向に変形することによる内管７０の破損も生じにくく、真空層９０を真空状態に維持できる。

したがって、排気管構造１０によれば、真空層９０による断熱効果を維持できる。また、内管７０と外管６０との接触が生じにくいので、内管７０と外管６０との間に内管７０を支持する支持部材を設けることなく、二重管２２（内管７０及び外管６０）の長さを長くすることができる。

前述のように、排気管構造１０によれば、真空層９０による断熱効果により、凝縮水が残留しやすい内管７０における凝縮水の発生を効果的に抑制できる。しかも、シェル形状部８０がＰＣＣＰシェル形状とされた内管７０を用いることで、真空層９０による断熱効果を維持できるので、凝縮水の残留による第二排気管２０の流路面積の減少や第二排気管２０の防錆性能の低下を効果的に抑制できる。

よって、第二排気管２０の流路面積の減少による圧力損失の上昇が抑制され、エンジン出力の低下などの影響が抑制される。また、第二排気管２０の防錆性能の低下を抑制することで、第二排気管２０の材料として、耐錆性の低い材料や板厚の薄い材料を用いることができる。

本発明は、上記の実施形態に限るものではなく、その主旨を逸脱しない範囲内において種々の変形、変更、改良が可能である。

本実施形態では、二重管２２は、排気管構造１０の排気管における最下部分（最も下側に配置された部分）に配置されていたが、これに限られない。例えば、第一排気管１１や、第二排気管２０における上流管２５や下流管２７などに、二重管２２を適用してもよい。

１０排気管構造
１７車体
１９燃料タンク（張出部の一例）
２７下流管（接続管の一例）
６０外管
７０内管
９０真空層

Claims

車体から下側へ張り出した燃料タンクの下側に車両前後方向に沿って延びている外管と、
前記外管の内部に前記外管の軸方向に沿って配置され、前記外管との間に真空層が形成され、ＰＣＣＰシェル形状を有する内管と、
前端部が前記外管の後端部に接続されかつ前記内管と連通され、車両後方へ向かって上る上り勾配を有する接続管と、
を備える排気管構造。
前記外管は、軸方向全長にわたって一定の外径を有している
請求項１に記載の排気管構造。