JP7472801B2

JP7472801B2 - 排気通路

Info

Publication number: JP7472801B2
Application number: JP2021006364A
Authority: JP
Inventors: 昌彦浅野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2021-01-19
Filing date: 2021-01-19
Publication date: 2024-04-23
Anticipated expiration: 2041-01-19
Also published as: US11585240B2; CN114810310A; JP2022110757A; US20220228508A1

Description

本発明は、排気通路の構造に関する。

内燃機関の排気管には、排ガス中の酸素濃度等を検出するためのセンサが設けられている。内燃機関の運転制御では、例えば検出された酸素濃度に応じて吸入空気量や燃料噴射量が調整されて、空燃比が制御される。
各気筒から出る排ガスは、エキゾーストマニホールドを経て一つの排気管に流入する。排ガスの流れは下流方向への指向性が高く、排気管断面内で偏りが生じやすいため、センサに到達するまでに撹拌するための機構を設けることが検討されている。

特許文献１には、流れる排気を冷却しつつ、均一な排気を形成する手法として、外側突出部と内側突出部を有する特定の排気管が開示されている。
特許文献２には、各気筒からの排気を偏りなく排気センサに当てる手法として、排気センサよりも上流側に凸状の案内部を設けることが開示されている。
また特許文献３には、第１の排気管と第２の排気管との間に孔を備えた突出部を設けることが開示されている。特許文献３によれば、排気が当該突出部近傍を通過するときに乱流となって、排気が拡散されると記載されている。

特開２０１６－１４２１４５号公報特開２０１８－１９３９５５号公報特開２０１４－１２６００９号公報

排気管を流れるガスは８００℃を超える高温となる場合がある。特許文献３の突出部を有する排気管に高温のガスが流れると、突出部は図９の例に示される通り、先端ほど排熱されにくく高温となる。このとき突出部の根本と先端の温度差が大きくなり、図１０に示される通り、一部に大きな熱応力がかかる。その結果、突出部の変形や破断の恐れがあった。

本発明はこのような問題を解決するものであり、ガスからの受熱を抑制し、耐熱信頼性の高い突出部を備える排気通路を提供するものである。

本実施の排気通路は、
排気管と、
前記排気管の内面に円周方向の一部の範囲で連続して設けられ、前記排気管の延在方向に傾き排気管の下流側ほど断面積が小さくなる突出部と、を備える排気通路であって、
前記突出部の内側表面に凸部を有する。

上記排気通路の一実施形態は、
前記凸部が、線状の凸部であって、
前記凸部が前記延在方向に間隔を置いて設けられている。

上記排気通路の一実施形態は、
前記凸部が、突出部に熱応力がかかる部分に設けられている。

上記排気通路の一実施形態は、
前記凸部が、千鳥状に設けられている。

本発明により、ガスからの受熱を抑制し、耐熱信頼性の高い突出部を備える排気通路が提供される。

本開示の排気通路の一例を示す模式図である。突出部の一例を示す模式的な斜視図である。ガスの流れを説明するために用いる模式図である。第１実施形態の排気通路の突出部の一例を示す模式的な上面図及び側面図である。第１実施形態におけるガスの流れを説明するために用いる模式図である。第２実施形態の排気通路の突出部の一例を示す模式的な下面図である。図６のＡ－Ａ断面図である。第３実施形態の排気通路の突出部の一例を示す模式的な上面図及び側面図である。関連技術の突出部の温度を示す図である。関連技術の突出部にかかる熱応力の大きさを示す図である。

以下、実施の形態を通じて本発明を説明するが、特許請求の範囲に係る発明を以下の実施形態に限定するものではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化している。なお、本明細書においては、排気管の軸方向（延在方向）の下流向きにＸ軸をとり、Ｘ軸に垂直な面をＹＺ面（単に断面ともいう）とする。

図１の例に示す排気通路１０は、内燃機関用に好適に用いられる排気通路であって、排気管１１（１１Ａ，１１Ｂ）と、突出部２０とを備え、突出部２０の内側表面に凸部２１を有する。
図２に示されるように、突出部２０は、排気管の中心軸方向に傾き、突出部２０の基端２３から先端２２にかけて先細りテーパ形状を有する。突出部の基端２３は排気管１１Ａと接続している。突出部２０と排気管１１Ａは溶接により接続していてもよく、一体成型されたものであってもよい。なお図２では凸部２１は省略している。
図１において排気管１１Ａは上流側で更に別の管（不図示）と接続していてもよい。また、排気管１１Ｂの下流側には空燃比センサ（不図示）が配置される。

図１において、ガス３１はＸ軸方向に流れている。ここで、突出部２０を有する排気経路においては排ガスの一部（３２）が突出部２０にあたり、当該突出部２０沿って流れる（３３）。突出部２０はテーパ形状であるため、下流に進むにしたがって一部のガス３４が突出部から外れて破線矢印の気流が発生する。この気流は突出部２０全域で連続的に生じて旋回流となり、突出部２０通過後においても管内全体でガスの撹拌が進む。その結果、ガスの面均一性が向上し、センサによる測定精度が向上する。また、本実施形態の排気通路は、突出部２０においても比較的開口部が大きく、また前述する旋回流が管内全体に広がるため、圧力損失の増加を抑制することができる。

排ガス３１は例えば８００℃を超える高温となる場合がある。図９は凸部２１を有しない突出部５１に８００℃のガスを流した際の突出部５１の温度を示している。基端５３は排気管１１に近く放熱がしやすく、先端５２は放熱できないことから、先端５２は基端５３に対して高温となり、先端５２から基端５３までの間で大きな温度勾配が発生する。その結果、図１０に示す通り、熱応力が発生し、基端５３付近に最大熱応力部５４が発生し熱変形や熱クリープ破断の原因となることがあった。

本排気通路は、突出部２０の内側表面に凸部２１を設けることで、上記の課題を解決した。図３の例に示す通り、ガス３５は直進性が高いため、破線矢印３６のような流れにはならず凸部２１より排気管の中心軸側を直進する。そのため、凸部２１を有する突出部２０では、高温のガスが入り込みにくい部分生じ、境界断熱層４０が形成される。その結果、突出部２０の基材への高温のガスの接触が抑制される。以上のことから、本排気通路は、ガスからの受熱を抑制し、耐熱信頼性の高い突出部を備える排気通路となる。
以下、好ましい実施形態について説明する。

＜第１実施形態＞
図４を参照して第１実施形態の排気通路を説明する。第１実施形態の排気通路１０は、排気管１１と、突出部２０とを備え、突出部２０の内側表面に凸部２１を有し、当該凸部２１が、線状の凸部（２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ）であって、前記凸部が延在方向に間隔を置いて設けられている。
図５に示すように凸部２１を複数設けることにより、ガスの流れ３５は凸部の頂点よりも中心軸側を直進するようになり、突出部の受熱がより抑制される。
複数ある凸部２１の間隔Ｌは一定であってもよく、各々異なっていてもよい。ガスが突出部２０の基材に直接触れにくい点から、凸部間隔Ｌは１０ｍｍ以下が好ましい。一方、凸部間隔Ｌの下限値は特に限定されないが、一例として１ｍｍ以上である。
また、凸部２１の高さＨは、カルマン渦による境界断熱層の剥離を抑制する点から２ｍｍ以上が好ましい。カルマン渦による境界断熱層の剥離を抑制することで境界断熱層４０が安定する。凸部２１の高さＨの上限は特に限定されないが、一例として１０ｍｍ以下である。
線状の凸部の形成方法は特に限定されないが、例えば溶接などにより容易に形成することができる。

＜第２実施形態＞
図６を参照して第２実施形態の排気通路を説明する。第２実施形態の排気通路１０は、排気管１１と、突出部２０とを備え、突出部２０の内側表面に凸部２１を有し、当該凸部２１が、突出部に熱応力がかかる部分に設けられている。
図７に示すように凸部２１を熱応力がかかる部分に設けることにより、（最大）熱応力部５４に高熱のガス３６が当たることを抑制することができる。
第２実施形態の凸部の形成方法は特に限定されないが、例えば曲げ加工などにより容易に形成することができる。

＜第３実施形態＞
図８を参照して第３実施形態の排気通路を説明する。第３実施形態の排気通路１０は、排気管１１と、突出部２０とを備え、突出部２０の内側表面に凸部２１Ｄ～２１Ｉを有し、当該凸部が、千鳥状に設けられている。
凸部を千鳥状に設けることにより、例えば、凸部２１Ｄと凸部２１Ｈのようにガス流れ方向３７に複数の凸部が配置される。当該凸部２１Ｄと凸部２１Ｈのようにガス流れ方向に凸部を複数設けることにより、第１実施形態と同様に、ガスは凸部の頂点よりも中心軸側を直進するようになり、突出部の受熱が抑制される。
ガス流れ方向の凸部間隔（例えば凸部２１Ｄと凸部２１Ｈの間隔）Ｌは１０ｍｍ以下が好ましい。一方、凸部間隔Ｌの下限値は特に限定されないが、一例として１ｍｍ以上である。
また、凸部２１の高さＨは、カルマン渦による境界断熱層の剥離を抑制する点から２ｍｍ以上が好ましい。カルマン渦による境界断熱層の剥離を抑制することで境界断熱層が安定する。凸部２１の高さＨの上限は特に限定されないが、一例として１０ｍｍ以下である。
千鳥状の凸部の形成方法は特に限定されないが、例えば基端側の一部を残すように基材を打ち抜き加工し、次いで曲げ成形することにより、形成することができる。

上記第１～第３実施形態の排気通路は、いずれも上述のとおり圧力損失を抑制しながら高い撹拌効果を有し、更に、ガスからの受熱を抑制し、耐熱信頼性の高い突出部を備えている。そのため、本排気通路は、例えば内燃機関の排気通路として好適に用いることができる。また本実施形態で用いる突出部は、１ピースで比較的単純な構造であるため、信頼性が高く、製造コストを抑えることもできる。

１０排気通路、１１（１１Ａ，１１Ｂ）排気管、２０突出部、２１凸部、２１Ａ～２１Ｃ線状凸部、２１Ｄ～２１Ｉ凸部、２２先端、２３基端、３１～３７ガスの流れ、４０境界断熱層、５１突出部、５２先端、５３基端、５４最大熱応力部５５関連技術の突出部の形状。

Claims

排気管と、
前記排気管の内面に円周方向の一部の範囲で連続して設けられ、前記排気管の延在方向に傾き排気管の下流側ほど断面積が小さくなる突出部と、を備える排気通路であって、
前記突出部の内側表面に凸部を有する、
排気通路。
前記凸部が、線状の凸部であって、
前記凸部が前記延在方向に間隔を置いて設けられている、
請求項１に記載の排気通路。
前記凸部が、突出部に熱応力がかかる部分に設けられている、
請求項１に記載の排気通路。
前記凸部が、千鳥状に設けられている、
請求項１に記載の排気通路。