(57)【要約】【課題】排気管の内径増加による、上限水位に至るまでの凝縮水の水量増加を抑制可能とする。【解決手段】排気管構造は、下流側屈曲部４０及び拡径部である二重管部３０を備える。下流側屈曲部４０は、排気管１０内で管内壁底部１４が最も低い位置に配置される最下点４２を含み、自身の上流及び下流にて生じた、排気から発生した凝縮水が流れ込む。拡径部である二重管部３０は、下流側屈曲部４０を除く領域に形成され、下流側屈曲部４０よりも流路断面積が大きい。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気管内で管内壁底部が最も低い位置に配置される最下点を含み、自身の上流及び下流にて生じた、排気から発生した凝縮水が流れ込む屈曲部と、
前記屈曲部を除く領域に形成され、前記屈曲部よりも流路断面積が大きい拡径部と、
を備える、排気管構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両の排気管構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両底面には排気管が車両前後方向に延設される。車両前方のエンジンコンパートメントに設けられた内燃機関から排出された排気は、排気管を経由して車両後方から排出される。
【０００３】
排気管の上流に設けられた触媒コンバータによって、排気中の炭化水素が分解（つまり浄化）され水（より正確には水蒸気）が発生する。この水蒸気が、排気管を流れる過程で徐々に冷やされて凝縮し、その凝縮水が排気管内に溜まる。
【０００４】
そこで例えば特許文献１では、排気管に下方に屈曲させた凹部を形成している。凹部は排気管の最下部を構成するものであって、排気管内で発生した凝縮水が排気管内壁を伝って凹部に流れ込む。
【０００５】
凹部は例えば霧吹きにおける絞りと原理的には同様の機能を備える。すなわち、凹部に凝縮水が流れ込むことで、凹部内の水位が上昇する。これに伴い凹部内の排気流路断面積が狭められる。排気流路断面積の縮小に伴い、排気の流速は増加する。このとき、ベルヌーイの定理に基づいて、排気が高速で流れる凹部において当該領域の圧力（いわゆる排圧）が低下する。圧力低下に伴って、凝縮水の水面が持ち上がり、その持ち上がった部分に後続の排気が当たると、凝縮水は霧状となって排気とともに下流に流れる。このような水面の持ち上がりが生じる排気流路断面積に至る凝縮水の水位（以下適宜、上限水位と記載する）に、排気管内の水位が保たれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１８−６５４０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、排気管の内径が大きくなるほど、上限水位に至るまでに要する凝縮水の水量（すなわち体積）は増加する。例えば排気管の騒音を抑制するために、内管と外管とを備える二重排気管が設けられる場合がある。この二重排気管では、内管及び外管の両者に、上流からの排気及び凝縮水が流入可能となっており、当該構造から、排気流路断面積は外管の内径に基づいたものとなる。したがって、外管の内径に応じて、上限水位に至るまでの凝縮水の水量が定められる。この二重排気管に凹部を設けると、単管の排気管と比較して、上限水位に至るまでの凝縮水の水量が増加するおそれがある。
【０００８】
そこで本発明は、排気管の内径増加による、上限水位に至るまでの凝縮水の水量増加を抑制可能な、排気管構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は排気管構造に関する。当該構造は、屈曲部及び拡径部を備える。屈曲部は、排気管内で管内壁底部が最も低い位置に配置される最下点を含み、自身の上流及び下流にて生じた、排気から発生した凝縮水が流れ込む。拡径部は、屈曲部を除く領域に形成され、屈曲部よりも流路断面積が大きい。
【００１０】
排気管内の凝縮水の大部分は屈曲部内の滞留水となる。その滞留水の上限水位は水面上方の排気の流路断面積に応じて定められる。仮に屈曲部において排気及び凝縮水の流路断面積が増加すれば、上限水位に至るまでの水量が増加する。上記排気管構造によれば、流路断面積が拡げられる拡径部を、屈曲部を除いた領域に形成していることから、排気管の内径増加による、上限水位に至るまでの凝縮水の水量増加を抑制可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、排気管の内径増加による、上限水位に至るまでの凝縮水の水量増加を抑制可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態に係る排気管構造を例示する側面図である。
【図２】排気管構造を例示する平面図である。
【図３】排気管構造を例示する側面図である。
【図４】二重排気管の上流側屈曲部周辺の構造を例示する側面断面図である。
【図５】二重排気管の上流端（言い換えると接続端）の構造を例示する斜視図である。
【図６】二重排気管の下流側屈曲部周辺の構造を例示する側面断面図である。
【図７】二重排気管の上流側屈曲部に凝縮水が溜まったときの例を示す側面断面図である。
【図８】二重排気管の下流側屈曲部に凝縮水が溜まったときの例を示す側面断面図である。
【図９】二重排気管に凝縮水が溜まったと仮定したときの水量Ｖ０を例示する側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１に、本実施形態に係る排気管構造が例示される。なお、図１−図９において、車体前後方向が記号ＦＲで表される軸で示され、車幅方向が記号ＲＷで表される軸で示され、車高方向が記号ＵＰで表される軸で示される。車体前後軸ＦＲは車体前方方向を正方向とする。車幅軸ＲＷは右幅方向を正方向とする。また車高軸ＵＰは上方向を正方向とする。これら３軸は互いに直交する。
【００１４】
図１には本実施形態に係る排気管構造を含む、排気機構の全体図が例示される。なお車体に対する排気管構造の位置を明確にするために、車両の側面輪郭が破線で例示される。本実施形態に係る排気管構造は、車体前方に内燃機関が搭載された車両に設けられる。
【００１５】
排気管構造を含む排気機構は、図示しない内燃機関から排出された排気を、車両後方まで送り出す。本実施形態に係る排気機構は、上流側から、エキゾーストマニホールド５０、触媒コンバータ５２、サブマフラー５４、排気管１０、及びメインマフラー５６を含んで構成される。
【００１６】
エキゾーストマニホールド５０は、多気筒の内燃機関から排出された排気を集合させる多岐管である。エキゾーストマニホールド５０を通過し集合された排気は触媒コンバータ５２に送られる。
【００１７】
触媒コンバータ５２は例えば三元触媒であってよい。触媒コンバータ５２では排気中に含まれる炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、酸化窒素（ＮＯｘ）等の有害物質が分解（すなわち浄化）される。具体的には、触媒コンバータ５２における触媒反応により、これらの有害物質は、水（Ｈ２Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ２）、窒素（Ｎ２）等に転化される。すなわち、触媒反応により、排気中には水蒸気が含まれる。後述するように、この水蒸気が凝縮して排気管１０中に溜まる。
【００１８】
触媒コンバータ５２の下流にはサブマフラー５４が設けられる。サブマフラー５４はメインマフラー５６では低減し切れない排気騒音を低減させるための補助消音器である。例えばサブマフラー５４は、メインマフラー５６とは消音対象の周波数成分が異なっていてもよい。例えばサブマフラー５４は、排気騒音のうち高周波成分を主に低減させる構造を備える。また、サブマフラー５４に排気熱回収器を設けて、回収した排気熱をヒーターや内燃機関の暖機に充ててもよい。
【００１９】
メインマフラー５６はサブマフラー５４とともに排気騒音を低減させるための消音器である。メインマフラー５６は、排気構造の後端（言い換えると下流端）に設けられ、排気管１０の下流端に接続される。
【００２０】
図２、図３を参照して、例えばメインマフラー５６は、いわゆる太鼓型のケーシングに複数本のマフラーパイプ（図示せず）が収容される。排気管１０の最下流部である下流側屈曲部４０の下流端は、マフラーパイプの上流端に接続される。また、マフラーパイプの下流端は、テールパイプ５８に接続され、テールパイプ５８から浄化済みの排気が排出される。
【００２１】
また、メインマフラー５６は、排気管１０に対して車体上方に配置される。例えばハイブリッド車両等の、環境負荷の低いいわゆるエコカーでは、そのコンセプトとの調和を図るために、排気系の露出を抑制するようなレイアウトが採用される。例えば図３に例示されるように、排気機構後端のメインマフラー５６は、排気管１０に対して車高方向上方に持ち上げられ、図１に例示されるように、リアバンパ８０の前方に配置される。
【００２２】
このように、メインマフラー５６が排気管１０に対して車体上方に配置されるために、排気管１０内には、排気から発生した凝縮水が溜まり易い構造となっている。そこで本実施形態に係る排気管構造では、上流側屈曲部２０及び下流側屈曲部４０を設けることで、排気管１０内の凝縮水の滞留抑制が図られる。
【００２３】
排気管１０は、サブマフラー５４とメインマフラー５６とを接続する。排気管１０は図１に例示される排気機構の全長のうち半分以上を占める長尺のパイプであり、例えばフロントシート下からラゲッジルーム下まで延設される。
【００２４】
排気管１０は例えばステンレス等の耐蝕性、耐熱性を備える材料から構成される。また、図２を参照して、排気管１０は車体底部の燃料タンク等の車両部品を避けるようにして、車幅方向に蛇行するように延設される。
【００２５】
また図１を参照して、排気機構に設けられた、エキゾーストマニホールド５０、触媒コンバータ５２、サブマフラー５４、及びメインマフラー５６のいずれに対しても、車両が水平状態にあるときには、排気管１０はこれらの機器よりも車高方向下方に位置するように設けられる。したがって、触媒コンバータ５２から排出された排気中の水蒸気が凝縮されると、その凝縮水は排気管１０に流れ込む構造となる。
【００２６】
図３を参照して、排気流路の上流から下流に向かって、言い換えると車体前方から後方に向かって順に、排気管１０は、接続フランジ１２、上流側屈曲部２０、二重管部３０（すなわち拡径部）、及び下流側屈曲部４０を備える。
【００２７】
接続フランジ１２は、上流側屈曲部２０の上流端に設けられ、サブマフラー５４に接続される。上流側屈曲部２０は、側面視で下に凸の弧状に形成される。図４を参照して、上流側屈曲部２０は、排気流路の上流から下流に向かって、上流部２４、底部２８、及び下流部２６を備える。なお、上流部２４、底部２８、及び下流部２６は、いずれも内径Ｒ１となるように形成される。
【００２８】
上流部２４は車体後方に行くほど下がる下り勾配となるように形成される。上流部２４の下流端は底部２８に接続される。底部２８は、車両が水平状態にあるときに、排気管１０内で管内壁底部１４が最も低い位置に配置される最下点２２を含む。例えば最下点２２から水平方向に延長された破線を参照して、最下点２２の上流側及び下流側と比較しても、最下点２２の車体上下方向位置が最も低いことが理解される。
【００２９】
特に、二重管部３０においては、上流側屈曲部２０よりも内径の大きい外管３１が設けられるが、この外管３１の管内壁底部３８よりも、最下点２２が低い位置に配置される。
【００３０】
底部２８の下流端には下流部２６が接続される。下流部２６は、車体後方に行くほど上がる上り勾配となるように形成される。下流部２６の下流端は二重管部３０の上流端に接続される。
【００３１】
上流側屈曲部２０の底部２８は、下り勾配の上流部２４及び上り勾配の下流部２６に挟まれる。したがって、上流部２４及び下流部２６にて生じた、ならびに、上流部２４より上流側及び下流部２６より下流側にて生じた、排気から発生した凝縮水は、底部２８に流れ込む。後述する図７のように、流入排気量一定のもとでは、底部２８（及び最下点２２）における水位Ｈ１は所定の上限水位に維持され、上限水位を越える分は排気によって下流に運ばれる。
【００３２】
図４を参照して、二重管部３０は排気管１０の拡径部であって、排気及び凝縮水の流路断面積が、上流側屈曲部２０及び下流側屈曲部４０よりも大きくなるように構成される。二重管部３０は、いわゆる共鳴二重管であってよく、排気騒音抑制のため、内管３５及び外管３１を備えた二重構造となっている。
【００３３】
内管３５の内径Ｒ２は、例えば上流側屈曲部２０の内径Ｒ１及び下流側屈曲部４０の内径Ｒ４（図６参照）と等しくなるように構成される。したがって上流側屈曲部２０から送られる排気の大部分が内管３５に流入し、これが下流側屈曲部４０に送り込まれる。内管３５に排気の大部分が流れ込むことで、内管３５から排気騒音が生じる。
【００３４】
例えば排気系内部の圧力変動や内燃機関の振動が加震源となり、内管３５が振動して騒音が発生する（排気放射音とも呼ばれる）。そこで、内管３５の外周を覆うようにして外管３１が設けられ、内管３５から放射された騒音は外管３１にてその伝達が遮断される。
【００３５】
図５には、二重管部３０の上流端の構造が例示される。なお、二重管部３０の下流端もこれと同様の構造であってよい。内管３５は、その上流端及び下流端にて外管３１に固定され、両端部を除く領域では内管３５の外周面と外管３１の内周面とは離間される。例えば外管３１と内管３５は、その上流端及び下流端を除いて平行となるように延設される。
【００３６】
例えば内管３５の上流端及び下流端は拡径され外管３１の内周面にかしめ固定される。拡径加工は例えばバルジ成形により行われる。例えば図５に例示されるように、内管３５の上流端は周方向に間隔を空けるようにして拡径され外管３１の内周面に当接してかしめられる当接部３９が形成される。
【００３７】
当接部３９は内管３５の上流端の周方向に沿って間隔を空けて複数形成されており、周方向に隣り合う当接部３９，３９間には間隙３７が生じる。図５に矢印にて示されるように、この間隙３７に凝縮水及び排気が入り込む。このことから、二重管部３０の流路断面積は、外管３１の内径Ｒ３（図４参照）に応じたものとなる。
【００３８】
上述したように、内管３５の内径Ｒ２は、上流側屈曲部２０の内径Ｒ１及び下流側屈曲部４０の内径Ｒ４（図６参照）と等しくなるように構成されている。したがって、内管３５に対して径方向に離間される外管３１の内径Ｒ３は、上流側屈曲部２０の内径Ｒ１及び下流側屈曲部４０の内径Ｒ４よりも大きくなる。つまり二重管部３０では、排気及び凝縮水の流路断面積（＝π（Ｒ３／２）２）が、上流側屈曲部２０及び下流側屈曲部４０の同流路断面積（＝π（Ｒ１／２）２、π（Ｒ４／２）２）よりも大きくなる。
【００３９】
後述するように、流路断面積の増加は、排気管１０における凝縮水の水量増加の原因となり得る。そこで本実施形態に係る排気管構造では、凝縮水の集水所となる上流側屈曲部２０及び下流側屈曲部４０を除いた領域に、当該屈曲部よりも流路断面積が大きい拡径部である二重管部３０を設けている。
【００４０】
図３を参照して、二重管部３０は上流側から順に上流部３４、水平部３２、及び下流部３６を備える。上流部３４は車体後方に行くほど上がる上り勾配となるように形成される。上流部３４の下流端は水平部３２に接続される。
【００４１】
水平部３２は、車両が水平状態にあるときに、水平に延設される。また車両が水平状態にあるときに、水平部３２は、上流部３４及び下流部３６よりもその管軸が車高方向上方となるように配置される。
【００４２】
水平部３２の下流端には下流部３６が接続される。下流部３６は、車体後方に行くほど下がる下り勾配となるように形成される。下流部３６の下流端は下流側屈曲部４０の上流端に接続される。
【００４３】
このように、二重管部３０は側面視で上に凸の形状であって、水平部３２にて発生した凝縮水は、上流部３４の内壁を伝って上流側屈曲部２０に流れ込み易い構造、及び、下流部３６の内壁を伝って下流側屈曲部４０に流れ込み易い構造となっている。
【００４４】
下流側屈曲部４０は、上流側屈曲部２０と同様にして、側面視で下に凸の弧状に形成される。図６を参照して、下流側屈曲部４０は、排気流路の上流から下流に向かって、上流部４４、底部４８、及び下流部４６を備える。なお、上流部４４、底部４８、及び下流部４６は、いずれも同一の内径Ｒ４であってよい。また内径Ｒ４は、上流側屈曲部２０の内径Ｒ１と等しくてもよい。
【００４５】
上流部４４は車体後方に行くほど下がる下り勾配となるように形成される。上流部４４の下流端は底部４８に接続される。底部４８は、車両が水平状態にあるときに、排気管１０内で管内壁底部１４が最も低い位置に配置される最下点４２を含む。例えば最下点４２から水平方向に延長された破線を参照して、最下点４２の上流側及び下流側と比較しても、最下点４２の車体上下方向位置が最も低いことが理解される。
【００４６】
特に、二重管部３０においては、上流側屈曲部２０よりも内径の大きい外管３１が設けられるが、この外管３１の管内壁底部３８よりも、最下点４２が低い位置に配置される。
【００４７】
なお、下流側屈曲部４０の最下点４２は、上流側屈曲部２０の最下点２２（図４参照）と、車高方向位置が等しくて（つまり同じ高さであって）よい。または、上流側屈曲部２０の最下点２２と、下流側屈曲部４０の最下点４２のどちらか一方が他方よりも車高方向位置が低くてもよい。例えば、より下流側で凝縮水の流量が相対的に多い下流側屈曲部４０の最下点４２が、上流側屈曲部２０の最下点２２よりも、車高方向位置が低くてもよい。
【００４８】
底部４８の下流端には下流部４６が接続される。下流部４６は、車体後方に行くほど上がる上り勾配となるように形成される。下流部４６の下流端はメインマフラー５６の上流端に接続される。
【００４９】
下流側屈曲部４０の底部４８は、下り勾配の上流部４４及び上り勾配の下流部４６に挟まれる。したがって、上流部４４及び下流部４６にて生じた、ならびに、上流部４４より上流側及び下流部４６より下流側にて生じた、排気から発生した凝縮水が底部４８に流れ込む。後述する図８のように、流入排気量一定のもとでは、底部４８（及び最下点４２）における水位Ｈ２は上限水位に維持され、上限水位を越える分は排気によって下流に運ばれる。
【００５０】
図７には、上流側屈曲部２０に凝縮水７０が溜まっているときの様子が例示され、図８には、下流側屈曲部４０に凝縮水７０が溜まっているときの様子が例示される。上述したように、触媒コンバータ５２を通過した排気には水蒸気が含まれる。この水蒸気が排気管１０を流れる過程で冷却されて凝縮水となり排気管１０内に溜まる。
【００５１】
排気管１０内に溜まった凝縮水７０は、排気管１０の形状に沿って、最下点２２，４２を含む上流側屈曲部２０及び下流側屈曲部４０に流れ込む。凝縮水７０の流れ込みに伴い、最下点２２，４２を含む底部２８，４８では、凝縮水の水位Ｈ１，Ｈ２が上昇する。
【００５２】
凝縮水の水位上昇に伴い、底部２８，４８における排気流路断面積Ａ１，Ａ２が徐々に狭められる。排気流路断面積Ａ１，Ａ２の減少（言い換えると絞り）に伴って、底部２８，４８を流れる排気の流速が増加する。ここで、下記数式（１）にベルヌーイの定理が示される。
【００５３】
【数１】
2020122419.tif 000003
【００５４】
数式（１）において、流体圧力がｐ［Ｐａ］、密度がρ［ｋｇ／ｍ３］、流速がｖ［ｍ／ｓ］、高さがｚ［ｍ］で示される。いま便宜上、高さｚが一定と仮定すると、底部２８，４８における排気流速の増加に伴って、底部２８，４８の圧力（つまり気圧）が低下する。
【００５５】
底部２８，４８の圧力低下に伴い、例えば負圧が生じると、凝縮水７０の水面が持ち上げられる。この持ち上げられた水面に後続の排気が衝突する。これにより衝突された凝縮水は霧状となって排気に巻き込まれ（いわゆる霧吹き現象）、排気とともに下流に送られる。
【００５６】
図７、図８を参照して、上記のような霧吹き現象が生じるのに要する水位Ｈ１，Ｈ２は、排気流路２５，４５の断面積Ａ１，Ａ２に依存する。例えば底部２８，４８の内径が大きくなると、その分、霧吹き現象を生じさせるのに要する水位Ｈ１，Ｈ２は嵩上げされる。この水位の嵩上げと内径の拡大とに伴って、霧吹き現象を生じさせるのに要する上限水位に到達するまでの凝縮水７０の水量が増加する。
【００５７】
そこで本実施形態に係る排気管構造では、上流側屈曲部２０及び下流側屈曲部４０を除いた領域に拡径部である二重管部３０が設けられる。このような構造とすることで、上流側屈曲部２０及び下流側屈曲部４０の流路断面積の拡大が避けられ、その結果、凝縮水７０の水量増加を抑制可能となる。
【００５８】
なお図７、図８を参照して、上流側屈曲部２０及び下流側屈曲部４０の上限水位における水量（つまり体積）の和Ｖ１＋Ｖ２は、図９に例示されるように、仮に、二重管部３０において同様の上限水位となったときの水量Ｖ０よりも少なくなるように（つまりＶ０＞Ｖ１＋Ｖ２）、上流側屈曲部２０及び下流側屈曲部４０の形状が定められる。例えば、上流側屈曲部２０の管長と下流側屈曲部４０の管長の和が、二重管部３０の管長未満となるように、それぞれの部位が形成される。
【符号の説明】
【００５９】
１０  排気管、１４  管内壁底部、２０  上流側屈曲部、２２  上流側屈曲部の最下点、３０  二重管部（拡径部）、３１  外管、３５  内管、４０  下流側屈曲部、４２  下流側屈曲部の最下点、７０  凝縮水。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2020122419.tif 000008
【図６】
2020122419.tif 000009
【図７】
2020122419.tif 000010
【図８】
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【図９】
2020122419.tif 000012