(57)【要約】【課題】  エンジンの完成を待つことなく、エンジンの種別に関係なくディーゼルエンジンまたはガソリンエンジンに用いられる耐熱管状部材の耐熱性、耐久性等を的確に評価試験できる試験方法および試験装置を得る。【解決手段】  耐熱管状部材の管状部内に高温の燃焼ガスを流して耐熱管状部材を加熱する試験であって、試験方法は、耐熱管状部材の管状部内の雰囲気が実際の排気ガスに曝された雰囲気となるように過剰空気、酸素ガス、不活性ガスの何れか１つ以上を流量を調節して送給する。また試験装置は、耐熱管状部材の管状部に接続する燃焼室と、燃焼室の上流側に連通する室部と、室部内に挿入されたバーナと、バーナに接続された燃料供給路および燃焼空気供給路と、室部に接続する気体供給路と、気体供給路または室部の少なくとも１つに接続する流量調節手段を備えた過剰空気供給路、酸素ガス供給路、不活性ガス供給路の何れか１つ以上とを有する。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐熱管状部材の管状部内に、燃料を酸素で燃焼させて高温の燃焼ガスを流し、前記耐熱管状部材を加熱する試験方法であって、前記耐熱管状部材の管状部に接続する少なくとも１つの燃焼室と、前記燃焼室の上流側に連通する室部と、前記室部内に挿入されたバーナと、前記バーナに接続された燃料供給路および燃焼空気供給路と、前記室部に接続する気体供給路と、前記気体供給路または前記室部の少なくとも１つに接続する流量調節手段を備えた過剰空気供給路、酸素ガス供給路、不活性ガス供給路の何れか１つ以上とを有する試験装置を使用し、前記管状部を燃焼室に接続した状態で前記燃料供給路から送給される燃料を、前記燃焼空気供給路から送給される空気で燃焼させ、得られた燃焼ガスを前記燃焼室内に導入するとともに、前記気体供給路または前記室部の少なくとも１つより前記燃焼室内に、過剰空気、酸素ガス、不活性ガスの何れか１つ以上を送給し、その際前記耐熱管状部材の管状部内の雰囲気（試験雰囲気）が実際の排気ガスに曝された雰囲気となるように前記過剰空気、前記酸素ガス、前記不活性ガスの何れか１つ以上の気体流量を前記流量調節手段で調節することを特徴とする耐熱管状部材の試験方法。
【請求項２】
前記燃焼室内に、燃焼に必要な空気のほかに、過剰空気、酸素ガス、不活性ガスのうち少なくとも１つ以上を送給し、燃焼ガスの圧力を大気圧以上に増圧することを特徴とする請求項１に記載の耐熱管状部材の試験方法。
【請求項３】
前記耐熱管状部材の管状部内に配設した酸素センサと、コントロールユニットと、前記過剰空気供給路、前記酸素ガス供給路、前記不活性ガス供給路の何れか１つ以上に配設した流量調節手段とを備え、前記酸素センサで測定した酸素含有量の検出信号を前記コントロールユニットに入力し、前記コントロールユニットで目標の酸素含有量と実測した酸素含有量とを比較して酸素含有量の過不足を補正するに必要な前記流量調節手段の調節量を演算し、前記流量調節手段に調節量の制御信号を出力し、前記流量調節手段を作動させて前記耐熱管状部材の管状部内の雰囲気（試験雰囲気）中の酸素含有量を所定の容量比となるように調節することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の耐熱管状部材の試験方法。
【請求項４】
前記耐熱管状部材の管状部内の雰囲気（試験雰囲気）中の酸素含有量を容量比で０．０１％以上２１％未満の任意の値とすることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の耐熱管状部材の試験方法。
【請求項５】
耐熱管状部材の管状部内に、燃料を酸素で燃焼させて高温の燃焼ガスを流し、前記耐熱管状部材を加熱する試験装置であって、前記耐熱管状部材の管状部に接続する少なくとも１つの燃焼室と、前記燃焼室の上流側に連通する室部と、前記室部内に挿入されたバーナと、前記バーナに接続された燃料供給路および燃焼空気供給路と、前記室部に接続する気体供給路と、前記気体供給路または前記室部の少なくとも１つに接続する流量調節手段を備えた過剰空気供給路、酸素ガス供給路、不活性ガス供給路の何れか１つ以上とを有することを特徴とする耐熱管状部材の試験装置。
【請求項６】
前記過剰空気供給路の始点に増圧した空気を送給する空気圧縮手段を備えたことを特徴とする請求項５に記載の耐熱管状部材の試験装置。
【請求項７】
前記酸素ガス供給路の始点に増圧した酸素ガスを送給する酸素ガスボンベおよび／または前記不活性ガス供給路の始点に増圧した窒素ガスを送給する窒素ガスボンベまたはアルゴンガスを送給するアルゴンガスボンベを備えたことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の耐熱管状部材の試験装置。
【請求項８】
前記試験装置は、前記耐熱管状部材の管状部内に配設した酸素センサと、コントロールユニットと、前記過剰空気供給路、前記酸素ガス供給路、前記不活性ガス供給路の何れか１つ以上に配設した流量調節手段とを備えたことを特徴とする請求項５乃至請求項７の何れかに記載の耐熱管状部材の試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は耐熱管状部材、特に自動車の内燃機関に用いられる排気系機器等の耐熱性、耐久性等を評価試験するのに適した耐熱管状部材の試験方法および試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車の内燃機関で新しいエンジンを開発する場合には、それに付随して用いられる排気系機器の評価も行っており、例えば排気マニホルド、タービンハウジング、触媒ケース、排気パイプ、およびマフラーなどの耐熱管状部材の耐熱性、耐久性等の指標となる耐酸化性、耐熱き裂性、耐熱変形性等の評価試験は、完成したエンジンに取り付けて行われていた。従って、エンジンが完成した後でないと耐熱管状部材の評価試験ができず、エンジンの開発期間が著しく長期化する傾向があった。
【０００３】
そこで、本出願人らは、エンジンの完成を待つことなく、耐熱管状部材のみを対象にして、耐熱管状部材を実際のエンジンに取り付けたときとほぼ同じ状態の排気ガスに曝されるように、燃焼室から出る燃焼ガスの温度や圧力を調節することにより、耐熱管状部材の耐熱性や断熱性の指標となる耐熱き裂性、耐熱変形性等を評価できる試験装置を開発した。この試験装置は、少なくとも１つの管状部を有する耐熱管状部材の管状部に接続される燃焼室と、この燃焼室の上流側に連通する室部と、この室部内に挿入されたバーナと、このバーナに接続された空気路および燃料供給路と、室部の内壁に開口する排気増圧空気路とを有する耐熱管状部材の試験装置である（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特許第２５３３８８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に、実機のエンジンでは、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンなどエンジンの種別によって排出される排気ガスの成分や温度等が相違し、これらの相違が耐熱管状部材の耐熱性、耐久性、断熱性等に大きな影響を及ぼしている。
【０００６】
例えば、ディーゼルエンジンでは、シリンダに空気を吸入し、ピストンが上死点に到達するところで、空気を元の容積の１／１５〜１／２３に高圧縮して５００〜７００℃とし、このときに軽油を霧状に噴射して自己発火させ、爆発を起こさせて動力を得ているが、排出される排気ガス中には燃焼しきれなかった酸素が過剰に残存し、排気ガスは酸素含有量が容量比で５％以上の酸化性のガスとなる。このためディーゼルエンジンに用いられる耐熱管状部材においては、排気ガスの通路となる内壁が、高温の酸化性のガスにより酸化性雰囲気に曝されるので内壁の酸化が進行しやすい。
【０００７】
図１０は、耐熱管状部材の管状部１１への酸化膜形成から貫通き裂発生までの模式断面図である。図１０で、管状部１１内の雰囲気Ａが酸化性雰囲気であると、（ａ）管状部１１の表面１１ａ（内壁の表面）に酸化膜１２が形成し、（ｂ）酸化膜１２にき裂１３が発生し、（ｃ）このき裂１３が表面１１ａから管状部１１の材料内部に進展し、（ｄ）さらにき裂１３が成長して、管状部１１の裏面１１ｂ（外気と接する表面）まで達する貫通き裂１４となり、排気ガスの洩れ等により耐熱管状部材としての機能を損なう。
【０００８】
このように、ディーゼルエンジンに用いられる耐熱管状部材では、排気ガスの通路となる内壁において、その内壁の表面（図１０の表面１１ａに相当）に酸化性雰囲気に起因して形成した酸化膜にき裂が発生し、これが進展して内壁から裏面（図１０の裏面１１ｂに相当）までの貫通き裂となりやすい。そして、この内壁の酸化が耐熱管状部材の耐熱性、耐久性等の指標となる耐酸化性、耐熱き裂性等に大きな影響を及ぼしている。
【０００９】
一方、ガソリンエンジンでは、シリンダ内に吸入した空気とガソリンを混合し、圧縮し、点火プラグから火花を散らすことで爆発させて動力を得ている。ガソリンエンジンでは、爆発の際にガソリンが殆ど完全燃焼するので、排出される排気ガス中には酸素の残存が殆どないか極めて少なく、排気ガスは非酸化性のガスとなる。このためガソリンエンジンに用いられる耐熱管状部材では、排気ガスの通路となる内壁は、非酸化性雰囲気に曝されるので内壁の酸化がき裂に及ぼす影響は軽微である。
【００１０】
むしろガソリンエンジンでは、近年の環境問題の高まりから、低燃費化、低排出ガス化への要求が強く、これにともない排気ガス温度が１０００℃を超えるエンジンの開発が進んでいる。一般的に耐熱材料は、１０００℃付近からこれを越える温度に曝されると急激な酸化傾向を示すことが経験的に知られている。このためガソリンエンジン用の耐熱管状部材においては、１０００℃付近からそれ以上の高温の排気ガスに曝されて耐熱管状部材が加熱された際に、その内壁からではなく、外気に曝される表面において、空気中の酸素成分による酸化と、これによって生じた酸化膜にき裂が発生し、これが進展して貫通き裂にいたることが問題視されつつある。
【００１１】
ガソリンエンジン用の耐熱管状部材での酸化膜形成から貫通き裂にいたるメカニズムは、前述の図１０において、表面１１ａを管状部１１の外気と接する表面に、裏面１１ｂを管状部１１の内壁の表面に読み替えれば、酸化とき裂の起点が表裏で相違するのみで、ディーゼルエンジンでのメカニズムと類似している。このように、ガソリンエンジンに用いられる耐熱管状部材では、１０００℃付近からそれ以上の高温の排気ガスに曝されて加熱された状態での、外気に曝される表面からの酸化が耐熱管状部材の耐熱性、耐久性等の指標となる耐酸化性、耐熱き裂性等に大きな影響を及ぼしている。
【００１２】
耐熱管状部材の評価試験においては、上述したディーゼルエンジンやガソリンエンジンなどエンジンの種別による排気ガス成分、温度等の相違による耐熱管状部材の耐熱性、耐久性、断熱性等への影響を考慮した評価試験が必要となる。耐熱管状部材の評価試験の１つである完成したエンジン実機を用いた台上耐久評価試験（通称、エンジンダイナモ試験、またはエンジンベンチテストと呼ばれる）においては、エンジン実機を用いて、実際の内燃機関としての燃焼を直接再現した評価試験ができるので、エンジンの種別による評価試験結果への影響は少ない。しかし、エンジンダイナモ試験では、前述したとおり、エンジンの完成を待たねばならず、エンジンの開発期間の長期化を解決できない。
【００１３】
一方、特許文献１に開示の耐熱管状部材の試験装置では、エンジンの完成を待つことなくその耐熱性や断熱性等を評価できるものの、実機のエンジンと比較した場合、エンジンの種別毎に次のような問題があった。
【００１４】
１）ディーゼルエンジン用の耐熱管状部材の評価試験の問題点
特許文献１に開示の試験装置では、燃料の燃焼用空気を送給するための一次空気路のほかに、室部の内壁に開口する排気増圧空気路から増圧した空気を送給している。このため、燃焼ガス（実際のエンジンでの排気ガスに相当）中には燃焼に消費された酸素のほかに空気中の過剰な酸素成分が送給され、酸化性の燃焼ガスによって耐熱管状部材の管状部内の雰囲気（以下、試験雰囲気という）は酸化性雰囲気となっているので、ディーゼルエンジン用の耐熱管状部材の評価試験として一見適切と考えられる。しかしながら、該試験装置では、排気増圧空気路の空気流を調節することで、燃焼ガスの圧力を実際のエンジンの排気圧に対応させて耐熱管状部材の温度が実際と等しくなるように調節し、これにより圧力と温度とを実際のエンジンの排気ガスにほぼ等しい状態で評価試験することを目的に排気増圧空気路から増圧空気を送給しているにすぎない。このため酸化性の燃焼ガスは発生するものの、試験雰囲気中の酸素含有量を制御することができず、また燃焼条件により増圧空気の流量が異なるため、試験雰囲気中の酸素含有量が安定しないなど、試験雰囲気について実際のディーゼルエンジンでの評価試験条件を再現できないという問題があった。
【００１５】
特に近年、ディーゼルエンジンにおいても環境規制が厳しくなり、希薄な燃料で高出力と低燃費を得るためのエンジンの開発が進められ、これにともない排気ガスは、その温度が上昇するとともに、酸素含有量の多い、すなわちより酸化性の強いガスとなり、耐熱管状部材に及ぼす酸化の影響が増大している。このため実際のディーゼルエンジンでの評価試験結果と、特許文献１に開示の試験装置での評価試験結果とが異なるケースが増えつつあった。
【００１６】
２）ガソリンエンジン用の耐熱管状部材の評価試験の問題点
前述したように、実際のガソリンエンジンでは、排気ガスの通路となる耐熱管状部材の内壁は、非酸化性雰囲気に曝されるので内壁の酸化がき裂に及ぼす影響は軽微である。このことは、実際のガソリンエンジンでの評価試験結果と特許文献１に開示の試験装置での評価試験結果とを比較すると、両者は発生するき裂の位置は良く一致するもののき裂の様相が異なり、特許文献１の試験装置ではき裂の発生程度がより大きく（悪く）現れることからも確認された。特に、排気ガスが１０００℃付近からそれ以上の高温となる条件での試験結果では両者の相違が顕著になっていた。これは、実際のガソリンエンジンでは排気ガスが非酸化性なのに対し、該試験装置では燃焼ガスの圧力と温度とを実際のエンジンの排気ガスにほぼ等しい状態にすることを目的に過剰な空気中を送給しているので、未燃焼の酸素成分の残留により燃焼ガスが酸化性となっており、両者の排出されるガス成分の相違から、該試験装置では実際のガソリンエンジンに較べてより厳しく過酷な試験結果を生じたものと考えられた。
【００１７】
上述したように、特許文献１に開示の試験装置は、燃焼ガスの圧力と温度とを実際のエンジンの排気ガスにほぼ等しい状態として評価試験することを主目的としてなされた発明であり、試験装置としての基本的な機能は十分備えているものの、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンなどエンジンの種別によって排出される排気ガスの成分が相違し、加えて排気ガスの温度が高温になると、試験雰囲気の影響から耐熱管状部材のき裂発生等の再現性に問題が生じてきており、このままでは耐熱管状部材の耐熱性、耐久性等の評価試験として実際のエンジンでの評価試験と同等の適切な結果を得ることが困難になりつつあった。
【００１８】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、エンジンの完成を待つことなく、エンジンの種別に関係なくディーゼルエンジンまたはガソリンエンジンに用いられる耐熱管状部材の耐熱性、耐久性等を的確に評価試験できる試験方法および試験装置を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明者らは、実機のディーゼルエンジン、ガソリンエンジンなどエンジンの種別による排気ガスの成分や温度等の相違と、耐熱管状部材の耐熱性、耐久性等の指標となる耐酸化性、耐熱き裂性、耐熱変形性等の特性との関係について鋭意研究した。その結果、実際の各種エンジンでの評価試験結果を特許文献１に開示の耐熱管状部材の試験装置で再現するには、実際のエンジンで耐熱管状部材が曝される雰囲気を該試験装置の試験雰囲気で再現することが不可欠で、このためには試験雰囲気中の酸素含有量を各種エンジンに対応した所望する任意の含有量とし、これを安定して維持する必要があることに着目し、燃焼に必要な空気のほかに、過剰空気、酸素ガス、不活性ガスを直接燃焼ガス中に混入させれば良いという知見を得て、本発明に想到した。
【００２０】
すなわち、本発明の耐熱管状部材の試験方法は、耐熱管状部材の管状部内に、燃料を酸素で燃焼させて高温の燃焼ガスを流し、前記耐熱管状部材を加熱する試験方法であって、前記耐熱管状部材の管状部に接続する少なくとも１つの燃焼室と、前記燃焼室の上流側に連通する室部と、前記室部内に挿入されたバーナと、前記バーナに接続された燃料供給路および燃焼空気供給路と、前記室部に接続する気体供給路と、前記気体供給路または前記室部の少なくとも１つに接続する流量調節手段を備えた過剰空気供給路、酸素ガス供給路、不活性ガス供給路の何れか１つ以上とを有する試験装置を使用し、前記管状部を燃焼室に接続した状態で前記燃料供給路から送給される燃料を、前記燃焼空気供給路から送給される空気で燃焼させ、得られた燃焼ガスを前記燃焼室内に導入するとともに、前記気体供給路または前記室部の少なくとも１つより前記燃焼室内に、過剰空気、酸素ガス、不活性ガスの何れか１つ以上を送給し、その際前記耐熱管状部材の管状部内の雰囲気（試験雰囲気）が実際の排気ガスに曝された雰囲気となるように前記過剰空気、前記酸素ガス、前記不活性ガスの何れか１つ以上の気体流量を前記流量調節手段で調節することを特徴とする。
【００２１】
本発明の対象とする耐熱管状部材としては、排気マニホルド、タービンハウジング、触媒ケース、排気パイプ、マフラー、タービンハウジング一体排気マニホルド、および触媒ケース一体排気マニホルドなどがあり、排気ガスが流れる少なくとも１つの管状部を有する。この管状部内に、燃料を酸素で燃焼させて高温の燃焼ガスとして流し、耐熱管状部材を加熱する。さらに、燃料の燃焼に必要な酸素に加え、過剰空気、酸素ガス、不活性ガスの何れか１つ以上を、その流量を調節して送給することで、試験雰囲気中の酸素含有量を各種エンジンに対応した所望する任意の値（含有量）に設定して、これを安定して維持することができる。この結果、耐熱管状部材の管状部内の試験雰囲気を、酸化性雰囲気から非酸化性雰囲気まで自在に制御することが可能となり、実際の排気ガスに曝された雰囲気と等しい状態となって、耐熱管状部材の耐熱性、耐久性等を的確に評価試験できる。なお、過剰な空気および酸素ガスは、試験雰囲気を酸化性として実際のエンジン（特にディーゼルエンジン）の排気ガスの雰囲気にほぼ等しい状態とするために、また、不活性ガスは、試験雰囲気を非酸化性として実際のエンジン（特にガソリンエンジン）の排気ガスにほぼ等しい状態とするために送給するものである。なお、本発明での流量調節手段を備えた過剰空気供給路、酸素ガス供給路、不活性ガス供給路とは、各気体の供給路上に流量調節手段を配設した供給路のほかに、供給路の始点となる各気体の供給源に流量調節手段を備えた供給路、あるいは供給源に気体の送給量を直接調節する流量調節手段を備えた供給路を含む。
【００２２】
また、本発明の耐熱管状部材の試験方法においては、前記燃焼室内に、燃焼に必要な空気のほかに、過剰空気、酸素ガス、不活性ガスのうち少なくとも１つ以上を送給し、燃焼ガスの圧力を大気圧以上に増圧することが好ましい。燃焼ガスの圧力を増圧することで、燃料を安定して燃焼させることができるとともに、実際のエンジンの排気圧に対応させることが可能となり、また耐熱管状部材の温度を実際と等しくなるように調節できる。これにより雰囲気のほか、圧力と温度とを実際のエンジンの排気ガスにほぼ等しい状態で評価試験することができる。なお、燃焼ガスの圧力は大気圧の１．１倍以上の圧力に増圧することが望ましい。
【００２３】
また、本発明の耐熱管状部材の試験方法においては、前記耐熱管状部材の管状部内に配設した酸素センサと、コントロールユニットと、前記過剰空気供給路、前記酸素ガス供給路、前記不活性ガス供給路の何れか１つ以上に配設した流量調節手段とを備え、前記酸素センサで測定した酸素含有量の検出信号を前記コントロールユニットに入力し、前記コントロールユニットで目標の酸素含有量と実測した酸素含有量とを比較して酸素含有量の過不足を補正するに必要な前記流量調節手段の調節量を演算し、前記流量調節手段に調節量の制御信号を出力し、前記流量調節手段を作動させて前記耐熱管状部材の管状部内の雰囲気（試験雰囲気）中の酸素含有量を所定の容量比となるように調節することが好ましい。上記構成での試験方法によれば、耐熱管状部材の管状部内の酸素含有量の測定結果にもとづいて流量調節手段を調節して、過剰空気、酸素ガス、不活性ガスの送給量を調節できるので、試験雰囲気中の酸素含有量のフィードバック制御が可能となり、その酸素含有量が所定の容量比となるように、より正確に安定して維持することができる。また同時に、過剰空気、酸素ガス、不活性ガスの送給量を調節することで燃焼ガスの圧力も制御できる。
【００２４】
さらに、本発明の耐熱管状部材の試験方法においては、前記耐熱管状部材の管状部内の雰囲気（試験雰囲気）中の酸素含有量を容量比で０．０１％以上２１％未満の任意の値とすることがよい。試験雰囲気中の酸素含有量を容量比で０．０１％以上２１％未満の所望する任意の値に設定することで、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジンを問わず、殆どのエンジンに対応する排気ガスの成分を再現することが可能となる。例えば、ディーゼルエンジンにおいては、排気ガス中の酸素含有量が容量比で５％以上の酸化性のガスとなることから、本発明の試験方法においては、試験雰囲気中の酸素含有量を容量比で５％以上、望ましくは１０％以上、より望ましくは１０％以上２１％未満、さらに望ましくは１０％以上１９％以下に設定することで、実際のディーゼルエンジンの排気ガスと同等の酸化性雰囲気として耐熱管状部材を評価試験できる。一方、ガソリンエンジンを再現する場合は、試験雰囲気中の酸素含有量を５％未満、望ましくは３％以下、より望ましくは１％以下に設定することで、実際のガソリンエンジンの排気ガスと同等の非酸化性雰囲気として耐熱管状部材を評価試験できる。
【００２５】
次に、本発明の耐熱管状部材の試験装置は、耐熱管状部材の管状部内に、燃料を酸素で燃焼させて高温の燃焼ガスを流し、前記耐熱管状部材を加熱する試験装置であって、前記耐熱管状部材の管状部に接続する少なくとも１つの燃焼室と、前記燃焼室の上流側に連通する室部と、前記室部内に挿入されたバーナと、前記バーナに接続された燃料供給路および燃焼空気供給路と、前記室部に接続する気体供給路と、前記気体供給路または前記室部の少なくとも１つに接続する流量調節手段を備えた過剰空気供給路、酸素ガス供給路、不活性ガス供給路の何れか１つ以上とを有することを特徴とする。
【００２６】
なお、燃料供給路はその始点を燃料となる例えば液化石油ガス（以下、ＬＰＧという）等のガス源に、燃焼空気供給路および過剰空気供給路はその始点を空気を送給する空気圧縮手段に、酸素ガス供給路はその始点を酸素ガスを送給する酸素供給源に、不活性ガス供給路はその始点を不活性ガスを送給する不活性ガス供給源にそれぞれ接続する。バーナとしては、例えば元混合式、または先混合式のガスバーナー、またはオイルバーナー等種々のタイプのものを使用することができる。流量調節手段としては、各気体の供給路である過剰空気供給路、酸素ガス供給路、不活性ガス供給路の配管上に配設した弁やバルブなどのほかに、各気体の供給源である空気圧縮手段、酸素供給源、不活性ガス供給源に備えられた弁やバルブなど、あるいは各気体の供給源に気体を吐出する機関である例えばブロワー、コンプレッサー、ポンプ等を備えていればその回転数や等を調節することで直接気体の送給量を調節する機構など、要するに気体の流量調整が可能なものであれば、如何なる手段を使用してもよい。弁やバルブを使用する場合は電磁バルブまたはマスフローコントローラが好適である。また気体を吐出する機関を調節する場合はインバータ等を接続して機関の回転数等を調節してもよい。
【００２７】
過剰空気、酸素ガス、不活性ガスの送給量の調節は、流量調節手段である弁やバルブ、または気体を吐出する機関を手動で操作して、あるいは機械的、電気的に作動させて、バルブや弁の開度、または気体を吐出する機関の回転数等を調節することで行うことができる。また、試験雰囲気中の酸素含有量のフィードバック制御での流量調節手段の調節量とは、流量調節手段である弁やバルブの開度、または気体を吐出する機関の回転数等の調節量を指す。上記構成からなる試験装置により、試験雰囲気を自在に制御することが可能となり、前述した本発明の耐熱管状部材の試験方法を達成することができる。
【００２８】
そして、前記過剰空気供給路の始点に増圧した空気を送給する空気圧縮手段を、また前記酸素ガス供給路の始点に増圧した酸素ガスを送給する酸素供給源および／または前記不活性ガス供給路の始点に増圧した不活性ガスを送給する不活性ガス供給源を備えることが好ましい。増圧した空気を送給する空気圧縮手段を、また増圧した酸素ガスを送給する酸素供給源を備えれば、試験雰囲気を酸化性雰囲気にするとともに、加えて排気圧を上昇して実際のエンジンの排気ガスにほぼ等しい状態にできる。このためには過剰な空気および／または酸素ガスを大量に送給できるものが好ましく、空気圧縮手段としては吐出圧力０．１５ＭＰａ以上の増圧空気を送給できるブロワーまたはコンプレッサーが望ましく、また酸素供給源としては純度９５％以上の酸素ガスを送給できるものが好ましく酸素ガスボンベを備えることが好適である。
【００２９】
燃料をプロパンが主成分であるＬＰＧとした場合、プロパンの燃焼反応式は、Ｃ3Ｈ8＋５Ｏ2→４ＣＯ2＋５Ｈ2Ｏで示される。従って、ＬＰＧの容量１モルに対して完全燃焼に必要な酸素容量は５モルとなる。この完全燃焼に必要な酸素を燃焼空気供給路から送給するのに加え、空気圧縮手段から過剰空気供給路を介して増圧した過剰な空気を、および／または酸素供給源から酸素ガス供給路を介して増圧した酸素ガスを送給することで、試験雰囲気中の酸素含有量を所定の容量比に設定して試験雰囲気を酸化性雰囲気にするとともに、排気圧を上昇して実際のエンジンの排気ガスにほぼ等しい状態とすることができる。試験雰囲気中の酸素含有量を特に正確に制御する必要がある場合は、流量調節の容易さから、空気圧縮手段よりも酸素ガスボンベを用いた酸素供給源を備えることが好ましく、酸素供給源のみを単独に、あるいは酸素供給源と空気圧縮手段とを組み合わせて備えることが望ましい。
【００３０】
また、増圧した不活性ガスを送給する不活性ガス供給源を備えれば、試験雰囲気を非酸化性雰囲気にするとともに、加えて排気圧を上昇して実際のエンジンの排気ガスにほぼ等しい状態とすることができる。不活性ガス供給源としては純度９５％以上の窒素ガスまたはアルゴンガスを送給できるものが好ましく窒素ガスボンベまたはアルゴンガスボンベを備えることが好ましい。不活性ガス供給源としては比較的廉価な窒素ガスボンベの使用が好適である。燃焼に必要な酸素を燃焼空気供給路から送給しても、増圧した窒素ガス等の不活性ガスを送給すれば試験雰囲気中の酸素含有量を所定の容量比に設定して、試験雰囲気を非酸化性雰囲気として、さらに排気圧を上昇することができる。
【００３１】
また、本発明の耐熱管状部材の試験装置においては、前記耐熱管状部材の管状部内に配設した酸素センサと、コントロールユニットと、前記過剰空気供給路、前記酸素ガス供給路、前記不活性ガス供給路の何れか１つ以上に配設した流量調節手段とを備えることが好ましい。本発明の試験装置を上記の構成とすることで、試験雰囲気中の酸素含有量のフィードバック制御が可能となり、試験雰囲気中の酸素含有量を所定の容量比となるように、より正確に安定して維持する本発明の試験方法を達成することが可能となる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、ディーゼルエンジン用の耐熱管状部材が曝される酸化性の排気ガスの雰囲気での評価試験、またはガソリンエンジン用の耐熱管状部材が曝される非酸化性の排気ガスの雰囲気での評価試験を行うことが可能となり、実際のエンジンの完成を待つことなく、耐熱管状部材のみを対象として、エンジンの種別に関係なくディーゼルエンジンまたはガソリンエンジンに用いられる耐熱管状部材の耐熱性、耐久性等を的確に評価試験できる試験方法および試験装置が得られる。
【００３３】
そして、本発明の耐熱管状部材の試験方法および試験装置を用いることにより、エンジンの完成に先行して事前に評価試験を実施できるので、耐熱管状部材の開発期間短縮と、エンジン実機での評価試験の費用削減が図れるとともに、評価試験結果を、耐熱管状部材の材質、形状、寸法などの適切な選定、設計に役立てて耐熱性、耐久性等に優れた耐熱管状部材を得ることが容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
次に、発明の実施の形態を詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１での耐熱管状部材が排気マニホルド１０の場合の試験装置であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は主要部の概略断面図を示す。また、図２は、図１の試験装置での、複数（図２では例示として３個）の燃焼室ごとの燃料供給路３１、燃焼空気供給路３２および酸素ガス／不活性ガス供給路３３ほかの回路図を示す。
【００３５】
図１および図２で、排気マニホルド１０の試験装置は、排気マニホルド１０の管状部１１の燃焼ガスの入口４１に接続する冷却ブロック２１の燃焼ガス路２１ａを介し各々接続する燃焼室２２と、燃焼室２２の上流側に連通する室部２３と、室部２３内に挿入して燃焼ガスを発生する元混合式のバーナ２４と、バーナ２４に接続する燃料供給路３１および燃焼空気供給路３２と、室部２３に接続する気体供給路３５と、気体供給路３５に接続して過剰な空気を送給する過剰空気供給路３５ａと、酸素ガスおよび／または不活性ガスを送給する酸素ガス／不活性ガス供給路３３とを備えている。
【００３６】
また、燃焼空気供給路３２と過剰空気供給路３５ａはその上流側で合流し、その始点には吐出圧力０．１５ＭＰａ以上の増圧空気を送給できる空気圧縮手段としてブロワー３６を接続している。また、酸素ガス／不活性ガス供給路３３はその上流側で、酸素ガス供給路３３ａと、不活性ガス供給路３３ｂに分岐し、各々の始点には純度９５％以上の酸素ガスを送給できる酸素供給源として酸素ガスボンベ３４ａと、純度９５％以上の不活性ガスを送給できる不活性ガス供給源として例えば窒素ガスを送給できる窒素ガスボンベ３４ｂをそれぞれ接続している。また、燃料供給路３１はその始点を燃料となるガス源としてＬＰＧ３１ａに接続している。
【００３７】
また、酸素ガス／不活性ガス供給路３３、過剰空気供給路３５ａ、燃料供給路３１および燃焼空気供給路３２には、各供給経路上に流量調節手段である流量調整弁４４ａ、４４ｂ、４２ａ、および４２ｂをそれぞれ配設して、各流量調整弁により酸素ガス、不活性ガス、過剰空気、ＬＰＧ３１ａ、および燃焼用空気の送給量をそれぞれ調節できるようにしている。
【００３８】
また、室部２３の内壁２３ａとバーナ２４との間には隙間２３ｂを設けて、気体供給路３５および酸素ガス／不活性ガス供給路３３から、過剰空気、あるいは酸素ガスおよび／または不活性ガスが燃焼室２２に流入できるようにしている。この構成により、過剰空気、酸素ガス、不活性ガスは、バーナ２４の周囲の隙間２３ｂを通って燃焼室２２内に入り、そこで燃焼ガスと混合するので、燃焼条件に影響を与えることがない。
【００３９】
また、冷却ブロック２１には冷却水の流入口２１ｂおよび排出口２１ｃを形成して冷却水２１ｄを循環させ、燃焼ガス路２１ａを冷却し保護している。また、燃焼室２２および室部２３はそれぞれ耐火性のセラミック管２２ａと、燃焼室保護管２２ｂと、空気層からなる断熱部２２ｃとで形成されている。
【００４０】
また、排気マニホルド１０の管状部１１内に配設した試験雰囲気中の酸素含有量を容量比で測定する酸素センサ（酸素濃度計）４３と、プログラム式温度制御器（図示せず）およびコンピュータ（図示せず）を内蔵したコントロールユニット４６とを備え、酸素センサ４３と、コントロールユニット４６と、流量調整弁４４ａ、４４ｂとは制御信号の入出力が可能なように接続されている。
【００４１】
以上のように構成した試験装置を用い、排気マニホルド１０の耐熱性、耐久性等を以下のようにして試験する。なお、実施の形態１では、図１および図２に示す試験装置を用いて、ディーゼルエンジン用排気マニホルドの場合の試験方法について説明する。ディーゼルエンジン用の排気マニホルドは酸化性雰囲気の排気ガスに曝されている。
【００４２】
まず、排気マニホルド１０の管状部１１の入口４１を冷却ブロック２１の燃焼ガス路２１ａと一致するように取り付け、燃料供給路３１よりＬＰＧ３１ａを、また燃焼空気供給路３２より空気（大気）をそれぞれバーナ２４に送給し、点火することにより燃焼室２２内で燃焼させる。これによりバーナ２４から出た炎は燃焼室２２内に噴出し、それにともなう高温の燃焼ガスは冷却ブロック２１の燃焼ガス路２１ａを通って排気マニホルド１０の管状部１１へと流れる。このとき、管状部１１を流れる試験雰囲気は、その酸素含有量が容量比で５％以上の酸化性雰囲気になっている。燃焼ガスの増圧のために、ブロワー３６に連接した過剰空気供給路３５ａを経由して気体供給路３５を通して、過剰空気を燃焼室２２に隙間２３ｂを介して送給する。この過剰空気の送給により、試験雰囲気は酸素含有量が容量比で約１０％前後の酸化性雰囲気になっている。
【００４３】
その際、試験雰囲気中の酸素含有量を酸素センサ４３にて測定し、酸素含有量が所望する任意の目標値に到達していなければ、酸素ガスボンベ３４ａのバルブを調節し、過剰空気供給路３５ａに設けている流量調整弁４４ｂと酸素ガス／不活性ガス供給路３３に設けている流量調整弁４４ａにより燃焼ガスの圧力を調節しながら、過剰空気供給路３５ａを通して過剰空気と、酸素ガス／不活性ガス供給路３３を通して酸素ガスを送給し、酸素含有量が目標値を超えていれば、窒素ガスボンベ３４ｂのバルブを調節し、過剰空気供給路３５ａに設けている流量調整弁４４ｂと酸素ガス／不活性ガス供給路３３に設けている流量調整弁４４ａにより燃焼ガスの圧力を調節しながら、酸素ガス／不活性ガス供給路３３を通して窒素ガスを送給することにより、試験雰囲気中の酸素含有量を所望する任意の値に設定して、これを安定して維持することができる。このように、流量調整弁４４ａ、４４ｂを調節することにより、試験雰囲気が所定の酸化性雰囲気となるように制御できる。
【００４４】
なお、試験雰囲気中の酸素含有量をより正確に調節するには、流量調整弁４４ａ、４４ｂの調節に加えて、燃料供給路３１上の流量調整弁４２ａによりＬＰＧ３１ａの送給量を、および／または燃焼空気供給路３２上の流量調整弁４２ｂにより燃焼用空気の送給量を調節することが好ましい。
【００４５】
上述した試験方法は、酸素センサ４３の酸素含有量の測定結果にもとづいて、酸素ガスボンベ３４ａおよび窒素ガスボンベ３４ｂそれぞれのバルブの調節と、流量調整弁４４ａ、４４ｂの調節を何れも、実際の評価試験に先立って事前に手動で操作して設定を行う場合を想定して説明したが、フィードバック制御を用いて流量調整弁４４ａ、４４ｂを作動して過剰空気、酸素ガス、窒素ガスの送給量を調節することもできる。
【００４６】
フィードバック制御は、酸素ガスボンベ３４ａおよび窒素ガスボンベ３４ｂのそれぞれのバルブを開放したうえで、酸素センサ４３で測定した酸素含有量の検出信号をコントロールユニット４６に入力し、コントロールユニット４６で目標の酸素含有量と実測した酸素含有量とを比較して、酸素含有量の過不足を補正するに必要な流量調整弁の調節量である例えば開度を演算して流量調整弁４４ａ、４４ｂに弁の開度を調節する制御信号を出力し、流量調整弁４４ａ、４４ｂを機械的、電気的に作動して過剰空気、酸素ガス、窒素ガスの送給量を調節する。これにより試験雰囲気中の酸素含有量が所望する任意の値になるようにフィードバック制御するので、酸素含有量をより正確これを安定して維持することができ、試験雰囲気が所定の酸化性雰囲気となるように制御できる。
【００４７】
なお、試験雰囲気中の酸素含有量をより正確に調節するには、フィードバック制御による流量調整弁４４ａ、４４ｂの調節に加えて、コントロールユニット４６から演算結果にもとづく制御信号を流量調整弁４２ａ、４２ｂにも出力して、それぞれＬＰＧ３１ａ、および／または燃焼用空気の送給量を調節すれば、試験雰囲気中の酸素含有量をさらに正確に安定して維持することができるので好ましい。
【００４８】
また、排気マニホルド１０の管状部１１の燃焼ガスの入口４１に試験雰囲気の温度を測定する温度センサ４１ａを、管状部１１の外気と接する表面１１ａに排気マニホルド１０の表面の温度分布を測定する複数の温度センサ４１ｂを設け、温度センサ４１ａ、４１ｂで測定した試験雰囲気の温度および排気マニホルド１０の表面温度の検出信号をコントロールユニット４６に入力し、コントロールユニット４６で目標の温度と実測した温度とを比較して温度の過不足を補正するに必要な流量調整弁の調節量である例えば開度を演算し、流量調整弁４２ａ、４２ｂ、４４ｂに弁の開度を調節する制御信号を出力し、流量調整弁４２ａ、４２ｂ、４４ｂを作動して燃料、燃焼に必要な空気、および過剰空気の送給量を調節すれば、試験雰囲気の温度を１０００℃以上の高温まで昇温可能となり、試験雰囲気の温度が実際のディーゼルエンジンの排気ガスにほぼ等しい状態となるように制御できる。なお温度センサ４１ａ、４１ｂとしては熱電対を使用できる。
【００４９】
実施の形態１の試験方法および試験装置の効果を確認するため、試験雰囲気中の酸素含有量の目標値を容量比で１６％に設定し、試験開始（バーナ２４点火）から約１０分間の試験雰囲気中の酸素含有量を測定した。その結果、酸素センサ４３で実測された酸素含有量は、手動で調節した場合で１５．５〜１６．７％、フィードバック制御した場合で１５．９〜１６．３％であった。手動で調節した場合はフィードバック制御した場合に比較して目標値からのばらつきが若干大きいものの、酸素含有量の実測値は目標値とほぼ一致し、試験雰囲気を所定の酸化性雰囲気としてディーゼルエンジン用の排気マニホルドの評価試験を実施するのに適切なものであることが確認された。また、流量調整弁４４ａ、４４ｂにより過剰空気と酸素ガスの送給量を調節することで、試験雰囲気中に最大で約１００％まで酸素を含有量できることが確認され、ディーゼルエンジンの酸化性の排気ガスを再現するに十分な機能を備えていることを確認した。
【００５０】
以上により、試験装置を所定の酸化性雰囲気に調整した後、バーナ２４を点火してＬＰＧ３１ａを燃焼させ、試験雰囲気の温度を例えば室温付近から約１０００℃近くの高温まで昇温させ、その温度を所定時間保持後に、ＬＰＧ３１ａの送給を少なく、または停止して再度室温付近に戻すことを繰り返すことで、実際のディーゼルエンジンと同じように排気マニホルド１０に加熱・冷却の熱サイクルを加える。冷却時は、試験雰囲気の温度が低く酸化の影響は軽微なので酸素ガスと窒素ガスの節約のため、その送給を停止してもよい。
【００５１】
図７は、実施の形態１の試験方法および試験装置を用いた熱サイクル試験後の、排気マニホルド１０の管状部１１の顕微鏡組織写真である。図７に示すように、管状部１１の内壁の表面１１ａの酸化膜１２から、き裂１３が多数発生し、これが成長、管状部１１の材料内部にも進展して、外気と接する表面となる裏面１１ｂまでの貫通き裂１４となっている。
【００５２】
実施の形態１の試験方法および試験装置を用いれば、ディーゼルエンジンの完成に先行して事前に、排気マニホルドのみを対象に実際のディーゼルエンジンの排気ガスと同等の酸化性雰囲気で排気マニホルドの耐熱性、耐久性等を的確に評価試験できるので、排気マニホルドの開発期間短縮と、ディーゼルエンジン実機での評価試験の費用削減が図れるとともに、評価試験結果を、例えば酸化膜の形成を少なくし、またき裂や貫通き裂などの発生を少なくするように排気マニホルドの材質、形状、寸法などの適切な選定、設計に役立てて耐熱性、耐久性等に優れた排気マニホルドを得ることが容易となる。
【００５３】
（実施の形態２）
実施の形態２は、ガソリンエンジン用排気マニホルドの場合の試験方法である。ガソリンエンジン用の排気マニホルドは非酸化性雰囲気の排気ガスに曝されている。なお、試験装置は図１および図２に示す実施の形態１と同一の構成のものを使用できるのでその説明は省略する。
【００５４】
まず、排気マニホルド１０の管状部１１の入口４１を冷却ブロック２１の燃焼ガス路２１ａと一致するように取り付け、燃料供給路３１よりＬＰＧ３１ａを、また燃焼空気供給路３２より空気（大気）をそれぞれバーナ２４に送給し、点火することにより燃焼室２２内で燃焼させる。これによりバーナから出た炎は燃焼室２２内に噴出し、それにともなう高温の燃焼ガスは冷却ブロック２１の燃焼ガス路２１ａを通って排気マニホルド１０の管状部１１へと流れる。このとき、管状部１１を流れる試験雰囲気は、その酸素含有量が容量比で５％以上の酸化性雰囲気になっている。
【００５５】
次に、燃焼ガスの増圧には酸化を助長する過剰空気ではなく、窒素ガスを用いることとし、具体的には酸素ガスボンベ３４ａのバルブと過剰空気供給路３５ａに設けている流量調整弁４４ｂとを何れも閉鎖し、窒素ガスボンベ３４ｂのバルブを開放し、流量調整弁４４ａを調節して酸素ガス／不活性ガス供給路３３を通して純度９５％以上の窒素ガスを燃焼室２２に隙間２３ｂを介して送給し、窒素ガスの圧力で燃焼ガスの圧力を調節しながら試験雰囲気中の酸素含有量を低減し、所定の非酸化性雰囲気とする。
【００５６】
一般的な、ガソリンエンジンの排気ガスは、５％未満の若干の酸素を含有しているので、これを再現するには窒素ガスボンベ３４ｂのバルブを開放したうえで、過剰空気供給路３５ａの流量調整弁４４ｂまたは酸素ガスボンベ３４ａバルブを開放し、試験雰囲気中の酸素含有量を酸素センサ４３にて測定しながら、流量調節手段である流量調整弁４４ａ、４４ｂを調節して、窒素ガスの送給量のほかに過剰空気または酸素ガスの送給量を調節することで、試験雰囲気中の酸素含有量を所望する任意の値に設定でき、これを安定して維持して試験雰囲気を所定の非酸化性雰囲気となるようにする。なお、実施の形態２においても実施の形態１と同様、流量調整弁４４ａ、４４ｂの調節を事前に手動で操作して設定してもよいし、酸素センサ４３と、コントロールユニット４６と、流量調整弁４４ａ、４４ｂとを連動して試験雰囲気のフィードバック制御で行ってもよい。
【００５７】
なお、試験雰囲気中の酸素含有量をより正確に調節するには、燃料供給路３１上の流量調整弁４２ａによりＬＰＧ３１ａの送給量および／または燃焼空気供給路３２上の流量調整弁４２ｂにより燃焼用空気の送給量も調節することが好ましい。
【００５８】
実施の形態２の試験方法および試験装置の効果を確認するため、試験雰囲気中の酸素含有量の目標値を容量比で０％に設定し、試験開始（バーナ２４点火）から約１０分間の試験雰囲気中の酸素含有量を測定した。この際、過剰空気供給路３５ａの流量調整弁４４ｂと酸素ガスボンベ３４ａのバルブとを何れも閉鎖して過剰空気と酸素ガスの送給は行わず、窒素ガスボンベ３４ｂのバルブを開放し、酸素ガス／不活性ガス供給路３３の流量調整弁４４ａを手動で設定して窒素ガスの送給量が目標値になるように調節した。
【００５９】
図８に実施の形態２での試験雰囲気中の酸素含有量の測定結果を示す。なお、比較のため特許文献１に開示の従来の試験装置での酸素含有量の測定結果（破線）もあわせて示す。図８から、試験雰囲気の制御を行っていない従来の試験装置では試験雰囲気中の酸素含有量は約１０％前後の９．２〜１０．７％で推移しており、実際のガソリンエンジンと比較して酸素が過剰な酸化性雰囲気であることが明らかである。一方、実施の形態２の試験方法および試験装置によれば、酸素含有量は試験開始後約３０秒以内にほぼ０％となり、その後試験終了まで０〜１．０％で推移し、安定して酸素含有量を維持でき試験雰囲気中の酸素含有量がほぼ０％の非酸化性雰囲気を得られることが確認された。
【００６０】
フィードバック制御を用いて同様に酸素含有量の測定をしたところ、手動で調節した場合と同様、酸素含有量は試験開始後約３０秒以内にほぼ０％となり、その後試験終了まで０〜０．４％で推移し、手動で調節した場合に比較して、より正確に安定して酸素含有量を維持できることが確認された。
【００６１】
手動で調節した場合とフィードバック制御した場合の何れも目標の酸素含有量０％に対し、極微量な酸素が検出されることがあり、またこれがばらつくのは燃焼空気供給路３２から送給される空気中の酸素成分のうち、燃料の燃焼時に消費されなかった残留する微量な酸素と、窒素ガスボンベ３４ｂ中に含まれる不純物としての微量な酸素とが試験雰囲気中に存在し、これが燃焼状態や送給量の変動によってばらつくためと推定される。しかし、この程度の誤差は実際のガソリンエンジンでも発生していると考えられ、耐熱管状部材の評価試験への影響は殆どないものと判断している。なお、手動で調節した場合とフィードバック制御した場合の何れの場合も、試験雰囲気の温度は試験開始後約３０秒以内に１０００℃を超え、実際のガソリンエンジンの排気ガスとほぼ等しい状態を再現できた。
【００６２】
実施の形態２の試験方法および試験装置によれば、試験雰囲気中の酸素含有量の目標値と実測値とがほぼ一致し、試験雰囲気を所定の非酸化性雰囲気としてガソリンエンジンの排気ガスを再現するに十分な機能を備え、以って排気マニホルドの評価試験を実施するのに適切なものであることが確認された。
【００６３】
以上により、試験装置を所定の非酸化性雰囲気に調整した後、バーナ２４を点火してＬＰＧ３１ａを燃焼させ、試験雰囲気の温度を例えば室温付近から約１０００℃近くの高温まで昇温させ、その温度を所定時間保持後に、ＬＰＧ３１ａの送給を少なく、または停止して再度室温付近に戻すことを繰り返すことで、実際のガソリンエンジンと同じように排気マニホルド１０に加熱・冷却の熱サイクルを加える。冷却時は、試験雰囲気の温度が低く酸化の影響は軽微なので酸素ガスと窒素ガスの節約のため、その送給を停止してもよい。
【００６４】
実施の形態２の試験方法および試験装置を用いれば、ガソリンエンジンの完成に先行して事前に、排気マニホルドのみを対象に実際のガソリンエンジンの排気ガスと同等の非酸化性雰囲気で排気マニホルドの耐熱性、耐久性等を的確に評価試験できるので、排気マニホルドの開発期間短縮と、ガソリンエンジン実機での評価試験の費用削減が図れるとともに、評価試験結果を、例えば酸化膜の形成を少なくし、またき裂や貫通き裂などの発生を少なくするように排気マニホルドの材質、形状、寸法などの適切な選定、設計に役立てて耐熱性、耐久性等に優れた排気マニホルドを得ることが容易となる。
【００６５】
（実施の形態３）
図３は、実施の形態３での耐熱管状部材の試験装置の模式断面図である。実施の形態３の試験装置は、酸素ガス／不活性ガス供給路３３を気体供給路３５とは別に室部２３に直接接続している以外は、図１および図２に示す実施の形態１とほぼ同じ構成としている。
実施の形態３の試験装置は、酸素ガス／不活性ガス供給路３３と気体供給路３５とを、それぞれ個別に室部２３に接続しているので、酸素ガス／不活性ガス供給路３３から送給される酸素ガスおよび／または窒素ガスと、過剰空気供給路３５ａを経由して気体供給路３５から送給される過剰空気とが干渉することがなく、送給される各気体の送給量がより安定するので、試験雰囲気中の酸素含有量をより安定して維持することができる。
【００６６】
実施の形態３によっても、実施の形態１または実施の形態２と同様に、試験雰囲気を、酸素ガスボンベ３４ａのバルブを開放して、酸素ガス／不活性ガス供給路３３から燃焼室２２に酸素ガスを送給し、流量調整弁４４ａ、４４ｂを調節することにより酸化性雰囲気として、あるいは窒素ガスボンベ３４ｂのバルブを開放して、酸素ガス／不活性ガス供給路３３から燃焼室２２に窒素ガスを送給し、流量調整弁４４ａ、４４ｂを調節することにより非酸化性雰囲気として、試験雰囲気を酸化性雰囲気から非酸化性雰囲気まで自在に制御することが可能となり、エンジンの完成を待つことなく、耐熱管状部材のみを対象に実際のエンジンの排気ガスと同等の雰囲気で耐熱管状部材の耐熱性、耐久性等を的確に評価試験できる。
【００６７】
（実施の形態４）
図４は、実施の形態４での耐熱管状部材の試験装置の模式断面図である。実施の形態４の試験装置は、酸素ガスボンベ３４ａおよび窒素ガスボンベ３４ｂを備えず、酸素ガス／不活性ガス供給路３３と気体供給路３５を一つにして室部２３に接続し、また酸素ガス／不活性ガス供給路３３の流量調整弁４４ａと気体供給路３５の流量調整弁４４ｂを一つにした以外は、図１および図２に示す実施の形態１とほぼ同じ構成としている。
【００６８】
実施の形態４の試験装置は、酸素ガスボンベ３４ａおよび窒素ガスボンベ３４ｂが不要で、酸素ガス／不活性ガス供給路３３とこれに配設する流量調整弁４４ａを省略できるので、試験装置を安価に製作でき、構成がシンプルなので試験装置の保守管理も容易となるほか、高価な酸素ガスや窒素ガスを使用しないので評価試験にかかる費用を低減できる。
【００６９】
実施の形態４によっても、実施の形態１または実施の形態３と同様に、ブロワー３６に連接した過剰空気供給路３５ａを経由して気体供給路３５から燃焼室２２に過剰空気を送給し、流量調整弁４４ｂを調節することにより、燃焼ガスを増圧するとともに、試験雰囲気中の酸素含有量を増加して酸化性雰囲気とすることができ、専らディーゼルエンジン用の耐熱管状部材の試験装置として使用可能であり、ディーゼルエンジンの完成を待つことなく、耐熱管状部材のみを対象に実際のディーゼルエンジンの排気ガスと同等の酸化性雰囲気で耐熱管状部材の耐熱性、耐久性等を的確に評価試験できる。
【００７０】
（実施の形態５）
図５は、実施の形態５での耐熱管状部材の試験装置の模式断面図である。実施の形態５の試験装置は、実施の形態１での酸素ガス／不活性ガス供給路３３の上流側で合流している酸素ガス供給路３３ａと不活性ガス供給路３３ｂとを分離し、酸素ガス供給路３３ａの下流側の回路はそのままで、不活性ガス供給路３３ｂを気体供給路３５とは別に室部２３に直接接続し、酸素ガス供給路３３ａおよび不活性ガス供給路３３ｂにそれぞれ配設した流量調整弁４５ａ、４５ｂとを備えている以外は、図１および図２に示す実施の形態１とほぼ同じ構成としている。
【００７１】
実施の形態５の試験装置は、酸素ガス供給路３３ａと不活性ガス供給路３３ｂとを分離し、不活性ガス供給路３３ｂと気体供給路３５とを、それぞれ個別に室部２３に接続しているので、不活性ガス供給路３３ｂから送給される窒素ガスと、酸素ガス供給路３３ａから送給される酸素ガスとが干渉することがなく送給される各気体の送給量がより安定し、また酸素ガス供給路３３ａおよび不活性ガス供給路３３ｂにそれぞれ流量調整弁４５ａ、４５ｂを備えているので酸素ガスおよび窒素ガスの送給量をより正確に制御できるので、試験雰囲気中の酸素含有量をより正確に安定して維持することができる。
【００７２】
実施の形態５によっても、実施の形態１または実施の形態２と同様に、試験雰囲気を、酸素ガスボンベ３４ａのバルブを開放して、酸素ガス供給路３３ａを経由して気体供給路３５から燃焼室２２に酸素ガスを送給し、流量調整弁４５ａ、４４ｂを調節することにより酸化性雰囲気として、あるいは窒素ガスボンベ３４ｂのバルブを開放して、不活性ガス供給路３３ｂから燃焼室２２に窒素ガスを送給し、流量調整弁４５ｂ、４４ｂを調節することにより非酸化性雰囲気として、試験雰囲気を酸化性雰囲気から非酸化性雰囲気まで自在に制御することが可能となり、エンジンの完成を待つことなく、耐熱管状部材のみを対象に実際のエンジンの排気ガスと同等の雰囲気で耐熱管状部材の耐熱性、耐久性等を的確に評価試験できる。
【００７３】
（実施の形態６）
図６は、実施の形態６での耐熱管状部材の試験装置の模式断面図である。実施の形態６の試験装置は、実施の形態５での気体供給路３５の上流側で合流している酸素ガス供給路３３ａと過剰空気供給路３５ａとを分離し、過剰空気供給路３５ａの下流側の回路はそのままで、酸素ガス供給路３３ａを気体供給路３５とは別に室部２３に直接接続した以外は、図５に示す実施の形態５とほぼ同じ構成としている。
【００７４】
実施の形態６の試験装置は、酸素ガス供給路３３ａと、不活性ガス供給路３３ｂと、気体供給路３５とがそれぞれ個別に室部２３に接続しているので、酸素ガス供給路３３ａから送給される酸素ガスと、不活性ガス供給路３３ｂから送給される窒素ガスと、過剰空気供給路３５ａを経由して気体供給路３５から送給される過剰空気とが干渉することがなく送給される各気体の送給量がより一層安定し、また、酸素ガス供給路３３ａ、不活性ガス供給路３３ｂおよび過剰空気供給路３５ａにそれぞれ配設された流量調整弁４５ａ、４５ｂ、４４ｂにより、酸素ガス、窒素ガスおよび過剰空気の送給量をそれぞれ個別により正確に制御できるので、試験雰囲気中の酸素含有量をより一層正確に安定して維持することができる。
【００７５】
実施の形態６によっても、実施の形態１または実施の形態２と同様に、試験雰囲気を、酸素ガスボンベ３４ａのバルブを開放して、酸素ガス供給路３３ａから燃焼室２２に酸素ガスを送給し、流量調整弁４５ａ、４４ｂを調節することにより酸化性雰囲気として、あるいは窒素ガスボンベ３４ｂのバルブを開放して、不活性ガス供給路３３ｂから燃焼室２２に窒素ガスを送給し、流量調整弁４５ｂ、４４ｂを調節することにより非酸化性雰囲気として、試験雰囲気を酸化性雰囲気から非酸化性雰囲気まで自在に制御することが可能となり、エンジンの完成を待つことなく、耐熱管状部材のみを対象に実際のエンジンの排気ガスと同等の雰囲気で耐熱管状部材の耐熱性、耐久性等を的確に評価試験できる。
【００７６】
（実施の形態７）
次に、本発明の耐熱管状部材の試験方法および試験装置を用いて、耐熱管状部材に加熱・冷却の熱サイクルを加える実施の形態について説明する。図９は、耐熱管状部材を評価試験する際の熱サイクルの時間−温度線図であり、（ａ）は自動車の始動、運転、停止を想定した線図、（ｂ）は自動車の始動、運転、停止に加え、後述するアウトバーン走行などを想定した線図を示す。図９で７１は耐熱管状部材の管状部の入口での試験雰囲気の時間−温度線図を、７２は耐熱管状部材の管状部の外気と接する表面の時間−温度線図を示す。
【００７７】
まず、図９（ａ）は自動車の始動、運転、停止を想定した熱サイクルの一例で、耐熱管状部材の管状部の入口での試験雰囲気の温度を所定の加熱温度ｔ１になるまで昇温した後、この温度ｔ１を所定時間保持することで耐熱管状部材を加熱する加熱工程Ｈと、次いで試験雰囲気の温度を常温付近まで降下して耐熱管状部材を冷却する冷却工程Ｃと、を順次繰り返すことで試験雰囲気の熱サイクルＲ１をつくりだし、耐熱管状部材に加熱・冷却の熱サイクルを加える試験方法である。図９（ａ）では試験条件として、試験雰囲気の加熱温度ｔ１を１０００℃、ｔ１の保持時間を約８分、加熱工程Ｈ１０分、冷却工程Ｃ１０分の１サイクルを２０分として、試験雰囲気の熱サイクルＲ１を５００サイクル（図示せず）とした場合を例示した。この試験条件での耐熱管状部材の管状部の外気と接する表面の加熱温度ｔ２は約８００であった。耐熱管状部材の評価試験は、通常は図９（ａ）に示す線図のように、自動車の実車での始動、運転、停止を想定した実際のエンジンの稼動状態を模して、試験雰囲気の温度を昇温降下させて熱サイクルを与えることで、耐熱管状部材に加熱・冷却の熱サイクルを加えて実施される。
【００７８】
また、本発明の耐熱管状部材の試験方法および試験装置を用いれば、耐熱管状部材に特殊な加熱・冷却の熱サイクルを加えることもできる。例えば欧州のアウトバーンなどでは、時速１００ｋｍ以上、さらには時速２００ｋｍ以上となる高速で自動車を走行させる際には、アクセルを全開して瞬間的に加速することで先行する自動車を追い越し、追い越した後は減速して、追い越す前の速度に戻すという操作を繰り返し行って走行する場合がある。高速走行中にさらにアクセルを踏み加速する走行の場合は、単に一定の速度で高速走行する場合と比較して、耐熱管状部材により高い熱的、機械的な負荷が加わり、この高い負荷が耐熱管状部材の耐熱性、耐久性等に影響を及ぼすと考えられる。そこで自動車の始動、運転、停止に加え、例えばアウトバーン走行など高速走行中にさらにアクセルを踏み加速後、減速する走行を想定した耐熱管状部材の評価試験での熱サイクルの一例を示したのが図９（ｂ）の熱サイクルの時間−温度線図である。
【００７９】
図９（ｂ）は、前述の図９（ａ）と同様に、試験雰囲気の温度を所定の加熱温度ｔ１になるまで昇温する加熱工程Ｈと、試験雰囲気の温度を常温付近まで降下して耐熱管状部材を冷却する冷却工程Ｃと、を順次繰り返して試験雰囲気の熱サイクルＲ１をつくりだし、耐熱管状部材に加熱・冷却の熱サイクルを加て、実車での始動、運転、停止を想定して実際のエンジンの稼動状態を模している。さらに図９（ｂ）では、加熱工程Ｈにおいて試験雰囲気の温度を加熱温度ｔ１まで昇温した後、試験雰囲気の温度を加熱温度ｔ１から所定の温度幅ｔ３で上昇下降を複数回繰り返す熱サイクルＲ２を与えている。これにより、加熱工程Ｈ中に、耐熱管状部材が複数回繰り返し加熱・冷却される特殊な熱サイクルを加えている。図９（ｂ）では試験条件として、試験雰囲気の加熱温度ｔ１を１０００℃、熱サイクルＲ２での上昇下降の温度幅ｔ３が５０℃以上となる繰り返し回数を７回、加熱工程Ｈ１０分、冷却工程Ｃ１０分の１サイクルを２０分として、試験雰囲気の熱サイクルＲ１を５００サイクル（図示せず）とした場合を例示した。この試験条件での耐熱管状部材の管状部の外気と接する表面の加熱温度ｔ２は、約８００〜８１０℃の範囲で、試験雰囲気の熱サイクルＲ２に対応して上昇下降を複数回繰り返すことが確認された。
【００８０】
試験雰囲気の熱サイクルＲ２をつくりだすには、加熱工程Ｈで試験雰囲気の加熱温度ｔ１に到達後、燃料の送給量を加熱温度ｔ１を保持する送給量からわずかに増加した後、加熱温度ｔ１を保持する送給量にもどすことを複数回繰り返せばよい。図９（ｂ）に示す線図のように、試験雰囲気の温度を所定の加熱温度ｔ１まで昇温した後、その加熱温度ｔ１からさらに所定の温度幅ｔ３で上昇下降を複数回繰り返す熱サイクルＲ２を与えることで、実車の始動、運転、停止に加え、例えばアウトバーン走行など高速走行中にさらにアクセルを踏み加速後、減速する走行を想定した実際のエンジンの稼動状態を模して、耐熱管状部材に加熱・冷却の特殊な熱サイクルを加えることができる。
【００８１】
なお、図９（ａ）、（ｂ）での試験雰囲気の加熱温度ｔ１までの昇温、温度幅ｔ３での上昇下降、室温付近までの降下等、試験雰囲気の温度を制御し、加えて試験雰囲気の熱サイクルＲ１、Ｒ２を与えるには、実施の形態１で述べたように、耐熱管状部材の管状部に設けた温度センサ４１ａ、４１ｂで測定した試験雰囲気の温度、および耐熱管状部材の表面温度の検出信号をコントロールユニット４６に入力し、コントロールユニット４６で目標の温度と実測した温度とを比較して温度の過不足を補正するに必要な流量調整弁の調節量である例えば開度を演算し、流量調整弁４２ａ、４２ｂ、４４ｂに弁の開度を調節する制御信号を出力し、流量調整弁４２ａ、４２ｂ、４４ｂを作動して燃料、燃焼に必要な空気、および過剰空気の送給量を調節することで、試験雰囲気の加熱温度ｔ１、温度幅ｔ３、冷却工程Ｃでの降下温度等を制御でき、またコントロールユニット４６に内蔵したプログラム式温度制御器およびコンピュータに加熱温度ｔ１、温度幅ｔ３、冷却工程Ｃでの降下温度等の目標温度、その保持時間、および試験雰囲気温度の上昇下降の繰り返し回数等を評価試験に先立ち事前にプログラムし、評価試験でこれを実行させれば試験雰囲気の熱サイクルＲ１、Ｒ２を与えることができる。
【００８２】
また、試験雰囲気の加熱温度ｔ１、温度幅ｔ３は、実際のエンジンから排出される排気ガスの温度に対応する必要があるが、カーメーカ毎のエンジンの種別や設計・仕様、あるいは実際の走行速度等によって異なるので、耐熱管状部材の供給先の要望等に応じて適宜決定する。一般的には時速１００ｋｍ以上でエンジンから排出される排気ガスは８００℃以上に達しており、また高速走行中に先行する自動車を追い越すためにアクセルを全開して瞬間的に加速すると、さらに３０℃以上高温の排気ガスが排出されるといわれている。従って加熱温度ｔ１は８００℃以上とし、温度幅ｔ３は３０℃以上とすることが好ましい。
【００８３】
本発明の耐熱管状部材の試験方法および試験装置を用いて、自動車の始動、運転、停止を想定した熱サイクルのほか、アウトバーン走行などを想定した特殊な熱サイクルを与えることで、実車走行でのエンジンの稼動状態を再現して耐熱管状部材の評価試験ができる。実施の形態７では図９（ａ）、（ｂ）の２種類の加熱・冷却の熱サイクルのパターンを示したが、これはあくまで例示にすぎず、本発明の耐熱管状部材の試験方法および試験装置を用いて、これ以外に自動車の様々な走行状態を想定した排気ガス温度にもとづく加熱・冷却の熱サイクルのパターンを再現できることはいうまでもない。例えば、エンジン性能評価のためのカーメーカ毎の規格や自動車業界の規格、あるいは排気ガスや燃費に関する各国の法規制での規格等で規定された走行パターンを再現して、耐熱管状部材の耐熱性、耐久性等を評価試験することも可能である。しかも本発明によれば、試験雰囲気中の酸素含有量を任意に調節して酸化性から非酸化性までの排気ガスの雰囲気を再現し、実際のエンジンの完成を待つことなく、耐熱管状部材のみを対象として、エンジンの種別に関係なくディーゼルエンジンまたはガソリンエンジンに用いられる耐熱管状部材の耐熱性、耐久性等を的確に評価試験できる。
【００８４】
上述した、実施の形態１から実施の形態７での流量調整弁の「調節」とは、具体的には例えば弁の開度の割合を０％（閉鎖）〜１００％（全開放）まで変化させることを、また酸素ガスボンベおよび窒素ガスボンベのバルブと各流量調整弁の「開放」とは、具体的には例えばバルブまたは弁の開度の割合を０％（閉鎖）を含まず、０％を超え（僅かに気体が流れる状態）、１００％（全開放）まで変化させることをいう。
【００８５】
以上、発明の実施の形態により本発明の耐熱管状部材の試験方法および試験装置を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく本発明の技術的思想の範囲内において種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。
【００８６】
例えば、流量調整弁を各気体の供給路上に複数配設したり、各気体の供給路上に増圧機、整流器、サージタンクなどを配設したり、供給路の各気体の合流点に混合器を配設したりするなど、通常気体の流量や圧力を調整するために用いられる手段を付加すれば、より正確できめ細かに試験雰囲気を調節、制御することが可能となる。
【００８７】
また、空気圧縮手段、酸素供給源、不活性ガス供給源としては、試験装置に専用のものでなく、事業所内で共通に使用するコンプレッサーエア、酸素ガス、および不活性ガスの何れかの供給源があればその配管に接続してもよい。また、冷却ブロック２１は例えばエンジンのシリンダーヘッドのような部材であるが、耐熱管状部材の種類によっては冷却ブロック２１がない場合も考えられる。また、冷却ブロック２１内には冷却水２１ｄを循環させ、燃焼器２０の断熱部２２ｃ内は空気層としているが、冷却ブロック２１内および断熱部２２ｃ内には高温耐熱材であるレンガ、石綿、各種セラミック材料などを挿入してもよい。
【００８８】
また、本発明の耐熱管状部材の試験方法および試験装置は、自動車の内燃機関に限らず、鉄道用の機関車、建設機械、船舶、産業用や発電用のディーゼル機関など各種の内燃機関に用いられる排気系機器等の評価試験にも使用できることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】実施の形態１での排気マニホルド１０の試験装置であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は主要部の概略断面図を示す。
【図２】図１の試験装置での、複数の燃焼室ごとの燃料供給路、燃焼空気供給路および酸素ガス／不活性ガス供給路ほかの回路図である。
【図３】実施の形態３での耐熱管状部材の試験装置の模式断面図である。
【図４】実施の形態４での耐熱管状部材の試験装置の模式断面図である。
【図５】実施の形態５での耐熱管状部材の試験装置の模式断面図である。
【図６】実施の形態６での耐熱管状部材の試験装置の模式断面図である。
【図７】熱サイクル試験後の、排気マニホルド１０の管状部１１の顕微鏡組織写真である。
【図８】実施の形態２での試験雰囲気中の酸素含有量の測定結果を示す図である。
【図９】耐熱管状部材を評価試験する熱サイクルの時間−温度線図であり、（ａ）は自動車の始動、運転、停止を想定した線図、（ｂ）は自動車のアウトバーン走行などを想定した線図である。
【図１０】耐熱管状部材の管状部１１への酸化膜形成から貫通き裂発生までの模式断面図である。
【符号の説明】
【００９０】
１０：排気マニホルド（耐熱管状部材）
１１：管状部
１１ａ：表面
１１ｂ：裏面
１２：酸化膜
１３：き裂
１４：貫通き裂
Ａ：雰囲気
２０：燃焼器
２１：冷却ブロック
２１ａ：燃焼ガス路
２１ｂ：流入口
２１ｃ：排出口
２１ｄ：冷却水
２２：燃焼室
２２ａ：セラミック管
２２ｂ：燃焼室保護管
２２ｃ：断熱部
２３：室部
２３ａ：内壁
２３ｂ：隙間
２４：バーナ
３１：燃料供給路
３１ａ：ＬＰＧ（液化石油ガス）
３２：燃焼空気供給路
３３：酸素ガス／不活性ガス供給路
３３ａ：酸素ガス供給路
３３ｂ：不活性ガス供給路
３４ａ：酸素ガスボンベ
３４ｂ：窒素ガスボンベ
３５：気体供給路
３５ａ：過剰空気供給路
３６：ブロワー
４１：燃焼ガスの入口
４１ａ、４１ｂ：温度センサ
４２ａ、４２ｂ：流量調整弁
４３：酸素センサ（酸素濃度計）
４４ａ、４４ｂ、４５ａ、４５ｂ：流量調整弁
４６：コントロールユニット
７１：試験雰囲気の時間−温度線図
７２：耐熱管状部材の時間−温度線図
Ｈ：加熱工程
Ｃ：冷却工程
Ｒ１、Ｒ２：試験雰囲気の熱サイクル
ｔ１：試験雰囲気の加熱温度
ｔ２：耐熱管状部材の表面の加熱温度
ｔ３：温度幅
【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】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図７】
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