(57)【要約】【課題】低負荷時における保温性および高負荷時における放熱性を向上させることが可能な排気マニホールドを提供する。【解決手段】エンジン１０から排出される排気ガスが通過する管部材１１ａと、管部材１１ａの外表面に被覆され、波長１μｍ以上の領域において、波長が長くなるに従って輻射率が小さくなる被覆層１１ｂとを設ける。被覆層１１ｂは、タングステン、モリブデン、ニッケルまたはバナジウムの何れかによって形成し、被覆層１１ｂの厚みは１μｍ以上とする。被覆層１１ｂの外表面には、波長１μｍ以上の領域で透明な保護層１１ｃを設ける。保護層１１ｃは少なくとも酸化イットリウムを含む金属酸化物を用いることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン（１０）から排出される排気ガスが通過する管部材（１１ａ）と、
前記管部材（１１ａ）の外表面に被覆され、波長１μｍ以上の領域において、波長が長くなるに従って輻射率が小さくなる被覆層（１１ｂ）とを備えることを特徴とする排気マニホールド。
【請求項２】
前記被覆層（１１ｂ）は、タングステン、モリブデン、ニッケルまたはバナジウムの何れかによって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の排気マニホールド。
【請求項３】
前記被覆層（１１ｂ）の厚みは、１μｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の排気マニホールド。
【請求項４】
前記被覆層（１１ｂ）の外表面には、波長１μｍ以上の領域で透明な保護層（１１ｃ）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし３の何れか１つに記載の排気マニホールド。
【請求項５】
前記保護層（１１ｃ）は金属酸化物であることを特徴とする請求項４に記載の排気マニホールド。
【請求項６】
前記金属酸化物は、少なくとも酸化イットリウムを含んでいることを特徴とする請求項５に記載の排気マニホールド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの排気ガスを集合させて排出する排気マニホールドに関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジン（内燃機関）を冷間始動した後、素早くエミッション規制を満たすために排ガス浄化触媒を作動温度までできるだけ早く昇温することが求められている。触媒の昇温は排気熱で行われるため、エンジンから触媒までの排気ガス経路の熱損失を減らすことが有効である。このため、排気マニホールドを二重管構造とし、排気ガス経路の保温性を高めることが行われている。
【０００３】
特許文献１では、二重管の内部に断熱層を設けて断熱性能を向上させることが提案されている。また、特許文献２では、保温性の高い二重管と、輻射率の高い被覆を設けた単管を排気ガスの流れ方向に組み合わせることで、暖機特性と触媒保護の両立を試みる方式が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−６３９３８号公報
【特許文献２】特開２０１０−１０１２８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の構成は、低負荷運転で排気ガス温度が比較的低い場合には有効であるが、高負荷運転で排気ガス温度が高温になりすぎると触媒寿命に悪影響を及ぼす可能性がある。また、特許文献２の構成では、暖機特性と触媒保護の両立を目的としているものの、低負荷時および高負荷時のいずれの場合においても保温と放熱が同時に行われるため、これらの効果が相殺されて大きな改善効果を得ることは困難である。
【０００６】
また近年、温暖化対策の一環として燃費改善の様々な技術が開発されつつあり、その中の一つとして、排気熱を利用して発電を行う排熱発電装置の開発が進められている。排熱発電では、高温の排気ガスと低温の冷却水との温度差によって発電し、その発電量は温度差の２乗に比例するため、温度差を極力大きくすることが望ましい。エンジン冷却水温度はほぼ一定であるため、温度差を大きくするには排気ガス温度を高くする必要がある。
【０００７】
この排熱発電の観点からも、排気ガス温度を高く保つことは重要な意味を持つ。この場合、使用頻度の高い街中走行条件、即ちタウンスピードでの効果が高いことが重要であり、低負荷時の排気ガス温度が低い条件での昇温効果が求められる。つまり、排気マニホールドは、排気ガス温度が低い低負荷時には、排気ガス浄化や排熱発電のために保温性が要求され、排気ガス温度が高い高負荷時には、触媒保護のために放熱性が要求される。
【０００８】
本発明は上記点に鑑み、低負荷時における保温性および高負荷時における放熱性を向上させることが可能な排気マニホールド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】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、エンジン（１０）から排出される排気ガスが通過する管部材（１１ａ）と、管部材（１１ａ）の外表面に被覆され、波長１μｍ以上の領域において、波長が長くなるに従って輻射率が小さくなる被覆層（１１ｂ）とを備えることを特徴としている。
【００１０】
このように、管部材（１１ａ）を短波長で輻射率が大きく長波長で輻射率が小さい被覆層（１１ｂ）で被覆することにより、エンジン低負荷時（排気ガス低温時）での保温性と、エンジン高負荷時（排気ガス高温時）での放熱性を両立可能な排気マニホールドを提供できる。これにより、エンジン低負荷時（排気ガス低温時）には、排気浄化装置の触媒温度を早期に高めることができ、エンジン高負荷時（排気ガス高温時）には、排気浄化装置の触媒が劣化することを抑制できる。
【００１１】
また、被覆層（１１ｂ）は、タングステン、モリブデン、ニッケルまたはバナジウムの何れかによって形成することができ、特にタングステンを用いることが望ましい。
【００１２】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態の排気マニホールドを示す概念図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。
【図３】鉄とタングステンの輻射特性を示すグラフである。
【図４】黒体輻射の輻射強度を示すグラフである。
【図５】被覆層（タングステン）に厚さの異なる保護層（酸化イットリウム）を形成した場合の輻射特性を示すグラフである。
【図６】１００ｎｍの保護層（酸化イットリウム）を形成した場合の輻射強度を示すグラフである。
【図７】排気マニホールドの構成を変化させた場合の排気ガス温度および輻射エネルギー密度を示す図表である。
【図８】被覆層として適用可能な物質の輻射特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態について図１〜図７に基づいて説明する。
【００１５】
図１に示すように、エンジン１０の排気ポートに排気マニホールド１１が接続されており、排気マニホールド１１の排気流れ下流側には、排気浄化装置１２および排熱発電装置１３、排気管１４が設けられている。
【００１６】
排気マニホールド１１は、エンジン１０の排気ガスを排出するための排気ガス経路を構成している。排気マニホールド１１は、排気流れ上流側が複数本に分岐した分岐管となっており、排気流れ下流側が１本に集合した集合管となっている。排気マニホールド１１の構成については、後で詳細に説明する。
【００１７】
排気浄化装置１２には、エンジン１０の排気ガスを浄化するための触媒が設けられている。この触媒は、所定の作動温度以上に昇温させることで浄化作用を発揮する一方、高温に晒され続けると劣化して寿命が短くなる。
【００１８】
排熱発電装置１３には、複数の熱電素子を含んだ熱電モジュールが設けられている。熱電素子として、ハーフホイスラとビスマステルルをセグメント化したものを用いている。排熱発電装置１３には、エンジン冷却水が流入するようになっており、排気ガス（高温流体）とエンジン冷却水（低温流体）との温度差によって熱電モジュールにて発電を行うようになっている。
【００１９】
図２に示すように、排気マニホールド１１は、管部材１１ａの外表面に被覆層１１ｂおよび保護層１１ｃが積層されている。管部材１１ａは、鉄やステンレスなどを用いることができ、本実施形態では管部材１１ａとして鉄を用いている。被覆層１１ｂは、赤外線領域において、短波長での輻射率が高く、長波長での輻射率が低い物質からなり、本実施形態ではタングステンを用いている。
【００２０】
図３に示すように、排気マニホールドとして一般的に用いられる錆びた状態の鉄の輻射率は、波長によらず０．７程度である。これに対し、タングステンは、赤外線領域において、短波長での輻射率が高く、長波長での輻射率が低くなっている。
【００２１】
排気マニホールド１１の温度は車両の走行条件によって変化するが、概ね４００℃から１，０００℃の間で変化する。この温度域の輻射スペクトルは、プランクの法則より導かれ、図４に示すように、輻射ピーク波長は１，０００℃で２．３μｍ、８００℃で２．７μｍ、６００℃で３．３μｍ、４００℃で４．３μｍの赤外線である。
【００２２】
一般に波長１μｍ以上の領域においては、高温では短波長の輻射強度が大きく、低温では短波長の輻射強度と長波長の輻射強度の差が小さくなることが知られている。このため、被覆層１１ｂとして、波長１μｍ以上の領域において、短波長での輻射率が高く、長波長での輻射率が低い物質を用いることで、被覆層１１ｂは低温時に輻射率が低くなり高温時に輻射率が高くなる特性を有することとなる。
【００２３】
被覆層１１ｂを１μｍ以上の厚みとすることで、管部材１１ａである鉄の輻射を遮蔽することができ、被覆層１１ｂであるタングステンの輻射特性を発現することができる。被覆層１１ｂの厚みに輻射特性的な上限はないが、厚すぎると管部材１１ａの熱膨張率（鉄：１２．１×１０-6Ｋ-1、ステンレスＳＵＳ４１０：１０．４×１０-6Ｋ-1）と被覆層１１ｂの熱膨張率（タングステン：４．３×１０-6Ｋ-1）の差によって生ずる応力で、管部材１１ａから被覆層１１ｂが剥離しやすくなること、また材料費が高くなることから、被覆層１１ｂの厚みは１０μｍ程度までを上限とすることが好適である。
【００２４】
被覆層１１ｂの外表面には、被覆層１１ｂの熱酸化を防ぐために保護層１１ｃが設けられている。保護膜１１ｃとしては、排気ガスが排気マニホールド１１を通過する際の排気マニホールド１１の温度域で、自らが輻射体とならないこと、即ち、排気マニホールド１１の使用温度に対応する波長域で透明な物質を用いる必要がある。図４に示すように、排気マニホールド１１の使用温度（４００〜１，０００℃）では、概ね１μｍから４μｍまでの波長領域における輻射特性を考慮すればよい。
【００２５】
この波長域で透明な物質としては、酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）、石英（ＳｉＯ2）、酸化チタン（ＴｉＯ2）等の金属酸化物やフッ化バリウム（ＢａＦ2）等のハロゲン化金属が挙げられる。但し、空気中で高温となる条件下で変質しないことを考慮すると、保護層１１ｃとして金属酸化物を好適に用いることできる。
【００２６】
上述の金属酸化物は、酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）は約７μｍまで、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）は約５μｍまで、石英（ＳｉＯ2）は約５μｍまで、酸化チタン（ＴｉＯ2）は約４μｍまで透明である。何れの金属酸化物も保護層１１ｃとして用いることができるが、透明な波長域が最も広い酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）を保護層１１ｃとして用いることが最適である。なお、酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）は単体として用いてもよく、酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）および酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）からなるイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）として用いてもよい。
【００２７】
次に、本実施形態の排気マニホールド１１の作製方法について述べる。被覆層１１ｂとして用いるタングステンは高融点金属であるが、プラズマ溶射によって簡易に膜形成することができる。１回のプラズマ溶射によって、管部材１１ａの外表面に１０μｍ程度のタングステンからなる被覆層１１ｂを形成することができる。
【００２８】
また、酸化イットリウムからなる保護層１１ｃは、複雑な形状にも付き回りの優れたＣＶＤ法により形成することができる。管部材１１ａの外表面に被覆層１１ｂが形成された排気マニホールド１１を、温度６００〜９００℃、圧力１〜２ｋＰａ程度のＣＶＤ成膜装置内に置き、例えば有機イットリウム錯体であるＹ（ｄｐｍ）3（ｄｐｍはＣ6Ｈ19Ｏ2（ｄｉｐｉｖａｌｏｙ−ｍｅｔｈａｎａｔｅ））を供給することで、被覆層１１ｂの外表面に酸化イットリウムからなる保護層１１ｃを形成することができる。
【００２９】
次に、被覆層１１ｂ（タングステン）の外表面に形成される保護膜１１ｃ（酸化イットリウム）の厚みを変化させた場合の輻射率の変化について説明する。図５は異なる厚みで保護膜１１ｃ（酸化イットリウム）を形成した場合のそれぞれの輻射率を示しており、図５（ａ）は１００ｎｍでの輻射率、図５（ｂ）は２００ｎｍでの輻射率、図５（ｃ）は５００ｎｍでの輻射率、図５（ｄ）は１０００ｎｍでの輻射率を示している。
【００３０】
図５（ａ）〜図５（ｄ）に示すように、保護膜１１ｃ（酸化イットリウム）の厚みを変化させた場合、何れの厚さでも短波長で輻射率が大きく、長波長で輻射率が小さい特性を有している。なお、保護層１１ｃは、光学的な干渉効果に基づいて厚さにより輻射特性が変化するが、この影響については後述する。
【００３１】
次に、被覆層１１ｂ上に保護層１１ｃ（酸化イットリウム）を形成した場合の輻射強度について説明する。被覆層１１ｂ上に保護層１１ｃを形成した場合の輻射率は図５（ａ）〜図５（ｄ）に示した通りであり、輻射強度は輻射率に当該物体の温度に対応した黒体輻射強度を乗じたものとなる。
【００３２】
図６は、１００ｎｍの保護層１１ｃ（酸化イットリウム）を形成した排気マニホールド１１の温度が６０８℃（時速５０ｋｍ相当）と９３０℃（フル負荷相当）の場合における輻射強度の波長特性を示している。図６に示す輻射強度を０．５〜１０μｍの範囲で積分して得られる輻射エネルギー密度は、低負荷時（６０８℃）で１．６９ｋＷ／ｍ2、高負荷時（９３０℃）で８．８９ｋＷ／ｍ2であった。被覆層１１ｂおよび保護層１１ｃを設けていない通常の排気マニホールド（錆びた鉄）の輻射強度は、低負荷時（６０８℃）で２１．１ｋＷ／ｍ2、高負荷時（９３０℃）で７８．３ｋＷ／ｍ2である。つまり、管部材１１ａを被覆層１１ｂ（タングステン）および保護層１１ｃ（酸化イットリウム）で被覆することで、輻射エネルギー密度が大幅に低減され、保温効果が得られることになる。
【００３３】
次に、管部材１１ａ上に被覆層１１ｂ（タングステン）を形成した場合と、管部材１１ａ上に被覆層１１ｂ（タングステン）および保護層１１ｃ（酸化イットリウム）を形成した場合の排気ガス温度について説明する。図７は、管部材１１ａのみの場合と、管部材１１ａの外表面に被覆層１１ｂ（タングステン）を形成した場合と、管部材１１ａの外表面に被覆層１１ｂ（タングステン）および保護層１１ｃ（酸化イットリウム）を形成した場合の輻射エネルギー密度および排気ガス温度を示している。図７では、保護層１１ｃ（酸化イットリウム）を１００ｎｍ、２００ｎｍ、５００ｎｍ、１０００ｎｍのそれぞれの厚みで形成した場合を示している。
【００３４】
エンジン１０の運転条件は、時速５０ｋｍ時とフル負荷運転時の２種類としている。排気マニホールド入口温度と排気熱量（３００Ｋ基準）は、時速５０ｋｍ時が６０８℃と７ｋＷ、フル負荷運転時が９３０℃と１５１ｋＷである。
【００３５】
図７に示すように、管部材１１ａの外表面に被覆層１１ｂ（タングステン）を形成した場合には、管部材１１ａのみの場合と比較して、時速５０ｋｍで１０５．７℃（＝５２２．３℃−４１６．６℃）、フル負荷で４２．９℃（＝９１５．７℃−８７２．８℃）の排気ガス温度上昇となっている。このように管部材１１ａの外表面に被覆層１１ｂ（タングステン）を形成した場合には、管部材１１ａのみの場合と比較して、排気ガス温度が上昇している。この排気ガス温度の上昇は、高負荷になるほど小さくなっており、低負荷時（低温）での保温性と、高負荷時（高温）の放熱性を両立できていることが示されている。管部材１１ａの外表面に被覆層１１ｂ（タングステン）を形成した場合には、高負荷時においても排気ガス温度は９２０℃以下に抑制されていることから、排気浄化装置１２の触媒が高温で劣化することを抑制できる。
【００３６】
被覆層１１ｂ（タングステン）上に１００ｎｍの保護層１１ｃ（酸化イットリウム）を形成した場合は、管部材１１ａのみの場合に較べて時速５０ｋｍで１０５．３℃（＝５２１．９℃−４１６．６℃）、フル負荷で４２．５℃（＝９１５．３℃−８７２．８℃）の排気ガス温度上昇となっている。この温度上昇値は、上述した管部材１１ａの外表面に被覆層１１ｂ（タングステン）を形成した場合の温度上昇値とほぼ同様であり、被覆層１１ｂの外表面に保護層１１ｃを形成しても、被覆層１１ｂの輻射特性への影響は最小限に抑えることができる。
【００３７】
また、保護層１１ｃ（酸化イットリウム）の厚みを２００ｎｍ、５００ｎｍ、１０００ｎｍとした場合においても、厚みが１００ｎｍの場合と若干の違いはあるものの、ほぼ同様の結果が得られている。保護層１１ｃの厚さによる排気ガスの温度差は、被覆層１１ｂを設けることによる温度上昇効果に対して微小である。つまり、図５（ａ）〜図５（ｄ）を用いて上述したように、保護膜１１ｃ（酸化イットリウム）は、光学的な干渉効果に基づいて厚さにより輻射特性が変化するが、その影響は微小であり、保護層１１ｃの厳密な膜厚制御は不要である。
【００３８】
次に、本実施形態の排気マニホールド１１による排気ガス温度上昇が、排熱発電装置１３の発電量に与える効果について説明する。時速５０ｋｍの条件において、排気ガス温度が２７０℃に低下するまで熱回収を行い、冷却は８５℃のエンジン冷却水で行った。この結果、管部材１１ａのみからなる通常の排気マニホールドの場合の発電量は８５Ｗであり、管部材１１ａの外表面に被覆層１１ｂ（タングステン）および１００ｎｍの保護層１１ｃ（酸化イットリウム）を形成した場合の発電量は１４９Ｗであった。つまり、本実施形態の構成によれば、街中走行で多用する速度において７５％の発電量増大が得られ、排気熱の有効利用効果を大きく増大させることができる。
【００３９】
以上説明した本実施形態によれば、管部材１１ａを短波長で輻射率が大きく長波長で輻射率が小さい物質（本実施形態ではタングステン）からなる被覆層１１ｂで被覆することにより、エンジン低負荷時（排気ガス低温時）での保温性と、エンジン高負荷時（排気ガス高温時）での放熱性を両立可能な排気マニホールド１１を提供できる。これにより、エンジン低負荷時（排気ガス低温時）には、排気浄化装置１２の触媒温度を早期に高めることができ、エンジン高負荷時（排気ガス高温時）には、排気浄化装置１２の触媒が劣化することを抑制できる。
【００４０】
また、被覆層１１ｂの外表面に排気マニホールド１１の使用温度に対応する波長域で透明な物質（本実施形態では酸化イットリウム）からなる保護層１１ｃを設けることで、被覆層１１ｂの輻射特性に影響を与えることなく、被覆層１１ｂの熱酸化を防ぐことができる。
【００４１】
（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲を逸脱しない限り、各請求項の記載文言に限定されず、当業者がそれらから容易に置き換えられる範囲にも及び、かつ、当業者が通常有する知識に基づく改良を適宜付加することができる。
【００４２】
例えば、上記実施形態では、排気ガスの排熱によって発電を行う排熱発電装置１３を設けた例について説明したが、これに限らず、排熱発電装置１３を省略してもよい。
【００４３】
また、上記実施形態では、被覆層１１ｂとしてタングステンを用いたが、これに限らず、被覆層１１ｂは波長１μｍ以上の赤外線領域で波長が長くなるに従って輻射率が小さくなる物質であればよい。
【００４４】
図８は、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、バナジウム（Ｖ）、タンタル（Ｔａ）の輻射特性を示している。図８に示すように、タングステンの他、モリブデン、ニッケル、バナジウムが波長１μｍ以上において、短波長から長波長になるに従って輻射率が小さくなっている。このため、モリブデン、ニッケル、バナジウムの何れかを被覆層１１ｂとして用いることで、エンジン低負荷時（排気ガス低温時）での保温性と、エンジン高負荷時（排気ガス高温時）での放熱性を両立可能な排気マニホールド１１を提供できる。なお、タンタルは波長１μｍ以上において波長依存性が小さく、被覆層１１ｂとしては適さない。
【符号の説明】
【００４５】
１０    エンジン
１１    排気マニホールド
１１ａ  管部材
１１ｂ  被覆層
１１ｃ  保護層
１２    排気浄化装置
【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７】
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【図８】
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