JPH09504072A - 触媒排気装置のための排気管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ガスマニホルドと触媒とを含む触媒ガス排出系用の排気管であって、該排気管（４）は、上記マニホルドと上記触媒との間に配置されて、内側の管及び外側の管と、該内側の管及び外側の管の間に画成された実質的に環状の空間とから構成される複合管（８）を備える。上記複合管（８）は、上記排気管（４）内部に収容され、上記外側の管は上記排気管と実質的に接触し、上記内側の管（１０）及び外側の管（１１）は薄壁（１０Ａ，１１Ａ）を有し、その厚さは０．３ｍｍより小さい。

Description

【発明の詳細な説明】 触媒排気装置のための排気管 本発明は、燃焼エンジン用の触媒排気系のための排気管に関し、また、排他的 ではないが上記排気管と関連して用いられるように適応された複合管に関するも のである。 新たな汚染防止基準の設定の結果、燃焼エンジンを備えた車輌の排気系には、 触媒を装備しなければならない。該触媒の目的は、可能な限りの環境保全を確保 するために、程度の差こそあれ有害な燃焼生成ガスの大気中への放出を低減する 上で、積極的な働きをすることである。 この目的で、排気系の触媒即ち触媒コンバータは、エンジンから排出される燃 焼ガス用のマニホルドに固定された入口を有する排気管の出口に接続されている 。更に、排気系は、排気管により触媒コンバータに接続されたマフラーで終端し ている。構造的には、触媒は堅牢なケーシングを備えており、該ケーシングの内 部には、触媒反応により、特に、一酸化炭素、窒素酸化物及び未燃焼炭化水素に 作用して有害な成分を除去して、無害な放出物に変換するアルミナ及び貴金属（ プラチナ、ロジウム等々）で被覆されたセルを有するセラミック製ブロックもし くはモノリスが配設されている。 また、触媒は、或る温度（数百度）に達した場合にしか効果的でないことが知 られている。言い換えるならば、エンジンが少なくとも２、３分間走行した後に 、モノリス触媒はガスによって充分に加熱されて触媒反応を開始する。その結果 、モノリスが所定温度に達していない限りにおいては、エンジンから排出される ガスは、たとえ触媒を通っても処理されることはない。加えるに、触媒は、車輌 の設計及び安全基準上の理由から、往々にして、マニホルドから遠隔な箇所に配 設されているので、管を通流するガスにより招来される触媒の温度上昇には更に 長い時間が要求される。 この理由から、上述の欠点を克服するために、内側の管と、外側の管と、上記 内側及び外側の管の間に設けられた断熱性物質とから構成される複合断熱管によ り、排気管の外側部を囲繞することが既に提案されている。実際上は、そのよう にしても、触媒はさほど迅速に効果を発揮しないことが判明している。その理由 は、上記のような複合管が、次に述べるような挙動を示すからである。 − 一方では、排気管の壁厚が２〜３ｍｍ台であることにより、熱交換は先ず 高い熱容量を有する排気管において行われ、その結果、車輌を冷状態から 起動した場合には触媒の温度上昇時間は非常に大きくなる。 − 他方では、配管の熱容量が高く、しかも上記のように複合管が該配管を囲 繞しているために、エンジンが暖状態にある場合にはガスの熱エネルギが 充分に除去されなくなり、ガスの温度が約１０００℃に達すると、触媒が 過熱される危険がある。 本発明の目的は、上に述べた欠点を克服することにあり、従って、本発明は、 触媒ガス排気系用の排気管に関し、該排気管は、エンジン始動時に触媒の温度上 昇を大きく促進すると共に、エンジンの暖状態時に熱交換を阻害しないように設 計された複合管を装備している。 この目的で、本発明は、ガスマニホルド及び触媒を含むと共に、該マニホルド と触媒との間に配置されて、内側の管及び外側の管と、該内側の管及び外側の管 の間に画成された実質的に環状の空間とから構成される複合管を備える触媒ガス 排気系用の排気管において、該複合管が上記排気管の内部に収容され、上記外側 の管が上記排気管と実質的に接触し、上記内側の管及び外側の管が薄壁を有し、 その厚さが０．３ｍｍより小さいことを特徴としている。 このように、複合管が排気管内部に配置されることにより、ガスの熱エネルギ は、排気管系の高い熱容量を克服する必要がなく殆ど直接的に触媒に伝達される ので、車輌を、停止後冷状態から始動した場合でも、触媒の迅速な温度上昇が可 能となる。従って、モノリシック触媒は、短い暖機時間後に動作可能になる。 対照的に、車輌のエンジンが暖状態にある場合には、上記のように、複合管が 薄肉であって、熱抵抗が低く熱伝達が可能なように構成することができるので、 該複合管は、ガスと排気管系との間における熱交換に対し障害となることはなく 、通常の熱交換により自由に外部に熱を放出することができる。従って、モノリ シック触媒の破壊に至り得るような過熱は回避される。このように、薄壁の内側 及び外側の管を使用し、複合管に低質量、従って高温時の低い熱抵抗を与え、且 つ複合管を上記排気管系の内部に配設することにより、エンジンが冷状態であっ ても触媒を迅速に作用させることが可能であり、他方、燃焼エンジンが暖状態で あっても、触媒の過熱の危険性を回避することが可能となる。 また、本発明は、内側の管と外側の管とを備え、該内側の管及び外側の管の間 に実質的に環状の空間を画成し、上記燃焼ガス用マニホルドと上記触媒ガス排気 系の触媒との間に設置される排気管と組み合わされるタイプの複合管に関する。 この複合管は、上記内側の管及び上記外側の管の壁の厚さが０．３ｍｍより小さ く且つ上記外側の管の外径が大きくとも、上記排気管の内径に等しいことに特徴 がある。 上記内側の管及び上記外側の管の壁の厚さは０．１５〜０．２０ｍｍ台とする のが有利である。これにより、熱容量は更に減少する。上記内側の管及び上記外 側の管をステンレス鋼から形成するのが好ましい。 更に、上記外側の管と上記内側の管とにより画成される上記環状の空間内に、 粒状又は繊維の形態にあって小さい熱容量と低い密度とを有する物質が配設され る。従って、この物質の主たる目的は、薄壁の内部管の変形を回避するために、 加圧ガスの通流により発生されて薄肉の内側の管に及ぼされる力を、外側の管を 介して排気管系に伝達することにある。従って、中間に介在する物質は、上記複 合管の好適な機械的挙動を確保するためのスペーサとして作用し且つ上記複合管 の熱容量を高めないようにするためには非熱伝導性でなければならない。 例えば、上記物質の熱容量は、０．２５ｋｃａｌ／ｋｇ台であり、その密度は 大きくとも０．３に等しい。 特に上記物質が粒状の形態にある場合には、上記内側の管及び上記外側の管の 端部にリングを設け、上記物質を上記環状空間内に収容するべく上記環状空間を 閉塞する。上記管の各端部において、上記環状空間内に収容され上記低熱容量及 び低密度の物質と接触関係になる可撓性の断熱リング、及び上記空間内に取り付 けられて上記可撓性の断熱リングと接触関係になる耐熱性で且つ剛性のリングを 収容するのが好適である。可撓性のある断熱リングを用いることにより、外側及 び内側の管の自由な膨張が許容され、他方、剛性のリングはこれら管の心出しに 寄与する。 上記物質が特に繊維の形態にある場合には、上記物質の繊維状巻回物を、空き 空間を残し互いに離間して上記内側の管の外側に固定し、上記外側の管は上記物 質の繊維状巻回物と実質的に接触関係になるようにする。例えば、上記巻回物は 、上記内側の管を規則的な間隔で固定的に囲繞する複数個の繊維帯により形成し 、台形又は類似の断面を有し、上記繊維帯を上記外側の管内部に嵌挿するように 上記繊維帯の周囲に取り付けられたリングを設け、該リングのうちの少なくとも １つのリングにより上記繊維帯を上記外側の管に固定する。 排気管の種々な形状及び長さを考慮して、複合管は、一緒に連結することが可 能な複数個の個々の要素から構成するのが有利である。このようにすれば、複合 管は関連の排気管に最良に適応することができる。従って明らかなように、各個 々の要素は、それぞれ薄壁を有する外側の管及び内側の管と、上記外側及び内側 の管の間に配設された低熱容量及び低密度を有する物質とから構成される。更に 、２つの個々の要素を一緒に連結した場合に、内側の管の対応の端部が互いに嵌 合し、他方、上記外側の管の対応の端部は互いに突き合わせ関係で当接する。 本発明を具現する態様に関しては、添付の図面を参照しての説明から一層容易 に理解されるであろう。これら図面中、同じ参照数字は類似の要素を表すものと する。 図１は、本発明による排気管に複合管が取り付けられている触媒排気系を略示 する図である。 図２は、上記複合管を形成する個々の要素のうちの１つの具体例を示す図であ る。 図３は、上記排気管系に取り付けられた上記管の個々の要素を示す図である。 図４は、上記排気管系に取り付けられた上記管の個々の要素の別の具体例を示 す図である。 図１に示した排気系１は、通常の仕方で、燃焼エンジン３から排出されるガス 用のマニホルド２と、該マニホルドに接続された排気管４と、該排気管に接続さ れた触媒、即ち触媒コンバータ５と、該触媒に接続されると共にマフラー７を具 備する排気管６とから構成される。既に述べたように、このように構成された触 媒排気系は、燃焼エンジンから排出されるガスに含まれる有害成分の外部への放 出を低減することを可能にする。 触媒５の迅速な温度上昇を実現するために、排気管４には、複合管８が設けら れている。該複合管８は、内側の管１０と、外側の管１１と、これら２つの管１ ０及び１１により画成される環状空間９内に好ましくは同心関係で配設され、上 記排気管と類似の円形横断面を有し、熱伝導体ではない低密度の物質１２とから 構成されている。 本発明によれば、上記複合管８は、排気管４の内部に収容され、上記内側及び 外側の管を構成する壁１０Ａ及び１１Ａは、０．３ｍｍより小さい厚さ、好まし くは０．１５ｍｍと０．２０ｍｍとの間の厚さを有するように薄肉に形成されて いる。図１及び図３に見られるように、複合管８は、マニホルド２からの出口と 触媒５の入口との間に接続部を形成するために一般にベンド部を有する排気管４ の直線部分に逐次直列に結合された複数個の要素もしくは個々の部分１４から構 成されている。排気系１を略示する図１においては、排気管４は真直ぐに延在し ているが、実際には曲がっていることは言うまでもない。 寸法関係について述べると、個々の要素１５から形成される複合管８は、排気 管４の内部に取り付けることが可能なように、大きくとも、排気管４の壁４Ａの 内径に等しい各要素の外側の管１１により定められる外径を有している。また、 エンジンから排出されるガスに対し現在使用されている排気管と同じ流れ断面積 を確保するために、本発明では、排気管４の内径を相応に大きくし、例えば１０ ｍｍ台にして、それにより、各要素の内側の管の内径が現在使用されている排気 管４の内径と等しくなるようにする。 構造について述べると、各要素の内側の管１０及び外側の管１１は、ステンレ ス鋼から形成されており、従って、排気ガスの高温度に耐えることができる。他 方、小さい熱容量と低い密度を有する上記物質は、粒状の物質、即ち、特にＳｉ Ｏ₂（二酸化ケイ素）又は同様物の密集された或いは密集されていない微小球状 体から構成される粒状物質であってもよいし、また繊維状の物質、即ち、特に例 えばＳｉＯ₂（二酸化ケイ素）又はＡｌ₂Ｏ₃（アルミナ）からなる長い繊維から 構成することもできる。上記物質は、１００℃又はそれ以上の温度に耐えること がで き、軽量で且つ比較的に可撓性があり、しかも複合管の熱容量、特に内側の管１ ０の熱容量条件を犠牲にすることなく、内側の管の機械的な力を外側の管、従っ て排気管に伝達することが可能な耐火性物質とすべきである。この目的で、上記 物質の単位容積当たりの質量は３００ｋｇ／ｍ³より小さく、他方、その熱容量 は、０．２５ｋｃａｌ／ｋｇ台又はそれよりも小さくすることができる。 図２に示した要素１４の実施例においては、物質１２は粒状である。この場合 、複合管８の各要素１４は、内側の管１０及び外側の管１１により画成される環 状の端部にリングを備えている。更に詳しく述べると、２つのリング１５が該管 の端部１０Ｂ，１０Ｃ，１１Ｂ，１１Ｃに近接して、環状の空間９内に取り付け られており、それにより物質１２を要素１４内に収容している。これらリング１ ５もまた、内側の管１０が、上記２つの管１０及び１１間に生じ得る温度差の結 果として、外側の管１１に対し軸方向及び直径方向に自由に膨張することを可能 にする可撓性もしくは準可撓性の断熱材から形成されている。更にまた、各要素 の端部１０Ｂ，１０Ｃ，１１Ｂ，１１Ｃには、上記断熱リング１５と接触関係に なるように、２つの追加のリング１６が取り付けられている。該リング１６は、 熱抵抗を有し、熱衝撃に対してさほど敏感ではない高密度のアルミナをベースと するセラミックのような剛性の材料から形成されており、断熱リング１５を保持 すると共に、管１０及び１１の相対的心出しを行い且つこれら管の環状空間９内 に遊びをもって取り付けられる際に縦軸方向及び横断方向における相対的変位が 可能である。 従って、上記リングを要素の管に対し軸方向に固定するために、要素１４の一 側には、内側の管１０の端部１０Ｂに近接して外側の半径方向突出部１０Ｄが形 成されると共に、上記要素１４の他側には、外側の管の端部１１Ｂに近接して内 側の半径方向突出部１１Ｄが形成されている。 更にまた、図面からも明らかなように、端部１０Ｂは、内側の管１０の壁１０ Ａの延長部に対応し、他方、反対側の端部１０Ｃは若干拡大されている。同様に 、外側の管１１の端部１１Ｂは、直角に内向きに曲げられた部分１１Ｅで終端し 、他方、反対側の端部１１Ｃが壁１１Ａの延長部に対応する。好適には、外側の 管の内向きに曲げられた部分１１Ｅは内側の管の外部突出部１０Ｄと同じ直径方 向平面内に位置し、同様にして、内側の突出部１１Ｄは、壁１０Ａと端部１０Ｃ との間における内側の管の断面が変化する部分と近似的に整列して配置される。 その結果、リング１５及び１６並びに物質１２は、各要素１４の環状の空間９内 に軸方向に定位置で保持される。 図３には、互いに結合される個々の要素１４の嵌合関係が示してある。即ち、 要素１４の端部１０Ｂは、別の連接要素の拡大端部１０Ｃに小さい摩擦を伴って 係合され、この係合は、要素の外側の管１１の内向きに曲げられた端部１１Ｅが 他の要素の端部１１Ｃと当接する点まで行われる。 このように、個々の要素を有する複合管８は、排気管４の内側面を容易に整列 することを可能にするモジュール構造として実現される。 小さい熱容量を有するこのような複合管８の配列によって得られる利点として は、特に、モノリス触媒が迅速に加熱され、それにより、エンジン始動と殆ど即 時に、排気ガス中の有害な放出成分を除去することができることが挙げられる。 実際、エンジンの始動時点から数分間続く過渡期間中に熱交換が行われ、それに より、排気ガスの温度は、排気管を下流側に流れる際に内部複合管によって最小 に低下される。それとは対照的に、巡行もしくは運転期間中は、複合管の厚さが 小さいために、熱交換が外部への伝導、放射及び対流によって制御される排気管 への熱エネルギの移行の妨げになることはなく、モノリス触媒の過熱が回避され る。 更に、本発明による複合管を具備した排気管では、触媒に流入するガスの温度 上昇は、従来の排気管系の場合よりも５倍も迅速であることが実験的に証明され た。 図４に示した要素１４の実施例では、物質１２は繊維状の形態をしている。こ の場合、環状の空間９は、長い繊維の帯状物１２Ａの形態（連続した粗糸）にあ る巻回物を収容しており、それにより、内側の管１０の変形を阻止するのに望ま しい半径方向の剛性が実現される。特に、繊維の帯状物１２Ａは、それらの間に 等間隔を残して、内側の管１０の外壁１０Ａに沿い均等に離間して配設される。 また、繊維帯状物１２Ａは実質的に台形の横断面を有しており、各繊維帯状物の 長い方の基底部もしくは台形の底辺に相当する部分は、高温セラミック接着材の ような接着材によって、内側の管の壁１０Ａに適切に固着される。他方、上記繊 維帯状物の短い辺、即ち、上記繊維の巻回物の最後の巻回列に対応する部分には リング１７が取り付けられる。このリング１７は取り付けを容易にするために割 れリングとするのが好ましい。次いで、該割れリング１７は、高温接着材により 、上記繊維帯の対応の小さい辺部分に固着される。 「内側管１０／繊維帯状物１２Ａ／リング１７」の組立体が実現されたら、該 組立体全体は外側の管１１内に挿入される。この外側の管１１は、図２及び図３ に示したものとは異なり、嵌合を容易にするために、その端部１１Ｂ及び１１Ｃ において部分的に突出した側部スリット部材１１Ｆを有している。上記組立体全 体を適宜、外側の管１１に対して設置すると、中央の繊維帯状物１２Ａ及びそれ に固定されたリング１７は実質的に、両側に部分的に突出したスリット部１１Ｆ が形成されている外側の管の中心平面内に位置する。次いで、点溶接１８により 、組立体の外側の管１１を固定して、複合管８の個々の要素１４を構成する。言 うまでもないが、この実施例においては、触媒物質１２を保持するために、リン グ１５及び１６並びに半径方向の突出部１０Ｄ及び１１Ｄを使用する必要はない 。外側の管１１の端部は、双方共に、内向きに曲げて、それにより内向きベンド 部１１Ｅを形成し、要素１４を嵌め合わせた場合に、該内向きベンド部１１Ｅは 実質的に対応の内向きベンド部と当接する。 運転中、縦軸線に沿う管１０及び１１の膨張差は、外側の管１１に沿う繊維帯 状物１２Ａによりリング１７が駆動されて滑動することにより吸収される。更に また、このような膨張差は、外側の管に中心リング１７が確りと固定されている ことにより、外側の管の中心平面の両側に分布する。このことは機械的な見地か ら一層好ましいことである。また、小さいながら半径方向の膨張に関する限り、 これらの膨張は、互いに固定されてはいない繊維帯状物によって吸収される。 図４に示した変形例による複合管の利点は、図２及び図３に図示した既述の実 施例で得られる利点に類似する。しかし、この変形例では、特に、繊維帯状物の 形状（横断面形状）、その数、換言するならば、その間隔、粗糸の配向（接線方 向又は交差）及び繊維の性質を変更することにより機械的及び熱的に複合管を最 適化することが容易に可能となる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 燃焼ガスマニホルド（２）と触媒（５）とを含む触媒ガス排出系用の排気 管であって、該排気管（４）は、前記マニホルドと前記触媒との間に配置されて 、内側の管及び外側の管と、該内側の管及び外側の管の間に画成された実質的に 環状の空間とから構成される複合管（８）を備え、前記複合管（８）は、前記排 気管（４）内部に収容され、前記外側の管は前記排気管と実質的に接触し、前記 内側の管（１０）及び外側の管（１１）は薄壁（１０Ａ，１１Ａ）を有し、その 厚さは０．３ｍｍより小さいことを特徴とする排気管。 ２． 内側の管と外側の管とを具備し、該内側の管と外側の管との間に実質的に 環状の空間が画成された、触媒ガス排気系の排気管であって、前記ガスマニホル ド及び前記触媒ガス排気系の触媒の間に設置される排気管と組み合わされる複合 管において、前記内側の管（１０）及び前記外側の管（１１）の壁（１０Ａ，１ １Ａ）の厚さが０．３ｍｍより小さく且つ前記外側の管（１１）の外径が大きく とも、前記排気管の内径に等しいことを特徴とする複合管。 ３． 前記内側の管（１０）及び前記外側の管（１１）の壁の厚さが０．１５〜 ０．２０ｍｍ台であることを特徴とする請求項２に記載の複合管。 ４． 前記内側の管（１０）及び前記外側の管（１１）がステンレス鋼から形成 されていることを特徴とする請求項２又は３のいずれかに記載の複合管。 ５． 前記外側の管（１１）と前記内側の管（１０）とにより画成される前記環 状の空間（９）内に、粒状又は繊維状の形態にあって小さい熱容量と低い密度と を有する物質が配設されていることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載 の複合管。 ６． 前記物質の熱容量は、０．２５ｋｃａｌ／ｋｇ台であり、その密度は大き くとも０．３に等しいことを特徴とする請求項５に記載の複合管。 ７． 前記内側の管（１０）及び前記外側の管（１１）の端部にリング（１５， １６）が設けられ、前記物質（１２）を前記環状空間（９）内に収容すべく前記 環状空間（９）を閉塞することを特徴とする請求項５又は６のいずれかに記載の 複合管。 ８． 前記管（１０，１１）の各端部において、前記環状空間内に収容されて前 記小さい熱容量及び低い密度の前記物質（１２）と接触関係になる可撓性の断熱 リング（１５）並びに断熱空間内に取り付けられて前記可撓性の断熱リング（１ ５）と接触関係になる耐熱性で且つ剛性のリング（１６）が収容さていることを 特徴とする請求項７に記載の複合管。 ９． 前記内側の管（１０）に前記物質（１２）の繊維状巻回物が、空き空間を 残し互いに離間して前記内側の管（１０）の外側に固定され、前記外側の管は前 記物質の繊維状巻回物と実質的に接触関係にあることを特徴とする請求項５又は ６のいずれかに記載の複合管。 １０． 前記巻回物は、前記内側の管を規則的な間隔で固定的に囲繞する複数個 の繊維帯状物（１２Ａ）により形成されて、台形又は類似の断面を有し、前記繊 維帯状物を前記外側の管（１１）の内部に嵌挿するように前記繊維帯状物の周囲 に取り付けられたリング（１７）を具備し、該リングのうちの少なくとも１つの リングにより前記繊維帯状物は前記外側の管に固定されることを特徴とする請求 項９に記載の複合管。 １１． 一緒に連結することが可能な複数個の個々の要素（１４）から構成され ることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の管。 １２． 各個々の要素（１４）が、それぞれ薄壁を有する外側の管（１１）及び 内側の管（１０）と、前記外側及び内側の管の間に配設された低熱容量及び低密 度を有する物質（１２）とから構成されることを特徴とする請求項１１に記載の 管。 １３． ２つの個々の要素を一緒に連結した場合に、内側の管の対応の端部（１ ０Ｂ，１０Ｃ）が互いに嵌合し、他方、前記外側の管の対応の端部（１１Ｂ，１ １Ｃ）は互いに突き合わせ当接することを特徴とする請求項１２に記載の管。