排気系部品

【課題】排気系部品の少なくとも一部をプラスチックで作製することを可能にする方法を提供する。
【解決手段】内燃機関の排気系の排気系部品１が、前記排気系の稼働時に排気に曝される金属製の内パイプ３と、作業空間６を取り囲むプラスチック製のハウジング４と、少なくとも１つの金属製の外パイプ５とを備える。前記外パイプ５が第１端部７にて前記内パイプ３に固定され、第２端部９にて前記ハウジング４に強固に接続される。前記外パイプ５が前記第１端部７と前記第２端部９との間において、前記内パイプ３と前記外パイプ５との間に半径方向に形成される環状空間１０を取り囲む。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関、特に自動車の内燃機関、用の排気系の排気系部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
ここで排気系部品とはたとえば消音器、触媒器、粒子フィルタ、ＳＣＲ（選択的触媒還元）システム、ＮＯｘ吸蔵システム、およびこれらの任意の組み合わせを含む。自動車の燃料消費の低減を目的として、自動車の重量の低減が試みられている。これは例えば車両の部品を鉄系金属の代わりに軽金属で、および／または、金属の代わりにプラスチックで製作する、つまりより軽い素材を用いることで達成される。しかしプラスチックは金属に比べて耐熱性に劣るため、プラスチックの排気系への利用には大きな困難が伴う。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、排気系部品の少なくとも一部をプラスチックで作製することを可能にする方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この目的は、本発明によれば、独立請求項に記載の構成により達せられる。より好ましい構成は従属請求項に記載のとおりである。
【０００５】
本発明の基本となる技術思想は次のとおりである。排気系部品のパーツのうち、高温の排気に直接曝されることのないパーツをプラスチックで作製し、これを、同様に排気に直接曝されることのない金属製のパーツを介して、今度は排気に直接曝される可能性のある金属製のパーツに固定する。このようにプラスチック製パーツを、熱暴露の比較的少ない金属製パーツを介して熱暴露の比較的多い金属製パーツに間接的に接続することにより、プラスチック製パーツへの熱伝達を著しく低減することができる。結果、プラスチック製パーツに対する熱負荷が許容範囲内に収まるので、混成素材から成る当該排気系部品において所望の疲労強度が得られる。
【０００６】
具体的には、排気系部品に少なくとも１つの金属製の内パイプと、プラスチック製のハウジングと、少なくとも１つの金属製の外パイプとを設ける。内パイプは排気系の駆動時に排気に曝される。内パイプは主に排気を流通させる役割を負う。ハウジングの内側は作業空間となる。外パイプは第１端部にて内パイプに固定され、第２端部にてハウジングに強固に接続されている。外パイプの両端部間において、内パイプと外パイプとの間に半径方向に環状空間が形成される。この構成により、ハウジングと内パイプとの間の直接の接触が回避され、ハウジングに対する熱負荷が低減される。好ましくは外パイプを内パイプと同軸に配置することで環状空間を形成すれば、外パイプと内パイプとの間で空気層による断熱効果が得られ、これにより外パイプに対する熱負荷を十分に低減することができる。結果、外パイプが内パイプに比べてはるかに低温となり、ハウジングへの熱入力が減少する。
【０００７】
好ましくは、ハウジングを外パイプに対して射出成形する。ハウジングを外パイプに対して射出成形することにより、外パイプの第２端部がハウジングのプラスチックに埋め込まれ、これにより特に堅固な接続が可能になる。その上、プラスチック製のパーツを、必ず必要となる金属製のパーツに対して射出成形することにより、封止用のパーツを別途必要とすることなく効果的な封止が可能となる。
【０００８】
好ましくは、外パイプの第２端部から射出成型輪郭部を一体に成形し、この射出成型輪郭部によって、射出成型されるハウジングとの堅固な接続を得る。成型輪郭部に例えば通し穴および／またはアンダーカット部を形成するとよい。これにより第２端部をハウジングのプラスチックに強固に埋め込むことができる。成型輪郭部を例えば突出部（迫り出し部）として形成し、この突出部を複数の部分から構成するとよい。そのような突出部を複数、外パイプの周方向に振り分けて設けて成型輪郭部としてもよい。
【０００９】
好ましくは、外パイプを、周方向沿いまたは縦（長手）方向沿いに波打った外形を有するよう構成する。これにより外パイプの表面積が増加し、外パイプから外界への熱の放射が促進される。結果、内パイプから外パイプを介してハウジングに伝達する熱が減少する。
【００１０】
これに加えてまたは代えて、外パイプの外面に受動的冷却構造を設けてもよい。これも外パイプの表面積を増加させるので、熱の外界への伝達を促進する。
【００１１】
好ましくは、冷却構造を複数の円環板状の冷却リブで構成する。これら冷却リブをそれぞれ外パイプに溶接または半田付けするとよい。同様の円環板状の冷却リブを複数備えた冷却ブロックを外パイプに外側から取り付けて接続してもよい。また、冷却構造を少なくとも１つの、外パイプをねじ状に取り巻く冷却コイルで構成してもよい。冷却コイルも外パイプに溶接または半田付けするとよい。
【００１２】
好ましくは、環状空間内に熱的分離のための断熱材を配置する。これにより外パイプに対する熱負荷をさらに低減することができる。
【００１３】
好ましくは、ハウジングと内パイプとの間にスライド結合部を設ける。これにより、ハウジングと内パイプとが支持し合いながらも相対的に運動可能となり、熱膨張による歪が生じない。特に好ましくは、ハウジングに軸受を設け、この軸受によってハウジングと内パイプとが支持し合うようにすれば、両者間の直接の接触が無くなる。このような軸受は例えばテフロン（登録商標）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ポリイミド、またはワイヤ織物により実現できる。これらの素材を組み合わせてもよい。
【００１４】
好ましくは、排気系部品を、ハウジングが内パイプに対して単一の外パイプを介してのみ保持されるよう構成する。この場合、内パイプはそれ自体が排気系の稼働時に排気の主流に曝されることなく、排気系の稼働時に排気の主流に曝される排気系の排気管に接続される。よってハウジングの作業空間も同様に排気の主流に曝されることなく、排気の流れをバイパスする経路に位置する。この場合、内パイプの外パイプへの接続は直接的にまたは適切な接続部材を介して間接的に行われ、この接続部材はＹ字管としておよび／または二層壁構造を有するよう構成するとよい。
【００１５】
好ましくは、排気系部品を能動型消音器とし、この能動型消音器を内パイプを介して排気系に音響的に接続する。作業空間内には能動型消音器のスピーカが配置され、作業空間がスピーカに関して前室と後室に分けられる。内パイプは音響結合を実現し、排気の主流には曝されない。これは能動型消音器が接続されるのが、排気の主流に曝される排気系の排気管をバイパスする経路だからである。あるいは、排気系部品をヘルムホルツ共鳴器とし、このヘルムホルツ共鳴器を内パイプを介して排気系に音響的に接続する。この場合、作業空間がヘルムホルツ共鳴器の共鳴室として機能し、内パイプがヘルムホルツ共鳴器のくびれ部分として機能する。このようなヘルムホルツ共鳴器も通常、排気の主流に曝される排気系の排気管をバイパスする経路に接続される。
【００１６】
好ましくは、ハウジングを内パイプに対して２つの外パイプを介して保持する。この場合、内パイプが排気系の稼働時に排気の主流に曝されてもよい。排気系部品を例えば受動型消音器とし、その場合内パイプを穿孔および／または遮断してもよい。内パイプを穿孔または遮断することにより、排気流とハウジングの作業空間との間で音響結合が実現される。この場合作業スペースは、消音器の種類と構成によって、吸音室および／または反射室および／または拡張室および／または共鳴室として機能する。作業空間が吸音室として機能する場合、作業空間を吸音材で満たしてもよい。
【００１７】
好ましくは、固定箇所を外パイプに設け、この固定箇所において排気系部品を支持構造、特に車両の構造部材、に固定可能とする。従来、そのような固定箇所はハウジングに形成されていたが、本発明のように排気系部品が混成素材から成る場合、固定箇所を金属製の外パイプに設ける方が、ハウジングに対する機械的荷重が低減できるので好ましい。
【００１８】
特に好ましくは、各外パイプに、固定機構の少なくとも１つの固定部を設け、この固定機構により排気系部品を支持構造に固定可能とする。この場合各固定部を外パイプに溶接または半田付けするとよい。固定部は例えば突起状、棚状、またはアングル（Ｌ字）状である。支持構造とは例えば車両の構造部材または車両の底板である。とりわけ排気系部品を支持構造に外パイプを介してのみ固定するのが好ましい。ハウジングが機械的荷重から解放されるからである。
【００１９】
本発明の他の重要な特徴や効果は、従属請求項、図面、および図面に基づいた本明細書内の記載の該当箇所から理解されるとおりである。
【００２０】
上に述べた、また下にこれから述べるいずれの特徴も、具体的に言及されている組み合わせ以外のどのような組み合わせでも、あるいは単独でも、本発明の範囲を逸脱しない限り実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】一排気系部品の一部を示す縦方向断面図である。
【図２】図１に示す排気系部品を矢印II方向から見た図である。
【図３】他の排気系部品の一部を示す縦方向断面図である。
【図４】図３に示す排気系部品を矢印IV方向から見た図である。
【図５】一排気系部品の外パイプ部分を示す縦方向片側断面図である。
【図６】他の実施形態における図５と同様の縦方向片側断面図である。
【図７】図６に示す排気系部品の線VIIに沿う断面図である。
【図８】さらに他の実施形態における排気系部品の外パイプ部分を示す縦方向片側断面図である。
【図９】さらに他の実施形態における排気系部品の外パイプ部分を示す縦方向片側断面図である。
【図１０】さらに他の実施形態における排気系部品の側面図である。
【図１１】さらに他の実施形態における排気系の排気系部品部分の概略縦方向断面図である。
【図１２】さらに他の実施形態における排気系の排気系部品部分の概略縦方向断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の好ましい実施形態を、図面を参照しながら以下に詳細に説明する。同一、類似、または機能上同等の部材は同一の参照符号で示す。
【００２３】
図面は全て模式図であり、各図の内容は以下のとおりである。図１は一排気系部品の一部を示す縦方向断面図である。図２は図１に示す排気系部品を矢印II方向から見た図である。図３は他の排気系部品の一部を示す縦方向断面図である。図４は図３に示す排気系部品を矢印IV方向から見た図である。図５は一排気系部品の外パイプ部分を示す縦方向片側断面図である。図６は他の実施形態における図５と同様の縦方向片側断面図である。図７は図６に示す排気系部品の線VIIに沿う断面図である。図８および図９は夫々さらに他の実施形態における排気系部品の外パイプ部分を示す縦方向片側断面図である。図１０はさらに他の実施形態における排気系部品の側面図である。図１１および図１２は夫々さらに他の実施形態における排気系の排気系部品部分の概略縦方向断面図である。
【００２４】
図１〜図１２に本発明による排気系部品１を示す。排気系部品１は内燃機関、特に自動車（その一部を図１１および図１２に示す）の内燃機関、の排気系２に設けられる。排気系部品１は少なくとも１つの内パイプ３、少なくとも１つのハウジング４、および少なくとも１つの外パイプ５を含む。内パイプ３は金属製で、排気系２の稼働時には内燃機関の排気に曝される。ここで、内パイプ３が曝されるのは必ずしも排気の主流ではない。ハウジング４はプラスチック製で、内側に作業空間６を有する。外パイプ５は金属製で、その第１端部７にて内パイプ３に、例えば溶接８により固定されている。外パイプ５はその第１端部７から離れているその第２端部９にてハウジング４に接合されている。
また外パイプ５は、その両端部７、９間において、内パイプ３と外パイプ５との間に半径方向に形成される環状空間１０を周方向に取り囲むように、内パイプ３に対する配置と寸法が設定される。環状空間１０は内パイプ３と外パイプ５との間で空気層による断熱効果を発揮する。
【００２５】
本明細書において「周方向」、「半径方向」、および「軸方向」は、内パイプ３の縦（長手）方向中心軸１５を基準とする。
【００２６】
図１〜図１２に示す実施形態において、ハウジング４は内パイプ３と接触しないように配置される。よってハウジング４は内パイプ３に外パイプ５を介してのみ接続される。
【００２７】
ハウジング４は外パイプ５に対して射出成形するとよい。これにより第２端部９がハウジング４のプラスチックに埋め込まれる。特に、ハウジング４のプラスチックが外パイプ５の第２端部９を両側から、つまり半径方向の内側と外側とから、挟み込むようにするのが良い。
【００２８】
外パイプ５の第２端部９には成形輪郭部１１が一体に成形され、成形輪郭部１１は成形ハウジング４に堅固に接続される。成形輪郭部１１は例えば周方向に振り分けられた複数の突出部（迫り出し部）１２を有する。突出部１２はそれぞれ図２に示すように１つの部分から成るものでもよく、図４に示すように複数の部分から成るものでもよい。成形輪郭部１１には通し穴１３を形成してもよい。この通し穴１３は成型時に射出されるプラスチックで埋まる。成形輪郭部１１には図３に示すように段差をつけてアンダーカット部１４を形成してもよい。アンダーカット部１４はプラスチックに堅固に包み込まれる。
【００２９】
図５に示す実施形態において、外パイプ５は縦方向沿いに波打った外形を有する。結果、外パイプ５は蛇腹状に構成される。図６、図７に示す実施形態において、外パイプ５は周方向沿いに波打った外形を有する。いずれの外形形状も外パイプ５の表面積を増やすことで外パイプ５から外界への熱伝達を促進する。
【００３０】
図８〜図１１に示す実施形態において、外パイプ５は外面に受動的冷却構造１６を備える。受動的冷却構造１６は外界への熱伝達を促進する。図８に示すように、受動的冷却構造１６は例えば複数の円環板状の冷却リブ１７から成り、これらが特にはそれぞれ外パイプ５に溶接または半田付けさている。図９に示す実施形態において、受動的冷却構造１６は少なくとも１つの冷却コイル１８を含む。冷却コイル１８は外パイプ５の周りをねじ状に取り巻いている。冷却コイル１８も外パイプ５に溶接または半田付けするとよい。
【００３１】
図１２に示す実施形態において、熱的分離のための断熱材１９が環状空間１０内に導入され、これにより内パイプ３から外パイプ５への熱伝達が抑えられる。図１２に示す実施形態において、さらにスライド結合部２０がハウジング４と内パイプ３との間に形成され、これによりハウジング４と内パイプ３とが直接または間接に支持し合う。スライド結合部２０はスライド軸受２１で実現するとよく、特にはこのスライド結合部２０をハウジング４側に設けるとよい。スライド軸受２１は例えばハウジング４の射出成型時にインサートとして成型金型内に入れておく。するとハウジング４の成型と共にインサートがこれと一体とされてスライド軸受２１となる。スライド軸受２１の素材は例えばテフロン（登録商標）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ポリイミド、またはワイヤ織物である。これに加えてまたは代えて、図１２に示すようにラジアル軸受２２を設けてもよい。ラジアル軸受２２により内パイプ３と外パイプ５とが半径方向に支持し合う。ラジアル軸受２２の素材もテフロン（登録商標）、ＰＥＥＫ、ポリイミド、またはワイヤ織物である。またラジアル軸受２２もハウジング４の射出成型時にインサートとして成型金型内に入れておくことができる。
【００３２】
図１１および図１２に示す実施形態において、ハウジング４は内パイプ３に対して単一の外パイプ５を介してのみ保持される。本実施形態において、内パイプ３は排気系２の稼働時に排気の主流には曝されない。図１１および図１２において、排気の流れを矢印２３で示す。内パイプ３は排気系２の排気管２４に接続されており、排気管２４が排気系２の稼働時に排気の主流に曝される。図１１に示す実施形態において、内パイプ３は排気管２４に直接接続されている。図１２に示す実施形態において、接続部材２５が設けられており、これを介して内パイプ３が排気管２４に接続されている。図１２の接続部材２５は二層壁のＹ字管に構成されている。
【００３３】
排気系部品１は例えば能動型消音器（以下これにも参照番号１を充てる）であって、内パイプ３を介して排気系２に音響的に接続される。図１１に示すように、能動型消音器１は例えばハウジング４の作業空間６内にスピーカ２６を備え、作業空間６がスピーカ２６に関して前室２７と後室２８に分かれている。ここで内パイプ３は主流には曝されておらず、スピーカ２６と排気管２４との間を音響的に結合する役割を果たす。
【００３４】
あるいは、排気系部品１はヘルムホルツ共鳴器（以下これにも参照番号１を充てる）であって、内パイプ３を介して排気系２に音響的に接続される。図１２に示すように、この場合ハウジング４の作業空間６はヘルムホルツ共鳴器１の共鳴室として機能する。内パイプ３はヘルムホルツ共鳴器１の共鳴くびれ部分として機能する。ここでも内パイプ３は主流には曝されず、共鳴室６と排気管２４との間を振動伝達可能に結合する役割を果たす。
【００３５】
図１０に示す実施形態において、ハウジング４は２つの外パイプ５を介して内パイプ３に対して保持されている。この場合、排気系２の稼働時に内パイプ３を排気の主流に曝すことができる。そのときの排気の流れを図１０においては矢印２３で示す。この場合、排気系部品１を例えば受動型消音器として構成することができる。この場合、内パイプ３は例えばハウジング４内に遮断部材２９および／または開孔３０を備え、これにより内パイプ３の内部とハウジング４の作業空間６との間が音響的に結合される。ここで、作業空間６は吸音室および／または反射室および／または拡張室および／または共鳴室として機能し得る。特に、作業空間６を吸音材で満たしてもよい。
【００３６】
図１および図２に示すように、好ましくは固定機構３２の少なくとも１つの固定部３１を外パイプ５に設けておけば、その固定機構３２を用いて排気系部品１を不図示の支持構造に固定することができる。例えば、固定部３１は突起状に構成され、外パイプ５に溶接３３により固定される。固定部３１を介して、排気系部品１を支持構造に例えばネジ止めすることができる。支持構造は例えば車両の構造部材であり、特には車両の底板である。排気系部品１はこの固定部３１を介してのみ支持構造に固定されるのが良い。固定部３１は外パイプ５に取り付けられているので、特にハウジング４に余分な機械的荷重がかかるのを防げるからである。
【符号の説明】
【００３７】
１排気系部品
２排気系
３内パイプ
４ハウジング
５外パイプ
６作業空間
７第１端部
８溶接
９第２端部
１０環状空間
１１成形輪郭部
１２突出部
１３通し穴
１４アンダーカット部
１５縦方向中心軸
１６受動的冷却構造
１７冷却リブ
１８冷却コイル
１９断熱材
２０スライド結合部
２１スライド軸受
２２ラジアル軸受
２３矢印
２４排気管
２５接続部材
２６スピーカ
２７前室
２８後室
２９遮断部材
３０開孔
３１固定部
３２固定機構
３３溶接

【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関、特に自動車の内燃機関、用の排気系（２）の排気系部品であって、
前記排気系（２）の稼働時に排気に曝される、金属製の内パイプ（３）と、
作業空間（６）を取り囲む、プラスチック製のハウジング（４）と、
少なくとも１つの金属製の外パイプ（５）と
を備え、
前記外パイプ（５）が第１端部（７）にて前記内パイプ（３）に固定され、第２端部（９）にて前記ハウジング（４）に強固に接続され、
前記外パイプ（５）が前記第１端部（７）と前記第２端部（９）との間において、前記内パイプ（３）と前記外パイプ（５）との間に半径方向に形成される環状空間（１０）を取り囲む
ことを特徴とする排気系部品。
【請求項２】
請求項１に記載の排気系部品において、
前記ハウジング（４）が前記外パイプ（５）に射出成形される。
【請求項３】
請求項２に記載の排気系部品において、
前記外パイプ（５）の前記第２端部（９）に複数の成形輪郭部（１１）が一体に成形され、該成形輪郭部（１１）は前記ハウジング（４）に堅固に接続される。
【請求項４】
請求項３に記載の排気系部品において、
前記成形輪郭部（１１）の少なくとも一つに通し穴（１３）が形成されている。
【請求項５】
請求項３または４に記載の排気系部品において、
前記成形輪郭部（１１）の少なくとも一つにアンダーカット部（１４）が形成されている。
【請求項６】
請求項１に記載の排気系部品において、
前記内パイプ（３）と前記外パイプ（５）とが同軸に配置される。
【請求項７】
請求項１に記載の排気系部品において、
前記外パイプ（５）が周方向沿いに波打った外形を有する、または
前記外パイプ（５）が縦方向沿いに波打った外形を有する。
【請求項８】
請求項１に記載の排気系部品において、
前記外パイプ（５）が外面に受動的冷却構造（１６）を備える。
【請求項９】
請求項８に記載の排気系部品において、
前記受動的冷却構造（１６）が複数の円環板状の冷却リブ（１７）を含み、および／または
前記受動的冷却構造（１６）が少なくとも１つの冷却コイル（１８）を含み、該冷却コイル（１８）が前記外パイプ（５）の周りをねじ状に取り巻く。
【請求項１０】
請求項１に記載の排気系部品において、
前記環状空間（１０）内に熱的分離のための断熱材（１９）が配置される。
【請求項１１】
請求項１に記載の排気系部品において、
前記ハウジング（４）と前記内パイプ（３）との間にスライド結合部（２０）が設けられる。
【請求項１２】
請求項１に記載の排気系部品において、
前記ハウジング（４）が前記内パイプ（３）に対して単一の前記外パイプ（５）を介してのみ保持され、
前記内パイプ（３）はそれ自体前記排気系（２）の稼働時に排気の主流に曝されないが、前記排気系（２）の稼働時に排気の主流に曝される前記排気系（２）の排気管（２４）に接続されている。
【請求項１３】
請求項１２に記載の排気系部品において、
前記排気系部品（１）が能動型消音器であり、該能動型消音器が前記内パイプ（３）を介して前記排気系（２）に音響的に接続されている、または
前記排気系部品（１）がヘルムホルツ共鳴器であり、該ヘルムホルツ共鳴器が前記内パイプ（３）を介して前記排気系（２）に音響的に接続されている。
【請求項１４】
請求項１から１１のいずれかに記載の排気系部品において、
前記ハウジング（４）が前記内パイプ（３）に対して２つの前記外パイプ（５）を介して保持され、
前記内パイプ（３）が前記排気系（２）の稼働時に排気の主流に曝される。
【請求項１５】
請求項１４に記載の排気系部品において、
前記排気系部品（１）が受動型消音器であり、前記内パイプ（３）が穿孔および／または遮断されている。
【請求項１６】
請求項１に記載の排気系部品において、
各前記外パイプ（５）に、固定機構（３２）の少なくとも１つの固定部（３１）が設けられ、該固定機構（３２）により前記排気系部品（１）が支持構造に固定可能となっている。

【図１】