CN101994562A - 机动车排气管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种机动车排气管，该机动车排气管包括：排气管主体；以及金属圆筒体，其插在所述排气管主体内，所述圆筒体具有开口面积比为95％或更小的开口，并且所述圆筒体的厚度为3mm或更小。

Description

机动车排气管 
技术领域
本发明涉及机动车排气管，更具体地涉及用来提高其绝热性能的技术。 
背景技术
一般来说，机动车发动机的废气通过排气管被送到催化转化器中，然后在催化转化器中将空气污染物去除之后，废气从排气消声器排出到大气中。我们期望被加热至高温的废气流入催化转化器中，以便在短的时间阶段内将催化转化器内的催化剂材料加热至其活化温度。因此，需要使排气管绝热，以防止在废气从发动机流入催化转化器中时废气的温度下降。此外，类似的绝热处理也适用于将废气再次送回到吸气侧的热回收机构的管道，以便快速地加热发动机。 
在用于排气管的普通绝热构造中，绝热材料缠绕在排气管上。增加这种绝热材料的厚度以提高绝热性能会导致排气管所占用的空间增大。此外，还已知这样一种双管构造，其中，在排气管与外管之间夹设有空气层。例如，在专利文献1中，金属丝材料以螺旋方式缠绕在排气管上而用作间隔件，并且外管装配在该间隔件上。本申请的申请人曾经在专利文献2中提出了这样一种双管构造，其中，环形间隔件以任意的间隔附着在排气管的外周面上，并且在间隔件上安装有挠性外管，在该挠性外管内，玻璃纤维织物与金属箔的内表面接合。 
然而，在专利文献1和2中所描述的双管构造中，由于排气管和金属丝材料或间隔件具有一定的热容量，所以废气的热量被排气管和金属丝材料或间隔件吸收，从而导致了废气温度的降低。因此，当废气开始流入排气管中时，废气的温度迅速降低。此后，随着排气管和金属丝材料或间隔件变热，废气的温度逐渐升高，并且变得 恒定。然而，排气管及其圆周面上的材料的热容量越大，废气的温度变恒定所需要的时间越长，并且变得恒定的废气温度(可达到的温度)取低值。此外，从空间的观点来看，由于外管需要空间，所以采用双管构造会增加排气管所需的空间。 
专利文献1：JP-A-2002-228055 
专利文献2：JP-A-2004-285849 
发明内容
鉴于上述背景技术做出了本发明，并且本发明的目的在于提供一种机动车排气管，与常规的排气管相比，该机动车排气管能够缩短利用废气加热排气管所需要的时间，并且能够使其保持高的可达到温度，而不会增加排气管所需要的空间。 
也就是说，本发明涉及如下第(1)至第(6)项。 
(1)一种机动车排气管，包括： 
排气管主体；以及 
金属圆筒体，其插在所述排气管主体内，并且所述圆筒体具有开口面积比为95％或更小的开口，并且所述圆筒体的厚度为3mm或更小。 
(2)根据第(1)项所述的机动车排气管，其中，所述排气管主体和所述圆筒体之间的空隙为1至30mm。 
(3)根据第(1)或(2)项所述的机动车排气管，其中，在所述机动车排气管的一个或两个端面处，所述排气管主体与所述圆筒体之间的间隙被封闭。 
(4)根据第(1)至(3)项中任一项所述的机动车排气管，其中，所述圆筒体的外周面附着有绝热材料，所述绝热材料的厚度不会使所述绝热材料与所述排气管主体的内壁接触。 
(5)根据第(1)至(3)项中任一项所述的机动车排气管，其中，所述排气管主体的内壁附着有绝热材料，所述绝热材料的厚度不会使所述绝热材料与所述圆筒体接触。 
(6)根据第(1)至(3)项中任一项所述的机动车排气管，其中，所述圆筒体的内壁附着有绝热材料，所述绝热材料的厚度不 会使所述绝热材料填满所述圆筒体。 
在本发明的机动车排气管中，插在排气管主体内的圆筒体由金属板制成，并且具有小的热容量。因此，容易借助在圆筒体内流动的废气的热量使圆筒体的温度升高，并且使废气和圆筒体之间的温度差立即变小，从而减少了从废气到圆筒体的热量损失。因此，与排气管仅仅由排气管主体构成的情况相比，显著地缩短了提高排气管的温度所需要的时间。例如，可以通过将绝热材料附着到排气管主体的内壁，并且绝热材料的厚度不会导致绝热材料与圆筒体接触，来使上述优点进一步得到体现。此外，由于圆筒体以及绝热材料仅仅插在排气管主体内，排气管所需要的空间不会增加。 
附图说明
图1是示出本发明的机动车排气管的剖视图。 
图2A至2G是示出用于圆筒体的开口构造的实例的平面图。 
图3是示出本发明的机动车排气管的另一个实例的剖视图。 
图4是示出本发明的机动车排气管的另一个实例的剖视图。 
图5是示出本发明的机动车排气管的另一个实例的剖视图。 
图6示出实验1的模拟结果。 
图7示出实验1的模拟结果。 
图8示出实验1的模拟结果。 
图9示出实验2的结果。 
图10示出在使用厚度为0.1mm的圆筒体的情况下实验3的结果。 
图11示出在使用厚度为0.4mm的圆筒体的情况下实验3的结果。 
图12示出在使用厚度为0.8mm的圆筒体的情况下实验3的结果。 
图13示出在使用厚度为1.0mm的圆筒体的情况下实验3的结果。 
图14示出在使用厚度为1.5mm的圆筒体的情况下实验3的结 果。 
图15示出在使用厚度为2.0mm的圆筒体的情况下实验3的结果。 
图16示出在使用厚度为3.0mm的圆筒体的情况下实验3的结果。 
图17示出在使用厚度为3.5mm的圆筒体的情况下实验3的结果。 
图18示出在使用厚度为5.0mm的圆筒体的情况下实验3的结果。 
图19示出在使用厚度为10.0mm的圆筒体的情况下实验3的结果。 
图20示出实验4的结果。 
具体实施方式
在下文中，参考附图对本发明的机动车排气管进行详细描述。 
图1是示出本发明的机动车排气管1的剖视图。如图所示，由金属板(厚度为1至3mm)制成的圆筒体20安装在原本构成排气管的排气管主体10内，从而与排气管主体10保持预定距离。由于圆筒体20安装在排气管主体10内，所以不需要使用绝热材料或者不同的外管覆盖排气管主体10所占据的空间。 
圆筒体20优选由铝、铁、钛或者不锈钢制成，这是由于这些材料的热容量小并且它们几乎不会被废气劣化且成本低廉。此外，所使用的金属板的厚度优选为薄或小，以便于降低圆筒体20的热容量。因此，金属板的厚度为3mm或更小。然而，由于当厚度过小时强度降低，所以厚度优选为0.1mm或更大。如图6至图8所示，在金属板的厚度超过3mm的情况下，气体温度几乎不升高，即绝热处理并未发挥出多大的作用。当金属板的厚度处于小于或等于3mm且大于2mm的范围内时，温度随时间平缓地升高。即绝热效果开始显现。当该厚度处于小于或等于2mm到1mm的范围内时，温度升高被加速，并且较早地显现绝热效果。当该厚度处于小于或等于1mm且大 于0.8mm的范围内时，缩短了提高圆筒体20的温度的时间。于是，升温速率按照如下顺序依次提高：小于或等于0.8mm且大于0.4mm的厚度范围、小于或等于0.4mm且大于0.2mm的厚度范围、小于或等于0.2mm到0.1mm的厚度范围。 
排气管常被弯曲成所需要的曲率以便安装于发动机的周围。因此，由于机动车排气管1具有圆筒体20插入排气管主体10中的双层结构，所以在弯曲时，机动车排气管1中的两个管可能会彼此接触。此外，如果圆筒体20的厚度过薄，则该圆筒体可能由于弯曲而破裂。 
排气管主体10和圆筒体20之间的空隙优选在1至30mm的范围内，并且根据排气管主体10的直径选择适当的空隙。废气流经圆筒体20的内。在排气管主体10和圆筒体20之间的间隙中形成有空气层，以便隔离圆筒体20而防止从圆筒体20损失或转移热量。然而，在该空隙超过30mm的情况下，在该空气层中会产生对流，从而会降低绝热性能。另一方面，当空气层小于1mm时，由于空气层过薄，所以也会降低绝热性能。 
此外，可以通过在圆筒体20的表面上形成开口，进一步降低圆筒体20的热容量。在这种情况下，圆筒体20的总密度随着该圆筒体的开口面积比(即开口的总面积与圆筒体20的面积之比)的增大而降低，因此热容量下降。然而，当开口面积比过度增大时，在空气层中的空气和高温废气之间发生热交换，并且空气层和形成在圆筒体中的开口空间无法彼此区别。因此，在认真考虑绝热的时候，开口面积比的过度增大反而是不利的。此外，随着开口面积比的增大，圆筒体的总强度下降。因此，开口面积比被设定为95％或更小。优选地，开口面积比为55％或更小。 
对形成在圆筒体中的开口的构造没有限制，只要满足上述开口面积比即可。例如，具有图2A至2G中示出的多种构造的开口21都可以形成在圆筒体中。此外，开口21可以形成为无确定形状。然而，在单个开口21的尺寸扩大的情况下，废气趋向于穿过开口21而到达排气管主体10。因此，优选形成许多小的开口21。 
在制造形成有开口21的圆筒体20的过程中，可以将形成有开口21的金属板(厚度为1至3mm)弯曲成圆筒形状，同时将其纵向端部彼此对接而焊接在一起。对于开设有开口21的金属板(厚度为1至3mm)，可以使用市售产品，例如金属丝编织成网状形式的网状金属、拉孔金属和冲孔金属等。 
在制造机动车排气管1时，首先，将圆筒体20在适当位置处的直径局部地扩大，或者将环形间隔件以适当的间隔固定在圆筒体20的外周面上。然后，可以将圆筒体20插入排气管主体10内。此外，排气管主体10与圆筒体20之间的间隙可以在机动车排气管的两个端部处保持敞开。然而，也可以通过间隔件在机动车排气管的一个或两个端面处将该间隙封闭，从而可以防止热量由于辐射或对流而从该间隙的敞开部分转移走。 
此外，如图3所示，可以将绝热材料30附着在排气管主体10的内壁上，绝热材料30的厚度不会使绝热材料30与圆筒体20接触。通过这样附着绝热材料30，可以减少通过排气管主体10而散失到外部的热量，从而使排气管1能够具有更好的绝热性能。然而，在消除绝热管主体10和圆筒体20之间的间隙的情况下，由形成在排气管主体10与圆筒体20之间的空气层所产生的绝热效果不会明显显现。因此，绝热材料30的厚度优选为排气管主体10和圆筒体20之间的空隙的5％～95％。 
绝热材料30优选由无机材料制成，例如可以使用这样的无机材料：其中，诸如玻璃纤维和硅纤维、铝纤维、石棉之类的无机纤维通过无机粘结剂或少量的有机粘结剂结合成一体。此外，这种无机材料中可以包含硅酸钙、微孔材料或纳米微粒材料。另外，从绝热性能的观点来看，绝热材料30优选具有10至300kg/m3的密度。顺便提及，为了将绝热材料30接合在排气管主体10的内壁上，可以使用适当的粘合剂。在绝热材料30为圆筒形状的情况下，可以不使用粘合剂将绝热材料30插入排气管主体10内。在后一种情况中，可以有效地避免因使用胶粘剂而产生的排气(outgassing)。 
此外，如图4所示，绝热材料30可以附着在圆筒体20的外周 面上，绝热材料30的厚度不会使绝热材料30与排气管主体10的内壁接触。具体地说，绝热材料30的厚度优选等于排气管主体10和圆筒体20之间的空隙的5％～95％。 
此外，如图5所示，未填满圆筒体20的绝热材料30可以附着在圆筒体20的内壁。具体地说，绝热材料30的厚度优选等于圆筒体20的内径的5％～95％。 
实例： 
(实验1) 
在如下条件下对在圆筒体内侧流动的废气的温度随时间的变化进行模拟。 
圆筒体：不锈钢管，其厚度为0.1mm，0.2mm，0.3mm，0.4mm，0.6mm，0.8mm，1.0mm，1.5mm，2.0mm，2.5mm，3.2mm，3.5mm，5.0mm，7.5mm，10.0mm；未开设开口；外径为38.1mm 
外部温度：25℃ 
气体温度：450℃ 
图6至图8示出了模拟结果。从图中可以看出，升温速率随着圆筒体的厚度的减小而提高，并且这表明小的热容量是理想的。特别地，厚度为3mm或更小可获得好的结果。 
(实验2) 
制备如下排气管试样：(A)仅仅由圆筒体(外径为38.1mm、厚度为1.2mm的不锈钢管，开口面积比为0％)构成的排气管，(B)安装有如图1所示的圆筒体(不锈钢制冲孔金属管，厚度为0.4mm，开口面积比为32.6％，外径为38.1mm)的排气管，(C)如图4所示安装有与(B)相似的圆筒体并且还在圆筒体的外周面附着有绝热材料(厚度为3mm，由密度为200kg/m3的玻璃纤维制成)的排气管，以及(D)如图3所示安装有与(B)相似的圆筒体并且还在排气管主体的内壁上附着有绝热材料(厚度为3mm，由密度为200kg/m3的玻璃纤维制成)的排气管。 
然后，使被加热至500℃的空气流经各个圆筒体，并且测量管 的出口与外部的温度差，从而获得与外部温度(恒定为25℃)的温度差。流动的时间为100秒。图9示出在流动时间内空气温度随时间的变化。从图中可以看出，排气管(B)至(D)的升温速率比仅仅由排气管主体构成的排气管(A)的升温速率高。此外，由于附着有绝热材料，所以排气管(C)和(D)的升温速率显著提高。 
(实验3) 
计算出了气体温度对于圆筒体的不同直径随时间的变化，并且图10至19示出了其结果。也就是说，制备了三种不同类型的排气管主体，其直径分别为48.6mm、101.6mm和216.3mm。然后，制备了准备插入排气管主体内的直径分别为0.1mm，0.4mm，0.8mm，1.0mm，1.5mm，2.0mm，3.0mm，3.5mm，5.0mm和10.0mm的圆筒体。然后，当被加热至450℃的气体流经圆筒体时，计算管的出口处的温度。如图10至19所示，可以证实，在厚度超过3mm的情况下，在各个管道中，温度未随时间发生变化，从而未显现出绝热效果。 
(实验4) 
如图5所示，绝热材料(厚度为3mm，并且由密度为200kg/m3的玻璃纤维制成)附着在圆筒体(不锈钢制冲孔金属管，厚度为0.4mm，开口面积比为32.6％，外径为38.1mm)的内壁上，并且绝热材料安装为与排气管主体(内径为46.2mm，并且由厚度为1.2mm的不锈钢管制成)同心。然后，以与实验2相似的方式测量排气管出口处的温度，以获得与外部温度(恒定为25℃)的温度差。图20中示出了测量结果。图中的标示点(E)表示在绝热材料附着在圆筒体的内壁的排气管上获得的结果。此外，为了进行比较，图中还示出了在实验2中获得的标示点(A)至(D)。 
如图20所示，可以发现在圆筒体的内壁上附着有绝热材料的排气管(E)的升温速率高于排气管(C)和(D)的升温速率。 
虽然已经参考具体实施例对本发明进行了详细描述，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，在不背离本发明的要旨和范围的情况下可以对本发明做出各种变化和修改。 
本申请基于2009年8月21日提交的日本专利申请No.2009-192073以及2010年3月31日提交的日本专利申请No.2010-081803，这两件日本专利申请的内容以引用的方式并入本文。 
同时，在此引用的所有参考文献作为整体并入本文。 
与常规的排气管相比，根据本发明的机动车排气管能够缩短利用废气加热排气管所需的时间，并且能够保持高的可达到温度，而不会增加排气管所需要的空间。 
附图标记的说明 
1   机动车排气管 
10  排气管主体 
20  圆筒体 
21  开口 
30  绝热材料。 

Claims (6)

1.一种机动车排气管，包括：
排气管主体；以及
金属圆筒体，其插在所述排气管主体内，所述圆筒体具有开口面积比为95％或更小的开口，并且所述圆筒体的厚度为3mm或更小。
2.根据权利要求1所述的机动车排气管，其中，所述排气管主体和所述圆筒体之间的空隙为1至30mm。
3.根据权利要求1所述的机动车排气管，其中，在所述机动车排气管的一个或两个端面处，所述排气管主体与所述圆筒体之间的间隙被封闭。
4.根据权利要求1所述的机动车排气管，其中，所述圆筒体的外周面附着有绝热材料，所述绝热材料的厚度不会使所述绝热材料与所述排气管主体的内壁接触。
5.根据权利要求1所述的机动车排气管，其中，所述排气管主体的内壁附着有绝热材料，所述绝热材料的厚度不会使所述绝热材料与所述圆筒体接触。
6.根据权利要求1所述的机动车排气管，其中，所述圆筒体的内壁附着有绝热材料，所述绝热材料的厚度不会使所述绝热材料填满所述圆筒体。
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