排気パイプ
排気パイプは、内燃機関で燃焼した排気ガスをエンジンから車両後方へ安全かつ効率的に導く配管である。エキゾーストマニホールドで集合したガスは触媒コンバータ、センターパイプ、サイレンサー（マフラー）、テールパイプへと流下し、その間に酸化・還元・消音・熱管理が行われる。設計の主眼は、排出ガス規制や騒音規制の適合、バックプレッシャーの低減、熱影響と振動（NVH）の抑制、車体レイアウトとの両立である。
構造とレイアウト
一般に排気パイプはフロントパイプから始まり、三元触媒やDPF/GPF、センターパイプ、メインマフラー、テールパイプへと連続する。床下、サブフレーム、燃料タンク、サスペンションとの干渉を避け、最低地上高を確保しつつ曲げ半径を最適化する。膨張継手やフレキシブルジョイントを要所に配置し、エンジンのロールや熱膨張を吸収する。
材料と表面処理
排気パイプの主材は耐熱・耐食性を要する。量産ではSUS409LやSUS304等のステンレス、あるいはアルミめっき鋼板（アルミナイズドスチール）が用いられる。高温域では800〜900℃級の温度を想定し、クリープや高温酸化を考慮する。飛び石・塩害対策には肉厚増やコーティングを併用し、二重管構造で断熱と音響特性を改善する場合もある。
機能要件と設計指標
- 流体特性：許容バックプレッシャー、目標流速、圧力損失係数、曲げ部損失を管理する。
- 音響特性：管長・直径・容積で固有周波数を調律し、ヘルムホルツ共鳴や拡張室で低周波を抑える。
- 熱管理：遮熱板や断熱ラップで床下温度を制限し、近接部品の耐熱を確保する。
- 耐久性：熱疲労、振動疲労、腐食穿孔を防ぐ設計余裕（安全率）を持たせる。
流体設計と口径選定
過度な細径はポンピングロス増大を招く一方、太径は流速低下による浄化遅延や音圧増加の恐れがある。自然吸気では排気脈動を活かすため管長バランスが重要で、過給機付きではタービン後流の圧損最小化が鍵となる。一次設計では排気流量から目安の口径を定め、CFDやベンチ試験で損失係数と渦生成を検証する。
熱膨張・振動対策
排気パイプは運転条件で数百℃の温度差を受けるため、ΔL＝α×L×ΔTに基づき伸び量を見積もる。これを吸収するためにフレキシブルジョイント、蛇腹、スリップジョイントを適材適所に配置し、ハンガーとアイソレータで系の固有振動数を分散させる。溶接部は応力集中を避け、治具で角度・フランジ面の平行度を厳守する。
周辺部品との関係
O2（λ）センサは触媒前後に設置され、排気組成をモニタして空燃比制御と浄化診断（OBD）に用いる。ディーゼルではDPFとSCRを組み合わせ、ガソリン直噴ではGPFが微粒子低減に寄与する。ターボ車ではタービン出口から排気パイプの直後の圧力損失を最小化し、過給応答を改善する。
製造プロセス
量産ではマンドレルベンダによる曲げ加工、ハイドロフォーミングによる形状最適、TIG/MIG溶接やろう付を組み合わせる。量産品質はリークテスト、寸法検査、振動耐久、耐熱サイクルで保証する。フランジ・ガスケット界面は面圧設計とボルト軸力管理が重要で、焼付き防止のための表面処理やシール材選定も行う。
NVHと消音の考え方
排気パイプ自体は消音器ではないが、内径・曲げ・分岐・拡張部は音響フィルタとして作用する。マフラーのチャンバー容積やパンチング管の開孔率と合わせ、管路全体で透過損失を最適化する。アイドラや加速時のブーン音、こもり音は管長と共鳴の整合で対処する。
保守・点検と劣化モード
- 腐食：外面の塩害・飛沫、内面の凝縮水と酸性成分により穿孔が生じる。
- 疲労割れ：ハンガー外れや取付剛性低下で応力集中し割れが進行する。
- 漏れ診断：煤痕、排気臭、アイドル不整、OBD警告を確認し、石鹸水やスモークで特定する。
- 整備：暫定補修はパッチやクランプ、恒久対策は部品交換と適正トルクでの締結で行う。
法規・安全・レイアウト留意点
騒音規制と排出ガス規制は車型認証要件であり、排気パイプ単体ではなく系全体で適合させる。床下可燃物・配線・ブレーキ配管から十分なクリアランスを確保し、遮熱板で乗員室への熱侵入を抑える。テール端は巻き込み渦による煤付着や騒音直進を避ける向きとし、歩行者への熱接触リスクを低減する。
設計の実務ヒント
初期段階ではパッケージ図で干渉点を洗い出し、管長・サポート点・伸び代の概算を置く。試作では熱電対と加速度計で温度・振動を計測し、クリティカル部の補強とアイソレータ定数を再設計する。最終的には台上試験と実車評価を両輪とし、耐久・NVH・排出・性能のバランスを詰めることで、堅実で整備性の高い排気パイプを実現する。
用語整理：テールパイプとマフラー
テールパイプは最終排出口の配管を指し、マフラーは内部にチャンバーや吸音材を備える消音装置である。両者は一体化される場合もあるが、役割は明確に異なる。仕様書では名称と構成境界を定義し、検査・交換単位を明示する。
安全上の注意
排気パイプは運転直後に高温となるため、整備時は十分に冷却を待ち、保護具を着用する。車体支持はウマ等で確実に行い、狭所での溶接は火災・有害ガスに留意する。締結後は漏れ・干渉・異音の最終確認を行う。