JP2004301132A - エキゾーストマニホルド集合部構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 強度上の信頼性を向上し集合部の強度を確保できるエキゾーストマニホルド集合部構造の提供。
【解決手段】 複数本のパイプ６、７、８、９を溶接組付けしてなるエキゾーストマニホルド１０を集合管１１に挿入し中間部材２７を介して間接的に集合管１１に溶接接合したエキゾーストマニホルド集合部構造において、複数本のパイプ６、７、８、９を中間部材２７に挿入して溶接し、中間部材２７を集合管１１に挿入して、エキゾーストマニホルド集合部の下流端より上流側で、溶接することにより集合部の溶接部にかかる熱応力を緩和する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数本のパイプを組合わせて溶接したパイプ型エキゾーストマニホルドの集合部の構造に関する。

複数本のパイプをパイプ端を成形して集合させ溶接にて一体化させることによりパイプ型エキゾーストマニホルドを構成し、このエキゾーストマニホルドのパイプ集合部の下流側端部を集合管の上流側端部に挿入して溶接接合したエキゾーストマニホルド集合部構造は、たとえば実開平５−１８１９号公報により知られている。
従来のエキゾーストマニホルドの集合部構造は、パイプ集合部がシリンダヘッド端面（エキゾーストマニホルド入口フランジ端面）から比較的近い位置にあるタイプのもの（図８〜１１に示すもので、以下、Ａタイプという）と、パイプ集合部がシリンダヘッド端面（エキゾーストマニホルド入口フランジ端面）から比較的遠い位置にあるタイプのもの（図１２〜１４に示すもので、以下、Ｂタイプという）と、に大別される。
実開平５−１８１９号公報

従来のエキゾーストマニホルドの集合部構造には、つぎの問題がある。
(i) パイプ集合部の下流側端のパイプ間溶接部には、大きな熱応力がかかること、直交する分離壁の交点は高い温度になること（図１５のマニホルド温度分布参照）、直交する溶接線の重なり点となって溶接品質が悪いこと、の３つの厳しい条件が重なるため、強度上の信頼性を高く保つことが困難である。
(ii)熱応力の緩和を目的として実開平５−１８１９号公報のように直交する分離壁の両方を曲面壁とすると、パイプ集合部の断面剛性が低下して変形が促進してしまい、熱応力緩和の効果を相殺し十分な亀裂発生抑制効果が得られず、場合によっては亀裂発生を早める。
本発明の目的は、強度上の信頼性を向上できるエキゾーストマニホルド集合部構造を提供することにある。

上記目的を達成する本発明は、次の通りである。
（１） 複数本のパイプのそれぞれの下流側部分を成形して集合させ溶接にて一体化してエキゾーストマニホルドを形成し、前記エキゾーストマニホルドのパイプ集合部を集合管の上流側端部に挿入し該集合管に相対的に固定したエキゾーストマニホルド集合部構造において、前記エキゾーストマニホルドのパイプ集合部の少なくとも下流側部分を円筒状の中間部材に挿入して該中間部材に溶接にて接合し、該中間部材を前記集合管の上流側部分に挿入して溶接にて固定したことを特徴とするエキゾーストマニホルド集合部構造。

上記（１）の構造では、エキゾーストマニホルドを構成する複数本のパイプの熱膨張差に起因するモーメントが中間部材によって分担されるので、パイプ集合部の下流側端面の溶接部にかかるモーメントが低減され、強度上の信頼性が向上される。

本発明は、つぎの(i) 、(ii)の２つのグループを含む。
(i) 第１のグループ（請求項１に対応するもの）：別体の中間部材を介してパイプ集合部と集合管を溶接しモーメントを中間部材に分担させるもので、本発明の第１実施例を含む。本発明の第１実施例は図１に示されている。
(ii)第２のグループ（請求項２に対応するもの）：ほぼ直交する集合部分離壁の一方のみを曲面壁とするもので、本発明の第２、第３実施例を含む。本発明の第２実施例は図２に示されており、本発明の第３実施例は図３に示されている。

まず、本発明の全実施例に共通する部分の構成、作用を、図８〜図１４を参照して説明する。ただし、図８〜図１１はＡタイプを示し、図１２〜図１４はＢタイプを示す。
本発明実施例のエキゾーストマニホルド集合部構造は、複数本（気筒数と同じ数）のパイプ（ポートともいう、たとえば、ステンレスパイプからなる）６、７、８、９をそれぞれの下流側（排気ガス流れ方向に見て下流側の意味）部分で集合させ溶接にて一体化してエキゾーストマニホルド（パイプ溶接型エキゾーストマニホルド）１０を形成し、このエキゾーストマニホルド１０のパイプ集合部１４をこれと別体の集合管１１の上流側端部に挿入し、集合管１１に相対的に固定（直接または間接的に溶接にて一体化）したものからなる。パイプ集合部１４（ポート集合部ともいう）は、図１１に示すように、パイプ６、７、８、９の下流側部分を各々横断面扇形に成形して、この横断面扇形に成形した部分を扇形のかなめの部分を集合部横断面中心に配し集合部横断面外形が円形となるように集合させ、パイプ集合部１４の下流側端面のパイプ合せ部を溶接にて接合したものからなる。パイプ集合部１４を集合管１１に直接溶接する場合は、集合管１１の上流側端とパイプ集合部１４の外側面とを溶接する。ただし、本発明の第１実施例では、パイプ集合部１４は集合管１１に間接的に、すなわち中間部材を介して、接合される。

エキゾーストマニホルド１０はガスケット１０´を介してシリンダヘッド１に取り付けられる。シリンダヘッド１にはその長手方向に順に、＃１〜＃４気筒の排気ポートが開口している。排気ポート並びの外側に位置する＃１、＃４気筒の排気ポート２、３に接続されるパイプ６、７の、シリンダヘッドからパイプ曲り部までの、シリンダヘッド長手方向と直角方向の距離Ｌ１は、排気ポート並びの内側に位置する＃２、＃３気筒の排気ポート４、５に接続されるパイプ８、９の、シリンダヘッドからパイプ曲り部までの、シリンダヘッド長手方向と直角方向の距離Ｌ２より長い。

上記共通構成部分の作用を、たとえばＡタイプについて、説明すると、機関運転時にパイプ６、７とパイプ８、９の間の熱膨張差が生じ、パイプ集合部１４の、シリンダヘッド長手方向と平行方向に延びる、Ｘ−Ｘ軸まわりのモーメント１２がパイプに生じる。このモーメント１２はパイプ集合部１４の下流側端面のＸ−Ｘ軸方向の溶接部に熱応力を発生させる。Ｙ点は溶接線がクロスするので強度上厳しくなる。エキゾーストマニホルド１０および集合管１１の温度分布は図１５に示すように、溶接線クロス点Ｙでとくに高温である。

つぎに、本発明の各実施例に特有な構成、作用を説明する。
本発明の第１実施例の構成については、図１に示すように、エキゾーストマニホルド１０をエキゾーストマニホルド１０および集合管１１とは別体の中間部材２７を介して、集合管１１に接続する。より詳しくは、パイプ６、７、８、９の各々の下流側部分を横断面扇形に成形し、集合させて溶接にて一体化して横断面外形が円形のパイプ集合部１４を形成する。このパイプ集合部１４の少なくとも下流側部分を円筒状の中間部材２７に挿入し、パイプ集合部下流端と中間部材内周面との間を溶接（溶接部を符号２８で示した）するとともに、中間部材上流端とパイプ集合部外周面との間を溶接（溶接部を符号２９で示した）する。さらに、この中間部材２７を集合管１１の上流側部分に挿入して、集合管１１の上流端と中間部材外周面との間を、溶接部２８と溶接部２９の軸方向中間位置で、溶接（溶接部を符号３０で示した）にて接合する。

本発明の第１実施例の作用については、中間部材２７の下流側は絞り成形の無い開放端であることからパイプ６、７、８、９の下流側端部の外周を中間部材２７の内周面に溶接部２８で溶接することができるため、溶接部２９での溶接と併せて２ヶ所でつなぐことができるので、モーメント１２を中間部材２７で分担することができ、中間部材２７の剛性によりＹ点に作用する熱応力を軽減することができる。さらに、中間部材２７は集合管１１に嵌合され溶接部２８と溶接部２９の中間点で溶接部３０で結合されるため、中間部材２７の剛性はさらに高められることになり、さらなる応力緩和効果が得られる。さらに、別の作用として中間部材２７を接合した時点で各パイプが一体化されるため、そのサブアッシー状態で中間部材２７の端部３１をシール面として洩れ検査を容易に実施でき、また、中間部材２７の下流側は絞り成形の無い開放端であるため洩れ部位の補修が容易にできる。

上記迄の実施例に対して次の変形例にも拡張適用される。
エンジンの構成によって、Ｘ−Ｘ線と直角なＰ−Ｐ線を中心とするモーメント力の作用が大きくなることが考えられる（Ｂタイプ）。その場合は本発明の実施例を９０°回転して応用することにより同様の効果が実現できる。
耐熱性向上のため管端の扇形成形をやめて、円形のままで合流させてもよい。ただし、円形４本を合流させるためには、集合管の管端をそれに沿う形で成形する必要があり、２つ割り、もしくは４つ割りのプレス成形品を溶接して製造する必要があるため部品点数も増え、コスト高になる。また、パイプ端との溶接線も複雑になるため信頼性確保のためさらにコスト高になる。
また、本発明はエキゾーストマニホルドが下流側に延長された長い集合管１１に接続される場合により効果的である。本発明を適用することにより集合管１１の曲げ、及び、管端加工のみで低コストで耐熱性が高いエキゾーストマニホルドを提供できる。

本発明の第２実施例はＡタイプに適用されるものである。本発明の第２実施例の構成については、図２（図９のＡ−Ａ線に沿う断面図）に示すように、エキゾーストマニホルド１０のパイプ集合部１４は、４つのポート（パイプ）６、７、８、９の集合部からなり、ほぼ直交する分離壁３２、３３のうち、シリンダヘッド長手方向と平行なＸ−Ｘ軸に沿った分離壁３２が、パイプ集合部１４の径方向に湾曲しながら延びる曲面壁とされ、他方の分離壁３３が、パイプ集合部１４の径方向にストレートに延びる平面壁とされている。

本発明の第２実施例の作用を説明する前に、Ａタイプのエキゾーストマニホルドにおける熱疲労亀裂の発生のメカニズムをまず説明する。
図８〜図１１に示すＡタイプのエキゾーストマニホルド１０は、前述のように４本のポート（パイプ）６、７、８、９を集合管１１に挿入し、これを溶接、接合して成る。集合部１４はシリンダヘッド端面（エキゾーストマニホルド入口フランジ３４の端面）から比較的近い位置にあるため、集合部１４をはさんでポート６、７が向かい合いポート８、９が向かい合う形状となる。また、拘束部位（入口フランジ３４、エキマニステイボス３５）を結ぶ直線３６に対して集合部位置が大きく張り出すことはない。
このエキゾーストマニホルド１０では、向かい合うポート６、７および８、９が熱膨張することによって発生する力３７、３８が集合部１４に加わり、ポート集合部１４の断面は図５に示すようにつぶれる。この結果、温度が高い中央部３９の溶接部に歪が集中し、亀裂発生の要因となる。また、長いポート６、７と短いポート８、９の間では、長さの差分だけ熱膨張量に差を生じるため、それによる力４０によって図５の断面の押しつぶし変形は促進され、歪の集中度合が増す。

本発明の第２実施例の作用については、集合部断面をつぶす方向と平行な分離壁３２を曲面壁としたので、歪の集中が曲面壁のほぼ全長にわたって分散され、亀裂発生が抑制される。
これに対して、実開平５−１８１９号公報のように分離壁３２、３３を両方とも曲面壁とすれば、集合部中央への歪の集中を曲面壁へ分散する機能はあるが、同時に断面剛性を低下させるため図５の変形を促進してしまう。このため、効果が相殺されてしまい、十分な亀裂発生防止効果が得られない。
本発明の第２実施例では、集合部断面をつぶす方向と直角方向の分離壁３３は平面壁としたので、曲面壁３２によるポート断面剛性の低下は小とされ、図５の変形は促進されず、十分な亀裂発生防止効果がある。

本発明の第３実施例はＢタイプに適用されるものである。本発明の第３実施例の構成については、図３（図１３のＣ−Ｃ線に沿う断面図）に示すように、エキゾーストマニホルド１０のパイプ集合部１４は、４つのポート（パイプ）６、７、８、９の集合部からなり、ほぼ直交する分離壁３２、３３のうち、シリンダヘッド長手方向と直交するＰ−Ｐ軸に沿った分離壁３３が、パイプ集合部１４の径方向に湾曲しながら延びる曲面壁とされ、他方の分離壁３２が、パイプ集合部１４の径方向にストレートに延びる平面壁とされている。

本発明の第３実施例の作用を説明する前に、Ｂタイプのエキゾーストマニホルドにおける熱疲労亀裂の発生のメカニズムをまず説明する。
図１２〜図１４に示すＢタイプのエキゾーストマニホルド１０も、前述のように４本のポート（パイプ）６、７、８、９を集合管１１に挿入し、これを溶接、接合して成る。集合部１４はシリンダヘッド端面（エキゾーストマニホルド入口フランジ３４の端面）から比較的遠い位置にあるため、集合部１４をはさんでポート６、７、ポート８、９が向かい合う形状とはならない。また、拘束部位（入口フランジ３４、エキマニステイボス３５）を結ぶ直線３６に対して集合部位置が大きく張り出す。
このエキゾーストマニホルド１０では、Ａタイプのような向かい合うポートが集合部１４の断面をつぶす変形は起こりにくく（小さく）、代わって、図６、図７に示すようにエキゾーストマニホルド１０全体が上流端、下流端３４、３５の拘束の中で熱膨張しようとする力４１によってモーメント４２が生じ、集合部断面の内側（流線Ｒ、すなわち軸方向に延びる湾曲した軸線Ｒ、の内側）がシリンダヘッド長手方向と直角方向Ｐ−Ｐに押しつぶされる変形が主体となる。すなわち、Ｂタイプでは、Ａタイプの場合の力、変形と直交する方向に力、変形が生じる。したがって、Ｂタイプではシリンダヘッド１の長手方向と平行な分離壁３３が曲面壁とされるべきである。

本発明の第３実施例の作用については、集合部断面をつぶす方向（Ｂタイプではシリンダヘッドの長手方向と平行な方向）に延びる分離壁３３を曲面壁としたので、歪の集中が曲面壁３３のほぼ全長にわたって分散され、亀裂発生が抑制される。
これに対して、実開平５−１８１９号公報のように分離壁３２、３３を両方とも曲面壁とすれば、集合部中央への歪の集中を曲面壁へ分散する機能はあるが、同時に断面剛性を低下させるため図７の変形を促進してしまう。このため、効果が相殺されてしまい、十分な亀裂発生防止効果が得られない。
本発明の第３実施例では、集合部断面をつぶす方向（Ｐ−Ｐ方向）と直角方向の分離壁３２は平面壁としたので、曲面壁３３によるポート断面剛性の低下は小とされ、図７の変形は促進されず、十分な亀裂発生防止効果がある。

本発明の構造によれば、中間部材を設けたので、熱膨張差に起因するモーメントを中間部材に一部受けもたせることができ、それによってパイプ集合部下流側端面の溶接部にかかるモーメントが低減され、強度上の信頼性が向上される。

本発明の第１実施例に係るエキゾーストマニホルド集合部構造の側面図である。 本発明の第２実施例に係るエキゾーストマニホルド集合部構造の（図９のＡ−Ａ線に沿う）断面図である。 本発明の第３実施例に係るエキゾーストマニホルド集合部構造の（図１３のＣ−Ｃ線に沿う）断面図である。 Ａタイプのエキゾーストマニホルドの力、モーメントのかかり方と変形を示す、エキゾーストマニホルドの側面図である。 Ａタイプのエキゾーストマニホルドの力のかかり方と変形を示す、エキゾーストマニホルドの平面図である。 Ｂタイプのエキゾーストマニホルドの力、モーメントのかかり方と変形を示す、エキゾーストマニホルドの側面図である。 Ｂタイプのエキゾーストマニホルドの力のかかり方と変形を示す、エキゾーストマニホルドの平面図である。 Ａタイプのエキゾーストマニホルドの平面図である。 Ａタイプのエキゾーストマニホルドの正面図である。 Ａタイプのエキゾーストマニホルドの側面図である。 Ａタイプのエキゾーストマニホルドのパイプ集合部の、図９のＡ−Ａ線に沿う、断面図である。 Ｂタイプのエキゾーストマニホルドの平面図である。 Ｂタイプのエキゾーストマニホルドの正面図である。 Ｂタイプのエキゾーストマニホルドの側面図である。 図９で温度分布を示した図である。

符号の説明

６、７、８、９ パイプ（ポート）
１０ エキゾーストマニホルド
１１ 集合管
１２ モーメント
１４ パイプ集合部（ポート集合部）
２７ 中間部材
３２、３３ 分離壁

Claims (1)

1. 複数本のパイプのそれぞれの下流側部分を成形して集合させ溶接にて一体化してエキゾーストマニホルドを形成し、前記エキゾーストマニホルドのパイプ集合部を集合管の上流側端部に挿入し該集合管に相対的に固定したエキゾーストマニホルド集合部構造において、前記エキゾーストマニホルドのパイプ集合部の少なくとも下流側部分を円筒状の中間部材に挿入して該中間部材に溶接にて接合し、前記中間部材を前記集合管の上流側部分に挿入して、前記パイプ集合部の下流側端より上流側で、前記中間部材を前記集合管に溶接にて固定したことを特徴とするエキゾーストマニホルド集合部構造。

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