JP2005076605A - 二重構造排気システム - Google Patents

Abstract

【課題】 コストをかけない簡単な構成にして熱容量の小さな二重構造を形成でき、効率よく排ガスの温度上昇を早めることの可能な二重構造排気システムを提供する。
【解決手段】 シリンダヘッドに接続される排気マニホールド（20）を覆うように外カバー（30）を設けることによって二重構造を形成するとともに、排気マニホールドの集合管（28）の内部を仕切板(50,51）により仕切り、該集合管の内部に独立管（21〜24）の内部通路と連通し互いに隣接する排気通路を形成するようにした。
【選択図】 図２

Description

本発明は、二重構造排気システムに係り、詳しくは、多気筒エンジンから排出される排ガスの早期昇温技術に関する。

エンジンにおいて、排気管の後方に触媒を装着することによって、排ガスを浄化する技術が知られている。
しかし、触媒は所定の高温にならなければ排気浄化機能を発揮しないものなので、特にエンジンの冷態始動時等には排ガスの浄化が十分になされないという問題がある。

そこで、排気マニホールドを外管と内管によって二重構造とし、断熱効果を利用して排ガスの温度上昇を早め、これにより触媒を早期に活性化させる二重構造排気システムが開発されている（非特許文献１参照）。
社団法人自動車技術会 学術講演会前刷集Ｎｏ．１１１−０２

しかしながら、上記非特許文献１に開示された技術では、排気マニホールドの複数の独立管が集合する集合管の表面積が各独立管の外管の径によって決定されるために大きくなり、集合管の熱容量が大きくなってしまうという問題がある。そのために内管と外管の隙間を小さくしようとすると、内管の熱変形によって内外管が接触し、伝熱によって熱損失が生じてしまい好ましいことではない。

また、内管と外管によって構成される二重構造の排気マニホールドは、一般に、内管を外管に挿入して同心位置にあわせた後、各管の中に鋼球、砂、液体（後に凝固させる）等を詰め、荷重をかけて任意の形状に変形させるという製造工程を経て製造される。しかしながら、当該製造工程は複雑であり、コストがかかる上、加工精度が得難く、形状上の制約も増加するという問題がある。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、コストをかけない簡単な構成にして熱容量の小さな二重構造を形成でき、効率よく排ガスの温度上昇を早めることの可能な二重構造排気システムを提供することにある。

上記した目的を達成するために、請求項１の二重構造排気システムでは、多気筒エンジンのシリンダヘッドに各気筒の排気ポートと連通するように接続される複数の独立管と、これら複数の独立管を集合させる集合管とからなる排気マニホールドと、該排気マニホールドを少なくとも前記独立管から所定の間隔を有し且つ上流側で気密に覆うカバーとを備え、前記集合管では、仕切板で仕切られて複数の排気通路が形成され、該複数の排気通路の各排気通路がそれぞれ前記各独立管の内部通路と連通するとともに、これら各排気通路の全てが互いに隣接していることを特徴としている。

したがって、カバーで排気マニホールドを覆うという簡単な構成で二重構造が形成され、多気筒エンジンの各気筒から排出される排ガスは、各独立管を通り、集合管の互いに隣接し仕切られた内部通路を通って排気管へと流れる。
請求項２の二重構造排気システムでは、前記複数の独立管および集合管の少なくとも一部分に蛇腹部を設けたことを特徴としている。

したがって、蛇腹部が排気マニホールドの熱変形を吸収する。
請求項３の二重構造排気システムでは、前記カバーの下流端に接続される外管と、該外管から所定の間隔を有して該外管に沿って延びる内管とからなり、前記排気マニホールドの下流端に接続される排気管を備え、前記集合管と前記内管との接続部では、前記集合管が内側に、前記内管が外側に重ね合わされていることを特徴としている。

したがって、排気マニホールドと排気管とが排ガスの流れに沿い隙間なく重ね合わされて摺動可能に接続される。
請求項４の二重構造排気システムでは、前記集合管の断面形状が円形であることを特徴としている。
請求項５の二重構造排気システムでは、前記カバーの肉厚を１．０〜１．５ｍｍとし、前記集合管の肉厚を０．４〜０．８ｍｍとすることを特徴としている。

前記手段を用いる本発明の請求項１の二重構造排気システムによれば、排気マニホールドは一重管であるので、加工精度とともに形状の自由度が高く、二重構造の実現が容易であり、コストを低減できる。また、カバーで剛性と強度とを確保することができるので排気マニホールドの肉厚を薄くすることができ、且つ、集合管において内部を仕切板で仕切るようにして各独立管の内部通路と連通する複数の排気通路を形成しているので、集合管の表面積を極力小さく抑えることができ、排気マニホールドの熱容量を小さくすることができる。さらに、カバーは所定の間隔を有して独立管を覆うので、独立管の変形によっても該独立管とカバーとの接触を確実に防止できるし、集合管の内部を仕切板で各排気通路の全てが互いに隣接するように仕切るので、排気干渉を防止しながら仕切板を介して各排気通路を流れる排ガス同士で互いに熱交換を行うようにでき、熱損失を少なくすることができる。

これにより、コストをかけない簡単な構成にして二重構造を実現し、効率よく排ガスの温度上昇を早めることができ、例えば排気管に設けられた触媒を早期に活性化させることが可能となる。

請求項２の二重構造排気システムによれば、蛇腹部が排気マニホールドの熱変形を吸収するので、排気マニホールドの割れや変形を防ぐことができる。これにより、排気マニホールドとカバーの接触をより確実に防止できる。

請求項３の二重構造排気システムによれば、集合管を排気管の内側に重ね合わせるという容易な接続手段でありながら、排ガスが重ね合わせ部を通って外部に流出し難くなるため、排ガス流出による熱損失を少なくしながら、重ね合わせ部において、排気マニホールドの熱変形を良好に吸収することができる。
請求項４の二重構造排気システムによれば、集合管の表面積を最小とすることができ、集合管の熱容量を小さくでき、熱損失を極力少なくすることができる。

請求項５の二重構造排気システムによれば、排気マニホールドを覆うカバーによって剛性と強度を確保できると共に、集合管を薄肉とすることによって熱容量を低減して、熱損失を抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
まず、第１実施例について説明する。
図１を参照すると、本発明の第１実施例に係る二重構造排気システムの構造を示す分解斜視図が示されており、以下同図に基づき説明する。

同図に示すように、エンジンは例えば４サイクル直列４気筒エンジンであり、該エンジンのシリンダヘッド１の一側面にはフランジ１０を介して排気マニホールド２０が接続されている。そして、この排気マニホールド２０を覆うようにして外カバー３０が配設されており、排気マニホールド２０と外カバー３０とは排気管７０に結合されている。

詳しくは、シリンダヘッド１には図示しない♯１気筒〜♯４気筒と連通するようにして排気ポートＰ１〜Ｐ４が形成されており、フランジ１０にはこれら排気ポートＰ１〜Ｐ４に対応するように貫通孔１１〜１４が形成されている。フランジ１０には、各貫通孔１１〜１４を介し上記各排気ポートＰ１〜Ｐ４と連通するようにして、排気マニホールド２０の独立管２１〜２４がそれぞれ接続されている。そして、これら独立管２１〜２４は、排気下流で断面円形の集合管２８に一体に接合されている。独立管２１〜２４及び集合管２８の肉厚は、熱容量を低減できるように、例えば、０．４〜０．８ｍｍ程度に設定されている。

集合管２８は円筒状に形成され排気下流側で径が収縮しており、フランジ４０に対応する部分の接続部２９では長円形状をなしている。
外カバー３０は、上面外カバー３１と下面外カバー３２とが排気マニホールド２０を覆うように重ね合わされて周縁で接合され、所謂「もなか状」に構成されている。詳しくは、外カバー３０は、排気上流端がフランジ１０に密接状態に溶接され、下流端にはフランジ４０が取り付けられている。外カバー３０の肉厚は十分な剛性と強度を確保できるよう、例えば１．０〜１．５ｍｍ程度に設定されている。

また、排気マニホールド２０は図示しない支柱により適宜外カバー３０に支持されており、外カバー３０と排気マニホールド２０の間隔は、少なくとも排気マニホールド２０が熱で変形しても接触しないほどの距離（所定の間隔）に設定されている。
つまり、排気マニホールド２０がフランジ１０に密接された外カバー３０に覆われることで二重構造が形成されている。

ここで、図２、図３を参照すると、図２には本発明に係る二重構造排気システムの正面図が示され、図３には図２の矢視Ｘ方向から見た側面図が示されている。また、図２、図３に示される排気マニホールド２０の集合管２８の上流部Ａ−Ａ線に沿う断面が図４に、中間部Ｂ−Ｂ線に沿う断面が図５に、下流部Ｃ−Ｃ線に沿う断面が図６に示されている。以下図２〜図６を参照して集合管２８の内部構造について説明する。

集合管２８の上流部は、上述したように独立管２１〜２４に一体に接合されており、集合管２８の上流部の内部には、図４に示すように円形断面内において仕切板５０、５１により均等に４分割されて排気通路２１ａ〜２４ａが形成されている。具体的には、集合管２８の上流部の内部は、エンジンの♯１気筒からの排ガスが独立管２１を経て排気通路２１ａを流れ、♯２気筒からの排ガスが独立管２２を経て排気通路２２ａを流れ、♯３気筒からの排ガスが独立管２３を経て排気通路２３ａを流れ、♯４気筒からの排ガスが独立管２４を経て排気通路２４ａを流れるように仕切られている。

集合管２８の中間部では、図５に示すように、上記仕切板５１、即ち排気通路２１ａと排気通路２４ａ間の仕切りがなくなることによって排気通路２５ｂが形成され、排気通路２２ａと排気通路２３ａとの仕切りがなくなることによって排気通路２６ｂが形成されている。つまり、集合管２８の中間部の内部には、仕切板５０により均等に２分割された排気通路２５ｂ、排気通路２６ｂが形成されている。

詳しくは、本実施例の場合、エンジンの燃焼順序は、例えば♯１気筒→♯３気筒→♯４気筒→♯２気筒の順であり、集合管２８の中間部の内部は、燃焼順序が互いに連続しない♯１気筒と♯４気筒からの排ガスが合流して排気通路２５ｂを流れ、やはり燃焼順序が互いに連続しない♯２気筒と♯３気筒からの排ガスが合流して排気通路２６ｂを流れるように仕切られている。

集合管２８の下流部では、図６に示すように、上述の如く外形が長円形状をなしており、内部には、上記排気通路２５ｂ、第６排気通路２６ｂに対応するように、仕切板５０により均等に２分割されてそれぞれ排気通路２５ｃ、排気通路２６ｃが形成されている。

図８を参照すると、排気マニホールド２０、外カバー３０と排気管７０との接続部分が縦断面図で示されており、以下排気マニホールド２０、外カバー３０と排気管７０との接続構造について説明する。

本実施例では、同図に示すように、排気管７０においても二重構造が形成されており、内管７３が外管７１によって覆われている。そして、内管７３の内部には、仕切板７４により均等に２分割されて排気通路７５ｄ、７６ｄが形成されている。

排気管７０の内管７３は、集合管２８の接続部２９より一回り大きな外形形状を有しており、接続部２９の外側に重ね合わされるように接続されている。また、集合管２８内部の仕切板５０の下流端は二股に分かれており、排気管７０の内管７３内部の仕切板７４は、当該二股に挟まれるように接続されている。これより、排気マニホールド２０と排気管７０の内管７３および仕切板５０と排気管７０の仕切板７４は、排気上下流方向である程度摺動可能に接続されている。

そして、外カバー３０と外管７１とは、外カバー３０に取り付けられたフランジ４０と排気管７０の外管７１に取り付けられたフランジ７２とが連結されることにより接続されている。
以下、このように構成された、本第１実施例に係る二重構造排気システムの作用について説明する。

エンジンが作動すると、排ガスは、上述した燃焼順序で各排気ポートに排出され、各貫通孔１１〜１４、各独立管２１〜２４の内部通路を介して集合管２８内の各排気通路２１ａ〜２４ａに流入する。そして、排気通路２１ａおよび排気通路２４ａを流れる排ガスは、合流して排気通路２５ｂ、排気通路２５ｃを経て排気管７０の排気通路７５ｄを流れ、排気通路２２ａおよび排気通路２３ａを流れる排ガスは、合流して排気通路２６ｂ、排気通路２６ｃを経て排気管７０の排気通路７６ｄを流れる。これより、燃焼順序が互いに連続しない♯１気筒と♯４気筒からの排ガスが合流して排気通路２５ｂを流れ、やはり燃焼順序が互いに連続しない♯２気筒と♯３気筒からの排ガスが合流して排気通路２６ｂを流れることになり、排気干渉が抑制され、エンジン出力の低下が防止される。

そして、本発明に係る二重構造排気システムでは、上述したように排気マニホールド２０はフランジ１０に密接された外カバー３０に覆われて二重構造が形成されており、さらに排気管７０においても二重構造が形成されているので、断熱構造が実現されて外気への放熱が抑制され、排気マニホールド２０や内管７３を流れる排ガスの温度低下が防止される。
ところで、外カバー３０は簡単な構成であり、排気マニホールド２０は一重管なので、排気マニホールド２０の加工精度、形状自由度が高く、二重構造の実現が容易である。

また、外カバー３０の肉厚は十分な剛性と強度を確保できるように設定されているので、一方で排気マニホールド２０の肉厚を薄くすることが可能であり、且つ、集合管２８においては内部を仕切板５０、５１で仕切るようにして各独立管２１〜２４の内部通路と連通する複数の排気通路２１ａ〜２４ａ、排気通路２５ｂ、２６ｂ、排気通路２５ｃ、２６ｃが互いに隣接して且つ断面円形に形成されているので、集合管２８の表面積を最小に抑えることが可能であり、排気マニホールド２０の熱容量が全体的に小さく抑えられる。このとき少なくとも、集合管２８の肉厚を０．４〜０．８ｍｍ程度の薄肉とすることで、熱容量をより低減することができ、熱損失を抑制できる。

さらに、外カバー３０は所定の間隔を有して独立管２１〜２４を覆うことになるので、独立管２１〜２４の変形によっても独立管２１〜２４と外カバー３０との接触を確実に防止できるし、集合管２８の内部は仕切板５０、５１により各排気通路２１ａ〜２４ａの全て或いは排気通路２５ｂ、２６ｂ或いは排気通路２５ｃ、２６ｃの全てが互いに隣接するよう仕切られているので、仕切板５０、５１を介して各排気通路２１ａ〜２４ａを流れる排ガス同士或いは排気通路２５ｂ、２６ｂ或いは排気通路２５ｃ、２６ｃを流れる排ガス同士で互いに熱交換を行うようにでき、熱損失が少なく抑えられる。

また、排気管７０の内管７３は集合管２８の接続部２９の外側に排ガスの流れに沿い重ね合わされるように接続され、内管７３内部の仕切板７４は集合管２８内部の仕切板５０の下流端の二股に挟まれて接続されており、これら集合管２８の接続部２９と排気管７０の内管７３および仕切板５０と排気管７０の仕切板７４は、排気上下流方向である程度摺動可能に接続されているので、排ガスが排気マニホールド２０と外カバー３０間或いは内管７３と外管７１間に流出することが良好に防止されるとともに、排気マニホールド２０の熱変形が良好に吸収される。

これにより、コストをかけない簡単な構成にして二重構造を実現しながら、効率よく排ガスの温度上昇を早めることができ、例えば排気管７０に設けられた図示しない触媒を早期に活性化させることが可能となる。
次に、第２実施例について説明する。
図９を参照すると、本発明の第２実施例に係る二重構造排気システムの構造を示す分解斜視図が示されており、以下同図に基づき説明する。なお、上記第１実施例と同一の部品については同一の符号を使用し、また、同一の機能については説明を略す。

当該第２実施例においては、同図に示すように、シリンダヘッド１の一側面には、フランジ１０を介し、排気マニホールド８０が接続されており、当該排気マニホールド８０の独立管８１〜８４には一部分に蛇腹部８１ａ〜８４ａが形成されている。なお、集合管８８、接続部８９の構成等は上記第１実施例の集合管２８と同様である。
このように独立管８１〜８４の一部分に蛇腹部８１ａ〜８４ａが形成されていると、排気マニホールド８０が熱変形するような場合でも、独立管８１〜８４に設けられた蛇腹部８１ａ〜８４ａにおいて当該熱変形が良好に吸収される。

これにより、本第２実施例においては、上記第１実施例における作用および効果に加え、排気マニホールド８０の変形や割れを良好に防止することができ、排気マニホールド８０と外カバー３０の接触をより確実に防止することができる。
以上で本発明に係る２重構造排気システムの実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られたものではない。

例えば、上記実施形態では、エンジンが４気筒エンジンである場合について説明したが、エンジンが３気筒エンジンの場合やＶ型６気筒エンジンの片側バンクの場合には、独立管は３本であり、集合管の上流部の内部の仕切については図７に断面図を示すように均等に３分割すればよい。
また、上記実施形態では、集合管２８が断面円形に形成されているが、これに限定されるものではなく、例えば、四角、六角等の多角形断面でも良い。これら断面形状においても、互いが隣接しているため表面積を極力小さくすることができる。

また、上記実施形態では、排気管７０についても二重構造を形成するようにしたが、排気管７０には必ずしも二重構造を形成しなくてもよく、例えば一重構造でも構わない。このようにしても排気マニホールド２０、８０と外カバー３０とによる二重構造により、効率よく排ガスの温度上昇を早めることができる。なお、この場合、外カバー３０の下流端を例えば集合管２８、８８に密接させ、排気マニホールド２０、８０と外カバー３０間に完全なる閉空間を形成する構造にして断熱性を高めるのがよく、これにより、より一層効率よく排ガスの温度上昇を早めることができる。

さらに、上記実施形態では、第２実施例において各独立管８１〜８４に蛇腹部８１ａ〜８４ａをそれぞれ設けるようにしたが、蛇腹部を必ずしも全部の独立管８１〜８４に設ける必要はなく、蛇腹部を設ける場所も、独立管８１〜８４の一部分に限らず、集合管８８の一部分に設けても構わない。

本発明の第１実施例に係る二重構造排気システムの構造を示す分解斜視図である。 本発明の第１実施例に係る二重構造排気システムの構造を示す正面図である。 図２のＸ方向から見た第１実施例に係る二重構造排気システムの構造を示す側面図である。 図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 図２のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 図２のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。 ３気筒エンジンの場合の集合管の上流部の断面図である。 排気マニホールド、外カバーと排気管との接続部分の縦断面図である。 本発明の第２実施例に係る二重構造排気システムの構造を示す分解斜視図である。

符号の説明

１ シリンダブロック
１０ フランジ
２０、８０ 排気マニホールド
２１〜２４、８１〜８４ 独立管
２１ａ〜２４ａ 排気通路
２５ｂ、２５ｃ 排気通路
２６ｂ、２６ｃ 排気通路
２８、８８ 集合管
２９、８９ 接続部
３０ 外カバー
４０ フランジ
５０、５１ 仕切板
７０ 排気管
７１ 外管
７２ フランジ
７３ 内管
７４ 仕切板
７５ｄ 排気通路
７６ｄ 排気通路
８１ａ〜８４ａ 蛇腹部

Claims (5)

1. 多気筒エンジンのシリンダヘッドに各気筒の排気ポートと連通するように接続される複数の独立管と、これら複数の独立管を集合させる集合管とからなる排気マニホールドと、
   該排気マニホールドを少なくとも前記独立管から所定の間隔を有し且つ上流側で気密に覆うカバーとを備え、
   前記集合管では、仕切板で仕切られて複数の排気通路が形成され、該複数の排気通路の各排気通路がそれぞれ前記各独立管の内部通路と連通するとともに、これら各排気通路の全てが互いに隣接していることを特徴とする二重構造排気システム。
2. 前記複数の独立管および集合管の少なくとも一部分に蛇腹部を設けたことを特徴とする、請求項１記載の二重構造排気システム。
3. 前記カバーの下流端に接続される外管と、該外管から所定の間隔を有して該外管に沿って延びる内管とからなり、前記排気マニホールドの下流端に接続される排気管を備え、前記集合管と前記内管との接続部では、前記集合管が内側に、前記内管が外側に重ね合わされていることを特徴とする、請求項１または請求項２記載の二重構造排気システム。
4. 前記集合管の断面形状が円形であることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか記載の二重構造排気システム。
5. 前記カバーの肉厚を１．０〜１．５ｍｍとし、前記集合管の肉厚を０．４〜０．８ｍｍとすることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか記載の二重構造排気システム。

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