JP2005163736A - エキゾーストマニホールドの冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 最も高温になるエキゾーストマニホールドの支管から主管への集合部を効率的にかつ簡易な構造で冷却する。
【解決手段】 エキゾーストマニホールド部は、４気筒エンジンの４つの排気ポートとインナーエキゾーストマニホールド２１２Ａ〜２１２Ｄとを接続するエキゾーストマニホールドフランジ２１８と、インナーエキゾーストマニホールド２１２Ａ〜２１２Ｄを覆うように設けられたエキゾーストマニホールドアウターカバー２１４Ａ〜２１４Ｄと、これらの間に形成されたギャップと、ギャップに供給されエキゾーストマニホールドアウターカバー２１４Ａ〜２１４Ｄの開放端部から流出された冷却空気を集合させるような形状を有する集合冷却部２１６とを含む。
【選択図】 図３

Description

本発明は、内燃機関の排気管の構造に関し、特に、二重に構成された排気管（エキゾーストマニホールド）の冷却構造に関する。

車両の排気系においては、冷間時の触媒活性化（触媒作動温度への到達促進）を狙って、触媒の上流側排気管に断熱性の高い二重管を用いることが多い。この二重管は、内管と外管の間に設けた空隙（エアギャップ）を断熱層として利用するのであるが、エンジンの高負荷時には高温の排気ガスが内管を加熱し内管はその耐熱限界に近いほどの高温となり、熱歪みを生じて破損に至るおそれがある。

また、車両の排気系における排気エミッション対策として、暖機が完了して触媒が十分な転換作用を開始するまで、エアポンプによって強制的に排気管内に２次空気を送り込み、不足する酸素を補って触媒の活性化を早める技術がある。この技術は、排気ガス中のＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ成分等を浄化する触媒装置を設けるとともに、排気管に接続された開閉弁を有する２次空気供給通路を介して排気管内に２次空気を供給して酸素濃度を高めることで、排気ガス中のＨＣ、ＣＯを２次燃焼させることで排気ガスの浄化を促進するものである。

このような技術に関連して、以下に示す公報がある。特開平１０−８９５２号公報（特許文献１）は、２次空気導入装置を備えた排気マニホールドの占有スペースを小さくするとともに、耐久性の向上を図る排気マニホールドを開示する。この排気マニホールドは、排気ポートにそれぞれ接続される複数のインナブランチ部が集合部から分岐形成されているとともに、排気管が接続される排気出口部を有するインナマニホールドと、インナブランチ部に対応する複数のアウタブランチ部を有するとともに、インナマニホールドとほぼ相似形状をなし、かつインナマニホールドの外側をほぼ全体に亙って覆うとともに、各ブランチ部の先端近傍および上記排気出口部の近傍でインナマニホールドに接合されて、インナマニホールド外壁面との間に、２次空気通路部となる間隙を形成するアウタマニホールドと、このアウタマニホールドに形成され、かつ２次空気導入管が接続される２次空気導入口と、インナブランチ部にそれぞれ開口形成され、２次空気通路部と各インナブランチ部内側の排気通路とを連通する連通孔とを備える。

この排気マニホールドによると、二重管構造とした排気マニホールドの内部を通して２次空気が各気筒に分配されるので、外部配管を用いた従来の構成に比べて、エンジンルーム内での占有スペースが非常に小さくなる。また、単一の２次空気導入管のみを接続すれば足りるので、内燃機関の組立が容易となる。しかも、従来の金属製分岐管のようなロッカーカバーガスケットに熱害を与える突出部をもたないため、遮熱用カバーを用いずロッカーカバーガスケットの耐久性向上が図れる。

また、特開平１０−２８０９４０号公報（特許文献２）は、排気管を強制冷却する。２次空気を加圧ポンプで供給する装置において、その加圧ポンプを排気管の強制冷却に活用する排気管の冷却装置を開示する。この排気管の冷却装置は、エンジンの排気管を、排気通路を形成する内管の外周に所定の空間部を設けて外管を配設して構成し、上記空間部へ加圧空気を導入し排出するものである。

この排気管の冷却装置によると、排気管の内管を加圧空気により積極的に冷却することができるため、従来のような内管の過熱による不具合を防止できる。さらに、内管内を流通する排気ガスの温度も下げられるので、高温の排気ガスに起因する触媒の不具合も避けられる。
特開平１０−８９５２号公報 特開平１０−２８０９４０号公報

しかしながら、内燃機関（たとえば、多気筒のエンジン）において発生した排気は、シリンダーヘッドに装着された排気マニホールド（エキゾーストマニホールド）により支管から主管にまとめられる。支管を通った排気が主管に集合されるときの排気干渉を回避するために、たとえば直列６気筒エンジンでは、ある気筒の排気中に（排気行程の３分の２が終わったところで）、次の気筒の排気が始まることになる。同じように４気筒のエンジンでも排気干渉を回避するようにされている。このような構成を有するために、支管から主管への集合部には常に高温の排気が流れることになり、支管に比較して高温になりやすい。このような集合部の高温の問題を上記のいずれの公報に開示された技術も解決することができない。

すなわち、特許文献１に開示された内燃機関の排気マニホールドは、集合部まで二重管の構造を有するが、冷却という点に言及していない。一方、特許文献２に開示された排気管の冷却装置は、排気管の支管の冷却に言及しているが集合部の冷却についての言及がない。

このような排気の冷却および排気配管部品の冷却についての問題点は、居室空間の拡張に伴うエンジンコンパートメントの減少およびエンジンコンパートメント内の配置部品の増大により、エンジンコンパートメントが過密化して、車速風による冷却効率が悪化することで、より重大な問題点になってきている。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、内燃機関の排気系において、最も高温になるエキゾーストマニホールドの支管から主管への集合部を効率的にかつ簡易な構造で冷却することができる、排気管の冷却構造を提供することである。

第１の発明に係るエキゾーストマニホールドの冷却構造は、複数気筒を有する内燃機関のエキゾーストマニホールドを冷却するための構造である。エキゾーストマニホールドは、集合部で複数の支管から主管にまとめられる構造を有する。この冷却構造は、各気筒の排気ポートに接続された支管と、各支管の外周に設けられ、各支管の外周面との間で空間部を有するように設けられた外装管と、空間部に空気を供給するための供給手段と、集合部に設けられ、空間部を通過した空気を集合させる集合外装管とを含む。

第１の発明によると、各支管の外周には外装管が設けられるので、各支管と各外装管との間には空間部であるギャップが構成される。供給手段として、たとえば空気ポンプが用いられ、このギャップに冷却空気（これは２次空気であってもよい）が供給される。集合外装管は、このギャップを通過した空気を支管から主管への集合部へ集合させる。このため、集合部には、ギャップを通過した空気が集合する。この集合した冷却空気により、最も過酷な温度になる集合部を冷却することができる。このとき、エキゾーストマニホールドが、気筒の位置によらず排気経路の距離を同じにするために複雑な形状を有する場合であっても、集合外装管を、支管においてギャップを形成している外装管と一体的に形成させる必要がなく、かつ大きな形状にもならない。その結果、内燃機関の排気系において、最も高温になるエキゾーストマニホールドの支管から主管への集合部を効率的にかつ簡易な構造で冷却することができる、排気管の冷却構造を提供することができる。

第２の発明に係るエキゾーストマニホールドの冷却構造においては、第１の発明の構成に加えて、外装管は、排気ポート側における閉鎖端部と、集合部より排気の上流側の開放端部とを有する、支管の断面積よりも大きな断面積を有する管路により構成されるものである。供給手段は、閉鎖端部側に設けられた供給孔に空気を供給するための手段を含む。集合外装管は、開放端部から開放された空気を、集合部の外周面に集合させる形状を有するものである。

第２の発明によると、支管を覆うように設けられギャップを構成する外装管は、外装管の断面積は、支管の断面積よりも大きな断面積を有するので、支管の外表面と、外装管の内表面との間にギャップを構成させることができる。さらに、その外装管の排気ポート側（ピストンを垂直方向に動作するように載置された多くのエンジンの場合には上側）は、エンジンにエキゾーストマニホールドを取り付けるためのフランジに溶接されることなどにより閉鎖されている。外装管の他方側（下側の集合部側）は、集合部より上流側において開放された開放端部を有している。集合部は、その形状により、ギャップを通って開放端部から流れ出た空気を、集合部の外周面に集合させることができる。このため、エキゾーストマニホールドにおいて高温になる集合部を簡易な構造で冷却することができる。

第３の発明に係るエキゾーストマニホールドの冷却構造においては、第２の発明の構成に加えて、集合外装管が有する形状は、複数の支管の総断面積よりも大きな面積の開口部と、開口部の面積よりも狭い面積になるように、次第に絞られる絞り部とを有するものである。

第３の発明によると、集合外装管の上部には、複数の支管の総断面積よりも大きな面積の開口部を有し、上部から下部にしたがって、開口部の面積よりも狭い面積になるように次第に絞られている。この形状は、集合部の形状とも合致し、このため、集合部に沿って冷却空気を流すことができ、集合部を効率的に冷却することができる。

第４の発明に係るエキゾーストマニホールドの冷却構造においては、第１〜３のいずれかの発明の構成に加えて、複数の支管は、１つのフランジにより、各複数の排気ポートにそれぞれ接続されている。このフランジには、エキゾーストマニホールドに空気を供給する第１の管路と、空間部に空気を供給する第２の管路とを含む。

第４の発明によると、フランジに、エキゾーストマニホールドに空気を供給する第１の管路と、空間部に空気を供給する第２の管路とを設けた。第１の管路に供給された空気は、フランジの内部を通ってエキゾーストマニホールドに２次空気として送られる。第２の管路に供給された空気は、フランジの内部を通ってエキゾーストマニホールドのギャップに冷却空気として送られる。いずれの場合にも、空気（吸気側から供給された、高温でない空気）がフランジの内部の管路を通過するので、フランジ自体を冷却することができる。

第５の発明に係るエキゾーストマニホールドの冷却構造は、第４の発明の構成に加えて、第１の管路および第２の管路のいずれかに空気を流通させるように、供給手段との連通を切換えるための切換手段をさらに含む。

第５の発明によると、切換手段を用いて、エンジンの冷却水の温度、排気の温度や、車両の速度などの車両の状態に基づいて、フランジ内を通して、空気をエキゾーストマニホールドに送るのか、エキゾーストマニホールドのギャップに送るのかを切換えることができる。

第６の発明に係るエキゾーストマニホールドの冷却構造は、複数気筒を有する内燃機関のエキゾーストマニホールドを冷却するための構造である。エキゾーストマニホールドは、集合部で複数の支管から主管にまとめられる構造を有する。この冷却構造は、各気筒の排気ポートに接続された支管と、各支管の外周に設けられ、各支管の外周面との間で第１の空間部を有するように設けられた第１の外装管と、第１の空間部に空気を供給するための第１の供給手段と、集合部の外周に設けられ、集合部の外面との間で第２の空間部を有するように設けられた第２の外装管と、第２の空間部に空気を供給するための第２の供給手段とを含む。

第６の発明によると、各支管の外周には第１の外装管が設けられるので、各支管と各第１の外装管との間には第１の空間部である第１のギャップが構成される。集合部の外周には第２の外装管が設けられるので、集合部と第２の外装管との間には第２の空間部である第２のギャップが構成される。第１の供給手段として、たとえば空気ポンプが用いられ、第１のギャップに冷却空気（これは２次空気であってもよい）が供給され、第２の供給手段として、第１の供給手段と同じかまたは異なる空気ポンプが用いられ、第２のギャップに冷却空気（これも２次空気であってもよい）が供給される。その結果、エキゾーストマニホールドにおける各支管と集合部とを別の冷却系統で冷却することができる。

第７の発明に係るエキゾーストマニホールドの冷却構造においては、第６の発明の構成に加えて、第１の外装管は、排気ポート側における第１の閉鎖端部と、集合部より排気の上流側の開放端部とを有する、支管の断面積よりも大きな断面積を有する管路により構成されるものである。第１の供給手段は、第１の閉鎖端部側に設けられた供給孔に空気を供給するための手段を含む。第２の外装管は、第１の外装管側における第２の閉鎖端部と、集合部より排気の下流側の開放端部とを有する、集合部の形状に沿った形状を有する管路により構成されるものである。第２の供給手段は、第２の閉鎖端部側に設けられた供給孔に空気を供給するための手段を含む。

第７の発明によると、支管においては、第１の外装管により形成された第１の空間部であるギャップに、第１の閉鎖端部側に設けられた供給孔から空気が供給され、開放端部から排出される。集合部においては、第２の外装管により形成された第２の空間部であるギャップに、第２の閉鎖端部側に設けられた供給孔から空気が供給され、開放端部から排出される。第２の外装管は、集合部の形状に沿った形状を有するので集合部の形状とも合致し、このため、集合部に沿って冷却空気を流すことができ、集合部を効率的に冷却することができる。

第８の発明に係るエキゾーストマニホールドの冷却構造においては、第１〜７のいずれかの発明の構成に加えて、供給手段により供給される空気は、２次空気である。

第８の発明によると、排気管内の酸素濃度を高めて、排気中のＨＣ、ＣＯを２次燃焼させることで排気ガスの浄化を促進するために用いられる２次空気を利用して、エキゾーストマニホールドを冷却することができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。

＜第１の実施の形態＞
図１に、本発明の実施の形態に係るエキゾーストマニホールドの冷却構造を含む、エンジンおよびその周辺機器（供給空気系と排気空気系を示し、燃料噴射系は示さない）の全体構成を示す。

この全体構成に含まれる２次空気供給装置１０は、内燃機関である４気筒ガソリンエンジン（以下、単にエンジンと記載する）２０に取り付けられる。エンジン２０には吸気管２００と排気管２１０とが取り付けられている。吸気管２００には、スロットル２４０が配置され、吸気フィルタ２５０に接続されている。吸気フィルタ２５０とスロットル２４０の間には、空気量（一次空気量）を測定するためのエアフローメータ２６０、吸気温度を測定するための吸気温センサ２７０とが配置されている。なお、エンジン２０は４気筒に限定されるものではない。

また、エンジン２０にはエンジン回転数を計測するためのエンジン回転数センサ２８０が取り付けられている。エンジン２０を制御するエンジンＥＣＵ（Electronic Control Unit）２０００には、これらエアフローメータ２６０、吸気温センサ２７０、エンジン回
転数センサ２８０のほか図示していないエンジン冷却水温センサの出力信号やスロットル２４０の開度等の情報が入力されている。

排気管２１０の下流には、３元触媒からなる排気浄化装置２２０が配置されている。排気浄化装置２２０の上流と下流の双方に排気中の酸素濃度を検知するためのＯ₂センサ３１０、３２０が配置されている。なお、Ｏ₂センサに代えて、空燃比（Ａ／Ｆ）センサ、リニアＯ₂センサを用いてもよい。

２次空気供給装置１０は、吸気管２００における吸気フィルタ２５０とスロットル２４０との間の位置と、排気管２１０におけるエンジン２０と上流側Ｏ₂センサ３１０との間の位置とを接続する２次空気供給通路１１０および２次空気配管１１４を備える。２次空気供給通路１１０には、吸気管２００側から電気モータ駆動式のエアポンプ（ＡＰ）１２０、エアスイッチングバルブ（ＡＳＶ）１３０、逆止弁であるリード弁（ＲＶ）１４０が配置される。ＡＰ１２０とＡＳＶ１３０との間に圧力センサ１５０が配置されている。このＡＳＶ１３０には、吸気管２００のスロットル２４０の下流から延びる配管１６０が接続されており、この配管１６０にはさらに電磁弁１７０が配置されている。

２次空気供給装置１０の動作を制御する制御装置１０００は、エンジンＥＣＵ２０００と相互に情報を通信できるように接続されている。また、圧力センサ１５０、Ｏ₂センサ
３１０、３２０の出力信号が入力されるとともに、ＡＰ１２０のモータ駆動と電磁弁１７０の開閉を制御する。なお、制御装置１０００は、エンジンＥＣＵ２０００により構成されるようにしてもよい。

２次空気供給装置１０は、エンジン２０の燃焼が安定している状態においては、制御装置１０００が電磁弁１７０を開くことで、吸気管２００内の負圧をＡＳＶ１３０に導いて、ＡＳＶ１３０を開制御するとともに、エアポンプ１２０を駆動させることで、エアフィルタ２５０を通過した空気の一部を２次空気供給通路１１０および２次空気配管１１４を介して排気管２１０内に導く。このとき、エンジン２０の燃焼が安定している度合いに基づいて、排気管２１０に導かれる空気の量が多くなるように制御するようにすることもできる。

一方、エンジン２０の燃焼が安定していない状態や安定しなくなることが予測される場合には、制御装置１０００が電磁弁１７０を閉じて、ＡＳＶ１３０を閉制御するとともに、エアポンプ１２０を停止させることで、エアフィルタ２５０を通過した空気の一部を２次空気供給通路１１４を介して排気管２１０内に導かないようにしたり、エンジン２０の燃焼が安定していない度合いに基づいて、排気管２１０に導かれる空気の量が少なくなるように制御するようにすることもできる。

なお、排気管２１０内に導かれた空気は、排気中の酸素濃度を上昇させ、そのＡ／Ｆを上げ、排気中のＨＣ、ＣＯの排気管２１０における２次燃焼を促して排気の浄化を図る。さらに、排気温度を上昇させて排気浄化装置２２０の３元触媒の昇温を促進することにより排気エミッションの悪化を抑制する。なお、ＡＳＶ１３０と電磁弁１７０の組み合わせに代えて、ＡＳＶ１３０の部分には、直接、電磁弁を使用することもできる。

図２に、図１のエキゾーストマニホールド部分の構造を示す側面図を、図３に図１のエキゾーストマニホールド部分の構造を示す正面図を、それぞれ示す。これら図２および図３さらに前述の図１を用いて、さらに詳しくエキゾーストマニホールドの構造について説明する。

エンジン２０の４気筒の各排気ポートに接続されるエキゾーストマニホールド（支管）は、インナーエキゾーストマニホールド２１２Ａ〜２１２Ｄと、その外側に設けられる、エキゾーストマニホールドアウターカバー２１４Ａ〜２１４Ｄとから構成される。インナーエキゾーストマニホールド２１２Ａ〜２１２Ｄは、排気浄化装置２２０の排気上流側で１本の排気管２１０（主管）に集められる。

エキゾーストマニホールドアウターカバー２１４Ａ〜２１４Ｄの径は、インナーエキゾーストマニホールド２１２Ａ〜２１２Ｄの径よりも大きい。このため、インナーエキゾーストマニホールド２１２Ａ〜２１２Ｄと、エキゾーストマニホールドアウターカバー２１４Ａ〜２１４Ｄとの間には、隙間（ギャップ）が構成される。この各ギャップに空気が供給されるように、冷却空気配管１１２から分岐した冷却空気配管１１２Ａ〜１１２Ｄが接続される。

一方、図１に示すように、排気管２１０に集合される前の４本のインナーエキゾーストマニホールド２１２Ａ〜２１２Ｄには、２次空気供給通路１１０に接続された配管１１４から２次空気を供給するための２次空気配管１１４Ａ〜１１４Ｄが接続される。２次空気配管１１４Ａ〜１１４Ｄは２次空気配管１１４から分岐している。

エキゾーストマニホールドをこのような構造としたので、４本のインナーエキゾーストマニホールド２１２Ａ〜２１２Ｄには、２次空気配管１１４Ａ〜１１４Ｄから２次空気が供給されるとともに、インナーエキゾーストマニホールド２１２Ａ〜２１２Ｄとエキゾーストマニホールドアウターカバー２１４Ａ〜２１４Ｄとの間に構成されるギャップには、冷却空気配管１１２Ａ〜１１２Ｄから冷却空気が供給される。

この２次空気を供給するのか、冷却空気を供給するのかについては、制御装置１０００に接続された方向切換弁１１６が、制御装置１０００からの信号により制御されることにより変更される。たとえば、制御装置１０００は、排気の温度が高いときには、冷却空気がインナーエキゾーストマニホールド２１２Ａ〜２１２Ｄとエキゾーストマニホールドアウターカバー２１４Ａ〜２１４Ｄとの間に構成されるギャップに流れるように、そうでない場合には、２次空気がインナーエキゾーストマニホールド２１２Ａ〜２１２Ｄに流れるように、方向切換弁１１６を制御する。なお、方向切換弁１１６の制御は、このような排気の温度に基づくものに限定されるものではない。

図２および図３に示すように、エンジン２０の４つの排気ポートとインナーエキゾーストマニホールド２１２Ａ〜２１２Ｄとは、エキゾーストマニホールドフランジ２１８により接続されている。インナーエキゾーストマニホールド２１２Ａ〜２１２Ｄを覆うように、エキゾーストマニホールドアウターカバー２１４Ａ〜２１４Ｄが設けられ、これらの間には、それぞれギャップが構成される。

エキゾーストマニホールドアウターカバー２１４Ａ〜２１４Ｄは、エキゾーストマニホールドフランジ２１８に溶接等で接続されている。このため、エキゾーストマニホールドアウターカバー２１４Ａ〜２１４Ｄのエキゾーストマニホールドフランジ２１８側は閉鎖構造を形成し、ギャップに供給された冷却空気はエキゾーストマニホールドフランジ２１８側（上側）に漏れない。

エキゾーストマニホールドアウターカバー２１４Ａ〜２１４Ｄの長さは、４本のインナーエキゾーストマニホールド２１２Ａ〜２１２Ｄ（支管）から１本の排気管２１０（主管）にまとめられる集合部に設けられる集合冷却部２１６に到達しない長さである。さらに、エキゾーストマニホールドアウターカバー２１４Ａ〜２１４Ｄは、エキゾーストマニホールドフランジ２１８の逆側端部が開放構造を形成し、ギャップに供給された冷却空気はエキゾーストマニホールドフランジ２１８側に漏れないことと相俟って、集合冷却部２１６側（下側）へ流出する。

集合冷却部２１６は、エキゾーストマニホールドアウターカバー２１４Ａ〜２１４Ｄの開放端部から流出された冷却空気を集合させるような形状を有する。集合冷却部２１６の上方端および下方端は開放端部であって、上方から集合された冷却空気が下方へと流通される。集合管冷却部２１６の形状は、集合管の外形形状に沿った形状であって、集合管が４本の支管から１本の主管にまとめられる次第に絞られる形状であることから、同じように、上方から下方に向けて次第に絞られる形状を有する。

図３には、ギャップに冷却空気を供給するためにエキゾーストマニホールドアウターカバー２１４Ａ〜２１４Ｄに接続された冷却空気配管１１２Ａ〜１１２Ｄのみを記載したが、実際には、インナーエキゾーストマニホールド２１２Ａ〜２１２Ｄに２次空気を供給するためにインナーエキゾーストマニホールド２１２Ａ〜２１２Ｄに接続された２次空気配管１１４Ａ〜１１４Ｄが設けられている。

図４に、エキゾーストマニホールド部分の断面図を示す。図４に示すように、エキゾーストマニホールドは、インナーエキゾーストマニホールド２１２Ａ〜２１２Ｄと、その形状に沿ってそれらをそれぞれ覆うエキゾーストマニホールドアウターカバー２１４Ａ〜２１４Ｄとから構成される。図４の矢印に示すように、インナーエキゾーストマニホールド２１２Ａ〜２１２Ｄと、それらをそれぞれ覆うエキゾーストマニホールドアウターカバー２１４Ａ〜２１４Ｄとから構成されるそれぞれのギャップを流通した冷却空気は、エキゾーストマニホールドアウターカバー２１４Ａ〜２１４Ｄがエキゾーストマニホールドフランジ２１８で閉鎖構造を有し、逆側（下側）である集合冷却部２１６側で開放構造を有している。このため、ギャップから放出された冷却空気は、集合冷却部２１６へ導かれる。この集合冷却部２１６へ導かれた冷却空気は、最も過酷な温度状態である集合部を冷却する。

以上のような構造を有するエンジン２０およびその周辺機器の動作について説明する。特に、エキゾーストマニホールドへの２次空気の供給および冷却空気の供給動作について説明する。

たとえば、車両がコールドスタートするときには、２次空気供給通路１１０と２次空気配管１１４とを連通させるように制御装置１０００により方向切換弁１１６が制御される。排気ガスが高温になると、２次空気供給通路１１０と冷却空気配管１１２とを連通させるように制御装置１０００により方向切換弁１１６が制御される。これにより、２次空気供給通路１１０を流通した空気が、インナーエキゾーストマニホールド２１２Ａ〜２１２Ｄとエキゾーストマニホールドアウターカバー２１４Ａ〜２１４Ｄとから構成されるそれぞれのギャップに流通する。

それぞれのギャップを流通した冷却空気は、インナーエキゾーストマニホールド２１２Ａ〜２１２Ｄを冷却した後、集合冷却部２１６に導かれる。ここで、４本の支管から１本の主管にまとめられる集合管を冷却する。この集合管の部分は常に高温の排気ガスが流れる部分である。集合冷却部２１６に導かれた冷却空気は、この集合管の部分を冷却する。集合管を冷却した空気は、集合管冷却部２１６の下方から排出される。

以上のようにして、本実施の形態に係るエキゾーストマニホールドの冷却構造によると、エキゾーストマニホールドであるインナーエキゾーストマニホールドの外周にエキゾーストマニホールドアウターカバーを設けて二重管構造とした。この二重管構造のギャップの間に２次空気を流通させるようにした。このギャップを通過した空気を捕集して集合管部を冷却するように、集合管部を覆う集合冷却部を設けた。これにより、複雑な形状を有するエキゾーストマニホールドの集合管部を簡単な構造で効率的に冷却することができる。

＜第１の実施の形態 変形例＞
図５を参照して、本実施の形態に係る変形例について説明する。図５は、エキゾーストマニホールドフランジ２１８の断面図である。本変形例は、エキゾーストマニホールドフランジ２１８内に、フランジ内２次空気配管２１８Ａ〜２１８Ｄと、フランジ内冷却空気配管２１９Ａ〜２１９Ｄとを設けたことが特徴である。なお、これ以外の構造については、前述の第１の実施の形態と同じである。その構造が同じ部分については同じ参照符号を付したので、それらについての詳細な説明は、ここでは繰り返さない。

図５に示すように、エキゾーストマニホールドフランジ２１８は、それぞれの排気ポートの位置に対応するように（これは、インナーエキゾーストマニホールド２１２Ａ〜２１２Ｄの位置に対応することと同じである）、フランジ内２次空気配管２１８Ａ〜２１８Ｄと、フランジ内冷却空気配管２１９Ａ〜２１９Ｄとをそれぞれ４本ずつ有する。

フランジ内２次空気配管２１８Ａ〜２１８Ｄは、２次空気配管１１４Ａ〜１１４Ｄと、シリンダヘッド側のインナーエキゾーストマニホールド２１２Ａ〜２１２Ｄとに接続される。フランジ内冷却空気配管２１９Ａ〜２１９Ｄは、冷却空気配管１１２Ａ〜１１２Ｄと、インナーエキゾーストマニホールド２１２Ａ〜２１２Ｄおよびエキゾーストマニホールドアウターカバー２１４Ａ〜２１４Ｄから構成されるそれぞれのギャップとに接続される。

本変形例においては、エキゾーストマニホールドフランジに空気配管を設けたので、フランジ自体を冷却することができる。これにより、フランジ周囲の熱害を低減させることができ、シートインシュレータを廃止することも可能になる。また、フランジ自体が冷却されることにより、エキゾーストマニホールドとフランジとの溶接部の信頼性が向上する。

＜第２の実施の形態＞
以下、本発明の第２の実施の形態に係るエキゾーストマニホールドの冷却構造について説明する。なお、この冷却構造を含むエンジンおよびその周辺機器の全体構成については、前述の第１の実施の形態の図１に加えて、エキゾーストマニホールドの集合部（支管から主管への集合部）に設けられた集合冷却部の上部が閉鎖されている点およびこの集合冷却部に冷却空気が供給される冷却空気配管をさらに有する点を除いて同じであるため、ここでの詳細な説明は繰り返さない。

本実施の形態においては、エキゾーストマニホールドの集合部の形状に沿った集合冷却部の上部が閉鎖されているとともに、集合冷却部に冷却空気を供給する配管が接続されている。図６にこの集合冷却部（分解状態）を含むエキゾーストマニホールドの正面図を、図７に図６の拡大断面図をそれぞれ示す。

図６に示すように、このエキゾーストマニホールド部は、エキゾーストマニホールドフランジ３０００と、エキゾーストマニホールド支管３１００Ａ〜３１００Ｄと、エキゾーストマニホールド主管３２００と、集合部冷却カバー３３００，３４００と、主管接続フランジ３６００とを含む。

集合部冷却カバー３３００，３４００は、図６および図７に示すように、２分割されて製造され、集合部であるエキゾーストマニホールド主管３２００を覆うように取り付けられる。このとき、図７に示すように、集合部冷却カバー３３００，３４００の上方は閉塞状態になるように、下方は、主管接続フランジ３６００との間に空間ができるように取り付けられる。また、集合部冷却カバー３３００，３４００の側面の上方側には、集合部冷却カバー冷却空気導入孔３５００が設けられる。この集合部冷却カバー冷却空気導入孔３５００に冷却空気配管１１２が接続される。

以上のような構造を有するので、冷却空気配管１１２から集合部冷却カバー冷却空気導入孔３５００を介して集合部冷却カバー３３００，３４００により形成された空間に導入された冷却空気は、エキゾーストマニホールド主管３２００を冷却する。その後、冷却空気は、集合部冷却カバー３３００，３４００と主管接続フランジ３６００との間の空間から外部に排出される。

このため、高温になる集合部を積極的に冷却することができるとともに、主管接続フランジを冷却することができる。このようなエキゾーストマニホールド部の配管接続部分には締結用のシール材（ボールジョイント）等が設けられるが、それに対する熱害を回避することができ、信頼性が向上する。

なお、上述したいずれの実施の形態においても、エキゾーストマニホールド部分を構成する、インナーエキゾーストマニホールド、アウターエキゾーストマニホールドカバー、エキゾーストマニホールドフランジ、集合冷却部の材質については、言及しなかったが、鋳造品、ステンレス品等であればよく、特に限定されるものではない。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の第１の実施の形態に係るエキゾーストマニホールドの冷却構造を含むエンジン系統の全体構成を示す図である。 図１のエキゾーストマニホールド部分の構造を示す側面図である。 図１のエキゾーストマニホールド部分の構造を示す正面図である。 図１のエキゾーストマニホールド部分の構造を示す断面図である。 図１のエキゾーストマニホールド部分のエキゾーストマニホールドフランジの断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係るエキゾーストマニホールドの冷却構造におけるエキゾーストマニホールドの正面図である。 図６の冷却部の断面図である。

符号の説明

１０ ２次空気供給装置、２０ エンジン、１１０ ２次空気供給通路、１１２，１１２Ａ〜１１２Ｄ 冷却空気配管、１１４，１１４Ａ〜１１４Ｄ ２次空気配管、１１６ 方向切換弁、１２０ エアポンプ、１３０ ＡＳＶ（エアスイッチングバルブ）、１４０ リード弁（逆止弁）、１５０ 圧力センサ、１６０ 配管、１７０ 電磁弁、２００ 吸気管、２１０ 排気管、２１２Ａ〜２１２Ｄ インナーエキゾーストマニホールド、２１４Ａ〜２１４Ｄ エキゾーストマニホールドアウターカバー、２１６ 集合冷却部、２１８ エキゾーストマニホールドフランジ、２１８Ａ〜２１８Ｄ フランジ内２次空気配管、２１９Ａ〜２１９Ｄ フランジ内冷却空気配管、２２０ 排気浄化装置、２４０ スロットル、２５０ 吸気フィルタ、２６０ エアフローメータ、２７０ 吸気温センサ、２８０ エンジン回転数センサ、３１０，３２０ Ｏ₂センサ、１０００ 制御装置、２０００ エンジンＥＣＵ、３０００ エキゾーストマニホールドフランジ、３１００Ａ〜３１００Ｄ エキゾーストマニホールド支管、３２００ エキゾーストマニホールド主管、３３００，３４００ 集合部冷却カバー、３５００ 集合部冷却カバー冷却空気導入孔、３６００ 主管接続フランジ。

Claims (8)

1. 複数気筒を有する内燃機関のエキゾーストマニホールドの冷却構造であって、
   前記エキゾーストマニホールドは、集合部で複数の支管から主管にまとめられ、
   各気筒の排気ポートに接続された支管と、
   各前記支管の外周に設けられ、各前記支管の外周面との間で空間部を有するように設けられた外装管と、
   前記空間部に空気を供給するための供給手段と、
   前記集合部に設けられ、前記空間部を通過した空気を集合させる集合外装管とを含む、エキゾーストマニホールドの冷却構造。
2. 前記外装管は、前記排気ポート側における閉鎖端部と、前記集合部より排気の上流側の開放端部とを有する、前記支管の断面積よりも大きな断面積を有する管路により構成され、
   前記供給手段は、前記閉鎖端部側に設けられた供給孔に空気を供給するための手段を含み、
   前記集合外装管は、前記開放端部から開放された空気を、前記集合部の外周面に集合させる形状を有する、請求項１に記載のエキゾーストマニホールドの冷却構造。
3. 前記形状は、前記複数の支管の総断面積よりも大きな面積の開口部と、前記開口部の面積よりも狭い面積になるように、次第に絞られる絞り部とを有する、請求項２に記載のエキゾーストマニホールドの冷却構造。
4. 前記複数の支管は、１つのフランジにより、各前記複数の排気ポートにそれぞれ接続され、
   前記フランジには、前記エキゾーストマニホールドに空気を供給する第１の管路と、前記空間部に空気を供給する第２の管路とを含む、請求項１〜３のいずれかに記載のエキゾーストマニホールドの冷却構造。
5. 前記冷却構造は、前記第１の管路および前記第２の管路のいずれかに空気を流通させるように、前記供給手段との連通を切換えるための切換手段をさらに含む、請求項４に記載のエキゾーストマニホールドの冷却構造。
6. 複数気筒を有する内燃機関のエキゾーストマニホールドの冷却構造であって、
   前記エキゾーストマニホールドは、集合部で複数の支管から主管にまとめられ、
   各気筒の排気ポートに接続された支管と、
   各前記支管の外周に設けられ、各前記支管の外周面との間で第１の空間部を有するように設けられた第１の外装管と、
   前記第１の空間部に空気を供給するための第１の供給手段と、
   前記集合部の外周に設けられ、前記集合部の外面との間で第２の空間部を有するように設けられた第２の外装管と、
   前記第２の空間部に空気を供給するための第２の供給手段とを含む、エキゾーストマニホールドの冷却構造。
7. 前記第１の外装管は、前記排気ポート側における第１の閉鎖端部と、前記集合部より排気の上流側の開放端部とを有する、前記支管の断面積よりも大きな断面積を有する管路により構成され、
   前記第１の供給手段は、前記第１の閉鎖端部側に設けられた供給孔に空気を供給するための手段を含み、
   前記第２の外装管は、前記第１の外装管側における第２の閉鎖端部と、前記集合部より排気の下流側の開放端部とを有する、前記集合部の形状に沿った形状を有する管路により構成され、
   前記第２の供給手段は、前記第２の閉鎖端部側に設けられた供給孔に空気を供給するための手段を含む、請求項６に記載のエキゾーストマニホールドの冷却構造。
8. 前記供給手段により供給される空気は、２次空気である、請求項１〜７のいずれかに記載のエキゾーストマニホールドの冷却構造。

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