JP2005256698A - 内燃機関の排気マニホルド - Google Patents

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Abstract

【課題】排気マニホルド1の合流部における通気抵抗の低減と排気音の音質改善を図る。
【解決手段】最前端に位置する♯1気筒から下流側端部に至る第1の排気管が、内燃機関の気筒列方向に沿って後方へほぼ直線状に延びている。♯3気筒用の♯3ブランチ管15および♯5気筒用の♯5ブランチ管16が、第1の排気管に順次合流する。♯3ブランチ管15は、第1容積部31となる中間管12において合流し、合流角は実質的に0°である。♯5ブランチ管16は、第2容積部32となる出口管13において合流し、合流角は実質的に0°である。合流部に容積部31,32を備えることで、合流部での複雑な流れによる基本次数以外の成分の増加を抑制でき、排気音の音質を改善することができる。同時に合流部での流れの方向の変化がなく、通気抵抗が低減する。
【選択図】図14

Description

この発明は、内燃機関の排気マニホルド、特に、直列に配置された少なくとも3つの気筒の排気系を、1本の流路に集合させる排気マニホルドの改良に関する。
特許文献1には、V型8気筒内燃機関の一方のバンクの排気系に適用される排気マニホルドとして、気筒列方向に直線状に延びた共通の合流管と、各気筒の排気ポートにそれぞれ接続される4本の分岐管と、を備えた排気マニホルドが開示されている。4本の分岐管は、ほぼ平行に配置されており、上記合流管の円形断面の接線方向に沿うように、それぞれ合流管に接続され、かつ合流管の流れ方向に対し、各分岐管が、67.5°以下の合流角で合流するように構成されている。
特開平10−317953号公報
上記の排気マニホルドにおいては、各分岐管が比較的大きな合流角でもって合流管に接続されているので、この合流部における流れの方向変化が大きなものとなり、通気抵抗の増加ひいては内燃機関の出力低下の要因となる。
また、上記構成では、各気筒の排気ポートから共通の合流管に至る4本の分岐管の長さが、それぞれ等しい長さとなっているため、各気筒の排気ポートから合流管端部の出口フランジまでの管長としては、各気筒で大きく異なるものとなってしまう。例えば、特許文献1に開示されている具体例では、♯1気筒、♯3気筒、♯5気筒、♯7気筒の4本の気筒の排気系が集合するが、出口フランジから最も離れている♯1気筒の排気系の管長が最も長く、出口フランジに最も近い♯7気筒の排気系の管長が最も短いものとなる。
このように各気筒で実質的な管長が異なると、排気脈動に対し、僅かずつ周波数が異なる音が重なり合って、排気音の音質が悪化し、耳障りな騒音となる。
そして、仮に、各気筒の管長をほぼ等しく設定したとしても、実際には、各気筒の排気管の合流部における各気筒の排気経路の僅かな差によって、基本次数以外の成分が発生し、やはり排気音の音質が悪いものとなる。
本発明は、排気マニホルドを介して生じる排気音の音質を向上させるとともに、通気抵抗の低減を図ることを目的としている。
この発明に係る内燃機関の排気マニホルドは、直列に配置された少なくとも3つの気筒の排気系を、下流側端部において1本の流路に集合させるものであって、いずれか一つの気筒から一方へ延び、上記下流側端部に至る第1の排気管と、残りの気筒からそれぞれ延びる複数の第2の排気管と、を備えている。上記の第1の排気管の途中には、残りの気筒の数に対応して、上流側から順次異なる点に、複数の容積部が設けられている。上記第2の排気管のそれぞれの端部は、上記第1の排気管に対する合流角が実質的に0°となる方向から各々の容積部に接続されており、これによって、複数の第2の排気管が上記第1の排気管と合流する。つまり、一つの気筒から延びた第1の排気管に、残りの気筒の第2の排気管が、順次、合流する。そして、その合流部に、容積部が存在し、かつこの容積部の存在によって、第2の排気管の端部の中心軸と第1の排気管の端部の中心軸とがなす合流角は、実質的に0°となっている。
このように合流角を実質的に0°とすることで、合流部における流れの方向の変化がなく、それだけ通気抵抗が小さくなる。
図17は、合流部における容積部の作用を説明したものであり、図(A)に示すように、例えば3つの気筒の排気管101,102,103が1本の排気管104に合流する場合、仮に各気筒の排気管101,102,103が等長であっても、排気音に基本次数以外の成分が生じやすい。つまり、図の左側の波形図に示すように、各気筒の圧力脈動が等間隔で入力されるため、出口側では、右側の波形図に示すように、基本次数ごとにピークが発生するが、合流部に容積部を具備しない場合には、合流部での流れが複雑であり、各気筒毎の経路差が存在するので、各ピークの強さに差が生じ、基本次数以外の成分の増加ならびに基本次数成分の減衰が大きなものとなる。従って、排気音の音質が悪いものとなる。
これに対し、図(B)に示すように、合流部に容積部105が存在すると、気筒間の経路差が緩和され、ピークの強さが揃った基本次数波形となり、音質悪化の要因となる基本次数以外の成分が少なくなる。ここで、容積部の原理を示す図(B)では3本の排気管101,102,103が1箇所の容積部で合流しているが、本発明では、各気筒の排気管が1気筒分ずつ順次合流し、複数の合流部のそれぞれに容積部が設けられる。従って、個々の容積部は、その容積が比較的小さなもので十分な効果を得ることができ、排気マニホルド全体として、大型化を避けることができる。
本発明では、合流部に容積部を有することにより、上記のように合流角を実質的に0°とした形で、第2の排気管を第1の排気管と合流させることが可能となる。仮に容積部が無ければ、Y字形に合流することから、合流角を0°とすることはできない。
また、本発明では、望ましくは、上記第1の排気管が、最前端に位置する気筒から内燃機関の気筒列方向に沿って後方へ延び、残りの気筒から延びる上記第2の排気管は、各気筒から、上記第1の排気管を中心に巻き込むように延び、周方向においてシリンダヘッド側とは異なる方向から該第1の排気管に合流する。従って、第2の排気管の管長が長く得られ、排気マニホルドを過度に大型化することなく、各気筒の排気管長を容易に等長化することができる。
この発明に係る内燃機関の排気マニホルドによれば、容積部を介して各気筒の排気流を実質的に平行に合流させることができ、通気抵抗を低減できる。
また排気マニホルドの大型化を回避しつつ、合流部での複雑な流れによる基本次数以外の成分の増加を抑制でき、排気音の音質を改善することができる。
以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図1〜図6は、この発明を、V型6気筒内燃機関の一方のバンクの排気系を集合させる排気マニホルド1として構成した一実施例を示すもので、例えば、一方のバンクのシリンダヘッド2における♯1気筒、♯3気筒、♯5気筒の3つの気筒の排気系を、図外の触媒コンバータに至る1本の流路に集合させている。なお、図1は、排気マニホルド1を内燃機関の上方から見た平面図、図2は、内燃機関の下方から見た下面図、図3は、内燃機関の後方から見た側面図、図4は、内燃機関の前方から見た側面図、図5は、内燃機関の側方から見た正面図、図6は、斜め後方かつ上方の点から見た斜視図である。
この排気マニホルド1は、最前端気筒となる♯1気筒の排気ポートから内燃機関の気筒列方向(クランクシャフト軸方向)に沿って後方へ延びる第1の排気管と、♯3気筒の排気ポートから延びて第1の排気管に相対的に上流側の点で合流する♯3気筒用の第2の排気管と、♯5気筒の排気ポートから延びて第1の排気管に相対的に下流側の点で合流する♯5気筒用の第2の排気管と、を備えているが、より具体的には、本実施例では、第1の排気管は、♯1気筒の排気ポートに接続される♯1ブランチ管11と、後述する第1容積部を構成する中間管12と、後述する第2容積部を構成するとともに、下流側端部にフロントチューブ接続用フランジ14を備えた出口管13と、に分割して構成されている。そして、♯3気筒用の第2の排気管は、♯3気筒の排気ポートに接続される♯3ブランチ管15から構成され、♯5気筒用の第2の排気管は、♯5気筒の排気ポートに接続される♯5ブランチ管16から構成されている。各ブランチ管11,15,16の上流端は、排気マニホルド1をシリンダヘッド2側面に取り付けるための各気筒に共通の取付フランジ17に溶接されている。なお、上記フロントチューブ接続用フランジ14には、触媒コンバータを備えた図示せぬフロントチューブが接続される。
上記の♯1ブランチ管11と中間管12と出口管13とからなる第1の排気管は、上記取付用フランジ17に接続される♯1ブランチ管11の上流側部分11aが略L字形をなすように湾曲しているほかは、不必要に湾曲することなく♯1気筒から実質的に最短距離でもってフロントチューブ接続用フランジ14に至るように、ほぼ真っ直ぐに構成されている。特に、フロントチューブが車両床下へと延びることから、第1の排気管は、全体として、♯1気筒から斜め下方へ延びている(図5参照)。なお、図示例では、車載時の他部品との位置関係の制約から、図1、図6等に示すように、出口管13が僅かに緩く湾曲しているが、これも必要最小限のものとなっている。上記♯1ブランチ管11は、♯3ブランチ管15および♯5ブランチ管16と同じく、金属管を液圧加工等により所定の湾曲形状かつ断面形状に加工したものである。この♯1ブランチ管11の上流側の端部は、取付フランジ17から機関後方へ向かって斜めに突出している。中間管12は、偏平な入口部12aおよびD字形断面の出口部12bを有するやや先細りの短い筒状に形成されている。上記♯1ブランチ管11の下流側先端部11bは、上記中間管12の入口部12a、特に該入口部12aの一方(上方から見てシリンダヘッド2寄りとなる側)に偏った位置に、直線状に接続されかつ溶接されている。出口管13は、偏平な入口部13aを有する筒状をなし、入口部13aから下流側へ向かって徐々に断面真円形に近付き、下流側の端部に上記フロントチューブ接続用フランジ14が溶接されている。上記中間管12の出口部12bは、上記出口管13の入口部13a、特に該入口部13aの一方(上方から見てシリンダヘッド2寄りとなる側)に偏った位置に、直線状に接続されかつ溶接されている。
これに対し、♯3ブランチ管15は、全体として、略C字状ないしは略U字状をなすように湾曲した形状をなすものであって、取付フランジ17に接続された上流側部分15aが、上記取付フランジ17から機関前方へ向かうように斜めに突出し、かつ中間部分15bが、♯1ブランチ管11の上方を横切っていくとともに、♯1ブランチ管11の外周に巻き付くように下向きに湾曲する。そして、♯1ブランチ管11の上方を横切った直後の付近から下向きに湾曲しつつ♯1ブランチ管11の下流側へ向かうように湾曲し、下流側先端部15cが、♯1ブランチ管11の下流側先端部11bと平行に並んで位置する。この下流側先端部15cは、上記中間管12の入口部12a、特に該入口部12aの中の♯1ブランチ管11と反対側の位置(上方から見てシリンダヘッド2と反対側となる側)に、直線状に接続されかつ溶接されている。つまり、第2の排気管となる♯3ブランチ管15は、♯3気筒から、♯1ブランチ管11を中心に巻き込むように延び、周方向で見てシリンダヘッド2と反対側となる方向から該♯1ブランチ管11の流路に合流する。ここで、♯3ブランチ管15の管長は、♯1ブランチ管11の管長と等しく設定されている。
図9は、中間管12を取り除いて♯1ブランチ管11および♯3ブランチ管15を示した分解図であり、また、図10および図11は、中間管12のみを入口側および出口側から示した斜視図である。図示するように、中間管12の偏平な長円状をなす入口部12aの中央部に、仕切板21が溶接固定されており、これによって、入口部12aが”θ”状に区画されている。そして、その一対のD字形の開口形状に対応するように、♯1ブランチ管11の下流側先端部11bおよび♯3ブランチ管15の下流側先端部15cが、それぞれD字形断面に加工されており、それぞれ入口部12aの各D字形開口内に嵌合し、かつ溶接されている。なお、上記中間管12の入口部12a周縁は、♯1,♯3ブランチ管11,15の外側に嵌合する嵌合部を構成するように、その口径がステップ的に僅かに拡大している。
♯5気筒用の♯5ブランチ管16は、上述した♯3ブランチ管15と同様に、全体として、略C字状ないしは略U字状をなすように湾曲した形状をなすものであって、取付フランジ17に接続された上流側部分16aが、上記取付フランジ17から機関前方へ向かうように斜めに突出し、かつ中間部分16bが、中間管12の上方を横切っていくとともに、該中間管12の外周に巻き付くように下向きに湾曲する。そして、中間管12の上方を横切った直後の付近から下向きに湾曲しつつ中間管12の下流側へ向かうように湾曲し、下流側先端部16cが、中間管12の出口部12bと平行に並んで位置する。この下流側先端部16cは、上記出口管13の入口部13a、特に該入口部13aの中の中間管12と反対側の位置(上方から見てシリンダヘッド2と反対側となる側)に、直線状に接続されかつ溶接されている。つまり、第2の排気管となる♯5ブランチ管16は、♯5気筒から、第1の排気管となる中間管12を中心に巻き込むように延び、周方向で見てシリンダヘッド2と反対側となる方向から該中間管12の流路に合流する。ここで、♯5ブランチ管16は、♯3ブランチ管15に比べて、排気ポート位置から機関前方および上方へより大きく迂回するように湾曲形成され、その管長が、♯3ブランチ管15の管長よりも長いものとなっている。より望ましくは、中間管12の管長分だけ♯3ブランチ管15よりも長くなるように、♯5ブランチ管16の湾曲形状が設定されている。これにより、各排気ポートからフロントチューブ接続用フランジ14に至るまでの各気筒の実質的な管長が等長となっている。
図7は、出口管13を取り除いて中間管12と♯5ブランチ管16とを示した分解図、図8はさらに♯5ブランチ管16を取り除いて中間管12を示した分解図であり、また、図12は、出口管13のみを入口側から示した斜視図、図13は、これに中間管12を組み合わせた状態の斜視図である。図示するように、出口管13の偏平な長円状をなす入口部13aの中間部(詳しくは中央から一方に偏った位置)に、仕切板22が溶接固定されており、これによって、入口部13aが”θ”状に区画されている。そして、その一対のD字形の開口形状に対応するように、中間管12の出口部12bおよび♯5ブランチ管16の下流側先端部16cが、それぞれD字形断面に加工されており、それぞれ入口部13aの各D字形開口内に嵌合し、かつ溶接されている。出口管13の入口部13aの周縁は、上述した中間管12の入口部12a周縁と同じく、中間管12および♯5ブランチ管16の外側に嵌合する嵌合部を構成するように、その口径がステップ的に僅かに拡大している。なお、それぞれ長円状をなす中間管12の入口部12aの開口形状と出口管13の入口部13aの開口形状とを比較すると、図13からも明らかなように、短径方向の寸法は互いにほぼ等しく、長径方向の寸法は、出口管13の方がより大きなものとなっている。
図14は、合流部となる中間管12および出口管13の付近の断面図である。図示するように、♯1ブランチ管11と中間管12と出口管13とからなる第1の排気管に対し、♯3ブランチ管15からなる♯3気筒用の第2の排気管は、中間管12の入口部12a側において合流する。そして、合流部となる中間管12内は、排気音として基本次数成分以外の周波数成分を減衰させるに十分な容積を有する第1容積部31となっている。換言すれば、♯1ブランチ管11の流路と♯3ブランチ管15の流路とが、中間管12によって構成される第1容積部31において互いに合流している。ここで、♯1ブランチ管11の端部の中心軸L1と、♯3ブランチ管15の端部の中心軸L3とは、互いに平行であり、つまり両者がなす合流角は、実質的に0°である。なお、♯1ブランチ管11の下流側先端部11bと♯3ブランチ管15の下流側先端部15cとが互いに平行となっている区間の長さは、両者から第1容積部31に流れ込んだ排気流により螺旋流が生じないように、適宜な長さに設定されている。第1容積部31となる中間管12の通路断面は、上流側の♯1,♯3ブランチ管11,15の各通路断面に比べて、十分に大きなものとなっている。
同様に、第1の排気管となる中間管12に対し、♯5ブランチ管16からなる♯5気筒用の第2の排気管は、出口管13の入口部13a側において合流する。そして、合流部となる出口管13の上流側部分が、やはり排気音として基本次数成分以外の周波数成分を減衰させるに十分な容積を有する第2容積部32となっている。換言すれば、中間管12の流路と♯5ブランチ管16の流路とが、出口管13によって構成される第2容積部32において互いに合流している。ここで、中間管12の端部の中心軸L4と、♯5ブランチ管16の端部の中心軸L5とは、互いに平行であり、つまり両者がなす合流角は、実質的に0°である。♯5ブランチ管16の下流側先端部16cと中間管12とが互いに平行となっている区間の長さは、両者から第2容積部32に流れ込んだ排気流により螺旋流が生じないように、適宜な長さに設定されている。第2容積部32となる出口管13の上流側部分の通路断面は、上流側の中間管12もしくは♯5ブランチ管16の各通路断面に比べて、十分に大きなものとなっている。なお、出口管13の通路断面は、入口部13aから下流側へ向かって徐々に小さくなり、図14の線LSより下流では一定の通路断面となる。従って、この線LSよりも上流側部分が第2容積部32に相当するものとなる。この相対的に下流側に位置する第2容積部32は、相対的に上流側に位置する第1容積部31よりも、大きな容積を有している。
図15は、上記排気マニホルド1の管路構成を模式的に示したものであり、前述したように♯1ブランチ管11と中間管12と出口管13とからなる第1の排気管は、全体として、♯1気筒から後方へほぼ真っ直ぐに延び、ここに、Uターン形状をなす♯3ブランチ管15および♯5ブランチ管16が巻き付きつつ合流するが、それぞれの合流部における合流角αは、いずれも実質的に0°である。また、図16は、第1の排気管の中心軸を正面から見るように、図15の矢印X方向から見た投影図上において、♯1ブランチ管11の下流側先端部11bと♯3ブランチ管15の下流側先端部15cと♯5ブランチ管16の下流側先端部16cとの三者の位置を示したものであり、図示するように、この実施例では、三者が、横一列に並んで隣接している。
上記のように構成された排気マニホルド1においては、♯3ブランチ管15および♯5ブランチ管16を第1の排気管の外周に巻き付くように構成することで、全体の大型化を回避しつつ各排気ポートからフロントチューブ接続用フランジ14に至るまでの各気筒の実質的な管長を等長とすることができ、排気音の音質向上を実現できる。特に、第1の排気管に対する♯3ブランチ管15の合流部および♯5ブランチ管16の合流部にそれぞれ容積部31,32を設けたため、合流部での複雑な流れによる基本次数以外の成分の増加を抑制でき、排気音の音質を改善することができる。しかも、容積が、上流側の第1の容積部31と下流側の第2容積部32とに分かれるため、それぞれでの容積は比較的小さくて済み、排気マニホルド1全体の大型化を可及的に抑制することができる。
また、上記のように容積部31,32を設けたことと相俟って、それぞれの合流部での合流角αをいずれも0°とすることができ、合流部における通気抵抗を最小にできる。これにより、高速域での体積効率が向上する。
さらに、容積部31,32を構成する中間管12および出口管13をそれぞれ別部品とし、かつ各ブランチ管11,15,16を個々に製造した上で、溶接して一体化するように構成したので、各部品の製造ならびに組立が容易となる。特に、各ブランチ管11,15,16の端部および中間管12の端部が、それぞれ、中間管12や出口管13の開口部に挿入された形で溶接されるので、溶接作業の作業性が優れたものとなる。
なお、上記実施例では、図16のように♯1ブランチ管11の下流側先端部11bと♯3ブランチ管15の下流側先端部15cと♯5ブランチ管16の下流側先端部16cとの三者が、投影図上において横一列に並んでいるが、図18に示すように、これら三者が、三角形の頂点をなすように隣接した配置とすることも可能である。このような構成は、例えば、♯5ブランチ管16を、中間管12の外周にさらに大きな角度範囲に亘って巻き付け、中間管12の下側で出口管13に合流させるようにすることで実現できる。このような構成では、溶接により一体化した排気マニホルド1の剛性がより高く得られる利点がある。
以上、この発明の一実施例を説明したが、この発明は、V型6気筒内燃機関の一方のバンク用の排気マニホルドに限定されるものではなく、V型8気筒内燃機関の一方のバンクの排気マニホルド、あるいは直列4気筒内燃機関の排気マニホルド、などとして構成することが可能である。
一実施例の排気マニホルドを内燃機関の上方から見た平面図。 同じく排気マニホルドを内燃機関の下方から見た下面図。 同じく排気マニホルドを内燃機関の後方から見た側面図。 同じく排気マニホルドを内燃機関の前方から見た側面図。 同じく排気マニホルドを内燃機関の側方から見た正面図。 同じく排気マニホルドを斜め後方かつ上方の点から見た斜視図。 出口管を取り除いて中間管と♯5ブランチ管を示した分解図。 さらに♯5ブランチ管を取り除いて中間管を示した分解図。 中間管を取り除いて♯1ブランチ管と♯3ブランチ管を示した分解図。 中間管のみを入口側から示した斜視図。 中間管のみを出口側から示した斜視図。 出口管のみを入口側から示した斜視図。 出口管に中間管を組み合わせた状態の斜視図。 合流部となる中間管および出口管の付近の断面図。 排気マニホルドの管路構成を模式的に示した説明図。 図15の矢印X方向から見た各ブランチ管の下流側先端部の位置関係を示す説明図。 合流部における容積部の作用を説明する説明図。 各ブランチ管の下流側先端部の位置関係を異ならせた実施例を示す図16と同様の説明図。
符号の説明
1…排気マニホルド
11…♯1ブランチ管
12…中間管
13…出口管
15…♯3ブランチ管
16…♯5ブランチ管
17…取付フランジ
31…第1容積部
32…第2容積部

Claims (8)

  1. 直列に配置された少なくとも3つの気筒の排気系を、下流側端部において1本の流路に集合させる内燃機関の排気マニホルドにおいて、
    いずれか一つの気筒から一方へ延び、上記下流側端部に至る第1の排気管と、
    この第1の排気管の途中に、残りの気筒の数に対応して、上流側から順次異なる点に設けられた複数の容積部と、
    残りの気筒からそれぞれ延び、かつそれぞれの端部が、上記第1の排気管に対する合流角が実質的に0°となる方向から各々の容積部に接続されて、上記第1の排気管と合流する複数の第2の排気管と、
    を備えていることを特徴とする内燃機関の排気マニホルド。
  2. 上記第1の排気管が、最前端に位置する気筒から内燃機関の気筒列方向に沿って後方へ延び、残りの気筒から延びる上記第2の排気管は、各気筒から、上記第1の排気管を中心に巻き込むように延び、周方向においてシリンダヘッド側とは異なる方向から該第1の排気管に合流することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排気マニホルド。
  3. 上記第2の排気管が、各気筒から機関前方へ向かうように延び、かつ後方へUターンして第1の排気管に合流することを特徴とする請求項2に記載の内燃機関の排気マニホルド。
  4. 上記第2の排気管の上流側の端部は、取付フランジから機関前方へ向かって斜めに突出していることを特徴とする請求項3に記載の内燃機関の排気マニホルド。
  5. 上記容積部の上流側において、該容積部に接続される第1の排気管の端部と第2の排気管の端部とが、互いに平行に配置されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の内燃機関の排気マニホルド。
  6. 上記第1の排気管の端部と上記第2の排気管の端部とが、それぞれD字形の断面形状をなし、両者を合わせた長円形の断面形状をなす容積部の端部に接続されていることを特徴とする請求項5に記載の内燃機関の排気マニホルド。
  7. 3つの気筒の排気系を1本の流路に集合させる排気マニホルドであって、2つの第2の排気管の端部と第1の排気管との三者が、第1の排気管の中心軸を正面から見た投影図上において、横一列に並んで隣接していることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の内燃機関の排気マニホルド。
  8. 3つの気筒の排気系を1本の流路に集合させる排気マニホルドであって、2つの第2の排気管の端部と第1の排気管との三者が、第1の排気管の中心軸を正面から見た投影図上において、三角形の頂点をなすように隣接していることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の内燃機関の排気マニホルド。
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