JP2008121570A - 排気マニホルド - Google Patents

Abstract

【課題】構造が簡素で軽量な、しかも、低回転域におけるトルク性能向上と触媒暖機性の向上を図った低コストの排気マニホルドを提供する。
【解決手段】エンジン１の一組の気筒の排気ポート１ａ、１ｄに接続する排気入口部１１ｉ、１１ｊを有する第１上流管１１と、エンジン１の残りの気筒の排気ポート１ｂ、１ｃに接続する排気入口部１２ｉ、１２ｊを有する第２上流管１２と、これらの下流端側を集合させる集合管１３とを備えた排気マニホルドにおいて、第１上流管１１が一組の気筒の排気ポート１ａ、１ｄから集合管１３内までの複数の排気通路１１ａ、１１ｂを互いに独立して形成する複数の独立管２１、２２によって構成され、第２上流管１２が独立管２１、２２をそれぞれ収納するシェル状に形成されるとともに、独立管２１、２２との間に残りの排気ポート１ｂ、１ｃから集合管１３内までの複数の排気通路１２ａ、１２ｂをそれぞれ形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気マニホルド、特に板金製の外管シェル構造を有する排気マニホルドに関する。

一般に、自動車等の車両に搭載される多気筒内燃機関（以下、単にエンジンという）においては、各気筒の排気ポートからの排気管を集合させて消音装置（以下、マフラーという）側に導く排気マニホルドが装備されており、その排気マニホルドからの排気ガスが下流側の触媒装置で浄化されて排出されるようになっている。

また、通常、４サイクルエンジンの２回転中に全気筒の排気が所定の爆発順、例えば、第１気筒、第３気筒、第４気筒、第２気筒の順に実行されるので、爆発が前後する気筒間で排気弁の開弁期間が一部重なる（以下、排気行程が重なるという）ことで排気干渉による負荷を生じる場合が多い。そこで、排気弁の開弁期間が重ならず離れている（以下、排気行程が重ならないという）気筒同士を一組としてこれらの気筒の排気ポートから比較的近い位置で排気通路を組毎に集合させて管路数を減らしておき、排気干渉を抑えるための一定距離以上を隔ててから排気行程が重なる気筒の排気通路同士を集合させる技術が知られている。

さらに、対向する一対の板金部材をいわゆる最中合せに気密接合して、排気マニホルドの製造コストの低減や軽量化を図ったものが知られている。

従来のこの種の排気マニホルドとしては、例えば排気マニホルドの４本の独立管を気密的に覆うカバーを設けて二重構造化を図り、始動時等に排気ガス温度を高温に保って触媒の活性化温度までの暖機性能を向上させるものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、排気行程の重ならない一組の気筒に接続する分岐パイプと、排気行程の重ならない残りの気筒に接続する分岐パイプとを集合管内でも区画して排気干渉を抑制するようにしたものがある（例えば、特許文献２、３参照）。

さらに、全気筒に接続する形状を有する外管シェルの内方に、気筒配列方向内側の一組の気筒にのみ接続する二股管からなる内管を設けて、簡素化による製造コストの更なる削減と軽量化を図ったものがある（例えば、特許文献４参照）。
特開２００５−０７６６０５号公報 特開２０００−０２７６４２号公報 特開平０９−０６８０４０号公報 特開２００１−０６５３４０号公報

しかしながら、いわゆる最中合せ構造の一重管構造の従来の排気マニホルドにあっては、排気干渉により低回転域におけるトルク性能が低下するのみならず、遮熱性能の低さによって触媒暖機性が良くないという問題があった。

また、外管となるシェルやカバー内に全気筒分の独立管を設ける従来の排気マニホルドにあっては、部品点数が多く、複雑な二重構造となってしまい、製造コストが高くなるという問題があった。

さらに、外管内に分岐内管を設ける従来の排気マニホルドにあっては、内管の加工が容易でないとともにその形状の自由度が制限され易く、また、内管の内外の排気通路間で遮熱性能の相違が顕著となり、良好な触媒暖機性が確保し難いという問題があった。

そこで、本発明は、構造が簡素で軽量な、しかも、低回転域におけるトルク性能向上と触媒暖機性の向上を図った低コストの排気マニホルドを提供するものである。

本発明は、上記の課題を解決するため、（１）エンジンの複数の気筒のうち一組の気筒の排気ポートに接続される第１上流管と、前記エンジンの複数の気筒のうち残りの気筒の排気ポートに接続される第２上流管と、該第１上流管及び第２上流管の下流端側を集合させる集合管と、を備えた排気マニホルドにおいて、前記第１上流管が、前記一組の気筒の排気ポートから前記集合管内までの複数の排気通路を互いに独立して形成する複数の独立管によって構成され、前記第２上流管が、前記独立管をそれぞれ収納するシェル状に形成されるとともに、前記独立管との間に前記残りの排気ポートから前記集合管内までの複数の排気通路をそれぞれ形成していることを特徴とする。

この構成では、第１上流管である複数の独立管によって一組の気筒の排気ポートから集合管内までの複数の排気通路がそれぞれ形成されるとともに、第１上流管と第２上流管とによって第２上流管の内部に残りの排気ポートから集合管内までの複数の排気通路がそれぞれ形成される。したがって、複数の独立管がそれぞれ一組の気筒の排気ポートから集合管内にまで延びることから、第１、第２上流管を通る排気ガス間の熱交換が促進され、触媒暖機性の低下が抑えられる。また、構造が簡素で軽量であるのに加えて、複数の独立管の加工も容易で本数が少ないので、独立管の形状の自由度があまり制限されず、製造コストを低減させることが可能となる。

本発明の排気マニホルドにおいては、（２）前記独立管が、前記複数の気筒のうち互いに排気行程の順序が離れた一組の気筒の排気ポートに接続されるのがよい。

この構成により、排気行程が前後する気筒間の排気干渉が確実に抑制されて低回転域におけるトルク性能の低下が防止される。

また、本発明の排気マニホルドにおいては、（３）前記複数の独立管が、前記エンジンの複数の気筒のうち気筒配列方向両端部に位置する気筒の排気ポートにそれぞれ接続されるのが好ましい。

この構成により、外気に接する面積が多くなる気筒配列方向の両端部でほぼ二重管構造となり、気筒配列方向両端部での遮熱性能が向上するとともに複数の排気通路間の熱交換も促進され、触媒暖機性が向上する。

本発明の排気マニホルドにおいては、（４）前記エンジンが直列４気筒エンジンで構成され、前記複数の独立管が、該直列４気筒エンジンの第１気筒と第４気筒の排気ポートにそれぞれ接続されるのがよい。

この構成により、外気に接する面積が多くなる第１、第４気筒側でほぼ二重管構造となり、第１、第４気筒の排気ポートに接続する排気通路の遮熱性能が向上するとともに、両排気通路と第２、第３気筒の排気ポートに接続する排気通路との間の熱交換も促進され、触媒暖機性が向上する。

もっとも、本発明の排気マニホルドにおいては、（５）前記エンジンが直列４気筒エンジンで構成され、前記複数の独立管が、該直列４気筒エンジンの第２気筒と第３気筒の排気ポートにそれぞれ接続されてもよい。

この構成でも、構造が簡素で軽量であるだけでなく、内管の加工も容易でその形状の自由度があまり制限されないし、また、複数の独立管がそれぞれ第２上流管内から集合管内に延びているので、第１、第２上流管を通る排気ガス間の熱交換が促進され、触媒暖機性の低下も抑えられる。

本発明の排気マニホルドにおいては、（６）前記複数の独立管が、前記集合管内で互いに隣接するそれぞれ扇形の開口を形成するとともに、前記集合管内に前記第２上流管内の排気通路の下流端に対応する半円形又は扇形の開口を形成しているのが好ましい。

この構成により、複数の独立管の下流端形状を適宜設定するだけで、第１上流管及び第２上流管内の排気通路の下流端開口形状をそれぞれ所望する形状に設定することができ、しかも、これらの排気通路間に所要の熱交換領域を容易に設定可能となる。

本発明の排気マニホルドにおいては、（７）前記複数の独立管と前記第２上流管との間に隙間が形成され、該隙間内に遮熱性のスペーサが設けられるのが好ましい。

この構成により、第１、第２上流管の間に必要最小限の断熱層を介在させつつも、第１、第２上流管の機械的相互干渉を確実に防止することができる。

本発明の排気マニホルドにおいては、（８）前記第２上流管が、前記第１上流管を挟んで互いに対向するとともに気密接合された一対の板金部材によって構成されるのが好ましい。

この構成により、外管となる第２上流管内に第１上流管を配置した二重管構造の排気マニホルドを容易に製造可能となり、その製造コストを低減させることができる。

また、（９）前記集合管が、前記第２上流管と共に前記一対の板金部材によって構成されているのが、より好ましい。

この構成により、集合管と第２上流管を一体にした二重管構造の排気マニホルドを板金により容易に製造可能となり、その製造コストを低減させることができる。

本発明によれば、第１上流管部を構成する複数の独立管が第２上流管内で一組の排気入口部から集合管内にまで延びているので、第１、第２上流管を通る排気ガス間の熱交換が促進され、内管となる独立管の加工が容易でその形状自由度もあまり制限されない排気マニホルドとなり、構造が簡素で軽量な、しかも、触媒暖機性の向上を図った低コストの排気マニホルドを提供することができる。

また、前記第１上流管をエンジンの複数の気筒のうち互いに排気行程が離れた一組の気筒の排気ポートに接続すれば、爆発行程が前後する気筒間の排気干渉を確実に抑制して、低回転域におけるトルク性能の低下を確実に防止することができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

[第１の実施の形態]
図１〜図５は本発明の第１の実施の形態に係る排気マニホルドを示す図である。

図１〜図３に示すように、本実施形態の排気マニホルド１０は、多気筒内燃機関である直列４気筒エンジン１の複数の気筒（詳細は図示していない）のうち一組の気筒の排気ポート、例えば第１気筒の排気ポート１ａ及び第４気筒の排気ポート１ｄにそれぞれ接続する複数の排気入口部１１ｉ、１１ｊを有する第１上流管１１と、エンジン１の複数の気筒のうち残りの気筒の排気ポート、例えば第２気筒の排気ポート１ｂ及び第３気筒の排気ポート１ｃにそれぞれ接続する複数の排気入口部１２ｉ、１２ｊを有する第２上流管１２と、第１上流管１１及び第２上流管１２の下流端側を集合させる略円筒状の集合管１３と、エンジン１のシリンダヘッド（図１中のエンジン１の図示部分）に固定される上流側フランジ部１４と、触媒装置５０（一部のみ図示している）を介して図示しない下流側の排気管及びマフラに接続される下流側フランジ部１５とを具備している。

なお、ここでは排気マニホルドとの機械的接続（連結）をなす排気ポート周囲部分を指す場合にも単に排気ポートというが、その場合にはエンジンブロックうちの排気ポートを形成する部分の意である。また、図１〜図５において、上流側フランジ部１４や下流側フランジ部１５は模式的に長方形や円形で図示しているが、実際にはボルト結合穴等を有する図示形状とは異なる形状となる。第１上流管１１や第２上流管１２の湾曲形状が任意であることはいうまでもない。さらに、本実施形態における直列４気筒エンジン１は４サイクルガソリンエンジンで、その爆発順は、第１気筒、第３気筒、第４気筒、第２気筒の順として説明するが、爆発順はクランク回転をスムーズに行い得る他の順序であってもよいし、４気筒のガソリンエンジンのみに限定されるものではない。

第１上流管１１は複数の独立管２１、２２によって構成されており、図２及び図５に示すように、これら独立管２１、２２は、それぞれ第２上流管１２の内部に隙間状の断熱層４１（隙間）を隔てて収納されるとともに、第１気筒の排気ポート１ａ及び第４気筒の排気ポート１ｄ（一組の気筒の排気ポート）から集合管１３内までの複数の独立した排気通路１１ａ、１１ｂ（一組の複数の排気通路）をそれぞれ形成している。

また、第２上流管１２は、所定の板金、例えば板厚１．５mm〜２．０mm程度のステンレス鋼板により形成された、いわゆる最中合せのシェル形状となっている。すなわち、第２上流管１２は、第１上流管１１を挟んで対向し互いに気密的に接合された複数の板金部材としてのシェルカバー３１、３２によって構成されている。

より具体的には、第２上流管１２は２枚のステンレス鋼板製の凹状のシェルカバー３１、３２で構成されており、これらのシェルカバー３１、３２はそれぞれプレス加工されることで、図１に示すような外周輪郭形状をなす（４つに分岐した多岐形状をなす）２枚の凹状体に成形されている。また、シェルカバー３１、３２の輪郭線のなす面は、図３に示す輪郭接合面１２ｃに沿う曲面となっており、この輪郭接合面１２ｃに対しシェルカバー３１、３２の内凹面が対向し、外周輪郭部（排気の入口又は出口となる部分を除く）が溶接等により気密的に接合されることで、第２上流管１２及び集合管１３がシェルカバー３１、３２によって一体化されている。上流側フランジ部１４及び下流側フランジ部１５はそれぞれこの第２上流管１２の上流端及び下流端に溶接等により一体に接合され、固着されている。

独立管２１、２２は、それぞれ例えば肉厚１．５mm〜２．０mm程度のステンレス鋼管製のもので、集合管１３内に位置する下流端部が後述する特定の断面形状に成形され、上流端部が円形断面となっているが、その中間部の断面形状は任意である。例えば、独立管２１、２２のうち集合管１３の近傍で合流する部分は、集合管１３から上流側になるほど前記特定の断面形状（例えば扇形）から円形に近い断面形状へと徐々に変化している。あるいは、第２上流管１２内の排気通路１２ａ、１２ｂ（詳細は後述する）との接触面が増加し、かつ、第２上流管１２内から集合管１３内に移行する排気通路１２ａ、１２ｂの中間部で断面形状が急変しないようにするため、独立管２１、２２を略Ｄ字形の断面や略三日月形の断面形状等とすることもできる。勿論、独立管２１、２２は、継ぎ目のない１本の鋼管であるのが好ましいが、複数のパイプ若しくは略円弧断面の樋状の管壁部材を気密的に接合したものであってもよい。

独立管２１、２２の両端部は、第２上流管１２のシェルカバー３１、３２を溶接等により接合する際に、第２上流管１２に溶接等により一体に接合されている。また、独立管２１、２２の第２上流管１２との接合部以外の部分、すなわち各独立管２１、２２の中間部分は、第２上流管１２のシェルカバー３１、３２に対して所定の隙間を隔てており、これにより独立管２１、２２とシェルカバー３１、３２との間に後述する所定層厚の断熱層が形成されている。ここにいう断熱層とは、熱伝導がほぼ遮られるよう実質的に非接触にした部分若しくは遮熱性のスペーサを挿入した部分である。

図２の部分拡大図及び図５にそれぞれ示すように、第１上流管１１の各独立管２１、２２と第２上流管１２の各シェルカバー３１、３２との間の断熱層４１中には、部分的に、遮熱性のスペーサとして、例えば金属製の網等からなるメッシュ材４２が設けられている。これらメッシュ材４２は、外気に触れる第２上流管１２のシェルカバー３１、３２と第２上流管１２内でエンジン１からの排気ガスに曝される独立管２１、２２との温度差により、あるいは機械的振動等に起因して、独立管２１、２２とシェルカバー３１、３２との対向部位間に相対変位が生じるのを許容するとともに、その対向部位間の断熱層４１が熱伝導を遮るのに必要な最低限の層厚レベルで一定範囲内に維持されるようになっている。

メッシュ材４２は、例えば第２上流管１２の上流側の４本の筒状部分のうち独立管２１、２２を断熱層４１を挟んで取り囲む部位に、独立管２１、２２とシェルカバー３１、３２が最も近接して対向する対向部分の離間距離分の厚さを持って挿入されており、独立管２１、２２とシェルカバー３１、３２のうちいずれかの部材に支持されている。シェルカバー３１、３２にメッシュ材４２を支持させる場合、シェルカバー３１、３２にメッシュ材４２をガイドする凹部やガイドリブ部等を設けてもよい。

上述のような第１上流管１１の独立管２１、２２と第２上流管１２のシェルカバー３１、３２とによって、第２上流管１２の内部には、第３気筒の排気ポート１ｃ及び第２気筒の排気ポート１ｂから集合管１３内まで延在する複数の排気通路１２ａ、１２ｂ（他の複数の排気通路）が形成されている。

ここで、排気通路１２ａ、１２ｂの間を仕切るようにシェルカバー３１、３２の形状を適宜設定できることはいうまでもなく、排気通路１２ａ、１２ｂの間の第２上流管１２の上流分岐部分１２ｄの分岐点の深さをエンジンの要求特性に応じて適宜設定可能である。すなわち、排気通路１２ａ、１２ｂは、シェルカバー３１、３２の形状や上流分岐部分１２ｄの分岐点の深さ、断熱層４１の層厚やメッシュ材４２の配置領域を適宜設定することで、ほぼ独立したそれぞれの通路として形成することもできる。

また、第１上流管１１を構成する独立管２１、２２内の排気通路１１ａ、１１ｂは、エンジン１の複数の気筒のうち一組の気筒の排気ポート、例えば第１気筒の排気ポート１ａ及び第４気筒の排気ポート１ｄに接続しているが、第１気筒の排気ポート１ａ及び第４気筒の排気ポート１ｄは、エンジン１の複数の気筒のうち互いに排気行程が期間的に重ならない排気ポート群である。同様に、第２上流管１２内の排気通路１２ａ、１２ｂは、エンジン１の複数の気筒のうち他の気筒の排気ポート、例えば第２気筒の排気ポート１ｂ及び第３気筒の排気ポート１ｃに接続しているが、第２気筒の排気ポート１ｂ及び第３気筒の排気ポート１ｃもまたエンジン１の複数の気筒のうち互いに排気行程が期間的に重ならない排気ポート群である。これらの排気通路１１ａ、１１ｂ及び１２ａ、１２ｂの断面積や集合角度（集合管１３内への進入部分でなす排気通路１１ａ、１１ｂの間の挟角）等はエンジンの特性に応じて適宜設定される。

さらに、複数の独立管２１、２２は、エンジン１の複数の気筒のうち気筒配列方向最端部である第１気筒、第４気筒の排気ポート１ａ、１ｄに接続されているので、第１上流管１１の独立管２１、２２と第２上流管１２のシェルカバー３１、３２とは、気筒配列方向両端部において断熱層４１を挟んだ二重管構造をなしている。ここにいう気筒配列方向両端部とは、直列４気筒のエンジンなら第１気筒及び第４気筒であるが、シリンダブロックの気筒が並ぶ各列毎にその列方向の両端部の意である。

また、図４に示すように、複数の独立管２１、２２は、集合管１３内でそれぞれ互いに隣接する扇形の開口、例えば略四分円状の開口１１ｅ、１１ｆを形成するとともに、集合管１３内に第２上流管１２内の排気通路１２ａ、１２ｂの下流端に対応する略半円形の開口１２ｅを形成している。開口１１ｅ、１１ｆの形状は、集合管１３内に通じる排気通路の数、ここでは排気通路１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂの数で集合管１３内の円形断面を略等分したものであり、エンジンの気筒数により異なる。

また、開口１２ｅの形状は直列４気筒エンジンの全気筒の排気を集合管１３内に集合させる場合に、例えば略半円形となる。なお、開口１２ｅの形状は略半円形でなく扇形ともなり得る。また、デュアル排気をなす場合に、開口１１ｅ、１１ｆがそれぞれ半円形断面で両者で円形断面をなし、開口１２ｅがそれを取り囲む外環状の断面となり得るし、逆に、開口１１ｅ、１１ｆがそれぞれ半円弧形断面で両者で外環状断面をなし、開口１２ｅが中央の円形断面の通路となり得る。

触媒装置５０は、集合管１３から下流に続く排気通路の一部を形成するとともにその通路内に例えば公知の３元触媒５１を収納したもので、排気ガス中の窒素酸化物等の有害物質を還元又は酸化させて水、二酸化炭素、窒素といった無害な物質とする装置であり、エンジンの空燃比を所定範囲に制御し、排気ガス中の酸素濃度を一定範囲内に維持することで、高効率の排気ガス浄化作用が得られるという性質がある。また、触媒装置５０は、通常、常温では三元触媒の還元能力が低く、過度の高熱や振動に曝され続けると損傷し易くなるため、三元触媒の還元能力がエンジン始動後早期に活性化されるように排気ガスの熱による暖機が必要である一方、排気ポートの直後には設置し難い装置である。なお、触媒装置５０は、性能面から排気温度の管理が望まれる他のタイプの排気ガス浄化装置であってもよい。

次に、作用について説明する。

エンジン１の運転時には、第１気筒から第４気筒までの各気筒について、吸気、圧縮、爆発膨張及び排気の各行程が所定の爆発順に繰り返される。そして、例えば第１気筒が爆発膨張行程であるときには、第２気筒から〜第４気筒はそれぞれほぼ排気行程、圧縮行程、吸気行程となり、第１気筒が排気行程であるときには、第２気筒から〜第４気筒はそれぞれほぼ吸気行程、爆発膨張行程、圧縮行程となり、第１気筒が吸気行程であるときには、第２気筒から〜第４気筒はそれぞれほぼ圧縮行程、排気行程、爆発膨張行程となり、第１気筒が圧縮行程であるときには、第２気筒から〜第４気筒はそれぞれほぼ爆発膨張行程、吸気行程、排気行程となる。

このようなエンジン１に装着される、上述のように構成された本実施形態の排気マニホルド１０では、第１上流管１１である複数の独立管２１、２２によって第１、第４気筒（一組の気筒）の排気ポート１ａ、１ｄから集合管１３内までの複数の排気通路１１ａ、１１ｂがそれぞれ形成されるとともに、第１上流管１１の独立管２１、２２と第２上流管１２とによって、第２上流管１２の内部かつ独立管２１、２２の外部に第２、第３気筒（残りの気筒）の排気ポートから集合管１３内までの複数の排気通路１２ａ、１２ｂがそれぞれ形成されている。したがって、独立管２１、２２からなる第１上流管１１内の排気通路１１ａ、１１ｂを通る排気ガスと、第２上流管１２と独立管２１、２２の間に形成される第２上流管１２内の排気通路１２ａ、１２ｂを通る排気ガスとの間の熱交換が促進され、始動時等における触媒装置５０の所要の暖機性が確保される。また、４気筒に対し排気マニホルド１０の内管は独立管２１、２２の２本のみであり、構造が簡素で軽量であるのに加えて、継ぎ目のない比較的薄肉の鋼管からなる独立管２１、２２の加工は容易で、独立管数の半減によりその配管形状の３次元の自由度があまり制限されなくなる。よって、排気マニホルド１０の製造コストを低減させることができる。

また、複数の独立管２１、２２が、エンジン１の複数の気筒のうち互いに排気行程が重ならない一組の気筒、例えば第１気筒と第４気筒の排気ポート１ａ、１ｄに接続しているので、排気行程が重なる気筒間、例えば第１気筒と第３気筒のように爆発順が隣り合う２気筒間の排気干渉が確実に抑制され、低回転域におけるエンジン１のトルク性能の低下が防止される。

また、これら独立管２１、２２が、エンジン１の複数の気筒のうち気筒配列方向最端部に位置する気筒、例えば直列４気筒エンジン１の第１気筒と第４気筒に接続され、気筒配列方向の両端部において外管シェルである第２上流管１２と共に二重管構造をなしていることから、内管である独立管２１、２２の内側の排気通路１１ａ、１１ｂの遮熱性が向上し、それらの外側の排気通路１２ａ、１２ｂとの間で遮熱性能の相違が少なくなるので、触媒装置５０の暖機性が向上する。

さらに、本実施形態の排気マニホルド１０では、複数の独立管２１、２２が集合管１３内でそれぞれ互いに隣接する扇形の開口１１ｅ、１１ｆを形成するとともに、集合管１３内に第２上流管１２内の排気通路１２ａ、１２ｂの下流端に対応する半円形又は扇形の開口１２ｅを形成していることから、独立管２１、２２の下流端形状を適宜設定するだけで、第１上流管１１内の排気通路１１ａ、１１ｂ及び第２上流管１２内の排気通路１２ａ、１２ｂの下流端形状をそれぞれ所望する形状に設定することができ、しかも、排気通路１１ａ、１１ｂ及び排気通路１２ａ、１２ｂの間における所要の熱交換領域を容易に設定可能となる。

しかも、本実施形態では、第１上流管１１の複数の独立管２１、２２と第２上流管１２のシェルカバー３１、３２との間の断熱層４１に、遮熱性のスペーサであるメッシュ材４２が設けられているので、第１上流管１１及び第２上流管１２の間の断熱層４１の厚さを最小化しながらも、第１上流管１１及び第２上流管１２の接触を伴う機械的な相互干渉を確実に防止することができる。

加えて、本実施形態の排気マニホルド１０は、第２上流管１２及び略円筒状の集合管１３が、第１上流管１１を挟んで対向し互いに気密的に接合された複数のシェルカバー３１、３２によって一体化されて構成されているので、外管となる第２上流管１２内に第１上流管１１を配置し集合管１３と一体化した二重管構造の排気マニホルド１０を容易に製造することが可能となり、その製造コストを低減させることができることになる。

図６及び図７は、従来の最中合せ接合による一重管構造の排気マニホルドと上述した構成を有する本発明の一実施例の排気マニホルド１０（両図中では実施例と記す）とを、それぞれの排気入口となる上流端から７０mmの位置の排気ポート脈動圧［ｋPa］について比較した結果を示すグラフである。このグラフに示す排気ポート脈動圧は、比較する従来例及び一実施例について、それぞれ共通する構成は同一条件として、排気ポート圧力を所定クランク角度単位で２回転の期間につき計算により求めたシミュレーションの結果である。

図６中の点線で囲んだ部分を図７に部分拡大して示すように、同図中に太い実線で記された本発明の一実施例の排気ポート脈動圧は、同図中に細い実線で示された従来例の排気マニホルドのような排気干渉による排気ポート圧の増加が見られず、図７中の斜線部に示すような排気干渉圧を低減させる効果が期待できることがわかる。

そして、この排気干渉の低減効果によって、図８に示すような低回転域におけるエンジンの出力トルク［Ｎｍ］の向上、前記シミュレーション結果では約１パーセントのエンジントルク向上代を見込むことができ、実際にはそれ以上のエンジントルク向上を期待することができると考えられ、直列４気筒ガソリンエンジンで独立管を４本としたものとほぼ同等の出力トルクと触媒暖機性が期待できる。

[第２の実施の形態]
図９〜図１２は本発明の第２の実施の形態に係る排気マニホルドを示す図である。

上述の第１の実施形態では、複数の独立管２１、２２が直列４気筒エンジンの第１気筒と第４気筒に対応して設けられていたが、本実施形態の排気マニホルドは、複数の独立管が直列４気筒エンジンの第２気筒と第３気筒に接続している点で上述の実施形態とは構成が相違する。したがって、第１の実施の形態の排気マニホルドと同一又はそれに相当する構成部分については、図９〜図１２中に図１〜図５中の対応構成部分と同一符号を用いて説明し、以下の説明においては、上述した第１の実施の形態との相違点について詳しく説明する。

図９〜図１２に示すように、本実施形態の排気マニホルド６０は、直列４気筒エンジン１の複数の気筒のうち一組の気筒の排気ポート、例えば第２気筒の排気ポート１ｂ及び第３気筒の排気ポート１ｃにそれぞれ接続する排気入口部６１ｉ、６１ｊを有する第１上流管６１と、前記エンジンの複数の気筒のうち残りの気筒の排気ポート、例えば第１気筒の排気ポート１ａ及び第４気筒の排気ポート１ｄにそれぞれ接続する排気入口部６２ｉ、６２ｊを有する第２上流管６２と、第１上流管６１及び第２上流管６２の下流端側を集合させる略円筒状の集合管６３と、前記エンジンのシリンダヘッドに固定される上流側フランジ部１４と、触媒装置５０を介して図示しない下流側の排気管及びマフラに接続される下流側フランジ部１５とを具備している。

第１上流管６１は、それぞれ第２上流管６２の内部に隙間状の断熱層（図５中の断熱層４１に相当する；以下、この断熱層も断熱層４１という）を隔てて収納されるとともに第２気筒の排気ポート１ｂ及び第３気筒の排気ポート１ｃ（一組の気筒の排気ポート）から集合管６３内までの複数の独立した排気通路６１ａ、６１ｂ（一組の複数の排気通路）をそれぞれ形成しており、複数の独立管７１、７２によって構成されている。

第２上流管６２は、所定の板金、例えば板厚１．５mm〜２．０mm程度のステンレス鋼板により形成された最中合せのシェル形状となっている。すなわち、第２上流管６２は、第１上流管６１を挟んで対向し互いに気密的に接合された複数の板金部材としてのシェルカバー８１、８２により構成されている。具体的には、第２上流管６２は２枚のステンレス鋼板製の凹状のシェルカバー８１、８２で構成され、これらのシェルカバー８１、８２がそれぞれプレス加工されることで、図９に示すような外周輪郭形状をなす２枚の凹状体に成形されている。また、シェルカバー８１、８２の外周輪郭線のなす面は、図１１に示す輪郭接合面６２ｃに沿う曲面となっており、この輪郭接合面６２ｃに対し凹状のシェルカバー８１、８２の内凹面が対向し、外周輪郭部（排気の入口又は出口となる部分を除く）が溶接等により気密的に接合されることで、シェルカバー８１、８２により第２上流管６２及び略円筒状の集合管６３が一体に形成されている。上流側フランジ部１４及び下流側フランジ部１５はそれぞれこのこの第２上流管６２に溶接等により接合され、固着されている。

第１上流管６１の独立管７１、７２は、それぞれ例えば肉厚１．５mm〜２．０mm程度のステンレス鋼管製のもので、下流部が後述する特定の断面形状に成形され、上流部が円形断面となっているが、これらの間の中間部は任意の断面形状である。

また、独立管７１、７２の少なくとも上流端部、例えば両端部は、第２上流管６２のシェルカバー８１、８２を溶接等により接合する際に、第２上流管６２に溶接等により一体に接合されている。また、独立管７１、７２の第２上流管６２との接合部以外の部分、すなわち中間部分は、第２上流管６２のシェルカバー８１、８２に対して所定の隙間を隔てており、これにより独立管７１、７２とシェルカバー８１、８２との間に所定層厚の断熱層４１が形成されている。

また、図１２に示すように、複数の独立管７１、７２は、集合管６３内でそれぞれ互いに隣接する扇形の開口、例えば略四分円状の開口６１ｅ、６１ｆを形成するとともに、集合管６３内に第２上流管６２内の排気通路６２ａ、６２ｂ（他の複数の排気通路）の下流端に対応する略半円形の開口６２ｅを形成している。すなわち、本実施形態では、上述の第１の実施の形態とは異なり、第２気筒及び第３気筒の排気ポートに通じる排気通路６１ａ、６１ｂ側が個々に略四分円状の開口６１ｅ、６１ｆを有し、第１気筒及び第４気筒の排気ポートに通じる排気通路６２ａ、６２ｂ側が一体的な略半円形の開口６２ｅを有している。

本実施形態では、複数の独立管７１、７２が直列４気筒エンジン１の第２気筒と第３気筒に対応して設けられていても、排気マニホルド６０の構造が簡素であるだけでなく、内管である独立管７１、７２の加工も容易でその形状の自由度があまり制限されない。しかも、複数の独立管７１、７２が第２上流管６２内で一組の気筒の排気ポート１ｂ、１ｃとの接続部分から集合管６３内にまで延びているので、第１上流管６１及び第２上流管６２を通る排気ガス間の熱交換が促進され、触媒装置５０の暖機性低下も防止できる。したがって、上述の実施形態に比べて遮熱性は若干劣るものの、構造が簡素で、かつ、低回転域におけるトルク性能向上と触媒暖機性の低下防止を図った低コストの排気マニホルドを提供することができる。

なお、上述の各実施形態においては、エンジン１を直列４気筒としていたが、直列６気筒エンジンのような場合、第２上流管を第１気筒から第３気筒までに対応する一方の分岐部分と第４気筒から第６気筒までに対応する分岐部分とに分岐させ、各分岐部分を外管シェルとする最中合せ接合するとともに、その内方に１本または気筒配列方向両端側に離間する２本の独立管を収納することようなことも考えられる。また、上述の各実施形態においては、第２上流管と略円筒状の集合管とが溶接等により両端部で一体に接合されるものとして説明したが、一端側を摺動可能な嵌合状態とすることも可能である。さらに、シェル状の第２上流管を集合管と共に一対のシェルカバーで一体的に構成していたが、集合管を継ぎ目のない円筒体で構成しておき、一対のシェルカバーを接合した第２上流管と集合管を排気ガスの流れ方向（軸方向）に継ぎ合わせることも考えられる。また、シェルカバーを対向する一対とするのでなく、３つ以上の管壁部材として第２上流管を構成することも考えられる。

以上説明したように、本発明は、複数の独立管がそれぞれシェル状の第２上流管内に収納された状態で、一組の排気ポートとの接続部から集合管内にまで延びていることにより、上流管内の排気通路を通る排気ガス間の熱交換を促進させることができ、内管の加工が容易でその形状自由度もあまり制限されず、構造が簡素で軽量な、しかも、触媒暖機性の向上を図った低コストの排気マニホルドを提供することができるという効果を奏するものであり、特に、第１上流管をエンジンの複数の気筒のうち互いに排気行程が重ならない一組の気筒の排気ポートに接続させることで、排気行程が重なる気筒間の排気干渉を確実に抑制して、低回転域におけるトルク性能の低下を確実に防止することができるという効果を奏するものであり、排気マニホルド、特に板金製の外管シェル構造を有する排気マニホルド全般に有用である。

本発明の第１の実施の形態に係る排気マニホルドの概略構成を示すその正面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る排気マニホルドの内部の概略構成を示す、一方のシェルカバーを取り外した状態の正面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る排気マニホルドの概略構成を示す図１中の矢印III方向の矢視図である。 本発明の第１の実施の形態に係る排気マニホルドをその下流端開口部から見た、図１中のＩＶ−ＩＶ矢視図である。 本発明の第１の実施の形態に係る排気マニホルドの一組の上流管の内部構造と断熱層を説明する部分拡大断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る排気マニホルドの作用を従来例との排気ポート脈動圧の相違を比較して示すグラフで、縦軸は排気ポート脈動圧、横軸はクランク角度である。 本発明の第１の実施の形態に係る排気マニホルドの排気干渉抑制効果を説明する説明図である。 本発明の第１の実施の形態に係る排気マニホルドの作用を従来例とのエンジントルクの相違を比較して示すグラフで、縦軸はエンジントルク、横軸はエンジン回転数である。 本発明の第２の実施の形態に係る排気マニホルドの概略構成を示すその正面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る排気マニホルドの内部の概略構成を示す、一方のシェルカバーを取り外した状態の正面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る排気マニホルドの概略構成を示すその側面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る排気マニホルドの概略構成を示すその下流端側から見た開口形状説明図である。

符号の説明

１ エンジン（内燃機関）
１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ 排気ポート（複数の気筒の排気ポート部）
１０ 排気マニホルド
１１ 第１上流管（上流管）
１１ａ、１１ｂ 排気通路（一組の複数の排気通路）
１１ｅ、１１ｆ 開口
１１ｉ、１１ｊ 排気入口部
１２ 第２上流管（上流管）
１２ａ、１２ｂ 排気通路（他の複数の排気通路）
１２ｃ 輪郭接合面
１２ｄ 上流分岐部分
１２ｅ 開口
１２ｉ、１２ｊ 排気入口部
１３ 集合管
１４ 上流側フランジ部
１５ 下流側フランジ部
２１、２２ 独立管
３１、３２ シェルカバー（管壁部材）
４１ 断熱層
４２ メッシュ材（遮熱性のスペーサ）
５０ 触媒装置
６０ 排気マニホルド
６１ 第１上流管（上流管）
６１ａ、６１ｂ 排気通路（一組の複数の排気通路）
６１ｅ、６１ｆ 開口
６１ｉ、６１ｊ 排気入口部
６２ 第２上流管（上流管）
６２ａ、６２ｂ 排気通路（他の複数の排気通路）
６２ｃ 輪郭接合面
６２ｅ 開口
６２ｉ、６２ｊ 排気入口部
６３ 集合管
７１、７２ 独立管
８１、８２ シェルカバー（板金部材）

Claims (9)

1. エンジンの複数の気筒のうち一組の気筒の排気ポートに接続される第１上流管と、前記エンジンの複数の気筒のうち残りの気筒の排気ポートに接続される第２上流管と、該第１上流管及び第２上流管の下流端側を集合させる集合管と、を備えた排気マニホルドにおいて、
   前記第１上流管が、前記一組の気筒の排気ポートから前記集合管内までの複数の排気通路を互いに独立して形成する複数の独立管によって構成され、
   前記第２上流管が、前記独立管をそれぞれ収納するシェル状に形成されるとともに、前記独立管との間に前記残りの排気ポートから前記集合管内までの複数の排気通路をそれぞれ形成していることを特徴とする排気マニホルド。
2. 前記独立管が、前記複数の気筒のうち互いに排気行程の順序が離れた一組の気筒の排気ポートに接続されることを特徴とする請求項１に記載の排気マニホルド。
3. 前記複数の独立管が、前記エンジンの複数の気筒のうち気筒配列方向両端部に位置する気筒の排気ポートにそれぞれ接続されることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気マニホルド。
4. 前記エンジンが直列４気筒エンジンで構成され、
   前記複数の独立管が、該直列４気筒エンジンの第１気筒と第４気筒の排気ポートにそれぞれ接続されることを特徴とする請求項３に記載の排気マニホルド。
5. 前記エンジンが直列４気筒エンジンで構成され、
   前記複数の独立管が、該直列４気筒エンジンの第２気筒と第３気筒の排気ポートにそれぞれ接続されることを特徴とする請求項２に記載の排気マニホルド。
6. 前記複数の独立管が前記集合管内で互いに隣接するそれぞれ扇形の開口を形成するとともに、前記集合管内に前記第２上流管内の排気通路の下流端に対応する半円形又は扇形の開口を形成していることを特徴とする請求項１に記載の排気マニホルド。
7. 前記複数の独立管と前記第２上流管との間に隙間が形成され、該隙間内に遮熱性のスペーサが設けられたことを特徴とする請求項１に記載の排気マニホルド。
8. 前記第２上流管が、前記第１上流管を挟んで互いに対向するとともに気密接合された一対の板金部材によって構成されたことを特徴とする請求項１に記載の排気マニホルド。
9. 前記集合管が、前記第２上流管と共に前記一対の板金部材によって構成されたことを特徴とする請求項８に記載の排気マニホルド。

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