JP2010077953A - 排気マニホールド - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガスの冷却性能を十分に確保するようにして、小型で生産性を向上させることができる排気マニホールドを提供すること。
【解決手段】集合通路２６と冷却水通路２８とが排気ガスの排出方向上流側から下流側に向かって延在するように構成された排気マニホールド２０、２１において、集合通路２６の断面積αが排気ガスの排出方向上流側から下流側に向かって徐々に大きくなるように構成し、冷却水通路２８の断面積βを排気ガスの排出方向上流側から下流側に向かうに従って徐々に小さくなるように構成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、排気マニホールドに関し、特に、内燃機関から排出される高温の排気ガスを冷却することができる排気マニホールドに関する。

自動車等の車両の内燃機関に設けられた排気マニホールドは、内燃機関の高出力化による排気温度の上昇のため、水冷式を採用したものがある。従来の水冷式の排気マニホールドは、内燃機関のシリンダヘッドに取付けられており、シリンダヘッドの各排気ポートに接続され、排気ポートを通して排気ガスが導入される複数の分岐管部と、分岐管部に取付けられ、分岐管部に導入された排気ガスを集合させる集合通路を有する集合管部と、集合管部に導入された排気ガスを冷却する冷却水が流通する冷却水通路を有する冷却水流通管部とを備えている（例えば、特許文献１参照）。

このような構成を有する排気マニホールドにあっては、集合通路の外方に冷却水通路が形成された複雑な構造であるため、集合管部および冷却水流通管部が一体化するように排気マニホールドが鋳物により成形されている。

従来のこの種の排気マニホールドとしては、図７、図８に示すようなものが知られている（例えば、特許文献２参照）。図７、図８において、排気マニホールド１は、シリンダヘッド２の複数の排気ポート２ａ（図示１つ）に接続され、排気ポート２ａを通して排気ガスが導入される複数の分岐管部３と、分岐管部３に取付けられ、分岐管部３に導入された排気ガスを集合させる集合通路４を有する集合管部５と、集合管部５に導入された排気ガスを冷却する冷却水が流通する冷却水通路６を有する冷却水流通管部７とを備えており、冷却水流通管部７は、集合管部５の外周部に設けられている。

このように排気マニホールド１にあっては、鋳造用の金型に溶融金属を充填する際に、集合通路４と冷却水通路６とを確保するために、集合通路４と冷却水通路６にピン部材を挿入し、排気マニホールド１の母材の成形後に母材からピン部材を引き抜くようになっている。

このとき、ピン部材の引き抜きを容易に行うために、集合通路４および冷却水通路６の断面積を排気ガスの排出方向上流側（図８中、右方向）から下流側（図８中、左方）に向かって徐々に勾配を大きくして断面積α、βを徐々に大きくすることが考えられる。

また、集合通路４の断面を排気ガスの排出方向上流側から下流側に向かって徐々に大きくすれば、排気ガスの圧力損失を小さくして排気性能を向上させることができるため、集合通路４の断面積αは、集合通路４の断面を排気ガスの排出方向上流側から下流側に向かって徐々に大きくなるように設定される。
特開平８−２１８８６５号公報 特開平１１−３４９８８号公報

しかしながら、このような従来の排気マニホールド１にあっては、ピン部材の引き抜きを容易にするとともに、排気ガスの圧力損失が低下するのを防止するために、集合通路４および冷却水通路６の断面積α、βを排気ガスの排出方向上流側から下流側に向かって徐々に大きくすることが考えられるが、集合通路４および冷却水通路６の排気ガスの排出方向上流側の仕切り部８ｂの板厚ｔ１が集合通路４および冷却水通路６の排気ガスの排出方向下流側の仕切り部８ａの板厚ｔ２に比べて大きくなってしまう。

このため、板厚ｔ１に対応する仕切り部８ｂを形成するための溶融金属の流動量が多くなってしまうことになり、仕切り部８ａを固化するのに多大な時間を要してしまい、排気マニホールド１の生産性が悪化してしまうという問題が発生してしまう。

また、集合通路４および冷却水通路６の排気ガスの排出方向上流側の分岐管部３から排出される排気ガスを十分に冷却することができずに、結果的に集合通路４に排出される排気ガスの冷却性能が低下してしまう。

仮に、集合通路４に排出される排気ガスの冷却性能を向上させるために、冷却水通路６の上流側の断面積を大きくして冷却水通路６の上流側に多くの冷却水を流通させることが考えられるが、冷却水通路６の上流側の断面積を大きくすると、排気マニホールド１が大型化してしまうという問題が発生してしまう。

本発明は、上述のような従来の問題を解決するためになされたもので、排気ガスの冷却性能を十分に確保するようにして、小型で生産性を向上させることができる排気マニホールドを提供することを目的とする。

本発明に係る排気マニホールドは、上記目的を達成するため、（１）内燃機関の複数の排気ポートに連通する複数の分岐管部と、前記複数の分岐管部と一体的に設けられ、前記複数の分岐管部から排気される排気ガスが集合する集合通路が形成された集合管部と、前記集合管部の外周部に仕切り部を介して設けられ、流体が流通する流体通路が形成された少なくとも１つ以上の流体流通管部とを備え、前記集合通路と前記流体通路とが排気ガスの排出方向上流側から下流側に向かって延在するように構成された排気マニホールドにおいて、前記集合通路の断面積は、前記集合通路の排気ガスの排出方向上流側から下流側に向かって徐々に大きくなるとともに、前記流体通路の断面積は、排気ガスの排出方向下流側が排出方向上流側に対して小さいものから構成されている。

この構成により、集合通路の断面積が集合通路の排気ガスの排出方向上流側から下流側に向かって徐々に大きくなるように構成し、排気ガスの排出方向下流側の流体通路の断面積が排出方向上流側の流体通路の断面積よりも小さくなるように構成したので、鋳造によって排気マニホールドを成形する際に、鋳造用の金型のピン部材の抜き方向を逆方向にして集合通路と流体通路とを仕切る仕切り部の肉厚を小さくし、流体通路と集合通路を形成することができる。また、集合通路の断面積を集合通路の排気ガスの排出方向上流側から下流側に向かって徐々に大きくなるように構成したので、排気ガスの圧力損失を低下させることができ、排気性能を向上させることができる。

そして、仕切り部の肉厚を小さくすることができるため、仕切り部を形成するための溶融金属の流動量を少なくして、仕切り部を早期に固化することができ、排気マニホールドの生産性を向上させることができる。

また、仕切り部の肉厚を小さくすることができるため、流体通路の断面積を十分に確保して流体通路を流通する流体に集合通路を近接させることができ、複数の分岐管部から排出される排気ガスを集合通路の排気ガスの排出方向上流側から下流側に亘って確実に冷却することができ、集合通路に排出される排気ガスの冷却性能を向上させることができる。
このように仕切り部の肉厚を小さくして流体通路の断面積を確保することができるため、排気マニホールドを小型化することができる。

上記（１）に記載の排気マニホールドにおいて、（２）前記流体通路の断面積は、排気ガスの排出方向上流側から下流側に向かって徐々に小さくなるものから構成されている。
この構成により、集合通路の断面積を集合通路の排気ガスの排出方向上流側から下流側に向かって徐々に大きくするのに対して、流体通路の断面積を排気ガスの排出方向上流側から下流側に向かって徐々に小さくなるようにしたので、仕切り部の板厚を均一にすることができ、排気ガスの冷却性能をより一層向上させることができる。

上記（１）に記載の排気マニホールドにおいて、（３）前記流体通路の排気ガスの排出方向上流側および下流側に開口部が形成され、前記流体通路は、排気ガスの排出方向上流側から下流側に向かって断面積が徐々に小さくなる第１の流体通路と、排気ガスの排出方向下流側から上流側に向かって断面積が徐々に小さくなる第２の流体通路とを有し、前記第１の流体通路と前記第２の流体通路が連通するものから構成されている。

この構成により、流体通路が長尺の場合に１本のピン部材を用いるとピン部材が破損する可能性があるのに対して、本発明では、鋳造時に一対の開口部から一対のピン部材を挿通して流体通路を確保することができるため、流体通路を形成するためのピン部材を２本に分割することができ、ピン部材が破損するのを防止することができる。

本発明によれば、排気ガスの冷却性能を十分に確保するようにして、小型で生産性を向上させることができる排気マニホールドを提供することができる。

以下、本発明に係る排気マニホールドの実施の形態について、図面を用いて説明する。
（第１の実施の形態）
図１〜図４は、本発明に係る排気マニホールドの第１の実施の形態を示す図である。
まず、構成を説明する。
図１において、車両用排気系１１は、内燃機関であるエンジン１２の排気ガスを系外に排出するためのものであり、エンジン１２の排気ガスを浄化、消音するようになっている。本実施の形態のエンジン１２は、例えば、Ｖ型または水平対向の多気筒（８気筒）エンジンとされており、図示しないクランクシャフトが車体前後方向に沿う軸線周りに回転されるように車体前部に縦置きされた構成とされている。したがって、エンジン１２は、右バンク１２Ａおよび左バンク１２Ｂを有している。

車両用排気系１１は、排気ガスの排気音を消音するためのメインマフラ１３を備えており、メインマフラ１３は、車体の後端部に配置され、導入された排気ガスをエンドパイプ１４の大気開放端１４ａから排出するようになっている。なお、図示は省略するが、メインマフラ１３内には、少なくとも第１拡張室、最終拡張室を含む複数の拡張室が形成されており、エンドパイプ１４の上流端は最終拡張室で開口している。

また、車両用排気系１１は、エンジン１２の右バンク１２Ａからメインマフラ１３まで排気ガスを導く右側排気ライン１５と、左バンク１２Ｂからメインマフラ１３まで排気ガスを導く左側排気ライン１６とを備えており、所謂、デュアル排気系として構成されている。

右側排気ライン１５および左側排気ライン１６は、それぞれ上流側から順に、排気マニホールド２０、２１、排気ガスを浄化するための触媒コンバータ１７、排気音（特に高周波側）を消音するためのサブマフラ１８が配設されており、これらが排気管１９によって直列に連通されて構成されている。

排気マニホールド２０、２１は、それぞれ右バンク１２Ａおよび左バンク１２Ｂに取付けられており、エンジン１２のシリンダの燃焼室から排気ポートを介して排出される排気ガスが導入されるようになっている。

次に、図２、図３に基づいて排気マニホールドの構成を説明する。なお、排気マニホールド２０、２１は、同一の構成を有しているので、排気マニホールド２０の構成について具体的に説明する。図２は、右バンク１２Ａおよび排気マニホールド２０の断面図であり、図３は、図２のＡ−Ａ方向矢視断面図である。

図２において、右バンク１２Ａにはシリンダの燃焼室２２に連通する排気ポート２３が形成されており、この排気ポート２３および燃焼室２２は、排気バルブ２４によって連通および遮断されるようになっている。なお、シリンダは右バンク１２Ａに４つ設けられており、排気ポート２３および排気バルブ２４は、シリンダ毎に設けられている。

図２、図３に示すように、排気マニホールド２０は、各排気ポート２３に連通する複数の分岐管部２５と、分岐管部２５と一体的に設けられ、複数の分岐管部２５から排気される排気ガスが集合する集合通路２６が形成された集合管部２７と、集合管部２７の外周部に仕切り部３０を介して設けられ、流体として冷却水が流通する流体通路としての冷却水通路２８が形成された流体流通管部としての一対の冷却水流通管部２９とを備えている。なお、分岐管部２５の長さは、車両用排気系１１の構成に応じて長くしても短くしてもよい。

また、分岐管部２５の一端部は冷却水流通管部２９に連接しており、分岐管部２５の他端部はフランジ部３１に連接している。このフランジ部３１にはボルト挿通孔３１ａが形成されており、このボルト挿通孔３１ａを通して右バンク１２Ａにボルト３２を螺合させることにより、排気マニホールド２０が右バンク１２Ａに取付けられている。

また、集合通路２６と冷却水通路２８は、排気ガスの排出方向上流側（図３中、右側）から排出方向下流側（図３中、左側）に向かって延在している。なお、以後は、排気ガスの排出方向上流側を単に上流側と言い、排気ガスの排出方向下流側を単に下流側と言う。

また、集合管部２７の下流側にはフランジ部３３が設けられており、このフランジ部３３には触媒コンバータ１７の上流側に設けられたフランジ部１７ａが連結されている。なお、車両用排気系１１の構成によっては、集合管部２７のフランジ部３３に触媒コンバータではなく、排気管が直接設けられる。

また、冷却水流通管部２９の下流側には冷却水供給孔３４が形成されており、この冷却水供給孔３４は、図示しないウォータポンプから冷却水通路２８に冷却水を供給するようになっている。

また、冷却水流通管部２９の上流側には冷却水排出孔３５が形成されており、この冷却水排出孔３５は、冷却水通路２８に供給される冷却水を冷却水通路２８から外部に排出するようになっている。
このため、排気ポート２３から分岐管部２５を通して集合管部２７に排出された高温の排気ガスを冷却水によって冷却することができる。なお、冷却水供給孔３４にはシリンダブロックに設けられたウォータジャケットに供給される冷却水の一部が分岐して供給される。

一方、集合通路２６の断面積αは、集合通路２６の上流側から下流側に向かって徐々に大きくなるように構成されており、集合管部２７には集合通路２６を画成するための傾斜面２７ｂが形成されている。
本実施の形態では、排気マニホールド２０を鋳造によって形成する際に、傾斜面２７ｂの水平方向に対する傾斜角（勾配）が集合通路２６を形成するためのピン部材の抜き勾配となる。また、集合管部２７の下流側には開口部２７ａが形成されており、この開口部２７ａは、触媒コンバータ１７に連通している。

また、冷却水通路２８の断面積βは、下流側が上流側に対して小さくなっている。すなわち、冷却水通路２８の断面積βは、上流側から下流側に向かって徐々に小さくなるように構成されており、冷却水流通管部２９には冷却水通路２８を画成するための傾斜面２９ｂが形成されている。
本実施の形態では、排気マニホールド２０を鋳造によって形成する際に、傾斜面２７ｂの水平方向に対する傾斜角（勾配）が冷却水通路２８を確保するためのピン部材の抜き勾配となる。

また、冷却水流通管部２９の上流側には開口部２９ａが形成されており、この開口部２９ａは、シールプラグ３６によって閉塞されている。

本実施の形態では、排気マニホールド２０を鋳造によって形成する際に、図４に示すように、集合通路２６および冷却水通路２８を確保するために、排気マニホールド２０の母材に集合通路２６および冷却水通路２８の形状に相当するピン部材３７、３８を挿通しておく。

本実施の形態では、集合通路２６の断面積αが上流側から下流側に向かって徐々に大きくなるように構成し、冷却水通路２８の断面積βが上流側から下流側に向かうに従って徐々に小さくなるように構成したので、鋳造によって排気マニホールド２０を成形する際に、ピン部材３７、３８の抜き方向Ａ、Ｂを逆方向にして集合通路２６と冷却水通路２８とを仕切る仕切り部３０の肉厚ｔを小さくし、冷却水通路２８と集合通路２６を形成することができる。
また、集合通路２６の断面積αを上流側から下流側に向かって徐々に大きくなるように構成したので、排気ガスの圧力損失を低下させることができ、排気性能を向上させることができる。

そして、仕切り部３０の肉厚ｔを小さくすることができるため、仕切り部３０を形成するための溶融金属の流動量を少なくして、仕切り部３０を早期に固化することができ、排気マニホールド２０の生産性を向上させることができる。

また、仕切り部３０の肉厚ｔを小さくすることができるため、冷却水通路２８の断面積βを十分に確保して冷却水通路２８を流通する冷却水に集合通路２６を近接させることができる。このため、分岐管部２５から排出される排気ガスを集合通路２６の上流側から下流側に亘って確実に冷却することができ、集合通路２６に排出される排気ガスの冷却性能を向上させることができる。

このように、本実施の形態では、仕切り部３０の肉厚ｔを小さくして冷却水通路２８の断面積βを確保することができるため、排気マニホールド２０を小型化することができる。

また、本実施の形態では、集合通路２６の断面積αを集合通路２６の上流側から下流側に向かって徐々に大きくするのに対して、冷却水通路２８の断面積βを上流側から下流側に向かって徐々に小さくしたので、仕切り部３０の板厚ｔを確実にすることができ、排気ガスの冷却性能をより一層向上させることができる。

（第２の実施の形態）
図５は、本発明に係る排気マニホールドの第２の実施の形態を示す図であり、第１の実施の形態と同一の構成には同一番号を付して説明を省略する。

図５において、集合管部２７の外周部には仕切り部４０を介して流体流通管部としての冷却水流通管部４１が設けられており、この冷却水流通管部４１には流体として冷却水が流通する流体通路としての冷却水通路４２が形成されている。

冷却水流通管部４１の上流側と下流側には開口部４１ａ、４１ｂが形成されており、この開口部４１ａ、４１ｂはシールプラグ４３、４４によって閉塞されている。

また、冷却水通路４２は、第１の流体通路としての第１の冷却水通路４５および第２の流体通路としての第２の冷却水通路４６とを含んで構成されている。第１の冷却水通路４５は、上流側（図５中、右側）から下流側（図５中、左側）に向かって断面積β１が徐々に小さくなるように構成されており、冷却水流通管部４１には第１の冷却水通路４５を画成する傾斜面４１ｃが形成されている。

第２の冷却水通路４６は、下流側から上流側に向かって断面積β２が徐々に小さくなるように構成されており、冷却水流通管部４１には第２の冷却水通路４６を画成する傾斜面４１ｄが形成されている。そして、第１の冷却水通路４５と第２の冷却水通路４６が連通することによって冷却水通路４２が形成される。

また、冷却水流通管部４１の下流側には冷却水供給孔４７が形成されており、この冷却水供給孔４７は、図示しないウォータポンプから第２の冷却水通路４６に冷却水を導入するようになっている。

また、冷却水流通管部４１の上流側には冷却水排出孔４８が形成されており、この冷却水排出孔４８は、第１の冷却水通路４５内の冷却水を第１の冷却水通路４５から外部に排出するようになっている。このため、排気ポート２３から分岐管部２５を通して集合管部２７に排出された高温の排気ガスを冷却水によって冷却することができる。

また、本実施の形態では、排気マニホールド２０を鋳造によって形成する際に、傾斜面４１ｃ、４１ｄの水平方向に対する傾斜角（勾配）が第１の冷却水通路４５および第２の冷却水通路４６を形成するためのピン部材の抜き勾配となる。

本実施の形態では、冷却水通路４２を、上流側から下流側に向かって断面積β１が徐々に小さくなる第１の冷却水通路４５と、下流側から上流側に向かって断面積β２が徐々に小さくなる第２の冷却水通路４６とを備え、第１の冷却水通路４５と第２の冷却水通路４６を連通したものから構成したので、鋳造によって排気マニホールド２０を成形する際に、図示しないピン部材の抜き方向を逆方向にして集合通路２６と冷却水通路２８とを仕切る仕切り部４０の肉厚ｔを小さくし、冷却水通路４２と集合通路２６を形成することができる。

また、本実施の形態では、集合通路２６の断面積を上流側から下流側に向かって徐々に大きくなるように構成したので、排気ガスの圧力損失を低下させることができ、排気性能を向上させることができる。
そして、仕切り部４０の肉厚ｔを小さくすることができるため、仕切り部４０を形成するための溶融金属の流動量を少なくして、仕切り部４０を早期に固化することができ、排気マニホールド２０の生産性を向上させることができる。

また、仕切り部４０の肉厚ｔを小さくすることができるため、冷却水通路４２の断面積β１、β２を十分に確保して冷却水通路４２を流通する冷却水に集合通路２６を近接させることができる。このため、分岐管部２５から排出される排気ガスを集合通路２６の上流側から下流側に亘って確実に冷却することができ、集合通路２６に排出される排気ガスの冷却性能を向上させることができる。

本実施の形態では、このように、仕切り部４０の肉厚ｔを小さくして冷却水通路４２の断面積β１、β２を確保することができるため、排気マニホールド２０を小型化することができる。

また、冷却水通路が長尺の場合に１本のピン部材を用いるとピン部材が破損する可能性があるのに対して、本実施の形態では、排気マニホールド２０の鋳造時に一対の開口部４１ａ、４１ｂから図示しないピン部材を挿通して第１の冷却水通路４５および第２の冷却水通路４６を確保することができるので、冷却水通路を形成するためのピン部材を２本に分割することができ、ピン部材が破損するのを防止することができる。
なお、上記各実施の形態では、流体として冷却水を用いているが、流体として低温の気体を用いてもよい。

また、上記各実施の形態では、冷却水流通管部２９、４１を集合通路２６の中心線に対して上下対称に設けたが、図６に示すように、冷却水流通管部５１を集合通路２６の中心線に対して斜め対称に設けてもよい。この場合には、上方の冷却水流通管部５１を集合管部２７の外周部に取付けるためのスペースを確保するために、分岐管部２５を長くすればよい。

また、上記各実施の形態では、排気マニホールド２０、２１をＶ型８気筒のエンジンに適用しているが、Ｖ型４気筒、Ｖ型６気筒、Ｖ型８気筒、Ｖ型１０気筒、Ｖ型１２気筒、Ｖ型１４気筒以上のエンジン１２に適用してもよく、直列２気筒、直列３気筒、直列４気筒以上のエンジンに適用してもよい。

また、今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であってこの実施の形態に制限されるものではない。本発明の範囲は、上記した実施の形態のみの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全ての変更が含まれることが意図される。

以上のように、本発明に係る排気マニホールドは、排気ガスの冷却性能を十分に確保するようにして、排気マニホールドの小型化を図ることができるとともに、排気マニホールドの生産性を向上させることができるという効果を有し、内燃機関から排出される高温の排気ガスを冷却することができる排気マニホールド等として有用である。

本発明に係る排気マニホールドの第１の実施の形態を示す図であり、排気マニホールドを備えた車両用排気系の斜視図である。 本発明に係る排気マニホールドの第１の実施の形態を示す図であり、右バンクおよび排気マニホールドの断面図である。 本発明に係る排気マニホールドの第１の実施の形態を示す図であり、図２のＡ−Ａ方向矢視断面図である。 本発明に係る排気マニホールドの第１の実施の形態を示す図であり、排気マニホールドの鋳造時のピン部材の抜き方向を示す図である。 本発明に係る排気マニホールドの第２の実施の形態を示す図であり、排気マニホールドの断面図である。 本発明に係る排気マニホールドの第１、第２の実施の形態を示す図であり、他の形状の排気マニホールドの断面図である。 シリンダヘッドおよび従来の排気マニホールドの断面図である。 図７のＢ−Ｂ方向矢視断面図である。

符号の説明

１２ エンジン（内燃機関）
２０、２１ 排気マニホールド
２３ 排気ポート
２５ 分岐管部
２６ 集合通路
２７ 集合管部
２８、４２ 冷却水通路（流体通路）
２９、４１、５１ 冷却水流通管部（流体流通管部）
３０、４０ 仕切り部
４５ 第１の冷却水通路（第１の流体通路）
４６ 第２の冷却水通路（第２の流体通路）

Claims (3)

1. 内燃機関の複数の排気ポートに連通する複数の分岐管部と、前記複数の分岐管部と一体的に設けられ、前記複数の分岐管部から排気される排気ガスが集合する集合通路が形成された集合管部と、前記集合管部の外周部に仕切り部を介して設けられ、流体が流通する流体通路が形成された少なくとも１つ以上の流体流通管部とを備え、前記集合通路と前記流体通路とが排気ガスの排出方向上流側から下流側に向かって延在するように構成された排気マニホールドにおいて、
   前記集合通路の断面積は、前記集合通路の排気ガスの排出方向上流側から下流側に向かって徐々に大きくなるとともに、前記流体通路の断面積は、排気ガスの排出方向下流側が上流側に対して小さいことを特徴とする排気マニホールド。
2. 前記流体通路の断面積は、排気ガスの排出方向上流側から下流側に向かって徐々に小さくなることを特徴とする請求項１に記載の排気マニホールド。
3. 前記流体通路の排気ガスの排出方向上流側および下流側に開口部が形成され、前記流体通路は、排気ガスの排出方向上流側から下流側に向かって断面積が徐々に小さくなる第１の流体通路と、排気ガスの排出方向下流側から上流側に向かって断面積が徐々に小さくなる第２の流体通路とを有し、前記第１の流体通路と前記第２の流体通路が連通することを特徴とする請求項１に記載の排気マニホールド。

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