JP2010144586A - エンジンの排気管の冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 低コストでエンジンの運転状態に応じた適切な冷却効果を発揮しつつ、エア抜き性を高めることができるエンジンの排気管の冷却構造を提供する。
【解決手段】 冷却構造１Ａは、エンジンの気筒に対応させて直列的に配置された複数の排気管５を取り囲むようにして設けられ、複数の排気管５との間に冷却水の流路を形成する外壁部４１と、複数の排気管５同士の間に設けられ、温度に応じて伸縮することで、温度が所定値よりも低いときには複数の排気管５同士の間にクリアランスＣＬを形成し、温度が所定値以上のときにはクリアランスＣＬをなくす第１の仕切り板４４Ａとを備える。第１の仕切り板４４Ａそれぞれの材質には排気管５の母材よりも線膨張率が高い材質が適用されている。
【選択図】 図２

Description

本発明はエンジンの排気管の冷却構造に関し、特にエンジンの気筒に対応させて設けられた複数の排気管を冷却するエンジンの排気管の冷却構造に関する。

従来、エンジンの気筒に対応させて設けられた複数の排気管を冷却する技術として、直列的に配置された複数の排気管を取り囲むようにして冷却水の流路を設けた技術が知られている（例えば特許文献１参照）。
また従来、冷却対象物を冷却する技術として、冷却対象物の周りにＵの字状に冷却水の流路を設けた技術が知られている（例えば特許文献２参照）。

特開平０８−２６０９５８号公報 特開２００６−２５８０５４号公報

ところで、複数の排気管を冷却するにあたっては、具体的には例えば以下に示すようなエンジンの排気管の冷却構造（以下、単に冷却構造とも称す）が従来からある。図７は従来の冷却構造１Ｘを、図８は従来の冷却構造１Ｙをそれぞれ模式的に示す図である。具体的には図７および図８において、（ａ）ではこれらを斜視図で示しており、（ｂ）では（ａ）に示す断面でこれらを示している。

冷却構造１Ｘでは、エキゾーストマニホールド１０の複数の排気管１１それぞれを個別に取り囲むようにして、複数の排気管１１それぞれとの間に冷却水の流路ＷＪを形成する部材１５Ｘが設けられている。すなわち、冷却構造１Ｘはエキゾーストマニホールド１０の複数の排気管１１を全体的に二重にしたような構造となっている。しかしながら冷却構造１Ｘでは、排気管１１各々につき冷却水Ｗの流れを均一にすることが困難という問題がある。
冷却構造１Ｙでは、エキゾーストマニホールド１０の複数の排気管１１を取り囲むようにして、複数の排気管１１との間に流路ＷＪを形成する部材１５Ｙが設けられている。すなわち、冷却構造１Ｙは複数の排気管１１全体を包むような構造となっている。しかしながら冷却構造１Ｙでは、複数の排気管１１を全体的に包む構造上、冷却水Ｗの流れが冷却構造１Ｘよりもさらに不均一になり、圧力損失も高くなるという問題がある。

これに対して冷却構造は例えば以下のように構成することもできる。図９は従来の冷却構造１Ｚを断面で模式的に示す斜視図である。冷却構造１Ｚでは、外壁部４１が第１の仕切り板４４Ｚおよび第２の仕切り板４５とともに、直列的に配置された複数の排気管５を取り囲むようにして、複数の排気管５との間に断面Ｕの字状の流路ＷＪを形成している。冷却構造１Ｚによれば、冷却構造１Ｘ、１Ｙと比較して冷却水Ｗの流れをより均一にすることができる。ところが冷却構造１Ｚには、例えばエンジンの冷間始動時にエアを含んだ冷却水Ｗが流入してくることがある。一方、第１の仕切り板４４Ｚの下側には構造上、エアが溜まり易くなっている。このため、冷却構造１Ｚでは流入してきたエアが第１の仕切り板４４Ｚの下側に溜まる結果、エアが冷却水Ｗと排気管５との接触を妨げ、これにより冷却効果が低下する虞がある点で問題があった。

一方、これに対しては例えば第１の仕切り板４４Ｚにエア抜き穴を設ければよいとも考えられる。しかしながら、単に第１の仕切り板４４Ｚにエア抜き穴を設けた場合には、冷却水Ｗの一部が断面Ｕの字状の流路ＷＪをバイパスするような形でエア抜き穴を流通する結果、冷却水導入口４２から遠い位置にある排気管５に冷却水が十分に行き渡らなくなる。そして、この場合には複数の排気管５を均一に冷却できなくなり、この結果、冷却効果が低下することから、例えばエンジンの高負荷運転時に触媒が過熱したり、エミッションが悪化したりする虞がある点で問題があった。

また冷却構造１Ｚに冷却水Ｗを供給するにあたっては、エンジンに一般に設けられている機械式ウォーターポンプを利用して冷却水Ｗを供給することがコストの面などから合理的である。ところが、エンジンの冷間始動直後にはエミッション改善のため、一般に燃料噴射量を増量した上での排気の導入による触媒の早期暖機が図られている。すなわち、機械式ウォーターポンプを利用して冷却水Ｗを供給する場合には、エンジンの冷間始動時に触媒の早期暖機が図られると同時に冷却構造１Ｚに冷却水Ｗが供給されることになる。このため、かかる場合に冷却構造１Ｚが高い冷却効果を発揮すると、却って触媒の早期暖機が妨げられ、この結果、エミッションが悪化する虞がある点で問題があった。

なお、冷却構造１Ｚによる冷却効果を抑制するためには、例えば冷却水Ｗの供給経路に冷却水Ｗの供給、遮断を切替可能な電磁弁等のバルブを新たに設けたり、機械式ウォーターポンプのかわりに電動式ウォーターポンプを新たに用いたりして、冷却水Ｗの供給を停止することも考えられる。しかしながらこの場合には、その分コストが上昇することになる。またかかる措置だけでは、上述のエア抜きの問題は未だ解決されないことになる。

そこで本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、低コストでエンジンの運転状態に応じた適切な冷却効果を発揮しつつ、エア抜き性を高めることができるエンジンの排気管の冷却構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明のエンジンの排気管の冷却構造は、エンジンの気筒に対応させて直列的に配置された複数の排気管を取り囲むようにして設けられ、前記複数の排気管との間に冷却水の流路を形成する冷却水流通手段と、前記複数の排気管同士の間に設けられ、温度に応じて伸縮することで、温度が所定値よりも低いときには前記複数の排気管同士の間にクリアランスを形成し、温度が所定値以上のときには前記クリアランスをなくす少なくとも１つの仕切り板と、を備える。

本発明によれば低コストでエンジンの運転状態に応じた適切な冷却効果を発揮しつつ、エア抜き性を高めることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。

図１は本実施例に係るエンジンの排気管の冷却構造１Ａを模式的に示す斜視図である。冷却構造１Ａはヘッド側フランジ２と、エキマニ側フランジ３と、冷却部４とを備えた１つの構造体となっている。ヘッド側フランジ２は図示しない直列４気筒のエンジンのシリンダヘッドに取り付けられる。エキマニ側フランジ３には、図示しないエキゾーストマニホールドのフランジが取り付けられる。
冷却部４は排気管５の周りに外壁部４１を備えている。排気管５はエンジンの気筒に対応させて複数（ここでは４つ）設けられるとともに、直列的に配置されている。排気管５は本実施例ではフランジ２、３それぞれに固定されており、これらフランジ２、３のフランジ面にそれぞれ開口している。外壁部４１はフランジ２、３それぞれに固定されており、外壁部４１の排気管配列方向における一端側には冷却水導入口４２と冷却水排出口４３とがそれぞれ設けられている。
冷却構造１Ａには、図示しない機械式ウォーターポンプから冷却水導入口４２を介して冷却水Ｗが供給される。エンジンは冷間始動後に図示しない触媒の早期暖機を図るために燃料噴射量が増量されるようになっている。

図２は冷却構造１Ａを図１に示すＡ−Ａ断面で模式的に示す斜視図である。外壁部４１は複数の排気管５を取り囲むようにして設けられている。外壁部４１の形状は全体として複数の排気管５の外周面に沿うようにして曲がりが付けられた形状となっている。外壁部４１は、排気管５との間で流路ＷＪを形成している。冷却水導入口４２は断面Ｕの字状の流路ＷＪのうち、下側に位置する流路端に、冷却水排出口４３は断面Ｕの字状の流路ＷＪのうち、上側に位置する流路端にそれぞれに連通している。本実施例では外壁部４１で（より正確にはさらにヘッド側フランジ２およびエキマニ側フランジ３とともに）冷却水流通手段が実現されている。

冷却部４はさらに複数の排気管５同士の間に第１の仕切り板（セパレータ）４４Ａを備えている。第１の仕切り板４４Ａは複数の排気管５同士の間、略中央にそれぞれ２枚ずつ設けられている。第１の仕切り板４４Ａそれぞれは排気管５に固定された一端部４４ａＡと、一端部４４ａＡの反対側に位置する他端部４４ｂＡとを備えている。他端部４４ｂＡは排気管５に固定されることなく開放されており、第１の仕切り板４４Ａそれぞれの長さは排気管５同士の間、略中央における距離のおよそ半分程度となっている。この状態で、対向する他端部４４ｂＡ同士は温度が所定値よりも低い場合には互いに接触することなく、クリアランスＣＬを形成するようになっている。所定の温度には、エンジンの冷間始動後、触媒暖機完了時に到達する温度を適用することができる。
また冷却構造１Ａは複数の排気管５のうち、排気管配列方向において冷却水導入口４２と冷却水排出口４３とが位置する一端側に設けられた排気管５の端部側の側方に第２の仕切り板４５を備えている。冷却構造１Ａでは、第１の仕切り板４４Ａおよび第２の仕切り板４５を備えることにより、流路ＷＪが断面Ｕの字状に形成される。

第１の仕切り板４４Ａを除く冷却構造１Ａと、排気管５の母材はＳＵＳであり、第１の仕切り板４４Ａの材質には冷却構造１Ａの母材よりも線膨張率が高い材質（ここではアルミ合金）が適用されている。このため、第１の仕切り板４４Ａは冷却構造１Ａや排気管５と比較して温度に応じてより大きく伸縮する。なお、これらの材質はこれに限られず、例えば第１の仕切り板４４Ａの材質を樹脂とすることなどもできる。

次に冷却構造１Ａの作用効果について図３および図４を用いて説明する。図３はエンジン冷間始動後、触媒暖機完了前の冷間時における冷却構造１Ａの様子を模式的に示す図であり、図４は触媒暖機完了後における冷却構造１Ａの様子を模式的に示す図である。具体的には図３および図４では、（ａ）で冷却構造１Ａの様子を図１に示すＡ−Ａ断面で示すとともに、（ｂ）でさらに第１の仕切り板４４Ａ周辺の部分を拡大して示している。

図３に示すように、触媒暖機完了前の冷間時には対向する他端部４４ｂＡ同士の間にクリアランスＣＬが形成されている。このため、冷却水導入口４２から冷却構造１Ａに導入された冷却水Ｗの一部は、クリアランスＣＬを介して第１の仕切り板４４Ａの上側に流出する。このように、断面Ｕの字状に形成されている流路ＷＪをバイパスするような形で冷却水Ｗの一部が流通することで、流路ＷＪを流通する冷却水Ｗの流量は、冷却水導入口４２側から離れるに従って次第に小さくなる。このため触媒暖機完了前の冷間時には、複数の排気管５は冷却水導入口４２から離れた位置にある排気管５ほど冷却され難くなる。

このため、これにより触媒暖機完了前の冷間時に冷却構造１Ａの冷却効果を全体として抑制することができる。そしてこれにより、触媒の早期暖機に悪影響が及ぶことを抑制できることから、エミッションの悪化を抑制できる。
また、エンジンの冷間始動時に冷却水Ｗとともにエアが流入してきても、冷間始動時には第１の仕切り板４４Ａによって複数の排気管５同士の間にクリアランスＣＬが形成されている。このため、流入してきたエアはクリアランスＣＬを介して第１の仕切り板４４Ａの上側に排出される。これにより、第１の仕切り板４４Ａの下側にエアが溜まることを防止でき、以って冷却構造１Ａからのエア抜き性を高めることができる。

一方、触媒の暖機が進むと第１の仕切り板４４Ａの温度が次第に上昇して熱膨張する。そして触媒の暖機が完了し、温度が所定値以上になると、図４に示すように対向する他端部４４ｂＡ同士が接触し、クリアランスＣＬをなくす。これによりクリアランスＣＬを介した冷却水Ｗの流通を防止できることから、流路ＷＪを流通する冷却水の流量を略一定にすることができる。そしてこれにより、複数の排気管５それぞれを均一に冷却できることから、その後のエンジン高負荷運転時などに触媒が過熱することやエミッションが悪化することを防止できる。また、冷却構造１Ａは第１の仕切り板４４Ａを備えるといった簡素な構成であるため、コストの面でも有利となる。
このように冷却構造１Ａは、低コストでエンジンの運転状態に応じた適切な冷却効果を発揮しつつ、エア抜き性を高めることができる。

上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
例えば上述した実施例では、第１の仕切り板４４Ａの他端部４４ｂＡ同士の間にクリアランスＣＬを形成するようにしたが、図５に示す冷却構造１Ｂのように第１の仕切り板４４Ｂと排気管５との間にクリアランスＣＬを形成するように、複数の排気管５同士の間に第１の仕切り板５Ｂを１枚ずつ設けてもよい。
また上述した実施例では複数の排気管５の延伸方向に沿ってクリアランスＣＬを形成したが、例えば図６に示す冷却構造１Ｃのように排気管配列方向に沿ってクリアランスＣＬを形成するように第１の仕切り板４４Ｃを設けてもよい。

また上述した実施例では第１の仕切り板４４ＡがクリアランスＣＬを形成したが、第２の仕切り板４５も例えば第１の仕切り板４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃと同様にクリアランスＣＬを形成するように構成されてよい。
また上述した実施例では複数の排気管５同士の間、略中央にクリアランスＣＬが形成されるようにしたが、形成されるクリアランスＣＬの位置は複数の排気管５同士の間であれば特に限定されない。
また上述した実施例ではエンジンが直列４気筒エンジンである場合について説明したが、エンジンは必ずしもこれに限られず、適宜のエンジンであってよい。この点、例えばエンジンがＶ型６気筒エンジンの場合には本発明の冷却構造を片バンク毎に実現することができる。

冷却構造１Ａを模式的に示す斜視図である。 冷却構造１Ａを図１のＡ−Ａ断面で模式的に示す斜視図である。 エンジン冷間始動後、触媒暖機完了前の冷間時における冷却構造１Ａの様子を模式的に示す図である。 触媒暖機完了後における冷却構造１Ａの様子を模式的に示す図である。 冷却構造１Ｂを断面で拡大して模式的に示す斜視図である。 冷却構造１Ｃを断面で拡大して模式的に示す斜視図である。 従来の冷却構造１Ｘを模式的に示す斜視図である。 従来の冷却構造１Ｙを模式的に示す斜視図である。 従来の冷却構造１Ｚを断面で模式的に示す斜視図である。

符号の説明

１ 冷却構造
２ ヘッド側フランジ
３ エキマニ側フランジ
４ 冷却部
４１ 外壁部
４２ 冷却水導入口
４３ 冷却水排出口
４４ 第１の仕切り板
４５ 第２の仕切り板
５ 排気管

Claims (1)

1. エンジンの気筒に対応させて直列的に配置された複数の排気管を取り囲むようにして設けられ、前記複数の排気管との間に冷却水の流路を形成する冷却水流通手段と、
   前記複数の排気管同士の間に設けられ、温度に応じて伸縮することで、温度が所定値よりも低いときには前記複数の排気管同士の間にクリアランスを形成し、温度が所定値以上のときには前記クリアランスをなくす少なくとも１つの仕切り板と、
   を備えることを特徴とするエンジンの排気管の冷却構造。
   

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