JP2011513652A - 内燃機関の排気マニホールド - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃機関（２０）の排気マニホールド（１８）であって、内燃機関（２０）のシリンダの数に対応する複数の排気パイプベンド（１）であって、一端で、内燃機関（２０）に固定することができる入口フランジ（２）に開口し、他端で一体になっている複数の排気パイプベンド（１）と、一端でコレクタ構成要素（４）に接続され、他端で排気ガスターボ過給機のタービンのタービンハウジング（１７）のロータ空間（１５）に接続される供給ガス管（２１）と、少なくとも１つの排気パイプベンド（１）と供給ガス管（２１）との間での熱応力を補償するための少なくとも１つの補償機構（１９’）とを備え、少なくとも１つの補償機構（１９’）が、少なくとも１つの排気パイプベンド（１）に一体化された構成要素として設計される排気マニホールド（１８）に関する。

Description

本発明は、請求項１の前段に記載の内燃機関の排気マニホールドに関する。

このタイプの排気マニホールドは、欧州特許出願公開１４２６５５７Ａ１号明細書から知られている。

このタイプの排気マニホールドにおいて生じる技術的な問題は熱膨張であり、熱膨張は、排気パイプベンド同士の間、および前記パイプベンドと、排気マニホールドに接続された排気ガスターボ過給機のタービンハウジングの供給ガス管との間で生じる。損壊を防ぐために、この熱膨張を補償しなければならない。排気マニホールドが二重壁のエアギャップ断熱（ＡＧＩ）マニホールドとして設計される場合、そのための補償機構として内部滑り嵌めが使用されるが、滑り嵌めを形成するパイプ構成要素は互いに差込み接続されるだけであり、互いに気密に溶接されはしないので、滑り嵌めは気密にはならない。しかし、その結果ＡＧＩマニホールドの内側パイプで生じる漏れが排気圧力脈動を滑らかにし、これは、ツインスクロール用途の場合に、動力をより良く利用するため、したがって性能を高めるために必要である。接続点での滑り嵌めにより、パイプ構成要素を取り囲みかつ外側気密ケーシングによって画定される体積が、排気圧力脈動によって充満されたり空にされたりする。

前記外側体積内の排気混合物の組成は、例えば、新鮮な空気でのシリンダのフラッシングの度合いによって変化する。

したがって、本発明の目的は、特にマニホールドが単一壁のシート金属マニホールドとして設計される場合に、高い費用対効果で製造することができる可撓性構造の気密の構成を提供することができるようにする、請求項１の前段で特定されるタイプの内燃機関の排気マニホールドを提供することである。

この目的は、請求項１に記載の特徴によって実現される。

特に、以下の特徴が、本発明による解決策の特別な利点に含まれる。
−気密のパイプ接続。
−追加の体積をガスと混合することによって排気組成が変化することがない。弁の重なりを増やすことにより、シリンダのフラッシングの条件がより良い。
−ツインスクロール用途でのターボ過給機の場合、内部漏れによる効率損失がない。
−既知の滑り嵌め実施形態と比べて、製造コストは変わらない（ｃｏｓｔ−ｎｅｕｔｒａｌ ｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙ）。
−標準のＡＧＩマニホールドの場合に必要とされる外側シェルに関わる構造空間の損失がなく、したがって本発明による解決策は、嵌め合いに関して、単一壁のマニホールドとほぼ同一である。
−外側シェルを省くことによるコスト節約。
−例えば、触媒コンバータの短い加熱時間や、それに対応する排気および動力面での利点など、シート金属マニホールドの実施形態の利点は、鋳造マニホールドに比べて制限せずに使用できる。

現行標準によるシート金属マニホールドでは、多くの場合、内部高圧によって成形されたパイプ（ＩＨＰパイプ）を使用することが慣例なので、有利には、補償機構の一体型設計により、コストを変えずに、内部高圧による成形中に補償機構を成形することが可能である。

従属請求項は、本発明の有利な発展形態を含む。

これに関連して、特に、支持スリーブの提供に言及すべきであり、前記支持スリーブは、パイプ構成要素の溶接の前に補償機構の領域内に固定されずに配置され、発生する曲げ力を吸収することによって補償機構の軸方向に対して横方向での撓みを防止する。

１つの特に好ましい実施形態では、片側で支持スリーブを固定することができ、このために例えば溶接が可能である。

さらに、独立して取り扱うことができる主題をなす本発明によるタービンハウジングが、請求項１５および１６に定義される。

本発明のさらなる詳細、利点、および特徴は、図面を参照した例示的な実施形態の以下の説明から明らかになる。

排気ガスターボ過給機のタービンハウジングを有するＡＧＩ排気マニホールドの本質的な部分の斜視図である（従来技術）。 本発明による排気マニホールドの斜視図である。 排気マニホールドとタービンハウジングへの接続パイプとの間のパイプ接続部を通る断面図であり、パイプ接続部に一体化された本発明による補償機構を明瞭に示す図である。 第２の材料層の使用を伴う、２つの排気パイプベンドの間のパイプ接続部を通る断面図である。

図１に、内燃機関２０（一点鎖線で示される）にフランジ接続され、かつ排気ガスターボ過給機（全体は示さない）のタービンハウジング１７に接続された排気マニホールド１８の斜視図を示す。前記部分の図示は、以下の本発明の原理の説明に十分なものであり、当然、排気ガスターボ過給機は、全ての他の通例の設計機構を備えるが、例示を簡略化するために図１にはそれらを示していないことを強調しておく。

図１に示される実施形態によれば、図１の図示で詳細に示されるように、内燃機関２０が５つの排気パイプベンド１を有し、これらは、関連のＴ字形排気パイプ３につながって接続され、同様にＴ字形排気パイプとして設計されたコレクタ構成要素４に開口している。

前述したように、図１は、排気マニホールドの１つの例示的な実施形態を示しているにすぎず、したがって、特定の内燃機関に特に適合された他のタイプの排気マニホールドも可能であることが当業者には自明である。

図１に示される排気マニホールド１８は、本出願の出願人が所有する欧州特許出願公開１４２６５５７Ａ１号明細書のものに対応し、したがって、以下に説明する本発明による補償機構をその排気マニホールドの場合にも使用することができるので、欧州特許出願公開１４２６５５７Ａ１号明細書の内容の全体を、本出願の開示の文脈で参照として本明細書に組み込む。

図１は、特に、排気マニホールド１８が、供給ガス管２１を介してコレクタ構成要素４に接続されることを示す。供給ガス管２１は、タービンハウジング７のロータ空間１５に流体接続され、ロータ空間１５はタービンロータ（図１には具体的には図示しない）を収容する。

図２は、補償機構１９’およびタービンハウジング１７と共にパイプベンド１を有する本発明による単一壁の排気マニホールドを示す。

この場合、少なくとも１つのパイプベンド１において少なくとも１つの補償機構１９’が使用される。全てのパイプベンド１が一体になった後、タービンハウジング１７への接続管路２７において追加の補償機構１９’を構成することができるが、必ずしも必要ではない。

熱膨張を補償するために、本発明による排気マニホールドは補償機構１９’を有し、補償機構１９’は図３の断面図に詳細に示される。

このために、図３は、補償機構１９’と共にパイプ構成要素４のパイプ部分４’を示し、補償機構１９’は、パイプ構成要素４’の一体構成要素として設計される。

図３の断面図に示されるように、補償機構１９’は補償機構ベロー２２として設計され、補償機構ベロー２２は、本例の場合には４つのベロー部分２２ａ〜２２ｄを備える。用途に応じてベロー部分の数を変えることができ、それに対応して、特定の環境の下で場合によって異なる熱膨張を補償することができることは言うまでもない。図３から分かるように、補償機構１９’は、本例の場合にはパイプ部分４’と供給ガス管２１との間の歪みを補償する軸方向補償機構である。原理的には、そのような補償機構１９’を、排気マニホールド１８の他のパイプ接続部分の間で同様に使用することもできることに留意すべきである。

補償機構１９’の一体型設計の特別な利点は、図３に示される実施形態によれば、このときパイプ部分４’と供給ガス管２１とを互いに気密に溶接することができることであり、このために、溶接されたパイプ継手２５が提供される。

さらに、図３に例示される構成の軸方向の広がりに対して横方向での撓みを防止するために、前記の特に好ましい実施形態は、さらに支持スリーブ２３を有し、支持スリーブ２３は、図３に示されるように補償機構１９’の領域内でパイプ接続部の内側に構成される。前記支持スリーブは、組み立て工程中にこの構成に固定せずに配置することができ、必要であれば、例えば溶接点２４でパイプ部分４’に固定することができ、参照符号２６で示される点に内部滑り嵌めが形成される。

図３に示される特に好ましい実施形態の場合、補償機構構造として補償機構ベローが示されているが、原理的には、互いに接続されたパイプ構成要素の間での気密接続を可能にする場合には他の補償機構構成も想定可能である。

図３の特に好ましい実施形態によれば、補償機構１９’はパイプ部分４’の一体構成要素であるが、原理的には、供給ガス管２１の一体構成要素として補償機構１９’を設計することも想定可能である。

また、原理的には、補償機構１９’を、中間パイプ構成要素の一体部片である個別の構成要素として設計することも可能であり、このとき、この中間パイプ構成要素が、一端で例えばパイプ部分４’など排気マニホールド１８に気密に接続され、他端でタービンハウジング１７の供給ガス管２１に接続される。

図４は、断面図として、補償機構１９’の領域内での複数の材料層の使用を示す。高圧成形操作での膨張ベローの幾何形状の成形中、内側パイプに固定されずに配置されているさらなる材料層（例えば第２の材料層２８など）が成形操作によって互いに固定接続され、したがってより大きな力を吸収することができるようになる。

上述した本発明の開示に加えて、本明細書では、図面における本発明の図示に明確に言及した。

１ 排気パイプベンド
２ 入口フランジ
３ Ｔ字形排気パイプ
４ コレクタ構成要素
４’ パイプ部分
５ バイパス管
６ 左スパイラル半割れ
７ 右スパイラル半割れ
８ 出口管
９ 出口フランジ
１０ スロットルプレート
１１ スロットルレバー
１２ 出口シート
１３ 終端シート
１４ 軸受ハウジングフランジ
１５ ロータ空間
１６ 下側カバー
１７ タービンハウジング
１８ 排気マニホールド
１９ ６と７の間の溶接継目
１９’ 補償機構
２０ 内燃機関
２１ 供給ガス管
２２ 補償機構ベロー
２２ａ〜２２ｄ 膨張ベロー部分
２３ 支持スリーブ
２４ 溶接点
２５ パイプ溶接
２６ 内側滑り嵌め
２７ 接続管
２８ 第２の材料層

Claims (16)

1. 内燃機関（２０）の排気マニホールド（１８）であって、
   前記内燃機関（２０）のシリンダの数に対応する複数の排気パイプベンド（１）であって、一端で、前記内燃機関（２０）に固定することができる入口フランジ（２）に開口し、他端で一体になっている複数の排気パイプベンド（１）と、
   一端でコレクタ構成要素（４）に接続され、他端で排気ガスターボ過給機のタービンのタービンハウジング（１７）のロータ空間（１５）に接続される供給ガス管（２１）と、
   前記少なくとも１つの排気パイプベンド（１）と前記供給ガス管（２１）との間での熱応力を補償するための少なくとも１つの補償機構（１９’）とを備え、
   前記少なくとも１つの補償機構（１９’）が、少なくとも１つの排気パイプベンド（１）に一体化された構成要素として設計される
   ことを特徴とする排気マニホールド（１８）。
2. 前記補償機構（１９’）が、補償機構ベロー（２２）として設計され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. 前記供給ガス管（２１）と前記コレクタ構成要素（４）が互いに溶接されることを特徴とする請求項１または２に記載の排気マニホールド。
4. 少なくとも前記排気パイプベンド（１）が、前記補償機構（１９’）と共に、内部高圧によって成形されるパイプとして設計され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。
5. 前記補償機構（１９’）に、支持スリーブ（２３）が設けられ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。
6. 前記支持スリーブ（２３）が、前記補償機構（１９’）の内側に配置されることを特徴とする請求項５に記載の排気マニホールド。
7. 前記支持スリーブ（２３）が、前記補償機構（１９’）の内側に固定されずに配置されることを特徴とする請求項６に記載の排気マニホールド。
8. 前記支持スリーブ（２３）が、一端で排気パイプベンド（１）に固定されることを特徴とする請求項５に記載の排気マニホールド。
9. 前記補償機構（１９’）に、少なくとも２つのシート金属層が設けられ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。
10. 前記支持スリーブ（２３）が、一端で前記コレクタ構成要素（４）に溶接されることを特徴とする請求項７に記載の排気マニホールド。
11. 前記排気パイプベンド（１）が、遮熱シートによって取り囲まれ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。
12. 前記排気パイプベンド（１）が、非気密式に前記遮熱シートによって取り囲まれ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。
13. ツインスクロール・タービンハウジングが使用され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。
14. シングルフロー・タービンハウジングが使用され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。
15. 請求項１に記載の排気マニホールド（１８）が設けられた排気ガスターボ過給機のタービンハウジング（１７）。
16. 排気ガスターボ過給機のタービンハウジング（１７）であって、
    タービンロータのロータ空間（１５）に流体接続された供給ガス管（２１）を備え、
    請求項１〜１４の特徴部の少なくとも１つに記載の補償機構（１９’）を特徴とするタービンハウジング（１７）。

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