JP2013122199A - エキゾーストマニフォールド - Google Patents

Abstract

【課題】特別なシール用部材を必要とすること無く、分割可能なマニフォールドであって、接合部におけるシール性を向上することが出来るマニフォールドの提供。
【解決手段】一方の管端部（１１）における管肉厚（ｔ１）は少なくとも５ｍｍであり、エンジン作動時に他方の管（２）を半径方向外方に熱膨張させ一方の管（１）は大気への放熱により熱膨張量を抑え、前記隙間（ｓ１）を減少させるために、当該隙間（ｓ１）の半径方向寸法は常温で他方の管の一方の管側端部（２１）における外径寸法（ｄ）の１／１４００〜１／１６００であり、一方の管端部（１１）における管肉厚（ｔ１）と他方の管端部（２１）における管肉厚との比率が常温で１：１．８〜１：２．２とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関に用いられるエキゾーストマニフォールドに関し、特に分割可能に形成されたエキゾーストマニフォールドの分割部の改良に関する。

従来、内燃機関に用いられるエキゾーストマニフォールド（排気マニフォールド：以下、単に「マニフォールド」と記す場合がある）は、内部を高温の排気ガスに曝される。特に、直列多気筒エンジンにおいては、マニフォールドの全長が長くなり、取り付けられているシリンダヘッドとの温度差による熱応力の問題などの点から、複数に分割可能な方式としたマニフォールド（分割型マニフォールド）が用いられることがある。
そのような分割型マニフォールドにおいて、その分割部における熱膨張の吸収、分割部からの排気ガスの漏洩防止、組立作業の作業効率の向上その他の問題を有している。

図１で示すように、分割型マニフォールド１０は、その一方のマニフォールド１（外管）に管端部１１を設け、他方のマニフォールド２（内管）に管端部２１を設けて、外管の管端部１１に内管の管端部２１を嵌挿して、熱膨張を吸収するものが多く用いられている。
図１で示す様な方式であれば、外管の管端部１１と内管の管端部２１の嵌合部は、マニフォールド（外管および内管）の熱膨張に対して長手方向に摺動することを可能にするため、半径方向の隙間が必要である。
しかし、当該半径方向の隙間から、排気ガスが漏洩しない様にする必要がある。
従来、当該嵌合部（外管の管端部１１と内管の管端部２１の嵌合部）にシールリングが用いられているが、このシールリングは高温に耐える適切な材質の選定が必要であるとともに、組み付け作業が面倒という問題を有している。

なお、その他の従来技術として、分割可能なマニフォールドにおける接合部のシール性を向上するための技術が提案されている（特許文献１参照）。
しかし、かかる従来技術では、特別なシールリングを必要とするので、その分だけ製造コストが上昇し、且つ、部品調達が困難になる恐れがあった。

特開平２−２６４１０３号公報

本発明は上記した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、特別なシール用部材を必要とすること無く、分割可能なエキゾーストマニフォールドであって、分割部におけるシール性を向上することが出来るエキゾーストマニフォールドの提供を目的としている。

本発明のエキゾーストマニフォールドは、複数部分（１、２）に分割可能であり、一つの部分（１）が最大で４個の気筒に連通しており、分割部（Ａ）は、ターボチャージャが搭載されるフランジ（Ｔ：接続部）が設けられておらず且つＥＧＲ配管（ＥＧＲパイプ）に接続されるＥＧＲフランジ（Ｅ：接続部）が設けられていない箇所が選定されるエキゾーストマニフォールド（１０）において、一方の管（１：外管）の他方の管（２：内管）側端部（１１）における内径寸法（Ｄ）が、他方の管（２：内管）の一方の管（１：外管）側端部（２１）における外径寸法（ｄ）よりも大きく、一方の管（１：外管）の他方の管（２：内管）側端部（１１）における内周面と他方の管（２：内管）の一方の管（１：外管）側端部（２１）における外周面との間には常温で隙間（ｓ１）が形成され、一方の管（１：外管）の他方の管（２：内管）側端部（１１）における管肉厚（ｔ１）は少なくとも５ｍｍであり、エンジン作動時に他方の管（２：内管）を半径方向外方に熱膨張させ一方の管（１：外管）は大気への放熱により熱膨張量を抑え前記隙間（ｓ１）を減少させるために、当該隙間（ｓ１）の半径方向寸法は常温で他方の管（２：内管）の一方の管（１：外管）側端部（２１）における外径寸法（ｄ）の１／１４００〜１／１６００であり、一方の管（１：外管）の他方の管（２：内管）側端部（１１）における管肉厚（ｔ１）と他方の管（２：内管）の一方の管（１：外管）側端部（２１）における管肉厚（ｔ２）との比率が常温で１：１．８〜１：２．２であり、一方の管（１：外管）の他方の管（２：内管）側端部（１１）から離隔した箇所の内周面には段部（２２）が形成されており、当該段部（２２）と他方の管（２：内管）の一方の管（１：外管）側端面（２１）の間には、常温では、エキゾーストマニフォールドの長手方向について隙間（ｓ２）が形成されていることを特徴としている。

また、前記段部（２２）と他方の管（２）の一方の管（１）側端面（２１）の間に形成されている前記隙間（ｓ２）のエキゾーストマニフォールドの長手方向寸法は、エキゾーストマニフォールドを通過する排気ガスの温度が７００℃以上になるとゼロになる数値に設定されている。

上記構成を備えた本発明のエキゾーストマニフォールド（１０）によれば、他方の管（２：内管）と一方の管（１：外管）の半径方向隙間寸法（ｓ１）を、常温で他方の管（２：内管）の外径（ｄ）の１／１４００〜１／１６００としているので、常温時において、一方の管（外管１の管端部１１）の内径（Ｄ）が他方の管（内管２の管端部２１）の外径（ｄ）より大きく、半径方向の隙間（ｓ１）を形成しており、一方の管（外管１の管端部１１）に他方の管（内管２の管端部２１）を容易に挿入することができる。そのため、組立作業が容易に行われる。
エンジン運転時には、高温の排気ガスにより、半径方向内方の他方の管（内管２の管端部２１）の熱膨張量が、外周面が大気に開放されている半径方向外方の一方の管（外管１の管端部１１）の熱膨張量よりも大きくなるため、半径方向の隙間（ｓ１）が微小となり、排気ガスがエキゾーストマニフォールド（１０）外に漏洩することが防止される。
そして、高温時において、他方の管（２：内管）と、一方の管（１：外管）の熱膨張量の相違による半径方向の寸法差が吸収される。

また本発明によれば、外管の厚み（径方向の寸法）を５ｍｍ以上とし、内筒の厚みはその外管厚みの１．８〜２．２倍としている。
そのため、高温に晒されるエキゾーストマニフォールドとして、充分な強度を保持することが出来る。
ここで、他方の管（内管２の管端部２１）の半径方向における肉厚寸法（ｔ２）が、一方の管（外管１の管端部１１）の半径方向における肉厚寸法（ｔ１）の１．８倍以上としたので、マニフォールド（１０）内に高温の排気ガスが流れて熱膨張した際に、他方の管（内管２の管端部２１）の熱膨張量が、外周面が大気に開放されている半径方向外方の一方の管（外管１の管端部１１）の熱膨張量よりも大きくなり、一方の管と他方の管の半径方向の隙間（ｓ１）が微小となる程度まで収縮する。そのため、排気ガスの漏洩が防止される。
一方、他方の管（内管２の管端部２１）の半径方向における肉厚寸法（ｔ２）が、一方の管（外管１の管端部１１）の半径方向における肉厚寸法（ｔ１）の２．２倍以下なので、他方の管（内管２の管端部２１）の内径寸法（ｄ２１）が小さくなり過ぎることが防止される。すなわち、他方の管（内管２の管端部２１）において、排気流路として必要な断面積が確保することが出来る。

さらに本発明によれば、一方の管（１：外管）の他方の管（２：内管）側端部（１１）から離隔した箇所の内周面には段部（２２）が形成されており、当該段部（２２）と他方の管（２：内管）の一方の管（１：外管）側端面（２１）の間には、常温では、エキゾーストマニフォールドの長手方向について隙間（ｓ２）が形成されているので、他方の管（２：内管）と一方の管（１：外管）が長手方向に摺動し、以って、長手方向の膨張を吸収することができる。
ここで、前記隙間（ｓ２）のエキゾーストマニフォールド（１０）の長手方向寸法は、エキゾーストマニフォールド（１０）を通過する排気ガスの温度が７００℃以上になるとゼロになる数値に設定すれば、高温の排気ガスが流れる場合の熱膨張に起因して発生する長手方向（図３の左右方向：軸方向）の応力、あるいは当該応力の変動が抑制される。そして、当該応力あるいは応力変動により、マニフォールド（１０）が損傷を受けてしまうことが防止される。

本発明によれば、エキゾーストマニフォールド（１０）の分割部（Ａ）は、ターボチャージャが搭載されるフランジ（Ｔ）が設けられておらず且つＥＧＲ配管に接続されるＥＧＲフランジ（Ｅ）が設けられていない箇所が選定されているので、分割部（Ａ）に当該フランジ（Ｔ）や当該ＥＧＲフランジ（Ｅ）が取り付けられてしまうことがなく、ターボチャージャの搭載箇所やＥＧＲ配管が不安定になってしまうことがない。
ここで、本発明の発明者は、従来からの経験をも踏まえて、種々の検討の結果、分割型マニフォールドにおいては、１本のマニフォールドで、４シリンダ（気筒）以下にすることが好ましいことを見出している。
エキゾーストマニフォールド（１０）の分割部（Ａ）として、ターボチャージャが搭載されるフランジ（Ｔ）およびＥＧＲ配管に接続されるＥＧＲフランジ（Ｅ）を回避すれば、１本のマニフォールドが４シリンダよりも多くのシリンダと接続されてしまうこともない。

本発明の実施形態に係るマニフォールドの断面図である。 図１の側面図である。 分割部を示す部分拡大断面図である。 変形例に係るマニフォールドの分割部を示す部分拡大断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１、図２において、本発明に係るマニフォールドは全体が符号１０で示されており、直列６気筒エンジン用のエキゾーストマニフォールドとして構成されている。
マニフォールド１０は、一方のマニフォールド１（図１、図２では左側の部分）と、他方のマニフォールド２（図１、図２では右側の部分）に分割可能に構成されている。そして、図１、図２では、一方のマニフォールド１（左側のマニフォールド）と他方マニフォールド２（右側のマニフォールド）は、分割部Ａで接合されている。

一方のマニフォールド１（左側のマニフォールド）は４つの気筒♯１〜♯４（図１参照）に接続しており、他方のマニフォールド２（右側のマニフォールド）は２つの気筒♯５、♯６（図１参照）に接続している。すなわち、マニフォールド１は気筒♯１〜♯４の排気を分担し、マニフォールド２は気筒♯５、♯６の排気を分担している。
なお、図１において、気筒♯１〜♯６は、明確には図示されてはいない。

図１、図２において、気筒♯３（図１参照）と気筒♯４（図１参照）との間の領域（図１、図２の左端の気筒♯１を第１気筒とすれば、第３気筒と第４気筒の間の領域）には、ターボチャージャ（図示せず）のマウント部Ｔ（フランジ）が形成されている。
また、気筒♯５（図１参照）と気筒♯６（図１参照）との間の領域（図１、図２の左端の気筒♯１を第１気筒とすれば、第５気筒と第６気筒の間の領域）には、ＥＧＲパイプ（図示せず）との接続部Ｅが形成されている。
図示の実施形態において、分割部Ａは、気筒♯４、♯５間の領域（図１、図２の左端の気筒♯１を第１気筒として、第４気筒と第５気筒の間の領域）に設けられており、ターボチャージャ（図示せず）のマウント部Ｔと、ＥＧＲパイプ（図示せず）との接続部Ｅを避けた位置となっている。

仮にマニフォールド１とマニフォールド２が共に３つの気筒に接続する様に構成すると、すなわち、図１において、マニフォールド１が♯１〜♯３に接続し、マニフォールド２が♯４〜♯６に接続する様に構成すると、マニフォールド１とマニフォールド２の接続部Ａにターボチャージャ（図示せず）がマウントされてしまうので、ターボチャージャの十分に固定されない状態になってしまう。
ここで、マニフォールド１には最大で４気筒まで接続可能である。そのため、マニフォールド１とマニフォールド２の接続部Ａは、気筒♯４、♯５間の領域（図１、図２の左端の気筒♯１を第１気筒として、第４気筒と第５気筒の間の領域）に設定すれば、マニフォールド１とマニフォールド２の接続部Ａを、ターボチャージャのマウント部Ｔから偏奇させることが出来る。

また、ＥＧＲパイプ（図示せず）の接続部Ｔは、ＥＧＲパイプを構成するステンレス管がエキゾーストマニフォールド１０の熱膨張によりダメージを受けることを防止するため、マニフォールド１０における熱膨張の影響が小さい箇所に配置したいという要請が存在する。そのため、ＥＧＲパイプ（図示せず）との接続部Ｅは、気筒♯５（図１参照）と気筒♯６（図１参照）との間の領域に取り付けられている。仮に、マニフォールド１とマニフォールド２の接続部Ａを、気筒♯５（図１参照）と気筒♯６（図１参照）との間の領域に設定すると、マニフォールド１０とＥＧＲパイプ（図示せず）の接続が不安定になってしまう。
また、マニフォールド１とマニフォールド２の接続部Ａを、気筒♯５（図１参照）と気筒♯６（図１参照）との間の領域に設定すると、５つの気筒♯１〜♯５がマニフォールド１に接続されることになり、マニフォールド１に接続される気筒数が、最大限度（４気筒）を上回ってしまう。
マニフォールド１とマニフォールド２の接続部Ａを、気筒♯４、♯５間の領域に設定すれば、ＥＧＲパイプを構成するステンレス管がエキゾーストマニフォールド１０の熱膨張によりダメージを受けることを防止し、マニフォールド１０とＥＧＲパイプ（図示せず）が安定して接続され、且つ、マニフォールド１に接続される気筒数が、最大限度（４気筒）を上回ってしまうこともない。

図３は、マニフォールド１とマニフォールド２の分割部Ａの詳細を示している。
図３において、マニフォールド１のマニフォールド２側端部１１（図３では右端部：以下、「一方の管端部１１」と記す）の内径寸法は、符号Ｄで示されている。そして、マニフォールド２のマニフォールド１側端部２１（図３では左端部：以下、「他方の管端部２１」と記す）の外径寸法は、符号ｄで示されている。
マニフォールド１の管端部１１の内径部（内径Ｄ）には、マニフォールド２の管端部２１の外径部（外径ｄ）が嵌合している。換言すれば、マニフォールド１はいわゆる「外管」であり、マニフォールド２はいわゆる「内管」である。
そして、管端部１１の内壁面（内径Ｄ）と、他方の管端部２１の外周面（外径ｄ）の間には、半径方向について、常温で、符号ｓ１で示す隙間が形成されている。

隙間ｓ１は、常温時において、マニフォールド２の管端部２１の外径寸法ｄの１／１４００〜１／１６００とされている。
発明者の実験によれば、隙間ｓ１が、マニフォールド２の管端部２１の外径寸法ｄの１／１６００よりも小さいと、マニフォールド１の管端部１１（内径Ｄ）に、マニフォールド２の管端部２１（外径ｄ）を嵌合する作業（組立作業）が困難になってしまう。
一方、隙間ｓ１が、マニフォールド２の管端部２１の外径寸法ｄの１／１４００よりも大きいと、エンジン（図示せず）の燃焼運転時に、管端部２１が熱膨張して隙間ｓ１を収縮させても、隙間ｓ１は十分に閉塞されず、その結果、マニフォールド１とマニフォールド２の分割部Ａから排気ガスが漏出してしまう。
そのため、隙間１は、上述した数値範囲内に設定している。

図３において、マニフォールド２の管端部２１は、マニフォールド１の管端部１１の半径方向内方に位置している。
管端部１１の半径方向肉厚寸法は、図３において、符号ｔ１で示されている。寸法ｔ１は、一般的なエキゾーストマニフォールドと同様に、５ｍｍよりも大きな数値（例えば、６ｍｍ）に設定されている。
一方、管端部２１の半径方向肉厚寸法は、図３において、符号ｔ２で示されている。
管端部１１の肉厚寸法ｔ１と管端部２１の肉厚寸法ｔ２とは、
ｔ１：ｔ２＝１：１．８〜１：２．２
となるように設定されている。

管端部２１の肉厚寸法ｔ２が管端部１１の肉厚寸法ｔ１の１．８倍未満であると、半径方向内側に位置する管端部２１の肉厚寸法ｔ２が小さいため、マニフォールド１０内に高温の排気ガスが流れて熱膨張しても、管端部２１の熱膨張は、半径方向外方の管端部１１の熱膨張と同程度になってしまい、隙間ｓ１が十分に収縮せず、排気ガスが漏出してしまう。
一方、管端部２１の肉厚寸法ｔ２が管端部１１の肉厚寸法ｔ１の２．２倍よりも大きい場合には、その分だけ管端部２１の内径寸法ｄ２１が小さくなり、排気流路として必要な断面積が確保できなくなってしまう。
そのため、管端部１１の肉厚寸法ｔ１と管端部２１の肉厚寸法ｔ２は、上述した様に、 ｔ１：ｔ２＝１：１．８〜１：２．２ に設定した。
なお、発明者の実験では、ｔ１：ｔ２＝２．０が、最も良好であった。

図３において、マニフォールド１において、管端部１１との境界に段部２２が形成されている。
そして、マニフォールド２の管端部２１（管端部１１内に挿入して嵌合した管端部２１）の先端と、前記段部２２との間には、長手方向（図３の左右方向）について、常温で、隙間ｓ２が形成されている。
隙間ｓ２は、マニフォールド１０内を流過する排気温度が７００℃以上になると、熱膨張により、長手方向（図３の左右方向）寸法が「ゼロ」になるように設定されている。以って、高温の排気ガスが流れる場合の熱膨張に起因して発生する長手方向（図３の左右方向：軸方向）の応力（あるいは、当該応力の変動）により、マニフォールド１０が損傷を受けないようにするためである。
なお、隙間ｓ２の寸法は、マニフォールド１０の材質（熱膨張係数）や基準孔（図示せず）からの長さ、最高排気温度（例えば、７００℃）により、ケース・バイ・ケースで設定される。発明者の実験では、 ｓ２＝４ｍｍ が好適であった。

図３において、マニフォールド２の管端部２１外周に設けた溝部ＲＧは、その内部にシールリングＲ（図４参照）を挿入するために設けられている。
マニフォールド１０の品質保証のための試験を行なう際に、当該試験は常温で行なわれ、マニフォールド１０内に加圧された空気を充填して行われる。その際に、分割部Ａから空気が洩れない様にするために、溝部ＲＧ内部にシールリングＲ（図４参照）を挿入している。
当該シールリングＲは、図示しないエンジンが燃焼運転を行い、高温の排気ガスがマニフォールド１０内を流過する際に、燃焼する。当該シールリングＲは、図示の実施形態において、エンジン燃焼運転時における排気ガスの漏洩防止のために設けられている訳ではない。

図１〜図３の実施形態によれば、マニフォールド１の管端部１１の内径寸法Ｄは、常温時には他方の管端部２１の外径寸法ｄより大きく、隙間ｓ１を有しているので、管端部１１にマニフォールド２の管端部２１を容易に挿入することができる。そのため、組立作業が容易に行われる。
エンジン運転時には、高温の排気ガスにより、半径方向内方の管端部２１の熱膨張量が半径方向外方の管端部１１の熱膨張量よりも大きくなるため、この隙間ｓ１が微小となり、排気ガスがマニフォールド１０外に漏洩することが防止される。

また、管端部１１の肉厚ｔ１は５ｍｍ以上であり、管端部１２の肉厚ｔ２は、ｔ１の１．８〜２．２倍であるため、高温に晒されるエキゾーストマニフォールドとして、充分な強度を保持する。
管端部２１の肉厚寸法ｔ２が管端部１１の肉厚寸法ｔ１の１．８倍以上としたので、マニフォールド１０内に高温の排気ガスが流れて熱膨張した際に、管端部２１の熱膨張量が、半径方向外方の管端部１１の熱膨張量よりも大きくなり、隙間ｓ１が微小となる程度まで収縮し、以って、排気ガスの漏洩が防止される。
一方、管端部２１の肉厚寸法ｔ２が管端部１１の肉厚寸法ｔ１の２．２倍以下なので、管端部２１の内径寸法ｄ２１が小さくなり過ぎることが防止され、管端部２１において、排気流路として必要な断面積が確保することが出来る。

さらに、隙間ｓ２を設け、隙間ｓ２の常温時における長手方向（図３の左右方向）寸法は、マニフォールド１０内を流過する排気温度が７００℃以上になると、熱膨張により、当該長手方向寸法が「ゼロ」になるように設定されている。
そのため、高温の排気ガスが流れる場合の熱膨張に起因して発生する長手方向（図３の左右方向：軸方向）の応力、あるいは当該応力の変動が抑制される。そして、当該応力あるいは応力変動により、マニフォールド１０が損傷を受けてしまうことが防止される。

これに加えて、図１〜図３の実施形態によれば、マニフォールド１とマニフォールド２の接続箇所である分割部Ａが、気筒♯４、♯５間の領域（図１、図２の左端の気筒♯１を第１気筒として、第４気筒と第５気筒の間の領域）に設けられている。
そのため、ターボチャージャ（図示せず）のマウント部Ｔと、ＥＧＲパイプ（図示せず）との接続部Ｔを、分割部Ａに設けてしまうことによる不都合を回避することが出来る。

図４は、図１〜図３の実施形態の変形例を示している。
図４において、半径方向外側の管端部１１の外周には、フィン１５が形成されている。フィン１５により、管端部１１を効率的に冷却すると共に、強度の増強を図ることが出来る。
図４の変形例におけるその他の構成や作用効果は、図１〜図３の実施形態と同様である。

図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではないことを付記する。
例えば、図示の実施形態ではエキゾーストマニフォールド１０は２分割されているが、気筒数が多い場合には３分割以上に分割することが可能である。

１・・・一方のマニフォールド
２・・・他方のマニフォールド
１０・・・エキゾーストマニフォールド
１１・・・一方の管の他方の管側端部
２１・・・他方の管の一方の管側端部
Ａ・・・分割部
Ｅ・・・ＥＧＲパイプ接続部
Ｔ・・・ターボチャージャ取付部

Claims (2)

1. 複数部分に分割可能であり、一つの部分が最大で４個の気筒に連通しており、分割部は、ターボチャージャが搭載されるフランジが設けられておらず且つＥＧＲ配管に接続されるＥＧＲフランジが設けられていない箇所が選定されるエキゾーストマニフォールドにおいて、一方の管の他方の管側端部における内径寸法が、他方の管の一方の管側端部における外径寸法よりも大きく、一方の管の他方の管側端部における内周面と他方の管の一方の管側端部における外周面との間には常温で隙間が形成され、一方の管の他方の管側端部における管肉厚は少なくとも５ｍｍであり、エンジン作動時に他方の管を半径方向外方に熱膨張させ一方の管は大気への放熱により熱膨張量を抑え前記隙間を減少させるために、当該隙間の半径方向寸法は常温で他方の管の一方の管側端部における外径寸法の１／１４００〜１／１６００であり、一方の管の他方の管側端部における管肉厚と他方の管の一方の管側端部における管肉厚との比率が常温で１：１．８〜１：２．２であり、一方の管の他方の管側端部から離隔した箇所の内周面には段部が形成されており、当該段部と他方の管の一方の管側端面の間には、常温では、エキゾーストマニフォールドの長手方向について隙間が形成されていることを特徴とするエキゾーストマニフォールド。
2. 前記段部と他方の管の一方の管側端面の間に形成されている前記隙間のエキゾーストマニフォールドの長手方向寸法は、エキゾーストマニフォールドを通過する排気ガスの温度が７００℃以上になるとゼロになる数値に設定されている請求項１のエキゾーストマニフォールド。

Images