JP2013144968A - 排気系部品の取付構造 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的強度の低い材料で形成されたシリンダーヘッドであっても、排気系部品の取付けのためのボルトの締め付けトルクを高くすることのできる排気系部品の取付構造を提供する。
【解決手段】シリンダーヘッド１に一体に設けられた排気集合部２に、シリンダーヘッド上下方向に貫通するボルト挿通孔７ａ，７ｂを形成する。そしてそのボルト挿通孔７ａ，７ｂを通じて挿入されたボルト４を、ターボチャージャー３に形成された雌ねじ穴８に締結することで、シリンダーヘッド１に対するターボチャージャー３の固定を行うようにした。
【選択図】図５

Description

本発明は、ターボチャージャー等の排気系部品のシリンダーヘッドに対する取付構造に関する。

一般に、多気筒エンジンでは、そのシリンダーヘッドに各気筒の排気ポートがそれぞれ独立して設けられている。そして、各気筒の排気の合流は、シリンダーヘッドとは別体のエキゾースト・マニホールド（エキマニ）においてなされるようになっている。これに対して、特許文献１に見られるような、いわゆるエキマニ一体型のシリンダーヘッドが提案されている。

図６に示すように、同文献１に記載のエキマニ一体型のシリンダーヘッド５０は、その図中右側の側面が略ドーム状に膨出されている。そして、その膨出した部分が、一般のエキマニ分離型のシリンダーヘッドにおけるエキゾースト・マニホールドに対応する排気集合部５１となっている。こうしたエキマニ一体型のシリンダーヘッド５０の内部には、集合排気ポート５２が形成されており、排気集合部５１の内部にて各気筒の排気が合流されている。こうしたエキマニ一体型のシリンダーヘッド５０では、ウォータージャケットを集合排気ポート５２の周囲に形成することで、排気の冷却効率を高めることができる。

なお、集合排気ポート５２の排気出口５３は、シリンダーヘッド５０の側方に開口されている。そして、その排気出口５３には、排気管５４が取付けられている。排気出口５３への排気管５４の取付けは、排気出口５３の周囲に形成された雌ねじ穴５５にボルト５６を締結することで行われる。

特開２０００−２０５０４２号公報

ところで近年、車載エンジンでは、軽量化のため、アルミ製のシリンダーヘッドを採用することが主流となっている。鋳鉄製のシリンダーヘッドに比べ、材料の強度の低いアルミ製のシリンダーヘッドでは、排気管５４の取付部分のシール性を確保するためにボルト５６の締め付けトルクを増加させると、シリンダーヘッド５０に切られた雌ねじが破断してしまう。そのため、排気の圧力が高くなるターボチャージャー付きのエンジンなどでは、シリンダーヘッドに対する排気系部品の取付部分のシール性を確保することが困難となっている。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、比較的強度の低い材料で形成されたシリンダーヘッドであっても、排気系部品の取付けのためのボルトの締め付けトルクを高くすることのできる排気系部品の取付構造を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、シリンダーヘッドに対する排気系部品の取付構造であって、シリンダーヘッドを貫通するボルト挿通孔を備えるとともに、そのボルト挿通孔を通じて挿入されたボルトを前記排気系部品に形成された雌ねじ穴に締結することで、同排気系部品を前記シリンダーヘッドに固定している。

上記構成では、シリンダーヘッドに排気系部品を取付けるためのボルトを締結する雌ねじ穴が排気系部品に形成されている。そのため、排気系部品の材料の強度さえ確保されていれば、シリンダーヘッドが余り強度の高くない材料で形成されていても、雌ねじの破断を招くことなく、ボルトの締め付けトルクを高くすることが可能となる。したがって、上記構成によれば、比較的強度の低い材料で形成されたシリンダーヘッドであっても、排気系部品の取付けのためのボルトの締め付けトルクを高くすることができる。

なお、請求項２によるように、シリンダーヘッドの下面と平行とならない方向にボルト挿通孔を延伸するようにすれば、シリンダーヘッドの外部からボルトをボルト挿通孔に挿入することが可能となる。そのため、ボルトの締結を容易に行うことができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の排気系部品の取付構造において、シリンダーヘッドには、各気筒の排気を合流させる排気集合部が一体に形成され、その排気集合部の排気出口に、排気系部品としてのターボチャージャーが取付られるようになっている。

こうした構成では、気筒からターボチャージャーまでの距離が短いことから、ターボチャージャーの取付部分の排気圧や排気温が非常に高くなり、シール性の確保が困難となる。そうした場合にも、上記のような取付構造を採用すれば、ボルトの締め付けトルクを高くすることができるため、十分なシール性を確保することができる。

なお、こうした場合、請求項４によるように、そうした排気集合部の排気出口をシリンダーヘッドの下方に開口するようにすれば、排気集合部の上方からボルトの締結を行うことが可能となり、上記取付構造を比較的容易に実現することができる。

更に請求項５によるように、ボルト挿通孔を、排気集合部の各気筒の排気通路の間の部分、すなわち集合排気ポートの股部に形成するようにすることもできる。この場合には、高温となり、大きい熱応力が発生する集合排気ポートの股部に、ボルトの組付応力が作用するようになる。そのため、圧縮方向に作用する組付応力で引張方向に作用する熱応力を相殺して、集合排気ポートの股部の熱歪みを緩和することができる。

本発明の排気系部品の取付構造を具体化した一実施の形態についてターボチャージャーが取付けられた状態のシリンダーヘッドの平面構造を示す平面図。 同実施の形態におけるターボチャージャーが取付けられた状態のシリンダーヘッドの側面構造を示す側面図。 同実施の形態におけるシリンダーヘッドの平面断面構造を示す断面図。 同実施の形態における図１のＡ−Ａ線に沿った断面構造を示す断面図。 同実施の形態における図１のＢ−Ｂ線に沿った断面構造を示す断面図。 従来のエキマニ一体型シリンダーヘッドの平面断面構造を示す断面図。

以下、本発明の排気系部品の取付構造を具体化した一実施の形態を詳細に説明する。なお、本実施の形態の排気系部品の取付構造は、直列４気筒の気筒配列を有するガソリン・ターボ・エンジンのシリンダーヘッドに対するターボチャージャーの取付けに適用されるものとなっている。

なお、本実施の形態の適用されるシリンダーヘッドは、各気筒の排気を集合させる排気集合部が一体に形成されたエキマニ一体型のシリンダーヘッドとして構成されており、ターボチャージャーがシリンダーヘッドに直接取付けられるようになっている。

まず、図１〜図５を参照して、本実施の形態の排気系部品の取付構造の構成を説明する。
図１に示すように、シリンダーヘッド１の図中右側部には、略ドーム状に膨出した排気集合部２が一体に形成されている。そしてこの排気集合部２にターボチャージャー３が、４本のボルト４により取付けられている。図２に示すように、ターボチャージャー３は、排気集合部２のシリンダーヘッド下面１ａに取付けられている。なお、排気集合部２が一体に設けられたシリンダーヘッド１は、アルミニウム合金により形成されている。一方、ターボチャージャー３の筐体（ハウジング）は、アルミニウム合金に比して強度の高い、鋳鉄や鋳鋼などの鉄系の材料により形成されている。

図３に示すように、シリンダーヘッド１の内部には、各気筒の排気を合流させる集合排気ポート５が形成されている。集合排気ポート５は、各気筒からそれぞれ延出された後、排気集合部２の内部において合流されるように形成されている。図４に示すように、排気集合部２のシリンダーヘッド下方には、集合排気ポート５を通じて合流された各気筒の排気の出口となる排気出口６が開口されている。そして、こうした排気出口６にターボチャージャー３が連結されている。

図５に示すように、排気集合部２の排気出口６の周りには、上記４本のボルト４がそれぞれ挿入される４つのボルト挿通孔７ａ，７ｂが形成されている。これらのボルト挿通孔７ａ，７ｂは、シリンダーヘッド１の上下方向、すなわちシリンダーヘッド下面１ａに垂直な方向に延伸されている。

一方、ターボチャージャー３のシリンダーヘッド１への取付部には、フランジ３ａが設けられている。フランジ３ａには、内周に雌ねじの切られた４つの雌ねじ穴８が、上記の各ボルト挿通孔７ａ，７ｂにそれぞれ対応して形成されている。そして、各ボルト挿通孔７ａ，７ｂを通じて挿入された各ボルト４を、各雌ねじ穴８にそれぞれ締結することで、ターボチャージャー３がシリンダーヘッド１に取付けられている。

なお、図３に示すように、４つのボルト挿通孔７ａ，７ｂのうちの２つ（ボルト挿通孔７ｂ）は、排気集合部２における各気筒の排気通路の間の部分、すなわち集合排気ポート５の股部に形成されている。

次に、こうした本実施の形態の作用を説明する。
本実施の形態では、ボルト４を締結する雌ねじが、シリンダーヘッド１ではなく、より高強度の材料で形成されたターボチャージャー３に設けられている。そのため、ボルト４の締め付けトルクを高くしても、雌ねじの破断は生じ難いようになっている。

また、本実施の形態では、排気集合部２のシリンダーヘッド下方に開口された排気出口６にターボチャージャー３が取付けられている。そして、シリンダーヘッド１の上下方向に延伸されたボルト挿通孔７ａ，７ｂに、シリンダーヘッド１の上方からボルト４を挿入して、その締結が行われるようになっている。そのため、ボルト４の締結に際して、シリンダーヘッド１が邪魔にならないようになっている。

更に、本実施の形態では、ボルト挿通孔７ｂに通されたボルト４の締結によって、排気集合部２の排気集合部２における各気筒の排気通路の間の部分、すなわち集合排気ポート５の股部に、圧縮方向の組み付けトルクが発生される。エンジンの運転中、集合排気ポート５の股部は、高温となって、大きい引張方向の熱応力が発生する。ただし、本実施の形態では、そうした熱応力は、上記の組み付けトルクによって相殺されるため、集合排気ポート５の股部の熱歪みが緩和されるようになる。

以上説明した本実施の形態の排気系部品の取付構造によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）本実施の形態では、シリンダーヘッド１の排気集合部２を貫通するボルト挿通孔７ａ，７ｂを通じて挿入されたボルト４を、ターボチャージャー３に形成された雌ねじ穴８に締結することで、ターボチャージャー３をシリンダーヘッド１に固定している。そのため、ボルト４と締結される雌ねじが、より高強度の材料で形成されたターボチャージャー３に切られることになり、ボルト４の締め付けトルクを高くしても、雌ねじの破断が生じ難い。したがって、比較的強度の低いアルミニウム合金で形成されたシリンダーヘッド１であっても、ターボチャージャー３の取付けのためのボルト４の締め付けトルクを高くすることができる。そしてその結果、排気圧が高くなるガソリン・ターボ・エンジンでも、ターボチャージャー３の取付部分の十分なシール性を容易に確保することができるようになる。

（２）本実施の形態では、ボルト挿通孔７ａ，７ｂの延伸方向が、シリンダーヘッド下面１ａと平行とならない方向、より詳しくはシリンダーヘッド１の上下方向とされている。そのため、シリンダーヘッド１の上方からボルト４を挿入してその締結を行うことができるようになる。したがって、シリンダーヘッド１が邪魔とならず、容易にボルト４の締結を行うことができる。

（３）本実施の形態では、シリンダーヘッド１の排気集合部２をシリンダーヘッド上下方向に貫通するボルト挿通孔７ａ，７ｂを通して雌ねじ穴８へのボルト４の締結が行われている。そのため、ボルト４の雌ねじ穴８との締結部分とヘッドとの間の長さが大となり、締結後のボルト４に、圧縮方向の大きい弾性力が発生するようになる。したがって、ボルト４の緩みが抑制されるようになる。

（４）本実施の形態では、ボルト挿通孔７ｂを、排気集合部２の各気筒の排気通路の間の部分、すなわち集合排気ポート５の股部に形成している。そのため、ボルト４の組付応力により、高温となる集合排気ポート５の股部の熱歪みを緩和することができる。

（５）シリンダーヘッド１に排気集合部２を一体に設け、エキゾースト・マニホールドを廃止したため、部品点数の削減、重量の軽減、製造コストの低減、ガスケットの廃止が可能になる。また、排気系がコンパクトな構成となるため、濡れ面積が低減されて、排気浄化触媒の暖機性が向上する。

（６）ターボチャージャー３を排気集合部２の下側に取付ける構造としているため、ターボチャージャー３が側方に突き出さない分、エンジンの横幅を小さくすることができる。

なお、上記実施の形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・上記実施の形態では、複数設けられたボルト挿通孔７ａ，７ｂの一部を、排気集合部２の各気筒の排気通路の間の部分に形成するようにしていたが、可能であれば、その全てをそうした部分に形成するようにしても良い。また、排気集合部２の構造上、そうした部分へのボルト挿通孔の形成が困難な場合などには、全てのボルト挿通孔がそうした部分に形成されていない構成とするようにしても良い。そうした場合にも、上記（１）〜（３）の効果を奏することはできる。

・上記実施の形態では、４本のボルト４でターボチャージャー３の取付けを行うようにしていたが、ボルト４の数は適宜に変更しても良い。
・上記実施の形態では、ターボチャージャー３が取付けられる排気出口６を、排気集合部２のシリンダーヘッド下方に開口していたが、ターボチャージャー３の設置スペース等によりそうした配置が困難な場合などには、排気出口６の開口の向きを適宜変更しても良い。

・上記実施の形態では、ボルト挿通孔７ａ，７ｂの延伸方向（中心軸の方向）がシリンダーヘッド１の上下方向（シリンダーヘッド下面１ａに垂直な方向）とされていた。ターボチャージャー３の取付けの向き等により、そうした方向へのボルト挿通孔７ａ，７ｂの延伸が困難な場合などには、ボルト挿通孔７ａ，７ｂをシリンダーヘッド１の上下方向に対して斜めに延伸するようにしても良い。

・上記実施の形態では、シリンダーヘッド１の排気集合部２にボルト挿通孔７ａ，７ｂを形成していた。尤も、ターボチャージャー３の取付位置やその取付けの向きにより、排気集合部２へのボルト挿通孔７ａ，７ｂの形成が困難な場合には、シリンダーヘッド１のそれ以外の部位にボルト挿通孔７ａ，７ｂを設けるようにしても良い。

・上記実施の形態では、シリンダーヘッド１をアルミニウム合金製とし、ターボチャージャー３の筐体を鉄系の材料製としていたが、これらの一方、又は双方をそれ以外の材料で形成するようにしても良い。そうした場合であれ、ターボチャージャー３の筐体が、シリンダーヘッド１の材料より強度の高い材料で形成されているのであれば、ボルト４の締め付けトルクを高くすることが可能である。

・上記実施の形態では、直列４気筒の気筒配列を有するガソリン・ターボ・エンジンのシリンダーヘッド１に対するターボチャージャー３の取付けに係る構造について説明した。同様の取付構造は、それ以外の気筒配列、それ以外の燃料を使用するエンジンにおけるシリンダーヘッドへのターボチャージャーの取付けにも適用可能である。

・上記実施の形態では、シリンダーヘッド１に対するターボチャージャー３の取付けに係る構造について説明した。尤も、本発明の排気系部品の取付構造は、例えばエキゾースト・マニホールドなどのターボチャージャー３以外の排気系部品のシリンダーヘッド１に対する取付けにも、上記実施の形態と同様、あるいはそれに順じた態様で適用することができる。なお、当然ながら、エキゾースト・マニホールドの取付けに本発明の取付構造を適用する場合には、エキマニ分離型のシリンダーヘッドが採用されることになる。

１…シリンダーヘッド、１ａ…シリンダーヘッド下面、２…排気集合部、３…ターボチャージャー（排気系部品）、３ａ…フランジ、４…ボルト、５…集合排気ポート、６…排気出口、７ａ…ボルト挿通孔、７ｂ…ボルト挿通孔、８…雌ねじ穴、５０…シリンダーヘッド、５１…排気集合部、５２…集合排気ポート、５３…排気出口、５４…排気管、５５…雌ねじ穴、５６…ボルト。

Claims (5)

1. シリンダーヘッドに対する排気系部品の取付構造であって、
   前記シリンダーヘッドを貫通するボルト挿通孔を備えるとともに、そのボルト挿通孔を通じて挿入されたボルトを前記排気系部品に形成された雌ねじ穴に締結することで、同排気系部品が前記シリンダーヘッドに固定されてなる
   ことを特徴とする排気系部品の取付構造。
2. 前記ボルト挿通孔は、前記シリンダーヘッドの下面と平行とならない方向に延伸されてなる
   請求項１に記載の排気系部品の取付構造。
3. 前記シリンダーヘッドには、各気筒の排気を合流させる排気集合部が一体に形成され、その排気集合部の排気出口に、前記排気系部品としてのターボチャージャーが取付られてなる
   請求項１又は２に記載の排気系部品の取付構造。
4. 前記排気出口は、当該シリンダーヘッドの下方に開口されてなる
   請求項３に記載の排気系部品の取付構造。
5. 前記ボルト挿通孔は、前記排気集合部における各気筒の排気通路の間の部分に形成されてなる
   請求項３又は４に記載の排気系部品の取付構造。