JP2013204434A - Multi-cylinder internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本願発明は、複数の気筒を有する多気筒内燃機関に関するものである。 The present invention relates to a multi-cylinder internal combustion engine having a plurality of cylinders.
内燃機関において、燃焼後の排気ガスを排出する排気マニホールドは、シリンダヘッドの一側面にボルト又はスタッドボルトとナットとで固定されている。排気マニホールドは、多気筒内燃機関では1本の集合部から複数の枝管が分岐した形態になっており、各枝管の先端にフランジを設けて、フランジがガケットを介してシリンダヘッドに締結されている。フランジとシリンダヘッドとの間にはガスケットを介在させており、また、フランジは各枝管ごとに個別に設ける場合と、隣り合ったフランジを一体に連続させる場合とがある。 In an internal combustion engine, an exhaust manifold that discharges exhaust gas after combustion is fixed to one side surface of a cylinder head with bolts or stud bolts and nuts. In the multi-cylinder internal combustion engine, the exhaust manifold has a form in which a plurality of branch pipes are branched from one collecting portion. A flange is provided at the tip of each branch pipe, and the flange is fastened to the cylinder head via a gacket. ing. A gasket is interposed between the flange and the cylinder head, and the flange may be individually provided for each branch pipe, or the adjacent flange may be continuously integrated.
さて、シリンダヘッドは燃料の燃焼によって受熱するため、機関の運転時に熱膨張することは避けられない。この場合、多気筒内燃機関のシリンダヘッドは、シリンダボアの並び方向(クランク軸の軸線方向)に長い形状であるため、シリンダボアの並び方向に大きく熱膨張する傾向を呈している。また、シリンダヘッドはアルミ又はアルミ合金で製造していることが多いため、熱膨張係数は鋼(鉄)に比べて相当に大きい。 Now, since the cylinder head receives heat by the combustion of fuel, it is inevitable that the cylinder head thermally expands during operation of the engine. In this case, since the cylinder head of the multi-cylinder internal combustion engine has a shape that is long in the direction in which the cylinder bores are arranged (the direction of the axis of the crankshaft), the cylinder head tends to expand greatly in the direction in which the cylinder bores are arranged. In addition, since the cylinder head is often made of aluminum or an aluminum alloy, the thermal expansion coefficient is considerably larger than that of steel (iron).
他方、排気マニホールドは排気ガスに晒されるため、鉄系鋳物で製造したり鋼管を材料にして溶接して製造されたりしているが、鉄系鋳物や鋼管もアルミより熱膨張係数が小さいため、枝管の並び方向に熱膨張はするものの、シリンダヘッドに比べて熱膨張量は相当に小さい。このため、シリンダヘッドの熱膨張により、排気マニホールドに枝管の間隔を広げるような引っ張り力が作用しており、その結果、枝管同士が繋がっている股部が破断する(裂ける)ことがあった。 On the other hand, because the exhaust manifold is exposed to exhaust gas, it is manufactured with iron castings or welded with steel pipes as the material, but iron castings and steel pipes also have a smaller thermal expansion coefficient than aluminum, Although thermal expansion occurs in the direction in which the branch pipes are arranged, the amount of thermal expansion is considerably smaller than that of the cylinder head. For this reason, due to the thermal expansion of the cylinder head, a pulling force that widens the interval between the branch pipes acts on the exhaust manifold, and as a result, the crotch portion where the branch pipes are connected to each other may be broken (broken). It was.
この点について特許文献1には、排気マニホールドの各枝管を、その先端に行くに従って(集合部と反対側に行くに従って)薄肉になるように形成することで、各枝管の熱変形を容易ならしめることが記載されている。 In this regard, Patent Document 1 discloses that each branch pipe of the exhaust manifold is formed so as to become thinner as it goes to the tip (going to the side opposite to the assembly portion), thereby facilitating thermal deformation of each branch pipe. It is described that it is conditioned.
特許文献1は、シリンダヘッドの熱膨張そのものは不可避として、排気マニホールドを変形し易くすることで、シリンダヘッドの熱変形を排気マニホールドの変形で吸収しようとするものであるが、排気マニホールドの枝管を薄肉化すると、強度が低下すると共に腐食も進行しやすいという問題がある。また、特許文献1は鋳造品には適用可能であるが、鋼管で製造された排気マニホールドには適用できないという問題もある。 In Patent Document 1, the thermal expansion of the cylinder head itself is unavoidable and the exhaust manifold is easily deformed so as to absorb the thermal deformation of the cylinder head by the deformation of the exhaust manifold. If the thickness is reduced, there is a problem that the strength is lowered and corrosion is likely to proceed. Moreover, although patent document 1 is applicable to a cast product, there also exists a problem that it cannot apply to the exhaust manifold manufactured with the steel pipe.
本願発明は、このような現状を改善すべく成されたものである。 The present invention has been made to improve the current situation.
本願発明(請求項1の発明)は、一側面に複数の排気通路が開口しているシリンダヘッドと、前記各排気通路に連通する複数の枝管を集合部に集合させた排気マニホールドとを有しており、前記排気マニホールドの各枝管に前記シリンダヘッドの一側面に重なるフランジを設けて、前記フランジを前記シリンダヘッドにファスナで固定している内燃機関において、前記シリンダヘッドに、当該シリンダヘッドのうち少なくとも一側面の部位が前記排気マニホールドの枝管の並び方向(すなわちクランク軸の軸線方向)に熱膨張することを抑制する規制手段を設ける、という構成を採用した。 The invention of the present application (invention of claim 1) has a cylinder head having a plurality of exhaust passages opened on one side surface, and an exhaust manifold in which a plurality of branch pipes communicating with the exhaust passages are gathered in a gathering portion. In the internal combustion engine in which each branch pipe of the exhaust manifold is provided with a flange that overlaps one side surface of the cylinder head, and the flange is fixed to the cylinder head with a fastener. Among them, there is adopted a configuration in which at least one side portion is provided with a restricting means for suppressing thermal expansion in the arrangement direction of the branch pipes of the exhaust manifold (that is, the axial direction of the crankshaft).
規制手段としては、例えば、シリンダヘッドのうち一側面寄りの部位にシリンダヘッドより熱膨張係数が小さい規制体を鋳込んで、この規制体に排気マニホールドを締結したり、シリンダヘッドが排気マニホールドの並び方向に熱膨張しないように、シリンダヘッドより熱膨張が小さいボルトで規制するといった各種の手段を採用できる。 As the restricting means, for example, a restricting body having a coefficient of thermal expansion smaller than that of the cylinder head is cast in a portion closer to one side surface of the cylinder head, and an exhaust manifold is fastened to the restricting body, or the cylinder head is arranged in an array of exhaust manifolds. Various means such as regulation with a bolt whose thermal expansion is smaller than that of the cylinder head can be employed so as not to thermally expand in the direction.
規制手段としてボルトを使用する場合、請求項2では、ボルトを使用して、排気マニホールドの破断防止をより的確に実現している。すなわち請求項2の発明は、請求項1において、前記規制手段は、前記シリンダヘッドの素材よりも熱膨張係数が小さいボルトであって、前記ボルトは、前記シリンダヘッド又は排気マニホールド7を前記排気マニホールドの枝管の並び方向に挟圧できるように配置されており、前記ボルトの締め付けにより、前記シリンダヘッドと排気マニホールドとのうちいずれか一方又は両方を前記枝管の並び方向に縮むように予備圧縮されている。
In the case where a bolt is used as the restricting means, in claim 2, the bolt is used to more accurately prevent the exhaust manifold from being broken. That is, the invention of claim 2 is the invention according to claim 1, wherein the regulating means is a bolt having a thermal expansion coefficient smaller than that of the material of the cylinder head, and the bolt connects the cylinder head or the
本願発明は、シリンダヘッドの熱膨張が抑制されることで、排気マニホールドの股部にこれを裂くような引っ張りが作用することを防止又は著しく抑制できる。そして、シリンダヘッドの熱膨張を抑制するものであるため、排気マニホールドは従来の素材・構造のままでよい。従って、排気マニホールドの強度が低下したり、排気マニホールドが腐食しやすくなったりする不都合は生じないと共に、鋼管製の排気マニホールドにも支障なく適用できる。 In the present invention, the thermal expansion of the cylinder head is suppressed, so that it is possible to prevent or remarkably suppress the pulling of the crotch portion of the exhaust manifold from acting on the crotch portion of the exhaust manifold. And since it suppresses the thermal expansion of the cylinder head, the exhaust manifold may remain the conventional material and structure. Therefore, there is no inconvenience that the strength of the exhaust manifold is reduced and the exhaust manifold is easily corroded, and the exhaust manifold can be applied to the steel pipe exhaust manifold without any trouble.
規制手段は、シリンダヘッドが熱を受けたときに機能を発揮してその熱膨張を抑制する構成とすることも可能であるが、請求項2の構成を採用して、シリンダヘッドと排気マニホールドとのうち少なくともいずれか一方を枝管の並び方向に予備圧縮しておくと、排気マニホールドの破断防止効果を一層向上できる。 The restricting means may be configured to exhibit a function when the cylinder head receives heat and suppress its thermal expansion. However, the restricting means adopts the structure of claim 2 to provide the cylinder head, the exhaust manifold, If at least one of them is pre-compressed in the direction in which the branch pipes are arranged, the effect of preventing the exhaust manifold from breaking can be further improved.
すなわち、シリンダヘッドのみを予備圧縮している場合は、シリンダヘッドがボルトの熱膨張の分だけ膨張しても、シリンダヘッドは、熱負荷が作用していない自由長さに戻るに過ぎないか、又は、自由長さから僅かに膨張するに過ぎない状態にできるため、シリンダヘッドの熱膨張によって排気マニホールドに引っ張り力が作用することを、より的確に防止又は抑制できる。 That is, when only the cylinder head is pre-compressed, even if the cylinder head expands by the amount of thermal expansion of the bolt, the cylinder head only returns to the free length where no thermal load is applied, Or since it can be in a state of only a slight expansion from the free length, it is possible to more accurately prevent or suppress the tensile force from acting on the exhaust manifold due to the thermal expansion of the cylinder head.
他方、排気マニホールドのみを予備圧縮した場合は、シリンダヘッドがボルトの熱膨張の分だけ膨張することで排気マニホールドが引っ張られても、排気マニホールドは、まず、熱負荷か掛かっていない自由長さに至って、それから実質的な熱膨張が開始するため、排気マニホールドに引っ張り力が作用することを、より的確に防止又は抑制できるのである。すなわち、排気マニホールドに、引っ張りが作用しない膨張代を付与できるのであり、これらにより、破断防止効果をより的確に実現できるのである。シリンダヘッド3と排気マニホールド7との両方を予備圧縮すると、より好ましい。
On the other hand, if only the exhaust manifold is pre-compressed, even if the cylinder head expands by the amount of thermal expansion of the bolt and the exhaust manifold is pulled, the exhaust manifold will first have a free length that is not subject to thermal load. Then, since substantial thermal expansion then starts, it is possible to more accurately prevent or suppress the tensile force from acting on the exhaust manifold. That is, an expansion allowance that does not act on the exhaust manifold can be given to the exhaust manifold, and thereby, a breakage preventing effect can be realized more accurately. It is more preferable to pre-compress both the
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明で方向を特定するため、便宜的に「前後」「左右」の文言を使用するが、クランク軸の軸線及びシリンダボアの軸線と直交した方向から見た状態を正面視として、クランク軸の軸方向を左右方向、クランク軸及びシリンダボアと直交した方向を前後方向としている。 Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in order to specify the direction in the following description, the terms “front and rear” and “left and right” are used for convenience, but the crankshaft is viewed from the direction orthogonal to the axis of the crankshaft and the cylinder bore. The axial direction of the shaft is the left-right direction, and the direction orthogonal to the crankshaft and the cylinder bore is the front-rear direction.
(1).第1実施形態
まず、図1に示す第1実施形態から説明する。本実施形態の内燃機関は4気筒であり、シリンダブロック1には4つシリンダボア2が直列に並べて形成されており、シリンダブロック1の上面に重ね固定されたシリンダヘッド3には、シリンダボア2に向けて開口した燃焼用凹所4が形成されている。シリンダヘッド3はアルミの鋳造品である。
(1) First Embodiment First, the first embodiment shown in FIG. 1 will be described. The internal combustion engine of the present embodiment has four cylinders, and four cylinder bores 2 are formed in series in the cylinder block 1, and the
更に、シリンダヘッド3には、燃焼用凹所4に連通した4対の排気通路4と吸気通路5とが、排気通路4は前後両側面のうちの一側面3aに開口して、吸気通路5は前後両側面のうちの他側面3bに開口するように形成されており、シリンダヘッド3の一側面3aには排気マニホールド7が固定(締結)されて、他側面3bには吸気マニホールド8が固定されている。排気マニホールド7は、鋼管製又は鉄系鋳物製である。
Further, the
排気マニホールド7及び吸気マニホールド8は、集合部7a,8aから4本の枝管7b,8bが分岐した形態であり、各枝管7b,8bの先端に、左右方向に一連に延びるフランジ10,11を形成し、フランジ10,11が、ファスナの一例としてのスタッドボルト12及びナット13でシリンダヘッド3に締結されている(吸気マニホールド8に関しては、スタッドボルト及びナットは図示してない。)。敢えて述べる必要はないが、各枝管7b,8bはクランク軸の長手方向(シリンダボア2の並び方向)に沿って一列に並んでいる。なお、排気マニホールド7のフランジ10とシリンダヘッド3との間には、ガスケットを介在させている。
The
シリンダヘッド3のうち、排気マニホールド7が固定されている一側面3aに近い部位でかつ排気通路4を挟んだ上下両側の部位には、クランク軸と平行な姿勢の上下2本のボルト14が、シリンダヘッド3の左右両端面3c,3dに露出するようにして配置されている。シリンダヘッド3の一方の端面3cには、両ボルト14が貫通する上下長手の添え板15が重ね配置されており、シリンダヘッド3の他方の端面3dには、両ボルト14が螺合する上下長手の板状ナット16が重ね配置されている。ボルト14は、例えば炭素鋼や高張力鋼のような鋼製であり、熱膨張係数は排気マニホールド7に近い。本実施形態では、ボルト14と添え板15及び板状ナット16で請求項に記載した規制手段が構成されている。
Two upper and
添え板15は排気マニホールド7の左右端面のうちの一端面7aに重なって、板状ナット16は排気マニホールド7の左右端面のうちの他端面7aに重なっており、排気マニホールド7をナット13のねじ込みによってシリンダヘッド3に固定してから、ボルト14を板状ナット16に強くねじ込んで、シリンダヘッド3及び排気マニホールド7をクランク軸の軸線方向に強く挟圧することにより、それらシリンダヘッド3及び排気マニホールド7を、内部応力が存在しない自由状態からクランク軸の軸線方向に縮められて圧縮変形した状態に加圧されている。
The
図1(A)でシリンダヘッド3の自由長さ状態を一点鎖線で表示しており、一点鎖線の自由長さ状態と実線の圧縮状態とは目視できる程度の違いに表示しているが、これは便宜的な表示であり、実際の圧縮変形量は、機関の運転に伴う熱膨張を吸収する程度の僅かの量である。また、ボルト14はシリンダヘッド3の一側面3aの近傍部のみに配置しているので、他側面3bの部位ではシリンダヘッド3は殆ど又は全く圧縮されていないと推測されるが、圧縮変形量はごく僅かであるので、シリンダヘッド3の変形に伴う問題は生じない。
In FIG. 1 (A), the free length state of the
機関の運転に伴ってシリンダヘッド3の温度が上昇すると、シリンダヘッド3と排気マニホールド7とボルト14とはクランク軸の軸線方向に熱膨張しようとする。この場合、排気マニホールド7には排気ガスが直接触れるため、温度上昇の程度は排気マニホールド7が最も早く、次いで、シリンダヘッド3、ボルト14の順になると言える。
When the temperature of the
そして、シリンダヘッド3はいずれ高温になるため、クランク軸の軸線方向に熱膨張する熱負荷を受ける。その場合、シリンダヘッド3の材料であるアルミの熱膨張は排気マニホールド7の素材である鋼(鉄)より大きいため、何等の対策を講じないと、シリンダヘッド3の熱膨張によって排気マニホールド7が左右方向に引っ張られて、隣り合った枝管7bの間の股部7cが裂けることがある。
Since the
これに対して本実施形態では、シリンダヘッド3の熱膨張が熱膨張の低いボルト14で規制されていることにより、シリンダヘッド3が左右方向に熱膨張することが抑制されるため、股部7cに左右方向引っ張り力が作用することを防止又は著しく抑制して、破断を防止できる。
On the other hand, in the present embodiment, since the thermal expansion of the
更に述べると、ボルト14も熱膨張するので、シリンダヘッド3はボルト14の熱膨張の分だけは左右方向に熱膨張するが、ボルト14の熱膨張係数は排気マニホールド7の熱膨張係数と殆ど同じなので、シリンダヘッド3がボルト14の熱膨張分だけ熱膨張しても、排気マニホールド7の股部7cに左右方向の引っ張り力が作用することを防止又は著しく抑制できる。
More specifically, since the
従って、ボルト14でシリンダヘッド3及び排気マニホールド7を強く挟圧してなくても、単にシリンダヘッド3の熱膨張をボルト14で抑止するだけであっても排気マニホールド7の破断を防止できるのであるが、本実施形態では、更に、シリンダヘッド3と排気マニホールド7とをボルト14で予備圧縮しているため、シリンダヘッド3がボルト14と同じ量だけ熱膨張しても、排気マニホールド7は熱負荷が掛かっていない自由長さに戻るに過ぎないか、又は、自由状態から僅かに熱膨張するに過ぎないのであり、これにより、股部7cの破断をより的確に防止できるのである。
Therefore, even if the
上記の説明から理解できるように、ボルト14の挟圧によるシリンダヘッド3及び排気マニホールド7の予備圧縮変形量は、排気マニホールド7の最大熱膨張量と同じ程度の寸法に設定しておくのが好ましい。ボルト14はなるべく熱膨張しないのが好ましい。従って、ボルト14に断熱材からなる筒を嵌め込むといったことも可能である。
As can be understood from the above description, the amount of preliminary compression deformation of the
添え板15と板状ナット16とで排気マニホールド7を左右から挟んでいる場合は、排気マニホールド7の締結とボルト14による挟圧とはどちらを先に行ってもよいが、添え板15と板状ナット16とで排気マニホールド7を左右から挟んでいない場合は、先に排気マニホールド7をシリンダヘッド3に締結し、次いで、ボルト14による挟圧を行うのが好ましい(そうでないと、排気マニホールド7を予備圧縮できない。)。
When the
添え板15と板状ナット16とで排気マニホールド7を左右から挟んでいない場合は、排気マニホールド7のフランジ10がスタッドボルト12にずれ不能に嵌まるように設定おいたり、別にノックピンを設けたりして、排気マニホールド7とシリンダヘッド3とが左右方向に滑らないように保持しておくと、より有益である。もとより、シリンダヘッド3のみに予備圧縮変形を付与しておくことも可能であり、この場合は、シリンダヘッド3を予備圧縮してから排気マニホールド7を締結してもよい。
When the
(2).他の実施形態
図2に示す第2実施形態では、規制手段の一例としての規制板18をシリンダヘッド3に鋳込んでいる。規制板18には、シリンダヘッド3との一体性を高めるため、多数の穴19を開けている。スタッドボルト14を規制板18に溶接することも可能である。或いは、規制板18にナットを溶接しておくか、規制板18に設けたバーリング部に雌ねじを形成しておいて、これらにボルトをねじ込むことで排気マニホールド7を締結するということも可能である。
(2) Other Embodiments In the second embodiment shown in FIG. 2, a
規制板18は、排気マニホールド7と同様に炭素鋼等の鋼材からなっている。従って、この第2実施形態では、シリンダヘッド3のううちアルミの部分が大きく熱膨張しても、規制板18はさほど熱膨張せず、規制板18と排気マニホールド7との熱膨張係数はほぼ同じであるため、排気マニホールド7が左右方向に引っ張られることはない。
The restricting
図3に示す第3実施形態では、排気マニホールド7におけるフランジ10の左右端部に、シリンダヘッド3の端面3b,3cに重なる端板10aを一体に設けて、端板10aをボルト14及びナット(図示せず)でシリンダヘッド3に共締めしている。この図3の場合、左右端板10aの間隔をシリンダヘッド3の左右長さよりも僅かに大きい寸法に設定して、排気マニホールド7を左右方向に圧縮した状態で、左右端板10aをボルト14でシリンダヘッド3に締結することも可能である。
In the third embodiment shown in FIG. 3,
すなわち、排気マニホールド7のみを予備圧縮することも可能である。この場合は、シリンダヘッド3はボルト14の熱膨張の分しか熱膨張しないので、第1実施形態とほぼ同様の作用・効果を発揮する。なお、第1実施形態の場合も、排気マニホールド7の左右長さをシリンダヘッド3の左右長さより僅かに長くしておいて、排気マニホールド7のみを予備圧縮することは可能である。
That is, it is possible to pre-compress only the
本願発明は、上記の実施形態の他にも様々に具体化できる。例えば、フランジは、各枝管ごとに個別に設けたり、複数の枝管ごとにグループ化して設けたりすることも可能である。規制手段としては、シリンダヘッドに被さるコ字形の本体にボルトを設けたシャコ万力方式(クランプ方式)を採用することも可能である。 The present invention can be embodied in various ways other than the above-described embodiment. For example, the flanges can be provided individually for each branch pipe, or can be provided in groups for a plurality of branch pipes. As the restricting means, it is also possible to adopt a giant vise method (clamp method) in which a bolt is provided on a U-shaped main body covering the cylinder head.
ファスナとしては、頭付きのボルトを使用することも可能である。規制体としてボルトを使用する場合、添え板及び板状ナットは必ずしも必要はなく、頭付きボルトにナットをねじ込む構成とすることも可能である。本願発明の規制手段はシリンダヘッドのうち排気マニホールドが固定されている近傍部に設けたら足りるが、吸気マニホールドが固定されている部分に規制手段を設けることを排除するものではない。 It is also possible to use bolts with heads as fasteners. When a bolt is used as the restricting body, the splicing plate and the plate-like nut are not necessarily required, and a configuration in which the nut is screwed into the headed bolt may be employed. It is sufficient that the restricting means of the present invention is provided in the vicinity of the cylinder head where the exhaust manifold is fixed, but this does not exclude the provision of the restricting means in the portion where the intake manifold is fixed.
本願発明は、内燃機関に具体化して実際に製造できる。従って、産業上利用できる。 The present invention can be actually manufactured by embodying an internal combustion engine. Therefore, it can be used industrially.
2 シリンダボア
3 シリンダヘッド
6 排気通路
7 排気マニホールド
7a 集合部
7b 枝管
7c 股部
10 フランジ
12 ファスナを構成するスタッドボルト
13 ファスナを構成するナット
14 規制体の主要要素としての一例としてのボルト
15 規制体の一部としての添え板
16 規制体の一部としての板状ナット
18 規制手段の一例としての鋳込み式規制板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 Cylinder bore 3
Claims (2)
前記シリンダヘッドに、当該シリンダヘッドのうち少なくとも一側面の部位が前記排気マニホールドの枝管の並び方向に熱膨張することを抑制する規制手段を設けている、
多気筒内燃機関。 A cylinder head having a plurality of exhaust passages open on one side surface; and an exhaust manifold in which a plurality of branch pipes communicating with the respective exhaust passages are gathered in a collecting portion. Provided with a flange overlapping one side surface of the cylinder head, and the flange is fixed to the cylinder head with a fastener,
The cylinder head is provided with a restricting means for suppressing thermal expansion of at least one side portion of the cylinder head in the direction in which the branch pipes of the exhaust manifold are arranged.
Multi-cylinder internal combustion engine.
多気筒内燃機関。 The restricting means is a bolt having a thermal expansion coefficient smaller than that of the material of the cylinder head, and the bolt is arranged so that the cylinder head or the exhaust manifold 7 can be clamped in the direction in which the branch pipes of the exhaust manifold are arranged. And, by tightening the bolts, either one or both of the cylinder head and the exhaust manifold is pre-compressed so as to contract in the direction in which the branch pipes are arranged,
Multi-cylinder internal combustion engine.
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JP2012071284A JP2013204434A (en) | 2012-03-27 | 2012-03-27 | Multi-cylinder internal combustion engine |
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