JP2015021442A

JP2015021442A - 内燃機関の配管装置

Info

Publication number: JP2015021442A
Application number: JP2013150864A
Authority: JP
Inventors: 直久河野; Naohisa Kono; 啓太西川; Keita Nishikawa; 健治郎篠原; Kenjiro Shinohara
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2013-07-19
Filing date: 2013-07-19
Publication date: 2015-02-02
Anticipated expiration: 2033-07-19
Also published as: JP6156989B2

Abstract

【課題】パイプ材の一端にフランジ板が固定された配管装置において、パイプ材に大きな引っ張り力が作用する場合でも的確に補強する。【解決手段】ジョイント管（パイプ材）２１の終端２１ａにフランジ板２２が固定されており、フランジ板２２はシリンダヘッド２の前面２ａにボルトで固定されている。シリンダヘッド２の前面２ａは少し前傾しており、ジョイント管２１には上向きに押し曲げるようなプリテンションが掛かっている。フランジ板２２には、ジョイント管２１の終端部２１ｂに接合された平面視門型の補強部材２３が固定されている。触媒ケース７の熱膨張・収縮によってジョイント管２１の終端部２１ｂは補強部材２３の変形限度以上に上下回動するが、終端部２１ｂの大きな上下回動は補強部材２３の塑性変形によって許容されている。【選択図】図３

Description

本願発明は、内燃機関において、例えばＥＧＲ装置の一部を構成するＥＧＲ導入管路（ＥＧＲガス導入管路）のような配管装置に関するものである。

車両用内燃機関において、燃費向上等のために排気ガスを吸気系に還流させることは広く行われており、ＥＧＲガスが流れるＥＧＲ導入管路にＥＧＲクーラを設けることも広く行われている。

ＥＧＲ導入管路の始端は排気系部材に接続されて、ＥＧＲ導入管路の終端はシリンダヘッドのような吸気側部材に接続されており、その配管構造として特許文献１では、ＥＧＲ導入管路の始端を排気マニホールドの集合部に接続して、終端をシリンダヘッドに接続することが記載されており、特許文献２には、ＥＧＲ導入管路の始端を触媒ケースの先窄まり状終端部に接続し、終端を排気マニホールドのフランジに固定することが開示されている。

特開平１０−１２２０６１号公報特開２００４−２７８３４２号公報

さて、ＥＧＲ導入管路には排気系部材の熱膨張による外力や自身の熱膨張による負荷等が作用するものであり、このため、例えばシリンダヘッドに固定されている終端部が一定方向に倒れる傾向を呈することがある。しかるに、特許文献１，２はこのような倒れに対する配慮は成されておらず、このため、排気マニホールドのフランジ等に対する接合部が弱くなるおそれがある。

ＥＧＲ導入管路の倒れに対してはこれを阻止する補強部材を設けたらよいと云えるが、本願発明者たちが研究したところ、触媒ケースの熱膨張は相当の大きさであってＥＧＲ導入管路の引っ張りストロークもかなりの長さになるため、頑丈な補強部材を設けただけでは、こんどは補強部材とＥＧＲ導入管路との当接部に応力が集中してＥＧＲ導入管路が破断したり変形したりするおそれがあることが判明した。

本願発明はこのような現状に鑑み成されたものであり、パイプ材が負荷によって大きく回動しても、応力を分散した状態で補強部材で的確に補強できるようにすることを目的とするものである。

本願発明は、一端部が支持部材に固定された金属製パイプ材と、前記パイプ材が負荷によって倒れることを抑制するため前記支持部材に固定された金属製の補強部材とを備えており、前記パイプ材の一端部は前記支持部材の表面から略直立しており、前記パイプ材の一端部に、一方方向に倒そうとする負荷と他方方向に倒そうとする負荷とが交互に作用しており、このため前記パイプ材の一端部は前記負荷の作用方向の変化に伴って一方方向と他方方向とに往復回動する、いう前提の構成になっている。

そして、前記補強部材は、前記支持部材から立ち上がった脚部と、前記脚部の先端に一体に設けられていて前記パイプ材に固定された接合部とを有しており、前記パイプ材の回動による前記接合部が移動ストロークを前記補強部材の弾性変形の許容限度を超えた大きさとすることにより、前記パイプ材の往復回動によって前記補強部材が弾性変形と塑性変形とを繰り返すようになっている。

パイプ材を一方方向に倒そうとする負荷と他方方向に倒そうとする負荷には様々な場合が想定されるが、例えばＥＧＲ導入管路を例にとると、排気管（例えば触媒ケース）の熱膨張による引っ張りと、その引っ張りによる倒れを抑制するように予めＥＧＲ導入管路に掛けておくプリテンションとが挙げられる。荷重の作用点が移動して交番荷重が作用する場合にも適用できる。

本願発明でも補強部材は弾性変形するため、パイプ材の回動に対しては、補強部材の弾性変形と塑性変形との両方が抵抗して作用する。そして、補強部材自体が塑性変形するため、パイプ材の一端部がある程度回動することは許容しつつこれを支えるものであり、パイプ材に作用した負荷はパイプ材自身と補強部材とで分散して支持される。このため、パイプ材の一端部が大きく回動しても特定部分に応力が集中することを防止して、高い補強機能を確保できる。

特に、補強部材が塑性変形しながらパイプ材の倒れを阻止するため、高い補強機能を発揮すると云える。また、パイプ材に対する負荷の作用方向が変化することで補強部材は元の状態に復元するため、経時的な補強機能の低下は生じない。

ＥＧＲ導入管路に関しては、上記のように予め排気管の熱膨張による引っ張りを緩和するようにＥＧＲ導入管路をプリテンションを掛けておくことで、ＥＧＲ導入管路の変形量を抑制できるが、この場合は、プリテンションの負荷は排気管の熱膨張による負荷と反対方向に作用するので、本願発明を適用することにより、ＥＧＲ導入管路を的確に補強することができる。

（Ａ）は実施形態の正面図、（Ｂ）はステーを表示した状態での（Ａ）のＢ−Ｂ視断面図である。側面図である。（Ａ）は平面図、（Ｂ）は部分的な側面図、（Ｃ）は図２のIIIC-IIIC 視断面図である。（Ａ）は要部の正面図、（Ｂ）は要部の破断正面図、（Ｃ）と（Ｂ）のＣ−Ｃ視断面図、（Ｄ）は（Ｂ）の矢印Ｄの方向から見た補強部材の図、（Ｅ）は分離斜視図である。

次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は車両用内燃機関に適用している。以下の説明では方向を特定するため上下・左右・前後の文言を使用するが、上下は鉛直線の方向であり、前後はクランク軸及びシリンダボアに対して直交した方向であり、左右はクランク軸の長手方向である。前後・左右は運転者を基準にした方向でもある。

(1).概要
本実施形態の内燃機関は、シリンダブロック１とその上面に固定されたシリンダヘッド２とを有する機関本体を備えており、機関本体は、クランク軸（図示せず）を左右長手の姿勢にした横向きで車両に搭載されている。本実施形態の内燃機関は３気筒であり、シリンダヘッド２の前面２ａに、３つの排気ポート３が左右に並んで開口していると共に、排気ポート３に連通した排気マニホールド４が固定されている。敢えて述べる必要はないが、シリンダヘッド２の後面には、吸気ポートが開口していると共に吸気マニホールドが固定されている。

内燃機関は３気筒であるので、排気マニホールド４は３つの枝管５とこれらに連通した集合管６とを有している。集合管６は下向きに開口しており、これに触媒ケース７が溶接されている。また、排気マニホールド４は各枝管５の入口部に繋がったフランジ８を備えており、フランジ８がボルト（図示せず）でシリンダヘッド１に固定されている。図１に示す符号９は、ボルトが挿通される取り付け穴である。集合管６は図１において排気マニホールド４の左右中間位置から右側にずらして配置しているが、左側にずらしてもよいし、左右中間部に設けてもよい。

触媒ケース７は排気系の一部を構成するものであり、その内部には三元触媒が配置されている。また、触媒ケース７は、上端部を段付き状縮径部７ａと成して下端部を下窄まりの下テーパ部７ｂと成した円筒形態であり、下テーパ部７ｂに下向きの継手管１０を溶接し、継手管１０の上下中途部に金属板製の支持ブラケット１１を溶接で固定している。継手管１０には排気管１２が下方から接続されている。排気管１２も排気系を構成している。排気マニホールド４の集合管６には、センサ取り付け座１３を設けている。

支持ブラケット１１は継手管１０を横切る形態で水平に近い状態で広がっており、その一端（図１で左側の端）に、正面視では触媒ケース７と反対側に傾斜して側面視では後傾した立ち上がり部１１ａを曲げ形成している。立ち上がり部１１ａは、シリンダブロック１にボルトで固定されたステー１４に固定されている。

従って、触媒ケース７は支持ブラケット１１及びステー１４を介してシリンダブロック１で支持されている。支持ブラケット１１の固定手段としては、ステー１４に前向き突設したスタッドボルト１５にナット１６をねじ込んでいるが、頭付きボルトとナットとを使用したり、ボルトをステー１４にねじ込むなどしてもよい。

触媒ケース７は排気系部材の一例であり、この触媒ケース７における下テーパ部７ｂのうち支持ブラケット１１の立ち上がり部１１ａと反対側の外周面に、ＥＧＲメインパイプ１８を内蔵したＥＧＲクーラ１７が、Ｌ形パイプ１９及びボス体２０を介して接続されている。ボス体２０とＬ形パイプ１９とＥＧＲメインパイプ１８とは、いずれもＥＧＲ導入管路を構成している。

ＥＧＲメインパイプ１８の上端には、シリンダヘッド２の方向に向いておおまかには前後方向に長いジョイント管２１が接続されており、ジョイント管２１は、フランジ板２２を介してシリンダヘッド２の前面２ａにボルト（図示せず）で固定されている。

ジョイント管２１もＥＧＲ導入管路の一部であり、ジョイント管２１がＥＧＲ導入管路の下流部を構成している。更に、ジョイント管２１は、請求項に記載したパイプ材の一例である。フランジ板２２は、ＥＧＲ導入管路の終端の接合部を構成している。フランジ板２２は上下方向に長い形態であり、上端部と下端部とがボルト（図示せず）でシリンダヘッド２に固定されている。

ジョイント管２１のうちフランジ板２２に固定された先端部は、フランジ板２２にロウ付けで固定された補強部材２３で上から押え保持されている。図示は省略するが、シリンダヘッド２の右端部にはジョイント管２１に連通したＥＧＲ通路が形成されており、ＥＧＲ通路に流入した排気ガスは、ＥＧＲバルブ（図示せず）を介して吸気系に還流する。

(2).ＥＧＲ装置関連要素の全体構成
上記のとおり、ＥＧＲクーラ１７及びＥＧＲメインパイプ１８は、図１の状態で触媒ケース７の右に位置しており、正面視では触媒ケース７と略平行で側面視では少し後傾した姿勢になっている。また、触媒ケース７に対する取り付け位置は、図３に示すように、触媒ケース７の軸心を通ってシリンダヘッド２の前面２ａと平行な線Ｘよりも手前に位置している。すなわち、触媒ケース７の真横の部分よりも少し手前の位置に接合されている。

排気マニホールド４と触媒ケース７とは、インシュレータ（図示せず）で手前側から覆われるようになっている。そこで、排気マニホールド４の上端の２カ所と触媒ケース７の１カ所とＥＧＲクーラ１７の後面の２カ所とに、インシュレータを固定するための取り付け片２５を溶接で固定している。インシュレータの右端は、触媒ケース７とＥＧＲクーラ１７との間の空間に向けて延びている。

ＥＧＲメインパイプ１８はＥＧＲクーラ１７に内蔵されている。従って、形式的にはＥＧＲメインパイプ１８はＥＧＲクーラ１７の一部のような外観を呈している。図３（Ｃ）に示すように、ＥＧＲメインパイプ１８は、横断面花びら状のフィン管１８ａを鞘管１８ｂで覆った形態を成しており、鞘管１８ｂとＥＧＲクーラ１７との間の空間に冷却水が通る。Ｌ形パイプ１９とジョイント管２１とは、鞘管１８ｂの縮外径１８ｂ′に接続されている。

ＥＧＲクーラ１７は水冷方式であり、そこで、例えば図１のとおり、ＥＧＲクーラ１７には、冷却水導入管２６と冷却水排出管２７とが接続されている。本実施形態では、冷却水導入管２６はＥＧＲクーラ１７の下端部背面に接続して、冷却水排出管２７はＥＧＲクーラ１７の上端部前面に接続している。

冷却水導入管２６及び冷却水排出管２７の先端部には、軟質材製チューブ（ホース）２８が外から嵌め込まれる。冷却水導入管２６はその長さが長いので、先端側の上向き傾斜部２６ａに固定片２９を溶接又はロウ付けで固定し、固定片２９を支持ブラケット１１の立ち上がり部１１ａにボルト３０で固定している。図２に示すように、冷却水導入管２６の付け根部は、ＥＧＲクーラ１７に溶接で固定した吊支ブラケット３１で下方から支持されている。

(3).シリンダヘッドに対する取り付け構造
次に、フランジ板２２を使用した接合構造を、主として図４を参照して説明する。フランジ板２２は概ね上下長手の形態であり、上端部と下端部とにボルトが嵌まる取り付け穴３０が左右にずれた状態で空いており、上下中間部には、ジョイント管２１の終端部２１ａが嵌まる支持穴３１が空いている。フランジ板２２は請求項に記載した支持部材の一例である。

図３（Ａ）のとおり、ジョイント管２１の上部は、大まかには平面視で排気マニホールド４に向けて凹のく字形に曲がっているが、フランジ板２２に嵌まっている終端２１ａはシリンダヘッド３の前面２ａと直交していることから、補強部材２３の近傍に位置した終端部２１ｂ（請求項に記載した一端部）は、平面視で排気マニホールド４に向けて凸のく字形に曲がっている。図４（Ｃ）のとおり、ジョイント管２１のうちフランジ板２２に嵌まっている終端は拡径されており、フランジ板２２にはロウ付けされている。

補強部材２３はステンレス板のような金属板製であり、ジョイント管２１の終端部２１ｂにほぼ上から重なる接合部３２と、接合部３２に繋がった左右の脚部３３，３４とを有しており、門形を成している。正確には、接合部３２はその左右中間部がジョイント管２１に当たるように左右方向の広がりを持っており、その左右両端に脚部３３，３４が一体に繋がっている。

接合部３２はジョイント管２１の終端部２１ｂに数十度の角度範囲で重なっており、従って、左右中間部はジョイント管２１に向けて凹の状態の円弧になっている。また、接合部３２の左右中間部は、平面視では手前に向けて突出した山形になっている。接合部３２を山形に形成しているのは、終端部２１ｂのなるべく手前を支えて上向きの倒れを阻止するためである。接合部３２は、その全体がジョイント管２１の終端部２１ｂにロウ付けされている。接合部３２には上下に貫通した小穴３５を空いており、この小穴３５の箇所でもロウ付けしている。

脚部３３，３４は、正面視では、接合部３２から離れるに従って互いの間隔が拡がる逆ハ字形を成しており、このため、補強部材２３は正面視で略Ｗ字形なっている。左右の脚部３３，３４は、上下の取り付け穴３０の中心を結ぶ線３５に対しては概ね左右対象に形状になっているが、ＥＧＲクーラ１７の軸心と平行な線（ほぼ鉛直線）３６に対しては、左側の脚部３３との角度θ１が右側の脚部３４との角度θ２より大きくなっている。θ２は０に近い角度になっている。いずれにしても、左右脚部３３，３４は単純な板状の形態であるので、上向きの曲がり上向きの曲がりも同じ割合で弾性変形及び塑性変形し得る。

左右脚部３３，３４の基端には、フランジ板２２に重なる重合片３３ａ，３４ａを設けており、重合片３３ａ，３４ａがフランジ板２２にロウ付けされている。この場合、フランジ板２２に、重合片３３ａ，３４ａが入り込む段落ち凹所３６を形成し、重合片３３ａ，３４ａは段落ち凹所３６の底面にロウ付けしている。このように構成すると、ロウ付けに際して、溶けたロウが重合片３３ａ，３４ａの外側やフランジ板２２の外側に流れ出ることを防止できる。重合片３３ａ，３４ａは、脚部３３，３４の下端から下側（ジョイント管２１の先端２１ａの側）に延びている。

触媒ケース７は最も高温になるため熱膨張の量も大きく、このため、図２や図３（Ｂ）等に白抜き矢印Ｆ１で示すように、触媒ケース７の熱膨張によってＥＧＲクーラ１７が下向きに引っ張られる。そこで、例えば図３（Ｂ）に誇張して示すように、シリンダヘッド２の前面の２ａのうちフランジ板２２が固定されている部分２ａ′を僅かに前傾させている。

すると、ジョイント管２１は下向き動不能の状態で上から押された状態になるため、図４に矢印Ｆ２に示すように、ジョイント管２１の終端部２１ｂは上向き移動しようとしており、従って、ジョイント管２１の終端部２１ｂには上向きに倒そうとする負荷が掛かっている。つまり、ジョイント管２１の終端部２１ｂには、終端２１ａを支点にして上向き回動させられるようなプリテンションがかかっている。

そして、触媒ケース７が熱膨張するとＥＧＲクーラ１７も下向きに引っ張られ、これに伴ってジョイント管２１には矢印Ｆ３で示すように下向きの力が作用するため、ジョイント管２１の終端部２１ｂは図４（Ａ）にｅで示すストロークだけ下降動するが（厳密には下降量は触媒ケース７の温度に比例する。）、補強部材２３が弾性変形して接合部３２が下降動するストロークをｅより小さい寸法に設定している。つまり、接合部３２が補強部材２３の弾性変形限度を超えて上下動するように設定している。

従って、機関の運転開始後は、触媒ケース７の熱膨張により、ジョイント管２１の終端部２１ｂは当初は高さはたいして変化せずに上向きに押される力Ｆ２が徐々に低下して、やがて、Ｆ２が０になると終端部２１ｂは自由状態になり、次いで、終端部２１ｂは補強部材２３を弾性変形させながら下向き回動に転じていき、補強部材２３の弾性限度を超えると、補強部材２３（特に脚部３３，３４）を塑性変形させながら下向き回動していく。

そして、機関の運転停止に伴って触媒ケース７の温度が下がって行くと、触媒ケース７の収縮によってジョイント管２１の終端部２１ｂは補強部材２３を弾性変形させながら上向きに押されていき、補強部材２３が弾性限度を超えると塑性変形させながら更に上向き回動していく。

この終端部２１ｂの上向き回動は、ジョイント管２１に作用しているプリテンションの力が加算された状態で行われ、触媒ケース７が冷え切ると、触媒ケース７による押し上げ力はゼロになって、プリテンションによる押し上げ力のみが残る。この状態では、補強部材２３は、下向き引っ張りに伴う下向きの曲がりによる塑性変形と上向き押し上げに伴う上向きの曲がりによる塑性変形とが相殺されて、元のニュートラル状態に戻っている。

機関を運転・運転停止するたびに上記の作用が生じて、補強部材２３は、弾性変形→塑性変形→弾性変形→塑性変形、というサイクルが繰り返される。従って、ジョイント管２１の補強機能には経時的な変化はない。また、補強部材２３を過度に頑丈な構造にするのではなく、補強部材２３自体も塑性変形させるものであるため、応力を補強部材２３とジョイント管２１とに分散させて、ジョイント管２１及び補強部材２３の破断を防止できるのである。

実施形態のように補強部材２３の脚部３３，３４を板状の構造にすると、適度の弾性変形と塑性変形とを確保できて好適である。また、ジョイント管２１の上側に配置するだけで足りるため、コンパクト化できる利点もある。

更に、ジョイント管２１の終端部２１ｂが補強部材２３における左右脚部３３，３４の間において接合部３２に固定されているため、ジョイント管２１の終端部２１ｂに対する負荷Ｆ２，Ｆ３は左右の脚部３３，３４の間（ほぼ左右中間部）で終端部２１ｂと補強部材２３とに作用している。このため、負荷Ｆ２，Ｆ３によって左右の脚部３３，３４にかかる力を均等化して、高い耐久性を確保できる。

補強部材２３の接合部３２はジョイント管２１の終端部２１ｂにロウ付けしたが、例えば補強部材２３の接合部３２を正面Ｕ形に形成しておいてから、かしめることでジョイント管２１の終端部２１ｂに接合することも可能である。或いは、バンドなどの固定具で一体化することも可能である。

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、ＥＧＲ導入管路に適用する場合、ＥＧＲ導入管路の始端の接合対象は触媒ケースである必然性はなく、単なる排気管や排気マニホールドに接続することも可能である。排気ターボ過給機に接続することも可能である。また、本願発明は、排気系や吸気系、冷却系配管などの他の配管装置に適用することも可能である。また、本願発明は交番荷重がかかるパイプ材に広く適用できる。

本願発明は、内燃機関に実際に具体化できる。従って、産業上利用できる。

２シリンダヘッド
２ａシリンダヘッドの前面
４排気マニホールド
７排気系部材の一例としての触媒ケース
１７ＥＧＲクーラ
１８ＥＧＲ導入管路を構成するＥＧＲメインパイプ
２１ＥＧＲ導入管路の下流部を構成してパイプ材の一例であるジョイント管
２１ａジョイント管の終端
２１ｂジョイント管の終端部
２２支持部材の一例としてのフランジ板
２３補強部材
３１支持穴
３２接合部
３３，３４脚部
３６段落ち凹所

Claims

一端部が支持部材に固定された金属製パイプ材と、前記パイプ材が負荷によって倒れることを抑制するため前記支持部材に固定された金属製の補強部材とを備えており、前記パイプ材の一端部は前記支持部材の表面から略直立しており、前記パイプ材の一端部に、一方方向に倒そうとする負荷と他方方向に倒そうとする負荷とが交互に作用しており、このため前記パイプ材の一端部は前記負荷の作用方向の変化に伴って一方方向と他方方向とに往復回動する構成であって、
前記補強部材は、前記支持部材から立ち上がった脚部と、前記脚部の先端に一体に設けられていて前記パイプ材に固定された接合部とを有しており、前記パイプ材の回動による前記接合部が移動ストロークを前記補強部材の弾性変形の許容限度を超えた大きさとすることにより、前記パイプ材の往復回動によって前記補強部材が弾性変形と塑性変形とを繰り返すようになっている、
内燃機関の配管装置。