JP2015021443A - 内燃機関の配管装置 - Google Patents

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、パイプ材の倒れを阻止する補強部材をフランジ板にロウ付けすることを、割れや美感の悪化をもたらすことなく実現する。
【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は少し後傾しており、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。ジョイント管２１の終端部２１ｂは門型の補強部材２３で上から支持されており、補強部材２３の脚部３３，３４に設けた重合片３３ａ，３４ａは、フランジ板２２に形成した段落ち状の凹所３６にロウ付けされている。
【選択図】図４

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ガス導入管路にＥＧＲクーラを設けることも広く行われている。

ＥＧＲガス導入管路の始端は排気系部材に接続されて、ＥＧＲガス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ガス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ガス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ガス導入管路には排気系部材の熱膨張による外力等の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。触媒ケース７等の排気管は高温になって大きく熱膨張することから、ＥＧＲ導入管路も大きく引っ張られるため、ＥＧＲ導入管路の下流部には大きな曲げ力が作用している。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、ＥＧＲガス導入管路とフランジとの接合強度箇所に大きな応力が集中して、接合部又はその周辺部が破断するおそれもある。

この点については、ＥＧＲガス導入管路の倒れを阻止する補強部材をフランジにロウ付け又は溶接したらよいと云える。しかし、ロウ付け又は溶接するとフランジ板に反りが発生することがあるため、ボルトでフランジを例えばシリンダヘッドに締結すると、フランジ板がシリンダヘッドに密着しなくなったり、ボルト締結に伴う応力がロウ付け箇所又は溶接箇所に発生して、ロウ付け箇所や溶接箇所の縁部に割れが発生するおそれも懸念される。

また、ロウ付けは、一般に、ロウを所定箇所に配置してから加熱炉で溶融することで行われるが、フランジ板の僅かな傾き等により、ロウが接合箇所の外に流れ出て接合不良を発生させるおそれもある。

本願発明はこのような現状に鑑み成されたものであり、フランジ板に補強部材を設けた配管装置において、ロウ付けや溶接に伴う不具合を防止せんとするものである。

本願発明の配管装置は、金属製のパイプ材とその一端に固定されたフランジ板、及び、前記パイプ材の倒れを抑制する補強部材とを有しており、前記フランジ板にはボルトで締結するための取り付け穴が空いている一方、前記補強部材は前記フランジ板にロウ付け又は溶接している構成において、前記フランジ板のうち前記補強部材が重なる部分を段落ちして薄肉化した凹所に形成し、前記凹所に補強部材をロウ付け又は溶接している。

凹所の形態は補強部材の形状や大きさによって規定される。従って、実施形態のように凹所がフランジ板の外周まで及んでいる場合もあるし、凹所がフランジ板の外周の内側に位置していて、凹所の内周がループ形状になっている場合もある。凹所の数は複数の場合もあるし、１か箇所だけの場合も有り得る。

本願発明では、補強部材はフランジ板のうち強度が部分的に弱くなっている薄肉の凹所にロウ付け又は溶接されているため、補強部材の接合部に反り等が発生していても、ボルトでフランジ板を相手部材に締結すると、凹所が変形することで反り等が吸収され、フランジ板を全体にわたって相手材に密着させることができる。従って、補強部材を設けたことに起因してフランジ板の密着性が低下することを防止できる。

また、上記のとおり、フランジ板の凹所に反りが発生しても、ボルトによるフランジ板の締結に伴って凹所が全体的に変形するため、変形に伴う応力がロウ付け箇所や溶接箇所に集中することはなくて、割れや剥離の発生を防止できる。

更に、ロウ付けに際しては、凹所の内周が壁又は堰の役割を果たすため、ロウが接合部の外側に流れる出ることを防止して不良品の発生を防止できると共に、肉盛されたロウは凹所の内部に収まっているため、見栄えもよい。

（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ガス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ガス導入管路の一部であり、ジョイント管２１がＥＧＲガス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ガス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２１ａが嵌まる支持穴３１が空いている。

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、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２１ａ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当接部３２と、当接部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、当接部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、下側（ジョイント管２１の先端２１ａの側）に延びる重合片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が入り込む段落ちした凹所３６を形成し、重合片３３ａ，３４ａを凹所３６の底面に重ねてロウ付けしている。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。

また、ロウ付け箇所に反りが発生しても、フランジ板２２をボルトでシリンダヘッド２に締結すると、凹所３６の部分を変形させることにより、フランジ板２２の全体をシリンダヘッド２に密着させることができるが、凹所３６の部分は全体的に変形するため、変形に伴う応力がロウ付けの箇所に集中することはない。このため、割れの発生を防止できる。

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は当初は高さは大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、矢印Ｆ３のとおり、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。また、補強部材２３には左右脚部３３，３４の間において負荷Ｆ２，Ｆ３が作用するため、左右の脚部３３，３４を均等に変形させ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ガス導入管路に適用する場合、ＥＧＲガス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。実施形態のジョイント管にプリテンションを掛けていない場合は、ジョイント管を補強部材で下方から支持することも可能である。

本願発明は、内燃機関におけるＥＧＲ装置の導入管路に具体化できる。従って、産業上利用できる。

２ シリンダヘッド
２ａ ，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
１７ ＥＧＲクーラ
１８ ＥＧＲガス導入管路を構成するＥＧＲメインパイプ
２１ ＥＧＲガス導入管路の下流部を構成してパイプ材の一例を成すジョイント管
２１ａ ジョイント管の終端
２１ｂ ジョイント管の終端部
２２ フランジ板
２３ 補強部材
３０ 取り付け穴
３１ 支持穴
３２ 当接部
３３，３４ 脚部
３３ａ，３４ａ 脚部の重合片
３６ 段落ちした凹所

Claims (1)

1. 金属製のパイプ材とその一端に固定されたフランジ板、及び、前記パイプ材の倒れを抑制する補強部材とを有しており、前記フランジ板にはボルトで締結するための取り付け穴が空いている一方、前記補強部材は前記フランジ板にロウ付け又は溶接している構成であって、
   前記フランジ板のうち前記補強部材が重なる部分を段落ちして薄肉化した凹所に形成し、前記凹所に補強部材をロウ付け又は溶接している、
   内燃機関の配管装置。

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