JP3558713B2

JP3558713B2 - 内燃機関の排気マニホルドのフランジ

Info

Publication number: JP3558713B2
Application number: JP00803295A
Authority: JP
Inventors: ジョナサン・エイチ・ローブ; グレン・エル・ベイカー
Original assignee: Cummins Engine Co Inc
Current assignee: Cummins Inc
Priority date: 1994-01-21
Filing date: 1995-01-23
Publication date: 2004-08-25
Anticipated expiration: 2019-08-25
Also published as: JPH07217438A; US5406795A; EP0664385A1; EP0664385B1; DE69530241D1; DE69530241T2

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、概ね内燃機関に関し、特に、ターボ過給機の排気マニホルドとのフランジ式接続部の耐久性を増すことに関する。
【０００２】
【従来の技術】
多シリンダのインライン形エンジンにおいて、排気マニホルドは、ターボ過給機が取り付けられるフランジを有している。エンジンの両端からの排気通路は、フランジに向けて合流するが、その両端からターボ過給機への排気の流れを案内し且つ促進するため、そのフランジ付近のマニホルド領域内には、仕切り壁が設けられている。同様に、ケーシングの排気入口フランジがタービンへのガスの流れ方向に対する作用の点で望ましいと考えられる仕切り壁を有するターボ過給機もある。かかる場合、ケーシングのフランジが取り付けられる排気マニホルドフランジ、及びターボ過給機のケーシングフランジとマニホルドフランジとの間のガスケットも又、係合する取り付けフランジに仕切り壁を備えることが望ましい。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の構造の場合、長時間の使用後、ターボ過給機のケーシングのフランジの仕切り壁、及びマニホルドフランジの仕切り壁に亀裂が生じる。この亀裂は、その何れも排気温度の変化を伴う、エンジンの暖気、又は出力の変化に耐えるときに生じる熱応力の結果であると考えられる。従って、ターボ過給機のマニホルドフランジの耐久性を増すことが必要となっている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の典型的な実施例について簡単に説明すると、内燃機関の排気マニホルドの出口フランジには、排気をターボ過給機の入口に排出する少なくとも２つのポートが設けられている。これらの２つのポートは、共通の仕切り壁を有する。そのポートの各々は、フランジに略台形のポート断面形状を形成する方法にて、共通の仕切り壁から外側壁に向けて拡がる２つの壁を有している。フランジの面における共通の仕切り壁の長さは、台形の他の３つの壁の何れよりも短い。共通の仕切り壁の各端部の半径は、共通の仕切り壁から隣接の直線状拡がり壁に合流する小さい半径であり、この箇所にて、熱応力は、直線状壁の全長に沿って分配され、応力の集中を回避する。ターボ過給機のケーシング排気入口フランジは、排気マニホルドフランジと同一形状をしており、これらの２つのフランジは、ガス流動ポートが互いに整合する状態にて互いにボルト止めされている。
【０００５】
【実施例】
本発明の原理の理解を促進する目的のため、図面に示した実施例について説明するが、この説明のために、特別な用語を使用する。しかしながら、これにより、本発明の範囲を限定しようとするものではなく、説明する装置のかかる変更及び更なる応用例、並びに本明細書に記載した本発明の原理の更なる応用は、本発明が関係する分野の当業者によって通常、案出されるものである。
【０００６】
次に、図１を参照すると、シリンダブロック１２と、シリンダヘッド１３と、吸気マニホルド１４と、排気マニホルド１６と、ターボ過給機１７とを有する内燃ディーゼル機関１１が示してある。その内部のタービンへのターボ過給機のケーシングの吸気通路１８は、排気マニホルドフランジ２１上に取り付けた取り付けフランジ１９を有し、これらのフランジの間には、ガスケット２２が設けられている。これらのフランジは、ボルト２３によって互いに保持されている。ターボ過給機の出口２４は、インタークーラ（図示せず）を介して吸気マニホルド１４の入口２６に配管接続されている。吸気マニホルドの他端は、フランジ２７によってシリンダヘッド１３に取り付けられている。同様に、排気マニホルド１６は、フランジ２８によってシリンダヘッドの反対側部に取り付けられている。この適用例の目的上、特に対象となるフランジは、ターボ過給機を排気マニホルドに締結するためのフランジ１９、２１である。
【０００７】
図２には、従来技術の排気マニホルドの出口フランジ面３１の形状が示してある。該フランジは、排気を排気マニホルドからターボ過給機（図示せず）内に導入するのに有用であると考えられる略矩形のポート３２、３３と、仕切り壁３４とを備えている。これらのポート３２、３３は同一であり、共通の中央の仕切り壁３４により仕切られている。面３１の平面に関し、及び互いに関して垂直である直交平面３０、３５に関してフランジ面３１を考えた場合、該フランジ面３１は、双方の平面の周りで対称である。直交平面３５の左側のポート３２は、Ｄ字形をしている。ポート３３はその鏡像である。相当な使用期間の後、領域３６の一つ又はより多くの領域に亀裂が生じた。
【０００８】
次に、図３を参照すると、本発明の排気マニホルドの出口フランジは、互いに関して及びフランジの面４３の平面に関して垂直である２つの平面４１、４２に関して対称である。平面４２の右側のフランジ部分は、平面４２の左側のフランジ部分の鏡像である。同様に、平面４１の上方部分は、平面４１の下方部分の鏡像である。ターボ過給機は、渦巻き状に３６０°、フランジから伸長し、又、両側部にて長さ約５ｃｍ、ケーシング１８内に接続された、中央の案内壁４５（図４）を有する二入口型のものである。後方の３つのシリンダに対する排気マニホルドの後方部分及び前方の３つのシリンダに対する排気マニホルドの前面部分は、ターボ過給機ケーシングの入口フランジ１９の中央の案内壁４５と整合したフランジ２１にて中央の仕切り壁４４内に合流し、又、フランジ２１内への排気通路を互いに鏡像であり且つ共通の仕切り壁４４を共有する２つのポート４６、４７に仕切っている。所望であるように、これらのポート４６、４７が同一のエンジンに作用するならば、これらのポートの面積は、従来技術（図２）のフランジのポート３２、３３の面積に少なくとも等しいことが重要である。しかし、この形態は、寿命の点で著しく差がある。この実施例において、ポート４６に面する仕切り壁４４の部分は、半径が７ｍｍ以下で且つ／又はポートの外周の８％以下の長さである内側遷移壁４８、４９にて合流し、直線状壁５１、５２となり、これらの直線状壁５１、５２は、中央の仕切り壁４４から半径方向外方に伸長するに伴い、３０°乃至３５°の台形角度Ａにて、平面４１に対して平行な面から拡がる。これらの直線状壁５１、５２は、直線状壁５２に対する箇所５３のような滑らかに湾曲する外側遷移壁にて合流し、中間の直線状壁５４となり、該直線状壁５４は、箇所５６にて、仕切り壁４４に対して平行な直線状壁５７に合流する。フランジ及び該フランジを貫通するポートの四半体の形状（平面４１、４２に関する形状）は、上述の四半体の形状と同一、又はその鏡像である。そのため、各ポートは、平面の四半体か、又はその全体であると見なすかどうかに関係なく、台形の形状となる。
【０００９】
フランジの離れた４つのコーナ部分には、４つのボルト穴５８があり、また、これらのボルト穴上に中心がある十分なねじ締め隙間を提供する必要があるため、マニホルド及びターボ過給機のフランジが小さい小型のエンジンの場合、中間の直線状壁５４は、望ましくは、ボルト穴５８を中心とする円５９に正接する位置にあることが特に、重要である。４つのボルト穴の全てに対して同一のポート壁の関係が設定される。
【００１０】
本発明のフランジの形状のため、共通の仕切り壁４４を有する対のポート４６、４７は、蝶ネクタイに類似したものとなる。この形状は、これらのポートが図２の従来技術のフランジと同一の間隔を有するボルト穴５８の関係を保ちつつ、図２の従来技術のフランジと同一の面積を有することを可能にする。フランジにの周囲の締付け材料の熱慣性及び剛性を軽減し、一時的な変化に対する応答性を増し、熱応力の配分を適当にし、また、応力を低下させため、更に、例えば、図３の位置Ｂ、Ｃにおけるように、ポートの寸法及びガスケットの密封幅を十分にするため、側部は、箇所Ｄ及びＥにてスカラップ状に形成されている。一例として、平面４２に対して垂直に測定したボルト穴間の距離が１２７ｍｍであり、平面４１に対して垂直に測定したボルト穴間の距離が８５．８ｍｍである場合、箇所Ｆにおけるスカラップ側部の厚さは、１１．１ｍｍであり、箇所Ｅにおいて、Ｒ＝３５ｍｍからＧにおける厚さ＝１５ｍｍとなる。上述のように、２つのフランジの間には、ガスケットがある。典型的に、このガスケットは、ステンレス鋼製であり、対のポート４６、４７の周囲の片面には、小さいビードが形成されている。ガスケット、及び該ガスケットに係合するターボ過給機の入口フランジ面（図４）の形状は、マニホルドの排気出口フランジ面の形態及びポートと同一であるが、ガスケットには、フランジ壁４４、４５の位置に仕切り壁が存在しない点が異なる。図３の箇所Ｂ及びＣにおける好適なガスケットの最小密封幅は、１３ｍｍである。所望の最小のねじ締め隙間半径ＷＣＲは２１．８ｍｍである。
【００１１】
図２及び図３の図面を比較すると、これらの図面は、縮尺通りではないが、本発明によるフランジの仕切り壁４４の長さＬは、従来技術のフランジの中央の仕切り壁３４の長さよりも遥かに短いことが分かる。この長さは、フランジ面４３におけるポート４７の全内周の１５．５％以上でないことが望ましい。また、台形の角度Ａにおける直線状壁５２の長さがポート４６の全内周の少なくとも２２．０％であり、また、湾曲した遷移壁４９の長さがポート４６の全内周の８％、又はそれ以下であることが望ましい。また、台形の角度Ａは、少なくとも３０°であることが望ましい。図４には、ターボ過給機ケーシング１８の排気入口フランジ１９が示してある。この形態は、図３のものと同一であり、そのポート及び穴は、図３のポート及び穴と整合している。これらのフランジ２１、１９の面は平坦である。ターボ過給機ハウジングのフランジ及びマニホルドのフランジの双方の材料は、ダクタイル鉄である。
【００１２】
【発明の効果】
従来技術のＤ字形のポートから本発明の台形のポート形状に変更することは、そのポートの面積を最大にする一方で、これらのポートの間の中央の仕切り壁の長さを最小にする。従来技術の箇所６１（図２）における中央の仕切り壁の合流半径４９（図３）の寸法を小さくすることにより、熱応力の集中箇所は、下方の応力領域に移動する。その結果、熱応力は、台形の長い直線状の外側壁５１、５２に沿って分配され、応力の集中が最小となる。このように、本発明は、次の利点がある。
【００１３】
１．ポートの必要とされる断面積を維持する。
【００１４】
２．金具を取り付けるためのねじ締め隙間を維持する。
【００１５】
３．亀裂を生じさせる種類の一時的な熱応力を最小にする。
【００１６】
４．現在のボルトパターン寸法を維持する。
【００１７】
５．構成要素のコスト及び複雑さを最小にする。
【００１８】
６．この接続部を密封するガスケットの十分な幅を維持する。
【００１９】
各ポートの拡がり壁５１から拡がり壁５２まで外側壁に２つの領域の間に合流部分５６を設けて、符号５４、５７で示すような２つの直線状部分を使用することでこのポートの面積が好適なものになることが認識されよう。これらの領域に湾曲壁を使用し、また、本発明によるその利点が得られる略台形のポートを提供することも可能である。その何れの場合でも、共通の仕切り壁の長さＬは、拡がり壁５１、５２の端部間の外側壁の長さの１／２よりも短い。
【００２０】
図面及び上記の説明にて本発明を詳細に記述したが、これは、単に一例であって、限定的なものではなく、好適な実施例のみを示し且つ記載したものであり、本発明の精神に含まれる全ての変更及び応用例は、保護の対象に含めることを希望するものであることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】排気マニホルド、ターボ過給機、及び吸気マニホルドを備えるディーゼルエンジンの概略図的な後端面図である。
【図２】従来技術のターボ過給機ケースの取り付けフランジの形状を示す正面図である。
【図３】本発明による排気マニホルド出口フランジ接続部の正面図である。
【図４】本発明によるターボ過給機入口フランジの正面図である。
【図５】排気マニホルドに固着されたターボ過給機を示すエンジンの概略図的な側面図である。
【図６】排気マニホルド前面部分及び後方部分からターボ過給機の取り付けフランジ内に達する出口通路を示すために切り欠いた、排気マニホルド壁の一部のより大きい縮尺による概略図的な立面図である。
【符号の説明】
１１内燃ディーゼル機関１２シリンダブロック
１３シリンダヘッド１４吸気マニホルド
１６排気マニホルド１７ターボ過給機
１８ケーシング
１９ターボ過給機ケース取り付けフランジ
２１排気マニホルドフランジ２２ガスケット
２３ボルト２４ターボ過給機の出口
２６吸気マニホルドの入口２７、２８フランジ
３０、３５直交平面３１フランジ面
３２、３３ポート３４仕切り壁
３６領域４１、４２平面
４３フランジ面４４仕切り壁
４５案内壁４６、４７ポート
４８、４９遷移壁５１、５２直線状壁
５４中間の直線状壁

Claims

ターボ過給機のケーシング入口フランジを受ける、内燃機関の排気マニホルドのフランジ（２１）にして、
矩形の四隅に位置する４つのコーナ部分及び該コーナ部分の内側に位置する２つの排気ポート（４６，４７）を備え、該排気ポートが、共通の仕切り壁（４４）を有し、該排気ポートの各々が、前記仕切り壁から２つの前記コーナ部分に向けて略直線状に外方に伸長する２つの壁（５１，５２）を有し、該排気ポートの各々が、前記仕切り壁に対して略平行に伸長する外側壁（５７）を有し、これにより、前記排気ポートの各々が略台形の形状であるようにしたことを特徴とするフランジ。
請求項１に記載のフランジにして、前記排気ポートの各々に対して、
前記仕切り壁と前記２つの外方に伸長する壁との間にある遷移壁（４８，４９）と、前記外方に伸長する壁と前記外側壁との間にある遷移壁（５３，５４）とを備えることを特徴とするフランジ。
請求項２に記載のフランジにして、
前記仕切り壁の長さが、前記遷移壁を除く前記ポートのその他の何れの壁の長さよりも短いことを特徴とするフランジ。
請求項２に記載のフランジにして、
前記仕切り壁と前記外方に伸長する壁との間の前記遷移壁の各々が、７ｍｍ以下の少なくとも一つの半径を有することを特徴とするフランジ。
請求項２に記載のフランジにして、
前記仕切り壁と外方に伸長する壁との間の前記遷移壁の各々が、前記ポートの内周の８％を越えない長さを有することを特徴とするフランジ。
請求項５に記載のフランジにして、
前記外方に伸長する壁と前記外側壁との間の遷移壁の各々が、長さの短い直線状部分（５４）と、該長さの短い直線状部分の各端にある湾曲部分（５３）とを備え、前記２つの排気ポートが互いに関して鏡像であることを特徴とするフランジ。
ターボ過給機ケーシングの排気入口フランジ（１９）にして、前記フランジが、請求項１に記載の排気マニホルドフランジの排気ポートに一致する排気入口ポートを備え、
前記排気入口フランジが、前記排気マニホルドフランジに締結され、
該排気入口フランジの排気入口ポートが、前記排気マニホルドフランジの前記排気ポートと整合していることを特徴とするフランジ。
請求項７に記載のフランジにして、
前記ターボ過給機の排気入口ポートが、一つの端面を有し、該端面は、該端面に対して垂直で且つ仕切り壁を含む第一の平面（４２）の周りで対称であり、
前記端面が、該端面に対して垂直で且つ前記仕切り壁に対して垂直であり、前記仕切り壁を二等分する第二の平面（４１）の周りで対称であることを特徴とするフランジ。
ターボ過給機ケーシングの排気入口フランジにして、矩形の四隅に位置する４つのコーナ部分及び該コーナ部分の内側に位置する２つの排気入口ポートを備え、該排気入口ポートが、共通の仕切り壁を有し、該排気入口ポートの各々が、前記仕切り壁から２つの前記コーナ部分に向けて略直線状に外方に伸長する２つの壁を有し、該排気入口ポートの各々が、前記仕切り壁に対して略平行に伸長する外側壁を有し、これにより、前記排気入口ポートの各々が略台形の形状であるようにしたことを特徴とするフランジ。
請求項９に記載のフランジにして、前記排気入口ポートの各々に対して、
前記仕切り壁と前記２つの外方に伸長する壁との間にある遷移壁と、前記外方に伸長する壁と前記外側壁との間にある遷移壁とを更に備えることを特徴とするフランジ。
請求項１０に記載のフランジにして、
前記仕切り壁の長さが前記遷移壁を除く前記排気入口ポートのその他の何れの壁の長さよりも短いことを特徴とするフランジ。
請求項１０に記載のフランジにして、
前記仕切り壁と前記外方向に伸長する壁との間の前記遷移壁の各々が、７ｍｍ以下の少なくとも一つの半径にて湾曲していることを特徴とするフランジ。
請求項１２に記載のフランジにして、
前記仕切り壁と前記外方に伸長する壁との間の前記遷移壁の各々が、前記排気入口ポートの内周の８％を越えない長さを有することを特徴とするフランジ。
請求項１０に記載のフランジにして、
前記外方に伸長する壁と前記外側壁との間の遷移壁の各々が、長さの短い直線状部分と、該直線状部分の各端にある湾曲部分とを備え、
前記２つの排気入口ポートが互いに鏡像であることを特徴とするフランジ。
ターボ過給機の入口組み立て体に対する内燃機関の排気マニホルド出口にして、
矩形の四隅に位置する４つのコーナ部分及び該コーナ部分の内側に位置する２つの排気出口ポート（４６，４７）を備え、該排気出口ポートが、共通の仕切り壁（４４）を有し、該排気出口ポートの各々が、前記仕切り壁から２つの前記コーナ部分に向けて略直線状に外方に伸長する２つの壁（５１，５２）を有し、
該前記排気出口ポートの各々が、前記仕切り壁に対して略平行に伸長する外側壁（５７）を有し、これにより、前記排気出口ポートの各々が略台形の形状である排気マニホルド出口部分と、
前記排気マニホルド出口部分に取り付けられたターボ過給機の入口部分であって、前記排気マニホルド出口部分の前記排気出口ポートに整合し、前記排気出口ポートの形状に一致する略台形の形状を有する、２つの排気入口ポートを有するターボ過給機の入口部分とを備えることを特徴とする排気マニホルド出口。
請求項１５に記載の排気マニホルド出口にして、
前記出口又は入口部分の２つの前記ポートの各々の間における前記仕切り壁の長さが前記ポートの他の３つの壁の何れの長さよりも短いことを特徴とする排気マニホルド出口。
請求項１５に記載の排気マニホルド出口にして、
前記排気マニホルド出口部分が前記４つのコーナ部分の各々にボルト穴（５８）を有するフランジであり、
前記ターボ過給機の入口部分が、前記コーナ部分の各々にボルト穴を有するフランジであり、
前記ボルト穴に受け入れられたボルトが前記両フランジを共に締結することを特徴とする排気マニホルド出口。
請求項１７に記載の排気マニホルド出口にして、
前記フランジの間に狭持されたガスケット（２２）であって、前記フランジのポート（４６，４７）に整合し且つ前記フランジのポートと類似する形状を有するが、仕切り壁の無い単一のポートを有するガスケットを更に備えることを特徴とする排気マニホルド出口。
エンジンの排気マニホルドの出口フランジに取り付けられるターボ過給機ケーシングにして、
エンジンの排気マニホルドの出口フランジに接続するための締結具を受け入れる外側コーナ部分を有する、タービンの吸気通路の入口端面を備え、
前記端面の形状が、該端面に対して垂直な第一の平面（４２）に関して対称であり、また、前記端面及び前記第一の平面に対して垂直な第二の平面（４１）に関して対称であり、
前記端面に形成され且つ２対の拡がり壁（５１，５２）を有する排気入口ポート手段を備え、１対の前記拡がり壁（５１，５２）が、前記第一の平面の片側にて２つの前記コーナ部分に向けて、前記第二の平面に関して拡がり、他方の対の前記拡がり壁（５１，５２）が、前記第一の平面の反対側にて２つの前記コーナ部分に向けて、前記第二の平面に関して拡がることを特徴とするターボ過給機ケーシング。
請求項１９に記載のターボ過給機ケーシングにして、
前記端面にて前記ケーシングに設けられた中央の仕切り壁であって、前記第一の平面に位置し且つ前記排気入口ポート手段を２つの入口ポートに仕切る中央の仕切り壁を備え、これにより、該中央の仕切り壁が２つの前記入口ポートに共通するようにし、
前記１対の拡がり壁（５１，５２）が前記中央の仕切り壁の片側から伸長し、
前記他方の対の拡がり壁（５１，５２）が前記中央の仕切り壁の反対側から伸長することを特徴とするターボ過給機ケーシング。
請求項２０に記載のターボ過給機ケーシングにして、
前記対の拡がり壁（５１，５２）の各々が１２０乃至１２５°の角度にて前記共通の仕切り壁から伸長することを特徴とするターボ過給機ケーシング。
請求項２１に記載のターボ過給機ケーシングにして、
前記対の拡がり壁（５１，５２）の各々が前記入口ポートの内周の８％を越えない長さの遷移壁を介して、前記共通の仕切り壁の一端に接続することを特徴とするターボ過給機ケーシング。
請求項２２に記載のターボ過給機ケーシングにして、
前記入口ポートの各々が、前記対の拡がり壁（５１，５２）の外端の間を伸長し且つ前記共通の仕切り壁の２倍の長さを有する外側壁を備えることを特徴とするターボ過給機ケーシング。
請求項２３に記載のターボ過給機ケーシングにして、
前記共通の仕切り壁と一つの前記入口ポートの前記対の拡がり壁（５１，５２）、及び外側壁との組合せが前記入口ポートに対して略台形の形状を付与することを特徴とするターボ過給機ケーシング。
請求項２０に記載のターボ過給機ケーシングにして、
前記フランジの外周はスカラップ状の形状であり、その第一の湾曲部（Ｅ）が前記第二の平面（４１）の片側で前記第一の平面を横断し、その第二の湾曲部が前記第二の平面の反対側で前記第一の平面を横断することを特徴とするターボ過給機ケーシング。
請求項２５に記載のターボ過給機ケーシングにして、
前記湾曲部の中心が前記第一の平面内にあることを特徴とするターボ過給機ケーシング。
請求項２５に記載のターボ過給機ケーシングにして、
前記フランジ外周が前記湾曲部から前記コーナ部分まで伸長する直線状部分を備え、１対の前記直線状部分が前記第一の平面の片側にて前記湾曲部から前記コーナ部分まで伸長するに伴い、前記第二の平面に関して拡がり、他方の対の前記直線状部分が前記第一の平面の反対側にて、前記湾曲部から前記コーナ部分まで伸長するに伴い、前記第二の平面に関して拡がることを特徴とするターボ過給機ケーシング。