JP4026572B2 - 内燃機関の吸気コレクタの製造方法およびこれに用いる中子 - Google Patents

Description

この発明は、Ｖ型内燃機関のような２つのコレクタ部を有する内燃機関の吸気コレクタの製造方法およびその鋳造の際に用いられる中子に関する。

例えばＶ型６気筒内燃機関においては、一方のバンクの＃１，＃３，＃５気筒と、他方のバンクの＃２，＃４，＃６気筒とで、吸気行程が重ならないことから、両バンクの吸気系を分離することにより低中速領域で大きな吸気動的効果を得ることができる。そして、高速高負荷域では、実質的な吸気管長を短くするように、左右バンクの容積室を互いに連通させることで、充填効率が向上することが知られている。

そのため、各バンク毎に一対の容積室を設け、かつ両容積室を連通する連絡通路に開閉弁を設けて、両者を機関運転条件に応じて連通もしくは分離させることができるようにした可変吸気装置が従来から種々提案されている。

特許文献１には、Ｖ型内燃機関の吸気コレクタとして、吸気入口を備えた中央の第１容積室の外側に、それぞれ各バンクに対応する一対の第２容積室を配置し、第１容積室の端部と第２容積室の端部とを共鳴通路部で接続するとともに、各第２容積室と中央の第１容積室との間に、偏平な板状弁体を用いたバルブユニットをそれぞれ配置した構成が開示されている。このものでは、左右両側に位置する第２容積室の外側から該第２容積室の下側を通って、各気筒のブランチ部がバンク間の中央部へと延びているが、このブランチ部の部分と上記の第１，第２容積室や共鳴通路部の部分とは別体に鋳造されている。
特開平１１−２９４１７１号公報

上記特許文献１に開示されている吸気装置では、第１，第２容積室や共鳴通路部は、一方の面が開口した形状に鋳造され、２つの部品を上下に合わせることで空間が構成されるようになっているとともに、容積室とブランチ部とは別部品として鋳造されているが、装置の小型化や構造の単純化のためには、これらをできるだけ一体に鋳造することが望ましい。

しかしながら、これらの容積室やブランチ部を、一体にかつ中空状に鋳造するためには、中子が大型かつ複雑な立体形状となるため、中子をいくつかの部分に分けて成形し、これらの部分を組み合わせて鋳型内にセットし、鋳造を行う必要がある。従って、中子の分割面に沿って吸気通路内にバリが突出し、吸気抵抗の増加を生じる、という問題がある。あるいは、後加工でバリの除去を行う必要がある。

この発明に係る製造方法が対象とする内燃機関の吸気コレクタは、左右両側にそれぞれ第１，第２コレクタ部を備えるとともに、各コレクタ部に複数本のブランチ部が接続され、かつ第１コレクタ部の前端部と第２コレクタ部の前端部とを接続するように左右に延びた連通管を有している。これらは、一体に鋳造されている。そして、連通管の長手方向の中間部に、少なくとも１つの開閉弁の弁体が配置されている。

本発明の製造方法では、上記第１，第２コレクタ部と上記ブランチ部と上記連通管とを構成する中子を、上記連通管に対応する部分で少なくとも２つに分割して成形するとともに互いに一体に組み合わせたものとし、特に、その分割面の位置を、上記弁体の位置に対応して設定してある。そして、上記中子を用いて各部一体に鋳造した後に、上記連通管の上記弁体の外周縁と接触する部分の内周面を、上記分割面位置を含め機械加工する。

上記のように中子を少なくとも２つに分割して成形することで、中子の形状の制約ひいては最終的に鋳造される吸気コレクタの中空形状の制約が少なくなる。

上記開閉弁は、いわゆるバタフライバルブ型の構成であり、板状の弁体が回動することにより連通管を開閉するが、この弁体を組み付ける箇所には、精度確保のために、必ず機械加工が必要である。つまり、コレクタ部内壁面や連通管内壁面の他の部位は、鋳肌のまま用いることができるが、弁体の外周縁と接触する部分は、所定寸法とするために、研削加工等の機械加工を施す必要がある。本発明では、開閉弁の弁体の位置に中子の分割面が設定されるので、鋳造後に、この分割面に沿って生じたバリは、上記の機械加工によって同時に除去される。なお、弁体に対する連通管内周面の機械加工は、ある範囲に亘ってなされるので、バリの発生位置となる上記の分割面が、その範囲内にあれば足り、弁体の位置と分割面位置とが厳密に一致する必要はない。

なお、分割した中子の各部分を、鋳型内にセットするときに、分割面同士が密接した状態に組み合わせて保持するようにしてもよいが、分割して成形された各部分を、上記分割面において、接着剤により予め接合し、一つの中子として取り扱うことができるようにすることが望ましい。

この発明によれば、第１，第２コレクタ部とブランチ部と連通管とを備えた吸気コレクタを中空状に一体鋳造することが可能となり、この種の吸気装置の小型化が図れる。そして、機械加工する箇所を最小限としつつ、中子分割面によるバリが残存しないようにでき、バリによる吸気抵抗の増加を回避できる。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

まず、初めに、本発明の製造方法によって得られる吸気コレクタの一実施例を説明する。図１〜図３は、Ｖ型６気筒内燃機関用の吸気装置の一例を示している。この吸気装置は、Ｖ型内燃機関のバンク間の上方に配置される偏平な箱状の吸気コレクタ１と、この吸気コレクタ１と各気筒の吸気ポートを接続する下部マニホルド２と、から大略構成されている。上記下部マニホルド２は、図１に示すように、吸気コレクタ１の中央部下面に取り付けられ、左右バンクのシリンダヘッド３，４がこの下部マニホルド２を介して吸気コレクタ１に接続されるようになっている。

上記吸気コレクタ１は、コレクタボディ１１を主体とし、その上面中央部に別体のコレクタカバー１２が取り付けられて構成されている。コレクタボディ１１およびコレクタカバー１２のそれぞれは、アルミニウム合金により一体に鋳造されている。図４および図５は、コレクタカバー１２を取り外したコレクタボディ１１の単体での構成を示している。

上記コレクタボディ１１は、左右両側に、それぞれ第１コレクタ部１３および第２コレクタ部１４を備えている。これらのコレクタ部１３，１４は、気筒列方向（前後方向）に細長い箱状をなしており、互いにほぼ平行に配置されているとともに、それぞれの互いに対向する内側面から互いに内側へ各３本のブランチ部１５が延びている。

これらの計６本のブランチ部１５は、図５に示すように、両コレクタ部１３，１４の間の領域において、互い違いに組み合わさるような形で並んで配置されており、かつそれぞれの先端部が、吸気コレクタ１の中央部に達している。各ブランチ部１５内の通路（ブランチ通路）は、吸気コレクタ１の下面中央部に突出して形成されたブランチ集合部１６の下面に、１列に並んで開口している。上記下部マニホルド２は、このブランチ集合部１６の下面に取り付けられ、各ブランチ通路を左右に振り分けて、シリンダヘッド３，４の吸気ポートに連通させている。この下部マニホルド２を介して、図１において左側のシリンダヘッド３（右バンク）の♯１，♯３，♯５気筒は、図右側のコレクタ部１３に接続され、図右側のシリンダヘッド４（左バンク）の♯２，♯４，♯６気筒は、図左側のコレクタ部１４に接続されている。

また、２つのコレクタ部１３，１４の間には、６本のブランチ部１５を連ねるように、コレクタ部１３，１４の下面の高さ位置に沿った底壁１７が一体に形成されているとともに、図４に示すように後部壁１８が一体に形成されており、これらのコレクタ部１３，１４と底壁１７と後部壁１８との内側に、容積室２１となる空間が形成されている。この容積室２１となる空間の上部には、コレクタ部１３，１４の上面の高さ位置にほぼ対応した一つの平面に沿って、ほぼ矩形をなす開口フランジ２２がボルトボス部２３とともに形成されており、ここに上記コレクタカバー１２が取り付けられている（図２、図３参照）。詳しくは、上記コレクタカバー１２の板状のカバー部４１が、液体ガスケット等の適宜なシール材を介して上記開口フランジ２２を覆っており、かつ上記ボルトボス部２３に螺合する複数本のボルト４２により結合されている。これによって、上記の底壁１７より上方の空間が、密閉された容積室２１となっている。

なお、上記容積室２１内には、図４、図５に示すように、コレクタボディ１１を下部マニホルド２に固定するためのボルトが貫通する円筒状のボス部２５が、ブランチ部１５の肉と部分的に連続した形で、６箇所に形成されている。これらのボス部２５に配置される図示せぬボルトは、コレクタカバー１２を取り付ける前に、容積室２１側から締付作業がなされる。

上記第１，第２コレクタ部１３，１４の後端部には、それぞれ首部１３ａ，１４ａを介して吸気入口２７，２８が設けられている。これらの吸気入口２７，２８は、互いに内側を向くように斜めに傾けて形成されており、矩形のフランジ２９，３０をそれぞれ備えている。

また、コレクタボディ１１の前端部には、左右に延びた円筒状の連通管５１が設けられている。この連通管５１は、第１，第２コレクタ部１３，１４等と一体に鋳造されたもので、図６に内部構造を示すように、その両端部が、窓状の開口部５２を通して、第１，第２コレクタ部１３，１４の前端部にそれぞれ接続されている。また、この連通管５１の長手方向の中間部は、同じく窓状の開口部５３を通して、コレクタ部１３，１４の間の容積室２１に開放されている。つまり、実質的に容積室２１と一体の室となっている。そして、この連通管５１内部を、上記開口部５２と上記開口部５３との間の位置において遮断するように、バタフライバルブ型の弁体５５を備えた開閉弁５４が、連通管５１の左右にそれぞれ設けられている。ここで、上記弁体５５の周縁が開閉の際に接触する連通管５１の要部の内周面５１ａは、鋳造後、部分的に機械加工されている。上記連通管５１の断面形状は、真円形に近い長円形をなしており、従って、弁体５５の外形状も、同様の長円形をなしている。また、連通管５１の両端は、上記の機械加工や弁体５５の組立のために、開放された形に鋳造されており、最終的に別体のエンドプレート５７をそれぞれ取り付けることによって閉塞されている。

上記開閉弁５４は、図２等に示すように、ブラケット６１を介して支持される負圧ダイヤフラム式アクチュエータ６２を備えており、弁体５５のシャフト（図示せず）端部に設けられたリンクプレート６３に上記アクチュエータ６２のロッド６２ａ先端が連係し、負圧の導入・遮断に応じて開閉動作する。６４は、リンクプレート６３の回動範囲を規制するストッパピンである。なお、一対の開閉弁５４は、基本的に左右対称に構成されており、通常は、両者同時に開閉制御される。

また、上記連通管５１の中央上面には、ボルト締付作業用の作業孔６５が設けられており、この作業孔６５が、六角孔を備えたねじ式のプラグ６６によって閉塞されている。この作業孔６５の直下となる連通管５１底部には、前述した下部マニホルド２固定用のボス部２５と同様のボス部（図示せず）が位置しており、下部マニホルド２前端部に螺合するボルトが該ボス部に配置されている。つまり、上記のボルトを作業孔６５を通して連通管５１の外側から締め付けた後に、上記プラグ６６を装着することで、密閉されている。なお、下部マニホルド２の後端部に対応するもう１本のボルトが貫通するボス部２５Ａが、コレクタボディ１１の後端部の後部壁１８外側に設けられている。従って、コレクタボディ１１と下部マニホルド２とは、前述したボス部２５に対応する左右３箇所ずつの６箇所と、前後の１箇所ずつとの、計８点で固定されている（図５参照）。

一方、図２、図３に示すように、上記コレクタカバー１２においては、上記カバー部４１の上面に、吸気入口管４４が一体に鋳造されている。この吸気入口管４４は、平面図上で見て略Ｓ字状をなすように湾曲しており、下流端部が、コレクタカバー１２の後端部に設けられた台形状をなす吸気分岐部４５に連続している。そして、吸気分岐部４５は、左右に一対の吸気出口部４６，４７を有し、この吸気出口部４６，４７と各コレクタ部１３，１４の吸気入口２７，２８との間に、スロットル弁を内蔵したスロットルチャンバ３１，３２がそれぞれ介装されている。このスロットルチャンバ３１，３２は、上記フランジ２９，３０に取り付けられており、上記吸気出口部４６，４７との間は、短いゴムホース３３，３４によって接続されている。３５は、このゴムホース３３，３４を締め付けるホースクランプを示す。

なお、上記吸気入口管４４は、図外のエアクリーナに吸気ダクトを介して接続される吸気取入口４８が、第１コレクタ部１３の側方において前方へ向かって開口しているとともに、ここから略９０°湾曲して第１コレクタ部１３の上を左右方向に横切り、さらに容積室２１上方位置で後方へ略９０°湾曲して上記吸気分岐部４５へ至る。そして、上記吸気取入口４８の部分では略円形の断面形状を有し、かつ第１コレクタ部１３と交差する付近から上下方向の寸法が小さな偏平な形状となっていくとともに、その通路断面積が、吸気分岐部４５へ近付くにつれて徐々に拡大するようになっている。

上記のように構成された吸気装置においては、例えば内燃機関が低中速域にあるときには、上記の一対の開閉弁５４がそれぞれ閉じられる。これにより、第１コレクタ部１３と第２コレクタ部１４とが、互いに分離独立したものとなり、かつ容積室２１からも切り離された形となる。従って、吸気分岐部４５から下流側で左右バンク毎に独立した吸気系が構成されるとともに、吸気分岐部４５から各気筒へ至るそれぞれの管長が十分に長く得られ、かつ第１，第２コレクタ部１３，１４の実質的な容積が小さくなる。これにより、低中速域に適した吸気動的効果が得られ、体積効率の向上により低中速域のトルクが向上する。

また、例えば内燃機関が高速域となると、一対の開閉弁５４がそれぞれ図６の仮想線のように開かれ、第１コレクタ部１３と第２コレクタ部１４とが連通管５１により互いに連通するとともに、中央の容積室２１とも一体のものとなる。従って、左右バンクの独立した部分の管長は短くなり、かつ各バンクの吸気系が合流する室の容量が非常に大きなものとなる。そのため、高速域に適した吸気動的効果が得られ、高速域の体積効率が向上する。

特に、上記構成では、第１，第２コレクタ部１３，１４と複数本のブランチ部１５と連通管５１とが、コレクタボディ１１として中空状に一体鋳造されているので、開閉弁５４により切換可能な吸気系を構成する吸気装置を非常に小型に構成でき、しかも、合わせ面の段差等が存在しない吸気抵抗の小さな滑らかな流路を得ることができる。

また連通管５１がブランチ部１５の前方に位置し、該連通管５１や開閉弁５４が、ブランチ部１５と上下に重ならずに、ブランチ部１５とほぼ同一の高さ位置にあるので、連通管５１の断面形状を真円形に近い円形形状とすることができ、かつ通路断面積を大きく確保することができる。そのため、開閉弁５４を開いた状態において、第１，第２コレクタ部１３，１４や容積室２１の連通状態がより向上し、内部の圧力が均一となって、良好な吸気動的効果が得られる。また、開閉弁５４の弁体５５が真円形に近い円形形状となるため、該弁体５５の周縁と連通管５１内周面５１ａとのシール性の確保やこれらの機械加工が容易となる。

しかも、第１，第２コレクタ部１３，１４もブランチ部１５と上下に重ならないため、両コレクタ部１３，１４やブランチ部１５を極端な偏平形状とせずに済み、偏平化に伴う吸気抵抗の増加を回避できる。

次に、図７および図８は、上述したコレクタボディ１１を鋳造する際に用いる中子１０１を示している。この中子１０１は、第１コレクタ部１３の内部空間形状に対応する第１コレクタ部対応部分１１１と、第２コレクタ部１４の内部空間形状に対応する第２コレクタ部対応部分１１２と、連通管５１の内部空間形状に対応する連通管対応部分１１３と、ブランチ部１５内のブランチ通路に対応する６本のブランチ部対応部分１１４〜１１９と、を備えている。上記第１コレクタ部対応部分１１１は、その一部として首部１３ａに対応する首部対応部分１１１ａを有し、同様に、第２コレクタ部対応部分１１２は、その一部として首部１４ａに対応する首部対応部分１１２ａを有する。上記の６本のブランチ部対応部分１１４〜１１９の中で、♯１，♯３，♯５気筒用のブランチ部対応部分１１４〜１１６は、第１コレクタ部対応部分１１１に一体に連続しており、♯２，♯４，♯６気筒用のブランチ部対応部分１１７〜１１９は、第２コレクタ部対応部分１１２に一体に連続している。なお、第１コレクタ部対応部分１１１および第２コレクタ部対応部分１１２と連通管対応部分１１３との接続部が、前述した開口部５２にそれぞれ相当する。

ここで、この実施例では、上記中子１０１が、連通管対応部分１１３の両側の２箇所の分割面１０２，１０３でもって、３つの部分つまり第１中子１０４と第２中子１０５と第３中子１０６とに分割されて成形され、かつ一体に組み合わされている。すなわち、これらの第１，第２，第３中子１０４，１０５，１０６は、鋳砂を用いてそれぞれ別に型成形されており、成形後に、上記分割面１０２，１０３において、接着剤により互いに接合されて一体化されている。上記第１中子１０４は、第１コレクタ部対応部分１１１とこれに付随した３本のブランチ部対応部分１１４〜１１６を含み、第２中子１０５は、第２コレクタ部対応部分１１２とこれに付随した３本のブランチ部対応部分１１７〜１１９を含み、第３中子１０６は、連通管対応部分１１３の中央部分を含んでいる。上記分割面１０２，１０３は、上記の開口部５２となる接続部と連通管対応部分１１３の中央部分との境界となる位置に設定されており、前述した開閉弁５４の弁体５５が配置される位置とほぼ一致している。より詳しくは、連通管５１の両端部の内周面５１ｂは、図６に示すように、弁体５５が配置されて機械加工される内周面５１ａよりも僅かに大径に構成されており、これにより、弁体５５に隣接して段差部５１ｃが生じているが、上記分割面１０２，１０３は、図８に示すように、この段差部５１ｃの位置に設定されており、第１，第２中子１０４，１０５と第３中子１０６との間には、上記段差部５１ｃに相当する段差が設けられている。

なお、図８に示すように、この実施例の中子１０１においては、♯１気筒用のブランチ部対応部分１１４と連通管対応部分１１３とが上下に重なっているので、中子１０１全体を一体に造形することは不可能である。

本発明の製造方法では、中子１０１を上記のように接着して一体化した後に、塗型剤を表面に塗布し、かつ図示しない上下の鋳型内にセットする。そして、溶融したアルミニウム合金材料を注湯する。鋳造後、型ばらしを行い、かつショットブラストなどにより中子１０１の鋳砂を完全に除去した後、前述したように、連通管５１内の弁体５５が配置される部分の内周面５１ａを研削等により機械加工する。なお、その他、コレクタカバー１２が取り付けられる開口フランジ２２や吸気入口２７，２８のフランジ２９，３０等に対しても所要の機械加工が施されるが、第１，第２コレクタ部１３，１４や連通管５１の中央部分等の内壁面は、基本的に、鋳肌のまま最終製品となる。

上記のように中子１０１が３つの部分１０４，１０５，１０６に分割されていることから、接着剤で接合してあっても、鋳造時に分割面１０２，１０３に湯が入り込むため、分割面１０２，１０３に沿ってバリが発生する。このバリは、具体的には、図６の段差部５１ｃに沿って内周側に突出する形で生じる。そのため、弁体５５に対する精度確保のために内周面５１ａに所要の機械加工を施すと、内周側に突出していたバリは、同時に除去されてしまう。従って、バリを除去するための別の工程は不要であり、バリによる吸気抵抗の増加の問題もない。

なお、上記実施例では、中子１０１を３分割しているが、図８から明らかなように、少なくとも分割面１０２に沿って２分割すれば、上下に重なっている♯１気筒用のブランチ部対応部分１１４と連通管対応部分１１３とを別々に造形することができるため、上記実施例と同様に、中子１０１を構成することが可能である。但し、上記実施例のように３分割した方が、個々の中子が小さくなるので、中子の成形の上では有利となる。

この発明の吸気装置を一対のシリンダヘッドとともに示す正面図。 吸気コレクタを下部マニホルドとともに示す斜視図。 吸気コレクタの平面図。 コレクタボディ単体での構成を示す斜視図。 コレクタボディ単体の平面図。 図３のＡ−Ａ線に沿った断面図。 コレクタボディの鋳造に用いる中子の斜視図。 同じく中子の平面図。

符号の説明

１…吸気コレクタ
２…下部マニホルド
３，４…シリンダヘッド
１１…コレクタボディ
１２…コレクタカバー
１５…ブランチ部
２１…容積室
２７，２８…吸気入口
３１，３２…スロットルチャンバ
５１…連通管
５４…開閉弁
１０１…中子
１０２，１０３…分割面

Claims (4)

1. 左右両側にそれぞれ第１，第２コレクタ部を備えるとともに、各コレクタ部に複数本のブランチ部が接続され、かつ第１コレクタ部の前端部と第２コレクタ部の前端部とを接続するように左右に延びた連通管を有し、この連通管の長手方向の中間部に、開閉弁の弁体が配置されてなる内燃機関の吸気コレクタの製造方法において、
   上記第１，第２コレクタ部と上記ブランチ部と上記連通管とを構成する中子を、上記連通管に対応する部分で少なくとも２つに分割して成形するとともに互いに一体に組み合わせ、かつ、その分割面の位置を、上記弁体の位置に対応して設定し、
   上記中子を用いて各部一体に鋳造した後に、上記連通管の上記弁体の外周縁と接触する部分の内周面を、上記分割面位置を含め機械加工することを特徴とする内燃機関の吸気コレクタの製造方法。
2. 上記中子を、複数本のブランチ部を含む第１コレクタ部対応部分と、複数本のブランチ部を含む第２コレクタ部対応部分と、連通管対応部分と、の３つの部分に分割して成形し、一対の開閉弁の弁体に対応する２箇所に分割面を設定したことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気コレクタの製造方法。
3. 分割して成形された各部分を、上記分割面において、接着剤により予め接合することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の吸気コレクタの製造方法。
4. 第１，第２コレクタ部に対応する部分と複数本のブランチ部に対応する部分と連通管に対応する部分とを有し、弁体の位置に対応した分割面で少なくとも２つに分割されて成形されるとともに互いに接合されてなる請求項１に記載の内燃機関の吸気コレクタの製造方法に用いられる中子。

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