JP4182869B2 - 内燃機関の排気マニホルド - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の排気マニホルド、特に、直列に配置された少なくとも３つの気筒の排気系を、触媒コンバータに至る１本の流路に集合させる排気マニホルドの改良に関する。

特許文献１には、Ｖ型８気筒内燃機関の一方のバンクの排気系に適用される排気マニホルドとして、気筒列方向に直線状に延びた共通の合流管と、各気筒の排気ポートにそれぞれ接続される４本の分岐管と、を備えた排気マニホルドが開示されている。４本の分岐管は、ほぼ平行に配置されており、上記合流管の円形断面の接線方向に沿うように、それぞれ合流管に接続され、かつ合流管の流れ方向に対し、各分岐管が、６７．５°以下の合流角で合流するように構成されている。
特開平１０−３１７９５３号公報

上記の排気マニホルドにおいては、各気筒の排気ポートから共通の合流管に至る４本の分岐管の長さが、実質的に等しい長さとなっているため、各気筒の排気ポートから合流管端部の出口フランジまでの管長としては、各気筒で互いに異なるものとなってしまう。例えば、特許文献１に開示されている具体例では、♯１気筒、♯３気筒、♯５気筒、♯７気筒の４本の気筒の排気系が集合するが、出口フランジから最も離れている♯１気筒の排気系の管長が最も長く、出口フランジに最も近い♯７気筒の排気系の管長が最も短いものとなる。

このように各気筒で実質的な管長が異なると、排気脈動に対し、僅かずつ周波数が異なる音が重なり合って、排気音の音質が悪化し、耳障りな騒音となる。

また、各分岐管が比較的大きな合流角でもって合流管に接続されているので、この合流部における流れの方向変化が大きなものとなり、通気抵抗の増加ひいては内燃機関の出力低下の要因となる。

また、上記特許文献１の排気系においては、左右のバンクの排気マニホルドを互いに集合させた上で触媒コンバータに接続される構成となっているが、このような構成では、排気ポートから触媒コンバータまでの距離が長くなり、排気温度が低下するため、特に、始動後の触媒コンバータの早期活性化の上では好ましくない。内燃機関の排気清浄化をより一層向上させるために、近年、触媒コンバータの位置をなるべく排気系の上流側に配置し、内燃機関の始動後、触媒温度が早期に上昇するように構成することが要請されている。従って、この観点からは、複数気筒の排気系を集合させる排気マニホルドの全長は、自ずから制限され、できるだけ短くすることが望ましいものとなる。

本発明は、排気マニホルドの全長をできるだけ短くしつつ、各気筒の排気管長の等長化を実現し、さらには通気抵抗の低減を図ることを目的としている。

この発明に係る内燃機関の排気マニホルドは、直列に配置された少なくとも３つの気筒の排気系を、触媒コンバータに至る１本の流路に集合させるものであって、最前端に位置する気筒から内燃機関の気筒列方向に沿って後方へ延び、上記触媒コンバータに至る第１の排気管を備えている。残りの気筒からそれぞれ延びた複数の第２の排気管は、それぞれの下流側部分が、上記第１の排気管の外周に沿う螺旋状に延びて、それぞれ該第１の排気管の軸方向の異なる点において該第１の排気管に合流している。つまり、上記第１の排気管は、不必要に湾曲することなく最前端気筒から実質的に最短距離でもって触媒コンバータに至るように構成されている。そして、他の気筒の第２の排気管は、十分に管長を確保し得るように、第１の排気管の外周を回り込むように延びている。

従って、排気ポートから触媒コンバータに至るまでの排気マニホルドの全長を不必要に長くすることなく、各気筒の排気管長を容易に等長化することができる。

また、本発明においては、望ましくは、上記第２の排気管の上記端部は、上記第１の排気管の流れに沿うように該第１の排気管の中心軸に対し傾斜した方向から合流している。これにより、第１の排気管を流れる排気流と第２の排気管を流れる排気流とが滑らかに合流する。特に、上記第１の排気管の中心軸と、上記第２の排気管の端部の中心軸とがなす合流角αが、それぞれ３０°以下であることが望ましい。

また、本発明においては、望ましくは、上記第２の排気管の合流部付近における上記第１の排気管の中心軸を基準中心軸として、該基準中心軸を正面から見た投影図上において、上記最前端気筒に接続される該第１の排気管の端部が上記基準中心軸から延びる方向に対し、上記第２の排気管の端部の合流点の方向がなす角度θが、複数の第２の排気管のそれぞれで異なっている。つまり、複数の合流点は、上記基準中心軸を中心として周方向の異なる方向に位置している。そして、複数の合流点のそれぞれの角度θは、上記最前端気筒に隣接する気筒から後方の気筒へと順次大きくなっており、また角度θが最も小さい上記最前端気筒に隣接する気筒で９０°〜１８０°である。換言すれば、触媒コンバータに近い気筒ほど、第１の排気管の外周に大きく巻き付いた形となっている。従って、複数の第２の排気管の端部が周方向にずれて位置するため、例えば合流角を小さくするように各々の端部を傾斜させたとしても、互いの干渉が生じにくい。

この発明に係る内燃機関の排気マニホルドによれば、排気ポートから触媒コンバータまでの排気マニホルドの全長ないしは後述する管路の合計長を最小限のものとすることができ、始動後の触媒コンバータの早期昇温の上で有利になるとともに、この限られた長さ寸法の中で、各気筒の排気管長を等長化することが可能となり、排気音の音質を改善することができる。

また、同時に、限られた寸法の中で、各気筒の第２の排気管を第１の排気管に小さな合流角でもって合流させることが可能となり、通気抵抗を低減できる。

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。

図１〜図７は、この発明を、Ｖ型６気筒内燃機関の一方のバンクの排気系を集合させる排気マニホルド１として構成した一実施例を示すもので、例えば、一方のバンクのシリンダヘッド３における♯１気筒、♯３気筒、♯５気筒の３つの気筒の排気系を、触媒コンバータ２（図５〜図７参照）に至る１本の流路に集合させている。なお、図１は、排気マニホルド１を内燃機関の上方から見た平面図、図２は、内燃機関の側方から見た正面図、図３は、内燃機関の後方から見た側面図、図４は、斜め後方かつ上方の点から見た斜視図である。図５〜図７は、この排気マニホルド１の複雑な三次元形状を表すために、微細な線でもって曲面を表現した参考図であり、それぞれ図１〜図３に対応している。

この排気マニホルド１は、♯１気筒の排気ポートから内燃機関の気筒列方向（クランクシャフト軸方向）に沿って後方へ延びる第１の排気管１１と、♯３気筒の排気ポートに接続される第２の排気管に相当する♯３ブランチ部１２と、♯５気筒の排気ポートに接続される同じく第２の排気管に相当する♯５ブランチ部１３と、シリンダヘッド３側面に取り付けるための各気筒に共通の取付フランジ１４と、から大略構成されている。

上記第１の排気管１１は、一端が上記取付フランジ１４に接続され、かつ他端に触媒コンバータ取付フランジ１５（図５〜図７参照）を備えているものであって、上記取付フランジ１４に接続される端部１１ａが略Ｌ字形をなすように湾曲しているほかは、不必要に湾曲することなく♯１気筒から実質的に最短距離でもって触媒コンバータ２に至るように、ほぼ真っ直ぐに構成されている。特に、触媒コンバータ２がシリンダヘッド３よりも相対的に下方に位置することから、上記第１の排気管１１は、図２に示すように、♯１気筒から斜め下方へ延びている。なお、図示例では、車載時の他部品との位置関係の制約から、図１に示すように、長手方向の中央部分から下流寄りの部分に亘って僅かに内側に湾曲しているが、これも必要最小限のものとなっている。

一方、♯３ブランチ部１２は、一端が上記取付フランジ１４に接続され、かつ他端が第１合流部２１において第１の排気管１１に合流している。この♯３ブランチ部１２は、全体として、略Ｃ字状ないしは略Ｕ字状をなすように湾曲した形状をなすものであって、その上流側部分１２ａは、上記取付フランジ１４から、第１の排気管１１の上方を通って該第１の排気管１１の上流側へ向かうように延びている。そして、第１の排気管１１の上方を横切った付近から下向きに湾曲しつつ第１の排気管１１の下流側へ向かうように湾曲し、下流側部分１２ｂが、第１の排気管１１外周に螺旋状に巻き付くように延びて、第１の排気管１１に斜めに合流している。換言すれば、第１の排気管１１を中心に巻き込むような形に♯３ブランチ部１２が形成されている。

一方、♯５ブランチ部１３は、一端が上記取付フランジ１４に接続され、かつ他端が、上記第１合流部２１よりも下流の第２合流部２２において第１の排気管１１に合流している。この♯５ブランチ部１３は、♯３ブランチ部１２と同様に、全体として、略Ｃ字状ないしは略Ｕ字状をなすように湾曲した形状をなすものであって、その上流側部分１３ａは、上記取付フランジ１４から、第１の排気管１１の上方を通って該第１の排気管１１の上流側へ向かうように延びている。特に、♯３ブランチ部１２の上流側部分１２ａに比較して、第１の排気管１１の上流側へ向かって、より大きく方向を変えるようにして延びている。そして、第１の排気管１１の上方を横切った付近から下向きに湾曲しつつ第１の排気管１１の下流側へ向かうように湾曲し、下流側部分１３ｂが、第１の排気管１１外周に螺旋状に巻き付くように延びて、第１の排気管１１に斜めに合流している。つまり、♯３ブランチ部１２と同じく、第１の排気管１１を中心に巻き込むような形に♯５ブランチ部１３が形成されている。

ここで、上記の第１合流部２１および第２合流部２２においては、上記♯３ブランチ部１２および♯５ブランチ部１３の端部の中心軸が、第１の排気管１１の中心軸に対し斜め方向から交差しており、つまり、♯３ブランチ部１２および♯５ブランチ部１３が、第１の排気管１１の流れに沿うように、傾斜した方向から合流しているが、図示例では、それぞれの中心軸がなす合流角α（図９参照）が、いずれも３０°以下となっている。

また♯５ブランチ部１３の管長は、♯３ブランチ部１２の管長よりも長く、第１の排気管１１の外周に、より大きな角度範囲に亘って巻き付いた形となっている。以下、これについて、図９および図１０を参照して説明する。

図９は、上記のように構成された排気マニホルド１を単純化して図示した図であり、前述したように、第１の排気管１１を軸として、第２の排気管となる♯３ブランチ部１２および♯５ブランチ部１３が巻き付くように構成されている。ここで、第１の排気管１１は、その端部１１ａが略Ｌ字形をなすように湾曲しているが、第１合流部２１から第２の合流部２２に亘る部分は、ほぼ直線状であるので、この部分における第１の排気管１１の中心軸を基準中心軸Ｌと定義する。図１０は、この基準中心軸Ｌを正面から見た投影図、つまり図９の矢印Ｘ方向から見た図を示している。そして、この投影図上において、基準中心軸Ｌを中心として、第１の排気管１１の端部１１ａが上記基準中心軸Ｌから取付フランジ１４へ向かって延びている方向（♯１として図示する）と、♯３ブランチ部１２の端部の合流点の方向（♯３として図示する）と、♯５ブランチ部１３の端部の合流点の方向（♯５として図示する）と、をそれぞれ示しているが、図の「♯１」から「♯３」までの角度θ１と、「♯１」から「♯５」までの角度θ２と、は図示するように互いに異なり、かつ角度θ１よりも角度θ２の方が大きい。これらの角度θ１、θ２は、取付フランジ１４から延びて第１の排気管１１の外周に巻き付く♯３，♯５ブランチ部１２，１３の旋回角度に相当する。

上記のように角度θ１，θ２が互いに異なることから、♯３ブランチ部１２および♯５ブランチ部１３は、第１の排気管１１の外周面の周方向にずれた位置に接続されることになり、上記のように合流角αを３０°以下に小さくしても、互いに干渉することがない。換言すれば、それだけ第１合流部２１と第２合流部２２とを第１の排気管１１の長手方向に互いに接近させることが可能となり、排気マニホルド１の全長の短縮ならびに各気筒の管長の等長化の上でも有利となる。

上記の角度θ１としては、シリンダヘッド３との干渉を避け、♯３ブランチ部１２の管長を十分に確保する上で、９０°〜１８０°の範囲とすることが望ましく、角度θ２は、この角度θ１よりも大きな値となる。より具体的な図示の実施例では、角度θ１は、１５０°〜１７０°の範囲に設定され、角度θ２は、１７０°〜１９０°の範囲に設定されている。

図８は、上記のように３つの気筒を集合させる排気マニホルド１の管長についての考え方を示す説明図であって、図示するように、この排気マニホルド１は、ａ〜ｅの区間に分解して考えることができ、さらに、触媒コンバータ２のケーシングにおける触媒担体上流の空間部（区間ｆ）も触媒担体までの管長の一部とみなすことができる。触媒コンバータ２から最も遠い♯１気筒の管長は、「ａ＋ｄ＋ｅ＋ｆ」であるが、ここでは、特に、３つの気筒による触媒コンバータ２の昇温特性を評価するために、３つの気筒の管路の合計長を用いる。すなわち、全ての管路の合計長は、「ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ」となる。触媒コンバータ２の早期活性化のためには、この合計長がなるべく短いことが望ましい。上記実施例の構成では、例えば総排気量２５００ｃｃ〜３０００ｃｃクラスの内燃機関を前提として、その合計長を、９００ｍｍ以下とすることが可能であり、機関始動後に触媒温度を早期に上昇させることができる。

また、第２合流部２２までの♯１気筒の管長は、「ａ＋ｄ」、♯３気筒の管長は、「ｂ＋ｄ」、♯５気筒の管長は、「ｃ」となるが、本実施例では、これらの管長の中の最短のものと最長のものとの管長差を、５０ｍｍ以下とすることが可能である。従って、３つの気筒の管長が十分に等長化されたものとなり、排気音の音質が向上する。

このように、上記実施例の排気マニホルド１においては、触媒マニホルド１の全長、より詳しくは管路の合計長を十分に短くして、触媒コンバータ２の昇温特性を向上させることができると同時に、各気筒の管長を等長化して排気音の音質向上を実現でき、さらには、合流角αを小さく設定できることから、通気抵抗が低減し、高速域での体積効率の向上ならびに中速域での排気干渉改善が図れる。

なお、通気抵抗の低減のためには、一般に、管路の直径をＤ、曲がり部の曲率半径をＲとしたときに、「Ｒ／Ｄ≧１．１」の条件を満たすことが望ましいが、上記実施例の構成では、極端に曲率半径Ｒの小さな曲がり部が存在せず、上記の条件を容易に満たすことができる。

図１１は、♯３ブランチ部１２もしくは♯５ブランチ部１３の角度θ１，θ２（角度θと総称する）と、合流角αおよび等長度（上述した管長差を等長度とする）との関係を図示したものである。図示するように、角度θが大きいほど各気筒の管長差を０に近付けることができ、角度θが小さいほど管長差が大となる傾向がある。従って、この等長度の点で、角度θの下限θａが定まる。一方、ブランチ部１２，１３の管長が一定の条件下では、角度θが大きいほど合流角αが大となる傾向があるので、この合流角αの点で、角度θの上限θｂが定まる。従って、合流角αと等長度とを両立させるためには、角度θ１，θ２は、θａ〜θｂの範囲内で選択される。

以上、この発明の一実施例を説明したが、この発明は、Ｖ型６気筒内燃機関の一方のバンク用の排気マニホルドに限定されるものではなく、Ｖ型８気筒内燃機関の一方のバンクの排気マニホルド、あるいは直列４気筒内燃機関の排気マニホルド、などとして構成することが可能である。

また、排気マニホルドの管路の形状を主に説明したが、本発明の排気マニホルドの具体的な製造方法は何ら限定されるものではなく、曲げ加工を施した金属管の溶接、あるいは鋳造、など公知の適宜な方法で製造することが可能である。

この発明に係る排気マニホルドの一実施例の平面図。 同じく正面図。 同じく側面図。 同じく斜視図。 微細な線でもって曲面を表現した図１に対応する参考図。 同じく図２に対応する参考図。 同じく図３に対応する参考図。 管長の考え方を説明する説明図。 実施例の排気マニホルドをモデル化して示した説明図。 図９の矢印Ｘ方向に見た投影図。 角度θと合流角αおよび等長度との関係を示す特性図。

符号の説明

１…排気マニホルド
２…触媒コンバータ
１１…第１の排気管
１２…♯３ブランチ部（第２の排気管）
１３…♯５ブランチ部（第２の排気管）

Claims (5)

1. 直列に配置された少なくとも３つの気筒の排気系を、触媒コンバータに至る１本の流路に集合させる内燃機関の排気マニホルドにおいて、
   最前端に位置する気筒から内燃機関の気筒列方向に沿って後方へ延び、上記触媒コンバータに至る第１の排気管と、
   残りの気筒からそれぞれ延び、かつそれぞれの下流側部分が、上記第１の排気管の外周に沿う螺旋状に延びて、それぞれ該第１の排気管の軸方向の異なる点において該第１の排気管に合流する複数の第２の排気管と、
   を備え、
   上記第２の排気管の合流部付近における上記第１の排気管の中心軸を基準中心軸として、該基準中心軸を正面から見た投影図上において、
   上記最前端気筒に接続される該第１の排気管の端部が上記基準中心軸から延びる方向に対し、上記第２の排気管の端部の合流点の方向がなす角度θは、複数の第２の排気管のそれぞれで異なっており、かつそれぞれの角度θは、上記最前端気筒に隣接する気筒から後方の気筒へと順次大きくなっており、角度θが最も小さい上記最前端気筒に隣接する気筒で９０°〜１８０°であることを特徴とする内燃機関の排気マニホルド。
2. 上記第２の排気管の上記端部は、上記第１の排気管の流れに沿うように該第１の排気管の中心軸に対し傾斜した方向から合流していることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気マニホルド。
3. 上記第１の排気管の中心軸と、上記第２の排気管の端部の中心軸とがなす合流角αが、それぞれ３０°以下であることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気マニホルド。
4. 上記第１の排気管は最前端気筒から斜め下方へ延びており、上記第２の排気管は、各気筒から、第１の排気管の上方でかつ該第１の排気管の上流側へ向かうように延びるとともに、下向きかつ下流側へ湾曲して、第１の排気管にそれぞれ合流することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の排気マニホルド。
5. Ｖ型６気筒内燃機関の一方のバンクの排気系に用いられるとともに、
   中間に位置する気筒の第２の排気管についての上記角度θが９０°〜１８０°の範囲にあり、
   最後端に位置する気筒の第２の排気管についての上記角度θは、これよりも大きな値となっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の排気マニホルド。