JP4572147B2 - 排気マニホールド - Google Patents

Description

本発明は、多気筒エンジンの排気マニホールドに関し、特に二重構造をなす１つの集合チャンバに複数の枝管を接続してなる排気マニホールドに関するものである。

自動車の多気筒エンジンにおいては、図５に示したように、シリンダヘッドに開口した排気ポートのそれぞれに接続された複数の枝管１０３を１つの集合チャンバ１０４に接続することにより、触媒コンバータや消音器などが直列に連設された１本の排気管へと各燃焼室からの排出ガスを集中させることが一般的である（特許文献１を参照されたい）。

他方、排気熱が大気中へ放散されて降温することを抑制して触媒の活性化を図るために、集合チャンバ１０４を内外二重に構成し、外壁１０６ａの内周面と内壁１０６ｂの外周面との間に閉空間の断熱層Ｇを形成したものも知られている（特許文献２を参照されたい）。
特開２０００−２４０４５０号公報 特開平１１−３０３６３１号公報

特許文献１に記載された従来の構造によると、集合チャンバ１０４は、排気流の下流側へ行くに従ってその排気流線に直交する断面の面積を漸減させており、その内壁１０６ｂの内面には下すぼまりとなる傾斜が付けられている。また各枝管１０３は、その軸線Ａを互いに平行にした上で、集合チャンバ１０４の上流側の端壁１０５に対してその軸線Ａを直交させている（図５を参照されたい）。そのため、集合チャンバ１０４の内壁１０６ｂの内面と各枝管１０３の軸線Ａとのなす角度αが比較的大きく、且つ集合チャンバ１０４の内壁１０６ｂの内面に対する各枝管１０３の開口端面の投影面積が比較的大きなものとなっている。

つまり特許文献１に記載の従来構造によると、集合チャンバ１０４の内壁１０６ｂの内面に排気流が衝突した際に内壁１０６ｂに加わる衝突エネルギが大きくなりがちであり、これが集合チャンバ１０４の内壁１０６ｂを振動させる要因となり得る。このような振動は、騒音発生の要因となるばかりでなく、排気マニホールドを構成する部材の溶接部などに無用な応力を発生させて亀裂などを誘発させ、耐久性を損ねる要因ともなり得る。

他方、内外二重に構成した集合チャンバ１０４においては、外壁１０６ｂと内壁１０６ａとの熱伸縮差を吸収し且つ高い断熱性を得る上に、外壁１０６ｂと内壁１０６ａとの接触部を小さくすることが好ましく、このような観点に立脚し、特許文献２に記載の技術では、その概念を図５に示したように、外壁１０６ｂと内壁１０６ａとの出口端側に金属メッシュやスチールウールなどからなる制振部材１１０を介在させて両者を互いに浮かせた非リジッド構造を採っている。

しかしこのようにすると、断熱性が高められる反面、排気流が衝突する部分が空洞となるため、集合チャンバ１０４が発する振動音がより一層増大し易くなる。

これらの問題に対しては、集合チャンバの板厚を大きくすることが有効であるが、板厚を大きくすることは、重量の増大および製造コストの増加を招くので好ましいことではない。

本発明は、このような従来技術の欠点を解消すべく案出されたものであり、その主な目的は、集合チャンバの振動に起因して発生する騒音などを重量の増大などを招かずに抑制し得る排気マニホールドを提供することにある。

このような課題を解決するため、本発明の請求項１は、多気筒エンジンの排気ポートにその上流側が接続される複数の枝管３の下流側を接続させた集合チャンバ４を、複数の枝管の下流側が接続されるキャップと、ロート状に下すぼまりとされたケース体とを一体結合して構成し、複数の枝管のキャップに接続される部分を、その中心軸線Ａが排気流の下流側の第１の点Ｐ１で略交わるように延在させ、且つケース体の内壁面を、排気流の下流側の第２の点Ｐ２にその頂点を置いた円錐面に略含まれるように傾斜させると共に、第１の点と第２の点とを集合チャンバの幾何学的な中心軸線上に位置させ、且つ第２の点を第１の点よりも排気流の下流側に位置させるものとした。
また本発明の請求項２は、上記構成の排気マニホールドにおいて、ケース体を外壁（アウタケース６ａ）と内壁（インナケース６ｂ）とで構成された二重構造とすると共に、内壁と外壁との間における枝管の集合チャンバ内への開口端面の内壁に対する投影面に対応する位置に制振部材１０を介設したことを特徴とするものとした。

このような請求項１の発明によれば、枝管の中心軸線とケース体の内壁面とのなす角度を小さくすることができるので、枝管からの排気流がケース体の内壁に激しく衝突しないようにすることができる。
また請求項２の発明によれば、枝管からの排気流が衝突する部分の近傍にのみ制振材を配置すれば良いので、最少限の制振材で最大限の振動抑制効果を得ることができる。しかも制振材を最少限とすることにより、内壁と外壁とが間接接触する面積を最小化して内壁から外壁への熱伝導を小さくすることができるので、排気温の低下を抑制して触媒の早期活性化に寄与し得る。
即ち本発明により、集合チャンバの振動に起因して発生する騒音を重量の増大などを招かずに緩和する上に多大な効果を奏することができる。

以下に添付の図面を参照して本発明について詳細に説明する。

図１は、本発明が適用される排気マニホールドを示している。この排気マニホールド１は、例えば直列４気筒エンジンに用いられるものであり、シリンダヘッド（図示せず）に結合されるフランジ２と、シリンダヘッドに開口した各排気ポートにその上流端を接続すべく、フランジ２に溶接などで一体結合された４本の枝管３と、触媒コンバータや消音器などが直列に連設された１本の排気管（図示せず）へと各燃焼室からの排出ガスを集中させるべく各枝管３の下流端を結合させた集合チャンバ４とからなっている。

図２に本発明による第１の実施形態を示す。集合チャンバ４に結合された４本の枝管３は、それぞれ比較的大径且つ厚肉の例えばステンレス鋼管からなるアウタパイプ３ａと、比較的小径且つ薄肉の例えばステンレス鋼管からなるインナパイプ３ｂとからなり、アウタパイプ３ａ内にインナパイプ３ｂを略同軸的に嵌挿し、アウタパイプ３ａの内周面とインナパイプ３ｂの外周面との間に、周方向及び軸方向に連続する適宜な寸法の空隙（空気層）Ｇが形成されるように構成されている。この空隙Ｇの断熱機能により、排出ガスの降温の抑制を図っている。

集合チャンバ４は、４本の枝管３の各下流側端部が接続されるキャップ５と、ロート状に下すぼまりとされたケース体６とを溶接などで一体結合してなり、ケース体６の部分は、枝管３と同様の要領でアウタケース６ａ及びインナケース６ｂで二重構造とされており、その下端側に１本の排気管が接続されるようになっている。

次に各枝管３の下流側端部と集合チャンバ４のキャップ５との接続部について説明する。

各枝管３の下流側端部において、アウタパイプ３ａは徐々に縮径され、下流側端部の所定軸長部分は口径が略一定の小径部７とされている。そしてバーリングなどでキャップ５に形成された結合孔８に小径部７を緊密に嵌着し且つ溶接することにより、各アウタパイプ３ａがキャップ５に一体結合されている。

アウタパイプ３ａ内に嵌挿されるインナパイプ３ｂは、アウタパイプ３ａの小径部７の口径と略等しい均一の太さであり、その下流側端部外周面が、アウタパイプ３ａの大径な一般部の内周面に対し、例えばステンレスメッシュなどからなる制振部材９を介して支持されている。ここでインナパイプ３ｂの下流側端面とアウタパイプ３ａの小径部７との間は、軸線方向について適宜な寸法だけ離間している。つまりアウタパイプ３ａとインナパイプ３ｂとは、両者の間に適宜な寸法の径方向隙間をおいて実質的に非接触であり、且つインナパイプ３ｂの下流端は、アウタパイプ３ａの下流側に設けられた制振部材９のみによって非リジットに支持されていると言える。

ケース体６を二重構造に構成する厚肉のアウタケース６ａ（ｔ＝２mm）と薄肉のインナケース６ｂ（ｔ＝０．８mm）との間における各枝管３の小径部７の開口端面の投影面に対応する部分、即ち枝管３の数または気筒数に応じた４箇所（図３参照）には、アウタパイプ３ａの内周面に対するインナパイプ３ｂの間接的支持構造と同様に、例えばステンレスメッシュなどからなる制振部材１０が介設されている。

このようにして、ケース体６における互いに隣り合う枝管３の小径部７の開口端面の投影面同士の間には、制振部材１０が設けられない部分が枝管３の数または気筒数に応じてできるので、制振部材１０の配置箇所が最少限で済む。これにより、アウタケース６ａとインナケース６ｂとは、アウタパイプ３ａとインナパイプ３ｂと同様に、両者の間に適宜な寸法の隙間（空気層）Ｇをおいて実質的に非接触であり、且つインナケース６ｂは、アウタケース６ａに対して制振部材１０のみによって非リジットに支持されていると言える。

次に上述の排気マニホールド１の機能について説明する。多気筒エンジンの複数の排気ポートから断続的に排出される高温の排出ガスは、インナパイプ３ｂ内を流れる。この際に、排出ガスの熱は、インナパイプ３ｂとアウタパイプ３ａとの間の空隙Ｇに形成された空気層を介してアウタパイプ３ａに伝達される。ここで空気の熱伝導率は、金属のそれよりも圧倒的に低いため、アウタパイプ３ａの昇温が抑制され、且つ排出ガスの降温が抑制される。これにより、排気マニホールド１の下流側に配置された触媒を早期に活性化させることができる。

また、インナパイプ３ｂ並びにインナケース６ｂの下流端は、実質的に非リジッドであり、その長さ方向については伸縮容易な自由端とされているため、高温、高圧な排出ガスの脈動を伴う流入に際しても、振動や熱伸縮が吸収される。また各枝管３から集合チャンバ４に流入した排出ガスは、インナケース６ｂの内面に衝突するが、この衝突する部位に制振部材１０が介設されているので、これが緩衝材となってインナケース６ｂの振動が抑制され、騒音の発生が抑制される。これらの作用により、各枝管３および集合チャンバ４の耐久性も向上される。

図４は、本発明の第２の実施形態を示している。この実施形態においても、枝管３と集合チャンバ４との基本的な構造は上述の実施形態と同様なので、その詳細な説明は省略する。

本実施例においては、集合チャンバ４のキャップ５に対する各枝管３の接続端部の軸線Ａは、集合チャンバ４の幾何学的な中心軸Ｃに対して適宜な角度だけ傾いており、この軸線Ａは、集合チャンバ４の幾何学的な中心軸Ｃ上の排気下流側にある第１の点Ｐ１で交わっている。

他方、インナケース６ｂの内面は、上述の第１実施例と同様に下すぼまりの傾斜面Ｉとされているが、その傾斜面Ｉに沿う直線Ｌは、集合チャンバ４の幾何学的な中心軸Ｃ上にある第２の点Ｐ２で交わっている。換言すると、集合チャンバ４におけるインナケース６ｂの内面は、排気流の下流側の第２の点Ｐ２にその頂点を置いた円錐面に含まれている。

これらの交点Ｐ１、Ｐ２の集合チャンバ４の中心軸Ｃ上での位置は、インナケース６ｂの内面に沿う直線Ｌの交点である第２の点Ｐ２が、集合チャンバ４のキャップ５に対する各枝管３の接続端部の軸線Ａの交点である第１の点Ｐ１よりも排気流の下流側に位置している。

インナケース６ｂの内面の傾斜角度と各枝管３の集合チャンバ４に対する接続部の軸線角度との関係をこのように設定することにより、インナケース６ｂの内面に対する各枝管３の開口端面の投影面積をより一層小さくすることができると共に、インナケース６ｂの内面に対する排気の流入角度を小さくすることができる。これにより、インナケース６ｂの内面に対して排気流が激しく衝突することが回避され、インナケース６ｂの振動が抑制されて騒音の発生が抑制される。

以上、詳述した第１の実施例と第２の実施例とは、それぞれを独立して実施しても良いが、両者を組み合わせて実施すれば、より一層高い振動抑制効果を得ることができる。

本発明装置の全体斜視図である。 本発明装置の要部側断面図である。 本発明装置の下面図である。 本発明装置の一部切除して示す側面図である。 従来技術による排気マニホールドの概念的な要部構造図である。

符号の説明

１ 排気マニホールド
３ 枝管
４ 集合チャンバ
６ａ アウタケース
６ｂ インナケース
１０ 制振部材
Ｉ 傾斜面
Ａ 中心軸線
Ｐ１ 第１の点
Ｐ２ 第２の点

Claims (2)

1. 多気筒エンジンの排気ポートにその上流側が接続される複数の枝管と、該複数の枝管の下流側を接続させた集合チャンバとを有する排気マニホールドであって、
   前記集合チャンバは、前記複数の枝管の下流側が接続されるキャップと、ロート状に下すぼまりとされたケース体とを一体結合して構成され、
   前記複数の枝管の前記キャップに接続される部分は、その中心軸線が排気流の下流側の第１の点で略交わるように延在しており、
   前記ケース体の内壁面は、排気流の下流側の第２の点にその頂点を置いた円錐面に略含まれるように傾斜しており、
   前記第１の点と前記第２の点とが前記集合チャンバの幾何学的な中心軸線上に位置し、且つ前記第２の点が前記第１の点よりも排気流の下流側に位置することを特徴とする排気マニホールド。
2. 前記ケース体は内壁と外壁とで構成された二重構造とされ、
   前記内壁と前記外壁との間における前記枝管の前記集合チャンバ内への開口端面の前記内壁に対する投影面に対応する位置に制振部材が介設されることを特徴とする、請求項１に記載の排気マニホールド。

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