JP4816165B2 - Ｖ型多気筒エンジンの排気マニホールド構造 - Google Patents

Description

本発明は、Ｖ型多気筒エンジンの排気マニホールドの構造に関する。

多気筒エンジンの排気マニホールドにおいては、エンジン始動時に排気温度を迅速に昇温させることにより、排気を浄化する触媒を早期に活性させる技術が広く知られている。

特許文献１では、多気筒エンジンの各排気ポートと連通する排気マニホールドにおいて、その排気マニホールドと連接する排気管を二重管構造とする構成が開示されている。特許文献１に記載の発明は、運転状態に応じて排気管の内管と外管との間への排気導入量を調整するため、エンジン始動時の排気温度の低下が抑制され、触媒を早期に活性させることができる。
特開２００２−２６６６３７号公報

しかしながら、特許文献１に記載された発明では、二重管構造とする排気管の内管と外管との間に排気を導入する切換え手段を有するため、排気マニホールドの構造が複雑となる。また、Ｖ型８気筒エンジンのように片バンクについての点火間隔が不等間隔となるエンジンにおいては、排気干渉が生じるという問題がある。

そこで、本発明では、Ｖ型多気筒エンジンにおいて触媒の早期活性化を図るとともに、排気干渉を抑制させることができる排気装置を提供することを目的とする。

本発明は、Ｖ型多気筒エンジンの各気筒からの排気を集合させ、気筒配列方向に案内する排気マニホールドにおいて、点火順序が連続する同一バンク内の２気筒のうち、最上流気筒を除く上流側の気筒からの排気が導かれる排気室を有する外管と、外管の内部を軸方向に貫通し、排気室に接続する気筒以外の複数の気筒からの排気が導かれる排気通路を有する内管と、内管に形成され、排気室に導かれた排気を、その導入位置とは軸方向に異なる位置で排気通路に通気する通気孔とを備える。通気孔は、排気室に接続する気筒以外の複数の気筒と内管とを連通するブランチ管のうち最も下流に接続するブランチ管よりも下流に位置する。

本発明によれば、排気マニホールドは外管と、その外管よりも小径の内管とからなる二重管構造となっている。そのため、外管の排気室に導かれる排気により内管の冷却を防止することができ、エンジン始動時においても内管の排気通路を流れる排気の温度低下を抑制できる。これにより、エンジン始動時に排気温度を迅速に昇温させることができ、触媒の早期活性化が可能となる。

また、本発明の排気マニホールドでは、点火順序が連続する同一バンク内の２気筒のうち、最上流気筒を除く上流側の気筒からの排気を外管の排気室へ流すようにする。また、その気筒以外の複数の気筒からの排気は内管の排気通路へ流すようにする。これにより、Ｖ型８気筒エンジンの不等間隔の燃焼に起因する排気干渉を防止でき、排気をスムーズに流すことが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１（Ａ）は、Ｖ型８気筒エンジン１０の一方のバンク（左バンク）に取付けられた本発明による排気マニホールド２０の一実施形態を示す概略図である。図１（Ａ）の左側が車両の前方（上流）を示す。また、図１（Ｂ）は、排気マニホールド２０のＢ−Ｂ断面を示す。

エンジン１０の左バンクは、燃料が燃焼する複数の気筒のうち第１気筒＃１、第３気筒＃３、第５気筒＃５及び第７気筒＃７を備える。このエンジン１０は、それら気筒とそれぞれ連通する排気ポート１、３、５、７を有する。なお、エンジン１０の図示しない右バンクは、第２気筒＃２、第４気筒＃４、第６気筒＃６及び第８気筒＃８を備えるが、説明の便宜上省略する。

上述したエンジン１０には、各気筒＃１、＃３、＃５、＃７からの排気を集合する排気マニホールド２０が設置される。この排気マニホールド２０は、内管３０、外管２４及びブランチ管２１、２３、２５、２７を備える。

内管３０及び外管２４は車両の前後方向に沿って延設されている。この内管３０は排気を流す排気通路２９を有し、排気室２８を備える外管２４の内部を軸方向に貫通する。これにより、内管３０及び外管２４は、図１（Ｂ）に示すように、互いに同心な二重管構造なる。なお、外管２４は、両端が閉じられた管状に形成するだけでなく、チャンバー等により内管３０を覆うようにしてもよい。

内管３０の側面には、ブランチ管２３から排気室２８に流れた排気を排気通路２９に通気する通気孔２６が形成される。通気孔２６は、ブランチ管２７が内管３０に連通する位置よりも下流側に形成される。また、この通気孔２６は、排気が排気室２８から排気通路２９へ流入するときに、その排気流れを阻害しないのに十分な大きさとする。なお、通気孔２６は、内管３０の側面に複数設けるようにしてもよい。

上述した通気孔２６より下流であって、外管２４で覆われていない内管３０の側面には、酸素センサ（以下「Ｏ₂センサ」と称する）３７が設置される。このＯ₂センサ３７は、所定の間隔で排気の酸素濃度を検出し、検出信号を図示しないコントローラに出力する。そして、そのコントローラが検出信号に基づいて空燃比を制御する。

ブランチ管２１は内管３０に連通し、第１気筒＃１の排気ポート１から流出した排気を内管３０に流す。また、ブランチ管２５は内管３０の側面に連通し、第５気筒＃５の排気ポート５から流出した排気を内管３０に流す。そして、ブランチ管２７は内管３０の側面に連通し、第７気筒＃７の排気ポート７から流出した排気を内管３０に流す。一方、ブランチ管２３は外管２４に連通し、第３気筒＃３と連通する排気ポート３から流出した排気を外管２４に流す。

上述したブランチ管２１、２３、２５、２７は、その先端にフランジ２が形成される。排気マニホールド２０は、このフランジ２を図示しないボルト等によりエンジン１０の側面に固定することによって、エンジン１０に設置される。

図２は、排気マニホールド２０の断面を示す概略図である。なお、図中の黒丸は溶接箇所を示す。

排気マニホールド２０は内管３０、外管２４及びブランチ管２１、２３、２５、２７を備え、内管３０及び外管２４は互いに同心な二重管構造である。

内管３０は第１配管３１、第２配管３２及び第３配管３３を備え、それら配管３１、３２、３３が連接することによって排気通路２９を形成する。この排気通路２９には、各ブランチ管２１、２５、２７が連通し、エンジン１０から流出した排気が流入する。なお、第１配管３１、第２配管３２及び第３配管３３は、エンジン始動時に排気温度を迅速に昇温させるため、その熱容量が可能な限り小さくなるように外管２４やブランチ管２１、２３、２５、２７の管壁よりも肉厚が薄くなっている。

外管２４は大径部２４ｂと、小径部２４ａ、２４ｃとからなる。外管２４の小径部２４ａは、外管２４を流れる排気が外部に漏れないように内管３０の第３配管３３の側面に溶接される。また、外管２４の小径部２４ｃは、その内径が第１配管３１の外径よりも大きくなるように形成されており、この小径部２４ｃに内管３０の第１配管３１が嵌合する。二重管構造の排気マニホールド２０においては、内管３０を構成する配管３１、３２、３３は外管２４を流れる排気により冷却が防止されるが、外管２４は外気に曝されるため配管３１、３２、３３よりも低温となる。そのため、配管３１、３２、３３は外管２４よりも高温になり、熱膨張によって内管３０の軸方向に伸長する。したがって、例えば小径部２４ｃと第１配管３１とを溶接等によって接合する場合には、第１配管３１の伸長によって小径部２４ｃに応力が発生する。この応力が繰り返し入力すると、第１配管３１や小径部２４ｃに疲労破壊が生じるおそれがある。本実施形態では、小径部２４ｃと第１配管３１とを嵌合する構造としたため、第１配管３１が伸長しても、第１配管は外管２４の小径部２４ｃに対して軸方向にスライドして、その伸長を吸収するため、小径部２４ａに生じる応力が低減する。これによって、小径部２４ｃ近傍での外管２４や第１配管３１の疲労破壊が防止される。また、内管３０についても、上記と同様に第１配管３１、第２配管３２及び第３配管３３をそれぞれ嵌合するように連接する。つまり、第１配管３２の一端は拡径されて拡径部３１ａを形成し、その拡径部３１ａが第２配管３２の一端と嵌合する。また、第２配管３２の他端も同様に拡径されて拡径部３２ａを形成し、その拡径部３２ａが第３配管３３と嵌合する。このような構造にすることによって、第１配管３１、第２配管３２及び第３配管３３のそれぞれの伸長を吸収することができ、内管３０全体の伸長をさらに低減できる。

第１気筒＃１から流出する排気を流すブランチ管２１は、内管３０の第１配管３１と略同径である。このブランチ管２１の一端は、拡径されて開口２１ａが形成される。また、開口２１ａの内径は、外管２４の小径部２４ａの外径と略同一である。そして、開口２１ａが外管２４の小径部２４ｃに嵌め合わされ、ブランチ管２１から流れてきた排気が外部に漏れないように全周が溶接される。

第３気筒＃３から流出する排気を流すブランチ管２３は、排気ポート３と外管２４とを連通する。そして、ブランチ管２３から流れてきた排気が外部に漏れないように全周が外管２４の大径部２４ｂの側面に溶接される。

第５気筒＃５から流出する排気を流すブランチ管２５の一端は拡径されて開口２５ａを形成する。この開口２５ａは、外管２４の大径部２４ｃを貫通すように形成され、第１配管３１の側部に接続する連通管３１ｂの一端と嵌合し、排気ポート５と第１配管３１とを連通する。また、開口２５ａは、ブランチ管２５から流れてきた排気が外部に漏れないように外管２４の大径部２４ｂの側部に溶接される。ブランチ管２７もブランチ管２５と同様に、一端が拡径されて開口２７ａを形成する。この開口２７ａは、外管２４の大径部２４ｃを貫通すように形成され、第２配管３２の側部に接続する連通管３２ｂの一端と嵌合し、排気ポート７と第２配管３２とを連通する。また、開口２７ａは、ブランチ管２７から流れてきた排気が外部に漏れないように外管２４の大径部２４ｂの側部に溶接される。このようにブランチ管２５、２７は連通管３１ｂ、３２ｂと嵌合する構造としているため、連通管３１ｂ、３２ｂが熱膨張によって伸長しても、軸方向にスライドすることができ、ブランチ管２５、２７と嵌合する部分に生じる応力を低減できる。

次に、本実施形態の排気マニホールドの作用について説明する。

図３（Ａ）は、本実施形態のＶ型８気筒エンジン１０の各気筒の点火順序を示す概略図である。また、図３（Ｂ）は、本実施形態の排気マニホールド２０を使用した場合の排気間隔を示す概略図である
本実施形態のＶ型８気筒エンジン１０では、図３（Ａ）に示す通り、その点火順序は、第１気筒＃１→第８気筒＃８→第７気筒＃７→第３気筒＃３→第６気筒＃６→第５気筒＃５→第４気筒＃４→第２気筒＃２→第１気筒＃１→・・・である。このように、点火順序が各バンクの気筒に交互に振り分けられていないため、一方のバンクについてだけ見ると、その点火間隔は不等間隔となる。つまり、左バンクにおいては、各気筒＃１、＃３、＃５、＃７の点火間隔は、第１気筒＃１→第７気筒＃７で１８０°、第７気筒＃７→第３気筒＃３で９０°、第３気筒＃３→第５気筒＃５で１８０°、第５気筒＃５→第１気筒＃１で２７０°となる。そして、点火から一定期間をおいて排気行程となるため、第１気筒＃１から排気されて１８０°遅れて第７気筒＃７から排気され、それから９０°遅れて第３気筒＃３から排気され、それから１８０°遅れて第５気筒＃５から排気され、それから２７０°遅れて第１気筒＃１から排気され・・・を繰返し、点火間隔と対応した排気間隔となる。

排気は、排気行程において間欠的に各気筒＃１、＃３、＃５、＃７から流出するため、脈動となって排気マニホールド２０に流れ込む。そのため、隣接する気筒のうち上流気筒の点火に続いて下流気筒が点火される場合には、上流気筒と下流気筒との排気が相互に干渉する。

本実施形態のＶ型８気筒エンジン１０では、第３気筒＃３及び第５気筒＃５は、互いに隣接するとともに、第３気筒＃３が上流気筒、第５気筒＃５が下流気筒である。そして、第３気筒＃３の排気から１８０°遅れて第５気筒＃５から排気されるため、互いの排気の脈動が相互に干渉するおそれがある。また、点火間隔が９０°と近くなる第３気筒＃３と第７気筒＃７においても、排気間隔も近くなって排気干渉が生じるおそれがある。

点火間隔が不等間隔となるＶ型８気筒エンジン１０においては、排気に含まれる酸素濃度の変動が大きい。特に、排気干渉が生じると排気に含まれる酸素濃度が薄くなり、空燃比が許容範囲にあってもリーン側に空燃比を制御してしまう。これを避けるため、Ｏ₂センサ３７の検出感度を下げると空燃比制御の精度が低下する。これに対して、排気性能を確保するには、触媒の貴金属量が多くしなければならないという問題があった。

そこで、本実施形態のＶ型８気筒エンジン１０では、点火順序が連続する同一バンク内の２気筒のうち最上流気筒を除く上流側に位置する一方の気筒から流出する排気を外管２４へ流すようにする。左バンクについてみると、第７気筒＃７と第３気筒＃３の２気筒の点火順序が連続する。この２気筒には、左バンクの最上流気筒＃１は含まれていないため、第３気筒＃３と第７気筒＃７のうち上流側に位置する第３気筒＃３から流出する排気を外管２４へ流すようにする。そして、第１気筒＃１、第５気筒＃５及び第７気筒＃７から流出する排気は、それぞれブランチ管２１、２５、２７を介して内管３０へ流すようにする。

これにより、図３（Ｂ）に示すように、第３気筒＃３と第５気筒＃５との排気の間隔は見かけ上分離され、第７気筒＃７と第５気筒＃５との点火間隔に基づく排気間隔が２７０°となる。このように、第３気筒＃３から流出する排気を外管２４に流すことにより、第３気筒＃３と第５気筒＃５とから流出する排気による排気干渉が抑制される。また、点火間隔が９０°と近くなる第３気筒＃３と第７気筒＃７についても、排気間隔の問題がなくなり、第３気筒＃３と第７気筒＃７とから流出する排気による排気干渉も抑制される。

そして、内管３０を通った排気は、その内管３０の下流に接続する図示しない排気管を通り、触媒により浄化され、大気に放出される。

以上により、本実施形態は下記の効果を得ることができる。

本実施形態の排気マニホールド２０は、内管３０と、その内管３０と同心に配置される外管２４とにより二重管構造となる。そのため、外管２４に流入する排気により内管３０の冷却を防止することができ、エンジン１０の始動時においても内管３０を流れる排気の温度低下を抑制できる。また、内管３０の管壁の肉厚は、その熱容量を小さくするため、外管２４の管壁よりも薄くする。これにより、エンジン始動時に排気温度を迅速に昇温させることができ、触媒の早期活性化が可能となる。

本実施形態の排気マニホールド２０では、点火順序が連続する同一バンク内の２気筒のうち最上流気筒を除く上流側に位置する一方の気筒から流出する排気を外管２４へ流す。また、それ以外の気筒から流出する排気は内管３０へ流す。これにより、Ｖ型８気筒エンジン１０の排気干渉を防止することができ、排気をスムーズに流すことが可能となる。

また、排気マニホールド２０は排気干渉を低減させることができるため、Ｏ₂センサ３７で検出される酸素濃度の変動を低減させることができる。そのため、Ｏ₂センサ３７の検出感度を高くでき、空燃比制御をより正確に実施することができる。これにより、触媒の貴金属量を低減することができ、コストダウンを図ることが可能となる。

さらに、排気マニホールド２０は、デュアル型の排気マニホールドと異なり、同心の二重管構造であるため、排気マニホール２０の合計長を短く設計することができる。これにより、排気マニホールド２０の製造コストを低減することが可能となる。

本発明は上記した実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなし得ることは明白である。

例えば、Ｖ型８気筒エンジン１０の右バンクにおいても、内管３０と外管２４を同心に配置した二重管構造を適用するようにしてもよい。右バンクにおいては、第４気筒＃４と第２気筒＃２の２気筒の点火順序が連続しており、最上流に位置する第２気筒＃２を除くと、その２気筒のうち上流に位置する気筒は第４気筒＃４となる。その第４気筒＃４から流出する排気を外管２４へ流すようにすることで、右バンクにおいても排気干渉を抑制することが可能となる。

また、本発明はＶ型８気筒エンジンだけでなく、Ｖ型の多気筒エンジンに対しても本発明の思想を適用することができる。

Ｖ型８気筒エンジンの一方のバンクに取付けられた本発明の排気マニホールドの一実施形態を示す概略図である。 本実施形態の排気マニホールドの断面を示す概略図である。 本発明の効果を説明する概略図である。

符号の説明

＃１〜＃８ 第１気筒〜第８気筒
１、３、５、７ 排気ポート
２ フランジ
１０ エンジン
１１、１３、１５、１７ 通気孔
２０ 排気マニホールド
２１、２３、２５、２７ ブランチ管
２１ａ 開口
２４ 外管
２４ａ、２４ｃ 小径部
２４ｂ 大径部
２６ 通気孔
３７ Ｏ₂センサ
２８ 排気室
２９ 排気通路
３０ 内管
３１ 第１配管
３２ 第２配管
３３ 第３配管

Claims (5)

1. Ｖ型多気筒エンジンの各気筒からの排気を集合させ、気筒配列方向に案内する排気マニホールドにおいて、
   点火順序が連続する同一バンク内の２気筒のうち、最上流気筒を除く上流側の気筒からの排気が導かれる排気室を有する外管と、
   前記外管の内部を軸方向に貫通し、前記排気室に接続する気筒以外の複数の気筒からの排気が導かれる排気通路を有する内管と、
   前記内管に形成され、前記排気室に導かれた排気を、その導入位置とは軸方向に異なる位置で前記排気通路に通気する通気孔と、を備え、
   前記通気孔は、前記排気室に接続する気筒以外の複数の気筒と前記内管とを連通するブランチ管のうち最も下流に接続するブランチ管よりも下流に位置する、ことを特徴とする排気マニホールド。
2. 前記内管は、前記外管と同心に設置される、ことを特徴とする請求項１に記載の排気マニホールド。
3. 前記内管の管壁は、前記外管の管壁よりも薄い、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の排気マニホールド。
4. 前記通気孔は、前記内管の周上に複数設けられる、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の排気マニホールド。
5. 前記Ｖ型多気筒エンジンは、Ｖ型８気筒エンジンである、ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の排気マニホールド。

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