JP5141933B2 - 排気マニホールド - Google Patents

Description

本発明は、自動車等の車両に搭載されるエンジンに設けられる排気マニホールドに関する。

自動車等の車両に搭載される多気筒エンジンには、各排気ポートからの排気を集合させて排気管に導くため、排気マニホールドがシリンダヘッドに取り付けられている。この排気マニホールドは、一般的に、複数の枝管部とこれら枝管部が集合する集合管部とで構成され、これら枝管部の先端部にシリンダヘッドに対する取付フランジが設けられている。排気マニホールドには、取付フランジが各枝管部にそれぞれ独立して設けられたものもあるが、取付フランジが複数の枝管部に対して一体的に設けられているものもある。具体的には、複数の枝管（枝管部）５の一端側に取付フランジ２が設けられ、この取付フランジ２が、ボルト等によってシリンダヘッドに固定されたものがある（例えば、特許文献１参照）。

ところで、エンジンの運転時には、各シリンダ内の排ガスが排気マニホールドの各枝管部内に排出され、この排ガスが集合管部内で合流して排気口から排出される。このとき、この排気マニホールドに排出される排ガスの温度は、８００℃を超える高温となることもある。このため、排気マニホールドには、排ガスに曝されることで熱膨張による大きな歪みが生じることがある。取付フランジが複数の枝管部に対して一体的に設けられている場合には、例えば、集合管部の熱膨張によりシリンダヘッドの取付面に対して反り上がるように排気マニホールドが塑性変形して、最終的に割れが発生し排ガスが洩れるといった問題が生じる虞がある。このような問題は、枝管部の間の部分において特に生じやすい。

このような問題を解消するために、例えば、特許文献１に記載されているように、取付フランジにスリットを設けるようにしたものがある。また例えば、排気マニホルドのフランジ部（取付フランジ）３に、フランジ部３の下縁からフランジ幅のほぼ中央付近までの取付面８を窪ませて薄肉部５を形成するようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。

実開平０６−１４４３４号公報 特開平０９−３２４６２５号公報

上記構成により、排気マニホールド自体の熱変形により生じる応力（熱応力）を抑制して、各枝管部の間の集合管部における割れ等の破損の発生を抑制することはできる。

ところで、特許文献１に記載の排気マニホールドのように取付フランジと集合管部とが離間している構造における集合管部の破損は、枝管部を繋ぐ集合管部の熱変形の影響が大きい。そして特許文献１には、集合管部の熱変形に伴う集合管部の破損を抑制するために、取付フランジをスリットによって分離した構造が開示されている。このような構造では、集合管部の熱変形に取付フランジが追随するため、生じる熱応力の程度を抑制することはできる。

しかしながら、取付フランジをスリットによって完全に分離してしまうと、集合管部の熱変形時に、取付フランジが変形（追随）しすぎて、排気マニホールドとシリンダヘッドとの間のシール性が低下してしまう虞がある。さらには、取付フランジの変形（追随）に伴って、排気マニホールドとシリンダヘッドとを固定するボルトに負荷がかかりボルトが破損、または、ボルトが排気マニホールドに負荷を作用させることによる集合管部の破損の虞もある。

また特許文献２に記載の排気マニホールドは、集合管部が取付フランジに対して密着して設けられた構造であるため、当然、集合管部の熱変形に伴う取付フランジの変形（追随）の効果は小さい。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、シリンダヘッドとのシール性を良好に維持しつつ、排気マニホールド自体の変形に起因する破損を抑制することができる排気マニホールドを提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、エンジンのシリンダヘッドに取り付けられる排気マニホールドであって、複数の枝管部と、これら複数の枝管部の一端部に一体的に設けられて前記シリンダヘッドに取り付けられる取付フランジと、前記枝管部の他端部側に設けられて複数の前記枝管部が接続された集合管部とを備え、前記枝管部間には前記取付フランジと前記集合管部とを離間する空間部が画成されており、前記枝管部間に位置する前記取付フランジの前記シリンダヘッドとの当接面側に、溝部が設けられ、前記溝部は、前記枝管部の並設方向と略直交する第１の方向に延びており、前記取付フランジの両端部間に亘って連続的に形成されていることを特徴とする排気マニホールドにある。

本発明の第２の態様は、第１の態様の排気マニホールドにおいて、前記取付フランジには、当該取付フランジを前記シリンダヘッドに固定するボルトが挿入される貫通孔が設けられ、前記溝部は、前記貫通孔上を通って設けられていることを特徴とする排気マニホールドにある。

本発明の第３の態様は、第２の態様の排気マニホールドにおいて、前記溝部は、前記貫通孔の直径よりも狭い幅で形成されていることを特徴とする排気マニホールドにある。

本発明の第４の態様は、第１〜３の何れか一つの態様の排気マニホールドにおいて、前記取付フランジの各枝管部の間の部分は、前記枝管部に対応する部分よりも幅の狭い幅狭部となっており、前記溝部は幅狭部に設けられていることを特徴とする排気マニホールドにある。
本発明の第５の態様は、第１〜４の何れか一つの態様の排気マニホールドにおいて、前記溝部の深さは、前記取付フランジの厚さの１／２以上であることを特徴とする排気マニホールドにある。
本発明の第６の態様は、第１の態様の排気マニホールドにおいて、前記取付フランジには、当該取付フランジを前記シリンダヘッドに固定するボルトが挿入される貫通孔が設けられ、前記溝部は、前記貫通孔の両側にそれぞれ設けられることを特徴とする排気マニホールドにある。

かかる本発明の排気マニホールドは、取付フランジの空間部に対向する部分における変形（反り）に良好に追随することができると共に、集合管部の空間部に対向する部分に生じる熱応力を抑制することができる。したがって、このような熱変形に伴う集合管部或いは枝管部の破損を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係るエンジンの概略構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る排気マニホールドの概略を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る取付フランジの要部を示す平面図及び断面図である。 本発明の一実施形態に係る排気マニホールドに発生する応力の状態を説明する模式図である。 本発明の一実施形態に係る排気マニホールドの変形例を示す平面図である。

以下、本発明に係る排気マニホールドの構造について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係る排気マニホールドを含むエンジンの概略構成を示す図である。図１に示すエンジン１０は、吸気管噴射型(Multi Point Injection)の多気筒エンジン、例えば、直列３気筒エンジンであり、このエンジン１０を構成するシリンダヘッド１１には、３つの気筒１２が並設されている。各気筒（燃焼室）１２には、図示しないが、それぞれ点火プラグが配されると共に、吸気ポート及び排気ポートが設けられている。

シリンダヘッド１１の吸気ポートには吸気マニホールド２０が接続され、吸気マニホールド２０には吸気管４０が接続されている。吸気マニホールド２０には、各気筒１２に対応する複数の燃料噴射弁１３が設けられている。これら燃料噴射弁１３はデリバリパイプ１４を介して燃料タンク（図示なし）に接続されており、燃料タンクから供給される燃料を吸気マニホールド２０或いは各気筒１２内に適宜噴射する。

一方、シリンダヘッド１１の排気ポートには、排気マニホールド３０が接続され、排気マニホールド３０には排気管５０が接続されている。排気管５０には、排気浄化用触媒である三元触媒５１等が介装されている。

ここで、本発明に係る排気マニホールド３０は、図２に示すように、各排気ポートに対応する３本の枝管部３１と、これら複数の枝管部３１の一端部に設けられてシリンダヘッド１１に取り付けられる取付フランジ３２と、枝管部３１の他端部側に設けられる集合管部３３と、を備えている。

これら枝管部３１、取付フランジ３２及び集合管部３３は、例えば、鋳鉄等の金属によって一体的に形成されている。集合管部３３は、排気マニホールド３０がシリンダヘッド１１に固定された状態において、略水平方向に延設されている。各枝管部３１はその集合管部３３の長手方向に所定間隔で配されて、集合管部３３の側方に向って突出するように設けられている。そして複数の各枝管部３１の先端部に取付フランジ３２が一体に形成されている。すなわち取付フランジ３２は、集合管部３３とは離間した状態で各枝管部３１に一体的に形成されており、集合管部３３と取付フランジ３２との間には空間部３４が画成されている。

この取付フランジ３２がシリンダヘッド１１の取付面に複数のボルト（図示なし）によって固定される。このため取付フランジ３２には、ボルトを挿通する複数の貫通孔３５が、各枝管部３１の周囲に複数設けられている。取付フランジ３２の各枝管部３１の間の部分は、枝管部３１に対応する部分よりも幅の狭い幅狭部３２ａとなっており、図３の平面図及びそのＡ−Ａ′線断面図に示すように、この幅狭部３２ａにもボルト１００が挿通される貫通孔３５が形成されている。さらに取付フランジ３２の各枝管部３１の間の部分、つまり幅狭部３２ａには、枝管部３１の並設方向とは略直交する第１の方向（図３中上下方向）に延びる溝部３６が設けられている。換言すれば、取付フランジ３２の幅狭部３２ａには、他の部分よりも厚さが薄い薄肉部３７が設けられている。本実施形態では、貫通孔３５が幅狭部３２ａの第１の方向における略中央部に設けられており、溝部３６は、この貫通孔３５上に延設され、取付フランジ３２の幅狭部３２ａの両端部間に亘って連続的に形成されている。

このような構成の排気マニホールド３０では、エンジン１０の始動後、シリンダヘッド１１からの排ガスによって集合管部３３が熱膨張する際に、集合管部３３の熱膨張に追随して幅狭部３２ａに設けられた薄肉部３７が変形（追随）する。これにより、取付フランジ３２を良好に変形させる（反らせる）ことで熱応力を抑制することができる。その結果、薄肉部３７による過度な変形を防ぎシリンダヘッド１１とのシール性を確保しつつ、枝管部３１、または集合管部３３の破損といった問題の発生を回避することができる。

シリンダヘッド１１からの排ガスが排気マニホールド３０に排出されると、集合管部３３の空間部３４に対向する部分３３ａは、熱膨張するが（高温時）、取付フランジ３２の剛性、及びボルトの拘束力により、この部分３３ａには、図４（ａ）に矢印で示すように、熱膨張の変形を抑えようとする圧縮方向（枝管部３１の並設方向）の応力が生じる。それに伴って、集合管部３３の空間部３４に対向する部分３３ａは塑性変形を起す。そして、常温（エンジン停止）になると上記の部分３３ａは元の形に戻ろうとするが、塑性変形により元の状態より短くなっているため、この部分３３ａには、図４（ｂ）に矢印で示すように、逆に引張応力が発生する。この高温と常温の繰り返しにより塑性変形の程度が蓄積され、破損原因となる引張方向に発生する応力が大きくなり最終事象として集合管部３３或いは枝管部３１に破損が生じる。このように集合管部３３の熱変形に伴って集合管部３３或いは枝管部３１に生じる応力は、集合管部３３の空間部３４に対向する部分３３ａから離れた位置ほど小さくなる。

上述したように本発明では、取付フランジ３２のシリンダヘッド１１との当接面側に溝部３６が設けられて、幅狭部３２ａに薄肉部３７が形成されている。これにより、排気マニホールド３０の各部のうち比較的温度が低く剛性が高い部分の剛性が低下し、集合管部３３の熱膨張に伴って薄肉部３７及びその周辺が良好に変形する。したがって、集合管部３３の空間部３４に対向する部分３３ａに生じる圧縮応力を軽減させることができる。また、溝部３６を機械加工で形成する場合には、制約が少なく生産性を向上することができる。

なお溝部３６の深さは、特に限定されないが、取付フランジ３２の厚さの１／２以上であることが好ましい。これにより幅狭部３２ａの変形に伴って取付フランジ３２をさらに良好に変形させ、追随させることができる。また溝部３６が貫通孔３５上に形成されている場合、溝部３６の幅は、貫通孔３５の直径よりも狭いことが好ましい。これにより、貫通孔３５に挿通されるボルトと取付フランジ３２との十分な接触面積を確保することができ、このボルトによって排気マニホールド３０とシリンダヘッド１１とを強固に（緩み無く）固定することができる。

また取付フランジ３２は、枝管部３１毎に独立することなく薄肉部３７を介して連続的に形成されており、その剛性は良好に維持されている。したがって、排気マニホールド３０とシリンダヘッド１１とのシール性の低下も抑制することができる。

また上述のように本実施形態では、溝部３６を貫通孔３５上に延設され、取付フランジ３２の幅狭部３２ａの両端部間に亘って連続的に形成されているため、取付フランジ３２の変形の偏りを抑制することができる。これにより、管部の破損をより確実に抑制することができる。

まず溝部３６が、取付フランジ３２の幅狭部３２ａの両端部間に亘って連続的に形成されていることで、第１の方向において取付フランジ３２の幅狭部３２ａは略均等に変形する。また排気マニホールド３０の取付フランジ３２は、貫通孔３５に挿通されたボルトによってシリンダヘッド１１に強固に固定されている。このため、集合管部３３の熱応力に起因する取付フランジ３２の変形は、枝管部３１の並設方向においては、貫通孔３５付近を基準として生じると考えられる。したがって溝部３６（薄肉部３７）が貫通孔３５上に設けられていることで、溝部３６の両サイドにおいて取付フランジ３２は略均等に変形する。

なお溝部３６は、必ずしも貫通孔３５上に設けられている必要はない。溝部３６は、貫通孔３５とは異なる位置に設けられていてもよいが、その場合には、例えば、図５に示すように、貫通孔３５の両側にそれぞれ設けられていることが好ましい。

また本実施形態では、第１の方向において溝部３６が取付フランジ３２の両端部間に亘って連続的に設けられている構成を例示したが、溝部３６は、例えば、第１の方向において断続的に設けられていてもよい。

さらに本実施形態では、溝部３６を取付フランジ３２の各枝管部３１の間の部分（幅狭部３２ａ）に設けるようにしたが、溝部３６は全ての幅狭部３２ａに設けなくてもよく、必要に応じて適宜設けるようにすればよい。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、このような実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能なものである。例えば、上述の実施形態では、３気筒のエンジンを例示して本発明を説明したが、勿論、本発明は、４気筒以上のエンジンを構成する排気マニホールドにも適用することができるものである。また例えば、上述の実施形態では、吸気管噴射型のエンジンを例示して本発明を説明したが、勿論、本発明は、例えば、筒内噴射型等、他のタイプのエンジンを構成する排気マニホールドにも適用することができるものである。

１０ エンジン
１１ シリンダヘッド
１２ 気筒
１３ 燃料噴射弁
１４ デリバリパイプ
２０ 吸気マニホールド
３０ 排気マニホールド
３１ 枝管部
３２ 取付フランジ
３２ａ 幅狭部
３３ 集合管部
３４ 空間部
３５ 貫通孔
３６ 溝部
３７ 薄肉部
４０ 吸気管
５０ 排気管
５１ 三元触媒

Claims (6)

1. エンジンのシリンダヘッドに取り付けられる排気マニホールドであって、
   複数の枝管部と、これら複数の枝管部の一端部に一体的に設けられて前記シリンダヘッドに取り付けられる取付フランジと、前記枝管部の他端部側に設けられて複数の前記枝管部が接続された集合管部とを備え、前記枝管部間には前記取付フランジと前記集合管部とを離間する空間部が画成されており、
   前記枝管部間に位置する前記取付フランジの前記シリンダヘッドとの当接面側に、溝部が設けられ、
   前記溝部は、前記枝管部の並設方向と略直交する第１の方向に延びており、前記取付フランジの両端部間に亘って連続的に形成されていることを特徴とする排気マニホールド。
2. 請求項１に記載の排気マニホールドにおいて、
   前記取付フランジには、当該取付フランジを前記シリンダヘッドに固定するボルトが挿入される貫通孔が設けられ、
   前記溝部は、前記貫通孔上を通って設けられていることを特徴とする排気マニホールド。
3. 請求項２に記載の排気マニホールドにおいて、
   前記溝部は、前記貫通孔の直径よりも狭い幅で形成されていることを特徴とする排気マニホールド。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載の排気マニホールドにおいて、
   前記取付フランジの各枝管部の間の部分は、前記枝管部に対応する部分よりも幅の狭い幅狭部となっており、
   前記溝部は幅狭部に設けられていることを特徴とする排気マニホールド。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載の排気マニホールドにおいて、
   前記溝部の深さは、前記取付フランジの厚さの１／２以上であることを特徴とする排気マニホールド。
6. 請求項１に記載の排気マニホールドにおいて、
   前記取付フランジには、当該取付フランジを前記シリンダヘッドに固定するボルトが挿入される貫通孔が設けられ、
   前記溝部は、前記貫通孔の両側にそれぞれ設けられることを特徴とする排気マニホールド。

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