JP5544084B2 - 排気マニフォールド - Google Patents

Description

本発明は、特に動力車両における、内燃機関用の排気マニフォールドであって、請求項１のプリアンブルの特徴を備えたものに関する。

このような排気マニフォールドは、原則として、排気溜室とも呼ばれるが、例えば特許文献１で公知であり、それは、複数の入口パイプが突き出すハウジングであって、取り付け状態で前記内燃機関のシリンダにつながるものと、前記入口パイプに溶接されたフランジであって、取り付け状態で前記内燃機関のシリンダヘッドにねじでねじ止めされるものと、を備える。公知の排気マニフォールドは、さらに、エアギャップ絶縁排気マニフォールドとして構成され、そのハウジングは前記入口パイプと共にインナーシェルとアウターシェルにより形成される。前記インナーシェルとアウターシェルは共に前記フランジに溶接され、両者間に絶縁用のエアギャップが形成される。

内燃機関の運転中、前記排気マニフォールドは前記シリンダヘッドよりはるかに高い温度に頻繁に到達する。これにより、異なる熱膨張が生じ、それは前記排気マニフォールドの長手方向において、とりわけ４個あるいはそれを超える数のシリンダを有する直列型エンジンにおいて、はっきりと目立つものになる。

前記シリンダヘッドに対する前記フランジのねじ結合を、フランジとシリンダヘッドの間の熱による相対移動が最小化されるように設計することは、原則としては可能である。しかしながら、このケースでは、前記ハウジング内に極端な応力が生じ、材料の比較的急速な疲労または破断にさえつながることがある。同様に、前記フランジが、熱に強いられる形で、前記シリンダヘッドに対し比較的自由に動き得るように、すなわちフランジとシリンダヘッドの間の接触面で滑り得るように、前記ねじ結合を構成することは、基本的には可能である。その結果、前記入口パイプと前記シリンダの間の位置関係に相対的変化が生じることになるが、これは、シール形成には不利であり、また、流れの条件に好ましくない。

独国特許発明第１０２００５０２５７３５号明細書

本発明は、先に述べたタイプの排気マニフォールドの改良された実施形態を提供するという課題に関わるものであり、特に、内燃機関の運転中に十分なシール効果が達成され、同時に、前記排気マニフォールドの長寿命化が達成される点を特徴とする。

この課題は、独立請求項１の主題に係る発明によって解決される。有利な実施形態は従属請求項の主題となっている。

本発明は、前記フランジを、前記排気マニフォールドの長手方向に分割するという、一般的なアイデアに基づく。この場合の前記排気マニフォールドの“長手方向”とは、前記入口パイプが互いに近接して、または他のものの後に、並べられる方向のことである。前記フランジの長手方向分割により、２個の部分フランジが形成され、それらは熱に強いられる形で、各自の長さを互いに独立して変え得る。この手法により、前記個別の部分フランジの長手方向膨張は、その絶対値に対し縮小する。これにより、前記ハウジングにかかる熱的負荷は、前記フランジ面での滑りを許すねじ結合と相まって、軽減される。前記フランジの各分割はギャップによって達成される；このギャップは前記長手方向と直角に延び、環境温度では隣接部分フランジ間に前記長手方向において所定のギャップ幅が生じているが、それは温度上昇と共に縮小する。

特に有利なのは次の実施形態である；そこでは少なくとも１個の補強板が設けられ、この補強板は前記フランジの前記ハウジングの方を向く面に平らに当たり、２個の隣り合う部分フランジの間の分割により形成されたギャップの少なくとも１個を橋渡しし、組み付け状態では、前記フランジが前記各補強板と前記シリンダヘッドの間に配置される形で、前記シリンダヘッドに前記ねじ結合でねじ止めされる。前記補強板のおかげで、前記シリンダヘッド上面への前記部分フランジの押し付けは、組み付け状態では改善され、前記各補強板は前記フランジの持ち上げ、曲げ、降伏等を阻止する。この設計では、組み付け状態の前記ねじ結合において、ねじの頭部やナットはもはや前記フランジに支えられるのでなく、前記各補強板に支えられることとなり、前記フランジは前記各補強板によって前記シリンダヘッドに押し付けられる。さらに、前記各補強板は前記フランジ面におけるフランジとシリンダヘッドの間の相対移動のガイド役も果たす。さらに、前記各補強板は、ねじ頭部やナットが前記フランジに埋もれるのを防ぎ、前記フランジまたは前記部分フランジが、前記フランジ面内で、前記ねじ結合に関わらず、移動性を備えることとなるのを促進する。

さらに有利な発展形態では、前記各補強板は、少なくとも１本の入口パイプが通る、少なくとも１個の貫通穴を含むことができる。この設計により、前記各補強板が、前記各入口パイプの領域で前記フランジを、可能な限り均一に押すという結果がもたらされる。

本発明の他の重要な特徴及び利点は、従属請求項、図面、及び図面に基づく個々の形象の説明より明らかとなる。

前述の、あるいは後述する特徴は、それぞれ与えられた組み合わせでのみ用いられるのではなく、本発明の範囲を逸脱することなく、他の組み合わせでも、あるいは単独でも、用いられることが理解される。

本発明によれば、先に述べたタイプの排気マニフォールドの改良された実施形態を提供することができる。その実施形態は、特に、内燃機関の運転中に十分なシール効果が達成され、同時に、前記排気マニフォールドの長寿命化が達成される点を特徴とする。

本発明の好ましい実施形態は、図面に描写され、以後の記述で一層詳細に説明される。同一の、または同様の、または機能的に等価の構成要素には同じ引用符号を付す。

図はいずれも模式的なものであり、図１は組み付け状態の排気マニフォールドの斜視図を示し、図２は前記排気マニフォールドの中央部の拡大詳細図を示す。

図１によれば、排気マニフォールド１は、ハウジング２とフランジ３を備える。前記ハウジング２は複数の入口パイプ４を備え、それらは前記ハウジング２から、または前記ハウジング２内に形成された集合室から、突き出している。図示の組み付け状態では、前記入口パイプ４は、一部のみ示す内燃機関５の図示しないシリンダにつながる。本例では、前記内燃機関５は直列６気筒エンジンからなる。前記入口パイプ４は、他のものの後に並ぶ方向に、または互いに近接する方向に、配置されている。この方向は前記排気マニフォールド６の前記長手方向を定義するものであり、両矢印で表示され、符号６がつく。明らかなことであるが、ここに描かれた入口パイプ４の数は単なる例示と理解されるべきであり、入口パイプの数がそれより多くても少なくてもよい。

加えて、前記ハウジング２は、少なくとも１本の出口パイプ７を有し、組み付け状態では、それによって前記排気マニフォールド１が内燃機関５の排気システムに連結され、前記内燃機関５は特に動力車両に搭載可能である。

前記フランジ３は前記入口パイプ４に溶接され、組み付け状態では、前記内燃機関５のシリンダヘッド８にねじ止めされる。本例で用いられるねじ結合９は複数の個別ねじ１０からなるが、それらはねじ頭部の部分のみ図示されている。同様に、前記ねじ結合９を複数の植え込みボルト１１により形成することもできる。前記複数の植え込みボルト１１にはナットが取り付けられる。

前記排気マニフォールド１は、エアギャップ絶縁排気マニフォールド１として有利に構成される。前記ハウジング２は、前記入口パイプ４と共に、アウターシェル１２とその内部に配置されたインナーシェル１３とにより形成される。図示例では、前記インナーシェル１３は前記入口パイプ４の領域で前記アウターシェル１２から導出され、図２のように、前記アウターシェル１２に１４のところで溶接される。本例では、前記フランジ３は前記インナーシェル１３に対し、１５のところで溶接されるのみである。他の実施形態では、前記アウターシェル１２を前記フランジ３まで導き、前記アウターシェル１２を前記フランジ３に追加溶接することもできる。

本発明によれば、前記フランジ３は、前記マニフォールド６の長手方向において、少なくとも２個の部分フランジ３’に分割される。前記フランジ３の長手方向分割は、前記各部分フランジ３’が前記長手方向６において互いに分離され、ギャップ１６が形成されることにより実現される。図示例では、前記ギャップ１６は前記長手方向６に対し真っ直ぐ直角に延びる。冷却状態の前記排気マニフォールド１における前記ギャップ１６のギャップ幅は、前記ギャップ１６に近接した前記部分フランジ３’の予測される長手方向膨張に見合うものとなっており、温度上昇と共にギャップ幅は縮小する。

図示例ではギャップ１６は１個設けられているだけであって、それにより前記フランジ３は、正確に２個の部分フランジ３’に分割される。原則として、２個かそれを超える数のギャップ１６または分割部を設けてもよく、それにより前記フランジ３は、３個かそれを超える数の部分フランジ３’からなることは明らかである。

正確に２個の部分フランジ３’を備える図示例では、前記ギャップ１６は、前記マニフォールドの長手方向６において、前記フランジ３のほぼ中央に配置され、前記フランジ３はほぼ中央で分割される。

加えて、前記排気マニフォールド１は、少なくとも１個の補強板１７を有し、それは、少なくとも組み付け状態では、前記フランジ３の前記ハウジング２の方を向く面に平らに当たる。前記補強板１７は、前記ギャップ１６または少なくとも１個の前記ギャップ１６を橋渡しする形に形成される。図示の組み付け状態では、前記各補強板１７は前記シリンダヘッド８に前記ねじ結合９によって、前記フランジ３を前記シリンダヘッド８に押し付けるようにねじ止めされている。従って、前記フランジ３は、前記各補強板１７と前記シリンダヘッド８の間に配置される。それ故、前記ねじ結合９による、前記フランジ３の前記シリンダヘッド８への固定は、前記補強板１７によって直接的に影響される訳ではないが、間接的に影響される。

図示例では、補強板１７がただ１個だけ設けられる。原則として、他の実施形態では、２個かそれを超える数の補強板１７を設けることもでき、それは、前記マニフォールドの長手方向に互いに近接して配置されるか、及び／または、前記フランジ面と直角に延びる前記ねじ結合の方向に積み重ねて配置される。

本例では、前記補強板１７は、各入口パイプ４に対し個別の貫通穴１８を有し、前記各入口パイプ４はそれを通り抜ける。このことは、前記排気マニフォールド１の製造のためには、前記各補強板１７が、前記フランジ３を前記ハウジング２に溶接する前に、適切に取り付けられなければならないことを意味している。このケースでは、前記補強板１７は分割されないまま前記フランジ３の全体をカバーする。特に、前記補強板１７は、前記ねじ結合の方向に見たとき、前記フランジ３と同一形状に構成されている。前記補強板１７は、このように前記フランジ３を、その全長にわたって、及び／または、その全幅にわたって、カバーする。さらに、前記補強板１７は、前記フランジ３と同じまたはそれと異なる貫通穴をもって、前記ねじ結合９のための同一穴パターンを有している。

前記フランジ３を前記シリンダヘッド８に、前記各補強板１７の助けを借りて間接的にねじ止めするため、組み付け状態では、前記ねじ１０の頭部または前記植え込みボルト１１のナットは、前記各補強板１７に直接的に支持されており、従って前記各補強板１７を介して間接的にのみ前記フランジ３上にある。

前記フランジ３は前記シリンダヘッド８にフランジ面で当たる。このフランジ面における前記フランジ３とシリンダヘッド８との輪郭形成は、原則的に、組み付け状態において、各部分フランジ３’が基本的に前記シリンダヘッド８に、その前記長手方向において移動可能に当たる形で構成することができる。ねじ結合９が設けられないときは、前記部分フランジ３’は前記シリンダヘッド８に対し自由に動き得る。前記ねじ結合９が設けられると、熱膨張は移動を強いることになる、すなわち、前記各部分フランジ３’が前記シリンダヘッド８に対し、前記フランジ面でシフトする。

或る実施形態では、組み付け状態において、前記各部分フランジ３’は、前記シリンダヘッド８に、少なくとも前記マニフォールドの長手方向６において有効である確動結合により、前記マニフォールドの長手方向６においてほぼ中央で固定されている。ここでは図示しないこの確動結合は、前記各部分フランジ３’が、前記確動結合の位置から出発して、前記マニフォールドの長手方向６と平行に、且つ向かい合わせの方向に、拡張できるようにする効果があり、これにより、前記各部分フランジ３’の前記長手方向端部の領域における、前記各部分フランジ３’と前記シリンダヘッド８との間の相対的移動は、減少する。かかる確動結合は、例えば、舌片と溝の組み合わせ構造で実現される。

前記ねじ結合９のねじ頭部またはナットは、前記部分フランジ３’にではなく前記各補強板１７に支持されているので、前記ねじ頭部またはナットが前記フランジ３に埋もれることがなく、その結果、前記各部分フランジ３’と前記シリンダヘッド８の間の移動性が改善され、あるいは、より容易になる。

前記フランジ３を前記マニフォールドの長手方向６に分割することにより、前記熱に強いられた膨張は、前記排気マニフォールド１の構造に、すなわち前記フランジ３と前記ハウジング２に、バランスのとれた形で配分され、前記入口パイプ４と前記シリンダとの間のシール構造がそれによってひどく傷つけられるようなことがない。同時に、少なくとも１個の補強板１７が前記フランジ３の安定化または剛性化という効果をもたらし、それは前記フランジ３における曲げまたはしわに対する対抗力となる。その結果、前記フランジ３とシリンダヘッド８との間のシール効果が改善される。

加えて、前記補強板１７は前記フランジ３に対し、前記ハウジング２からの熱絶縁の効果を及ぼす。特に、前記補強板１７は、前記ハウジング２の直接輻射から前記フランジ３を保護する。

は、組み付け状態の排気マニフォールドの斜視図を示す。 は、前記排気マニフォールドの中央部の拡大詳細図を示す。

１ 排気マニフォールド
２ ハウジング
３ フランジ
３’ 部分フランジ
４ 入口パイプ
５ 内燃機関
６ 排気マニフォールド
７ 出口パイプ
８ シリンダヘッド
９ ねじ結合
１０ ねじ
１１ 植え込みボルト
１２ アウターシェル
１３ インナーシェル
１４ アウターシェル
１５ インナーシェル
１６ ギャップ
１７ 補強板

Claims (7)

1. 内燃機関（５）用の排気マニフォールドであって、
   組み付け状態では前記内燃機関（５）のシリンダにつながる複数の入口パイプ（４）が突き出したハウジング（２）を備え、
   前記入口パイプ（４）に溶接され、組み付け状態では、前記内燃機関（５）のシリンダヘッド（８）にねじ結合（９）でねじ止めされるフランジ（３）を備え、
   前記フランジ（３）は、前記排気マニフォールド（１）の長手方向（６）において、少なくとも２個の部分フランジ（３’）に分割され、
   前記入口パイプ（４）に溶接されていない第１の補強板（１７）および前記入口パイプ（４）に溶接されていない第２の補強板を備え、
   前記第１の補強板（１７）は、前記フランジ（３）の前記ハウジング（２）の方を向く面に平らに当たり、２個の隣り合う部分フランジ（３’）の間の分割により形成されたギャップ（１６）の少なくとも１個を橋渡しし、組み付け状態では、前記フランジ（３）が前記前記第１の補強板（１７）と前記シリンダヘッド（８）との間に配置される形で、前記シリンダヘッド（８）に前記ねじ結合（９）でねじ止めされ、
   前記第２の補強板は、前記第１の補強板（１７）の前記ハウジング（２）の方を向く面に平らに当たり、２個の隣り合う部分フランジ（３’）の間の分割により形成されたギャップ（１６）の少なくとも１個を橋渡しし、組み付け状態では、前記第１の補強板（１７）が前記フランジ（３）と前記第２の補強板との間に配置される形で、前記シリンダヘッド（８）に前記ねじ結合（９）でねじ止めされ、
   前記第１の補強板（１７）および前記第２の補強板はそれぞれ、少なくとも１本の入口パイプ（４）が通る、少なくとも１個の貫通穴（１８）を含み、
   前記第１の補強板（１７）および前記第２の補強板はそれぞれ、分割されないまま前記フランジ（３）をカバーし、
   組み付け状態では、前記第１の補強板（１７）および前記第２の補強板のそれぞれの外縁が、前記フランジ（３）の分割部分を除く外縁と一致している。
2. 請求項１の排気マニフォールドであって、以下を特徴とするもの：
   組み付け状態では、前記ねじ結合（９）のねじ頭部またはナットは、前記第１の補強板（１７）および前記第２の補強板によって前記フランジ（３）上に支持される。
3. 請求項１または請求項２の排気マニフォールドであって、以下を特徴とするもの：
   前記フランジ（３）は、ほぼ中央で分割されている。
4. 請求項１〜３のいずれか１項の排気マニフォールドであって、以下を特徴とするもの：
   組み付け状態において、各部分フランジ（３’）は、前記シリンダヘッド（８）に、少なくとも前記マニフォールド（１）の長手方向（６）において有効である確動結合により、前記マニフォールド（１）の長手方向（６）においてほぼ中央で固定されている。
5. 請求項１〜４のいずれか１項の排気マニフォールドであって、以下を特徴とするもの：
   組み付け状態において、各部分フランジ（３’）は、前記排気マニフォールド（１）の長手方向（６）において、前記シリンダヘッド（８）に、移動可能に当たる。
6. 請求項１〜５のいずれか１項の排気マニフォールドであって、以下を特徴とするもの：
   前記排気マニフォールド（１）は、エアギャップ絶縁排気マニフォールド（１）として構成される。
7. 請求項６の排気マニフォールドであって、以下を特徴とするもの：
   前記入口パイプ（４）を備えた前記ハウジング（２）は、インナーシェル（１３）とアウターシェル（１２）とにより形成され、その少なくとも一方が前記フランジ（３）に溶接される。

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