JP5843830B2

JP5843830B2 - 触媒ケース一体型排気マニホルド

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Publication number: JP5843830B2
Application number: JP2013192682A
Authority: JP
Inventors: 内川　義幸; 義幸内川
Original assignee: Aisin Takaoka Co Ltd
Current assignee: Aisin Takaoka Co Ltd
Priority date: 2013-09-18
Filing date: 2013-09-18
Publication date: 2016-01-13
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Description

本発明は、車両エンジン用の排気マニホルドと触媒ケースとが一体化された触媒ケース一体型排気マニホルド、及び、その製造方法に関する。

車両用エンジンの排気系部品の一種に、エンジンの各気筒からの排気を集合させるための排気マニホルド（エキゾーストマニホルド、エキマニ、ともいう）に触媒コンバータを直結させた触媒ケース一体型排気マニホルド（マニホルドコンバータともいう）がある。例えば特許文献１（特開２０００−２０４９４５号公報）の図８は、Ｖ型多気筒エンジン用の排気マニホルドの直下流に触媒ケースを配設した排気系構造を示す。特許文献１には、排気マニホルドの構造については詳説されているものの、触媒ケースの構造については言及がない。但し、従来のマニホルドコンバータは、例えば本願の図１５に示すように、多数の部品から成り立っている。具体的には、排気マニホルドシェル９１、ケース本体９６、コーン９７（入口側シェル）および出口側シェル９８である。排気マニホルドは、古くは鋳造による一体物として提供されていたが、軽量化等の要請から板金プレス製品化が進み、現在ではプレス加工で得た二つの半割りシェル（９１Ａ，９１Ｂ）を溶接して排気マニホルドシェル９１の外殻全体を構成するタイプが主流になっている。同様に、ケース本体９６の下流側に位置する出口側シェル９８についても、プレス加工された二つの半割りシェル（９８Ａ，９８Ｂ）を溶接してシェル全体を構成する設計がみられる。なお、略円筒状のケース本体９６は、例えば鋼板をロール加工して得られる。また、略円錐形状のコーン９７は、例えば金属円筒をプレス加工して得られる。

特開２０００−２０４９４５号公報

図１５に例示した従来のマニホルドコンバータにあっては、排気マニホルドの二つの半割りシェル９１Ａ，９１Ｂ、コーン９７、ケース本体９６、および、出口側シェルの二つの半割りシェル９８Ａ，９８Ｂといった具合に、部品点数が少なくとも６点と多い。また、部品点数が多いために、相互連結のための溶接箇所も多く、溶接長も長くならざるを得ない。また、隣り合う部材間で溶接のためのラップ代を確保する等の作業も必要である。このような事情から、従来のマニホルドコンバータには、作業工程数が多くコスト低減が難しいという問題があった。

また、次第に厳しさを増す排気ガス規制や更なる低燃費化の要求に対応するためには、排気系統の最上流域を構成する部品（マニホルドコンバータにあっては特に、エキマニ部およびコーン部）を流れる排気ガスの高温化、ひいては部品の表面温度の上昇が避けられず、高温強度に優れたＳＵＳ材（ステンレス鋼材）を採用する必要に迫られている。しかしながら、高温強度に優れるＳＵＳ材は概して難成形であり、そのような難成形なＳＵＳ材をマニホルドコンバータのような形状の複雑な部品に適用するためには、新たな成形技術の確立が必要である。

本発明の目的は、従来よりも部品点数が少なく、溶接箇所を減らす等して製造コストを低減可能な触媒ケース一体型排気マニホルド（マニホルドコンバータ）を提供することにある。また、本発明の更なる目的は、高温強度に優れるが難成形とされている鉄系材料を用いて、部品点数の少ない触媒ケース一体型排気マニホルドを製造する方法を提供することにある。

本発明は、触媒ケース一体型排気マニホルドに関するものである。即ち、
排気マニホルド部および触媒ケース部を備え、前記触媒ケース部が、触媒担体を保持するための略円筒状のケース本体、当該ケース本体と前記排気マニホルド部とを連結するコーン、および、前記ケース本体の下流側に連結された出口側シェルを具備してなる、触媒ケース一体型排気マニホルドにおいて、
前記排気マニホルド部および前記触媒ケース部は、材質及び／又は板厚が異なる少なくとも二枚の金属素板を溶接してなるテーラードブランク材のプレス成形品であり、
前記排気マニホルド部と前記触媒ケース部のコーンとが、前記テーラードブランク材を構成する複数の金属素板のうちの第１の金属素板（３１）で形成されており、
前記触媒ケース部のケース本体と出口側シェルとが、前記テーラードブランク材を構成する複数の金属素板のうちの、前記排気マニホルド部と前記触媒ケース部のコーンとを形成する前記第１の金属素板（３１）とは異なる一枚以上の金属素板（３２，３３）で形成されており、
前記一枚以上の金属素板（３２，３３）には、前記第１の金属素板（３１）と突き合わせ連結された第２の金属素板（３２）が含まれており、前記第１および第２の金属素板（３１，３２）の突き合わせ部（３４）が、前記触媒ケース部のケース本体とコーンとの境界に位置する、ことを特徴とする触媒ケース一体型排気マニホルドである。

本発明によれば、排気マニホルド部および触媒ケース部がテーラードブランク材に由来し、テーラードブランク材のプレス加工によって予め一体成形されることから、従来よりも（組み立て段階での）部品点数を減らすことができる。また、部品点数の減少により、組み立て段階での溶接箇所を減らすと共に総溶接長を短くすることが可能となるため、製造コストの低減を図ることができる。更に、排気マニホルド部と触媒ケース部のコーン（触媒ケース部における最上流域）とが、テーラードブランク材を構成する複数の金属素板のうちの同一金属素板で形成されるため、この同一金属素板として、相対的にコスト高であるが耐熱性等に優れた金属からなる素板を割り当てて、高レベルの性能要求に対応することができる。その一方で、触媒ケース部のケース本体及び出口側シェル（つまり触媒ケース部における中流域及び下流域）が、テーラードブランク材を構成する複数の金属素板のうちの、排気マニホルド部と触媒ケース部のコーンとを形成する金属素板とは異なる一枚以上の金属素板で形成されるため、この一枚以上の金属素板として、耐熱性等にやや劣るが相対的にコスト安である金属からなる素板を割り当てて、コスト低減の要請に対応することができる。

本発明の触媒ケース一体型排気マニホルドによれば、従来よりも部品点数を少なくできると共に、溶接箇所を減らす等して製造コストを低減することが可能になる。

本発明の第１実施形態で使用するテーラードブランク材の平面図。第１実施形態で使用する部分冷却装置を示し、（Ａ）はテーラードブランク材のセット前の斜視図、（Ｂ）はテーラードブランク材のセット後の斜視図。第１実施形態における全体加熱および部分冷却後のテーラードブランク材の温度分布を示す平面図。プレス加工で得られた一方の半割りシェルの概略を示す斜視図。二つの半割りシェルを一体化した状態を示す斜視図。使用したステンレス鋼の温度対伸びの特性を示すグラフ。使用したステンレス鋼の温度対０．２％耐力の特性を示すグラフ。（Ａ）及び（Ｂ）は、局部に亀裂等が生じる場合の参考事例を示す斜視図。本発明の第２実施形態で使用するテーラードブランク材の平面図。加熱したテーラードブランク材に冷却ブロックを接触させた状態の概略側面図。第２実施形態における全体加熱および部分冷却後のテーラードブランク材の温度分布を示す平面図。プレス加工で得られた一方の半割りシェルの概略を示す斜視図。（Ａ），（Ｂ）及び（Ｃ）は、触媒担体を保持しつつ二つの半割りシェルを一体化するまでの一連の工程を示す、一部破断状態の斜視図。二つの半割りシェルを一体化した状態を示す斜視図。従来のマニホルドコンバータの概略を示す分解斜視図。

以下、本発明の幾つかの実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、図１〜８は概ね第１実施形態に関連し、図９〜１４は第２実施形態に関連する。

［第１実施形態］
図５は、第１実施形態に従う触媒ケース一体型排気マニホルド（マニホルドコンバータ）の完成形態を示す。図５に示すようにマニホルドコンバータは、排気系の上流側に位置する排気マニホルド部１と、排気系の下流側に位置する触媒ケース部５とを直列連結してなるものである。排気マニホルド部１は、４気筒エンジンの各気筒（図示略）からの排気ガスを導く４本のパイプ状気筒配管２、および、それら４本の気筒配管２を一つにまとめる集合配管部３を備えている。一般に集合配管部３には、貫通孔形状のＯ２センサ取り付け部４が設けられる。触媒ケース部５は、触媒担体ＣＡＴを保持するための略円筒状のケース本体６、当該ケース本体６と排気マニホルド部の集合配管部３とを連結するコーン７（入口側シェル）、および、ケース本体６の下流側に連結された出口側シェル８を備えている。

図５のマニホルドコンバータの組立て態様は、完成時の形態を上下に二分割した半割りシェル１０（上側半割りシェル１０Ａ、下側半割りシェル１０Ｂ）を組み合わせるというものであり、出発材となるテーラードブランク材から各シェルをプレス成形した後、二つのシェル１０Ａ，１０Ｂを溶接により相互連結することでマニホルドコンバータが完成する。図４は、マニホルドコンバータの二つの半割りシェルのうちの上側半割りシェル１０Ａの概略を示す。以下に図４を参照して上側半割りシェル１０Ａについて説明するが、その説明は下側半割りシェル１０Ｂにも同様に当てはまるものである。

プレス成形品としての上側半割りシェル１０Ａは、基幹部１３から多股状に枝分れした四つのトンネル状分枝部１２を備え、これら四つのトンネル状分枝部１２と基幹部１３とによって半割りシェルの排気マニホルド形成部（１２，１３）が構成される。トンネル状分枝部１２は、横断面形状が略半円弧状をなしており、上下二つの半割りシェル１０Ａ，１０Ｂの接合時にはエンジンの各気筒からの排気ガスを導くためのパイプ状気筒配管２を形成する部位である。基幹部１３は、四つのトンネル状分枝部１２の各基端部（根元側の端部）を一つにまとめる部位であり、上下二つの半割りシェル１０Ａ，１０Ｂの接合時にはエンジンの全気筒からの排気ガスを合流させるための集合配管部３を形成する部位である。この半割りシェル１０Ａにあっては三箇所に股部１４が存在する。各股部１４は、隣り合う二つのトンネル状分枝部１２のそれぞれの根元に位置する側壁間にまたがって存在すると共に、これらの側壁間を連結する湾曲形状部（図８（Ｂ）参照）である。

また、プレス成形品としての上側半割りシェル１０Ａは、前記基幹部１３とつながる第１の半円錐形状部１７、その半円錐形状部１７につながる半円筒形状部１６、及び、その半円筒形状部１６の後方端につながる第２の半円錐形状部１８を備え、これら３つの部位によって半割りシェルの触媒ケース形成部（１６，１７，１８）が構成される。第１の半円錐形状部１７は、上下二つの半割りシェル１０Ａ，１０Ｂの接合時にコーン７を形成する部位（コーン形成部）である。半円筒形状部１６は、上下二つの半割りシェル１０Ａ，１０Ｂの接合時にケース本体６を形成する部位（ケース本体形成部）である。第２の半円錐形状部１８は、上下二つの半割りシェル１０Ａ，１０Ｂの接合時に出口側シェル８を形成する部位である。なお、第２の半円錐形状部１８にはＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation)用のトンネル状分枝部１９が設けられており、このトンネル状分枝部１９は、上下二つの半割りシェル１０Ａ，１０Ｂの接合時に、ＥＧＲ用配管（図示略）を連結するための短パイプ状のＥＧＲ配管連結ポート９（図５参照）を形成する部位である。

図４（及び図５）に示すようなマニホルドコンバータ用半割りシェル１０Ａ（及び１０Ｂ）は、テーラードブランク材の準備工程、全体加熱工程、部分冷却工程およびプレス加工工程を経て作られる。以下では上側半割りシェル１０Ａについて説明する。

［ブランク材準備工程］
半割りシェルのプレス加工前における平面形状をかたどった鉄系金属板として、テーラードブランク材を準備する。具体的には図１に示すように、上側半割りシェル１０Ａのプレス加工前における平面形状の約半分をかたどった第１の鉄系金属素板３１と、上側半割りシェル１０Ａのプレス加工前における平面形状の残り半分をかたどった第２の鉄系金属素板３２とを用意すると共に、第１及び第２の金属素板を突き合わせ、当該突き合わせ部３４に溶接（好ましくはレーザー溶接）を施して両金属素板３１，３２を連結し、テーラードブランク材３０とする。なお、本実施形態では、第１の鉄系金属素板３１として厚さ２．０ｍｍのＳＵＳ４４４ステンレス鋼板を、第２の鉄系金属素板３２として厚さ１．５ｍｍのＳＵＳ４２９ステンレス鋼板をそれぞれ用いている。

ＳＵＳ４４４およびＳＵＳ４２９は、ＪＩＳ（日本工業規格）Ｇ４３０５（冷間圧延ステンレス鋼板及び鋼帯）において「フェライト系ステンレス鋼」に分類されており、これらステンレス鋼における鉄以外の元素組成は、表１のとおりである。

ＳＵＳ４４４およびＳＵＳ４２９の材料特性は、図６及び図７のグラフに示すとおりである。図６は温度変化に伴う伸び（％）の特性を示し、図７は温度変化に伴う０．２％耐力（Ｎ／ｍｍ^２）の特性を示す。これらの特性の測定は、ＪＩＳ−Ｇ０５６７（鉄鋼材料及び耐熱合金の高温引張試験方法）およびその引用規格であるＪＩＳ−Ｚ２２４１（金属材料引張試験方法）に従った。特に図６の「伸び」については、ＪＩＳ−Ｚ２２４１中の３．３欄および３．４欄での説明に準拠する。また「耐力」は、ＪＩＳ−Ｚ２２４１中の３．１０．３欄に記載の耐力（オフセット法）に準拠しており、図７の「０．２％耐力」とは、塑性伸びが、伸び計標点距離に対する規定の百分率（本例の場合、０．２％）に等しくなったときの応力を意味する。ちなみに、
本実施形態で使用したＳＵＳ４４４にあっては、
２００℃での伸び：２９％、２００℃での０．２％耐力：２７７Ｎ／ｍｍ^２、
８００℃での伸び：８０％、８００℃での０．２％耐力：５３Ｎ／ｍｍ^２、であり、
本実施形態で使用したＳＵＳ４２９にあっては、
２００℃での伸び：３０％、２００℃での０．２％耐力：２００Ｎ／ｍｍ^２、
８００℃での伸び：８０％、８００℃での０．２％耐力：２５Ｎ／ｍｍ^２、である。

なお、本発明で使用する鉄系金属は、後述の全体加熱工程から部分冷却工程を経て急速冷却を施された場合でも、当該ブランク材の急冷箇所が焼き入れされることのない焼入れ不能な金属である。このため、テーラードブランク材３０の構成金属としては、ステンレス鋼の中でも、特にフェライト系ステンレス鋼が好ましい。

［全体加熱工程］
次に、ステンレス鋼製のテーラードブランク材３０を加熱装置（例えば電気加熱炉またはガス加熱炉）に装入し、その全体を７００〜９５０℃（好ましくは７５０〜９００℃、より好ましくは７５０〜８５０℃）の高温度に加熱する。本実施形態では、ブランク材３０の全体をその表面温度が約８００℃となるまで加熱した。なお、この全体加熱工程での加熱温度が７００℃未満では、ステンレス鋼の伸び率を有意なレベルまで高めることができず、加熱の意義を失う。他方、加熱温度が９５０℃を超えると、ブランク材３０が過度に軟化してプレス加工時につぶれが生じ、好ましくない

［部分冷却工程］
続いて、加熱装置から取り出した加熱済みのブランク材３０の一部分を冷却する。即ち、加熱されたブランク材３０の一つ以上の局部（図３に示す部位Ｃ１〜Ｃ４）に冷却ブロックを接触させ、当該冷却ブロックの接触箇所及びその周辺を１００〜６００℃（好ましくは１００〜５００℃、より好ましくは１００〜４００℃、最も好ましくは１００〜３００℃）の低温度にまで冷却する。本実施形態では、冷却ブロックの接触箇所を約２００℃にまで冷却した。この部分冷却工程での冷却温度については１００〜６００℃の温度レベルであれば、金属の伸びを抑制しつつ金属の耐力を高いレベルに維持することができ、プレス加工時における根元割れ（図８(Ａ)参照）や股部割れ（図８(Ｂ)参照）等を未然防止できる。なお、ブランク材局部を１００℃未満の温度レベルまで冷却すると、冷却したくない他部分の温度低下をも誘発してしまい、好ましくない。他方、ブランク材局部の冷却を６００℃以下の温度レベルにとどめたのは、６００℃超えにすると、７００〜９５０℃の高温度領域との間で金属特性の差を出しにくくなるからである。

本実施形態では、図２（Ａ）に示すような部分冷却装置４０を用いてブランク材３０の部分冷却を行った。図２（Ａ）に示すように、部分冷却装置４０は、固定基台としての固定プレート４１と、左右一対のヒンジ構造４３を介して固定プレート４１に対し回動可能に取り付けられた可動プレート４２とを有している。固定プレート４１の上面の所定位置には、複数個（本例では６個）の冷却ブロック（４４ａ，４５ａ，４６ａ，４７ａ）が固定設置されている。同様に、可動プレート４２の下面の所定位置には、固定プレートの冷却ブロックと同数（本例では６個）の冷却ブロック（４４ｂ，４５ｂ，４６ｂ，４７ｂ）が固定設置されている。固定プレートの６つの冷却ブロック（４４ａ，４５ａ，４６ａ，４７ａ）と、可動プレートの６つの冷却ブロック（４４ｂ，４５ｂ，４６ｂ，４７ｂ）とは、それぞれ対応するもの同士が１対１の対応関係にあり、可動プレート４２を固定プレート４１に近づけたとき、上下に対応する冷却ブロック間で対向可能となっている。

図２（Ａ）に示した合計１２個の冷却ブロックは、目的別又は冷却対象箇所別に４つのグループに分類できる。即ち、上下一対をなす長尺な冷却ブロック４４ａ，４４ｂからなる第１グループ、上下三対をなす合計６個の冷却ブロック４５ａ，４５ｂからなる第２グループ、前記長尺な冷却ブロック４４ａ，４４ｂに隣接する位置にて上下一対をなす端面長円形の冷却ブロック４６ａ，４６ｂからなる第３グループ、及び、上下一対をなす端面円形の冷却ブロック４７ａ，４７ｂからなる第４グループに分類される。

冷却ブロック（４４ａ，ｂ〜４７ａ，ｂ）は金属製またはセラミックス製であることが好ましく、特に銅製であることが好ましい（本実施形態では全て銅製の冷却ブロックを使用）。冷却ブロックが銅製であることで、冷却ブロックの冷却性能が高められると共に、加熱されたブランク材３０への接触時に冷却ブロックがブランク材３０に接着（融着）する事態を回避できる。また、固定プレート４１の冷却ブロック（４４ａ〜４７ａ）にあっては各ブロックの上端面が、又、可動プレート４２の冷却ブロック（４４ｂ〜４７ｂ）にあっては各ブロックの下端面がそれぞれブランク材３０への接触面となる。それぞれの接触面の形状設定及び面積設定に応じて、部分冷却すべき領域の形状及び面積を調節することができる。また、冷却ブロックの高さ設定に応じて、冷却ブロックの熱容量（ひいては冷却能力）を調節することができる。

なお、固定プレート４１には、少なくとも二つの位置決めピン４８が立設されている。これらの位置決めピン４８は、テーラードブランク材３０に予め設けられた少なくとも二つの位置決め穴３５（図１参照）とそれぞれ係合して、固定プレート４１及び冷却ブロック群（４４ａ〜４７ａ）に対するテーラードブランク材３０の位置決めを行う。

部分冷却装置４０を用いてテーラードブランク材３０を部分冷却する場合、図２（Ｂ）に示すように、固定プレート４１の冷却ブロック群（４４ａ〜４７ａ）上に全体加熱工程で高温加熱されたブランク材３０をセットする。そして速やかに可動プレート４２を固定プレート４１の方に近づけ、固定プレート４１の冷却ブロック群（４４ａ〜４７ａ）と可動プレート４２の冷却ブロック群（４４ｂ〜４７ｂ）とでブランク材３０を挟み込む（つまり上下からの接触）。冷却ブロックの接触箇所が約８００℃から約２００℃に低下するのに要する時間（例えば３〜５秒）が経過したら、速やかに可動プレート４２を固定プレート４１から離間させ、部分冷却されたブランク材３０を部分冷却装置４０からプレス加工装置に搬送する。

図３は、部分冷却装置４０からブランク材３０を取り外した直後（部分冷却直後）におけるブランク材３０の表面温度状況を示す。図３には、冷却ブロックの直接接触箇所及びその周辺であって相対的に低温の部位（Ｃ１〜Ｃ４）を梨地模様で示している。図３のブランク材３０において白地の領域は、依然として高温の部位を示す。図３中、
第１の低温部Ｃ１は、一対の長尺な冷却ブロック４４ａ，４４ｂの接触によって生じた部位であり、この後のプレス加工によって第１の半円錐形状部１７（コーン形成部）を形成することになる部分である。なお、長尺な冷却ブロック４４ａ，４４ｂは、ブランク材３０の突き合わせ部３４に沿った位置にて第１の金属素板３１側に接触する。
第２の低温部Ｃ２（計３箇所）は、三対の冷却ブロック４５ａ，４５ｂの接触によって生じた部位であり、この後のプレス加工により、隣り合う二つのトンネル状分枝部１２のそれぞれの根元に位置する側壁間を連結する股部１４を形成することになる部分である。
第３の低温部Ｃ３は、端面長円形の冷却ブロック４６ａ，４６ｂの接触によって生じた部位であり、この後のプレス加工により、排気マニホルド形成部の最も外側に位置するトンネル状分枝部１２の根元と、４つのトンネル状分枝部１２を集合させる基幹部１３との接続領域を形成することになる部分である。
第４の低温部Ｃ４は、端面円形の冷却ブロック４７ａ，４７ｂの接触によって生じた部位であり、この後のプレス加工により、ＥＧＲ用トンネル状分枝部１９の根元と半円筒形状部１６（ケース本体形成部）との接続領域を形成することになる部分である。

［プレス加工工程］
全体加熱および部分冷却を完了した後のテーラードブランク材３０に対し、固定型及び可動型からなる成形型（図示略）を用いて定法通りのプレス加工が施される。その結果、図４に示すような立体形状、即ち、４つのトンネル状分枝部１２、基幹部１３、第１の半円錐形状部１７、半円筒形状部１６、第２の半円錐形状部１８およびＥＧＲ用トンネル状分枝部１９の立体形状が付与されて、マニホルドコンバータの上側半割りシェル１０Ａが得られる。本実施形態のプレス成形品によれば、股部１４を含むいずれの箇所にも割れや亀裂は見当たらず、形状の複雑さにもかかわらず寸法精度に優れた良品を得ることができた。

［参考事例について］
ここで、上述のような部分冷却工程を経ることなくテーラードブランク材３０を全体加熱後すぐにプレス加工を施して半割りシェルを得た場合の不具合について簡単に述べる。そのような場合には、半割りシェルのコーン形成部１７（その中でも基幹部１３に近い部分）において「周方向への亀裂」が生じ易い。また図８（Ｂ）に示すように、隣り合う二つのトンネル状分枝部１２のそれぞれの根元に位置する側壁間を連結する股部１４においても「割れ」が生じ易い。また図８（Ａ）に示すように、４つのトンネル状分枝部１２のうちの最も外側に位置するトンネル状分枝部１２の根元と、基幹部１３との接続領域においても「割れ」が生じ易い。また、ＥＧＲ用トンネル状分枝部１９の根元とケース本体形成部１６との接続領域においても「割れ」が生じ易い。上記いずれの箇所も、高温状態のままでプレス加工を施すと、形状の複雑性や湾曲率の大きさが災いして過度に薄肉化し、却って割れ等を誘発し易い箇所である。

［触媒担体保持および溶接工程］
上記一連の工程により上側半割りシェル１０Ａと下側半割りシェル１０Ｂとを準備できたら、図５に示すように、両半割りシェル１０Ａ，１０Ｂの半円筒形状部１６の内側に、略円柱形状の触媒担体ＣＡＴを配置すると共に、両半割りシェル１０Ａ，１０Ｂを互いに組み合わせる。このとき、クランプ治具（図示略）等を用い、両半割りシェルのそれぞれの半円筒形状部１６の外側から触媒担体ＣＡＴを加圧して、触媒担体ＣＡＴの外周面と各半円筒形状部１６との内周面とを密接させる。その密接状態を維持したまま両半割りシェル１０Ａ，１０Ｂの接合線Ｌに沿って溶接（好ましくは全周溶接）を施すことで、マニホルドコンバータの全体形状が完成する。

［第１実施形態の効果］
本実施形態によれば、テーラードブランク材３０を用いた全体加熱／部分冷却によるプレス加工に基づいて割れ等のない半割りシェル１０Ａ，１０Ｂを得て、マニホルドコンバータを完成させることができる。よって本実施形態によれば、従来に比べて、部品点数や材料費を低減でき、材料歩留まりを向上でき、作業工程数を少なくでき、溶接長を短くでき、従って製造コストを低減することができる。また、従来の工法では、円筒状のケース本体９６（図１５参照）の一方の開口端から他方の開口端に向けてケース軸線方向に触媒担体を圧入する必要があり、このため多くの工数を必要とした。これに対し本実施形態では、上側及び下側半割りシェル１０Ａ，１０Ｂの組合せ・接合作業に併せて、両半割りシェルの半円筒形状部１６に触媒担体ＣＡＴを配置でき、両半割りシェルの全周溶接によって、両半割りシェルの相互結合と触媒担体の保持固定とを同時に達成できる。この点でも本実施形態によれば、製造コストを削減することができる。

本実施形態では、テーラードブランク材３０を全体加熱した後に当該ブランク材の一部に部分冷却を行うが、部分冷却箇所は必要最小限に限定されており、加熱によって伸びがよくなった金属板材に対するプレス加工を基調とする。このため、単純な冷間プレス加工に比べて、得られた成形品はスプリングバック量が少なく寸法精度が高いものとなる。

［第２実施形態］
図９〜１４は本発明の第２実施形態を示す。図１４に示すように第２実施形態のマニホルドコンバータは、排気マニホルド部１が単管で構成され、第１実施形態におけるような複数の気筒配管２や集合配管部３を持たない点に特色がある。このように排気マニホルド部１が単管構造のマニホルドコンバータは、各気筒からの排気ガスを集合させる排気集合部がエンジン側に予め一体構築されたニュータイプのエンジンに適用される。なお、第２実施形態のマニホルドコンバータの触媒ケース部５は、基本的に第１実施形態と同じである。以下、第１実施形態との違いに的を絞って、第２実施形態を概説する。

図１４のマニホルドコンバータもまた、完成時の形態を上下に二分割した半割りシェル５０（上側半割りシェル５０Ａ、下側半割りシェル５０Ｂ）から構成されている。図１２は上側半割りシェル５０Ａを示す。この半割りシェルでは、半円弧形状をやや平らに潰したような横断面形状を有するトンネル状基幹部５３によって、排気マニホルド部１を形成するための部位（排気マニホルド形成部）が構成されている。このトンネル状基幹部５３の基端側は、第１の半円錐形状部１７につながっている。第１実施形態と同様、半割りシェルは、第１の半円錐形状部１７、その半円錐形状部１７につながる半円筒形状部１６、及び、その半円筒形状部１６の後方端につながる第２の半円錐形状部１８を備えており、これら３つの部位によって半割りシェルの触媒ケース形成部（１６，１７，１８）が構成される。また、第２の半円錐形状部１８にはＥＧＲ用のトンネル状分枝部１９が設けられている。

図９は、第２実施形態で使用する半割りシェルのプレス加工前における平面形状をかたどったテーラードブランク材３０を示す。図９のテーラードブランク材３０は、厚さ２．０ｍｍのＳＵＳ４４４ステンレス鋼板からなる第１の鉄系金属素板３１と、厚さ１．５ｍｍのＳＵＳ４２９ステンレス鋼板からなる第２の鉄系金属素板３２と、厚さ１．０ｍｍのＳＵＳ４２９ステンレス鋼板からなる第３の鉄系金属素板３３とをそれぞれの突き合わせ部３４に沿って溶接（好ましくはレーザー溶接）して相互連結したものである。

次に、テーラードブランク材３０を加熱装置（例えば電気加熱炉またはガス加熱炉）に装入し、その全体を表面温度が約８００℃となるまで加熱した。続いて、加熱装置から取り出した加熱済みのブランク材３０の一部分を冷却した。具体的には図１０に示すように、加熱されたブランク材３０の一つ以上の局部に対し、冷却ブロック（６１ａ，６１ｂ，６２ａ，６２ｂ）を上下から接触させ、当該冷却ブロックの接触箇所及びその周辺を約２００℃にまで冷却した。

図１１は、部分冷却直後におけるブランク材３０の表面温度状況を示す。図１１には、冷却ブロックの直接接触箇所及びその周辺であって相対的に低温の部位（Ｃ１，Ｃ４）を梨地模様で示している。図１１のブランク材３０において白地の領域は、依然として高温の部位を示す。図１１中、一方の低温部Ｃ１は、上下一対の冷却ブロック６１ａ，６１ｂの接触によって生じた部位であり、この後のプレス加工によって第１の半円錐形状部１７（コーン形成部）を形成することになる部分である。もう一つの低温部Ｃ４は、上下一対の冷却ブロック６２ａ，６２ｂの接触によって生じた部位であり、この後のプレス加工により、ＥＧＲ用トンネル状分枝部１９の根元と半円筒形状部１６（ケース本体形成部）との接続領域を形成することになる部分である。

全体加熱および部分冷却の完了後、テーラードブランク材３０に対し固定型及び可動型からなる成形型（図示略）を用いてプレス加工が施される。その結果、図１２に示すように、トンネル状基幹部５３、第１の半円錐形状部１７、半円筒形状部１６、第２の半円錐形状部１８およびＥＧＲ用トンネル状分枝部１９を有する上側半割りシェル５０Ａが得られる。ちなみに本実施形態においては、第１の金属素板３１によってトンネル状基幹部５３および第１の半円錐形状部１７が形成され、第２の金属素板３２によって半円筒形状部１６が形成され、第３の金属素板３３によって第２の半円錐形状部１８およびＥＧＲ用トンネル状分枝部１９が形成される。この半割りシェル５０Ａにはいずれの箇所にも割れや亀裂は見当たらず、形状の複雑さにもかかわらず寸法精度に優れた良品を得ることができた。

図１３（Ａ）〜（Ｃ）は、触媒担体ＣＡＴの保持および二つの半割りシェル５０Ａ，５０Ｂの溶接による連結に関する一連の工程を示す。なお図１３では、触媒担体ＣＡＴの配置状況を見易くするために、各半割りシェル５０Ａ，５０Ｂは下流側半分（１６の後半部、１８，１９）が取り除かれた破断部品として描かれ、触媒担体ＣＡＴも上流側半分だけが描かれている。

上側半割りシェル５０Ａと下側半割りシェル５０Ｂとを準備できたら（図１３（Ａ）参照）、両半割りシェル５０Ａ，５０Ｂの半円筒形状部１６の内側に、略円柱形状の触媒担体ＣＡＴを配置すると共に（図１３（Ｂ）参照）、両半割りシェル５０Ａ，５０Ｂを互いに組み合わせる（図１３（Ｃ）参照）。このとき、クランプ治具（図示略）等を用い、両半割りシェル５０Ａ，５０Ｂのそれぞれの半円筒形状部１６の外側から触媒担体ＣＡＴを加圧して、触媒担体ＣＡＴの外周面と各半円筒形状部１６との内周面とを密接させる。その密接状態を維持したまま両半割りシェル５０Ａ，５０Ｂの接合線Ｌに沿って溶接（好ましくは全周溶接）を施すことで、第２実施形態のマニホルドコンバータの全体形状が完成する。

第２実施形態によれば、上記第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

１排気マニホルド部
２パイプ状気筒配管
３集合配管部
５触媒ケース部
６ケース本体
７コーン
８出口側シェル
９ＥＧＲ配管連結ポート
１０半割りシェル（上側半割りシェル１０Ａ、下側半割りシェル１０Ｂ）
１２トンネル状分枝部
１３基幹部
１４股部
１６半円筒形状部（ケース本体形成部）
１７第１の半円錐形状部（コーン形成部）
１８第２の半円錐形状部
１９ＥＧＲ用のトンネル状分枝部
３０テーラードブランク材
３１，３２，３３金属素板
４４ａ，ｂ，４５ａ，ｂ，４６ａ，ｂ，４７ａ，ｂ冷却ブロック
５０半割りシェル（上側半割りシェル５０Ａ、下側半割りシェル５０Ｂ）
６１ａ，ｂ，６２ａ，ｂ冷却ブロック
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４低温部
Ｌ接合線（接合部）
ＣＡＴ触媒担体

Claims

排気マニホルド部および触媒ケース部を備え、前記触媒ケース部が、触媒担体を保持するための略円筒状のケース本体、当該ケース本体と前記排気マニホルド部とを連結するコーン、および、前記ケース本体の下流側に連結された出口側シェルを具備してなる、触媒ケース一体型排気マニホルドにおいて、
前記排気マニホルド部および前記触媒ケース部は、材質及び／又は板厚が異なる少なくとも二枚の金属素板を溶接してなるテーラードブランク材のプレス成形品であり、
前記排気マニホルド部と前記触媒ケース部のコーンとが、前記テーラードブランク材を構成する複数の金属素板のうちの第１の金属素板（３１）で形成されており、
前記触媒ケース部のケース本体と出口側シェルとが、前記テーラードブランク材を構成する複数の金属素板のうちの、前記排気マニホルド部と前記触媒ケース部のコーンとを形成する前記第１の金属素板（３１）とは異なる一枚以上の金属素板（３２，３３）で形成されており、
前記一枚以上の金属素板（３２，３３）には、前記第１の金属素板（３１）と突き合わせ連結された第２の金属素板（３２）が含まれており、前記第１および第２の金属素板（３１，３２）の突き合わせ部（３４）が、前記触媒ケース部のケース本体とコーンとの境界に位置する、ことを特徴とする触媒ケース一体型排気マニホルド。