JPH01134022A - Exhaust manifold - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
(産業上の利用分野)
本発明は内燃機関において用いられる排気マニホールド
に関するものである。詳しく述べると本発明は、十分な
耐熱衝撃性および強度を備え、軽量で耐熱温度が高くか
つ断熱性の高い複合構造を有する排気マニホールドに関
するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention relates to an exhaust manifold used in an internal combustion engine. Specifically, the present invention relates to an exhaust manifold having a composite structure that has sufficient thermal shock resistance and strength, is lightweight, has a high heat resistance, and has high heat insulation properties.
(従来の技術)
一般に、複数のシリンダを有する多気筒内燃機関におい
ては、それぞれのシリンダより排出される排気ガスを集
合させてマフラーに送るために、各シリンダの排気口に
直接接続するようにして排気マニホールドが設けられて
いる。(Prior Art) Generally, in a multi-cylinder internal combustion engine having a plurality of cylinders, exhaust gas discharged from each cylinder is connected directly to the exhaust port of each cylinder in order to collect the exhaust gas and send it to the muffler. An exhaust manifold is provided.
この排気マニホールドは、シリンダー内から排気バルブ
を通り流出する燃焼直後の高温高圧の排気ガスと接触し
、また始動直後においては高温までの熱履歴を受けるな
めに、耐熱性、耐熱衝撃性、耐蝕性などの性能を要求さ
れ、従来はFe12などの鋳鉄や特殊合金鋳鉄などより
構成されるものが用いられていた。This exhaust manifold comes into contact with the high-temperature, high-pressure exhaust gas that flows out from the cylinder through the exhaust valve immediately after combustion, and is also subjected to a high temperature history immediately after startup, so it has excellent heat resistance, thermal shock resistance, and corrosion resistance. Conventionally, cast iron such as Fe12 or special alloy cast iron has been used.
しかしながら近年、自動車分野等における高性能・高出
力化の要請から、排気マニホールドにおいても、上記し
たような耐熱性、耐熱衝撃性、耐蝕性などの性能をより
向上させると同時に、断熱性および軽量化などの性能を
付与する努力が図られている。However, in recent years, due to the demand for higher performance and higher output in the automobile field, etc., exhaust manifolds have been improved in terms of heat resistance, thermal shock resistance, corrosion resistance, etc., as well as insulation and weight reduction. Efforts are being made to provide such performance.
例えば、S i A 1 ONなどよりなるセラミック
ス中空焼結体の外側に金属を鋳ぐるんでなる2重管構造
体が提案されている(特開昭55−53444号)。セ
ラミックス材を使用すれば、従来の鋳鉄材料からなるも
のと比較して、大幅な重量の削減が期待できるが、この
ように柔軟性のないセラミックス焼結体を直接金属で鋳
ぐるんだ場合、鋳造時における熱衝撃、機関の作動停止
に伴なう熱応力、振動等によりセラミックス焼結体が破
損してしまう虞れの大きいものであり、またこのような
緻密質のセラミックス焼結体の断熱性は充分でないこと
から、外側管体を構成する金属としては鋳鉄などの耐熱
性の高い金属を用いる必要があり、アルミ合金などによ
る軽量化が不可能なものであった。For example, a double tube structure has been proposed in which metal is cast inside a ceramic hollow sintered body made of S i A 1 ON or the like (Japanese Unexamined Patent Publication No. 55-53444). Using ceramic materials can be expected to significantly reduce weight compared to conventional cast iron materials, but when such inflexible ceramic sintered bodies are directly cast with metal, There is a high risk that the ceramic sintered body will be damaged due to thermal shock during casting, thermal stress due to engine stoppage, vibration, etc., and the heat insulation of such a dense ceramic sintered body is Because of this, it was necessary to use a highly heat-resistant metal such as cast iron as the metal constituting the outer tube, and it was impossible to reduce the weight by using aluminum alloy or the like.
また、例えば、セラミックスファイバーを成形してなる
内側管体と、この内側管体を一体的に鋳込んでなるアル
ミ製外側管体とからなる排気マニホールド(特開昭60
−81420号)、さらには、この内側管体の内表面に
ワイヤーメツシュなどの保護層を形成した排気マニホー
ルド(特開昭61−95923号)あるいはこの内側管
体の内表面においてセラミックスファイバーにセラミッ
クス粒子を結合させてなる排気マニホールド(特開昭6
1−215415号)が提案されている。In addition, for example, an exhaust manifold (Japanese Patent Laid-Open No. 1983-1999
-81420), an exhaust manifold with a protective layer such as wire mesh formed on the inner surface of the inner tube (Japanese Patent Application Laid-open No. 61-95923), or an exhaust manifold with a protective layer such as a wire mesh formed on the inner surface of the inner tube, or a ceramic fiber on the inner surface of the inner tube. Exhaust manifold made by combining particles (Japanese Patent Application Laid-open No. 6
No. 1-215415) has been proposed.
このようにセラミックスファイバーを成形してなる多孔
質の内側管体を用いれば、セラミックスファイバー製の
内側管体は、セラミックス焼結体と比較してより柔軟で
あり耐熱衝撃性が高いことから、鋳造時における熱衝撃
、機関の作動停止に伴なう熱応力等による破損の発生す
る虞れは少ないものの、セラミックファイバーからなる
内側管体は、たとえその内表面に保護層を設けたり、あ
るいはセラミックス粒子を結合させて強化しなりしても
強度的に十分なものではなく、さらにこれらの内側管体
を構成するアルミナ・シリカファイバーあるいはシリカ
ファイバーなどのガラス雪のファイバーは高温高圧の排
気ガスに曝されることにより結晶化し体積収縮を起して
脆くなるためにより強度が低下し、高速で流通する排気
ガスの脈動、振動などによりファイバーが剥離脱落して
しまうものであった。また、該内側管体はセラミックス
ファイバーにより構成されるために確かに熱伝導率は低
いものであるが、このような2重管構造においては排気
ガスが直接セラミックスファイバーより構成される多孔
質の内側管体に当るため排気ガスはこのような多孔質の
内側管体を通過してしまい、該内側管体による断熱効果
はあまり期待できないものとなるものであり、さらにこ
のような多孔質の内側管体は流体抵抗の当然に大きいも
のであり、排気効率の面からも問題の残るものであった
。If a porous inner tube made of ceramic fiber is used in this way, the inner tube made of ceramic fiber is more flexible and has higher thermal shock resistance than a ceramic sintered body, so casting Although there is little risk of damage due to thermal shock during engine operation, thermal stress due to engine shutdown, etc., the inner tube made of ceramic fibers cannot be damaged even if a protective layer is provided on its inner surface or ceramic particles Even if they are combined and reinforced, the strength is not sufficient, and furthermore, the glass fibers such as alumina silica fibers or silica fibers that make up these inner tubes are exposed to high temperature and high pressure exhaust gas. As a result, the fibers crystallize, shrink in volume, and become brittle, resulting in a further decrease in strength, and the fibers tend to peel off and fall off due to the pulsations and vibrations of exhaust gas flowing at high speed. Furthermore, since the inner tube body is made of ceramic fibers, it certainly has a low thermal conductivity, but in such a double tube structure, the exhaust gas flows directly into the porous inner tube made of ceramic fibers. Because the exhaust gas hits the pipe, it passes through such a porous inner pipe, and the insulation effect of the inner pipe cannot be expected to be very good. The body naturally has a large fluid resistance, and there remained a problem in terms of exhaust efficiency.
さらにまた、外表面および流体流路を形成する内表面を
有し溶融シリカフオームあるいはスポジュメンークレイ
フオームなどの耐蝕性物質よりなるインナーコアと、該
インナーコアの内表面に設けられた不透過性層と、該イ
ンナーコアの外表面上に設けられたアルミナ−シリカフ
ァイバーペーパーなどの弾性緩衝材よりなる層と、該緩
衝層を囲繞Cする鋳造金属シェルとからなる複合構造体
(米国特許第3709772号)も提唱されている。こ
のような複合構造体による排気マニホールドにおいては
、多孔質のセラミックスフオームよりなるインナーコア
と弾性緩衝材よりなる層により十分な断熱性と軽量化が
付与されており、またさらにセラミックスインナーコア
と金属シェルの間に弾性緩衝材よりなる層が設けられて
いるために、金属シェル鋳造時における熱衝撃、機関の
作動停止に伴なう熱応力、振動等がセラミックインナー
コアに直接伝わることがなく、これらによるセラミック
スインナーコアの破損の虞れも少ないものであると思わ
れる。しかしながらこの複合構造体においては、インナ
ーコアとして多孔質のセラミックスフオームを用いてそ
の断熱性を高めているが、このような多孔体は強度的に
十分でなく、また好ましい例として挙げられる溶融シリ
カフオーム、スボジュメンークレイフオームなどの材質
自体の強度および耐熱性も十分でないために、高速で流
通する高温高圧の排気ガスの脈動、該マニホールド内で
のバツクファイアなどにより破損する虞れの大きいもの
であった。さらにこの複合構造体においては、このよう
な多孔質のインナーコアに流体が浸透しないように内表
面に不透過性層を設けているが、この不透過性層は、例
えば、インナーコアと同様の材質の粉体等をインナーコ
ア内表面に配し溶融することで形成されており、薄くか
つ強度も十分でないために、使用時に剥離しなり破損し
たりする虞れの大きいものであった。Furthermore, an inner core made of a corrosion-resistant material such as fused silica foam or spodumene clay foam and having an outer surface and an inner surface forming a fluid flow path, and an impermeable material provided on the inner surface of the inner core. A composite structure (U.S. Pat. No. 3,709,772 ) has also been proposed. In an exhaust manifold with such a composite structure, an inner core made of a porous ceramic foam and a layer made of an elastic cushioning material provide sufficient heat insulation and light weight. Because there is a layer of elastic buffer material between them, thermal shock during the casting of the metal shell, thermal stress caused by stopping the engine, vibrations, etc., are not directly transmitted to the ceramic inner core. There is also considered to be little risk of damage to the ceramic inner core. However, in this composite structure, a porous ceramic foam is used as the inner core to improve its insulation properties, but such a porous material is not strong enough, and fused silica foam, which is a preferable example, is Because the materials themselves, such as subdumen clay foam, do not have sufficient strength and heat resistance, there is a high risk of damage due to pulsation of high-temperature, high-pressure exhaust gas flowing at high speed, backfire within the manifold, etc. there were. Furthermore, in this composite structure, an impermeable layer is provided on the inner surface to prevent fluid from penetrating into such a porous inner core. It is formed by disposing powder of a material on the inner surface of the inner core and melting it, and because it is thin and does not have sufficient strength, there is a high risk that it will peel off or break during use.
加えて、このような不透過性層が破損してしまうとイン
ナーコアは多孔質であるために排気ガスが浸透しやすく
腐蝕あるいは断熱性能が低下するという問題を引起こす
こととなってしまう。またこのような不透過性層の形成
は、製造面から見て作業性が悪くコスト的に不利なもの
となるものであった。In addition, if such an impermeable layer is damaged, the inner core is porous and exhaust gas easily permeates through it, causing problems such as corrosion or a reduction in heat insulation performance. In addition, the formation of such an impermeable layer has poor workability and is disadvantageous in terms of cost.
(発明が解決しようとする問題点)
上記したように、従来、排気マニホールドにおいて、複
合構造とすることにより耐熱性、耐熱衝撃性、耐蝕性な
どの性能をより向上させると同時に、断熱性および軽量
化などの性能を付与しようとする研究が数多く行なわれ
ているものの、未だこれらの要望に合致したものが開発
されていないのが現状である。(Problems to be Solved by the Invention) As described above, conventional exhaust manifolds have a composite structure that improves performance such as heat resistance, thermal shock resistance, and corrosion resistance, and at the same time improves heat insulation and lightweight Although a lot of research has been carried out in an attempt to add performance such as oxidation, the current situation is that nothing that meets these demands has yet been developed.
従って、本発明は新規な排気マニホールドを提供するこ
とを目的とする。本発明はまた、断熱性が高い軽量な内
燃機関用の排気マニホールドを提供することを目的とす
る。本発明はさらに、十分な耐熱衝撃性および強度を備
え、軽量で耐熱温度が高くかつ断熱性の高い複合構造を
有する排気マニホールドを提供することを目的とする。Accordingly, it is an object of the present invention to provide a novel exhaust manifold. Another object of the present invention is to provide an exhaust manifold for an internal combustion engine that is lightweight and has high thermal insulation properties. A further object of the present invention is to provide an exhaust manifold that has sufficient thermal shock resistance and strength, is lightweight, has a high heat resistance, and has a composite structure with high heat insulation properties.
本発明はさらに、排気ガス温度の向上を図れる排気マニ
ホールドを提供することを目的とする。本発明はまた、
耐蝕性の高い排気マニホールドを提供することを目的と
する。A further object of the present invention is to provide an exhaust manifold that can improve exhaust gas temperature. The present invention also provides
The purpose is to provide an exhaust manifold with high corrosion resistance.
(問題点を解決するための手段)
上記諸口的は、3点曲げ強度1.0kg/mm2以上、
20〜1000℃の熱膨脹率1%未満の緻密質セラミッ
クス焼結体よりなる内側管体と、該内側管体の外周面を
囲繞して形成される熱伝導率0.5Kcal/m−hr
−℃以下の多孔質セラミックス成形体よりなる断熱弾性
層と、この断熱弾性層を鋳ぐるんで形成された鋳造金属
よりなる外側管体とから構成されることを特徴とする内
燃機関用排気マニホールドにより達成される。(Means for solving the problem) The above conditions include a three-point bending strength of 1.0 kg/mm2 or more,
An inner tube made of a dense ceramic sintered body with a thermal expansion coefficient of less than 1% at 20 to 1000°C, and a thermal conductivity of 0.5 Kcal/m-hr formed by surrounding the outer peripheral surface of the inner tube.
An exhaust manifold for an internal combustion engine, characterized in that it is composed of an insulating elastic layer made of a porous ceramic molded body having a temperature of −°C or less, and an outer pipe body made of cast metal formed by enclosing this insulating elastic layer. achieved.
(作用)
このように本発明の排気マニホールドにおいては、内側
管体として優れた強度と低熱膨張性を有する緻密質セラ
ミックス焼結体よりなる管体を用い、この内側管体を熱
伝導率の極めて低い多孔質セラミックス成形体よりなる
断熱弾性層で覆い、さらにこの断熱弾性層を鋳造金属で
鋳ぐるんで外側管体を形成しているものであるために、
鋳鉄等の金属に比較して熱伝導率の低いセラミックス焼
結体および極めて熱伝導率の低いセラミックス成形体に
より、高い断熱性が付与され、同時に軽量化が図られる
。また排気ガスとの接触面は緻密質セラミックス焼結体
であるために、高い耐熱性、耐熱衝撃性および高強度が
付与されることとなる。(Function) As described above, in the exhaust manifold of the present invention, a tube made of a dense ceramic sintered body having excellent strength and low thermal expansion is used as the inner tube, and this inner tube has extremely high thermal conductivity. Because it is covered with a heat-insulating elastic layer made of a low-porosity ceramic molded body, and this heat-insulating elastic layer is further cast with cast metal to form the outer tube,
The ceramic sintered body, which has a lower thermal conductivity than metals such as cast iron, and the ceramic molded body, which has an extremely low thermal conductivity, provide high heat insulation and at the same time reduce weight. Furthermore, since the surface in contact with the exhaust gas is a dense ceramic sintered body, high heat resistance, thermal shock resistance, and high strength are imparted.
さらに緻密質であるために排気ガスの浸透性が低くセラ
ミックスという素材の特性も加わって耐蝕性も高いもの
となる。また鋳造金属製の外側管体と緻密質セラミック
ス焼結体製の内側管体との間には弾性のある多孔質セラ
ミックス成形体よりなる断熱弾性層が存在するために、
外側管体の鋳造時における熱応力、および機関の作動停
止による熱応力は該断熱弾性層により緩和され、内側管
体が破損する虞れはなくなる。、同様に排気マニホール
ド外部からの衝撃ないし振動は該断熱弾性層により緩和
吸収されるために、内側管体が高強度の緻密質セラミッ
クス焼結体であることと相俟って、このような外部応力
による破損の虞れもないものである。Furthermore, because it is dense, it has low permeability to exhaust gas, and due to the characteristics of the ceramic material, it also has high corrosion resistance. In addition, since there is a heat insulating elastic layer made of an elastic porous ceramic molded body between the outer tube made of cast metal and the inner tube made of dense ceramic sintered body,
Thermal stress during casting of the outer tubular body and thermal stress due to engine shutdown are alleviated by the heat insulating elastic layer, eliminating the risk of damage to the inner tubular body. Similarly, shocks or vibrations from the outside of the exhaust manifold are relaxed and absorbed by the heat insulating elastic layer. There is no risk of damage due to stress.
(実施例) 以下、本発明を実施態様に基づきより詳細に説明する。(Example) Hereinafter, the present invention will be explained in more detail based on embodiments.
第1図は本発明の排気マニホールドの一実施例である4
気筒ガソリンエンジン用排気マニホールドの構造を表わ
す一部断面斜視図であり、また第2図は同実施例の継断
面図である。FIG. 1 shows an embodiment of the exhaust manifold of the present invention.
FIG. 2 is a partially sectional perspective view showing the structure of an exhaust manifold for a cylinder gasoline engine, and FIG. 2 is a joint sectional view of the same embodiment.
第1図に示すように本発明の排気マニホールド1は、複
数のシリンダの排気口にそれぞれ接続される複数の排気
ガス流入口2からの流路が集合し排気管に接続される排
気ガス流出口3へとつながる多岐管構造が一体的に形成
されたものであって、その管構造が、第1図および第2
図に示すように、緻密質セラミックス焼結体よりなる内
側管体4と、該内側管体4の外周面を囲繞して形成され
る多孔質セラミックス成形体よりなる断熱弾性層5と、
この断熱弾性層5を鋳ぐるんで形成された鋳造金属より
なる外側管体6とから構成される三重管構造であること
を特徴とするものである。なお、本発明の排気マニホー
ルド1の形状は、第1図に示す実施例におけるものに何
ら限定されるものではなく・、内燃機関のシリンダーの
配置、数に応じであるいは排気M衝などの面を考慮して
任意のものとされ得る。また、本明細書において用いら
れる「排気マニホールド」なる用語は、例えばV型エン
ジンにおいて見られるような、独立した複数の排気マニ
ホールドを装着した場合において該複数の排気マニホー
ルドの排気ガス流出口と1つの排気管とを接続するため
に設けられるクロスオーバーパイプ(連結管)などを含
む広い意味のものとして解釈されるべきである。As shown in FIG. 1, the exhaust manifold 1 of the present invention has an exhaust gas outlet where flow paths from a plurality of exhaust gas inlets 2 connected to the exhaust ports of a plurality of cylinders are collected and connected to an exhaust pipe. 3, the manifold structure is integrally formed, and the pipe structure is similar to that shown in FIGS. 1 and 2.
As shown in the figure, an inner tube 4 made of a dense ceramic sintered body, an insulating elastic layer 5 made of a porous ceramic molded body formed surrounding the outer peripheral surface of the inner tube 4,
It is characterized by a triple-pipe structure composed of an outer tube body 6 made of cast metal and formed by enclosing this heat-insulating elastic layer 5. Note that the shape of the exhaust manifold 1 of the present invention is not limited to that in the embodiment shown in FIG. It can be set to any value with consideration. In addition, the term "exhaust manifold" used in this specification refers to the exhaust gas outlet of the plurality of exhaust manifolds and one It should be interpreted in a broad sense to include crossover pipes (connecting pipes) provided for connecting to exhaust pipes.
本発明の排気マニホールド1において、内側管体4を構
成するセラミックス焼結体は、前記したように緻密質、
例えば気孔率0〜35%程度、より好ましくは0〜20
%程度のものとされる。これは緻密質であることが構造
的に高い強度を有し安定しており、かつ実質的にガス不
透過性であり排気ガスの浸透による腐蝕あるいは断熱性
能の低下の問題が生じにくいためである。さらにこのセ
ラミックス焼結体は、3点曲げ強度1.0kg/mm2
以上、好ましくは3kg/mm2以上、最も好ましくは
5〜25kg/mm2であり、かつ、20〜1000℃
の熱膨脹率1%未満、より好ましくは0.5%未満、最
も好ましくは0.3%未満であることが必要とされる。In the exhaust manifold 1 of the present invention, the ceramic sintered body constituting the inner pipe body 4 is dense, as described above.
For example, the porosity is about 0 to 35%, more preferably 0 to 20%.
It is said to be about %. This is because the dense material has high structural strength and stability, and is virtually impermeable to gases, making it less likely to suffer from corrosion or a decline in insulation performance due to exhaust gas penetration. . Furthermore, this ceramic sintered body has a three-point bending strength of 1.0 kg/mm2.
above, preferably 3 kg/mm2 or more, most preferably 5 to 25 kg/mm2, and 20 to 1000°C
is required to have a coefficient of thermal expansion of less than 1%, more preferably less than 0.5%, most preferably less than 0.3%.
すなわち、3点曲げ強度が1.0kg/mm2未満のも
のであると、長期使用における熱履歴の繰返し、排気ガ
スの脈動、あるいは外部からの衝撃、振動等により破損
されてしまう虞れが生じるためである。また熱膨脹率が
1%を越えるものであると高温高圧の排気ガスによる熱
衝撃、および外側管体6鋳造時における熱衝撃により破
損されてしまう虞れがあるためである。In other words, if the three-point bending strength is less than 1.0 kg/mm2, there is a risk of damage due to repeated thermal history during long-term use, pulsation of exhaust gas, external shocks, vibrations, etc. It is. Moreover, if the coefficient of thermal expansion exceeds 1%, there is a risk of damage due to thermal shock caused by high-temperature, high-pressure exhaust gas and thermal shock during casting of the outer tube body 6.
また内側管体4を構成するセラミックス焼結体において
、その熱伝導率は、1〜10Kcal/m−hr−℃、
より好ましくは1〜8KCa1/m−hr・℃、最も好
ましくは2〜5KCa1/m・hr・℃程度であること
が断熱性の面から望まれる。In addition, the thermal conductivity of the ceramic sintered body constituting the inner tube body 4 is 1 to 10 Kcal/m-hr-℃,
More preferably, it is about 1 to 8 KCa1/m-hr·°C, most preferably about 2 to 5 KCa1/m·hr·°C, from the viewpoint of heat insulation.
このような条件を満たす高強度でかつ低熱膨脂性のセラ
ミックス焼結体としては、例えば、チタン酸アルミニウ
ム(A12 Ti05) 、コージェライト(2Mg0
・2A1203 ・5SiO2)および反応焼結窒化
ケイ素(反応焼結Si3N4)などが好丈しく挙げられ
る。なおこのようなセラミックス焼結体を用いた場合、
該内側管体4の内部に従来のガソリンエンジンにおける
排気ガス温度(750〜800℃)を越える1000℃
の高温ガスを流通しても破損を生じることなく十分に耐
えうるものとなり、内燃機関の高圧縮高回転による出力
向上が可能となる。Ceramic sintered bodies with high strength and low thermal expansion that satisfy these conditions include, for example, aluminum titanate (A12 Ti05), cordierite (2Mg0
・2A1203 ・5SiO2) and reactive sintered silicon nitride (reactive sintered Si3N4). Furthermore, when using such a ceramic sintered body,
The inside of the inner pipe body 4 has a temperature of 1000°C, which exceeds the exhaust gas temperature (750 to 800°C) in a conventional gasoline engine.
It can withstand even high-temperature gases flowing through it without causing damage, making it possible to improve the output of the internal combustion engine through high compression and high rotation.
また本発明の排気マニホールド1において、このような
緻密質セラミックス焼結体より構成される内側管体4の
肉厚は、1〜10mm、より好ましくは3〜5mm程度
のものとされることが望ましい。すなわち、内側管体4
の肉厚が1mm未満であると耐熱衝撃性、あるいは機械
的強度が十分なものとならず、一方10mmを越えるも
のであると、排気マニホールドの重量化および大型化に
つながるものとなるなめである。Further, in the exhaust manifold 1 of the present invention, the wall thickness of the inner tube body 4 made of such a dense ceramic sintered body is preferably about 1 to 10 mm, more preferably about 3 to 5 mm. . That is, the inner tube body 4
If the wall thickness is less than 1 mm, thermal shock resistance or mechanical strength will not be sufficient, while if it exceeds 10 mm, the exhaust manifold will become heavier and larger. .
なお上記したような緻密質セラミックス焼結体により多
岐管状の内側管体4を構成するには、例えば常圧泥漿鋳
込み、加圧泥漿鋳込み、射出成形などにより所定の形状
に成形し、セラミックスの材贋に応じて常圧焼結、加圧
焼結、反応焼結により焼成することにより行なわれ得る
。In order to construct the manifold inner pipe body 4 from the above-mentioned dense ceramic sintered body, the ceramic material is molded into a predetermined shape by, for example, atmospheric slurry casting, pressurized slurry casting, injection molding, etc. Depending on the type of fabric, firing may be carried out by normal pressure sintering, pressure sintering, or reaction sintering.
本発明の排気マニホールド1においては、このような内
側管体4の外周面は、上記したように多孔質のセラミッ
クス成形体よりなる断熱弾性層5により囲繞される。こ
のように断熱弾性層5は、多孔質セラミックス成形体に
より構成されるが、セラミックスであるために十分な耐
熱性と剛性を有し、また多孔質のものであるなめに断熱
性と共に良好な弾性を有し、内側管体2と外側管体3と
の間にあって熱膨張係数の相違による熱応力の発生ある
いは外部からの振動ないしは衝撃を吸収できるものであ
る。さらにこの断熱弾性層を構成する多孔質セラミック
ス成形体は、その熱伝導率が、平均温度20〜1000
℃において、0.5Kcal/m・hr・℃以下、より
好ましくは0.3Kcal/m−hr ・’C以下、最
も好ましくは0゜IKcal/m・hr・℃以下のもの
であることが必要とされる。すなわち、熱伝導率が0.
5Kcal/m−hr・℃を越えるものであると十分な
断熱効果が得られず、例えば外側管体を融点の低いアル
ミニウム合金により構成できなくなる虞れも生じるため
である。In the exhaust manifold 1 of the present invention, the outer peripheral surface of the inner tube 4 is surrounded by the heat insulating elastic layer 5 made of a porous ceramic molded body, as described above. In this way, the heat insulating elastic layer 5 is composed of a porous ceramic molded body, and since it is made of ceramic, it has sufficient heat resistance and rigidity, and since it is porous, it has good heat insulating properties and good elasticity. It is located between the inner tubular body 2 and the outer tubular body 3 and can absorb the occurrence of thermal stress due to the difference in coefficient of thermal expansion, as well as vibrations or shocks from the outside. Furthermore, the porous ceramic molded body constituting this heat insulating elastic layer has a thermal conductivity of 20 to 1000 at an average temperature.
℃, it is necessary that it is 0.5 Kcal/m・hr・℃ or less, more preferably 0.3 Kcal/m・hr・'C or less, most preferably 0°IKcal/m・hr・℃ or less be done. That is, the thermal conductivity is 0.
This is because if it exceeds 5 Kcal/m-hr.degree. C., a sufficient heat insulating effect cannot be obtained, and for example, there is a risk that the outer tubular body cannot be constructed of an aluminum alloy with a low melting point.
このような断熱弾性層を構成する多孔質セラミックス成
形体としては、例えばAlO2−8iO2系フアイバー
、A I 02系フアイバー、SiO2系ファイバーな
どのようなセラミックスファイバーよりなる成形体やA
lO2−8i02系粉末、AlO2系粉末、S i 0
2系粉末などのようなセラミックス粉末よりなる成形体
、さらには多孔質セラミックス粉末、例えば、日本エア
ロジル株式会社よりマイクロサームの商品名下で販売さ
れているSiO2−T i 02系多孔質粉末よりなる
成形体などが好ましく挙げられる。AlO2SiO2系
ファイバーを用いた場合、その嵩密度が0゜2〜1.0
g/cm3程度の成形体であることが好まれ、この際の
熱伝導率は、平均温度20〜1000℃において、0.
1〜0.5Kcal/m−b r = ’Cであり、ま
た5i02 TiO2系多孔譬粉末を用いた場合、そ
の嵩密度が0.3〜016g/cm3程度の成形体であ
ることが好まれ、この際の熱伝導率は、平均温度20〜
1000℃において、0.03〜0.1Kcal/m−
hr・℃である。Examples of porous ceramic molded bodies constituting such a heat insulating elastic layer include molded bodies made of ceramic fibers such as AlO2-8iO2 fibers, AI 02 fibers, SiO2 fibers, etc.
lO2-8i02-based powder, AlO2-based powder, S i 0
Molded bodies made of ceramic powders such as 2-based powders, and even porous ceramic powders, such as SiO2-T i 02-based porous powders sold under the trade name Microtherm by Nippon Aerosil Co., Ltd. Preferred examples include molded bodies. When AlO2SiO2 fiber is used, its bulk density is 0°2 to 1.0
It is preferable that the molded product has a particle size of about g/cm3, and the thermal conductivity in this case is 0.9 g/cm3 at an average temperature of 20 to 1000°C.
1 to 0.5 Kcal/m-br = 'C, and when 5i02 TiO2-based porous powder is used, it is preferable that the molded body has a bulk density of about 0.3 to 016 g/cm3, The thermal conductivity at this time is 20~
At 1000°C, 0.03 to 0.1 Kcal/m-
hr・℃.
また本発明の排気マニホールド1において、このような
多孔質セラミックス成形体より構成される断熱弾性層5
の肉厚は、その成形体の種類によっても異なるが、1〜
10mm、より好ましくは2〜8mm程度のものとされ
ることが望ましい。Further, in the exhaust manifold 1 of the present invention, the heat insulating elastic layer 5 made of such a porous ceramic molded body is provided.
Although the wall thickness varies depending on the type of molded product, it is 1 to
It is desirable that the length be about 10 mm, more preferably about 2 to 8 mm.
すなわち、断熱弾性層5の肉厚が1mm未満であると断
熱効果が十分なものとならず、かつ内側管体4と外側管
体6の間における熱応力の分散および外部からの衝撃あ
るいは振動に耐する緩衝作用が十分なものとならない虞
れがあるためであり、一方10mmを越えるものである
と、排気マニホールド1の重量化および大型化につなが
るものとなるためである。That is, if the wall thickness of the heat insulating elastic layer 5 is less than 1 mm, the heat insulating effect will not be sufficient, and the thermal stress dispersion between the inner pipe body 4 and the outer pipe body 6 and impact or vibration from the outside will not be sufficient. This is because there is a risk that the buffering effect withstand may not be sufficient, and on the other hand, if it exceeds 10 mm, the weight and size of the exhaust manifold 1 will increase.
なお上記したような多孔質セラミックス成形体より構成
される断熱弾性N5を、内側管体4の外周面を囲繞して
形成するには、例えば、セラミックスファイバーを用い
る場合には、ペーパー状のセラミックスファイバーを積
層することにより、また例えばセラミックス粉末を用い
る場合には、ワックス類、有機バインダーなどを用いて
保形することにより好適に行なわれ得る。なおこのよう
にワックス類、有機バインダーなどを用いて保形した場
合、これらは後述するように該断熱弾性層5を鋳ぐるん
で形成される外側管体5鋳造時において揮発ないしは燃
焼除去される。Note that in order to form the adiabatic elastic N5 made of the porous ceramic molded body as described above by surrounding the outer peripheral surface of the inner tube body 4, for example, when using ceramic fibers, paper-like ceramic fibers are used. For example, in the case of using ceramic powder, this can be suitably carried out by laminating them, or by holding the shape using waxes, organic binders, etc. Note that when waxes, organic binders, etc. are used to retain the shape in this manner, these are volatilized or burned off during casting of the outer tubular body 5 formed by casting the heat insulating elastic layer 5 as described later.
さらに本発明の排気マニホールド1においては、外側管
体6はこのような断熱弾性層5を鋳ぐるんで形成される
鋳造金属により構成される。従って、前記多孔質セラミ
ックス成形体よりなる断熱弾性層5と鋳造金属よりなる
外側管体6との接合界面においては、多孔質のセラミッ
クス成形体に鋳造金属が浸透しており強固な機械的結合
がなされる。Further, in the exhaust manifold 1 of the present invention, the outer pipe body 6 is made of a cast metal formed by casting such a heat insulating elastic layer 5. Therefore, at the bonding interface between the heat insulating elastic layer 5 made of the porous ceramic molded body and the outer tube body 6 made of cast metal, the cast metal penetrates into the porous ceramic molded body and a strong mechanical bond is established. It will be done.
この外側管体6を構成する鋳造金属としては、普通鋳鉄
、特殊合金鋳鉄などの鋳鉄、鋳鋼およびアルミニウム合
金が用いられ得るが、排気マニホールドの軽量化、断熱
効率の向上ならびに鋳造時における熱衝撃および熱応力
の軽減などの面から特にアルミニウム合金であることが
望ましい。なおこのようにアルミニウム合金によって外
側管体6を構成したとしても、前記内側管体4および断
熱弾性層5により十分な断熱が行なわれるなめ、たとえ
排気マニホールド1内を1000℃の排気ガスが通過し
ても融点の低いアルミニウム合金が溶融することはない
。As the cast metal constituting the outer pipe body 6, cast iron such as ordinary cast iron and special alloy cast iron, cast steel, and aluminum alloy can be used. An aluminum alloy is particularly desirable from the viewpoint of reducing thermal stress. Note that even if the outer tube 6 is made of aluminum alloy in this way, the inner tube 4 and the heat insulating elastic layer 5 provide sufficient heat insulation, so even if exhaust gas at 1000° C. passes through the exhaust manifold 1. Aluminum alloy, which has a low melting point, will not melt.
また本発明の排気マニホールド1において、このような
鋳造金属より構成される外側管体6の肉厚は、1〜10
mm、より好ましくは3〜6mm程度のものとされるこ
とが望ましい。すなわち、外側管体6の肉厚が1mm未
溝であると耐振動性、耐衝撃性あるいは機械的強度が十
分なものとならず、一方10mmを越えるものであると
、排気マニホールド1の重量化および大型化につながる
ものとなるためである。Further, in the exhaust manifold 1 of the present invention, the wall thickness of the outer pipe body 6 made of such a cast metal is 1 to 10
It is desirable that the thickness be about 3 mm, more preferably about 3 to 6 mm. That is, if the wall thickness of the outer pipe body 6 is 1 mm without grooves, vibration resistance, impact resistance, or mechanical strength will not be sufficient, while if it exceeds 10 mm, the weight of the exhaust manifold 1 will increase. This is because it leads to larger size.
このような外側管体6を、断熱弾性層5を鋳ぐるんで形
成するには、−船釣なセラミックス鋳ぐるみ鋳造法を用
いて行なうことができ、例えば、上記のごとく内側管体
4の外表面を囲繞して断熱弾性層5を形成した後、これ
を鋳型内に位置決めし、溶融した金属を該鋳型に注湯す
ることによって行なわれ得る。In order to form such an outer tube body 6 by casting the heat insulating elastic layer 5, it is possible to use a ceramic casting method, for example, by casting the outside of the inner tube body 4 as described above. This can be done by forming the insulating elastic layer 5 surrounding the surface, positioning it in a mold, and pouring molten metal into the mold.
(発明の効果)
以上述べたように本発明の排気マニホールドは、3点曲
げ強度1.0kg/mm2以上、20〜1000℃の熱
膨脂率1%未満の緻密質セラミックス焼結体よりなる内
側管体と、該内側管体の外周面を囲繞して形成される熱
伝導率0.5Kcal/m・hr・℃以下の多孔質セラ
ミックス成形体よりなる断熱弾性層と、この断熱弾性層
を鋳ぐるんで形成された鋳造金属よりなる外側管体とか
ら構成されることを特徴とするものであるので、高い断
熱性、例えば1000℃の排気ガスを流通させた場合に
おいてもその外表面温度は300℃〜200℃であると
いった高い断熱性を有しており、例えば自動車用として
用いられた場合、エンジンルームの温度を低く押えるこ
とができ、エンジンルーム内における電気配線の容易化
および低コスト化を図ることが可能となりまたエンジン
ルームをコンパクトに設計できるものとなる。また本発
明の排気マニホールドは軽量であり、従来の鋳鉄製のも
のと比教して約50%程度の軽量化が図れるなめに内燃
機関の燃費向上に貢献することができる0、さらに本発
明の排気マニホールドは高い耐熱性および耐熱衝撃性を
有し、例えば1000℃という極めて高温の排気ガスを
通過させることも可能であり、高出力高回転のエンジン
に対しても十分に対応でき、またこのように排気ガスの
温度を向上させることができれば、断熱性、換言すれば
保温性の良好なことと相俟って、未燃焼HCの低減およ
び排気路に設ける触媒の低減化、ならびにターボチャー
ジャー装着時における効率アップが期待できるものとな
る。加えて本発明の排気マニホールドは、耐蝕性に優れ
その強度も十分なものであるなめに、外部からの衝撃な
いしは振動、あるいは長期間にわたる熱履歴の繰返しに
よっても、破損、特に排気ガス流路面における破損を生
じることがなく、ターボチャージャーなどを装着した場
合などにおいても、破損ないしは剥離した破片などによ
りローターを損傷してしまう虞れもないものである。(Effects of the Invention) As described above, the exhaust manifold of the present invention has an inner side made of a dense ceramic sintered body with a three-point bending strength of 1.0 kg/mm2 or more and a coefficient of thermal expansion of less than 1% at 20 to 1000°C. A tube body, a heat insulating elastic layer made of a porous ceramic molded body having a thermal conductivity of 0.5 Kcal/m・hr・℃ or less and formed around the outer peripheral surface of the inner tube body, and this heat insulating elastic layer formed by casting. Since it is characterized by being composed of an outer tube body made of cast metal, it has high heat insulation properties, for example, even when exhaust gas of 1000 degrees Celsius is passed through, its outer surface temperature remains at 300 degrees Celsius. It has high heat insulation properties ranging from ℃ to 200℃, and when used in automobiles, for example, it can keep the temperature of the engine room low, making electrical wiring in the engine room easier and lower costs. This makes it possible to design the engine room more compactly. In addition, the exhaust manifold of the present invention is lightweight and can contribute to improving the fuel efficiency of internal combustion engines since it is approximately 50% lighter than conventional cast iron exhaust manifolds. Exhaust manifolds have high heat resistance and thermal shock resistance, and are capable of passing extremely high temperature exhaust gas of, for example, 1000°C, making them fully compatible with high-output, high-speed engines. If it is possible to improve the temperature of the exhaust gas, it will improve the heat insulation property, in other words, the heat retention property, and reduce the amount of unburned HC, reduce the amount of catalyst installed in the exhaust path, and improve the performance when installing a turbocharger. This can be expected to improve efficiency. In addition, since the exhaust manifold of the present invention has excellent corrosion resistance and sufficient strength, it is susceptible to damage, especially on the exhaust gas flow path surface, due to external shocks or vibrations, or repeated thermal history over a long period of time. It does not cause damage, and even when a turbocharger or the like is installed, there is no risk of damage to the rotor due to breakage or detached pieces.
第1図は、本発明の排気マニホールドの一実施例の構造
を表わす一部断面斜視図であり、また第2図は同実施例
の縦断面図である。
1・・・排気マニホールド、2・・・排気ガス流入口、
3・・・排気ガス流出口、4・・・内側管体、5・・・
断熱弾性層、6・・・外側管体。FIG. 1 is a partially sectional perspective view showing the structure of an embodiment of the exhaust manifold of the present invention, and FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the same embodiment. 1...Exhaust manifold, 2...Exhaust gas inlet,
3...Exhaust gas outlet, 4...Inner pipe body, 5...
Heat insulating elastic layer, 6...outer pipe body.
Claims (7)
1000℃の熱膨脹率1%未満の緻密質セラミックス焼
結体よりなる内側管体と、該内側管体の外周面を囲繞し
て形成される熱伝導率0.5Kcal/m・hr・℃以
下の多孔質セラミックス成形体よりなる断熱弾性層と、
この断熱弾性層を鋳ぐるんで形成された鋳造金属よりな
る外側管体とから構成されることを特徴とする内燃機関
用排気マニホールド。(1) 3-point bending strength 1.0kg/mm^2 or more, 20~
An inner tube made of a dense ceramic sintered body with a coefficient of thermal expansion of less than 1% at 1000°C, and a tube formed around the outer peripheral surface of the inner tube with a thermal conductivity of 0.5 Kcal/m・hr・℃ or less a heat insulating elastic layer made of a porous ceramic molded body;
An exhaust manifold for an internal combustion engine, comprising an outer pipe body made of cast metal and formed by enclosing this heat insulating elastic layer.
熱伝導率が1〜10Kcal/m・hr・℃である特許
請求の範囲第1項に記載の排気マニホールド。(2) The exhaust manifold according to claim 1, wherein the dense ceramic sintered body constituting the inner pipe body has a thermal conductivity of 1 to 10 Kcal/m·hr·°C.
である特許請求の範囲第1項または第2項に記載の排気
マニホールド。(3) The exhaust manifold according to claim 1 or 2, wherein the cast metal constituting the outer pipe body is an aluminum alloy.
ある特許請求の範囲第1項または第2項に記載の排気マ
ニホールド。(4) The exhaust manifold according to claim 1 or 2, wherein the cast metal constituting the outer pipe body is cast iron or cast steel.
、チタン酸アルミニウム、コージェライト、または反応
焼結窒化ケイ素からなるものである特許請求の範囲第1
項〜第4項のいずれかに記載の排気マニホールド。(5) Claim 1, wherein the dense ceramic sintered body constituting the inner tube is made of aluminum titanate, cordierite, or reaction-sintered silicon nitride.
The exhaust manifold according to any one of items 1 to 4.
が、セラミックスファイバー成形体またはセラミックス
粉末成形体である特許請求の範囲第1項〜第5項のいず
れかに記載の排気マニホールド。(6) The exhaust manifold according to any one of claims 1 to 5, wherein the porous ceramic molded body constituting the heat insulating elastic layer is a ceramic fiber molded body or a ceramic powder molded body.
が、アルミナ−シリカファイバー系成形体、アルミナ−
シリカ系粉末成形体または多孔質シリカ−チタニア系粉
末成形体である特許請求の範囲第6項に記載の排気マニ
ホールド。(7) The porous ceramic molded body constituting the heat insulating elastic layer may be an alumina-silica fiber molded body, an alumina-silica fiber molded body, or an alumina-silica fiber molded body.
The exhaust manifold according to claim 6, which is a silica powder compact or a porous silica-titania powder compact.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP29153387A JPH01134022A (en) | 1987-11-18 | 1987-11-18 | Exhaust manifold |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP29153387A JPH01134022A (en) | 1987-11-18 | 1987-11-18 | Exhaust manifold |
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Publication Number | Publication Date |
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JPH01134022A true JPH01134022A (en) | 1989-05-26 |
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JP29153387A Pending JPH01134022A (en) | 1987-11-18 | 1987-11-18 | Exhaust manifold |
Country Status (1)
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JP (1) | JPH01134022A (en) |
Cited By (3)
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---|---|---|---|---|
JPH0399706U (en) * | 1989-11-17 | 1991-10-18 | ||
US5167885A (en) * | 1992-01-07 | 1992-12-01 | W. R. Grace & Co.-Conn. | Method for making sintered bodies |
JP2011257091A (en) * | 2010-06-10 | 2011-12-22 | Ihi Corp | Burner apparatus |
-
1987
- 1987-11-18 JP JP29153387A patent/JPH01134022A/en active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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