JPH10317953A - 内燃機関のエキゾーストマニホールド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 内燃機関のエキゾーストマニホールドにおい
て、スペースを必要とせずコストも低廉な手段によって
効果的に高周波異音の発生を抑制する。 【解決手段】 ＳＵＳのような材質からなるエキゾース
トマニホールド１において、各気筒の排気ポートに接続
される分岐管３等を合流管６の断面に対して接線方向に
取り付けて傾斜角度δを９０°未満とすると、合流管６
内には一定の方向に旋回する排気ガスの流れが生じるた
め、対向側管壁６f の振動による高周波異音の発生が抑
制されるだけでなく、排気抵抗が減少して機関の効率が
上昇する。しかも、従来のものに比べて合流管に対する
分岐管の取り付けかたを変えただけで何ら付加するもの
がないので、スペース的にもコスト的にも有利になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多気筒内燃機関に
おいて各気筒から排出される排気ガスを合流させるため
のエキゾーストマニホールド（排気多岐管）に係り、特
にステンレス鋼板製のエキゾーストマニホールドにおい
て、各気筒から噴出する排気ガス流によって高周波の異
音を含む排気騒音を発生するのを抑制するための、改良
された構成を有するエキゾーストマニホールドに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関のエキゾーストマニホールド
は、以前は鋳鉄製のものが殆どであったが、最近は強化
された排気ガス規制の対策の一つとして、エキゾースト
マニホールドを、ステンレス鋼（ＳＵＳ）の板材からプ
レス成形と溶接によって製作することが多くなって来
た。この材質変更の結果、ＳＵＳ製エキゾーストマニホ
ールドにおける特有の問題として、その中を高速で排気
ガスの噴流が流れるときに、６ｋＨｚ以上の周波数帯域
の所謂高周波異音が発生する。

【０００３】エキゾーストマニホールドにおける高周波
異音の発生のメカニズムは、各気筒の爆発・膨張行程に
おいて高圧となった排気ガスが、その気筒の排気弁の開
弁と同時に各気筒の排気ポートからエキゾーストマニホ
ールドの分岐管を通って共通の合流管に開口する合流部
へ噴出するときに、各合流部において分岐管の開口と対
向している合流管の管壁の部分が排気ガスの圧力脈動に
よって強く加振されるが、エキゾーストマニホールドが
ＳＵＳ板製であると、管壁の肉厚（板厚）が鋳鉄製のも
のに比べてはるかに薄いのと、ＳＵＳの密度や弾性係数
等の物性の関係から管壁が振動しやすいので、その部分
が加振源となって振動がエキゾーストマニホールドや排
気通路に沿って伝播し、排気システム全体から同時に高
周波異音が外気中に放散されるためと考えられる。

【０００４】この高周波異音の発生を抑制するために何
らかの手段を設けるにしても、エキゾーストマニホール
ドが取り付けられる位置は、自動車の狭いエンジンルー
ム内における多気筒内燃機関のシリンダブロックの周辺
であるため、一般にスペース的にゆとりがなく、例えば
消音器のような大きなスペースを必要とする装置等をそ
のような狭い部分に取り付けることは困難であるから、
高周波異音を抑制するための手段は大きなスペースを必
要としない小型で簡便なものでなければならない。この
ような目的において、従来からエキゾーストマニホール
ドにおける分岐管と合流管の構造等を改良することによ
り排気騒音を低減させようとする試みは色々となされて
来てはいるものの、従来の解決手段は、一般に嵩張った
り、製造コストを上昇させる大ががりなものが多いため
に、未だにスペース的な問題やコスト面における問題が
解決されていないのが現状である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来技術に
おける前述のような問題に対処して、ＳＵＳ板製のよう
に肉厚が薄くて振動しやすいエキゾーストマニホールド
であっても、大きなスペースを必要としない比較的小型
で簡便な手段によって、製造コストが嵩むことがなく、
しかも効果的に高周波異音の発生を抑制することができ
るような、改良された内燃機関のエキゾーストマニホー
ルドを提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記の課題を
解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項
に記載された内燃機関のエキゾーストマニホールドを提
供する。

【０００７】請求項１に記載されたエキゾーストマニホ
ールドによれば、複数個の分岐管のうちの少なくとも１
つに対して、共通の合流管の対向側管壁が９０°未満の
傾斜角度を形成するように、分岐管と合流管が接線方向
に接続されるので、その分岐管から排気弁が開弁したと
きに合流管へ流入する排気ガスは、分岐管に対する合流
管の対向側管壁に向かって垂直に衝突することがなく、
対向側管壁に対して接線方向に衝突することによって一
定の旋回方向にそらされる。従って、排気ガスの圧力脈
動が対向側管壁に直接に作用して高周波異音を発生する
ことが防止される。更に、請求項２に記載されたエキゾ
ーストマニホールドにおいては、１つの合流管に向かっ
て合流する複数個の分岐管の全てが合流管に対して接線
方向に取り付けられるので、合流管内には一定の方向に
旋回する排気ガスの旋回流が形成され、流れが相互に合
流管内で衝突することが全くなくなって、合流部におけ
る高周波異音の発生が最も少なくなる。

【０００８】請求項３に記載されたエキゾーストマニホ
ールドによれば、少なくとも１つの分岐管に対する共通
の合流管の対向側管壁の傾斜角度を９０°未満とするの
に加えて、複数個の分岐管のうちの少なくとも１つが共
通の合流管に対して９０°未満の合流角度を形成するよ
うに接続されるので、その分岐管から排気弁が開弁した
ときに合流管へ流入する排気ガスは、分岐管に対する合
流管の対向側管壁に向かって垂直に衝突することがな
く、対向側管壁に対して斜めに衝突することによって必
ず下流側に向かってそらされる。従って、排気ガスの圧
力脈動が対向側管壁を直接加振して高周波異音を発生す
ることが防止される。更に、請求項４に記載されたエキ
ゾーストマニホールドにおいては、１つの合流管に向か
って合流する複数個の分岐管の全てが、９０°未満の合
流角度を形成するように合流管に対して取り付けられる
ので、分岐管からの排気ガスの流れが対向側管壁に真正
面から衝突することが全くなくなって、合流部における
高周波異音の発生が少なくなる。

【０００９】従って、請求項５に言うようにエキゾース
トマニホールドを構成する分岐管と合流管の少なくとも
一部をステンレス鋼の板材によって形成しても、必要な
合流角度或いは傾斜角度が形成されるようにして分岐管
を合流管に取り付ける限り、合流部が排気ガスの噴流に
よって加振されて振動することが避けられるので、エキ
ゾーストマニホールドが発生する高周波異音を低減する
ことができる。

【００１０】このようにして、本発明によるエキゾース
トマニホールドは、合流管に対する分岐管の取り付け角
度として、合流角度を６７．５°以下とするとか、傾斜
角度を９０°未満とすることにより、エキゾーストマニ
ホールドから発生する高周波異音を効果的に低減させ得
るだけでなく、合流管内における排気ガスの流れに乱れ
が生じるのを防止することができるので、結果として排
気抵抗を減少させて機関の効率を上昇させることができ
る。しかも、そのために何らの部品をも付加する必要も
なく、単に合流管に対する分岐管の取り付け角度を変更
するだけであるから、スペース的にも、またコスト面に
おいてもきわめて有利になる。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施形態としての
エキゾーストマニホールド１の外観を図１に示す。この
例はＶ型８気筒の内燃機関の一方のバンクに取り付けら
れるものを示している。エキゾーストマニホールド１は
通常のＳＵＳ製のものと同様に、内燃機関の各気筒の排
気ポートに接続する分岐管２，３，４，５と、それらが
合流する共通の合流管６からなっており、各分岐管２，
３，４，５の上流側端部には、それぞれ図示しない排気
ポート側のフランジに取り付けられるフランジ７，８，
９，１０が設けられていると共に、合流管６の下流側端
部にもフランジ１１が設けられており、フランジ１１は
２つのバンクにそれぞれ設けられた合流管６を合流させ
る図示しない合流管の上流側フランジに取り付けられ
る。この合流管は、更に排気システムの下流側部分であ
る排気浄化装置やマフラー（消音器）等に順次接続さ
れ、最終的にテールパイプにおいて大気中へ開口して、
排気ガスを大気中へ放出するようになっている。

【００１２】図１に示す第１実施形態のエキゾーストマ
ニホールド１の第１の特徴は、全ての分岐管２，３，
４，５が合流管６に対して９０°未満（望ましくは６
７．５°）以下の比較的小さい合流角度θをもって取り
付けられていることである。この場合の「合流角度θ」
の定義は、図１から明らかなように、エキゾーストマニ
ホールド１を上（又は下）から見た平面図において、各
分岐管２，３，４，５の中心軸線Ｌ2 〜Ｌ5 （図１にお
いては、代表としてＬ４のみを示している。）と、合流
管６の中心軸線Ｌ6 とがなす角度のうち、排気ガスの流
れの方向に見て上流側の、しかも小さい方の角度のこと
である。この合流角度θを９０°未満と定めたことには
特別の理由があるが、それは後で説明する。

【００１３】図示しないＶ型の８気筒エンジンの一方の
バンクを構成する４個の気筒の各排気ポートに接続され
るＳＵＳ板製のエキゾーストマニホールド１の４個の分
岐管２，３，４，５の代表として、３番気筒に接続され
る分岐管３を例にとって、断面略円形の合流管６に対す
る断面略円形の分岐管３の合流部の断面形状を図２に示
す。図２から明らかなように、第１実施形態のエキゾー
ストマニホールド１の第２の特徴は、分岐管３の中心軸
線Ｌ3 が合流管６の中心軸線Ｌ6 と同一の平面内で交わ
っておらず、最短距離ｅだけ離れている（偏心してい
る）ことである。そのため、中心軸線Ｌ3 を延長したと
きに合流管６の内面の対向側管壁６f と交わる点Ｐ3 に
おいて合流管６の内面の断面の輪郭円に接線を引いて、
分岐管３の中心軸線Ｌ3 と接線Ｔ3 とがなす角度のう
ち、小さい方の角度を分岐管に対する対向側管壁６f の
「傾斜角度δ₃ 」と呼ぶことにすると、分岐管３の中心
軸線Ｌ3 が合流管６の中心軸線Ｌ6 に対して上方へ最短
距離（偏心量）ｅ₃ だけずれている（偏心している）た
めに、接線Ｔ3 は垂直にはならないで必ず傾斜するの
で、傾斜角度δ₃ が直角になることは決してない。

【００１４】従って、第１実施形態のエキゾーストマニ
ホールド１においては、例えば図示しない３番気筒の排
気弁が開弁したときに、その排気ポートから分岐管３の
中心軸線Ｌ3 に沿って合流管６へ流入する排気ガスの噴
流は、合流管６の対向側管壁６f の点Ｐ3 付近に衝突す
るが、平面的に見たときに分岐管３が合流管６に対して
９０°未満の合流角度θ₃ をもって接続されていること
と、分岐管３の開口に対する合流管６の対向側管壁６f
は点Ｐ3 付近で分岐管３の中心軸線Ｌ3 に対して９０°
未満の傾斜角度δ₃ をもって傾斜しているので、排気ガ
スの流れは合流管６の下流側の方向に転向されるだけで
なく、図３に示すように合流管６内を一方向に旋回しな
がら下流側に向かって流れるように強制されることにな
る。更に３番気筒以外の同じバンクに属する他の気筒の
分岐管２〜５を、分岐管３と同様に合流管６に対して接
続することにより、合流部において分岐管３からの排気
ガスが円滑に合流管６内へ合流して下流側に向かうこと
と、合流管６内に反対向きの旋回流が生じないために、
排気ガスの流れがきわめてスムースなものになる。

【００１５】そして、第１実施形態の場合、各分岐管
２，３，４，５から合流管６内へ合流する排気ガスの噴
流が、合流管６の対向側管壁６f に対して図１において
も、また図２においても、いずれも斜めに衝突するため
に、それぞれの排気ガスの流れは一定の方向にのみそら
されるので、排気ガスがそれぞれ強い圧力脈動を有して
いても、対向側管壁６f を大きく加振するようなおそれ
がない。また、このように、各分岐管２，３，４，５か
ら噴出する排気ガス流が斜め向きに合流管６の対向側管
壁６f に衝突して一定の方向にのみ転向されることによ
り、合流管６内に排気ガスの流れの大きな乱れが生じな
いので、排気抵抗が従来のエキゾーストマニホールドよ
りも小さくなり、それによって内燃機関全体の排気効率
が高くなる結果、機関の効率もその分だけ高くなる。

【００１６】この場合、例えば分岐管３を合流管６に対
して偏心して取り付ける（傾斜角度δ＝６７．７°）と
共に、取り付ける角度を変化させて、図１に示す合流角
度θ ₃ を変化させると、排気ガスの噴流が合流管６の対
向側管壁６f によって下流側へそらされる程度が変化す
るので、高周波異音の抑制効果もその程度に応じて変化
する。そこで、合流管６に対する分岐管３の取り付け角
度を変えて合流角度θ ₃ を９０°以下の範囲で変化させ
ると共に、そのときに放射される６〜２０ｋＨｚの騒音
のオーバーオール値を実際に測定した結果を図４の線図
として示す。図４から分かるように、一般に合流角度θ
を９０°としたときは、発生する高周波異音の騒音レベ
ルが最大となった。それに対して、合流角度θを４５°
としたときには騒音の音圧レベルが最小となった。しか
し、合流角度θを常に４５°とすることには設計上の困
難を伴うので、実用的には合流角度θを６７．５°以下
とすることによって満足な結果が得られることも分かっ
た。

【００１７】この場合、合流管６に対する分岐管３の偏
心の程度、即ち、図２に示す傾斜角度δ₃ については、
分岐管３を例えば偏平な断面形状のものとすることによ
って、分岐管３の中心軸線Ｌ3 と合流管６の中心軸線Ｌ
6 との間の最短距離ｅ₃ を大きく取ることが可能にな
り、分岐管３に対する対向側管壁６f の傾斜角度δ₃ を
小さくすることができる。それによって合流管６内にお
ける排気ガスの一定方向の旋回流を強めることができる
が、あまりに旋回流が強くなり過ぎると却って排気抵抗
が増大する傾向も認められるので、一般に傾斜角度δは
９０°未満であって、分岐管３からの排気ガスの噴流が
傾斜した対向側管壁６f によって乱れのない一定の方向
の旋回流に整流される程度に小さければ十分と言える。

【００１８】また、傾斜角度δに関しては、図５に示し
た従来のエキゾーストマニホールド１２のように、各気
筒側の分岐管３’の中心軸線Ｌ3 を合流管６の中心軸線
Ｌ6と交わるように取り付けて傾斜角度δ₃'を９０°と
すると共に、前述の合流角度θ₃'も９０°としたときに
は高周波異音の音圧レベルが最高となることが分かっ
た。これは分岐管３’からの圧力脈動を有する排気ガス
の噴流が合流管６の対向側管壁６f に垂直に衝突する結
果、対向側管壁６f が最も大きく加振され、それによっ
て発生する大きな高周波振動がエキゾーストマニホール
ド全体に伝播して外部に放散されるためである。また、
その際には、合流管６内に生じる排気ガスの流れが一方
向の旋回流とはならないで、排気ガスの流れが対向側管
壁６f に衝突することによって上下及び左右方向に分割
されると共に、それらの流れが相互に衝突することによ
って全くの乱流となって無秩序に下流側の方向へ流れる
ために、本発明の実施形態の場合に比して排気抵抗が増
大し、機関の効率もそれに伴って比較的に低いものとな
る。

【００１９】図６は、本発明の第２の実施形態としての
エキゾーストマニホールド１’を示したもので、複数個
の分岐管２，３，４，５のうちの代表的な分岐管３が合
流管６の下部に対して接線方向に取り付けられており、
傾斜角度δを、分岐管３の中心軸線Ｌ3 が合流管６の対
向側管壁６f と交わる点Ｐ3 における接線Ｔ3 と中心軸
線Ｌ3 とのなす角度として中心軸線Ｌ3 の下側に取って
いる他は、第２実施形態の構成は全て第１実施形態の場
合と同様である。図６には示していないが、前述の合流
角度θも９０°未満、望ましくは６７．５以下とする。
それによって第２実施形態のエキゾーストマニホールド
１’は、合流管６内における排気ガスの旋回流の方向が
反対向きになる他は、作用効果の点においても、第１実
施形態の場合と実質的に同様な結果をもたらす。

【００２０】図７は、本発明の効果を確認するために、
図５に示したような従来型の偏心のない（即ち傾斜角度
δ＝９０°）エキゾーストマニホールド１２と、図２に
示したように偏心を与えた（δ＝６７．７°）本発明の
エキゾーストマニホールド１により、発生する騒音の音
圧レベルを測定した結果を示すものである。傾斜角度δ
による効果を確認するために、この実験では、エキゾー
ストマニホールド１及び１２のいずれも、合流角度θは
等しく９０°とした。この実験から判ることの一つは、
傾斜角度δを９０°未満とすることによって、可聴周波
数帯域の全域にわたって騒音が効果的に減少するという
事実である。なお、この測定は、図１に示したものと類
似のエキゾーストマニホールド１においてθ₂ 〜θ₅ を
すべて９０°とし、３番気筒に対する分岐管３の上流側
フランジ面から２０cmだけ下流側の位置で行った。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態としてのエキゾースト
マニホールドの構成を概括的に示す斜視図である。

【図２】図１に示す第１実施形態のエキゾーストマニホ
ールドのII−II線における断面図である。

【図３】第１実施形態のエキゾーストマニホールドを切
断して内部の排気ガスの流れを概念的に示す斜視図であ
る。

【図４】本発明の効果を示すために、エキゾーストマニ
ホールドの合流管に対する分岐管の合流角度と、生じる
高周波異音の音圧レベルとの関係を実測した結果を示す
線図である。

【図５】図２に示した本発明の第１実施形態と比較する
ために従来のエキゾーストマニホールドの対応部分の構
成を示す断面図である。

【図６】本発明の第２実施形態としてのエキゾーストマ
ニホールド一つの特徴を示す断面図である。

【図７】本発明の効果を従来技術と対比して示す線図で
ある。

【符号の説明】

１…第１実施形態としてのエキゾーストマニホールド １’…第２実施形態としてのエキゾーストマニホールド ２，３，４，５…エキゾーストマニホールドの分岐管 ６…エキゾーストマニホールドの合流管 ６f …対向側管壁 １２…従来のエキゾーストマニホールド ｅ…最短距離（偏心量） Ｌ3 …分岐管３の中心軸線 Ｌ6 …合流管６の中心軸線 Ｐ3 …中心軸線Ｌ3 が対向側管壁と交わる点 Ｔ3 …接線 δ…傾斜角度 θ…合流角度

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 憲一 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 岩崎 洋一 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多気筒内燃機関の各気筒の排気ポートに
   それぞれ接続される複数個の分岐管と、それらが合流し
   ている合流管とからなるエキゾーストマニホールドにお
   いて、前記分岐管が合流している部分の前記合流管の横
   断面を見たときに、前記分岐管の少なくとも１つに対し
   て前記合流管の対向側管壁が９０°未満の傾斜角度を形
   成するように、前記分岐管が前記合流管に対して接線方
   向に取り付けられていることを特徴とする内燃機関のエ
   キゾーストマニホールド。
2. 【請求項２】 全ての前記分岐管に対する前記合流管の
   対向側管壁が９０°未満の傾斜角度を形成するように、
   前記全ての分岐管が前記合流管に対して接線方向に取り
   付けられ、それによって前記合流管内に一定の方向に旋
   回する排気ガスの流れが形成されるように構成されてい
   ることを特徴とする請求項１に記載された内燃機関のエ
   キゾーストマニホールド。
3. 【請求項３】 前記エキゾーストマニホールド全体を平
   面的に見たときに、前記分岐管の少なくとも１つが前記
   合流管に対して９０°未満の合流角度を形成するように
   取り付けられていることを特徴とする請求項１又は２に
   記載された内燃機関のエキゾーストマニホールド。
4. 【請求項４】 前記合流管に対して、前記分岐管の全て
   が９０°未満の合流角度を形成するように取り付けられ
   ていることを特徴とする請求項３に記載された内燃機関
   のエキゾーストマニホールド。
5. 【請求項５】 前記分岐管と前記合流管の少なくとも一
   部がステンレス鋼の板材からなることを特徴とする請求
   項１ないし４のいずれか１項に記載された内燃機関のエ
   キゾーストマニホールド。