(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも上側部材及び下側部材からなり、
入口側の複数の枝管は、出口側の集合管に接続され、かつ、該枝管の少なくとも１つは、湾曲部を有する枝管であり、
前記上側部材と前記下側部材を接合する接合用フランジを備えた排気マニホルドであって、
前記湾曲部近傍の前記接合用フランジの部分は、他の前記接合用フランジ部分より幅広に形成されてなること、を特徴とする排気マニホルド。
【請求項２】
前記幅広の接合用フランジの部分は、枝管の内、最長の枝管の前記湾曲部近傍に設けられていること、を特徴とする請求項１記載の排気マニホルド。
【請求項３】
前記複数の枝管の内、
少なくとも一対の枝管間に前記一対の枝管を互いに連通させる容積室を備え、前記容積室の前記流体の流れ方向に直交する断面積が、前記流体の流れ方向に沿って徐々に拡大するように形成され、
前記上側部材と前記下側部材の形状は塑性加工により形成されたものであり、前記容積室は、それに隣接する各２つの枝管と接続されていること、を特徴とする請求項２記載の排気マニホルド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、排気マニホルドの改良に関し、より詳細には、車両等の内燃機関の排気管に接続される排気マニホルドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の排気マニホルドとして、特開平5-171932号公報（特許文献１）に提案されている排気マニホルドは、４本の枝管及びこれら枝管に接続する集合管のほぼ中心軸を通る面を境に２分割された上側部材と下側部材とからなり、外側の２本の枝管は集合管側にほぼ直角に湾曲している。上側部材及び下側部材の外周には、同一幅で接合用フランジ部が形成され、さらに各枝管の間の枝管と集合管の接続する部分には、排気ガスを整流し各枝管からの流入する排気ガス同士の干渉音を低減させるための隔壁が取付けられている。この排気マニホルドは、夫々１枚の板金からプレス又は板金加工により成形された上側部材と下側部材とをこれらの外周部に形成した接合用フランジ部で接合し、この外周全域を溶接して排気マニホルドを組立てていた。
【０００３】
実開平3-25815号公報（実願平1-84986号）（特許文献２）には、多シリンダエンジンの排気ポートに連通し、複数の枝管を有する排気マニホルドにおいて、これらの分岐管の熱変形量の大きい部分に蛇腹状の熱変形吸収部分を設けたものが提案されている。
【０００４】
さらに、上記特開平5-171932号公報に提案されている従来の排気マニホルドにおいて、集合管内に設けられた隔壁は、各枝管から流出する排気ガス同士が、互いに急激に衝突して、干渉することにより、大きな干渉音が発生したり、衝撃波が発生したり、さらに内燃機関のエンジン出力が低下するのを防ぐことを目的としている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平5-171932号公報
【特許文献２】
実開平3-25815号公報（実願平1-84986号）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平5-171932号公報に提案されている排気マニホルドは、複数の枝管を集合管１本に集合させることにより、枝管の長さに差が生じ、枝管の内数本は湾曲する。特に、車両用内燃機関の排気マニホルドである場合は、排気マニホルドの外部構造が限定されかつ省スペース化のために、枝管の湾曲の度合いは余計に高まる。
【０００７】
また、このような排気マニホルドを内燃機関のシリンダの排気側に接続する場合、排気マニホルド中へ高温の排気ガスは間欠的に流入するために、この排気マニホルドは加熱冷却の繰り返しによる熱衝撃、熱応力を受け、形状が直線的ではない部分、特に枝管の湾曲部に亀裂が発生し易いため、排気マニホルドの耐久性が低下するという問題がある。
【０００８】
また、上記実開平3-25815号公報（実願平1-84986号）の排気マニホルドにおいては、枝管に蛇腹を設けることから、形状が複雑となり加工が難しくなる。特に、このような排気マニホルドを上下２つの部材を接合して製作する場合には、上下部材の接合面を精度良く合わせることが困難であり、加工コストが上昇するという問題がある。
【０００９】
そして、上記特開平5-171932号公報に提案されている排気マニホルドは、隔壁を設けることにより、逆に各枝管から流出する排気ガスが隔壁に衝突する現象、又は各枝管から流出する排気ガスが隔壁のなくなる部分で高圧力のまま急激に合流する現象を招くことにより、かえって大きな排気ガスの干渉音が発生し、加えて排気マニホルドに加わる衝撃も大きくなり耐久性が低くなるという問題点がある。
【００１０】
本発明は別に枝管と集合管の接続する部分の湾曲部における、亀裂の発生を防止する排気マニホルドを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を達成するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の第１の視点において、少なくとも上側部材及び下側部材からなり、入口側の複数の枝管は、出口側の集合管に接続され、かつ、該枝管の少なくとも１つは、湾曲部を有する枝管であり、前記上側部材と前記下側部材を接合する接合用フランジを備えた排気マニホルドであって、前記湾曲部近傍の前記接合用フランジの部分は、他の前記接合用フランジ部分より幅広に形成されてなることを特徴とする。
【００１２】
本発明の第１の視点において、好ましくは、前記複数の枝管の内、少なくとも一対の枝管間に前記一対の枝管を互いに連通させる容積室を備え、前記容積室の前記流体の流れ方向に直交する断面積が、前記流体の流れ方向に沿って徐々に拡大するように形成され、前記上側部材と前記下側部材の形状は塑性加工により形成されたものであり、前記容積室は、それに隣接する２つの枝管と接続され、前記排気マニホルドの入口側には取付フランジが接続され、前記取付フランジは内燃機関のシリンダヘッドに取り付けられていることを特徴とする。
【００１３】
本発明の第１の視点において、好ましくは、前記幅広の接合用フランジの部分は、枝管の内、最長の枝管の前記湾曲部近傍に設けられていることを特徴とする。
【００１４】
本発明の好ましい形態に係る排気マニホルドは、入口側にある複数の枝管が、出口側にある集合管に接続され、該枝管から該集合管へ流体が流れる排気マニホルドであって、少なくとも一対の枝管間に前記一対の枝管を互いに連通させる容積室を備え、前記容積室の前記流体の流れ方向に直交する断面積が、前記流体の流れ方向に沿って徐々に拡大するように形成されることを特徴とする。
【００１５】
【作用】
本発明の第１の視点における排気マニホルドは、少なくとも上側部材及び下側部材からなり、入口側の複数の枝管は、出口側の集合管に接続され、かつ、枝管の少なくとも１つは、湾曲部を有する枝管であり、上側部材と下側部材を接合する接合用フランジを備えた排気マニホルドであって、湾曲部近傍の接合用フランジの部分は、他の接合用フランジ部分より幅広に形成されていることにより、上側部材と下側部材を分離させようとする応力を、幅広に形成された接合用フランジの部分によって吸収することができる。即ち、枝管の湾曲部に排気マニホルドの上側部材と下側部材を分離させようとする力が働いた場合、幅広の接合用フランジの部分の排気マニホルド内側部分はこの力を吸収して上下に多少分離しても、外側（排気マニホルド外周側）は密着していることにより、幅広の接合用フランジの部分において、このような力は吸収され、排気マニホルドの他の部分への応力の伝播が抑制され、かつ、排気マニホルドの密封は維持される。また、幅広の接合用フランジの部分は、冷却能が高く、この部分からの放熱により、高温になり易い枝管の湾曲部の耐久性は向上する。
【００１６】
本発明の好ましい形態に係る排気マニホルドは、入口側にある複数の枝管が、出口側にある集合管に接続され、枝管から集合管へ流体が流れる排気マニホルドであって、少なくとも一対の枝管間に前記一対の枝管を互いに連通させる容積室を備え、前記容積室の前記流体の流れ方向に直交する断面積が、前記流体の流れ方向に沿って徐々に拡大するように形成され、枝管に流入した流体は容積室に流れ込むことによって徐々に膨張し、流速及び流体圧力が低下してから、集合管において他の枝管からの流体と合流する。このため、異なる枝管から排出される流体同士の干渉音を低減することができる。加えて、この干渉音によって生じる衝撃は低減されるから、排気マニホルドの耐久性も向上される。本発明の第１の視点における排気マニホルドは上記好ましい形態に係る構成を兼ね備えることにより、排気ガス干渉音の低減効果及び耐久性の向上効果は高まる。
【００１７】
【実施例】
図面を参照して本発明の実施例を以下に説明する。
【００１８】
図１は、本発明の一実施例に係る排気マニホルドの上部外観図である。
【００１９】
図１を参照して、本実施例の排気マニホルドにおいて、マニホルド本体１は、上側部材１ａと下側部材１ｂとからなり（図２参照）、マニホルド本体１の入口（吸入）側、と出口（排気）側には夫々取付フランジ２ａと２ｂが取り付けられている。
【００２０】
さらに、これら２つの上下側部材（１ａ、１ｂ）は各枝管（３ａ、３ｂ、３ｃ及び３ｄ）及び集合管４の中心軸がある面を境として接合されている。
【００２１】
さらに、マニホルド本体１の入口側にある４本の枝管３ａ、３ｂ、３ｃ及び３ｄは出口側の集合管４と接続されている。ここで、枝管同士及び枝管と集合管の接続する部分の仮想的な管径は接続の都合上拡大している。
【００２２】
そしてまた、マニホルド本体１の外周に沿って、上側部材１ａには接合用フランジ部５ａが形成されており、不図示の下側部材１ｂの接合用フランジ部５ｂと溶接により接合されることにより、上下側部材（１ａ、１ｂ）は一体となっている。
【００２３】
ここで、最長の枝管３ａの湾曲部６の近傍の接合用フランジ部５ｃは、接合用フランジ部５ａ及び５ｂの一部分を指している。この湾曲部６で枝管中最長の枝管３ａは最も湾曲しており、かつ、集合管４と接続している。
【００２４】
そして、この接合用フランジ部５ｃは、接合用フランジの他の部分５ａ、５ｂ（枝管３の入口側、枝管３ｂと３ｃの間、枝管３ｃと３ｄの間、枝管３ｄと集合管４に沿った部分の接合用フランジ部）よりも幅広に形成されている。
【００２５】
また、隣接する一対の枝管３ａと３ｂとの間には、上下側部材（１ａ、１ｂ）より画成され、マニホルド本体１入口側から出口側に向かって流れ方向に直交する断面積が徐々に増加していく容積室７ａが設けられている。
【００２６】
同様に、夫々隣接する一対の、枝管３ｂと３ｃとの間及び枝管３ｃと３ｄとの間に、上下側部材（１ａ、１ｂ）により画成され、排気マニホルド本体１入口側から出口側に向かって流れ方向に直交する断面積が徐々に増加していく容積室７ｂと７ｃとが夫々設けられている。
【００２７】
図２は、図１に示す枝管３ｃと３ｄに隣接する容積室７ｃの、流れ方向に直交する断面を部分拡大して示す、マニホルド入口側から出口側へ順に、（Ａ）は図１中Ａ−Ａ線、（Ｂ）は図１中Ｂ−Ｂ線、（Ｃ）は図１中Ｃ−Ｃ線、及び（Ｄ）は図１中Ｄ−Ｄ線による断面図である。図３は、容積室７ｃの流れ方向に平行な断面を部分拡大して示す、図１のＥ−Ｅ線断面図である。
【００２８】
以下に、図２及び図３を参照して排気マニホルド１の排気ガス流入方向（入口から出口）に沿って容積室の構造を説明する。
【００２９】
図２（Ａ）を参照して、この断面図は、排気マニホルド本体１の入口側の断面を示し、上側部材１ａと下側部材１ｂは、枝管３ｃ及び枝管３ｄを画成し、上側部材１ａと下側部材１ｂは、枝管３ｃと３ｄの間の接合用フランジ部５ａ（上）と５ｂ（下）により接合している。
【００３０】
図２（Ｂ）を参照して、接合用フランジ部が分離して、枝管３ｃと枝管３ｄの間に、上側部材１ａと下側部材１ｂは、枝管３ｃ及び３ｄと連通する容積室７ｃを画成している。
【００３１】
図２（Ｃ）及び（Ｄ）を参照して、さらに、出口方向に向かって容積室７ｃの断面は徐々に拡大している。
【００３２】
このように、容積室７ｃにおいて、排気マニホルド本体１の入口側から出口側へ向かって、排気ガスの流れ方向に直交する容積室７ａの断面積は徐々に拡大されている。
【００３３】
さらに、容積室７ａ及び７ｂの構造も、容積室７ｃの構造と同様に形成されている。このような容積室（７ａ、７ｂ及び７ｃ）の構造によって、枝管（３ａ、３ｂ及び３ｃ）に流入した排気ガスは容積室（７ａ、７ｂ及び７ｃ）に流れ込むことによって徐々に膨張し、流速及びガス圧力が低下してから、集合管６で他の枝管からの排気ガスと合流する。このため、異なる枝管から排出される排気ガス同士の干渉音を低減することができる。
【００３４】
次に、図４は、図１の排気マニホルド本体１における、枝管３ａの外側の接合用フランジ部５ａの断面を拡大して示すものであり、（Ｆ）は、図１のＦ−Ｆ線による拡大断面図、（Ｇ）は、枝管３ａの湾曲部６にあたる図１のＧ−Ｇ線による拡大断面図である。
【００３５】
図４（Ｆ）を参照して、マニホルド本体１の入口側にあるＦ−Ｆ線上で、上側部材と下側部材は、夫々の接合用フランジ部５ａ、５ｂを介して溶接され、かつ、枝管３ａを画成している。
【００３６】
この本実施例のマニホルド本体１各所の接合用フランジ部（５ａ、５ｂ）の幅は、図１に示すように枝管３ａの湾曲部における接合用フランジ部５ｃの幅を除いて、略同一幅に形成されている。
【００３７】
続いて、図４（Ｇ）を参照して、枝管中最長の枝管３ａの湾曲部６における上側部材１ａと下側部材１ｂの接合用フランジ部５ｃの幅は、図４（Ｆ）に示す接合用フランジ部５ａ、５ｂの幅より広く形成されている。すなわち、この接合用フランジ部５ｃは排気マニホルド本体１の接合用フランジ部の中で最も幅広に形成されている。
【００３８】
このような排気マニホルドにおいて、高温の排気ガスが流れる場合に排気マニホルドは排気ガスの流入排出に伴う加熱冷却により伸縮される。
【００３９】
特に、多シリンダ内燃機関の排気側に接続している場合、各シリンダ毎に行程が異なり排気ガスの排出タイミングも異なっているため、各シリンダに接続する枝管には間欠的に排気ガスが流入することにより、枝管３は加熱冷却を繰り返し受け熱衝撃を受ける。さらに、排気マニホルドの入口側は高温のエンジンと連結し、出口側は低温の排気管と接続していることにより、排気マニホルドには熱応力が加わっている。
【００４０】
従って、排気マニホルドへの排気ガス流入・排出及びエンジンの作動・停止に伴い、上側部材１ａ及び下側部材１ｂは、夫々排気ガス流れ方向に伸び縮みを繰り返す。なかでも、最長の枝管３ａの湾曲部には、排気マニホルドの入口及び出口側から中心部に向けて、排気ガス流れ方向に沿って他の排気マニホルドの部分より高い圧縮応力が加わる。
【００４１】
このような上側部材１ａと１ｂを分離させようとする応力を、幅広に形成された接合用フランジ部５ｃによって吸収することができる。
【００４２】
即ち、最長の枝管３の湾曲部に排気マニホルドの上側部材１ａと下側部材１ｂを分離させようとする力が働いた場合、接合用フランジ部５ｃの内側（図４（Ｇ）中枝管３ａ側）はこの力を吸収して上下に多少分離しても、外側（排気マニホルド外周側）は密着していることにより、排気マニホルドの密封は維持される。また、幅広の接合用フランジ部５ｃによってこの力が吸収されることにより、排気マニホルドの他の部分への応力の伝播が抑制される。
【００４３】
好ましくは、図１に示すように幅広の接合用フランジ部５ｃは枝管の最も湾曲している部分（湾曲部６）、即ち曲率半径の最も小さい部分近傍の接合用フランジを幅広に形成することで、大きいこのような効果を得ることができる。
【００４４】
さらに、枝管３ａの湾曲部６近傍において幅広に形成された接合用フランジ部５ｃは、この部分の冷却面積も広くなっていることから、湾曲部６はこの接合用フランジ５ｃからの放熱によって、排気マニホルドの他の部分よりも強く冷却されることにより、この湾曲部の耐久性を向上させることができる。また、接合用フランジ部５ａ、５ｂの一部のみを幅広に形成することで、材料となる板金の大きさを削減できる。
【００４５】
ところで、上側部材１ａ及び下側部材１ｂは、夫々一枚の板金のプレス加工（塑性加工の一つ）により得られるために、低コストで歩留まり高く製造できる。なお、プレス加工によれば製品を薄厚かつ大幅に軽量化すること及び製品表面を滑らかに仕上げることができる。
【００４６】
さらにまた、上側部材１ａ及び下側部材１ｂの排気マニホルド本体１の内側となる面には、断熱コーティング及び錆び留めがなされている。これらの部材は別々に加工して半管状の形状を絞り出した後に、この両者を接合させるから、接合前に、排気マニホルド本体１内の全面に、必要に応じた内面処理を容易に施すことができる。
【００４７】
次に、本発明の一実施例の効果を確認するために、排気マニホルドを取付フランジ２ａを介して４サイクル多シリンダエンジンの排気側（シリンダヘッド）に取り付けて排気脈動試験を行ない、本発明の一実施例に係る排気マニホルドと、比較例として従来の排気マニホルドとを用いて、エンジンのクランク角（エンジン行程）に対する排気マニホルド出口における圧力変動を計測した。
【００４８】
図５に、上記実験に用いた本発明の一実施例に係る排気マニホルドのライン図、図６に、上記実験に用いた比較例に係る排気マニホルドのライン図を夫々示す。
【００４９】
この実験に用いた本発明の一実施例に係る排気マニホルドは、図１及び図５に示すような構造を有しており、枝管同士及び枝管と集合管の接続の都合上、枝管の集合する部分において、仮想的な管径は拡大している。
【００５０】
一方、図６を参照して、比較例の排気マニホルドは、本発明の実施例のような容積室はないが、やはり４本の枝管と１本の集合管を備えている。
【００５１】
そして図５及び図６を参照して、実施例と比較例においては夫々、枝管の入口付近の管径をＲ1とｒ1、２本の枝管（実施例では３ａと３ｂ）の集合する部分の仮想的な管径をＲ2とｒ2（但し、Ｒ2は枝管（３ｃ、３ｄ）と集合管４との接続前の枝管３ｃ及び３ｄの仮想的な管径に等しい）、及び集合管の管径をＲ3とｒ3とすると、Ｒ1＝ｒ1、Ｒ2＝ｒ2、Ｒ3＝ｒ3で、Ｒ2／Ｒ1＝ｒ2／ｒ1、Ｒ3／Ｒ2＝ｒ3／ｒ2の関係にあり、さらに、枝管入口から枝管の集合部分への距離をＬ1とｌ1、及び枝管入口から集合管出口までの距離をＬとｌとすると、Ｌ1＝ｌ1及びＬ＝ｌであり、そして両者の外枠寸法も実質的に同一である。
【００５２】
図７は、クランク角に対する排気マニホルドの出口の排気ガス圧力の変化を示す、排気行程中の圧力変動図である（実線は本実施例、点線は比較例）。
【００５３】
図７を参照して、本発明の一実施例の排気マニホルドを用いたことにより、排気ガス圧力のレベルが半分以下に低下し、かつ、ガス圧力のクランク角に対する変動が約1/3程度に減少したことが分かった。これによって、各枝管から出る排気ガス同士の干渉音は顕著に減少する。
【００５４】
本発明のその他の実施例を以下に説明する。
【００５５】
上記実施例においては、排気マニホルド１は板金の機械的加工により形成されているが、他の実施例においては、上記実施例の容積室を鋳造製の排気マニホルドにおいて設ける。
【００５６】
また他に、上記実施例においては、枝管の間全てに容積室を設けているが、他の実施例においては、容積室を２本の枝管のみの間に１つだけ設ける。
【００５７】
さらに他に、上記実施例では、最長の枝管の最も湾曲している部分の接合用フランジ部５ｃを幅広に形成しているが、他の実施例においては、枝管３ｂの湾曲部に沿った接合用フランジ部５ａを幅広に形成する。
【００５８】
そしてまた、上記実施例では、容積室７ｃの流れ方向に直交する断面の形状は略長方形であるが、他の実施例においては、略円又は楕円形に形成する。
【００５９】
また、上記実施例においては、プレス加工及び板金加工を用いて、一枚の板金から枝管及び集合管の管状形状を形成しているが、他の実施例においては、他の鍛造、圧延、押出し、引き抜き等の塑性加工、例えばプレス鍛造、スエージングにより板材の塑性加工をする。
【００６０】
また、上記実施例においては、排気マニホルド本体は、上側部材と下側部材との２部材を複数の枝管の略中心軸のある面で接合して組立てられているが、他の実施例においては、上記面に直交する断面で接合する。または、３以上の部材を接合して排気マニホルド本体を形成する。例えば、少なくとも２本の枝管部と一の容積室の半分を備える左側部材と、少なくとも他の２本の枝管部と一の容積室の他の半分を備える右側部材とを接合して、排気マニホルド本体を組立る。
【００６１】
以上、本発明を上記実施例に即して説明したが、本発明は上記態様にのみ限定されるものでなく、本発明の原理に準ずる各種態様を含むものである。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の第１の視点における排気マニホルドによれば、上側部材と下側部材を分離させようとする応力は、幅広に形成された接合用フランジの部分によって吸収され、排気マニホルドの他の部分への応力の伝播が抑制され、かつ、排気マニホルドの密封は維持される。また、幅広の接合用フランジの部分は、冷却能が高く、この部分からの放熱により、高温になり易い枝管の湾曲部の耐久性は向上する。
【００６３】
上記第１の視点おいて、幅広の接合用フランジの部分は、枝管の内、最長の枝管の湾曲部近傍に設けられていることにより、上記応力の吸収能及び冷却能は向上される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る排気マニホルドの上部外観図である。
【図２】図１に示す枝管３ｃと３ｄ間の容積室７ｃの、流れ方向に直交する断面を部分拡大して示す。マニホルド入口側から出口側へ順に、（Ａ）は図１中Ａ−Ａ線、（Ｂ）は図１中Ｂ−Ｂ線、（Ｃ）は図１中Ｃ−Ｃ線、及び（Ｄ）は図１中Ｄ−Ｄ線による断面図である。
【図３】容積室７ｃの流れ方向に平行な断面を部分拡大して示す、図１のＥ−Ｅ線断面図である。
【図４】図１の排気マニホルド本体１における、枝管３ａの湾曲部６近傍の接合用フランジ部５ａの断面を拡大して示すものであり、（Ｆ）は、図１のＦ−Ｆ線による拡大断面図、（Ｇ）は、枝管３ａの湾曲部にあたる図１のＧ−Ｇ線による拡大断面図である。
【図５】排気脈動実験に用いた本発明の一実施例に係る排気マニホルドのライン図である。
【図６】同実験に用いた比較例に係る排気マニホルドのライン図である。
【図７】同実験において、クランク角に対する排気マニホルドの出口の排気ガス圧力の変化を示す、排気行程中の圧力変動図である（実線は実施例、点線は比較例）。
【符号の説明】
１  排気マニホルド
１ａ  上側部材
１ｂ  下側部材
２ａ、２ｂ  取付フランジ
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ  枝管
４  集合管
５ａ、５ｂ  接合用フランジ部
５ｃ  接合用フランジ幅広部
６  湾曲部
７ａ、７ｂ、７ｃ  容積室
Ｒ1  管径（枝管の入口部分）
Ｒ2  管径（２本の枝管（実施例においては３ａと３ｂ）の仮想的な管径、但しＲ2は枝管（３ｃ、３ｄ）と集合管４との接続前の枝管３ｃ及び３ｄの仮想的な管径に等しい）
Ｒ3  管径（集合管）
【図１】
0003654885.tif 000002
【図２】
0003654885.tif 000003
【図３】
0003654885.tif 000004
【図４】
0003654885.tif 000005
【図５】
0003654885.tif 000006
【図６】
0003654885.tif 000007
【図７】
0003654885.tif 000008