(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダヘッドの排気側面と排気マニホールドとの間に配置される排気アダプタであって、
内部に、前記シリンダヘッドの排気ポートと前記排気マニホールドの分岐管とに連通する排気ガス通路と、前記排気ガス通路を冷却する冷却水通路とが形成されており、
前記排気ガス通路は、入り口と出口とは前記シリンダヘッドの排気側面と直交した姿勢で両者の間を傾斜させることにより、前記入り口が低くて前記出口が高くなるように少なくとも上下方向にオフセットされている一方、
前記冷却水通路は、前記排気ガス通路の入り口と出口との間に位置したくびれ部を有しており、前記くびれ部を挟んで前記排気ガス通路の出口側に位置した部位の断面積が、前記排気ガス通路の入り口側に位置した部位の断面積よりも大きくなっている、
内燃機関の排気アダプタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、内燃機関のシリンダヘッドと排気マニホールドとの間に介在させる排気アダプタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば車両用の内燃機関において、排気ガスの温度を低下させて排気ガス浄化用触媒を保護するために、シリンダヘッドと排気マニホールドとの間に排気アダプタを配置して、排気アダプタに冷却水を通して排気ガスを降温させることが知られている（なお、排気アダプタは、暖機運転時における冷却水の早期昇温にも貢献し得る。）。
【０００３】
排気アダプタによる排気ガスの冷却性能を高くするには、排気アダプタの厚さを厚くしたらよいといえるが、かくすると、内燃機関の重量を増大させて燃費を悪化させてしまう。そこで、厚さを厚くすることなく冷却性能を高めることが考えられており、その例として特許文献１では、排気アダプタの排気ガス通路を、入り口から出口に向けて断面積が小さくなるテーパ状に形成し、更に、冷却水通路を、排気ガス通路の入り口側から出口側に向けて断面積が大きくなる形態にすることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−３６４４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１は、排気ガスが冷却されると体積が減少することを利用して、出口側での圧損を抑制しつつ排気ガスを効率良く冷却することを企図しているが、シリンダヘッドの排気ポートから排出された排気ガスは直進性をもって排気ガス通路を通過するため、排気ガスの大部分は排気ガス通路の内面に接触せずにそのまま通過してしまうことが懸念され、高い冷却性能を発揮できるか疑問である。
【０００６】
また、排気ガスの冷却性が低いと排気ガスの体積減少率も低いため、圧損を無くした状態で排気ガスが排気アダプタを通過するか否か、疑問は残るといえる。
【０００７】
本願発明は、このような現状を改善すべく成されたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願発明は、シリンダヘッドの排気側面と排気マニホールドとの間に配置する排気アダプタに係り、この排気アダプタは、
「内部に、前記シリンダヘッドの排気ポートと前記排気マニホールドの分岐管とに連通する排気ガス通路と、前記排気ガス通路を冷却する冷却水通路とが形成されており、
前記排気ガス通路は、入り口と出口とは前記シリンダヘッドの排気側面と直交した姿勢で両者の間を傾斜させることにより、前記入り口が低くて前記出口が高くなるように少なくとも上下方向にオフセットされている一方、
前記冷却水通路は、前記排気ガス通路の入り口と出口との間に位置したくびれ部を有しており、前記くびれ部を挟んで前記排気ガス通路の出口側に位置した部位の断面積が、前記排気ガス通路の入り口側に位置した部位の断面積よりも大きくなっている」
という構成になっている。
【０００９】
排気ガス通路の入り口と出口とのオフセット態様としては、シリンダヘッドの排気側面と直交した方向（シリンダボア軸線及びクランク軸線と直交した方向）から見て、上下方向のみにずらしたり、上下方向と左右方向との両方にずらしたりするなど、任意の態様を採用できる。また、複数の排気ガス通路のオフセット態様を互いに異ならせることも可能である。
【発明の効果】
【００１０】
本願発明では、排気ガス通路は、入り口と出口とをシリンダヘッドの排気側面と直交させつつ、入り口と出口とが少なくとも上下方向にオフセットされているため、排気ガス通路は、排気アダプタの内部で傾斜したり曲がったりしており、従って、特許文献１のように入り口と出口とを同心に配置している場合に比べて、排気ガス通路の表面積は大きくなる。また、シリンダヘッドの排気ポートから排出された排気ガスは排気ガス通路において方向変換するため、排気ガス通路の内部で排気ガスの混合作用が生じて、排気ガス通路の内面に対する排気ガスの接触性は飛躍的に高まる。
【００１１】
このように、排気ガス通路の表面積が大きくなることと、排気ガス通路の内面への排気ガスの接触性が格段に高くなることとが相まって、排気アダプタの厚さを厚くすることなく、排ガスの冷却性を向上できる。また、排気ガスの温度の均一化も促進できる。
【００１２】
また、排気ガスの方向変換を利用して排気ガスに旋回流を付与することも容易に実現できるため、排気ガスの混合性を高めて、排気ガスの温度の均一化も一層促進できるのであり、その結果、排気ガス浄化触媒の負担を軽くして耐久性の向上に貢献できる。また、排気ガスに旋回流を付与できることは、排気ガスの流れのスムース化にも貢献するものであり、その結果、圧損を抑制して燃費の向上に貢献できるのみならず、車両の加速応答性の向上にも貢献できる。
そして、排気ガス通路を、入り口が低くて出口が高くなるように形成しているため、機関停止後に排気ガス通路に凝縮水が発生しても、発生した凝縮水が排気マニホールドを通って触媒に垂れ落ちることを防止できる利点がある。また、排気ガス通路の出口が高くなっていると、排気ガスは排気ガス通路の出口側に強く当たるが、本願発明では、冷却水通路排気ガス通路の出口側において断面積が大きくなっているため、排気ガス通路は、排気ガスが強く当たる部分が強く冷却される。従って、冷却性能に優れている。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態に係る内燃機関の要部をクランク軸線及びシリンダボア軸線と直交した方向から見た側面図である。
【図２】図１の右側面図である。
【図３】分離側面図である。
【図４】分離平面図である。
【図５】排気アダプタを裏側から見た図である。
【図６】（Ａ）は図５のVIA-VIA 視断面図、（Ｂ）は排気ガスの流れを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
(1).内燃機関の概略
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、クランク軸線方向から見た状態を正面視と定義している。従って、図１は、クランク軸線（カム軸線方向）方向及びシリンダボア軸線と直交した方向から見た側面図になっている。念のため、図４に方向を表示している。まず、内燃機関の概略を説明する。
【００１５】
本実施形態の内燃機関は車両用（自動車用）のものであり、従来と同様に、シリンダボア（図示せず）を設けたシンリダブロック１と、その上面に固定したシリンダヘッド２とを有しており、シリンダヘッド２の排気側面２ａには、鋳造製の排気アダプタ３を介して排気マニホールド４が固定されている。内燃機関は４気筒であり、そこで、図３のとおり、シリンダヘッド２の排気側面２ａには、端から順に、第１〜第４の４つの排気ポート５〜８が一列に並んで開口している。各排気ポート５，６，７，８は、前後長手の小判形になっている。
【００１６】
排気マニホールド４は、４つの排気ポート５〜８に対応して第１〜第４の４つのブランチ管９〜１２を有しており、各ブランチ管９，１０，１１，１２の始端はフランジ板４ａに固定されている。そして、第１ブランチ管９と第４ブランチ管９，１２とは第１集合管１３に集合し、第２ブランチ管１０と第３ブランチ管１１とは第２集合管１４に集合しており、これら２本の集合管１３，１４は、触媒ケース１５の上端に接続されている。
【００１７】
第１ブランチ管９と第４ブランチ管１２とは、三方継手１６を介して第１集合１３に接続されており、第２ブランチ管１０は、第３ブランチ管１１の中途部に溶接されている。従って、第２集合管１４は、第３ブランチ管１１の終端部で構成されている。なお、実施形態の排気マニホールド４はパイプを溶接して製造されているが、鋳造品を採用してもよい。
【００１８】
触媒ケース１５は、三元触媒が格納されたストレート部を有しており、上部は上窄まり（下広がり）のアッパーコーン部１７になっていて、下部は下窄まりのロアコーン部１８になっている。ロアコーン部１８の下端にストレート状の排気接続管１９が接続されており、排気接続管１９に、固定用のブラケット２０を一体に固着している。また、ロアコーン部１８には、排気ガスの一部を吸気系に還流させるためのＥＧＲパイプ２１を接続している。
【００１９】
２本の集合管１３，１４は、シリンダヘッド２の排気側面２ａと直交した左右方向に並んでいる。そこで、触媒ケース１５のアッパーコーン部１５ｂの上端部は左右方向に長い形態になっていて、この上端部に２本の集合管１３，１４が接続されている。従って、アッパーコーン部１７の下端は円形になっているが、上端は小判形になっている。このため、アッパーコーン部１７は、全体的に上窄まりではあるものの、図１の側面視に表示した上窄まりの程度が、図２に示した上窄まりの程度よりもきつい角度になっている。
【００２０】
換言すると、アッパーコーン部１７は、その左右面は緩傾斜面１７ｂになって、前後面は急傾斜面１７ａになっており、２つの傾斜面１７ａ，１７ｂは下端に向けて円形に収束している。そして、一つの急傾斜面１７ａに中空ボス２２を溶接で固定して、中空ボス２２にＡＦセンサ（空燃比センサ）をねじ込みによって取り付けている。
【００２１】
(2).排気アダプタの構造
排気アダプタ３は厚板状又はブロック状で前後方向に長い外観を成しており、図５に示すように、第１〜４の排気ポート５〜８に対応して、第１〜第４の排気ガス通路２４〜２７を有している。従って、排気アダプタ３は、排気ポート５〜８に対応した第１〜第４の入り口２８〜３１と、第１〜第４のブランチ管９〜１２に対応した第１〜第４の出口３２〜３５を有している。
【００２２】
各入り口２８〜３１は排気ポート５〜８と同じ小判形の形状である一方、各出口３２〜３５は各ブランチ管９〜１２と同じ円形であり、断面積は、入り口２８〜３１から出口３２〜３５に向けて僅かに小さくなっている。
【００２３】
また、図５に明示するように、各排気ガス通路２４〜２７の入り口２８〜３１と出口と３２〜３５とは、出口３２〜３５が入り口２８〜３１よりも高くなるように、上下方向（シリンダボアの軸線方向）にずれている（オフセットされている）と共に、出口３２〜３５は、入り口２８〜３１に対して前後方向（クランク軸線方向）にずれている（オフセットされている。）。
【００２４】
この場合、第２出口３３と第３出口３４とは殆ど同じ高さで、第１出口３２及び第４出口３５よりも高くなっている。第１出口３２と第４で出口３５とは、略同じ高さになっている。また、各排気ガス通路２４〜２７における入り口２８〜３１と出口３２〜３５との左右方向のずれ量は、一様ではなくてそれぞれ相違している。また、第１〜第３排気ガス通路２４〜２７における入り口２８〜３０と出口３２〜３４とは、それぞれ同じ方向にずれているが、第４排気ガス通路２８の入り口３１と出口３５とは逆方向にずれている。
【００２５】
このように、各排気ガス通路２４〜２７において入り口２８〜３１と出口３２〜３５とのずれ態様が相違するのは、ブランチ管９，１０，１１，１２の形態に起因している。例えば、触媒ケース１５をシリンダヘッド２の端部に寄せることもあるが、この場合は、集合管１３，１４の位置が変わるので、各排気ガス通路２４〜２７における入り口２８〜３１と出口３２〜３５とのずれ態様も変わってくる。
【００２６】
各排気ガス通路２４〜２７は、図６（Ａ）で第２排気ガス通路２５を代表にして示すように、入り口２８〜３１の近傍部と出口３２〜３５の近傍部とは、シリンダヘッド２の排気側面２ａと直交したストレート部になって、両者を繋ぐ部分は傾斜するように曲がっており、これにより、出口３２〜３５が入り口２８〜３１よりも高くなるようにオフセットしている。実際には、曲がりは二次元的ではなくて三次元的に曲がっており、螺旋状の曲がりを採用することも可能である。
【００２７】
排気アダプタ３の内部には、排気ガス通路２４〜２７を挟んで、上部冷却水通路３８と下部冷却水通路３９とが形成されており、両冷却水通路３８，３９は、第１排気ガス通路２４の外側において連通している。そして、下部冷却水通路３９の一端に冷却水入り口４０を設けて、上部冷却水通路３８の一端に冷却水出口４１を設けている。従って、冷却水は、排気アダプタ３における下部冷却水通路３９の一端に下から入って、Ｕターンして上部冷却水通路３８の他端に流入して、ついで、冷却水出口４１から排出される。
【００２８】
排気アダプタ３は、図５に黒丸で示す５か所の第１取り付け穴４２の個所において、シリンダヘッド２にスタットボルト及びナット（いずれも図示せず）で固定されている。また、排気マニホールド４は、図１，３にハッチングで示す７か所の第２取り付け穴４３の個所において、フランジ４ａがボルト（図示せず）で排気アダプタ３に固定されている。従って、排気アダプタ３の第２取り付け穴４３はタップ穴になっている。
【００２９】
(3).まとめ
シリンダヘッド２の各排気ポート５，６，７，８からの排気ガスは、排気アダプタ３の排気ガス通路２４〜２７を通過する過程で冷却水によって冷却される。これにより、排気ガスの温度を低減して、触媒の損傷を防止できる。
【００３０】
そして、本実施形態では、各排気ガス通路２４〜２７の入り口２８〜３１と出口３２〜３５とがずれている（オフセットされている）ため、各排気ガス通路２４〜２７の長さが長くなって排気ガスの接触面積が大きくなり、しかも、直進性を持って排気ガス通路２４〜２７に流入した排気ガスが方向変換されることにより、排気ガス通路２４〜２７の内面との排気ガスの接触性が高まる。このため、高い冷却性を発揮する。
【００３１】
排気ガス通路２４〜２７が曲がっていて、かつ、長さが長くなっていることにより、排気ガス通路２４〜２７と冷却水との接触面積も増大する。この面においても、排気ガスの冷却性に優れている。
【００３２】
また、排気ガスが排気ガス通路２４〜２７の内部で方向変換することにより、排気ガスは強い攪拌作用を受けるため、触媒ケース１５に流入する排気ガスの温度を均一化して、触媒の損傷を防止又は著しく抑制することができると共に、ブランチ管９，１０，１１，１２の熱歪みも抑制できる。
【００３３】
また、各排気ガス通路２４〜２７の入り口２８〜３１と出口３２〜３５とが、前後方向と上下方向との両方向にずれているため、図６（Ｂ）に模式的に示すように、排気ガスは、排気ガス通路２４〜２７の軸心回りに旋回する傾向を呈しており、これにより、排気ガス通路２４〜２７の内面への排気ガスの接触性と排気ガスの混合性とを高めして、冷却性と温度均一化とを促進できる。
【００３４】
つまり、各排気ガス通路２４〜２７の内面が円弧状の曲面になっていることと、排気ガス通路２４〜２７が排気ポート５，６，７，８からの直進方向に向かって斜め上向きに方向変換していることとにより、排気ガスは、排気ガス通路２４〜２７の内面にガイドされながら上方と前後方向とに方向変換するため、排気ガスは、排気ガス通路２４〜２７の滑らかな曲面にガイドされて、排気ガス通路２４〜２７の軸心回りに方向を変えていくのであり、結果として旋回流が形成されるといえる。排気ガス通路２４〜２７を螺旋状に形成すると、排気ガスに強い旋回流を確実に付与できる。
【００３５】
また、排気ガスに旋回流が付与されることは、排気ガスが排気ガス通路２４〜２７やブランチ管９，１０，１１，１２の内面にまんべんなく接触することも意味しており、これにより、排気アダプタ３やブランチ管９，１０，１１，１２の熱歪みを抑制して、破断防止に貢献できる。
【００３６】
また、各ブランチ管９，１０，１１，１２は、排気アダプタ３の外面と直交した略水平方向から下向きに曲がっているが、各ブランチ管９，１０，１１，１２は、集合管１３，１４に集合しているため、排気ガスがブランチ管９，１０，１１，１２の始端から終端に向けて流れる過程でも、排気ガスは各ブランチ管９，１０，１１，１２の軸心回りに旋回する傾向を呈するといえる。
【００３７】
つまり、ブランチ管９，１０，１１，１２が排気アダプタ３の前後略中間部に寄るような状態で下向きに曲がっているため、ブランチ管９，１０，１１，１２の始端に対して直進性を持って流入した排気ガスは、ブランチ管９，１０，１１，１２の内面にガイドされながら終端に向かうことになるが、ブランチ管９，１０，１１，１２が平面視で曲がっているため、排気ガスは、ブランチ管９，１０，１１，１２の軸心回りに旋回しながら触媒ケース１５に向かうといえる。
【００３８】
本実施形態では、排気ガス通路２４〜２７の入り口２８〜３１の部分と出口３２〜３５の部分とは、シリンダヘッド２の排気側面２ａと直交したストレート部になっているが、このように形成すると、排気ガス通路２４〜２７の長さをより一層長くできるため、冷却性を一層向上できる。また、入り口２８〜３１の側のストレート部の存在により、排気ガスの流れがスムースにガイドされるため、排気ガスが排気ガス通路２４〜２７の入り口近傍の特定部位に強く当たりす過ぎることを抑制して、排気アダプタ３の熱害も防止できる。
【００３９】
また、出口３２〜３５の側のストレート部は、各ブランチ管９，１０，１１，１２の始端部と略平行になることにより、排気ガスがブランチ管９，１０，１１，１２の内面の一部に強く当たることを抑制できる。これにより、ブランチ管９，１０，１１，１２の熱歪みを抑制して、破断等の弊害を防止できる。
【００４０】
排気ガス通路２４〜２７について、実施形態のように出口３２〜３５を入り口２８〜３１より高くすると、機関停止後に排気ガス通路２４〜２７に凝縮水が発生しても、発生した凝縮水が触媒に垂れ落ちることを防止できる利点がある。また、熱は上に逃げる性質があるため、実施形態のように排気ガス通路２４〜２７を上向きに傾斜させると、排気アダプタ３の熱歪みの抑制にも貢献で
きる。
【００４１】
排気ガスは、排気ガス通路２４〜２７の出口３２〜３５の箇所において方向変換してブランチ管９，１０，１１，１２に流入するため、排気ガスは排気ガス通路２４〜２７の出口３２〜３５の箇所に強く当たるが、図６のとおり、冷却水通路３８，３９は、排気ガス通路２４〜２７の入り口２８〜３１と出口３２〜３５の間に位置したくびれ部３８ａ，３９ａを有して、くびれ部３８ａ，３９ａを挟んで入り口２８〜３１の側の部分の断面積が小さくて、くびれ部３８ａ，３９ａを挟んで出口３２〜３５の側の部分の断面積が大きくなっているため、排気ガス通路２４〜２７は、排気ガスが強く当たる部分が強く冷却される。この面でも、冷却性能に優れている。
【００４２】
以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は他にも様々に具体化できる。例えば、内燃機関の気筒数は４気筒には限らず、他の多気筒内燃機関にも適用できる。各排気ガス通路を同じずれ態様に形成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本願発明は、実際に内燃機関の排気アダプタに具体化できる。従って、産業上利用できる。
【符号の説明】
【００４４】
２  シリンダヘッド
２ａ  排気側面
３  排気アダプタ
４  排気マニホールド
５〜８  排気ポート
９〜１２  排気マニホールドのブランチ管
１３，１４  排気マニホールドの集合管
１５  触媒ケース
２４〜２７  排気アダプタ内部の排気ガス通路
２８〜３１  排気ガス通路の入り口
３２〜３５  排気ガス通路の出口
３８，３９  冷却水通路
３８ａ，３９ａ  くびれ部
【図１】
0006692656.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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