(57)【要約】【課題】別体にて製造された内面に仕切り壁を有する排気マニホルドと、同じく仕切り壁を有する過給機とを接合した排気径部品において、内面仕切り壁の両端面にて生じる排気抵抗と排気干渉の少ない、過給機付き排気系部品を得ること。【解決手段】排気マニホルドと過給機の接続部分での内面仕切り壁の交差角度を、位相制御を有する摩擦圧接を用いて１°以下として排気マニホルドと過給機とを接合する。また両内面仕切り壁の隙間間隔を０．５ｍｍ以下として排気マニホルドと過給機とを接合する。【選択図】          図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスタービン過給機及び排気マニホルドを有する排気系部品において、前記排気ガスタービン過給機及び排気マニホルドが内面に仕切り壁を有するとともに、前記排気マニホルドの内面仕切り壁の排気ガスタービン過給機側端面と、前記排気ガスタービン過給機の内面仕切り壁の排気マニホルド側端面との交差角度を１°以下となるように前記排気マニホルドと前記過給機とを接合したことを特徴とする過給機付き排気系部品。
【請求項２】
請求項１に記載の過給機付き排気系部品において、排気マニホルドと過給機とを位相制御を有する摩擦圧接機にて接合することを特徴とする過給機付き排気系部品。
【請求項３】
排気ガスタービン過給機及び排気マニホルドを有する排気系部品において、前記排気ガスタービン過給機及び排気マニホルドが内面に仕切り壁を有するとともに、前記排気マニホルドの内面仕切り壁の排気ガスタービン過給機側端面と、前記排気ガスタービン過給機の内面仕切り壁の排気マニホルド側端面にて形成される両面の間隔を０．５ｍｍ以下とし、摩擦圧接により前記排気マニホルドと前記過給機とを接合したことを特徴とする過給機付き排気系部品。
【請求項４】
前記排気マニホルドと前記過給機のハウジングとが鋳鋼または鋳鉄で製造されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の過給機付き排気系部品
【請求項５】
前記鋳鋼が耐熱鋳鋼であり、前記鋳鉄が球状黒鉛鋳鉄であることを特徴とする請求項４に記載の過給機付き排気系部品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関に用いられる排気マニホルドと排気ガスタービン過給機のハウジングとを接合した排気系部品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、エンジンの排気ガスを捕集し、消音管（マフラー）へ送る管状耐熱部材として、例えば図２に示す排気マニホルドがある。この排気マニホルド１ａは、シリンダヘッド２に取り付ける取付フランジ３と、シリンダヘッド２の各排気口に取付フランジ３を介して接続する枝管４と、この枝管４を集合する集合管５と、出口フランジ６とからなる。さらに、各排気口のそれぞれの排気ガス同士による排気干渉を避けるために、排気ガスの流れ、圧力を制御するようにエンジン各気筒の爆発順序を考慮した内面仕切り壁１１が設けられ、その端面１２は排気マニホルド出口側にある。前記シリンダヘッド２の各排気口へ排気ガスを排気する気筒は、例えば４気筒縦置きエンジンの場合には、日本国内においては通例として車両正面から１番気筒、２番気筒、３番気筒、４番気筒と呼ばれており、一般的にはエンジン各気筒の爆発順序は１−３−４−２である。前記仕切り壁１１は、１番気筒と４番気筒からの排気ガスの流路と、２番気筒と３番気筒からの排気ガスの流路とを集合管内で二つに分けることにより、各気筒の排気ガスが次の気筒の爆発燃焼による排気干渉を避けるように設けられている。そして、該排気マニホルド１ａの出口フランジ６には、ガスケット７を挟んでボルトで接合された内面仕切り壁を有した排気ガスタービン過給機８（以下、単に過給機と記す）がつながっており、この過給機８もまた、排気ガスによる排気干渉を防止するように、内面仕切り壁が設けられ、内部を２つの空間に区分し、その端面１３は過給機入口側にある。前記排気マニホルドの１番気筒と４番気筒の排気ガスの流路が前記空間の片方の空間につながり、２番気筒と３番気筒の排気ガスの流路がもう一つの空間につながっている。
【０００３】
図３は、内面仕切り壁の端面形状の一例を示す図である。（３ａ）に示すように直線的な端面や（３ｂ）に示すような曲線的な端面もある。前記排気マニホルド１ａと前記過給機８との接合部における両者の内面仕切り壁端面１２，１３の合わせ面においては、過給機の性能を維持するために、両端面の交差角度ならびに両端面間の隙間間隔は、限界まで小さく設計されている。
【０００４】
ここで交差角度とは、図４に示すように排気マニホルドの内面仕切り壁の端面１２の中央線と、過給機の内面仕切り壁の端面１３の中央線とを、排気マニホルドと過給機との接合面に投影して出来る２直線あるいは２曲線の交差の角度を言う。
【０００５】
前記内面仕切り壁の両端面の交差角度が大きくなると、排気ガスの流れを阻害し過給機の性能を低下させることとなる。また、この内面仕切り壁の両端面の交差角度が大きくなると、あるいは仕切り壁の両端面間の隙間間隔が大きくなると、１番気筒と４番気筒からつながる集合管から排気されたガスと、２番気筒と３番気筒からつながる集合管から排気されたガスが、過給機の仕切り壁にて区分されている２つの空間に完全に分離されずに流入することになり、過給機の性能を大きく低下させることになる。すなわち、排気干渉によるブースト圧の低下ならびにエンジントルクの低下等が懸念されることになる。その結果、ターボチャージャシステムとして当初の性能を発揮することができず、エンジン性能そのものを低下させることになる。従来のフランジ部をボルト接合している排気マニホルドと過給機においては、この排気マニホルド１ａと過給機８との接続部は、フランジ部及びフランジ部ボルト孔の加工による誤差や、フランジの熱変形、さらに長時間の使用におけるボルトの緩み等により、仕切り壁の両端面の交差角度ならびに両端面間の隙間間隔は次第に大きくなり、過給機の性能に影響を及ぼすという問題が生じていた。また、接続のためにフランジ部を有することから重量増となるとともに狭いエンジンルーム内で場所を取り、さらに、ボルト、ナット及びガスケットといった接続のための部品の管理及びコストが増加するといった問題を有していた。
【０００６】
従って、上記問題点を解決する手段として、特許文献１に排気マニホルドと過給機とを鋳造にて一体成形したタービンハウジングの開示がなされている。また、特許文献２に排気マニホルドと過給機とを摩擦圧接にて一体形状とした過給機付き排気マニホルドの開示がなされている。また、摩擦圧接部品の接合部の形状に関するものとして、特許文献３に排気系部品が提案されている。さらに位相制御に関するものとしては、例えば、特許文献４に被摩擦圧接素材相互の位相角を特定条件に保って摩擦圧接を完了するための装置として開示されている。
【０００７】
【特許文献１】
実開昭５９−１８０９８号公報
【特許文献２】
特開平９−２４２５３９号公報
【特許文献３】
特開２００１−１８２５３３号公報
【特許文献４】
特公平８−１５６７３号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１による提案は、排気マニホルドと過給機とを鋳造により一体形状とした構成を特徴とするものであり、排気マニホルドと過給機を一体として鋳造すると外径寸法が大きくなり、通常の鋳枠の寸法からはみ出す場合もあり、鋳枠の寸法から形状に制限をうけるとともに、特に内面に仕切り壁を有する排気マニホルドと過給機の場合には、複雑な形状になることから、例えば見切り面が３次元化することによる中子点数の増加や、薄肉である内面仕切り壁を一体で鋳造するための方案の複雑化に伴う鋳造歩留りの低下といった問題による製造コストの上昇が懸念される。
【０００９】
特許文献２による提案は、排気マニホルドと過給機とを摩擦圧接により接合し一体形状とした構成を特徴とするものであるが、内面仕切り壁の両端面の交差角度や隙間間隔といった過給機の性能に影響を与えるものについて考慮したものではない。また、特許文献３による提案は、排気系部品の接合部形状に言及したものの、過給機の性能上において問題となる内面仕切り壁の両端面の交差角度や隙間間隔に関しては、わずかに仕切り壁が、摩擦圧接後に相互に圧接しない隙間を形成する必要があることを述べているに過ぎず、前記隙間間隔が大きくなると仕切り壁で分離されていた排気ガスが互いに流入し、過給機の性能を低下させる恐れがあることを考慮したものではない。
【００１０】
仕切り壁を有した排気マニホルドと過給器を接合する場合、単に摩擦圧接を用いただけでは解決できない仕切り壁の両端面の交差角度と隙間間隔の問題点があり、また、位相制御を行う摩擦圧接機を用いたとしても目標とする交差角度を明かにしておく必要があるが、上記のように、内面仕切り壁の両端面の交差角度や隙間間隔といった過給機の性能を考慮した考案は例がない。本発明者が、実際に行った摩擦圧接による接合方法では、位相制御を行わずに接合すると、被摩擦圧接材相互の位相角は目標位相と大きくずれ、内面仕切り壁の両端面の交差角度も目標角度の範囲に入らずに接合がなされてしまう。前記交差角を小さくするため、接合時の回転速度を極限まで低く設定し、さらに、目標となる形状ポイントと装置の所定のポイントとが一致するタイミングを別途計測装置例えば光センサーで計測し、数度の予備試験によりばらつきが安定して交差角度が一定となったと推定される時点で装置の回転を止め、接合する。そのときの公差角度は、回転速度が小さいために慣性力を考慮することによりある範囲に抑えることができるものの、決められた交差角度内に入れることは実質的に不可能であった。
【００１１】
本発明の目的は、上記課題を解決し、別体にて製造された内面に仕切り壁を有する排気マニホルドと過給機とを摩擦圧接にて接合し、内面仕切り壁の両端面の交差角度と隙間間隔をある限度以下とすることにより、安価でかつ信頼性に富む高性能な過給機付き排気系部品を提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、排気系部品として常に接合して構成される内面仕切り壁を有する排気マニホルドと過給機とを位相制御を付加した摩擦圧接にて接合することができれば、当初より一体型にて複雑な形状にして鋳造することによる中子点数の増加および鋳造歩留りの低下を回避でき、さらに接合に必要なフランジが削減でき、自動車の軽量化に効果があること、また、接合フランジ部の熱変形によるガス漏れを防止できること、さらに内面仕切り壁同士の交差角度や隙間間隔を制御することにより過給機の大幅な性能向上が図れることに着目し鋭意研究の結果本発明に想到した。
【００１３】
すなわち、本発明の過給機付き排気系部品は、排気ガスタービン過給機及び排気マニホルドを有する排気系部品において、前記排気ガスタービン過給機及び排気マニホルドが内面に仕切り壁を有するとともに、前記排気マニホルドの内面仕切り壁の排気ガスタービン過給機側端面と、前記排気ガスタービン過給機の内面仕切り壁の排気マニホルド側端面との交差角度を１°以下となるように前記排気マニホルドと前記過給機とを接合したことを特徴とするものである。また、本発明の過給機付き排気系部品の製造方法は、前記過給機付き排気系部品において、排気マニホルドと過給機とを位相制御を有する摩擦圧接機にて接合するものである。仕切り壁の交差角度を１゜以下とする事により過給器の性能を落すことなく、また摩擦圧接により接合することで、軽量であり安価でありかつ信頼性に富む過給機付き排気系部品を得ることが出来る。
【００１４】
また、本発明の過給機付き排気系部品は、排気ガスタービン過給機及び排気マニホルドを有する排気系部品において、前記排気ガスタービン過給機及び排気マニホルドが内面に仕切り壁を有するとともに、前記排気マニホルドの内面仕切り壁の排気ガスタービン過給機側端面と、前記排気ガスタービン過給機の内面仕切り壁の排気マニホルド側端面にて形成される両面の間隔を０．５ｍｍ以下とし、摩擦圧接により前記排気マニホルドと前記過給機とを接合したことを特徴とする過給機付き排気系部品である。仕切り壁の隙間間隔を０．５ｍｍ以下とすることにより過給器の性能を落すことなく、過給機付き排気系部品を得ることが出来る。仕切り壁の隙間間隔が０．５ｍｍを越えると排気マニホルドの仕切り壁にて分離されていた排気ガスが、前記仕切り壁の隙間にて干渉し、エンジンの性能が低下するため、仕切り壁の隙間間隔を０．５ｍｍ以下とすることが望ましい。
【００１５】
また、本発明の過給機付き排気系部品は、前記排気マニホルドと前記過給機のハウジングとが鋳鋼または鋳鉄で製造されることが好ましく、また、前記鋳鋼が耐熱鋳鋼であり、前記鋳鉄が球状黒鉛鋳鉄であることがより好ましい。これにより、耐熱性に優れた過給機付き排気系部品を得ることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態につき図面を参照して説明する。図１は本発明に係る摩擦圧接により接合し得られた過給機付き排気系部品１の正面図である。この過給機付き排気系部品１は、各々別体にて鋳造された耐熱鋳鋼製排気マニホルドと過給機とからなっている。このように、別体にて鋳造することにより鋳物形状が複雑にならず、従来の方案技術で容易に鋳造することが可能である。
【００１７】
本発明の過給機付き排気系部品１を得るために、図６に示す位相制御を有する摩擦圧接装置を用い、過給機８を回転側固定治具１４に固定し、排気マニホルド１５を固定側治具１６に固定した。過給機８と排気マニホルド１５とを摩擦圧力２０〜４０ＭＰａ、摩擦時間２０〜１２０秒で部材同士を摩擦しつつ相対運動させた後、目標位相にて爪付きクラッチ１７及び位相制御装置１８の作動と同時に、アプセット圧力８０〜１４０ＭＰａ、アプセット時間６〜１０秒でアプセットを行うことにより、内面仕切り壁同士の交差角度を１°以下に抑えて接合を行う。そして過給機と排気マニホルドのそれぞれの仕切り壁の端面は、アプセット後の仕切り壁同士の隙間が０．５ｍｍ以下となるように、予め過給機と排気マニホルドの接合面から奥まったところに位置するように成形する。
【００１８】
このようにして接合した摩擦圧接部１０の境界にはチルは存在せず、その接合は極めて良好である。また、本実施例では交差角度は０．５度以下に収まった。
【００１９】
次に、フェライト系耐熱鋳鋼製の排気マニホルド１と過給機を上記条件にて摩擦圧接にて接合し一体形状とした過給機付き排気マニホルド１の信頼性を評価する手段として、排気量３．０リットルの直列４気筒高性能ガソリンエンジンによる加熱・冷却試験を行った。試験条件としては、機関回転数６０００ｒｐｍでの全負荷運転相当の加熱（５分）−冷却（５分）を１サイクルとする冷熱（ＧＯ−ＳＴＯＰ）サイクルで５００時間実施した。全負荷時の排気ガス温度は、約８３０℃であった。この条件下での過給機付き排気系部品１の集合管５部の温度は約７５０℃であった。上記評価試験の結果、従来のボルト接合した排気系部品は、出口フランジ６の熱変形及びガスケットの損傷により、排気マニホルド１ａと過給機８のフランジ９との接合面からガス漏れが生じたのに対し、本発明の過給機付き排気系部品１は、摩擦圧接面１０及びその他の部位からもガス漏れ及び亀裂は生じなかった。
【００２０】
図５は、従来のボルト接合した排気系部品にて上記評価試験を終了後の接合部分の状態を模式的に示したものである。長時間の耐久試験によりボルト接合力及びガスケット性能が低下したボルト接合品の内面仕切り壁の隙間間隔は、ガスケットの厚みを差し引いても最大０．８ｍｍに達した。
【００２１】
図７は上記評価試験によるボルトの緩みに伴い内面仕切り壁の交差角度が不安定で、隙間間隔が約０．８ｍｍであるボルト接合品と、位相制御を付加しない摩擦圧接により内面仕切り壁の交差角度が約４．９６°、隙間間隔が約０．７ｍｍである比較品と位相制御付加の摩擦圧接により内面仕切り壁の交差角度が約０．５１°、隙間間隔が約０．２ｍｍである本発明品において、過給機の性能に関係するブースト圧を比較した図である。位相制御付加の摩擦圧接により、内面仕切り壁の交差角度と隙間間隔を小さくなるようにした本発明品は、従来品や位相制御を付加しない摩擦圧接による対象品と比較して、ブースト圧に関して数％から数十％の過給機性能の向上を有することが確認された。
【００２２】
図８は上記耐久試験によるボルトの緩みに伴い内面仕切り壁の交差角度が不安定で、隙間間隔が約０．８ｍｍであるボルト接合品と位相制御を付加しない摩擦圧接により内面仕切り壁の交差角度が約４．９６°、隙間間隔が約０．７ｍｍである対象品と位相制御付加の摩擦圧接により内面仕切り壁の交差角度が約０．５１°、隙間間隔が約０．２ｍｍである本発明品において、過給機の性能に関係するエンジントルクを比較した図である。位相制御付加の摩擦圧接により、内面仕切り壁の交差角度と隙間間隔を小さくなるようにした本発明品は、従来品や位相制御を付加しない摩擦圧接による対象品と比較して、トルクに関して数％から数十％の過給機性能の向上を有することが確認された。
【００２３】
図９は、３．０Ｌのガソリンエンジンにおいて交差角度とトルクの関係を比較した図である。交差角度が１°を超えるとトルクが急激に低下することが確認された。さらに、安定したトルク性能を得るには、交差角度を±０．５°以下に制御することが望ましい。また、図１０は上記と同じ３．０Ｌのガソリンエンジンにおいて、仕切り壁の隙間間隔とトルクの関係を比較した図である。隙間間隔が０．５ｍｍを越えると急激に低下することが確認された。
【００２４】
以上の結果より、本発明の過給機付き排気系部品１は優れた耐久性、信頼性及び大幅な過給機性能の向上を有することが確認された。
【００２５】
【発明の効果】
以上の説明の通り本発明の過給機付き排気系部品よれば、内面仕切り壁の交差角度を１°以下として接合することにより高性能な過給機付き排気形部品を得ることが出来、また内面仕切り壁の隙間間隔を０．５ｍｍ以下として摩擦圧接にて接合することにより高性能な過給機付き排気形部品を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る摩擦圧接方法によって接合されて得られた過給機付き排気系部品を示す図である。
【図２】従来のフランジ接合された過給機付き排気系部品を示す図である。
【図３】内面仕切り壁の端面形状の一例を示す図である。
【図４】交差角度の意味を示す図である。
【図５】ボルト接合品の耐久試験終了後における接合部分を示す図である。
【図６】実施の形態での、排気マニホルド１を得るために使用する摩擦圧接装置を示す図である。
【図７】上記耐久終了したボルト接合品である従来品と位相制御を付加しない摩擦圧接品と位相制御付加の摩擦圧接による本発明品において、過給機のブースト圧を比較した図である。
【図８】上記耐久終了したボルト接合品である従来品と位相制御を付加しない摩擦圧接品と位相制御付加の摩擦圧接による本発明品において、過給機の性能に関係するエンジントルクを比較した図である。
【図９】摩擦圧接された過給機付き排気系部品において、仕切り壁端面の交差角度とエンジントルクとの関係を示す図である。
【図１０】摩擦圧接された過給機付き排気形部品において、仕切り壁端面の隙間間隔とエンジントルクとの関係を示す図である。
【符号の説明】
１：過給機付き排気系部品
１ａ：従来の排気マニホルド
２：シリンダヘッド
３：取付けフランジ
４：枝管
５：集合管
６：エキマニ出口フランジ
７：ガスケット
８：過給機
９：過給機入口フランジ
１０：摩擦圧接接合部
１１：排気マニホルド内面仕切り壁
１２：排気マニホルド内面仕切り壁端面
１３：過給機内面仕切り壁端面
１４：回転側固定治具
１５：排気マニホルド
１６：固定側治具
１７：爪付きクラッチ
１８：位相制御装置
Ａ：フランジの変形
Ｂ：フランジの隙間
Ｃ：交差角度
【図１】
2004301012.tif 000003
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
2004301012.tif 000011
【図１０】
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