(57)【要約】【課題】枝管を薄肉のパイプ材として、これをフランジの厚肉のボスや集合管に溶接部で固定した排気マニホルドで、各部材の熱膨張率や熱容量の差があっても、排気ガスの流入、停止に伴う溶接部やその付近に作用する熱応力を小さくし、溶接部やその付近への亀裂発生を少なくして耐久性を向上する。【解決手段】フランジ（１１）の各排気ポート（１１ｐ）の下流側に外周面（１１ａ）を形成して、枝管（１２）の上流側の内周面（１２ａ）をフランジ（１１）の外周面（１１ａ）に嵌合すると共に、枝管（１２）の上流側の端部とフランジ（１１）とを溶接する、またはさらに集合管（１３）の流入ポート（１３ｐ）の上流側に外周面（１３ａ）を形成して、枝管（１１）の下流側の内周面（１２ｂ）を集合管（１３）の外周面（１３ａ）に嵌合すると共に、枝管（１２）の下流側の端部と集合管（１３）とを溶接する。【選択図】　　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の排気ポートを有するフランジと、前記各排気ポートに連結するパイプ材からなる枝管と、前記枝管を流入ポートに連結する集合管とを有し、前記フランジの各排気ポートから、枝管、集合管の流入ポートに向けて排気ガスを通過させる排気マニホルドであって、前記フランジの各排気ポートの下流側に外周面を形成して、前記枝管の上流側の内周面を前記フランジの外周面に嵌合すると共に、前記枝管の上流側の端部と前記フランジとを溶接していることを特徴とする排気マニホルド。
【請求項２】
前記集合管の流入ポートの上流側に外周面を形成して、前記枝管の下流側の内周面を前記集合管の外周面に嵌合すると共に、前記枝管の下流側の端部と前記集合管とを溶接していることを特徴とする請求項１に記載の排気マニホルド。
【請求項３】
前記枝管を、排気ガスを通過させる内管と、断熱層を形成して前記内管を包囲する外管とで形成していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の排気マニホルド。
【請求項４】
前記枝管の排気ガスが通過する内周面の軸直角断面を、前記排気ポートの内周面の軸直角断面と近似形状にしていることを特徴とする請求項１乃至請求項３何れかに記載の排気マニホルド。
【請求項５】
前記枝管に蛇腹部を少なくとも１以上形成していることを特徴とする請求項１乃至請求項４何れかに記載の排気マニホルド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気マニホルドに関し、特にパイプ材からなる枝管をフランジおよび集合管と連結した排気マニホルドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
排気マニホルドは、エンジンの各燃焼室から排出される排気ガスを一つにまとめて排気管に送る役割をするものであり、複数の排気ポートを有するフランジと、各排気ポートに連結する枝管と、枝管を流入ポートに連結する集合管などからなる。そして、枝管をパイプ材として、排気マニホルドの軽量化および低熱容量化を図り、かつフランジおよび集合管を鋳造材として、排気ガス通路の形状を滑らかにすることで排気圧損および放射音の低減を図ることが行われている。
【０００３】
図４は、枝管をパイプ材とした従来の排気マニホルドの一例の排気ガス通路の断面図である。図４の排気マニホルド４０は、複数の排気ポート４１ｐ（１つの排気ポートのみ示す）を有するフランジ４１と、各排気ポート４１ｐに連結するパイプ材からなる枝管４２と、各枝管４２を流入ポート４３ｐに連結する集合管４３とを有し、フランジ４１の各排気ポート４１ｐから、枝管４２、集合管４３の流入ポート４３ｐに向けて排気ガスＮを通過（矢印で示す）させている。
【０００４】
そして、フランジ４１の各排気ポート４１ｐの下流側には内周面４１ａを形成し、枝管４２の上流側の外周面４２ａをフランジ４１の内周面４１ａに嵌合すると共に、枝管４２の上流側の端部とフランジ４１とを溶接部４４で固定している。なおここで「下流側」とは「排気ガスの下流側」、「上流側」とは「排気ガスの上流側」を言い、「端部」とは「相手部材と所定幅に溶接される部位」を言い「端面」とは区別する。また、集合管４３の各流入ポート４３ｐの上流側には内周面４３ａを形成して、枝管４２の下流側の外周面４２ｂを集合管４３の内周面４３ａに嵌合すると共に、集合管４３と枝管４２とを溶接部４５で固定している。またフランジ４１の排気ポート４１ｐには強度を持たせるため所定肉厚のボス４１ｂを形成している。
【０００５】
一方、枝管として二重管を用いた排気マニホルドもある。図５は、枝管を二重管とした、特開平９−２６４１２９号公報に開示される排気マニホルドの図面の一部を編集した、１つの排気ガス通路の断面図である。図５の排気マニホルド５０は、複数の排気ポート５１ｐ（１つの排気ポートのみ示す）を有するフランジ５１と、各排気ポート５１ｐに連結するパイプ材からなる枝管５２と、各枝管５２を流入ポート５３ｐに連結する集合管５３を有し、各排気ポート５１ｐから、枝管５２、集合管５３の流入ポート５３ｐに向けて排気ガスＮを通過（矢印で示す）させている。また枝管５２を、排気ガスＮが通過する内管５６と、断熱層５８を形成して内管５６を包囲する外管５７とで形成している。
【０００６】
そして、フランジ５１の各排気ポート５１ｐの下流側には内周面５１ａを形成して、外管５７の上流側の外周面５７ａをフランジ５１の内周面５１ａに嵌合すると共に、フランジ５１と外管５７とを溶接部５４で固定している。一方、集合管５３の上流側には内周面５３ａを形成し、外管５７の下流側の外周面５７ｂを集合管５３の内周面５３ａに嵌合すると共に、集合管５３と外管５７とを溶接部５５で固定している。またフランジ５１の排気ポート５１ｐには強度を持たせるため所定肉厚のボス５１ｂを形成している。
【０００７】
図５の特開平９−２６４１２９号公報に開示される排気マニホルド５０によれば、断熱層５８を形成しているため、内管５６を通る排気ガスＮの温度降下を抑えつつ触媒装置に案内でき、排気ガスＮの浄化効率を確保することが可能になるとしている。また、外管５７と集合管５３との溶接部５５の内側に断熱層５８を配置しているので、排気ガスＮの通過による溶接部５５への急激な昇温や過熱を抑制して熱応力を小さくし、耐久性を向上できるとしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、エンジンが運転されると、例えば７００〜９００℃と高温の排気ガスが排気マニホルドに流れ、フランジ、枝管、集合管などに熱伝達されて各部材が熱膨張する。一方、エンジンが停止すると、高温の排気ガスの流れも停止するので、排気マニホルドの各部材は冷えて熱収縮する。そして各部材が熱膨張、熱収縮すると、フランジと枝管との溶接部、または枝管と集合管との溶接部などに大きな熱応力が発生する。図４に示す従来の排気マニホルド４０は、枝管４２が薄肉のパイプ材で、フランジ４１のボス４１ｂや集合管４３の上流側が厚肉であるので、各部材が急激に熱膨張、熱収縮すると、熱膨張率や熱容量の差により溶接部４４、４５やその付近に作用する熱応力が大きくなる。そして、溶接部４４、４５に作用する熱応力が過大になると溶接部４４、４５やその付近に亀裂が生じ、排気マニホルド４０の耐久性を低下させることがある。
【０００９】
一方、図５に示す特開平９−２６４１２９号公報に開示される排気マニホルド５０は、フランジ５１と外管５７の外周面との溶接部５４には断熱層５８が配置されておらず、また内管５６と外管５７が薄肉のパイプ材で、フランジ５１のボス５１ｂが厚肉であるので、各部材が急激に熱膨張、熱収縮すると、熱膨張率や熱容量の差により溶接部５４やその付近に作用する熱応力が大きくなる。そして、溶接部５４に作用する熱応力が過大となると溶接部５４やその付近に亀裂が生じ排気マニホルド５０の耐久性を低下させることがある。
【００１０】
本発明の課題は、枝管を薄肉のパイプ材として、これをフランジの厚肉のボスや厚肉の集合管に溶接部で固定した排気マニホルドで、各部材の熱膨張率や熱容量の差があっても、排気ガスの流入、停止に伴う溶接部やその付近に作用する熱応力を小さくし、溶接部やその付近への亀裂発生を少なくして耐久性を向上することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、枝管を薄肉のパイプ材として、これをフランジの厚肉のボスや集合管に溶接部で固定した排気マニホルドで、フランジの各排気ポートの下流側に外周面を形成して、枝管の上流側の内周面をフランジの外周面に嵌合すると共に、枝管の上流側の端部とフランジとを溶接すれば、またはさらに集合管の流入ポートの上流側に外周面を形成して、枝管の下流側の内周面を集合管の外周面に嵌合すると共に、枝管の下流側の端部と集合管とを溶接すれば、上記課題が解決できるとの知見を得、本発明に想到した。
【００１２】
すなわち、本発明の排気マニホルドは、複数の排気ポートを有するフランジと、前記各排気ポートに連結するパイプ材からなる枝管と、前記枝管を流入ポートに連結する集合管とを有し、前記フランジの各排気ポートから、枝管、集合管の流入ポートに向けて排気ガスを通過させる排気マニホルドであって、前記フランジの各排気ポートの下流側に外周面を形成して、前記枝管の上流側の内周面を前記フランジの外周面に嵌合すると共に、前記枝管の上流側の端部と前記フランジとを溶接していることを特徴とする。
【００１３】
フランジの排気ポートの内周面から溶接部までに肉厚があるので、溶接部への排気ガスの急激な熱伝達が抑えられる。そして、フランジ、枝管、溶接部間に熱膨張率や熱容量の差があっても、排気ガスの流入、停止に伴う溶接部やその付近に作用する熱応力を小さくし、溶接部やその付近への亀裂発生を少なくして、排気マニホルドの耐久性を向上する。
【００１４】
本発明の排気マニホルドにおいては、前記集合管の流入ポートの上流側に外周面を形成して、前記枝管の下流側の内周面を前記集合管の外周面に嵌合すると共に、前記枝管の下流側の端部と前記集合管とを溶接していることが好ましい。この構成により、流入ポートから溶接部までに肉厚があるので、溶接部への排気ガスの熱伝達が抑えられる。そして、集合管、枝管、溶接部間に熱膨張率や熱容量の差があっても、排気ガスの流入、停止に伴う溶接部やその付近に作用する熱応力を小さくし、溶接部やその付近への亀裂発生を少なくして、排気マニホルドの耐久性を向上する。
【００１５】
本発明の排気マニホルドにおいては、前記枝管を、排気ガスを通過させる内管と、断熱層を形成して前記内管を包囲する外管とで形成していることが好ましい。断熱層により、枝管を通る排気ガスの温度降下を抑えつつ触媒装置に案内し、排気ガスの浄化効率が確保される。
【００１６】
本発明の排気マニホルドにおいては、前記枝管の排気ガスが通過する内周面の軸直角断面を、前記排気ポートの内周面の軸直角断面と近似形状としていることが好ましい。この構成により、排気ガスが通過する断面変化を少なくして排気圧損を低減する。
【００１７】
本発明の排気マニホルドにおいては、前記枝管に蛇腹部を少なくとも１以上形成していることが好ましい。この構成により、蛇腹部が、枝管、フランジ、集合管など各部材の熱膨張、熱収縮を吸収し、溶接部に作用する熱応力をより小さくして、さらに排気マニホルドの耐久性を向上する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。なお本発明は、以下に示す実施の形態１〜３にとらわれず、技術思想の範囲内で変形したり組み合わせたりすることが可能である。
【００１９】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１の排気マニホルド１０であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）の断面Ａ−Ａおよび断面Ｂ−Ｂを示す。図１で、排気マニホルド１０は、４つの排気ポート１１ｐ（（ｂ）では１つの排気ポートのみ示す）を有するフェライト系耐熱鋳鋼からなるフランジ１１と、各排気ポート１１ｐに連結するフェライト系ステンレスパイプ材からなる枝管１２と、この枝管１２を流入ポート１３ｐに連結するフェライト系耐熱鋳鋼からなる集合管１３を有し、各排気ポート１１ｐから、枝管１２、集合管１３の流入ポート１３ｐに向けて排気ガス（Ｎ１〜Ｎ４→Ｎ）を通過させている。なお、１１ｂはフランジ１１のボスである。
【００２０】
そして、フランジ１１の各排気ポート１１ｐの下流側には外周面１１ａを形成し、枝管１２の上流側の内周面１２ａをフランジ１１の外周面１１ａに嵌合すると共に、枝管１２の上流側の端部とフランジ１１とをフェライト系溶接棒（ＳＵＳＹ４３０）で溶接した溶接部１４で固定している。
【００２１】
また、集合管１３の流入ポート１３ｐの上流側に外周面１３ａを形成し、枝管１２の下流側の内周面１２ｂを集合管１３の外周面１３ａに嵌合すると共に、枝管１２の下流側の端部と集合管１３とをフェライト系溶接棒（ＳＵＳＹ４３０）で溶接した溶接部１５で固定している。さらに枝管１２の排気ガスＮが通過する内周面１２ｐの軸直角断面を、排気ポート１１ｐの内周面の軸直角断面と近似形状にしている。
【００２２】
実施の形態１の排気マニホルド１０によれば、排気ポート１１ｐの内周面から溶接部１４までに肉厚１１ｔがあるので、高温の排気ガス（Ｎ１〜Ｎ４→Ｎ）が流れても溶接部１４への急激な熱伝達が抑えられる。また、集合管１３の流入ポート１３ｐの内周面から溶接部１５までも肉厚１３ｔがあるので、高温の排気ガス（Ｎ１〜Ｎ４→Ｎ）が流れても溶接部１５への急激な熱伝達が抑えられる。そして、フランジ１１と枝管１２、または枝管１２と集合管１３とに熱膨張率、熱容量の差があっても、排気ガス（Ｎ１〜Ｎ４→Ｎ）の流入、停止に伴う溶接部１４、１５やその付近に作用する熱応力を小さくし、溶接部１４、１５やその付近への亀裂発生を少なくして、排気マニホルド１０の耐久性を向上する。一方、枝管１２の排気ガス（Ｎ１〜Ｎ４→Ｎ）が通過する内周面１２ｐの軸直角断面を、排気ポート１１ｐの内周面の軸直角断面と近似形状としているので、排気ガス（Ｎ１〜Ｎ４→Ｎ）が通過する断面変化を少なくして排気圧損を低減する。
【００２３】
（実施の形態２）
図２は、実施の形態２の排気マニホルド２０での１つの排気ガス通路の断面図である。図２の排気マニホルド２０は、前述した図１の排気マニホルド１０に加え、枝管２２に蛇腹部２２ｃ、２２ｄを２つ形成している。なお、２１はオーステナイト系耐熱鋳鋼からなるフランジ、２１ａは外周面、２１ｂはボス、２１ｐは排気ポート、２１ｔは肉厚、２２はフェライト系ステンレスパイプ材からなる枝管、２２ａは枝管２２の上流側の内周面、２２ｂは枝管２２の下流側の内周面、２２ｐは排気ガスＮが通過する内周面、２３はオーステナイト系耐熱鋳鋼からなる集合管、２３ａは集合管２３の外周面、２３ｐは流入ポート、２３ｔは肉厚、２４および２５はオーステナイト系溶接棒（ＳＵＳＹ３０９）で溶接した溶接部である。
【００２４】
実施の形態２の排気マニホルド２０によれば、排気ポート２１ｐの内周面から溶接部２４までに肉厚２１ｔがあるので、高温の排気ガスＮが流れても溶接部２４への急激な熱伝達が抑えられる。また、集合管２３の流入ポート２３ｐから溶接部２５までも肉厚２３ｔがあるので、高温の排気ガスＮが流れても溶接部２５への急激な熱伝達が抑えられる。さらに、２つの蛇腹部２２ｃ、２２ｄにより、枝管２２、フランジ２１、集合管２３ほかの熱膨張、熱収縮を吸収する。そして、フランジ２１と枝管２２、または枝管２２と集合管２３とに熱膨張率、熱容量の差があっても、排気ガスＮの流入、停止に伴う溶接部２４、２５やその付近に作用する熱応力を小さくして、溶接部２４、２５やその付近への亀裂発生を少なくし、排気マニホルド２０の耐久性を向上する。一方、枝管２２の排気ガスＮが通過する内周面２２ｐの軸直角断面を、排気ポート２１ｐの内周面の軸直角断面と近似形状にしているので、排気ガスＮが通過する断面変化を少なくして排気圧損を低減する。
【００２５】
（実施の形態３）
図３は、実施の形態３の排気マニホルド３０での１つの排気ガス通路の断面図である。図３に示す排気マニホルド３０は、前述した図１の排気マニホルド１０とほぼ同じ構成であるが、枝管３２を二重管、すなわち、排気ガスＮを通過させるフェライト系ステンレスパイプ材からなる内管３６とこの内管３６を包囲するフェライト系ステンレスパイプ材からなる外管３７とで構成し、さらに内管３６と外管３７とで断熱層３８を形成している。また、内管３６、外管３７に、それぞれ蛇腹部３６ｃ、３７ｃを各１つ形成している。なお、３１はフェライト系耐熱鋳鋼からなるフランジ、３１ａは外周面、３１ｂはボス、３１ｐは排気ポート、３１ｔは肉厚、３６ａは内管３６の上流側の内周面、３６ｂは内管３６の下流側の内周面、３２ｐは排気ガスＮが通過する内周面、３３はフェライト系耐熱鋳鋼からなる集合管、３３ａは集合管３３の外周面、３３ｐは流入ポート、３３ｔは肉厚、３４および３５はフェライト系溶接棒（ＳＵＳＹ４３０）で溶接した溶接部である。
【００２６】
実施の形態３の排気マニホルド３０によれば、排気ポート３１ｐの内周面から溶接部３４までに肉厚３１ｔがあるので、高温の排気ガスＮが流れても溶接部３４への急激な熱伝達が抑えられる。また、集合管３３の流入ポート３３ｐから溶接部３５までも肉厚３３ｔがあるので、高温の排気ガスＮが流れても溶接部３５への急激な熱伝達が抑えられる。さらに、蛇腹部３６ｃ、３７ｃにより、内管３６、外管３７、フランジ３１、集合管３３ほかの熱膨張、熱収縮を吸収する。そして、フランジ３１と枝管３２、または枝管３２と集合管３３とに熱膨張率、熱容量の差があっても、排気ガスＮの流入、停止に伴う溶接部３４、３５やその付近に作用する熱応力を小さくして、溶接部３４、３５やその付近への亀裂発生を少なくし、排気マニホルド３０の耐久性を向上する。一方、枝管３２の排気ガスＮが通過する内周面３２ｐの軸直角断面を、排気ポート３１ｐの内周面の軸直角断面と近似形状にしているので、排気ガスＮが通過する断面変化を少なくして排気圧損を低減する。
【００２７】
【実施例】
図１で、フランジ１１をフェライト系耐熱鋳鋼材、枝管１２をフェライト系のステンレスパイプ材、集合管１３をフェライト系耐熱鋳鋼材とし、各々フェライト系溶接棒（ＳＵＳＹ４３０）により溶接した溶接部１４、１５で固定し、排気量３．０リットルの直列４気筒エンジン用の排気マニホルド１０を作製した。そして、実際の回転数が６０００ｒｐｍの全負荷となるエンジンの運転状況を模し、高温の燃焼ガス（Ｎ１〜Ｎ４）を排気ポート１１ｐに供給して加熱（１０分）、その後、燃焼ガス（Ｎ１〜Ｎ４）の供給を停止して冷却（１０分）、この加熱・冷却を１サイクルとした冷熱（ＧＯ−ＳＴＯＰ）サイクルを５００時間実施した。全負荷時の燃焼ガス（Ｎ１〜Ｎ４）温度は約９３０℃、排気マニホルド１０の集合管１３の温度は約８９０℃であった。試験の結果、実施例の排気マニホルド１０は、溶接部１４および溶接部１５に亀裂の発生は見られず、耐久性が確保されていることがわかった。
【００２８】
一方、比較のため、図４に示す排気マニホルド４０を作製し、実施例と同じ条件で冷熱（ＧＯ−ＳＴＯＰ）サイクルを実施した。試験の結果、図４の排気マニホルド４０は、溶接部４４および溶接部４５に亀裂が発生しており、耐久性がまだ不十分であることがわかった。
【００２９】
さらに、比較のため、図５に示す特開平９−２６４１２９号公報と同様の排気マニホルド５０を作製し、実施例と同じ条件で冷熱（ＧＯ−ＳＴＯＰ）サイクルを実施した。試験の結果、図５の排気マニホルド５０は、溶接部５４に亀裂が発生しており、耐久性がまだ不十分であることがわかった。
【００３０】
【発明の効果】
以上、詳細に説明のとおり本発明は、枝管を薄肉のパイプ材として、これをフランジの厚肉のボスや集合管に溶接部で固定した排気マニホルドで、各部材の熱膨張率や熱容量の差があっても、排気ガスの流入、停止に伴う溶接部やその付近に作用する熱応力を小さくし、溶接部やその付近への亀裂発生を少なくして耐久性を向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１の排気マニホルド１０であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）の断面Ａ−Ａおよび断面Ｂ−Ｂを示す。
【図２】実施の形態２の排気マニホルド２０での１つの排気ガス通路の断面図である。
【図３】実施の形態３の排気マニホルド３０での１つの排気ガス通路の断面図である。
【図４】枝管をパイプ材とした従来の排気マニホルドの１つの排気ガス通路の断面図である。
【図５】枝管を二重管とした、特開平９−２６４１２９号公報に開示される排気マニホルド５０の図面の一部を編集した、１つの排気ガス通路の断面図である。
【符号の説明】
１０、２０、３０、４０、５０：排気マニホルド
１１、２１、３１、４１、５１：フランジ
１１ａ、２１ａ、３１ａ：フランジの外周面
１１ｂ、２１ｂ、３１ｂ、４１ｂ、５１ｂ：ボス
１１ｐ、２１ｐ、３１ｐ、４１ｐ、５１ｐ：排気ポート
１１ｔ、１３ｔ、２１ｔ、２３ｔ、３１ｔ、３３ｔ：肉厚
１２、２２、３２、４２、５２：枝管
１２ａ、２２ａ：枝管の上流側の内周面
１２ｂ、２２ｂ：枝管の下流側の内周面
１２ｐ、２２ｐ、３２ｐ：枝管の排気ガスが通過する内周面
１３、２３、３３、４３、５３：集合管
１３ａ、２３ａ、３３ａ：集合管の外周面
１３ｐ、２３ｐ、３３ｐ、４３ｐ、５３ｐ：流入ポート
１４、１５、２４、２５、３４、３５、４４、４５、５４、５５：溶接部
２２ｃ、２２ｄ、３６ｃ、３７ｃ：蛇腹部
３６、５６：内管
３６ａ：内管の上流側の内周面
３６ｂ：内管の下流側の内周面
３７、５７：外管
３８、５８：断熱層
４１ａ、５１ａ：フランジの内周面
４２ａ：枝管の上流側の外周面
４２ｂ：枝管の下流側の外周面
４３ａ、５３ａ：集合管の内周面
５７ａ：外管の上流側の外周面
５７ｂ：外管の下流側の外周面
Ｎ、Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４、（Ｎ１〜Ｎ４）：排気ガス（燃焼ガス）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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