(57)【要約】【課題】複数の枝管を有する排気マニホールドがシリンダヘッドに固定されている内燃機関において、排気マニホールドがシリンダヘッドの熱膨張によって引っ張られて股部が破断することを防止する。【解決手段】排気マニホールド７は複数の枝管７ｂを有しており、枝管７ｂの先端に設けたフランジ１０がシリンダヘッド３の一側面３ａにスタッドボルト１２及びナット１３で固定されている。シリンダヘッド３のうち排気マニホールド７を設けた部位にボルト１４が貫通しており、ボルト１４により、シリンダヘッド３の熱膨張を抑制している。シリンダヘッド３と排気マニホールド７とを左右方向に予備圧縮しておくと、より好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一側面に複数の排気通路が開口しているシリンダヘッドと、前記各排気通路に連通する複数の枝管を集合部に集合させた排気マニホールドとを有しており、前記排気マニホールドの各枝管に前記シリンダヘッドの一側面に重なるフランジを設けて、前記フランジを前記シリンダヘッドにファスナで固定している構成であって、
前記シリンダヘッドに、当該シリンダヘッドのうち少なくとも一側面の部位が前記排気マニホールドの枝管の並び方向に熱膨張することを抑制する規制手段を設けている、
多気筒内燃機関。
【請求項２】
前記規制手段は、前記シリンダヘッドの素材よりも熱膨張係数が小さいボルトであって、前記ボルトは、前記シリンダヘッド又は排気マニホールド７を前記排気マニホールドの枝管の並び方向に挟圧できるように配置されており、前記ボルトの締め付けにより、前記シリンダヘッドと排気マニホールドとのうちいずれか一方又は両方を前記枝管の並び方向に縮むように予備圧縮されている、
多気筒内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、複数の気筒を有する多気筒内燃機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関において、燃焼後の排気ガスを排出する排気マニホールドは、シリンダヘッドの一側面にボルト又はスタッドボルトとナットとで固定されている。排気マニホールドは、多気筒内燃機関では１本の集合部から複数の枝管が分岐した形態になっており、各枝管の先端にフランジを設けて、フランジがガケットを介してシリンダヘッドに締結されている。フランジとシリンダヘッドとの間にはガスケットを介在させており、また、フランジは各枝管ごとに個別に設ける場合と、隣り合ったフランジを一体に連続させる場合とがある。
【０００３】
さて、シリンダヘッドは燃料の燃焼によって受熱するため、機関の運転時に熱膨張することは避けられない。この場合、多気筒内燃機関のシリンダヘッドは、シリンダボアの並び方向（クランク軸の軸線方向）に長い形状であるため、シリンダボアの並び方向に大きく熱膨張する傾向を呈している。また、シリンダヘッドはアルミ又はアルミ合金で製造していることが多いため、熱膨張係数は鋼（鉄）に比べて相当に大きい。
【０００４】
他方、排気マニホールドは排気ガスに晒されるため、鉄系鋳物で製造したり鋼管を材料にして溶接して製造されたりしているが、鉄系鋳物や鋼管もアルミより熱膨張係数が小さいため、枝管の並び方向に熱膨張はするものの、シリンダヘッドに比べて熱膨張量は相当に小さい。このため、シリンダヘッドの熱膨張により、排気マニホールドに枝管の間隔を広げるような引っ張り力が作用しており、その結果、枝管同士が繋がっている股部が破断する（裂ける）ことがあった。
【０００５】
この点について特許文献１には、排気マニホールドの各枝管を、その先端に行くに従って（集合部と反対側に行くに従って）薄肉になるように形成することで、各枝管の熱変形を容易ならしめることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】実開昭６２−９８７２０号のマイクロフィルム
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１は、シリンダヘッドの熱膨張そのものは不可避として、排気マニホールドを変形し易くすることで、シリンダヘッドの熱変形を排気マニホールドの変形で吸収しようとするものであるが、排気マニホールドの枝管を薄肉化すると、強度が低下すると共に腐食も進行しやすいという問題がある。また、特許文献１は鋳造品には適用可能であるが、鋼管で製造された排気マニホールドには適用できないという問題もある。
【０００８】
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】
【０００９】
本願発明（請求項１の発明）は、一側面に複数の排気通路が開口しているシリンダヘッドと、前記各排気通路に連通する複数の枝管を集合部に集合させた排気マニホールドとを有しており、前記排気マニホールドの各枝管に前記シリンダヘッドの一側面に重なるフランジを設けて、前記フランジを前記シリンダヘッドにファスナで固定している内燃機関において、前記シリンダヘッドに、当該シリンダヘッドのうち少なくとも一側面の部位が前記排気マニホールドの枝管の並び方向（すなわちクランク軸の軸線方向）に熱膨張することを抑制する規制手段を設ける、という構成を採用した。
【００１０】
規制手段としては、例えば、シリンダヘッドのうち一側面寄りの部位にシリンダヘッドより熱膨張係数が小さい規制体を鋳込んで、この規制体に排気マニホールドを締結したり、シリンダヘッドが排気マニホールドの並び方向に熱膨張しないように、シリンダヘッドより熱膨張が小さいボルトで規制するといった各種の手段を採用できる。
【００１１】
規制手段としてボルトを使用する場合、請求項２では、ボルトを使用して、排気マニホールドの破断防止をより的確に実現している。すなわち請求項２の発明は、請求項１において、前記規制手段は、前記シリンダヘッドの素材よりも熱膨張係数が小さいボルトであって、前記ボルトは、前記シリンダヘッド又は排気マニホールド７を前記排気マニホールドの枝管の並び方向に挟圧できるように配置されており、前記ボルトの締め付けにより、前記シリンダヘッドと排気マニホールドとのうちいずれか一方又は両方を前記枝管の並び方向に縮むように予備圧縮されている。
【発明の効果】
【００１２】
本願発明は、シリンダヘッドの熱膨張が抑制されることで、排気マニホールドの股部にこれを裂くような引っ張りが作用することを防止又は著しく抑制できる。そして、シリンダヘッドの熱膨張を抑制するものであるため、排気マニホールドは従来の素材・構造のままでよい。従って、排気マニホールドの強度が低下したり、排気マニホールドが腐食しやすくなったりする不都合は生じないと共に、鋼管製の排気マニホールドにも支障なく適用できる。
【００１３】
規制手段は、シリンダヘッドが熱を受けたときに機能を発揮してその熱膨張を抑制する構成とすることも可能であるが、請求項２の構成を採用して、シリンダヘッドと排気マニホールドとのうち少なくともいずれか一方を枝管の並び方向に予備圧縮しておくと、排気マニホールドの破断防止効果を一層向上できる。
【００１４】
すなわち、シリンダヘッドのみを予備圧縮している場合は、シリンダヘッドがボルトの熱膨張の分だけ膨張しても、シリンダヘッドは、熱負荷が作用していない自由長さに戻るに過ぎないか、又は、自由長さから僅かに膨張するに過ぎない状態にできるため、シリンダヘッドの熱膨張によって排気マニホールドに引っ張り力が作用することを、より的確に防止又は抑制できる。
【００１５】
他方、排気マニホールドのみを予備圧縮した場合は、シリンダヘッドがボルトの熱膨張の分だけ膨張することで排気マニホールドが引っ張られても、排気マニホールドは、まず、熱負荷か掛かっていない自由長さに至って、それから実質的な熱膨張が開始するため、排気マニホールドに引っ張り力が作用することを、より的確に防止又は抑制できるのである。すなわち、排気マニホールドに、引っ張りが作用しない膨張代を付与できるのであり、これらにより、破断防止効果をより的確に実現できるのである。シリンダヘッド３と排気マニホールド７との両方を予備圧縮すると、より好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１実施形態を示す図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ視正面図である。
【図２】第２実施形態を示す図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ視正面図である。図１のII-II 視断面図である。
【図３】第３実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明で方向を特定するため、便宜的に「前後」「左右」の文言を使用するが、クランク軸の軸線及びシリンダボアの軸線と直交した方向から見た状態を正面視として、クランク軸の軸方向を左右方向、クランク軸及びシリンダボアと直交した方向を前後方向としている。
【００１８】
(1).第１実施形態
まず、図１に示す第１実施形態から説明する。本実施形態の内燃機関は４気筒であり、シリンダブロック１には４つシリンダボア２が直列に並べて形成されており、シリンダブロック１の上面に重ね固定されたシリンダヘッド３には、シリンダボア２に向けて開口した燃焼用凹所４が形成されている。シリンダヘッド３はアルミの鋳造品である。
【００１９】
更に、シリンダヘッド３には、燃焼用凹所４に連通した４対の排気通路４と吸気通路５とが、排気通路４は前後両側面のうちの一側面３ａに開口して、吸気通路５は前後両側面のうちの他側面３ｂに開口するように形成されており、シリンダヘッド３の一側面３ａには排気マニホールド７が固定（締結）されて、他側面３ｂには吸気マニホールド８が固定されている。排気マニホールド７は、鋼管製又は鉄系鋳物製である。
【００２０】
排気マニホールド７及び吸気マニホールド８は、集合部７ａ，８ａから４本の枝管７ｂ，８ｂが分岐した形態であり、各枝管７ｂ，８ｂの先端に、左右方向に一連に延びるフランジ１０，１１を形成し、フランジ１０，１１が、ファスナの一例としてのスタッドボルト１２及びナット１３でシリンダヘッド３に締結されている（吸気マニホールド８に関しては、スタッドボルト及びナットは図示してない。）。敢えて述べる必要はないが、各枝管７ｂ，８ｂはクランク軸の長手方向（シリンダボア２の並び方向）に沿って一列に並んでいる。なお、排気マニホールド７のフランジ１０とシリンダヘッド３との間には、ガスケットを介在させている。
【００２１】
シリンダヘッド３のうち、排気マニホールド７が固定されている一側面３ａに近い部位でかつ排気通路４を挟んだ上下両側の部位には、クランク軸と平行な姿勢の上下２本のボルト１４が、シリンダヘッド３の左右両端面３ｃ，３ｄに露出するようにして配置されている。シリンダヘッド３の一方の端面３ｃには、両ボルト１４が貫通する上下長手の添え板１５が重ね配置されており、シリンダヘッド３の他方の端面３ｄには、両ボルト１４が螺合する上下長手の板状ナット１６が重ね配置されている。ボルト１４は、例えば炭素鋼や高張力鋼のような鋼製であり、熱膨張係数は排気マニホールド７に近い。本実施形態では、ボルト１４と添え板１５及び板状ナット１６で請求項に記載した規制手段が構成されている。
【００２２】
添え板１５は排気マニホールド７の左右端面のうちの一端面７ａに重なって、板状ナット１６は排気マニホールド７の左右端面のうちの他端面７ａに重なっており、排気マニホールド７をナット１３のねじ込みによってシリンダヘッド３に固定してから、ボルト１４を板状ナット１６に強くねじ込んで、シリンダヘッド３及び排気マニホールド７をクランク軸の軸線方向に強く挟圧することにより、それらシリンダヘッド３及び排気マニホールド７を、内部応力が存在しない自由状態からクランク軸の軸線方向に縮められて圧縮変形した状態に加圧されている。
【００２３】
図１（Ａ）でシリンダヘッド３の自由長さ状態を一点鎖線で表示しており、一点鎖線の自由長さ状態と実線の圧縮状態とは目視できる程度の違いに表示しているが、これは便宜的な表示であり、実際の圧縮変形量は、機関の運転に伴う熱膨張を吸収する程度の僅かの量である。また、ボルト１４はシリンダヘッド３の一側面３ａの近傍部のみに配置しているので、他側面３ｂの部位ではシリンダヘッド３は殆ど又は全く圧縮されていないと推測されるが、圧縮変形量はごく僅かであるので、シリンダヘッド３の変形に伴う問題は生じない。
【００２４】
機関の運転に伴ってシリンダヘッド３の温度が上昇すると、シリンダヘッド３と排気マニホールド７とボルト１４とはクランク軸の軸線方向に熱膨張しようとする。この場合、排気マニホールド７には排気ガスが直接触れるため、温度上昇の程度は排気マニホールド７が最も早く、次いで、シリンダヘッド３、ボルト１４の順になると言える。
【００２５】
そして、シリンダヘッド３はいずれ高温になるため、クランク軸の軸線方向に熱膨張する熱負荷を受ける。その場合、シリンダヘッド３の材料であるアルミの熱膨張は排気マニホールド７の素材である鋼（鉄）より大きいため、何等の対策を講じないと、シリンダヘッド３の熱膨張によって排気マニホールド７が左右方向に引っ張られて、隣り合った枝管７ｂの間の股部７ｃが裂けることがある。
【００２６】
これに対して本実施形態では、シリンダヘッド３の熱膨張が熱膨張の低いボルト１４で規制されていることにより、シリンダヘッド３が左右方向に熱膨張することが抑制されるため、股部７ｃに左右方向引っ張り力が作用することを防止又は著しく抑制して、破断を防止できる。
【００２７】
更に述べると、ボルト１４も熱膨張するので、シリンダヘッド３はボルト１４の熱膨張の分だけは左右方向に熱膨張するが、ボルト１４の熱膨張係数は排気マニホールド７の熱膨張係数と殆ど同じなので、シリンダヘッド３がボルト１４の熱膨張分だけ熱膨張しても、排気マニホールド７の股部７ｃに左右方向の引っ張り力が作用することを防止又は著しく抑制できる。
【００２８】
従って、ボルト１４でシリンダヘッド３及び排気マニホールド７を強く挟圧してなくても、単にシリンダヘッド３の熱膨張をボルト１４で抑止するだけであっても排気マニホールド７の破断を防止できるのであるが、本実施形態では、更に、シリンダヘッド３と排気マニホールド７とをボルト１４で予備圧縮しているため、シリンダヘッド３がボルト１４と同じ量だけ熱膨張しても、排気マニホールド７は熱負荷が掛かっていない自由長さに戻るに過ぎないか、又は、自由状態から僅かに熱膨張するに過ぎないのであり、これにより、股部７ｃの破断をより的確に防止できるのである。
【００２９】
上記の説明から理解できるように、ボルト１４の挟圧によるシリンダヘッド３及び排気マニホールド７の予備圧縮変形量は、排気マニホールド７の最大熱膨張量と同じ程度の寸法に設定しておくのが好ましい。ボルト１４はなるべく熱膨張しないのが好ましい。従って、ボルト１４に断熱材からなる筒を嵌め込むといったことも可能である。
【００３０】
添え板１５と板状ナット１６とで排気マニホールド７を左右から挟んでいる場合は、排気マニホールド７の締結とボルト１４による挟圧とはどちらを先に行ってもよいが、添え板１５と板状ナット１６とで排気マニホールド７を左右から挟んでいない場合は、先に排気マニホールド７をシリンダヘッド３に締結し、次いで、ボルト１４による挟圧を行うのが好ましい（そうでないと、排気マニホールド７を予備圧縮できない。）。
【００３１】
添え板１５と板状ナット１６とで排気マニホールド７を左右から挟んでいない場合は、排気マニホールド７のフランジ１０がスタッドボルト１２にずれ不能に嵌まるように設定おいたり、別にノックピンを設けたりして、排気マニホールド７とシリンダヘッド３とが左右方向に滑らないように保持しておくと、より有益である。もとより、シリンダヘッド３のみに予備圧縮変形を付与しておくことも可能であり、この場合は、シリンダヘッド３を予備圧縮してから排気マニホールド７を締結してもよい。
【００３２】
(2).他の実施形態
図２に示す第２実施形態では、規制手段の一例としての規制板１８をシリンダヘッド３に鋳込んでいる。規制板１８には、シリンダヘッド３との一体性を高めるため、多数の穴１９を開けている。スタッドボルト１４を規制板１８に溶接することも可能である。或いは、規制板１８にナットを溶接しておくか、規制板１８に設けたバーリング部に雌ねじを形成しておいて、これらにボルトをねじ込むことで排気マニホールド７を締結するということも可能である。
【００３３】
規制板１８は、排気マニホールド７と同様に炭素鋼等の鋼材からなっている。従って、この第２実施形態では、シリンダヘッド３のううちアルミの部分が大きく熱膨張しても、規制板１８はさほど熱膨張せず、規制板１８と排気マニホールド７との熱膨張係数はほぼ同じであるため、排気マニホールド７が左右方向に引っ張られることはない。
【００３４】
図３に示す第３実施形態では、排気マニホールド７におけるフランジ１０の左右端部に、シリンダヘッド３の端面３ｂ，３ｃに重なる端板１０ａを一体に設けて、端板１０ａをボルト１４及びナット（図示せず）でシリンダヘッド３に共締めしている。この図３の場合、左右端板１０ａの間隔をシリンダヘッド３の左右長さよりも僅かに大きい寸法に設定して、排気マニホールド７を左右方向に圧縮した状態で、左右端板１０ａをボルト１４でシリンダヘッド３に締結することも可能である。
【００３５】
すなわち、排気マニホールド７のみを予備圧縮することも可能である。この場合は、シリンダヘッド３はボルト１４の熱膨張の分しか熱膨張しないので、第１実施形態とほぼ同様の作用・効果を発揮する。なお、第１実施形態の場合も、排気マニホールド７の左右長さをシリンダヘッド３の左右長さより僅かに長くしておいて、排気マニホールド７のみを予備圧縮することは可能である。
【００３６】
本願発明は、上記の実施形態の他にも様々に具体化できる。例えば、フランジは、各枝管ごとに個別に設けたり、複数の枝管ごとにグループ化して設けたりすることも可能である。規制手段としては、シリンダヘッドに被さるコ字形の本体にボルトを設けたシャコ万力方式（クランプ方式）を採用することも可能である。
【００３７】
ファスナとしては、頭付きのボルトを使用することも可能である。規制体としてボルトを使用する場合、添え板及び板状ナットは必ずしも必要はなく、頭付きボルトにナットをねじ込む構成とすることも可能である。本願発明の規制手段はシリンダヘッドのうち排気マニホールドが固定されている近傍部に設けたら足りるが、吸気マニホールドが固定されている部分に規制手段を設けることを排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本願発明は、内燃機関に具体化して実際に製造できる。従って、産業上利用できる。
【符号の説明】
【００３９】
２  シリンダボア
３  シリンダヘッド
６  排気通路
７  排気マニホールド
７ａ  集合部
７ｂ  枝管
７ｃ  股部
１０  フランジ
１２  ファスナを構成するスタッドボルト
１３  ファスナを構成するナット
１４  規制体の主要要素としての一例としてのボルト
１５  規制体の一部としての添え板
１６  規制体の一部としての板状ナット
１８  規制手段の一例としての鋳込み式規制板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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