(57)【要約】【課題】エンジンのシリンダヘッドとのシール性、および、マニホールド本体の熱耐久性を向上させた排気マニホールドを提供すること。【解決手段】複数の排気管と、各排気管を集合する集合部とが設けられるマニホールド本体と、フランジとを備えている。フランジ１３は、複数の排気管に溶接され、各排気管をエンジンのシリンダヘッドに取り付けるための取付面１３ｐを構成する。さらに、フランジ１３は、取付面１３ｐが冷却時には略平坦形状であり、かつ、加熱時にはシリンダヘッドに対して凹面となるように形成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の排気管と、各排気管を集合する集合部とが設けられるマニホールド本体と、
前記複数の排気管に溶接され、各排気管をエンジンのシリンダヘッドに取り付けるための取付面を構成するためのフランジと、
を備え、
前記フランジは、前記取付面が冷却時には略平坦形状であり、かつ、加熱時には前記シリンダヘッドに対して凹面となるように形成されている、
排気マニホールド。
【請求項２】
前記フランジは、シリンダヘッド側であって第１熱膨張係数を有する第１層と、マニホールド本体側であって前記第１熱膨張係数よりも大きい第２熱膨張係数を有する第２層とが貼り合わされて形成されたバイメタル構造からなる、
請求項１記載の排気マニホールド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気マニホールドにおいて、シリンダヘッドとのシール性、および、マニホールド本体の熱耐久性を向上させるための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に排気マニホールドは、エンジンのシリンダヘッドの取付面を構成するためのシリンダヘッド側フランジ（以下、単に「フランジ」と表記する。）がマニホールド本体に溶接されているが、従来の排気マニホールドでは、このフランジが単一の材料で形成されている。例えば特許文献１には、ＳＵＳ３０４等のステンレス鋼のみで形成されたフランジを備えた排気マニホールドが開示されている。
【特許文献１】特開２０００−７３７５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、排気マニホールドでは一般に、フランジの温度はシリンダヘッド内の冷却水の影響によって２００度程度と低いが、排気マニホールド本体の温度は加熱時に８００度にもなる。そのため、従来の排気マニホールドにおいて、初期状態で平坦なフランジの取付面は、マニホールド本体が冷却および加熱を繰り返すと、シリンダヘッドに対して凸形状、すなわち反った状態となって、平坦形状に復帰しなくなる。この取付面の反りが進行すると、（１）凸形状となったフランジが、加熱時のマニホールド本体の伸びを拘束するため、特にマニホールド本体を構成する各排気管の分岐部分に応力が集中して、熱耐久性が低下し、（２）排気マニホールドのフランジのシリンダヘッドに対する面圧が低下することで、フランジとシリンダヘッドとの間のシール性が低下する。
【０００４】
上述した観点から、本発明の目的は、エンジンのシリンダヘッドとのシール性、および、マニホールド本体の熱耐久性を向上させた排気マニホールドを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の排気マニホールドは、複数の排気管と、各排気管を集合する集合部とが設けられるマニホールド本体と、フランジとを備えている。フランジは、複数の排気管に溶接され、各排気管をエンジンのシリンダヘッドに取り付けるための取付面を構成する。さらに、フランジは、上記取付面が冷却時には略平坦形状であり、かつ、加熱時にはシリンダヘッドに対して凹面となるように形成されている。
【０００６】
好ましくは、本発明の排気マニホールドのフランジは、シリンダヘッド側であって第１熱膨張係数を有する第１層と、マニホールド本体側であって第１熱膨張係数よりも大きい第２熱膨張係数を有する第２層とが貼り合わされて形成されたバイメタル構造からなる。
【０００７】
一般に排気マニホールドでは、加熱時には、各排気管がシリンダヘッド側へ伸びようとする（熱膨張しようとする）が、本発明の排気マニホールドでは、加熱時にシリンダヘッド３０に対して凹面となるので、排気管の伸びに対するフランジの拘束力が低下して、マニホールド本体に対する応力集中が緩和される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の排気マニホールドによれば、エンジンのシリンダヘッドとのシール性、および、マニホールド本体の熱耐久性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
＜排気マニホールドの構成＞
以下、本発明の排気マニホールドの一実施形態について、図１および図２を参照して説明する。図１は、本実施形態の排気マニホールド１０がエンジンのシリンダヘッド３０に連結されている状態を示す。図２は、本実施形態の排気マニホールド１０のフランジ１３の一構成例を示す。
【００１０】
本実施形態の排気マニホールド１０は、マニホールド本体１２と、排気上流側（エンジンのシリンダヘッド３０側）のフランジ１３（本発明のフランジに相当）と、排気下流側のフランジ１５とにより構成されている。
【００１１】
マニホールド本体１２は、例えばＳＵＳ４３０等のフェライト系のステンレス鋼からなり、半割容器状の周縁を相互に溶接することにより形成されている。フランジ１３は、エンジンのシリンダヘッド３０の排気ポート３０ａの配列形状に対応する長尺な板状に形成されている。このフランジ１３は、シリンダヘッド３０との取付面１３ｐが、冷却時には略平坦形状（図１に示す通り）であり、加熱時にはシリンダヘッド３０に対して凹面となるように形成されている。
【００１２】
マニホールド本体１２には、シリンダヘッド３０側に延在する４本の排気管２１〜２４が、フランジ１３の長手方向に間隔を置いて、一体形成されている。なお、図１では、各排気管２１〜２４の軸心をそれぞれ２１ｃ〜２４ｃで表している。排気管２１〜２４の先端は、フランジ１３に溶接されている。フランジ１３は、図示しないガスケット材を介して、シリンダヘッド３０にスタッド（図示せず）によって固定されている。
【００１３】
また、マニホールド本体１２には、シリンダヘッド３０と反対側に、各排気管２１〜２４が集合する集合部１２ｅが一体形成されている。各排気管２１〜２４と集合部１２ｅとの分岐部分１２ｆは、集合部１２ｅの外周部分および各排気管２１〜２４の外周部分に比べ鋭角な構造を有している。
【００１４】
集合部１２ｅには、排気管２１〜２４と反対側に、排気出口１２ｇが形成されている。また、フランジ１５は、ＳＳ３３０等のフェライト系の普通鋼からなり、集合部１２ｅの排気出口１２ｇに溶接されている。
【００１５】
次に図２を参照して、フランジ１３の一構成例について説明する。なお、図２において、（ａ）は冷却時のフランジ１３の形状、（ｂ）は加熱時のフランジ１３の形状を示している。
【００１６】
図２の（ａ）に示すフランジ１３は、シリンダヘッド３０側であって第１熱膨張係数を有する第１層１３ａと、マニホールド本体１２側（排気管側）であって第１熱膨張係数よりも大きい第２熱膨張係数を有する第２層１３ｂとが貼り合わされて形成されたバイメタル構造からなる。すなわち、このフランジ１３では、シリンダヘッド３０側の第１層１３ａの熱膨張係数が、マニホールド本体１２側（排気管側）の第２層１３ｂの熱膨張係数よりも小さくなるように、各層の材料が選択される。
【００１７】
例えば第１層１３ａとしてＳＳ４００の普通鋼を、第２層１３ｂとしてＦｅ−３６％Ｎｉ合金を選択することができる。なお、２０〜３００度の温度下で、ＳＳ４００の熱膨張係数は１１．２〜１１．３［１０−６／度］であり、Ｆｅ−３６％Ｎｉ合金の熱膨張係数は１〜６．５［１０−６／度］である。かかるバイメタル構造によってフランジ１３を形成すると、加熱時には、図２の（ｂ）に示すように、第１層１３ａよりも第２層１３ｂの伸びが上回る結果、フランジ１３全体がシリンダヘッド３０に対して凹面となるように反ることになる。
【００１８】
なお、フランジ１３は、シリンダヘッド３０との取付面１３ｐが、冷却時には略平坦形状であり、加熱時にはシリンダヘッド３０に対して凹面となるように形成されていればよく、上述したバイメタル構造のものに限られない。例えば、フランジ１３を、所定温度以上に加熱した場合に図２（ｂ）に示す形状に回復する形状記憶合金によって形成してもよい。
【００１９】
＜排気マニホールドの作用＞
次に、本実施形態の排気マニホールド１０の作用について、図３および図４を参照して説明する。図３は、排気マニホールド１０の熱環境を模擬した、排気マニホールド１０の試験用テストサイクルを示す図である。図４は、図３に示す試験用テストサイクルにおける排気マニホールドの作用を説明するための図であって、排気マニホールドのフランジのシリンダヘッド側の取付面の変位を模式的に表している。図４には、排気管２１〜２４の軸心２１ｃ〜２４ｃも記載してある。なお、図４の（ａ）は、参考として、本実施形態の排気マニホールド１０のフランジ１３を、仮に従来の単一材料（普通鋼）で形成した場合の取付面１３ｐの変位を示し、図４の（ｂ）は、本実施形態の排気マニホールド１０のフランジ１３（バイメタル構造）の場合の取付面１３ｐの変位を示す。
【００２０】
図３に示すように、試験用テストサイクルでは、排気マニホールド１０のマニホールド本体１２の温度が低温ＬＯＷ（例えば常温）となる期間であるステップＳＴ１と、高温ＨＩ（例えば８００度）となる期間であるステップＳＴ２と、低温ＬＯＷ（例えば常温）となる期間であるステップＳＴ３と順にが繰り返される。
【００２１】
先ず、本実施形態の排気マニホールド１０のフランジ１３を、仮に従来の単一材料（普通鋼）で形成した場合の取付面１３ｐの変位について、図４（ａ）を参照して説明する。
【００２２】
排気マニホールド１０に対してシリンダヘッド３０の剛性が非常に高い一方で、マニホールド本体１２の熱膨張が繰り返されるため、フランジ１３は、マニホールド本体１２側に繰り返し引っ張られる。その結果、図３に示す試験用テストサイクルの初期段階では、フランジ１３の取付面１３ｐがシリンダヘッド３０に対して凸面の状態（図４（ａ）の取付面状態ＰＬ１）になる。この凸面の状態では、フランジ１３の取付面１３ｐの両側、すなわち、排気管２１および排気管２４に近い両側が反った状態となる。なお、図４（ａ）に示す取付面状態ＰＬ１では、フランジ１３とシリンダヘッド３０との間に介在するガスケット（図示せず）が機能し、シール上問題となるレベルではない。
【００２３】
図４（ａ）において、初期段階の取付面状態ＰＬ１から排気マニホールド１０が加熱されると（ステップＳＴ２）、各排気管２１〜２４はそれぞれ伸びようとする（熱膨張しようとする）が、フランジ１３の取付面１３ｐがシリンダヘッド３０に対して凸面の状態になっているため、各排気管（特に両側の排気管２１および排気管２４）は、フランジ１３により伸びが拘束される。その結果、マニホールド本体１２の分岐部分１２ｆ（特に両側の分岐部分）は、応力集中によって塑性変形する。そのときの取付面状態が図４（ａ）に示すＰＬ２である。この取付面状態ＰＬ２では、各排気管に対するフランジの反力と、シリンダヘッド３０へ押し付けようとする排気管の伸び力およびスタッドの取付力とが釣り合った状態となっている。
【００２４】
分岐部分１２ｆ（特に両側の分岐部分）が塑性変形すると、排気管は弾性変形領域を越えることになる。そのため、取付面１３ｐが取付面状態ＰＬ２から排気マニホールド１０が冷却され、各排気管２１〜２４が縮もうとする（熱収縮しようとする）と、取付面１３ｐは、取付面状態ＰＬ１を越えて取付面状態ＰＬ３まで反りが進行する。
【００２５】
図４（ａ）に示す取付面状態ＰＬ３では、特に排気管２１，２４に近い、フランジ１３の両側において、フランジ１３とシリンダヘッド３０との間に介在するガスケット（図示せず）の面圧が大きく低下しており、シール性が低下した状態である。
【００２６】
次に、本実施形態の排気マニホールド１０のフランジ１３（バイメタル構造）の場合の取付面１３ｐの変位について、図４（ｂ）を参照して説明する。図３に示す試験用テストサイクルの初期段階において、フランジ１３の取付面１３ｐの反りが図４（ｂ）に示す取付面状態ＰＬ１まで進行するのは、図４（ａ)の場合と同じである。
【００２７】
図４（ｂ）において、初期段階の取付面状態ＰＬ１から排気マニホールド１０が加熱されると（ステップＳＴ２）、各排気管２１〜２４は伸びようとする（熱膨張しようとする）。その一方で、バイメタル構造のフランジ１３は、加熱時にシリンダヘッド３０に対して凹面となるように形成されているため（図２（ｂ）参照）、取付面状態ＰＬ１から取付面状態ＰＬ２へ変形しやすいようになっている。そのため、高温状態であるステップＳＴ２において、フランジ１３が各排気管のシリンダヘッド３０方向への伸び（熱膨張）を拘束する力が図４（ａ）の場合よりも低下する。その結果、マニホールド本体１２が図４（ａ）の場合よりも塑性変形しにくくなる。
【００２８】
したがって、図４（ｂ）の場合には、マニホールド本体１２が塑性変形せず、フランジ１３の取付面１３ｐは、図４（ｂ）に示す取付面状態ＰＬ１と取付面状態ＰＬ２の各状態を交互に繰り返す。取付面状態ＰＬ１と取付面状態ＰＬ２の各状態を交互に繰り返す限り、各排気管の変位は弾性変形領域内であり、図４（ａ）の取付面状態ＰＬ３までフランジ１３の反りが進行しない。したがって、本実施形態の排気マニホールド１０では、フランジ１３の両側において、フランジ１３とシリンダヘッド３０との間に介在するガスケット（図示せず）の面圧がほとんど低下せず、シール性が確保される。
【００２９】
以上説明したように、本実施形態の排気マニホールドでは、フランジの取付面が冷却時には略平坦形状であり、加熱時にはシリンダヘッドに対して凹面となるように形成したので、エンジンのシリンダヘッドとのシール性、および、マニホールド本体の熱耐久性を向上させることができる。
【００３０】
以上、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成及びシステムは本実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更や、他のシステムへの適応なども含まれる。例えば、本発明が適用される排気マニホールドは、図１に例示した形状のものに限定されないことは当業者にとって明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】実施形態の排気マニホールドがエンジンのシリンダヘッドに連結されている状態を示す図である。
【図２】実施形態の排気マニホールドのシリンダヘッド側のフランジの一構成例を示す図である。
【図３】排気マニホールドの熱環境を模擬した、排気マニホールドの試験用テストサイクルを示す図である。
【図４】図３に示す試験用テストサイクルにおける、実施形態の排気マニホールドの作用を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０…排気マニホールド
１２…マニホールド本体
１３，１５…フランジ
２１〜２４…排気管
３０…シリンダヘッド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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