JP2013144968A - 排気系部品の取付構造 - Google Patents
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Abstract
【課題】比較的強度の低い材料で形成されたシリンダーヘッドであっても、排気系部品の取付けのためのボルトの締め付けトルクを高くすることのできる排気系部品の取付構造を提供する。
【解決手段】シリンダーヘッド1に一体に設けられた排気集合部2に、シリンダーヘッド上下方向に貫通するボルト挿通孔7a,7bを形成する。そしてそのボルト挿通孔7a,7bを通じて挿入されたボルト4を、ターボチャージャー3に形成された雌ねじ穴8に締結することで、シリンダーヘッド1に対するターボチャージャー3の固定を行うようにした。
【選択図】図5
【解決手段】シリンダーヘッド1に一体に設けられた排気集合部2に、シリンダーヘッド上下方向に貫通するボルト挿通孔7a,7bを形成する。そしてそのボルト挿通孔7a,7bを通じて挿入されたボルト4を、ターボチャージャー3に形成された雌ねじ穴8に締結することで、シリンダーヘッド1に対するターボチャージャー3の固定を行うようにした。
【選択図】図5
Description
本発明は、ターボチャージャー等の排気系部品のシリンダーヘッドに対する取付構造に関する。
一般に、多気筒エンジンでは、そのシリンダーヘッドに各気筒の排気ポートがそれぞれ独立して設けられている。そして、各気筒の排気の合流は、シリンダーヘッドとは別体のエキゾースト・マニホールド(エキマニ)においてなされるようになっている。これに対して、特許文献1に見られるような、いわゆるエキマニ一体型のシリンダーヘッドが提案されている。
図6に示すように、同文献1に記載のエキマニ一体型のシリンダーヘッド50は、その図中右側の側面が略ドーム状に膨出されている。そして、その膨出した部分が、一般のエキマニ分離型のシリンダーヘッドにおけるエキゾースト・マニホールドに対応する排気集合部51となっている。こうしたエキマニ一体型のシリンダーヘッド50の内部には、集合排気ポート52が形成されており、排気集合部51の内部にて各気筒の排気が合流されている。こうしたエキマニ一体型のシリンダーヘッド50では、ウォータージャケットを集合排気ポート52の周囲に形成することで、排気の冷却効率を高めることができる。
なお、集合排気ポート52の排気出口53は、シリンダーヘッド50の側方に開口されている。そして、その排気出口53には、排気管54が取付けられている。排気出口53への排気管54の取付けは、排気出口53の周囲に形成された雌ねじ穴55にボルト56を締結することで行われる。
ところで近年、車載エンジンでは、軽量化のため、アルミ製のシリンダーヘッドを採用することが主流となっている。鋳鉄製のシリンダーヘッドに比べ、材料の強度の低いアルミ製のシリンダーヘッドでは、排気管54の取付部分のシール性を確保するためにボルト56の締め付けトルクを増加させると、シリンダーヘッド50に切られた雌ねじが破断してしまう。そのため、排気の圧力が高くなるターボチャージャー付きのエンジンなどでは、シリンダーヘッドに対する排気系部品の取付部分のシール性を確保することが困難となっている。
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、比較的強度の低い材料で形成されたシリンダーヘッドであっても、排気系部品の取付けのためのボルトの締め付けトルクを高くすることのできる排気系部品の取付構造を提供することにある。
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明は、シリンダーヘッドに対する排気系部品の取付構造であって、シリンダーヘッドを貫通するボルト挿通孔を備えるとともに、そのボルト挿通孔を通じて挿入されたボルトを前記排気系部品に形成された雌ねじ穴に締結することで、同排気系部品を前記シリンダーヘッドに固定している。
上記構成では、シリンダーヘッドに排気系部品を取付けるためのボルトを締結する雌ねじ穴が排気系部品に形成されている。そのため、排気系部品の材料の強度さえ確保されていれば、シリンダーヘッドが余り強度の高くない材料で形成されていても、雌ねじの破断を招くことなく、ボルトの締め付けトルクを高くすることが可能となる。したがって、上記構成によれば、比較的強度の低い材料で形成されたシリンダーヘッドであっても、排気系部品の取付けのためのボルトの締め付けトルクを高くすることができる。
なお、請求項2によるように、シリンダーヘッドの下面と平行とならない方向にボルト挿通孔を延伸するようにすれば、シリンダーヘッドの外部からボルトをボルト挿通孔に挿入することが可能となる。そのため、ボルトの締結を容易に行うことができる。
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の排気系部品の取付構造において、シリンダーヘッドには、各気筒の排気を合流させる排気集合部が一体に形成され、その排気集合部の排気出口に、排気系部品としてのターボチャージャーが取付られるようになっている。
こうした構成では、気筒からターボチャージャーまでの距離が短いことから、ターボチャージャーの取付部分の排気圧や排気温が非常に高くなり、シール性の確保が困難となる。そうした場合にも、上記のような取付構造を採用すれば、ボルトの締め付けトルクを高くすることができるため、十分なシール性を確保することができる。
なお、こうした場合、請求項4によるように、そうした排気集合部の排気出口をシリンダーヘッドの下方に開口するようにすれば、排気集合部の上方からボルトの締結を行うことが可能となり、上記取付構造を比較的容易に実現することができる。
更に請求項5によるように、ボルト挿通孔を、排気集合部の各気筒の排気通路の間の部分、すなわち集合排気ポートの股部に形成するようにすることもできる。この場合には、高温となり、大きい熱応力が発生する集合排気ポートの股部に、ボルトの組付応力が作用するようになる。そのため、圧縮方向に作用する組付応力で引張方向に作用する熱応力を相殺して、集合排気ポートの股部の熱歪みを緩和することができる。
以下、本発明の排気系部品の取付構造を具体化した一実施の形態を詳細に説明する。なお、本実施の形態の排気系部品の取付構造は、直列4気筒の気筒配列を有するガソリン・ターボ・エンジンのシリンダーヘッドに対するターボチャージャーの取付けに適用されるものとなっている。
なお、本実施の形態の適用されるシリンダーヘッドは、各気筒の排気を集合させる排気集合部が一体に形成されたエキマニ一体型のシリンダーヘッドとして構成されており、ターボチャージャーがシリンダーヘッドに直接取付けられるようになっている。
まず、図1〜図5を参照して、本実施の形態の排気系部品の取付構造の構成を説明する。
図1に示すように、シリンダーヘッド1の図中右側部には、略ドーム状に膨出した排気集合部2が一体に形成されている。そしてこの排気集合部2にターボチャージャー3が、4本のボルト4により取付けられている。図2に示すように、ターボチャージャー3は、排気集合部2のシリンダーヘッド下面1aに取付けられている。なお、排気集合部2が一体に設けられたシリンダーヘッド1は、アルミニウム合金により形成されている。一方、ターボチャージャー3の筐体(ハウジング)は、アルミニウム合金に比して強度の高い、鋳鉄や鋳鋼などの鉄系の材料により形成されている。
図1に示すように、シリンダーヘッド1の図中右側部には、略ドーム状に膨出した排気集合部2が一体に形成されている。そしてこの排気集合部2にターボチャージャー3が、4本のボルト4により取付けられている。図2に示すように、ターボチャージャー3は、排気集合部2のシリンダーヘッド下面1aに取付けられている。なお、排気集合部2が一体に設けられたシリンダーヘッド1は、アルミニウム合金により形成されている。一方、ターボチャージャー3の筐体(ハウジング)は、アルミニウム合金に比して強度の高い、鋳鉄や鋳鋼などの鉄系の材料により形成されている。
図3に示すように、シリンダーヘッド1の内部には、各気筒の排気を合流させる集合排気ポート5が形成されている。集合排気ポート5は、各気筒からそれぞれ延出された後、排気集合部2の内部において合流されるように形成されている。図4に示すように、排気集合部2のシリンダーヘッド下方には、集合排気ポート5を通じて合流された各気筒の排気の出口となる排気出口6が開口されている。そして、こうした排気出口6にターボチャージャー3が連結されている。
図5に示すように、排気集合部2の排気出口6の周りには、上記4本のボルト4がそれぞれ挿入される4つのボルト挿通孔7a,7bが形成されている。これらのボルト挿通孔7a,7bは、シリンダーヘッド1の上下方向、すなわちシリンダーヘッド下面1aに垂直な方向に延伸されている。
一方、ターボチャージャー3のシリンダーヘッド1への取付部には、フランジ3aが設けられている。フランジ3aには、内周に雌ねじの切られた4つの雌ねじ穴8が、上記の各ボルト挿通孔7a,7bにそれぞれ対応して形成されている。そして、各ボルト挿通孔7a,7bを通じて挿入された各ボルト4を、各雌ねじ穴8にそれぞれ締結することで、ターボチャージャー3がシリンダーヘッド1に取付けられている。
なお、図3に示すように、4つのボルト挿通孔7a,7bのうちの2つ(ボルト挿通孔7b)は、排気集合部2における各気筒の排気通路の間の部分、すなわち集合排気ポート5の股部に形成されている。
次に、こうした本実施の形態の作用を説明する。
本実施の形態では、ボルト4を締結する雌ねじが、シリンダーヘッド1ではなく、より高強度の材料で形成されたターボチャージャー3に設けられている。そのため、ボルト4の締め付けトルクを高くしても、雌ねじの破断は生じ難いようになっている。
本実施の形態では、ボルト4を締結する雌ねじが、シリンダーヘッド1ではなく、より高強度の材料で形成されたターボチャージャー3に設けられている。そのため、ボルト4の締め付けトルクを高くしても、雌ねじの破断は生じ難いようになっている。
また、本実施の形態では、排気集合部2のシリンダーヘッド下方に開口された排気出口6にターボチャージャー3が取付けられている。そして、シリンダーヘッド1の上下方向に延伸されたボルト挿通孔7a,7bに、シリンダーヘッド1の上方からボルト4を挿入して、その締結が行われるようになっている。そのため、ボルト4の締結に際して、シリンダーヘッド1が邪魔にならないようになっている。
更に、本実施の形態では、ボルト挿通孔7bに通されたボルト4の締結によって、排気集合部2の排気集合部2における各気筒の排気通路の間の部分、すなわち集合排気ポート5の股部に、圧縮方向の組み付けトルクが発生される。エンジンの運転中、集合排気ポート5の股部は、高温となって、大きい引張方向の熱応力が発生する。ただし、本実施の形態では、そうした熱応力は、上記の組み付けトルクによって相殺されるため、集合排気ポート5の股部の熱歪みが緩和されるようになる。
以上説明した本実施の形態の排気系部品の取付構造によれば、以下の効果を奏することができる。
(1)本実施の形態では、シリンダーヘッド1の排気集合部2を貫通するボルト挿通孔7a,7bを通じて挿入されたボルト4を、ターボチャージャー3に形成された雌ねじ穴8に締結することで、ターボチャージャー3をシリンダーヘッド1に固定している。そのため、ボルト4と締結される雌ねじが、より高強度の材料で形成されたターボチャージャー3に切られることになり、ボルト4の締め付けトルクを高くしても、雌ねじの破断が生じ難い。したがって、比較的強度の低いアルミニウム合金で形成されたシリンダーヘッド1であっても、ターボチャージャー3の取付けのためのボルト4の締め付けトルクを高くすることができる。そしてその結果、排気圧が高くなるガソリン・ターボ・エンジンでも、ターボチャージャー3の取付部分の十分なシール性を容易に確保することができるようになる。
(1)本実施の形態では、シリンダーヘッド1の排気集合部2を貫通するボルト挿通孔7a,7bを通じて挿入されたボルト4を、ターボチャージャー3に形成された雌ねじ穴8に締結することで、ターボチャージャー3をシリンダーヘッド1に固定している。そのため、ボルト4と締結される雌ねじが、より高強度の材料で形成されたターボチャージャー3に切られることになり、ボルト4の締め付けトルクを高くしても、雌ねじの破断が生じ難い。したがって、比較的強度の低いアルミニウム合金で形成されたシリンダーヘッド1であっても、ターボチャージャー3の取付けのためのボルト4の締め付けトルクを高くすることができる。そしてその結果、排気圧が高くなるガソリン・ターボ・エンジンでも、ターボチャージャー3の取付部分の十分なシール性を容易に確保することができるようになる。
(2)本実施の形態では、ボルト挿通孔7a,7bの延伸方向が、シリンダーヘッド下面1aと平行とならない方向、より詳しくはシリンダーヘッド1の上下方向とされている。そのため、シリンダーヘッド1の上方からボルト4を挿入してその締結を行うことができるようになる。したがって、シリンダーヘッド1が邪魔とならず、容易にボルト4の締結を行うことができる。
(3)本実施の形態では、シリンダーヘッド1の排気集合部2をシリンダーヘッド上下方向に貫通するボルト挿通孔7a,7bを通して雌ねじ穴8へのボルト4の締結が行われている。そのため、ボルト4の雌ねじ穴8との締結部分とヘッドとの間の長さが大となり、締結後のボルト4に、圧縮方向の大きい弾性力が発生するようになる。したがって、ボルト4の緩みが抑制されるようになる。
(4)本実施の形態では、ボルト挿通孔7bを、排気集合部2の各気筒の排気通路の間の部分、すなわち集合排気ポート5の股部に形成している。そのため、ボルト4の組付応力により、高温となる集合排気ポート5の股部の熱歪みを緩和することができる。
(5)シリンダーヘッド1に排気集合部2を一体に設け、エキゾースト・マニホールドを廃止したため、部品点数の削減、重量の軽減、製造コストの低減、ガスケットの廃止が可能になる。また、排気系がコンパクトな構成となるため、濡れ面積が低減されて、排気浄化触媒の暖機性が向上する。
(6)ターボチャージャー3を排気集合部2の下側に取付ける構造としているため、ターボチャージャー3が側方に突き出さない分、エンジンの横幅を小さくすることができる。
なお、上記実施の形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・上記実施の形態では、複数設けられたボルト挿通孔7a,7bの一部を、排気集合部2の各気筒の排気通路の間の部分に形成するようにしていたが、可能であれば、その全てをそうした部分に形成するようにしても良い。また、排気集合部2の構造上、そうした部分へのボルト挿通孔の形成が困難な場合などには、全てのボルト挿通孔がそうした部分に形成されていない構成とするようにしても良い。そうした場合にも、上記(1)〜(3)の効果を奏することはできる。
・上記実施の形態では、複数設けられたボルト挿通孔7a,7bの一部を、排気集合部2の各気筒の排気通路の間の部分に形成するようにしていたが、可能であれば、その全てをそうした部分に形成するようにしても良い。また、排気集合部2の構造上、そうした部分へのボルト挿通孔の形成が困難な場合などには、全てのボルト挿通孔がそうした部分に形成されていない構成とするようにしても良い。そうした場合にも、上記(1)〜(3)の効果を奏することはできる。
・上記実施の形態では、4本のボルト4でターボチャージャー3の取付けを行うようにしていたが、ボルト4の数は適宜に変更しても良い。
・上記実施の形態では、ターボチャージャー3が取付けられる排気出口6を、排気集合部2のシリンダーヘッド下方に開口していたが、ターボチャージャー3の設置スペース等によりそうした配置が困難な場合などには、排気出口6の開口の向きを適宜変更しても良い。
・上記実施の形態では、ターボチャージャー3が取付けられる排気出口6を、排気集合部2のシリンダーヘッド下方に開口していたが、ターボチャージャー3の設置スペース等によりそうした配置が困難な場合などには、排気出口6の開口の向きを適宜変更しても良い。
・上記実施の形態では、ボルト挿通孔7a,7bの延伸方向(中心軸の方向)がシリンダーヘッド1の上下方向(シリンダーヘッド下面1aに垂直な方向)とされていた。ターボチャージャー3の取付けの向き等により、そうした方向へのボルト挿通孔7a,7bの延伸が困難な場合などには、ボルト挿通孔7a,7bをシリンダーヘッド1の上下方向に対して斜めに延伸するようにしても良い。
・上記実施の形態では、シリンダーヘッド1の排気集合部2にボルト挿通孔7a,7bを形成していた。尤も、ターボチャージャー3の取付位置やその取付けの向きにより、排気集合部2へのボルト挿通孔7a,7bの形成が困難な場合には、シリンダーヘッド1のそれ以外の部位にボルト挿通孔7a,7bを設けるようにしても良い。
・上記実施の形態では、シリンダーヘッド1をアルミニウム合金製とし、ターボチャージャー3の筐体を鉄系の材料製としていたが、これらの一方、又は双方をそれ以外の材料で形成するようにしても良い。そうした場合であれ、ターボチャージャー3の筐体が、シリンダーヘッド1の材料より強度の高い材料で形成されているのであれば、ボルト4の締め付けトルクを高くすることが可能である。
・上記実施の形態では、直列4気筒の気筒配列を有するガソリン・ターボ・エンジンのシリンダーヘッド1に対するターボチャージャー3の取付けに係る構造について説明した。同様の取付構造は、それ以外の気筒配列、それ以外の燃料を使用するエンジンにおけるシリンダーヘッドへのターボチャージャーの取付けにも適用可能である。
・上記実施の形態では、シリンダーヘッド1に対するターボチャージャー3の取付けに係る構造について説明した。尤も、本発明の排気系部品の取付構造は、例えばエキゾースト・マニホールドなどのターボチャージャー3以外の排気系部品のシリンダーヘッド1に対する取付けにも、上記実施の形態と同様、あるいはそれに順じた態様で適用することができる。なお、当然ながら、エキゾースト・マニホールドの取付けに本発明の取付構造を適用する場合には、エキマニ分離型のシリンダーヘッドが採用されることになる。
1…シリンダーヘッド、1a…シリンダーヘッド下面、2…排気集合部、3…ターボチャージャー(排気系部品)、3a…フランジ、4…ボルト、5…集合排気ポート、6…排気出口、7a…ボルト挿通孔、7b…ボルト挿通孔、8…雌ねじ穴、50…シリンダーヘッド、51…排気集合部、52…集合排気ポート、53…排気出口、54…排気管、55…雌ねじ穴、56…ボルト。
Claims (5)
- シリンダーヘッドに対する排気系部品の取付構造であって、
前記シリンダーヘッドを貫通するボルト挿通孔を備えるとともに、そのボルト挿通孔を通じて挿入されたボルトを前記排気系部品に形成された雌ねじ穴に締結することで、同排気系部品が前記シリンダーヘッドに固定されてなる
ことを特徴とする排気系部品の取付構造。 - 前記ボルト挿通孔は、前記シリンダーヘッドの下面と平行とならない方向に延伸されてなる
請求項1に記載の排気系部品の取付構造。 - 前記シリンダーヘッドには、各気筒の排気を合流させる排気集合部が一体に形成され、その排気集合部の排気出口に、前記排気系部品としてのターボチャージャーが取付られてなる
請求項1又は2に記載の排気系部品の取付構造。 - 前記排気出口は、当該シリンダーヘッドの下方に開口されてなる
請求項3に記載の排気系部品の取付構造。 - 前記ボルト挿通孔は、前記排気集合部における各気筒の排気通路の間の部分に形成されてなる
請求項3又は4に記載の排気系部品の取付構造。
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