JP3725108B2 - エンジンの排気系における継手構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として車両用エンジンの排気ポートに接続されるエキゾーストマニホールドと、排気管とを相対揺動可能に接続する、エンジンの排気系における継手構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来自動車用エンジンの排気系は、そのエンジンの排気管ポートに接続されるエキゾーストマニホールドと、その下流側の排気管とが、球面継手を介して接続され、エキゾーストマニホールドと排気管との相対揺動を可能とすると共に排気系を流れる排気脈動に起因する振動を、前記球面継手により減衰するようにしたものが知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献】
特許第２８４７２２３号公報
【０００４】
また、図９に示すように、エンジンの排気系における継手構造において、前記球面継手の球面ガスケットを、その径方向に、密度の均一な金属メッシュ層と、黒鉛層とを交互に層畳して構成し、排気系を流れる排気の排気脈動に起因して発生するエキゾーストマニホールドの高周波振動の下流側排気管への伝達を低減すると共に球面継手のシール性を高めるようにしたものも既に知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記球面ガスケットの金属メッシュ層は、その密度を高くすると、前記高周波振動による排気系の表面振動の減衰効果を高めることができるが、その反面黒鉛層による球面ガスケットのシール性が悪くなり、また逆に金属メッシュ層の密度を低くすると、黒鉛層によるシール効果を高めることができるが、その反面金属メッシュによる前記高周波振動による排気管系の表面振動が低下するという問題がある。
【０００６】
本発明はかかる実情に鑑みてなされたものであり、エンジンの排気系における継手構造において、球面ガスケットの金属メッシュ層による排気系の表面振動の減衰効果を高めると共に球面ガスケットの黒鉛層によるシール効果をも高めることができるようにした、新規なエンジンの排気系における継手構造を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本請求項１記載の発明は、エンジンの排気ポートに接続されるエキゾーストマニホールドの下流側と、排気管の上流側とを、球面継手を介して相対揺動可能に接続してなる、エンジンの排気系における継手構造において、
前記球面継手は、エキゾーストマニホールド側の継手半体と、排気管側の継手半体間に介在される球面ガスケットを備え、その球面ガスケットは、その中心部に排気の通る開口を、その外周面に前記継手半体の一方と球面接触する球面部を有して短円筒状に形成されていて、その径方向に金属メッシュ層と、黒鉛層とが、その黒鉛層を球面部側にして層畳され、径方向内側の金属メッシュ層の密度を、その径方向外側の金属メッシュ層の密度よりも高くしたことを特徴としており、かかる特徴によれば、球面継手の球面ガスケットは、主として密度の高い径方向内側の金属メッシュ層によりエキゾーストマニホールドからその下流側への高周波振動の伝達を可及的に低減することができ、しかも、密度の低い径方向外側の金属メッシュ層により球面ガスケットの球面部に露出する金属メッシュ層の表面面積を減少させることができるため、黒鉛層の膨張作用によるシール機能をも高めることができるばかりでなく、球面ガスケットと継手半体の座面間の摩擦抵抗も減少するので、エキゾーストマニホールドと排気管間の曲げ方向の振動吸収効果も向上させることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。
【０００９】
本実施例は、本発明を多気筒エンジンを備えた自動車に実施した場合であり、図１は、本発明継手構造を備えた、エンジンの排気系の側面図、図２は、図１の２矢視仮想線囲い部分の拡大図、図３は、図２の３−３線に沿う拡大断面図、図４は、図３の４−４線に沿う断面図、図５は、球面ガスケットの斜視図、図６は、図５の６−６線に沿う部分拡大断面図、図７は、球面ガスケットの型成形前の状態を示す斜視図、図８は、本発明継手構造を備えた排気系と、従来の排気系との周波数と音圧との関係を示すグラフである。
【００１０】
図１，２において、自動車の車体の一部を構成するサブフレーム１上には、前後のエンジンマウント２，３を介して、その自動車の走行用の多気筒エンジンＥが横置き（そのクランク軸４が、自動車の前後方向と直交する方向）に搭載されている。このエンジンＥは、四サイクルの直列式であって、複数のシリンダが並列されたシリンダブロック５と、その上に結合されるシリンダヘッド６と、そのシリンダヘッド６の上面を被覆するヘッドカバー７と、シリンダブロック５のクランクケース部の下面に結合されるオイルパン８とを備えている。
【００１１】
図１に示すように、エンジンＥは、その重心Ｇを通ってクランク軸４と平行な振動回転軸すなわちローリング軸Ｌ−Ｌを有し、車両Ｖの走行時には、そのローリング軸Ｌ−Ｌをローリングセンタとして前後にローリング変位する。
【００１２】
エンジンＥの前側（図１の左側）には、複数の吸気ポート１１が並列して開口され、これらの吸気ポート１１に、吸気系Ｉｎが接続され、また、エンジンＥの後側（図１の右側）には、複数の排気ポート１２が並列して開口され、これらの排気ポート１２に本発明に従う継手構造を備えた排気系Ｅｘが接続される。
【００１３】
前記排気系Ｅｘは、前記排気ポート１２に上流端が一体に接続されるエキゾーストマニホールド１４と、その下流端に接続される排気管１５とを備えている。排気管１５は、上流側の第１の排気管部１６と、下流側の第２の排気管部１７とを備えており、エキゾーストマニホールド１４と第１の排気管部１６との間に、本発明に係る球面継手１８が介在され、また、第１の排気管部１６と第２の排気管部１７との間には、フレキシブルチューブ１９が介在され、さらに、第２の排気管部１７の途中には、触媒コンバータ２０が介在され、さらに、この触媒コンバータ２０の下流側には、図示しない消音器が接続されている。
【００１４】
ところで、この排気系Ｅｘは、前記球面継手１８とフレキシブルチューブ１９とが併設され、自動車の走行、特にその急発進、急加速、急減速などの走行により、エンジンＥが大きくローリング振動すなわちローリング変位した際に、この変位を効果的に吸収して、エンジンＥのローリング変位に起因する車両振動を可及的に低減することができるように構成されている。
【００１５】
以下に、前記排気系Ｅｘの構成をさらに詳しく説明するに、図２，３に明瞭に示すように、エキゾーストマニホールド１４の、複数の分配管１４ａは、それらの上流端がエンジンＥの各排気ポート１２にそれぞれ接続されてエルボ状に湾曲され、下流側に向かって漸次集合しつつ、前記エンジンＥの後面に隣接して下向きに延びており、それらの下流側端部が下向きに開口して、その下流側端部は、一つの排気集合部１４ｂに一体に接続されている。そして、この排気集合部１４ｂは、図１，２に示すように、エンジンＥの後面に近いところで、前記球面継手１８を介して前記第１の排気管部１６の上流端に接続される。
【００１６】
図２〜６に示すように、前記球面継手１８は、一方の継手半体を構成する第１の接続フランジ２２と、他方の継手半体を構成する第２の接続フランジ２３と、それら両フランジ２２，２３間に気密に挟持される球面ガスケット２４とを備えており、この球面ガスケット２４は、後に詳細に述べるように、黒鉛層（この実施例では膨張黒鉛層）３７と、金属メッシュ層（この実施例ではステンレスメッシュ層）３５とを層畳して、上、下端面２４ａ，２４ｄの平坦な短円筒状に形成されて、その中央部に排気流通用の開口２４ａを有すると共にその周面に、前記エキゾーストマニホールド１４の中心線上に存する中心点Ｃ（図３参照）を中心とする球面よりなる球面部２４ｂを有している。そして、この球面ガスケット２４は、その平坦な上端面２４ｃが、前記第１の接続フランジ２２に接触され、また前記球面部２４ｂは、第２の接続フランジ２３に形成した球面状の座面２３ａに摺動自在に接触される。第１、第２接続フランジ２２，２３の外周部は複数のボルト・ナット２５により圧縮コイルバネ２６を介して弾発的に連結されている。
【００１７】
図３に明瞭に示すように、前記球面継手１８の一方（図２，３の上側）の継手半体を構成する、第１接続フランジ２２の中央部には、前記エキゾーストマニホールド１４の下流端の排気集合部１４ｂが一体に連通接続され、また、前記球面継手１８の他方（図３の下側）の継手半体を構成する、第２接続フランジ２３の中央部には、第１の排気管部１６の、上向きに開口する上流端が一体に連通接続されている。したがって、エキゾーストマニホールド１４を流れる排気は、球面継手１８を通って第１の排気管部１６に流れる。
【００１８】
図２に示すように、前記球面継手１８の、エキゾーストマニホールド１４に接続される側の、一方の継手半体、すなわち第１接続フランジ２２には、複数のボルト・ナット２８により、ステー２９が固定されている。このステー２９は、エンジンＥの後面に向かって前方に延びており、その先端の屈曲取付部が、エンジンＥのシリンダブロック５の後面に複数の連結ボルト３０をもって固定されている。したがって、エンジンＥが、ローリング軸Ｌ−Ｌ回りにローリング変位するときには、この一方の継手半体２２に対して球面ガスケット２４を介して他方の継手半体２３が回転変位する。
【００１９】
前述のように、上流端が前記球面継手１８に接続される第１の排気管部１６は、図１に示すように、エンジンＥ側に向かって凸に湾曲する湾曲部を有して、その上流側半部１６ａがエンジンＥに対して下向きに延び、また、その下流側半部１６ｂがエンジンＥに対して後方に延びており、側面視でエルボ状に形成されている。そして、第１の排気管部１６の、後方に向けて開放される下流端には、前記フレキシブルチューブ１９の前端が連通接続されている。このフレキシブルチューブ１９は、前後方向に延長されており、前後方向に伸縮可能であって、エンジンＥのローリング変位のうち、主として前後方向の成分を吸収する。
【００２０】
なお、前記フレキシブルチューブ１９は、従来公知のものが採用されるので、その詳細な説明を省略する。
【００２１】
前記フレキシブルチューブ１９の下流端は、排気管１５の、前記第２の排気管部１７の上流端に一体に結合され、第１の排気管部１６と、第２の排気管部１７とは、前記フレキシブルチューブ１９を介して連通される。
【００２２】
第２の排気管部１７は、自動車の前後方向に略水平に延長されており、その途中には、触媒コンバータ２０が接続され、さらに、第２の排気管部１７の下流端には、図示しない消音器を介して大気に開口するテールパイプが連通接続される。
【００２３】
図１に示すように、第２の排気管部１７は、弾性支持手段Ｓを介して車体のサブフレーム１に支持されており、排気系Ｅｘに作用する振動は、前記弾性支持手段Ｓによっても減衰されて、車体への伝達が軽減される。
【００２４】
つぎに、図４〜７を参照して球面継手の、本発明にかかる球面ガスケット２４の構造について説明する。
【００２５】
この球面ガスケット２４は、金属メッシュ層としてのステンレスメッシュ層３５と、黒鉛層としての膨張黒鉛層３７とを、その径方向に交互に層畳し、その外表面に表面層３９を積層して形成される多重積層体Ｌ（図７参照）を、金型に投入することにより、前述の形状に圧縮成形されるものであり、特に、この実施例では、内、外側の膨張黒鉛層３７ｉ，３７ｏ間に介装されるステンレスメッシュ層３５は、球面ガスケット２４の径方向内側の密度が、その外側の密度よりも高くしてあるところに特徴がある。
【００２６】
図７に示すように、多重積層体Ｌの内周面には、内側膨張黒鉛層３７ｉを構成する、帯状の内側膨張黒鉛シートが一回りに巻かれており、その両自由端縁同志は相互に重ね合わされる。
【００２７】
内側膨張黒鉛層３７ｉの外周面には、ステンレス線条をメリヤス編みして帯状に形成されるステンレスメッシュシートを渦巻状に二回りに巻いて構成されるステンレスメッシュ層３５が層畳される。このステンレスメッシュ層３５は、多重積層体Ｌ、すなわち球面ガスケット２４の径方向の内側の密度が、その外側の密度よりも高くしてあり、その密度を変える手段として、たとえば、帯状のステンレスメッシュシート自体の長手方向のメッシュの密度を変え、あるいは、帯状のステンレスメッシュシート自体の厚みを長手方向に変えるなどの技術手段が採用される。
【００２８】
ステンレスメッシュ層３５の外周面には、帯状の外側膨張黒鉛シート（厚さ約０．５ｍｍ）を渦巻状に二回りに巻いて構成される外側膨張黒鉛層３７ｏが層畳され、さらにその外周面に、帯状の表面層３９を構成する表面シートが、その潤滑剤コート面を外側にして一回りに巻かれ、この表面シートの自由端縁同志は相互に重ね合わされる。この表面層３９は、窒化ボロンなど硬度の高い材料により構成される。
【００２９】
以上のように、内側膨張黒鉛層３７ｉ、ステンレスメッシュ層３５、外側膨張黒鉛層３７ｏおよび表面層３９を、径方向の内側から外側に向けて順次に層畳させてなる、多相積層体Ｌを成形金型に投入し、この成形金型により、これを熱間あるいは冷間にて圧縮成形することにより、前述した構成を有する球面ガスケット２４が成形される。
【００３０】
なお、前記成形金型およびその成形方法は、従来公知の技術手段が採用されるので、その説明を省略する。
【００３１】
ところで、前述のように、球面ガスケット２４は、ステンレスメッシュ層３５と、内、外側の膨張黒鉛層３７ｉ，３７ｏとを層畳させて構成してあることにより、そのうちのステンレスメッシュ層３５は、そのステンレス繊維同志が摩擦接触することにより、該球面ガスケット２４に加わる振動を減衰する作用を有し、エキゾーストマニホールド１４から排気管１５に伝わる高周波の振動を低減する機能を備え、一方前記内、外側の膨張黒鉛層３７ｉ，３７ｏは、エンジンＥの運転停止時のように、その低温時には、圧縮コイルバネ２６の弾発力をうけて収縮しているが、エンジンＥの運転時のように、加熱されて高温になると膨張して内、外側の膨張黒鉛層３７ｉ，３７ｏが、継手半体２２，２３に気密に圧接し、特に外側の膨張黒鉛層３７ｏが、継手半体２３の座面２３ａに表面層３９を介して気密に圧接して、球面ガスケット２４のシール性を高める機能を有し、その結果、球面ガスケット２４は、高周波振動の減衰機能と、シール機能とを兼備するので、エンジンＥの運転による排気脈動から生じるエキゾーストマニホールド１４の高周波振動（表面振動）の排気管１５への伝達を低減し、さらに球面継手１９のシール性を高め、そこからの排気管の外部への漏洩を防止する。
【００３２】
ところで、いま仮に前記高周波振動の減衰機能を一層高めるべく、ステンレスメッシュ層３５の密度を高めると、球面ガスケット２４の球面部２４ｂに露出するステンレスメッシュの表面面積が増大するため、その減衰機能が高まる反面、膨張黒鉛層３７の膨張作用によるシール機能が低下するばかりでなく、球面ガスケット２４と継手半体２３の座面２３ａ間の摩擦抵抗の増大により、エキゾーストマニホールド１４と排気管１５間の曲げ方向の振動吸収効果も低減してしまうという不都合が生じる。
【００３３】
そこで、この実施例は、かかる不都合を解消するため、球面ガスケット２４のステンレスメッシュ層３５の径方向内側の密度を、その外側の密度よりも高くすることを特徴としており、その密度は、径方向の内側から外側に向けて連続的に高くしても良く、また段階的に高くしてもよい。
【００３４】
ところで、この実施例によれば、ステンレスメッシュ層３５は、密度の高い径方向内側により前記高周波振動の減衰機能を高めつつ、密度の低い径方向外側により球面ガスケット２４の球面部２４ｂに露出するステンレスメッシュの表面面積を減少させることができるため、全体として、ステンレスメッシュ層３５による高周波振動の減衰機能を高めながら内、外側の膨張黒鉛層３７ｉ，３７ｏの膨張作用によるシール機能をも高めることができるばかりでなく、球面ガスケット２４と継手半体２３の座面２３ａ間の摩擦抵抗も減少するので、エキゾーストマニホールド１４と排気管１５間の曲げ方向の振動吸収効果も向上させることができる。
【００３５】
図８には、図９に示す従来の球面ガスケット（ステンレスメッシュ層の密度が径方向に均一）を有する球面継手と、この実施例の球面ガスケット２４を有する球面継手１８を使用した場合における、球面継手の下流側のフレキシブルチューブ１９に作用する周波数（Ｈｚ）と、そこから発生する放射音の音圧（ｄＢ）との関係を示した実験結果によるグラフが示されており、実線がこの実施例、点線が従来の場合を示している。このグラフによれば、エンジンＥを４０００ｒｐｍで運転したとき、この実施例のものは、フレキシブルチューブ１９に作用する周波数が３０００〜８０００Ｈｚで、該フレキシブルチューブ１９の放射音の音圧のピーク値が従来のものより低下しており、この周波数領域での放射音の低減効果に有効であることがわかる。
【００３６】
次に、この実施例の作用について説明する。
【００３７】
いま、エンジンＥの運転によれば、その排気ポート１２より排出される排気は、エキゾーストマニホールド１４、球面継手１８、第１の排気管部１６、フレキシブルチューブ１９、第２の排気管部１７の上流部、触媒コンバータ２０、第２の排気管部１７の下流部および図示しない消音器を通り、その間に、ＨＣ、ＣＯなどの有害成分が浄化され、さらに消音器により排気音が消音されて大気に放出される。
【００３８】
また、排気が排気ポート１２からエキゾーストマニホールド１４に流れる過程において、その排気脈動が、エンジンＥからエキゾーストマニホールド１４に伝達され、排気の速度エネルギと、その圧力とがエキゾーストマニホールド１４の内表面を加振することにより、該エキゾーストマニホールドに、高周波振動（１０００〜８０００Ｈｚ）による表面振動を発生させ、この表面振動が、排気系の軸方向だけでなく全方位振動となって、球面継手１８、第１の排気管部１６、フレキシブルチューブ１９、下流側排気管１７、触媒コンバータ２０など、エキゾーストマニホールド１４の下流側へと伝達されて、たとえばフレキシブルチューブ１９や触媒コンバータ２０の外表面から放射音が発生するが、この実施例の球面継手１８の球面ガスケット２４は、主として密度の高い径方向内側のステンレスメッシュ層３５によりエキゾーストマニホールド１４からその下流側への高周波振動の伝達を可及的に低減することができ、しかも、密度の低い径方向外側のステンレスメッシュ層３５により球面ガスケット２４の球面部２４ｂに露出するステンレスメッシュの表面面積を減少させることができるため、膨張黒鉛層３７の膨張作用によるシール機能をも高めることができるばかりでなく、球面ガスケット２４の球面部２４ａと継手半体２３の座面２３ａ間の摩擦抵抗も減少するので、エキゾーストマニホールド１４と排気管１５間の曲げ方向の振動吸収効果も向上させることができる。
【００３９】
以上、本発明の１実施例について説明したが、本発明はその実施例に限定されることなく、本発明の範囲内で種々の実施例が可能である。
【００４０】
たとえば、前記実施例では、本発明にかかるエンジンの排気系における継手構造を多気筒四サイクルエンジンに実施した場合を説明したが、これを他の型式のエンジンにも実施できることは勿論である。また、前記実施例では、球面ガスケットの金属メッシュとしてステンレスメッシュを、また黒鉛として膨張黒鉛を使用した場合を説明したが、ステンレスメッシュ、膨張黒鉛に代えて他の同効の金属メッシュ、黒鉛を使用してもよい。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、エンジンの排気系における継手構造において、球面継手の球面ガスケットは、主として密度の高い径方向内側の金属メッシュ層によりエキゾーストマニホールドからその下流側への高周波振動の伝達を可及的に低減することができ、しかも、密度の低い径方向外側の金属メッシュ層により球面ガスケットの球面部に露出する金属メッシュの表面面積を減少させることができるため、黒鉛層の膨張作用によるシール機能をも高めることができるばかりでなく、球面ガスケットと継手半体の座面間の摩擦抵抗も減少するので、エキゾーストマニホールドと排気管間の曲げ方向の振動吸収効果も向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明継手構造を備えた、エンジンの排気系の側面図
【図２】図１の２矢視仮想線囲い部分の拡大図
【図３】図２の３−３線に沿う拡大断面図
【図４】図３の４−４線に沿う断面図
【図５】球面ガスケットの斜視図
【図６】図５の６−６線に沿う部分拡大断面図
【図７】球面ガスケットの型成形前の状態を示す斜視図
【図８】本発明継手構造を備えた排気系と、従来の排気系との周波数と音圧との関係を示すグラフ
【図９】（Ａ）は、従来の球面ガスケットの斜視図、（Ｂ）は、（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う拡大断面図
【符号の説明】
１４・・・・・・・・・エキゾーストマニホールド
１５・・・・・・・・・排気管
１８・・・・・・・・・球面継手
２２・・・・・・・・・継手半体（一方）
２３・・・・・・・・・継手半体（他方）
２４・・・・・・・・・球面ガスケット
２４ａ・・・・・・・・開口（球面ガスケット）
２４ｂ・・・・・・・・球面部（球面ガスケット）
３５・・・・・・・・・金属メッシュ層（ステンレスメッシュ層）
３７ｏ・・・・・・・・黒鉛層（外側膨張黒鉛層）
Ｅ・・・・・・・・・・エンジン

Claims (1)

1. エンジン（Ｅ）の排気ポート（１２）に接続されるエキゾーストマニホールド（１４）の下流側と、排気管（１５）の上流側とを、球面継手（１８）を介して相対揺動可能に接続してなる、エンジンの排気系における継手構造において、
   前記球面継手（１８）は、エキゾーストマニホールド（１４）側の継手半体（２２）と、排気管（１５）側の継手半体（２３）間に介在される球面ガスケット（２４）を備え、その球面ガスケット（２４）は、その中心部に排気の通る開口（２４ａ）を、その外周面に前記継手半体（２２，２３）の一方と球面接触する球面部（２４ｂ）を有して短円筒状に形成されていて、その径方向に金属メッシュ層（３５）と、黒鉛層（３７ｏ）とが、その黒鉛層（３７ｏ）を球面部（２４ｂ）側にして層畳され、径方向内側の金属メッシュ層（３５）の密度を、その径方向外側の金属メッシュ層（３５）の密度よりも高くしたことを特徴とする、エンジンの排気系における継手構造。

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