JP4069910B2 - エキゾーストマニホルド集合部構造 - Google Patents
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Description
従来のエキゾーストマニホルドの集合部構造は、パイプ集合部がシリンダヘッド端面(エキゾーストマニホルド入口フランジ端面)から比較的近い位置にあるタイプのもの(図8〜11に示すもので、以下、Aタイプという)と、パイプ集合部がシリンダヘッド端面(エキゾーストマニホルド入口フランジ端面)から比較的遠い位置にあるタイプのもの(図12〜14に示すもので、以下、Bタイプという)と、に大別される。
(i) パイプ集合部の下流側端のパイプ間溶接部には、大きな熱応力がかかること、直交する分離壁の交点は高い温度になること(図15のマニホルド温度分布参照)、直交する溶接線の重なり点となって溶接品質が悪いこと、の3つの厳しい条件が重なるため、強度上の信頼性を高く保つことが困難である。
(ii)熱応力の緩和を目的として実開平5−1819号公報のように直交する分離壁の両方を曲面壁とすると、パイプ集合部の断面剛性が低下して変形が促進してしまい、熱応力緩和の効果を相殺し十分な亀裂発生抑制効果が得られず、場合によっては亀裂発生を早める。
本発明の目的は、強度上の信頼性を向上できるエキゾーストマニホルド集合部構造を提供することにある。
(1) 複数本のパイプのそれぞれの下流側部分を成形して集合させ溶接にて一体化してエキゾーストマニホルドを形成し、前記エキゾーストマニホルドのパイプ集合部を集合管の上流側端部に挿入し該集合管に相対的に固定したエキゾーストマニホルド集合部構造において、前記エキゾーストマニホルドのパイプ集合部の少なくとも下流側部分を円筒状の中間部材に挿入して該中間部材に溶接にて接合し、該中間部材を前記集合管の上流側部分に挿入して溶接にて固定したことを特徴とするエキゾーストマニホルド集合部構造。
(i) 第1のグループ(請求項1に対応するもの):別体の中間部材を介してパイプ集合部と集合管を溶接しモーメントを中間部材に分担させるもので、本発明の第1実施例を含む。本発明の第1実施例は図1に示されている。
(ii)第2のグループ(請求項2に対応するもの):ほぼ直交する集合部分離壁の一方のみを曲面壁とするもので、本発明の第2、第3実施例を含む。本発明の第2実施例は図2に示されており、本発明の第3実施例は図3に示されている。
本発明実施例のエキゾーストマニホルド集合部構造は、複数本(気筒数と同じ数)のパイプ(ポートともいう、たとえば、ステンレスパイプからなる)6、7、8、9をそれぞれの下流側(排気ガス流れ方向に見て下流側の意味)部分で集合させ溶接にて一体化してエキゾーストマニホルド(パイプ溶接型エキゾーストマニホルド)10を形成し、このエキゾーストマニホルド10のパイプ集合部14をこれと別体の集合管11の上流側端部に挿入し、集合管11に相対的に固定(直接または間接的に溶接にて一体化)したものからなる。パイプ集合部14(ポート集合部ともいう)は、図11に示すように、パイプ6、7、8、9の下流側部分を各々横断面扇形に成形して、この横断面扇形に成形した部分を扇形のかなめの部分を集合部横断面中心に配し集合部横断面外形が円形となるように集合させ、パイプ集合部14の下流側端面のパイプ合せ部を溶接にて接合したものからなる。パイプ集合部14を集合管11に直接溶接する場合は、集合管11の上流側端とパイプ集合部14の外側面とを溶接する。ただし、本発明の第1実施例では、パイプ集合部14は集合管11に間接的に、すなわち中間部材を介して、接合される。
本発明の第1実施例の構成については、図1に示すように、エキゾーストマニホルド10をエキゾーストマニホルド10および集合管11とは別体の中間部材27を介して、集合管11に接続する。より詳しくは、パイプ6、7、8、9の各々の下流側部分を横断面扇形に成形し、集合させて溶接にて一体化して横断面外形が円形のパイプ集合部14を形成する。このパイプ集合部14の少なくとも下流側部分を円筒状の中間部材27に挿入し、パイプ集合部下流端と中間部材内周面との間を溶接(溶接部を符号28で示した)するとともに、中間部材上流端とパイプ集合部外周面との間を溶接(溶接部を符号29で示した)する。さらに、この中間部材27を集合管11の上流側部分に挿入して、集合管11の上流端と中間部材外周面との間を、溶接部28と溶接部29の軸方向中間位置で、溶接(溶接部を符号30で示した)にて接合する。
エンジンの構成によって、X−X線と直角なP−P線を中心とするモーメント力の作用が大きくなることが考えられる(Bタイプ)。その場合は本発明の実施例を90°回転して応用することにより同様の効果が実現できる。
耐熱性向上のため管端の扇形成形をやめて、円形のままで合流させてもよい。ただし、円形4本を合流させるためには、集合管の管端をそれに沿う形で成形する必要があり、2つ割り、もしくは4つ割りのプレス成形品を溶接して製造する必要があるため部品点数も増え、コスト高になる。また、パイプ端との溶接線も複雑になるため信頼性確保のためさらにコスト高になる。
また、本発明はエキゾーストマニホルドが下流側に延長された長い集合管11に接続される場合により効果的である。本発明を適用することにより集合管11の曲げ、及び、管端加工のみで低コストで耐熱性が高いエキゾーストマニホルドを提供できる。
図8〜図11に示すAタイプのエキゾーストマニホルド10は、前述のように4本のポート(パイプ)6、7、8、9を集合管11に挿入し、これを溶接、接合して成る。集合部14はシリンダヘッド端面(エキゾーストマニホルド入口フランジ34の端面)から比較的近い位置にあるため、集合部14をはさんでポート6、7が向かい合いポート8、9が向かい合う形状となる。また、拘束部位(入口フランジ34、エキマニステイボス35)を結ぶ直線36に対して集合部位置が大きく張り出すことはない。
このエキゾーストマニホルド10では、向かい合うポート6、7および8、9が熱膨張することによって発生する力37、38が集合部14に加わり、ポート集合部14の断面は図5に示すようにつぶれる。この結果、温度が高い中央部39の溶接部に歪が集中し、亀裂発生の要因となる。また、長いポート6、7と短いポート8、9の間では、長さの差分だけ熱膨張量に差を生じるため、それによる力40によって図5の断面の押しつぶし変形は促進され、歪の集中度合が増す。
これに対して、実開平5−1819号公報のように分離壁32、33を両方とも曲面壁とすれば、集合部中央への歪の集中を曲面壁へ分散する機能はあるが、同時に断面剛性を低下させるため図5の変形を促進してしまう。このため、効果が相殺されてしまい、十分な亀裂発生防止効果が得られない。
本発明の第2実施例では、集合部断面をつぶす方向と直角方向の分離壁33は平面壁としたので、曲面壁32によるポート断面剛性の低下は小とされ、図5の変形は促進されず、十分な亀裂発生防止効果がある。
図12〜図14に示すBタイプのエキゾーストマニホルド10も、前述のように4本のポート(パイプ)6、7、8、9を集合管11に挿入し、これを溶接、接合して成る。集合部14はシリンダヘッド端面(エキゾーストマニホルド入口フランジ34の端面)から比較的遠い位置にあるため、集合部14をはさんでポート6、7、ポート8、9が向かい合う形状とはならない。また、拘束部位(入口フランジ34、エキマニステイボス35)を結ぶ直線36に対して集合部位置が大きく張り出す。
このエキゾーストマニホルド10では、Aタイプのような向かい合うポートが集合部14の断面をつぶす変形は起こりにくく(小さく)、代わって、図6、図7に示すようにエキゾーストマニホルド10全体が上流端、下流端34、35の拘束の中で熱膨張しようとする力41によってモーメント42が生じ、集合部断面の内側(流線R、すなわち軸方向に延びる湾曲した軸線R、の内側)がシリンダヘッド長手方向と直角方向P−Pに押しつぶされる変形が主体となる。すなわち、Bタイプでは、Aタイプの場合の力、変形と直交する方向に力、変形が生じる。したがって、Bタイプではシリンダヘッド1の長手方向と平行な分離壁33が曲面壁とされるべきである。
これに対して、実開平5−1819号公報のように分離壁32、33を両方とも曲面壁とすれば、集合部中央への歪の集中を曲面壁へ分散する機能はあるが、同時に断面剛性を低下させるため図7の変形を促進してしまう。このため、効果が相殺されてしまい、十分な亀裂発生防止効果が得られない。
本発明の第3実施例では、集合部断面をつぶす方向(P−P方向)と直角方向の分離壁32は平面壁としたので、曲面壁33によるポート断面剛性の低下は小とされ、図7の変形は促進されず、十分な亀裂発生防止効果がある。
10 エキゾーストマニホルド
11 集合管
12 モーメント
14 パイプ集合部(ポート集合部)
27 中間部材
32、33 分離壁
Claims (1)
- 複数本のパイプのそれぞれの下流側部分を成形して集合させ溶接にて一体化してエキゾーストマニホルドを形成し、前記エキゾーストマニホルドのパイプ集合部を集合管の上流側端部に挿入し該集合管に相対的に固定したエキゾーストマニホルド集合部構造において、前記エキゾーストマニホルドのパイプ集合部の少なくとも下流側部分を円筒状の中間部材に挿入して該中間部材に溶接にて接合し、前記中間部材を前記集合管の上流側部分に挿入して、前記パイプ集合部の下流側端より上流側で、前記中間部材を前記集合管に溶接にて固定したことを特徴とするエキゾーストマニホルド集合部構造。
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