JP4594128B2 - 排気マニホールド - Google Patents

Description

本発明は、排気マニホールドに係り、詳しくは、各気筒のブランチパイプと各ブランチパイプを１つに集合させる集合部との取付構造に関するものである。

エンジンの排気系において、例えば４気筒エンジンである場合、各気筒に対応する４つのブランチを１つにまとめる排気マニホールドが備えられている。排気マニホールドは、各気筒の排気ポートに対応する開口を有するヘッドフランジ部と、該フランジ部の各開口部分に連通する４つのブランチと、各ブランチの下流側を１つにまとめて排気ガス浄化のための触媒へと導く集合部とから形成されている（例えば特許文献１）。

また、近年の排気マニホールドには、上記文献１のように、集合部の排気通路を閉塞及び開放のいずれかに切り換える開閉弁が設けられているものがある。このような排気マニホールドには、各ブランチの上流側端部と、開閉弁及び該開閉弁下流に設けられるメイン触媒（リア触媒）の中間部との間にバイパス通路が設けられ、該バイパス通路中にプレ触媒（フロント触媒）が配置されている。

そして、冷間始動時には開閉弁が閉塞状態となり、排気ガスがバイパス通路からプレ触媒を経てメイン触媒に流れるようにする。これにより、プレ触媒はメイン触媒よりも早期に好適な活性化温度となり、排気ガスの浄化が効果的に行われる。一方、メイン触媒が好適な触媒活性化温度まで上昇してくると開閉弁が開放状態に切り換えられ、排気ガスが直接メイン触媒に流れるように切り換えられる。つまり、バイパス通路（プレ触媒）を経由して排気ガスを排出すると、排気抵抗が大きくエンジン出力に影響を与える。そのため、メイン触媒が好適な活性化温度まで上昇すると開閉弁が開放され、排気抵抗の小さいメイン通路（メイン触媒）へと排気ガスの流路が切り換えられるようになっている。

ところで、上記文献１では、各ブランチを集合させる集合部において、開閉弁の上流側で排気通路が１つになっている。従って、冷間始動時に開閉弁が閉塞状態となっていても、各ブランチは集合部の開閉弁前の空間において互いに連通した状態となってしまう。これにより、各ブランチと集合部との間の空気の流通が積極的となる。

そのため、各ブランチの集合部での連通により排気脈動による他気筒への排気干渉が大きくなるため、エンジン性能が低下してしまう。また、各ブランチ間の空気の流通が積極的となることから、この間の空気全体を排気ガスにて暖めることになってしまう。そのため、排気ガスの排気熱が奪われてしまい、プレ触媒を暖機するための熱量が低減してしまう。これにより、プレ触媒の温度の立ち上がりが緩やかとなり、プレ触媒が好適な活性化温度となるまでに時間を要してしまう。
実開平７−２２０１６号公報

本発明は、集合部の排気通路を閉塞及び開放のいずれかに切り換えて、排気ガスの排出経路をフロント触媒が備えられるバイパス通路を経由させるか否かを切り換える開閉弁を備え、開閉弁の全閉時における排気ガスの流れを良好として、排気干渉や排気熱の損失を低減することができる排気マニホールドを提供することを主たる目的とするものである。

上記問題点を解決するため、請求項１に記載の発明は、多気筒内燃機関の各気筒に対応するブランチパイプと、前記各ブランチパイプの下流側端部を集合させてリア触媒へと導く集合部と、前記集合部の上流側と下流側とを繋ぐと共に途中にフロント触媒を介在させるためのバイパス通路と、前記集合部内の排気通路を閉塞して内燃機関からの排気ガスを前記フロント触媒側に導く一方、該排気通路を開放することで前記排気ガスを前記リア触媒側に導く開閉弁とを備えた排気マニホールドであって、
前記集合部は、前記集合部の上流側において開放されているハウジングと、前記開放部分を閉塞するパイプ装着部材と、を有し、
前記パイプ装着部材は、前記ハウジングを内外に貫通させる貫通孔と、前記貫通孔の下流端から前記各ブランチパイプと接続されている側の上流端に延びて前記貫通孔を前記各ブランチパイプ毎に独立したポート孔とする仕切壁と、を有し、
前記各ブランチパイプは、前記ポート孔の上流端と下流端との間の位置に前記各ブランチパイプの下流側端部が挿入された状態において、前記パイプ装着部材に接続され、
前記開閉弁は、前記貫通孔の下流端の周囲における前記パイプ装着部材の端面と、前記仕切壁の下流端と、に当接することによって前記排気通路を閉塞し、集合させる前記各ブランチパイプ毎に前記集合部内の前記開閉弁の上流側の排気通路を独立させた通路とすることを特徴とする排気マニホールド。

請求項１に記載の発明によれば、冷間始動時に排気ガスをフロント触媒側に導くよう開閉弁を閉塞した場合、集合させる各ブランチパイプ毎に集合部内の開閉弁の上流側の排気通路が独立した通路となる。そのため、各ブランチパイプの下流側が集合部内において連通しないので、この部分での空気の流通が防止される。これにより、集合部部分での排気脈動による他気筒への排気干渉が生じないので、エンジン性能の低下が抑制される。しかも、各ブランチパイプ毎に独立した排気通路におけるバイパス通路の下流側から開閉弁までの排気通路内の空気流動が小さくなるので、この間の空気全体を積極的に暖めなくて済み、排気ガスの排気熱の損失が小さく抑えられる。従って、フロント触媒が早期に暖気される。

請求項２に記載の発明は、前記集合部の少なくとも前記ブランチパイプを集合させる部分の外形を円形状とし、
前記集合部内の各ブランチパイプ毎の排気通路断面形状を、そのブランチパイプを集合させる数に対応した等角度間隔の扇状としたことを特徴とする請求項１に記載の排気マニホールド。

請求項２に記載の発明によれば、集合部の少なくともブランチパイプを集合させる部分の外形が円形状とされ、集合部内の各ブランチパイプ毎の排気通路断面形状が、そのブランチパイプを集合させる数に対応した等角度間隔の扇状とされる。つまり、集合部においてブランチパイプ毎の排気通路の断面積を極力稼ぎながらも、集合部のブランチパイプを集合させる部分の外形を極力小さくすることができ、集合部の小型化が可能となる。

請求項３に記載の発明は、前記開閉弁は、前記貫通孔の下流端の周囲における前記パイプ装着部材の端面と、前記仕切壁の下流端と、に当接することによって前記排気通路を閉塞し、集合させる前記各ブランチパイプ毎に前記集合部内の前記開閉弁の上流側の排気通路を独立させた通路とする一の弁体を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の排気マニホールド。

請求項３に記載の発明によれば、簡易な構成で各ブランチパイプ毎に開閉弁の上流側の排気通路を独立させた通路とすることができる。

請求項４に記載の発明は、前記各ブランチパイプの下流側端部は、前記開閉弁の反対側から前記ポート孔にそれぞれ嵌挿して装着されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の排気マニホールド。

請求項４に記載の発明によれば、各ブランチパイプの下流側端部は、開閉弁の反対側からポート孔にそれぞれ嵌挿して装着されているので、このようなパイプ装着部材を用いるだけで、各ブランチパイプの装着が容易となると共に、開閉弁の閉塞時において各ブランチパイプ毎に独立した通路とするその切り換えが容易となる。

請求項５に記載の発明は、前記ブランチパイプの下流側端部の外形形状が前記ポート孔の形状と異なる場合、前記ブランチパイプの下流側端部の外形形状を前記ポート孔の形状に合わせて変形させて嵌挿可能としたことを特徴とする請求項４に記載の排気マニホールド。

請求項５に記載の発明によれば、ブランチパイプの下流側端部の外形形状がパイプ装着部材のポート孔の形状と異なる場合、ブランチパイプの下流側端部の外形形状がポート孔の形状に合わせて変形されて嵌挿可能とされる。従って、ポート孔を形成する内壁面とブランチパイプとの間の隙間を小さくすることができ、パイプ装着部材に対するブランチパイプの装着が容易かつ確実となる。

請求項６に記載の発明は、前記開閉弁は、アームの先端部に前記集合部内の排気通路を閉塞可能な弁体を設けてなり、該アームの基端部を回動させることで、前記集合部内の排気通路を閉塞又は開放するものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の排気マニホールド。

請求項６に記載の発明によれば、アームの基端部を回動させることで該アームの先端部の弁体が集合部内の排気通路を閉塞又は開放する開閉弁としている。このような揺動型の開閉弁を用いることで、例えばバタフライ弁やスライド弁と比べて、開閉弁の閉塞時において各ブランチパイプ毎に独立した通路とするその切り換えが容易となる。

請求項１，２の発明によれば、開閉弁の全閉時における排気ガスの流れが良好となり、排気干渉や排気熱の損失を低減することができる。

請求項３の発明によれば、集合部の小型化に貢献することができる。

請求項４の発明によれば、各ブランチパイプの装着が容易となると共に、開閉弁の閉塞時において各ブランチパイプ毎に独立した通路とするその切り換えを容易に行うことができる。

請求項５の発明によれば、パイプ装着部材に対するブランチパイプの装着を容易かつ確実に行うことができる。

請求項６の発明によれば、開閉弁の閉塞時において各ブランチパイプ毎に独立した通路とするその切り換えを容易に行うことができる。

以下、本発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態は、４気筒エンジンに適用される排気マニホールドである。

図１に示すように、本実施の形態の排気マニホールド１は、ヘッドフランジ２、４つのブランチパイプ３、集合部４、メイン排気管５及びバイパス管６，７を備えている。

ヘッドフランジ２は、各気筒の排気ポートに対応する４つの円形状の開口（図示略）を有する鉄製の横長板状をなしており、エンジンにガスケット（共に図示略）を介して固定される。ヘッドフランジ２の各開口周縁部には、各ブランチパイプ３の上流側端部が溶接により接合されている。各ブランチパイプ３は、ステンレス製の円筒パイプを所定形状に屈曲（各気筒の排気ポートから集合部４までの管長がそれぞれ同等となるように屈曲）して形成されている。各ブランチパイプ３は、下流側の集合部４にて排気通路が１つにまとめられる。

図２に示すように、集合部４はステンレス製のハウジング１０を有しており、該ハウジング１０の上流部には、同じくステンレス製のパイプ装着部材１１が固着されている。パイプ装着部材１１は、図３に示すように外形が円形状をなしており、内側には断面円形状の空間が十字状の仕切壁１２によって４つの空間に仕切られてなるポート孔１３が設けられている。各ポート孔１３は、それぞれ中心角が９０°の扇状をなす断面形状をなしており、それぞれ等角度間隔に配置されている。また、仕切壁１２は、パイプ装着部材１１の上流側端面１１ａから下流側端面１１ｂまで延びている。

ここで、各ブランチパイプ３の下流側端部には、円筒状から各ポート孔１３の断面形状に対応する外形形状（扇状）に変形された挿入部３ａが形成されている。そして、パイプ装着部材１１の各ポート孔１３の上流側から各ブランチパイプ３の挿入部３ａが嵌挿され、該挿入部３ａの外周面とポート孔１３を形成する内壁面との間が全周に亘って溶接により接合した接合部１４が形成される。

ハウジング１０内には、パイプ装着部材１１の下流側（ブランチパイプ３の反挿入側）に開閉弁１５が設けられている。開閉弁１５は、外部に設けられるアクチュエータ（図示略）にて回動される回動軸１６と、該回動軸１６に基端部が固定されるアーム１７と、該アーム１７の先端部に装着される弁体１８とを備えている。この弁体１８は、前記ポート孔１３全体を覆う大きさで円盤状をなしている。開閉弁１５は、アクチュエータにより回動軸１６が回動されると、その回動に伴ってアーム１７が揺動し、弁体１８がパイプ装着部材１１の下流側端面１１ｂに当接（この場合、仕切壁１２の下流側端面にも当接）して全部のポート孔１３を閉塞、若しくは弁体１８がパイプ装着部材１１の下流側端面１１ｂから離間して各ポート孔１３を開放する。

集合部４の下流側にはメイン排気管５が連結され、ハウジング１０内の空間はメイン排気管５と連通している。メイン排気管５の下流側には、排気ガスの浄化を行うメイン触媒（リア触媒）２０が取り付けられる。

また、メイン排気管５の途中には下流側のバイパス管７が連結され、メイン排気管５はバイパス管７と連通している。また、前記各ブランチパイプ３の上流側所定部位には、上流側のバイパス管６が連結され、各ブランチパイプ３はバイパス管６と連通している。ちなみに、バイパス管６の通路断面積は、各ブランチパイプ３の通路断面積よりも小さく設定されている。これらバイパス管６，７の間には、プレ触媒（フロント触媒）２１が取り付けられる。プレ触媒２１は、前記メイン触媒２０よりも熱容量が小さく温度の立ち上がりが早くなるように構成されているので、主にエンジンの冷間始動時に使用される。

本実施の形態では、上記したメイン触媒２０に温度センサ（図示略）が取り付けられており、該温度センサにてメイン触媒２０が好適な触媒活性化温度に未達である検出状態では、開閉弁１５は閉塞状態とされる。そのため、エンジンの排気ポートから排出される排気ガスは、バイパス管６、プレ触媒２１、バイパス管７及びメイン排気管５を介してメイン触媒２０に流れる。プレ触媒２１は温度の立ち上がりが早いので、該プレ触媒２１により比較的早い段階から排気ガスの浄化が良好に行われる。

また、開閉弁１５が各ポート孔１３を閉塞した状態では、仕切壁１２にて各ブランチパイプ３の下流側が集合部４内において連通しないので、この部分での空気の流通が防止される。これにより、集合部４部分での排気脈動による他気筒への排気干渉が生じないので、エンジン性能の低下が抑制される。しかも、各ブランチパイプ３におけるバイパス管６の下流側から開閉弁１５までの空気流動が小さくなるので、この間の空気全体を積極的に暖めなくて済み、排気ガスの排気熱の損失が小さく抑えられる。従って、排気ガスの熱量が極力低減しないようにして該排気ガスをプレ触媒２１に供給できる。

やがて、温度センサにてメイン触媒２０が好適な触媒活性化温度に達したことが検出されると、開閉弁１５は閉塞状態から開放状態に切り換えられる。そのため、エンジンの排気ポートから排出される排気ガスは、各ブランチパイプ３から集合部４及びメイン排気管５を介してメイン触媒２０に流れるようになる。つまり、メイン触媒２０が好適な活性化温度に達すれば排気抵抗の大きいプレ触媒２１を使用する必要がないので、開閉弁１５が開放されて排気抵抗が小さくなるように切り換えられる。

以上詳述した本実施の形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

本実施の形態では、冷間始動時に排気ガスをプレ触媒２１側に導くよう開閉弁１５を閉塞した場合、パイプ装着部材１１に仕切壁１２を設けたことにより、各ブランチパイプ３毎に集合部４内の開閉弁１５の上流側の排気通路が独立した通路とされる。そのため、各ブランチパイプ３の下流側が集合部４内において連通しないので、この部分での空気の流通が防止される。これにより、開閉弁１５の閉塞持において、集合部４部分での排気脈動による他気筒への排気干渉が生じないので、エンジン性能の低下を抑制できる。しかも、各ブランチパイプ３におけるバイパス管６の下流側から開閉弁１５までの空気流動が小さくなるので、この間の空気全体を積極的に暖めなくて済み、排気ガスの排気熱の損失が小さく抑えられる。従って、プレ触媒２１の早期暖気を図ることができる。

本実施の形態では、集合部４の少なくともブランチパイプ３を集合させる部分、すなわちパイプ装着部材１１の外形が円形状とされ、集合部４内の各ブランチパイプ３毎の排気通路であるポート孔１３の断面形状が、そのブランチパイプ３を集合させる数（４つ）に対応した９０°等角度間隔の扇状とされる。つまり、集合部４においてブランチパイプ３毎の排気通路の断面積を極力稼ぎながらも、集合部４のブランチパイプ３を集合させるパイプ装着部材１１の外形を極力小さくすることができ、集合部４の小型化に貢献することができる。

本実施の形態では、仕切壁１２により仕切られてなり各ブランチパイプ３毎に対応したポート孔１３を有するパイプ装着部材１１が備えられ、各ブランチパイプ３の下流側端部に設けた挿入部３ａがポート孔１３にそれぞれ嵌挿されて装着されている。パイプ装着部材１１における各ブランチパイプ３の反挿入側（下流側端面１１ｂ）の各ポート孔１３が開閉弁１５にて閉塞又は開放される。つまり、このようなパイプ装着部材１１を用いるだけで、各ブランチパイプ３の装着が容易となると共に、開閉弁１５の閉塞時において各ブランチパイプ３毎に独立した通路とするその切り換えを容易に行うことができる。

本実施の形態では、ブランチパイプ３の挿入部３ａの外形形状がパイプ装着部材１１のポート孔１３の形状に合わせて変形されて嵌挿可能とされている。従って、ポート孔１３を形成する内壁面とブランチパイプ３との間の隙間を小さくすることができ、パイプ装着部材１１に対するブランチパイプ３の装着を容易かつ確実に行うことができる。

本実施の形態では、アーム１７の基端部を回動させることで該アーム１７の先端部の弁体１８が集合部４内の排気通路を閉塞又は開放する開閉弁１５としている。このような揺動型の開閉弁１５を用いることで、例えばバタフライ弁やスライド弁と比べて、開閉弁１５の閉塞時において各ブランチパイプ３毎に独立した通路とするその切り換えを容易に行うことができる。

本実施の形態では、開閉弁１５の弁体１８が円盤状をなしており、パイプ装着部材１１の下流側端面１１ｂに面的に当接可能に構成されているため、従来例（前記特許文献１）に開示された、排気通路内に設けられるバタフライ弁に比べて排気ガスのシール性を高めることができる。

本実施の形態の排気マニホールド１では、従来例（前記特許文献１）に開示された排気マニホールドと異なり、開閉弁１５が開放された場合においても、各気筒の排気ポートから排出された排気ガスを各ブランチパイプ３によって集合部４まで独立して案内するようにしているので、排気干渉が生じにくく、エンジン性能の低下を抑制できる。

なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施しても良い。

上記実施の形態では、各ブランチパイプ３の装着、及び各ブランチパイプ３の下流側の閉塞開放を行うべく開閉弁１５が当接・離間するパイプ装着部材１１を用いたが、例えば各ブランチパイプ３の下流側端面を直接、開閉弁１５が当接・離間するようにしても良い。この場合、パイプ装着部材１１を省略できる。

上記実施の形態では、パイプ装着部材１１のポート孔１３を扇状としたが、形状はこれに限定されるものではなく、例えばブランチパイプ３の下流側端部（挿入部３ａ）をそのまま円筒状とし、パイプ装着部材１１のポート孔１３もそれに合わせて円形状としても良い。このようにすれば、ブランチパイプ３の挿入部３の加工を省略することができる。

上記実施の形態では、４気筒エンジンに実施したが、４気筒以外の多気筒エンジンに実施しても良い。例えば、６気筒エンジンに実施した場合、ブランチパイプ３の数は６つとなる。この場合、６つのブランチパイプ３を１つの集合部４に集合させる態様と、６つのブランチパイプ３を３つで１組とし、各組に１つずつの集合部４を設ける態様がある。前者の態様では、パイプ装着部材１１のポート孔１３を、中心角が６０°等角度間隔の扇形とするのが望ましい。後者の態様では、パイプ装着部材１１のポート孔１３を、中心角が１２０°等角度間隔の扇形とするのが望ましい。つまり、パイプ装着部材１１のポート孔１３の形状を、ブランチパイプを集合させる数に対応した等角度間隔の扇状にする。

上記実施の形態では、開閉弁１５においてアーム１７と弁体１８とを別体とし、該アーム１７に弁体１８を装着する構成であったが、アーム１７と弁体１８とを一体に形成しても良い。また、１つの弁体１８にて全部のポート孔１３を閉塞可能に該弁体１８を形成したが、例えば各ポート孔１３のそれぞれに対応した弁体としても良い。また、この開閉弁１５は揺動型の開閉弁であったが、バタフライ弁やスライド弁等、その他の開閉弁を用いても良い。

発明の実施の形態における排気マニホールドの正面図である。 集合部の上流側を示す断面図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。

符号の説明

３…ブランチパイプ、３ａ…挿入部（下流側端部）、４…集合部、６，７…バイパス管（バイパス通路）、１１…パイプ装着部材、１２…仕切壁、１３…ポート孔（集合部内の排気通路）、１５…開閉弁、１７…アーム、１８…弁体、２０…メイン触媒（リア触媒）、２１…プレ触媒（フロント触媒）。

Claims (6)

1. 多気筒内燃機関の各気筒に対応するブランチパイプと、前記各ブランチパイプの下流側端部を集合させてリア触媒へと導く集合部と、前記集合部の上流側と下流側とを繋ぐと共に途中にフロント触媒を介在させるためのバイパス通路と、前記集合部内の排気通路を閉塞して内燃機関からの排気ガスを前記フロント触媒側に導く一方、該排気通路を開放することで前記排気ガスを前記リア触媒側に導く開閉弁とを備えた排気マニホールドであって、
   前記集合部は、前記集合部の上流側において開放されているハウジングと、前記開放部分を閉塞するパイプ装着部材と、を有し、
   前記パイプ装着部材は、前記ハウジングを内外に貫通させる貫通孔と、前記貫通孔の下流端から前記各ブランチパイプと接続されている側の上流端に延びて前記貫通孔を前記各ブランチパイプ毎に独立したポート孔とする仕切壁と、を有し、
   前記各ブランチパイプは、前記ポート孔の上流端と下流端との間の位置に前記各ブランチパイプの下流側端部が挿入された状態において、前記パイプ装着部材に接続され、
   前記開閉弁は、前記貫通孔の下流端の周囲における前記パイプ装着部材の端面と、前記仕切壁の下流端と、に当接することによって前記排気通路を閉塞し、集合させる前記各ブランチパイプ毎に前記集合部内の前記開閉弁の上流側の排気通路を独立させた通路とすることを特徴とする排気マニホールド。
2. 前記集合部の少なくとも前記ブランチパイプを集合させる部分の外形を円形状とし、
   前記集合部内の各ブランチパイプ毎の排気通路断面形状を、そのブランチパイプを集合させる数に対応した等角度間隔の扇状としたことを特徴とする請求項１に記載の排気マニホールド。
3. 前記開閉弁は、前記貫通孔の下流端の周囲における前記パイプ装着部材の端面と、前記仕切壁の下流端と、に当接することによって前記排気通路を閉塞し、集合させる前記各ブランチパイプ毎に前記集合部内の前記開閉弁の上流側の排気通路を独立させた通路とする一の弁体を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の排気マニホールド。
4. 前記各ブランチパイプの下流側端部は、前記開閉弁の反対側から前記ポート孔にそれぞれ嵌挿して装着されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の排気マニホールド。
5. 前記ブランチパイプの下流側端部の外形形状が前記ポート孔の形状と異なる場合、前記ブランチパイプの下流側端部の外形形状を前記ポート孔の形状に合わせて変形させて嵌挿可能としたことを特徴とする請求項４に記載の排気マニホールド。
6. 前記開閉弁は、アームの先端部に前記集合部内の排気通路を閉塞可能な弁体を設けてなり、該アームの基端部を回動させることで、前記集合部内の排気通路を閉塞又は開放するものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の排気マニホールド。

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