JP5552259B2 - 二重管構造の排気マニホールド - Google Patents

Description

本発明は、外管の内部に隙間を設けて内管が内装された二重管構造の排気マニホールドに関する。

一般に、内燃機関の排気マニホールドは、前記内燃機関の各排気ポートから排出される排気ガスを、集合管で１つにまとめたうえで、この集合管の下流に取り付けた触媒等に排出されるものである。

ところが、最近では、前記触媒の温度を早期に上昇させて排気ガス浄化性能の向上を図るために、強度を備えた外管の内部に、隙間を設けて熱容量の低い薄肉の内管が内装された二重管構造の排気マニホールドが提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

この二重管構造の排気マニホールドでは、前記外管及び内管の間にワイヤメッシュリング等のスペーサを介在させて所定の隙間が形成されると共に、前記内管が外管に対して軸方向に相対移動可能なフローティング構造にされている。

そして、前記内管及び外管は、複数箇所をスポット溶接によって固着され、前記内管の上流端が前記内燃機関の各排気ポートに連結されると共に、前記内管の下流端が前記触媒等に連結されている。

そのため、前記内燃機関から排出された排気ガスの排気熱によって、前記触媒温度を早期に所定の温度まで上昇できるようにしている。

このように、二重管構造の排気マニホールドにおける前記内管は、その肉厚が薄く形成されることで、熱容量を低くすると共に、前記外管は、強度の確保や耐熱性等のために厚肉に形成されている。

実開平４−１１６６２４号公報 特開２００１−１３２８７２号公報

ところが、従来の二重管構造の排気マニホールドには、以下のような問題がある。

すなわち、前記内管は、その内部を高温の排気ガスが流通するために高温となり、熱による変形が生じ易い。

一方、前記外管は、前記内管と隙間をあけて外装されており、内管と比較して熱による変形が生じ難い。

そして、前記内管は、スポット溶接によって、前記外管に取り付けられている。

そのため、高温の排気ガスに晒される薄肉の前記内管と、外気に晒される厚肉の前記外管との熱膨張差が発生してしまい、この熱膨張差によって前記内管の一部には、歪による皺や亀裂等が発生して、排気マニホールドの信頼性が低下してしまうという問題があった。

本発明は、かかる課題を解決することを目的とし、二重管構造の排気マニホールドにおける薄肉の内管と、厚肉の外管との熱膨張差による歪の低減を図って、前記内管の強度を向上できる二重管構造の排気マニホールドを提供する。

上記課題を解決するために、
本発明は、外管の内部に隙間を設けて内管が内装された二重管構造の排気マニホールドにおいて、前記内管は、各々側縁部にフランジ部が形成された一対の半割体同士を、当該フランジ部で溶接してなる合体構造であって、複数の分岐管と、これら複数の分岐管が集合する集合管と、最外側の分岐管及び当該集合管の合わせ部に沿って延びる、前記溶接されたフランジ部とを有し、少なくとも前記最外側の分岐管には、前記外管にスポット溶接された厚肉の内管保持部材が外装されており、前記最外側の分岐管の外周面には、前記内管保持部材と当該分岐管とをスポット溶接によって固着することにより、当該分岐管の軸方向から見て、当該分岐管の中心と前記フランジ部とを結ぶ中心線と直交し、且つ、当該分岐管の中心を通る基準線よりも、前記フランジ部側に位置する外側スポット溶接部と、当該基準線よりも前記フランジ部と反対側に位置する内側スポット溶接部と、が形成されており、前記外側スポット溶接部と前記最外側の分岐管の中心とを結ぶ直線と前記中心線とがなす角度は、前記内側スポット溶接部と当該分岐管の中心とを結ぶ直線と前記中心線とがなす角度よりも広い角度に設定されたことを特徴にしている。

すなわち、本発明では、薄肉に形成された前記内管の排気流れの上端側に、厚肉の内管保持部材を外装して、この内管保持部材を前記内管にスポット溶接すると共に、前記内管保持部材と前記外管とをスポット溶接し、当該内管保持部材が前記内管及び外管に介在された状態で取り付けられてなる。

ここで、薄肉とは、前記内管保持部材の肉厚よりも薄い肉厚で形成されているという意味であり、また、厚肉とは、前記内管の肉厚よりも厚い肉厚で形成されているという意味である。

そのため、前記内管が高温になれば、当該内管にスポット溶接された前記内管保持部材も略同温度になるので、両者には温度差（熱膨張差）が殆ど生じることがなく、前記内管に歪が生じることを防止できる。

もっとも、前記内管保持部材が高温になれば、当該内管保持部材にスポット溶接された前記外管とは、温度差が生じることになる。

しかし、前記内管保持部材は、厚肉に形成されているため、前記内管保持部材と前記外管とは、同程度の割合で熱膨張されることになる。

したがって、本発明によれば、厚肉に形成された前記内管保持部材を、前記内管及び外管に介在させることで、これら内管及び外管の間に生じる熱膨張差が分散して緩和されるので、従来のものに比べて、前記内管の歪の低減を図ることができ、当該内管の強度も向上されるのである。

特に、二重管構造の排気マニホールドでは、前記内管は、一般に金属製薄板を円筒状に形成して製造されているため、当該内管の外側端には、長手方向に溶接されたフランジ部が形成されている。

このようなフランジ部が形成された前記内管では、当該内管の側壁部分のうち、前記フランジ部の強度が高いため、前記内管保持部材に形成されるスポット溶接部と、前記フランジ部との距離（Ｌ）は、ε（歪）＝ΔＬ／Ｌからも理解できるように、離れている方が
歪を生じ難いため好ましい。

ところが、前記内管に前記内管保持部材を外装してスポット溶接を行う場合、そのスポット溶接部は、略同間隔で均一に形成されるため、前記外側スポット溶接部と、前記フランジ部とが近接されてしまう。

そこで、本発明では、前記内管の中心と前記フランジ部を結ぶ中心線に対して、外側スポット溶接部によって成される角度が、内側スポット溶接部によって成される角度よりも広い角度に設定されるようにしている。

そのため、前記外側スポット溶接部は、前記フランジ部から離れた位置に形成することができ、当該フランジ部と外側スポット溶接部との間の歪を緩和することができる。

しかも、外側スポット溶接部及び内側スポット溶接部を夫々形成すれば、前記のように略同間隔でスポット溶接部を形成したものよりも、前記内管に生じる歪が低減されるので、当該内管の歪の低減を更に図ることができ、前記内管の強度を更に向上できるのである。

具体的には、前記外側スポット溶接部及び前記内側スポット溶接部は、前記分岐管の軸方向から見て、前記中心線に対して、線対称の位置に夫々形成されているため、前記内管の歪は、当該内管の全体に亘って均一に低減できるため好ましい。

更に、本発明の前記集合管における前記分岐管とは反対側の端部には、円筒状の補強管が連結され、これら集合管と補強管には、周方向に複数のスポット溶接部が形成されており、前記周方向に形成された複数のスポット溶接部は、前記補強管の長手方向の中央位置よりも、前記分岐管から離れる側に形成されていることを特徴とする。

本発明では、二重管構造の排気マニホールドの上流端だけでなく、下流端の連結部分にも前記同様の効果を得るようにしたものである。

すなわち、前記内管の下流端には、一般に前記触媒等に連結するための連結部材として、円筒状の補強管が連結されている。

このような補強管を連結する場合においても、前記同様、当該補強管と内管を溶接するためのスポット溶接部と、前記フランジ部との距離は、離れている方が歪を生じ難いため好ましい。

そのため、本発明では、前記周方向に形成された複数のスポット溶接部を、前記補強管の長手方向の中央よりも下流側に形成することで、前記内管のフランジ部からできる限り離れた位置に形成することができ、当該内管の歪の低減を更に図ることができ、当該内管の強度を更に向上できるのである。

本発明の二重管構造の排気マニホールドによれば、内管と外管との熱膨張差による歪の低減を図って、前記内管の強度を向上することができる。

本発明の一実施形態を示した外筒の一部を切り欠いた状態の全体斜視図である。 本実施形態の分解斜視図である。 図１の破線部分（イ）を拡大した状態の要部拡大図である。 図３の内管保持部材をスポット溶接部で縦断した状態の要部断面図である。 本発明の他の実施形態を示した要部拡大図であり、（ａ）は、図３の破線部分（ロ）を拡大した状態の要部の平面図、（ｂ）は、図５（ａ）のスポット溶接部で縦断した状態を示す要部断面図である。

以下、本発明の一実施形態である二重管構造の排気マニホールドＡを図面に基づいて説明する。

図１は、本実施形態の外筒の一部を切り欠いた状態の全体斜視図であり、図２は、本実施形態の分解斜視図、図３は、図１の破線部分（イ）を拡大した状態の要部拡大図である。

なお、図１〜図３において共通する部位には、同一の番号を付して、重複する説明については省略している。

この二重管構造の排気マニホールドＡは、上流端が内燃機関の各排気ポート（不図示）に連通されると共に、下流端が触媒（不図示）等に連通される薄肉の内管１と、この内管１に隙間を設けて外装される厚肉の外管２と、これら内管１と外管２に介在して夫々スポット溶接される厚肉の内管保持部材３を備えてなる。以下、詳説する。

内管１は、耐熱性や耐食性の高い金属薄板、例えば、ステンレス鋼板やスチール鋼板を、板金や溶接等により筒状に形成してなる。

本実施形態の内管１は、複数の筒状の分岐管１１と、これら分岐管１１が下流側で合流して１本に集合された筒状の集合管１２を一体的に形成している。

具体的には、図２で示すように、上下に２分割された略Ｙ状の分岐管１１及び集合管１２の開放側同士を重合させて合体し、各分岐管１１と集合管１２の外側端には、長手方向にフランジ部１３を形成し、このフランジ部１３を溶接して内管１を形成してなる。

また、本実施形態では、２本の分岐管１１を例示しているが、これに限定されるものではなく、３本以上の分岐管１１であっても構わない。

本実施形態では、分岐管１１の夫々の上流端から前記内燃機関に取り付けされるフランジ５に亘って、耐熱性を備えた連結管５１が、分岐管１１を外装するようにしている。

なお、内管１の形状によっては、これら連結管５１及び外管２を一体形成することも可能である。

外管２は、剛性を有する厚肉の金属製材料であって、耐熱性、耐食性の高いステンレス鋼、スチール鋼、鋳鉄等の金属製材料によって一体的に形成される。

具体的には、外管２は、図２で示すように、２本の分岐管１１及び集合管１２の形状に応じて、これら分岐管１１及び集合管１２を外装するようなトンネル状の函体に形成されてなり、詳しくは、前記函体が上下に２分割された、開放側同士を重合させて合体し、外側端の接合部分を溶接して外管２を形成してなる。

また、外管２は、内管１と隙間を設けるようにして外装されており、本実施形態では、分岐管１１及び集合管１２の適所に、リング状のワイヤメッシュ４を外嵌させたうえで、外管２を外装することによって、内管１及び外管２にワイヤメッシュ４の厚さ分の隙間が形成されてなる。

また、内管１は、外管２に対して軸方向に相対移動可能なフローティング構造にされており、ワイヤメッシュ４を介在することで、前記隙間を形成すると共に、内管１を内通する高温の排気ガス温度によって生じる内管１の軸方向に対する歪み（伸び、縮み）に対応できるようにしている。

なお、本実施形態では、内管１の前後端の外側、詳しくは、内管１の前後端からフランジ部１３に向けて切欠部１４を形成し、内管１の周方向に対する前記歪みに対応するようにしている。

内管保持部材３は、内管１及び外管２に接合するように、これら内管１及び外管２の外形に応じて形成されてなる。

本実施形態では、２本の分岐管１１に外装され、これらの分岐管１１同士が一体的に形成された内管保持部材３を例示している。

具体的には、内管保持部材３は、上下に二分割されてなり、各内管保持部材３は、外管２と同様の厚肉であって、夫々の分岐管１１の外周部及び外管２の内周部に接合される帯状のリング部３１と、これらリング部３１を繋ぐように一体形成された連結片３２とから構成されてなる。

この内管保持部材３は、本実施形態に限定されず、これら内管１及び外管２との熱伝導を行うために、これら内管１及び外管２に接合されていれば良いが、本実施形態のようにリング部３１を連結片３２で繋いで一体形成することで、夫々の分岐管１１に生じる温度差を均一にできるため好ましい。

また、本実施形態のような内管保持部材３のリング部３１では、内管１の端部全周に巻廻されているので、特に、内管１端部の強度を高めることができ、ガタツキ等を防止できるため好ましい。

このように構成された内管保持部材３は、以下の要領で取り付けてなる。

図４は、図３の内管保持部材３をスポット溶接部で縦断した状態の要部断面図である。
なお、図１〜図３と共通する部位には、同一の符号を付し、重複する説明については省略している。

先ず、内管保持部材３のリング部３１を、夫々の内管１の排気流れの上流側に外装して位置付けたうえで、内管保持部材３をスポット溶接によって内管１に固着する。

このとき、前記スポット溶接された位置には、溶接痕であるスポット溶接部６が形成されるが、本実施形態では、分岐管１１の軸方向から見て、分岐管１１の中心Ｏとフランジ部１３とを結ぶ中心線ＯＬと直交し、且つ、分岐管１１の中心を通る基準線（図示せず）よりも、フランジ部１３と反対側に位置する内側スポット溶接部６１と、当該基準線よりもフランジ部１３側に位置する外側スポット溶接部６２は、図４で示すように、内管１の中心Ｏとフランジ部１３を結ぶ中心線ＯＬに対して、夫々所定の角度を設けてなる。

具体的には、外側スポット溶接部６２と分岐管１１の中心Ｏとを結ぶ直線と中心線ＯＬとがなす角度θ１は、内側スポット溶接部６１と分岐管１１の中心Ｏとを結ぶ直線と中心線ＯＬとがなす角度θ２よりも広い角度に設定されてなる。

本実施形態では、内側スポット溶接部６１は、角度θ２が３０°となる位置に形成され、外側スポット溶接部６２は、角度θ１が４５°となる位置に形成されたものを例示している。

但し、前記角度θ１、θ２は、本実施形態に限定されるものではなく、要は、角度θ１＞θ２の関係に設定されていれば良い。

また、本実施形態の内管保持部材３は、上下に分割された上下対称のものであるため、前記スポット溶接は、内管保持部材３の上下対称の位置に夫々形成するのが良い。

すなわち、図４で示すように、中心線ＯＬに対して、上下対称の位置に内側スポット溶接部６１及び外側スポット溶接部６２を夫々形成すれば、内管１の歪が全体に亘って均一に低減できるので好ましい。

このようにして内管保持部材３を内管１にスポット溶接したうえで、この内管１を被覆するように外管２を外装して、当該外管２の内面を内管保持部材３に接合させると共に、当該内管保持部材３と外管２の接合された適所をスポット溶接して固着する。

そして、外管２同士の接合部分を溶接して固着することで、本実施形態の二重管構造の排気マニホールドＡを容易に形成できる。

以上のように構成された本実施形態の二重管構造の排気マニホールドＡによれば、厚肉に形成された内管保持部材３が、内管１及び外管２に接合して介在されているので、これら内管１及び外管２の間に生じる熱膨張差が分散して緩和できる。

すなわち、排気ガス温度によって、内管１が高温になれば、当該内管１にスポット溶接された内管保持部材３も略同温度になるので、両者には温度差が殆ど生じることがなく、内管１に歪が生じることを防止できる。

また、内管保持部材３が高温になれば、当該内管保持部材３にスポット溶接された外管２とは、温度差が生じることになるが、本実施形態の内管保持部材３は、厚肉に形成されているため、内管保持部材３と外管２とは、同程度の割合で熱膨張される。

したがって、本実施形態によれば、厚肉に形成された内管保持部材３を、内管１及び外管２に接合して介在させることで、これら内管１及び外管２の間に生じる熱膨張差が分散して緩和されるので、内管１に生じる歪を低減することができ、当該内管１の強度も向上できる。

更に、本実施形態によれば、中心線ＯＬに対して、外側スポット溶接部６２によって成される角度θ１が、内側スポット溶接部６１によって成される角度θ２よりも広い角度に設定している。

そのため、外側スポット溶接部６２は、フランジ部１３から離れた位置に形成することができ、当該フランジ部１３と外側スポット溶接部６２との間の歪を緩和することができ、内管１の歪の低減を更に図ることができ、内管１の強度を更に向上できるのである。

図５（ａ）、（ｂ）は、他の実施形態を示した要部拡大図であり、（ａ）は、図３の破線部分（ロ）を拡大した状態の要部の平面図、（ｂ）は、図５（ａ）のスポット溶接部で縦断した状態を示す要部断面図である。

なお、図１〜図４と共通する部位には、同一の符号を付して重複する説明は省略し、以下では本実施形態の特徴についてのみ説明する。

前述の通り、内管１の排気流れの上流側においては、内管保持部材３を所定の角度でスポット溶接することで、内管１の歪の低減を図り、内管１の強度を向上することができる。

ところで、内管１の下流側においては、１本の集合管１２が設けられているだけなので、内管保持部材３を設けることは、特に要しない。

しかしながら、この集合管１２の下流端には、一般に円筒状の補強管７が更に連結され、当該補強管７を介して前記触媒等に連結されている。

そこで、本実施形態では、更に、内管１の下流端の連結部分にも前記同様の効果を得るようにしたものである。

すなわち、本実施形態の二重管構造の排気マニホールドＡでは、内管１の下流端に連結される円筒状の補強管７には、周方向に複数のスポット溶接部８が形成されてなり、当該スポット溶接部８は、補強管７の長手方向の中央位置Ｐよりも下流側に形成されてなることを特徴にしている。

ここで、補強管７の長さは、特に限定されないが、図５（ａ）中の一点破線で示すように、補強管７の長手方向の中央位置Ｐよりも下流側（内管１の下端側）にスポット溶接部８を形成して、補強管７と内管１を固着してなる。

このような補強管７を連結する場合においても、前記同様、当該補強管７と内管１を溶接するためのスポット溶接部８と、フランジ部１３との距離は、離れている方が歪を生じ難い。

そのため、本実施形態によれば、スポット溶接部８を、補強管７の長手方向の中央位置Ｐよりも下流側に形成することで、内管１のフランジ部１３からできる限り離れた位置に形成することができ、前記効果に加えて、内管１の歪の低減を更に図ることができ、内管１の強度を更に向上することができる。

なお、本実施形態では、スポット溶接部８は、内管１の周囲に略同間隔で均一に形成されたものを例示しているが、本実施形態のような単管の場合では、内管１中央の両側に形成されたスポット溶接部８と集合管１２の中心Ｏとを結ぶ直線と中心線ＯＬとがなす中心線ＯＬとの成す角度θ’だけを広く設定すれば、スポット溶接部８がフランジ部１３から更に離れた位置に形成されるので好ましい。

Ａ 二重管構造の排気マニホールド
Ｏ （内管の）中心
Ｐ 中央位置
ＯＬ 中心線
θ１ 角度
θ２ 角度
１ 内管
２ 外管
３ 内管保持部材
６ スポット溶接部
６１ 内側スポット溶接部
６２ 外側スポット溶接部
７ 補強管
８ スポット溶接部

Claims (3)

1. 外管の内部に隙間を設けて内管が内装された二重管構造の排気マニホールドにおいて、
   前記内管は、各々側縁部にフランジ部が形成された一対の半割体同士を、当該フランジ部で溶接してなる合体構造であって、複数の分岐管と、これら複数の分岐管が集合する集合管と、最外側の分岐管及び当該集合管の合わせ部に沿って延びる、前記溶接されたフランジ部とを有し、
   少なくとも前記最外側の分岐管には、前記外管にスポット溶接された厚肉の内管保持部材が外装されており、
   前記最外側の分岐管の外周面には、前記内管保持部材と当該分岐管とをスポット溶接によって固着することにより、当該分岐管の軸方向から見て、当該分岐管の中心と前記フランジ部とを結ぶ中心線と直交し、且つ、当該分岐管の中心を通る基準線よりも、前記フランジ部側に位置する外側スポット溶接部と、当該基準線よりも前記フランジ部と反対側に位置する内側スポット溶接部と、が形成されており、
   前記外側スポット溶接部と前記最外側の分岐管の中心とを結ぶ直線と前記中心線とがなす角度は、前記内側スポット溶接部と当該分岐管の中心とを結ぶ直線と前記中心線とがなす角度よりも広い角度に設定されたことを特徴とする二重管構造の排気マニホールド。
2. 請求項１に記載の二重管構造の排気マニホールドにおいて、
   前記外側スポット溶接部及び前記内側スポット溶接部は、前記分岐管の軸方向から見て、前記中心線に対して、線対称の位置に夫々形成されたことを特徴とする二重管構造の排気マニホールド。
3. 請求項１又は２に記載の二重管構造の排気マニホールドにおいて、
   前記集合管における前記分岐管とは反対側の端部には、円筒状の補強管が連結され、これら集合管と補強管には、周方向に複数のスポット溶接部が形成されており、
   前記周方向に形成された複数のスポット溶接部は、前記補強管の長手方向の中央位置よりも、前記分岐管から離れる側に形成されていることを特徴とする二重管構造の排気マニホールド。

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