JP4424018B2 - 内燃機関の排気マニホルド - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の排気マニホルド、特に、直列に配置された少なくとも３つの気筒の排気系を、１本の流路に集合させる排気マニホルドの改良に関する。

特許文献１には、Ｖ型８気筒内燃機関の一方のバンクの排気系に適用される排気マニホルドとして、気筒列方向に直線状に延びた共通の合流管と、各気筒の排気ポートにそれぞれ接続される４本の分岐管と、を備えた排気マニホルドが開示されている。４本の分岐管は、ほぼ平行に配置されており、上記合流管の円形断面の接線方向に沿うように、それぞれ合流管に接続され、かつ合流管の流れ方向に対し、各分岐管が、６７．５°以下の合流角で合流するように構成されている。
特開平１０−３１７９５３号公報

上記の排気マニホルドにおいては、各気筒の排気ポートから共通の合流管に至る４本の分岐管の長さが、それぞれ等しい長さとなっているため、各気筒の排気ポートから合流管端部の出口フランジまでの管長としては、各気筒で大きく異なるものとなってしまう。例えば、特許文献１に開示されている具体例では、♯１気筒、♯３気筒、♯５気筒、♯７気筒の４本の気筒の排気系が集合するが、出口フランジから最も離れている♯１気筒の排気系の管長が最も長く、出口フランジに最も近い♯７気筒の排気系の管長が最も短いものとなる。

このように各気筒で実質的な管長が異なると、排気脈動に対し、僅かずつ周波数が異なる音が重なり合って、排気音の音質が悪化し、耳障りな騒音となる。

また仮に、各気筒の管長をほぼ等しく設定したとしても、実際には、各気筒の排気管の合流部における各気筒の排気経路の僅かな差によって、基本次数以外の成分が発生し、やはり排気音の音質が悪いものとなる。

さらに、各分岐管が比較的大きな合流角でもって合流管に接続されているので、この合流部における流れの方向変化が大きなものとなり、通気抵抗の増加ひいては内燃機関の出力低下の要因となる。

本発明は、排気マニホルドを介して生じる排気音の音質を向上させるとともに、通気抵抗の低減を図ることを目的としている。

この発明に係る内燃機関の排気マニホルドは、直列に配置された少なくとも３つの気筒の排気系を、下流側端部において１本の流路に集合させるものであって、最前端に位置する気筒から内燃機関の気筒列方向に沿って後方へ延び、上記下流側端部に至る第１の排気管を備えている。残りの気筒からそれぞれ延びた複数の第２の排気管は、それぞれの端部が、上記第１の排気管の軸方向の異なる点において、順次、上記第１の排気管に合流している。つまり、上記第１の排気管は、不必要に湾曲することなく最前端気筒から実質的に最短距離でもって下流側端部に至るように構成されており、この第１の排気管に、他の気筒の第２の排気管が、適宜な管長を確保し得るように延びつつ、順次、合流する。そして、上記第１の排気管と上記第２の排気管との合流部には、それぞれ容積部が設けられている。

図１７は、合流部における容積部の作用を説明したものであり、図（Ａ）に示すように、例えば３つの気筒の排気管１０１，１０２，１０３が１本の排気管１０４に合流する場合、仮に各気筒の排気管１０１，１０２，１０３が等長であっても、排気音に基本次数以外の成分が生じやすい。つまり、図の左側の波形図に示すように、各気筒の圧力脈動が等間隔で入力されるため、出口側では、右側の波形図に示すように、基本次数ごとにピークが発生するが、合流部に容積部を具備しない場合には、合流部での流れが複雑であり、各気筒毎の経路差が存在するので、各ピークの強さに差が生じ、基本次数以外の成分の増加ならびに基本次数成分の減衰が大きなものとなる。従って、排気音の音質が悪いものとなる。

これに対し、図（Ｂ）に示すように、合流部に容積部１０５が存在すると、気筒間の経路差が緩和され、ピークの強さが揃った基本次数波形となり、音質悪化の要因となる基本次数以外の成分が少なくなる。ここで、容積部の原理を示す図（Ｂ）では３本の排気管１０１，１０２，１０３が１箇所の容積部で合流しているが、本発明では、各気筒の排気管が１気筒分ずつ順次合流し、複数の合流部のそれぞれに容積部が設けられる。従って、個々の容積部は、その容積が比較的小さなもので十分な効果を得ることができ、排気マニホルド全体として、大型化を避けることができる。

本発明では、合流部に容積部を有することにより、容積部に接続される第１の排気管の端部の中心軸と第２の排気管の端部の中心軸とがなす合流角が、実質的に０°となるように構成することが可能である。つまり、第１の排気管と第２の排気管とが互いに平行のまま容積部に接続される。これにより、通気抵抗が低減する。

また、本発明では、上記第２の排気管が、機関の前方から見たときに、各気筒から、上記第１の排気管の外周に巻き付くように延び、周方向においてシリンダヘッドと反対側となる方向から該第１の排気管に合流する。従って、第２の排気管の管長が長く得られ、排気マニホルドを過度に大型化することなく、各気筒の排気管長を容易に等長化することができる。

この発明に係る内燃機関の排気マニホルドによれば、排気マニホルドの大型化を回避しつつ、合流部での複雑な流れによる基本次数以外の成分の増加を抑制でき、排気音の音質を改善することができる。

また、限られた寸法の中で、各気筒の第２の排気管を第１の排気管に非常に小さな合流角でもって合流させることが可能となり、通気抵抗を低減できる。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１〜図６は、この発明を、Ｖ型６気筒内燃機関の一方のバンクの排気系を集合させる排気マニホルド１として構成した一実施例を示すもので、例えば、一方のバンクのシリンダヘッド２における♯１気筒、♯３気筒、♯５気筒の３つの気筒の排気系を、図外の触媒コンバータに至る１本の流路に集合させている。なお、図１は、排気マニホルド１を内燃機関の上方から見た平面図、図２は、内燃機関の下方から見た下面図、図３は、内燃機関の後方から見た側面図、図４は、内燃機関の前方から見た側面図、図５は、内燃機関の側方から見た正面図、図６は、斜め後方かつ上方の点から見た斜視図である。

この排気マニホルド１は、最前端気筒となる♯１気筒の排気ポートから内燃機関の気筒列方向（クランクシャフト軸方向）に沿って後方へ延びる第１の排気管と、♯３気筒の排気ポートから延びて第１の排気管に相対的に上流側の点で合流する♯３気筒用の第２の排気管と、♯５気筒の排気ポートから延びて第１の排気管に相対的に下流側の点で合流する♯５気筒用の第２の排気管と、を備えているが、より具体的には、本実施例では、第１の排気管は、♯１気筒の排気ポートに接続される♯１ブランチ管１１と、後述する第１容積部を構成する中間管１２と、後述する第２容積部を構成するとともに、下流側端部にフロントチューブ接続用フランジ１４を備えた出口管１３と、に分割して構成されている。そして、♯３気筒用の第２の排気管は、♯３気筒の排気ポートに接続される♯３ブランチ管１５から構成され、♯５気筒用の第２の排気管は、♯５気筒の排気ポートに接続される♯５ブランチ管１６から構成されている。各ブランチ管１１，１５，１６の上流端は、排気マニホルド１をシリンダヘッド２側面に取り付けるための各気筒に共通の取付フランジ１７に溶接されている。なお、上記フロントチューブ接続用フランジ１４には、触媒コンバータを備えた図示せぬフロントチューブが接続される。

上記の♯１ブランチ管１１と中間管１２と出口管１３とからなる第１の排気管は、上記取付用フランジ１７に接続される♯１ブランチ管１１の上流側部分１１ａが略Ｌ字形をなすように湾曲しているほかは、不必要に湾曲することなく♯１気筒から実質的に最短距離でもってフロントチューブ接続用フランジ１４に至るように、ほぼ真っ直ぐに構成されている。特に、フロントチューブが車両床下へと延びることから、第１の排気管は、全体として、♯１気筒から斜め下方へ延びている（図５参照）。なお、図示例では、車載時の他部品との位置関係の制約から、図１、図６等に示すように、出口管１３が僅かに緩く湾曲しているが、これも必要最小限のものとなっている。上記♯１ブランチ管１１は、♯３ブランチ管１５および♯５ブランチ管１６と同じく、金属管を液圧加工等により所定の湾曲形状かつ断面形状に加工したものである。この♯１ブランチ管１１の上流側の端部は、取付フランジ１７から機関後方へ向かって斜めに突出している。中間管１２は、偏平な入口部１２ａおよびＤ字形断面の出口部１２ｂを有するやや先細りの短い筒状に形成されている。上記♯１ブランチ管１１の下流側先端部１１ｂは、上記中間管１２の入口部１２ａ、特に該入口部１２ａの一方（上方から見てシリンダヘッド２寄りとなる側）に偏った位置に、直線状に接続されかつ溶接されている。出口管１３は、偏平な入口部１３ａを有する筒状をなし、入口部１３ａから下流側へ向かって徐々に断面真円形に近付き、下流側の端部に上記フロントチューブ接続用フランジ１４が溶接されている。上記中間管１２の出口部１２ｂは、上記出口管１３の入口部１３ａ、特に該入口部１３ａの一方（上方から見てシリンダヘッド２寄りとなる側）に偏った位置に、直線状に接続されかつ溶接されている。

これに対し、♯３ブランチ管１５は、全体として、略Ｃ字状ないしは略Ｕ字状をなすように湾曲した形状をなすものであって、取付フランジ１７に接続された上流側部分１５ａが、上記取付フランジ１７から機関前方へ向かうように斜めに突出し、かつ中間部分１５ｂが、♯１ブランチ管１１の上方を横切っていくとともに、♯１ブランチ管１１の外周に巻き付くように下向きに湾曲する。そして、♯１ブランチ管１１の上方を横切った直後の付近から下向きに湾曲しつつ♯１ブランチ管１１の下流側へ向かうように湾曲し、下流側先端部１５ｃが、♯１ブランチ管１１の下流側先端部１１ｂと平行に並んで位置する。この下流側先端部１５ｃは、上記中間管１２の入口部１２ａ、特に該入口部１２ａの中の♯１ブランチ管１１と反対側の位置（上方から見てシリンダヘッド２と反対側となる側）に、直線状に接続されかつ溶接されている。つまり、第２の排気管となる♯３ブランチ管１５は、♯３気筒から、♯１ブランチ管１１を中心に巻き込むように延び、周方向で見てシリンダヘッド２と反対側となる方向から該♯１ブランチ管１１の流路に合流する。ここで、♯３ブランチ管１５の管長は、♯１ブランチ管１１の管長と等しく設定されている。

図９は、中間管１２を取り除いて♯１ブランチ管１１および♯３ブランチ管１５を示した分解図であり、また、図１０および図１１は、中間管１２のみを入口側および出口側から示した斜視図である。図示するように、中間管１２の偏平な長円状をなす入口部１２ａの中央部に、仕切板２１が溶接固定されており、これによって、入口部１２ａが”θ”状に区画されている。そして、その一対のＤ字形の開口形状に対応するように、♯１ブランチ管１１の下流側先端部１１ｂおよび♯３ブランチ管１５の下流側先端部１５ｃが、それぞれＤ字形断面に加工されており、それぞれ入口部１２ａの各Ｄ字形開口内に嵌合し、かつ溶接されている。なお、上記中間管１２の入口部１２ａ周縁は、♯１，♯３ブランチ管１１，１５の外側に嵌合する嵌合部を構成するように、その口径がステップ的に僅かに拡大している。

♯５気筒用の♯５ブランチ管１６は、上述した♯３ブランチ管１５と同様に、全体として、略Ｃ字状ないしは略Ｕ字状をなすように湾曲した形状をなすものであって、取付フランジ１７に接続された上流側部分１６ａが、上記取付フランジ１７から機関前方へ向かうように斜めに突出し、かつ中間部分１６ｂが、中間管１２の上方を横切っていくとともに、該中間管１２の外周に巻き付くように下向きに湾曲する。そして、中間管１２の上方を横切った直後の付近から下向きに湾曲しつつ中間管１２の下流側へ向かうように湾曲し、下流側先端部１６ｃが、中間管１２の出口部１２ｂと平行に並んで位置する。この下流側先端部１６ｃは、上記出口管１３の入口部１３ａ、特に該入口部１３ａの中の中間管１２と反対側の位置（上方から見てシリンダヘッド２と反対側となる側）に、直線状に接続されかつ溶接されている。つまり、第２の排気管となる♯５ブランチ管１６は、♯５気筒から、第１の排気管となる中間管１２を中心に巻き込むように延び、周方向で見てシリンダヘッド２と反対側となる方向から該中間管１２の流路に合流する。ここで、♯５ブランチ管１６は、♯３ブランチ管１５に比べて、排気ポート位置から機関前方および上方へより大きく迂回するように湾曲形成され、その管長が、♯３ブランチ管１５の管長よりも長いものとなっている。より望ましくは、中間管１２の管長分だけ♯３ブランチ管１５よりも長くなるように、♯５ブランチ管１６の湾曲形状が設定されている。これにより、各排気ポートからフロントチューブ接続用フランジ１４に至るまでの各気筒の実質的な管長が等長となっている。

図７は、出口管１３を取り除いて中間管１２と♯５ブランチ管１６とを示した分解図、図８はさらに♯５ブランチ管１６を取り除いて中間管１２を示した分解図であり、また、図１２は、出口管１３のみを入口側から示した斜視図、図１３は、これに中間管１２を組み合わせた状態の斜視図である。図示するように、出口管１３の偏平な長円状をなす入口部１３ａの中間部（詳しくは中央から一方に偏った位置）に、仕切板２２が溶接固定されており、これによって、入口部１３ａが”θ”状に区画されている。そして、その一対のＤ字形の開口形状に対応するように、中間管１２の出口部１２ｂおよび♯５ブランチ管１６の下流側先端部１６ｃが、それぞれＤ字形断面に加工されており、それぞれ入口部１３ａの各Ｄ字形開口内に嵌合し、かつ溶接されている。出口管１３の入口部１３ａの周縁は、上述した中間管１２の入口部１２ａ周縁と同じく、中間管１２および♯５ブランチ管１６の外側に嵌合する嵌合部を構成するように、その口径がステップ的に僅かに拡大している。なお、それぞれ長円状をなす中間管１２の入口部１２ａの開口形状と出口管１３の入口部１３ａの開口形状とを比較すると、図１３からも明らかなように、短径方向の寸法は互いにほぼ等しく、長径方向の寸法は、出口管１３の方がより大きなものとなっている。

図１４は、合流部となる中間管１２および出口管１３の付近の断面図である。図示するように、♯１ブランチ管１１と中間管１２と出口管１３とからなる第１の排気管に対し、♯３ブランチ管１５からなる♯３気筒用の第２の排気管は、中間管１２の入口部１２ａ側において合流する。そして、合流部となる中間管１２内は、排気音として基本次数成分以外の周波数成分を減衰させるに十分な容積を有する第１容積部３１となっている。換言すれば、♯１ブランチ管１１の流路と♯３ブランチ管１５の流路とが、中間管１２によって構成される第１容積部３１において互いに合流している。ここで、♯１ブランチ管１１の端部の中心軸Ｌ１と、♯３ブランチ管１５の端部の中心軸Ｌ３とは、互いに平行であり、つまり両者がなす合流角は、実質的に０°である。なお、♯１ブランチ管１１の下流側先端部１１ｂと♯３ブランチ管１５の下流側先端部１５ｃとが互いに平行となっている区間の長さは、両者から第１容積部３１に流れ込んだ排気流により螺旋流が生じないように、適宜な長さに設定されている。第１容積部３１となる中間管１２の通路断面は、上流側の♯１，♯３ブランチ管１１，１５の各通路断面に比べて、十分に大きなものとなっている。

同様に、第１の排気管となる中間管１２に対し、♯５ブランチ管１６からなる♯５気筒用の第２の排気管は、出口管１３の入口部１３ａ側において合流する。そして、合流部となる出口管１３の上流側部分が、やはり排気音として基本次数成分以外の周波数成分を減衰させるに十分な容積を有する第２容積部３２となっている。換言すれば、中間管１２の流路と♯５ブランチ管１６の流路とが、出口管１３によって構成される第２容積部３２において互いに合流している。ここで、中間管１２の端部の中心軸Ｌ４と、♯５ブランチ管１６の端部の中心軸Ｌ５とは、互いに平行であり、つまり両者がなす合流角は、実質的に０°である。♯５ブランチ管１６の下流側先端部１６ｃと中間管１２とが互いに平行となっている区間の長さは、両者から第２容積部３２に流れ込んだ排気流により螺旋流が生じないように、適宜な長さに設定されている。第２容積部３２となる出口管１３の上流側部分の通路断面は、上流側の中間管１２もしくは♯５ブランチ管１６の各通路断面に比べて、十分に大きなものとなっている。なお、出口管１３の通路断面は、入口部１３ａから下流側へ向かって徐々に小さくなり、図１４の線ＬＳより下流では一定の通路断面となる。従って、この線ＬＳよりも上流側部分が第２容積部３２に相当するものとなる。この相対的に下流側に位置する第２容積部３２は、相対的に上流側に位置する第１容積部３１よりも、大きな容積を有している。また、この第２容積部３２には、排気空燃比を検出するための酸素センサ等の空燃比センサ３３が取り付けられている。

図１５は、上記排気マニホルド１の管路構成を模式的に示したものであり、前述したように♯１ブランチ管１１と中間管１２と出口管１３とからなる第１の排気管は、全体として、♯１気筒から後方へほぼ真っ直ぐに延び、ここに、♯３ブランチ管１５および♯５ブランチ管１６が巻き付きつつ合流するが、それぞれの合流部における合流角αは、いずれも実質的に０°である。

上記のように構成された排気マニホルド１においては、♯３ブランチ管１５および♯５ブランチ管１６を第１の排気管の外周に巻き付くように構成することで、全体の大型化を回避しつつ各排気ポートからフロントチューブ接続用フランジ１４に至るまでの各気筒の実質的な管長を等長とすることができ、排気音の音質向上を実現できる。特に、第１の排気管に対する♯３ブランチ管１５の合流部および♯５ブランチ管１６の合流部にそれぞれ容積部３１，３２を設けたため、合流部での複雑な流れによる基本次数以外の成分の増加を抑制でき、排気音の音質を改善することができる。しかも、容積が、上流側の第１の容積部３１と下流側の第２容積部３２とに分かれるため、それぞれでの容積は比較的小さくて済み、排気マニホルド１全体の大型化を可及的に抑制することができる。

また、上記のように容積部３１，３２を設けたことと相俟って、それぞれの合流部での合流角αをいずれも０°とすることができ、合流部における通気抵抗を最小にできる。これにより、高速域での体積効率が向上する。

さらに、容積部３１，３２を構成する中間管１２および出口管１３をそれぞれ別部品とし、かつ各ブランチ管１１，１５，１６を個々に製造した上で、溶接して一体化するように構成したので、各部品の製造ならびに組立が容易となる。特に、各ブランチ管１１，１５，１６の端部および中間管１２の端部が、それぞれ、中間管１２や出口管１３の開口部に挿入された形で溶接されるので、溶接作業の作業性が優れたものとなる。

なお、上記実施例では、合流角αが最も小さな角である０°となっているが、この発明は必ずしもこれに限定されるものではない。図１６は、一例として、０°よりも大きな合流角αでもって♯１ブランチ管１１と♯３ブランチ管１５とが合流する合流部の概略を示しており、合流部における♯３ブランチ管１５の外側に膨出部４１を設けるとともに、♯３ブランチ管１５の流路が対向する反対側部分に膨出部４２を設けることにより、容積部３１が構成されている。このような構成においても、通気抵抗の低減のためには、合流角αが３０°以下であることが望ましい。

以上、この発明の一実施例を説明したが、この発明は、Ｖ型６気筒内燃機関の一方のバンク用の排気マニホルドに限定されるものではなく、Ｖ型８気筒内燃機関の一方のバンクの排気マニホルド、あるいは直列４気筒内燃機関の排気マニホルド、などとして構成することが可能である。

一実施例の排気マニホルドを内燃機関の上方から見た平面図。 同じく排気マニホルドを内燃機関の下方から見た下面図。 同じく排気マニホルドを内燃機関の後方から見た側面図。 同じく排気マニホルドを内燃機関の前方から見た側面図。 同じく排気マニホルドを内燃機関の側方から見た正面図。 同じく排気マニホルドを斜め後方かつ上方の点から見た斜視図。 出口管を取り除いて中間管と♯５ブランチ管を示した分解図。 さらに♯５ブランチ管を取り除いて中間管を示した分解図。 中間管を取り除いて♯１ブランチ管と♯３ブランチ管を示した分解図。 中間管のみを入口側から示した斜視図。 中間管のみを出口側から示した斜視図。 出口管のみを入口側から示した斜視図。 出口管に中間管を組み合わせた状態の斜視図。 合流部となる中間管および出口管の付近の断面図。 排気マニホルドの管路構成を模式的に示した説明図。 合流角αが０°よりも大きな実施例を示す概略の説明図。 合流部における容積部の作用を説明する説明図。

符号の説明

１…排気マニホルド
１１…♯１ブランチ管
１２…中間管
１３…出口管
１５…♯３ブランチ管
１６…♯５ブランチ管
１７…取付フランジ
３１…第１容積部
３２…第２容積部

Claims (5)

1. 直列に配置された少なくとも３つの気筒の排気系を、下流側端部において１本の流路に集合させる内燃機関の排気マニホルドにおいて、
   最前端に位置する気筒から内燃機関の気筒列方向に沿って後方へ延び、上記下流側端部に至る第１の排気管と、
   残りの気筒からそれぞれ延び、かつそれぞれの端部が、上記第１の排気管の軸方向の異なる点において、順次、上記第１の排気管に合流する複数の第２の排気管と、
   上記第１の排気管と上記第２の排気管との合流部にそれぞれ設けられた複数の容積部と、
   を備えており、
   上記第２の排気管は、機関の前方から見たときに、各気筒から、上記第１の排気管の外周に巻き付くように延び、周方向においてシリンダヘッドと反対側となる方向から該第１の排気管に合流することを特徴とする内燃機関の排気マニホルド。
2. 上記容積部に接続される上記第１の排気管の端部の中心軸と上記第２の排気管の端部の中心軸とがなす合流角が、実質的に０°であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気マニホルド。
3. 相対的に上流側に位置する合流部から次の合流部までの間の排気管断面積を、前者の合流部より上流側の第１の排気管よりも拡大することにより、上記容積部が構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気マニホルド。
4. 複数の容積部の容積が、下流側のものほど大きくなっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の排気マニホルド。
5. いずれかの容積部に、空燃比センサが取り付けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の排気マニホルド。

Images