JPH01134022A - 排気マニホールド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は内燃機関において用いられる排気マニホールド
に関するものである。詳しく述べると本発明は、十分な
耐熱衝撃性および強度を備え、軽量で耐熱温度が高くか
つ断熱性の高い複合構造を有する排気マニホールドに関
するものである。

（従来の技術） 一般に、複数のシリンダを有する多気筒内燃機関におい
ては、それぞれのシリンダより排出される排気ガスを集
合させてマフラーに送るために、各シリンダの排気口に
直接接続するようにして排気マニホールドが設けられて
いる。

この排気マニホールドは、シリンダー内から排気バルブ
を通り流出する燃焼直後の高温高圧の排気ガスと接触し
、また始動直後においては高温までの熱履歴を受けるな
めに、耐熱性、耐熱衝撃性、耐蝕性などの性能を要求さ
れ、従来はＦｅ１２などの鋳鉄や特殊合金鋳鉄などより
構成されるものが用いられていた。

しかしながら近年、自動車分野等における高性能・高出
力化の要請から、排気マニホールドにおいても、上記し
たような耐熱性、耐熱衝撃性、耐蝕性などの性能をより
向上させると同時に、断熱性および軽量化などの性能を
付与する努力が図られている。

例えば、Ｓ　ｉ　Ａ　１　ＯＮなどよりなるセラミック
ス中空焼結体の外側に金属を鋳ぐるんでなる２重管構造
体が提案されている（特開昭５５−５３４４４号）。セ
ラミックス材を使用すれば、従来の鋳鉄材料からなるも
のと比較して、大幅な重量の削減が期待できるが、この
ように柔軟性のないセラミックス焼結体を直接金属で鋳
ぐるんだ場合、鋳造時における熱衝撃、機関の作動停止
に伴なう熱応力、振動等によりセラミックス焼結体が破
損してしまう虞れの大きいものであり、またこのような
緻密質のセラミックス焼結体の断熱性は充分でないこと
から、外側管体を構成する金属としては鋳鉄などの耐熱
性の高い金属を用いる必要があり、アルミ合金などによ
る軽量化が不可能なものであった。

また、例えば、セラミックスファイバーを成形してなる
内側管体と、この内側管体を一体的に鋳込んでなるアル
ミ製外側管体とからなる排気マニホールド（特開昭６０
−８１４２０号）、さらには、この内側管体の内表面に
ワイヤーメツシュなどの保護層を形成した排気マニホー
ルド（特開昭６１−９５９２３号）あるいはこの内側管
体の内表面においてセラミックスファイバーにセラミッ
クス粒子を結合させてなる排気マニホールド（特開昭６
１−２１５４１５号）が提案されている。

このようにセラミックスファイバーを成形してなる多孔
質の内側管体を用いれば、セラミックスファイバー製の
内側管体は、セラミックス焼結体と比較してより柔軟で
あり耐熱衝撃性が高いことから、鋳造時における熱衝撃
、機関の作動停止に伴なう熱応力等による破損の発生す
る虞れは少ないものの、セラミックファイバーからなる
内側管体は、たとえその内表面に保護層を設けたり、あ
るいはセラミックス粒子を結合させて強化しなりしても
強度的に十分なものではなく、さらにこれらの内側管体
を構成するアルミナ・シリカファイバーあるいはシリカ
ファイバーなどのガラス雪のファイバーは高温高圧の排
気ガスに曝されることにより結晶化し体積収縮を起して
脆くなるためにより強度が低下し、高速で流通する排気
ガスの脈動、振動などによりファイバーが剥離脱落して
しまうものであった。また、該内側管体はセラミックス
ファイバーにより構成されるために確かに熱伝導率は低
いものであるが、このような２重管構造においては排気
ガスが直接セラミックスファイバーより構成される多孔
質の内側管体に当るため排気ガスはこのような多孔質の
内側管体を通過してしまい、該内側管体による断熱効果
はあまり期待できないものとなるものであり、さらにこ
のような多孔質の内側管体は流体抵抗の当然に大きいも
のであり、排気効率の面からも問題の残るものであった
。

さらにまた、外表面および流体流路を形成する内表面を
有し溶融シリカフオームあるいはスポジュメンークレイ
フオームなどの耐蝕性物質よりなるインナーコアと、該
インナーコアの内表面に設けられた不透過性層と、該イ
ンナーコアの外表面上に設けられたアルミナ−シリカフ
ァイバーペーパーなどの弾性緩衝材よりなる層と、該緩
衝層を囲繞Ｃする鋳造金属シェルとからなる複合構造体
（米国特許第３７０９７７２号）も提唱されている。こ
のような複合構造体による排気マニホールドにおいては
、多孔質のセラミックスフオームよりなるインナーコア
と弾性緩衝材よりなる層により十分な断熱性と軽量化が
付与されており、またさらにセラミックスインナーコア
と金属シェルの間に弾性緩衝材よりなる層が設けられて
いるために、金属シェル鋳造時における熱衝撃、機関の
作動停止に伴なう熱応力、振動等がセラミックインナー
コアに直接伝わることがなく、これらによるセラミック
スインナーコアの破損の虞れも少ないものであると思わ
れる。しかしながらこの複合構造体においては、インナ
ーコアとして多孔質のセラミックスフオームを用いてそ
の断熱性を高めているが、このような多孔体は強度的に
十分でなく、また好ましい例として挙げられる溶融シリ
カフオーム、スボジュメンークレイフオームなどの材質
自体の強度および耐熱性も十分でないために、高速で流
通する高温高圧の排気ガスの脈動、該マニホールド内で
のバツクファイアなどにより破損する虞れの大きいもの
であった。さらにこの複合構造体においては、このよう
な多孔質のインナーコアに流体が浸透しないように内表
面に不透過性層を設けているが、この不透過性層は、例
えば、インナーコアと同様の材質の粉体等をインナーコ
ア内表面に配し溶融することで形成されており、薄くか
つ強度も十分でないために、使用時に剥離しなり破損し
たりする虞れの大きいものであった。

加えて、このような不透過性層が破損してしまうとイン
ナーコアは多孔質であるために排気ガスが浸透しやすく
腐蝕あるいは断熱性能が低下するという問題を引起こす
こととなってしまう。またこのような不透過性層の形成
は、製造面から見て作業性が悪くコスト的に不利なもの
となるものであった。

（発明が解決しようとする問題点） 上記したように、従来、排気マニホールドにおいて、複
合構造とすることにより耐熱性、耐熱衝撃性、耐蝕性な
どの性能をより向上させると同時に、断熱性および軽量
化などの性能を付与しようとする研究が数多く行なわれ
ているものの、未だこれらの要望に合致したものが開発
されていないのが現状である。

従って、本発明は新規な排気マニホールドを提供するこ
とを目的とする。本発明はまた、断熱性が高い軽量な内
燃機関用の排気マニホールドを提供することを目的とす
る。本発明はさらに、十分な耐熱衝撃性および強度を備
え、軽量で耐熱温度が高くかつ断熱性の高い複合構造を
有する排気マニホールドを提供することを目的とする。

本発明はさらに、排気ガス温度の向上を図れる排気マニ
ホールドを提供することを目的とする。本発明はまた、
耐蝕性の高い排気マニホールドを提供することを目的と
する。

（問題点を解決するための手段） 上記諸口的は、３点曲げ強度１．０ｋｇ／ｍｍ２以上、
２０〜１０００℃の熱膨脹率１％未満の緻密質セラミッ
クス焼結体よりなる内側管体と、該内側管体の外周面を
囲繞して形成される熱伝導率０．５Ｋｃａｌ／ｍ−ｈｒ
−℃以下の多孔質セラミックス成形体よりなる断熱弾性
層と、この断熱弾性層を鋳ぐるんで形成された鋳造金属
よりなる外側管体とから構成されることを特徴とする内
燃機関用排気マニホールドにより達成される。

（作用） このように本発明の排気マニホールドにおいては、内側
管体として優れた強度と低熱膨張性を有する緻密質セラ
ミックス焼結体よりなる管体を用い、この内側管体を熱
伝導率の極めて低い多孔質セラミックス成形体よりなる
断熱弾性層で覆い、さらにこの断熱弾性層を鋳造金属で
鋳ぐるんで外側管体を形成しているものであるために、
鋳鉄等の金属に比較して熱伝導率の低いセラミックス焼
結体および極めて熱伝導率の低いセラミックス成形体に
より、高い断熱性が付与され、同時に軽量化が図られる
。また排気ガスとの接触面は緻密質セラミックス焼結体
であるために、高い耐熱性、耐熱衝撃性および高強度が
付与されることとなる。

さらに緻密質であるために排気ガスの浸透性が低くセラ
ミックスという素材の特性も加わって耐蝕性も高いもの
となる。また鋳造金属製の外側管体と緻密質セラミック
ス焼結体製の内側管体との間には弾性のある多孔質セラ
ミックス成形体よりなる断熱弾性層が存在するために、
外側管体の鋳造時における熱応力、および機関の作動停
止による熱応力は該断熱弾性層により緩和され、内側管
体が破損する虞れはなくなる。、同様に排気マニホール
ド外部からの衝撃ないし振動は該断熱弾性層により緩和
吸収されるために、内側管体が高強度の緻密質セラミッ
クス焼結体であることと相俟って、このような外部応力
による破損の虞れもないものである。

（実施例） 以下、本発明を実施態様に基づきより詳細に説明する。

第１図は本発明の排気マニホールドの一実施例である４
気筒ガソリンエンジン用排気マニホールドの構造を表わ
す一部断面斜視図であり、また第２図は同実施例の継断
面図である。

第１図に示すように本発明の排気マニホールド１は、複
数のシリンダの排気口にそれぞれ接続される複数の排気
ガス流入口２からの流路が集合し排気管に接続される排
気ガス流出口３へとつながる多岐管構造が一体的に形成
されたものであって、その管構造が、第１図および第２
図に示すように、緻密質セラミックス焼結体よりなる内
側管体４と、該内側管体４の外周面を囲繞して形成され
る多孔質セラミックス成形体よりなる断熱弾性層５と、
この断熱弾性層５を鋳ぐるんで形成された鋳造金属より
なる外側管体６とから構成される三重管構造であること
を特徴とするものである。なお、本発明の排気マニホー
ルド１の形状は、第１図に示す実施例におけるものに何
ら限定されるものではなく・、内燃機関のシリンダーの
配置、数に応じであるいは排気Ｍ衝などの面を考慮して
任意のものとされ得る。また、本明細書において用いら
れる「排気マニホールド」なる用語は、例えばＶ型エン
ジンにおいて見られるような、独立した複数の排気マニ
ホールドを装着した場合において該複数の排気マニホー
ルドの排気ガス流出口と１つの排気管とを接続するため
に設けられるクロスオーバーパイプ（連結管）などを含
む広い意味のものとして解釈されるべきである。

本発明の排気マニホールド１において、内側管体４を構
成するセラミックス焼結体は、前記したように緻密質、
例えば気孔率０〜３５％程度、より好ましくは０〜２０
％程度のものとされる。これは緻密質であることが構造
的に高い強度を有し安定しており、かつ実質的にガス不
透過性であり排気ガスの浸透による腐蝕あるいは断熱性
能の低下の問題が生じにくいためである。さらにこのセ
ラミックス焼結体は、３点曲げ強度１．０ｋｇ／ｍｍ２
以上、好ましくは３ｋｇ／ｍｍ２以上、最も好ましくは
５〜２５ｋｇ／ｍｍ２であり、かつ、２０〜１０００℃
の熱膨脹率１％未満、より好ましくは０．５％未満、最
も好ましくは０．３％未満であることが必要とされる。

すなわち、３点曲げ強度が１．０ｋｇ／ｍｍ２未満のも
のであると、長期使用における熱履歴の繰返し、排気ガ
スの脈動、あるいは外部からの衝撃、振動等により破損
されてしまう虞れが生じるためである。また熱膨脹率が
１％を越えるものであると高温高圧の排気ガスによる熱
衝撃、および外側管体６鋳造時における熱衝撃により破
損されてしまう虞れがあるためである。

また内側管体４を構成するセラミックス焼結体において
、その熱伝導率は、１〜１０Ｋｃａｌ／ｍ−ｈｒ−℃、
より好ましくは１〜８ＫＣａ１／ｍ−ｈｒ・℃、最も好
ましくは２〜５ＫＣａ１／ｍ・ｈｒ・℃程度であること
が断熱性の面から望まれる。

このような条件を満たす高強度でかつ低熱膨脂性のセラ
ミックス焼結体としては、例えば、チタン酸アルミニウ
ム（Ａ１２　Ｔｉ０５）　、コージェライト（２Ｍｇ０
・２Ａ１２０３　　・５ＳｉＯ２）および反応焼結窒化
ケイ素（反応焼結Ｓｉ３Ｎ４）などが好丈しく挙げられ
る。なおこのようなセラミックス焼結体を用いた場合、
該内側管体４の内部に従来のガソリンエンジンにおける
排気ガス温度（７５０〜８００℃）を越える１０００℃
の高温ガスを流通しても破損を生じることなく十分に耐
えうるものとなり、内燃機関の高圧縮高回転による出力
向上が可能となる。

また本発明の排気マニホールド１において、このような
緻密質セラミックス焼結体より構成される内側管体４の
肉厚は、１〜１０ｍｍ、より好ましくは３〜５ｍｍ程度
のものとされることが望ましい。すなわち、内側管体４
の肉厚が１ｍｍ未満であると耐熱衝撃性、あるいは機械
的強度が十分なものとならず、一方１０ｍｍを越えるも
のであると、排気マニホールドの重量化および大型化に
つながるものとなるなめである。

なお上記したような緻密質セラミックス焼結体により多
岐管状の内側管体４を構成するには、例えば常圧泥漿鋳
込み、加圧泥漿鋳込み、射出成形などにより所定の形状
に成形し、セラミックスの材贋に応じて常圧焼結、加圧
焼結、反応焼結により焼成することにより行なわれ得る
。

本発明の排気マニホールド１においては、このような内
側管体４の外周面は、上記したように多孔質のセラミッ
クス成形体よりなる断熱弾性層５により囲繞される。こ
のように断熱弾性層５は、多孔質セラミックス成形体に
より構成されるが、セラミックスであるために十分な耐
熱性と剛性を有し、また多孔質のものであるなめに断熱
性と共に良好な弾性を有し、内側管体２と外側管体３と
の間にあって熱膨張係数の相違による熱応力の発生ある
いは外部からの振動ないしは衝撃を吸収できるものであ
る。さらにこの断熱弾性層を構成する多孔質セラミック
ス成形体は、その熱伝導率が、平均温度２０〜１０００
℃において、０．５Ｋｃａｌ／ｍ・ｈｒ・℃以下、より
好ましくは０．３Ｋｃａｌ／ｍ−ｈｒ　・’Ｃ以下、最
も好ましくは０゜ＩＫｃａｌ／ｍ・ｈｒ・℃以下のもの
であることが必要とされる。すなわち、熱伝導率が０．
５Ｋｃａｌ／ｍ−ｈｒ・℃を越えるものであると十分な
断熱効果が得られず、例えば外側管体を融点の低いアル
ミニウム合金により構成できなくなる虞れも生じるため
である。

このような断熱弾性層を構成する多孔質セラミックス成
形体としては、例えばＡｌＯ２−８ｉＯ２系フアイバー
、Ａ　Ｉ　０２系フアイバー、ＳｉＯ２系ファイバーな
どのようなセラミックスファイバーよりなる成形体やＡ
ｌＯ２−８ｉ０２系粉末、ＡｌＯ２系粉末、Ｓ　ｉ　０
２系粉末などのようなセラミックス粉末よりなる成形体
、さらには多孔質セラミックス粉末、例えば、日本エア
ロジル株式会社よりマイクロサームの商品名下で販売さ
れているＳｉＯ２−Ｔ　ｉ　０２系多孔質粉末よりなる
成形体などが好ましく挙げられる。ＡｌＯ２ＳｉＯ２系
ファイバーを用いた場合、その嵩密度が０゜２〜１．０
ｇ／ｃｍ３程度の成形体であることが好まれ、この際の
熱伝導率は、平均温度２０〜１０００℃において、０．
１〜０．５Ｋｃａｌ／ｍ−ｂ　ｒ　＝　’Ｃであり、ま
た５ｉ０２　　ＴｉＯ２系多孔譬粉末を用いた場合、そ
の嵩密度が０．３〜０１６ｇ／ｃｍ３程度の成形体であ
ることが好まれ、この際の熱伝導率は、平均温度２０〜
１０００℃において、０．０３〜０．１Ｋｃａｌ／ｍ−
ｈｒ・℃である。

また本発明の排気マニホールド１において、このような
多孔質セラミックス成形体より構成される断熱弾性層５
の肉厚は、その成形体の種類によっても異なるが、１〜
１０ｍｍ、より好ましくは２〜８ｍｍ程度のものとされ
ることが望ましい。

すなわち、断熱弾性層５の肉厚が１ｍｍ未満であると断
熱効果が十分なものとならず、かつ内側管体４と外側管
体６の間における熱応力の分散および外部からの衝撃あ
るいは振動に耐する緩衝作用が十分なものとならない虞
れがあるためであり、一方１０ｍｍを越えるものである
と、排気マニホールド１の重量化および大型化につなが
るものとなるためである。

なお上記したような多孔質セラミックス成形体より構成
される断熱弾性Ｎ５を、内側管体４の外周面を囲繞して
形成するには、例えば、セラミックスファイバーを用い
る場合には、ペーパー状のセラミックスファイバーを積
層することにより、また例えばセラミックス粉末を用い
る場合には、ワックス類、有機バインダーなどを用いて
保形することにより好適に行なわれ得る。なおこのよう
にワックス類、有機バインダーなどを用いて保形した場
合、これらは後述するように該断熱弾性層５を鋳ぐるん
で形成される外側管体５鋳造時において揮発ないしは燃
焼除去される。

さらに本発明の排気マニホールド１においては、外側管
体６はこのような断熱弾性層５を鋳ぐるんで形成される
鋳造金属により構成される。従って、前記多孔質セラミ
ックス成形体よりなる断熱弾性層５と鋳造金属よりなる
外側管体６との接合界面においては、多孔質のセラミッ
クス成形体に鋳造金属が浸透しており強固な機械的結合
がなされる。

この外側管体６を構成する鋳造金属としては、普通鋳鉄
、特殊合金鋳鉄などの鋳鉄、鋳鋼およびアルミニウム合
金が用いられ得るが、排気マニホールドの軽量化、断熱
効率の向上ならびに鋳造時における熱衝撃および熱応力
の軽減などの面から特にアルミニウム合金であることが
望ましい。なおこのようにアルミニウム合金によって外
側管体６を構成したとしても、前記内側管体４および断
熱弾性層５により十分な断熱が行なわれるなめ、たとえ
排気マニホールド１内を１０００℃の排気ガスが通過し
ても融点の低いアルミニウム合金が溶融することはない
。

また本発明の排気マニホールド１において、このような
鋳造金属より構成される外側管体６の肉厚は、１〜１０
ｍｍ、より好ましくは３〜６ｍｍ程度のものとされるこ
とが望ましい。すなわち、外側管体６の肉厚が１ｍｍ未
溝であると耐振動性、耐衝撃性あるいは機械的強度が十
分なものとならず、一方１０ｍｍを越えるものであると
、排気マニホールド１の重量化および大型化につながる
ものとなるためである。

このような外側管体６を、断熱弾性層５を鋳ぐるんで形
成するには、−船釣なセラミックス鋳ぐるみ鋳造法を用
いて行なうことができ、例えば、上記のごとく内側管体
４の外表面を囲繞して断熱弾性層５を形成した後、これ
を鋳型内に位置決めし、溶融した金属を該鋳型に注湯す
ることによって行なわれ得る。

（発明の効果） 以上述べたように本発明の排気マニホールドは、３点曲
げ強度１．０ｋｇ／ｍｍ２以上、２０〜１０００℃の熱
膨脂率１％未満の緻密質セラミックス焼結体よりなる内
側管体と、該内側管体の外周面を囲繞して形成される熱
伝導率０．５Ｋｃａｌ／ｍ・ｈｒ・℃以下の多孔質セラ
ミックス成形体よりなる断熱弾性層と、この断熱弾性層
を鋳ぐるんで形成された鋳造金属よりなる外側管体とか
ら構成されることを特徴とするものであるので、高い断
熱性、例えば１０００℃の排気ガスを流通させた場合に
おいてもその外表面温度は３００℃〜２００℃であると
いった高い断熱性を有しており、例えば自動車用として
用いられた場合、エンジンルームの温度を低く押えるこ
とができ、エンジンルーム内における電気配線の容易化
および低コスト化を図ることが可能となりまたエンジン
ルームをコンパクトに設計できるものとなる。また本発
明の排気マニホールドは軽量であり、従来の鋳鉄製のも
のと比教して約５０％程度の軽量化が図れるなめに内燃
機関の燃費向上に貢献することができる０、さらに本発
明の排気マニホールドは高い耐熱性および耐熱衝撃性を
有し、例えば１０００℃という極めて高温の排気ガスを
通過させることも可能であり、高出力高回転のエンジン
に対しても十分に対応でき、またこのように排気ガスの
温度を向上させることができれば、断熱性、換言すれば
保温性の良好なことと相俟って、未燃焼ＨＣの低減およ
び排気路に設ける触媒の低減化、ならびにターボチャー
ジャー装着時における効率アップが期待できるものとな
る。加えて本発明の排気マニホールドは、耐蝕性に優れ
その強度も十分なものであるなめに、外部からの衝撃な
いしは振動、あるいは長期間にわたる熱履歴の繰返しに
よっても、破損、特に排気ガス流路面における破損を生
じることがなく、ターボチャージャーなどを装着した場
合などにおいても、破損ないしは剥離した破片などによ
りローターを損傷してしまう虞れもないものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の排気マニホールドの一実施例の構造
を表わす一部断面斜視図であり、また第２図は同実施例
の縦断面図である。 １・・・排気マニホールド、２・・・排気ガス流入口、
３・・・排気ガス流出口、４・・・内側管体、５・・・
断熱弾性層、６・・・外側管体。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）３点曲げ強度１．０ｋｇ／ｍｍ＾２以上、２０〜
   １０００℃の熱膨脹率１％未満の緻密質セラミックス焼
   結体よりなる内側管体と、該内側管体の外周面を囲繞し
   て形成される熱伝導率０．５Ｋｃａｌ／ｍ・ｈｒ・℃以
   下の多孔質セラミックス成形体よりなる断熱弾性層と、
   この断熱弾性層を鋳ぐるんで形成された鋳造金属よりな
   る外側管体とから構成されることを特徴とする内燃機関
   用排気マニホールド。
2. （２）内側管体を構成する緻密質セラミックス焼結体の
   熱伝導率が１〜１０Ｋｃａｌ／ｍ・ｈｒ・℃である特許
   請求の範囲第１項に記載の排気マニホールド。
3. （３）外側管体を構成する鋳造金属がアルミニウム合金
   である特許請求の範囲第１項または第２項に記載の排気
   マニホールド。
4. （４）外側管体を構成する鋳造金属が鋳鉄または鋳鋼で
   ある特許請求の範囲第１項または第２項に記載の排気マ
   ニホールド。
5. （５）内側管体を構成する緻密質セラミックス焼結体が
   、チタン酸アルミニウム、コージェライト、または反応
   焼結窒化ケイ素からなるものである特許請求の範囲第１
   項〜第４項のいずれかに記載の排気マニホールド。
6. （６）断熱弾性層を構成する多孔質セラミックス成形体
   が、セラミックスファイバー成形体またはセラミックス
   粉末成形体である特許請求の範囲第１項〜第５項のいず
   れかに記載の排気マニホールド。
7. （７）断熱弾性層を構成する多孔質セラミックス成形体
   が、アルミナ−シリカファイバー系成形体、アルミナ−
   シリカ系粉末成形体または多孔質シリカ−チタニア系粉
   末成形体である特許請求の範囲第６項に記載の排気マニ
   ホールド。