JPH07102965A - 排気マニホールドの取付け構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 排気マニホールドの熱変形を十分に吸収し、
熱応力集中による排気マニホールドの損傷を防止する。 【構成】 シリンダヘッド１と排気マニホールド２との
間に介装されるガスケット１０を、２枚の外側メタル１
１、２１と、この各外側メタル１１、２１との間に配置
される中層メタル３１とから構成し、排気マニホールド
２の熱変形量の大となる部位に対応する中層メタル３１
の部位の板厚Ｔ₂ を他の部位の板厚Ｔ₁ よりも小とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エンジンの排気マニホ
ールドの熱変形を十分に吸収することが可能な排気マニ
ホールドの取付け構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属製薄板からなるメタルガスケット
は、耐熱性に優れシール性能の経時劣化が少ないため、
今日ではエンジンの排気系ガスケットとして多く使用さ
れるに至っている。エンジンのシリンダヘッドと排気マ
ニホールドとの間に介装されるメタルガスケットの先行
技術として、たとえば実開昭６２−１１１９２２号公
報、実開平２−６１１６９号公報、実開平２−６１１７
０号公報、実開平３−３０５１８号公報が知られてい
る。

【０００３】メタルガスケットには、上記公報のように
金属製薄板を複数枚重ね合わせたものがあり、金属薄板
に外方に突出するシール用ビードを成形することによ
り、組付時にはシール用ビードが圧縮変形（弾性変形）
してシール面と密着する。したがって、メタルガスケッ
トのシール用ビードをシール面に十分に密着させること
ができ、良好なシール性能を長期にわたり維持すること
ができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、メタル
ガスケットは、シール用ビード以外の部位ではほとんど
圧縮変形しないので、つぎの問題が生じる。

【０００５】エンジンの運転中には、排気マニホールド
は高温の排気ガスが流れるポート部が著しく高温とな
り、シリンダヘッドと締結されるフランジ部は排気ポー
トに比べて温度が低くなる。そのため、排気マニホール
ドは、排気ポートとフランジ部との熱膨張量の差によっ
て、両端部がシリンダヘッド側に湾曲しようとするが、
メタルガスケットはシール用ビードを除き圧縮変形しに
くいので、排気マニホールドの熱変形を吸収することが
できない。したがって、排気マニホールドの排気ポート
部分には、熱応力が集中し、これによって排気マニホー
ルドが損傷するという問題がある。

【０００６】本発明は、排気マニホールドの熱変形を十
分に吸収し、熱応力の集中による排気マニホールドの損
傷を防止することが可能な排気マニホールドの取付け構
造を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
の本発明に係る排気マニホールドの取付け構造は、排気
マニホールドを、ガスケットを介してシリンダヘッドに
締結した排気マニホールドの取付け構造において、前記
排気マニホールドの排気ポート配列方向における両端外
郭部の締結方向の変形量を、排気マニホールドの排気ポ
ート合流部の締結方向の変形量よりも大としたものから
成る。なお、排気マニホールドを覆うヒートインシュレ
ータには、排気マニホールドをシリンダヘッドに締結す
るナットの緩みを防止する回り止めを形成するのが望ま
しい。

【０００８】

【作用】このように構成された排気マニホールドの取付
け構造においては、排気マニホールドの排気ポート合流
部（中央部）の締結方向の変形量よりも、排気ポート配
列方向の両端部の締結方向の変形量が大に確保されるの
で、その変形量の差の分だけ排気マニホールドをシリン
ダヘッド側に余分に熱変形させることが可能となり、熱
応力の集中が回避される。また、排気マニホールドを覆
うヒートインシュレータに、排気マニホールドをシリン
ダヘッドに締結するナットの緩みを防止する回り止めを
形成するようにしたので、新たな部品を用いることなく
ナットの緩みに起因する排気ガスの漏れを防止すること
が可能となる。

【０００９】

【実施例】以下に、本発明に係る排気マニホールドの取
付け構造の望ましい実施例を、図面を参照して説明す
る。

【００１０】第１実施例 図１ないし図６は、本発明の第１実施例を示しており、
とくに４気筒エンジンのメタルガスケットに適用した場
合を示している。図１は、ガスケットとしてのメタルガ
スケット１０を示している。メタルガスケット１０は、
図２に示すように、２枚の外側メタル１１、２１と１枚
の中層メタル３１から構成されている。外側メタル１
１、２１および中層メタル３１は、たとえばステンレス
スチールから構成されている。

【００１１】外側メタル１１、２１および中層メタル３
１は、プレス加工によって同一形状に打抜かれている。
外側メタル１１、２１および中層メタル３１には、排気
ガスの通路となる４つのガス穴４０と、ボルト４３が挿
通される５つのボルト穴４１がそれぞれ形成されてい
る。外側メタル１１、２１と中層メタル３１は、接合し
ない状態で積み重ねられており、一方の外側メタル１１
と他方の外側メタル２１との間に、中層メタル３１に配
置されている。

【００１２】図１は、シリンダヘッド１と排気マニホー
ルド２のフランジ部２ｂとの間に、メタルガスケット１
０をセットした状態を示している。この状態では、ボル
ト４３によるシリンダヘッド１と排気マニホールド２と
の締結は行われていない。図１に示すように、一方の外
側メタル１１は排気マニホールド２と接触するようにな
っており、他方の外側メタル２１はシリンダヘッド１に
接触するようになっている。

【００１３】一方の外側メタル１１の各ボルト穴４１の
外周には、周方向に延びるシール用ビード部１２が形成
されている。シール用ビード１２は、排気マニホールド
２に向って突出している。一方の外側メタル１１の各ガ
ス穴４０の外周には、周方向に延びるシール用ビード
（図示略）が形成されている。一方の外側メタル１１の
板厚は、全体にわたって均一になっている。

【００１４】他方の外側メタル２１の各ボルト穴４１の
外周には、周方向に延びるシール用ビード２２が形成さ
れている。シール用ビード２２は、シリンダヘッド１に
向って突出している。他方の外側メタル２１の各ガス穴
４０の外周には、周方向に延びるシール用ビード（図示
略）が形成されている。他方の外側メタル２１の板厚
は、全体にわたって均一になっている。

【００１５】一方の外側メタル１１と他方の外側メタル
２１との間に配置される中層メタル３１は、ガス穴４０
およびボルト穴４１の外周にはシール用ビードは形成さ
れていない。中層メタル３１は、排気マニホールド２の
熱変形量の大となる部位に対応する部分は他の部位より
も板厚が薄くなる薄肉部３２に形成されている。本実施
例のように、４気筒エンジンでは、排気マニホールド２
の排気ポート配列方向の両端部が熱変形が最大となるの
で、排気マニホールド２の両端部に対応する中層メタル
３１の薄肉部３２の肉厚Ｔ₂ は、他の部位（中央部）の
板厚Ｔ₁ よりも小となっている。

【００１６】つぎに、第１実施例における作用について
説明する。図１に示すように、シリンダヘッド１と排気
マニホールド２との間にメタルガスケット１０がセット
されると、排気マニホールド２のフランジ部のボルト穴
３を介してメタルガスケット１０のボルト穴４１にボル
ト４３が挿入され、ボルト４３はシリンダヘッド１のね
じ孔４にねじ込まれる。

【００１７】図３に示すように、ボルト４３の締付けが
完了した時点では、一方の外側メタル１１に形成された
シール用ビード１２と他方の外側メタル２１に形成され
たシール用ビード２２がシリンダヘッド１と排気マニホ
ールド２との締結によって板厚方向に圧縮される。ここ
で、メタルガスケット１０の中央部では、図４の右側に
示すように、各シール用ビード部１２、２２は、十分に
圧縮変形される。

【００１８】中層メタル３１の両端部に位置する薄肉部
３２の板厚Ｔ₂ は、他の部位の板厚Ｔ₁ よりも小となっ
ているので、板厚を薄くした分だけ一方の外側メタル１
１がシリンダヘッド１側に逃げることができ、各外側メ
タル１１、２１の各シール用ビード部１２、２２は完全
に圧縮変形されないことになる。しかし、この状態で
は、各外側メタル１１、２１および中層メタル３１は互
に十分に密着し、各シール用ビード部１２、２２はシリ
ンダヘッド１および排気マニホールド２にそれぞれ十分
に密着しているので、シール性は良好に保たれる。

【００１９】エンジンが起動されると、高温の排気ガス
がシリンダヘッド１を介して排気マニホールド２の各ポ
ート２ａに流入し、排気マニホールド２の各ポートは排
気ガスからの受熱によって著しく高温となる。ここで、
排気マニホールド２の各ポート２ａはフランジ部２ｂよ
りも熱膨張量が大きいので、排気マニホールド２は図５
に示すようにシリンダヘッド１側に熱変形する。すなわ
ち、排気マニホールド２は中央部を基準として両端部が
シリンダヘッド１側に最も熱変形することになる。

【００２０】ここで、中層メタル３１の両端に位置する
薄肉部３２の肉厚Ｔ₂ は、他の部位の肉厚Ｔ₁ よりも薄
くなっており、薄肉部３２に対応するシール用ビード部
１２、２１は組付け完了の時点で十分に圧縮変形してい
ないので、図６に示すように、排気マニホールド２のシ
リンダヘッド１側への熱変形を各シール用ビード部１
２、２２の圧縮変形によって吸収することが可能とな
る。したがって、排気マニホールド２のポート２ａ側に
おける熱応力の集中が緩和され、排気マニホールド２の
亀裂の発生を防止することが可能となる。

【００２１】本実施例では、中層メタル３１のみを部分
的に薄肉とし、シリンダヘッド１および排気マニホール
ド２に直接接触する外側メタル１１、２１は板厚を変化
させていないので、シール用ビード部１２、２２の強度
を十分に確保することができ、かつ排気マニホールド２
の熱変形による滑り変形に対しても十分な強度を保つこ
とが可能となる。

【００２２】第２実施例 図７ないし図１１は、本発明の第２実施例を示してい
る。第２実施例が第１実施例と異なるところは、排気マ
ニホールドの締結構造の一部であり、その他の部分は第
１実施例に準じるので、準じる部分に第１実施例と同一
の符号を付すことにより準じる部分の説明を省略し、異
なる部分についてのみ説明する。後述する他の実施例も
同様とする。

【００２３】図７において、排気マニホールド２の上方
には、排気マニホールド２による熱害を防止するヒート
インシュレータ５１が設けられている。排気マニホール
ド２は、シリンダヘッド１に螺合されボルト（スタッド
ボルト）４３が挿通されており、ボルト４３には排気マ
ニホールド２をシリンダヘッド１に締結するナット５４
が螺合されている。ヒートインシュレータ５１には、排
気マニホールド２の排気ポート配列方向における両端に
位置するナット５４の緩みを防止する回り止め５２が形
成されている。

【００２４】回り止め５２は、ヒートインシュレータ５
１の両端部にのみ形成されている。回り止め５２の先端
は、ナット５４に向って折り曲げられている。回り止め
５２の先端部５２ａは、平坦な板状に形成されている。
回り止め５２の先端部５２ａは自由端となっており、先
端部５２ａは多少弾性変形した状態でナット５４の一面
を押圧するようになっている。

【００２５】このように構成された第２実施例において
は、つぎの作用が行われる。図１０および図１１は、回
り止め５２を用いない場合の排気マニホールドの締結構
造を示している。図１０に示すように、エンジンの運転
時には排気ガスによって排気マニホールド２がシリンダ
ヘッド１に対して湾曲し、ナット５４には大きな軸方向
の力が作用する。そのため、ナット５４が浮いた状態と
なり、エンジン等の振動によって浮いた状態のナット５
４が徐々に回転し緩んでいく。エンジンを停止させると
排気マニホールド２の温度が低下し、排気マニホールド
２が冷却によって元の状態に戻される。この場合は、ナ
ット５４の緩みによって締結力が低下しているため、シ
ール性能が低下し、シール部からガス漏れが発生する。

【００２６】そこで、本実施例のようにナット５４の外
周面の一面を回り止め５２によって押圧することによ
り、排気マニホールド２の熱変形およびエンジンの振動
によるナット５４の回りが阻止され、ナット５４の緩み
によるシール性の低下が防止される。

【００２７】第３実施例 図１２ないし図１４は、本発明の第３実施例を示してい
る。第１実施例においては、ボルト４３が挿通されるメ
タルガスケット１０のボルト穴４１は、外側メタル１
１、２１と中層メタル３１では同一の径に形成されてい
たが、本実施例では、ボルト穴４１の径が異なってい
る。

【００２８】本実施例では、外側メタル１１と外側メタ
ル２１のボルト穴４１の穴径Ｄ₁ は同一となっている。
中層メタル３１のボルト穴４１の穴径Ｄ₂ は、外側メタ
ル１１、１２のボルト穴４１の穴径Ｄ₁ よりも大に設定
され、かつナット５４の座面径（底面外径）よりも小に
設定されている。中層メタル３１の両側に外側メタル１
１、１２がそれぞれ配置された状態では、中層メタル３
１のボルト穴４１の穴径Ｄ₂ の拡大により、外側メタル
１１と外側メタル２１との間には、隙間Ｓ₁ が形成され
る。

【００２９】このように構成された第３実施例において
は、中層メタル２１のボルト穴４１の穴径Ｄ₂ が外側メ
タル１１、２１のボルト穴４１の穴径Ｄ₁ よりも大に設
定されているため、ナット５４の締付け時におけるナッ
ト５４の座面下に生じる高面圧エリアを狭くすることが
可能となる。また、外側メタル１１と外側メタル２１と
の間に形成される隙間Ｓによって、メタルガスケット１
０のボルト穴４１の近傍が他の部位に比べて比較的弾性
変形しやすくなっているので、排気マニホールド２の熱
変形を吸収することが可能となる。

【００３０】したがって、排気マニホールド２の排気ポ
ート分岐部への応力集中が抑制され、排気マニホールド
２の亀裂、変形が防止される。さらに、ナット５４の座
面下に生じる高面圧エリアを狭くすることにより、ガス
シール部分における面圧が均一化され、ガスシール性の
改善が図れる。

【００３１】第４実施例 図１５ないし図１９は、本発明の第４実施例を示してい
る。第１実施例では締結部分の中層メタルの厚さを部分
的に変化させることにより排気マニホールドの熱変形を
吸収させる構成としたが、本実施例ではガスケットのガ
ス穴（排気ポート）の周囲のビードの高さと剛性を変え
ることにより、排気マニホールドの熱変形を吸収する構
成としている。

【００３２】本実施例のガスケット１０は、外側メタル
１１、２１と中層メタル３１、３２の計４枚のメタルか
ら構成されている。排気マニホールド２側の外側メタル
１１では、中央部のガス穴（排気ポート）４０に近いほ
どシールビード５５の締結方向の剛性が高く、かつ締結
方向の高さＨ₁ が低くなるように形成されており、排気
ポート配列方向の端に近づく排気ポートの周囲ほどシー
ルビード部５６の締結方向の剛性が低く、かつ締結方向
の高さＨ₂ が高くなるように形成されている。

【００３３】排気マニホールド２側の中層メタル３１
は、外側メタル１１と同一の形状に形成されている。シ
リンダヘッド１側の中層メタル３２は、中央部のガス穴
（排気ポート）４０の周囲にのみシールビード５５が形
成されている。シリンダヘッド１側の外側メタル２１に
は、シールビートは全く形成されている。このように、
本実施例におけるガスケット１０は、中央の排気ポート
４０の周囲ほど締結方向の剛性が高く、かつ高さが低く
なっており端部の排気ポート４０の周囲ほど締結方向の
剛性が低く、かつ高さが高くなっている。

【００３４】このように構成された第４実施例において
は、図１７のように積み重ねられた各メタル１１、２
１、３１、３２は、シリンダヘッド１と排気マニホール
ド２の間に配置される。排気マニホールド２は、図示さ
れないナットの締付けにより、シリンダヘッド１と締結
され、この状態では各シールビード５５、５６、５７が
締結方向へ圧縮変形することにより、排気ガスのシール
性が高められる。

【００３５】エンジンが起動され、排気マニホールド２
の各排気ポートに排気ガスが流れると、排気マニホール
ド２の両端部がシリンダヘッド１側に熱変形する。ここ
で、ガスケット１０は端部のガス穴（排気ポート）４０
の周囲ほど締結方向の剛性が低く、かつ高さＨ₂ が高く
なっているので、排気マニホールド２の熱変形を吸収す
ることが可能となる。すなわち、図１９に示すように、
排気マニホールド２の取付け時のシール用ビードの変形
量はほぼ同じであるが、中央部のシール用ビード５５が
変形しにくく、端部のシール用ビード５６が圧縮変形し
やすいので、排気マニホールド２の熱変形を十分に吸収
することができる。

【００３６】したがって、排気マニホールド２の熱歪の
集中が回避され、排気マニホールド２の損傷が防止され
る。また、ガスケット１０における各ガス穴（排気ポー
ト）４０の周囲のシール用ビードにおける剛性および高
さを変えることにより、第１実施例のように両端におけ
る逃げのみを目的とした構成よりも、さらに広い範囲で
排気マニホールド２の熱変形を吸収することが可能とな
る。

【００３７】第５実施例 図２０ないし図２２は、本発明の第５実施例を示してい
る。上述した各実施例では、ガスケット１０の弾性変形
を利用して排気マニホールドの熱変形を吸収する構成と
したが、本実施例では排気マニホールド自体の締結構造
によって排気マニホールドの熱変形を吸収するようにし
ている。

【００３８】図２０において、排気マニホールド２とシ
リンダヘッド１との間には、ガスケット１０が設けられ
ている。ガスケット１０は、上述と同様にメタルガスケ
ットであってもよいし他の種類のガスケットであっても
よい。シリンダヘッド１の端面には、凹状の座面５８が
形成されている。座面５８は、排気マニホールド２の排
気ポート配列方向の両端部に対応するボルト（スタッド
ボルト）４３の部位にのみ形成されている。

【００３９】座面５８が形成された位置のボルト４３の
外周には、ワッシャ形スプリング５９が配置されてい
る。ワッシャ形スプリング５９の一端は、シリンダヘッ
ド１の座面に当接している。ワッシャ形スプリング５９
の他端は、排気マニホールド２の締結面２ｃに当接して
いる。ボルト４３に螺合されたナット５４を締付けるこ
とにより、ガスケット１０とシリンダヘッド１と排気マ
ニホールド２とは密着し、ガスケット１０のシール部分
からの排気ガスの漏れが防止されている。

【００４０】ナット５４による排気マニホールド２のシ
リンダヘッド１への締結が完了した状態では、排気マニ
ホールド２の排気ポート配列方向の両端部においては、
排気マニホールド２の締結面２ｃとシリンダヘッド１の
側面との間には隙間Ｓ₂ が形成されている。この隙間Ｓ
₂ 内では、排気マニホールド２は、ワッシャ形スプリン
グ５９の弾性変形によって変位可能となっている。

【００４１】このように構成された第５実施例において
は、エンジンが起動されると排気ガスによる加熱によっ
て排気マニホールド２がシリンダヘッド１側に熱変形す
る。ここで、排気マニホールド２の排気ポート配列方向
の両端部は、ワッシャ形スプリング５９を介してシリン
ダヘッド１側に支持されているので、排気マニホールド
２の熱変形は、図２１に示すようにワッシャ形スプリン
グ５９の弾性変形によって十分に吸収される。

【００４２】図２２の特性に示すように、ガスケット１
０のシール用ビードおよび板部へ作用する圧縮荷重が増
加しても、これらの変位は一定値以上になると変化しな
いが、ワッシャ形スプリング５９の弾性変形のために隙
間Ｓを十分設定しているので、排気マニホールド２の熱
変形を十分に吸収することが可能となる。また、ワッシ
ャ形スプリング５９は、強制冷却されるシリンダヘッド
１側の座面５８に保持されているので、ワッシャ形スプ
リング５９の過熱が防止され、過熱によるばねのへたり
も解消される。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、つぎの効果が得られ
る。 （１）請求項１の排気マニホールドの取付け構造におい
ては、排気マニホールドの排気ポート配列方向における
両端外郭部の締結方向の変形量を、排気マニホールドの
排気ポート合流部の締結方向の変形量よりも大としたの
で、この変形量の差の分だけ排気マニホールドをシリン
ダヘッド側に余分に熱変形させることができ、排気マニ
ホールドの熱変形を十分に吸収することができる。した
がって、排気マニホールドにおける熱応力の集中を回避
することができ、熱応力に起因する排気マニホールドの
損傷を防止することができる。 （２）請求項２の排気マニホールドの取付け構造におい
ては、排気マニホールドを覆うヒートインシュレータ
に、排気マニホールドをシリンダヘッドに締結するナッ
トの緩みを防止する回り止めを形成するようにしたの
で、新たな部品を用いることなくナットの緩みに起因す
る排気ガスの漏れを防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る排気マニホールドの
取付け構造の要部断面図であって図２のＡ−Ａ線に沿う
断面図である。

【図２】図１のガスケットの全体平面図である。

【図３】図１における排気マニホールドをシリンダヘッ
ドに締結した状態を示す平面図である。

【図４】図３におけるガスケットの圧縮変形状態を示す
要部断面図である。

【図５】図３における排気マニホールドが熱変形した状
態を示す平面図である。

【図６】図５におけるガスケットの圧縮変形状態を示す
要部断面図である。

【図７】本発明の第２実施例に係る排気マニホールドの
取付け構造の正面図である。

【図８】図７の部分拡大正面図である。

【図９】図８の側面図である。

【図１０】図７の回り止めを用いない場合における排気
マニホールドの熱変形状態を示す模式図である。

【図１１】図１０の排気マニホールドの冷間時における
取付け状態を示す模式図である。

【図１２】本発明の第３実施例に係る排気マニホールド
の取付け構造におけるスタッドボルト近傍の断面図であ
る。

【図１３】図１２のガスケットの平面図である。

【図１４】図１３のＢ−Ｂ線に沿う拡大断面図である。

【図１５】本発明の第４実施例に係る排気マニホールド
の取付け構造における排気ポート近傍の断面図である。

【図１６】図１５における排気マニホールドが熱変形し
た状態の断面図である。

【図１７】図１５におけるガスケットの平面図である。

【図１８】図１７のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。

【図１９】図１５のガスケットに作用する荷重とシール
ビード部の変位量との関係を示す特性図である。

【図２０】本発明の第５実施例に係る排気マニホールド
の取付け構造の要部断面図である。

【図２１】図２０における排気マニホールドの熱変形状
態の模式図である。

【図２２】図２１のガスケットおよびワッシャ型スプリ
ングに作用する荷重とその変位量との関係を示す特性図
である。

【符号の説明】

１ シリンダヘッド ２ 排気マニホールド １０ ガスケット １１ 外側メタル １２ シール用ビード ２１ 外側メタル ２２ シール用ビード ３１ 中層メタル ３２ 薄肉部 ５１ ヒートインシュレータ ５２ 回り止め ５４ ナット ５５ シール用ビード ５６ シール用ビード ５８ 座面 ５９ ワッシャ形スプリング Ｄ₁ 外側メタルのボルト穴径 Ｄ₂ 中層メタルのボルト穴径

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岩下 義博 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 排気マニホールドを、ガスケットを介し
   てシリンダヘッドに締結した排気マニホールドの取付け
   構造において、前記排気マニホールドの排気ポート配列
   方向における両端外郭部の締結方向の変形量を、排気マ
   ニホールドの排気ポート合流部の締結方向の変形量より
   も大としたことを特徴とする排気マニホールドの取付け
   構造。
2. 【請求項２】 排気マニホールドを覆うヒートインシュ
   レータに、前記排気マニホールドをシリンダヘッドに締
   結するナットの緩みを防止する回り止めが形成された請
   求項１記載の排気マニホールドの取付け構造。