JPH08210130A - 内燃機関の排気マニホルド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 排気マニホルドの亀裂の発生を阻止する。 【構成】 排気マニホルド１の外周面上にヒートインシ
ュレータ用ボス６、ＥＧＲガス用ボス８およびセンサ用
ボス１０が形成される。ヒートインシュレータ用ボス６
の側壁面の外端部とＥＧＲガス用ボス８の側壁面の外端
部間を橋絡部材１１により連結し、ＥＧＲガス用ボス８
の側壁面の外端部とセンサ用ボス１０の側壁面の外端部
間を橋絡部材１２により連結する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は内燃機関の排気マニホル
ドに関する。

【０００２】

【従来の技術】排気マニホルドは機関本体に固定された
複数本の枝管とこれら枝管が互いに集合する枝管集合部
からなる。このような排気マニホルドでは高温の部分と
低温の部分が存在するので排気マニホルド内においてか
なり熱膨張量に差を生じる。このように熱膨張量に差が
生じると排気マニホルドの壁面内には局所的に大きな圧
縮熱応力或いは引張り熱応力が発生し、これが原因とな
って亀裂が発生することになる。この場合、圧縮熱応力
が発生する領域、或いは引張り熱応力が発生する領域は
排気マニホルドの構造によって異なる。

【０００３】そこでこのような圧縮熱応力或いは引張り
熱応力を低減させるために排気マニホルドの管壁の厚み
を排気ガス流入口側から排気ガス流出口側に向けて徐々
に増大させるようにした排気マニホルドが公知である
（実開昭６２−９８７２０号公報参照）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで最近では機関
の高出力化に伴ない排気ガス温が次第に高くなり、それ
に伴なって排気マニホルドの温度が次第に高くなってき
ている。ところが排気マニホルドの温度が高くなると圧
縮熱応力により圧縮歪を生じた場合に比べて引張り熱応
力により引張り歪を生じた場合の方がはるかに亀裂を生
じやすくなる。即ち、圧縮歪が生じると結晶構造の一部
が辷りを生じて破壊されるがこの場合、亀裂に成長する
までにはかなりの時間を要する。これに対して引張り歪
が生じると内部に多数のマイクロクラックが発生し、排
気マニホルドの温度が高いとこれらマイクロクラックは
比較的短時間のうちに亀裂に成長する。従って排気マニ
ホルドの温度が高いときには圧縮歪の発生よりも引張り
歪の発生の方が亀裂の発生に対して大きな影響を与え、
従って高温となる排気マニホルドにおいては引張り歪に
基づく亀裂の発生を重点的に阻止する必要がある。

【０００５】この引張り歪に基づく亀裂の発生は上述の
公知の排気マニホルドにおけるように排気マニホルドの
管壁を単に厚くしただけでは阻止することはできない。
即ち、排気マニホルドの管壁を厚くすれば管壁内におい
て局所的に発生する引張り応力は小さくなるがそれでも
排気マニホルドが高温になれば多数のマイクロクラック
が発生し、引張り応力が作用している限りこれらのマイ
クロクラックは徐々に亀裂まで成長していくので比較的
早い時期に亀裂が発生することには変りがない。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに１番目の発明によれば、少くとも機関運転時に引張
り応力が発生する外周壁部分を有する排気マニホルドに
おいて、引張り応力が発生する外周壁部分に周期的に圧
縮応力を与える圧縮応力付与手段を具備している。

【０００７】また、２番目の発明によれば１番目の発明
において、圧縮応力付与手段が引張り応力の発生する排
気マニホルド外周壁部分を跨ようにして排気マニホルド
外周壁面から間隔を隔てて延びかつ両端部が排気マニホ
ルド外周壁面に連結された橋絡部材からなる。また、３
番目の発明によれば１番目の発明において、圧縮応力付
与手段が機関本体により排気マニホルドを直接又は間接
的に支持する支持装置からなり、この支持装置によって
引張り応力が発生する排気マニホルド外周壁部分に周期
的に圧縮応力が付与される。

【０００８】

【作用】排気マニホルドが高温のときに排気マニホルド
の管壁内に局所的に大きな引張り応力が発生して多数の
マイクロクラックが発生したとしても排気マニホルドの
温度が高いときにこれらマイクロクラックの発生してい
る領域に圧縮応力を発生させるとこれらマイクロクラッ
クが消減して元の状態に戻る。即ち、マイクロクラック
が修復される。このように大きな引張り応力が発生して
いる領域に周期的に圧縮応力を発生させてやるとその都
度マイクロクラックが修復されるためにマイクロクラッ
クが亀裂まで成長することがなく、斯くして亀裂が発生
しないことになる。

【０００９】従って１番目の発明ではマイクロクラック
が亀裂まで成長するのを阻止するために、圧縮応力付与
手段によって引張り応力が発生する排気マニホルド外周
壁部分に周期的に圧縮応力が与えられる。２番目の発明
では、機関の運転が開始されると排気マニホルドの温度
が徐々に上昇するがこのとき橋絡部材の温度は排気マニ
ホルドの温度上昇に対し遅れてゆっくりと上昇する。こ
の間、橋絡部材の熱膨張量が排気マニホルド外周壁部分
の熱膨張量よりも少ないために橋絡部材の両端間の排気
マニホルド外周壁部分には圧縮応力が発生する。

【００１０】３番目の発明では、支持装置によって引張
り応力が発生する排気マニホルド外周壁部分に周期的に
圧縮応力が付与される。

【００１１】

【実施例】図１はＶ型６気筒エンジンの片方のバンクの
３つの気筒に対して設けられた排気マニホルド１を示し
ている。この排気マニホルド１は３本の枝管２を有し、
各枝管２の先端部には夫々機関本体への取付けフランジ
３が固定されている。これらの枝管２はマニホルド集合
部４に集合せしめられ、マニホルド集合部４の排気ガス
流出口にも取付けフランジ５が固定されている。この取
付けフランジ５には例えば触媒コンバータが取付けられ
る。

【００１２】排気マニホルド１上には排気マニホルド１
を覆うヒートインシュレータを支持するための４つの外
方に突出する柱状体、即ちボス６と、再循環排気ガス
（以下ＥＧＲガスという）を取出すためのＥＧＲガス取
出孔７を形成した外方突出の柱状体、即ちボス８と、酸
素濃度センサを挿入するための挿入孔９を形成した外方
突出の柱状体、即ちボス１０とが一体形成されている。
４つのヒートインシュレータ用ボス６のうちの１つのボ
ス６はマニホルド集合部４上に形成されており、残りの
３つのヒートインシュレータ用ボス６は枝管２上に形成
されている。また、ＥＧＲガス用ボス８およびセンサ用
ボス１０はマニホルド集合部４上に形成されており、図
１に示す実施例ではＥＧＲガス用ボス８はマニホルド集
合部４上のヒートインシュレータ用ボス６およびセンサ
用ボス１０から間隔を隔ててこれらボス６，１０の間に
配置されている。

【００１３】ところでこれらボス６，８，１０が設けら
れているとこれらボス６，８，１０は一種の冷却フィン
のような役目を果するために、即ちこれらボス６，８，
１０が設けられている部分は放熱表面積が大きくなるた
めにこれらボス６，８，１０が形成されていない排気マ
ニホルド１の壁面部分に比べて温度が低くなる。従って
これらボス６，８，１０が形成されている部分の熱膨張
量はこれらボス６，８，１０が形成されていない部分の
熱膨張量に比べて小さくなるためにボス６，８，１０の
周囲の排気マニホルド１の壁面内には引張り応力が発生
することになる。この引張り応力はボス６，８，１０間
の排気マニホルド１の壁面内において、即ちマニホルド
集合部４のヒートインシュレータ用ボス６とＥＧＲガス
用ボス８との間、およびＥＧＲガス用ボス８とセンサ用
ボス１０との間の排気マニホルド１の壁面内で最も大き
くなる。

【００１４】また、これらボス６，８，１０間に発生す
る引張り応力は機関始動後において排気マニホルド１の
温度が上昇しているときには更に大きくなる。即ち、こ
れらボス６，８，１０は大きな熱容量を有するために機
関始動後に排気マニホルド１の温度上昇に比べてゆっく
りした速度で温度上昇し、斯くしてこの間ボス６，８，
１０とこれらボス６，８，１０の形成されていない排気
マニホルド１の壁面との温度差が大きくなる。従ってこ
の間に各ボス６，８，１０間に大きな引張り応力が発生
することになる。いずれにしてもこのようなボス６，
８，１０が排気マニホルド１上に形成されていると機関
の運転が行われる毎に各ボス６，８，１０間の排気マニ
ホルド１の壁面内に引張り応力が発生し、斯くしてつい
には各ボス６，８，１０間に亀裂が発生することにな
る。

【００１５】そこで本発明による実施例では図２（Ａ）
および（Ｂ）に示されるようにヒートインシュレータ用
ボス６の側壁面の外端部とＥＧＲガス用ボス８の側壁面
の外端部とを排気マニホルド１の外周壁面から間隔を隔
てて延びる橋絡部材１１により連結し、ＥＧＲガス用ボ
ス８の側壁面の外端部とセンサ用ボス１０の側壁面の外
端部とを排気マニホルド１の外周壁面から間隔を隔てて
延びる橋絡部材１２により連結するようにしている。

【００１６】機関の運転が開始されると排気マニホルド
１の外周壁の温度は次第に高くなるがこのとき各ボス
６，８，１０は上述したように排気マニホルド１の温度
上昇に対してゆっくりと上昇し、このとき橋絡部材１
１，１２は排気マニホルド１の温度上昇に対して更にゆ
っくりと上昇する。従って排気マニホルド１の温度がか
なり高くなっても橋絡部材１１，１２の温度はさほど上
昇せず、斯くして橋絡部材１１，１２の熱膨張量は各ボ
ス６，８，１０間の排気マニホルド１の外周壁の熱膨張
量よりもかなり小さくなる。その結果、各ボス６，８，
１０間の排気マニホルド１の外周壁内には圧縮応力が発
生することになる。次いで暫らくすると橋絡部材１１，
１２の温度が上昇するために各ボス６，８，１０間の排
気マニホルド１の外周壁内には再び引張り応力が発生す
る。

【００１７】このようにこの実施例では機関の運転が開
始される毎に、即ち周期的に排気マニホルド１の温度が
比較的高い状態で各ボス６，８，１０間の排気マニホル
ド１の外周壁内に圧縮応力が発生せしめられる。その結
果、各ボス６，８，１０間の排気マニホルド１の外周壁
内に引張り応力が作用したときに発生したマイクロクラ
ックがこの周期的に発生せしめられる圧縮応力によって
修復され、斯くして各ボス６，８，１０間の排気マニホ
ルド１の外周壁に亀裂が生じるのを阻止することができ
ることになる。

【００１８】図２（Ａ）および（Ｂ）に示す実施例では
各橋絡部材１１，１２は排気マニホルド１を鋳造する際
に同時に鋳造される。即ち、この実施例では各橋絡部材
１１，１２は排気マニホルド１を鋳造した際に対応する
ボス６，８，１０に一体的に形成される。図３に図２
（Ａ）および（Ｂ）に示す実施例の変形例を示す。な
お、図３において１３はヒートインシュレータを示して
おり、１４はＥＧＲガス導管を示している。この変形例
ではＥＧＲ導管１４の先端部に固定されている取付けフ
ランジ１５がヒートインシュレータ用ボス６の頂面を覆
いうるように大きく形成される。この取付けフランジ１
５はＥＧＲガス用ボス８の頂部に例えばナットを用いて
固締され、この取付けフランジ１５の端部がヒートイン
シュレータ１３と共に例えばボルトによってヒートイン
シュレータ用ボス６の頂部に固締される。従ってこの変
形例ではＥＧＲガス導管１４の取付けフランジ１５が橋
絡部材を構成している。

【００１９】図４および図５（Ａ）に更に別の実施例を
示す。なお、この実施例において図１と同様な構成要素
は同一の符号で示す。図４および図５（Ａ）に示される
ようにこの実施例では排気マニホルド１が４気筒内燃機
関用のものであり、マニホルド集合部４に形成された取
付けフランジ５には触媒コンバータ１６が取付けられて
いる。この触媒コンバータ１６はステー１７によって機
関本体により支持されている。このように枝管２の取付
けフランジ３からみて排気マニホルド１および触媒コン
バータ１６が全体的に湾曲して延びているときにはこの
湾曲構造体の外側であって最も断面積が小さな部分に最
も大きな引張り応力が発生しやすくなる。図４および図
５（Ａ）に示される実施例ではこの最も大きな引張り応
力が発生するのはマニホルド集合部４のＸで示される外
側部となる。

【００２０】そこでこの実施例では最も大きな引張り応
力が発生するマニホルド集合部４の外側部Ｘを跨ように
して橋絡部材１８が設けられている。この橋絡部材１８
は排気マニホルド１の外周壁面から間隔を隔てるように
して排気マニホルド１の鋳造時に同時に鋳造される。こ
の実施例においても機関始動後暫らくの間は橋絡部材１
８の温度がさほど上昇しないので橋絡部材１８の熱膨張
量は少なく、斯くしてこの間に排気マニホルド１の外周
壁の温度が比較的高い状態でもってマニホルド集合部４
の外側部Ｘに圧縮応力が発生せしめられる。従ってこの
実施例においてもこの圧縮応力によってマイクロクラッ
クの修復が行われ、斯くして亀裂の発生を阻止すること
ができる。

【００２１】図５（Ｂ）は図４および図５（Ａ）の変形
例を示している。この変形例では最も大きな引張り応力
が発生するマニホルド集合体４の外側部Ｘ両側の排気マ
ニホルド１外周壁面上に夫々ボス１９が形成され、これ
らボス１９の頂部が橋絡部材２０によって互いに連結さ
れている。図６に更に別の実施例を示す。なお、この実
施例において図５（Ａ）および（Ｂ）と同様な構成要素
は同一の符号で示す。この実施例では触媒コンバータ１
６がステー１７に加えて更に別の支持装置２１により支
持されている。この支持装置２１は機関本体１により支
持された油圧シリンダからなるアクチュエータ２２を具
備し、このアクチュエータ２２の油圧ピストン２３はリ
ンク部材２４を介して触媒コンバータ１６に連結され
る。アクチュエータ２２内の油圧室２５は電子制御ユニ
ット３０の出力信号により制御される開閉弁２６を介し
て油圧ポンプの吐出口に連結され、油圧室２５内のオイ
ルは絞り２７を介してオイル溜めに返戻される。

【００２２】開閉弁２６が開弁せしめられると開閉弁２
６を介して加圧オイルが油圧室２５内に供給される。加
圧オイルが油圧室２５内に供給されると油圧ピストン２
３によって触媒コンバータ１６がピボット２８を中心と
して時計回りに回動せしめられ、斯くしてマニホルド集
合部４の外側部Ｘに圧縮応力が発生せしめられる。電子
制御ユニット３０はディジタルコンピュータからなり、
双方向性バス３１によって相互に接続されたＲＯＭ（リ
ードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメ
モリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力
ポート３５および出力ポート３６を具備する。入力ポー
ト３５には吸入空気量を表わすエアフローメータ４０の
出力信号および例えば排気マニホルド１内の排気ガス温
を表わす排気温センサ４３の出力信号が夫々対応するＡ
Ｄ変換器３７を介して入力され、更に入力ポート３５に
は機関回転数を表わす回転数センサ４１の出力パルス、
車速を表わす車速センサ４２の出力パルスおよびイグニ
ッションスイッチ４４のオン・オフ信号が入力される。
一方、出力ポート３６は駆動回路３８を介して開閉弁２
６に接続される。

【００２３】図７はアクチュエータ２２を制御するため
のルーチンを示しており、このルーチンは例えば一定時
間毎の割込みによって実行される。図７を参照するとま
ず初めにステップ５０においてアクチュエータ２２の駆
動条件が成立したか否かが判別される。アクチュエータ
２２の駆動条件が成立したときにはステップ５１に進ん
で例えば排気マニホルド１内を流れる排気ガスの温度Ｔ
ｅが予め定められた設定温、例えば８００℃よりも高い
か否かが判別される。Ｔｅ＞８００℃のときにはステッ
プ５２に進んでアクチュエータ２２が一定時間駆動され
る。即ち、図６に示される実施例ではこのとき開閉弁２
６が開弁せしめられて油圧室２５内に加圧オイルが供給
され、それによってマニホルド集合部４の外側部Ｘに圧
縮応力が発生せしめられる。

【００２４】排気マニホルド１の温度が高いときにマニ
ホルド集合部４の外側部Ｘに長期間に亘って引張り応力
が作用するとマニホルド集合部４の外側部Ｘにマイクロ
クラックが発生し、このときには排気マニホルド１の温
度が高い状態でマニホルド集合部４の外側部Ｘに極めて
短かい時間だけ圧縮応力を発生せしめさえすればマイク
ロクラックを修復することができる。従って図７に示す
ルーチンではステップ５０においてマニホルド集合部４
の外側部Ｘに圧縮応力を発生させた後適当な期間が経過
したか否かが判別され、適当な期間が経過したときに駆
動条件が成立したと判断される。

【００２５】例えばステップ５０ではイグニッションス
イッチ４４のオン・オフ信号から機関が何回稼動せしめ
られたかをカウントし、機関が数１０回稼動せしめられ
たときには駆動条件が成立したと判断される。この場合
にはアクチュエータ２２は機関が数１０回稼動せしめら
れる毎に一回だけ周期的に駆動される。また、ステップ
５０では車速センサ４２の出力信号に基いて走行距離の
累積値を算出し、或いは機関回転数の累積値を算出し、
これら累積値が一定値を越えたときに駆動条件が成立し
たと判断することもできる。また、ステップ５０におい
て排気ガス温Ｔｅが８００℃を越えた回数をカウント
し、この回数が一定値を越えたときに駆動条件が成立し
たと判断することもできる。

【００２６】一方、図７のステップ５１では排気温セン
サ４３の出力信号に基いて排気ガス温Ｔｅが８００℃以
上になったか否かが判別される。また、このような排気
温センサ４３を設ける代わりに排気ガスＴｅと、機関回
転数、吸入空気量および点火進角値との関係を予めＲＯ
Ｍ３２内に記憶させておき、この記憶された関係から排
気ガス温Ｔｅを求めることができる。

【００２７】また、図６に示される実施例ではアクチュ
エータ２２として油圧シリンダが用いられている。しか
しながらこのアクチュエータ２２としてはピエゾ圧電素
子やソレノイドを用いることもできる。

【００２８】

【発明の効果】排気マニホルドの亀裂の発生を阻止する
ことができるので排気マニホルドの寿命を延ばすことが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】排気マニホルドの正面図である。

【図２】本発明による排気マニホルドの一部を示した図
であって、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は（Ａ）の側面図を
示す。

【図３】図２（Ａ）および（Ｂ）の変形例を示す排気マ
ニホルドの一部の側面図である。

【図４】更に別の実施例を示す排気マニホルドの正面図
である。

【図５】排気マニホルドの側面図であって、（Ａ）は図
４に示す排気マニホルドの側面図、（Ｂ）は（Ａ）の変
形例を示す側面図である。

【図６】更に別の実施例を示す排気マニホルドの側面図
である。

【図７】アクチュエータを制御するためのフローチャー
トである。

【符号の説明】

１…排気マニホルド ２…枝管 ４…マニホルド集合部 ６，８，１０…ボス １１，１２…橋絡部材

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少くとも機関運転時に引張り応力が発生
   する外周壁部分を有する排気マニホルドにおいて、引張
   り応力が発生する外周壁部分に周期的に圧縮応力を与え
   る圧縮応力付与手段を具備した内燃機関の排気マニホル
   ド。
2. 【請求項２】 上記圧縮応力付与手段が引張り応力の発
   生する排気マニホルド外周壁部分を跨ようにして排気マ
   ニホルド外周壁面から間隔を隔てて延びかつ両端部が排
   気マニホルド外周壁面に連結された橋絡部材からなる請
   求項１に記載の内燃機関の排気マニホルド。
3. 【請求項３】 上記圧縮応力付与手段が機関本体により
   排気マニホルドを直接又は間接的に支持する支持装置か
   らなり、該支持装置によって引張り応力が発生する排気
   マニホルド外周壁部分に周期的に圧縮応力が付与される
   請求項１に記載の内燃機関の排気マニホルド。