JPH10266838A - 排気マニホルドと触媒ケースの接続構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 排気マニホルドの枝管の数が多く、排気マニ
ホルドや触媒ケースが複雑形状で寸法が大きくとも、排
気マニホルドと触媒ケースとを一体にできて、接続用の
フランジ部やボルト等が無く、さらに排気マニホルドか
ら触媒ケースに至る排気ガス通路長を短くして、エンジ
ン始動をしてすぐに触媒を昇温でき、かつ信頼性が高
く、低コストに製造できる排気マニホルドと触媒ケース
の接続構造を得る。 【解決手段】 排気マニホルド直下に触媒を置くマニホ
ルド触媒での排気マニホルドと触媒ケースの接続構造に
おいて、排気マニホルドと触媒ケースを摩擦圧接し、排
気マニホルドと触媒ケースは各々鋳鉄と鋳鋼の一種類、
鋳鉄と鋳鋼の組み合わせ、または、排気マニホルドを耐
熱鋳鋼、触媒ケースを球状黒鉛鋳鉄とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車等のエンジンの
排気系装置での排気マニホルドと触媒ケースの接続構造
に関する。

【０００２】

【従来の技術】エンジンより排出される排気ガス中の有
害成分を浄化する一つの装置として触媒コンバータがあ
り、エンジンより排出される排気ガスにより活性温度以
上に触媒を加熱させて有効な触媒作用をさせている。そ
して、触媒コンバータには、触媒の配置の違いにより、
排気マニホルドから離れたフロントパイプの後ろに置く
床下触媒と、排気マニホルド直下に置くマニホルド触媒
の２種類がある。従来は、床下触媒が一般的であった
が、冷機始動後すなわちエンジン始動をしてすぐの触媒
の昇温特性が良く、また暖機中すなわちエンジン運転中
の排気ガス浄化性能に優れるマニホルド触媒が増加して
いる。

【０００３】そして、従来のマニホルド触媒は一般に排
気マニホルドと触媒ケースが別体に構成されている。図
４は従来の排気マニホルドと触媒ケースとの接続構造を
示す要部斜視図である。図４で、４１は排気マニホル
ド、４２は触媒ケース、４３は３元触媒としての白金ロ
ジウム合金を担持せるハニカム構造の触媒である。排気
マニホルド４１は、シリンダブロック（図示せず）に取
付フランジ４１ａに設けたボルト孔４１ｂと、シリンダ
ブロックの排気ポートからの排気ガスを流す枝管４１ｃ
と、この枝管４１ｃを集合する集合管４１ｄと、集合管
４１ｄ端のフランジ４１ｅとからなる。一方、触媒ケー
ス４２は、その内部に触媒４３を収納する筒部４２ａ
と、上部フランジ４２ｂと下部フランジ４２ｃとからな
る。そして、排気マニホルド４１は、ガスケット（図示
せず）を介してシリンダブロックに、ボルト孔４１ｂか
らボルトで締め付け固定しており、排気マニホルド４１
と触媒ケース４２の組立は、触媒ケース４２に触媒４３
を収納、温度センサやガス濃度センサほかの部品（いず
れも図示せず）を組み立てた後、排気マニホルド４１の
フランジ４１ｅと触媒ケース４２の上部フランジ４２ｂ
をボルトで締め付け固定している。また、触媒ケース４
２と排気パイプ（図示せず）との接続は、触媒ケース４
２の下部フランジ４２ｃと排気パイプに形成したフラン
ジをボルトで締め付け固定している。

【０００４】上述のとおり、図４に示す従来の排気マニ
ホルド４１と触媒ケース４２の接続構造では、排気マニ
ホルド４１、触媒ケース４２およ排気パイプにフランジ
を形成して、ボルト等により連結する構造であり、その
連結部が比較的大きい肉厚を有しているため熱容量が大
きく、冷機始動直後の触媒の急速昇温を阻害して排気ガ
ス浄化性能の低下要因となることがある。

【０００５】これを解決しようと、特開昭５７−２１０
１１７号公報には、排気マニホルドと触媒ケースの接続
構造において、排気マニホルドと触媒ケースとを鋳造一
体とする開示があり、これを図３に要部斜視図として示
す。図３における排気マニホルド３１と触媒ケース３２
の接続構造は、鋳造一体のため接続用のフランジ部やボ
ルト等が無く、更に排気マニホルドから触媒ケースに至
る排気ガス通路長を短くしているため、エンジン始動を
してすぐに触媒を昇温できるとしている。

【０００６】また、排気マニホルドと触媒ケースを溶接
により一体的に接続することで、フランジ部をできるだ
け無くして熱容量を小さくし、エンジン始動をしてすぐ
に触媒を昇温しようとすることも行われている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】図３の特開昭５７−２
１０１１７号公報に示すように、排気マニホルド３１の
枝管３１ｃの数が２つと少ない場合には、排気マニホル
ド３１と触媒ケース３２を鋳造一体としても、その形状
・寸法が比較的小さいので、排気マニホルド３１と触媒
ケース３２が一体の鋳型を製作して鋳造することは容易
である。しかし、エンジンが高出力になって排気マニホ
ルド３１の枝管３１ｃの数が３つ、４つと多く、かつ形
状が複雑で寸法も大きくなると、排気マニホルド３１と
触媒ケース３２が一体の鋳型を製作して鋳造することは
困難となる。

【０００８】また、排気マニホルドと触媒ケースを溶接
により一体的に接続すると、溶接の熱影響により広範囲
に熱ひずみが発生しやすく、また溶接によりチルが発生
し、この熱ひずみやチルを除去するための熱処理が必要
となり、製造コストが増加する。

【０００９】本発明の課題は、排気マニホルドの枝管の
数が多く、排気マニホルドや触媒ケースが複雑形状で寸
法が大きくとも、排気マニホルドと触媒ケースとを一体
にできて、接続用のフランジ部やボルト等が無く、更に
排気マニホルドから触媒ケースに至る排気ガス通路長を
短くして、エンジン始動をしてすぐに触媒を昇温でき、
かつ信頼性が高く、低コストに製造できる排気マニホル
ドと触媒ケースの接続構造を得ることにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】摩擦圧接は、接合しよう
とする２個の部材を接触させて、加圧しながら接触面に
相対運動を起こさせ、発生する摩擦熱によって接触面近
傍の温度を高めて行う接合方法である。そして一般の摩
擦圧接は、図５に基本的な摩擦圧接サイクルとして示す
ように、片側の素材を回転させて一定圧力（摩擦圧力Ｐ
１）で所定時間（摩擦時間Ｔ１）押し付けあい、接触面
を摩擦熱により温度上昇させて高温層を形成する摩擦発
熱工程と、このあと回転を急停止し、さらに高い圧力
（アプセット圧力Ｐ２）を加え、そのまま一定時間（ア
プセット時間Ｔ２）保持させ、材料を高温・高圧のもと
で固相接合させるアプセット工程からなる。この摩擦圧
接は、突き合わせ面の酸化物などが摩擦中に破壊されて
押し出されるので、圧接部にはＣＯ２溶接などの溶融溶
接に見られる気孔や介在物が少なく、加熱度が他の溶接
法に比べて低いので熱影響部が少なく、圧接条件を制御
することで工程を自動化して安定した品質が得られ、経
済性が高いなどの特徴を有している。

【００１１】本発明者等は、排気マニホルドと触媒ケー
スを上述の摩擦圧接により接続することができれば、た
とえ排気マニホルドの枝管の数が多く、排気マニホルド
や触媒ケースが複雑形状で寸法が大きくとも、排気マニ
ホルドと触媒ケースとを一体にできてエンジンの占有域
を少なくでき、また、接続用のフランジ部やボルト等を
無くすことができ、また排気マニホルドから触媒ケース
に至る排気ガス通路長を短くでき、従来の鋳造一体や溶
接一体の課題をも解決し得ることを見出し本発明に想到
した。

【００１２】すなわち、本発明の排気マニホルドと触媒
ケースの接続構造は、排気マニホルド直下に触媒を置く
マニホルド触媒での排気マニホルドと触媒ケースの接続
構造において、排気マニホルドの集合部と触媒ケースの
排気ガス流入部が摩擦圧接されていることを特徴とす
る。

【００１３】排気マニホルドと触媒ケースは各々鋳鉄と
鋳鋼の一種類、鋳鉄と鋳鋼の組み合わせ、または、排気
マニホルドを耐熱鋳鋼、触媒ケースを球状黒鉛鋳鉄とす
ることができる。

【００１４】そして、摩擦圧接により接合された前記排
気マニホルドの集合部と触媒ケースの排気ガス流入部と
の接合部は、実質的にチルが存在せず固相接合に近い接
合で形成される。

【００１５】

【発明実施の形態】以下、本発明の排気マニホルドと触
媒ケースの接続構造につき、図１の要部斜視図に基づき
詳細に説明する。

【００１６】先ず、図１に示すフェライト系耐熱鋳鋼か
らなる排気マニホルド１１を表１に示す組成で、また高
Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄からなる触媒ケース１２を表２に示す
化学組成で、別体に鋳造した。

【００１７】

【表１】 排気マニホルド（フェライト系耐熱鋳鋼）の化学組成（重量％） Ｃ Ｓｉ Ｍｎ Ｃｒ Ｗ Ｎｂ Ｎｉ Ｎ Ｃ−Ｎｂ／８ 0.36 0.52 0.45 18.2 1.95 1.04 0.65 0.05 0.23

【００１８】

【表２】 触媒ケース（高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄）の化学組成（重量％） Ｃ Ｓｉ Ｍｎ Ｐ Ｓ Ｃｒ Ｍｇ 3.15 3.95 0.47 0.024 0.008 0.03 0.048

【００１９】排気マニホルド１１は、全長４００ｍｍの
取付フランジ１１ａに設けた直径１２ｍｍで１２個のボ
ルト孔１１ｂと、シリンダブロック（図示せず）の排気
ポートからの排気ガスを流す内径３２ｍｍで最長２００
ｍｍの４つの枝管１１ｃと、この４つの枝管１１ｃを集
合する集合管１１ｄと、内径７２ｍｍの円筒端である圧
接部１１ｅとからなる。一方、触媒ケース１２は、内径
７２ｍｍの圧接部１２ａと、触媒１３を収納する１２０
ｍｍの円筒部１２ｂと、下部フランジ１２ｃとからな
る。フェライト系耐熱鋳鋼からなる排気マニホルド１
１、および高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄からなる触媒ケース１２
とも、上記のとおり、形状は複雑で寸法も比較的大きか
ったが、従来の鋳造設備で鋳造することができた。

【００２０】次に、排気マニホルド１１と触媒ケース１
２とを以下の条件で摩擦圧接して一体化した。触媒ケー
ス１２を摩擦圧接装置の主軸の面板に取り付け、排気マ
ニホルド１１を往復台上の治具に固定した。そして、摩
擦発熱工程として、触媒ケース１１を排気マニホルド１
１との相対摩擦速度が４ｍ／ｓとなるように回転させる
と共に、排気マニホルド１１を摩擦寄り速度を０．０１
ｍｍ／ｓとして、摩擦圧力Ｐ１＝４０ＭＰａ、時間Ｔ１
＝１２０ｓ、寄り代２．５ｍｍとして摩擦発熱させた。
次に、アップセット工程として、アプセット圧力Ｐ２＝
８０ＭＰａ、アップセット時間Ｔ２＝１０ｓとしてアッ
プセットを行った。圧接部１１ｅ、１２ａには気孔や介
在物がなく、また熱影響部も少なくてチルは発生せず、
その接合は極めて良好であった。また、１０個連続して
排気マニホルド１１と触媒ケース１２の接続構造を摩擦
圧接したが、圧接条件を制御することにより品質が安定
して得られた。

【００２１】排気マニホルド１１と触媒ケース１２とを
摩擦圧接した後、白金ロジウム合金からなるハニカム構
造の３元触媒を触媒ケース１２に収納し、触媒ケース１
２にカバー１３を締め付け固定した。そして、排気マニ
ホルド１１と触媒ケース１２の接続構造をエンジンに取
付け、カバー１３に排気パイプを連結した。

【００２２】次に、排気マニホルド１１と触媒ケース１
２の接続部の評価試験を、２リットル直列４気筒高性能
ガソリンエンジンによる加熱・冷却により行った。試験
条件は、エンジン回転数６０００ｒｐｍでの全負荷運転
相当の加熱（１０分）−冷却（１０分）を１サイクルと
する冷熱（ＧＯ−ＳＴＯＰ）サイクルで２５０時間であ
り、全負荷時のエンジンからの排気ガス温度は約９００
℃、排気マニホルド１１の集合管１１ｄの温度は約８２
０℃であった。評価試験の結果、本発明の排気マニホル
ド１１と触媒ケース１２の接続構造は、加熱−冷却によ
る亀裂の発生がなく、排気ガスの洩れも生じなかった。
また、排気マニホルド１１と触媒ケース１２との接続用
のフランジ部やボルト等を無くすことができ、更に排気
マニホルドから触媒ケースに至る排気ガス通路長を短く
できたので、エンジン始動をしてすぐに触媒が昇温し、
排気ガス浄化が行われていることが確かめられた。

【００２３】図２は別の排気マニホルドと触媒ケースの
接続構造を示す図であり、前記図１でのケースカバー１
３を含む触媒ケース１２としている。図２の構造におい
ては、先に触媒ケース１２内に触媒（図示せず）を収納
した後、排気マニホルド１１と触媒ケース１２とを排気
マニホルド１１の圧接部１１ｅと触媒ケース１２の圧接
部１２ａで摩擦圧接している。

【００２４】

【発明の効果】以上詳細に説明の通り、本発明の排気マ
ニホルドと触媒ケースの接続構造は、排気マニホルドの
集合部と触媒ケースの排気ガス流入部が摩擦圧接されて
おり、排気マニホルドと触媒ケースは各々鋳鉄と鋳鋼の
一種類、鋳鉄と鋳鋼の組み合わせ、または、排気マニホ
ルドを耐熱鋳鋼、触媒ケースを球状黒鉛鋳鉄とし、接合
部を実質的にチルが存在せず固相接合に近い接合で形成
しているので、以下の効果を奏する。 （１）排気マニホルドの枝管の数が多く、排気マニホル
ドや触媒ケースが複雑形状で寸法が大きくとも、排気マ
ニホルドと触媒ケースとを一体にしてエンジンの占有域
を少なくできる。 （２）排気マニホルドと触媒ケースとを各々別体に鋳造
するので、複雑な方案を必要とせず鋳造性も向上する。 （３）圧接部には気孔や介在物がなく、また熱影響部も
少なくてチルは発生せず、圧接条件を制御することで、
安定した品質のものが得られる。 （４）接続用のフランジ部やボルト等を無くし、排気マ
ニホルドから触媒ケースに至る排気ガス通路長を短くで
きるので，エンジン始動をしてすぐに触媒が昇温して、
排気ガス浄化が行われる。 （５）接続用のフランジ部やボルト等を無くすこととが
でき、材料費を低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の排気マニホルドと触媒ケースを摩擦圧
接で接続した実施の形態の一例を示す要部斜視図であ
る。

【図２】本発明の排気マニホルドと触媒ケースを摩擦圧
接で接続した別の実施の形態の一例を示す要部斜視図で
ある。

【図３】従来の特開昭５７−２１０１１７号公報で開示
する排気マニホルドと触媒ケースとを鋳造一体とした接
続構造を示す要部斜視図である。

【図４】従来の排気マニホルドと触媒ケースとのフラン
ジをボルトで締結する接続構造を示す要部斜視図であ
る。

【図５】摩擦圧接サイクルを示す図である。

【符号の説明】

１１，３１，４１：排気マニホルド、 １１ａ，３１ａ，４１ａ：取付フランジ、 １１ｂ，３１ｂ，４１ｂ：ボルト孔、 １１ｃ，３１ｃ，４１ｃ：枝管、 １１ｄ，４１ｄ：集合管、 １１ｅ，１２ａ：圧接部、 １２，３２，４２：触媒ケース、 ４３：触媒。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 排気マニホルド直下に触媒を置くマニホ
   ルド触媒の排気マニホルドと触媒ケースの接続構造にお
   いて、排気マニホルドと触媒ケースが摩擦圧接されてい
   ることを特徴とする排気マニホルドと触媒ケースの接続
   構造。
2. 【請求項２】 前記排気マニホルドと前記触媒ケースが
   鋳鉄および／または鋳鋼からなることを特徴とする請求
   項１記載の排気マニホルドと触媒ケースの接続構造。
3. 【請求項３】 前記排気マニホルドが耐熱鋳鋼からなる
   ことを特徴とする請求項１記載の排気マニホルドと触媒
   ケースの接続構造。
4. 【請求項４】 前記触媒ケースが球状黒鉛鋳鉄からなる
   ことを特徴とする請求項１記載の排気マニホルドと触媒
   ケースの接続構造。
5. 【請求項５】 摩擦圧接により接合された前記排気マニ
   ホルドの集合部と触媒ケースの排気ガス流入部との接合
   部は、実質的にチルが存在せず固相接合に近い接合で形
   成されていることを特徴とする請求項１〜請求項４の何
   れか１項に記載の排気マニホルドと触媒ケースの接続構
   造。