JPH11509598A - 排気マニホールドの一次パイプ用コレクタ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、内燃機関の排気マニホールドの一次パイプ用コレクタに関する。コレクタ（２）は複数の一次パイプ（３〜７）を有し、一次パイプ（３〜７）のそれぞれの排出端部は、パイプの主要断面積より小さい断面積を有する。さらに、減少された断面積の各排出端部は、コレクタの共通キャビティと直接連通している。

Description

【発明の詳細な説明】 排気マニホールドの一次パイプ用コレクタ装置発明の分野 本発明は、請求項１の前提文で定義されるような、内燃機関の排気マニホール ドの一次パイプ用コレクタに関する。 特に、本発明は、ターボ過給式および通常の吸引式の５シリンダ機関用のコレ クタに関するが、これに限定されない。背景技術 軽量輸送手段の多シリンダ内燃機関の排気ポートを、単一の排気システムに接 続することは一般的に行われていることである。これは、排気ポートを含むシリ ンダヘッドの表面に取り付けられる単一ユニットである排気マニホールドの使用 によって起こる。排気マニホールドは通常、複数の一次排気パイプを有する鋳物 であり、各一次排気パイプは、例えば、まず一次パイプの対をまとめる集合装置 を介して、接続点に入る。集合装置はその後、単一のパイプを介してさらなる集 合装置に通じ、その後、おそらくターボ過給機を介して排気パイプ内に通じる。 このような集合装置は、通常鋳物として製造される。 これらのタイプ、特に５シリンダ機関上のアレンジメントは、効率の劣るパイ プ通路を採用しない限り、小型に設計するのが困難であることがわかっている。 また、すべての一次パイプを小さくまとめようとするときに遭遇する更なる問題 は、機関の各排気ポートを、隣接する排気ポートからの圧縮波から保護するとい うことである。この問題は、一次パイプが短くなければならないときにより深刻 になり、例えば、ターボ過給機が取り付けられるとき、または触媒コンバータを 機関の比較的近くに配置しなければならないときがその典型的なケースであろう 。 従って、本発明の目的は、スペースをとらず、しかも効率的な装置が達成され 得るよう、前述の問題に対する解決法を提供することである。特に、その解決法 は、本発明のコレクタが取り付けられる機関の性能特性を低下させないものであ るべきであり、かつ向上した性能の提供さえすべきものである。本発明の要旨 前述の目的は、請求項１による装置によって達成される。 本発明の好適な特徴は、従属請求項で定義される。 本発明によるコレクタでは、すべての一次パイプの端部は、共通キャビティに 入る減少された断面積を有する。これは、パルス変換効果を引き起こし、これに よって、他の排気ポートに対する不都合な圧縮波効果が大幅に軽減または排除さ えされる。同時に、小型のアレンジメントが効率的な方法で達成される。図面の簡単な説明 ここで本発明を、添付の図面を参照しながらより詳しく説明する。 図１は、本発明によるコレクタを示す斜視図である。 図２は、コレクタのキャビティハウジングが取り除かれている、図１に示すコ レクタの一部の斜視図である。 図３は、図２によるコレクタの一部の端面図である。 図４は、図２に示すコレクタの一部の側面図である。 図５は、共通キャビティおよび接続フランジが破線で付け加えられている、図 ２に示すコレクタの一部の平面図である。好適な実施形態の説明 図１は、参照符号２によって概して示される本発明のコレクタを示す。コレク タアレンジメントは、フランジ１に接続され、該フランジ１は、それに溶接され たパイプ３〜７とともに、機関シリンダヘッドに接続される排気マニホールドを 形成する。ボルト（図示せず）が通るための取り付け開口部の形態の取り付け手 段、例えば８および９が、フランジ１に設けられる。 図に示されるように、フランジ１には、５つの別々の一次パイプ３、４、５、 ６および７が設けられており、従って、５シリンダ機関（図示せず）との使用に 適用される。各パイプ３〜７は、３ｂ、４ｂ、５ｂ、６ｂ、および７ｂのように 接尾辞「ｂ」を付けて示す吸入端部を有し、および同様に接尾辞「ａ」を付けて 示す排出端部（図２参照）を有する。パイプ３〜７はそれぞれ、好適には鋼管で 形成され、その大部分の長さ（例えば、パイプ長の６０％、好適には８０％を上 回る長さ）にわたって、実質的に一定の円形の断面を有する。しかし、排出端部 ３ａ〜７ａはそれぞれ、パイプの大部分の実質的に一定の断面と比較して、減少 された断面積を有する。さらに、パイプの吸入端部３ｂ〜７ｂはまた、機関の排 気ポートおよびフランジ１の形によりよく順応するよう、より楕円タイプの形（ 図示せず）に変形し得る。 パイプ３〜７は、実質的に一定の断面を有しており、また一次パイプは緩やか にカーブして走るので、排気ポートから排出口までずっと滑らかなガスの流れが 提供される。 一次パイプ３〜７はそれぞれ、図５を参照してより詳しく説明されるように、 コレクタアレンジメント２の排出端部３ａ〜７ａにて１つに集められる。図１に 示すコネクタアレンジメントには、好適には、例えばターボ過給機（図示せず） に取り付けるための、ネジの切られた取り付け孔１１を有する取り付けフランジ １０が設けられる。あるいは、フランジ１０は排気パイプ（図示せず）に直接接 続され得る。 パイプ排出口３ａ〜７ａとフランジ１０との間には、キャビティ１７（図５参 照）がある。該キャビティは、本実施形態では、薄いスチールの円錐形に傾斜す る外壁１３によって形成され、外壁１３は、一方の端部でフランジ１０に、他方 で基部１８に連結される。従って、パイプ排出口３ａ〜７ａはそれぞれ、このキ ャビティ１７に直接入り、該キャビティは従って、すべてのパイプ排出口のため の共通キャビティを形成する。 排気ガスがターボ過給機などに達するために、円形の開口部１２がフランジ１ ０に設けられており、これを介して一次パイプ３〜７の排出端部３ａ〜７ａおよ び基部１９の上表面１８（図５も参照）が一部見える。 図２〜４は、図１のアレンジメントの部分図を示し、コレクタハウジングの円 錐形のハウジング１３、フランジ１０および基部１８が、明瞭にするため取り除 かれている。 図２からわかるように、パイプ３〜７はそれぞれ滑らかにカーブしており、パ イプ端部３ａ〜７ａがはっきりと見える。本実施形態では、パイプ７の排出端部 ７ａは、残りのパイプ端部を超えて、前方に突出する。この突出する関係は必要 ではないが、特に５シリンダアレンジメントでは、最小の一次パイプ長を有する ことが望ましいということがわかっている。従って、パイプの配置およびアレン ジメントの全体の幅をできる限り小さくする必要性のため、パイプ７は、他のパ イプの端部を超えて少し長く（例えば１cm程度）延びる。 中心のパイプ７はまっすぐであり得るが、示される実施形態では、その吸入端 部７ｂの近くで小さな湾曲を有する。しかし、パイプ７の排出端部７ａは、そこ からのガスの流出とそれに隣接する排出パイプ端部３ａ〜６ａからのガスの流出 とが、互いに実質的に平行するように（図２の矢印「ｙ」）を参照）方向付けら れる。 小型のアレンジメントを作るために、パイプ７は実質的に変更を加えないまま にしておき、一方パイプ３〜６は、放射状に（radially）内側の面で切り取られ 、そしてパイプ７の外部に溶接される。従って、図２では、パイプ７の外表面１ ４は、例えば、パイプ４の内部で見ることができ、従ってパイプ４の内壁の一部 を形成する。これはパイプ３、５、および６についても同様である。 図３から明らかなように、パイプをこのようにコンパクトに接続することによ り、パイプ３〜６それぞれの断面積を、その長さの主要な部分の断面積に比べて 小さくするという要求が同時に満たされる。従って、パイプ３〜６の大部分のパ イプ長の断面積を「Ｘ」で示し、一方図３の減少された面積を「Ｘ_R」で示した 。ここでＸ_R＜Ｘである。面積の減少は、排出口を通る流れの著しい制限が生じ るほど大きすぎるべきではないが、同時に、制限は、１つのシリンダの圧力波が 他のシリンダのガスの流れに否定的な影響を及ぼさないよう、パルス変換効果を 提供するに足りる大きさでなければならない。当業者は、簡単な試行錯誤によっ て、任意の特定の機関に最適な面積の減少を決定し得る。示されるアレンジメン トでは、面積の減少は、「Ｘ」の５〜１０％のオーダーである。 中心の一次パイプ７の断面積は、他のパイプとの接続それ自体によっては減少 されないので、例えばパイプの端部にわずかに円錐形のテーパ１５を形成するこ とによって減少され得る。従って、図示するような円錐形のテーパは、ともにテ ーパ状の内表面１６および外表面１５を有する。従って、テーパ状の部分の排出 端部７ａもまた、実質的にＸ_Rの（図３も参照）面積を有し、パイプは、流れの 方向「ｙ」が残りのパイプ３〜６の流れの方向と実質的に平行となるように方向 付けられる。 しかし、突出部をパイプ７に加える、またはその端部に形成することは必要で はない。これはパイプ７の端部７ａが他のパイプ端部３ａ〜６ａと同一平面上に あることを可能にする、パイプ端部の断面積を減少するその他の手段も可能であ るからである。 図４は、図２のアレンジメントの側面図を示し、パイプ４および５の端部４ａ および５ａが、実質的に同一平面上にあることがわかる。パイプ３および６は、 パイプ４および５によって隠されているため、図では見えないが、これらのパイ プについても、その端部３ａおよび６ａは、端部４ａおよび５ａと実質的に同一 平面上にある。 図５は、図２のアレンジメントの平面図を示し、図１で概して２として示され るコレクタアレンジメントのハウジングまたはボディが破線で示されている。外 壁１３を有する端を切られた円錐形のキャビティ１７が、排気パイプ／ターボ過 給機接続フランジ１０と基部フランジ１９との間で形成される。従って、パイプ 端部３ａ〜７ａはそれぞれ、仲介アレンジメントなしに、キャビティ１７に直接 入る。基部フランジ１９は、好適には円形であり、適切には、パイプ端部３ａ〜 ６ａを基部フランジ１９の表面１８と実質的に同一平面になるように接続するた めに、５つの穴が設けられている。製造のためには、この基部フランジ１９は単 に、５つのパイプ３〜７の上に、上部端部が表面１８と実質的に同一平面になる ように置かれ得る。その後アレンジメントは溶接され得る。 フランジ１０および１９の内表面の間の距離は、コレクタの後ろに可能な限り のスペースを確保し、排気システムおよび／またはターボ過給機へのアクセスを 容易にし、またこれらのための十分なスペースが提供されるようにするために、 可能な限り小さくされる。この距離は、タービンの入口の大きさ、またはターボ 過給機が取り付けられない場合は、排気パイプの入口の大きさによるところが大 きい。従って、ターボ過給機の入口が、まとめられた一次パイプ端部の大きさと 同じ大きさであれば、共通キャビティは、ターボ過給機の入口によって形成され 得るということが可能である。 ユニットを、従来の鋳造マニホールドシステムと比べて、比較的軽量にするた め、アレンジメント全体は、好適には鋼管から形成され、すべての接合点は、好 適には溶接された接合点である。しかし、ユニットはまた鋳造ユニットとして形 成され得る。 前述のコレクタアレンジメントを、現行のVolvo、５シリンダ、２．３リット ル、ターボ過給式火花点火機関に使用することにより、性能が損なわれないだけ でなく、約７−９ｋＷの最大出力の増加が得られ得る（研究室試験中）というこ とがわかった。出力曲線およびもちろんトルク曲線全体にわたる全般的な増加も また得られる。これは、アレンジメントから得られる容積効率の、標準のアレン ジメントと比較したときの増加によって、大部分説明が付く。 さらに、パイプ３〜７が、軽量の鋼管および溶接された接合点で形成される場 合、機関に取り付けられる、標準触媒コンバータ（すなわち、アフターバーナア レンジメントなどのないもの）の触媒着火時間は、約１５秒短縮され得る。 本発明は、ある一定の実施形態を参考にしてしか説明されないが、本発明の範 囲はこの実施形態に限定されるものではなく、また本発明の多くの変形が添付の 請求の範囲内に含まれるということが理解されるべきである。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９７年１月２８日 【補正内容】 明細書 排気マニホールドの一次パイプ用コレクタ装置発明の分野 本発明は、請求項１の前提文で定義されるような、内燃機関の排気マニホール ドの一次パイプ用コレクタに関する。 特に、本発明は、ターボ過給式および通常の吸引式の５シリンダ機関用のコレ クタに関するが、これに限定されない。背景技術 請求項１の前提文によるアレンジメントは、FR-A-2378178から公知である。 軽量輸送手段の多シリンダ内燃機関の排気ポートを、単一の排気システムに接 続することは一般的に行われていることである。これは、排気ポートを含むシリ ンダヘッドの表面に取り付けられる単一ユニットである排気マニホールドの使用 によって起こる。排気マニホールドは通常、複数の一次排気パイプを有する鋳物 であり、各一次排気パイプは、例えば、まず一次パイプの対をまとめる集合装置 を介して、接続点に入る。集合装置はその後、単一のパイプを介してさらなる集 合装置に通じ、その後、おそらくターボ過給機を介して排気パイプ内に通じる。 このような集合装置は、通常鋳物として製造される。 これらのタイプ、特に５シリンダ機関上のアレンジメントは、効率の劣るパイ プ通路を採用しない限り、小型に設計するのが困難であることがわかっている。 また、すべての一次パイプを小さくまとめようとするときに遭遇する更なる問題 は、機関の各排気ポートを、隣接する排気ポートからの圧縮波から保護するとい うことである。 図２からわかるように、パイプ３〜７はそれぞれ滑らかにカーブしており、パ イプ端部３ａ〜７ａがはっきりと見える。本実施形態では、パイプ７の排出端部 ７ａは、残りのパイプ端部を超えて、前方に突出する。この突出する関係は必要 ではないが、特に５シリンダアレンジメントでは、最小の一次パイプ長を有する ことが望ましいということがわかっている。従って、パイプの配置およびアレン ジメントの全体の幅をできる限り小さくする必要性のため、パイプ７は、他のパ イプの端部を超えて少し長く（例えば１cm程度）延びる。 中心のパイプ７はまっすぐであり得るが、示される実施形態では、その吸入端 部７ｂの近くで小さな湾曲を有する。しかし、パイプ７の排出端部７ａは、そこ からのガスの流出とそれに隣接する排出パイプ端部３ａ〜６ａからのガスの流出 とが、互いに実質的に平行するように（図２の矢印「ｙ」）を参照）方向付けら れる。 小型のアレンジメントを作るために、パイプ７は実質的に変更を加えないまま にしておき、一方パイプ３〜６は、放射状に（radially）内側の面で切り取られ 、そしてパイプ７の外部に溶接される。従って、図２では、パイプ７の外表面１ ４は、パイプ４の内部で見ることができ、従ってパイプ４の内壁の一部を形成す る。これはパイプ３、５、および６についても同様である。 図３から明らかなように、パイプをこのようにコンパクトに接続することによ り、パイプ３〜６それぞれの断面積を、その長さの主要な部分の断面積に比べて 小さくするという要求が同時に満たされる。従って、パイプ３〜６の大部分のパ イプ長の断面積を「Ｘ」で示し、一方図３の減少された面積を「Ｘ_R」で示した 。ここでＸ_R＜Ｘである。面積の減少は、排出口を通る流れの著しい制限が生じ るほど大きすぎるべきではないが、同時に、制限は、１つのシリンダの圧力波が 他のシリンダのガスの流れに否定的な影響を及ぼさないよう、パルス変換効果を 提供するに足りる大きさでなければならない。当業者は、簡単な試行錯誤によっ て、任意の特定の機関に最適な面積の減少を決定し得る。示されるアレンジメン トでは、面積の減少は、「Ｘ」の５〜１０％のオーダーである。 中心の一次パイプ７の断面積は、他のパイプとの接続それ自体によっては減少 されないので、パイプの端部にわずかに円錐形のテーパ１５を形成することによ って減少される。従って、図示するような円錐形のテーパは、ともにテーパ状の 内表面１６および外表面１５を有する。従って、テーパ状の部分の排出端部７ａ もまた、実質的にＸ_Rの（図３も参照）面積を有し、パイプは、流れの方向「ｙ 」が残りのパイプ３〜６の流れの方向と実質的に平行となるように方向付けられ る。 しかし、突出部をパイプ７に加える、またはその端部に形成することは必要で はない。これはパイプ７の端部７ａが他のパイプ端部３ａ〜６ａと同一平面上に あることを可能にする、パイプ端部の断面積を減少するその他の手段も可能であ るからである。 図４は、図２のアレンジメントの側面図を示し、パイプ４および５の端部４ａ および５ａが、実質的に同一平面上にあることがわかる。パイプ３および６は、 パイプ４および５によって隠されているため、図では見えないが、これらのパイ プについても、その端部３ａおよび６ａは、端部４ａおよび５ａと実質的に同一 平面上にある。 図５は、図２のアレンジメントの平面図を示し、図１で概して２として示され るコレクタアレンジメントのハウジングまたはボディが破線で示されている。外 壁１３を有する端を切られた円錐形のキャビティ１７が、排気パイプ／ターボ過 給機接続フランジ１０と基部フランジ１９との間で形成される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ノールブラド，オロフ スウェーデン国 エス−417 28 エーテ ボリ，ベンダーネス ガータ 18

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．内燃機関の排気マニホールドの一次パイプ用コレクタであって、該一次パイ プが排気ガスを機関のシリンダから直接導き、該コレクタ（２）が、複数の該一 次パイプ（３〜７）を含み、該一次パイプ（３〜７）のそれぞれが吸入端部（３ ｂ〜７ｂ）および排出端部（３ａ〜７ａ）を有し、該一次パイプ（３〜７）のそ れぞれの該排出端部（３ａ〜７ａ）が、該パイプの上流の断面積（Ｘ）より小さ な、減少された断面積（Ｘ_R）を呈し、該減少された断面積（Ｘ_R）の排出端部（ ３ａ〜７ａ）が該コレクタの共通キャビティ（１７）と直接接触するコレクタで あって、該複数のパイプ（３〜７）が、１つの中心のパイプ（７）を有するよう に配置され、残りのパイプ（３〜６）が該中心のパイプの周囲に間隔をおいて配 置されること、および該中心のパイプの排出端部が、実質的に円錐形にテーパ状 になった部分（１５、１６）として形成されること、および該中心のパイプ（７ ）の外壁（１４）が、該残りのパイプ（３〜６）のそれぞれの内壁の一部を形成 することを特徴とするコレクタ。 ２．前記複数のパイプ（３〜７）のそれぞれが、前記共通キャビティと交差する 点で、該パイプのその他のパイプと平行に方向付けられ、該共通キャビティ（１ ７）への実質的に軸方向の流れ（ｙ）を可能にすることを特徴とする、請求項１ に記載のコレクタ。 ３．前記キャビティ（１７）が円形の断面を有することを特徴とする、請求項１ または請求項２に記載のコレクタ。 ４．前記パイプ（３〜７）のそれぞれが、その長さの少なくとも６０％、好適に はその長さの８０％あるいはそれ以上にわたって、実質的に一定の断面積（Ｘ） のものであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のコレクタ。 ５．前記複数のパイプ（３〜７）のそれぞれが鋼管から形成されることを特徴と する、請求項１〜４のいずれかに記載のコレクタ。 ６．前記複数のパイプ（３〜７）のそれぞれが、その端部領域において、徐々に 小さくなる断面積を有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の コレクタ。 ７．前記複数のパイプ（３〜７）の数が５つであり、前記中心のパイプの端部が 、前記残りのパイプの端部を超えて外側に突出することを特徴とする、請求項１ 〜６のいずれかに記載のコレクタ。