JP4483313B2 - エンジンの排気管熱交換構造 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの排気管熱交換構造に関するものである。

従来よりエンジンの排気側において、排気と冷却水との間で熱交換を行う構造が知られている。そして、熱交換によって排気温を低下させて、排気径部材等の耐久性の向上を図っている。また、冷間時においては、例えば冷却水等の熱交換媒体により排気熱を効率よく回収し、その熱によりオイル温度を上昇させエンジンの暖機を早めることができるという利点もある。

そして、従来のエンジンの排気管熱交換構造の一例としては、特許文献１に記載の発明がある。この特許文献１に記載の発明は、エンジン本体と、エンジン本体から延出してこの気筒内の既燃ガスを外部に排出する排気マニホールドと、排気マニホールドの外周に溝を形成し、その溝をカバーで覆蓋した複数の水ジャケットとから構成されている。そして、この水ジャケットの内部に冷却水を循環させる。該カバーと排気マニホールドとはシール部材によって液密にシールされている。かかる構造においては、排気マニホールドを通って外部に排出される排気と該排気マニホールドの外周を循環する冷却水との間で熱交換を行い、排気温の冷却と排気熱の回収を行っている。

さらに、別の構造として、特許文献２に記載の発明がある。この特許文献２に記載の発明は、排気マニホールドの各分岐管を排気通路と水ジャケットからなる二重構造として形成しており、特許文献１に記載の発明のように水ジャケットを形成するためのシール部材を必要としない。
特開２００２−２５６８６８号公報 特開２００２−３６４３６１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発明のように、排気マニホールドにシール部材を介して別部材を接合した構造は、そのシール性の低下や熱応力の発生が問題となる。つまり、この排気系は、エンジンの運転状態が変化するに伴い温度変化し、排気マニホールド等の各部材はその温度変化によって膨張、伸縮を繰り返す。ところが、各部材の線膨張係数が異なることや、熱源からの距離等によって温度が異なる場合がある。その結果として、排気系の温度変化による熱ひずみが各部材で異なり、シール部材のシール性を悪化させるか、または各部材の接合部に熱応力を発生させるという問題が生じる。

一方、特許文献２に記載の発明は、排気マニホールドにシール部材を介して別部材を取り付ける構造ではないため、シール部における熱膨張による問題は生じない。しかし、かかる構造を実現するためには二重構造の排気マニホールドを鋳造等によって作成する必要があり、製造コストが高くなる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、製造コストを抑えつつ、熱応力を発生させず、かつ熱交換効率の高い熱交換構造を提供することにある。

第１の発明は、複数の排気ポートを有する直列多気筒エンジンの排気系においてエンジン冷却水と排気との間で熱交換を行うエンジンの排気管熱交換構造を対象とする。

そして、上記排気ポートにそれぞれ独立に連通して気筒列方向に並んだ複数の岐管を含み、エンジンに固定されたエンジン接続フランジ部から下方に向かって湾曲した分岐排気管と、その下流側で該複数の岐管を合流させる集合排気管とからなる排気マニホールドと、上記排気マニホールドの少なくとも一部を抱きかかえるように取り付けられる、上記冷却水が流通する管であって、断面形状が扁平な冷却水管と、上記排気マニホールドと上記冷却水管との間に介設されて両者間の熱伝導を行い、その排気マニホールドの管径方向に弾性を有する弾性金属体とを備え、上記各岐管は円管であり、上記冷却水管は、上記分岐排気管の上面側に配設され、上記エンジン接続フランジ部近傍の各岐管における上面の円弧形状に沿った円弧部を該岐管の数だけ気筒列方向に連続形成した波形状を有する第１冷却水管と、上記分岐排気管の下面側に配設され、気筒列方向に沿って略直線状に延設された第２冷却水管とを含み、上記第１冷却水管と第２冷却水管とは、気筒列方向一方の開口端部がコネクタによって互いに接続され、上記分岐排気管を上下方向に挟持して上記分岐排気管のエンジン接続フランジ部近傍を拘束緩和状態で抱きかかえるようにして該分岐排気管に取り付けられているものとする。

上記の構成の場合、別部品で形成された冷却水管は、上記排気マニホールドの少なくとも一部を抱きかかえるように取り付けられる。上記冷却水管は、径方向が扁平な形状をしているため、該冷却水管と排気マニホールドとの接触面積は拡大する。

また、上記冷却水管と排気マニホールドとの間に弾性金属体を介在させることで、その弾性金属体を介して、冷却水側に熱伝導し、排気と冷却水との間で熱交換が行われる。これら排気マニホールド、冷却水管及び弾性金属体は温度上昇によって熱膨張するが、各部材の材料の相違による線膨張係数の差異や、排気が流通する排気マニホールドと、冷却水が流通する冷却水管との大きい温度差によって、各部材の熱ひずみには差が生じる。ここで、上記弾性金属体を介在させていないときは、上記排気マニホールドと冷却水管が直接、接触するように配設される。かかる構造の場合、両部品が部品取付時には適切に接触していたとしても、上述したように、排気との熱交換が進み各部品の温度が上昇するにつれて、該排気マニホールドと冷却水管との接触部で両部品間が拘束し合い、各部品間に熱応力が発生する。あるいは逆に両部品間の間隔が局所的に開いて、接触が不十分となる部分も生じる。

そこで、上記冷却水管と排気マニホールドとの間に弾性金属体を介設する構造とすることによって、両部品間の熱ひずみの差異によって冷却水管と排気マニホールドとの間隔が狭くなったとしても上記弾性金属体が弾性変形して両部品の熱ひずみを吸収し、両部品に熱応力が発生することはない。また、両部品間の熱ひずみの差異によって、逆に冷却水管と排気マニホールドとの間隔が拡がったとしても上記弾性金属体が弾性変形することにより該冷却水管と弾性金属体、および弾性金属体と排気マニホールドとの間の接触を十分に確保することができる。こうして、弾性金属体を介した排気マニホールドと冷却水管との接触状態を保つことによって、熱伝導性の低下が防止される。

ところで、他の熱交換構造として、上記排気マニホールドとエンジンとの間に排気通路と冷却水通路を有する二重管構造のスペーサを介設する熱交換構造も考えられる。しかし、かかる構造は該スペーサの長さだけエンジン幅方向にエンジンの外寸が大きくなる。それに比べて、本発明は、エンジン幅方向への外寸が大きくなることはない。

したがって、第１の発明によれば、上記冷却水管及び排気マニホールドの温度が変化しても、両部品間に熱応力を発生させず、かつ熱交換効率を損なうこともない。

そして、上記特許文献１に記載の発明とは異なり、排気マニホールドの外周に冷却水管を取り付ける構成としているため、冷却水のシール性を考慮する必要もない。

また、排気マニホールドの外周に別部品の冷却水管を取り付ける構成としているため、既存の排気マニホールドに対してその形状に対応した冷却水管のみを新規に製作すればよく、コスト抑制につながる。

さらに、上述のスペーサ方式と較べて本発明はエンジン幅方向の突出が少なくてすみ、車載上の制約が少なくなる。

また、上記の構成の場合、上記排気マニホールドを介して排出される排気はエンジンに近いほど温度が高く、そのため、上記排気マニホールドにおいては、上記エンジン接続フランジ部の直ぐ下流側部分において排気温度が最も高くなる。そして、この最も排気温度が高くなる部分に上記冷却水管を配置している。熱伝達又は伝導により熱交換される熱量は２点間の温度差に比例するため、上記エンジン接続フランジ部近傍に冷却水管を配置することによって、効率よく熱交換することができる。

また、上記冷却水管は全岐管に亘って気筒列方向に連続形成され、かつ、各岐管の上面又は下面の外周円弧に沿った形状となっていて、エンジン側方視において波形状となっている。しかも、上記冷却水管は、上記エンジン接続フランジ部近傍の湾曲に沿った湾曲形状をしている。そして、該冷却水管は扁平形状となっている。かかる形状により上記排気マニホールドとの接触面積はさらに拡大する。

さらに、上記冷却水管は上記分岐排気管に完全には拘束しない拘束緩和状態で抱きかかえるように取り付けられている。この「拘束緩和状態」とは、上記冷却水管と排気マニホールドとを溶接やボルト締結等によって完全に拘束して取り付けるのではなく、排気マニホールドに対して抱きかかえるように取り付けられた状態を保ちつつ、相対的に動くことが可能な状態である。よって、上記弾性金属体の弾性変形に加えて、該冷却水管の排気マニホールドに対する相対的な移動により上記排気マニホールドの熱膨張を吸収することができる。

したがって、最も排気温度が高い上記エンジン接続フランジ部近傍に冷却水管を配置することによって、排気冷却の効率を向上させることができる。それとともに、熱回収効率も向上する。そして、排気温度が最も高い分岐排気管の上流部で排気を冷却することによって、それよりも下流側の分岐排気管や排気集合管が高温の排気に晒されることを防止することができる。

また、上記冷却水管と排気マニホールドとの接触面積を拡大し、排気冷却効率をさらに向上させている。

さらに、上記冷却水管を完全には拘束せず拘束緩和状態に抱きかかえるように取り付けることによって、第１の発明の効果に加えて、排気マニホールドの熱膨張をより柔軟に吸収することができる。

さらに、上記の構成の場合、上記分岐排気管の上面及び下面の両面に冷却水管を配設し、両面において熱交換を行う。

したがって、２つの冷却水管を配設することによって、冷却水管と排気マニホールドとの接触面積が拡大し、熱交換効率が向上する。

また、上記の構成の場合、冷却水の導入口と導出口を気筒列方向他端側にまとめて配設することができるため、上記冷却水管まで、または冷却水管からの冷却水路の配設が簡便かつ容易となる。また、一端側をコネクタによって接続することによって、上記分岐排気管を挟持する構造を容易に実現できる。

さらに、上記の構成の場合、第２冷却水管が略直線状の形状となることによって冷却水管の製作が容易となる。

また、略直線状の第２冷却水管は上記各岐管の湾曲部分の内方に位置するため、上記岐管の湾曲部分内方の湾曲面と上記第２冷却水管の外周部とが上記弾性金属体を介して接触することになり、該分岐排気管と第２冷却水管との接触面積が大きくなる。

したがって、第２冷却水管の製作を容易にするとともに、第２冷却水管と分岐排気管との接触面積を大きくし熱交換効率が向上する。

第２の発明は、第１の発明において、上記弾性金属体は、耐熱性金属のワイヤメッシュで構成されているものとする。

上記の構成の場合、上記弾性金属体をワイヤメッシュとすることによって、容易に弾性力を有した状態で、該冷却水管を分岐排気管に取り付けることができる。また、ワイヤメッシュは加工又は変形が容易であるため、上記冷却水管と分岐排気管との間への取付も容易である。

さらに、上記集合排気管は、円筒形状を有していて、その下流側には触媒コンバータが配設され、上記冷却水管は、上記集合排気管の外周面に巻き付けられた状態で該集合排気管を抱きかかえるように取り付けられているものとする。

上記の構成の場合、排気温度が最も高いのは排気ポート排出直後の上記エンジン接続フランジ部近傍であるが、排気行程は気筒毎に間欠的に行われるため、排気マニホールドの温度が平均的に最も高温となるのは各気筒の排気が常に集まる上記集合排気管である。よって、平均的に最も温度が高くなる部分において熱交換をしている。さらに、円筒形状をした集合排気管の全周に亘って上記冷却水管を抱きかかえるように取り付けることによって、該冷却水管と集合排気管との接触面積を大きくしている。

また、上記集合排気管の下流側には触媒コンバータが配設されている。そして、該集合排気管が冷却されるため、その管壁を介して下流側の触媒コンバータも冷却される。さらに、該触媒コンバータに送られる排気の温度も低下している。このため、該触媒コンバータの温度上昇を抑えることができる。

したがって、上記排気マニホールドにおいて平均的に最も温度が高くなる集合排気管に上記冷却水管を配設することによって、高い熱交換効率で排気を冷却するとともに、熱回収効率を高めることができる。それとともに、上記触媒コンバータの温度上昇を抑え、触媒の寿命の向上が図られる。

尚、上記集合排気管を外筒体と内筒体とからなる二重管とし、上記内筒体を排気温度の上昇に伴い樽形状に拡径変形させて、上記外筒体と接触するようにしてもよい。

これによって、冷間時においては、上記冷却水管と排気との間に空気層が介在して熱交換効率が低いため、排気はあまり冷却されず、排気熱は上記触媒コンバータの触媒を早期に活性化させるために用いられる。一方、温間時においては、上記内筒体が熱膨張によって樽形状となって外筒体と接触するため、上記冷却水と排気との熱交換効率が高まり、上記触媒コンバータの温度上昇が抑えられ寿命短縮を防止することができる。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、上記冷却水管は、ハイドロフォーム成形によって形成されているものとする。

上記の構成の場合、上記冷却水管の形成が容易となる。特に扁平な形状又は３次元形状等の複雑な形状の冷却水管の形成に効果があり、形成時に管の内部が目詰まりすることがなく、所望の形状に冷却水管を形成することができる。

本発明の排気管熱交換構造によれば、上記排気マニホールドと冷却水管との間に弾性金属体を介設させているため、該排気マニホールドと冷却水管が温度変化によって熱ひずみを生じても、該弾性金属体がその熱ひずみを吸収するため両部品間の熱応力の発生を防止することができ、かつ、該弾性金属体が両部品間の接触状態を確保するため熱交換効率が低下することを防止することができる。

また、上記排気マニホールドの外周に別部品の冷却水管を取り付ける構成としているため、既存の排気マニホールドに対してその形状に対応した冷却水管のみを新規に製作すればよく、コスト抑制につながる。

さらに、上記排気マニホールドの外周に冷却水管を取り付ける構成としているため、冷却水のシール性を考慮する必要もない。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

《発明の実施形態１》
図１はエンジンの一側面に取り付けられた本発明の実施形態１に係る排気マニホールドの平面図である。１は、４つの気筒１１、１１、…が所定間隔をあけて直列に並列された直列４気筒エンジンであり、２は該エンジン１の一側面に取り付けられた排気マニホールドである。ここで、以下の説明においては、説明の便宜のため、図１、２、７、８において、図の右側をエンジン前側とし、左側をエンジン後側とする。

上記エンジン１には、４つの気筒１１、１１、…から一側面に向かって開口する４つの排気ポート１２、１２、…が形成されており、排気が該各気筒１１から各排気ポート１２を介して排出される。この排気ポート１２は、気筒１１、１１、…と同様に所定間隔をあけて形成されている。

上記排気マニホールド２は、図１〜３に示すように、上記排気ポート１２、１２、…（図２、３では省略）と連通する上流側の４つの排気岐管３１、３１、…からなる分岐排気管３と、該排気岐管３１、３１、…が集合する下流側の集合排気管４からなる。また、図１に示すように、上記排気マニホールド２は、そのエンジン接続フランジ部５によってエンジン１の一側面に取り付けられる。

上記エンジン接続フランジ部５は、上記排気マニホールド２の上流側端部において、上記排気岐管３１、３１、…と一体に形成されている。そして、上記エンジン１の一側面にボルト締結される。また、図４に示すように、このエンジン接続フランジ部５のエンジンとの接合面には、上記各排気岐管の開口部３２が形成されている。そして、上記排気マニホールド２がエンジン１に取り付けられた場合において、上記排気岐管３１、３１、…の各開口部３２は、エンジン１の各排気ポート１２に連通する。

上記排気岐管３１、３１、…は、図３に示すように、エンジン前方視において、上記エンジン接続フランジ部５からエンジン１の一側外方へ突出した後、下方へ湾曲している。一方、図２に示すように、エンジン側方視においては、上流側端部は上記排気ポート１２、１２、…と同じ間隔で気筒列方向に並列しており、下流側へ進むにつれて、各排気岐管３１同士の間隔が狭くなり、下流側端部において各排気岐管３１が集合している。また、該各排気岐管３１は断面略円形状をしている。

上記集合排気管４は、図１〜３に示すように、排気岐管３１、３１、…が集合した共通管となっている。この集合排気管４の下流には触媒コンバータあるいはマフラー（図示省略）が配設される。

上記排気は、非常に高温であり、上記排気マニホールド２が高温の排気に晒され続けると、その耐久性に悪影響を及ぼす。

そこで、図１〜３に示すように、上記分岐排気管３のエンジン接続フランジ部５の近傍に第１冷却水管７及び第２冷却水管８からなる冷却水管６が配設されている。

上記第１冷却水管７は、本体部７１と、該本体部７１の両端部に位置する接続部７２ａ、７２ａからなる。上記第１冷却水管７は、上記エンジン接続フランジ部５近傍の分岐排気管３の上部に配置されている。上記エンジン接続フランジ部５の近傍の排気岐管３１、３１、…は下方へ向けて湾曲している部分である。そして、上記本体部７１は、図１、２に示すように、各排気岐管３１の上面の外周円弧に沿った円弧部７１ａを、気筒列方向に４つ連続形成した波形状となっている。また、図３に示すように、エンジン前面視において、上記各円弧部７１ａは対応する排気岐管３１の管軸方向の形状に沿って湾曲しており、上記本体部７１は、断面が扁平な形状をしている。上記接続部７２ａ、７２ａは、上記本体部７１の両端部から本体部の長手方向（気筒列方向）に突出形成されている。

上記第２冷却水管８は、本体部８１と、該本体部８１の両端部に位置する接続部８２ａ、８２ａからなる。上記第２冷却水管８は、図１〜３に示すように、上記エンジン接続フランジ部５近傍の分岐排気管３の湾曲部の下方に配置されている。上記本体部８１は、気筒列方向に延びる略直線形状をしている。そして、該本体部８１は、上記各排気岐管３１の側方を一部囲むように、各排気岐管３１の側方位置において該排気岐管３１側に膨出する膨出部８１ａ、８１ａ、…を有している。該本体部８１のうち、上記各排気岐管３１の下方に位置する部分は径方向に扁平な形状となっており、該各排気岐管３１との接触面積を拡大させている。

上記第１冷却水管７及び第２冷却水管８は、上述のように複雑な形状をしている。特に第１冷却水管７は、エンジン前方視においては下方に湾曲するとともに、エンジン側方視においては気筒列方向に波形状となっており、さらに内部は冷却水が流通するように中空となっている。かかる形状の管材は、鋳造では目詰まりが起こりやすく製造が困難である。そこで、第１冷却水管７及び第２冷却水管８の本体部７１、８１はハイドロフォーム成形によって形成される。そして、本体部７１、８１を形成後、その両端部にそれぞれ接続部７２ａ、７２ａ及び８２ａ、８２ａが溶接等の手段によって接合される。かかるハイドロフォーム形成とすることによって、上述の扁平で、かつ３次元に複雑な管であっても、目詰まりすることなく形成することができる。

また、上記第１冷却水管７と第２冷却水管８とは、図２に示すように、気筒列方向の一端側において、それぞれの接続部７２ａ及び８２ａにＵ字連結管６ａを外挿することによって直列に連結されている。一方、気筒列方向の他端側においては、第１冷却水管７の接続部７２ａには導出管６３ａが外挿され、第２冷却水管８の接続部８２ａには導入管６２ａが外挿される。そして、該第１冷却水管７と第２冷却水管８とは、上記分岐排気管３を挟持するように排気マニホールド２に取り付けられる。

上記Ｕ字連結管６ａにより一端側を連結することによって、第１冷却水管７と第２冷却水管８とで挟み込む形状となり、分岐排気管３に対して容易に取り付けることができる。さらに、部品の形状の誤差又は取付誤差を該Ｕ字連結管６ａのＵ字部で吸収することができる。また、冷却水の導入口及び導出口が上記第１冷却水管７及び冷却水管８の一側である他端側に集まるため、冷却水ホース等の配設が容易になる。

このとき、上記第１冷却水管７と第２冷却水管８とは分岐排気管３に直接取り付けられるのではなく、弾性金属体としての耐熱性金属のワイヤメッシュ９を介して取り付けられる。このことによって、該第１冷却水管７及び第２冷却水管８と、分岐排気管３とは、該ワイヤメッシュ９を介して実質的に接触し、該ワイヤメッシュ９は弾性変形するため、その実質的な接触面積は大きくなる。また、このワイヤメッシュ９を介して挟持する構造によって、上記第１冷却水管７及び第２冷却水管８とは完全に拘束されるわけではなく、拘束緩和状態で分岐排気管３に取り付けられている。すなわち、上記冷却水管６は、完全には拘束されていないため分岐排気管３を挟持している範囲で相対的に動くことが可能である。

上記の構成の場合、図２に示すように、上記導入管６２ａから矢印の方向に冷却水が第２冷却水管８内へ導入される。そして、該冷却水は上記Ｕ字連結管６ａを介して第１冷却水管７内へ流通し、導出管６３ａから矢印の方向へ導出される。こうして、冷却水が上記冷却水管６を流通している間に排気との間で熱交換が行われる。すなわち、排気マニホールド２内を流通している排気の排気熱は、各排気岐管３１の管壁、ワイヤメッシュ９、第１冷却水管７の管壁又は第２冷却水管８の管壁、冷却水管６内を流通する冷却水、の順に熱伝達又は熱伝導していく。

そして、上記排気マニホールド２を流通する排気の温度は、上記冷却水管６が取り付けられている上記エンジン接続フランジ部５の近傍において最も高い。よって、この排気温度が最も高いエンジン接続フランジ部５の近傍に上記冷却水管６を配設し、この部分において排気を冷却することは非常に熱交換効率が良く、高い排気冷却効率及び排気熱回収効率を実現することができる。また、排気の上流側で冷却しておけば下流側の排気管にとっても熱環境的に有利である。

上記第１冷却水管７は、各排気岐管３１の管軸方向に沿って湾曲しつつ、外周方向に沿った円弧部７１ａ有している。このように各排気岐管３１に対応させた形状とすることにより、該第１冷却水管７は、各排気岐管３１との実質的な接触面積を大きくすることができる。

また、上記第２冷却水管８は、略直線形状をしているが、各排気岐管３１を側方から一部囲むように排気岐管３１側に突出する膨出部８１ａ、８１ａ、…を有している。かかる形状により、該第２冷却水管８は、各排気岐管３１との実質的な接触面積を大きくすることができる。

さらに、上記第１冷却水管７又は第２冷却水管８の各排気岐管３１と接触する部分の形状が、例えば、製造誤差や熱ひずみによって、完全には各排気岐管３１の接触部分の形状と合致していなくても、弾性変形するワイヤメッシュ９を介設して接触しているため、該ワイヤメッシュ９が弾性変形する範囲内で十分な接触面積を有しつつ、冷却水管６を各排気岐管３１に対して接触配置することができる。

また、熱交換において、各排気岐管３１や冷却水管６等の温度が上昇すると、各部品は熱膨張する。このとき、該排気岐管３１と冷却水管６との間には上記ワイヤメッシュ９が介設されており、該ワイヤメッシュ９の弾性範囲内において両部品の熱膨張を吸収することができる。ここで、仮に上記ワイヤメッシュ９を介設せず、冷却水管６と各排気岐管３１を直接接触させる構造であるとすると、熱膨張するはずの該冷却水管６と各排気岐管３１とが接触面において拘束し合い、熱応力が生じ、排気マニホールド２の耐久性に悪影響を及ぼす。

したがって、上記ワイヤメッシュ９を介設することにより、上述の各部品の熱ひずみを該ワイヤメッシュ９が弾性変形して吸収し、その結果、分岐排気管３や冷却水管６等に熱応力が発生することがない。

また、上記ワイヤメッシュ９は熱ひずみを吸収するだけではない。上記分岐排気管３と冷却水管６との間隔が熱ひずみによって局所的に拡がったとしても、ワイヤメッシュ９を介設することによって、各排気岐管３１と冷却水管６との接触状態を保つことができ、排気熱の伝導効率を損なうことがない。

さらに、上記冷却水管６は、ワイヤメッシュ９を介して上記分岐排気管３を挟持するように支持されている。よって、該冷却水管６は完全に拘束されているわけではなく、分岐排気管３を挟持している範囲で相対的に動くことが可能である。すなわち、この可動範囲内においても熱ひずみを吸収することができ、かつ熱伝導効率を維持することができる。そして、上記第１冷却水管７と第２冷却水管８とをＵ字連結管６ａにより連結することによって、挟持する状態で取り付ける構造を容易に実現することができる。

尚、上記ワイヤメッシュ９は弾性を有する弾性金属体であればよいが、ワイヤメッシュ９は、加工又は変形が容易であるため取付性が良く、適度な弾性も有している。

また、上記の構成は排気マニホールド２の外周に別部品の冷却水管６を取り付ける構造としている。そのため、既存の排気マニホールド２に対してその形状に対応した冷却水管６のみを新規に製作すればよく、コスト抑制につながる。

《参考例》
図５、６は参考例に係る排気マニホールドを示す。この参考例では、上記実施形態１と比較して、冷却水管６を排気マニホールド２の集合排気管４に配設している点で異なる。尚、以下では、上記実施形態１と同一の構成については同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図５、６に示すように、排気マニホールド２は直列４気筒エンジンに対応する形状をしており、図５における左側から順にそれぞれ独立の第１排気岐管３１ａ、第２排気岐管３１ｂ、第３排気岐管３１ｃ、第４排気岐管３１ｄが気筒列方向に並列している。これら、排気岐管３１ａ、３１ｂ、…が分岐排気管３を構成する。

上記排気岐管３１ａ、３１ｂ、…は、その下流側端部において、第１排気岐管３１ａと第４排気岐管３１ｄとが合流する第１合流管４ａとなり、第２排気岐管３１ｂと第３排気岐管３１ｃとが合流する第２合流管４ｂとなっている。そして、これら第１合流管４ａと第２合流管４ｂとが円筒形状の集合排気管４を構成している。上記集合排気管４の下流側端部は触媒コンバータ１０に連通している。

この参考例に係る排気マニホールド２は所謂４−２−１排気マニホールドとなっている。この４−２−１排気マニホールドである排気マニホールド２は排気干渉を防止するために有効である。４気筒エンジンの場合は、通常、第１と第２排気岐管３１ａ、３１ｂ、および第３と第４排気岐管３１ｃ、３１ｄからの排気がぶつかりやすいので、第１と第４排気岐管３１ａ、３１ｄを、および第２と第３排気岐管３１ｂ、３１ｃを先に合流させている。

上記各排気岐管３１ａ、３１ｂ、…には間欠的に排気が排出され、上記集合排気管４には常に排気が流通していることになる。故に、最も高温の排気が流通しているのは上記エンジン接続フランジ部５近傍の各排気岐管３１ａ、３１ｂ、…であるが、平均的に排気管の温度が最も高いのは集合排気管４である。したがって、この平均的な排気管温度が最も高い集合排気管４で排気を冷却することは、非常に熱交換効率が良い。

そこで、本参考例においては、この集合排気管４に冷却水管６を配設している。この冷却水管６は、図６に示すようにハイドロフォーム成形により形成された、径方向に扁平な本体部６１と、両端部に接続された接続部６４、６４からなる。そして、該冷却水管６を、集合排気管４の全周を囲むように抱きかかえるように取り付けている。このとき、該冷却水管６と集合排気管との間には上記ワイヤメッシュ９が介設されている。

また、上記集合排気管４の上流側（図６の上側）の接続部６４には導出管６３ｃが、下流側（図６の下側）の接続部６４には導入管６２ｃが外挿されている。そして、上記導入管６２ｃから冷却水が流入し、上記冷却水管６を流通して、導出管６３ｃから流出していく。このときに排気と熱交換し、排気及び集合排気管４を冷却する。

上記触媒コンバータ１０は、排気を浄化する装置である。この触媒コンバータ１０は、触媒の働きを活性化させるために温度を適温まで早期に上昇させることが必要である一方、高温に晒され続けるとその寿命が短くなる部品である。上記冷却水管６をこの触媒コンバータ１０よりも上流側に配設することによって、該触媒コンバータ１０の寿命の短縮を防止している。

上記触媒を早期に活性化させるために、上記排気集合管４を二重の樽型構造としている。具体的には、上記排気集合管４の内側に同軸の内周管４１を挿入している。この内周管４１は、本体部４１ａと上流側端部４１ｂと下流側端部４１ｃとからなる。上記本体部４１ａは、図６に示すように長手方向の中央部の管径が大きくなった樽型である。図６は理解を容易にするために、その樽型形状を誇張して描いているが、その中央部の外周径は、上記排気集合管４の内周径よりも小さく、低温時は拡径した長手方向中央部においても内周管４１と排気集合管４とは非接触である。そして、上記上流側端部４１ｂは、上記本体部４１ａから連続的に拡径して、その外周径は上記排気集合管４の内周径と同径となっている。そして、排気集合管４の内部に設けられた取付溝４２に排気集合管４の内壁と接触するようにして遊嵌されている。一方、上記下流側端部４１ｃは、曲率を有する状態で外側に折り返してあって、その最外周は上記排気集合管４の内壁に当接している。そして、下流側端部４１ｃは、該排気集合管４が上記触媒コンバータ１０に取り付けられた際に、触媒コンバータ１０の上流端に位置する支持部１０ａに当接しており、上記内周管４１は、管の長手方向下流側から単純支持されている。

また、内周管４１には、上記第１合流管４ａと第２合流管４ｂとを隔てる隔壁４３を内周管４１の中心軸を通るように配設している。これによって、排気干渉を起こすことなく排気を上記触媒コンバータ１０の直前まで導くことができる。

上記排気集合管４と触媒コンバータ１０とは、それぞれのフランジ部４４、１０１をボルト締結等することによって固定される。

上記集合排気管４を上述の二重樽型構造とすると、排気は上記内周管４１の内部を流通し、集合排気管４の管壁とは接触しない。そして、エンジン始動開始直後等の冷間時において上記内周管４１は高温になっていないため、上記集合排気管４と内周管４１の本体部４１ａとは間隔を有したままの状態にある。一方、高速運転時等においては該内周管４１は高温となり、熱膨張する。このとき、該内周管４１の上流側端部４１ｂは排気集合管４の取付溝４２に遊嵌され、下流側端部４１ｃは触媒コンバータ１０の支持部１０ａによって単純支持されているため、内周管４１は長手方向に膨張することはできない。ここで、該内周管４１の本体部４１ａの中央部は外側に拡径した樽型形状となっており、長手方向に膨張できない内周管４１の管壁が、該中央部周辺において外側に拡径し易い形状となっている。このため、熱膨張によって該本体部４１ａの中央部周辺はさらに外側に拡径し、上記集合排気管４の内壁と接触する。そして、内周管４１の温度が上昇するにしたがって、その接触面積は大きくなる。

このことは、上記冷却水管６と排気との熱交換効率が、冷間時においては低く、温度が高まるにつれて高くなることを意味している。すなわち、冷間時においては、上記内周管４１の内部を流通する排気の熱は、内周管４１の管壁、内周管４１と集合排気管４との間の空気層、集合排気管４の管壁、ワイヤメッシュ９、冷却水管６の管壁、冷却水管６の内部を流通する冷却水の順に熱伝達又は熱伝導していく。これに対し、温間時に上記内周管４１の本体部４１ａが集合排気管４と接触している場合には、上述の熱伝達・伝導経路は、内周管４１と集合排気管４との間の空気層を経由せず、内周管４１の管壁から集合排気管４の管壁へ熱が直接伝導する。上記空気層を介在させないことにより熱交換効率は飛躍的に向上する。

したがって、冷間時には熱交換効率を抑えて排気熱を触媒コンバータ１０の早期活性化に活用し、温間時には熱交換効率を高めて触媒コンバータ１０の温度上昇を抑え寿命短縮を防止することができる。

本参考例においては、上記冷却水管６を径方向に扁平な形状としつつ、集合排気管４の全周に亘って該冷却水管６を抱きかかえるように取り付ける構造としているため、接触面積が大きく、熱交換効率を向上させている。

また、上記ワイヤメッシュ９は、上記実施形態１と同様に、集合排気管４と冷却水管６との実質的な接触面積を拡大させ、また、両部品間の熱ひずみを吸収して両部品に熱応力を発生させず、さらに、熱膨張後も両部品間の実質的な接触状態を変えず熱伝導効率を損なわせない。

《その他の実施形態》
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。すなわち、上記実施形態１においては、第１冷却水管７及び第２冷却水管８の本体部７１、８１をハイドロフォーム成形によって形成し、それらの両端部に各接続部７２ａ、８２ａを溶接等によって結合しているが、図７〜９に示すように各接続部７２ｂ、８２ｂをそれぞれ本体部７１、８１と一体にハイドロフォーム成形する構成としてもよい。かかる構成とした場合には、接続部７２ｂ、８２ｂの外径に合わせて、口径の大きなＵ字連結管６ｂ及び導入管６２ｂ、導出管６３ｂとなる。本実施形態においては、口径が大きくなることによって上記Ｕ字連結管６ｂの曲率半径が小さくなるためＵ字連結管６ｂの剛性が上がり、取付精度が向上する。その他の効果は上記実施形態１と同様である。

さらに、取付精度を向上させるために、図１０に示すように、内部にＵ字路を有するコネクタ６ｃを採用してもよい。かかる構成の場合、上記６ａや６ｂのようなＵ字管形状でないため、取付誤差等の吸収効果はなくなるが、コネクタ６ｃの剛性が高く、取付精度は一段と向上する。

また、上記実施形態１においては、上記導入管６２ａが第２冷却水管８に取り付けられ、導出管６３ａが第１冷却水管７に取り付けられているが、図７〜９に示すように、該導入管６２ｂを第１冷却水管７に、該導出管６３ｂを第２冷却水管８に取り付けて冷却水の流れを逆にしてもよい。

また、上記実施形態１では、Ｕ字連結管６ａによって第１冷却水管７と第２冷却水管８とを直列に接続しているが、該Ｕ字連結管６ａで接続せず、第１冷却水管７と第２冷却水管８とに並列に冷却水を流通させる構造としてもよい。あるいは、第１冷却水管７又は第２冷却水管８のうちいずれか１つの冷却水管を配設する構造でもよい。

本発明の実施形態１に係るエンジンの排気管熱交換構造を示す平面図である。 本発明の実施形態１に係る排気マニホールドを示す正面図である。 本発明の実施形態１に係る排気マニホールドを示す側面図である。 図２のＡ−Ａ線における断面説明図である。 参考例に係るエンジンの排気管熱交換構造を示す平面図である。 参考例に係る排気マニホールドを示す正面一部切欠断面図である。 本発明のその他の実施形態に係るエンジンの排気管熱交換構造を示す平面図である。 本発明のその他の実施形態に係る排気マニホールドを示す正面図である。 本発明のその他の実施形態に係る排気マニホールドを示す側面図である。 本発明のその他の実施形態に係る冷却水管のコネクタを示す正面図である。

１ エンジン
１１ 気筒
１２ 排気ポート
２ 排気マニホールド
３ 分岐排気管
３１ 排気岐管
４ 集合排気管
５ エンジン接続フランジ部
６ 冷却水管
６ａ Ｕ字連結管（コネクタ）
６ｂ Ｕ字連結管（コネクタ）
７ 第１冷却水管
７１ａ 円弧部
７２ａ 接続部（開口端部）
８ 第２冷却水管
８２ａ 接続部（開口端部）
９ ワイヤメッシュ（弾性金属体）
１０ 触媒コンバータ

Claims (3)

1. 複数の排気ポートを有する直列多気筒エンジンの排気系においてエンジン冷却水と排気との間で熱交換を行うエンジンの排気管熱交換構造であって、
   上記排気ポートにそれぞれ独立に連通して気筒列方向に並んだ複数の岐管を含み、エンジンに固定されたエンジン接続フランジ部から下方に向かって湾曲した分岐排気管と、その下流側で該複数の岐管を合流させる集合排気管とからなる排気マニホールドと、
   上記排気マニホールドの少なくとも一部を抱きかかえるように取り付けられる、上記冷却水が流通する管であって、断面形状が扁平な冷却水管と、
   上記排気マニホールドと上記冷却水管との間に介設されて両者間の熱伝導を行い、その排気マニホールドの管径方向に弾性を有する弾性金属体とを備え、
   上記各岐管は円管であり、
   上記冷却水管は、上記分岐排気管の上面側に配設され、上記エンジン接続フランジ部近傍の各岐管における上面の円弧形状に沿った円弧部を該岐管の数だけ気筒列方向に連続形成した波形状を有する第１冷却水管と、上記分岐排気管の下面側に配設され、気筒列方向に沿って略直線状に延設された第２冷却水管とを含み、
   上記第１冷却水管と第２冷却水管とは、気筒列方向一方の開口端部がコネクタによって互いに接続され、上記分岐排気管を上下方向に挟持して上記分岐排気管のエンジン接続フランジ部近傍を拘束緩和状態で抱きかかえるようにして該分岐排気管に取り付けられていることを特徴とする排気管熱交換構造。
2. 請求項１に記載のエンジンの排気管熱交換構造において、
   上記弾性金属体は、耐熱性金属のワイヤメッシュで構成されていることを特徴とする排気管熱交換構造。
3. 請求項１又は２に記載のエンジンの排気管熱交換構造において、
   上記冷却水管は、ハイドロフォーム成形によって形成されていることを特徴とする排気管熱交換構造。

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