CN103097676A - 带尾管的排气消音器 - Google Patents

Abstract

提供一种带尾管的排气消音器，该带尾管的排气消音器抑制脉动波并实现发动机输出增大和燃油消耗率的改善效果。在该带尾管的排气消音器中，在内燃机用排气管1的中途设置腔室10。设置与排气管1的排气口端部连接的尾管20。在尾管20的内部，将多个翅片21配设成朝向废气的排出方向逐渐扩大的螺旋状。腔室10包括盖体11、被该盖体11包围的内部排气管12。内部排气管12包括管径宽的扩散用排气管13以及管径窄的压缩用排气管14。在内部排气管12的一部分侧面开通扩散用孔15。

Description

带尾管的排气消音器

技术领域

本发明涉及带尾管的排气消音器，通过组合改善的腔室（chamber）和安装于消音器端部的尾管，从而能够提高车辆的燃油效率。

背景技术

通常，在四冲程发动机中，在气缸中将吸气-压缩-爆炸-排气这一系列的运动作为活塞的往复运动而进行重复。此时，与活塞的运动同步开闭的进气阀和排气阀设置于气缸中。而且，结束爆发后的高压的废气随着爆炸声从排气阀挤压到排气管。当反复进行上述活塞运动时，在排气管内周期性地产生由废气引起的排气脉动。然后，伴随着排气脉动的高压的废气在设置于排气管的中途的腔室（消音器）中进行消音。

最初，所谓的膨胀室（Expansion Chamber），主要是指在二冲程发动机的排气消音器中，为了提高混合气的填充效率而在排气管中设置的膨胀室。然后，当废气到达该腔室时，废气在腔室内急剧膨胀。在该膨胀时产生的冲击波在腔室中进行反射，产生将引入排气管的混合气推回气缸的作用。通过适时地利用该作用，可压缩填充超过气缸容积的混合气，结果是，能够取得与提高排气量相同的效果。

一般在四冲程发动机的排气消音器中，腔室用作消音器。但是，在四冲程发动机中，与二冲程发动机的腔室一样，存在节能型的排气消音器，该节能型的排气消音器具备在排气管侧控制废气的流动、并将吹过排气管侧的未燃烧气体推回气缸的作用。

即，为达到控制排气脉动的目的，在排气管的中途设置有粗细不同的管或扩大了容积的室（腔室）等节能型排气消音器。在该节能型的排气消音器中，已知的是，通过以将在腔室内产生的冲击波向气缸的排气阀方向反射，并高效地将未燃烧废气压入气缸的方式进行调整，由此，能够改善发动机效率和燃油效率。

作为现有的节能型的排气消音器，专利文献1中提出了通过促进发动机的燃烧作用而提高发动机效率的内燃机用排气装置。当采用该排气消音器时，吸引来自发动机的废气，并使其多阶段地压缩膨胀而进行消音，同时，使废气漩涡状地加速流出，促进内燃机的燃烧作用，使其提高效率。

因此，在专利文献1中，通过在消音器的腔室内配设直线状的内管，并在该内管的外周设置螺旋板（翅片），加速吸引废气，从而降低成为发动机的负荷的背压，从而减少燃料消耗量。

而且，在专利文献2中记载有内燃机用低速扭矩发生装置。该装置是在排气消音器的内部设置根据排气流量移动的运转阀体，通过使该运转阀体移动而调整排气量的装置。也就是说，设定在排气消音器的内部对发动机施加有负荷的状态，提高发动机的输出，并产生扭矩。

另一方面，本申请人开发了降低排气噪音的内燃机用消音器（专利文献3）、提高排气效率的消音器装置（专利文献4）等，关于排气消音器的性能提高，留下了为数众多的研究成果。

专利文献3所记载的消音器的结构是下述结构的排气消音器，即、在形成为圆筒形的共鸣室的内部设置排气管，并在该排气管的内部设置扭转板状的导板，从而形成将沿着该导板闯入的废气的一部分送到共鸣室。其结果是，获得高的消音效果，而且还获得提高内燃机的排气效率的效果。

而且，专利文献4所记载的消音器装置安装于排气消音器的端部，从而提高排气效率。该结构形成外筒与内筒双层筒，而且在内筒的内部配置中央筒。而且，在该中央筒的外侧面与内筒的内侧面之间设置多片翅片。根据该结构，废气被引导至翅片，螺旋状地旋转的同时被排出，提高排气效率，并成功地降低发动机的输出损耗。

专利文献1：日本实开昭53-23835号公报

专利文献2：日本特公平7-30705号公报

专利文献3：日本专利第2741355号公报

专利文献4：日本专利第4174789号公报。

发明内容

在现有的排气消音器中，当废气从排气消音器的出口排放到大气中时，高压的废气的容积在大气中突然膨胀，因而产生新的脉动波。该脉动波与腔室内的排气脉动相比较虽然微小，但是，尤其是，如同节能型的排气消音器，对于要有效利用冲击波改善发动机效率的这种类型的排气消音器而言，是极为麻烦的事情。

即，当废气从排气消音器出口排放到大气中时，如果产生脉动波，则该脉动波沿着排气消音器进行传播，对在腔室内反射的冲击波的频率造成坏的影响。于是，妨碍冲击波将未燃烧气体压入气缸的有效定时，难以进行节能型的排气消音器中发动机效率和燃油效率的改善。

因此，对于专利文献1所记载的排放装置以及专利文献2所记载的扭矩发生装置的排气消音器而言，都不能够避免脉动波的影响。因此，如果根据不考虑该脉动波的设计时，即使在设计阶段中能够期待节能的效果，但是，在实际运转时，并不一定能够期待设计时的效果。在这一点上，专利文献1及2中没有与就燃油消耗率或功率、扭矩示出的具体数据有关的记载，实际上，实现到什么程度的效果是不明确的。

另一方面，本发明的发明人根据到目前为止的研究及极多的试验得到了如下的见解：为了抑制脉动波并实现节能型的排气消音器，最有效果的是在排气消音器的腔室一部分和在排气口安装的尾管部分(消音器装置)之间取得平衡。

因此，本发明用于解决上述课题，其目的在于提供节能用的带尾管的排气消音器，该节能用的带尾管的排气消音器抑制当从排气消音器的出口将废气排放到大气中时产生的脉动波，而不妨碍腔室内的冲击波将未燃烧气体压入气缸的作用，从而能够实现发动机输出增大和燃油消耗率改善的效果。

为达到上述目的的本发明的第一装置包括：腔室10，设置于内燃机用排气管1的中途；以及尾管20，与排气管1的排气口端部连接，在内部，多个翅片21被配设成朝向废气的排出方向逐渐扩大的螺旋状。其中，所述腔室10包括用于包围排气管1的侧面周围的盖体11以及在被该盖体11包围的排气管1的侧面开通有多个扩散用孔15而形成的内部排气管12，该内部排气管12包括在废气流入侧设置的管径宽的扩散用排气管13以及在废气排出侧设置的管径窄的压缩用排气管14，在内部排气管12的侧面的一部分侧面开通有所述扩散用孔15。

在本发明的第二装置中，在所述腔室10中，所述扩散用排气管13与压缩用排气管14被串联连接，而且，形成将扩散用排气管13与压缩用排气管14的内部沿长度方向分成两部分的隔板16；以在扩散用排气管13的圆周侧面隔着隔板16对称的对称位置上进行分布的方式开通所述扩散用孔15。

在本发明的第三装置中，在所述腔室10中，在盖体11的内部并联连接所述扩散用排气管13与压缩用排气管14，在该扩散用排气管13与压缩用排气管14的相互之间最远的位置的侧面开通所述扩散用孔15。

在本发明的第四装置中，所述尾管20形成为从所述排气管1的端部至排气方向的直径相同的圆筒形，或形成为至排气方向的直径扩大的锥体形，或形成为至排气方向的直径变窄的反锥体形。

在本发明的第五装置中，相对于所述内部排气管12的圆周，在30%～60%的范围内开通所述扩散用孔15，将其作为解决课题的手段。

发明效果

如权利要求1，包括：腔室10，设置于内燃机用排气管1的中途；以及尾管20，与排气管1的排气口端部连接，在内部，多个翅片21被配设成朝向废气的排出方向逐渐扩大的螺旋状，其中，通过在压缩用排气管14的侧面的一部分侧面开通所述扩散用孔15，由此，抑制废气从排气消音器出口向大气中排放时产生的脉动波，成功地避免了妨碍腔室内的冲击波将未燃烧气体压入气缸的有效定时的不良情况。其结果是，能提高内燃机的功率值及扭矩值，获得燃油效率高的改善效果。

如权利要求2，采用串联连接扩散用排气管13和压缩用排气管14的腔室10，尤其是提高往复型发动机的功率值及扭矩值，并获得燃油消耗率改善的效果。

如权利要求3，采用在排气管1的内部并联连接扩散用排气管13和压缩用排气管14的腔室10，尤其是，即使是混合型发动机，也能提高功率值及扭矩值，并获得燃油效率高的改善效果。

而且，如权利要求4，所述尾管20是在内部多个翅片21被配设成朝向废气的排出方向逐渐扩大的螺旋状的尾管20，能够选择从所述排气管1的端部至排气方向的直径相同的圆筒形、或至排气方向的直径扩大的锥体形、或至排气方向的直径变窄的反锥体形的任一个。而且，根据上述尾管20的形状，能够提供燃油消耗率特性、功率值特性、扭矩值特性各不相同的排气消音器。因此，能够根据发动机的排气量、形式等适当选择尾管20的形状，提供与发动机特性对应的排气消音器。

而且，如权利要求5，扩散用孔15的开通范围设定为相对于内部排气管12的圆周在30%～60%的范围内时，获得最好的燃油效率改善效果。

附图说明

图1是示出本发明消音器的实施例1的侧剖视图。

图2是示出实施例1的扩散用排气管的剖视图。

图3是示出实施例1的尾管的正视图。

图4是示出本发明消音器的实施例2的侧剖视图。

图5是图4所示的由箭头所示v-v线剖视图。

图6是示出图4所示的尾管的正视图。

图7是示出本发明尾管的其他实施例的侧剖面。

图8是图7所示的尾管的正视图。

图9是圆筒型尾管的正视图。

图10是示出本发明腔室的其他实施例的侧剖面。

图11是示出本发明腔室的其他实施例的侧剖面。

具体实施方式

根据本发明，实现了节能型带尾管的排气消音器，其抑制从排气消音器出口向大气中排放时产生的脉动波，不妨碍采用节能型排气消音器的腔室内的冲击波将未燃烧废气压入气缸的作用，从而能够实现发动机输出的增大和燃油消耗率改善的效果。

以下，基于图示例子说明本发明。本发明中的排气消音器2尤其是一种抑制废气排放时的脉动波、有效利用冲击波的排气消音器。

本发明的结构包括腔室10和尾管20（参照图1、图4）。腔室10设置于内燃机用的排气管1的中途，尾管20与排气管1的排气口端部连接。

腔室10包括盖体11、内部排气管12、扩散用排气管13。盖体11形成包围排气管1的侧面周围的近似圆筒形，是在排气管1与盖体11之间形成扩散用的空间的部件。

内部排气管12是将由盖体11包围的排气管1作为内部排气管12的部件，而且，该内部排气管12包括扩散用排气管13和压缩用排气管14。而且，在该内部排气管12的一部分侧面开通所述扩散用孔15。

扩散用排气管13是设置于废气流入侧的、管径宽的内部排气管12，另一方面，压缩用排气管14是设置于废气排出侧的管径窄的内部排气管12。上述扩散用孔15设置于该压缩用排气管14面对的侧面（参照图1），或设置于压缩用排气管14与扩散用孔15相互之间最远的位置的侧面（参照图4）。在试验中，将该扩散用孔15的范围设为相对于内部排气管12的圆周为30%～60%的范围，而不是内部排气管12的整个圆周侧面。而且，验证在如下状态下开通扩散用孔15的位置时能够取得高的燃油消耗率效果：扩散用孔15的位置在例如扩散用排气管13的圆周侧面相对的侧面、或平行排列的内部排气管12的相互之间最远位置的侧面等最远的位置处分离成两个部位的分布状态（参照图2、图5）。

上述扩散用排气管13与压缩用排气管14在盖体11的内部串联连接（参照图1）。而且，也能经由连接管17并列连接（参照图4）。而且，如图10、图11所示，也能在盖体11的内部以不连接的状态设置上述扩散用排气管13与压缩用排气管14，在这种情况下，能够任意地调整扩散用排气管13与压缩用排气管14的长度。

在串联连接内部排气管12的情况下，分别在扩散用排气管13与压缩用排气管14沿着长度方向配设将内部分为两部分的隔板16（参照图2）。在图示例中，在扩散用排气管13上开通扩散用孔15，而在压缩用排气管14上不开通扩散用孔15，但是，在压缩用排气管14也可开通与扩散用孔15同样的孔（未图示的）。在这种情况下，扩散到腔室10中的废气再次被压缩，并从压缩用排气管14的孔流入压缩用排气管14内。

而且，在图4中，在并列连接扩散用排气管13与压缩用排气管14时，构成为封闭盖体11内部的开放端部，由介于内部排气管12的侧面的连接管17连通。

本发明的尾管20是一种在由不锈钢等适当的金属材料或适当的复合材料等形成的圆筒形部件的内部配设翅片21的部件。而且，构成为，在图示例子的尾管20中还设置有盖体22，从而使外观的规格更好。该盖体22由适当金属材料（例如不锈钢）、适当的强化树脂材料、适当的复合材料等形成，因而在其外表面也能够实施适当的装饰。而且，也能使用不设置盖体22的尾管20。

另一方面，翅片21是设置于尾管20的内周面的部件，由适当的金属材料（例如、不锈钢）、适当的强化树脂材料、适当的复合材料等形成，呈近似系板状。而且，多片（例如6片、8片、12片等）翅片21配设成朝废气的排出方向逐渐扩大的螺旋状。

而且，构成为通过尾管20内部的废气由翅片21引导，并旋转成近似螺旋状，在扩散的同时向大气排出。此时，发生通过翅片21的中心部的废气的压力降低，由此促进排气作用，减轻排气消音器2内部的排气阻力。

尾管20的形状能够从圆筒形、锥体形、反锥体形中选择。即，圆筒形是从排气管1的端部到排气方向的直径相同的尾管20（参照图1、图3）。而且，锥体形是到排气方向的直径扩大的形状（参照图4、图6）。而且，反锥体形是到排气方向的直径变窄的相反形状（图7、参照图8）。

实施例1

图1及图2示出串联连接腔室10中的扩散用排气管13与压缩用排气管14的实施例（参照图1）。在该扩散用排气管13与压缩用排气管14中形成沿长度方向将内部分成两部分的隔板16（参照图2）。而且，以在扩散用排气管13的圆周侧面的隔着隔板16的对称位置上分布的方式开通扩散用孔15。扩散用孔15相对扩散用排气管13的圆周沿50%的范围的长度方向而设置（参照图2）。

尾管20形成从排气管1的端部到排气方向的直径大致相同的圆筒形。在该尾管20的内部，8片翅片21配设成朝着废气的排出方向逐渐扩大的螺旋状（参照图3）。

[表1]

表1示出通过试验得到的功率数据及扭矩数据的比较。在该试验中，对在搭载有2000cc的发动机的测试车辆（丰田公司制Boxy）上分别安装正品消音器、本发明消音器、而且仅使用了本发明的腔室10的排气消音器而获得的数据进行比较。作为上述测定器，使用底盘测功机（博世（注册商标）FLA206）。

在表1中，符号（圈1）～（圈3）表示功率数据，符号（圈1）表示正品消音器、符号（圈2）表示仅有腔室10的排气消音器、符号（圈3)表示图1所示的本发明消音器。

另一方面，符号（圈A）～（圈C）示出扭矩数据，符号（圈A）表示正品消音器、符号（圈B）示出仅有腔室10的排气消音器、符号（圈C）表示图1所示的本发明消音器。

如该表1所表明的，本发明消音器的功率（圈3）与正品消音器（圈1）比较，在功率方面能够明显地确认优越性。

另一方面，本发明消音器的扭矩（圈C）与正品消音器（圈A）比较，也明显确地认优越性。而且，如（圈2）、（圈B）所示可知，对于仅使用了腔室10的排气消音器，与本发明消音器（圈3）与（圈C）比较而言，在功率及扭矩的任一方面都不能够发挥充分的效果。

[表2]

表2表示表1的具体数值。即，使用本发明消音器时的功率（圈3）为154.9ps，与使用正品消音器时的功率（圈1）的148.9ps相比，能够确认提高了+6.0ps之多的发动机功率。而且，在仅使用腔室10的排气消音器（圈2）中，也检测到与正品消音器相比提高了+2.4ps。

而且，在发动机扭矩中，正品消音器（圈1）为21.3kg/m，与此相对应，在本发明（圈C）中为23.0kg/m，实际上提高了+1.7kg/m个扭矩。而且，在仅使用腔室10的排气消音器（圈B）中，为22.2kg/m，也提高了+0.9kg/m个扭矩。

[表3]

表3表示使分别安装了正品消音器、仅使用腔室10的排气消音器（无翅片消音器）、实施例1所示的本发明消音器的测试车辆（丰田社制Boxy）实际行驶并行驶相同路线的燃油消耗率数据。该测试数据是通过总计20次的行驶试验从共计3,100km中获得的检测数据。

与该燃油消耗率相关的试验通常称为满罐方式，以完全相同的条件反复行驶相同的路线，以此时的行驶距离和供油量算出燃油消耗率。供油量的记录指定基于供油机的自动停止方法而记录相同条件下的供油量。行驶距离采用车载的里程表的记录，在供油时重置，并记录直到下一次供油为止的距离。燃油消耗率（Km/l）为行驶距离（Km）÷供油量（l）。

测试的结果如表3所示，使用本发明时的燃油消耗率为14.1（Km/l），与使用正品消音器时的燃油消耗率的12.5（Km/l）相比，被认为提高了+12.6%的燃油消耗率。此外，在不连接尾管20的类型中，可以确认提高了+1.5%。

实施例2

图4及图5示出本发明的第二实施例。该腔室10通过在盖体11的内部并列连接扩散用排气管13与压缩用排气管14而成（参照图4）。在图示例子中，在扩散用排气管13与压缩用排气管14的侧面经由两条连接管17连接。而且，在扩散用排气管13与压缩用排气管14的侧面开通扩散用孔15。即，在扩散用排气管13与压缩用排气管14的相互之间、在最远的位置的侧面上开通该扩散用孔15。在相对于扩散用排气管13的圆周为30%、相对于压缩用排气管14的圆周为30%的范围内分别沿长度方向设置该实施例的扩散用孔15（参照图5）。

[表4]

表4表示在试验中获得的功率数据及扭矩数据的比较。在该试验中，比较在测试车辆（丰田公司制普锐斯）上安装正品消音器、本发明的排气消音器、而且仅本发明腔室10的排气消音器而获得的数据。作为上述测定器，使用底盘测功机（博世（注册商标）FLA206）。

在表4中，符号（圈1）～（圈5）表示功率数据，符号（圈1）表示正品消音器、符号（圈2）表示仅使用腔室10的排气消音器、符号（圈3）表示图4所示的本发明消音器。而且，符号（圈4）表示组合有图9所示的圆筒型尾管20的本发明消音器、符号（圈5）表示组合有图7所示的反锥体型尾管20的本发明消音器。

另一方面，符号（圈A）～（圈E）示出扭矩数据，符号（圈A）表示正品消音器，符号（圈B）表示仅使用腔室10的排气消音器。而且，符号（圈C）示出图4所示的本发明消音器。而且，符号（圈D）表示组合有图9所示的圆筒型尾管20的本发明消音器，符号（圈E）表示组合有图7所示的反锥体型尾管20的本发明消音器。此外，作为上述装置的测定器，使用底盘测功机（博世（注册商标）FLA206）。

由表4可知，本发明的功率（圈3）～（圈5）与正品消音器（圈1）比较，在功率上明显被认为具有优越性。而且，本发明的扭矩（圈C）～（圈E）与正品消音器（圈A）相比，也明显被认为具有优越性。而且，如（圈2）、（圈B）所示，在未连接尾管20的情况下，可知在功率及扭矩的任一方面都不能发挥充分的效果。

而且，通过改变尾管20的形状，可被认为在高性能方面分别具有固有的特性。因此，根据发动机形式、排气量等，组合尾管20的形状，能获得更高的优越性。

[表5]

表5示出表4的具体数值。即，使用本发明消音器时的功率（圈3）、（圈4）、（圈5）分别为151.4ps、146.7ps、152.0ps，与使用正品消音器时的功率134.4ps相比，可以被认为均分别提高了+17.0ps、+12.4ps、+17.7ps的功率。而且，在仅使用腔室10的排气消音器（圈2）中，与正品消音器相比较，也检测到提高了+0.8ps。

另一方面，在发动机扭矩方面，相对于正品消音器（圈A）为24.0kg/m，在本发明（圈C）、（圈D）、（圈E）中，分别为28.2kg/m、29.1kg/m、28.8kg/m，可分别被认为惊人地提高了+4.2kg/m、+5.1kg/m、+4.8kg/m。而且，在仅使用腔室10的排气消音器中为27.9kg/m，与正品消音器相比，扭矩也提高+3.9kg/m。

[表6]

表6示出使分别安装有正品消音器、仅使用腔室10的排气消音器（无翅片消音器）、实施例2所示的本发明消音器的测试车辆（丰田社制普锐斯）实际行驶并行驶相同的路线的燃油消耗率数据。该数据是重复行驶测试30次、实际行驶总计4,650km而检测的数据。此外，采用上述满罐方式检测该燃油消耗率数据的试验。

试验的结果是，使用本发明消音器（圈3）、（圈4）、（圈5）时的燃油消耗率分别为25.8（Km/l）、26.9（Km/l）、28.5（Km/l），与使用正品消音器（圈1）时的燃油消耗率24.0（Km/l）相比，被认为提高了+7.5%、+12.3%、+19.0%。此外，仅使用腔室10的排气消音器（圈2）与正品消音器相比，也提高了+1.2%。

产业上的可利用性

根据本发明的排气消音器，能用于对各种车辆的排气消音器的使用中。而且，本发明的腔室10和尾管20的具体结构、形状、尺寸、材质，对于排气消音器的具体安装装置、翅片21的具体结构、形状、尺寸、材质、数量、配设位置、扭转状态等，并不限定于图示示例等，而是能够适当自由地变更设计。

附图标记说明

1  排气管                   2 排气消音器

10 腔室                     11 盖体

12 内部排气管               13 扩散用排气管

14 压缩用排气管             15 扩散用孔

16 隔板                     17 连接管

20 锥体管                   21 翅片

22 盖体。

Claims (5)

1.一种带尾管的排气消音器，其特征在于，所述带尾管的排气消音器包括：

腔室，设置于内燃机用排气管的中途；以及

尾管，与排气管的排气口端部连接，在内部，多个翅片被配置成朝向废气的排出方向逐渐扩大的螺旋状，

其中，所述腔室包括用于包围排气管的侧面周围的盖体以及在被该盖体包围的排气管的侧面开通多个扩散用孔而形成的内部排气管，

该内部排气管包括在废气流入侧设置的管径宽的扩散用排气管以及在废气排出侧设置的管径窄的压缩用排气管，

在内部排气管的一部分侧面开通有所述扩散用孔。

2.根据权利要求1所述的带尾管的排气消音器，其特征在于，

在所述腔室中，所述扩散用排气管和压缩用排气管被串联连接，而且，形成有将扩散用排气管和压缩用排气管的内部沿长度方向分成两部分的隔板，

以在扩散用排气管的圆周侧面的隔着隔板对称的对称位置上分布所述扩散用孔的方式开通所述扩散用孔。

3.根据权利要求1所述的带尾管的排气消音器，其特征在于，

在所述腔室中，在盖体的内部并联连接所述扩散用排气管和所述压缩用排气管，

在该扩散用排气管与压缩用排气管的相互之间最远的位置的侧面开通所述扩散用孔。

4.根据权利要求1所述的带尾管的排气消音器，其特征在于，所述尾管形成为从所述排气管的端部至排气方向的直径相同的圆筒形、或至排气方向的直径扩大的锥形、或至排气方向的直径变窄的倒锥形。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的带尾管的排气消音器，其特征在于，相对于所述内部排气管的圆周，在30%～60%的范围开通所述扩散用孔。

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