JP2006029224A - 過給器付エンジンの排気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 排気系の超低背圧化を実現でき、気流音を低減でき、マフラー容量を低減できる過給器付エンジンの排気装置の提供。
【解決手段】（１）過給器付エンジンに接続された排気管に排気流れ方向に順にフロントマフラー１２とリアマフラー１３を備えた過給器付エンジンの排気装置１０であって、フロントマフラーとリアマフラーの各マフラーは、マフラーの排気入口から排気出口まで直線状に連続して延びマフラー内の途中で縮径されていないインナーパイプ１４を備えており、マフラー内に拡張室を具備しない。
（２）フロントマフラーとリアマフラーのインナーパイプ１４の外側の高周波共鳴室１８内は、空間であり、吸音材が挿入されていない。
【選択図】 図１

Description

本発明は過給器付エンジンの排気装置に関し、とくにマフラーの構造に関する。

過給器付エンジンの排気系には、性能上、以下の２点が要求される。
１）超低背圧化
過給器付エンジンでは、大排気量によりマフラー前に大容量の触媒が必要になり、エンジン背圧が高くなりがちである。エンジン出力を向上させるために排気系を超低背圧化することが必要となる。
２）高周波気流音の消音
過給器付エンジンでは、大排気量、排気高流速のため、気流音（高周波音）が生じ、図８〜図１０に示すように、高周波気流音を下げるサブマフラー１（高周波共鳴室を持つマフラー、図８、図９のフロントマフラー１）が必要となる。たとえば、実開平６−２５５０６号公報に開示のマフラーは、高周波共鳴室をもつマフラーであるが、インナーパイプが入口で、排気管に対して縮径されているので、圧損が生じて、過給器付エンジンの排気系に必要な超低背圧化を実現できない。
また、減速時の、排気管長さで発生する気柱共鳴音（低周波音）を低減するため、または伝播音を消音するために、拡張室３を有しパイプが非連続なメインマフラー２（図８、図９のリアマフラー２）を設置している。拡張室を有するメインマフラー２では、マフラー内、とくにパイプ入口部位での気流の乱れにより気流音（高周波音）が発生し、それを消音するのにメインマフラー内またはメインマフラーの下流に、高周波音低減用マフラー４を設けている。
実開平６−２５５０６号公報

リアのメインマフラーには、部品の共通化のために、過給器無しエンジンの排気系用と同じ構造、サイズの、拡張室を有するマフラーを用いている。そのため、以下の課題がある。
イ）超低背圧化が困難
拡張室を有するリアのメインマフラー内では、排気の流れがターンし、流路が拡縮するので、圧損が大きくなり、超低背圧化が難しい。
ロ）気流音（高周波音）が発生
拡張室型のリアのメインマフラー内で気流音（高周波音）が発生する。とくにマフラー内のパイプ入口で流れが乱れて気流音が発生する。それを消音するのに、メインマフラー内に特別に高周波音低減用マフラーを設けており、マフラーの大型化と構造の複雑化を招いている。
ハ）マフラー容量大とマフラー消音効率の低下
過給器付エンジンではタービン部位で排気エネルギが取られエンジン爆発次数成分の音（低周波音）はほとんど下流に伝わらないはずなのに、過給器無しエンジンと同程度にエンジン爆発次数成分の音を落とす構成になっており、不要に大きなマフラー容量となっている。これは、単位容量当たりのマフラー消音効率が悪いことを意味する。

本発明の目的は、排気系の超低背圧化を実現でき、気流音を低減でき、マフラー容量を低減できる過給器付エンジンの排気装置を提供することにある。

上記課題を解決する、そして上記目的を達成する、本発明はつぎの通りである。
（１） 過給器付エンジンに接続された排気管に排気流れ方向に順にフロントマフラー（本発明ではフロントマフラーがメインマフラーとなる）とリアマフラー（本発明ではリアマフラーがサブマフラーとなる）を備えた過給器付エンジンの排気装置であって、前記フロントマフラーとリアマフラーの各マフラーは、マフラーの排気入口から排気出口まで直線状に連続して延びマフラー内の途中で縮径されていないインナーパイプを備えており、マフラー内に拡張室を具備しない過給器付エンジンの排気装置。
（２） 前記フロントマフラーはインナーパイプの外側に高周波共鳴室を有し、前記リアマフラーはインナーパイプの外側に低周波共鳴室と高周波共鳴室を有している（１）記載の過給器付エンジンの排気装置。
（３） 前記リアマフラーのインナーパイプの外側の低周波共鳴室と高周波共鳴室は、排気流れ方向に低周波共鳴室、高周波共鳴室の順に設けられている（２）記載の過給器付エンジンの排気装置。
（４） 前記フロントマフラーとリアマフラーのインナーパイプは、外側に高周波共鳴室がある部分において、インナーパイプ内と外側の高周波共鳴室とを連通するルーバー穴を有する（２）記載の過給器付エンジンの排気装置。
（５） 前記フロントマフラーとリアマフラーのインナーパイプの外側の高周波共鳴室内は、空間であり、吸音材が挿入されていない（２）記載の過給器付エンジンの排気装置。

上記（１）の過給器付エンジンの排気装置によれば、インナーパイプが直線状に延びマフラー内の途中で縮径されていないので、圧損が小となり、排気系が超低背圧となる。これによって、過給器付エンジンの出力が著しく向上される。
マフラー内に拡張室が無いので、拡張室からマフラー内パイプへの入口部位における流れの乱れが無くなり、気流音を低減できる。
拡張室がないため、低周波共鳴室を必要最小限の容量とすることによって、マフラー容量を低減できる。
上記（２）の過給器付エンジンの排気装置によれば、フロントマフラーはインナーパイプの外側に高周波共鳴室を有し、リアマフラーはインナーパイプの外側に低周波共鳴室と高周波共鳴室を有しているので、気流音も減速時の気柱共鳴による音も低減できる。
上記（３）の過給器付エンジンの排気装置によれば、リアマフラーのインナーパイプの外側の低周波共鳴室と高周波共鳴室は、排気流れ方向に低周波共鳴室、高周波共鳴室の順に設けられているので、排気管後端から出てくる気流音を抑えることができる。
上記（４）の過給器付エンジンの排気装置によれば、インナーパイプは、インナーパイプ内と外側の高周波共鳴室とを連通するルーバー穴を有するので、高周波共鳴室にガラスウール等の吸音材がなくても、ルーバー穴によって吸音材がある場合とほぼ同等の吸音効果が得られる。
上記（５）の過給器付エンジンの排気装置によれば、吸音材を廃止することによって、吸音材の飛散などをなくすことができる。

以下に、本発明の過給器付エンジンの排気装置を図１〜図７を参照して説明する。
本発明の過給器付エンジンの排気装置１０は、過給器付エンジンに接続された排気管１１と、排気管１１に設けられたマフラー１２を備えている。マフラー１２は、排気管１１に、排気流れ方向に順に設けられたフロントマフラー（メインマフラー）１２とリアマフラー（サブマフラー）１３の少なくとも一方のマフラーを含む（リアマフラーのみでもよい）。フロントマフラー１２とリアマフラー１３の両方を設ける場合は、図１に示すようにフロントマフラー１２とリアマフラー１３を別々に設けてもよいし、あるいはフロントマフラー１２とリアマフラー１３を一体化してもよい。

図１の過給器付エンジンは、たとえば、左右両バンクをもつＶ型の８気筒または６気筒の、ディーゼルまたはガソリンエンジンで、各バンクからの排気管に過給器のタービンを有し、その下流にディーゼルパティキュレート除去装置および触媒コンバータ（触媒コンバータのみでもよい）を有し、その下流にフロントマフラー１２を有し、その下流で左右バンクからの排気管を１本の排気管に集合し、その下流にリアマフラー１３を有する。ただし、エンジンは、Ｖ型に限るものではなく直列エンジンでもよく、また、気筒数も８気筒または６気筒に限るものではなく１２気筒、４気筒等でもよく、排気管構成も、タービン、フロントマフラーを、集合部の上流に設けたものに限るものではなく、集合部より下流の１本の排気管、または直列多気筒の１本の排気管に設けたものでもよい。

図２、図３に示すように、フロントマフラー１２とリアマフラー１３の各マフラーは、インナーパイプ１４とインナーパイプ１４の外側にあるアウターケーシング１５を備えている。
インナーパイプ１４は、マフラーの排気入口１６から排気出口１７まで直線状に、連続して、延びている。インナーパイプ１４は、マフラー内の途中で縮径されておらず（圧損を抑える観点から、拡径は許されるが、縮径は許されない）、インナーパイプ１４内に流れを遮る方向に延びる整流板を有していない。
また、フロントマフラー１２とリアマフラー１３の各マフラーは、マフラー内に従来の拡張室を具備しない。

インナーパイプ１４とインナーパイプ１４の外側にあるアウターケーシング１５との間の空間は共鳴室を構成する。
フロントマフラー１２はインナーパイプ１４の外側に高周波共鳴室１８を有し（低周波共鳴室はもたない）、リアマフラー１３はインナーパイプ１４の外側に低周波共鳴室１９と高周波共鳴室１８を有している。
リアマフラー１３のインナーパイプ１４の外側の低周波共鳴室１９と高周波共鳴室１８は、排気流れ方向に低周波共鳴室１９、高周波共鳴室１８の順に設けられている。

高周波共鳴室１８は、排気量が大となる過給器付エンジンにおける排気気流音（１ｋＨｚ以上の高周波音で、「シャーッ」という音）を消音し、低周波共鳴室１９は過給器付エンジンの減速時や過給器無しエンジン爆発次数成分の音（１ｋＨｚより小、たとえば１５０〜２００Ｈｚの低周波音で、「ボーッ」という音）を消音する。

フロントマフラー１２とリアマフラー１３のインナーパイプ１４は、外側に高周波共鳴室１８がある部分において、インナーパイプ１４内と外側の高周波共鳴室１８とを連通する複数のルーバー穴２０を有する。ルーバー穴２０の切り起こしはインナーパイプ１４の半径方向外側に切り起こされている。ルーバー穴２０は、平板またはパイプにスリットを入れておいてスリットと直交方向に引張力をかけて製造され、円形以外の穴形状を有する。

フロントマフラー１２とリアマフラー１３のインナーパイプ１４の外側の高周波共鳴室１８内は、空間であり、吸音材（ガラスウール等）が挿入されていない。
リアマフラー１３の、インナーパイプ１４外側の低周波共鳴室１９と高周波共鳴室１８は仕切り板２１によって遮断されている。
リアマフラー１３の、インナーパイプ１４外側の低周波共鳴室１９は、インナーパイプ１４に取り付けられたスカート２２とインナーパイプ１４との間の気柱構成空間からなる。気柱構成空間の一端はインナーパイプ１４とアウターケーシング１５との間に開放され、気柱構成空間の他端は閉じていてインナーパイプ１４に形成された連通用開口２３によってインナーパイプ１４内の排気ガス流路と連通している。連通用開口２３は、丸穴であってもよいし、インナーパイプ１４の周方向に延びるスリットであってもよい。

従来の排気装置では、拡張室型リアマフラーはフロントマフラーより大容量であり、リアマフラーがメインマフラー、フロントマフラーがサブマフラーである。
これに対し、本発明では、図４に示すように、リアマフラー１３が拡張室をもたず、小型化してあるため、リアマフラー１３は各フロントマフラー１２より小容量であり、フロントマフラー１２がメインマフラーであり、リアマフラー１３がサブマフラーである。たとえば、本発明では、フロントマフラー１２が９．３Ｌ×２基で、リアマフラー１３が７．５Ｌ×１基といった具合である。ただし、Ｌはリットルで１０００ｃｍ³ である。

また、Ｖ型８気筒ディーゼルでの背圧を検討したところ、従来の過給器付エンジンの排気装置では、エンジン背圧が５０ｋＰａを越えていたが、本発明の過給器付エンジンの排気装置１０では、ディーゼルパティキュレート浄化装置（ＤＰＮＲ）、酸化触媒装置（２０Ｒ）、メインマフラー１２（Ｍ／Ｍ）、サブマフラー１３（Ｓ／Ｍ）を順に配置した排気装置で、エンジン背圧が従来に比べて約８ｋＰａ減少し、超低背圧となった。
また、従来のメインマフラ（拡張室を有するリアマフラー）の圧損に比べて、本発明の排気装置１０でのメインマフラー（拡張室をもたないフロントマフラー）の圧損は約５ｋＰａ低減した。ただし、ＤＰＮＲ触媒での圧損、および酸化触媒（２０Ｒ触媒）での圧損は、従来と本発明で、同じである。

図５〜図７は、仕様を異ならせた複数の場合Ａ、Ｂ、Ｃで排気音評価テストを行った結果を示している。用いたエンジンは、Ｖ型８気筒ディーゼルエンジンで、吸入空気量が２９６ｇ／Ｓ、出力が２１０ｋＷ、トルクが６６０Ｎｍであった。
図５に示すように、
場合Ａは、サブマフラー（リアマフラー１３）有り、サブマフラー内インナーパイプ径が６１ｍｍである。
場合Ｂは、サブマフラー（リアマフラー１３）無し、パイプ径が７０ｍｍである。
場合Ｃは、サブマフラー（リアマフラー１３）無し、パイプ径が６０．５ｍｍである。

図６に示すように、加速では、場合Ｃ（サブマフラー無し、パイプ径が６０．５ｍｍ）より場合Ａ（サブマフラー有り、パイプ径が６１ｍｍ）の方が排気音低減効果が高く、場合Ａ（サブマフラー有り、パイプ径が６１ｍｍ）より場合Ｂ（サブマフラー無し、パイプ径が７０ｍｍ）の方が排気音低減効果が高い。これから、加速では、気流音が主であり、サブマフラー無しよりサブマフラー有りの方が良く、かつ、パイプ径を大とすることにより（パイプ径を絞らないことにより）急激に排気音低減効果が高くなることがわかる。
図６に示すように、減速では、場合Ｂ（サブマフラー無し、パイプ径が７０ｍｍ）より場合Ａ（サブマフラー有り、パイプ径が６１ｍｍ）の方がエンジン爆発次数成分の音の低減効果が高い。これから、減速では、サブマフラー（リアマフラー１３）を設けることが排気音低減に効くことがわかる。

図７は、図６における、４０００ｒｐｍ全負荷時と無負荷時の周波数分析した結果を示している。
図７より、周波数が１ｋＨｚ以上の高周波領域（気流音領域）では、場合Ｃ（サブマフラー無し、パイプ径が６０．５ｍｍ）より場合Ａ（サブマフラー有り、パイプ径が６１ｍｍ）の方が排気音低減効果が高く、場合Ａ（サブマフラー有り、パイプ径が６１ｍｍ）より場合Ｂ（サブマフラー無し、パイプ径が７０ｍｍ）の方が排気音低減効果が高い。これから、加速では、気流音が主であり、パイプ径を太くすることにより（パイプ径を絞らないことにより）急激に排気音低減効果が高くなることがわかる。

つぎに、本発明の作用・効果を説明する。
本発明の過給器付エンジンの排気装置１０では、インナーパイプ１４が直線状に延び、マフラー１２、１３内の途中で縮径されていない（排気管に比べて縮径されていない）ので、マフラー１２、１３での圧損が小となり、排気系が超低背圧（目標の５０ｋＰａ以下）となる。これによって、過給器付エンジンの出力が著しく向上される。過給器付エンジンは、タービンで排気エネルギーを回収しそれでコンプレッサーを回して過給するものであるから、出力が大、排気量大となるが、従来のような拡張型メインマフラーを排気系に設けると、メインマフラーでの圧損が大きくなり過ぎて、過給器付エンジンの良さである大出力を引き出せなかったが、本発明の排気装置１０とすることにより、マフラー１２、１３での圧損が小となり、排気系が超低背圧となり、過給器付エンジンの出力が著しく向上される。

マフラー１２、１３内に拡張室が無いので、従来の拡張室型マフラーで存在した拡張室からマフラー内パイプへの入口部位における流れの乱れが無くなり、従来の拡張室型マフラーを用いた場合に生じていた気流音を低減できる。従来の拡張室型マフラーを用いた場合では気流音を低減するのに、拡張室下流に、大型でかつ吸音材を設けた高周波音低減マフラーを設けていたが、本発明では、それをリアマフラー１３を小型化できるとともに、リアマフラー１３の高周波共鳴室１８を小型化できる。

また、マフラー１２、１３内に拡張室が無いので、低周波共鳴室１９を必要最小限の容量とすることによって、マフラー容量を低減できる。従来は、過給器付エンジンではエンジン爆発次数成分の音（低周波音）がタービンを通過して排気管端まで来にくいので、もともと大容量の低周波共鳴室を設ける必要がないにもかかわらず、部品の共通化により、拡張室型マフラーを用いて、不必要に大容量の低周波共鳴室を設けていたが、本発明では、リアマフラー１３内の低周波共鳴室１９を必要最小限の容量とすることによって、マフラー容量を低減できる。これによって、車両への搭載性が良くなる。

フロントマフラー１２はインナーパイプ１４の外側に高周波共鳴室１８を有し、リアマフラー１３はインナーパイプ１４の外側に低周波共鳴室１９と高周波共鳴室１８を有しているので、加速時等の高周波音（気流音）も、減速時の低周波音も低減できる。
リアマフラー１３のインナーパイプ１４の外側の低周波共鳴室１９と高周波共鳴室１８は、排気流れ方向に低周波共鳴室１９、高周波共鳴室１８の順に設けられているので、排気管後端から出てくる気流音を効果的に抑えることができる。

インナーパイプ１４は、インナーパイプ内と外側の高周波共鳴室１８とを連通するルーバー穴２０を有するので、高周波共鳴室１８にガラスウール等の吸音材がなくても、ルーバー穴２０によって吸音材がある場合とほぼ同等の吸音効果が得られる。
そして、吸音材を廃止することによって、吸音材の飛散と、それによる吸音特性の低下などをなくすことができる。

本発明の過給器付エンジンの排気装置の系統図である。 本発明の過給器付エンジンの排気装置のフロントマフラーの概略構成図である。 本発明の過給器付エンジンの排気装置のリアマフラーの概略構成図である。 本発明の過給器付エンジンの排気装置の平面図である。 仕様を異ならせた複数の場合Ａ、Ｂ、Ｃの概略構成図である。 図５の場合Ａ、Ｂ、Ｃの排気音テストの、音圧レベル／エンジン回転数のグラフである。 図６の回転数４０００ｒｐｍで取り出したデータの、音圧レベル／周波数のグラフである。 従来の過給器付エンジンの排気装置の系統図である。 従来の過給器付エンジンの排気装置のフロントマフラーの概略構成図である。 従来の過給器付エンジンの排気装置のリアマフラーの概略構成図である。

符号の説明

１０ 過給器付エンジンの排気装置
１１ 排気管
１２ フロントマフラー（メインマフラー）
１３ リアマフラー（サブマフラー）
１４ インナーパイプ
１５ アウターケーシング
１６ マフラーの排気入口
１７ マフラーの排気出口
１８ 高周波共鳴室
１９ 低周波共鳴室
２０ ルーバー穴
２１ 仕切り板
２２ スカート
２３ 連通用開口

Claims (5)

1. 過給器付エンジンに接続された排気管に排気流れ方向に順にフロントマフラーとリアマフラーを備えた過給器付エンジンの排気装置であって、前記フロントマフラーとリアマフラーの各マフラーは、マフラーの排気入口から排気出口まで直線状に連続して延びマフラー内の途中で縮径されていないインナーパイプを備えており、マフラー内に拡張室を具備しない過給器付エンジンの排気装置。
2. 前記フロントマフラーはインナーパイプの外側に高周波共鳴室を有し、前記リアマフラーはインナーパイプの外側に低周波共鳴室と高周波共鳴室を有している請求項１記載の過給器付エンジンの排気装置。
3. 前記リアマフラーのインナーパイプの外側の低周波共鳴室と高周波共鳴室は、排気流れ方向に低周波共鳴室、高周波共鳴室の順に設けられている請求項２記載の過給器付エンジンの排気装置。
4. 前記フロントマフラーとリアマフラーのインナーパイプは、外側に高周波共鳴室がある部分において、インナーパイプ内と外側の高周波共鳴室とを連通するルーバー穴を有する請求項２記載の過給器付エンジンの排気装置。
5. 前記フロントマフラーとリアマフラーのインナーパイプの外側の高周波共鳴室内は、空間であり、吸音材が挿入されていない請求項２記載の過給器付エンジンの排気装置。

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