JP2007205209A - 内燃機関の消音装置 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンシャフトを浮動ブッシュ軸受にて支持する構造のターボチャージャが搭載された内燃機関において、排気系の排気出口から放射されるホワール音を低減する。
【解決手段】共鳴室として機能する容積部２１及びその容積部２１内を排気系３００の排気通路内に連通する開口部２２を有し、消音特性をタービンシャフトの自励振動の周波数に適合することが可能な消音器２と、排気系のフランジ接続部のシール性を確保するガスケット３，４によって消音装置１を構成し、その消音装置１を、ターボチャージャ２００が搭載されたエンジン１００の排気系３００に組み込むことで、ターボチャージャ２００のタービンシャフトの自励振動で発生するホワール音が排気系３００の排気口から放出されることを低減する。
【選択図】図１

Description

本発明はターボチャージャを搭載した内燃機関の消音装置に関する。

車両に搭載される内燃機関（以下、エンジンともいう）には、車両走行時の排気騒音を低減するため、排気系に消音装置が装着されている。

エンジンの排気系としては、例えば、エンジンのエキゾーストマニホールドに接続される触媒コンバータ、フロントパイプ、サブマフラ等を有するセンターパイプ、メインマフラ、及び、テールパイプなどの構成部材を備え、その構成部材をフランジ接続にて相互に連結する構造が採用されている（例えば特許文献１参照）。

一方、ディーゼルエンジン等のエンジンにはターボチャージャが搭載されている。ターボチャージャとしては、排気通路に配置されたタービン（タービンホイール）と、吸気通路に配置されたコンプレッサ（コンプレッサインペラ）と、これらタービンとコンプレッサとを連結するタービンシャフトとを備え、排気通路に配置のタービンが排気のエネルギによって回転し、これに伴って吸気通路に配置のコンプレッサが回転する構造のものが一般に知られている。

ターボチャージャのタービンシャフトを支持する軸受として、例えばフルフロート式またはセミフロート式の浮動ブッシュ軸受が用いられている（例えば、特許文献２参照）。浮動ブッシュ軸受を用いたターボチャージャの一例を図１１に示す。

図１１に示すターボチャージャにおいて、タービン２０１とコンプレッサ２０２とはそれぞれタービンハウジング２０４とコンプレッサハウジング２０５とに収容されている。これらタービン２０１とコンプレッサ２０２とを連結するタービンシャフト２０３は、センターハウジング２０６内に配置された２つの浮動ブッシュ軸受２０７，２０８によって支持されている。センターハウジング２０６には、各浮動ブッシュ軸受２０７，２０８に連通するオイル供給孔２１１，２１２が形成されており、このオイル供給孔２１１，２１２に主オイル通路２１０を通じて潤滑用のオイルを供給することにより、各浮動ブッシュ軸受２０７，２０８にオイルを供給することができる。

そして、この例のターボチャージャにおいては、図１２に示すように、各浮動ブッシュ軸受２０７，２０８の外周面とセンターハウジング２０６との間にそれぞれ外径クリアランスＧ１が設けられている。また、各浮動ブッシュ軸受２０７，２０８の内周面とタービンシャフト２０３との間にそれぞれ内径クリアランスＧ２が設けられており、これらクリアランスＧ１，Ｇ２に上記したオイル供給孔２１１，２１２からオイルを所定の圧力で供給することにより、浮動ブッシュ軸受２０７，２０８の外周側と内周側に油膜が形成され、これによってタービンシャフト２０３は浮いた状態で回転する。
特開２００２−２６７０６２号公報 特開２００２−１３８８４６号公報

ところで、タービンシャフトを浮動ブッシュ軸受にて支持する構造のターボチャージャでは、浮動ブッシュ軸受の外周側と内周側の油膜によってばね系が形成され、その油膜のばね定数とタービンシャフトの質量の作用により自励振動（円錐モードや円筒モードの自励振動）が発生し、その自励振動によってホワール音が発生する。このような自励振動にて発生するホワール音は、周波数が例えば６００〜８５０Ｈｚであり、エンジンの排気系に配置された触媒コンバータ、サブマフラ、メインマフラ等ではホワール音を効率良く低減（減衰）することができない。このため、ホワール音が排気系の排気通路内を伝播して排気出口（テールパイプの出口）から放出される。

本発明はそのような実情を考慮してなされたもので、タービンシャフトを浮動ブッシュ軸受にて支持する構造のターボチャージャが搭載された内燃機関において、排気系の排気出口から放射されるホワール音を低減することが可能な内燃機関の消音装置を提供することを目的とする。

本発明は、ターボチャージャが搭載された内燃機関の消音装置であって、前記ターボチャージャの排気出口側に配置される排気系のフランジ接続部に組み付けられる消音器と、前記フランジ接続部のシール性を確保するガスケットとを有し、前記消音器は、容積部と、前記容積部内を前記排気系の排気通路内に連通する開口部と、前記フランジ間に挟み込まれる合わせ部とを備えていることを特徴としている。

本発明に用いる消音器は、容積部が共鳴室として機能するヘルムホルツ型の消音器であり、その容積部の容積、開口部の面積及び開口部の長さ（容積部から開口部の先端までの距離）を適宜に設定することにより、消音器の消音特性をタービンシャフトの自励振動の周波数に適合することが可能である。従って、このような消音器を、ターボチャージャの排気側に配置される排気系に組み込むことにより、タービンシャフトの自励振動で発生するホワール音を効率良く低減することができ、排気系のテールパイプ等の排気出口からホワール音が放出されることを抑制することができる。

しかも、消音器は、排気系の接続部のフランジを利用して組み込むことができるので、排気系の設計変更などを要することなく、簡単な構成・安価のもとに、ホワール音を低減することができる。

本発明において、フランジ接続部のシール性を確保するガスケットと消音器とを一体に構成しておけば、消音器の排気系への組み付け性が向上する。

本発明において、ターボチャージャの排気出口側に配置される排気系が、フロントパイプ、マフラ及びテールパイプを備えた構造である場合、その排気系のフロントパイプの上流側の端部で、ターボチャージャに近い位置に消音器を組み付けるようにすれば、タービンシャフトの自励振動にて発生するホワール音が大きくならない時点、つまり、ホワール音の排気通路内での伝播距離が短くてホワール音があまり増幅されない時点でホワール音を低減することができるので、ホワール音の低減効果が更に向上する。

本発明によれば、容積部とその容積部内を排気系の排気通路内に連通する開口部とを有し、消音特性をタービンシャフトの自励振動の周波数に適合することが可能な消音器を、ターボチャージャが搭載された内燃機関の排気系に組み込むので、タービンシャフトの自励振動で発生するホワール音が排気系の排気口から放出されることを低減することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の消音装置を適用するターボチャージャ付きエンジン及び排気系の概略構成図である。

エンジン１００は、車両等に搭載される多気筒ディーゼルエンジンであって、吸気を過給するターボチャージャ２００が搭載されている。ターボチャージャ２００の排気入口２００ａは、エンジン１００のエキゾーストマニホールド１０１に接続されている。ターボチャージャ２００の排気出口２００ｂには排気系３００が接続されている。

排気系３００は、触媒コンバータ３０１、フロントパイプ３０２、触媒３０３、センターパイプ３０４、サブマフラ３０５、メインマフラ３０６、及び、テールパイプ３０７などによって構成されている。

ターボチャージャ２００は、図１１及び図１２に示したものと同じ構造であり、タービン２０１、コンプレッサ２０２、タービンシャフト２０３、タービンハウジング２０４、コンプレッサハウジング２０５、及び、センターハウジング２０６などを備えている。

タービン２０１はタービンハウジング２０４内に収容されている。コンプレッサ２０２はコンプレッサハウジング２０５内に収容されており、これらタービン２０１とコンプレッサ２０２とがタービンシャフト２０３によって連結されている。タービン２０１はタービンシャフト２０３の一端に溶接等により固着されている。また、コンプレッサ２０２はタービンシャフト２０３の他端にナット２１３にて固定されている。タービンシャフト２０３は、センターハウジング２０６内に配置された２つの浮動ブッシュ軸受２０７，２０８によって支持されている。これらタービン側の浮動ブッシュ軸受２０７とコンプレッサ側の浮動ブッシュ軸受２０８との間に中間スリーブ２０９が配設されている。

センターハウジング２０６には、各浮動ブッシュ軸受２０７，２０８に連通するオイル供給孔２１１，２１２が形成されており、このオイル供給孔２１１，２１２に主オイル通路２１０を通じて潤滑用のオイルを供給することにより、各浮動ブッシュ軸受２０７，２０８にオイルを供給することができる。このようなオイル供給により、浮動ブッシュ軸受２０７，２０８の外周側と内周側に油膜が形成され、これによってタービンシャフト２０３は浮いた状態で回転する。

そして、この例では、ターボチャージャ２００の排気出口２００ｂに、排気系３００の触媒コンバータ３０１が接続されており、この触媒コンバータ３０１にフロントパイプ３０２が一対のフランジ５，５を介して接続されている。フロントパイプ３０２には触媒３０３が配置されており、この触媒３０３の下流側にセンターパイプ３０４及びサブマフラ３０５が配置されている。センターパイプ３０４の下流側には、メインマフラ３０６を有するテールパイプ３０７が一対のフランジ６，６を介して接続されている。

このような排気系３００の触媒コンバータ３０１及び触媒３０３により、エンジン１００からの排気ガスが浄化される。さらに、排気系３００に配置された触媒コンバータ３０１、サブマフラ３０５及びメインマフラ３０６によって排気音が減衰される。

ところで、エンジン１００に搭載されるターボチャージャ２００では、上述したように、タービン２０１の回転中に、タービンシャフト２０３の自励振動によりホワール音が発生する。この自励振動にて発生するホワール音は、周波数が例えば６００〜８５０Ｈｚであり、排気系３００に配置されている触媒コンバータ３０１、サブマフラ３０５及びメインマフラ３０６などの消音装置では効率良く低減することができない。

このような点を解消するため、この例では、サブマフラ３０５及びメインマフラ３０６等に加えて、消音装置１をフロントパイプ３０２の上流側端部に組み付けている。消音装置１の構造について図２〜図９を参照して説明する。

消音装置１は、消音器２と、２枚のガスケット３，４とを備えている。

消音器２は、ヘルムホルツ型（スリットタイプ）の消音器であって、共鳴室として機能する２つの容積部（中空室）２１，２１、その各容積部２１，２１を排気系３００の排気通路にそれぞれ連通する開口部（連通路）２２，２２、及び、触媒コンバータ３０１側のフランジ５とフロントパイプ３０２側のフランジ５との間に挟み込まれる合わせ部２３が一体形成されている。消音器２の中央部には、排気系３００の排気通路の内径に対応する大きさの円形孔２４が設けられており、この円形孔２４に上記した開口部２２，２２の先端が臨んでいる。

消音器２の容積部２１はそれぞれガスケット３，４の外周部に沿う形状に加工されている。また、消音器２の合わせ部２３には、円形孔２４を挟んだ両側にそれぞれボルト貫通孔２５，２５が加工されている。ボルト貫通孔２５，２５は、排気系３００に配置されたフランジ５のボルト貫通孔５１，５１に対応する位置関係で設けられている。

なお、消音器２は、ステンレス鋼板等の板材をプレス加工等により加工した半製品（反割部品）２ａ，２ｂを合わせた状態で、それら半製品２ａ，２ｂを溶接等によって接合することによって製作されており、半製品２ａ，２ｂの合わせ部２３によって容積部２１及び開口部２２のシール性が確保されている。

消音器２には、２枚のガスケット３，４が、開口部２２，２２と合わせ部２３の一部を挟んだ状態で一体に設けられている。各ガスケット３，４は、触媒コンバータ３０１とフロントパイプ３０２とを接続するフランジ５に合わせた形状に成形されている。ガスケット３にはボルト貫通孔３１，３１が加工されている。ボルト貫通孔３１，３１は、排気系３００に配置されたフランジ５のボルト貫通孔５１，５１に対応する位置関係で設けられている。また、ガスケット４にも同様にボルト貫通孔４１，４１が加工されている。

なお、ガスケット３、４は接着等により消音器２に一体化されている。また、消音器２とガスケット３，４とを一体化した状態で、その各ボルト貫通孔３１、ボルト貫通孔２５及びバルト貫通孔４１が一致している。

以上の消音装置１の消音器２の消音特性は、タービンシャフト２０３の自励振動の周波数（例えば６００〜８５０Ｈｚ）に適合されている。

具体的には、例えば、対象とするターボチャージャ２００のタービンシャフト２０３の自励振動の周波数を予め実験・計算等によって求めておき、ヘルムホルツ型消音器で一般的に用いられている共振周波数の算出式に基づいて、共振周波数が、対象とするタービンシャフト２０３の自励振動の周波数に適合するように、消音器２の容積部２１の容積、開口部２２の面積及び開口部２２の長さ（容積部２１から開口部２２の先端までの距離）を求めるという手法によって、消音器２の消音特性をタービンシャフト２０３の自励振動の周波数に適合する。

そして、このような消音特性の適合を行った消音器２を、排気系３００の触媒コンバータ３０１とフロントパイプ３０２との間のフランジ接続部（一対のフランジ５，５間）に組み付けることにより、ターボチャージャ２００のタービンシャフト２０３の自励振動で発生するホワール音を効率良く低減することができ、車両外部に放出される騒音を抑制することができる。

次に、この例の消音器２の排気系３００への組み付けは、図１に示すように、触媒コンバータ３０１側のフランジ５とフロントパイプ３０２側のフランジ５との間に消音装置１を配置するとともに、フランジ５のボルト貫通孔５１と消音器２のボルト貫通孔２５（ガスケット３，４のボルト貫通孔３１，４１）とを位置合わせした状態で、フランジ５のボルト貫通孔５１に締結ボルトを通し、その締結ボルトの先端部にナットをねじ込むという手順で行う。

このように、この例の消音装置１は、排気系３００に配置されたフランジ５，５を利用して組み込むことができるので、フロントパイプ３０２の構造を変更する等の排気系３００の設計変更を要することなく、簡単な構成・安価のもとに、排気系３００に組み付けることができる。さらに、消音器２の消音特性つまり共振周波数の設定を工夫することにより、複数機種のターボチャージャ付きエンジンに対して、１種類の消音装置１を共通部品とすることも可能になる。

また、この例の消音器２には、排気系３００のフランジ接続部（一対のフランジ５，５）のシール性を確保するためのガスケット３，４が一体に設けられているので、消音器２の組み付け性も良好である。

さらに、この例では、排気系３００のフロントパイプ３０２の上流側の端部で、ターボチャージャ２００に近い距離に消音器２を組み付けているので、タービンシャフト２０３の自励振動にて発生するホワール音が大きくならない時点、つまり、ホワール音の排気通路内での伝播距離が短くてホワール音があまり増幅されていない時点でホワール音を低減することができ、より高いホワール音の低減効果を得ることができる。
−他の実施形態−
以上の例において、消音器２の消音特性をタービンシャフト２０３の自励振動の周波数に適合する際に、開口部２２の長さを長くする必要がある場合、例えば図１０に示すような形態の開口部２２′を形成すればよい。また、以上の例では、消音器２の各容積部２１に対して１つの開口部２２を設けているが、その開口部２２の数は１つの容積部２１に対して２つ以上であってもよい。

以上の例では、消音器２とガスケット３，４とを一体化しているが、これらを個別の部材とし、消音装置１を排気系３００に組み付ける際に、消音器２とガスケット３，４とを組み合わせるようにしてもよい。

以上の例では、ターボチャージャ２００とフロントパイプ３０２との間に触媒コンバータ３０１を設けているが、触媒コンバータ３０１を配置せずに、フロントパイプ３０２をターボチャージャ２００の排気出口２００ｂにフランジ接続する構造の排気系にも本発明の消音装置を適用することができる。また、図１の排気系３００の構造に限られることなく、ターボチャージャ２００の排気側に接続される他の任意の構造の排気系に本発明の消音装置を適用してもよい。

本発明の消音装置を適用するターボチャージャ付きエンジン及び排気系の概略構成図である。 本発明の消音装置の一例を示す分解斜視図である。 図２の消音装置の正面図である。 図３のＡ−Ａ断面図である。 図３のＢ−Ｂ断面図である。 図２の消音装置の消音器のみを示す正面図である。 図６のＣ−Ｃ断面図である。 図６のＤ−Ｄ断面図である。 図６のＥ−Ｅ断面図である。 消音器に形成する開口部の変形例を模式的に示す図である。 ターボチャージャの一例を示す縦断面図である。 図１１のターボチャージャのタービンシャフトと浮動ブッシュ軸受を抽出して示す縦断面図である。

符号の説明

１ 消音装置
２ 消音器
２１ 容積部
２２ 開口部
３，４ ガスケット
５ フランジ
１００ エンジン
２００ ターボチャージャ
３００ 排気系
３０２ フロントパイプ
３０７ テールパイプ

Claims (3)

1. ターボチャージャが搭載された内燃機関の消音装置であって、前記ターボチャージャの排気出口側に配置される排気系のフランジ接続部に組み付けられる消音器と、前記フランジ接続部のシール性を確保するガスケットとを有し、前記消音器は、容積部と、前記容積部内を前記排気系の排気通路内に連通する開口部と、前記フランジ間に挟み込まれる合わせ部とを備えていることを特徴とする内燃機関の消音装置。
2. 請求項１記載の内燃機関の消音装置において、
   前記消音器と前記ガスケットとが一体化されていることを特徴とする内燃機関の消音装置。
3. 請求項１または２記載の内燃機関の消音装置において、
   フロントパイプ、マフラ及びテールパイプを備えた排気系に当該消音装置が適用され、前記フロントパイプの上流側端部のフランジ接続部に前記消音器が組み付けられることを特徴とする内燃機関の消音装置。

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