JP2010101219A

JP2010101219A - マフラ

Info

Publication number: JP2010101219A
Application number: JP2008271946A
Authority: JP
Inventors: Yohei Toyoshima; 洋平豊島
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2008-10-22
Filing date: 2008-10-22
Publication date: 2010-05-06

Abstract

【課題】マフラの音響特性を変化させることなく、マフラ内のパイプの開放端における圧力損失、気流音を低減する
【解決手段】排気通路に配置されて排気の脈動音を低減するマフラ１であって、前記マフラ１の構成部品の少なくとも一つに所定の開孔率で小孔４０を複数形成し、前記所定の開孔率を、前記開孔率に応じて決まる前記小孔４０を通過可能な脈動音の周波数の上限をパス限界周波数としたときに、前記パス限界周波数が前記マフラ１によって低減すべき脈動音の周波数範囲の上限よりも高くなる値とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気の脈動音を低減するマフラ（消音器）に関する。

エンジンや燃料電池の排気通路には、排気の脈動音を低減するためのマフラが設けられている。バッフルプレートによってマフラ内部を複数の室に仕切ることで、マフラ内には拡張室、共鳴室が画成されており、排気がこれらの部屋を通過することで脈動音が低減される。

特許文献１が開示するマフラにおいては、各部屋を連通するパイプやバッフルプレートに孔が形成されている。パイプに孔を形成すれば、パイプが孔の形成位置において音響的に分断されてパイプの共振周波数が高くなり、パイプが共振することによる騒音を抑えることができる。また、バッフルプレートに孔を形成すれば、バッフルプレートを挟んで隣接する部屋を音響特性上、一つの部屋として機能させることができ、音響設計の自由度が向上する。
特開２００６−２８３６４４公報

マフラの構成部品への孔の形成は、排気の流れを分散させ、マフラ内のパイプの開放端における圧力損失、気流音を低減するのにも有効である。

しかしながら、上記のとおり、マフラの構成部品への孔の形成はマフラの音響特性（消音性能、音色等）への影響が大きく、孔を自由に形成することは難しい。また、その影響を評価するにも、ＣＡＥ解析では膨大な時間を要するので、試作品を用いた実験に頼らざるを得ず、設計負担が大きかった。

本発明は、このような技術的課題に鑑みてなされたもので、マフラの音響特性を変化させることなく、マフラ内のパイプの開放端における圧力損失、気流音を低減することを目的とする。

本発明の態様は次の通りである。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態で使用する参照符号を括弧書きで付しているが、これに限定されるものではない。

第１の態様は、排気の脈動音を低減するマフラ（１）であって、前記マフラ（１）の構成部品の少なくとも一つに所定の開孔率で小孔（４０）を複数形成し、前記所定の開孔率を、前記開孔率に応じて決まる前記小孔（４０）を通過可能な脈動音の周波数の上限をパス限界周波数としたときに、前記パス限界周波数が前記マフラ（１）によって低減すべき脈動音の周波数範囲の上限よりも高くなる値とした、ことを特徴とするマフラ（１）である。

第２の態様は、第１の態様において、前記所定の開孔率を、前記パス限界周波数が前記マフラ（１）によって低減すべき脈動音の周波数範囲の上限に等しくなる値とした、ことを特徴とするマフラ（１）である。

第３の態様は、第１または第２の態様において、前記小孔（４０）の形成される構成部品が、一部ないし全部が前記マフラ（１）内に配置されて排気を流通させるパイプ（２１〜２４）である、ことを特徴とするマフラ（１）である。

第４の態様は、第１から第３の態様において、前記小孔（４０）の形成される構成部品が、前記マフラ（１）内を複数の部屋に区画するバッフルプレート（５、６）である、ことを特徴とするマフラ（１）である。

第５の態様は、第１から第４の態様において、前記小孔（４０）の形成される構成部品が前記マフラ（１）のマフラシェル（２）であり、前記小孔（４０）が前記マフラシェル（２）の下面に形成される、ことを特徴とするマフラ（１）である。

第６の態様は、第１から第５の態様において、前記排気に含まれる不純物の量が多いほど前記小孔（４０）の個々の開口面積が大きく設定される、ことを特徴とするマフラ（１）である。

第７の態様は、第１から第６の態様において、前記小孔（４０）に隣接して吸音材が充填される場合は、充填されない場合よりも前記小孔（４０）の個々の開口面積が小さく設定される、ことを特徴とするマフラ（１）である。

第８の態様は、第５の態様において、前記マフラ（１）内で生成する凝縮水に含まれる不純物の量が多いほど前記小孔（４０）の個々の開口面積が大きく設定される、ことを特徴とするマフラ（１）である。

第１の態様によれば、小孔から排気が漏れだすので、マフラ内の排気の流れが分散され、マフラ内のパイプの開放端における圧力損失、気流音を低減することができる。また、開孔率を上記の通り設定したことで、パス限界周波数以下の脈動音については小孔が音響的境界条件として成立せず、小孔を設けたことによるマフラの音響特性の変化を抑えることができる。

第２の態様によれば、マフラの音響特性を変化させない範囲で所定の開孔率をなるべく大きな値とし、マフラ内のパイプの開放端における圧力損失、気流音を最大限低減することができる。

第３、第４の態様によれば、マフラ内の排気の流れを効果的に分散させることができる。

第５の態様によれば、マフラ内で生成した凝縮水を小孔から直接マフラ外に排出することができる。マフラ内に吸音材を充填している場合であっても、吸音材が凝縮水に含浸することによる消音性能の悪化を防止することができる。

第６の態様によれば、排気に含まれる不純物による小孔の目詰まりを防止することができる。

第７の態様によれば、吸音材の飛散を防止することができる。

第８の態様によれば、凝縮水に含まれる不純物による小孔の目詰まりを防止することができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。なお、以下の説明における「パイプ」は、断面が円形、楕円形の管に限定されず、断面が角形の管であってもよい。

図１は本発明の第１実施形態に係るマフラ１の概略断面図である。マフラ１は、図示しないエンジンの排気通路に配置され、マフラ１の外郭を構成する楕円筒状のマフラシェル２と、マフラシェル２の両端を閉塞するエンドプレート３、４と、マフラシェル２内を室１１〜室１３に区画するバッフルプレート５、６とを備える。室１１、１２は拡張室として機能し、室１３は共鳴室として機能する。

マフラ１は、さらに、エンドプレート３とバッフルプレート５を貫通し、図示しない排気管と室１２とを連通する入口パイプ２１と、バッフルプレート５を貫通し、室１１と室１２とを連通する連通パイプ２２と、バッフルプレート６を貫通し、室１２と室１３を連通する連通パイプ２３と、バッフルプレート５、６とエンドプレート４とを貫通し、室１１とマフラ１外の大気と連通する出口パイプ２４とを備える。

マフラ１の各構成部品の寸法は、マフラ１で低減すべき周波数範囲の脈動音が低減されるように設計され、また、必要に応じマフラ１内には吸音材が充填される。

そして、これら構成部品のうち、バッフルプレート５、６、パイプ２１〜２４にはそれぞれ複数の小孔４０が形成される。小孔４０が形成される部位は、バッフルプレート５、６についてはそれらの全面、パイプ２１〜２４についてはマフラシェル２内に配置される部分の壁面全体である。なお、図中、理解を容易にするために小孔４０を大きく描いているが、後述するように小孔４０は直径が数ミリ程度の小さな孔である。

ここで、小孔４０が形成される部位における小孔４０の開孔率は、当該開孔率に応じて決まる小孔４０を通過可能な脈動音の周波数の上限（以下、「パス限界周波数」という。）が、マフラ１によって低減すべき脈動音の周波数範囲の上限よりも高くなるように決定される。

パス限界周波数は、図２に示すように、小孔４０の開孔率に応じて一義的に決まる。したがって、例えば、エンジンが４気筒エンジンで、マフラ１で低減すべき脈動音の周波数範囲の上限がエンジンの基本次数成分のうち最も高周波の４次成分の周波数で、エンジンの回転速度が6000rpmのときに発生する800Hzだとすると、パス限界周波数が800Hz以上となるように、開孔率が0.6%以下に設定される。

好ましくは、図３、図４に示すように開孔率が大きいほどマフラ１内のパイプ２１〜２４の開放端における圧力損失の低減率、気流音の低減レベルが大きくなるので、パス限界周波数がマフラ１で低減すべき脈動音の周波数範囲の上限に等しくなる開孔率、この例では、0.6%に設定される。

開孔率の定義について説明すると、小孔４０が形成される部位が図５に示すようにパイプの壁面である場合は、開孔率は、最も上流側に形成される小孔４０から最も下流側に形成される小孔４０までを含むパイプ長手方向範囲Ａ１におけるパイプの壁面の表面積に対する、小孔４０の個々の開口面積の総和の割合である。

また、小孔４０が形成される部位が構成部品のある面（平面でも曲面でもよい）である場合は、開孔率は、複数の小孔４０のうち外側に配置される小孔４０に外接しながら全ての小孔４０を囲繞する領域の表面積に対する、小孔４０の開口面積の総和の割合である。

例えば、図６（ａ）に示すように小孔４０が楕円に配置される場合は、開口率は、破線で囲む楕円領域Ａ２の表面積に対する小孔４０の開口面積の総和の割合となり、図６（ｂ）に示すように小孔４０が矩形に配置される場合は、開孔率は、破線で囲む矩形領域Ａ３の表面積に対する小孔の開口面積の総和の割合となる。

小孔４０の開口部の形状は円形、楕円形、矩形等どのような形状でもよいが、小孔４０の開口面積は、排気に含まれる煤、オイル等の不純物（固体ないし粘性のある液体）によって目詰まりを起こさないよう、排気に含まれる不純物の量が多いほど大きく設定される。

なお、目詰まりを防止するには小孔４０の個々の開口面積を大きくすればよいが、小孔４０の個々の開口面積を大きくすると、小孔４０から排気が漏れだす際の音が大きくなるので、小孔４０の個々の開口面積は、目詰まりを起こさない範囲内で、なるべく小さくするのが好ましい。

また、小孔４０に隣接して吸音材が充填される場合は、吸音材が小孔４０から飛散しないよう、吸音材が充填されない場合よりも小さく設定される。

例えば、マフラ１が本実施形態のようにエンジンの排気通路に設けられ、かつ、小孔４０に隣接して長繊維の吸音材が充填される場合は、小孔４０を直径2mm〜3mmの円形の孔とする。マフラ１が燃料電池の排気通路に設けられる場合は、燃料電池の排気に含まれる不純物の量がエンジンの排気に比べて少ないので、小孔４０をより小さな孔、例えば、直径1mm程度の孔とすることも可能である。

次に、第１実施形態の作用効果について説明する。

第１実施形態に係るマフラ１では、マフラ１の構成部品に所定の開孔率で小孔４０を複数形成し、所定の開孔率を、パス限界周波数がマフラ１によって低減すべき脈動音の周波数範囲の上限よりも高くなる値とした。

この構成によれば、小孔４０から排気が漏れだすので、マフラ１内の排気の流れが分散され、マフラ１内のパイプ２１〜２４の開放端における圧力損失、気流音を低減することができる。また、開孔率を上記の通り設定したことで、パス限界周波数以下の脈動音については小孔４０が音響的境界条件として成立せず、小孔４０を設けたことによるマフラ１の音響特性の変化を抑えることができる。

また、小孔４０を複数形成したことにより、小孔４０から漏れる排気の線速度が低下し、小孔４０から排気が漏れだすことによる騒音が抑えられる。

所定の開孔率は、好ましくは、パス限界周波数がマフラ１によって低減すべき脈動音の周波数範囲の上限と等しくなる値とする。これにより、マフラ１の音響特性を変化させない範囲で所定の開孔率をなるべく大きな値とし、マフラ１内のパイプ２１〜２４の開放端における圧力損失、気流音を最大限低減することができる。

また、小孔４０をバッフルプレート５、６、パイプ２１〜２４に形成したので、マフラ１内の排気の流れを効果的に分散させることができる。なお、第１実施形態に係るマフラ１では、バッフルプレート５、６、パイプ２１〜２４の全てに小孔４０を形成しているが、これら構成部品の少なくとも一つに小孔４０を形成すれば上記作用効果が奏され、そのような構成も本発明の技術的範囲に含まれる。

また、排気に含まれる不純物の量が多いほど小孔４０の個々の開口面積を大きく設定したので、不純物による小孔４０の目詰まりを防止することができる。

また、小孔４０に隣接して吸音材が充填される場合は、吸音材が充填されない場合よりも小孔４０の個々の開口面積を小さくしたので、小孔４０をワイヤーメッシュ等で覆わなくても小孔４０から吸音材が飛散するのを抑えることができる。

続いて本発明の第２実施形態について説明する。

図７は本発明の第２実施形態に係るマフラ１の底面を示している。マフラ１の内部構成は図１に示したものと同様である。

第２実施形態に係るマフラ１のマフラシェル２の下面（車両に搭載されたときに鉛直方向下側に位置する面）には、複数の小孔４０が形成されている。また、第２実施形態で形成される小孔４０は、マフラ１内で生成した凝縮水を排出することを目的とするものである。なお、図中、理解を容易にするために小孔４０を大きく描いているが、後述するように小孔４０は直径が数ミリ程度の孔である。

小孔４０の開孔率は、第１実施形態と同様に、開孔率に応じて決まるパス限界周波数が、マフラ１によって低減すべき脈動音の周波数範囲の上限よりも高くなるよう、好ましくは、開孔率が大きいほど凝縮水の排水性が向上するので、パス限界周波数がマフラ１で低減すべき脈動音の周波数範囲の上限に等しく設定される。

小孔４０の開口部の形状は円形、楕円形、矩形等どのような形状でもよいが、小孔４０の個々の開口面積は、凝縮水に含まれる煤、オイル等の不純物（固体ないし粘性のある液体）によって目詰まりを起こさないよう、凝縮水に含まれる不純物の量が多いほど大きく設定される。

また、小孔４０に隣接して吸音材が充填される場合は、吸音材が小孔４０から飛散しないよう、小孔４０の個々の開口面積は、吸音材が充填されない場合よりも小さく設定される。

例えば、マフラ１が本実施形態のようにエンジンの排気通路に設けられ、かつ、小孔４０に隣接して長繊維の吸音材が充填される場合は、小孔４０を直径2mm〜3mmの円形の孔とする。マフラ１が燃料電池の排気通路に設けられる場合は、凝縮水に含まれる不純物の量がエンジンの場合に比べて少ないので、小孔４０をより小さな孔、例えば、直径1mm程度の孔とすることも可能である。ただし、直径1mmよりも小さくすると、マフラ１内外の圧力バランスにより排水性が悪化する場合があるので、この場合は直径1mm〜3mmの孔とするのがよい。

また、小孔４０はマフラシェル２の下面全体に形成されるのが好適であるが、必要に応じてエンドプレートやマフラシェル２の側面に形成してもよい。

続いて第２実施形態の作用効果について説明する。

第２実施形態によれば、マフラ１内で生成した凝縮水を小孔４０から直接マフラ１外に排出することができる。従来のピトー管を用いる構成に比べ、構成が簡単でありながら、高い排水性を実現することが可能である。また、マフラ１内に吸音材を充填している場合であっても、吸音材が凝縮水に含浸することによる消音性能の悪化を防止することができる。

また、凝縮水の排水を目的としてマフラ１に孔を形成すると、通常、その孔から脈動音が漏れだし、マフラ１の消音性能が低下する。しかしながら、第２実施形態では、開孔率を上記の通り設定したことで、パス限界周波数以下の脈動音については小孔４０が音響的境界条件として成立せず、パス限界周波数以下の脈動音が小孔４０から外部に漏れだすことがない。したがって、小孔４０を形成したことによるマフラ１の消音性能の低下を防止することができる。

また、第１実施形態同様に、小孔４０から排気が漏れだすことでマフラ１内の排気の流れが分散され、マフラ１内のパイプの開放端における圧力損失、気流音を低減することができる。

また、凝縮水に含まれる不純物の量が多いほど小孔４０の個々の開口面積が大きく設定されるので、不純物による小孔４０の目詰まりを防止することができる。なお、また、小孔４０が複数形成されるので、仮に、小孔４０のいくつかが目詰まりを起こした場合であっても、残りの小孔４０から凝縮水を排水することができ、排水性を維持することができる。

また、小孔４０に隣接して吸音材が充填される場合は、吸音材が充填されない場合よりも小孔４０の個々の開口面積を小さくする。これにより、小孔４０をワイヤーメッシュ等で覆わなくても小孔４０から吸音材が飛散するのを抑えることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例を示したものであり、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

また、第１実施形態と第２実施形態は組み合わせることができ、マフラ１内部の構成部品（バッフルプレート５、６、パイプ２１〜２４等）に小孔４０を形成するとともに、マフラシェル２（及び、必要に応じてエンドプレート３、４）に小孔４０を形成するようにしてもよい。

本発明の第１実施形態に係るマフラの概略断面図である。開孔率とパス限界周波数の関係を示した図である。開孔率と圧力損失低減率の関係を示した図である。開孔率と気流音低減レベルの関係を示した図である。開孔率の定義を説明するための図である。開孔率の定義を説明するための図である。本発明の第２実施形態に係るマフラの底面図である。

符号の説明

１…マフラ、２…マフラシェル、５、６…バッフルプレート
２１…入口パイプ、２２、２３…連通パイプ、２４…出口パイプ
４０…小孔

Claims

排気の脈動音を低減するマフラ（１）であって、
前記マフラ（１）の構成部品の少なくとも一つに所定の開孔率で小孔（４０）を複数形成し、
前記所定の開孔率を、前記開孔率に応じて決まる前記小孔（４０）を通過可能な脈動音の周波数の上限をパス限界周波数としたときに、前記パス限界周波数が前記マフラ（１）によって低減すべき脈動音の周波数範囲の上限よりも高くなる値とした、
ことを特徴とするマフラ（１）。
前記所定の開孔率を、前記パス限界周波数が前記マフラ（１）によって低減すべき脈動音の周波数範囲の上限に等しくなる値とした、
ことを特徴とする請求項１に記載のマフラ（１）。
前記小孔（４０）の形成される構成部品が、一部ないし全部が前記マフラ（１）内に配置されて排気を流通させるパイプ（２１〜２４）である、
ことを特徴とする請求項１または２に記載のマフラ（１）。
前記小孔（４０）の形成される構成部品が、前記マフラ（１）内を複数の部屋に区画するバッフルプレート（５、６）である、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載のマフラ（１）。
前記小孔（４０）の形成される構成部品が前記マフラ（１）のマフラシェル（２）であり、
前記小孔（４０）が前記マフラシェル（２）の下面に形成される、
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載のマフラ（１）。
前記排気に含まれる不純物の量が多いほど前記小孔（４０）の個々の開口面積が大きく設定される、
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載のマフラ（１）。
前記小孔（４０）に隣接して吸音材が充填される場合は、充填されない場合よりも前記小孔（４０）の個々の開口面積が小さく設定される、
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載のマフラ（１）。
前記マフラ（１）内で生成する凝縮水に含まれる不純物の量が多いほど前記小孔（４０）の個々の開口面積が大きく設定される、
ことを特徴とする請求項５に記載のマフラ（１）。