JP2011185207A

JP2011185207A - 消音器

Info

Publication number: JP2011185207A
Application number: JP2010053303A
Authority: JP
Inventors: Takuomi Kaminaga; 拓臣神長; Nakaya Takagaki; 仲矢高垣
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-03-10
Filing date: 2010-03-10
Publication date: 2011-09-22

Abstract

【課題】排気管を流れる排気ガスの排気抵抗が増大するのを抑制しつつ、排気音を低減することができ、重量を低減することができるとともに製造コストを低減することができる消音器を提供すること。
【解決手段】アウタシェル３３の内部にインナパイプ３２を挿通し、このインナパイプ３２の外周部に螺旋状の突状部３５を設ける。インナパイプ３２は、突状部３５の山３５ａにインナパイプ３２の内部と拡張室３４とを連通する連通孔３６ａが形成される第１の領域３７と、突状部３５の谷３５ｂにインナパイプ３２の内部と拡張室３４とを連通する連通孔３６ｂが形成される第２の領域３８とを有し、第１の領域３７と第２の領域３８とが排気ガスの排気方向に対して離隔して設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、消音器に関し、特に、車両等の排気装置に設けられ、内燃機関から排出された排気ガスの消音を行う消音器に関する。

従来、自動車等の車両に用いられる消音器としては、図１４に示すようなものが知られている（例えば、特許文献１参照）。図１４において、消音器は、複数の穴１ａを有するインナパイプ１と、インナパイプ１を取り囲むようにインナパイプ１に取付けられたアウタシェル２と、インナパイプ１の外周部とアウタシェル２の内周部とによって画成された拡張室３とを有している。

この消音器は、インナパイプ１に導入された排気ガスがインナパイプ１を通過して行く際に、排気音は、インナパイプ１の穴１ａから拡張室３に拡張するときの拡張作用により消音される。

ところで、消音器は、容量を小さくして低重量化、低コスト化を図ることが望ましいが、消音器の容量を小さくすると、インナパイプ１内を流れる排気ガスの排気抵抗（背圧）が増大してしまい、排気性能が悪化してしまう。

従来、排気抵抗の抑制を図ることができる消音器としては、図１５に示すものが知られている（例えば、特許文献２参照）。
図１５において、消音器は、アウタシェル５と、アウタシェル５内に貫通するインナパイプ６とから構成されており、インナパイプ６の外周部とアウタシェル５の内周部との間には拡張室７が画成されている。

また、インナパイプ６には螺旋状に延在する突状部８が形成されており、インナパイプ６に導入された排気ガスは、突状部８の内壁面に沿って螺旋状に流れることになる。また、突状部８にはインナパイプ６の内部と拡張室７とを連通する連通孔８ａが形成されており、インナパイプ６に導入された排気ガスは、連通孔８ａから拡張室７に拡張するときの拡張作用により消音される。

この消音器にあっては、排気ガスが突状部８の内壁面に沿って螺旋状に流れることにより、旋回流を生じながらインナパイプ６の下流に向って流れる。このとき、排気ガスの旋回流により生じる遠心力により、排気ガスが突状部８の山に押し付けられるため、高圧の排気ガスは、連通孔８ａを通して拡張室７に円滑に流れ込み、拡張室７で拡張作用により消音される。

また、突状部８に流れる排気ガスを突状部８の内壁面に沿って螺旋状に旋回させることにより、排気ガスの速度を上昇させることができ、排気ガスの排気抵抗が増大するのを防止することができる。この結果、消音器の容量を小さくして、消音器を小型化することができるとともに、消音器の製造コストを低減することができる。

特開２００３−１１３７０６号公報特開平９−１７７５３９号公報

しかしながら、このような従来の消音器にあっては、螺旋状の突状部８の内壁面に沿って螺旋状に流れる排気ガスが、突状部８に形成された連通孔８ａを通して拡張室７に流れるため、排気ガスの流れ方向の上流側の連通孔８ａから拡張室７に流れた後、下流側の連通孔８ａから再びインナパイプ６に流れる排気ガスが、この下流側の連通孔８ａから拡張室７に流れる排気ガスとが干渉してしまうことになる。

このため、インナパイプ６内を流れる排気ガスの排気抵抗が増大してしまい、排気性能が悪化してしまう。この結果、排気ガスの排気抵抗を小さくするには、消音器の容量を大きくしなければならず、結果的に消音器の重量が増大して製造コストが増大してしまうという問題を解消することが困難となる。

本発明は、上述のような従来の問題を解決するためになされたもので、排気管を流れる排気ガスの排気抵抗が増大するのを抑制しつつ、排気音を低減することができ、重量を低減することができるとともに製造コストを低減することができる消音器を提供することを目的とする。

本発明に係る消音器は、上記目的を達成するため、（１）外殻と、前記外殻に挿通され、外周部に螺旋状に延在する突状部が形成された排気管とを備え、前記外殻の内周部と前記排気管の外周部との間に閉空間が画成される消音器であって、前記排気管が、前記突状部の山に前記排気管の内部と前記閉空間とを連通する第１の連通孔が形成される第１の領域と、前記突状部の谷に前記排気管の内部と前記閉空間とを連通する第２の連通孔が形成される第２の領域とを有し、前記第１の領域と前記第２の領域とが排気ガスの排気方向に対して離隔して設けられるものから構成される。

この消音器は、排気管が、突状部の山に排気管の内部と閉空間とを連通する第１の連通孔が形成される第１の領域と、突状部の谷に排気管の内部と閉空間とを連通する第２の連通孔が形成される第２の領域とを有し、第１の領域と第２の領域とが排気ガスの排気方向に対して離隔して設けられるので、排気管に導入された排気ガスが突状部の内壁面に衝突して螺旋状に流れる。

このとき、排気ガスの旋回流により生じる遠心力により、排気ガスが突状部の山に押し付けられるため、高圧の排気ガスが第１の連通孔から閉空間に拡張（膨張）することにより、排気音を消音することができる。

また、排気ガスが突状部の内壁面に沿って螺旋状に流れるため、排気ガスの流れを同一方向に整流して排気ガスの速度を上昇させることができる。このため、ベルヌーイの定理によって排気ガスの圧力を低くすることができ、排気ガスの圧力の低減分だけ排気ガスの排気抵抗を低減することができる。

また、突状部を螺旋状に流れる排気ガスの圧力は、旋回力によって生じる遠心力によって突状部の山が高く、谷が低くなるため、螺旋流の圧力が高い第１の連通孔を通して閉空間に流れる排気ガスは、螺旋流の圧力が低い第２の連通孔を通して排気管内に流れることになる。

このため、第１の連通孔から閉空間に流れる排気ガスが再び第１の連通孔を通して排気管内に流れるのを防止することができ、排気ガスが第１の連通孔を通して干渉するのを防止することができる。この結果、排気管内を流れる排気ガスの排気抵抗が増大するのを防止して排気音を消音することができる。
この結果、消音器の容量を小さくすることができ、消音器の重量を低減することができるとともに、消音器の製造コストを低減することができる。

上記（１）に記載の消音器において、（２）前記第２の領域が前記第１の領域に対して排気ガスの排気方向下流側に設けられるものから構成されている。
この消音器は、第２の連通孔を有する第２の領域が第１の連通孔を有する第１の領域に対して排気ガスの排気方向下流側に設けられるので、螺旋状に流れる排気ガスの力を利用して第２の連通孔の上流側に設けられた第１の連通孔から閉空間に排気ガスを円滑に流し、この排気ガスを第２の連通孔を通して排気管の内部に流すことができる。

このため、第１の連通孔から閉空間に流れる排気ガスが再び第１の連通孔を通して排気管内に流れるのをより一層防止することができ、排気ガスが第１の連通孔を通して干渉するのをより一層防止することができる。この結果、排気管内を流れる排気ガスの排気抵抗が増大するのをより一層防止することができる。

上記（１）または（２）に記載の消音器において、（３）前記排気管が、前記排気管を備えた排気装置に生じる気柱共鳴の定在波の音圧分布の節となる位置に設けられるものから構成されている。

この消音器は、突状部を、排気管を備えた排気装置に生じる気柱共鳴の定在波の音圧分布の節となる位置に設けたので、排気管の開口面積を突状部の谷によって絞ることができ、気柱共鳴を抑制することができる。

すなわち、気柱共鳴時には、排気ガスの流れに関係なく、音圧分布の腹の位置が定在波の粒子速度分布の節の位置になるため、音圧分布の腹の位置で排気管の開口面積を絞っても粒子速度の変化が生じず、気柱共鳴が成長される。

これに対して、気柱共鳴の音圧分布の節の位置は、気柱共鳴の粒子速度分布の腹の位置になるため、排気管の開口面積を絞ることにより、気柱共鳴の定在波の流れを阻害することができる。このため、気柱共鳴を成長させないようにして気柱共鳴を抑制することができ、排気音を低減することができる。

また、排気ガスが螺旋状の突状部に沿って流れることで排気ガスの速度を上昇させることができるため、ベルヌーイの定理によって排気ガスの圧力を低くすることができ、排気ガスの圧力の低減分だけ排気ガスの排気抵抗を低減することができる。

すなわち、排気ガスは、突状部に沿って流れ、気柱共鳴の定在波は、突状部の谷によって絞られた開口面積の範囲内で移動することになる。この結果、排気抵抗の低減を図りつつ、気柱共鳴の抑制による音圧の低減および閉空間による排気ガスの拡張作用によって排気音の低減を図ることができる。

本発明によれば、排気管を流れる排気ガスの排気抵抗が増大するのを抑制しつつ、排気音を低減することができ、重量を低減することができるとともに製造コストを低減することができる消音器を提供することができる。

本発明に係る消音器の第１の実施の形態を示す図であり、消音器の概略構成図である。本発明に係る消音器の第１の実施の形態を示す図であり、メインマフラの断面図である。本発明に係る消音器の第１の実施の形態を示す図であり、メインマフラのインナパイプの外観図である。本発明に係る消音器の第１の実施の形態を示す図であり、サブマフラの断面図である。本発明に係る消音器の第１の実施の形態を示す図であり、メインマフラの排気ガスの流れを示す図である。本発明に係る消音器の第２の実施の形態を示す図であり、テールパイプの下流部の断面図である。本発明に係る消音器の第２の実施の形態を示す図であり、気柱共鳴の定在波の粒子速度分布を示す図である。本発明に係る消音器の第２の実施の形態を示す図であり、気柱共鳴の定在波の音圧分布を示す図である。本発明に係る消音器の第２の実施の形態を示す図であり、排気装置と排気装置に発生する気柱共鳴の音圧分布の対応を示す図である。本発明に係る消音器の第２の実施の形態を示す図であり、ノズルプレートが設けられた排気管の断面図である。本発明に係る消音器の第２の実施の形態を示す図であり、インナパイプが設けられた排気管の断面図である。本発明に係る消音器の第２の実施の形態を示す図であり、他の形状のインナパイプが取付けられた排気管の断面図である。本発明に係る消音器の他の実施の形態を示す図であり、他の形状のインナパイプが取付けられた排気管の断面図である。従来の消音器の断面図である。従来の他の構成を有する消音器の外観図である。

以下、本発明に係る消音器の実施の形態について、図面を用いて説明する。
（第１の実施の形態）
図１〜図５は、本発明に係る消音器の第１の実施の形態を示す図である。
まず、構成を説明する。
図１において、例えば、直列４気筒の内燃機関としてのエンジン２１には排気装置２２が設けられている。

この排気装置２２は、上流側から下流側に向かって、エキゾーストマニホールド２３、ＮＳＲ（ＮＯｘＳｔｏｒａｇｅＲｅｄｕｃｔｉｏｎ）触媒２４、ＤＰＮＲ（ＤｉｅｓｅｌＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅ−ＮＯｘＲｅｄｕｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ）触媒２５、フロントパイプ２６、酸化触媒２７、メインマフラ２８、センターパイプ２９、サブマフラ３０およびテールパイプ３１の順に設けられており、排気装置２２は、車体の床下に弾性的に垂下されている。

なお、エンジン２１は、ディーゼルエンジンまたはガソリンエンジンのいずれでもよいが、本実施の形態では、ディーゼルエンジンを例に説明する。また、エンジン２１は、直列４気筒に限らず、直列３気筒または直列５気筒以上であってもよく、左右に分割されたそれぞれのバンクに３気筒以上の気筒を有するＶ型エンジンであってもよい。

エキゾーストマニホールド２３は、エンジン２１の第１気筒から第４気筒にそれぞれ連通する排気ポートにそれぞれ接続される４つの排気枝管と、排気枝管の下流側を集合させる排気集合管とから構成されており、エンジン２１の各気筒から排気される排気ガスが排気枝管を介して排気集合管に導入されるようになっている。
なお、上流側とは排気ガスの排気方向上流側を示し、下流側とは排気ガスの排気方向下流側を示す。

ＮＳＲ触媒２４は、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒であって、例えば、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を担体とし、この担体上に例えばカリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、セシウム（Ｃｓ）のようなアルカリ金属、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）のようなアルカリ土類、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）のような希土類と、白金（Ｐｔ）のような貴金属とが担持された構成となっている。
ＮＳＲ触媒２４は、排気ガス中に多量の酸素（Ｏ₂)が存在している状態においては、ＮＯｘ（酸化窒素）を吸蔵し、排気ガスの酸素濃度が低くかつ還元成分（例えば燃料の未燃成分（ＨＣ））が多量に存在している状態においてはＮＯｘをＮＯ₂（二酸化窒素）若しくは、ＮＯ（一酸化窒素）に還元して放出する。

ＮＯ₂やＮＯとして放出されたＮＯｘは、排気ガス中のＨＣ（炭化水素）やＣＯ（一酸化酸素）と速やかに反応することによってさらに還元されてＮ₂となる。また、ＨＣやＣＯは、ＮＯ₂やＮＯを還元することで、自身は酸化されてＨ₂Ｏ（水）やＣＯ₂（二酸化炭素）となる。

ＤＰＮＲ触媒２５は、例えば、多孔質セラミック構造体にＮＯｘ吸蔵還元型触媒を担持させたものであり、排気ガス中のパティキュレートは、多孔質の壁を通過する際に捕集される。

また、排気ガスの空燃比がリーンの場合、排気ガス中のＮＯｘはＮＳＲ触媒２４に吸蔵され、空燃比がリッチになると吸蔵したＮＯｘは還元・放出される。さらに、ＤＰＮＲ触媒２５には、捕集したパティキュレートを酸化・燃焼する触媒（例えば白金等の貴金属を主成分とする酸化触媒）が担持されている。
酸化触媒２７は、フロントパイプ２６を介してＤＰＮＲ触媒２５に接続されており、酸化触媒２７は、ＨＣやＣＯを酸化して排気ガスを浄化するようになっている。

図２に示すように、消音器としてのメインマフラ２８は、排気管としてのインナパイプ３２および外殻としてのアウタシェル３３を備えている。インナパイプ３２の上流端には酸化触媒２７のパイプ２７ａの下流端が接続されており、インナパイプ３２の下流端にはセンターパイプ２９の上流端が接続されている。

また、アウタシェル３３は、インナパイプ３２の外周部に溶接等によって取付けられており、インナパイプ３２は、アウタシェル３３に挿通されている。また、アウタシェル３３の内周部とインナパイプ３２の外周部との間には閉空間としての拡張室３４が画成されている。

また、図２、図３に示すように、インナパイプ３２の外周部にはインナパイプ３２の軸線方向に沿って螺旋状に延在する突状部３５が形成されており、本実施の形態のインナパイプ３２は、スパイラルパイプから構成されている。

突状部３５の山３５ａは、インナパイプ３２の直線状の円筒部３２ａの外周部と同一線上に位置しており、突状部３５の谷３５ｂは、インナパイプ３２の円筒部３２ａに対してインナパイプ３２の軸線方向側に突出している。このため、インナパイプ３２の円筒部３２ａの開口面積Ａに対して、突状部３５の谷３５ｂをインナパイプ３２の軸線方向と同方向に結んだ線の開口面積Ｂは、小さくなっている。すなわち、インナパイプ３２は、突状部３５の谷３５ｂによって縮径されている。

また、突状部３５の山３５ａには第１の連通孔としての連通孔３６ａが形成されており、この連通孔３６ａは、インナパイプ３２の内部と拡張室３４とを連通している。
また、突状部３５の谷３５ｂには第２の連通孔としての連通孔３６ｂが形成されており、この連通孔３６ｂは、インナパイプ３２の内部と拡張室３４とを連通している。

連通孔３６ａは、インナパイプ３２の上流側に形成されているとともに、連通孔３６ｂは、インナパイプ３２の下流側に形成されており、インナパイプ３２には、排気ガスの排気方向において、連通孔３６ａが形成された第１の領域３７と連通孔３６ｂが形成された第２の領域３８とが離隔して設けられている。

すなわち、第２の領域３８は、第１の領域３７に対して下流側に設けられている。また、本実施の形態では、第１の領域３７の谷３５ｂには連通孔が形成されていないとともに、第２の領域３８の山３５ａに連通孔が形成されていない。

また、図４に示すように、消音器としてのサブマフラ３０は、排気管としてのインナパイプ４１および外殻としてのアウタシェル４２を備えている。インナパイプ４１の上流端にはセンターパイプ２９の下流端が接続されており、インナパイプ４１の下流端にはテールパイプ３１の上流端が取付けられている。

また、アウタシェル４２は、インナパイプ４１の外周部に溶接等によって取付けられており、インナパイプ４１は、アウタシェル４２に挿通されている。また、アウタシェル４２の内周部とインナパイプ４１の外周部との間には閉空間としての拡張室４３が画成されている。

また、インナパイプ４１の外周部にはインナパイプ４１の軸線方向に沿って螺旋状に延在する突状部４４が形成されており、本実施の形態のインナパイプ４１は、スパイラルパイプから構成されている。

突状部４４の山４４ａは、インナパイプ４１の円筒部４１ａの外周部と同一線上に位置し、突状部４４の谷４４ｂは、インナパイプ４１の直線状の円筒部４１ａに対してインナパイプ４１の軸線方向側に突出している。このため、インナパイプ４１の円筒部４１ａの開口面積Ａ１に対して、突状部４４の谷４４ｂをインナパイプ４１の軸線方向と同方向に結んだ線の開口面積１Ｂは、小さくなっている。すなわち、インナパイプ４１は、突状部４４の谷４４ｂによって縮径されている。
また、突状部４４の山４４ａには第１の連通孔としての連通孔４５ａが形成されており、この連通孔４５ａは、インナパイプ４１の内部と拡張室４３とを連通している。

また、突状部４４の谷４４ｂには第２の連通孔としての連通孔４５ｂが形成されており、この連通孔４５ｂは、インナパイプ４１の内部と拡張室４３とを連通している。

連通孔４５ａは、インナパイプ４１の上流側に形成されているとともに、連通孔４５ｂは、インナパイプ４１の下流側に形成されており、インナパイプ４１には、排気ガスの排気方向において、連通孔４５ａが形成された第１の領域４６と連通孔４５ｂが形成された第２の領域４７とが離隔して設けられている。

すなわち、第２の領域４７は、第１の領域４６に対して下流側に設けられている。また、本実施の形態では、第１の領域４６の谷４４ｂには連通孔が形成されていないとともに、第２の領域４７の山４４ａに連通孔が形成されていない。

次に、作用を説明する。
エンジン２１から排出された排気ガスは、エキゾーストマニホールド２３、ＮＳＲ触媒２４、ＤＰＮＲ触媒２５、フロントパイプ２６および酸化触媒２７を介してメインマフラ２８に導入される。

本実施の形態では、メインマフラ２８のインナパイプ３２の外周部に螺旋状の突状部３５が設けられ、インナパイプ３２は、突状部３５の山３５ａにインナパイプ３２の内部と拡張室３４とを連通する連通孔３６ａが形成される第１の領域３７と、突状部３５の谷３５ｂにインナパイプ３２の内部と拡張室３４とを連通する連通孔３６ｂが形成される第２の領域３８とを有し、第１の領域３７と第２の領域３８とが排気ガスの排気方向に対して離隔して設けられている。

このため、図５の矢印ａに示すように、インナパイプ３２に導入された排気ガスが突状部３５の内壁面に衝突して螺旋状に流れる。このとき、排気ガスの旋回流により生じる遠心力により、排気ガスが突状部３５の山３５ａに押し付けられるため、矢印ｂで示すように、高圧の排気ガスが連通孔３６ａから拡張室３４に拡張（膨張）することにより、排気音を消音することができる。

また、排気ガスが突状部３５の内壁面に沿って螺旋状に流れるため、排気ガスの流れを同一方向に整流して排気ガスの速度を上昇させることができ、排気抵抗が増大するのを防止することができる。

また、突状部３５を螺旋状に流れる排気ガスの圧力は、旋回力によって生じる遠心力によって突状部３５の山３５ａが高く、谷３５ｂが低くなるため、図５の矢印ｃ、ｄで示すように、螺旋流の圧力が高い連通孔３６ａを通して拡張室３４に流れる排気ガスは、螺旋流の圧力が低い連通孔３６ｂを通してインナパイプ３２内に流れることになる。

このため、連通孔３６ａから拡張室３４に流れる排気ガスが再び連通孔３６ａを通してインナパイプ３２内に流れるのを防止することができ、排気ガスが連通孔３６ａを通して干渉するのを防止することができる。このため、ベルヌーイの定理によって排気ガスの圧力を低くすることができ、インナパイプ３２内を流れる排気ガスの排気抵抗が増大するのを防止することができる。

特に、本実施の形態では、第２の領域３８を第１の領域３７に対して下流側に設けたので、螺旋状に流れる排気ガスの力を利用して連通孔３６ｂの上流側に設けられた連通孔３６ａから拡張室３４に排気ガスを円滑に流し、この排気ガスを、連通孔３６ｂを通してインナパイプ３２の内部に流すことができる。

このため、連通孔３６ａから拡張室３４に流れる排気ガスが再び連通孔３６ａを通してインナパイプ３２内に流れるのをより一層防止することができ、排気ガスが連通孔３６ａを通して干渉するのをより一層防止することができる。

また、サブマフラ３０は、メインマフラ２８と同一の構成を有するため、メインマフラ２８からセンターパイプ２９を通してサブマフラ３０に導入された排気ガスは、メインマフラ２８と同様の作用によって排気抵抗が増大するのを抑制しつつ消音される。

この結果、メインマフラ２８およびサブマフラ３０の容量を小さくすることができ、メインマフラ２８およびサブマフラ３０の重量を低減することができるとともに、メインマフラ２８およびサブマフラ３０の製造コストを低減することができる。

（第２の実施の形態）
図６〜図１３は、本発明に係る消音器の第２の実施の形態を示す図であり、第１の実施の形態と同一の構成には同一の番号を付して説明を省略する。また、排気装置の全体構成は、図１を用いて説明を行う。

本実施の形態では、サブマフラ２８およびメインマフラ３０を気柱共鳴の音圧分布の節の位置に設けるとともに、テールパイプ３１の下流部３１ａを消音器から構成し、この消音器を気柱共鳴の音圧分布の節に位置させている。

図６において、外殻としてのテールパイプ３１の下流部３１ａ内には排気管としてのインナパイプ４８が挿通されており、インナパイプ４８は、溶接等によってテールパイプ３１の下流部３１ａの内周面に固定されている。

また、テールパイプ３１の下流部３１ａの内周部とインナパイプ４８の外周部との間には閉空間としての拡張室４９が画成されている。したがって、本実施の形態のテールパイプ３１の下流部３１ａは、外殻を構成している。

また、インナパイプ４８の外周部にはインナパイプ４８の軸線方向に沿って螺旋状に延在する突状部５０が形成されており、本実施の形態のインナパイプ４８は、スパイラルパイプから構成されている。

突状部５０の山５０ａは、インナパイプ４８の円筒部４８ａに対してインナパイプ４８の軸線方向側に突出しており、突状部５０の谷５０ｂは、突状部５０の山５０ａに対してインナパイプ４８の軸線方向側に突出している。このため、インナパイプ４８の円筒部４８ａの開口面積Ａ２に対して、突状部５０の谷５０ｂをインナパイプ４８の軸線方向と同方向に結んだ線の開口面積Ｂ２は、小さくなっている。すなわち、インナパイプ４８は、突状部５０の谷５０ｂによって縮径されている。

また、突状部５０の山５０ａには第１の連通孔としての連通孔５１ａが形成されており、この連通孔５１ａは、インナパイプ４８の内部と拡張室４９とを連通している。
また、突状部５０の谷５０ｂには第２の連通孔としての連通孔５１ｂが形成されており、この連通孔５１ｂは、インナパイプ４８の内部と拡張室４９とを連通している。

連通孔５１ａは、インナパイプ４８の上流側に形成されているとともに、連通孔５１ｂは、インナパイプ４８の下流側に形成されており、インナパイプ４８には、排気ガスの排気方向において、連通孔５１ａが形成された第１の領域５２と連通孔５１ｂが形成された第２の領域５３とが離隔して設けられている。

すなわち、第２の領域５３は、第１の領域５２に対して下流側に設けられている。また、本実施の形態では、第１の領域５２の谷５０ｂには連通孔は形成されていないとともに、第２の領域５３の山５０ａに連通孔は形成されていない。

ここで、一般的に、エンジン２１の運転時に排気管に導入される排気ガスの排気音は、エンジン２１の回転数に応じて変化する排気脈動の入射波であり、この入射波は、エンジン２１の回転数が増大するにつれて周波数が大きくなるものである。

エンジン２１の運転時の排気脈動による入射波が排気管に導入されると、この入射波が排気管の下流開口端で、所謂、開口端反射する。この反射波は、入射波と同じ位相で入射波と逆向きとなる。また、この反射波は、再び上流開口端でこの反射波と同位相で逆向きに開口端反射を行う。この反射波が今度は入射波となり、上流開口端で反射波となる。
そして、下流開口端に向かう入射波と下流開口端と逆向きの反射とが干渉することで、排気管の上流開口端および下流開口端の粒子速度が最大となるような定在波ができる。

また、この定在波は、排気管の管長Ｌと定在波の波長λとが特定の関係にあるとき、振幅が著しく大きくなり、気柱共鳴が生じる。この気柱共鳴は、排気管の管長Ｌを半波長とした周波数を基本として、その半波長の自然数倍の波長の気柱共鳴が発生して音圧が増大し、騒音となってしまう。

具体的に図７に気柱共鳴の定在波の粒子速度分布を示す。図７（ａ）に示すように、基本振動（一次成分）の気柱共鳴の波長λ１は、排気管５５の管長Ｌの略２倍となり、図７（ｂ）に示すように、二次成分の気柱共鳴の波長λ２は、管長Ｌの略１倍となる。また、図７（ｃ）に示すように、三次成分の気柱共鳴の波長λ３は、管長Ｌの２／３倍となり、図７から明らかなように、それぞれの定在波は、排気管５５の上流開口端および下流開口端が粒子速度分布の腹となる。

また、一次成分〜三次成分の気柱共鳴の定在波の音圧分布は、図８（ａ）〜（ｃ）に示すように、粒子速度分布の腹と節とがそれぞれ逆になり、排気管５５の上流開口端および下流開口端が音圧分布の節となる。

本実施の形態では、図９に示すように、排気装置２２に生じる気柱共鳴の音圧分布のＳ１、Ｓ２、Ｓ３にメインマフラ２８、サブマフラ３０およびインナパイプ４８を設け、メインマフラ２８およびサブマフラ３０に加えて、テールパイプ３１の下流部３１ａを消音器から構成している。

次に、作用を説明する。
メインマフラ２８とサブマフラ３０による消音の作用は、第１の実施の形態と同一であるため、テールパイプ３１の下流部３１ａの消音の作用について説明する。

本実施の形態では、テールパイプ３１の下流部３１ａに挿通されるインナパイプ４８に突状部５０が設けられ、インナパイプ４８は、突状部５０の山５０ａにインナパイプ４８の内部と拡張室４９とを連通する連通孔５１ａが形成される第１の領域５２と、突状部５０の谷５０ｂにインナパイプ４８の内部と拡張室４９とを連通する連通孔５１ｂが形成される第２の領域５３とを有し、第１の領域５２と第２の領域５３とが排気ガスの排気方向に対して離隔して設けられるので、インナパイプ４８に導入された排気ガスが突状部５０の内壁面に衝突して螺旋状に流れる（図６の矢印ａ参照）。

このとき、排気ガスの旋回流により生じる遠心力により、排気ガスが突状部５０の山５０ａに押し付けられるため、高圧の排気ガスが図６の矢印ｂで示すように、連通孔５１ａから拡張室４９に拡張（膨張）することにより、排気音を消音することができる。

また、排気ガスが突状部５０の内壁面に沿って螺旋状に流れるため、排気ガスの流れを同一方向に整流して排気ガスの速度を上昇させることができる。このため、ベルヌーイの定理によって排気ガスの圧力を低くすることができ、排気ガスの圧力の低減分だけ排気ガスの排気抵抗を低減することができる。

また、突状部５０を螺旋状に流れる排気ガスの圧力は、旋回力によって生じる遠心力によって突状部５０の山５０ａが高く、谷５０ｂが低くなるため、螺旋流の圧力が高い連通孔５１ａを通して拡張室４９に流れる排気ガスは、図６の矢印ｃ、ｄで示すように、螺旋流の圧力が低い連通孔５１ｂを通してインナパイプ４８内に流れることになる。

このため、連通孔５１ａから拡張室４９に流れる排気ガスが再び連通孔５１ａを通してインナパイプ４８内に流れるのを防止することができ、排気ガスが連通孔５１ａを通して干渉するのを防止することができる。この結果、インナパイプ４８内を流れる排気ガスの排気抵抗が増大するのを防止することができる。

特に、本実施の形態では、第２の領域５３を第１の領域５２に対して下流側に設けたので、螺旋状に流れる排気ガスの力を利用して連通孔５１ｂの上流側に設けられた連通孔５１ａから拡張室４９に排気ガスを円滑に流し、この排気ガスを、連通孔５１ｂを通してインナパイプ４８の内部に流すことができる。

このため、連通孔５１ａから拡張室４９に流れる排気ガスが再び連通孔５１ａを通してインナパイプ４８内に流れるのをより一層防止することができ、排気ガスが連通孔５１ａを通して干渉するのをより一層防止することができる。

一方、本実施の形態のメインマフラ２８、サブマフラ３０およびインナパイプ４８は、気柱共鳴の音圧分布の節Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の位置に設けられているので、気柱共鳴を抑制することができる。

なお、メインマフラ２８、サブマフラ３０およびインナパイプ４８は、気柱共鳴を抑制するための同一の機能を有するため、気柱共鳴を抑制することができる原理については、インナパイプ４８が挿通されてインナパイプ４８と共に消音器を構成するテールパイプ３１の下流部３１ａを用いて説明する。

まず、気柱共鳴の音圧分布の節の位置に絞りを設けることにより、排気管の開口率（開口面積）を小さくすると、気柱共鳴の音圧レベルを低減することができる。

すなわち、気柱共鳴時には、排気ガスの流れに関係なく図７、図８に示すように、音圧分布の腹の位置が定在波の粒子速度分布の節の位置になるため、音圧分布の腹の位置で貫通孔の開口面積を絞っても粒子速度の変化が生じず、気柱共鳴が成長される。

ところで、排気管の開口面積を小さくすると、開口面積を小さくした分だけ排気抵抗が増大してしまう。

一般的に、図１０に示すように、排気管６１の内周部に開口６２ａを有するノズルプレート６２を設けた場合を考える。このノズルプレート６２の開口６２ａの開口径をｄとし、ノズルプレート６２に曲率半径ｒの湾曲部６２ｂを形成すると、開口６２ａを通過する排気ガスの水頭損失ｈは、下記（１）のように示される。

なお、水頭とは、流体の単位重量当たりの力学エネルギーを水柱の高さで表したものを言い、水頭損失とは、流体が流れるときの摩擦や粘性によって失われたエネルギーを水頭で表したものを言う。

ｈ＝ζ×（Ｖ²／２ｇ）......（１）
但し、ζ：損失係数、Ｖ＝排気ガスの流速、ｇ：重力加速度
ここで、損失係数ζは、開口６２ａの形状によって左右され、ノズルプレート６２の形状をｒ＞０．１４ｄに設定すると、損失係数ζと水頭損失ｈとを限りなく零に近づけることができることが知られている。

このため、ノズルプレート６２の開口６２ａの開口面積を排気管６１の開口面積に対して絞った場合であっても、開口６２ａの開口面積を維持した状態で排気ガスをノズルプレート６２の下流側に流すことができ、排気抵抗が増大するのを抑制することができる。

ところが、このノズルプレート６２は、湾曲部６２ｂを有するので、図１０に示すように、開口部６２ａを通過した排気ガスが湾曲部６２ｂの下流で剥離してしまい、湾曲部６２ｂの下流で渦６３が発生してしまう。このため、この渦６３によって開口６２ａを通過する排気ガスの排気抵抗が大きくなってしまう。

排気抵抗が大きくなるのを抑制する対策として、図１１に示すように、開口６４ａから排気管６１の下流まで緩やかに傾斜して延在するインナパイプ６４を排気管６１内に設けることが考えられる。

このインナパイプ６４は、インナパイプ６４の内周部６４ｂの傾斜角度θを８°〜１０°程度に設定することにより、排気ガスの剥離を防止することができ、排気抵抗を低減することができる。

しかしながら、図１０、図１１に示す排気管６１にあっては、何れもノズルプレート６２やインナパイプ６４によって排気管６１の開口面積を絞っているため、排気ガスの排気抵抗を小さくすることは困難である。

これに対して、本実施の形態では、メインマフラ２８、サブマフラ３０およびインナパイプ４８を音圧分布の節に設け、インナパイプ３２、４１、４８の開口面積Ｂ、Ｂ１、Ｂ２、を突状部３５、４４、５０の谷３５ｂ、４４ｂ、５０ｂによって絞るようにしたので、気柱共鳴の定在波の流れを阻害して気柱共鳴を成長させないようにすることができる。このため、気柱共鳴を抑制することができ、排気音を低減することができる。

また、本実施の形態では、インナパイプ３２、４１、４８の外周部に螺旋状の突状部３５、４４、５０を形成したので、排気ガスが突状部３５、４４、５０に沿って流れることにより、排気ガスの流れを同一方向に整流して排気ガスの速度を上昇させることができる。

このため、ベルヌーイの定理によって排気ガスの圧力を低くすることができ、排気ガスの圧力の低減分だけ排気ガスの排気抵抗を低減することができる。この結果、排気抵抗の低減を図りつつ、気柱共鳴の抑制による音圧の低減および拡張室３４、４３、４９による排気ガスの拡張作用によって排気音の低減を図ることができる。

すなわち、本実施の形態では、排気ガスを突状部３５、４４、５０に沿って流すことができ、気柱共鳴の定在波を突状部３５、４４、５０の谷３５ｂ、４４ｂ、５０ｂによって絞られた開口面積の範囲内で移動させることができるのである

以上のように、本実施の形態では、メインマフラ２８、サブマフラ３０およびテールパイプ３１の下流部３１ａを流れる排気ガスの排気抵抗が増大するのを抑制しつつ、排気音を低減することができる。

このため、メインマフラ２８およびサブマフラ３０の容量を小さくして、メインマフラ２８およびサブマフラ３０の重量を低減することができるとともに、メインマフラ２８およびサブマフラ３０の製造コストを低減することができる。
なお、本実施の形態では、例えば、排気管同士を結合する部位を利用して排気管にインナパイプを挿通するようにしてもよい。

例えば、図１に示すテールパイプ３１が分割される構成の場合には、図１２に示すように、テールパイプを構成する下流側の排気管６６にスパイラルパイプからなるインナパイプ６７を挿通し、テールパイプを構成する上流側の排気管６５に設けられたフランジ６５ａと下流側の排気管６６に設けられたフランジ６６ａの間にインナパイプ６７の上流端を挟持し、フランジ６５ａ、６６ａにボルト６８を螺合することにより、インナパイプ６７をフランジ６５ａ、６６ａによって保持するようにしてもよい。

なお、上記各実施の形態では、例えば、図２に示すメインマフラ２８において、連通孔３６ａを突状部３５の山３５ａの頂部と谷３５ｂの最深部のみに形成しているが、図１３に示すように、連通孔３６ａと共に突状部３５の山３５ａの頂部近傍に第１の連通孔としての連通孔３６ｃを形成してもよく、連通孔３６ｂと共に谷３５ｂの最深部近傍に第２の連通孔としての連通孔３６ｄを形成してもよい。なお、サブマフラ３０およびテールパイプ３１の下流部３１ａも同様である。また、連通孔３６ａ、３６ｂを廃止して連通孔３６ｃ、３６ｄのみの構成としてもよい。
また、上記各実施の形態では、例えば、連通孔３６ａ、３６ｂを３つ１組として突状部３５の延在方向に亘って離隔して設けているが、連通孔３６ａ、３６ｂは、１つ、２つ１組、あるいは４つ以上１組としてもよく、さらに、突状部３５の延在方向に連続して設けてもよい。この構成は、サブマフラ３０およびテールパイプ３１の下流部３１ａも同様である。

また、今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であってこの実施の形態に制限されるものではない。本発明の範囲は、上記した実施の形態のみの説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

以上のように、本発明に係る消音器は、排気管を流れる排気ガスの排気抵抗が増大するのを抑制しつつ、排気音を低減することができ、消音器の重量を低減することができるとともに、消音器の製造コストを低減することができるという効果を有し、特に、車両等の排気装置に設けられ、内燃機関から排出された排気ガスの消音を行う消音器等として有用である。

２８メインマフラ（消音器）
３０サブマフラ（消音器）
３１ａ下流部（外殻、消音器）
３２、４１インナパイプ（排気管）
３３、４２アウタシェル（外殻）
３４、４３、４９拡張室（閉空間）
３５、４４、５０突状部
３５ａ、４４ａ、５０ａ山
３５ｂ、４４ｂ、５０ｂ谷
３６ａ、３６ｃ、４５ａ、５１ａ連通孔（第１の連通孔）
３６ｂ、３６ｄ、４５ｂ、５１ｂ連通孔（第２の連通孔）
３７、４６、５２第１の領域
３８、４７、５３第２の領域
４８インナパイプ（排気管、消音器）

Claims

外殻と、前記外殻に挿通され、外周部に螺旋状に延在する突状部が形成された排気管とを備え、前記外殻の内周部と前記排気管の外周部との間に閉空間が画成される消音器であって、
前記排気管が、前記突状部の山に前記排気管の内部と前記閉空間とを連通する第１の連通孔が形成される第１の領域と、前記突状部の谷に前記排気管の内部と前記閉空間とを連通する第２の連通孔が形成される第２の領域とを有し、前記第１の領域と前記第２の領域とが排気ガスの排気方向に対して離隔して設けられることを特徴とする消音器。
前記第２の領域が前記第１の領域に対して排気ガスの排気方向下流側に設けられることを特徴とする請求項１に記載の消音器。
前記突状部が、前記排気管を備えた排気装置に生じる気柱共鳴の定在波の音圧分布の節となる位置に設けられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の消音器。