JP2012189020A - 内燃機関の排気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造で、エンジン低回転域での排気音の音色を向上でき、高回転域での出力も大きくできる排気マフラーを提供する。
【解決手段】内燃機関の排気ガスを複数の膨張室（３１，３３，３５）を通過させることにより消音する多段膨張式マフラー（１）を介して排出する内燃機関の排気装置において、最終膨張室（３５）から大気に連通する第１テールパイプ（４１）と、前記最終膨張室（３５）より上流の膨張室（３３）から大気に連通する第２テールパイプ（４２）を設けたこと。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気ガスを複数の膨張室を通過させることにより消音する多段膨張式マフラーを介して排出する内燃機関の排気装置に関する。

従来、複数の膨張室と、各膨張室を連通するパイプと、テールパイプとを備え、各膨張室で内燃機関の排気ガスの圧力を減衰させることで消音し、テールパイプから排気ガスを外部へ排出する多段膨張式マフラーが知られている。（例えば、特許文献１参照）。

特開平０１−２８５６１５号公報

しかしながら、上記従来の排気マフラーでは、各パイプの径を細くした方が排出される排気ガスの排気音は小さくなるが、各パイプの径が細すぎると内燃機関の高回転域での出力が十分出なくなる課題がある。このときエンジン低回転時には排気音が小さいため音色の調整が難しいという課題がある。一方、各パイプの径を大きくすると高回転での出力は十分出易くなるが、低回転での音圧が大きくなる課題があった。
これを解決する手段として、排気バルブを設けてエンジンの回転数によって排気バルブを切換えて、排気音と出力の両立を図るものが提案されているが、構造が複雑で高価なものとなる課題があった。
そこで、本発明の目的は、上述した従来の技術が有する課題を解消し、簡単な構造で、エンジン低回転域での排気音の音色を向上でき、高回転域での出力も大きくできる排気マフラーを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、内燃機関の排気ガスを複数の膨張室（３１，３３，３５）を通過させることにより消音する多段膨張式マフラー（１）を介して排出する内燃機関の排気装置において、最終膨張室（３５）から大気に連通する第１のテールパイプ（４１）と、前記最終膨張室（３５）より上流の膨張室（３３）から大気に連通する第２テールパイプ（４２）を設けたことを特徴とする。
この発明では、エンジン低回転域での排気音の音色を向上でき、且つエンジン高回転域での出力を大きくできる。
この場合において、前記第１のテールパイプ（４１）の開口面積より前記第２のテールパイプ（４２）の開口面積が大きくても良い。
この構成では、エンジン低速からエンジン中速域に掛けてのエンジン出力を十分に引き出すことができる。

前記膨張室は排気ガスの通過する順に第１、第２、第３の３つの膨張室（３１，３３，３５）が設けられ、前記最終膨張室は前記第３の膨張室（３５）であり、前記上流側の膨張室は前記第２の膨張室（３３）であり、前記第２の膨張室（３３）の容積は前記第３の膨張室（３５）の容積より大きくても良い。
この構成では、エンジン低速からエンジン中速域に掛けての消音効果を大きくできる。

前記第３の膨張室（３５）は前記第１の膨張室（３１）と前記第２の膨張室（３３）の間に設けられると共に、前記第１膨張室（３１）と前記第３膨張室（３５）間の隔壁（２１）に背圧調整用の小孔（５１）を設けられていても良い。
この構成では、背圧の微調整を行うことができる。
前記第１のテールパイプ（４１）の開口面積と前記第２のテールパイプ（４２）の開口面積を合計した面積は前記マフラー（１）の入力側パイプ（３６）の開口面積に略等しくても良い。
この構成では、エンジン低回転での排気音の音色を向上でき、且つエンジン高回転での出力も大きくすることができる。

本発明によれば、最終膨張室から大気に連通する第１のテールパイプと、前記最終膨張室より上流の膨張室から大気に連通する第２テールパイプを設けたため、エンジン低回転域での排気音の音色を向上でき、且つエンジン高回転域での出力を大きくできる。
前記第１のテールパイプの開口面積より前記第２のテールパイプの開口面積が大きくなるよう構成すれば、エンジン低速からエンジン中速域に掛けてのエンジン出力を十分に引き出すことができる。

第１、第２、第３の３つの膨張室が設けられ、最終膨張室は第３の膨張室であり、上流側の膨張室は第２の膨張室であり、第２の膨張室の容積は第３の膨張室の容積より大きくすれば、エンジン低速からエンジン中速域に掛けての消音効果を大きくできる。

また、第３の膨張室は第１の膨張室と第２の膨張室の間に設けられ、第１膨張室と第３膨張室間の隔壁に背圧調整用の小孔を設ければ、背圧の微調整を行うことができる。
第１のテールパイプの開口面積と第２のテールパイプの開口面積を合計した面積はマフラーの入力側パイプの開口面積に略等しくすれば、エンジン低回転域での排気音の音色を向上でき、且つエンジン高回転域での出力も大きくすることができる。

本発明に係る排気マフラーの上面図である。 排気マフラーの一部断面図である。 図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。 図２におけるＩＶ−ＩＶ断面図である。 図２におけるＶ−Ｖ断面図である。 エンジンの出力特性を示す図である。 エンジン回転数による排気マフラーの音圧変化および音量変化を説明するための図である。 エンジンの回転速度と出力との関係を示す図である。 排気音の音圧と周波数分布を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
なお、以下の説明では、本発明に係る内燃機関の排気装置の一態様として、自動二輪車に搭載される排気マフラーを説明する。
図１は、本発明に係る排気マフラーの上面図である。排気マフラー１は、自動二輪車のエンジン（不図示）から延びる排気管（不図示）の後端に接続され、排気管（不図示）を通った高温・高圧の排気ガスを減圧して外部に排出する。
排気マフラー１は、排気管の後端部に接続される接続管３と、接続管３の後端部に接続されるマフラー本体５とからなる。マフラー本体５は、図２に示すように、前後が開口した円筒部７と、円筒部７の前側の開口を閉じるフロントキャップ９と、円筒部７の後側の開口を閉じるテールキャップ１１とを備える。円筒部７の前後中央部には、取り付けフランジ１３が設けられ、この取り付けフランジ１３により排気マフラー１が車体フレーム（不図示）の後部に支持される。

マフラー本体５の円筒部７は、２重筒状に形成され、アウター部材７Ａと、インナー部材７Ｂとを備える。アウター部材７Ａは、その前端がフロントキャップ９の後端に接続され、その後端がテールキャップ１１の前端に接続されている。
アウター部材７Ａの内側には、前後の支持部材１５，１７を介してインナー部材７Ｂが支持されている。アウター部材７Ａとインナー部材７Ｂとの間には、例えばグラスウールからなる遮音断熱材１９が挟み込まれている。
インナー部材７Ｂ内には、円筒部７の軸方向に間隔をあけて、第１隔壁２１および第２隔壁２３が設けられ、インナー部材７Ｂの後端には第３隔壁２５が設けられている。そして、これらの隔壁２１，２３，２５により、マフラー本体内は第１膨張室３１、第２膨張室３３、第３膨張室３５に仕切られている。すなわち、排気マフラー１は３室構造の多段膨張式マフラーとなっている。

マフラー本体５内には、接続管３の後端部３６が延出している。この後端部３６は、フロントキャップ９を貫通し第１膨張室３１内で開口している。また、マフラー本体５内には、第１隔壁２１および第２隔壁２３を貫通し、第１膨張室３１と第２膨張室３３とを連通する第１連通管３７と、第２隔壁２３を貫通し、第２膨張室３３と第３膨張室３５とを連通する第２連通管３８とが設けられている。
本実施の形態では、２本構造のテールパイプ４１，４２となっている。
すなわち、第２隔壁２３、第３隔壁２５およびテールキャップ１１を貫通し、第３膨張室３５と外部とを連通する、一般的な第１テールパイプ４１のほかに、第３隔壁２５およびテールキャップ１１を貫通し、第２膨張室３３と外部とを連通する第２テールパイプ４２を備えて構成されている。

図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図、図４は図２のＩＶ−ＩＶ断面図、図５は図２のＶ−Ｖ断面図である。
第１連通管３７は、図２〜図４に示すように、前端が第１膨張室３１内に開口し、マフラー本体５内の上下中央左側（図３参照。）を後方に延びて第１隔壁２１および第２隔壁２３を貫通し、後端が第２膨張室３３内に開口している。
第２連通管３８は、図２および図４に示すように、後端が第２膨張室３５内に開口し、マフラー本体５内の上下中央右側（図４参照。）を後方に延びて第２隔壁２３を貫通し、前端が第３膨張室３３内に開口している。

第１テールパイプ４１は、図２、図４、図５に示すように、前端が第３膨張室３５内に開口し、マフラー本体５内の左右中央上側（図４，５参照。）を後方に延び、第２隔壁２３、第３隔壁２５、後支持部材を貫通し、テールキャップ１１内で後下方へ屈曲した後にテールキャップ１１を貫通し、後端が外部に開口している。
第２テールパイプ４２は、図２および図５に示すように、前端が第２膨張室３３内に開口し、マフラー本体５内の左右中央下側（図５参照。）を後方に延び、第３隔壁２５、後支持部材およびテールキャップ１１を貫通し、後端が外部に開口している。

上記構成において、接続管３の後端部３６、第１連通管３７、および第２連通管３８は、内径が略同径の管材から形成されている。また、第１テールパイプ４１は第２テールパイプ４２より小径であり、各パイプ４１，４２は第２連通管３８よりも小径に設定されている。すなわち、第１テールパイプ４１が最も細く、ついで第２テールパイプ４２が小径に設定されている。第１テールパイプ４１および第２テールパイプ４２の開口面積の和は、第２連通管３８の開口面積と略同等である。
各膨張室の大きさを比較すると、第１膨張室３１の容積が最も大きく、ついで第２膨張室３３となり、第３膨張室３５が最も狭くなる。

つぎに、図２を参照して動作を説明する。
排気管３を通ってマフラー本体５に流入した排気ガスは、第１膨張室３１に流入し、第１連通管３７を通って第２膨張室３３に流入する。
また、第２膨張室３３に流入した排気ガスの一部は、流れ方向を反転して、第２連通管３８を通って第３膨張室３５に流入し、第１テールパイプ４１を通って外部へ排出される。また、第２膨張室３３に流入した排気ガスの一部は、第２テールパイプ４２を通って直接外部へ排出される。

図６および図７は、マフラー本体５内の排気ガスの流れを模式的に示している。図６は、エンジン低回転時の流れ（流入ガスが少なく流れを細い矢印で示す。）を示し、図７は、エンジン高回転時の流れ（流入ガスが多く流れを太い矢印で示す。）を示す。
エンジン低回転時には、図６に示すように、マフラー本体５内の第１膨張室３１への流入ガスが少ないため、第２膨張室３３に流入する排気ガスも少なくなり、第２膨張室３３の背圧が低くなる。この背圧が低いときには、排気ガスは、図示のように殆ど第２テールパイプ４２を通って外部へ排出される。
これに対し、エンジン高回転時には、図７に示すように、第２膨張室３３に流入する排気ガスが多くなり、第２膨張室３３の背圧が高くなる。この背圧が高くなると、第２テールパイプ４２が細いため、その流れ抵抗が作用することで、第２テールパイプ４２を通って排気ガスが外部へ排出され難くなる。そのため、第２膨張室３３に流入した排気ガスは、第２テールパイプ４２を通って外部へ排出されるとともに、その一部が、流れ方向を反転して第２連通管３８を通って第３膨張室３５に流入した後に、第１テールパイプ４１を通って外部へ排出される。

本発明者らは、本実施形態に係る排気マフラー１（所謂２本構造のテールパイプ４１，４２。）と、従来のマフラー（１本構造のテールパイプ。）とを、それぞれ自動二輪車に組み込んでエンジンの出力測定を行った。
図８は、エンジンの回転速度と出力との関係を示す図である。図中、実線からなる特性曲線は、本実施形態に係る排気マフラー１を組み込んだ場合のエンジン出力を示し、鎖線からなる特性曲線は、所謂第２テールパイプ４２を設けない従来の排気マフラーを組み込んだ場合のエンジン出力を示す。
エンジン回転数が低回転域（２０００〜７０００ｒｐｍ）のときには、本実施形態に係る排気マフラー１を組み込んだ場合と、従来の排気マフラーを組み込んだ場合とでは、エンジン出力は、ほぼ同等である。
これに対し、エンジン回転数が高回転域（７０００〜９５００ｒｐｍ）のときには、本実施形態に係る排気マフラー１を組み込んだ場合のほうが、従来の排気マフラーを組み込んだ場合より、エンジン出力が向上する。

図９は、排気音の音圧と周波数分布（下方のヒストグラム。）を示す図である。縦軸は音圧、上の横軸は周波数、下の横軸はエンジン回転数を示している。
実線は、本実施形態に係る排気マフラー１を組み込んだときの実験値であり、破線は、従来の排気マフラーを組み込んだときの実験値である。
上方の２本の連続線（実線および破線）は排気音の音圧変化を示す。
本実施形態に係る排気マフラー１を組み込んだ構造は、従来の排気マフラーを組み込んだ構造と比較し、エンジン回転数が高回転域（４０００〜９５００ｒｐｍ）で、ほぼ同等の音圧を示すものの、エンジン回転数が低回転域（１５００〜４０００ｒｐｍ）では、音圧が若干高くなっている。周波数分布（下方のヒストグラム。）を見ると、２５０Ｈｚ前後で音圧が上昇し、したがって排気音の音色が向上する。

本実施の形態では、図７を参照し、エンジン高回転時に、第２膨張室３３の背圧が高くなると、第２テールパイプ４２は、第２連通管３８より小径であるため、その流れ抵抗が起因して、第２テールパイプ４２を通って排気ガスが外部へ排出され難くなり、その一部が、流れ方向を反転し第２連通管３８を通って第３膨張室３５に流入し、第１テールパイプ４１を通って外部へ排出される。
この構成では、図８に示すように、高回転域では従来に比し出力が高くなり、図９を参照し、音圧は、従来と同等の音圧となり、音圧が維持されて出力が増大する。また、低回転域では、音圧が若干高くなり、したがって排気音の音色が向上する。第２テールパイプ４２は、第１テールパイプ４１より大径であり、第２連通管３８との内径差が小さいため、排気抵抗が抑制され、エンジン出力が確保される。
また、第２膨張室３３の容積は、第３膨張室３５の容積より大きいので、排気ガスの圧力が減衰し、排気ガスが、第２膨張室３３から第２テールパイプ４２を通って直接外部へ排出されても、排気音を低減できる。
第１テールパイプ４１の開口面積と第２テールパイプ４２の開口面積を合計した面積は、排気マフラー１における接続管３の後端部（入力側パイプ）３６の開口面積に略等しく設定されている。したがって、エンジン低回転での排気音の音色を向上でき、且つエンジン高回転での出力も大きくできる。

以上、一実施の形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は、これに限定されるものでないことは明らかである。
例えば、図７および図８に示すように、第１隔壁２１に第１膨張室３１と第３膨張室３５を連通する小孔５１を設けてもよい。この小孔５１を設けることで、第２膨張室３３に作用する背圧を微調整できる。
また、上記排気マフラー１は、排気ガスを膨張室間で反転させているが、反転させない構造のマフラーにも適用可能なことは云うまでもない。

１ 排気マフラー
３ 接続管
５ マフラー本体
９ フロントキャップ
１１ テールキャップ
２１ 第１隔壁
２２ 第２隔壁
２５ 第３隔壁
３１ 第１膨張室
３３ 第２膨張室
３５ 第３膨張室
３６ 後端部（入力側パイプ）
３７ 第１連通管
３８ 第２連通管
４１ 第１テールパイプ
４２ 第２テールパイプ

Claims (5)

1. 内燃機関の排気ガスを複数の膨張室（３１，３３，３５）を通過させることにより消音する多段膨張式マフラー（１）を介して排出する内燃機関の排気装置において、
   最終膨張室（３５）から大気に連通する第１テールパイプ（４１）と、
   前記最終膨張室（３５）より上流の膨張室（３３）から大気に連通する第２テールパイプ（４２）を設けたことを特徴とする内燃機関の排気装置。
2. 前記第１テールパイプ（４１）の開口面積より前記第２テールパイプ（４２）の開口面積が大きいことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気装置。
3. 前記膨張室は排気ガスの通過する順に第１、第２、第３の３つの膨張室（３１，３３，３５）が設けられ、前記最終膨張室は前記第３の膨張室（３５）であり、前記上流側の膨張室は前記第２の膨張室（３３）であり、前記第２の膨張室（３３）の容積は前記第３の膨張室（３５）の容積より大きいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の排気装置。
4. 前記第３の膨張室（３５）は前記第１の膨張室（３１）と前記第２の膨張室（３３）の間に設けられると共に、前記第１膨張室（３１）と前記第３膨張室（３５）間の隔壁（２１）に背圧調整用の小孔（５１）を設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れかに記載の内燃機関の排気装置。
5. 前記第１テールパイプ（４１）の開口面積と前記第２テールパイプ（４２）の開口面積を合計した面積は前記マフラー（１）の入力側パイプ（３６）の開口面積に略等しいことを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れかに記載の内燃機関の排気装置。

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