JP2013124599A - 内燃機関の吸気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】容積室の弾性特性や容積室を形成している材料そのものの特性の有効活用によって、一段と優れた消音効果および共鳴過給効果が得られる吸気装置を提供する。
【解決手段】消音のためのヘルムホルツ型の共鳴室を備えた内燃機関の吸気装置である。一端が吸気管１に接続された導入管２と、導入管２の他端に接続されて当該導入管２よりも大径の共鳴室として機能する弾性変形可能で且つ密閉された容積室６と、この容積室６を同心状に覆う密閉式のカバー５と、カバー５の一部に設けられた小穴７とを備えている。特定の周波数ｆ１，ｆ２による共鳴効果に加えて、弾性変形可能な容積室の材質と形状とから決まる損失係数と減衰比とに基づき、容積室そのもののダンパー効果による消音効果と共鳴過給効果が得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、消音室（レゾネータ）としてヘルムホルツ型の共鳴室を備えた内燃機関の吸気装置に関する。

従来、この種の内燃機関の吸気装置として、例えば特許文献１に記載されているように、吸気系の消音のためにヘルムホルツ型の共鳴室として機能する容積室の容積を積極的に可変にしたものが提案されている。

特開２００９−３６１８５号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術では、いわゆるハードタイプの容積室の内部に有底円筒状のベローズ状の弾性部材を配置するとともに、その弾性部材の内部に負圧を導入して、負圧の度合いに応じて当該弾性部材を伸縮変形させることで容積室の容積を変化させるようにしているため、容積室の弾性特性および容積室を形成している材料特性が本来の消音効果あるいは共鳴過給効果として何ら有効活用されておらず、なおも改善の余地を残している。また、上記のよに容積室の容積を積極的に可変とするためには、負圧導入のための配管やモータ等のアクチュエータが必要となり、装置全体の大型化と複雑化が余儀なくされる。

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、容積室の弾性特性や容積室を形成している材料そのものの特性の有効活用によって消音効果あるいは共鳴過給効果が得られるようにし、もって簡単な構造で所期の目的を達成できるようにした内燃機関の吸気装置を提供するものである。

本発明は、消音のためのヘルムホルツ型の共鳴室を備えた内燃機関の吸気装置において、一端が吸気管に接続された導入管と、上記導入管の他端に接続されて当該導入管よりも大径の共鳴室として機能する弾性変形可能で且つ密閉された容積室と、この容積室を同心状に覆う密閉式のカバーと、上記カバーの一部に形成された極小径の穴部と、を備えていることを特徴とする。

この場合において、容積室の弾性特性の制御や容積室からの放射音の制御を積極的に行うためには、請求項２に記載のように、カバーの穴部に相当する位置に、カバーの内圧が外部圧力よりも大きい場合のみ上記穴部を開放する逆止弁タイプの弁体を備えていることが望ましい。この弁体としては例えばグロメットタイプあるいはリード弁タイプ等の比較的簡単なものでも所期の目的を達成できる。

また、容積室の弾性変形を一段と容易に且つ安定化させるためには、請求項３に記載のように、容積室は少なくとも筒状胴部がカバーよりも軟質の可撓性材料にて形成されたベローズ状のものとなっているとともに、全体として有底円筒状のものであることが望ましい。

より具体的には、請求項４に記載のように、容積室およびカバーは共に導入管と同心状のものであるとともに、上記カバーは容積室と相似形をなす有底円筒状のものであり、その底壁部に相当する位置に穴部および弁体を設けてあることが望ましい。

さらに、請求項５に記載のように、開閉弁を有しない穴部が、吸気管に対する導入管の接続位置とは異なる位置にて吸気管に接続されていても良い。

したがって、少なくとも請求項１に記載の発明では、導入管の断面積と長さおよび容積室の容積で決まるヘルムホルツ型の共鳴室効果として例えば特定の共鳴周波数（例えば、ｆ１とする。）が得られるほか、ベローズ部を含む弾性変形可能な容積室の形状と当該容積室の材質とで決まる別の共鳴周波数（例えば、ｆ２とする。）が得られることになる。その上、ベローズ部を含む弾性変形可能な容積室によるいわゆるダンパー効果が期待でき、特に弾性変形可能な容積室による構造的な吸気音減衰効果とともに、容積室を形成している材料そのものによる材質的な損失効果が得られ、それらの相乗効果として顕著な消音効果と共鳴過給効果が得られることになる。

本発明によれば、容積室を積極的に弾性変形させるための手段を必要としないため、小型で且つ簡単な構造のもとで、互いに異なる複数の共鳴周波数による従来以上の消音効果と共鳴過給効果が得られる。

また、請求項２に記載の発明によれば、導入管の断面積と長さおよび容積室の容積で決まる特定の共鳴周波数とは異なる任意の音圧モードでの減衰効果を持たせることが可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、容積室が実質的にベローズ状のものであるため、容積室の弾性変形が安定して行われる利点がある。

請求項４に記載の発明によれば、吸気の圧力変動に応じ容積室が連動して伸縮する際の圧力差または吸気の所定の周波数に応じて弁体が開くことで、容積室の弾性特性や放射音特性を任意に設定することができる。

さらに、請求項５に記載の発明によれば、導入管の断面積と長さおよび容積室の容積で決まる特定の共鳴周波数とは異なる任意の音圧モードでの減衰効果を持たせることができる利点がある。

本発明に係る内燃機関の吸気装置を実施するためのより具体的な第１の形態を示す図で、要部の拡大説明図。 図１をモデル化した説明図。 消音効果を評価するためのｎ次の吸気騒音の内燃機関回転数−音圧レベル特性を示す図。 消音効果を評価するための２ｎ次の吸気騒音の内燃機関回転数−音圧レベル特性を示す図。 共鳴過給効果を評価するための内燃機関回転数−トルク特性を示す図。 弾性変形可能な容積室の形状と材質に基づく周波数−損失係数（％）特性を示す図。 弾性変形可能な容積室の形状と材質に基づく周波数−減衰比（％）特性を示す図。 本発明に係る内燃機関の吸気装置を実施するためのより具体的な第２の形態を示す図で、（Ａ）は要部の拡大説明図、（Ｂ）は同図（Ａ）のＣ部拡大図。 本発明に係る内燃機関の吸気装置を実施するためのより具体的な第３の形態を示す図で、（Ａ）は要部の拡大説明図、（Ｂ）は同図（Ａ）のＤ部拡大図。 本発明に係る内燃機関の吸気装置を実施するためのより具体的な第４の形態を示す図で、（Ａ）は要部の拡大説明図、（Ｂ）は同図（Ａ）のＥ部拡大図。 本発明に係る内燃機関の吸気装置を実施するためのより具体的な第５の形態を示す図で、要部の拡大説明図。

図１は本発明に係る内燃機関の吸気装置を実施するためのより具体的な第１の形態を示す図である。

図１に示すように、所定の断面積を有する樹脂製の吸気管１の途中には当該吸気管１よりも断面積の小さな同じく樹脂製の導入管２の一端が接続されていて、吸気管１の内部空間と連通している。また、導入管２の他端には当該導入管２と同心状に樹脂製のエンドピース３が挿入・接続されている。このエンドピース３は、それぞれに別ピースとして形成されたフランジ部４ａ付きのソケット部４とカバー５とを突き合わせるとともに、それら両者の間にベローズ状の容積室６における根元部のフランジ部６ａを挟み込んで、容積室６をカバー５と同心状に固定支持させたものである。そして、容積室６およびカバー５共にその断面積は導入管２の断面積よりも大きく設定されているとともに、密閉式の容積室６は導入管２に連通してはいても、カバー５の内部空間と容積室６の内部空間とは隔離されている。

ここで、ソケット部４およびカバー５が樹脂製のものであるのに対して、容積室６はカバー５等の材質よりも軟質の可撓性材料、例えば熱可塑性エラストマーあるいは熱可塑性エラストマーと熱可塑性樹脂との複合材にて形成されていて、軸心方向に弾性変形可能、より具体的には軸心方向に伸縮変形可能となっている。すなわち、図１から明らかなように、容積室６は筒状胴部６ｂがベローズ状に形成された有底円筒状のもので、導入管２を介して吸気管１に連通していることで図２のようなヘルムホルツ型の共鳴室として機能するとともに、容積室６はそれと相似形をなす一回り大きな密閉式のカバー５にて包囲または覆われていることになる。

そして、カバー５のうち導入管２とは反対側の部位、より具体的にはカバー５における底壁部５ａの中央部には容積室６やカバー５の直径に比べて極小径の穴部として単一の円形状の小穴７が形成されている。この小穴７はカバー５の内部空間を大気開放して、容積室６の弾性変形を安定化させるとともに、放射音制御のために設けられる。それ故に、所期の目的さえ達成できれば、小穴７は必ずしもカバー５の底壁部５ａに設ける必要はない。また、小穴７はスリット状のものであっても良く、さらに二つ以上設けても良い。

したがって、このような吸気装置によれば、導入管２の断面積Ｓと長さＬおよび容積室６の容積Ｖで決まるヘルムホルツ型の共鳴室効果として例えば特定の共鳴周波数ｆ１が得られるほか、筒状胴部６ｂを含む弾性変形可能な容積室６の形状と当該容積室６の材質とで決まる別の共鳴周波数ｆ２が得られることになる。しかも、筒状胴部６ｂを含む弾性変形可能な容積室６によるいわゆるダンパー効果が期待でき、特に弾性変形可能な容積室６による構造的な吸気音減衰効果とともに、容積室６を形成している材料そのものによる材質的な損失効果が得られ、それらの相乗効果として顕著な消音効果と共鳴過給効果が得られることになる。

より詳しくは、ヘルムホルツ型の共鳴室効果として導入管２の断面積Ｓと長さＬおよび容積室６の容積Ｖで決まる特定の共鳴周波数ｆ１が得られることは先に述べたとおりであって、これとは別の特定の共鳴周波数ｆ２が筒状胴部６ｂを含む弾性変形可能な容積室６の形状と当該容積室６の材質とで決まる固有振動数から得られることになる。そして、容積室６は先に述べたようにヘルムホルツ型の共鳴室とみなし得ることから、導入管２がマス、弾性変形可能な容積室６がバネとなるマス−バネモデルと理解することができる。これにより、容積室６を構成する材料とその容積室６の形状とから決まる損失係数と減衰比が上記マス−バネモデルにおけるバネに作用することで、異なる共鳴周波数ｆ１およびｆ２によるそれぞれの消音効果と共鳴過給効果に加えて、筒状胴部６ｂを含む弾性変形可能な容積室６の形状と当該容積室６の材質とで決まるいわゆるダンパー効果によってさらなる消音効果と共鳴過給効果が期待できるようになる。

図３はｎ次の吸気騒音の消音効果について、図４は２ｎ次の吸気騒音の消音効果について、それぞれ回転数（ｒｐｍ）−音圧レベル（ｄＢ）特性をもって上記第１の形態と従来構造とを比較したものである。なお、従来構造は上記弾性変形可能な容積室６と同じ容積のヘルムホルツ型の共鳴室とした。

また、図５は上記吸気騒音の共鳴過給効果について、回転数（ｒｐｍ）−トルク特性をもって上記第１の形態と従来構造とを比較したものである。

さらに、図６は上記弾性変形可能な容積室６の構造的特徴および材質に基づく周波数−損失係数（％）特性を、図７は同じく周波数−減衰比（％）特性をそれぞれ示している。

図３，４から明らかなように、図６，７の周波数−損失係数（％）特性および周波数−減衰比（％）との相乗効果によって、内燃機関の特定の回転数域において上記第１の形態による吸気騒音の消音効果が顕著に表れている。

同様に、図５から明らかなように、内燃機関の特定の回転数域において上記第１の形態による吸気騒音の共鳴過給効果が顕著に表れている。

図８は本発明に係る内燃機関の吸気装置を実施するためのより具体的な第２の形態を示す図であり、図１と共通する部分には同一符号を付してある。

この第２の形態では、カバー５の底壁部５ａに形成された小穴７に、通気性および通水性を有するフィルター８を装着したもので、先の第１の形態と同様の効果に加えて、例えばカバー５内への異物の侵入を未然に防止できる利点がある。

図９の（Ａ），（Ｂ）は本発明に係る内燃機関の吸気装置を実施するためのより具体的な第３の形態を、図１０の（Ａ），（Ｂ）は本発明に係る内燃機関の吸気装置を実施するためのより具体的な第４の形態をそれぞれ示していて、図１と共通する部分には同一符号を付してある。

図９の（Ａ），（Ｂ）に示す第３の形態では、カバー５の底壁部５ａに形成される小穴１７を二つとし、これらの二つの小穴１７が共有するかたちで例えばゴムあるいは軟質樹脂製のプラグあるいはグロメットタイプの弁体９を装着し、カバー５の内圧が外部圧力よりも大きい場合のみ上記小穴１７を開放するいわゆる常閉タイプで且つ逆止弁タイプの開閉弁機能を具備させたものである。

また、図１０の（Ａ），（Ｂ）に示す第４の形態では、カバー５の底壁部５ａに形成された単一の小穴２７にリード弁タイプの弁体１０をリベット１１にて装着し、カバー５の内圧が外部圧力よりも大きい場合、または弁体１０の共振周波数により上記小穴２７を開放するいわゆる常閉タイプで且つ逆止弁タイプの開閉弁機能を具備させたものである。

これらの第３，第４の形態によれば、先の第１の形態と同様の効果が得られることはもちろんのこと、吸気管１より導かれる吸気の圧力変動に応じ容積室６が連動して伸縮する際の圧力差または吸気の所定の周波数に応じて弁体９または１０が開くことで、容積室６の弾性特性や放射音特性を任意に設定することが可能となる。

図１１は本発明に係る内燃機関の吸気装置を実施するためのより具体的な第５の形態を示す図であり、図１と共通する部分には同一符号を付してある。

この第５の形態では、小穴３７に対して、エンドピース３の当該小穴３７側から吸気管１側に向かって漸次断面積が大きくなるダクト１２を接続し、吸気管１に対する導入管２の接続位置とは異なる任意の位置にて小穴３７をダクト１２にて吸気管１に接続したものである。

この第５の形態によれば、先の第１の形態と同様の効果が得られることはもちろんのこと、先に述べた導入管２の断面積と長さおよび容積室６の容積で決まる特定の共鳴周波数ｆ１とは異なる任意の音圧モードでの減衰効果を持たせることが可能となる利点がある。

１…吸気管
２…導入管
３…エンドピース
５…カバー
５ａ…底壁部
６…容積室
６ｂ…筒状胴部
７…小穴
９…弁体
１０…弁体
１２…ダクト
１７…小穴
２７…小穴
３７…小穴

Claims (5)

1. 消音のためのヘルムホルツ型の共鳴室を備えた内燃機関の吸気装置において、
   一端が吸気管に接続された導入管と、
   上記導入管の他端に接続されて当該導入管よりも大径の共鳴室として機能する弾性変形可能で且つ密閉された容積室と、
   この容積室を同心状に覆う密閉式のカバーと、
   上記カバーの一部に設けられた極小径の穴部と、
   を備えていることを特徴とする内燃機関の吸気装置。
2. 上記カバーの穴部に相当する位置に、カバーの内圧が外部圧力よりも大きい場合のみ上記穴部を開放する逆止弁タイプの弁体を備えていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気装置。
3. 上記容積室は少なくとも筒状胴部がカバーよりも軟質の可撓性材料にて形成されたベローズ状のものとなっているとともに、全体として有底円筒状のものであることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の吸気装置。
4. 上記容積室およびカバーは共に導入管と同心状のものであるとともに、上記カバーは容積室と相似形をなす有底円筒状のものであり、その底壁部に相当する位置に穴部および弁体を設けてあることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の吸気装置。
5. 上記吸気管に対する導入管の接続位置とは異なる位置にて上記穴部が吸気管に接続されていることを特徴とする請求項１に記載に内燃機関の吸気装置。

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