JP2015017549A - 自動車の内燃機関用の吸気システム - Google Patents

Abstract

【課題】 消音特性に優れた自動車の内燃機関用の吸気システムを提供する【解決手段】 自動車の内燃機関用の吸気システムは拡張空間を備えるエアクリーナ２を有する。吸気システムは、エアクリーナのダストサイド側の拡張空間に接続される第１吸気ダクトＤ１と、第２吸気ダクトＤ２とを有している。第２吸気ダクトＤ２は第１吸気ダクトＤ１よりも長い。第１吸気ダクトＤ１が前記拡張空間に接続される第１接続開口Ｃ１と、第２吸気ダクトＤ２が前記拡張空間に接続される第２接続開口Ｃ２とは隣接している。かつ、第１吸気ダクトＤ１が外気に開放されている第１吸気口Ｏ１と、第２吸気ダクトＤ２が外気に開放されている第２吸気口Ｏ２とは隣接している。【選択図】 図１

Description

本発明は、エアクリーナを有する吸気システム、特に自動車の内燃機関に使用される吸気システムに関するものである。

自動車等の車両にはエアクリーナを有する吸気システムが使用されている。吸気システムを通じて、ガソリンエンジンなどの内燃機関に空気が供給される。エアクリーナは、内燃機関に供給する空気を清浄化する。

車両用の吸気システムにおいては、空気を清浄化することだけでなく、エアクリーナを含んで構成される吸気システムにおける吸気騒音の伝播を防止する役割が求められている。騒音の伝播を防止する観点から、エアクリーナの拡張空間の容量を大きくしたり、吸気管やエアクリーナに共鳴型消音器や吸音部材を設けることが行われる。例えば、特許文献１には、エアクリーナの吸入室内において隔壁部材と第１ケースとによりレゾネータを形成したエアクリーナが開示されており、当該エアクリーナによれば、内部に設けたレゾネータによりエアクリーナの消音性能を向上することができることが開示されている。また、特許文献２には、気体流通路にバイパス路を設けて干渉型消音器を構成する技術が開示されている。

特開２０１０−１８０７７３号公報 実開平２−１４９８１３号公報

本発明の目的は、消音特性に優れた自動車の内燃機関用の吸気システムを提供することにある。

発明者は、鋭意検討の結果、外気をエアクリーナの拡張空間に導入するための吸気ダクトを複数設け、これら吸気ダクトを特定の関係となるように設けると、吸気システムの消音特性を向上できることを知見し、本発明を完成させた。

本発明は、拡張空間を備えるエアクリーナを有する自動車の内燃機関用の吸気システムであって、吸気システムは、エアクリーナのダストサイド側の拡張空間に接続される第１吸気ダクトと、エアクリーナのダストサイド側の拡張空間に接続されると共に第１吸気ダクトよりもダクト長が長い第２吸気ダクトとを、有しており、第１吸気ダクトが前記拡張空間に接続される第１接続開口と、第２吸気ダクトが前記拡張空間に接続される第２接続開口とが、隣接して設けられており、かつ、第１吸気ダクトが外気に開放されている第１吸気口と、第２吸気ダクトが外気に開放されている第２吸気口とが、隣接して設けられている自動車の内燃機関用の吸気システムである（第１発明）。

本発明においては、第１吸気ダクトのダクト長が２３０〜４７０ｍｍとされ、第２吸気ダクトのダクト長が２８０ｍｍ〜５５０ｍｍとされることが好ましい（第２発明）。また、本発明においては、第１吸気ダクトのダクト断面積Ｓ１と第２吸気ダクトのダクト断面積Ｓ２の比が、０．２５≦Ｓ１／Ｓ２≦４という関係を満たすようにされることが好ましい（第３発明）。

本発明の吸気システム（第１発明）によれば、吸気システムの消音特性を向上できるという効果が得られる。

さらに、第２発明のように、ダクト長を調整した場合には、自動車エンジンの４０００〜７０００ｒｐｍで発生する吸気騒音を効果的に消音できる。また、さらに、第３発明のようにダクトの断面積が設定されていると、吸気騒音の消音効果がより高められる。

本発明第１実施形態の吸気システムの構成を示す分解斜視図である。 第１実施形態の吸気システムにおける吸気ダクトの形態を示す図である。 第１実施形態の吸気システムの音響減衰量の周波数特性を示すグラフである。 第１実施形態の吸気システムの音圧分布を示す図である。 従来の吸気システムの音圧分布を示す図である。

以下図面を参照しながら、自動車のガソリンエンジンに用いられる吸気システムを例として、本発明の実施形態について説明する。本発明は以下に示す個別の実施形態に限定されるものではなく、その形態を変更して実施することもできる。例えば、ディーゼルエンジンなどの他の内燃機関に本吸気システムを用いてもよい。

図１には、第１実施形態の吸気システムの構成を示す。図１には、吸気システムを構成する主要な部材であるエアクリーナ２と吸気ダクト１を、分解した状態で示している。
エアクリーナ２は、自動車のガソリンエンジンに供給する空気を濾過するエアクリーナである。エアクリーナ２は一対のケース２１，２２と、これらケースの分割面の間に挟持されるフィルタエレメント（以下「エレメント」とも記載する）３を有する。

ケース２１，２２は、組み立てられた際に、ケース内部に、エンジンの吸気経路における拡張空間を形成する。ケース２１，２２は、それぞれが開口部を有する箱状に形成されていて、開口部同士が対向するように組み立てることで、ケース内部に拡張空間が形成される。即ち、１対のケース２１，２２は、拡張空間を形成する箱を、１つの分割面で分割したような形状をしている。本実施形態では、ケース２１，２２を組み立てた際の形状は略直方体状であるが、ケースの形状は円筒状など、他の形状であっても良い。

下側のケース（ロワーケース）２１には、吸気口ＥＸが設けられている。上側のケース（アッパケース）２２には、略円筒状の排気口２２１が設けられている。

ケース２１，２２の間には、エレメント３が挟持されている。エレメント３は濾過材３１を有している。本実施形態におけるエレメントの全体形状は矩形状の板状（例えば偏平な直方体状）に形成されており、エレメント３がケース２１，２２の間に挟持されることによって、ケースの内部空間は、エレメントを境にして上流側と下流側に仕切られる。好ましくは、ケース２１，２２の開口部とエレメント３の周縁部の間はシール部材などによってシールされる。好ましくは、ケース２１，２２の開口部がエレメント３の周縁部を挟持する部分は、フランジ状や段付き形状に形成される。

板状のエレメント３が１対のケース２１，２２の間に挟持された状態で、係止部材や締結部材等によってケース２１，２２が閉じた状態に保持されて、エアクリーナ２は使用される。吸気口ＥＸには、吸気ダクト１が接続されて、外気が吸気ダクト１からエアクリーナ１の内部に吸気口ＥＸを通じて導入される。エアクリーナ内部に導入された空気は、エレメント３の濾過材３１を通過することによって濾過され、清浄な空気となる。排気口２２１には、エアーダクトやスロットルボディが接続されて（図示省略）、エレメント３で濾過された空気が、排気口２２１を通じて、エンジンへと供給されるよう吸気システムは構成されている。

本実施形態における吸気ダクト１についてより詳細に説明する。図２には、吸気ダクトの長さ方向に沿う断面を示す。本実施形態では、第１吸気ダクトＤ１と第２吸気ダクトＤ２という２本の吸気ダクトが、エアクリーナ２の吸気口ＥＸに接続されている。即ち、第１吸気ダクトＤ１と第２吸気ダクトＤ２は、それぞれが、エアクリーナのダストサイド側（上流側）の拡張空間に接続されている。第１吸気ダクトＤ１と第２吸気ダクトＤ２は、全長にわたって互いに独立した管路を形成している。

ここで、第２吸気ダクトＤ２は第１吸気ダクトＤ１よりもダクト長が長くなるように形成されている。好ましくは、５０ｍｍ〜３００ｍｍ、より好ましくは、７０ｍｍ〜２５０ｍｍ程度、第２吸気ダクトが第１吸気ダクトよりも長くなるようにされることが好ましい。また、好ましくは、第１吸気ダクトのダクト長が第２吸気ダクトのダクト長の０．４〜０．８５倍とされ、特に好ましくは、第１吸気ダクトのダクト長が第２吸気ダクトのダクト長の０．４５〜０．７５倍とされる。

好ましくは、第１吸気ダクトＤ１は、ダクト長Ｌ１が２３０ｍｍ〜４７０ｍｍ、より好ましくは２６０ｍｍ〜４４０ｍｍの長さとなるように設けられる。また、第２吸気ダクトＤ２は、ダクト長Ｌ２が２８０ｍｍ〜５５０ｍｍ、より好ましくは３３０ｍｍ〜５００ｍｍの長さとなるように設けられる。本実施形態では、第１吸気ダクトＤ１のダクト長Ｌ１が３４５ｍｍ、第２吸気ダクトＤ２のダクト長Ｌ２が４３５ｍｍとされ、両者の長さの差は９０ｍｍとなっており、第１吸気ダクトと第２吸気ダクトの長さの比Ｌ１／Ｌ２は、約０．８となっている。

さらに、第１吸気ダクトＤ１が外気に向けて開放されている第１吸気口Ｏ１と、第２吸気ダクトＤ２が外気に向けて開放されている第２吸気口Ｏ２は、隣接して設けられている。本実施形態では、一枚の隔壁を境にして第１吸気口Ｏ１と第２吸気口Ｏ２とが隔てられるように隣接しているが、隣接の程度は、第１吸気口や第２吸気口の開口の代表寸法（例えば直径寸法）程度離れたものであっても良い。第１吸気口Ｏ１と第２吸気口Ｏ２とが、開口の代表寸法よりも近くなるように隣接していることが、後述する消音効果を高める観点から好ましい。

さらに、第１吸気ダクトＤ１がエアクリーナのダストサイド側拡張空間（即ちエアクリーナの吸気口ＥＸ）に接続される第１接続開口Ｃ１と、第２吸気ダクトＤ２がエアクリーナのダストサイド側拡張空間（即ちエアクリーナの吸気口ＥＸ）に接続される第２接続開口Ｃ２は、隣接して設けられている。本実施形態では、両接続開口が互いに交差する方向を向くように隣接しているが、両接続口は略平行な方向に向けられていても良い。第１接続開口Ｃ１と第２接続開口Ｃ２の隣接の程度は、両者が互いに接する程度に隣接していることが好ましいが、接続開口の代表寸法（例えば直径寸法など）程度離れたものであっても良い。第１接続開口Ｃ１と第２接続開口Ｃ２とが、開口の代表寸法よりも近くなるように隣接していることが、後述する消音効果を高める観点から好ましい。

第１吸気ダクトＤ１のダクト断面積（特に第１吸気口Ｏ１の断面積）Ｓ１と、第２吸気ダクトＤ２のダクト断面積（特に第２吸気口Ｏ２の断面積）Ｓ２は、両者の比が、０．２５≦Ｓ１／Ｓ２≦４という関係を満たすように設定されることが好ましく、０．５≦Ｓ１／Ｓ２≦２という関係を満たすように設定されることが特に好ましい。本実施形態においては、Ｓ１／Ｓ２＝１．８とされている。

本実施形態においては、第１ダクトＤ１と第２ダクトＤ２は略上下方向に延在する平面に沿って、湾曲したダクトとなるように設けられている。そして、第１吸気口Ｏ１と第２吸気口Ｏ２は、エアクリーナの吸気口ＥＸよりも、車両搭載姿勢において上下方向で上側、即ち高い位置に配置されている。また、第１吸気ダクトＤ１は、エアクリーナの吸気口ＥＸの下縁部よりも、ダクト全体が上側となるように配置されている。一方、第２吸気ダクトは、ダクトの一部が、エアクリーナの吸気口ＥＸの下縁部よりも下側を通過するように配置されている。このように構成すると、車両が半水没地域（冠水地域）を走行する場合のように、吸気システムの下側部分が水没するような状況下においても、第１ダクトが水没せずにエンジンに外気を供給することができて好ましい。

半水没地域においても、エンジンに外気を安定して供給する観点からは、エアクリーナの吸気口ＥＸの下縁部は、車両搭載状態での地上高が、好ましくは３５０ｍｍ以上、より好ましくは５００ｍｍ以上、特に好ましくは６５０ｍｍ以上となるように設けられる。また、第１吸気口Ｏ１と第２吸気口Ｏ２は、エアクリーナの吸気口ＥＸよりも、好ましくは１００ｍｍ以上、より好ましくは２００ｍｍ以上車両上方に配置される。また、第１ダクト側の吸気量を十分に確保する観点から、第１ダクトＤ１の等価ダクト断面積をＳＳ１、第２ダクトＤ２の等価ダクト断面積をＳＳ２として、好ましくは０．２５≦ＳＳ１／（ＳＳ１＋ＳＳ２）≦０．７５、より好ましくは０．４５≦ＳＳ１／（ＳＳ１＋ＳＳ２）≦０．６５という関係を満たすようにそれぞれのダクトの形状を決定することが好ましい。ここで、ダクトの等価断面積とは、そのダクトを、通気抵抗が同じになるように、同じ長さ・屈曲形状を有する断面変化のないのダクトに置き換えた際の断面積をいう。

本実施形態においては、第１吸気ダクトＤ１と第２吸気ダクトＤ２は、一体化されている。第１吸気ダクトＤ１と第２吸気ダクトＤ２は、別体に設けられたものであっても良い。また、本実施形態においては、第１吸気ダクトＤ１と第２吸気ダクトＤ２は、第１半割れ体１１と第２半割れ体１２とを組み立てることにより形成されている。また、第１半割れ体１１はエアクリーナのロワーケース２１と一体化されている。第１吸気ダクトＤ１や第２吸気ダクトＤ２をブロー成形により形成するなど、吸気ダクトの具体的形態や製造方法は、適宜変更することができる。

上記実施形態の吸気システムは、公知の材料（たとえばポリプロピレン樹脂や、ろ紙、ゴム材料など）や公知の製造方法（例えば、射出成形やブロー成形など）を応用して製造することができる。

上記実施形態の吸気システムの作用及び効果について説明する。吸気システムは、エアクリーナのダストサイド側拡張空間に接続する複数（２本）の独立した吸気ダクトを備えており、それら吸気ダクトの長さが異なっていると共に、ダクトの吸気口や接続開口が互いに隣接するようにされているので、吸気システムを伝播するエンジンの吸気騒音の消音特性を向上できる。以下、その消音原理と具体的な消音効果について説明する。

互いに長さの異なる吸気ダクトが並行して設けられていることにより、一方の吸気ダクトが他方の吸気ダクトに対して設けられた消音器（特に共鳴型消音器）として働く。即ち、ダクト長Ｌ１を有する第１吸気ダクトＤ１は、第２吸気ダクトＤ２に対し設けられた１／２波長共鳴管として働く。本実施形態では、Ｌ１＝３４５ｍｍに第１吸気ダクトが設けられていて、第１吸気ダクトは５００Ｈｚ付近に共鳴のピークを有する共鳴型消音器として作用しうる。また、逆に、ダクト長Ｌ２を有する第２吸気ダクトＤ２は、第１吸気ダクトＤ１に対し設けられた１／２波長共鳴管として働き、本実施形態では、Ｌ２＝４３５ｍｍに第２吸気ダクトが設けられていて、第２吸気ダクトは４００Ｈｚ付近に共鳴のピークを有する共鳴型消音器として作用しうる。

第１吸気ダクトと第２吸気ダクトとは、接続開口や吸気口が互いに隣接するようにされているので、これらダクトは、互いに音響的に干渉する様に作用しあう。その結果、特に、第１吸気ダクトＤ１が共鳴型消音器として作用する共鳴周波数と、第２吸気ダクトＤ２が共鳴型消音器として作用する共鳴周波数の間の周波数帯域において、両ダクトの間の騒音の干渉効果によって、ダクトの吸気開口から放射される騒音が低減される。この干渉効果は、第１接続開口Ｃ１と第２接続開口Ｃ２とが隣接して設けられ、かつ、第１吸気口Ｏ１と第２吸気口Ｏ２が隣接して設けられることにより生ずる効果である。

即ち、上記実施形態の吸気システムは、それぞれの吸気ダクトが１／２波長共鳴管として作用する共鳴型消音器のような消音特性と、複数の吸気ダクトが音響的に互いに干渉する干渉型消音器のような消音特性を兼ね備えた消音効果を発揮できる。

図３及び図４には、上記実施形態の吸気システムの騒音シミュレーションの結果を示す。図３には、吸気システムの音源側（エンジン側：スロットルボディに相当する位置）と吸気口側（吸気開口から３００ｍｍ離れた位置：図２の評価点ＥＶＬ）で評価した騒音の比を周波数分析したものである。横軸は周波数、縦軸には、音源側音圧を吸気口側音圧で除して対数を取り、減衰量（ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ）としてデシベル表示した。減衰量が大きい（グラフの上側）ほど、消音特性に優れている。縦軸のひとマスが１０ｄＢに対応している。

図３では、上記実施形態に対応した実施例の減衰量を実線で、比較例を破線で示している。なお、比較例は、エアクリーナ上流に接続される吸気ダクトが１本の吸気ダクトである場合である。図３によれば、実施例によれば、３００Ｈｚ〜５００Ｈｚの領域で消音特性の改善が見られる。特に４００Ｈｚの周辺の周波数領域で減衰量が大きく向上すると共に、従来例において５００Ｈｚにあった減衰量の落ち込みが大きく改善されている。また、実施例では、８５０Ｈｚ〜１０００Ｈｚの周波数帯でも減衰量の改善が見られる。

図４は、上記実施形態における４５０Ｈｚにおける音圧分布を示す図である。図では、図２に対応させて、エアクリーナの吸気口ＥＸと第１吸気ダクトＤ１、第２吸気ダクトＤ２、及び外気部分の音圧を示しており、音圧が高い部分の色が薄く（白く）音圧の低い部分の色が濃く（黒く）なるように表示されている。図５は、吸気ダクトが一本の従来技術における音圧分布の図である。図４によれば、第１吸気ダクトＤ１、第２吸気ダクトＤ２の干渉により、外気部分での音圧が低くなっていることが確認できる。

なお、自動車の内燃機関の騒音対策としては、騒音規制などの法規制の観点などから、エンジン回転数４０００ｒｐｍ〜７０００ｒｐｍの消音性を高めることが重要である。そして、４気筒エンジンでは回転６次成分の騒音を低減すること、６気筒エンジンでは回転４次成分の騒音を低減することが望まれており、それに対応して、吸気システムは、４００Ｈｚ〜７００Ｈｚの音響減衰量を高めることが望まれている。

４００Ｈｚ〜７００Ｈｚの周波数帯域の音響減衰量を高めるためには、第１吸気ダクトＤ１は、１／２波長の共鳴周波数が３５０〜７００Ｈｚとなるように設けられることが好ましく、また、第２吸気ダクトＤ２は、１／２波長の共鳴周波数が３００〜６００Ｈｚとなるように設けられることが好ましい。従って、第１吸気ダクトを２３０ｍｍ〜４７０ｍｍの長さに設定し、第２吸気ダクトを２８０ｍｍ〜５５０ｍｍの長さに設定することが、自動車のエンジンの４０００ｒｐｍ〜７０００ｒｐｍの消音性を高める上で特に効果的である。

また、第１吸気ダクトＤ１のダクト断面積（特に第１吸気口Ｏ１の断面積）Ｓ１と、第２吸気ダクトＤ２のダクト断面積（特に第２吸気口Ｏ２の断面積）Ｓ２の比が、０．２５≦Ｓ１／Ｓ２≦４という関係を満たすように設定されていれば、特に、０．５≦Ｓ１／Ｓ２≦２という関係を満たすように設定されていれば、第１吸気ダクトと第２吸気ダクトの間の相互作用（干渉）が効果的に発生し、消音効果がより高められる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の改変をして実施することもできる。以下に他の実施形態について説明するが、以下の説明においては、上記実施形態と異なる部分を中心に説明し、同様である部分についてはその詳細な説明を省略する。また、以下に示す実施形態は、その一部を互いに組み合わせて、あるいは、その一部を置き換えて実施できる。

上記実施形態の説明においては、第１吸気ダクトと第２吸気ダクトの２本の吸気ダクトを備える吸気システムについて説明したが、吸気ダクトは、３本以上であってもよく、これら吸気ダクトが、互いに隣接する接続開口によりそれぞれがエアクリーナのダストサイド拡張空間に接続され、それぞれの吸気口が互いに隣接しており、それぞれのダクト長が互いに異なる長さとされていれば、同様の効果が発揮される。

また、吸気システムに備えられるそれぞれの吸気ダクトは、消音部材（例えばサイドブランチ（１／４波長共鳴管）やヘルムホルツレゾネータや吸音材など）を備えるものであっても良い。

また、上記実施形態では、第１吸気ダクトや第２吸気ダクトが上下方向に異なる高さを通過するように湾曲配置された形態について説明したが、耐水没性の要求等がない場合には、第１、第２ダクトは水平面内に配置されるものであっても良い。

本発明の吸気システムは、自動車の内燃機関に空気を供給する吸気システムとして使用でき、消音効果が高く、産業上の利用価値が高い。

１ 吸気ダクト
１１、１２ 半割れ体
Ｄ１、Ｄ２ 第１、第２吸気ダクト
Ｄ１、Ｄ２ 第１、第２吸気ダクト
Ｏ１、Ｏ２ 第１、第２吸気口
Ｃ１、Ｃ２ 第１、第２接続開口
ＥＶＬ 吸気口側騒音評価点
２ エアクリーナ
２１ ロワーケース
２２ アッパケース
３ フィルタエレメント
ＥＸ エアクリーナの吸気口

Claims (3)

1. 拡張空間を備えるエアクリーナを有する自動車の内燃機関用の吸気システムであって、
   吸気システムは、エアクリーナのダストサイド側の拡張空間に接続される第１吸気ダクトと、
   エアクリーナのダストサイド側の拡張空間に接続されると共に第１吸気ダクトよりもダクト長が長い第２吸気ダクトとを、有しており、
   第１吸気ダクトが前記拡張空間に接続される第１接続開口と、第２吸気ダクトが前記拡張空間に接続される第２接続開口とが、隣接して設けられており、
   かつ、第１吸気ダクトが外気に開放されている第１吸気口と、第２吸気ダクトが外気に開放されている第２吸気口とが、隣接して設けられている自動車の内燃機関用の吸気システム。
2. 第１吸気ダクトのダクト長が２３０〜４７０ｍｍとされ、第２吸気ダクトのダクト長が２８０ｍｍ〜５５０ｍｍとされた請求項１に記載の自動車の内燃機関用の吸気システム。
3. 第１吸気ダクトのダクト断面積Ｓ１と第２吸気ダクトのダクト断面積Ｓ２の比が、０．２５≦Ｓ１／Ｓ２≦４という関係を満たすようにされた請求項１または請求項２に記載の自動車の内燃機関用の吸気システム。