JP2015165097A - エンジンの排気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気騒音を効率的に低減可能なエンジンの排気装置を提供する。
【解決手段】エンジンＥＮＧの排気管１３における、排気通路全体を気柱とした気柱共鳴を生じさせる音圧振動の節部が位置する部位に、通路断面積が局所的に縮小された絞り部１４を設けるとともに、その絞り部１４に隣接する部位に、通路断面積が局所的に拡張された拡張部１５を設けるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの排気装置に係り、詳しくはその排気音の低減にかかる構造の改良に関する。

車載等のエンジンの排気装置では、排気の流れにより発生する気流音や、気柱共鳴による音圧レベルの増大による排気騒音が問題となる。そのため、エンジンの排気装置では、例えば特許文献１に見られるように、内部に拡張室や共鳴室が設けられた消音器（マフラー）を排気通路に設置することで、排気騒音を抑えている。一方、スポーツ車では、単純な排気騒音の低減だけでなく、排気音の音質の向上が求められており、消音特性の調整による魅力的な排気音の実現が求められている。

特開２００１−２２１０４３号公報

しかしながら、高い消音性能を得るには、拡張室や共鳴室の容積を大きくしなければならず、消音器が大型化して、排気装置の製造コストや重量の増大を招いてしまう。また、共鳴室は、消音効果を発揮する周波数域が限られているため、音質の向上に、複数の周波数域の音圧レベルの低減が求められる場合には、複数の共鳴室の設置が必要となる。そのため、そうした場合には、消音器が更に大型となってしまうことになる。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、排気騒音を効率的に低減可能なエンジンの排気装置を提供することにある。

上記課題を解決するエンジンの排気装置は、エンジンの排気通路における、排気通路全体を気柱とした気柱共鳴の音圧振動の節部が位置する部位に、通路断面積が局所的に縮小された絞り部を設けるとともに、排気通路における絞り部に隣接する部位に、通路断面積が局所的に拡張された拡張部を設けるようにしている。

上記構成では、気柱共鳴の音圧振動の節部が位置する部位において、排気通路の通路断面積が局所的に縮小されている。気柱共鳴の音圧振動の節部では、音波の伝達媒体である排気の粒子振動の振幅が最大となる。こうした部位に絞りを設ければ、粒子振動が抑えられて、気柱共鳴の音圧レベルが低減されるようになる。

一方、通路断面積が局所的に拡張された拡張部は、拡張型の消音器として機能する。拡張型の消音器は、その入射部、透過部の通路断面積の拡大比が大きいほど、高い消音効果を発揮する。上記構成では、通路断面積が局所的に縮小された絞り部に隣接して拡張部が設置されているため、拡張部の容積を増大せずとも、拡張比を大きくし、消音効果を高めることが可能となる。

したがって、上記構成によれば、消音器の容積の増大を抑えつつ、消音効果を向上することが可能となり、排気騒音を効率的に低減することができるようになる。そしてその結果、高い消音性能を有しつつも、安価かつ軽量な排気装置の実現が可能となる。

ちなみに、エンジンの排気装置では、気柱共鳴のうちでも、音圧振動に２つの節を有する２節モードの気柱共鳴が問題となることが多いが、そうした場合には、上記絞り部が設けられる部位に位置する節部を、排気通路における、排気通路全体を気柱とした２節モードの気柱共鳴の音圧振動の節部とすると良い。

一方、絞り部は、排気流量が多いときには、排気の流れを妨げ、排気圧の上昇を招くことがある。そうした場合にも、通路断面積を変更可能に絞り部を構成すれば、気柱共鳴による音圧レベルの増大が問題となるエンジンの運転領域に限定して、排気通路の通路断面積を縮小させることが可能となる。そのため、気柱共鳴による排気音の音圧レベルの増大を抑えつつも、排気圧が上昇しないようにすることが可能となる。

なお、エンジンの排気装置では、排気通路の大気開放端の付近で発生する高周波数の気流音が問題となることがある。そうした場合、排気通路の大気開放側の端部に、吸音材を設ければ、そうした高周波数の気流音についても併せ低減することができるようになる。

エンジンの排気装置の第１実施形態の全体構造を模式的に示す図。 同実施形態の排気装置における、絞り部及び拡張部の設置部分の断面図。 各モードの気柱共鳴の音圧振動波形を示すグラフ。 第１実施形態のエンジンの排気装置に採用される拡張部の消音特性を示すグラフ。 絞り部及び拡張部が無いときの排気音の音圧レベルの周波数特性を示すグラフ。 第１実施形態のエンジンの排気装置における、排気音の音圧レベルの周波数特性を示すグラフ。 同実施形態のエンジンの排気装置における、エンジン回転速度と排気音の音圧レベルとの関係を示すグラフ。 第２実施形態にかかるエンジンの排気装置の全体構造を模式的に示す図。 同実施形態のエンジンの排気装置における、排気管の大気開放側の端部の断面図。 同実施形態のエンジンの排気装置における排気音の音圧レベルの周波数特性を示すグラフ。 排気流路面積を変更可能に絞り部を構成した、エンジンの排気装置の変形例における、絞り部及び拡張部の設置部分の断面図。 絞り部の上流に拡張部を設置した、エンジンの排気装置の別の変形例における、絞り部及び拡張部の設置部分の断面図。

（第１実施形態）
以下、エンジンの排気装置の第１実施形態を、図１〜図７を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態の排気装置は、車載用の多気筒エンジンに適用されるものとなっている。

図１に示すように、エンジンＥＮＧには、排気ポート１０を通じて各気筒から出された排気をまとめる排気マニホールド１１が接続されている。排気マニホールド１１の下流側には、排気を浄化する触媒コンバーター１２が接続され、さらにその下流側には、排気管１３が接続され、その排気管１３の下流端は、大気開放されている。すなわち、このエンジンＥＮＧでは、これら排気ポート１０、排気マニホールド１１、及び排気管１３によって、排気通路が構成されている。

また、本実施形態の排気装置には、排気管１３の途中に、通路断面積が局所的に縮小された絞り部１４が設けられている。さらに、排気管１３には、その絞り部１４の下流側に、排気通路の断面積（通路断面積）が局所的に拡張された拡張部１５が、同絞り部１４に隣接して設けられている。なお、絞り部１４は、排気通路の上流端（エンジン側の端）からの排気通路長さが、排気通路の全長Ｌの約３分の１となる部位に設けられている。

図２に示すように、排気管１３における絞り部１４よりも上流側の部分は、一定管径の上流パイプ１３Ａによって構成されている。上流パイプ１３Ａの下流側の端部には、第１消音パイプ１３Ｂが接続されている。第１消音パイプ１３Ｂは、外径が上流パイプ１３Ａの内径とほぼ等しくされた上流部Ｂｕ、上流パイプ１３Ａよりも管径が小さくされた中央部Ｂｍ、及び上流パイプ１３Ａよりも管径が大きくされた下流部Ｂｄを有する。また、第１消音パイプ１３Ｂの下流側の端部には、第２消音パイプ１３Ｃが接続されている。第２消音パイプ１３Ｃは、内径が第１消音パイプ１３Ｂの下流部分の外径とほぼ等しくされた上流部Ｃｕと、外径が上流パイプ１３Ａの内径とほぼ等しくされた下流部Ｃｄとを有する。さらに、第２消音パイプ１３Ｃの下流側の端部には、上流パイプ１３Ａと同じ管径を有する、一定管径の下流パイプ１３Ｄが接続されている。なお、管径が縮小された第１消音パイプ１３Ｂの中央部が上記絞り部１４に相当し、第１消音パイプ１３Ｂの下流部から第２消音パイプ１３Ｃの上流部までの管径が拡大された部分が上記拡張部１５に相当する。

すなわち、この排気装置は、その排気通路に拡張部１５を備える。拡張部１５は、排気通路における拡張部１５の上流側の部分（上流パイプ１３Ａ）および同拡張部１５の下流側の部分（下流パイプ１３Ｄ）よりも通路断面積が拡大されている。また、拡張部１５の排気流入部は、排気通路における拡張部１５の上流側の部分（上流パイプ１３Ａ）および同拡張部１５の下流側の部分（下流パイプ１３Ｄ）よりも通路断面積が縮小された絞り部１４とされている。そして、その絞り部１４は、排気通路の上流端（エンジン側の端）からの排気通路長さが、排気通路の全長Ｌの約３分の１となる部位に位置されている。

次に、以上のように構成された本実施形態のエンジンの排気装置の作用を説明する。
排気通路では、特定周波数の音波がエンジンＥＮＧ側から入射されると、同排気通路の大気開放側の端からの反射波が入射波と重なって気柱共鳴が発生する。気柱共鳴には、音圧振動の節数が異なる複数のモードがある。

図３に、２節モード、３節モード、４節モードの各気柱共鳴における音圧振動の波形をそれぞれ示す。同図に示すように、２節モードの気柱共鳴における音圧振動の節部の位置は、排気通路の上流端（エンジン側の端）からの排気通路長さが、排気通路の全長Ｌの約３分の１の位置となる。すなわち、本実施形態のエンジンの排気装置では、絞り部１４は、排気通路全体を気柱とした２節モード気柱共鳴における音圧振動の節部が位置する部位に設けられている。

ここで、気柱共鳴における音圧振動の節部では、音波の伝達媒体である排気の粒子振動の振幅が最大となる。こうした部位に絞りを設ければ、粒子振動が抑えられ、気柱共鳴の音圧レベルが低減される。そのため、絞り部１４は、２節モード気柱共鳴に対する音圧レベルの低減効果を発揮する。

一方、その前後において通路断面積が変化する拡張部１５は、膨張型の消音器として機能する。すなわち、エンジンＥＮＧ側から来た音波は、インピーダンスの変化点である拡張部１５の入口（入射部）及び出口（透過部）においてそれぞれ反射する。そして、その反射波と入射波との干渉により、音圧が低減される。また、拡張部１５では、特定周波数の音波に対しては、共鳴を生じさせ、音圧が維持、又は増幅される。こうした拡張部１５の共鳴周波数は、拡張部１５の長さによって決まる。

拡張部１５の通過に応じた音圧の損失（透過損失ＴＬ）は、次式（１）の通りとなる。なお、下式（１）における「ｍi」は、拡張部１５の入射前後の通路断面積の比（入射部拡張比）を、「ｍo」は、拡張部１５の透過前後の通路断面積の比（透過部拡張比）を、「Ｌ０」は、拡張部１５の長さをそれぞれ示している。

また、上式（１）における「ｋ」は、拡張部１５を通過する音波の周波数ｆ、音速Ｃによって決まる係数であり、その値は、下式（２）により求められる。

図４に、こうした拡張部１５の消音特性を示す。なお、同図には、絞り部１４を介さず、拡張部１５を排気管１３に直接接続した場合の拡張部１５の消音特性が破線にて併せ示されている。

上式（１）から明らかなように、拡張部１５は、その長さＬ０との関係が下式（３）の関係となる周波数の音波に対して最大の消音効果を発揮する。一方、拡張部１５は、その長さＬ０との関係が下式（４）の関係となる周波数の音波に対しては、殆ど消音効果を発揮しない。本実施形態の排気装置では、運転者が心地良く感じる周波数域Ｒが、消音効果の薄い周波数域となるように、拡張部１５の長さＬ０が設定されている。なお、下式（３）（４）において、「ｎ」は、任意の自然数（１、２、３、…）である。

一方、本実施形態のエンジンの排気装置では、拡張部１５の入射部が、排気管１３よりも通路断面積の小さい絞り部１４により形成されている。そのため、本実施形態のエンジンの排気装置では、拡張部１５の入射部拡張比ｍiがより大きくなり、拡張部１５の消音効果がより高くなる。

図５は、消音対策を施さなかった場合の排気音の音圧特性を、図６は、本実施形態の排気装置における排気音の音圧特性をそれぞれ示している。両図の対比から明らかなように、本実施形態の排気装置では、運転者が心地良く感じる周波数域Ｒの音圧レベルは維持され、その前後の周波数域の音圧レベルは低減される。

図７は、本実施形態の排気装置におけるエンジン回転速度と排気音の音圧レベルとの関係を示している。なお、同図には、消音対策を施さなかった場合の同関係が破線で併せ示されている。同図に示されるように、消音対策を施さなければ、特定の回転速度域において、気柱共鳴が生じ、音圧レベルにピークが表われる。そのため、排気音の音圧レベルは、エンジン回転速度の増加に応じて単調増加しなくなり、違和感を与える。一方、本実施形態の排気装置では、気柱共鳴の音圧振動の節部に設けられた絞り部１４により、気柱共鳴の音圧レベルが低減されるようになっている。そのため、上記のような特定回転速度域での音圧レベルのピークが低減され、排気音の音圧レベルが、エンジン回転速度の増加に応じてよりリニアに増加していくようになる。

以上説明した本実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）本実施形態では、エンジンの排気通路における、排気通路全体を気柱とした気柱共鳴の音圧振動の節部が位置する部位に、通路断面積が局所的に縮小された絞り部１４が設けられている。そのため、気柱共鳴による特定回転速度域での排気音のピークが低減され、エンジン回転速度の増加に応じて、排気音の音圧レベルがよりリニアに増加するようになる。

（２）本実施形態では、排気通路における絞り部１４に隣接する部位に、通路断面積が局所的に拡張された拡張部１５が設けられている。そのため、拡張部１５の容積を増加せずとも、拡張部１５の通路断面積の拡張比を大きくすることができる。そのため、大容積の消音器を設けることなく、排気音を効率的に低減することができ、安価かつ軽量な排気装置の実現が可能となる。

（３）本実施形態では、運転者が心地良く感じる周波数域Ｒが、拡張部１５の消音効果が薄い周波数域となるように拡張部１５の長さＬ０を設定している。そのため、心地良く感じる周波数域Ｒ以外の周波数域の排気音の音圧レベルのみを効果的低減することができ、魅力的な排気音を実現できる。

（第２実施形態）
次に、エンジンの排気装置の第２実施形態を、図８〜図１０を併せ参照して詳細に説明する。なお、本実施形態にあって、上記実施形態と共通する構成については、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。

図８に、本実施形態のエンジンの排気装置の全体構造を示す。同図に示すように、本実施形態のエンジンの排気装置においても、気柱共鳴の音圧振動の節部が位置する位置に絞り部１４が設けられるとともに、その絞り部１４に隣接して拡張部１５が設けられている。さらに、本実施形態の排気装置では、排気管１３の大気開放側の端部に、吸音材１６が設けられている。

図９に示すように、排気管１３の大気開放側の端部には、その壁面に多数の孔１７が空けられており、その周囲は、アウターカバー１８で覆われている。そして、排気管１３の外周とアウターカバー１８との間の部分に、吸音材１６が充填されている。

図１０に、本実施形態の排気装置における排気音の音圧特性を示す。排気管１３の大気開放端付近では、高周波の気流音が発生する。こうした高周波の気流音については、絞り部１４や拡張部１５だけでは、有効に低減することが困難である。その点、本実施形態では、そうした高周波の気流音が、排気管１３の大気開放側の端部に設けられた吸音材１６により吸収されるようになる。そのため、本実施形態のエンジンの排気装置では、運転者が心地良く感じる周波数域Ｒの前後の周波数域の音圧レベルに加え、排気管１３の大気開放端付近で発生する高周波域の気流音の音圧レベルも低減されるようになり、更に魅力的な排気音が実現される。

なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・上記実施形態では、排気通路における、２節モードの気柱共鳴の音圧振動の節部が位置する部位に絞り部１４を設けるようにしていたが、他のモードの気柱共鳴が問題となる場合には、そうしたモードの気柱共鳴の音圧振動の節部に絞り部１４を設けるようにしても良い。また、複数のモードの気柱共鳴の音圧振動の節部が位置する部位にそれぞれ絞り部１４を設けるようにしても良い。なお、そうした場合、複数設けられる絞り部１４のそれぞれに拡張部１５を隣接して設ける必要はなく、少なくともその一つに隣接して拡張部１５を設ければ、効率的に排気騒音を低減可能となる。

・図１１に示す排気装置の構成例では、拡張部１５に隣接して、その上流側に設けられたバルブ１９により、絞り部を構成している。気柱共鳴が発生するエンジン回転速度域でこのバルブ１９の開度を小さくして、その設置部分の通路断面積を局所的に縮小すれば、気柱共鳴による音圧の増大を抑えることが可能となる。一方、排気流量が多くなる高回転速度域では、バルブ１９の開度を大きくして、その設置部分の通路断面積を拡大すれば、絞りにより、排気の流下抵抗の増大が抑えられる。なお、例えばシャッターのようなバルブ１９以外の機構で、排気通路の通路断面積を変更することも可能である。いずれにせよ、排気通路の通路断面積を変更可能に絞り部を構成すれば、排気流量の増加時の排気圧の上昇を抑えつつ、気柱共鳴による排気音の増大を好適に抑制することが可能となる。

・図１２に示すように、絞り部１４に隣接して、その上流側に拡張部１５を設けるようにしても良い。こうした場合にも、拡張部１５の容積を増大させずに、その透過部拡張比ｍoを大きくすることができ、より効率的に排気音を低減することが可能となる。また、こうした場合の絞り部１４についても、例えばバルブ１９等により、排気通路の通路断面積を変更可能に構成することが可能である。そして、そうした場合には、排気流量の増加時の排気圧の上昇を抑えながら、気柱共鳴による排気音の増大を好適に抑制することが可能となる。すなわち、排気通路におけるその上流側の部分およびその下流側の部分よりも通路断面積が大きくされた拡張部１５を設けるとともに、その拡張部１５の排気流入部または排気流出部を、排気通路における拡張部１５の上流側の部分および同拡張部１５の下流側の部分よりも通路断面積が小さくされた絞り部１４とする。そして、その絞り部１４を、エンジンの排気通路における、排気通路全体を気柱とした気柱共鳴の音圧振動の節部が位置する部位に位置させるようにすれば、拡張部１５の容積を増大せずとも、拡張比を大きくして消音効果を高めることができ、効率的に排気騒音を低減できるようになる。

・上記実施形態では、拡張部１５の長さＬ０を、心地良く感じる周波数域の排気音の音圧レベルが維持されるように設定していたが、排気音の音質の向上が求められない場合には、拡張部１５の長さＬ０は、排気騒音の低減のみを考慮して設定すれば良い。

ＥＮＧ…エンジン、１０…排気ポート（排気通路）、１１…排気マニホールド（排気通路）、１２…触媒コンバーター（排気通路）、１３…排気管（排気通路）、１３Ａ…上流パイプ、１３Ｂ…第１消音パイプ、１３Ｃ…第２消音パイプ、１３Ｄ…下流パイプ、１４…絞り部、１５…拡張部、１６…吸音材、１７…孔、１８…アウターカバー、１９…バルブ（通路断面積を変更可能に構成された絞り部）。

Claims (4)

1. エンジンの排気通路における、排気通路全体を気柱とした気柱共鳴の音圧振動の節部が位置する部位に、通路断面積が局所的に縮小された絞り部が設けられるとともに、
   前記排気通路における前記絞り部に隣接する部位に、通路断面積が局所的に拡張された拡張部が設けられた、
   ことを特徴とするエンジンの排気装置。
2. 前記絞り部が設けられる部位に位置する節部は、排気通路全体を気柱とした２節モードの気柱共鳴の音圧振動の節部である、
   請求項１に記載のエンジンの排気装置。
3. 前記絞り部が、前記通路断面積を変更可能に構成された、
   請求項１又は２に記載のエンジンの排気装置。
4. 前記排気通路の大気開放側の端部に、吸音材が設けられた、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンジンの排気装置。