JP2017120051A

JP2017120051A - 排気系消音装置

Info

Publication number: JP2017120051A
Application number: JP2015256916A
Authority: JP
Inventors: 一稔若月; Kazutoshi Wakatsuki; 秀之幸光; Hideyuki Yukimitsu
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-12-28
Filing date: 2015-12-28
Publication date: 2017-07-06

Abstract

【課題】エンジンの低回転時から高回転時に亘って排気ガスの音圧を低減させることができる排気系消音装置を得る。
【解決手段】主管１８の主経路１６と、分岐管２２の分岐経路２０及び分流経路４０との間に経路長差を設け、排気ガスＥを排気ガスＢと合流させることによって、エンジン１２の高回転時において、合流経路３８を流れる排気ガスＦの音圧を低減させることができる。さらに、エンジン１２の低回転時において、当該経路長差に加え、熱交換器２４による排気ガスＣの熱回収を行い排気ガスＣを冷却する。これにより、分岐管２２内の分岐経路２０及び分流経路４０を流れる排気ガスＥの音速を低下させ、排気ガスＥの圧力波の位相をさらにずらすことによって、合流経路３８を流れる排気ガスＦの音圧を低減させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気系消音装置に関する。

自動車において、例えば、特許文献１には、エンジンから排出された排気ガスが流れる排気管を２本用いて分流させ、一方の排気管の経路の長さ（以下、「経路長」という）と他方の排気管の経路長とで経路長差を設けた技術が開示されている。そして、これにより、２本の排気管内（経路）をそれぞれ流れる排気ガスの圧力波の位相をずらし、これらを干渉させることによって排気ガスの音圧を低減させ、排気音を消音させるというものである。

特開平７−１１９２９号公報

しかしながら、上記先行技術では、排気管の経路長差による位相のずれ（位相差）を利用するため、当該位相差は一定となり効果が得られる周波数が特定されることになる。具体的に説明すると、排気管の経路長差をエンジンの高回転時における高周波数の排気ガスの音圧を低減させるように設定すると、エンジンの低回転時における低周波数の排気ガスの音圧を低減させることはできない。このため、エンジンの低回転時における排気ガスの圧力波については別途対応する必要があり、さらなる改善の余地がある。

本発明は上記事実を考慮し、エンジンの低回転時から高回転時に亘って排気ガスの音圧を低減させることができる排気系消音装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の排気系消音装置は、エンジンから排出された排気ガスが流れる主経路と、前記主経路の分岐部から分岐され、前記排気ガスの一部が流れる分岐経路と、前記分岐経路の排気ガスの流れる方向に沿った下流側に設けられ、当該分岐経路を流れる排気ガスと冷却媒体との間で熱交換を行う熱交換器と、前記分岐経路の排気ガスの流れる方向に沿った前記熱交換器の下流側に設けられ当該分岐経路と繋がり分流経路を構成する消音器と、前記消音器内に設けられ、一方が前記主経路と繋がると共に他方が当該消音器の出口部と繋がり、当該主経路と前記分流経路が合流する合流部で排気ガスが合流して流れる合流経路と、を備え、前記分岐経路及び前記分流経路の経路長は、前記主経路の前記分岐部から前記合流部までの経路長よりも長く設定されている。

請求項１に記載の排気系消音装置では、エンジンから排出された排気ガスが流れる主経路には分岐部が設けられている。この分岐部によって分岐経路が分岐されており、分岐経路には、主経路を流れる排気ガスの一部が流れるようになっている。また、分岐経路の排気ガスの流れる方向に沿った下流側（ガス流動方向下流側）には、熱交換器が設けられており、当該熱交換器によって、分岐経路を流れる排気ガスと冷却媒体との間で熱交換が行われる。つまり、分岐経路を流れる排気ガスは、熱交換器によって熱回収され、当該排気ガスの温度は下げられる。

一方、分岐経路のガス流動方向の熱交換器の下流側には、分岐経路と繋がり分流経路を構成する消音器が設けられている。この消音器内には、一方が主経路と繋がると共に他方が消音器の出口部と繋がる合流経路が設けられている。合流経路には合流部が設けられており、当該合流部を通じて、分流経路を流れる排気ガスが主経路を流れる排気ガスに合流して流れるようになっている。なお、主経路と合流経路は繋がっているため、主経路において、合流部よりもガス流動方向下流側が合流経路となる。

ここで、分岐経路及び分流経路の経路長は、主経路の分岐部から合流部までの経路長よりも長くなるように設定されている。このため、分流経路が主経路と合流する合流部において、主経路を流れる排気ガス（第１排気ガス）の圧力変動を表す圧力波の位相に対して、分流経路を流れる排気ガス（第２排気ガス）の圧力変動を表す圧力波は、当該経路長が長い分位相遅れの状態となる（経路長差による位相遅れの状態）。

つまり、本発明では、主経路側の第１排気ガスの圧力波の位相に対して分流経路側の第２排気ガスの圧力波の位相をずらした状態で第１排気ガスに第２排気ガスを合流させ、両者の干渉により合流経路を流れる排気ガス（第３排気ガス）の音圧が低減されるようにすることで、消音効果が得られる。

ところで、エンジンの高回転時における排気ガスの音圧を低減させるため、上述のように、分岐経路及び分流経路の経路長と、主経路の分岐部から合流部までの間の経路長との経路長差により、例えば、主経路側の第１排気ガスの圧力波の位相に対して分流経路側の第２排気ガスの圧力波が略逆位相となるように設定する。しかし、エンジンの低回転時では、高回転時のときよりも周波数が低くなり周期が長くなるため、エンジンの低回転時における排気ガスの音圧を低減させるには、第１排気ガスの圧力波の位相に対して第２排気ガスの圧力波の位相をさらにずらす必要がある。

一方、前述のように、熱交換器によって熱回収され、当該排気ガスの温度は下げられるため、排気ガスの音速は低下する。これにより、排気ガスの圧力波の移動距離は短くなり、主経路を流れる第１排気ガスの圧力波の位相に対して、分岐経路を流れる第２排気ガスの圧力波を位相遅れの状態とすることができる（熱回収による位相遅れの状態）。なお、厳密に説明すると、分岐経路の熱交換器よりもガス流動方向の上流側に対して、熱交換器よりもガス流動方向の下流側において位相遅れの状態にすることができる。

このように、当該熱交換器を利用することによって、熱交換器が設けられていない場合と比較して、分流経路を流れる第２排気ガスの圧力波の位相を、第１排気ガスの圧力波に対してさらにずらすことができる。したがって、この状態で、第１排気ガスに第２排気ガスを合流させることで、両者の干渉により第３排気ガスの音圧は低減され、消音効果を得ることができる。

以上のことから、本発明によれば、エンジンの高回転時において、主経路と、分岐経路及び分流経路との間で生じる経路長差により排気ガスの音圧を低減させ、エンジンの低回転時において、当該経路長差に加え、熱交換器による排気ガスの熱回収を行うことによって、排気ガスの音圧を低減させることができる。

以上説明したように、請求項１に記載の発明に係る排気系消音装置は、エンジンの低回転時から高回転時に亘って排気ガスの音圧を低減させることができる、という優れた効果を有する。

本実施の形態に係る排気系消音装置の概略縦断面図である。（Ａ）〜（Ｃ）は、本実施の形態に係る排気系消音装置のエンジンの高回転時における作用を説明するための説明図である。（Ａ）〜（Ｃ）は、本実施の形態に係る排気系消音装置のエンジンの低回転時における作用を説明するための比較図である。（Ａ）〜（Ｄ）は、本実施の形態に係る排気系消音装置のエンジンの低回転時における作用を説明するための説明図である。本実施の形態に係る排気系消音装置のエンジンの回転数と音圧レベルを示すグラフである。

本実施の形態に係る排気系消音装置について図面を参照して説明する。
図１において、矢印ＦＲは車両前方を示しており、図中の矢印は排気ガスの流れを示している。なお、排気系消音装置の内部には、様々な部品が取り付けられるが、本実施形態に関連する部品のみ図示し、他の部品は図示を省略している。

（排気系消音装置の構成）
まず、本実施の形態に係る排気系消音装置の構成について説明する。図１に示されるように、排気系消音装置１０は、車両のエンジン１２のエキゾーストマニホールド（図示省略）に接続される排気管１４を備えている。

排気管１４は、車両下方側を車両前後方向に沿って配設されており、排気管１４の前端部（エンジン１２側）は、当該エキゾーストマニホールドに接続され、排気管１４の後端部は、車両後部に配置され大気に開放されている。また、排気管１４内には、エンジン１２の駆動により発生した排気ガスＡが流れるようになっており、排気管１４の前端側には、排気ガスを浄化するための触媒（図示省略）が配設されている。

ここで、排気管１４は、主経路１６を構成する主管１８と分岐経路２０を構成する分岐管２２を備えており、主管１８において、排気ガスＡの流れる方向に沿って触媒よりも下流側に分岐部２１が設けられている。この分岐部２１において、主管１８から分岐管２２が分岐されている。

なお、説明の便宜上、主管１８内において排気ガスが流れる経路を主経路１６とし、当該主経路１６を流れる排気ガスを排気ガスＢ（第１排気ガス）として実線の矢印で示す。また、分岐管２２内において排気ガスが流れる経路を分岐経路２０とし、当該分岐経路２０を流れる排気ガスを排気ガスＣとして点線の矢印で示す。

分岐管２２には、熱交換器２４が設けられている。この熱交換器２４の内部には管路（図示省略）が設けられており、当該管路と分岐管２２とは互いに連通されている。管路には、バルブ（図示省略）が設けられており、バルブの開度の調整によって管路内の断面積（流量）を変更可能とされている。

また、熱交換器２４はエンジン１２と接続されており、エンジン１２から排出され分岐管２２内を流れる排気ガスＣは、矢印Ｄで示すように、熱交換器２４を介してエンジン冷却水（冷却媒体）との間で熱交換され、排気ガスＣが冷却されるようになっている。

前述のように、熱交換器２４にはバルブ（図示省略）が設けられているが、バルブの開度は、図示しないＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）によって調整可能とされている。このバルブの開度によって、熱交換される排気ガスＣの流量は変えられるため、熱交換された排気ガスＣの温度は、バルブの開度によって調整可能とされる。

一方、分岐管２２の熱交換器２４よりも排気ガスＣの流動方向の下流側には、消音器（いわゆるマフラー）２６が設けられている。消音器２６は楕円筒状を成しており、車両前後方向が長手方向となるように配設される。消音器２６の長手方向の両端部には、消音器２６の前部側に前壁部３０、消音器２６の後部側に後壁部３２がそれぞれ設けられており、当該前壁部３０、後壁部３２によって、消音器２６は閉塞されている。

消音器２６の前壁部３０には、貫通孔３０Ａ、３０Ｂが形成されており、消音器２６の後壁部３２には、貫通孔（出口部）３２Ａが形成されている。当該貫通孔３０Ａ及び貫通孔３２Ａには主管１８が貫通しており、主管１８の後端部１８Ａは大気に開放されている。また、貫通孔３０Ｂには分岐管２２が貫通しており、分岐管２２の後端部２２Ａは、後述するガス室４８に開放されている。

ここで、消音器２６内において、主管１８内における排気ガスが流れる経路の一部を合流経路３８とし、分岐管２２内における排気ガスが流れる経路を分流経路４０とする（後述する）。また、説明の便宜上、合流経路３８を流れ車両後方側へ排出される排気ガスを排気ガス（第３排気ガス）Ｆとして白抜きの矢印で示し、分流経路４０を流れる排気ガスを排気ガス（第２排気ガス）Ｅとして点線及び一点鎖線の矢印で示す。

ところで、消音器２６内には、前壁部３０側から後壁部３２側へ向かって、３つのガス室４４、４６、４８に区画されており、分岐管２２の後端部２２Ａは、前述のようにガス室４８に開放されている。ガス室４４とガス室４６の間は隔壁５０によって区画されており、ガス室４６とガス室４８の間は隔壁５２によって区画されている。隔壁５０、５２の中央部には、それぞれ孔部５０Ａ、５２Ａが形成されており、当該孔部５０Ａ、５２Ａを通じて隣接するガス室同士が連通可能となっている。

また、消音器２６内における主管１８の前壁部３０側には、主管１８とガス室４４とを連通させる連通孔３４Ａが主管１８の周方向に沿って複数形成されている。この連通孔３４Ａを通じて分流経路４０を流れる排気ガスＥが主経路１６を流れる排気ガスＢと合流することとなる（合流部４２）。つまり、分岐管２２の後端部２２Ａから排出された排気ガスＥは、ガス室４８からガス室４６及びガス室４４を通過して主管１８内へ案内される。

ガス室４４、４６、４８は、それぞれ容量が異なっており、分岐管２２の後端部２２Ａから排出された排気ガスＥは、ガス室４８、孔部５２Ａ、ガス室４６、孔部５０Ａ、ガス室４４を通過する間に膨張、収縮を繰り返し、これにより排気ガスＥの音圧が低減されるようになっている。

本実施形態では、消音器２６内において、分岐管２２で構成された分流経路４０Ａ（点線で示す経路）以外に、分岐管２２の後端部２２Ａから主管１８の合流部４２までの経路も分流経路４０の一部（分流経路４０Ｂ（一点鎖線で示す経路））としている。つまり、分流経路４０は、分流経路４０Ａと分流経路４０Ｂで構成されている。

また、本実施形態では、主管１８内の主経路１６から分岐管２２を介して分岐経路２０が分岐され、分岐経路２０と連続する分流経路４０によって当該主経路１６に合流するようになっている。そして、分岐管２２の分岐経路２０及び分流経路４０の経路長（Ｌ１；点線及び一点鎖線で示す経路）は、主経路１６の分岐部２１から合流部４２までの経路長（Ｌ２）よりも長くなるように設定されている。

なお、分岐管２２内の分岐経路２０及び分流経路４０の経路長（Ｌ１）が、主管１８内の主経路１６の分岐部２１から合流部４２までの経路長（Ｌ２）よりも長い状態を担保することができれば、分岐管２２の後端部２２Ａが主管１８の合流部４２に直接接続された構成でもよい。

（排気系消音装置の作用・効果）
次に、本実施形態に係る排気系消音装置の作用・効果について説明する。図１に示されるように、エンジン１２から排出された排気ガスＡは、図示しない触媒を経て浄化された後、主管１８内の主経路１６を流動した後、合流経路３８を経て大気に排出される。

ここで、主管１８は分岐管２２によって分岐部２１で分岐されており、排気ガスＡの一部（排気ガスＣ）は、分岐管２２内の分岐経路２０を流動する。分岐管２２には熱交換器２４が設けられており、分岐管２２内の分岐経路２０を流動する排気ガスＣは、当該熱交換器２４によってエンジン冷却水との間で熱交換され、冷却される。

また、本実施形態では、前述のように、分岐管２２内の分岐経路２０及び分流経路４０の経路長（Ｌ１；点線及び一点鎖線で示す経路）は、主管１８内の主経路１６の分岐部２１から合流部４２までの経路長（Ｌ２）よりも長く設定されている。

このため、エンジン１２の高回転時において、主経路１６を流れる排気ガスＢの圧力変動を表す圧力波Ｐ１（図２（Ａ）参照）と分流経路４０を流れる排気ガスＥの圧力変動を表す圧力波Ｐ２（図２（Ｂ）参照）との間で位相差（δ１）が生じる（経路長差による位相差）。

つまり、ここでは分流経路４０を流れる排気ガスＥの圧力波Ｐ２の位相が、主経路１６を流れる排気ガスＢの圧力波Ｐ１に対して略逆位相となるように設定されている。これにより、排気ガスＥの圧力波Ｐ２（図２（Ｂ）参照）が合流部４２で排気ガスＢの圧力波Ｐ１（図２（Ａ）参照）と干渉することによって圧力波は互いに打ち消し合う。

その結果、合流経路３８を流れる排気ガスＦの圧力変動を表す圧力波Ｐ３（図２（Ｃ）参照）に示されるように、排気ガスＦの音圧を効果的に低減させることができる。なお、ここでは排気ガスＥの圧力波Ｐ２の位相が、排気ガスＢの圧力波Ｐ１に対して逆位相となるように設定されているが、圧力波Ｐ２が圧力波Ｐ１と干渉することによって圧力波が増幅しなければよいため、必ずしも逆位相とならなくてもよい。

以上のような構成により、エンジン１２の高回転時の場合、主管１８と分岐管２２との経路長差による位相差（δ１；図２（Ａ）、（Ｂ）参照）によって、主経路１６を流れる排気ガスＢの圧力波Ｐ１（図２（Ａ）参照）で示す圧力変動を圧力波Ｐ３（図２（Ｃ）参照）で示す圧力変動に減少させ、合流経路３８を流れる排気ガスＦによる騒音（排気音）を低減させている。

これに対して、エンジン１２の低回転時では、高回転時のときよりも周波数が低くなり周期が長くなる。このため、例えば、主管１８と分岐管２２との経路長差による位相差（δ２；図３（Ａ）、（Ｂ）参照）では、排気ガスＥの圧力波Ｑ２（図３（Ｂ）参照）を合流部４２で排気ガスＢの圧力波Ｑ１（図３（Ａ）参照）に干渉させても圧力波Ｑ３（図３（Ｃ）参照）で示す圧力変動による音圧は低減されにくい。つまり、エンジン１２の低回転時では、排気ガスＥの圧力波Ｑ２と排気ガスＢの圧力波Ｑ１との間でさらに位相をずらす必要がある。

ここで、前述のように、分岐管２２には熱交換器２４が設けられ、分岐管２２内の分岐経路２０を流れる排気ガスＣは冷却される。下記の式（１）により、気体中では、音速は温度に依存することが分かる。

つまり、当該排気ガスＣは、冷却されることによって、熱交換器２４よりもガス流動方向の下流側において分岐管２２内の分岐経路２０及び分流経路４０を流れる排気ガスＥの音速が低下する。これにより、排気ガスＥの圧力波Ｑ２’（図４（Ｃ）参照）の移動距離は短くなり、当該排気ガスＥの圧力波Ｑ２’の位相は、圧力波Ｑ２（図４（Ｂ）参照）に対して位相遅れ（δ３；図４（Ｂ）、（Ｃ）参照）の状態となる（熱回収による位相差）。

すなわち、前述した経路長差による位相差に加え、熱回収により位相差を生じさせることによって、排気ガスＥの圧力波Ｑ２’ （図４（Ｃ）参照）の位相は、主経路１６を流れる排気ガスＢの圧力波Ｑ１（図４（Ａ）参照）に対して、位相遅れ（δ２＋δ３；図４（Ａ）〜（Ｃ）参照）の状態となる。その結果、分流経路４０を流れる排気ガスＥの圧力波Ｑ２’の位相は、主経路１６を流れる排気ガスＢの圧力波Ｑ１に対して逆位相となり、排気ガスＥの圧力波Ｑ２’が排気ガスＢの圧力波Ｑ１に干渉することによって圧力波は互いに打ち消し合う。

したがって、合流経路３８を流れ排気ガスＦの圧力波Ｑ３’（図４（Ｄ）参照）で示す圧力変動による音圧を効果的に低減させることができる。なお、熱交換器２４による熱回収量は、前述のように、バルブの開度によって変わる。このため、排気ガスＢの圧力波Ｑ１（図４（Ａ）参照）の位相に対して排気ガスＥの圧力波Ｑ２’（図４（Ｃ）参照）が略逆位相となるように熱回収による位相差δ３は調整される。

以上のように、本実施形態では、熱交換器２４を利用することによって、当該熱交換器２４が設けられていない場合と比較して、分流経路４０を流れる排気ガスＥの圧力波Ｑ２’ （図４（Ｃ）参照）の位相を、排気ガスＢの圧力波Ｑ１（図４（Ａ）参照）の位相に対してさらにずらすことができる。この状態で、排気ガスＢに排気ガスＥを合流させることで、両者の干渉により合流経路３８を流れる排気ガスＦの圧力波Ｑ３’（図４（Ｄ）参照）で示す圧力変動による音圧が低減され、消音効果を得ることができる。

すなわち、本実施形態によれば、エンジン１２の高回転時において、主管１８の主経路１６と、分岐管２２の分岐経路２０及び分流経路４０との間で生じる経路長差により合流経路３８を流れる排気ガスＦの圧力波Ｐ３（図２（Ｃ）参照）で示す圧力変動による音圧を低減させることができる。さらに、エンジン１２の低回転時において、当該経路長差に加え、熱交換器２４による排気ガスＣの熱回収を行うことによって、合流経路３８を流れる排気ガスＦの圧力波Ｑ３’（図４（Ｄ）参照）で示す圧力変動による音圧を低減させることができる。

したがって、本実施形態によれば、図５に示されるように、エンジン１２の低回転時から高回転時に亘って排気ガスの音圧レベルを低減させることができる。つまり、熱交換器２４での熱交換量を制御することにより、エンジン１２の低回転時において特に効果を得ることができ、消音器２６を変更することなく、消音する周波数を変更することができる。

以上のように、本実施形態による排気系消音装置１０によれば、排気音の消音を図るため共鳴室を有する大容量のマフラーは不要となり、排気系消音装置１０の小型化及び軽量化を図ることができる。また、熱交換器２４の熱回収特性を利用して車両の燃費向上と騒音低減による静粛性の確保を両立させることができる。さらに、本実施形態では、消音器２６において、分流経路４０を延長させずに消音量を確保することができるため、室内空間と静粛性を両立させることができる。

１０排気系消音装置
１２エンジン
１６主経路
２０分岐経路
２１分岐部
２４熱交換器
２６消音器
３８合流経路
４０分流経路
４０Ａ分流経路
４０Ｂ分流経路
４２合流部
Ａ排気ガス
Ｂ排気ガス
Ｃ排気ガス
Ｅ排気ガス
Ｆ排気ガス

Claims

エンジンから排出された排気ガスが流れる主経路と、
前記主経路の分岐部から分岐され、前記排気ガスの一部が流れる分岐経路と、
前記分岐経路の排気ガスの流れる方向に沿った下流側に設けられ、当該分岐経路を流れる排気ガスと冷却媒体との間で熱交換を行う熱交換器と、
前記分岐経路の排気ガスの流れる方向に沿った前記熱交換器の下流側に設けられ当該分岐経路と繋がり分流経路を構成する消音器と、
前記消音器内に設けられ、一方が前記主経路と繋がると共に他方が当該消音器の出口部と繋がり、当該主経路と前記分流経路が合流する合流部で排気ガスが合流して流れる合流経路と、
を備え、
前記分岐経路及び前記分流経路の経路長は、前記主経路の前記分岐部から前記合流部までの経路長よりも長く設定された排気系消音装置。