JP2017166333A - 排気音低減装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マフラーの排気口で発生する排気音を低減できる、メンテナンスが容易な排気音低減装置を提供する。【解決手段】排気音低減装置２０は、内燃機関１４が排出する排気ガスにより生じる音を低減するマフラー１６の排気口１８に装着され、排気口１８で発生する排気音を低減する排気音低減装置（消音器３０）を有する。排気音低減装置は、騒音対策が必要な工事現場等で必要に応じ装着すれば良く、音源の周波数や、要求される排気音低減効果に合わせて適宜交換できる。【選択図】図１

Description

本発明は、排気音低減装置に関する。

下記特許文献１には、建設機械のエンジンマフラーの近傍にスピーカを設け、エンジンマフラーから外気に排出される排気の騒音と逆位相の音をスピーカから出して、騒音を低減させる騒音消音装置が開示されている。

特開２０１０−２４８７６号公報

しかし、上記特許文献１の騒音消音装置は精密機器であるため、メンテナンスが容易ではない。

本発明は上記事実を考慮して、マフラーの排気口で発生する排気音を低減できる、メンテナンスが容易な排気音低減装置を提供することを目的とする。

請求項１の排気音低減装置は、内燃機関が排出する排気ガスにより生じる音を低減するマフラーの排気口に装着され、前記排気口で発生する排気音を低減する排気音低減手段を有する。

請求項１に記載の排気音低減装置は、騒音対策が必要な工事現場で、例えば、騒音対策が十分でない建設重機のマフラーを防音マフラーに取り替えることなく、排気音低減装置の排気音低減手段をマフラーの排気口に装着するだけで、マフラーの排気口で発生する排気音を低減できる。

また、排気音低減手段はマフラーの排気口に装着されるため、音源の周波数や、要求される排気音低減効果に合わせて適宜交換することができる。このため、精密機器を用いずに様々な排気音を低減することができる。したがって排気音低減手段のメンテナンスが容易である。

さらに、例えば排気音と逆位相の音をスピーカから出して排気音を低減する従来技術では、電源が必要なうえスピーカから出る音の位相がずれると排気音が増幅される虞がある。これに対して請求項１に記載の排気音低減装置は電源が不要であり、排気音を増幅する虞がない。

請求項２の排気音低減装置は、請求項１に記載の排気音低減装置において、前記排気音低減手段は、取り込まれた排気音を低減する消音器と、前記消音器と前記排気口とをつなぎ排気音を前記消音器へ伝える導波管と、を有する。

請求項２に記載の排気音低減装置は、排気口と消音器とを導波管でつないで構成される。このため、排気口に消音器を直接接続する構成と比較すると、消音器の設置場所に制約を受けない。

請求項３の排気音低減装置は、請求項２に記載の排気音低減装置において、前記消音器は、前記導波管が接続され、管壁に貫通孔が形成された消音管と、前記消音管を取り囲み、前記貫通孔から排気音が排出される空間を備えた筒体と、前記空間に充填された吸音材と、を有する。

請求項３の排気音低減装置によると、排気音は消音管の貫通孔を介して筒体の空間へ放出される。この空間には吸音材が充填されているため、排気音低減効果を高めることができる。

本発明に係る排気音低減装置は、マフラーの排気口で発生する排気音を低減でき、メンテナンスが容易である。

（Ａ）は本発明の第１実施形態に係る排気音低減装置が建設重機のマフラーの排気口に装着された状態を示す側面図であり、（Ｂ）は背面図である。 本発明の第１実施形態に係る排気音低減装置を示す断面図であり、（Ａ）は排気流路に沿った方向の断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線で示す排気流路に直交する方向の断面図である。 本発明の第２実施形態に係る排気音低減装置を示す断面図であり、（Ａ）は排気流路に沿った方向の断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線で示す排気流路に直交する方向の断面図である。 （Ａ）は吸音マフラーと共鳴マフラーの排気音低減効果を示す表であり、（Ｂ）は（Ａ）の表に示された値をプロットしたグラフである。

［第１実施形態］
図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、第１実施形態の排気音低減装置２０は、建設重機１２の内燃機関（エンジン）１４が排出する排気ガスにより生じる音を低減するマフラー１６の排気口１８に着脱可能に装着される。図１（Ａ）、（Ｂ）には建設重機１２の一例として油圧ショベルが示されているが、排気音低減装置２０は、クレーン、ブルドーザ、ダンプトラック、杭打機などの建設重機、あるいはガソリン機関、ガスタービンなど各種の内燃機関を備えた機械に装着することができる。

（排気音低減装置）
図２（Ａ）に示すように、排気音低減装置２０は、取り込まれた排気音を低減する消音器３０と、消音器３０と建設重機１２に装着されたマフラー１６（図１参照）の排気口１８とをつなぎ排気音を消音器３０へ伝える導波管４０と、消音器３０の排気流路下流側に接続され、排気を外部へ排出する排出管６０と、を備えている。なお、消音器３０及び導波管４０は、本発明における排気音低減手段の一例である。

（消音器）
消音器３０は、導波管４０が接続された消音管３２と、消音管３２の周囲を取り囲み、消音管３２との間に吸音空間３４Ａを形成するカバー３４と、を備えている。図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、消音器３０は、建設重機１２の車体上部に金属製の治具３１を用いて据え付けられる。治具３１は、消音器３０を保持する保持部と、建設重機１２の車体に固定される脚部とを備えており、脚部は建設重機１２の車体にマグネット、ボルト、接着剤、粘着シートなどを用いて固定されている。

消音管３２は耐熱鋼板を湾曲させて円筒状に形成され、管壁には規則的に貫通孔３２Ｃが配列されている。貫通孔３２Ｃは消音管３２の内部空間３２Ａと吸音空間３４Ａとを連通している。なお、本実施形態においては消音管３２に用いる耐熱鋼としてＳＵＨ４０９を用いているが、ＳＵＨ２１、ＳＵＨ４０９Ｌ等のフェライト系耐熱鋼、ＳＵＨ３０９、ＳＵＨ６６０などのオーステナイト系耐熱鋼などを用いてもよい。これらの耐熱鋼を用いることにより、高温排気に対する耐久性が確保される。

カバー３４は、鋼板を湾曲させて楕円筒状に形成された筒状部３６と、筒状部３６の両側の端部３６Ａにそれぞれ接合され、吸音空間３４Ａを閉塞する１対の蓋部３８と、を備えている。蓋部３８の端部３８Ａは筒状部３６の端部３６Ａに嵌め込まれている。また、蓋部３８には取付孔３８Ｂが形成され、取付孔３８Ｂには、消音管３２が嵌め込まれている。なお、本実施形態においては筒状部３６及び蓋部３８に用いる鋼板としてＳＵＳ３０４を用いているが、これを消音管３２と同様に耐熱鋼板（ＳＵＨ４０９）としてもよい。

図２（Ｂ）に示すように、消音管３２の中心Ｏ１とカバー３４の中心Ｏ２とは、互いにずらして配置され、消音管３２の中心Ｏ１から消音管３２の径方向に沿ってカバー３４の内周面へ向かって引いた直線上の、消音管３２の外周面からカバー３４の内周面までの距離Ｌが、消音管３２の円周方向で不均一とされている（例えば図２（Ｂ）に示すＬ１、Ｌ２）。

消音管３２とカバー３４との間に形成された吸音空間３４Ａには、吸音材としてのグラスウール９０が充填されている。グラスウール９０の密度は、求められる吸音効果により適宜設定することができるが、一般的には密度が大きくなれば吸音効果が高くなる傾向がある。なお、吸音材としてグラスウール９０のほか、ロックウール、ＳＵＳウールなどを用いることができる。第１実施形態の排気音低減装置２０は、このような吸音材を用いて構成することにより、排気音を吸音して低減する吸音マフラーとされている。

また排気音低減装置２０では、排気ガスが導波管４０から消音管３２へ流れた際に、流路面積が導波管４０の断面積からカバー３４の断面積に拡張される。このため排気ガスの速度および圧力が低減され、また、カバー３４の内周面で排気音が反射され、低い周波数帯域の排気音が低減される。このように排気音低減装置２０は、拡張型マフラーとしても作用する。

（導波管）
導波管４０は、消音器３０の消音管３２に接続され、一定範囲の曲率で湾曲可能なアルミ製のフレキシブルダクトで形成された導波部４２と、導波部４２と建設重機１２におけるマフラー１６（図１（Ａ）、（Ｂ）参照）の排気口１８とを接続固定する継手部４４と、を備えている。導波部４２の長さは自由に設定可能とされており、消音器３０は、図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように建設重機１２の車体上部の任意の位置に配置できるほか、建設重機１２の車体上部に限られず、建設重機１２が配置される地盤面ＧＬなどの場所に配置することができる。なお、導波部４２の材質としては亜鉛メッキ鋼板やＳＵＳ３０４などの金属材料を適宜用いることができる

導波部４２の一方の端部４２Ｂは消音管３２の端部３２Ｂに嵌め込まれており、導波部４２の他方の端部４２Ａは、継手部４４の端部４４Ａに嵌め込まれている。本実施形態において導波部４２は、消音管３２や継手部４４に嵌め込まれた状態で容易に脱落することのない程度に、十分な剛性を備えているものとされている。但し、導波部４２をこのような剛性を備えていない材料で形成する場合は、導波部４２の管径を消音管３２の端部３２Ｂ及び継手部４４の端部４４Ａよりも大径とし、消音管３２の端部３２Ｂ及び継手部４４の端部４４Ａの外周面側を被覆して例えば締結バンドなどで固定してもよい。

なお、導波部４２は、排気ガスが通過しても建設重機１２、内燃機関１４、マフラー１６の性能に支障を来さない程度の十分な管径を有するものとされている。また、建設重機１２におけるマフラー１６（図１参照）の排気口１８に消音管３２を接続することができれば、導波管４０は省略することができる。導波管４０を省略することで、排気音低減装置２０の構成を単純化することができる。

継手部４４は、一方の端部４４Ａに導波部４２の端部４２Ａが嵌め込まれ、他方の端部４４Ｂに建設重機１２におけるマフラー１６（図１参照）の排気口１８が嵌め込まれて構成されている。

継手部４４は、管径の異なる導波部４２と排気口１８とを接続するため、内径を導波部４２の外径と略同一の径から排気口１８の外径と略同一の径へと拡径させる拡径部４４Ｃを備えている。なお、導波部４２の外形と排気口１８の外形とが等しい場合は、この拡径部４４Ｃは省略することができる。

（排出管）
排出管６０は、消音器３０における消音管３２の排気下流側の端部３２Ｂ（導波管４０が接続される側と反対側の端部）に一方の端部６０Ｂが嵌め込まれている。また、端部６０Ｂから他方の端部６０Ａにかけては、略Ｕ字状の湾曲部６０Ｃが形成されている。このため、図２に矢印Ｍで示す方向へ流れて消音管３２を通過した排気ガス及び排気音は、排出管６０を通過する過程で、矢印Ｍと逆向きの矢印Ｎで示される方向へ流れる。このため、例えば排出管６０に湾曲部６０Ｃが形成されない場合と比べて、排気音低減装置２０をコンパクトに構成することができる。

（作用及び効果）
第１実施形態の排気音低減装置２０によると、消音器３０、導波管４０、排出管６０を予め工場で組み立てておけば、例えば建設現場などにおいて、導波管の継手部４４を建設重機１２おけるマフラー１６（図１参照）の排気口１８に装着するだけで、排気口で発生する排気音を低減できる。

また、図２（Ｂ）に示すように、消音管３２の中心Ｏ１から消音管３２の径方向に沿ってカバー３４の内周面へ向かって引いた直線上の、消音管３２の外周面からカバー３４の内周面までの距離Ｌが、消音管３２の円周方向で不均一とされている。このため、消音管３２の貫通孔３２Ｃから吸音空間３４Ａへ排出された排気音が、カバー３４の内周面に至るまでの間に通過するグラスウール９０の厚みは、消音管３２の円周方向で不均一となる。

グラスウールの厚みが厚い場合は、薄い場合と比較して、低い周波数帯域の吸音効果が高い。消音器３０では、消音管３２の中心Ｏ１とカバー３４の中心Ｏ２とを互いにずらして配置することで、中心Ｏ１と中心Ｏ２とが互いに一致する場合と比較してグラスウール９０の厚みが厚い部分を設け、低い周波数帯域の吸音効果を高めている。

また、図２（Ａ）に示されるように、消音管３２の排気下流側に排出管６０を追加することで、排気音低減装置２０全体の共鳴周波数が下がる。これにより低い周波数帯域まで排気音の低減効果を発揮する。このため、排気音低減装置２０は、排出管６０によっても、排気音の低減効果を得ることができる。

なお、本実施形態において排出管６０には湾曲部６０Ｃが設けられているが、本発明の実施形態はこれに限られない。例えば排出管６０には湾曲部６０Ｃを設けずに、排出管６０を直管として構成してもよい。湾曲部６０Ｃを設けなくても、排気音を低減することができる。

また、本実施形態において排出管６０は、管径すなわち流路面積が一定とされているが、本発明の実施形態はこれに限られない。例えば排出管６０には、流路面積が大きくなる拡径部を設けてもよい。拡径部を設けることにより、排気音の低減効果を高めることができる。

さらに、本実施形態において排出管６０は消音器３０に嵌め込まれているものとしたが、本発明の実施形態はこれに限られない。例えば、消音器３０や導波管４０を省略し、排出管６０を直接、建設重機１２におけるマフラー１６（図１参照）の排気口１８に接続してもよい。排出管６０を直接排気口１８に接続しても、排気音の低減効果を得ることができる。この場合の排出管６０についても、湾曲部６０Ｃの有無は適宜選択することができる。なお、消音器３０や導波管４０を省略した場合、この排出管６０が、本発明における排気音低減手段となる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る排気音低減装置２２について説明する。なお、第１実施形態と同一の構成については、同一の符号を用いることとして、説明を省略する。第２実施形態の排気音低減装置２２は、建設重機１２の内燃機関（エンジン）１４が排出する排気ガスにより生じる音を低減するマフラー１６の排気口１８に着脱可能に装着される、共鳴マフラーとされている（図１参照）。

（排気音低減装置）
図３（Ａ）に示すように、排気音低減装置２２は、取り込まれた排気音を低減する消音器７０と、消音器７０と建設重機１２におけるマフラー１６（図１参照）の排気口１８とをつなぎ排気音を消音器７０へ伝える導波管４０と、消音器７０に接続され、排気を排出する排出管６０と、を備えている。なお、消音器７０及び導波管４０は、本発明における排気音低減手段の一例である。

（消音器）
消音器７０は、導波管４０が接続された消音管７２と、消音管７２の周囲を取り囲み、消音管７２との間に共鳴空間７４Ａ、７４Ｂを形成するカバー７４と、を備えている。共鳴空間７４Ａ、７４Ｂは、消音管７２の軸方向と直交する方向に配置された仕切板７５によって互いに仕切られており、それぞれの体積は略同一に形成されている。

消音管７２は耐熱鋼板を湾曲させて円筒状に形成され、管壁からは消音管７２の内部空間７２Ｃと共鳴空間７４Ａ、７４Ｂとをそれぞれ連通する枝管７２Ａ、７２Ｂが突出している。枝管７２Ａ、７２Ｂの内径はそれぞれ消音管７２の内径よりも小径とされ、また、枝管７２Ａの内径は枝管７２Ｂの内径よりも小径とされている。

枝管７２Ａ、７２Ｂには、調整管８０Ａ、８０Ｂを取付けることができる。調整管８０Ａ、８０Ｂは、それぞれ内径が枝管７２Ａ、７２Ｂの外径と略同一とされており、枝管７２Ａ、７２Ｂを嵌め込んだ状態において、任意の位置で固定することができる。固定方法は特に限定されないが、例えば調整管８０Ａ、８０Ｂに雌ネジを備えた貫通孔８２を形成し、この貫通孔８２にはボルト８４を螺合して、ボルト８４の先端で枝管７２Ａ、７２Ｂの外周面を押圧することにより、調整管８０Ａ、８０Ｂを枝管７２Ａ、７２Ｂに固定することができる。このように、調整管８０Ａ、８０Ｂを用いることで、枝管７２Ａ、７２Ｂの長さが可変とされている。なお、排気音低減装置２２を設置した現場で調整管８０Ａ、８０Ｂの固定位置を調整するためには、カバー７４の蓋部７８を取り外し、共鳴空間７４Ａ、７４Ｂを開放して作業する。

（作用及び効果）
第２実施形態の排気音低減装置２２によると、消音器７０は、共鳴空間７４Ａと枝管７２Ａとによって、共鳴器８６Ａを構成する。これにより、共鳴器８６Ａの固有周波数（共鳴周波数）に近い周波数を持つ排気音を集中的に低減することができる。

この共鳴器８６Ａの共鳴周波数ｆは、枝管７２Ａの断面積Ｓの平方根（√Ｓ）に比例し、共鳴空間７４Ａの体積Ｖの平方根（√Ｖ）と、枝管７２Ａの長さＬの平方根（√Ｌ）に反比例する。すなわち、
ｆ∝√（Ｓ／（Ｖ・Ｌ））・・・式（１）
が成り立っている。このとき、枝管７２Ａの長さＬが長くなれば、共鳴周波数ｆは小さくなり、枝管７２Ａの長さＬが短くなれば、共鳴周波数ｆは大きくなる。

第２実施形態の排気音低減装置２２では、枝管７２Ａは、調整管８０Ａによって長さが可変とされ、このため、共鳴器８６Ａの共鳴周波数ｆを変えることができる。したがって、排気音の周波数にあわせて共鳴器８６Ａの共鳴周波数ｆを設定し、共鳴器８６Ａを共鳴させることにより、効率よく排気音を低減することができる。

また、消音器７０は、共鳴器８６Ａと同様に、共鳴空間７４Ｂと枝管７２Ｂとによって、共鳴器８６Ｂを構成する。さらに、枝管７２Ｂは、調整管８０Ｂによって、長さが可変とされている。したがって、共鳴器８６Ａと共鳴器８６Ｂとが互いに近い周波数の排気音
に対して共鳴するように調整管８０Ａ、８０Ｂの位置を調整することで、特定の周波数の排気音の低減効果を高めることができる。あるいは、共鳴器８６Ａと共鳴器８６Ｂとが互いに異なる周波数の排気音に対して共鳴するように調整管８０Ａ、８０Ｂの位置を調整することで、広い周波数域の排気音の低減効果を得ることができる。

なお、本実施形態においては、カバー７４の内部に、共鳴空間を２つ（共鳴空間７４Ａ、７４Ｂ）設けているが、本発明の実施形態はこれに限られない。例えばカバー７４の内部空間を仕切板７５で仕切らずに、共鳴空間を１つのみ設けるものとしてもよい。この場合、上述の式（１）における共鳴空間の体積Ｖが大きくなるので、共鳴周波数は小さくなる。

あるいは、仕切板７５の数を増やして共鳴空間を３つ以上形成し、それぞれの共鳴空間を、枝管を介して消音管７２の内部空間７２Ｃと連通させてもよい。この場合、上述の式（１）における共鳴空間の体積Ｖが小さくなるので、共鳴周波数は大きくなる。

また、消音器７０の軸方向に沿った全長を大きくして、体積の大きな共鳴空間を複数形成するなど、共鳴空間の大きさ、個数については適宜選択することができる。このように、共鳴空間を複数、適宜の大きさで構成することで、卓越周波数が複数存在する排気音についても、効果的に低減することができる。なお、調整管をつけない状態で、排気音の卓越周波数と共鳴器の共鳴周波数が一致している場合、調整管は必ずしも必要ではない。さらに、共鳴空間の内部には、グラスウールやロックウールなどを充填してもよい。

［性能試験］
本発明の実施形態にかかる排気音低減装置２０、６０の排気音低減効果を実証するために、下記に示す試験を実施した。

試験ではまず、排気音低減装置を装着しない状態で、ラフタークレーンのエンジンの回転数（ｒｐｍ）を変えて音圧レベル（ｄＢ）を測定した。
音圧レベルを測定するエンジンの回転数は、アイドリング運転時の回転数７００ｒｐｍ、中速回転時の回転数１８００ｒｐｍ、高速回転時の回転数２４００ｒｐｍとした。また、音圧レベルを測定する対象周波数（Ｈｚ）としては、それぞれのエンジン回転数に応じた卓越周波数とした。卓越周波数は、回転数７００ｒｐｍで周波数３１．５Ｈｚ及び周波数６３Ｈｚ、回転数１８００ｒｐｍで周波数８０Ｈｚ、回転数２４００ｒｐｍで周波数８０Ｈｚであった。

次いで、ラフタークレーンのマフラーの排気口に排気音低減装置２０、６０を装着し、エンジンの回転数を変えて音圧レベルを測定した。音圧レベルを測定するエンジンの回転数、周波数は、上述と同様である。

図４（Ａ）に示された表には、ラフタークレーンのマフラーの排気口に排気音低減装置を装着しない場合の音圧レベルと、この排気口に第１実施形態の排気音低減装置２０の一例である吸音マフラーを装着した場合の音圧レベルとの差が、エンジンの回転数毎、及び周波数毎に記載されている。同様に、ラフタークレーンのマフラーの排気口に排気音低減装置を装着しない場合の音圧レベルと、この排気口に第２実施形態の排気音低減装置２２の一例である共鳴マフラーを装着した場合の音圧レベルとの差が、エンジンの回転数毎、及び周波数毎に記載されている。

また、図４（Ｂ）に示されたグラフには、図４（Ａ）の表に示された値（音圧レベル差）が周波数毎にプロットされている。

図４（Ａ）、（Ｂ）によると、ラフタークレーンのマフラーの排気口に、第１実施形態の排気音低減装置２０の一例である吸音マフラー、第２実施形態の排気音低減装置２２の一例である共鳴マフラーの何れを装着した場合も、排気音低減装置を装着しない場合と比較して、１０ｄＢ以上の排気音が低減されている。

なお、排気音低減装置を装着しない場合における各周波数の音圧レベルは周波数３１．５Ｈｚで７８．７ｄＢ、周波数６３Ｈｚで７３．１ｄＢ、周波数８０Ｈｚで８４．４ｄＢ、周波数１２５Ｈｚで８７．２ｄＢであった。

つまり、周波数８０Ｈｚの音圧レベルは、排気音低減装置を装着しない場合においては８４．４ｄＢであったが、共鳴マフラーをつけることで図４（Ａ）に示された値１９．５ｄＢ低減され、６４．９ｄＢとなった。

このように、本発明の実施形態に係る排気音低減装置２０、６０をマフラーの排気口に装着した場合、排気音低減装置を装着しない場合と比較して、排気音が低減される。

１４ 内燃機関
１６ マフラー
１８Ａ 排気口
２０、２２ 排気音低減装置
３０、７０ 消音器
３２ 消音管
３２Ｃ 貫通孔
３４ カバー（筒体）
３４Ａ 吸音空間（空間）
４０ 導波管
９０ グラスウール（吸音材）

Claims (3)

1. 内燃機関が排出する排気ガスにより生じる音を低減するマフラーの排気口に装着され、前記排気口で発生する排気音を低減する排気音低減手段を有する排気音低減装置。
2. 前記排気音低減手段は、
   取り込まれた排気音を低減する消音器と、
   前記消音器と前記排気口とをつなぎ排気音を前記消音器へ伝える導波管と、
   を有する請求項１に記載の排気音低減装置。
3. 前記消音器は、
   前記導波管が接続され、管壁に貫通孔が形成された消音管と、
   前記消音管を取り囲み、前記貫通孔から排気音が排出される空間を備えた筒体と、
   前記空間に充填された吸音材と、
   を有する請求項２に記載の排気音低減装置。

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