JP2019163754A - 内燃機関の排気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気管の構造を殆ど変更することなく、排気の圧力脈動による排気管の騒音を低減することが可能な内燃機関の排気装置の提供にある。【解決手段】エンジンから排出される排気が流れる排気経路に設けられたタービンを有するターボチャージャ１５と、排気経路におけるタービン２３の下流側に設けられ、排気が流れる第２排気管２５と、を備える内燃機関の排気装置において、排気経路におけるタービン２３の出口には第１サイドブランチ３３、第２サイドブランチ３４を有するサイドブランチ型消音器２４が接続されており、エンジンから排出されてタービン２３を通過する排気は、サイドブランチ型消音器２４を介して第２排気管へと流入する。【選択図】 図２

Description

この発明は、ターボチャージャおよび排気管を備えた内燃機関の排気装置に関する。

内燃機関の排気装置に関係する従来技術としては、例えば、特許文献１に開示されたサイドブランチ型サイレンサーが知られている。特許文献１に開示されたサイドブランチ型サイレンサーは、減音する周波数帯域を広げるために、減音させようとする周波数の波長λに対し、その長さλ（２ｎ−１）／４もしくはその前後のブランチを２本以上取り付けている。そして、このサイドブランチ型サイレンサーは、このブランチの取り付け間隔を減音させようとする周波数の波長λに対し、λ（２ｎ−１）／４もしくはその前後にとっている。

実開昭５０−１１１０４号公報

ところで、ターボチャージャを備えた内燃機関では、燃焼後の排気は、ターボチャージャのタービンを通過した後、排気管を通って外部へ排出される。ターボチャージャから排気管を通る排気には圧力脈動が生じている。排気の圧力脈動は、排気管を振動させ易くする複数の周波数を含んでいる場合がある。排気管を振動させ易くする複数の周波数を含む圧力脈動は、排気管に共振（共鳴）を発生させ、排気管において振動や異音を発生させる。特に、内燃機関が車両に搭載される場合、取り付け先である車体に合わせて製作された排気管は強度やスペースの制約を受けるので、特許文献１のサイドブランチ型サイレンサーを排気管に適用することは困難である。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、排気管の構造を殆ど変更することなく、排気の圧力脈動による排気管の騒音を低減することが可能な内燃機関の排気装置の提供にある。

上記の課題を解決するために、本発明は、エンジンから排出される排気が流れる排気経路に設けられたタービンを有するターボチャージャと、前記排気経路における前記タービンの下流側に設けられ、排気が流れる排気管と、を備える内燃機関の排気装置において、前記排気経路における前記タービンの出口にはサイドブランチを有するサイドブランチ型消音器が接続されており、前記エンジンから排出されて前記タービンを通過した排気は、前記サイドブランチ型消音器を介して前記排気管へと流入することを特徴とする。

本発明では、サイドブランチを有するサイドブランチ型消音器が、排気経路におけるターボチャージャのタービンの出口に接続されている。このため、エンジンから排出されてタービンを通過した排気に含まれ、排気管を共振させ易くする特定の周波数は、サイドブランチによる共鳴によって消音される。従って、サイドブランチ型消音器を排気経路におけるターボチャージャのタービンの出口に接続したことにより、排気管の構造を殆ど変更することなく排気管に発生する騒音を低減できる。

また、上記の内燃機関の排気装置において、前記サイドブランチ型消音器は、前記排気が流れる排気通路を備える消音器本体と、前記消音器本体に備えられ、前記排気通路に連通する長さの異なる複数の前記サイドブランチと、を有している構成としてもよい。
この場合、排気管を共振させ易くする特定の周波数がタービンを通過した排気に複数含まれる場合でも、複数の特定の周波数に合わせて設けた長さの異なるサイドブランチによって複数の特定の周波数を消音することができる。

また、上記の内燃機関の排気装置において、前記消音器本体は、前記排気通路の径方向外側へ向けて拡大するフランジ部を有し、前記フランジ部に前記サイドブランチが形成されている構成としてもよい。
この場合、消音器本体は、消音器本体の径方向外側へ向けて拡大するフランジ部を有することにより、サイドブランチ型消音器の排気経路の延在方向の長さを長くすることなくサイドブランチを設けることができる。

本発明によれば、排気管の構造を殆ど変更することなく、排気の圧力脈動による排気管の騒音を低減することが可能な内燃機関の排気装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る内燃機関の排気装置の概要を示す構成図である。 本発明の実施形態に係るサイドブランチ型消音器の縦断面図である。 本発明の実施形態に係るサイドブランチ型消音器の分解斜視図である。 （ａ）は排気圧力の周波数と圧力脈動の強さとの関係を模式的に示すグラフ図であり、（ｂ）は第２排気管における排気放射音の周波数と排気放射音の強さとの関係を模式的に示すグラフ図である。

以下、本発明の実施形態に係る内燃機関の排気装置について図面を参照して説明する。本実施形態の内燃機関は、直列４気筒のコモンレール式のディーゼルエンジンであり、車両に搭載される車載用エンジンである。

図１に示すディーゼルエンジン１０は、エンジン本体１１と、エアクリーナ１２と、インタークーラ１３と、吸気マニホールド１４と、ターボチャージャ１５と、排気マニホールド１６と、を備えている。エンジン本体１１は、複数の気筒１７を備えるほか、コモンレール（図示せず）と、複数のインジェクタ（図示せず）と、を備えている。

エアクリーナ１２は、第１吸気管１８の一方の端部に接続されており、ディーゼルエンジン１０の外部から吸入される空気から異物を除去する。第１吸気管１８の他方の端部は、ターボチャージャ１５のコンプレッサ１９の入口に接続される。コンプレッサ１９の出口は、第２吸気管２０の一方の端部に接続されている。コンプレッサ１９の詳細については後述する。

第２吸気管２０の他方端は、インタークーラ１３の入口に接続されている。インタークーラ１３は、第２吸気管２０を流通する空気を冷却する空冷式あるいは水冷式の熱交換器である。インタークーラ１３の出口は、第３吸気管２１の一方の端部に接続されている。第３吸気管２１の他方の端部は、吸気マニホールド１４に接続されている。吸気マニホールド１４は、エンジン本体１１の複数の気筒１７の各々の吸気ポートに連結されている。

排気マニホールド１６は、エンジン本体１１の複数の気筒１７の各々の排気ポートに連結されている。排気マニホールド１６は、第１排気管２２の一方の端部に接続されている。第１排気管２２の他方の端部は、ターボチャージャ１５のタービン２３の入口に接続されている。そのため、各気筒１７の排気ポートから排出される排気は、排気マニホールド１６に集められた後、第１排気管２２を通じてタービン２３に供給される。第１排気管２２は鉄系材料により形成されている。

ターボチャージャ１５は、コンプレッサ１９と、タービン２３と、を有している。タービン２３の出口は、サイドブランチ型消音器２４の一方の端部に接続されている。サイドブランチ型消音器２４の他方の端部は、第２排気管２５の一方の端部に接続されている。サイドブランチ型消音器２４の詳細については後述する。第２排気管２５は鉄系材料により形成されている。タービン２３を通過した排気はサイドブランチ型消音器２４を介して第２排気管２５へと流入し、第２排気管２５から車外に排出される。ディーゼルエンジン１０から排出される排気が流れる排気経路は、排気マニホールド１６と、第１排気管２２と、ターボチャージャ１５と、サイドブランチ型消音器２４と、第２排気管２５と、により構成されている。第１排気管２２および第２排気管２５は耐熱性を有する鉄系材料により形成されている。

コンプレッサ１９のハウジング２６内にはコンプレッサホイール２７が収納され、タービン２３のハウジング２８内にはタービンホイール２９が収容されている。コンプレッサホイール２７とタービンホイール２９とは、連結軸３０によって連結され、コンプレッサホイール２７、タービンホイール２９および連結軸３０は一体的に回転する。コンプレッサホイール２７は、タービンホイール２９に供給される排気の排気エネルギによって回転駆動される。

コンプレッサ１９は、タービンホイール２９によって回転駆動されることによって、コンプレッサ１９よりも上流側の吸気を過給して第２吸気管２０に供給する。これにより、コンプレッサ１９よりも下流側の吸気の圧力は、過給前の吸気の圧力よりも高められる。

本実施形態のディーゼルエンジン１０の排気装置は、ターボチャージャ１５と、第１排気管２２と、第２排気管２５と、を備えているほか、サイドブランチ型消音器２４を備えている。ターボチャージャ１５からの圧力脈動のある排気には第２排気管２５を共振させ易くする複数の周波数を含んでいるが、サイドブランチ型消音器２４は、この複数の周波数を消音するために設けられている。

図２に示すように、サイドブランチ型消音器２４は、排気が流れる排気通路３２を備える消音器本体３１と、消音器本体３１に備えられ、排気通路３２に連通する第１サイドブランチ３３と、第２サイドブランチ３４と、を有している。消音器本体３１は、ターボチャージャ１５側に位置する第１本体部材３５と、第１本体部材３５に接合され、第２排気管２５側に位置する第２本体部材３６と、を有している。第１本体部材３５および第２本体部材３６は、第２排気管２５と同じ鉄系材料を切削加工することによって形成されている。図２における矢印Ｆは排気の流れを示す。

第１本体部材３５は、タービン２３の出口に接続される。第１本体部材３５は、排気通路３２を形成する筒部３７と、筒部３７のターボチャージャ１５に接続される端部には、タービン側フランジ部３８が形成されている。図３に示すように、タービン側フランジ部３８は、タービン２３と接続するために筒部３７の外周面から径方向外側へ延在する鍔状の部材である。タービン側フランジ部３８には、締結用のボルト４０Ａを挿通する通孔３９が形成されている。図２に示すように、タービン側フランジ部３８は、ボルト４０Ａおよびナット４０Ｂによりタービン２３と接続されている。

筒部３７の第２本体部材３６側の端部には、第１フランジ部４１が形成されている。第１フランジ部４１は、次に説明する第２本体部材３６の第２フランジ部５１に接合されることにより、サイドブランチ用のフランジ部を形成する。図３に示すように、第１フランジ部４１は、筒部３７の外周面から径方向外側へ延在する鍔状の部材である。第１フランジ部４１の端面には、第１サイドブランチ３３の半分の容積を形成する凹部４２と、第２サイドブランチ３４の半分の容積を形成する凹部４３が形成されている。第１フランジ部４１には、通孔４４が凹部４２、４３と干渉しない位置に形成されている。通孔４４には第１本体部材３５を第２本体部材３６に接合するための締結用のボルト４５Ａが挿通される。

第２本体部材３６は、第２排気管２５と接続されている。第２本体部材３６は、排気通路３２を形成する筒部４７と、筒部４７の第２排気管２５に接続される端部には、排気管側フランジ部４８が形成されている。排気管側フランジ部４８は、第２排気管２５と接続するために筒部４７の外周面から径方向外側へ延在する鍔状の部材である。図２、図３に示すように、排気管側フランジ部４８には、締結用のボルト５０Ａを挿通する通孔４９が形成されている。図２に示すように、排気管側フランジ部４８は、ボルト５０Ａおよびナット５０Ｂにより第２排気管２５と接続されている。

筒部４７の第１本体部材３５側の端部には、第２フランジ部５１が形成されている。第２フランジ部５１は、第１本体部材３５の第１フランジ部４１に接合されることにより、サイドブランチ用のフランジ部を形成する。第２フランジ部５１は、筒部４７の外周面から径方向外側へ延在する鍔状の部材であり、第２フランジ部５１の端面には、第１サイドブランチ３３の半分の容積を形成する凹部５２と、第２サイドブランチ３４の半分の容積を形成する凹部５３が形成されている。第２フランジ部５１には、通孔５４が凹部５２、５３と干渉しない位置に形成されている。通孔５４には第１本体部材３５を第２本体部材３６に接合するためのボルト４５Ａが挿通される。図２に示すように、第２本体部材３６は、ボルト４５Ａおよびナット４５Ｂにより第１本体部材３５に接続されている。

図２に示すように、第１フランジ部４１および第２フランジ部５１が互いに接合された状態では、フランジ部には第１サイドブランチ３３および第２サイドブランチ３４が形成されている。第１サイドブランチ３３および第２サイドブランチ３４の深さ（長さ）方向は、排気通路３２における排気の流れ方向と直交する方向である。本実施形態では、第１サイドブランチ３３はフランジ部内において下方へ延在し、第２サイドブランチ３４はフランジ部内において上方へ延在している。因みに、第１サイドブランチ３３および第２サイドブランチ３４の位置は、フランジ部の径方向において位置が異なっていれば上下方向に限らず自由である。第１サイドブランチ３３および第２サイドブランチ３４は、フランジ部の径方向において互いに異なる位置に形成されており、排気の流れ方向に対して同じ位置となっている。このため、サイドブランチ型消音器２４の排気の流れ方向の長さは比較的短い。

第１サイドブランチ３３および第２サイドブランチ３４の長さ（深さ）は、次の数式により決定する。
ｆｎ＝〔（２ｎ−１）／４〕×ｃ／Ｌ
（ｎ＝１、２、３・・・）
ｆｎ：共鳴周波数、ｃ：音速、Ｌ：補正後のサイドブランチの長さである。ここで、ターボチャージャ１５を通過した排気には、圧力脈動により第２排気管２５を共振させ易い複数の周波数が含まれている。この圧力脈動による発生する周波数は、ディーゼルエンジン１０の回転数とともに変化し、広い周波数域にわたっているが、第２排気管２５を共振させ易い複数の周波数を減衰することにより、第２排気管２５における振動および異音を防止する。

第２排気管２５を共振させ易い複数の周波数ｆｎ１、ｆｎ２とし、例えば、周波数ｆｎ１が６ｋＨｚとすると、第１サイドブランチ３３の長さＬ１は約１４ｍｍとなる。さらに、周波数ｆｎ２が１２ｋＨｚとすると、第２サイドブランチ３４の長さＬ２は約７ｍｍとなる。この場合、例えば、フランジ部の半径を２０ｍｍとすれば、第１サイドブランチ３３および第２サイドブランチ３４をフランジ部に設けることが可能である。なお、第１サイドブランチ３３および第２サイドブランチ３４の内径は、一定の内径以上であればよく、例えば、排気通路３２の内径の半分程度でよい。

次に、本実施形態のディーゼルエンジン１０の排気装置の作用について説明する。ディーゼルエンジン１０が運転されている状態では、タービンホイール２９が燃焼後の排気により回転され、タービンホイール２９の回転とともにコンプレッサホイール２７が回転される。第１吸気管１８を通じてコンプレッサ１９に導入された吸気はコンプレッサ１９において圧縮され、圧縮された空気は、第２吸気管２０、インタークーラ１３、第３吸気管２１、吸気マニホールド１４を経て気筒１７内に導入される。気筒１７内では燃料が噴射されて自己着火により燃焼され、燃焼後の排気は排気マニホールド１６、第１排気管２２を通じてタービン２３へ供給される。

タービンホイール２９を回転させた排気は、ターボチャージャ１５を通過した後、サイドブランチ型消音器２４、第２排気管２５を経て車外へ排出される。ターボチャージャ１５を通過した排気には、圧力の脈動（圧力脈動）が生じている。

図４（ａ）は、排気圧力の周波数（Ｈｚ）と圧力脈動の強さ（ｄＢ）との関係を模式的に示すグラフ図である。図４（ｂ）は第２排気管２５における排気による放射音（以下「排気放射音」と表記する）の周波数と排気放射音の強さとの関係を模式的に示すグラフ図である。図４（ａ）では、ターボチャージャ１５からの排気の圧力脈動の強さが破線にて示す比較例のように一定である場合、第２排気管２５を共振させ易くする複数の周波数（ｆｎ１、ｆｎ２）を含まれている。この比較例の場合、図４（ｂ）では、破線にて示すように、複数の周波数（ｆｎ１、ｆｎ２）に対応する排気放射音が共振により著しく大きくなる。

本実施形態のサイドブランチ型消音器２４は、第１サイドブランチ３３、第２サイドブランチ３４による共鳴によって、排気に含まれ、第２排気管２５を振動させ易くする複数の周波数（ｆｎ１、ｆｎ２）を消音する。従って、周波数（ｆｎ１、ｆｎ２）の消音により、図４（ａ）に示すように、周波数（ｆｎ１、ｆｎ２）を含む周波数帯における圧力脈動の強さが比較例と比較して大きく低減される。このため、図４（ｂ）では、サイドブランチ型消音器２４により周波数（ｆｎ１、ｆｎ２）が消音されているので、周波数（ｆｎ１、ｆｎ２）を含む周波数帯に対応する排気放射音の強さは比較例と比べて大きく低減される。つまり、サイドブランチ型消音器２４による周波数（ｆｎ１、ｆｎ２）の消音により、第２排気管２５の共振は防止され、共振による第２排気管２５の振動や異音は殆ど無くなる。

本実施形態のディーゼルエンジン１０の排気装置は以下の作用効果を奏する。
（１）排気経路におけるタービン２３の出口には、サイドブランチを有するサイドブランチ型消音器２４が接続されている。このため、ターボチャージャ１５を通過した排気に含まれている第２排気管２５を共振させる特定の周波数帯は、サイドブランチによる共鳴によって消音される。従って、サイドブランチ型消音器２４を排気経路におけるタービン２３の出口に接続したことにより、第２排気管２５の構造を変更することなく第２排気管２５に発生する騒音を低減できる。

（２）サイドブランチ型消音器２４は、排気が流れる排気通路３２を備える消音器本体３１と、消音器本体３１に備えられ、排気通路３２に連通する長さの異なる第１サイドブランチ３３と第２サイドブランチ３４と、を有している。このため、第２排気管２５を共振させる複数の特定の周波数帯（ｆｎ１、ｆｎ２）がタービン２３を通過した排気に含まれる場合でも、第１サイドブランチ３３、第２サイドブランチ３４によって複数の周波数帯（ｆｎ１、ｆｎ２）を消音することができる。

（３）消音器本体３１は、消音器本体３１の径方向外側へ向けて拡大するフランジ部を有し、フランジ部に第１サイドブランチ３３、第２サイドブランチ３４が形成されている。このため、消音器本体３１は、消音器本体３１の径方向外側へ向けて拡大するフランジ部を有することにより、第１サイドブランチ３３および第２サイドブランチ３４をフランジ部において排気の流れ方向に対して同じ位置とすることができる。このため、サイドブランチ型消音器２４の排気経路の延在方向の長さを長くすることなくサイドブランチを設けることができる。

（４）消音器本体３１にフランジ部を設けたことにより、第１サイドブランチ３３および第２サイドブランチ３４の位置は、フランジ部の径方向において位置が異なっていれば、上下方向に限らず自由な位置に設けることができる。また、消音器本体３１は、第１本体部材３５と、第１本体部材３５に接合される第２本体部材３６と、の接合により形成されるので、第１サイドブランチ３３および第２サイドブランチ３４をフランジ部に設け易い。

本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能であり、例えば、次のように変更してもよい。

○ 上記の実施形態では、複数のサイドブランチを備えたサイドブランチ型消音器としたが、この限りではない。サイドブランチ型消音器が有するサイドブランチは１つでもよく、あるいは３つでもよい。サイドブランチは１つ以上であればよい。
○ 上記の実施形態では、ブランチ型消音器の消音器本体は鉄系材料を切削加工することにより形成されたが、消音器本体は、鋳造により形成してもよい。また、排気管と同じ鉄系材料としたがこの限りではない。例えば、排気管と異なる耐熱性を有する金属材料であってもよい。
○ 上記の実施形態では、第１本体部材と第２本体部材からなる消音器本体とし、消音器本体にフランジ部を設けるようにしたが、この限りではない。消音器本体は単一の部材であってもよい。また、フランジ部を設けることなく、消音器本体にサイドブランチを設けるようにしてもよい。

１０ ディーゼルエンジン
１１ エンジン本体
１５ ターボチャージャ
１９ コンプレッサ
２３ タービン
２４ サイドブランチ型消音器
２５ 第２排気管
３１ 消音器本体
３２ 排気通路
３３ 第１サイドブランチ
３４ 第２サイドブランチ
３５ 第１本体部材
３６ 第２本体部材
４１ 第１フランジ部
５１ 第２フランジ部

Claims (3)

1. エンジンから排出される排気が流れる排気経路に設けられたタービンを有するターボチャージャと、
   前記排気経路における前記タービンの下流側に設けられ、排気が流れる排気管と、を備える内燃機関の排気装置において、
   前記排気経路における前記タービンの出口にはサイドブランチを有するサイドブランチ型消音器が接続されており、
   前記エンジンから排出されて前記タービンを通過した排気は、前記サイドブランチ型消音器を介して前記排気管へと流入することを特徴とする内燃機関の排気装置。
2. 前記サイドブランチ型消音器は、
   前記排気が流れる排気通路を備える消音器本体と、
   前記消音器本体に備えられ、前記排気通路に連通する長さの異なる複数の前記サイドブランチと、を有していることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気装置。
3. 前記消音器本体は、前記排気通路の径方向外側へ向けて拡大するフランジ部を有し、
   前記フランジ部に前記サイドブランチが形成されていることを特徴とする請求項２記載の内燃機関の排気装置。

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