JP2020125710A - 消音器 - Google Patents

Abstract

【課題】排気システム全体の流路長を考慮しなくとも安定した消音効果が得られる消音器を提供する。【解決手段】本開示の一態様は、排気ガスの導入口から排出口に向かって排気ガスが流れる主流路と、主流路から分岐する分岐点から、分岐点よりも排気ガスの流れ方向における下流側で主流路に合流する合流点に向かって排気ガスが流れる分岐路と、主流路に設けられ、主流路と、主流路及び分岐路の外部とを連通する連通孔と、を備える消音器である。分岐路の流路長は、主流路における分岐点から合流点までの流路長よりも大きい。連通孔は、分岐点よりも排気ガスの流れ方向における上流側、及び合流点よりも排気ガスの流れ方向における下流側の少なくとも一方に配置される。【選択図】図２

Description

本開示は、消音器に関する。

内燃機関の排気システムにおいて、主流路と分岐路とを有する消音器が知られている（特許文献１参照）。この消音器は、分岐路で発生する音を主流路で発生する音に干渉させることで、音を減衰させる。

特開２０１７−１２００５１号公報

配管等で構成される内燃機関の排気システムにおいては、排気ガスの流れによる定在波が発生する。上記消音器では、設置される位置による消音器前後の他の配管における定在波の影響を受け、主流路及び分岐路の音波の波形が安定しない。上述の干渉効果もこのような影響を受けるため、干渉効果が阻害され、音の減衰効果が十分に発揮されないおそれがある。このような定在波の影響を避けるためには、排気システム全体の流路長を調整する必要がある。

本開示の一局面は、排気システム全体の流路長を考慮しなくとも安定した消音効果が得られる消音器を提供することを目的としている。

本開示の一態様は、排気ガスの導入口と、排気ガスの排出口と、導入口から、排出口に向かって排気ガスが流れる主流路と、主流路から分岐する分岐点から、分岐点よりも排気ガスの流れ方向における下流側で主流路に合流する合流点に向かって排気ガスが流れる分岐路と、主流路に設けられ、主流路と、主流路及び分岐路の外部とを連通する少なくとも１つの連通孔と、を備える消音器である。

分岐路の流路長は、主流路における分岐点から合流点までの流路長よりも大きい。少なくとも１つの連通孔は、分岐点よりも排気ガスの流れ方向における上流側、及び合流点よりも排気ガスの流れ方向における下流側の少なくとも一方に配置される。

このような構成によれば、分岐点よりも上流側、又は合流点よりも下流側に配置された連通孔によって、排気システムにおける定在波を消音器内で分断することができる。その結果、主流路と分岐路とで発生する２つの音波の干渉効果が前後の配管における定在波によって影響され難くなるため、排気システム全体の流路長を考慮しなくとも安定した消音効果が得られる。

本開示の一態様は、主流路を構成する内管と、内管の外周面を囲むことで内管との間に空隙が設けられるように配置される外管と、を備えてもよい。少なくとも１つの連通孔は、内管の内部と空隙とを連通すると共に、分岐点よりも排気ガスの流れ方向における上流側に配置される少なくとも１つの第１連通孔と、合流点よりも排気ガスの流れ方向における下流側に配置される少なくとも１つの第２連通孔と、を含んでもよい。このような構成によれば、外管の内側の空隙において排気ガスの体積を膨張させることができる。これにより、拡張による消音効果が得られる。

本開示の一態様は、主流路を構成する内管と、内管の外周面を囲むことで内管との間に空隙が設けられるように配置される外管と、を備えてもよい。少なくとも１つの連通孔は、内管の内部と空隙とを連通すると共に、分岐点よりも排気ガスの流れ方向における上流側、及び合流点よりも排気ガスの流れ方向における下流側の一方のみに配置されてもよい。このような構成によれば、連通孔によって内管と連通された外管の内側の空隙が共鳴管として機能する。その結果、消音器の消音効果が高められる。

本開示の一態様では、少なくとも１つの連通孔は、分岐点よりも排気ガスの流れ方向における上流側のみに配置されてもよい。このような構成によれば、内燃機関を起点とした消音器の上流側の定在波を分断することができる。その結果、共鳴管機能を維持しつつ、主流路と分岐路とによる干渉の効果が安定する。

本開示の一態様では、分岐路の流路長は、主流路における分岐点から合流点までの流路長の２倍であってもよい。このような構成によれば、主流路における波と、分岐路における波との位相を逆転させることができる。その結果、消音器の消音効果を最大化することができる。

図１は、実施形態の排気システムを示す模式図である。 図２は、実施形態の消音器の模式図である。 図３は、図２とは異なる実施形態の消音器の模式的な断面図である。 図４は、図２及び図３とは異なる実施形態の消音器の模式的な断面図である。 図５は、図２ないし図４とは異なる実施形態の消音器の模式図である。

以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［１−１．構成］
図１に示す排気システム１０は、内燃機関１１の排気ガス流路を構成する。排気システム１０は、触媒コンバータ１２Ａ，１２Ｂと、サブマフラとしての消音器１と、メインマフラ１３とを備える。

排気システム１０が適用される内燃機関１１としては、特に限定されないが、自動車、鉄道、船舶、建機等の輸送機器、発電施設などで駆動用又は発電用として用いられるものが挙げられる。

消音器１は、触媒コンバータ１２Ａ，１２Ｂの下流側、かつメインマフラ１３の上流側に配置されている。消音器１は、図２に示すように、内管２と、外管３と、枝部４と、第１連通孔５と、第２連通孔６とを備える。

＜内管＞
内管２は、内部を排気ガスが通過する金属製のパイプである。内管２は、排気ガスの導入口２１と、排気ガスの排出口２２とを有する。

内管２は、導入口２１から、排出口２２に向かって排気ガスが流れる主流路Ｍを構成している。本実施形態では、内管２は、導入口２１から排出口２２まで直径が一定の直管である。

内管２は、後述する枝部４に連通する分岐点２３及び合流点２４を有する。分岐点２３は、内管２内の排気ガスが枝部４に流入する開口である。合流点２４は、枝部４から内管２内に排気ガスＧが流入する開口である。

また、内管２には、後述する連通孔５，６が形成されている。内管２において、少なくとも分岐点２３と合流点２４との間の領域には、内管２の内部と外部とを連通する連通孔は設けられていない。ただし、主流路Ｍ内で形成される定在波を分断しない大きさの連通孔であれば、上記領域に貫通孔が設けられてもよい。

＜外管＞
外管３は、内管２の外周面を囲うように配置された金属製のパイプである。外管３の内径は、内管２の外径よりも大きい。

外管３の第１開口部３１及び第２開口部３２は、それぞれ外管３の軸方向外側に向かって縮径している。第１開口部３１及び第２開口部３２は、内管２の外周面に例えば溶接によって固定されている。

外管３は、内管２の外周面を囲むことで内管２との間に空隙３３が設けられるように配置されている。空隙３３は、内管２の外周面と外管３との内周面とで画定された密閉空間である。

＜枝部＞
枝部４は、主流路Ｍから分岐する分岐点２３から、分岐点２３よりも排気ガスの流れ方向における下流側で主流路Ｍに合流する合流点２４に向かって排気ガスが流れる分岐路Ｂを構成する。分岐路Ｂは、主流路Ｍに並列に接続されている。

本実施形態では、枝部４は、内管２の外周面に固定された半円筒状の部材によって構成されている。枝部４の上流側の端部は、分岐点２３を構成する開口を覆っている。枝部４の下流側の端部は、合流点２４を構成する開口を覆っている。枝部４には、空隙３３に連通する孔は形成されていない。

枝部４は、分岐路Ｂの流路長が、主流路Ｍにおける分岐点２３から合流点２４までの流路長よりも大きくなるように、内管２の軸方向に沿ってＳ字状に折れ曲がる（つまり、内管２の周方向に流路が重なる）ように配置されている。

本実施形態の分岐路Ｂの流路長は、主流路Ｍにおける分岐点２３から合流点２４までの流路長の２倍である。また、分岐路Ｂにおける排気ガスの流れ方向と垂直な断面積は、主流路Ｍにおける排気ガスの流れ方向と垂直な断面積以下とするとよい。

＜連通孔＞
第１連通孔５及び第２連通孔６は、それぞれ、主流路Ｍに設けられ、主流路Ｍと、主流路Ｍ及び分岐路Ｂの外部とを連通している。

本実施形態では、第１連通孔５及び第２連通孔６は、それぞれ、内管２の内部と空隙３３とを連通している。第１連通孔５は、分岐点２３よりも排気ガスの流れ方向における上流側に配置されている。第２連通孔６は、合流点２４よりも排気ガスの流れ方向における下流側に配置されている。

なお、図２では、１つの第１連通孔５が図示されているが、複数の第１連通孔５が分岐点２３の上流側に配置されてもよい。複数の第１連通孔５が複数設けられている場合、これら複数の第１連通孔５の開口面積の合計は、内管２内に定在波の節が形成され得る以上の大きさとされる。例えば、複数の第１連通孔５の開口面積の合計は、内管２において主流路Ｍの断面積と同じである。

同様に、図２では、１つの第２連通孔６が図示されているが、複数の第２連通孔６が合流点２４の下流側に配置されてもよい。複数の第２連通孔６が設けられている場合、これら複数の第２連通孔６の開口面積の合計は、内管２内に定在波の節が形成され得る以上の大きさとされる。例えば、複数の第２連通孔６の開口面積の合計は、内管２において主流路Ｍの断面積と同じである。また、連通孔５，６の形状は、真円に限定されず、楕円、多角形等としてもよい。

［１−２．作用］
排気システム１０には、消音器１を含む配管全体に排気ガスの定在波が発生する。例えば、断面積がほぼ一定の配管の場合、配管の両端が節となる１次モードの定在波が内部に形成される。これに対し、消音器１内では連通孔５，６によって、内管２内の圧力が低減されることにより定在波の音圧が低減される。その結果、定在波の節が形成され、定在波が分断される。

一方、消音器１では、主流路Ｍと、主流路Ｍよりも流路長の大きい分岐路Ｂとによって、合流点２４において位相の異なる２つの波が干渉する。この干渉によって、消音器１の表面からの放射音と排気音とが低減される。

なお、概略的な定在波の１次モードの波形を図１中に示す。各波形の縦軸は音圧である。図１中の（ａ）は、第１連通孔５及び第２連通孔６を有しない消音器における定在波の波形である。（ｂ）は、第１連通孔５のみを有し、第２連通孔６を有しない消音器における定在波の波形である。（ｃ）は、第１連通孔５を有さず、第２連通孔６のみを有する消音器における定在波の波形である。（ｄ）は、第１連通孔５及び第２連通孔６を有する消音器における定在波の波形である。

このとき、消音器１では、上述のように連通孔５，６によって定在波が分断されるため、２つの波の干渉が定在波によって受ける影響が低減される。

［１−３．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）第１連通孔５及び第２連通孔６によって、排気システム１０における定在波を消音器１内で分断することができる。その結果、主流路Ｍと分岐路Ｂとで発生する２つの音波の干渉効果が前後の配管における定在波によって影響され難くなるため、排気システム１０全体の流路長を考慮しなくとも安定した消音効果が得られる。

（１ｂ）分岐点２３よりも上流側及び合流点２４よりも下流側の双方に連通孔５，６が配置されることで、外管３の内側の空隙３３において排気ガスの体積を膨張させることができる。これにより、拡張による消音効果が得られる。

（１ｃ）分岐路Ｂの流路長を主流路Ｍの流路長の２倍とすることで、主流路Ｍにおける波と、分岐路Ｂにおける波との位相を逆転させることができる。その結果、消音器１の消音効果を最大化することができる。

［２．第２実施形態］
［２−１．構成］
図３に示す消音器１Ａは、内管２と、外管３と、第１カバーパイプ４１Ａと、第２カバーパイプ４２Ａと、連通孔６Ａと、セパレータ７Ａとを備える。内管２及び外管３は、図２の消音器１と同じものである。

＜カバーパイプ及びセパレータ＞
第１カバーパイプ４１Ａ及び第２カバーパイプ４２Ａは、消音器１Ａにおける分岐路Ｂを構成している。

第１カバーパイプ４１Ａは、分岐点２３の開口を覆うように、内管２の外周面に取り付けられている。第１カバーパイプ４１Ａには、第１開口４３Ａが設けられている。第２カバーパイプ４２Ａは、第１カバーパイプ４１Ａの全体を覆うように、内管２の外周面に取り付けられている。第２カバーパイプ４２Ａには、第２開口４４Ａが設けられている。

第１カバーパイプ４１Ａ及び第２カバーパイプ４２Ａは、外管３の内部に配置されている。また、第１カバーパイプ４１Ａ及び第２カバーパイプ４２Ａは、合流点２４の開口は覆っていない。

セパレータ７Ａは、外管３の内部に配置され、外管３の内側の空隙を第１空隙３３Ａと第２空隙３４Ａとに分割している。セパレータ７Ａは、合流点２４よりも下流側に配置されている。第１空隙３３Ａは、第２カバーパイプ４２Ａと、セパレータ７Ａと、内管２の外周面と、外管３の内面とによって画定される空隙である。第２空隙３４Ａは、セパレータ７Ａと、内管２の外周面と、外管３の内面とによって画定される空隙である。

本実施形態の分岐路Ｂは、第１カバーパイプ４１Ａと内管２との間の空間、第１カバーパイプ４１Ａと第２カバーパイプ４２Ａとの間の空間、及び第１空隙３３Ａによって構成される。

＜連通孔＞
本実施形態の連通孔６Ａは、内管２の内部と第２空隙３４Ａとを連通している。また、連通孔６Ａは、合流点２４よりも排気ガスの流れ方向における下流側のみに配置されている。

なお、図３では、１つの連通孔６Ａが図示されているが、複数の連通孔６Ａが合流点２４の下流側に配置されてもよい。また、連通孔６Ａの形状は、真円に限定されず、楕円、多角形等としてもよい。

［２−２．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（２ａ）径方向に重ねられたカバーパイプ４１Ａ，４２Ａによって、消音器１Ａの排気ガスの流れ方向における長さが制限される場合において、分岐路Ｂの流路長を確保することができる。

（２ｂ）連通孔６Ａが分岐点２３の下流側のみに配置されることで、連通孔６Ａによって内管２と連通された外管３の内側の第２空隙３４Ａが共鳴管として機能する。その結果、消音器１Ａの消音効果が高められる。

［３．第３実施形態］
［３−１．構成］
図４に示す消音器１Ｂは、内管２と、外管３と、複数の仕切り板４１Ｂ，４２Ｂ，４３Ｂ，４４Ｂ，４５Ｂと、連通孔５Ｂとを備える。内管２及び外管３は、図２の消音器１と同じものである。

＜仕切り板＞
複数の仕切り板４１Ｂ，４２Ｂ，４３Ｂ，４４Ｂ，４５Ｂは、外管３の内部に、排気ガスの流れ方向に離間して互いに配置されている。複数の仕切り板４１Ｂ，４２Ｂ，４３Ｂ，４４Ｂ，４５Ｂは、外管３の内側の空隙を複数の空隙３３Ｂ，３４Ｂ，３５Ｂ，３６Ｂ，３７Ｂ，３８Ｂに分割している。

最も上流側の第１仕切り板４１Ｂは、分岐点２３よりも上流側に配置されている。第１仕切り板４１Ｂと、内管２の外周面と、外管３の内面とによって画定される第１空隙３３Ｂは、残りの空隙３４Ｂ，３５Ｂ，３６Ｂ，３７Ｂ，３８Ｂとは連通していない。

第１仕切り板４１Ｂを除く残りの仕切り板４２Ｂ，４３Ｂ，４４Ｂ，４５Ｂには、それぞれ開口４６Ｂ，４７Ｂ，４８Ｂ，４９Ｂが形成されている。第１空隙３３Ｂに隣接する第２空隙３４Ｂは、分岐点２３を介して内管２の内部と連通している。最も下流側の第６空隙３８Ｂは、合流点２４を介して内管２の内部と連通している。

本実施形態の分岐路Ｂは、第１空隙３３Ｂを除いた残りの複数の空隙３４Ｂ，３５Ｂ，３６Ｂ，３７Ｂ，３８Ｂによって構成される。分岐路Ｂの流路長は、主流路Ｍにおける分岐点２３から合流点２４までの流路長よりも大きい。分岐路Ｂの流路長は、分岐路Ｂにおける波の位相と、主流路Ｍにおける波の位相とが逆転する大きさが好ましい。

＜連通孔＞
本実施形態の連通孔５Ｂは、内管２の内部と第１空隙３３Ｂとを連通している。また、連通孔５Ｂは、分岐点２３よりも排気ガスの流れ方向における上流側のみに配置されている。

なお、図４では、１つの連通孔５Ｂが図示されているが、複数の連通孔５Ｂが分岐点２３の上流側に配置されてもよい。また、連通孔５Ｂの形状は、真円に限定されず、楕円、多角形等としてもよい。

［３−２．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（３ａ）連通孔５Ｂが分岐点２３の上流側のみに配置されることで、連通孔５Ｂによって内管２と連通された外管３の内側の第１空隙３３Ｂが共鳴管として機能する。その結果、消音器１Ｂの消音効果が高められる。

（３ｂ）連通孔５Ｂが分岐点２３の上流側に配置されることで、内燃機関１１を起点とした消音器１Ｂの上流側の定在波を分断することができる。その結果、共鳴管機能を維持しつつ、主流路Ｍと分岐路Ｂとによる干渉の効果が安定する。

［４．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

（４ａ）上記実施形態の消音器において、分岐路Ｂの流路長は、主流路Ｍにおける分岐点２３から合流点２４までの流路長よりも大きければ、必ずしも主流路Ｍの流路長の２倍とされなくてもよい。

（４ｂ）上記実施形態の消音器は、複数の分岐路を備えてもよい。例えば、図５に示す消音器１Ｃは、第１分岐路Ｂ１を構成する第１枝部４１Ｃと、第２分岐路Ｂ２を構成する第２枝部４２Ｃとを備える。第２分岐路Ｂ２は、主流路Ｍ及び第１分岐路Ｂ１と並列に接続されている。

（４ｃ）第２実施形態の消音器１Ａ及び第３実施形態の消音器１Ｂにおいて、上流側と下流側とを入れ替えてもよい。上流側と下流側とを入れ替えた構成においても、上述した効果を得ることができる。また、第２実施形態の消音器１Ａにおいて、分岐点２３よりも上流側にも共鳴管をさらに設けてもよい。第３実施形態の消音器１Ｂにおいて、合流点２４よりも下流側に共鳴管をさらに設けてもよい。

（４ｄ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…消音器、２…内管、３…外管、４…枝部、５…第１連通孔、
５Ｂ…連通孔、６…第２連通孔、６Ａ…連通孔、７Ａ…セパレータ、
１０…排気システム、１１…内燃機関、１２Ａ，１２Ｂ…触媒コンバータ、
１３…メインマフラ、２１…導入口、２２…排出口、２３…分岐点、２４…合流点、
３１…第１開口部、３２…第２開口部、
３３，３３Ａ，３４Ａ，３３Ｂ−３８Ｂ…空隙、４１Ａ，４２Ａ…カバーパイプ、
４１Ｂ−４５Ｂ…仕切り板、４１Ｃ，４２Ｃ…枝部、４３Ａ，４４Ａ…開口。

Claims (5)

1. 排気ガスの導入口と、
   前記排気ガスの排出口と、
   前記導入口から、前記排出口に向かって前記排気ガスが流れる主流路と、
   前記主流路から分岐する分岐点から、前記分岐点よりも前記排気ガスの流れ方向における下流側で前記主流路に合流する合流点に向かって前記排気ガスが流れる分岐路と、
   前記主流路に設けられ、前記主流路と、前記主流路及び前記分岐路の外部とを連通する少なくとも１つの連通孔と、
   を備え、
   前記分岐路の流路長は、前記主流路における前記分岐点から前記合流点までの流路長よりも大きく、
   前記少なくとも１つの連通孔は、前記分岐点よりも前記排気ガスの流れ方向における上流側、及び前記合流点よりも前記排気ガスの流れ方向における下流側の少なくとも一方に配置される、消音器。
2. 請求項１に記載の消音器であって、
   前記主流路を構成する内管と、
   前記内管の外周面を囲むことで前記内管との間に空隙が設けられるように配置される外管と、
   を備え、
   前記少なくとも１つの連通孔は、
   前記内管の内部と前記空隙とを連通すると共に、
   前記分岐点よりも前記排気ガスの流れ方向における上流側に配置される少なくとも１つの第１連通孔と、
   前記合流点よりも前記排気ガスの流れ方向における下流側に配置される少なくとも１つの第２連通孔と、
   を含む、消音器。
3. 請求項１に記載の消音器であって、
   前記主流路を構成する内管と、
   前記内管の外周面を囲むことで前記内管との間に空隙が設けられるように配置される外管と、
   を備え、
   前記少なくとも１つの連通孔は、
   前記内管の内部と前記空隙とを連通すると共に、
   前記分岐点よりも前記排気ガスの流れ方向における上流側、及び前記合流点よりも前記排気ガスの流れ方向における下流側の一方のみに配置される、消音器。
4. 請求項３に記載の消音器であって、
   前記少なくとも１つの連通孔は、前記分岐点よりも前記排気ガスの流れ方向における上流側のみに配置される、消音器。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の消音器であって、
   前記分岐路の流路長は、前記主流路における前記分岐点から前記合流点までの流路長の２倍である、消音器。

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