JP2021127707A

JP2021127707A - 消音器

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Publication number: JP2021127707A
Application number: JP2020021640A
Authority: JP
Inventors: 聖司近藤; Seiji Kondo
Original assignee: Futaba Industrial Co Ltd
Current assignee: Futaba Industrial Co Ltd
Priority date: 2020-02-12
Filing date: 2020-02-12
Publication date: 2021-09-02
Anticipated expiration: 2040-02-12
Also published as: US11680502B2; US20210246818A1; CN113250786B; JP7092810B2; CN113250786A

Abstract

【課題】定在波の節の発生を抑制しつつ、特定の周波数での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、消音器であって、排気管と、シェルと、カバーと、を備える。排気管は、内部を排気が通過すると共に、複数の連通孔を有する。シェルは、複数の連通孔を覆うように複数の連通孔の外側に配置される。カバーは、筒状であり、複数の連通孔の少なくとも一部を覆うように構成され、排気管及びシェルの間にて、排気管から予め設定された間隔で配置される。
【選択図】図２

Description

本開示は、消音器に関する。

下記特許文献１には、内燃機関の排気システムにおいて、騒音の低減を目的として、複数の孔を設けた排気管を備える消音器が開示されている。

特開２００８−１３６０８号公報

上述の消音器では、排気管における孔の数を増やすか、孔の面積を大きくすることで、特定の周波数での消音効果が高められる。しかしながら、排気管における孔の数又は面積が増加すると、排気管内の孔の部分で音波の反射が発生し、排気管内に定在波の節が形成されやすくなる。その結果、消音を図りたい特定の周波数帯での消音効果が得られないおそれがある。

本開示の一局面は、定在波の節の発生を抑制しつつ、特定の周波数での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、消音器であって、排気管と、シェルと、カバーと、を備える。排気管は、内部を排気が通過すると共に、複数の連通孔を有する。シェルは、複数の連通孔を覆うように複数の連通孔の外側に配置される。カバーは、筒状であり、複数の連通孔の少なくとも一部を覆うように構成され、排気管及びシェルの間にて、排気管から予め設定された間隔で配置される。

このような構成によれば、複数の連通孔をシェルで覆った場合に定在波の節が発生する位置にカバーを配置することで、シェルのみで連通孔を覆った場合に比べ排気管内の連通孔と重なる部分で音波の反射が抑制され、定在波の節の発生が抑制される。その結果、新たな周波数の定在波の発生を抑制しつつ、特定の周波数での消音効果を得ることができる。

本開示の一態様では、排気管、及びカバーは、共通の中心軸を有する円筒状に構成されてもよい。また、排気管の直径は、排気管とカバーとの間隔の１．８倍以上の大きさに設定されてもよい。

このような構成によれば、後述する実験結果より、従来構成と比較して消音効果を得ることができる。
本開示の一態様では、カバーは、排気管の軸方向における両端部が排気管に固定されてもよい。

このような構成によれば、カバーの位置ずれ及びカバーの振動を抑制することができる。そのため、定在波の節の発生抑止効果と消音効果とをさらに促進することができる。
本開示の一態様では、カバーの排気管の軸方向における少なくとも一方の端部は、排気管との間に隙間を有する開口端として構成されてもよい。

このような構成によれば、排気管におけるカバーの開口端部分ではカバーと排気管との間に隙間を有するため、排気管におけるカバーの開口端部分にも後述する補助孔が形成された状態となる。これにより、カバーにおいて補助孔が形成可能な領域が増加する。その結果、消音器における消音効果を促進することができる。

本開示の一態様では、カバーは、排気管の外周面と対向する部位に設けられた複数の補助孔を有してもよい。
このような構成によれば、カバーとシェルとの間で排気の流通を確保することができる。その結果、カバーとシェルとの間で排気を拡張することによる消音効果を促進することができる。

本開示の一態様は、排気管とカバーとの間に配置されると共に、複数の連通孔を覆うように配置された吸音材、をさらに備えてもよい。
このような構成によれば、吸音材が排気の振動を抑制するので、消音効果を促進することができる。

実施形態の排気システムを示す模式図である。実施形態の消音器の模式的な断面図である。排気管の直径と、排気管及びカバーの間隔との比と、騒音レベルとの関係を示すグラフである。内燃機関の回転数と騒音レベルとの関係を示すグラフである。内燃機関の回転数と特定の周波数での騒音レベルとの関係を示すグラフである。他の実施形態における消音器の模式的な断面図である。

以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態を説明する。
［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の排気流路を構成する。排気システム１０は、触媒コンバータ１２と、メインマフラ１３と、サブマフラとしての消音器１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、メインマフラ１３の下流側に配置されている。ただし、消音器１は、メインマフラ１３の上流側（例えば、触媒コンバータ１２とメインマフラ１３との間）に配置されてもよい。

消音器１は、図２に示すように、排気管２と、シェル３と、第１吸音材４と、第２吸音材５と、カバー６と、を備える。
＜排気管＞
排気管２は、内部を排気Ｇが通過する金属製のパイプである。本実施形態では、排気管２は、図１に示すように、メインマフラ１３の内部まで延伸している。

排気管２は、図２に示すように、排気管２の内部と排気管２の外部とを連通する複数の連通孔２１と、直径が一定のストレート部２２と、排気Ｇの流れ方向に沿って拡径した拡径部２３とを有する。

連通孔２１は、排気管２のストレート部２２のうち、シェル３内に位置する部分に周方向全体にわたって配置されている。ただし、連通孔２１は、必ずしも排気管２の周方向全体に配置される必要はない。

連通孔２１の大きさ及び間隔は、適宜設計可能である。ただし、連通孔２１の開口面積の合計は、カバー６が設けられていない構成におけるシェル３の内部において、排気管２内に定在波の節が少なくとも１以上形成されうる大きさである。なお、シェル３の内部において、排気管２内で形成される定在波の節は、連通孔２１によって音波が反射し、或いは排気管２内の排気Ｇの圧力が低減し、排気管２が開口しているとみなされる状態になることにより形成される。

連通孔２１の形状は、真円に限定されず、楕円、多角形等としてもよい。また、連通孔２１は、排気管２の管壁の一部を外側に切り起こしたルーバーを有する形状であってもよい。

＜シェル＞
シェル３は、排気管２の外周面を囲うように排気管２の外側に配置された金属製のパイプである。シェル３は、円筒状に形成される。シェル３は、排気管２の全ての連通孔２１を覆うように複数の連通孔２１の外側に配置される。シェル３の内径は、排気管２の外径よりも大きい。

シェル３の第１開口部３１及び第２開口部３２は、それぞれ、排気管２の軸方向の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、排気管２の外周面に例えば溶接によって固定されている。シェル３は、排気管２の外周面を囲むことで、排気管２との間に後述する第１吸音材４及び第２吸音材５が配置可能な空間を形成している。

＜カバー＞
カバー６は、排気管２の径方向において第２吸音材５に外側から当接する円筒状の部材である。カバー６は、排気管２とシェル３との間に配置されている。

カバー６は、筒状であり、複数の連通孔２１の少なくとも一部を覆うように構成され、排気管２及びシェル３の間にて、排気管２から予め設定された間隔Ｅで配置される。排気管２、及びカバー６は、共通の中心軸を有する円筒状に構成されている。また、排気管２の直径、特に、シェル３内に位置しカバー６に覆われている部分における排気管２の外周の直径Ｄは、排気管２の外周面とカバー６の内周面との間隔Ｅの１．８倍以上の大きさに設定されている。

ここで、図３に示すグラフでは、横軸に、内燃機関１１の回転数が２０００ｒｐｍでの音圧レベル、縦軸に、排気管２の外周の直径Ｄと排気管２とカバー６との間隔Ｅとの比を示している。なお、直径Ｄと間隔Ｅとの比の値は、間隔Ｅが小さくなるにつれて、また、直径Ｄが大きくなるにつれて大きくなる。

図３に示すように、直径Ｄと間隔Ｅとの比の値が大きくなるにつれて、音圧レベルは低下する。なお、本実施形態のカバー６を備えない構成での音圧レベルが約７９ｄＢである。図３によると、直径Ｄと間隔Ｅとの比の値が１．８のときに７９ｄＢと概ね一致する。したがって、直径Ｄと間隔Ｅとの比の値が１．８以上であれば、カバー６を備えない構成よりも音圧レベルを低減することができる。

図３の例では、直径Ｄと間隔Ｅとの比の値の上限を３６としてデータを得ている。したがって、直径Ｄと間隔Ｅとの比の値が１．８以上かつ３６以下であれば、カバー６を備えない構成よりも音圧レベルを低減することができる。なお、直径Ｄと間隔Ｅとの比の値の上限は、組み立ての構造上、決まるものであるが、３６に限らず、例えば、排気管２とカバー６との間に第２吸音材５を配置できる程度の隙間があれば、より大きな値でもよいと考えられる。

また、カバー６は、排気管２の軸方向における両端部が排気管２に固定されている。具体的には、第２端部６３は、排気Ｇの下流側に向かうに連れて縮径しており、先端が例えば溶接等による固定部６４によって排気管２の外周面に固定されている。なお、第２端部６３は、カバー６の排気管２の軸方向における排気Ｇの下流側に位置する端部である。

また、第１端部６２は、縮径されることなく、例えば、第１端部６２と排気管２とを接続する接続部材６５によって排気管２の外周面に固定されている。なお、第１端部６２は、カバー６の排気管２の軸方向における排気Ｇの上流側に位置する端部である。

接続部材６５は、例えば金属製の丸棒等にて構成され、一方側の端部が排気管２に固定され、他方側の端部がカバー６に固定されることで、カバー６を排気管２に固定する。接続部材６５は、第１端部６２における排気管２との間の隙間を完全に閉塞するものではなく、この隙間の一部を閉塞するに留まる。したがって、第１端部６２は、排気管２との間に隙間を有する開口端として構成される。換言すれば、接続部材６５は、カバー６の第１端部６２を開口させた状態で固定するように構成される。

また、カバー６は、排気管２の外周面と対向する部位に設けられた複数の補助孔６１を有する。複数の補助孔６１は、それぞれカバー６を貫通し、排気管２側の空間と、シェル３側の空間とを連通する。

なお、排気管２の外周面のうち第２端部６３が固定される部分には、連通孔２１が形成されていない。また、連通孔２１は、第２端部６３の最も上流側の部位よりも上流側、すなわち図２における破線の部位よりも上流側にのみ形成される。

＜吸音材＞
第１吸音材４は、排気管２とシェル３との間に配置されると共に、複数の連通孔２１の一部を覆うように配置されている。

具体的には、第１吸音材４は、排気管２のストレート部２２のうち、シェル３の第１開口部３１に近い部分（つまり上流部分）を周方向に取り囲むように配置されている。第１吸音材４は、排気管２の連通孔２１のうち、上流側の複数の連通孔２１と当接している。

第１吸音材４は、排気管２とシェル３との間の空間を後述する第２吸音材５と共に充填している。そのため、排気管２とシェル３との間には空隙は存在しない。また、第１吸音材４は、排気管２の径方向において排気管２の外周面からシェル３の内周面まで到達するように配置されている。

第１吸音材４の材質としては、例えば、グラスファイバー等の無機繊維が使用できる。第１吸音材４としては、無機繊維の集合体（例えば、グラスウール）のほか、無機繊維の織物、編み物又は不織布、無機繊維を部分的にバインダーで固めた構造体などが使用できる。

第２吸音材５は、カバー６と排気管２との間の空間に充填されている。第２吸音材５は、第１吸音材４よりも通気抵抗が大きいものである。例えば、第２吸音材５は、第１吸音材４よりも密度が高く調整された構成や、通気抵抗の大きい材料からなっている。第１吸音材４は、カバー６とシェル３との間の空隙にも充填されている。したがって、本実施形態では、排気管２の径方向において第２吸音材５の外側に第１吸音材４が配置されている。

ただし、第１吸音材４と第２吸音材５を入れ替えた配置にしてもよく、第１吸音材４と第２吸音材５とを同じものにしてもよく、或いは、カバー６内に吸音材を設けない構成としてもよい。

消音器１の上流領域では、排気管２の径方向において第１吸音材４のみが配置されている。消音器１のカバー６が配置された領域では、排気管２の径方向において第２吸音材５と第１吸音材４との２層構造が構成されている。

排気管２の連通孔２１は、全て、第１吸音材４又は第２吸音材５のいずれかによって覆われている。
［１−２．作用］
消音器１の排気管２が連通孔２１を有しない場合、図１に示すように、排気システム１０には、排気管２内に排気Ｇの定在波Ｗ１が発生する。

定在波Ｗ１は、排気管２の両端部が節となる１次モードの波形である。定在波の節は、圧力が大きく低下している部分に形成される。例えば、排気管２の径方向の端部が拡径している部分、排気管２が開口している部分等に節が形成される。また、排気管２の連通孔２１の合計面積が、例えば排気管２の流路断面積に対しある程度大きくなっている所では、排気管２内の音圧が低下し、或いは音波の反射が発生し、定在波の節が形成される。

一方、定在波Ｗ１が形成される排気管２の複数の連通孔２１を、カバー６を設けずに第１吸音材４のみで覆う場合、複数の連通孔２１から排気が排出される。このため、排気管２内の音圧が低下し、或いは複数の連通孔２１にて音波の反射が発生し、排気管２内に定在波Ｗ１の代わりに２つの定在波Ｗ２，Ｗ３が形成される。図１中の節Ｓは、この定在波Ｗ２の節と定在波Ｗ３の節との一致点である。排気管２の側面のうち、節Ｓの外周側に位置する連通孔２１を第２吸音材５で覆うと、定在波Ｗ２，Ｗ３の代わりに定在波Ｗ４が形成される。これは、次の理由による。すなわち、連通孔２１をカバー６で覆うことにより、連通孔２１の開口の合計面積が実質的に減少する。その結果、排気Ｇの排気管２の外への排出量が低下して音圧が下がりにくくなることにより、節Ｓが形成されにくくなる。また、カバー６が音波の反射を抑制するため、節Ｓが形成されにくくなる。なお、排気管２内の音圧が下がるため、定在波Ｗ４の音圧は定在波Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３の音圧よりも低減する。

［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）本開示の一態様は、消音器１であって、排気管２と、シェル３と、カバー６と、を備える。排気管２は、内部を排気が通過すると共に、複数の連通孔２１を有する。シェル３は、複数の連通孔２１を覆うように複数の連通孔２１の外側に配置される。カバー６は、筒状であり、複数の連通孔２１の少なくとも一部を覆うように構成され、排気管２及びシェル３の間にて、排気管２から予め設定された間隔で配置される。

このような構成によれば、定在波の節が発生する位置にカバー６を配置することで、シェル３のみで連通孔２１を覆った場合に比べ排気管２内の連通孔２１と重なる部分で音波の反射が抑制され、定在波の節の発生が抑制される。その結果、新たな周波数の定在波の発生を抑制しつつ、特定の周波数での消音効果を得ることができる。

ここで、図４のグラフは内燃機関１１の回転数と騒音レベルとの関係を示している。ここでの騒音レベルは、全周波数帯における総合的な騒音レベルである。具体的には、マイクで騒音を拾ったときの音量である。

また、図５のグラフは、内燃機関１１の回転数毎に特定の周波数の成分での音圧レベルを示している。このグラフでは、内燃機関１１が仮に４気筒の場合の爆発２次成分を示し、内燃機関１１の回転数が１０００回転増加する毎に、６６Ｈｚが加算された周波数の成分での音圧レベルが表記されている。特定の周波数の成分は、例えば、内燃機関１１の回転数が１０００回転のときには６６Ｈｚ、内燃機関１１の回転数が２０００回転のときには１３３Ｈｚである。

図４及び図５のグラフにおいて、実線は本実施形態の構成での測定結果を示し、２種類の破線は、それぞれカバー６を備えない従来構成を示す。特に細かな破線は、第１の従来構成であって、本実施形態の構成と同様の数の連通孔２１を有する構成での測定結果を示す。また、粗い破線は、第２の従来構成であって、本実施形態の構成よりも連通孔２１の数が少ない構成での測定結果を示す。

細かな破線で示す第１の従来構成では、図４に示すように、総合的な騒音レベルは本実施形態の構成よりも抑制されるが、図５に示すように、特定の周波数成分での音圧レベルは他の２つの構成よりも抑制できない。また、粗い破線で示す第２の従来構成では、図５に示すように、特定の周波数成分での音圧レベルは本実施形態の構成と同程度に抑制できるが、図４に示すように、総合的な騒音レベルは本実施形態の構成よりも抑制できない。

つまりこれらの測定結果によれば、本実施形態の構成であれば、総合的な騒音レベルが適度に抑制され、新たな周波数の定在波の発生を抑制しつつ、特定の周波数での消音効果を得ることができることが立証された。

（１ｂ）本開示の一態様では、排気管２、及びカバー６は、共通の中心軸を有する円筒状に構成される。また、排気管２の直径は、排気管２とカバー６との間隔の１．８倍以上の大きさに設定される。

このような構成によれば、従来構成と比較して消音効果を得ることができる。
（１ｃ）本開示の一態様では、カバー６は、排気管２の軸方向における両端部が排気管２に固定されてもよい。

このような構成によれば、カバー６の位置ずれ及びカバー６の振動を抑制することができる。そのため、定在波の節の発生抑止効果と消音効果とをさらに促進することができる。
（１ｄ）本開示の一態様では、カバー６の排気管２の軸方向における少なくとも一方の端部は、排気管２との間に隙間を有する開口端として構成される。

このような構成によれば、排気管２におけるカバー６の開口端部分ではカバー６と排気管２との間に隙間を有するため、排気管２におけるカバー６の開口端部分にも補助孔６１が形成された状態となる。これにより、排気管２において補助孔６１が形成可能な領域が増加する。その結果、消音器１における消音効果を促進することができる。

（１ｅ）本開示の一態様では、カバー６は、排気管２の外周面と対向する部位に設けられた複数の補助孔６１を有している。
このような構成によれば、カバー６とシェル３との間で排気の流通を確保することができる。その結果、カバー６とシェル３との間で排気を拡張することによる消音効果を促進することができる。

（１ｆ）本開示の一態様は、排気管２とカバー６との間に配置されると共に、複数の連通孔２１を覆うように配置された第２吸音材５、をさらに備える。
このような構成によれば、第２吸音材５が排気の振動を抑制するので、消音効果を促進することができる。さらに、第２吸音材５の通気抵抗が第１吸音材４の通気抵抗よりも大きい場合には、第２吸音材５によってより確実に、定在波Ｗ２，Ｗ３の代わりに定在波Ｗ４が形成されやすくなる。

［２．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。

（２ａ）上記実施形態の消音器１は、カバー６における一方の端部である第１端部６２を開口端としたが、この構成に限られない。例えば、図６に示すように、第１端部６２Ａは、排気Ｇの上流側に向かうに連れて縮径しており、先端が例えば溶接等による固定部６４によって排気管２の外周面に固定されてもよい。この場合、第１端部６２Ａには、補助孔６２Ｂが形成されていてもよい。補助孔６２Ｂは、上述の補助孔６１と同様に、カバー６とシェル３との間で排気の流通を確保する機能を有する。

（２ｂ）上記実施形態の消音器１は、カバー６の一端が開口端として構成されたが、カバー６の両端が開口端として構成されてもよい。
（２ｃ）上記実施形態の消音器１では、第１吸音材４、第２吸音材５、補助孔６１、及び接続部材６５を備えたが、これらの構成は備えられていなくてもよい。接続部材６５を備えない場合、カバー６は、一方側の第２端部６３側のみで固定されていてもよいし、第２吸音材５を介して一部又は全体が排気管２に固定されていてもよい。

（２ｄ）上記実施形態の消音器１において、上流側と下流側とを入れ替えてもよい。つまり、消音器１の上流端と下流端とを反転させてもよい。
（２ｅ）上記実施形態における１つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、１つの構成要素が有する１つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、１つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される１つの機能を、１つの構成要素によって実現したりしてもよい。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又は置換してもよい。

１…消音器、２…排気管、３…シェル、４…第１吸音材、５…第２吸音材、６…カバー、１０…排気システム、１１…内燃機関、１２…触媒コンバータ、１３…メインマフラ、２１…連通孔、２２…ストレート部、２３…拡径部、３１…第１開口部、３２…第２開口部、６１，６２Ｂ…補助孔、６２，６２Ａ…第１端部、６３…第２端部、６４…固定部、６５…接続部材。

特開２００８−１３８６０８号公報

このような構成によれば、排気管２におけるカバー６の開口端部分ではカバー６と排気管２との間に隙間を有するため、排気管２におけるカバー６の開口端部分にも補助孔６１が形成された状態となる。これにより、カバー６において補助孔６１が形成可能な領域が増加する。その結果、消音器１における消音効果を促進することができる。

（２ａ）上記実施形態の消音器１は、カバー６における一方の端部である第１端部６２を開口端としたが、この構成に限られない。例えば、図６に示すように、第１端部６２Ａは、排気Ｇの上流側に向かうに連れて縮径しており、先端が例えば溶接等による固定部６４によって排気管２の外周面に固定されてもよい。この場合、第１端部６２Ａには、補助孔６２Ｂが形成されていてもよい。補助孔６２Ｂは、上述の補助孔６１と同様に、カバー６Ａとシェル３との間で排気の流通を確保する機能を有する。

Claims

内部を排気が通過すると共に、複数の連通孔を有する排気管と、
前記複数の連通孔を覆うように前記複数の連通孔の外側に配置されるシェルと、
前記排気管、及び前記シェルの間にて、前記排気管から予め設定された間隔で配置され、前記複数の連通孔のうちの少なくとも一部を覆うように構成された筒状のカバーと、
を備える消音器。
請求項１に記載の消音器であって、
前記排気管、及び前記カバーは、共通の中心軸を有する円筒状に構成され、
前記排気管の直径は、前記排気管と前記カバーとの間隔の１．８倍以上の大きさに設定される消音器。
請求項１または請求項２に記載の消音器であって、
前記カバーは、前記排気管の軸方向における両端部が前記排気管に固定される消音器。
請求項１から請求項３の何れか１項に記載の消音器であって、
前記カバーの前記排気管の軸方向における少なくとも一方の端部は、前記排気管との間に隙間を有する開口端として構成される消音器。
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、
前記カバーは、前記排気管の外周面と対向する部位に設けられた複数の補助孔を有する消音器。
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の消音器であって、
前記排気管と前記カバーとの間に配置されると共に、前記複数の連通孔を覆うように配置された吸音材、
をさらに備える消音器。