JP2583184B2 - 内燃機関用のマフラー - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、自動車エンジンその
他の内燃機関用のマフラーに関し、特に、メガフォン構
造を有する排圧低損失型のマフラーに関する。

【０００２】

【従来の技術】マフラーとは、エンジンの排気とその排
気音響エネルギーの抑制とを目的とする装置であり、そ
の目的をエンジン機関性能と人体とに悪影響をもたらす
ことなく達成することが要求されるものである。従来の
自動車用マフラーの一例としては、図９乃至図１１に示
すようなものが知られている。

【０００３】図９に示されたマフラーは、音響エネルギ
ーの抑制を重視した構造からなるものであり、エンジン
（図示せず）から排出される排気ガスは、管３を介して
第１の消音器１に流入し、更に管４を通って第２の消音
器２に流入し、この２段階の消音を経た後、外部に排出
されるようになっている。各消音器１，２内には、仕切
り板で仕切られた室１ａ，１ｂ，２ａ〜２ｄを有してお
り、複数の管で各室を複雑に連通すると共に、管に設け
た多数の小孔を介して音を室内に拡散させるようになっ
ており、この構成により、音波の拡張、共鳴、干渉、抵
抗等の作用が生じ、排気音を所定周波数帯域で消音する
ことができるものである。

【０００４】図１０に示されたマフラーは、排圧低損失
にすることを重視した構造からなるものであり、エンジ
ン（図示せず）から排出される排気ガスは、管１０を介
して第１の消音器５に流入し、更に管１１を通って第２
の消音器６に流入する。第１の消音器５及び第２の消音
器６共に、内部の管は多数の小孔を有する一直線状の管
７からなっており、この多孔管７の周囲をフィルタ８で
蔽い、その周囲の室内にグラスウール等の吸音材９を充
填してなる構成からなる。この場合、吸音材９の吸音特
性によって所定周波数帯域の消音を行なう。

【０００５】図１１に示されたマフラーは、音響エネル
ギーの抑制と排圧低損失の双方を重視した構造からなる
ものであり、２系列の排気管１２，１３を有しているも
のである。すなわち、エンジン（図示せず）から排出さ
れる排気ガスは、管１４を介して第１の消音器１６に流
入し、更に管１５を通って第２の消音器１７に流入し、
最終的に排気管１２，１３から排出される。消音器１
６，１７は図９と同様に共鳴室等を構成するものである
が、排気管１２の経路はストレートな排気を可能にする
配置であり、排気管１３の経路は複雑にＵターンして音
響エネルギーの抑制を図ることができる配置である。そ
して、排気管１２にはバルブ１８が設けられており、コ
ントローラ１９によってエンジン回転数に応じてバルブ
１８の開閉制御を行なうものである。これにより、エン
ジン回転数が低回転のときはバルブ１８を閉じて排気管
１２を閉じるが、エンジン回転数が高回転のときはバル
ブ１８を開いて排気管１２を通し、排圧低損失とする。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図９に示されたマフラ
ーにおいては、排気の経路を複雑かつ長くすることによ
って音圧レベルの低減を図るものである。従って、消音
特性は良好であるが、その反面、排圧の損失と抵抗が高
まり、高回転、高負荷時には著しい悪影響が生じる。こ
れに対して、図１０に示されたマフラーにおいては、直
線状に排気できるため排圧低損失型となっているが、吸
音材の持つ特定周波数帯域の消音しか行なえず、特に低
周波帯域の消音はできなかった。特に、車室内空洞共振
の加振周波数である７０Ｈｚ〜９０Ｈｚの帯域の消音は
全くできなかった。一方、図１１に示したマフラーは、
音響エネルギーの抑制と排圧低損失の双方に利点を有す
るが、バルブ１８とコントローラ１９を設けねばならな
いため、コストがかかると共に配置スペースも余分に必
要であるという問題点がある。

【０００７】また、図９乃至図１１に示された従来のマ
フラーの排気管３，４，１０，１１，１４，１５はいず
れもその管径が一定であるために、エンジン回転数が上
昇して排気流量が増したときに、排圧損失と抵抗が高ま
り、エンジン出力性能を低下させる、という問題点が生
じる。図１０のような排圧低損失型のマフラーにおいて
もこのような問題点が生じるので、排圧低損失型とする
には限度があった。

【０００８】この点を図７，図８によって説明する。図
７は管の横断面を略示したものであり、管内を流体が通
るときに生じる渦流効果（以下、スワール効果という）
を示すものである。すなわち、管内を流体が流れると
き、管壁面寄りの部分２０と管中心寄りの部分２１とで
は流速が異なるので、これによる圧力差が管内に自然に
渦流（スワール）を発生させる。管内を流れる流体はこ
の渦に吸引されながら徐々に加速され、これによって速
やかな流れが促進されることになる。これがスワール効
果といわれるものである。

【０００９】ところが、管径が入口から出口まで同径で
ある場合は、流体が管内を進行するにつれて、管壁面の
摩擦抵抗が増大し、これにより、上記圧力差が崩れてス
ワール効果の持続が不可能となり、乱流となってしま
い、円滑な流体の流れが阻害されてしまう。このような
管壁面の摩擦抵抗の増大は、流体が壁面に沿って流れよ
うとする性質にもよるが、エンジンから排出された排気
流体が排気管内を進行するにつれてその体積が急速に膨
張してゆくことにも起因している。特に、エンジン回転
数が上昇して排気流量が増したときに、この問題が顕著
になる。図８は管の縦断面であり、管内を流れる流体の
進行分布（すなわち進行の遅い部分は流速が低下してい
ることを意味するので、速度分布に対応している）を略
示している。図に示されているように、流体が管内を進
行するにつれて壁面の摩擦が増大し、中心寄りの流速が
低下して、円滑な流れが阻害されるようになる。

【００１０】この発明は上述の点に鑑みてなされたもの
で、エンジン回転数が上昇して排気流量が増した場合に
おいても円滑な排気流を確保し、排圧低損失を維持する
ことができるようにした内燃機関用のマフラーを提供し
ようとするものである。加えて、消音特性の良好な内燃
機関用のマフラーを提供しようとするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明に係る内燃機関
用のマフラーは、排気流体の導入口から排出口に至る排
気経路と、この排気経路の途中に設けられた消音装置と
を具備しており、前記導入口から排出口に至る排気経路
において排気流体を通す管の内径を次第に拡大してなる
ことを特徴とすると共に、前記消音装置が、仕切られた
第１及び第２の室と、排気を導入するための導入管と、
前記導入管に略直線状につながっており、多数の小孔を
有し、該小孔を介して前記第１の室に通じている多孔管
と、前記多孔管に略直線状につながっており、排気を導
出するための導出管とを具え、前記導入管、多孔管及び
導出管からなる管路の内部空間が略直線状につながって
いて、その内部を流れる排気流を低損失で排気すること
を特徴とすると共に、前記多孔管の多数の小孔から前記
第１の室内への排気音波の拡散及び干渉によって所定の
消音特性を示すことを特徴とするものである。

【００１２】

【作用】導入口から排出口に至る排気経路において排気
流体を通す管の内径を次第に拡大してなる、いわばメガ
フォン構造からなるものであるから、エンジン回転数が
上昇して排気流量が増した場合においてもスワール効果
を持続させることができるようになり、これにより、円
滑な排気流を確保し、排圧低損失を維持することがで
き、エンジン出力性能を向上させることができる、とい
う優れた作用・効果を奏する。

【００１３】これを図２によって説明すると、図２はこ
の発明に従うメガフォン構造を有する排気管の縦断面を
略示するものであり、図８と同様に、管内を流れる流体
の進行分布を略示している。この場合も、流体が管内を
進行するにつれて壁面の摩擦が増大し、中心寄りの流速
が相対的に低下してくるが、流体が或る程度進行すると
管の内径が大きくなるので、自然膨張する排気流体の体
積がそれによって逃がされ、管壁面の摩擦が相対的に低
下する。すなわち、管壁面の摩擦がそれほど増大しない
ように作用する。従って、管の内径が大きくなると、低
下しようとしていた管中心部での排気流体の流速が相対
的に増速され、乱流の発生を防ぎ、スワール効果を持続
させることができる。従って、導入口から排出口に至る
排気経路の全域にわたって円滑な排気流を確保すること
ができ、排圧低損失を維持することができる。

【００１４】消音装置は、仕切られた第１及び第２の室
と、排気を導入するための導入管と、前記導入管に略直
線状につながっており、多数の小孔を有し、該小孔を介
して前記第１の室に通じている多孔管と、前記多孔管に
略直線状につながっており、排気を導出するための導出
管とを具え、前記導入管、多孔管及び導出管からなる管
路の内部空間が略直線状につながっていて、その内部を
流れる排気流を低損失で排気することを特徴とすると共
に、前記多孔管の多数の小孔から前記第１の室内への排
気音波の拡散及び干渉によって所定の消音特性を示すこ
とを特徴としているものである。従って、この発明によ
れば、排気経路の途中に設けられた消音装置における排
気流体の流れが直線状となり、スワール効果を維持する
のに寄与する。すなわち、排気経路のメガフォン構造に
よって形成されるスワール効果をそこねることなく、消
音作用を果たすことができる、という優れた効果を奏す
る。また、直線状であるために、消音処理に際して排圧
に及ぼす抵抗や損失を抑制することができ、省燃費と動
力性能の向上に寄与することができる。また、管路が多
数の小孔を介して第１の室に通じた構成により、振動波
の拡散、干渉等の作用が生じ、所定の消音特性すなわち
中高帯域の消音に寄与する特性を示す。

【００１５】なお、消音装置が、一端が前記第１の室内
に入り込み、他端が前記第２の室内に入り込んだ所定長
さの管部（実施例の連通管３４）をさらに具えてもよ
い。一端が前記第１の室内に入り込み、他端が前記第２
の室内に入り込んだ所定長さの管部（実施例の連通管３
４）によって、ヘルムホルツのレゾネータを構成するの
で、この該管部を通した前記第１の室から第２の室への
排気音波の拡散及び干渉により所定の第２の消音特性を
示すこととなり、所定の低周波帯域の消音に寄与する。
第２の消音特性により除去する排気音波の低域周波数帯
域は、該管部の長さを適宜に設定することにより、適宜
に設定できる。こうして、排圧低損失の効率的な排気を
達成することができるのみならず、消音特性の面におい
ても、２つの消音特性の組合せによって、低域から中高
域に至る広範囲の帯域の排気音波の消音を、きわめて簡
単な２室構造によって達成することができる、という優
れた利点を持つものとなる。消音装置が、一端が前記第
１の室内に入り込み、他端が前記第２の室内に入り込ん
だ所定長さの第２の管部（実施例の分岐管３３）をさら
に有し、この第２の管部の長さは前記管部の長さとは異
なっていて、前記第２の消音特性とは異なる第３の消音
特性を示すものとするとよい。この第２の管部（実施例
の分岐管３３）によっても、その管長に応じた特定周波
数帯域の排気音波を第２の室に通すことにより、ヘルム
ホルツのレゾネータを構成し、特定周波数帯域の排気音
波の拡散・干渉により、所定の第３の消音特性を示すこ
ととなり、所定の低周波帯域の消音に寄与する。これに
より、２つの管部（実施例の連通管３４と分岐管３３）
による２種類のレゾネータにより、２種類の異なる低周
波帯域の消音に寄与することができるものである。例え
ば、一方のレゾネータを構成する第２の管部の実施例で
ある分岐管３３の分岐位置（つまり、該第２の管部の一
端側の終端位置、すなわち第２の管部全体からみると管
の長さ）や管径を適切に設定することにより、車室内空
洞共振の加振周波数である７０Ｈｚ〜９０Ｈｚの帯域の
消音を達成することができるものである。これに対し
て、他方のレゾネータを構成する管部（連通管３４）の
管長や管径を適宜に設定することにより、例えばそれよ
り上の所定の低周波数帯域（例えば２００Ｈｚ〜３００
Ｈｚ）の消音を達成するよう設定することができるもの
である。

【００１６】前記消音手段は、吸音材を収納してなると
共に多数の小孔を有する直線状の排気管を収納してなる
吸音室を具えていてもよい。これによっても、消音手段
の経路における排気の流れが直線状となり、スワール効
果を維持するのに寄与する。また、直線状であるため
に、消音処理に際して排圧に及ぼす抵抗や損失を抑制す
ることができ、省燃費と動力性能の向上に寄与すること
ができる。また、吸音材特有の吸音特性によって中高域
の消音をきれいに行なうことができるようになり、より
一層の消音効果を上げることができる。

【００１７】

【実施例】以下、添付図面を参照してこの発明の一実施
例を詳細に説明しよう。図１において、排気流体の導入
口から排出口に至る排気経路は、管２２，２３，２４，
２５からなっており、この排気経路の途中に第１の消音
器２６と第２の消音器２７が設けられている。排気経路
において排気流体を通す管２２〜２５の内径は次第に拡
大されている。

【００１８】すなわち、導入口寄りの最初の管２２の内
径が最小径（第１の径φ1）であり、この管２２の出口
端では内径が少し大きくなって、第２の径φ2となって
おり、第２の消音器２７に接続されている。第２の消音
器２７の出口に接続された管２３の内径は第２の径φ2
であり、これに接続された管２４の内径はそれより少し
大きい第３の径φ3を持っている。管２４は第１の消音
器２６に接続され、この第１の消音器２６の出口は排出
口の管２５に接続されている。管２５の内径は最大の第
４の径φ4である。例えば、各径φ1，φ2，φ3，φ4の
一例は、70mm，75mm，80mm，115mmである。しかし、具
体的な径の数値はこれに限らないのは勿論である。ま
た、この例では排気経路の管の内径が４段階に変化して
いるが、これに限らないのは勿論である。また、各管の
長さ、つまり内径が変化するポイント若しくは同じ径を
保つ管長、も図示の例に限らず、適宜に設定してよい。
要するに、全排気経路において、どのポイントでどれだ
け管内径を拡大するかは、適宜に設定可能である。ま
た、管内径は、段階的に限らず、連続的に拡大してもよ
い。

【００１９】このようなメガフォン構造からなる排気管
構造による作用・効果は図２を参照して前述した通りで
ある。すなわち、排気流体が管内を進行するにつれて壁
面の摩擦が増大し、中心寄りの流速が相対的に低下して
くるが、流体が或る程度進行すると管の内径が大きくな
るので、自然膨張する排気流体の体積がそれによって逃
がされ、管壁面の摩擦が相対的に低下する。すなわち、
管壁面の摩擦がそれほど増大しないように作用する。従
って、管の内径が大きくなると、低下しようとしていた
管中心部での排気流体の流速が相対的に増速され、乱流
の発生を防ぎ、スワール効果を持続させることができる
のである。従って、導入口から排出口に至る排気経路の
全域にわたって円滑な排気の流れを確保することがで
き、エンジン回転数が高回転になっても適切な排圧低損
失性能を維持することができる。また、これにより、排
圧作用のみならず、エンジンの負担をも軽減することが
できるものである。

【００２０】図５は、この発明に従うメガフォン構造か
らなる排気管構造を採用したマフラーと、同径排気管構
造からなる従来のマフラーによる排圧性能及びエンジン
出力特性を比較して示す図であり、実線が本発明、破線
が従来技術の特性を示す。この図からも、この発明に従
うメガフォン構造からなる排気管構造を採用したマフラ
ーが、排圧性能及びエンジン出力特性に関して優れてい
ることが理解できる。

【００２１】図３及び図４は、消音器２６，２７の一例
を示す。図３において、第１の消音器２６は、隔壁２８
によって仕切られた２つの室すなわち第１の室２９と第
２の室３０を有する２室構造からなるものである。エン
ジンからの排気は管２４によって導入され、多数の小孔
を有する多孔管３１がこの管２４に一直線状につながっ
ている。そして、排気を導出するための導出管３２が多
孔管３１に一直線状につながっている。従って、排気ガ
スは消音器２６内を一直線状に通過するので、極めて効
率的な排圧低損失構造となっている。多孔管３１は第１
の室２９に対応して設けられており、多孔管３１の多数
の小孔を介して第１の室２９に通じている。これによ
り、排気音振動波の拡散（拡張）、干渉等が生じ、多孔
共鳴型消音作用により所定の中高域（例えば気流音）の
消音を行なうことができる。

【００２２】更に、多孔管３１から分岐して第２の室３
０に通じる分岐管３３が設けられている。これにより、
ヘルムホルツのレゾネータ（第１のレゾネータ）を構成
し、所定の低周波帯域の消音に寄与する。また、第１の
室２９から第２の室３０に通じる連通管３４が設けられ
ている。これによっても、ヘルムホルツのレゾネータ
（第２のレゾネータ）を構成し、所定の低周波帯域の消
音に寄与する。この２種類のレゾネータにより、２種類
の異なる低周波帯域の消音に寄与することができる。例
えば、第１のレゾネータにおける分岐管３３の分岐位置
や管径を適切に設定することにより、いわゆるこもり音
といわれる車室内空洞共振の加振周波数である７０Ｈｚ
〜９０Ｈｚの帯域の消音を達成することができるもので
ある。また、第２のレゾネータをそれより上の所定の低
周波数帯域（例えば２００Ｈｚ〜３００Ｈｚ）の消音を
達成するよう設定することができるものである。

【００２３】第２の消音器２７は、上記第１の消音器２
６では除去しきれない帯域の消音を行なうものとするの
が好ましい。図４はそのような第２の消音器２７の一例
を示している。この消音器２７は、吸音材３５を収納し
てなる吸音室からなり、多数の小孔を有する排気管３６
がこの吸音室を直線状に貫通している。排気管３６の多
数の小孔から中高域の排気音がフィルタ３７を介して吸
音室内に拡散し、吸音材３５によって吸音される。従っ
て、吸音材３５とフィルタ３７の吸音特性によって所定
の中高域の消音を効果的に行なうことができる。図６
は、この発明の実施例に従う消音特性を示すものであ
り、実線が図３の消音器２６に従う消音特性例を示し、
破線が図４の消音器２７に従う消音特性例を示す。

【００２４】図３，図４の実施例共、消音器内での排気
ガス経路は一直線状であるため、排圧低損失特性を持つ
ものであり、メガフォン構造の排気管２２，２３，２４
によって維持されたスワール効果を損ねることなく、消
音作用を果たすものである。従って、この発明に従うメ
ガフォン構造の排気管に組み合わせて用いると極めて効
果的である。排気経路における消音器の配置が１か所だ
けのタイプの場合は、図３のような消音器のみとしても
よいし、あるいは、図３，図４のタイプを組み合わせて
成る消音器を１か所に配置するようにしてもよい。

【００２５】

【発明の効果】以上の通り、この発明によれば、導入口
から排出口に至る排気経路において排気流体を通す管の
内径を次第に拡大してなるメガフォン構造を採用したた
め、排気管内での乱流の発生を防ぎ、スワール効果を持
続させることができるものであり、導入口から排出口に
至る排気経路の全域にわたって円滑な排気流を確保する
ことができ、排圧低損失を維持することができると共
に、特に高速運転時においてエンジンの負担を軽減する
ことができるという優れた効果を奏する。また、ストレ
ート排気経路からなる消音器を組み合わせて使用するこ
とにより、メガフォン構造の排気管によって維持された
スワール効果を消音器の部分において損ねることなく持
続させることができるものであり、併せて良好な消音作
用を果たすことができる、という優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係るマフラーの一実施例を示す側面
図。

【図２】この発明に従うメガフォン構造を有する排気管
の縦断面を略示する図。

【図３】図１における第１の消音器の一例を示す断面略
図。

【図４】図１における第２の消音器の一例を示す断面略
図。

【図５】同実施例のエンジン出力特性と排圧特性の一例
を示す図。

【図６】同実施例の消音特性の一例を示す図。

【図７】排気管内のスワール効果を説明するための横断
面図。

【図８】同径からなる従来のマフラーの排気管縦断面を
略示する図。

【図９】従来のマフラーの一例を示す断面略図。

【図１０】従来のマフラーの別の例を示す断面略図。

【図１１】従来のマフラーの更に別の例を示す断面略
図。

【符号の説明】

２２，２３，２４，２５ 排気管, ２６，２７ 消音器, ２９ 第１の室, ３０ 第２の室 ２８ 隔壁 ３１ 多孔管, ３３ 分岐管, ２８ 連通管, ３５ 吸音材

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 排気流体の導入口から排出口に至る排気
   経路と、 この排気経路の途中に設けられた消音装置とを具備して
   おり、前記導入口から排出口に至る排気経路において排
   気流体を通す管の内径を次第に拡大してなることを特徴
   とすると共に、 前記消音装置が、 仕切られた第１及び第２の室と、 排気を導入するための導入管と、 前記導入管に略直線状につながっており、多数の小孔を
   有し、該小孔を介して前記第１の室に通じている多孔管
   と、 前記多孔管に略直線状につながっており、排気を導出す
   るための導出管とを具え、前記導入管、多孔管及び導出
   管からなる管路の内部空間が略直線状につながってい
   て、その内部を流れる排気流を低損失で排気することを
   特徴とすると共に、前記多孔管の多数の小孔から前記第
   １の室内への排気音波の拡散及び干渉によって所定の消
   音特性を示すことを特徴とするものである 内燃機関用の
   マフラー。
2. 【請求項２】 前記消音装置が、一端が前記第１の室内
   に入り込み、他端が前記第２の室内に入り込んだ所定長
   さの管部をさらに具え、該管部を通した前記第１の室か
   ら第２の室への排気音波の拡散及び干渉によって第２の
   消音特性を示すことを特徴とするものである請求項１に
   記載の内燃機関用のマフラー。