JP3580945B2 - 内燃機関の排気管 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、内燃機関の排気管に関するものである。
【０００２】
【従来の技術および課題】
従来のエンジンのエキゾーストマニホールドは、例えば４気筒エンジンの場合、第１気筒から第４気筒の爆発に同期した排気脈動により６ｋ〜２０ｋＨｚの高周波音がパイプ全体から発生しエンジン騒音における高周波異音の発生原因となっている。
【０００３】
そこで、この発明の目的は、高周波音の発生を低減することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明によれば、内燃機関の排気管の曲がり部におけるパイプの外側での表面に、パイプの延設方向に延びる補強材が固設されており、排気管の曲がり部において排気ガスが補強材設置部に当たり、補強材設置部が排気脈動により振動する。この振動は補強材設置部においてマス効果および高剛性化により制振、即ち、減衰される。このように振動が減衰し、曲がり部の上流側および下流側においては排気脈動による振動は弱いものとなり、高周波異音の発生が抑制される。
【０００９】
請求項２に記載の発明によれば、内燃機関の排気管の曲がり部を排気ガスによる振動の腹としたときの曲がり部から所定間隔を隔てた振動の腹に相当する箇所でのパイプの表面に、ウェイトが固設されており、排気管の曲がり部において排気ガスが当たり、曲がり部が排気脈動により振動する。この振動はウェイト設置部においてマス効果により制振、即ち、減衰される。このように振動が減衰し、高周波異音の発生が抑制される。
【００１０】
請求項３に記載の発明によれば、排気管の曲がり部において排気ガスが鋳鉄製パイプ部に当たり、鋳鉄製パイプ部が排気脈動により振動する。この振動は鋳鉄製パイプ部において黒鉛により制振、即ち、減衰される。このように振動が減衰し、曲がり部の上流側および下流側においては排気脈動による振動は弱いものとなり、高周波異音の発生が抑制される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
（参考例）
以下、この発明の参考例を図面に従って説明する。
【００１２】
図１には参考例におけるエキゾーストマニホールドの平面図を、図２には、エキゾーストマニホールドの正面図を示す。
４気筒ガソリンエンジンＥｎには、エキゾーストマニホールド１が取り付けられている。ステンレス製エキゾーストマニホールド１は４つの分岐管２，３，４，５と１本の集合管６とを有している。即ち、第１気筒の排気ガスを排出するための第１気筒用分岐管２と、第２気筒の排気ガスを排出するための第２気筒用分岐管３と、第３気筒の排気ガスを排出するための第３気筒用分岐管４と、第４気筒の排気ガスを排出するための第４気筒用分岐管５とを備え、各分岐管が集合して集合管６と連通している。集合管６にはフロントパイプ７が接続されている。
エキゾーストマニホールド１は取付けフランジ８，９によりエンジンＥｎおよびフロントパイプ７に取り付けられる。
【００１３】
そして、エンジンＥｎの第１気筒〜第４気筒までの排気ガスは各気筒に対応した分岐管２〜５へ排出され、集合管６において全気筒の排気ガスが集合してフロントパイプ７に流れ、図示しないマフラーを通して大気に放出される。
【００１４】
エキゾーストマニホールド１の曲がり部（図２中のＡ部）においては、図３に示すように、防振のための厚肉管構造となっている。つまり、ステンレス製のパイプ上流部１０と、ステンレス製のパイプ下流部１１と、ステンレス製のエルボ型厚肉パイプ部１２とを備えている。パイプ上流部１０はエンジンの排気系における上流側となり、パイプ上流部１０にエンジンの排気ガスが供給される。パイプ下流部１１はエンジンの排気系における下流側となり、パイプ下流部１１からエンジンの排気ガスが排出される。厚肉パイプ部１２は、パイプ上流部１０とパイプ下流部１１とを連結するように配置されている。又、厚肉パイプ部１２は、上流側端面１２ａがパイプ上流部１０と気密状態にて接合されるとともに下流側端面１２ｂがパイプ下流部１１と気密状態にて接合されている。より具体的には、全周溶接（外周溶接）により気密状態にて接合されている。図３においては溶接部を符号１３，１４にて示す。
【００１５】
パイプの曲がり部である厚肉パイプ部１２が排気脈動により振動する部位（加振源）となるとともに、当該領域がマス効果による制振部となる。
パイプ上流部１０の厚さ（肉厚）は２．０ｍｍであり、パイプ下流部１１の厚さ（肉厚）は２．０ｍｍであり、厚肉パイプ部１２の厚さ（肉厚）は４．０ｍｍである。各パイプ部１０，１１，１２の内径は等しくなっており、パイプ内壁において段差が無い構造となっている。よって、各パイプ部１０，１１，１２内を排気ガスが円滑に流れる。
【００１６】
この構造（厚肉管構造）は、エキゾーストマニホールド１の全ての曲がり部に採用されている。
次に、作用について述べる。
【００１７】
一本のステンレス製分岐パイプを数箇所曲げることにより集合部に各分岐パイプを集合させた構造を採った場合にはパイプの曲がり部において排気により発生する圧力波が曲がり箇所においてパイプの管内壁に衝突し、そこで発生する高周波の振動がパイプ全体に伝わりエキゾーストマニホールド全体から同時にエンジン排気に同期した高周波異音が発生する。これに対し、参考例においては以下の動作により高周波異音が低減する。
【００１８】
エンジンからの排気ガスがエキゾーストマニホールド１に入り、さらに、パイプ上流部１０〜厚肉パイプ部１２〜パイプ下流部１１を経由してエキゾーストマニホールド１を通過していく。この排気ガスの排出過程において、排気ガスがエキゾーストマニホールド１の曲がり部において厚肉パイプ部１２の内壁に衝突し、その衝突により振動が発生する。この振動が厚肉パイプ部１２からパイプ上流部１０とパイプ下流部１１に伝達する。この際、厚肉パイプ部１２においてマス効果により制振、即ち、減衰する。その結果、振動の伝達が低減でき放射音が低減する。
【００１９】
図４には、放射音低減効果についての騒音測定結果（実験結果）を示す。実験に用いたサンプルを図５に示す。図５において、パイプ上流部１０とパイプ下流部１１と厚肉パイプ部１２とは、全て、ＳＵＳ３０４材を用い、パイプ上流部１０とパイプ下流部１１の厚さは１ｍｍであり、厚肉パイプ部１２には９０°エルボを用い厚肉パイプ部１２の厚さは４ｍｍである。パイプ寸法は、パイプ部１０，１１の外径が３６．１ｍｍ、厚肉パイプ部１２の外径が４２．１ｍｍである。さらに、厚肉パイプ部１２はＲ７０（曲げ半径７０ｍｍ）である。その他の寸法は図５に示すとおりである。
【００２０】
又、エンジンには２０００ｃｃ直列４気筒ガソリン噴射エンジンを用い、実験時のエンジン条件は１５００ｒｐｍ、負荷トルクは１５ｋｇｆｍである。これは特に高周波音の異音感を感じる条件である。さらに、マイクは管中心から２０ｃｍの位置に設置した。
【００２１】
図４において、実線にて図５における構造（厚肉管構造）を採用した場合を示し、二点鎖線にて外径が３６．１ｍｍで、Ｒ７０のステンレスパイプ（単なる曲げパイプ）を用いた場合を示す。
【００２２】
この図４から厚肉管構造を採用したものの方が騒音低減効果があることが分かる。より正確には、高周波異音の周波数帯域である６ｋ〜２０ｋＨｚのＯ．Ａ値（オーバーオール値）で２．５ｄＢの低減効果があることが分かった。
【００２３】
このように、加振源となる箇所において加振力が同じであっても厚肉パイプ部１２にて振動を減衰させることができ、これにより、聴感で差ができる程度に放射音低減効果がある。
【００２４】
図６には、厚肉パイプ部１２の厚さを変えた時の放射音低減効果についての騒音測定結果（実験結果）を示す。つまり、横軸に、パイプ上流部１０とパイプ下流部１１の厚さを１ｍｍとしたときにおける厚肉パイプ部１２の厚さをとり、縦軸に放射音低減レベルをとっている。
【００２５】
この図６から、厚肉パイプ部１２の厚みが厚くなるほど、放射音低減効果があることが分かる。又、厚肉パイプ部１２（曲がり部におけるパイプ）の厚さを、１ｍｍ〜４ｍｍとしたときにおいて高い放射音低減効果があり、４ｍｍ〜８ｍｍとしたときにおいても放射音低減効果がある。さらに、厚肉パイプ部１２（曲がり部におけるパイプ）の厚さを、８ｍｍ以上としたときにおいては放射音低減レベルは厚さに無関係に一定となることが分かった。
【００２６】
このように参考例は、下記の（イ）〜（ハ）の特徴を有する。
（イ）エキゾーストマニホールド１の曲がり部におけるパイプ（厚肉パイプ部１２）の厚さを他の領域（パイプ上流部１０およびパイプ下流部１１）よりも厚くし、当該領域を排気脈動の制振部とした。よって、排気ガスが厚肉パイプ部１２に当たり、厚肉パイプ部１２が排気脈動により振動するが、この振動は厚肉パイプ部１２においてマス効果により制振、即ち、減衰される。このように振動が減衰し、曲がり部の上流側および下流側のパイプ部１０，１１においては排気脈動による振動は弱いものとなり、高周波異音の発生を抑制することができる。
【００２７】
又、肉厚を厚くする箇所は加振源となる曲がり部のみであるので、パイプ全体の肉厚を上げるよりもコスト安で、重量の増加を極力抑制して放射音の低減を図ることができる。
（ロ）曲がり部におけるパイプ（１２）の厚さを４ｍｍとして、２ｍｍ以上を満たす範囲内としたので、図６から分かるように、高周波異音の発生を、より抑制することができる。
（ハ）曲がり部におけるパイプ（１２）の厚さを４ｍｍとして、２ｍｍ以上、８ｍｍ以下を満たす範囲内としたので、図６から分かるように、高周波異音の発生を、より抑制することができる。
（第１の実施の形態）
次に、この発明の第１の実施の形態を、上記参考例との相違点を中心に説明する。
【００２８】
図７には本実施の形態におけるエキゾーストマニホールドの曲がり部の側面図を示すとともに、図８には、図７のＢ矢視方向から見たエキゾーストマニホールドの曲がり部を示す。
【００２９】
パイプ２０における曲がり部において、パイプ２０の外側（図７においては右側）での表面には、補強材としてのリブプレート２１が溶接により固設されている。リブプレート２１は帯板状をなし、厚さが５ｍｍで、高さが９ｍｍであり、パイプ２０の延設方向に延びている。このリブプレート２１の設置領域においてはパイプ２０はリブプレート２１により剛性が向上しており、この領域が排気脈動の制振部となる。
【００３０】
作用について説明すると、パイプ２０の曲がり部において排気ガスがリブプレート設置部に当たり、リブプレート設置部が排気脈動により振動する。この振動はリブプレート設置部においてマス効果および高剛性化により制振、即ち、減衰される。このように振動が減衰し、曲がり部の上流側および下流側のパイプ部においては排気脈動による振動は弱いものとなり、高周波異音の発生が抑制される。
（第２の実施の形態）
次に、この発明の第２の実施の形態を、上記参考例との相違点を中心に説明する。
【００３１】
図９には本実施の形態におけるエキゾーストマニホールドの曲がり部の側面図を示すとともに、図１０には、図９のＣ視方向から見たエキゾーストマニホールドの曲がり部を示す。
【００３２】
パイプ３０の曲がり部に対し、上流側に所定間隔Ｌ１を隔てた振動の腹に相当する箇所でのパイプ３０の表面に、ウェイト用鋼材３１が溶接により固設されている。又、パイプ３０の曲がり部に対し、下流側に所定間隔Ｌ２を隔てた振動の腹に相当する箇所でのパイプ３０の表面に、ウェイト用鋼材３２が溶接により固設されている。つまり、パイプ３０の曲がり部を排気ガスによる振動の腹としたときの曲がり部から所定間隔Ｌ１，Ｌ２を隔てた振動の腹に相当する箇所でのパイプ３０の表面に、ウェイト用鋼材３１，３２が固設されている。このウェイト用鋼材３１，３２の設置領域が排気脈動の制振部となる。このウェイト用鋼材３１，３２は、立方体をなしている。
【００３３】
ウェイト用鋼材３１，３２の設置箇所の決定方法について言及すると、レーザドップラ面振動計により振動モードを測定して各周波数における振動の腹を決定する。
【００３４】
又、パイプ３０の曲げ部において、パイプ３０の外側（図９においては右側）での表面には、ウェイト用鋼材３３が溶接により固設されている。このウェイト用鋼材３３は立方体をなしており、ウェイト用鋼材３３によりマス効果による加振源における制振効果がある。
【００３５】
作用について説明すると、パイプ３０の曲がり部において排気ガスが当たり、曲がり部が排気脈動により振動する。この振動はウェイト用鋼材３１，３２の設置部においてマス効果により制振、即ち、減衰される。このように振動が減衰し、曲がり部の上流側および下流側のパイプ部においては排気脈動による振動は弱いものとなり、高周波異音の発生が抑制される。
【００３６】
本実施の形態における応用例を説明すると、ウェイト用鋼材３３は無くてもよい。又、振動の腹に相当する箇所に配置するウェイト用鋼材は、３１と３２の内の一方のみでもよい。
（第３の実施の形態）
次に、この発明の第３の実施の形態を、上記参考例との相違点を中心に説明する。
【００３７】
図１１には本実施の形態におけるエキゾーストマニホールドの曲がり部の断面図を示す。
エキゾーストマニホールドにおける曲がり部において、ステンレス製のパイプ上流部４０と、ステンレス製のパイプ下流部４１と、鋳鉄製の９０°エルボ型パイプ部４２とを備えている。直管であるパイプ上流部４０はエンジンの排気系における上流側となり、パイプ上流部４０にエンジンの排気ガスが供給される。直管であるパイプ下流部４１はエンジンの排気系における下流側となり、パイプ下流部４１からエンジンの排気ガスが排出される。鋳鉄製パイプ部４２は、パイプ上流部４０とパイプ下流部４１とを連結するように配置され、鋳鉄製パイプ部４２とパイプ上流部４０とはフランジ４０ａ，４２ａにより固定され、又、鋳鉄製パイプ部４２とパイプ下流部４１とはフランジ４２ｂ，４１ａにより固定されている。尚、図中、４３，４４はガスケットであり、ボルトの図示は省略した。
【００３８】
パイプの曲がり部である鋳鉄製パイプ部４２が排気脈動により振動する部位（加振源）となるとともに、当該領域が制振部となる。
又、パイプ上流部４０とパイプ下流部４１と鋳鉄製パイプ部４２とは同じ内径で、かつ同じ厚さ（肉厚）である。
【００３９】
作用について説明すると、パイプの曲がり部において排気ガスが鋳鉄製パイプ部４２に当たり、鋳鉄製パイプ部４２が排気脈動により振動する。この振動は鋳鉄製パイプ部４２において黒鉛により制振、即ち、減衰される。このように振動が減衰し、曲がり部の上流側および下流側のパイプ部４０，４１においては排気脈動による振動は弱いものとなり、高周波異音の発生が抑制される。
【００４０】
上述した各実施の形態ではエキゾーストマニホールドの曲がり部に適用したが、これに限ることなく、エキゾーストマニホールド以外の排気管（排気系）の曲がり部に適用して放射音を低減させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】参考例におけるエキゾーストマニホールドの平面図。
【図２】参考例におけるエキゾーストマニホールドの正面図。
【図３】参考例におけるエキゾーストマニホールドの曲がり部の断面図。
【図４】参考例における騒音測定結果を示す周波数特性図。
【図５】実験に用いたサンプルの断面図。
【図６】参考例における騒音測定結果を示す図。
【図７】第１の実施の形態におけるエキゾーストマニホールドの曲がり部の側面図。
【図８】図７のＢ矢視方向から見たエキゾーストマニホールドの曲がり部を示す図。
【図９】第２の実施の形態におけるエキゾーストマニホールドの曲がり部の側面図。
【図１０】図９のＣ矢視方向から見たエキゾーストマニホールドの曲がり部を示す図。
【図１１】第３の実施の形態におけるエキゾーストマニホールドの曲がり部の断面図。
【符号の説明】
Ｅｎ…ガソリンエンジン、１…エキゾーストマニホールド、１０…パイプ上流部、１１…パイプ下流部、１２…厚肉パイプ部、２１…補強材としてのリブプレート、３１…ウェイト用鋼材（ウェイト）、３２…ウェイト用鋼材（ウェイト）、４０…パイプ上流部、４１…パイプ下流部、４２…鋳鉄製パイプ部。

Claims (3)

1. 内燃機関の排気管の曲がり部におけるパイプの外側での表面に、パイプの延設方向に延びる補強材を固設し、当該領域を排気脈動の制振部としたことを特徴とする内燃機関の排気管。
2. 内燃機関の排気管の曲がり部を排気ガスによる振動の腹としたときの曲がり部から所定間隔を隔てた振動の腹に相当する箇所でのパイプの表面に、ウェイトを固設し、当該領域を排気脈動の制振部としたことを特徴とする内燃機関の排気管。
3. 内燃機関の排気管の曲がり部におけるパイプを鋳鉄製とするとともに、曲がり部の下流および上流側のパイプをステンレス製とし、前記曲がり部を排気脈動の制振部としたことを特徴とする内燃機関の排気管。

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