JP3649813B2 - 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。
【０００４】
【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、内燃機関の排気系の一部領域において、アウタパイプ部が排気脈動により振動する。この振動は上流側インナパイプ部の外周側および下流側インナパイプ部の外周側の少なくともいずれか一方に面接触する領域においてその伝達が減衰される。このように振動が減衰し、上流側インナパイプ部および下流側インナパイプ部の少なくともいずれか一方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。
【０００５】
請求項２に記載の発明によれば、エキゾーストマニホールドの曲がり部において排気ガスがアウタパイプ部に当たり、アウタパイプ部が排気脈動により振動する。この振動は上流側インナパイプ部の外周側および下流側インナパイプ部の外周側の少なくともいずれか一方に面接触する領域においてその伝達が減衰される。このように振動が減衰し、上流側インナパイプ部および下流側インナパイプ部の少なくともいずれか一方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。
【０００６】
請求項３に記載の発明によれば、上流側インナパイプ部と下流側インナパイプ部とアウタパイプ部はステンレス製であるので、気密状態にて接合する手法として全周溶接を用いることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、この発明の第１の実施の形態を図面に従って説明する。
【０００９】
図１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。
【００１０】
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。
【００１１】
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、防振のための二重管構造となっている。つまり、ステンレス製の上流側インナパイプ部１０と、ステンレス製の下流側インナパイプ部１１と、ステンレス製のエルボ型アウタパイプ部１２とを備えている。上流側インナパイプ部１０はエンジンの排気系における上流側となり、上流側インナパイプ部１０にエンジンの排気ガスが供給される。下流側インナパイプ部１１はエンジンの排気系における下流側となり、下流側インナパイプ部１１からエンジンの排気ガスが排出される。アウタパイプ部１２は、上流側インナパイプ部１０の外周側および下流側インナパイプ部１１の外周側に所定長さ分だけ面接触するように配置されている。又、アウタパイプ部１２は、上流側端面１２ａが上流側インナパイプ部１０と気密状態にて接合されるとともに下流側端面１２ｂが下流側インナパイプ部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２０，２１にて示す。
【００１２】
アウタパイプ部１２が排気脈動により振動する部位となる。又、アウタパイプ部１２の内周面と上流側インナパイプ部１０の外周面との面接触部１３が第１の振動伝達減衰部となるとともに、アウタパイプ部１２の内周面と下流側インナパイプ部１１の外周面との面接触部１４が第２の振動伝達減衰部となる。
【００１３】
第１の振動伝達減衰部（面接触部１３）の長さＬ１は２０〜４０ｍｍであり、第２の振動伝達減衰部（面接触部１４）の長さＬ２は２０〜４０ｍｍである。ここで、本実施の形態においては、曲がり部に面接触部１３，１４が配置されているので、長さＬ１，Ｌ２としてはパイプの中心での長さを指す。
【００１４】
この構造（防振面接触二重管構造）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。
【００１５】
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、本実施の形態においては以下の動作により高周波異音が低減する。
【００１６】
エンジンからの排気ガスが曲がり部においてアウタパイプ部１２の内壁に衝突し、その衝突により振動が発生する。この振動がアウタパイプ部１２から上流側インナパイプ部１０と下流側インナパイプ部１１に伝達する。この際、第１および第２の振動伝達減衰部（パイプ面接触部１３，１４）において互いの管壁の干渉により振動の伝達が低減する。その結果、放射音が低減する。
【００１７】
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、上流側インナパイプ部１０と下流側インナパイプ部１１とアウタパイプ部１２とは、全て、ＳＵＳ３０４材を用い厚さは１ｍｍである。パイプ寸法は、インナパイプ部１０，１１の外径が３６ｍｍ、アウタパイプ部１２の外径が３８ｍｍであり、インナパイプ部１０，１１の外周面とアウタパイプ部１２の内周面とは０．０５ｍｍの間隔が設けられている。さらに、アウタパイプ部１２はＲ７０（曲げ半径７０ｍｍ）である。第１の振動伝達減衰部（面接触部１３）の長さＬ１は３０ｍｍであり、第２の振動伝達減衰部（面接触部１４）の長さＬ２は３０ｍｍである。その他の寸法は図５に示すとおりである。
【００１８】
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。
【００１９】
図４において、実線にて図５における構造（防振面接触二重管構造）を採用した場合を示し、二点鎖線にて外径が３６ｍｍ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。
【００２０】
この図４から防振面接触二重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、６ｋ〜２０ｋＨｚのＯ．Ａ値（オーバーオール値）で４ｄＢの低減効果があることが分かった。
【００２１】
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たも第１および第２の振動伝達減衰部（パイプ面接触部）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。
【００２２】
このように本実施の形態は、下記の（イ），（ロ）の特徴を有する。
（イ）エキゾーストマニホールド１の曲がり部において、上流側インナパイプ部１０と下流側インナパイプ部１１とエルボ型アウタパイプ部１２とからなる防振面接触二重管構造を採用したので、エキゾーストマニホールド１の曲がり部において排気ガスがアウタパイプ部１２に当たり、アウタパイプ部１２が排気脈動により振動するが、この振動はアウタパイプ部１２と上流側インナパイプ部１０との面接触部１３においてその伝達が減衰されるとともにアウタパイプ部１２と下流側インナパイプ部１１との面接触部１４においてその伝達が減衰される。このように振動が減衰し、上流側インナパイプ部１０および下流側インナパイプ部１１においては排気脈動による振動は弱いものとなり、高周波異音の発生が抑制される。
（ロ）上流側インナパイプ部１０と下流側インナパイプ部１１とアウタパイプ部１２はステンレス製であるので、気密状態にて接合する手法として全周溶接を用いることができる。
【００２３】
本実施の形態の応用例として、次のように実施してもよい。
上述した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）の一部領域に防振面接触二重管構造を設けることにより振動伝達を抑制して放射音を低減させる。又、曲がり部以外にも直線部等において防振面接触二重管構造を設けることにより振動伝達を抑制して放射音を低減させる。
【００２４】
さらに、上述した実施の形態ではアウタパイプ部１２は上流側インナパイプ部１０の外周側および下流側インナパイプ部１１の外周側に面接触するように配置し上流側端面１２ａおよび下流側端面１２ｂを上流側インナパイプ部１０および下流側インナパイプ部１１と気密状態にて接合したが、アウタパイプ部１２は上流側インナパイプ部１０の外周側と下流側インナパイプ部１１の外周側の内のいずれか一方にのみ面接触するように配置し、当該面接触部におけるアウタパイプ部１２の端面（上流側あるいは下流側）をインナパイプ部の外周面（上流側インナパイプ部１０の外周面あるいは下流側インナパイプ部１１の外周面）と気密状態にて接合してもよい。
（第２の実施の形態）
次に、この発明の参考例としての第２の実施の形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００２５】
図６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平面図を、図７には、エキゾーストマニホールドの正面図を示す。
エキゾーストマニホールド１の曲がり部（図７中のＢ部）においては、図８に示すように、曲がり部の外側でのステンレスパイプ３０の表面に制振用板材３１が配置されている。制振用板材３１は、ステンレス鋼板よりなり、長方形をなしている。縦・横の寸法は２０ｍｍ×８０ｍｍで、厚さは２ｍｍである。この制振用板材３１は、その長手方向をステンレスパイプ３０の延設方向とした状態で、長手方向における両端部と中央部の計３箇所において電気溶接（スポット溶接）によりパイプ３０に点付けされ、パイプ３０と面接触する状態で配置されている。図８において点付け箇所を３２ａ，３２ｂ，３２ｃにて示す。そして、パイプ３０と制振用板材３１との面接触部が排気脈動に対する振動減衰部となる。ステンレスパイプ３０の厚さは２ｍｍである。
【００２６】
この制振用板材３１は、図６，７に示すように、エンジンの第１気筒に対する排気管２には２箇所にわたり配置され、第２，第３，第４気筒に対する排気管３，４，５にそれぞれ１箇所ずつ配置されている。
【００２７】
次に、作用について述べる。
エンジンからの排気ガスが圧力波となり曲がり部においてパイプ３０の内壁に衝突し、その衝突によりパイプ３０の表面が振動する。この振動がパイプ３０の曲がり部から上流側と下流側に伝達する。この際、パイプ３０と制振用板材３１との間の面接触部において互いの壁面の干渉により振動の伝達が低減する。その結果、放射音が低減する。
【００２８】
図９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。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、マイクはエンジンから４０ｃｍの位置に設置した。
【００２９】
図９において、実線にて図８における構造（面接触プレート構造）を採用した場合を示し、二点鎖線にて曲げたステンレスパイプ（単なる曲げパイプ）を用いた場合を示す。
【００３０】
この図９から面接触プレート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、高周波異音を特に感じる１５００ｒｐｍ、１５ｋｇｆｍでＯ．Ａ値（オーバーオール値）で３ｄＢの低減効果があることが分かった。
【００３１】
図１０には、エンジン負荷を変えた時の６〜２０ｋＨｚでの音圧レベルのＯ．Ａ値（オーバーオール値）の測定結果を示す。尚、エンジン回転数は１５００ｒｐｍで測定している。この図１０からエンジン負荷が７ｋｇｆｍよりも大きくなると図８における構造（面接触プレート構造）を採用したことによる騒音低減効果が表れることが分かる。
【００３２】
このように本実施の形態は、下記の特徴を有する。
（イ）エキゾーストマニホールドの曲がり部におけるパイプ３０の外側での表面に、制振用板材３１を点付けして制振用板材３１を面接触する状態で配置し、パイプ３０と制振用板材３１との面接触にて排気脈動に対する振動減衰を行うようにした。よって、エキゾーストマニホールドの曲がり部において排気ガスがパイプ３０に当たりパイプ３０が排気脈動により振動するが、この振動は曲がり部の外側でのパイプ表面において制振用板材３１との面接触にてその伝達が減衰される。このように振動が減衰し、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。
【００３３】
又、エキゾーストマニホールドの曲がり部のパイプの厚さを厚くしマス効果により高周波異音の低減を図る場合に比べ、本実施の形態においてはコストアップや重量増加を招くこと無く高周波異音の低減を図ることができる。
【００３４】
尚、上記実施の形態では１枚の制振用板材３１に対し３箇所にわたり点付けしたが、その数は「３」以外の任意の数としてもよく、制振用板材３１の大きさや厚さや材質等に応じた数とすればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 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平面図。
【図２】 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正面図。
【図３】 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断面図。
【図４】 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】 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平面図。
【図７】 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正面図。
【図８】 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断面図。
【図９】 騒音測定結果を示す周波数特性図。
【図１０】 騒音測定結果を示す特性図。
【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…上流側インナパイプ部、１１…下流側インナパイプ部、１２…アウタパイプ部、１３，１４…面接触部、３０…パイプ、３１…制振用板材。

Claims (3)

1. 内燃機関の排気系の一部領域において設けられるものであって、
   内燃機関の排気系における上流側となる上流側インナパイプ部と、
   内燃機関の排気系における下流側となる下流側インナパイプ部と、
   前記上流側インナパイプ部の外周側および下流側インナパイプ部の外周側の少なくともいずれか一方に面接触するように配置され、上流側および下流側の少なくともいずれか一方の端面が前記上流側インナパイプ部および下流側インナパイプ部の少なくともいずれか一方と気密状態にて接合されたアウタパイプ部と
   を備え、
   排気脈動により振動する前記アウタパイプ部に対し、前記上流側インナパイプ部の外周側および下流側インナパイプ部の外周側の少なくともいずれか一方に面接触する領域を振動伝達減衰部としたことを特徴とする内燃機関の排気管。
2. エキゾーストマニホールドの曲がり部において設けられるものであって、
   内燃機関の排気系における上流側となる上流側インナパイプ部と、
   内燃機関の排気系における下流側となる下流側インナパイプ部と、
   前記上流側インナパイプ部の外周側および下流側インナパイプ部の外周側の少なくともいずれか一方に面接触するように配置され、上流側および下流側の少なくともいずれか一方の端面が前記上流側インナパイプ部および下流側インナパイプ部の少なくともいずれか一方と気密状態にて接合されたアウタパイプ部と
   を備え、
   排気脈動により振動する前記アウタパイプ部に対し、前記上流側インナパイプ部の外周側および下流側インナパイプ部の外周側の少なくともいずれか一方に面接触する領域を振動伝達減衰部としたことを特徴とする内燃機関の排気管。
3. 前記上流側インナパイプ部と下流側インナパイプ部とアウタパイプ部は、ステンレス製である請求項１または２に記載の内燃機関の排気管。

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