JP5252013B2 - 排気用消音器 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の排気騒音を低減する排気用消音器に関するものである。

内燃機関の排気系には、その内部空間が排気の消音室として機能する消音器が設けられている。こうした消音器においては、図１２に示すように、排気管の壁面に設けられた孔を介して同排気管の内部と消音室の内部とが連通されることにより、消音構造が形成されているものがある。

なお、本発明にかかる先行技術文献としては、以下の特許文献１〜６が挙げられる。

特開２００５−２５６６８８号公報 特開２００５−２５６６４４号公報 特開平１１−１１７７２４号公報 特開平９−３２４６１９号公報 特開２００２−３０３１１７号公報 特開平７−１３３７１２号公報

ところで、排気が上記排気管内を流れると、上記孔の形成部位には排気の渦流が発生する。この渦流は、排気の流速が遅いときには、上記孔の形成部位から剥がれることなくほぼ一定の位置で留まっているが、排気の流速が速くなると、上記孔の形成部位から剥がれるようになる。このように、上記孔の形成部位から排気の渦流が剥がれるようになると、その孔の近傍には周期的に変化する圧力波が発生するようになり、その圧力波の変動周波数が、排気系を構成する壁面等の反射による共鳴周波数に一致すると、排気系からは大きな共鳴音、例えば笛吹音のような音が発生するようになる。

ここで、上記圧力波の変動周波数は、上記孔の形状や孔の周縁の形状を変えることで変更することができるため、上記変動周波数を変更して同変動周波数を上記共鳴周波数からずらすことで、共鳴音の発生を抑えることは可能である。しかし、内燃機関の排気系においては、温度や圧力などが種々変化するため、上述した共鳴周波数も種々変化する。従って、変動周波数を変更することで、ある機関運転状態での共鳴音の発生についてはこれを抑えることができるものの、新たに他の機関運転状態では共鳴音が発生するようになる。このように、従来の構造では、幅広い機関運転状態において共鳴音の発生を抑えることは困難である。

この発明はこうした事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、幅広い機関運転状態において共鳴音の発生を好適に抑えることのできる排気用消音器を提供することにある。

上記目的を達成するための手段及びその作用効果について以下に記載する。
請求項１に記載の発明は、消音室内と排気管内とが前記排気管の壁面に設けられた孔を介して連通された排気用消音器において、前記排気管の途中にはテーパ部が設けられており、前記テーパ部の大径側に繋がる前記排気管の端部の壁面及び前記テーパ部の壁面のうちのいずれかの壁面であって、前記排気管内の他の部位よりも厚い排気の境界層が形成される壁面に前記孔が１つのみ設けられており、前記テーパ部は、排気下流側に向かって縮径されており、前記消音室内と前記排気管内とは、前記孔を介して直接連通されており、前記消音室内は、前記孔の設けられた前記排気管内にのみ連通されていることをその要旨とする。
また、請求項２に記載の発明は、消音室内と排気管内とが前記排気管の壁面に設けられた孔を介して連通された排気用消音器において、前記排気管の途中にはテーパ部が設けられており、前記テーパ部の壁面に前記孔が１つのみ設けられており、前記テーパ部は、排気下流側に向かって縮径されており、前記消音室内と前記排気管内とは、前記孔を介して直接連通されており、前記消音室内は、前記孔の設けられた前記排気管内にのみ連通されていることをその要旨とする。

周知のように、流体が流れる物体の表面近傍には、流体の粘性の影響が顕著に現れることにより流体の速度が減速される領域、いわゆる境界層が存在する。こうした境界層は、排気が流れる排気管の内壁にも存在しており、その境界層内においては、内壁に近づくほど排気の流速は遅くなっている。また、排気の流速が速くなるほど、境界層は薄くなる。

ここで、排気管に設けられたテーパ部によって排気の流路断面積が変化することにより、そのテーパ部の内壁や、テーパ部の大径側に繋がる排気管の端部近傍の内壁では、境界層が発達するようになる。従って、排気の流速が速くなることで境界層が薄くなる状況でも、上記テーパ部の内壁や、上記大径側に繋がる排気管の端部近傍の内壁においては、排気管内の他の部位よりも厚い境界層が形成される。そして、こうした厚い境界層が形成される壁面、すなわち排気の流速が比較的遅い壁面に上記孔が設けられることにより、孔の形成部位で発生する渦流の剥がれが抑制されるようになる。従って、請求項１や請求項２に記載の構成によれば、上記孔の形成部位で発生する渦流の剥がれが抑えられるようになるため、共鳴音の発生原因である圧力波の変動そのものが起きにくくなる。従って、機関運転状態が種々変化しても共鳴音は発生しにくくなり、幅広い機関運転状態において共鳴音の発生を好適に抑えることができるようになる。
また、上記消音室内は、上記孔の設けられた排気管内にのみ連通されているため、孔が形成された部位近傍の壁面の境界層において排気の流れを滞留させる効果が高くなるとともに、そうした部位近傍での境界層の発達も促されるようになる。

なお、先の図１２に示したような従来の消音器で発生する共鳴音は、その共鳴音を低減する消音器をさらに設けることにより抑えることも可能である。しかし、この場合には、１つの消音器を設けるためにさらに別の消音器も必要になるため、消音器の配設スペースが大きくなってしまう。そのため、排気系の末端等のように、消音器の配設スペースを大きくとることができない部位には、そうした複数の消音器を設けることができない。しかし、請求項１や請求項２に記載の構成による排気用消音器では、上述したように共鳴音の発生を抑えることができるため、従来の消音器のように共鳴音を低減する消音器をさらに設ける必要がない。そのため、消音器の配設スペースを大きくとることができない部位にも設置することが可能になる。

ちなみに、請求項１に記載の構成において、「排気管の端部」とは、テーパ部の大径側に繋げられることにより他の部位よりも厚い境界層が形成される端部近傍の部位のことであり、必ずしも排気管の最末端に限定されるものではない。

また、前記テーパ部は、排気下流側に向かって縮径されている。この構成によれば、テーパ部による排気抵抗の増大等によって、そのテーパ部や同テーパ部の排気上流側、すなわちテーパ部の大径側に繋がる排気管の端部近傍での排気の流速が遅くなる。そのため、そうした排気の流速が低下する部位での境界層の発達を好適に促すことができるようになる。

本発明にかかる排気用消音器について、これが適用される一実施形態での内燃機関の排気系を示す模式図。 同実施形態における第３消音器の断面図。 物体の表面を流れる流体の流速分布を示す概念図。 図２のＡ部拡大図。 同実施形態の第３消音器を備える排気系の排気騒音についてその周波数分析を行った結果を示すグラフ。 同実施形態の変形例における第３消音器の断面図。 同実施形態の変形例における第３消音器の断面図。 同実施形態の変形例における第３消音器の断面図。 同実施形態の変形例における第３消音器の断面図。 同実施形態の変形例における第３消音器の断面図。 同実施形態の変形例における第３消音器の断面図。 従来の消音器の断面図。

以下、この発明にかかる排気用消音器を具体化した一実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。
図１に、本実施形態における排気用消音器が配設された内燃機関の排気系についてその全体構成を示す。

この図１に示すように、上記排気系には、内燃機関のエキゾーストマニホールドに接続されてその途中に触媒コンバータ１１が配設された第１排気管１０が設けられおり、第１排気管１０の排気下流側には第１消音器１００が接続されている。この第１消音器１００の排気下流側には、第２排気管２０が接続されており、第２排気管２０の排気下流側には、第２消音器２００が接続されている。この第２消音器２００の排気下流側には、第３排気管３０が接続されており、この第３排気管３０の排気下流側の末端は、大気開放されている。

上記第１消音器１００及び第２消音器２００は周知の構造を有した排気用消音器であって、その内部には、排気騒音を低減する各種の消音構造が形成されている。
上記第３排気管３０の途中には、本発明にかかる排気用消音器である第３消音器３００が設けられている。

図２に、第３消音器３００の断面構造を示す。この図２に示すように、第３消音器３００は、第３排気管３０の外周を覆う外筒３１０と、第３排気管３０の途中に設けられたテーパ部３２０と、第３排気管３０の壁面に設けられた孔３３０とで構成されている。

この外筒３１０の内周面と第３排気管３０の外周面との間には空間が設けられており、この空間によって共鳴室３４０が形成されている。
上記テーパ部３２０は、排気下流側に向かって縮径されており、このテーパ部３２０の大径側（排気の上流側に開口する部位）に繋がる第３排気管３０の端部の壁面には、上記孔３３０が設けられている。この孔３３０を介して第３排気管３０の内部と上記共鳴室３４０の内部とは連通されている。より詳細には、共鳴室３４０は、第３排気管３０の内部にのみ連通されており、さらには１つの孔３３０を介してのみ第３排気管３０の内部に連通されている。そして、孔３３０と共鳴室３４０とで構成される共鳴器によって、特定周波数の排気騒音が低減される。なお、テーパ部３２０の小径側（排気の下流側に開口する部位）に繋がる第３排気管３０の径は、テーパ部３２０の小径側との接続部位から大気開放されている末端まで、同テーパ部３２０の小径側の径と同一にされている。

この実施形態における第３消音器３００では、次のような作用効果が得られる。
上述したように、壁面に孔が設けられた排気管では、排気の流速が速くなるほど、孔の形成部位で発生する渦流がその孔の形成部位から剥がれやすくなり、同孔の近傍には周期的に変化する圧力波が発生するようになる。そして、こうした圧力波の変動周波数が、排気系を構成する壁面等の反射による共鳴周波数に一致すると、排気系からは大きな共鳴音が発生するようになる。

ここで、図３に示すように、流体が流れる物体の表面近傍には、流体の粘性の影響が顕著に現れることにより流体の速度が減速される領域、いわゆる境界層が存在することが知られている。こうした境界層は、排気が流れる第３排気管３０の内壁にも存在しており、その境界層内においては、内壁に近づくほど排気の流速は遅くなっている。また、排気の流速が速くなるほど、その境界層は薄くなる。

さて、本実施形態では、第３消音器３００に設けられた上記テーパ部３２０によって、排気の流路断面積が縮小されることにより排気抵抗が増大するなどして、テーパ部３２０や、テーパ部３２０の排気上流側、すなわちテーパ部３２０の大径側に繋がる第３排気管３０の端部近傍での排気の流速は遅くなる。このように、排気の流速が遅くなることにより、図４に示すごとく、テーパ部３２０の内壁や、テーパ部３２０の大径側に繋がる第３排気管３０の端部近傍の内壁では、上述した境界層が発達するようになる。従って、排気の流速が速くなることで第３排気管３０内の境界層が薄くなりやすい状況でも、テーパ部３２０の内壁や、テーパ部３２０の大径側に繋がる第３排気管３０の端部近傍の内壁においては、他の部位よりも厚い境界層が形成される。そして、こうした厚い境界層が形成されることにより排気の流速が比較的遅くなっている壁面、すなわちテーパ部３２０の大径側に繋がる第３排気管３０の端部の壁面に上記孔３３０が設けられているため、孔３３０の形成部位で発生する渦流の剥がれが抑制されるようになる。このように、本実施形態の第３消音器３００では、孔３３０の形成部位で発生する渦流の剥がれが抑えられるようになるため、上述したような共鳴音の発生原因である圧力波の変動そのものが起きにくくなる。機関運転状態が種々変化しても共鳴音は発生しにくくなり、幅広い機関運転状態において共鳴音の発生が抑えられる。

ちなみに、前記各特許文献１〜６には、テーパ部の壁面やテーパ部の大径側に繋がる排気管の壁面に孔を設けるようにしたものが記載されているが、それらに記載の消音器では、例えば壁面に設けられた孔を介して消音室から排気管内に排気が流れ込むようになっており、その消音室や孔は、排気が流れる流路の一部を構成している。そのため、孔を通過する際の排気の流勢については、排気の流速に応じた強い流勢となる構造になっている。従って、それら各特許文献に記載の消音器においては、孔が形成された部位近傍の壁面の境界層において排気の流れは滞留しにくくなっており、そうした部位近傍での境界層の発達も起こりにくくなっている。一方、本実施形態では、共鳴室３４０が第３排気管３０の内部にのみ連通されており、さらに１つの孔３３０を介してのみ第３排気管３０内に連通されている。そのため、同共鳴室３４０や孔３３０については、排気が流れる流路の一部を構成しておらず、流勢の強い排気が孔３３０を出入りすることについては抑制されている。こうした構造の違いにより、本実施形態の第３消音器３００では、前記各特許文献１〜６に記載の消音器と異なり、孔３３０が形成された部位近傍の壁面の境界層において排気の流れを滞留させる効果が高くなるとともに、そうした部位近傍での境界層の発達も促されるようになる。

他方、先の図１２に示したような従来の消音器で発生する共鳴音は、その共鳴音を低減する消音器をさらに設けることにより抑えることも可能である。しかし、この場合には、１つの消音器を設けるためにさらに別の消音器も必要になるため、消音器の配設スペースが大きくなってしまう。そのため、排気系の末端に設けられた上記第３排気管３０等のように、消音器の配設スペースを大きくとることができない部位には、そうした複数の消音器を設けることができない。しかし、本実施形態の上記第３消音器３００では、上述したように共鳴音の発生を抑えることができるため、従来の消音器のように共鳴音を低減する消音器をさらに設ける必要がなく、消音器の配設スペースを大きくとることができない部位にも設置することが可能である。

図５に、上記第３消音器３００を備えた排気系についてその排気騒音の周波数分析を行った実験結果の一例を示す。なお、この図５においては、上記第３消音器３００を備えた排気系の排気騒音を実線で示している。また、比較対象として、上記テーパ部３２０が形成されておらず、直線状の第３排気管に孔３３０が設けられた第３消音器、すなわち先の図１２に示したような従来構造の第３消音器を備えた排気系の排気騒音を二点鎖線で示している。ちなみに、同図５に示す実験結果は、内燃機関の回転速度が５０００ｒ／ｍｉｎになったとき、換言すれば排気の流速がある程度高くなっている状態での測定結果を示している。

この図５に示すように、上記第３消音器３００を備えた排気系では、従来の消音器を備えた排気系と比較して、約２ｋＨｚから８ｋＨｚを超えたあたりまでの音圧レベルが低下しており、特に、２ｋＨｚを超えたあたりから４ｋＨｚに至るまでの間における音圧レベルが大きく低下していることが確認された。

以上説明したように、本実施形態によれば次のような効果を得ることができる。
（１）共鳴室３４０内と第３排気管３０内とが、同第３排気管３０の壁面に設けられた孔３３０を介して連通された第３消音器３００において、第３排気管３０の途中にテーパ部３２０を設けるようにしている。そのため、テーパ部３２０の内壁や、テーパ部３２０の大径側に繋がる第３排気管３０の端部近傍の内壁においては、他の部位よりも厚い境界層が形成されるようになる。そして、こうした厚い境界層が形成されることにより排気の流速が比較的遅くなっている壁面、すなわちテーパ部３２０の大径側に繋がる第３排気管３０の端部の壁面に上記孔３３０を設けるようにしている。そのため、孔３３０の形成部位で発生する渦流の剥がれが抑えられるようになり、共鳴音の発生原因である圧力波の変動そのものが起きにくくなる。従って、機関運転状態が種々変化しても共鳴音は発生しにくくなり、幅広い機関運転状態において共鳴音の発生を好適に抑えることができるようになる。

また、排気系の末端に設けられた上記第３排気管３０等のように、消音器の配設スペースを大きくとることができない部位にも消音器を設置することが可能になる。
（２）排気下流側に向かって縮径されたテーパ部３２０を形成するようにしている。そのため、テーパ部３２０やテーパ部３２０の排気上流側、すなわちテーパ部３２０の大径側に繋がる第３排気管３０の端部近傍での排気の流速を遅くすることができる。従って、そうした排気の流速が低下する部位（テーパ部３２０やテーパ部３２０の大径側に繋がる第３排気管３０の端部近傍）での境界層の発達を好適に促すことができるようになる。

なお、上記実施形態は以下のように変更して実施することもできる。
・第３排気管３０に上記テーパ部３２０を設けると、上述したように、テーパ部３２０の大径側に繋がる第３排気管３０の端部近傍の内壁のみならず、テーパ部３２０の内壁でも境界層が発達するようになり、テーパ部３２０でも排気の流速は遅くなる。従って、図６に示すように、テーパ部３２０の壁面に上記孔３３０を設けるようにしても同様な作用効果を得ることができる。

・上記実施形態のテーパ部３２０は、排気下流側に向かって縮径されていたが、図７に示すように、排気下流側に向かって拡径されたテーパ部３２１を設けるようにしてもよい。この場合には、テーパ部３２１の小径側（排気の上流側に開口する部位）に繋がる第３排気管３０からテーパ部３２１に向けて排気が流入すると、テーパ部３２１によって排気の流路断面積が拡大されていることから、テーパ部３２１の小径部にて排気の流れが壁面から剥離しやすくなる。そのため、テーパ部３２１の内壁や、テーパ部３２１の排気下流側、すなわちテーパ部３２１の大径側に繋がる第３排気管３０の端部近傍での排気の流速が遅くなる。そのため、そうした排気の流速が低下する部位（テーパ部３２１やテーパ部３２１の大径側に繋がる第３排気管３０の端部近傍）での境界層の発達を好適に促すことができるようになる。そして、この場合にも、同図７に示すように、テーパ部３２１の大径側に繋がる第３排気管３０の端部の壁面に孔３３０を設ける、又はテーパ部３２１の壁面に孔３３０を設けることにより、上記実施形態に準じた作用効果が得られる。すなわち、幅広い機関運転状態において共鳴音の発生を好適に抑えることができるようになるとともに、消音器の配設スペースを大きくとることができない部位にも消音器を設置することができるようになる。

・図８に示すように、縮径されたあと元の径に戻る縮径部３１を第３排気管３０の一部に設けることにより、その縮径部３１の排気上流側に上記テーパ部３２０（排気下流側に向けて縮径されたテーパ部）を形成するとともに、縮径部３１の排気下流側に上記テーパ部３２１（排気下流側に向けて拡径されたテーパ部）を形成するようにしてもよい。そして、この場合にも、テーパ部３２０の大径側に繋がる第３排気管３０の端部の壁面に孔３３０を設けることにより、上記実施形態や上記変形例に準ずる作用効果を得ることができる。また、この変形例においては、テーパ部３２０の大径側に繋がる第３排気管３０の端部の壁面に孔３３０を設ける代わりに、テーパ部３２０の壁面、テーパ部３２１の壁面、及びテーパ部３２１の大径側に繋がる第３排気管３０の端部の壁面のうちのいずれか１つの壁面に孔３３０を設けるようにしても、同様な作用効果を得ることができる。

・図９に示すように、拡径されたあと元の径に戻る拡径部３２を第３排気管３０の一部に設けることにより、その拡径部３２の排気上流側に上記テーパ部３２１（排気下流側に向けて拡径されたテーパ部）を形成するとともに、拡径部３２の排気下流側に上記テーパ部３２０（排気下流側に向けて縮径されたテーパ部）を形成するようにしてもよい。そして、この場合にも、テーパ部３２１の大径側に繋がる第３排気管３０の端部の壁面に孔３３０を設けることにより、上記実施形態や上記変形例に準ずる作用効果を得ることができる。また、この変形例においては、テーパ部３２１の大径側に繋がる第３排気管３０の端部の壁面に孔３３０を設ける代わりに、テーパ部３２１の壁面、テーパ部３２０の大径側に繋がる第３排気管３０の端部の壁面、及びテーパ部３２０の壁面のうちのいずれか１つの壁面に孔３３０を設けるようにしても同様な作用効果を得ることができる。

・上記実施形態及びその変形例における第３消音器３００では、共鳴室３４０の内部と第３排気管３０の内部とが孔３３０を介して直接連通されていた。この他、図１０に示すように、共鳴室３４０内に共鳴管３４１が設けられており、その共鳴管３４１の一端が上記孔３３０に接続されているものにも、本発明は同様に適用することができる。また、図１１に示すように、有底筒状の管５００が第３排気管３０の外周面に設けられており、その管５００の一端が上記孔３３０に接続されているもの、すなわちサイドブランチ式の消音器にあってその一端が上記孔３３０に接続されているものにも、本発明は同様に適用することができる。

・上記実施形態及びその変形例では、孔３３０を１つ設けるようにした。この他、流勢の強い排気が孔３３０を出入りすることが抑制されるようになっている、換言すれば孔３３０が形成された部位近傍の壁面の境界層において排気の流れが滞留しやくなっており、そうした部位近傍での境界層の発達が促されるようになっているのであれば、そうした孔３３０を複数設けるようにしてもよい。このように孔３３０を複数設ける場合には、例えば第３排気管３０の周方向或いはテーパ部３２０やテーパ部３２１の周方向に複数の孔３３０を設けるといった構成や、第３排気管３０の中心軸方向或いはテーパ部３２０やテーパ部３２１の中心軸方向にあって互いに若干ずれた位置に複数の孔３３０を設けるといった構成などが挙げられる。

・第３消音器３００を第３排気管３０に設けるようにしたが、第３消音器３００と同様な構造を有した消音器を第１排気管１０や第２排気管２０に設けるようにしてもよい。
・第３消音器に形成される消音室は共鳴室であったが、その他の消音室、例えば吸音材などが配設された吸音室であってもよい。

１０…第１排気管、１１…触媒コンバータ、２０…第２排気管、３０…第３排気管、３１…縮径部、３２…拡径部、１００…第１消音器、２００…第２消音器、３００…第３消音器、３１０…外筒、３２０…テーパ部、３２１…テーパ部、３３０…孔、３４０…共鳴室、３４１…共鳴管、５００…管。

Claims (2)

1. 消音室内と排気管内とが前記排気管の壁面に設けられた孔を介して連通された排気用消音器において、
   前記排気管の途中にはテーパ部が設けられており、
   前記テーパ部の大径側に繋がる前記排気管の端部の壁面及び前記テーパ部の壁面のうちのいずれかの壁面であって、前記排気管内の他の部位よりも厚い排気の境界層が形成される壁面に前記孔が１つのみ設けられており、
   前記テーパ部は、排気下流側に向かって縮径されており、
   前記消音室内と前記排気管内とは、前記孔を介して直接連通されており、
   前記消音室内は、前記孔の設けられた前記排気管内にのみ連通されている
   ことを特徴する排気用消音器。
2. 消音室内と排気管内とが前記排気管の壁面に設けられた孔を介して連通された排気用消音器において、
   前記排気管の途中にはテーパ部が設けられており、前記テーパ部の壁面に前記孔が１つのみ設けられており、
   前記テーパ部は、排気下流側に向かって縮径されており、
   前記消音室内と前記排気管内とは、前記孔を介して直接連通されており、
   前記消音室内は、前記孔の設けられた前記排気管内にのみ連通されている
   ことを特徴する排気用消音器。

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