JP5257517B2 - 内燃機関の排気装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気装置に関し、特に、排気ガスの排気方向の最下流に設けられたテールパイプの気柱共鳴による音圧の増大を抑制するようにした内燃機関の排気装置に関する。

自動車等の車両に用いられる内燃機関の排気装置としては、図１９に示すようなものが知られている（例えば、特許文献１参照）。図１９において、この排気装置４には、内燃機関としてのエンジン１から排気される排気ガスが、排気マニホールド２を通り、触媒コンバータ３によって浄化された後に導入されるようになっている。

排気装置４は、触媒コンバータ３に連結されたフロントパイプ５、フロントパイプ５に連結されたセンターパイプ６、センターパイプ６に連結された消音器としてのメインマフラ７、メインマフラ７に連結されたテールパイプ８およびテールパイプ８に介装されたサブマフラ９とから構成されている。

図２０に示すように、メインマフラ７は、センターパイプ６の小孔６ａから排気ガスが拡張されて導入される拡張室７ａと、センターパイプ６の下流開口端６ｂが挿通される共鳴室７ｂとを備えており、センターパイプ６の下流開口端６ｂから共鳴室７ｂに導入される排気ガスは、ヘルムホルツ共鳴によって特定の周波数の排気音が消音される。

ここで、共鳴室７ｂに突出する部分のセンターパイプ６の突出部分の長さをＬ_１（ｍ）、センターパイプ６の断面積をＳ（ｍ^２）、共鳴室７ｂの容積をＶ（ｍ^３）、空気中の音速をｃ（ｍ／ｓ）とするとき、空気中の共鳴周波数ｆｎ（Ｈｚ）は、ヘルムホルツ共鳴に関する下記の式（１）により求められる。

式（１）から明らかなように、共鳴室７ｂの容積Ｖを大きくしたり、センターパイプ６の突出部分の長さＬ_１を長くして共鳴周波数を低周波数側にチューニングしたり、共鳴室７ｂの容積Ｖを小さくしたり、センターパイプ６の突出部分の長さＬ_１を短くして共鳴周波数を高周波数側にチューニングするようにしている。

サブマフラ９は、エンジン１の運転時の排気脈動によってテールパイプ８内でテールパイプ８の管長に対応した気柱共鳴が発生することによって音圧が増大するのを抑制するようになっている。

一般に、排気ガスの排気方向上流側および下流側にそれぞれ上流開口端８ａおよび下流開口端８ｂを有するテールパイプ８は、エンジン１の運転時の排気脈動による入射波がテールパイプ８の上流開口端８ａおよび下流開口端８ｂで反射することにより、テールパイプ８の管長Ｌを半波長とした周波数の気柱共鳴を基本成分として、その半波長の自然数倍の波長の気柱共鳴が発生する。

具体的には、基本振動（一次成分）の気柱共鳴の波長λ_１は、テールパイプ８の管長Ｌの略２倍となり、二次成分の気柱共鳴の波長λ_２は、管長Ｌの略１倍となる。また、三次成分の気柱共鳴の波長λ_３は、管長Ｌの２／３倍となる。このように、テールパイプ８内には上流開口端８ａおよび下流開口端８ｂが音圧の節となるような定在波ができる。

また、気柱共鳴周波数ｆａは、下記式（２）で表される。

但し、ｃ：音速（ｍ／ｓ） Ｌ：テールパイプの管長（ｍ） ｎ：次数
式（２）から明らかなように、音速ｃは、温度に応じた一定の値となるので、テールパイプ８の管長Ｌが長い程、気柱共鳴周波数ｆａが低周波数側に移行して、低周波領域において、排気音の気柱共鳴による騒音の問題が起き易くなってしまうことがわかる。

例えば、音速ｃを４００ｍ／ｓとすると、テールパイプ８の管長Ｌが１．２ｍの場合、気柱共鳴による排気音の一次成分ｆ_１は１６６．７Ｈｚ、二次成分ｆ_２は３３３．３Ｈｚとなる。他方、テールパイプ８の管長Ｌが３．０ｍの場合、気柱共鳴による排気音の一次成分ｆ_１は６６．７Ｈｚ、二次成分ｆ_２は１３３．３Ｈｚとなる。このように、テールパイプ８の管長Ｌを長くする程、気柱共鳴周波数ｆａは、低周波数側に移行する。

また、エンジン１の排気脈動の周波数ｆｅ（Ｈｚ）は、下記式（３）に示される。

但し、Ｎｅ：エンジン回転数（ｒｐｍ）、Ｎ：エンジンの気筒数（自然数）
また、特定のエンジン回転数Ｎｅに対応して発生した気柱共鳴による排気音の一次成分ｆ_１で排気音の音圧レベル（ｄＢ）が著しく高くなっている。また、二次成分ｆ_２でも排気音の音圧レベル（ｄＢ）が著しく高くなっている。

例えば、音速ｃを４００ｍ／ｓとすると、４気筒エンジンの場合には、Ｎ＝４であるため、テールパイプ８の管長Ｌが３．０ｍの場合には、エンジン回転数Ｎｅが２０００ｒｐｍになると、周波数６６．７Ｈｚの一次成分ｆ_１の気柱共鳴が発生し、エンジン回転数Ｎｅが４０００ｒｐｍになると、周波数１３３．３Ｈｚの二次成分ｆ_２の気柱共鳴が発生する。

特に、エンジン１の排気脈動の周波数が１００Ｈｚ以下の低い周波数領域で気柱共鳴が発生するような場合に騒音が問題となる。例えば、前述のようにエンジン１の回転数が２０００ｒｐｍの低回転数でテールパイプ８内に気柱共鳴が発生すると、この気柱共鳴の排気音が車室内に伝達され、車室内にこもり音を生じさせてしまい、運転者に不快感を与えてしまうことになる。

このため、気柱共鳴により発生する定常波の音圧が高い腹の部分に対して、テールパイプ８の最適な位置に、メインマフラ７より容量の小さなサブマフラ９を設け、気柱共鳴の発生を防止するようにしている。

したがって、例えば、音速ｃを４００ｍ／ｓとすると、サブマフラ９が設けられていない状態のテールパイプ８の管長Ｌが３．０ｍの場合には、上述したようにエンジン１の排気脈動の周波数が１００Ｈｚ以下（エンジン回転数Ｎｅが３０００ｒｐｍ以下）で気柱共鳴が発生する。これに対して、テールパイプ８にサブマフラ９を介装してサブマフラ９から後方に延在するテールパイプ８の管長が１．５ｍとなると、気柱共鳴による排気音の一次成分ｆ_１は、周波数＝１３３．３Ｈｚでエンジン回転数Ｎｅが４０００ｒｐｍとなり、気柱共鳴周波数ｆａが高周波数側に移行する。

このため、テールパイプ８にサブマフラ９を設けることで、エンジン１の回転数が２０００ｒｐｍの低回転数で車室内にこもり音を生じさせてしまうのを抑制することができ、運転者に不快感を与えてしまうのを防止することができる。

他方、サブマフラ９を廃止するよう対策して、排気装置４の製造コストや重量を低減することが考えられる。この対策として、例えば、テールパイプ８の上流開口端８ａに接続されるメインマフラ７の共鳴周波数を気柱共鳴周波数に合わせることによって、メインマフラ７の共鳴室内においてテールパイプ８の気柱共鳴の排気音を消音することが考えられる。

すなわち、式（１）に基づいて、共鳴室７ｂの容積Ｖを大きくしたり、センターパイプ６の突出部分の長さＬ_１を長くして、共鳴室７ｂの共鳴周波数を低周波数側にチューニングすることで、テールパイプ８内で発生する気柱共鳴を共鳴室７ｂで予め消音することが考えられる。

特開２００６−４６１２１号公報

このような従来のエンジン１の排気装置にあっては、テールパイプ８の気柱共鳴をメインマフラ７の共鳴室７ｂによって低減するような構成では、共鳴室７ｂの容積を大きくする必要があるため、メインマフラ７が大型化してしまうという問題がある。また、メインマフラ７の大型化に伴って排気装置４の重量が増大してしまうとともに、排気装置４の製造コストが増大してしまうという問題がある。

また、車両の減速時にはアクセルペダルが解放されるため、エンジン１から排気装置４に排気されるガス量が急激に低減された排気流のみとなり、共鳴室７ｂに導入される空気圧が小さくなる。

このため、共鳴室７ｂにおいてヘルムホルツ共鳴を行うのに充分な空気量を得ることができず、テールパイプ８の気柱共鳴を抑制することが困難となってしまう。特に、車両の減速時にはエンジン１の回転数が急激に低下するため、２０００ｒｐｍ程度（気柱共鳴による排気音の一次成分ｆ_１）の低回転数で車室内にこもり音を生じさせてしまい、運転者に不快感を与えてしまうことになる。

したがって、テールパイプ８の最適な位置にサブマフラ９を設け、テールパイプ８の気柱共鳴によって音圧が増大してしまうのを抑制する必要があり、結果的に、排気装置４の重量が増大してしまうとともに、排気装置４の製造コストが増大してしまうという問題が発生してしまった。

本発明は、上述のような従来の問題を解決するためになされたもので、テールパイプにサブマフラを介装したり、テールパイプの上流開口端に大容量の共鳴室を有する消音器を設けるのを不要にして、テールパイプの気柱共鳴によって音圧レベルが増大してしまうのを抑制することができ、重量を低減することができるとともに製造コストを低減することができる内燃機関の排気装置を提供することを課題とする。

本発明に係る内燃機関の排気装置は、上記課題を解決するため、一端部に内燃機関から排出された排気ガスの排気方向上流側の消音器に接続される上流開口端と、他端部に前記排気ガスを大気に排出するための下流開口端と、を有する排気管を備えた内燃機関の排気装置であって、前記排気管の前記上流開口端および前記下流開口端の少なくとも一方に、開口部を形成したプレートを前記排気ガスの排気方向に対向して設け、前記排気管の内径に対する所定の割合で前記プレートから前記排気管の軸線方向内方に離隔した前記排気管の周壁に、前記排気管の外周部と内周部とを貫通する貫通孔を形成したものから構成されている。

この排気装置においては、排気管の上流開口端および下流開口端の少なくとも一方に開口部を形成したプレートを設けたので、内燃機関の作動により脈動する排気ガスが流入することにより、排気音が発生し、この排気音の周波数と排気管の気柱共鳴周波数とが一致したときに、排気音の入射波に対して同位相で開口部から反射される、いわゆる開口端反射による反射波と、入射波に対して１８０°位相が異なり、排気管の断面を閉口するプレート、すなわち、閉口部から反射される、いわゆる閉口端反射による反射波と、に分配することができる。さらに、排気管の内径に対する所定の割合でプレートから排気管の軸線方向内方に離隔した排気管の周壁に、排気管の外周部と内周部とを貫通する貫通孔を形成したので、開口端で生じる反射波の反射の位置を補正して（開口端補正）、開口端反射による反射波の反射の位置を、閉口端反射による反射波の反射の位置と正確に合わせ、開口端反射による反射波と閉口端反射による反射波との位相差を１８０°とし、音圧レベルを真逆とすることができ、干渉による音圧レベルの低減を最大とすることができる。

このように排気管における気柱共鳴の発生が抑制され、排気管の気柱共鳴による音圧レベルの増大が抑制されるので、特に、従来問題となっていた内燃機関の低回転時における車室内に発生するこもり音がなくなる。
その結果、従来のようにメインマフラに相当する消音器を大型化したり、排気管にサブマフラを介装することが不要となり、排気装置の重量の増大が防止されるとともに、排気装置の製造コストの増大が防止される。

上記構成を有する内燃機関の排気装置は、好ましくは、前記排気管の貫通孔を、重力方向下方側に形成したものから構成されている。

この排気装置においては、貫通孔が車両の下方に形成されるので、排気管内に滞留した排気ガス凝縮水等を、この貫通孔から容易に排出させることができる。

上記構成を有する内燃機関の排気装置は、好ましくは、前記排気管の断面を閉口する前記プレートの閉口部と、前記開口部と、を合わせた総面積に対して、前記開口部の開口面積を１／３の大きさに設定したものから構成されている。

この排気装置においては、音波を反射する反射面に形成された開口部の面積が、全反射面積の１／３となっているので、音波の反射率が０．５となり、閉口端反射による反射波と、開口端反射による反射波と、が１：１の割合で起こることとなり、同レベルで発生する位相差が１８０°異なる互いの反射波が干渉により打ち消し合い、音圧レベルの低減効果を高めることができる。

本発明によれば、テールパイプにサブマフラを介装したり、テールパイプの上流開口端に大容量の共鳴室を有する消音器を設けるのを不要にして、テールパイプの気柱共鳴によって音圧レベルが増大してしまうのを抑制することができ、重量を低減することができるとともに製造コストを低減することができる内燃機関の排気装置を提供することができる。

本発明に係る内燃機関の排気装置の実施の形態を示す図であり、内燃機関の排気系の構成を示す斜視図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の実施の形態を示す図であり、テールパイプが連結されたマフラの一部を断面で示すマフラの斜視図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の実施の形態を示す図であり、図２のテールパイプとセンターパイプとの中心軸を通る面で切断されたマフラの縦断面図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の実施の形態を示す図であり、テールパイプの下流開口端の斜視図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の実施の形態を示す図であり、テールパイプの下流開口端の正面図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の実施の形態を示す図であり、図５のＡ−Ａ断面を示す断面図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の実施の形態を示す図であり、図５のＢ−Ｂ断面を示す断面図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の実施の形態を示す図であり、マフラおよびテールパイプ内の排気ガスの流れを示す図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の実施の形態を示す図であり、テールパイプ内に発生する開口端反射による気柱共鳴の定在波を、縦軸に粒子速度を表し横軸にテールパイプの位置を模式的に表した粒子速度分布で説明する図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の実施の形態を示す図であり、テールパイプの音圧レベルとエンジン回転数との関係を示す図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の実施の形態を示す図であり、上流開口端で入射波Ｇが反射波Ｒ_１、Ｒ_２に分配される状態を、縦軸に粒子速度を表し横軸にテールパイプの位置を模式的に表した粒子速度分布で説明する図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の実施の形態を示す図であり、テールパイプ内に発生する閉口端反射による気柱共鳴の定在波を、縦軸に粒子速度を表し横軸にテールパイプの位置を模式的に表した粒子速度分布で説明する図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の実施の形態を示す図であり、構成の一部が異なる他のテールパイプが連結されたマフラの一部を断面で示すマフラの斜視図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の実施の形態を示す図であり、構成の一部が異なる図１３のテールパイプとセンターパイプとの中心軸を通る面で切断されたマフラの縦断面図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の実施の形態を示す図であり、構成の一部が異なるテールパイプの下流開口端の斜視図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の実施の形態を示す図であり、構成の一部が異なるテールパイプの下流開口端の正面図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の実施の形態を示す図であり、構成の一部が異なるテールパイプの一部をスリットを通る断面で示すテールパイプの下流開口端の正面図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の実施の形態を示す図であり、図１７のＣ−Ｃ断面を示す断面図である。 従来の排気装置を備えた排気系の構成を示す斜視図である。 従来の排気装置を備えた排気系を示す図であり、両端が開口端となるテールパイプが連結されたマフラの縦断面図である。

以下、本発明に係る内燃機関の排気装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１ないし図１８は、本発明に係る実施の形態の内燃機関の排気装置を示す図である。
まず、構成を説明する。

本実施の形態に係る排気装置２０は、図１に示すように、直列４気筒の内燃機関としてのエンジン２１に適用されたもので、このエンジン２１に接続された排気マニホールド２２に接続されている。この排気装置２０においては、エンジン２１から排出される排気ガスが浄化されるとともに、排気音が抑制されて排気ガスが大気に排出されるようになっている。

なお、エンジン２１は、直列４気筒に限らず、直列３気筒または直列５気筒以上であってもよく、左右に分割されたそれぞれのバンクに３気筒以上の気筒を有するＶ型エンジンであってもよい。

排気マニホールド２２は、エンジン２１の第１気筒から第４気筒にそれぞれ連通する排気ポートにそれぞれ接続される４つの排気枝管２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄと、排気枝管２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄの下流側を集合させる排気集合管２２ｅとから構成されており、エンジン２１の各気筒から排気される排気ガスが排気枝管２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄを介して排気集合管２２ｅに導入されるようになっている。

排気装置２０は、触媒コンバータ２４、円筒状のフロントパイプ２５、円筒状のセンターパイプ２６、消音器としてのマフラ２７および円筒状の排気管としてのテールパイプ２８を備えている。この排気装置２０は、車体の床下に弾性的に垂下されるようにしてエンジン２１の排気ガスの排気方向下流側に設置されている。なお、上流側とは、排気ガスの排気方向上流側を示し、下流側とは、排気ガスの排気方向下流側を示す。

触媒コンバータ２４の上流端は、排気集合管２２ｅの下流端に接続されており、触媒コンバータ２４の下流端は、自在継手２９を介してフロントパイプ２５に接続されている。この触媒コンバータ２４は、ハニカム基材または粒状の活性アルミナ製担体に白金、パラジウム等の触媒を付着させたものが本体ケースに収納されたものから構成され、ＮＯｘの還元やＣＯ、ＨＣの酸化を行うようになっている。

自在継手２９は、ボールジョイント等の球面継手から構成されており、触媒コンバータ２４とフロントパイプ２５との相対変位を許容するようになっている。また、フロントパイプ２５の下流端には自在継手３０を介してセンターパイプ２６の上流端が接続されている。自在継手３０は、ボールジョイント等の球面継手から構成されており、フロントパイプ２５とセンターパイプ２６との相対変位を許容するようになっている。

センターパイプ２６の下流側は、マフラ２７に接続されており、このマフラ２７は、排気音の消音を行うようになっている。

図２、図３に示すように、マフラ２７は、中空筒状に形成されたアウタシェル３１と、アウタシェル３１の両端を閉塞するエンドプレート３２、３３と、エンドプレート３２とエンドプレート３３との間に介装された仕切板３４とを備えており、アウタシェル３１、エンドプレート３２、３３および仕切板３４とを含んで消音器本体が構成されている。
本実施の形態に係るマフラ２７は、本発明に係る消音器に対応している。

アウタシェル３１内に設けられた仕切板３４は、アウタシェル３１内を排気ガスを拡張するための拡張室３５およびヘルムホルツ共鳴によって特定の周波数の排気音を消音するための共鳴室３６に区画している。また、エンドプレート３２と仕切板３４にはそれぞれ挿通孔３２ａ、３４ａが形成されており、この挿通孔３２ａ、３４ａにはセンターパイプ２６の下流側の端部、すなわち、センターパイプ２６のうちマフラ２７の内部に収納されている部分からなるインレットパイプ部２６Ａが挿通されている。

このインレットパイプ部２６Ａは、拡張室３５および共鳴室３６に収納されるようにしてエンドプレート３２および仕切板３４に支持されており、下流開口端２６ｂが共鳴室３６に開口している。

また、インレットパイプ部２６Ａにはインレットパイプ部２６Ａの延在方向（排気ガスの排気方向）および周方向に複数の小孔２６ａが形成されており、インレットパイプ部２６Ａの内部と拡張室３５とは、小孔２６ａを介して連通している。

したがって、センターパイプ２６のインレットパイプ部２６Ａを通してマフラ２７に導入される排気ガスは、小孔２６ａを介して拡張室３５に導入されるとともに、インレットパイプ部２６Ａの下流開口端２６ｂから共鳴室３６に導入される。

そして、共鳴室３６に導入される排気ガスは、ヘルムホルツ共鳴によって特定の周波数（Ｈｚ）の排気音が消音される。

すなわち、共鳴室３６に突出するインレットパイプ部２６Ａの突出部分の長さをＬ_１（ｍ）、インレットパイプ部２６Ａの断面積をＳ（ｍ^２）、共鳴室３６の容積をＶ（ｍ^３）、空気中の音速をｃ（ｍ／ｓ）とするとき、空気中の共鳴周波数ｆｂ（Ｈｚ）はヘルムホルツ共鳴に関する下記の式（４）により求められる。

式（４）から明らかなように、共鳴室３６の容積Ｖを小さくしたり、インレットパイプ部２６Ａの突出部分の長さＬ_１を短くしたり、インレットパイプ部２６Ａの断面積Ｓを大きくすることにより、共鳴周波数を高周波数側にチューニングすることができる。また、共鳴室３６の容積Ｖを大きくしたり、インレットパイプ部２６Ａの突出部分の長さＬ_１を長くしたり、インレットパイプ部２６Ａの断面積Ｓを小さくすることにより、共鳴周波数を低周波数側にチューニングすることができる。

一方、仕切板３４とエンドプレート３３にはそれぞれ挿通孔３４ｂ、３３ａが形成されており、この挿通孔３４ｂ、３３ａにはテールパイプ２８の上流側の端部、すなわち、テールパイプ２８のうちマフラ２７の内部に収納されている部分からなるアウトレットパイプ部２８Ａが挿通されている。

テールパイプ２８は、円筒状のパイプからなり、円形のプレート４１を備えている。また、アウトレットパイプ部２８Ａの上流側の端部には上流開口端２８ａが設けられており、テールパイプ２８の下流側の端部には下流開口端２８ｂが、上流開口端２８ａから距離Ｌだけ離隔して設けられている。また、アウトレットパイプ部２８Ａは、上流開口端２８ａが拡張室３５に開口するようにして挿通孔３４ｂ、３３ａに挿通されることにより、マフラ２７に接続されている。

図４ないし図６に示すように、プレート４１は、テールパイプ２８の下流開口端２８ｂ側に設けられ、外方側に突出して形成された直径Ｄ_１の外周部４１ａと、テールパイプ２８内を流動する排気ガスの排気方向に対向する側面部４１ｂとを備えている。この側面部４１ｂは、直径Ｄ_２の円形の貫通孔４１ｃが１４箇所に形成された開口部４１ｄと、開口部４１ｄを除く閉口部４１ｅとを備えている。

側面部４１ｂは、排気流出方向に対向する反射面部４１ｆと、この排気流出方向と逆方向に対向した反対面部４１ｇとを有している。開口部４１ｄは、反射面部４１ｆと反対面部４１ｇとを貫通して形成されている。
この開口部４１ｄは、排気ガスを大気に排出することを可能にしている。

ここで、このプレート４１は、テールパイプ２８内を流動する排気ガスの排気方向に対向するように設けられているが、より具体的には、テールパイプ２８の軸線方向に直交するようにテールパイプ２８に取り付けられている。また、プレート４１は、外周部４１ａとテールパイプ２８の内周部２８ｃとが密着するよう、テールパイプ２８に取り付けられている。ここで、プレート４１のテールパイプ２８に対する取付方法は、接合や圧力などの固定方法が好ましい。なお、この取付方法に代えて、絞り加工などの一体形成方法により加工してもよい。

プレート４１は、側面部４１ｂの排気方向上流側の反射面部４１fが、テールパイプ２８の下流開口端２８ｂから、距離Ｌ_２だけ離隔するよう、外周部４１ａでテールパイプ２８の内周部２８ｃに設けられている。なお、外周部４１ａを内方側に突出させ、側面部４１ｂがテールパイプ２８の下流開口端２８ｂと一致するようプレート４１が、テールパイプ２８の内周部２８ｃに固定されるようにしてもよい。また、この距離Ｌ_２は、０であってもよい。すなわち、側面部４１ｂの排気方向上流側の側面と下流開口端２８ｂとが同一平面に配置されるよう構成してもよい。

図５および図６に示すように、プレート４１の側面部４１ｂは、直径Ｄ_２の円形の貫通孔４１ｃが１４箇所に形成された開口部４１ｄと、開口部４１ｄを除く閉口部４１ｅとを備えている。この側面部４１ｂにおいては、テールパイプ２８に入射した入射波に対して、開口部４１ｄで、いわゆる開口端反射が起き、閉口部４１ｅで、いわゆる閉口端反射が起きるようになっている。すなわち、プレート４１の反射面部４１fで排気音の反射が行われている。

この場合、開口部４１ｄおよび閉口部４１ｅで分配された開口端反射および閉口端反射による反射波が互いに打ち消し合い、その結果、反射音が消音される。なお、反射面部４１fは、排気音の入射波や反射波を反射する面からなり、開口部４１ｄおよび閉口部４１ｅの一部により構成されている。

ここで、このような開口端反射において、厳密には、テールパイプ２８内を伝播する進行波は、下流開口端２８ｂの開口部４１ｄから下流側にΔＬだけ離隔した位置で反射することになる。したがって、気柱共鳴の周波数の正確性を求めると、開口端補正と呼ばれる補正によって、上記開口部４１ｄからはみ出している部分ΔＬを補正する必要がある。この開口端補正ΔＬの長さは、管の内径によって異なることが知られている。

また、このようなテールパイプ２８においては、下流開口端２８ｂの開口部４１ｄから外側にもテールパイプ２８内と同様の排気ガスなどの媒体が存在しているので、厳密には音のエネルギ（Ｊ）は、テールパイプ２８の外側にも伝達されてしまう。そのため、下流開口端２８ｂの開口部４１ｄで音圧（Ｐａ）はゼロにならず、下流開口端２８ｂの開口部４１ｄからΔＬだけ外側に離隔した位置が実効的な管端になってしまう。その結果、入射波は、下流開口端２８ｂの開口部４１ｄからΔＬだけ外側に離隔した実効的な管端で反射することになる。
そこで、本実施の形態のテールパイプ２８においては、このような実効的な管端の位置を、下流開口端２８ｂの開口部４１ｄと一致させるため、テールパイプ２８の軸線方向内方に、以下に説明する貫通孔が形成されている。

図５、図６および図７に示すように、テールパイプ２８には、テールパイプ２８の周壁を貫通する、すなわち、外周部２８ｃと内周部２８ｄとを貫通する直径Ｄ_３の貫通孔２８ｅが、プレート４１の側面部４１ｂの反射面部４１ｆに対してテールパイプ２８の軸線方向内方に、プレート４１の側面部４１ｂから距離Ｌ_３だけ離隔した位置に形成されている。また、この貫通孔２８ｅは、図５の矢印ｇに示すテールパイプ２８の重力方向下方側、すなわち、車両の下方側に形成されている。

なお、この距離Ｌ_３は、テールパイプ２８の内径Ｄ_１に対する所定の割合で、プレート４１の側面部４１ｂからテールパイプ２８の軸線方向内方に離隔した位置に形成されている。また、貫通孔２８ｅは、その中央部が反射面部４１ｆの閉口部４１ｅを基準に開口端補正により求められる距離ΔＬだけ離隔した位置に設けられるのが好ましい。開口端補正による距離ΔＬの好適な長さについては、後述する。

さらに、この反射音の最適な消音効果を得るため、図５に示す開口部４１ｄの開口面積Ｓ_２（ｍ^２）と、プレート４１の開口部４１ｄを含む側面部４１ｂの総面積Ｓ_１（ｍ^２）は、次式（５）を満たすよう、その開口部４１ｄが形成されている。

なお、プレート４１の直径をＤ_１、開口部４１ｄの貫通孔４１ｃの直径をＤ_２とすると、前述の総面積Ｓ１は、π（Ｄ_１／２）^２、開口面積Ｓ２は、π（Ｄ_２／２）^２×１４で表される。

この反射音の最適な消音効果を得るためには、開口端反射と閉口端反射との分配の割合を半分づつにすればよく、この分配の割合を得るためには、プレート４１における入射する排気音の反射率を０．５にすればよいことが知られている。

ここで、排気音の反射率をＲｐとし、テールパイプ２８内部の媒質の固有音響インピーダンスをＺ１、テールパイプ２８の外部の下流開口端２８ｂ付近の媒質の固有音響インピーダンスをＺ２とすると、排気音の反射率Ｒｐは、次式（６）で表される。本来、排気音の反射率Ｒｐは、固有音響インピーダンスＺ_１、Ｚ_２との関係で表されるが、プレート４１の開口部４１ｄを含む側面部４１ｂの総面積Ｓ_１と開口面積Ｓ_２の断面積変化があまり大きくなく、音波がほぼ平面で連続的に伝播することから、各媒質の固有音響インピーダンスＺ_１、Ｚ_２に各面積を乗算した値で表すことができる、すなわち、Ｚ_１をＺ_１Ｓ_１で表し、Ｚ_２をＺ_２Ｓ_２で表すことができるので、次式（６）となる。

ここで、固有音響インピーダンスは、媒質の密度ρ（Ｋｇ／ｍ^３）と音速ｃ（ｍ／ｓ）の積で表されるので、Ｚ_１＝ρ_１ｃ_１、Ｚ_２＝ρ_２ｃ_２となる。そして、テールパイプ２８の内部の媒質ρ_１および音速ｃ_１と、テールパイプ２８の外部の下流開口端２８ｂ付近の媒質ρ_２および音速ｃ_２とはともに排気ガスである。なお、エンジン２１が、燃料の無噴射状態で回転している場合には、ともに空気となることがある。ともに排気ガスおよび空気の場合には、ρ_１ｃ_１＝ρ_２ｃ_２となるので、Ｚ_１＝Ｚ_２となり、反射率Ｒｐは、次式(７)で表される。

この式（７）に、反射率Ｒｐの最適値０．５を代入すると、前述の式（５）が得られ、プレート４１の開口部４１ｄを含む側面部４１ｂの総面積に対する開口部４１ｄの開口率は３３％になっている。なお、この開口率は、３３％が最も好ましい値となっているが、本実施の形態のプレート４１においては、（３３±α）％の範囲であれば、プレート４１における反射音の消音効果を得ることは可能である。

開口率が３３％以外の値であっても、開口部４１ｄおよび閉口部４１ｅで分配された開口端反射および閉口端反射による反射音が互いに打ち消し合い、ある程度の反射音が消音されるからである。（３３±α）％の範囲を逸脱した場合には、開口端反射および閉口端反射による反射音の打ち消し効果が得られないことがある。ここでαは、本実施の形態に係る排気装置２０が適用される車両の設計諸元、シミュレーション、実験や経験値などのデータに基づいて適宜選択される。

このプレート４１においては、開口部４１ｄでテールパイプ２８の内部と、大気とが連通している。このため、マフラ２７の拡張室３５からテールパイプ２８の上流開口端２８ａに導入された排気ガスは、テールパイプ２８の開口部４１ｄを通して下流開口端２８ｂから大気に排出されるよう構成されている。

次に、排気装置２０の作用および気柱共鳴の発生する理由について説明する。
排気装置２０の上流側のエンジン２１が始動されると、エンジン２１の各気筒から排気される排気ガスは、排気マニホールド２２から触媒コンバータ２４に導入され、触媒コンバータ２４によってＮＯｘの還元やＣＯ、ＨＣの酸化が行われる。

触媒コンバータ２４で浄化されて排気される排気ガスは、フロントパイプ２５およびセンターパイプ２６を通して排気装置２０のマフラ２７に導入される。マフラ２７に導入される排気ガスは、図８の矢印で示すように、インレットパイプ部２６Ａの小孔２６ａを介して拡張室３５に導入されるとともに、インレットパイプ部２６Ａの下流開口端２６ｂから共鳴室３６に導入される。

拡張室３５に導入された排気ガスは、アウトレットパイプ部２８Ａの上流開口端２８ａを通してテールパイプ２８に導入された後、テールパイプ２８の下流開口端２８ｂに設けられたプレート４１の開口部４１ｄおよび貫通孔２８ｅを通って大気に排出される。

エンジン２１の運転時にエンジン２１の各爆発気筒で励起される排気脈動により、エンジン２１の回転数（ｒｐｍ）に応じて変化する周波数（Ｈｚ）の排気音が各爆発気筒から発生する。この排気音は、エンジン２１の回転数が増大するにつれて周波数が大きくなるものであり、排気ガスを媒体として、排気マニホールド２２、触媒コンバータ２４、フロントパイプ２５およびセンターパイプ２６を通ってマフラ２７のインレットパイプ部２６Ａに入射する。

インレットパイプ部２６Ａに入射した排気音は、インレットパイプ部２６Ａの小孔２６ａを介して拡張室３５に侵入し、拡張されて、全周波数帯域に亘って排気音の音圧レベルが低減される。また、インレットパイプ部２６Ａに入射した排気音は、下流開口端２６ｂから共鳴室３６に侵入する。共鳴室３６に侵入した排気音は、ヘルムホルツ共鳴によって設定された特定の周波数の排気音が消音される。

また、拡張室３５に侵入した排気音は、テールパイプ２８に入射し、この入射波がテールパイプ２８の下流開口端２８ｂのプレート４１で反射して反射波となる。
この開口端反射による反射波と閉口端反射による反射波とは互いに打ち消し合う干渉が起きるとともに、開口端反射による反射波および閉口端反射による反射波は、テールパイプ２８の上流開口端２８ａでさらに反射し下流開口端２８ｂ方向に入射波と同様にそれぞれ進行し、プレート４１で入射波と同様に再反射する。このような反射が繰り返される。

ここで、上記のように、プレート４１の側面部４１ｂの反射面部４１ｆに対してテールパイプ２８の軸線方向内方に貫通孔２８ｅを形成しているので、開口端反射における実効的な反射面を、プレート４１の側面部４１ｂの反射面部４１ｆとすることができ、閉口端反射の反射面と同一とすることができる。したがって、開口端反射による反射波の位相と閉口端反射による反射波の位相との差を、正確に１８０°異なる位置とすることができ、確実に打ち消し合う干渉を起こさせることができる。

なお、本来、パイプの開口端のような同じ媒質を有する媒体同士の境界では、媒質が同じであり、反射は起きず音波は透過してしまうようにも思われる。しかしながら、テールパイプ２８のような、排気音の波長に対して充分に小さな断面の寸法を有するパイプ内を進行する排気音は疎密波からなる平行波となり、下流開口端２８ｂおよび上流開口端２８ａで反射する。

下流開口端２８ｂで開口端反射が起こる理由としては、次のものが挙げられる。すなわち、テールパイプ２８内を流れる排気ガスの圧力は高くなっており、テールパイプ２８の下流開口端２８ｂの外側の大気圧はテールパイプ２８内を流れる排気ガスの圧力よりも低くなっている。このため、入射波が下流開口端２８ｂから勢いよく大気に飛び出すことで下流開口端２８ｂ内の排気ガスの圧力が低くなる低圧部が発生し、この低圧部がテールパイプ２８内を上流開口端２８ａに向かって進行し始めるからである。

したがって、反射波は、入射波と逆向きの平行波となり入射波と逆向きに進行することになる。また、上流開口端２８ａ側で反射波が発生する理由も下流開口端２８ｂで反射波が発生する理由と同様である。

そして、下流開口端２８ｂの開口部４１ｄに向かう入射波と下流開口端２８ｂの開口部４１ｄと離隔する方向に向かう第１の反射波とが干渉する。さらに、第１の反射波が、上流開口端２８ａの開口で反射し、開口部４１ｄに向かう第２の反射波となり、この第２の反射波と、第１の反射波および入射波が上流開口端２８ａと下流開口端２８ｂとの間で繰り返され、それぞれが干渉する。
このように、入射波の反射が繰り返されることで、テールパイプ２８の上流開口端２８ａの開口および下流開口端２８ｂの開口部４１ｄとの間で定在波ができることになる。

また、この定在波は、テールパイプ２８の管長Ｌと定在波の波長λとが特定の関係にあるとき、テールパイプ２８の上流開口端２８ａの開口および下流開口端２８ｂの開口部４１ｄがそれぞれ粒子速度の腹となるような定在波ができ、この場合には、振幅が著しく大きくなり、気柱共鳴が生じる。この気柱共鳴は、テールパイプ２８の管長Ｌを半波長とした周波数を基本として、この基本周波数の自然数倍の周波数の気柱共鳴が発生、波長としては基本の波長を自然数で割った長さの波長の気柱共鳴が発生して音圧が著しく増大し、騒音となってしまう。

具体的には、図９に気柱共鳴の定在波の粒子速度分布を示すように、排気音の基本振動からなる一次成分の気柱共鳴の波長λ_１は、テールパイプ２８の管長Ｌの略２倍となり、基本振動の二倍の二次成分の気柱共鳴の波長λ_２は、管長Ｌの略１倍となる。また、基本振動の三倍の三次成分の気柱共鳴の波長λ_３は、管長Ｌの２／３倍となり、図９から明らかなように、それぞれの定在波は、テールパイプ２８の上流開口端２８ａおよび下流開口端２８ｂが粒子速度の腹となり、粒子速度が最大となる。

また、排気音の一次成分ないし三次成分の気柱共鳴の定在波における音圧分布は、図９に示す粒子速度分布の腹と節がそれぞれと逆になり、テールパイプ２８の上流開口端２８ａおよび下流開口端２８ｂが音圧の節となり、音圧が０となる。

さらに、図１０に示すように、排気音の音圧レベル（ｄＢ）は、エンジン回転数Ｎｅ（ｒｐｍ）が増大するのに伴って一次成分ｆ_１、二次成分ｆ_２の共鳴周波数（Ｈｚ）に対応するエンジン回転数Ｎｅで増大する。

ここで、音速をｃ（ｍ／ｓ）、テールパイプ２８の長さをＬ（ｍ）、次数をｎとしたときの気柱共鳴周波数ｆｃ（Ｈｚ）は、次式（８）で表される。

音速ｃを４００ｍ／ｓとし、テールパイプ２８の管長Ｌを３．０ｍとした場合には、上記式（８）に基づいてテールパイプ２８の気柱共鳴による排気音の一次成分ｆ_１は、６６．７Ｈｚ、二次成分ｆ_２は、１３３．３Ｈｚとなり、エンジン２１の回転数に対応した気柱共鳴による共鳴周波数の一次成分ｆ_１と二次成分ｆ_２で排気音の音圧レベル（ｄＢ）が高くなる。

また、本実施の形態では、エンジン２１が４気筒であるため、前述の式（３）において、Ｎ＝４となり、エンジン回転数Ｎｅが２０００ｒｐｍのときに一次成分ｆ_１の気柱共鳴により排気音の音圧レベル（ｄＢ）が増大し、エンジン回転数Ｎｅが４０００ｒｐｍのときに二次成分ｆ_２の気柱共鳴により排気音の音圧レベル（ｄＢ）が増大する。

特に、排気音の一次成分ｆ_１の気柱共鳴のような１００Ｈｚ以下の低周波の低速回転域では、車室内にこもり音を生じさせてしまい、運転者に不快感を与えてしまうことになる。三次成分の気柱共鳴周波数では、エンジン回転数Ｎｅは、６０００ｒｐｍとなり、四次成分の気柱共鳴周波数では、エンジン回転数Ｎｅは、８０００ｒｐｍとなるように、多数次成分の気柱共鳴周波数も起こりうるが、このような気柱共鳴による騒音は、運転者に気にならないものとなるので、図１０では、三次成分以降の多数次成分については、図示していない。

本実施の形態に係る排気装置においては、エンジン回転数Ｎｅが低回転の２０００ｒｐｍ（一次成分ｆ_１）および中回転の４０００ｒｐｍ（二次成分ｆ_２）のときに、従来のテールパイプにおいて発生する気柱共鳴によって音圧レベル（ｄＢ）が増大してしまうのを確実に抑制するようにしたものである。

次に、気柱共鳴によって音圧レベルが増大してしまうのを抑制することができる理由を説明する。

前述のようにプレート４１の開口部４１ｄで、テールパイプ２８に入射した入射波に対して、開口端反射が起き、閉口部４１ｅで、閉口端反射が起きる。換言すれば、プレート４１の反射面で開口端反射および閉口端反射が起きる。具体的には、入射波に対して同位相で、プレート４１の開口部４１ｄを含む側面部４１ｂの総面積Ｓ_１の約３３％を占める開口部４１ｄで反射する開口端反射による反射波と、入射波に対して１８０°位相が異なり、前述の総面積Ｓ_１の約６７％を占めるプレート４１の側面部４１ｂの閉口部４１ｅで反射する閉口端反射による反射波とに分配される。開口部４１ｄおよび閉口部４１ｅで分配された開口端反射および閉口端反射による反射波は、互いに打ち消し合い、その結果、反射音が消音され、気柱共鳴によって音圧レベル（ｄＢ）が増大してしまうのが抑制される。

この場合、この反射音の最適な消音効果を得るため、前述のように開口端反射と閉口端反射との分配の割合が半分づつになるよう、プレート４１における入射する排気音の反射率Ｒｐが０．５に設定されている。この反射率Ｒｐを０．５にするため、図５に示す開口部４１ｄの開口面積Ｓ_２（ｍ^２）と、プレート４１の開口部４１ｄを含む側面部４１ｂの総面積Ｓ_１（ｍ^２）は、前述の式（５）に示すように、Ｓ_２＝（１／３）Ｓ_１を満たすよう、その開口部４１ｄが形成されている。

まず、図１１を参照して、エンジン２１の運転時の排気脈動による排気音の入射波Ｇがテールパイプ２８内に入射し、この入射波Ｇがテールパイプ２８の管長Ｌを半波長とする入射波Ｇである場合、すなわち開口端反射について説明する。

入射波Ｇの周波数がテールパイプ２８が有している気柱共鳴周波数に合致すると、図１１に示すように、テールパイプ２８の下流開口端２８ｂに設けられたプレート４１の開口部４１ｄから入射波Ｇの一部が透過波Ｇ_１となって大気中に侵入する。他方、プレート４１の開口部４１ｄにおいて前述の開口端反射が起こり、開口部４１ｄにおける入射波Ｇが実線で示す反射波Ｒ_１となってプレート４１と離隔する方向に進行する。

この反射波Ｒ_１は、入射波Ｇに対して同位相となる。すなわち、テールパイプ２８内の狭い気柱を伝わってきた密または疎の排気ガスや空気の固まりは、開口部４１ｄにおいて大気の広い空間との境界に達した途端、一気に膨張し、その慣性でそれまで密だったところに疎が形成され、この疎が新たな波源となって反射波Ｒ_１は気柱を今進行してきた向きに引き返していくことになり、密は疎に、疎は密になるので入射波Ｇの位相がそのまま反射波Ｒ_１の位相となり、反射波Ｒ_１は、入射波Ｇに対して同位相となる。

このように、入射波Ｇと反射波Ｒ_１とが同位相であるので、本来この反射波Ｒ_１は入射波Ｇと同一線上に重なっているが、説明の便宜上、図１１においては、反射波Ｒ_１を入射波Ｇに対して下方にずらしている。

他方、テールパイプ２８の下流開口端２８ｂに設けられたプレート４１の閉口部４１ｅにおいて前述の閉口端反射が起こり、閉口部４１ｅにおける入射波Ｇが破線で示す反射波Ｒ_２となってプレート４１と離隔する方向に進行する。

この反射波Ｒ_２は、入射波Ｇに対して逆位相となり、反射波Ｒ_１に対して１８０°位相が異なっている。すなわち、テールパイプ２８内の狭い気柱を伝わってきた密または疎の排気ガスや空気の固まりは、閉口部４１ｅにおいて、その壁面に衝突し密は密のまま、疎は疎のまま跳ね返るので入射波Ｇの位相が逆転し、反射波Ｒ_２の位相となり、反射波Ｒ_２は、入射波Ｇに対して逆位相となる。

このように、入射波Ｇと反射波Ｒ_２とが逆位相となる。本来この反射波Ｒ_２は入射波Ｇと位相０の横線を中心として対称となっているが、説明の便宜上、図１１においては、反射波Ｒ_１と反射波Ｒ_２とが位相０の横線を中心として対称になるよう、反射波Ｒ_２を位相０の横線方向にずらしている。

この反射波Ｒ_１と反射波Ｒ_２は位相が逆であるが、粒子速度の大きさは同じであるため、互いに打ち消し合うよう干渉し、テールパイプ２８内の気柱においては、気柱共鳴は起きない。その結果、図１０に示すように、気柱共鳴による排気音の破線で示す一次成分ｆ_１が実線で示すように抑制され、排気音の音圧レベルが大幅に低減される。

また、一次成分ｆ_１を基本振動とした二次成分ｆ_２の気柱共鳴に対しても、図１１と同様にテールパイプ２８の下流開口端２８ｂから反射される反射波が、入射波Ｇに対して同位相の開口部４１ｄによる反射波Ｒ_１と入射波Ｇに対して１８０°位相が異なる閉口部４１ｅによる反射波Ｒ_２とに分配されて、反射波Ｒ_１と反射波Ｒ_２とが互いに打ち消し合うよう干渉する。その結果、図１０に示すように、気柱共鳴による排気音の破線で示す二次成分ｆ_２が実線で示すように抑制され、排気音の音圧レベルが大幅に低減される。

次に、エンジン２１の運転時の排気脈動による入射波Ｇがテールパイプ２８内に入射し、この入射波Ｇの波長がテールパイプ２８の管長Ｌの１／４波長を基本とする入射波Ｇである場合について説明する。

開口端反射は、図９に示すように、テールパイプ２８の管長Ｌを半波長とした周波数を基本として、このときの基本波長を自然数で割った波長の気柱共鳴が発生するものである。
これに対し、閉口端反射は、図１２に示すように、テールパイプ２８の管長Ｌを１／４波長とした周波数の気柱共鳴を基本成分として、このときの基本波長を奇数で割った波長の気柱共鳴が発生するものであり、テールパイプ２８の開口端から管内に入射された入射波が閉口端で入射波と１８０°異なる位相で反射するものである。

具体的には、図１２に示すように、基本振動からなる一次成分の気柱共鳴の波長λ_１は、テールパイプ２８の管長Ｌの略４倍となり、二次成分の気柱共鳴の波長λ_２は、管長Ｌの略４／３倍となる。また、三次成分の気柱共鳴の波長λ_３は、管長Ｌの４／５倍となり、閉口端が粒子速度の節、開口端が粒子速度の腹となるような定在波ができる。

また、一次成分ないし三次成分の気柱共鳴の定在波における音圧分布は、粒子速度分布と腹と節がそれぞれ逆になり、閉口端が音圧の腹、開口端が音圧の節となるような定在波ができる。

排気音の音圧レベル（ｄＢ）の共鳴周波数による増大は、入射波Ｇの波長がテールパイプ２８の管長Ｌの１／４波長を基本とする入射波Ｇである場合も、入射波Ｇの波長がテールパイプ２８の管長Ｌの半波長を基本とする入射波Ｇである場合と同様に起きる。
すなわち、図１０に示すグラフと同様に、排気音の音圧レベル（ｄＢ）は、エンジン回転数Ｎｅ（ｒｐｍ）が増大するのに伴って一次成分ｆ_１、二次成分ｆ_２の共鳴周波数（Ｈｚ）に対応するエンジン回転数Ｎｅで増大する。

ここで、音速をｃ（ｍ／ｓ）、テールパイプ２８の長さをＬ（ｍ）、次数をｎとしたときの気柱共鳴周波数ｆｄ（Ｈｚ）は、次式（９）で表される。

音速ｃを４００ｍ／ｓとし、テールパイプ２８の管長Ｌを３．０ｍとした場合には、上記式（９）に基づいてテールパイプ２８の気柱共鳴による排気音の一次成分ｆ_１は、３３．３Ｈｚ、二次成分ｆ_２は１００Ｈｚとなり、エンジン２１の回転数に対応した気柱共鳴による共鳴周波数の一次成分ｆ_１と二次成分ｆ_２で排気音の音圧レベル（ｄＢ）が高くなる。

また、本実施の形態では、エンジン２１が４気筒であるため、前述の式（３）において、Ｎ＝４となり、エンジン回転数Ｎｅが１０００ｒｐｍのときに一次成分ｆ_１の気柱共鳴により排気音の音圧レベル（ｄＢ）が増大し、エンジン回転数Ｎｅが３０００ｒｐｍのときに二次成分ｆ_２の気柱共鳴により排気音の音圧レベル（ｄＢ）が増大する。

本実施の形態では、エンジン２１の運転時の排気脈動によりテールパイプ２８の管長Ｌを１／４波長とする入射波Ｇがテールパイプ２８内に入射すると、この入射波Ｇの周波数とテールパイプ２８の気柱共鳴周波数とが一致することになる。

このとき、テールパイプ２８の下流開口端２８ｂから反射される反射波が、入射波Ｇに対して同位相の開口部４１ｄによる開口端反射の反射波Ｒ_１と入射波Ｇに対して１８０°位相が異なる閉口部４１ｅによる閉口端反射の反射波Ｒ_２とに分配される。

この反射波Ｒ_１と反射波Ｒ_２は位相が逆であるが、粒子速度の大きさは同じであるため、互いに打ち消し合うよう干渉し、気柱共鳴による排気音の一次成分ｆ_１が抑制され、排気音の音圧レベルが大幅に低減される。

また、一次成分ｆ_１を基本振動とした二次成分ｆ_２の気柱共鳴に対しても、図１１と同様にテールパイプ２８の下流開口端２８ｂから反射される反射波が、入射波Ｇに対して同位相のプレート４１の開口部４１ｄで反射する反射波Ｒ_１と入射波Ｇに対して１８０°位相が異なるプレート４１の閉口部４１ｅで反射する反射波Ｒ_２とに分配される。このとき、反射波Ｒ_１と反射波Ｒ_２とが互いに打ち消し合い、気柱共鳴による排気音の二次成分ｆ_２が抑制され、排気音の音圧レベルが大幅に低減される。

（開口端補正）
ここで、上述の開口端補正により求められる距離ΔＬの好適な長さについて、説明する。

開口端反射において、本実施の形態のように貫通孔２８ｅがない場合、テールパイプ２８内で発生する気柱共鳴における見かけ上の気柱の長さ、すなわち、共鳴周波数を決定する長さは、テールパイプ２８の上流開口端２８ａから下流開口端２８ｂのプレート４１の反射面部４１fまでの管長（Ｌ−Ｌ_２）よりも僅かに長いＬｈとなることが知られている。この管長（Ｌ−Ｌ_２）と見かけ上の気柱の長さＬｈとの差は、上述のように開口端反射において厳密には、両端の反射面が、それぞれ上流開口端２８ａから上流側に距離ΔＬ離隔した位置、プレート４１の反射面部４１fから下流側に距離ΔＬ離隔した位置となるためである。

この距離ΔＬは、テールパイプ２８の内径をＤ_１とすると、例えば、次式（１０）で表される。

したがって、貫通孔２８ｅがない場合、開口端反射における実効的な反射面が、プレート４１の反射面部４１fから距離Δだけ下流側となる。このため、本実施の形態のテールパイプ２８では、プレート４１の反射面部４１fから距離Δだけ上流側に、貫通孔２８ｅを設けて、開口端反射における実効的な反射面が、プレート４１の反射面部４１fとなるようにしている。

これにより、開口端反射による実効的な反射面の位置を、閉口端反射における反射面（プレート４１の反射面部４１f）に正確に合わせることができる。また、上流開口端２８ａにおいては、プレート４１の反射面部４１fにおいて開口端反射によって反射された反射波も、閉口端反射によって反射された反射波も、開口端反射となるので、双方の位相差は、１８０°のまま保たれる。

なお、本実施の形態に係る排気装置２０のマフラ２７の長さ（ｍｍ）、外形の大きさ（ｍｍ）および共鳴室や拡張室の個数、インレットパイプ部２６Ａおよびテールパイプ２８の内径（ｍｍ）、厚さ（ｍｍ）および長さ（ｍｍ）、プレート４１の厚さ（ｍｍ）、プレート４１の直径Ｄ_１、開口部４１ｄの貫通孔４１ｃの直径Ｄ_２およびプレート４１の開口部４１ｄを含む側面部４１ｂの総面積Ｓ_１、開口面積Ｓ_２、距離Ｌ（ｍｍ）、Ｌ_１（ｍｍ）、Ｌ_２（ｍｍ）、Ｌ_３（ｍｍ）は、本実施の形態に係る排気装置２０が適用される車両の設計諸元、シミュレーション、実験や経験値などのデータに基づいて適宜選択される。

本実施の形態に係る内燃機関の排気装置２０においては、前述のように構成されているので、次の効果が得られる。

すなわち、本実施の形態に係る内燃機関の排気装置２０は、テールパイプ２８の下流開口端２８ｂに開口部４１ｄと閉口部４１ｅとを形成したプレート４１を設けたので、エンジン２１の作動により脈動する排気ガスがテールパイプ２８内に流入することにより、排気音が発生し、この排気音の周波数とテールパイプ２８の気柱共鳴周波数とが一致したときに、排気音の入射波に対して同位相でプレート４１の開口部４１ｄから反射される、いわゆる開口端反射による反射波と、入射波に対して１８０°位相が異なるプレート４１の閉口部４１ｅから反射される、いわゆる閉口端反射による反射波と、に分配することができる。さらに、プレート４１からテールパイプ２８の軸線方向内方に、距離Ｌ_２離隔したテールパイプ２８の周壁に、貫通孔２８ｅを形成したので、開口端反射による反射波の反射の位置を、閉口端反射による反射波の反射の位置であるプレート４１の反射面部４１ｆに正確に合わせ、開口端反射による反射波と閉口端反射による反射波との位相差を１８０°として、ほぼ完全な逆位相とすることができ、互いに確実に打ち消し合うように干渉させ、干渉による音圧レベルの低減を最大とすることができる。なお、上記距離Ｌ_３とは、テールパイプ２８の半径（内径の１／２）Ｄ_１／２に対して０．６倍（Ｌ_３＝０．６Ｄ_１／２）の距離としている。

このように、本実施の形態に係る内燃機関の排気装置２０は、エンジン２１の低回転時に車室内におけるこもり音の発生が防止されるとともに、従来のようにメインマフラに相当する消音器を大型化したり、テールパイプ２８にサブマフラを介装することが不要となるため、テールパイプ２８にプレート４１および貫通孔２８ｅを設けるだけの簡単構造で、排気装置の重量の増大が防止されるとともに、排気装置の製造コストの増大が防止されるという効果が得られる。

また、本実施の形態に係る内燃機関の排気装置２０は、テールパイプ２８の貫通孔２８ｅを、重力方向下方側、すなわち、車両の下方に形成させたので、テールパイプ２８内に滞留した排気ガス凝縮水等を、この貫通孔２８ｅから容易に排出させることができる。

さらに、本実施の形態に係る内燃機関の排気装置２０は、プレート４１の開口部４１ｄを含む総面積Ｓ_１に対して、開口部４１ｄの開口面積Ｓ_２を１／３の大きさに設定したので、音波の反射率が０．５となり、閉口端反射による反射波と、開口端反射による反射波と、が１：１の割合で起こることとなり、同レベルで発生する位相差が１８０°異なる互いの反射波が干渉により打ち消し合い、音圧レベルの低減効果を高めることができる。

本実施の形態に係る排気装置２０においては、テールパイプ２８の管長Ｌを半波長とする波長を基本波長として、この基本波長を自然数で割った長さの波長の気柱共鳴が発生した場合であっても、テールパイプ２８の気柱共鳴によって音圧が増大してしまうのを抑制することができ、エンジン２１の低回転時（２０００ｒｐｍ）に車室内にこもり音が発生するのを防止することができるという効果が得られる。

また、テールパイプ２８の管長Ｌを１／４波長とする波長を基本波長として、この基本波長を奇数で割った長さの波長の気柱共鳴が発生した場合であっても、テールパイプ２８の気柱共鳴によって音圧が増大してしまうのを抑制することができ、エンジン２１の低回転時（１０００ｒｐｍ）に室内にこもり音が発生するのを防止することができる。

また、本実施の形態に係る排気装置２０においては、プレート４１をテールパイプ２８の下流開口端２８ｂのみに設けた場合について説明した。しかしながら、プレート４１をテールパイプ２８の下流開口端２８ｂのみに設けた構造以外の構造であってもよい。

例えば、図１３および図１４に示すように、プレート４１を、テールパイプ２８の上流開口端２８ａおよび下流開口端２８ｂの双方に設けた構造であってもよい。また、プレート４１を、テールパイプ２８の上流開口端２８ａのみに設けた構造であってもよい。
このようなプレート４１を、テールパイプ２８の上流開口端２８ａおよび下流開口端２８ｂの双方に設けた構造、および、テールパイプ２８の上流開口端２８ａのみに設けた構造においても、上記と同様の作用効果を得ることができる。

また、本実施の形態に係る排気装置２０のプレート４１の開口部４１ｄは、１４箇所に形成された直径Ｄ_２の貫通孔４１ｃで構成される場合について説明したが、他の形状で構成されるようにしてもよい。例えば、開口数は１個であってもよく１４個以外の複数個であってもよい。また、開口の断面形状は、円形以外の他の形状であってもよい。

例えば、図１５および図１６に示すように、プレート５１を本実施の形態に係る排気装置２０のプレート４１と同様に構成するとともに、小判形状のスリット５１ａおよびスリット５１ａよりも長い２個の小判形状のスリット５１ｂと、プレート５１とテールパイプ２８の内周部２８ｃとの間に隙間が画成される切欠き５１ｃとにより、プレート５１の開口部を構成するようにしてもよい。この場合、開口部の開口面積Ｓ_２は、スリット５１ａ、２個のスリット５１ｂおよび切欠き５１ｃの各開口面積を合計したものとなる。また、このようなスリットの他、楕円形や多角形の貫通孔であってもよい。

また、本実施の形態に係る排気装置２０のプレート４１は、一方側に突出して形成された直径Ｄ_１の外周部４１ａと、側面部４１ｂとで構成される場合について説明したが、他の形状で構成されるようにしてもよい。

例えば、所定の厚みを有する円盤からなるプレートで構成するようにしてもよい。このプレートは、直径Ｄ_１の外周部と、テールパイプ２８内を流動する排気ガスの排気方向に対向する側面部と、を備え、外周部とテールパイプ２８の内周部２８ｃとを密着させる。

さらに、本実施の形態に係る排気装置２０のテールパイプ２８においては、円形の断面を有する貫通孔２８ｅが、プレート４１の側面部４１ｂに対してテールパイプ２８の軸線方向内方に１箇所だけ形成された場合について説明した。しかしながら、本発明に係る排気装置においては、テールパイプ２８に本実施の形態における貫通孔２８ｅとは異なった形状、異なった個数のもので構成するようにしてもよい。

例えば、図１７および図１８に示すように、テールパイプ７８において、下流開口端７８ｂから、テールパイプ７８の軸線方向内方に距離Ｌ_４だけ離隔した位置にプレート４１の側面部４１ｂが位置するようプレート４１を配置する。そして、プレート４１の側面部４１ｂに対してテールパイプ７８の軸線方向内方に距離Ｌ_５だけ離隔した位置に、長さＬ_６および幅Ｌ_７を有する小判形状のスリット７８ｄを３箇所にテールパイプ７８を貫通して形成する。さらに、これらのスリット７８ｄにそれぞれ対向する位置で３箇所に、テールパイプ７８を貫通してスリット７８ｅを形成するようにしてもよい。

以上説明したように、本発明に係る内燃機関の排気装置は、テールパイプにサブマフラを介装したり、テールパイプの上流開口端に大容量の共鳴室を有する消音器を設けるのを不要にして、テールパイプの気柱共鳴によって音圧レベルが増大してしまうのを抑制することができ、重量を低減することができるとともに製造コストを低減することができる内燃機関の排気装置全般に有用である。

２０ 排気装置
２１ エンジン
２２ 排気マニホールド
２４ 触媒コンバータ
２５ フロントパイプ
２６ センターパイプ
２７ マフラ
２８、７８ テールパイプ
２８Ａ アウトレットパイプ部
２８ａ 上流開口端
２８ｂ 下流開口端
２８ｃ 内周部
２８ｄ 外周部
３５ 拡張室
３６ 共鳴室
４１、５１ プレート
４１ａ 外周部
４１ｂ 側面部
４１ｃ 貫通孔
４１ｄ 開口部
４１ｅ 閉口部
４１ｆ 反射面部
Ｓ_１ 総面積
Ｓ_２ 開口面積

Claims (3)

1. 一端部に内燃機関から排出された排気ガスの排気方向上流側の消音器に接続される上流開口端と、他端部に前記排気ガスを大気に排出するための下流開口端と、を有する排気管を備えた内燃機関の排気装置であって、
   前記排気管の前記下流開口端に、前記排気管の断面を閉口する閉口部と開口部を形成したプレートを前記排気ガスの排気方向に対向して設け、
   前記排気管の内径に対する所定の割合で前記プレートから前記排気管の軸線方向内方に離隔した前記排気管の周壁に、前記排気管の外周部と内周部とを貫通する貫通孔を形成したことを特徴とする内燃機関の排気装置。
2. 前記排気管の貫通孔を、重力方向下方側に形成したことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気装置。
3. 前記プレートの閉口部と、前記開口部と、を合わせた総面積に対して、前記開口部の開口面積を１／３の大きさに設定したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の排気装置。

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