JP5478920B2

JP5478920B2 - 省エネ型排気マフラー用スパイラルテール及びスパイラルテールの使用方法

Info

Publication number: JP5478920B2
Application number: JP2009069902A
Authority: JP
Inventors: 昇松本
Original assignee: Matsushou Co Ltd
Current assignee: Matsushou Co Ltd
Priority date: 2009-03-23
Filing date: 2009-03-23
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2029-03-23
Also published as: JP2010223043A; WO2010110025A1

Description

本発明は、主に、車両用の排気マフラー端部に装着して、エンジン効率や燃費効率を改善すると共に、消音性能を高める省エネ型排気マフラー用スパイラルテール及びスパイラルテールの使用方法に関するものである。

従来、エンジンの燃焼作用を助長せしめてエンジン効率を向上させる排気マフラーとして、特許文献１に開示されているような内燃機関用排気装置が提案されている。

この排気マフラーによると、エンジンからの排気ガスを吸引し、これを多段的に圧縮膨張させて消音すると共に、排気ガスを渦巻状に加速流出させて内燃機関の燃焼作用を助長せしめ、その効率を向上させようとするものである。そのため、マフラーのチャンバー内にストレート状の内管を配設し、この内管の外周に螺旋板（フィン）を設けている。ところが、この排気マフラーは、排気音の拡散を防止する目的で構成されていても、排気ガスを大気中に放出する際の脈動波の発生を防止する構造ではなかった。

通常、4サイクルエンジンでは、シリンダー内で吸入-圧縮-爆発-排気といった一連の運動をピストンの往復運動として繰り返す。このとき、ピストンの動きと同期して開閉する吸気弁と排気弁がシリンダーに設置されている。そして、爆発を終えた高圧の排気ガスは、爆発音を伴って排気弁から排気パイプへ押し出される。このようなピストン運動が繰り返し行われると、排気パイプ内に排気ガスによる排気脈動が周期的に発生する。そして排気脈動を伴った高圧の排気ガスは、排気パイプの途中に設けられたチャンバー（消音器）内で消音されるものである。

元々、チャンバー(Expansion Chamber)とは、主に2サイクルエンジンの排気マフラーにおいて、混合気の充填効率を高める為に排気パイプに設けられた膨張室をいう。そして排気ガスがこのチャンバーに達すると、排気ガスがチャンバー内で勢いよく膨張する。この膨張時に生じる衝撃波がチャンバー内で反射し、排気パイプに引き込まれた混合気をシリンダーに押し戻す作用が生じる。この作用をタイミング良く利用することにより、シリンダー容積を超える混合気が圧縮充填されることになり、結果として排気量を高めたことと同じ効果が得られるものである。

一般に4サイクルエンジンの排気マフラーでは、チャンバーを消音器として使用しているが、4サイクルエンジンでも2サイクルエンジンのチャンバーと同様に、排気パイプ側で排気ガスの流れを制御し、排気パイプ側に吹き抜けた未燃焼ガスをシリンダーに押し戻す作用を備えた省エネ型の排気マフラーがある。

すなわち、排気脈動を制御する目的で、太さの違うパイプや容積を拡大した部屋（チャンバー）などを排気パイプの途中に設けた省エネ型排気マフラーである。この省エネ型の排気マフラーでは、チャンバー内等で発生した衝撃波をシリンダーの排気弁方向に反射させ、未燃焼ガスを効率的にシリンダーに押し込むように調整することで、エンジン効率や燃費効率を改善できることが知られている。

実開昭５３−２３８３５号公報

ところが、従来の排気マフラーでは、チャンバーから排出された排気ガスが排気マフラーの出口から大気中に放出される際にも、高圧の排気ガスの容積が大気中で一挙に膨張するので、新たな脈動波が生じている。この脈動波はチャンバー内の排気脈動に比べると微小なものであるが、特に省エネ型排気マフラーのように衝撃波を有効利用してエンジン効率を改善する構成の排気マフラーにとって極めて厄介なものになっていた。

すなわち、排気マフラー出口から大気中に放出される際に脈動波が生じると、この脈動波が排気マフラーを伝わり、チャンバー内で反射する衝撃波のリズムに悪影響を与える。そうすると、衝撃波が未燃焼ガスをシリンダーに押し込む有効なタイミングを妨害することになり、省エネ型の排気マフラーにおけるエンジン効率や燃費効率の改善を困難にするものである。

一般に、衝撃波が未燃焼ガスをシリンダーに押し込むことができる有効なタイミング等は、シリンダーからチャンバーまでの排気パイプの長さやチャンバーの容積などから正確に調整する必要があるので、大気中に放出される際に生じる僅かな脈動波でも、その振動等が排気パイプやチャンバー等に伝わると、衝撃波の反射タイミング等が狂う原因になっていた。

したがって、これまでの省エネ型排気マフラーの調整は、排気マフラー出口から大気中に放出される際の脈動波を含めた状態で衝撃波のタイミング等を調整しなければならなかった。そのため、この調整作業が極めて複雑で困難な作業になり、しかも、エンジンの改善効率を制限する原因にもなっていた。これらのことから、衝撃波を有効利用する省エネ型の排気マフラーにとって、大気中に放出される際の脈動波の発生を極力防止することが望まれていた。

一方、特許文献１に記載されている排気マフラーでは、チャンバー内の構成について考察されているものの、衝撃波が未燃焼ガスをシリンダーに押し込む作用はもとより、排気マフラー出口から大気中に放出される際に生じる脈動波についての考察は一切されておらず、特許文献１の排気マフラーは、衝撃波を利用してエンジン効率や燃費効率を改善する省エネ型の排気マフラーに関すものではない。

そこで本発明は、上述の課題を解消すべく創出されたもので、排気マフラー出口から大気中に放出される際に生じる脈動波を極力防止し、チャンバー内の衝撃波が未燃焼ガスをシリンダーに押し込む作用を妨げることなく、エンジン出力の増大や燃費の改善効果を図ることができる省エネ型排気マフラー用スパイラルテール及びスパイラルテールの使用方法の提供を目的とするものである。

上述の目的を達成すべく本発明における第１の手段は、排気ガスの排気脈動に伴って生じる衝撃波を有効利用する省エネ型排気マフラー１００の排気端部に連結されるスパイラルテールにおいて、排気マフラー１００の排気端部に連結される連結端部１１から排出口１３に至る径が漸次大径となるテーパー筒状のテールパイプ１０を形成し、該テールパイプ１０の内周面に、複数のフィン１２を同一方向に捩れた状態に配設し、排気マフラー１００の排気ガスがテールパイプ１０を通過するときに、フィン１２に誘導されて略螺旋状に旋回しながら漸次大径となる排出口１３から大気へ排出されるようにテールパイプ１０が構成され、
前記排気マフラー１００は、排気パイプ１１０の途中にチャンバー１２０が設けられ、該チャンバー１２０内で排気パイプ１１０の径を大径から小径に変更すると共に、大径排気パイプ１１１からチャンバー１２０内に排気ガスが拡散するように多数の拡散用孔１１２を大径排気パイプ１１１に開穿し、このチャンバー１２０内に拡散した排気ガスが再び圧縮されて小径排気パイプ１１５内に流入される流入孔１１６を小径排気パイプ１１５に多数開穿し、チャンバー１２０内の排気脈動に伴って生じる衝撃波を有効利用する省エネ型排気マフラーである
ことにある。

第２の手段は、車両用排気マフラー１００の排気端部に連結される連結端部１１から排出口１３に至る径が漸次大径となるテーパー筒状のテールパイプ１０を形成し、該テールパイプ１０の内周面に、複数のフィン１２を同一方向に捩れた状態に配設したスパイラルテールの使用方法において、前記排気マフラー１００は、該チャンバー１２０内で排気パイプ１１０の径を大径から小径に変更すると共に、大径排気パイプ１１１からチャンバー１２０内に排気ガスが拡散するように多数の拡散用孔１１２を大径排気パイプ１１１に開穿し、このチャンバー１２０内に拡散した排気ガスが再び圧縮されて小径排気パイプ１１５内に流入される流入孔１１６を小径排気パイプ１１５に多数開穿してチャンバー１２０内の排気脈動に伴って生じる衝撃波を有効利用する省エネ型排気マフラー１００とし、該省エネ型排気マフラー１００の排気端部にスパイラルテールを連結し、排気ガスを大気中に放出するときの脈動波を抑止する使用方法にある。

請求項１によると、排気ガスがテールパイプ１０を通過するときに、フィン１２に誘導されて略螺旋状に旋回しながら漸次大径となる排出口１３から大気へ排出されるように構成しているので、排気ガスは遠心力と慣性によって、回転しながら拡散した状態で大気中に放出される。さらに、テールパイプ１０の中心部分を通過する排気ガスは、周囲より圧力が低下した状態で移動して大気中に排出される。そのため、排気ガスが排出口１３から大気中に放出される際に、この排気ガスが急激に膨張して生じる脈動波を抑制することができる。この結果、省エネ型排気マフラーによるエンジン改善効率を高め、衝撃波のタイミング等の調整作業も容易になった。

しかも、排気ガスの膨張により生じる脈動波を抑制することは、その音波エネルギーを減衰する作用もあるので、消音性能を高める効果も奏する。

また、本発明スパイラルテールを連結した排気マフラー１００として、排気パイプ１１０の途中にチャンバー１２０が設けられ、該チャンバー１２０内で排気パイプ１１０の径を大径から小径に変更すると共に、大径排気パイプ１１１からチャンバー１２０内に排気ガスが拡散するように多数の拡散用孔１１２を大径排気パイプ１１１に開穿し、このチャンバー１２０内に拡散した排気ガスが再び圧縮されて小径排気パイプ１１５内に流入される流入孔１１６を小径排気パイプ１１５に多数開穿し、チャンバー１２０内の排気脈動に伴って生じる衝撃波を有効利用する省エネ型排気マフラーとすることで、この省エネ型排気マフラー１００の衝撃波のタイミング等を妨げることなく、エンジン効率や燃費効率を更に改善することができる。

さらに、請求項２の如き使用方法によると、排気ガスの排気脈動に伴って生じる衝撃波を有効利用する省エネ型排気マフラー１００の排気端部に本発明スパイラルテールを連結して排気ガスを大気中に放出するときの脈動波を抑止する使用方法により、省エネ型排気マフラー１００が有する衝撃波の反射効率を改善し、エンジン効率や省エネ効果を十分に引き出すことができる。

しかも、各種の省エネ型排気マフラー１００の衝撃波の反射タイミング等を調整する際も、排気ガスを大気中に放出するときの脈動波を計算に入れなくてよいので、省エネ型排気マフラー１００特有の調整作業も容易にすることができる。

本発明スパイラルテールの一実施例を示す側断面である。本発明スパイラルテールの一実施例を示す正面図である。本発明スパイラルテールの他の実施例を示す側断面である。

本発明によると、排気マフラー出口から大気中に放出される際に生じる脈動波を抑制し、省エネ型排気マフラーによるチャンバー内の衝撃波が未燃焼ガスをシリンダーに押し込む作用を妨げることなく、エンジン出力の増大や燃費の改善効果を図ることができる省エネ型排気マフラー用スパイラルテールを実現した。

以下、本発明を図示例に基づいて説明する。本発明は、省エネ型の排気マフラー１００の排気端部に溶着手段を介して連結される省エネ型排気マフラー用スパイラルテールである。

本発明スパイラルテールの構成は、テールパイプ１０とフィン１２とで構成されている（図１参照）。テールパイプ１０は、連結端部１１から排出口１３に至る径が漸次大径となるテーパー筒状の金属製部材である。

一方、フィン１２は、テールパイプ１０の内周面に配設された部材で、適宜金属材（例えば、ステンレス）や、適宜強化樹脂材や、適宜複合材等によって形成され、略帯板状を呈している。そして、複数（例えば、６枚、８枚、１２枚等）のフィン１２は、テールパイプ１０の中心線に対して同一方向に捩れた状態に配されている（図２参照）。そして、テールパイプ１０内を通過する排ガスがフィン１２に誘導されて略螺旋状に旋回し、漸次大径となる排出口１３から拡散しながら大気へ排出されるように構成している。このとき、フィン１２の中心部を通過する排気ガスの圧力減少が生じることで排気作用を促進し、排気マフラー１００内部の排気抵抗を軽減することによっても省エネルギー効果を高めるものである。

このテールパイプ１０は、ステンレス等の適宜金属材や、適宜複合材等によって形成される。図示例のテールパイプ１０の外側には、カバー体２０を設けて外観上の体裁が良くなるように構成している。このカバー体２０は、適宜金属材（例えば、ステンレス）や、適宜強化樹脂材や、適宜複合材等によって形成されているもので、その外表面に適宜装飾を施すこともできる。また、カバー体２０自体を設けずに、テールパイプ１０のみの使用も可能である。

本発明における省エネ型の排気マフラー１００とは、特に、排気ガスの排気脈動に伴って生じる衝撃波を有効利用するタイプの排気マフラーを総称する。すなわち、太さの違うパイプや容積を拡大した部屋（チャンバー）などを排気パイプの途中に設けることで、排気パイプ側で排気ガスの流れを制御し、排気パイプ側に吹き抜けた未燃焼ガスをシリンダーに押し戻す作用を備えた排気マフラー１００である。この省エネ型の排気マフラー１００は、チャンバー内等で発生した衝撃波をシリンダーの排気弁方向に反射させ、未燃焼ガスを効率的にシリンダーに押し込むように調整することで、エンジン効率や燃費効率を改善できることが知られている。

図示例の排気マフラー１００は、排気パイプ１１０の途中にチャンバー１２０を設けたものである。そして、このチャンバー１２０内で排気パイプ１１０の径を大径から小径に変更している。すなわち、エンジン側の排気パイプ１１０を大径排気パイプ１１１とし、排出口側の排気パイプ１１０を小径排気パイプ１１５とするもので、これら大径排気パイプ１１１と小径排気パイプ１１５とをチャンバー１２０の内部で連結したものである。

さらに、大径排気パイプ１１１に多数の拡散用孔１１２を開穿し、この拡散用孔１１２からからチャンバー１２０内に排気ガスが拡散するように構成している。一方、小径排気パイプ１１５にも流入孔１１６を多数開穿してあり、このチャンバー１２０内に拡散した排気ガスが再び圧縮され、この流入孔１１６から小径排気パイプ１１５内に流入するように構成している。このような構成により、チャンバー１２０内の排気脈動に伴って生じる衝撃波を有効利用する省エネ型排気マフラーとなっている。

図１では、チャンバー１２０内の排気パイプ１１０は１本であるのに対し、図３では、チャンバー１２０内の排気パイプ１１０を２本にした実施例を示している。また、これらの図に示す如く、大径排気パイプ１１１と小径排気パイプ１１５との連結手段や連結構造など、排気パイプ１１０の数やサイズの変更は、エンジンの排気量によって任意に変更することができるものである。さらに、チャンバー１２０内に吸音材を配することで、消音効果を高めることもできる。

尚、本発明スパイラルテールは、図示の省エネ用排気マフラー１００に連結するほか、他のタイプの省エネ用排気マフラーに連結して使用することも可能である。すなわち、他のタイプの省エネ型排気マフラーでも、大気へ排出する際の脈動波の発生を防止するので、この省エネ型排気マフラーによるエンジンの改善効率、すなわち、エンジン効率や燃費効率を改善することができるものである。

また、省エネ型の排気マフラー１００や本発明スパイラルテールの具体的構成、形状、寸法、材質、排気マフラーへの具体的装着手段、フィン１２の具体的構成、形状、寸法、材質、数、配設位置、捩れ状態等は、図示例のもの等に限定されることなく適宜自由に設計変更できるものである。

本発明スパイラルテールは、前述の如く構成されており、次にその使用効果を示すデータについて説明する。

表１〜表３は、純正の排気マフラーと、本発明を使用した図１に示す省エネ型排気マフラー１００との比較データを示している。表１はパワーデータ比較を示し、表２はトルクデータ比較を示している。さらに、これらの結果を表３のグラフにまとめている。実験では、2000ccのエンジンを搭載した車両の純正マフラー使用時と、本発明使用時の各データを比較したものである。

この結果、本発明使用時のエンジンパワーは167.3KW（227.5ps）となり、純正マフラー使用時のエンジンパワーの151.2KW（205.6ps）に比べて＋21.9psものエンジンパワーの向上が認められた（表３）。

また、トルクデータ比較では、本発明使用時のエンジントルクは404.9Nm（41.3kg-m）となり、純正マフラー使用時のエンジンパワーの357.5Nm（36.5kg-m）に比べて＋4.8kg-m ものエンジントルクの向上があった（表３）。

尚、パワーデータ比較及びトルクデータ比較の測定器として、シャーシダイナモ（ボッシュ（登録商標）FLA206）を使用した。

表４は、本発明スパイラルテールを使用した図１の排気マフラー１００と純正の排気マフラーとの近接排気騒音データ比較を示したものである。

この近接排気騒音データ比較では、2000ccのエンジンに搭載した車両の純正マフラーと、本発明使用時の近接排気騒音データを比較した。実験の結果、純正マフラー使用時の近接排気騒音が81dBとなったのに比べて、本発明使用時では74dBとなり、-7.0 dBもの低下が認められた。尚、近接排気騒音データ比較の測定器として、精密騒音計（小野測器LA4350）を使用した。

さらに、本発明における燃費性能実験を行った。この実験では、3500ccのエンジンに搭載した車両の純正マフラーと、本発明スパイラルテールを図２に示す省エネ型排気マフラー１００に装着した時の燃費データを比較した。

実験は、通称、満タン方と称されるもので、同一のコースを全く同じ条件で繰返し走行し、その時の走行距離と給油量で燃費を算出するものである。給油量の記録は、給油機による自動停止方法を指定して同一条件下の給油量を記録した。走行距離は、車載のオドメータの記録を採用し、給油時にリセットして次の給油までの距離を記録した。燃費（Km/l）は、走行距離（Km）÷給油量（l）である。走行パターンは、トータル性能を確認する為、３種類の走行条件を盛り込んだ設定とした。今回の走行パターンは、一般道30Km、高速道路94Km、山道（上り/下り）23Kmを含んだ全走行距離約150Kmに設定した。走行条件は、定員3名とし、エアコンを25℃設定とした。一般道走行時は交通法規に準じ道路状況の流れに合せる。高速道走行時は、交通法規に準じ、基本的に100Km/h巡航とする。また、道路状況や道路事情に著しい変化があった場合はデータを取り直すものとした。

燃費性能実験の結果、本発明使用時の燃費は12.1（Km/l）となり、純正マフラー使用時の燃費の10.6（Km/l）に比べて＋14%もの燃費の向上が認められた。

本発明スパイラルテールによると、各種の省エネ型排気マフラーへの使用のみならず、通常使用されている排気マフラーにも利用することが可能である。

１０テールパイプ
１１連結端部
１２フィン
１３排出口
２０カバー体
１００排気マフラー
１１０排気パイプ
１１１大径排気パイプ
１１２拡散用孔
１１５小径排気パイプ
１１６流入孔
１２０チャンバー

Claims

排気ガスの排気脈動に伴って生じる衝撃波を有効利用する省エネ型排気マフラーの排気端部に連結されるスパイラルテールにおいて、排気マフラーの排気端部に連結される連結端部から排出口に至る径が漸次大径となるテーパー筒状のテールパイプを形成し、該テールパイプの内周面に、複数のフィンを同一方向に捩れた状態に配設し、排気マフラーの排気ガスがテールパイプを通過するときに、フィンに誘導されて略螺旋状に旋回しながら漸次大径となる排出口から大気へ排出されるようにテールパイプが構成され、
前記排気マフラーは、排気パイプの途中にチャンバーが設けられ、該チャンバー内で排気パイプの径を大径から小径に変更すると共に、大径排気パイプからチャンバー内に排気ガスが拡散するように多数の拡散用孔を大径排気パイプに開穿し、このチャンバー内に拡散した排気ガスが再び圧縮されて小径排気パイプ内に流入される流入孔を小径排気パイプに多数開穿し、チャンバー内の排気脈動に伴って生じる衝撃波を有効利用する省エネ型排気マフラーであることを特徴とする省エネ型排気マフラー用スパイラルテール。
車両用排気マフラーの排気端部に連結される連結端部から排出口に至る径が漸次大径となるテーパー筒状のテールパイプを形成し、該テールパイプの内周面に、複数のフィンを同一方向に捩れた状態に配設したスパイラルテールの使用方法において、前記排気マフラーは、排気パイプの途中にチャンバーが設けられ、該チャンバー内で排気パイプの径を大径から小径に変更すると共に、大径排気パイプからチャンバー内に排気ガスが拡散するように多数の拡散用孔を大径排気パイプに開穿し、このチャンバー内に拡散した排気ガスが再び圧縮されて小径排気パイプ内に流入される流入孔を小径排気パイプに多数開穿してチャンバー内の排気脈動に伴って生じる衝撃波を有効利用する省エネ型排気マフラーとし、該省エネ型排気マフラーの排気端部にスパイラルテールを連結し、排気ガスを大気中に放出するときの脈動波を抑止することを特徴とする省エネ型排気マフラー用スパイラルテールの使用方法。