JP5912221B2 - 内燃機関用マフラ - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気流路に設けられて排気騒音を低減する内燃機関用マフラに関する。

従来より、特許文献１にあるように、内燃機関の排気流路には、エギゾーストマニホルド、触媒コンバータ、サブマフラ、メインマフラ、テールパイプが配置され、これら各々が排気管により接続されて、車両の床下スペースに取り付けられている。

車両の床下スペースには、排気系の装置のみならず、例えば、車両のプロペラシャフト、クロスメンバー、サイドメンバー、燃料タンク等の多くの構成部品が設けられている。このため、スペース的な制約があり、マフラに接続される各排気管の長さも、マフラの配置に応じて設定されていた。

排気音は、一般に、内燃機関のシリンダ内爆発音、排気の流れにより発生する気流音、排気管の長さによる気柱共鳴に起因する定在波等からなるが、排気管の長さによっては、それら各排気管内で生じる定在波の影響により、低周波音の消音性が悪化することがある。低周波音は、車室内にこもり音を生じさせ、こもり音は、車両の乗員に不快感を与える要因となる。こもり音を抑制するために、大容量のメインマフラを用いたり、サブマフラを用いたりしている。

例えば、図４（ａ）に示すように、メインマフラ１００の下流側に接続された排気管１０２が長く、有害となる低周波の気柱共鳴による定在波が発生する場合には、図４（ｂ）に示すように、メインマフラ１００の容量を増大させたり、排気管１０２の途中にサブマフラ１０４を配置し排気管１０２の実長を短縮して、共鳴周波数を問題のない周波数に上昇させていた。

メインマフラ１００の容量増大や、サブマフラ１０４の追加により、消音量を増大させ、これにより、図４（ｃ）に実線で示すように、定在波による音圧レベルのピークが低減し、音圧レベルも全体的に低減している。図４（ｃ）の破線は、サブマフラを配置しなかったときのものを示している。尚、図４（ｃ）では縦軸は音圧レベルを、横軸は内燃機関回転数を示している。

特開２００１−２２１０４３号公報

しかしながら、こうした従来のものでは、メインマフラを大容量化したり、サブマフラを追加したりすると、排気系を構成する装置重量が増大したり、床下スペースへのレイアウトに大きな影響を及ぼすという問題があった。

本発明の課題は、重量の増大やレイアウトへの影響を低減できる内燃機関用マフラを提供することにある。

かかる課題を解決することを目的とした本発明は、内燃機関用マフラに関する。
本発明の内燃機関用マフラは、アウタシェルと、インレットパイプと、アウトレットパイプと、第一狭窄部と、テーパ部とを備えている。
このうち、アウタシェルは、筒状に形成されている。そして、アウタシェルは、両端を塞ぐ側壁部、及び内部空間を少なくとも２以上の室に仕切る少なくとも１つの隔壁を有し、前記少なくとも１つの隔壁と一方の端部を塞ぐ側壁部とによって形成され一方の端部に位置する第１の室と、前記少なくとも１つの隔壁と他方の端部を塞ぐ側壁部とによって形成され前記第１の室とは反対側の端部に位置する第２の室に仕切られる。
インレットパイプは、前記アウタシェルにより覆われ、内燃機関から排出される排気が導入され、前記第１の室を形成する側壁部を貫通して前記第１の室から前記第２の室に向かって延在する。アウトレットパイプは、前記アウタシェルにより覆われ、前記排気を排出する。
そのアウトレットパイプは、第一狭窄部と、テーパ部とを備える。第１狭窄部は、当該アウトレットパイプの前記アウタシェル内への開口側に設けられ、前記アウトレットパイプの本体部よりも断面積が狭い。テーパ部は、当該アウトレットパイプに設けられ、前記アウタシェル内において、当該アウトレットパイプにおける排気の流路の下流に向かって前記第一狭窄部から前記アウトレットパイプの本体部へと前記アウタシェル内の２以上の室に渡って拡径する。
さらに、アウトレットパイプにおいては、前記テーパ部において拡径を開始する端部が、前記インレットパイプ内の排気流路に沿った該インレットパイプの下流端からの延長線上から外れ、かつ前記インレットパイプの下流端よりも上流側に位置するように、前記インレットパイプと前記アウトレットパイプとが配置される。また、前記テーパ部において拡径を開始する端部は、前記第１の室に配置されている。

本発明の内燃機関用マフラにおける前記アウトレットパイプは、前記テーパ部に連接されたストレート部であって、前記アウトレットパイプにおける排気の流路に沿って前記テーパ部よりも下流側に連接されたストレート部を備え、前記ストレート部には、前記アウタシェル内に開口する少なくとも１つの小孔が設けられていても良い。
また、本発明においては、前記小孔の開口面積は、前記アウトレットパイプの本体部の断面積の１／５以下であっても良い。
さらに、前記小孔は、定在波の腹に相当する位置、または該定在波の腹に相当する位置の近傍に設けられていても良い。
そして、前記アウトレットパイプには、前記アウタシェル内の開口端に、前記第一狭窄部から前記アウタシェル内に向かって拡径したフレア部が設けられていても良い。

本発明の内燃機関用マフラは、狭窄部で絞られ、狭窄部での定在波の反射が少なくなるので、大容量化や重量の増加を招くことなく、排気騒音を低減でき、重量の増大やレイアウトへの影響を低減できるという効果を奏する。

また、テーパ部を設けたものでは、大容量化や重量の増加を招くことなく、テーパ部でも排気騒音を低減でき、テーパ部により、狭窄部を局所的に形成して、圧力損失の増加を最小限に抑えることが可能となる。更に、小孔を設けたものでは、大容量化や重量の増加を招くことなく、小孔でも排気騒音を低減できる。フレア部を設けたものでは、乱流が発生するのを抑制し、狭窄部を設けたことによる圧力損失の増加を低減できる。

本発明の一実施形態としての内燃機関用マフラの概略構成図である。 本実施形態の内燃機関用マフラによる内燃機関回転数と音圧レベルとの関係を示すグラフである。 他の実施形態としての内燃機関用マフラの概略構成図である。 従来の排気系の説明図である。

以下本発明を実施するための形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１に示すように、１はアウタシェルで、アウタシェル１は円筒状の筒部２と、筒部２の両端を塞ぐ側壁部４，６とを備え、内部が中空に形成されている。中空内部は隔壁８，１０により複数の第１〜第３拡張室１２〜１４に仕切られている。

一方の側壁部４を貫通してインレットパイプ１６が中空内部に挿入されており、インレットパイプ１６は各隔壁８，１０を貫通し、第３拡張室１４及び第２拡張室１３内を通って第１拡張室１４内に一端が開口されている。各隔壁８，１０には図示しない多数の孔が形成されており、各第１〜第３拡張室１２〜１４を連通している。

第２拡張室１３内のインレットパイプ１６の外周には、多数の貫通孔１８が穿設されると共に、第１拡張室１４内のインレットパイプ１６の外周にも多数の貫通孔２０が穿設されている。インレットパイプ１６は、上流側の図示しない排気管に接続されて、インレットパイプ１６には図示しない内燃機関からの排気が導入される。

他方の側壁部６を貫通してアウトレットパイプ２２がアウタシェル１の中空内部に挿入されており、アウトレットパイプ２２は各隔壁８，１０を貫通し、第１拡張室１２及び第２拡張室１３内を通って第３拡張室１４内に一端が開口されている。アウトレットパイプ２２は、下流側の図示しない排気管に接続され、アウトレットパイプ２２から排気を排出する。

アウトレットパイプ２２には、アウトレットパイプ２２の断面積よりも狭めた狭窄部２４が形成されている。狭窄部２４はアウトレットパイプ２２の第３拡張室１４内の開口側に形成されており、狭窄部２４の断面積は消音性能に応じて実験等により適宜定めるとよい。

アウトレットパイプ２２には、下流側から狭窄部２４に向かって縮径するテーパ部２６が設けられている。テーパ部２６はアウタシェル１内に設けられており、本実施形態では、狭窄部２４から他方の側壁部６の近傍までの長さで形成されている。テーパ部２６に連接してストレート部２７が設けられており、ストレート部２７に下流側の排気管が接続される。尚、ストレート部２７を設けることなく、テーパ部２６に下流側の排気管を接続するようにしてもよい。

狭窄部２４からは、テーパ部２６と反対側にフレア部２８が形成されている。フレア部２８は狭窄部２４から徐々に拡径したテーパ状に形成されており、フレア部２８の端が第３拡張室１４内に開口されている。

アウトレットパイプ２２の外周には、アウトレットパイプ２２の側壁部６側に小孔３０が形成されている。小孔３０はストレート部２７に形成されると共に、第１拡張室１２内に開口するように設けられている。

アウトレットパイプ２２と、アウトレットパイプ２２に接続された下流側の接続管との長さに応じた定在波が発生するが、定在波の節は狭窄部２４に形成される。定在波には一次、二次等の数次成分が存在するが、定在波の腹（圧力が高くなる位置）に相当する箇所か、あるいはその近傍に小孔３０を形成するのが好ましい。小孔３０は、アウトレットパイプ２２の断面積の１／５以下の開口面積が好ましく、複数の小孔３０を設けた場合にはそれらの合計がアウトレットパイプ２２の断面積の１／５以下の開口面積となることが好ましい。小孔３０を形成したことにより、定在波の節が狭窄部２４の位置に形成されないように、小孔３０を形成する。

次に、前述した本実施形態の内燃機関用マフラの作動について説明する。
内燃機関からの排気がインレットパイプ１６に導入されると、インレットパイプ１６内を流れる排気の一部が、貫通孔１８から第２拡張室１３に流入する。また、排気の一部が貫通孔２０から第１拡張室１２に流入し、更に、インレットパイプ１６の一端の開口から第１拡張室１２に流入する。第１拡張室１２に流入した排気は隔壁１０の図示しない孔を通って第２拡張室１３に流入する。

第２拡張室１３に流入した排気は、隔壁８の図示しない孔を通って第３拡張室１４に流入し、第３拡張室１４からアウトレットパイプ２２のフレア部２８に流入する。アウトレットパイプ２２内では、排気がフレア部２８から狭窄部２４を通ってテーパ部２６を通過し、アウトレットパイプ２２から下流側の排気管に排出される。

下流側の排気管の長さが長い場合には、アウトレットパイプ２２と下流側の排気管とに定在波が発生し、定在波は狭窄部２４で反射し、この定在波の節が狭窄部２４に形成される。アウトレットパイプ２２が狭窄部２４で絞られているので、狭窄部２４での定在波の反射が少なくなり、共鳴現象の発生原因である反射波の発生を抑制し、定在波の音圧が低減される。尚、テーパ部２６を形成することなくストレート形状のアウトレットパイプ２２の開口側に蓋をして、蓋に孔を形成することにより狭窄部２４を設けても実施可能である。テーパ部２６を設けることにより、狭窄部２４を局所的に形成して、圧力損失の増加を最小限に抑えることができる。

また、アウトレットパイプ２２には狭窄部２４に連接してテーパ部２６が設けられているので、このテーパ部２６により圧力損失が大きくなり、共鳴現象の発生原因である反射波の発生を抑制し、定在波の音圧を低減する。テーパ部２６は、長さが長い方が低減効果が大きく一次の定在波の波長の１／４程度が好ましい。

更に、アウトレットパイプ２２の外周に形成した小孔３０により、定在波による気柱共鳴現象を低減できる。即ち、内燃機関の減速時には、小孔３０を介して第１拡張室１２に排気が流出し、定在波の音圧を低減する。内燃機関の加速時には、小孔３０を介して第１拡張室１２からアウトレットパイプ２２内に排気が流入し、反射波の発生を抑制する。また、小孔３０は狭窄部２４により発生する加速時圧力損失の上昇も抑制する効果もある。

フレア部２８は、第３拡張室１４からアウトレットパイプ２２内に流入する排気に乱流が発生するのを抑制し、アウトレットパイプ２２に流入する排気の圧力損失、特に、加速時等の排気流量増大時に圧力損失が上昇するのを低減する。

図２に本実施形態の内燃機関用マフラによる内燃機関回転数と音圧レベルとの関係を実線で示す。図２の破線は従来のフレア部２８、狭窄部２４、テーパ部２６を設けていないマフラによる内燃機関回転数と音圧レベルとの関係を示す。図２に示すように、本実施形態の内燃機関用マフラによると、一次、二次の定在波による音圧を低減できる。

また、図３（ａ）に示すように、フレア部２８を設けなくても実施可能である。上流側の排気管が長く、上流側での定在波の発生が問題となる場合には、図３（ｂ）に示すように、インレットパイプ１６に狭窄部３２、テーパ部３４を設ければよい。狭窄部３２はインレットパイプ１６のアウタシェル１内への開口側に設け、テーパ部３４は狭窄部３２に向かって縮径する形状に形成すればよい。

更に、上流側と下流側との排気管の長さによっては、インレットパイプ１６とアウトレットパイプ２２との両方に、狭窄部２４，３２、テーパ部２６，３４を設けてもよい。尚、フレア部２８はインレットパイプ１６に設ける必要はない。

前述した実施形態では、拡張室のみを設けた場合を例にしたが、これに限らず、共鳴室を設けたものでも実施可能である。図３（ｃ）に示すように、アウタシェル１内を隔壁８，３６により仕切り、共鳴室３８を設ける。アウトレットパイプ２２は共鳴室３８を貫通して配置される。そして、小孔３０を共鳴室３８の外側に形成すればよい。

以上本発明はこの様な実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得る。

１…アウタシェル ２…筒部
４，６…側壁部 ８，１０，３６…隔壁
１２…第１拡張室 １３…第２拡張室
１４…第３拡張室 １６…インレットパイプ
２２…アウトレットパイプ ２４，３２…狭窄部
２６，３４…テーパ部 ２７…ストレート部
２８…フレア部 ３０…小孔
３８…共鳴室

Claims (5)

1. 内燃機関用マフラであって、
   筒状に形成されたアウタシェルであって、両端を塞ぐ側壁部、及び内部空間を少なくとも２以上の室に仕切る少なくとも１つの隔壁を有し、前記少なくとも１つの隔壁と一方の端部を塞ぐ側壁部とによって形成され一方の端部に位置する第１の室と、前記少なくとも１つの隔壁と他方の端部を塞ぐ側壁部とによって形成され前記第１の室とは反対側の端部に位置する第２の室とに仕切るアウタシェルと、
   前記アウタシェルにより覆われ、内燃機関から排出される排気が導入され、前記第１の室を形成する側壁部を貫通して前記第１の室から前記第２の室に向かって延在するインレットパイプと、
   前記アウタシェルにより覆われ、前記排気を排出するアウトレットパイプとを備え、
   前記アウトレットパイプは、
   当該アウトレットパイプの前記アウタシェル内への開口側に設けられた第一狭窄部であって、前記アウトレットパイプの本体部よりも断面積が狭い第一狭窄部と、
   当該アウトレットパイプに設けられたテーパ部であって、前記アウタシェル内において、当該アウトレットパイプにおける排気の流路の下流に向かって前記第一狭窄部から前記アウトレットパイプの本体部へと前記アウタシェル内の２以上の室に渡って拡径するテーパ部とを備え、
   前記テーパ部において拡径を開始する端部である前記第一狭窄部が、前記インレットパイプ内の排気流路に沿った該インレットパイプの下流端からの延長線上から外れ、かつ前記インレットパイプの下流端よりも上流側に位置するように、前記インレットパイプと前記アウトレットパイプとが配置され、
   前記テーパ部において拡径を開始する端部である前記第一狭窄部は、前記第１の室に配置され、
   前記テーパ部には、前記アウタシェル内に開口する少なくとも１つの小孔が設けられている
   ことを特徴とする内燃機関用マフラ。
2. 前記アウトレットパイプは、
   前記テーパ部に連接されたストレート部であって、前記アウトレットパイプにおける排気の流路に沿って前記テーパ部よりも下流側に連接されたストレート部を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用マフラ。
3. 前記小孔の開口面積は、前記アウトレットパイプの本体部の断面積の１／５以下である
   ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関用マフラ。
4. 前記小孔は、
   定在波の腹に相当する位置、または該定在波の腹に相当する位置の近傍に設けられている
   ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の内燃機関用マフラ。
5. 前記アウトレットパイプには、前記アウタシェル内の開口端に、前記第一狭窄部から前記アウタシェル内に向かって拡径したフレア部が設けられている
   ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の内燃機関用マフラ。

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