JP5937737B1 - 排気マフラーの排気構造 - Google Patents

Abstract

【課題】排気効率を高めることで実効性のある効果が得られ、内燃機関の種類や車種に対応することができる排気マフラーの排気構造を提供する。【解決手段】排気マフラーの排気側端部に装着するテールパイプ１０を設ける。テールパイプ１０内にフィン１１を放射状に配置する。フィン１１はテールパイプ１０の内の排ガスを旋回しながら排出する。テールパイプ１０内の排気ガス接触面の一部又は全面にディンプル状の凹部１０Ａを形成する。【選択図】 図４

Description

本発明は、排気マフラーの排気側端部に装着する排気構造に係り、パワーやトルクなどのエンジン性能を高めると共に、内燃機関の種類や車種に対応した使用ができる排気マフラーの排気構造に関するものである。

従来、物体の表面にディンプル（くぼみ）を形成することにより、マグヌス効果と称する低い速度で乱流が発生する（物体の臨界レイノルズ数を下げる）効果や、抗力を抑える効果などが知られている。このようなディンプルの効果は、主にゴルフボールの飛距離を伸ばす効果として実用的に用いられている。

一方、内燃機関の排気構造にディンプル状の凹凸を採用することで、内燃機関のパワーアップや燃費効率の向上、あるいは排気騒音の低減を図る排気構造が提案されている（特許文献１乃至３参照）。

特許文献１に記載された自動車エンジン用の排気管には、排気管の内壁面に複数の突起を形成した構成が記載されている。この突起を形成するには、パイプの外側面に鋼球を衝突させてパイプ外周面にディンプル状の凹部を形成し、この凹部が排気管の内壁面で複数の突起となるものである。引用文献１では、この突起により、排気ガスの流速が早まり、排気管内の背圧が低下し、エンジン出力及び燃費が向上するというものである。

また、特許文献２に記載されたエンジンの排気装置には、排気ガス流通管の内壁面に多数の小凹凸を設けた構成が記載されている。この小凹凸は、ディンプル状の凹部と丘状隆起にて形成された凸部とを組み合わせたものである。そして、排気ガス流通管にこの小凹凸を形成すると、排気ガスの流通抵抗が小さくなり、エンジンの背圧が低下し、エンジン出力及び燃費に好影響を与えるというものである。

更に、特許文献３に記載されている内燃機関の排気系構造には、排気管の内面にエンボス加工によるディンプル状の凹部を形成した排気系構造が示されている。この排気管の内側面に形成した凹部によって排気騒音の音波と排気管内側面との壁面摩擦が増大し、排気管内においても吸音されることになり排気管内部での排気騒音の低減が可能になるというものである。

一方、当出願人は、特許文献４に記載の如く、排気マフラーにおける排気管の排気側端部に装着して、排気効率の向上を図ることで、出力ロスを低減し、消音性能も向上するマフラーカッター（以下、テールパイプと称する）の特許を取得している。このテールパイプは、排ガスが直線的に通過する中央流通路と、中央筒を囲繞する複数のフィンを配して排ガスが螺旋状に旋回しながら通過する外周流通路とを設けたものである。

外周流通路のフィンを通過する排ガスは、略螺旋状に旋回しながら排出されるため、遠心力が作用し、中央流通路部分の圧力が外周流通路部分の圧力より低いものとなる。したがって、テールパイプ内に送給される排ガスは、フィンを配した外周流通路と中央流通路とによって高速度に且つスムーズに排出される。この結果、排気効率が向上し、エンジンの出力ロスを低減する。

実開昭６３‐１１０６１８号公報 実開平１‐１７４５１４号公報 特開平１１‐３２４６６７号公報 特許第４１７４７８９号公報

特許文献１乃至３に記載の排気構造では、排気管の内側面に形成した凹凸によりエンジンの背圧が低下するというもので、この結果、エンジン出力及び燃費に好影響を与え、また、凹部の抵抗が排気管内部での排気騒音の低減が可能になるというものであった。

ところが、特許文献１乃至３に記載の排気構造において、凹凸を形成する位置は、いずれもマフラー（消音器）の前後に位置する排気管内部に配置されるものである。当出願人の実験では、このような位置にディンプル状の凹部を形成すると、排気管の長さはもとより、マフラー（消音器）の構造の変化や排出量の違いによっても排気効率が大きく異なるために、安定した有効な効果は得られないことが判明している。この結果、特許文献１乃至３に記載の排気構造で主張しているエンジン出力等の効果は試験上の効果に限られ、実際の車両に装着して得られるような実効性のある効果は得られていない。

しかも、現在の車両は、レシプロエンジンやディーゼルエンジンに加えてハイブリットエンジンなどの普及に伴い、内燃機関の形態やマフラー（消音器）の構造なども急速に様変わりしているので、エンジン出力等の実効性のある効果は各種の内燃機関やマフラー（消音器）の構造などに共通して効果が得られるものが期待されている。

一方、特許文献４に記載の排気構造では、テールパイプ内に設けられている複数のフィンを配した外周流通路と外周流通路に囲まれた中央流通路とによって、排ガスを高速度に且つスムーズに排出することができる。しかも、テールパイプは、排気構造において内燃機関やマフラー（消音器）などから最も離れた排気管の排気側端部に装着する構成であるから、各種の車両用マフラーに装着可能になっている。

このテールパイプの構造はエンジン性能を向上させることが証明されており、当該特許製品は現在もロングセラー製品として製造・販売され、実際の車両に装着して得られる実効性が認められている。

そこで当発明者は、排気側端部に設置されるテールパイプの構造を改良することでパワーやトルクなどのエンジン性能を更に高め、実際の車両に装着して得られるこれまで以上の実効性が得られると共に、レシプロエンジンやディーゼルエンジン、ハイブリットエンジン等の内燃機関の種類や車種に対応することができる排気マフラーの排気構造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、排気マフラーの排気側端部に装着するテールパイプ１０を設け、該テールパイプ１０内の排ガスを旋回しながら排出するように設けられた複数のフィン１１をテールパイプ１０内に放射状に配置すると共に、テールパイプ１０内の排気ガス接触面の一部又は全面にディンプル状の凹部１０Ａを形成した車両用排気マフラーの排気構造において、前記テールパイプ１０は、排ガスが直線的に通過する中央流通路Ｐ１と、該中央流通路Ｐ１を囲繞する複数のフィン１１を配して排ガスが螺旋状に旋回しながら通過する外周流通路Ｐ２とが設けられ、前記凹部１０Ａは、少なくとも該フィン１１の片面又は両面に形成され、前記テールパイプ１０は、排気方向に至る径が同一の円筒形、又は排気方向に至る径が拡大するテーパー形、又は排気方向に至る径が窄む逆テーパー形に形成されたことにある。

本発明の請求項１によると、排気マフラーの排気側端部に装着するテールパイプ１０の排気ガス接触面にディンプル状の凹部１０Ａを形成したことにより、従来の排気管内部に凹凸を形成した排気構造では得られなかった実効性のあるパワー値及びトルク値に高めることができた。また、排気効率の向上に伴って燃費効率も向上する。

しかも、車両用マフラーの排気側端部にテールパイプ１０を装着することで実効性のある効果が得られるので、既に使用されている排気マフラーとの組み合わせが容易である。この結果、レシプロエンジンやハイブリットエンジン等の内燃機関の種類や車種等に応じて使用されている各種の排気マフラーに使用することができる。

また、テールパイプ１０は、排ガスが直線的に通過する中央流通路Ｐ１と、該中央流通路Ｐ１を囲繞する複数のフィン１１を配して排ガスが螺旋状に旋回しながら通過する外周流通路Ｐ２とが設けられ、前記凹部１０Ａは、少なくとも該フィン１１の片面又は両面に形成されているので、排気ガスは、フィン１１を配した中央流通路Ｐ１と外周流通路Ｐ２とによって極めて効率良く排出される。この結果、エンジン性能を高め出力ロスを低減する。

更に、ディンプル状の凹部１０Ａを形成したフィン１１により向上したパワー値及びトルク値は、凹部１０Ａを形成していない従来のフィン１１を設けたテールパイプ１０に比べても明らかに上昇しており、実際の車両に装着して得られるこれまで以上のパワー値及びトルク値になっている。

そして、テールパイプ１０の筒体１２を、排気方向に至る径が同一の円筒形、又は排気方向に至る径が拡大するテーパー形、又は排気方向に至る径が窄む逆テーパー形に形成することで、これらを選択して内燃機関の種類に対応する他、排気量の違いや車両のボディーのサイズなどにも対応したテールパイプ１０を構成することができる。

このように本発明によると、排気ガスの排気効率を高め、実際の車両に装着してこれまで以上の実効性が得られると共に、レシプロエンジンやハイブリットエンジン等の内燃機関の種類や車種、排気量等に対応することができるなどといった当初の目的を達成した。

本発明の使用状態を示す斜視図である。 本発明のテールパイプの一実施例を示す側断面図である。 本発明のテールパイプの一実施例を示す平断面図である。 本発明のテールパイプの一実施例を示す正面図である。 本発明の凹部を示し、（イ）はフィンを構成する部材に形成した側面図、（ロ）は調整筒の内側面に形成した要部断面図である。 （イ）乃至（ハ）は本発明のテールパイプの例を示した側断面図である。 市販されている一般マフラーのチャンバー部分を示す要部断面図である。

本発明の基本構成は、車両用排気マフラーの排気側端部に装着するテールパイプ１０の排出ガス接触面にディンプル状の凹部１０Ａを形成することで、実際の車両に装着して得られるこれまで以上のパワー値及びトルク値を引き出すものである。

車両用排気マフラーは、一般に排気管１に沿ってチャンバー２０（消音器）を備えたもので、本発明では、この排気管１の排気側端部にテールパイプ１０を装着する（図１参照）。

テールパイプ１０の構成は、テールパイプ１０内に複数のフィン１１を配置したものである。図示のテールパイプ１０は、筒体１２の内部に複数のフィン１１が排気ガスの排出方向を向いた放射状に配設されたものである（図４参照）。このフィン１１によって筒体１２の中心部に排気ガスが通過する中央流通路Ｐ１と、排ガスが螺旋状に旋回しながら通過する外周流通路Ｐ２とが設けられている。

このような構成のテールパイプ１０の排気ガス接触面に多数のディンプル状の凹部１０Ａを形成する。この凹部１０Ａは、少なくとも該フィン１１の片面又は両面に形成する。すなわち、フィン１１の数や角度等に応じて、排気ガスが接触するフィン１１の面が異なる場合がある。その場合、フィン１１に形成する凹部１０Ａの位置も変更する。

図示のフィン１１は、筒体１２の内側面に形成した切欠に複数の突起を差し込んで固定するように構成している(図５(イ)参照)。また、このフィン１１は、筒体１２と一体に形成しても良い。このフィン１１に形成する凹部１０Ａは、フィン１１の片面側が凹むように形成するもので、フィン１１の両面に凹部１０Ａを形成する場合は、フィン１１の厚みを利用して両面が凹むように形成する。

また、フィン１１にディンプル状の凹部１０Ａを形成する他、筒体１２の内部に凹部１０Ａを形成しても良い。この場合、内燃機関の種類や車種に応じ、筒体１２の排気ガス接触面の一部又は全面に凹部１０Ａを形成する。

図示の筒体１２は、車両のボディサイズや排気量等に応じて各種のタイプが用意されている（図６参照）。同図（イ）は排気方向に至る径が拡大するテーパー形のタイプを示し、同図（ロ）は排気方向に至る径が同一の円筒形のタイプを示し、同図（ハ）は排気方向に至る径が窄む逆テーパー形のタイプを示している。これらの筒体１２のタイプからテールパイプ１０を選択することで、車両のボディサイズや排気量、あるいは内燃機関の種類や車両の形態等に適応させることができる。また、筒体１２のタイプは図示例に限定されず、更に変更が加わっても良いものである。

図２に示す筒体１２は、外筒体１２Ａと内筒体１２Ｂとの二重構造を成している。また、内筒体１２Ｂの一実施例として、調整筒１２Ｂａの排出側に、排出筒１２Ｂｂを連結した内筒体１２Ｂを構成している（図３参照）。

一方の調整筒１２Ｂａは、内部にフィン１１を配している（図３、図４参照）。この調整筒１２Ｂａは、排気方向に至る径が同一の円筒形、又は排気方向に至る径が拡大するテーパー形状、又は排気方向に至る径が窄む逆テーパー形状に形成されたものから適宜選択するものである。図示例の調整筒１２Ｂａは、排気方向に至る径が窄む逆テーパー形状に形成されている（図２、図３参照）。

このような内筒体１２Ｂにも凹部１０Ａを形成することができる。この凹部１０Ａの位置は、内筒体１２Ｂ内部の一部又は全体から選択することができる。図示例では内筒体１２Ｂの調整筒１２Ｂａ全体に凹部１０Ａを形成している（図３参照）。この他、調整筒１２Ｂａのフィン１１の周囲に限定したり、あるいは、筒体１２の排出筒１２Ｂｂにまで凹部１０Ａを形成したりすることも可能である。

更に、調整筒１２Ｂａの内側面に形成する凹部１０Ａは、調整筒１２Ｂａの内側面側から押圧して形成しているが(図５(ロ)参照)、この形成手段に限定されるものではなく、他の形成手段にて凹部１０Ａを形成することも可能である。

他方の排出筒１２Ｂｂは、図示の排出筒１２Ｂｂは、排気方向に至る径が拡大するテーパー形状を成している。また、図示例では排出筒１２Ｂｂに凹部１０Ａを形成していないが、この排出筒１２Ｂｂにも凹部１０Ａを形成することができる。

尚、筒体１２の構成は、図示例に限られるものではない。例えば、排出筒１２Ｂｂを省略して調整筒１２Ｂａのみを内筒体１２Ｂとする他、２重構造ではない筒体１２を構成することも可能である。

本発明のテールパイプ１０によると、排気ガスは次のように排出される。排気ガスがテールパイプ１０内に入ると、外周流通路Ｐ２側に入った排ガスは、螺旋状に旋回しながら通過する（図４参照）。このとき、排ガスには遠心力と慣性が作用して、テールパイプ１０の内側面に圧縮されつつ排出される。すると、中央流通路Ｐ１を通過する排気ガスの圧力（気圧）は、外周流通路Ｐ２側の圧力（気圧）より低いもの（負圧）となる。

このため、エンジンから連続してテールパイプ１０内に送給される後続排ガスを、外周流通路Ｐ２内に強力に吸込むようになる。また、中央流通路Ｐ１を通過してテールパイプ１０外に排出された排ガスは、遠心力と慣性によって、外部に螺旋状に広がりながら回転して拡散し、この排ガスに囲まれている中央部分の圧力（気圧）が低くなる。すると、中央流通路Ｐ１を経てテールパイプ１０外に排出された排ガスは、加速度が付き糸を引くように後方にスムーズに排出されるようになる。この結果、エンジンから連続してテールパイプ１０内に送給される後続排ガスを、スムーズに排出できるようになり、排気効率を高めるものである。

表１は、テスト車両（トヨタ社製プリウス）の純正マフラーと、各種比較マフラーとから得られたパワーデータ及びトルクデータの比較を示している。比較マフラーは、グラスウールを使用した市販品の排気マフラーの排気側端部にテールパイプを装着したものである（図７参照）。すなわち、市販品の排気マフラーは、カバー体２１内に内部排気管２２を設けたチャンバー２０を備えたものである。そして、各マフラーから得られたパワーデータ及びトルクデータを示している。尚、これらの測定器として、シャーシダイナモ（ボッシュ（登録商標）ＦＬＡ２０６）を使用した。

表１の各符号は次のマフラーを示している。
符号（１）は純正マフラーを示す。
符号（２）はフィン１１が無いテールパイプ１０を装着した市販マフラーを示す。
符号（３）はフィン１１が有るテールパイプ１０を装着した市販マフラーを示す。
符号（４）は市販マフラーに、本発明のテールパイプ１０（フィン１１にディンプル状の凹部１０Ａが有る）を装着したマフラーを示す。
また、（丸１）、（丸２）、（丸３）はいずれも各マフラーのデータを示し、白抜き丸数字はトルクデータを示し、丸数字はパワーデータを示している。

表１で明らかなように、本発明テールパイプを装着したマフラー（４）のパワー値（丸４）及びトルク値（白抜き丸４）は、純正マフラー（１）と比較して極めて高い優位性が認められる。
更に、本発明（４）のパワー及びトルクは、従来のディンプル無しのフィン１１を備えたテールパイプ付き排気マフラー（３）のパワー及びトルクよりも明らかに高い有効性が認められている。

表２は、表１の具体的数値を示している。すなわち、本発明テールパイプ使用時のパワーデータ（丸４）は144.8psとなり、純正マフラー使用時のパワーの134.9psに比べて＋9.9psものパワーの向上が認められた。一方、トルクデータでも、純正マフラー（白抜き丸１）が25.5kg/mであるのに対し、本発明（白抜き丸４）では、26.6kg/mとなり、＋1.1 kg/mといった向上が認められた。

このように、テールパイプ１０内の排気ガス接触面に凹部１０Ａを形成することで、パワー値及びトルク値が向上する効果は実験によって明らかにされているが、この理由を学術的に検証するまでに多くの時間を要すると思われる。しかしながら、排気ガスがフィン１１の周囲を螺旋状に旋回しながら通過する条件の下で、通過する際の排気ガスの通過速度と凹部１０Ａによって生じる気流の変化との相乗効果がこれらの効果を誘引する極めて重要な要因になっていると考えられる。

尚、本発明の各構成は図示例に限定されるものではなく、例えば、本発明のテールパイプ１０や形状や構成の他、フィン１１及び筒体１２の形状や構成、あるいは凹部１０Ａの配置位置などは、本発明の要旨を変更しない範囲で任意に変更することが可能である。

１ 排気管
１０ テールパイプ
１０Ａ 凹部
１１ フィン
１２ 筒体
１２Ａ 外筒体
１２Ｂ 内筒体
１２Ｂａ 調整筒
１２Ｂｂ 排出筒
１３ 整流筒体
２０ チャンバー
２１ カバー体
２２ 内部排気管

Claims (1)

1. 排気マフラーの排気側端部に装着するテールパイプを設け、該テールパイプの内の排ガスを旋回しながら排出するように設けられた複数のフィンをテールパイプ内に放射状に配置すると共に、テールパイプ内の排気ガス接触面の一部又は全面にディンプル状の凹部を形成した車両用排気マフラーの排気構造において、前記テールパイプは、排ガスが直線的に通過する中央流通路と、該中央流通路を囲繞する複数のフィンを配して排ガスが螺旋状に旋回しながら通過する外周流通路とが設けられ、前記凹部は、少なくとも該フィンの片面又は両面に形成され、前記テールパイプは、排気方向に至る径が同一の円筒形、又は排気方向に至る径が拡大するテーパー形、又は排気方向に至る径が窄む逆テーパー形に形成されたことを特徴とする排気マフラーの排気構造。

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