JP6639219B2 - 内燃機関の吸気音低減装置 - Google Patents

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Description

この発明は、内燃機関の吸気音を低減する吸気音低減装置に関し、特に、弾性変形可能な蛇腹状の容積室を備えた吸気音低減装置に関する。
特許文献1は、本出願人が先に提案した新規な形式の内燃機関の吸気音低減装置を開示している。この吸気音低減装置は、弾性変形可能な蛇腹状の弾性部材によって容積室を画成し、この容積室をヘルムホルツ型共鳴要素の首管となる連通管を介して、内燃機関の吸気通路に接続した構成となっている。上記弾性部材は、大気開放された円筒状のケース内に収容されている。
特開2013−124599号公報
上記のような吸気音低減装置では、首管を介して容積室を吸気通路に接続することにより構成されるヘルムホルツ型共鳴要素の作用によって特定の周波数帯域の吸気音が低減することに加えて、蛇腹状の弾性部材が吸気脈動に応答して伸縮変形することによって音圧エネルギが低減するため、第2の特定の周波数帯域の吸気音をさらに低減することができる。
ここで、従来は、蛇腹状の弾性部材の先端(自由端)における端面壁は、蛇腹状弾性部材による共振系(振動系)となるばね−質量系の質量に相当するものとして取り扱われており、基本的に剛体であることが望ましいものと考えられてきた。しかしながら、本出願人のさらなる研究によれば、端面壁を膜振動する第2の共振系(振動系)として積極的に利用し、蛇腹状弾性部材の伸縮変形による第1の共振系の共振周波数と端面壁の膜振動による第2の共振系の共振周波数とを比較的近くに設定することによって、両者間の周波数領域でより良好な吸気音低減が図れることが判明した。すなわち、上記従来のものは、吸気音低減作用の上で、なお改善の余地があった。
この発明は、基端が開口するとともに先端が端面壁によって封止された略円筒状をなし、かつ周壁が蛇腹状に屈曲形成されてなる弾性部材と、
上記弾性部材の上記基端を保持するベースプレートと、
上記弾性部材の内部に形成される容積室を内燃機関の吸気通路に連通させるように上記ベースプレートに一端が接続された連通管と、
を備えてなる内燃機関の吸気音低減装置であって、
上記蛇腹状弾性部材の軸方向の伸縮変形による第1の共振系と、上記端面壁の膜振動による第2の共振系と、を備え、
いずれか一方の1次共振周波数が30〜200Hzに設定され、他方の2次共振周波数が50〜300Hzに設定されている、ことを特徴としている。
好ましい一つの態様では、上記1次共振周波数と上記2次共振周波数との間隔が、15〜200Hzに設定されている。
上記の構成では、第1の共振系もしくは第2の共振系の一方による1次共振周波数と他方による2次共振周波数との間に、吸気音が大きく低減する周波数領域が得られる。つまり、いわゆる反共振によって吸気音のエネルギをより大きく消費することができる。
上記のような2つの共振系を互いに比較的近い共振周波数を有するように構成するために、本発明の好ましい一つの態様では、上記端面壁および上記周壁が、同じ弾性材料から形成されている。
他の一つの態様では、上記端面壁が合成樹脂板からなり、弾性材料からなる上記周壁の端部外周部に、弾性材料からなる断面円弧形のエッジ部を介して支持されている。
この発明によれば、蛇腹状弾性部材の先端の端面壁を共振系として積極的に利用することにより、2つの共振周波数の間の周波数領域において消音作用が生じ、内燃機関の吸気音を効果的に低減することができる。
この発明に係る吸気音低減装置を備えた内燃機関の吸気系を示す斜視図。 吸気音低減装置をケースの一部を切り欠いて示す斜視図。 弾性部材の斜視図。 弾性部材の半断面図。 弾性部材の要部の拡大断面図。 2つの共振周波数と反共振領域とを模式的に示した説明図。 本発明の実施例および比較例について、端面壁の加速度の特性(A)と音圧の特性(B)とを対比して示した特性図。 端面壁を弾性材料の層と合成樹脂板との積層構造とした実施例を示す弾性部材の要部断面図。 端面壁を合成樹脂板から構成した実施例を示す弾性部材の要部断面図。
以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図1は、この発明に係る吸気音低減装置1を備えた自動車用内燃機関の吸気系を示している。エアクリーナエレメントを内部に備えたエアクリーナ2は、エアクリーナエレメントの下流側いわゆるクリーンサイドが可撓性を有する吸気ダクト3を介して図外の内燃機関に接続されており、エアクリーナエレメントの上流側いわゆるダストサイドに硬質合成樹脂成形品からなる外気導入ダクト4が接続されている。外気導入ダクト4の先端は、外気導入口4aとして開口しており、ここから取り込まれた外気がエアクリーナ2を通過した後、吸気ダクト3を介して内燃機関に導入される。
この実施例では、吸気音低減装置1は、外気導入口4aから内燃機関に至る吸気通路の一部を構成する外気導入ダクト4の側面に接続されており、外気導入口4aから外部へ漏洩する吸気音(吸気の脈動に伴う脈動音や吸気の流れに伴う気流音等)の低減を図っている。詳しくは、合成樹脂製の外気導入ダクト4に、吸気主流の流れとほぼ直交する方向に分岐した形で分岐管5が形成されており、ここに吸気音低減装置1が接続されている。
吸気音低減装置1は、図2にも示すように、上記分岐管5に嵌合接続される連通管11を中心部に備えた円形(より詳しくは円環状)のベースプレート12と、このベースプレート12が一端13aに嵌合する円筒状のケース13と、このケース13内に収容された蛇腹状の弾性部材14と、から大略構成されている。
上記ベースプレート12は、例えば、連通管11と一体に硬質合成樹脂にて成形されており、軸方向に立ち上がった外周縁部12aの内周にケース13の一端13aが嵌合する。連通管11は、分岐管5とともにいわゆるヘルムホルツ型共鳴要素の首管を構成するものであり、分岐管5と組み合わせた状態での管長や口径が所望の共鳴周波数に対応して設定されている。
上記ケース13は、例えば硬質合成樹脂成形品からなり、ベースプレート12の外周縁部12a内周に嵌合する一端13a寄りに、上記外周縁部12aと軸方向に接して位置決めを行うフランジ部16が円環状に形成されているとともに、他端13bに、端部壁17を備えている。この端部壁17は、ケース13の軸方向と直交する面に沿ってケース13の外周側部分を覆っているが、他端13bの中心部は、円形の連通口18として開口している。従って、ケース13の内部は連通口18を介して大気開放された状態となっている。上記連通口18は、端部壁17に連続した比較的短い円筒部19によって囲まれている。なお、このケース13は、基本的には、弾性部材14を外部との接触から保護するためのものであり、吸気音低減装置として必須のものではない。
弾性部材14は、図3,図4にも示すように、基端14a(図4参照)が開口するとともに先端14bが封止された略円筒状をなし、周壁14cが蛇腹状に屈曲形成されている。この弾性部材14は、適宜な弾性を有するゴムないしエラストマー例えば熱可塑性エラストマーにて一体に成形されたものであって、封止端となる先端14bは、平坦な円板状の端面壁21として形成されている。この実施例では、端面壁21は、周壁14cと同じ熱可塑性エラストマーによって周壁14cと一体に成形されており、いわゆる膜振動が可能な肉厚および剛性に設定されている。
また開口端となる基端14aには、相対的に厚肉に形成した取付フランジ22が円環状に形成されている。この取付フランジ22は、ベースプレート12の外周縁部12aの内側に比較的密に嵌合する外径を有しており、この取付フランジ22がベースプレート12とケース13の一端13aとの間で挟持されることによって、弾性部材14がベースプレート12に固定・保持されている。取付フランジ22のベースプレート12との接触面には、シール突起23が形成されている。
弾性部材14がベースプレート12に取り付けられた状態では、弾性部材14の内部に形成される容積室24は、ケース13内側の空間からは遮断された密閉空間となり、かつベースプレート12の連通管11を介して外気導入ダクト4内の吸気通路に連通している。
弾性部材14の周壁14cの外径は、ケース13の内径よりも僅かに小さく設定されており、また、弾性部材14の先端14bは、ケース13の端部壁17から適宜に離れて位置している。従って、弾性部材14は、基端14aがベースプレート12に固定された状態でもって、先端14bが自由端としてケース13内で自由に伸縮変形することが可能である。
図4および図5は、周壁14cの具体的な構成の一例を示している。図4に示すように、この実施例では、取付フランジ22と端面壁21との間で、n個(例えば10個)の山部31と(n−1)個(例えば9個)の谷部32とが交互に形成されることで、周壁14cが蛇腹状に形成されている。n個の山部31はいずれも同一の断面形状を有し、(n−1)個の谷部32はいずれも同一の断面形状を有する。そして、図5に拡大して示すように、互いに隣接する山部31と谷部32との間は、弾性部材14の中心軸線に対し傾斜したテーパ壁33でもってそれぞれ接続されている。このテーパ壁33は、図5に示すように、断面において、直線状に延びている。弾性部材14は、図4ならびに図5に示すような断面形状を中心軸線を中心に回転させてなる回転体形状であるので、テーパ壁33は、厳密には、幅の狭い円環状の円錐面となる。一つの山部31に着目すると、その上下両側に一対のテーパ壁33が存在するが、これら2つのテーパ壁33は、山部31を挟んで互いに対称形状をなしている。
また、山部31の頂部は、弾性部材14の中心軸線と平行な直線部35として形成されており、同様に、谷部32の頂部も弾性部材14の中心軸線と平行な直線部36として形成されている。つまり、山部31は、図5に示すように、断面形状として、A1点およびA2点の2点で屈曲しており、両側の2つのテーパ壁33を含めて台形状の断面形状を構成している。同様に、谷部32は、断面形状として、A3点およびA4点の2点で屈曲しており、両側の2つのテーパ壁33を含めて台形状の断面形状を構成している。ここで、断面形状として見ると、山部31の台形形状と谷部32の台形形状とは、等しい形状をなしている。なお、取付フランジ22を除き、周壁14cの各部の肉厚は基本的に一定である。
ここで、テーパ壁33の傾斜角度α(弾性部材14の中心軸線に直交する平面に対する角度)は、弾性部材14の軸方向の変形ないし振動を容易とするために、比較的小さい角度とすることが望ましく、例えば、25°以下とすることが望ましい。
上記のような周壁14cの構成によれば、山部31の直線部35および谷部32の直線部36が、いずれも、立体形状として見たときに、長さが短いものの円筒状の構成となるので、径方向に変形しにくい部位となる。つまり、径方向の剛性を部分的に高めた高剛性部となる。そして、容積室24の内圧が変化すると、山部31の直線部35と谷部32の直線部36とをつなぐテーパ壁33が屈曲点A1〜A4を中心として揺動するため、弾性部材14は、基本的に軸方向にのみ伸縮変形することとなる。その結果、吸気脈動に対し軸方向の振幅が大きく得られ、より効果的な吸気音低減作用が得られる。換言すれば、円環状の高剛性部が軸方向に離れて複数個存在し、これら高剛性部の間を揺動変形可能なテーパ壁33が接続している構成となるため、径方向の変位を抑制しつつ軸方向の自由な変形が許容され、音圧変化に対し、より大きな振幅が得られる。
一方、弾性部材14の先端14bにおける端面壁21は、その外周縁21aつまり周壁14c先端との連結点を節として吸気脈動に応答した膜振動が可能である。
上記のように構成された吸気音低減装置1の基本的な作用としては、適宜な容積に設定される容積室24が首管となる連通管11ならびに分岐管5を介して内燃機関の吸気通路に接続されるため、いわゆるヘルムホルツ型共鳴要素が構成され、その共鳴作用により特定の周波数帯域での吸気音が低減する。なお、吸気音低減作用が所望の周波数帯域で得られるように、容積室24の容積等がチューニングされる。一実施例では、このヘルムホルツ型共鳴要素による吸気音低減は、比較的高い周波数領域、例えば200〜400Hz付近で得られ、例えば直列4気筒内燃機関の3000〜6000rpmにおける回転4次成分の騒音を低減することができる。
また同時に、吸気脈動が容積室24内に導入される結果、弾性部材14が軸方向に伸縮変形し、音圧エネルギが弾性部材14の運動エネルギに変換される。これにより、やはり特定の周波数帯域において、吸気音低減作用が得られる。さらに、容積室24内に導入された吸気脈動に応答して、端面壁21が膜振動し、同様に、音圧エネルギが弾性部材14の運動エネルギに変換される。これにより、やはり吸気音低減作用が得られる。
すなわち、上記実施例では、周壁14cが蛇腹状をなすことによる弾性部材14の軸方向の伸縮変形によって第1の共振系(振動系)が構成されると同時に、端面壁21の膜振動によって第2の共振系(振動系)が構成される。そして、両者の共振周波数が互いに比較的近くに設定されており、これによって、2つの共振周波数の間でいわゆる反共振と呼ばれる作用による吸気音の大幅な低減が得られる。
図6は、この作用を模式的に示したものであり、縦軸は弾性部材14の振幅つまり端面壁21の振幅、横軸は周波数(内燃機関の回転速度に相当する)である。第1の共振系および第2の共振系のいずれか一方の共振周波数を1次共振周波数P1とし、他方の共振系の共振周波数を2次共振周波数P2とすると、両者間の領域AR(以下、これを反共振領域と呼ぶ)において、音圧エネルギが大きく低減する。
反共振作用を得るためには、1次共振周波数P1と2次共振周波数P2とが比較的近いことが必要である。一実施例においては、蛇腹状の周壁14cの伸縮による第1の共振系によって1次共振周波数が定まり、この1次共振周波数は、30〜200Hzに設定される。また、端面壁21の膜振動による第2の共振系によって2次共振周波数のピークP2が定まり、この2次共振周波数は、1次共振周波数よりもやや高い50〜300Hzに設定される。因みに、直列4気筒内燃機関で顕著となる回転2次成分の吸気脈動は、1500rpmのときに50Hz、3000rpmのときに100Hzである。また、1次共振周波数と2次共振周波数との間隔は、15〜200Hzに設定されている。
各々の共振周波数は、ばね−質量系のばねに相当する周壁14cや端面壁21の弾性(ばね定数)および質量に相当する端面壁21の重量ないし肉厚あるいは弾性部材14の材質等を変更することで、適宜に調整が可能である。
図7は、上述した1次共振周波数と2次共振周波数との組み合わせのいくつかの例を示している。同図は、横軸を機関回転速度ならびにその回転2次成分の周波数とし、端面壁21の加速度の特性(図(A))と外気導入口4aにおける音圧の特性(図の(B))とを対比して示したものである。特性aは、周壁14cの剛性を中程度とするとともに端面壁21の剛性を比較的高いものとして、蛇腹形状による1次共振周波数P1aを約59Hzに、端面壁21による2次共振周波数P2aを約177Hzに、それぞれ設定した仕様の例である。特性bは、周壁14cの剛性を中程度とするとともに端面壁21の剛性を中程度として、蛇腹形状による1次共振周波数P1bを約57Hzに、端面壁21による2次共振周波数P2bを約119Hzに、それぞれ設定した仕様の例である。特性cは、周壁14cの剛性を比較的低くするとともに端面壁21の剛性を比較的低くして、蛇腹形状による1次共振周波数P1cを約46Hzに、端面壁21による2次共振周波数P2cを約92Hzに、それぞれ設定した仕様の例である。図(B)における特性dは、吸気音低減装置1を具備しない場合の吸気音特性を示している。
図7に明らかなように、弾性部材14が1次共振周波数と2次共振周波数とを有するように構成することで、2つの共振周波数の間の反共振領域において、吸気音低減効果が得られる。例えば、内燃機関の常用回転域である1500〜4000rpm付近での吸気音を効果的に低減することができる。なお、特性a,b,cの比較から明らかなように、2つの共振周波数が比較的近くに存在すると、いわゆる反共振による消音作用がより強く得られる。2つの共振周波数が200Hzよりも大きく離れているような場合には、2つの共振周波数を有することによる消音作用は殆ど得ることができない。他方、2つの共振周波数の間隔が15Hzよりも短いと、実質的に1つの共振周波数を有する場合と大差がないものとなり、消音対象となる機関回転速度を広く得ることができない。従って、1次共振周波数と2次共振周波数との間隔は、15〜200Hzであることが望ましい。
次に、図8および図9に基づいて、端面壁21の構成を変更した他の実施例を説明する。
図8の実施例は、蛇腹状弾性部材14の先端14bを封止する円板状の端面壁21を、周壁14cと同じ材料(例えば熱可塑性エラストマー)から一体に成形される内側層21Aと、その外側面に貼着された薄い合成樹脂板からなる外側層21Bと、の2層構造に構成したものである。外側層21Bとなる合成樹脂板は、弾性部材14の成形時に、いわゆるインサート成形によって弾性部材14に一体に取り付けられている。なお、比較的硬質の合成樹脂からなる外側層21Bは、同じ肉厚であれば内側層21Aや周壁14cよりも剛性が高いものとなるが、端面壁21として所望の共振周波数を有する共振系を構成するように、比較的薄肉なものとなっている。
図9の実施例は、蛇腹状弾性部材14の先端14bを封止する端面壁21を、周壁14cの谷部32の径よりも小径な円形をなす比較的硬質の合成樹脂板から構成し、弾性材料からなる周壁14cの端部外周部にエッジ部41を介して連結したものである。エッジ部41は、周壁14cと同じ材料(例えば熱可塑性エラストマー)から周壁14cの端部外周部に連続して形成されたもので、端面壁21の軸方向への変位を許容するように、断面円弧形(換言すればC字形ないしU字形)に凹んだ形状を有している。エッジ部41は、平面視においては円環状に連続しており、合成樹脂板の全周がエッジ部41を介して支持されている。従って、比較的剛性の高い端面壁21がエッジ部41を介して平行移動するような形で変位・振動する。なお、端面壁21となる合成樹脂板は、弾性部材14の成形時(換言すればエッジ部41の成形時)に、いわゆるインサート成形によって弾性部材14に一体に取り付けられている。
以上、この発明の一実施例を説明したが、この発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、弾性部材14の蛇腹状の周壁14cの構成は、図4,図5に示した特定の構成に限定されず、種々の蛇腹形状の適用が可能である。また、上記実施例では、弾性部材14を用いた吸気音低減装置1が吸気系の外気導入ダクト4に接続されているが、吸気系の他の位置に吸気音低減装置1を接続することも可能である。
1…吸気音低減装置
11…連通管
12…ベースプレート
13…ケース
14…弾性部材
21…端面壁
24…容積室

Claims (4)

  1. 基端が開口するとともに先端が端面壁によって封止された略円筒状をなし、かつ周壁が蛇腹状に屈曲形成されてなる弾性部材と、
    上記弾性部材の上記基端を保持するベースプレートと、
    上記弾性部材の内部に形成される容積室を内燃機関の吸気通路に連通させるように上記ベースプレートに一端が接続された連通管と、
    を備えてなる内燃機関の吸気音低減装置であって、
    上記蛇腹状弾性部材の軸方向の伸縮変形による第1の共振系と、上記端面壁の膜振動による第2の共振系と、を備え、
    いずれか一方の1次共振周波数が30〜200Hzに設定され、他方の2次共振周波数が50〜300Hzに設定されている、ことを特徴とする内燃機関の吸気音低減装置。
  2. 上記1次共振周波数と上記2次共振周波数との間隔が、15〜200Hzに設定されている、ことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の吸気音低減装置。
  3. 上記端面壁および上記周壁が、同じ弾性材料から形成されている、ことを特徴とする請求項1または2に記載の内燃機関の吸気音低減装置。
  4. 上記端面壁が合成樹脂板からなり、弾性材料からなる上記周壁の端部外周部に、弾性材料からなる断面円弧形のエッジ部を介して支持されている、ことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の内燃機関の吸気音低減装置。
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