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

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。

Images