JPH0377370B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、エンジンの消音装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の自動車用エンジンの消音装置としては、
例えば第１図（共立出版(株)発行「騒音対策と消音
設計」参照）に示すような排気消音器がある。こ
れについて説明すると、消音器内は４つの室５１
〜５４に仕切られている。排気は排気入口管５５
から室５３に流入し、連通管５６によりＵターン
して室５１に流入するようになつており、この間
において膨張、共鳴が起こり、消音される。即
ち、室５３において連通管５８と室５４とで構成
される音響振動系（ヘルムホルツの共鳴器）によ
り主に低周波（例えば200〜300Hz）の消音がなさ
れ、排気入口管５５及び連通管５６においてそれ
らの多数の小孔５９と室５２とで構成される多孔
共鳴型消音要素により主に中高周波（例えば１〜
2KHz）の消音がなされる。勿論、消音される周
波数は音速と各部の仕様によつて決定される。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、このような従来の排気消音器に
あつては、消音量の増大及び低周波音の消音を図
るために、消音器の容量の増量及び長さの拡大が
必要であり、消音器を車両フロア下に収める都合
上、これらの性能に限界があつた。このため、エ
ンジン回転速度の低次成分である極低周波数（20
〜200Hz）の消音効果は微弱であり、消音されず
に出てくる排気吐出音すなわち排気脈動音によ
り、車外騒音を悪化させたり、これが車内のこも
り音の原因となるという問題点があつた。

本発明は、このような従来の問題点に着目し、
極低周波数からの消音を可能とすることを目的と
する。

〔本発明の概要〕

このため、本発明は、音発生用の振動部材を加
振装置で加振してエンジンから発生する脈動音を
低減するエンジンの消音装置に着目し、前記加振
装置を、エンジン回転信号から前記脈動音と同一
周波数の基本信号を生成する基本信号生成手段
と、少なくともエンジン負荷に基づいて前記基本
信号の振幅及び位相を制御して前記脈動音と同一
振幅で逆位相の信号を生成する補正手段と、該補
正手段からの信号を加振入力として前記振動部材
を加振する加振手段とから構成するようにしたも
のである。

すなわち、エンジンから発生する脈動音をこれ
と同一周波数、同一振幅で逆位相の音を音源であ
るエンジンの運転パラメータを用いて生成するこ
とにより相殺し、もつて消音を図るようにしたも
のである。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第２図〜第４図は本発明の一実施例を示してい
る。

第２図を参照し、１はエンジン本体、２は排気
マニホールド、３は排気管、４は排気消音器、５
はテールチユーブである。ここで、排気消音器４
はその一部４ａが第３図に示す如く構成される。

第３図を参照し、６は排気入口管、７は排気出
口管、８は仕切板９，１０間に形成されたＵター
ン型の拡張室で、一方の仕切板９に排気入口管６
及び排気出口管７が取付けられてそれぞれ開口し
ている。１１は容積可変型の共鳴室で、他方の仕
切板１０を挟んで拡張室８とは反対側に設けら
れ、連通管１２を介して拡張室８と連通してい
る。ここで、排気は排気入口管６から拡張室８を
経て排気出口管７へ流れ、共鳴室１１には排気脈
動音のみ到達し、排気は流れない。

１３はアルミナイズ処理したばね鋼又は耐食性
の高い銅系のばね材料（ベリリウム系銅合金等）
からなるベローズで、仕切板１０側の一端が固定
されている。

１４は振動部材としての凹面状の振動板で、ベ
ローズ１３の他端にこれを閉塞するように取付け
られている。

ここで、仕切板１０とベローズ１３と振動板１
４とにより前記共鳴室１１を形成している。

次に加振装置について説明する。

１５は界磁（永久磁石）、１６はコイル、１７，
１８はコイル１６と一体動する金属製のボビン
（但し１７はアルミ等の非磁性体）、１９はボビン
１７，１８を全周から支持する金属製のダイアフ
ラムで、コイル１６が正規の振動方向と直角方向
に動くのを規制する。ここで、ボビン１８を振動
板１４に固定することにより、界磁１５、コイル
１６、ボビン１７，１８等で振動板１４の加振手
段を構成している。

２０はベローズ１３等を保護密閉するケーシン
グで、ダイアフラム１９と界磁１５固定用ブラケ
ツト２１とを支持している。２２は界磁１５等を
保護密閉するケーシングで、非磁性体からなる。
尚、前記振動板１４及びボビン１８にはそれぞれ
小孔２３，２４が設けられており、ケーシング２
０により密閉された振動板１４の背後の空気が排
気温で温められても内圧が上昇するのを防止し得
るようになつている。

前記コイル１６への信号は第４図に示す信号発
生回路２５により発生せしめられる。

第４図を参照し、信号発生回路２５は、エンジ
ン回転信号を基本入力信号とし、またエンジン負
荷信号としての吸入空気流量信号、エンジン吸入
負圧信号及び排気温度信号を補助入力信号として
おり、ローパスフイルタ２６、波形整形回路２
７、位相制御回路２８、振幅制御回路２９、パワ
ーアンプ３０及び直流分シフト回路３１を含んで
構成される。ここで、これらの入力信号は第２図
に示したエンジン回転センサ３２、吸入空気流量
センサ３３、エンジン吸入負圧センサ（図示せ
ず）及び排気温度センサ３４ａ，３４ｂより入力
される。但し、排気温度信号は２つのセンサ３４
ａ，３４ｂによつて得られる排気温度の平均値に
相当するものである。

尚、ローパスフイルタ２６及び波形整形回路２
７が基本信号生成手段に相当し、位相制御回路２
８及び振幅制御回路２９が補正手段に相当する。

次に作用を説明する。

エンジンの排気弁が開弁することによつて発生
する排気脈動音は、排気マニホールド２から排気
管３、排気消音器４を通つてテールチユーブ５よ
り車外に放射される。本発明の原理は、排気消音
器４の一部４ａにおいて、エンジンからくる排気
脈動音と同一周波数、同一振幅で、半波長位相の
ずれた音（逆位相の音）を発生させて、排気脈動
音と合成させることにより、消音を行うことにあ
る。

この原理を実現するため、エンジン回転、吸入
空気流量、エンジン吸入負圧、排気温度を検出
し、これらに基づいて信号発生回路２５により発
生させた信号をコイル１６に送出する。

信号発生回路２５においては、排気脈動音の基
本周波数と同一周波数の第５図Ｂの如きエンジン
回転信号（例えば４気筒エンジンでの第５図Ａの
如き排気弁のリフトのタイミングをとらえた１回
転に２パルスの信号）をローパスフイルタ２６及
び波形整形回路２７により基本信号としての第５
図Ｃの如き正弦波に整形する（周波数ｆ＝Ｎ／30
〔Hz〕；Ｎは回転数）。

位相制御回路２８は、吸入空気流量信号と排気
温度信号とを受け、これらの信号により換算され
る排気の流速に基づいて排気脈動音が排気の流れ
に乗つて伝搬する際のドツプラ効果によるみかけ
の音速の変化に対応し、前記正弦波を排気消音器
４の共鳴室１１に到達する消音すべき排気脈動音
と逆位相にする。

即ち、位相制御回路２８は、第５図Ｄの如く排
気弁で発生した排気脈動音が排気消音器４の共鳴
室１１に到達するまでの時間遅れΔtを見込んで、
到達時の排気脈動音の位相と逆位相の正弦波にな
るよう位相を制御する。ここで、前記時間遅れ
Δtは排気温度から一義的に得られる音速に基づ
いて決定されるので、位相制御回路２８には排気
温度信号が入力される。また、排気管３は外気に
さらされているので、排気マニホールド２と排気
消音器４直前の排気管３とに排気温度センサ３４
ａ，３４ｂを取付けることによつて、平均的な排
気温度を検出している。

ここで、時間遅れΔtは以下のようにして求め
る。

Δt＝Ｌ／Ｃ 〔sec〕 ……(1)式 但し、Ｌは排気ポートから本消音器までの距離
〔ｍ〕、Ｃはみかけの音速〔ｍ／sec〕である。

Ｌは定数であるが、みかけの音速Ｃは排気温度
Ｔ及び排気流速ｖによつて次のように変化する。

音速Ｃの設定はいわゆるドツプラ効果のため、 Ｃ＝C₀＋ｖ 〔ｍ／sec〕 ……(2)式 但し、C₀は流れのないときの音速〔ｍ／sec〕 ｖは排気流速〔ｍ／sec〕 となり、C₀及びｖは更に次の式で表せる。

C₀＝［Ｋ・ｇ・Ｒ・（Ｔ＋273）］^1/2 ……(3)式 但し、Ｔは排気温度〔℃〕、Ｋは比熱比、ｇは
重力加速度、Ｒは気体定数であり、Ｋ，ｇ，Ｒは
一定なので、音速C₀は排気温度Ｔによつて変化
する。

ｖ＝（V₀／Ｓ）・（Ｔ＋273）／（T₀＋273）
……(4)式 但し、V₀は吸入空気流量〔m³／sec〕、Ｓは排
気管断面積〔m²〕、Ｔは排気温度〔℃〕、T₀は吸
入空気温度〔℃〕であり、Ｓ，T₀は一定なので、
排気流速ｖは吸入空気流量V₀と排気温度Ｔとよ
り求まる。

従つて、信号発生回路２５の中に、上記の式を
マイコン等を利用してプログラムしておけば、運
転中の必要なΔtを直ちに設定することができる。

振幅制御回路２９は、第５図Ｅに示すように、
消音すべき排気脈動音の音圧振幅と同じ音圧を発
生せしめるべく、信号の振幅を変化させる。ここ
で、排気脈動音の大きさはエンジンの負荷によつ
て変化するので、負荷をエンジン吸入負圧によつ
て検出し、エンジン吸入負圧信号を振幅制御回路
２９に入力している。

そして、パワーアンプ３０は、以上のように補
正された信号がコイル１６を駆動できる電力を持
つように増幅して出力する。

信号発生回路２５からの信号はコイル１６に入
力され、界磁１５との関係でコイル１６が前後に
振動することにより、ボビン１７，１８を介して
振動板１４を振動させ、前記信号の特性に基づい
て排気脈動音と同一周波数、同一振幅で逆位相の
音を共鳴室１１内に発生させる。

これにより、排気脈動音（第５図Ｇ）と、これ
と逆位相の音とが打消し合うこととなり、排気脈
動音を消滅させることができる（第５図Ｈ）。

尚、共鳴室１１には排気が直接には流れないた
め、温度は低く抑えられるので、ケーシング２０
でベローズ１３等を密閉しても何ら耐久性に問題
はない。

また、この例で振動板１４を凹面形状としたの
は計量で且つ曲げ剛性を高めるためであるが、ハ
ニカムサンドイツチ板等でも可能である。

次に、第４図中の直流分シフト回路３１につい
て説明する。

共鳴室１１の容積と連通管１２の寸法は消音し
たい周波数にチユーニングされているが、排気消
音器の一部に組込まれた共鳴室１１のチユーニン
グ周波数は一般に200〜400Hzと比較的高く、ま
た、このチユーニング周波数は、排気中の音速す
なわち排気温度によつて遷移してしまい、高温に
なれば周波数が高くなる。

即ち、共鳴型消音器のチユーニング周波数は、 f₀＝（Ｃ／2π）・［Ｓ／（Ｖ・ｌ）］^1/2 ……(5)式 但し、 Ｓは首部断面積 ｌは首部長さ Ｖは容積 であり、音速Ｃは前記の(3)式の如く変化する。

(5)式を代入してＶについて解くと、 Ｖ＝（Ｋ・ｇ・Ｒ・Ｓ）・（Ｔ＋273） ／〔ｌ・（2π・f₀）²〕 ……(6)式 となり、温度の上昇と共に容積Ｖが増加するよう
にシフトさせればよい。

そこで、排気温度信号に基づいて作動する直流
分シフト回路３１を設けて、音速が遅いとき（低
排温時）は容積が小さくなるように、また音速が
速いとき（高排温時）は容積が大きくなるよう
に、コイル１６に直流電圧をかけておき、チユー
ニング周波数の遷移を防いでいる。つまり、パワ
ーアンプ３０からの信号による作動はすでに振動
板１４がシフトされている状態で行われるように
しているのである。

第６図には他の実施例を示す。

この実施例は、共鳴室を廃止し、拡張室８の一
部を画成するようにベローズ１３及び振動板１４
を取付けて容積可変型の拡張室８を形成したもの
であり、作動原理は前述の実施例と同じである
が、排気入口管６から拡張室８に入る排気脈動音
に対し、直接逆位相の音を合成できるので、消音
効果については前述の実施例より大きい。

しかし、排気が直接ベローズ１３に当たるた
め、ベローズ１３を冷却する必要がある。このた
め、ケーシング２０に窓３６を設けて、外気をケ
ーシング２０内に導入し、ベローズ１３及び振動
板１４を冷却すると同時に、窓３６にネツト３７
を取付けて、異物等が入り込まないようにしてい
る。

尚、これらの実施例では、本発明に係る消音装
置（振動部材及び加振装置）を従前の排気消音器
（排気マフラ）の一部として設けたが、本発明は
これに限定されるものではない。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、エンジン
から発生する脈動音をこれと同一周波数、同一振
幅で逆位相の音で相殺し、もつて消音を図るよう
にしたため、エンジン回転速度の低次成分である
極低周波数からの消音が可能となり、車外騒音、
車室内こもり音を改善できるという効果が得られ
る。

また、本発明では、エンジン回転信号やエンジ
ン負荷信号に基づいてエンジンからの脈動音を相
殺するための信号を生成しており、音源であるエ
ンジンの運転パラメータを用いることで、脈動音
をマイク等によりとらえる場合と比し、脈動音以
外の外乱の影響を受けることがなく、脈動音の低
減に大きな効果を有する。しかも、脈動音をマイ
ク等で直接検出する必要がなく、既存のセンサを
利用すれば済み、コスト低減にもつながる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例を示す排気消音器の断面図であ
る。第２図〜第５図は本発明の一実施例を示し、
第２図はエンジン排気系の全体図、第３図は排気
消音器の要部断面図、第４図は信号発生回路のブ
ロツク図、第５図は信号発生回路作動状況図であ
る。また、第６図は他の実施例を示す排気消音器
の要部断面図である。 １……エンジン本体、３……排気管、４……排
気消音器、６……排気入口管、７……排気出口
管、８……拡張室、１１……共鳴室、１２……連
通管、１３……ベローズ、１４……振動板、１５
……界磁、１６……コイル、１７，１８……ボビ
ン、１９……ダイアフラム、２５……信号発生回
路、２６……ローパスフイルタ、２７……波形整
形回路、２８……位相制御回路、２９……振幅制
御回路、３０……パワーアンプ、３２……エンジ
ン回転センサ、３３……吸入空気流量センサ、３
４ａ，３４ｂ……排気温度センサ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 音発生用の振動部材を加振装置で加振してエ
   ンジンから発生する脈動音を低減するエンジンの
   消音装置において、 前記加振装置を、エンジン回転信号から前記脈
   動音と同一周波数の基本信号を生成する基本信号
   生成手段と、少なくともエンジン負荷に基づいて
   前記基本信号の振幅及び位相を制御して前記脈動
   音と同一振幅で逆位相の信号を生成する補正手段
   と、該補正手段からの信号を加振入力として前記
   振動部材を加振する加振手段とから構成したこと
   を特徴とするエンジンの消音装置。