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JP2002089232A - 排気系の消音装置 - Google Patents

排気系の消音装置

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JP2002089232A
JP2002089232A JP2000013561A JP2000013561A JP2002089232A JP 2002089232 A JP2002089232 A JP 2002089232A JP 2000013561 A JP2000013561 A JP 2000013561A JP 2000013561 A JP2000013561 A JP 2000013561A JP 2002089232 A JP2002089232 A JP 2002089232A
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JP
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exhaust gas
internal combustion
combustion engine
exhaust
movable structure
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JP2000013561A
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Shoji Ono
正二 大野
Toichiro Yamada
登一郎 山田
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INTER DB KK
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Abstract

(57)【要約】 【課題】排気系の消音効果、特に、内燃機関排気ガスの
大きな消音効果をもたらし、背圧の上昇を大幅に小さく
し、エンジン燃焼効率やエンジンの出力低下を最小限に
とどめながら、従来の消音装置よりもはるかにコンパク
トな消音装置を提供する。 【解決手段】可動構造物を備えた排気系の消音装置であ
る。内燃機関に有効に適用できる。内燃機関の消音装置
は、少なくとも、内燃機関からの排気ガスを導入する排
気ガス進入部、可動構造物を設置した少なくとも１室以
上の消音室及び排気ガス排出部とからなる。可動構造物
としては、具体的には、プロペラ型羽根車、水車型羽根
車、回転ドラム、揺動板、回転コマ、回転板、バタフラ
イ、スライダー及び回転式ワーム等が挙げられる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、各種設備の排気系に設
ける消音装置に関するものである。更に詳しくは、可動
構造物を備えた排気系消音装置に関する。特に、内燃機
関の排気系に有効な消音装置である。
【０００２】
【従来の技術】一般的に、排気系を有する設備は多い。
例えば、ブロワー、ポンプ、燃焼炉、内燃機関等があ
り、また、身近では電気掃除機、自動車などがある。こ
れら設備から排出される排気ガスの流速が大きい場合に
は、その排気音が大きく、周辺の社会生活に及ぼす影響
が大きいものになる。これらにもともと消音装置が設け
られていないものもあれば、消音装置は設けられている
もののその効果が小さくてそれほど役にたっていないも
のもある。
【０００３】このなかで、内燃機関は、爆発燃焼により
生じたエネルギーを抽出して動力とするものである。内
燃機関作動時には、爆発燃焼の際に爆発音が生じるのみ
ならず、内燃機関の作動過程で生じる流速の高い排気ガ
スからも音が生じる。これら排気ガスを何らの消音処理
をすることなく系外に排出すると、社会生活に大きな影
響を及ぼすことになる。従って、自動車、船舶、発電機
などに使用する内燃機関では、排気系に特別に消音装置
を設けている。
【０００４】従来、消音装置はマフラーとも呼ばれてい
る。これは、消音装置内に石綿等で作られた消音壁を設
けたり、多重管を設けて外側管部の空気を緩衝壁として
利用したり、内管の形状や構造を工夫して排気ガスの流
速・流れ状態を変化させたり、消音装置内に複雑な流路
を配置したり又は排気ガスを広い空間領域に流入させる
ことによって単純に急速に排気ガス体積を増加させるこ
と等によって、排気音を小さくさせている。その代表的
な例を、図８に示した。
【０００５】これら従来の消音方法では、排気音及び排
気管内を伝わってくる内燃機関の爆発音を小さくしよう
とすればするほど、消音装置の構造が複雑になり、消音
装置のガス圧が高まって排気系全体のガス圧が高まり
（即ち、背圧の上昇）、その結果、消音の実効を充分に
上げることができないのみならず、排気効率そのものが
著しく悪化し、内燃機関の運転効率を低減させ、燃焼効
率を低下させる現象が認められている。
【０００６】従来の消音方式の問題は、消音効果を高
め、同時に排気系の背圧の上昇を防ごうとすると、消音
装置の構造が複雑なものになることにある。例えば、配
管を多重にして排気ガスの逃げる場所を確保するため
に、消音装置の容積が必然的に大きくなる。内燃機関の
使用の便利性や、燃費の向上などの点から、特に、コン
パクトで軽量な設計が求められる自動車や船舶などで
は、コンパクトな消音装置で、消音効果の大きくしかも
背圧の小さい消音装置が求められている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
事情に注目し、大きな消音効果をもたらし、背圧の上昇
を大幅に小さくし、エンジン燃焼効率やエンジンの出力
低下を最小限にとどめながら、従来の消音装置よりもは
るかにコンパクトな消音装置を提供しようとするもので
ある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、排気
系に於ける消音装置であって、排気ガス流によって作動
する可動構造物を備えたことを特徴とする排気系の消音
装置である。
【０００９】請求項２の発明は、内燃機関の排気系に於
ける消音装置であって、排気ガス流によって作動する可
動構造物を備えたことを特徴とする内燃機関排気系の消
音装置である。
【００１０】請求項３の発明は、内燃機関の排気系に於
ける消音装置であって、エンジンからの排気ガスが進入
入するための排気ガス進入部、可動構造物を備えた少な
くとも１室の消音室及び排気ガスが排出する排気ガス排
出部とからなることを特徴とする内燃機関排気系の消音
装置である。
【００１１】請求項４の発明は、排気ガス浄化装置を付
加したことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関排気
系の消音装置である。
【００１２】請求項５の発明は、可動構造物が羽根車で
あることを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれ
か１項に記載の内燃機関排気系の消音装置である。
【００１３】請求項６の発明は、排気ガス進入部に於い
て、進入部流路管後端部断面積が進入部流路管前端部断
面積の３０〜１００％となるように進入部流路管を絞り
こんだことを特徴とする、請求項３から請求項５のいず
れか１項に記載の内燃機関排気系の消音装置である。
【００１４】請求項７の発明は、可動構造物が、プロペ
ラ型羽根車、水車型羽根車、回転ドラム、揺動板、回転
コマ、回転板、バタフライ、スライダー及び回転式ワー
ムからなる群から選択される少なくとも一種であること
を特徴とする、請求項１から請求項６のいずれか１項に
記載の内燃機関排気系の消音装置である。
【００１５】本発明は、可動構造物を備えた排気系の消
音装置である。排気系を有する設備に適用できる消音装
置である。特に、内燃機関の消音には好適に使用しう
る。本発明のポイントは、排気ガスで作動する可動構造
物を備えた消音装置にある。可動構造物により、排気ガ
ス流を攪拌し、流速を下げ、流れ方向を拡散させること
によって、音量を低減させるものである。
【００１６】以下、内燃機関の排気系を中心に説明す
る。内燃機関から排出された排気ガスによって作動する
可動構造物を排気系に設け、内燃機関の排気ガスから生
じる音及び内燃機関の爆発音を、可動構造物の作用によ
って、排気ガス流を攪拌し、流速を下げ、流れ方向を拡
散させることによって、排気ガス管から排出される音量
を低減させるものである。
【００１７】本発明の消音装置には、可動構造物を備え
た消音室を少なくとも１室設けることもできる。該消音
室の可動構造物の作用で、排気ガス流を攪拌し、流速を
下げ、流れ方向を拡散させることにより排気ガス管から
排出される音量を低減させることもできる。同時に、排
気ガスが流路管から消音室に進入する際、排気ガス流路
の断面積が増大するので、排気ガスの流速が低下し、流
れ方向が拡散することにより排気ガス管から排出される
音量を低減させることもできる。
【００１８】該消音装置は、基本的には、排気ガス進入
部、可動構造物を備えた消音室及び排気ガス排出部とか
らなる。排気ガス進入部は、単に管状の配管を用いるこ
ともできるが、進入管に適当な絞りを設け、流路管出口
の断面積を、流路管入口の断面積よりも小さくすること
も好ましい。これは、消音室に設けた可動構造物の作用
の効率を高め、消音効果を高めるものであり、また、可
動構造物によって排気され排気ガスが再燃焼し、未燃焼
ガス、不完全燃焼ガス,媒煙、油分などを除去するという
効果をももたらすものである。更に、必要に応じて、排
気ガス浄化装置、例えば、触媒装置を設けることもでき
る。
【００１９】排気ガス進入部において、流路管を可動構
造物中心より位置をずら(オフセットさせる)して、可動
構造物に衝突する排気ガス流の衝突位置を調節すること
もできる。これにより、排気系の背圧を過度に上昇させ
ずに、可動構造物の動作効果を高めることができる。こ
の位置関係によって、ガス流攪拌の度合いと、ガス流の可
動構造物周辺の流れの状態が変化し、消音効果と背圧の
上昇との関係を調整することができる。進入部流路管を
設置する位置は、内燃機関の使用状況に応じて、適宜選
定することができる。
【００２０】排気ガス進入部において、進入部流路管を
可動構造物に対して、進入角度を変化させることによっ
て、可動構造物に衝突する排気ガス流の角度を調節する
こともできる。排気ガスの進入角度を調整することによ
り、ガス流攪拌の度合いと、ガス流の可動構造物周辺の
流れの状態を変化させ、消音効果と背圧の上昇との関係
を調整することができる。進入部流路管の進入角度は、
同様に、内燃機関の使用状況に応じて、適宜選定するこ
とができる。
【００２１】消音室に導入された排気ガスは、室内に設
けられた可動構造物に衝突し、その運動エネルギーで可
動構造物を動かす。それによって、運動エネルギーの受
け渡しが行われ、排気ガス自身はその運動エネルギーを
失い、一方、可動構造物は運動エネルギーを得る。この
際、排気ガスは攪拌され、エンジンから生じる波動性脈
動は、その振幅を失い、場合によっては解消する。その結
果として、波状的脈動運動と高い排気ガス流速が起こし
ている排気音を、その発生原因から取り除くことができ
る。
【００２２】消音室に進入した排気ガスは、室内に設け
られた可動構造物によって、その音の発生原となるもの
を大部分取り除くことができるが、構造物の運動に慣性
の力が働き、室内の排気ガスを強制的に排気させると同
時に、装置全部の排気管流路内の排気ガスを掻き出す効
果もあり、これが排気系の背圧の上昇を押さえる効果を
もたらしている。
【００２３】可動構造物は排気ガスによって、排気ガス
流の中で運動する状態になるが、そのことは、従来の濾
過式・固定式の消音装置に比べ、排気流の中での抵抗とは
ならず、このことも背圧の上昇を最小限に押さえること
のできる要因となっている。
【００２４】本発明は、消音装置内の背圧の上昇を低く
抑えることができるので、従来方式に比べ、同等か、それ
以下の消音量でも、内燃機関の運転効率の低下が小さく、
燃焼効率が向上し、その結果燃料消費率が向上すること
が認められる。
【００２５】可動構造物による排気ガス流速の低減、脈
動の解消で得られる消音効果は、小型の可動構造物でも
(例えば、排気量２０００ｃｃの内燃機関に対して直径
が１００ｍｍ前後の羽根車を設けたような場合でも)、
従来の消音装置（排気量２０００ｃｃの場合消音装置の
大きさは直径２００〜３００ｍｍ、長さ５００〜６００
ｍｍ程度である）以上にその消音効果が大きく、その結
果、消音装置自体の大きさ、即ち、消音装置室の容積を、
従来の消音装置の１／２〜１／３の小さい容積のものに
することができる。消音装置を小型に設計できるので、
自動車、船舶等の小型軽量化ないし利便性の向上に寄与
することができる。
【００２６】この排気消音装置の中に設置された可動構
造物は、排気ガスの持っている運動エネルギーによって
他律的にコントロールされるので、消音効果は、ほぼ自
動的に内燃機関の回転数に調和するという長所がある。
即ち、内燃機関からの排気量は、断続的な脈動になると
ともに、ピストンの運動速度によって増減する。排気量
が多いときには、可動構造物の回転数が増加することに
より、また、排気量の少ないときは可動構造物の回転数
が減少することにより、自動的に対応するのである。
【００２７】その結果、低速度運転域から、高速度運転
域までの広範囲にわたって消音効果が期待でき、消音装
置の簡素化・小型化にもつながる。従来の消音装置では、
特に高性能型高回転型の内燃機関では、低速域から高速
域に至る広範囲にわたって、十分な消音効果を出しなが
ら背圧の上昇を抑えるためには、複雑な構造の装置とな
ることが避けがたいものとなっている。それに対して、
本発明では、消音と背圧上昇の抑制が同時に容易に実現
できる。これは、装置の小型化に大きく寄与することと
なる。
【００２８】本発明の消音装置は、排気ガスが可動構造
物に攪拌されること、排気ガスの熱で熱せられた可動構
造物に触れることで、排気ガスの酸化が促され、再燃焼
し,その結果、未燃焼ガス、不完全燃焼ガス,煤煙等の微
小不純物が減少する効果が認められる。特に、煤煙等の
微小不純物の低減効果は著しく、排気ガス浄化装置とし
ても十分な効果を発揮する。
【００２９】消音室に配置される可動構造物は、１個又
は複数個使用することができる。そして消音装置室外壁
の形状、可動構造物周囲に配置された内壁の形状、及び
可動構造物周囲のガス流路設計と併せて、構造物の物理
的、化学的効果を想定して設計するのがよい。
【００３０】可動構造物は、排気ガスの脈動流とそのエ
ネルギーを利用して作動するもので、外部からのエネル
ギーを付加することなく、可動構造物を動かすことがで
きる。それによって、排気ガスの流速を下げ、排気ガス
を攪拌し、なおかつ排気ガスを後方に送り出すことで背
圧の上昇を押さえながら、排気音を低減するのである。排
気管内の背圧の上昇を最小限に押さえることは、同時に
消音装置による内燃機関の運転効率の低下を防ぐことに
もつながる。これは、小型の可動構造物で、大きな消音効
果が得られるので、消音装置全体の小型化が図れること
になる。
【００３１】本発明は、従来の方法に比べ、排気管内の圧
力上昇が起こりにくく、内燃機関の燃焼効率の低下も最
小限にとどめることができ、結果として燃料消費率を改
善する効果をもたらす。
【００３２】本発明に使用する可動構造物として、具体
的には、水車型羽根車、プロペラ型羽根車、回転ドラム,回
転板、揺動板、回転コマ、バタフライ、スライダー、回転式
ワーム等を挙げることができる。
【００３３】本発明の消音装置は、排気経路の任意の場
所につけることができる。消音効果を考えると従来のマ
フラー同様、排気管後端部近くに設置することが望まし
い。
【００３４】以上、排気ガスの運動エネルギーを利用し
た本発明による消音装置は、従来の装置に比べはるかに
小型で、消音効果を発揮するばかりでなく、製造が容易
で、取付けのスペースも小さく、現行装置に代わっての
交換も容易なばかりか、本装置を使用する、新たな車両、
船舶等の設計も容易にすることができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】以下、本発明をその実施形態に基
づいて説明する.なお、図中、排気ガスは図の左から右に
流れるものとする(なお、本明細書の説明の中で、排気ガ
ス発生場所に近い部分を上流、遠い部分を下流と表現し、
また図において左側を上流、右側を下流と表現してい
る)。本消音装置は、基本的には排気流路中に、消音室を
設け、消音室内に可動構造物を設置したものである。
【００３６】内燃機関で燃焼した排気ガスは、排気系を
経て内燃機関系外に排出される。自動車内燃機関の排気
系は、例えば、図７に示したような構造としている。即
ち、内燃機関排気系は、内燃機関と接続するためのフラ
ンジ４１、内燃機関からの排気ガスを誘導するマニホー
ルド４２、集合部４３、排気管４４、４５、触媒装置４
６及び消音器４７等から構成されている。本発明の消音
装置は、この排気系のいずれの位置にも設置することが
できる。
【００３７】本発明の実施形態の一例を、図１に示し
た。図１の実施形態では、消音装置２０は、排気ガス進
入部２９、水車型羽根車２２を備えた消音室２３、中間
室２４、消音室と中間室を連結する連結管２５、水車型
羽根車２２の近傍に設けられた邪魔板２６及び排気ガス
排出部２７から構成されている。２８は、排気ガス排出
管の補強剤である。
【００３８】内燃機関から排出された排気ガスは、進入
部流路管２１から消音室に進入する。消音室に進入した
排気ガスは、羽根車２２に当たり該羽根車２２を駆動さ
せる。この間に、排気ガスは、羽根車を回転させ、その
運動エネルギーを羽根車に与える。羽根車２２にエネル
ギーを与えた排気ガスは、連結管２５を経由して中間室
２４に進入する。排気ガスは、排気ガス排出部２７の排
出管３０から消音装置の系外に排出される。この間に、
排気ガスの排気音は消音される。
【００３９】進入部流路管２１は、下流に向かって先細
りとなっており、進入部流路管後端部断面積が進入部流
路管前端部断面積の３０〜１００％とするのが好まし
い。
【００４０】羽根車２２の回転運動は、排気ガスを激し
く混合、攪拌しそれによって、消音するとともに未燃焼
ガス、不完全燃焼ガス、煤煙や油分などと空気との混合
をよくする。その結果、未燃焼ガス等の活性化を引き越
し、酸素との接触を誘発し、結果として排気ガス中の酸
素との結合を促す。
【００４１】羽根車２２は、排気脈動が大きいときは、
つまり、内燃機関のシリンダー弁の吸入・排出開放がオ
ーバーラップしているときは、一種の抵抗となって、未
燃焼ガスの排気管への流出量を低減させ、次の瞬間、脈
動が大きくなったときにはその高速脈動によって与えら
れた羽根車の高速回転により、圧力の低下した排気管内
の排気ガスを掃気し、排気管内の排気ガスの排出を助け
る働きを有する。これは、消音効果とともに排気管の排
気効率と内燃機関の運転効率を上昇させ、しいては、機
関の燃費、出力、回転力の向上に寄与する。また、低出
力回転の遷移領域で発生する、いわゆる、トルク（回転
力）の谷も大きく改善される効果が実験的に認められて
いる。
【００４２】消音室２３や中間室２４の壁部に、セラミ
ックウールを貼付けて、排気ガスから表面接触によって
排気ガス中の不純物を物理的に取り除き、なおかつ強い
消音効果を発揮させることもできる。
【００４３】排気ガス進入部２１位置は、必ずしも可動
構造物中心に排気ガスが当たるように配設する必要はな
い。可動構造物の中心から位置をずらしてもよい。排気
ガス進入部の位置を、排気ガスが可動構造物に衝突する
位置を調節することにより、排気系の背圧を過度に上昇
させないようにして、可動構造物の動作効果を高めるこ
とができる。この位置関係によって、ガス流攪拌の度合
いと、ガス流の可動構造物周辺の流れの状態が変化し、消
音効果と背圧の上昇との関係を調整することができる。
進入部流路管を設置する位置は、内燃機関の使用状況に
応じて、適宜選定することはいうまでもない。
【００４４】また、排気ガス進入部の設置角度を変化さ
せることによって、可動構造物に衝突する排気ガス流の
角度を調節することができる。排気ガスの進入角度を調
整することにより、ガス流攪拌の度合い、ガス流の可動
構造物周辺の流れの状態を変化させ、消音効果と背圧の
上昇との関係を調整することができる。排気ガス進入部
の進入角度は、内燃機関の使用状況に応じて、適宜選定
することはいうまでもない。
【００４５】以上、本発明を実施形態に基づいて説明し
てきたが、本発明の基本は、羽根車のような可動構造物
を備えた消音装置にある。本発明の消音装置は、少なく
とも内燃機関からの排気ガスを導入するための排気ガス
進入部、可動構造物を備えた消音室及び排気ガスを排出
するための排気ガス排出部から構成される。該消音室は
１室でもよいし複数室設けてもよい。可動構造物は、少
なくとも１個以上使用する。
【００４６】消音室に設置する可動構造物は、本実施形
態では羽根車を示したが、具体的には、以下のものを使
用することができる。即ち、プロペラ型羽根車、水車型
羽根車、回転ドラム、揺動板、回転コマ、回転板、バタ
フライ、スライダー及びワーム等を使用することができ
る。羽根車は、羽根でガス流を受けて回転するもので、
プロペラ型、水車型いずれも使用することができる。回
転ドラムは、円筒体の内壁に羽根、溝を設け、それらで
ガス流を受けて回転するものである（例えば、図２）。
揺動板というのは、板をガス流の中に置き、板の片方を
固定するか又は両方を可動式にして、ガス流によって揺
動させるものである（例えば、図３）。回転コマは、表
面に凹凸等を設けこの凹凸等でガス流を受けて回転す
る、球形、卵形や錐形の回転体である（例えば、図
４）。回転板は、ガス流によって回転する板である（例
えば、図５）。バタフライは、ガス流によって管内で回
転し管内の流量を調節する板である。スライダーは、ガ
ス流を受けて上下又は左右に移動する、ガス流に対して
垂直に近い状態で設置された一種のシリンダーである
（例えば、図６）。ワームは、ねじ状の筒型回転体で、
筒の軸方向水平な線を軸として、該筒の表面切られたス
パイラルでガス流を受けて回転する。
【００４７】
【発明の効果】以上、本発明の消音装置は、排気ガスの
運動エネルギーを利用して駆動する可動構造物を備えた
ことを特徴としており、消音効果をもたらすとともに排
気ガスの再燃焼を促すことにより浄化作用をも有するも
のである。しかも、従来の装置に比べはるかに小型で、
消音効果を発揮することができる。更に、本発明の消音
装置は、従来の排気ガス処理装置に比較して、構造がシ
ンプルであって、製造が容易、製造コストが低い、運転
が容易、保守整備も簡単、という特徴を有する。そし
て、本発明の消音装置は、取付けのスペースも小さく、
現行装置に代わっての交換も容易なばかりか、本装置を
使用する新たな車両、船舶等の設計も容易にすることが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 消音装置の構成を示す図面である
【図２】 ドラムの一例を示す図面である
【図３】 揺動板の一例を示す図である
【図４】 回転コマの一例を示す図である
【図５】 回転板の一例を示す図である
【図６】 スライダーの一例を示す図である
【図７】 自動車排気系の一例を示す図である
【図８】 従来の消音装置の例を示す図である
【符号の説明】
２０ 消音装置 ２１ 進入流路管 ２２ 羽根車 ２３ 消音室 ２４ 中間室 ２５ 連結管 ２６ 邪魔板 ２７ 排気ガス排出部 ２８ 補強板 ２９ 排気ガス進入部 ３０ 排気管 ４１ フランジ ４２ マニホールド ４３ 集合部 ４４、４５ 排気管 ４６ 触媒装置 ４７ 消音器

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】排気系に於ける消音装置であって、排気ガ
    ス流によって作動する可動構造物を備えたことを特徴と
    する排気系の消音装置。
  2. 【請求項２】内燃機関の排気系に於ける消音装置であっ
    て、排気ガス流によって作動する可動構造物を備えたこ
    とを特徴とする内燃機関排気系の消音装置。
  3. 【請求項３】内燃機関の排気系に於ける消音装置であっ
    て、エンジンからの排気ガスが進入入するための排気ガ
    ス進入部、可動構造物を備えた少なくとも１室の消音室
    及び排気ガスが排出する排気ガス排出部とからなること
    を特徴とする内燃機関排気系の消音装置。
  4. 【請求項４】排気ガス浄化装置を付加したことを特徴と
    する請求項３に記載の内燃機関排気系の消音装置。
  5. 【請求項５】可動構造物が羽根車であることを特徴とす
    る、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の内燃
    機関排気系の消音装置。
  6. 【請求項６】排気ガス進入部に於いて、進入部流路管後
    端部断面積が進入部流路管前端部断面積の３０〜１００
    ％となるように進入部流路管を絞りこんだことを特徴と
    する、請求項３から請求項５のいずれか１項に記載の内
    燃機関排気系の消音装置。
  7. 【請求項７】可動構造物が、プロペラ型羽根車、水車型
    羽根車、回転ドラム、揺動板、回転コマ、回転板、バタ
    フライ、スライダー及び回転式ワームからなる群から選
    択される少なくとも一種であることを特徴とする、請求
    項１から請求項６のいずれか１項に記載の内燃機関排気
    系の消音装置。
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