JP4392592B2 - 排気消音装置 - Google Patents

Description

本発明は、気柱共鳴を抑制して排気音を低減する排気消音装置に関するものである。

従来、内燃機関におけるこの種の排気消音装置は、エキゾーストマニホールドに連なるエキゾーストパイプに複数のマフラを分散して設け、エキゾーストパイプに発生する気柱共鳴を抑制している。例えば、エキゾーストマニホールドの集合部からエキゾーストパイプの終端出口までの長さを基準長さ（Ｘ）とし、この終端出口から３Ｘ／５の位置に第１マフラを、２Ｘ／５の位置に第２マフラをそれぞれ設ける構成が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開昭５９−２２６２２２号公報（第２図）

このような従来の排気消音装置は、複数のマフラを適所に設けているため排気音を好適に消音することができるが、複数のマフラを取り付ける分、全体として重量が増し、高コストとなり易かった。もっとも、かかる問題を単純に考えて、例えば上記特許文献１の排気消音装置における第２マフラを省略した構造とすると、第１マフラから終端出口までの管長が長くなり、特にその長さが例えば１．５ｍ以上ともなると、内燃機関の常用回転域で気柱共鳴が起こり、却って排気ガスの音圧レベルを増大させてしまうことになる。

本発明は、マフラに連なるエキゾーストパイプのアウトレットパイプの長さに関らず、単純な構造で気柱共鳴を好適に抑制することができると共に、軽量化および低コスト化に適切に供することができる排気消音装置を提供することをその目的としている。

本発明の排気消音装置は、排気方向の長さがＬからなる拡張室を有するマフラと、拡張室に連通し、管長が略２ｎＬ（ｎは自然数）からなるアウトレットパイプと、を備えたものである。

この構成によれば、アウトレットパイプの管長に対応した特定の周波数でアウトレットパイプ内に気柱共鳴が発生しても、上記の長さの比率としているため、拡張室内での干渉効果により、気柱共鳴が効果的に抑制される。

具体的には、アウトレットパイプ内に発生する気柱共鳴の基本の波長λ₁は、アウトレットパイプの管長の略２倍であるが、この気柱共鳴を拡張室内における入射波および反射波の干渉効果により効果的に抑制するには、拡張室の長さＬを基本波長λ₁の１/４とすればよい。すなわち、拡張室の長さ：アウトレットパイプの管長≒１：２の関係であればよい。同様に、２倍振動の気柱共鳴の波長λ₂は管長の略１倍であるが、干渉効果を得るために拡張室の長さＬをλ₂の１/４とすると、拡張室の長さ：アウトレットパイプの管長≒１：４の関係となる。３倍振動、４倍振動も同様にすると、それぞれ１：６、１：８の関係となる。

したがって、本発明では、拡張室の長さ：アウトレットパイプの管長≒１：２ｎとしているため、アウトレットパイプの管長が長くなっても、ｎ倍振動の気柱共鳴を好適に抑制することができる。なお、略２ｎＬの「略」は開口端補正を含めた概念である。

本発明の他の排気消音装置は、排気方向の長さがＬからなる拡張室を有するマフラと、一方の開口端面が拡張室に連通するアウトレットパイプと、を備え、アウトレットパイプは、一方の開口端面側の端部の周壁に、マフラ内に連通する連通孔が形成されていると共に、連通孔から他方の開口端面までの長さが略２ｎＬ（ｎは自然数）からなるものである。

この構成によれば、アウトレットパイプの全長のうち、周壁に形成した連通口から他方の開口端面までの長さ（以下、実質気柱長さという）に対応して、アウトレットパイプ内に気柱共鳴が発生しても、拡張室の長さ：実質気柱長さ≒１：２ｎとしているため、上記と同様に、拡張室内での干渉効果により、ｎ倍振動の気柱共鳴を効果的に抑制することができる。

なお、周壁に形成された連通孔は、いわゆるバイパス孔として機能するように、マフラ内の前記拡張室に連通してもよいし、あるいはマフラ内に別に設けた共鳴室に連通して、気柱共鳴の抑制対象の周波数とは異なる周波数の排気音の低減に供されてもよい。また、この連通孔をアウトレットパイプの長手方向に複数形成した場合には、他方の開口端面に最も近い連通孔が、実質気柱長さの基準となる。

これらの場合、自然数ｎは１または２であることが、好ましい。

この構成によれば、一般的に消音が困難な波長の長い気柱共鳴を適切に抑制することができる。

本発明の排気消音装置によれば、アウトレットパイプの長さに関らず、単純な構造で気柱共鳴を好適に抑制して、消音性を向上することができる。したがって、アウトレットパイプに別途サブマフラを設けない構造とすることも可能であり、軽量化および低コスト化に適切に供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る排気消音装置について説明する。この排気消音装置は、マフラの拡張室の長さとアウトレットパイプの管長とを所定の比率とすることで、気柱共鳴を効果的に抑制して排気音を低減するものである。以下の説明では、この排気消音装置を自動車の内燃機関の排気系に適用した例について説明する。

図１に示すように、排気消音装置１は、内燃機関から排気された排気ガスの排気音を消音するマフラ２と、内燃機関からマフラ２に排気ガスを導入するエキゾーストパイプのインレットパイプ３と、マフラ２から外部へと排気ガスを導出するエキゾーストパイプのアウトレットパイプ４と、を備えている。

マフラ２の内部には、排気方向の長さがＬ₁からなる単一の拡張室１１が構成されている。拡張室１１は、インレットパイプ３に比して排気ガスの流路断面積が大きく形成されており、インレットパイプ３から流入した排気ガスの圧力を低下させる。この場合の拡張室１１の長さＬ₁は、マフラ２の排気方向における対向する内壁１２，１３間の距離に相当している。

インレットパイプ３は、一方の開口端部が内燃機関側の図示しないエキゾーストマニホールドに連なり、他方の開口端部２１がマフラ２の内壁１２側を介して拡張室１１に連通している。アウトレットパイプ４は、管長がＬ₂に設定され、一端の開口端部３１がマフラ２の内壁１３側を介して拡張室１１に連通すると共に、他端の開口端部３２が外部に連通して大気に開放されている。

内燃機関の運転時の排気脈動によって、アウトレットパイプ４の管長Ｌ₂に対応した気柱共鳴がアウトレットパイプ４内に発生する。すなわち、図２に示すように、管長Ｌ₂を半波長とした周波数の気柱共鳴を基本として、その半波長の自然数倍の波長の気柱共鳴が発生する。

具体的には、基本振動（１倍振動）の気柱共鳴の波長λ₁は、アウトレットパイプ４の開口端補正を考慮すると、その管長Ｌ₂の略２倍となる（図２（ａ）参照）。この気柱共鳴が拡張室１１内における入射波および反射波の干渉効果により効果的に抑制されるためには、拡張室１１の長さＬ₁が波長λ₁の１/４であればよい。すなわち、Ｌ₁：Ｌ₂≒１：２の関係とすることで、基本振動の気柱共鳴による排気音が低減される。

また、図２（ｂ）に示すように、２倍振動の気柱共鳴の波長λ₂は管長Ｌ₂の略１倍であるが、同様の干渉効果が得られるのは、拡張室１１の長さＬ₁がλ₂の１/４である。すなわち、Ｌ₁：Ｌ₂≒１：４の関係とすれば、２倍振動の気柱共鳴による排気音が低減される。同様に、図２（ｃ）および（ｄ）に示すように、３倍振動ではＬ₁がλ₃の１／４であればよいので、Ｌ₁：Ｌ₂≒１：６の関係にすれば、また４倍振動ではＬ₁がλ₄の１／４であればよいので、Ｌ₁：Ｌ₂≒１：８の関係にすれば、各倍振動に対応する気柱共鳴による排気音が低減される。

そこで本実施例では、図１（ｂ）に示すように、Ｌ₂≒２ｎＬ₁（ｎは自然数）となるように設定している。これにより、ｎ倍振動の気柱共鳴を好適に抑制して、排気音を全体として消音することができる。この場合、特に「ｎ」を１または２に設定すると、一般的に消音し難い長い波長（低周波数）の気柱共鳴に対応するため、消音上、有用となる。すなわち、アウトレットパイプ４の管長Ｌ₂を例えば１．５ｍ以上と長くした場合には、内燃機関の常用回転域で低周波数の気柱共鳴が発生し得るところ、これを効果的に抑制することができる。

このように、本実施例の排気消音装置１によれば、アウトレットパイプ４に対し拡張室１１を有効長さとしているため、アウトレットパイプ４上にさらに別のマフラ（サブマフラ）を設けなくとも、消音性を十分に高めることができる。したがって、排気消音装置１の構成にサブマフラを省略して、軽量化および低コスト化を図ることができる。この効果を自動車側からみれば、排気消音装置１の占有スペースを小さくすることができるので、自動車側の利便性を高め得る。

なお、上記実施例では、マフラ２内に設ける拡張室１１を一つとしたが、いわゆる多段膨張型としてマフラ２内を複数の隔壁により区画して、排気方向に複数の拡張室を設けるようにしてもよい。この場合、隔壁に設けられ、これを挟んで隣接する拡張室を互いに連通させる開口の開口率を大きく設定すれば、両隣の拡張室は一つの拡張室とみなすことができるため、複数の拡張室の排気方向のトータル長さＬ₁に対し、アウトレットパイプ４の管長Ｌ₂を略偶数倍（Ｌ₂≒２ｎＬ₁）とすれば、上記と同様な効果を奏することができる。

次に、本発明に係る排気消音装置１の他の複数の実施例について説明する。なお、以下の各実施例では、実施例１との相違点を中心に説明し、同一部材および対象となる長さに
ついては、同一符号を付することとする。

図３に示すように、第２実施例に係る排気消音装置１のマフラ２の内部は、セパレータ４１を介してインレットパイプ３側に配置された共鳴室４２と、アウトレットパイプ４側に配置された拡張室１１とに区画されている。拡張室１１の排気方向の長さＬ₁は、セパレータ４１からマフラ２のアウトレットパイプ４側の内壁１３までの距離に相当する。共鳴室４２は、特定周波数の振動に共鳴してその振動に起因する排気音のレベルを低減するものであり、その排気方向の長さＬ₃は、マフラ２の排気方向の全長Ｌ₀から拡張室１１の長さＬ₁を減算した長さに設定されている。そして、インレットパイプ３は、共鳴室４２を経てマフラ２側の開口端部２１が拡張室１１に連通すると共に、この開口端部２１の周壁に形成された複数のパンチ孔４４が共鳴室４２に臨み、これに連通している。

内燃機関からの排気ガスは、拡張室１１へと導入されここで膨張して、アウトレットパイプ４から大気中へと排気される。したがって、本実施例においても、第１実施例と同様に、Ｌ₂≒２ｎＬ₁と設定することで、アウトレットパイプ４で発生するｎ倍振動の気柱共鳴を好適に抑制することができる。また、共鳴室４２をマフラ２内に別途設けているため、マフラ２内で高周波音など所定の周波数の排気音を低減することができる。

図４に示すように、第３実施例に係る排気消音装置１は、マフラ２内の拡張室１１に連通するインレットパイプ３とアウトレットパイプ４とが同軸上に配置されていない。また、実施例１等に比べてこれら両パイプ３，４は、マフラ２内に深く挿入されて、互いにオーバーラップしている。アウトレットパイプ４は、全長がＬ₄に設定され、一方の開口端面３３側の開口端部３１が拡張室１１に連通している。また、アウトレットパイプ４は、この開口端部３１の内壁１３側の位置の周壁に形成した複数のバイパス孔５１（連通孔）を有している。複数のバイパス孔５１は、拡張室１１に連通している。

本実施例では、アウトレットパイプ４の外部に連通した他方の開口端部３２側の開口端面３４からこれに最も近いバイパス孔５１までの管長に対応して、アウトレットパイプ４内に気柱共鳴が発生するので、この長さ（実質気柱長さ）が上記のＬ₂（≒２ｎＬ₁）に設定されている。インレットパイプ３を介して拡張室１１で膨張した排気ガスは、アウトレットパイプ４の一方の開口端面３３からこれに流入していくと共に、一部が複数のバイパス孔５１からアウトレットパイプ４内に流入していく。すなわち、アウトレットパイプ４内に流入した排気ガスは、このバイパス孔５１の位置で合流して、大気中へと排気される。

本実施例によれば、アウトレットパイプ４の実質気柱長さと拡張室１１の長さとが、実施例１と同様にＬ₂≒２ｎＬ₁と設定されているため、拡張室１１内での干渉効果によりｎ倍振動の気柱共鳴を効果的に抑制することができる。また、上記のような拡張室１１に対するインレットパイプ３およびアウトレットパイプ４の挿入方式や、複数のバイパス孔５１を採用することにより、実施例１に比べて広い周波数域で排気音を消音することができる。

図５に示すように、第４実施例に係る排気消音装置１のマフラ２の内部は、セパレータ４１を介してインレットパイプ３側に配置された拡張室１１と、アウトレットパイプ４側に配置された共鳴室４２とに区画されている。拡張室１１の排気方向の長さＬ₁は、マフラ２のインレットパイプ３側の内壁１２からセパレータ４１までの距離に相当する。共鳴室４２の排気方向の長さＬ₃は、マフラ２の排気方向の全長Ｌ₀から拡張室１１の長さＬ₁を減算した長さに相当する。

アウトレットパイプ４は、マフラ２側の開口端面３３が拡張室１１に連通すると共に、開口端面３３のある開口端部３１の周壁に形成された複数のパンチ孔４４（連通孔）が共鳴室４２に臨み、これに連通している。そして、実施例３と同様に、アウトレットパイプ４の外部に連通した他方の開口端面３４からこれに最も近いパンチ孔４４までの長さに対応して、アウトレットパイプ４内に気柱共鳴が発生するので、この長さ（実質気柱長さ）が２ｎＬ₁と略同じ長さのＬ₂に設定されている。

拡張室１１で膨張した排気ガスは、アウトレットパイプ４の一方の開口端面３３からこれに流入して大気中へと排気されると共に、アウトレットパイプ４内に流入した一部が複数のパンチ孔４４を介して共鳴室４２に流入し、ここで排気音の共鳴作用が起きる。

したがって、本実施例においても、第３実施例と同様に、Ｌ₂≒２ｎＬ₁と設定することで、ｎ倍振動の気柱共鳴を好適に抑制することができる。また、第２実施例と同様に、共鳴室４２をマフラ２内に別途設けているため、マフラ２内で高周波音など所定の周波数の排気音を低減することができる。

本発明の実施例１に係る排気消音装置を模式的に示す概略図である。 アウトレットパイプ内に発生する気柱共鳴について説明する説明図である。 本発明の実施例２に係る排気消音装置を模式的に示す概略図である。 本発明の実施例３に係る排気消音装置を模式的に示す概略図である。 本発明の実施例４に係る排気消音装置を模式的に示す概略図である。

符号の説明

１…排気消音装置、２…マフラ、３…インレットパイプ、４…アウトレットパイプ、１１…拡張室、３１、３２…開口端部、３３、３４…開口端面、４４…パンチ孔（連通孔）、５１…バイパス孔（連通孔）

Claims (6)

1. 排気方向の長さがＬからなる拡張室を有するマフラと、
   一方の開口端面が前記拡張室に連通するアウトレットパイプと、を備え、
   前記アウトレットパイプは、前記一方の開口端面側の端部の周壁に、前記マフラ内に連通する連通孔が形成されていると共に、当該連通孔から他方の開口端面までの長さが略２ｎＬ（ｎは自然数）からなる排気消音装置。
2. 前記マフラは、前記拡張室に隣接する共鳴室を更に有する請求項１に記載の排気消音装置。
3. 前記連通孔は、前記共鳴室に連通する請求項２に記載の排気消音装置。
4. 前記連通孔は、前記拡張室に連通する請求項１に記載の排気消音装置。
5. 前記連通孔は、複数が前記一方の開口端面側の端部の周壁に形成されており、
   前記略２ｎＬは、前記複数の連通孔のうち前記他方の開口端面に最も近い連通孔から前記他方の開口端面までの長さである、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の排気消音装置。
6. 前記ｎは１または２である請求項１ないし５のいずれか一項に記載の排気消音装置。

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