JP2018141431A - 排気管サブマフラー用減音構造体および排気管サブマフラー - Google Patents

Abstract

【課題】耐熱性、断熱性を有し、厚さが薄くても１ｋＨｚ以下の低周波域に対し高い減音性能を発揮し得る排気管サブマフラー用減音構造体を提供する。【解決手段】内管および外管の同軸二重円筒構造を有する排気管サブマフラーの前記内管および外管間に配置される減音構造体であって、配置時に前記内管側から外管側に向かって、第一の無機繊維製弾性多孔質体、無機繊維製クロスからなる中間層および第二の無機繊維製弾性多孔質体が、この順番で積層されてなることを特徴とする排気管サブマフラー用減音構造体である。【選択図】なし

Description

本発明は、排気管サブマフラー用減音構造体および排気管サブマフラーに関し、好ましくは自動車排気管サブマフラーの低周波音を高度に減音する構造体および自動車排気管サブマフラーに関する。

近年、自動車騒音に関する基準調和について、国連の欧州経済委員会（ＥＣＥ）の自動車基準調和世界フォーラムにおいて検討され、車両構造に関する規則の制定、改訂が行われている。
従来より、自動車メーカー各社は様々な防音仕様について開発を進めており、自動車エンジン用防音カバーとしても種々のものが提案されている（例えば、特許文献１（特開２００２−１８０８４５号公報）参照）が、自動車の車外騒音については上記ＥＣＥの規則５１（ＥＣＥ Ｒ５１）に規制値が定められ、同規制値を定めたRegulatioｎ EU No.540/2014によれば、２０１６年７月迄に７２ｄＢ（フェーズ１）、２０２０年７月迄に７０ｄＢ（フェーズ２）、２０２４年７月迄に６８ｄＢ（フェーズ３）と段階を追って厳しくなる基準が施行され、車外騒音の規制レベルを最終的には２０１６年７月までの基準に対して４ｄＢ、音圧エネルギーとして約１／２．５に低減するという大変厳しい要求がなされている。

ところで、上記自動車の騒音は、エンジン、モーター、トランスミッション等駆動系エンジンルームから発生する騒音のみならず、排気音、風切音、タイヤロードノイズ等が合算したものであるため、各々について騒音低減対策が求められ、エンジン燃焼ガス排気音への対策は特に比重が高い。

自動車エンジンから排出される燃焼ガス（排気ガス）は、エンジンに対して順次接続された、エキゾーストマニフォールド、エキマニ直下型触媒コンバータ、フロントパイプ、床下触媒コンバータ、サブマフラー（センターマフラー）、メインマフラー等を経て外部に放出される（例えば、特許文献１（特開平１１−８１９７６号公報）参照）。

特開平１１−８１９７６号公報

ＥＣＥ Ｒ５１で適用される新騒音試験規格においては、従来の測定方法と比較して、加速騒音の比重が高められ、このため排気音低減対策においては低周波数域騒音、特に１ｋＨｚ以下の騒音対策が重要になる。

従来より、排気管マフラーへの騒音低減対策としては、吸音材を用いた減音構造体が検討されているが、吸音材設置の抵抗による背圧増加が問題となると共に、車両床下側の限られたスペースでの対策となるため吸音材の厚さには限界があり、このために、従来から提案されている技術では１ｋＨｚ以下の低周波数域騒音への対策は必ずしも十分なものとはなり得なかった。

排気管マフラー、特に車両床下面のフロントタイヤ／リアタイヤ間に設置されるサブマフラー（センターマフラー）は、スペース等の制約が厳しく、一例として、排気パイプ(内管)に複数の貫通孔を設け、その外周へ吸音材を配置し、さらにその外側を鋼管で覆い排気ガス及び騒音の流出を防止した２重管構造のサブマフラーが考えられるが、スペースの制約から吸音材部分の厚さは最大２０ｍｍ程度が限界となるため、１ｋＨｚ以下の低周波数域騒音の排気音(騒音)を充分な低減することは困難であった。

このように、従来提案されてきた減音構造体では、益々厳しくなる規制水準に対し必ずしも十分な騒音抑制効果は得られ難い。
このような状況下、本発明は、上記自動車排気管に使用される二重管構造のサブマフラーにおいて、耐熱性、断熱性を有し、厚さが薄くても１ｋＨｚ以下の低周波域に対し高い減音性能を発揮し得る排気管サブマフラー用減音構造体および排気管サブマフラーを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために本発明者等が鋭意検討を行った結果、内管および外管の同軸二重円筒構造を有する排気管サブマフラーの前記内管および外管間に配置される減音構造体であって、配置時に前記内管側から外管側に向かって、第一の無機繊維製弾性多孔質体、無機繊維製クロスからなる中間層および第二の無機繊維製弾性多孔質体が、この順番で積層されてなる排気管サブマフラー用減音構造体により、上記技術課題を解決し得ることを見出し、本知見に基づいて本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、
（１）内管および外管の同軸二重円筒構造を有する排気管サブマフラーの前記内管および外管間に配置される減音構造体であって、
配置時に前記内管側から外管側に向かって、第一の無機繊維製弾性多孔質体、無機繊維製クロスからなる中間層および第二の無機繊維製弾性多孔質体が、この順番で積層されてなること
を特徴とする排気管サブマフラー用減音構造体、
（２）内管および外管の同軸二重円筒構造を有する排気管サブマフラーの前記内管および外管間に配置される減音構造体であって、
配置時に前記内管側から外管側に向かって、無機繊維製クロスからなる表皮材、第一の無機繊維製弾性多孔質体、無機繊維製クロスからなる中間層および第二の無機繊維製弾性多孔質体が、この順番で積層されてなる
上記（１）に記載の排気管サブマフラー用減音構造体、
（３）厚さ１０〜３０ｍｍである上記（１）または（２）に記載の排気管サブマフラー用減音構造体、
（４）内管および外管の同軸二重円筒構造を有する排気管サブマフラーであって、
前記内管および外管間に、前記内管側から外管側に向かって、第一の無機繊維製弾性多孔質体、無機繊維製クロスからなる中間層および第二の無機繊維製弾性多孔質体が、この順番で積層されてなる減音構造体を有する
ことを特徴とする排気管サブマフラー、
（５）内管および外管の同軸二重円筒構造を有する排気管サブマフラーであって、
前記内管および外管間に、前記内管側から外管側に向かって、無機繊維製クロスからなる表皮材、第一の無機繊維製弾性多孔質体、無機繊維製クロスからなる中間層および第二の無機繊維製弾性多孔質体が、この順番で積層されてなる減音構造体を有する
上記（４）に記載の排気管用サブマフラー、
を提供するものである。

本発明によれば、耐熱性、断熱性を有し、厚さが薄くても１ｋＨｚ以下の低周波域に対し高い減音性能を発揮し得る排気管サブマフラー用減音構造体および排気管サブマフラーを提供することができる。

本発明の実施例および比較例における吸音特性を示す図である。

本発明に係る排気管サブマフラー用減音構造体は、内管および外管の同軸二重円筒構造を有する排気管サブマフラーの前記内管および外管間に配置される減音構造体であって、配置時に前記内管側から外管側に向かって、第一の無機繊維製弾性多孔質体、無機繊維製クロスからなる中間層および第二の無機繊維製弾性多孔質体が、この順番で積層されてなることを特徴とするものである。

また、本発明に係る排気管サブマフラーは、内管および外管の同軸二重円筒構造を有する排気管サブマフラーであって、
前記内管および外管間に、前記内管側から外管側に向かって、第一の無機繊維製弾性多孔質体、無機繊維製クロスからなる中間層および第二の無機繊維製弾性多孔質体が、この順番で積層されてなる減音構造体を有する
ことを特徴とするものである。

本発明に係る排気管サブマフラー用減音構造体は、本発明に係る排気管サブマフラーに使用されるものであることから、以下、両発明についてまとめて説明するものとする。

本発明において、排気管サブマフラーは、内管および外管の同軸二重円筒構造を有している。
内管（排気パイプ)は外周面に複数の貫通孔を設けられているものが好ましい。
内管と外管は、同軸二重円筒構造を有していれば、その断面は各々円形であってもよいし、楕円形であってもよい。
内管および外管は、その材質が金属製のものであれば特に制限されないが、鋼管であることが好適である。

第一の無機繊維製弾性多孔質体を構成する無機繊維としては、ガラス繊維、シリカ繊維、ロックウール、シリカアルミナセラミックファイバー、アルミナ繊維、ムライト繊維等の無機短繊維等から選ばれる一種以上が好ましい。
上記無機繊維は、平均繊維径が、５〜２０μｍであるものが好ましく、５〜１５μｍであるものがより好ましく、７〜１０μｍであるものがより好ましい。
第一の無機繊維製弾性多孔質体としては、上記無機繊維から選ばれる一種以上をニードルパンチ等の手段で一体化したフェルトを挙げることができる。
第一の無機繊維製弾性多孔質体は、厚さが、５〜１５ｍｍであるものが好ましく、６〜１２ｍｍであるものがより好ましく、８〜１０ｍｍであるものがさらに好ましい。
また、第一の無機多孔質弾性多孔質体は、密度が、５０〜３００ｋｇ／ｍ^３であるものが好ましく、８０〜２００ｋｇ／ｍ^３であるものがより好ましく、１００〜１６０ｋｇ/ｍ^３であるものがさらに好ましい。

無機繊維製クロスからなる中間層において、無機繊維製クロスを形成する無機繊維としては、ガラス繊維、シリカ繊維、バサルト繊維、ロックウール、シリカアルミナセラミックファイバー、アルミナ繊維、ムライト繊維等から選ばれる一種以上が好ましい。
上記無機繊維は、平均繊維径が、５〜２０μｍであるものが好ましく、５〜１５μｍであるものがより好ましく、７〜１０μｍであるものがさらに好ましい。
無機繊維製クロスからなる中間層は、厚さが、０．２〜３ｍｍであることが好ましく、０．３〜２ｍｍであることがより好ましく、０．５〜１ｍｍであることがさらに好ましい。
無機繊維クロスのサイズ（無機繊維クロス主表面における縦方向および横方向の長さ）は、得ようとする中間層のサイズに応じて適宜選択することができる。このため、本出願書類において、無機繊維クロスは布状物であってもよいしテープ状物であってもよい。
無機繊維製クロスからなる中間層は、密度が、５０〜３００ｋｇ/ｍ^３であることが好ましく、８０〜２００ｋｇ/ｍ^３であることがより好ましく、１００〜１６０ｋｇ/ｍ^３であることがさらに好ましい。
無機繊維製クロスからなる中間層は、流れ抵抗が、０．５×１０^５〜１．０×１０^６Ｎ・ｓ/ｍ^３であるものが好ましく、１．０×１０^５〜５．０×１０^５Ｎ・ｓ/ｍ^３、であるものがより好ましく、１．５×１０^５〜３．０×１０^５Ｎ・ｓ/ｍ^３であるものがさらに好ましい。
本出願書類において、流れ抵抗は、主表面に対して垂直方向に０．５ｍｍ／ｓで空気を通過させたときにおける入口側および出口側における気圧を各々流れ抵抗測定器(日本音響（株）製)で測定したときにおける両者の差（差圧）を意味する。

第二の無機繊維製弾性多孔質体を構成する無機繊維としては、ガラス繊維、シリカ繊維、ロックウール、シリカアルミナセラミックファイバー、アルミナ繊維、ムライト繊維等の無機短繊維等から選ばれる一種以上が好ましい。
上記無機繊維は、平均繊維径が、０．１〜６．０μｍであるものが好ましく、１．０〜５μｍであるものがより好ましく、３．５〜５．０μｍであるものがより好ましい。
特に、第二の無機繊維製弾性多孔質体が、極細繊維製フェルト等のより細く本数の多い極細繊維によって構成されている場合、多孔質体中の気孔部分をより細かく分割することから、第一の無機繊維質弾性多孔質体の１/４以下程度の質量であっても、同等乃至より高い吸音性能及び断熱性能を発揮することができる。
第二の無機繊維製弾性多孔質体としては、上記無機繊維から選ばれる一種以上をニードルパンチ等の手段で一体化したフェルトを挙げることができる。
第二の無機繊維製弾性多孔質体は、密度が、１０〜５０ｋｇ/ｍ^３であるものが好ましく、１５〜５０ｋｇ/ｍ^３であるものがより好ましく、２０〜３５ｋｇ/ｍ^３であるものがさらに好ましい。
第二の無機繊維製弾性多孔質は、厚さが、５〜１５ｍｍであることが好ましく、６〜１２ｍｍであることがより好ましく、８〜１０ｍｍであることがさらに好ましい。

本発明に係る排気管サブマフラー用減音構造体としては、例えば、内管側に特定の無機繊維フェルトからなる第一の無機繊維製弾性多孔質体を配置し、その外側に特定の密度等を有する無機繊維製クロスからなる中間層を配置して断熱し、さらにその外側に（断熱された領域に）例えば極細繊維化とすることで若干耐熱性が影響を受けると思われる極細繊維フェルトを配することで、耐久性に影響を与えずに軽量化と高断熱性能を併せて達成することができる。

本発明において、排気管サブマフラー用減温構造体は、内管および外管の同軸二重円筒構造を有する排気管サブマフラーの前記内管および外管間に配置される減音構造体であって、配置時に前記内管側から外管側に向かって、無機繊維製クロスからなる表皮材、第一の無機繊維製弾性多孔質体、無機繊維製クロスからなる中間層および第二の無機繊維製弾性多孔質体が、この順番で積層されてなるものであってもよい。

上記無機繊維製クロスからなる表皮材としては、上述した中間層を構成する無機繊維製クロスと同様のものを挙げることができる。

排気管サブマフラー用減音構造体は、その厚さが、１０〜３０ｍｍであるものが好ましく、１０〜２５ｍｍであるものがより好ましく、１５〜２０ｍｍであるものがさらに好ましい。
本発明によれば、厚さが薄くても十分な減音性を有する排気管サブマフラー用減音構造体を提供することができる。

本発明によれば、１ｋＨｚ以下の低周波数域、特に５００〜１ｋＨｚの周波数域において高い減音性能を発揮することができる。

一般に、多孔質吸音材からなる吸音機構は、多孔質材の気孔中を音波が粗密波として伝搬する際の空気粘性抵抗(気孔セル壁との摩擦等による熱エネルギーへの変換による減衰)が原理とされているが、２０℃における周波数８００Ｈｚ騒音の波長は音速を３４０ｍ／ｓとすると４２５ｍｍとなり、音波の伝搬を山／谷で表した時の節となる１／４波長は約１０６ｍｍと計算される。
これより２重管構造のサブマフラーの内管/外管間に挿入して使用する多孔質吸音構造の厚さが、スペースの制約上、例えば２０ｍｍ程度しか取れない場合には、吸音材の性能を多少向上させても大きな効果が得られないことが判る。

吸音材の吸音機構には、上記空気粘性抵抗の他に、Ｈｅｌｍｈｏｌｚに代表される振動系の共鳴減衰を原理とするものがある。
これは吸音構造の中に質量(面密度)を集中させた剛体部分と比較的柔軟なバネ部分を直列させ、吸音材に入射した音波(騒音)のエネルギーで吸音材(バネ-マス構造)を振動させ、その機械的エネルギー損失により高い減音効果を得る手法である。

本発明においては、内管側に配置された第一の無機繊維製弾性多孔質体が質量(マス)として作用し、その外側に吸音構造体の流れ抵抗を調整する目的で無機繊維製クロスからなる中間層を境界層として配置し、さらにその外側に軽量且つ柔軟な第二の無機繊維製弾性多孔質体を設けることで、外管に支持されたバネーマス系を形成させ、特に１ｋＨｚ以下の低周波数域に高い減音性能を発揮し得ると考えられる。

Ｈｅｌｍｈｏｌｚに代表される振動系の共振周波数は下記(式１)で表され、共振周波数における吸音(減衰)効果が最も高い性能を示す。

本発明において、排気管サブマフラー用減音構造体は、内管および外管の同軸二重円筒構造を有する排気管サブマフラーの内管および外管間に挿入等して配置され、内管側（質量Ｍ）および外管側（バネＬ)の弾性多孔質体の比率を変化させることで共振周波数を自由に調整でき、且つ、第二の無機繊維製弾性多孔質体は第一の弾性多孔質体と同等以上の吸音性能を発揮し得るため、構造全体の吸音性能の絶対値を落とすことなく、共振周波数を低周波数域側に調節することができ、従来品と同じ厚さでも１ｋＨｚ以下の低周波域に対し、高い減音性能を発揮することができる。

本発明によれば、耐熱性、断熱性を有し、厚さが薄くても１ｋＨｚ以下の低周波域に対し高い減音性能を発揮し得る排気管サブマフラー用減音構造体および排気管サブマフラーを提供することができる。

次に、実施例を挙げて、本発明を更に具体的に説明するが、これは単に例示であって、本発明を制限するものではない。

（実施例１）
配置時に前記内管側からおよび外管側間に配置される排気管サブマフラー用減音構造体として、配置時に内管側から外管側に向かって、無機繊維製クロスからなる表皮材である、シリカクロス（ニチアス（株）製シルテックスクロス７００、繊維径７μｍ、目付量５９３ｇ／ｍ^２、厚さ０．６ｍｍ、流れ抵抗２．０３×１０^５Ｎ・ｓ／ｍ）、第一の無機繊維製弾性多孔質体である、シリカマット（ニチアス（株）製シリカマット１００、密度１１０ｋｇ／ｍ^３、厚さ１０ｍｍ、流れ抵抗０．７４×１０^５Ｎ・ｓ／ｍ）、無機繊維製クロスからなる中間層である、シリカクロス（ニチアス（株）製シルテックスクロス７００、繊維径７μｍ、目付量５９３ｇ／ｍ^２、厚さ０．６ｍｍ、流れ抵抗２．０３×１０^５Ｎ・ｓ/ｍ）、第二の無機繊維製弾性多孔質体である、ガラス繊維フェルト（日本無機（株）製フィラトミクタ３０ＭＹ(ガラス繊維の繊維径３．５μｍ、密度３０ｋｇ／ｍ^３、厚さ９ｍｍ、流れ抵抗０．９９×１０^５Ｎ・ｓ／ｍ）を順次積層してなる減音構造体（厚さ２０ｍｍ、目付２５５６ｇ／ｍ^２）を作製した。

（比較例１）
配置時に前記内管側からおよび外管側間に配置される排気管サブマフラー用減音構造体として、配置時に内管側から外管側に向かって、シリカクロス（ニチアス（株）製シルテックスクロス１０００、目付量６９１ｇ／ｍ^２、厚さ０．８ｍｍ、流れ抵抗２．２４×１０^６Ｎ・ｓ／ｍ）、シリカマット（ニチアス（株）製シリカマット１００、密度１１０ｋｇ／ｍ^３、厚さ１０ｍｍ、流れ抵抗０．７４×１０^５Ｎ・ｓ／ｍ）およびシリカマット（ニチアス（株）製シリカマット１００、密度１１０ｋｇ／ｍ^３、厚さ１０ｍｍ、流れ抵抗０．７４×１０^５Ｎ・ｓ／ｍ）を順次積層してなる減音構造体（厚さ２０ｍｍ、目付２８９１ｇ／ｍ^２）を作製した。

（透過損失（減音量）測定）
外周に直径３ｍｍの開孔が５ｍｍピッチで設けられた内管と、（外周に開孔を有さない）外管の同軸二重円筒構造を有し、上記内管および外管間の距離が２０ｍｍである排気管用サブマフラーにおいて、内管および外管間に、各々実施例１で作製した減音構造体および比較例１で作製した減音構造体を配置した。
この二重管構造のサブマフラーの前後に２０ｍｍ間隔で１/４インチコンデンサーマイク各２本を設置したパイプを接続し、前方に接続したスピーカーよりランダムノイズ(ホワイトノイズ)を入射させ、後方のパイプ端から放射させる自動車排気管におけるサブマフラー部分を再現した系を組み立て、２重管構造のサブマフラーの前後のマイク各２本、合計４本間の伝達関数を計測し、４端子法(伝達マトリクス法)により２重管構造のサブマフラーの減音性能を各周波数毎に計算した。結果を図１に示す。

図１より、実施例１で得られた排気管サブマフラー用減音構造体は、全周波数領域において透過損失（減音量）が大きく、１ｋＨｚ以下の特に８００Ｈｚ前後で高い減音効果を発揮し得ることが分かる。

一方、比較例１で得られた排気管用サブマフラー用減音構造体は、十分な減音効果を発揮し得ないことが分かる。

本発明によれば、耐熱性、断熱性を有し、厚さが薄くても１ｋＨｚ以下の低周波域に対し高い減音性能を発揮し得る排気管サブマフラー用減音構造体および排気管サブマフラーを提供することができる。

Claims (5)

1. 内管および外管の同軸二重円筒構造を有する排気管サブマフラーの前記内管および外管間に配置される減音構造体であって、
   配置時に前記内管側から外管側に向かって、第一の無機繊維製弾性多孔質体、無機繊維製クロスからなる中間層および第二の無機繊維製弾性多孔質体が、この順番で積層されてなること
   を特徴とする排気管サブマフラー用減音構造体。
2. 内管および外管の同軸二重円筒構造を有する排気管サブマフラーの前記内管および外管間に配置される減音構造体であって、
   配置時に前記内管側から外管側に向かって、無機繊維製クロスからなる表皮材、第一の無機繊維製弾性多孔質体、無機繊維製クロスからなる中間層および第二の無機繊維製弾性多孔質体が、この順番で積層されてなる
   請求項１に記載の排気管サブマフラー用減音構造体。
3. 厚さ１０〜３０ｍｍである請求項１または請求項２に記載の排気管サブマフラー用減音構造体。
4. 内管および外管の同軸二重円筒構造を有する排気管サブマフラーであって、
   前記内管および外管間に、前記内管側から外管側に向かって、第一の無機繊維製弾性多孔質体、無機繊維製クロスからなる中間層および第二の無機繊維製弾性多孔質体が、この順番で積層されてなる減音構造体を有する
   ことを特徴とする排気管サブマフラー。
5. 内管および外管の同軸二重円筒構造を有する排気管サブマフラーであって、
   前記内管および外管間に、前記内管側から外管側に向かって、無機繊維製クロスからなる表皮材、第一の無機繊維製弾性多孔質体、無機繊維製クロスからなる中間層および第二の無機繊維製弾性多孔質体が、この順番で積層されてなる減音構造体を有する
   請求項４に記載の排気管サブマフラー。