JP4589189B2 - アクティブ型排気マフラー - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の、特に自動車の、排気系統のための、請求項１の前提部分の特徴を有するアクティブ型排気マフラーに係る。

そのような排気マフラーは、例えば、EP-1 055 804 B1 から知られており、配管が通るハウジングを有している。この配管は、この配管が第一のスペース内にパーフォレーションが設けられた配管部分を有すると言う事実のために、第一のスペース内の空中音に対する透過性を備えるように構成されている。それに加えて、この既知の排気マフラーは、第二のスペース内に配置されたラウドスピーカーの形で、アンチサウンド発生器を有している。排気マフラーの運転中、アンチサウンド発生器は、壁面開口を介して第三のスペースに作用するアンチサウンドを発生する。

前記壁面開口には、第二のスペースを第三のスペースから隔てる隔壁が設けられている。それに加えて、第一のスペースは、空中音の伝播のための音の出口を介して、第三のスペースにつながっている。

その他のアクティブ型排気マフラーは、EP-0,373,188 B1、US-5,233,137、US-4,177,874、US-5,229,556、US-5,336,856、US-5,319,165、US-5,432,857、EP-0,674,097 A1、US-5,619,020、US 5,600,106、EP-0,916,817、及びDE-197,51,596 の中に記載されている。

そのようなアクティブ型排気マフラーの運転中、抑制されるべき空中音が、第一のスペースの中の上記配管から発せられ、音の出口を介して、第三のスペースの中に導入される。それと同時に、アンチサウンド、即ち、吸収されるべき音の音圧レベルと逆の位相の音圧レベルを有する音、が発生され、ラウドスピーカーを用いて、第三のスペースに供給される。そして、第三のスペースの中で、音とアンチサウンドが互いに打ち消しあう。このように、現在のタイプのアクティブ型排気マフラーは特徴付けられている。

理論的には、効果的なノイズ抑制を、そのようなアクティブ型排気マフラーを用いて実現することが可能である。しかしながら、実際には、重大な問題が生ずる。その原因は、排気中で一般的な高い温度、及び、これまで入手可能であったラウドスピーカーがそのような高い運転温度では十分に長い寿命を備えていないことにある。更に、アクティブ型排気マフラーにおいて要求されるラウドスピーカーは、非常に大きなパワーを有し、排気中で一般的な極めて高い音圧レベルに適切に対応することが可能であり、要求されるノイズ抑制の効果を実現することが可能であることが要求される。しかしながら、高いパワーレベルは、ラウドスピーカーの中に大きな熱を更に発生させると言う結果を招く。
欧州特許第ＥＰ−１，０５５，８０４ Ｂ１号明細書 欧州特許第ＥＰ−０，３７３，１８８ Ｂ１号明細書 米国特許第ＵＳ−５，２３３，１３７号明細書 米国特許第ＵＳ−４，１７７，８７４号明細書 米国特許第ＵＳ−５，２２９，５５６号明細書 米国特許第ＵＳ−５，３３６，８５６号明細書 米国特許第ＵＳ−５，３１９，１６５号明細書 米国特許第ＵＳ−５，４３２，８５７号明細書 欧州特許出願公開ＥＰ−０，６７４，０９７ Ａ１号明細書 米国特許第ＵＳ−５，６１９，０２０号明細書 米国特許第ＵＳ ５，６００，１０６号明細書 欧州特許出願公開ＥＰ−０，９１６，８１７号明細書、 独国出願公開ＤＥ−１９７，５１，５９６号明細書

本発明は、請求鋼の前提部分に規定されたタイプのアクティブ型排気マフラーのための、改良された形態を提供する問題に関係している。この実施形態は、特により長い寿命及びより優れた音響学的効率によって特徴付けられる。

この問題は、この発明に基づき、独立クレームの対象により解決される。好ましい実施形態は、従属クレームの対象である。

本発明は、音を防げる、即ち、ラウドスピーカー上に直接作用することを抑制すると言う、一般的なアイデアに基づいている。これは、音の伝播のための音の出口と壁面開口の間の直接の経路を遮断し、その代わりに、少なくとも一つのバイパスを設けることにより実現される。このバイパスを通って、空中音が、音の出口から壁面開口へ間接的にのみ、伝播することができる。これは、従って、高温の排気に対しても当てはまる。

抑制されるべき音は、ラウドスピーカー上に直接的には作用しない。従って、ラウドスピーカーは、高温のガスにも曝されない。従って、それに伴い、ラウドスピーカーおよび／または使用されるアンチサウンド発生器に加えられる熱負荷が減少する。その理由は、直接的な熱負荷、例えば、音の出口から壁面開口への熱放射による熱負荷が、音の出口と壁面開口の間の直接の経路を遮断することにより、自動的に妨げられるからである。アンチサウンド発生器に加えられる熱負荷が減少することにより、アンチサウンド発生器の寿命の増大をもたらされ、従って、アクティブ型排気マフラーの寿命の増大がもたされる。

この発明において、音の出口と壁面開口の間の直接の経路を遮断することは、ラビリンスを用いて実現される。このラビリンスは、第三のスペースの中に、この目的のためにデザインされている。ここで、前記ラビリンスは、前述の直接の経路を遮断し、それとともに、少なくとも一つの非直接的なバイパスを構成する。それと同時に、前記ラビリンスは、適切なやり方で断熱性を備えるように適切にデザインされている、またそれと同時に、音響学的には透明で、壁面開口から音の出口までの経路上で音の吸収が実質的に無いようにデザインされている。従って、前記アンチサウンド発生器の音響パワーのほぼ全てが、排気を介して伝播される音を抑えるために、即ち、消音のために、使用可能である。

上記のラビリンスには、好ましくは、少なくとも一つの断熱壁が設けられる。この断熱壁は、前記壁面開口とともに、前記音の出口を完全に覆い隠し、少なくとも一つの縁端領域上で、前記音の出口に面している断熱壁の第一の側と、前記壁面開口に面している断熱壁の第二の側の間の、空中音の伝播を可能にする。

換言すれば、空中音は、前記断熱壁の回りのそれぞれのバイパスに沿ってガイドされる。かくして、運転中、前記断熱壁を、前記音の出口から放出される熱に対して、断熱することができる。それにより、前記断熱壁の先にある前記壁面開口及び前記アンチサウンド発生器が、直接的に熱に曝されることが防止される。

特に好ましい実施形態によれば、少なくとも一つの追加的なスペース、即ちヘルムホルツ・リゾネーターとして構成された第四のスペースが前記ハウジングの中に設けられ、前記配管系統は、このスペースに、前記第一のスペースから上流側で接続される。吸音材製のハウジングの中にヘルムホルツ・リゾネーターを組み込むことによって、特にコンパクトなデザインとなる。

前記第一のスペースから上流側にヘルムホルツ・リゾネーターを配置することによって、前記吸音材に供給される音の音圧レベルが、ヘルムホルツ・リゾネーターの共鳴周波数の範囲内で、大幅に抑えられ、それによって、この共鳴周波数の範囲内で、アンチサウンド発生器の大きな音響学的負荷が抑えられる。このことはまた、アンチサウンド発生器の寿命の増大をもたらし、それにより、吸音材の寿命の増大をもたらす。

この発明の他の重要な特徴及び優位性は、従属請求項から、図面から、及び図面に基づく形態のそれぞれの説明から、導き出される。

自明なことではあるが、以下において更に詳細に説明されることになる上述の形態は、ここに示された特定の組み合わせのみではなく、他の組み合わせでもあるいは単独でも、本発明の技術的範囲を逸脱することなく、使用することができる。

本発明の実施形態の好ましい例について、以下において、図面により例示するとともに、詳細に説明する。

図１は、唯一の図であるが、この発明に基づくアクティブ型排気マフラーの長手方向の断面を、大幅に単純化して概略的に示したものである。

図１に示すように、アクティブ型排気マフラー１は、ハウジング２を有し、このハウジングを用いて、排気マフラー１を、内燃機関の排気ガス系統３（ここでは、部分的しか示されていない）組み込むことができる。この内燃機関の他の部分は示されておらず、この内燃機関は、特に自動車に搭載される。インテイク配管４は、取り付けられた状態において、内燃機関からハウジング２の排気ガスの入口５へ、通じている。従って、出口配管６は、ハウジング２の排気出口７から、当該内燃機関の周囲の環境の中へ通じている。

排気ガスの入口５は、言及するほどの流れの抵抗無しで、ハウジング２の中を通る配管系統８を介して、排気出口７につながる。ここに示されていない好ましい実施形態において、配管系統８は、単一の配管で構成され、この単一の配管は、排気ガスの入口５を排気出口７に直接つなげ、特に直線でつなげる。

第一のスペース９は、ハウジング２の中に形成され、その中を、上記配管、および／または、配管系統８が、通っている。第一のスペース９の中で、配管系統８は、空中音に対して透過性を備えるようにデザインされている。このことは、第一のスペース９の中を通過する配管系統８の配管部分１１の対応するパーフォレーション（管の壁面にあけられた多数の孔）１０によって、適切に実現される。
それに加えて、ハウジング２は、第二のスペース１２を有し、その中に、アンチサウンド発生器１３が設けられている。このアンチサウンド発生器１３は、気密性を有するメンブレン（隔膜）１４及びエナジャイザー即ちモータ１５を有している。モータ１５は、メンブレン１４を振動させ、アンチサウンドを発生させることができる。このアンチサウンド発生器１３は、通常、ラウドスピーカーとしてデザインされる。隔壁１６は、第二のスペース１２を第三のスペース１７から分離し、壁面開口１８を有している。この壁面開口を通って、アンチサウンド発生器１３が、アンチサウンドを第三のスペース１７の中へ発射することができる。アンチサウンド発生器１３は、第二のスペース１２の中に適切に配置され、それによって、それが壁面開口１８を気密性を有して密閉するように構成されている。

第三のスペース１７はまた、上記隔壁１６の反対側で、境界壁１９によって境界が定められている。この境界壁１９は、好ましくは、隔壁１６に対して平行に伸びている。この境界壁１９の中に設けられた音の出口２０は、空中音に対して透過性を備えるようにデザインされ、空中音の伝播のために、第一のスペース９を第三のスペース１７につなげる。例えば、空中音出口２０を、境界壁１９パーフォレーションが設けられた部分で形成することが可能であり、あるいは、振動可能なメンブレンで形成することも可能である。

この発明によれば、ラビリンス２１が、第三のスペース１７の中に設けられる。このラビリンス２１は、空中音の伝播のための、音の出口２０と壁面開口１８の間の直接の経路２２をブロックするように構成される。前記直接の経路は、破線によって示されている。それと同時に、ラビリンス２１は、少なくとも一つのバイパスを、即ち、このケースでは、二つのバイパス２３を構成する。これらのバイパスは、音の出口２０と壁面開口１８の間の、空中音の間接的な伝播を可能にする。

直接の経路２２が遮断され、それと同時にバイパス２３が作られている言う事実のために、アンチサウンド発生器１３に加えられる熱負荷が大幅に減少する。その理由は、熱負荷が最早、直接の経路２２に依存しないからである。ラビリンス２１は、少なくとも直接の経路２２の領域において、断熱材として適切にデザインされている。

ここに示した好ましい実施形態において、ラビリンス２１は、少なくとも一つの断熱壁２４を有している。この断熱壁は、第三のスペース１７の中に配置され、且つ、壁面開口１８に加えて音の出口２０をも完全に覆うように、その寸法が設定されている。ここで、この断熱壁２４は、音の出口２０に面する第一の側２５、及び、壁面開口１８に面する第二の側２６を有している。

第三のスペース１７の中での断熱壁２４の配置及び寸法は、空中音の伝播が、第一の側２５と第二の側２６の間において、少なくとも断熱壁２４の縁端領域２７の中で、生ずるように設定される。換言すれば、それぞれのバイパス２３は、断熱壁２４のそれぞれの縁端領域２７を通って、即ち、断熱壁２４の回りのそれぞれの縁端領域２７を通って、通じている。

断熱壁２４は、バイパス２３を実現するために、そのそれぞれの縁端領域２７を、外部壁面２８から距離を開けた位置に有するように設けることができる。

更に、図１の中には、代案の実施形態が示されている。この実施形態では、断熱壁２４が、空中音に対する透過性を備えるように、縁端領域２７の中にデザインされ、このことは、例えば、対応するパーフォレーション２９を用いて実現することができる。

断熱壁２４は、少なくとも部分的に断熱性を有するように、適切にデザインされる。断熱壁は、好ましくは、このケースのように、中空壁としてデザインされ、従って、その内側に中空スペース３０を備えていても良い。この中空スペース３０には、ロックウールやグラスウールのような断熱材料が、適切に充填される。また、断熱壁２４自体を断熱材料で、適切に作ることもできる。断熱壁２４は、好ましくは、第三のスペース１７の中に配置され、それによって、隔壁１６に対して平行に、且つ、境界壁１９に対して平行に伸びるように構成される。断熱壁２４はまた、このケースのように、第三のスペース１７の中に対称に配置することができる。

ここに示された実施形態のそのほかの特徴は、壁面開口１８が、音の出口２０に関して、中心軸を外して配置されていることである。換言すれば、壁面開口１８と音の出口２０は、互いの位置が揃わないように、且つ、位置的な重なり合いがほとんどあるいは全くないように、配置される。この中心軸の外れのために、隔壁１６に加えられる熱負荷もまた、アンチサウンド発生器１３に対して、その中心軸が外れる。

ここに示された実施形態において、アンチサウンド発生器１３は、隔壁１６に、それ以外の場所では第二のスペース１２の境界をなす壁面３１から距離を開けるように、取り付けられる。換言すれば、このアンチサウンド発生器１３は、完全にハウジング２の内側に配置され、しかも、ハウジング２に熱的には直接接続されず、その代わりに隔壁１６を介して間接的に接続されるのみである。第二のスペース１２は、外部に対してガスタイトなシールを有するように、適切に構成される。

他の実施形態によれば、もう一つのスペース３２を、ハウジング２の中に設けることができる。このスペースはまた、以下において、第四のスペース３２と呼ばれる。この第四のスペース３２は、ヘルムホルツ・リゾネーターとしてデザインされていて、これに、配管系統８が、即ち、第一のスペース９から上流側で、接続されている。第四のスペース３２への配管系統８の接続は、ここでは、ネック部３３を介して行われる。配管部分３４を用いて、配管系統８は、第四のスペース３２の中を適切に通過する。この第四のスペース３２はまた、外部に対して気密性を有するようにデザインされている。

第一のスペース９から上流側でのノイズ抑制によって、臨海的な振動領域において音圧レベルの強度が下げられ、それによって、下流側のアンチサウンド発生器１３に加えられる負荷が、大幅に減少する。第四のスペース３２内のこのヘルムホルツ・リゾネーターは、下記の式が成立するように、適切に調整される：
ｆ_ｒｅｓ＝Ｃ_Ｔ，Ｐ／４Ｌ_ＺＲ
ここで、
ｆ_ｒｅｓ＝ヘルムホルツ・リゾネーターの共鳴周波数
Ｃ_Ｔ，Ｐ＝音の発生器１から上流側のインテイク配管４内の音の速度
Ｌ_ＺＲ ＝排気マフラー１から、内燃機関の方向で上流側に位置している次の排気マフラーまでの、または、例えば中央排気マフラーのような次の一般的な容積要素までの入り口の配管４の音響学的有効長さ。

ここに示された実施形態において、ハウジング２の中に設けられるもう一つのスペース３５は、以下において、第五のスペース３５と呼ばれる。この第五のスペース３５は、吸音室として、適切にデザインされ、これに、第一のスペース９から下流側で配管系統８が接続される。配管部分３６を用いて、配管系統８は、第五のスペース３５の中を適切に通過する。この配管系統８を吸音室に音響学的につなげるため、配管部分３６は、空中音に対して透過性を備えるようにデザインされている。このことは、パーフォレーション３７を用いて、適切に実現される。第五のスペース３５には、好ましくは、吸音材、好ましくはロックウールまたはグラスウールが充填される。更に、この第五のスペースは、外部に対して気密性を有するようにデザインすることができる。

音響学的な理由で、出口配管６は、１００ｍｍから１０００ｍｍの間の、好ましくは、２００ｍｍから５００ｍｍの間の長さを備える。この長さは、第一のスペース９内の音を、上記配管の端での反射によって減少させるようにコントロールされたやり方で、選択される。換言すれば、出口配管６は、λ／４の配管として、適切にデザインされる。この値は、特に、残留周波数と干渉するように調整される。この残留周波数は、アンチサウンド発生器１３による有効な消音にも拘わらず、第一のスペース９の中に発生する。

本発明のアクティブ型排気マフラー１は、ヘルムホルツ・リゾネーター（第四のスペース３２）および／または吸音室（第五のスペース３５）を組み込んだことによって、極めてコンパクトである。

この発明に基づくアクティブ型排気マフラーの長手方向の断面を、大幅に単純化して概略的に示した図。

符号の説明

１・・・アクティブ型排気マフラー、２・・・ハウジング、３・・・排気ガス系統、４・・・インテイク配管、５・・・排気ガスの入口、６・・・出口配管、７・・・排気出口、８・・・配管系統、９・・・第一のスペース、１０・・・パーフォレーション、１１・・・配管部分、１２・・・第二のスペース、１３・・・アンチサウンド発生器、１４・・・メンブレン、１５・・・モータ、１６・・・隔壁、１７・・・第三のスペース、１８・・・壁面開口、１９・・・境界壁、２０・・・音の出口、２１・・・ラビリンス、２２・・直接の経路、２３・・・バイパス、２４・・・断熱壁、２５・・・第一の側、２６・・・第二の側、２７・・・縁端領域、２８・・・外部壁面、２９・・・パーフォレーション、３０・・・中空スペース、３１・・・壁面、３２・・・第四のスペース、３３・・・ネック部、３４・・・配管部分、３５・・・第五のスペース、３６・・・配管部分、３７・・・パーフォレーション。

Claims (16)

1. 内燃機関のためのアクティブ型排気マフラーであって、
   − ハウジング（２）を有し、このハウジングの中を配管系統（８）が通り、この配管系統（８）は、第一のスペース（９）内の空中音に対して透過性を備えるようにデザインされ、
   − アンチサウンド発生器（１３）を有し、このアンチサウンド発生器は、第二のスペース（１２）の中に配置され、運転中に、壁面開口（１８）を介して、第三のスペース（１７）にアンチサウンド作用を及ぼし、
   − 前記壁面開口（１８）は、第二のスペース（１２）を第三のスペース（１７）から隔てる隔壁（１６）の中に設けられており、
   − 前記第一のスペース（９）は、音の出口（２０）を介して前記第三のスペース（１７）につながり、それにより、空中音を伝播し、
   当該アクティブ型排気マフラーは、下記特徴を備えている：
   前記第三のスペース（１７）の中に設けられたラビリンス（２１）が、空中音の伝播のための、前記音の出口（２０）と前記壁面開口（１８）の間の直接の経路（２２）を遮り、且つ、空中音の伝播のための、前記音の出口（２０）と前記壁面開口（１８）の間の少なくとも一つの非直接的なバイパス（２３）を構成する。
2. 下記特徴を備えた請求項１に記載の排気マフラー：
   前記ラビリンス（２１）は、少なくとも一つの断熱壁（２４）を有し、この断熱壁は、前記音の出口（２０）及び前記壁面開口（１８）の双方を完全に覆い、且つ、前記音の出口（２０）に面する第一の側（２５）と、前記壁面開口（１８）に面する第二の側（２６）との間での、少なくとも一つの縁端領域（２７）に沿う空中音の伝播を可能にする。
3. 下記特徴を備えた請求項２に記載の排気マフラー：
   前記断熱壁（２４）は、その縁端領域（２７）で、空中音に対する透過性を備えるようにデザインされ、または、前記第三のスペース（１７）を取り囲む外部壁面（２８）から距離を開けて配置されている。
4. 下記特徴を備えた請求項２または３に記載の排気マフラー：
   − 前記断熱壁（２４）は、少なくとも部分的に、断熱性を備えるようにデザインされ、および／または、
   − 前記断熱壁（２４）は、少なくとも部分的に、中空壁としてデザインされ、および／または、
   − 前記断熱壁（２４）は、少なくとも部分的に、断熱材料が充填され、および／または、断熱材料で作られている。
5. 下記特徴を備えた請求項２から４のいずれか１項に記載の排気マフラー：
   前記断熱壁（２４）は、前記第三のスペース（１７）の境界をなし且つ前記音の出口（２０）を有する境界壁（１９）に対して平行に伸び、および／または、
   前記断熱壁（２４）は、前記隔壁（１６）に対して平行に伸びている。
6. 下記特徴を備えた請求項１から５のいずれか１項に記載の排気マフラー：
   前記ラビリンス（２１）は、前記音の出口（２０）と前記壁面開口（１８）の間で、空中音を間接的に伝播するための少なくとも二つのバイパス（２３）を形成する。
7. 下記特徴を備えた請求項１から６のいずれか１項に記載の排気マフラー：
   前記音の出口（２０）は、前記第三のスペース（１７）の境界をなし且つ前記隔壁（１６）に対して平行に伸びる境界壁（１９）の中に配置されている。
8. 下記特徴を備えた請求項７に記載の排気マフラー：
   前記壁面開口（１８）及び前記音の出口（２０）は、前記それぞれの壁（１６，１９）の中に、互いに中心軸を外して配置されている。
9. 下記特徴を備えた請求項１から８のいずれか１項に記載の排気マフラー：
   − 前記アンチサウンド発生器（１３）は、前記隔壁（１６）上に取り付けられ、且つ、他の部分では前記第二のスペース（１２）の境界をなす壁面（３１）から距離を開けて配置され、
   − 前記第二のスペース（１２）は、外部に対して気密性を有するシールを有するように構成されている。
10. 下記特徴を備えた請求項１から９のいずれか１項に記載の排気マフラー：
    もう一つのスペース即ち第四のスペース（３２）が、前記ハウジング（２）の中に設けられ、且つ、ヘルムホルツ・リゾネーターとしてデザインされ、このヘルムホルツ・リゾネーターに、前記配管系統（８）が、前記第一のスペース（９）から上流側で接続されている。
11. 下記特徴を備えた請求項１０に記載の排気マフラー：
    − 前記配管系統（８）は、前記第四のスペース（３２）を配管部分（３４）で通過し、および／または、
    − 前記第四のスペース（３２）は、気密性を有するようにデザインされている。
12. 下記特徴を備えた請求項１から１１のいずれか１項に記載の排気マフラー：
    もう一つのスペース即ち第五のスペース（３５）が、前記ハウジング（２）の中に設けられ、且つ、吸音室としてデザインされ、この吸音室に、前記配管系統（８）が、前記第一のスペース（９）から下流側で接続されている。
13. 下記特徴を備えた請求項１２に記載の排気マフラー：
    − 前記第五のスペース（３５）には、吸音材料が充填され、および／または、
    − 前記配管系統（８）は、前記第五のスペース（３５）を、空中音に対する透過性を備えた配管部分（３６）で通過し、および／または、
    − 前記第五のスペース（３５）は、外部に対して気密性を有するシールを有するようにデザインされている。
14. 下記特徴を備えた請求項１から１３のいずれか１項に記載の排気マフラー：
    − 前記第一のスペース（９）は、前記第三のスペース（１７）から壁の部分によって隔てられ、
    − 前記壁の部分は、空中音に対する透過性を備えるようにデザインされ、前記音の出口（２０）を構成する。
15. 下記特徴を備えた請求項１から１４のいずれか１項に記載の排気マフラー：
    前記配管系統（８）は、前記ハウジング（２）の排気の入口（５）を、前記ハウジング（２）の排気出口（７）に直接に接続する。
16. 下記特徴を備えた請求項１から１５のいずれか１項に記載の排気マフラー：
    − 前記配管系統（８）は、パーフォレーションが設けられた配管部分（１１）を前記第一のスペース（９）の中に有し、および／または、
    − 前記配管系統（１８）は、パーフォレーションが設けられた配管部分（３６）を第五のスペース（３５）の中に有し、および／または、
    − 前記第一のスペース（９）を前記第三のスペース（１７）から隔てる前記壁の部分は、パーフォレーションが設けられ、および／または、
    − 前記断熱壁（２４）は、少なくとも一つのパーフォレーションが設けられた部分を、その縁端領域（２７）に有し、この縁端領域は、前記第三のスペース（１７）の境界をなす前記外部壁面（２８）に接続されている。

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