JP5046171B2 - テールパイプ付き排気マフラー - Google Patents

Description

本発明は、改善されたチャンバーとマフラー端部に装着するテールパイプとを組み合わせることにより、車両の燃費効率を高めることができるテールパイプ付き排気マフラーに関するものである。

通常、４サイクルエンジンでは、シリンダー内で吸入-圧縮-爆発-排気といった一連の運動をピストンの往復運動として繰り返す。このとき、ピストンの動きと同期して開閉する吸気弁と排気弁がシリンダーに設置されている。そして、爆発を終えた高圧の排気ガスは、爆発音を伴って排気弁から排気パイプへ押し出される。このようなピストン運動が繰り返し行われると、排気パイプ内に排気ガスによる排気脈動が周期的に発生する。そして排気脈動を伴った高圧の排気ガスは、排気パイプの途中に設けられたチャンバー（消音器）内で消音されるものである。

元々、チャンバー(Expansion Chamber)とは、主に2サイクルエンジンの排気マフラーにおいて、混合気の充填効率を高める為に排気パイプに設けられた膨張室をいう。そして排気ガスがこのチャンバーに達すると、排気ガスがチャンバー内で勢いよく膨張する。この膨張時に生じる衝撃波がチャンバー内で反射し、排気パイプに引き込まれた混合気をシリンダーに押し戻す作用が生じる。この作用をタイミング良く利用することにより、シリンダー容積を超える混合気が圧縮充填されることになり、結果として排気量を高めたことと同じ効果が得られるものである。

一般に４サイクルエンジンの排気マフラーでは、チャンバーを消音器として使用しているが、４サイクルエンジンでも２サイクルエンジンのチャンバーと同様に、排気パイプ側で排気ガスの流れを制御し、排気パイプ側に吹き抜けた未燃焼ガスをシリンダーに押し戻す作用を備えた省エネ型の排気マフラーがある。

すなわち、排気脈動を制御する目的で、太さの違うパイプや容積を拡大した部屋（チャンバー）などを排気パイプの途中に設けた省エネ型排気マフラーである。この省エネ型の排気マフラーでは、チャンバー内で発生した衝撃波をシリンダーの排気弁方向に反射させ、未燃焼ガスを効率的にシリンダーに押し込むように調整することで、エンジン効率や燃費効率を改善できることが知られている。

従来の省エネ型の排気マフラーとして、特許文献１に、エンジンの燃焼作用を助長せしめてエンジン効率を向上させる内燃機関用排気装置が提案されている。この排気マフラーによると、エンジンからの排気ガスを吸引し、これを多段的に圧縮膨張させて消音すると共に、排気ガスを渦巻状に加速流出させて内燃機関の燃焼作用を助長せしめ、その効率を向上させようとするものである。

そのため、特許文献１では、マフラーのチャンバー内にストレート状の内管を配設し、この内管の外周に螺旋板（フィン）を設けることで、排気ガスを吸引加速してエンジンの負荷となる背圧を低減せしめ、燃料消費量を少なくしようとするものである。

また、特許文献２に、内燃機関用低速トルク発生装置が記載されている。この装置は、排気マフラーの内部に、排気ガス流量に応じて移動する稼動弁体を設け、この稼動弁体が移動することで排気ガス量を調整する装置である。つまり、排気マフラーの内部でエンジンに負荷をかけた状態を設定し、エンジンの出力を高めトルクを発生させようとするものである。

一方、当出願人は、排気騒音を低減する内燃機関用消音器（特許文献３）や、排気効率を向上せしめるマフラーカッター（特許文献４）などを開発しており、排気マフラーの性能向上について数多くの研究成果を残している。

特許文献３に記載の消音器の構成は、筒状を成した共鳴室の内部に排気管を設置すると共に、この排気管の内部にねじれ板状の誘導板を配置したもので、この誘導板に沿って侵入した排気ガスの一部を共鳴室に送る構成を成した排気マフラーである。この結果、高い消音効果と共に、内燃機関の排気効率を高める効果も得られている。

また、特許文献４に記載のマフラーカッターは、排気マフラーの端部に装着して排気効率を高めるものである。この構成は、外筒と内筒との二重筒を形成し、更に、内筒の内部に中央筒を配置する。そして、この中央筒の外側面と内筒の内側面との間に複数条のフィンを設けたものである。この構成により、排気ガスは、フィンに誘導されて螺旋状に旋回しながら排出され、排気効率を高めエンジンの出力ロスを低減することに成功している。

実開昭５３−２３８３５号公報 特公平７−３０７０５号公報 特許第２７４１３５５号公報 特許第４１７４７８９号公報

従来の排気マフラーでは、排気ガスが排気マフラーの出口から大気中に放出される際にも、高圧の排気ガスの容積が大気中で一挙に膨張するので、新たな脈動波が生じている。この脈動波はチャンバー内の排気脈動に比べると微小なものであるが、特に省エネ型の排気マフラーのように、衝撃波を有効利用してエンジン効率を改善しようとするタイプの排気マフラーにとって極めて厄介なものになっていた。

すなわち、排気ガスが排気マフラー出口から大気中に放出される際に脈動波が生じると、この脈動波が排気マフラーを伝わり、チャンバー内で反射する衝撃波のリズムに悪影響を与える。そうすると、衝撃波が未燃焼ガスをシリンダーに押し込む有効なタイミングを妨害することになり、省エネ型の排気マフラーにおけるエンジン効率や燃費効率の改善を困難にするものである。

したがって、特許文献１に記載されている排気装置や、特許文献２に記載されているトルク発生装置の排気マフラーについても脈動波の影響を避けることはできない。そのため、この脈動波についての考察がない設計によると、設計段階では省エネ効果を期待できるとしても、実際に稼動したときに設計時の効果が期待できるとは限らない。この点、特許文献１及び２には、燃費効率やパワー、トルクについて示す具体的なデータに関する記載がなく、実際にどの程度の効果が実現されるかは不明である。

一方、当発明者は、これまでの研究及び極めて多数の実験から、脈動波を抑制して省エネ型の排気マフラーを実現するには、排気マフラーのチャンバー部分と、排気口に装着するテールパイプ部分（マフラーカッター）とでバランスをとるのが最も効果的であるとの見解に至った。

そこで本発明は、上述の課題を解消すべく創出されたもので、排気マフラーの出口から排気ガスが大気中に放出される際に生じる脈動波を抑制し、チャンバー内の衝撃波が未燃焼ガスをシリンダーに押し込む作用を妨げることなく、エンジン出力の増大や燃費の改善効果を図ることができる省エネ用のテールパイプ付き排気マフラーの提供を目的とするものである。

上述の目的を達成すべく本発明における第１の手段は、内燃機関用排気管１の途中に設けられたチャンバー１０と、排気管１の排気口端部に連結され、複数のフィン２１が排気ガスの排出方向を向く螺旋状を成すように内部に配設されたテールパイプ２０とで構成され、前記チャンバー１０は、排気管１の側面周囲を囲むカバー体１１と、該カバー体１１に囲まれた排気管１の側面に多数の拡散用孔１５が開穿された内部排気管１２とからなり、該内部排気管１２は、排気ガス流入側に設けられた口径の広い拡散用排気管１３と、排気ガス排出側に設けられた口径の狭い圧縮用排気管１４とで構成され、内部排気管１２の側面の一部側面に前記拡散用孔１５が開穿されたテールパイプ付き排気マフラーにおいて、
前記チャンバー１０は、前記拡散用排気管１３と圧縮用排気管１４とが直列状に連結されると共に、拡散用排気管１３と圧縮用排気管１４との内部を長手方向に二分する仕切り板１６が形成され、
前記拡散用孔１５は、拡散用排気管１３の周側面の仕切り板１６を介した対称位置で、拡散用排気管１３の円周に対して３０％〜６０％の範囲に分布するように開穿することで燃費効率を高めるように構成した。

第２の手段において、前記テールパイプ２０は、前記排気管１の端部から排気方向に至る径が同一の円筒形、又は排気方向に至る径が拡大するテーパー形、又は排気方向に至る径が窄む逆テーパー形に形成されている。

請求項１の如く、内燃機関用排気管１の途中に設けられたチャンバー１０と、排気管１の排気口端部に連結され、内部に複数のフィン２１が排気ガスの排出方向に向かって漸次拡大する螺旋状に配設されたテールパイプ２０とで構成し、圧縮用排気管１４の側面の一部側面に前記拡散用孔１５を開穿したことにより、排気ガスが排気マフラー出口から大気中に放出される際に生じる脈動波を抑制し、チャンバー内の衝撃波が未燃焼ガスをシリンダーに押し込む有効なタイミングを妨害する不都合を回避することに成功した。この結果、内燃機関のパワー値及びトルク値を高めることが可能になり、燃費の高い改善効果が得られるものである。
また、拡散用排気管１３と圧縮用排気管１４とが直列状に連結されたチャンバー１０によると、特に、レシプロ型エンジンのパワー値及びトルク値を高め、燃費の改善効果が得られた。
更に拡散用孔１５の開穿範囲は、内部排気管１２の円周に対して３０％〜６０％の範囲に設定したときが、最も燃費の改善効果が得られたものである。

また、請求項２の如く、前記テールパイプ２０は、前記排気管１の端部から排気方向に至る径が同一の円筒形、又は排気方向に至る径が拡大するテーパー形、又は排気方向に至る径が窄む逆テーパー形の何れを選択することも可能である。しかも、これらのテールパイプ２０の形状により、燃費特性、パワー値特性、トルク値特性がそれぞれ異なった排気マフラーを提供することができる。したがって、エンジンの排気量や形式などにより、テールパイプ２０の形状を適宜選択することで、エンジンの特性に応じた排気マフラーを提供することができる。

本発明マフラーの実施例１を示す側断面図である。 実施例１の拡散用排気管を示す断面図である。 実施例１のテールパイプを示す正面図である。 本発明テールパイプの他の実施例を示す正面図である。 本発明テールパイプの他の実施例を示す側断面図である。 図５に示すテールパイプの正面図である。 円筒型テールパイプの側断面図である。

本発明によると、排気マフラー出口から大気中に放出される際に生じる脈動波を抑制し、省エネ型排気マフラーによるチャンバー内の衝撃波が未燃焼ガスをシリンダーに押し込む作用を妨げることなく、エンジン出力の増大や燃費の改善効果を図ることができる省エネ型の排気マフラーを実現した。

以下、本発明を図示例に基づいて説明する。本発明における排気マフラー２は、特に、排気ガス放出時の脈動波を抑制し衝撃波を有効利用する排気マフラーである。

本発明の構成は、チャンバー１０とテールパイプ２０とで構成される（図１、図４参照）。チャンバー１０は、内燃機関用の排気管１の途中に設けられ、テールパイプ２０は、排気管１の排気口端部に連結されるものである。

チャンバー１０は、カバー体１１、内部排気管１２、拡散用排気管１３にて構成される。カバー体１１は、排気管１の側面周囲を囲む略筒状を成し、排気管１とカバー体１１との間に拡散用のスペースを形成する部材である。

内部排気管１２は、カバー体１１に囲まれた排気管１を内部排気管１２とするもので、該内部排気管１２は、更に拡散用排気管１３と圧縮用排気管１４とで構成される。そして、この内部排気管１２の一部側面に前記拡散用孔１５を開穿するものである。

拡散用排気管１３は、排気ガス流入側に設けられた口径の広い内部排気管１２であり、一方、圧縮用排気管１４は、排気ガス排出側に設けられた口径の狭い内部排気管１２である。前記拡散用孔１５は、この圧縮用排気管１４の対向する側面に設けるものである（図１参照）。実験では、この拡散用孔１５の範囲を内部排気管１２の周側面全面ではなく、内部排気管１２の円周に対して３０％〜６０％の範囲とする。また、拡散用孔１５の位置は、例えば拡散用排気管１３の周側面の対向する側面など、最も遠い位置で二箇所に分離した分布状態で開穿したときに高い燃費効果を得られることが検証されている（図２参照）。

これら拡散用排気管１３と圧縮用排気管１４とは、カバー体１１の内部で直列状に連結される（図１参照）。

内部排気管１２を直列状に連結する場合に、拡散用排気管１３と圧縮用排気管１４とのそれぞれに、内部を二分する仕切り板１６を長手方向に沿って配設している（図２参照）。図示例では拡散用排気管１３に拡散用孔１５を開穿し、圧縮用排気管１４に拡散用孔１５を開穿していないが、圧縮用排気管１４にも拡散用孔１５と同様の孔を開穿してもよい（図示せず）。この場合、チャンバー１０内に拡散した排気ガスが再び圧縮され、圧縮用排気管１４の孔から圧縮用排気管１４内に流入することになる。

本発明のテールパイプ２０は、ステンレス等の適宜金属材や、適宜複合材等によって形成された筒状部材の内部にフィン２１を配設したものである。図示例のテールパイプ２０には、更にカバー体２２を設けて外観上の体裁が良くなるように構成している。このカバー体２２は、適宜金属材（例えば、ステンレス）や、適宜強化樹脂材や、適宜複合材等によって形成されているもので、その外表面に適宜装飾を施すこともできる。また、カバー体２２を設けないテールパイプ２０を使用することも可能である。

一方、フィン２１は、テールパイプ２０の内周面に配設された部材で、適宜金属材（例えば、ステンレス）や、適宜強化樹脂材や、適宜複合材等によって形成され、略帯板状を呈している。そして、複数（例えば、６枚、８枚、１２枚等）のフィン２１は、排気ガスの排出方向を向いた螺旋状を成すように内部に配設されている。

そして、テールパイプ２０内を通過する排ガスがフィン２１に誘導されて略螺旋状に旋回し、拡散しながら大気へ排出されるように構成している。このとき、フィン２１の中心部を通過する排気ガスの圧力減少が生じることで排気作用を促進し、排気マフラー２内部の排気抵抗を軽減するものである。

テールパイプ２０の形状は、円筒形、テーパー形、逆テーパー形から選択することができる。すなわち、円筒形は排気管１の端部から排気方向に至る径が同一のテールパイプ２０である（図１、図３参照）。また、テーパー形は排気方向に至る径が拡大する形状である（図４参照）。更に、逆テーパー形は、排気方向に至る径が窄む逆形状である（図５、図６参照）。

図１及び図２は、チャンバー１０内の拡散用排気管１３と圧縮用排気管１４とを直列状に連結した実施例を示している（図１参照）。この拡散用排気管１３と圧縮用排気管１４とには、内部を長手方向に二分する仕切り板１６が形成されている（図２参照）。そして、拡散用排気管１３の周側面の仕切り板１６を介した対称位置に拡散用孔１５が分布するように開穿している。拡散用孔１５は、拡散用排気管１３の円周に対して５０％の範囲の長手方向に沿って設けている（図２参照）。

テールパイプ２０は、排気管１の端部から排気方向に至る径が略同一の円筒形を成している。このテールパイプ２０の内部には、８枚のフィン２１が排気ガスの排出方向に向かって漸次拡大する螺旋状に配設されている（図３参照）。

表１は、実験にて得られたパワーデータ及びトルクデータの比較を示している。この実験では、2000ccのエンジンを搭載したテスト車両（トヨタ社製ボクシー）に、純正マフラーと、本発明マフラーと、更に本発明のチャンバー１０のみを使用した排気マフラーとをそれぞれ装着して得られたデータを比較している。これらの測定器として、シャーシダイナモ（ボッシュ（登録商標）FLA206）を使用した。

表１中、符号（丸１）〜（丸３）は、パワーデータを示しており、符号（丸１）は純正マフラー、符号（丸２）はチャンバー１０のみの排気マフラー、符号（丸３）は図１に示す本発明マフラーを示している。

一方、符号（丸Ａ）〜（丸Ｃ）は、トルクデータを示し、符号（丸Ａ）は純正マフラー、符号（丸Ｂ）はチャンバー１０のみの排気マフラー、符号（丸Ｃ）は図１に示す本発明マフラーを示している。

この表１で明らかなように、本発明マフラーのパワー（丸３）は、純正マフラー（丸１）と比較してパワーにおいて明らかに優位性が認められる。

一方、本発明マフラーのトルク（丸Ｃ）も、純正マフラー（丸Ａ）と比較して明らかな優位性が認められる。更に、（丸２）、（丸Ｂ）に示すように、チャンバー１０のみを使用した排気マフラーでは、本発明マフラー（丸３）、（丸Ｃ）と比較してパワー及びトルクのいずれにおいても十分な効果を発揮できないことがわかる。

表２は、表１の具体的数値を示している。すなわち、本発明マフラー使用時のパワー（丸３）は154.9psとなり、純正マフラー使用時のパワー（丸１）の148.9psに比べて＋6.0psものエンジンパワーの向上が認められた。尚、チャンバー１０のみを使用した排気マフラー（丸２）でも、純正マフラーと比較して＋2.4ps向上することが検出されている。

また、エンジントルクにおいても、純正マフラー（丸１）が21.３kg/mであるのに対し、本発明（丸Ｃ）では23.0kg/mとなり、実に＋1.7 kg/mものトルクがアップした。更に、チャンバー１０のみを使用した排気マフラー（丸Ｂ）でも、22.2kg/mとなり、＋0.9 kg/mのトルクがアップしている。

表３は、純正マフラーと、チャンバー１０のみ使用の排気マフラー（フィン無しマフラー）と、実施例１に示す本発明マフラーとをそれぞれ装着したテスト車両（トヨタ社製ボクシー）を実際に走行させ、同一のコースを走行した燃費データを示している。このテストデータは合計２０回の走行実験により延べ３，１００kmから得られた検出データである。

この燃費に関する実験は、通称、満タン方と称されるもので、同一のコースを全く同じ条件で繰返し走行し、その時の走行距離と給油量で燃費を算出するものである。給油量の記録は、給油機による自動停止方法を指定して同一条件下の給油量を記録した。走行距離は、車載のオドメータの記録を採用し、給油時にリセットして次の給油までの距離を記録した。燃費（Km/l）は、走行距離（Km）÷給油量（l）である。

テストの結果、表３に示す如く、本発明使用時の燃費は14.1（Km/l）となり、純正マフラー使用時の燃費の12.5（Km/l）に比べて＋12.6%もの燃費の向上が認められた。尚、テールパイプ２０を連結しないタイプでは＋1.5%の向上が認めている。

本発明排気マフラーによると、各種車両の排気マフラーへの使用に利用することが可能である。また、本発明のチャンバー１０やテールパイプ２０の具体的構成、形状、寸法、材質、排気マフラーへの具体的装着手段、フィン２１の具体的構成、形状、寸法、材質、数、配設位置、捩れ状態等は、図示例のもの等に限定されることなく適宜自由に設計変更できるものである。

１ 排気管
２ 排気マフラー
１０ チャンバー
１１ カバー体
１２ 内部排気管
１３ 拡散用排気管
１４ 圧縮用排気管
１５ 拡散用孔
１６ 仕切り板
１７ 連結管
２０ テールパイプ
２１ フィン
２２ カバー体

Claims (2)

1. 内燃機関用排気管の途中に設けられたチャンバーと、排気管の排気口端部に連結され、複数のフィンが排気ガスの排出方向を向く螺旋状を成すように内部に配設されたテールパイプとで構成され、前記チャンバーは、排気管の側面周囲を囲むカバー体と、該カバー体に囲まれた排気管の側面に多数の拡散用孔が開穿された内部排気管とからなり、該内部排気管は、排気ガス流入側に設けられた口径の広い拡散用排気管と、排気ガス排出側に設けられた口径の狭い圧縮用排気管とで構成され、内部排気管の側面の一部側面に前記拡散用孔が開穿されたテールパイプ付き排気マフラーにおいて、
   前記チャンバーは、前記拡散用排気管と圧縮用排気管とが直列状に連結されると共に、拡散用排気管と圧縮用排気管との内部を長手方向に二分する仕切り板が形成され、
   前記拡散用孔は、拡散用排気管の周側面の仕切り板を介した対称位置で、拡散用排気管の円周に対して３０％〜６０％の範囲に分布するように開穿することで燃費効率を高めるように構成したことを特徴とするテールパイプ付き排気マフラー。
2. 前記テールパイプは、前記排気管の端部から排気方向に至る径が同一の円筒形、又は排気方向に至る径が拡大するテーパー形、又は排気方向に至る径が窄む逆テーパー形に形成された請求項１記載のテールパイプ付き排気マフラー。

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