JP6276032B2

JP6276032B2 - 排気消音装置

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Publication number: JP6276032B2
Application number: JP2014001723A
Authority: JP
Inventors: 智大古屋; 貝沼　克彦; 克彦貝沼
Original assignee: Futaba Industrial Co Ltd
Current assignee: Futaba Industrial Co Ltd
Priority date: 2014-01-08
Filing date: 2014-01-08
Publication date: 2018-02-07
Anticipated expiration: 2034-01-08
Also published as: WO2015104998A1; JP2015129479A

Description

本発明は、内燃機関の排気流路に配設される排気消音装置に関する。

自動車用の排気システムは、内燃機関の排気流路に配設された排気消音装置により排気騒音を抑制する。例えば、実長の長い管状部で発生する低周波の気柱共鳴音は、排気こもり音を悪化させる要因となるため、メインマフラと直列にサブマフラを設けることで気柱共鳴音を低減するといった対策が講じられている。

一方、特許文献１には、メインマフラのアウタシェル内に排気管を２分割したインレットパイプ及びアウトレットパイプを挿通させ、インレットパイプのアウタシェル内に位置する部分に多数のパンチング穴が穿設された構造により気柱共鳴音を低減する消音装置が開示されている。

実公平６−１４０２３号公報

しかしながら、従来の排気消音装置は、メインマフラに加えてサブマフラを配設したり、メインマフラ内で排気管を分割したりするため、構造が複雑になってしまうという問題があった。また、低周波の気柱共鳴音を低減することはできるものの、高周波領域の排気騒音に対しては何ら対策が講じられていなかった。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、簡素な構造で低周波及び高周波領域の排気騒音を抑制することができる排気消音装置を提供しようとするものである。

本発明の排気消音装置は、内燃機関の排気流路の一部を形成する内側管状部材と、該内側管状部材の外側を所定の間隔を設けて覆う外側管状部材とを備え、該外側管状部材の上流側端部は、前記内側管状部材の外周面に接合されており、前記内側管状部材は、軸方向に所定の間隔を設けて配置された複数の内側貫通孔を有しており、前記外側管状部材は、最も上流側の前記内側貫通孔よりも上流側に、少なくとも１つの外側貫通孔を有していることを特徴とする。

本発明の排気消音装置において、内側管状部材には、複数の内側貫通孔が軸方向に所定の間隔を設けて配置されている。そのため、気柱共鳴音が発生した際の内側管状部材内の音圧を複数の内側貫通孔によって徐々に逃がして減圧させ、定在波を抑制することができる。また、内側管状部材の外側を覆う外側管状部材に外側貫通孔を設けたことにより、内側管状部材内の音圧をより効果的に逃がして減圧させることができる。

また、外側管状部材は、最も上流側の内側貫通孔よりも上流側、つまり排気方向（下流側）とは反対側に、少なくとも１つの外側貫通孔を有している。すなわち、内側管状部材内を流れる排気は、内側貫通孔を通過した後、その通過した内側貫通孔よりも下流側へと流れようとする。そのため、上流側にある外側貫通孔付近を負圧にさせることができる。これにより、外側貫通孔からの排気の噴出を抑制することができる。その結果、上述した外側貫通孔による減圧効果を十分に得ながら、排気の噴出による周辺部品への熱害を防止し、外側貫通孔付近の気流による騒音を抑制することができる。

また、内側管状部材には、複数の内側貫通孔が軸方向に所定の間隔を設けて配置されており、その内側管状部材の外側を所定の間隔を設けて外側管状部材が覆っている。そのため、内側管状部材の各内側貫通孔とその外側を覆う外側管状部材との間の空間には、ヘルムホルツ共鳴器となる共鳴室が形成される。これにより、ヘルムホルツ共鳴効果が得られ、例えば高周波領域における特定の周波数の排気騒音を低減することができる。

以上のように、本発明の排気消音装置は、上述したような簡素な構造であるため、従来よりも低コスト・省スペースで排気騒音の抑制を実現することが可能となる。また、低周波領域の排気騒音（気柱共鳴音）だけでなく、高周波領域の排気騒音も抑制することができるため、従来に比べて排気騒音を広範囲の周波領域において抑制することが可能となり、排気騒音の抑制効果を全体的に高めることができる。

また、前記排気消音装置において、前記外側管状部材の下流側端部は、下流側に向かって開口している構成としてもよい。この場合には、外側管状部材の下流側端部が排気方向に開口しているため、気柱共鳴音が発生した際の内側管状部材内の音圧をより一層効果的に逃がして減圧させることができる。

また、前記内側管状部材の下流側端部には、径を縮小してなる縮径部が設けられていてもよい。すなわち、内側管状部材の内側は、内側管状部材の外側（内側管状部材と外側管状部材との間）に比べて圧力が高いが、内側管状部材の下流側端部に縮径部を設けることにより、内側管状部材の内側と外側との圧力差を、縮径部を設けない場合に比べてさらに大きくすることができる。これにより、内側管状部材内を流れる排気が内側貫通孔を通って内側管状部材と外側管状部材との間の空間に流れ込みやすくなる。その結果、内側管状部材内を流れる排気が内側貫通孔の内壁面部分（エッジ）に衝突して発生する異音（エッジトーン）を抑制することができる。

また、前記排気消音装置は、前記排気流路の下流側端部に配置されている構成としてもよい。この場合には、簡素な構造で低周波及び高周波領域の排気騒音を抑制するという本発明の効果を十分に得ながら、外側管状部材の外側貫通孔からの排気の噴出による周辺部品への熱害をより一層防止することができる。

なお、本発明の排気消音装置において、内側管状部材の内側貫通孔は、内側管状部材の内側と外側とを連通する孔のことをいう。内側貫通孔には、例えば、内側管状部材を厚み方向に貫通させて形成したものや、内側管状部材の一部を切り起こして形成したもの等が含まれる。

また、本発明は、上述した排気消音装置の他、排気消音装置を備える排気システム、排気消音方法等、種々の形態で実現することができる。

第１実施形態における、排気システムの構成を示す説明図である。第１実施形態における、排気消音装置を示す斜視図である。第１実施形態における、内側管状部材及び外側管状部材を示す斜視図である。第１実施形態における、排気消音装置の軸方向断面を示す断面図である。図４のＡ−Ａ線矢視断面図である。図４のＢ−Ｂ線矢視断面図である。第１実施形態における、内側管状部材の内側貫通孔及び外側管状部材を示す断面図である。第２実施形態における、排気消音装置を示す斜視図である。第２実施形態における、図５に対応する矢視断面図である。第３実施形態における、排気消音装置の軸方向断面を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
（実施形態１）
図１〜図６に示すように、排気消音装置１は、エンジン（内燃機関）の排気流路の一部を形成する内側管状部材２と、内側管状部材２の外側を所定の間隔を設けて覆う外側管状部材３とを備えている。外側管状部材３の上流側端部３１１は、内側管状部材２の外周面２１４に接合されている。内側管状部材２は、軸方向に所定の間隔を設けて配置された複数の内側貫通孔２２を有している。外側管状部材３は、最も上流側の内側貫通孔２２（２２ａ）よりも上流側に、少なくとも１つの外側貫通孔３２を有している。以下、これを詳説する。

図１に示すように、排気消音装置１を用いた排気システム８は、自動車の床下に設置され、エンジンから排出された排ガス（排気）の流路となる排気流路を形成するものであり、フロントパイプ８１と、マフラ８２と、テールパイプ８３とを備える。

フロントパイプ８１は、マフラ８２よりも排気方向（矢印Ｆで示す方向）上流側からマフラ８２内部への排気流路（上流側排気流路）を形成する排気管である。また、テールパイプ８３は、マフラ８２よりも排気方向下流側（具体的に排ガスの出口となる下流側開口部８３１）への比較的実長の長い排気流路（下流側排気流路）を形成する排気管である。

排気消音装置１は、テールパイプ８３の一部を構成するものである。本実施形態において、排気消音装置１は、テールパイプ８３の下流側端部、つまり排気流路の下流側端部に配置されている。

図２、図３に示すように、排気消音装置１は、内側管状部材２と外側管状部材３とにより構成された２重管構造を有している。内側管状部材２は、円管状に形成されており、径方向断面が円形状である。外側管状部材３は、内側管状部材２と同様に、円管状に形成されており、径方向断面が円形状である。外側管状部材３の内径は、内側管状部材２の外径よりも大きくなっている。内側管状部材２は、上流側の一部を除いて、外側管状部材３内に挿入配置されている。

図４に示すごとく、内側管状部材２は、排気流路の一部を形成している。内側管状部材２の上流側端部２１１は、そのすぐ上流側のパイプ部分に例えば溶接により接合されている。内側管状部材２の下流側端部２１２には、下流側に向かって開口してなる内側開口部２１３が形成されている。内側開口部２１３は、排ガスの出口となる上述の下流側開口部８３１に当たる。

外側管状部材３は、内側管状部材２の外側を径方向に一定の間隔を設けて覆うように配置されている。外側管状部材３の上流側端部３１１は、上流側に向かって徐々に縮径されていると共に、内側管状部材２の外周面２１４に例えば溶接により接合され、閉塞した状態となっている。外側管状部材３の下流側端部３１２には、下流側に向かって開口してなる外側開口部３１３が内側管状部材２との間に形成されている。

図４、図５に示すように、内側管状部材２には、径方向に貫通してなる複数の内側貫通孔２２が形成されている。本実施形態では、所定数の内側貫通孔２２が周方向位置を同じにして（周方向位置を変化させることなく）、軸方向（排気方向）に一定の間隔で一列に並んで配置されている。また、このように配置された所定数の内側貫通孔２２を一群とする内側貫通孔群２３は、周方向に等間隔で５列形成されている。

図４、図６に示すように、外側管状部材３には、径方向に貫通してなる１つの外側貫通孔３２が形成されている。外側貫通孔３２は、最も上流側に形成された内側貫通孔２２（２２ａ）よりも上流側に配置されている。外側貫通孔３２は、車両下側に開口して形成されている。外側貫通孔３２の内径は、内側貫通孔２２の内径よりも大きくなっている。

次に、本実施形態の排気消音装置１における作用効果について説明する。
本実施形態の排気消音装置１において、内側管状部材２には、複数の内側貫通孔２２が軸方向に所定の間隔を設けて配置されている。そのため、気柱共鳴音が発生した際の内側管状部材２内の音圧を複数の内側貫通孔２２によって徐々に逃がして減圧させ、定在波を抑制することができる。また、内側管状部材２の外側を覆う外側管状部材３に外側貫通孔３２を設けたことにより、内側管状部材２内の音圧をより効果的に逃がして減圧させることができる。

また、外側管状部材３は、最も上流側の内側貫通孔２２（２２ａ）よりも上流側、つまり排気方向（下流側）とは反対側に、１つの外側貫通孔３２を有している。すなわち、内側管状部材２内を流れる排ガスは、内側貫通孔２２を通過した後、その通過した内側貫通孔２２よりも下流側へと流れようとする。そのため、上流側にある外側貫通孔３２付近を負圧にさせることができる。これにより、外側貫通孔３２からの排ガスの噴出を抑制することができる。その結果、上述した外側貫通孔３２による減圧効果を十分に得ながら、排ガスの噴出による周辺部品への熱害を防止し、外側貫通孔３２付近の気流による騒音を抑制することができる。

また、内側管状部材２には、複数の内側貫通孔２２が軸方向に所定の間隔を設けて配置されており、その内側管状部材２の外側を所定の間隔を設けて外側管状部材３が覆っている。そのため、内側管状部材２の各内側貫通孔２２とその外側を覆う外側管状部材３との間の空間には、ヘルムホルツ共鳴器となる共鳴室が形成される。これにより、ヘルムホルツ共鳴効果が得られ、高周波領域における特定の周波数の排気騒音を低減することができる。

例えば、図７に示すように、内側管状部材２の各内側貫通孔２２とその外側を覆う外側管状部材３との間の空間には、ヘルムホルツ共鳴器となる共鳴室４１が形成される。この場合、図７の式（１）からヘルムホルツ共鳴器の共鳴周波数ｆ₀を求めることができる。そして、ヘルムホルツ共鳴効果により、高周波領域における特定の周波数（共鳴周波数ｆ₀）の排気騒音を低減することができる。

なお、図７の式（１）中において、ｃ：音速、Ｐ：内側管状部材２の内側貫通孔２２の開口率、ｔ：内側管状部材２の板厚、δ：０．８ｄ（ｄ：内側貫通孔２２の孔径）、Ｌ：内側管状部材２と外側管状部材３との距離である。例えば、内側管状部材２の内側貫通孔２２の開口率Ｐや内側管状部材２と外側管状部材３との距離である距離Ｌを変化させることにより、高周波領域における特定の周波数の排気騒音を選択的に低減することができる。ここで、開口率Ｐは、内側貫通孔の開口面積（内側貫通孔が複数であればその開口面積の総和）を内側貫通孔が形成される任意の部分の面積（例えば、内側貫通孔が形成される内側管状部材の外表面の面積）で割ることにより求めることができる。

以上のように、本実施形態の排気消音装置１は、上述したような簡素な構造であるため、従来よりも低コスト・省スペースで排気騒音の抑制を実現することが可能となる。また、低周波領域（例えば、１００〜８００Ｈｚ）の排気騒音（気柱共鳴音）だけでなく、高周波領域（例えば、１６００〜４０００Ｈｚ）の排気騒音も抑制することができるため、従来に比べて排気騒音を広範囲の周波領域において抑制することが可能となり、排気騒音の抑制効果を全体的に高めることができる。

また、排気消音装置１において、外側管状部材３の下流側端部３１２は、下流側に向かって開口している。つまり、外側管状部材３の下流側端部３１２が排気方向に開口している。そして、外側管状部材３の下流側端部３１２には、外側開口部３１３が形成されている。そのため、気柱共鳴音が発生した際の内側管状部材２内の音圧を外側開口部３１３によってより一層効果的に逃がして減圧させることができる。

また、外側管状部材３の外側貫通孔３２は、車両下側に開口して形成されている。そのため、外側管状部材３の外側貫通孔３２からの排ガスの噴出による周辺部品への熱害の影響をより小さくすることができる。

また、排気消音装置１は、排気流路の下流側端部に配置されている。そのため、簡素な構造で低周波及び高周波領域の排気騒音を抑制するという本発明の効果を十分に得ながら、外側管状部材３の外側貫通孔３２からの排ガスの噴出による周辺部品への熱害をより一層防止することができる。

（実施形態２）
本実施形態は、図８、図９に示すように、外側管状部材３の径方向断面形状を変更した例である。

図８、図９に示すように、外側管状部材３は、径方向断面が円形状である内側管状部材２とは異なり、径方向断面が楕円形状である。したがって、内側管状部材２と外側管状部材３との間の距離は、周方向において一定ではない。すなわち、内側管状部材２と外側管状部材３とは、両者の間の距離が周方向位置によって変化する。

図９に示すように、内側管状部材２において、軸方向（排気方向）に一定の間隔で一列に並んで配置された所定数の内側貫通孔２２を一群とする内側貫通孔群２３は、周方向に等間隔で４列形成されている。また、そのうちの２列の内側貫通孔群２３（２３ａ、２３ｃ）は、外側管状部材３の短径部分において径方向に対向する位置に形成されており、他の２列の内側貫通孔群２３（２３ｂ、２３ｄ）は、外側管状部材３の長径部分において径方向に対向する位置に形成されている。

すなわち、内側管状部材２において、内側貫通孔群２３ａの内側貫通孔２２が形成されている部分と内側貫通孔群２３ｃの内側貫通孔２２が形成されている部分とは、外側管状部材３との間の距離が同じである。また、内側貫通孔群２３ｂの内側貫通孔２２が形成されている部分と内側貫通孔群２３ｄの内側貫通孔２２が形成されている部分とは、外側管状部材３との間の距離が同じである。

そして、内側管状部材２において、内側貫通孔群２３ｂ、２３ｄの内側貫通孔２２が形成されている部分は、内側貫通孔群２３ａ、２３ｃの内側貫通孔２２が形成されている部分に比べて、外側管状部材３との間の距離が大きい。その他の基本的な構成は、実施形態１と同様である。

次に、本実施形態の排気消音装置１における作用効果について説明する。
本実施形態の排気消音装置１では、内側管状部材２に対して、外側管状部材３との間の距離が異なる複数の部分に内側貫通孔２２（内側貫通孔群２３）が形成されている。ここで、図７の式（１）から、内側管状部材２と外側管状部材３との間の距離Ｌが異なると、ヘルムホルツ共鳴器の共鳴周波数ｆ₀が異なる。

そのため、ヘルムホルツ共鳴効果によって、高周波領域における異なる複数の周波数（本実施形態では２種類の周波数）の排気騒音を低減することができる。これにより、高周波領域の排気騒音を抑制する効果をより一層高めることができる。その結果、より広範囲の周波領域の排気騒音を抑制することが可能となる。その他の基本的な作用効果は、実施形態１と同様である。

（実施形態３）
本実施形態は、図１０に示すように、内側管状部材２の構成を変更した例である。
同図に示すように、内側管状部材２の下流側端部２１２には、径を縮小してなる縮径部２４が設けられている。すなわち、内側管状部材２において、縮径部２４は、他の部分と比較して径が縮小された部分である。その他の基本的な構成は、実施形態１と同様である。

次に、本実施形態の排気消音装置１における作用効果について説明する。
本実施形態の排気消音装置１において、内側管状部材２の内側は、内側管状部材２の外側（内側管状部材２と外側管状部材３との間）に比べて圧力が高いが、内側管状部材２の下流側端部２１２に縮径部２４を設けることにより、内側管状部材２の内側と外側との圧力差を、縮径部２４を設けない場合に比べてさらに大きくすることができる。これにより、内側管状部材２内を流れる排ガスが内側貫通孔２２を通って内側管状部材２と外側管状部材３との間の空間に流れ込みやすくなる。その結果、内側管状部材２内を流れる排ガスが内側貫通孔２２の内壁面部分（エッジ）に衝突して発生する異音（エッジトーン）を抑制することができる。その他の基本的な作用効果は、実施形態１と同様である。

以上、本発明は、上述した実施形態１〜３に何ら限定されるものではなく、その技術範囲を逸脱しない限り、種々なる形態で実施可能である。
（１）上記実施形態では、図１に示すように、排気消音装置１をテールパイプ４に配置する構成としているが、排気消音装置１の配設位置は、これに限定されるものではない。例えば、排気消音装置１をフロントパイプ８１に配置する構成としてもよい。

（２）上記実施形態では、図４、図５に示すように、内側管状部材２に複数の内側貫通孔２２を形成したが、内側貫通孔２２の配設位置、個数、形状、内径等は、これに限定されるものではなく、種々の態様とすることができる。

（３）上記実施形態では、図４、図６に示すように、外側管状部材３の外側貫通孔３２は、最も上流側の内側貫通孔２２（２２ａ）よりも上流側に１つ形成されているが、複数形成されていてもよい。

（４）上記実施形態では、図４に示すように、外側管状部材３は、最も上流側の内側貫通孔２２（２２ａ）よりも上流側に、少なくとも１つの外側貫通孔を有しているが、これに加えて他の部分（例えば、最も上流側の内側貫通孔２２（２２ａ）よりも下流側）に外側貫通孔３２を有していてもよい。

（５）上記実施形態では、図４に示すように、外側管状部材３の外側貫通孔３２は、最も上流側の内側貫通孔２２（２２ａ）よりも上流側に形成されているが、さらに内側管状部材２の最大音圧箇所付近に配置されていることが好ましい。この場合には、内側管状部材２内の音圧をより効果的に逃がして減圧させることができ、特に定在波の抑制効果を高めることができる。

１…排気消音装置
２…内側管状部材
２２…内側貫通孔
２１４…外周面（内側管状部材の外周面）
３…外側管状部材
３１１…上流側端部（外側管状部材の上流側端部）
３２…外側貫通孔

Claims

内燃機関の排気流路の一部を形成する内側管状部材と、
該内側管状部材の外側を所定の間隔を設けて覆う外側管状部材とを備え、
該外側管状部材の上流側端部は、前記内側管状部材の外周面に接合されており、
前記内側管状部材は、軸方向に所定の間隔を設けて配置された複数の内側貫通孔を有しており、
前記外側管状部材は、最も上流側の前記内側貫通孔よりも上流側に、少なくとも１つの外側貫通孔を有しており、
前記外側管状部材の下流側端部は、下流側に向かって開口していること、
を特徴とする排気消音装置。
車両の内燃機関の排気流路の一部を形成する内側管状部材と、
該内側管状部材の外側を所定の間隔を設けて覆う外側管状部材とを備え、
該外側管状部材の上流側端部は、前記内側管状部材の外周面に接合されており、
前記内側管状部材は、軸方向に所定の間隔を設けて配置された複数の内側貫通孔を有しており、
前記外側管状部材は、最も上流側の前記内側貫通孔よりも上流側に、少なくとも１つの外側貫通孔を有しており、
前記少なくとも１つの外側貫通孔は、前記車両の下側を向いており、
前記外側管状部材の下流側端部は、下流側に向かって開口していること、
を特徴とする排気消音装置。
前記内側管状部材の下流側端部には、径を縮小してなる縮径部が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気消音装置。
前記排気消音装置は、前記排気流路の下流側端部に配設されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の排気消音装置。