JP6514727B2 - 消音装置 - Google Patents

Description

本発明は、消音装置に関し、特に、エンジンに用いられる過給機に起因する気流音を消音する消音装置に関する。

従来から、エンジンの出力を増大するために、吸入空気（吸気）を過給するターボチャージャなどの過給機が用いられている。また、近年、エンジンの動力性能（出力）を確保しつつエンジンを小型化（排気量を低減）し、燃料消費率（燃費）を向上させる技術として、ターボチャージャなどの過給機が注目されている（所謂ダウンサイジングターボ）。

ところで、ターボチャージャが搭載されているエンジンでは、過給時にコンプレッサ翼から吸入空気が逆流し、吸気管や吸入口から気流音（ターボ気流音）が放射され、車室内で異音として認知されることがある。このようなターボ気流音を低減するため、例えば、吸気管にサイドブランチやレゾネータなどの消音器を設けたエンジン（過給機）が知られている（例えば、特許文献１参照）。

ここで、特許文献１には、複数個の共鳴管（消音器）をオイルフィラーキャップの操作性を悪化させることなく吸気ダクトに取り付けたエンジンの吸気装置が開示されている。より詳細には、このエンジンの吸気装置では、ターボチャージャを有するエンジンの上部にオイルフィラーキャップとエアクリーナとを車両幅方向に近接する状態で配置し、エアクリーナヘ外気を導入する吸気ダクトをエアクリーナからオイルフィラーキャップと車両前後方向に重なる位置へ延ばしたエンジンの吸気装置において、吸気ダクトをエアクリーナとオイルフィラーキャップの間の空間で湾曲させて車両前方へ延ばし、吸気ダクトのオイルフィラーキャップとエアクリーナとに挟まれる部分に共鳴周波数の異なる複数個の共鳴管を夫々吸気ダクトの上面部から上方へ伸びるように取り付けて構成している。

このエンジンの吸気装置によれば、ターボチャージャを有するエンジン上部のスペースにオイルフィラーキャップとエアクリーナを近接する状態で配置した場合にも、吸気ダクトを長くして複数個の共鳴管を吸気ダクトに取り付けることができ、吸気騒音（ターボ気流音）を低減することができる。

特開２０１２−１２７３３０号公報

上述したように、特許文献１のエンジンの吸気装置によれば、吸気ダクトに共鳴管（消音器）を設けることによって吸気騒音（ターボ気流音）を低減することができる。しかしながら、このエンジンの吸気装置では、消音器を設けることによって、吸気の圧力損失が増大して、エンジンの動力性能（出力・トルク）が低下するおそれがある。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、エンジン動力性能の低下を防止しつつ過給機による気流音を消音することが可能な消音装置を提供することを目的とする。

本発明に係る消音装置は、エンジンに吸入される吸入空気を過給する過給機と連通され、該過給機に吸入空気を導入する吸気管と、吸気管に配設され、気流音を消音する消音器と、吸気管に配設され、吸気管を通して導入される吸入空気を加熱する加熱手段とを備えることを特徴とする。

本発明に係る消音装置によれば、過給機に吸入空気を導入する吸気管に消音器が配設されているため、該消音器によって過給機に起因する気流音が消音される。また、上記吸気管に、該吸気管を通して導入される吸入空気を加熱する加熱手段が配設されているため、当該加熱手段によって吸入空気が加熱（昇温）されることにより、摩擦損失が低減されて、消音器での圧力損失が低減される。よって、エンジンの動力性能の低下が抑制される。その結果、エンジン動力性能の低下を防止しつつ過給機による気流音を消音することが可能となる。なお、上記消音器としては、気流音を干渉作用により消音する干渉型消音器、又は、気流音を共鳴作用により消音する共鳴型消音器が好適に用いられる。

本発明に係る消音装置では、上記加熱手段が、吸入空気と、吸入空気よりも温度が高い液体との間で熱交換を行う熱交換器であることが好ましい。

この場合、吸入空気と、吸入空気よりも温度が高い高温の液体（例えば、エンジン冷却水や、エンジンオイル、トランスミッションオイルなど）との間で熱交換が行われる。そのため、より温度が高い液体を用いて吸入空気を加熱（昇温）することが可能となる。

本発明に係る消音装置では、上記熱交換器が、吸入空気と、エンジンを冷却するエンジン冷却水との間で熱交換を行うことが好ましい。

この場合、吸入空気とエンジン冷却水との間で熱交換が行われる。そのため、エンジンからの熱によって高温となったエンジン冷却水を利用して吸入空気を加熱（昇温）することが可能となる。

本発明に係る消音装置は、一方の端部が熱交換器と接続され、他方の端部が、エンジンとラジエータとを連通する第１冷却水配管と接続された第２冷却水配管を有することが好ましい。

この場合、エンジン冷却水と外気との間で熱交換を行うことによりエンジンの熱を外気に放出するラジエータの上流側からエンジン冷却水を導入することができる。そのため、ラジエータにより冷却される前のより温度が高いエンジン冷却水を用いて吸入空気を加熱（昇温）することができる。

本発明に係る消音装置では、上記過給機が、過給機の下流に配設され、過給機で圧縮された吸入空気を冷却するインタークーラを含むことが好ましい。

この場合、加熱手段（熱交換器）により加熱（昇温）され、また、過給機によって圧縮されることにより昇温された吸入空気がインタークーラによって冷却される。よって、エンジンの充填効率を向上させることができ、エンジン動力性能の確保と気流音の低減とを両立することが可能となる。

本発明に係る消音装置では、上記消音器が、消音する気流音の周波数帯に合わせて複数設けられていることが好ましい。

この場合、消音したい気流音の周波数帯に合わせて消音器が複数設けられているため、エンジン動力性能を確保しつつ、周波数帯が異なる複数の気流音を消音することが可能となる。

本発明に係る消音装置では、上記過給機として、エンジンの排気管上に設けられたタービン、及び、吸気管上に設けられ、タービンと軸で接続されたコンプレッサを有し、排気ガスのエネルギーを利用して吸入空気を過給するターボチャージャを好適に用いることができる。

本発明によれば、エンジン動力性能の低下を防止しつつ過給機による気流音を消音することが可能となる。

実施形態に係る消音装置、及び該消音装置を備えたエンジンの構成を示す図である。 実施形態に係る消音装置が設けられたターボ前吸気管の外観を示す斜視図である。 実施形態に係る消音装置が設けられたターボ前吸気管の外観を示す（ａ）背面図、（ｂ）正面図、（ｃ）平面図である。 図３（ｃ）のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図中、同一又は相当部分には同一符号を用いることとする。また、各図において、同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。

まず、図１〜図４を併せて用いて、実施形態に係る消音装置１の構成について説明する。図１は、ターボ気流音の消音装置１、及び該消音装置１を備えたエンジン１０の構成を示す図である。図２は、消音装置１が設けられたターボ前吸気管２３の外観を示す斜視図である。また、図３は、消音装置１が設けられたターボ前吸気管２３の外観を示す（ａ）背面図、（ｂ）正面図、（ｃ）平面図である。図４は、図３（ｃ）のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。

エンジン１０は、どのような形式のものでもよいが、例えば水平対向型の４気筒ガソリンエンジンである。また、エンジン１０は、シリンダ内（筒内）に燃料を直接噴射する筒内噴射式のエンジンである。エンジン１０は、ターボチャージャ４０によって吸入空気を過給して、高出力化及び／又は低燃費化を実現し得るものである。

エンジン１０の吸気管２０には、上流側からエアクリーナ２１、エアフローメータ２２、ターボ前吸気管（ターボ前吸気ダクト）２３、ターボチャージャ４０、過給圧センサ２４、インタークーラ５０、電子制御式スロットルバルブ２５などが設けられている。エアクリーナ２１は、吸入空気中のゴミや塵などを取り除くフィルタである。エアフローメータ２２は、吸入空気量を質量流量として検出するセンサである。

ターボチャージャ４０は、吸気管２０と排気管３０との間に配され、過給を行う過給機である。ターボチャージャ４０は、排気管３０に設けられたタービン４０ａと、吸気管２０に設けられ、タービン４０ａと回転軸４０ｃで連結されたコンプレッサ４０ｂとを有しており、排気のエネルギーでタービン４０ａを駆動することにより、同軸のコンプレッサ４０ｂで空気を圧縮する。過給圧センサ２４は、ターボチャージャ４０により過給された吸入空気の圧力（実過給圧）を検出するものである。

インタークーラ５０は、後述する熱交換器８０によって加熱（昇温）され、また、ターボチャージャ４０（コンプレッサ４０ｂ）で圧縮されて高温になった吸入空気を外気との熱交換によって冷却するものである。インタークーラ５０の下流側には、吸入空気量を調節するスロットルバルブ２５が配されている。

一方、エンジン１０の排気管３０上には、上流側（エンジン１０側）から順に、タービン４０ａ（ターボチャージャ４０）、空燃比センサ、排気浄化触媒、及びマフラなど（図示省略）が設けられている。

エンジン１０では、エアクリーナ２１から吸入された空気が、ターボチャージャ４０によって過給され、インタークーラ５０によって冷却された後、スロットルバルブ２５により絞られ、エンジン１０に形成された各シリンダに吸入される。各シリンダでは、吸入空気と燃料との混合気が燃焼し、その燃焼後の排気ガスはエキゾーストマニホールド（図示省略）を介して排気管（エキゾーストパイプ）３０へ排出される。混合気の燃焼により発生した熱は、エンジン１０のシリンダヘッドに形成されたウォータジャケット内の冷却水に放出される。

シリンダヘッドに形成されたウォータジャケットには、第１冷却水配管６１が接続されている。第１冷却水配管６１には、主として、エンジン冷却水の熱を外部に放散するラジエータ６０と、エンジン冷却水を強制的に循環させるウォータポンプ６３と、エンジン冷却水の水温に応じて自動的に作動してエンジン冷却水が流れる配管（経路）の切換を行うサーモスタット６４とが設けられている。ウォータポンプ６３は、例えばエンジン１０によって駆動され、エンジン冷却水を加圧して吐出する。ラジエータ６０は、エンジン冷却水と大気との間で熱交換を行う。ラジエータ６０では、チューブとフィンとで構成されたラジエータコア部を冷却水が通過するときに、エンジン冷却水の熱が大気に放出される。サーモスタット６４は、エンジン暖機時には、ラジエータ６０をバイパスするように第１冷却水配管６１の経路を切換えてエンジン１０の暖機を促進する。

第１冷却水配管６１の、ラジエータ６０の上流側（かつサーモスタット６４の下流側が好ましい）には、後述する熱交換器８０にエンジン冷却水を循環させる第２冷却水配管６２が接続されている。

上述したように、ターボチャージャ４０の上流側には、ターボチャージャ４０に吸入空気を導入するターボ前吸気管２３が配設されている。ターボ前吸気管２３には、気流音を干渉作用により消音する複数の（本実施例では３つの）サイドブランチ（干渉型消音器）７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ（第１サイドブランチ７０Ａ、第２サイドブランチ７０Ｂ、第３サイドブランチ７０Ｃ、以下、第１サイドブランチ７０Ａ、第２サイドブランチ７０Ｂ、第３サイドブランチ７０Ｃをまとめてサイドブランチ７０ということもある）が配設されている。

図２〜４に示されているように、本実施形態では、３つの周波数帯のターボ気流音を消音（低減）するため、消音する気流音それぞれの周波数帯に合わせて３つのサイドブランチ７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃを設けた。

各サイドブランチ７０は、有底筒状（凹状）の形状を有しており、ターボ前吸気管２３の管壁より突出して設置されている。各サイドブランチ７０は、その長さ（筒長）が、消音したいターボ気流音の周波数帯（すなわち波長）に応じて設定されている。各サイドブランチ７０では、ターボ気流音（音波）が、ターボ前吸気管２３に形成された各サイドブランチ７０の開口部から入り、各サイドブランチ７０の内底面で反射して、再び開口部に戻ってくる際に、１／２波長位相が遅れて（反転されて）開口部から出力されることにより、双方の音波が逆位相となって打ち消し合うことでターボ気流音を消音（低減）する。

また、ターボ前吸気管２３（各サイドブランチ７０の上流）には、ターボ前吸気管２３を通して導入される吸入空気を加熱する熱交換器（加熱手段）８０が配設されている。熱交換器８０は、上述した第２冷却水配管６２と接続されており、ターボ前吸気管２３の外周（周囲）にエンジン冷却水（温水）を回す（流す）ように、ターボ前吸気管２３の外周面に沿って配設されている。そのため、高温のエンジン冷却水によってターボ前吸気管２３が昇温されことにより、当該ターボ前吸気管２３内を流れる吸入空気が温められる。すなわち、熱交換器８０は、エンジン冷却水と吸入空気との間で熱交換を行う。

なお、熱交換器としては、ターボ前吸気管２３の外周にエンジン冷却水を回す（流す）構成に代えて、例えば、チューブとフィンとで構成されたコア部をターボ前吸気管２３の管内に配設し、当該コア部を流れるエンジン冷却水と、ターボ前吸気管２３の管内を流れる吸入空気との間で熱交換を行い、吸入空気を昇温する構成としてもよい。

上述したように、消音装置１は、ターボ前吸気管２３にターボ気流音の周波数帯に合わせた３つのサイドブランチ７０を設けるとともに、第１冷却水配管６１から分岐した第２冷却水配管６２をターボ前吸気管２３の外周に回し、高温のエンジン冷却水を循環させる構成を有している。そのため、消音装置１によれば、各サイドブランチ７０によってターボ気流音が消音（低減）される。その際に、吸入空気の圧力損失が増大するが、ターボ前吸気管２３に高温のエンジン冷却水を流すことで、吸入空気が昇温されて、摩擦損失が減少することにより、各サイドブランチ７０による圧力損失の増大が防止される。

より詳細には、吸気管（ターボ前吸気管２３）内を空気が流れる場合の摩擦損失は、吸気管内風速が同じであれば、空気の温度が高くなるほど空気の密度が低下し小さくなる。ここで、吸入空気が加熱（昇温）された場合の圧力損失ΔＰｔ（Ｐａ）は、次式（１）によって求めることができる。
ΔＰｔ＝ｋｔ・ΔＰ ・・・ （１）
ここで、ΔＰは標準状態（２０℃）の圧力損失（Ｐａ）であり、ｋｔは温度による圧力補正係数である。なお、圧力補正係数ｋｔは、次式（２）によって求められる。
ｋｔ＝（２７３．１５＋２０）／（２７３．１５＋ｔａ） ・・・ （２）
ここで、ｔａはターボ前吸気管２３内の空気温度（℃）である。

なお、上述したように、熱交換器８０において加熱（昇温）された吸入空気は、インタークーラ５０によって冷却される。そのため、エンジン１０の充填効率は低下することなく、動力性能は悪化しない。このようにして、ターボ気流音の消音（低減）とエンジン動力性能の確保との両立が実現される。

以上、詳細に説明したように、本実施形態によれば、ターボチャージャ４０に吸入空気を導入するターボ前吸気管２３にサイドブランチ７０が配設されているため、該サイドブランチ７０によってターボ気流音が消音される。また、ターボ前吸気管２３に、該ターボ前吸気管２３を通して導入される吸入空気を加熱する熱交換器８０が配設されているため、該熱交換器８０によって吸入空気が加熱（昇温）されることにより、摩擦損失が低減されて、サイドブランチ７０での圧力損失が低減される。よって、エンジン１０の動力性能の低下が抑制される。その結果、エンジン動力性能の低下を防止しつつターボチャージャ４０による気流音を消音することが可能となる。

本実施形態によれば、吸入空気とエンジン冷却水との間で熱交換が行われる。そのため、エンジン１０からの熱によって高温となったエンジン冷却水を利用して吸入空気を加熱（昇温）することが可能となる。

本実施形態によれば、ラジエータ６０の上流側（かつサーモスタット６４の下流側）からエンジン冷却水が導入される。そのため、ラジエータ６０により冷却される前のより温度が高いエンジン冷却水を用いて吸入空気を加熱（昇温）することができる。

本実施形態によれば、熱交換器８０により加熱（昇温）され、また、ターボチャージャ４０によって圧縮されることにより昇温された吸入空気がインタークーラ５０によって冷却される。よって、エンジン１０の充填効率を向上させることができ、エンジン動力性能の確保とターボ気流音の消音とを両立することが可能となる。

本実施形態によれば、消音したい気流音の周波数帯に合わせてサイドブランチ７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃが複数（本実施形態では３つ）設けられているため、エンジン動力性能を確保しつつ、周波数帯が異なる複数の気流音を消音することが可能となる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、エンジン１０の過給機としてターボチャージャを用いたが、ターボチャージャに代えて、例えば、スーパーチャージャ等の他の形式の過給機を用いることもできる。

また、上記実施形態では、エンジン冷却水と吸入空気との間で熱交換を行う熱交換器８０を用いたが、エンジン冷却水に代えて、例えば、エンジンオイルや、トランスミッションオイルとの間で熱交換を行う構成としてもよい。また、熱交換器８０に代えて、例えば電気ヒータ（エアヒータ）等の加熱手段を用いる構成としてもよい。

なお、上記実施形態では、消音器としてサイドブランチ７０（干渉型消音器）を用いたが、他の形式の消音器、例えばレゾネータなどの共鳴型消音器を用いてもよい。また、上記実施形態では、消音するターボ気流音に合わせて３つのサイドブランチ７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃを設けていたが、サイドブランチ７０の数は３つには限られない。

１ 消音装置
１０ エンジン
２０ 吸気管
２３ ターボ前吸気管
３０ 排気管
４０ ターボチャージャ
４０ａ コンプレッサ
４０ｂ タービン
４０ｃ 回転軸
５０ インタークーラ
６０ ラジエータ
６１ 第１冷却水配管
６２ 第２冷却水配管
７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ サイドブランチ
８０ 熱交換器

Claims (9)

1. エンジンに吸入される吸入空気を過給する過給機と連通され、該過給機に吸入空気を導入する吸気管と、
   前記吸気管を構成する過給機前吸気管に配設され、気流音を消音する消音器と、
   前記過給機前吸気管の前記消音器の上流側に配設され、前記消音器による圧力損失を低減するように、前記吸気管を通して導入される吸入空気を加熱する加熱手段と、を備え、
   前記加熱手段により加熱される吸入空気の温度ｔａと前記消音器において低減される圧力損失ΔＰｔとは、次式（１）及び次式（２）を考慮して設定されることを特徴とする消音装置。
   ΔＰｔ＝ｋｔ・ΔＰ ・・・ （１）
   ｋｔ＝（２７３．１５＋２０）／（２７３．１５＋ｔａ） ・・・ （２）
   ここで、ΔＰは標準状態（２０℃）の圧力損失（Ｐａ）であり、ｋｔは温度による圧力補正係数であり、ｔａは過給機前吸気管内の空気温度（℃）である。
2. 前記消音器は、気流音を干渉作用により消音する干渉型消音器、又は、気流音を共鳴作用により消音する共鳴型消音器であることを特徴とする請求項１に記載の消音装置。
3. 前記加熱手段は、前記吸入空気と、前記吸入空気よりも温度が高い液体との間で熱交換を行う熱交換器であることを特徴とする請求項１又は２に記載の消音装置。
4. 前記熱交換器は、前記吸入空気と、前記エンジンを冷却するエンジン冷却水との間で熱交換を行うことを特徴とする請求項３に記載の消音装置。
5. 一方の端部が前記熱交換器と接続され、他方の端部が、前記エンジンとラジエータとを連通する第１冷却水配管と接続された第２冷却水配管を有することを特徴とする請求項４に記載の消音装置。
6. 前記過給機は、前記過給機の下流に配設され、前記過給機で圧縮された吸入空気を冷却するインタークーラを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の消音装置。
7. 前記消音器は、消音する気流音の周波数帯に合わせて複数設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の消音装置。
8. 前記過給機は、前記エンジンの排気管上に設けられたタービン、及び、前記吸気管上に設けられ、前記タービンと軸で接続されたコンプレッサを有し、排気ガスのエネルギーを利用して吸入空気を過給するターボチャージャであり、
   前記加熱手段は、ターボ前吸気管の前記消音器の上流側に配設されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の消音装置。
9. エンジンに吸入される吸入空気を過給する過給機と連通された吸気管を通して、前記過給機に吸入空気を導入する吸気ステップと、
   前記吸気管を構成する過給機前吸気管に配設された加熱手段により、前記過給機前吸気管の前記加熱手段の下流側に配設された消音器による圧力損失を低減するように、前記吸気ステップにおいて前記吸気管を通して導入された吸入空気を加熱する加熱ステップと、
   前記消音器により、前記加熱ステップにおいて加熱された吸入空気の気流音を消音する消音ステップと、を備え、
   前記加熱ステップにおいて加熱される吸入空気の温度ｔａと前記消音ステップにおいて低減される圧力損失ΔＰｔとは、次式（１）及び次式（２）を考慮して設定されることを特徴とする消音方法。
   ΔＰｔ＝ｋｔ・ΔＰ ・・・ （１）
   ｋｔ＝（２７３．１５＋２０）／（２７３．１５＋ｔａ） ・・・ （２）
   ここで、ΔＰは標準状態（２０℃）の圧力損失（Ｐａ）であり、ｋｔは温度による圧力補正係数であり、ｔａは過給機前吸気管内の空気温度（℃）である。

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