JP6528827B2

JP6528827B2 - エンジンの排気消音装置

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Publication number: JP6528827B2
Application number: JP2017203656A
Authority: JP
Inventors: 哲男平岡
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2017-10-20
Filing date: 2017-10-20
Publication date: 2019-06-12
Anticipated expiration: 2037-10-20
Also published as: JP2019078188A

Description

本発明はエンジンの排気消音装置に関する。

エンジンの排気消音装置に関して、特許文献１には、エンジンから延びる２本の排気管の各々に触媒を設け、両排気管各々の下流部にマフラを設けるとともに、一方の排気管に制御バルブを設けることが記載されている。エンジン回転数に応じて制御バルブを開閉制御することにより、エンジンの出力特性と排気系の消音特性を変えるとともに、エンジンの暖機運転時にはエンジン回転数に拘わらず一方の排気管を閉じることにより、排気熱エネルギーが逃げることを抑制してエンジンの暖機を促進するというものである。

実願平２−８６９４２号（実開平４−４４４４６号）のマイクロフィルム

エンジンの冷間始動時には、排気浄化装置（触媒）の急速暖機のために、エンジンの燃料噴射量を増やすと共に、点火時期を遅らせて排気温度を高めることが一般に行なわれている。いわゆる燃料の後燃えによって排気温度の上昇を図るものである。この排気浄化装置の急速暖機時には、エンジン回転数が上がるとともに、後燃えであるためピストンに対する仕事量が少なくなって燃焼音が大きくなる。その結果、排気音が大きくなる。この急速暖機は、通常は自動車が停止した状態で行なわれるから、排気音をできるだけ抑えることが求められる。

これに対して、従来、エンジンの排気消音装置は、自動車の市街地走行を想定して、エンジン出力を過度に落とさない範囲で、可能な限り排気音を小さくするという観点から設計されている。そのため、従来の排気消音装置では、上記急速暖機時の排気音の低減に限界があった。

すなわち、排気浄化装置の急速暖機時に必要な静粛性を得るべく、排気消音装置の消音効果を高めることが考えられるが、排気消音性を高めることは、排気抵抗の増大に繋がる。従って、当該急速暖機時の静粛性を得ようとすると、急速暖機後もエンジンを排気抵抗が大きい状態で運転することになり、エンジンの出力性能が犠牲になる。

なお、上記特許文献１では、エンジン自体の暖機のために一方の排気管を閉じて排気抵抗を大きくするものであり、排気浄化装置の急速暖機のためではない。また、一方の排気管を閉じることによって、その排気管に設けられたマフラが使用されなくなるため、必ずしも、排気騒音が低減するわけではない。

本発明は、エンジン出力を犠牲にすることなく、排気浄化装置の急速暖機時の静粛性を高めることを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するために、触媒の急速暖機時の排気音を低減する排気経路を排気消音装置に設けた。

ここに開示するエンジンの排気消音装置は、エンジンの排気通路における排気浄化装置よりも排気流れの下流側に設けられ、
排気音を低減させる第１排気経路と、
上記第１排気経路よりも通気抵抗が大きく排気消音性が高い第２排気経路と、
上記第１排気経路よりも通気抵抗が小さい第３排気経路とを備えた排気消音装置であって、
仕切り壁によって拡張室と共鳴室が区画形成されたサイレンサーハウジングと、
上記拡張室と該拡張室にエンジンの排気を導入する入口管とよりなり、該入口管に排気導入用の多数の孔が開口した多孔部が設けられた多孔拡張型消音器と、
上記拡張室から上記排気を流出させる第１出口管と、
上記拡張室から上記排気を流出させる、上記第１出口管よりも管径が小さい第２出口管とを備え、
上記入口管は、上記多孔部を有する多孔管部を備え、該多孔管部の排気流れ方向の下流端が上記共鳴室に開口し、
さらに、上記入口管の排気流れ方向における上記多孔管部の上流側から分岐し、上記拡張室を素通りして上記排気を上記サイレンサーハウジングの外へ排出させる素通り管を備え、
上記第１出口管は、排気流れ方向の上流部が上記拡張室に挿入された内ダクト部とされ、該第１出口管の排気流れ方向の下流部は上記サイレンサーハウジングより突出して第１テールパイプを構成し、
上記第２出口管は、排気流れ方向の上流部が上記拡張室に挿入された内ダクト部とされ、該第２出口管の下流端は上記サイレンサーハウジングより突出した第２テールパイプに接続され、
上記第１排気経路は、上記多孔拡張型消音器と上記第１出口管とによって形成され、
上記第２排気経路は、上記多孔拡張型消音器と上記第２出口管とによって形成され、
上記第３排気経路は、上記入口管から分岐した上記素通り管によって形成され、該素通り管の、上記サイレンサーハウジングから突出した排気流れ方向の下流部が上記第２テールパイプを構成しており、さらに、
上記第１排気経路を閉じることができる制御弁と、
上記第３排気経路を閉じることができる制御弁とを備え、
上記排気浄化装置を急速暖機するエンジン運転時に、エンジンの排気が上記第１排気経路よりも上記第２排気経路を多く通るように、上記制御弁により上記第１排気経路の開度を制御し、エンジンの上記排気浄化装置を急速暖機する運転を含まない高回転運転域においてエンジンの排気が第３排気経路を通るように、当該制御弁により上記第３排気経路の開度を制御する制御装置とを備えていることを特徴とする。

排気浄化装置の急速暖機時には、排気温度が高くなるようにエンジンが運転されるから、その燃焼音が大きくなる。これに対して、上記排気消音装置では、当該急速暖機時には排気が排気消音性が高い第２排気経路を通るから、静粛性の確保に有利になる。そして、上記急速暖機時でないときには排気が通気抵抗の相対的に低い第１排気経路を通ることができるから、エンジンの過度に背圧が高くなること、すなわち、自動車の通常走行時においてエンジン出力が犠牲になることが避けられる。

また、エンジンの高回転運転域では、排気が通気抵抗の小さい第３排気経路を通るから、エンジン背圧が低くなってエンジン出力の確保に有利になる。また、第３排気経路は第１排気経路よりも通気抵抗が小さいから、エンジンサウンドを強調した排気音を作り出すことができる。

また、第２排気経路は、多孔拡張型消音器を第１排気経路と共用する形になるから、該消音器に小径の第２出口管を接続するだけで構成することができ、装置が大型になることが避けながら、排気浄化装置の暖機運転時の排気音を効果的に低減させることができる。すなわち、排気浄化装置の暖機運転時には、拡張型消音器による消音効果と、排気が小径の第２出口管に導かれ、大きな通気抵抗による脈動減衰と大きな面積比による消音効果により、静粛性を得ることができる。

また、第１排気経路においては、拡張型消音器による消音と第１出口管の内ダクトによる音波の干渉効果によって音が低減する。また、多孔管の下流端が共鳴室に開口していることにより、特定周波数の音を効率良く低減させることができる。

第２排気経路においても、拡張型消音器による消音と第２出口管の内ダクトによる音波の干渉効果によって音が低減するが、第２出口管が小径であることにより、排気浄化装置の暖機運転時の音の低減効果が大きくなる。

第３排気経路を形成する素通り管は、上記入口管から分岐してサイレンサーハウジングを通り抜けているから、エンジン高回転運転域では、排気の多くが拡張室に入ることなく動圧によって素通り管により排出されるため、エンジンサウンドが強調された排気音になる。

そうして、第１排気経路を形成する拡張室に第２出口管を接続して第２排気経路を形成し、第１排気経路を形成する入口管から素通り管を分岐させて第３排気経路を形成するから、第１〜第３の排気経路を一つのサイレンサーハウジングに集約させた形で構成することができ、消音装置全体のコンパクト化に有利になる。

本発明によれば、エンジン出力を犠牲にすることなく、排気浄化装置の急速暖機時の静粛性を高める上で有利になり、さらに、消音装置全体のコンパクト化に有利になる。

実施形態に係る自動車のエンジンの排気系を示す斜視図。実施形態に係るサイレンサーハウジングを想像線で表してエンジンの排気消音装置を示す斜視図。同排気消音装置の排気経路及び制御系の構成図。参考形態１に係るエンジンの排気消音装置の排気経路の構成図。参考形態２に係るエンジンの排気消音装置の排気経路の構成図。参考形態３に係るエンジンの排気消音装置の排気経路の構成図。

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

＜実施形態＞
図１に示す自動車の排気系において、１はエンジンの排気マニホールドに結合された直結管２に設けられた排気浄化装置（触媒）、３は排気浄化装置１の排気流れ方向下流端に接続されて自動車の床下を自動車後方に延びる排気管、４は排気管３の後端部に設けられた排気消音装置、５，６は排気消音装置４のサイレンサーハウジング７の両サイドより突出して自動車後方に向けられた第１及び第２のテールパイプである。

図２及び図３に示すように、排気消音装置４は、一つのサイレンサーハウジング７を備えている。サイレンサーハウジング７は、横長であって、その内部が仕切り壁１１によって左右に並ぶ拡張室１２と共鳴室１３とに区画形成されている。拡張室１２の方が共鳴室１３よりも容積が大きくなっている。排気管３はサイレンサーハウジング７の前壁７ａ（拡張室１２の前壁）より前方に突出した入口管１４に接続されている。なお、拡張室１２と共鳴室１３の容積は、消音する周波数に応じて大きさ調整する。

入口管１４は、拡張室１２の内部を自動車後方に向かって延びる基部を有し、この基部から拡張室１２の内部を側方へ延びる多孔管部１５を有する。この多孔管部１５に、拡張室１２に開口した多数の孔を有する多孔部１５ａが設けられている。この入口管１４と拡張室１２とによって多孔拡張型消音器が構成されている。多孔管部１５は仕切り壁１１を貫通し、該多孔管部１５の排気流れ方向の下流端１５ｂが共鳴室１３に開口している。

そうして、入口管１４の基部（多孔管部１５の排気流れ方向の上流端側）から、排気を拡張室１２に流出させることなく該拡張室１２を素通りさせて排出させる素通り管１６が分岐している。素通り管１６は、入口管１４の基部の延設方向に延びて側方に湾曲し、共鳴室１３を貫通してサイレンサーハウジング７の一方の側壁７ｂから側方へ突出し、さらに、後方へ湾曲している。この素通り管１６のサイレンサーハウジング７より突出した排気流れ方向の下流部が第２テールパイプ６を構成している。

拡張室１２には、第１出口管２１と第２出口管２２が並列に接続されている。第１出口管２１は、サイレンサーハウジング７の他方の側壁７ｃを貫通している。第１出口管２１の排気流れ方向の上流部２１ａは、拡張室１２に挿入された内ダクト部とされている。第１出口管２１の排気流れ方向の下流部は、サイレンサーハウジング７の他方の側壁７ｃより側方に突出し、さらに、後方へ湾曲して第１テールパイプ５を構成している。

第２出口管２２の排気流れ方向の上流部２２ａは、共鳴室１３を貫通して拡張室１２に挿入された内ダクト部とされている。第２出口管２２の排気流れ方向の下流部は、サイレンサーハウジング７の上記一方の側壁７ｂより側方へ突出し、後方へ湾曲させて第２テールパイプ６に接続されている。

第２出口管２２の管径（内径）は、第１出口管２１の管径よりも小さくなっている。

第１出口管２１のサイレンサーハウジング７より突出した上記下流部には、該第１出口管２１を閉じることができる第１制御弁２３が設けられている。素通り管１６のサイレンサーハウジング７より突出した上記下流部には、該素通り孔１６を閉じることができる第２制御弁２４が設けられている。第２出口管２２は素通り管１６の第２制御弁２４よりも排気流れ方向の下流側に接続されている。

第１及び第２の制御弁２３，２４は、その作動がマイクロコンピュータを用いた制御装置２５によりエンジンの運転状態等に応じて制御される。当該制御のために、制御装置２５には、センサ等で検出されたエンジン回転数、エンジンの燃料噴射量、エンジンの吸入空気量、外気温等に関する情報が入力される。

すなわち、第１制御弁２３は、排気浄化装置１を急速暖機するエンジン運転時のみ第１出口管２１が全閉状態となり、他のエンジン運転時には第１出口管２１が全開状態なるように、上記制御装置２５によって作動が制御される。

上記急速暖機の要否は、エンジン運転状態等に関する情報に基づいて推測される排気浄化装置１の温度が所定値（触媒が所定の活性を示す温度、例えば２００℃）以下であるか否かで判定される。なお、排気浄化装置１の温度をセンサで直接検出して急速暖機の要否を判定することもできる。当該急速暖機は、エンジンの燃料噴射量の増量と点火時期をリタードによって排気温度を高めることにより実行される。

第２制御弁２４は、エンジンの高回転運転域（例えば、４０００ｒｐｍ以上、或いは５０００ｒｐｍ以上）のみにおいて素通り管１６が全開となるように、上記制御装置２５によって作動が制御される。

従って、エンジンの低回転ないし中回転の運転域において、排気浄化装置１が急速暖機されないときは、第１制御弁２３は開の状態であり、第２制御弁２４は閉の状態である。よって、このときは、排気が入口管１４の基部から多孔管部１５、拡張室１２及び第１出口管２１を通って排出される。

この入口管１４、拡張室１２及び第１出口管２１が、エンジンの低回転ないし中回転の運転域（但し、排気浄化装置１が急速暖機されるときを除く。）において排気音を低減させる第１排気経路を構成している。

この第１排気経路においては、入口管１４と拡張室１２による多孔拡張型消音器によって排気音が低減するとともに、第１出口管２１の内ダクトによる音波の干渉効果によって排気音が低減する。また、多孔管部１５の下流端が共鳴室１３に開口していることにより、排気音の特定周波数成分を効率良く低減させることができる。

排気浄化装置１を急速暖機するエンジン運転時には、第１制御弁２３が閉じられる。また、このエンジン運転時には、エンジン回転数が上昇するものの、高回転運転域までは上昇されない。従って、第２制御弁２４は閉の状態である。よって、このときは、排気が入口管１４から拡張室１２及び第２出口管２２を通って排出される。

この入口管１４、拡張室１２及び第２出口管２２が、排気浄化装置１を急速暖機するエンジン運転時において排気音を低減させる第２排気経路を構成している。

この第２排気経路においては、第１排気経路と同じく、入口管１４と拡張室１２による多孔拡張型消音器によって排気音が低減するが、第１排気経路とは違って、排気は拡張室１２から第２出口管２２を通って排出される。この第２出口管２２は第１出口管２１よりも管径が小さく通気抵抗が大きいから、排気消音性が第１排気経路よりも高い。

従って、排気浄化装置１を急速暖機するエンジン運転時には、排気音が第２排気経路によって効果的に低減されるから、第１排気経路よりも静粛性の確保に有利になる。この排気浄化装置１の急速暖機時の排気音の低減に関しては、第２出口管２２の管径と長さの調節によって所望の周波数で音の低減効果が大きくなるようにチューニングすることができる。

以上のように、排気浄化装置１の急速暖機時の排気音を第２排気経路で低減させるから、当該急速暖機時の排気音を考慮して第１排気経路を構成する必要がない。すなわち、第１排気経路では、自動車を市街地走行しているときに要望される程度の消音効果が得られればよく、エンジン出力を犠牲にして、入口管１４の多孔部１５ａでの排気の絞りを過度に大きくしたり、第１出口管２１の管径を過度に絞る必要がない。

エンジンが高回転運転域の運転状態になると、素通り管１６の第２制御弁２４が開になる。従って、このときは、排気の多くが、拡張室１２に入ることなく、入口管１４から動圧（運動エネルギー）によって素通り管１６を通って排出される。入口管１４及び素通り管１６が、エンジンの高回転運転域で排気を排出せる第３排気経路を構成している。

この第３排気経路では、排気が入口管１４から拡張室１２を経由することなく素通り管１６を経て排出されるから、第１排気経路よりも通気抵抗が小さい。よって、排気音の低減はあまりなく、エンジンサウンドが強調された排気音になる。第３排気経路の通気抵抗が小さいということは、エンジンの背圧が小さいということであり、エンジンの出力向上に有利になる。

また、エンジンの高回転運転域では、第１制御弁２３も開であるから、主として静圧で入口管１４から拡張室１２に入る排気が第１出口管２１を通って排出される。また、排気は第２出口管２２を通過することもできる。このように排気は第１排気経路及び第２排気経路も通過することができるから、エンジンの背圧がさらに小さくなり、エンジン出力の向上に有利になる。

なお、上記実施形態では、拡張室１２において入口管１４から素通り管１６を分岐させているが、入口管１４から拡張室１２の手前（サイレンサーハウジング７の外側）において素通り管１６を分岐させ、素通り管１６をサイレンサーハウジング７に通さないようにすることもできる。

＜参考形態１＞
本参考形態を図４に示す。実施形態では、入口管１４から素通り管１６を分岐させているが、本参考形態では、拡張室１２を貫通する１本の多孔貫通管３１を設け、この多孔貫通管３１に、実施形態で説明した排気管３を接続するようになっている。この多孔貫通管３１は、拡張室１２に開口する多数の孔を有する多孔部３１ａを備えていて、拡張室１２に排気を導入する入口管を構成しているとともに、拡張室１２を素通りさせて排気を排出する素通り管を構成している。この多孔貫通管３１の多孔部３１ａと拡張室１２が多孔拡張型消音器を構成している。

また、拡張室１２には、実施形態と同じく、第１出口管２１と、該第１出口管２１よりも管径が小さい第２出口管２２が接続されている。そして、第１出口管２１に排気浄化装置１の急速暖機時に閉となる第１制御弁２３が設けられ、多孔貫通管３１にエンジン高回転運転域で開となる第２制御弁２４が設けられている。

従って、エンジンの低回転ないし中回転の運転域において、排気浄化装置１が急速暖機されないときは、第１制御弁２３が開、第２制御弁２４が閉であるから、排気は多孔貫通管３１の多孔部３１ａから拡張室１２に入り、該拡張室１２から第１出口管２１を通って排出される。この多孔貫通管３１、拡張室１２及び第１出口管２１が、エンジンの低回転ないし中回転の運転域（但し、排気浄化装置１が急速暖機されるときを除く。）において排気音を低減させる第１排気経路を構成している。

排気浄化装置１を急速暖機するエンジン運転時には、第１制御弁２３が閉じられるから、多孔貫通管３１の多孔部３１ａから拡張室１２に入った排気は、該拡張室１２から第２出口管２２を通って排出される。この多孔貫通管３１、拡張室１２及び第２出口管２１が、排気浄化装置１の急速暖機時の排気音を低減させる第２排気経路を構成している。

第２出口管２２は第１出口管２１よりも管径が小さく通気抵抗が大きいから、排気消音性が第１排気経路よりも高い。すなわち、排気浄化装置１を急速暖機するエンジン運転時の排気音が第２排気経路によって効果的に低減される。

エンジンが高回転運転域の運転状態になると、多孔貫通管３１の第２制弁２４が開になるから、排気の多くが、拡張室１２に入ることなく、動圧によって多孔貫通管３１を通って排出される。この多孔貫通管３１が、エンジンの高回転運転域で排気を排出せる第３排気経路を構成している。

この第３排気経路では、排気が多孔貫通管３１によって拡張室１２を素通りして排出されるから、第１排気経路よりも通気抵抗が小さい。よって、実施形態と同様に、排気音の低減はあまりなく、エンジンサウンドが強調された排気音になり、また、エンジンの出力向上にも有利になる。

また、エンジンの高回転運転域では、第１制御弁２３も開であるから、排気が多孔部３１ａ、拡張室１２及び第１出口管２１を通って排出されること、そして、排気が第２出口管２２からも排出されることは、実施形態と同じである。

＜参考形態２＞
本参考形態は、図５に示すように、実施形態と同じく、第２出口管２２を多孔貫通管３１の第２制御弁２４よりも排気流れ方向の下流側に接続したものであり、他の構成は参考形態１と同じである。

＜参考形態３＞
本参考形態は、図６に示すように、排気管３を２本の枝管３ａ，３ｂに分岐し、各枝管３ａ，３ｂに参考形態２の消音装置を設けたものである。

図示は省略するが、各枝管３ａ，３ｂに実施形態の消音装置、或いは参考形態１の消音装置を設けることもできる。

＜その他＞
上記実施形態及び参考形態において、第１制御弁２３及び第２制御弁２４としては、弁体が全開と全閉の２位置に切り換わるオン・オフ弁に代えて、エンジン運転状態に応じて、弁体の開度を段階的又は連続的に調節することができる開度調節弁を採用することもできる。これにより、消音装置の消音特性及びエンジン出力特性をエンジン運転状態に応じてリニアに調節することができる。

また、拡張室１２内に音のエネルギを熱エネルギに変換して減音効果を得る吸音材を配置し、該吸音材の粘性や摩擦により周波数が高い音を低減させるようにしてもよい。例えば、拡張室１２の内壁面を吸音材で覆うようにすることができる。或いは、第１出口管２１の内ダクト部（上流部）２１ａに、管壁に多数の孔が開口した多孔部を設け、この多孔部を形成した管壁の外周をグラスウール涛の吸音材で覆い、この吸音材層を外管で覆った二重管構造の消音器を設けるようにしてもよい。その場合、第１出口管２１の上流端は閉塞せずに開口させる。なお、第１出口管２１の上流端を閉塞することもできる。

１排気浄化装置
３排気管
４排気消音装置
５第１テールパイプ
６第２テールパイプ
７サイレンサーハウジング
１１仕切り壁
１２拡張室（第１及び第２の排気経路を構成）
１３共鳴室
１４入口管（第１〜第３の排気経路を構成）
１５多孔管部（第１排気経路を構成）
１５ａ多孔部
１６素通り管（第３排気経路を構成）
２１第１出口管（第１排気経路を構成）
２２第２出口管（第２排気経路を構成）
２３第１制御弁
２４第２制御弁
２５制御装置

Claims

エンジンの排気通路における排気浄化装置よりも排気流れの下流側に設けられ、
排気音を低減させる第１排気経路と、
上記第１排気経路よりも通気抵抗が大きく排気消音性が高い第２排気経路と、
上記第１排気経路よりも通気抵抗が小さい第３排気経路とを備えた排気消音装置であって、
仕切り壁によって拡張室と共鳴室が区画形成されたサイレンサーハウジングと、
上記拡張室と該拡張室にエンジンの排気を導入する入口管とよりなり、該入口管に排気導入用の多数の孔が開口した多孔部が設けられた多孔拡張型消音器と、
上記拡張室から上記排気を流出させる第１出口管と、
上記拡張室から上記排気を流出させる、上記第１出口管よりも管径が小さい第２出口管とを備え、
上記入口管は、上記多孔部を有する多孔管部を備え、該多孔管部の排気流れ方向の下流端が上記共鳴室に開口し、
さらに、上記入口管の排気流れ方向における上記多孔管部の上流側から分岐し、上記拡張室を素通りして上記排気を上記サイレンサーハウジングの外へ排出させる素通り管を備え、
上記第１出口管は、排気流れ方向の上流部が上記拡張室に挿入された内ダクト部とされ、該第１出口管の排気流れ方向の下流部は上記サイレンサーハウジングより突出して第１テールパイプを構成し、
上記第２出口管は、排気流れ方向の上流部が上記拡張室に挿入された内ダクト部とされ、該第２出口管の下流端は上記サイレンサーハウジングより突出した第２テールパイプに接続され、
上記第１排気経路は、上記多孔拡張型消音器と上記第１出口管とによって形成され、
上記第２排気経路は、上記多孔拡張型消音器と上記第２出口管とによって形成され、
上記第３排気経路は、上記入口管から分岐した上記素通り管によって形成され、該素通り管の、上記サイレンサーハウジングから突出した排気流れ方向の下流部が上記第２テールパイプを構成しており、さらに、
上記第１排気経路を閉じることができる制御弁と、
上記第３排気経路を閉じることができる制御弁とを備え、
上記排気浄化装置を急速暖機するエンジン運転時に、エンジンの排気が上記第１排気経路よりも上記第２排気経路を多く通るように、上記制御弁により上記第１排気経路の開度を制御し、エンジンの上記排気浄化装置を急速暖機する運転を含まない高回転運転域においてエンジンの排気が第３排気経路を通るように、当該制御弁により上記第３排気経路の開度を制御する制御装置とを備えていることを特徴とするエンジンの排気消音装置。