WO2024095371A1 - エンジン用消音装置 - Google Patents

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WO2024095371A1
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pipe
branch
axis direction
branch pipe
silencer
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French (fr)
Inventor
強 村上
達哉 吉田
大雅 林
武 山野本
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日産自動車株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N1/00—Silencing apparatus characterised by method of silencing
    • F01N1/08—Silencing apparatus characterised by method of silencing by reducing exhaust energy by throttling or whirling

Definitions

  • the present invention relates to an engine silencer.
  • a muffler for an automobile engine three chambers are arranged side by side, each separated in the direction of the exhaust pipe, and the exhaust pipe passes through the three chambers.
  • a branch pipe from the exhaust pipe connects to one of the three chambers, and the chamber to which the branch pipe is connected is connected to the chamber at the other end via a communication pipe, making the two chambers at both ends resonant chambers, and a number of small holes are provided in the exhaust pipe of the central chamber, making the central chamber a resonant chamber or an expansion chamber (Patent Document 1).
  • the problem that this invention aims to solve is to provide an engine silencer that can prevent a decrease in the silencing effect in the silencer's resonance chamber.
  • the present invention solves the above problem by connecting the tip of the main pipe to the resonance chamber of the muffler using an exhaust pipe that includes a main pipe into which engine exhaust gas is introduced at its base end and a branch pipe that branches off from the main pipe at a branching section, in which the axial direction of the main pipe at the outlet of the branching section is aligned with the axial direction of the main pipe at the inlet of the branching section and the axial direction of the branch pipe at the outlet of the branching section is different from the axial direction of the main pipe at the inlet of the branching section.
  • the present invention makes it possible to prevent a decrease in the sound deadening effect in the resonance chamber of the silencer.
  • FIG. 1 is a plan view showing an example of a noise suppressor according to the present invention.
  • FIG. 2 is a plan sectional view of the exhaust pipe of FIG. 1 .
  • FIG. 2 is a plan sectional view of the silencer of FIG. 1 .
  • 2 is a plan sectional view showing the flow of exhaust gas and sound waves in the silencer of FIG. 1.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a main portion showing the flow of exhaust gas in a branch pipe of FIG. 1 .
  • FIG. 4 is a plan sectional view showing another example of a noise suppressor according to the present invention.
  • 7 is a front end view of a main part of a connection portion where a main pipe and a branch pipe in FIG. 6 are connected.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a main part showing the flow of exhaust gas in the branch pipe of FIG. 6 .
  • FIG. 4 is a cross-sectional plan view showing still another example of an exhaust pipe according to the present invention.
  • FIG. 2 is a plan sectional view showing an example of a noise suppressor according to a comparative example of the present invention.
  • FIG. 1 is a plan view showing an example of a silencer 1 according to the present invention.
  • the silencer 1 is a device that reduces the exhaust noise of an internal combustion engine (hereinafter also referred to as an engine) mounted on an automobile, motorcycle, etc., and the engine in question includes a hybrid engine that combines an internal combustion engine with an electric motor.
  • FIG. 1 is a drawing showing a plan view of the silencer 1 mounted on an automobile. As shown in FIG. 1, the silencer 1 includes an exhaust pipe 10, a silencer 20, and a tail pipe 30.
  • the exhaust pipe 10 is a pipe that introduces exhaust sound waves along with exhaust gas from an internal combustion engine to the silencer 20.
  • the exhaust gas and exhaust sound waves emitted from the engine are introduced to the base end of the exhaust pipe 10 via an exhaust manifold attached to the engine and an exhaust pipe routed under the floor of the vehicle.
  • the exhaust pipe routed under the floor may be a different exhaust pipe from the exhaust pipe 10, or it may be the same exhaust pipe integrated with the exhaust pipe 10.
  • the exhaust pipe 10 is a circular pipe made of corrosion-resistant stainless steel (such as SUS409) or titanium alloy.
  • the exhaust pipe 10 is made, for example, by rolling a plate of stainless steel or titanium alloy to the desired diameter. When combining multiple pipes, they are joined, for example, by welding.
  • the exhaust pipe 10 can be bent as necessary, for example, by using a pipe bender.
  • the exhaust pipe 10 is suspended below the floor of the vehicle by a stay (not shown). The stay is fixed to the floor via rubber.
  • Figure 2 is a plan cross-sectional view of the exhaust pipe 10 shown in Figure 1. Specifically, it is a cross-sectional view in a section perpendicular to the height direction of the automobile, including the central axis A1-A3 (hereinafter also referred to as the pipe axis) of the exhaust pipe 10.
  • the exhaust pipe 10 includes a main pipe 11 and a branch pipe 12 that branches off from the main pipe 11 at branch point B.
  • the pipe axis of the main pipe 11 is A1
  • the pipe axes of the branch pipe 12 are A2 and A3.
  • the diameter of the exhaust pipe 10 (main pipe 11 and branch pipe 12) can be set to an appropriate value within a range that allows the engine exhaust gas to be appropriately introduced into the muffler 20.
  • the main pipe 11 has a base end E1 and a tip E2. Engine exhaust gas and exhaust sound waves are introduced into the base end E1, and the tip E2 is connected to the resonance chamber of the muffler 20 using a joining method such as welding.
  • the main pipe 11 also has a branch section B defined by dashed lines L1 to L3 in FIG. 2 as a part of it.
  • the dashed line L1 is a line parallel to the cross-sectional direction of the main pipe 11, and its position corresponds to one position C1 of the base end of the branch pipe 12.
  • the dashed line L2 is a line parallel to the cross-sectional direction of the main pipe 11, and its position corresponds to the other position C2 of the base end of the branch pipe 12.
  • the dashed line L3 is a line connecting positions C1 and C2.
  • the branch pipe 12 has a base end E3 at a position corresponding to the dashed line L3 and a tip E4.
  • the tip E4 is connected to the expansion chamber of the muffler 20 using a joining method such as welding. If the position of the dashed line L1 is the entrance of the branch B and the positions of the dashed lines L2 and L3 are the exits of the branch B, the positional relationship between the main pipe 11 and the branch pipe 12 before and after the branch B is as follows.
  • the pipe axis direction D1 (hereinafter also referred to as the first pipe axis direction D1) of the main pipe 11 at the entrance of the branch B (position of the dashed line L1) and the pipe axis direction D2 (hereinafter also referred to as the second pipe axis direction D2) of the main pipe 11 at the exit of the branch B (position of the dashed line L2) are directions along each other. That is, the first pipe axis direction D1 and the second pipe axis direction D2 may be in the same direction, or the first pipe axis direction D1 and the second pipe axis direction D2 may form a certain angle (for example, an angle greater than 0° and less than 10°).
  • the tube axis direction D3 (hereinafter also referred to as the third tube axis direction D3) of the branch pipe 12 at the outlet of the branch B (position of the dashed line L3) is a direction different from the first tube axis direction D1 described above, and the first tube axis direction D1 and the third tube axis direction D3 form a predetermined angle, for example, within a range of 10 to 90°.
  • the tube axis A1 of the main tube 11 at the branch B may be a straight line along the first tube axis direction and the second tube axis direction (for example, a straight line parallel to the tube axis directions D1 and D2).
  • the tube axis A1 of the main tube 11 may be curved between the base end E1 and the inlet of the branch B, and between the outlet of the branch B and the tip E2.
  • the angle between the first tube axis direction D1 and the second tube axis direction D2 is smaller than the angle between the first tube axis direction D1 and the third tube axis direction D3.
  • the silencer 20 is a device that lowers the temperature of the exhaust gas introduced from the exhaust pipe 10 and also reduces the sound pressure (or volume) of the exhaust sound.
  • the silencer 20 is a cylindrical hollow molded product made of corrosion-resistant stainless steel (SUS409, etc.) or titanium alloy, and its cross-sectional shape can be circular, elliptical, rectangular, etc. For example, a stainless steel plate or a titanium alloy plate is pressed and welded to create the silencer 20 in the desired shape.
  • the silencer 20 is suspended from the underside of the floor of the vehicle, for example, via stays (not shown) provided at both ends in the longitudinal and/or lateral directions. The stays are fixed to the underside of the floor via rubber.
  • Figure 3 is a plan cross-sectional view of the silencer 20. Specifically, it is a cross-sectional view of a section perpendicular to the height direction of the vehicle, including the pipe axes A1-A3 of the exhaust pipe 10.
  • the silencer 20 has a resonance chamber 21 and an expansion chamber 22, and the two chambers are separated by a partition 23.
  • the partition 23 may be provided with a hole or a communication pipe that connects the resonance chamber 21 and the expansion chamber 22.
  • the silencer 20 may also have one or more resonance chambers 21 and one or more expansion chambers 22, and the number and arrangement of the resonance chambers 21, expansion chambers 22, and partitions 23 can be set as appropriate within the range in which the silencer 20 can achieve the desired sound-absorbing effect.
  • the resonance chamber 21 is a section that attenuates the sound waves of the exhaust sound introduced from the exhaust pipe 10 by interfering with sound waves having a waveform of the opposite phase.
  • sound waves introduced from the tip E2 of the main pipe 11 are attenuated by interfering with sound waves whose waveform has been reflected at the fixed end in the resonance chamber 21 and become the opposite phase.
  • the existence of the resonance chamber 21 causes the air present between the outlet (position of dashed line L2) of branch B shown in Figure 2 and the tip E2 to act as a spring, and sound waves having a certain frequency among the sound waves of the exhaust sound are attenuated by resonance.
  • the shape of the resonance chamber 21 can be set using a formula for calculating the resonance frequency of Helmholtz resonance according to the frequency of the sound waves to be attenuated by resonance.
  • the resonance frequency of the Helmholtz resonator consisting of the resonance chamber 21 and the portion of the main pipe 11 from the outlet of branch B to the tip E2 (hereinafter also referred to as the neck portion) is calculated from the axial length of the neck portion, the cross-sectional area of the main pipe 11, and the volume of the resonance chamber 21. Therefore, when the dimensions of the main pipe 11 are fixed, the resonance chamber 21 can be shaped appropriately within the range that ensures a volume that achieves the desired resonance frequency.
  • the expansion chamber 22 is a section that expands the exhaust gas introduced from the branch pipe 12 to reduce its pressure and temperature.
  • the expansion chamber 22 may be divided into multiple sections by partitions 23 to expand the exhaust gas in stages.
  • the expansion chamber 22 may also function as a resonance chamber different from the resonance chamber 21.
  • the exhaust gas expanded in the expansion chamber 22 is discharged into the atmosphere via a tail pipe 30 connected to the expansion chamber 22.
  • the tail pipe 30 is made of the same material and in the same manner as the exhaust pipe 10, and is connected to the expansion chamber 22 using a joining method such as welding.
  • Figure 4 is a plan cross-sectional view showing the flow of exhaust gas and sound waves of exhaust sound in the silencer 1.
  • the cross section shown in Figure 4 is the same as the cross sections shown in Figures 2 and 3.
  • exhaust gas introduced from the base end E1 travels straight through the main pipe 11 and accumulates in the resonance chamber 21.
  • the resonance chamber 21 and the neck portion of the main pipe 11 are filled with exhaust gas, it is introduced from the branch pipe 12 into the expansion chamber 22 along the arrow G1 shown in Figure 4.
  • the exhaust gas expands in the expansion chamber 22, lowering its temperature and pressure, and is discharged into the atmosphere from the tail pipe 30 along the arrow G2.
  • the sound waves of the exhaust sound travel straight through the main pipe 11 along the arrow S1 shown in FIG. 4.
  • the sound waves propagating through the exhaust pipe 10 are plane waves, and have the tendency to travel straight along the pipe axis of the exhaust pipe 10.
  • Some of the sound waves travel toward the branch pipe 12 at the branch B and are introduced into the expansion chamber 22 along the arrow S4, but relatively many sound waves travel straight through the branch B and are introduced into the resonance chamber 21 along the arrow S2.
  • the sound waves introduced into the resonance chamber 21 interfere with the sound waves that have reverberated in the resonance chamber 21 and become the opposite phase (arrow S3), and the sound pressure decreases.
  • the plane wave sound waves traveling straight through the main pipe 11 are more likely to be introduced into the resonance chamber 21 than into the branch pipe 12, so that the reduction in the sound deadening effect in the resonance chamber 21 can be suppressed.
  • the sound waves introduced into the expansion chamber 22 are output into the atmosphere from the tail pipe 30 along the arrow S5.
  • FIG. 10 is a plan cross-sectional view showing the noise suppression device 1x.
  • the noise suppression device 1x differs from the noise suppression device 1 shown in FIG. 1 in that the main pipe 11 is connected to the expansion chamber 22 and the branch pipe 12 is connected to the resonance chamber 21.
  • exhaust gas introduced from the base end E1 is introduced from the main pipe 11 to the expansion chamber 22 along the arrow Ga.
  • the exhaust gas expands in the expansion chamber 22, lowering its temperature and pressure, and is discharged from the tail pipe 30 to the atmosphere along the arrow Gb.
  • the sound waves of the exhaust sound travel straight through the main pipe 11 along the arrow Sa.
  • the sound waves that travel straight through the branch B along the arrow Sb are introduced into the expansion chamber 22.
  • a sound pressure that exceeds a certain sound pressure for example, as specified by regulations, they are output from the tail pipe 30 to the atmosphere along the arrow Sc.
  • the sound waves introduced into the resonance chamber 21 along the arrow Sd are less than the sound waves that travel straight through the branch B and are introduced into the expansion chamber 22, and the noise reduction effect (arrow Se) due to interference from the resonance chamber 21 is reduced.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the main part showing the flow of exhaust gas in the branch pipe 12.
  • the cross section shown in FIG. 5 is the same as the cross section shown in FIG. 4.
  • the pipe axis A2 of the branch pipe 12 shown in FIG. 5 is parallel to the third pipe axis direction D3 at the base end E3 side.
  • the inner surface of the branch pipe 12 is also parallel to the third pipe axis direction D3, and such a smooth inner surface that is not curved promotes the growth of exhaust gas vortices.
  • an exhaust gas vortex W1 is generated at a position close to the base end E3, the vortex W1 is subjected to a force f1 caused by the exhaust gas flow and a force f2 that is a reaction force to the force f1 exerted by the inner surface of the branch pipe 12.
  • Both forces f1 and f2 rotate the vortex W1 in the clockwise direction, so the rotation of the vortex W1 is promoted by the flow of exhaust gas, and the vortex W1 becomes a larger vortex W2 while moving along the pipe axis A2.
  • forces f1 and f2 are also applied to vortex W2, promoting the rotation of vortex W2, which becomes a larger vortex W3 as it moves along the tube axis A2.
  • forces f1 and f2 are also applied to vortex W3, promoting the rotation of vortex W3, which becomes a larger vortex W4 as it moves along the tube axis A2.
  • the sound caused by the vortex is a high-frequency sound like a whistle, and the sound pressure level of only some frequencies is increased in the high frequency range (for example, in the range of 1000 Hz or higher). If the sound pressure level of only some frequencies in the high frequency range is increased, the passengers in the car will recognize it as an abnormal sound emitted by the engine.
  • an exhaust pipe 10 having a branch pipe 12a of the shape shown in Figure 6 can be used.
  • FIG. 6 is a plan cross-sectional view of silencer 1a, and the cross-section shown in FIG. 6 is the same as the cross-section shown in FIG. 4.
  • the only difference between silencer 1 and silencer 1a is that branch pipe 12 is replaced with branch pipe 12a.
  • the pipe axis of branch pipe 12a is A4.
  • the branch B of the silencer 1a has an annular connection part where the base end E3 of the branch pipe 12a and the main pipe 11 are connected.
  • the annular connection part is shown in FIG. 7.
  • FIG. 7 is a front end view of the main part C3 where the main pipe 11 and the branch pipe 12a shown in FIG. 6 are connected.
  • the left side of FIG. 7 is the base end E1 side of the main pipe 11, and the right side is the tip E2 side of the main pipe 11.
  • the connection part C3 has an elliptical shape as shown in FIG. 7.
  • the surface formed by the inner surface of the main pipe 11 and the branch pipe 12a corresponding to part P is a curved surface having a radius of a predetermined value or more in a cross section C4 perpendicular to the connection part C3.
  • the portion corresponding to portion P shown in Figure 7 is portion Q shown in Figure 6.
  • the surface formed by the inner surfaces of the main pipe 11 and the branch pipe 12a at portion Q shown in Figure 6 is a curved surface having a radius R equal to or greater than a predetermined value.
  • Fig. 8 is a cross-sectional view of a main part showing the flow of exhaust gas in the branch pipe 12a.
  • the cross section shown in Fig. 8 is the same as the cross section shown in Fig. 5.
  • a vortex W5 of exhaust gas is generated at a position close to the base end E3
  • a force f1 caused by the flow of exhaust gas and a force f2 acting as a reaction force to the force f1 exerted by the inner surface of the branch pipe 12a are applied to the vortex W5.
  • the generated vortex W5 floats away from the inner surface of the branch pipe 12a.
  • the force f2 which is a reaction force from the inner surface of the branch pipe 12a, is not applied to the vortex W5, so the growth of the vortex W5 is suppressed.
  • the above-mentioned action also acts on the vortices W6 and W7 generated at different positions, resulting in the generation of multiple vortices of different sizes and rotational speeds in the branch pipe 12a.
  • the sound pressure level of only some frequencies in the high frequency range (for example, the range of 1000 Hz or higher) from becoming high.
  • the sound pressure level can be made uniform in the high frequency range, and jet sound is achieved.
  • the predetermined value of the radius shown as R in Figure 8 can be set to an appropriate value within the range in which the growth of the exhaust gas vortex can be suppressed, for example, 5 mm or more.
  • the surface formed by the inner surfaces of the main pipe 11 and the branch pipe 12a which corresponds to the half of the connection portion C3 on the base end E3 side of the branch pipe 12a, may be a curved surface having a radius R of a predetermined value or more in a cross section C4 perpendicular to the connection portion C3.
  • the entire connection portion C3 may be a curved surface having a radius R of a predetermined value or more in a cross section C4 perpendicular to the connection portion C3.
  • an exhaust pipe 10 having a branch pipe 12b shown in FIG. 9 may be used instead of the branch pipe 12a shown in FIG. 6, an exhaust pipe 10 having a branch pipe 12b shown in FIG. 9 may be used.
  • the pipe axis A5 of the branch pipe 12b is curved from the base end E3 of the branch pipe 12b toward the tip E4. Specifically, the angle between the second pipe axis direction D2 and the pipe axis direction of the branch pipe 12b becomes smaller as the tip E4 of the branch pipe 12b is approached. Alternatively, the angle between the second pipe axis direction D2 and the pipe axis direction of the branch pipe 12b may become larger as the tip E4 of the branch pipe 12b is approached. In this case, the pipe axis A5 of the branch pipe 12b is curved in a direction away from the main pipe 11.
  • an engine silencer 1 including an exhaust pipe 10 including a main pipe 11 into which engine exhaust gas is introduced from a base end E1, a branch pipe 12 branching from the main pipe 11 at a branching section B, and a silencer 20 including a resonance chamber 21, in which a second pipe axis direction D2 of the main pipe 11 at the outlet of the branching section B is a direction along a first pipe axis direction D1 of the main pipe 11 at the inlet of the branching section B, a third pipe axis direction D3 of the branch pipe 12 at the outlet of the branching section B is a direction different from the first pipe axis direction D1, and a tip E2 of the main pipe 11 is connected to the resonance chamber 21.
  • the second pipe axis direction D2 may be the same direction as the first pipe axis direction D1. This allows the sound waves of the exhaust sound to be introduced more efficiently into the resonance chamber 21.
  • the silencer 20 may include an expansion chamber 22 that expands the exhaust gas, and a tail pipe 30 connected to the expansion chamber 22 that discharges the expanded exhaust gas into the atmosphere, and the tip E4 of the branch pipe 12 may be connected to the expansion chamber 22. This allows the exhaust gas to be discharged from the silencer 1 into the atmosphere while suppressing exhaust noise.
  • the branch section B has an annular connection section C3 that connects the base end E3 of the branch pipe 12 and the main pipe 11, and when the connection section C3 is viewed from the front in a direction along the third pipe axis direction D3, in a portion P that is half of the connection section C3 on the tip E4 side of the branch pipe 12, the surface formed by the inner surfaces of the main pipe 11 and the branch pipe 12 may be a curved surface having a radius R of a predetermined value or more in a cross section C4 perpendicular to the connection section C3. This suppresses the growth of vortices of the exhaust gas on the inner surface of the branch pipe 12, and a jet sound with a uniform sound pressure level in the high frequency range can be achieved.
  • the pipe axis A2 of the branch pipe 12 may be curved from the base end E3 to the tip end E4 of the branch pipe 12. This suppresses the growth of vortexes of the exhaust gas on the inner surface of the branch pipe 12, and realizes a jet sound with a uniform sound pressure level in the high frequency range.
  • the angle between the second pipe axis direction D2 and the pipe axis direction of the branch pipe 12 may become larger or smaller as it approaches the tip E4 of the branch pipe 12. This suppresses the growth of exhaust gas vortexes on the inner surface of the branch pipe 12, and realizes a jet sound with a uniform sound pressure level in the high frequency range.

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Abstract

本発明では、基端（Ｅ１）からエンジンの排気ガスが導入される本管（１１）と、分岐部（Ｂ）において前記本管（１１）から分岐する分岐管（１２）とを含む排気管（１０）と、共鳴室（２１）を含む消音器（２０）と、を備え、前記分岐部（Ｂ）の出口における前記本管（１１）の第２管軸方向（Ｄ２）は、前記分岐部（Ｂ）の入口における前記本管（１１）の第１管軸方向（Ｄ１）に沿った方向であり、前記分岐部（Ｂ）の前記出口における前記分岐管（１２）の第３管軸方向（Ｄ３）は、前記第１管軸方向（Ｄ１）と異なる方向であり、前記本管（１１）の先端（Ｅ２）が、前記共鳴室（２１）に接続されている、エンジン用消音装置（１）が提供される。

Description

エンジン用消音装置
　本発明は、エンジン用消音装置に関するものである。
　排気管方向にそれぞれ仕切られた３室が並設され、排気管が当該３室を貫通している、自動車用エンジンのマフラーにおいて、排気管からの分岐管が当該３室のうちいずれか一端の室に接続し、分岐管が接続した室を連通管を介して他端の室と接続することで、当該３室のうち両端の室を共鳴室とし、中央の室の排気管に対して多数の小孔を設けることで、中央の室を共鳴室又は拡張室とするマフラーが知られている（特許文献１）。
特公平３－４５２０８号公報
　しかしながら、上記従来技術では、排気管内を直進する平面波の音波が、分岐管に進入せずにそのままマフラー（以下、消音器とも言う）から出力される場合があり、並設された３室のうち両端の共鳴室において所望の消音効果が得られないという問題があった。
　本発明が解決しようとする課題は、消音器の共鳴室における消音効果が低下することを抑制できる、エンジン用消音装置を提供することである。
　本発明は、基端からエンジンの排気ガスが導入される本管と、分岐部において本管から分岐する分岐管とを含み、分岐部の出口における本管の管軸方向が、分岐部の入口における本管の管軸方向に沿った方向であり、分岐部の出口における分岐管の管軸方向が、分岐部の入口における本管の管軸方向と異なる方向である排気管を用いて、本管の先端を消音器の共鳴室に接続することによって上記課題を解決する。
　本発明によれば、消音器の共鳴室における消音効果が低下することを抑制できる。
本発明に係る消音装置の一例を示す平面図である。 図１の排気管の平面断面図である。 図１の消音器の平面断面図である。 図１の消音装置における排気ガスと音波の流れを示す平面断面図である。 図１の分岐管における排気ガスの流れを示す要部断面図である。 本発明に係る消音装置の他の例を示す平面断面図である。 図６の本管と分岐管が接続する接続部を正面視した要部端面図である。 図６の分岐管における排気ガスの流れを示す要部断面図である。 本発明に係る排気管のまた他の例を示す平面断面図である。 本発明の比較例に係る消音装置の一例を示す平面断面図である。
　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
　図１は、本発明に係る消音装置１の一例を示す平面図である。消音装置１は、自動車、自動二輪車などに搭載される内燃機関（以下、エンジンとも言う）の排気音を低減する装置であり、当該エンジンには、内燃機関と電動機を組み合わせたハイブリッド型のエンジンが含まれるものとする。図１は、自動車に搭載された消音装置１を平面視した場合の図面である。消音装置１は、図１に示すように排気管１０、消音器２０及びテールパイプ３０を含む。
　排気管１０は、内燃機関であるエンジンの排気ガスとともに排気音の音波を消音器２０に導入する管である。排気管１０の基端には、エンジンに取り付けられたエキゾーストマニホールドと、自動車のフロアの下側に配索された排気管とを介し、エンジンから排出された排気ガスと排気音の音波が導入される。なお、フロアの下側に配索された当該排気管は、排気管１０と異なる排気管であってもよく、排気管１０と一体となった同じ排気管であってもよい。
　排気管１０は、耐食性のステンレス鋼（ＳＵＳ４０９等）又はチタン合金からなる円管である。排気管１０は、例えば、ステンレス鋼又はチタン合金の板を所望の直径に巻いて作成する。複数の管を組み合わせる場合は、例えば溶接により接合する。排気管１０は、例えばパイプベンダーを用いて、必要に応じて湾曲させることができる。排気管１０は、ステー（図示しない）により自動車のフロアの下側に懸下される。ステーは、ゴムを介してフロアに固定される。
　図２は、図１に示す排気管１０の平面断面図である。具体的には、排気管１０の中心軸Ａ１～Ａ３（以下、管軸とも言う）を含む、自動車の高さ方向に垂直な断面における断面図である。図２に示すように、排気管１０は、本管１１と、分岐部Ｂにおいて本管１１から分岐する分岐管１２とを含む。本管１１の管軸はＡ１であり、分岐管１２の管軸はＡ２，Ａ３である。なお、排気管１０（本管１１及び分岐管１２）の直径は、エンジンの排気ガスを適切に消音器２０に導入できる範囲内で適宜の値を設定できる。
　本管１１は、基端Ｅ１と先端Ｅ２とを有する。基端Ｅ１には、エンジンの排気ガスと排気音の音波が導入され、先端Ｅ２は、溶接などの接合方法を用いて消音器２０の共鳴室に接続されている。また、本管１１は、その一部として、図２において破線Ｌ１～Ｌ３で画定された分岐部Ｂを有する。破線Ｌ１は、本管１１の横断面方向と平行な線であり、その位置は、分岐管１２の基端の一方の位置Ｃ１に対応している。同様に、破線Ｌ２は、本管１１の横断面方向と平行な線であり、その位置は、分岐管１２の基端の他方の位置Ｃ２に対応している。破線Ｌ３は、位置Ｃ１と位置Ｃ２とを結ぶ線である。
　分岐管１２は、破線Ｌ３に対応する位置の基端Ｅ３と、先端Ｅ４とを有する。先端Ｅ４は、溶接などの接合方法を用いて消音器２０の拡張室に接続されている。ここで、破線Ｌ１の位置を分岐部Ｂの入口とし、破線Ｌ２，Ｌ３の位置を分岐部Ｂの出口とすると、分岐部Ｂの前後における本管１１と分岐管１２の位置関係は、以下のとおりとなる。すなわち、分岐部Ｂの入口（破線Ｌ１の位置）における本管１１の管軸方向Ｄ１（以下、第１管軸方向Ｄ１とも言う）と、分岐部Ｂの出口（破線Ｌ２の位置）における本管１１の管軸方向Ｄ２（以下、第２管軸方向Ｄ２とも言う）は、互いに沿った方向である。つまり、第１管軸方向Ｄ１と第２管軸方向Ｄ２は同じ方向であってもよく、第１管軸方向Ｄ１と第２管軸方向Ｄ２がある角度（例えば０°より大きく１０°未満の角度）を成してもよい。これに対し、分岐部Ｂの出口（破線Ｌ３の位置）における分岐管１２の管軸方向Ｄ３（以下、第３管軸方向Ｄ３とも言う）は、上述の第１管軸方向Ｄ１と異なる方向であり、第１管軸方向Ｄ１と第３管軸方向Ｄ３は、例えば１０～９０°の範囲内の所定角度を形成する。
　本管１１について、分岐部Ｂにおける本管１１の管軸Ａ１は、第１管軸方向と第２管軸方向とに沿う直線（例えば、管軸方向Ｄ１，Ｄ２に平行な直線）であってもよい。また、基端Ｅ１と分岐部Ｂの入口の間と、分岐部Ｂの出口と先端Ｅ２の間において、本管１１は管軸Ａ１が湾曲していてもよい。なお、第１管軸方向Ｄ１と第２管軸方向Ｄ２が成す角度は、第１管軸方向Ｄ１と第３管軸方向Ｄ３が成す角度より小さいものとする。
　消音器２０は、排気管１０から導入された排気ガスの温度を下げるとともに、排気音の音圧（又は音の大きさ）を下げる装置である。消音器２０は、耐食性のステンレス鋼（ＳＵＳ４０９等）又はチタン合金からなる筒形の中空成形品であり、その断面形状は円形、楕円形、矩形などである。例えば、ステンレス鋼板又はチタン合金板をプレス加工及び溶接することで、所望の形状の消音器２０を作成する。消音器２０は、例えば、長手方向及び／又は短手方向の両端部に設けられたステー（図示しない）を介し、自動車のフロアの下側に懸下される。当該ステーは、ゴムを介してフロアの下側に固定される。
　図３は、消音器２０の平面断面図である。具体的には、排気管１０の管軸Ａ１～Ａ３を含む、自動車の高さ方向に垂直な断面における断面図である。消音器２０は共鳴室２１と拡張室２２を有し、二つの室は仕切り２３により区切られている。仕切り２３には、共鳴室２１と拡張室２２を連通させる孔又は連通管が設けられていてもよい。また、消音器２０は、一又は複数の共鳴室２１と、一又は複数の拡張室２２とを有してもよく、消音器２０が所望の消音効果を発揮できる範囲内で、共鳴室２１、拡張室２２及び仕切り２３の数とその配置は適宜に設定できる。
　共鳴室２１は、排気管１０から導入された排気音の音波を、逆位相の波形を有する音波と干渉させて減衰させる区画である。例えば、本管１１の先端Ｅ２から導入された音波を、共鳴室２１内で固定端反射して波形が逆位相となった音波と干渉させて排気音を減衰させる。また、共鳴室２１が存在することで、図２に示す分岐部Ｂの出口（破線Ｌ２の位置）と先端Ｅ２の間に存在する空気がばねとして作用し、排気音の音波のうち、ある一定の周波数を有する音波を共振により減衰させる。
　共鳴室２１の形状は、共振により減衰させる音波の周波数に応じ、ヘルムホルツ共鳴の共振周波数を求める式を用いて設定できる。すなわち、共鳴室２１と、本管１１のうち分岐部Ｂの出口から先端Ｅ２までの部分（以下、ネック部分とも言う）とからなるヘルムホルツ共鳴器の共振周波数は、ネック部分の管軸方向の長さと、本管１１の横断面の断面積と、共鳴室２１の体積とから求められるため、本管１１の寸法が決まっている場合は、所望の共振周波数を実現する体積が確保できる範囲内で、共鳴室２１を適宜の形状とする。
　拡張室２２は、分岐管１２から導入された排気ガスを膨張させてその圧力と温度を下げる区画である。拡張室２２は、排気ガスを段階的に膨張させるために仕切り２３により複数の区画に分割されていてもよい。また、拡張室２２は、共鳴室２１と異なる共鳴室として機能してもよい。拡張室２２で膨張した排気ガスは、拡張室２２に接続されたテールパイプ３０を介して大気中に排出される。なお、テールパイプ３０は、排気管１０と同様の材料を用いて排気管１０と同様の方法により作成され、溶接などの接合方法を用いて拡張室２２に接続される。
　図４は、消音装置１における排気ガスと、排気音の音波の流れを示す平面断面図である。図４に示す断面は、図２及び３に示す断面と同じ断面である。まず、基端Ｅ１から導入された排気ガスは、本管１１を直進して共鳴室２１に滞留する。そして、共鳴室２１と、本管１１のネック部分とが排気ガスで充満した後、図４に示す矢印Ｇ１に沿って分岐管１２から拡張室２２に導入される。拡張室２２で膨張して温度と圧力が下がった排気ガスは、矢印Ｇ２に沿ってテールパイプ３０から大気中に排出される。
　一方、排気音の音波は、基端Ｅ１から導入された後、図４に示す矢印Ｓ１に沿って本管１１を直進する。これは、排気管１０の中を伝播する音波は平面波であり、排気管１０の管軸に沿って伝播する直進性があるためである。一部の音波は、分岐部Ｂにおいて分岐管１２に向かい、矢印Ｓ４に沿って拡張室２２に導入されるが、相対的に多くの音波は、分岐部Ｂを直進し、矢印Ｓ２に沿って共鳴室２１に導入される。共鳴室２１に導入された音波は、共鳴室２１内で反響して波形が逆位相となった音波と干渉し（矢印Ｓ３）、その音圧が下がる。これにより、本管１１を直進する平面波の音波が、分岐管１２よりも共鳴室２１に導入されやすくなるため、共鳴室２１における消音効果が低下することを抑制できる。なお、拡張室２２に導入された音波は、矢印Ｓ５に沿ってテールパイプ３０から大気中に出力される。
　これに対し、図１０に示す、本発明の比較例に係る消音装置１ｘでは、共鳴室２１における消音効果が低下する。図１０は、消音装置１ｘを示す平面断面図である。消音装置１ｘは、本管１１が拡張室２２に接続し、分岐管１２が共鳴室２１に接続している点が、図１に示す消音装置１と異なる。
　図１０に示す消音装置１ｘでは、基端Ｅ１から導入された排気ガスは、矢印Ｇａに沿って本管１１から拡張室２２に導入される。拡張室２２で膨張して温度と圧力が下がった排気ガスは、矢印Ｇｂに沿ってテールパイプ３０から大気中に排出される。一方、排気音の音波は、基端Ｅ１から導入された後、矢印Ｓａに沿って本管１１を直進する。矢印Ｓｂに沿って分岐部Ｂを直進した音波は、拡張室２２に導入される。そして、例えば法規で定められた所定音圧を超える音圧で、矢印Ｓｃに沿ってテールパイプ３０から大気中に出力される。矢印Ｓｄに沿って共鳴室２１に導入される音波は、分岐部Ｂを直進して拡張室２２に導入される音波より少なく、共鳴室２１の干渉による消音効果（矢印Ｓｅ）が低下してしまう。
　図５は、分岐管１２における排気ガスの流れを示す要部断面図である。図５に示す断面は、図４に示す断面と同じ断面である。図５に示す分岐管１２の管軸Ａ２は、基端Ｅ３側では第３管軸方向Ｄ３と平行である。この場合、分岐管１２の内面も第３管軸方向Ｄ３と平行な面となるが、このような湾曲していない平滑な内面は、排気ガスの渦の成長を促進する。例えば、基端Ｅ３に近い位置において排気ガスの渦Ｗ１が発生したとすると、渦Ｗ１には、排気ガスの流れに起因する力ｆ１と、分岐管１２の内面が及ぼす、力ｆ１の反力である力ｆ２とが加わる。力ｆ１と力ｆ２は、どちらも、渦Ｗ１を時計回りの方向に回転させる力であるため、排気ガスの流れによって渦Ｗ１の回転は促進され、渦Ｗ１は、管軸Ａ２に沿って移動しつつ、より大きな渦Ｗ２になる。
　渦の回転を促進する力は、発生した渦に対して継続的に加えられるため、図５に示すように渦Ｗ２に対しても力ｆ１と力ｆ２が加わり、渦Ｗ２の回転が促進され、渦Ｗ２は、管軸Ａ２に沿って移動しつつ、より大きな渦Ｗ３になる。同様に、渦Ｗ３に対しても力ｆ１と力ｆ２が加わり、渦Ｗ３の回転が促進され、渦Ｗ３は、管軸Ａ２に沿って移動しつつ、より大きな渦Ｗ４になる。
　このように、渦の成長が促進されて大きな渦が発生すると、渦の大きさと回転速度に応じた、ある特定の周波数の大きな音が発生する。渦に起因する音は、汽笛のような周波数の高い音であり、周波数の高い範囲（例えば、１０００Ｈｚ以上の範囲）において、一部の周波数の音圧レベルのみを高くする。周波数の高い範囲において一部の周波数の音圧レベルのみが高くなると、自動車の乗員には、エンジンが発する異音として認識される。そこで、分岐管１２における排気ガスの渦の成長を抑制し、周波数の高い範囲において音圧レベルを一様にしてジェットエンジンのような心地よい高音（以下、ジェットサウンドとも言う）を実現するため、例えば図６に示す形状の分岐管１２ａを有する排気管１０を用いることができる。
　図６は、消音装置１ａの平面断面図であり、図６に示す断面は、図４に示す断面と同じ断面である。消音装置１と消音装置１ａとの違いは、分岐管１２が分岐管１２ａに置き換わったことのみである。分岐管１２ａの管軸はＡ４である。
　消音装置１ａの分岐部Ｂは、分岐管１２ａの基端Ｅ３と本管１１とが接続する環状の接続部を有する。環状の接続部を図７に示す。図７は、図６に示す本管１１と分岐管１２ａが接続する接続部Ｃ３を正面視した要部端面図である。図７の左側が本管１１の基端Ｅ１側であり、右側が本管１１の先端Ｅ２側である。図６に示す本管１１と分岐管１２ａの場合は、接続部Ｃ３は、図７に示す楕円形状となる。ここで、図７に示す接続部Ｃ３を、第３管軸方向Ｄ３に沿う方向（例えば、第３管軸方向Ｄ３と同じ方向）から正面視した場合に、接続部Ｃ３のうち分岐管１２ａの先端Ｅ４側の半分となる部分を部分Ｐとすると、部分Ｐに対応する、本管１１と分岐管１２ａの内面により形成された面が、接続部Ｃ３に直交する断面Ｃ４において所定値以上の半径を有する曲面とされている。図７に示す断面Ｃ４を視点Ｃ５から見た場合、図７に示す部分Ｐに対応する部分は、図６に示す部分Ｑとなる。つまり、消音装置１ａでは、図６に示す部分Ｑにおいて本管１１及び分岐管１２ａの内面が形成する面が、所定値以上の半径Ｒを有する曲面となっている。
　図６に示す部分Ｑにおいて本管１１及び分岐管１２ａの内面が形成する面が、所定値以上の半径Ｒを有する曲面となることで、分岐管１２ａにおいて排気ガスの流れる状態は、図５に示す状態と異なるものとなる。図８は、分岐管１２ａにおける排気ガスの流れを示す要部横断面図である。図８に示す断面は、図５に示す断面と同じ断面である。基端Ｅ３に近い位置において排気ガスの渦Ｗ５が発生したとすると、渦Ｗ５には、排気ガスの流れに起因する力ｆ１と、分岐管１２ａの内面が及ぼす、力ｆ１の反力である力ｆ２とが加わる。
ところが、分岐管１２ａの内面が湾曲しているため、発生した渦Ｗ５は分岐管１２ａの内面から離れて浮遊する。すると、分岐管１２ａの内面からの反力である力ｆ２が渦Ｗ５に加わらなくなるため、渦Ｗ５の成長が抑制される。
　上述の作用は、異なる位置で発生した渦Ｗ６，Ｗ７にも同様に働き、分岐管１２ａの中では、異なる大きさと回転速度を有する複数の渦が発生することになる。このように、渦の成長を抑制し、複数の異なる渦を発生させることで、周波数の高い範囲（例えば、１０００Ｈｚ以上の範囲）において、一部の周波数の音圧レベルのみが高くなることが抑制できる。その結果、周波数の高い範囲において音圧レベルを一様にでき、ジェットサウンドが実現される。なお、図８にＲとして示す半径の所定値は、排気ガスの渦の成長が抑制できる範囲内で適宜の値を設定でき、例えば５ｍｍ以上である。
　また、図７に示す、排気ガスの流れに対向する部分Ｐに加えて、第３管軸方向Ｄ３に沿う方向から接続部Ｃ３を正面視した場合に、接続部Ｃ３のうち分岐管１２ａの基端Ｅ３側の半分となる部分に対応する、本管１１と分岐管１２ａの内面により形成された面が、接続部Ｃ３に直交する断面Ｃ４において所定値以上の半径Ｒを有する曲面とされていてもよい。つまり、接続部Ｃ３の全体が、接続部Ｃ３に直交する断面Ｃ４において所定値以上の半径Ｒを有する曲面とされていてもよい。
　さらに、図６に示す分岐管１２ａに代えて、図９に示す分岐管１２ｂを有する排気管１０を用いてもよい。分岐管１２ｂの管軸Ａ５は、分岐管１２ｂの基端Ｅ３から先端Ｅ４に向かって湾曲している。具体的には、第２管軸方向Ｄ２と、分岐管１２ｂの管軸方向とがなす角度は、分岐管１２ｂの先端Ｅ４に近づくにつれて小さくなっている。又はこれに代え、第２管軸方向Ｄ２と、分岐管１２ｂの管軸方向とがなす角度が、分岐管１２ｂの先端Ｅ４に近づくにつれて大きくなってもよい。この場合、分岐管１２ｂの管軸Ａ５は、本管１１から離反する方向に湾曲している。
［本発明の実施態様］
　以上のとおり、本実施形態によれば、基端Ｅ１からエンジンの排気ガスが導入される本管１１と、分岐部Ｂにおいて前記本管１１から分岐する分岐管１２とを含む排気管１０と、共鳴室２１を含む消音器２０と、を備え、前記分岐部Ｂの出口における前記本管１１の第２管軸方向Ｄ２は、前記分岐部Ｂの入口における前記本管１１の第１管軸方向Ｄ１に沿った方向であり、前記分岐部Ｂの前記出口における前記分岐管１２の第３管軸方向Ｄ３は、前記第１管軸方向Ｄ１と異なる方向であり、前記本管１１の先端Ｅ２が、前記共鳴室２１に接続されている、エンジン用消音装置１が提供される。これにより、消音器２０の共鳴室２１における消音効果が低下することを抑制できる。
　また、本実施形態の消音装置１において、第２管軸方向Ｄ２は、第１管軸方向Ｄ１と同じ方向であってもよい。これにより、排気音の音波をより共鳴室２１に導入できる。
　また、本実施形態の消音装置１において、前記消音器２０は、前記排気ガスを膨張させる拡張室２２と、膨張した前記排気ガスを大気中に排出する、前記拡張室２２に接続されたテールパイプ３０とを含み、前記分岐管１２の先端Ｅ４が前記拡張室２２に接続されていてもよい。これにより、排気音を抑制しつつ、排気ガスを消音装置１から大気中に排出できる。
　また、本実施形態の消音装置１において、前記分岐部Ｂは、前記分岐管１２の基端Ｅ３と前記本管１１とが接続する環状の接続部Ｃ３を有し、前記接続部Ｃ３を、前記第３管軸方向Ｄ３に沿う方向から正面視した場合に、前記接続部Ｃ３のうち前記分岐管１２の先端Ｅ４側の半分となる部分Ｐでは、前記本管１１と前記分岐管１２の内面により形成された面が、前記接続部Ｃ３に直交する断面Ｃ４において所定値以上の半径Ｒを有する曲面とされていてもよい。これにより、分岐管１２の内面における排気ガスの渦の成長が抑制され、周波数の高い範囲において音圧レベルが一様なジェットサウンドが実現できる。
　また、本実施形態の消音装置１において、前記分岐管１２の管軸Ａ２は、前記分岐管１２の基端Ｅ３から先端Ｅ４に向かって湾曲していてもよい。これにより、分岐管１２の内面における排気ガスの渦の成長が抑制され、周波数の高い範囲において音圧レベルが一様なジェットサウンドが実現できる。
　また、本実施形態の消音装置１において、前記第２管軸方向Ｄ２と、前記分岐管１２の管軸方向とがなす角度は、前記分岐管１２の前記先端Ｅ４に近づくにつれて大きく又は小さくなってもよい。これにより、分岐管１２の内面における排気ガスの渦の成長が抑制され、周波数の高い範囲において音圧レベルが一様なジェットサウンドが実現できる。
１、１ａ…消音装置
１ｘ…消音装置（比較例）
１０…排気管
１１…本管
１２，１２ａ，１２ｂ…分岐管
２０…消音器
２１…共鳴室
２２…拡張室
３０…テールパイプ
Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５…中心軸（管軸）
Ｂ…分岐部
Ｃ１，Ｃ２…位置
Ｃ３…接続部
Ｃ４…断面
Ｃ５…視点
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３…管軸方向
Ｅ１，Ｅ３…基端
Ｅ２，Ｅ４…先端
ｆ１，ｆ２…力
Ｇ１，Ｇ２，Ｇａ，Ｇｂ…矢印
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３…破線
Ｐ，Ｑ…部分
Ｒ…半径
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄ，Ｓｅ…矢印
Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４，Ｗ５，Ｗ６，Ｗ７…渦

Claims (6)

  1. 　基端からエンジンの排気ガスが導入される本管と、分岐部において前記本管から分岐する分岐管とを含む排気管と、
    　共鳴室を含む消音器と、を備え、
    　前記分岐部の出口における前記本管の第２管軸方向は、前記分岐部の入口における前記本管の第１管軸方向に沿った方向であり、
    　前記分岐部の前記出口における前記分岐管の第３管軸方向は、前記第１管軸方向と異なる方向であり、
    　前記本管の先端が、前記共鳴室に接続されている、エンジン用消音装置。
  2. 　前記第２管軸方向は、前記第１管軸方向と同じ方向である、請求項１に記載のエンジン用消音装置。
  3. 　前記消音器は、前記排気ガスを膨張させる拡張室と、膨張した前記排気ガスを大気中に排出する、前記拡張室に接続されたテールパイプとを含み、
    　前記分岐管の先端が前記拡張室に接続されている、請求項１又は２に記載のエンジン用消音装置。
  4. 　前記分岐部は、前記分岐管の基端と前記本管とが接続する環状の接続部を有し、
    　前記接続部を、前記第３管軸方向に沿う方向から正面視した場合に、前記接続部のうち前記分岐管の先端側の半分となる部分では、前記本管と前記分岐管の内面により形成された面が、前記接続部に直交する断面において所定値以上の半径を有する曲面とされている、請求項１～３のいずれか一項に記載のエンジン用消音装置。
  5. 　前記分岐管の管軸は、前記分岐管の基端から先端に向かって湾曲している、請求項１～３のいずれか一項に記載のエンジン用消音装置。
  6. 　前記第２管軸方向と、前記分岐管の管軸方向とがなす角度は、前記分岐管の前記先端に近づくにつれて大きく又は小さくなる、請求項５に記載のエンジン用消音装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH07332057A (ja) * 1994-06-14 1995-12-19 Nissan Motor Co Ltd 制御型消音装置
JP2017190679A (ja) * 2016-04-11 2017-10-19 株式会社エッチ・ケー・エス 排気消音装置

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