JP4342946B2 - 管通路の消音装置 - Google Patents

Description

本発明は、特許請求の範囲１に記載した種類の管通路、特に内燃機関の気体を導く通路の消音装置に関する。

脈動的に作動する内燃機関の吸気騒音を消音する装置がDE 195 43 967 A1 に開示されており、吸気管通路のある区間にメイン通路に並行して分岐点から合流点まで走るバイパス通路はメイン通路よりも長くしてある。このメイン通路よりも長い迂回管は音波干渉管として配設されるもので、迂回管の長さと該迂回管と並行する吸気通路のメイン通路の長さは不快な周波数の騒音の干渉による消音が起こるように決められる。ここに開示された迂回管は、その一端が吸入空気の流れの方向に対して鋭角に開口し、他端が鈍角に、できれば直角に開口するように形成される。

EP 1 070 903 A1 には、弓形のバイパス通路が管通路から直角に分岐し、ある距離離れたところで再び直角に前記管通路に連結される消音装置が開示されている。この干渉式消音器では設定された周波数において干渉条件によって決まる、３つの頂点を有する鋸歯状の減衰曲線が得られる。三つの頂点の間の10 dB に及ぶ減衰の低下のため、この消音器の消音周波数のバンド幅が限られる。この間は少なくとも20 dB の減衰効果が必要である。この欠点は、２個のλ/4 管を追加することにより避けられるが、その長さは上記三つの頂点の間の周波数にマッチさせなければならない。

FR 602.160 には異なる傾きの螺旋状管システムが開示されており、これによって生じる音波の通過時間の違いを利用する干渉式消音器として排気ガス装置用に提案されている。ここでも、通過時間の違いＬは消音すべき周波数領域の音波の半波長の1/2 倍あるいは奇数倍としてある。

ここに vは音速、ｄは2×L 中に含まれる波長λの数であり、

である。

この構造を複数直列に繋ぐ、即ちカスケード化することにより、消音効果を増大させることができる。

上記従来の装置では部分的にメイン通路から大きく離れる弓形のバイパス通路を配設するために大きなスペースを要する。さらに、バイパス通路の製作費用が嵩む。特に自動車用内燃機関の消音では常に利用できるスペースは限られており、従来の装置は大きくなりすぎるので自動車用内燃機関への装着には適さない。

本発明は従来の消音装置に比べて所要スペースが減少する消音装置を提供することを課題とする。

この課題は特許請求範囲１に記載した特徴により解決される。
本発明では、バイパス通路がメイン通路の中心軸の回りに螺旋状に走る螺旋通路に形成される。このようにして、該螺旋通路は、管通路に、螺旋通路の分岐点から合流点までの間にメイン通路の長さよりも長い長さで近接して配設されることになり、メイン通路とバイパス通路は非常にコンパクトな構造体に形成される。該螺旋通路は好ましくはメイン通路の周囲に配設される。そうすることにより、メイン通路に並行して走る螺旋通路を少ない曲がりで螺旋通路の分岐点と合流点の間で略真直ぐか或は軽く湾曲した中間通路の長さよりも必要なだけ長くすることができる。特に、複数の螺旋通路を設けるのが好ましく、その場合、これら螺旋通路はそれぞれがそれぞれのネジ勾配で配設されている螺旋通路の間に形成されることになる。

本発明による螺旋通路により、管通路内の音波スペクトルは、より長い螺旋通路を通る音波とメイン通路を通る音波の通過時間の違いで位相が異なった圧力波が重なったものとなり、消音が可能となる。螺旋通路の合計通路面積は好ましくはメイン通路の通路面積よりも大きくする。螺旋通路の通路面積は管通路内の音波スペクトルのうちの消音すべき周波数バンドを考慮して決められる。これら螺旋通路は同じ通路面積を有するようにしてもよいが、特にそれぞれ異なる通路断面積とし、消音したい周波数領域にマッチさせるのが有利である。それぞれの各螺旋通路は、またその長さについても消音すべき周波数にマッチさせる。本発明による螺旋通路の構成によれば、特にスペースを節減しながらそれぞれの螺旋通路の長さを螺旋勾配によって消音すべき音波の周波数領域にマッチさせることができる。

メイン通路および支流通路の通路長さは互いに非常に正確に設定しなければならない。設定値の数ｍｍの狂いが望むところの消音効果を大きく損なう。正確なバイパス通路に対しては、理論的中心周波数はつぎのようになる。

ここに L2はメイン通路方向の長さであり、音速は340 m/s とした。

通路の音響長さは構造部の幾何学長さと一致しないので、通路の理想的螺旋長さは理論計算長さよりも短くしなければならない。この場合、幾何学的螺旋長さは通路の音響長さに対して１４％まで短くなるように製作することができる。

３つの減衰量のピーク間の減衰量の低下は、本発明ではメイン通路面積をバイパス通路面積の合計に対して変えることによって避ける。バイパス通路面積の合計をメイン通路面積に対して適切に小さくすることによって、３つの減衰量ピーク間の減衰量を20 dB 以上に上げることができる。

本発明の螺旋通路を備えた消音装置によれば、広い範囲の周波数に亘って消音するコンパクトな構成の消音装置を実現することができ、1000 Hzを越える周波数の音の消音に使用することができる。本発明の実施形態では、メイン通路は中央管によって形成され、その外周に螺旋通路が形成される。中央管を螺旋通路が分岐する前の管通路の延長部分とし、螺旋通路を半殻形状として前記中央管に固定すれば、製作費用が少なくなる。特に、メイン通路および螺旋通路の入口開口と出口開口が管通路の通路断面上にあるようにする。そのようにすると、螺旋通路はメイン通路におけるガス流と平行になり、全周に亘って圧力損失を減じることができる。

図１に示す内燃機関１はシリンダ１０、１１、１２、１３からなり、これらのシリンダには燃焼のための新鮮な空気が共通の吸気管通路２から導入される。シリンダ１０乃至１３での燃焼ガスは排気管路３を介して排出される。前記吸気管通路２には、該吸気管通路２の通路内に音が発生するのを防止する装置４が吸気管通路２に配設されている。該消音装置４は複数の通路を含み、これら通路は吸気管通路２から分岐する分岐点７から吸気管通路２に再び入る合流点８まで間の区間を並行して走っている。この区間にはメイン通路６が設けられており、該メイン通路６は分岐点７から合流点８の間は基本的に真直ぐに走っている。メイン通路６には複数のバイパス通路が設けられ、これらバイパス通路は螺旋通路５に形成され前記メイン通路６の周囲に螺旋のように取り付けられている。該螺旋通路５は螺旋状に走っているので、その区間長さは分岐点７から合流点８までのメイン通路の区間長さよりも長く、これら並行管通路内の音響伝播時間に差異が生じる。メイン通路とその周囲に密着して螺旋状に巻かれたバイパス通路からなるコンパクトな構造において、干渉効果を利用した消音が達成される。

図２は本発明の装置の可能な実施形態を示すもので、メイン通路は真直ぐに形成された中央管路１４で構成され、その外殻を３個の螺旋通路５_１、５_２、５_３が密着して走っている。この実施例では、これら螺旋通路は半殻状に形成され中央管路１４の管外殻に溶接接合されている。そして中央管１４の管外殻はこれら螺旋通路５_１、５_２、５_３の外壁の一部をなしている。螺旋通路５_１、５_２、５_３の断面積の合計は、中央管１４のメイン通路断面積とは異なり、前記好ましい実施例では中央管１４の断面積よりも大きくしてある。螺旋通路５_１、５_２、５_３の断面積および区間長さを適切に選定することによって、本発明の装置の消音効果を要求に応じて調節することができる。広域帯消音の場合は、螺旋通路５_１、５_２、５_３の出口位置すなわち中央管への合流位置を夫々異ならせて、できるだけ広い周波数帯域で消音するようにすることができる。

螺旋通路５_１、５_２、５_３の区間長さは、これら通路の中央管１４の中心軸９に対する螺旋巻き勾配を適切に選ぶことにとって調節することができる。前記実施例では、螺旋通路５_１、５_２、５_３の入口開口１５は中央管１４と共通の流路断面上に設けられ、これにより内燃機関に向かって流れ方向１７の方向に流れている吸入空気が少ない圧力損失で消音装置に導入される。流れに対して有利に配設された入口開口１５はこのような効果を齎す。同じように、螺旋通路５_１、５_２、５_３の出口開口１６は中央管１４における合流域に形成され、そこで中央管と共通の流路断面に合流する。螺旋通路５_１、５_２、５_３の螺旋巻き勾配は、螺旋通路の有効区間長さが中央管の区間長さの約２００％であるように選定される。螺旋通路５_１、５_２、５_３の入口開口１５および出口開口１６をこのように流れに対して有利に配設することによって、流れの変動によりドップラー効果によって周波数がずれることで消音効果が弱まることが避けられる。

図３は３個の螺旋通路５_１、５_２、５_３を備えた本発明の実施例で、これら螺旋通路は中央管１４の管壁２０の周囲に溶接接合され、螺旋通路５_１、５_２、５_３の入口開口１５および出口開口１６が管壁２０に穴を破って連結されている場合のものである。この場合、空気流１７に作用する消音器部分の長さ区域における圧力損失は中央管１４の断面積のみにより決まる。

本発明の消音装置４を消音すべき音響スペクトルに適合させることは、螺旋通路の断面積を変えることとともに、また区間長さを変えることにより行うことができる。複数の螺旋通路の断面積が互いに異なると、全システムについて広いバンド幅で効果が生じる。螺旋通路の区間長さの調節は、その長さはできるだけ中央通路の区間長さの２倍に相当するようにすべきであるが、螺旋通路の螺旋巻き線の勾配によって決められる。その際、螺旋通路の適切な勾配の選定は消音装置構成部品全体をコンパクトに構成する観点からなされる。

消音装置の螺旋通路の区間長さは三次元効果によって従来技術とは大きく異なり、これまで知られていた計算式とは異なる式で求められる。これは螺旋消音部の複雑な三次元構造によるもので、基本的には螺旋消音部の通路両端の音波に対する管端補正の違いによるものである。この場合、中心周波数の設定は音速と設定すべき周波数の半波長との商で行われるのではなく、管構造部分の長さの補正が必要であり、試験した幾何学形状では補正係数は1.7 である。下の表は、三次元として計算した場合に適合する中心周波数（設定周波数）の場合について、一次元として求められた場合との比較を示すものである。

４個の螺旋通路に分けられた螺旋消音器におけるメイン通路長さについては、試験した消音器の中心周波数設定値に対して係数1.76 だけ補正された長さとなる。消音する必要がある中心周波数に対して計算されるメイン通路長さは、よく知られた式、

より計算される長さよりも上記係数分だけ長くしなければならない。幾何学的に同様であっても螺旋通路の数と断面積が管端補正に大きく影響し、したがって音響経路長さに影響するので、それらの値が変わる場合は、補正係数はそれぞれの場合に応じて新たに求めなければならない。メイン通路部分の長さは、前記式で計算される値よりも常に長く設定しなければならない。

並列に分流する流路を真直ぐなメイン管路に螺旋状に形成すると、内燃機関の吸気管系に取り付ける場合に、螺旋通路の出口に生じる流れの回転モーメントを後流に設けたサイクロン分離器との組合せで空気の清浄化に利用できる可能性が生じる。螺旋通路の出口で回転モーメント効果が生じることが望ましくない場合には、螺旋通路をメイン管路の中心軸９に対して夫々異なる巻き方向になるように取り付けることができる。

図４は、内燃機関の吸気管に螺旋通路５を形成する消音構造部１９を示し、螺旋通路毎にメイン通路の中心軸９の周りに螺旋状に巻かれた螺旋バンド（帯）１８_１乃至１８_８が設けられている。軸方向に延びる覆いによって各対向する螺旋山を覆うと、螺旋バンド１８_１乃至１８_８はリング面を形成し、それは螺旋通路の合計面積に相当する。螺旋バンド１８_１乃至１８_８の中心部の空間には円形のメイン通路６が形成されるが、それは１個の管を挿入することによって空間的に区切られることになる。螺旋バンド１８_１乃至１８_８は回転角配置をずらして前記管通路の周囲に沿って巻き付けられており、２つの螺旋バンド間の回転角がこれら２つの螺旋バンドによって限られた螺旋通路の通路面積に対応する。隣り合う螺旋バンドの回転角配置を変えて消音する周波数を望みに応じて変更することができるが、その際螺旋バンドの勾配を異ならせることができる。前記の実施例では、螺旋バンドは同じ勾配で取り付けられており、それらはメイン通路６の中心軸９の周りに等分の回転角で分割配置されていて、各螺旋通路５の軸方向の高さＳは螺旋バンド総数を考慮して決められる螺旋バンドの勾配によって決まる。

螺旋バンド１８_１乃至１８_８は螺旋通路の管通路の内径側を限る管通路の壁に一体的に密着される。これら螺旋バンドは共通の係止部に固定してもよく、また共通の消音構造４として管通路に取り付けるようにしてもよい。

音波の伝播は最も短い経路を通って起るので、適切な螺旋通路数の範囲内で支流を充分細かく分割するのがよい。分割数が多すぎると、算定される螺旋線の長さが短くなる。メイン管路と螺旋管路の区間長さの比率の変化は消音する周波数バンドの領域に影響するので、螺旋通路を多数に分割するのが−前記の実施例では８個の螺旋通路としてある−有利である。螺旋線の設定は螺旋曲線のパラメータと一体的に行われ、その際、消音装置取付けに与えられたスペースによって決められる消音構造部の長さによって螺旋勾配が決まる。

本発明の消音装置が内燃機関の吸気管通路に装着された状態を概略的に示す図である。 本発明の螺旋通路を備えた消音装置の斜視図である。 本発明の消音装置の他の実施例を示す図である。 本発明の螺旋通路をなす消音を行う構成部分の斜視図である。

Claims (5)

1. 内燃機関（１）に気体を導く通路（２）にある区間長さに亘って該通路（２）に並行して導かれ該区間長さよりも長いバイパス通路（５、５_１、５_２、５_３）が前記通路（２）の分岐点（７）と合流点（８）間に設けられた消音装置において、
   前記バイパス通路（５）が前記通路（２）の周りに螺旋状に巻かれた複数の螺旋通路（５_１、５_２、５_３）からなり、
   該複数の螺旋通路（５_１、５_２、５_３）は該螺旋通路が設けられた前記通路（２）の区間を構成するメイン通路（６）の外側に密着されるとともに、前記螺旋通路（５_１、５_２、５_３）は前記メイン通路（６）の管外壁に固着された断面形状が半円弧状の半殻体によって囲まれた通路からなり、
   さらに、前記複数の螺旋通路（５_１、５_２、５_３）の入口開口（１５）および出口開口（１６）の位置及び開口する方向が前記メイン通路（６）の入口開口および出口開口の管路軸方向における位置及び開口する方向と共通し、
   前記複数の螺旋通路（５ _１ 、５ _２ 、５ _３ ）のそれぞれの通路長さは螺旋勾配を変えて、消音すべき音波スペクトルの周波数バンドにマッチさせてあることを特徴とする管通路の消音装置。
2. 前記螺旋通路（５_１、５_２、５_３）の合計の通路断面積が前記メイン通路（６）の通路断面積と異なることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記螺旋通路（５_１、５_２、５_３）の合計の通路断面積が前記メイン通路（６）の通路断面積よりも大きいことを特徴とする請求項１或は２記載の装置。
4. 前記螺旋通路（５_１、５_２、５_３）はそれぞれ通路断面積が異なることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記螺旋通路（５ _１ 、５ _２ 、５ _３ ）の巻き方向が異なって形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の装置。

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