JP5079048B2 - 内燃機関用消音器及び当該消音器を備えたマフラー - Google Patents

Description

本発明は、自動車、二輪自動車等に用いられている内燃機関から排出される排気音を低減させるための技術に関する。

内燃機関から排出される排気をそのまま大気に解放すると大きな爆発音を伴うため、長い排気管とその途中に取り付けられた消音器等を用いて排気の温度・圧力を徐々に低下させつつ排気することで排気音を低減させることが行われている。

消音器には様々な構造のものが存在する。例えば特許文献１の消音器は、消音器の内部をストレートに貫通する内筒にパンチ穴を形成し、当該内筒とケーシングとの間に吸音材としてグラスウールが敷設されている。このような構造により、パンチ穴を介して内筒の外側へと排気が膨張して排気の圧力が低下し、更に、吸音材によって音が吸収されるというものである。

また、特許文献２の消音器は、消音器内部が隔壁で複数の部屋に分割され、当該分割された部屋間がそれぞれ連通管で複雑に繋がれている。これにより、排気管を伝ってきた排気が消音器内で複雑に行き来（迷走）することで干渉し合い、排気温度や排気圧力が下がり、排気音が低減されるというものである。

特開２００４−２９３３３７号公報 特開２００５−２４０７２０号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている消音器の場合、消音器の内部をパンチ穴が設けられたストレートな内筒が貫通しているに過ぎないので、（排気抵抗は小さいものの）消音効果はそれ程期待できない。即ち、内筒にパンチ穴を設けただけでは思うように排気が膨張せず（排気圧力が低下せず）、吸音材による吸音効果も少ない。

一方、特許文献２に記載されている消音器の場合、排気の迷走による干渉等によって消音効果は高いものの、（特に排気流量が多い時の）排気抵抗が高くなり、エンジンパワーを十分に発揮させることができないといった問題がある。また、消音器の構造が複雑で且つ大きくなり、重量も大きくなる傾向がある。

本発明はこのような問題点を解決するべくなされたものであって、軽量コンパクトで、排気流量が多いときの排気抵抗が小さく且つ消音効果の高い消音器を提供することをその目的としている。

上記課題を解決するべく、請求項１に記載の発明は、内燃機関の排気管の途中に取り付けられる消音器であって、当該消音器の外部から内部にかけて排気を絞ることなく当該消音器内に導入するための導入管と、当該導入管に接続され、当該導入管よりも大径且つパンチ穴が形成された膨張室と、当該膨張室に接続された排出管と、前記膨張室を取り囲むケーシングと、当該ケーシングと前記膨張室との間に敷設された吸音材と、を備え、前記導入管と前記排出管との間に他の構造体が位置しない状態で所定の間隔が設けられると共に、前記排出管のみが前記膨張室の軸方向長さの半分程度にまで突出し且つ当該突出部分にパンチ穴が形成されていないことを特徴としている。

このような構造を採用したことによって、導入管によって導かれて膨張室に至った排気は膨張室全体に広がることで自身の圧力を下げる。加えて、膨張室は導入管（や排気管）よりも大径とされているので、当該膨張室に数多くのパンチ穴を形成することが可能となっている。よって当該パンチ穴を経由して排気が膨張室の外側に広がり易く、吸音材によって効率的に吸収され易い。即ち、消音効果が高くなる。一方、排気流量が大きい時（排気の勢いが大きい時）は、導入管と排出管との間に他の構造体が位置していないので、導入管の出口から排出管の入り口に向ってストレートに排気が流れることができる。即ち、排気流量が大きい場合でも排気抵抗が高くならない。更に、排出管が膨張室内に突出して構成されているので、排気流量が少ないとき（排気の勢いが小さい時）は、膨張室内で排気の「渦」が形成されることによって適度な排気抵抗が発生し、内燃機関のトルク特性に好影響を与えることができる（内燃機関の低回転〜中回転の領域におけるトルクの落ち込みが少ない。）。またこれにより膨張室内での排気の滞留時間が延び、消音効果も高くなる。更に、排気流量が大きい時の排気の流れをスムーズに排出管に導くことができると共に、排気流量が小さい時は膨張室内に排気の渦を効果的に発生させることができる。適切な突出量は内燃機関の種類等により異なるが、概ね膨張室の軸方向長さの半分程度まで突出させることで、消音効果と排気流量が大きい時の排気抵抗の増加抑制とを両立させている。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に加えて、前記排出管には、前記ケーシング内に位置し且つ前記膨張室内の外側に位置する部分を有し当該部分にパンチ穴が形成されていることを特徴としている。

このような構造を採用したことによって、より多くの排気を吸音材側に向わせることができ、より排気の圧力を低下させ消音効果を高めることができる。

また、請求項６及び７は、上記発明を異なる観点から捉えたものであって、請求項１〜５に記載の消音器を備えた自動車用又は二輪自動車用のマフラーである。

なお、本明細書において「上流」、「下流」といった表現をしている部分があるが、これは排気の流れに沿った表現である。例えばある点から「上流側」とはより内燃機関側に近づく方向を意味し、一方、「下流側」とはより内燃機関から遠ざかる方向を意味している。

また、本明細書において、「排気流量が大きいとき」とは換言すれば内燃機関の高回転時のことである。一方で、「排気流量が大きくないとき」とは換言すれば内燃機関の低〜中回転時のことである。

本発明を適用することで、排気流量が大きい時の排気抵抗を増大させることなく（特にアイドリング時等において）高い消音性能を実現できる。また構造がシンプルであるため、消音器を軽量コンパクトに実現できる。

本発明にかかる消音器を備えた自動車用マフラーの全体斜視図である。 消音器の断面図である。 排気流量が少ない場合の排気の流れを模式的に示した断面図である。 排気流量が多い場合の排気の流れを模式的に示した断面図である。 本発明にかかる消音器の第２の実施例を示した概略構造図である。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施形態の一例としてのマフラー及び消音器について説明する。なお添付図面においては理解容易のため、各部を誇張して表現している部分があり、実際の製品と必ずしも一致しない部分がある。

〈マフラーの構成〉
図１に示した自動車用マフラー１は、触媒側に位置するフランジ部１０からテールフィニッシャ６０までの全体が溶接により一体的に構成されている。また材質はチタニウム合金で構成されている。フランジ部１０の直後には屈曲した排気管２０が取り付けられている。更にその直後に、副消音器（サブサイレンサー）３０が溶接して取り付けられている。サブサイレンサー３０の直後にはステー４０が取り付けられると共に３次元的に屈曲した排気管５０が溶接して取り付けられている。排気管５０の直後には本発明に係る主消音器（メインサイレンサー）１００が取り付けられている。主消音器１００からは排出管１３０が飛び出しており、更にこの排出管１３０に大径のテールフィニッシャ６０が取り付けられている。

マフラー１には２つの消音器（副消音器３０、主消音器１００）が備わっているが、これらのうち本発明にかかる消音器（サイレンサー）は主消音器１００のみであり、副消音器３０は特許文献１で示した消音器のように、ストレートな内筒にパンチ穴が形成されている構造である。

〈消音器の構造〉
消音器１００は、図２に示しているとおり、内燃機関から排出された排気が案内されてくる導入管１１０（排気管５０）と、この導入管１１０の末端（下流端）に溶接され当該導入管１１０よりも大径に構成された膨張室１２０と、この膨張室１２０に接続された排出管１３０とを備えている。図２においては、図面右側から左側に向って排気が流れる。即ち図面右側が上流側であり、図面左側が下流側である。

膨張室１２０の周りには、消音材としてのグラスウール１５０が巻回されるように敷設され、更にその周りにケーシング１４０が備わっている。このケーシング１４０は導入管１１０及び排出管１３０に溶接されており、導入管１１０と排出管１３０を介する以外は密閉構造となっている。

排出管１３０は、膨張室１２０内に（上流側に向って）突出するように臨んで構成されており、この突出した部分が突出部１３４である。またこの突出部１３４の突出長さＬ１は、膨張室１２０の軸方向長さＬ２の丁度半分となるように構成されている。

膨張室１２０の周りには全周に渡って複数のパンチ穴１２２（例えば直径３ミリ程度）が形成されている。また同様に、排出管１３０にもパンチ穴１３２（例えば直径３ミリ程度）が形成されている。但し、排出管１３０のうち突出部１３４にはパンチ穴１３２は形成されていない。

また、導入管１１０と排出管１３０とは同径（例えば６０．５φ）のパイプで構成されており、更に軸心を同一としている。更に、導入管１１０（の下流側端部）と排出管１３０（の上流側端部）との間には所定の間隔Ｇが設けられている。またこの間隔Ｇの部分には何らの構造物も配置されていない。即ち空間のみがそこに存在している。

〈消音器の作用・機能〉
内燃機関から放出された排気は、排気管２０、副消音器３０等を介して導入管１１０（排気管５０）へと導かれ主消音器１００に到達する。導入管１１０の下流端は大径に構成された膨張室１２０へと繋がっているので、膨張室１２０に至った排気は当該膨張室１２０内で膨張する。即ちこの膨張によって排気の圧力が低下する。更にこの膨張した排気は、膨張室１２０に形成されているパンチ穴１２２を介して膨張室１２０の外にまで放出される。膨張室１２０の周りにはグラスウールが敷設されているので、排気の波動（脈動）が減衰し、消音される。ここ点が正に本発明のポイントの一つであり、排気を意図的に膨張させると共に、当該膨張させたタイミングでパンチ穴１２２を介して排気を吸音材（グラスウール）１５０側に積極的に向わせて効率的に音を吸収するのである。

また特に、排気流量がそれ程大きくない場合（アイドリング時など、内燃機関の回転数が低速〜中速のとき）には膨張室１２０で膨張した排気の一部が排出管１３０の突出部１３４の外周側に回り込んで排気の「渦」を発生させる（図３参照）。これにより排気の流れがある意味「乱される」ことによって適度な排気抵抗が生じ、内燃機関のトルク特性に好影響を与えることができる。また同時に、この渦の発生によって膨張室１２０内での排気の滞留時間が延びるので、消音効果を高める作用も発揮する。

一方で、排気流量が大きい場合（内燃機関が高回転で運転しているような場合）には、消音器１００内での排気の流れは図４のようになると考えられる。即ち、排気の流速が高いので、導入管１１０から膨張室１２０に排気が至っても、それらの多くは膨張室１２０で膨張している隙もなく排出管１３０に到達し、更に消音器１００の外へと導かれる。即ち、内燃機関が高速回転しているような状況下での大量の排気であっても、淀みなくスムーズに排出することができる。換言すると排気流量が大きい場合であっても排気抵抗が高くならず、内燃機関の出力（最高出力）を十分に発揮させることができる。この効果は、導入管１１０と排出管１３０との間に何らの構造体も置かれていないことから実現できるのであり、この「他の構造体が位置しないこと」は本発明にとって非常に重要なポイントである。

このように本発明は、「当該消音器の外部から内部にかけて排気を絞ることなく当該消音器内に導入するための導入管と、当該導入管に接続され、当該導入管よりも大径且つパンチ穴が形成された膨張室と、当該膨張室に接続された排出管と、前記膨張室を取り囲むケーシングと、当該ケーシングと前記膨張室との間に敷設された吸音材と、を備え、前記導入管と前記排出管との間に他の構造体が位置しない状態で一定の間隔が設けられると共に、前記排出管のみが前記膨張室の軸方向長さの半分程度にまで突出している」といった特有の構造を採用することによって、特に排気流量が大きくない状況下での高い消音効果と優れた（内燃機関の）トルク特性を実現すると共に、排気流量が大きい時のスムーズな排気を実現し内燃機関の出力特性の向上を図ることができる。

〈その他の実施形態〉
また上記では、マフラー全体がチタニウム合金で構成されていたがこれに限定されるものではない。スチール、ステンレス等適切な材料を適宜選択可能である。

また上記では、吸音材としてグラスウールを使用しているが、これに限定されるものではない。例えばスチールウール等の金属製の吸音材を用いてもよいし、これらを組み合わせて用いてもよい。

また上記の消音器１００では、ケーシング１４０の中に、膨張室１２０が一つ設けられた構造であったが、これに限定されるものではない。例えば、図５に示している消音器２００ように、ケーシング２４０内に互いに逆方向に向って並列的に膨張室２２０が設けられていてもよい。このような構造は、Ｖ型エンジンや水平対向エンジンなど、排気管が元々２本並列的に構成されている場合や、排気管の途中で２本に分岐された構成のマフラーに適用することができる。勿論並列配置だけでなく、１つのケーシング内に直列的に膨張室を複数配置するような構成を採用することも可能である。なお、各部の構成は前述した消音器１００と同様であるので、構造的に同一又は類似する部分については数字下２桁が同一の符合を付するに留め、重複した説明はここでは省略する。

１…マフラー
１００…消音器（サイレンサー）
１１０…導入管
１２０…膨張室
１２２、１３２…パンチ穴
１３０…排出管
１３４…突出部
１４０…ケーシング
１５０…グラスウール（吸音材）

Claims (4)

1. 内燃機関の排気管の途中に取り付けられる消音器であって、
   当該消音器の外部から内部にかけて排気を絞ることなく当該消音器内に導入するための導入管と、
   当該導入管に接続され、当該導入管よりも大径且つパンチ穴が形成された膨張室と、
   当該膨張室に接続された排出管と、
   前記膨張室を取り囲むケーシングと、
   当該ケーシングと前記膨張室との間に敷設された吸音材と、を備え、
   前記導入管と前記排出管との間に他の構造体が位置しない状態で所定の間隔が設けられると共に、前記排出管のみが前記膨張室の軸方向長さの半分程度にまで突出し且つ当該突出部分にパンチ穴が形成されていない
   ことを特徴とする消音器。
2. 請求項１において、
   前記排出管には、前記ケーシング内に位置し且つ前記膨張室の外側に位置する部分を有し当該部分にパンチ穴が形成されている
   ことを特徴とする消音器。
3. 請求項１又は２に記載の消音器を備えた自動車用マフラー。
4. 請求項１又は２に記載の消音器を備えた二輪自動車用マフラー。

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