WO2011024234A1 - 内燃機関の排気装置 - Google Patents

Abstract

　テールパイプにサブマフラを介装したり、テールパイプの上流開口端に大容量の共鳴室を有する消音器を設けるのを不要にして、テールパイプの気柱共鳴によって音圧レベルが増大してしまうのを抑制でき、重量を低減でき、製造コストおよび設置スペースを低減できる内燃機関の排気装置を提供するため、内燃機関（２１）から排出された排気ガスを排出する排気管（２８）を備え、消音器（２７）に接続される上流開口端（２８ａ）と、消音器（２７）から排出された排気ガスを大気に排出する下流開口端（２８ｂ）とが設けられ、排気管（２８）の排気方向上流側および前気方向下流側の少なくとも一方が、上流開口端（２８ａ）および下流開口端（２８ｂ）のいずれかに向かうに従って拡径される拡径構造（３８）を有し、拡径構造（３８）の内部に、排気ガスの排気方向に対向して設けられ、開口部（４１ｄ）が形成されたプレート（４１）が設けられる。

Description

内燃機関の排気装置

　本発明は、内燃機関の排気装置に関し、特に、排気ガスの排気方向の最下流に設けられたテールパイプの気柱共鳴による音圧の増大を抑制するようにした内燃機関の排気装置に関する。

　自動車等の車両に用いられる内燃機関の排気装置としては、図３２に示すようなものが知られている（例えば、特許文献１参照）。図３２において、この排気装置４には、内燃機関としてのエンジン１から排気される排気ガスが、排気マニホールド２を通り、触媒コンバータ３によって浄化された後に導入されるようになっている。

　排気装置４は、触媒コンバータ３に連結されたフロントパイプ５、フロントパイプ５に連結されたセンターパイプ６、センターパイプ６に連結された消音器としてのメインマフラ７、メインマフラ７に連結されたテールパイプ８およびテールパイプ８に介装されたサブマフラ９とから構成されている。

　図３３に示すように、メインマフラ７は、センターパイプ６の小孔６ａから排気ガスが拡張されて導入される拡張室７ａと、センターパイプ６の下流開口端６ｂが挿通される共鳴室７ｂとを備えており、センターパイプ６の下流開口端６ｂから共鳴室７ｂに導入される排気ガスは、ヘルムホルツ共鳴によって特定の周波数の排気音が消音される。

　ここで、共鳴室７ｂに突出する部分のセンターパイプ６の突出部分の長さをＬ_１（ｍ）、センターパイプ６の断面積をＳ（ｍ^２）、共鳴室７ｂの容積をＶ（ｍ^３）、空気中の音速をｃ（ｍ／ｓ）とするとき、空気中の共鳴周波数ｆｎ（Ｈｚ）は、ヘルムホルツ共鳴に関する下記の式（１）により求められる。

 
　式（１）から明らかなように、共鳴室７ｂの容積Ｖを大きくしたり、センターパイプ６の突出部分の長さＬ_１を長くして共鳴周波数を低周波数側にチューニングしたり、共鳴室７ｂの容積Ｖを小さくしたり、センターパイプ６の突出部分の長さＬ_１を短くして共鳴周波数を高周波数側にチューニングするようにしている。

　サブマフラ９は、エンジン１の運転時の排気脈動によってテールパイプ８内でテールパイプ８の管長に対応した気柱共鳴が発生することによって音圧が増大するのを抑制するようになっている。

　一般に、排気ガスの排気方向上流側および下流側にそれぞれ上流開口端８ａおよび下流開口端８ｂを有するテールパイプ８は、エンジン１の運転時の排気脈動による入射波がテールパイプ８の上流開口端８ａおよび下流開口端８ｂで反射することにより、テールパイプ８の管長Ｌを半波長とした周波数の気柱共鳴を基本成分として、その半波長の自然数倍の波長の気柱共鳴が発生する。

　具体的には、基本振動（一次成分）の気柱共鳴の波長λ_１は、テールパイプ８の管長Ｌの略２倍となり、二次成分の気柱共鳴の波長λ_２は、管長Ｌの略１倍となる。また、三次成分の気柱共鳴の波長λ_３は、管長Ｌの２／３倍となる。このように、テールパイプ８内には上流開口端８ａおよび下流開口端８ｂが音圧の節となるような定在波ができる。

　また、気柱共鳴周波数ｆａは、下記式（２）で表される。

 
　ただし、ｃ：音速（ｍ／ｓ）　Ｌ：テールパイプの管長（ｍ）　ｎ：次数
　式（２）から明らかなように、音速ｃは、温度に応じた一定の値となるので、テールパイプ８の管長Ｌが長い程、気柱共鳴周波数ｆａが低周波数側に移行して、低周波領域において、排気音の気柱共鳴による騒音の問題が起き易くなってしまうことがわかる。

　例えば、音速ｃを４００ｍ／ｓとすると、テールパイプ８の管長Ｌが１．２ｍの場合、気柱共鳴による排気音の一次成分ｆ_１は１６６．７Ｈｚ、二次成分ｆ_２は３３３．３Ｈｚとなる。他方、テールパイプ８の管長Ｌが３．０ｍの場合、気柱共鳴による排気音の一次成分ｆ_１は６６．７Ｈｚ、二次成分ｆ_２は１３３．３Ｈｚとなる。このように、テールパイプ８の管長Ｌを長くする程、気柱共鳴周波数ｆａは、低周波数側に移行する。

　また、エンジン１の排気脈動の周波数ｆｅ（Ｈｚ）は、下記式（３）に示される。

 
　ただし、Ｎｅ：エンジン回転数（ｒｐｍ）、Ｎ：エンジンの気筒数（自然数）
　また、特定のエンジン回転数Ｎｅに対応して発生した気柱共鳴による排気音の一次成分ｆ_１で排気音の音圧レベル（ｄＢ）が著しく高くなっている。また、二次成分ｆ_２でも排気音の音圧レベル（ｄＢ）が著しく高くなっている。

　例えば、音速ｃを４００ｍ／ｓとすると、４気筒エンジンの場合には、Ｎ＝４であるため、テールパイプ８の管長Ｌが３．０ｍの場合には、エンジン回転数Ｎｅが２０００ｒｐｍになると、周波数６６．７Ｈｚの一次成分ｆ_１の気柱共鳴が発生し、エンジン回転数Ｎｅが４０００ｒｐｍになると、周波数１３３．３Ｈｚの二次成分ｆ_２の気柱共鳴が発生する。

　特に、エンジン１の排気脈動の周波数が１００Ｈｚ以下の低い周波数領域で気柱共鳴が発生するような場合に騒音が問題となる。例えば、前述のようにエンジン１の回転数が２０００ｒｐｍの低回転数でテールパイプ８内に気柱共鳴が発生すると、この気柱共鳴の排気音が車室内に伝達され、車室内にこもり音を生じさせてしまい、運転者に不快感を与えてしまうことになる。

　このため、気柱共鳴により発生する定常波の音圧が高い腹の部分に対して、テールパイプ８の最適な位置に、メインマフラ７より容量の小さなサブマフラ９を設け、気柱共鳴の発生を防止するようにしている。

　したがって、例えば、音速ｃを４００ｍ／ｓとすると、サブマフラ９が設けられていない状態のテールパイプ８の管長Ｌが３．０ｍの場合には、上述したようにエンジン１の排気脈動の周波数が１００Ｈｚ以下（エンジン回転数Ｎｅが３０００ｒｐｍ以下）で気柱共鳴が発生する。これに対して、テールパイプ８にサブマフラ９を介装してサブマフラ９から後方に延在するテールパイプ８の管長が１．５ｍとなると、気柱共鳴による排気音の一次成分ｆ_１は、周波数＝１３３．３Ｈｚでエンジン回転数Ｎｅが４０００ｒｐｍとなり、気柱共鳴周波数ｆａが高周波数側に移行する。

　このため、テールパイプ８にサブマフラ９を設けることで、エンジン１の回転数が２０００ｒｐｍの低回転数で車室内にこもり音を生じさせてしまうのを抑制することができ、運転者に不快感を与えてしまうのを防止することができる。

　他方、サブマフラ９を廃止するよう対策して、排気装置４の製造コストや重量を低減することが考えられる。この対策として、例えば、テールパイプ８の上流開口端８ａに接続されるメインマフラ７の共鳴周波数を気柱共鳴周波数に合わせることによって、メインマフラ７の共鳴室内においてテールパイプ８の気柱共鳴の排気音を消音することが考えられる。

　すなわち、式（１）に基づいて、共鳴室７ｂの容積Ｖを大きくしたり、センターパイプ６の突出部分の長さＬ_１を長くして、共鳴室７ｂの共鳴周波数を低周波数側にチューニングすることで、テールパイプ８内で発生する気柱共鳴を共鳴室７ｂで予め消音することが考えられる。

特開２００６－４６１２１号公報

　このような従来のエンジン１の排気装置４にあっては、テールパイプ８の気柱共鳴をメインマフラ７の共鳴室７ｂによって低減するような構成では、共鳴室７ｂの容積Ｖを大きくする必要があるため、メインマフラ７が大型化してしまうという問題がある。また、メインマフラ７の大型化に伴って排気装置４の重量が増大してしまうとともに、排気装置４の製造コストが増大してしまうという問題がある。

　また、車両の減速時にはアクセルペダルが解放されるため、エンジン１から排気装置４に排気されるガス量が急激に低減された排気流のみとなり、共鳴室７ｂに導入される空気圧が小さくなる。

　このため、共鳴室７ｂにおいてヘルムホルツ共鳴を行うのに充分な空気量を得ることができず、テールパイプ８の気柱共鳴を抑制することが困難となってしまう。特に、車両の減速時にはエンジン１の回転数が急激に低下するため、２０００ｒｐｍ程度（気柱共鳴による排気音の一次成分ｆ_１）の低回転数で車室内にこもり音を生じさせてしまい、運転者に不快感を与えてしまうことになる。

　したがって、テールパイプ８の最適な位置にサブマフラ９を設け、テールパイプ８の気柱共鳴によって音圧が増大してしまうのを抑制する必要があり、結果的に、排気装置４の重量が増大してしまうとともに、排気装置４の製造コストが増大してしまうという問題が発生する。

　本発明は、上述のような従来の問題を解決するためになされたもので、テールパイプにサブマフラを介装したり、テールパイプの上流開口端側に大容量の共鳴室を有する消音器を設けるのを不要にして、テールパイプの気柱共鳴によって音圧レベルが増大してしまうのを抑制することができ、重量を低減することができるとともに製造コストや設置スペースを低減することができる内燃機関の排気装置を提供することを課題とする。

　本発明に係る内燃機関の排気装置は、上記課題を解決するため、一端部に内燃機関から排出された排気ガスの排気方向上流側の消音器に接続される上流開口端と、他端部に前記排気ガスを大気に排出するための下流開口端と、を有する排気管を備えた内燃機関の排気装置であって、前記排気管の前記排気方向上流側および前記排気方向下流側の少なくとも一方が、前記上流開口端および前記下流開口端のいずれかに向かうに従って拡径される拡径構造を有し、前記拡径構造の内部に、前記排気ガスの排気方向に貫通する開口部および前記排気管を閉口する閉口部を形成したプレートを、前記排気ガスの排気方向に対向して設け、前記開口部により生じる開口端反射波と、前記閉口部により生じる閉口端反射波と、が干渉するように、前記プレートを設けたことを特徴とする。

　この排気装置においては、排気管の排気方向上流側および排気方向下流側の少なくとも一方が、上流開口端および下流開口端のいずれかに向かうに従って拡径される拡径構造を有し、拡径構造の内部に開口部を形成したプレートを設け、開口部により生じる開口端反射波と、閉口部により生じる閉口端反射波と、を干渉させるので、内燃機関の作動により脈動する排気ガスが排気管内に流入することにより発生する排気音が、拡径構造によって内部の反射が抑制され、また、排気音の周波数と排気管の気柱共鳴周波数とが一致したときに、排気音の入射波に対して同位相で開口部から反射される開口端反射波と、入射波に対して１８０°位相が異なるプレートから反射される閉口端反射波と、が干渉することにより打ち消し合い、排気音の音圧レベルを抑制することができる。

　このように排気管における気柱共鳴の発生が抑制され、排気管の気柱共鳴による音圧レベルの増大が抑制されるので、特に、従来問題となっていた内燃機関の低回転時における車室内に発生するこもり音がなくなる。

　その結果、従来のようにメインマフラに相当する消音器を大型化したり、排気管にサブマフラを介装することが不要となり、排気装置の重量の増大が防止されるとともに、排気装置の製造コストの増大が防止され、設置スペースが低減される。

　上記構成を有する内燃機関の排気装置は、好ましくは、前記排気管の前記排気方向上流側および前記排気方向下流側の少なくとも一方に設けた前記拡径構造が、エクスポネンシャル形状部を有し、前記エクスポネンシャル形状部は、開口端に向かうに従って指数曲線を描くように拡径したことを特徴とする。

　この排気装置においては、排気方向上流側に設けた拡径構造および排気方向下流側に設けた拡径構造の少なくとも一方が、エクスポネンシャル形状部を有しているので、排気方向上流側および排気方向下流側で入射波が途中反射することなく、プレートに確実に到達する。その結果、前述の開口端反射による反射波と閉口端反射による反射波とが、確実に打ち消し合い、排気音の反射波による気柱共鳴の発生がより確実に抑制される。ここで、指数曲線とは、一の変数の値に対して他の変数の値が定まる指数関数によって描かれる曲線をいう。

　上記構成を有する内燃機関の排気装置は、好ましくは、前記プレートの前記開口部と前記閉口部とを合わせた総面積に対して前記開口部の開口面積を１／３の大きさに設定したことを特徴とする。

　この排気装置においては、プレートの開口部の面積が、開口部を含むプレートの総面積の１／３となっているので、プレートにおける音波の反射率が０．５となり、閉口端反射波と、開口端反射波と、が１：１の割合で起こることとなり、位相差が１８０°異なり干渉により打ち消し合う互いの反射波が同一量となり、音圧レベルの低減効果を最大限に高めることができる。

　本発明によれば、テールパイプにサブマフラを介装したり、テールパイプの上流開口端に大容量の共鳴室を有する消音器を設けるのを不要にして、テールパイプの気柱共鳴によって音圧レベルが増大してしまうのを抑制することができ、重量を低減することができるとともに製造コストや設置スペースを低減することができる内燃機関の排気装置を提供することができる。

本発明に係る内燃機関の排気装置の第１実施形態を示す図であり、内燃機関の排気系の構成を示す斜視図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の第１実施形態を示す図であり、テールパイプが連結されたマフラの一部を断面で示すマフラの斜視図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の第１実施形態を示す図であり、図２のテールパイプとセンターパイプとの中心軸を通る面で切断されたマフラの縦断面図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の第１実施形態を示す図であり、テールパイプの下流開口端の斜視図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の第１実施形態を示す図であり、テールパイプの下流開口端の正面図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の第１実施形態を示す図であり、図５のＡ－Ａ断面を示す断面図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の第１実施形態を示す図であり、マフラおよびテールパイプ内の排気ガスの流れを示す図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の第１実施形態を示す図であり、テールパイプ内に発生する開口端反射による気柱共鳴の定在波を、縦軸に粒子速度を表し横軸にテールパイプの位置を模式的に表した粒子速度分布で説明する図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の第１実施形態を示す図であり、テールパイプの音圧レベルとエンジン回転数との関係を示す図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の第１実施形態を示す図であり、上流開口端で入射波Ｇが反射波Ｒ_１、Ｒ_２に分配される状態を、縦軸に粒子速度を表し横軸にテールパイプの位置を模式的に表した粒子速度分布で説明する図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の第１実施形態を示す図であり、テールパイプ内に発生する閉口端反射による気柱共鳴の定在波を、縦軸に粒子速度を表し横軸にテールパイプの位置を模式的に表した粒子速度分布で説明する図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の第１実施形態を示す図であり、構成の一部が異なるテールパイプが連結されたマフラの一部を断面で示すマフラの斜視図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の第１実施形態を示す図であり、構成の一部が異なる図１２のテールパイプとセンターパイプとの中心軸を通る面で切断されたマフラの縦断面図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の第２実施形態を示す図であり、内燃機関の排気系の構成を示す斜視図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の第２実施形態を示す図であり、テールパイプが連結されたマフラの一部を断面で示すマフラの斜視図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の第２実施形態を示す図であり、図１５のテールパイプとセンターパイプとの中心軸を通る面で切断されたマフラの縦断面図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の第２実施形態を示す図であり、テールパイプの下流開口端の斜視図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の第２実施形態を示す図であり、テールパイプの下流開口端の正面図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の第２実施形態を示す図であり、図１８のＢ－Ｂ断面を示す断面図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の第２実施形態を示す図であり、エクスポネンシャル拡径構造を説明するための説明図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の第３実施形態を示す図であり、テールパイプの下流開口端の斜視図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の第３実施形態を示す図であり、図２１の断面を示す断面図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の第３実施形態を示す図であり、テールパイプの開口端補正を説明する模式図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の第３実施形態を示す図であり、構成の一部が異なるテールパイプの下流開口端の正面図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の第４実施形態を示す図であり、テールパイプの下流開口端の斜視図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の第４実施形態を示す図であり、図２５の断面を示す断面図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の第５実施形態を示す図であり、テールパイプの下流開口端の斜視図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の第５実施形態を示す図であり、図２７の断面を示す断面図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の第６実施形態を示す図であり、テールパイプの下流開口端の斜視図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の第７実施形態を示す図であり、テールパイプの下流開口端の斜視図である。 本発明に係る内燃機関の排気装置の第７実施形態を示す図であり、図３０の断面を示す断面図である。 従来の排気装置を備えた排気系の構成を示す斜視図である。 従来の排気装置を備えた排気系を示す図であり、両端が開口端となるテールパイプが連結されたマフラの縦断面図である。

　以下、本発明に係る内燃機関の排気装置の第１実施形態ないし第７実施形態について、図面を参照して説明する。

　（第１実施形態）
　図１ないし図１３は、本発明に係る内燃機関の排気装置の第１実施形態を示す図である。　
　まず、構成を説明する。

　本第１実施形態に係る排気装置２０は、図１に示すように、直列４気筒の内燃機関としてのエンジン２１に適用されたもので、このエンジン２１に接続された排気マニホールド２２に接続されている。この排気装置２０においては、エンジン２１から排出される排気ガスが浄化されるとともに、排気音が抑制されて排気ガスが大気に排出されるようになっている。

　なお、エンジン２１は、直列４気筒に限らず、直列３気筒または直列５気筒以上であってもよく、左右に分割されたそれぞれのバンクに３気筒以上の気筒を有するＶ型エンジンであってもよい。

　排気マニホールド２２は、エンジン２１の第１気筒から第４気筒にそれぞれ連通する排気ポートにそれぞれ接続される４つの排気枝管２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄと、排気枝管２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄの下流側を集合させる排気集合管２２ｅとから構成されており、エンジン２１の各気筒から排気される排気ガスが排気枝管２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄを介して排気集合管２２ｅに導入されるようになっている。

　排気装置２０は、触媒コンバータ２４、円筒状のフロントパイプ２５、円筒状のセンターパイプ２６、消音器としてのマフラ２７および円筒状の排気管としてのテールパイプ２８を備えている。この排気装置２０は、車体の床下に弾性的に垂下されるようにしてエンジン２１の排気ガスの排気方向下流側に設置されている。なお、排気方向下流側または上流側とは、エンジン２１から排出される排気ガスが排気装置２０内で流動する方向の上流側を示し、排気方向下流側または下流側とは、排気ガスが排気装置２０内で流動する方向の排気ガスの下流側、すなわち、上流側と反対方向を示す。

　触媒コンバータ２４の上流側の端部は、排気集合管２２ｅの下流側の端部に接続されており、触媒コンバータ２４の下流側の端部は、自在継手２９を介してフロントパイプ２５に接続されている。この触媒コンバータ２４は、ハニカム基材または粒状の活性アルミナ製担体に白金、パラジウム等の触媒を付着させたものが本体ケースに収納されたものから構成され、ＮＯｘの還元やＣＯ、ＨＣの酸化を行うようになっている。

　自在継手２９は、ボールジョイント等の球面継手から構成されており、触媒コンバータ２４とフロントパイプ２５との相対変位を許容するようになっている。また、フロントパイプ２５の下流側の端部には自在継手３０を介してセンターパイプ２６の上流側の端部が接続されている。自在継手３０は、ボールジョイント等の球面継手から構成されており、フロントパイプ２５とセンターパイプ２６との相対変位を許容するようになっている。

　センターパイプ２６の下流側の端部は、マフラ２７に接続されており、このマフラ２７は、排気音の消音を行うようになっている。

　図２、図３に示すように、マフラ２７は、中空筒状に形成されたアウタシェル３１と、アウタシェル３１の両端を閉塞するエンドプレート３２、３３と、エンドプレート３２とエンドプレート３３との間に介装された仕切板３４とを備えている。このアウタシェル３１、エンドプレート３２、３３および仕切板３４は消音器本体を構成している。　
　本第１実施形態に係るマフラ２７は、本発明に係る内燃機関の排気装置の消音器を構成している。

　アウタシェル３１内に設けられた仕切板３４は、アウタシェル３１内を排気ガスを拡張するための拡張室３５およびヘルムホルツ共鳴によって特定の周波数の排気音を消音するための共鳴室３６に区画している。また、エンドプレート３２と仕切板３４にはそれぞれ挿通孔３２ａ、３４ａが形成されており、この挿通孔３２ａ、３４ａにはセンターパイプ２６の下流側の端部、すなわち、センターパイプ２６のうちマフラ２７の内部に収納されている部分からなるインレットパイプ部２６Ａが挿通されている。

　このインレットパイプ部２６Ａは、拡張室３５および共鳴室３６に収納されるようにしてエンドプレート３２および仕切板３４に支持されており、下流開口端としての下流開口端２６ｂが共鳴室３６に開口している。

　また、インレットパイプ部２６Ａにはインレットパイプ部２６Ａの延在方向（排気ガスの排気方向）および周方向に複数の小孔２６ａが形成されており、インレットパイプ部２６Ａの内部と拡張室３５とは、小孔２６ａを介して連通している。

　したがって、センターパイプ２６のインレットパイプ部２６Ａを通してマフラ２７に導入される排気ガスは、小孔２６ａを介して拡張室３５に導入されるとともに、インレットパイプ部２６Ａの下流開口端２６ｂから共鳴室３６に導入される。

　そして、共鳴室３６に導入される排気ガスは、ヘルムホルツ共鳴によって特定の周波数（Ｈｚ）の排気音が消音される。

　すなわち、共鳴室３６に突出するインレットパイプ部２６Ａの突出部分の長さをＬ_１（ｍ）、インレットパイプ部２６Ａの断面積をＳ（ｍ^２）、共鳴室３６の容積をＶ（ｍ^３）、空気中の音速をｃ（ｍ／ｓ）とするとき、空気中の共鳴周波数ｆｂ（Ｈｚ）はヘルムホルツ共鳴に関する下記の式（４）により求められる。

 

　式（４）から明らかなように、共鳴室３６の容積Ｖを小さくしたり、インレットパイプ部２６Ａの突出部分の長さＬ_１を短くしたり、インレットパイプ部２６Ａの断面積Ｓを大きくすることにより、共鳴周波数を高周波数側にチューニングすることができる。また、共鳴室３６の容積Ｖを大きくしたり、インレットパイプ部２６Ａの突出部分の長さＬ_１を長くしたり、インレットパイプ部２６Ａの断面積Ｓを小さくすることにより、共鳴周波数を低周波数側にチューニングすることができる。

　一方、仕切板３４とエンドプレート３３にはそれぞれ挿通孔３４ｂ、３３ａが形成されており、この挿通孔３４ｂ、３３ａにはテールパイプ２８の上流側の端部、すなわち、テールパイプ２８のうちマフラ２７の内部に収納されている部分からなるアウトレットパイプ部２８Ａが挿通されている。

　テールパイプ２８は、円筒状のパイプからなり、アウトレットパイプ部２８Ａの上流側の端部には上流開口端２８ａが設けられている。また、テールパイプ２８の下流側の端部には下流開口端２８ｂが、図３に示すように、上流開口端２８ａから距離Ｌだけ離隔して設けられている。また、アウトレットパイプ部２８Ａは、上流開口端２８ａが拡張室３５に開口するようにして挿通孔３４ｂ、３３ａに挿通されることにより、マフラ２７に接続されている。

　このテールパイプ２８の排気方向下流側には、図４、図５および図６に示すように、開口端の外方に向かうに従って拡径される拡径構造３８が設けられるとともに、排気ガスの排気方向に対向してプレート４１が設けられている。

　この拡径構造３８は、図６に示すように、テールパイプ２８と同じ内径Ｄ_１を有し、テールパイプ２８と接続される基端部３８ａと、内径Ｄ_１よりも大きい内径Ｄ_２を有し、基端部３８ａと対向する先端部３８ｂと、基端部３８ａと先端部３８ｂとの間に形成され、内径が基端部３８ａから先端部３８ｂに近づくほど内径がＤ_１からＤ_２に徐々に大きくなる円錐部３８ｃとを備えている。

　円錐部３８ｃは、基端部３８ａの内周上の点Ｐａと、先端部３８ｂの内周上の点Ｐｂとを結ぶ直線Ｌａと、テールパイプ２８の内周部２８ｃに接し、点Ｐａを通りテールパイプ２８の軸線方向に延びる直線Ｌｂとがなす角がθとなるように形成されている。
　したがって、点Ｐａと点Ｐｂとの間の軸線方向の距離Ｌ_２は、次式（５）で表される。

 
　一般に、断面積が一定のパイプ内を通過する音波は、平面波となって進行するが、その断面積が変化すると、その変化した部分で音波の反射が起きることが知られている。
　しかしながら、その断面積が変化した場合でも、その変化した部分が、このような円錐部３８ｃを備えていると、排気音がテールパイプ２８に入射し、その入射波が、円錐部３８ｃを通過する際、排気音の平面波の変化が抑制され、円錐部３８ｃ内で反射が抑制されるようになっている。

　ここで、内径Ｄ_１、内径Ｄ_２およびなす角θは、本第１実施形態に係る排気装置２０が適用される車両の設計諸元、シミュレーション、実験や経験値などのデータに基づいて適宜選択される。なお、基端部３８ａの内周上の点Ｐａと、先端部３８ｂの内周上の点Ｐｂとを結ぶ線を直線Ｌａで説明したが、この基端部３８ａの内周上の点Ｐａと、先端部３８ｂの内周上の点Ｐｂとを結ぶ線を緩やかな凹形状を形成する大きな曲率半径を有する曲線で構成するようにしてもよい。

　プレート４１は、拡径構造３８の先端部３８ｂの内径Ｄ_２とほぼ同じ外径を有する外周部４１ａと、テールパイプ２８内を流動する排気ガスの排気方向に対向する側面部４１ｂとを備えている。この側面部４１ｂには、内径Ｄ_１とほぼ同じ直径Ｄ_３の円形の貫通孔が形成され、この貫通孔によってプレート４１の開口部４１ｄが構成されている。したがって、この側面部４１ｂは、この開口部４１ｄと、この開口部４１ｄ以外の部分で構成される閉口部４１ｅとを備えており、この開口部４１ｄから排気ガスが大気に排出されるようになっている。

　ここで、このプレート４１は、テールパイプ２８内を流動する排気ガスの排気方向に対向するように設けられているが、より具体的には、テールパイプ２８の軸線方向に直交するようにテールパイプ２８に取り付けられている。また、プレート４１は、外周部４１ａとテールパイプ２８の内周部２８ｃとが密着するよう、テールパイプ２８に取り付けられている。ここで、プレート４１のテールパイプ２８に対する取付方法は、接合や圧力などの固定方法が好ましい。なお、この取付方法に代えて、絞り加工などの一体形成方法により加工してもよい。

　プレート４１は、側面部４１ｂの排気方向上流側の反射面部４１ｆが、テールパイプ２８の下流開口端２８ｂから、距離Ｌ_３だけ離隔するよう、外周部４１ａでテールパイプ２８の内周部２８ｃに設けられている。この反射面部４１ｆには、拡径構造３８を通過した排気音が、平面波の状態を維持しつつ到達するようになっている。

　このプレート４１の側面部４１ｂにおいては、テールパイプ２８に入射した入射波に対して、開口部４１ｄで、いわゆる開口端反射が起き、閉口部４１ｅで、いわゆる閉口端反射が起きるようになっている。すなわち、プレート４１の反射面部４１ｆで排気音の反射が行われている。

　この場合、開口部４１ｄおよび閉口部４１ｅで分配された開口端反射および閉口端反射による反射波が互いに打ち消し合い、その結果、互いの干渉効果により反射音の音圧レベルが低減される。なお、反射面部４１ｆは、排気音の入射波や反射波を反射する面からなり、開口部４１ｄおよび閉口部４１ｅの一部により構成されている。

　この反射音の最適な消音効果を得るため、図５に示す開口部４１ｄの開口面積Ｓ_２（ｍ^２）と、プレート４１の開口部４１ｄを含む側面部４１ｂの総面積Ｓ_１（ｍ^２）は、次式（６）を満たすよう、その開口部４１ｄが形成されている。

 

　式（６）は、次のようにして導くことができる。すなわち、反射音の最適な消音効果を得るためには、開口部４１ｄの排気音の粒子速度の反射率をＲｖ_１とし、開口部４１ｄの排気音の粒子速度の透過率をＴｖ_１とし、閉口部４１ｅの排気音の粒子速度の反射率をＲｖ_２とすると、（Ｒｖ_１×Ｔｖ_１）とＲｖ_２とを、重ね合わせるため、正負が逆で同等にすればよいということが知られている。すなわち、（Ｒｖ_１×Ｔｖ_１）＋Ｒｖ_２＝０、とすればよい。

　ここで、テールパイプ２８の内部の媒質の固有音響インピーダンスをＺ_１、テールパイプ２８のプレート４１の開口部４１ｄ付近の媒質の固有音響インピーダンスをＺ_２、テールパイプ２８の外部の下流開口端２８ｂ付近、すなわち大気側の媒質の固有音響インピーダンスをＺ_３とし、大気開放側の開口面積Ｓ_２に対向する面積をＳ_３とすると、反射率Ｒｖ_１、透過率Ｔｖ_１および反射率Ｒｖ_２は、次式（７）、（８）、（９）によりそれぞれ表される。

 

 

 
　したがって、（Ｒｖ_１×Ｔｖ_１）＋Ｒｖ_２＝０、は次のように表される。

 

　ここで、固有音響インピーダンスは、媒質の密度ρ（Ｋｇ／ｍ^３）と音速ｃ（ｍ／ｓ）の積で表されるので、Ｚ_１＝ρ_１ｃ_１、Ｚ_２＝ρ_２ｃ_２、Ｚ_３＝ρ_３ｃ_３となる。そして、テールパイプ２８の内部の媒質ρ_１および音速ｃ_１と、テールパイプ２８のプレート４１の開口部４１ｄ付近の媒質ρ_２と、テールパイプ２８の外部の下流開口端２８ｂ付近、すなわち大気側の媒質ρ_３は、ともに排気ガスである。なお、エンジン２１が、燃料の無噴射状態で回転している場合には、ともに空気となることがある。ともに排気ガスおよび空気の場合には、ρ_１ｃ_１＝ρ_２ｃ_２＝ρ_３ｃ_３となるので、Ｚ_１＝Ｚ_２＝Ｚ_３となり、式（１０）は、次式（１１）で表される。

 
　ここで、面積Ｓ_３は、大気開放となるため、その面積Ｓ_３は∞、すなわち無限大となる。したがって、式（１１）の面積Ｓ_３を∞として計算すると、前述の式（６）が得られることになる。

　次に、排気装置２０の作用および気柱共鳴の発生する理由について説明する。　
　排気装置２０の上流側のエンジン２１が始動されると、エンジン２１の各気筒から排気される排気ガスは、排気マニホールド２２から触媒コンバータ２４に導入され、触媒コンバータ２４によってＮＯｘの還元やＣＯ、ＨＣの酸化が行われる。

　触媒コンバータ２４で浄化されて排気される排気ガスは、フロントパイプ２５およびセンターパイプ２６を通して排気装置２０のマフラ２７に導入される。マフラ２７に導入される排気ガスは、図７の矢印で示すように、インレットパイプ部２６Ａの小孔２６ａを介して拡張室３５に導入されるとともに、インレットパイプ部２６Ａの下流開口端２６ｂから共鳴室３６に導入される。

　拡張室３５に導入された排気ガスは、アウトレットパイプ部２８Ａの上流開口端２８ａを通してテールパイプ２８に導入された後、テールパイプ２８の下流開口端２８ｂにおける拡径構造３８の先端部３８ｂに設けられたプレート４１の開口部４１ｄを通って大気に排出される。この下流開口端２８ｂ側に設けられたプレート４１は、拡径構造３８によって、テールパイプ２８内径Ｄ_１よりも、大きい内径Ｄ_２になっており、プレート４１の開口部４１ｄがテールパイプ２８の内径Ｄ_１と同等の大きさを有する内径Ｄ_３で形成されているので、排気ガスが開口部４１ｄを通過する際、スムースに通過し、排気ガスの背圧が高まるのが抑制される。

　エンジン２１の運転時にエンジン２１の各爆発気筒で励起される排気脈動により、エンジン２１の回転数（ｒｐｍ）に応じて変化する周波数（Ｈｚ）の排気音が各爆発気筒から発生する。この排気音は、エンジン２１の回転数が増大するにつれて周波数が大きくなるものであり、排気ガスを媒体として、排気マニホールド２２、触媒コンバータ２４、フロントパイプ２５およびセンターパイプ２６を通ってマフラ２７のインレットパイプ部２６Ａに入射する。

　インレットパイプ部２６Ａに入射した排気音は、インレットパイプ部２６Ａの小孔２６ａを介して拡張室３５に侵入し、拡張されて、全周波数帯域に亘って排気音の音圧レベルが低減される。また、インレットパイプ部２６Ａに入射した排気音は、下流開口端２６ｂから共鳴室３６に侵入する。共鳴室３６に侵入した排気音は、ヘルムホルツ共鳴によって設定された特定周波数の排気音の音圧レベルが低減される。　

　また、拡張室３５に侵入した排気音は、テールパイプ２８に入射し、この入射波がテールパイプ２８の下流開口端２８ｂのプレート４１で反射して反射波となる。
　ここで、下流開口端２８ｂ側に形成された拡径構造３８によって、プレート４１の開口部４１ｄを含む側面部４１ｂの総面積Ｓ_１が、テールパイプ２８の断面積よりも大きくなっているが、拡径構造３８が、前述の円錐部３８ｃを有しているので、拡径構造３８内で、排気音が反射することを抑制することができる。　
　したがって、テールパイプ２８に入射した排気音は、拡径構造３８内を通過する際、反射することなく、確実にプレート４１の反射面部４１ｆに到達する。

　また、開口端反射による反射波および閉口端反射による反射波は、互いに打ち消し合う干渉が起きるとともに、開口端反射による反射波および閉口端反射による反射波は、テールパイプ２８の上流開口端２８ａでさらに反射し下流開口端２８ｂ方向に入射波と同様にそれぞれ進行し、プレート４１で入射波と同様に再反射する。このような反射が繰り返されることになり、定在波が発生する。

　本来、パイプの開口端のような同じ媒質を有する媒体同士の境界では、媒質が同じであり、反射は起きず音波は透過してしまうようにも思われる。しかしながら、テールパイプ２８のような、排気音の波長に対して充分に小さな断面の寸法を有するパイプ内を進行する排気音は疎密波からなる平面波となり、下流開口端２８ｂおよび上流開口端２８ａで反射する。

　下流開口端２８ｂで開口端反射が起こる理由としては、次のものが挙げられる。すなわち、テールパイプ２８内を流れる排気ガスの圧力は高くなっており、テールパイプ２８の下流開口端２８ｂの外側の大気圧はテールパイプ２８内を流れる排気ガスの圧力よりも低くなっている。このため、入射波が下流開口端２８ｂから勢いよく大気に飛び出すことで下流開口端２８ｂ内の排気ガスの圧力が低くなる低圧部が発生し、この低圧部分がテールパイプ２８内を上流開口端２８ａに向かって進行し始めるからである。

　したがって、反射波は、入射波と逆向きの平面波となり入射波と逆向きに進行することになる。また、上流開口端２８ａ側で反射波が発生する理由も下流開口端２８ｂで反射波が発生する理由と同様である。

　そして、下流開口端２８ｂの開口部４１ｄに向かう入射波と下流開口端２８ｂの開口部４１ｄと離隔する方向に向かう第１の反射波とが干渉する。さらに、第１の反射波が、上流開口端２８ａの開口で反射し、開口部４１ｄに向かう第２の反射波となり、この第２の反射波と、第１の反射波および入射波が上流開口端２８ａと下流開口端２８ｂとの間で繰り返され、それぞれが干渉する。　
　このように、入射波の反射が繰り返されることで、テールパイプ２８の上流開口端２８ａの開口および下流開口端２８ｂの開口部４１ｄとの間で定在波ができることになる。

　また、この定在波は、テールパイプ２８の管長Ｌと定在波の波長λとが特定の関係にあるとき、テールパイプ２８の上流開口端２８ａの開口および下流開口端２８ｂの開口部４１ｄがそれぞれ粒子速度の腹となるような定在波ができ、この場合には、振幅が著しく大きくなり、気柱共鳴が生じる。この気柱共鳴は、テールパイプ２８の管長Ｌを半波長とした周波数を基本として、この基本周波数の自然数倍の周波数の気柱共鳴が発生、波長としては基本の波長を自然数で割った長さの波長の気柱共鳴が発生して音圧が著しく増大し、騒音となってしまう。

　具体的には、図８に気柱共鳴の定在波の粒子速度分布を示すように、排気音の基本振動からなる一次成分の気柱共鳴の波長λ_１は、テールパイプ２８の管長Ｌの略２倍となり、基本振動の二倍の二次成分の気柱共鳴の波長λ_２は、管長Ｌの略１倍となる。また、基本振動の三倍の三次成分の気柱共鳴の波長λ_３は、管長Ｌの２／３倍となり、図８から明らかなように、それぞれの定在波は、テールパイプ２８の上流開口端２８ａおよび下流開口端２８ｂが粒子速度の腹となり、粒子速度が最大となる。

　また、排気音の一次成分ないし三次成分の気柱共鳴の定在波における音圧分布は、図８に示す粒子速度分布の腹と節がそれぞれと逆になり、テールパイプ２８の上流開口端２８ａおよび下流開口端２８ｂが音圧の節となり、音圧が０となる。

　さらに、図９に示すように、排気音の音圧レベル（ｄＢ）は、エンジン回転数Ｎｅ（ｒｐｍ）が増大するのに伴って一次成分ｆ_１、二次成分ｆ_２の共鳴周波数（Ｈｚ）に対応するエンジン回転数Ｎｅで増大する。

　ここで、音速をｃ（ｍ／ｓ）、テールパイプ２８の長さをＬ（ｍ）、次数をｎとしたときの気柱共鳴周波数ｆｃ（Ｈｚ）は、次式（１２）で表される。

 

　音速ｃを４００ｍ／ｓとし、テールパイプ２８の管長Ｌを３．０ｍとした場合には、上記式（１２）に基づいてテールパイプ２８の気柱共鳴による排気音の一次成分ｆ_１は、６６．７Ｈｚ、二次成分ｆ_２は、１３３．３Ｈｚとなり、エンジン２１の回転数に対応した気柱共鳴による共鳴周波数の一次成分ｆ_１と二次成分ｆ_２で排気音の音圧レベル（ｄＢ）が高くなる。

　また、本第１実施形態では、エンジン２１が４気筒であるため、前述の式（３）において、Ｎ＝４となり、エンジン回転数Ｎｅが２０００ｒｐｍのときに一次成分ｆ_１の気柱共鳴により排気音の音圧レベル（ｄＢ）が増大し、エンジン回転数Ｎｅが４０００ｒｐｍのときに二次成分ｆ_２の気柱共鳴により排気音の音圧レベル（ｄＢ）が増大する。

　特に、排気音の一次成分ｆ_１の気柱共鳴のような１００Ｈｚ以下の低周波の低速回転域では、車室内にこもり音を生じさせてしまい、運転者に不快感を与えてしまうことになる。三次成分の気柱共鳴周波数では、エンジン回転数Ｎｅは、６０００ｒｐｍとなり、四次成分の気柱共鳴周波数では、エンジン回転数Ｎｅは、８０００ｒｐｍとなるように、多数次成分の気柱共鳴周波数も起こりうるが、このような気柱共鳴による騒音は、運転者に気にならないものとなるので、図９では、三次成分以降の多数次成分については、図示していない。

　本第１実施形態に係る排気装置においては、エンジン回転数Ｎｅが低回転の２０００ｒｐｍ（一次成分ｆ_１）および中回転の４０００ｒｐｍ（二次成分ｆ_２）のときに、従来のテールパイプにおいて発生する気柱共鳴によって音圧レベル（ｄＢ）が増大してしまうのを確実に抑制するようにしたものである。

　次に、気柱共鳴によって音圧レベルが増大してしまうのを抑制することができる理由を説明する。

　前述のようにプレート４１の開口部４１ｄで、テールパイプ２８に入射した入射波に対して、開口端反射が起き、閉口部４１ｅで、閉口端反射が起きる。換言すれば、プレート４１の反射面部４１ｆで開口端反射および閉口端反射が起きる。

　具体的には、反射波は、入射波に対して同位相で、プレート４１の開口部４１ｄを含む側面部４１ｂの総面積Ｓ_１の約３３％を占める開口部４１ｄで反射する開口端反射による反射波と、入射波に対して１８０°位相が異なり、前述の総面積Ｓ_１の約６７％を占めるプレート４１の側面部４１ｂの閉口部４１ｅで反射する閉口端反射による反射波とに分配される。開口部４１ｄおよび閉口部４１ｅで分配された開口端反射および閉口端反射による反射波は、互いに打ち消し合い、その結果、反射音の音圧レベルが低減され、気柱共鳴によって音圧レベル（ｄＢ）が増大してしまうのが抑制される。

　この場合、この反射音の最適な消音効果を得るため、前述のように開口端反射と閉口端反射との分配の割合が半分づつになるよう、プレート４１における入射する排気音の反射率Ｒｐが０．５に設定されている。この反射率Ｒｐを０．５にするため、図５に示す開口部４１ｄの開口面積Ｓ_２（ｍ^２）と、プレート４１の開口部４１ｄを含む側面部４１ｂの総面積Ｓ_１（ｍ^２）は、前述の式（６）に示すように、Ｓ_２≒（１／３）Ｓ_１を満たすよう、その開口部４１ｄが形成されている。

　まず、図１０を参照して、エンジン２１の運転時の排気脈動による排気音の入射波Ｇがテールパイプ２８内に入射し、この入射波Ｇがテールパイプ２８の管長Ｌを半波長とする入射波Ｇである場合、すなわち開口端反射について説明する。

　入射波Ｇの周波数がテールパイプ２８が有している気柱共鳴周波数に合致すると、図１０に示すように、テールパイプ２８の下流開口端２８ｂ側に設けられたプレート４１の開口部４１ｄから入射波Ｇの一部が透過波Ｇ_１となって大気中に侵入する。他方、プレート４１の開口部４１ｄにおいて前述の開口端反射が起こり、開口部４１ｄにおける入射波Ｇが実線で示す反射波Ｒ_１となってプレート４１と離隔する方向に進行する。

　この反射波Ｒ_１は、入射波Ｇに対して同位相となる。すなわち、テールパイプ２８内の狭い気柱を伝わってきた密または疎の排気ガスや空気の固まりは、開口部４１ｄにおいて大気の広い空間との境界に達した途端、一気に膨張し、その慣性でそれまで密だったところに疎が形成され、この疎が新たな波源となって反射波Ｒ_１は気柱を今進行してきた向きに引き返していくことになり、密は疎に、疎は密になるので入射波Ｇの位相がそのまま反射波Ｒ_１の位相となり、反射波Ｒ_１は、入射波Ｇに対して同位相となる。

　このように、入射波Ｇと反射波Ｒ_１とが同位相であるので、本来この反射波Ｒ_１は入射波Ｇと同一線上に重なっているが、説明の便宜上、図１０においては、反射波Ｒ_１を入射波Ｇに対して下方にずらしている。

　他方、テールパイプ２８の下流開口端２８ｂ側に設けられたプレート４１の閉口部４１ｅにおいて前述の閉口端反射が起こり、閉口部４１ｅにおける入射波Ｇが破線で示す反射波Ｒ_２となってプレート４１と離隔する方向に進行する。

　この反射波Ｒ_２は、入射波Ｇに対して逆位相となり、反射波Ｒ_１に対して１８０°位相が異なっている。すなわち、テールパイプ２８内の狭い気柱を伝わってきた密または疎の排気ガスや空気の固まりは、閉口部４１ｅにおいて、その壁面に衝突し密は密のまま、疎は疎のまま跳ね返るので入射波Ｇの位相が逆転し、反射波Ｒ_２の位相となり、反射波Ｒ_２は、入射波Ｇに対して逆位相となる。

　このように、入射波Ｇと反射波Ｒ_２とが逆位相となる。本来この反射波Ｒ_２は入射波Ｇと位相０の横線を中心として対称となっているが、説明の便宜上、図１０においては、反射波Ｒ_１と反射波Ｒ_２とが位相０の横線を中心として対称になるよう、反射波Ｒ_２を位相０の横線方向にずらしている。

　この反射波Ｒ_１と反射波Ｒ_２は位相が逆であるが、粒子速度の大きさは同じであるため、互いに打ち消し合うよう干渉し、テールパイプ２８内の気柱においては、気柱共鳴は起きないことになる。その結果、図９に示すように、気柱共鳴による排気音の破線で示す一次成分ｆ_１が実線で示すように抑制され、排気音の音圧レベルが大幅に低減される。

　また、一次成分ｆ_１を基本振動とした二次成分ｆ_２の気柱共鳴に対しても、図１０と同様にテールパイプ２８の下流開口端２８ｂから反射される反射波が、入射波Ｇに対して同位相の開口部４１ｄによる反射波Ｒ_１と入射波Ｇに対して１８０°位相が異なる閉口部４１ｅによる反射波Ｒ_２とに分配されて、反射波Ｒ_１と反射波Ｒ_２とが互いに打ち消し合うよう干渉する。その結果、図９に示すように、気柱共鳴による排気音の破線で示す二次成分ｆ_２が実線で示すように抑制され、排気音の音圧レベルが大幅に低減される。

　次に、エンジン２１の運転時の排気脈動による入射波Ｇがテールパイプ２８内に入射し、この入射波Ｇの波長がテールパイプ２８の管長Ｌの１／４波長を基本とする入射波Ｇである場合について説明する。

　開口端反射は、図８に示すように、テールパイプ２８の管長Ｌを半波長とした周波数を基本として、このときの基本波長を自然数で割った長さの波長の気柱共鳴が発生するものである。　
　これに対し、閉口端反射は、図１１に示すように、テールパイプ２８の管長Ｌを１／４波長とした周波数の気柱共鳴を基本成分として、このときの基本波長を奇数で割った長さの波長の気柱共鳴が発生するものであり、テールパイプ２８の上流開口端２８ａから管内に入射された入射波が閉口端で入射波と１８０°異なる位相で反射するものである。

　具体的には、図１１に示すように、基本振動からなる一次成分の気柱共鳴の波長λ_１は、テールパイプ２８の管長Ｌの略４倍となり、二次成分の気柱共鳴の波長λ_２は、管長Ｌの略４／３倍となる。また、三次成分の気柱共鳴の波長λ_３は、管長Ｌの４／５倍となり、閉口端が粒子速度の節、開口端が粒子速度の腹となるような定在波ができる。

　また、一次成分ないし三次成分の気柱共鳴の定在波における音圧分布は、粒子速度分布と腹と節がそれぞれ逆になり、閉口端が音圧の腹、開口端が音圧の節となるような定在波ができる。

　排気音の音圧レベル（ｄＢ）の共鳴周波数による増大は、入射波Ｇの波長がテールパイプ２８の管長Ｌの１／４波長を基本とする入射波Ｇである場合も、入射波Ｇの波長がテールパイプ２８の管長Ｌの半波長を基本とする入射波Ｇである場合と同様に起きる。　
　すなわち、図９に示すグラフと同様に、排気音の音圧レベル（ｄＢ）は、エンジン回転数Ｎｅ（ｒｐｍ）が増大するのに伴って一次成分ｆ_１、二次成分ｆ_２の共鳴周波数（Ｈｚ）に対応するエンジン回転数Ｎｅで増大する。

　ここで、音速をｃ（ｍ／ｓ）、テールパイプ２８の長さをＬ（ｍ）、次数をｎとしたときの気柱共鳴周波数ｆｄ（Ｈｚ）は、次式（１３）で表される。

 

　音速ｃを４００ｍ／ｓとし、テールパイプ２８の管長Ｌを３．０ｍとした場合には、上記式（１３）に基づいてテールパイプ２８の気柱共鳴による排気音の一次成分ｆ_１は、３３．３Ｈｚ、二次成分ｆ_２は１００Ｈｚとなり、エンジン２１の回転数に対応した気柱共鳴による共鳴周波数の一次成分ｆ_１と二次成分ｆ_２で排気音の音圧レベル（ｄＢ）が高くなる。

　また、本第１実施形態では、エンジン２１が４気筒であるため、前述の式（３）において、Ｎ＝４となり、エンジン回転数Ｎｅが１０００ｒｐｍのときに一次成分ｆ_１の気柱共鳴により排気音の音圧レベル（ｄＢ）が増大し、エンジン回転数Ｎｅが３０００ｒｐｍのときに二次成分ｆ_２の気柱共鳴により排気音の音圧レベル（ｄＢ）が増大する。

　本第１実施形態では、エンジン２１の運転時の排気脈動によりテールパイプ２８の管長Ｌを１／４波長とする入射波Ｇがテールパイプ２８内に入射すると、この入射波Ｇの周波数とテールパイプ２８の気柱共鳴周波数とが一致することになる。

　このとき、テールパイプ２８の下流開口端２８ｂから反射される反射波が、入射波Ｇに対して同位相の開口部４１ｄによる開口端反射の反射波Ｒ_１と入射波Ｇに対して１８０°位相が異なる閉口部４１ｅによる閉口端反射の反射波Ｒ_２とに分配される。

　この反射波Ｒ_１と反射波Ｒ_２は位相が逆であるが、粒子速度の大きさは同じであるため、互いに打ち消し合うよう干渉し、気柱共鳴による排気音の一次成分ｆ_１が抑制され、排気音の音圧レベルが大幅に低減される。

　また、一次成分ｆ_１を基本振動とした二次成分ｆ_２の気柱共鳴に対しても、図１０と同様にテールパイプ２８の下流開口端２８ｂから反射される反射波が、入射波Ｇに対して同位相のプレート４１の開口部４１ｄで反射する反射波Ｒ_１と入射波Ｇに対して１８０°位相が異なるプレート４１の閉口部４１ｅで反射する反射波Ｒ_２とに分配される。このとき、反射波Ｒ_１と反射波Ｒ_２とが互いに打ち消し合い、気柱共鳴による排気音の二次成分ｆ_２が抑制され、排気音の音圧レベルが大幅に低減される。

　本第１実施形態に係る排気装置２０のマフラ２７の長さ（ｍｍ）、外形の大きさ（ｍｍ）および共鳴室や拡張室の個数、インレットパイプ部２６Ａおよびテールパイプ２８の内径（ｍｍ）、厚さ（ｍｍ）および長さ（ｍｍ）、プレート４１の厚さ（ｍｍ）、プレート４１の開口部４１ｄを含む側面部４１ｂの総面積Ｓ_１、開口面積Ｓ_２、距離Ｌ（ｍｍ）、Ｌ_１（ｍｍ）、Ｌ_２（ｍｍ）、Ｌ_３（ｍｍ）は、本第１実施形態に係る排気装置２０が適用される車両の設計諸元、シミュレーション、実験や経験値などのデータに基づいて適宜選択される。

　本第１実施形態に係る内燃機関の排気装置２０においては、前述のように構成されているので、次の効果が得られる。

　すなわち、本第１実施形態に係る内燃機関の排気装置２０は、エンジン２１から排出された排気ガスを大気に排出するテールパイプ２８を備えている。そして、このテールパイプ２８が、排気ガスの排気方向上流側のマフラ２７に接続される上流開口端２８ａと、マフラ２７よりも下流側で大気に排気ガスを排出するための下流開口端２８ｂとを有している。このテールパイプ２８の排気方向下流側に、下流開口端２８ｂに向かうに従って拡径される拡径構造３８が設けられるとともに、この拡径構造３８の内部に排気ガスの排気方向に対向してプレート４１が設けられ、このプレート４１の排気方向に貫通する１つの開口部４１ｄが形成されたことを特徴としている。そして、この開口部４１ｄの開口面積Ｓ_２は、プレート４１の開口部４１ｄを含む側面部４１ｂの総面積Ｓ_１に対して約１／３の大きさに設定されている。そして、この拡径構造３８には、円錐部３８ｃが形成されている。

　その結果、テールパイプ２８の下流側に拡径構造３８が設けられているので、プレート４１に形成する開口部４１ｄの開口面積Ｓ_２を大きくすることができる。そして、この拡径構造３８に円錐部３８ｃが形成されているので、テールパイプ２８内に入射した排気音は、この拡径構造３８で反射することなく、確実にプレート４１の反射面部４１ｆに到達することができるという効果が得られる。　
　そして、プレート４１に開口部４１ｄが形成されるので、プレート４１によって下流開口端２８ｂに開口部４１ｄだけでなく閉口部４１ｅも画成されることになる。
　このように下流開口端２８ｂに閉口部４１ｅも画成されるようにすれば、エンジン２１の運転時の排気脈動による入射波が、テールパイプ２８内に入射し下流開口端２８ｂに到達した際、テールパイプ２８の下流開口端２８ｂから反射される反射波を、次のように分配することができる。

　すなわち、入射波に対して同位相で開口部４１ｄから反射される、いわゆる開口端反射による反射波と、入射波に対して１８０°位相が異なる閉口部４１ｅから反射される、いわゆる閉口端反射による反射波とに分配することができる。

　このため、開口端反射による反射波と閉口端反射による反射波とが互いに打ち消し合うよう干渉することで、テールパイプ２８の気柱共鳴によって音圧レベルが増大してしまうのを抑制することができ、高い消音効果が得られる。

　特に、この入射波の周波数とテールパイプ２８の固有の気柱共鳴周波数とが一致したときに、開口端反射による反射波と閉口端反射による反射波との干渉効果が顕著に現われ、テールパイプ２８における気柱共鳴の発生が抑制されるという効果が得られる。

　このようにテールパイプ２８の下流開口端２８ｂ側に開口部４１ｄを有するプレート４１が設けられると、テールパイプ２８の気柱共鳴による音圧の増大が抑制される。特に、エンジン２１の低回転時に車室内におけるこもり音の発生が防止されるという効果が得られる。

　また、従来のようにメインマフラに相当する消音器を大型化したり、テールパイプ２８にサブマフラを介装することが不要となるため、テールパイプ２８にプレート４１を設けるだけの簡単構造で、排気装置の重量の増大が防止されるとともに、排気装置の製造コストの増大が防止され、設置スペースが低減されるという効果が得られる。

　特に、プレート４１の側面の開口部４１ｄを含む側面部４１ｂの総面積Ｓ_１に対して開口部４１ｄの開口面積Ｓ_２が約１／３の大きさ、すなわちテールパイプ２８の下流開口端２８ｂの開口率を約３３％にすることができる。この場合、エンジン２１の運転時の排気脈動による入射波がテールパイプ２８内に入射し下流開口端２８ｂに到達した際、テールパイプ２８の下流開口端２８ｂから反射される反射波を、次のように効果的に分配することができる。

　すなわち、入射波に対して同位相で、総面積の約３３％を占める開口部４１ｄから反射される開口端反射による反射波と、入射波に対して１８０°位相が異なり、前述の総面積の約６７％を占める閉口部４１ｅから反射される閉口端反射による反射波とに分配することができる。

　このため、開口端反射による反射波と閉口端反射による反射波とが互いに確実に打ち消し合うよう干渉することで、テールパイプ２８の気柱共鳴によって音圧が増大してしまうのを確実に抑制することができるという効果が得られる。したがって、高い消音効果を得ることができる。

　この入射波の周波数とテールパイプ固有の気柱共鳴周波数とが一致したときに、開口端反射による反射波と閉口端反射による反射波との干渉効果が顕著に現われ、テールパイプ２８における気柱共鳴の発生がより一層抑制されるという効果が得られる。

　本第１実施形態に係る排気装置２０においては、テールパイプ２８の管長Ｌを半波長とする波長を基本波長として、この基本波長を自然数で割った長さの波長の気柱共鳴が発生した場合であっても、テールパイプ２８の気柱共鳴によって音圧が増大してしまうのを抑制することができ、エンジン２１の低回転時（２０００ｒｐｍ）に車室内にこもり音が発生するのを防止することができるという効果が得られる。

　また、テールパイプ２８の管長Ｌを１／４波長とする波長を基本波長として、この基本波長を奇数で割った長さの波長の気柱共鳴が発生した場合であっても、テールパイプ２８の気柱共鳴によって音圧が増大してしまうのを抑制することができ、エンジン２１の低回転時（１０００ｒｐｍ）に室内にこもり音が発生するのを防止することができる。

　すなわち、本第１実施形態に係る排気装置２０においては、下流開口端２８ｂの開口率を３３％に設定したので、テールパイプ２８の管長Ｌを半波長とする波長を基本波長として、この基本波長を自然数で割った長さの波長の気柱共鳴の定在波を有する完全開口端の反射モードと、テールパイプ２８の管長Ｌを１／４波長とする波長を基本波長として、この基本波長を奇数で割った長さの波長の気柱共鳴の定在波を有する完全閉口端の２つの反射モードが発生することがある。

　しかしながら、いずれの反射モードが発生した場合であっても、図１０に示すように反射波Ｒ_１と反射波Ｒ_２とを互いに打ち消し合うことができ、気柱共鳴による排気音の音圧レベルを大幅に低減することができるという効果が得られる。したがって、高い消音効果を得ることができる。特に、エンジン２１の低回転領域におけるテールパイプ２８の気柱共鳴の発生を反射モードにかかわらず確実に抑制することができるという効果が得られる。

　また、本第１実施形態に係る排気装置２０においては、拡径構造３８およびプレート４１をテールパイプ２８の下流開口端２８ｂのみに設けた場合について説明した。しかしながら、拡径構造３８およびプレート４１をテールパイプ２８の下流開口端２８ｂのみに設けた構造以外の構造であってもよい。

　例えば、図１２および図１３に示すように、拡径構造３８およびプレート４１を、テールパイプ２８の上流開口端２８ａおよび下流開口端２８ｂの両方に設けた構造であってもよい。また、拡径構造３８およびプレート４１を、テールパイプ２８の上流開口端２８ａのみに設けた構造であってもよい。　
　このような拡径構造３８およびプレート４１を、テールパイプ２８の上流開口端２８ａおよび下流開口端２８ｂの両方に設けた構造、および、テールパイプ２８の上流開口端２８ａのみに設けた構造においても、上記と同様の作用効果を得ることができる。

　（第２実施形態）
　図１４ないし図２０に示すように、本第２実施形態に係る排気装置６０は、第１実施形態に係る排気装置２０と同様に構成されている。　
　なお、第２実施形態に係る排気装置６０においては、第１実施形態に係る排気装置２０のマフラ２７のテールパイプ２８が異なっているが、他の構成要素は同様に構成されている。したがって、同一の構成については、図１ないし図１３に示した第１実施形態と同一の符号を用いて説明し、特に相違点についてのみ詳述する。　
　まず、構成を説明する。

　本第２実施形態に係る排気装置６０は、図１４に示すように、第１実施形態と同様、エンジン２１に適用されたもので、排気装置６０を構成するテールパイプ６８のみが第１実施形態と異なっている。

　テールパイプ６８は、図１５および図１６に示すように、円筒状のパイプからなり、アウトレットパイプ部６８Ａの上流側の端部には、上流開口端６８ａが設けられており、テールパイプ６８の下流側の端部には下流開口端６８ｂが、図１６に示すように、上流開口端６８ａから距離Ｌだけ離隔して設けられている。また、アウトレットパイプ部６８Ａは、上流開口端６８ａが拡張室３５に開口するようにして挿通孔３４ｂ、３３ａに挿通されることにより、マフラ２７に接続されている。

　このテールパイプ６８の下流開口端６８ｂには、図１７、図１８および図１９に示すように、その下流開口端６８ｂの外方に向かうに従って拡径される拡径構造７８が設けられるとともに、排気ガスの排気方向に対向してプレート４１が設けられている。

　この拡径構造７８は、図１９および図２０に示すように、テールパイプ６８と同じ内径Ｄ_１を有する基端部７８ａと、内径Ｄ_１よりも大きい内径Ｄ_４を有する先端部７８ｂと、基端部７８ａと先端部７８ｂとの間に形成され、断面の形状が基端部７８ａから先端部７８ｂに向かうに従って指数曲線に沿って拡径されたエクスポネンシャル形状部７８ｃとを備えている。

　エクスポネンシャル形状部７８ｃにおいては、基端部７８ａの内周上の点Ｅａと、先端部７８ｂの内周上の点Ｅｂとを結ぶ曲線Ｅｃが、指数曲線となるように形成されている。ここで、点Ｅａを通る断面積をＳ_０とし、点Ｅａを通りテールパイプ６８に直交する基準線をＬ_０とし、この位置をｘ＝０とする。

　また、点Ｅｂを通るエクスポネンシャル形状部７８ｃの断面積をＳ_Ｌとし、点Ｅｂを通りテールパイプ６８に直交する基準線をＬ_Ｌとし、この位置をｘ＝Ｌとし、ｘをｘ＝０からｘ＝Ｌまでの間のｘ＝０からの任意の距離とし、εを定数とし、ｍをエクスポネンシャル形状部７８ｃの断面積Ｓｘの増加率とし、ｍを自然対数に基づく次式（１４）で表されるものとする。この場合、この指数曲線に基づくｘの位置における断面積Ｓｘは、次式（１５）の指数関数で表される。なお、Ｌｎは、定数ｅ（２．７１８２８１８２８４５９０４）を底とする自然対数を表す。

 

 
　この場合、拡径された各断面の中心が、テールパイプ６８の軸線Ｌｐと同一になっている。すなわち、図２０に示すように、断面積Ｓ_０の断面、断面積Ｓ_０の断面、断面積Ｓｘの断面、断面積Ｓ_Ｌの断面のそれぞれの中心は、軸線Ｌｐと同一になっている。
　この拡径構造７８は、エクスポネンシャル形状部７８ｃを備えているので、排気音がテールパイプ６８に入射し、その入射波が、プレート４１に到達する際、拡径構造７８内で反射が起きないよう確実に抑制されるようになっている。

　一般に、断面積が一定のパイプ内を通過する音波は、平面波となって進行するが、その断面積が変化すると、その変化した部分で音波の反射が起きることが知られている。　
　しかしながら、その断面積が変化した場合でも、その変化した部分が指数曲線に基づく次式（１５）で表されるエクスポネンシャル形状で形成されると、０≦ｘ≦Ｌの範囲における位置ｘの指数曲線に基づいて断面積Ｓｘが変化することになる。

　この場合、エクスポネンシャル形状部７８ｃ内において、ほぼ理想的な平面波伝播が実現され、エクスポネンシャル形状部７８ｃ内を通過する入射波は、反射することがない。したがって、テールパイプ６８に入射した入射波は、エクスポネンシャル形状部７８ｃ内を通過する際、反射することなく、プレート４１の反射面部４１ｆに平面波の状態で到達することになる。

　ここで、断面積Ｓ_０、断面積をＳ_Ｌおよび距離Ｌは、本第２実施形態に係る排気装置６０が適用される車両の設計諸元、シミュレーション、実験や経験値などのデータに基づいて適宜選択される。

　なお、エクスポネンシャル形状部７８ｃは、前述の指数関数だけでなく、次式（１６）で表される、いわゆるハイパボリック形状を有するハイパボリック形状部で形成するようにしてもよい。

 
　ここで、ｃｏｓｈは、ハイパボリックコサイン、ｓｉｎｈはハイパボリックサイン、ｍは前述の式（１４）で表される関数、Ｓｘは、このハイパボリック形状に基づくｘの位置におけるハイパボリック形状部の断面積、Ｔは、０ないし∞をそれぞれ表す。

　この場合にも、ハイパボリック形状部が式（１６）で表される形状に形成されると、０≦ｘ≦Ｌの範囲における位置ｘの関数に基づいて断面積Ｓｘが変化することになる。この場合にも、ハイパボリック形状部内において、ほぼ理想的な平面波伝播が実現され、ハイパボリック形状部内を通過する入射波は、反射することがない。したがって、テールパイプ６８に入射した入射波は、ハイパボリック形状部内を通過する際、反射することなく、プレート４１の反射面部４１ｆに平面波の状態で到達することになる。

　次に、排気装置６０の作用および気柱共鳴の発生する理由について説明する。　
　排気装置６０の上流側のエンジン２１が始動されると、エンジン２１の各気筒から排気される排気ガスは、第１実施形態と同様に、拡径構造７８の先端部７８ｂに設けられたプレート４１の開口部４１ｄを通って大気に排出される。

　この下流開口端６８ｂ側のプレート４１は、第１実施形態と同様に、拡径構造７８によって、テールパイプ６８の内径Ｄ_１よりも、大きい内径Ｄ_４になっており、プレート４１の開口部４１ｄがテールパイプ６８の内径Ｄ_１と同等の内径Ｄ_３で形成されているので、排気ガスが開口部４１ｄを通過する際、スムースに通過し、排気ガスの背圧が高まるのが抑制される。

　第１実施形態と同様に、エンジン２１の運転時にエンジン２１の各爆発気筒で励起される排気脈動により、エンジン２１の回転数（ｒｐｍ）に応じて変化する周波数（Ｈｚ）の排気音が各爆発気筒から発生する。この排気音は、インレットパイプ部２６Ａに入射する。インレットパイプ部２６Ａに入射した排気音は、下流開口端２６ｂから共鳴室３６に侵入する。共鳴室３６に侵入した排気音は、ヘルムホルツ共鳴によって設定された特定周波数の排気音の音圧レベルが低減される。

　また、拡張室３５に侵入した排気音は、テールパイプ６８に入射し、この入射波がテールパイプ６８の下流開口端６８ｂのプレート４１で反射して反射波となる。　
　ここで、下流開口端６８ｂに形成された拡径構造７８によって、プレート４１の開口部４１ｄを含む側面部４１ｂの総面積Ｓ_１が、テールパイプ６８の断面積よりも大きくなっているが、拡径構造７８が、前述のエクスポネンシャル形状部７８ｃを有しており、拡径構造７８内で、ほぼ完全な平面波として伝播するので、排気音が反射してしまい、プレート４１の反射面部４１ｆに到達しないことが防止される。したがって、テールパイプ６８に入射した排気音は、拡径構造７８内を通過する際に、反射による損失を受けることなく、確実にプレート４１の反射面部４１ｆに到達する。

　また、開口端反射による反射波および閉口端反射による反射波は、互いに打ち消し合う干渉が起きるとともに、開口端反射による反射波および閉口端反射による反射波は、テールパイプ６８の上流開口端６８ａでさらに反射し下流開口端６８ｂ方向に入射波と同様にそれぞれ進行し、プレート４１で入射波と同様に再反射する。このような反射が繰り返されることになる。

　本第２実施形態に係る内燃機関の排気装置６０においては、前述のように構成されているので、次の効果が得られる。

　すなわち、本第２実施形態に係る内燃機関の排気装置６０は、エンジン２１から排出された排気ガスを大気に排出するテールパイプ６８を備えている。そして、このテールパイプ６８が、排気ガスの排気方向上流側のマフラ２７に接続される上流開口端６８ａと、マフラ２７よりも下流側で大気に排気ガスを排出するための下流開口端６８ｂとを有している。

　この下流開口端６８ｂに、その外方に向かうに従って拡径される拡径構造７８が設けられるとともに、排気ガスの排気方向に対向してプレート４１が設けられ、このプレート４１の排気方向に対向する側面部４１ｂに１つの開口部４１ｄが形成されたことを特徴としている。そして、この開口部４１ｄの開口面積Ｓ_２は、プレート４１の開口部４１ｄを含む側面部４１ｂの総面積Ｓ_１に対して約１／３の大きさに設定されている。拡径構造３８には、エクスポネンシャル形状部７８ｃが形成されている。

　その結果、テールパイプ６８の下流開口端６８ｂに拡径構造７８が設けられているので、プレート４１に形成する開口部４１ｄの開口面積Ｓ_２を大きくすることができる。そして、この拡径構造７８にエクスポネンシャル形状部７８ｃが形成されているので、テールパイプ６８内に入射した排気音は、この拡径構造７８で反射することなく、ほぼ完全な平面波として、確実にプレート４１の反射面部４１ｆに到達することができるという効果が得られる。したがって、開口端反射による反射波と閉口端反射による反射波とが、確実に打ち消し合い、排気音の反射波による気柱共鳴の発生がより確実に抑制される。

　また、本第２実施形態に係る排気装置６０においては、拡径構造７８およびプレート４１をテールパイプ６８の下流開口端６８ｂのみに設けた場合について説明した。しかしながら、拡径構造７８およびプレート４１をテールパイプ６８の下流開口端６８ｂのみに設けた構造以外の構造であってもよい。

　例えば、拡径構造７８およびプレート４１をテールパイプ６８の上流開口端６８ａおよび下流開口端６８ｂの両方に設けた構造であってもよい。また、拡径構造７８およびプレート４１を、テールパイプ６８の上流開口端６８ａのみに設けた構造であってもよい。　
　このような拡径構造７８およびプレート４１を、テールパイプ６８の上流開口端６８ａおよび下流開口端６８ｂの両方に設けた構造、および、テールパイプ６８の上流開口端６８ａのみに設けた構造においても、上記と同様の作用効果を得ることができる。

　（第３実施形態）
　図２１ないし図２３は、第３実施形態に係るテールパイプ１１０を示す図である。　
　第３実施形態に係るテールパイプ１１０は、図２１に示すように、第２実施形態に係る排気装置６０のテールパイプ６８に対して、貫通孔７８ｄを新たに設けたものである。この貫通孔７８ｄは、プレート４１の開口部４１ｄでの開口端反射における入射波の反射位置を補正するために設けられたものであり、以下、この開口端補正について説明する。

　（開口端補正）
　一般に、このようなパイプの開口端反射がある場合、厳密にはパイプ内で発生する気柱共鳴における気柱の長さは、パイプの両端で画成される実際のパイプの気柱の長さよりも長くなることが知られている。開口端反射の場合は、実際の音波の反射位置が、パイプから所定の距離だけ離隔した位置になるからである。

　例えば、図２３に模式的に示すように、テールパイプＰ内で発生する気柱共鳴における実際の気柱の長さは、テールパイプＰの上流開口端ａから下流開口端ｂまでの管長Ｌよりも僅かに長い気柱の長さＬｈとなってしまう。このような実際の気柱の長さをより正確に把握するには、一般的に開口端補正といわれる長さ補正が必要となる。

　具体的には、上流開口端ａから外方に離隔した実際の排気音の反射位置までの距離および下流開口端ｂから外方に離隔した実際の排気音の反射位置までの距離をそれぞれΔＬとし、テールパイプＰの内径をＤとすると、距離ΔＬは次式（１７）で表される。

 
　したがって、開口端補正を考慮した気柱の長さＬｈは、Ｌｈ＝Ｌ＋２ΔＬで表される。

　このような開口端補正を必要とする理由としては、次のものが挙げられる。　
　すなわち、前述のようにテールパイプＰ内を伝播する進行波は、下流開口端ｂのから下流側にΔＬだけ離隔した位置で実際に反射し、この反射波は、上流開口端ａから上流側にΔＬだけ離隔した位置で実際に反射することになる。このような両端が開口するテールパイプＰにおいては、下流開口端ｂおよび上流開口端ａから外側にもテールパイプＰ内の排気ガスと同じ温度（℃）を有する同様の排気ガスが存在しており、厳密には音のエネルギ（Ｊ）は、テールパイプＰから排出される下流開口端ｂおよび上流開口端ａ近傍の外側にも伝達されてしまう。

　そのため、下流開口端ｂおよび上流開口端ａで音圧（Ｐａ）はゼロにならず、下流開口端ｂおよび上流開口端ａからΔＬだけ外側に離隔した位置で音圧（Ｐａ）がゼロとなり、下流開口端ｂおよび上流開口端ａからΔＬだけ外側に離隔した位置が実効的な管端になってしまう。その結果、入射波は、下流開口端ｂからΔＬだけ外側に離隔した実効的な管端で反射することになる。また、下流開口端ｂで反射した反射波は、上流開口端ａからΔＬだけ外側に離隔した位置が実効的な管端で反射することになる。

　このように、より高い消音効果を得るためには、下流開口端ｂからΔＬだけ補正して下流開口端ｂを実効的な管端とすることが好ましい。

　本第３実施形態に係るテールパイプ１１０においては、貫通孔７８ｄを設け、実効的な管端をテールパイプ１１０の下流開口端１１０ｂに近づけるよう補正することにより、高い消音効果を得るようにしている。

　すなわち、図２１および図２２に示すように、テールパイプ１１０のエクスポネンシャル形状部７８ｃにおいて、直径Ｄ_５の貫通孔７８ｄが、プレート４１の側面部４１ｂに対してテールパイプ１１０の軸線方向内方に、プレート４１の側面部４１ｂから距離Ｌ_５だけ離隔した位置に、テールパイプ１１０の内周部１１０ａと外周部１１０ｃとを貫通して形成される。換言すれば、貫通孔７８ｄは、プレート４１に対して、テールパイプ１１０内の排気ガスの、下流開口端１１０ｂに対して排気方向上流側に位置する。

　なお、この貫通孔７８ｄを、複数の貫通孔で構成するようにしてもよい。例えば、図２４に示すように、貫通孔７８ｄを、プレート４１に対して、テールパイプ１１０内の排気ガスの、下流開口端１１０ｂに対して排気方向上流側に位置するよう、プレート４１の側面部４１ｂから距離Ｌ_５だけ離隔した位置に、３個形成するようにしてもよい。

　これにより、この１または複数の貫通孔７８ｄが擬似的にプレート４１の開口部４１ｄの一部を構成することになり、下流開口端１１０ｂから距離ΔＬだけ外方に離隔していた気柱共鳴の実効的な管端が、下流開口端１１０ｂに近づくことになる。すなわち、距離ΔＬが限りなく０に近づき、実効的な開口端反射がプレート４１の開口部４１ｄで行われることになる。

　ここで、直径Ｄ_５、距離Ｌ_５は、本第３実施形態のテールパイプ１１０が適用される車両の設計諸元、シミュレーション、実験や経験値などのデータに基づいて適宜選択される。なお、距離Ｌ_５は、前述の開口端補正における式（１７）で表される距離ΔＬとほぼ等しいことが好ましい。この距離Ｌ_５は、貫通孔７８ｄにより擬似的にプレート４１の開口部４１ｄの一部を構成し、実効的な開口端反射がプレート４１の開口部４１ｄで行われるという効果を得るために設定されている。

　したがって、本第３実施形態に係るテールパイプ１１０は、貫通孔７８ｄを設けるだけの簡単な構造で、プレート４１の開口部４１ｄにおける開口端反射と、閉口部４１ｅにおける閉口端反射とをほぼ完全な逆位相にすることができる。

　このため、開口端反射による反射波と閉口端反射による反射波とが互いに確実に打ち消し合うよう干渉することで、テールパイプ１１０の気柱共鳴によって音圧が増大してしまうのを確実に抑制することができるという効果が得られる。

　（第４実施形態）
　図２５および図２６は、第４実施形態に係るテールパイプ１２０を示す図である。　
　図２５に示すように、第２実施形態に係るテールパイプ６８が、円形の断面を有しているのに対して、本第４実施形態に係るテールパイプ１２０は、略楕円形の断面を有している。また、テールパイプ１２０には、その排気方向下流側に拡径構造１２１およびプレート部１２２が一体的に形成されている。

　この拡径構造１２１は、図２６に示すように、テールパイプ１２０と同じ略楕円形の断面積Ｓ_０を有する基端部１２１ａと、略楕円形の断面積Ｓ_Ｌを有する先端部１２１ｂと、基端部１２１ａと先端部１２１ｂとの間に形成され、断面の形状が基端部１２１ａから先端部１２１ｂに向かうに従って指数曲線に沿って拡径され、略楕円形の断面積Ｓ_ｘを有するエクスポネンシャル形状部１２１ｃとを備えている。この拡径構造１２１は、第２実施形態に係る拡径構造７８とは異なり、図２６に示すように、徐々に拡径されたそれぞれの断面が、各図面の下方で同一直線上になるよう形成されている。すなわち、図２６に示すように、断面積Ｓ_０の下方と、断面積Ｓ_ｘの下方と、断面積Ｓ_Ｌの下方が同一直線上になっている。

　エクスポネンシャル形状部１２１ｃにおいては、その断面積の変化は第２実施形態に係るテールパイプ６８と同様に形成されている。すなわち、前述の式（１４）および式（１５）をも満たすよう形成されている。

　プレート部１２２は、例えば、絞り加工などの機械加工やダイカストなどの成形加工により先端部１２１ｂと一体的に形成されており、側面部１２２ａと、この側面部を貫通して形成された開口部１２２ｂと、この開口部１２２ｂ以外の部分からなる閉口部１２２ｃとを有している。この開口部１２２ｂは、図３４および図３５に示すように、その下方が、側面部１２２ａの下方側を貫通して形成されており、テールパイプ１２０内に滞留した排気ガス凝縮水が外部に排出されるようになっている。

　この構成により、第２実施形態に係るプレート４１と同様に、開口部１２２ｂにおける開口端反射と、閉口部１２２ｃにおける閉口端反射とが完全な逆位相になり、互いの打消し効果が得られ、高い消音効果が得られる。さらに、プレート４１の下方に開口部１２２ｂが形成されているので、テールパイプ１２０内に滞留した排気ガス凝縮水を開口部１２２ｂから排出させることができ、簡単な構造で、テールパイプ１２０の耐蝕性などの耐久性の向上を図ることができる。

　（第５実施形態）
　図２７および図２８は、第５実施形態に係るテールパイプ１３０を示す図である。　
　図２７に示すように、第２実施形態に係るテールパイプ６８が、その排気方向下流側に拡径構造７８および中央部が開口したプレート４１を有するのに対して、本第５実施形態に係るテールパイプ１３０は、その排気方向下流側に拡径構造７８および中央部が閉口したプレート１３１を有している。

　詳細には、第２実施形態に係るプレート４１が、中央部に円形の断面を有する開口部４１ｄを有しているのに対して、本第５実施形態に係るプレート１３１は、中央部に閉口部１３１ａを有するとともに、閉口部１３１ａの周囲に均等間隔で形成された切欠きからなる開口部１３１ｂ、１３１ｃ、１３１ｄ、１３１ｅを有している。

　この構成により、第２実施形態に係るプレート４１と同様に、開口部１３１ｂ、１３１ｃ、１３１ｄ、１３１ｅにおける開口端反射と、閉口部１３１ａにおける閉口端反射とが完全な逆位相になり、互いの打消し効果が得られ、高い消音効果が得られる。さらに、プレート１３１に開口部１３１ｄが形成されているので、テールパイプ１３０内に滞留した排気ガス凝縮水を開口部１３１ｄから排出させることができ、簡単な構造で、テールパイプ１３０の耐蝕性などの耐久性の向上を図ることができる。

　（第６実施形態）
　図２９は、第６実施形態に係るテールパイプ１４０を示す図である。　
　第６実施形態に係るテールパイプ１４０は、図２９に示すように、第２実施形態に係るテールパイプ６８が拡径構造７８および中央部に１つの開口部４１ｄが形成されたプレート４１を有しているのに対して、本第６実施形態に係るテールパイプ１４０は、排気方向下流側に拡径構造７８および中央部に複数の貫通孔１４１ａが形成されたプレート１４１を有している。
　詳細には、第２実施形態に係るプレート４１が、中央部に円形の断面を有する１つの開口部４１ｄを有しているのに対して、本第６実施形態に係るプレート１４１は、中央部に８個の貫通孔１４１ａからなる開口部１４１ｂを有するとともに、下部に切欠きからなる開口部１４１ｃを有している。また、この開口部１４１ｂおよび開口部１４１ｃ以外の側面部１４１ｄで構成される閉口部１４１ｅを有している。

　この構成により、第２実施形態に係るプレート４１と同様に、開口部１４１ｂ、１４１ｃにおける開口端反射と、閉口部１４１ｅにおける閉口端反射とが完全な逆位相になり、互いの打消し効果が得られ、高い消音効果が得られる。さらに、開口部１４１ｃが、プレート１４１の下部に設けられているため、テールパイプ１４０内に滞留した排気ガス凝縮水を排出させることができ、簡単な構造で、テールパイプ１４０の耐蝕性などの耐久性の向上を図ることができる。

　（第７実施形態）
　図３０および図３１は、第７実施形態に係るテールパイプ１５０を示す図である。　
　第７実施形態に係るテールパイプ１５０は、図３０に示すように、第２実施形態に係るテールパイプ６８が拡径構造７８と一体形成されているのに対して、本第７実施形態に係るテールパイプ１５０は、テールパイプ１５０と別体の拡径構造１５１を有している。

　詳細には、このテールパイプ１５０は、第２実施形態に係る拡径構造７８がテールパイプ６８と一体的に形成されているのに対し、拡径構造１５１はテールパイプ１５０とは別個に形成され、テールパイプ１５０の下流開口端１５０ａを囲むようにしてテールパイプ１５０に取り付けられている。

　また、この拡径構造１５１は、テールパイプ１５０と接続される基端部１５１ａと、この基端部１５１ａと対向し基端部１５１ａよりも内径の大きな先端部１５１ｂと、基端部１５１ａと先端部１５１ｂとの間に位置するエクスポネンシャル形状部１５１ｃとを有している。
　このエクスポネンシャル形状部１５１ｃは、第２実施形態に係る拡径構造７８のエクスポネンシャル形状部７８ｃと同様に、前述の式（１４）および式（１５）を満たすよう各構成要素が形成されている。

　また、先端部１５１ｂは、図３１に示すように、その端部が絞り加工などの形成加工により、折り返し加工が施されており、円周の縁部１５１ｄが滑らかに形成され美観を向上させている。

　また、第２実施形態に係るテールパイプ６８のプレート４１が、円盤状に形成されているのに対して、本第７実施形態に係るプレート１５２は、円周の縁部分が一方向に突出して形成され、この突出部分が、先端部１５１ｂの折り返し部分に収容されるよう先端部１５１ｂに組み込まれている。

　このプレート１５２の中央部分には、貫通孔１５２ａからなる開口部１５２ｂが形成され、さらにこの貫通孔１５２ａを囲んで、プレート１５２に形成された突出部分と同じ方向に突出した環状突出部１５２ｃが形成されている。また、この開口部１５２ｂ以外の側面部１５２ｄで構成される閉口部１５２ｅを有している。

　この構成により、第２実施形態に係るプレート４１と同様に、開口部１５２ｂにおける開口端反射と、閉口部１５２ｅにおける閉口端反射とが完全な逆位相になり、互いの打消し効果が得られ、高い消音効果が得られる。さらに、このテールパイプ１５０は、拡径構造１５１およびプレート１５２を有しているので、できるだけ僅かな圧力損失で流体を所要箇所へ導くことができるいわゆるディフューザと、その外観のみを同じくすることができる。このテールパイプ１５０の下流開口端１５０ａにディフューザが装着しているという外観を呈することができ、美観の向上を図ることができる。

　以上説明したように、本発明に係る内燃機関の排気装置は、テールパイプにサブマフラを介装したり、テールパイプの上流開口端に大容量の共鳴室を有する消音器を設けるのを不要にして、テールパイプの気柱共鳴によって音圧レベルが増大してしまうのを抑制することができ、重量を低減することができるとともに製造コストおよび設置スペースを低減することができる内燃機関の排気装置全般に有用である。

　２０、６０　排気装置
　２１　エンジン
　２２　排気マニホールド
　２４　触媒コンバータ
　２５　フロントパイプ
　２６　センターパイプ
　２６Ａ　インレットパイプ部
　２７　マフラ
　２８、６８、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０　テールパイプ
　２８Ａ、６８Ａ　アウトレットパイプ部
　２８ａ、６８ａ　上流開口端
　２８ｂ、６８ｂ、１１０ｂ、１５０ａ　下流開口端
　２８ｃ　内周部
　３８、７８、１２１、１５１　拡径構造
　４１、１３１、１４１、１５２　プレート
　４１ｂ、１４１ｄ、１５２ｄ　側面部
　４１ｄ、１３１ｂ、１３１ｃ、１３１ｄ、１３１ｅ、１４１ｂ、１４１ｃ、１５２ｂ　開口部
　４１ｅ、１３１ａ、１４１ｅ、１５２ｅ　閉口部
　４１ｆ　反射面部
　７８ｃ、１２１ｃ、１５１ｃ　エクスポネンシャル形状部
　７８ｄ　貫通孔
　Ｌ_５、Ｌ_８　距離
　Ｓ_１　総面積
　Ｓ_２　開口面積
 

Claims (3)

1. 　一端部に内燃機関から排出された排気ガスの排気方向上流側の消音器に接続される上流開口端と、他端部に前記排気ガスを大気に排出するための下流開口端と、を有する排気管を備えた内燃機関の排気装置であって、
   　前記排気管の前記排気方向上流側および前記排気方向下流側の少なくとも一方が、前記上流開口端および前記下流開口端のいずれかに向かうに従って拡径される拡径構造を有し、
   　前記拡径構造の内部に、前記排気ガスの排気方向に貫通する開口部および前記排気管を閉口する閉口部を形成したプレートを、前記排気ガスの排気方向に対向して設け、
   　前記開口部により生じる開口端反射波と、前記閉口部により生じる閉口端反射波と、が干渉するように、前記プレートを設けたことを特徴とする内燃機関の排気装置。
2. 　前記排気管の前記排気方向上流側および前記排気方向下流側の少なくとも一方に設けた前記拡径構造が、エクスポネンシャル形状部を有し、前記エクスポネンシャル形状部は、開口端に向かうに従って指数曲線を描くように拡径したことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気装置。
3. 　前記プレートの前記開口部と前記閉口部とを合わせた総面積に対して前記開口部の開口面積を、１／３の大きさに設定したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の排気装置。
    

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