(57)【要約】【課題】効果的、且つ効率的に排気音を低減することのできるエンジンの排気装置を提供する。【解決手段】２節モード音圧振動の上流側の節部が位置する部位における排気管１３に、通路断面積を局所的に縮小する絞り部１４を設けるとともに、３節モードの気柱共鳴を生じさせる音圧振動の最下流の腹部が位置する部位と４節モードの気柱共鳴を生じさせる音圧振動の最下流の腹部が位置する部位との間の部位における排気管１３の壁面に、その内外を連通する孔１５を形成するようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路における、排気通路全体を気柱とした２節モードの気柱共鳴を生じさせる音圧振動の上流側の節部が位置する部位に、通路断面積を局所的に縮小する絞り部が設けられ、
前記排気通路における、排気通路全体を気柱とした３節モードの気柱共鳴を生じさせる音圧振動の最下流の腹部が位置する部位と排気通路全体を気柱とした４節モードの気柱共鳴を生じさせる音圧振動の最下流の腹部が位置する部位との間の部位に、排気通路の内外を連通する孔が形成されてなる、
ことを特徴とするエンジンの排気装置。
【請求項２】
前記排気通路の通路断面積を可変とする通路断面積可変機構を備えるとともに、その通路断面積可変機構による前記通路断面積の縮小に応じて前記絞り部が形成される、
請求項１に記載のエンジンの排気装置。
【請求項３】
前記排気通路における、前記２節モードの気柱共鳴を生じさせる音圧振動の下流側の腹部が位置する部位、前記３節モードの気柱共鳴を生じさせる音圧振動の下流側から２番目の腹部が位置する部位、及び前記４節モードの気柱共鳴を生じさせる音圧振動の下流側から２番目及び３番目の腹部がそれぞれ位置する部位の少なくとも一つに、排気通路の内外を連通する更なる孔が形成されてなる、
請求項１又は２に記載のエンジンの排気装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの排気装置に係り、詳しくはその排気音の低減にかかる構造の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
車載等のエンジンの排気装置では、こもり音と呼ばれる低周波の騒音が問題となる。従来、例えば特許文献１に見られるように、排気通路に設置される消音器の内部に拡張室を設けることが、こもり音対策として行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−０５４５８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
消音器に拡張室を設ければ、拡張室通過前後の排気の膨張／収縮により、排気脈動が減衰されるため、こもり音を含む排気音全般を低減することができる。しかしながら、こもり音を効果的に低減するには、拡張室の容積を十分大きくしなければならず、消音器の体格が大きくなって、設置性の悪化や製造コストの増加を招いてしまう。
【０００５】
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、効果的、且つ効率的に排気音を低減することのできるエンジンの排気装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するエンジンの排気装置には、排気通路における、排気通路全体を気柱とした２節モードの気柱共鳴を生じさせる音圧振動の上流側の節部が位置する部位に、通路断面積を局所的に縮小する絞り部が設けられている。また、同排気装置には、排気通路における、排気通路全体を気柱とした３節モードの気柱共鳴を生じさせる音圧振動の最下流の腹部が位置する部位と排気通路全体を気柱とした４節モードの気柱共鳴を生じさせる音圧振動の最下流の腹部が位置する部位との間の部位に、排気通路の内外を連通する孔が形成されている。
【０００７】
通路断面積を局所的に縮小する絞り部を排気通路に設ければ、排気の粒子振動が制限されて、音圧振動の音圧レベルが全体的に低減される。一方、音圧振動の節部では、排気の粒子振動が最大となるため、そうした節部が位置する部位に絞り部を設ければ、その音圧振動については、特に効果的な音圧レベルの低減が可能となる。
【０００８】
また、排気通路の内外を連通する孔を排気通路に形成すれば、その孔を通じて音圧が外部に開放されるため、音圧振動の音圧レベルが全体的に低減される。一方、音圧振動の腹部では、音圧レベルの変化幅が最大となるため、そうした腹部が位置する部位の近傍に孔を形成すれば、その音圧振動については、特に効果的な音圧レベルの低減が可能となる。
【０００９】
ここで、低周波のこもり音に関しては、排気通路全体を気柱とした２，３，４節モードの気柱共鳴が特に問題となる。それら３つのモードの気柱共鳴を生じさせる音圧振動はいずれも、排気通路の上流端を腹部とし、その下流端を節部としている。しかしながら、排気通路の下流端への絞り部の設置は、気流音の発生を招き、排気通路の上流端はエンジンの内部に位置するため、排気通路の内外を連通する孔の形成は困難である。
【００１０】
そうした上流端の腹部、下流端の節部を除く、各モードの気柱共鳴を生じさせる音圧振動の節部及び腹部の位置関係を見ると、３節モードの気柱共鳴を生じさせる音圧振動の最下流の腹部と４節モードの気柱共鳴を生じさせる音圧振動の最下流の腹部とが、最も近い位置関係にある。そのため、排気通路における、それら腹部がそれぞれ位置する部位の間の部位に孔を形成すれば、３節モードの気柱共鳴の音圧レベルと４節モードの気柱共鳴の音圧レベルとを一括して効果的に低減することができる。
【００１１】
残りの２節モードの気柱共鳴については、その要因となる音圧振動の腹部が位置する部位に孔を形成すること、及びその節部が位置する部位に絞り部を設けることのいずれによっても、その効果的な音圧レベルの低減が可能である。ただし、孔よりも絞り部の方が簡易な構造となるため、２節モードの気柱共鳴には、絞り部を採用した方がより効率的に音圧レベルを低減できることになる。
【００１２】
このように、上記エンジンの排気装置では、絞り部と孔をそれぞれ一つずつ設置しただけの簡易な構成でありながらも、２節モード，３節モード，４節モードの３つの気柱共鳴を効果的に低減することができる。したがって、効果的、且つ効率的に排気音を低減することができる。
【００１３】
なお、上記のような絞り部を排気通路に設けると、エンジンの高回転速度運転時のような、排気流量が増大するときに、その絞り部により排気の流れが阻害される。そうした排気流れの悪化が問題となる場合には、通路断面積を可変とする通路断面積可変機構を備えるとともに、その通路断面積可変機構による通路断面積の縮小に応じて上記絞り部が形成されるように排気装置を構成すると良い。こうした場合、２節モードの気柱共鳴の発生時には、通路断面積可変機構が通路断面積を縮小させて絞り部を形成することで、２節モードの気柱共鳴を効果的に低減させるとともに、排気流量の増大時には、通路断面積可変機構が通路断面積を拡大させることで、排気の流れが阻害されないようにすることができる。なお、特に問題となる、爆発一次成分及び爆発二次成分の２節モードの気柱共鳴は、エンジンの低回転速度域で発生するため、このときの通路断面積可変機構の通路断面積の縮小が排気の流れに与える影響は軽微なものに留められる。
【００１４】
また、上記のような絞り部及び孔だけでは、２〜４節モードの気柱共鳴の音圧レベルを十分に低減できない場合には、排気通路における、上記２節モードの気柱共鳴を生じさせる音圧振動の下流側の腹部が位置する部位、上記３節モードの気柱共鳴を生じさせる音圧振動の下流側から２番目の腹部が位置する部位、及び上記４節モードの気柱共鳴を生じさせる音圧振動の下流側から２番目及び３番目の腹部がそれぞれ位置する部位の少なくとも一つに、排気通路の内外を連通する更なる孔を形成することで、更なる音圧レベルの低減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施形態にかかるエンジンの排気装置の全体構造を模式的に示す略図。
【図２】２，３，４節モードの各音圧振動の波形を示すグラフ。
【図３】２節モード音圧振動の下流側の腹部が位置する部位に、絞り部の代りに孔が設けられた排気装置の構成を模式的に示す略図。
【図４】第１実施形態の排気装置の爆発二次成分の音圧レベルとエンジン回転速度との関係を、消音対策無しの場合と比較して示すグラフ。
【図５】第２実施形態にかかるエンジンの排気装置の全体構造を模式的に示す略図。
【図６】第３実施形態にかかるエンジンの排気装置の全体構造を模式的に示す略図。
【図７】音圧抜き用の孔を複数の小径の孔で構成したときの排気管の側部断面構造を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（第１実施形態）
以下、エンジンの排気装置の第１実施形態を、図１〜図３を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態の排気装置が適用されるエンジンＥＮＧの内部には、各気筒の排気ポートＰが設けられている。各気筒の排気ポートＰには、排気マニホールド１０が接続され、各々の排気ポートＰから出された排気が排気マニホールド１０で集合されている。排気マニホールド１０の下流には、２つの触媒コンバーター１１,１２が直列に並んで接続されている。また、下流側の触媒コンバーター１２の下流には、その終端（下流側の端）が大気開放された排気管１３が接続されている。そして、これら排気ポートＰ、排気マニホールド１０、触媒コンバーター１１，１２、及び排気管１３により、エンジンＥＮＧの排気通路が形成されている。
【００１７】
また、本実施形態の排気装置は、通路断面積を局所的に縮小する絞り部１４を有している。絞り部１４は、排気管１３において、排気通路の上流端（エンジンＥＮＧ側の端）からの通路長さが排気通路の全長Ｌの約３分の１となる部位に設けられている。こうした絞り部１４は、例えば排気管１３を縮径したり、扁平に潰したりすることで形成されている。
【００１８】
さらに、本実施形態の排気装置は、排気通路の内外を連通する孔１５を有している。孔１５は、排気管１３において、排気通路の下流端（大気開放側の端）からの排気通路の通路長さが排気通路の全長Ｌの約５分の１となる部位と同通路長さが排気通路の全長Ｌの約７分の１となる部位との間の部位に設けられている。なお、排気管１３における孔１５の形成部位には、その外周を覆うカバー１６が設けられており、そのカバー１６と排気管１３との間に一定の容積を有した閉空間が形成されている。
【００１９】
これら絞り部１４及び孔１５の排気通路における位置は、より詳しくは、次のような位置とされている。
エンジンＥＮＧの排気装置では、排気通路の上流端が腹となり、その下流端が節となる音圧振動に対して、排気通路全体を気柱とした気柱共鳴が発生する。そうした気柱共鳴を生じさせる音圧振動の中で問題となるのは、低周波のこもり音を生じさせる節数の少ない音圧振動である。なお、節数が一つの１節モードの気柱共鳴については、運転中のエンジンＥＮＧの使用回転速度域では、エンジンの爆発一次成分、及び爆発二次成分の音圧振動がこれを生じさせないように排気通路の全長Ｌが設定されている。そのため、重点的な対策を要するのは、それぞれ節数が二つ、三つ、四つの、２節モード、３節モード及び４節モードの３つのモードの気柱共鳴となる。
【００２０】
図２に示すように、２節モードの気柱共鳴では、それを生じさせる音圧振動（以下、２節モード音圧振動と記載する）の二つの節部のうちの上流側のものが、排気通路において、その上流端からの通路長さが排気通路の全長Ｌの３分の１となる部位の近傍に位置している。すなわち、絞り部１４は、排気通路において、２節モード音圧振動の上流側の節部が位置する部位に設けられている。
【００２１】
一方、３節モードの気柱共鳴では、それを生じさせる音圧振動（以下、３節モード音圧振動と記載する）の三つの腹部のうちの最下流のものが、排気通路において、その下流端からの通路長さが排気通路の全長Ｌの５分の１となる部位の近傍に位置している。また、４節モードの気柱共鳴では、それを生じさせる音圧振動（以下、４節モード音圧振動と記載する）の四つの腹部のうちの最下流のものが、排気通路において、その下流端からの通路長さが排気通路の全長Ｌの７分の１となる部位の近傍に位置している。すなわち、孔１５は、排気通路において、３節モード音圧振動の最下流の腹部が位置する部位と４節モード音圧振動の最下流の腹部が位置する部位との間の部位に設けられている。
【００２２】
続いて、以上のように構成されたエンジンの排気装置の作用を説明する。
その通路断面積を局所的に縮小する絞り部を排気通路に設ければ、その設置部位での排気の粒子振動が制限されるため、音圧振動の音圧レベルが全体的に低減される。一方、音圧振動の節部では、排気の粒子振動が最大となるため、こうした絞り部は、節部がその設置部位に位置する音圧振動については、特に高い音圧レベルの低減効果を発揮する。
【００２３】
また、排気通路にその内外を連通する孔を形成しても、その孔から音圧が外部に開放されるため、音圧振動の音圧レベルが全体的に低減される。一方、音圧振動の腹部では、音圧レベルの変化幅が最大となるため、こうした孔は、腹部がその設置部位に位置する音圧振動については、特に高い音圧レベルの低減効果を発揮する。なお、孔の設置部位に腹部が位置する、そうした音圧振動の音圧レベルの低減に目的を絞るのであれば、孔の外側に設けられる閉空間の容積があまり大きくなくても、十分な音圧低減効果を得ることができる。
【００２４】
図２に、２節モード、３節モード及び４節モードの各音圧振動の波形を示す。同図に示すように、排気通路の下流端は、すべてのモードの音圧振動の節部となるが、ここに絞り部を設ければ、排気の通過により気流音が発生してしまう。一方、排気通路の上流端も、すべてのモードの音圧振動の腹部となるが、エンジンＥＮＧの内部であり、音圧を逃すための閉空間を形成するためのスペースの確保は容易でない。
【００２５】
そこで、排気通路の上流端の腹部及び下流端の節部を除く、２〜４節モードの各音圧振動の腹部及び節部の位置関係を見ると、３節モード音圧振動の最下流の腹部と４節モード音圧振動の最下流の腹部との位置関係が、最も近い位置関係となっている。そのため、排気通路において、それら腹部がそれぞれ位置する部位の間の部位に、排気通路の内外を連通する孔を設ければ、３節モード、４節モードの気柱共鳴の音圧レベルを一括して低減可能となる。そこで、本実施形態では、排気通路における、３節モード音圧振動の最下流の節部が位置する部位と４節モード音圧振動の最下流の節部が位置する部位との間の部位に、孔１５を設けている。
【００２６】
一方、本実施形態の排気装置では、残りの２節モードの気柱共鳴については、排気通路における、２節モード音圧振動の上流側の節部が位置する部位に、絞り部１４を設けることで、その音圧レベルの低減を図ることとしている。これに対して、図３に示すように、排気通路における、２節モード音圧振動の下流側の腹部が位置する部位に、排気通路の内外を連通する孔１８を設けることでも、２節モードの気柱共鳴の音圧レベルを低減することが可能ではある。しかしながら、そうした場合には、閉空間を形成するためカバー１６を孔１８の外側に設ける必要があるなど、絞り部１４を設ける場合よりも構成が複雑となる。そのため、本実施形態では、２節モードの気柱共鳴については、その音圧レベルの低減にかかる構成として、より構成の簡易な絞り部１４を採用している。
【００２７】
図４は、本実施形態の排気装置におけるエンジンＥＮＧの爆発二次成分の音圧振動の音圧レベルとエンジン回転速度との関係を示している。なお、同図には、消音対策をしなかったときの同関係が破線で併せ示されている。
【００２８】
同図に示すように、消音対策をしなかったときの爆発二次成分の音圧振動の音圧レベルは、２節モード、３節モード、４節モードの気柱共鳴が発生するエンジン回転速度域のそれぞれにおいて、大きく増大されている。これに対して本実施形態の排気装置では、絞り部１４及び孔１５による音圧レベルの低減効果が、それらの気柱共鳴に対して特に有効に発揮されるため、音圧レベルの低減が効果的、効率的に図られる。ちなみに、本実施形態の排気装置では、爆発一次成分等の他の成分の音圧振動についても、これと同様の態様で、音圧レベルの低減がなされるようになる。
【００２９】
以上説明したエンジンの排気装置の第１実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）絞り部１４、及び孔１５をそれぞれ一つずつ設けただけの簡易な構成でありながらも、２節モード、３節モード及び４節モードの各気柱共鳴の音圧レベルを効果的に低減できるため、効果的、且つ効率的に排気音を低減することができる。
【００３０】
（第２実施形態）
続いて、エンジンの排気装置の第２実施形態を、図５を併せ参照して説明する。なお、本実施形態、及び後述の第３実施形態において、上述の実施形態のものと、構成や機能を共通する部材については、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００３１】
第１実施形態の排気装置では、排気通路における、２節モード音圧振動の上流側の節部が位置する部位に、通路断面積を局所的に縮小する絞り部１４を設けることで、２節モード音圧振動の音圧レベルの低減を図るようにしていた。しかしながら、排気流量が増大するエンジンＥＮＧの高回転運転時には、そうした絞り部１４が排気の流れを阻害して、背圧の上昇等を招いてしまう。
【００３２】
そこで本実施形態では、第１実施形態の排気装置における絞り部１４の代りとして、排気通路の同じ部位に、通路断面積を可変とする機構を設けている。そして、そうした通路断面積可変機構が通路断面積を縮小することで絞り部を形成するように、排気装置を構成している。
【００３３】
図５に示すように、本実施形態の排気装置では、排気通路における、２節モード音圧振動の上流側の節部が位置する部位に、通路断面積可変機構として機能するバルブ１９が設けられている。このバルブ１９は、閉弁に応じて通路断面積を縮小し、開弁に応じて通路断面積を拡大すべく開閉可能な状態で、排気流路内に設置されている。また、バルブ１９は、バネによって閉じ側に付勢されており、バルブ１９に当る排気の押圧とそのバネとの力関係により開閉されるようになっている。ちなみに、そのバネは、２節モード音圧振動が発生するエンジンＥＮＧの低回転速度域における排気の押圧ではバルブ１９が閉じられ、排気流量が増大するエンジンＥＮＧの高回転速度域での排気の押圧ではバルブ１９が開かれるように、その諸元が設定されている。
【００３４】
こうした本実施形態の作用を説明する。本実施形態の排気装置では、２節モードの気柱共鳴が発生するエンジンＥＮＧの低回転速度域では、排気の押圧にバネ力が打ち勝って、２節モード音圧振動の上流側の節部が位置する部位に設けられたバルブ１９が閉じられる。その結果、その設置部位の通路断面積が局所的に縮小されて、絞り部が形成されるようになり、２節モードの気柱共鳴の音圧レベルが効果的に低減されるようになる。なお、このときの排気流量は少ないため、バルブ１９による通路断面積の縮小が排気通路の排気の流れに与える影響は、僅かなものに留まる。
【００３５】
一方、排気流量が増大するエンジンＥＮＧの高回転速度域では、排気の押圧がバネに打ち勝って、バルブ１９が開かれる。そのため、このときには、バルブ１９の設置部位の通路断面積が拡大されて、大量の排気を円滑に流せるようになる。
【００３６】
以上説明したエンジンの排気装置の第２実施形態によれば、上記（１）の効果に加え、以下の効果を併せ奏することができる。
（２）２節モードの気柱共鳴の音圧レベルを、絞り部の効果で効果的に低減しつつも、排気流量の増大時に排気の流れが妨げられないようにすることができる。
【００３７】
（３）排気流量の増減に応じてバルブ１９が自律的に開閉動作するため、その開閉駆動のための制御の実施や、その開閉駆動のためのアクチュエーターの設置が不要となり、簡易な構成で上記（２）の効果を達成できる。
【００３８】
（第３実施形態）
上記各実施形態では、絞り部１４又はバルブ１９と、孔１５とによって、２〜４節モードの各気柱共鳴に対する音圧レベルの低減を図っていた。しかしながら、それらだけでは、音圧レベルを必要とされるまで低減し切れないことがある。そうした場合、既にその近傍に孔１５が形成された３節モード，４節モードの音圧振動の最下流の腹部を除く、各モードの音圧振動の腹部が位置する部位にも、排気通路の内外を連通する孔を追加することで、各気柱共鳴の音圧レベルの更なる低減が可能となる。
【００３９】
図６は、そうした孔の追加がなされた本実施形態の排気装置の構成を示している。同図に示すように、本実施形態の排気装置では、孔１５に加え、更に４つの孔（２０〜２３）が設けられている。それら４つの孔のうち、最も上流に位置する孔２０は、排気通路における、４節モード音圧振動の下流側から３番目の腹部が位置する部位に設けられ、上流から２番目の孔２１は、排気通路における、３節モード音圧振動の下流側から２番目の腹部が位置する部位に設けられている。また、上流から３番目の孔２２は、排気通路における、４節モード音圧振動の下流側から２番目の腹部が位置する部位に設けられ、上流から４番目の孔２３は、排気通路における、２節モード音圧振動の下流側の腹部が位置する部位に設けられている。なお、各孔２０〜２３の形成部位には、孔１５の形成部位と同様に、排気管１３の外周を覆って各孔２０〜２３の外側に閉空間を形成するカバー１６がそれぞれ設けられている。
【００４０】
以上説明したエンジンの排気装置の第３実施形態によれば、上記（１）の効果に加え、以下の効果を併せ奏することができる。
（４）２〜４節の各モードの音圧振動の腹部が位置する部位のそれぞれに、排気通路の内外を連通する孔１５，２０〜２３が設けられているため、気柱共鳴の音圧レベルの更なる低減が可能となる。
【００４１】
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・第３実施形態の排気装置では、排気通路における、２節モード音圧振動の上流側の節部が位置する部位に、通路断面積を局所的に縮小する絞り部１４が設けられているが、第２実施形態のものと同様のバルブ１９をその代りに設けるようにしても良い。
【００４２】
・第３実施形態では、４つの孔２０〜２３を追加設置していたが、設置しなくても十分な音圧レベルの低減が可能であれば、それらの一つ以上を割愛するようにしても良い。
・第２実施形態では、自律的に開閉動作可能にバルブ１９が構成されていたが、その開閉駆動をアクチュエーターにより行わせ、そのアクチュエーターの制御により、バルブ１９の開閉を行うようにしても良い。そうした場合にも、２節モードの気柱共鳴の発生時にはバルブ１９が閉じられ、排気流量の増大時にはバルブ１９が開かれるようにアクチュエーターの駆動制御を行えば、上記（２）の効果を奏することが可能である。
【００４３】
・バルブ１９の代わりとして、シャッター機構などの他の通路断面積可変機構を設けるようにしても良い。いずれにせよ、２節モードの気柱共鳴の発生時には通路断面積を縮小し、排気流量の増大時には通路断面積を拡大するようにその通路断面積可変機構が動作されれば、上記（２）の効果を奏することが可能である。
【００４４】
・孔１５，２０〜２３を通じた外気への排気の漏出が問題とならないのであれば、カバー１６を省略して、孔１５，２０〜２３を大気開放させるようにしても良い。
・排気通路の孔１５，２０〜２３の形成部位の壁面に、図７に示すような、小径の孔２４を複数設けるようにしても良い。すなわち、一つの大径の孔１５，２０〜２３が果たす機能を、複数の小径の孔２４によって代替させることも可能である。
【符号の説明】
【００４５】
ＥＮＧ…エンジン、Ｐ…排気ポート（排気通路）、１０…排気マニホールド（排気通路）、１１，１２…触媒コンバーター（排気通路）、１３…排気管（排気通路）、１４…絞り部、１５…孔、１６…カバー、１８…孔、１９…バルブ（通路断面積可変機構）、２０，２１，２２，２３…（更なる）孔、２４…孔。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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