JP7191466B2

JP7191466B2 - 内燃機関の消音装置

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Publication number: JP7191466B2
Application number: JP2018221053A
Authority: JP
Inventors: 翔揮中屋; 達也奥野; 恭平山本
Original assignee: Subaru Corp
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2018-11-27
Filing date: 2018-11-27
Publication date: 2022-12-19
Anticipated expiration: 2038-11-27
Also published as: JP2020084894A

Description

本発明は、内燃機関の消音装置に関し、特に、過給機により吸気を過給する内燃機関に適用される消音装置に関する。

従来、自動車等の車両には、エンジン（内燃機関）の出力を増大するために、エンジンへの吸気を過給するターボチャージャ等の過給機が搭載されている。過給機を搭載した車両では、過給時に過給機による圧縮空気が上流側へ逆流し、吸気管や吸気口から放射される気流音が乗員に異音として認識されることから、吸気装置に気流音を抑制するための消音器が設けられている。

例えば、特許文献１には、エンジンの吸気装置に消音器であるレゾネータを配設したものが記載されている。この吸気装置では、エンジンの吸気通路に上流側から順に、エアクリーナ、レゾネータ、過給機であるターボチャージャ及び吸気マニホールドが配設されており、エアクリーナ及びレゾネータを通ってターボチャージャにより過給された吸入空気は、吸気マニホールドを通ってエンジンに導入される。

レゾネータは吸気通路の内部と連通する共鳴室を形成する共鳴用ハウジングを備えており、この共鳴室によって吸入空気の流れを制御し、共鳴室で共鳴を発生させることにより過給時の気流音を低減することができる。

特開昭６０－０９３１２３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の吸気装置では、レゾネータを設けたことにより吸気の圧力損失が増加し、エンジンの出力低能が抑制されてしまうという問題があり、特に、高い出力性能が求められるエンジンの高回転時、すなわち過給圧が高くなる高過給領域において、レゾネータによる圧力損失により、所望の出力性能が得られなくなることが問題になっていた。

一方、高過給領域では、エンジン音の増加などにより、吸気音が乗員に異音として認識され難くなる。それ故、高過給領域でレゾネータによる圧力損失を抑えて、高い出力性能を発揮することができる構造が求められていた。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって低過給圧領域で発生する気流音を低減でき、高過給領域で高い出力性能を得ることができる内燃機関の消音装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一実施形態は、内燃機関に連結された吸気マニホールドと、該吸気マニホールドに吸気を導入する吸気通路に配設された過給機と、前記吸気通路に配設され、吸気音を消音する消音器と、を備えた内燃機関の消音装置において、前記消音器は、前記吸気通路の一部を構成し、周壁に貫通孔を有する筒状の連通部と、該連通部の外部に設けられ、前記貫通孔を介して前記連通部の内部と連通する共鳴室を形成する共鳴用ハウジングと、前記吸気マニホールド内と前記共鳴用ハウジング内とを連通する通気管と、前記連通部と前記共鳴用ハウジングとの間に配置され、前記通気管を介して前記共鳴用ハウジング内に導入される吸気の過給圧が所定値以上の場合に、前記連通部に対して周方向又は筒軸方向に移動して前記貫通孔を開放する開放位置から前記貫通孔を閉塞する閉塞位置に変位する可動部材と、該可動部材を前記開放位置に保持するように付勢する付勢部材と、を備え、前記可動部材は、前記連通部の外周面と間隔をあけて前記連通部の全周を覆う筒状に形成され、その内周面から前記連通部の外周面まで延びる可動壁部を有し、前記消音器は、前記連通部の外面と、前記可動部材の内周面及び前記可動壁部とによって区画される空気室を有し、前記通気管を介して前記空気室内に導入される吸気の圧力により前記可動壁部を押圧して前記可動部材を前記閉塞位置に移動させることを特徴とする。

この構成によれば、通気管を介して吸気マニホールドから消音器の共鳴用ハウジング内に導入される吸気の過給圧が所定値未満の場合、すなわち、過給圧が低くなる低過給領域の場合に、消音器の貫通孔を開放状態にし、吸入空気を消音器の共鳴室内に流入させて、吸気音を低減することができる。また、通気管を介して吸気マニホールドから消音器の共鳴用ハウジング内に導入される吸気の過給圧が所定値以上の場合、すなわち、過給圧が高くなる高過給領域の場合に、消音器の貫通孔を閉塞状態にし、吸入空気の共鳴室内への流入を防止して吸気の圧力損失を防止することができる。これにより、高過給領域において高い出力性能を得ることができる。

この構成によれば、通気管を介して消音器に形成された空気室に導入される吸気の圧力により可動部材を移動させることができるので、複雑な制御を要することなく、簡易な構造で可動部材を移動させることができる。

また、本発明の一実施形態は、前記内燃機関の消音装置において、前記連通部は、周壁に複数の貫通孔を有し、前記可動部材は、前記開放位置で全ての貫通孔を開放し、前記閉塞位置で全ての貫通孔を閉塞することを特徴とする。

この構成によれば、高過給領域において可動部材によって全ての貫通孔を閉塞して高い出力性能を得ることができる。

本発明に係る内燃機関の消音装置によれば、低過給圧領域で発生する気流音を低減できるとともに、高過給領域で高い出力性能を得ることができる。

本発明の一実施の形態である内燃機関の消音装置を示す説明図。可動部材が開放位置にある消音器の側面図。図２のＡ－Ａ線に沿う断面図。図２に示す消音器の縦断面図。消音器２０の上流側を図３のＢ－Ｂ線の位置で筒軸方向に切断した断面図。可動部材が閉塞位置にある消音器の側面図。図６のＣ－Ｃ線に沿う断面図。

図１は、本発明の一実施の形態である内燃機関の消音装置を示す説明図である。本発明に係る消音装置１０は自動車等の車両に適用され、エンジン（内燃機関）１２に導入される吸入空気の吸気音を低減する消音器２０を備えている。本実施の形態の消音装置１０は、エンジン１２と、エンジン１２に吸入空気を導入する吸気装置１４と、エンジン１２の排気を排出する排気装置１６とを備え、消音器２０は吸気装置１４に設けられている。

エンジン１２は、過給機によって吸入空気を過給して、高出力化や低燃費化を実現し得るものであり、例えば、排気量の小さな小型エンジンや、排気量の大きな大型エンジン等とすることができる。さらに、エンジン形式についても限定されることはなく、例えば、水平対向エンジン、直列エンジン、Ｖ型エンジン等とすることができる。

吸気装置１４は、吸気通路４０を形成する吸気管４１を備え、吸気管４１には、上流側から順に、エアクリーナ４２、エアフローメータ４４、過給機であるターボチャージャ５０、消音器２０、スロットルバルブ４５、インタークーラ４６、吸気マニホールド４８などが配設されている。

エアクリーナ４２は、吸入空気を濾過して空気中の塵などを取り除くフィルタである。エアフローメータ４４は、エアクリーナ２２の出口近傍に設けられ、吸気管４１内を通過する吸入空気量を計測するものである。

ターボチャージャ５０は、吸気管４１と排気装置１６の排気管６１との間に配置され、エンジン１２の排気のエネルギーを利用して、吸入空気を圧縮し、過給する過給機である。ターボチャージャ５０は、排気管６１に設けられたタービン５２と、タービン５２と回転軸５３で連結され、吸気管４１に設けられたコンプレッサ５４とを有する。ターボチャージャ５０は、エンジン１２の排気によってタービン５２を回転駆動することにより、同軸のコンプレッサ５４を駆動して吸入空気を圧縮する。

消音器２０は、吸入空気の吸気音を低減するものであり、具体的には、共鳴を発生させることによって気流音を消音するレゾネータである。この消音器２０は、ターボチャージャ５０の近傍の吸気通路４０に設けられ、本実施の形態では、ターボチャージャ５０より下流側であって、スロットルバルブ４５よりも上流側の吸気通路４０に配置されている。

図２は消音器２０の側面図、図３は図２のＡ－Ａ線に沿う断面図、図４は図２に示す消音器２０の縦断面図、図５は消音器２０の上流側を図３のＢ－Ｂ線の位置で筒軸方向に切断した断面図である。消音器２０は、吸気通路４０の一部を構成して周壁に外部と連通する少なくとも一つの連通孔（貫通孔）２２を有する筒状の連通部２１と、連通孔２２を介して連通部２１内と連通する共鳴室２８を形成する共鳴用ハウジング２５とを備えるとともに、連通孔２２を開閉するための開閉機構を備えている。なお、図２及び後述する図６では、開閉機構が理解されやすいように、共鳴用ハウジング２５を二点鎖線で記載している。開閉機構は、可動部材３１と、付勢部材３６と、通気管３８とを備えている。

連通部２１は、吸気通路４０を形成する吸気管４１の一部であり、連通孔２２は、連通部の周壁を貫通する孔である。本実施の形態において、連通部２１の外周面２１ａには、径方向外側に突出して筒軸方向に延びる４つの突出部２３が形成されており、各突出部２３に筒軸方向に並んで４つの連通孔２２が形成されている。なお、連通部２１において、連通孔２２の数、連通孔２２の長さ、連通孔２２の開口面積の大きさ等は、消音する吸気音の周波数帯に応じて適宜設定することができる。

共鳴用ハウジング２５は、連通部２１の外部に設けられる筐体であり、その内部に連通部２１の内部と連通可能な共鳴室２８を有している。本実施の形態において共鳴用ハウジング２５は、全ての連通孔２２を外側から覆うように、連通部２１を全周に亘って囲む筒状に形成されており、筒状の周囲壁部２６ａと、周囲壁部２６ａの上流側の端部開口を塞ぐ第１の端部壁部２６ｂと、周囲壁部２６ａの下流側の端部開口を塞ぐ第２の端部壁部２６ｃとを有している。なお、本実施の形態では、連通部２１及び共鳴用ハウジング２５を略円筒状に形成しているが、断面形状は円形に限られず、楕円形状や多角形状であってもよい。

開閉機構を構成する可動部材３１は、共鳴用ハウジング２５と連通部２１との間に配置され、連通部２１の全ての連通孔２２を開閉可能となるように、連通部２１に対して移動可能に構成される。

本実施の形態において可動部材３１は、連通部２１の全周を囲む筒状に形成されている。可動部材３１の両端部は、共鳴用ハウジング２５の第１端部壁部２６ｂ及び第２端部壁部２６ｃの内面に摺動可能に当接しており、可動部材３１は連通部２１及び共鳴用ハウジング２５に対して、周方向に回動可能に構成されている。図３及び図４に示すように、連通部２１の突出部２３の頂面は、可動部材３１の内周面と当接しており、可動部材３１の周壁には、連通部２１の連通孔２２と対応する位置に、それぞれ貫通孔３２が形成されている。可動部材３１は、周方向に回動することにより、各貫通孔３２が連通部２１の各連通孔２２と重なって全ての連通孔２２が開放状態となる開放位置（図２～図４を参照）と、全ての連通孔２２を閉塞する閉塞位置（図６及び図７を参照）とに変位する。

可動部材３１の内部には、可動部材３１の内周面３１ａから連通部２１の外周面２１ａまで突出する可動壁部３３が形成されている。本実施の形態において、可動壁部３３は、連通部２１の突出部２３とほぼ平行に筒軸方向に延びており、両端部が共鳴用ハウジング２５の第１端部壁部２６ｂ及び第２端部壁部２６ｃの内面に摺動可能に当接している。図３に示すように、連通部２１と可動部材３１との間には、可動部材３１の内周面３１ａ及び可動壁部３３と、連通部２１の外面である外周面２１ａ及び突出部２３とによって区画された室が形成されている。図示例では、周方向で隣り合う突出部２３の間に、可動壁部３３で仕切られた第１室（空気室）３４と第２室３５とがそれぞれ形成されている。

付勢部材３６は、可動部材３０を開放位置に保持するように可動部材３０に付勢力を付与するものである。図３に示すように、本実施の形態の付勢部材３６はコイルばねであって各第１室３４に配設されている。このコイルばねは、一端が連通部２１の突出部２３に連結され、他端が可動壁部３３に連結されており、コイルばねの伸縮に伴って可動部材３０は周方向に回動する。

通気管３８は、吸気マニホールド４８内と共鳴用ハウジング２５内に形成された第１室３４とを連通する管である。図２及び図５に示すように、通気管３８は、共鳴用ハウジング２５側の端部が複数に分岐しており、各分岐通路は、消音器２０内の各第１室３４に連通し、第２室３５とは連通していない。なお、図５では第１室３４内の付勢部材３６の記載を省略している。インタークーラ４６を通って吸気マニホールド４８に流入した吸気の一部は、通気管３８内を通って消音器２０の第１室３４に導入される。

付勢部材３６のばね定数は、第１室３４の内圧が所定値以上となった場合、具体的には、ターボチャージャ５０によって過給された吸気の過給圧が所定値以上となった場合に、室内の圧力により可動壁部３３が付勢部材３６の付勢力に抗して第２室３４側へ押圧され、可動部材３１が閉塞位置に移動するように設定されている。なお、可動部材３１が移動する基準となる過給圧の値は、使用するターボチャージャ５０に応じて適宜設定することができる。

スロットルバルブ４５は、吸入空気量を調節するものであり、消音器２０の下流側に配置される。スロットルバルブ４５は、ドライバによるアクセルペダル操作等に応じて、図示していないアクチュエータによりスロットル開度が調節される。

インタークーラ４６は、コンプレッサ５４の下流側に配置され、コンプレッサ５４により圧縮されて高温になった空気を冷却する熱交換器である。なお、図示例では、スロットルバルブ４５の下流側にインタークーラ４６を配置しているが、インタークーラ４６を消音器４６とスロットルバルブ４５の間に配置してもよい。

排気装置１６は、排気通路６０を形成する排気管６１を備えており、上流側（エンジン１２側）から順に、排気マニホールド６２、タービン５２などが配設される。排気装置１６は、さらに、タービン５２の上流側と下流側とを連通する排気バイパス管６４を有する。排気バイパス管６４には、ウエストゲートバルブ６５と、ウエストゲートバルブ６５の開度を調節するアクチュエータ６６とが設けられており、ウエストゲートバルブ６５の開度を調節して、排気バイパス管６４を通過する排気量を調節することにより、過給圧を制御することができる。

上述した消音装置１０では、エアクリーナ４２を通って吸入された空気が、ターボチャージャ５０により過給され、消音器２０を通過した後、スロットルバルブ４５により絞られ、インタークーラ４６により冷却される。冷却された吸気は、吸気マニホールド４８を介してエンジン１２に導入され、エンジン１２に形成された各シリンダに吸入される。各シリンダでは、吸入空気と燃料との混合気が燃焼し、燃焼後の排気ガスは、排気マニホールド６２を介して排気管６１に排出される。

次に、消音装置１０の消音器２０の動作について説明する。

消音器２０は、過給されていない場合又はターボチャージャ５０による過給圧が所定値未満となっている低過給圧領域の場合に、付勢部材３６により可動部材３１が開放位置側に保持され、連通孔２２及び貫通孔３２を介して連通部２１内と共鳴室２７とが連通状態となる。これにより、消音器２０は図２～図４に示すオン状態となり共鳴作用によって吸気音を消音する。

ターボチャージャ５０による過給時の吸気音（ターボ気流音）は、特に、過給圧の立ち上がり時に乗員に異音として知覚されやすい。消音装置１０は低過給領域でオン状態となるため、このターボ気流音を適切に消音することができる。

一方、ターボチャージャ５０による過給圧が所定値以上となる高過給圧領域の場合、消音器２０は、吸気マニホールド４８から通気管３８を通って第１室３４内に導入された吸気の圧力によって、第１室３４が膨張するように可動壁部３３を第２室３５側へ押圧する。その結果、可動部材３１は付勢部材３６の付勢力に抗して閉塞位置まで移動し、消音器２０は図６及び図７に示すように、全ての連通孔２１が閉塞されたオフ状態となる。オフ状態では、吸気マニホールド４８から第１室３４に導入された吸気が、貫通孔３２を介して共鳴室２８内にも導入される。なお、第２室３５は、第１室３４の容積膨張に伴って容積が縮小する。消音器２０がオフ状態となることで、消音器２０での吸気の圧力損失が防止され、エンジン１２の出力性能が高く保たれる。

過給圧が立ち上がってエンジン１２が高回転となる高過給領域では、ターボ気流音以外にも車両の動力音が発生するため、ターボ気流音が乗員に異音として知覚され難くなる。消音装置１０は、この高過給領域において消音器２０をオフ状態とし、エンジン１２の出力性能を優先させることで、高い出力性能を得ることができる。

上述のとおり、消音装置１０は過給圧を利用して消音器２０のオン・オフを切り替えることができるので、複雑な制御を要せず、簡易な構造で消音性能と出力性能の両立を図ることが可能である。近年では、内燃機関を小型化（排気量を低減）しつつ、過給機によって過給して燃費を向上させる、所謂ダウンサイジングターボの技術が注目されており、消音装置１０は、このような過給機を備えた内燃機関に好適に用いることができる。

また、消音装置１０は、可動部材３１が開放位置から閉塞位置まで移動する際に、連通孔２２の開度が過給圧に応じて段階的に変化するように、付勢部材３６のばね定数や連通孔２２及び貫通孔３２の配置を適宜調節することができる。これにより、消音器２０の有効周波数を過給圧に応じて変化させることができ、消音性能をより向上することができる。

なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、消音器２０は、ターボチャージャ５０より上流側の吸気通路４０に配置してもよく、図１に示す吸気装置１４において、エアフローメータ４４とコンプレッサ５４の間に配置する構成であってもよい。

また、可動部材３０は、空気室３７の形状や付勢部材３６の配置を適宜変更することにより、連通部２１の筒軸方向に移動して貫通孔２２を開閉する構造とすることができる。

また、上述の実施の形態では、過給機としてターボチャージャ５０を用いたが、これに代えて、例えば、スーパーチャージャ等の他の形式の過給機を用いることもできる。

１０消音装置
１２エンジン（内燃機関）
１４吸気装置
１６排気装置
２０消音器
２２連通孔（貫通孔）
２５共鳴用ハウジング
２８共鳴室
３１可動部材
３２貫通孔
３３可動壁部
３４第１室（空気室）
３５第２室
３６付勢部材
３８通気管
４０吸気通路
４８吸気マニホールド
５０ターボチャージャ（過給機）

Claims

内燃機関に連結された吸気マニホールドと、
該吸気マニホールドに吸気を導入する吸気通路に配設された過給機と、
前記吸気通路に配設され、吸気音を消音する消音器と、を備えた内燃機関の消音装置において、
前記消音器は、
前記吸気通路の一部を構成し、周壁に貫通孔を有する筒状の連通部と、
該連通部の外部に設けられ、前記貫通孔を介して前記連通部の内部と連通する共鳴室を形成する共鳴用ハウジングと、
前記吸気マニホールド内と前記共鳴用ハウジング内とを連通する通気管と、
前記連通部と前記共鳴用ハウジングとの間に配置され、前記通気管を介して前記共鳴用ハウジング内に導入される吸気の過給圧が所定値以上の場合に、前記連通部に対して周方向又は筒軸方向に移動して前記貫通孔を開放する開放位置から前記貫通孔を閉塞する閉塞位置に変位する可動部材と、
該可動部材を前記開放位置に保持するように付勢する付勢部材と、を備え、
前記可動部材は、前記連通部の外周面と間隔をあけて前記連通部の全周を覆う筒状に形成され、その内周面から前記連通部の外周面まで延びる可動壁部を有し、
前記消音器は、前記連通部の外面と、前記可動部材の内周面及び前記可動壁部とによって区画される空気室を有し、前記通気管を介して前記空気室内に導入される吸気の圧力により前記可動壁部を押圧して前記可動部材を前記閉塞位置に移動させることを特徴とする内燃機関の消音装置。
前記連通部は、周壁に複数の貫通孔を有し、
前記可動部材は、前記開放位置で全ての貫通孔を開放し、前記閉塞位置で全ての貫通孔を閉塞することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の消音装置。