排氣管部件及內燃機的排氣裝置的製作方法

2023-06-03 03:56:01 1

專利名稱：排氣管部件及內燃機的排氣裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種排氣管部件及內燃機的排氣裝置，尤其是，涉及一種降低了由於被設置在廢氣的排氣方向上的最下遊的排氣管的氣柱共鳴而導致的排氣噪聲的排氣管部件及內燃機的排氣裝置。
背景技術：
作為被用於汽車等的車輛中的內燃機的排氣裝置，已知如圖32所示的這種排氣裝置(例如，參照專利文獻1)。在圖32中，從作為內燃機的發動機1向排氣歧管2被排氣的廢氣在通過催化轉化器3而被淨化後，被導入至排氣裝置4中。排氣裝置4由與催化轉化器3相連結的排氣前管5、與排氣前管5相連結的排氣中管6、與排氣中管6相連結的作為消音器的主消聲器7、與主消聲器7相連結的排氣尾管 8以及安裝於排氣尾管8上的副消聲器9構成。主消聲器7在內部設置有擴張室和共鳴室，所述擴張室用於擴張廢氣從而進行消音，所述共鳴室用於通過亥姆霍茲共鳴來對特定的頻率的排氣聲進行消音。具體而言，對於共鳴室而言，能夠通過增大共鳴室的容積、或者增大突出於共鳴室內的排氣中管6的突出長度，從而將共鳴頻率向低頻率側調諧，且能夠通過縮小共鳴室的容積、或者縮短突出於共鳴室內的排氣中管6的突出部分的長度，從而將共鳴頻率向高頻率側調諧。副消聲器9被設定為，在由於發動機1運行時的排氣脈動而在排氣尾管8內產生了與排氣尾管8的管長相對應的氣柱共鳴時，降低該氣柱共鳴的聲壓級。一般情況下，對於在廢氣的排氣方向上遊側以及下遊側分別具有上遊開口端以及下遊開口端的管道而言，由於因發動機運行時的排氣脈動而產生的入射波在管道的上遊開口端以及下遊開口端處進行反射，從而以將管道的管長作為半波長的頻率的氣柱共鳴為基本成分，而產生該半波長的自然數倍的波長的氣柱共鳴。例如，如果以未設置副消聲器9的排氣尾管8從主消聲器7起向後方延伸的情況為例，則如圖33所示，基本振動(一次成分)的氣柱共鳴的波長λ 1為排氣尾管8的管長 L的大致2倍，而二次成分的氣柱共鳴的波長λ 2為管長L的大致1倍。以此方式，能夠在排氣尾管8內產生如下這種駐波，S卩，上遊開口端8a以及下遊開口端8b成為駐波的聲壓分布的節的駐波。此外，排氣尾管8的氣柱共鳴頻率fm通過下述的式(1)來表示。fm = (c/2L) · m............(1)其中，c為音速、L為排氣尾管的管長、m為次數。根據上述的式(1)可明確看出，排氣尾管8的管長L越長，氣柱共鳴頻率fm越向發動機1的轉數較低的低頻率區域轉移。此外，可知如下內容，S卩，如圖34所示，發動機1的排氣脈動的頻率隨著發動機1 的轉數的增大而增大，並且，在由於與發動機1的轉數相對應的氣柱共鳴而產生的排氣聲的一次成分π和二次成分f2處，排氣聲的聲壓級(dB)增高。
因此，在使用管長較長的排氣尾管8(例如，排氣尾管8的管長在1. 5m以上)時， 有時會在發動機轉數較低的常用旋轉區域OOOOrpm 5000rpm)內產生氣柱共鳴，從而使排氣噪聲惡化，進而給駕駛員帶來不適感。特別是，如圖32所示，由於氣柱共鳴的一次成分f 1的聲壓的峰值(聲壓分布的波腹的寬度)大於二次成分f2的聲壓的峰值，因此在常用旋轉域內會產生被稱為隆隆聲的使人不快的噪聲，從而成為排氣噪聲的惡化的原因。因此，當尾排氣管8的管長較長時，通過在圖32所示的聲壓級較高的駐波的波腹的部分，且相對於由於氣柱共鳴而產生的排氣聲的一次成分Π、二次成分f2各自波腹而言最佳的位置處，設置與主消聲器7相比容量較小的副消聲器9，從而在發動機1的常用旋轉區域內降低了排氣噪聲，進而防止了給駕駛員帶來不適感的情況。在先技術文獻專利文獻專利文獻1 日本特開2006-46121號公報

發明內容
本發明所要解決的課題然而，在這種現有的發動機1的排氣裝置中，由於為了降低氣柱共鳴的聲壓級而需要設置排氣尾管8的副消音器9，因此排氣裝置4的重量增大與設置副消聲器9相對應的量，且增大了排氣裝置4的製造成本。此外，由於在廢棄副消聲器9，而通過主消聲器7的共鳴室來降低排氣尾管8的氣柱共鳴時，需要增大共鳴室的容積，因此主消聲器7將大型化，而隨著主消聲器7的大型化， 排氣裝置4的重量將增大，且增大了排氣裝置4的製造成本。本發明是為了解決上述這種現有問題而被完成的，其目的在於，提供一種排氣管部件及內燃機的排氣裝置，其能夠在廢棄一直以來所使用的消聲器的同時，將被設置於排氣管的一端部上的消音器小型化從而降低排氣噪聲，並能夠降低排氣裝置的重量，且能夠降低排氣裝置的製造成本。用於解決課題的方法本發明所涉及的排氣管部件為了達成上述目的，通過如下方式而構成，S卩，(1)所述排氣管部件被安裝在排氣管上，並構成所述排氣管的一部分，所述排氣管在一端部上具有與從內燃機被排放出的廢氣的排氣方向上遊側的消音器相連接的上遊開口端，且在另一端部上具有用於向大氣排放廢氣的下遊開口端，所述排氣管部件具備中空構件，其以位於包含所述排氣管內產生的氣柱共鳴的聲壓分布的節在內的區域中的方式，被連接在所述排氣管的軸線方向上；短管，其被設置在所述中空構件的內部，且沿著所述排氣管的軸線方向以預定長度而延伸，而且，所述短管在軸線方向一端上具有閉口端、且在軸線方向另一端上具有開口端，並且所述閉口端位於，與在所述排氣管內產生的氣柱共鳴的駐波的聲壓分布的節大致相同的位置處。根據該結構，具備排氣管部件的排氣管能夠在產生氣柱共鳴時，在聲壓分布的節的位置處，將排氣管內的氣柱共鳴所具有的勢能蓄積在短管內，並使排氣管內的勢能分散在短管內和除短管以外的排氣管內。
S卩，產生氣柱共鳴的系統所具有的機械能由動能與勢能之和來表示，並且機械能被保存。由於在聲壓分布的節的位置聲壓成為最小，且相反地粒子速度成為最大，因此排氣管內的氣柱共鳴所具有的勢能被蓄積在設置於聲壓較低的位置處的短管內，並且該勢能不會被排出至外部。因此，能夠將排氣管內的勢能分散為，短管內的勢能和除短管以外的排氣管內的勢能，並且僅將除短管以外的排氣管內的勢能向外部排出。因此，能夠使聲壓的峰值下降從而降低聲壓級，由此能夠降低排氣噪聲。另一方面，由於在中空構件的內部設置有沿著排氣管的軸線方向以預定長度而延伸的短管，因此在欲頸縮中空構件的內部的排氣通道時，能夠在氣柱共鳴的駐波的、粒子速度成為最大的聲壓分布的節的位置處，使粒子速度上升。雖然排氣管內的氣柱共鳴所具有的勢能被分散為排氣管內的勢能和短管內的勢能，但是由於相對於勢能在整體上無變化的情況，能夠使動能飛躍性地增大，因此能夠使機械能增加。由此，能夠模擬性地增長排氣管，從而能夠使氣柱共鳴頻率下降至與管長較長的排氣管同等的氣柱共鳴頻率。此外，由於當排氣管模擬性地增長時，除蓄積在短管的內部的勢能以外的排氣管內的勢能，以與排氣管的伸長量相對應的量而向排氣管整體分散，因此，從機械能的觀點出發，與排氣管的內徑變細的情況等效，從而能夠進一步降低氣柱共鳴的聲壓的峰值，並由此進一步降低氣柱共鳴的聲壓級。其結果為，能夠大幅度地降低排氣噪聲，並且當將排氣管部件設置於具備排氣管和消音器的排氣裝置上時，能夠在廢棄一直以來所使用的消聲器的同時，將設置於排氣管的一端部上的消音器小型化從而降低排氣噪聲，並能夠降低排氣裝置的重量，且能夠降低排氣裝置的製造成本。在上述(1)所記載的排氣管部件中，通過如下方式而構成，即，( 所述短管與所述中空構件之間的排氣通道被頸縮，以使所述中空構件中的排氣通道的每單位長度的體積相對於所述排氣管中的排氣通道的每單位長度的體積而減小。根據該結構，具備排氣管部件的排氣管能夠在氣柱共鳴的駐波的、粒子速度成為最大的聲壓分布的節的位置處，使粒子速度上升，並且相對於排氣管整體的勢能而言，能夠使動能飛躍性地增大。因此，能夠使機械能增加，從而模擬性地增長排氣管，由此能夠使氣柱共鳴頻率下降至與管長較長的排氣管同等的氣柱共鳴頻率。此外，由於當排氣管模擬性地增長時，除蓄積在短管的內部的勢能以外的排氣管內的勢能，以與排氣管的伸長量相對應的量向排氣管整體分散，因此，從機械能的觀點出發，與排氣管的內徑變細的情況等效，從而能夠降低氣柱共鳴的聲壓的峰值。在上述(1)或者( 所記載的排氣管部件中，通過如下方式而構成，即，( 所述中空構件具有與所述排氣管的內徑大致相同的內徑。在具備該排氣管部件的排氣管中，由於具有與排氣管的內徑大致相同的內徑的中空構件被安裝在排氣管上，即，由於具有短管的排氣管部件被安裝在直管上，因此能夠使中空構件中的排氣通道的每單位長度的體積相對於排氣管中的排氣通道的每單位長度的體積而減小，從而將短管與中空構件之間的排氣通道頸縮，由此能夠在粒子速度成為最大的聲壓分布的節處，使粒子速度上升。在上述⑴至(3)所記載的排氣管部件中，通過如下方式構成，即，⑷所述中空構件被設置在所述排氣管的所述一端部以及所述另一端部中的至少一方上，以使所述中空構件的軸線方向一端構成所述排氣管的所述上遊開口端以及所述下遊開口端中的至少一方。根據該結構，在具備排氣管部件的排氣管中，當由排氣管部件構成排氣管的一端部或者另一端部，從而構成成為氣柱共鳴的駐波的聲壓分布的節的、排氣管的上遊開口端或者下遊開口端時，則能夠切實地降低氣柱共鳴的聲壓的峰值最大的一次成分的聲壓峰值，並且能夠使一次成分的氣柱共鳴頻率下降至與管長較長的排氣管同等的氣柱共鳴頻率。其結果為，能夠更進一步降低排氣噪聲。除此之外，由於也能夠降低氣柱共鳴的以一次成分為基本的二次成分以上的聲壓的峰值，因此能夠在內燃機的常用迴轉區域中更進一步降低排氣噪聲。在上述(1)至(4)所記載的排氣管部件中，通過如下方式構成，即，( 所述短管的大小被設定為，相對於未設置所述短管時的所述排氣管的排氣通道整體的體積，設置了所述短管的所述中空構件以及所述排氣管的排氣通道整體的體積減少量在2. 5%以上。根據該結構，具備排氣管部件的排氣管使用短管的大小被設定為排氣管的排氣通道整體的體積減少量在2. 5%以上的排氣管，來實施揚聲器加振試驗，其結果為，確認了如下內容，即，能夠使氣柱共鳴頻率下降至與管長較長的排氣管同等的氣柱共鳴頻率，並且能夠降低聲壓的峰值。上述(1)至( 所記載的排氣管部件通過如下方式構成，S卩，(6)所述短管被設定為，相對於所述氣柱共鳴的駐波的波長λ而言為1/8· Xm以下的長度，其中，m為次數。根據該結構，具備排氣管部件的排氣管能夠使短管位於，氣柱共鳴的駐波的粒子速度較大的位置處，從而能夠更有效地使排氣管內的廢氣的動能相對於勢能的減少量而增大。在上述(1)至(6)所記載的排氣管部件中，通過如下方式構成，即，(7)所述短管具備閉口端，所述閉口端從所述中空構件的軸線方向一端起朝向所述排氣管的中心軸而被折彎；環狀構件，所述環狀構件從所述閉口端起朝向所述中空構件的軸線方向另一端而被折彎，且與所述中空構件平行地延伸。根據該結構，在具備排氣管部件的排氣管中，能夠通過折彎中空構件的軸線方向一端部從而使短管容易地成形，從而能夠降低中空構件的製造成本，其結果為，能夠降低排氣管的製造成本。在上述(1)至(7)所記載的排氣管部件中，通過如下方式構成，即，(8)所述中空構件被設置於所述排氣管的一端部上，所述短管的軸線方向一端側的截面面積被形成為， 小於軸線方向另一端側的截面面積。根據該結構，在具備排氣管部件的排氣管中，由於能夠使中空構件的內部的排氣方向上遊側的排氣通道大於下遊側的排氣通道，因此能夠防止短管成為廢氣的阻力的情況，從而能夠防止在排氣管內流動的廢氣的背壓上升的情況。此外，能夠以從短管的上遊側的外周部起朝向下遊側的外周部的方式，對廢氣進行整流，從而能夠防止產生廢氣的亂流， 進而防止產生氣流聲的情況。在上述⑴至⑶所記載的排氣管部件中，通過如下方式構成，即，(9)所述中空構件被設置於所述排氣管的另一端部上，所述短管的軸線方向一端側的截面面積被形成為， 大於軸線方向另一端側的截面面積。根據該結構，在具備排氣管部件的排氣管中，由於能夠使位於與氣柱共鳴的駐波的聲壓分布的節大致相同的位置處的、短管的軸線方向一端側的截面面積增大，因此能夠進一步增大氣柱共鳴的駐波的粒子速度，從而更有效地增大廢氣的動能。在上述(1)至(9)所記載的排氣管部件中，通過如下方式構成，即，(10)所述短管中的、構成所述閉口端的底板由開閉閥構成，並且所述開閉閥在流通於所述短管內的排氣流的流量在預定流量以上時，承接所述排氣流從而被開放。根據該結構，在具備排氣管部件的排氣管中，能夠在廢氣的流量較少的內燃機的低速旋轉時使開閉閥閉塞，從而構成短管的底板，且由此能夠在短管內蓄積勢能。此外，由於能夠在廢氣的流量較多時，使開閉閥開放從而使廢氣通過短管來排放， 因此能夠防止在內燃機的高速旋轉時廢氣的背壓上升的情況，從而能夠防止排氣性能降低的情況。在上述(1)至(10)所記載的排氣管部件中，通過如下方式構成，即，(11)所述中空構件的內徑與所述排氣管的內徑相比被擴大。根據該結構，在具備排氣管部件的排氣管中，當擴徑部被擴大，以使排氣管的排氣通道的截面面積與中空構件的排氣通道的截面面積相同時，能夠將排氣管內的勢能分散為短管內的勢能和除短管以外的排氣管內的勢能，且僅將除短管以外的排氣管內的勢能向外部排放，由此能夠降低聲壓的峰值，進而降低排氣噪聲。此外，由於在中空構件被擴大，以使中空構件的每單位長度的體積相對於排氣管的每單位長度的體積而減小時，能夠使中空構件的內部的排氣通道頸縮，因此除了分散排氣管內的勢能而使聲壓的峰值下降的效果之外，還能夠在氣柱共鳴的駐波的、粒子速度成為最大的聲壓分布的節的位置處，使粒子速度上升，並能夠模擬性地增長排氣管，從而使氣柱共鳴頻率下降至與管長較長的排氣管同等的氣柱共鳴頻率，且能夠更進一步降低聲壓的峰值。在發明所涉及的內燃機的排氣裝置中，通過如下方式構成，S卩，(12)所述內燃機的排氣裝置具備排氣管，所述排氣管在一端部上具有與從內燃機被排放出的廢氣的排氣方向上遊側的消音器相連接的上遊開口端，且在另一端部上具有用於向大氣排放廢氣的下遊開口端，所述排氣管具有上述(1)至上述(11)的排氣管部件。根據該結構，排氣裝置能夠將排氣管內的勢能分散為，短管內的勢能和除短管以外的排氣管內的勢能，且僅將除短管以外的排氣管內的勢能向外部排放，從而能夠降低聲壓的峰值進而降低聲壓級。其結果為，能夠降低排氣噪聲。此外，能夠模擬性地增長排氣管，從而使氣柱共鳴頻率下降至與管長較長的排氣管同等的氣柱共鳴頻率，並能夠使勢能以與排氣管的伸長量相對應的量而分散至排氣管整體，從而使排氣管的內徑模擬性地變細，由此能夠進一步降低氣柱共鳴的聲壓的峰值，從而進一步降低氣柱共鳴的聲壓級。其結果為，能夠大幅度地降低排氣噪聲，並且在將排氣管部件設置於具備排氣管和消音器的排氣裝置上時，能夠在廢棄一直以來所使用的消聲器的同時，使被設置於排氣管的一端部上的消音器小型化從而降低排氣噪聲，並能夠降低排氣裝置的重量，且能夠降低排氣裝置的製造成本。在上述(1 所記載的內燃機的排氣裝置中，通過如下方式構成，S卩，(13)所述排氣管以及所述中空構件被一體成形。根據該結構，由於在排氣裝置中，無需分別製造排氣管和排氣管部件再將排氣管部件安裝在排氣管上，因此能夠容易地進行排氣管的製造，且能夠降低排氣管的製造成本。發明效果根據本發明，能夠提供一種排氣管部件及內燃機的排氣裝置，其能夠在廢棄一直以來所使用的消聲器的同時，使被設置於排氣管的一端部上的消音器小型化從而降低排氣噪聲，並能夠降低排氣裝置的重量，且能夠降低排氣裝置的製造成本。


圖1為表示本發明所涉及的排氣管部件以及內燃機的排氣裝置的第一實施方式的圖，且為內燃機的排氣裝置的結構圖。圖2為表示本發明所涉及的排氣管部件以及內燃機的排氣裝置的第一實施方式的圖，且為連結有排氣尾管的消聲器的剖視圖。圖3為表示本發明所涉及的排氣管部件以及內燃機的排氣裝置的第一實施方式的圖，且為排氣尾管的軸線方向的主視圖。圖4為圖3中的排氣尾管的沿著A-A方向向視觀察時的剖視圖。圖5為表示本發明所涉及的排氣管部件以及內燃機的排氣裝置的第一實施方式的圖，且為排氣尾管的管道主體與排氣管部件的分解圖。圖6為表示本發明所涉及的排氣管部件以及內燃機的排氣裝置的第一實施方式的圖，且為對由於在排氣尾管內產生的開口端反射而導致的氣柱共鳴的粒子速度分布的駐波進行說明的圖。圖7為表示本發明所涉及的排氣管部件以及內燃機的排氣裝置的第一實施方式的圖，且為對由於在排氣尾管內產生的開口端反射而導致的氣柱共鳴的聲壓分布的駐波進行說明的圖。圖8為表示本發明所涉及的排氣管部件以及內燃機的排氣裝置的第一實施方式的圖，且為表示在排氣尾管內產生的聲壓級與發動機轉數之間的關係的圖。圖9為表示本發明所涉及的排氣管部件以及內燃機的排氣裝置的第一實施方式的圖，且為表示在排氣尾管內產生的氣柱共鳴的勢能的圖。圖10為表示本發明所涉及的排氣管部件以及內燃機的排氣裝置的第一實施方式的圖，且為表示在排氣尾管的下遊部內產生的氣柱共鳴的粒子速度的變化的圖。圖11為表示本發明所涉及的排氣管部件以及內燃機的排氣裝置的第一實施方式的圖，且為表示在排氣尾管內產生的氣柱共鳴的勢能被分散後的狀態的圖。圖12為表示本發明所涉及的排氣管部件以及內燃機的排氣裝置的第一實施方式的圖，且為表示用於對排氣管內的勢能的減少和排氣管的管長模擬性地增長的原理進行說明的、排氣尾管的機械能的狀態的圖。圖13為表示本發明所涉及的排氣管部件以及內燃機的排氣裝置的第一實施方式的圖，且為用於對管長模擬性地增長的原理進行說明的、未設置短管的排氣尾管的模式圖。
圖14為表示本發明所涉及的排氣管部件以及內燃機的排氣裝置的第一實施方式的圖，且為用於對管長模擬性地增長的原理進行說明的、設置了短管的排氣尾管的模式圖。圖15為表示本發明所涉及的排氣管部件以及內燃機的排氣裝置的第一實施方式的圖，且為表示在排氣尾管內產生的一次成分的聲壓級與頻率之間的關係的圖。圖16為表示本發明所涉及的排氣管部件以及內燃機的排氣裝置的第一實施方式的圖，且為表示將各頻率下靈敏度與頻率關聯起來的聽感補正曲線的圖。圖17為表示本發明所涉及的排氣管部件以及內燃機的排氣裝置的第一實施方式的圖，且為表示在上遊部以及下遊部上具有短管的排氣尾管的圖。圖18為表示本發明所涉及的排氣管部件以及內燃機的排氣裝置的第二實施方式的圖，且為排氣尾管的軸線方向上的主視圖。圖19為圖18中的排氣尾管的沿著B-B方向向視觀察時的剖視圖。圖20為表示本發明所涉及的排氣管部件以及內燃機的排氣裝置的第二實施方式的圖，且為表示在上遊部和下遊部上設置了短管的排氣尾管的剖視圖。圖21為表示本發明所涉及的排氣管部件以及內燃機的排氣裝置的第三實施方式的圖，且為排氣尾管的軸線方向上的主視圖。圖22為圖21中的排氣尾管的沿著C-C方向向視觀察時的剖視圖。圖23為表示本發明所涉及的排氣管部件以及內燃機的排氣裝置的第四實施方式的圖，且為排氣尾管的軸線方向上的主視圖。圖M為圖23中的排氣尾管的沿著D-D方向向視觀察時的剖視圖。圖25為表示本發明所涉及的排氣管部件以及內燃機的排氣裝置的第五實施方式的圖，且為排氣尾管的軸線方向上的主視圖。圖沈為圖25中的排氣尾管的沿著E-E方向向視觀察時的剖視圖。圖27為表示本發明所涉及的排氣管部件以及內燃機的排氣裝置的第六實施方式的圖，且為排氣尾管的下遊部側的立體圖。圖觀為表示本發明所涉及的排氣管部件以及內燃機的排氣裝置的第六實施方式的圖，且為排氣尾管的軸線方向上的主視圖。圖四為圖觀中的排氣尾管的沿著F-F方向向視觀察時的剖視圖。圖30為表示本發明所涉及的排氣管部件以及內燃機的排氣裝置的第七實施方式的圖，且為排氣尾管的下遊部的立體圖。圖31為表示本發明所涉及的排氣管部件以及內燃機的排氣裝置的第六實施方式的圖，且為排氣尾管的下遊部側的剖視圖。圖32為現有的內燃機的排氣裝置的結構圖。圖33為用於對由於現有的排氣尾管內產生的開口端反射而導致的氣柱共鳴的聲壓分布的駐波進行說明的圖。圖34為表示現有的排氣尾管的聲壓級與發動機轉數之間的關係的圖。
具體實施例方式以下，使用附圖對本發明所涉及的排氣管部件以及內燃機的排氣裝置的實施方式進行說明。
(第一實施方式)圖1 圖17為表示本發明所涉及的排氣管部件以及內燃機的排氣裝置的第一實施方式的圖。首先，對結構進行說明。在圖1中，例如，在作為直列四氣缸的內燃機的發動機21上連接有排氣歧管22，並且在該排氣歧管22上連接有排氣裝置23。另外，發動機21並不限定於直列四氣缸，也可以為直列三氣缸或者直列五氣缸， 還可以為在被左右分割的各個氣缸列中具有三個氣缸以上的氣缸的V型發動機。排氣歧管22由分別與排氣埠相連接的四個排氣支管22a(圖示一個)，和使排氣支管22a的下遊側集合的排氣集合管22b構成，其中，所述排氣埠分別與發動機21的第一氣缸至第四氣缸連通，並且，從發動機的各個氣缸被排放出的廢氣經由排氣支管2 而被導入至排氣集合管22b中。排氣裝置23具備催化轉化器24、圓筒狀的排氣前管25、圓筒狀的排氣中管沈、作為消音器的消聲器27以及圓筒狀的排氣尾管觀，並且該排氣裝置23以在車身的地板下方彈性地垂下的方式而被配置在發動機21的廢氣的排氣方向下遊側。另外，上遊表示廢氣的排氣方向的上遊，下遊表示廢氣的排氣方向的下遊。催化轉化器M的上遊端與排氣集合管22b的下遊端相連接，而催化轉化器M的下遊端與排氣前管25相連接。該催化轉化器M通過如下方式而構成，即，使鉬、鈀等的催化劑附著在蜂窩基材或者顆粒狀的活性氧化鋁製載體上而得到的部件收納在主體外殼內而構成，所述催化轉化器M實施對NOx的還原和對CO、HC的氧化。此外，在排氣前管25的下遊端處連接有排氣中管沈的上遊端，而排氣中管沈的下遊側與實施對排氣聲的消音的消聲器27相連接。在圖2中，消聲器27具備被形成為中空筒狀的外殼(out shell)31，和將外殼31 的兩端封閉的端板32、33。在外殼31內設置有隔板34，並且通過該隔板34，從而使外殼31內被劃分為擴張室35和共鳴室36，所述擴張室35用於擴張廢氣從而進行消音，所述共鳴室36用於通過亥姆霍茲共鳴來對特定的頻率的排氣聲進行消音。此外，在端板32和隔板34上分別形成有插穿孔32a、34a，並且在該插穿孔32a、 34a中插穿有排氣中管沈的下遊側(以下，將排氣中管沈的下遊側稱為進氣管部2躺。該進氣管部2隊以收納於擴張室35以及共鳴室36內的方式被端板32以及隔板 34所支承，並且下遊開口端26b在共鳴室36內開口。此外，在進氣管部26A上，於進氣管部^^的軸線方向(廢氣的排氣方向)以及圓周方向上形成有多個小孔26a，並且進氣管部26A的內部與擴張室35通過小孔26a而連通。因此，穿過排氣中管沈的進氣管部26A而被導入至消聲器27中的廢氣經由小孔 26a而被導入至擴張室35中，且從進氣管部2認的下遊開口端26b被導入至共鳴室36中。而且，對於被導入至共鳴室36中的廢氣，特定的頻率的排氣聲通過亥姆霍茲共鳴而被消音。具體而言，對於共鳴室36，能夠通過增大共鳴室36的容積、或者增大突出於共鳴室36內的排氣中管沈的突出長度，從而將共鳴頻率向低頻率側調諧，並且能夠通過縮小共鳴室36的容積、或者縮短突出於共鳴室36內的排氣中管沈的突出部分的長度，從而將共鳴頻率向高頻率側調諧。此外，在隔板34和端板33上分別形成有插穿孔34b、33a，並且在該插穿孔34b、 33a中插穿有排氣尾管觀的上遊部(一端部)28A0在排氣尾管觀的上遊部28A的上遊端處設置有上遊開口端^a，並且排氣尾管觀的上遊部28A通過以上遊開口端28a在擴張室35內開口的方式被插穿至插穿孔34b、33a 中，從而與消聲器27相連接。此外，在排氣尾管觀的下遊部(另一端部)28B的下遊端處形成有下遊開口端 28b,並且該下遊開口端^b與大氣連通。因此，從消聲器27的擴張室35被導入至排氣尾管觀的上遊開口端^a的廢氣，穿過排氣尾管觀而從下遊開口端^b向大氣被排放。S卩，本實施方式的排氣尾管觀在上遊部28A上具有與從發動機21被排放出的廢氣的排氣方向上遊側的消聲器27相連接的上遊開口端^a，且在下遊部28B上具有用於向大氣排放廢氣的下遊開口端^b。在此，排氣尾管28的上遊部28A以及下遊部28B表示，包括上遊開口端^a以及下遊開口端28b在內且具有預定長度的、排氣尾管觀的上遊側和下遊側的部分。此外，如圖3 圖5所示，排氣尾管觀具備管道主體40和排氣管部件41，且通過該管道主體40和排氣管部件41 一體化的方式而被構成。即，排氣管部件41構成排氣尾管 28的一部分、即排氣尾管28的下遊部^B。排氣管部件41由中空構件42、短管43、安裝於中空構件42與短管43之間的託架 44a、44b 構成。中空構件42的上遊開口端(中空構件的軸線方向另一端)4 構成擴徑部，所述擴徑部具有與管道主體40的外徑相比較大的內徑，該上遊開口端4 通過焊接等而被固定在管道主體40的下遊端40a的外周部上，從而中空構件42被固定於管道主體40上。S卩，本實施方式的中空構件42被連接在管道主體40的軸線方向上。另外，作為將中空構件42安裝在管道主體40上的方法，除了焊接以外也可以使用螺栓等。此外，中空構件42具有與管道主體40的內徑相同的內徑，並且排氣尾管觀在整個軸線方向上具有相同的內徑。此外，短管43的外周部通過焊接等而被固定在板狀的託架44a、44b的內周部上， 並且該託架44a、44b的外周部通過焊接等而被固定在中空構件42的內周部上。由此，短管 43經由託架44a、44b而被安裝在中空構件42上。此外，短管43在構成軸線方向另一端的上遊端上具有開口端43a，且在構成軸線方向一端的下遊端上具有作為閉口端的底板43b，從而被形成為有底筒狀。此外，短管43的截面面積在整個軸線方向上均勻，短管43的軸線方向中心軸被設置在排氣尾管觀的中心軸線上，從而與排氣尾管觀的軸線方向中心軸成為相同的中心軸。由於本實施方式的排氣管部件41被安裝在管道主體40上，且與管道主體40 —起構成排氣尾管28，因此中空構件42的下遊開口端(軸線方向另一端)42b構成排氣尾管觀的下遊開口端^b。此外，短管43的底板4 與中空構件42的下遊開口端(中空構件42的軸線方向一端)、即排氣尾管觀的下遊開口端28b位於同一平面上，並且短管43的開口端43a從底板4 起朝向管道主體40以預定的長度而延伸。
在本實施方式中，由於短管43的底板43b與排氣尾管28的下遊開口端28b位於同一平面上，因此短管43的底板4 位於，在排氣尾管觀內產生的氣柱共鳴的聲壓分布的駐波的節處。另外，短管43的底板4 可以從氣柱共鳴的聲壓分布的駐波的節向上遊側或下遊側偏離若干量。在此，對於排氣尾管觀內產生的氣柱共鳴的駐波，在排氣尾管觀的管長L與駐波的波長λ處於特定的關係時，振幅顯著增大，從而產生氣柱共鳴。該氣柱共鳴以將排氣尾管觀的管長L作為半波長的頻率為基本，而產生該半波長的自然數倍的波長的氣柱共鳴， 從而聲壓增大。具體而言，如圖6所圖示的在排氣尾管觀內產生的氣柱共鳴的駐波的粒子速度分布所示，基本振動(一次成分)的氣柱共鳴的波長λ 1為排氣尾管觀的管長L的大致2倍， 而二次成分的氣柱共鳴的波長λ 2為管長L的大致1倍。從圖6可明確看出，對於每個駐波而言，排氣尾管觀的上遊開口端以及下遊開口端28b成為粒子速度的波腹，從而該粒子速度在上遊開口端^a以及下遊開口端^b 處成為最大。此外，一次成分以及二次成分的氣柱共鳴的駐波的聲壓分布如圖7所示，與粒子速度分布的波腹和節分別相反，從而排氣尾管觀的上遊開口端以及下遊開口端28b成為聲壓分布的節，由此聲壓在上遊開口端以及下遊開口端28b處成為最小。此外，短管43被設定為，相對於排氣尾管觀內產生的氣柱共鳴的駐波的波長λ 而言為1/8· 其中，m為次數)以下的長度。在本實施方式中，短管43被設置在排氣尾管觀的下遊部28B上，並且如圖6所示，由於λ 1 = 2L，因此短管43的長度被設定為，排氣尾管觀的管長L的1/4的長度。另外，短管43也可以被設定為，相對於氣柱共鳴的駐波的波長λ而言為1/8·λπι 以下的長度、即排氣尾管觀的管長L的1/4以下的長度。此外，在本實施方式中，由於在具有相同內徑的直管的排氣尾管觀的下遊部^B 上設置有短管43，且所述短管43沿著軸線方向以排氣尾管觀的管長L的1/4的長度而延伸，因此短管43與下遊部28Β之間的排氣通道45的體積減小，從而下遊部^B中的排氣通道4 的每單位長度的體積相對於排氣尾管28中的排氣通道45的每單位長度的體積而減小。因此，利用如圖6、圖7所示這樣，在氣柱共鳴的駐波的聲壓分布的節處氣柱共鳴的粒子速度成為最大的現象，從而能夠通過減小排氣尾管觀的下遊部28B的每單位長度體積，以使排氣尾管觀的下遊部^B的氣柱共鳴的粒子速度上升。此外，短管43的大小被設定為，相對於未安裝短管43的狀態下的排氣尾管觀的排氣通道45的體積，將短管43安裝在排氣尾管觀上時的排氣尾管觀的排氣通道45的體積減少量在2. 5%以上。另外，雖然在本實施方式中，在排氣尾管觀的下遊部28B上設置了託架44a、44b， 但是由於託架44a、44b為板狀，因此託架44a、44b的截面面積小於短管43的截面面積。因此，排氣通道45的體積減少量較大程度地依存於短管43的截面面積。另外，該短管43的大小表示，將短管43視為實心軸時的短管43的體積，並且相對於未安裝短管43的狀態下的排氣尾管觀的排氣通道45的體積，短管43的體積在2. 5%以上。在此，排氣通道45為，由排氣尾管觀、即管道主體40與中空構件42所包圍的全部空間，並且在排氣通道45中由短管43的外周部和中空構件42所包圍的空間構成了排氣通道 45a。接下來，對作用進行說明。在發動機21的運行時從發動機21的各個氣缸被排放出的廢氣，從排氣歧管22被導入至催化轉化器M中，從而通過催化轉化器M來實施對NOx的還原和對C0、HC的氧化。從催化轉化器M被排放出的廢氣，穿過排氣前管25以及排氣中管沈而被導入至消聲器27中。被導入至消聲器27中的廢氣經由進氣管部2隊的小孔26a而被導入至擴張室35中，且從進氣管部26A的下遊開口端26b被導入至共鳴室36中，並且對於被導入至共鳴室36中的廢氣，通過亥姆霍茲共鳴來對特定的頻率的排氣聲進行消音。被導入至擴張室35中的廢氣在穿過排氣尾管觀的上遊開口端28a而被導入至排氣尾管觀內之後，穿過排氣尾管觀的下遊開口端28b而被排放至大氣中。此外，在發動機21運行時被導入至排氣尾管觀中的廢氣的排氣聲為，根據發動機 21的轉數而發生變化的排氣脈動的入射波，並且該入射波的頻率隨著發動機21的轉數增大而增大。當由於發動機21運行時的排氣脈動而產生的入射波被導入至排氣尾管觀中時， 該入射波將在排氣尾管觀的下遊開口端28b處，進行所謂的開口端反射。該反射波以與入射波相同的相位而與入射波成為反向。此外，該反射波再次在上遊開口端28a處以與該反射波相同的相位，而反向地進行開口端反射。該反射波此次成為入射波，而在上遊開口端 28a處成為反射波。引起開口端反射的理由如下，S卩，由於在排氣尾管觀內流動的廢氣的壓力較高， 而排氣尾管觀的下遊開口端^b的外側的壓力較低，因此入射波強勢地向大氣飛出，從而下遊開口端^b內的廢氣的壓力降低，且該低壓部朝向上遊開口端28a而開始在排氣尾管 28內前進。因此，反射波以與入射波相同的相位而成為反向。此外，在上遊開口端^a側產生反射波的理由也與在下遊開口端28b處產生反射波的理由相同。而且，由於朝向下遊開口端^b的入射波和與下遊開口端^b反向的反射發生幹涉，因此如圖6所示，能夠產生如下這種駐波，即，在排氣尾管觀的上遊開口端以及下遊開口端28b處，粒子速度成為最大的駐波。此外，該駐波在排氣尾管觀的管長L與駐波的波長λ處於特定的關係時，振幅將顯著增大，從而產生氣柱共鳴。該氣柱共鳴以將排氣尾管觀的管長L作為半波長的頻率為基本，而產生該半波長的自然數倍的波長的氣柱共鳴，從而聲壓增大。在此，將音速設為C、將排氣尾管觀的長度設為L、將次數設為m時的排氣尾管觀的氣柱共鳴頻率fm通過下式來表示。fm = (c/2L) 『 m............(2)此外，如圖8所示，發動機21的排氣脈動的頻率隨著發動機21的轉數增大而增大，並且，在由於與發動機21的轉數相對應的氣柱共鳴而導致的排氣聲的一次成分Π和二次成分f2處，排氣聲的聲壓級(dB)增高。
因此，在使用管長較長的排氣尾管28 (例如，排氣尾管28的管長在1. 5m以上)時， 有時會在發動機21的轉數較低的常用旋轉區域QOOOrpm 5000rpm)內產生氣柱共鳴的現象。特別是，由於氣柱共鳴的一次成分fl的聲壓的峰值(聲壓分布的波腹的寬度)大於二次成分f2的聲壓的峰值，因此在常用旋轉區域內將產生被稱為隆隆聲的使人不快的噪聲，從而成為排氣噪聲的惡化的原因，並給駕駛員帶來不適感。因此，在本實施方式中，在發動機21的常用旋轉區域內降低氣柱共鳴頻率的一次成分fl以及二次成分f2的氣柱共鳴的聲壓級，從而降低排氣噪聲，進而防止了給駕駛員帶來不適感的情況。首先，對能夠降低氣柱共鳴的聲壓級的理由進行說明。由於當將未設置短管43的排氣尾管觀內產生氣柱共鳴時的、氣柱共鳴的駐波的一次成分Π的聲壓分布圖示在圖9中時，排氣尾管觀的上遊開口端以及下遊開口端 28b成為氣柱共鳴的駐波的聲壓分布的節，因此在上遊開口端^a以及下遊開口端28b處， 氣柱共鳴的駐波的聲壓成為最小。此外，由於中央部成為氣柱共鳴的駐波的聲壓分布的波腹，因此在中央部處，氣柱共鳴的駐波的聲壓成為峰值P1。此外，由於當將排氣尾管觀內產生氣柱共鳴時的、氣柱共鳴的一次成分fl的駐波的粒子速度分布圖示在圖10中時，排氣尾管觀的上遊開口端以及下遊開口端28b成為氣柱共鳴的駐波的流速分布的波腹，因此在上遊開口端以及下遊開口端^b處，駐波的粒子速度為最大。此外，由於中央部成為氣柱共鳴的駐波的粒子速度分布的節，因此在中央部處粒子不移動。在本實施方式中，由於在排氣尾管觀的下遊部28B的內部，設置有具有開口端43a 和作為閉口端的底板4 的有底筒狀的短管43，且使該底板4 位於在排氣尾管觀內產生的氣柱共鳴的駐波的聲壓分布的節處，因此在產生氣柱共鳴時，能夠在駐波的粒子速度成為最大的聲壓分布的節的位置處，將排氣尾管觀內的氣柱共鳴所具有的勢能蓄積在短管 43內。S卩，可知如下內容，產生氣柱共鳴的系統所具有的機械能由動能與勢能(廢氣的質量)之和來表示，並且機械能被保存。下面對該勢能進行考察。由於在聲壓分布的節的位置，聲壓成為最小，相反地粒子速度成為最大，因此排氣尾管觀內的氣柱共鳴所具有的勢能如圖11所示，被蓄積在設置於聲壓較低的位置處的短管43內，並且成為底板4 側的聲壓與開口端43a側的聲壓相比為較高的模式的勢能Al， 該勢能Al不會被排出至外部。由於被蓄積在該短管43內的勢能Al通過排氣尾管內的廢氣所具有的勢能而被實施，因此作為系統不會產生勢能的變化，但根據機械能的守恆原則，圖9所示的排氣尾管觀內的勢能A被分散為，短管43內的勢能Al和除短管43以外的排氣尾管觀內的勢能A2，並且僅除短管43以外的排氣尾管觀內的勢能A2被排出至外部。S卩，如圖12所示，從排氣尾管觀內的勢能A中減去短管43內的勢能Al(用陰影表示)而得到的剩餘的勢能A2 (用陰影表示)，從排氣尾管觀被排放至外部。由於氣柱共鳴的聲壓級通過勢能來決定，因此能夠通過減少勢能，S卩，使排氣尾管28的勢能僅為勢能A2，從而使聲壓的峰值從峰值Pl下降至峰值P2(參照圖11)，進而降低聲壓級。其結果為，能夠使排氣噪聲減少與勢能的減少相對應的量。接下來，對廢氣的動能進行考慮，在本實施方式中，由於在排氣尾管觀的下遊部 28B上設置有沿著排氣尾管觀的軸線方向延伸的短管43，且使下遊部28B的內部的排氣通道4 的每單位長度的體積相對於排氣尾管觀中的排氣通道45的每單位長度的體積而減小，因此如圖10所示，排氣尾管觀內的粒子速度B在下遊部^B內，從由實線所示的粒子速度Bl上升至由虛線所示的B2。當以動能的形式對該粒子速度進行考慮時，由於動能與速度的二次方成正比，因此排氣尾管觀的排氣通道45內的動能將增加與所增加的粒子速度的二次方相對應的量。 當在圖12中圖示動能的增加水平時，動能從由Bl所示的位置飛躍性地增加至由B3所示的位置。雖然排氣尾管觀內的氣柱共鳴所具有的勢能A被分散為，排氣尾管觀內的勢能 A2和短管43內的勢能Al，但由於與勢能A在整體上未發生變化的情況相對，能夠使動能飛躍性地增大，因此能夠使勢能與動能之和、即機械能增加。因此，排氣尾管觀模擬性地增長，以使排氣尾管觀內的氣柱共鳴所具有的機械能被保存，從而能夠使氣柱共鳴頻率下降至與管長較長的排氣尾管同等的氣柱共鳴頻率。下面具體地對排氣尾管觀模擬性地增長的理由進行說明。如圖13所示，在截面面積&、管長L的排氣尾管28的下遊部28B上未設置短管43 的情況下，當該排氣尾管觀內產生了氣柱共鳴時，排氣尾管觀的下遊部28B的駐波的粒子速度為ξ。接下來，對如下情況進行考慮，S卩，如圖14所示，以截面面積Stl、長度L的排氣尾管 28的開口端^a為原點，將排氣尾管觀的軸線方向設為X軸，並在排氣尾管觀的下遊部 28Β上安裝截面面積Δ S的短管43以減小下遊部^B的截面面積，從而將下遊部^B的截面面積表示為S = Sci-AS15但是，將截面面積的變化AS設為較微小。此時，排氣尾管觀的下遊部^B中的駐波的粒子速度成為ξ + Δ ξ。另外，在本實施方式中，為了方便對下述的數學式進行說明，而對將下遊部觀8的截面面積設為S = S。+AS的情況(S卩，擴徑了的情況)進行說明。當通過將該排氣尾管28的下遊部28Β設為S = Stl+Δ S的修正，從而排氣尾管28 內的氣柱共鳴頻率發生變化，並將該氣柱共鳴頻率的變化作為排氣尾管觀的長度的變化 Δ L而求取時，能夠通過下述的式C3)進行表示。(數學式1)(其中，m=1，2，3···)在此，m表示氣柱共鳴頻率的一次成分、二次成分、三次成分……。雖然當排氣尾管觀內產生氣柱共鳴時，氣柱的各個部分反覆進行壓縮以及膨脹， 從而分別處於不同的運動狀態，但作為氣柱整體，機械能被保持為固定。因此，可導出上述的式⑶。接下來，對上述的式(3)的導出方法進行說明。
首先，求取動能Τ。當將每單位時間穿過排氣尾管28內的某一截面的空氣的體積設為X時，粒子速度為ξ =X/S。當用ρ ^表示空氣的密度時，排氣尾管觀內的空氣整體的動能通過下述的式(4)來表示。(數學式2)
權利要求
1.一種排氣管部件，其被安裝在排氣管上，並構成所述排氣管的一部分，所述排氣管在一端部上具有與從內燃機被排放出的廢氣的排氣方向上遊側的消音器相連接的上遊開口端，且在另一端部上具有用於向大氣排放廢氣的下遊開口端，所述排氣管部件的特徵在於，具備中空構件，其以位於包含所述排氣管內產生的氣柱共鳴的聲壓分布的節在內的區域中的方式，被連接在所述排氣管的軸線方向上；短管，其被設置在所述中空構件的內部，且沿著所述排氣管的軸線方向以預定長度而延伸，所述短管在軸線方向一端上具有閉口端、且在軸線方向另一端上具有開口端，並且所述閉口端位於，與在所述排氣管內產生的氣柱共鳴的駐波的聲壓分布的節大致相同的位置處。
2.如權利要求1所述的排氣管部件，其特徵在於，所述短管與所述中空構件之間的排氣通道被頸縮，以使所述中空構件中的排氣通道的每單位長度的體積相對於所述排氣管中的排氣通道的每單位長度的體積而減小。
3.如權利要求1或權利要求2所述的排氣管部件，其特徵在於，所述中空構件具有與所述排氣管的內徑大致相同的內徑。
4.如權利要求1至權利要求3中任意一項所述的排氣管部件，其特徵在於，所述中空構件被設置在所述排氣管的所述一端部以及所述另一端部中的至少一方上， 以使所述中空構件的軸線方向一端構成所述排氣管的所述上遊開口端以及所述下遊開口端中的至少一方。
5.如權利要求1至權利要求4中任意一項所述的排氣管部件，其特徵在於，所述短管的大小被設定為，相對於未設置所述短管時的所述排氣管的排氣通道整體的體積，設置了所述短管的所述中空構件以及所述排氣管的排氣通道整體的體積減少量在 2. 5%以上。
6.如權利要求1至權利要求5中任意一項所述的排氣管部件，其特徵在於，所述短管被設定為，相對於所述氣柱共鳴的駐波的波長λ而言為1/8 · λ m以下的長度，其中，m為次數。
7.如權利要求1至權利要求6中任意一項所述的排氣管部件，其特徵在於，所述短管具備閉口端，所述閉口端從所述中空構件的軸線方向一端起朝向所述排氣管的中心軸而被折彎；環狀構件，所述環狀構件從所述閉口端起朝向所述中空構件的軸線方向另一端而被折彎，且與所述中空構件平行地延伸。
8.如權利要求1至權利要求7中任意一項所述的排氣管部件，其特徵在於，所述中空構件被設置於所述排氣管的一端部上，所述短管的軸線方向一端側的截面面積被形成為，小於軸線方向另一端側的截面面積。
9.如權利要求1至權利要求7中任意一項所述的排氣管部件，其特徵在於，所述中空構件被設置於所述排氣管的另一端部上，所述短管的軸線方向一端側的截面面積被形成為，大於軸線方向另一端側的截面面積。
10.如權利要求1至權利要求9中任意一項所述的排氣管部件，其特徵在於，所述短管中的、構成所述閉口端的底板由開閉閥構成，並且所述開閉閥在流通於所述短管內的排氣流的流量在預定流量以上時，承接所述排氣流從而被開放。
11.如權利要求1至權利要求10中任意一項所述的排氣管部件，其特徵在於，所述中空構件的內徑與所述排氣管的內徑相比被擴大。
12.一種內燃機的排氣裝置，其具備排氣管，所述排氣管在一端部上具有與從內燃機被排放出的廢氣的排氣方向上遊側的消音器相連接的上遊開口端，且在另一端部上具有用於向大氣排放廢氣的下遊開口端，所述內燃機的排氣裝置的特徵在於，所述排氣管具有權利要求1至權利要求11中任意一項所述的排氣管部件。
13.如權利要求12所述的內燃機的排氣裝置，其特徵在於， 所述排氣管以及所述中空構件被一體成形。
全文摘要
本發明提供一種排氣管部件及內燃機的排氣裝置，其能夠在廢棄一直以來所使用的消聲器的同時，使被設置於排氣管的一端部上的消音器小型化從而降低排氣噪聲，並能夠降低排氣裝置的重量，且能夠降低排氣裝置的製造成本。在排氣尾管(28)上設置排氣管部件(41)，以構成排氣尾管(28)的一部分，排氣管部件(41)由中空構件(42)和短管(43)構成，其中，所述中空構件(42)以位於包含排氣尾管(28)內產生的氣柱共鳴的聲壓分布的節在內的區域中的方式，被連接在排氣尾管(28)的軸線方向上，所述短管(43)在中空構件(42)的內部沿著排氣尾管(28)的軸線方向以預定長度而延伸，並在上遊端上具有開口端(43a)，且在下遊端上具有作為閉口端的底板(43b)，所述閉口端位於氣柱共鳴的駐波的聲壓分布的節處。
文檔編號F01N1/00GK102575539SQ20098016159
公開日2012年7月11日 申請日期2009年9月24日 優先權日2009年9月24日
發明者幸光秀之, 若月一稔, 高垣仲矢 申請人:豐田自動車株式會社