JP3621030B2 - 可変の減衰特性を有する消音器 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、請求項１前段に記載の消音器に係り、特に内燃エンジンの排気ガス等の律動的なガスに適用する可変の減衰特性を有する消音器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
全ての生活環境において騒音低減が法的に求められている。このことは、特に内燃エンジンによって駆動される車両に該当する。このため要求される低速回転時における大幅な消音の向上によって消音システム内の流路の延長につながり、従って通流抵抗が増加する。これによって増加するエネルギ需要はエンジンによって生成する必要がある。これを防止するためには、律動的なガスの通流断面を拡大する必要がある。消音器容量の拡大によって排気ガス装置の価格が増大する。従って自動車メーカにとっては価格の増加および設置空間の拡大を防止することが必要である。
【０００３】
この矛盾を解決する方法が、文献“能動消音−流入騒音調整の可能性”（ＭＴＺ自動車工業ジャーナル第５３巻（１９９２年）第７／８号第３頁）によって提案されている。これは２つの排気管を有する追加消音器に関する。両方の排気管のうちの一方の中に絞り弁の形式の閉鎖要素を設ける。これはエンジンの低回転領域において閉鎖されている。排気ガスはより長い流路を介して通流する。消音容積のうちの一部はヘルムホルツチャンバとして作用する。閉鎖要素を開放している際は排気ガスが両方の排気管を通流する。閉鎖要素が開放されたおよび閉鎖された場合における、しばしば逆圧と呼ばれる圧力損失の関係は、通流面積の関係の略逆に近いものとなる。閉鎖要素は、クランク駆動装置およびロッドを介して付勢要素である圧力カプセルに接続される。減圧カプセルは、磁力弁、真空タンク、逆止め弁および接続パイプ網からなる制御系を介して減圧を生成する内燃エンジンの吸引路によって付勢される。磁力弁には、エンジン回転数および絞り弁の位置を分析する制御装置が作用する。
【０００４】
その他にも可変の減衰特性を有する消音器に関して多数の解決方法が提案されている。それらは、２つの主要なグループに分類することができる。閉鎖要素を制御する信号が外部からのものかあるいは消音器内部からのものであるかによって、外部制御方式または自律方式と区別することができる。
【０００５】
冒頭に記述した例ならびにドイツ特許第ＯＳ４４１６７３９号公報およびドイツ特許第ＯＳ３８３５０７９号公報のものは外部制御方式に属するものである。この種の方式は、さらに排気ガス装置のその他の部分の閉鎖弁として実施することもできる（例えばドイツ特許第１９６３０１６４Ａ１号公報またはドイツ特許第９４１３４９３Ｕ１号公報参照）。これらの解決方式は、スイッチ操作が極めて的確に実施され、また消音器内の通流動作から独立して機能する利点がある。外部制御方式の問題点は、スイッチ要素を主に消音器の外部の排気管上にのみしか取り付けられないことである。気圧方式の付勢要素は、耐熱性の観点から限定的にしか使用できない。さらに別の決定的な問題点は、多数の構成部品を必要とすることであり、すなわち：１．制御系は、磁力弁、減圧タンク、逆止め弁、ならびに接続管網からなる。２．付勢要素は、薄膜、ケース、およびバネから構成される。３．伝達機構が、往復動作を回転動作に変換する。４．閉鎖要素は、軸、軸受け、および密封盤からなる。加えて、例えば気圧システム等の補助エネルギ源が必要とされる。
【０００６】
この問題点を克服するため、自律的方式が提案された。これは、スイッチ操作を制御するために、消音装置内において選択された通流パラメータを使用する。
【０００７】
直接制御されたシステムは、ピストンポンプおよびピストンコンプレッサによって知られている、バルブを液体流によって直接制御する概念を取り入れるものである。従って、調整すべきガス流を直接閉鎖要素を付勢するために使用し；付勢要素と閉鎖要素は同一のものとなる。この関連の従来技術は、特に、ドイツ特許第１９７２９６６６Ａ１号公報、国際特許第９５／１３４６０号公報、ドイツ特許第１９５２０１５７Ａ１号公報、ドイツ特許第１９７２０４１０Ａ１号公報、ドイツ特許第１９５４０７１６Ｃ１号公報、ドイツ特許第１９５０３３２２Ａ１号公報、米国特許第５８２１４７４号公報、米国特許第５８０１３４３号公報、米国特許第５７３９４８３号公報、米国特許第５７２３８２７号公報、米国特許第５７０９２４１号公報、米国特許第５７０８２３７号公報、米国特許第５６１４６９９号公報、米国特許第４９７１１６６号公報、米国特許第４４８４５６９号公報、欧州特許第０９０２１７１Ａ１号公報、ドイツ特許第９２０７８３８．９Ｕ１号公報、ドイツ特許第９４０５７７１．０Ｕ１号公報、ドイツ特許第９４０６２００．５Ｕ１号公報、ドイツ特許第２９８０３１８３Ｕ１号公報に記載されている。復元圧力を形成するために、主にバネ要素（国際特許第９５／１３４６０号公報）および／または磁石（ドイツ特許第１９５２０１５７Ａ１号公報）が使用されている。これらの提案された解決方式は、一般的に安定した動作状態を提供できないという重大な欠点を有する。
【０００８】
平行に延在する流路のうちの１つにおいて閉鎖要素が閉鎖されると、開放された流路の抵抗に応じて比較的大きな圧力低下が発生する。圧力差によって生じる応力が閉鎖要素を閉鎖状態に保持するバネ応力よりも大きい場合、閉鎖要素は第２の流路を開放する。第２の流路がさらに開放されるに従って圧力差が直ちに低下する。開放力は消滅する。圧力に対抗するバネが先に開放された流路を閉鎖するように作用する。この不安定なスイッチ形態は、システムの寿命に悪影響を与える。
【０００９】
全ての構成要素を好適に調整した際において通流状態に応じて中間的な設定を行うことが可能なシステムにおいても、問題点は存在する。外部制御方式のシステムと異なって、スイッチ動作を誘導するために一定の圧力降下が発生することを前提としている。このことは、外部制御方式のシステムに比べて音響効果が劣ることを示唆している。双安定のスイッチ状態は調節することが困難である。音響システムの可変性は限られたものとなる。さらに、前述した解決方式のいくつかは技術的に高コストなものとなる。
【００１０】
ドイツ特許第１９６１９１７３Ｃ１号公報の解決案は、より効果的なものと考えられる。消音器への流入はベンチュリノズルを介して実施される。もっとも小さな断面において圧力降下が生じ、これは接続管網を介して気圧式スイッチ要素の片側に作用する。別の側にはベンチュリノズルの手前の流入路の圧力が作用する。この圧力差が閉鎖要素の開放を推進する。
【００１１】
一方でベンチュリノズル内における圧力降下を生成し他方でベンチュリノズルの前方の流入管内の圧力上昇を生成して閉鎖要素を開放するために流量の全てを利用し、閉鎖要素がまさにこの圧力上昇領域を流路として開放するため、この解決方式は半直接的に作用するシステムに分類すべきである。この分類は、作用機構を精密に分析すればより鮮明なものとなる。ベンチュリノズルの前方の第２の流路を開放することによって総圧力差が解消され、これはベンチュリノズル内において排気ガスを圧力降下を形成するために充分な速度に加速するために必要である。
【００１２】
この解決方式においても前述した不安定性を除外することはできない。さらに、必要な圧力降下を生成するためにベンチュリノズル内において非常に高いガス速度を達成する必要がある。高い速度により当然不要な騒音が発生する。
【００１３】
米国特許第５７４４７６２号公報、米国特許第５７２３８２９号公報、および欧州特許第０７３３７８５Ａ２号公報には間接的な制御を使用する解決方式が記載されている。消音器内における、静的（米国特許第５７２３８２９号）、あるいは動的および静的（米国特許第５７４４７６２号および欧州特許第０７３３７８５号）な圧力上昇は、導管を介して外側にあるピストンに作用し、これはクランク伝達装置を介して絞り弁を付勢する。圧力上昇の増加に伴ってピストンは縦方向に推動され、絞り弁が第２の流路を開放する。この解決方式も非常に高コストなものであるとともに、第２の流路の開放に伴って消音器内の内部圧力も低下し従ってこれが必要な絞り弁の開放に対して逆行するよう作用する。
【００１４】
音響的な性能を保証する技術的解決方式は、非常に高コストなものとなる。これらは大規模な制御系と、交換的に気圧またはバネ支持された付勢要素と、ならびに動作を伝達するための伝達機構とを必要とする。動作要素を統合すると、非常に高コストなものになるか、あるいは不安定な、および／または逆行する通流状態をもたらす。さらに、消音器の構成自由度を限定するものとなる。
【００１５】
従って、冒頭に述べた矛盾を解決し、外部制御方式に匹敵する音響効果を達成するにもかかわらず、少ない部品で低コストかつ軽量に構成することができる、可変の減衰特性を有する消音器が求められている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、外部制御および補助エネルギ源を使用せずにスイッチ要素が動作し、極限られた構造的コストで構成し得るとともに極小さな圧力損失を発生させ、構成部品の配置は逆行作用を発生させるものでなく、双安定の稼動状態を可能にすると同時に音響、幾何および流体技術の周辺条件を満たすための多様な設計可能性を提供し、顧客の要望に応じて１つまたは複数の排気管を備えることができる、可変の減衰特性を有する消音器を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
前記の課題は、本発明に従って請求項１に記載された特徴を有する消音器によって解決される。
【００１８】
本発明においても、減衰特性を変更するために閉鎖要素を使用する。この閉鎖要素は、並行する２つの流路の一方に取り付けられる。閉鎖要素が開放されると、両方の流路が開放され、閉鎖要素が閉鎖されると排気ガスは一方の流路を介して通流する。
【００１９】
ここで、閉鎖要素は、第２の排気管または消音器の内部通流管、特に内部に延在する管あるいは分離壁の開口部に対して取り付けられる。閉鎖要素は、付勢要素によって駆動される。
【００２０】
本発明によれば、付勢要素は流入管の出口断面の領域に配置される。流入管の出口から所定の距離をおいて下流に配置すれば特に好適である。閉鎖要素ならびに付勢要素は、特に共通軸等の伝達系を介して回転可能に相互結合されている。本発明の好適な追加構成において、付勢要素は、特に平面状、曲面状、または角張った板部材の形状を有する。
【００２１】
本発明の動作形態は以下のようなものである。
【００２２】
流入管を通じて分割されていない排気ガス流が通流する。この構成においてのみ排気ガス流はエンジン回転数に対応するものとなる。消音器内の気圧レベルは従属的なものとなる。エンジン回転数が低い場合復元装置が付勢要素を保持し、従って排気ガス流量が小さい際は第１の静止位置に保持される。この状態において閉鎖要素は消音器内の第２の流路、または第２の排気管を閉鎖する。この状態において、消音器は閉鎖要素が開放されている場合よりも良好な減衰特性を有する。排気ガスは妨害されることなく付勢要素を通過し、これを付勢することはなく、またはこれによって大きな影響を受けることもない。
【００２３】
エンジン回転数の上昇に伴って排気ガス流量が増加する。また速度に相関する応力（衝撃力、抵抗力、および揚力）も増加する。
【００２４】
実験によって、音響工学的に移行領域と判断される中間回転数領域が存在することが判明した。この移行範囲においては、閉鎖要素が開放されているかまたは閉鎖されているかは重要なことでない。この移行範囲は、約２５００ｒｐｍのエンジン回転数で始まり約３００ないし５００ｒｐｍにわたって延在する。この範囲の上方においては消音器は閉鎖要素が開放されている場合により良好な減衰特性を有する。
【００２５】
好適にはバネ要素からなる復元要素の荷重は、移行範囲の下方においては付勢要素がその第１の静止位置を保持するよう選択する。バネ変化率は、移行範囲の上方において付勢要素が第２の静止位置を保持し閉鎖要素が第２の流路を開放するように設定することが好適である。
【００２６】
具体的な消音器の構成（エンジンに対応する標準サイズだけでなく自動車低部の幾何学的な空スペースならびに顧客の要望に従ったものである）に応じて、付勢要素に作用する流動力も自由に設定することができる。衝撃力を選択すれば、付勢要素は平面状の板部材として構成することができる。衝撃力を増大したい場合、板部材にそらせ板を付加することができる。このそらせ板は、付勢要素上に所定の距離をもって固定することができる。好適な実施形態においては、シリンダ形状のそらせ板が使用されている。これは付勢要素を包囲している。ガス流は付勢要素の動作に追随する。
【００２７】
別の好適な構成は、空力表面形状を有する付勢要素を備えている。第１の静止位置において付勢要素に抵抗力が作用し、第２のの静止位置においては揚力が作用する。この揚力は、第２の静止位置から所定の距離をおいて翼状に湾曲した板部材または曲折した付勢要素の表面に対して平行に、そらせ板を、付勢要素とそらせ板の間を通流するガスが圧力降下を発生させるとともに付勢要素を第２の静止位置に安定的に保持するよう配置することにより揚力を増大させることができる。付勢要素をタービン、特にペルトンタービンの羽根のように形成することも可能である。これによって衝撃力を効果的に利用することができる。
【００２８】
別の好適な構成において、付勢要素は開口部を備えている。排気ガスは部分的に付勢要素内または付勢要素の周りを通流して抵抗力を形成する。排気流速度の増加に従って、付勢要素が第１の静止位置を離れて第２の停止位置に到達するまで抵抗力が増大する。
【００２９】
主要な流れに付加される圧力変動は、付勢要素の開口部、および／または付勢要素と流入管の流出断面との間の自由な面を、何の影響も受けずに通過する。
【００３０】
本発明に係る解決方式の利点は、元々内燃エンジン固有の動作（律動）によって発生するもの以外の振動が排除されることである。
【００３１】
付勢要素の動作を閉鎖要素の伝達する伝動系は、単純な軸として形成することが好適である。しかしながら、必要に応じて種々の形式の動作伝達方式を構成することができる。従って、付勢要素と閉鎖要素を別々に支承し、歯車またはクランク結合を介して逆方向に駆動することが好適である。
【００３２】
付勢要素、伝動系、好適には共通の軸、閉鎖要素および復元装置からなる集合体は非常に単純に構成されており、少数の可動部品を有しており、軽量であるとともに極めて多様な消音器の構成を可能にする。
【００３３】
【実施例】
次に、本発明の実施例につき、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３４】
図１および図２には、可変の減衰特性を有する消音器の第１の実施例が示されており、これはケース部材１と、開口部２０，２１，２２を有する分離壁２，３と、これらから形成されるチャンバ４，５，６と、流入管７と、排気管８と、内部に延在する管１１と、付勢要素１２と、閉鎖要素１３と、ならびにバネとして形成された復元装置１５とからなる。
【００３５】
排気ガスの流路は以下のようである：
流入路７を介して排気ガスがチャンバ６内に通流する。ここから２つの流路９，１０がチャンバ５を介してチャンバ４へ延在しており、そこから排気管８が延在している。閉鎖要素１３が内部の管１１の開口部２２を閉鎖すると、排気ガスは流路９内のみを分離壁３の開口部２１を介してチャンバ５へ、さらに分離壁２の開口部２０を介してチャンバ４へ通流する。
【００３６】
閉鎖要素１３が内部の管１１の開口部２２を開放すると、排気ガスはさらに流路１０を使用し、チャンバ６からチャンバ５、さらにチャンバ４へ通流することができる。
【００３７】
排気ガスが直接チャンバ４内に流入し得るよう内部の管１１を延長することもできる。このようにして分離壁２の開口部２０によって生成された通流抵抗を回避する。
【００３８】
図１には、閉鎖要素１３を閉じた状態の消音器が示され、図２には開放したものが示されている。
【００３９】
図１ないし図４において、付勢要素１２は平面状の板金からなる板部材として示されており、シリンダ形状のそらせ板２３および側壁２４によって包囲されている。シリンダ状のそらせ板２３および側壁２４はガス流を可動式の板部材１２に対して誘導するよう作用する。
【００４０】
図５に示されたフランジ２５を有する付勢要素１２はフランジ２５が充分な寸法を有する際に作用し、第１の静止位置２６から第２の静止位置２７への移行に際して付勢要素１２の通流断面３０が通流断面３１に拡大される。同時に、付勢要素１２の抵抗も拡大する。
【００４１】
図６には、曲折した板部材として形成された付勢要素１２が示されている。第１の静止位置２６においては、抵抗力のみが付勢要素１２上に作用する。付勢要素１２の静止位置２６からの振れが拡大するに従って追加的に揚力が凸状表面２９に作用し、抵抗力を徐々に解消する。付着系要素２８を設けることによって揚力を増加することができる。付勢要素１２と付着系要素２８との間に生じる圧力低下によって、付勢要素１２がその第２の静止位置２７に保持される。これによって、閉鎖要素と付勢要素とからなるユニットの双安定性の形成が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】排気ガス流量が小さい際における可変の減衰特性を有する消音器を示す断面図である。
【図２】図１の消音器においてより大きなガス流が生じた状態を示す断面図である。
【図３】図１において使用される閉鎖要素、軸、バネ、および付勢要素の配置を示す構成図である。
【図４】シリンダ状に延在するそらせ板を備える付勢要素の構成図である。
【図５】直角に曲縁した付勢要素を示す構成図である。
【図６】曲折した形状の付勢要素および付着形要素を示す構成図である。
【符号の説明】
１ ケース部材
２，３ 分離壁
４，５，６ チャンバ
７ 流入路
８ 排気管
９，１０ 流路
１１ 管
１２ 付勢要素
１３ 閉鎖要素
１５ 復元装置
２０，２１，２２ 開口部
２３ そらせ板
２４ 側壁
２５ フランジ
２６，２７ 静止位置
２８ 付着系要素
２９ 表面
３０，３１ 通流断面

Claims (6)

1. 流入管（７）が入るとともに少なくとも１つの排気管（８）が出ているケース部材（１）を備え、このケース部材は少なくとも１つの分離壁（２，３）によって少なくとも２つの隔室（４，５，６）に分割されており、２つの隔室（５，６）を接続する流路（１０）および／または排気管の通流断面積は調節可能な閉鎖要素（１３）によって変更可能である、特に内燃エンジンの排気ガス等の律動性排気ガスの消音器であり、流入管（７）の排出断面の領域に閉鎖要素（１３）に作用する付勢要素（１２）を備えることを特徴とする消音器において、
   付勢要素（１２）は流入管（７）の排出断面の下流側に配置された律動性のガスが衝突して動かすことが可能な板部材からなり、
   閉鎖要素（１３）は回転可能な絞り弁として形成し、絞り弁と板部材とを軸を介して回転ずれしないよう結合することを特徴とする消音器。
2. 閉鎖要素（１３）に対して通流断面積を縮小する方向に設定された復元圧力を付加する復元装置を備えることを特徴とする請求項１記載の消音器。
3. 板部材は平面状であることを特徴とする請求項１記載の消音器。
4. 板部材は湾曲していることを特徴とする請求項１記載の消音器。
5. 板部材は角形成されていることを特徴とする請求項１記載の消音器。
6. 板部材に固定的な流動誘導要素を付加することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の消音器。

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