JP6871285B2 - テールパイプ - Google Patents

Description

本開示は、テールパイプに関する。

内燃機関の排気システムにおいて、排気効率を高めるために、排気口に向かって拡径すると共に、周壁に凹凸溝が螺旋状に形成されたテールパイプが知られている（特許文献１参照）。

このテールパイプでは、凹凸溝によって排気流にひねりが加えられることで、排気流の流速が高まる。その結果、排気効率が向上する。

実用新案登録第３０２１１６５号

排気システムのテールパイプにおいては、排気ガスを大気に放出する際の気流によって騒音が発生する。上述のテールパイプでは、上述した作用によって排気効率は向上するが、騒音の低減効果は期待できない。

本開示の一局面は、排出口における消音効果が得られるテールパイプを提供することを目的としている。

本開示の一態様は、排気ガスが排出される排出口を有する内管と、内管の外周面を囲むことで内管との間に空隙が設けられるように配置されると共に、排気ガスの流れ方向における上流端が閉塞された外管と、内管の内部と空隙とを連通する少なくとも１つの連通孔と、を備えるテールパイプである。

このような構成によれば、内管の内部と連通した外管の内側の空隙が共鳴室として機能する。その結果、この空隙における共鳴効果によって、排出口における消音効果が得られる。

本開示の一態様では、内管は、排出口に向かって拡径する拡径部を有してもよい。このような構成によれば、拡径部によって排気ガスの流速が低減される。その結果、排気ガスが大気に対し短時間で均一に混合しやすくなるため、気流騒音が低減される。

本開示の一態様では、拡径部は、第１テーパ角を有する緩拡径部と、第１テーパ角よりも角度が大きい第２テーパ角を有する急拡径部と、を有してもよい。このような構成によれば、急拡径部と緩拡径部とによって、テールパイプの円周方向において排気ガスの流速が変化する。すなわち、緩拡径部に沿って排出される排気ガスは、急拡径部に沿って排出される排気ガスよりも径方向外側に広がりやすい。そのため、排出口から排出される排気ガスの流速分布は、緩拡径部に沿った箇所が長径方向となる楕円形状になる。そのため、排気ガスが大気と接触する面積が増し、排気ガスが大気に対し短時間で均一に混合しやすくなる。その結果、気流騒音の低減が促進される。

本開示の一態様では、少なくとも１つの連通孔は、急拡径部に配置されてもよい。このような構成によれば、排気ガスが連通孔のエッジ部分に当たりにくくなり、排気ガスの内管の内周面からの剥離が低減される。そのため、内管の内周面において排気ガスの乱流が生じにくくなり、連通孔を排気ガスが通過する際に発生する気流音（つまり笛吹き音）が抑制される。

本開示の一態様では、少なくとも１つの連通孔は、排気ガスの流れ方向に沿って、内管の周方向における幅が変化してもよい。このような構成によれば、周方向における幅が変化していない連通孔に比べて、排気ガスが連通孔のエッジ部分に当たる面積が減少する。その結果、排気ガスの内管の内周面からの剥離が低減されるため、連通孔における気流音の発生が抑制される。

本開示の一態様では、外管の排気ガスの流れ方向における下流端は、閉塞されていてもよい。このような構成によれば、外管の内側の空隙が密閉空間となることで、ヘルムホルツ共鳴器が形成される。そのため、排出口における消音効果が向上する。

本開示の一態様では、外管の排気ガスの流れ方向における下流端は、空隙と外管の外部とを連通するように開口していてもよい。このような構成によれば、内管から排出される速い流れの排気ガスの外側を外管から排出される遅い流れの排気ガスが覆い、さらにその外側に大気が存在することで、外側の排気ガスの流速が段階的に低下し、乱流が生じにくくなる。その結果、乱流による気流音の発生を低減できる。

図１Ａは、実施形態のテールパイプの模式的な平面図であり、図１Ｂは、図１Ａのテールパイプの模式的な側面図である。 図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線での模式的な部分断面図である。 図３は、連通孔の形状の一例を示す模式図である。 図４は、図１とは異なる実施形態のテールパイプの模式的な部分断面図である。 図５は、図１及び図４とは異なる実施形態のテールパイプの模式的な平面図である。 図６は、図１、図４及び図５とは異なる実施形態のテールパイプの模式的な平面図である。

以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［１−１．構成］
図１Ａ，１Ｂに示すテールパイプ１は、内燃機関の排気ガス流路の末端に設けられる。テールパイプ１は、内燃機関から排出された排気ガスを大気中に排出する。テールパイプ１は、内管２と、外管３と、複数の連通孔４Ａ，４Ｂとを備える。

テールパイプ１が適用される内燃機関としては、特に限定されないが、自動車、鉄道、船舶、建機等の輸送機器、発電施設などで駆動用又は発電用として用いられるものが挙げられる。

＜内管＞
内管２は、内部を排気ガスＧが通過する金属製のパイプである。内管２は、排気ガスＧが供給される供給口２１と、内管２の内部を通過した排気ガスＧが排出される排出口２２と、排出口２２に向かって拡径する拡径部２３とを有する。

拡径部２３は、第１テーパ角を有する緩拡径部２４と、第１テーパ角よりも角度が大きい第２テーパ角を有する２つの急拡径部２５Ａ，２５Ｂとを有する。なお、拡径部２３は、１つ又は３つ以上の急拡径部を有してもよい。第１テーパ角及び第２テーパ角は、それぞれ、緩拡径部２４又は急拡径部２５Ａ，２５Ｂの表面と、内管２の中心軸とのなす角度である。第１テーパ角は鋭角である。第２テーパ角は鋭角又は直角であり、鋭角であることが好ましい。

緩拡径部２４は、後述する外管３に覆われた領域内で、一定の第１テーパ角で拡径する部位である。なお、緩拡径部２４は、排出口２２に向かって徐々に曲がり具合が大きくなる形状、例えばフレア形状としてもよい。緩拡径部２４は、内管２の周方向のうち、後述する急拡径部２５Ａ，２５Ｂ及びストレート部２６Ａ，２６Ｂが形成されていない領域全体に設けられている。

急拡径部２５Ａ，２５Ｂは、内管２の周方向の一部に配置されている。急拡径部２５Ａ，２５Ｂは、内管２の軸方向において緩拡径部２４と重っていない。つまり、急拡径部２５Ａ，２５Ｂの上流側及び下流側には緩拡径部２４は形成されていない。

本実施形態では、急拡径部２５Ａ，２５Ｂは、内管２の周方向において緩拡径部２４と重なる位置に配置されている。また、急拡径部２５Ａ，２５Ｂは、上流端（つまり、拡径の開始端）が緩拡径部２４の上流端と重なるように配置されている。

急拡径部２５Ａ，２５Ｂの下流側には、内径が一定のストレート部２６Ａ，２６Ｂがそれぞれ設けられている。ストレート部２６Ａ，２６Ｂの内管２の周方向における幅は、排出口２２に向かって徐々に小さくなっている。なお、ストレート部２６Ａ，２６Ｂの内管２の周方向における幅は、一定であってもよい。

本実施形態では、急拡径部２５Ａ，２５Ｂは、内管２の径方向に対向する位置（つまり、内管２の周方向に１８０°周回した位置）に配置されている。ただし、急拡径部２５Ａ，２５Ｂは、必ずしもこのような相対位置に配置されなくてもよい。

＜外管＞
外管３は、内管２の外周面を囲うように内管２の外側に配置された金属製のパイプである。

外管３の内径は、内管２の外径よりも大きい。外管３の上流端３１を除く部分の内径は、内管２の拡径部２３を除く部分（つまり、外径が一定の部分）における外径の１．１５倍以上１．５倍以下とするとよい。

図２に示すように、外管３は、内管２の外周面を囲むことで内管２との間に空隙Ｓが設けられるように配置されている。外管３は、排気ガスＧの流れ方向における上流端３１及び下流端３２の両方が閉塞されている。

具体的には、外管３の上流端３１は、軸方向外側に向かって縮径している。上流端３１は、内管２の拡径部２３よりも上流側の部分に、例えば溶接によって周方向全体で固定されている。

一方、外管３の下流端３２は、内管２の緩拡径部２４及びストレート部２６Ａ，２６Ｂの下流端（つまり、排出口２２を形成する端部）に、例えば溶接によって周方向全体で固定されている。また、外管３は、内管２のストレート部２６Ａ，２６Ｂの外周面と当接している。外管３のうち上流端３１を除いた部分は、直径が一定である。

外管３の軸方向と垂直な断面形状は、真円でなくてもよい。また、本実施形態では、外管３の下流端３２における開口は、内管２の排出口２２と内管２の軸方向において同じ位置にある。ただし、外管３の下流端３２における開口は、内管２の排出口２２よりも内管２の軸方向外側に位置してもよい。つまり、外管３は、内管２よりも軸方向外側に突出していてもよい。

なお、意匠性の観点から、内管２の排出口２２及び外管３の下流端３２における開口は、内管２の径方向に対して傾斜していてもよい。つまり、内管２及び外管３の下流端は、内管２の中心軸に垂直な面に対して傾斜したカット面を有してもよい。

＜連通孔＞
複数の連通孔４Ａ，４Ｂは、それぞれ、内管２の内部と空隙Ｓとを連通している。本実施形態では、２つの急拡径部２５Ａ，２５Ｂに１つずつ連通孔４Ａ，４Ｂが配置されている。ただし、狙った周波数の消音効果が得られる範囲で、複数の連通孔が急拡径部２５Ａ，２５Ｂにそれぞれ設けられてもよい。

また、本実施形態では、内管２のうち急拡径部２５Ａ，２５Ｂ以外の部分には連通孔４Ａ，４Ｂは設けられていない。

連通孔４Ａ，４Ｂの形状は、図示された真円のほか、楕円、多角形等としてもよい。また、連通孔４Ａ，４Ｂは、排気ガスＧの流れ方向に沿って、内管２の周方向における幅が変化するとよい。これにより、周方向における幅が変化していない連通孔４Ａ，４Ｂに比べて、排気ガスＧが連通孔４Ａ，４Ｂのエッジ部分に当たる面積が減少する。その結果、排気ガスＧの内管２の内周面からの剥離が低減されるため、連通孔４Ａ，４Ｂにおける気流音の発生が抑制される。このような形状としては、例えば、図３に示される涙滴形のほか、ひし形、楕円形等が挙げられる。

連通孔４Ａ，４Ｂは、内管２の内側又は外側に突出したフランジ又はルーバーを有してもよい。つまり、連通孔４Ａ，４Ｂは、バーリング、切り起こし等の手段によって穿設されてもよい。連通孔４Ａ，４Ｂの大きさは、適宜設計可能である。

［１−２．作用］
テールパイプ１において、内管２の排出口２２の近傍において、連通孔４Ａ，４Ｂによって内管２の内部と連通した空隙Ｓが共鳴室を構成する。これにより、排出口２２における消音効果が得られる。

また、拡径部２３によって排気ガスＧの流速が低減されると同時に、緩拡径部２４と急拡径部２５Ａ，２５Ｂとによって、内管２の周方向に流速の異なる排気ガスＧの流れの層が形成される。

これらの流れの層によって、排出口２２から大気中に排出される排気ガスＧと、大気との同化及び混合が比較的速やかに行われる。そのため、排出口２２において、乱流や渦の発生が抑制される。

［１−３．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）内管２の内部と連通した外管３の内側の空隙Ｓが共鳴室として機能する。その結果、この空隙Ｓにおける共鳴効果によって、排出口２２における消音効果が得られる。

（１ｂ）内管２に設けられた拡径部２３によって、排気ガスＧの流速が低減される。その結果、排気ガスＧが大気に対し短時間で均一に混合しやすくなるため、気流騒音が低減される。

（１ｃ）急拡径部２５Ａ，２５Ｂと緩拡径部２４とによって、テールパイプ１の円周方向において排気ガスＧの流速が変化する。すなわち、緩拡径部２４に沿って排出される排気ガスＧは、急拡径部２５Ａ，２５Ｂに沿って排出される排気ガスＧよりも径方向外側に広がりやすい。そのため、排出口２２から排出される排気ガスＧの流速分布は、緩拡径部２４に沿った箇所が長径方向となる楕円形状になる。そのため、排気ガスＧが大気と接触する面積が増し、排気ガスＧが大気に対し短時間で均一に混合しやすくなる。その結果、気流騒音の低減が促進される。

（１ｄ）連通孔４Ａ，４Ｂが急拡径部２５Ａ，２５Ｂに設けられることで、排気ガスＧが連通孔４Ａ，４Ｂのエッジ部分に当たりにくくなり、排気ガスＧの内管２の内周面からの剥離が低減される。そのため、内管２の内周面において排気ガスＧの乱流が生じにくくなり、連通孔４Ａ，４Ｂを排気ガスＧが通過する際に発生する気流音（つまり笛吹き音）が抑制される。

（１ｅ）外管３の下流端３２の閉塞によって外管３の内側の空隙Ｓが密閉空間となることで、ヘルムホルツ共鳴器が形成される。そのため、排出口２２における消音効果が向上する。

［２．第２実施形態］
［２−１．構成］
図４に示すテールパイプ１Ａは、内管２と、外管３Ａと、複数の連通孔４Ａ，４Ｂとを備える。内管２及び連通孔４Ａ，４Ｂは、図１のテールパイプ１と同じものである。

外管３Ａは、下流端３２Ａの構成を除いて、図１のテールパイプ１の外管３と同じものである。外管３Ａでは、排気ガスＧの流れ方向における上流端３１Ａが閉塞される一方で、下流端３２Ａが閉塞されずに開口している。

具体的には、外管３Ａの下流端３２Ａは、空隙Ｓと外管３Ａの外部とを連通する開口３３Ａを有している。したがって、本実施形態の空隙Ｓは、密閉されておらず、大気に開放されている。外管３Ａのうち上流端３１Ａ以外の部分は、内管２から離間している。

本実施形態では、外管３Ａの下流端３２Ａにおける開口３３Ａは、内管２の排出口２２よりも内管２の軸方向外側に位置している。つまり、外管３Ａは、内管２よりも軸方向外側に突出している。これにより、排出口２２から排出される排気ガスＧが開口３３Ａで膨張するため、開口３３Ａから排出される排気ガスＧの速度をより低減することができる。ただし、外管３Ａの開口３３Ａは、内管２の排出口２２と内管２の軸方向において同じ位置にあってもよい。

内管２の拡径部２３と外管３Ａとの内管２の径方向における最小距離（つまり、排出口２２における空隙Ｓの厚み）Ｄは、空隙Ｓが排気ガスＧの共鳴室として機能する大きさに設計される。

［２−２．作用］
テールパイプ１Ａでは、排気ガスＧが空隙Ｓを通過して外管３Ａの開口３３Ａから排出される。そのため、内管２の径方向に流速の異なる排気ガスＧの流れの層が形成される。

さらに、テールパイプ１Ａでは、外管３Ａの開口３３Ａから排出される外側の排気ガスＧの流れによって、内管２の排出口２２から排出される中心側の排気ガスＧの速度が低減される。

［２−３．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（２ａ）内管２から排出される速い流れの排気ガスＧの外側を外管３から排出される遅い流れの排気ガスＧが覆い、さらにその外側に大気が存在することで、外側の排気ガスＧの流速が段階的に低下し、乱流が生じにくくなる。その結果、乱流による気流音の発生を低減できる。

［３．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

（３ａ）上記実施形態のテールパイプにおいて、急拡径部２５Ａ，２５Ｂは、必ずしも内管２の周方向において緩拡径部２４と重ならなくてもよい。例えば、図５に示すように、急拡径部２５Ａは、緩拡径部２４よりも上流側に配置されてもよい。これにより、拡径部２３による排気ガスＧの拡がりが助長され、排気ガスＧが大気に対し短時間で均一に混合しやすくなる。

（３ｂ）上記実施形態のテールパイプにおいて、連通孔４Ａ，４Ｂは、必ずしも急拡径部２５Ａ，２５Ｂに配置されなくてもよい。例えば、図６に示すように、複数の連通孔４Ｃが緩拡径部２４に配置されてもよい。また、連通孔は、緩拡径部と急拡径部との双方に配置されてもよい。

（３ｃ）上記実施形態のテールパイプにおいて、拡径部２３は、必ずしも緩拡径部２４と急拡径部２５Ａ，２５Ｂとを有しなくてもよい。拡径部２３は、緩拡径部２４のみを有してもよい。さらに、内管２は、必ずしも拡径部２３を有しなくてもよい。

（３ｄ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

１，１Ａ…テールパイプ、２…内管、３，３Ａ…外管、４Ａ，４Ｂ，４Ｃ…連通孔、
２１…供給口、２２…排出口、２３…拡径部、２４…緩拡径部、
２５Ａ，２５Ｂ…急拡径部、２６Ａ，２６Ｂ…ストレート部、３１，３１Ａ…上流端、
３２，３２Ａ…下流端、３３Ａ…開口。

Claims (8)

1. 排気ガスが排出される排出口を有する内管と、
   前記内管の外周面を囲むことで前記内管との間に空隙が設けられるように配置されると共に、前記排気ガスの流れ方向における上流端が閉塞された外管と、
   前記内管の内部と前記空隙とを連通する少なくとも１つの連通孔と、
   を備え、
   前記内管は、前記排出口に向かって拡径する拡径部を有し、
   前記拡径部は、
   第１テーパ角を有する緩拡径部と、
   前記第１テーパ角よりも角度が大きい第２テーパ角を有する急拡径部と、
   を有し、
   前記急拡径部は、前記内管の周方向における一部に配置される、テールパイプ。
2. 請求項１に記載のテールパイプであって、
   前記少なくとも１つの連通孔は、前記急拡径部に配置される、テールパイプ。
3. 請求項１又は請求項２に記載のテールパイプであって、
   前記少なくとも１つの連通孔は、前記排気ガスの流れ方向に沿って、前記内管の周方向における幅が変化する、テールパイプ。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のテールパイプであって、
   前記外管の前記排気ガスの流れ方向における下流端は、閉塞されている、テールパイプ。
5. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のテールパイプであって、
   前記外管の前記排気ガスの流れ方向における下流端は、前記空隙と前記外管の外部とを連通するように開口している、テールパイプ。
6. 請求項２に記載のテールパイプであって、
   前記少なくとも１つの連通孔は、前記急拡径部のみに配置される、テールパイプ。
7. 請求項５に記載のテールパイプであって、
   前記外管の前記下流端は、前記内管よりも軸方向外側に位置する、テールパイプ。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のテールパイプであって、
   前記急拡径部は、前記内管の周方向において前記緩拡径部と重なる位置に配置される、テールパイプ。

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