JPH05288032A - 内燃機関の排気音消音装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 受動型消音器と能動型消音器とを適宜組合
せ、排気抵抗を抑えながら所定の消音性能を確保し得る
排気音消音装置を提供する。 【構成】 内燃機関の排気管３の出口近傍に装着した圧
力波出力装置４２を駆動し、排気管３からの排気音の圧
力波に対し逆位相の粗密圧力波を出力し、圧力波相互の
打消し作用によって消音制御を行なう能動型消音器４
と、これより上流側の排気管３に配設し、排気管３内の
所定周波数範囲の排気音が減衰する受動型消音器５を備
えている。そして、受動型消音器５は、能動型消音器４
による消音制御時の共振周波数に略合致する周波数の排
気音が減衰する構造を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は内燃機関に装着される排
気音消音装置に関し、特に受動型消音器と能動型消音器
を備えた排気音消音装置に係る。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の排気音消音装置としては、従
来より共鳴型マフラ等の受動型消音器が用いられている
が、消音性能と排気抵抗が背反関係にあり、消音性能を
向上させると排気抵抗が上昇する。従って、所定の消音
性能を確保するために、機関出力及び燃費が犠牲となっ
ている。

【０００３】これに対し、近時、排気抵抗を上昇させる
ことなく消音性能を確保し得る能動型消音器が注目さ
れ、アクティブキャンセルマフラとして知られている。
これは、騒音源の内燃機関に対し騒音流出管たる排気管
にスピーカを設け、制御手段からの所定の制御信号に応
じて、内燃機関からの騒音即ち排気音の圧力波と逆位相
の粗密圧力波をスピーカから出力させ、両圧力波の打ち
消し作用によって消音を行うものであり、例えば実開昭
６３−１１９８１６号、実開昭６３−１１０６１２号公
報等に開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記能動型消音器にお
いては、消音対象は自由空間ではなく排気管から出力さ
れる排気音であるので、前述の圧力波出力装置の粗密圧
力波を排気音の圧力波に混合するための混合部（ミキサ
部）を構成する必要がある。しかし、混合部の存在によ
り、その構造に応じて特定の周波数で共振が生じ、外部
に出力できなくなる。即ち、圧力波出力装置を駆動して
も共振周波数成分は出力できなくなり、従って、共振周
波数を含む所定の周波数範囲の消音性能が低下するのみ
ならず、コントローラの制御が不安定となり、この周波
数範囲以外の周波数においても消音性能が低下すること
となる。

【０００５】更に、上記混合部の共振により特定の周波
数の消音が不能となると、この周波数が高い割合でモニ
タセンサに検出されることになり、この検出結果に応じ
てコントローラが制御されるので、過大な負荷が圧力波
出力装置に加えられることになる。この結果、圧力波出
力装置あるいはコントローラが破損するおそれもある。

【０００６】しかも、能動型消音器は、特に高周波の排
気音に対して、サンプリング周波数、コントローラの処
理速度等が問題となるので、充分な消音性能を確保する
には種々の対策を講ずる必要がありコスト高となってい
た。

【０００７】ところで、空調ダクトや設備用の排気ダク
トに対して能動的な消音を行なうアクティブサイレンサ
が知られている。そして、例えば高周波音には吸音材の
パッシブ型（受動型）で、低周波音にアクティブ型（能
動型）のサイレンサを用いることが提案されている。こ
れを本件分野に適用するとすれば、高周波の排気音に対
しては吸音材を用いることが考えられ、アクティブキャ
ンセルマフラに対し、例えば多孔パイプにグラスウール
等の吸音材を巻装した吸音型サブマフラを付加すること
が考えられる。然し乍ら、このように組合せただけでは
サブマフラの大型化等、新たな問題が生じ、実用に供し
得ない。

【０００８】そこで、本発明は、受動型消音器と能動型
消音器とを適宜組合せ、排気抵抗を抑えながら所定の消
音性能を確保し得る排気音消音装置を提供することを目
的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、内燃機関の排気管の出口近傍に装着した
圧力波出力装置を駆動し、前記排気管からの排気音の圧
力波に対し逆位相の粗密圧力波を出力し、前記圧力波相
互の打消し作用によって消音制御を行なう能動型消音器
と、該能動型消音器に対し上流側の前記排気管に配設
し、前記排気管内の所定周波数範囲の排気音が減衰する
受動型消音器を備え、該受動型消音器は、前記能動型消
音器による消音制御時の共振周波数に略合致する周波数
の排気音が減衰する構造を有するようにしたものであ
る。

【００１０】前記排気音消音装置において、能動型消音
器共鳴周波数が高周波域にある場合には、前記受動型消
音器は、複数の孔を穿設した管体と、該管体を囲繞する
筐体を備えた高周波消音器とするとよい。

【００１１】また、前記排気音消音装置において、能動
型消音器共鳴周波数が低周波域にある場合には、前記受
動型消音器は、前記能動型消音器に対し上流側の前記排
気管に分岐管を設けて成る低周波共鳴型消音器とすると
よい。

【００１２】

【作用】内燃機関が起動し回転すると、各気筒内の爆発
に応じて発生する爆発音は、排気管を含む排気音経路を
介して伝達され排気音即ち圧力波となって排気管から出
力される。この排気音の圧力波のレベルに応じて、能動
型消音器の圧力波出力装置から排気音の圧力波に対して
逆位相の粗密圧力波が出力され混合される。能動型消音
器の出力圧力波と排気音の圧力波との混合部において
は、その構造に応じて消音制御時に所定の周波数で共振
する。本発明においては、この共振周波数に略合致する
周波数の排気音が減衰する構造の受動型消音器が、能動
型消音器の上流側に設けられている。而して、共振周波
数に略合致する周波数の排気音が受動型消音器にて減衰
した後、その他の排気音の圧力波が能動型消音器にて粗
密圧力波によって打ち消され、排気音が消失することと
なる。

【００１３】尚、受動型消音器を高周波消音器とした場
合には、能動型消音器の出力圧力波と排気音の圧力波と
の混合部の構造を、共振周波数が高くなるように調整す
れば、簡単な構成で排気音を消音することができる。あ
るいは、受動型消音器を低周波共鳴型消音器とした場合
には、上記混合部の構造を共振周波数が低くなるように
調整すれば排気音を消音することができる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明に係る排気音消音装置の実施例
を図面を参照して説明する。図１乃至図３は本発明の一
実施例に係り、全体構成を示す図１において内燃機関１
の排気マニホールド２に排気管３が接続されている。従
って、排気音源たる内燃機関１に対し排気マニホールド
２及び排気管３により排気音経路が構成されている。排
気管３の出口近傍には能動型消音器４が配設され、その
上流側に受動型消音器５が配設されている。

【００１５】能動型消音器４は、筐体４０が排気管３の
軸に平行な方向に開口するように装着され、この筐体４
０に粗密圧力波を出力する圧力波出力装置４２が装着さ
れている。筐体４０は有底筒体で、排気管３の軸と同軸
上に配置され、底部で排気管３に支持されると共に、軸
方向中間部に支持板４１が固定されており、この支持板
４１に圧力波出力装置４２が支持されている。

【００１６】圧力波出力装置４２は図２に示すように駆
動装置４２１及び振動板４２２を具備し、振動板４２２
の外周に接合されたエッジを介して支持板４１に支持さ
れ、その背面側は筐体４０に囲繞されている。即ち、圧
力波出力装置４２の駆動装置４２１側は筐体４０に囲繞
され所謂エンクロージャが構成されている。本実施例の
振動板４２２は円錐（コーン）形で、一方の面（内面）
が筐体４０の開口部に露呈するように支持され、その中
央に駆動装置４２１が固着されている。

【００１７】駆動装置４２１は、電気信号を振動板４２
２の機械振動に変換するもので、例えば振動板４２２の
底部に固着した可動コイル（図示せず）と、これに所定
の間隙を隔てて配置した永久磁石及びコア（図示せず）
を備え、可動コイルに交流電圧の駆動信号を供給するこ
とによって振動板４２２を振動させる所謂動電型の装置
が構成されている。あるいは、永久磁石に接続したコア
にコイルを巻回し、このコイルに駆動信号を供給するこ
とによって振動板４２２を振動させる電磁型の装置を構
成することとしてもよい。駆動装置４２１は、これらに
限ることなくスピーカ分野において利用される静電型、
電歪型、磁歪型等の種々の構成を採用することができ、
更には高出力を確保すべく振動板４２２を油圧駆動する
ように構成してもよい。而して、駆動装置４２１によっ
て振動板４２２が振動すると排気音の圧力波と逆位相の
粗密圧力波が出力される。この粗密圧力波は排気音の圧
力波を打ち消すように機能するので、排気音に対し２次
音あるいはキャンセル音と称呼される。

【００１８】上記の構成になる能動型消音器４におい
て、筐体４０の開口端と支持板４１との間の空間が出力
圧力波と排気音の圧力波とが混合する混合部Ｍ（図中に
点描で示す範囲）となり、この部分の軸方向距離（図２
にＬで示す）に応じて両圧力波の共振周波数が変動す
る。即ち、距離Ｌによって定まる空間に応じた特定の周
波数（共振周波数）で、圧力波出力装置４２の出力圧力
波は排気音の圧力波と共振し外部に出力できなくなる。
この共振周波数は混合部Ｍの距離Ｌを短くすれば高周波
となる。而して、距離Ｌは受動型消音器５の対象とする
周波数範囲の周波数と略合致するように設定されてい
る。

【００１９】筐体４０の開口端には、排気管３の排気音
と圧力波出力装置４２からの出力圧力波の合成波の圧力
即ち筐体４０内の残留音を検出し、これに応じた信号を
出力する圧力センサ８が設けられている。この圧力セン
サ８は、その機能からモニタセンサとも呼ばれ、マイク
ロホン等、圧力信号を電気信号に変換する手段であれ
ば、どのような態様であってもよい。更に、図１に示す
ように、内燃機関１の回転に同期した回転信号を出力す
る回転信号検出器９が設けられている。この回転信号検
出器９は、例えば内燃機関１の点火信号、クランク軸に
設けられたクランク角センサ（図示せず）の出力信号、
気筒内圧力変動に応じた信号等、内燃機関１の回転に同
期した回転信号を検出するものである。上記圧力センサ
８及び回転信号検出器９の出力信号はコントローラ６に
入力され、ここで後述するように適応制御が行なわれ圧
力波出力装置４２が駆動される。

【００２０】一方、受動型消音器５として、本実施例で
は図１に示すように複数の孔が穿設された多孔管５０
と、これを囲繞する筐体５１を備えた高周波消音器が排
気管３に配設されている。これは高周波の排気音を減衰
させる機能を有するマフラとして知られている。また、
高周波の排気音を減衰させる受動型消音器５としては、
多孔管にグラスウール等の吸音材を巻装した吸音型消音
器を用いることとしてもよく、何れも排気管３のみの場
合に比し殆ど排気抵抗が上昇することはない。そして、
受動型消音器５が消音対象とする周波数範囲は、前述の
ように能動型消音器４の共振周波数と略合致する周波数
となっている。

【００２１】図４はコントローラ６の構成を示すもの
で、適応ディジタルフィルタ１０を備えている。この適
応ディジタルフィルタ１０はアダプティブディジタルフ
ィルタ（ＡＤＦ）と呼ばれ、制御系に影響を及ぼす情報
を検知し、その変化に応じて自らの制御特性を自動的に
変えて、負荷の変化に拘らず最適な状態とする適応制御
を実行するものである。

【００２２】図４に示すように、回転信号検出器９の出
力信号が適応ディジタルフィルタ１０に入力すると共
に、圧力センサ８の出力信号が入力アンプ１１を介して
増幅され、アンチエリアシングフィルタ１２にて折り返
し雑音即ちエリアシングノイズが阻止された後、Ａ／Ｄ
コンバータ１３によりディジタル信号に変換されて適応
ディジタルフィルタ１０に入力するように構成されてい
る。そして、適応ディジタルフィルタ１０の出力ディジ
タル信号はＤ／Ａコンバータ１４によりアナログ信号に
変換され、スムージングフィルタ１５にて平滑化された
後パワーアンプ１６を介して増幅され、圧力波出力装置
４２に駆動信号として供給されるように構成されてい
る。

【００２３】適応ディジタルフィルタ１０はディジタル
フィルタ１０ｆを有し、これを構成する乗算器係数を逐
次制御するための適応アルゴリズム１０ａが構成されて
おり、ディジタルフィルタ１０ｆの伝達関数が排気マニ
ホールド２及び排気管３の排気音経路の伝達関数に対し
同定するように、各係数が適応アルゴリズム１０ａを介
して設定される。尚、ディジタルフィルタの伝達関数が
未知系の伝達関数に等しくなり予測誤差が零となるよう
に前者の伝達関数を調整することを「未知系を同定す
る」という。

【００２４】上記適応ディジタルフィルタ１０は乗算
器、加算器などを用いて集積回路化することにより実現
できるが、本実施例ではディジタルシグナルプロセッサ
（図示せず）、メモリ（図示せず）、回転信号検出器
９、Ａ／Ｄコンバータ１３及びＤ／Ａコンバータ１４に
よって実現することとしており、プログラムの変更によ
り容易にフィルタ機能を変更し得る。

【００２５】次に、本実施例の排気音消音装置の作動を
説明する。内燃機関１が起動し回転すると、各気筒内の
爆発に応じて発生する爆発音は排気マニホールド２及び
排気管３の排気音経路を介して伝達され排気音が形成さ
れる。この間に、受動型消音器５にて、高周波成分即ち
能動型消音器４の出力圧力波と排気音の圧力波の共振周
波数に略合致する周波数の排気音が減衰され、その他の
周波数の排気音が能動型消音器４の筐体４０内に放出さ
れる。

【００２６】能動型消音器４においては、内燃機関１の
回転に同期した回転信号が回転信号検出器９から適応デ
ィジタルフィルタ１０に入力する。この回転信号に応じ
て適応ディジタルフィルタ１０にて後述するように処理
され、ディジタル信号が出力される。そして、出力ディ
ジタル信号はＤ／Ａコンバータ１４を介してアナログ信
号に変換され、スムージングフィルタ１５で平滑化され
た後パワーアンプ１６にて増幅され、圧力波出力装置４
２が駆動される。

【００２７】即ち、圧力波出力装置４２の駆動装置４２
１に駆動信号が供給されると、これに応じて振動板４２
２が駆動されて所定の周波数で振動し、筐体４０内に粗
密圧力波が出力される。而して、混合部Ｍにてこの粗密
圧力波と排気管３からの排気音の圧力波が相互に打ち消
されるように合成される。この合成波の圧力即ち残留音
は圧力センサ８によって検出され、入力アンプ１１を介
して増幅され、アンチエリアシングフィルタ１２を経て
Ａ／Ｄコンバータ１３にてディジタル信号に変換された
後適応ディジタルフィルタ１０にエラー信号として入力
する。そして、適応アルゴリズム１０ａにより、ディジ
タルフィルタ１０ｆの伝達関数が排気マニホールド２及
び排気管３の排気音経路の伝達関数と同定するように係
数が更新される。

【００２８】上記作動に関し、圧力波出力装置４２の出
力圧力波は排気音の圧力波と共振を生ずることなく適切
に合成され、排気音は確実に消音される。このように、
高周波消音器の受動型消音器５を排気管３に配設するこ
とにより、能動型消音器４における高周波の共振を防止
することができるので、能動型消音器４を安価に構成す
ることができる。

【００２９】図５は本発明の一実施例における能動型消
音器の他の実施例に係り、圧力波出力装置４２を二個備
えた能動型消音器４ａを示すもので、これも支持板４１
ａと筐体４０ａの開口端との間の混合部Ｍで共振が生
じ、この間の軸方向距離Ｌを短くすれば共振周波数が高
くなる。尚、その他の構成については図２の実施例と実
質的に同じである。

【００３０】図６は本発明の一実施例における能動型消
音器の更に他の実施例を示すもので、圧力波出力装置４
２が排気管３の軸に対し直交する方向に粗密圧力波を出
力するように配設されている。本実施例の能動型消音器
４ｂにおいては、圧力波出力装置４２の軸即ち振動板４
２２の中心と排気管３の開口端との間の混合部Ｍで共振
が生ずる。従って、この間の軸方向距離Ｗを短くするこ
とにより共振周波数を高くすることができる。

【００３１】図７は本発明の排気音消音装置の他の実施
例を示すもので、能動型消音器４ｄは前述の実施例と同
様の構成であるが、特に共振周波数を高くすることなく
（即ち、前述の距離Ｌを短くすることなく）、図１１乃
至図１４に示すように、共振が生ずる混合部Ｍの容量が
大きい（空間が広い）場合の対応に係るものである。即
ち、本実施例においては図７に示すように受動型消音器
として低周波共鳴型消音器のサイドブランチマフラ５ａ
が用いられている。尚、その他の構成は前述の実施例と
実質的に同じであるので説明を省略する。

【００３２】図７のサイドブランチマフラ５ａは、図８
に拡大して示したように先端を閉塞した分岐管５０ａを
排気管３に接合したものである。更に、サイドブランチ
マフラ５ｂとして、図９に示すように開口端を有する分
岐管５０ｂを排気管３に接合すると共に、これを筐体５
１ｂで囲繞したもの、あるいは図１０に示すサイドブラ
ンチマフラ５ｃのように、閉空間を有する筐体５０ｃを
連通管５１ｃを介して排気管３に接合したもの等があ
る。何れも、図７に示すような混合部Ｍの容量が大きい
能動型消音器４ｄ（図１１乃至図１４に他の具体例を示
す）を配設した場合において、能動型消音器４ｄによる
共振周波数と略合致する周波数の排気音が減衰するよう
に構成されている。

【００３３】而して、図７の実施例によれば、能動型消
音器４ｄの軸方向寸法を短くするというように形態に変
更を加える必要はなく、能動型消音器４ｄの形態はその
ままで前述の共振に対応することができる。尚、能動型
消音器４ｄの出力圧力波によって高周波でも共振が生ず
る場合には、更に図１に示す高周波対応の受動型消音器
５を付設することとしてもよい。

【００３４】図１１乃至図１４は、図７の実施例に供さ
れる能動型消音器４ｄの別の実施例を示すものである。
何れの実施例においても混合部Ｍの容量が大であり、図
１の実施例の共振周波数より低くなる。この場合には、
図７に示すように低周波共鳴型のサイドブランチマフラ
５ａ等を配設することによって排気音を確実に消音する
ことができる。即ち、図１１乃至図１４に示す能動型消
音器４ｃ乃至４ｆの形態に応じて、受動型消音器として
図８乃至図１０の何れかの形態のサイドブランチマフラ
５ａ乃至５ｃが選択され、共振周波数に応じて各緒元が
設定される。尚、これらの実施例においても実質的に同
一の部材については同一の符号を付している。

【００３５】

【発明の効果】本発明は上述のように構成されているの
で以下に記載する効果を奏する。即ち、本発明の内燃機
関の排気音消音装置においては、能動型消音器の出力圧
力波と排気音の圧力波との混合部の構造に応じて共振す
るが、受動型消音器が能動型消音器の上流側に設けられ
ており、受動型消音器は共振周波数に略合致する周波数
の排気音が減衰するように構成されているので、共振周
波数に略合致する周波数の排気音は受動型消音器にて減
衰すると共に、その他の排気音の圧力波が能動型消音器
にて粗密圧力波によって打ち消される。而して、排気音
を確実に消音することができる。

【００３６】前記排気音消音装置において、受動型消音
器を高周波消音器とした場合には、能動型消音器の出力
圧力波と排気音の圧力波とを混合する混合部の構造を、
共振周波数が高くなるように調整すれば、簡単且つ安価
に製造し得る構成で排気音を消音することができる。ま
た、受動型消音器を低周波共鳴型消音器とした場合に
は、上記混合部の構造を特に調整しなくとも、受動型消
音器によって低周波の共振周波数に略合致する周波数の
排気音を減衰させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の排気音消音装置の一実施例の構成図で
ある。

【図２】本発明の排気音消音装置の一実施例における能
動型消音器の断面図である。

【図３】本発明の排気音消音装置の一実施例における能
動型消音器の側面図である。

【図４】本発明の一実施例に係る排気音消音装置のブロ
ック図である。

【図５】本発明の排気音消音装置の一実施例における能
動型消音器の他の実施例の断面図である。

【図６】本発明の排気音消音装置の一実施例における能
動型消音器の更に他の実施例の断面図である。

【図７】本発明の排気音消音装置の他の実施例の構成図
である。

【図８】本発明の排気音消音装置の他の実施例における
受動型消音器の一実施例の断面図である。

【図９】本発明の排気音消音装置の他の実施例における
受動型消音器の他の実施例の断面図である。

【図１０】本発明の排気音消音装置の他の実施例におけ
る受動型消音器の更に他の実施例の断面図である。

【図１１】本発明の排気音消音装置の他の実施例におけ
る能動型消音器の他の実施例の断面図である。

【図１２】本発明の排気音消音装置の他の実施例におけ
る能動型消音器の更に他の実施例の断面図である。

【図１３】本発明の排気音消音装置の他の実施例におけ
る能動型消音器の更に他の実施例の断面図である。

【図１４】本発明の排気音消音装置の他の実施例におけ
る能動型消音器の更に他の実施例の断面図である。

【符号の説明】

１ 内燃機関 ２ 排気マニホールド ３ 排気管 ４ 能動型消音器 ５ 受動型消音器 ６ コントローラ ８ 圧力センサ ９ 回転信号検出器 １０ 適応ディジタルフィルタ ４０ 筐体 ４１ 支持板 ４２ 圧力波出力装置 ４２１ 駆動装置 ４２２ 振動板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関の排気管の出口近傍に装着した
   圧力波出力装置を駆動し、前記排気管からの排気音の圧
   力波に対し逆位相の粗密圧力波を出力し、前記圧力波相
   互の打消し作用によって消音制御を行なう能動型消音器
   と、該能動型消音器に対し上流側の前記排気管に配設
   し、前記排気管内の所定周波数範囲の排気音が減衰する
   受動型消音器を備え、該受動型消音器は、前記能動型消
   音器による消音制御時の共振周波数に略合致する周波数
   の排気音が減衰する構造を有することを特徴とする内燃
   機関の排気音消音装置。
2. 【請求項２】 前記受動型消音器は、複数の孔を穿設し
   た管体と、該管体を囲繞する筐体を備えた高周波消音器
   であることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気
   音消音装置。
3. 【請求項３】 前記受動型消音器は、前記能動型消音器
   に対し上流側の前記排気管に分岐管を設けて成る低周波
   共鳴型消音器であることを特徴とする請求項１記載の内
   燃機関の排気音消音装置。