JPH0636260Y2

JPH0636260Y2 - 可変マフラ

Info

Publication number: JPH0636260Y2
Application number: JP1312689U
Authority: JP
Inventors: 恒司伊藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1989-02-08
Filing date: 1989-02-08
Publication date: 1994-09-21
Anticipated expiration: 2004-02-08
Also published as: JPH02105508U

Description

【考案の詳細な説明】［産業上の利用分野］本考案は、自動車用エンジンからの排気系に設けられる
マフラに関し、とくに消音対象となる音とチューニング
周波数を変更可能な可変マフラに関する。

［従来の技術］従来から、拡張室と共鳴室とを備えたマフラはよく知ら
れているが、この種のマフラにおける共鳴周波数は、一
般に次式で表わされる。

ここで、：共鳴周波数 c:音速 S:拡張室と共鳴室とを連通する共鳴パイプの実効断面積 l:共鳴パイプの長さ V:共鳴室の容積である。そして、上記共鳴周波数およびその近傍の排気
音が効率よく消音される。

また、この種のマフラにおいては、たとえば特開昭60-1
9907号公報に示されるように、共鳴パイプの長さをスラ
イドチューブ構造等で可変としてチューニング周波数を
可変としたり、共鳴室から外部に連通するパイプを設け
該パイプに開閉弁を設けて、該開閉弁開時に共鳴室に拡
張室と同等の働きをさせるようにした、可変マフラの構
造も知られている。

［考案が解決しようとする課題］ところが、特開昭60-19907号公報開示のような構造にお
いては、共鳴パイプ長を変えるスライドチューブ駆動
用、共鳴室から外部への連通パイプに設けられた開閉弁
駆動用に、それぞれ別個のアクチュエータが必要とな
り、その分装置コストが高くなるという問題がある。

また、共鳴室の容積一定でスライドチューブにより共鳴
パイプの長さを変えて共鳴周波数を変更する方式である
ので、共鳴周波数の高低により消音量（消音効果）に差
が出る。つまり、前述の（１）式において、一般に、Ｖ
の大きい方が消音効果が高いが、ｌの変更のみで共鳴周
波数を変えるには限度があるため、高共鳴周波数への変
更を考慮すると、共鳴室の容積Ｖは、それ程大きくは設
定できない。共鳴室の容積Ｖをある程度小さく設定して
おくと、高共鳴周波数への設定は容易に行えるが、低い
共鳴周波数に設定変更した場合、共鳴室容積Ｖが望まし
い容積よりも小さくなり、その分消音量が小さくなる。
逆に共鳴室容積Ｖを大きく設定しておくと、低共鳴周波
数設定時の消音効果は良いが、共鳴パイプ長のみで、有
効に高共鳴周波数に設定変更することが困難になる。

本考案は、上記の如き問題点に着目し、一つのアクチュ
エータで２つの共鳴周波数可変可能要素を駆動できるよ
うにするとともに、共鳴周波数の高低の変更に伴い共鳴
室の容積自身も実質的に変更できるようにして、広い周
波数域で良好な消音効果が得られるようにすることを目
的とする。

［課題を解決するための手段］この目的に沿う本考案の可変マフラは、少なくとも一つ
の拡張室および共鳴室を有し、該拡張室と共鳴室とを連
通する共鳴パイプを複数設けるとともに少なくともその
一つに開閉弁を設け、前記拡張室から外部に連通する第
１のアウトレットパイプと、前記共鳴室から外部に連通
し内部に開閉弁を有する第２のアウトレットパイプとを
設け、前記開閉弁を有する共鳴パイプおよび第２のアウ
トレットパイプの少なくとも開閉弁設置部を並設し、該
両パイプの開閉弁に、両開閉弁を回動させることにより
両開閉弁を開閉駆動可能な一つの駆動機構を接続すると
ともに、該駆動機構に、該駆動機構の初期作動時に第２
のアウトレットパイプの開閉弁を共鳴パイプの開閉弁に
対し90度位相を遅らせる位相遅れ機構を設けたものから
成る。

［作用］このような可変マフラにおいては、複数の共鳴パイプの
うち開閉弁を有する共鳴パイプの開閉弁を開閉するとに
より、実質的に共鳴パイプの断面積を変えることがで
き、それによって共鳴周波数を変更できる。また、第２
のアウトレットパイプの開閉弁を開くことにより、後述
の如く、共鳴室を実質的に拡張室として機能させ、第２
のアウトレットパイプから排気を排出させるとともに、
拡張室の一部たとえば分割された拡張室のうちの一つを
実質的に共鳴室として機能させることが可能になる。そ
して、該共鳴室として機能する拡張室の容積を小さく、
本来の共鳴室の容積を大きく設定しておくことにより、
共鳴周波数を低く設定する場合にも高く設定する場合に
も、それぞれ最適な容積を有する共鳴室を用いることが
可能になり、広い周波数域で消費量が向上される。ま
た、上記各開閉弁は、駆動機構初期作動時に90度位相が
ずらされ、その後は該駆動機構により両開閉弁が同時に
回動されるので、共鳴パイプの開閉弁が閉、開、閉と作
動されるとき、第２のアウトレットパイプの開閉弁を
閉、閉、開と作動させることが可能となり、実質的に共
鳴パイプの断面積を変更する作動、共鳴室を変更して実
質的に共鳴室容積を変更する作動を、一つの駆動機構を
介して一つのアクチュエータで行うことが可能となる。

［実施例］以下に、本考案の望ましい実施例を、図面を参照して説
明する。

第１図ないし第３図は、本考案の一実施例に係る可変マ
フラを示している。第１図において、１は可変マフラ全
体を示しており、内部は、仕切板２、３により、第１拡
張室４、第２拡張室５、共鳴室（低周波共鳴室）６に区
画されている。第１拡張室４には、インレットパイプ７
が連通されており、インレットパイプ７から排気が導入
される。第２拡張室５には、外部と連通する第１のアウ
トレットパイプ８が差し込まれている。

第１拡張室４と第２拡張室５とは、インナパイプ９によ
って連通されており、第１拡張室４と共鳴室６とは、第
１共鳴パイプ10によって連通されている。この第１共鳴
パイプ10には開閉弁は設けられていない。

第１拡張室４と共鳴室６との間には、両室を連通可能な
第２共鳴パイプ11が設けられており、この第２共鳴パイ
プ11の内部に、該パイプによる両室の連通、遮断を制御
可能な、開閉弁としての回動作動型バタフライ弁12が設
けられている。また共鳴室６には、外部に連通可能な第
２のアウトレットパイプ13が差し込まれており、該アウ
トレットパイプ13内部に開閉弁としてのバタフライ弁14
が設けられている。第２共鳴パイプ11および第２のアウ
トレットパイプ13の少なくとも開閉弁設置部は並設され
ている。

上記第２のアウトレットパイプ13の通路径（内径）は比
較的大きく、第１のアウトレットパイプ８の通路径は比
較的小さく設定されている。そして、共鳴室６の容積
は、マフラ全体に対して、通常のこの種のマフラに比べ
大きく設定されている。第２拡張室５の容積は比較的小
さく設定されているが、上記の如く第１のアウトレット
パイプ８の通路径を絞ることにより、拡張比は大きく設
定されている。

第２共鳴パイプ11のバタフライ弁12および第２のアウト
レットパイプ13のバタフライ弁14は、両弁を回動させる
ことにより開閉駆動可能な一つの駆動機構15に接続され
ている。この駆動機構15は、第２図および第３図にも示
すように、同軸線上に配置された二つの軸16、17を有
し、軸16がバタフライ弁12と、軸17がバタフライ弁14
と、それぞれ一体的に回動されるようになっている。両
弁12、14間、つまり両軸16、17間には、位相遅れ機構18
が設けられている。この位相遅れ機構18は、駆動機構15
の初期作動時にバタフライ弁14の作動の位相を、バタフ
ライ弁12の作動の位相に対し90度遅らせる機構からなっ
ており、たとえば図示の如く、両軸16、17にそれぞれ固
定され互に対向する２つの円板19、20と、一方の円板19
に突設されたピン21a、21bと、他方の円板20に90度分だ
け円弧状に形成され、ピン21a、21bが遊嵌されたスリッ
ト溝又は長穴22a、22bとから構成されており、バタフラ
イ弁12が90度回動された後に両軸16、17、両弁12、14が
ともに同方向に回動されるようになっている。

軸17は、マフラ外部まで延びており、該部分には、軸17
と一体的に回動する円板23に一端が引掛けられたリター
ンスプリング24が設けられ、リターンスプリング24のば
ね力により、回動されたバタフライ弁14を初期位置まで
戻すことができるようになっている。

軸16も、マフラ外部まで延びており、該部分には軸16と
一体的に回動する円板25が設けられている。円板25の外
周部には、本実施例では、ワイヤ26の一端が固定されて
おり、円板25の外周上を巻き掛けられたワイヤ26がアク
チュエータ27に連結されて、ワイヤ26を介してアクチュ
エータ27の駆動力が軸16、バタフライ弁12へと伝達され
るようになっている。本実施例ではこの部分にも、リタ
ーンスプリング28が設けられ、回動されたバタフライ弁
12および軸16を初期位置まで戻すことができるようにな
っているが、アクチュエータ27自身に初期位置へのリタ
ーン機能をもたせ、該リターン作動を軸16へ伝達できる
ようにしておけば、リターンスプリング28はなくてもよ
い。なお、第２図における29、30は、円板25、23と一体
的に回転するストッパを示しており、31、32はストッパ
29、30を各弁初期位置にて係止する固定ストッパ棒を示
している。また、アクチュエータ27は、車両搭載のコン
トローラ33からの指令に基いて作動され、コントローラ
33には、たとえばエンジン回転数の信号34が入力され
る。

上記のように構成された実施例装置の作用について説明
する。

アクチュエータ27を駆動することにより、ワイヤ26、円
板25を介して軸16およびバタフライ弁12を回動させるこ
とができ、バタフライ弁12が90度回動した後、軸17、バ
タフライ弁14についても位相遅れ機構18を介して位相差
をもたせた状態で一体的に回動させることができる。バ
タフライ弁12、14の初期状態をともに全閉状態とし、た
とえば４サイクル６気筒エンジン搭載車の車内こもり音
が発生するエンジン回転数が、1400rpm、2600rpm、4600
rpm付近とすると、それぞれのエンジン回転数でアクチ
ュエータ27を作動させることにより、各弁12、14の作動
状態を第４図のように組合せることができる。たとえば
エンジン回転数2000rpm以下のフェーズ１では両弁12、1
4をともに初期位置として両弁ともに全閉とし、2000rpm
〜3000rpmのフェーズ２ではアクチュエータ27を作動さ
せてバタフライ弁12を90度回動させて全開とする。この
とき、バタフライ弁14は、位相遅れ機構18によって回動
しないから、閉弁状態に保たれる。3000rpm以上のフェ
ーズ３では、バタフライ弁12がさらに90度回動されて再
び全閉とされ、このときにはバタフライ弁14も回動され
て全開とされる。すなわち、エンジン回転数に応じて、
バタフライ弁12が閉、開、閉と作動されるとき、バタフ
ライ弁14は、閉、閉、開と作動される。

このようなバタフライ弁12、14の作動の組合せにより、
排気の拡張、共鳴の状態は、第５図ないし第７図に示す
ようになり、そのとき得られる共鳴周波数は以下のよう
になる。前記エンジン回転数1400rpm、2600rpm、4600rp
mに対応する、こもり音の主原因となるエンジン爆発１
次成分の周波数は、それぞれ70Hz、130Hz、230Hzである
から、ここに共鳴周波数が設定されるよう、各室の容
積、共鳴パイプの通路断面積、長さが設定される。

先ず、フェーズ１、つまり70Hzの共鳴周波数に設定され
る場合、第５図に示すように、バタフライ弁12、14がと
もに閉じられる。共鳴パイプとしては第１共鳴パイプ10
のみとなり、その断面積をS₁、長さをl₁とすると、共鳴
周波数r₁は次式で求まる。

ただし、V₁は共鳴室６の容積である。

フェーズ２つまり130Hzの共鳴周波数に設定される場
合、第６図に示すように、バタフライ弁12が開かれ、バ
タフライ弁14は閉じた状態に保たれる。このとき、第２
共鳴パイプ（通路断面積S₂、長さl₂）も作用するので、
共鳴周波数r₂は次式のようになる。

フェーズ３、つまり230Hzの高周波数に共鳴周波数を設
定する場合、第７図に示すように、バタフライ弁12が閉
じられ、第２のアウトレットパイプ13のバタフライ弁14
が開かれる。このとき、ガス流れの大半は図の矢印で示
す如く第２のアウトレットパイプ13中を通ってそこから
排出され、本来の共鳴室６は主として拡張室として機能
し、第２拡張室５が主に共鳴室として機能する。このと
き、インナパイプ９が共鳴パイプの機能を果たすから、
その通路断面積をS₃、長さをl₃とすると、共鳴周波数Ｆ
r₃は次式のようになる。

ただし、V₂は共鳴室として機能する第２拡張室５の容積
である。

上記のような各フェーズにおいて、70、130、230Hzとも
同程度の消音効果を狙う場合、一定の共鳴室容積のまま
共鳴パイプを切換えるだけでは、低周波数ほど消音効果
が小さくなる。そこで上記各フェーズ（第５〜７図）に
示した如く、比較的低共鳴周波数設定用には、共鳴室６
を作用させ、該共鳴室６の容積V₁を大きく設定しておく
（マフラ全容積の半分程度）ことにより、低周波数側
（エンジン低回転数側）でも大きな消音量を得、高周波
数側（エンジン高回転数側）では共鳴室を第２拡張室５
に切換えることにより、高共鳴周波数への適切なチュー
ニングを得つつ、上記低共鳴周波数側で共鳴室容積を大
きくとることを可能にしたものである。

この共鳴室として機能する第２拡張室の容積V₂は、たと
えば、1/4V₁＜V₂＜1/2V₂程度が適当である。また、フェ
ーズ１、２において拡張比を大きくとり、フェーズ３に
おいてガスの大半を第２のアウトレットパイプ13を通し
て排出するために、第１のアウトレットパイプ８の断面
積をS₄、長さをl₄、第２のアウトレットパイプ13の断面
積をS₅とすると、５l₃＜l₄＜10l₃，および（1/4）S₅＜S₄＜S₅ とすることが好ましい。

上記の如き各フェーズにより、次のような特性が得られ
る。第８〜10図における細線が、従来の一共鳴周波数設
定型マフラの特性を示し、太線が本考案特性を示してい
る。先ず、第８図に示すように、共鳴周波数がフェーズ
１、２で設定されるる1400rpm、2600rpm付近のエンジン
爆発１次成分が効果的に消音され、フェーズ３の4600rp
m付近においては、共鳴室が切換えられて、フェーズ
１、２におけると同程度の消音効果が得られ、低、中回
転数側でも、高回転数側でも効果的な消音性能が得られ
る。

また、共鳴室が共鳴室６から第２拡張室５に切換えら
れ、ガスを排出するアウトレットパイプが第１のアウト
レットパイプ８から第２のアウトレットパイプ13に切換
えられるのは、本実施例では約3000rpmで行われるが、
第９図に示すように、3000rpm以下では、アウトレット
パイプ８の径を小さくすることで拡張比を大きくし、比
較的小さい拡張室であっても従来装置よりも排出騒音
（オーバオール値）を低く抑えることができる。また、
3000rpm以上では、大きな容積V₁を有する共鳴室６が拡
張室として機能するので、拡張比が大きくなるととも
に、アウトレットパイプ13の径が大とされるので気流音
が減り、第９図に示すように、高回転数側で大幅に低騒
音化される。

さらに、高回転数側で径の大きな第２のアウトレットパ
イプ13がガス排出用に用いられることにより、マフラに
よる抵抗が大幅に低減されて、第10図に示すように、低
背圧化、高出力化が達成される。

［考案の効果］以上説明したように、本考案の可変マフラによるとき
は、一つのアクチュエータで共鳴パイプおよび共鳴室切
換用の両開閉弁を作動できるので、駆動制御機構の簡素
化、低コスト化を達成しつつ、目標とする複数の共鳴周
波数を効率よくかつ効果的に得ることができる。

また、各開閉弁の開閉作動の組合せおよび実質的な共鳴
室の切換えにより、車内こもり音の主原因であるエンジ
ン爆発１次成分を広い回転数域で同程度に効果的に消音
でき、従来装置に比べ消音量（消音効果）を全体的に向
上できる。

また、低回転数域では細径の第１のアウトレットパイプ
を使用して拡張比を大きくとり、排気騒音（オーバオー
ル値）を低減することができ、高回転数域では容積の大
きな共鳴室を拡張室として機能させ拡張比を大きくとり
つつ、大径の第２のアウトレットパイプを使用して気流
音を減らし排気騒音を大幅に低減でき、全回転数域にわ
たって排気騒音を低減できる。

さらに、高回転数域では大径の第２のアウトレットパイ
プからガスを排出させることにより排気系背圧を低下さ
せることができ、エンジンのトルク、出力を向上させる
こともできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例に係る可変マフラの概略構成
図、第２図（イ）は第１図の装置の開閉弁部の拡大概略構成
図、（ロ）（ハ）（ニ）（ホ）は第２図（イ）のａ、
ｂ、ｃ、ｄ部の概略正面図、第３図は第１図の装置の位相遅れ機構部の拡大斜視図、第４図は第１図の装置における各開閉弁の作動状態を表
わす特性図、第５図は第４図におけるフェーズ１状態を示す可変マフ
ラの概略構成図、第６図は第４図におけるフェーズ２状態を示す可変マフ
ラの概略構成図、第７図は第４図におけるフェーズ３状態を示す可変マフ
ラの概略構成図、第８図はエンジンの回転数と排気騒音（エンジン爆発１
次成分）との関係図、第９図はエンジン回転数と排気騒音（オーバオール値）
との関係図、第10図はエンジン回転数とエンジンへの背圧、エンジン
の修正軸トルクおよび出力との関係図、である。１……可変マフラ２、３……仕切板４……第１拡張室５……第２拡張室６……共鳴室７……インレットパイプ８……第１のアウトレットパイプ９……インナパイプ 10……第１共鳴パイプ 11……第２共鳴パイプ 12、14……開閉弁としてのバタフライ弁 13……第２のアウトレットパイプ 15……駆動機構 16、17……軸 18……位相遅れ機構 19、20……円板 21a、21b……ピン 22a、22b……円弧状スリット溝又は長穴 23、25……円板 24、28……リターンスプリング 26……ワイヤ 27……アクチュエータ 33……コントローラ

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】少なくとも一つの拡張室および共鳴室を有
し、該拡張室と共鳴室とを連通する共鳴パイプを複数設
けるとともに少なくともその一つに開閉弁を設け、前記
拡張室から外部に連通する第１のアウトレットパイプ
と、前記共鳴室から外部に連通し内部に開閉弁を有する
第２のアウトレットパイプとを設け、前記開閉弁を有す
る共鳴パイプおよび第２のアウトレットパイプの少なく
とも開閉弁設置部を並設し、該両パイプの開閉弁に、両
開閉弁を回動させることにより両開閉弁を開閉駆動可能
な一つの駆動機構を接続するとともに、該駆動機構に、
該駆動機構の初期作動時に第２のアウトレットパイプの
開閉弁を共鳴パイプの開閉弁に対し90度位相を遅らせる
位相遅れ機構を設けたことを特徴とする可変マフラ。