(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下図面を参照しながら、自動車のガソリンエンジンに供給する空気を清浄化(濾過)するエアクリーナを例として、本発明の実施形態について説明する。本発明は以下に示す個別の実施形態に限定されるものではなく、その形態を変更して実施することもできる。
【0014】
図1には、本発明の第1実施形態のエアクリーナ1の構成を示す。
図1には、エアクリーナ1を構成する主要な部材を、分解した状態で示している。以下の説明では、説明の便宜上、
図1のx軸方向を左右方向、y軸方向を前後方向、z軸方向を上下方向として説明するが、エアクリーナ1が必ずしもこの向きで使用されなければならないわけではない。
エアクリーナ1は、自動車のガソリンエンジンに供給する空気を濾過するエアクリーナである。エアクリーナ1は一対のケース2,3と、これらケースの分割面の間に挟持されるフィルタエレメント(以下「エレメント」とも記載する)4を有する。
【0015】
ケース2,3は、組み立てられた際に、ケース内部に、エンジンの吸気経路における拡張空間を形成する。ケース2,3は、それぞれが開口部を有する箱状に形成されていて、開口部同士が対向するように組み立てることで、ケース内部に拡張空間が形成される。即ち、1対のケース2,3は、拡張空間を形成する箱を、1つの分割面で上下に分割したような形状をしている。本実施形態では、ケース2,3の形状は略直方体状であるが、ケースの形状は円筒状など、他の形状であっても良い。
【0016】
下側のケース(下ケース)2には、略円筒状の吸気口22が設けられている。上側のケース(上ケース)3には、略円筒状の排気口32が設けられている。
【0017】
ケース2,3の間には、エレメント4が挟持されている。エレメント4は濾過材41を有している。本実施形態におけるエレメントの全体形状は矩形状の板状(例えば偏平な直方体状)に形成されており、エレメント4がケース2,3の間に挟持されることによって、ケースの内部空間は、エレメントを境にして上流側と下流側に仕切られる。好ましくは、ケース2,3の開口部とエレメント4の周縁部の間はシール部材44などによってシールされる。好ましくは、ケース2,3の開口部がエレメント4の周縁部を挟持する部分は、フランジ状や段付き形状に形成される。
【0018】
板状のエレメント4が1対のケース2,3の間に挟持された状態で、係止部材や締結部材等によってケース2,3が閉じた状態に保持されて、エアクリーナ1は使用される。吸気口22には、インテークダクトや消音装置が接続されて、外気が吸気口22を通じてエアクリーナ1の内部に導入される。エアクリーナ内部に導入された空気は、エレメント4の濾過材41を通過することによって濾過され、清浄な空気となる。排気口32には、エアーダクトやスロットルボディが接続されて、エレメント4で濾過された空気が、排気口32を通じて、エンジンへと供給される。
【0019】
エレメント4についてより詳細に説明する。
図2は、エレメント4の形状を示す斜視図とX矢視図である。本実施形態ではエレメント4は、濾過材41と枠体42とシール部(シール部材)44を備えている。エレメント4は、板状に、本実施形態では偏平な直方体状に形成されている。濾過材41は、空気を濾過するための通気性を有する部材である。濾過材としては、濾紙や不織布や樹脂発泡体などが利用できる。濾紙や不織布などが濾過材の素材として使用される場合には、図示したように、これらを襞折りにして、平板状に形成し、濾過面積を増やすことが好ましい。エレメント4は、襞折りされた濾過材41が、エレメントの底面と上面に露出するように構成されていて、本実施形態では、濾過される空気は、板状エレメント4の底面から上面に向かって流れる。
【0020】
本実施形態では、濾過材の周囲を取り囲み、エレメントの形状を維持するように枠体42が設けられている。枠体42は、金属板や合成樹脂などにより形成され、濾過材41の周縁に接合一体化されている。濾過材の周縁部を圧縮成形するなどして、濾過材を構成する材料によって枠体を形成しても良い。本実施形態のエレメント4においては、襞折りにした不織布素材の濾過材41の周縁を取り囲むように枠体42が合成樹脂の射出成形により成形されており、不織布濾過材と枠体42とは、インサート成形により一体化されている。
【0021】
本実施形態のように、エレメント4は、側面の少なくとも一部の領域において濾過材が露出していても良い。
【0022】
枠体42をさらに取り囲むように、シール部44が設けられている。シール部44がケース2,3の開口部に挟持されて、エアクリーナ1のシールがなされる。シール部は、弾力性を有する素材、特にゴム素材などによって形成されるシール部材であることが好ましい。シール部は必ずしも設ける必要はなく、要求されるシールの度合いによっては、枠体42の一部をそのままケースに挟持させるようにしても良い。
【0023】
下ケース2についてより詳細に説明する。
図3は、下ケース2の形状を示す斜視図及びz矢視図である。上述したように、下ケース2は、上方が開口した略直方体状の箱状のケースであって、吸気口22を有している。
また、下ケース2には共鳴型消音器5が一体に設けられている。
【0024】
本実施形態では、共鳴型消音器5はヘルムホルツ型レゾネータである。ヘルムホルツ型レゾネータは、400Hz以下の比較的低い周波数領域の消音効果に優れている。共鳴型消音器5は、所定の容積を有する共鳴室(チャンバー)51と、中空管状の連通部(連通管)52とを有している。共鳴室51の内部空間と連通部52の内部空間は連通しており、さらに連通部52の内部空間とエアクリーナの拡張空間とが連通している。共鳴室51の容量や形状、連通部52の断面や長さを調節することにより、共鳴型消音器の設定周波数や消音効果が調整される。
【0025】
共鳴型消音器5は下ケース2の内部に、ケース2と一体となるように取り付けられている。即ち、本実施形態では、下ケース2とは別体に形成された共鳴型消音器5が、共鳴型消音器5の連通部52が下ケース2の内部空間に向かってに開口するように、下ケース2の底面に配置され、取り付けられている。消音器とケースの取り付けは、溶着や接着、はめ込み、締め付けなどの公知の手段によることができる。
【0026】
図4には、ケース2、3とエレメント4を組付けた状態を示している。
図4は共鳴型消音器5の連通部に位置するzx平面と平行な断面での断面図である。なお、
図4においては、図を明瞭なものとするために、濾過材41部分の断面を示すハッチングは省いている。
【0027】
図1や
図4に示すように、共鳴型消音器5の連通部52は、エレメント4の底面の濾過材41が露出した部分に対向するようにエアクリーナの拡張空間に向かって開口している。即ち、連通部52が、下ケース2の内部空間に向け開口する開口53は、エレメント4(特に底面側の濾過材41)に近接して設けられており、エレメント4と下ケース2、共鳴型消音器5を組みつけた状態で、エレメントの濾過材41の露出部と、開口53とが互いに向かい合うようにされている。本実施形態のように、開口53の全体が、濾過材が露出した部分と対向するようにされることが好ましい。
【0028】
また、共鳴型消音器5の連通部の開口53と、対向する濾過材の露出部との間の距離Lは、連通部の開口53の開口形状の短辺側の代表寸法をGsとして、Gsの半分以下、好ましくは、Gsの0.3倍以下となるように設定され、開口53と濾過材41の露出部が近接して配置される。後述するように、距離Lが小さい(開口と濾過材露出部とがより近接して配置される)ことによって、反共鳴を抑制する効果が高められる。なお、エレメント4の機能や耐久性を損なわなければ、開口53が濾過材の露出部に接触するように(即ちL=0となるように)配置されても良い。
【0029】
ここで、連通部の開口53の開口形状の短辺側の代表寸法Gsとは、開口形状が矩形状(長方形状)であれば、短辺の長さであり、開口形状が楕円状(長円状)であれば、短径の長さである。開口形状が正方形状や円であれば、一辺の長さや直径の長さを、開口形状の短辺側の代表寸法Gsとして扱えば良い。
【0030】
上記実施形態のエアクリーナ1は、公知の製造方法により製造することができる。下ケース2及び、上ケース3は、典型的には合成樹脂の射出成形により製造できる。レゾネータ5はブロー成形等により別体に成形したものを下ケース2に取り付けても良いが、下ケースと一体に射出成形等により形成することもできる。エレメント4は、典型的には、襞折りした濾過材41に合成樹脂のインサート成形により枠体42を一体に成形し、シール部材44を取り付けることにより製造できる。
【0031】
エアクリーナ1の作用及び効果について説明する。上記エアクリーナによれば、共鳴型消音器を設けた際に生ずる反共鳴現象を抑制し、エアクリーナの消音性能が高められる。
【0032】
まず、反共鳴現象について説明する。レゾネータが設けられていないエアクリーナに、吸気管や排気管を取り付けて吸気系を構成しこの吸気系の消音性能を評価した。この、レゾネータが無い吸気系を比較例1とする。次に、比較例1の吸気系のエアクリーナにレゾネータ9を追加して吸気系を構成し、この吸気系の消音性能を評価した。レゾネータ9の設定周波数は220Hz近辺に設定されている。なお、レゾネータ9の連通管92の開口部93は、フィルタエレメント4の濾過材とは近接しない位置に設けられている。この例では、開口部93と濾過材表面とは開口の寸法の2倍以上離れている。この、従来技術のレゾネータが設けられた吸気系を比較例2とする。比較例2に用いられた従来技術であるエアクリーナの断面図を
図6に示す。
【0033】
それぞれの吸気系において、吸気管の入口部分や排気管の出口部分における騒音測定を行い、両者の比を取って周波数分析を行い、吸気系の音響減衰特性を求めた。吸気系の音響減衰量(Attenuatuion)は、吸気管の入口部分における騒音の音圧で、排気管の出口(末端)部分における騒音の音圧を除した量であり、音響減衰量が大きいほど、吸気管入口部分の音圧が小さくなって、吸気系を伝播する騒音のレベルが小さくなったことを示している。
【0034】
図5にこれら比較例1,2の音響減衰量の周波数特性を示す。比較例1を細い実線で、比較例2を太い破線で示している。比較例1と比較例2を比較すると、レゾネータ9の設定周波数である220Hz付近で、比較例2の音響減衰量が大きくなっており、レゾネータ9によって、エアクリーナの消音性能が高められたことがわかる。これは、レゾネータの共鳴により騒音の伝播が抑制された結果であり、レゾネータを設けた設計の意図どおりである。
【0035】
一方で、比較例1では220Hz付近に現れていた音響減衰量の落ち込みは、比較例2では260Hz付近に移動したものの、依然として音響減衰量の落ち込みは深いままであり、反共鳴現象が現れている。反共鳴現象が発生すると特定の周波数付近では、レゾネータ9を設けることにより、かえって音響減衰量が小さくなってしまうこともある。
【0036】
図1〜4で説明した上記実施形態のエアクリーナによって、同様に吸気系を構成し、音響減衰特性の測定を行なった(実施例)。なお、レゾネータの容量や設定周波数等の基本諸元は比較例2とほぼ同じであり、主にレゾネータの連通部の開口53をエレメント4の濾過材露出部に対向させ近接配置した点(開口53と濾過材露出部との間の距離Lが、開口の短辺側の代表寸法Gsの1/3となるようにした)点が、比較例2と異なっている。測定結果を、
図5中に実施例として太い実線で示している。
実施例によれば、レゾネータ5の設定周波数付近(220Hz)には、比較例1(レゾネータなし)と対比して、レゾネータ5を設けたことによる音響減衰量の改善効果が見られる。
【0037】
そして、実施例の音響減衰特性には、比較例2に見られたような反共鳴現象による音響減衰量の落ち込みが見られない。比較例1において220Hzにあった音響減衰量の落ち込みは、実施例においては、250Hz付近に現れるごく浅い落ち込みへと改善された。即ち、実施例では、反共鳴現象の発生を抑制しながら、レゾネータの設定周波数付近におけるエアクリーナの消音効果が高められている。
【0038】
上記実施形態のエアクリーナによって、反共鳴現象の発生が抑制される理由は、以下のようなメカニズムによるものであると推定される。共鳴型消音器(レゾネータ)の連通部の開口が、エレメント側面の濾過材が露出した部分に対向するように、近接して(開口53の開口形状の短辺側の代表寸法をGs、開口53と露出した濾過材41との距離をLとして、LがGsの半分以下となるように)設けられているため、共鳴に伴って連通部の開口を出入りする空気の流れは、露出した濾過材を通過するように流れる。このため、濾過材が、連通部開口を出入りする空気流の抵抗となる。共鳴型消音器の連通部に抵抗が設けられると、バネマスの振動系にダンピング要素を設けたときのように、振動系の共鳴のピークが抑えられ、共鳴の周波数帯がやや広がるように変化する。このように共鳴ピークが抑えられる結果、反共鳴の程度も抑えられて、反共鳴現象が抑制される。
【0039】
共鳴型消音器の連通部の開口付近において、連通部に出入りする空気の流れは、開口から遠ざかるに従って、徐々に拡散し、濾過材露出部によるダンピング効果が弱くなるが、開口から開口形状の短辺側の代表寸法の半分以下の距離までの空間では、空気の流れがおおむね連通部の延在方向と沿った流れとなり、あまり拡散しないため、この領域内に濾過材露出部が配置されるようにすると、ダンピング効果が得られやすく、反共鳴現象の抑制に特に効果的である。反共鳴現象を抑制する観点からは、濾過材露出部をできるだけ連通部の開口に近接して設けることが好ましい。
【0040】
また、共鳴型消音器の連通部開口に、空気流の抵抗となる濾過材を配置して、反共鳴現象を抑制するという観点からは、濾過材の露出部を、連通部開口全体を覆うように対向させて配置することが好ましい。
【0041】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の改変をして実施することができる。以下に本発明の他の実施形態について説明するが、以下の説明においては、上記実施形態と異なる部分を中心に説明し、同様である部分についてはその詳細な説明を省略する。また、以下に示す実施形態は、その一部を互いに組み合わせて、あるいは、その一部を置き換えて実施できる。
【0042】
図7は、第2実施形態のエアクリーナの、下ケース6とエレメント4、上ケース3を示す組み付け状態での断面図である。本実施形態においては、共鳴型消音器の具体的構成が第1実施形態と異なっている。
【0043】
吸気口62を備える下ケース6には、共鳴型消音器の連通部となるべき管部分(連通管72)が、下ケース底面から上下方向に突出するように設けられている。下ケース7の更に下側には、拡張ケース71が溶着されていて、下ケース6の底面と、拡張ケース71によって、共鳴型消音器の共鳴室となるべき空間が形成されている。
【0044】
そして、
図7にも示したように、連通管72の上端の開口73は、エレメント4の底面の濾過材と対向して設けられ、開口73と濾過材との間の距離Lは、開口73の開口形状の短辺側代表寸法Gsの半分以下となるよう、開口73が濾過材に近接して設けられている。
【0045】
本実施形態のようにしても、共鳴型消音器の連通部開口が、エレメントの濾過材が露出する部分に対向し、近接するように設けられているので、共鳴型消音器を設けた際に生ずる反共鳴現象を抑制し、エアクリーナの消音性能が高められる。
【0046】
そして、本実施形態のように、下ケースの一部を利用して共鳴型消音器の共鳴室や連通部の一部もしくは全部を構成するようにすれば、エアクリーナをコンパクトに構成できたり、エアクリーナの製造の効率性を高めることができる。共鳴型消音器の共鳴室や連通部の具体的構成は、第1実施形態のように別体に成形した部材を取り付けたり、第2実施形態のように、下ケースと他の部材を組み合わせるようにしたりしても良い。
【0047】
また、本実施形態に示すように、共鳴型消音器の開口73において、連通管72の端部を管の外側に向けてフランジ状に広げたフランジ部74を設けることが特に好ましい。フランジ部を設けると、共鳴型消音器に出入りする空気が、露出した濾過材を通過する割合を高めることができ、ダンピング効果を高めることができ、エアクリーナの消音特性が改善される。
【0048】
図8には、更に他の実施形態の例を示す。
図8には、上ケース8の側に共鳴型消音器10を設けた実施形態の例を示している。また、本実施形態では、共鳴型消音器10は、一方の端部が閉じられた中空管状の共鳴型消音器(いわゆる4分の1波長共鳴管、サイドブランチ)である。上ケース8の上面を貫通するように連通管83が設けられ、連通管83に同じ径の管端が閉じられた中空管が取り付けられて、共鳴型消音器(サイドブランチ)10が上ケースに一体に取り付けられている。そして、連通管83の端部は、エレメント4の上面の濾過材が露出した部分に対向して開口しており、開口と濾過材の間の距離Lは、円形の開口83の直径Dの1/4程度にされている。
【0049】
このように上ケースの側に共鳴型消音器を設けた形態であっても、共鳴型消音器の連通部開口が、エレメントの濾過材が露出する部分に対向し、近接するように設けられていれば、他の実施形態のエアクリーナと同様に、共鳴型消音器を設けた際に生ずる反共鳴現象を抑制し、エアクリーナの消音性能が高められる。
【0050】
そして、共鳴型消音器は、他の形態、例えば、いわゆるサイドブランチであっても良く、共鳴型消音器がサイドブランチである場合は、エアクリーナに開口している付近を連通部、閉じられた側の中空管部を共鳴室と考えればよい。なお、エアクリーナに共鳴型消音器を設けて消音特性を改善する上で、共鳴室の容積を大きくできるレゾネータが、特に効果的である。
【0051】
また、上記実施形態では、エアクリーナに対し共鳴型消音器が1つ設けられる形態例を説明したが、エアクリーナは他の共鳴型消音器を有するものであっても良い。
【0052】
上記実施形態では、エレメントとして、襞折りした濾過材の周囲に枠体を設けたものを
中心に説明したが、エレメントは
、他の形態であっても良い。例えば、濾過材は、濾紙や不織布の他、発泡樹脂体(発泡スポンジ)であっても良い、また、エレメントは、枠体やシール部材を備えていることが好ましいが、枠体やパッキンが無いものであっても良い。例えば、エレメントは、襞折りした不織布の周縁を圧縮成形して、エレメントの形状を維持させるようにした、合成樹脂製不織布だけで形成されたエレメントであっても良い。
【0053】
また、上記説明では、主にエレメントが下ケース(上流側ケース、ダストサイド側ケース)と上ケース(下流側ケース、クリーンサイド側ケース)の間にはさみこまれる板状のエレメントである場合について実施の形態を説明したが、エレメントは、エアクリーナケース内の拡張空間を上流側と下流側に仕切るものであれば、板状のエレメントには限定されない。例えば、エレメントは円筒状に形成されたエレメントであっても良い。
【0054】
上記実施形態の説明では説明を省略したが、エアクリーナは、他の部材を有していても良い。エアクリーナは、取付部材や支持部材、緩衝部材を有していても良い。また、エアクリーナには、流量センサや温度センサや圧力センサなどのセンサ類、弁やアクチュエータ等の可変機構、燃料蒸気の吸着部材、吸音材などが設けられていても良い。
【0055】
本発明のエアクリーナは、上記実施形態で説明した自動車ガソリンエンジンの吸気系以外の他の用途にも応用できる。自動車における応用としては、エアコンディショナー、電池や電子回路の空冷装置、燃料電池の空気供給装置などにおける空気の濾過用途が例示できる。さらに、本発明のエアクリーナの応用は車両用に限定されず、内燃機関を用いた据え置き型の発電機や、家庭用・産業用の燃料電池、ボイラ、冷却装置、空気清浄機など、空気を濾過する用途全般に応用できる。