特許 6471851 エンジンの排気装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6471851

(24)【登録日】2019年2月1日

(45)【発行日】2019年2月20日

(54)【発明の名称】エンジンの排気装置

(51)【国際特許分類】

   F02B 27/04 20060101AFI20190207BHJP

   F02D 13/02 20060101ALI20190207BHJP

   F01N 5/00 20060101ALI20190207BHJP

【ＦＩ】

   F02B27/04

   F02D13/02 H

   F01N5/00 D

【請求項の数】3

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2015-8839(P2015-8839)

(22)【出願日】2015年1月20日

(65)【公開番号】特開2016-133079(P2016-133079A)

(43)【公開日】2016年7月25日

【審査請求日】2017年12月22日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006286

【氏名又は名称】三菱自動車工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101236

【弁理士】

【氏名又は名称】栗原 浩之

(74)【代理人】

【識別番号】100166914

【弁理士】

【氏名又は名称】山▲崎▼ 雄一郎

(72)【発明者】

【氏名】小島 光高

【審査官】 家喜 健太

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−１１３２２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０４１８９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１７４６６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭６３−１７１６２１（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２０１２−１４９５８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１８５４４６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｂ ２７／０６

Ｆ０１Ｎ １３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

エンジンの排気ポートに連通した第１排気通路、当該第１排気通路に連通した第１マフラー、当該第１マフラーに連通した第２排気通路、当該第２排気通路に連通した第２マフラー、及び当該第２マフラーに連通した第３排気通路を備えるエンジンの排気装置であって、
排気ポートから第１排気通路及び第１マフラーの第１境界までの排気路長、排気ポートから第２排気通路及び第２マフラーの第２境界までの排気路長、及び排気ポートから第３排気通路及び外部の第３境界までの排気路長は、それぞれ異なる所定の第１エンジン回転数、第２エンジン回転数又は第３エンジン回転数で運転しているエンジンから排出される排気圧力波が第１境界、第２境界及び第３境界のそれぞれで反射することにより生じる負圧波がバルブオーバーラップ期間中に排気ポートに到達する長さであり、
前記第２マフラーの容積は、前記第１マフラーの容積よりも大きく、
前記第２排気通路の断面積は、前記第１排気通路の断面積よりも小さく、
前記第３排気通路の断面積は、前記第１排気通路の断面積及び前記第２排気通路の断面積よりも大きい
ことを特徴とするエンジンの排気装置。

【請求項2】

請求項１に記載するエンジンの排気装置において、
前記第１マフラーの容積に対する前記第２マフラーの容積の比率は、１：４〜１：６である
ことを特徴とするエンジンの排気装置。

【請求項3】

請求項１又は請求項２に記載するエンジンの排気装置において、
前記第３エンジン回転数は、前記第１エンジン回転数及び前記第２エンジン回転数より低く、
前記第２エンジン回転数は、前記第１エンジン回転数より低い
ことを特徴とするエンジンの排気装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、エンジンの体積効率を向上させることができるエンジンの排気装置に関する。

【背景技術】

【0002】

一般に、車両に搭載されるエンジンにおいては、排気ポートからの排気が排気管を経由してマフラーに到達すると、排気管及びマフラーの境界部で圧力波が反射し、負圧波が生じる。この負圧波がバルブオーバーラップ時に排気ポートに到達すると、気筒内の残留ガスが排気ポート側へ吸引されるため、気筒内の体積効率が向上し、エンジン出力トルクが増大することが知られている。

【0003】

一方、エンジンの燃費向上の手段として高圧縮比化が進められているが、特に低回転時においては火炎伝搬速度が遅くなることから、トルク低下が問題となっている。このようなトルクの低下を回避する手段として、上述したように、負圧波によって体積効率が向上するような長さにした排気管及びこれに接続されたマフラーを備える排気装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

【0004】

しかしながら、負圧波により体積効率が向上するように排気管の長さやマフラーの配置を設計したとしても、実際には採用できない場合がある。例えば、車両の構造や排気装置以外の装置との位置関係により、計算した排気管の長さよりも長くせざるを得ない場合がある。このように、排気装置を実際の車両の構造に合わせると、当初に設計した構造とは異なってしまうため、体積効率を十分に向上させることができない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１３−１１３２２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、現実の車両構造に適合し、かつ体積効率を向上し、トルクを増大させることができるエンジンの排気装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、エンジンの排気ポートに連通した第１排気通路、当該第１排気通路に連通した第１マフラー、当該第１マフラーに連通した第２排気通路、当該第２排気通路に連通した第２マフラー、及び当該第２マフラーに連通した第３排気通路を備えるエンジンの排気装置であって、排気ポートから第１排気通路及び第１マフラーの第１境界までの排気路長、排気ポートから第２排気通路及び第２マフラーの第２境界までの排気路長、及び排気ポートから第３排気通路及び外部の第３境界までの排気路長は、それぞれ異なる所定の第１エンジン回転数、第２エンジン回転数又は第３エンジン回転数で運転しているエンジンから排出される排気圧力波が第１境界、第２境界及び第３境界のそれぞれで反射することにより生じる負圧波がバルブオーバーラップ期間中に排気ポートに到達する長さであり、前記第２マフラーの容積は、前記第１マフラーの容積よりも大きく、前記第２排気通路の断面積は、前記第１排気通路の断面積よりも小さく、前記第３排気通路の断面積は、前記第１排気通路の断面積及び前記第２排気通路の断面積よりも大きいことを特徴とするエンジンの排気装置にある。

【0008】

かかる第１の態様では、排気路長を現実の車両構造に適合させる一方、これにより減少する体積効率の減少を、第１排気通路、第２排気通路及び第３排気通路の断面積を相対的に中、小、大とすることで補うことができる。すなわち、本発明の排気装置は、単に、排気路長を現実の車両構造に適合させ、第１排気通路、第２排気通路及び第３排気通路の断面積を同一とした場合よりも、負圧波による体積効率をより大きく向上させることができる。

【0009】

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載するエンジンの排気装置において、前記第１マフラーの容積に対する前記第２マフラーの容積の比率は、１：４〜１：６であることを特徴とするエンジンの排気装置にある。

【0010】

かかる第２の態様では、さらに平均体積効率を向上させることができる。

【0011】

本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様に記載するエンジンの排気装置において、前記第３エンジン回転数は、前記第１エンジン回転数及び前記第２エンジン回転数より低く、前記第２エンジン回転数は、前記第１エンジン回転数より低いことを特徴とするエンジンの排気装置にある。

【0012】

かかる第３の態様では、低中回転域における体積効率を向上させ、トルクの出力を増大させる場合に有用である。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、現実の車両構造に適合し、かつ体積効率を向上し、トルクを増大させることができるエンジンの排気装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】エンジンの排気装置の概略構成図である。

【図2】第１マフラーの設置箇所と平均体積効率の関係、及びエンジンの回転数と体積効率との関係を示す図である。

【図3】第２マフラーの設置箇所と平均体積効率の関係、及びエンジンの回転数と体積効率との関係を示す図である。

【図4】第２排気通路及び第３排気通路の内径と平均体積効率との関係を表す図である。

【図5】第１マフラー及び第２マフラーの容積と平均体積効率との関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明を実施するための形態について説明する。なお、実施形態の説明は例示であり、本発明は以下の説明に限定されない。

【0016】

図１は本実施形態に係るエンジンの排気装置の概略構成図である。エンジン１は、特に図示しないが、例えば、直列３気筒エンジンであり、３つの気筒を有している。各気筒には、それぞれ点火プラグが配されると共に、吸気ポート及び排気ポートが設けられている。そしてエンジン１は、吸気ポートに接続される吸気マニホールドと、排気ポートに接続される排気マニホールドとを備えている。

【0017】

本実施形態に係る排気装置１０は、第１排気通路１１、第２排気通路１２及び第３排気通路１３と、第１マフラー２１及び第２マフラー２２を備えている。
第１排気通路１１は、エンジンの排気マニホールドを介して排気ポートに連通し、排気ポートからの排気を第１マフラー２１へ導く配管である。第２排気通路１２は、第１マフラー２１に接続され、第１マフラー２１を通過した排気を第２マフラー２２へ導く配管である。第３排気通路１３は、第２マフラー２２に接続され、第２マフラー２２を通過した排気を外部へ導く配管である。

【0018】

また、第１排気通路１１の断面積をＳ１、第２排気通路１２の断面積をＳ２、第３排気通路１３の断面積をＳ３とする。断面積Ｓ２は断面積Ｓ１よりも小さく、断面積Ｓ３は断面積Ｓ１及び断面積Ｓ２よりも大きい。すなわち、断面積Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は、相対的に中、小、大という大きさになっている。本実施形態では、第１排気通路１１、第２排気通路１２及び第３排気通路１３は、何れも断面形状を円形状としたので、それらの内径φ１、φ２及びφ３も相対的に中、小、大という大きさとなっている。

【0019】

第１マフラー２１及び第２マフラー２２は、流入した排気を減音させる配管であり、第２マフラー２２の容積は、第１マフラーの容積よりも大きくなるように構成されている。このような容積とすることで、マフラーによる減音効果を高めることができる。
第１排気通路１１と第１マフラー２１との境界を第１境界Ａとし、第２排気通路１２と第２マフラー２２との境界を第２境界Ｂとし、第３排気通路１３と外部（第３排気通路１３の排気が外部に放出される開口部）との境界を第３境界Ｃとする。

【0020】

排気ポートから第１境界Ａまでの第１排気路Ｌとは、排気ポート、排気マニホールド及び第１排気通路１１からなる排気の通路をいう。また、排気ポートから第２境界Ｂまでの第２排気路Ｍとは、第１排気路Ｌ、第１マフラー２１、及び第２排気通路１２からなる排気の通路をいう。さらに、排気ポートから第３境界Ｃまでの第３排気路Ｎとは、第２排気路Ｍ、第２マフラー２２及び第３排気通路１３からなる排気の通路をいう。また、第１排気路Ｌ、第２排気路Ｍ、及び第３排気路Ｎの長さを排気路長と称する。
第１排気路Ｌ、第２排気路Ｍ、及び第３排気路Ｎの排気路長の始点となる排気ポートの位置は、エンジンの排気ポートにおける排気弁の着座位置（排気ポートが気筒を臨む開口）である。

【0021】

ここで、エンジン１の運転に伴い発生した排気圧力波は、排気ポートから排気装置１０の各部に伝播する。伝播した排気圧力波は、第１境界Ａ、第２境界Ｂ及び第３境界Ｃのそれぞれで、位相が反転した負圧波として排気ポート側へ反射される。以後、この負圧波は排気ポートに到達して同位相のまま反射し、さらに、第１境界Ａ、第２境界Ｂ及び第３境界Ｃのそれぞれで位相が反転して反射することを繰り返す。

【0022】

第１排気路Ｌ、第２排気路Ｍ、第３排気路Ｎの排気路長は、エンジンの吸気弁及び排気弁がバルブオーバーラップしている期間中に、各第１境界Ａ、第２境界Ｂ及び第３境界Ｃのそれぞれで反射した負圧波が排気ポートに到達するようになっている。

【0023】

バルブオーバーラップ期間中に負圧波が排気ポートに到達すると、気筒内の残留ガスが排気ポート側へ吸引されるため、気筒内の体積効率が向上し、トルクも増大する。この負圧波による体積効率の向上を、エンジンの低回転域〜中回転域において行うことで、その低回転域〜中回転域におけるエンジンの出力トルクを増大させることができる。

【0024】

本実施形態では、極低回転（１３００ｒｐｍ以下）、低回転（１３００〜２０００ｒｐｍ）、中回転（２０００〜３０００ｒｐｍ）のそれぞれについてエンジンの出力トルクの増大を図る。中回転に含まれる特定の回転数を第１エンジン回転数とし、低回転に含まれる特定の回転数を第２エンジン回転数とし、極低回転に含まれる特定の回転数を第３エンジン回転数とする。

【0025】

第１排気路Ｌの排気路長は、第１エンジン回転数において排気ポートから伝播された排気圧力波が第１境界Ａで反射した負圧波が第１エンジン回転数におけるバルブオーバーラップ期間中に排気ポートに到達する長さに設定されている。換言すれば、第１排気路Ｌの排気路長は、第１エンジン回転数におけるエンジンの排気開始時を起点として、バルブオーバーラップしたときまでの時間と、排気圧力波が第１境界Ａで反射した負圧波が排気ポートに到達するまでの時間とが一致するように設定されている。

【0026】

第２排気路Ｍの排気路長は、第２エンジン回転数において排気ポートから伝播された排気圧力波が第２境界Ｂで反射した負圧波が第２エンジン回転数におけるバルブオーバーラップ期間中に排気ポートに到達する長さに設定されている。換言すれば、第２排気路Ｍの排気路長は、第２エンジン回転数におけるエンジンの排気開始時を起点として、バルブオーバーラップしたときまでの時間と、排気圧力波が第２境界Ｂで反射した負圧波が排気ポートに到達するまでの時間とが一致するように設定されている。

【0027】

第３排気路Ｎの排気路長は、第３エンジン回転数において排気ポートから伝播された排気圧力波が第３境界Ｃで反射した負圧波が第３エンジン回転数におけるバルブオーバーラップ期間中に排気ポートに到達する長さに設定されている。換言すれば、第３排気路Ｎの排気路長は、第３エンジン回転数におけるエンジンの排気開始時を起点として、バルブオーバーラップしたときまでの時間と、排気圧力波が第３境界Ｃで反射した負圧波が排気ポートに到達するまでの時間とが一致するように設定されている。

【0028】

ここで、現実の車両構造を無視すれば、負圧波による体積効率の向上効果が最も高くなるような排気路長や第１マフラー２１及び第２マフラー２２の配置及び容積を採用できる。しかしながら、第１排気路Ｌ、第２排気路Ｍ、第３排気路Ｎの各排気路長、第１マフラー２１及び第２マフラー２２の配置及び容積は、現実の車両構造に合わせて調整されなければならない。現実の車両構造に合わせるとは、例えば、車両の構造や排気装置以外の装置との位置関係により、排気路長の長さを長くせざるを得ない場合や、減音効果を高めるために第１マフラー２１及び第２マフラー２２の配置や容積を変更する場合などである。

【0029】

現実の車両構造に合わせて排気路長等を調整した結果、排気路長、各マフラーの配置及び容積だけに着目すると、負圧波による体積効率が最も望める構成と比べて、体積効率が低下してしまう構成となっている。

【0030】

しかしながら、本実施形態の排気装置１０は、第１排気通路１１、第２排気通路１２、及び第３排気通路１３の内径φ１〜φ３を相対的に中、小、大としている。これにより、第１排気路Ｌ、第２排気路Ｍ、第３排気路Ｎの各排気路長は、現実の車両構造に合わせた長さでありながら、上述したようにバルブオーバーラップ期間中に負圧波が排気ポートに到達するような長さとなり、体積効率を向上することができる。

【0031】

以下、排気路長、及び内径φ１〜φ３について詳細に説明する。

【0032】

図２は、第１マフラー２１の設置箇所と平均体積効率の関係、及びエンジンの回転数と体積効率との関係を示す図であり、図３は、第２マフラー２２の設置箇所と平均体積効率の関係、及びエンジンの回転数と体積効率との関係を示す図である。
図２（ａ）の横軸は、排気ポートから第１マフラー２１の入口までの距離、すなわち第１排気路Ｌの排気路長を表し、縦軸は、平均体積効率を表している。

【0033】

第１排気通路１１、第２排気通路１２及び第３排気通路１３の内径φ１、φ２、φ３は何れも同じ大きさであり、第１マフラー２１及び第２マフラー２２の容量がそれぞれＶ_０，Ｗ_０であるという条件の下、第１排気路Ｌを構成する第１排気通路１１の長さを変更することで第１マフラー２１の設置箇所を変化させ、その設置箇所ごとに平均体積効率を求め、設置箇所と平均体積効率との関係を表したグラフが示されている。なお、平均体積効率は、図２（ｂ）に示すエンジンの回転数が１０００〜４０００ｒｐｍにおける体積効率の平均をとったものである。

【0034】

例えば、第１排気路Ｌの排気路長がＬ_０（ｍｍ）である場合、平均体積効率はピークとなる約８６％となっている。一方、第１排気路Ｌの排気路長がＬ_ｒｅｆ（ｍｍ）である場合、平均体積効率は約８２％である。

【0035】

図２（ｂ）の横軸は、エンジンの回転数を表し、縦軸は体積効率を表している。実線Ｇ１は、第１排気路Ｌの排気路長をＬ_０で固定し、回転数を変化させ、回転数ごとの体積効率を求め、その回転数と体積効率との関係を表すグラフである。実線Ｇ２は、第１排気路Ｌの排気路長をＬ_ｒｅｆで固定し、回転数を変化させ、回転数ごとの体積効率を求め、その回転数と体積効率との関係を表すグラフである。

【0036】

実線Ｇ１で示すように、第１排気路Ｌの排気路長をＬ_０で固定し、回転数を変化させた場合、低中回転域において比較的高い体積効率となっている。ここでは、体積効率が比較的高い約９０％程度となる２５００ｒｐｍを第１エンジン回転数とした。

【0037】

したがって、第１排気通路１１、第２排気通路１２及び第３排気通路１３の内径φ１、φ２、φ３を何れも同じ大きさという条件の下では、第１排気路Ｌの排気路長をＬ_０とすることで、第１エンジン回転数である２５００ｒｐｍ付近において、負圧波による体積効率の向上をより高くすることができる。

【0038】

参考までに、第１排気路Ｌの排気路長をＬ_ｒｅｆとした場合、実線Ｇ２に示すように、第１エンジン回転数である２５００回転付近においては、体積効率は約６５％程度となっている。すなわち、トルク向上を図りたい回転数の一つである第１エンジン回転数（２５００回転）においては、排気路長をＬ_０とすることで、実線Ｇ１に示すように、より高い体積効率を得られることが分かる。

【0039】

一方、第２排気路Ｍの排気路長は次のように決定する。
図３（ａ）の横軸は、排気ポートから第２マフラー２２の入口までの距離、すなわち第２排気路Ｍの排気路長を表し、縦軸は、平均体積効率を表している。

【0040】

第１排気通路１１、第２排気通路１２及び第３排気通路１３の内径φ１、φ２、φ３は何れも同じ大きさという条件の下、第２排気路Ｍを構成する第２排気通路１２の長さを変更することで第２マフラー２２の設置箇所を変化させ、その設置箇所ごとに平均体積効率を求め、設置箇所と平均体積効率との関係を表したグラフが示されている。なお、平均体積効率は、図３（ｂ）に示すエンジンの回転数が１０００〜４０００ｒｐｍにおける体積効率の平均をとったものである。

【0041】

例えば、第２排気路Ｍの排気路長がＭ_ｒｅｆ（ｍｍ）である場合、平均体積効率はピークとなる約８４％となっている。一方、第２排気路Ｍの排気路長がＭ_０（ｍｍ）である場合、平均体積効率は次に大きなピークとなる約７９％となっている。

【0042】

図３（ｂ）の横軸は、エンジンの回転数を表し、縦軸は体積効率を表している。実線Ｇ３は、第２排気路Ｍの排気路長をＭ_０で固定し、回転数を変化させ、回転数ごとの体積効率を求め、その回転数と体積効率との関係を表すグラフである。実線Ｇ４は、第２排気路Ｍの排気路長をＭ_ｒｅｆで固定し、回転数を変化させ、回転数ごとの体積効率を求め、その回転数と体積効率との関係を表すグラフである。

【0043】

実線Ｇ３で示すように、第２排気路Ｍの排気路長をＭ_０で固定し、回転数を変化させた場合、低中回転域において比較的高い体積効率となっている。ここでは、体積効率が比較的高い約９５％程度となる１５００ｒｐｍを第２エンジン回転数とした。

【0044】

したがって、第１排気通路１１、第２排気通路１２及び第３排気通路１３の内径φ１、φ２、φ３を何れも同じ大きさという条件の下では、第２排気路Ｍの排気路長をＭ_０とすることで、第２エンジン回転数である１５００ｒｐｍ付近において、負圧波による体積効率の向上をより高くすることができる。

【0045】

参考までに、第２排気路Ｍの排気路長をＭ_ｒｅｆとした場合、実線Ｇ４に示すように、第２エンジン回転数である１５００回転付近においては、体積効率は約７０％程度となっている。すなわち、トルク向上を図りたい回転数の一つである第２エンジン回転数（１５００回転）においては、排気路長をＭ_０とすることで、実線Ｇ３に示すように、より高い体積効率を得られることが分かる。

【0046】

なお、図３（ａ）に示すように、排気路長がＭ_ｒｅｆである場合のほうが、Ｍ_０に比べて平均体積効率が高い。しかしながら、排気路長をＭ_ｒｅｆとすると、第２マフラー２２が第１マフラー２１よりも排気ポートに近い配置となってしまう（図２（ａ）参照）。減音効果を得るために、容量の大きな第２マフラー２２は、容量の小さな第１マフラー２１よりも下流側に配置しなければならないという制約上、第２排気路Ｍの排気路長をＭ_ｒｅｆとすることはできない。

【0047】

そして、特に図示しないが、第３排気路Ｎの排気路長についても、第１排気路Ｌ及び第２排気路Ｍと同様に決定する。第３エンジン回転数（例えば１２００ｒｐｍ）において体積効率がピークとなるような第３排気路Ｎの排気路長をＮ_０とする。

【0048】

上述したように、第１エンジン回転数においては、第１境界Ａで反射した負圧波により体積効率が約９０％となり、第２エンジン回転数においては、第２境界Ｂで反射した負圧波により体積効率が約９５％となり、第３エンジン回転数においては、第３境界Ｃで反射した負圧波により高い体積効率となるように、第１排気路Ｌ、第２排気路Ｍ及び第３排気路Ｎの排気路長が決定される。

【0049】

これらの排気路長は、現実の車両構造を無視した場合に採用できるものであり、実際には、現実の車両構造に対応して排気路長を調整したり、第１マフラー２１及び第２マフラー２２の配置及び容量を調整しなければならない。

【0050】

例えば、図２（ａ）及び図３（ａ）に示すように、第１排気路Ｌの排気路長をＬ_０よりも長いＬ_１とし、第２排気路Ｍの排気路長をＭ_０よりも長いＭ_１とし、特に図示しないが第３排気路Ｎの排気路長をＮ_０よりも長いＮ_１としなければならない場合がある。この場合、平均体積効率としても低下するし、第１エンジン回転数、第２エンジン回転数及び第３エンジン回転数における体積効率も低下してしまう。

【0051】

しかしながら、第１排気通路１１、第２排気通路１２及び第３排気通路１３の内径φ１〜φ３を相対的に中、小、大とすることで、体積効率を向上させることができる。

【0052】

図４は、第２排気通路及び第３排気通路の内径と平均体積効率との関係を表す図である。図４（ａ）及び（ｂ）の縦軸は平均体積効率を表し、図４（ａ）の横軸は第２排気通路の内径（ｍｍ）を表し、図４（ｂ）の横軸は第３排気通路の内径を表している。

【0053】

先に、第１排気通路１１、第２排気通路１２及び第３排気通路１３の内径φ１、φ２、φ３は何れも同じ大きさという条件で排気路長や平均体積効率等を計算したことを述べた。このときの内径を例えばＤ_１（約３１．６ｍｍ）とする。

【0054】

図４（ａ）には、第１排気路Ｌ及び第２排気路Ｍの排気路長を、現実の車両構造に合わせたために調整したＬ_１及びＭ_１とし、第１排気通路１１の内径φ１をＤ_１とした条件において、第２排気通路１２の内径φ２を変化させ、その内径φ２ごとに平均体積効率を計算したグラフが示されている。
このグラフによれば、Ｄ_１よりも小さなＤ_２（約２９．０ｍｍ）で平均体積効率がピークとなる上方に凸となる特性があることが分かる。

【0055】

図４（ｂ）には、第１排気路Ｌ、第２排気路Ｍ及び第３排気路Ｎの排気路長を、現実の車両構造に合わせたために調整したＬ_１、Ｍ_１及びＮ_１とし、第１排気通路１１の内径φ１をＤ_１、第２排気通路１２の内径φ２をＤ_２とした条件において、第３排気通路１３の内径φ３を変化させ、その内径φ３ごとに平均体積効率を計算したグラフが示されている。
このグラフによれば、Ｄ_１よりも大きなＤ_３（約３２．５ｍｍ）で平均体積効率がピークとなる上方に凸となる特性があることが分かる。

【0056】

したがって、第２排気通路１２の内径φ２をＤ_１より小さなＤ_２とし、第３排気通路１３の内径φ３をＤ_１より大きなＤ_３とすることで、平均体積効率を向上させることができる。平均体積効率が向上するので、第１エンジン回転数、第２エンジン回転数及び第３エンジン回転数における体積効率についても向上する。

【0057】

このように第１排気路Ｌ、第２排気路Ｍ及び第３排気路Ｎの排気路長をＬ_０、Ｍ_０、Ｎ_０からＬ_１、Ｍ_１、Ｎ_１とすることで現実の車両構造に適合させる一方、これにより減少する体積効率の減少を、第１排気通路１１、第２排気通路１２及び第３排気通路１３の内径を相対的に中、小、大とすることで補うことができる。

【0058】

このような排気路長と内径との関係は、ヘルムホルツの原理に基づいている。ヘルムホルツの原理は、空洞の箱体と、箱体内部に連通するように取り付けられた筒状部材とを備えた構造において、音速をｃ、箱体内部の容積をＶ、筒状部材の長さをｌ、筒状部材の断面積をＳ、共鳴周波数をｆ_０としたとき、以下の関係が成り立つとする原理である。

【0059】

【数1】

【0060】

箱体内部の容積Ｖは、第１マフラー２１又は第２マフラー２２の容積に相当し、ｌは第１排気路Ｌ、第２排気路Ｍ又は第３排気路Ｎの排気路長に相当し、Ｓは第１排気通路１１、第２排気通路１２又は第３排気通路１３の断面積（内径）に相当するものである。共鳴周波数ｆ０は、第１エンジン回転数、第２エンジン回転数又は第３エンジン回転数に相当するものである。

【0061】

例えば、筒状部材の長さｌ、すなわち第２排気路Ｍや第３排気路Ｎの排気路長がＭ_０からＭ_１、Ｎ_０からＮ_１に伸長し、かつ、所望の共鳴周波数、すなわち第２エンジン回転数又は第２エンジン回転数とするならば、他のパラメータのＶ又はＳに相当する第２排気通路１２や第３排気通路１３の断面積（内径）を変化させればよい。図４に示した例では、このようなヘルムホルツの原理に基づいて、平均体積効率がピークとなる第２排気通路１２及び第３排気通路１３の内径を特定した。

【0062】

また、第１マフラー２１及び第２マフラー２２の容積は、負圧波による体積効率の向上に影響する。
図５は、第１マフラー２１及び第２マフラー２２の容積と平均体積効率との関係を示す図である。横軸は第１マフラー２１の容量であり、縦軸は第２マフラー２２の容量である。

【0063】

第１排気路Ｌ、第２排気路Ｍ及び第３排気路Ｎの排気路長をＬ_１、Ｍ_１、Ｎ_１とし、第１排気通路１１、第２排気通路１２及び第３排気通路の内径φ１、φ２、φ３をＤ_１、Ｄ_２、Ｄ_３とした条件の下、第１マフラー２１及び第２マフラー２２の容量を変化させ、その容量ごとの平均体積効率を計算した。平均体積効率は、８２．５〜８７．５までの範囲を０．５刻みで区分し、各区分について同色を配して表示してある。

【0064】

排気路長及び内径を決定する際に前提としていた第１マフラー２１及び第２マフラー２２の容量であるＶ_０、Ｗ_０においては、平均体積効率は８６．５〜８７．０の間である。一方、第１マフラー２１の容量が１．５〜２．０の範囲であり、第２マフラー２２の容量が８〜１０の範囲である場合、例えば、その範囲に含まれるＶ_１、Ｗ_１とすることで、平均体積効率は、８７．０〜８７．５の範囲となる。このような平均体積効率が得られる、第１マフラー２１の容積に対する第２マフラー２２の容積の比率は、１：４〜１：６である。

【0065】

第１排気路Ｌ、第２排気路Ｍ及び第３排気路Ｎの排気路長、並びに、第１排気通路１１、第２排気通路１２及び第３排気通路の内径を固定した条件のもとで、第１マフラー２１の容積に対する第２マフラー２２の容積の比率を１：４〜１：６とすることで、さらに平均体積効率を向上させることができる。

【0066】

以上に説明したように、第１排気通路１１、第２排気通路１２及び第３排気通路１３の内径を同じ大きさとした条件の下、第１エンジン回転数、第２エンジン回転数及び第３エンジン回転数のそれぞれで負圧波による体積効率の向上が最適となるように排気路長を設定することもできる。しかし、そのような排気路長は、現実の車両構造を無視したものとなり、必ずしも採用できるとは限らない。

【0067】

本発明の排気装置によれば、第１排気路Ｌ、第２排気路Ｍ及び第３排気路Ｎの排気路長を現実の車両構造に適合させたＬ_１、Ｍ_１、Ｎ_１とする一方、これにより減少する体積効率の減少を、第１排気通路１１、第２排気通路１２及び第３排気通路１３の内径を相対的に中、小、大とすることで補うことができる。

【0068】

すなわち、本発明の排気装置は、単に、第１排気路Ｌ、第２排気路Ｍ及び第３排気路Ｎの排気路長を現実の車両構造に適合させたＬ_１、Ｍ_１、Ｎ_１とし、第１排気通路１１、第２排気通路１２及び第３排気通路１３の内径を同一径とした場合よりも、負圧波による体積効率をより大きく向上させることができる。

【0069】

特に、第１エンジン回転数〜第３エンジン回転数として、低中回転域のものを設定したので、低中回転域における体積効率を向上させ、トルクの出力を増大させることができる。

【0070】

なお、第１エンジン回転数〜第３エンジン回転数は、低中回転域から選択する場合に限定されず、トルク向上を図りたい任意のエンジン回転数に定めてもよい。また、本実施形態では、第１排気通路１１、第２排気通路１２及び第３排気通路１３は、内径φ１〜φ３を有する断面が円形状であるとしたが、断面はこのような形状に限定されず任意の形状とすることができる。この場合、第１排気通路１１、第２排気通路１２及び第３排気通路１３の断面積が相対的に中、小、大となるようにすればよい。

【産業上の利用可能性】

【0071】

本発明は、自動車の産業分野で利用することができる。

【符号の説明】

【0072】

Ａ 第１境界
Ｂ 第２境界
Ｃ 第３境界
Ｌ 第１排気路
Ｍ 第２排気路
Ｎ 第３排気路
１ エンジン
１０ 排気装置
１１ 第１排気通路
１２ 第２排気通路
１３ 第３排気通路
２１ 第１マフラー
２２ 第２マフラー

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】