マフラー (原動機)
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マフラー（アメリカ英語: muffler）とは、内燃機関（エンジン）の付属部品の一つであり、排気ガス(排気)が外部へ排出される際の音（排気音）を低減する装置である。消音器やサイレンサー(イギリス英語: silencer)などとも呼ばれるが、これらの言葉から連想されるような完全に音を消すような装置ではない。また、エキゾーストマニホールドとあわせてマフラーと呼ぶこともある。本頁では主に、自動車やオートバイ等におけるマフラーについて述べる。
目次 |
[編集] 概要
マフラーという言葉は、「（音などを）包み込む、あるいは鈍くする」という意味を持つ「muffle」に由来する。その由来の通り、マフラーの最も基本的な役割は、内燃機関（エンジン）の発する排気音の低減である。4ストローク機関や2ストローク機関、ロータリーエンジンやディーゼルエンジンといった様々なエンジンの形式や方式に関係なく、排気音を騒音の一つとしてとらえ、これを低減することで周囲への悪影響を抑えるのである。
その役割から、本来マフラーはエンジンにとって必須の部品ではなく、理論的にはマフラーがなくてもエンジンは稼動する。しかし実際には、マフラーがないエンジンが稼動すると爆発的な大音量が連続的に発生し続けるので、その悪影響からして実用的ではない。また、マフラーには騒音を低減するとともに多少の背圧を発生させるという副次効果があり、エンジンの燃焼効率や出力特性を向上させるという役割もあるので、マフラー装着を想定したエンジンからマフラーを取り外すと始動できなくなる場合すらある。こうした理由から、現実的にはマフラーはエンジンにとって必須の付属部品であるといえる。
更に近年では、自動車排出ガス規制といった環境関連の規制基準強化の影響から、マフラーに三元触媒（触媒）といった排気ガス中の有害成分を抑制する装置や構造を内蔵あるいは併設するのが一般化しており、こうした機能も排気音量低減と並ぶマフラーの重要な役割となってきている。
なお自動車やオートバイでは、その車両が製造される際に取り付けられる(あるいはそれと同等の)「純正マフラー」(純正品)と、マフラー専門メーカーや車両販売店や用品店といった車両メーカーではない者が製造販売する「社外マフラー」(社外品)という分類が存在する。一般に純正マフラーは、音量等の一定基準を遵守しつつ、静粛性や耐久性といった性能とコストとの妥協点を追求したものであり、車両メーカーがその車両に適するようにつくったマフラーである。一方社外マフラーは、純正マフラーで不満とされる点を純正マフラーとは違った方向性で解決したマフラーである。社外マフラーは大雑把に分類するとその方向性によりいくつかの種類があり、純正マフラーとほぼ同じ性能を維持しつつコスト低減を追求した純正代替型、性能や品質を追及する代わりにコスト上昇はやむなしとした機能向上型、元来公道用の車種をレース等の公道以外で使う目的で音量等の公道走行の為の保安基準を無視して更なる性能を追求した競技専用型、などがある。
なお、一般に誤解されやすい点として、音量低減効果が高くなるにつれ最高出力やトルクが低下するということが挙げられる。しかしこれらの相関は後述の通り、サイレンサーの構造やそれ以外の部分の構造、それらに応じたエンジンや吸気系の調整といった様々な要因が関係して決まるものである為に、必ずしもカタログデータなどでは推し量れない部分である。例えば、純正マフラーから社外マフラーへ交換した場合など、必ずしもそれだけで出力やトルクといったエンジン性能が向上する訳ではない。それはサイレンサー等のマフラーの構造が違えば背圧や排気効率が変わる為に、それにあわせたキャブレターや燃料噴射装置(ECU)といった吸気系の調整が必要となるからである。「吸気系の調整不要でマフラーを交換するだけで出力向上」などと謳う製品もあるが、実際には無調整では純正マフラー装着時よりも出力が落ちてしまうようなものも存在する。
[編集] どこまでをマフラーと呼ぶのか
自動車やオートバイの部品としてのマフラーでは、場合によってその言葉が指し示す範囲が異なることがある。
狭義のマフラーは、エキゾーストマニホールドを除いた、消音器部分とその前後のごく狭い範囲を指す。具体的には、円筒や太鼓あるいは箱といった形状をしていることの多い消音器部分とその直後の短いパイプ(テールピースやエンドパイプあるいはテールパイプ等と呼ばれる[1])、そしてそれらをエキゾーストマニホールドを繋ぐ中間パイプ(センターパイプやメインパイプあるいはテールパイプ等とも呼ばれる[1])までを指すことが多い。なおオートバイにおいては、このセンターパイプと消音器部分の組み合わせを「スリップオンマフラー」と呼ぶこともある。更に限定的には、センターパイプを含まない消音器部分のみをマフラーと呼ぶこともあり、この場合はサイレンサーと呼ぶことも多い。[2]なおこの狭義のマフラーには、触媒などの有害成分抑制装置が含まれる場合と含まれない場合の両方がある。[3]
広義のマフラーは、エキゾーストマニホールドからセンターパイプと消音器までを含む、シリンダーヘッドより後[4]の排気管すべてを指す。この場合は単に「マフラー」と呼ばずに、「フルエキゾースト」や「エキゾーストシステム」あるいは単に「エキゾースト」と呼ぶこともある。なお、この広義の意味ではいわゆるチャンバーも含まれる為に、2ストローク機関においてはこの広義のマフラーのことを「チャンバー」と呼ぶ場合がある。[5]
自動車やオートバイで「社外マフラーへ交換する」というと、その多くは狭義でのマフラーを交換を指すことが多い。これには主に二つの理由がある。広義のマフラーであるフルエキゾーストすべてを交換するにはより多くの費用や手間が掛かること、音量や音質あるいはエンジン性能向上に関わる排気抵抗に大きく影響するのが消音器や触媒の部分であること、である。なお、車種によっては消音器部分が車両1台につき複数個設けられていることもあり、その場合の「マフラー交換」では後ろ側の消音器部分(とその連結パイプ)のみを交換する場合もある。更に車種や製品によっては、エキゾーストマニホールドからエンドパイプまですべてが一体型のものもあり、その場合には狭義でのマフラー交換は難しくなる。
[編集] 構造と材質
マフラーの構造は、エンジンそのものと同様に、時代とともに発達や進化をしているが、基本的な構造はあまり変わっていない。その基本的な構造とは、エンジンに取り付けられた管状のエキゾーストマニホールド、場合によってはそれにセンターパイプや触媒など[6]が続き、最後に太鼓や円筒や箱といった形状をした消音器部分が取り付けられ、エンドパイプで終わる、というものである。ここでは主に、マフラーの中心的部品である消音器部分(サイレンサー)について述べる。
[編集] サイレンサーの構造
サイレンサーの構造は年とともに進化してきたが、以前には、エキゾーストマニホールドと一体でほぼ同じ径を持つ金属パイプでしかなく、サイレンサーと呼べる部分を持たない為に音量低減効果もほとんど期待できないようなものもあった。[7]しかし現在では、より確実で耐久性のある音量低減効果や有害成分抑制効果を発揮する構造や装置を内蔵する為に、エキゾーストマニホールドやセンターパイプよりも大幅に太く大きなサイレンサー部分を持つものが主流である。現在流通しているマフラーのほとんどにおいて、サイレンサーの内部構造は、その違いにより大きく次の二つに分けられる。
- 多段膨張式
- 多段膨張式とは、サンレンサー内部を仕切っていくつかの小室に分け、それらをわざと遠回り(迷路状)になるように長さや太さの違うパイプで繋いでいき、そこを通った排気が膨張や収縮などを繰り返すことで音の圧力波を減衰し音量を下げる仕組みである。製造コストは掛かるが構造そのものが高い音量低減効果を持つので経年劣化による音量増大が起きにくく、原則的にグラスウール等の吸音材に頼らない構造にできることもあって、特別な整備を必要とせず耐久性が高いという利点がある。また構造的に背圧を高めやすいので、燃焼効率上昇や低回転域からのトルク特性向上を達成しやすい。しかし、背圧が高まりやすいということは特に高回転域での排気効率が悪化することにも繋がりやすいので、素早い回転数上昇や高回転型の出力特性に向かないとされる。[8]また、その構造の複雑さから、開発や生産のコストや、サイレンサーの重量が増大しやすいのも欠点とされる。
- ストレート排気式
- ストレート排気式とは、サイレンサーの入口から出口まで排気をほぼ直線的に通す通路があり、その通路の太さを変化させたり、その通路の側壁を構成するパンチングパイプ[9]やその外側全周に配置されたグラスウール等の吸音材という構造によって、音の圧力波を減衰し力を分散させて音量を下げる仕組みである。この方式は、構造が単純な為に多段膨張式よりもサイレンサーそのものを軽量にでき、排気も多段膨張式より抵抗なく排出しやすいので素早い回転数上昇や高回転型の出力特性に向くという利点がある。その反面、背圧が高まりにくいので、燃焼効率が向上しにくく、低中回転域でのトルク特性が低下しやすいという欠点もある。また、音量低減効果を吸音材に依存しやすい構造の為に、その効率は多段膨張式ほど高くはなく[10]、高温の排気が直接あたることで吸音材が経年劣化しやすく音量増大が起こりやすい。その為に吸音材の定期的な交換が重要であり、これを行なわないと設計時に想定された消音効果を発揮できなくなる可能性が高いという欠点もある。[11]
このように、多段膨張式とストレート排気式にはそれぞれの利点と欠点がある。特に公道用の自動車やオートバイの純正マフラーでは、騒音規制法や自動車排出ガス規制といった様々な環境規制から、音量低減効果や耐久性が高い多段膨張式を採用する例が圧倒的に多い。特に純正マフラーにおいて、どんな高出力傾向を持つ高性能なスポーツ車であってもほぼ例外なく多段膨張式を採用しているのは、特別な整備を行なわずともそのままで複数回の車検(自動車検査登録制度)に合格できるだけの性能と耐久性が重要とされるからである。
[編集] サイレンサー以外の構造
前述の通りマフラーの基本的役割である音量低減効果については、サイレンサーが最も大きな役割を果たしているが、それ以外の部分にもそれぞれの役割や意味がある。
- エキゾーストマニホールド
- エキゾーストマニホールドも参照のこと。
- エキゾーストマニホールドは「エキマニ」と省略して呼ばれたり、「エキゾーストパイプ」やその省略形である「エキパイ」とも呼ばれる。エンジンから出た燃焼気(排気)が最初に通る部分であり、この部分の太さ(管径)や長さはエンジンの出力特性を決める重要な要因の一つである。特に多気筒エンジン等での複数のパイプからなるエキゾーストマニホールドでは、それらを1本や2本に集合させるかどうか、集合させるならその順番や集合方法、集合させるまでの各パイプの長さや太さ、といった様々な要因により、エンジンの出力特性をかなり大きく変えることができる。また近年では、年々厳しくなる騒音規制により、エキゾーストマニホールドのパイプを二重構造として音量低減効果を持たせているものも存在する。
- 触媒
- 三元触媒も参照のこと。
- 排気ガス中の有害成分抑制を行なう装置。マフラーの基本的役割からすれば本来必要のないものであるが、近年では自動車排出ガス規制の強化などにより必須のものとなっている。現在主流の三元触媒では、浄化対象の排気ガスがある程度の高温でないと性能を発揮できない為に、エキゾーストマニホールドの直後といった、できるだけマフラーの上流側に配置されることが多い。オートバイなど車種によっては、サイレンサー内に触媒が内蔵されているものもある。
- センターパイプ
- 構造的にはエキゾーストマニホールドとサイレンサーを繋ぐ単なる連結パイプであることが多いが、その太さや長さによりエンジンの出力特性に影響を及ぼす。
- サブサイレンサー
- 車種やマフラーの種類によっては、メインとなるサイレンサーとは別にもう一つのサイレンサーを持つものもある。音量低減効果の他、エキゾーストパイプの不等長の効果などを緩和する膨張室としての役割を持っている場合もある。
- エンドパイプ
- メインサイレンサーの直後に取り付けられたパイプで、ここを通じて排気ガスは大気中へ放出される。サイレンサーよりも下流にある為に軽視されがちだが、この部分の寸法もエンジンの出力特性に影響力を持っており、マフラーの重要な部品の一つである。また、ほぼ唯一外から見える部品であるため、見た目に気を遣われた処理が行われることが多く、パイプ断面の形、大きさ、数や切り口の角度、リアバンパーからのはみ出し量、材質や焼入れの有無など数多くのパターンがある。
[編集] 材質
エキゾーストマニホールドやセンターパイプ、エンドパイプやサイレンサー内部の仕切りなど、マフラーの主要部分、特に高温の排気が直接触れる部分には金属が使われることがほとんどである。一般的なものとしては鉄(鋼)やステンレス鋼等が最も多く、やや珍しいものとしてはアルミニウム(アルミニウム合金)や真鍮(黄銅)、更にはチタン合金やインコネルといった特殊な合金が使われることもある。サイレンサーの外殻部分などの排気が直接触れない部分ではFRPやCFRPといった繊維強化プラスチックが使われることもある。生産コストや耐久性が重視されやすい純正マフラーでは、鉄やステンレスが採用されることが多い。それに比べて、性能や外観を重視することが多い社外マフラーや、純正品でも外観や性能(部品重量など)を重視する車種等では、それ以外の高価だが高品質な材質を採用することもある。
一方、サイレンサーの内部などに使われる吸音材としては、グラスウールやスチールウール、デミスター(金属線を立体成形した三次元構造の金網)などが使われる。
[編集] オートバイのマフラー
オートバイは自動車よりも車体が小型軽量である為に、マフラーの大きさや重量への制限が厳しく、エンジン性能と音量低減を両立させたマフラーを開発するのにオートバイやマフラーのメーカーは多くの時間を掛けている。更に、オートバイではエンジンやマフラーが外部に露出している場合が非常に多く、排気音などの音量低減の条件が自動車よりも厳しくなっている。[12]またオートバイのマフラーは外部に露出していることもあって、車両の外観をなす一部となっている。その為にオートバイ用マフラーでは、その材質や形状、場合によっては色までもが、車両の意匠の一部として考慮され製造されていることが多い。
[編集] 自動車のマフラー
自動車はオートバイと違って車体も大きく重量面でも制約が少ない為に、エンジン性能と音量低減を両立させたマフラーをつくるのはオートバイほど困難ではないことが多い。またエンジンやマフラーが車体に覆われているので、排気音などの音量低減の条件がオートバイよりも厳しくなく、マフラーの材質や形状が車両の外観にほとんど影響しないのが一般的である。その為に、エンドパイプといった外部へ露出する一部分を除けば、マフラーが車両の外観に及ぼす影響をほとんど考慮せずに、マフラーそのものの性能を追求して開発や製造を行なえるという特徴がある。[13]
[編集] 改造マフラー
目立つように「音を大きくしたい」「変わった見た目にしたい」などの理由で、メーカー出荷時のマフラーを外していわゆる「社外マフラー」に交換したり、マフラー内部を改造する人がいる。ほとんどすべての場合は音量が大きくなるので、睡眠だけではなく日中生活へ悪影響を与える「騒音被害」に関する番組がたびたび特集される。
社外マフラーでは、純正マフラーに準じた性能を持つ純正代替型では純正と同様の多段膨張式も多いが、外観や性能を重視する機能向上型においてはストレート排気式を採用するものがいまだ多い。これには、社外マフラーを製造する社外マフラー専門メーカーや店舗では車両メーカーほど開発や製造のコストを掛けられないこと、構造上の特徴から多段膨張式ほど低周波を抑制しきれない音質を「低音が効いている」として好む客層も多いこと、といったいくつかの理由がある。しかしストレート排気式は、音量低減効果や耐久性が多段膨張式より低くなりがちという欠点から、経年劣化に応じた整備や交換を行なわないと「車検対応」と謳う製品でも経年劣化により車検に合格できなくなる可能性が高くなる。こうした問題を克服する目的で、ストレート排気式と多段膨張式の中間ともいうべき構造[14]を採用する社外マフラーもある。また、近年ではマフラーを製造するメーカーが種となり、JASMAという業界団体を組織し、保安基準よりもさらに厳しい自主基準を設けチューニングカーの合法化の一端を担っている。
オートバイではマフラーを交換すると車両外観の印象が自動車よりも変わりやすい為に、カスタムやドレスアップの一環としてマフラーの交換が行なう人がいるが、近年は自動車排出ガス規制や騒音規制法等の強化により、これらの基準を満たしながら性能向上を果たす社外品マフラーは開発や生産のコストなどから高価にならざるを得ず、以前よりは減少傾向にある。こうしたことから近年では、社外マフラーに交換せずともユーザーが満足できるような質感の高い外観や材質を持つ純正マフラーをはじめから装着している車種も増えてきている。
自動車においてもオートバイと同様に、性能向上やドレスアップの目的で交換する場合がない訳ではない。出力を上げる場合には特にターボチャージャー付きエンジンのマフラーを交換すると手軽と言われる為にマフラーの交換をする人がいる。自然吸気エンジンの場合はそれほど大きく性能は変わらない為に、トルク特性がよくなる、などと評される場合が多い。また最近では、オートバイと同じように出力と静音性の両立を売りにする社外マフラーも多くなっている。
なお、自動車におけるドレスアップ目的のマフラー交換では、エンドパイプやリアサイレンサーといった比較的外部から見えやすい部分のみが交換される場合も多い。古くは暴走族が付けていた「竹やりマフラー」などに始まり、現在ではエンドパイプが大口径なものや外観の派手さで選ぶ人もいる。
[編集] 競技車のマフラー
競技専用型の社外マフラーは、その車両(エンジン)の本来の性能を追求するのが最優先であり、音量を無視したり低回転域の出力特性を犠牲にして最高性能を重視とされることもあり、ストレート排気式やそれに準じた構造が多い。ただし近年では、レースのレギュレーションやサーキットの規定などにより、競技専用車といえども一定の音量規制が設けられることが増えてきており、競技専用の車両やマフラーも大音量は許されなくなってきている。
[編集] 脚注
- ^ い ろ マフラーのうち「テールパイプ」と呼ばれる部分は2箇所あるので注意が必要である。マフラーの消音器部分よりも後ろとなる一番下流の部分をそう呼ぶのは自動車の場合が多く、対して消音器より上流側の部分をそう呼ぶのはオートバイの場合が多い。なお本頁では便宜上、前者を「エンドパイプ」、後者を「センターパイプ」として統一する。
- ^ 特に2ストローク機関においては、これを「サイレンサー」と呼ぶ傾向が4ストローク機関よりも強い。2ストローク機関においてはチャンバーが燃焼効率向上や出力特性改善の役割のほとんどをなしており、消音器部分は文字通り消音効果のみを担っている場合が多いからである。
- ^ これは自動車やオートバイの車種や、その純正マフラーの構造によって変わることが多く、どちらかが良いということではない。
- ^ 2ストローク機関やロータリーエンジンではシリンダーヘッドがないので、排気ポート(あるいはその直後に取り付けられた排気デバイス)より後、となる。
- ^ 特に、2ストローク機関を搭載したオートバイや自動車において、こう呼ぶ傾向がある。これは2ストローク機関においては、サイレンサー(狭義のマフラー)よりもチャンバーの機能が重視されることが多いからである。逆に、4ストローク機関を搭載したオートバイや自動車のマフラーでチャンバーが付いていたとしても、全体を「チャンバー」と呼ぶことはまずない。
- ^ ターボチャージャー装着車では、エキゾーストマニホールドの直後にタービンも付く。
- ^ これは背圧による燃焼効率向上が主目的であり、排気音低減が主目的ではなかったからである。現在でも、最高出力を重視し音量低減はほぼ無視して良いF1やMotoGPのような一部のレースでは、このような構造(サイレンサーレス)を持つマフラーが採用されることがある。また、暴走族のような大音量化を目的とした違法改造でも見受けられることがある。
- ^ ただし、近年では開発技術などの向上により克服されてきている。
- ^ 側面の全周に渡って無数の穴が開いているパイプのこと。
- ^ ストレート排気式では多段膨張式と同程度まで音量低減効果を持たせるのが不可能ということではない。
- ^ ただしストレート排気式マフラーでも、ものによっては吸音材の交換がほぼ不可能(交換が前提でない非分解の構造をしている等)ということもあり、その場合にはサイレンサーごと交換するしかなくなる。
- ^ 特に日本においては、騒音規制法等での音量規制基準が自動車よりもオートバイのほうが厳しくなっており、より音量低減が難しいという事情もある。
- ^ 自動車でも、質感の高い材質や形状を採用して製造されたマフラーに意味がない訳ではないが、オートバイでのように外観の大幅な違いとなって表われにくいということである。
- ^ 一定の構造がある訳ではないが、例えば、ストレート排気式の中央の排気通路内に小室の数を数個にまで簡略化した多段膨張式構造を嵌め込んだような構造などがあり、メーカーによって様々な呼び方をする。なお、構造的には吸音材に依存する率が下がっただけなので、長期的にみればストレート排気式と同様に吸音材の交換が必要になるものがほとんどである。
[編集] 関連項目
[編集] 外部リンク
 |
この「マフラー (原動機)」は、自動車に関連した書きかけ項目です。 この記事を加筆・訂正下さる協力者を求めています（自動車ポータル/自動車PJ/乗用車PJ）。 |
最終更新 2009年3月12日 (木) 13:17 （日時は個人設定で未設定ならばUTC）。
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