CN102686844A - 发动机及包括该发动机的车辆和船舶 - Google Patents

Abstract

发动机包括具有引导从燃烧室中排出的排气的排气通路的排气装置以及供应空气的空气供应装置。排气通路中设置有收敛部、扩散部、以及分叉部。分叉部使在排气通路中向下游传递的冲击波在比扩散部靠上游的位置上从排气通路分叉，并且使该冲击波再次向所述排气通路传递。空气供应装置包括：第一通路，所述第一通路包括使从上游端向下游端的气流通过的第一簧片阀，第一通路的下游端在所述排气通路的比所述扩散部靠上游的位置被连接；以及第二通路，所述第二通路的上游端在所述第一通路的比所述第一簧片阀靠下游的位置被连接。所述排气装置被构成为：通过使排气经过所述收敛部，并在所述分叉部和所述扩散部之间与在所述分叉部传递的冲击波发生冲突。

Description

发动机及包括该发动机的车辆和船舶

技术领域

本发明涉及发动机(内燃机)以及包括该发动机的车辆和船舶。

背景技术

已知包括净化排气的催化剂以及向排气通路供应空气的二次空气供应装置(Secondary Air Supply System：二次空气供应系统)的发动机(Internal Combustion Engine：内燃机)。例如，在专利文献1的发动机中，在排气通路中设置有三元催化剂。二次空气供应装置与排气通路连接使得分别向催化剂的上游和下游供应二次空气。二次空气是指不经过发动机的燃烧室而被供应的空气。催化剂主要作为还原NOx的还原催化剂发挥功能，但也可以作为氧化催化剂发挥功能。即，被供应给比催化剂靠下游的位置的二次空气在排气的脉动的作用下向催化剂暂时流入之后向下游流动。此时，催化剂也作为氧化CO、THC的氧化催化剂发挥功能，从而净化从发动机排出的排气中的NOx、CO、THC。

专利文献1的发动机被构成为二次空气供应装置还向比催化剂靠上游的位置供应二次空气。这是由于在高速高负载运转时等将发动机的供应空燃比设定到浓空燃比侧时，排气中包含的CO、THC量增多的缘故。此时，通过向催化剂的上游供应二次空气，能够使催化剂主要作为氧化CO、THC的氧化催化剂发挥功能。

在专利文献1中，作为向比催化剂靠下游的位置供应二次空气的方法，公开了两种方法。一种方法是安装簧片阀从而利用排气通路内的排气脉动的方法。另一种方法是取代簧片阀设置气泵从而向排气通路强制地供应二次空气的方法。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利文献特开2006-220019号公报

发明内容

用于解决技术问题的技术手段

将向比催化剂靠下游的位置供应二次空气的上述的两种方法进行比较。

利用排气脉动的方法不同于利用气泵的方法，由于利用排气脉动的方法不需要对泵进行驱动，因此发动机输出的损失很小。然而，该方法存在如下的技术问题。当发动机以高速旋转或高负载状态运转时，排气通路内的平均压力升高。并且，在比排气通路的催化剂靠下游的部分中，由于催化剂成为阻碍，因此排气脉动的振幅减小。发动机越处于高速旋转或高负载状态，由该催化剂引起的阻力的大小就越大。即，特别是发动机以高速旋转或高负载状态运转时，排气通路内的平均压力升高，并且，排气脉动的振幅减小。由此，在比催化剂靠下游的排气通路内无法产生很大的负压。因此，特别是发动机以高速旋转或高负载状态运转时，无法向比催化剂靠下游的排气通路内供应足够量的二次空气。

另一方面，利用气泵的方法在发动机以高速旋转或高负载状态运转时也能够供应二次空气。但是，发动机越处于高速旋转或高负载状态，气泵的负载就越大。由于该气泵使用发动机驱动，因此，发动机越处于高速旋转或高负载状态，发动机输出的损失也越大。

本申请的发明人发现在排气口打开时，有在排气通路内向下游传播的冲击波。然后，本申请的发明人构想到：如果利用在冲击波的后方产生负压的现象，则即使处于高负载状态也能够供应空气。然而，该冲击波在排气口附近产生并向下游传播的同时衰减而消失。因此，该冲击波不能用于在比催化剂靠下游的位置上产生负压。

因此，本申请的发明人构想到通过在排气通路内产生其他的新的冲击波来产生新的负压。将公知的收敛扩散喷管(Convergent-DivergentNozzle)俗称德拉瓦尔喷管(De Laval Nozzle)的原理应用于包括了二次空气供应装置的发动机。该喷管包括：越靠向流路的下游侧则流路截面积越小的收敛部；在该收敛部的下游处流路截面积增大的扩散部；以及该收敛部和扩散部之间的节流部。当收敛部的压力P0与扩散部的压力P的压力比(P/P0)小于临界压力比(Critical Pressure Ratio，在空气中约为0.528)时，在扩散部中流体的流速超过音速。

因此，为了产生新的冲击波，在排气通路中设置下游端的流路截面积小于上游端的流路截面积的收敛部，并在比该收敛部靠下游的排气通路中设置下游端的流路截面积大于上游端的流路截面积的扩散部。然而，如果仅在排气通路中设置收敛部和扩散部，收敛部的压力P0与扩散部的压力P的压力比(P/P0)未达到临界压力比，因此无法产生新的冲击波。

本申请的发明人进一步潜心研究了发动机，结果发现，排气口打开时在排气通路中向下游传播的冲击波与此时从燃烧室流入排气通路中的排气相比以更高的速度传播。另外，发明人着眼于该冲击波的速度和排气的速度的差异，构想到能够提高收敛部的压力P0的构造。该构造包括使领先的冲击波从排气通路暂时分叉并再次向排气通路返回的分叉部。由于收敛部的压力P0升高，因此在扩散部产生新的冲击波。由此，在该冲击波的后方、即比扩散部靠上游的位置上，产生负压。

另外，本申请的发明人构想到利用在比扩散部靠上游的位置上产生的所述负压供应空气的构造。该构造包括：与排气通路的比扩散部靠上游的位置连接的第一通路；以及与第一通路连接的第二通路。

该发明的一个实施方式提供使用了上述构造的发动机。即，本发明的一个实施方式涉及的发动机包括：燃烧室，所述燃烧室形成有排气口；排气阀，所述排气阀开闭所述排气口；排气装置，所述排气装置具有导引从所述燃烧室经由所述排气口排出的排气的排气通路；以及空气供应装置，所述空气供应装置供应空气。所述排气装置包括：收敛部，所述收敛部被设置在所述排气通路中，并且所述收敛部的下游端的流路截面积比所述收敛部的上游端的流路截面积小；扩散部，所述扩散部被设置在所述排气通路中比所述收敛部靠下游的位置上，并且所述扩散部的下游端的流路截面积比所述扩散部的上游端的流路截面积大；以及分叉部，所述分叉部使与所述排气口打开时从所述燃烧室向所述排气通路流入的排气相比以更高的速度在所述排气通路中向下游传递的冲击波在比所述扩散部靠上游的位置上从所述排气通路分叉，并且使该冲击波再次向所述排气通路传递。所述空气供应装置包括：第一通路，所述第一通路包括使从上游端朝向下游端的气流通过的第一簧片阀，第一通路的下游端在所述排气通路的比所述扩散部靠上游的位置被连接；以及第二通路，所述第二通路的上游端与所述第一通路的比所述第一簧片阀靠下游的位置连接。另外，所述排气装置被构成为：通过使从所述燃烧室向所述排气通路流入的排气经过所述收敛部，并在所述分叉部和所述扩散部之间与在所述分叉部传递的冲击波发生冲突，而在所述收敛部中升高排气的压力，并通过使该升高压力的排气经过所述扩散部，来产生新的冲击波。另外，所述空气供应装置被构成为：利用通过所述新产生的冲击波在比所述扩散部靠上游的所述排气通路内产生的负压，经由所述第一簧片阀向所述第一通路导入空气，并利用在比所述扩散部靠上游的所述排气通路内产生的正压，将所述被导入的空气供应给所述第二通路。

根据这种构成，领先于排气的冲击波在分叉部暂时分叉，并再次向排气通路返回。由此，能够使冲击波在分叉部暂时地延迟，从而使该冲击波在排气通路内与排气发生冲突，由此，能够提高排气的压力。由于该排气经过收敛部使得压力进一步升高，因此收敛部的压力P0和扩散部的压力P的压力比(P/P0)容易达到临界压力比。即，当高压的排气经过扩散部时，产生新的冲击波(与排气口打开时产生的冲击波不同的冲击波)。在该新的冲击波的上游即扩散部的上游产生很大的负压。利用该很大的负压，能够从第一通路的上游端向第一通路内导入二次空气。二次通气是指不经过燃烧室的发动机外部的空气。

另一方面，在比扩散部靠上游的排气通路内，排气脉动使得正压和负压交替地产生。该排气脉动的振幅在比扩散部靠上游的位置上产生的很大的负压的影响下增大。在负压产生时向第一通路内导入的二次空气在正压产生时被从第一通路压出，并向第二通路内供应。

所述第二通路的下游端也可以与排气通路连接。即，被从第一通路压出的二次空气也可以经由第二通路被供应给排气通路。对于在排气通路中在比所述扩散部靠下游的位置上配置催化剂的情况，这种构成特别有利。即，通过利用由新的冲击波产生的大的负压以及由排气脉动产生的正压，即使处于高速旋转或高负载状态，也能够向比催化剂靠下游的排气通路内供应二次空气。由于此时产生的正压和负压利用排气的能量，因此能够减小发动机输出的损失。

本发明的上述的或其他的目的、特征以及效果通过下面参照附图描述的实施方式的说明被明确。

附图说明

图1是示出本发明的第一实施方式涉及的发动机的构成的截面图；

图2是示出收敛扩散喷管的构成的示意图；

图3是示出收敛扩散喷管的压力比和马赫数的关系的图；

图4是用于说明冲击波和排气的进行状态的截面图。图4A示出了排气行程的初期的状态，图4B示出了冲击波在分叉路内传播时的状态，图4C示出了在分叉路内反射的冲击波和排气发生冲突时的状态；

图5是示出冲击波行进的路径和排气行进的路径的排气通路等的示意图；

图6是示意性示出通过纹影摄影法对收敛扩散喷管内部进行了撮影的照片的示意图；

图7是示出冲击波的加速时的排气流速和排气压力的关系的图；

图8是示出冲击波的加速时的排气流速和排气温度的关系的图；

图9是用于说明二次空气供应装置的作用的图，图9A是示出曲柄角和排气通路内的压力的关系的一例的图，图9B示出曲柄角和第一通路内的气体的质量流量的关系的一例的图，图9C是示出曲柄角与排气通路以及二次空气供应装置的各部分中的氧气浓度的关系的一例的图；

图10是示出本发明的第二实施方式涉及的发动机的排气通路等的构成的截面图；

图11是示出本发明的第三实施方式涉及的发动机的排气通路等的构成的截面图；

图12用于说明本发明的第四实施方式涉及的发动机的排气装置等的构成的截面图；

图13是用于说明本发明的第五实施方式涉及的发动机的排气装置等的构成的截面图；

图14是用于说明催化剂的构成例的图示性立体图；

图15是用于说明本发明的第六实施方式涉及的发动机的排气装置等的构成的截面图；

图16是示出本发明的第七实施方式涉及的发动机的排气装置的构成的示意图；

图17是示出第七实施方式涉及的发动机的动作的示意图，图17A示出了排气行程的初期的状态，图17B示出了冲击波在其他的气缸的各自的排气通路(分叉路)内传播时的状态，图17C示出了在分叉路内反射的冲击波和排气发生冲突时的状态；

图18是例示包括搭载有发动机的船外机的船舶的图；

图19是例示搭载有发动机的自动二轮车的图；

图20是示出变形例的排气通路等的截面图；

图21是示出第一实施方式的变形例涉及的构成的截面图；

图22是示出本发明的第八实施方式的构成的示意图。

具体实施方式

本申请的发明人潜心研究的结果是，构想到应用收敛扩散喷管的原理，如下所述，通过以往未知的方法能够供应足够量的二次空气。

该方法如下所述。(1)使领先于排气传播的冲击波分叉。(2)使发生了分叉的冲击波暂时地延迟而与排气发生冲突从而提高该排气的压力。(3)使升高压力的排气经过扩散部而加速至超音速从而产生新的冲击波。(4)在比扩散部靠上游的排气通路内产生负压。(5)利用该负压向在比扩散部靠上游的位置连接的二次空气供应装置的第一通路内导入二次空气。(6)利用在比扩散部靠上游的排气通路内产生的正压向二次空气供应装置的第二通路供应二次空气。

<第一实施方式>

以下，使用附图对本发明的实施方式的发动机详细地进行说明。另外，在以下的说明中，“上游”、“下游”分别表示与排气或二次空气的流动方向有关的上游、下游。

图1是示出本发明的第一实施方式涉及的发动机的构成的截面图。发动机1包括气缸体3、设置在气缸体的一端的气缸盖4、以及在气缸体3内往复运动的活塞5。在气缸体3和气缸盖4的内部形成有燃烧室10。更详细地，燃烧室10被气缸体3的内壁、气缸盖4的内壁以及活塞5的表面(与气缸盖4相对的表面)界定而成。活塞5经由连杆15与曲轴16连结。曲轴16被容纳在与气缸体3连结的曲轴箱17中。活塞5的往复运动经由连杆15被传递到曲轴16，由此曲轴16进行旋转。发动机1是四冲程的汽油内燃机。发动机1是单气缸发动机。发动机1可以是空冷式发动机，也可以是水冷式发动机。

气缸盖4中形成有进气通路6的下游部6a和排气通路7的上游部7a。气缸盖4中设置有开闭进气口8a的进气阀8、开闭排气口9a的排气阀9、以及用于驱动进气阀8和排气阀9的阀驱动装置(未图示)。在本实施方式中，对一个燃烧室10分别各设置一个进气通路6的下游部6a和排气通路7的上游部7a。然而，也可以对一个燃烧室设置多个进气口8a、进气阀8、排气口9a和/或排气阀9。喷射燃料的喷射器2被安装在气缸盖4上。虽然图示被省略，但气缸盖4上设置有火花塞。

在进气通路6中比下游部6a靠上游的位置上配置有节流阀11。该节流阀11可以与被操作者操作的操作部件以机械方式连结(例如，经由缆绳连结)。另外，节流阀11也可以构成为由马达进行电子控制，而不是以机械方式连结。

发动机1还包括排气装置50。排气装置50包括：与气缸盖4连接的第一排气管51；与该第一排气管51连接的第二排气管52；以及与该第二排气管52连接的第三排气管53。第一排气管51通过螺栓12被安装在气缸盖4上。第三排气管53在其内部形成排气腔室55。排气装置50在其内部形成从上游部7a经由排气腔室55与外部连通的排气通路7。

排气通路7中配置有第一催化剂21和第二催化剂22。第二催化剂22被配置在第一催化剂21的下游。第一催化剂21和第二催化剂22之间设置有间隔。

在排气腔室55的下游连接有未图示的消音器(消声器)。流入排气腔室55的内部的排气经过所述消音器后向外部排出。排气腔室55中设置有检测排气中的氧气量的氧气浓度传感器19。

发动机1包括作为控制装置的ECU(电子控制单元)20。ECU 20基于发动机1的旋转速度、所述节流阀11的开度、或者由氧气浓度传感器19检测出的信号，来控制喷射器2的燃料喷射量或所述火花塞的点火正时等。ECU 20例如控制喷射器2的燃料喷射量使得被吸入发动机1中的混合气的空燃比变为理论空燃比(stoiciometry：理想配比)。

第一排气管51的上游部上设置有分叉管30。分叉管30的一端是与第一排气管51连接的开放端，分叉管30的另一端是被封闭的封闭端。封闭端形成反射下述的冲击波的反射部31b。

分叉管30可以与第一排气管51一体成形。另外，分叉管30也可以与第一排气管51分体形成，并被固定到第一排气管51。例如，第一排气管51和分叉管30可以被焊接在一起，也可以通过螺栓、铆钉等紧固部件(未图示)被固定在一起。分叉管30的所述封闭端被形成为使得所述封闭端的流路截面积大于所述开放端的流路截面积。但是，分叉管30的形状不限于图1所示的形状。即，分叉管30的封闭端的流路截面积可以与它的开放端的流路截面积相等，也可以比开放端的流路截面积小。

分叉管30的内部形成有分叉部31。分叉部31的一端是与排气通路7连通的开放端，分叉部31的另一端是封闭端。分叉部31的入口31a(即，与排气通路7连通的部分)如下所述被形成为具有下述的流路截面积：在排气通路7的内部传播的冲击波还能够传播到分叉部31的内部。图中X是分叉部31的入口31a的流路截面的中心线。中心线是指通过流路截面的重心的线。

分叉部31和第一催化剂21之间设置有收敛扩散喷管40。收敛扩散喷管40俗称德拉瓦尔喷管。收敛扩散喷管40对流经排气通路7的排气的流速进行加速使其从亚音速变为超音速。收敛扩散喷管40由收敛部41、节流部42以及扩散部43形成。收敛部41是随着向下游行进流路截面积而逐渐减小的部分。扩散部43是随着越靠向下游则流路截面积越发逐渐增大的部分。节流部42是被配置在收敛部41和扩散部43之间的部分，并且是流路截面积最小的部分。

发动机1还包括向排气装置50的排气通路7供应空气的二次空气供应装置70。二次空气供应装置70包括簧片阀74(止回阀)、第一二次空气供应管76、以及与第一二次空气供应管76连接的第二二次空气供应管77。

簧片阀74与第一二次空气供应管76的上游端耦合。第一二次空气供应管76的下游端被连接在第一排气管51的分叉管30和第一排气管51的收敛扩散喷管40之间。第一二次空气供应管76经由簧片阀74和空气量控制阀75与空气过滤器78连接。簧片阀74防止排气从第一二次空气供应管76流入第一二次空气供应管76的上游。簧片阀74被构成为：当在排气通路7中产生负压时该簧片阀74打开，使空气向第一二次空气供应管76的下游流动。

空气量控制阀75是用于使二次空气的量与发动机1的运行状态相适合的装置。空气量控制阀75包括将进气负压等作为动力源的致动器、伺服电动机、或者螺线管等。空气量控制阀75的开度由ECU 20控制。ECU20在节流阀11的开度小于预定角度的情况下使空气量控制阀75执行关闭动作或者使所述节流阀11的开度减小。所述预定角度被预先设定，并且被存储在ECU 20中。另外，ECU 20在所述节流阀11的开度大于所述预定开度的情况下使空气量控制阀75的开度增大。如此，空气量控制阀75的开度与所述节流阀11的开度相应地进行增减。通过配备空气量控制阀75，能够以适当的流量向排气通路7供应二次空气而不会使二次空气过量或不足。但是，空气量控制阀75不一定是必要的，也可以省略。

第二二次空气供应管77的上游端在第一二次空气供应管76的下游端和簧片阀74之间与第一二次空气供应管76连接。第二二次空气供应管77的下游端被连接在第二排气管52的第一催化剂21和第二排气管52的第二催化剂22之间。更详细地，在与第二催化剂22相比更靠近第一催化剂21的位置上，第二二次空气供应管77的下游端与第二排气管52连接。

二次空气供应装置70具有第一通路71和第二通路72。第一通路71是从簧片阀74至排气通路7的通路，并且是由第一二次空气供应管76形成的通路。即，第一通路71与簧片阀74、以及排气通路7的分叉部31的入口31a和扩散部43之间的部分连接。第二通路72是从第一通路71至第二排气管52内的排气通路7的通路，并且是由第二二次空气供应管77形成的通路。即，第二通路72与第一通路71、以及排气通路7的第一催化剂21和第二催化剂22之间的部分连接。第一通路71的“上游”、“下游”分别表示与空气从簧片阀74(第一通路71的上游端71a)向与排气通路7连接的连接部71b(以下也称作“下游端71b”)流动的方向有关的上游、下游。第二通路72的“上游”、“下游”分别表示空气从与第一通路71连接的连接部72a(以下也称作“上游端72a”)向排气通路7的连接部72b(以下也称作“下游端72b”)流动的方向有关的上游、下游。

在此，将气体在第一通路71内从簧片阀74流动到第二通路72的与第一通路71连接的连接部72a时所述气体损失的能量的大小(能量损失)设为L1。另外，将气体在第二通路72内从第二通路72的下游端72b流到第二通路72的上游端72a时所述气体损失的能量的大小(能量损失)设为L2。第一通路71和第二通路72被设计为：若将L1和L2进行比较，则L1＜L2。能量损失与气体的流路中的压力损失同义。

如果将第一通路71的从第二通路72的连接部72a至第一通路71与排气通路7的连接部71b的流路中的气体的能量损失设为L3，则只要L1+L3＜L2+L3即可。如果将第一通路71的从簧片阀74至第一通路71与排气通路7的连接部71b的流路61的能量损失设为L11，则L11＝L1+L3。另一方面，如果将第二通路72的从下游端72b至上游端72a进而通过第一通路71到达第一通路71的下游端71b的流路62的能量损失设为L12，则L12＝L2+L3。因此，第一和第二通路71、72只要被设计为使L11＜L12即可。

这样的能量损失的关系例如能够以如下的方式进行验证。即，将第二通路72封闭(例如，封闭下游端72b)，由此使空气向流路61流动，测量流路61的下游端(连接部71b)处的流量系数k1。另一方面，将第一通路71封闭(例如，封闭上游端71a)，由此使空气向流路62流动，测量流路62的下游端(连接部71b)处的流量系数k2。此时，如果满足k1＞k2，则满足L11＜L12。对于使空气向流路61、62流动，使用以下的任一方法即可。第一种方法是将泵连接在流路61、62的上游端而向流路61、62内输送空气的方法。第二种方法是将泵连接在流路61、62的下游端而从流路61、62吸引空气的方法。

在空气量控制阀75和/或空气过滤器78中的能量损失不能忽视时，可以将空气量控制阀75和/或空气过滤器78包含于流路61中。在这种情况下，流路61是从大气开放位置至连接部71b的流路。另外，所述能量损失L1被设定为气体从大气开放位置流到第二通路72的与第一通路71连接的连接部72a时所述气体损失的能量的大小。

流量系数是实际流经的空气流量与由实际开口面积和差压确定的理论空气量之比。即，通过将实际的空气流量除以理论空气流量得到流量系数。

气体流经管路时的能量损失的例子包含由气体与壁面的摩擦引起的损失、由管路的入口或出口上的损失、由管路的弯曲引起的损失、由流路截面积的变化引起的损失、由阀引起的损失等。由流路截面积的变化引起的损失是指截面积急剧增大或减小时的损失、截面积缓慢增大或减小时的损失。

对于由气体与壁面的摩擦引起的损失，壁面的表面粗糙度越粗糙、管路的长度越长、管路的截面积越小，该损失越大。对于由管路的弯曲引起的损失，将管径除以管路弯曲的曲率半径得到的比越大、弯曲的角度越大，该损失越大。对于由阀引起的损失，根据阀的种类和开度而不同，因此需要通过实验求出。簧片阀的损失例如通过测量簧片阀的上游和下游之间的压力差、簧片阀的开度(流路的截面积)、以及质量流量的关系，并基于该关系导出压力差和损失系数的关系而求出。

图2是一般的收敛扩散喷管的示意图。收敛部41的上游端的流路截面积A1、节流部42的流路截面积A2、以及扩散部43的下游端的流路截面积A3存在A1＞A2、A2＜A3的关系。节流部42的流路截面积A2与收敛部41的下游端的流路截面积以及扩散部43的上游端的流路截面积相同。在本实施方式中，收敛部41和扩散部43的流路截面积分别沿着流动方向以一定的比例变化。但是，收敛部41和扩散部43也可以具有其他的形状。例如，也可以如火箭发动机所采用的喷管那样采用流路截面积逐步(Step by Step)发生改变的形状。另外，也可以将喷管内面形成为光滑的曲面。

收敛扩散喷管40被形成为满足下述的公式(1)、(2)所示的条件。流入节流部42中的排气的流速达到1马赫(即音速)，使得在扩散部43中排气能够加速到超音速。

[式1]

$\frac{\mathrm{dM}}{\mathrm{dx}}=\frac{\mathrm{\&Lambda;}}{1-M^2}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(1\right)$

[式2]

$\mathrm{\&Lambda;}=M[1+\frac{\mathrm{\&gamma;}-1}{2}{M}^2][\frac{\mathrm{\&gamma;}{M}^2}{2}\left(\frac{4f}{D}\right)-\frac{1}{A}\frac{\mathrm{dA}}{\mathrm{dx}}]\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(2\right)$

公式(1)表示伴随着粘性摩擦的一维流动中排气管形状和马赫数的关系。公式(2)表示公式(1)中的Λ。在这些公式中，M表示马赫数，A表示排气管的任意截面的截面积，D表示所述任意截面的管当量直径，γ表示比热比，x表示流动方向的距离，f表示摩擦系数。

如图2所示，将节流部42的上游的全压(Full Pressure：全压力)设为P0，将节流部42的下游的静压(Static Pressure：静压力)设为P。如图3所示，当上述的压力的比P/P0小于临界压力比＝0.528(图3的点C)时，节流部42处的速度为音速(1马赫)以上，其结果是，扩散部43处的速度为超音速。因此，如果升高全压P0使得P/P0小于临界压力比，则能够在收敛扩散喷管40中形成超音速的流动。

如果收敛扩散喷管40处的流速为超音速，则产生向扩散部43的下游传播的冲击波35b和向上游传播的膨胀波35c(参照图6)。由于冲击波35b和膨胀波35c之间的空间内的流体急速地膨胀，因此流经排气通路7的排气的压力降低。其结果是，由绝热膨胀(Adiabatic Expansion：绝热膨胀)引起的绝热冷却(Adiabatic cooling)的效果使得排气的温度能够急速地下降。并且，本发明人潜心研究的结果是，通过将收敛扩散喷管40和分叉部31结合，能够实现上述的状态。

接下来，参照图4A～图4C对排气在排气通路7中变为压力较低的状态并且温度较低的状态的原理进行说明。图4A～图4C示意性示出了包含排气装置50的发动机1。在图4A～图4C中，对与图1和图2所图示的部件相同或等同的部件标记相同的符号。

如图4A所示，当在发动机1的排气行程中排气口9a打开时，高压的排气36从燃烧室10经由排气口9a向排气通路7的上游部7a喷出。在排气口9a开始打开的时间点，燃烧室10和排气通路7的上游部7a之间的压力差很大，因此，排气36的速度达到音速，并且在排气通路7的上游部7a产生冲击波35。随着排气口9a打开得越大，向排气通路7的上游部7a流出的排气的量增多，而排气的速度变慢。并且，排气随着在排气通路7的上游部7a行进而减速。如图4A所示，冲击波35从排气通路7的上游部7a在第一排气管51的内部传播，并进而向下游以高速传播。另一方面，排气36在排气通路7中以比冲击波35低的速度缓慢地行进。

如图4B所示，在第一排气管51的内部行进的冲击波35在通过分叉部31的入口31a时，分为在排气通路7中传播的冲击波和在分叉部31中传播的冲击波，并分别在排气通路7和分叉部31中独立地行进。在排气通路7中行进的冲击波35经过收敛扩散喷管40后衰减消失。另一方面，在分叉部31中行进的冲击波35在分叉部31的反射部31b被反射，在分叉部31中逆行而向排气通路7返回。

如图4C所示，以使被反射的冲击波35从分叉部31向排气通路7返回的正时与高压的排气36到达分叉部31的入口31a的中央的正时相同或滞后的方式，设定分叉部31的长度。因此，在比扩散部43靠上游且位于分叉部31的入口31a或者入口31a的下游的排气通路7中，冲击波35和排气36发生冲突。由此，能够提高收敛扩散喷管40的节流部42的上游的整个压力。其结果是，能够实现压力比P/P0小于临界压力比的状态，从而能够在收敛扩散喷管40中形成超音速的流动。

图5是示出冲击波行进的路径和排气行进的路径的排气通路7等的示意图。将从排气口9a的中心9ac至分叉部入口31a的流路截面中心线X的距离(流路长度)设为Le，将排气通路7的流路截面中心线Y和反射部31b之间的距离(流路长度)设为Ls。而且，将排气36的速度设为Ve，将冲击波35的传播速度设为Vs。从排气口9a打开至排气36到达入口31a的时间T1由式(3)表示。并且，从排气口9a打开至冲击波35在反射部31b被反射后到达排气通路7的中心线Y的时间T2由式(4)表示。

T1＝Le/Ve                    (3)

T2＝(Le+2Ls)/Vs              (4)

如果T1≤T2，则被反射的冲击波35和排气36发生冲突。即，如果Le/Ve≤(Le+2Ls)/Vs，则在比扩散部43靠上游并且位于分叉部31的入口31a或者入口31a的下游的排气通路7中，被反射的冲击波35和排气36发生冲突。另外，为了方便，例如，可以将排气36的最大速度视为所述速度Ve，也可以将平均速度视为所述速度Ve。同样地，例如，可以将被反射的冲击波35的最大传播速度视为所述传播速度Vs，也可以将平均传播速度视为所述传播速度Vs。

如图5所示，将从分叉部入口31a的流路截面中心线X至扩散部43的上游端的距离(流路长度)设为Ld，将从排气口9a打开至排气口9a关闭的时间设为tv。从排气口9a打开至排气36的最末尾到达扩散部43的上游端的时间T3由式(5)表示。并且，从排气口9a打开至冲击波35在反射部31b被反射后到达扩散部43的上游端的时间T4由式(6)表示。

T3＝tv+(Le+Ld)/Ve            (5)

T4＝(Le+2Ls+Ld)/Vs           (6)

如果T4≤T3，则能够在排气36的全部越过节流部42之前使被反射的冲击波35和排气36发生冲突。即，如果(Le+2Ls+Ld)/Vs≤tv+(Le+Ld)/Ve，则能够在排气36的全部越过节流部42之前使被反射的冲击波35和排气36发生冲突。

如果排气通路7的流路截面中心线Y和反射部31b之间的距离Ls较小，则冲击波35在分叉部31中的衰减被抑制。因此，例如，可以将距离Ls设为小于距离Le。

排气的压力由于收敛部41中的压缩而被升高。除此之外，由于冲击波35和排气36的冲突，收敛部41中的排气36的压力进一步升高。因此，由于收敛扩散喷管40的入口上游的全压P0升高，与此相应，入口上游的全压P0和节流部的下游静压P之比P/P0小于临界压力比0.528。其结果是，排气36的速度在节流部42中达到音速。

图6是示意性示出通过纹影摄影法对收敛扩散喷管内部进行了撮影的照片的示意图。由于排气36的速度达到音速，因此在收敛扩散喷管40中产生新的冲击波。以下，将新产生的冲击波简单称作行进冲击波35b。该行进冲击波35b在通过收敛扩散喷管40的扩散部43时被加速。在产生行进冲击波35b时，产生向与行进冲击波35b相反的方向行进的膨胀波35c。行进冲击波35b在扩散部43中被加速，与此同时，膨胀波35c向与行进冲击波35b相反的方向行进。由此，行进冲击波35b和膨胀波35c之间存在的排气36的压力和温度大幅下降。如下所述，排气小于等于大气压，即变为负压。

图7和图8中示出了本申请发明人进行的仿真结果。图7示出了在收敛扩散喷管40中新的冲击波35b刚产生后的排气通路7的各地点(Position：位置)处的排气的速度(Exhaust Gas Velocity：排气速度)以及排气的压力(Exhaust Gas Pressure：排气压力)。图8示出了在收敛扩散喷管40中新的冲击波35b刚产生后的排气通路7的各地点(Position：位置)处的排气的速度(Exhaust Gas Velocity：排气速度)以及排气的温度(Exhaust Gas Temperature：排气温度)。

当在收敛扩散喷管40中产生冲击波35b时，该冲击波35b在扩散部43中被加速。因此，如图7和图8所示，排气的流速急剧地增大，排气的压力和温度急剧地减小。另外，图7和图8是示出排气的流速的图而不是示出冲击波的传播速度的图。图7和图8中示出了将收敛扩散喷管40的节流部42设定得较长时的仿真结果。

如果在分叉部31中被反射的冲击波35与排气36发生冲突，则冲击波35在排气36之前在节流部42中传播。此时，在排气36和冲击波35之间的空间中产生绝热膨胀从而压力下降，因此排气36就像被冲击波35吸引似的在不减小速度的情况下流经节流部42。因此，优选地，将节流部42的以相同的流路截面积连续的部分的长度设定为与发动机一致。由此，能够将扩散部43中冲击波35b被加速的时刻、换而言之将排气的压力和温度下降的时刻设定为与该发动机一致。

如此，根据本实施方式涉及的发动机1，能够比以往大幅地减小排气通路7的排气的压力和温度。

接下来，使用示出本申请发明者进行的仿真结果的图9A～图9C对二次空气供应装置70的作用进行说明。二次空气供应装置70通过在比排气通路7的扩散部43靠上游的部分中产生的负压向比排气通路7的第一催化剂21靠下游的部分有效地供应二次空气。

图9A是示出在本实施方式的发动机1中观测到的、曲轴16(参照图1)的旋转角(曲柄角)和排气通路7内的压力的关系的一例的图。如果在膨胀行程的途中排气口9a打开，则高压的排气被从燃烧室10向排气通路7内排出。因此，如附图标记91所示，排气通路7内变为正压。此后，由于收敛扩散喷管40的作用，如附图标记92所示，在排气通路7内产生很大的负压。此后，在排气通路7内，由于排气脉动，如附图标记93所示，交替地产生正压和负压。在由于收敛扩散喷管40的作用产生的很大的负压的影响下，该排气脉动的振幅比通常增大。

图9B是示出在本实施方式的发动机1中观测到的、曲轴16(参照图1)的旋转角(曲柄角)和第一通路71中的气体(通过簧片阀74的气体)的质量流量的关系的一例的图。但是，质量流量的向从第一通路71的上游端(簧片阀74侧)向第一通路71的下游端(排气通路7侧)的方向的流量用正值表示，向与该方向相反的方向的流量用负值表示。如果在排气通路7内产生很大的负压(图9A的附图标记92)，则第一通路71内也变为负压，其结果是，簧片阀74打开。由此，在图9B中如附图标记94所示，气体向第一通路71流入。

从簧片阀74经由第一通路71到达排气通路7的流路61(参照图1)和在第二通路72中从下游端72b至上游端72a到达排气通路7的流路62(参照图1)的能量损失的大小关系如前所述。即，气体在经由簧片阀74的流路61中流动时损失的能量比气体在经由第二通路72的流路62中流动时损失的能量小。能量损失小的流路与能量损失大的流路相比气体的流量较多，因此经由簧片阀74在第一通路71中流动的流量较多。即，与从第二通路72向第一通路71流动的气体的量相比，从发动机1的外部向第一通路71流入的气体的量较多。如此，能够将包含大量氧气的发动机1的外部的空气(二次空气)导入到第一通路71中。

簧片阀74为仅允许气体向流入第一通路71的方向的流动的构造，但在簧片阀74暂时打开后刚要关闭的一瞬间产生气体向反方向的流动。这是在图9B中出现负的质量流量值的原因。

如果在从发动机1的外部向第一通路71导入空气后在比扩散部43靠上游的排气通路7内产生正压(例如，图9A的附图标记95)，则第一通路71内的空气被压出。由于簧片阀74阻止气体向从第一通路71向发动机1的外部的方向流动，因此第一通路71内的空气向第二通路72被压出。

图9C是示出曲轴16的旋转角(曲柄角)与排气通路7以及二次空气供应装置70的各部分中的氧气量(氧气浓度)的关系的一例的图。具体地，曲线96a表示第一通路71中第二通路72的连接部72a和排气通路7之间(例如，图1所示的测定点a)处的氧气浓度。并且，曲线96b表示第二通路72的中间部附近(上游端72a和下游端72b之间，例如图1所示的测定点b)处的氧气浓度。另外，曲线96c表示比排气通路7的第一催化剂21靠下游部分(第一和第二催化剂21、22之间，例如图1所示的测定点c)处的氧气浓度。另外，曲线96d表示第一通路连接部71b的上游中的排气通路7内(例如，图1所示的测定点d)处的氧气浓度。

比较曲线96a、96c、96d可知，第一通路71内的氧气浓度比排气通路7内的氧气浓度高。这表示发动机1外的二次空气被导入第一通路71中。比较曲线96b、96c、96d可知，第二通路72内的氧气浓度比排气通路7内的氧气浓度高。比较曲线96a、96b可知，第二通路72内的氧气浓度比第一通路71内(排气通路7附近的位置)的氧气浓度高。因此，可知发动机1外的二次空气被导入第二通路72中。如果二次空气被导入第二通路72中，则该二次空气被供应至第一和第二催化剂21、22之间，由此二次空气供应的目的被实现。

比较曲线96c、96d可知，与第一和第二催化剂21、22之间的排气通路7(例如，图1所示的测定点c)的氧气浓度相比，第一通路连接部71b的上游中的排气通路7内(例如，图1所示的测定点d)的氧气浓度较低。这表示二次空气被导入排气通路7的比第一催化剂21靠下游的位置。一般，如果第二通路72内的氧气浓度(例如，测定点b)比第一通路连接部71b的上游的排气通路7(例如，测定点d)中的氧气浓度高，则可认为二次空气向第二通路72导入的目的被实现。如果上述情况能够被确认，则二次空气向第一和第二催化剂21、22之间的排气通路7供应的目的被实现。

如图9C的曲线96c中附图标记97所示的，氧气浓度与图9A的附图标记95所示的产生正压(在扩散部43的上游处产生正压)的时刻大致同步地增加。这表示被导入第一通路71中的二次空气经由第二通路72被送入至第一和第二催化剂21、22之间的排气通路7中。

如以上所说明的，根据本实施方式，能够在不使用将空气强制地送入排气通路7中的专用的装置的情况下向排气通路7的比第一催化剂21靠下游的部分供应足够量的二次空气。即，使用利用排气的能量产生的负压从外部导入二次空气，同样地使用由相同的排气的能量产生的正压向第一催化剂21的下游送出被导入的二次空气。如此，由于使用排气的能量实现泵送作用，因此能够减少发动机输出的损失。

而且，由于能够在扩散部43的上游的排气通路7中产生很大的负压，因此能够增大排气脉动的振幅。因此，即使发动机1以高速旋转或高负载状态运行时，利用伴随着冲击波产生的很大的负压和由排气脉动引起的充分的正压也能够向第一催化剂21的下游的排气通路7供应二次空气。

另外，还能够联合使用用于供应空气的其他的泵装置。在这种情况下，能够减小施加于泵的负载，因此能够减小发动机输出的损失。

在该实施方式中，流经第一通路71的从上游端71a至下游端71b的流路61的气体的能量损失比流经第二通路72的从下游端72b至第一通路71的下游端71b的流路62的气体的能量损失小。即，在堵塞第二通路72使空气从第一通路上游端71a流经时的、第一通路下游端71b的流量系数，比在第二通路72的连接部的上游堵塞第一通路71使空气从第二通路下游端72b流经时的、第一通路下游端71b的流量系数大。由此，当在比扩散部43靠上游的位置上产生负压时，第二通路72内的空气不发生逆流，从而能够经由第一通路71的簧片阀74向第一通路71可靠地导入二次空气。因此，其后，当扩散部43的上游的排气通路7变为正压时，能够将所述被导入的二次空气向第二通路72送入。

另外，在本实施方式中，排气装置50包括分别被配置在第二通路72的下游端72b的上游和下游的排气通路7中的第一和第二催化剂21、22。通过这种构成，能够提高被供应给第二催化剂22的排气的氧气浓度。因此，能够使第一催化剂21主要作为还原催化剂发挥功能，并且能够使第二催化剂22主要作为氧化催化剂发挥功能。在将三元催化剂应用于第一催化剂21和第二催化剂22的情况下，为了进行还原反应和氧化反应这两者，需要向各个催化剂导入理论空燃比的排气。在第一催化剂21主要作为还原催化剂发挥功能的情况下，也可以向第一催化剂21导入燃料浓的排气。并且，在第二催化剂22作为氧化催化剂发挥功能的情况下，向第二催化剂22导入使空燃比倾向于稀空燃比的排气即可。由此，第一催化剂21和第二催化剂22能够协作地进行还原反应和氧化反应这两者，由此能够有效地去除排气中的有害成分。由此，不一定必须向第一催化剂21导入理论空燃比的排气，能够去除有害成分的空燃比的范围变宽。因此，不再需要严密地控制空燃比。

另一方面，如果向燃烧室供应接近理论空燃比的空燃比的混合气，则能够抑制消耗燃料量。如果应用理论空燃比附近的空燃比，则排气处于高温，该高温的排气有可能引起催化剂21、22的烧结。然而，在该实施方式中，在扩散部43中生成的新的冲击波35b在其后方产生很大的负压。在该负压的作用下，产生排气的绝热膨胀，由此，绝热冷却的效果使得能够冷却排气。即，排气在到达第一催化剂21之前被冷却。因此，通过使用接近理论空燃比的空燃比的混合气能够抑制燃料消耗量，同时能够保护催化剂21、22并实现有害成分的无毒化。当然，即使发动机1处于高负载状态或者处于以高速运转的状态下也能够使排气处于低压和低温，因此能够保护催化剂21、22。

<第二实施方式>

图10是示出本发明的第二实施方式涉及的发动机的排气通路等的构成的截面图。在图10中，对上述的图1所示的各部分的相应部分标记相同的附图标记示出。

该第二实施方式的发动机1与第一实施方式同样地包括气缸体3、设置在气缸体的一端的气缸盖4、以及在气缸体3内往复运动的活塞5。气缸体3、气缸盖4以及活塞5形成燃烧室10。气缸盖4中设置有开闭进气口8a的进气阀8、开闭排气口9a的排气阀9、以及用于驱动进气阀8和排气阀9的阀驱动装置。发动机1还包括排气装置50以及向排气装置50的排气通路7供应空气的二次空气供应装置70。

排气装置50包括与气缸盖4连接的第一排气管51、与该第一排气管51连接的第二排气管52、以及与该第二排气管52连接的第三排气管53，这些排气管51、52、53形成排气通路7。第一催化剂21和第二催化剂22空出间隔地配置在排气通路7中。在第一排气管51的上游部设置有分叉管30。在分叉管30和第一催化剂21之间设置有收敛扩散喷管40。

二次空气供应装置70包括簧片阀74、第一二次空气供应管76、以及与第一二次空气供应管76连接的第二二次空气供应管77。第一二次空气供应管76形成从簧片阀74至排气通路7的第一通路71。第二二次空气供应管77形成从第一通路71至第一和第二催化剂21、22之间的排气通路7的第二通路72。

在该实施方式中，还在第二通路72中设置有第二簧片阀80(止回阀)。簧片阀80被构成为允许第二通路71的从上游端72a向下游端72b的方向的气流通过，并阻止与该方向相反的方向的气流通过。除此以外的构成与第一实施方式相同。因此，使用与第一实施方式有关的图1～图9及其详细说明替代第二实施方式的详细说明。

当在比扩散部43靠上游的排气通路7内产生负压时，第一通路71的簧片阀74打开，外部的空气被导入至第一通路71。此时，第二通路72的簧片阀80处于关闭状态，第二通路72的从下游端72b向上游端72a的空气流被阻止。另一方面，当在比扩散部43靠上游的排气通路7内产生正压时，第一通路71的簧片阀74处于关闭状态，第二通路72的簧片阀80打开。由此，被导入到第一通路71的二次空气经由第二通路72被送入到第一催化剂21的下游的排气通路7。如此，通过利用了在排气通路7中产生的负压和正压的泵送作用，能够将二次空气供应给第一催化剂21的下游的排气通路7。而且，通过配置于第二通路72中的簧片阀80，能够可靠地抑制空气在第二通路72中的逆流，由此能够有效地供应二次空气。

如此，根据该实施方式，空气在第二通路72中的流动被限制于从第二通路72的上游端向下游端的方向。即，能够防止二次空气的逆流。由此，在扩散部43的上游产生了负压时，能够从第一通路71的上游端可靠地导入二次空气，并且，在扩散部43的上游产生了正压时，能够将二次空气可靠地供应给第一和第二催化剂21、22。

<第三实施方式>

图11是示出本发明的第三实施方式涉及的发动机的排气通路等的构成的截面图。在图11中，对与上述的图1所示的各部分相应的部分标记相同的附图标记示出。

该第三实施方式的发动机1与第一实施方式同样地包括气缸体3、设置在气缸体3的一端上的气缸盖4、以及在气缸体3内往复运动的活塞5(参照图1)，气缸体3、气缸盖4以及活塞5形成燃烧室10。气缸盖4中设置有开闭进气口8a的进气阀8、开闭排气口9a的排气阀9、以及用于驱动进气阀8和排气阀9的阀驱动装置。发动机1还包括排气装置50以及向排气装置50的排气通路7供应空气的二次空气供应装置70。

排气装置50包括与气缸盖4连接的第一排气管51、与该第一排气管51连接的第二排气管52、以及与该第二排气管52连接的第三排气管53，这些排气管51、52、53形成排气通路7。第一催化剂21和第二催化剂22空出间隔地配置在排气通路7中。在第一排气管51的上游部设置有分叉管30。在分叉管30和第一催化剂21之间设置有收敛扩散喷管40。

在该第三实施方式中，分叉管30兼用作形成第一通路71的第一二次空气供应管76。即，专用的第一通路71被废弃，分叉部31兼用作第一通路71。也可以说第一通路71兼用作分叉部31。并且，第二二次空气供应管77与兼用作第一二次空气供应管76的分叉管30连接，从而形成从分叉部31(第一通路71)至第一和第二催化剂21、22之间的排气通路7的第二通路72。除此以外的构成与第一实施方式相同。因此，使用与第一实施方式有关的图1～图9及其详细说明替代第三实施方式的详细说明。

在该第三实施方式中，分叉管30的与排气通路7相反侧的端部连结有簧片阀74，并且在簧片阀74的上游侧还连结有空气量控制阀75和空气过滤器78。簧片阀74构成分叉部31的反射部31b。即，来自排气通路7的冲击波向分叉部31(第一通路71)分叉，被关闭状态的簧片阀74(反射部31b)反射，而再次经由分叉部31(第一通路71)向排气通路7返回。该冲击波与在排气通路7内缓慢行进的排气发生冲突，由此能够提高排气的压力。

排气阀9打开时，簧片阀74被关闭，因此能够通过簧片阀74反射冲击波。如果通过收敛扩散喷管40的作用在排气通路7中产生负压，则簧片阀74打开，从而能够向第一通路71导入来自外部的二次空气。其后，如果通过排气脉动在排气通路7中产生正压，则被导入到第一通路71中的二次空气经由第二通路72被供应给第一和第二催化剂21、22之间的排气通路7。如此，在本实施方式中，也能够向第一催化剂21的下游的排气通路7供应足够量的空气。

另外，根据本实施方式，不需要形成专门作为分叉部31发挥功能的通路或者专门作为第一通路71发挥功能的通路。因此，与使用专用的分叉部31和专用的第一通路71的构成(例如，第一实施方式)相比，能够实现成本降低。

<第四实施方式>

图12是用于说明本发明的第四实施方式涉及的发动机的排气装置等的构成的截面图。在图12中，对与上述的图11所示的各部分相应的部分标记相同的附图标记示出。

该第四实施方式的发动机1与第三实施方式同样地包括气缸体3、设置在气缸体3的一端上的气缸盖4、以及在气缸体3内往复运动的活塞5(参照图1)，气缸体3、气缸盖4以及活塞5形成燃烧室10。气缸盖4中设置有开闭进气口8a的进气阀8、开闭排气口9a的排气阀9、以及用于驱动进气阀8和排气阀9的阀驱动装置。发动机1还包括排气装置50以及向排气装置50的排气通路7供应空气的二次空气供应装置70。

排气装置50包括与气缸盖4连接的第一排气管51、与该第一排气管51连接的第二排气管52、以及与该第二排气管52连接的第三排气管53，这些排气管51、52、53形成排气通路7。第一催化剂21和第二催化剂22空出间隔地配置在排气通路7中。在第一排气管51的上游部设置有分叉管30。

分叉管30兼用作形成第一通路71的第一二次空气供应管76。第二二次空气供应管77与兼用作第一二次空气供应管76的分叉管30连接，从而形成从分叉部31(第一通路71)至第一和第二催化剂21、22之间的排气通路7的第二通路72。

在该第四实施方式中，分叉管30被用作收敛扩散喷管的一部分。其他的构成与第三实施方式(参照图11)相同。因此，使用第一实施方式的图1～图9和第三实施方式的图11以及它们的详细说明代替第四实施方式的详细说明。

在第一至第三实施方式中，收敛部41和节流部42和扩散部43被形成在比分叉部31靠下游的排气通路7中。但是，本申请的发明人继续潜心研究，其结果是，构想到通过更简单的结构实现相同的效果的构造。

在本实施方式中，为了产生作为新冲击波的行进冲击波35b，设置有反射在排气行程初期产生的冲击波35使其再次向排气通路7传播的分叉部31。当从不同的视角观察该分叉部31时，排气通路7在分叉部31的位置上流路截面积增大。并且，排气通路7在比分叉部31的位置靠下游的位置上流路截面积减小。换言之，根据分叉部31，形成收敛部41和节流部42。

例如，在比分叉部入口31a靠上游的排气通路7的流路截面积A5和比分叉部入口31a靠下游的排气通路7的流路截面积A7大致相等的情况下，如下的关系成立。即，将位于比分叉部入口31a靠上游的位置上的排气通路7部分的流路截面积A5以及分叉部31的流路截面积A4求和后的流路截面积比位于比入口31a靠下游的位置上的排气通路7部分的流路截面积A7大。A4+A5＞A7。因此，可视作在入口31a的下游形成收敛部41和节流部42。由此，仅通过在入口31a的下游设置扩散部43，能够实质地形成收敛扩散喷管40。A6表示扩散部43的流路截面积，A7＜A6。入口31a和扩散部43之间的部分构成节流部42。如此，节流部42也可以沿流路方向较长地延伸。收敛部41和扩散部43不需要被构成为流路截面积向下游平滑地(连续地)变化，也可以被构成为流路截面积逐步地(Step by Step)变化。

对上述的第一和第二实施方式的构成也可应用该第四实施方式的构成。在这种情况下，通过在第一通路71的连接部71b的下游设置扩散部43，能够实质地形成收敛扩散喷管40。在这种构成的情况下，不仅在分叉部31中流路截面积发生变化，在通向第一通路71的分叉部中流路截面积也发生变化，因此也可考虑在第一通路连接部71b的下游的排气通路7中形成收敛部41和节流部42。在这种情况下，连接部71b和扩散部43之间的排气通路7部分构成节流部42。

<第五实施方式>

图13是用于说明本发明的第五实施方式涉及的发动机的排气装置等的构成的截面图。在该图13中，对与上述的图11所示的各部分相应的部分标记相同的附图标记，并省略说明。

在该实施方式中，在排气通路7中在收敛扩散喷管40的下游配置有一个催化剂23。第二通路72的下游端72b与催化剂23的侧面连结。即，在第二通路72的下游端72b上形成有敞开催化剂23的侧面的大致整个区域的筒状的空气导入空间81。另一方面，在催化剂23的侧面形成有多个向内部导入空气的空气导入孔82。

从第一通路71被供应给第二通路72的二次空气从空气导入空间81流入催化剂23的内部。流入催化剂23的内部的二次空气一边与从催化剂23的上游端23a被导入的排气混合，一边向催化剂23的下游端流动。由此，在催化剂23的内部，催化剂23的从上游端23a向下逐渐变细的锥形的区域24A构成来自燃烧室10的排气处于支配性地位的低氧气浓度区域。并且，除去区域24的剩余的区域24B构成二次空气被充分地供应的高氧气浓度区域。催化剂23在低氧气浓度区域24A中作为还原催化剂发挥功能，而在高氧气浓度区域24B中作为氧化催化剂发挥功能。如此，能够将一个催化剂23兼用作还原催化剂和氧化催化剂，因此能够使来自燃烧室10的排气充分地无毒化。因此，能够提高排气的净化效率。另外，由于一个催化剂23足以满足要求，因此能够减小排气装置50全体的热容量。由此，当发动机1被起动时，能够使催化剂23迅速地活性化，因此，发动机刚起动后，能够充分地净化排气。

该实施方式的另一个特征在于，在从第一通路71和第二通路72的连接部至第一通路71的下游端71b的范围的中途位置上配置有孔板(节流板)83。由此，能够在不影响二次空气的供应的情况下防止来自燃烧室10的排气向第一通路71流入。由此，能够提高被供应给第二通路72的空气的氧气浓度。孔板83例如可以是在中央具有开口的板状体。

在上述的或下述的其他的实施方式中，也可在第一通路71中设置同样的孔板。

图14是用于说明催化剂23的构成例的图示性立体图。催化剂23具有蜂巢状的金属载体85。金属载体85将具有开孔的平坦金属箔(箔材)86和具有开孔的波状金属箔(箔材)87交替地积累而形成蜂巢构造。更具体地，带状的平坦金属箔86和带状的波状金属箔87重叠，并被卷绕成辊状，由此形成由圆柱状的蜂巢构造构成的金属载体85。平坦金属箔86以使多个空气孔86a均等地分散并形成在平坦的金属箔上的方式制成。波状金属箔87例如以使多个空气孔87a均等地分散并形成在以条状的波形形成的金属箔上的方式制成。平坦金属箔86被配置在催化剂23的最外周面上，并且在最外周面露出的空气孔86a相当于上述的空气导入孔82。

<第六实施方式>

图15是用于说明本发明的第六实施方式涉及的发动机的排气装置等的构成的截面图。在该图15中，对与上述的图13所示的各部分相应的部分标记相同的附图标记，并省略说明。

在该实施方式中，第二通路72的下游端72b与催化剂23的侧面和催化剂23的上游端23a的外周区域连接。即，在第二通路72的下游端72b形成有敞开催化剂23的侧面的大致整个区域并敞开催化剂23的上游端23a的外周部的筒状的空气导入空间88。催化剂23的构成如上所述。

从第一通路71被供应给第二通路72的二次空气从空气导入空间88流入催化剂23的内部。即，从第一通路71被供应给第二通路72的二次空气从催化剂23的侧面和催化剂23的上游端23a的外周区域流入催化剂23的内部。流入催化剂23的内部的二次空气一边与从催化剂23的上游端23a的中央区域被导入的排气混合，一边向催化剂23的下游端流动。由此，在催化剂23的内部中，催化剂23的从上游端23a的中央区域向下游逐渐变细的锥形区域24A构成来自燃烧室10的排气处于支配性地位的低氧气浓度区域。并且，除去区域24的剩余的区域24B构成二次空气被充分地供应的高氧气浓度区域。催化剂23在低氧气浓度区域24A中作为还原催化剂发挥功能，而在高氧气浓度区域24B中作为氧化催化剂发挥功能。如此，能够将一个催化剂23兼用作还原催化剂和氧化催化剂。由于从催化剂23的上游端23a的外周区域也导入二次空气，因此，第五实施方式的情况相比，低氧气浓度区域24减小。即，与第五实施方式的情况相比，高氧气浓度区域25增大。因此，能够将足够量的二次空气供应给催化剂23，因此能够使来自燃烧室10的排气充分地无毒化。

<第七实施方式>

图16是示出本发明的第七实施方式涉及的发动机的排气装置的构成的示意图。在图16中，对与上述的图1所示的各部分的相应部分标记相同的附图标记示出。第五实施方式是将本发明的一个实施方式应用于多气缸发动机的例子。

该第七实施方式的发动机1具有多个气缸#A、#B。各气缸#A、#B包括气缸体3(参照图1)、设置在气缸体的一端的气缸盖4、以及在气缸体3内往复运动的活塞5(参照图1)。气缸体3、气缸盖4以及活塞5形成有燃烧室10。气缸盖4中设置有开闭进气口8a(参照图1)的进气阀8(图1参照)、开闭排气口9a的排气阀9、以及用于驱动进气阀8(参照图1)和排气阀9的阀驱动装置。发动机1还包括排气装置50以及向排气装置50的排气通路7供应空气的二次空气供应装置70。

排气装置50包括与气缸盖4连接的第一排气管51、与该第一排气管51连接的第二排气管52、以及与该第二排气管52连接的第三排气管53。这些排气管51、52、53形成排气通路7(7A，7B，7C)。

在该实施方式中，第一排气管51形成分别与多个燃烧室10的排气口9a连接的单独排气通路7A、7B。这些单独排气通路7A、7B在集合部25汇集而与集合排气通路7C连结。该集合排气通路7C中设置有收敛扩散喷管40。第一和第二催化剂21、22空出间隔地配置于收敛扩散喷管40的下游侧的集合排气通路7C中。另外，形成第一通路71的第一二次空气供应管76与集合部25和收敛扩散喷管40之间的集合排气通路7C连接。形成第二通路72的第二二次空气供应管77的上游端与第一二次空气供应管76连接。第二二次空气供应管77的下游端与第一和第二催化剂21、22之间即第一催化剂21的下游的集合排气通路7C连接。其他的构成与上述的第一实施方式相同。

图17A至图17C是示出该第七实施方式涉及的发动机的动作的示意图。或者，当气缸#B的排气口9a打开时，排气口9a被关闭的其他的气缸#A的单独排气通路7A作为分叉部31发挥功能。即，当气缸#B的排气口9a打开时，排气36从该排气口9a中被排出，并产生冲击波35，排气36和冲击波35经由单独排气通路7B传递(参照图17A)。冲击波35在集合部25分叉，从而向其他的气缸#A的单独排气通路7A流入。该分叉后冲击波35在单独排气通路7A中向上游侧传递(参照图17B)，而被气缸#A的排气阀9(关闭状态)反射。即，关闭状态的排气阀9作为反射部31b发挥功能。被反射的冲击波35在单独排气通路7A中向下游侧传递，再次到达集合部25(参照图17C)并与排气36发生冲突。由此，收敛扩散喷管40的入口处的压力被升高，并在扩散部43中产生新的冲击波。

在伴随着该新的冲击波的产生而产生的负压的作用下，外部的二次空气被导入到第一通路71中。然后，当之后的排气脉动使得比扩散部43靠上游的集合排气通路7C变为正压时，被导入到第一通路71的二次空气被送入至第二通路72。由此，二次空气被送入至第一催化剂21的下游的集合排气通路7C中。

如此，通过将排气口9a关闭的气缸的单独排气通路7A、7B兼用作分叉部31，实现与参照上述的图4A～图4C所说明的动作同样的动作。各气缸的单独排气通路7A、7B的管路长度被设计为使得被反射的冲击波35与排气36在集合部25发生冲突。

进行排气汇集的气缸#A、#B是处于其中一个气缸的排气口9a为打开状态时另一个气缸的排气口9a为关闭状态的关系的一对气缸组。更具体地，在具有气缸#1、#2、#3、#4的四个气缸发动机中，点火顺序为气缸#1-气缸#3-气缸#4-气缸#2。在这种情况下，点火时机相差360度的气缸#1和气缸#4的组合相当于上述两个气缸#A、#B的组合。并且，同样地，点火时机相差360度的、气缸#2和气缸#3的组合相当于上述两个气缸#A、#B的组合。即，在四缸发动机中，与两个气缸#A、#B相当的气缸对存在两对。

<其他的实施方式>

图18是示出搭载有本发明的一个实施方式涉及的发动机的船舶的一例的立体图。具体地，船舶100包括船体102以及具有本发明的一个实施方式涉及的发动机1的船外机101。在该例中，两个船外机101被搭载在船体102上。船外机101例如包括发动机1、作为推进力产生部件的推进器(未图示)、以及将发动机1的驱动力传递给推进器的传递机构(未图示)。传递机构例如包括通过发动机1的驱动力旋转的驱动轴、与推进器连结的推进器轴、以及设置在驱动轴和推进器轴之间的离合器。

作为安装在船舶100上的推进力产生单元，除船外机101以外，还可列举出船内机、船内外机。除此之外，例如，也可以使用将通过发动机旋转的叶轮配置在水流路中的喷射泵单元作为用于船舶100的推进力产生单元。

图19是示出搭载有本发明的一个实施方式涉及的发动机的车辆的立体图。具体地，作为车辆的一例的自动二轮车200包括车体201、安装在车体201的前后的前轮202和后轮203(车轮)、以及本发明的一个实施方式涉及的发动机1。发动机1被配置在车体201的中央。发动机1所产生的驱动力通过传递机构204被传递给后轮203。

除此之外，本发明的发动机也可以用作发电机或链锯等的发动机。当然，本发明涉及的发动机的应用对象绝不限于此。

图20是示出实施方式的变形例的排气通路等的截面图。在第一实施方式中，如图20再次示出的，第一二次空气供应管76即第一通路71在比分叉部31靠下游的位置与排气通路7连接。然而，第一通路71的连接位置可以位于比分叉部31靠上游的位置(参照符号71A)，也可以位于与分叉部31相同的位置(参照符号71B)。

另外，在所述实施方式中，示出了对一个燃烧室设置了一个排气口的发动机，但也可以对一个燃烧室设置多个排气口。另外，虽然示出了对一个燃烧室设置了一个收敛扩散喷管的例子，但也可以对一个燃烧室设置两个以上的喷嘴。这些变形当然可应用于具有多个燃烧室的多气缸发动机。除此之外，本发明可应用于多种多样的发动机。

另外，在所述实施方式中，示出了对一个排气通路设置了一个分叉部的构成，但也可以对一个排气通路设置多个分叉部。例如，如果第一实施方式(参照图1)的构成设计为第一通路71满足分叉部31的条件(参照图5)，则该构成实质上具有多个分叉部。另外，也可以设计连接从排气通路7的相同位置分叉的多个分叉部的端部而具有环状的通路的分叉部。在这种情况下，在各分叉部传播来的冲击波相互发生冲突而反射。在这种情况下，多个分叉部的相连接的部分(冲击波相互发生冲突的部位)构成反射部。反射部即使不一定存在像壁那样的部件也成立。

另外，在上述的实施方式中，包括第一和第二催化剂21、22，但也可以如图21所示的第一实施方式的变形例那样省略第二催化剂22。在这种情况下，通过向第一催化剂21的下游供应二次空气，使第一催化剂21的上游侧部分作为还原催化剂起作用，另一方面，能够使第一催化剂21的下游侧部分作为氧化催化剂起作用。即，如果排气脉动使得从第二通路72导入的二次空气向第一催化剂21导入，则排气中的空气比率提高。由此，第一催化剂21的下游侧部分将作为氧化催化剂发挥功能。如此，利用二次空气能够有效地净化排气。在第二至第四以及第六实施方式中，也能够进行同样的变型。

另外，在上述的实施方式中，在第一通路71的簧片阀74的上游包括空气量控制阀75和空气过滤器，但也可以省略空气量控制阀75和空气过滤器中的一者或两者。

另外，在上述的实施方式中，示出了将簧片阀74配置在第一通路71的上游端的构成，但也可以将簧片阀74配置在第一通路71的上游端和下游端之间。在这种情况下，第二通路72的上游端72a被配置在第一通路71中簧片阀74和排气通路7之间即可。

另外，图14所示的催化剂也可用作第五和第六实施方式以外的实施方式中的第一和/或第二催化剂21、22。但是，第一和/或第二催化剂21、22不需要具有在侧面具有空气导入口的催化剂载体，而只要被构成为能够从上游端导入排气即可。

另外，在所述的实施方式中，对经由第二通路72向排气通路供应二次空气的构成进行了说明，但二次空气的供应目的地也可以将排气通路除外。例如，在图22所示的一个实施方式中，第二通路72的下游端与蓄压罐63的导入口65连结。蓄压罐63划分能够容纳与大气压相比高压的高压空气的容纳空间64。蓄压罐63具有空气被导入的导入口65、开闭导入口65的单向阀66、以及容纳空间64内的高压空气被排出的排出口67。单向阀66被构成为在第二通路72内的空气压力比容纳空间64内的空气压力高时打开，从而使空气从第二通路72向容纳空间64流入。单向阀66被构成为在容纳空间64内的空气压力大于等于第二通路72内的空气压力时保持关闭状态，由此阻止空气从容纳空间64向第二通路72的流出。

通过这样的构成，容纳空间64内的空气被加压(压缩)，由此能够蓄积压力。即，能够将排气的能量转换为压力能量进行蓄积。高压空气供应路68的上游端与排出口66连接。高压空气供应路68的中途位置上配置有输出控制阀69。通过开闭输出控制阀69，能够控制在蓄压罐64中蓄积的高压空气(压缩空气)的输出。高压空气供应路68的下游端与利用高压空气发生动作的装置210连接。这种装置210的一例是以制动助力器和离合器助力器为代表的操作辅助装置。另外，作为装置210的其他的例子，可列举出空气悬架装置以及警笛装置。

对本发明的实施方式详细地进行了说明，但这些实施方式只是用于明确本发明的技术内容的具体例，本发明不应该解释为限于这些具体例，本发明的范围仅由所附的权利要求书的范围限定。

本申请与2009年12月11日向日本专利局提交的专利申请2009-281823号相对应，该申请的全文通过在此援引而被包含于本发明中。

符号说明

Claims (15)

1.一种发动机，包括：

燃烧室，所述燃烧室形成有排气口；

排气阀，所述排气阀开闭所述排气口；

排气装置，所述排气装置具有导引从所述燃烧室经由所述排气口排出的排气的排气通路；以及

空气供应装置，所述空气供应装置供应空气；

其中，所述排气装置包括：

收敛部，所述收敛部被设置在所述排气通路中，并且所述收敛部的下游端的流路截面积比所述收敛部的上游端的流路截面积小；

扩散部，所述扩散部被设置在所述排气通路中比所述收敛部靠下游的位置上，并且所述扩散部的下游端的流路截面积比所述扩散部的上游端的流路截面积大；以及

分叉部，所述分叉部使与所述排气口打开时从所述燃烧室向所述排气通路流入的排气相比以更高的速度在所述排气通路中向下游传递的冲击波在比所述扩散部靠上游的位置上从所述排气通路分叉，并且使该冲击波再次向所述排气通路传递，

所述空气供应装置包括：

第一通路，所述第一通路包括使从上游端朝向下游端的气流通过的第一簧片阀，所述第一通路的下游端在所述排气通路的比所述扩散部靠上游的位置被连接；和

第二通路，所述第二通路的上游端在所述第一通路的比所述第一簧片阀靠下游的位置被连接，

所述排气装置被构成为：通过使从所述燃烧室向所述排气通路流入的排气经过所述收敛部，并在所述分叉部和所述扩散部之间与在所述分叉部传递的冲击波发生冲突，而在所述收敛部中升高排气的压力，并通过使该升高压力的排气经过所述扩散部，来产生新的冲击波，

所述空气供应装置被构成为：利用通过所述新产生的冲击波在比所述扩散部靠上游的所述排气通路内产生的负压，经由所述第一簧片阀向所述第一通路导入空气，并利用在比所述扩散部靠上游的所述排气通路内产生的正压，将所述被导入的空气供应给所述第二通路。

2.如权利要求1所述的发动机，其中，所述第一通路和第二通路被构成为：使得流经所述第一通路的从上游端至下游端的流路的气体的能量损失，比流经从所述第二通路的下游端至所述第一通路的下游端的流路的气体的能量损失小。

3.如权利要求1所述的发动机，其中，所述第一通路和第二通路被构成为：使得在堵塞所述第二通路使空气从所述第一通路的上游端向所述第一通路的下游端流动时的、所述第一通路的下游端的流量系数，比在与所述第二通路连接的连接部的上游侧堵塞所述第一通路使空气从所述第二通路的下游端向所述第一通路的下游端流动时的、所述第一通路的下游端的流量系数大。

4.如权利要求1至3中任一项所述的发动机，其中，所述空气供应装置还包括第二簧片阀，所述第二簧片阀被设置在所述第二通路中，并且使从所述第二通路的上游端朝向下游端的空气通过。

5.如权利要求1至4中任一项所述的发动机，其中，所述分叉部兼用作所述第一通路。

6.如权利要求1至5中任一项所述的发动机，其中，在连接所述第一通路和所述第二通路的连接部与所述第一通路的下游端之间，还包括被配置在所述第一通路的中途位置上的孔板。

7.如权利要求1至6中任一项所述的发动机，其中，所述第二通路的下游端与所述排气通路连接。

8.如权利要求7所述的发动机，其中，还包括在所述排气通路中在比所述扩散部靠下游的位置上设置的第一催化剂，

所述第二通路的下游端在所述排气通路的比所述第一催化剂靠下游的位置上被连接。

9.如权利要求8所述的发动机，其中，所述排气装置还包括被配置在比所述第二通路的下游端靠下游侧的排气通路中的第二催化剂。

10.如权利要求7所述的发动机，其中，还包括在所述排气通路中在比所述扩散部靠下游的位置上设置的第一催化剂，

所述第二通路的下游端在所述第一催化剂的侧部与所述排气通路连接。

11.如权利要求10所述的发动机，其中，所述第一催化剂在侧面具有空气导入孔。

12.如权利要求10或11所述的发动机，其中，所述第二通路的下游端与所述排气通路连接，使得还能够将来自所述第二通路的空气从所述第一催化剂的上游端向所述第一催化剂导入。

13.如权利要求8至12中任一项所述的发动机，其中，所述第二通路中的氧气浓度比所述排气通路内的比所述第一催化剂靠上游的位置上的氧气浓度高。

14.一种车辆，所述车辆包括如权利要求1至13中任一项所述的发动机。

15.一种船舶，所述船舶包括如权利要求1至13中任一项所述的发动机。

Images