JP2018087509A - エンジンの排気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コスト及び製造工数を大きく増加させることなく、排気通路における排気熱の放熱を抑制する。【解決手段】エンジン本体１の排気装置２０は、燃料と空気との混合気が燃焼する気筒２を備えたエンジンの排気装置であり、排気流の上流側から順に配置された、排気マニホールド２１、触媒装置２２及びサイレンサ２３と、これらを繋ぐ共用排気管３０とを備える。共用排気管３０は、排気マニホールド２１と触媒装置２２との間を繋ぐ上流排気管３１と、触媒装置２２とサイレンサ２３との間を繋ぐ下流排気管３２とを含む。上流排気管３１には、排気熱が外部に逃げることにより発生する排気損失を低減する構造が施与されている。すなわち、上流排気管３１の内壁面３１Ａは、排気の流動方向に延びる複数の微細溝４０が密に配列された溝付き内壁面とされている。【選択図】図１

Description

本発明は、所定の燃料と空気との混合気が燃焼する気筒を備えたエンジンの排気装置に関する。

一般に多気筒エンジンの排気通路は、各気筒の排気開口に連なるシリンダヘッドの排気ポート、各排気ポートに上流端が連なる排気マニホールド、及び前記排気マニホールドの下流端に連なる共用排気管により構成される。前記共用排気管には、一般に排気を浄化する触媒装置が組み入れられるが、排気が保有する熱エネルギーを回収する排熱回収装置が組み入れられる場合もある。前記共用排気管の下流端には、消音のためのサイレンサが組み付けられる。

前記排気通路において、排気熱の放熱（排気の温度低下）の抑制が求められる場合がある。例えば、前記触媒装置内の触媒をエンジン始動時に早期活性化させる、若しくは触媒の活性化温度を維持するために、排気熱を可及的に逃がすことなく前記触媒装置へ排気を導くことが求められる。或いは、前記排熱回収装置において、回収する熱量を多くするために、排気熱を可及的に逃がすことなく前記排熱回収装置へ排気を導くことが求められる。特許文献１には、エンジンと触媒装置とを繋ぐ排気管の内壁面に、排気管よりも熱伝導率が低い材料にて形成されたコーティング層を設ける排気装置が開示されている。当該コーティング層により、排気熱の排気管外への放熱が抑制されるので、前記排気熱が保温される。

特開２０１２−１７２５８０号公報

しかし、特許文献１の排気装置のように、排気管の内壁面にコーティング層を設ける場合、当該コーティング層の形成材料の調製及びコーティング層の形成工程が必要となる。これらのことは、排気装置のコスト及び工数を増加させる。

本発明の目的は、コスト及び製造工数を大きく増加させることなく、排気通路における排気熱の放熱を抑制できるエンジンの排気装置を提供することにある。

本発明の一局面に係るエンジンの排気装置は、燃料と空気との混合気が燃焼する気筒を備えたエンジンの排気装置であって、前記気筒から排出される排気が通過する排気通路を備え、前記排気通路の少なくとも一部の区間において、当該排気通路を区画する排気通路内壁面が、前記排気の流動方向に延びる複数の微細溝が密に配列された溝付き内壁面とされていることを特徴とする。

排気通路を通過する排気は、例えば一般乗用車においてエンジン回転数が１０００〜６０００ｒｐｍ程度ならば、１０〜７０ｍ／ｓ程度の流速を持つ。本発明者らの知見によれば、このような排気通路内の排気流は、排気通路の下流側に進行する主流と、この主流に伴う副流であって前記主流の進行軸の軸回りに旋回する渦流（縦渦）とを含む。前記渦流には熱を輸送する性質が強いという特徴がある。排気流の流速が大きいほど、前記渦流の径（スケール）が小さくなる傾向がある。

上記の排気装置によれば、排気通路の少なくとも一部の区間において、当該排気通路を区画する排気通路内壁面が、複数の微細溝が密に配列された溝付き内壁面とされる。微細溝が存在すると、熱伝達性の強い前記渦流が前記微細溝の頂部に留まるようになる。これにより、前記渦流が排気通路内壁面から離間され、排気通路の壁面を通した排気熱の放熱（排気損失）が低減される。従って、排気熱を保温したまま、排気を排気通路の下流側へ流通させることが可能となる。また、排気通路内壁面に微細溝を形成するだけで排気の保温効果を得ることができ、前記内壁面にコーティング層等を別途設ける場合に比べてコスト及び製造工数を低減することができる。

上記のエンジンの排気装置において、前記排気通路に組み込まれ、前記排気を浄化する触媒装置をさらに備え、前記排気通路のうち、前記気筒の出口から前記触媒装置までを繋ぐ排気通路の少なくとも一部の区間における排気通路内壁面が、前記溝付き内壁面とされているころとが望ましい。

この排気装置によれば、触媒装置に至るまでの排気通路における排気熱の放熱を抑制することができる。従って、前記触媒装置内の触媒をエンジン始動時に早期活性化すること、並びに触媒の活性化温度を維持することに貢献することができる。

上記のエンジンの排気装置において、前記排気通路に組み込まれ、前記排気が保有する熱エネルギーを回収する排熱回収装置をさらに備え、前記排気通路のうち、前記気筒の出口から前記排熱回収装置までを繋ぐ排気通路の少なくとも一部の区間における排気通路内壁面が、前記溝付き内壁面とされていることが望ましい。

この排気装置によれば、排熱回収装置に至るまでの排気通路における排気熱の放熱を抑制することができる。従って、前記排熱回収装置において排気から回収する熱量を多くすることに貢献することができる。

上記のエンジンの排気装置において、前記排気通路に組み込まれ、前記排気を浄化する触媒装置と、前記触媒装置よりも排気流通方向の下流側において前記排気通路に組み込まれ、前記排気が保有する熱エネルギーを回収する排熱回収装置と、をさらに備え、前記排気通路のうち、前記気筒の出口から前記触媒装置までを繋ぐ第１排気通路の少なくとも一部の区間における排気通路内壁面、及び、前記触媒装置から前記排熱回収装置までを繋ぐ第２排気通路の少なくとも一部の区間における排気通路内壁面が、前記溝付き内壁面とされていることが望ましい。

この排気装置によれば、気筒の出口から触媒装置に至るまでの第１排気通路における排気熱の放熱、及び、前記触媒装置から排熱回収装置に至るまでの第２排気通路における排気熱の放熱を抑制することができる。従って、前記触媒装置における触媒の早期活性化並びに活性化温度の維持、前記排熱回収装置における排気からの回収熱量の増加に寄与することができる。

この場合、前記第１排気通路の前記排気通路内壁面に形成される複数の微細溝の各々は、第１の溝幅を有し、前記第２排気通路の前記排気通路内壁面に形成される複数の微細溝の各々は、前記第１の溝幅よりも広い第２の溝幅を有することが望ましい。

排気流の流速は、排気通路の下流側へ向かうほど低下する。特に、排気が触媒装置を通過する前後で、その流速は大きく変化する。このため、前記第１排気通路を通過する排気流は比較的高速であるので、その渦流は比較的小さいのに対し、前記第２排気通路を通過する排気流は比較的低速であるので、その渦流は比較的大きくなる。上記の排気装置によれば、排気通路における排気流の流速変化に応じた微細溝を、排気通路内壁面に設定することができる。つまり、前記微細溝が、排気通路の下流側へ向かうに連れた排気流の渦流の径変化に応じた溝幅を具備するようになり、前記第１、第２排気通路の各々において、渦流を適正に排気通路内壁面から離間させることができる。従って、排気損失を効果的に低減させることができる。

本発明のエンジンの排気装置によれば、コスト及び製造工数を大きく増加させることなく、排気通路における排気熱の放熱を抑制することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係るエンジンの排気装置を示す概略図である。 図２（Ａ）は、排気管を軸方向に半分割した状態の斜視図、図２（Ｂ）は、排気管の断面図、図２（Ｃ）は、図２（Ｂ）の部分拡大図である。 図３は、排気流の態様を示す模式図である。 図４（Ａ）は、排気管内壁面が平坦な場合における、排気流の渦流と当該内壁面との位置関係を示す図、図４（Ｂ）は、排気内壁面に微細溝が形成されている場合における、前記渦流と当該内壁面との位置関係を示す図である。 図５は、本発明の第２実施形態に係るエンジンの排気装置を示す概略断面図である。 図６は、第２実施形態において、排気管内壁面に形成される微細溝の溝幅を説明するための模式図である。 図７は、排熱回収装置の一例を示すブロック図である。 図８は、本発明の変形実施形態に係るエンジンの排気装置を示す概略断面図である。 図９は、微細溝の変形例を説明するための模式図である。

［第１実施形態］
＜エンジンの構造＞
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係るエンジンの排気装置を示す概略図であって、エンジン本体１と、当該エンジン本体１の排気装置２０の概略構成を示している。先ずはエンジン本体１について説明する。ここに示されるエンジン本体１は、自動車等の車両の走行駆動用の動力源として、前記車両に搭載される往復ピストン型の多気筒ガソリンエンジンである。エンジン本体１に供給される燃料は、本実施形態では、ガソリンを主成分とするものである。

エンジン本体１は、シリンダブロック３、シリンダヘッド４及びピストン５を備える。シリンダブロック３は、図１の紙面に垂直な方向に並ぶ複数の気筒２（図中ではそのうちの１つのみを示す）を有している。気筒２内では、前記燃料と空気との混合気が燃焼する。シリンダヘッド４は、シリンダブロック３の上面に取り付けられ、気筒２の上部開口を塞いでいる。ピストン５は、各気筒２に往復摺動可能に収容されており、コネクティングロッド８を介してクランク軸７と連結されている。ピストン５の往復運動に応じて、クランク軸７はその中心軸回りに回転する。

ピストン５の上方には燃焼室６が形成されている。シリンダヘッド４には、燃焼室６と連通する吸気ポート９及び排気ポート１０が形成されている。シリンダヘッド４の底面には、吸気ポート９の下流端である吸気側開口部４Ａと、排気ポート１０の上流端である排気側開口部４Ｂ（気筒の出口）とが形成されている。シリンダヘッド４には、吸気側開口部４Ａを開閉する吸気バルブ１１と、排気側開口部４Ｂを開閉する排気バルブ１２とが組み付けられている。本実施形態のエンジンは、ダブルオーバーヘッドカムシャフト式（ＤＯＨＣ）エンジンである。吸気側開口部４Ａと排気側開口部４Ｂとは、各気筒２につき２つずつ設けられるとともに、吸気バルブ１１および排気バルブ１２も２つずつ設けられている。

吸気バルブ１１及び排気バルブ１２は、いわゆるポペットバルブであり、各々開口部４Ａ、４Ｂを開閉する傘状の弁体と、この弁体から垂直に延びるステムとを含む。前記弁体は、燃焼室６に臨むバルブ面を有する。本実施形態において、燃焼室６は、気筒２の内壁面、ピストン５の冠面、シリンダヘッド４の底面、吸気バルブ１１及び排気バルブ１２の各バルブ面によって区画されている。

シリンダヘッド４には、吸気バルブ１１、排気バルブ１２を各々駆動する吸気側動弁機構１３、排気側動弁機構１４が配設されている。これら動弁機構１３、１４によりクランク軸７の回転に連動して、吸気バルブ１１及び排気バルブ１２の各ステムが駆動される。これらステムの駆動により、吸気バルブ１１の弁体が吸気側開口部４Ａを開閉し、排気バルブ１２の弁体が排気側開口部４Ｂを開閉する。

吸気側動弁機構１３には、吸気側可変バルブタイミング機構（吸気側ＶＶＴ）１５が組み込まれている。吸気側ＶＶＴ１５は、吸気カム軸に設けられた電動式のＶＶＴであり、クランク軸７に対する吸気カム軸の回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更することにより、吸気バルブ１１の開閉タイミングを変更する。同様に、排気側動弁機構１４には、排気側可変バルブタイミング機構（排気側ＶＶＴ）１６が組み込まれている。排気側ＶＶＴ１６は、排気カム軸に設けられた電動式のＶＶＴであり、クランク軸７に対する排気カム軸の回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更することにより、排気バルブ１２の開閉タイミングを変更する。

シリンダヘッド４には、燃焼室６内の混合気に点火エネルギーを供給する点火プラグ１７が各気筒２につき１つずつ取り付けられている。点火プラグ１７は、その点火点が燃焼室６内に臨む姿勢でシリンダヘッド４に取り付けられている。点火プラグ１７は、図外の点火回路からの給電に応じてその先端から火花を放電して、燃焼室６内の混合気に点火する。

シリンダヘッド４には、先端部から燃焼室６内にガソリンを主成分とする燃料を噴射するインジェクタ１８が、各気筒２につき１つずつ取り付けられている。インジェクタ１８は、図略の燃料供給管を通じて供給された燃料を噴射する。前記燃料供給管の上流側には、クランク軸７と連動連結されたプランジャー式のポンプ等からなる高圧燃料ポンプ（図示せず）が接続されている。この高圧燃料ポンプと前記燃料供給管との間には、全気筒２に共通の蓄圧用のコモンレール（図示せず）が設けられている。このコモンレール内で蓄圧された燃料が各気筒２のインジェクタ１８に供給されることにより、各インジェクタ１８からは、高い圧力の燃料が燃焼室６内に噴射される。

図１では、ガソリンエンジンに一般的に採用されている、点火プラグ１７を用いた火花点火燃焼方式のエンジン本体１を例示した。エンジン本体１は、ＨＣＣＩ燃焼（予混合圧縮着火燃焼）方式のエンジンであっても良い。この場合、インジェクタ１８は、１サイクル中に噴射すべき量の燃料の少なくとも一部を圧縮上死点よりも前に燃焼室６に噴射する。噴射された燃料は、燃焼室６に導入された空気（吸気）と混合された後に、例えば圧縮上死点の近傍で自着火する。すなわち、燃料と空気との混合気をピストン５による圧縮に伴い自着火させる。ＨＣＣＩ燃焼方式が採用される場合には、点火プラグ１７を省くことが可能であるが、エンジンの冷間始動時におけるスパークアシストのために点火プラグ１７を具備させる場合もある。ＨＣＣＩ燃焼方式では、燃焼室６において熱効率の高い燃焼を行わせることができるが、それゆえ排気熱が小さくなる（排気温度が低くなる）傾向がある。

＜排気装置の構造＞
排気装置２０は、エンジン本体１の気筒２から排出される燃焼ガス（排気）を外部に放出する装置であり、排気流の上流側から順に配置された、排気マニホールド２１、触媒装置２２及びサイレンサ２３と、これらを繋ぐ共用排気管３０とを備えている。本実施形態において、各気筒２の排気ポート１０、排気マニホールド２１及び共用排気管３０は、各気筒２から排出される排気が通過する排気通路である。共用排気管３０は、排気マニホールド２１と触媒装置２２との間を繋ぐ上流排気管３１と、触媒装置２２とサイレンサ２３との間を繋ぐ下流排気管３２とを含む。なお、排気マニホールド２１と触媒装置２２との間にターボ過給機が組み込まれていても良い。

排気マニホールド２１は、各気筒２の排気ポート１０から排出される排気を一つの流路に集合させ、共用排気管３０へ送り出す。排気マニホールド２１の入気側はシリンダヘッド４に連結され、出気側は上流排気管３１の上流端３１１に接続されている。排気マニホールド２１の内部には、各気筒２の排気ポート１０に連なる分岐通路と、これらを一つに集合する集合通路とからなる排気通路が備えられている。前記排気通路は、排気マニホールド２１内の内壁面２１１によって区画されている。

触媒装置２２は、排気通路中に組み込まれ排気を浄化する装置であって、排気中に含まれるＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣ等の有害成分を除去する。触媒装置２２は、例えば三元触媒を格子状の担体の表面に付着させてなる触媒コンバーター２２１を備えている。なお、触媒コンバーター２２１を機能させるためには、触媒が活性化する所定温度（活性化温度）以上への加熱が必要である。触媒装置２２の入気側には上流排気管３１の下流端３１２が、出気側には下流排気管３２の上流端３２１が、各々接続されている。

サイレンサ２３は、排気通路の末端に配置され、排気騒音の低減、並びに排気温度の低減を行わせるための装置である。サイレンサ２３の内部には、消音空間（膨張室）、排気導入管、排気導出管及び消音材等が備えられている。前記排気導入管には、下流排気管３２の下流端３２２が接続されている。前記排気導出管の下流端は、サイレンサ２３から引き出されたテール管２３１である。このテール管２３１から、排気が外部に放出される。

＜排気管の内部構造＞
上述の通り、触媒装置２２が備える触媒をエンジン本体１の始動時に早期活性化させる、並びに運転中に触媒の活性化温度を維持するために、エンジン本体１から排出される排気が保有する熱を可及的に逃がすことなく、触媒装置２２へ排気を導くことが望ましい。とりわけ、エンジン本体１にＨＣＣＩ燃焼方式が採用されている場合は、排気温度が本来的に低くなるので、排気熱を逃がさないようにするという要請は自ずと高くなる。

この点に鑑み第１実施形態では、上流排気管３１に、排気熱が外部に逃げることにより発生する排気損失を低減する構造が施与されている例を示す。図２（Ａ）は、上流排気管３１を軸方向に半分割した状態の斜視図、図２（Ｂ）は、上流排気管３１の断面図、図２（Ｃ）は、図２（Ｂ）の部分拡大図である。

上流排気管３１は、排気通路を区画する内壁面３１Ａ（排気通路内壁面）を有する。この内壁面３１Ａは、複数の微細溝４０が密に配列された溝付き内壁面とされている。微細溝４０は、図２（Ａ）において矢印で示す上流排気管３１内を流れる排気流５０の流動方向に、直線的に延びている。微細溝４０は、所定長の溝幅Ｓを有する断面Ｖ字型の溝であり、Ｖ字溝の開口縁である一対の頂部４０１と、Ｖ字溝の最深部である谷部４０２と、一対の頂部４０１と谷部４０２との間に存在する一対の傾斜面とを備えている。

微細溝４０の形状は適宜選択することができる。例えば断面Ｕ字型、断面矩形型等の微細溝４０であっても良い。また、微細溝４０の延伸方向は、排気流５０の流動方向である上流排気管３１の管軸方向と一致していることが望ましいが、前記管軸方向に対して少々角度を持つ方向が延伸方向とされていても良い。なお、微細溝４０は、上流排気管３１の内壁面３１Ａの円周方向の全周及び軸方向の全長に亘って設けることが望ましいが、一部の円周方向領域又は一部の軸方向区間への微細溝４０の形成を省いても良い。

本実施形態では、微細溝４０の溝幅Ｓと、複数の微細溝４０の配列ピッチＰとが実質的に同じとされている。すなわち、隣り合う微細溝４０は、その頂部４０１同士が隣接（接合）するように、上流排気管３１の周方向に配列されている。このため、微細溝４０の延伸方向と直交する断面視（図２（Ａ）、（Ｂ））において、隣り合う微細溝４０間に頂部４０１同士の接合部からなる尖った山部が存在する構造、つまり、微細溝４０間には平面部が実質的に存在しない構造とされている。ここで、溝幅Ｓと配列ピッチとが「実質的に」同じとしているのは、隣り合う微細溝４０の頂部４０１間に、加工上において不可避的に生じる微細幅の平面部や、前記山部が尖りすぎないように僅かな幅の平面部を積極的に形成するケースが想定されているからである。

ここでは、上流排気管３１の内壁面３１Ａが、微細溝４０を備える溝付き内壁面とされる例を示している。前記溝付き内壁面は、気筒２と触媒装置２２との間の排気通路の少なくとも一部の区間又は全区間において、当該排気通路を区画する排気通路内壁面に適用されていれば良い。本実施形態では、シリンダヘッド４の排気側開口部４Ｂ（気筒の出口）と触媒装置２２とを繋ぐ排気通路は、排気ポート１０、排気マニホールド２１及び上流排気管３１からなる。微細溝４０は、これら排気通路のうち、少なくとも一部又は全区間の排気通路を区画する排気通路内壁面に設けられていれば良い。例えば、上流排気管３１の内壁面３１Ａに加えて、排気ポート１０の内壁面にも微細溝を設けても良いし、排気マニホールド２１の内壁面の適所に微細溝を設けても良い。

微細溝４０の形成方法としては、既存の各種の方法を採用することができる。例えば、矩形状の金属平板の片面に一方向へ直線状に延びる微細溝４０を刻設し、その金属平板を微細溝４０の刻設面を内側にして円筒型に成形する方法を挙げることができる。前記金属平板の、円筒成形によって互いに重ね合わされる一対の端縁は、シーム溶接によって接合される。この他、微細溝４０に対応する微細突起を有する中子を、金属管内へ挿通させる方法も採用可能である。

＜微細溝の利点＞
微細溝４０を備えた溝付き内壁面の利点について説明する。図３は、排気流５０の態様を示す模式図である。排気流５０は、主流５１と、この主流５１に伴う副流である渦流５２とを含む。主流５１は、排気方向、つまり上流排気管３１の延伸方向下流側に向かうガス流である。渦流５２は、主流５１の進行軸の軸回りに旋回する渦である。

排気流５０は、例えば一般乗用車において、排気管の直径が３０ｍｍφ程度、エンジン回転数が１０００〜６０００ｒｐｍ程度ならば、１０〜７０ｍ／ｓ程度の流速を持つ。本発明者らの知見によれば、このような排気流５０は、上述の主流５１及び渦流５２を具備する。また、渦流５２には熱を輸送する性質が強いという特徴がある。さらに、排気流５０の流速が大きいほど、渦流５２の径（スケール）が小さくなる傾向がある。

図４（Ａ）は、排気通路内壁面（上流排気管３１の内壁面３１Ａ）が平坦な場合における、排気流５０の渦流５２と当該内壁面との位置関係を示す図である。排気通路内壁面が平坦であると、渦流５２は排気通路内壁面に接近することが可能となり、これに伴い両者間で熱伝達が行われ易くなる。このため、上流排気管３１内を通過する排気流５０の保有する熱が、上流排気管３１の管壁を通して外部に放熱され易くなる。つまり、渦流５２と内壁面３１Ａとの間における熱エネルギーの授受（熱伝達）が活発となり、排気熱の放熱損失が大きくなる。この放熱により、触媒の活性化に必要な温度を保有した排気を、排気通路を通して触媒装置２２に供給できない場合が生じ得る。

一方、図４（Ｂ）は、排気通路内壁面に微細溝４０が形成されている場合における、渦流５２と当該内壁面との位置関係を示す図である。微細溝４０の溝幅Ｓは、排気流５０の渦流５２の渦スケールＤ（直径）よりも小さく設定されている。このような微細溝４０が内壁面３１Ａに設けられると、渦流５２（乱流）は微細溝４０に入り込むことができず、微細溝４０の頂部に留まるようになる。つまり、図４（Ａ）のように平坦な内壁面の場合に比べて、渦流５２が内壁面３１Ａから離間されるようになる。従って、渦流５２と内壁面３１Ａとの間において熱伝達は行われ難くなり、上流排気管３１の管壁を通した放熱が抑制される。

上流排気管３１が、上掲の例のように直径３０ｍｍφ程度、排気流５０の流速が１０〜７０ｍ／ｓ程度と想定される場合、好ましい微細溝４０の溝幅Ｓは、１００μｍ〜７００μｍ程度である。微細溝４０の溝高さｈについて、渦流５２を内壁面３１Ａからなるべく離間させるには、溝高さｈを高くすれば良いことになるが、過度にこれを高くすると内壁面３１Ａの表面積が大きくなりすぎる。この場合、表面積の増加に伴う放熱性向上が、渦流５２を内壁面３１Ａから離間させる効果に勝ってしまう。従って、微細溝４０の溝幅Ｓと、溝高さｈとは、Ｓ≧ｈを満たす関係とすることが望ましい。ここで、溝高さｈが低すぎると、渦流５２を内壁面３１Ａから離間させる効果が比較的小さくなってしまう。従って、ｈ／Ｓが０．５〜１．０の範囲となるよう、微細溝４０の溝幅Ｓ及び溝高さｈを設定することが特に望ましい。これにより、微細溝４０の形成による内壁面３１Ａの表面積増加と、渦流５２を内壁面３１Ａから離間させることによる熱伝達抑制の効果とのバランスを取ることができる。

内壁面３１Ａを、上記のような溝幅Ｓ及び溝高さｈを有する微細溝４０の多数が密に配列された溝付き内壁面とすることで、熱伝達性の強い渦流５２を伴う排気流５０を内壁面３１Ａから離間させることができ、排気熱の放熱が抑制される。従って、排気熱を保温したまま、排気流５０を上流排気管３１の下流端３１２に接続された触媒装置２２へ導入させることが可能となる。このことは、触媒の早期活性化、活性化温度の維持に寄与する。また、内壁面３１Ａに微細溝４０を形成するだけで排気の保温効果を得ることができ、内壁面３１Ａに保温のためのコーティング層等を別途設ける場合に比べて、コスト及び製造工数を低減することができる。

特に、エンジン本体１にＨＣＣＩ燃焼方式が採用される場合には、微細溝４０を設けることの利点が顕著となる。既述の通り、ＨＣＣＩ燃焼方式では、燃焼室６において熱効率の高い燃焼を行わせることができるが、それゆえ排気熱が小さくなる傾向がある。このため、従来は触媒の活性化温度維持のため、あえてエンジンの熱効率を低下させる制御、例えば燃料噴射タイミングを変更して燃焼を緩慢化させる等の制御を行っている。しかし、本実施形態によれば、排気熱の損失を低レベルに抑制できるので、触媒の活性化温度維持のためにエンジンの熱効率を意図的に低下させる制御等は最小限で済む。従って、エンジンの熱効率を向上させることができる。

［第２実施形態］
図５は、本発明の第２実施形態に係るエンジンの排気装置２０Ａを示す概略断面図であって、エンジン本体１と、当該エンジン本体１の排気装置２０Ａの概略構成を示している。エンジン本体１の構造については、第１実施形態において説明した通りであるので、ここでは説明を省く。排気装置２０Ａは、第１実施形態で示した排気マニホールド２１、触媒装置２２及びサイレンサ２３に加え、排熱回収装置２４を備え、これらを繋ぐ共用排気管３０Ａを備えている。排熱回収装置２４は、排気流通方向において、触媒装置２２よりも下流側（サイレンサ２３の上流）の排気通路に組み込まれている。

排熱回収装置２４は、後記（図７）でその具体例を示すが、排気通路を流れる排気が保有する熱エネルギーを回収する装置である。回収された熱エネルギーは、エンジン本体１の運転効率の向上等のために利用される。当然のことながら、熱エネルギーの回収量を多くするためには、なるべく高温の排気が排熱回収装置２４に導入されることが望ましい。

共用排気管３０Ａは、排気マニホールド２１と触媒装置２２との間を繋ぐ上流排気管３１（第１実施形態と同じ）と、触媒装置２２と排熱回収装置２４との間を繋ぐ第１下流排気管３３と、排熱回収装置２４とサイレンサ２３との間を繋ぐ第２下流排気管３４とを含む。第１下流排気管３３の上流端３３１は触媒装置２２の出気側に、下流端３３２は排熱回収装置２４の入気側に、各々接続されている。第２下流排気管３４の上流端３４１は排熱回収装置２４の出気側に、下流端３４２はサイレンサ２３が備える排気導入管に、各々接続されている。

第２実施形態の排気通路において、保温を要するのは、排気側開口部４Ｂ（気筒の出口）から排熱回収装置２４までを繋ぐ排気通路である。具体的には、排気ポート１０、排気マニホールド２１、上流排気管３１及び第１下流排気管３３からなる排気通路である。第１実施形態において説明した前記溝付き内壁面は、これら排気通路の少なくとも一部の区間又は全区間において、当該排気通路を区画する排気通路内壁面に適用される。

好ましい例として、上流排気管３１（第１排気通路の一部の区間）の内壁面３１Ａと、第１下流排気管３３（第２排気通路の一部の区間）の内壁面３３Ａとに、それぞれ排気の流動方向に延びる微細溝４０を形成する例を挙げることができる。第１下流排気管３３に形成される微細溝４０も、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示した構造と同一のものを採用することができる。なお、微細溝４０は、上流排気管３１及び第１下流排気管３３の内壁面３１Ａ、３３Ａの円周方向の全周及び軸方向の全長に亘って設けることが望ましいが、一部の円周方向領域又は一部の軸方向区間への微細溝４０の形成を省いても良い。

第２実施形態の排気装置２０Ａによれば、排気側開口部４Ｂと触媒装置２２との間に配置された上流排気管３１における排気熱の放熱、及び、触媒装置２２と排熱回収装置２４との間に配置された第１下流排気管３３における排気熱の放熱を抑制することができる。従って、触媒装置２２における触媒の早期活性化並びに活性化温度の維持、排熱回収装置２４における排気からの回収熱量の増加に寄与することができる。

上流排気管３１及び第１下流排気管３３に、同じ溝幅Ｓの微細溝４０を設けても良いが、排気流５０の流速に応じて、溝幅Ｓを異ならせるようにしても良い。図６は、第２実施形態において、好ましい微細溝の配置を説明するための模式図である。図６では、上流排気管３１の内壁面３１Ａ及び第１下流排気管３３の内壁面３３Ａを、平面的に展開した状態で示している。

上流排気管３１の内壁面３１Ａには第１微細溝４１が形成されている。上流排気管３１よりも排気流通方向の下流側に位置する第１下流排気管３３の内壁面３３Ａには、第２微細溝４２が形成されている。第１微細溝４１の各々は、所定の第１の溝幅Ｓ１を有している。第２微細溝４２の各々は、第１の溝幅Ｓ１よりも広い第２の溝幅Ｓ２を有している。

排気流５０の流速は、排気通路の下流側へ向かうほど低下する。特に、排気が触媒装置２２を通過する前後で、その流速は大きく変化する。このため、上流排気管３１を通過する排気流５０は比較的高速であるので、その渦流５２は比較的小さいのに対し、第１下流排気管３３を通過する排気流５０は比較的低速であるので、その渦流５２は比較的大きくなる。従って、図４（Ｂ）に示したような状態、つまり渦流５２が入り込ませないようにするための微細溝４０の最適な溝幅Ｓは、上流排気管３１と第１下流排気管３３とでは異なることになる。

図６の例によれば、排気通路における排気流の流速変化に応じた微細溝を、内壁面３１Ａ、３３Ａに各々設定することができる。つまり、第１、第２微細溝４１、４２が、排気通路の下流側へ向かうに連れた排気流５０の渦流５２の径変化に応じた溝幅を具備するようになる。従って、排気管３１、３３の各々において、渦流５２を適正に内壁面３１Ａ、３３Ａから離間させることができ、排気の放熱を効果的に低減させることができる。

ここで、排熱回収装置２４の具体例を例示しておく。図７は、気筒２へ高温水を噴射させる水噴射装置用の排熱回収装置２４の一例を示すブロック図である。排熱回収装置２４は、気筒２へ供給する高温水を生成する機能と、吸気を昇温させる機能とを備え、コンデンサ２４１、水タンク２４２、熱交換器２４３及び吸気昇温装置２４４を含む。また、前記高温水の気筒２への噴射のため、エンジン本体１には蓄圧レール２４８及び水噴射ノズル２４Ｎが備えられている。

コンデンサ２４１は、共用排気管３０Ａ内を流れる排気中に含まれる水蒸気を凝縮させる熱機器である。コンデンサ２４１は、例えばエンジン冷却水などの冷媒との熱交換により排気を冷却することで、当該排気に含まれる水蒸気を凝縮させる。水タンク２４２は、凝縮水を貯留するタンクであり、コンデンサ２４１で生成された凝縮水が第１配管２４５を通して導入される。熱交換器２４３は、コンデンサ２４１よりも上流側に配置され、水タンク２４２に貯留された凝縮水を、コンデンサ２４１に流入する前の排気との熱交換により昇温させる熱交換器である。吸気昇温装置２４４は、共用排気管３０Ａ内を流れる排気から熱エネルギーを受け取り、吸気通路９１を流れる吸気に前記熱エネルギーを与える熱交換を行う熱機器である。

凝縮水は、図略の低圧ポンプの稼動により、水タンク２４２から第２配管２４６を通して熱交換器２４３に送られる。熱交換器２４３は、共用排気管３０Ａと熱交換可能に配設された蛇行管を含む。熱交換器２４３を通過した凝縮水は、概ね１５０〜２５０℃程度に加熱される。この高温凝縮水は、第３配管２４７を通して蓄圧レール２４８へ送られる。この際、図略の高圧ポンプにより前記高温凝縮水は圧送され、蓄圧レール２４８の内部に蓄圧状態で貯留される。蓄圧レール２４８から延び出す４つの枝管に、水噴射ノズル２４Ｎが取り付けられている。水噴射ノズル２４Ｎからは、排熱回収装置２４によって排気熱を利用して生成された高温凝縮水が気筒２に噴射される。

高温凝縮水が気筒２に噴射されると、当該高温凝縮水が気筒２内で膨張して気筒２内の圧力を上昇させる。このように高温凝縮水のエネルギーが圧力（仕事）に変換されることにより、エンジンの熱効率を向上させることができる。また、吸気通路９１を流れる吸気も加熱されるので、燃焼室６における燃焼温度を高温化させることができる。そして、本実施形態では、排熱回収装置２４まで排気を導く上流排気管３１及び第１下流排気管３３の内壁面３１Ａ、３３Ａが、微細溝４０（第１、第２微細溝４１、４２）を有する溝付き内壁面とされる。従って、排気熱の損失を低レベルにして排気を排熱回収装置２４に導入することができるので、排熱回収装置２４による高温凝縮水の生成及び吸気の加熱の機能を一層高めることができる。

［第３実施形態］
図８は、本発明の第３実施形態に係るエンジンの排気装置２０Ｂを示す概略断面図であって、エンジン本体１と、当該エンジン本体１の排気装置２０Ｂの概略構成を示している。エンジン本体１の構造は、第１実施形態と同じである。排気装置２０Ｂは、触媒レスの排気系統であり、第１実施形態で示した排気マニホールド２１及びサイレンサ２３と、第２実施形態で示した排熱回収装置２４とを備え、これらを繋ぐ共用排気管３０Ｂを備えている。

共用排気管３０Ｂは、排気マニホールド２１と排熱回収装置２４との間を繋ぐ上流排気管３５と、排熱回収装置２４とサイレンサ２３との間を繋ぐ下流排気管３６とを含む。上流排気管３５の上流端３５１は排気マニホールド２１の出気側に、下流端３５２は排熱回収装置２４の入気側に、各々接続されている。下流排気管３６の上流端３６１は排熱回収装置２４の出気側に、下流端３６２はサイレンサ２３が備える排気導入管に、各々接続されている。

エンジン本体１において、リーン燃焼や圧縮着火方式を採用するなどして、排気中にＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣ等の有害成分が発生しないようにすることが可能である。この場合、第１、第２実施形態において示した触媒装置２２を排気系統から省く（触媒レス）ことが可能となる。第３実施形態の排気装置２０Ｂでは、触媒装置２２が省かれる一方で、排熱回収装置２４が共用排気管３０Ｂに組み込まれている。

第３実施形態の排気通路において、保温を要するのは、排気側開口部４Ｂ（気筒の出口）から排熱回収装置２４までを繋ぐ排気通路である。具体的には、排気ポート１０、排気マニホールド２１及び上流排気管３５からなる排気通路である。第１実施形態において説明した前記溝付き内壁面は、これら排気通路の少なくとも一部の区間又は全区間において、当該排気通路を区画する排気通路内壁面に適用される。

好ましい例として、上流排気管３５の内壁面に、排気の流動方向に延びる微細溝４０を形成する例を挙げることができる。上流排気管３５に形成される微細溝４０は、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示した構造と同一のものを採用することができる。なお、微細溝４０は、上流排気管３５の内壁面の円周方向の全周及び軸方向の全長に亘って設けることが望ましいが、一部の円周方向領域又は一部の軸方向区間への微細溝４０の形成を省いても良い。

第３実施形態の排気装置２０Ｂによれば、排気側開口部４Ｂと排熱回収装置２４との間に配置された上流排気管３５における排気熱の放熱を抑制することができる。従って、排熱回収装置２４における排気からの回収熱量の増加に寄与することができる。

［変形実施形態の説明］
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば下記のような変形実施形態を取ることができる。

（１）上記実施形態では、上流排気管３１などへの微細溝４０の形成によって、排気熱の放熱を抑止する例を示した。微細溝４０に加えて、他の放熱防止構造を具備させても良い。例えば、微細溝４０を内壁面に刻設した排気管の外周を別の保温管で被覆するようにし、排気熱の放熱を一層抑制する構造としても良い。

（２）第１実施形態では、所定の溝幅Ｓを有する微細溝４０を、上流排気管３１の内壁面３１Ａに形成する例を示した。第２実施形態では、第１の溝幅Ｓ１を有する第１微細溝４１を上流排気管３１の内壁面３１Ａに、第２の溝幅Ｓ２を有する第２微細溝４２を第１下流排気管３３の内壁面３３Ａに形成する例を示した。排気流５０の流速が、排気通路下流側に向かうほど減速する場合、上記に代えて、１本の排気管において、微細溝の溝幅Ｓを異ならせても良い。

図９は、変形例に係る微細溝パターンを説明するための模式図である。例えば、上流排気管３１の内壁面３１Ａを、排気通路上流側の第１領域Ｒ１と、下流側の第２領域Ｒ２とに区分する。そして、第１領域Ｒ１には第１の溝幅Ｓ１１を有する上流微細溝４３を配置し、第２領域Ｒ２には第２の溝幅Ｓ１２（Ｓ１１＜Ｓ１２）の下流微細溝４４を配置する。排気流５０の流速が下流側で減速する場合、排気流５０の渦流５２の渦スケールは、下流に向かうほど大きくなる。図９の変形例によれば、排気流５０の流速に応じて設定された溝幅Ｓ１１、Ｓ１２を有する微細溝４３、４４が、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２にそれぞれ配置される。従って、より高い排気熱の放熱損失の低減効果を得ることができる。

１ エンジン本体
２ 気筒
３ シリンダブロック
４Ａ 吸気側開口部
４Ｂ 排気側開口部（気筒の出口）
５ ピストン
６ 燃焼室
１０ 排気ポート（排気通路の一部）
２０、２０Ａ、２０Ｂ 排気装置
２１ 排気マニホールド（排気通路の一部）
２２ 触媒装置
２３ サイレンサ
２４ 排熱回収装置
３０、３０Ａ、３０Ｂ 共用排気管（排気通路の一部）
３１ 上流排気管（第１排気通路）
３１Ａ 内壁面（排気通路内壁面）
３２ 下流排気管
３３ 第１下流排気管（第２排気通路）
３３Ａ 内壁面（排気通路内壁面）
３４ 第２下流排気管
４０ 微細溝
４１ 第１微細溝
４２ 第２微細溝
５０ 排気流
５１ 主流
５２ 渦流（縦渦）
Ｓ 溝幅
Ｓ１、Ｓ２ 第１、第２の溝幅
ｈ 溝高さ

Claims (5)

1. 燃料と空気との混合気が燃焼する気筒を備えたエンジンの排気装置であって、
   前記気筒から排出される排気が通過する排気通路を備え、
   前記排気通路の少なくとも一部の区間において、当該排気通路を区画する排気通路内壁面が、前記排気の流動方向に延びる複数の微細溝が密に配列された溝付き内壁面とされている、エンジンの排気装置。
2. 請求項１に記載のエンジンの排気装置において、
   前記排気通路に組み込まれ、前記排気を浄化する触媒装置をさらに備え、
   前記排気通路のうち、前記気筒の出口から前記触媒装置までを繋ぐ排気通路の少なくとも一部の区間における排気通路内壁面が、前記溝付き内壁面とされている、エンジンの排気装置。
3. 請求項１に記載のエンジンの排気装置において、
   前記排気通路に組み込まれ、前記排気が保有する熱エネルギーを回収する排熱回収装置をさらに備え、
   前記排気通路のうち、前記気筒の出口から前記排熱回収装置までを繋ぐ排気通路の少なくとも一部の区間における排気通路内壁面が、前記溝付き内壁面とされている、エンジンの排気装置。
4. 請求項１に記載のエンジンの排気装置において、
   前記排気通路に組み込まれ、前記排気を浄化する触媒装置と、
   前記触媒装置よりも排気流通方向の下流側において前記排気通路に組み込まれ、前記排気が保有する熱エネルギーを回収する排熱回収装置と、をさらに備え、
   前記排気通路のうち、前記気筒の出口から前記触媒装置までを繋ぐ第１排気通路の少なくとも一部の区間における排気通路内壁面、及び、前記触媒装置から前記排熱回収装置までを繋ぐ第２排気通路の少なくとも一部の区間における排気通路内壁面が、前記溝付き内壁面とされている、エンジンの排気装置。
5. 請求項４に記載のエンジンの排気装置において、
   前記第１排気通路の前記排気通路内壁面に形成される複数の微細溝の各々は、第１の溝幅を有し、
   前記第２排気通路の前記排気通路内壁面に形成される複数の微細溝の各々は、前記第１の溝幅よりも広い第２の溝幅を有する、エンジンの排気装置。
   

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