JP2019124146A - 排気管装置及び排気方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低速域から高速域までの速度域で排気慣性効果を高め、エンジンの出力特性及びトルク特性の向上を実現する排気管装置及び排気方法を提供する。【解決手段】本発明は、エンジンに接続された排気管の途中に接続される排気管装置１であって、エンジンに接続された排気管に一端が接続される第１結合部２と、第１結合部の他端に一端が接続される中空円筒形状の第１分岐排気管３、第２分岐排気管４と、第１分岐排気管と前記第２分岐排気管の対向する側の側面に長手方向の端から端までにわたり設けられた開口を連通する連通部６と、第１分岐排気管及び第２分岐排気管の他端に一端が接続され、他端が排気管に接続される第２結合部５とを備え、前記エンジンに接続された排気管の断面積と、前記第１分岐排気管及び第２分岐排気管の断面積の総和は同じであることを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、排気慣性効果を利用した排気管装置及び排気方法に関する。

従来、エンジンの吸入効率を向上させるために、排気管による排気慣性効果と脈動効果とを利用することが広く知られている。

例えば、排気弁が開放されると、燃焼室内の圧力が急降下し、排気弁付近の排気管は排気の吹き出しを受けて圧力が逆に急上昇する。その圧力が排気管内を往復することで所謂脈動が生じる。この脈動の圧力の正負と排気弁閉止時期、及び吸気とのオーバーラップ時期との位相関係では、排気弁の開いている後半に当該排気弁の出口が負圧であるとき、排気慣性効果により燃焼室内の残存ガスが十分に吸い出され、体積効率が向上し、吸気効率も向上する。そして、この吸気効率の向上は、エンジンの出力特性の向上をもたらす。

そして、排気管による排気慣性効果を高めるために、種々の技術が提案されている。

例えば、特許文献１では、単気筒エンジン又は多気筒エンジンにおける各気筒ごとの排気管を途中で排気慣性効果の異なる複数個に分離したことを特徴とする分岐排気管装置が開示されている。即ち、同技術は、単気筒エンジンにおいて、多気筒集合マフラー方式の時他気筒の排気慣性効果が得られるのと同様に、排気管を途中から排気慣性効果の異なる例えば２本に分離させ、分離後の排気管長さと口径の一方又は双方を変えてそれぞれの排気慣性効果を相互に利用できるようにしたものである。

特開昭５９−２４９３８号公報

しかしながら、特許文献１に開示された分岐排気管装置は、排気管が２つに分離されており、それぞれの長さが異なっているので、特別な消音装置を用意しなければならず、汎用性に欠けていた。また、トルク特性に生まれる所謂トルクの谷の問題を解消することについては、何ら考慮されていなかった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、低速域から高速域までの広域で排気慣性効果を高め、エンジンの出力特性及びトルク特性の向上を実現する排気管装置及び排気方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る排気管装置は、エンジンに接続された排気管の途中に接続される排気管装置であって、前記エンジンに接続された排気管に一端が接続される第１結合部と、前記第１結合部の他端に一端が接続される中空円筒形状の第１分岐排気管と、前記第１結合部の他端に一端が接続される中空円筒形状の第２分岐排気管と、前記第１分岐排気管と前記第２分岐排気管の対向する側の側面に長手方向の端から端までにわたり設けられた開口を連通する連通部と、前記第１分岐排気管及び前記第２分岐排気管の他端に一端が接続される第２結合部と、を備え、前記エンジンに接続された排気管の断面積と、前記第１分岐排気管及び第２分岐排気管の断面積の総和は同じであることを特徴とする。従って、エンジンに接続された排気管による排気慣性効果に加えて追加の排気慣性効果を奏することが可能となる。

本発明の他の態様による排気方法は、エンジンに接続された排気管の途中に接続される排気管装置による排気方法であって、前記排気管を、当該排気管の断面積と断面積の総和が略等しい２本の分岐排気管に接続しつつ、２本の分岐排気管の対向する側面を連通させることで、前記排気管の排気慣性効果に加えて、２本の分岐排気管に追加の排気慣性効果を発揮させるものである。

本発明によれば、低速域から高速域までの広域で排気慣性効果を高め、エンジンの出力特性及びトルク特性の向上を実現する排気管装置及び排気方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る排気管装置の構成図である。 図２（ａ）及び図２（ｂ）は、同排気管装置の断面図である。 同排気管装置の斜視図である。 同排気管装置の実装の様子を示す図である。 図５（ａ）乃至図５（ｃ）は、排気慣性効果を説明する図である。 、図６（ａ）はエンジン出力及びトルク特性を示す図、図６（ｂ）は吸気弁及び排気弁のオーバーラップ時における圧力の変化を示す図である。 同排気管装置を実装した車種の出力特性及びトルク特性を示す図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の一実施形態について説明する。

図１乃至図３には、本発明の一実施形態に係る排気管装置の構成を示し説明する。より詳細には、図１は同排気管装置の平面図、図２（ａ）は図１のＡＡ線における断面図、図２（ｂ）は図１のＢＢ線における断面図、図３は同排気管装置の斜視図をそれぞれ示している。

これらの図に示されるように、本実施形態に係る排気管装置１は、第１結合部２、第２結合部５と第１分岐排気管３、第２分岐排気管４とで構成されている。

第１結合部２は、エンジンに接続された既存の中空円筒状の既存排気管の一端に接続されるもので、その一端には既存排気管の外径と同じ開口部を有し、他端には２本の第１分岐排気管３、第２分岐排気管４の外径と同じ２つの開口部を有している。第１分岐排気管３、第２分岐排気管４は、中空円筒形状であるが、対向する側面において、長手方向の端から端までにわたり、それぞれの側面に設けられた開口が連通部６で連通している。従って、第１結合部２の他端の開口部は、２つの第１分岐排気管３、第２分岐排気管４とそれらの連通部６に合致した形状となっている。

そして、第１分岐排気管３と第２分岐排気管４の他端は、第２結合部５の一端に接続されている。第２結合部５の一端の開口部は、２つの第１分岐排気管３、第２分岐排気管４とそれらの連通部６に合致した形状となっている。第２結合部５の他端は、既設排気管に接続されている。

ここで特徴的なのは、既存排気管１１の断面積と、２本の第１分岐排気管３、第２分岐排気管４の断面積の総和は、略同じとなるように設計されている点である。

一般に、エンジンの排気管は、低速の出力特性を重視する場合には長く細くし、高速の出力特性を重視する場合には短く太くするとよいとされているが、本実施形態に係る排気管装置１では、排気管の断面積を変えることなく、排気ガスの流速を高めることに成功している。これは、排気管の内面の粘性抵抗の作用で、排気管の内面付近ほど流速が遅くなり、排気管の中央部で最も流速が早くなることに着目し、排気管の断面積を変更することなく、内面の表面積を増加させて、流速の遅くなる部分を増やすことで、実質的に排気管の外径を細くしたのと同様の効果を得ることに成功している。

さらに、２本の第１分岐排気管３、第２分岐排気管４の対向する側面側を連通部６で連通させることで、第１分岐排気管３、第２分岐排気管４に生じる排気慣性効果を一体化している。即ち、第１分岐排気管３、第２分岐排気管４が完全に分離された独立のものであれば、排気慣性効果は、それぞれの分岐排気管３，４において独立して生まれ、その効果の大きさや作用のタイミングが微妙に異なることが想定される。

この点、本実施形態に係る排気管装置１では、第１分岐排気管３、第２分岐排気管４の対向する側面を連通部６で連通させ、一体構成とすることで、既設排気管が本来的に有している排気慣性効果に加えて追加の排気慣性効果を生じるようにしている。これにより、本実施形態に係る排気管装置１では、低速の出力特性のみならず低速から高速に至るまでの広域で出力特性を向上させることに成功している。

このような排気管装置１によれば、エンジンに接続された排気管の途中に接続される排気管装置１による排気方法であって、既設排気管を、当該排気管の断面積と断面積の総和が略等しい２本の分岐排気管３，４に接続しつつ、２本の分岐排気管３，４の対向する側面を連通部６で連通させることで、既設排気管の排気慣性効果に加えて、追加の排気慣性効果を発揮させる排気方法が実現される。

図４には、本実施形態に係る排気管装置の実装の様子を示し説明する。

同図に示されるように、本実施形態に係る排気管装置１は、エンジン１１に接続された排気管１１，１２の一部に実装されることになる。このように、既存の排気管１１，１２の一部に実装するだけであるので、消音器等に影響はなく、汎用性は極めて高い。尚、排気管１２は、排気管１１よりも大径の方がより高い効果が得られる。

次に、図５（ａ）乃至図５（ｃ）を参照して、本発明の一実施形態に係る排気管装置による排気慣性効果について概念的に示し、更に詳細に説明する。

前述したように、本排気管装置では、２本の分岐排気管３，４の断面積の総和が、分岐前の排気管の断面積と同じになるように設計しつつ、２本の分岐排気管３，４を長手方向にそって端から端までの側面中央部で連通部６により連通させている。

このような構成により、第１分岐排気管３、第２分岐排気管４は、その内周面の面積が増大するので、粘性抵抗の作用により、流速が早い部分を中央に集中させ、排気管を実質的に細くしたのと同様の作用が生まれる。この点、先に図２（ｂ）で示した断面の形状が重要であり、従来技術のように仕切板を介在させる構成や２本の分岐排気管を独立した２本とする構成では、面積は増大するものの、同様の効果は得られない。

さらに、分岐排気管にも十分な長さを与えることで、排気慣性効果が生まれる。換言すれば、排気管全体の排気慣性効果に加えて、分岐排気管が追加の排気慣性効果を発揮することになる。追加の排気慣性効果の強さは、排気管全体の排気慣性効果に比較すれば小さいものであるが、排気弁の閉じ際で以下のような重要な働きをする。

すなわち、従来の一般的な排気管では、排気弁の閉じ際で排気ガスの流速が下がるにつれて図５（ａ）に示されるように、排気ガスが残留してしまう。

これに対して、本実施形態に係る排気管装置１を実装した場合には、既設排気管内の排気ガスの流速が下がってくると、２本の分岐排気管３，４の独自の排気慣性効果が発揮され、図５（ｂ）、図５（ｃ）に示されるように作用し、既設排気管に残留する排気ガスを掃出させて減少させることが可能となる。残留する排気ガスが減少するということは、排気弁の圧力が低くなり、吸入効率を高め、ひいては出力特性、トルク特性を向上させることを意味する。

排気バルブの閉じ際では、このような分岐排気管独自の排気慣性効果が継続して働くので、所謂トルクの谷の問題を解消することが可能となる。

ここで、図６には、エンジン出力及びトルクと、吸気弁及び排気弁のオーバーラップ時における圧力の変化を対応付けて示し、説明する。より具体的には、図６（ａ）にはエンジン出力及びトルク特性を示し、図６（ｂ）には吸気弁及び排気弁のオーバーラップ時における圧力の変化を示している。

これらの図に示されるように、排気弁が開放され、燃焼室の排気ガスが一気に排出されることにより排気管には排気慣性効果が生まれる。その排気慣性効果により、排気弁の圧力は、図６（ｂ）に示されるように上下に変動する。時点ａや時点ｃでは、排気弁の圧力が低いので、オーバーラップしている吸気弁から混合気が円滑に燃焼室に吸入される。すなわち、排気の慣性効果により、吸入効率も高まる。

一方、時点ｂでは、排気弁の圧力が高いので、混合気の吸入が妨げられてしまう。これは、所謂トルクの谷となって、従来、その改善が求められていた。本実施形態に係る排気管装置及び排気方法によれば、前述したような分岐排気管３，４の独自の排気慣性効果により、このようなトルクの谷の問題も解消し、低速域から高速域にわたる広域において良好な出力特性を実現することができる。

図７には、本発明の一実施形態に係る排気管装置の出力特性を示し説明する。

同図に示されるように、本排気管装置を実装した場合、実装しない場合に比べてエンジンの出力特性が低速域から高速域までの広域にわたり向上している。特に低〜中速域では出力特性が大幅に向上している。そして、３７５０ＲＰＭから４７５０ＲＰＭ付近で生まれるトルクの谷についても改善されており、トルク特性も全般的に向上している。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなくその趣旨を逸脱しない範囲で種々の改良・変更が可能であることは勿論である。

例えば、多気筒エンジンへの適用では、各排気管に本実施形態に係る排気管装置を実装すれば、排気慣性効果を高めることが可能となる。

１ 排気管装置
２ 第１結合部
３ 第１分岐排気管
４ 第２分岐排気管
５ 第２結合部
６ 連通部
１０ エンジン
１１ 既設排気管
１２ 既設排気管

Claims (3)

1. エンジンに接続された排気管の途中に接続される排気管装置であって、
   前記エンジンに接続された排気管に一端が接続される第１結合部と、
   前記第１結合部の他端に一端が接続される中空円筒形状の第１分岐排気管と、
   前記第１結合部の他端に一端が接続される中空円筒形状の第２分岐排気管と、
   前記第１分岐排気管と前記第２分岐排気管の対向する側の側面に長手方向の端から端までにわたり設けられた開口を連通する連通部と、
   前記第１分岐排気管及び前記第２分岐排気管の他端に一端が接続される第２結合部と、
   を備え、前記エンジンに接続された排気管の断面積と、前記第１分岐排気管及び第２分岐排気管の断面積の総和は同じであることを特徴とする
   排気管装置。
2. 前記第１分岐排気管、前記第２分岐排気管、及び連通部により、前記エンジンに接続された排気管による排気慣性効果に追加の排気慣性効果を生じさせる
   請求項１に記載の排気管装置。
3. エンジンに接続された排気管の途中に接続される排気管装置による排気方法であって、
   前記排気管を、当該排気管の断面積と断面積の総和が略等しい２本の分岐排気管に接続しつつ、２本の分岐排気管の対向する側面を連通させることで、前記排気管の排気慣性効果に加えて、２本の分岐排気管に追加の排気慣性効果を生じさせる排気方法。