JP2022001759A - 内燃機関の排気促進装置及び排気系改良方法 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガスの高速排気による排気効率をさらに向上させることのできる内燃機関の排気促進方法、排気促進装置及び排気系改良方法を提供することを解決すべき課題とする。【解決手段】内燃機関から排出される排気ガスを多段階で繰り返し膨張させて温度を下げることにより、この排気ガスの熱エネルギに起因した挙動を抑制しつつ排気することを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関から排出される排気ガスの排気効率を高めるための排気促進方法、排気促進装置及び排気系改良方法に関する。

内燃機関の排気ガスには、ＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ），ＨＣ（Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ），ＮＯｘ（Ｏｘｉｄｅｓ ｏｆ Ｎｉｔｒｏｇｅｎ），ＳＯ2（Ｓｕｌｆｕｒ ｄｉｏｘｉｄｅ），ＣＯ（ｃａｒｂｏｎ ｍｏｎｏｘｉｄｅ）等の環境に影響があるとされる有害物質が含まれている。

これ等の有害物質を除去するために、内燃機関の排気系の途中に触媒構造からなる浄化装置が装備されるようになってきている。

内燃機関の排気系の途中に装備される浄化装置は、排気系における排気流の抵抗となって、内燃機関の出力特性に影響を与えている。

このため、内燃機関の排気系における排気効率を高める技術の開発が要望され、その技術が、たとえば、特許文献１において提案されている。

特許文献１には、内燃機関の排気系の端末に装備されるものであって、排気ガスの上流側へむけて拡開されたテーパ筒形の加速筒と、加速筒の外部を同軸線上で囲む筒形のカバー筒と、加速筒に開口された分流口とを備えた排気ガス流通促進装置が記載されている。

特許文献１に係る排気ガス流通促進装置は、加速筒で排気ガスを加速するとともに分流し、加速筒から高速に噴射される中心流の周囲に負圧を生じさせ、この負圧により、カバー筒内の周囲流を加速させて排気し、排気効率を高めるようにしている。
なお、このように排気ガス流を加速する技術については、特許文献２〜特許文献５にも記載されている。

特開平１０−３３１６３１号公報 特開２０１１−７４７７４号公報 実用新案登録第３１８６２３２号公報 特開平０２−１２５９０６号公報 特開平０６−１７３６３４号公報

本発明は、排気ガスの高速排気による排気効率をさらに向上させることのできる内燃機関の排気促進方法、排気促進装置及び排気系改良方法を提供することを解決すべき課題とする。

本発明の内燃機関の排気促進方法は、内燃機関から排出される排気ガスを多段階で繰り返し膨張させて温度を下げることにより、この排気ガスの熱エネルギに起因した挙動を抑制しつつ排気することを特徴とする。

このような排気促進方法によれば、排気ガスは多段階の膨張過程で温度低下し、この温度低下により排気ガスの熱エネルギが奪われ、熱エネルギに起因した挙動が抑制される。

このように挙動が抑制された排気ガスは、その流れ方向の制御が容易となり、排気ガスの流れを主たる排気方向に沿わせることができる。

これによって、排気ガスの流れを円滑にして排気効率を向上させることができる。

本発明の内燃機関の排気促進装置は、前述した課題を解決するために、以下のように構成される。
内燃機関の排気系の排気端部に設けられるケーシングと、このケーシング内に、このケーシングの内面との間に環状の空間部を形成するように同心状に設けられる排気流制御筒と、前記ケーシングの排気下流側の端部に、このケーシングと同軸で、前記排気流制御筒に対し排気方向に間隔をおいて設けられる冷却筒とを備える。前記排気流制御筒には、排気流の下流側へ向けて漸次拡径する略円錐台断面の第１膨張部と、この第１膨張部に連設され、排気の下流側へ向けて漸次縮径する略円錐台断面の加速部が形成される。前記加速部の前記第１膨張部との連設部には、前記加速部と前記空間部とを連通させる分流孔が形成される。前記空間部は、その容積が排気の下流側へ向けて漸次増加する第２膨張部となされているとともに、その排気の下流側端部に、前記加速部の排気の下流側の端部に対峙させられた絞りが形成される。前記空間部の容積は前記加速部の容積よりも大きく設定される。

このような構成とすることにより、排気促進装置に流入した排気は、排気流制御筒内の第１膨張部において膨張し、その一部が加速部へと向かう中心流となり、残余が分流孔から第２膨張部へ分流されて外周流となる。

前記外周流は第２膨張部において膨張した後に、下流側の絞りへ向かって流れ、前記中心流は、加速部において加速された後に絞りの中心へ向けて噴射される。

ここで、加速部から絞りへ噴射された中心流により絞り周辺に負圧領域が形成され、この負圧により第２膨張部内の外周流が吸引されるとともに、中心流とともに冷却筒へ流入する。

このように、排気は、加速されつつ排出されることにより、排気の抵抗となることが抑制され、これによって、排気効率が高められる。

さらに、外周流は第１膨張部と第２膨張部において連続して膨張するが、これらの膨張によって外周流の温度が低下する。
そして、外周流は、さらに冷却筒において外気によって冷却されて温度が低下する。

第２膨張部となる空間部の容積は、加速部の容積よりも大きく設定されているので、その分、外周流となる排気の膨張による温度低下現象を高めることができる。

このような外周流の温度低下により、外周流は熱エネルギが奪われて流れが円滑なものとなり、排気の高速化と相俟って排気効率がさらに高められ、本発明の排気促進方法を有効に実施することができる。

ここで、空間部の容積としては、加速部の容積の好ましくは１．８倍以上、さらに好ましくは１．９倍以上、特に好ましくは２．０倍以上とすることができ、好ましくは２．６倍以下、さらに好ましくは２．５倍以下、特に好ましくは、２．３倍以下に設定される。１．８倍以下でも排気促進効果は期待できるが、十分でない場合もある。また、２．６倍よりも大きくすると、ケーシング自体が大きくなりすぎる場合がある。

前記冷却筒は、前記絞りに連設された内筒と、この内筒との間に環状の通風空間部を形成する外筒とを備え、前記外筒に、前記通風空間部に外気を導入する通気口が形成されていることが好ましい。

このように構成した場合、冷却筒においては、車両の走行に伴って通風空間部に外気が流れ込み、この外気が、外筒の内面および内筒の外面に接触しつつ流れる。
ここで、通風空間部の外気の流れは、内筒の端部から噴射される排気によって吸引されつつ排出されるので、その分、通気量も増大する。これにより、内筒内を流れる排気の冷却効果をさらに高める作用を発揮する。

本発明では、前記排気流制御筒の内壁に、螺旋溝を多条に形成しておくことが好ましい。
このような構成とすることにより、中心流を旋回流としてその直進性を高め、絞りにおいて生成される負圧を高めることができ、この負圧による外周流の引き込み作用を高めて排気の流速増加を補助する。

本発明では、前記内筒の内壁に、螺旋溝を多条に形成することが好ましい。
このような構成とすることにより、加速部の吐出口から排出される螺旋流となった排気を、内筒の螺旋溝によってさらに螺旋流として、その流れを一段と円滑化して排気効率を高めることができる。さらに、内筒との接触面積を増加させて、内筒による排気の冷却効果を高めることができる。

前記ケーシング若しくは排気流制御筒の少なくとも一方をセラミックス材で形成することが好ましい。

このような構成とすることにより、セラミックス材の触媒機能を利用して排気の浄化を行なうことができる。

前記ケーシングの内壁に凹部を複数形成しておくことが好ましい。
このように、ケーシングの内壁に凹部を複数形成しておくことにより、それらの凹部の作用で消音効果も発揮させることができる。

また、本発明では、このように中央部で排気の流れを速めることで、温度を下げて、ＮＯｘを低減させ、外周部では排気の流れを遅くして温度を上げ、排気のＰＭを低減させることができる。これにより、ＮＯｘ及びＰＭの双方を低減させることができる。

さらに、排気流を高速に加速して吐出させると共に、絞り付近に生じる負圧を利用して排気系内の排気を強力に吸引するので、内燃機関の燃焼室内には十分な給気が行われ、しかも、燃焼室内の排気ガスも十分に掃気される。これにより、燃焼室内は完全燃焼若しくは完全燃焼に近い燃焼状態に維持される。その結果、排気ガス中のＣＯ2の顕著な削減効果に加え、その他の有害物質の顕著な削減効果が得られる。

また、このように排気効率がさらに高められることで、内燃機関は、完全燃焼若しくは完全燃焼に近い燃焼状態が得られるようになり、これにより、内燃機関及び排気促進装置の高温化を防止することが可能になる。この結果、内燃機関の運転直後においても、この内燃機関と排気促進装置の両方を素手でしっかりと触ることができる程度にまで低温化させることができる。即ち、この排気促進装置によって内燃機関及び排気系に自己冷却機能までも付与することができる。

本発明は、排気ガスを触媒装置で浄化する排気系を備えた内燃機関の排気系改良方法であって、前記排気系の排気端部に、排気促進装置を設ける工程と、前記内燃機関を駆動させる機関駆動工程と、を含み、前記機関駆動工程では、前記内燃機関の駆動を所要時間行うことで、前記触媒装置を含む排気系を洗浄することを特徴としている。

このように、排気系の排気端部に排気促進装置を設け、内燃機関を駆動させることで、排気促進装置による強力な排気促進作用を発揮させて触媒装置を含む排気系を洗浄することが可能になる。即ち、内燃機関の運転が継続されると、その排気系及び触媒装置には、排気ガスに含まれるカーボンや他の有害物質が次第に付着するが、本発明の排気促進装置を所定の位置に設けて排気を促進させることで、付着したカーボンや他の有害物質を除去する作用を効果的に発揮する。

また、触媒装置を含む排気系が十分に洗浄された後においては、その触媒装置を含む排気系に、カーボンや他の有害物質が付着するのを抑制することができる。排気促進装置の負圧を利用した強力な吸引作用によって、内燃機関の燃焼室から完全燃焼に近い排気ガスが排出されて排気系及び触媒装置内を流れるようになるからである。したがって、触媒装置を含む排気系の洗浄作用を長期間あるいは内燃機関が使用されなくなるまで維持することができる。

前記機関駆動工程では、前記内燃機関の駆動を１時間以上行うことが好ましい。この機関駆動工程は、触媒装置を含む排気系に付着したカーボンや他の有害物質の付着量にも左右されるが、長いほど好ましく、より好ましくは３時間以上であり、特に好ましくは５時間以上である。内燃機関の駆動時間が１時間より短くても、洗浄機能は発揮されるが、その洗浄機能が顕著になるのは１時間以上である。

前記機関駆動工程では、前記触媒装置を含む排気系を有する内燃機関を搭載した使用過程車を用いて行うことが好ましい。使用過程車の場合、触媒装置を含む排気系に付着したカーボンや他の有害物質の付着量が多いからである。このような使用過程車においては、機関駆動工程を５時間以上行うことが好ましい。そうすれば、付着したカーボンや他の有害物質の付着量を大きく低下させることが可能になる。これにより、カーボンや他の有害物質の付着量を新車時に近い状態に戻すことも可能になる。

前記機関駆動工程では、前記使用過程車を走行又は疑似走行させる工程を含むことが好ましい。
このように、使用過程車の機関駆動工程では、車両を実際に走行させ、あるいは回転ローラ上で疑似走行させるのが好ましい。ただ単に、機関を駆動させて車両を走行させない形態よりも、実際に車輪の回転に負荷をかけた、即ち、内燃機関に負荷をかけた走行形態とする方が、より具体的かつ現実的で無駄がなく、経済性に優れた排気系改良方法とすることができるからである。

前記機関駆動工程では、前記内燃機関の駆動による走行距離が１００ｋｍ以上となるまで行うことが好ましい。
ここで、内燃機関の駆動による走行距離を１００ｋｍ以上としたのは、使用過程車に配慮したものである。使用過程車の場合、使用年数や、これまでの走行距離などによっても左右されるが、概ね、１００ｋｍ以上の走行距離で試験成績が顕著に向上するからである。勿論、１００ｋｍ以下でも洗浄機能は期待できるが、その機能は十分に発揮されているとは言えない。走行距離が２００ｋｍ、３００ｋｍ、４００ｋｍとなるにしたがい、洗浄作用が次第に進行し、使用年数の長い使用過程車では、５００ｋｍを超えた時点でもなお、洗浄作用が進行している場合もあることが確認されている。

本発明に係る内燃機関の排気系改良方法は、前記排気促進装置に、請求項２〜請求項８の何れかに記載の排気促進装置を用いることが好ましい。
また、本発明に係る内燃機関の排気系改良方法は、内燃機関の排気系に、請求項２〜請求項８の何れかに記載の排気促進装置を設けることにより、前記排気系に自己洗浄機能を付与することを含む、ことを特徴としている。
本発明によれば、このように内燃機関の排気系に、請求項２〜請求項８の何れかに記載の排気促進装置を設けるだけで、排気系に自己洗浄機能を付与することが可能になる。

本発明は、請求項２〜請求項８の何れかに記載の排気促進装置を備える内燃機関が搭載された自動車を含む、ことを特徴としている。

本発明によれば、排気を加速することによる排気効率の向上と、排気を冷却してその熱エネルギを奪い、これによって排気ガスの流れを円滑化することによる排気効率の向上と、の相乗作用により、排気効率を一層高めることができる。
また、本発明によれば、排気系の排気端部に排気促進装置を設けて内燃機関を駆動させることで、排気促進装置による強力な排気促進作用を発揮させて触媒装置を含む排気系を有効に洗浄することができる。

本発明の一実施形態が適用された車両の概略図である。 本発明の一実施形態の縦断面図である。 図２におけるＩＩＩ矢視図である。 図２におけるＩＶ矢視図である。

（実施形態１）
以下、本発明の実施形態１について図面に基づいて説明する。
まず、本発明の排気促進方法の説明に先立って、この排気促進方法を有効に実施しうる排気促進装置について説明する。

これらの図において、符号１は、本実施形態が適用された車両を示している。この車両１は、内燃機関２、排気管３、消音器４を備え、この消音器４の排気端部４３に本実施形態の排気促進装置５が装着されている。なお、この消音器４は、触媒装置４１を含む構造でも良いし、触媒装置４１を含まない構造でも良い。この触媒装置４１は消音器４と別に設けてあっても良い。また、この消音器４は無くても良く、排気促進装置５を排気管３に直接接続しても良い。

本実施形態の排気促進装置５は、図２に示すように、触媒装置４１を含む消音器４の排気端部４３に装着されるケーシング６と、このケーシング６内に、このケーシング６の内面との間に環状の空間部Ａを形成するように同心状に装着された排気流制御筒７と、ケーシング６の排気下流側の端部に、このケーシング６と同軸で、排気流制御筒７に対し排気方向に間隔Ｌ３をおいて装着された冷却筒８と、を備えている。排気流制御筒７はセラミックス材（ステンレス材、アルミ材、その他の金属や合金でも可）で形成されている。

排気流制御筒７には、排気流の下流側へ向けて漸次拡径する略円錐台断面の第１膨張部Ｘと、この第１膨張部Ｘに連設され、排気の下流側へ向けて漸次縮径する略円錐台断面の加速部Ｙとが形成されている。そして、この加速部Ｙの第１膨張部Ｘとの連設部には、加速部Ｙと空間部Ａとを連通させる分流孔９が形成されている。

空間部Ａは、その容積が排気の下流側へ向けて漸次増加する第２膨張部となされているとともに、その排気の下流側端部に、絞り１０が形成されている。この絞り１０は、加速部Ｙの排気の下流側の端部に対峙させられている。

冷却筒８は、絞りに連設された内筒１１と、この内筒１１との間に環状の通風空間部Ｚを形成する外筒１２と、を備えている。外筒１２には、通風空間部Ｚに外気を導入する通気口１３が形成されている。

本実施形態では、大型貨物自動車（トラック）からなる車両に搭載される内燃機関の排気系の端末に装備するのに好適な排気促進装置の例を示しているが、内燃機関の排気量に応じた大きさや構造とすることで、乗用車やその他の車両等にも適用可能である。また、図示例の排気促進装置５は、車高が低い車両にも対応可能なように、断面楕円となるように形成されている。ケーシング６の楕円率（長径／短径）は1.4程度になるように設定されている。この楕円率は、1.1〜1.8の範囲で変更することができる。楕円率を1.8以上にすると、扁平になり過ぎて、製作性が困難になる上に、排気促進機能が低下する場合もある。勿論、装備する車両によっては真円に近い形態又は真円とすることもできる。

前記ケーシング６は、本実施形態においては、ステンレス材（セラミックス材、アルミ材、他の金属や合金でも可）で形成されており、その排気方向上流側の端部には、消音器４の排気端部４３が嵌合固定される篏合凹部６ａが形成されている。

また、ケーシング６の排気方向下流側の端部には冷却筒８が固着される環状の連結突起１４が形成されている。

前記冷却筒８を構成する内筒１１は、連結突起１４の内部に嵌合固定され、また、外筒１２は、連結突起１４の外周に被嵌固定されている。

さらに、本実施形態においては、排気流制御筒７および内筒１１の内面（内周面）に、多条の螺旋溝１５・１６が形成されている。螺旋溝１５は、排気流制御筒７の内面全体に形成されていて、排気方向上流側から下流側へ向けて螺旋状に伸びるように多条に形成されている。螺旋溝１６は、内筒１１の内面全体に形成されていて、排気方向上流側から下流側へ向けて螺旋状に伸びるように多条に形成されている。

ケーシング６の内面は、排気流（後述する外周流）の流れが円滑になるように、図２に示すように内面全体として緩やかな曲率の曲面に形成されている。この図２に示す例では、ケーシング６自体は全体として断面楕円形の筒状に形成されているが、その両端部分はそれぞれ先細りに絞られた緩い球面状に形成されている。

即ち、ケーシング６の排気上流側には、その排気上流側の端部から排気下流側に向かって略球面状に拡径した上流側球面部６２が設けられている。また、ケーシング６の排気下流側には、その排気下流側の端部から排気上流側に向かって略球面状に拡径した下流側球面部６３が設けられている。上流側球面部６２と、下流側球面部６３との間の中間部分には、断面楕円の周方向に沿う曲面となる筒状曲面部６４が設けられている。

これにより、ケーシング１の内面は、上流側球面部６２に続いて、排気方向に向かって直線状の内面に形成された筒状曲面部６４、この筒状曲面部６４に続く下流側球面部６３を有する、緩やかな曲面に形成されている。したがって、外周流はこの緩やかな曲面に沿って円滑に流れる。

そして、ケーシング６の排気上流側の端部は、排気流制御筒７における第１膨張部Ｘの排気下流側の端部に接続されていて、その接続部分に分流口９が連なるようにそれぞれ配置されている。分流口９は、図示例では排気流制御筒７の周方向に等間隔をおいて４か所設けられている。各分流口９は、排気方向に沿って長い楕円形状に形成されている。各分流口９の大きさは、分流口９の数、排気流制御筒７の大きさ、空間部Ａの大きさ、加速部Ｙの吐出口７１の口径、等によっても左右されるが、図示例では、加速部Ｙの長さの１／３〜１／４前後に設定されている。

吐出口７１の口径は、内燃機関の排気量に対応させて調整される。例えば乗用車や貨物車における内燃機関の排気量が５５００ｃｃで、排気管１本出しの場合、口径３６〜４０φに設定され、好ましくは３８φに設定される。同排気量で２本出しの場合、吐出口７１の口径２５φの排気促進装置５をそれぞれの排気管に接続して、合計２基使用される。

内燃機関の排気量が２５００ｃｃで、排気管１本出しの場合、口径２６〜２８φに設定され、好ましくは２７φに設定される。同排気量で２本出しの場合、吐出口７１の口径２２φの排気促進装置５をそれぞれの排気管に接続して、合計２基使用される。

なお、本実施形態における排気促進装置５は、排気流制御筒７の上流側端部からケーシング６の絞り１０部分までの長さＬ１と、冷却筒８の長さ（絞り１０の入り口から冷却筒８の出口までの排気路の実質長さ）Ｌ２とが、ほぼ同程度の長さとなるように設計されている。前記の長さＬ１に比べて、長さＬ２が短すぎると、排気促進効果を低下させる恐れがある。長さＬ２が短い場合、絞り１０付近において発生する負圧による吸引機能が低下する場合があるからである。長さＬ２が長すぎても、吸引機能が低下する場合がある。

また、絞り１０は吐出口７１より排気下流側に位置することが好ましい。
また、吐出口７１と絞り１０との相対距離Ｌ３に関しても、絞り１０付近において発生する負圧による吸引機能に影響を及ぼす。

即ち、相対距離Ｌ３は負圧による吸引機能が最大化する値に設定される。なお、吐出口７１から加速されて噴射される排気流については、マッハ１.２〜１.６程度に設定され、好ましくは１．４〜１．６に設定される。

なお、図２に示す例では、排気流制御筒７における排気上流側の最大口径部７２は、排気下流側の最小口径部７３の、好ましくは２.５倍以上、より好ましくは２．８倍以上、特に好ましくは３．０倍以上、
好ましくは７倍以下、さらに好ましくは６倍以下、より好ましくは５倍以下、特に好ましくは４倍以下、特に好ましくは３．５倍以下に設定される。

また、排気流制御筒７の各部の長さについて、即ち、排気流制御筒７の排気上流側の拡径部７ａ、縮径部７ｂ、円筒部７ｃについては、以下の（１）、（２）、（３）のように構成するのが好ましい。

（１）縮径部７ｂは、拡径部７ａの、
好ましくは２倍以上、さらに好ましくは３倍以上、より好ましくは３．３倍以上、特に好ましくは３．５倍以上
好ましくは６倍以下、より好ましくは５倍以下、より好ましくは４．５倍以下、特に好ましくは４．４倍以下に設定される。

（２）縮径部７ｂは、円筒部７ｃの、
好ましくは１．５倍以上、さらに好ましくは１．７倍以上、さらに好ましくは２倍以上、特に好ましくは２．２倍以上
好ましくは３．２倍以下、より好ましくは３倍以下、より好ましくは２．８倍以下、特に好ましくは２．６倍以下に設定される。

（３）円筒部７ｃは、拡径部７ａの、
好ましくは０．８倍以上、さらに好ましくは１倍以上、より好ましくは１．３倍以上、特に好ましくは１．５倍以上
好ましくは２．５倍以下、さらに好ましくは２．１倍以下、さらに好ましくは１．９倍以下に設定される。

また、ケーシング６の最大径と、排気流制御筒７の加速部Ｙの最大径７２との比率について、ケーシング６の最大径は、加速部７の最大径７２の、
好ましくは１．３倍以上、さらに好ましくは１．４倍以上、さらに好ましくは１．５倍以上、
好ましくは２倍以下に設定される。

なお、図２に示す例では、ケーシング６の内壁には、複数の凹部６１が設けられている。これらの複数の凹部６１は、消音機能に加えて、排気の流れを遅くする流速低下機能も発揮する。このケーシング６で囲まれた空間部Ａ内の外周流の流れを円滑にする点に重点をおく場合には、複数の凹部６１をケーシング６の内壁に設けない構成とすることもできる。

ついで、このように構成された排気促進装置５の作用とともに排気促進方法及び排気系改良方法について説明する。

排気促進装置５に流入した排気ガスは、排気流制御筒内の第１膨張部Ｘにおいて膨張し、その一部が加速部Ｙへと向かう中心流となり、残余が分流孔９から第２膨張部（空間部）Ａへ分流されて外周流となる。

前記外周流は第２膨張部Ａにおいてさらに膨張した後に、下流側の絞り１０へ向かって流れ、中心流は加速部Ｙにおいて加速された後に絞り１０の中心へ向けて噴射される。

ここで、加速部Ｙから絞り１０へ噴射された中心流により絞り１０周辺に負圧領域が形成され、この負圧により第２膨張部Ａ内の外周流が吸引されるとともに、中心流とともに冷却筒８内の内筒１１内へ流入させられる。

一方、冷却筒８においては、車両の走行に伴って通風空間部Ｚに外気が流れ込み、この外気が、外筒１２の内面および内筒１１の外面に接触しつつ流れる。

このように、排気ガスは、加速されつつ排出されることにより、排気の抵抗となることが抑制され、これによって、排気効率が高められる。

さらに、外周流は第１膨張部Ｘと第２膨張部Ａにおいて連続して膨張するが、これらの膨張によって外周流の温度が低下する。
そして、外周流は、さらに冷却筒８において外気によって冷却されて温度が低下する。

このような外周流の温度低下により、排気ガスの熱エネルギが奪われて、熱エネルギに起因した挙動が抑制される。

熱エネルギによる挙動が抑制された排気ガスは、その流れ方向の制御が容易となり、これによって、排気ガスの流れが主の排気方向に沿わされて排気が円滑なものとなる。

このような排気ガスの冷却に伴う排気の円滑化と排気の高速化との相乗作用により、本発明の排気促進方法を有効に実施し排気効率をさらに高めることができる。

また、排気流制御筒７の内壁に形成された螺旋溝１５により、中心流が旋回流となって直進性が向上して絞り１０において生成される負圧が高められ、この負圧による外周流の引き込み作用を高めて排気ガスの加速を補助する。

さらに、内筒１１の内壁に形成された螺旋溝１６により排気ガスを螺旋流として直進性を一段と高めて流れを円滑化し、この点からも排気効率を高めることができる。

また、排気ガスと、ケーシング６、排気流制御筒７及び内筒１１とのそれぞれの接触面積を増加させて、ケーシング６、排気流制御筒７及び内筒１１による排気の冷却効果を高めることができる。

そして、前記排気流制御筒７をセラミックス材で形成したことにより、セラミックス材の触媒機能を利用して排気ガスの浄化を行なうことができる。

また、このように中央部で排気の流れを速めることで、温度を下げて、ＮＯｘを低減させ、外周部では排気の流れを遅くして温度を上げ、排気のＰＭを低減させることができる。これにより、ＮＯｘ及びＰＭの双方を低減させることができる。

なお、前記実施形態１において示した各構成部材の諸形状や寸法等は一例であって、設計要求等に基づき種々変更可能である。

（実施形態２）
次に、内燃機関の排気系改良方法について、本発明を自動車に適用した例を説明する。
本実施形態２は、排気ガスを触媒装置４１で浄化する排気系４０（排気管３、触媒装置４１、消音器４）を備えた内燃機関２を搭載した自動車１の排気系改良方法に係る発明である。この排気系改良方法は、排気系４０の排気端部４３に、排気促進装置５を設ける工程と、内燃機関２を駆動させる機関駆動工程と、を含み、機関駆動工程では、内燃機関の駆動を所要時間行うことで、触媒装置４１を含む排気系４０を洗浄することを特徴としている。

このように、排気系４０の排気端部４３に排気促進装置５を設け、内燃機関２を駆動させることで、排気促進装置５による強力な排気促進作用を発揮させて触媒装置４１を含む排気系４０を洗浄することが可能になる。即ち、内燃機関２の運転が継続されると、その排気系４０及び触媒装置５には、排気ガスに含まれるカーボンや他の有害物質が次第に付着するが、本発明の排気促進装置５を所定の位置に設けて排気を強力に促進させることで、付着したカーボンや他の有害物質を、負圧吸引を含むクリーンな高速排気によって除去する作用を発揮する。この作用は内燃機関２の運転時間が長いほど有効に発揮される。さらに、この作用は機関回転数が高いほど効果的になる。

また、触媒装置４１を含む排気系４０が十分に洗浄された後においては、その触媒装置４１を含む排気系４０に、カーボンや他の有害物質が付着するのを抑制することができる。それは、排気促進装置５の負圧を利用した強力な負圧吸引作用によって、内燃機関の燃焼室から完全燃焼若しくは完全燃焼に近い排気ガスが排出されて排気系４０及び触媒装置４１を流れるようになるからである。このとき、負圧吸引作用によって、燃焼室内には完全燃焼に必要な大気も十分に供給され、かつ、燃焼室内の排気ガスも十分に掃気されるからである。したがって、触媒装置４１を含む排気系４０の洗浄作用を長期間あるいは内燃機関２が使用されなくなるまで維持することができる。しかも、この排気促進装置５は、図示のように機械的な可動部も存在しないため交換不要である。

なお、機関駆動工程では、内燃機関２の駆動を１時間以上行うことが好ましい。この機関駆動工程は、触媒装置４１を含む排気系４０に付着したカーボンや他の有害物質の付着量にも左右されるが、長いほど好ましく、より好ましくは３時間以上であり、特に好ましくは５時間以上である。内燃機関の駆動時間が１時間より短くても、洗浄機能は発揮されるが、その洗浄機能が顕著になるのは１時間以上である。

また、機関駆動工程では、触媒装置４１を含む排気系４０を備えた内燃機関２を搭載した使用過程車を用いて行うことが好ましい。使用過程車の場合、触媒装置４１を含む排気系４０に付着したカーボンや他の有害物質の付着量が多いからである。このような仕様過程車においては、機関駆動工程を５時間以上行うことが好ましい。そうすれば、付着したカーボンや他の有害物質の付着量を大きく低下させることが可能になる。これにより、カーボンや他の有害物質の付着量を新車時に近い状態に戻すことも可能になる。勿論、ＣＯ2、ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ、ＰＭ等を含む排気ガスは新車時よりも低く抑えることが可能になる。

また、機関駆動工程では、使用過程車を走行又は疑似走行させる工程を含むことが好ましい。
このように、使用過程車の機関駆動工程では、車両を実際に走行させ、あるいは回転ローラの上で疑似走行させるのが好ましい。ただ単に、機関を駆動させて車両を走行させない形態よりも、実際に車輪の回転に負荷をかけた走行形態とする方が、より実用的で無駄がなく、経済性に優れた排気系改良方法とすることができるからである。

また、機関駆動工程では、内燃機関２の駆動による走行距離が１００ｋｍ以上となるまで行うことが好ましい。
ここで、内燃機関の駆動による走行距離を１００ｋｍ以上としたのは、使用過程車に配慮したものである。使用過程車の場合、使用年数や、これまでの走行距離などによっても左右されるが、概ね、１００ｋｍ以上の走行距離で試験成績が顕著に向上するからである。勿論、１００ｋｍ以下でも洗浄機能は期待できるが、その機能が十分に発揮されているとは言えない。走行距離が２００ｋｍ、３００ｋｍ、４００ｋｍとなるにしたがい、洗浄作用が次第に進行し、５００ｋｍを超えた時点でもなお、洗浄作用が進行していることが判明した。５００ｋｍを超えて機関駆動工程を実施した使用過程車では、燃費が５０％以上向上する車両も複数存在することが判明した。

なお、参考のために例示すると、出願人が実施した試験走行によれば、以下に記載の試験結果が得られた。
（１）９年使用の２０００ｃｃ、ＬＰＧエンジン乗用車の排気系端部４３に排気促進装置５を装着して、合計４００ｋｍ以上走行した（１回目走行距離１３７ｋｍ、２回目走行距離１１２ｋｍ、３回目走行距離１６８ｋｍ）。その結果、１回目走行の燃費が２４．５％、２回目走行の燃費が２２．４％、３回目走行の燃費が４３．１％にそれぞれ向上した。ＣＯ2 削減率は、1回目４４.４％、2回目７７.０％、3回目７８・８％であった。
（２）５年使用の６５０ｃｃガソリンエンジン乗用車の排気系端部４３に排気促進装置５を装着して、合計５００ｋｍ以上走行した（１回目走行距離２０３ｋｍ、２回目走行距離２５４ｋｍ、３回目走行距離１１４ｋｍ）。その結果、１回目走行の燃費が２３％、２回目走行の燃費が２６．９％、３回目走行の燃費が４８．７％にそれぞれ向上した。ＣＯ2 削減率は、1回目６５．２％、2回目６６.９％、３回目６４・２％であった。
（３）９年使用の２０００ｃｃ、ＬＰＧエンジン乗用車の排気系端部４３に排気促進装置５を装着して、合計９００ｋｍ以上走行した（１回目走行距離４０９ｋｍ、２回目走行距離２５１ｋｍ、３回目走行距離３３３ｋｍ）。その結果、１回目走行の燃費が１９．２％、２回目走行の燃費が４０．３％、３回目走行の燃費が１４０．３％にそれぞれ向上した。ＣＯ2 削減率は、1回目３２.４％、2回目７７.９％であった。

この試験結果を考察すると、排気促進装置５を装着した走行距離が長いほど、触媒装置４１を含む排気系４０の洗浄作用が進み、それに伴って排気系４０の排圧が低くなり、排気促進効果がより顕著になることが確認できた。

なお、本実施形態に係る内燃機関の排気系改良方法では、内燃機関２の排気系４０に、上述した（請求項２〜請求項８に記載の）排気促進装置５を設けることにより、排気系４に自己洗浄機能を付与することを含む、点においても特徴がある。

本実施形態によれば、このように内燃機関２の排気系４０に、上述した排気促進装置５を設けるだけで、排気系４０に自己洗浄機能を付与することが可能になる。

また、本発明は、上述の排気促進装置５を備える内燃機関２が搭載された自動車１を含む点、にも特徴がある。

このような機能を持つ自動車は、普通に予期できない、以下のような極めて顕著な作用効果を発揮させることが可能になる。
排気系洗浄機能、燃費向上機能、出力向上機能、機関及び排気系の冷却機能、燃焼室内での燃料の完全燃焼機能、ＣＯ2 削減機能、有害ガス低減機能、黒鉛の抑制機能、排気ガスの無臭化、メンテナンスフリー、新たなエネルギ不要、アイドリング時のエンジン回転数が１００回転以上低下。

１ 車両
２ 内燃機関
３ 排気管
４ 消音器
４０ 排気系
４１ 触媒装置
４３ 排気端部
５ 排気促進装置
６ ケーシング
６ａ 篏合凹部
６１ 凹部
６２ 上流側球面部
６３ 下流側球面部
６４ 筒状曲面部
７ 排気流制御筒
７１ 吐出口
７２ 最大口径部
７３ 最小口径部
７ａ 拡径部
７ｂ 縮径部
７ｃ 円筒部
８ 冷却筒
９ 分流孔
１０ 絞り
１１ 内筒
１２ 外筒
１３ 通気口
１４ 連結突起
１５ 螺旋溝
１６ 螺旋溝
Ａ 空間部（第２膨張部）
Ｘ 際１膨張部
Ｙ 加速部
Ｚ 通風空間部

本発明に係る内燃機関の排気系改良方法は、前記排気促進装置に、上記に記載の排気促進装置を用いることが好ましい。
また、本発明に係る内燃機関の排気系改良方法は、内燃機関の排気系に、上記に記載の排気促進装置を設けることにより、前記排気系に自己洗浄機能を付与することを含む、ことを特徴としている。
本発明によれば、このように内燃機関の排気系に、上記に記載の排気促進装置を設けるだけで、排気系に自己洗浄機能を付与することが可能になる。

本発明は、上記に記載の排気促進装置を備える内燃機関が搭載された自動車を含む、ことを特徴としている。

なお、本実施形態に係る内燃機関の排気系改良方法では、内燃機関２の排気系４０に、上述した排気促進装置５を設けることにより、排気系４に自己洗浄機能を付与することを含む、点においても特徴がある。

Claims (16)

1. 内燃機関から排出される排気ガスを多段階で繰り返し膨張させて温度を下げることにより、この排気ガスの熱エネルギに起因した挙動を抑制しつつ排気することを特徴とする、内燃機関の排気促進方法。
2. 内燃機関から排出される燃焼ガスの排気効率を高めるための排気促進装置であって、
   前記内燃機関の排気系に設けられるケーシングと、このケーシング内に、このケーシングの内面との間に環状の空間部を形成するように同心状に設けられた排気流制御筒と、前記ケーシングの排気下流側の端部に、このケーシングと同軸で、前記排気流制御筒に対し排気方向に間隔をおいて設けられた冷却筒とを備え、
   前記排気流制御筒には、排気流の下流側へ向けて漸次拡径する略円錐台断面の第１膨張部と、この第１膨張部に連設され、排気の下流側へ向けて漸次縮径する略円錐台断面の加速部とが形成され、
   前記加速部の前記第１膨張部との連設部には、前記加速部と前記空間部とを連通させる分流孔が形成され、
   前記空間部は、その容積が排気の下流側へ向けて漸次増加する第２膨張部となされているとともに、その排気の下流側端部に、前記加速部の排気の下流側の端部に対峙させられた絞りが形成され、
   前記空間部の容積が前記加速部の容積よりも大きく設定されている、内燃機関の排気促進装置。
3. 前記空間部の容積が前記加速部の容積の１．８倍以上に設定されている、請求項２に記載の内燃機関の排気促進装置。
4. 前記排気流制御筒の内壁に、螺旋溝が多条に形成されている、請求項２又は請求項３に記載の内燃機関の排気促進装置。
5. 前記冷却筒は、前記絞りに連設された内筒と、この内筒との間に環状の通風空間部を形成する外筒とを備え、
   前記外筒に、前記通風空間部に外気を導入する通気口が形成されている、請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の排気促進装置。
6. 前記内筒の内壁に、前記螺旋溝が多条に形成されている、請求項５に記載の内燃機関の排気促進装置。
7. 前記ケーシング若しくは排気流制御筒の少なくとも一方がセラミックス材で形成されている、請求項１に記載の内燃機関の排気促進装置。
8. 前記ケーシングの内壁に、凹部が複数形成されている、請求項１〜請求項７の何れかに記載の内燃機関の排気促進装置。
9. 排気ガスを触媒装置で浄化する排気系を備えた内燃機関の排気系改良方法であって、
   前記排気系の排気端部に、排気促進装置を設ける工程と、前記内燃機関を駆動させる機関駆動工程と、を含み、
   前記機関駆動工程では、前記内燃機関の駆動を所要時間行うことで、前記触媒装置を含む排気系を洗浄することを特徴とする、内燃機関の排気系改良方法。
10. 前記機関駆動工程では、前記内燃機関の駆動を１時間以上行う、請求項９に記載の内燃機関の排気系改良方法。
11. 前記機関駆動工程では、前記触媒装置を含む排気系を有する内燃機関を搭載した使用過程車を用いて行う、請求項９又は１０に記載の内燃機関の排気系改良方法。
12. 前記機関駆動工程では、前記使用過程車を走行又は疑似走行させる工程を含む、請求項１１に記載の内燃機関の排気系改良方法。
13. 前記機関駆動工程では、前記内燃機関の駆動による走行距離が１００ｋｍ以上となるまで行う、請求項１１又は１２に記載の内燃機関の排気系改良方法。
14. 前記排気促進装置が請求項２〜請求項８の何れかに記載の排気促進装置である、請求項９〜請求項１３の何れかに記載の内燃機関の排気系改良方法。
15. 内燃機関の排気系に、請求項２〜請求項８の何れかに記載の排気促進装置を設けることにより、前記排気系に自己洗浄機能を付与することを含む、内燃機関の排気系改良方法。
16. 請求項２〜請求項８の何れかに記載の排気促進装置を備える内燃機関が搭載された自動車。
    
    
    

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