JP4880071B2 - エンジン、車両、船舶、およびエンジンの排気方法 - Google Patents
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Description
Nozzle)を設けたエンジンが提案されている。このノズルは、流体が進むにつれ、流路断面積が小さくなるコンバージェント部と、そのコンバージェント部の下流で流路断面積が大きくなるダイバージェント部と、そのコンバージェント部とダイバージェント部との間のスロート部とを備えている。そして、コンバージェント部の圧力P0とダイバージェント部の圧力Pの圧力比(P/P0)が臨界圧力比(Critical Pressure Ratio 空気では、約0.528)より小さい時に、ダイバージェント部で流体の速度が音速を超える。特許文献1では、このノズルの機能を利用して、掃気効率を高めることを目的としている。具体的には、特許文献1の図1に示されるように、直列6気筒エンジンの6つの排気口を集合排気管で1つに集合している。また、その排気通路の長さを掃気効率が高まる長さに設定し、且つ、その集合排気管の排気出口に前記ノズルが設けられている。そして、前記ノズルを通過して高速となった排ガス流が集合排気管内に残留する排ガスを吸い出すことにより、掃気効率を高めることができるとしている。
以下、本発明の実施の形態に係るエンジンについて、図を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明において、「上流」、「下流」は、排ガス等の流体の流れ方向に関する上流、下流をそれぞれ意味する。
T1=Le/Ve・・・・・・・・・・・(3)
T2=(Le+2Ls)/Vs・・・・・(4)
ここで、T1がT2以下であるとき(T1≦T2)、分岐部21の入口21aよりも下流にて、反射した衝撃波35と排ガス36とが衝突する。すなわち、Le/Ve≦(Le+2Ls)/Vsであれば、衝撃波35と排ガス36とが分岐部21の入口21aよりも下流にて衝突する。なお、便宜上、例えば排ガス36の最大速度を上記速度Veと見なしてもよく、平均速度を上記速度Veと見なしてもよい。同様に、例えば衝撃波35の最大伝播速度を上記伝播速度Vsと見なしてもよく、平均伝播速度を上記伝播速度Vsと見なしてもよい。
T3=tv+(Le+Ld)/Ve・・・・・(5)
T4=(Le+2Ls+Ld)/Vs・・・・(6)
ここで、T4がT3以下であるとき(T4≦T3)、排ガス36の全部がスロート部34を通り過ぎる前に、衝撃波35と排ガス36とを衝突させることができる。すなわち、(Le+2Ls+Ld)/Vs≦tv+(Le+Ld)/Veであれば、排ガス36の全部がスロート部34を通り過ぎる前に、衝撃波35と排ガス36とを衝突させることができる。
本発明によれば、排気通路16の排ガスの圧力が低下するため、排気通路16に二次空気を供給しやすくなる。そこで、図10に示すように、排気通路16に二次空気供給用の空気通路71を設けてもよい。その構成の違い以外は、全て実施形態1と同一である。従って、実施形態2の詳細説明は、実施形態1の図1〜図9およびその詳細説明で代用する。
実施形態3は、分岐管22を二次空気供給管の一部として利用するものである。図11に示すように、分岐管22には、空気供給管72に接続されたリード弁74が取り付けられている。その構成の違い以外は、全て実施形態1と同一である。従って、実施形態3の詳細説明は、実施形態1の図1〜図9およびその詳細説明で代用する。リード弁74は、分岐管22の反射部21bを構成している。本実施形態では、空気供給路71が、分岐部21を介して排気通路16に連通している。なお、空気供給管72は、排気通路16と分岐管22との接続部分と、分岐管22の先端部分との間に接続されていても良い。
図12に示すように、実施形態4は、分岐管22をコンバージェント−ダイバージェントノズルの一部として利用するものである。その構成の違い以外は、全て実施形態1と同一である。従って、実施形態4の詳細説明は、実施形態1の図1〜図9およびその詳細説明で代用する。実施形態1および実施形態2では、コンバージェント部32とスロート部34とダイバージェント部33を、分岐部21より下流の排気通路16に形成していた。しかし、本願発明者は、鋭意研究を続けた結果、より簡単な構造で、同じ効果を得る構造を考えついた。本実施形態では、新たな衝撃波である進行衝撃波35bを発生させるために、衝撃波35を反射させて再び排気通路16へ伝播する分岐部21が設けられている。この分岐部21を異なる視点で捉えてみると、排気通路16は、分岐部21の位置で、その流路断面積が大きくなる。そして、その位置より下流では、流路断面積が小さくなる。言い換えると、分岐部21によって、排気通路には、コンバージェント部32とスロート部34が形成されていることになる。ここで、排気通路16の分岐部21の入口21aより上流部分の流路断面積A5と排気通路16の分岐部21の入口21aより下流部分の流路断面積A7が略同一である場合、次のような関係が成り立つ。すなわち、図12に示すように、分岐部21の入口21aよりも上流に位置する排気通路16の部分の流路断面積A5と、分岐部21の流路断面積A4とを足し合わせた流路断面積は、入口21aよりも下流に位置する排気通路16の部分の流路断面積A7よりも大きい。A4+A5>A7である。したがって、入口21aの下流に、コンバージェント部32とスロート部34が形成されていると見なすことができる。よって、入口21aの下流にダイバージェント部33を設けるだけで、実質的にコンバージェント−ダイバージェントノズル31を形成することができる。A6はダイバージェント部33の流路断面積を表しており、A7<A6である。なお、入口21aとダイバージェント部33との間の部分がスロート部34となる。このように、スロート部34は流路方向に沿って長くてもよい。コンバージェント部32およびダイバージェント部33は、下流に向かって流路断面積が滑らかに変化するものに限らず、流路断面積が段階的(Step by Step)に変化するものであってもよい。
本発明に係るエンジンの適用対象は何ら限定されない。本発明に係るエンジンは、例えば自動二輪車等の車両用のエンジンとしても実施することができ、船舶に搭載される船外機用のエンジンとして実施することもできる。なお、本発明は、多種多様なエンジンへ適用することができる。
5 排気装置
9 排気弁
9a 排気口
10 燃焼室
16 排気通路
21 分岐部
21a 分岐部の入口
21b 反射部
31 コンバージェント−ダイバージェントノズル
32 コンバージェント部
33 ダイバージェント部
34 スロート部
35 衝撃波
35c 膨張波
36 排ガス
101 船外機
200 自動二輪車
Claims (7)
- 排気口が形成された燃焼室と、
前記排気口を開閉する排気弁と、
前記燃焼室から前記排気口を通じて排出される排ガスを導く排気通路を有する排気装置と、を備え、
前記排気装置は、
上流端の流路断面積より下流端の流路断面積が小さいコンバージェント部と、
そのコンバージェント部より下流に設けられ、且つ、上流端の流路断面積より下流端の流路断面積が大きいダイバージェント部と、
前記排気弁が開かれた時に前記燃焼室から前記排気通路に流れ込む排ガスよりも高速で前記排気通路を下流に向かって伝播する衝撃波を、前記ダイバージェント部より上流の排気通路から分岐し、且つ、その分岐した衝撃波を再び前記排気通路へ伝播する分岐部と、
を含み、
前記ダイバージェント部は、前記ダイバージェント部より上流でただ1つの前記燃焼室と接続されており、
前記燃焼室から前記排気通路に流れ込む排ガスを、前記コンバージェント部を通過させ、且つ、前記分岐部と前記ダイバージェント部との間で前記分岐部を伝播した衝撃波と衝突させることにより、前記コンバージェント部でのその排ガスの圧力を高め、
その排ガスを、前記ダイバージェント部を通過させて新たな衝撃波を発生させ、その発生させた新たな衝撃波によって、前記排気通路の前記ダイバージェント部より上流に負圧を発生させる、エンジン。 - 排気口が形成された燃焼室と、
前記排気口を開閉する排気弁と、
前記燃焼室から前記排気口を通じて排出される排ガスを導く排気通路を有する排気装置と、を備え、
前記排気装置は、
上流端の流路断面積より下流端の流路断面積が小さいコンバージェント部と、
そのコンバージェント部より下流に設けられ、且つ、上流端の流路断面積より下流端の流路断面積が大きいダイバージェント部と、
前記ダイバージェント部より上流の前記排気通路から分岐し、衝撃波を反射可能な反射部を有する、分岐部と、
を含み、
前記ダイバージェント部は、前記ダイバージェント部より上流でただ1つの前記燃焼室と接続されており、
前記排気弁を開いたときに前記燃焼室から排出される排ガスの流速をVe、前記排気通路を伝播する衝撃波の伝播速度をVsとしたときに、前記排気口と前記分岐部の入口との間の距離Le、前記分岐部の入口と前記反射部との間の距離Lsが、
Le/Ve≦(Le+2Ls)/Vs
の関係を満たし、
前記排気口が開いてから閉じるまでの時間をtvとしたときに、前記分岐部の入口と前記ダイバージェント部との間の距離Ldが、
(Le+2Ls+Ld)/Vs≦tv+(Le+Ld)/Ve
の関係を満たすエンジン。 - 前記排気通路は、前記コンバージェント部と前記ダイバージェント部との間に、同じ流路断面積で続く部分を有している、請求項1または2に記載のエンジン。
- 燃焼室内で燃料を燃焼させる工程と、
前記燃焼室の排気口を開くことにより、前記燃焼室から排気通路に排ガスを排出するとともに、前記排ガスよりも高速で前記排気通路を伝播する衝撃波を発生させる工程と、
前記衝撃波の少なくとも一部を前記排気通路から分岐させ、且つ、その分岐した衝撃波を再び前記排気通路へ伝播させて前記衝撃波を前記排ガスに衝突させることによって、前記排ガスの圧力を高める工程と、
上流部の流路断面積より下流部の流路断面積が小さい前記排気通路の部分に前記排ガスを流通させることによって前記排ガスの圧力を高める工程と、
前記排ガスを、上流部の流路断面積より下流部の流路断面積が大きい前記排気通路の部分に流通させることにより、前記排気通路を下流に向かって伝播する新たな衝撃波を発生させ、前記排気通路に負圧の領域を発生させる工程と、
を含むエンジンの排気方法。 - 請求項1または2に記載のエンジンを備えた車両。
- 請求項1または2に記載のエンジンを備えた船舶。
- 請求項4に記載の排気方法を採用したエンジン。
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