JP5194120B2 - 多気筒エンジン、車両、船舶、および多気筒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流速が音速を超える。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。そして、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のエンジンについて、図を用いて詳細に説明する。図1に示す、本実施形態に係るエンジン1は、船舶100に取付けられている船外機101用の4サイクル直列4気筒エンジンである。
T1=Le1/Ve・・・・・・・・・・・(3)
T2=(Le1+2Le2)/Vs・・・・・(4)
ここで、T1≦T2のとき、衝撃波35と排ガス36とが接続部181より下流で衝突する。すなわち、Le1/Ve≦(Le1+2Le2)/Vsであれば、衝撃波35と排ガス36とが接続部181の上流端より下流で衝突する。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+(Le1+Ld)/Ve・・・・・(5)
T4=(Le1+2Le2+Ld)/Vs・・・・(6)
ここで、T4≦T3のとき、排ガス36の全部がダイバージェント部33の上流端に到達する前に、衝撃波35と排ガス36とが衝突する。すなわち、(Le1+2Le2+Ld)/Vs≦tv+(Le1+Ld)/Veであれば、排ガス36の全部がダイバージェント部33の上流端に到達する前に、衝撃波35と排ガス36とが衝突する。
Le2/Ve≦(Le2+2Le1)/Vs・・・・・(7)
(Le2+2Le1+Ld)/Vs≦tv+(Le2+Ld)/Ve・・・・・(8)
本発明によれば、排気通路16内に大きな負圧が発生するため、排気通路16に二次空気を供給しやすくなる。そこで、図14および図15に示すように、排気通路16に二次空気供給装置120を設けてもよい。本実施形態において、その構成の他は前記実施形態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13およびその詳細説明で代用する。
本実施形態は、コンバージェント部を実施形態1および2とは別の方法で形成する例を示す。本実施形態において、その構成の他は前記実施形態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13およびその詳細説明で代用する。図16に示すように、本実施形態におけるコンバージェント部は、第1の集合上流部19aと第2の集合上流部19bおよび集合下流部19cにて形成している。なお、図16においては、排気通路16の複数の集合下流部19cのうち一つのみを図示してある。第1の集合上流部19aの流路断面積をA5、第2の集合上流部19bの流路断面積をA4、集合下流部19cの流路断面積をA7とする。ここで、第1の集合上流部19aの流路断面積A5、第2の集合上流部19bの流路断面積A4、集合下流部19c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。第1の集合上流部19aの流路断面積A5と、第2の集合上流部19bの流路断面積A4とを足し合わせた流路断面積は、集合下流部19cの流路断面積をA7よりも大きい(A4+A5>A7)。したがって、略同一管径の第1の集合上流部19aと第2の集合上流部19bを集合させることにより、接続部181の下流部に、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を形成することができる。よって、接続部181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。なお、接続部181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。また、ダイバージェント部33は、下流に向かって流路断面積が漸次大きくなるものに限らず、流路断面積がステップ状に大きくなるものであってもよい。コンバージェント部も、流路断面積がステップ状に小さくな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る。図19は、本発明のエンジン1を自動二輪車200に搭載した場合を例示する。
Le1/Ve≦(Le1+2Le2)/Vs・・・・・(9)
Le1/Ve≦(Le1+2Le3)/Vs・・・・・(10)
Le2/Ve≦(Le2+2Le1)/Vs・・・・・(11)
Le2/Ve≦(Le2+2Le3)/Vs・・・・・(12)
Le3/Ve≦(Le3+2Le1)/Vs・・・・・(13)
Le3/Ve≦(Le3+2Le2)/Vs・・・・・(14)
(Le1+2Le2+Ld)/Vs≦tv+(Le1+Ld)/Ve・・・・・(15)
(Le1+2Le3+Ld)/Vs≦tv+(Le1+Ld)/Ve・・・・・(16)
(Le2+2Le1+Ld)/Vs≦tv+(Le2+Ld)/Ve・・・・・(17)
(Le2+2Le3+Ld)/Vs≦tv+(Le2+Ld)/Ve・・・・・(18)
(Le3+2Le1+Ld)/Vs≦tv+(Le3+Ld)/Ve・・・・・(19)
(Le3+2Le2+Ld)/Vs≦tv+(Le3+Ld)/Ve・・・・・(20)
ここで、Le1、Le2、Le3は、それぞれ、図20(C)、図20(E)における#A気筒の排気口9aと接続部181との間の距離、#B気筒の排気口9aと接続部181との間の距離、#C気筒の排気口9aと接続部181との間の距離である。また、Ldは接続部181からダイバージェント部33の上流端までの距離、tvは排気口9aが開いてから閉じるまでの時間、Veは排ガス36の速度、Vsは衝撃波35の伝播速度である。
9 排気弁
9a 排気口
10 燃焼室
16 排気通路
17 第1の触媒
18 第2の触媒
19 排気集合部
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
36 排ガス
101 船外機
173a #1気筒用上流部
173d #4気筒用上流部
173e 第1の接続部
173g 第1の下流部
173j 第4の下流部
181 接続部
Claims (12)
- 少なくとも1つの排気口が形成された複数の燃焼室と、
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と、を備え、
前記排気通路は、
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、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に、前記排気口が開かれている期間が重なる複数の燃焼室を接続することなく、前記排気口が開かれている期間が重ならない複数の燃焼室を接続する排気集合部と、を含み、
前記排気集合部で接続された複数の排気口の一つが開かれた時に前記排気集合部に流れ込む排ガスよりも高速で前記排気集合部を伝播する衝撃波を、前記排気口を閉じている排気弁で反射し、
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、前記排気集合部の上流端と前記ダイバージェント部との間で前記反射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、多気筒エンジン。 - 第1排気口が形成された第1燃焼室と、
第2排気口が形成された第2燃焼室と、
前記第1排気口を開閉する第1排気弁と、
前記第2排気口を開閉する第2排気弁と、
前記各燃焼室から前記各排気口を通じて排出される排ガスを導く排気通路と、を備え、
前記第1排気口が開かれている期間と、前記第2排気口が開かれている期間とは重ならず、
前記排気通路は、
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、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に設けられ、前記第1排気口から排出される排ガスを導く第1の集合上流部と、前記第2排気口から排出される排ガスを導く第2の集合上流部とを接続する接続部と、を有し、
前記各排気口が開かれたときに前記排気通路に流れ込む排ガスの流速を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、前記第1排気口と前記接続部との間の距離Le1、前記第2排気口と前記接続部との間の距離Le2が、
Le1/Ve≦(Le1+2Le2)/Vs
Le2/Ve≦(Le2+2Le1)/Vs
の関係を満たし、
前記各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、前記接続部と前記ダイバージェント部の上流端との間の距離Ldが、
(Le1+2Le2+Ld)/Vs≦tv+(Le1+Ld)/Ve
(Le2+2Le1+Ld)/Vs≦tv+(Le2+Ld)/Ve
の関係を満たす、多気筒エンジン。 - 第3排気口が形成された第3燃焼室と、
前記第3排気口を開閉する第3排気弁と、をさらに備え、
前記第3排気口から排出される排ガスを導く第3の集合上流部は前記接続部に接続されており、
前記第3排気口が開かれている期間は、前記第1排気口が開かれている期間および前記第2排気口が開かれている期間のいずれとも重ならず、
前記第3排気口と前記接続部との間の距離Le3が、
Le1/Ve≦(Le1+2Le3)/Vs
Le2/Ve≦(Le2+2Le3)/Vs
Le3/Ve≦(Le3+2Le1)/Vs
Le3/Ve≦(Le3+2Le2)/Vs
(Le1+2Le3+Ld)/Vs≦tv+(Le1+Ld)/Ve
(Le2+2Le3+Ld)/Vs≦tv+(Le2+Ld)/Ve
(Le3+2Le1+Ld)/Vs≦tv+(Le3+Ld)/Ve
(Le3+2Le2+Ld)/Vs≦tv+(Le3+Ld)/Ve
の関係を満たす、請求項2に記載の多気筒エンジン。 - 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閉する排気弁を開くことにより、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、排気口を閉じている排気弁で反射させ、且つ、その反射した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を発生させる工程と、
を含む多気筒エンジンの排気方法。 - 4つの前記燃焼室と、
2つの前記排気集合部と、を備え、
前記各排気集合部は、それぞれ2つの前記燃焼室に形成された前記排気口を接続する、請求項1に記載の多気筒エンジン。 - 6つの前記燃焼室と、
2つの前記排気集合部と、を備え、
前記各排気集合部は、それぞれ3つの前記燃焼室に形成された前記排気口を接続する、請求項1に記載の多気筒エンジン。 - 6つの前記燃焼室と、
3つの前記排気集合部と、を備え、
前記各排気集合部は、それぞれ2つの前記燃焼室に形成された前記排気口を接続する、請求項1に記載の多気筒エンジン。 - 2つの前記燃焼室と、
1つの前記排気集合部と、を備え、
前記排気集合部は、2つの前記燃焼室に形成された前記排気口を接続する、請求項1に記載の多気筒エンジン。 - 3つの前記燃焼室と、
1つの前記排気集合部と、を備え、
前記排気集合部は、3つの前記燃焼室に形成された前記排気口を接続する、請求項1に記載の多気筒エンジン。 - 8つの前記燃焼室と、
4つの前記排気集合部と、を備え、
前記各排気集合部は、それぞれ2つの前記燃焼室に形成された前記排気口を接続する、請求項1に記載の多気筒エンジン。 - 請求項1に記載のエンジンを備えた車両。
- 請求項1に記載のエンジンを備えた船舶。
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