WO2009151135A1 - エンジン、車両、船舶、およびエンジンの排気方法 - Google Patents

エンジン、車両、船舶、およびエンジンの排気方法 Download PDF

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    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to an engine, a vehicle, a ship, and an exhaust method of the engine.
  • an exhaust gas device of the engine has been improved.
  • a convergent-divergent nozzle (commonly known as a devergent nozzle) is known as a devergent nozzle.
  • An engine provided with Nozzle) has been proposed. This nozzle is composed of a convergent portion whose flow passage cross-sectional area decreases as the fluid advances, a divergent portion whose flow passage cross-sectional area increases downstream of the convergent portion, and the convergent portion and the divergent portion. With a throat section in between.
  • Patent Document 1 The inventor of the present application has studied an engine using the function of a convergent-divergent nozzle as disclosed in Patent Document 1.
  • the shock wave was generated by increasing the flow velocity of exhaust gas to supersonic speed, the pressure upstream of the shock wave decreased. Therefore, it was considered to improve the engine performance by generating a negative pressure in the exhaust passage by utilizing the pressure drop upstream of the shock wave.
  • Patent Document 1 it has been found that even if the exhaust gas becomes high speed with a convergent-divergent nozzle, the pressure inside the collective exhaust pipe upstream of the nozzle cannot be made negative for the following reason. .
  • the engine described in Patent Document 1 is a six-cylinder engine and explodes every 120 ° at a crank angle, so that pressure waves are generated at intervals of 120 ° in the exhaust passage.
  • the period during which the engine exhaust opening is generally open (work angle) is about 240 °.
  • at least one exhaust port of the remaining cylinders opens when the exhaust port of a certain cylinder is open. .
  • the exhaust port of the next explosion cylinder opens and the next pressure wave is generated, so that the inside of the collective exhaust pipe is always in a positive pressure state.
  • the present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a novel engine with improved engine performance by applying the principle of a convergent-divergent nozzle in the engine. That is.
  • Another problem is that the pressure of the exhaust gas flowing through the exhaust passage after the shock wave is attenuated before reaching the upstream end of the divergent portion. For this reason, even if any of the shock wave and the exhaust gas reaches the upstream end of the divergent portion, the pressure ratio between the pressure P0 of the convergent portion and the pressure P of the divergent portion does not become smaller than the critical pressure ratio. Therefore, the velocity of the fluid passing through the exhaust passage does not exceed the speed of sound, and the function of the convergent-divergent nozzle cannot be obtained.
  • An engine includes a combustion chamber in which an exhaust port is formed, an exhaust valve that opens and closes the exhaust port, and an exhaust device that includes an exhaust passage that guides exhaust gas discharged from the combustion chamber through the exhaust port.
  • the exhaust device is provided with a convergent portion having a smaller channel cross-sectional area at the downstream end than a channel cross-sectional area at the upstream end, and provided downstream of the convergent portion and downstream of the channel cross-sectional area at the upstream end.
  • a divergent section having a large cross-sectional area at the end, and a shock wave propagating downstream in the exhaust passage at a higher speed than the exhaust gas flowing into the exhaust passage from the combustion chamber when the exhaust valve is opened.
  • the exhaust gas flowing from the combustion chamber into the exhaust passage is allowed to pass through the convergent part and between the branch part and the divergent part.
  • the pressure of the exhaust gas at the convergent part is increased by colliding with the shock wave propagated through the branching part, and the exhaust gas is passed through the divergent part to generate a new shock wave.
  • a negative pressure is generated upstream of the divergent portion of the exhaust passage by a new shock wave.
  • a branch part is provided in the exhaust passage upstream of the divergent part.
  • the shock wave propagating through the exhaust passage at a higher speed than the exhaust gas flowing into the exhaust passage from the combustion chamber when the exhaust port is opened is branched from the exhaust passage upstream from the divergent portion and delayed in time at the branch portion. Since it is propagated again into the exhaust passage and collided with the exhaust gas that is delayed, the pressure of the exhaust gas increases. Moreover, since the exhaust gas is passed through the convergent portion, the pressure of the exhaust gas is increased. Furthermore, since the exhaust gas is passed through the divergent portion, a new shock wave that propagates downstream is generated. Since positive pressure and negative pressure are alternately generated in the exhaust passage upstream from the divergent section, and the pressure upstream of the new shock wave is reduced, a large negative pressure is generated upstream from the divergent section of the exhaust passage. And engine performance can be improved.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of an exhaust passage and the like showing a configuration of an engine exhaust device according to Embodiment 1.
  • FIG. It is a block diagram of a convergent-divergent nozzle. It is a figure which shows the relationship between the compression ratio of a convergent-divergent nozzle, and Mach number. It is sectional drawing of the exhaust passage etc. which show the advancing state of a shock wave and exhaust gas, (A) is an initial state of an exhaust stroke, (B) is a state when a shock wave propagates to a branch part, (C) Represents a state when the shock wave reflected by the branching portion collides with the exhaust gas.
  • FIG. 3 is a schematic view schematically showing a photograph of the inside of a convergent-divergent nozzle taken by a schlieren photographing method. It is a graph which shows the relationship between the exhaust gas flow velocity at the time of acceleration of a shock wave, and exhaust gas pressure. It is a graph which shows the relationship between the exhaust gas flow velocity at the time of acceleration of a shock wave, and exhaust gas temperature. It is a PV diagram showing pumping loss, (A) is that of a conventional engine, and (B) is that of the engine of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic view schematically showing a photograph of the inside of a convergent-divergent nozzle taken by a schlieren photographing method. It is a graph which shows the relationship between the exhaust gas flow velocity at the time of acceleration of a shock wave, and exhaust gas pressure. It is a graph which shows the relationship between the exhaust gas flow velocity at the time of acceleration of a shock wave, and exhaust gas temperature. It is a PV diagram showing pumping loss
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of an exhaust passage and the like showing a configuration of an exhaust device for an engine according to a second embodiment. It is sectional drawing, such as an exhaust passage which shows the structure of the exhaust apparatus of the engine of Embodiment 3.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of an exhaust passage and the like showing a configuration of an exhaust device for an engine according to a fourth embodiment. It is the figure which showed the relationship between exhaust gas flow velocity and exhaust gas pressure in time series. It is the figure which showed the relationship between exhaust gas pressure and exhaust gas temperature in time series. It is a figure which illustrates the ship provided with the outboard motor carrying an engine. It is a figure which illustrates the motorcycle carrying an engine.
  • the method is as follows. (1) The shock wave propagating ahead of the exhaust gas is branched. (2) The branched shock wave is delayed in time and collided with the exhaust gas to increase the pressure of the exhaust gas. (3) The exhaust gas whose pressure has been increased passes through the divergent portion and is accelerated to supersonic speed to generate a shock wave. (4) A negative pressure is generated in the exhaust passage upstream of the divergent portion.
  • upstream and downstream mean upstream and downstream in the flow direction of fluid such as exhaust gas.
  • the engine 1 includes a cylinder body 3 and a cylinder head 4.
  • a combustion chamber 10 is formed inside the cylinder body 3 and the cylinder head 4.
  • the engine 1 is a 4-cycle gasoline engine.
  • the engine 1 may be an air-cooled engine or a water-cooled engine.
  • the cylinder head 4 is formed with a downstream portion 6 of the intake passage and an upstream portion 7 of the exhaust passage 16.
  • the cylinder head 4 includes an intake valve 8 that opens and closes an intake port 8a, an exhaust valve 9 that opens and closes an exhaust port 9a, a valve operating device (not shown) for driving the intake valve 8 and the exhaust valve 9, and the like. Is provided.
  • one downstream portion 6 of the intake passage and one upstream portion 7 of the exhaust passage are provided for each combustion chamber 10.
  • a plurality of intake ports 8a and exhaust ports 9a, intake valves 8 and exhaust valves 9, a downstream portion 6 of the intake passage and an upstream portion 7 of the exhaust passage may be provided for each combustion chamber.
  • An injector 2 that injects fuel is attached to the cylinder head 4. Although illustration is omitted, the cylinder head 4 is provided with a spark plug.
  • a throttle valve is arranged inside the intake passage. This throttle valve may be manually operated or electronically controlled.
  • the exhaust device 5 includes a first exhaust pipe 12, a second exhaust pipe 13, a third exhaust pipe 14, and an exhaust chamber 15 that are connected in order from upstream to downstream.
  • An exhaust passage 16 is formed inside the exhaust device 5.
  • the first exhaust pipe 12 is attached to the cylinder head 4 with mounting bolts 11.
  • the second exhaust pipe 13 is connected to the downstream end of the first exhaust pipe 12.
  • the third exhaust pipe 14 is connected to the downstream end of the second exhaust pipe 13.
  • the third exhaust pipe 14 and the exhaust chamber 15 are integrally formed.
  • a first catalyst 17 and a second catalyst 18 are arranged in the exhaust device 5.
  • the second catalyst 18 is disposed downstream of the first catalyst 17.
  • a space is provided between the first catalyst 17 and the second catalyst 18.
  • a silencer (not shown) is connected to the downstream end of the exhaust chamber 15.
  • the exhaust gas flowing into the exhaust chamber 15 passes through the silencer and is discharged outside.
  • the exhaust chamber 15 is provided with an oxygen concentration sensor 19 that detects the amount of oxygen in the exhaust gas.
  • the ECU 20 which is a control device, determines the fuel injection amount of the injector 2 or the ignition plug based on the rotational speed of the engine 1, the opening of the throttle valve, or the amount of oxygen in the exhaust gas detected by the oxygen concentration sensor 19. Control ignition timing.
  • the ECU 20 according to the present embodiment controls the fuel injection amount of the injector 2 so that the air-fuel ratio of the air-fuel mixture sucked into the engine 1 becomes the stoichiometric air-fuel ratio, for example.
  • the exhaust device 5 is provided with a branch pipe 22.
  • a branch portion 21 is formed inside the branch pipe 22.
  • One end of the branch portion 21 is connected to the exhaust passage 16 and the other end is closed.
  • the closed end portion of the branch pipe 22 forms a reflection portion that reflects a shock wave, which will be described later.
  • the branch pipe 22 is formed integrally with the first exhaust pipe 12.
  • the branch pipe 22 may be formed separately from the first exhaust pipe 12 and may be fixed to the first exhaust pipe 12.
  • the first exhaust pipe 12 and the branch pipe 22 may be welded or fixed by a fastening member (not shown) such as a bolt.
  • the closed end of the branch portion 21 is formed so that the flow path cross-sectional area is larger than the flow path cross-sectional area of the branch portion connected to the exhaust passage 16.
  • the shape of the branch part 21 is not limited to the shape shown in FIG.
  • the branch portion 21 may have a chamber shape as shown in FIG. 1, a tube shape with a constant flow path cross-sectional area and a closed end, or a flow path break of the branch portion 21.
  • the closed end may be smaller in shape than the end connected to the exhaust passage.
  • the size of the entrance of the branch portion 21 (that is, the connection portion with the exhaust passage 16) is such that a shock wave propagating through the exhaust passage 16 can be branched into the branch portion 21 and propagated as will be described later. It is formed in such a size.
  • a convergent-divergent nozzle 31 (commonly known as a DeLaval nozzle) is provided downstream of the branching section 21.
  • the convergent-divergent nozzle 31 includes a convergent portion 32 in which the flow passage cross-sectional area decreases as the fluid advances, and a diver whose flow passage cross-sectional area increases downstream of the convergent portion 32.
  • the gent part 33 and the throat part 34 having the smallest flow path cross-sectional area between the convergent part 32 and the divergent part 33 are provided.
  • the arrows in FIG. 2 indicate the traveling direction of the fluid.
  • the convergent-divergent nozzle 31 accelerates the flow velocity of the exhaust gas flowing through the exhaust passage 16 from subsonic to supersonic.
  • a cross-sectional area A1 at the upstream end of the convergent portion 32 in FIG. 2, a cross-sectional area A2 at the throat portion 34, and a cross-sectional area A3 at the downstream end of the divergent portion 33 include A1> A2, The relationship A2 ⁇ A3 is established.
  • the flow path cross-sectional areas of the convergent part 32 and the divergent part 33 change at a constant rate along the flow direction.
  • the shapes of the convergent part 32 and the divergent part 33 are not limited at all. You may form in steps (Step by Step) like the nozzle employ
  • the divergent part 33 of this embodiment is connected to the single combustion chamber 10 upstream of the divergent part 33 by the exhaust passage 16. For this reason, the exhaust gas 36 discharged from the exhaust port 9 a formed in the single combustion chamber 10 flows through the divergent portion 33.
  • the convergent-divergent nozzle 31 is formed so as to satisfy the conditions represented by the following formulas (1) and (2).
  • Mach 1 that is, the speed of sound
  • the exhaust gas can be accelerated to supersonic speed in the divergent portion 33.
  • formula (1) shows the relationship between the exhaust pipe shape and the Mach number in a one-dimensional flow with viscous friction
  • formula (2) is a formula representing ⁇ in formula (1).
  • M is the Mach number
  • A is the cross-sectional area of the exhaust pipe in an arbitrary cross section
  • D is the pipe equivalent diameter in the above-mentioned arbitrary cross section
  • is the specific heat ratio
  • x is the distance in the flow direction
  • f is the coefficient of friction.
  • the pressure ratio P / P0 between the total fluid pressure P0 in the convergent section 32 and the static fluid pressure P in the divergent section 33 is the critical pressure.
  • the ratio (critical pressure ratio) is smaller than 0.528 (point C in FIG. 3)
  • the fluid velocity becomes sonic at the throat portion and supersonic at the divergent portion 33.
  • FIG. 3 shows the pressure ratio P / P0 between the total pressure P0 of the fluid in the convergent part 32 and the static pressure P of the fluid in the divergent part 33, and the case where the fluid passes through the divergent part 33 at each pressure ratio. Indicates the velocity of the fluid.
  • the total pressure P0 in the convergent portion 32 is increased so that P / P0 becomes smaller than the critical pressure ratio, the flow velocity can be made supersonic at the convergent-divergent nozzle 31.
  • FIGS. 4A to 4C schematically show the exhaust device 5.
  • FIGS. 4A to 4C schematically show the exhaust device 5.
  • 4A to 4C the same or equivalent members as those shown in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals.
  • the shock wave 35 traveling through the exhaust passage 16 is divided into a shock wave propagating through the exhaust passage 16 and a shock wave propagating through the branch portion 21 when passing through the inlet 21a of the branch portion 21.
  • the exhaust passage 16 and the branch portion 21 proceed independently of each other.
  • the shock wave 35 propagating through the exhaust passage 16 attenuates and disappears after passing through the convergent-divergent nozzle 31.
  • the branched shock wave 35 propagating through the branch portion 21 is reflected by the reflection portion 21b of the branch portion 21, travels backward through the branch portion 21, and propagates again to the exhaust passage 16.
  • T 1 be the time from when the exhaust port 9a is opened and the exhaust gas 36 is generated until it reaches the inlet 21a of the branch portion 21.
  • the shock wave 35 to the time from the occurrence at the exhaust port 9a until reaching the entrance 21a of the reflected and branch portion 21 in the reflective portion 21b of the branch portion 21 and T 2.
  • T 1 ⁇ T 2 the shock wave 35 and the exhaust gas 36 collide downstream from the inlet 21 a of the branch portion 21.
  • the length of the branch portion 21 is formed such that the shock wave 35 and the exhaust gas 36 reflected by the branch portion 21 collide at the inlet 21a of the branch portion 21 in this way.
  • the distance from the center 9ac of the exhaust port 9a to the center line X of the flow path cross section of the inlet 21a of the branch portion 21 is Le, and from the center line Y of the flow path cross section of the exhaust passage 16 to the reflecting portion 21b. Is a distance Ls. Further, the velocity of the exhaust gas 36 is Ve, and the propagation velocity of the shock wave 35 is Vs. In this case, time T 1 of the to open the exhaust port 9a until reaching the entrance 21a of the branch section 21 is expressed by Equation (3).
  • T 1 Le / Ve (3)
  • T 2 (Le + 2Ls) / Vs (4)
  • T 1 Le / Ve (3)
  • T 2 (Le + 2Ls) / Vs (4)
  • the maximum speed of the exhaust gas 36 may be regarded as the speed Ve, and the average speed may be regarded as the speed Ve.
  • the maximum propagation velocity of the shock wave 35 may be regarded as the propagation velocity Vs, and the average propagation velocity may be regarded as the propagation velocity Vs.
  • the distance from the center line X of the flow path cross section of the inlet 21a of the branch portion 21 to the upstream end of the divergent portion 33 of the convergent-divergent nozzle 31 is Ld, and the exhaust valve 9 is opened.
  • the time from closing to closing is tv.
  • the time T 3 from when the exhaust port 9 a is opened until the tail end of the exhaust gas 36 reaches the upstream end of the divergent portion 33 is expressed by Equation (5).
  • the time T 4 from when the exhaust port 9 a is opened until the shock wave is reflected by the reflecting portion 21 b and reaches the upstream end of the divergent portion 33 is expressed by Equation (6).
  • T 3 tv + (Le + Ld) / Ve (5)
  • T 4 (Le + 2Ls + Ld) / Vs (6)
  • T 4 is equal to or less than T 3 (T 4 ⁇ T 3 )
  • the shock wave 35 and the exhaust gas 36 can collide before the entire exhaust gas 36 passes through the throat portion 34. That is, if (Le + 2Ls + Ld) / Vs ⁇ tv + (Le + Ld) / Ve, the shock wave 35 and the exhaust gas 36 can collide before the entire exhaust gas 36 passes through the throat portion 34.
  • the distance Ls between the entrance 21a of the branch part 21 and the reflection part 21b is relatively small, the attenuation of the shock wave 35 in the branch part 21 is suppressed.
  • the distance Ls may be smaller than the distance Le.
  • the pressure of the exhaust gas 36 flowing in the exhaust passage can be increased. .
  • the total pressure P0 upstream of the inlet of the convergent-divergent nozzle 31 increases, and the ratio P / P0 between the total pressure P0 upstream of the inlet and the static pressure P downstream of the throat portion 34 is greater than the critical pressure ratio 0.528. Becomes smaller. As a result, the speed of the exhaust gas 36 reaches the speed of sound at the throat portion 34.
  • FIG. 6 is a schematic view schematically showing a photograph of the inside of the convergent-divergent nozzle taken by the schlieren photographing method.
  • a new shock wave is generated at the convergent-divergent nozzle 31.
  • the new shock wave 35 b is accelerated when passing through the divergent portion 33 of the convergent-divergent nozzle 31.
  • an expansion wave 35c traveling in the opposite direction to the shock wave 35b is generated.
  • the exhaust gas 36 existing between the shock wave 35b and the expansion wave 35c is insulated by adiabatic expansion. Due to the cooling effect, the pressure is greatly reduced to below atmospheric pressure.
  • FIG. 7 and 8 show the simulation results performed by the present inventors.
  • FIG. 7 shows the exhaust gas velocity (Exhaust Gas Velocity) and the exhaust gas pressure (Exhaust Gas Pressure) at each point of the exhaust passage 16 immediately after the new shock wave 35b is generated by the convergent-divergent nozzle 31.
  • FIG. 8 shows the exhaust gas velocity (Exhaust Gas Velocity) and the exhaust gas temperature (Exhaust Gas Temperature) at each point of the exhaust passage 16 immediately after the new shock wave 35b is generated by the convergent-divergent nozzle 31.
  • the shock wave 35 b is generated in the convergent-divergent nozzle 31, the shock wave 35 b is accelerated in the divergent portion 33. Then, as shown in FIGS.
  • the flow rate of the exhaust gas rapidly increases, and the pressure and temperature of the exhaust gas rapidly decrease.
  • 7 and 8 show the flow velocity of the exhaust gas, and do not show the propagation speed of the shock wave.
  • the throat portion 34 of the convergent-divergent nozzle 31 is set to be long.
  • the timing at which the shock wave 35b is accelerated in the divergent portion 33 in other words, the pressure and temperature of the exhaust gas are set.
  • the timing to lower can be set according to the engine.
  • the temperature and pressure of the exhaust gas in the exhaust passage 16 can be significantly reduced as compared with the related art. Since the engine 1 of this embodiment is provided with only one combustion chamber 10 upstream of the divergence portion 33, it is not affected by exhaust gas from other cylinders as in the prior art. By reducing the temperature and pressure of the exhaust gas in this way, the performance of the engine 1 can be improved as described below, for example.
  • the temperature of the exhaust gas 36 in the exhaust passage 16 can be lowered upstream of the first catalyst 17. Therefore, an excessive temperature rise of the first catalyst 17 and the second catalyst 18 can be suppressed.
  • the purification efficiency decreases due to a phenomenon called sintering when the temperature is excessively high.
  • sintering can be effectively prevented.
  • fuel can be burned at the stoichiometric air-fuel ratio. Therefore, the exhaust gas 36 can be efficiently purified by the first catalyst 17 and the second catalyst 18.
  • the exhaust gas purification performance which is one of the performances of the engine 1
  • the exhaust gas purification performance can be improved.
  • two catalysts are arranged in series in the middle of the exhaust passage 16, but the present invention is not limited to this. There may be one catalyst or three or more catalysts. A plurality of catalysts may be arranged in parallel.
  • the pumping loss of the engine 1 can be reduced by significantly reducing the pressure of the exhaust gas.
  • the pressure of the exhaust gas in the exhaust passage 16 is significantly reduced.
  • the piston (not shown) of the engine 1 is pulled to the exhaust passage 16 side, that is, the top dead center side in the exhaust stroke, and the work for driving the piston in the exhaust stroke is reduced.
  • FIG. 9A is a PV diagram of a conventional engine
  • FIG. 9B is a PV diagram of the engine 1 according to this embodiment.
  • a region surrounded by a closed curve appears near the top dead center of the engine exhaust stroke (a region surrounded by a one-dot chain line).
  • the area surrounded by the closed curve corresponds to the work performed by the engine 1. That is, when the pressure of the exhaust gas is remarkably lowered by generating the shock wave 35b in the divergent portion 33, the piston is pulled by the exhaust gas, so that the engine 1 can perform positive work in the exhaust stroke.
  • the air supply pipe 72 is connected between the branch pipe 22 and the convergent-divergent nozzle 31 in the first exhaust pipe 12.
  • the front end portion of the air supply pipe 72 extends to the inside of the exhaust passage 16.
  • the air outlet 73 is formed in a slit shape at the tip of the air supply pipe 72. Thereby, the air supply pipe 72 can supply air to a wide range of the exhaust passage 16.
  • the upstream end of the air supply pipe 72 is connected to the outside of the engine via a reed valve 74 and an air amount control valve 75.
  • the reed valve 74 prevents exhaust gas from flowing out from the air supply pipe 72 to the outside of the engine.
  • the reed valve 74 is configured to open when negative pressure is generated in the exhaust passage 16 and to flow air toward the air outlet 73 of the air supply pipe 72.
  • the air amount control valve 75 is for adjusting the amount of air to the operating state of the engine 1.
  • the air amount control valve 75 includes an actuator, a servo motor, a solenoid, or the like. The opening degree of the air amount control valve 75 is controlled by the ECU 20. Further, the air supply pipe 72 may be connected to the intake passage of the engine 1.
  • the ECU 20 closes the air amount control valve 75 or relatively reduces the throttle valve opening when the throttle valve opening is smaller than a predetermined angle.
  • the predetermined angle is set in advance and is stored in the ECU 20. Further, the ECU 20 increases the opening degree of the air amount control valve 75 when the opening degree of the throttle valve is larger than the predetermined opening degree. Thus, the opening degree of the air amount control valve 75 increases or decreases in accordance with the opening degree of the throttle valve.
  • air amount control valve 75 By providing the air amount control valve 75, air can be supplied to the exhaust passage 16 at an appropriate flow rate without excess or deficiency.
  • the air amount control valve 75 is not necessarily required and can be omitted.
  • air can be efficiently supplied to the exhaust passage 16 by the negative pressure generated in the exhaust passage 16.
  • the negative pressure is significantly higher than that of a general engine that does not include the convergent-divergent nozzle 31 and the branch pipe 22. That is, the pressure is significantly reduced.
  • the exhaust passage does not become a negative pressure in a high rotation / high load state, and air is forcibly supplied using a large pump.
  • a sufficient amount of air can be supplied to the exhaust passage 16 without using a separate device such as an air pump that forcibly sends air into the exhaust passage 16.
  • the temperature of the air supplied to the exhaust passage 16 is substantially equal to the temperature of the atmosphere, and is significantly lower than the temperature of the exhaust gas. Therefore, according to the present embodiment, the temperature of the exhaust gas can be further reduced by the low-temperature air supplied to the exhaust passage 16 in large quantities. Further, according to the present embodiment, a large amount of air can be supplied upstream of the first catalyst 17. As a result, even when the amount of fuel to be injected is increased so that the air-fuel ratio of the engine 1 becomes smaller than the stoichiometric air-fuel ratio, the exhaust gas containing the same amount of oxygen as when the air-fuel ratio is the stoichiometric air-fuel ratio is reduced. 1 catalyst 17.
  • the temperature of the exhaust gas can be lowered by lowering the combustion temperature by making the air-fuel ratio of the engine 1 smaller than the stoichiometric air-fuel ratio.
  • the air-fuel ratio is smaller than the stoichiometric air-fuel ratio, it becomes possible to cool members around the combustion chamber 10 (intake valve 8 and exhaust valve 9, valve seat, piston, etc.) with surplus fuel, and the engine 1 reliability can be improved.
  • the branch pipe 22 is used as a part of the secondary air supply pipe.
  • a reed valve 74 connected to the air supply pipe 72 is attached to the branch pipe 22. Except for the difference in configuration, the configuration is the same as that of the first embodiment. Therefore, the detailed description of the third embodiment is substituted by FIGS. 1 to 9 of the first embodiment and the detailed description thereof.
  • the reed valve 74 constitutes the reflecting portion 21 b of the branch pipe 22.
  • the air supply path 71 communicates with the exhaust passage 16 via the branch portion 21.
  • the air supply pipe 72 may be connected between a connection portion between the exhaust passage 16 and the branch pipe 22 and a tip portion of the branch pipe 22.
  • the reed valve 74 is closed when the exhaust valve 9 is opened, and a shock wave can be reflected by the reed valve 74.
  • the reed valve 74 is opened, and air can be supplied to the exhaust passage 16 through the branch portion 21. Also in the present embodiment, a sufficient amount of air can be supplied to the exhaust passage 16.
  • the present embodiment it is not necessary to form a passage that exclusively functions as the branching portion 21. Therefore, the cost can be reduced as compared with the exhaust device 5 using the dedicated branch portion 21 (for example, the exhaust device 5 of the second embodiment).
  • the fourth embodiment uses the branch pipe 22 as a part of a convergent-divergent nozzle. Except for the difference in configuration, the configuration is the same as that of the first embodiment. Therefore, the detailed description of the fourth embodiment is substituted by FIGS. 1 to 9 of the first embodiment and the detailed description thereof.
  • the convergent portion 32, the throat portion 34, and the divergent portion 33 are formed in the exhaust passage 16 downstream from the branch portion 21.
  • the present inventor has come up with a structure that achieves the same effect with a simpler structure.
  • a branching portion 21 that reflects the shock wave 35 and propagates again to the exhaust passage 16 is provided.
  • the branch portion 21 is viewed from a different viewpoint, the flow passage cross-sectional area of the exhaust passage 16 is increased at the position of the branch portion 21. And downstream from that position, the flow path cross-sectional area becomes smaller. In other words, the convergent portion 32 and the throat portion 34 are formed in the exhaust passage by the branch portion 21.
  • the convergent portion 32 and the throat portion 34 are formed downstream of the inlet 21a. Therefore, the convergent-divergent nozzle 31 can be substantially formed simply by providing the divergent portion 33 downstream of the inlet 21a.
  • A6 represents the channel cross-sectional area of the divergent portion 33, and A7 ⁇ A6.
  • a portion between the inlet 21 a and the divergent portion 33 is a throat portion 34.
  • the throat part 34 may be long along the flow path direction.
  • the convergent part 32 and the divergent part 33 are not limited to those in which the channel cross-sectional area changes smoothly toward the downstream, but may be ones in which the channel cross-sectional area changes stepwise (Step by Step). .
  • the exhaust gas is set to low pressure and low temperature by the following method.
  • Fuel is combusted in the combustion chamber 10.
  • the exhaust valve 9 that opens and closes the exhaust port 9 a of the combustion chamber 10
  • the exhaust gas 36 is discharged from the combustion chamber 10 to the exhaust passage 16.
  • a shock wave 35 that propagates through the exhaust passage 16 at a higher speed than the exhaust gas 36 is generated.
  • At least a part of the shock wave 35 is branched from the exhaust passage 16, and the branched shock wave 35 is propagated again to the exhaust passage 16 to cause the shock wave 35 to collide with the exhaust gas, thereby increasing the pressure of the exhaust gas.
  • the pressure of the exhaust gas 36 is increased by reducing the cross-sectional area of the exhaust passage 16.
  • the exhaust gas pressure is increased by causing the exhaust gas to flow through a portion of the exhaust passage 16 that has a smaller cross-sectional area as it goes downstream. Then, the flow passage cross-sectional area of the exhaust passage 16 is increased to increase the flow rate of the exhaust gas 36. That is, the exhaust gas is circulated through a portion of the exhaust passage 16 where the cross-sectional area of the flow path increases toward the downstream side, thereby increasing the flow rate of the exhaust gas.
  • a new shock wave 35b propagating downstream in the exhaust passage 16 is generated, a negative pressure region is formed in the exhaust passage 16, and the exhaust gas is brought to a low pressure and a low temperature by the effect of adiabatic cooling by adiabatic expansion. Therefore, even if the engine 1 is operating at a high load state or at a high speed, the exhaust gas can be at a low pressure and a low temperature.
  • FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the exhaust gas flow velocity and the exhaust gas pressure in the exhaust passage 16 in time series (in Time Sequence).
  • FIG. 14 is a diagram showing the relationship between the exhaust gas pressure and the exhaust gas temperature in the exhaust passage 16 in chronological order (in Time Sequence).
  • the waveform shown in FIG. 7 represents the relationship between the exhaust gas flow velocity and the exhaust gas pressure during acceleration of the shock wave shown in FIG.
  • FIGS. 13A and 14A show a state immediately after the exhaust port is opened.
  • FIG. 13B and FIG. 14B show a state immediately after the exhaust gas collides with the shock wave downstream of the branch portion 21.
  • FIG. 13C and FIG. 14C show the time when the shock wave is accelerated by the divergent portion 33.
  • FIG. 13D and FIG. 14D show after the shock wave has been accelerated.
  • the exhaust method of the engine of this embodiment is as follows.
  • FIG. 13A shows the exhaust gas flow velocity and the exhaust gas pressure immediately after opening the exhaust port 9a. As shown in FIG. 13A, when the exhaust port 9a is opened, the pressure of the exhaust gas near the exhaust port 9a becomes higher than the atmospheric pressure.
  • FIG. 14A shows the exhaust gas pressure and the exhaust gas temperature immediately after opening the exhaust port 9a. As shown in FIG. 14 (A), the temperature of the exhaust gas becomes extremely high due to the combustion heat.
  • the branch portion 21 branches at least a part of the shock wave propagating through the exhaust passage 16 from the exhaust passage 16.
  • the reflection part 21b of the branch part 21 reflects the branched shock wave.
  • the reflected shock wave propagates through the branch portion 21 and propagates again to the exhaust passage 16.
  • the reflected shock wave collides with the exhaust gas flowing through the exhaust passage 16, and the pressure of the exhaust gas increases. Further, the flow passage cross-sectional area of the exhaust passage 16 is reduced at the convergent portion 32, thereby increasing the pressure of exhaust gas. Note that either the increase in the exhaust gas pressure due to the collision between the shock wave and the exhaust gas or the increase in the exhaust gas pressure due to the reduction in the cross-sectional area of the flow path may be first.
  • FIG. 13B shows the exhaust gas flow velocity and the exhaust gas pressure immediately after the exhaust gas pressure is increased.
  • the exhaust gas pressure is higher in the vicinity of the convergent portion 32 than at the time of FIG. 13 (A).
  • the exhaust gas speed is higher than the time point of FIG.
  • FIG. 14B shows the exhaust gas pressure and the exhaust gas temperature immediately after the exhaust gas pressure is increased.
  • the exhaust gas temperature is lower than that in FIG. 14 (A) in the vicinity of the exhaust port 9a, but is higher in the upstream of the convergent portion 32.
  • FIG. 13C shows the exhaust gas flow velocity and the exhaust gas pressure when the shock wave is accelerated in the divergent portion.
  • the exhaust gas pressure drops more rapidly than the time of FIG. 13B upstream of the divergent portion 33, and the exhaust gas pressure becomes negative.
  • the exhaust gas flow velocity upstream of the divergent section 33 increases rapidly.
  • FIG. 14C shows the exhaust gas pressure and the exhaust gas temperature when the shock wave is accelerated by the divergent portion 33. As shown in FIG. 14C, the exhaust gas temperature decreases more rapidly than the time of FIG. 14B as the exhaust gas pressure upstream of the divergent section 33 decreases.
  • FIG. 13D shows the exhaust gas flow velocity and exhaust gas pressure after the shock wave is accelerated.
  • the influence of the exhaust gas pressure that has decreased upstream of the divergent portion 33 at the time of FIG. 13C reaches the exhaust port 9 a upstream of the convergent portion 32. For this reason, the exhaust gas pressure becomes negative even near the exhaust port 9a.
  • FIG. 14D shows the exhaust gas pressure and the exhaust gas temperature after the shock wave is accelerated. As shown in FIG. 14D, since the exhaust gas pressure becomes negative even near the exhaust port 9a, the exhaust gas temperature near the exhaust port can be significantly reduced. Thereby, the exhaust valve 9 can also be cooled and deterioration can also be suppressed.
  • the first catalyst 17 and the second catalyst 18 are provided downstream of the divergent section 33.
  • the temperature change of the exhaust gas downstream of the divergent portion 33 can be suppressed, the temperature of the exhaust gas passing through the first catalyst 17 and the second catalyst 18 is prevented from becoming too high. Can do. Thereby, even if the engine 1 is operated in a high load / high rotation region, sintering of the catalyst can be prevented.
  • the application target of the engine according to the present invention is not limited at all.
  • the engine according to the present invention can be implemented as an engine for a vehicle such as a motorcycle, and can also be implemented as an engine for an outboard motor mounted on a ship.
  • the present invention can be applied to a wide variety of engines.
  • FIG. 15 shows a ship equipped with the engine of the present invention. Specifically, it is a ship 100 in which two outboard motors 101 having the engine 1 of the present invention are mounted on a hull. The outboard motor 101 is attached to the stern 103 of the ship 100 and can propel the ship. The exhaust passage of the outboard motor 101 is discharged into the water below the water surface.
  • FIG. 16 shows a vehicle equipped with the engine of the present invention. Specifically, it is a motorcycle 200 in which the engine 1 of the present invention is arranged in the center of the vehicle body.
  • the application object of the engine which concerns on this invention is not limited at all.
  • the engine 1 according to each of the above embodiments is an engine in which one exhaust device 5 is provided in one combustion chamber 10.
  • a plurality of exhaust devices 5 may be provided in one combustion chamber 10.
  • the engine according to the present invention may be a multi-cylinder engine as long as the divergent portion is connected to only one combustion chamber upstream thereof.
  • a separate exhaust passage may be formed in each cylinder, and a branching portion and a divergent portion that reflect shock waves may be provided in each exhaust passage.
  • a separate exhaust passage is formed in each cylinder in the same manner, and a branch portion and a divergent portion for reflecting shock waves are provided in each exhaust passage. With this configuration, even in a multi-cylinder engine, the exhaust gas pressure can be reduced without being affected by the exhaust gas of other cylinders upstream of the divergent portion of each exhaust passage.
  • a shock wave is accelerated by a convergent-divergent nozzle, thereby generating a negative pressure upstream of the shock wave, and a pressure of exhaust gas is lowered by an adiabatic cooling effect by adiabatic expansion, thereby lowering a temperature.
  • it has the part which continues by the same flow-path cross-sectional area between a convergent part and a divergent part.
  • the secondary air can be efficiently supplied into the exhaust passage by using the negative pressure generated upstream of the shock wave. .
  • the temperature of exhaust gas can be reduced more efficiently.
  • a catalyst is mounted downstream of the convergent-divergent nozzle, the temperature of the exhaust gas passing through the catalyst can be lowered, and the sintering of the catalyst can be prevented.
  • the third embodiment since air is supplied to the branching portion 21, a passage functioning exclusively as the branching portion 21 is not formed. Therefore, the cost can be reduced as compared with the first and second embodiments using the dedicated branch portion 21. In addition, the degree of freedom in layout can be improved.
  • a new shock wave can be generated with a simpler structure.

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Abstract

 排ガスの流速を高める手段を応用した新規なエンジンを提供する。エンジン1は、排ガス36よりも高速で伝播する衝撃波35を分岐させ、分岐した衝撃波を導く分岐部21と、分岐部21に設けられた反射部21bとを備える。反射部21bは、衝撃波35を反射させることによって排気通路16に戻し、その衝撃波35を排ガス36と衝突させることによって、排ガス36の圧力を高める。排ガス36がコンバージェント-ダイバージェントノズル31のダイバージェント部33を通過するのに伴って、排気通路16を下流に向かって伝播する新たな衝撃波が発生し、排ガス36の温度および圧力が低下する。

Description

エンジン、車両、船舶、およびエンジンの排気方法
 本発明は、エンジン、車両、船舶、およびエンジンの排気方法に関する。
 従来から、エンジン(Internal Combustion Engine)の性能を向上させるために、エンジンの排ガス装置を改良することが行われている。例えば、特許文献1に記載されているように、掃気効率(Scavenging Efficiency)を高めるために、コンバージェント-ダイバージェントノズル(Convergent-Divergent Nozzle)、通称、デ ラバル ノズル(De Laval
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。
実開平01-76520号公報
 本願発明者は、特許文献1のように、コンバージェント-ダイバージェントノズルの機能を用いたエンジンを研究してきた。その研究の中で、排ガスの流速を超音速まで高めて衝撃波を発生させると、その衝撃波の上流の圧力が低下することを見出した。そこで、その衝撃波の上流の圧力が低下することを利用して排気通路内に負圧を発生させ、エンジン性能を向上させることを考えた。しかしながら、本願発明者が特許文献1を鋭意研究した結果、仮にコンバージェント-ダイバージェントノズルで排ガスが高速になっても、以下の理由によりノズル上流の集合排気管内を負圧にできないことがわかった。特許文献1に記載のエンジンは6気筒エンジンであり、クランク角(Crank Angle)で120°毎に爆発しているため、排気通路内には120°間隔で圧力波が発生する。ここで、一般的にエンジンの排気口が開いている期間(Work Angle;作動角)は約240°である。特許文献1に記載のエンジンではコンバージェント-ダイバージェントノズルの上流を一つに集合しているため、ある気筒の排気口が開いている時に残りの気筒の少なくとも一つの排気口が開くことになる。ある気筒の排気口が閉じる前に次に爆発する気筒の排気口が開いて次の圧力波が発生するため、集合排気管内は常に正圧状態となる。仮に、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)が臨界圧力比より小さくなり、ダイバージェント部で排ガスの流速が音速を超えても、集合排気管内は常に正圧状態のままである。その結果、エンジン性能の向上が十分見込めないことがわかった。
 本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、エンジンにおいて、コンバージェント-ダイバージェントノズルの原理を応用して、エンジン性能を向上させた新規なエンジンを提供することである。
 上記課題を解決する手段の一つとして、ダイバージェント部をその上流でただ一つの前記燃焼室と接続することが考えられる。これにより、ある気筒の排気口が開いている期間に、他の気筒の排気口から発生する圧力波が先に開いていた排気口に接続された排気通路へ伝播することは無い。そのため、ダイバージェント部より上流の排気通路内に正圧と負圧が交互に発生する。しかしながら、この構成では以下のような問題により排気通路内に大きな負圧を発生できないことがわかった。一つは、燃焼室の排気口が開いた時に発生する衝撃波が、ダイバージェント部の上流端に到達するまでに減衰してしまうという問題である。もう一つは、衝撃波より遅れて排気通路を流れる排ガスの圧力が、ダイバージェント部の上流端に到達するまでに減衰してしまうという問題である。このため、衝撃波および排ガスのいずれがダイバージェント部の上流端に到達した場合でも、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との圧力比が臨界圧力比より小さくならない。よって、排気通路を通過する流体の速度は音速を超えることはなく、コンバージェント-ダイバージェントノズルの機能を得ることができない。
 本発明に係るエンジンは、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ものである。
 本発明では、ダイバージェント部の上流でただ一つの前記燃焼室と接続されていることに加え、ダイバージェント部より上流の排気通路に分岐部を設けた。それにより、排気口が開かれた時に燃焼室から排気通路に流れ込む排ガスよりも高速で排気通路を伝播する衝撃波を、ダイバージェント部より上流の排気通路から分岐し、分岐部で時間的に遅らせて再び排気通路内に伝播させ、且つ、遅れてくる排ガスと衝突させたので、その排ガスの圧力が高まる。また、コンバージェント部に排ガスを通過させたので、その排ガスの圧力が高まる。さらに、ダイバージェント部にその排ガスを通過させたので、下流に向かって伝播する新たな衝撃波が発生する。ダイバージェント部より上流の排気通路内に正圧と負圧を交互に発生させ、且つ、新たな衝撃波の上流の圧力を低下させたので、排気通路のダイバージェント部より上流に大きな負圧が発生し、エンジン性能を向上させることができる。
実施形態1のエンジンの排気装置の構成を示す排気通路等の断面図である。 コンバージェント-ダイバージェントノズルの構成図である。 コンバージェント-ダイバージェントノズルの圧縮比とマッハ数との関係を示す図である。 衝撃波および排ガスの進行状態を示す排気通路等の断面図であり、(A)は排気行程の初期の状態であり、(B)は衝撃波が分岐部に伝播したときの状態であり、(C)は分岐部で反射した衝撃波と排ガスが衝突するときの状態を表している。 排気通路のうち、衝撃波の進行する経路と排ガスの進行する経路とを示す排気通路等の模式図である。 コンバージェント-ダイバージェントノズル内部をシュリーレン撮影法により撮影した写真を模式化した模式図である。 衝撃波の加速時の排ガス流速と排ガス圧力との関係を示すグラフである。 衝撃波の加速時の排ガス流速と排ガス温度との関係を示すグラフである。 ポンピングロスを示すP-V線図であり、(A)は従来のエンジンのものであり、(B)は本発明のエンジンのものである。 実施形態2のエンジンの排気装置の構成を示す排気通路等の断面図である。 実施形態3のエンジンの排気装置の構成を示す排気通路等の断面図である。 実施形態4のエンジンの排気装置の構成を示す排気通路等の断面図である。 排ガス流速と排ガス圧力の関係を時系列で示した図である。 排ガス圧力と排ガス温度の関係を時系列で示した図である。 エンジンを搭載した船外機を備えた船舶を例示する図である。 エンジンを搭載した自動二輪車を例示する図である。
 本願発明者は、鋭意研究の結果、コンバージェント-ダイバージェントノズルの原理を応用し、以下のように従来知られていなかった方法によって、排気通路内に大きな負圧を発生させることができることに思い至った。本願発明者は、それによってエンジンの性能向上を図ることが可能であることを見出した。
 その方法とは、次の通りである。(1)排ガスに先行して伝播する衝撃波を分岐させる。(2)分岐した衝撃波を時間的に遅らせ、排ガスと衝突させてその排ガスの圧力を高める。(3)圧力を高めた排ガスを、ダイバージェント部を通過させて超音速まで加速させて衝撃波を発生させる。(4)ダイバージェント部より上流の排気通路内に負圧を発生させる。
 <実施形態1>
 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。
 図1に示すように、エンジン1は、シリンダボディ3と、シリンダヘッド4とを備えている。シリンダボディ3およびシリンダヘッド4の内部には、燃焼室10が形成されている。エンジン1は、4サイクルのガソリンエンジンである。エンジン1は、空冷式のエンジンであってもよく、水冷式のエンジンであってもよい。シリンダヘッド4には、吸気通路の下流部6および排気通路16の上流部7が形成されている。シリンダヘッド4には、吸気口8aを開閉する吸気弁8と、排気口9aを開閉する排気弁9と、吸気弁8および排気弁9を駆動するための動弁装置(図示せず)等とが設けられている。本実施形態では、吸気通路の下流部6と排気通路の上流部7とは、一つの燃焼室10に対してそれぞれ一つずつ設けられている。ただし、吸気口8aと排気口9a、吸気弁8と排気弁9、吸気通路の下流部6と排気通路の上流部7はそれぞれ一つの燃焼室に対して複数設けられていても良い。シリンダヘッド4には、燃料を噴射するインジェクタ2が取り付けられている。図示は省略するが、シリンダヘッド4には、点火プラグが設けられている。
 図示されていないが、吸気通路の内部には、スロットル弁が配置されている。このスロットル弁は、人為的に操作されるものであってもよく、電子制御されるものであってもよい。
 排気装置5は、上流から下流に向かって順に接続された第1の排気管12と、第2の排気管13と、第3の排気管14と、排気チャンバー15とを備えている。排気装置5の内部には排気通路16が形成されている。第1の排気管12は、シリンダヘッド4に取付用ボルト11によって取り付けられている。第2の排気管13は、第1の排気管12の下流端に接続されている。第3の排気管14は、第2の排気管13の下流端に接続されている。第3の排気管14と排気チャンバー15とは、一体式に形成されている。
 排気装置5の内部には、第1の触媒17および第2の触媒18が配置されている。第2の触媒18は第1の触媒17の下流に配置されている。第1の触媒17と第2の触媒18との間には、間隔が設けられている。
 排気チャンバー15の下流端には、図示しない消音器(マフラー)が接続されている。排気チャンバー15の内部に流入した排ガスは、前記消音器を通過してから外部に排出される。排気チャンバー15には、排ガス中の酸素量を検出する酸素濃度センサ19が設けられている。
 制御装置であるECU20は、エンジン1の回転速度、前記スロットル弁の開度、または酸素濃度センサ19によって検出された排ガス中の酸素量等に基づき、インジェクタ2の燃料噴射量、または前記点火プラグの点火時期等を制御する。本実施形態に係るECU20は、例えば、エンジン1に吸入される混合気の空燃比が理論空燃比になるようにインジェクタ2の燃料噴射量を制御する。
 排気装置5には、分岐管22が設けられている。分岐管22の内部には分岐部21が形成されている。分岐部21の一端は排気通路16に接続され、他端は閉塞されている。分岐管22の閉塞された端部は、後述する衝撃波を反射する反射部を形成している。本実施形態では、分岐管22は、第1の排気管12に一体式に形成されている。ただし、分岐管22は、第1の排気管12とは別体に形成され、第1の排気管12に対して固定されていてもよい。例えば、第1の排気管12と分岐管22とは、溶接されていてもよく、ボルトなどの締結部材(図示せず)によって固定されていてもよい。分岐部21の前記閉塞された端部は、排気通路16に接続されている分岐部の流路断面積より流路断面積が大きくなるように形成されている。ただし、分岐部21の形状は図1に示す形状に限定されない。例えば、分岐部21は、図1に示すようなチャンバー形状であっても良いし、流路断面積が一定で先端が閉塞された管形状であっても良いし、分岐部21の流路断面積が排気通路と接続されている端部より、閉塞された端部の方が小さくなった形状でも良い。分岐部21の入口(すなわち、排気通路16との接続部分)の大きさは、後述するように、排気通路16の内部を伝播する衝撃波が分岐部21の内部に分岐して伝播することができるような大きさに形成されている。
 分岐部21の下流には、コンバージェント-ダイバージェントノズル(Convergent-Divergent Nozzle)31(通称、デ ラバル ノズル(De Laval Nozzle))が設けられている。図2に示すように、コンバージェント-ダイバージェントノズル31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32と、そのコンバージェント部32の下流で流路断面積が大きくなるダイバージェント部33と、そのコンバージェント部32とダイバージェント部33との間の流路断面積が最も小さいスロート部34とを備えている。図2の矢印は流体の進行方向を示している。コンバージェント-ダイバージェントノズル31は、排気通路16を流れる排ガスの流速を、亜音速から超音速となるように加速する。図2のコンバージェント部32の上流端の流路断面積A1と、スロート部34の流路断面積A2と、ダイバージェント部33の下流端の流路断面積A3とには、A1>A2、A2<A3の関係が成立する。本実施形態では、コンバージェント部32とダイバージェント部33との流路断面積は、それぞれ流れ方向に沿って一定の割合で変化している。ただし、コンバージェント部32およびダイバージェント部33の形状は何ら限定されない。ロケットで採用されているノズルのように、段階的に(Step by Step)に形成してもよい。また、滑らかな曲面に形成してもよい。
 本実施形態のダイバージェント部33は、ダイバージェント部33より上流でただ一つの燃焼室10に排気通路16によって接続されている。このため、ダイバージェント部33には、ただ一つの燃焼室10に形成されている排気口9aから排出された排ガス36が流れる。
 コンバージェント-ダイバージェントノズル31は、下記の数式(1),(2)で示す条件を満たすように形成されている。スロート部34に流入する排ガスの流速がマッハ1(すなわち音速)に達することにより、ダイバージェント部33において排ガスを超音速に加速させることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 これらの数式のうち、数式(1)は、粘性摩擦を伴う一次元流れにおける排気管形状とマッハ数との関係を示し、数式(2)は、数式(1)におけるΛを表す数式である。これらの数式において、Mはマッハ数、Aは排気管の任意断面における断面積、Dは前記の任意断面における管相当径、γは比熱比、xは流れ方向の距離、fは摩擦係数を示す。
 このように形成されたコンバージェント-ダイバージェントノズル31では、コンバージェント部32での流体の全圧P0と、ダイバージェント部33での流体の静圧Pとの圧力比P/P0が、臨界圧力比(critical pressure ratio)=0.528(図3の点C)よりも小さいと、流体の速度は、スロート部で音速となり、ダイバージェント部33で超音速となる。図3は、コンバージェント部32での流体の全圧P0と、ダイバージェント部33での流体の静圧Pとの圧力比P/P0と、各圧力比でダイバージェント部33を通過した場合の流体の速度を示す。P/P0が臨界圧力比よりも小さくなるようにコンバージェント部32での全圧P0を上昇させると、コンバージェント-ダイバージェントノズル31において流速を超音速とすることができる。
 コンバージェント-ダイバージェントノズル31にて流速が超音速となると、ダイバージェント部33の下流に向かって伝播する衝撃波と、上流に向かって伝播する膨張波とが発生する。このため、排気通路16の下流に向かって進行する衝撃波と排気通路16の上流に向かって進行する膨張波との間の空間内の流体は急速に膨張するので、排気通路16を流れている排ガスの圧力を低くすることができる。その結果、断熱膨張(Adiabatic Expansion)による断熱冷却(Adiabatic cooling)の効果により、排ガスの温度を急速に下げることができる。本願発明者は鋭意研究の結果、コンバージェント-ダイバージェントノズル31と分岐部21とを組み合わせることによって、そのような状態を実現可能とした。
 次に、図4(A)~(C)を参照しながら、排ガスを低圧かつ低温の状態にする方法について説明する。図4(A)~(C)は、排気装置5を模式的に示している。図4(A)~(C)において、図1および図2に図示されたものと同一もしくは同等の部材には、同一符号を付している。
 図4(A)に示すように、エンジン1の排気行程で排気口9aが開くと、高圧の排ガス36が燃焼室10から排気口9aを通して排気通路16の上流部7に噴出する。排気口9aが開き始めた時点では、燃焼室10と排気通路16の上流部7との間の圧力差が大きいため、排ガス36の速度が音速となり、排気通路16の上流部7に衝撃波35が発生する。排気口9aが大きく開くにつれて、排気通路16に流出する排ガスの量は多くなるが、排ガスの速度は遅くなる。また、排ガスは排気通路16を進むにしたがって減速する。図4(A)に示すように、衝撃波35は、排気通路16を下流に向かって伝播する。一方、排ガス36は、衝撃波35より遅れて衝撃波35より低い速度で排気通路16を下流へ向かって進行する。
 図4(B)に示すように、排気通路16を進む衝撃波35は、分岐部21の入口21aを通過するときに、排気通路16を伝播する衝撃波と分岐部21を伝播する衝撃波に分かれる。そして、排気通路16と分岐部21をそれぞれ独立して進行する。排気通路16を伝播する衝撃波35は、コンバージェント-ダイバージェントノズル31を通過してから減衰し消失する。一方、分岐部21を伝播する分岐した衝撃波35は、分岐部21の反射部21bで反射され、分岐部21を逆行して再び排気通路16に伝播する。
 排気口9aが開いて排ガス36が発生してから分岐部21の入口21aに到達するまでの時間をTとする。また、衝撃波35が排気口9aにて発生してから分岐部21の反射部21bで反射して分岐部21の入口21aに到達するまでの時間をTとする。図4(C)に示すように、T1≦Tを満たす場合には、衝撃波35と排ガス36とが前記分岐部21の入口21aより下流で衝突する。分岐部21の長さは、このように分岐部21にて反射した衝撃波35と排ガス36とが分岐部21の入口21aにて衝突するような長さに形成されている。
 図5に示すように、排気口9aの中心9acから分岐部21の入口21aの流路断面の中心線Xまでの距離をLe、排気通路16の流路断面の中心線Yから反射部21bまでの距離をLsとする。また、排ガス36の速度をVe、衝撃波35の伝播速度をVsとする。このとき、排気口9aが開いてから分岐部21の入口21aに到達するまでの時間Tは、式(3)にて表される。また、排気口9aが開いてから衝撃波が分岐部21の反射部21bで反射されて排気通路16の中心線Yに到達するまでの時間Tは、式(4)にて表される。
       T=Le/Ve・・・・・・・・・・・(3)
       T=(Le+2Ls)/Vs・・・・・(4)
 ここで、TがT以下であるとき(T≦T)、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。
 図5に示すように、分岐部21の入口21aの流路断面の中心線Xからコンバージェント-ダイバージェントノズル31のダイバージェント部33の上流端までの距離をLdとし、排気弁9が開いてから閉じるまでの時間をtvとする。排気口9aが開いてから排ガス36の最後尾がダイバージェント部33の上流端に到達するまでの時間をTは、式(5)にて表される。排気口9aが開口してから衝撃波が反射部21bで反射されてダイバージェント部33の上流端に至るまでの時間をTは、式(6)にて表される。
       T=tv+(Le+Ld)/Ve・・・・・(5)
       T=(Le+2Ls+Ld)/Vs・・・・(6)
 ここで、TがT以下であるとき(T≦T)、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。
 ところで、分岐部21の入口21aと反射部21bとの間の距離Lsが比較的小さければ、分岐部21における衝撃波35の減衰が抑制される。例えば、距離Lsを距離Leよりも小さくしてもよい。
 分岐部21の入口21aよりも下流、かつ、ダイバージェント部33よりも上流にて衝撃波35と排ガス36とを衝突させることにより、排気通路中を流れている排ガス36の圧力を高くすることができる。すると、コンバージェント-ダイバージェントノズル31の入口上流の全圧P0が高くなり、入口上流の全圧P0とスロート部34の下流の静圧Pとの比P/P0が臨界圧力比0.528よりも小さくなる。その結果、排ガス36の速度がスロート部34で音速に達するようになる。
 図6は、コンバージェント-ダイバージェントノズルの内部をシュリーレン撮影法により撮影した写真を模式化した模式図である。排ガス36の速度が音速に達することにより、コンバージェント-ダイバージェントノズル31で新たな衝撃波が発生する。この新たな衝撃波35bは、コンバージェント-ダイバージェントノズル31のダイバージェント部33を通過するときに加速される。図6に示すように、衝撃波35bが発生するとき、衝撃波35bと反対方向に進む膨張波35cが発生する。衝撃波35bがダイバージェント部33で加速されることと、膨張波35cが衝撃波35bと逆方向に進行することとにより、衝撃波35bと膨張波35cとの間に存在する排ガス36は、断熱膨張による断熱冷却の効果により圧力が大きく低下して大気圧以下になる。
 図7および図8に、本発明者が行ったシミュレーション結果を示す。図7は、コンバージェント-ダイバージェントノズル31で新たな衝撃波35bが発生した直後の排気通路16の各地点における排ガスの速度(Exhaust Gas Velocity)および排ガスの圧力(Exhaust Gas Pressure)を示す。図8は、コンバージェント-ダイバージェントノズル31で新たな衝撃波35bが発生した直後の排気通路16の各地点における排ガスの速度(Exhaust Gas Velocity)および排ガスの温度(Exhaust Gas Temperature)を示す。コンバージェント-ダイバージェントノズル31において衝撃波35bが発生すると、ダイバージェント部33にて衝撃波35bが加速される。すると、図7および図8に示すように、排ガスの流速は急激に大きくなり、排ガスの圧力および温度は急激に低下する。なお、図7および図8は排ガスの流速を示すものであり、衝撃波の伝播速度を示すものではない。図7および図8では、コンバージェント-ダイバージェントノズル31のスロート部34は長めに設定されている。分岐部21にて反射された衝撃波35が排ガス36と衝突すると、衝撃波35が排ガス36に先行してスロート部34を伝播する。このとき、排ガス36と衝撃波35の間の空間にて断熱膨張が生じて圧力が低下するため、衝撃波35に引っ張られるようにして排ガス36は速度を落とさずにスロート部34を流れる。このため、スロート部34の同じ流路断面積で続く部分の長さをエンジンに合わせて設定することで、ダイバージェント部33で衝撃波35bが加速されるタイミング、言い換えれば、排ガスの圧力および温度を低くするタイミングをそのエンジンに合わせて設定することができる。
 以上のように、本実施形態に係るエンジン1によれば、排気通路16の排ガスの温度および圧力を従来よりも大幅に低下させることが可能となる。本実施形態のエンジン1は、ダイバージェント部33より上流にはただ一つの燃焼室10が設けられているため、従来技術のように他の気筒からの排ガスの影響を受けることもない。このように排ガスの温度および圧力を低下させることによって、例えば以下に説明するように、エンジン1の性能を向上させることができる。
 本実施形態によれば、排気通路16の排ガス36の温度を第1の触媒17の上流で低下させることができる。したがって、第1の触媒17および第2の触媒18の過度な温度上昇を抑えることができる。第1の触媒17および第2の触媒18が三元触媒の場合、過度な高温になるとシンタリングと呼ばれる現象によって浄化効率が低下してしまう。しかし、本実施形態では、そのようなシンタリングを効果的に防止することができる。本実施形態によれば、エンジンが高負荷状態で運転されている場合であっても、シンタリングが防止されるので、燃料を理論空燃比で燃焼させることができる。したがって、排ガス36を第1の触媒17と第2の触媒18とによって効率よく浄化させることができる。言い換えれば、本実施形態では、エンジン1の性能の1つである排ガスの浄化性能を向上させることができる。なお、本実施形態では、排気通路16の途中に、2つの触媒を直列に配置したが、これに限定されることはない。触媒は、1つでもよいし、3つ以上でもよい。また、複数の触媒が並列に配置されていてもよい。
 また、本実施形態のように、排ガスの圧力が著しく低下することにより、エンジン1のポンプ損失(Pumping Loss)を低減させることができる。排気通路16の排ガスの圧力が著しく低下する。これにより、排気行程においてエンジン1のピストン(図示せず)が排気通路16側、すなわち上死点側に引っ張られ、排気行程にてピストンを駆動するための仕事が減る。
 図9を用いてこの点をさらに説明する。図9(A)は従来のエンジンのP―V線図であり、図9(B)は本実施形態に係るエンジン1のP-V線図である。図9(B)に示すように、本実施形態では、エンジンの排気行程の上死点付近(一点鎖線で囲まれた領域)にて閉曲線で囲まれた領域が出現する。この閉曲線にて囲まれた領域は、エンジン1が行った仕事に相当する。すなわち、衝撃波35bをダイバージェント部33にて発生させることで排ガスの圧力が著しく低下すると、ピストンが排ガスによって引っ張られるため、エンジン1は排気行程において正の仕事をすることが可能となる。
 <実施形態2>
 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。
 空気供給管72は、第1の排気管12における分岐管22とコンバージェント-ダイバージェントノズル31との間に接続されている。空気供給管72の先端部は、排気通路16の内部にまで延びている。空気出口73は、空気供給管72の先端部にスリット状に形成されている。これにより、空気供給管72は、排気通路16の広い範囲に空気を供給することができる。
 空気供給管72の上流端部は、リード弁74と空気量制御弁75とを介してエンジンの外部に接続されている。リード弁74は、排ガスが空気供給管72からエンジンの外部に流出することを防いでいる。リード弁74は、排気通路16に負圧が生じることによって開き、空気を空気供給管72の空気出口73に向けて流すように構成されている。空気量制御弁75は、空気の量をエンジン1の運転状態に適合させるためのものである。空気量制御弁75は、アクチュエータ、サーボモータ、またはソレノイド等を備えている。空気量制御弁75の開度は、ECU20によって制御される。また、空気供給管72はエンジン1の吸気通路に接続されていても良い。
 ECU20は、スロットル弁の開度が所定の角度より小さい場合、空気量制御弁75を閉動作させるか前記スロットル弁の開度を相対的に減少させる。前記所定の角度は、予め設定されており、ECU20が記憶している。また、ECU20は、前記スロットル弁の開度が前記所定の開度より大きい場合、空気量制御弁75の開度を増大させる。このように、空気量制御弁75は、前記スロットル弁の開度に対応して開度が増減する。空気量制御弁75を備えることにより、排気通路16に空気を過不足なく適正な流量で供給することができる。なお、空気量制御弁75は必ずしも必要なものではなく、省略することも可能である。
 本実施形態によれば、排気通路16に発生した負圧によって、排気通路16に空気を効率的に供給することができる。前記負圧は、コンバージェント-ダイバージェントノズル31および分岐管22を備えていない一般的なエンジンと比較して、著しく大きくなる。つまり、圧力は著しく低くなる。コンバージェント-ダイバージェントノズル31の作用によって負圧が生じる現象は、エンジン1の回転速度が最大出力時の回転速度を超えて高くなった場合でも継続して生じる。そのため、本実施形態では、エンジン1の回転速度が高速となっても、排気通路16に空気を充分に供給することができる。従来のエンジンでは高回転・高負荷状態では排気通路内が負圧になることはなく、大型のポンプを利用して空気を強制的に供給していた。一方、本実施形態によれば、空気ポンプ等の空気を排気通路16に強制的に送り込むような装置を別途用いることなく、排気通路16に充分な量の空気を供給することができる。
 ところで、排気通路16に供給する空気の温度は、大気の温度に略等しく、排ガスの温度に較べると著しく低い。そのため、本実施形態によれば、排気通路16に大量に供給された温度の低い空気により、排ガスの温度を一層低下させることができる。また、本実施形態によれば、大量の空気を第1の触媒17の上流に供給することができる。これにより、エンジン1の空燃比が理論空燃比より小さくなるように噴射する燃料の量を増量させた場合でも、空燃比を理論空燃比としたときと同等の量の酸素を含んだ排ガスを第1の触媒17に流入させることができる。そのため、本実施形態によれば、エンジン1の空燃比を理論空燃比より小さくして燃焼温度を下げることにより、排ガスの温度を低下させることもできる。その上、空燃比が理論空燃比よりも小さいので、余剰の燃料によって燃焼室10の周辺の部材(吸気弁8および排気弁9、バルブシート、ピストン等)を冷却することが可能になり、エンジン1の信頼性を向上させることができる。
 <実施形態3>
 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。
 本実施形態に係る排気装置5では、排気弁9が開いた時にはリード弁74は閉じられており、リード弁74によって衝撃波を反射させることができる。コンバージェント-ダイバージェントノズル31の作用によって排気通路16に負圧が発生すると、リード弁74が開き、分岐部21を通じて排気通路16に空気を供給することができる。本実施形態においても、排気通路16に充分な量の空気を供給することができる。
 また、本実施形態によれば、専ら分岐部21として機能する通路を形成する必要がない。そのため、専用の分岐部21を用いる排気装置5(例えば実施形態2の排気装置5)と比べて、コストダウンを図ることができる。
 <実施形態4>
 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。
 実施形態1~4のエンジン1は、次のような方法によって排ガスを低圧および低温にしている。燃焼室10内で燃料を燃焼させる。燃焼室10の排気口9aを開閉する排気弁9を開くことにより、燃焼室10から排気通路16に排ガス36を排出する。また、排ガス36よりも高速で排気通路16を伝播する衝撃波35を発生させる。その衝撃波35の少なくとも一部を排気通路16から分岐させ、且つ、その分岐した衝撃波35を再び排気通路16へ伝播させて衝撃波35を排ガスに衝突させることによって、排ガスの圧力を高める。また、排気通路16の流路断面積を小さくして排ガス36の圧力を高める。すなわち、排気通路16のうち下流側に行くほど流路断面積が小さくなる部分に排ガスを流通させることによって、排ガスの圧力を高める。そして、排気通路16の流路断面積を大きくしてその排ガス36の流速を高める。すなわち、排気通路16のうち下流側に行くほど流路断面積が大きくなる部分に排ガスを流通させることにより、その排ガスの流速を高める。排気通路16を下流に向かって伝播する新たな衝撃波35bを発生させ、排気通路16に負圧の領域を形成し、断熱膨張による断熱冷却の効果により排ガスを低圧および低温にしている。そのため、エンジン1が高負荷状態または高速度で運転されている状態であっても排ガスを低圧および低温にすることができる。
 図13および図14を参照して、上記のエンジンの排気方法についてさらに詳細に説明する。図13は、排気通路16における排ガス流速と排ガス圧力との関係を時系列で(in Time Sequence)示した図である。図14は、排気通路16における排ガス圧力と排ガス温度の関係を時系列で(in Time Sequence)示した図である。なお、図7で示した波形は、図13(C)で示す衝撃波の加速時における排ガス流速と排ガス圧力の関係を表したものである。図13(A)および図14(A)は、排気口が開いた直後を示す。図13(B)および図14(B)は分岐部21下流で排ガスと衝撃波が衝突した直後を示す。図13(C)および図14(C)は衝撃波がダイバージェント部33で加速されている時点を示す。図13(D)および図14(D)は、衝撃波が加速された後を示す。
 本実施形態のエンジンの排気方法は以下の通りである。
 1)燃焼室10内で燃料が燃焼する。燃焼室10の排気口9aを開くことにより、排ガスが燃焼室10から排気通路16に流入するとともに、排気通路16を排ガスよりも高速で伝播する衝撃波が発生する。図13(A)は、排気口9aを開いた直後の排ガス流速と排ガス圧力を示す。図13(A)に示すように、排気口9aが開くと、排気口9a付近の排ガスの圧力が大気圧よりも高くなる。図14(A)は、排気口9aを開いた直後の排ガス圧力と排ガス温度を示す。図14(A)に示すように、排ガスの温度は燃焼熱を受けて極めて高くなる。
 2)分岐部21が、排気通路16を伝播する衝撃波の少なくとも一部を排気通路16から分岐させる。分岐部21の反射部21bが、その分岐した衝撃波を反射させる。反射した衝撃波は分岐部21を伝播して再び排気通路16へ伝播する。反射した衝撃波は排気通路16を流れている排ガスと衝突し、排ガスの圧力が高まる。また、排気通路16の流路断面積はコンバージェント部32で小さくなり、これにより排ガスの圧力が高まる。なお、衝撃波と排ガスの衝突による排ガス圧力の増加と、流路断面積を小さくすることによる排ガス圧力の増加はいずれが先であっても良い。すなわち、衝撃波と排ガスの衝突は、コンバージェント部32で排ガス圧力を高める前であっても良いし、コンバージェント部32で排ガス圧力を高めた後であっても良い。図13(B)は、排ガス圧力が高められた直後の排ガス流速と排ガス圧力を示す。図13(B)に示すように、コンバージェント部32付近で排ガス圧力は図13(A)の時点よりも高くなっている。排ガス速度は、コンバージェント部32の上流で図13(A)の時点より高くなっている。図14(B)は、排ガス圧力が高められた直後の排ガス圧力と排ガス温度を示す。図14(B)に示すように、排ガス温度は、排気口9aの付近では図14(A)の時点より低下しているが、コンバージェント部32の上流では高くなっている。
 3)排気通路16のダイバージェント部33にて流路断面積を大きくして排ガスの圧力を低下させる。排ガスの圧力が臨界圧力比以下に低下すると、排気通路16を下流に向かって伝播する新たな衝撃波が発生する。衝撃波が発生すると同時に上流に向かう膨張波が発生する。新たな衝撃波はダイバージェント部33にて加速される。このため、排気通路16の下流に向かって進行する衝撃波と排気通路16の上流に向かって進行する膨張波との間の空間に存在する流体は急速に膨張するので、排気通路16を流れている排ガスの圧力を低くすることができる。これにより、排気通路16に負圧の領域を発生させることができる。このとき、断熱膨張による断熱冷却の効果により、衝撃波の上流で排ガスの温度を低下させることができる。図13(C)は、衝撃波がダイバージェント部で加速されている時点の排ガス流速と排ガス圧力を示す。図13(C)に示すように、排ガス圧力はダイバージェント部33の上流で図13(B)の時点よりも急激に低下し、排ガス圧力は負圧となる。これに伴いダイバージェント部33の上流の排ガス流速は急速に高くなる。図14(C)は、衝撃波がダイバージェント部33で加速されている時点の排ガス圧力と排ガス温度を示す。図14(C)に示すように、ダイバージェント部33の上流の排ガス圧力の低下に伴い、排ガス温度は図14(B)の時点よりも急激に低下する。
 図13(D)は、衝撃波が加速された後の排ガス流速と排ガス圧力を示す。図13(D)に示すように、図13(C)の時点でダイバージェント部33の上流で低下した排ガス圧力の影響が、コンバージェント部32の上流の排気口9aにまで到達している。このため、排気口9a付近でも排ガス圧力が負圧となる。図14(D)は、衝撃波が加速された後の排ガス圧力と排ガス温度を示す。図14(D)に示すように、排気口9a付近でも排ガス圧力が負圧となるため、排気口付近の排ガス温度も著しく低下させることができる。これにより、排気弁9を冷却して劣化を抑制することもできる。
 図14に示すように、ダイバージェント部33の下流における排ガス温度には大きな変化は見られない。言い換えれば、図14(A)に示す排気口9a付近の高温の排ガスはダイバージェント部33における断熱冷却の効果により冷却されるため、ダイバージェント部33の下流の排ガスの温度変化を抑制することができる。
 図13および図14に示す例では、ダイバージェント部33の下流に第1の触媒17および第2の触媒18を設けている。上記の通り、ダイバージェント部33の下流の排ガスの温度変化を抑制することができるため、第1の触媒17および第2の触媒18を通過する排ガスの温度が高温になりすぎることを防止することができる。これにより、エンジン1を高負荷・高回転領域で稼動させたとしても、触媒のシンタリングを防止することができる。
 さらに、負圧が発生する領域に二次空気を供給するための二次空気供給通路を接続すると、排気通路へ二次空気を供給することができる。具体的には、図13(C)、図13(D)に示すように、衝撃波35bが加速された後にダイバージェント部33の上流で負圧の領域が発生する。このため、ダイバージェント部33の上流に二次空気供給通路を接続すると、排気通路16へ二次空気を供給することができる。
 <その他の実施形態>
 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。
 図15は、本発明のエンジンを搭載した船舶を表している。具体的には、本発明のエンジン1を有する船外機101を船体に2機搭載した船舶100である。船外機101は船舶100の船尾103に取り付けられ、船舶を推進することができる。船外機101の排気通路は水面より下方で水中に排出される。図16は、本発明のエンジンを搭載した車両である。具体的には、本発明のエンジン1を車体の中央に配置した自動二輪車200である。なお、本発明に係るエンジンの適用対象は何ら限定されない。
 前記各実施形態に係るエンジン1は、1つの燃焼室10に1つの排気装置5が設けられたエンジンである。しかし、1つの燃焼室10に複数の排気装置5が設けられていてもよい。また、本発明に係るエンジンは、ダイバージェント部がその上流でただ1つの燃焼室と接続されているものであれば、多気筒エンジンであってもよい。例えば、2気筒のエンジンの場合には、各気筒に別々の排気通路を形成し、衝撃波を反射する分岐部とダイバージェント部を各排気通路にそれぞれ設けることとすれば良い。3気筒以上の気筒を有するエンジンであっても同様に各気筒に別々の排気通路を形成し、衝撃波を反射する分岐部とダイバージェント部を各排気通路にそれぞれ設ける。このように構成することにより、多気筒エンジンであっても、各排気通路のダイバージェント部より上流において、他の気筒の排ガスの影響を受けることはなく、排ガスの圧力を低下させることができる。
 本実施形態1では、コンバージェント-ダイバージェントノズルにて衝撃波を加速することで、衝撃波の上流に負圧を生じさせ、断熱膨張による断熱冷却の効果により、排ガスの圧力を低下させ、温度を低下させることができる。実施形態1では、コンバージェント部と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。コンバージェント部とダイバージェント部との間の同じ流路断面積で続く部分の長さをエンジンに合わせて設定することで、ダイバージェント部で衝撃波が加速されるタイミング、言い換えれば、排ガスの圧力および温度を低くするタイミングをそのエンジンに合わせて設定することができる。
 本実施形態2では、排気通路に二次空気を供給するための空気通路を設けたため、衝撃波の上流に生じる負圧を利用して排気通路内に効率的に二次空気を供給することができる。これにより、排ガスの温度をより効率的に低下させることができる。また、コンバージェント-ダイバージェントノズルの下流に触媒が搭載されている場合には、触媒を通過する排ガスの温度を低下することができ、触媒のシンタリングを防止等することができる。
 本実施形態3では、分岐部21に空気を供給するので、専ら分岐部21として機能する通路を形成していない。そのため、専用の分岐部21を用いる実施形態1および2と比べて、コストダウンを図ることができる。また、レイアウトの自由度も向上できる。
 本実施形態4では、より簡単な構造で、新たな衝撃波を発生することができる。
   1   エンジン
   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)

  1.  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。
  2.  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。
  3. 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。
  4.  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。
  5.  請求項1または2に記載のエンジンを備えた車両。
  6.  請求項1または2に記載のエンジンを備えた船舶。
  7.  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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