(57)【要約】  排ガスの圧力または温度を従来以上に低下させることが可能な多気筒エンジンを提供する。エンジン１は、＃Ａ気筒と♯Ｂ気筒と排気通路１６とを備える。排気通路１６は、コンバージェント−ダイバージェントノズル３１と、ダイバージェント部３３の上流端より上流に設けられ、開いている期間が重ならない燃焼室の排気口９ａのみを接続する排気集合部１９とを備える。集合上流部１９ａを伝播する衝撃波３５は接続部１８１で分岐し、分岐した衝撃波３５は♯Ｂ気筒の排気弁９で反射され、排ガス３６に衝突する。衝撃波３５によって圧力が高められた排ガスがコンバージェント−ダイバージェントノズル３１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すると共に、上流に向かって伝播する膨張波が発生し、排ガスの温度および圧力が大きく低下する。
2009151138.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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１１】
請求項１に記載のエンジンを備えた車両。
【請求項１２】
請求項１に記載のエンジンを備えた船舶。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実開平０１−７６５２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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、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°であり、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。そのため、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。【０００５】
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、複数の気筒の排気口が互いに接続された多気筒エンジンにおいて、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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る多気筒エンジンは、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ものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明では、ダイバージェント部より上流に、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、排気口が開かれている期間が重ならない複数の燃焼室の排気口を接続する排気集合部を設けた。それにより、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。そして、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集合部に流れ込む排ガスよりも高速で集合部を伝播する衝撃波を、排気口を閉じている排気弁で反射し、且つ、その反射した衝撃波を排気通路のダイバージェント部より上流で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。そして、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。その結果、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。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明のエンジンを搭載した船舶である。
【図２】船外機のエンジン部分を拡大して示す平面図である。
【図３】実施形態１に係る多気筒エンジンの側面図である。
【図４】船外機のエンジン部分を拡大して示す側面図である。
【図５】コンバージェント−ダイバージェントノズルの模式図である。
【図６】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。
【図７】衝撃波と排ガスとの進行を示す排気装置の模式図であり、（Ａ）は排気工程の初期の状態であり、（Ｂ）は衝撃波が分岐路内に伝播するときの状態であり、（Ｃ）は分岐路で反射した衝撃波と排ガスが衝突するときの状態である。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】第１の排気管の所定位置で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。
【図１１】第１の排気管の所定位置で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。
【図１２】図１０および図１１における排気通路１６と、実施形態１における排気通路１６との対応を示す図である。
【図１３】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。
【図１４】二次空気供給管が接続された排気管の側面図である。排気管と二次空気供給管の一部が破断した状態で描かれている。
【図１５】二次空気供給管が接続された排気管の平面図である。二次空気供給管、リード弁、および連通管の一部が破断した状態で描かれている。
【図１６】実施形態３に係るエンジンの構成を示す模式図である。
【図１７】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。
【図１８】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。
【図１９】本発明のエンジンを搭載した自動二輪車である。
【図２０】その他の実施形態を示す排気装置の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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、それによって多気筒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。
【００１０】
その方法とは、次の通りである。（１）排気口から排気通路に排出される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、排ガスを排出した排気口とは別の排気口を閉じている排気弁で反射させる。（３）反射した衝撃波を、排ガスと衝突させてその排ガスの圧力を高める。（４）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。（５）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。
【００１１】
＜実施形態１＞
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。
【００１２】
図中の矢印Ｆの方向は、船外機１０１の前方を示す。なお、以下の説明では、船外機１０１を装備した船体が前進するとき、換言すれば船体が前方へ直進するときの進行方向を船外機１０１の前方といい、これとは１８０°逆の方向を後方という。また、船体が前進しているときの進行方向に対する左側を船外機左側、または単に左側といい、船体が前進しているときの進行方向に対する右側を船外機右側、または単に右側という。さらに、船体が前進しているときの船外機１０１の左右方向を船外機１０１の幅方向という。また、「上流」、「下流」は、排ガスの流れ方向に関する上流、下流をそれぞれ意味する。
【００１３】
図２に示すように、エンジン１は、クランク軸４１を回転自在に支持するクランクケース４２およびシリンダボディ３と、シリンダボディ３に取り付けられたシリンダヘッド４と、シリンダヘッド４に取付けられたヘッドカバー４４等を備えている。エンジン１は、クランクケース４２がシリンダヘッド４より前側に位置する状態で搭載されている。言い換えれば、クランクケース４２がシリンダヘッド４より船体に近接する状態で搭載されている。また、これらの部材は、前方から後方に向かって、クランクケース４２、シリンダボディ３、シリンダヘッド４、およびヘッドカバー４４の順で、船外機１０１の前後方向に並んでいる。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。
【００１４】
シリンダボディ３には、４つの気筒を構成する気筒４８が上下方向に並ぶように形成されている。シリンダヘッド４には、各気筒の吸気通路の下流部６および排気通路の上流部７が形成されている。また、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とが設けられている。さらに、シリンダヘッド４には、吸気弁８と排気弁９とを駆動する動弁装置５３と、インジェクタ２とが設けられている。インジェクタ２は、気筒毎に設けられ、吸気通路の下流部６の内部に燃料を噴射する。シリンダヘッド４に形成された吸気通路の下流部６の上流端は、シリンダヘッド４の右側面に開口している。排気通路の上流部７の下流端は、シリンダヘッド４の左側面に開口している。
【００１５】
排気通路の上流部７の前記開口は、排ガス出口３８を形成している。前記開口は、シリンダヘッド４の左側面に開口した、排気通路の上流部７の下流端のことである。排ガス出口３８は、シリンダヘッド４の左側面に開口している。言い換えれば、排ガス出口３８は、船外機１０１の幅方向に関して、吸気通路の下流部６とは反対方向に開口している。
【００１６】
図３および図４に示すように、本実施形態に係る排気装置１７２は、排気通路の上流部７と、第１の排気管１７３と、第２の排気管１７４と、第３の排気管１７５と、排気チャンバー１７６と、主排気通路１７７と、第１の触媒１７と、第２の触媒１８とを備えている。主排気通路１７７は、排気チャンバー１７６の下端部から下方に延びるように形成されている。主排気通路１７７は、プロペラ１０６の軸心部において水中に開口している。
【００１７】
第１の触媒１７と第２の触媒１８とは、三元触媒である。第１の触媒１７は、第１の排気管１７３と第２の排気管１７４との接続部分に設けられている。第２の触媒１８は、第２の排気管１７４と第３の排気管１７５の接続部分に設けられている。
【００１８】
第１の排気管１７３は、排ガス出口３８に上流端が接続されている。第２の排気管１７４は、第１の排気管１７３の下流端に接続されている。第３の排気管１７５は、第２の排気管１７４の下流端に接続されている。排気チャンバー１７６は、第３の排気管１７５の下流端に接続されている。
【００１９】
エンジン１の各気筒から排出される排ガスは、第１の排気管１７３、第２の排気管１７４、および第３の排気管１７５を通って排気チャンバー１７６にそれぞれ流入する。排気チャンバー１７６に流入したエンジン１の各気筒の排ガスは、排気チャンバー１７６で合流し、主排気通路１７７の上流端部に排出される。主排気通路１７７の内部に導入された排ガスは、プロペラ１０６の軸心部から水中に排出される。本実施形態では、第１の排気管１７３、第２の排気管１７４、第３の排気管１７５、排気チャンバー１７６および主排気通路１７７の内部に形成されている空間により、排気通路１６が構成されている。
【００２０】
図４に示すように、エンジン１は、クランク軸４１の軸線が上下方向を指向している。また、エンジン１は、＃１気筒〜＃４気筒がクランク軸４１の後方に位置する状態（クランク軸４１に対して船体とは反対側に位置する状態）で船外機に搭載されている。本実施形態において、エンジン１の４つの気筒のうち、最上位に配置された気筒を＃１気筒と呼称し、＃１気筒の下方に配置される気筒を順に＃２気筒、＃３気筒、＃４気筒と呼称する。また、エンジン１の点火順序は、＃１気筒−＃３気筒−＃４気筒−＃２気筒という順序である。このうち、＃１気筒と＃４気筒とは、点火時期が互いにクランク角で３６０度異なっており、＃１気筒と＃４気筒の排気口９ａが開いている期間は重ならない。また、＃２気筒と＃３気筒とは、点火時期が互いにクランク角で３６０度異なっており、＃２気筒と＃３気筒の排気口９ａが開いている期間は重ならない。
【００２１】
２本の第１の排気管１７３が組み合わされた二つの排気管のうち、一方の排気管は、＃１気筒用上流部１７３ａおよび＃４気筒用上流部１７３ｄと、第１の接続部１７３ｅと、第１の下流部１７３ｇおよび第２の下流部１７３ｈとによって形成されている。第１の接続部１７３ｅは、＃１気筒用上流部１７３ａの下流端と＃４気筒用上流部１７３ｄの下流端とを互いに接続している。第１の下流部１７３ｇと第２の下流部１７３ｈとは、それぞれ第１の接続部１７３ｅに接続され、第１の接続部１７３ｅから互いに分岐して下流に向かって延びている。２本の第１の排気管１７３が組み合わされた二つの排気管のうち、他方の排気管は、＃２気筒用上流部１７３ｂおよび＃３気筒用上流部１７３ｃと、第２の接続部１７３ｆと、第３の下流部１７３ｉおよび第４の下流部１７３ｊとによって形成されている。第２の接続部１７３ｆは、＃２気筒用上流部１７３ｂと＃３気筒用上流部１７３ｃの下流端とを互いに接続している。第３の下流部１７３ｉと第４の下流部１７３ｊとは、それぞれ第２の接続部１７３ｆに接続され、第２の接続部１７３ｆから互いに分岐して下流に向かって延びている。
【００２２】
第１の下流部１７３ｇ、第２の下流部１７３ｈ、第３の下流部１７３ｉおよび第４の下流部１７３ｊには、それぞれ後述するコンバージェント−ダイバージェントノズル３１が形成されている。
【００２３】
図５は、一般的なコンバージェント−ダイバージェントノズル３１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５の矢印は流体の進行方向を示している。本実施形態においては、その流体は排ガス３６である。
【００２４】
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。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の関係が見られる。ここで、スロート部３４の流路断面積Ａ２は、コンバージェント部３２の下流端の流路断面積Ａ２およびダイバージェント部３３の上流端の流路断面積と同じである。なお、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）に形成しても良い。また、滑らかな曲面に形成しても良い。
【００２５】
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。
【００２６】
【数１】
2009151138.tif 000003
【００２７】
【数２】
2009151138.tif 000004
【００２８】
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。
【００２９】
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＝０．５２８よりも小さいと、流体の速度は、スロート部３４で音速となり、ダイバージェント部３３で超音速となる。図６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３３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。
【００３０】
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３６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３６の温度を急速に下げることができる。そして、本発明者は鋭意研究の結果、排気通路１６にコンバージェント−ダイバージェントノズル３１を設け、さらにコンバージェント−ダイバージェントノズル３１の上流の排気通路の接続方法を工夫することによって、そのような状態を実現可能とした。
【００３１】
図７（Ａ）〜（Ｃ）を用いて、排気通路内に大きな負圧を発生させる方法を詳細に説明する。図７（Ａ）〜（Ｃ）は、本実施形態における排気装置１７２を模式的に示している。ここで、＃Ａ気筒と＃Ｂ気筒とは、点火時期が互いに３６０°異なっており、＃Ａ気筒と＃Ｂ気筒の排気口９ａが開いている期間は重なっていない。
【００３２】
図７（Ａ）〜（Ｃ）において、排気通路１６の、ダイバージェント部３３の上流端より上流の部分を排気集合部とする。さらに、排気集合部において、接続部１８１より上流で＃Ａ気筒の排気口９ａに接続されている部分を第１の集合上流部１９ａとし、接続部１８１より上流で＃Ｂ気筒の排気口９ａに接続されている部分を第２の集合上流部１９ｂとする。さらに、排気集合部において、接続部１８１より下流の部分を集合下流部１９ｃとする。また、図７（Ａ）〜（Ｃ）において、図１〜図５に図示されたものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し説明を適宜省略する。
【００３３】
図７（Ａ）に示すように、＃Ａ気筒において排気行程で排気口９ａが開くと、高圧の排ガス３６が燃焼室１０から排気通路１６の第１の集合上流部１９ａに噴出する。排気口９ａが開き始めた時点では、燃焼室１０と第１の集合上流部１９ａ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、第１の排気集合部１９ａに衝撃波３５が発生する。排気口９ａが大きく開くにつれて、第１の排気集合部１９ａに流出する排ガス３６の量は多くなるが、排ガス３６の速度は遅くなる。また、排ガス３６は第１の排気集合部１９ａを進むにしたがって減速する。衝撃波３５は、第１の排気集合部１９ａを下流に向けて高速で伝播する。一方、排ガス３６は、衝撃波３５より遅れて第１の排気集合部１９ａを衝撃波３５と比べて低い速度で下流へ進行する。
【００３４】
図７（Ｂ）に示すように、第１の排気集合部１９ａを伝播する衝撃波３５は、接続部１８１を通過するときに、二つの集合下流部１９ｃを伝播する衝撃波３５と第２の排気集合部１９ｂを伝播する衝撃波３５とに分岐し、集合下流部１９ｃと第２の排気集合部１９ｂとをそれぞれ独立して伝播する。集合下流部１９ｃ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、第２の排気集合部１９ｂを進行する衝撃波３５は、＃Ｂ気筒の排気口９ａを閉じている排気弁９で反射され、第２の排気集合部１９ｂを逆行して接続部１８１に戻る。
【００３５】
図７（Ｃ）に示すように、反射した衝撃波３５が第２の排気集合部１９ｂから接続部１８１に戻る時期が、＃Ａ気筒から排出されて第１の排気集合部１９ａを遅れて進む高圧の排ガス３６が接続部１８１に到達する時期と同じか又はそれよりも遅くなるように、排気集合部１９の寸法は設計されている。そのため、反射した衝撃波３５と排ガス３６とが、接続部１８１の上流端より下流、且つ、ダイバージェント部３３の上流端より上流で衝突する。
【００３６】
接続部１８１の上流端より下流、かつ、ダイバージェント部３３よりも上流にて反射した衝撃波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のコンバージェント部の全圧Ｐ０が高くなり、コンバージェント部の全圧Ｐ０とダイバージェント部の静圧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。
【００３７】
図８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３５ｂ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８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。そして、膨張波３５ｃが衝撃波３５ｂと逆方向に進行することにより、衝撃波３５ｂと膨張波３５ｃとの間に存在する排ガス３６は、断熱膨張により圧力が大きく低下して大気圧以下になる。
【００３８】
図９に示すように、第１の集合上流部１９ａの流路断面の中心線Ｘと、第２の集合上流部１９ｂの流路断面の中心線Ｙとが交わる点を接続部中心１８１ｃとする。そして、＃Ａ気筒の排気口９ａの中心９ａｃと接続部中心１８１ｃとの間の距離をＬｅ１、＃Ｂ気筒の排気弁９と接続部中心１８１ｃとの間の距離をＬｅ２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。すると、＃Ａ気筒の排気口９ａが開いてから排ガス３６が接続部１８１に到達するまでの時間Ｔ１は、式（３）にて表される。また、＃Ａ気筒の排気口９ａが開いてから衝撃波３５が＃Ｂ気筒の排気弁９で反射されて接続部１８１に到達するまでの時間Ｔ２は、式（４）にて表される。
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。
【００３９】
図９に示すように、接続部中心１８１ｃ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、排気口９ａが開いてから閉じるまでの時間をｔｖとする。すると、＃Ａ気筒の排気口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Ｔ３は、式（５）にて表される。また、＃Ａ気筒の排気口９ａが開いてから衝撃波３５が＃Ｂ気筒の排気弁９で反射されてダイバージェント部３３の上流端に到達するまでの時間Ｔ４は、式（６）にて表される。
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。
【００４０】
以上は＃Ａ気筒が排気行程にある場合で説明したが、＃Ｂ気筒が＃Ａ気筒と同様の条件を満たせば、同様の効果を生じる。具体的には、以下の式（７）、（８）を満たせばよい。
Ｌｅ２／Ｖｅ≦（Ｌｅ２＋２Ｌｅ１）／Ｖｓ・・・・・（７）
（Ｌｅ２＋２Ｌｅ１＋Ｌｄ）／Ｖｓ≦ｔｖ＋（Ｌｅ２＋Ｌｄ）／Ｖｅ・・・・・（８）
【００４１】
図１０および図１１に、本発明者が行ったシミュレーション結果を示す。また、図１２は、図１０および図１１における排気通路１６と、本実施形態における排気通路１６との対応を示す図である。図１０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）及び排ガスの圧力（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）を示す。図１０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）及び排ガスの温度（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において衝撃波が発生すると、ダイバージェント部にて衝撃波が加速される。すると、図１０および図１１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１０及び図１１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。
【００４２】
本実施形態では、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。分岐部にて反射された衝撃波が排ガスと衝突すると、衝撃波が排ガス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僅かに低下するため、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３５が加速されるタイミング、言い換えれば、排ガス３６を低圧及び低温に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。  
【００４３】
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３６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より上流で開いている期間が重ならない燃焼室の排気口９ａのみを接続しているため、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はない。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。
【００４４】
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３６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。
【００４５】
図１３を用いてこの点をさらに説明する。図１３（Ａ）は従来のエンジンのＰ―Ｖ線図であり、図１３（Ｂ）は本実施形態に係るエンジン１のＰ−Ｖ線図である。図１３（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。
【００４６】
また、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。三元触媒は、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、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ため、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、排ガス３６の温度を低下することができるので、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。
【００４７】
図４に示すように、本実施形態に係る＃１気筒用上流部１７３ａの管長と＃４気筒用上流部１７３ｄの管長とは、同一の管長に形成されている。また、本実施形態に係る＃２気筒用上流部１７３ｂの管長と＃３気筒用上流部１７３ｃの管長とは、同一の管長に形成されている。そのため、排気行程で、＃１気筒用上流部１７３ａで生じた衝撃波３５が第１の接続部１７３ｅから＃４気筒用上流部１７３ｄに伝播し、＃４気筒の排気弁９で反射して第１の接続部１７３ｅに戻るために要する時間と、＃４気筒用上流部１７３ｄで生じた衝撃波３５が第１の接続部１７３ｅから＃１気筒用上流部１７３ａに伝播し、＃１気筒用の排気弁９で反射して第１の接続部１７３ｅに戻るために要する時間とが等しくなる。このことは、＃２気筒用上流部１７３ｂと＃３気筒用上流部１７３ｃとにもそのまま該当する。
【００４８】
また、前述したように、本実施形態に係るエンジン１では、第１の排気管１７３の＃１気筒用上流部１７３ａの管長と、＃４気筒用上流部１７３ｄの管長と、＃２気筒用上流部１７３ｂの管長と、＃３気筒用上流部１７３ｃの管長とは、それぞれ同一の管長に形成されている。このため、第１〜第４の下流部１７３ｇ〜１７３ｊにそれぞれ設けられているコンバージェント−ダイバージェントノズル３１にて等しく排ガス３６の速度を上昇させることができ、全ての排気通路１６の圧力を略均等に低下させることが可能になる。
【００４９】
＜実施形態２＞
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。
【００５０】
図１４および図１５に示すように、二次空気供給装置１２０は、二次空気供給管１２２、第１のリード弁１２３、第２のリード弁１２４を備える。二次空気供給管１２２は、第１の接続部１７３ｅに接続された第１の二次空気供給管１２２ａと、第２の接続部１７３ｆに接続された第２の二次空気供給管１２２ｂとによって形成されている。第１の二次空気供給管１２２ａは、第１のリード弁１２３を介してエンジン１の吸気装置６５に接続されている。第２の二次空気供給管１２２ｂは、第２のリード弁１２４を介してエンジン１の吸気装置６５に接続されている。
【００５１】
第１の二次空気供給管１２２ａは、鋳造によって第１の排気管１７３と一体に形成された下部１２２ｃと、下部１２２ｃの上端部に取付けられた上部１２２ｄとよって形成されている。一方、第２の二次空気供給管１２２ｂは、鋳造によって第１の排気管１７３と一体に形成された下部１２２ｅと、下部１２２ｅの上端部に取付けられた上部１２２ｆとよって形成されている。
【００５２】
第１のリード弁１２３と第２のリード弁１２４とが設けられていることにより、排ガスが二次空気供給通路１２１からエンジン１の吸気装置６５に流出することを防ぐことができる。第１のリード弁１２３と第２のリード弁１２４とは、排気通路１６の内部に負圧が生じることにより開き、空気を二次空気供給管１２２を介して排気通路１６へ供給する。
【００５３】
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。さらに、そのポンプをエンジンで駆動するため、エンジン出力の損失が多くなっていた。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なくても、排気通路１６に充分な量の空気を供給することができる。なお、空気を供給するポンプを用いても、ポンプに掛かる負荷を小さくできるので、エンジン出力の損失は少なくできる。
【００５４】
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。
【００５５】
＜実施形態３＞
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。
【００５６】
実施形態１〜３のエンジン１は次のように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。＃Ａ気筒の燃焼室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から第１の集合上流部１９ａに排ガス３６を排出する。また、排ガス３６よりも高速で第１の集合上流部１９ａ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第１の集合上流部１９ａから分岐させ、且つ、その分岐した衝撃波３５を第２の集合上流部１９ｂを伝播させて＃Ｂ気筒の排気弁９で反射させる。その反射した衝撃波３５を第２の集合上流部１９ｂにて逆行させ、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。
【００５７】
図１７および図１８にて、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１７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１８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１０で示した波形は、図１７（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１７（Ａ）および図１８（Ａ）は、排気口９ａが開いた直後を示す。図１７（Ｂ）および図１８（Ｂ）は接続部１８１の下流で排ガスと衝撃波が衝突した直後を示す。図１７（Ｃ）および図１８（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１７（Ｄ）および図１８（Ｄ）は、衝撃波が加速された後を示す。
【００５８】
本実施形態の多気筒エンジンの排気方法は以下の通りである。
【００５９】
１）＃Ａ気筒の燃焼室内で燃料が燃焼する。燃焼室の排気口９ａを開くことにより、排ガスが燃焼室から第１の集合上流部１９ａに排出するとともに、第１の集合上流部１９ａを排ガスよりも高速で伝播する衝撃波が発生する。図１７（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１７（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１８（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１８（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。
【００６０】
２）第２の集合上流部１９ｂが、第１の集合上流部１９ａを伝播する衝撃波の少なくとも一部を分岐させる。＃Ｂ気筒の排気弁９が、その分岐した衝撃波を反射させる。反射した衝撃波は第２の集合上流部１９ｂを逆行して接続部１８１へ伝播する。反射した衝撃波は接続部１８１または集合下流部１９ｃ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１７（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１７（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１７（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１７（Ａ）の時点より高くなっている。図１８（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１８（Ｂ）に示すように、排ガス温度は、排気口９ａの付近では図１８（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。
【００６１】
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１７（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流速と排ガス圧力を示す。図１７（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１７（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１８（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１８（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１８（Ｂ）の時点よりも急激に低下する。
【００６２】
図１７（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１７（Ｄ）に示すように、図１７（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１８（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１８（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。
【００６３】
図１８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１８（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。
【００６４】
図１７および図１８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。
【００６５】
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１６へ二次空気を供給することができる。具体的には、図１７（Ｃ）、図１７（Ｄ）に示すように、衝撃波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。
【００６６】
＜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。
【００６７】
前記各実施形態にかかるエンジン１は、１つの接続部１８１の下流に２つのコンバージェント−ダイバージェントノズル３１を備えている。しかし、本発明にかかるエンジン１の形状はこれに限定されない。例えば、１つの接続部１８１に対して１つのコンバージェント−ダイバージェントノズル３１を設けても良いし、３つ以上のコンバージェント−ダイバージェントノズル３１を設けても良い。
【００６８】
前記各実施形態にかかるエンジン１は、直列エンジンであった。しかし、本発明にかかるエンジン１の形状はこれに限定されない。例えば、エンジン１はＶ型エンジンであっても良いし、水平対向エンジンであっても良いし、星型エンジンであっても良い。
【００６９】
前記各実施形態にかかるエンジン１は、図２０（Ａ）に示すように、４つの気筒と２つの排気集合部１９とを備え、各排気集合部１９で、ダイバージェント部３３より上流でそれぞれ２つの燃焼室１０に形成された排気口９ａを接続するものであった。しかし、本発明に係るエンジン１は、ダイバージェント部３３より上流で、開いている期間が重ならない燃焼室の排気口９ａのみ接続されていればよい。例えば、図２０（Ｂ）に示すように、６つの気筒と３つの排気集合部１９とを備え、各排気集合部１９で、ダイバージェント部３３より上流でそれぞれ２つの燃焼室１０に形成された排気口９ａを接続してもよい。例えば、図２０（Ｃ）に示すように、６つの気筒と２つの排気集合部１９とを備え、各排気集合部１９で、ダイバージェント部３３より上流でそれぞれ３つの燃焼室１０に形成された排気口９ａを接続してもよい。例えば、図２０（Ｄ）に示すように、２つの気筒と１つの排気集合部１９とを備え、排気集合部１９で、ダイバージェント部３３より上流で２つの燃焼室１０に形成された排気口９ａを接続してもよい。例えば、図２０（Ｅ）に示すように、３つの気筒と１つの排気集合部１９とを備え、排気集合部１９で、ダイバージェント部３３より上流で３つの燃焼室１０に形成された排気口９ａを接続してもよい。例えば、図２０（Ｆ）に示すように、８つの気筒と４つの排気集合部１９とを備え、各排気集合部１９で、ダイバージェント部３３より上流でそれぞれ２つの燃焼室１０に形成された排気口９ａを接続してもよい。
【００７０】
図２０（Ａ）、図２０（Ｂ）、図２０（Ｄ）、図２０（Ｆ）に示す具体例では、排気集合部１９は、ダイバージェント部３３より上流でそれぞれ２つの燃焼室１０に形成された排気口９ａを接続している。このため、実施形態１と同様の条件を満たすことで同様の効果を生じる。
【００７１】
図２０（Ｃ）、図２０（Ｅ）に示す具体例では、排気集合部１９は、ダイバージェント部３３より上流でそれぞれ３つの燃焼室１０に形成された排気口９ａを接続している。このため、ダイバージェント部３３より上流で、開いている期間が重ならない燃焼室の排気口９ａのみ接続されていることに加え、以下の式（９）から（２０）を満たす必要がある。
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。
【符号の説明】
【００７２】
１      エンジン
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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