(57)【要約】  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。
2009151135.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【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くことにより、前記燃焼室から排気通路に排ガスを排出するとともに、前記排ガスよりも高速で前記排気通路を伝播する衝撃波を発生させる工程と、
前記衝撃波の少なくとも一部を前記排気通路から分岐させ、且つ、その分岐した衝撃波を再び前記排気通路へ伝播させて前記衝撃波を前記排ガスに衝突させることによって、前記排ガスの圧力を高める工程と、
上流部の流路断面積より下流部の流路断面積が小さい前記排気通路の部分に前記排ガスを流通させることによって前記排ガスの圧力を高める工程と、
前記排ガスを、上流部の流路断面積より下流部の流路断面積が大きい前記排気通路の部分に流通させることにより、前記排気通路を下流に向かって伝播する新たな衝撃波を発生させ、前記排気通路に負圧の領域を発生させる工程と、
を含むエンジンの排気方法。
【請求項５】
請求項１または２に記載のエンジンを備えた車両。
【請求項６】
請求項１または２に記載のエンジンを備えた船舶。
【請求項７】
請求項４に記載の排気方法を採用したエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実開平０１−７６５２０号公報
【発明の開示】
【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、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。【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、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】
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。【０００７】
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。
【発明の効果】
【０００８】
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。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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４】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。
【図５】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６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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１０】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。
【図１１】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。
【図１２】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。
【図１３】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１４】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１５】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。
【図１６】エンジンを搭載した自動二輪車を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
＜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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
【数１】
2009151135.tif 000003
【００２４】
【数２】
2009151135.tif 000004
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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Ｔ１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Ｔ２とする。図４（Ｃ）に示すように、Ｔ1≦Ｔ２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。
【００３１】
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Ｔ１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Ｔ２は、式（４）にて表される。
Ｔ１＝Ｌｅ／Ｖｅ・・・・・・・・・・・（３）
Ｔ２＝（Ｌｅ＋２Ｌｓ）／Ｖｓ・・・・・（４）
ここで、Ｔ１がＴ２以下であるとき（Ｔ１≦Ｔ２）、分岐部２１の入口２１ａよりも下流にて、反射した衝撃波３５と排ガス３６とが衝突する。すなわち、Ｌｅ／Ｖｅ≦（Ｌｅ＋２Ｌｓ）／Ｖｓであれば、衝撃波３５と排ガス３６とが分岐部２１の入口２１ａよりも下流にて衝突する。なお、便宜上、例えば排ガス３６の最大速度を上記速度Ｖｅと見なしてもよく、平均速度を上記速度Ｖｅと見なしてもよい。同様に、例えば衝撃波３５の最大伝播速度を上記伝播速度Ｖｓと見なしてもよく、平均伝播速度を上記伝播速度Ｖｓと見なしてもよい。
【００３２】
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Ｔ３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Ｔ４は、式（６）にて表される。
Ｔ３＝ｔｖ＋（Ｌｅ＋Ｌｄ）／Ｖｅ・・・・・（５）
Ｔ４＝（Ｌｅ＋２Ｌｓ＋Ｌｄ）／Ｖｓ・・・・（６）
ここで、Ｔ４がＴ３以下であるとき（Ｔ４≦Ｔ３）、排ガス３６の全部がスロート部３４を通り過ぎる前に、衝撃波３５と排ガス３６とを衝突させることができる。すなわち、（Ｌｅ＋２Ｌｓ＋Ｌｄ）／Ｖｓ≦ｔｖ＋（Ｌｅ＋Ｌｄ）／Ｖｅであれば、排ガス３６の全部がスロート部３４を通り過ぎる前に、衝撃波３５と排ガス３６とを衝突させることができる。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
＜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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
＜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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
＜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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
本実施形態のエンジンの排気方法は以下の通りである。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
＜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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【符号の説明】
【００６８】
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
【図１】
2009151135.tif 000005
【図２】
2009151135.tif 000006
【図３】
2009151135.tif 000007
【図４】
2009151135.tif 000008
【図５】
2009151135.tif 000009
【図６】
2009151135.tif 000010
【図７】
2009151135.tif 000011
【図８】
2009151135.tif 000012
【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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【国際調査報告】
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