WO2009151137A1 - エンジン、車両、船舶、およびエンジンの排ガス浄化方法 - Google Patents

Abstract

　排ガスの温度の上昇を抑え、触媒の劣化を少なくして浄化効率を高めることができるエンジンを提供する。エンジン１は、コンバージェント部３２とダイバージェント部３３と分岐部２１とを有する。分岐部２１は、排気弁９が開かれた時に燃焼室１０から排気通路１６に流れ込む排ガス３６よりも高速で下流に向かって伝播する衝撃波３５を、ダイバージェント部３３より上流の排気通路１６から分岐し、且つ、その衝撃波３５を再び排気通路１６へ伝播させる。排ガス３６を、コンバージェント部３２を通過させ、且つ、分岐部２１とダイバージェント部３３との間で衝撃波３５と衝突させ、コンバージェント部３２での排ガス３６の圧力を高める。その排ガス３６を、ダイバージェント部３３を通過させて新たな衝撃波３５ｂを発生させ、排ガスの温度を低下させる。排気浄化装置４０の触媒４１は、ダイバージェント部３３より下流の排気通路１６に設けられている。

Description

エンジン、車両、船舶、およびエンジンの排ガス浄化方法

　本発明は、エンジン、車両、船舶、およびエンジンの排ガス浄化方法に関する。

　従来から、特許文献１で提案されているような排ガスを浄化する三元触媒（Ｔｈｒｅｅ　Ｗａｙ　Ｃａｔａｌｙｓｔ）を備えたエンジン（Ｉｎｔｅｒｎａｌ　Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅ）が知られている。

特開平０７－２０５８９０号公報

　しかしながら、三元触媒の浄化効率を最大にするためには、混合気の空燃比（以下、燃焼空燃比という）を理論空燃比にする必要がある。ところが、高負荷状態においてエンジンを理論空燃比で運転させると、燃焼温度が非常に高くなり、排ガスの温度が高くなる。しかし、排ガス温度が高くなりすぎると、触媒が過度の高温に晒され、いわゆるシンタリングと呼ばれる現象によって劣化し、浄化効率が低下する。そのため、特許文献１で提案されているようなエンジンでは、排ガス温度が過度に高温にならないように高負荷状態では、エンジンを空燃比が理論空燃比よりも小さい状態で運転させていた。その結果、三元触媒の浄化性能を最大限活用できなかった。

　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、排ガスの温度の上昇を抑え、触媒の劣化を少なくして浄化効率を高めることができるエンジンを提供することにある。

　本願発明者は、排気口が開かれた時に排気通路を下流に向かって伝播する衝撃波を見出した。そして、衝撃波の後方で負圧が発生することを利用すれば、高負荷状態であっても空気を供給できると考えた。しかしながら、この衝撃波は、排気口近傍で発生するため、その排気口近傍に大量の空気を供給して、排ガスの温度を低下させることを考えた。しかしながら、その結果、ポンピングロス（Ｐｕｍｐｉｎｇ　Ｌｏｓｓ）が増えてエンジン出力が低下することがわかった。

　そこで、本願発明者は、排気口が開かれた時に排気通路を下流に向かって伝播する衝撃波とは別の新たな衝撃波を排気通路内に発生させて、排気通路内の圧力と温度を低くすることを考えた。言い換えれば、排ガスの圧力と温度を低下させることである。一般的に知られているコンバージェント－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）の原理を二次空気供給装置を備えたエンジンに応用することである。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。そこで、排気通路に新たな衝撃波を発生させるために、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と、そのコンバージェント部より下流に、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を設けた。しかしながら、コンバージェント部とダイバージェント部を排気通路に設けただけでは、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）が臨界圧力比に達しないため、新たな衝撃波を発生させることができなかった。

　本願発明者は、エンジンを更に鋭意研究した結果、排気口が開かれた時に排気通路を下流に向かって伝播する衝撃波は、その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伝播することを見出した。この衝撃波の速度と排ガスの速度との違いに着目して、コンバージェント部の圧力Ｐ０を高める構造を考えた。それが、先行する衝撃波を分岐して、再び排気通路内に伝播させる分岐部を設ける構造である。そして、ダイバージェント部より下流の排気通路に設けた触媒と組み合わせる構造を考えた。

　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、前記排気通路に設けられた触媒を有する排気浄化装置と、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、前記排気口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、その排ガスの温度を低下させ、前記排気浄化装置の前記触媒は、前記ダイバージェント部より下流の前記排気通路に設けられているものである。

　本発明に係る他のエンジンは、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、前記排気通路に設けられた触媒を有する排気浄化装置と、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、前記排気口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、前記排気浄化装置の前記触媒は、前記ダイバージェント部より下流の前記排気通路に設けられ、前記排気口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、前記分岐部の前記衝撃波の伝播する距離Ｌｓが、Ｌｅ／Ｖｅ≦（Ｌｅ＋２Ｌｓ）／Ｖｓの関係を満たし、且つ、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の関係を満たすものである。

　本発明に係るエンジンの排ガス浄化方法は、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、前記排気通路の上流部の流路断面積より下流部の流路断面積が小さい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、前記排気通路の上流部の流路断面積より下流部の流路断面積が大きい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、前記排ガスの温度を低くする工程と、触媒を通過させて前記排ガスを浄化する工程と、を含むものである。

　本発明によれば、その先行する衝撃波を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、排ガスの圧力が高まる。また、コンバージェント部を通過させることで、排ガスの圧力が高まる。そして、コンバージェント部での排ガスの圧力が高まる。その排ガスを、ダイバージェント部を通過させたので、排気口が開いた時に発生する衝撃波とは別に新たな衝撃波が発生し、排ガスの温度が低くなる。これを利用して、触媒に流れ込む排ガスの温度を低下させることができる。その結果、触媒の劣化を少なくして浄化効率を高めることができる。

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の圧縮比とマッハ数との関係を示す図である。 衝撃波と排ガスとの進行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。 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。 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。 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。 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。 排気通路の流路断面積に対する二次空気供給通路の流路断面積の比率と、二次空気供給通路から二次空気を供給した場合の空燃比Ｒに対する二次空気を供給しない場合の空燃比Ｒ０の比率との関係を示したグラフである。 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。 排気通路における排ガス流速と排ガス圧力との関係を時系列で示した図である。 排気通路におけ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。 本発明のエンジンを搭載した船舶である。 本発明のエンジンを搭載した車両である。 本発明を適用した多気筒エンジンであり、図４と同様、衝撃波と排ガスとの進行を示す排気通路等の断面図である。 実施形態の変形例を示す排気通路等の断面図である。

　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、排気通路内の圧力と温度を大きく低下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）排気通路内の排ガスの圧力と温度を大きく低下させる。

　＜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。なお、以下の説明において、「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。

　図１に示すように、エンジン１は、シリンダボディ３と、その一端に設けられるシリンダヘッド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内燃機関である。エンジン１は単気筒エンジンである。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１６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。しかしながら、吸気口８ａ、吸気弁８、排気口９ａおよび／または排気弁９は、一つの燃焼室に対して複数設けられていてもよい。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。

　吸気通路の下流部６の上流には、図示されていない吸気通路の上流部が接続されている。その上流部の内部には、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、モータにより電子制御されるものであってもよい。

　排気装置５は、シリンダヘッド４と、そのシリンダヘッド４に接続された第１の排気管１２と、その第１の排気管１２に接続される第２の排気管１３と、その第２の排気管１３に接続される第３の排気管１４とを備えている。第１の排気管１２は、シリンダヘッド４にボルト１１によって取付けられている。第３の排気管１４は、その内部に排気チャンバー１５を形成している。そして、排気装置５は、上流部７から排気チャンバー１５を介して外部につながる排気通路１６を、その内部に形成している。

　図１に示すように、本実施例の排気浄化装置４０は、第１の触媒４１および第２の触媒４２を含む。第１の触媒４１および第２の触媒４２は、排気通路１６に設けられている。第２の触媒４２は第１の触媒４１の下流に配置されている。第１の触媒４１と第２の触媒４２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信号に基づき、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。

　第１の排気管１２の上流部には、分岐管２２が設けられている。分岐管２２の一端は第１の排気管１２に接続され、他端は閉塞されている。閉塞された他端は、後述する衝撃波を反射する反射部２１ｂを形成している。分岐管２２は、第１の排気管１２に一体成形されている。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、リベットなどの締結部材（図示せず）によって固定されていてもよい。分岐管２２の前記他端は、前記一端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、分岐管２２の形状は図１に示す形状に限定されない。分岐管２２の前記他端の流路断面積は、前記一端の流路断面積と同一であってもよく、前記一端の流路断面積より小さくてもよい。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につながり、他端は閉塞されている。分岐部２１の入口２１ａ（すなわち、排気通路１６との連通部分）の流路断面積の大きさは、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の内部にも伝播することができるような大きさに形成されている。なお、図中、Ｘは、分岐部２１の入口２１ａの流路断面の中心線である。

　分岐部２１と第１の触媒４１との間には、コンバージェント－ダイバージェントノズル３１が設けられている。コンバージェント－ダイバージェントノズル３１は、通称、デ　ラバル　ノズルと呼称される。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。コンバージェント－ダイバージェントノズル３１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とによって形成されている。コンバージェント部３２は、下流に向かうにしたがって流路断面積が漸次減少する部分である。ダイバージェント部３３は、下流に向かうにしたがって流路断面積が漸次増大する部分である。スロート部３４は、コンバージェント部３２とダイバージェント部３３との間に配置された部分であり、流路断面積が最も小さい部分である。

　排気装置５の排気通路１６に空気を供給する二次空気供給装置７０が設けられている。二次空気供給装置７０は、フィルター７６ａを含むエアクリーナ７６と、その下流に設けられた空気量を制御する空気量制御弁７５と、その下流に設けられたリード弁７４と、その下流に設けられた二次空気供給管７２とを備える。二次空気供給管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。二次空気供給管７２の先端部は、排気通路１６に臨んでいる。そして、二次空気供給装置７０は、エアクリーナ７６の内部空間から排気通路に至る二次空気供給通路７１を形成している。また、その二次空気供給通路７１の供給部７３は、二次空気供給管７２の先端部にスリット状に形成されている。これにより、二次空気供給管７２は、排気通路１６の流路断面の中心線Ｙを含む広い範囲に空気を供給することができる。

　二次空気供給管７２の上流端部は、リード弁７４と空気量制御弁７５とを介してエアクリーナ７６に接続されている。リード弁７４は、排ガスが二次空気供給管７２からその上流に流入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、空気を二次空気供給通路７１の供給部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、二次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、吸気負圧などを動力源とするアクチュエータ、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。

　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に二次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。

　図２は、一般的なコンバージェント－ダイバージェントノズルの模式図である。図２に示すように、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、図１に示した本実施形態では、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。

　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。

　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。

　図２および図３に示すように、一般的に、前記数式（１），（２）で示す条件を満たす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、スロート部３４の上流の全圧（Ｆｕｌｌ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）Ｐ０と、スロート部の下流の静圧（Ｓｔａｔｉｃ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）Ｐとの比Ｐ／Ｐ０が、臨界圧力比＝０．５２８（図３の点Ｃ）よりも小さいと、スロート部での速度が音速（マッハ１）となり、ダイバージェント部３３での速度が超音速となる。Ｐ／Ｐ０が臨界圧力比よりも小さくなるように全圧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において超音速の流れを形成することができる。

　この際、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新たな衝撃波３５ｂと上流に向かって伝播する膨張波３５ｃが発生する（図６参照）。このため、排気通路１６の下流に向かって進行する衝撃波３５ｂと排気通路１６の上流に向かって進行する膨張波３５ｃ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が低くなる。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。そして、本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、排ガスが排気通路１６において圧力が低い状態、且つ、温度が低い状態になる原理について説明する。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の上流部７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の上流部７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の上流部７から第１の排気管１２の内部に伝播し、さらに下流に向けて高速で伝播する。一方、排ガス３６は、衝撃波３５より遅れて排気通路１６を相対的に低い速度で下流へ進行する。

　図４（Ｂ）に示すように、第１の排気管１２の内部を進む衝撃波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を伝播する衝撃波とに分かれ、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を進む衝撃波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を進む衝撃波３５は、分岐部２１の反射部２１ｂで反射され、分岐部２１を逆行して排気通路１６に戻る。

　図４（Ｃ）に示すように、反射された衝撃波３５が分岐部２１から排気通路１６に戻る時期が、高圧の排ガス３６が分岐部２１の入口２１ａの中央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、分岐部２１の長さは形成されている。そのため、ダイバージェント部３３より上流、且つ、分岐部２１と同じまたは下流の排気通路で、衝撃波３５と排ガス３６とが衝突する。

　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と反射部２１ｂとの間の距離を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。排気口９ａが開いてから排ガス３６が入口２１ａに到達するまでの時間Ｔ_１は、式（３）にて表される。また、排気口９ａが開いてから衝撃波３５が反射部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_２は、式（４）にて表される。
　　　　　　　Ｔ_１＝Ｌｅ／Ｖｅ・・・・・・・・・・・（３）
　　　　　　　Ｔ_２＝（Ｌｅ＋２Ｌｓ）／Ｖｓ・・・・・（４）
　ここで、Ｔ_１≦Ｔ_２であれば、反射された衝撃波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、ダイバージェント部３３より上流、且つ、分岐部２１と同じまたは下流の排気通路で、反射された衝撃波３５と排ガス３６とが衝突する。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、例えば反射された衝撃波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からダイバージェント部３３の上流端までの距離をＬｄ、排気口９ａ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の上流端に至るまでの時間Ｔ_３は、式（５）にて表される。また、排気口９ａが開いてから衝撃波３５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Ｔ_４は、式（６）にて表される。
　　　　　　　Ｔ_３＝ｔｖ＋（Ｌｅ＋Ｌｄ）／Ｖｅ・・・・・（５）
　　　　　　　Ｔ_４＝（Ｌｅ＋２Ｌｓ＋Ｌｄ）／Ｖｓ・・・・（６）
　ここで、Ｔ_４≦Ｔ_３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、反射された衝撃波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、反射された衝撃波３５と排ガス３６とを衝突させることができる。

　ところで、排気通路１６の流路断面の中心線Ｙ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。

　コンバージェント部３２で圧縮されるだけでなく、衝撃波３５と排ガス３６との衝突により、コンバージェント部３２での排ガス３６の圧力はさらに高くなる。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とスロート部の下流静圧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。以下では、新たに発生する衝撃波を進行衝撃波３５ｂと便宜的に称する。この進行衝撃波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、進行衝撃波３５ｂが発生するとき、進行衝撃波３５ｂと反対方向に進む膨張波３５ｃが発生する。進行衝撃波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が進行衝撃波３５ｂと逆方向に進行することとにより、進行衝撃波３５ｂと膨張波３５ｃとの間に存在する排ガス３６は、圧力および温度が大きく低下する。後述するように、排ガスは大気圧以下、すなわち負圧となる。

　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の排ガスの圧力および温度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の回転速度域が比較的高速であっても、空気を充分に供給することができる。前記比較的高速な回転速度域とは、前記一般的なエンジンでは空気を吸引することができないような高速運転域または高負荷運転域のことである。したがって、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。もちろん負圧を利用しているので、エンジン出力の損失を少なくできる。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。

　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４１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４１および第２の触媒４２の過度な温度上昇を抑えることができる。第１の触媒４１および第２の触媒４２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の発生を効果的に抑えることができる。そのため、エンジン回転数が高い場合であっても、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４１と第２の触媒４２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、本実施例では、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、本実施例では、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。

　ところで、排気通路に供給される空気の温度は、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相対的に温度の低い空気により、排ガスの温度をより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４１の上流に供給できることにより、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燃料噴射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４１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の性能の一つである信頼性を向上させることができる。

　例えば船外機のエンジンでは、エンジンの出力が最大になるような運転状態で長時間使用することが多い。このような運転状態において、触媒の排ガス浄化率を向上させるため、エンジン運転時の空燃比を理論空燃比とする場合は、燃焼温度が過度に高くなる。そのため、そのままでは第１の触媒４１および第２の触媒４２の温度が高くなりすぎるおそれがある。触媒温度を低下させる方法として、燃焼空燃比を理論空燃比より小さくして燃焼温度を低下させることが考えられる。しかし、空燃比が理論空燃比よりも小さいと、第１の触媒４１および第２の触媒４２の浄化効率が低下する。

　本実施形態に係る排気装置５によれば、排気通路１６に空気が大量に供給される。そのため、第１の触媒４１と第２の触媒４２との浄化率を高く保ちながら、燃焼空燃比を理論空燃比より小さくして燃焼温度を低下させることができる。すなわち、本実施形態に係る排気装置５では、第１の触媒４１と第２の触媒４２とに排ガスおよび空気が流入するため、燃焼空燃比が小さくされたことによって排ガス中の酸素が不足したとしても、この酸素を排気通路１６に供給された空気によって補うことができる。そのため、燃焼空燃比を理論空燃比より小さくしたとしても、第１の触媒４１と第２の触媒４２とによって排ガス中の有害成分を充分に浄化することができる。

　言い換えると、本実施形態に係る排気装置５によれば、クリーンな排ガスが排出される状態を維持しながら、燃焼空燃比を理論空燃比より小さくし、燃焼温度を低下させることができる。その結果、エンジン１において自着火やノッキングなどの異常燃焼が発生することを、より一層確実に防ぐことができる。

　また、本実施形態によれば、燃焼空燃比を理論空燃比より小さくすることにより、燃料の気化熱で燃焼室１０内の各部材を冷却することができる。これにより、燃焼室１０の内面が燃料で冷却され、燃焼室１０内が過度に高温になることによって生じる不具合、すなわちピストンの破損やバルブシートの劣化等を防止することができる。ところで、排気通路１６に供給される空気の温度は、大気の温度に略等しく、排ガスの温度に比べて著しく低い。そのため、本実施形態によれば、排気通路１６内部に大量に供給された相対的に温度が低い空気により、排ガスの温度を低下させることができる。これにより、第１の触媒４１と第２の触媒４２とにおいて、シンタリングの発生を、より一層確実に防止することができる。

　また、本実施形態のように、排ガスの圧力を著しく低下させることにより、エンジン１のポンピングロス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と、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からである。これを図９を用いて説明する。

　図９（Ａ）は、従来のエンジンのＰ―Ｖ線図である。図９（Ｂ）は、本実施形態のエンジン１のＰ－Ｖ線図である。図９（Ｂ）に示すように、排ガスの圧力が著しく低下すると、クランク軸（図示せず）がピストンを駆動しなくてもピストンが排ガスによって引っ張られるため、排気行程において正の仕事をすることも可能となる。一点鎖線で囲まれた領域が、正の仕事である。

　図１に示すように、本実施形態に係る排気装置５では、二次空気供給通路７１の供給部７３は、ダイバージェント部３３の上流端よりも上流に位置している。そのため、二次空気供給装置７０が進行衝撃波３５ｂを妨げることはない。また、図１に示すように、本実施形態に係る排気装置５では、二次空気供給通路７１の供給部７３は、分岐部２１よりも下流に位置している。そのため、二次空気供給装置７０が衝撃波３５を妨げることはない。

　なお、排気通路１６における圧力の低下は、コンバージェント－ダイバージェントノズル３１から排気通路１６の上流部７に近づくにつれて大きくなる。そこで、二次空気供給通路７１の供給部７３は、分岐部２１と略同一位置に位置していてもよい。あるいは、二次空気供給通路７１の供給部７３は、分岐部２１よりも上流に位置していてもよい。これにより、二次空気供給装置７０によって膨張波３５ｃが減衰してしまうことを抑制することができる。これにより、空気をさらに効果的に供給することができる。

　図１０は、３つのパラメータの関係を示すシミュレーションから得たグラフである。図１０のグラフの縦軸は、二次空気供給装置７０から空気を供給した場合の空燃比Ｒを、空気を供給しない場合の空燃比Ｒ０で割った値を示す。空気の供給量が多くなれば、Ｒ／Ｒ０の値は大きくなる。そのため、縦軸は空気の供給量の多さを表している。一方、横軸は、分岐管２２を設けた場合のコンバージェント部３２の圧力Ｋを、二次空気供給装置７０および分岐管２２が設けられていない場合のコンバージェント部３２の圧力Ｋ０で割った値を表している。排ガス３６と衝撃波３５の衝突によってコンバージェント部３２の圧力が増加すれば、Ｋ／Ｋ０は大きくなる。そのため、横軸は、排ガス３６と衝撃波３５の衝突によってコンバージェント部３２の圧力がどのように大きくなるかを表している。また、横軸の値が大きくなることは、臨界圧力比Ｐ／Ｐ０が小さくなり、コンバージェント－ダイバージェントノズル３１で進行衝撃波３５ｂが加速することを示している。もう１つのパラメータは、分岐部２１が設けられた排気通路１６の流路断面積に対する分岐部２１の入口２１ａの流路断面積の比率である。以下、単に面積比（Ａｒｅａ　Ｒａｔｉｏ）という。

　図１０に示すように、面積比が１０％から５０％までの間では、Ｒ／ＲＯとＫ／Ｋ０との間に比例関係が見られる。しかしながら、上記面積比が５０％以上になると、Ｒ／Ｒ０は増加するが、Ｋ／Ｋ０はほとんど増加しない。言い換えれば、上記面積比を５０％以上にすることにより、Ｋ／Ｋ０をほぼ最大値にまで高めることができることが分かる。

　ところで、図３に示すように、臨界圧力比Ｐ／Ｐ０が０．２～０．８の間、またはマッハ数が０．５～１．７の間では、臨界圧力比とマッハ数とが比例関係を有する。しかしながら、図３に示すように、臨界圧力比が０．２以下またはマッハ数１．７以上であれば、臨界圧力比の減少に対してマッハ数が急激に上昇する。この臨界圧力比の減少に対してマッハ数が急激に上昇するような臨界圧力比の領域が、図１０に示す上記面積が５０％以上の領域に該当するものと考えられる。すなわち、上記面積比が５０％以上の二次空気供給通路７１を設けることにより、コンバージェント－ダイバージェントノズル３１でマッハ数１．７以上の衝撃波が発生すると考えられる。

　なお、上記面積比が５０％以上になると、上記面積比が増加してもＫ／Ｋ０は増加しないが、Ｒ／Ｒ０は増加する。すなわち、上記面積比が５０％以上になっても、上記面積比を大きくすればするほど、より多くの空気が供給されることが分かる。そのため、上記面積比を１００％としてもよい。つまり、分岐部２１が設けられた排気通路１６の流路断面積と、分岐部２１の入口２１ａの流路断面積とは、互いに等しくてもよい。さらに、上記面積比を１００％より大きくしてもよい。つまり、分岐部２１の入口２１ａの流路断面積を分岐部２１が設けられた排気通路１６の流路断面積よりも大きくしてもよい。例えば、分岐部２１の入口２１ａを分岐部２１が設けられた排気通路１６よりも断面積の大きい楕円形状等にしてもよい。

　＜実施形態２＞
　図１１に示すように、実施形態２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。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１０およびその詳細説明で代用する。分岐管２２を兼ねる二次空気供給管７２にリード弁７４が取付けられている。リード弁７４は、二次空気供給管７２を兼ねる分岐管２２の閉塞端を構成している。言い換えれば、二次空気供給装置７０の一部であるリード弁７４が、排気装置５の分岐部２１の反射部２１ｂを構成しているということである。本実施形態では、排気装置５の分岐部２１の入口２１ａが、二次空気供給装置７０の供給部７３を構成していることになる。また、排気装置５の分岐部２１が、二次空気供給装置７０の二次空気供給通路７１の一部を構成しているということでもある。なお、実施形態２では、分岐管２２が二次空気供給管７２を兼ねているが、実施形態１に記載した二次空気供給管７２と同じものを、分岐管２２の中間部分に外側から挿入してもよい。

　本実施形態の排気装置５では、排気口９ａ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１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。また、レイアウトの自由度も向上できる。

　＜実施形態３＞
　図１２に示すように、実施形態３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３の詳細説明は、実施形態１の図１～図１０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。本発明では、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。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、２および３のエンジン１は次のように排気通路１６へ空気を供給している。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、排ガス３６の温度を大きく低下させる。そして、触媒を通過させて排ガスを浄化する。そのため、触媒の劣化を少なくして排ガスの浄化効率を高めることができる。

　図１３および図１４を用いて、詳細に排ガスの浄化方法を説明する。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。

　１）燃焼室１０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３６が燃焼室１０から排気通路１６に排出するとともに、排気通路１６を排ガス３６よりも高速で伝播する衝撃波３５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３６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３５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３５を反射させる。反射した衝撃波３５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３５は排気通路１６を流れている排ガス３６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３５と排ガス３６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３５と排ガス３６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流速を高めると、排気通路１６を下流に向かって伝播する新たな衝撃波３５ｂが発生する。衝撃波３５ｂが発生すると同時に上流に向かう膨張波３５ｃが発生する。新たな衝撃波３５ｂ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３５ｂと排気通路１６の上流に向かって進行する膨張波３５ｃ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３５ｂ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３５ｂ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３５ｂ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３５ｂ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３５ｂ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。

　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の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４１および第２の触媒４２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４１および第２の触媒４２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空気を供給するための二次空気供給管７２を接続すると、排気通路１６へ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７１の供給部７３を設けると、排気通路１６へ大量の空気を供給することができる。

　＜その他の実施形態＞
　図１５は、本発明のエンジンを搭載した船舶である。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。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。

　図１７は、多気筒エンジンにおいて、複数の燃焼室１０の排気口９ａを排気通路で集合し、その集合部の下流にコンバージェント－ダイバージェントノズル３１を設けたものである。一方の排気口９ａに接続される排気通路が、分岐部２１として機能する実施形態である。図１７の詳細説明は、図４の詳細説明と同じである。よって、本発明を図１７のような多気筒エンジンに適用できることは容易に理解できる。

　前記実施形態では、１つの燃焼室に対して１つの排気口を設けたが、複数の排気口を備えていてもよい。また、１つの燃焼室に対して１つのコンバージェント－ダイバージェントノズルを設けたが、２以上のノズルを設けてもよい。さらに、それらは、複数の燃焼室を有する多気筒エンジンに適用できることは言うまでもない。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。

　前記実施形態では、１つの排気通路に対して１つの分岐部を設けたが、複数の分岐部を設けてもよい。また、排気通路１６の同じ位置から分岐する複数の分岐部の端部を接続して環状の通路を有する分岐部を設けてもよい。その場合、各分岐部を伝播してきた衝撃波が接続した部分で衝突し、反射する。接続した部分が反射部になる。反射部とは、必ずしも壁のような部材が存在しなくても成立する。

　図１８は、実施形態の変形例を示す排気通路等の断面図である。実施形態１では、図１８に再度示したとおり、二次空気供給管７２、つまり、二次空気供給通路７１の供給部７３は、分岐部２１より下流に設けられている。しかしながら、変形例として、二次空気供給管７２、つまり、二次空気供給通路７１の供給部７３は、分岐部２１より上流に設けてもよいし（符号７２ｂ参照）、分岐部２１と同じ位置に設けてもよい（符号７２ａ参照）。

　本発明において、排気装置５は、ダイバージェント部３３の下流端と排気浄化装置４０の触媒４１の上流端の間で、その流路断面積が減少しない排気通路を含んでいる。そのため、排ガスが圧縮されないので、排ガスの温度の上昇を抑えることができる。

　本発明において、排気浄化装置４０は、その上流端の流路断面積がダイバージェント部３３の下流端の流路断面積と同じか、それより大きい触媒４１を含んでいる。ここで、触媒４１の流路断面積とは、触媒４１の担体を除く部分、言い換えると触媒本体の排ガスが通過できる有効開口断面積のことである。これにより、排ガスは触媒４１を通過する際にも圧縮されないので、排ガスの温度上昇をさらに抑えることができる。また、排気装置５および排気浄化装置４０の大型化を抑え、且つ、流路断面積の大きい触媒を設けることができ、浄化効率を高めることができる。

　本発明において、排気浄化装置４０は、その上流端の流路断面積がダイバージェント部３３の下流端の流路断面積と同じか、それより大きい触媒４１を含み、排気装置５は、ダイバージェント部３３の下流端と触媒４１の上流端の間で、その流路断面積が変わらないまたは増加する排気通路１６を含んでいる。これにより、排気装置５および排気浄化装置４０の大型化を抑え、且つ、流路断面積の大きい触媒を設けることができ、浄化効率を高めることができる。加えて、排ガスが圧縮されないので、排ガスの温度の上昇を抑えることができる。

　　　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　　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
　　３５ｂ　　進行衝撃波
　　３５ｃ　　膨張波
　　３６　　　排ガス
　　７１　　　二次空気供給通路

Claims (15)

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、
   　前記排気通路に設けられた触媒を有する排気浄化装置と、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、
   　　前記排気口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、その排ガスの温度を低下させ、
   　前記排気浄化装置の前記触媒は、前記ダイバージェント部より下流の前記排気通路に設けられている、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、
   　前記排気通路に設けられた触媒を有する排気浄化装置と、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、
   　　前記排気口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、
   　前記排気浄化装置の前記触媒は、前記ダイバージェント部より下流の前記排気通路に設けられ、
   　前記排気口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、前記分岐部の前記衝撃波の伝播する距離Ｌｓが、
   　Ｌｅ／Ｖｅ≦（Ｌｅ＋２Ｌｓ）／Ｖｓ
   の関係を満たし、且つ、
   　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. 　前記排気装置は、前記ダイバージェント部の下流端と前記触媒の上流端の間で、その流路断面積が減少しない排気通路を含む、請求項１または２に記載のエンジン。
4. 　前記排気浄化装置は、その上流端の流路断面積が前記ダイバージェント部の下流端の流路断面積と同じか、それより大きい前記触媒を含む、請求項１または２に記載のエンジン。
5. 　前記排気浄化装置は、その上流端の流路断面積が前記ダイバージェント部の下流端の流路断面積と同じか、それより大きい前記触媒を含み、
   　前記排気装置は、前記ダイバージェント部の下流端と前記触媒の上流端の間で、その流路断面積が変わらないまたは増加する前記排気通路を含む、請求項１または２に記載のエンジン。
6. 　請求項１または２に記載のエンジンを備えた車両。
7. 　請求項３に記載のエンジンを備えた車両。
8. 　請求項４に記載のエンジンを備えた車両。
9. 　請求項５に記載のエンジンを備えた車両。
10. 　請求項１または２に記載のエンジンを備えた船舶。
11. 　請求項３に記載のエンジンを備えた船舶。
12. 　請求項４に記載のエンジンを備えた船舶。
13. 　請求項５に記載のエンジンを備えた船舶。
14. 　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、
    　前記排気通路の上流部の流路断面積より下流部の流路断面積が小さい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、前記排気通路の上流部の流路断面積より下流部の流路断面積が大きい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、前記排ガスの温度を低くする工程と、
    　触媒を通過させて前記排ガスを浄化する工程と、
    を含むエンジンの排ガス浄化方法。
15. 　請求項１４に記載の排ガス浄化方法を採用したエンジン。

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