發動機及包括該發動機的車輛和船舶的製作方法

2023-05-21 05:08:21

專利名稱：發動機及包括該發動機的車輛和船舶的製作方法
技術領域：
本發明涉及發動機(內燃機)以及包括該發動機的車輛和船舶。
背景技術：
已知包括淨化排氣的催化劑以及向排氣通路供應空氣的二次空氣供應裝置(Secondary Air Supply System :二次空氣供應系統)的發動機(Internal CombustionEngine :內燃機)。例如，在專利文獻I的發動機中，在排氣通路中設置有三元催化劑。二次空氣供應裝置與排氣通路連接使得分別向催化劑的上遊和下遊供應二次空氣。二次空氣是指不經過發動機的燃燒室而被供應的空氣。催化劑主要作為還原NOx的還原催化劑發揮功能，但也可以作為氧化催化劑發揮功能。即，被供應給比催化劑靠下遊的位置的二次空氣在排氣的脈動的作用下向催化劑暫時流入之後向下遊流動。此時，催化劑也作為氧化C0、THC的氧化催化劑發揮功能，從而淨化從發動機排出的排氣中的NOx、CO、THC。專利文獻I的發動機被構成為二次空氣供應裝置還向比催化劑靠上遊的位置供應二次空氣。這是由於在高速高負載運轉時等將發動機的供應空燃比設定到濃空燃比側時，排氣中包含的CO、THC量增多的緣故。此時，通過向催化劑的上遊供應二次空氣，能夠使催化劑主要作為氧化CO、THC的氧化催化劑發揮功能。
在專利文獻I中，作為向比催化劑靠下遊的位置供應二次空氣的方法，公開了兩種方法。ー種方法是安裝簧片閥從而利用排氣通路內的排氣脈動的方法。另ー種方法是取代簧片閥設置氣泵從而向排氣通路強制地供應二次空氣的方法。在先技術文獻專利文獻專利文獻I :日本專利文獻特開2006-220019號公報

發明內容
用於解決技術問題的技術手段將向比催化劑靠下遊的位置供應二次空氣的上述的兩種方法進行比較。利用排氣脈動的方法不同於利用氣泵的方法，由於利用排氣脈動的方法不需要對泵進行驅動，因此發動機輸出的損失很小。然而，該方法存在如下的技術問題。當發動機以高速旋轉或高負載狀態運轉時，排氣通路內的平均壓カ升高。並且，在比排氣通路的催化劑靠下遊的部分中，由於催化劑成為阻礙，因此排氣脈動的振幅減小。發動機越處於高速旋轉或高負載狀態，由該催化劑引起的阻力的大小就越大。即，特別是發動機以高速旋轉或高負載狀態運轉時，排氣通路內的平均壓カ升高，並且，排氣脈動的振幅減小。由此，在比催化劑靠下遊的排氣通路內無法產生很大的負壓。因此，特別是發動機以高速旋轉或高負載狀態運轉時，無法向比催化劑靠下遊的排氣通路內供應足夠量的二次空氣。另ー方面，利用氣泵的方法在發動機以高速旋轉或高負載狀態運轉時也能夠供應二次空氣。但是，發動機越處於高速旋轉或高負載狀態，氣泵的負載就越大。由於該氣泵使用發動機驅動，因此，發動機越處於高速旋轉或高負載狀態，發動機輸出的損失也越大。本申請的發明人發現在排氣ロ打開時，有在排氣通路內向下遊傳播的衝擊波。然後，本申請的發明人構想到如果利用在衝擊波的後方產生負壓的現象，則即使處於高負載狀態也能夠供應空氣。然而，該衝擊波在排氣ロ附近產生並向下遊傳播的同時衰減而消失。因此，該衝擊波不能用於在比催化劑靠下遊的位置上產生負壓。因此，本申請的發明人構想到通過在排氣通路內產生其他的新的衝擊波來產生新的負壓。將公知的收斂擴散噴管(Convergent-Divergent Nozzle)俗稱德拉瓦爾噴管(DeLaval Nozzle)的原理應用於包括了二次空氣供應裝置的發動機。該噴管包括越靠向流路的下遊側則流路截面積越小的收斂部；在該收斂部的下遊處流路截面積增大的擴散部；以及該收斂部和擴散部之間的節流部。當收斂部的壓カPO與擴散部的壓カP的壓カ比(P/PO)小於臨界壓カ比(Critical Pressure Ratio，在空氣中約為O. 528)時，在擴散部中流體的流速超過音速。因此，為了產生新的衝擊波，在排氣通路中設置下遊端的流路截面積小於上遊端 的流路截面積的收斂部，並在比該收斂部靠下遊的排氣通路中設置下遊端的流路截面積大於上遊端的流路截面積的擴散部。然而，如果僅在排氣通路中設置收斂部和擴散部，收斂部的壓カPO與擴散部的壓カP的壓カ比(Ρ/Ρ0)未達到臨界壓カ比，因此無法產生新的衝擊波。本申請的發明人進ー步潛心研究了發動機，結果發現，排氣ロ打開時在排氣通路中向下遊傳播的衝擊波與此時從燃燒室流入排氣通路中的排氣相比以更高的速度傳播。另夕卜，發明人著眼於該衝擊波的速度和排氣的速度的差異，構想到能夠提高收斂部的壓カPO的構造。該構造包括使領先的衝擊波從排氣通路暫時分叉並再次向排氣通路返回的分叉部。由於收斂部的壓カPO升聞，因此在擴散部產生新的衝擊波。由此,在該衝擊波的後方、即比擴散部靠上遊的位置上，產生負壓。另外，本申請的發明人構想到利用在比擴散部靠上遊的位置上產生的所述負壓供應空氣的構造。該構造包括與排氣通路的比擴散部靠上遊的位置連接的第一通路；以及與第一通路連接的第二通路。該發明的一個實施方式提供使用了上述構造的發動機。即，本發明的一個實施方式涉及的發動機包括燃燒室，所述燃燒室形成有排氣ロ ；排氣閥，所述排氣閥開閉所述排氣ロ ；排氣裝置，所述排氣裝置具有導引從所述燃燒室經由所述排氣ロ排出的排氣的排氣通路；以及空氣供應裝置，所述空氣供應裝置供應空氣。所述排氣裝置包括收斂部，所述收斂部被設置在所述排氣通路中，並且所述收斂部的下遊端的流路截面積比所述收斂部的上遊端的流路截面積小；擴散部，所述擴散部被設置在所述排氣通路中比所述收斂部靠下遊的位置上，並且所述擴散部的下遊端的流路截面積比所述擴散部的上遊端的流路截面積大；以及分叉部，所述分叉部使與所述排氣ロ打開時從所述燃燒室向所述排氣通路流入的排氣相比以更高的速度在所述排氣通路中向下遊傳遞的衝擊波在比所述擴散部靠上遊的位置上從所述排氣通路分叉，並且使該衝擊波再次向所述排氣通路傳遞。所述空氣供應裝置包括第一通路，所述第一通路包括使從上遊端朝向下遊端的氣流通過的第一簧片閥，第一通路的下遊端在所述排氣通路的比所述擴散部靠上遊的位置被連接；以及第ニ通路，所述第二通路的上遊端與所述第一通路的比所述第一簧片閥靠下遊的位置連接。另外，所述排氣裝置被構成為通過使從所述燃燒室向所述排氣通路流入的排氣經過所述收斂部，並在所述分叉部和所述擴散部之間與在所述分叉部傳遞的衝擊波發生衝突，而在所述收斂部中升高排氣的壓力，並通過使該升高壓カ的排氣經過所述擴散部，來產生新的衝擊波。另夕卜，所述空氣供應裝置被構成為利用通過所述新產生的衝擊波在比所述擴散部靠上遊的所述排氣通路內產生的負壓，經由所述第一簧片閥向所述第一通路導入空氣，並利用在比所述擴散部靠上遊的所述排氣通路內產生的正壓，將所述被導入的空氣供應給所述第二通路。根據這種構成，領先於排氣的衝擊波在分叉部暫時分叉，並再次向排氣通路返回。由此，能夠使衝擊波在分叉部暫時地延遲，從而使該衝擊波在排氣通路內與排氣發生衝突，由此，能夠提高排氣的壓力。由於該排氣經過收斂部使得壓カ進一歩升高，因此收斂部的壓力PO和擴散部的壓カP的壓カ比(Ρ/Ρ0)容易達到臨界壓カ比。即，當高壓的排氣經過擴散部時，產生新的衝擊波(與排氣ロ打開時產生的衝擊波不同的衝擊波)。在該新的衝擊波的上遊即擴散部的上遊產生很大的負壓。利用該很大的負壓，能夠從第一通路的上遊端向 第一通路內導入二次空氣。二次通氣是指不經過燃燒室的發動機外部的空氣。另ー方面，在比擴散部靠上遊的排氣通路內，排氣脈動使得正壓和負壓交替地產生。該排氣脈動的振幅在比擴散部靠上遊的位置上產生的很大的負壓的影響下増大。在負壓產生時向第一通路內導入的二次空氣在正壓產生時被從第一通路壓出，井向第二通路內供應。所述第二通路的下遊端也可以與排氣通路連接。即，被從第一通路壓出的二次空氣也可以經由第二通路被供應給排氣通路。對於在排氣通路中在比所述擴散部靠下遊的位置上配置催化劑的情況，這種構成特別有利。即，通過利用由新的衝擊波產生的大的負壓以及由排氣脈動產生的正壓，即使處於高速旋轉或高負載狀態，也能夠向比催化劑靠下遊的排氣通路內供應二次空氣。由於此時產生的正壓和負壓利用排氣的能量，因此能夠減小發動機輸出的損失。本發明的上述的或其他的目的、特徵以及效果通過下面參照附圖描述的實施方式的說明被明確。


圖I是示出本發明的第一實施方式涉及的發動機的構成的截面圖；圖2是示出收斂擴散噴管的構成的示意圖；圖3是示出收斂擴散噴管的壓カ比和馬赫數的關係的圖；圖4是用於說明衝擊波和排氣的進行狀態的截面圖。圖4A示出了排氣行程的初期的狀態，圖4B示出了衝擊波在分叉路內傳播時的狀態，圖4C示出了在分叉路內反射的衝擊波和排氣發生衝突時的狀態；圖5是示出衝擊波行進的路徑和排氣行進的路徑的排氣通路等的示意圖；圖6是示意性示出通過紋影攝影法對收斂擴散噴管內部進行了撮影的照片的示意圖；圖7是示出衝擊波的加速時的排氣流速和排氣壓カ的關係的圖；圖8是示出衝擊波的加速時的排氣流速和排氣溫度的關係的圖9是用於說明二次空氣供應裝置的作用的圖，圖9A是示出曲柄角和排氣通路內的壓カ的關係的一例的圖，圖9B示出曲柄角和第一通路內的氣體的質量流量的關係的一例的圖，圖9C是示出曲柄角與排氣通路以及二次空氣供應裝置的各部分中的氧氣濃度的關係的一例的圖；圖10是示出本發明的第二實施方式涉及的發動機的排氣通路等的構成的截面圖；圖11是示出本發明的第三實施方式涉及的發動機的排氣通路等的構成的截面圖；圖12用於說明本發明的第四實施方式涉及的發動機的排氣裝置等的構成的截面圖；
圖13是用於說明本發明的第五實施方式涉及的發動機的排氣裝置等的構成的截面圖；圖14是用於說明催化劑的構成例的圖示性立體圖；圖15是用於說明本發明的第六實施方式涉及的發動機的排氣裝置等的構成的截面圖；圖16是示出本發明的第七實施方式涉及的發動機的排氣裝置的構成的示意圖；圖17是示出第七實施方式涉及的發動機的動作的示意圖，圖17A示出了排氣行程的初期的狀態，圖17B示出了衝擊波在其他的氣缸的各自的排氣通路(分叉路)內傳播時的狀態，圖17C示出了在分叉路內反射的衝擊波和排氣發生衝突時的狀態；圖18是例示包括搭載有發動機的船外機的船舶的圖；圖19是例示搭載有發動機的自動ニ輪車的圖；圖20是不出變形例的排氣通路等的截面圖；圖21是示出第一實施方式的變形例涉及的構成的截面圖；圖22是示出本發明的第八實施方式的構成的示意圖。
具體實施例方式本申請的發明人潛心研究的結果是，構想到應用收斂擴散噴管的原理，如下所述，通過以往未知的方法能夠供應足夠量的二次空氣。該方法如下所述。(I)使領先於排氣傳播的衝擊波分叉。(2)使發生了分叉的衝擊波暫時地延遲而與排氣發生衝突從而提高該排氣的壓力。(3)使升高壓カ的排氣經過擴散部而加速至超音速從而產生新的衝擊波。(4)在比擴散部靠上遊的排氣通路內產生負壓。
(5)利用該負壓向在比擴散部靠上遊的位置連接的二次空氣供應裝置的第一通路內導入ニ次空氣。(6)利用在比擴散部靠上遊的排氣通路內產生的正壓向二次空氣供應裝置的第二通路供應二次空氣。以下，使用附圖對本發明的實施方式的發動機詳細地進行說明。另外，在以下的說明中，「上遊」、「下遊」分別表示與排氣或二次空氣的流動方向有關的上遊、下遊。圖I是示出本發明的第一實施方式涉及的發動機的構成的截面圖。發動機I包括氣缸體3、設置在氣缸體的一端的氣缸蓋4、以及在氣缸體3內往復運動的活塞5。在氣缸體3和氣缸蓋4的內部形成有燃燒室10。更詳細地，燃燒室10被氣缸體3的內壁、氣缸蓋4的內壁以及活塞5的表面(與氣缸蓋4相対的表面)界定而成。活塞5經由連杆15與曲軸16連結。曲軸16被容納在與氣缸體3連結的曲軸箱17中。活塞5的往復運動經由連杆15被傳遞到曲軸16，由此曲軸16進行旋轉。發動機I是四衝程的汽油內燃機。發動機I是單氣缸發動機。發動機I可以是空冷式發動機，也可以是水冷式發動機。氣缸蓋4中形成有進氣通路6的下遊部6a和排氣通路7的上遊部7a。氣缸蓋4中設置有開閉進氣ロ 8a的進氣閥8、開閉排氣ロ 9a的排氣閥9、以及用於驅動進氣閥8和排氣閥9的閥驅動裝置(未圖示)。在本實施方式中，對ー個燃燒室10分別各設置ー個進氣通路6的下遊部6a和排氣通路7的上遊部7a。然而，也可以對ー個燃燒室設置多個進氣ロ 8a、進氣閥8、排氣ロ 9a和/或排氣閥9。噴射燃料的噴射器2被安裝在氣缸蓋4上。雖然圖示被省略，但氣缸蓋4上設置有火花塞。在進氣通路6中比下遊部6a靠上遊的位置上配置有節流閥11。該節流閥11可以與被操作者操作的操作部件以機械方式連結(例如，經由纜繩連結)。另外，節流閥11也可以構成為由馬達進行電子控制，而不是以機械方式連結。發動機I還包括排氣裝置50。排氣裝置50包括與氣缸蓋4連接的第一排氣管·
51;與該第一排氣管51連接的第二排氣管52 ；以及與該第二排氣管52連接的第三排氣管53。第一排氣管51通過螺栓12被安裝在氣缸蓋4上。第三排氣管53在其內部形成排氣腔室55。排氣裝置50在其內部形成從上遊部7a經由排氣腔室55與外部連通的排氣通路7。排氣通路7中配置有第一催化劑21和第二催化劑22。第二催化劑22被配置在第一催化劑21的下遊。第一催化劑21和第二催化劑22之間設置有間隔。在排氣腔室55的下遊連接有未圖示的消音器(消聲器)。流入排氣腔室55的內部的排氣經過所述消音器後向外部排出。排氣腔室55中設置有檢測排氣中的氧氣量的氧氣濃度傳感器19。發動機I包括作為控制裝置的E⑶(電子控制單元)20。E⑶20基於發動機I的旋轉速度、所述節流閥11的開度、或者由氧氣濃度傳感器19檢測出的信號，來控制噴射器2的燃料噴射量或所述火花塞的點火正時等。ECU 20例如控制噴射器2的燃料噴射量使得被吸入發動機I中的混合氣的空燃比變為理論空燃比(stoiciometry :理想配比)。第一排氣管51的上遊部上設置有分叉管30。分叉管30的一端是與第一排氣管51連接的開放端，分叉管30的另一端是被封閉的封閉端。封閉端形成反射下述的衝擊波的反射部31b。分叉管30可以與第一排氣管51 —體成形。另外，分叉管30也可以與第一排氣管51分體形成，並被固定到第一排氣管51。例如,第一排氣管51和分叉管30可以被焊接在一起，也可以通過螺栓、鉚釘等緊固部件(未圖示)被固定在一起。分叉管30的所述封閉端被形成為使得所述封閉端的流路截面積大於所述開放端的流路截面積。但是，分叉管30的形狀不限於圖I所示的形狀。即，分叉管30的封閉端的流路截面積可以與它的開放端的流路截面積相等，也可以比開放端的流路截面積小。分叉管30的內部形成有分叉部31。分叉部31的一端是與排氣通路7連通的開放端，分叉部31的另一端是封閉端。分叉部31的入口 31a(即，與排氣通路7連通的部分)如下所述被形成為具有下述的流路截面積在排氣通路7的內部傳播的衝擊波還能夠傳播到分叉部31的內部。圖中X是分叉部31的入口 31a的流路截面的中心線。中心線是指通過流路截面的重心的線。分叉部31和第一催化劑21之間設置有收斂擴散噴管40。收斂擴散噴管40俗稱德拉瓦爾噴管。收斂擴散噴管40對流經排氣通路7的排氣的流速進行加速使其從亞音速變為超音速。收斂擴散噴管40由收斂部41、節流部42以及擴散部43形成。收斂部41是隨著向下遊行進流路截面積而逐漸減小的部分。擴散部43是隨著越靠向下遊則流路截面積越發逐漸増大的部分。節流部42是被配置在收斂部41和擴散部43之間的部分，並且是流路截面積最小的部分。發動機I還包括向排氣裝置50的排氣通路7供應空氣的二次空氣供應裝置70。二次空氣供應裝置70包括簧片閥74 (止回閥)、第一二次空氣供應管76、以及與第一二次空氣供應管76連接的第二二次空氣供應管77。簧片閥74與第一二次空氣供應管76的上遊端耦合。第一二次空氣供應管76的 下遊端被連接在第一排氣管51的分叉管30和第一排氣管51的收斂擴散噴管40之間。第一二次空氣供應管76經由簧片閥74和空氣量控制閥75與空氣過濾器78連接。簧片閥74防止排氣從第一二次空氣供應管76流入第一二次空氣供應管76的上遊。簧片閥74被構成為當在排氣通路7中產生負壓時該簧片閥74打開，使空氣向第一二次空氣供應管76的下遊流動。空氣量控制閥75是用於使二次空氣的量與發動機I的運行狀態相適合的裝置。空氣量控制閥75包括將進氣負壓等作為動カ源的致動器、伺服電動機、或者螺線管等。空氣量控制閥75的開度由ECU 20控制。ECU 20在節流閥11的開度小於預定角度的情況下使空氣量控制閥75執行關閉動作或者使所述節流閥11的開度減小。所述預定角度被預先設定，並且被存儲在ECU 20中。另外，ECU 20在所述節流閥11的開度大於所述預定開度的情況下使空氣量控制閥75的開度増大。如此，空氣量控制閥75的開度與所述節流閥11的開度相應地進行增減。通過配備空氣量控制閥75，能夠以適當的流量向排氣通路7供應ニ次空氣而不會使二次空氣過量或不足。但是，空氣量控制閥75不一定是必要的，也可以省略。第二二次空氣供應管77的上遊端在第一二次空氣供應管76的下遊端和簧片閥74之間與第一二次空氣供應管76連接。第二二次空氣供應管77的下遊端被連接在第二排氣管52的第一催化劑21和第二排氣管52的第二催化劑22之間。更詳細地，在與第二催化劑22相比更靠近第一催化劑21的位置上，第二二次空氣供應管77的下遊端與第二排氣管
52連接。二次空氣供應裝置70具有第一通路71和第二通路72。第一通路71是從簧片閥74至排氣通路7的通路，並且是由第一二次空氣供應管76形成的通路。S卩，第一通路71與簧片閥74、以及排氣通路7的分叉部31的入口 31a和擴散部43之間的部分連接。第二通路72是從第一通路71至第二排氣管52內的排氣通路7的通路，並且是由第二二次空氣供應管77形成的通路。S卩，第二通路72與第一通路71、以及排氣通路7的第一催化劑21和第二催化劑22之間的部分連接。第一通路71的「上遊」、「下遊」分別表示與空氣從簧片閥74 (第一通路71的上遊端71a)向與排氣通路7連接的連接部71b (以下也稱作「下遊端71b」)流動的方向有關的上遊、下遊。第二通路72的「上遊」、「下遊」分別表示空氣從與第一通路71連接的連接部72a(以下也稱作「上遊端72a」)向排氣通路7的連接部72b (以下也稱作「下遊端72b」)流動的方向有關的上遊、下遊。在此，將氣體在第一通路71內從簧片閥74流動到第二通路72的與第一通路71連接的連接部72a時所述氣體損失的能量的大小(能量損失)設為LI。另外，將氣體在第ニ通路72內從第二通路72的下遊端72b流到第二通路72的上遊端72a時所述氣體損失的能量的大小(能量損失)設為L2。第一通路71和第二通路72被設計為若將LI和L2進行比較，則LI <L2。能量損失與氣體的流路中的壓カ損失同義。如果將第一通路71的從第二通路72的連接部72a至第一通路71與排氣通路7的連接部71b的流路中的氣體的能量損失設為L3，則只要L1+L3 < L2+L3即可。如果將第
一通路71的從簧片閥74至第一通路71與排氣通路7的連接部71b的流路61的能量損失設為L11，則Lll = L1+L3。另ー方面，如果將第二通路72的從下遊端72b至上遊端72a進而通過第一通路71到達第一通路71的下遊端71b的流路62的能量損失設為L12，則L12=L2+L3。因此，第一和第二通路71、72隻要被設計為使Lll k2，則滿足Lll A2、A2 < A3的關係。節流部42的流路截面積A2與收斂部41的下遊端的流路截面積以及擴散部43的上遊端的流路截面積相同。在本實施方式中，收斂部41和擴散部43的流路截面積分別沿著流動方向以一定的比例變化。但是，收斂部41和擴散部43也可以具有其他的形狀。例如，也可以如火箭發動機所採用的噴管那樣採用流路截面積逐步(Step by Step)發生改變的形狀。另外，也可以將噴管內面形成為光滑的曲面。收斂擴散噴管40被形成為滿足下述的公式(I)、(2)所示的條件。流入節流部42中的排氣的流速達到I馬赫(即音速)，使得在擴散部43中排氣能夠加速到超音速。[式I]H = T=Mr ~ 一一一——_[式2]
+py-(- -)-…⑵公式(I)表示伴隨著粘性摩擦的一維流動中排氣管形狀和馬赫數的關係。公式
(2)表示公式(I)中的Λ。在這些公式中，M表示馬赫數,A表示排氣管的任意截面的截面積，D表示所述任意截面的管當量直徑，Y表示比熱比，X表示流動方向的距離，f表示摩擦係數。如圖2所示，將節流部42的上遊的全壓(Full Pressure :全壓カ)設為PO，將節流部42的下遊的靜壓(Static Pressure :靜壓カ)設為P。如圖3所示，當上述的壓カ的比Ρ/Ρ0小於臨界壓カ比=O. 528(圖3的點C)時，節流部42處的速度為音速(I馬赫)以上，其結果是，擴散部43處的速度為超音速。因此，如果升高全壓PO使得Ρ/Ρ0小於臨界壓力比，則能夠在收斂擴散噴管40中形成超音速的流動。如果收斂擴散噴管40處的流速為超音速，則產生向擴散部43的下遊傳播的衝擊波35b和向上遊傳播的膨脹波35c (參照圖6)。由於衝擊波35b和膨脹波35c之間的空間內的流體急速地膨脹，因此流經排氣通路7的排氣的壓カ降低。其結果是，由絕熱膨脹(Adiabatic Expansion :絕熱膨脹)引起的絕熱冷卻(Adiabatic cooling)的效果使得排氣的溫度能夠急速地下降。並且，本發明人潛心研究的結果是，通過將收斂擴散噴管40和分叉部31結合，能夠實現上述的狀態。接下來，參照圖4A 圖4C對排氣在排氣通路7中變為壓力較低的狀態並且溫度較低的狀態的原理進行說明。圖4A 圖4C示意性示出了包含排氣裝置50的發動機I。在圖4A 圖4C中，對與圖I和圖2所圖不的部件相同或等同的部件標記相同的符號。如圖4A所示，當在發動機I的排氣行程中排氣ロ 9a打開時，高壓的排氣36從燃燒室10經由排氣ロ 9a向排氣通路7的上遊部7a噴出。在排氣ロ 9a開始打開的時間點，燃燒室10和排氣通路7的上遊部7a之間的壓力差很大，因此，排氣36的速度達到音速，並且在排氣通路7的上遊部7a產生衝擊波35。隨著排氣ロ 9a打開得越大，向排氣通路7的上遊部7a流出的排氣的量增多，而排氣的速度變慢。並且，排氣隨著在排氣通路7的上遊部7a行進而減速。如圖4A所示，衝擊波35從排氣通路7的上遊部7a在第一排氣管51的內部傳播，並進而向下遊以高速傳播。另ー方面，排氣36在排氣通路7中以比衝擊波35低的速度緩慢地行迸。
如圖4B所示，在第一排氣管51的內部行進的衝擊波35在通過分叉部31的入口31a時，分為在排氣通路7中傳播的衝擊波和在分叉部31中傳播的衝擊波，並分別在排氣通路7和分叉部31中獨立地行迸。在排氣通路7中行進的衝擊波35經過收斂擴散噴管40後衰減消失。另ー方面，在分叉部31中行進的衝擊波35在分叉部31的反射部31b被反射，在分叉部31中逆行而向排氣通路7返回。如圖4C所不，以使被反射的衝擊波35從分叉部31向排氣通路7返回的正時與聞壓的排氣36到達分叉部31的入口 31a的中央的正時相同或滯後的方式，設定分叉部31的長度。因此，在比擴散部43靠上遊且位於分叉部31的入口 31a或者入口 31a的下遊的排氣通路7中，衝擊波35和排氣36發生衝突。由此，能夠提高收斂擴散噴管40的節流部42的上遊的整個壓力。其結果是，能夠實現壓カ比Ρ/Ρ0小於臨界壓カ比的狀態，從而能夠在收斂擴散噴管40中形成超音速的流動。圖5是示出衝擊波行進的路徑和排氣行進的路徑的排氣通路7等的示意圖。將從排氣ロ 9a的中心9ac至分叉部入口 31a的流路截面中心線X的距離(流路長度)設為Le，將排氣通路7的流路截面中心線Y和反射部31b之間的距離(流路長度)設為Ls。而且，將排氣36的速度設為Ve，將衝擊波35的傳播速度設為Vs。從排氣ロ 9a打開至排氣36到達入口 31a的時間Tl由式(3)表示。並且，從排氣ロ 9a打開至衝擊波35在反射部31b被·反射後到達排氣通路7的中心線Y的時間T2由式(4)表示。Tl = Le/Ve(3)T2 = (Le+2Ls) /Vs(4)如果Tl彡T2，則被反射的衝擊波35和排氣36發生衝突。S卩，如果Le/Ve ^ (Le+2Ls)/Vs，則在比擴散部43靠上遊並且位於分叉部31的入口 31a或者入口 31a的下遊的排氣通路7中，被反射的衝擊波35和排氣36發生衝突。另外，為了方便，例如，可以將排氣36的最大速度視為所述速度Ve，也可以將平均速度視為所述速度Ve。同樣地，例如，可以將被反射的衝擊波35的最大傳播速度視為所述傳播速度Vs，也可以將平均傳播速度視為所述傳播速度Vs。如圖5所示，將從分叉部入口 31a的流路截面中心線X至擴散部43的上遊端的距離(流路長度)設為Ld，將從排氣ロ 9a打開至排氣ロ 9a關閉的時間設為tv。從排氣ロ 9a打開至排氣36的最末尾到達擴散部43的上遊端的時間T3由式(5)表示。並且，從排氣ロ9a打開至衝擊波35在反射部31b被反射後到達擴散部43的上遊端的時間T4由式(6)表
/Jn οT3 = tv+(Le+Ld)/Ve(5)T4 = (Le+2Ls+Ld) /Vs(6)如果T4 < T3，則能夠在排氣36的全部越過節流部42之前使被反射的衝擊波35和排氣36發生衝突。即，如果(Le+2Ls+Ld) /Vs ^ tv+ (Le+Ld) /Ve,則能夠在排氣36的全部越過節流部42之前使被反射的衝擊波35和排氣36發生衝突。如果排氣通路7的流路截面中心線Y和反射部31b之間的距離Ls較小，則衝擊波35在分叉部31中的衰減被抑制。因此，例如，可以將距離Ls設為小於距離Le。排氣的壓カ由於收斂部41中的壓縮而被升高。除此之外，由於衝擊波35和排氣36的衝突，收斂部41中的排氣36的壓カ進ー步升高。因此，由於收斂擴散噴管40的入口上遊的全壓PO升高，與此相應，入口上遊的全壓PO和節流部的下遊靜壓P之比P/PO小於臨界壓力比O. 528。其結果是，排氣36的速度在節流部42中達到音速。圖6是示意性示出通過紋影攝影法對收斂擴散噴管內部進行了撮影的照片的示意圖。由於排氣36的速度達到音速，因此在收斂擴散噴管40中產生新的衝擊波。以下，將新產生的衝擊波簡單稱作行進衝擊波35b。該行進衝擊波35b在通過收斂擴散噴管40的擴散部43時被加速。在產生行進衝擊波35b時，產生向與行進衝擊波35b相反的方向行進的膨脹波35c。行進衝擊波35b在擴散部43中被加速，與此同時，膨脹波35c向與行進衝擊波35b相反的方向行進。由此，行進衝擊波35b和膨脹波35c之間存在的排氣36的壓カ和溫度大幅下降。如下所述，排氣小於等於大氣壓，即變為負壓。圖7和圖8中示出了本申請發明人進行的仿真結果。圖7示出了在收斂擴散噴管40中新的衝擊波35b剛產生後的排氣通路7的各地點(Position :位置)處的排氣的速度(Exhaust Gas Velocity :排氣速度)以及排氣的壓力(Exhaust Gas Pressure :排氣壓力)。圖8示出了在收斂擴散噴管40中新的衝擊波35b剛產生後的排氣通路7的各地點 (Position :位置)處的排氣的速度(Exhaust Gas Velocity :排氣速度)以及排氣的溫度(Exhaust Gas Temperature :排氣ila度)。當在收斂擴散噴管40中產生衝擊波35b吋，該衝擊波35b在擴散部43中被加速。因此，如圖7和圖8所示，排氣的流速急劇地増大，排氣的壓カ和溫度急劇地減小。另外，圖7和圖8是示出排氣的流速的圖而不是示出衝擊波的傳播速度的圖。圖7和圖8中示出了將收斂擴散噴管40的節流部42設定得較長時的仿真結果。如果在分叉部31中被反射的衝擊波35與排氣36發生衝突，則衝擊波35在排氣36之前在節流部42中傳播。此時，在排氣36和衝擊波35之間的空間中產生絕熱膨脹從而壓力下降，因此排氣36就像被衝擊波35吸引似的在不減小速度的情況下流經節流部42。因此，優選地，將節流部42的以相同的流路截面積連續的部分的長度設定為與發動機一致。由此，能夠將擴散部43中衝擊波35b被加速的時刻、換而言之將排氣的壓カ和溫度下降的時刻設定為與該發動機一致。如此，根據本實施方式涉及的發動機I，能夠比以往大幅地減小排氣通路7的排氣的壓カ和溫度。接下來，使用示出本申請發明者進行的仿真結果的圖9A 圖9C對二次空氣供應裝置70的作用進行說明。二次空氣供應裝置70通過在比排氣通路7的擴散部43靠上遊的部分中產生的負壓向比排氣通路7的第一催化劑21靠下遊的部分有效地供應二次空氣。圖9A是示出在本實施方式的發動機I中觀測到的、曲軸16 (參照圖I)的旋轉角(曲柄角)和排氣通路7內的壓カ的關係的一例的圖。如果在膨脹行程的途中排氣ロ 9a打開，則高壓的排氣被從燃燒室10向排氣通路7內排出。因此，如附圖標記91所示，排氣通路7內變為正壓。此後，由於收斂擴散噴管40的作用，如附圖標記92所示，在排氣通路7內產生很大的負壓。此後，在排氣通路7內，由於排氣脈動，如附圖標記93所示，交替地產生正壓和負壓。在由於收斂擴散噴管40的作用產生的很大的負壓的影響下，該排氣脈動的振幅比通常増大。圖9B是示出在本實施方式的發動機I中觀測到的、曲軸16 (參照圖I)的旋轉角(曲柄角)和第一通路71中的氣體(通過簧片閥74的氣體)的質量流量的關係的一例的圖。但是，質量流量的向從第一通路71的上遊端(簧片閥74側)向第一通路71的下遊端(排氣通路7側)的方向的流量用正值表示，向與該方向相反的方向的流量用負值表示。如果在排氣通路7內產生很大的負壓(圖9A的附圖標記92)，則第一通路71內也變為負壓，其結果是，簧片閥74打開。由此，在圖9B中如附圖標記94所示，氣體向第一通路71流入。從簧片閥74經由第一通路71到達排氣通路7的流路61 (參照圖I)和在第二通路72中從下遊端72b至上遊端72a到達排氣通路7的流路62 (參照圖I)的能量損失的大小關係如前所述。即，氣體在經由簧片閥74的流路61中流動時損失的能量比氣體在經由第二通路72的流路62中流動時損失的能量小。能量損失小的流路與能量損失大的流路相比氣體的流量較多，因此經由簧片閥74在第一通路71中流動的流量較多。即，與從第二通路72向第一通路71流動的氣體的量相比，從發動機I的外部向第一通路71流入的氣體的量較多。如此，能夠將包含大量氧氣的發動機I的外部的空氣(二次空氣)導入到第一通 路71中。簧片閥74為僅允許氣體向流入第一通路71的方向的流動的構造，但在簧片閥74暫時打開後剛要關閉的一瞬間產生氣體向反方向的流動。這是在圖9B中出現負的質量流量值的原因。如果在從發動機I的外部向第一通路71導入空氣後在比擴散部43靠上遊的排氣通路7內產生正壓(例如，圖9A的附圖標記95)，則第一通路71內的空氣被壓出。由於簧片閥74阻止氣體向從第一通路71向發動機I的外部的方向流動，因此第一通路71內的空氣向第二通路72被壓出。圖9C是示出曲軸16的旋轉角(曲柄角)與排氣通路7以及二次空氣供應裝置70的各部分中的氧氣量(氧氣濃度)的關係的一例的圖。具體地，曲線96a表示第一通路71中第二通路72的連接部72a和排氣通路7之間(例如，圖I所示的測定點a)處的氧氣濃度。並且，曲線96b表示第二通路72的中間部附近(上遊端72a和下遊端72b之間，例如圖I所示的測定點b)處的氧氣濃度。另外，曲線96c表示比排氣通路7的第一催化劑21靠下遊部分(第一和第二催化劑21、22之間，例如圖I所示的測定點c)處的氧氣濃度。另夕卜，曲線96d表示第一通路連接部71b的上遊中的排氣通路7內(例如，圖I所示的測定點d)處的氧氣濃度。比較曲線96a、96c、96d可知，第一通路71內的氧氣濃度比排氣通路7內的氧氣濃度高。這表不發動機I外的二次空氣被導入第一通路71中。比較曲線96b、96c、96d可知，第二通路72內的氧氣濃度比排氣通路7內的氧氣濃度高。比較曲線96a、96b可知，第二通路72內的氧氣濃度比第一通路71內(排氣通路7附近的位置)的氧氣濃度高。因此，可知發動機I外的二次空氣被導入第二通路72中。如果二次空氣被導入第二通路72中，則該二次空氣被供應至第一和第二催化劑21、22之間，由此二次空氣供應的目的被實現。比較曲線96c、96d可知，與第一和第二催化劑21、22之間的排氣通路7 (例如，圖I所示的測定點c)的氧氣濃度相比，第一通路連接部71b的上遊中的排氣通路7內(例如，圖I所示的測定點d)的氧氣濃度較低。這表示二次空氣被導入排氣通路7的比第一催化劑21靠下遊的位置。一般，如果第二通路72內的氧氣濃度(例如，測定點b)比第一通路連接部71b的上遊的排氣通路7(例如，測定點d)中的氧氣濃度高，則可認為二次空氣向第ニ通路72導入的目的被實現。如果上述情況能夠被確認，則二次空氣向第一和第二催化劑21、22之間的排氣通路7供應的目的被實現。如圖9C的曲線96c中附圖標記97所示的，氧氣濃度與圖9A的附圖標記95所示的產生正壓(在擴散部43的上遊處產生正壓)的時刻大致同步地增加。這表示被導入第一通路71中的二次空氣經由第二通路72被送入至第一和第二催化劑21、22之間的排氣通路7中。如以上所說明的，根據本實施方式，能夠在不使用將空氣強制地送入排氣通路7中的專用的裝置的情況下向排氣通路7的比第一催化劑 21靠下遊的部分供應足夠量的ニ次空氣。即，使用利用排氣的能量產生的負壓從外部導入二次空氣，同樣地使用由相同的排氣的能量產生的正壓向第一催化劑21的下遊送出被導入的二次空氣。如此，由於使用排氣的能量實現泵送作用，因此能夠減少發動機輸出的損失。而且，由於能夠在擴散部43的上遊的排氣通路7中產生很大的負壓，因此能夠增大排氣脈動的振幅。因此，即使發動機I以高速旋轉或高負載狀態運行時，利用伴隨著衝擊波產生的很大的負壓和由排氣脈動引起的充分的正壓也能夠向第一催化劑21的下遊的排氣通路7供應二次空氣。另外，還能夠聯合使用用於供應空氣的其他的泵裝置。在這種情況下，能夠減小施加於泵的負載，因此能夠減小發動機輸出的損失。在該實施方式中，流經第一通路71的從上遊端71a至下遊端71b的流路61的氣體的能量損失比流經第二通路72的從下遊端72b至第一通路71的下遊端71b的流路62的氣體的能量損失小。即，在堵塞第二通路72使空氣從第一通路上遊端71a流經時的、第一通路下遊端71b的流量係數，比在第二通路72的連接部的上遊堵塞第一通路71使空氣從第二通路下遊端72b流經時的、第一通路下遊端71b的流量係數大。由此，當在比擴散部43靠上遊的位置上產生負壓時，第二通路72內的空氣不發生逆流，從而能夠經由第一通路71的簧片閥74向第一通路71可靠地導入二次空氣。因此，其後，當擴散部43的上遊的排氣通路7變為正壓時，能夠將所述被導入的二次空氣向第二通路72送入。另外，在本實施方式中，排氣裝置50包括分別被配置在第二通路72的下遊端72b的上遊和下遊的排氣通路7中的第一和第二催化劑21、22。通過這種構成，能夠提高被供應給第二催化劑22的排氣的氧氣濃度。因此，能夠使第一催化劑21主要作為還原催化劑發揮功能，並且能夠使第二催化劑22主要作為氧化催化劑發揮功能。在將三元催化劑應用於第一催化劑21和第二催化劑22的情況下，為了進行還原反應和氧化反應這兩者，需要向各個催化劑導入理論空燃比的排氣。在第一催化劑21主要作為還原催化劑發揮功能的情況下，也可以向第一催化劑21導入燃料濃的排氣。並且，在第二催化劑22作為氧化催化劑發揮功能的情況下，向第二催化劑22導入使空燃比傾向於稀空燃比的排氣即可。由此，第一催化劑21和第二催化劑22能夠協作地進行還原反應和氧化反應這兩者，由此能夠有效地去除排氣中的有害成分。由此，不一定必須向第一催化劑21導入理論空燃比的排氣，能夠去除有害成分的空燃比的範圍變寬。因此，不再需要嚴密地控制空燃比。另ー方面，如果向燃燒室供應接近理論空燃比的空燃比的混合氣，則能夠抑制消耗燃料量。如果應用理論空燃比附近的空燃比，則排氣處於高溫，該高溫的排氣有可能引起催化劑21、22的燒結。然而，在該實施方式中，在擴散部43中生成的新的衝擊波35b在其後方產生很大的負壓。在該負壓的作用下，產生排氣的絕熱膨脹，由此，絕熱冷卻的效果使得能夠冷卻排氣。即，排氣在到達第一催化劑21之前被冷卻。因此，通過使用接近理論空燃比的空燃比的混合氣能夠抑制燃料消耗量，同時能夠保護催化劑21、22並實現有害成分的無毒化。當然，即使發動機I處於高負載狀態或者處於以高速運轉的狀態下也能夠使排氣處於低壓和低溫，因此能夠保護催化劑21、22。〈第二實施方式〉圖10是示出本發明的第二實施方式涉及的發動機的排氣通路等的構成的截面圖。在圖10中，對上述的圖I所示的各部分的相應部分標記相同的附圖標記示出。該第二實施方式的發動機I與第一實施方式同樣地包括氣缸體3、設置在氣缸體的一端的氣缸蓋4、以及在氣缸體3內往復運動的活塞5。氣缸體3、氣缸蓋4以及活塞5形成燃燒室10。氣缸蓋4中設置有開閉進氣ロ 8a的進氣閥8、開閉排氣ロ 9a的排氣閥9、以及用於驅動進氣閥8和排氣閥9的閥驅動裝置。發動機I還包括排氣裝置50以及向排氣裝置50的排氣通路7供應空氣的二次空氣供應裝置70。 排氣裝置50包括與氣缸蓋4連接的第一排氣管51、與該第一排氣管51連接的第ニ排氣管52、以及與該第二排氣管52連接的第三排氣管53，這些排氣管51、52、53形成排氣通路7。第一催化劑21和第二催化劑22空出間隔地配置在排氣通路7中。在第一排氣管51的上遊部設置有分叉管30。在分叉管30和第一催化劑21之間設置有收斂擴散噴管40。二次空氣供應裝置70包括簧片閥74、第一二次空氣供應管76、以及與第一二次空氣供應管76連接的第二二次空氣供應管77。第一二次空氣供應管76形成從簧片閥74至排氣通路7的第一通路71。第二二次空氣供應管77形成從第一通路71至第一和第二催化齊[J 21、22之間的排氣通路7的第二通路72。在該實施方式中，還在第二通路72中設置有第二簧片閥80 (止回閥)。簧片閥80被構成為允許第二通路71的從上遊端72a向下遊端72b的方向的氣流通過，並阻止與該方向相反的方向的氣流通過。除此以外的構成與第一實施方式相同。因此，使用與第一實施方式有關的圖I 圖9及其詳細說明替代第二實施方式的詳細說明。當在比擴散部43靠上遊的排氣通路7內產生負壓時，第一通路71的簧片閥74打開，外部的空氣被導入至第一通路71。此時，第二通路72的簧片閥80處於關閉狀態，第二通路72的從下遊端72b向上遊端72a的空氣流被阻止。另ー方面，當在比擴散部43靠上遊的排氣通路7內產生正壓時，第一通路71的簧片閥74處於關閉狀態，第二通路72的簧片閥80打開。由此，被導入到第一通路71的二次空氣經由第二通路72被送入到第一催化劑21的下遊的排氣通路7。如此，通過利用了在排氣通路7中產生的負壓和正壓的泵送作用，能夠將二次空氣供應給第一催化劑21的下遊的排氣通路7。而且，通過配置於第二通路72中的簧片閥80，能夠可靠地抑制空氣在第二通路72中的逆流，由此能夠有效地供應二次空氣。如此，根據該實施方式，空氣在第二通路72中的流動被限制於從第二通路72的上遊端向下遊端的方向。即，能夠防止二次空氣的逆流。由此，在擴散部43的上遊產生了負壓時，能夠從第一通路71的上遊端可靠地導入二次空氣，並且，在擴散部43的上遊產生了正壓時，能夠將二次空氣可靠地供應給第一和第二催化劑21、22。〈第三實施方式〉
圖11是示出本發明的第三實施方式涉及的發動機的排氣通路等的構成的截面圖。在圖11中，對與上述的圖I所示的各部分相應的部分標記相同的附圖標記示出。該第三實施方式的發動機I與第一實施方式同樣地包括氣缸體3、設置在氣缸體3的一端上的氣缸蓋4、以及在氣缸體3內往復運動的活塞5 (參照圖I),氣缸體3、氣缸蓋4以及活塞5形成燃燒室10。氣缸蓋4中設置有開閉進氣ロ 8a的進氣閥8、開閉排氣ロ 9a的排氣閥9、以及用於驅動進氣閥8和排氣閥9的閥驅動裝置。發動機I還包括排氣裝置50以及向排氣裝置50的排氣通路7供應空氣的二次空氣供應裝置70。排氣裝置50包括與氣缸蓋4連接的第一排氣管51、與該第一排氣管51連接的第ニ排氣管52、以及與該第二排氣管52連接的第三排氣管53，這些排氣管51、52、53形成排氣通路7。第一催化劑21和第二催化劑22空出間隔地配置在排氣通路7中。在第一排氣管51的上遊部設置有分叉管30。在分叉管30和第一催化劑21之間設置有收斂擴散噴管 40。在該第三實施方式中，分叉管30兼用作形成第一通路71的第一二次空氣供應管76。即，專用的第一通路71被廢棄，分叉部31兼用作第一通路71。也可以說第一通路71兼用作分叉部31。並且，第二二次空氣供應管77與兼用作第一二次空氣供應管76的分叉管30連接，從而形成從分叉部31 (第一通路71)至第一和第二催化劑21、22之間的排氣通路7的第二通路72。除此以外的構成與第一實施方式相同。因此，使用與第一實施方式有關的圖I 圖9及其詳細說明替代第三實施方式的詳細說明。在該第三實施方式中，分叉管30的與排氣通路7相反側的端部連結有簧片閥74，並且在簧片閥74的上遊側還連結有空氣量控制閥75和空氣過濾器78。簧片閥74構成分叉部31的反射部31b。即，來自排氣通路7的衝擊波向分叉部31 (第一通路71)分叉，被關閉狀態的簧片閥74(反射部31b)反射，而再次經由分叉部31 (第一通路71)向排氣通路7返回。該衝擊波與在排氣通路7內緩慢行進的排氣發生衝突，由此能夠提高排氣的壓力。排氣閥9打開時，簧片閥74被關閉，因此能夠通過簧片閥74反射衝擊波。如果通過收斂擴散噴管40的作用在排氣通路7中產生負壓，則簧片閥74打開，從而能夠向第一通路71導入來自外部的二次空氣。其後，如果通過排氣脈動在排氣通路7中產生正壓，則被導入到第一通路71中的二次空氣經由第二通路72被供應給第一和第二催化劑21、22之間的排氣通路7。如此，在本實施方式中，也能夠向第一催化劑21的下遊的排氣通路7供應足夠量的空氣。另外，根據本實施方式，不需要形成專門作為分叉部31發揮功能的通路或者專門作為第一通路71發揮功能的通路。因此，與使用專用的分叉部31和專用的第一通路71的構成(例如，第一實施方式)相比，能夠實現成本降低。〈第四實施方式〉圖12是用於說明本發明的第四實施方式涉及的發動機的排氣裝置等的構成的截面圖。在圖12中，對與上述的圖11所示的各部分相應的部分標記相同的附圖標記示出。該第四實施方式的發動機I與第三實施方式同樣地包括氣缸體3、設置在氣缸體3的一端上的氣缸蓋4、以及在氣缸體3內往復運動的活塞5 (參照圖I),氣缸體3、氣缸蓋4以及活塞5形成燃燒室10。氣缸蓋4中設置有開閉進氣ロ 8a的進氣閥8、開閉排氣ロ 9a的排氣閥9、以及用於驅動進氣閥8和排氣閥9的閥驅動裝置。發動機I還包括排氣裝置50以及向排氣裝置50的排氣通路7供應空氣的二次空氣供應裝置70。排氣裝置50包括與氣缸蓋4連接的第一排氣管51、與該第一排氣管51連接的第ニ排氣管52、以及與該第二排氣管52連接的第三排氣管53，這些排氣管51、52、53形成排氣通路7。第一催化劑21和第二催化劑22空出間隔地配置在排氣通路7中。在第一排氣管51的上遊部設置有分叉管30。分叉管30兼用作形成第一通路71的第一二次空氣供應管76。第二二次空氣供應管77與兼用作第一二次空氣供應管76的分叉管30連接，從而形成從分叉部31 (第一通路71)至第一和第二催化劑21、22之間的排氣通路7的第二通路72。在該第四實施方式中，分叉管30被用作收斂擴散噴管的一部分。其他的構成與第三實施方式(參照圖11)相同。因此，使用第一實施方式的圖I 圖9和第三實施方式的圖11以及它們的詳細說明代替第四實施方式的詳細說明。在第一至第三實施方式中，收斂部41和節流部42和擴散部43被形成在比分叉部31靠下遊的排氣通路7中。但是，本申請的發明人繼續潛心研究，其結果是，構想到通過更簡單的結構實現相同的效果的構造。·在本實施方式中，為了產生作為新衝擊波的行進衝擊波35b，設置有反射在排氣行程初期產生的衝擊波35使其再次向排氣通路7傳播的分叉部31。當從不同的視角觀察該分叉部31時，排氣通路7在分叉部31的位置上流路截面積増大。並且，排氣通路7在比分叉部31的位置靠下遊的位置上流路截面積減小。換言之，根據分叉部31，形成收斂部41和節流部42。例如，在比分叉部入口 31a靠上遊的排氣通路7的流路截面積A5和比分叉部入口31a靠下遊的排氣通路7的流路截面積A7大致相等的情況下，如下的關係成立。S卩，將位於比分叉部入口 31a靠上遊的位置上的排氣通路7部分的流路截面積A5以及分叉部31的流路截面積A4求和後的流路截面積比位於比入口 31a靠下遊的位置上的排氣通路7部分的流路截面積A7大。A4+A5 > A7。因此，可視作在入口 31a的下遊形成收斂部41和節流部42。由此，僅通過在入口 31a的下遊設置擴散部43，能夠實質地形成收斂擴散噴管40。A6表示擴散部43的流路截面積，A7 < A6。入口 31a和擴散部43之間的部分構成節流部42。如此，節流部42也可以沿流路方向較長地延伸。收斂部41和擴散部43不需要被構成為流路截面積向下遊平滑地(連續地)變化，也可以被構成為流路截面積逐步地(Step byStep)變化。對上述的第一和第二實施方式的構成也可應用該第四實施方式的構成。在這種情況下，通過在第一通路71的連接部71b的下遊設置擴散部43，能夠實質地形成收斂擴散噴管40。在這種構成的情況下，不僅在分叉部31中流路截面積發生變化，在通向第一通路71的分叉部中流路截面積也發生變化，因此也可考慮在第一通路連接部71b的下遊的排氣通路7中形成收斂部41和節流部42。在這種情況下，連接部71b和擴散部43之間的排氣通路7部分構成節流部42。〈第五實施方式〉圖13是用於說明本發明的第五實施方式涉及的發動機的排氣裝置等的構成的截面圖。在該圖13中，對與上述的圖11所示的各部分相應的部分標記相同的附圖標記，並省略說明。
在該實施方式中，在排氣通路7中在收斂擴散噴管40的下遊配置有ー個催化劑23。第二通路72的下遊端72b與催化劑23的側面連結。即，在第二通路72的下遊端72b上形成有敞開催化劑23的側面的大致整個區域的筒狀的空氣導入空間81。另ー方面，在催化劑23的側面形成有多個向內部導入空氣的空氣導入孔82。從第一通路71被供應給第二通路72的二次空氣從空氣導入空間81流入催化劑
23的內部。流入催化劑23的內部的二次空氣ー邊與從催化劑23的上遊端23a被導入的排氣混合，ー邊向催化劑23的下遊端流動。由此，在催化劑23的內部，催化劑23的從上遊端23a向下逐漸變細的錐形的區域24A構成來自燃燒室10的排氣處於支配性地位的低氧氣濃度區域。並且，除去區域24的剩餘的區域24B構成二次空氣被充分地供應的高氧氣濃度區域。催化劑23在低氧氣濃度區域24A中作為還原催化劑發揮功能，而在高氧氣濃度區域24B中作為氧化催化劑發揮功能。如此，能夠將ー個催化劑23兼用作還原催化劑和氧化 催化劑，因此能夠使來自燃燒室10的排氣充分地無毒化。因此，能夠提高排氣的淨化效率。另外，由於ー個催化劑23足以滿足要求，因此能夠減小排氣裝置50全體的熱容量。由此，當發動機I被起動時，能夠使催化劑23迅速地活性化，因此，發動機剛起動後，能夠充分地淨化排氣。該實施方式的另ー個特徵在於，在從第一通路71和第二通路72的連接部至第一通路71的下遊端71b的範圍的中途位置上配置有孔板(節流板)83。由此，能夠在不影響二次空氣的供應的情況下防止來自燃燒室10的排氣向第一通路71流入。由此，能夠提高被供應給第二通路72的空氣的氧氣濃度。孔板83例如可以是在中央具有開ロ的板狀體。在上述的或下述的其他的實施方式中，也可在第一通路71中設置同樣的孔板。圖14是用於說明催化劑23的構成例的圖示性立體圖。催化劑23具有蜂巣狀的金屬載體85。金屬載體85將具有開孔的平坦金屬箔(箔材)86和具有開孔的波狀金屬箔(箔材)87交替地積累而形成蜂巢構造。更具體地，帯狀的平坦金屬箔86和帯狀的波狀金屬箔87重疊，並被卷繞成輥狀，由此形成由圓柱狀的蜂巣構造構成的金屬載體85。平坦金屬箔86以使多個空氣孔86a均等地分散並形成在平坦的金屬箔上的方式製成。波狀金屬箔87例如以使多個空氣孔87a均等地分散並形成在以條狀的波形形成的金屬箔上的方式製成。平坦金屬箔86被配置在催化劑23的最外周面上，並且在最外周面露出的空氣孔86a相當於上述的空氣導入孔82。〈第六實施方式〉圖15是用於說明本發明的第六實施方式涉及的發動機的排氣裝置等的構成的截面圖。在該圖15中，對與上述的圖13所示的各部分相應的部分標記相同的附圖標記，並省略說明。在該實施方式中，第二通路72的下遊端72b與催化劑23的側面和催化劑23的上遊端23a的外周區域連接。S卩，在第二通路72的下遊端72b形成有敞開催化劑23的側面的大致整個區域並敞開催化劑23的上遊端23a的外周部的筒狀的空氣導入空間88。催化劑23的構成如上所述。從第一通路71被供應給第二通路72的二次空氣從空氣導入空間88流入催化劑23的內部。S卩，從第一通路71被供應給第二通路72的二次空氣從催化劑23的側面和催化劑23的上遊端23a的外周區域流入催化劑23的內部。流入催化劑23的內部的二次空氣一邊與從催化劑23的上遊端23a的中央區域被導入的排氣混合，ー邊向催化劑23的下遊端流動。由此，在催化劑23的內部中，催化劑23的從上遊端23a的中央區域向下遊逐漸變細的錐形區域24A構成來自燃燒室10的排氣處於支配性地位的低氧氣濃度區域。並且，除去區域24的剩餘的區域24B構成二次空氣被充分地供應的高氧氣濃度區域。催化劑23在低氧氣濃度區域24A中作為還原催化劑發揮功能，而在高氧氣濃度區域24B中作為氧化催化劑發揮功能。如此，能夠將ー個催化劑23兼用作還原催化劑和氧化催化劑。由於從催化劑23的上遊端23a的外周區域也導入二次空氣，因此，第五實施方式的情況相比，低氧氣濃度區域24減小。即，與第五實施方式的情況相比，高氧氣濃度區域25増大。因此，能夠將足夠量的二次空氣供應給催化劑23，因此能夠使來自燃燒室10的排氣充分地無毒化。〈第七實施方式〉圖16是示出本發明的第七實施方式涉及的發動機的排氣裝置的構成的示意圖。在圖16中，對與上述的圖I所示的各部分的相應部分標記相同的附圖標記示出。第五實施方式是將本發明的一個實施方式應用於多氣缸發動機的例子。 該第七實施方式的發動機I具有多個氣缸#A、#B。各氣缸#A、#B包括氣缸體3(參照圖I)、設置在氣缸體的一端的氣缸蓋4、以及在氣缸體3內往復運動的活塞5(參照圖I)。氣缸體3、氣缸蓋4以及活塞5形成有燃燒室10。氣缸蓋4中設置有開閉進氣ロ 8a(參照圖I)的進氣閥8 (圖I參照)、開閉排氣ロ 9a的排氣閥9、以及用於驅動進氣閥8 (參照圖I)和排氣閥9的閥驅動裝置。發動機I還包括排氣裝置50以及向排氣裝置50的排氣通路7供應空氣的二次空氣供應裝置70。排氣裝置50包括與氣缸蓋4連接的第一排氣管51、與該第一排氣管51連接的第ニ排氣管52、以及與該第二排氣管52連接的第三排氣管53。這些排氣管51、52、53形成排氣通路 7(7A，7B，7C)。在該實施方式中，第一排氣管51形成分別與多個燃燒室10的排氣ロ 9a連接的單獨排氣通路7A、7B。這些單獨排氣通路7A、7B在集合部25匯集而與集合排氣通路7C連結。該集合排氣通路7C中設置有收斂擴散噴管40。第一和第二催化劑21、22空出間隔地配置於收斂擴散噴管40的下遊側的集合排氣通路7C中。另外，形成第一通路71的第一二次空氣供應管76與集合部25和收斂擴散噴管40之間的集合排氣通路7C連接。形成第二通路72的第二二次空氣供應管77的上遊端與第一二次空氣供應管76連接。第二二次空氣供應管77的下遊端與第一和第二催化劑21、22之間即第一催化劑21的下遊的集合排氣通路7C連接。其他的構成與上述的第一實施方式相同。圖17A至圖17C是示出該第七實施方式涉及的發動機的動作的示意圖。或者，當氣缸#B的排氣ロ 9a打開時，排氣ロ 9a被關閉的其他的氣缸#A的單獨排氣通路7A作為分叉部31發揮功能。即，當氣缸#B的排氣ロ 9a打開時，排氣36從該排氣ロ 9a中被排出，並產生衝擊波35，排氣36和衝擊波35經由單獨排氣通路7B傳遞(參照圖17A)。衝擊波35在集合部25分叉，從而向其他的氣缸#A的單獨排氣通路7A流入。該分叉後衝擊波35在單獨排氣通路7A中向上遊側傳遞(參照圖17B)，而被氣缸#A的排氣閥9 (關閉狀態)反射。即，關閉狀態的排氣閥9作為反射部31b發揮功能。被反射的衝擊波35在単獨排氣通路7A中向下遊側傳遞，再次到達集合部25 (參照圖17C)並與排氣36發生衝突。由此，收斂擴散噴管40的入口處的壓力被升高，並在擴散部43中產生新的衝擊波。
在伴隨著該新的衝擊波的產生而產生的負壓的作用下，外部的二次空氣被導入到第一通路71中。然後，當之後的排氣脈動使得比擴散部43靠上遊的集合排氣通路7C變為正壓時，被導入到第一通路71的二次空氣被送入至第二通路72。由此，二次空氣被送入至第一催化劑21的下遊的集合排氣通路7C中。如此，通過將排氣ロ 9a關閉的氣缸的單獨排氣通路7A、7B兼用作分叉部31，實現與參照上述的圖4A 圖4C所說明的動作同樣的動作。各氣缸的単獨排氣通路7A、7B的管路長度被設計為使得被反射的衝擊波35與排氣36在集合部25發生衝突。 進行排氣匯集的氣缸#A、#B是處於其中一個氣缸的排氣ロ 9a為打開狀態時另一個氣缸的排氣ロ 9a為關閉狀態的關係的ー對氣缸組。更具體地，在具有氣缸#1、#2、#3、#4的四個氣缸發動機中，點火順序為氣缸#1_氣缸#3-氣缸#4-氣缸#2。在這種情況下，點火時機相差360度的氣缸#1和氣缸#4的組合相當於上述兩個氣缸#A、#B的組合。並且，同樣地，點火時機相差360度的、氣缸#2和氣缸#3的組合相當於上述兩個氣缸#ム、#8的組合。即，在四缸發動機中，與兩個氣缸#ム、#8相當的氣缸對存在兩對。〈其他的實施方式〉圖18是示出搭載有本發明的一個實施方式涉及的發動機的船舶的一例的立體圖。具體地，船舶100包括船體102以及具有本發明的一個實施方式涉及的發動機I的船外機101。在該例中，兩個船外機101被搭載在船體102上。船外機101例如包括發動機I、作為推進力產生部件的推進器(未圖示)、以及將發動機I的驅動カ傳遞給推進器的傳遞機構(未圖示)。傳遞機構例如包括通過發動機I的驅動カ旋轉的驅動軸、與推進器連結的推進器軸、以及設置在驅動軸和推進器軸之間的離合器。作為安裝在船舶100上的推進カ產生単元，除船外機101以外，還可列舉出船內機、船內外機。除此之外，例如，也可以使用將通過發動機旋轉的葉輪配置在水流路中的噴射泵單元作為用於船舶100的推進カ產生単元。圖19是示出搭載有本發明的一個實施方式涉及的發動機的車輛的立體圖。具體地，作為車輛的一例的自動ニ輪車200包括車體201、安裝在車體201的前後的前輪202和後輪203 (車輪)、以及本發明的一個實施方式涉及的發動機I。發動機I被配置在車體201的中央。發動機I所產生的驅動カ通過傳遞機構204被傳遞給後輪203。除此之外，本發明的發動機也可以用作發電機或鏈鋸等的發動機。當然，本發明涉及的發動機的應用對象絕不限於此。圖20是示出實施方式的變形例的排氣通路等的截面圖。在第一實施方式中，如圖20再次示出的，第一二次空氣供應管76即第一通路71在比分叉部31靠下遊的位置與排氣通路7連接。然而，第一通路71的連接位置可以位於比分叉部31靠上遊的位置(參照符號71A)，也可以位於與分叉部31相同的位置(參照符號71B)。另外，在所述實施方式中，示出了對ー個燃燒室設置了一個排氣ロ的發動機，但也可以對ー個燃燒室設置多個排氣ロ。另外，雖然示出了對ー個燃燒室設置了ー個收斂擴散噴管的例子，但也可以對ー個燃燒室設置兩個以上的噴嘴。這些變形當然可應用於具有多個燃燒室的多氣缸發動機。除此之外，本發明可應用於多種多樣的發動機。另外，在所述實施方式中，示出了對ー個排氣通路設置了一個分叉部的構成，但也可以對ー個排氣通路設置多個分叉部。例如，如果第一實施方式(參照圖I)的構成設計為第一通路71滿足分叉部31的條件(參照圖5)，則該構成實質上具有多個分叉部。另外，也可以設計連接從排氣通路7的相同位置分叉的多個分叉部的端部而具有環狀的通路的分叉部。在這種情況下，在各分叉部傳播來的衝擊波相互發生衝突而反射。在這種情況下，多個分叉部的相連接的部分(衝擊波相互發生衝突的部位)構成反射部。反射部即使不一定存在像壁那樣的部件也成立。另外，在上述的實施方式中，包括第一和第二催化劑21、22，但也可以如圖21所示的第一實施方式的變形例那樣省略第二催化劑22。在這種情況下，通過向第一催化劑21的下遊供應二次空氣，使第一催化劑21的上遊側部分作為還原催化劑起作用，另ー方面，能夠使第一催化劑21的下遊側部分作為氧化催化劑起作用。即，如果排氣脈動使得從第二通路72導入的二次空氣向第一催化劑21導入，則排氣中的空氣比率提高。由此，第一催化劑21的下遊側部分將作為氧化催化劑發揮功能。如此，利用二次空氣能夠有效地淨化排氣。在第二至第四以及第六實施方式中，也能夠進行同樣的變型。
另外，在上述的實施方式中，在第一通路71的簧片閥74的上遊包括空氣量控制閥75和空氣過濾器，但也可以省略空氣量控制閥75和空氣過濾器中的一者或兩者。另外，在上述的實施方式中，示出了將簧片閥74配置在第一通路71的上遊端的構成，但也可以將簧片閥74配置在第一通路71的上遊端和下遊端之間。在這種情況下，第二通路72的上遊端72a被配置在第一通路71中簧片閥74和排氣通路7之間即可。另外，圖14所示的催化劑也可用作第五和第六實施方式以外的實施方式中的第一和/或第二催化劑21、22。但是，第一和/或第二催化劑21、22不需要具有在側面具有空氣導入口的催化劑載體，而只要被構成為能夠從上遊端導入排氣即可。另外，在所述的實施方式中，對經由第二通路72向排氣通路供應二次空氣的構成進行了說明，但二次空氣的供應目的地也可以將排氣通路除外。例如，在圖22所示的ー個實施方式中，第二通路72的下遊端與蓄壓罐63的導入口 65連結。蓄壓罐63劃分能夠容納與大氣壓相比高壓的高壓空氣的容納空間64。蓄壓罐63具有空氣被導入的導入口 65、開閉導入口 65的單向閥66、以及容納空間64內的高壓空氣被排出的排出ロ 67。單向閥66被構成為在第二通路72內的空氣壓カ比容納空間64內的空氣壓カ高時打開，從而使空氣從第二通路72向容納空間64流入。單向閥66被構成為在容納空間64內的空氣壓カ大於等於第二通路72內的空氣壓カ時保持關閉狀態，由此阻止空氣從容納空間64向第二通路72的流出。通過這樣的構成，容納空間64內的空氣被加壓(壓縮)，由此能夠蓄積壓力。即，能夠將排氣的能量轉換為壓カ能量進行蓄積。高壓空氣供應路68的上遊端與排出ロ 66連接。高壓空氣供應路68的中途位置上配置有輸出控制閥69。通過開閉輸出控制閥69，能夠控制在蓄壓罐64中蓄積的高壓空氣(壓縮空氣)的輸出。高壓空氣供應路68的下遊端與利用高壓空氣發生動作的裝置210連接。這種裝置210的一例是以制動助力器和離合器助力器為代表的操作輔助裝置。另外，作為裝置210的其他的例子，可列舉出空氣懸架裝置以及警笛裝置。對本發明的實施方式詳細地進行了說明，但這些實施方式只是用於明確本發明的技術內容的具體例，本發明不應該解釋為限於這些具體例，本發明的範圍僅由所附的權利要求書的範圍限定。
本申請與2009年12月11日向日本專利局提交的專利申請2009-281823號相對應，該申請的全文通過在此援弓I而被包含於本發明中。符號說明
7排氣通路
9排氣閥9a排氣ロ
10燃燒室
20ECU
21第一催化劑
22第二催化劑
23催化劑
24A低氧氣濃度區域
24B高氧氣濃度區域
30分叉管31分叉部
35衝擊波
35b新的衝擊波(行進衝擊波)
35c膨脹波
36排氣
40收斂擴散噴管
41收斂部·
42節流部
43擴散部50排氣裝置63蓄壓罐
68高壓空氣供應路
69輸出控制閥
70二次空氣供應裝置
71第一通路
72第二通路74第一簧片閥
76第一二次空氣供應管
77第二二次空氣供應管
80第二簧片閥
81筒狀的空氣導入空間
82空氣導入孔
83孔板
85金屬載體
88空氣導入空間
100船舶
101船外機200自動ニ輪車
210利用高壓空氣發生動作的裝置
權利要求
1.一種發動機，包括 燃燒室，所述燃燒室形成有排氣口； 排氣閥，所述排氣閥開閉所述排氣口； 排氣裝置，所述排氣裝置具有導引從所述燃燒室經由所述排氣口排出的排氣的排氣通路；以及 空氣供應裝置，所述空氣供應裝置供應空氣； 其中，所述排氣裝置包括 收斂部，所述收斂部被設置在所述排氣通路中，並且所述收斂部的下遊端的流路截面積比所述收斂部的上遊端的流路截面積小； 擴散部，所述擴散部被設置在所述排氣通路中比所述收斂部靠下遊的位置上，並且所述擴散部的下遊端的流路截面積比所述擴散部的上遊端的流路截面積大；以及 分叉部，所述分叉部使與所述排氣口打開時從所述燃燒室向所述排氣通路流入的排氣相比以更高的速度在所述排氣通路中向下遊傳遞的衝擊波在比所述擴散部靠上遊的位置上從所述排氣通路分叉，並且使該衝擊波再次向所述排氣通路傳遞， 所述空氣供應裝置包括 第一通路，所述第一通路包括使從上遊端朝向下遊端的氣流通過的第一簧片閥，所述第一通路的下遊端在所述排氣通路的比所述擴散部靠上遊的位置被連接；和 第二通路，所述第二通路的上遊端在所述第一通路的比所述第一簧片閥靠下遊的位置被連接， 所述排氣裝置被構成為通過使從所述燃燒室向所述排氣通路流入的排氣經過所述收斂部，並在所述分叉部和所述擴散部之間與在所述分叉部傳遞的衝擊波發生衝突，而在所述收斂部中升高排氣的壓力，並通過使該升高壓力的排氣經過所述擴散部，來產生新的衝擊波， 所述空氣供應裝置被構成為利用通過所述新產生的衝擊波在比所述擴散部靠上遊的所述排氣通路內產生的負壓，經由所述第一簧片閥向所述第一通路導入空氣，並利用在比所述擴散部靠上遊的所述排氣通路內產生的正壓，將所述被導入的空氣供應給所述第二通路。
2.如權利要求I所述的發動機，其中，所述第一通路和第二通路被構成為使得流經所述第一通路的從上遊端至下遊端的流路的氣體的能量損失，比流經從所述第二通路的下遊端至所述第一通路的下遊端的流路的氣體的能量損失小。
3.如權利要求I所述的發動機，其中，所述第一通路和第二通路被構成為使得在堵塞所述第二通路使空氣從所述第一通路的上遊端向所述第一通路的下遊端流動時的、所述第一通路的下遊端的流量係數，比在與所述第二通路連接的連接部的上遊側堵塞所述第一通路使空氣從所述第二通路的下遊端向所述第一通路的下遊端流動時的、所述第一通路的下遊端的流量係數大。
4.如權利要求I至3中任一項所述的發動機，其中，所述空氣供應裝置還包括第二簧片閥，所述第二簧片閥被設置在所述第二通路中，並且使從所述第二通路的上遊端朝向下遊端的空氣通過。
5.如權利要求I至4中任一項所述的發動機，其中，所述分叉部兼用作所述第一通路。
6.如權利要求I至5中任一項所述的發動機，其中，在連接所述第一通路和所述第二通路的連接部與所述第一通路的下遊端之間，還包括被配置在所述第一通路的中途位置上的孔板。
7.如權利要求I至6中任一項所述的發動機，其中，所述第二通路的下遊端與所述排氣通路連接。
8.如權利要求7所述的發動機，其中，還包括在所述排氣通路中在比所述擴散部靠下遊的位置上設置的第一催化劑， 所述第二通路的下遊端在所述排氣通路的比所述第一催化劑靠下遊的位置上被連接。
9.如權利要求8所述的發動機，其中，所述排氣裝置還包括被配置在比所述第二通路的下遊端靠下遊側的排氣通路中的第二催化劑。
10.如權利要求7所述的發動機，其中，還包括在所述排氣通路中在比所述擴散部靠下遊的位置上設置的第一催化劑， 所述第二通路的下遊端在所述第一催化劑的側部與所述排氣通路連接。
11.如權利要求10所述的發動機，其中，所述第一催化劑在側面具有空氣導入孔。
12.如權利要求10或11所述的發動機，其中，所述第二通路的下遊端與所述排氣通路連接，使得還能夠將來自所述第二通路的空氣從所述第一催化劑的上遊端向所述第一催化劑導入。
13.如權利要求8至12中任一項所述的發動機，其中，所述第二通路中的氧氣濃度比所述排氣通路內的比所述第一催化劑靠上遊的位置上的氧氣濃度高。
14.一種車輛，所述車輛包括如權利要求I至13中任一項所述的發動機。
15.一種船舶，所述船舶包括如權利要求I至13中任一項所述的發動機。
全文摘要
發動機包括具有引導從燃燒室中排出的排氣的排氣通路的排氣裝置以及供應空氣的空氣供應裝置。排氣通路中設置有收斂部、擴散部、以及分叉部。分叉部使在排氣通路中向下遊傳遞的衝擊波在比擴散部靠上遊的位置上從排氣通路分叉，並且使該衝擊波再次向所述排氣通路傳遞。空氣供應裝置包括第一通路，所述第一通路包括使從上遊端向下遊端的氣流通過的第一簧片閥，第一通路的下遊端在所述排氣通路的比所述擴散部靠上遊的位置被連接；以及第二通路，所述第二通路的上遊端在所述第一通路的比所述第一簧片閥靠下遊的位置被連接。所述排氣裝置被構成為通過使排氣經過所述收斂部，並在所述分叉部和所述擴散部之間與在所述分叉部傳遞的衝擊波發生衝突。
文檔編號F01N5/04GK102686844SQ201080056390
公開日2012年9月19日 申請日期2010年12月1日 優先權日2009年12月11日
發明者粉川嗣教 申請人:山葉發動機株式會社