JP6620789B2 - ターボ過給エンジンの排気装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジン本体から排出される排気ガスにより駆動されて吸気を過給するターボ過給機を備えたターボ過給エンジンの排気装置に関する。

ターボ過給エンジンの排気装置として、下記特許文献１のものが知られている。この特許文献１の排気装置では、排気通路の途中部にターボ過給機のタービンが設けられるとともに、タービンよりもさらに下流側の排気通路に三元触媒を含む触媒装置が設けられている。また、タービンとエンジン本体との間に位置する部分の排気通路には、当該排気通路内に外部から空気（二次空気）を導入するための二次空気供給通路が接続されている。二次空気供給通路にはエアポンプが設けられ、このエアポンプの駆動／停止により二次空気の導入の有無が切り替えられるようになっている。

上記エアポンプが駆動されて排気通路内に二次空気が導入されると、排気ガス中の未燃成分（ＨＣ等）と二次空気との酸化反応が生じ、熱が発生する。これにより、二次空気の導入位置よりも下流側における排気ガスの温度が上昇するので、タービンの駆動力が増大するという効果や、タービンのさらに下流側に位置する触媒の活性化が促進されるといった効果が期待できる。

特開２０１５−２１４９６６号公報

ここで、上記特許文献１の技術では、エアポンプにより圧送された二次空気が排気通路内に導入されるので、例えば排気通路の圧力が比較的低い条件、つまりエアポンプの圧力から排気ガスの圧力を差し引いた圧力差が大きい条件では、十分な量の二次空気を排気通路内に導入することが可能である。しかしながら、例えばある気筒の排気行程の開始直後のように、排気通路を流れる排気ガスの圧力が高いときには、上記圧力差が縮小するか、もしくはマイナスに転じることにより、二次空気の排気通路への導入ができなくなるか、微量しか導入できなくなる。

このように、上記特許文献１では、排気通路内に導入できる二次空気の量が時間により大きくばらつくので、排気ガス中に含まれる二次空気の割合は、流れ方向に沿って大→小→大→小‥‥というパターンで大きく変化する。そして、二次空気の割合が小さい領域では、排気ガス中の未燃成分を十分に酸化させることができず、結果として、排気ガスの昇温効果が平均的に低下する。このため、上述したタービン駆動力の増大効果等が十分に得られなくなるという問題があった。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、タービン上流の排気通路に導入される空気により排気ガス中の未燃成分を安定的に酸化させることができ、もってタービンの駆動力を十分に高めることが可能なターボ過給エンジンの排気装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するためのものとして、本発明は、複数の気筒を含むエンジン本体と、エンジン本体に導入される吸気が流通する吸気通路と、エンジン本体から排出される排気ガスにより駆動されて吸気を過給するターボ過給機とを備えたターボ過給エンジンに適用される排気装置であって、前記排気ガスが流通する排気通路と、前記排気通路内に外部から空気を導入する二次空気導入部と、前記二次空気導入部と前記吸気通路とを連通する連通路とを備え、前記ターボ過給機は、前記排気ガスにより回転駆動されるタービンと、タービンを収容するタービンハウジングとを備え、前記タービンハウジングは、前記タービンの周囲に、仕切壁により仕切られた複数のスクロール部を有し、前記排気通路は、前記複数の気筒と前記複数のスクロール部とを１対１の関係で接続する複数の単管状の独立排気管を有し、前記複数の独立排気管にそれぞれ前記二次空気導入部が設けられ、前記二次空気導入部は、排気ガスが内部を通過する第１管部と、第１管部の外周を取り囲むように配置された第２管部と、前記第１管部と前記第２管部との間に形成された環状隙間に空気を取り込むための取込部とを有し、前記第１管部の下流端部は、前記第２管部の内周面から前記環状隙間の分だけ隔てた位置において前記第２管部の内部に開放された開放端とされ、前記第１管部の下流端部の流路面積は、当該下流端部よりも上流側を流れる排気ガス通路の流路面積に比べて小さい値に設定され、前記第１管部の下流端部から下流側に所定距離離れた前記タービンハウジングの内部に前記タービンが配置され、前記連通路は、前記吸気通路から延びる共通連通管と、共通連通管の下流端から分岐して前記各二次空気導入部に接続される複数の独立連通管とを有し、前記各独立連通管には、前記各二次空気導入部から前記吸気通路への空気の逆流を防止する逆止弁がそれぞれ設けられている、ことを特徴とするものである（請求項１）。

本発明によれば、いわば二重管構造をなすように配置された第１管部および第２管部を含む二次空気導入部が排気通路に設けられるとともに、これら第１管部および第２管部の間に形成された環状隙間に空気が導入されるので、二次空気導入部よりも下流側の排気通路において、導入された空気が排気ガスの周囲を取り囲むように分布する状態、つまり径方向に層状化されたガス分布が得られる。排気ガスの周囲を取り囲む空気は、高温の排気ガスの熱が排気通路の壁面へと逃げるのを抑制する断熱材として機能するので、排気ガスがタービンに到達するまでの間、排気ガスの温度は十分な高温に維持される。このため、排気ガスとその外周の空気とがタービンに導入されたときには、このタービンの回転による撹拌に伴い、排気ガス中の未燃成分と空気中の酸素とが高温環境下で確実に反応し、排気ガスの温度が十分に上昇する。これにより、排気ガスからタービンに入力されるエネルギーが増大するので、タービンの駆動力を十分に高めることができる。

また、第１管部の下流端部の流路面積が、当該下流端部よりも上流側を流れる排気ガス通路の流路面積に比べて小さい値に設定されるので、第１管部を通過した後の排気ガスの流速が第１管部を通過する前の流速よりも速くなる。このような排気ガスの高速化は、いわゆるエゼクタ効果を生じさせ、上述した環状隙間の圧力を負圧化させる。これにより、例えばエアポンプ等を用いて空気を圧送しなくても、外部から取込部に供給される空気を自然に環状隙間に取り込むことができる。

しかも、エゼクタ効果を利用する構成であるため、排気行程の開始から終了までの間に第１管部を通過する排気ガスの流速（流量）が変化しても、その変化に追従するように空気の導入量も自然に調節されて、排気ガスと空気との割合が略一定に維持される。例えば、排気行程の開始直後では、非常に高速の排気ガスが第１管部を通過するので、エゼクタ効果により生成される負圧が強くなる結果、第１管部と第２管部との間の環状隙間に導入される空気の量も増大する。一方、排気行程がある程度進行すると、第１管部を通過する排気ガスの流速も低下するので、エゼクタ効果により生成される負圧が弱くなる結果、環状隙間に導入される空気の量も減少する。このように、本発明では、排気ガスの流速（流量）に応じて空気の導入量が自然に調節されるので、二次空気導入部からタービンへと至る排気ガスの流れ方向のいずれの位置においても、排気ガスと空気との割合が略一定に維持される。これにより、排気行程中に排出された排気ガスがタービンを通過する間、排気ガス中の未燃成分を酸化させる作用が安定的に発揮されるので、その酸化作用により排気ガスの温度を平均的に十分に上昇させることができ、タービンの駆動力を効果的に増大させることができる。
さらに、排気通路が複数の気筒に連通する複数の独立排気管を有するものとされ、各独立排気管内のいずれにおいてもいわゆる排気干渉が生じないように形成されるので、各気筒から排出された排気ガスが十分な速度を保ちつつ各独立排気管の内部を流通する。このため、各独立排気管に設けられた二次空気導入部においてエゼクタ効果が効率よく発揮され、十分な量の空気が各独立排気管に導入される。これにより、排気ガスがタービンを通過するときにその排気ガス中の未燃成分の酸化反応が十分に進行するので、当該酸化反応による排気ガスの高温化を効率よく達成することができる。

好ましくは、前記排気ガスを浄化するための触媒を含む触媒装置が前記タービンよりさらに下流側の排気通路に配置される（請求項２）。

この構成によれば、前記のように未燃成分の酸化に伴い高温化された排気ガスを利用して触媒装置内の触媒を迅速に活性化することができる。例えば、触媒装置内の触媒の温度が所定値未満となるエンジンの冷間時は、触媒を迅速に昇温させて活性化することが求められるが、その一方で、燃料の気化率の低下によって、未燃のまま排気通路に排出される燃料が増加する。そこで、このように排気ガス中の未燃成分が多くなるエンジンの冷間時に、二次空気導入部から導入される空気を利用して未燃成分を酸化させるようにすれば、排気ガスの温度を十分に上昇させることができ、触媒の活性化を効果的に促進することができる。

より好ましくは、前記二次空気導入部の取込部に空気を供給するのを許容または停止する切替弁が前記共通連通管に設けられ、前記切替弁は、前記触媒の温度が所定値未満となるエンジンの冷間時に少なくとも開弁される（請求項３）。

この構成によれば、触媒の温度が低く排気ガスの高温化が要求される条件でのみ排気通路内に空気を導入することができる。言い換えると、不必要時には排気通路への空気の導入を停止できるので、排気ガスが無用に高温化されるのを回避でき、タービンよりも下流側の排気通路に設けられる部品群の信頼性を向上させることができる。

前記のように共通連通管に切替弁が設けられる場合、この切替弁は、エンジンの負荷が高くかつ回転速度が低い運転条件のときに少なくとも開弁されるものであってもよい（請求項４）。

この構成によれば、低速・高負荷運転時におけるエンジンの出力トルクを増大させることができ、車両の加速性能を向上させることができる。

以上説明したように、本発明のターボ過給エンジンの排気装置によれば、タービン上流の排気通路に導入される空気により排気ガス中の未燃成分を安定的に酸化させることができ、タービンの駆動力を十分に高めることができる。

本発明の排気装置が適用されたターボ過給エンジンの好ましい実施形態を示す概略システム図である。 上記エンジンのエンジン本体を示す概略断面図である。 ターボ過給機およびその周辺部品の構造を示す図１の一部拡大図である。 二次空気導入部の詳細構造を説明するための断面図である。 上記二次空気導入部による作用を説明するための図である。 排気ガスの流量と上記二次空気導入部からの空気の導入量との関係を時系列で示すグラフである。 本発明の他の実施形態を説明するための図である。

（１）全体構成
図１は、本発明の排気装置が適用されたターボ過給エンジンの好ましい実施形態を示す概略システム図であり、図２は、当該エンジンのエンジン本体１を示す概略断面図である。本図に示されるエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載された４サイクルのガソリンエンジンであり、エンジン本体１と、エンジン本体１に導入される吸気が流通する吸気通路２０と、エンジン本体１から排出される排気ガスが流通する排気通路３０と、排気通路３０内に外部から空気を導入する二次空気システム４０と、排気ガスのエネルギーにより駆動されて吸気を過給するターボ過給機６０とを備えている。

エンジン本体１は、回転軸Ｘの周りを回転する２つのロータ２を有した２ロータタイプのロータリエンジンである。なお、以下では、回転軸Ｘと平行な方向を前後方向と称し、このうち回転軸Ｘの一方側（図１の左側）を前側、回転軸Ｘの他方側（図１の右側）を後側とする。

具体的に、エンジン本体１は、上述した２つのロータ２と、各ロータ２を内部に収容する２つのロータハウジング３と、両ロータハウジング３の間に設けられたインターミディエイトハウジング４と、これらロータハウジング３およびインターミディエイトハウジング４を前後から挟むように取り付けられた２つのサイドハウジング５とを有している。

前側のサイドハウジング５と前側のロータハウジング３とインターミディエイトハウジング４とによって、前側のロータ２を収容するロータ収容室７が形成されている。同様に、後側のサイドハウジング５と後側のロータハウジング３とインターミディエイトハウジング４とによって、後側のロータ２を収容するロータ収容室７が形成されている。なお、ロータ収容室７は請求項にいう「気筒」に相当する。言い換えると、当実施形態のエンジンは、２つの気筒を備えた２気筒エンジンである。

各ロータハウジング３の内周面（各ロータ収容室７の周面）は、前後方向視（図２）において、２ノードのペリトロコイド曲線に沿うように形成されている。以下では、このロータハウジング３の内周面をトロコイド内周面３ａという。トロコイド内周面３ａにより囲まれたロータ収容室７は、前後方向視で繭に近似した略楕円状の空間とされる。

インターミディエイトハウジング４は、２つのロータ収容室７を前後方向に隔てる隔壁として機能する。前側のサイドハウジング５は、前側のロータ収容室７の前面を塞ぐように前側のロータハウジング３に取り付けられ、後側のサイドハウジング５は、後側のロータ収容室７の後面を塞ぐように後側のロータハウジング３に取り付けられている。

ロータ２は、前後方向視で略三角形をなすブロック体であり、ロータハウジング３と略同一の厚みを有しかつその内周面（トロコイド内周面３ａ）と内接するように形成されている。ロータ２は、その外周面として、上記三角形の各辺に対応する３つのフランク面２ａを有し、各フランク面２ａは、径方向外側に凸となるように膨出した曲面状に形成されている。

ロータ２は、上記三角形の各頂点に対応する位置に、それぞれ図示しないアペックスシールを有している。アペックスシールは、ロータハウジング３のトロコイド内周面３ａに摺接するように取り付けられている。ロータ収容室７の内部には、ロータ２の各フランク面２ａとトロコイド内周面３ａとにより画成された３つの作動室８が形成される。

ロータ２の側面（前面および後面）には環状のオイルシール１８が取り付けられている。オイルシール１８は、余分な潤滑オイルが作動室８内に流入するのを防止するものである。

エンジン本体１は、ロータ２の回転軸Ｘに沿って設けられたエキセントリックシャフト６を有している。エキセントリックシャフト６は、インターミディエイトハウジング４および前後のサイドハウジング５をそれぞれ貫通するように前後方向に延びており、ロータ２の位置に対応する前後２箇所に偏心状に拡径した偏心部６ａを有している。ロータ２の中心部には円形状の孔が形成されており、その孔には図略のロータベアリングを介して偏心部６ａが嵌合されている。

ロータ２は、エキセントリックシャフト６に対して遊星回転運動するように支持されている。すなわち、ロータ２は、エキセントリックシャフト６の偏心部６ａの周りを自転しつつ、回転軸Ｘの周りに自転と同方向に公転するように支持されている（この自転および公転を含め、広い意味で単にロータの回転という）。ロータ２が回転すると、これに伴い３つの作動室８が同時に周方向に移動して、各作動室８にて吸気、圧縮、膨張（燃焼）、および排気の各行程が順次行われる。各作動室８での燃焼により生じる回転力は、ロータ２を介してエキセントリックシャフト６から出力される。

ロータ２の内周面には図略のインターナルギヤが形成されており、このインターナルギヤと噛み合う外歯車を構成するステーショナリギヤ（固定ギヤ）がサイドハウジング５に取り付けられている。これらインターナルギヤとステーショナリギヤとは、ロータ２が１回転する間にエキセントリックシャフト６が３回転するようなギヤ比で組み合わされている。

当実施形態の場合、ロータ２は図２における時計回り（矢印の方向）に回転する。回転軸Ｘを通るロータ収容室７の長軸Ｙを挟んで分けられるロータ収容室７の右側が概ね吸気行程および排気行程の領域となり、左側が概ね圧縮行程および膨張行程の領域となっている。

インターミディエイトハウジング４には、前側のロータ収容室７に連通する吸気ポート１０が形成されており、後側のサイドハウジング５には、後側のロータ収容室７に連通する吸気ポート１０が形成されている。これら吸気ポート１０，１０は、それぞれ吸気行程にある作動室８に開口する位置に形成されている。すなわち、吸気ポート１０は吸気行程中に開放され、この開放された吸気ポート１０を通じて、吸気通路２０から供給された空気（新気）が作動室８に導入される。

エンジン本体１には、ガソリンを主成分とする燃料を吸気ポート１０に噴射するインジェクタ１５が各ロータ２に１つずつ設けられている。前側のロータ２用のインジェクタ１５は、対応する吸気ポート１０に臨む状態でインターミディエイトハウジング４に取り付けられ（図２）、後側のロータ２用のインジェクタ１５は、対応する吸気ポート１０に臨む状態で後側のサイドハウジング５に取り付けられている（図示省略）。

前側のサイドハウジング５には、前側のロータ収容室７に連通する排気ポート１１が形成されており、インターミディエイトハウジング４には、後側のロータ収容室７に連通する排気ポート１１が形成されている。これら排気ポート１１，１１は、それぞれ排気行程にある作動室８に開口する位置に形成されている。すなわち、排気ポート１１は排気行程中に開放され、この開放された排気ポート１１を通じて、作動室８内の排気ガスが排気通路３０に排出される。

エンジン本体１には、混合気に点火する点火プラグ１６，１７が各ロータ２に２つずつ設けられている。前側のロータ２および後側のロータ２用の各点火プラグ１６，１７は、圧縮行程が終了した（圧縮行程から膨張行程に切り替わる）状態の作動室８に臨む状態で、対応するロータハウジング３にそれぞれ取り付けられている。点火プラグ１６，１７は、ロータ収容室７の短軸Ｚを挟んだロータ回転方向のトレーリング側（遅れ側）とリーディング側（進み側）とにそれぞれ配置されており、作動室８内の混合気に対し同時に、または所定の位相差を持って点火を行う。

以上のようなエンジン本体１の燃焼サイクルは、次のようにして進行する。まず、図２における右下の作動室８は吸気行程にあり、この作動室８では、吸気ポート１０から導入された吸気とインジェクタ１５から噴射された燃料とが混合されて混合気が形成される。ロータ２の回転に伴って作動室８が左下の領域に移動すると、その作動室８内の混合気が圧縮され、圧縮行程が行われる。ロータ２がさらに回転すると、図２の左側の作動室８のように、圧縮行程がほぼ終了した状態になり、その状態で点火プラグ１６，１７による点火が行われて、混合気の燃焼が開始される。その後、作動室８が左上の領域へと移動するとともに、作動室８内の燃焼ガスが膨張し、膨張行程が行われる。ロータ２がさらに回転し、作動室８が右上の領域に移行すると、その作動室８内の燃焼ガスが排気ポート１１から排出され、排気行程が行われる。その後は再び吸気行程に戻り、以後、同じ動作が繰り返される。

吸気通路２０は、単管状の共通吸気管２１と、共通吸気管２１の下流端から分岐した第１独立吸気管２２および第２独立吸気管２３とを有している。第１独立吸気管２２の下流端部は、前側のロータ２用の吸気ポート１０に連通するようにエンジン本体１（インターミディエイトハウジング４）に接続され、第２独立吸気管２３の下流端部は、後側のロータ２用の吸気ポート１０に連通するようにエンジン本体１（後側のサイドハウジング５）に接続されている。なお、本明細書において、吸気通路２０における下流（または上流）とは、吸気通路２０を流通する吸気の流れ方向の下流（または上流）のことをいう。

共通吸気管２１には、吸気中に含まれる異物を除去するエアクリーナ２４と、ターボ過給機６０により過給された吸気を冷却するインタークーラ２５と、吸気通路２０を流通する吸気の流量を調整する開閉可能なスロットル弁２６とが、上流側からこの順に設けられている。

排気通路３０は、単管状の共通排気管３３と、共通排気管３３の上流端から分岐する第１独立排気管３１および第２独立排気管３２とを有している。第１独立排気管３１の上流端部は、前側のロータ２用の排気ポート１１に連通するようにエンジン本体１（前側のサイドハウジング５）に接続され、第２独立排気管３２の上流端部は、後側のロータ２用の排気ポート１１に連通するようにエンジン本体１（インターミディエイトハウジング４）に接続されている。なお、本明細書において、排気通路３０における上流（または下流）とは、排気通路３０を流通する排気ガスの流れ方向の上流（または下流）のことをいう。

共通排気管３３には触媒装置３４が設けられている。触媒装置３４には、排気ガス中の有害成分を浄化するための触媒（例えば三元触媒）が内蔵されている。

排気通路３０には、第１・第２独立排気管３１，３２の内部にそれぞれ外部から空気を導入するための２つの二次空気導入部４１が設けられている。各二次空気導入部４１は、二次空気システム４０の一部を構成する要素であるが、その詳細については後述する。

図３は、ターボ過給機６０およびその周辺部品を拡大して示す図である。この図３および先の図１に示すように、ターボ過給機６０は、排気通路３０に設けられたタービン６１と、吸気通路２０に設けられたコンプレッサ６２と、タービン６１とコンプレッサ６２とを連結する連結軸６３と、タービン６１を収容するタービンハウジング６４と、コンプレッサ６２を収容するコンプレッサハウジング６５とを有している。

タービン６１は、排気通路３０を流通する排気ガスのエネルギーを受けて回転し、連結軸６３を介してコンプレッサ６２を回転させる。コンプレッサ６２は、タービン６１と連動して回転することにより、吸気通路２０を流通する吸気を圧縮する。

コンプレッサハウジング６５は、共通吸気管２１の途中部、詳しくは、エアクリーナ２４とインタークーラ２５との間に位置する部分の共通吸気管２１に介設されている。

タービンハウジング６４は、第１独立排気管３１および第２独立排気管３２の各下流端部と共通排気管３３との間に介設されている。第１・第２独立排気管３１，３２からタービンハウジング６４に導入された排気ガスは、いずれもタービン６１を通過した後に共通排気管３３に導出される。

タービンハウジング６４は、いわゆるツインスクロール型のものであり、第１スクロール部６４ａおよび第２スクロール部６４ｂをその内部に有している。両スクロール部６４ａ，６４ｂは、タービン６１の周囲の空間をタービン６１の軸方向に２分割する仕切壁Ｓによって仕切られている。第１スクロール部６４ａは第１独立排気管３１と連通し、第２スクロール部６４ｂは第２独立排気管３２と連通している。これにより、第１独立排気管３１からの排気ガスが第１スクロール部６４ａを介してタービン６１に導入されるとともに、第２独立排気管３２からの排気ガスが第２スクロール部６４ｂを介してタービン６１に導入されるようになっている。

タービンハウジング６４には、タービン６１の上流側の内部通路（第１・第２スクロール部６４ａ，６４ｂ）とタービン６１の下流側の内部通路とを連通するバイパス通路７１が設けられている。バイパス通路７１には、過給圧が予め定められた上限値を超えないように開閉制御されるウェストゲート弁７２が設けられている。なお、図１では第１スクロール部６４ａのみにバイパス通路７１が連通しているように図示されているが、バイパス通路７１は第１スクロール部６４ａだけでなく第２スクロール部６４ｂにも連通している。

（２）二次空気システムの構成
図１に示すように、二次空気システム４０は、第１・第２独立排気管３１，３２内に空気を導入するための上述した２つの二次空気導入部４１と、各二次空気導入部４１と吸気通路２０とを連通する連通路４２とを有している。

連通路４２は、吸気通路２０の共通吸気管２１から分岐して延びる共通連通管５５と、共通連通管５５の下流端から分岐した第１独立連通管５６および第２独立連通管５７とを有している。

共通連通管５５の上流端部は、コンプレッサ６２よりも下流側（コンプレッサ６２とインタークーラ２５との間）に位置する部分の共通吸気管２１に接続されている。第１独立連通管５６の下流端部は、第１独立排気管３１用の二次空気導入部４１に接続されている。第２独立連通管５７の下流端部は、第２独立排気管３２用の二次空気導入部４１に接続されている。

共通連通管５５には、吸気通路２０から二次空気導入部４１へと流れる空気の流れを許容または停止するための切替弁５８が設けられている。また、第１独立連通管５６および第２独立連通管５７には、切替弁５８の開弁時に二次空気導入部４１から吸気通路２０へと空気が逆流するのを防止するための逆止弁５９がそれぞれ設けられている。

切替弁５８は、触媒装置３４内の触媒の温度が所定値未満となるエンジンの冷間時に開弁され、それ以外の条件では閉弁される。エンジンの冷間時に切替弁５８が開弁されると、吸気通路２０（共通吸気管２１）を流通する空気の一部が連通路４２へと分流して二次空気導入部４１に供給され、排気通路３０（第１独立排気管３１または第２独立排気管３２）の内部に導入される。導入された空気は、排気ガス中の未燃成分（ＨＣ等）を酸化させるために利用される。

第１独立排気管３１用の二次空気導入部４１と、第２独立排気管３２用の二次空気導入部４１とは、いずれも同一の構造を有しており、その詳細は図４に示すとおりである。本図に示すように、各二次空気導入部４１は、排気ポート１１から排出された排気ガスが内部を通過する第１管部５１と、第１管部５１の外周面を取り囲むように配置された第２管部５２と、第１管部５１と第２管部５２との間に形成された環状隙間Ｐに空気を取り込むための取込部５３とを有している。

第１管部５１は、第１独立排気管３１とエンジン本体１との間、もしくは第２独立排気管３２とエンジン本体１との間において、各ロータ２用の排気ポート１１と直接連通するように設けられている。具体的に、第１独立排気管３１とエンジン本体１との間に位置する第１管部５１は、前側のロータ２用の排気ポート１１に連通するように前側のサイドハウジング５に結合されており、第２独立排気管３２とエンジン本体１との間に位置する第１管部５１は、後側のロータ２用の排気ポート１１に連通するようにインターミディエイトハウジング４に結合されている。

第１管部５１は、エンジン本体１（サイドハウジング５またはインターミディエイトハウジング４）に固定される環状のフランジ部５１ｂと、フランジ部５１ｂの内周端から下流側に向けて延びる本体部５１ａとを有している。本体部５１ａの下流端部は、第２管部５２の内周面から環状隙間Ｐの分だけ隔てた位置において第２管部５２の内部に開放された開放端とされている。

本体部５１ａは、その上流側の一部分が、下流側ほど流路面積が小さくなるような絞り形状とされている。このため、本体部５１ａの下流端部の流路面積、つまり第１管部５１の出口面積Ａ２は、本体部５１ａの上流側部分の流路面積よりも小さい。また、排気ポート１１の下流端部の流路面積、つまり排気ポート１１の出口面積Ａ１は、本体部５１ａの上流端部の流路面積とほぼ同一とされ、第１管部５１の出口面積Ａ２よりも大きい。言い換えると、第１管部５１の出口面積Ａ２は、第１管部５１の上流側部分の流路面積および排気ポート１１の出口面積Ａ１のいずれよりも小さい値に設定されている。排気ポート１１から第１管部５１に導入された排気ガスは、このような形状の第１管部５１を通過することにより、排気ポート１１を通過していた時点よりも流速が高められた状態で第１管部５１から排出されることになる。

第２管部５２は、第１管部５１の本体部５１ａの外径よりも大きい内径を有するストレート管状の本体部５２ａと、本体部５２ａの下流端部に形成された環状のフランジ部５２ｂとを有している。第２管部５２は、第１独立排気管３１または第２独立排気管３２の上流側に同軸状に配置された状態で、第１独立排気管３１または第２独立排気管３２の上流端部にフランジ部５２ｂを介して結合されている。また、この状態で、第２管部５２は、その本体部５２ａの上流側の一部が第１管部５１の本体部５１ａの外周面を取り囲むように配置されている。これにより、第１管部５１（本体部５１ａ）の外周面と第２管部５２の内周面との間に、断面視で円環状の環状隙間Ｐが形成されるようになっている。なお、環状隙間Ｐの径方向寸法が全周に亘って略同一となるように、第２管部５２と第１管部５１とは両者の中心軸が略一致する状態で配置される。

取込部５３は、環状隙間Ｐに導入される空気の入口部として第２管部５２の外周壁に突設された筒状の突起である。この取込部５３には、第１独立連通管５６または第２独立連通管５７の下流端部が接続される。第１独立連通管５６または第２独立連通管５７から供給された空気は、取込部５３を貫通する貫通孔を通じて環状隙間Ｐに導入される。

（３）作用効果等
以上説明したように、当実施形態では、ターボ過給機６０のタービン６１よりも上流側に位置する第１独立排気管３１および第２独立排気管３２にそれぞれ二次空気導入部４１が設けられ、各二次空気導入部４１は、排気ガスが内部を通過する第１管部５１と、第１管部５１の外周を取り囲むように配置された第２管部５２と、第１管部５１と第２管部５２との間に形成された環状隙間Ｐに空気を取り込むための取込部５３とを有している。第１管部５１の下流端部は、第２管部５２の内周面から環状隙間Ｐの分だけ隔てた位置において第２管部５２の内部に開放された開放端とされ、第１管部５１の出口面積Ａ２は、第１管部５１の上流側部分の流路面積および排気ポート１１の出口面積Ａ１（言い換えると第１管部５１の下流端部よりも上流側を流れる排気ガス通路の流路面積）に比べて小さい値に設定されている。このような構成によれば、タービン６１を流れる排気ガス中の未燃成分を安定的に酸化させ、それによってタービン６１の駆動力を十分に高めることができるという利点がある。

すなわち、上記実施形態では、いわば二重管構造をなすように配置された第１管部５１および第２管部５２の間（環状隙間Ｐ）に取込部５３を介して空気が導入されるので、例えば図５に示すように、二次空気導入部４１よりも下流側の排気通路３０（第１独立排気管３１または第２独立排気管３２）において、導入された空気が排気ガスの周囲を取り囲むように分布する状態、つまり径方向に層状化されたガス分布が得られる。排気ガスの周囲を取り囲む空気は、高温の排気ガスの熱が排気通路３０の壁面へと逃げるのを抑制する断熱材として機能するので、排気ガスがタービン６１に到達するまでの間、排気ガスの温度は十分な高温に維持される。このため、排気ガスとその外周の空気とがタービン６１に導入されたときには、このタービン６１の回転による撹拌に伴い、排気ガス中の未燃成分と空気中の酸素とが確実に反応し、排気ガスの温度が十分に上昇する。これにより、排気ガスからタービン６１に入力されるエネルギーが増大するので、タービン６１の駆動力を十分に高めることができる。

また、第１管部５１の出口面積Ａ２が排気ポート１１の出口面積Ａ１に比べて小さい値に設定されるので、第１管部５１を通過した後の排気ガスの流速が第１管部５１を通過する前の流速よりも速くなる。このような排気ガスの高速化は、いわゆるエゼクタ効果を生じさせ、上述した環状隙間Ｐの圧力を負圧化させる。これにより、例えばエアポンプ等を用いて空気を圧送しなくても、吸気通路２０から分流した空気（連通路４２内の空気）を取込部５３を介して自然に環状隙間Ｐに取り込むことができる。

しかも、エゼクタ効果を利用する構成であるため、排気行程の開始から終了までの間に第１管部５１を通過する排気ガスの流速（流量）が変化しても、その変化に追従するように空気の導入量も自然に調節されて、排気ガスと空気との割合が略一定に維持される。

このことを図６を用いて説明する。図６は、二次空気導入部４１を通過する排気ガスの流量と二次空気導入部４１から導入される空気の導入量とを時系列で示すグラフである。本グラフの横軸に記載のエキセン角（ＥＡ）とは、エキセントリックシャフト６の回転角度のことである。ロータリエンジンでは、各ロータ収容室７において２７０°ＥＡごとに排気ポート１１が開口するので、各独立排気通路３１，３２に設けられた二次空気導入部４１において、排気ガスの流量および空気の導入量は２７０°ＥＡを１サイクルとして変化する。

図６に示すように、排気ポート１１が開放された直後（排気行程の開始直後）は、排気ポート１１から二次空気導入部４１へと勢いよく排気ガスが排出されるので、第１管部５１を通過する排気ガスの流速（流量）が急上昇するとともに、エゼクタ効果により環状隙間Ｐに生じる負圧が強くなる。これにより、環状隙間Ｐに導入される空気の量が、排気ガスの流量に追従するように増大する。一方、排気行程がある程度進行すると、第１管部５１を通過する排気ガスの流速も低下するので、エゼクタ効果により生成される負圧が弱くなる結果、環状隙間Ｐに導入される空気の量も減少する。このように、上記実施形態では、排気ガスの流速（流量）に応じて空気の導入量が自然に調節されるので、二次空気導入部４１からタービン６１へと至る排気ガスの流れ方向のいずれの位置においても、排気ガスと空気との割合が略一定に維持される。これにより、排気行程中に排出された排気ガスがタービン６１を通過する間、排気ガス中の未燃成分を酸化させる作用が安定的に発揮されるので、その酸化作用により排気ガスの温度を平均的に十分に上昇させることができ、タービン６１の駆動力を効果的に増大させることができる。

また、上記実施形態では、タービン６１の下流側に触媒装置３４が配置されるので、上記のように未燃成分の酸化に伴い高温化された排気ガスを利用して触媒装置３４内の触媒を迅速に活性化することができる。例えば、触媒装置３４内の触媒の温度が所定値未満となるエンジンの冷間時は、触媒を迅速に昇温させて活性化することが求められるが、その一方で、ロータ収容室７に噴射される燃料の気化率の低下によって、未燃のまま排気通路３０に排出される燃料が増加する。そこで、このように排気ガス中の未燃成分が多くなるエンジンの冷間時に、二次空気導入部４１から導入される空気を利用して未燃成分を酸化させるようにすれば、排気ガスの温度を十分に上昇させることができ、触媒の活性化を効果的に促進することができる。

特に、上記実施形態では、二次空気導入部４１に供給される空気が流通する連通路４２に切替弁５８が設けられ、この切替弁５８が、触媒装置３４内の触媒の温度が所定値未満となるエンジンの冷間時にのみ開弁されるので、排気ガスの高温化が要求される条件でのみ排気通路３０内に空気を導入することができる。言い換えると、不必要時には排気通路３０への空気の導入を停止できるので、排気ガスが無用に高温化されるのを回避でき、タービン６１よりも下流側の排気通路３０に設けられる部品群の信頼性を向上させることができる。また、エンジンの冷間時以外は吸気通路２０からの空気の分流が停止されるので、例えばエンジンの高負荷運転時にエンジン本体１に供給される空気の量が不足するのを防止することができる。

なお、上記実施形態では、触媒装置３４内の触媒の温度が所定値未満となるエンジンの冷間時にのみ切替弁５８を開弁して二次空気導入部４１から排気通路３０内に空気を導入するようにしたが、例えばエンジンの冷間時以外であっても、排気ガスの高温化もしくはそれによるタービン６１の駆動力アップが求められることはあり得る。例えば、エンジンの負荷が高くかつ回転速度が低い運転条件のとき（低速・高負荷運転時）は、たとえウェストゲート弁７２を全閉にしても十分なタービン６１の駆動力が得られないことがある。そこで、このような条件のときに切替弁５８を開弁することが考えられる。このようにすれば、二次空気導入部４１から排気通路３０内に導入された空気を利用して排気ガス中の未燃成分を酸化させることができ、高温化した排気ガスによりタービン６１に十分な駆動力を付与することができる。これにより、低速・高負荷運転時におけるエンジンの出力トルクを増大させることができ、車両の加速性能を向上させることができる。なお、エンジンの高負荷時の空燃比は、一般に、理論空燃比よりもリッチなパワー空燃比（例えばＡ／Ｆ＝１２〜１３程度）とされるので、排気ガス中の未燃成分は増加する傾向にある。このため、低速・高負荷運転時に上記のように切替弁５８を開弁した場合には、二次空気導入部４１から導入される空気を利用して比較的多量の未燃成分を酸化させることができ、排気ガスのエネルギーひいてはタービン６１の駆動力を十分に増大させることができる。

また、上記実施形態では、第１・第２独立排気管３１，３２の上流端部にそれぞれ二次空気導入部４１を設けたが、各独立排気管３１，３２の途中部に二次空気導入部４１を設けてもよい。

（４）他の実施形態
上記実施形態では、本発明の排気装置をロータリエンジンに適用した例について説明したが、本発明はロータリエンジンだけでなくレシプロエンジンにも適用可能である。その一例を図７を用いて詳しく説明する。

図７は、直列４気筒型のレシプロエンジンに本発明を適用した変形実施例を示している。本図に示されるエンジンは、列状に並ぶ４つの気筒１０２Ａ〜１０２Ｄを有するエンジン本体１０１と、各気筒１０２Ａ〜１０２Ｄに供給される吸気が流通する吸気通路１２０と、各気筒１０２Ａ〜１０２Ｄから排出される排気ガスが流通する排気通路１３０と、排気通路１３０内に外部から空気を導入する二次空気システム１４０と、排気ガスのエネルギーにより駆動されて吸気を過給するターボ過給機１６０とを備えている。

気筒１０２Ａ〜１０２Ｄには、それぞれインジェクタおよび点火プラグ（いずれも図示省略）が設けられている。気筒１０２Ａ〜１０２Ｄでは、インジェクタから噴射された燃料と吸気通路１２０から導入された空気との混合気が点火プラグによる点火に伴い燃焼する。気筒１０２Ａ〜１０２Ｄには、それぞれピストン（図示省略）が摺動可能に収容されている。各ピストンは、上記燃焼による膨張力を受けて気筒１０２Ａ〜１０２Ｄ内で往復運動し、その往復運動が回転運動に変換されて出力軸（クランク軸）から取り出される。

図７の左側から右側にかけて順に並ぶ気筒１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ，１０２Ｄをそれぞれ第１気筒、第２気筒、第３気筒、第４気筒とすると、図７のエンジンでは、第１気筒１０２Ａ→第３気筒１０２Ｃ→第４気筒１０２Ｄ→第２気筒１０２Ｂ、の順に点火（燃焼）が行われる。

吸気通路１２０は、単管状の共通吸気管１２１と、共通吸気管１２１の下流端が接続されたサージタンク１２２と、サージタンク１２２から分岐して各気筒１０２Ａ〜１０２Ｄに連通する４本の独立吸気管１２３とを有している。

共通吸気管１２１には、エアクリーナ１２４、インタークーラ１２５、およびスロットル弁１２６が、上流側からこの順に設けられている。

排気通路１３０は、単管状の共通排気管１３３と、共通排気管１３３の上流端から分岐する第１独立排気管１３１および第２独立排気管１３２とを有している。

共通排気管１３３には触媒装置１３４が設けられている。

第１・第２独立排気管１３１，１３２は、それぞれ、上流側が二股状に分岐した分岐管とされている。すなわち、第１独立排気管１３１は、共通排気管１３３に連通する集合管部１３１ｃと、集合管部１３１ｃの上流端から分岐する２つの分岐管部１３１ａ，１３１ｂとを有している。同様に、第２独立排気管１３２は、共通排気管１３３に連通する集合管部１３２ｃと、集合管部１３２ｃの上流端から分岐する２つの分岐管部１３２ａ，１３２ｂとを有している。

第１独立排気管１３１は、その分岐管部１３１ａ，１３１ｂの各上流端が図外の排気ポートを介して第１気筒１０２Ａおよび第４気筒１０２Ｄに連通するように、エンジン本体１０１に接続されている。また、第２独立排気管１３２は、その分岐管部１３２ａ，１３２ｂの各上流端が図外の排気ポートを介して第２気筒１０２Ｂおよび第３気筒１０２Ｃに連通するように、エンジン本体１０１に接続されている。第１独立排気管１３１に連通する第１気筒１０２Ａおよび第４気筒１０２Ｄの組と、第２独立排気管１３２に連通する第２気筒１０２Ｂおよび第３気筒１０２Ｃの組とは、それぞれ、点火順序ひいては排気行程の順序（排気順序）が連続しない気筒の組合せとなっている。

ターボ過給機１６０は、タービン１６１、コンプレッサ１６２、および連結軸１６３を有している。タービン１６１は、第１独立排気管１３１および第２独立排気管１３２の各下流端部と共通排気管１３３との間に設けられ、コンプレッサ１６２は共通吸気管１２１の途中部に設けられている。

二次空気システム１４０は、第１独立排気管１３１および第２独立排気管１３２にそれぞれ設けられた２つの二次空気導入部１４１と、吸気通路１２０から分流された空気を各二次空気導入部１４１に供給するための連通路１４２とを有している。

二次空気導入部１４１は、第１独立排気管１３１の集合管部１３１ｃと、第２独立排気管１３２の集合管部１３２ｃとにそれぞれ設けられている。各二次空気導入部１４１の構造は上述した実施形態（図１〜図５）に示したものと同様であり、図４に示した第１管部５１、第２管部５２、および取込部５３と同様の要素を有している。連通路１４２には切替弁１５８が設けられており、この切替弁１５８の開弁時に、吸気通路１２０から連通路１４２を通じて供給された空気が各二次空気導入部１４１を介して第１・第２独立排気管１３１，１３２の内部に導入されるようになっている。

以上説明した図７の変形実施例では、排気行程が重複しない気筒の組（第１・第４気筒１０２Ａ，１０２Ｄの組、および第２・第３気筒１０２Ｂ，１０２Ｃの組）に連通する２つの独立排気管１３１，１３２にそれぞれ二次空気導入部１４１が設けられているので、各二次空気導入部１４１を介して十分な量の空気を排気ガス中に導入することができる。すなわち、第１気筒１０２Ａからの排気ガスが第１独立排気管１３１を流れる期間（つまり第１気筒１０２Ａの排気行程）と、第４気筒１０２Ｄからの排気ガスが第１独立排気管１３１を流れる期間（つまり第４気筒１０２Ｄの排気行程）とが重複しないため、第１独立排気管１３１の内部では、第１気筒１０２Ａおよび第４気筒１０２Ｄから排出された排気ガスが互いに干渉を起こすことなく十分な速度を保ちつつ流通する。同様に、第２気筒１０２Ｂからの排気ガスが第２独立排気管１３２を流れる期間（つまり第２気筒１０２Ｂの排気行程）と、第３気筒１０２Ｃからの排気ガスが第２独立排気管１３２を流れる期間（つまり第３気筒１０２Ｃの排気行程）とが重複しないため、第２独立排気管１３２の内部では、第２気筒１０２Ｂおよび第３気筒１０２Ｃから排出された排気ガスが互いに干渉を起こすことなく十分な速度を保ちつつ流通する。このため、各独立排気管１３１，１３２に設けられた二次空気導入部１４１においてエゼクタ効果が効率よく発揮され、十分な量の空気が各独立排気管１３１，１３２に導入される。これにより、排気ガスがタービン１６１を通過するときにその排気ガス中の未燃成分の酸化反応が十分に進行するので、当該酸化反応による排気ガスの高温化を効率よく達成することができる。

１ エンジン本体
７ ロータ収容室（気筒）
８ 作動室
３０ 排気通路
３１ 独立排気管
３２ 独立排気管
３４ 触媒装置
４１ 二次空気導入部
４２ 連通路
５１ 第１管部
５２ 第２管部
５３ 取込部
５８ 切替弁
６０ ターボ過給機
６１ タービン
１０１ エンジン本体
１０２Ａ〜１０２Ｄ 気筒
１３０ 排気通路
１３１ 独立排気管
１３２ 独立排気管
１４１ 二次空気導入部
１５８ 切替弁
１６０ ターボ過給機
１６１ タービン

Claims (4)

1. 複数の気筒を含むエンジン本体と、エンジン本体に導入される吸気が流通する吸気通路と、エンジン本体から排出される排気ガスにより駆動されて吸気を過給するターボ過給機とを備えたターボ過給エンジンに適用される排気装置であって、
   前記排気ガスが流通する排気通路と、
   前記排気通路内に外部から空気を導入する二次空気導入部と、
   前記二次空気導入部と前記吸気通路とを連通する連通路とを備え、
   前記ターボ過給機は、前記排気ガスにより回転駆動されるタービンと、タービンを収容するタービンハウジングとを備え、
   前記タービンハウジングは、前記タービンの周囲に、仕切壁により仕切られた複数のスクロール部を有し、
   前記排気通路は、前記複数の気筒と前記複数のスクロール部とを１対１の関係で接続する複数の単管状の独立排気管を有し、
   前記複数の独立排気管にそれぞれ前記二次空気導入部が設けられ、
   前記二次空気導入部は、排気ガスが内部を通過する第１管部と、第１管部の外周を取り囲むように配置された第２管部と、前記第１管部と前記第２管部との間に形成された環状隙間に空気を取り込むための取込部とを有し、
   前記第１管部の下流端部は、前記第２管部の内周面から前記環状隙間の分だけ隔てた位置において前記第２管部の内部に開放された開放端とされ、
   前記第１管部の下流端部の流路面積は、当該下流端部よりも上流側を流れる排気ガス通路の流路面積に比べて小さい値に設定され、
   前記第１管部の下流端部から下流側に所定距離離れた前記タービンハウジングの内部に前記タービンが配置され、
   前記連通路は、前記吸気通路から延びる共通連通管と、共通連通管の下流端から分岐して前記各二次空気導入部に接続される複数の独立連通管とを有し、
   前記各独立連通管には、前記各二次空気導入部から前記吸気通路への空気の逆流を防止する逆止弁がそれぞれ設けられている、ことを特徴とするターボ過給エンジンの排気装置。
2. 請求項１に記載のターボ過給エンジンの排気装置において、
   前記排気ガスを浄化するための触媒を含む触媒装置が前記タービンよりさらに下流側の排気通路に配置されている、ことを特徴とするターボ過給エンジンの排気装置。
3. 請求項２に記載のターボ過給エンジンの排気装置において、
   前記二次空気導入部の取込部に空気を供給するのを許容または停止する切替弁が前記共通連通管に設けられ、
   前記切替弁は、前記触媒の温度が所定値未満となるエンジンの冷間時に少なくとも開弁される、ことを特徴とするターボ過給エンジンの排気装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のターボ過給エンジンの排気装置において、
   前記二次空気導入部の取込部に空気を供給するのを許容または停止する切替弁が前記共通連通管に設けられ、
   前記切替弁は、エンジンの負荷が高くかつ回転速度が低い運転条件のときに少なくとも開弁される、ことを特徴とするターボ過給エンジンの排気装置。
   

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