JP5447095B2 - 多気筒エンジンの排気装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車等に設けられる多気筒エンジンの排気装置に関する。

従来、自動車等のエンジンにおいて、エンジン出力を高めることを目的とした排気装置の開発が行なわれている。

例えば、特許文献１には、ターボ過給機を有する装置であって、各気筒の排気ポートに接続されて互いに独立する複数の独立通路と、ターボ過給機の上流に設けられてこれら独立通路が集合する集合部と、この集合部に設けられて各独立通路の流路面積を変更可能なバルブとを備えたものが開示されている。この装置では、前記バルブによって前記独立排気通路の流路面積を縮小することで、排気行程にある気筒の排気を所定の独立通路から前記集合部に比較的高速で流入させ、この高速の排気の周囲に生成された負圧を前記集合部において他の独立通路に作用させていわゆるエゼクタ効果によってこの他の独立通路内の排気を下流側に吸い出すことで、ターボ過給機に供給されるガス量を増大させてエンジン出力を向上させるよう構成されている。

特開２００９−９７３３５号公報

自動車等のエンジンにおいて、エンジン出力の向上要求は依然として高く、特に、ターボ過給機を有しない構造の簡素化が図られたエンジンシステムでは、簡単な構成でエンジン出力を高めることが求められている。

本発明は、このような事情に鑑み、簡単な構成でより吸気量をより増大させてエンジン出力を高めることのできる多気筒エンジンの排気装置の提供を目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、吸気ポートおよび排気ポートがそれぞれ形成されるとともに前記吸気ポートを開閉可能な吸気バルブと前記排気ポートを開閉可能な排気バルブとが設けられた複数の気筒を有する多気筒エンジンの排気装置であって、１つの気筒あるいは排気順序が互いに連続しない複数の気筒の排気ポートにそれぞれ接続されるとともに、少なくとも下流側において低速側通路と高速側通路とにそれぞれ分離する複数の独立排気通路と、前記各低速側通路の下流端に接続されて、当該各低速側通路に連通して当該各低速側通路を通過するガスが集合する低速側集合部と、前記低速側集合部の下流端に接続されて、当該低速側集合部と前記各高速側通路とに連通して当該低速側集合部で集合した前記各低速側通路を通過したガスと前記各高速側通路を通過したガスとが集合する最終集合部と、前記最終集合部の下流側に設けられて、前記各気筒から排出された排気を浄化可能な触媒装置と、前記各高速側通路に設けられて、当該各高速側通路の流路面積を変更可能な流路面積可変バルブと、前記流路面積可変バルブを駆動可能な流路面積可変バルブ駆動手段と、前記各気筒の吸気バルブおよび排気バルブを駆動可能なバルブ駆動手段とを備え、前記各低速側通路のうち排気順序が連続する気筒に接続された低速側通路の下流端は互いに隣り合う位置に配置されており、前記低速側集合部は、下流側の方がその流路面積が小さくなる形状を有し、前記最終集合部は、その上流端の流路面積が前記低速側集合部の下流端の流路面積と前記各高速側通路の下流端の流路面積の合計面積以上となる形状を有し、前記バルブ駆動手段は、エンジンの回転数が予め設定された基準回転数よりも低い低速領域において、少なくともエンジンに対する要求トルクが高い高負荷領域では、前記各気筒の吸気バルブの開弁期間と排気バルブの開弁期間とが所定のオーバーラップ期間重複するように、かつ、排気順序が連続する気筒間において一方の気筒の前記オーバーラップ期間中に他方の気筒の排気バルブが開弁するように、各気筒の吸気バルブおよび排気バルブを駆動し、前記流路面積可変バルブ駆動手段は、前記低速領域の少なくとも前記高負荷領域では、前記各高速側通路の流路面積がその最大面積よりも小さくなるように前記流路面積可変バルブを駆動する一方、エンジンの回転数が高い高速領域では前記各高速側通路の流路面積が最大面積となるように前記流路面積可変バルブを駆動することを特徴とする多気筒エンジンの排気装置を提供する。

本装置によれば、低速領域の少なくとも高負荷領域においてエゼクタ効果を効果的に利用して気筒内の掃気を促進しつつ、高速領域において排気抵抗を小さく抑えて気筒内の掃気を促進することができ、全速度領域において吸気効率高めてエンジン出力を高めることができる。

すなわち、この装置では、低速領域の少なくとも高負荷領域において、前記流路面積可変バルブにより高速側通路の流路面積が縮小されて独立排気通路の流路面積が絞られることで排気がこの独立排気通路を高速で通過するよう構成されており、所定の独立排気通路から高速の排気が噴出することでエゼクタ効果により他の独立排気通路内のガスが吸い出される。ここで、前記低速領域の少なくとも高負荷領域では、所定の気筒の前記オーバーラップ期間中に他の気筒の排気バルブが開弁しており、この排気バルブの開弁に伴って所定の独立排気通路から高速の排気が噴出することで前記エゼクタ効果によって前記オーバーラップ期間にある気筒内のガスが吸い出されるため、このオーバーラップ期間にある気筒すなわち吸気行程にある気筒内の掃気が促進されて吸気効率が高められる。

特に、高速側通路の流路面積が縮小された際に排気が主に通過する前記各低速側通路は、前記低速側集合部において、排気順序が連続する気筒に接続された低速側通路が互いに隣り合うように配置されており、排気バルブの開弁に伴って所定の低速側通路から噴出された高速の排気による負圧をより効果的に前記オーバーラップ期間にある気筒に接続された低速側通路に作用させることができ、前記気筒内の掃気をより一層促進することができる。さらに、前記低速側集合部は下流側ほどその流路面積が縮小しており、前記低速側通路から噴出された排気は高速でこの低速側集合部に流入するため、高いエゼクタ効果を得ることができる。

ここで、前記独立排気通路の流路面積が絞られると、排気の流量が多い場合には、排気抵抗が増大する結果かえって排気の排出が阻害されて掃気性能が悪化するおそれがある。これに対して、本装置では、排気の流量が多い高速領域では前記高速側通路の流路面積が最大面積とされて独立排気通路の流路面積が確保されて排気抵抗が小さく抑えられており、高速領域においても吸気効率を高めることができる。特に、前記最終集合部の流路面積が前記低速側集合部の下流端の流路面積と前記各高速側通路の下流端の流路面積の合計面積以上に設定されており、各高速側通路を通過したガスはこの最終集合部で絞られることなくより少ない抵抗で最終集合部に流れ込むことができ、より確実に吸気効率を高めることができる。

本発明において、前記各高速側通路のうち排気順序が連続する気筒に接続された高速側通路の下流端は互いに隣り合う位置に配置されているのが好ましい（請求項２）。

このようにすれば、排気バルブの開弁に伴って所定の高速側通路から噴出された高速の排気による負圧をより効果的に前記オーバーラップ期間にある気筒に接続された高速側通路に作用させることができ、前記気筒内の掃気をより一層促進することができる。

また、本発明において、前記各高速側通路と前記最終集合部との間に、前記各高速側通路に連通して当該各高速側通路を通過するガスが集合する高速側集合部を設けてもよい。この場合には、前記高速側集合部を、その上流端から下流端にわたって、流路面積が前記各高速側通路の下流端の流路面積の合計面積以上となる形状とすれば、各高速側通路を通過したガスをより少ない抵抗で下流側に通過させることができ、排気抵抗をより小さく抑えて前記高速領域における吸気抵抗を高めることができる（請求項３）。

また、本発明において、前記各高速側通路の流路面積の方が、前記各低速側通路の流路面積よりも大きく設定されているのが好ましい（請求項４）。

このようにすれば、低速領域において独立排気通路の流路面積がより小さく絞られることで前記エゼクタ効果が効果的に発揮されるとともに、高速領域において独立排気通路の流路面積が大きく確保されることで排気抵抗をより確実に小さく抑えられ、吸気効率をより一層高めることができる。

また、本発明において、前記流路面積可変バルブ駆動手段は、前記低速領域の少なくとも前記高負荷領域において、エンジンの回転数が高いほど前記各高速側通路の流路面積が大きくなるように前記流路面積可変バルブを駆動するのが好ましい（請求項５）。

このようにすれば、低速領域全体の吸気効率をより効果的に高めることができる。すなわち、低速領域のうち背圧が小さい低速側では独立排気通路の流路面積が十分に絞られることで前記エゼクタ効果により吸気効率を高めることができるとともに、背圧の高い高速側では前記高速側通路の流路面積の絞り量を小さくして流量抵抗を抑えることで吸気効率を高めることができる。

前述のように、本発明によれば、ターボ過給機を用いずとも十分に吸気効率を高めることができる。そのため、本発明は、前記最終集合部の下流端に触媒が直接接続されておりターボ過給機を有しない装置に特に有用である（請求項６）。

以上のように、本発明によれば、エゼクタ効果を効果的に利用して全速度領域において吸気効率高めることができる。

本発明の実施形態に係る多気筒エンジンの排気装置を備えたエンジンシステムの概略構成図である。 図１に示すエンジン本体１の下流側の部分を下から見た図である。 図２に示すエンジン本体１の下流側の部分の側面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。 低速側通路および高速側通路の集合部分の構成を説明するための図である。 吸気バルブおよび排気バルブのバルブタイミングを説明するための図である。 流路面積可変バルブの開度マップを示した図である。 本発明の他の実施形態に係る排気マニホールド付近の概略構成図である。 本発明の実施形態に係る多気筒エンジンの排気装置における吸気バルブおよび排気バルブの開弁時期および閉弁時期を説明するための図である。

本発明に係る多気筒エンジンの排気装置の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は前記多気筒エンジンの排気装置を備えたエンジンシステム１００の概略構成図である。このエンジンシステム１００は、シリンダヘッド９およびシリンダブロックを有するエンジン本体１と、エンジン制御用のＥＣＵ２と、エンジン本体１に接続される排気マニホールド５と、排気マニホールド５に接続される触媒装置６とを備えている。

前記シリンダヘッド９およびシリンダブロックの内部にはピストンがそれぞれ嵌挿された複数の気筒１２が形成されている。本実施形態では、４つの気筒１２、具体的には、図１の右から順に第１気筒１２ａ，第２気筒１２ｂ，第３気筒１２ｃ，第４気筒１２ｄが形成されている。前記シリンダヘッド９には、ピストンの上方に区画された燃焼室内に臨むようにそれぞれ点火プラグ１５が設置されている。

前記エンジン本体１は４サイクルエンジンであって、図６に示すように、各気筒１２ａ〜１２ｄにおいて、１８０℃Ａずつずれたタイミングで前記点火プラグ１５による点火が行われて、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程がそれぞれ１８０℃Ａずつずれるように構成されている。本実施形態では、第１気筒１２ａ→第３気筒１２ｃ→第４気筒１２ｄ→第２気筒１２ｂの順に点火が行われてこの順に排気行程等が実施される。

各気筒１２の上部には、それぞれ燃焼室に向かって開口する２つの吸気ポート１７および２つの排気ポート１８が設けられている。吸気ポート１７は、各気筒１２内に吸気を導入するためのものである。排気ポート１８は、各気筒１２内から排気を排出するためのものである。各吸気ポート１７には、これら吸気ポート１７を開閉して吸気ポート１７と気筒１２内部とを連通あるいは遮断するための吸気バルブ１９が設けられている。各排気ポート１８には、これら排気ポート１８を開閉してこれら排気ポート１８と気筒１２内部とを連通あるいは遮断するための排気バルブ２０が設けられている。前記吸気バルブ１９は吸気バルブ駆動機構（バルブ駆動手段）３０により駆動されることで、所定のタイミングで吸気ポート１７を開閉する。また、前記排気バルブ２０は、排気バルブ駆動機構（バルブ駆動手段）４０により駆動されて、所定のタイミングで排気ポート１８を開閉する。

前記吸気バルブ駆動機構３０は、吸気バルブ１９に連結された吸気カムシャフト３１と吸気ＶＶＴ３２とを有している。吸気カムシャフト３１は、周知のチェーン／スプロケット機構等の動力伝達機構を介してクランクシャフトに連結されており、クランクシャフトの回転に伴い回転して、吸気バルブ１９を開閉駆動する。

前記吸気ＶＶＴ３２は、吸気バルブ１９のバルブタイミングを変更するためのものである。この吸気ＶＶＴ３２は、吸気カムシャフト３１と同軸に配置されてクランクシャフトにより直接駆動される所定の被駆動軸と吸気カムシャフト３１との間の位相差を変更して、これによりクランクシャフトと前記吸気カムシャフト３１との間の位相差を変更することで、吸気バルブ１９のバルブタイミングを変更する。吸気ＶＶＴ３２の具体的構成としては、例えば、前記被駆動軸と前記吸気カムシャフト３１との間に周方向に並ぶ複数の液室を有し、これら液室間に圧力差を設けることで前記位相差を変更する液圧式機構や、前記被駆動軸と前記吸気カムシャフト３１との間に設けられた電磁石を有し、前記電磁石に電力を付与することで前記位相差を変更する電磁式機構等が挙げられる。この吸気ＶＶＴ３２は、ＥＣＵ２で算出された吸気バルブ１９の目標バルブタイミングに基づいて前記位相差を変更する。

前記排気バルブ駆動機構４０は、前記吸気バルブ駆動機構３０と同様の構造を有している。すなわち、排気バルブ駆動機構４０は、排気バルブ２０およびクランクシャフトに連結された排気カムシャフト４１と、この排気カムシャフト４１とクランクシャフトとの位相差を変更することで排気バルブ２０のバルブタイミングを変更する排気ＶＶＴ４２とを有している。排気ＶＶＴ４２は、ＥＣＵ２で算出された排気バルブ２０の目標バルブタイミングに基づいて、前記位相差を変更する。そして、排気カムシャフト４１は、この位相差の下でクランクシャフトの回転に伴って回転して排気バルブ２０を前記目標バルブタイミングで開閉駆動する。

なお、本実施形態では、前記吸気ＶＶＴ３２および排気ＶＶＴ４２は、吸気バルブ１９および排気バルブ２０の開弁期間及びリフト量つまりバルブ・プロファイルをそれぞれ一定に保ったまま、吸気バルブ１９および排気バルブ２０の開弁時期と閉弁時期とをそれぞれ変更する。

前記各気筒１２の排気ポート１８は、その下流側において独立排気通路５２に接続されている。前記気筒１２のうち第１気筒１２ａの排気ポート１８と第４気筒１２ｄの排気ポート１８とは、それぞれ個別に独立排気通路５２ａ、５２ｄに接続されている。一方、排気行程が隣り合わず排気順序が連続しない第２気筒１２ｂと第３気筒１２ｃの排気ポート１８は、１つの独立排気通路５２ｂに接続されている。これら独立排気通路５２は、互いに独立しており、第２気筒１２ｂあるいは第３気筒１２ｃから排出された排気と、第１気筒１２ａから排出された排気と、第４気筒１２ｄから排出された排気とは、互いに独立して各独立排気通路５２内を通って下流側に排出される。本実施形態では、これら独立排気通路５２の上流部分は前記シリンダヘッド９内に形成されており、これら独立排気通路５２の下流部分は前記排気マニホールド５に設けられている。

前記排気マニホールド５は、前述のように前記排気ポート１８に接続される３つの独立排気通路５２に加えて、３つの流路面積可変バルブ５８と、低速側集合部５６とを備えている。

前記独立排気通路５２は、その下流側、本実施形態では前記排気マニホールド５の上流端付近、において、それぞれ高速側通路５３と低速側通路５４とに分離している。本実施形態では、図２および図３に示すように、高速側通路５３は、それぞれシリンダヘッド９に形成された独立排気通路５２の上流側部分から直線的に後方に延びた後下方に湾曲する形状を有しており、低速側通路５４は、前記排気マニホールド５の上流端付近から下方に湾曲した後高速側通路５３の下方を通りこれら高速側通路５３と同様に直線的に後方に延びた後下方に湾曲する形状を有している。

前記各高速側通路５３の断面積すなわち流路面積は互いに同一に設定されており、各低速側通路５４の断面積すなわち流路面積は、互いに同一に設定されている。また、各高速側通路５３の流路面積は低速側通路５４の流路面積よりも大きく設定されている。

前記流路面積可変バルブ５８は、前記各高速側通路５３の流路面積を変更し、これにより各独立排気通路５２の流路面積を変更するためのものである。これら流路面積可変バルブ５８は各高速側通路５３内にそれぞれ１つずつ設けられている。本実施形態では、これら流路面積可変バルブ５８は、高速側通路５３内の上流端付近であって高速側通路５３内と低速側通路５４とが分離する付近に設けられている。

前記流路面積可変バルブ５８は、その中央に設けられた回動軸５８ａが回動駆動されるに伴いこの回動軸５８ａを中心として回動する。本実施形態では、各流路面積可変バルブ５８に、共通の回動軸５８ａが固定されており、３つの流路面積可変バルブ５８は一体に回動する。各流路面積可変バルブ５８は、排気の流れ方向と略平行な方向に広がる全開位置（図３の破線）と、排気の流れ方向と略垂直な方向に広がる全閉位置（図３の実線）との間で回動し、高速側通路５３を開閉して高速側通路５３の流路面積を変更する。なお、図３では、流路面積可変バルブ５８の全開位置と全閉位置とをより明確に示すために、高速側通路５３内に配置されて破線で示されるべき流路面積可変バルブ５８を全閉位置にある状態で実線で示している。

前記回動軸５８ａは、その端部に設けられたバルブアクチュエータ（流路面積可変バルブ駆動手段）５８ｂにより回動駆動される。このバルブアクチュエータ５８ｂは、ＥＣＵ２で算出された流路面積可変バルブ５８の目標開度に応じて、前記回動軸５８ａを回動させて流路面積可変バルブ５８を全閉あるいは全開位置に駆動する。このバルブアクチュエータ５８ｂは前記回動軸５８ａを回動駆動して前記流路面積可変バルブ５８を回動可能なものであればどのようなものであってもよい。

前記低速側集合部５６は、前記低速側通路５４の下流側に設けられる部分である。この低速側集合部５６は、各低速側通路５４と連通した状態で各低速側通路５４の下流端に接続されており、各低速側通路５４を通過したガスはこの低速側集合部５６に流入してこの低速側集合部５６にて集合する。この低速側集合部５６において、前記３つの低速側通路５４の下流端は互いに隣接する位置に配置されている。

前記低速側集合部５６は略円筒状であって、その上流端の断面は略円形を有している。各低速側通路５４は、上流側では断面がそれぞれ略円形であって略円筒状をなす一方、下流端付近５５では断面が円形から下流に向かうに従って徐々に扇形となっている。そして、これら低速側通路５４は、扇形をなす各下流端が全体として略円形断面を形成するように集合して前記低速側集合部５６の円形断面の上流端に接続されており、低速側集合部５６の上流端の断面形状および断面積と３つの低速側通路５４の下流端全体の断面形状および断面積とはほぼ同一に設定されている。すなわち、各通路の構成を模式的に示した図５において、３×Ａ１（低速側通路５４の下流端の断面積の合計）＝Ｓ１０（低速側集合部５６の上流端の断面積）に設定されている。

そして、前記低速側集合部５６は、その上流端から下流に向かうに従って縮径してその断面積すなわち流路面積が下流に向かうに従って縮小する形状を有しており、低速側集合部５６の下流端の断面積Ｓ１１が上流端の断面積Ｓ１０よりも小さく（Ｓ１１＜Ｓ１０＝３×Ａ１）設定されている。このように流路面積が絞られるように構成された低速側集合部５６には、各低速側通路５４から高速で排気が流入する。

前記低速側集合部５６の下流端には前記触媒装置６の後述するケーシング６２が接続されており、前記低速側通路５４に流入した排気はこの低速側集合部５６を高速で通過した後、前記ケーシング６２内に流入する。

前記触媒装置６は、エンジン本体１から排出された排気を浄化するための装置である。この触媒装置６は、三元触媒等の触媒本体６４とこの触媒本体６４を収容するケーシング６２とを備えている。ケーシング６２は、排気の流れ方向と平行に延びる略円筒状を有している。前記触媒本体６４は、前記ケーシング６２の下流部分に収容されており、このケーシング６２の上流部分には、ケーシング６２に流入したガスが混合可能な所定の空間が形成されている。

前記触媒装置６のケーシング６２は、前記低速側集合部５６および各高速側通路５３と連通した状態でこれら低速側集合部５６の下流端および各高速側通路５３の下流端に接続されている。従って、前記低速側集合部５６を通過した排気および各高速側通路５３を通過した排気は、このケーシング６２に流入してこのケーシング６２の上流部分にて集合する。

このように、本実施形態では、触媒装置６のケーシング６２の上流部分６２ａが、各独立排気通路を通過したガスが集合する集合部として機能する。そして、前記低速側通路５４に流入した排気は前記低速側集合部５６に流入した後このケーシング６２に流入する一方、高速側通路５３に流入したガスは途中で集合することなくこのケーシング６２に流入してこのケーシング６２にて集合する。

本実施形態では、前記３つの高速側通路５３は前記ケーシング６２の上流端において互いに隣接する位置に配置されている。

このケーシング６２の上流部分６２ａは、その上端の断面積Ｓ２０が前記低速側集合部５６の下流端の断面積Ｓ１１および各高速側通路５３の下流端の断面積Ａ２の合計面積よりも大きく、かつ、その上流端から所定距離の間、下流に向かうに従って拡径する形状を有している。すなわち、図５において、３×Ａ２＋Ｓ１１（高速側通路５３の下流端の断面積Ａ２の合計３×Ａ２と低速側集合部５６の下流端の断面積Ｓ１１との和）＞Ｓ２０（ケーシング６２の上流端の断面積）に設定されているとともに、Ｓ２０＜Ｓ２１（ケーシング６２の下流側の断面積）に設定されている。各高速側通路５３を通過した排気は、このように断面積が大きく容積の大きいケーシングに流入する。従って、各高速側通路５３を通過する排気は、その背圧が小さく抑えられて排気抵抗が少ない状態で円滑にケーシング６２内に流入する。

前記ＥＣＵ２は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラであって、プログラムを実行するためのＣＰＵと、ＲＡＭやＲＯＭからなりプログラム及びデータを格納するメモリと、各種信号の入出力を行なうＩ／Ｏバスとを備えている。このＥＣＵ２は、前記Ｉ／Ｏバスを介して各種センサからの信号を受け、この信号に基づき種々の演算を行う。

ＥＣＵ２は、運転条件に応じて、吸気バルブ１９および排気バルブ２０の目標バルブタイミングを演算するとともに、前記流路面積可変バルブ５８の目標開度を演算して、吸気バルブ１９および排気バルブ２０のバルブタイミング、流路面積可変バルブ５８の開度がこれら目標値になるように、吸気ＶＶＴ３２および排気ＶＶＴ４２、前記バルブアクチュエータ５８ｂを駆動する。

前記吸気バルブ１９および排気バルブ２０の目標バルブタイミングは、エンジンの回転数が基準回転数Ｎ１より低い低速領域であってエンジンに対する要求トルクすなわちエンジン負荷が基準負荷Ｑ１より高い高負荷領域すなわち低速高負荷領域Ｒ１（図７参照）では、図６に示すように、排気バルブ２０と吸気バルブ１９との両方が所定のオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ開弁するように、すなわち、排気バルブ２０の開弁期間と吸気バルブ１９の開弁期間とがオーバーラップするように、かつ、排気バルブ２０が他の気筒１２の前記オーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中に開弁を開始するように設定されている。具体的には、第１気筒１２ａの吸気バルブ１９と排気バルブ２０とがオーバーラップしている期間中に第３気筒１２ｃの排気バルブ２０が開弁し、第３気筒１２ｃの吸気バルブ１９と排気バルブ２０とがオーバーラップしている期間中に第４気筒１２ｄの排気バルブ２０が開弁し、第４気筒１２ｄの吸気バルブ１９と排気バルブ２０とがオーバーラップしている期間中に第２気筒１２ｂの排気バルブ２０が開弁し、第２気筒１２ｂの吸気バルブ１９と排気バルブ２０とがオーバーラップしている期間中に第１気筒１２ａの排気バルブ２０が開弁するよう設定されている。

一方、エンジンの回転数が基準回転数Ｎ１より高い高速領域Ｒ３（図７参照）では、前記吸気バルブ１９および排気バルブ２０の目標バルブタイミングは、前記オーバーラップ期間Ｔ＿Ｌ／Ｏが前記低速高負荷領域Ｒ１で設定されたオーバーラップ期間よりも小さく（０℃Ａを含む）なるように設定されている。

また、エンジンの回転数が基準回転数Ｎ１より低い低速領域であってエンジン負荷が基準負荷Ｑ１よりも低い低速低負荷領域Ｒ２（図７参照）では、前記吸気バルブ１９および排気バルブ２０の目標バルブタイミングは、排気バルブ２０と吸気バルブ１９のオーバーラップ期間Ｔ＿Ｌ／Ｏが低速高負荷領域Ｒ１で設定されたオーバーラップ期間よりも小さくなるように設定されている。

各領域では、前記のようなオーバーラップ期間の設定を維持しつつ、エンジン回転数ＮＥに応じてあるいはエンジン回転数ＮＥとエンジン負荷とに応じて排気バルブ２０と吸気バルブ１９の目標バルブタイミングが詳細に設定されており、ＥＣＵ２には、この予め設定された排気バルブ２０と吸気バルブ１９の目標バルブタイミングのマップが記憶されている。そして、ＥＣＵ２は、運転条件に応じてこのマップから各目標バルブタイミングを抽出する。

前記基準回転数Ｎ１は例えば２０００ｒｐｍであり、前記基準負荷Ｑ１は例えば図示平均有効圧ＢＭＥＰ＝５ｂａｒである。また、低速高負荷領域Ｒ１のオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌは例えば６０℃Ａ以上に設定されており、高速領域Ｒ３のオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌは例えば４０℃Ａ以下に設定されている。

なお、本エンジンシステム１００において、前記吸気バルブ１９および排気バルブ２０の開弁時期、閉弁時期とは、それぞれ、図９に示すように、各バルブのリフトカーブにおいてバルブのリフトが急峻に立ち上がるあるいは立ち下がる時期であり、例えば０．４ｍｍリフトの時期をいう。

前記流路面積可変バルブ５８の目標開度は、前記低速高負荷領域Ｒ１では、全閉に設定される一方、その他の領域Ｒ２、Ｒ３では、全開に設定されている。すなわち、前記低速高負荷領域Ｒ１では、前記各高速側通路５３が遮断されて、エンジン本体１から排出された排気は前記低速側通路５４のみを通って下流に流れる。一方、その他領域Ｒ２、Ｒ３では、各高速側通路５３が開放されて、エンジン本体１から排出された排気は高速側通路５３および低速側通路５４を通って下流に流れる。

ＥＣＵ２には、この予め設定された流路面積可変バルブ５８の目標開度のマップが記憶されており、ＥＣＵ２は、運転条件に応じてこのマップから流路面積可変バルブ５８の目標開度を抽出する。

以上のように構成された本エンジンシステム１００における吸気性能について次に説明する。

所定の気筒１２（以下、適宜排気行程気筒１２という）の排気バルブ２０が開弁すると、この気筒１２の排気ポート１８から対応する前記独立排気通路５２に排気が高速で流入する。特に、排気バルブ２０の開弁直後は、気筒１２内から非常に高速のガス（いわゆるブローダウンガス）が流入する。

ここで、前記低速高負荷領域Ｒ１では、前記高速側通路５３は遮断されて独立排気通路５２のうち低速側通路５４のみが開放されており、前記排気は前記低速側通路５４にのみ流入する。前述のように、この低速側通路５４の流路面積は独立排気通路５２さらには高速側通路５３よりも小さく設定されている。さらに、低速側通路５４の下流に設けられた前記低速側集合部５６は、下流に向かうほど流路面積が小さくなっている。従って、前記排気は、前記低速側集合部５６を高速で通過する。

このようにして、低速側集合部５６に所定の低速側通路５４から高速の排気が噴出されると、この排気の周囲に発生した負圧作用すなわちエゼクタ効果により低速側集合部５６に連通している他の低速側通路５４には、その内部のガスを下流側へと吸い出す力が作用する。前記排気行程気筒１２の排気バルブ２０の開弁時において、排気順序がこの排気行程気筒１２の１つ前に設定された他の気筒１２（以下、適宜、吸気行程気筒１２という）は前記オーバーラップ期間中にあり、その排気バルブ２０と吸気バルブ１９とはいずれも開弁している。そのため、前記吸出し力は、この吸気行程気筒１２に接続された低速側通路５４を介して吸気行程気筒１２内のガスに作用する。この吸出し力により吸気行程気筒１２内の残留ガスは気筒１２内から勢いよく吸い出される。

特に、各低速側通路５４の下流端は前記低速側集合部５６において隣接して配置されている。そのため、排気行程気筒１２に接続された低速側通路５４による吸出し力は吸気行程気筒１２に接続された低速側通路５４に効果的に作用し、この吸気行程気筒１２から多量の残留ガスが吸い出される。

ここで、前記第２気筒１２ｂと第３気筒１２ｃとは同一の独立排気通路５２に接続されており、これら第２気筒１２ｂおよび第３気筒１２ｃから排出された排気は同じ低速側通路５４に流入するが、この第２気筒１２ｂと第３気筒１２ｃとは排気順序が連続しておらず、これら気筒１２ｂ，１２ｃから排出された排気は干渉することなく低速側通路５４を通過する。

このようにして、本エンジンシステム１００では、低速高負荷領域Ｒ１において、エゼクタ効果が効果的に発揮され各気筒１２の掃気が促進されて、吸気効率が上昇してエンジン出力が高められる。

一方、前記高速領域Ｒ３では、高速側通路５３は開放されており、気筒１２の排気ポート１８から独立排気通路５２に流入した排気は、前記低速側通路５４に加えて高速側通路５３に流入する。前述のように、高速側通路５３の流路面積は低速側通路５４の流路面積よりも大きく設定されており、前記排気の多くはこの高速側通路５３を通過する。そして、高速側通路５３を通過したガスは、前記触媒装置６０のケーシング６２に流入する。これら高速側通路５３を通過したガスが集合するこのケーシング６２の上流部分６２ａは、その流路面積が各高速側通路５３の下流端の合計面積よりも大きく設定されているとともに、下流に向かうほど拡径する形状を有している。そのため、各高速側通路５３を通過した排気は、より少ない抵抗でこの高速側通路５３を円滑に通過する。これに伴い、高速側通路５３の下流端の圧力すなわち各高速側通路５３の背圧は低く抑えられる。

このようにして、本エンジンシステム１００では、排気流量が大きく背圧が高くなりやすい高速領域Ｒ３では、高速側通路５３が開放されて排気が抵抗の少ない状態で排出されることで気筒１２の掃気が促進されてエンジン出力が確保される。

また、前記低速低負荷領域Ｒ２では、吸気の圧力が小さい。そのため、吸気バルブ１９と排気バルブ２０とをオーバーラップさせると排気が吸気側に逆流するおそれがある。

これに対して、本エンジンシステム１００では、低速低負荷領域Ｒ２において、吸気バルブ１９と排気バルブ２０とがオーバーラップせず、かつ、高速側通路５３が開放されている。そのため、前記逆流がより確実に回避されるとともに背圧が小さく抑えられることで掃気が円滑に行われて吸気量が確保される。

以上のように、本エンジンシステム１００によれば、全速度領域において吸気効率を高めてエンジン出力を高めることができる。

ここで、前記実施形態では、前記低速側集合部５６を、その流路面積が下流に向かうに従って徐々に縮小する形状としたが、低速側集合部５６は、下流側の方がその流路面積が小さくなる形状であればよく、上下流方向に段階的にその流路面積が縮小していてもよい。

また、前記実施形態では、前記触媒装置６のケーシング６２の上流部分６２ａにおいて、前記低速側集合部５６と各高速側通路５３とが集合する場合について説明したが、図８に示すように、ケーシング６２と各高速側通路５３との間に、各高速側通路５３に連通して各高速側通路５３を通過したガスが合流する高速側集合部１５６を設けてもよい。この場合には、背圧が低くなるよう各高速側通路５３を通過したガスがこの高速側集合部１５６において絞られることなくより抵抗の小さい状態で下流側に流れるように、この高速側集合部１５６をその流路面積が上流端から下流端にわたって前記各高速側通路の下流端の流路面積の合計面積以上となる形状とするのが好ましい。

また、前記実施形態では前記低速高負荷領域Ｒ１において前記流路面積可変バルブ５８が全閉位置に駆動される場合について説明したが、この低速高負荷領域Ｒ１における流路面積可変バルブ５８の位置は全閉位置に限らず、全開位置よりも閉じ側、すなわち、高速側通路５３の流路面積が最大面積よりも縮小される位置であればよい。

なお、低速高負荷領域Ｒ１における流路面積可変バルブ５８の位置を全閉位置よりも開き側に設定した場合には、この低速高負荷領域Ｒ１において排気は高速側通路５３をその流路面積可変バルブ５８が設けられた位置で絞られつつ通過し、高速側通路５３においてもエゼクタ効果を得ることができる。そのため、このように設定した場合には、排気行程にある気筒に接続された高速側通路から噴出された排気により発生した負圧が吸気行程にある気筒に接続された高速側通路内の排気により効果的に作用してこの気筒の掃気が促進されるように、排気順序が連続する気筒に接続された高速側通路の下流端を互いに隣り合う位置に配置するのが好ましい。

また、低速高負荷領域Ｒ１において、前記流路面積可変バルブ５８を全開位置と全閉位置との間で段階的あるいは連続的に変化するようにしてもよい。この場合には、エンジン回転数が高くなるほど高速側通路５３の流路面積が大きくなるように前記流路面積可変バルブ５８を駆動するのが好ましい。このようにすれば、エンジン回転数ＮＥが低く排気の流量が少ない領域では高速側通路５３の流路面積を絞ることでエゼクタ効果により掃気を促進させることができる一方、エンジン回転数ＮＥが高く排気の流量が多い領域では高速側通路の流路面積を大きくすることで排気抵抗を小さく抑えることにより掃気を促進させて吸気効率を高めることができる。

また、触媒装置６の位置は前記に限らない。ただし、本エンジンシステム１００によれば、エゼクタ効果および背圧の低減により吸気効率を高めることができるため、ターボ過給機を有しないエンジンシステムにおいて有用である。そして、このようにターボ過給機を有しない場合には、触媒装置６を前記実施形態のように各独立排気通路５３に直接接続してより上流側の位置に配置することができ、これにより触媒本体６４に流入する排気の温度を高く維持して触媒本体６４を早期に活性させることができる。

また、低速低負荷領域Ｒ２においても、前記高速側通路５３を遮断してもよい。

１ エンジン本体
５ 排気マニホールド
６ 触媒装置
１７ 吸気ポート
１８ 排気ポート
１９ 吸気バルブ
２０ 排気バルブ
３０ 吸気バルブ駆動機構（バルブ駆動手段）
４０ 排気バルブ駆動機構（バルブ駆動手段）
５２ 独立排気通路
５３ 高速側通路
５４ 低速側通路
５６ 低速側集合部
５８ 流路面積可変バルブ
５８ｂ バルブアクチュエータ（流路面積可変バルブ駆動手段）
６２ａ ケーシング上流部分（最終集合部）
６４ 触媒本体
１５６ 高速側集合部

Claims (6)

1. 吸気ポートおよび排気ポートがそれぞれ形成されるとともに前記吸気ポートを開閉可能な吸気バルブと前記排気ポートを開閉可能な排気バルブとが設けられた複数の気筒を有する多気筒エンジンの排気装置であって、
   １つの気筒あるいは排気順序が互いに連続しない複数の気筒の排気ポートにそれぞれ接続されるとともに、少なくとも下流側において低速側通路と高速側通路とにそれぞれ分離する複数の独立排気通路と、
   前記各低速側通路の下流端に接続されて、当該各低速側通路に連通して当該各低速側通路を通過するガスが集合する低速側集合部と、
   前記低速側集合部の下流端に接続されて、当該低速側集合部と前記各高速側通路とに連通して当該低速側集合部で集合した前記各低速側通路を通過したガスと前記各高速側通路を通過したガスとが集合する最終集合部と、
   前記最終集合部の下流側に設けられて、前記各気筒から排出された排気を浄化可能な触媒装置と、
   前記各高速側通路に設けられて、当該各高速側通路の流路面積を変更可能な流路面積可変バルブと、
   前記流路面積可変バルブを駆動可能な流路面積可変バルブ駆動手段と、
   前記各気筒の吸気バルブおよび排気バルブを駆動可能なバルブ駆動手段とを備え、
   前記各低速側通路のうち排気順序が連続する気筒に接続された低速側通路の下流端は互いに隣り合う位置に配置されており、
   前記低速側集合部は、下流側の方がその流路面積が小さくなる形状を有し、
   前記最終集合部は、その上流端の流路面積が前記低速側集合部の下流端の流路面積と前記各高速側通路の下流端の流路面積の合計面積以上となる形状を有し、
   前記バルブ駆動手段は、エンジンの回転数が予め設定された基準回転数よりも低い低速領域において、少なくともエンジンに対する要求トルクが高い高負荷領域では、前記各気筒の吸気バルブの開弁期間と排気バルブの開弁期間とが所定のオーバーラップ期間重複するように、かつ、排気順序が連続する気筒間において一方の気筒の前記オーバーラップ期間中に他方の気筒の排気バルブが開弁するように、各気筒の吸気バルブおよび排気バルブを駆動し、
   前記流路面積可変バルブ駆動手段は、前記低速領域の少なくとも前記高負荷領域では、前記各高速側通路の流路面積がその最大面積よりも小さくなるように前記流路面積可変バルブを駆動する一方、エンジンの回転数が高い高速領域では前記各高速側通路の流路面積が最大面積となるように前記流路面積可変バルブを駆動することを特徴とする多気筒エンジンの排気装置。
2. 請求項１に記載の多気筒エンジンの排気装置であって、
   前記各高速側通路のうち排気順序が連続する気筒に接続された高速側通路の下流端は互いに隣り合う位置に配置されていることを特徴とする多気筒エンジンの排気装置。
3. 請求項１または２に記載の多気筒エンジンの排気装置であって、
   前記各高速側通路と前記最終集合部との間に介在して、前記各高速側通路に連通して当該各高速側通路を通過するガスが集合する高速側集合部を備え、
   前記高速側集合部は、その上流端から下流端にわたって、流路面積が前記各高速側通路の下流端の流路面積の合計面積以上となる形状を有することを特徴とする多気筒エンジンの排気装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の多気筒エンジンの排気装置であって、
   前記各高速側通路の流路面積の方が、前記各低速側通路の流路面積よりも大きく設定されていることを特徴とする多気筒エンジンの排気装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の多気筒エンジンの排気装置であって、
   前記流路面積可変バルブ駆動手段は、前記低速領域の少なくとも前記高負荷領域において、エンジンの回転数が高いほど前記各高速側通路の流路面積が大きくなるように前記流路面積可変バルブを駆動することを特徴とする多気筒エンジンの排気装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の多気筒エンジンの排気装置であって、
   前記触媒装置は、前記最終集合部の下流端に直接接続されていることを特徴とする多気筒エンジンの排気装置。

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