JP5472050B2

JP5472050B2 - 多気筒エンジンの排気装置

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Publication number: JP5472050B2
Application number: JP2010255650A
Authority: JP
Inventors: 隆雅松本; 直之山形
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2010-11-16
Filing date: 2010-11-16
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2030-11-16
Also published as: JP2012107542A

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した排気が集合する低速側集合部と、前記各高速側通路の下流端に接続されて、当該各高速側通路に連通して当該各高速側通路を通過した排気が集合する高速側集合部と、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開閉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は互いに隣り合う位置で前記低速側集合部に接続されており、前記各低速側通路および低速側集合部は、各気筒から各低速側通路を通って前記低速側集合部に排気が排出されるに伴いエゼクタ効果によって隣接する他の低速側通路が負圧とされる形状を有し、前記バルブ駆動手段は、エンジン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、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とともに、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と他方の気筒の排気バルブとが開弁している時期とが重複するように、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、前記低速領域のうち少なくとも前記多気筒エンジンに対する要求トルクが所定値よりも高い高負荷領域では前記流路面積可変バルブを全開よりも小さくして前記高速側通路を通過する排気の流量を小さくする一方、エンジンの回転数が前記基準回転数よりも高い高速領域では前記流路面積可変バルブを全開にして高速側通路を開放し、前記各高速側通路の下流端から前記高速側集合部に排出される排気の流れ方向に沿って延びる当該下流端の軸心の隣接する高速側通路間での交差角度は、前記各低速側通路の下流端から前記低速側集合部に排出される排気の流れ方向に沿って延びる当該下流端の軸心の隣接する低速側通路間での交差角度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を提供する。

本発明によれば、低速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することができるとともに、高速領域において排気抵抗を小さく抑えることができ、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。

具体的には、この構成では、前記低速領域において、高速側通路を遮断して排気を前記エゼクタ効果が得られるよう構成された低速側通路を通過させるとともに、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を開弁させているので、排気バルブの開弁時に所定の独立排気通路から高速の排気が噴出するのに伴い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の排気ポートに負圧を生成することができ、この気筒内の残留ガスを排気ポート側に吸い出し、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を促進することができる。

そして、この構成では、排気の流量が多いために排気抵抗が大きくなるおそれがある高速領域において、高速側通路を開放して排気を低速側通路に加えて高速側通路に排出しているので、排気抵抗を小さく抑えることができる。

しかも、この構成では、各高速側通路の下流端から高速側集合部に排出される排気の流れ方向に沿って延びる当該下流端の軸心の隣接する高速側通路間での交差角度が大きく設定されているので、前記交差角度が小さく各高速側通路が平行により近い姿勢にある場合に比べて、所定の高速側通路の下流端から高速側集合部に排出された排気を高速側集合部に加えて他の高速側通路に向かってより容易に進行できる、すなわち、この排気がより抵抗の少ない状態で高速側集合部内に排出することができる。そのため、この高速側通路を排気が通過する前記高速領域では、排気抵抗をより一層小さく抑えて気筒内の掃気を促進することができる。

一方、各低速側通路の下流端から低速側集合部に排出される排気の流れ方向に沿って延びる当該下流端の軸心の隣接する低速側通路間での交差角度が小さく設定されているので、低速側通路の下流端から低速側集合部に排出された排気が他の低速側通路へ進行するのを抑制することができる。すなわち、低速側集合部における排気の膨張をより小さく抑えて、排気をより高速で低速側集合部内を流下させることができる。そのため、この低速側通路を排気が通過する前記低速領域では、より高いエゼクタ効果すなわちこの低速側集合部を高速で排気が通過することに伴いこの排気の周囲ひいては前記排気ポートに生成される負圧量を大きくすることができ、気筒内の掃気をより確実に促進することができる。

前記各低速側通路の下流端から前記低速側集合部に排出される排気の流れ方向に沿って延びる当該下流端の軸心の隣接する低速側通路間での交差角度の具体的な値としては、３０度未満が挙げられ、前記各高速側通路の下流端から前記高速側集合部に排出される排気の流れ方向に沿って延びる当該下流端の軸心の隣接する高速側通路間での交差角度の具体的な値としては、３０度以上６０度以下が挙げられる（請求項２）。

なお、前記交差角度が３０度未満とは、交差角度が０度であって、前記各低速側通路の下流端から前記低速側集合部に排出される排気の流れ方向に沿って延びる当該下流端の軸心が、互いに平行に延びている場合を含む。

また、本発明において、前記高速側集合部は、排気の流れ方向に延びる軸を囲む外側面をもつ形状を有し、前記複数の高速側通路の少なくとも一部の下流端は、前記高速側集合部の外側面に接続されているのが好ましい（請求項３）。

このようにすれば、所定の高速側通路から高速側集合部に流入してこの高速側集合部を下流側に進む排気が、より容易に他の高速側通路に向かって進行することができるため、この排気の排気抵抗を低減して気筒内の掃気をより一層促進することができる。

ここで、前記エゼクタ効果を効果的に得るための前記低速側通路の具体的構成としては、前記低速側集合部は、その上流端と下流端の少なくとも一方の流路面積が、当該低速側集合部の流路面積のうち最も小さい面積となる形状を有し、前記低速側通路は、その下流端部分の流路面積と同じ面積を有する真円の直径ａと、前記低速側集合部の下流端と同じ面積を有する真円の直径Ｄとの関係がａ／Ｄ≧０．５となる形状を有するものが挙げられる（請求項４）。

以上説明したように、本発明によれば、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。

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において高速側通路と高速側集合部等を省略した図である。図１において低速側通路と低速側集合部等を省略した図である。図１に対応するエンジンシステムの概略縦断面図である。図２のＶ−Ｖ線断面図である。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。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。

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、前記エンジン本体１は、直列４気筒のエンジンであって、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４つの気筒１２が直列に並んだ状態で形成されている。具体的には、図２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。

前記排気マニホールド５は、３つの独立排気通路５２と、３つの流路面積可変バルブ５８および高速側集合部５７と、混合管（低速側集合部）５６ａとストレート管５６ｂとディフューザー５６ｃ（図２参照）と、を備えている。

前記各独立排気通路５２は、前記各気筒１２の排気ポート１８に接続されている。具体的には、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、これら各気筒から同時に排気が排出されることがないため、構造を簡素化する観点から、１つの独立排気通路５２ｂに接続されている。より詳細には、この第２気筒１２ｂと第３気筒１２ｃの排気ポート１８に接続されている独立排気通路５２ｂは、その上流側において２つの通路に分離しており、その一方に前記第２気筒１２ｂの排気ポート１８が接続され、他方に前記第３気筒１２ｃの排気ポート１８が接続されている。

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。

前記各独立排気通路５２は、その下流側において、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４に示すように、前記低速側通路５４は、高速側通路５３との分離点よりも上流側の独立排気通路５２に沿って下流側に延びており、前記高速側通路５３は、低速側通路５４から上方に湾曲した後、低速側通路５４と略平行に下流側に延びている。また、前記第２気筒１２ｂおよび第３気筒１２ｃの排気ポート１８に対応する高速側通路５３および低速側通路５４は、これら気筒の中央部分すなわちエンジン本体１の略中央部分と対向して直線的に延びており、他の気筒の排気ポート１８に対応する高速側通路５３および低速側通路５４は、対応する各排気ポート１８と対向する位置から前記第２気筒１２ｂおよび第３気筒１２ｃに対応する各通路５２，５４に向かって湾曲して延びている。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。

前記各低速側通路５４の下流側には前記混合管５６ａが接続されており、各低速側通路５４を通過した排気はこの混合管５６ａで集合する。この混合管５６ａにおいて、前記３つの低速側通路５４は、その下流端が互いに隣接する位置で接続されている。

前記各低速側通路５４および混合管５６ａは、各低速側通路５４から排気が高速で噴出されてこの排気が高速で混合管５６ａを通過するのに伴い、この高速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って隣接する他の低速側通路５４およびこの低速側通路５４に対応する排気ポート１８内が負圧とされてこの排気ポート１８内のガスが下流側に吸い出される形状を有している。

本実施形態では、前記各低速側通路５４は、下流に向かうほどその流路面積が小さくなる形状を有しており、排気が各低速側通路５４から高速で下流側へ噴出されるよう構成されている。より詳細には、図５に示すように、各低速側通路５４は、略円形断面を有する上流側部分から下流に向かうに従ってその断面積が縮小されており、その下流端では上流側部分の円形断面積の略１／３となる扇形となっている。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混合管５６ａに接続されている。

また、各低速側通路５４から前記混合管５６ａへ排出される排気の流れ方向に沿って延びる各低速側通路５４の下流端の軸心Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の交差角度であって、隣接する低速側通路５４の下流端の軸心どうしの交差角度α（図２参照）は、それぞれ７度に設定されており、各低速側通路５４は平行に近い状態で混合管５６ａに接続されている。すなわち、各低速側通路５４は、所定の低速側通路５４から混合管５６ａに排出された排気が他の低速側通路５４側に向かって進行せず、この混合管５６ａにおいて排気の膨張ひいては排気の速度低下が小さく抑えられるよう構成されている。

そして、前記混合管５６ａは、その下流端の流路面積と同じ面積を有する真円の直径をＤ１（図４参照）として、前記低速側通路５４の下流端の断面積と同じ面積を有する真円の直径をａ（図４参照）とした場合に、ａ／Ｄ＝０．６５となる形状を有している。

ここで、この混合管５６ａの具体的構造は前記に限らないが、この混合管５６ａが、その上流端と下流端の少なくとも一方の流路面積が最も小さい流路面積となる形状を有し、ａ／Ｄがａ／Ｄ≧０．５の範囲に設定されていれば、この混合管５６ａを排気が十分な高い速度で通過して前記エゼクタ効果が十分に得られることが分かっているため、前記のような形状を有するものが好ましい。なお、前記混合管５６ａへの排気の流入速度をより高めるべく、前記低速側通路５４の下流端に流路面積が小さくされた部分すなわち絞り部が設けられている場合には、この絞り部の流路面積の直径をａとして、前記混合管５６ａがａ／Ｄ≧０．５となるような形状とされるのが好ましい。

前記混合管５６ａに流入した排気は前記ストレート管５６ｂおよび前記ディフューザー５６ｃを通過して下流側に流出する。前記ストレート管５６ｃは、前記混合管５６ａから連続して、この混合管５６ａの下流端と同一の断面形状すなわち同一の流路面積で下流側に延びる形状を有している。前記ディフューザー５６ｃは、前記ストレート管５６ｂから連続して下流側に延びており、下流に向かうに従って拡径してその流路面積が大きくなる形状を有している。

一方、前記各高速側通路５３の下流側には前記高速側集合部５７が接続されており、各高速側通路５３を通過した排気はこの高速側集合部５７で集合する。そして、この高速側通路５３および高速側集合部５７は、前記低速側通路５４および混合管５６ａと異なり、高速側通路５３から高速側集合部５７に流入した排気が膨張しやすく、排気抵抗が小さくなるような形状を有している。

具体的には、前記高速側通路５３は、流路面積がほぼ一定の状態で下流側に延びる形状を有し、その流路面積が前記低速側通路５４の下流端の流路面積よりも大きく設定されている。本実施形態では、１つの高速側通路５３の流路面積が、３つの低速側通路５４の下流端の流路面積の合計とほぼ一致するように設定されている。また、前記高速側集合部５７は、排気の流れ方向に沿って延びる略円筒状であって、その流路面積が全体にわたってほぼ一定となる形状を有している。

そして、各高速側通路５３からこの高速側集合部５７へ排出された排気の流れ方向に沿って延びる各高速側通路５３の下流端の軸心Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ１３の交差角度であって、隣接する高速側通路５３の下流端の軸心どうしの交差角度β（図３参照）は、前記低速側通路５４の下流端の軸心どうしの交差角度αよりも大きい、４５度に設定されている。

このようにして、この高速側集合部５７では、前記低速側通路５４側と異なり、所定の高速側通路５３から高速側集合部５７に排出された排気が他の高速側通路５３側に向かって比較的容易に進行して高速側集合部５７における前記排気の膨張が促進される、ひいては、排気抵抗がより低減されるように構成されている。特に、本実施形態では、高速側集合部５７の外周面（外側面）に、第１気筒１２ａに対応する高速側通路５３と第４気筒１２ｄに対応する高速側通路５３とが、各下流端が互いに略対向する状態で接続されており、所定の高速側通路５３から排出された排気がより容易に他の高速側通路５３側に向かって進行し、排気抵抗が効果的に低減するよう構成されている。

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、これにより各高速側通路５３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。

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り高速側通路５３を開放する全開位置（図４の破線）と、排気の流れ方向と略垂直な方向に広がり高速側通路５３を遮断する全閉位置（図４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。

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。

前記ディフューザー５６ｃの下流端および高速側集合部５７の下流端にはそれぞれ前記触媒装置６の後述するケーシング６２が接続されており、ディフューザー５６ｃおよび高速側集合部５７を通過した排気はケーシング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の上下流方向の中央部分に収容されており、このケーシング６２の上流端６２ａには所定の空間が形成されている。前記ディフューザー５ｃおよび高速側集合部５７の各下流端はこのケーシング６２の上流端６２ａに接続されており、これら下流端から排出された排気はこのケーシング６２の上流端６２ａで集合した後、触媒本体６４側へ進行する。

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には、運転条件に応じて予め設定された吸気バルブ１９、排気バルブ２０の目標バルブタイミングおよび前記流路面積可変バルブ５８の目標開度が記憶されており、ＥＣＵ２は、各種センサからの信号に基づき現在の運転条件を演算するとともにこの運転条件に対応した目標値を抽出し、吸気バルブ１９、排気バルブ２０のバルブタイミングおよび流路面積可変バルブの開度がこの目標値になるように、前記吸気ＶＶＴ３２、排気ＶＶＴ４２および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、排気バルブ２０の目標バルブタイミングおよび前記流路面積可変バルブ５８の目標開度について次に説明する。

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より低い低速領域において、排気バルブ２０の開弁期間と吸気バルブ１９の開弁期間とが吸気上死点（ＴＤＣ）を挟んでオーバーラップし、かつ、排気バルブ２０が他の気筒１２の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、図６に示すように、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。

また、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より高い高速領域において、低速領域と同様に、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設定される一方、前記オーバーラップ期間Ｔ＿Ｌ／Ｏが前記低速領域で設定されたオーバーラップよりも小さくなるように設定されている。例えば、低速領域のオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌが６０℃Ａ以上であって８０℃Ａ等に設定されているのに対して、高速領域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。

前記流路面積可変バルブ５８の目標開度は、前記低速荷領域では全閉に設定され、前記高速領域では全開に設定されている。

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８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。

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から対応する排気ポート１８および前記独立排気通路５２には排気が高速で排出される。特に、排気バルブ２０の開弁開始直後は気筒１２から非常に高速で排気（いわゆるブローダウンガス）が排出される。

前記低速領域では、前記流路面積可変バルブ５８は閉弁されており気筒１２から排出された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および混合管５６ａは、エゼクタ効果により所定の低速側通路５４から混合管５６ａに排気が高速で噴出されるのに伴い他の低速側通路５４内の排気が下流側へ吸い出されるよう構成されている。そして、前記低速領域では、前記排気行程気筒１２の排気バルブ２０の開弁開始時に、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）がオーバーラップ期間中となるよう設定されている。

従って、前記低速領域では、排気行程気筒１２内の排気が前記低速側通路５４に流入してこの低速側通路５４から前記混合管５６ａに高速で噴出されるのに伴い、前記エゼクタ効果により前記吸気行程気筒１２内の残留ガスが排気ポート１８側へ吸い出されて、吸気行程気筒１２の掃気が促進され、吸気効率ひいてはエンジン出力が高められる。

特に、隣接する低速側通路５４の下流端の軸心どうしの交差角度αが、７度に設定されて、各低速側通路５４が平行に近い状態で混合管５６ａに接続されており、排気行程気筒１２に接続された低速側通路５４から混合管５６ａに排出された排気の速度が高く維持される。従って、この排気行程気筒１２から排出された排気の周囲をより高い負圧とすることができ、前記吸気行程気筒１２内の残留ガスをより多く吸い出すことができる。

また、各低速側通路５４の下流端は前記混合管５６ａ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に効果的に作用する。

ここで、前述のように、前記低速側通路５４は前記エゼクタ効果が効果的に得られるように下流側においてその流路面積が小さく絞られている。そのため、排気がこの低速側通路５４のみを通過する場合において、エンジン回転数が高くなり排気流量が大きくなると、排気抵抗が大きくなってポンプ損失が増大する結果エンジン出力がかえって悪化するという問題が生じる。

これに対して、本エンジンシステム１００では、前記高速領域において、前記流路面積可変バルブ５８が開弁されており、気筒１２から排出された排気は前記低速側通路５４に加えて排気抵抗が小さくなるよう構成された高速側通路５３に流入する。従って、この高速領域では、前記ポンプ損失が小さく抑えられてエンジン出力が高められる。

特に、本エンジンシステム１００では、隣接する高速側通路５３の下流端の軸心どうしの交差角度βが４５度に設定されて、高速側集合部５７における排気の膨張が促進されて排気抵抗がより低減するよう構成されており、前記ポンプ損失を効果的に小さく抑えてエンジン出力を高めることができる。

なお、本実施形態では、前記基準回転数は、前記流路面積可変バルブ５８を閉弁して前記高速側通路５３を遮断し排気を前記低速側通路５４側のみを通過するようにした場合に、ポンプ損失が所定値未満に抑えられる回転数に設定されており、前記ポンプ損失がより確実に小さく抑えられるよう構成されている。具体的には、この基準回転数Ｎ１は４５００ｒｐｍに設定されている。

以上のようにして、本エンジンシステム１００では、低速領域においてエゼクタ効果を効果的に利用して気筒１２内の掃気を促進することができるとともに、高速領域において排気抵抗を小さく抑えて気筒１２内の掃気、吸気を促進することができ、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、隣接する低速側通路５４の下流端の軸心どうしの交差角度αおよび隣接する高速側通路５３の下流端の軸心どうしの交差角度βの具体的な値は前記に限らず、高速側通路５３の交差角度βが低速側通路５４の交差角度αよりも大きく設定されていればよい。ただし、低速側通路５４の交差角度αは、この交差角度αが３０度未満であれば高いエゼクタ効果が得られることが分かっているので、３０度未満に設定されるのが好ましい。また、高速側通路５３の交差角度βは、この交差角度βが３０度以上６０度以下であれば高いポンプ損失低減効果が得られることが分かっているので、３０度以上６０度以下に設定されるのが好ましい。

また、前記高速側通路５３と高速側集合部５７との接続構造は、前記のような２つの高速側通路５３が高速側集合部５７の外周面に接続される構造に限らない。例えば、高速側通路５３の下流端が高速側集合部５７の上流端面に同一平面状で並ぶように接続されていてもよい。ただし、前記のように少なくとも２つの高速側通路５３を高速側集合部５７の外周面に接続すれば、一方の高速側通路５３の下流端が他の高速側通路５３側を向くため、高速側通路５３から排出された排気をより他の高速側通路５３側に進行させることができるので、排気抵抗をより効率よく低減することができる。

また、低速領域のうちエンジンに対する要求トルクが所定値よりも高い高負荷領域でのみ、前記流路面積可変バルブ５８を全開とし、低速領域のうちその他の低負荷領域では、流路面積可変バルブ５８を全開あるいは全開よりも小さい開度で開弁させるようにしてもよい。

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排気抵抗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、前記実施形態では、前記排気ポート１８の下流に独立排気通路５２が接続されて、この独立排気通路５２の下流において前記高速側通路５３と低速側通路５４とに分離している場合について説明したが、例えば、２つの排気ポートのうち一方の排気ポート１８に高速側通路を接続して、他方の排気ポート１８に低速側通路を前記高速側通路と独立して接続してもよい。そして、高速側通路に接続された排気ポート１８の排気バルブ２０を、前記流路面積可変バルブとして機能させてもよい。すなわち、一方の排気バルブ２０を開閉することで高速側通路の流路面積を変更するようにしてもよい。

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
５６ａ混合管（低速側集合部）
５７高速側集合部
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）

Claims

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した排気が集合する低速側集合部と、
前記各高速側通路の下流端に接続されて、当該各高速側通路に連通して当該各高速側通路を通過した排気が集合する高速側集合部と、
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開閉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は互いに隣り合う位置で前記低速側集合部に接続されており、
前記各低速側通路および低速側集合部は、各気筒から各低速側通路を通って前記低速側集合部に排気が排出されるに伴いエゼクタ効果によって隣接する他の低速側通路が負圧とされる形状を有し、
前記バルブ駆動手段は、エンジン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、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とともに、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と他方の気筒の排気バルブとが開弁している時期とが重複するように、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、前記低速領域のうち少なくとも前記多気筒エンジンに対する要求トルクが所定値よりも高い高負荷領域では前記流路面積可変バルブを全開よりも小さくして前記高速側通路を通過する排気の流量を小さくする一方、エンジンの回転数が前記基準回転数よりも高い高速領域では前記流路面積可変バルブを全開にして高速側通路を開放し、
前記各高速側通路の下流端から前記高速側集合部に排出される排気の流れ方向に沿って延びる当該下流端の軸心の隣接する高速側通路間での交差角度は、前記各低速側通路の下流端から前記低速側集合部に排出される排気の流れ方向に沿って延びる当該下流端の軸心の隣接する低速側通路間での交差角度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。
請求項１に記載の多気筒エンジンの排気装置において、
前記各低速側通路の下流端から前記低速側集合部に排出される排気の流れ方向に沿って延びる当該下流端の軸心の隣接する低速側通路間での交差角度は３０度未満に設定されており、
前記各高速側通路の下流端から前記高速側集合部に排出される排気の流れ方向に沿って延びる当該下流端の軸心の隣接する高速側通路間での交差角度は３０度以上６０度以下に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。
請求項１または２に記載の多気筒エンジンの排気装置において、
前記高速側集合部は、排気の流れ方向に延びる軸を囲む外側面をもつ形状を有し、
前記複数の高速側通路の少なくとも一部の下流端は、前記高速側集合部の外側面に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。
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において、
前記低速側集合部は、その上流端と下流端の少なくとも一方の流路面積が、当該低速側集合部の流路面積のうち最も小さい面積となる形状を有し、
前記低速側通路は、その下流端部分の流路面積と同じ面積を有する真円の直径ａと、前記低速側集合部の下流端と同じ面積を有する真円の直径Ｄとの関係がａ／Ｄ≧０．５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。