CN103958858B - 多气缸发动机的排气装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的排气装置，包括：多条独立排气通道(52)，与一个气缸(12)或者排气顺序不连续的多个气缸(12)的排气口(18)连接；混合管(50)，让通过所述各独立排气通道(52)后的排气流入。各独立排气通道(52)的下游端以集束在一起的状态连接于混合管(50)的上游端。在比混合管(50)更下游的排气通道上设置有空洞扩大室(8)。空洞扩大室(8)被设置在如下位置(距离(L2))：在中速区中，基于由排气门(20)的打开而产生的排气的压力波在空洞扩大室(8)被反射而产生的负压波，在该气缸(12)的排气门(20)与进气门的重叠期间中到达排气口(18)。

Description

多气缸发动机的排气装置
技术领域
本发明涉及搭载于汽车等的多气缸发动机的排气装置。
背景技术
一直以来，汽车等所搭载的多气缸发动机的领域中，进行着以提高扭矩为目的的排气装置的开发。
例如，专利文献1中公开了如下技术：将排气顺序不连续的气缸的排气通道集束在一起，使之集合为越往远端而越细的排气管，以使该集合后的细窄部分具备喷吸效应(ejector effect)，从而防止气缸间的排气干涉。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公开公报特开平04-086023号(第四页、第五页、图3)
多气缸发动机中，为了在较宽的转速区域范围寻求扭矩的提高，以实现扭矩的宽范围化，例如抑制3000至3500rpm等中转速区域(中速区)中的容积效率(ηV)的下降是重要的因素之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够抑制中速区的容积效率的下降的多气缸发动机的排气装置。
为了实现上述目的，本发明是一种多气缸发动机的排气装置，所述多气缸发动机具有多个气缸，所述气缸分别具备进气口、排气口、能够开闭进气口的进气门、及能够开闭排气口的排气门，所述多气缸发动机的排气装置包括：多条独立排气通道，上游端连接于一个气缸或者排气顺序不连续的多个气缸的排气口；混合管，与所述各独立排气通道的下游端连接，让通过所述各独立排气通道后的排气流入；其中，所述各独立排气通道的下游端以集束在一起的状态连接于所述混合管，在比所述混合管更下游的排气通道上设置有空洞扩大室，该空洞扩大室具有扩大了流路截面积的空间部，从各气缸的排气口中的排气门的落座位置到所述空洞扩大室的上游端的距离被设定为如下距离：在至少包含发动机的转速为预先设定的第一基准转速以上且比第一基准转速高的第二基准转速以下的中速区的第一运转区域中，基于由排气门的打开而产生的排气的压力波到达所述空洞扩大室并被反射而产生的负压波，在打开所述排气门的该气缸的所述排气门的打开期间与进气门的打开期间重叠指定期间的重叠期间中到达该气缸的排气口，该排气装置设有驱动各气缸的进气门及排气门的气门驱动装置，以便在至少包含发动机的转速为所述第二基准转速以下的低中速区的指定运转区域中，所述各气缸的排气门的打开期间与进气门的打开期间重叠指定期间，并且在排气顺序连续的气缸之间，后续的气缸的排气门在先行的气缸的所述重叠期间中打开。
本发明的上述的以及其他目的、特征及优点，基于以下的详细记载和附图而更为明确。
附图说明
图1是本发明的实施方式所涉及的多气缸发动机的排气装置的概略结构图。
图2是图1的要部放大图。
图3是图2的要部侧视图。
图4是图2的IV-IV线的剖视图。
图5是图2的V-V线的剖视图。
图6是所述发动机的各气缸的排气门的打开期间与进气门的打开期间重叠指定期间的说明图。
图7是所述进气门及排气门的打开期间的说明图。
图8是所述发动机的排气系统的整体结构图。
图9是所述发动机的运转区域的说明图。
图10是实施方式的作用(发动机转速与容积效率的提高的关系)的说明图。
图11是表示气缸与预消声器或主消声器之间的压力波往复的状态的说明图。
图12是表示在气缸的排气口产生的压力变化的时序图。
图13是实施方式的作用(来自预消声器或主消声器的反射波的影响)的说明图。
图14是实施方式的作用(容积效率的提高)的说明图。
具体实施方式
(1)整体结构
图1是本发明的实施方式所涉及的多气缸发动机的排气装置100的概略结构图，图2是图1的要部放大图，图3是图2的要部侧视图(其中省略了独立排气通道52b的图示)。该装置100具备：具有气缸盖9及气缸体(未图示)的发动机主体1、发动机控制用的ECU2、连接于发动机主体1的排气歧管5、及连接于排气歧管5的催化剂装置6。
在所述气缸盖9及气缸体的内部，形成有分别嵌插有活塞的多个(图例中为四个)气缸12。本实施方式中，发动机主体1是直列四缸的发动机。在气缸盖9及气缸体的内部，以直列排列的状态形成有四个气缸12。具体而言，从图1及图2的右侧开始依次形成有第一气缸12a、第二气缸12b、第三气缸12c、第四气缸12d。在气缸盖9上，以面临划分在活塞的上方的燃烧室内的方式分别设置有火花塞15。
发动机主体1是四冲程发动机。如图6所示，在各气缸12a至12d中，以各自相差180℃A的正时来进行火花塞15的点火，进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程、排气冲程的各冲程分别以各自相差180℃A的正时来进行。本实施方式中，按照第一气缸12a→第三气缸12c→第四气缸12d→第二气缸12b的顺序来进行点火，并按照该顺序来实施各冲程。
在气缸盖9上，分别设置有朝向燃烧室开口的两个进气口17及两个排气口18。进气口17用于向各气缸12内导入进气。排气口18用于从各气缸12内排出排气。在各进气口17上，设置有用于开闭这些进气口17以便将进气口17与气缸12内部之间连通或阻断的进气门19。在各排气口18上，设置有用于开闭这些排气口18以便将排气口18与气缸12内部之间连通或阻断的排气门20。进气门19被进气门驱动机构(气门驱动装置)30驱动，从而以指定的正时开闭进气口17。排气门20被排气门驱动机构(气门驱动装置)40驱动，从而以指定的正时开闭排气口18。
进气门驱动机构30具有连结于进气门19的进气凸轮轴31及进气VVT32。进气凸轮轴31经由众所周知的链及链轮机构等传动机构连结于曲轴，并伴随曲轴的旋转而旋转以驱动进气门19开闭。进气VVT32用于变更进气门19的气门正时。
进气VVT32变更进气凸轮轴31和与该进气凸轮轴31呈同轴配置并由曲轴直接驱动的指定的被驱动轴之间的相位差，以此来变更曲轴与所述进气凸轮轴31之间的相位差，从而变更进气门19的气门正时。作为进气VVT32的具体结构，例如可列举液压式机构或电磁式机等，液压式机构在所述被驱动轴与所述进气凸轮轴31之间具有沿周方向排列的多个液室，通过在这些液室间设置压力差来变更所述相位差；电磁式机构在所述被驱动轴与所述进气凸轮轴31之间设置电磁石，通过对所述电磁石施加电力来变更所述相位差。该进气VVT32基于由ECU2算出的进气门19的目标气门正时来变更所述相位差。
在各气缸12的进气口17上分别连接有进气通道3。各进气通道3的上游端分别连接于平衡箱3a。
排气门驱动机构40具有与进气门驱动机构30同样的结构。即，排气门驱动机构40具有：连结于排气门20及曲轴的排气凸轮轴41、及通过变更该排气凸轮轴41与曲轴的相位差来变更排气门20的气门正时的排气VVT42。排气VVT42基于由ECU2算出的排气门20的目标气门正时来变更所述相位差。并且，排气凸轮轴41以该相位差为基础，随着曲轴的旋转而旋转，从而以所述目标气门正时来驱动排气门20开闭。
本实施方式中，所述进气VVT32及排气VVT42在分别将进气门19及排气门20的打开期间及升程量亦即气门特性保持为一定的状态下，分别变更进气门19及排气门20的打开时期(图7所示的打开开始时期)及关闭时期。
而且，本实施方式中，所述进气门19及排气门20的打开时期(打开开始时期)及关闭时期分别如图7所示，是指在气门的打开附近及关闭附近将去除了气门升程的梯度平缓的部分(斜坡部)的区间设为气门的打开期间时的打开开始时期及关闭结束时期。例如，当斜坡部的高度为0.4mm时，气门升程增大至0.4mm的时期或者减少至0.4mm的时期分别为打开时期及关闭时期。
(2)排气系统的结构
排气歧管5从上游侧开始依次具有独立排气通道52和混合管50，独立排气通道52有三条、混合管50连接于各独立排气通道52的下游端且让通过各独立排气通道52后的排气流入。所述混合管50在其轴芯上，从上游侧开始依次具备：越往下游侧流路截面积越小的集合部56、维持所述集合部56下游端的流路截面积(混合管50的最小流路截面积)而朝下游侧延伸的直身部57、及越往下游侧流路截面积越大的扩散器部58。
所述各独立排气通道52的上游端连接于所述各气缸12的排气口18。具体而言，所述气缸12中的第一气缸12a的排气口18及第四气缸12d的排气口18分别独立连接于一条独立排气通道52a、52d的上游端。另一方面，基于简化结构的观点，排气冲程不相邻即排气顺序不连续的第二气缸12b的排气口18与第三气缸12c的排气口18连接于共用的一条独立排气通道52b的上游端。更详细而言，连接于该第二气缸12b的排气口18与第三气缸12c的排气口18的独立排气通道52b在其上游侧分歧为两条通道，其中一者的上游端连接于所述第二气缸12b的排气口18，而另一者的上游端连接于所述第三气缸12c的排气口18。
本实施方式中，与所述第二气缸12b及所述第三气缸12c对应的独立排气通道52b在与这些气缸12b、12c之间即发动机主体1的大致中央部分相向的位置朝向所述混合管50的集合部56延伸。另一方面，与所述第一气缸12a及所述第四气缸12d分别对应的独立排气通道52a、52d从与各气缸12a、12d相向的位置一边弯曲一边朝向所述混合管50的集合部56延伸。
这些独立排气通道52a、52b、52d相互独立，从第一气缸12a排出的排气、从第二气缸12b或第三气缸12c排出的排气、及从第四气缸12d排出的排气相互独立地通过各独立排气通道52a、52b、52d内而排出至下游侧。通过各独立排气通道52a、52b、52d后的排气流入所述混合管50的集合部56。
所述各独立排气通道52及所述集合部56具有如下形状：随着从各独立排气通道52以高速喷出的排气，以高速流入所述集合部56内，基于在该高速排气的周围产生的混合管50内的负压作用亦即喷吸效应，在相邻的其他独立排气通道52及与该独立排气通道52连通的排气口18内生成负压，从而将该排气口18内的排气吸出到下游侧。
具体而言，所述集合部56具有越往下游侧其流路截面积越小的形状，以便从所述各独立排气通道52排出的排气在维持高速度的状态下流向下游侧。本实施方式中，为了进一步提高排气的速度，所述集合部56下游端的流路截面积被设定得小于所述各独立排气通道52下游端的流路截面积的合计值。本实施方式中，该集合部56具有越往下游侧直径越小的逆圆锥台形状(漏斗形状)。
如此，在所述集合部56及直身部57中，下游侧的流路截面积小于上游侧的流路截面积。因此，排气以高速通过所述集合部56及直身部57。在该通过时，排气的压力及温度下降。因此，在所述集合部56及直身部57中，排气向外部的散热量被抑制得较小。并且，通过该直身部57后的排气流入到越往下游流路截面积越大的扩散器部58，由此，排气的压力及温度恢复，以维持高温的状态被排出至下游侧的催化剂装置6。
催化剂装置6是用于净化从发动机主体1排出的排气的装置。该催化剂装置6具备催化剂主体(催化剂载体)64及收容该催化剂主体64的催化剂盒62。催化剂盒62具有与排气的流通方向平行地延伸的大致圆筒状。催化剂主体64用于净化排气中的有害成分，在理论空燃比的环境下具有三元催化剂功能。该催化剂主体64例如含有三元催化剂。
所述催化剂主体64被收容在所述催化剂盒62的排气流通方向的中央的扩径部分中。在催化剂盒62的上游端形成有指定的空间。所述混合管50的扩散器部58的下游端连接于所述催化剂盒62的上游端。从扩散器部58排出的排气流入所述催化剂盒62的上游端之后，进一步流向催化剂主体64侧。
如前所述，高温的排气从混合管50的扩散器部58排出到下游侧。因此，通过将催化剂装置6直接连接于混合管50，从而使相对较高温的排气流入催化剂装置6内，由此，催化剂主体64被尽早活性化，而且，可切实地维持催化剂主体64的活性状态。该催化剂装置6被称作“近接催化剂筒”。
另一方面，所述各独立排气通道52的下游部具有越往下游其流路截面积越小的形状，以便排气从各独立排气通道52以高速喷出至所述集合部56内。本实施方式中，如图4所示，各独立排气通道52从具有大致椭圆形截面的上游侧部分(虚线)越往下游其截面积越缩小，在其下游端呈成为上游侧部分的椭圆形截面积的大致1/3的截面积(流路截面积)的扇形。并且，如图5所示，这些独立排气通道52以呈扇形的各下游端彼此相邻从而整体上形成大致圆形截面的方式集合，连接于所述集合部56的上游端(参照图1、图2)。
即，与所述混合管50的轴芯正交的方向上的各独立排气通道52的下游端的截面形状形成为彼此相同的大致扇形(参照图4、图5)，且在以所述扇形集合而形成大致圆形的方式将各独立排气通道52的下游端集束在一起的状态下，各独立排气通道52的下游端连接于所述混合管50的集合部56的上游端。
如图8所示，在近接催化剂筒6的下游，设置有第二催化剂装置7。该第二催化剂装置7是与近接催化剂筒6同样地用于净化从发动机主体1排出的排气的装置。详细情况虽未图示，但该催化剂装置7也具备含有三元催化剂的催化剂主体(催化剂载体)及收容该催化剂主体的催化剂盒。催化剂盒具有与排气的流通方向平行地延伸的大致圆筒状。该催化剂装置7被称作“下催化剂筒”。
(3)本实施方式的特征
如图8所示，在下催化剂筒7的下游设置有预消声器8。预消声器8采用在内部具有流路截面积扩大的空间部的结构(即空洞扩大室)。本实施方式中，预消声器8的内部空间部的容积被设定为比近接催化剂筒6的催化剂盒62的中央扩径部分的内部空间部的容积或下催化剂筒7的催化剂盒的中央扩径部分的内部空间部的容积大的容积。
如图8所示，在预消声器8的下游设置有主消声器10。主消声器10被设置在排气系统的最后部。主消声器10采用在内部具有流路截面积扩大的空间部的结构。本实施方式中，主消声器10的内部空间部的容积被设定为比预消声器8的内部空间部的容积、近接催化剂筒6的催化剂盒62的中央扩径部分的内部空间部的容积、及下催化剂筒7的催化剂盒的中央扩径部分的内部空间部的容积大的容积。
即，在比混合管50更下游的排气通道上设置有催化剂装置6、7的催化剂盒，在比所述催化剂盒更下游的排气通道上设置有预消声器8，在比所述预消声器8更下游的排气通道上设置有主消声器10。
由图8可明确的是，本实施方式中，在比所述混合管50更下游的排气通道上，设置有收容催化剂载体的催化剂装置6、7的催化剂盒，在比所述催化剂盒更下游的排气通道上设置有预消声器8，当将所述预消声器8的流路截面积相对于连接于所述预消声器8的上游侧的排气通道的流路截面积的扩大率设为A，将所述催化剂盒的流路截面积相对于连接于所述催化剂盒的上游侧的排气通道的流路截面积的扩大率设为B时，A与B以A＞B的方式设定。
此处，所述扩大率A以(预消声器8的流路截面积/连接于预消声器8上游侧的排气通道的流路截面积)表示，所述扩大率B以(催化剂盒的流路截面积/连接于催化剂盒上游侧的排气通道的流路截面积)表示。
本实施方式中，从各气缸12的排气口18中的排气门20的落座位置(排气口18面临气缸12的开口)到各独立排气通道12的下游端(混合管50的集合部56的上游端)的距离L1被设定为500mm以下，较为理想的是400mm以下，更为理想的是300mm以下。
而且，本实施方式中，从各气缸12的排气口18中的排气门20的落座位置到所述预消声器8的上游端的距离L2被设定为1600mm至2000mm，较为理想的是1800mm左右。
而且，本实施方式中，从各气缸12的排气口18中的排气门20的落座位置到所述主消声器10的上游端的距离L3被设定为3800mm至4200mm，较为理想的是4000mm左右。
本实施方式中，在比所述混合管50更下游的排气通道上设置具有扩大了流路截面积的空间部的预消声器8，并且在比所述预消声器8更下游的排气通道上设置具有扩大了流路截面积的空间部的主消声器10的理由大致如下。
首先，在本实施方式中，如图9所示，发动机转速为预先设定的第一基准转速Ne1以上且比第一基准转速Ne1高的预先设定的第二基准转速Ne2以下的区域设定为第一运转区域(i)，发动机转速小于所述第一基准转速Ne1的区域设定为第二运转区域(ii)，发动机转速超过所述第二基准转速Ne2的区域设定为第三运转区域(iii)。
所述第一基准转速Ne1例如设为2500rpm至3000rpm，所述第二基准转速Ne2例如设为3500rpm至4000rpm。并且，第一运转区域(i)为中速区，第二运转区域(ii)为低速区，第三运转区域(iii)为高速区。此外，发动机转速例如小于1200rpm的第四运转区域(iv)为极低速区。
在所述低速区(ii)及中速区(i)中，如图6所示，以如下方式设定气门正时：所述各气缸12的排气门20的打开期间与进气门19的打开期间夹着进气上止点(TDC)而重叠，且在排气顺序连续的气缸12、12之间，以另一方的气缸(后续的气缸)12的排气门20在一方的气缸(先行的气缸)12的重叠期间T_O/L中开始打开。具体而言，如图6所示，以如下方式设定气门正时：在第一气缸12a的排气门20与进气门19重叠的期间中，第三气缸12c的排气门20打开，在第三气缸12c的排气门20与进气门19重叠的期间中，第四气缸12d的排气门20打开，在第四气缸12d的排气门20与进气门19重叠的期间中，第二气缸12b的排气门20打开，在第二气缸12b的排气门20与进气门19重叠的期间中，第一气缸12a的排气门20打开。
即，ECU2在所述低中速区(ii)(i)控制进气门驱动机构30及排气门驱动机构40，以使各气缸12的排气门20的打开期间与进气门19的打开期间重叠指定期间，并且在排气顺序连续的气缸12、12之间，后续的气缸12的排气门20在先行的气缸12的所述重叠期间T_O/L中打开。
由此，伴随排气冲程气缸12的排气门20打开而卸压的气体从该排气冲程气缸12通过独立排气通道52以高速喷出至集合部56，基于喷吸效应而在重叠期间T_O/L中的进气冲程气缸12的排气口18内生成负压。因此，所述喷吸效应不仅涉及到重叠期间T_O/L中的进气冲程气缸12的排气口18，而且从进气冲程气缸12涉及到进气冲程气缸12的进气口17，从而该重叠期间T_O/L中的进气冲程气缸12内的扫气得以进一步促进。
其结果，如图10中的实线所示，至少在发动机转速相对较低(例如1200rpm以上且小于2500rpm至3000rpm)低速区(ii)及发动机转速例如为2500rpm至3000rpm以上且3500rpm至4000rpm以下的中速区(i)，本实施方式所涉及的多气缸发动机基于喷吸效应而实现容积效率(ηV)的提高。
所述图8所示的距离L1被设定为500mm以下，较为理想的是400mm以下，更为理想的是300mm以下，以使这样的低中速区(ii)(i)中的喷吸效应得以充分良好地发挥。
在本实施方式中，如前所述(参照图1)，进气系统以进气通道3连接于各气缸12的进气口17，平衡箱3a连接于各进气通道3的上游端的方式设置。并且，所述进气系统以如下方式设定：在所述高速区(iii)，基于由进气门19的打开而产生的进气的负压波的反射而产生的正压波，在所述进气门19即将关闭之前到达进气口17。进气通道3的长度、进气通道3的直径、平衡箱3a的容积等例如以如下方式设定：基于进气门19的打开而产生的进气的负压波从进气口17通过进气通道3到达平衡箱3a，到达的负压波的一部分通过平衡箱3a后，一部分被平衡箱3a反转为正压波，反转的正压波发生反射，在该气缸12的进气门19即将关闭之前到达进气口17。
其结果，如图10中的点划线所示，在发动机转速相对较高(例如超过3500rpm至4000rpm)的高速区(iii)，本实施方式所涉及的多气缸发动机基于进气的惯性增压效应而实现容积效率(ηV)的提高。
此外，在各气缸12中，在排气门20刚打开之后产生因卸压引起的高压力波(正压波)，由此，在排气歧管5及比排气歧管5更下游的排气通道内产生排气波动。该排气波动如图11所示为如下现象：在气缸12与空洞扩大室亦即预消声器8或主消声器10之间，压力波的一部分发生相互反射而往复。当压力波被预消声器8或者主消声器10反射时，引起正压与负压的反转，负压波与正压波交替到达排气口18。具体而言，第一次往复的一次反射波、第三次往复的三次反射波、第五次往复的五次反射波......为负压波，第二次往复的二次反射波、第四次往复的四次反射波、第六次往复的六次反射波......为正压波。因此，作用于排气口18的压力如图12所示，交替地在负压与正压之间变化，且伴随压力波的反复往复而衰减。并且，若这样的排气波动中的负压波在所述图6所示的重叠期间T_O/L中到达排气口18，则可获得从气缸12内吸出排气而提高扫气性的作用。
图13是表示在发动机转速属于所述极低速区(iv)的1100rpm、发动机转速属于所述低速区(ii)的2200rpm、发动机转速属于所述中速区(i)的3300rpm时，基于由排气门20的打开引起的卸压而产生的正压波(c)被预消声器8反射而产生的一次负压波(a)、基于被预消声器8反射而产生的二次正压波(b)、基于被主消声器10反射而产生的一次负压波(d)、基于被主消声器10反射而产生的二次正压波(e)在怎样的时期到达该气缸12的排气口18的说明图(横轴为曲柄角CA)。另外，对于主消声器10的一次负压波(d)及二次正压波(e)，以实线表示在气缸12与主消声器10之间无预消声器8的情形，以链线表示有预消声器8的情况。如图所示，有预消声器8的情形(链线)与无预消声器8的情形(实线)相比，主消声器10的反射波(d)(e)的振幅变小，其理由将在后文叙述。
在低速区(ii)，因主消声器10的反射引起的一次负压波(d)在该气缸12的重叠期间T_O/L中到达排气口18，而因预消声器8的反射引起的二次正压波(b)也在该气缸12的重叠期间T_0/L中到达排气口18，因此无法大幅获得从该气缸12内吸出排气而提高扫气性的作用。
其结果，如图10中的点线X所示，在发动机转速相对较低(例如1200rpm以上且小于2500rpm至3000rpm)的低速区(ii)，本实施方式所涉及的多气缸发动机无法大幅实现由主消声器10的反射波的影响带来的容积效率(ηV)的提高。另外，在图10中，虚线表示无预消声器8时的主消声器10的反射波的影响，点线X表示有预消声器8时的主消声器10的反射波的影响。
在中速区(i)，由于仅有因预消声器8的反射引起的一次负压波(a)在该气缸12的重叠期间T_O/L中到达排气口18，因此可大幅获得从该气缸12内吸出排气而提高扫气性的作用。
其结果，如图10中的两点划线所示，在发动机转速为相对中程度(例如2500rpm至3000rpm以上且3500rpm至4000rpm以下)的中速区(i)，本实施方式所涉及的多气缸发动机基于预消声器8的一次负压波(反射波)而实现容积效率(ηV)的提高。
在极低速区(iv)，仅有因主消声器10的反射引起的二次正压波(e)在该气缸12的重叠期间T_O/L中到达排气口18。但是，如后所述，通过设置预消声器8，与仅设置有主消声器10的情形相比，所述二次正压波(e)的振幅变小，其结果，从该气缸12内吸出排气而提高扫气性的作用增加。
其结果，如图10中的点线X所示，在发动机转速相对地非常低(例如小于1200rpm)的极低速区(iv)，本实施方式所涉及的多气缸发动机因设置有预消声器8而主消声器10的压力波变小，由此，与仅设置有主消声器10的情形相比，可实现容积效率(ηV)的提高。其理由将在后文叙述。
由于所述图8所示的距离L2被设定为1600mm至2000mm，较为理想的是1800mm左右，所述图8所示的距离L3被设定为3800mm至4200mm，较为理想的是4000mm左右，因此，在这样的极低速区(iv)、低速区(ii)及中速区(i)中的预消声器8及主消声器10的负压波(反射波)的效果得以充分良好地发挥。
作为实机测试，在图8所示的排气系统中，在所述距离L3设为4000mm而仅设置有主消声器10的情形(图14的“口”标记)、和在除了该主消声器10以外还一并设置有预消声器8且所述距离L2设为1800mm的情形(图14的“◆”标记)下，在1000rpm至6000rpm的范围，调查容积效率(ηV)如何变化。其结果被示于图14。另外，该图14所示的容积效率(ηV)是反映了所述喷吸效应及所述进气的惯性增压效应全部的值。
由图14可明确的是，与仅有主消声器10的情形相比，兼设有预消声器8的情形下，在3000rpm至4000rpm的中速区，容积效率(ηV)提高，在1000rpm的极低速区，容积效率(ηV)提高。这被认为是因为在中速区预消声器8的一次负压波(a)的反射效应得以发挥，以及因为在极低速区基于设置有预消声器8而主消声器10的压力波变小。
即，如图10中的符号X所示，设置有预消声器8的情形(点线)比起未设置预消声器8的情形(虚线)，主消声器10的反射波的影响变得平缓。其结果，主消声器10的反射波的影响在1000rpm附近得到改善，在2000rpm附近处下降(在3000rpm附近处几乎无变化)。主消声器10的反射波的影响在1000rpm附近处得到改善的理由被认为是大致如下的理由。当气缸12与主消声器10之间无预消声器8时，因卸压产生的正压波的全部被主消声器10反射。但是，当气缸12与主消声器10之间有预消声器8时，因卸压产生的正压波的一部分被预消声器8反射，剩余的正压波透过预消声器8而被主消声器10反射。透过预消声器8的压力波(透射波)的振幅变小。因此，到达主消声器10的压力波(透射波)的振幅变小，被主消声器10反射的反射波的振幅也变小。其结果，当有预消声器8时，比起无预消声器8时，主消声器10的反射波的影响变小。其结果，如图13的极低速区(iv)所示，当有预消声器8时，比起无预消声器8时，主消声器10的二次正压波(e)的振幅变小，作为结果，主消声器10的反射波的影响在1000rpm附近的极低速区(iv)中得以改善。
另外，在1500rpm至2000rpm的低速区，兼设有预消声器8的情形比起仅有主消声器10的情形，呈现容积效率(ηV)的下降。这被认为是因为预消声器8的二次正压波(b)在该气缸12的重叠期间中到达排气口18。但是，在该区域中，由于从进气门19进入的新鲜空气从排气门20排出而成为过剩扫气状态，因此即使容积效率(ηV)下降，实际残留在气缸内的新鲜空气的量的下降(扭矩的下降)也较小。
(4)本实施方式的作用
本实施方式中，提供一种多气缸发动机的排气装置100，多气缸发动机具有多个气缸12，该气缸12分别具备进气口17、排气口18、能够开闭进气口17的进气门19、及能够开闭排气口18的排气门20。所述排气装置100包括：多条独立排气通道52，上游端连接于一个气缸12或者排气顺序不连续的多个气缸12的排气口18；混合管50，与所述各独立排气通道52的下游端连接，让通过所述各独立排气通道52后的排气流入。所述各独立排气通道52的下游端以集束在一起的状态连接于所述混合管50。设置有驱动各气缸12的进气门19及排气门20的气门驱动装置30、40，以便在指定运转区域(低速区(ii)及中速区(i))，所述各气缸12的排气门20的打开期间与进气门19的打开期间重叠指定期间，并且在排气顺序连续的气缸12、12之间，后续的气缸12的排气门20在先行的气缸12的所述重叠期间T_O/L中打开。在比所述混合管50更下游的排气通道上，设置有具有扩大了流路截面积的空间部的预消声器8，从各气缸12的排气口18中的排气门20的落座位置到所述预消声器8的上游端的距离L2被设定为如下的距离L2：在发动机的转速为预先设定的第一基准转速Ne1以上且比第一基准转速Ne1高的预先设定的第二基准转速Ne2以下的中速区(i)，基于由排气门20的打开而产生的排气的压力波(c)到达所述预消声器8并被反射而产生的负压波(a)，在打开所述排气门20的该气缸12的所述排气门20的打开期间与进气门19的打开期间重叠指定期间的重叠期间T_O/L中到达该气缸12的排气口18。
根据本实施方式，通过各独立排气通道52后的排气流入混合管50，由此在混合管50内产生负压，基于该负压，能够获得使其他独立排气通道52或者与该通道连通的其他气缸12的排气口18内的排气被吸出到下游侧的喷吸效应。此时，在发动机转速为第二基准转速Ne2以下的指定运转区域(低速区(ii)及中速区(i))，由于设有各气缸12的排气门20与进气门19均为打开的状态的重叠期间，在排气顺序连续的气缸12、12间，后续的气缸12的排气门20在先行的气缸12的重叠期间T_O/L中打开，因此，所述喷吸效应涉及到重叠期间T_O/L中的先行气缸12的进气口19，由此，先行气缸12的扫气得到进一步促进，从而实现容积效率(ηV)的进一步的提高，甚而实现扭矩的进一步的提高。
此外，根据本实施方式，在比所述混合管50更下游的排气通道上设置有预消声器8，至少在发动机转速为第一基准转速Ne1至第二基准转速Ne2的第一运转区域(中速区(i))，基于由排气门20的打开而产生的排气的压力波(c)到达所述预消声器8并被反射而产生负压波(a)，该负压波(a)在打开所述排气门20的该气缸12的所述重叠期间T_O/L中到达该气缸12的排气口18，因此基于由该负压波(a)带来吸出效应，在中速区(i)，容积效率(ηV)提高，能够抑制中速区(i)中的容积效率(ηV)的下降。
本实施方式中，在比所述混合管50更下游的排气通道的相对上游侧设置有预消声器8，在相对下游侧设置有主消声器10，从各气缸12的排气口18中的排气门20的落座位置到所述主消声器10的上游端的距离L3被设定为如下的距离L3：在发动机的转速小于所述第一基准转速Ne1的第二运转区域(低速区(ii))中，基于由排气门20的打开而产生的排气的压力波(c)到达所述主消声器10并被反射而产生的负压波(d)，在打开所述排气门20的该气缸12的所述重叠期间T_O/L中到达该气缸12的排气口18。
由此，基于预消声器8，抑制所述中速区(i)中的容积效率(ηV)的下降，并且基于主消声器10，抑制至少发动机转速小于所述第一基准转速Ne1的低速区(ii)中的容积效率(ηV)的下降。因此，实现扭矩的宽范围化，从而在较宽的转速区域范围确保便于行驶的扭矩。
本实施方式中，进气系统以如下方式设定：在发动机的转速超过所述第二基准转速Ne2的第三运转区域(高速区(iii))中，基于由进气门19的打开而产生的进气的负压波的反射而产生的正压波，在所述进气门19即将关闭之前到达进气口17。
由此，基于进气的惯性增压效应，抑制至少发动机转速超过所述第二基准转速Ne2的高速区(iii)中的容积效率(ηV)的下降。因此，实现扭矩的更进一步的宽范围化，从而在更宽的转速区域范围确保便于行驶的扭矩。
本实施方式中，从各气缸12的排气口18中的排气门20的落座位置到各独立排气通道52的下游端的距离L1被设定为500mm以下。
由此，在低速区(ii)及中速区(i)，从各气缸12排出并通过各独立排气通道52后的排气流入混合管50，由此在混合管50内产生充分的负压，使所述喷吸效应得以充分良好地发挥。
本实施方式中，从各气缸12的排气口18中的排气门20的落座位置到所述预消声器8的距离L2被设定为1600mm至2000mm。
由此，在极低速区(iv)及中速区(i)，预消声器8的负压波(反射波)的效应得以充分良好地发挥。
本实施方式中，从各气缸12的排气口18中的排气门20的落座位置到所述主消声器10的距离L3被设定为3800mm至4200mm。
由此，在低速区(ii)，主消声器10的负压波(反射波)的效应得以充分良好地发挥。
本实施方式中，在比所述混合管50更下游的排气通道上设置有收容催化剂载体的催化剂装置6、7的催化剂盒，在比所述催化剂盒更下游的排气通道上设置有所述预消声器8，所述预消声器8的流路截面积相对于连接于所述预消声器8的上游侧的排气通道的流路截面积的扩大率为A，所述催化剂盒的流路截面积相对于连接于所述催化剂盒的上游侧的排气通道的流路截面积的扩大率为B时，A与B以A＞B的方式设定。
由此，在预消声器8及设置于预消声器上游的催化剂装置6、7的催化剂盒中，由于预消声器8侧的流路截面积的扩大率A大于催化剂盒侧的流路截面积的扩大率B，因此催化剂盒反射的反射波少，预消声器8反射的反射波多。因此，即使在预消声器8的上游设置有催化剂盒，也可确保预消声器8的反射波的影响。
本实施方式的技术特征总结如下。
本实施方式公开了一种多气缸发动机的排气装置100，所述多气缸发动机具有多个气缸12，该气缸12分别具备进气口17、排气口18、能够开闭进气口17的进气门19、及能够开闭排气口18的排气门20，所述多气缸发动机的排气装置100包括：多条独立排气通道52，上游端连接于一个气缸12或者排气顺序不连续的多个气缸12的排气口18；混合管50，与所述各独立排气通道52的下游端连接，让通过所述各独立排气通道52后的排气流入；其中，所述各独立排气通道52的下游端以集束在一起的状态连接于所述混合管50，在比所述混合管50更下游的排气通道上设置有空洞扩大室8，空洞扩大室8具有扩大了流路截面积的空间部，从各气缸12的排气口18中的排气门20的落座位置到所述空洞扩大室8的上游端的距离L2被设定为如下的距离L2：在至少包含发动机的转速为预先设定的第一基准转速Ne1以上且比第一基准转速Ne1高的第二基准转速Ne2以下的中速区(i)的第一运转区域(i)中，基于由排气门20的打开而产生的排气的压力波(c)到达所述空洞扩大室8并被反射而产生的负压波(a)，在打开所述排气门20的该气缸12的所述排气门20的打开期间与进气门19的打开期间重叠指定期间的重叠期间T_0/L中到达该气缸12的排气口18，该排气装置100设有驱动各气缸12的进气门19及排气门20的气门驱动装置30、40，以便在至少包含发动机的转速为所述第二基准转速Ne2以下的低中速区(ii)(i)的指定运转区域(ii)(i)中，所述各气缸12的排气门20的打开期间与进气门19的打开期间重叠指定期间，并且在排气顺序连续的气缸12、12之间，后续的气缸12的排气门20在先行的气缸12的所述重叠期间T O/L中打开。
根据本实施方式，通过各独立排气通道52后的排气流入混合管50，由此在混合管50内产生负压，基于该负压，能够获得使其他独立排气通道52或者与该通道连通的其他气缸12的排气口18内的排气被吸出到下游侧的喷吸效应。此时，在至少包含发动机转速为第二基准转速Ne2以下的低中速区(ii)(i)的指定运转区域(ii)(i)，由于设有各气缸12的排气门20与进气门19均为打开状态的重叠期间，在排气顺序连续的气缸12、12间，后续的气缸12的排气门20在先行的气缸12的重叠期间T_O/L中打开，因此，所述喷吸效应涉及到重叠期间T_O/L中的先行气缸12的进气口19，由此，先行气缸12的扫气得到进一步促进，从而实现容积效率(ηV)的进一步的提高，甚而实现扭矩的进一步的提高。
此外，根据本实施方式，在比所述混合管50更下游的排气通道上设置有空洞扩大室8，至少在发动机转速为第一基准转速Ne1至第二基准转速Ne2的中速区(i)，基于由排气门20的打开而产生的排气的压力波(c)到达所述空洞扩大室8并被反射而产生负压波(a)，该负压波(a)在打开所述排气门20的该气缸12的所述重叠期间T_O/L中到达该气缸12的排气口18，因此基于由该负压波(a)带来吸出效应，在中速区(i)，容积效率(ηV)提高，能够抑制中速区(i)中的容积效率(ηV)的下降。
本实施方式中公开了如下内容：在比所述混合管50更下游的排气通道的相对上游侧设置有预消声器8，在相对下游侧设置有主消声器10，所述空洞扩大室8为所述预消声器8，从各气缸12的排气口18中的排气门20的落座位置到所述主消声器10的上游端的距离L3被设定为如下的距离L3：在至少包含发动机的转速小于所述第一基准转速Ne1的低速区(ii)的第二运转区域(ii)中，基于由排气门20的打开而产生的排气的压力波(c)到达所述主消声器10并被反射而产生的负压波(d)，在打开所述排气门20的该气缸12的所述排气门20的打开期间与进气门19的打开期间重叠指定期间的重叠期间T_O/L中到达该气缸12的排气口18。
根据本实施方式，基于预消声器8，在所述进气的惯性增压效应为负(即，在所述进气门19即将关闭之前到达进气口17的压力波不符合正时，从而负压波产生作用)的所述中速区(i)，抑制容积效率(ηV)的下降，基于主消声器10，抑制至少发动机转速小于所述第一基准转速Ne1的低速区(ii)中的容积效率(ηV)的下降。因此，实现扭矩的宽范围化，从而在较宽的转速区域范围确保便于行驶的扭矩。
本实施方式公开了如下内容：进气系统以如下方式设定：在至少包含发动机的转速超过所述第二基准转速Ne2的高速区(iii)的第三运转区域(iii)中，基于由进气门19的打开而产生的进气的负压波的反射而产生的正压波，在所述进气门19即将关闭之前到达进气口17。
根据本实施方式，基于进气的惯性增压效应，抑制至少发动机转速超过所述第二基准转速Ne2的高速区(iii)中的容积效率(ηV)的下降。因此，实现扭矩的更进一步的宽范围化，从而在更宽的转速区域范围确保便于行驶的扭矩。
本实施方式公开了如下内容：从各气缸12的排气口18中的排气门20的落座位置到各独立排气通道52的下游端的距离L1被设定为500mm以下。
根据本实施方式，从各气缸12排出并通过各独立排气通道52后的排气流入混合管50，由此在混合管50内产生充分的负压，使所述喷吸效应得以充分良好地发挥。
本实施方式公开了如下内容：在比所述混合管50更下游的排气通道上设置有收容催化剂载体的催化剂盒，在比所述催化剂盒更下游的排气通道上设置有所述空洞扩大室8，所述空洞扩大室8的流路截面积相对于连接于所述空洞扩大室8的上游侧的排气通道的流路截面积的扩大率为A，所述催化剂盒的流路截面积相对于连接于所述催化剂盒的上游侧的排气通道的流路截面积的扩大率为B时，A与B以A＞B的方式设定。
根据本实施方式，在空洞扩大室8及设置于该空洞扩大室上游的催化剂盒中，由于空洞扩大室8侧的流路截面积的扩大率A大于催化剂盒侧的流路截面积的扩大率B，因此催化剂盒反射的反射波少，空洞扩大室8反射的反射波多。因此，即使在空洞扩大室8的上游设置有催化剂盒，也可确保空洞扩大室8的反射波的影响。
根据本实施方式，在多气缸发动机中，能够抑制中速区(i)中的容积效率(ηV)的下降。其结果，在较宽的转速区域范围使扭矩提高，可获得平缓的扭矩特性，可获得扭矩宽范围化的多气缸发动机。
(5)本实施方式的变形例
也可视状况而取代预消声器8，或者与预消声器8一起使用近接催化剂筒6或下催化剂筒7等来作为空洞扩大室。
混合管50既可仅包含流路截面积缩小的集合部56(无直身部57及扩散器部58)，也可仅包含集合部56与流路截面积扩大的扩散器部58(无直身部57)。利用这样的结构的混合管也可获得喷吸效应。例如，当在量产设计时因布局上的限制等要缩短混合管50时，也可采用仅包含集合部56的混合管或者省略直身部而将集合部56与扩散器部58直接以平滑的曲面连接的形状的混合管等。
而且，也可仅在低中速区(ii)(i)中高负载区域设置进气门19与排气门20的重叠期间T_O/L。
本申请基于2011年11月29日申请的日本专利申请的专利申请2011-260600号，其内容包含在本申请中。
为表述本发明，在上文中结合附图并通过实施方式对本发明进行了适当且充分的说明，但应当认识到，只要是本领域技术人员是可容易地变更及或改良上述实施方式的。因此，本领域技术人员所实施的变更形态或改良形态只要未脱离发明内容中记载的本发明的权利范围，这样的变更形态或改良形态应该解释为仍包括在发明内容中所记载的本发明的权利范围内。
产业上的可利用性
本发明在搭载于汽车等的多气缸发动机的排气装置的技术领域中，具有广泛的产业上的可利用性。

Claims (5)

1.一种多气缸发动机的排气装置，其特征在于，
所述多气缸发动机具有多个气缸，所述气缸分别具备进气口、排气口、能够开闭进气口的进气门、及能够开闭排气口的排气门，所述多气缸发动机的排气装置包括：
多条独立排气通道，上游端连接于一个气缸或者排气顺序不连续的多个气缸的排气口；
混合管，与所述各独立排气通道的下游端连接，让通过所述各独立排气通道后的排气流入；其中，
所述各独立排气通道的下游端以集束在一起的状态连接于所述混合管，
在比所述混合管更下游的排气通道上设置有预消声器和主消声器，预消声器和主消声器具有扩大了流路截面积的空间部，且以主消声器比预消声器更位于下游侧的顺序设置，
从各气缸的排气口中的排气门的落座位置到所述预消声器的上游端的距离被设定为如下距离：在至少包含发动机的转速为预先设定的第一基准转速以上且比第一基准转速高的第二基准转速以下的中速区的第一运转区域中，基于由排气门的打开而产生的排气的压力波到达所述预消声器并被反射而产生的负压波，在打开所述排气门的该气缸的所述排气门的打开期间与进气门的打开期间重叠指定期间的重叠期间中到达该气缸的排气口，
从各气缸的排气口中的排气门的落座位置到所述主消声器的上游端的距离被设定为如下距离：在至少包含发动机的转速小于所述第一基准转速的低速区的第二运转区域中，基于由排气门的打开而产生的排气的压力波到达所述主消声器并被反射而产生的负压波，在打开所述排气门的该气缸的所述排气门的打开期间与进气门的打开期间重叠指定期间的重叠期间中到达该气缸的排气口，
该排气装置设有驱动各气缸的进气门及排气门的气门驱动装置，以便在至少包含发动机的转速为所述第二基准转速以下的低中速区的指定运转区域中，所述各气缸的排气门的打开期间与进气门的打开期间重叠指定期间，并且在排气顺序连续的气缸之间，后续的气缸的排气门在先行的气缸的所述重叠期间中打开。
2.根据权利要求1所述的多气缸发动机的排气装置，其特征在于：
进气系统以如下方式设定：在至少包含发动机的转速超过所述第二基准转速的高速区的第三运转区域中，基于由进气门的打开而产生的进气的负压波到达平衡箱，到达的负压波的一部分被反转为正压波，反转的正压波发生反射，在所述进气门即将关闭之前到达进气口。
3.根据权利要求1所述的多气缸发动机的排气装置，其特征在于：
从各气缸的排气口中的排气门的落座位置到各独立排气通道的下游端的距离被设定为500mm以下。
4.根据权利要求2所述的多气缸发动机的排气装置，其特征在于：
从各气缸的排气口中的排气门的落座位置到各独立排气通道的下游端的距离被设定为500mm以下。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的多气缸发动机的排气装置，其特征在于：
在比所述混合管更下游的排气通道上设置有收容催化剂载体的催化剂盒，
在比所述催化剂盒更下游的排气通道上设置有所述预消声器，
所述预消声器的流路截面积相对于连接于所述预消声器的上游侧的排气通道的流路截面积的扩大率为A，所述催化剂盒的流路截面积相对于连接于所述催化剂盒的上游侧的排气通道的流路截面积的扩大率为B时，A与B以A＞B的方式设定。
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