DE112012000534T5

DE112012000534T5 - Einlass- und Auslasssystem für einen Mehrzylindermotor

Info

Publication number: DE112012000534T5
Application number: DE112012000534T
Authority: DE
Inventors: Takamasa Matsumoto; Mikihito Fujii
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2011-01-20
Filing date: 2012-01-10
Publication date: 2013-10-24
Anticipated expiration: 2032-01-11
Also published as: CN103328783A; US20130306025A1; JP5870488B2; DE112012000534B4; US9188095B2; WO2012098833A1; JP2012149585A; CN103328783B

Abstract

Ein Mehrzylindermotor-Einlass- und Auslasssystem der vorliegenden Erfindung umfasst mehrere unabhängige Abgasleitungen (52), die jeweils mit einem Auslasskanal (18) in einem jeweiligen von mehreren Zylindern (12) verbunden sind, ein Sammelrohr (56), das mit stromabwärts befindlichen Enden der mehreren unabhängigen Abgasleitungen (52) verbunden ist, und einen Abschnitt (62b) vergrößerten Volumens, der bezüglich des Sammelrohrs (56) stromabwärts vorgesehen ist. Jeder von mindestens einem stromabwärts befindlichen Abschnitt jeder der mehreren unabhängigen Abgasleitungen (52) und mindestens einem stromaufwärts befindlichen Abschnitt des Sammelrohrs (56) ist so ausgebildet, dass eine Querschnittfläche davon hin zu einer Stromabwärtsrichtung allmählich abnimmt. Der Abschnitt (62b) vergrößerten Volumens ist so ausgebildet, dass eine Querschnittfläche davon relativ vergrößert ist, um zu bewirken, dass eine Überdruckwelle von Abgas, die den Abschnitt (62b) vergrößerten Volumens erreicht, zurückgeworfen und zu einer Unterdruckwelle umgewandelt wird. Eine Länge (L1) zwischen einem stromaufwärts befindlichen Ende des Sammelrohrs (56) und einem stromaufwärts befindlichen Ende des Abschnitts (62b) vergrößerten Volumens ist bei einem Maß festgelegt, das eine Unterdruckwelle, die durch ein Phänomen erzeugt wird, dass eine von einem bestimmten der mehreren Zylinder ausgestoßene Überdruckwelle von Abgas durch den Abschnitt (62b) vergrößerten Volumens bei einer vorbestimmten Motordrehzahl zurückgeworfen wird, die kleiner oder gleich der voreingestellten Bezugsmotordrehzahl (N1) ist, den Auslasskanal (18) in einem vorherigen der verbleibenden Zylinder (12), dessen Auspufftakt dem des bestimmten Zylinders unmittelbar vorhergeht, während des Überlagerungszeitraums (T_O/L) in dem vorherigen Zylinder erreichen lässt (12). Dies ermöglicht es, die Motorausgangsleistung mit einer einfachen Konfiguration zu steigern.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Einlass- und Auslasssystem für einen Mehrzylindermotor, das in einem Kraftfahrzeug oder dergleichen vorzusehen ist.
Technischer Hintergrund
Bisher wurden im Gebiet der Motoren für Kraftfahrzeuge usw. Entwicklungen bei einem Einlass- und Auslasssystem zum Steigern von Motorausgangsleistung vorangetrieben.
Zum Beispiel offenbart die folgende Patentschrift (PTL) 1 ein Einlass- und Auslasssystem mit einem Turbolader, wobei das System umfasst: mehrere unabhängige Abgasleitungen, die mit jeweiligen Zylindern in einer voneinander unabhängigen Weise verbunden sind, einen Sammelabschnitt, der stromaufwärts des Turboladers vorgesehen ist und an dem die unabhängigen Abgasleitungen zusammengeführt werden, und ein Ventil, das in dem Sammelabschnitt vorgesehen ist und eine Querschnittfläche jeder der unabhängigen Abgasleitungen ändern kann. Wenn in diesem System die Querschnittflächen der unabhängigen Abgasleitungen von dem Ventil reduziert werden, wird Abgas eines bestimmten Zylinders, der sich in einem Auspufftakt befindet, von einer zugeordneten der unabhängigen Abgasleitungen in den Sammelabschnitt bei relativ hoher Geschwindigkeit ausgestoßen, so dass eine so genannte ”Ejektorwirkung” erwartet werden kann, bei der ein um den ausgestoßenen Gasstrom erzeugter Unterdruck an den verbleibenden unabhängigen Abgasleitungen angelegt wird. Bei Ausüben der Ejektorwirkung wird Abgas in den verbleibenden unabhängigen Abgasleitungen hin zu einer Stromabwärtsrichtung gesaugt, so dass es möglich wird, eine dem Turbolader zuzuführende Gasmenge zu steigern und dadurch die Motorausgangsleistung zu verbessern.
Liste der Anführungen
Patentliteratur

[PTL 1] JP 2009-97335A

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Im Gebiet der Motoren für Kraftfahrzeuge usw. besteht nach wie vor ein starker Bedarf, die Motorausgangsleistung zu verbessern, speziell die Motorausgangsleistung mit einer einfachen Konfiguration weiter zu steigern.
Im Hinblick auf die vorstehenden Umstände besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Mehrzylindermotor-Einlass- und Auslasssystem vorzusehen, das die Motorausgangsleistung mit einer einfachen Konfiguration steigern kann.
Lösung des Problems
Um die vorstehende Aufgabe zu verwirklichen, sieht die vorliegende Erfindung ein Einlass- und Auslasssystem für einen Mehrzylindermotor mit mehreren Zylindern vor, die jeweils mit einem Einlasskanal, einem Auslasskanal, einem Einlassventil, das den Einlasskanal öffnen und schließen kann, und einem Auslassventil, das den Auslasskanal öffnen und schließen kann, versehen sind. Das Einlass- und Auslasssystem umfasst: mehrere unabhängige Abgasleitungen, die jeweils mit dem Auslasskanal in einem jeweiligen der mehreren Zylinder oder den Auslasskanälen in zwei oder mehr der mehreren Zylinder, deren Auspufftakte in Bezug zueinander nicht aufeinanderfolgend sind, verbunden sind; ein Sammelrohr, das mit stromabwärts befindlichen Enden der mehreren unabhängigen Abgasleitungen verbunden ist, um ein Sammeln von Abgas, das durch die mehreren unabhängigen Abgasleitungen strömt, zu ermöglichen; einen Abschnitt vergrößerten Volumens, der bezüglich des Sammelrohrs stromabwärts vorgesehen ist; und Ventiltreiber, die das Einlassventil und das Auslassventil in jedem der mehreren Zylinder antreiben können. Unter den mehreren unabhängigen Abgasleitungen sind mindestens zwei, die mit jeweiligen von zwei der mehreren Zylinder verbunden sind, deren Auspufftakte in Bezug zueinander aufeinanderfolgend sind, mit dem Sammelrohr an zueinander benachbarten Positionen verbunden. Die Ventiltreiber dienen dazu, um zumindest in einem Bereich niedriger Motordrehzahl, in dem die Motordrehzahl kleiner oder gleich einer voreingestellten Bezugsmotordrehzahl ist, das Einlassventil und das Auslassventil in jedem der mehreren Zylinder so anzutreiben, dass ein Ventilöffnungszeitraum des Einlassventils und ein Ventilöffnungszeitraum des Auslassventils in jedem der mehreren Zylinder einander einen vorbestimmten Überlagerungszeitraum lang überlagern, und das Auslassventil in einem bestimmten der mehreren Zylinder während des Überlagerungszeitraums in einem vorhergehenden der verbleibenden Zylinder, dessen Auspufftakt dem des bestimmten Zylinders unmittelbar vorhergeht, zu öffnen beginnt. Jedes von mindestens einem stromaufwärts befindlichen Abschnitt des Sammelrohrs und mindestens einem stromabwärts befindlichen Abschnitt jeder der mehreren unabhängigen Abgasleitungen ist so ausgebildet, dass eine Querschnittfläche davon hin zu einer Stromabwärtsrichtung allmählich abnimmt. Der Abschnitt vergrößerten Volumens ist so ausgebildet, dass eine Querschnittfläche desselben verglichen mit einer Leitung, die bezüglich des Abschnitts vergrößerten Volumens stromaufwärts ist, vergrößert ist, um eine Überdruckwelle von Abgas hervorzurufen, die den Abschnitt vergrößerten Volumens nach Ablassen aus jedem der mehreren Zylinder erreicht, um zurückgeworfen und zu einer Unterdruckwelle umgewandelt zu werden. Eine Länge zwischen einem stromaufwärts befindlichen Ende des Sammelrohrs und einem stromaufwärts befindlichen Ende des Abschnitts vergrößerten Volumens ist bei einem Maß festgelegt, das ermöglicht, dass eine Unterdruckwelle, die durch ein Phänomen erzeugt wird, dass eine von einem bestimmten der mehreren Zylinder ausgestoßene Überdruckwelle von Abgas durch den Abschnitt vergrößerten Volumens bei mindestens einer vorbestimmten Motordrehzahl zurückgeworfen wird, die kleiner oder gleich der voreingestellten Bezugsmotordrehzahl ist, den Auslasskanal in einem vorherigen der verbleibenden Zylinder, dessen Auspufftakt dem des bestimmten Zylinders vorhergeht, während des Überlagerungszeitraums in dem vorherigen Zylinder erreicht.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein schematisches Diagramm, das ein Motorsystem mit einem Mehrzylindermotor-Einlass-und Auslasssystem nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
2 ist eine unvollständige vergrößerte Ansicht des Motorsystems von 1.
3 ist eine schematische Seitenansicht des Motorsystems von 2.
4 ist eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV von 2.
5 ist eine Schnittansicht entlang der Linie V-V von 3.
6 ist eine erläuternde grafische Darstellung, die Ventilsteuerzeiten eines Einlassventils und eines Auslassventils veranschaulicht.
7 ist ein schematisches Diagramm, das eine Druckverteilung in einer unabhängigen Abgasleitung und einem Sammelrohr veranschaulicht.
8 ist eine grafische Darstellung, die eine Druckänderung in einem Auslasskanal veranschaulicht.
9 ist ein schematisches Diagramm, das ein Motorsystem zum Vergleich mit dem Mehrzylindermotorsystem gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
10 ist eine erläuternde grafische Darstellung, die Ventilöffnungs- und Ventilschließsteuerzeiten von Einlass- und Auslassventilen in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
11 ist eine erläuternde grafische Darstellung, die Wirkungen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Beschreibung von Ausführungsformen
Unter Bezug auf die Zeichnungen wird ein Mehrzylindermotor-Auslasssystem nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
1 ist ein schematisches Diagramm, das ein Motorsystem 100 mit dem Mehrzylindermotor-Einlass- und Auslasssystem veranschaulicht. 2 ist eine unvollständige vergrößerte Ansicht des Motorsystems von 1, und 3 ist eine schematische Seitenansicht des Motorsystems von 2. Das Motorsystem 100 umfasst: einen Motorkörper 1 mit einem Zylinderkopf 9 und einem Zylinderblock (auf die Darstellung wird verzichtet); ein ECU 2 für die Motorsteuerung; mehrere Einlassrohre 3, die mit dem Motorkörper 1 verbunden sind; einen Abgaskrümmer 5, der mit dem Motorkörper 1 verbunden ist; und eine katalytische Vorrichtung 6, die mit dem Abgaskrümmer 5 verbunden ist.
Der Zylinderkopf 9 und der Zylinderblock sind innen mit mehreren Zylindern 12 (siehe 2) ausgebildet, in welche jeweils ein Kolben passgenau eingesetzt ist. In dieser Ausführungsform ist der Motorkörper 1 ein Vierzylinder-Reihenmotor, bei dem vier Zylinder 12 in dem Zylinderkopf 9 und dem Zylinderblock so ausgebildet sind, dass sie in Reihe Seite an Seite angeordnet sind. Im Einzelnen sind ein erster Zylinder 12a, ein zweiter Zylinder 12b, ein dritter Zylinder 12c und ein vierter Zylinder 12d in dieser Reihenfolge von der rechten Seite in 2 ausgebildet. Der Zylinderkopf 9 ist mit vier Zündkerzen 15 versehen, die jeweils einem jeweiligen von vier Brennräumen, die über den jeweiligen Kolben ausgebildet sind, ausgesetzt sind.
Der Motorkörper 1 ist ein Motor mit vier Zyklen. Im Einzelnen werden wie in 6 gezeigt Zündungen von den Zündkerzen 15 in dem ersten bis vierten Zylinder 12a bis 12b bei Steuerzeiten durchgeführt, die nacheinander um 180 Grad CA (Kurbelwinkel) verschoben sind, so dass ein Ansaugtakt, ein Verdichtungstakt, ein Arbeitstakt und ein Auspufftakt bei Steuerzeiten ausgeführt werden, die um 180 Grad CA in Folge verschoben sind. In dieser Ausführungsform wird Zünden in der folgenden Reihenfolge durchgeführt: der erste Zylinder 12a, der dritte Zylinder 12c, der vierte Zylinder 12d, der zweite Zylinder 12b. Daher wird der Auspufftakt zum Beispiel auch in der folgenden Reihenfolge ausgeführt: der erste Zylinder 12a, der dritte Zylinder 12c, der vierte Zylinder 12d, der zweite Zylinder 12b.
Jeder der Zylinder 12 hat zwei Einlasskanäle 17 und zwei Auslasskanäle 18, die jeweils in einem oberen Abschnitt davon vorgesehen sind und hin zum Brennraum geöffnet sind. Jeder der Einlasskanäle 17 ist ausgelegt, um Ansaugluft in den Zylinder 12 einzuleiten. Jeder der Auslasskanäle 18 ist ausgelegt, um Abgas von dem Zylinder 12 auszustoßen. Jeder der Zylinder 12 ist versehen mit zwei Einlassventilen 19, die jeweils ausgelegt sind, um einen jeweiligen der Einlasskanäle 17 zu öffnen und zu schließen, um zu ermöglichen, dass der Einlasskanal 17 mit einem Inneren des Zylinders 12 fluidisch verbunden oder davon isoliert ist, sowie mit zwei Auslassventilen 20, die jeweils ausgelegt sind, um einen jeweiligen der Auslasskanäle 18 zu öffnen und zu schließen, um zu ermöglichen, dass der Auslasskanal 18 mit dem Inneren des Zylinders 12 fluidisch verbunden oder davon isoliert ist. Jedes der Einlassventile 19 ist gemäß Antreiben durch einen Einlassventil-Antriebmechanismus (ein Ventiltreiber) 30 betreibbar, um einen jeweiligen der Einlasskanäle 17 bei einer vorbestimmten Steuerzeit zu öffnen und zu schließen. Ferner ist jedes der Auslassventile 20 gemäß Antreiben durch einen Auslassventil-Antriebmechanismus (einen Ventiltreiber) 40 betreibbar, um einen jeweiligen der Auslasskanäle 18 bei einer vorbestimmten Steuerzeit zu öffnen und zu schließen.
Der Einlassventil-Antriebmechanismus 30 umfasst eine Einlassnockenwelle 31 zum treibenden Schieben des Einlassventils 19 in periodischer Weise und eine Einlass-VVT-Vorrichtung 32 (VVT = variable Ventilsteuerzeitsteuerung) zum Ändern der Ventilsteuerzeit des Einlassventils 19.
Die Einlassnockenwelle 31 ist durch einen Antriebskraft-Getriebemechanismus, wie etwa einen allgemein bekannten Ketten- und Kettenradmechanismus, mit einer Kurbelwelle gekoppelt und ist ausgelegt, um zusammen mit der Drehung der Kurbelwelle gedreht zu werden, um das Einlassventil 19 treibend zu öffnen und zu schließen.
Die Einlass-VVT-Vorrichtung 32 ist ausgelegt, um eine Phasendifferenz zwischen der Einlassnockenwelle 31 und einer vorgegebenen Abtriebswelle zu ändern, die in koaxialer Beziehung zu der Einlassnockenwelle 31 angeordnet ist und direkt von der Kurbelwelle angetrieben wird, und um dadurch eine Phasendifferenz zwischen der Einlassnockenwelle 31 und der Kurbelwelle zu ändern, um die Ventilsteuerzeit des Einlassventils 19 zu ändern. Zum Beispiel umfasst eine spezifische Konfiguration der Einlass-VVT-Vorrichtung 32 einen hydraulisch betätigten Mechanismus, der ausgelegt ist, um die Phasendifferenz durch Anpassen einer Druckdifferenz zwischen jeweiligen von mehreren umlaufend angeordneten Flüssigkeitskammern, die zwischen der Abtriebswelle und der Einlassnockenwelle 31 angeordnet sind, zu ändern, sowie einen magnetisch betätigten Mechanismus, der ausgelegt ist, um die Phasendifferenz durch Anlegen von elektrischer Leistung an einem Solenoid, das zwischen der Abtriebswelle und der Einlassnockenwelle 31 vorgesehen ist, zu ändern. Die Einlass-VVT-Vorrichtung 32 ist betreibbar, um die Phasendifferenz gemäß einer Sollventilsteuerzeit des Einlassventils 19, die von dem ECU 2 berechnet wird, variabel einzustellen.
Der Auslassventil-Antriebsmechanismus 40 weist einen ähnlichen Aufbau wie der Einlassventil-Antriebsmechanismus 30 auf. Im Einzelnen umfasst der Auslassventil-Antriebsmechanismus 40 eine Auslassnockenwelle 41, die mit der Kurbelwelle gekoppelt ist, um das Auslassventil 20 in periodischer Weise antreibend zu schieben, sowie eine Auslass-VVT-Vorrichtung 42 zum Ändern einer Phasendifferenz zwischen der Auslassnockenwelle 41 und der Kurbelwelle, um die Ventilsteuerzeit des Auslassventils 20 zu ändern. Die Auslass-VVT-Vorrichtung 42 ist betreibbar, um die Phasendifferenz gemäß einer Sollventilsteuerzeit des Auslassventils 20, die von dem ECU 2 berechnet wird, variabel einzustellen. Dann wird die Auslassnockenwelle 41 gedreht, während die eingestellte Phasendifferenz gehalten wird, um das Auslassventil 20 bei der Sollventilsteuerzeit treibend zu öffnen und zu schließen.
In dieser Ausführungsform ist sowohl die Einlass-VVT-Vorrichtung 32 als auch die Auslass-VVT-Vorrichtung 42 ausgelegt, um eine Ventilöffnungssteuerzeit (Ventilöffnungsstartsteuerzeit) und eine Ventilschließsteuerzeit (Ventilschließendsteuerzeit) eines jeweiligen von Einlassventil 19 und Auslassventil 20 zu ändern, während ein Ventilöffnungszeitraum (ein Kurbelwinkelbereich während eines Zeitraums vom Start einer Ventilöffnungsbewegung bis zum Ende einer Ventilschließbewegung) eines jeweiligen von Einlassventil 19 und Auslassventil 20 gehalten wird.
Die Einlassrohre 3 sind mit den jeweiligen Einlasskanälen 17 der Zylinder 12 verbunden. Im Einzelnen ist das Einlassrohr 3 in einer Anzahl von vier, entsprechend dem Element von Zylindern, vorgesehen, wobei jedes der vier Einlassrohre 3 mit den zwei Einlasskanälen 17 verbunden ist, die in einem jeweiligen der Zylinder 12 vorgesehen sind.
Der Abgaskrümmer 5 umfasst drei unabhängige Abgasleitungen 52, die voneinander unabhängig sind, und ein Sammelrohr 56, das üblicherweise stromabwärts der unabhängigen Abgasleitungen 52 vorgesehen ist.
Die unabhängigen Abgasleitungen 52 sind mit den jeweiligen Auslasskanälen 18 der Zylinder 12 verbunden. Von den drei unabhängigen Abgasleitungen 52 ist im Einzelnen eine unabhängige Abgasleitung 52a mit den zwei Auslasskanälen 18 des ersten Zylinders 12a verbunden, und eine unabhängige Abgasleitung 52d ist mit den zwei Auslasskanälen 18 des vierten Zylinders 12d verbunden. Bei dem zweiten und dritten Zylinder 12b, 12c, deren Auspufftakte nicht aneinander grenzen (d. h. deren Auspufftakte nicht aufeinander folgend sind), wird dagegen Abgas nicht gleichzeitig aus diesen Zylindern 12b, 12c abgelassen. Im Hinblick auf eine bauliche Vereinfachung ist somit eine unabhängige Abgasleitung 52b mit den vier Auslasskanälen 18 des zweiten und dritten Zylinders 12b, 12c verbunden. Im Einzelnen ist die unabhängige Abgasleitung 52b, die mit dem Auslasskanälen 18 des zweiten und dritten Zylinders 12b, 12c verbunden ist, in zwei Leitungen an einer stromaufwärts befindlichen Seite davon unterteilt, wobei die zwei Auslasskanäle 10 des zweiten Zylinders 12b mit einer der geteilten Leitungen verbunden sind und die zwei Auslasskanäle 10 des dritten Zylinders 12c mit der anderen geteilten Leitung verbunden sind.
Die unabhängigen Abgasleitungen 52 (52a, 52b, 52d) sind mit den Zylindern 12 (12a bis 12d) in der vorstehenden Weise verbunden, so dass von dem zweiten Zylinder 12b oder dem dritten Zylinder 12c abgelassenes Abgas, von dem ersten Zylinder 12a abgelassenes Abgas und von dem vierten Zylinder 12d abgelassenes Abgas durch die unabhängigen Abgasleitungen 52 voneinander unabhängig (ohne einander zu stören) in einer Stromabwärtsrichtung abgelassen wird.
Die unabhängige Abgasleitung 52b, die dem zweiten Zylinder 12b und dem dritten Zylinder 12c entspricht, weist einen linearen Abschnitt, der sich an einer Stelle mitten zwischen den Zylindern 12b, 12c, d. h. an einer Stelle gegenüber einem in etwa mittleren Bereich des Motorkörpers 1, befindet, linear erstreckt, und einen gegabelten Abschnitt, der sich von einem stromaufwärts befindlichen Ende des linearen Abschnitts hin zu den Auslasskanälen 18 der Zylinder 12b, 12c gegabelt erstreckt, auf. Jede der unabhängigen Abgasleitungen 52a, 52d, die den jeweiligen des ersten und zweiten Zylinders 12a, 12d entspricht, verläuft dagegen gebogen hin zu einem stromabwärts befindlichen Endabschnitt der unabhängigen Abgasleitung 52b, die dem zweiten Zylinder 12b und dem dritten Zylinder 12c entspricht.
Das Sammelrohr 56 ist mit einer stromabwärts befindlichen Seite der unabhängigen Abgasleitungen 52 verbunden, so dass durch die unabhängigen Abgasleitungen 52 tretendes Abgas von dem Sammelrohr 56 gesammelt wird.
Wie in 2 und 3 veranschaulicht ist, umfasst das Sammelrohr 56 einen Gaseinlassabschnitt 56a, einen verschmälerten Abschnitt 56b, einen geraden Abschnitt 56c, einen Diffusorabschnitt 56d und einen Verbindungsendabschnitt 56e, die in dieser Reihenfolge von einem stromaufwärts befindlichen Ende davon vorliegen. Die drei unabhängigen Abgasleitungen 52 sind mit dem Gaseinlassabschnitt 56a an einer Stelle verbunden, an der jeweilige stromabwärts befindliche Enden der unabhängigen Abgasleitungen 52 benachbart zueinander positioniert sind.
Die unabhängigen Abgasleitungen 52 und das Sammelrohr 56 sind so ausgelegt, dass bei Ausstoßen von Abgas, das durch eine der unabhängigen Abgasleitungen 52 strömt, in das Sammelrohr 56 bei hoher Geschwindigkeit Abgas in einer benachbarten der verbleibenden unabhängigen Abgasleitungen 52 und den Auslasskanälen 18, die damit fluidverbunden sind, durch das Wirken eines um den ausgestoßenen Gasstrom erzeugten Unterdrucks, d. h. durch eine Ejektorwirkung, in die Stromabwärtsrichtung gesaugt wird.
Spezifische Konfigurationen der unabhängigen Abgasleitungen 52 und des Sammelrohrs 56 werden nachstehend beschrieben.
Ein stromabwärts befindlicher Abschnitt jeder der unabhängigen Abgasleitungen 52 weist eine Form mit einer Querschnittfläche (einer Fläche eines Schnitts, der entlang einer Richtung senkrecht zu einer Richtung von Abgasstrom geschnitten ist) auf, die hin zu der Stromabwärtsrichtung allmählich abnimmt, um ein Ausstoßen von Abgas aus der unabhängigen Abgasleitung 52 in das Sammelrohr 56 bei hoher Geschwindigkeit zu ermöglichen. In dieser Ausführungsform weist, wie in 4 veranschaulicht, der größte Teil jeder der unabhängigen Abgasleitungen 52 einschließlich eines stromaufwärts befindlichen Abschnitts davon einen im Allgemeinen ovalen Querschnitt auf (die Zwei-Punkt-Strichlinie in 4). Ferner ist der stromabwärts befindliche Abschnitt jeder der unabhängigen Abgasleitungen 52 so ausgebildet, dass eine Querschnittfläche desselben hin zur Stromabwärtsrichtung allmählich abnimmt, und das stromabwärts befindliche Ende des stromabwärts befindlichen Abschnitts weist im Querschnitt eine Sektorform mit einer Fläche von etwa 1/3 einer ovalen Querschnittfläche des stromaufwärts befindlichen Abschnitts auf. Die drei unabhängigen Abgasleitungen 52 sind so zusammengeführt, dass die stromabwärts befindlichen Enden, die jeweils eine Sektorform aufweisen, insgesamt einen im Allgemeinen kreisförmigen Querschnitt bilden, und sind mit dem Sammelrohr 56 verbunden.
Wenn in dieser Verbindung eine Innenumfangsfläche des Gaseinlassabschnitts 56a, die sich an dem stromaufwärts befindlichen Ende des Sammelrohrs 56 befindet, im Wesentlichen in der gleichen Querschnittform wie die (in 4 durch die durchgehende Linie angedeutete Kreisform) einer Anordnung der stromabwärts befindlichen Enden der unabhängigen Abgasleitungen 52 ausgebildet ist, neigt Abgas, das in den Gaseinlassabschnitt 56a strömt, dazu, an einer Innenwand des Gaseinlassabschnitts 56a anzuhaften, was eine Reduzierung der Geschwindigkeit des Abgases bewirkt. Um zu verhindern, das aus unabhängigen Abgasleitungen 52 ausgestoßenes Abgas an der Innenwand des Gaseinlassabschnitts 56a anhaftet, was ein Reduzieren der Geschwindigkeit des Abgases bewirkt, ist daher bei dem Motorsystem 100 die Innenumfangsfläche des Gaseinlassabschnitts 56a des Sammelrohrs 56 mit einem radialen Maß (einem Maß in einer Richtung senkrecht zu der Abgasströmungsrichtung) ausgebildet, das größer als das einer Querschnittform der Anordnung der stromabwärts befindlichen Enden der unabhängigen Abgasleitungen 52 ist. Im Einzelnen ist in dieser Ausführungsform der Gaseinlassabschnitt 56a zu einer kreisförmigen Zylinderform mit einem relativ großen Durchmesser ausgebildet. Wie im Einzelnen in 2 und 5 gezeigt ist, ist die Innenumfangsfläche des Gaseinlassabschnitts 56a in solcher Weise zu einer Kreisform mit einem relativ großen Innendurchmesser ausgebildet, dass sie sich bezüglich einer im Querschnitt kreisförmigen Innenumfangsfläche der Anordnung der stromabwärts befindlichen Enden der unabhängigen Abgasleitungen 52 radial auswärts befindet. Wenn zum Beispiel ein Innendurchmesser eines kreisförmigen Zylinders, der aus der Anordnung der stromabwärts befindlichen Enden der unabhängigen Abgasleitungen besteht, 40 mm beträgt, kann ein Innendurchmesser des Gaseinlassabschnitts 56a bei 60 mm festgelegt werden.
Der verschmälerte Abschnitt 56b des Sammelrohrs 56 weist eine Form mit einer Querschnittfläche auf, die hin zu der Stromabwärtsrichtung allmählich abnimmt, um Abgas von dem Gaseinlassabschnitt 56a in der Stromabwärtsrichtung strömen zu lassen, während eine hohe Geschwindigkeit beibehalten wird. In dieser Ausführungsform weist der verschmälerte Abschnitt 56b eine kreisförmige Stumpfkegelform mit einem Innendurchmesser auf, der hin zur Stromabwärtsrichtung allmählich abnimmt.
Der gerade Abschnitt 56c, der stromabwärts des verschmälerten Abschnitts 56b vorgesehen ist, ist ein kreisförmiges, zylindrisches Element, das durchgehend zu einem stromabwärts befindlichen Ende des verschmälerten Abschnitts 56b ist. Der gerade Abschnitt 56c erstreckt sich in der Stromabwärtsrichtung, während er seine Querschnittfläche konstant hält.
Wie vorstehend weist jeder von dem stromabwärts befindlichen Abschnitt der unabhängigen Abgasleitung 52 und einem stromaufwärts befindlichen Abschnitt (in dieser Ausführungsform der Gaseinlassabschnitt 56a und der verschmälerte Abschnitt 56b) des Sammelrohrs 56 eine Form mit einer Querschnittfläche auf, die hin zur Stromabwärtsrichtung allmählich abnimmt. Somit wird aus der unabhängigen Abgasleitung 52 abgelassenes Abgas bei hoher Geschwindigkeit in den geraden Abschnitt 56c ausgestoßen und um die ausgestoßene Abgasströmung wird ein starker Unterdruck erzeugt.
Unter der Annahme, dass a (siehe 3) ein Durchmesser eines perfekten Kreises mit der gleichen Fläche wie die Querschnittfläche des stromabwärts befindlichen Endes der unabhängigen Abgasleitung 52 ist und D (siehe 3) ein Durchmesser eines perfekten Kreises mit der gleichen Fläche wie die Querschnittfläche des stromabwärts befindlichen Endes des verschmälerten Abschnitts 56b (die gleich der Querschnittfläche des geraden Abschnitts 56c ist) ist, wird in dieser Verbindung verifiziert, dass, wenn a/D bei 0,5 oder mehr festgelegt wird, das Abgas bei einer ausreichend hohen Geschwindigkeit zum Vorsehen einer hohen Ejektorwirkung in den geraden Abschnitt 56c strömt. Daher sind in dieser Ausführungsform die Querschnitte der unabhängigen Abgasleitung 52 und anderer in jeweiligen Formen ausgebildet, die die folgende Beziehung erfüllen: a/D > = 0,5 (a/D ist nicht kleiner als 0,5).
Ferner weist der Diffusorabschnitt 56d des Sammelrohrs 56 eine Form mit einer Querschnittfläche auf, die hin zur Stromabwärtsrichtung allmählich zunimmt, um ein Erhöhen der Abgasströmungsgeschwindigkeit in einer Leitung zwischen dem stromabwärts befindlichen Ende der unabhängigen Abgasleitung 52 und dem geraden Abschnitt 56c zu ermöglichen, um beruhend auf der Zunahme der Abgasströmungsgeschwindigkeit einen verringerten Abgasdruck wieder herzustellen. In dieser Ausführungsform weist der Diffusorabschnitt 56d eine kreisförmige Stumpfkegelform mit einem Innendurchmesser auf, der hin zur Stromabwärtsrichtung allmählich zunimmt.
Der Verbindungsendabschnitt 56e, der stromabwärts des Diffusorabschnitts 56d vorgesehen ist, ist ein mit der katalytischen Vorrichtung 6 verbundener Abschnitt. Der Verbindungsendabschnitt 56e ist zu einer kreisförmigen Zylinderform mit einer konstanten Querschnittfläche ausgebildet. Ein stromabwärts befindliches Ende des Verbindungsendabschnitts 56e ist mit einem nachstehend erwähnten Gehäuse 62 der katalytischen Vorrichtung 6 verbunden, so dass durch den Verbindungsendabschnitt 56e tretendes Abgas in das nachstehend erwähnte Gehäuse 62 strömt.
7 veranschaulicht ein Ergebnis, das durch Prüfen einer Druckverteilung in der unabhängigen Abgasleitung 52 und dem Sammelrohr 56 erhalten wird, die sich ergibt, wenn das Abgas von einem bestimmten der Zylinder 12, der mit der unabhängigen Abgasleitung 52 verbunden ist, abgelassen wird. Die in 7 gezeigte Druckverteilung wurde zu einer Steuerzeit kurz nach Start des Öffnens des Auslassventils 20 in dem bestimmten Zylinder 12 und wenn das Hochdruck- und Hochgeschwindigkeitsabgas (so genanntes ”Abblasegas”) von dem bestimmten Zylinder 12 durch die unabhängige Abgasleitung 52 in das Sammelrohr 56 abgelassen wird, gemessen. Wie in 7 gezeigt wird ein Abgasdruck in einer Leitung zwischen dem stromabwärts befindlichen Abschnitt der unabhängigen Abgasleitung 52 und einer Nähe eines stromaufwärts befindlichen Endes des geraden Abschnitts 56c allmählich gesenkt, und in dem stromaufwärts befindlichen Abschnitt (dem Gaseinlassabschnitt 56a und dem verschmälerten Abschnitt 56b) des Sammelrohrs 56 wird der Abgasdruck bezüglich dem in dem stromaufwärts befindlichen Abschnitt der unabhängigen Abgasleitung 52 ausreichend gesenkt. Dies erzeugt die Ejektorwirkung des Ermöglichens, dass Abgas einer benachbarten der verbleibenden unabhängigen Abgasleitungen 52 in die Stromabwärtsrichtung gesaugt wird. Dann wird der Abgasdruck in einer Leitung stromabwärts bezüglich des verschmälerten Abschnitts 56b des Sammelrohrs 56 allmählich erhöht, und nach Treten des Abgases durch den geraden Abschnitt 56c und den Diffusorabschnitt 56 wird der Abgasdruck auf einen ausreichend hohen Wert zurückgeführt.
Die katalytische Vorrichtung 6 ist ausgelegt, um aus dem Motorkörper 1 abgelassenes Abgas zu reinigen. Wie in 3 gezeigt umfasst die katalytische Vorrichtung 6 einen Katalysatorkörper 64, der aus einem Dreiwegekatalysator oder dergleichen besteht, und ein Gehäuse 62, das den Katalysatorkörper 64 aufnimmt.
Das Gehäuse 62 weist einen Einleitabschnitt 62a, der mit dem Verbindungsendabschnitt 56e des Sammelrohrs 56 verbunden ist, einen Katalysatoraufnahmeabschnitt 62c, der sich stromabwärts des Einleitabschnitts 62a befindet und darin den Katalysatorkörper 64 aufnimmt, und einen Abschnitt 62b vergrößerten Volumens, der zwischen den Einleitabschnitt 62a und den Katalysatoraufnahmeabschnitt 62c gesetzt ist, auf.
Der Einleitabschnitt 62a ist zu einer kreisförmigen Zylinderform mit einem Durchmesser, der in etwa gleich dem des Verbindungsendabschnitts 56e ist, ausgebildet. Der Katalysatorkörper 64 ist ein kreisförmiges zylindrisches Element mit einem Durchmesser, der größer als der des Sammelrohrs 56 ist, um eine ausreichende katalytische Leistung sicherzustellen. Demgemäß ist der Katalysatoraufnahmeabschnitt 62c in einer kreisförmigen zylindrischen Form mit einem Durchmesser, der größer als der des Einleitabschnitts 62a ist, ausgebildet. Wenn zum Beispiel der Durchmesser des Einleitabschnitts 62a bei etwa 60 mm liegt, kann der Durchmesser des Katalysatoraufnahmeabschnitts 62 bei etwa 100 mm festgelegt werden. Der Abschnitt 62b vergrößerten Volumens, der zwischen dem Einleitabschnitt 62a und dem Katalysatoraufnahmeabschnitt 62c vorgesehen ist, weist eine kreisförmige Stumpfkegelform mit einem Innendurchmesser auf, der von dem Einleitabschnitt 62a zu dem Katalysatoraufnahmeabschnitt 62c allmählich zunimmt, um ein gleichmäßiges Strömen von Abgas von dem Einleitabschnitt 62a in den Katalysatoraufnahmeabschnitt 62c dadurch zu ermöglichen.
Wie vorstehend ist ein Raum, der ein relativ großes Volumen aufweist, d. h. eine vergrößerte Querschnittfläche verglichen mit einer Leitung stromaufwärts des Abschnitts 62b vergrößerten Volumens (in dieser Ausführungsform der Einleitabschnitt 62a des Gehäuses 62), in dem Abschnitt 62b vergrößerten Volumens ausgebildet. Daher wird eine Druckwelle eines Abgases, die von dem Verbindungsendabschnitt 56e des Sammelrohrs 56 in den Abschnitt 62b vergrößerten Volumens durch den Einleitabschnitt 62a des Gehäuses 62 strömt, von dem Abschnitt 62b vergrößerten Volumens umgekehrt und zurückgeworfen.
Kurz nach Öffnen des Auslassventils 20 in einem bestimmten der Zylinder 12 wird im Einzelnen Abgas schnell abgelassen, so dass in dem Auslasskanal 18 ein hoher Überdruck erzeugt wird, und eine auf dem Überdruck beruhende Überdruckwelle wird hin zur Abwärtsrichtung bei Schallgeschwindigkeit ausgebreitet. Somit ist eine Druckwelle, die zunächst den Abschnitt 62b vergrößerten Volumens kurz nach dem Öffnen des Auslassventils 20 erreicht, eine Überdruckwelle. Dann wird die Überdruckwelle zu einer Unterdruckwelle umgekehrt und zurückgeworfen, und die umgekehrte Unterdruckwelle wird bei Schallgeschwindigkeit hin zu einer Stromaufwärtsrichtung ausgebreitet.
Indessen strömt das Abgas selbst, das von dem Auslasskanal 18 abgelassen wird, kontinuierlich in der Stromabwärtsrichtung, um durch die unabhängige Abgasleitung 52, das Sammelrohr 56, den Einleitabschnitt 62a und den Abschnitt 62b vergrößerten Volumens in dieser Reihenfolge zu treten. Wie vorstehend erwähnt wird die Strömungsgeschwindigkeit des Hochdruck- und Hochgeschwindigkeitsabgases, das aus dem Auslasskanal 18 abgelassen wird, während des Verlaufs des Tretens durch den stromabwärts befindlichen Abschnitt der unabhängigen Abgasleitung 52 und den stromaufwärts befindlichen Abschnitt (den Gaseinlassabschnitt 56a und den verschmälerten Abschnitt 56b) des Sammelrohrs 56, die jeweils eine Querschnittfläche aufweisen, die hin zur Stromabwärtsrichtung allmählich abnimmt, allmählich gesteigert (demgemäß wird der Abgasdruck allmählich gesenkt). Dann wird der Abgasdruck durch Tretentlassen des Abgases durch den Diffusorabschnitt 56d des Sammelrohrs 56 wiederhergestellt. Der Abgasdruck wird durch Tretenlassen des Abgases durch den Verbindungsendabschnitt 56e des Sammelrohrs 56 und den Einleitabschnitt 62a des Gehäuses 62 weiter wiederhergestellt, und dann strömt das Abgas in den Abschnitt 62b vergrößerten Volumens.
8 veranschaulicht ein Ergebnis, das durch Messen eines Innendrucks des Auslasskanals 18 in einem bestimmten der Zylinder 12 erhalten wird, um eine Erzeugung einer Unterdruckwelle durch Umkehr und Zurückwerfen in dem Abschnitt 62b vergrößerten Volumens und Ankommen der Unterdruckwelle an dem Auslasskanal 18 zusammen mit einer Hubkurve, d. h. einem Ventilhub, des Auslassventils 20 zu detektieren. Die Druckwellenform P_1, die in 8 durch die durchgehende Linie angedeutet ist, ist ein auf dem Motorsystem 100 beruhendes Messergebnis. Die Druckwellenform P2, die durch die Strichlinie in 8 angedeutet ist, ist ein Ergebnis, das durch Prüfen des Innendrucks des Auslasskanals 18 in einem System erhalten wird, in dem ein Abschnitt mit einem vergrößerten Volumen (entsprechend dem Abschnitt 62a vergrößerten Volumens in dieser Ausführungsform) bezüglich des Sammelrohrs 56 nicht stromabwärts vorgesehen ist, d. h. eine sich bezüglich des Sammelrohrs 56 stromabwärts befindende Leitung besteht aus einem kreisförmigen zylindrischen Rohr 160 mit einem Durchmesser gleich dem des Verbindungsendabschnitts 56e des Sammelrohrs 56, wie in 9 gezeigt ist (das in 9 gezeigte Motorsystem wird hierin nachstehend als ”Vergleichssystem” bezeichnet). Ferner zeigen der oberste Graph und der zweitniedrigste Graph in 8 Änderungen des Innendrucks des Auslasskanals 18 in zwei Zylindern, deren Auspufftakte jeweils aufeinander folgend sind. In der folgenden Beschreibung wird unter der Annahme, dass eine vorliegende Zeit eine Steuerzeit kurz nach einem Kurbelwinkel = CA_1 ist, ein Zylinder, in dem das Auslassventil 20 geöffnet ist, als ”Auspufftaktzylinder” bezeichnet, und ein Zylinder, dessen Auspufftakt unmittelbar vor dem des Auspufftaktzylinders erfolgt, wird als ”Ansaugtaktzylinder” bezeichnet. In 8 wurde zum Beseitigen eines Einflusses eines in dem Auslasskanal 18 durch die Ejektorwirkung zu erzeugenden Unterdrucks, um nur eine Unterdruckwelle zu detektieren, die durch Umkehr und Zurückwerfen in dem Abschnitt 62b vergrößerten Volumens erzeugt wird, der Innendruck ohne Überlagern zwischen einem Ventilöffnungszeitraum des Auslassventils 20 und einem Ventilöffnungszeitraum des Einlassventils 19 gemessen.
In 8 wird kurz nach dem Beginn des Öffnens des Auslassventils 20 des Auspufftaktzylinders 12 (wenn Kurbelwinkel = CA_1) Abblasegas mit einem extrem hohen Druck (= P_max) und einer hohen Geschwindigkeit aus dem Auspufftaktzylinder 12 abgelassen. In dem Motorsystem 100 wird kurz nach der vorstehenden Steuerzeit (um den Kurbelwinkel CA_2) der Innendruck des Auslasskanals 18 in dem Ansaugtaktzylinder 12 ein Unterdruck (= P_min1). Bei dem Vergleichssystem dagegen wird kurz nach dem Ablassen des Abblasegases der Innendruck des Auslasskanals 18 in dem Ansaugtaktzylinder 12 bei einem Überdruck gehalten. Beruhend auf den vorstehenden Ergebnisses wurde verifiziert, dass in den Auslasskanälen 18 in Folge des Vorhandenseins des Abschnitts 62b vergrößerten Volumens ein Unterdruck erzeugt wird.
Bei dem Motorsystem 100 wird eine Länge L1 einer Leitung zwischen der unabhängigen Abgasleitung 52 und dem Abschnitt 62b vergrößerten Volumens, d. h. eine Länge L1 (siehe 2) zwischen dem stromaufwärts befindlichen Ende des Sammelrohrs 56 (stromaufwärts befindliches Ende des Gaseinlassabschnitts 56a) und einem stromaufwärts befindlichen Ende des Abschnitts 62b vergrößerten Volumens bei einem Maß festgelegt, das die folgende Bedingung erfüllt. Die Länge L1 wird auf ein Maß festgelegt, das es ermöglicht, dass eine Unterdruckwelle, die bei einer Motordrehzahl kleiner oder gleich einer voreingestellten Bezugsmotordrehzahl N1 durch ein Phänomen erzeugt wird, dass eine Überdruckwelle von Abgas, das von einem bestimmten der Zylinder (Auspufftaktzylinder 12) von dem Abschnitt 62b vergrößerten Volumens abgelassen wird, von dem Abschnitt 62b vergrößerten Volumens zurückgeworfen wird, den Auslasskanal 18 in einem der verbleibenden Zylinder (Ansaugtaktzylinder 12), dessen Auspufftakt unmittelbar dem des Auspufftaktzylinders 12 vorhergeht, während eines Überlagerungszeitraums in dem Ansaugtaktzylinder 12 erreicht. In dieser Ausführungsform ist die Bezugsmotordrehzahl N1 bei 4000 U/min. festgelegt, und die Länge L1 zwischen dem stromaufwärts befindlichen Ende des Sammelrohrs 56 und dem stromaufwärts befindlichen Ende des Abschnitts 62b vergrößerten Volumens ist auf 300 mm festgelegt.
Im Hinblick auf das Reduzieren eines Zeitraums nach dem Erzeugen der Unterdruckwelle in dem Abschnitt 62b vergrößerten Volumens, bis sie den Auslasskanal 18 des Ansaugtaktzylinders 12 erreicht, kann die Länge L1 zwischen dem stromaufwärts befindlichen Ende des Sammelrohrs 56 und dem stromaufwärts befindlichen Ende des Abschnitts 62b vergrößerten Volumens reduziert werden. Wenn die Länge L1 aber übermäßig reduziert wird, wird der Abschnitt 62b vergrößerten Volumens mit einem relativ großen Volumen an einer Seite weiter stromaufwärts angeordnet, was die Beschränkungen bezüglich Anordnung erhöht. Im Hinblick darauf wird in dieser Ausführungsform die Länge L1 zwischen dem stromaufwärts befindlichen Ende des Sammelrohrs 56 und dem stromaufwärts befindlichen Ende des Abschnitts 62b vergrößerten Volumens bei 300 mm festgelegt.
Ein Sollwert einer Ventilsteuerzeit (Sollventilsteuerzeit) jedes von Einlassventil 19 und Auslassventil 20 wird vorläufig abhängig von Motorbetriebsbedingungen festgelegt und in dem ECU 2 gespeichert. Das ECU 2 dient dazu, eine aktuelle Motorbetriebsbedingung beruhend auf Signalen von verschiedenen Sensoren zu berechnen, um Sollventilsteuerzeiten zu extrahieren, die der berechneten Motorbetriebsbedingung entsprechen, und die Einlass-VVT-Vorrichtung 32 und die Auslass-VVT-Vorrichtung 42 anzutreiben, um das Zusammenfallen von tatsächlichen Ventilsteuerzeiten des Einlassventils 19 und des Auslassventils 20 mit jeweiligen der Sollventilsteuerzeiten zu ermöglichen.
Die Sollventilsteuerzeiten des Einlassventils 19 und des Auslassventils 20 werden nachstehend beschrieben.
Die Sollventilsteuerzeiten des Einlassventils 19 und des Auslassventils 20 werden so festgelegt, dass in dem gesamten Motorbetriebsbereich der Ventilöffnungszeitraum des Auslassventils 20 und der Ventilöffnungszeitraum des Einlassventils 19 einander über dem oberen Totpunkt eines Ansaugtakts (Ansaug-OT) überlagern, und das Auslassventil 20 eines bestimmten der Zylinder (Auspufftaktzylinder 12) beginnt während eines Überlagerungszeitraums in einem der verbleibenden Zylinder (Ansaugtaktzylinder 12), dessen Auspufftakt dem des Auspufftaktzylinders 12 unmittelbar vorausgeht, zu öffnen.
Wie im Einzelnen in 6 gezeigt ist, beginnt das Auslassventil 20 des dritten Zylinders 12c während eines Überlagerungszeitraums T_O/L, bei dem sowohl das Einlassventil 19 als auch das Auslassventil 20 in dem ersten Zylinder 12a geöffnet sind, zu öffnen, und das Auslassventil 20 des vierten Zylinders 12d beginnt während eines Überlagerungszeitraums T_O/L, bei dem sowohl das Einlassventil 19 als auch das Auslassventil 20 in dem dritten Zylinder 12c geöffnet sind, zu öffnen. Ferner beginnt das Auslassventil 20 des zweiten Zylinders 12b während eines Überlagerungszeitraums T_O/L, bei dem sowohl das Einlassventil 19 als auch das Auslassventil 20 in dem vierten Zylinder 12d geöffnet sind, zu öffnen, und das Auslassventil 20 des ersten Zylinders 12a beginnt während eines Überlagerungszeitraums T_O/L, bei dem sowohl das Einlassventil 19 als auch das Auslassventil 20 in dem zweiten Zylinder 12b geöffnet sind, zu öffnen.
Die Sollventilsteuerzeiten des Einlassventils 19 und des Auslassventils 20 werden ebenfalls festgelegt, um ein Erreichen der Unterdruckwelle, die durch das Phänomen erzeugt wird, dass eine Druckwelle von Abgas, das aus dem Auspufftaktzylinder 12 (einem bestimmten der mehreren Zylinder, dessen Auslassventil 20 geöffnet ist) abgelassen wird, umgekehrt und von dem Abschnitt 62b vergrößerten Volumens bei einer bestimmten Drehzahl zurückgeworfen wird, die kleiner oder gleich der voreingestellten Motordrehzahl N1 ist, des Auslasskanals 18 in dem Ansaugtaktzylinder 12 (einem der verbleibenden Zylinder, dessen Auspufftakt dem des Auspufftaktyzylinders 12 unmittelbar vorhergeht) während des Überlagerungszeitraums T_O/L in dem Ansaugtaktzylinder 12 zu ermöglichen. In dieser Ausführungsform, bei der zum Beispiel die Länge L1 zwischen dem stromaufwärts befindlichen Ende des Sammelrohrs 56 und dem stromaufwärts befindlichen Ende des Abschnitts 62b vergrößerten Volumens bei 300 mm festgelegt ist, sind bei einer Motordrehzahl von 4.000 U/min. die Ventilöffnungssteuerzeit und die Ventilschließsteuerzeit des Auslassventils 20 jeweils bei VUT (vor unterem Totpunkt) 65 Grad CA und NOT (nach oberem Totpunkt) 15 Grad CA festgelegt, und die Ventilöffnungssteuerzeit des Einlassventils 19 ist auf VOT (vor oberem Totpunkt) 10 Grad CA festgelegt.
In dem Motorsystem 100, wie es in 10 gezeigt ist, bezeichnen die Ventilöffnungssteuerzeit und die Ventilschließsteuerzeit sowohl bei dem Einlassventil 19 als auch dem Auslassventil 20 eine Öffnungsstartssteuerzeit bzw. eine Schließendsteuerzeit unter der Annahme, dass ein Intervall mit Ausnahme von Zonen um Ventilöffnungs- und Ventilschließpunkte, bei denen die Ventilhubkurve eine sanfte Neigung (Anstiegszonen) hat, als Ventilöffnungszeitraum definiert ist. Wenn zum Beispiel eine Höhe in der Anstiegszone 0,4 mm beträgt, ist eine Steuerzeit, bei der ein Ventilhubbetrag auf 0,4 mm erhöht oder reduziert wird, als Ventilöffnungsteuerzeit bzw. Ventilschließsteuerzeit definiert.
Die Ansaugleistung des Motorsystems 100, das in der vorstehenden Weise konfiguriert ist, wird nachstehend beschrieben.
Wie vorstehend erwähnt ist in dem Motorsystem 100 sowohl der stromabwärts befindliche Abschnitt einer jeweiligen der unabhängigen Abgasleitungen 52 als auch der stromaufwärts befindliche Abschnitt des Sammelrohrs 56 so ausgebildet, dass eine Querschnittfläche davon (eine Fläche eines Schnitts, der entlang einer Richtung senkrecht zu der Abgasströmung geschnitten ist) hin zur Stromabwärtsrichtung allmählich abnimmt. Ferner werden die Sollventilsteuerzeiten des Einlassventils 19 und des Auslassventils 20 in jedem der Zylinder 12 so festgelegt, dass das Auslassventil 20 in einem bestimmten der Zylinder (Auspufftaktzylinder 12) während des Überlagerungszeitraums T_O/L in einem der verbleibenden Zylinder (Ansaugtaktzylinder 12), dessen Auspufftakt dem des Auspufftaktzylinders 12 unmittelbar vorhergeht, zu öffnen beginnt.
Kurz nach dem öffnen des Auslassventils in dem Auspufftaktzylinder 12 wird somit Abgas extrem hohen Drucks und hoher Geschwindigkeit (Abblasegas) abgelassen und durch die unabhängige Abgasleitung 52 in das Sammelrohr 56 ausgestoßen. Zusammen mit dem Ausstoß wird ein starker Unterdruck, der um die ausgestoßene Gasströmung erzeugt wird, an dem Auslasskanal 18 des Ansaugtaktzylinders 12 während des Überlagerungszeitraums T_O/L in dem Ansaugtaktzylinder 12 angelegt (Ejektorwirkung), so dass es möglich wird, während des Überlagerungszeitraums T_O/L ein Spülen in dem Ansaugtaktzylinder 12 zu fördern.
Die stromabwärts befindlichen Enden der unabhängigen Abgasleitungen 52 sind in benachbarter Beziehung angeordnet und mit dem Gaseinlassabschnitt 56a verbunden. Somit wird eine Saugkraft, die durch die unabhängige Abgasleitung 52 erzeugt wird, die mit dem Auspufftaktzylinder 12 verbunden ist, an der unabhängigen Abgasleitung 52, die mit dem Ansaugtaktzylinder 12 verbunden ist, wirksam angelegt.
Wie vorstehend erwähnt ist das Motorsystem 100 so ausgelegt, dass bei einer bestimmten Motordrehzahl, die kleiner oder gleich der voreingestellten Bezugsmotordrehzahl N1 ist, eine Unterdruckwelle durch ein Phänomen erzeugt wird, dass eine Überdruckwelle von Abgas, das von dem Auspufftaktzylinder 12 abgelassen wird, umgekehrt und von dem Abschnitt 62b vergrößerten Volumens der katalytischen Vorrichtung 6 zurückgeworfen wird und die erzeugte Unterdruckwelle den Auslasskanal 18 in dem Ansaugtaktzylinder 12 während des Überlagerungszeitraums in dem Ansaugtaktzylinder 12 erreicht. Somit wird es in Verbindung mit dem Eintreffen der Unterdruckwelle möglich, das Spülen in dem Ansaugtaktzylinder 12 während des Überlagerungszeitraums T_O/L weiter zu fördern.
11 veranschaulicht ein Ergebnis, das durch Prüfen einer Innendruckwellenform P_3 (Ein-Punkt-Strichlinie) des Auslasskanals 18 bei Berücksichtigen eines Einflusses der Überlagerung zwischen dem Ventilöffnungszeitraum des Auslassventils 20 und dem Ventilöffnungszeitraum des Einlassventils 19 zusätzlich zu einem Einfluss der Unterdruckwelle (siehe die Druckwellenform P_1, die in 8 durch die durchgehende Linie angedeutet ist), die durch die Umkehr und das Zurückwerfen in dem Abschnitt 62b vergrößerten Volumens erzeugt wird, erhalten wird. Wie in 11 gezeigt ist, wird, wenn der Ventilöffnungszeitraum des Auslassventils 20 und der Ventilöffnungszeitraum des Einlassventils 19 einander überlagern, die Ejektorwirkung zusätzlich zu dem Einfluss der Unterdruckwelle erzeugt, die durch die Umkehr und das Zurückwerfen in dem Abschnitt 62b vergrößerten Volumens erzeugt wird, so dass der Innendruck des Auslasskanals 10 bei dem Kurbelwinkel CA_2 nach dem Öffnen des Auslassventils 20 in dem Auspufftaktzylinder 12 ein starker Unterdruck (P_min2) wird, was eine hohe Spülleistung vorsieht. Die Ergebnisse in 8 und 11 wurden bei einer Motordrehzahl von 1500 U/min. in dem Motorsystem 100 erhalten, wobei die Länge L1 zwischen dem stromaufwärts befindlichen Ende des Sammelrohrs 56 und dem stromaufwärts befindlichen Ende des Abschnitts 62b vergrößerten Volumens bei 300 mm festgelegt ist.
Wie vorstehend kann das Motorsystem 100 ein Spülen der Zylinder 12 durch effektives Nutzen von Umkehr und Zurückwerfen einer Abgasdruckwelle zusätzlich zu der Ejektorwirkung fördern, um eine Ansaugeffizienz zu verbessern und dadurch die Motorausgangsleistung zu steigern.
In der vorliegenden Erfindung sind spezifische Werte der Länge L1 zwischen dem stromaufwärts befindlichen Ende des Sammelrohrs 56 (stromaufwärts befindliches Ende des Gaseinlassabschnitts 56a) und dem stromaufwärts befindlichen Ende des Abschnitts 62b vergrößerten Volumens und der Bezugsmotordrehzahl N1 nicht auf die Werte in der obigen Ausführungsform (L1 = 300 mm, N1 = 4000 U/min.) beschränkt. Zum Beispiel kann die Länge L1 bei einem Wert von kleiner als 300 mm festgelegt werden. Wenn die Länge L1 reduziert wird, wird es möglich, einen Zeitraum nach Ausstoßen einer Überdruckwelle beruhend auf Abblasegas aus dem Auslasskanal 18 des Auspufftaktzylinders 12 bis zum Erreichen einer Unterdruckwelle, die durch Umkehr und Zurückwerfen in dem Abschnitt 62b vergrößerten Volumens erzeugt wird, des Auslasskanals 18 des Ansaugtaktzylinders 12 zu reduzieren. Somit wird eine Motordrehzahl, bei der eine Steuerzeit des Eintreffens der Unterdruckwelle in den Überlagerungszeitraum T_O/L in dem Ansaugtaktzylinder 12 fallen kann (d. h. eine Motordrehzahl, bei der ein Spülen beruhend auf der Unterdruckwelle gefördert werden kann) bei einem höheren Wert festgelegt. In der Leitung zwischen dem Auslasskanal 18 und dem Abschnitt 62b vergrößerten Volumens wird sich die Druckwelle aber wiederholt hin- und herbewegen, während sie abwechselnd von einem Überdruck zu einem Unterdruck und von einem Unterdruck zu einem Überdruck wechselt (Abgaspuls). Solange die Unterdruckwelle somit eine Welle höherer Ordnung ist (mehrfache Hin- und Herbewegungen), ist es möglich, der Unterdruckwelle das Erreichen des Auslasskanals 18 des Ansaugtaktzylinders 12 während des Überlagerungszeitraums T_O/L in dem Ansaugtaktzylinder 12 zu ermöglichen, selbst wenn die Motordrehzahl niedrig ist. In Fällen, da die Länge L1 zwischen dem stromaufwärts befindlichen Ende des Sammelrohrs 56 und dem stromaufwärts befindlichen Ende des Abschnitts verringerten Volumens 62b reduziert ist, wird es daher möglich, ein Spülen durch Nutzen der Unterdruckwelle beruhend auf Abgaspuls in einem breiteren Motordrehzahlbereich zu fördern.
Die Unterdruckwelle, die auf Abgaspuls beruht, dämpft aber stärker, wenn die Ordnung der Welle höher wird. Wenn die Länge L1 zwischen dem stromaufwärts befindlichen Ende des Sammelrohrs 56 und dem stromaufwärts befindlichen Ende des Abschnitts 62b vergrößerten Volumens reduziert wird, wird somit die ein Spülen fördernde Wirkung bei einem Bereich niedriger Drehzahl verglichen mit Fällen, bei denen die Länge L1 bei einem großen Wert festgelegt ist, relativ verschlechtert. In Fällen, da es erforderlich ist, Spülen zu fördern, insbesondere bei einem Bereich niedriger Drehzahl, ist es daher bevorzugt, die Länge L1 zu vergrößern.
Wenn die Länge L1 dagegen übermäßig vergrößert wird, wird eine Temperatur eines Abgases, das in den Katalysatorkörper 64 strömt, der stromabwärts des Abschnitts 62b vergrößerten Volumens angeordnet ist, niedriger. Selbst wenn sie konfiguriert ist, dass sie es der Unterdruckwelle ermöglicht, den Auslasskanal 18 des Ansaugtaktzylinders 12 bei einem Bereich extrem niedriger Drehzahl zu erreichen, bei dem die Motordrehzahl extrem niedrig ist, ist die sich ergebende, ein Spülen fördernde Wirkung selten brauchbar. Daher wird die Länge L1 zwischen dem stromaufwärts befindlichen Ende des Sammelrohrs 56 und dem stromaufwärts befindlichen Ende des Abschnitts 62b vergrößerten Volumens vorzugsweise bei 1,0 m oder weniger festgelegt.
Wenn zum Beispiel die Länge L1 auf 1,0 m festgelegt wird, können bei einer Motordrehzahl von etwa 2000 U/min. die Ventilöffnungssteuerzeit und die Ventilschließsteuerzeit des Auslassventils 20 bei VUT 65 CA bzw. NOT 15 Grad CA festgelegt werden, und die Ventilöffnungssteuerzeit des Einlassventils 10 kann bei VOT 30 Grad CA festgelegt werden. In diesem Fall ist es möglich, es einer Unterdruckwelle, die durch Umkehr und Zurückwerfen in dem Abschnitt 62b vergrößerten Volumens erzeugt wird, zu ermöglichen, den Auslasskanal 18 des Ansaugtaktzylinders 12 zu erreichen, während ein Unterdruck in dem Auslasskanal 18 des Ansaugtaktzylinders 12 durch die Ejektorwirkung während des Überlagerungszeitraums T_O/L in dem Ansaugtaktzylinder 12 erzeugt wird. Wenn aber die Länge L1 auf einen Wert von über 1,0 m erhöht wird, ist es möglich, es der Unterdruckwelle zu ermöglichen, den Auslasskanal 18 des Ansaugtaktzylinders 12 nur bei einem Bereich extrem niedriger Drehzahl zu erreichen, wobei die Motordrehzahl niedriger als 2000 U/min. ist. Um den Überlagerungszeitraum T_O/L ausreichend sicherzustellen, muss zudem die Schließsteuerzeit des Auslassventils 20 weiter auf spät verstellt werden, was wahrscheinlich ein Zurückblasen von Abgas hervorruft. Somit ist es bevorzugt, die Länge L1 bei 1,0 m oder weniger festzulegen.
Der Gaseinlassabschnitt 56a in dem Sammelrohr 56 ist nicht auf eine spezifische Konfiguration in der vorstehenden Ausführungsform beschränkt, sondern kann konfiguriert werden, um bei Ausstoßen von Abgas von einer der unabhängigen Abgasleitungen 52 in den Gaseinlassabschnitt 56a bei hoher Geschwindigkeit einen Unterdruck in einer bestimmten der verbleibenden unabhängigen Abgasleitungen 52 zu erzeugen, um es zu ermöglichen, dass Abgas in dem Auslasskanal 18, der mit der bestimmten unabhängigen Auslassleitung 52 verbunden ist, in die Stromabwärtsrichtung gesaugt wird.
Zum Beispiel kann der Gaseinlassabschnitt 56a so konfiguriert sein, dass ein Innendurchmesser desselben mit dem der kreisförmigen Querschnitts der Anordnung der stromabwärts befindlichen Enden der unabhängigen Abgasleitungen 52 zusammenfällt. In Fällen, da der Gaseinlassabschnitt 56a eine Innenumfangsfläche aufweist, die mit einem radialen Maß ausgebildet ist, das größer als das einer Querschnittform der Anordnung der stromabwärts befindlichen Enden der unabhängigen Abgasleitungen 52 ist, wie in der vorstehenden Ausführungsform, wird es aber möglich, zu unterbinden, dass Abgas, das von jeder der unabhängigen Abgasleitungen 52 ausgestoßen wird, an der Innenwand des Gaseinlassabschnitts 56a anhaftet oder damit kollidiert, was ein Absenken der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases bewirkt.
Der Diffusorabschnitt 56d kann weggelassen werden. In Fällen, da der Diffusorabschnitt 56d wie in der vorstehenden Ausführungsform in dem Sammelrohr 56 vorgesehen wird, kann aber der Abgasdruck, der durch Strömen durch den verschmälerten Abschnitt 56b des Sammelrohrs 56, etc. gesenkt wurde, innerhalb einer kurzen Strecke wiederhergestellt werden. Ferner ermöglicht es der Diffusorabschnitt 56a dem Abgas, gleichmäßig in den Katalysatorkörper 64 zu strömen, der stromabwärts davon angeordnet ist, so dass es möglich wird, eine Abgasreinigungsleistung des Katalysatorkörpers 64 hinreichend hervorzubringen.
Bei der vorstehenden Ausführungsform wird die Abgasdruckwelle umgekehrt und von dem Abschnitt 62b vergrößerten Volumens des Gehäuses 62 der katalytischen Vorrichtung 6 zurückgeworfen. Alternativ kann anstelle des Abschnitts 62b vergrößerten Volumens ein Abschnitt vergrößerten Volumens, der separat von dem Gehäuse 62 mit einer Querschnittfläche, die größer als die des Sammelrohrs 56 ist, hergestellt ist, stromabwärts des Sammelrohrs 56 vorgesehen werden. Wenn aber der Abschnitt vergrößerten Volumens unter Verwenden des Gehäuses 62 der katalytischen Vorrichtung 6 gebildet wird, wird es möglich, eine bauliche Vereinfachung zu erleichtern und einen Abstand zwischen dem Motorkörper 1 und dem Katalysatorkörper 64 zu reduzieren, um den Katalysatorkörper 64 verglichen mit Fällen, da der Abschnitt vergrößerten Volumens separat von dem Gehäuse 62 vorgesehen ist, schneller zu aktivieren.
Eine Form des Abschnitts 62b vergrößerten Volumens ist nicht auf eine kreisförmige Kegelstumpfform wie in der vorstehenden Ausführungsform beschränkt, sondern kann eine beliebige andere geeignete Form haben, wie etwa eine kreisförmige zylindrische Form, solange sie eine Querschnittfläche aufweist, die größer als die des Sammelrohrs 56 ist.
Die vorstehende Ausführungsform wurde beruhend auf einem Beispiel beschrieben, bei dem in dem gesamten Motorbetriebsbereich eine Steuerung durchgeführt wird, die ein Überlagern des Ventilöffnungszeitraums des Einlassventils 19 und des Ventilöffnungszeitraums des Auslassventils 20 bewirkt und bewirkt, dass das Auslassventil 20 in einem bestimmten der Zylinder (Auspufftaktzylinder 12) das Öffnen während des Überlagerungszeitraums in einem der verbleibenden Zylinder (Ansaugtaktzylinder 12) beginnt, dessen Auspufftakt dem des Auspufftaktzylinders 12 unmittelbar vorhergeht. Alternativ kann die vorstehende Steuerung nur in einem Teil des Motorbetriebsbereichs durchgeführt werden, der einen Bereich niedriger Drehzahl umfasst, wobei die Motordrehzahl kleiner oder gleich der Bezugsmotordrehzahl N1 ist. Im Einzelnen wird in einem Motorbetriebsbereich, in dem die Motordrehzahl hoch ist, ein Abgasstromvolumen gesteigert, und dadurch wird ein Manko aufgrund einer Erhöhung eines Pumpverlusts wahrscheinlich größer als eine Spülen fördernde Wirkung, die durch die Ejektorwirkung erhalten werden soll. In einem solchen Fall ist es somit bevorzugt, das Einlassventil 19 und das Auslassventil 20 steuerbar auf Steuerzeiten zu setzen, die den Pumpverlust reduzieren können, und es ist nicht wesentlich, dazwischen einen Überlagerungszeitraum vorzusehen.
Um den vorstehend erwähnten Pumpverlust in einem Motorbetriebsbereich zu reduzieren, in dem die Motordrehzahl hoch ist, kann weiterhin eine Umgehungsleitung zum Umgehen des Sammelrohrs 56 vorgesehen werden. Im Einzelnen wird eine Leitung, die sich von halber Position jeder der unabhängigen Abgasleitungen 52 erstreckt, um das Sammelrohr 56 zu umgehen, und die bezüglich des Abschnitts 62b vergrößerten Volumens mit einer Leitung stromaufwärts fluidverbunden ist, als Umgehungsleitung vorgesehen. Vorzugsweise ist die Umgehungsleitung mit einer konstanten Querschnittfläche ausgebildet, um nicht den Strömungswiderstand des Abgases zu erhöhen. Ferner ist ein Schaltventil zum selektiven Öffnen und Schließen der Umgehungsleitung in der Umgehungsleitung eingebaut. In diesem Fall kann das Schaltventil ausgelegt, um in einem Bereich niedriger Motordrehzahl, in dem die Motordrehzahl kleiner oder gleich der Bezugsmotordrehzahl N1 ist, geschlossen zu werden, und um in einem Motorbetriebsbereich, bei dem die Motordrehzahl größer als die Bezugsmotordrehzahl N1 ist, geöffnet zu werden. Somit tritt in einem Motorbetriebsbereich, in dem die Motordrehzahl relativ hoch ist, das aus jedem der Zylinder abgelassene Abgas nicht nur durch die unabhängige Abgasleitung 52 und das Sammelrohr 56, sondern auch durch die Umgehungsleitung, so dass es möglich wird, den Pumpverlust effektiv zu reduzieren.
In der vorstehenden Ausführungsform ist eine gegabelte unabhängige Abgasleitung 52b mit den Auslasskanälen 18 des zweiten und dritten Zylinders 12b, 12c verbunden, deren Auspufftakte nicht aufeinander folgend sind. Alternativ können zwei unabhängige Abgasleitungen mit dem zweiten Zylinder 12b bzw. dem dritten Zylinder 12c verbunden werden. In diesem Fall sind mit anderen Worten vier unabhängige Abgasleitungen mit den vier ersten bis vierten Zylindern 12a bis 12d in einer 1:1-Entsprechung verbunden. Es versteht sich, dass eine Positionsbeziehung zwischen jeweiligen der vier unabhängigen Abgasleitungen in diesem Fall so festgelegt werden muss, dass sie es zwei der unabhängigen Abgasleitungen, die mit jeweiligen von zwei der Zylinder verbunden sind, deren Auspufftakte aufeinander folgen, ermöglicht, mit dem Sammelrohr 56 an zueinander benachbarten Positionen verbunden zu werden. Zum Beispiel ist es vorstellbar, dass eine Querschnittform eines stromabwärts befindlichen Endes jeder der vier unabhängigen Abgasleitungen in einer Sektorform ausgebildet wird, die durch Teilen eines Kreises gleichmäßig in vier Stücke erhalten wird, und eine Anordnung der stromabwärts befindlichen Enden, die als Ganzes in einer im Allgemeinen kreisförmigen Form ausgebildet ist, ist mit dem Sammelrohr 56 verbunden.
Zusammenfassende Darstellung der Ausführungsform
Schließlich werden Merkmale und vorteilhafte Wirkungen beruhend auf dem Inhalt der vorstehenden Ausführungsform kollektiv beschrieben.
Ein Einlass- und Auslasssystem in der vorstehenden Ausführungsform wird in einem Mehrzylindermotor mit mehreren Zylindern (12) vorgesehen, die jeweils mit einem Einlasskanal (17), einem Auslasskanal (18), einem Einlassventil (19), das den Einlasskanal öffnen und schließen kann, und einem Auslassventil (20), das den Auslasskanal öffnen und schließen kann, versehen sind. Das Einlass- und Auslasssystem umfasst: mehrere unabhängige Abgasleitungen (52), die jeweils mit dem Auslasskanal (18) in einem jeweiligen der mehreren Zylinder oder mit den Auslasskanälen (18) in zwei oder mehr der mehreren Zylinder, deren Auspufftakte in Bezug zueinander nicht aufeinanderfolgend sind, verbunden sind; ein Sammelrohr (56), das mit stromabwärts befindlichen Enden der mehreren unabhängigen Abgasleitungen (52) verbunden ist, um ein Sammeln von Abgas, das durch die mehreren unabhängigen Abgasleitung (52) tritt, zu ermöglichen; einen Abschnitt (62b) vergrößerten Volumens, der bezüglich des Sammelrohrs (56) stromabwärts vorgesehen ist; und Ventiltreiber (30, 40), die das Einlassventil (19) und das Auslassventil (29) in jedem der mehreren Zylinder antreiben können. Unter den mehreren unabhängigen Abgasleitungen (52) sind mindestens zwei, die mit jeweiligen von zwei der mehreren Zylinder verbunden sind, deren Auspufftakte in Bezug zueinander aufeinanderfolgend sind, mit dem Sammelrohr (56) an zueinander benachbarten Positionen verbunden. Die Ventiltreiber (30, 40) dienen dazu, um zumindest in einem Bereich niedriger Motordrehzahl, in dem die Motordrehzahl kleiner oder gleich einer voreingestellten Bezugsmotordrehzahl (N1) ist, das Einlassventil (19) und das Auslassventil (20) in jedem der mehreren Zylinder so anzutreiben, dass ein Ventilöffnungszeitraum des Einlassventils (19) und ein Ventilöffnungszeitraum des Auslassventils (20) in jedem der mehreren Zylinder einander einen vorbestimmten Überlagerungszeitraum (T_O/L) überlagern, und das Auslassventil (20) in einem bestimmten der mehreren Zylinder während des Überlagerungszeitraums (T_O/L) in einem vorhergehenden der verbleibenden Zylinder, dessen Auspufftakt dem des bestimmten Zylinders unmittelbar vorhergeht, zu öffnen beginnt. Jedes von mindestens einem stromaufwärts befindlichen Abschnitt des Sammelrohrs (56) und mindestens einem stromabwärts befindlichen Abschnitt jeder der mehreren unabhängigen Abgasleitungen (52) ist so ausgebildet, dass eine Querschnittfläche davon hin zu einer Stromabwärtsrichtung allmählich abnimmt. Der Abschnitt (62b) vergrößerten Volumens ist so ausgebildet, dass eine Querschnittfläche desselben verglichen mit einer Leitung, die bezüglich des Abschnitts (62b) vergrößerten Volumens stromaufwärts ist, vergrößert ist, um eine Überdruckwelle von Abgas hervorzurufen, die den Abschnitt (62b) vergrößerten Volumens nach Ablassen aus jedem der mehreren Zylinder erreicht, um zurückgeworfen und zu einer Unterdruckwelle umgewandelt zu werden. Eine Länge (L1) zwischen einem stromaufwärts befindlichen Ende des Sammelrohrs (56) und einem stromaufwärts befindlichen Ende des Abschnitts (62b) vergrößerten Volumens ist bei einem Maß festgelegt, das eine Unterdruckwelle, die durch ein Phänomen erzeugt wird, dass eine von einem bestimmten der mehreren Zylinder ausgestoßene Überdruckwelle von Abgas durch den Abschnitt (62b) vergrößerten Volumens bei mindestens einer vorbestimmten Motordrehzahl zurückgeworfen wird, die kleiner oder gleich der voreingestellten Bezugsmotordrehzahl (N1) ist, den Auslasskanal (18) in einem vorherigen der verbleibenden Zylinder, dessen Auspufftakt dem des bestimmten Zylinders vorhergeht, während des Überlagerungszeitraums (T_O/L) in dem vorherigen Zylinder erreichen lässt.
Bei dem vorstehenden Einlass- und Auslasssystem sind die stromabwärts befindlichen Enden der mehreren unabhängigen Abgasleitungen, die sich von jeweiligen der mehreren Zylinder erstrecken, mit dem einzigen Sammelrohr verbunden, und sowohl der stromabwärts befindliche Abschnitt einer jeweiligen der mehreren unabhängigen Abgasleitungen als auch der stromaufwärts befindliche Abschnitt des Sammelrohrs sind so ausgebildet, dass eine Querschnittfläche davon hin zur Stromabwärtsrichtung allmählich abnimmt, so dass, wenn Abblasegas von einem bestimmten der Zylinder in das Sammelrohr durch die unabhängige Abgasleitung bei hoher Geschwindigkeit ausgestoßen wird, ein starker Unterdruck um die ausgestoßene Abgasströmung erzeugt werden kann (Ejektorwirkung). Ferner beginnt mindestens in einem Bereich niedriger Motordrehzahl, in dem die Motordrehzahl kleiner oder gleich der Bezugsmotordrehzahl ist, das Auslassventil in einem bestimmten der mehreren Zylinder während des Überlagerungszeitraums in einem vorherigen der verbleibenden Zylinder, dessen Auspufftakt dem des bestimmten Zylinders unmittelbar vorhergeht, zu öffnen, so dass es möglich wird, einen Unterdruck, der durch die Ejektorwirkung erzeugt wird, an dem Auslasskanal des vorherigen Zylinders während des Überlagerungszeitraums in dem vorherigen Zylinder anzulegen, um ein Spülen in dem vorherigen Zylinder effektiv zu fördern.
Bei dem vorstehenden Einlass- und Auslasssystem wird die Länge zwischen dem stromaufwärts befindlichen Ende des Sammelrohrs und dem stromaufwärts befindlichen Ende des Abschnitts vergrößerten Volumens geeignet angepasst, um es einer Unterdruckwelle, die durch ein Phänomen erzeugt wird, dass eine Überdruckwelle von Abgas, das von einem bestimmten der mehreren Zylinder abgelassen wird, von dem Abschnitt vergrößerten Volumens bei einer bestimmten Motordrehzahl kleiner oder gleich der Bezugsmotordrehzahl zurückgeworfen wird, zu ermöglichen, den Auslasskanal in dem vorhergehenden des verbleibenden Zylinders während des Überlagerungszeitraums in dem vorherigen Zylinder zu erreichen. Somit ermöglicht es die Unterdruckwelle dem Abgas in dem vorherigen Zylinder, hin zu dem Auslasskanal gesaugt zu werden, so dass es möglich wird, ein Spülen des vorhergehenden Zylinders während des Überlagerungszeitraums in dem vorhergehenden Zylinder weiter zu fördern.
Das vorstehende Einlass- und Auslasssystem kann mit anderen Worten das Spülen des vorhergehenden Zylinders durch Nutzen sowohl der Ejektorwirkung beruhend auf dem aus dem bestimmten Zylinder abgelassenen Abgas als auch der Unterdruckwelle, die durch Zurückwerfen der Überdruckwelle des abgelassenen Abgases erzeugt wird, fördern, um die Motorausgangsleistung effektiv zu steigern.
Vorzugsweise umfasst das vorstehende Einlass- und Auslasssystem eine katalytische Vorrichtung (6), die einen Katalysatorkörper (64), der aus den mehreren Zylindern abgelassenes Abgas reinigen kann, und ein Gehäuse (62), das sich in einer Richtung der Abgasströmung erstreckt und den Katalysatorkörper aufnimmt, umfasst. Der Katalysatorkörper (64) ist an einer Stelle getrennt von einem stromaufwärts befindlichen Ende des Gehäuses (62) in der Stromabwärtsrichtung angeordnet, und das Gehäuse (62) ist mit einem stromabwärts befindlichen Ende des Sammelrohrs (56) verbunden, wobei ein Teil des Gehäuses (62), der sich bezüglich des Katalysatorkörpers (64) stromaufwärts befindet, als Abschnitt (62b) vergrößerten Volumens dient.
Gemäß diesem Merkmal dient das stromaufwärts befindliche Ende des Gehäuses der katalytischen Vorrichtung als Abschnitt vergrößerten Volumens, so dass es möglich wird, verglichen mit Fällen, bei denen der Abschnitt vergrößerten Volumens separat von dem Gehäuse vorgesehen ist, eine bauliche Vereinfachung zu erleichtern. Ferner kann ein Abstand zwischen dem Motorkörper und dem Katalysatorkörper reduziert werden, so dass es möglich wird, eine Temperatur von Abgas, das in den Katalysatorkörper strömt, zu erhöhen, um den Katalysator schnell zu aktivieren.
Vorzugsweise weist bei dem vorstehenden Einlass- und Auslasssystem das Sammelrohr (56) einen Diffusorabschnitt (56d) an einer Stelle auf, die von den stromabwärts liegenden Enden der mehreren unabhängigen Abgasleitungen (52) in der Stromabwärtsrichtung getrennt ist, wobei der Diffusorabschnitt (56d) eine Querschnittfläche aufweist, die hin zu der Stromabwärtsrichtung allmählich zunimmt.
Entsprechend diesem Merkmal kann ein Abgasdruck, der durch Treten durch den stromaufwärts befindlichen Abschnitt des Sammelrohrs etc. gesenkt wird, innerhalb einer kurzen Strecke wiederhergestellt werden. Ferner ermöglicht es der Diffusorabschnitt dem Abgas, gleichmäßig in den Katalysatorkörper zu strömen, der stromabwärts davon angeordnet ist, so dass es möglich wird, eine Abgasreinigungsleistung des Katalysatorkörpers hinreichend hervorzubringen.
Vorzugsweise wird bei dem vorstehenden Einlass- und Auslasssystem die Länge (L1) zwischen dem stromaufwärts befindlichen Ende des Sammelrohrs (56) und dem stromaufwärts befindlichen Ende des Abschnitts (62b) vergrößerten Volumens bei 1 m oder weniger festgelegt.
Vorzugsweise weist bei dem vorstehenden Einlass- und Auslasssystem der stromaufwärts befindliche Abschnitt des Sammelrohrs (56) eine Innenumfangsfläche auf, die mit einem radialem Maß, das größer als das einer Querschnittform einer Anordnung der stromabwärts befindlichen Enden der mehreren unabhängigen Abgasleitungen (52) ist, ausgebildet ist.
Gemäß diesem Merkmal wird es möglich, zu unterbinden, dass Abgas an der Innenwand des stromaufwärts befindlichen Abschnitts des Sammelrohrs anhaftet, was ein Absenken der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases bewirkt, so dass die Ejektorwirkung effektiver erzeugt werden kann.
Das vorstehende Einlass- und Auslasssystem kann eine Umgehungsleitung umfassen, die sich von halber Position jeder der mehreren unabhängigen Abgasleitungen (52) erstreckt, um das Sammelrohr (56) zu umgehen, und steht mit einer Leitung, die bezüglich des Abschnitts (62b) vergrößerten Volumens stromaufwärts liegt, und einem Schaltventil zum selektiven Öffnen und Schließen der Umgehungsleitung in Verbindung. In diesem Fall ist das Schaltventil vorzugsweise ausgelegt, um in einem Bereich niedriger Motordrehzahl, in dem die Motordrehzahl kleiner oder gleich der Bezugsmotordrehzahl (N1) ist, geschlossen zu werden, und um in einem Motorbetriebsbereich, bei dem die Motordrehzahl größer als die Bezugsmotordrehzahl (N1) ist, geöffnet zu werden.
Gemäß diesem Merkmal wird es möglich, Pumpverlust in einem Motorbetriebsbereich, in dem die Motordrehzahl relativ hoch ist, effektiv zu reduzieren.

Claims

Einlass- und Auslasssystem für einen Mehrzylindermotor mit mehreren Zylindern, die jeweils mit einem Einlasskanal, einem Auslasskanal, einem Einlassventil, das den Einlasskanal öffnen und schließen kann, und einem Auslassventil, das den Auslasskanal öffnen und schließen kann, versehen sind, wobei das Einlass- und Auslasssystem umfasst: mehrere unabhängige Abgasleitungen, die jeweils mit dem Auslasskanal in einem jeweiligen der mehreren Zylinder oder mit Auslasskanälen in zwei oder mehr der mehreren Zylinder, deren Auspufftakte in Bezug zueinander nicht aufeinanderfolgend sind, verbunden sind; ein Sammelrohr, das mit stromabwärts befindlichen Enden der mehreren unabhängigen Abgasleitungen verbunden ist, um ein Sammeln von Abgas, das durch die mehreren unabhängigen Abgasleitungen strömt, zu ermöglichen; einen Abschnitt vergrößerten Volumens, der bezüglich des Sammelrohrs stromabwärts vorgesehen ist; und Ventiltreiber, die das Einlassventil und das Auslassventil in jedem der mehreren Zylinder antreiben können, wobei: unter den mehreren unabhängigen Abgasleitungen mindestens zwei, die mit jeweiligen von zwei der mehreren Zylinder verbunden sind, deren Auspufftakte in Bezug zueinander aufeinanderfolgend sind, mit dem Sammelrohr an zueinander benachbarten Positionen verbunden sind; die Ventiltreiber betriebsbereit sind, um zumindest in einem Bereich niedriger Motordrehzahl, in dem die Motordrehzahl kleiner oder gleich einer voreingestellten Bezugsmotordrehzahl ist, das Einlassventil und das Auslassventil in jedem der mehreren Zylinder so anzutreiben, dass ein Ventilöffnungszeitraum des Einlassventils und ein Ventilöffnungszeitraum des Auslassventils in jedem der mehreren Zylinder einander einen vorbestimmten Überlagerungszeitraum lang überlagern, und das Auslassventil in einem bestimmten der mehreren Zylinder während des Überlagerungszeitraums in einem der verbleibenden Zylinder, dessen Auspufftakt dem des bestimmten Zylinders unmittelbar vorhergeht, zu öffnen beginnt; jedes von mindestens einem stromaufwärts befindlichen Abschnitt des Sammelrohrs und mindestens einem stromabwärts befindlichen Abschnitt jeder der mehreren unabhängigen Abgasleitungen so ausgebildet ist, dass eine Querschnittfläche davon hin zu einer Stromabwärtsrichtung allmählich abnimmt; der Abschnitt vergrößerten Volumens so ausgebildet ist, dass eine Querschnittfläche desselben verglichen mit einer Leitung, die bezüglich des Abschnitts vergrößerten Volumens stromaufwärts ist, vergrößert ist, um eine Überdruckwelle von Abgas hervorzurufen, die den Abschnitt vergrößerten Volumens nach Ablassen aus jedem der mehreren Zylinder erreicht, um zurückgeworfen und zu einer Unterdruckwelle umgewandelt zu werden; und eine Länge zwischen einem stromufwärts befindlichen Ende des Sammelrohrs und einem stromaufwärts befindlichen Ende des Abschnitts vergrößerten Volumens bei einem Maß festgelegt ist, das eine Unterdruckwelle, die durch ein Phänomen erzeugt wird, dass eine von einem bestimmten der mehreren Zylinder ausgestoßene Überdruckwelle von Abgas durch den Abschnitt vergrößerten Volumens bei mindestens einer vorbestimmten Motordrehzahl zurückgeworfen wird, die kleiner oder gleich der voreingestellten Bezugsmotordrehzahl ist, den Auslasskanal in einem vorherigen der verbleibenden Zylinder, dessen Auspufftakt dem des bestimmten Zylinders vorhergeht, während des Überlagerungszeitraums in dem vorherigen Zylinder erreichen lässt.
Einlass- und Auslasssystem nach Anspruch 1, welches weiterhin eine katalytische Vorrichtung umfasst, die einen Katalysatorkörper, der von den mehreren Zylindern abgelassenes Abgas reinigen kann, und ein Gehäuse, das sich in einer Richtung einer Abgasströmung erstreckt und den Katalysatorkörper aufnimmt, umfasst, wobei: der Katalysatorkörper an einer Stelle getrennt von einem stromaufwärts befindlichen Ende des Gehäuses in der Stromabwärtsrichtung angeordnet ist; das Gehäuse mit einem stromabwärts befindlichen Ende des Sammelrohrs verbunden ist; und ein Teil des Gehäuses, der sich bezüglich des Katalysatorkörpers stromaufwärts befindet, als Abschnitt vergrößerten Volumens dient.
Einlass- und Auslasssystem nach Anspruch 2, wobei das Sammelrohr einen Diffusorabschnitt an einer Stelle getrennt von den stromabwärts befindlichen Enden der mehreren unabhängigen Abgasleitungen in der Stromabwärtsrichtung aufweist, wobei der Diffusorabschnitt eine Querschnittfläche aufweist, die hin zu der Stromabwärtsrichtung allmählich zunimmt.
Einlass- und Auslasssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Länge zwischen dem stromaufwärts befindlichen Ende des Sammelrohrs und dem stromaufwärts befindlichen Ende des Abschnitts vergrößerten Volumens bei 1 m oder weniger festgelegt ist.
Einlass- und Auslasssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der stromaufwärts befindliche Abschnitt des Sammelrohrs eine Innenumfangsfläche aufweist, die mit einem radialen Maß gebildet ist, das größer als das einer Querschnittform einer Anordnung der stromabwärts befindlichen Enden der mehreren unabhängigen Abgasleitungen ist.
Einlass- und Auslasssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, welches weiterhin eine Umgehungsleitung umfasst, die sich von halber Position jeder der mehreren unabhängigen Abgasleitungen erstreckt, um das Sammelrohr zu umgehen, und mit einer Leitung, die sich bezüglich des Abschnitts vergrößerten Volumens stromaufwärts befindet, und einem Schaltventil zum selektiven Öffnen und Schließen der Umgehungsleitung verbunden ist, wobei das Schaltventil ausgelegt ist, um in dem Bereich niedriger Motordrehzahl, in dem die Motordrehzahl kleiner oder gleich der Bezugsmotordrehzahl ist, geschlossen zu werden, und in einem Motorbetriebsbereich, in dem die Motordrehzahl größer als die Bezugsmotordrehzahl ist, geöffnet zu werden.