JP2013057255A - 多気筒エンジンの吸排気装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】独立排気通路52と合流部58との間に介在する絞り部53と、絞り部53内に形成された各ガス通路の流路面積を変更可能な流路面積変更手段55fとを設け、各ガス通路を、その流路面積が最大面積よりも小さい状態において、下流側の方が流路面積が小さくなる形状とし、高速高負荷領域A1において、各ガス通路の流路面積を最大面積にする一方、低速低負荷領域を含む第2運転領域A2において、各ガス通路の流路面積を最大面積よりも小さい面積にするとともに、吸排気弁をオーバーラップさせ、かつ、排気順序が連続する気筒どうしで一方の排気弁の開弁時に他方の吸排気弁をオーバーラップさせる。
【選択図】図10
Description
図1は、本発明の一実施形態に係る多気筒エンジンの吸排気装置100の概略構成図である。図2は、図1の一部の概略側面図である。図3は、この多気筒エンジンの吸排気装置100の制御系を示すブロック図である。この装置100は、シリンダヘッド9およびシリンダブロック10(図2参照)を有するエンジン本体1と、ECU(制御手段、図3参照)90と、エンジン本体1に接続される排気マニホールド50と、排気マニホールド50に接続される触媒装置60とを備えている。
排気マニホールド50と触媒装置60とを含む排気系の詳細について次に説明する。排気マニホールド50は、上流側から順に、3つの独立排気通路52と、可動部51とを備えている。
図1に示すように、前記各独立排気通路52は、シリンダヘッド9に形成された前記各気筒12の排気ポート18に接続されている。具体的には、前記気筒12のうち第1気筒12aの排気ポート18と第4気筒12dの排気ポート18とは、それぞれ個別に独立排気通路52,52に接続されている。一方、排気行程が隣り合わず排気順序が連続しない第2気筒12bと第3気筒12cの排気ポート18は、これら各気筒12b,12cから同時に排気が排出されることがないため、構造を簡素化する観点から、二股状に形成された1つの独立排気通路52に接続されている。詳細には、この第2気筒12bと第3気筒12cの排気ポート18に接続されている独立排気通路52は、その上流側において2つの通路に分離しており、その一方に第2気筒12bの排気ポート18が接続され、他方に第3気筒12cの排気ポート18が接続されている。
図1および図2等に示すように、可動部51は、二重管構造であって、円筒状の収容管51aの内側に絞り部53と合流部58とが収容された構造を有している。絞り部53と合流部58とは、上流側からこの順序で並んでいる。収容管51aは、各独立排気通路52の下流端52aが並ぶ円周の中心点O1を通る軸Lを中心軸とする円筒であり、後ろ斜め下方に延びている。
図6は、後述する外管55が最も上流に位置する状態(以下、この最上流位置を流路面積最小位置という)における可動部51付近を拡大して示した断面図である。図7(a)は、図6のVII−VII線断面図のうち絞り部53のみを示した図である。図7(b)は、図7(a)のうち後述する内管54のみを示した図である。図7(c)は、図7(b)のうち外管55のみを示した図である。図8(a)は、図6のVIII−VIII線断面図のうち絞り部53のみを示した図である。図8(b)は、図8(a)のうち内管54のみを示した図である。図8(c)は、図8(b)のうち外管55のみを示した図である。図9は、図6のIX−IX線断面図のうち絞り部53のみを示した図である。
合流部58は、各独立排気通路52から排出されて絞り部53を通過した排気が合流する部分である。外管55の位置に関わらず、各独立排気通路52から排出されて絞り部53の各ガス通路に流入した排気は、この合流部58内に流入する。
図1に示すように、触媒装置60は、エンジン本体1から排出された排気を浄化するための装置である。この触媒装置60は、触媒本体(触媒)64とこの触媒本体64を収容するケーシング62とを備えている。ケーシング62は排気の流れ方向と平行に延びる略円筒状を有している。触媒本体64は、排気中の有害成分を浄化するためのものである。この触媒本体64は、例えば、理論空燃比の雰囲気下で三元触媒機能を有し、三元触媒を含有する。
図3に示されるECU90は、エンジンの各部を統括的に制御するための装置(制御手段)であり、周知のCPU、ROM、RAM等から構成されている。
判定手段91は、エンジンの運転中において、エンジンの運転点(負荷Tおよび回転数Neの各値から特定される制御マップ上でのポイント)が第1運転領域A1であるか第2運転領域A2であるかを常に判断する。
ECU90により実施される各運転領域(第1運転領域A1,第2運転領域)での制御内容について説明する。
低速高負荷領域からなる第2運転領域A2では、図4に示すように、排気弁20の開弁期間と吸気弁19の開弁期間とが、吸気上死点(TDC)を挟んでオーバーラップし、かつ、排気弁20が他の気筒12のオーバーラップ期間T_O/L中に開弁を開始するように調整される。詳細には、第1気筒12aの吸気弁19と排気弁20とがオーバーラップしている期間中に第3気筒12cの排気弁20が開弁し、第3気筒12cの吸気弁19と排気弁20とがオーバーラップしている期間中に第4気筒12dの排気弁20が開弁し、第4気筒12dの吸気弁19と排気弁20とがオーバーラップしている期間中に第2気筒12bの排気弁20が開弁し、第2気筒12bの吸気弁19と排気弁20とがオーバーラップしている期間中に第1気筒12aの排気弁20が開弁するよう調整される。
後述するように、第2運転領域A2よりも高回転側の第1運転領域A1では、外管55の位置は流路面積最大位置に設定されている。そのため、前記のように外管55の位置が変更されることで、第2運転領域A2と第1運転領域A1の境界において外管55の位置は円滑に切り替わる。なお、図16は、全負荷Tmax(図14参照)でのエンジン回転数Neと外管55の位置とを示したものである。
第1運転領域A1のうちエンジン回転数Neが基準回転数N1以上の高速領域A1_1では、排気流量が大きい。そのため、この高速領域A1_1において、前記第2運転領域A2と同様に、各ガス通路の流路面積を小さくしたのでは、エゼクタ効果による掃気性能向上効果よりも背圧が高くなることによる掃気性能の悪化が大きくなる。そこで、この高速領域A1_1では、次のような制御を実施する。
第1運転領域A1のうちエンジン回転数Neが基準回転数N1よりも低く、かつ、エンジン負荷Tが基準負荷T1よりも低い低速低負荷領域A1_2では、吸気圧が低く筒内ガス量が少ない。そのため、エゼクタ効果により高い掃気が行われて、これに伴い、気筒12内の残留ガス量が少なくなると、吸気のポンピングロスが増大する、また、燃焼温度が増大して冷却損失が増大する、という熱効率に対して好ましくない作用が生じる。また、そもそも、低速低負荷領域A1_2では、要求新気量が少なく、エゼクタ効果に伴う高い吸気効率を得る必要が小さい。
以上のように、本実施形態に係る装置では、各独立排気通路52からの排気がそれぞれ独立して流入する絞り部53内の各ガス通路の流路面積を変更するという簡単な構成で、第2運転領域A2において、エゼクタ効果を利用して高いエンジントルクを得つつ、第1運転領域A1の高速領域A1_1において排気抵抗を抑制して高いエンジントルクおよび燃費性能を得ることができるともに、第1運転領域A1の低速低負荷領域A1_2において掃気を抑制して残留ガスを確保し、高い燃費性能を得ることができる。
(6−1)第2実施形態
前記第1実施形態では、第2運転領域A2においてエンジン回転数Neが大きくなるほどガス通路の流路面積を増大させる場合について示したが、第2運転領域A2においてガス通路の流路面積を、第1運転領域A1における流路面積(最大面積)よりも小さい面積(例えば、最小面積)に固定するよう制御してもよい。具体的には、スライドアクチュエータ55fを、外管55の位置を2つの流路面積最小位置と流路面積最大位置とで切替えるよう構成し、第2運転領域A2において外管55を流路面積最小位置にして第1通路54aと第2通路55aとを連通させない状態とする一方、第1運転領域A1において外管55を流路面積最大位置として第1通路54aと第2通路55aとを連通させる状態としてもよい。この場合であっても、第2運転領域A2においてガス通路の流路面積を小さい面積としてエゼクタ効果を発揮させ、これにより吸気効率およびエンジントルクを高めつつ、第1運転領域A1においてガス通路の流路面積を大きくして排気抵抗、ポンプロスを抑制し、これによりエンジントルクを高めることができる。
前記第1実施形態では、外管55に複数の第2通路55aを区画するための区画壁55eを設けるとともに、内管54にこれら区画壁55eがスライド移動可能な溝54eを設けたが、これら区画壁55eおよび溝54eは省略してもよい。
前記第1実施形態では、絞り部53内のガス通路の流路面積を変更するための構成として、第2通路55aの流路面積を変更するものを挙げたが、第1通路54aと第2通路55aとの連通量を変更することでガス通路の流路面積を変更するようにしてもよい。例えば、図22、図23(a)(b)、図24(a)(b)に示すような構成としてもよい。図22(a)は、第1実施形態の図7(a)に対応する図である。図23(a)、(b)は、外管155を省略した状態の絞り部153の斜視図であり、(a)が連通口154dを全閉とした状態、(b)が連通口154dを全開とした状態である。図24(a)、(b)は、絞り部153の断面図であり、(a)が図23(a)と対応する図、(b)が図23(b)と対応する図である。
18排気ポート
19 吸気弁
20 排気弁
52 独立排気通路
53 絞り部
54 内管
54a 第1通路
55 外管
55a 第2通路
55f スライドアクチュエータ(流路面積変更手段)
90 ECU(制御手段)
Claims (8)
- 吸気ポートおよび排気ポートがそれぞれ形成されるとともに前記吸気ポートを開閉可能な吸気弁と前記排気ポートを開閉可能な排気弁とが設けられた複数の気筒を有する多気筒エンジンの吸排気装置であって、
1つの気筒あるいは排気順序が互いに連続しない複数の気筒の排気ポートにそれぞれ接続される独立排気通路と、
前記各独立排気通路よりも下流側に設けられて、当該各独立排気通路を通過した排気が内側で集合する集合部と、
前記各独立排気通路と前記集合部との間に介在して、前記各独立排気通路から排出された排気がそれぞれ独立して流入する複数のガス通路が内側に形成された絞り部と、
前記絞り部内の各ガス通路の流路面積を変更可能な流路面積変更手段と、
前記各気筒の吸気弁および排気弁を駆動可能なバルブ駆動手段と、
前記流路面積変更手段および前記バルブ駆動手段を制御可能な制御手段とを備え、
前記制御手段は、
エンジンの回転数が予め設定された基準回転数よりも高くエンジンの負荷が予め設定された所定の負荷よりも高い高速高負荷領域を少なくとも含む第1運転領域において、前記流路面積変更手段により前記各ガス通路の流路面積を最大面積にさせる一方、
エンジンの回転数が前記基準回転数よりも低くエンジンの負荷が予め設定された所定の負荷よりも高い低速高負荷領域を少なくとも含む第2運転領域において、前記流路面積変更手段により前記各ガス通路の流路面積を前記最大面積よりも小さい面積にさせるとともに、前記各気筒の吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間とが所定のオーバーラップ期間重複し、かつ、排気順序が連続する気筒間において一方の気筒の前記オーバーラップ期間が他方の気筒の排気弁が開弁している時期に重複するように、前記バルブ駆動手段により前記各気筒の吸気弁および排気弁を駆動させ、
前記各ガス通路は、排気順序が連続する気筒に接続された前記独立排気通路に対応するガス通路が互いに近接するように配置されているとともに、エンジンが前記第2運転領域で運転されて当該ガス通路の流路面積が前記最大面積よりも小さい面積とされた状態において、前記各気筒の排気ポートから当該各ガス通路を通って前記集合部に排気が排出されるのに伴い他のガス通路およびこのガス通路と連通する排気ポート内にエゼクタ効果によって負圧が生成されるように、当該各ガス通路の下流側の流路面積の方が当該各ガス通路の上流側の流路面積よりも小さくなる形状を呈することを特徴とする多気筒エンジンの吸排気装置。 - 請求項1に記載の多気筒エンジンの吸排気装置において、
前記各ガス通路は、前記各独立排気通路の下流端から前記集合部まで延びて前記各独立排気通路とそれぞれ個別に連通するとともに前記集合部と連通する第1通路と、当該各第1通路と前記集合部とに連通する第2通路とを含み、
前記流路面積変更手段は、前記第2通路の流路面積を変更することで前記各ガス通路の流路面積を変更し、
前記制御手段は、前記第1運転領域において、前記流路面積変更手段により前記第2通路の流路面積を最大面積にさせる一方、前記第2運転領域において、前記流路面積変更手段により前記第2通路の流路面積を前記最大面積よりも小さくさせることを特徴とする多気筒エンジンの吸排気装置。 - 請求項2に記載の多気筒エンジンの吸排気装置において、
前記絞り部は、上下流方向に延びて内側に前記各第1通路が形成された内管と、上下流方向に延びて前記内管を内側に収容する外管とを有し、
前記第2通路は、前記外管の内周面と前記内管の外周面との間に区画されており、
前記内管には、前記各第1通路と前記第2通路とをそれぞれ連通する連通口が形成されており、
前記内管の外周面は、その下流側部分に設けられて下流に向かうに従って当該内管の軸に近づく方向に傾斜する内管側傾斜部を有し、
前記外管の内周面は、前記内管側傾斜部と略平行に延びる外管側傾斜部を有し、
前記流路面積変更手段は、前記外管を前記内管に対して上下流方向に移動させて前記外管側傾斜部と前記内管側傾斜部との離間量を変更することで、前記第2通路の流路面積を変更することを特徴とする多気筒エンジンの吸排気装置。 - 請求項3に記載の多気筒エンジンの吸排気装置において、
前記連通口は、前記内管側傾斜部に形成されていることを特徴とする多気筒エンジンの吸排気装置。 - 請求項1に記載の多気筒エンジンの吸排気装置において、
前記各ガス通路は、前記各独立排気通路の下流端から前記集合部まで延びて前記各独立排気通路とそれぞれ個別に連通するとともに前記集合部と連通する第1通路と、当該各第1通路と前記集合部とに連通する第2通路とを含み、
前記流路面積変更手段は、前記第1通路と第2通路との連通量を変更可能であり、
前記制御手段は、前記第1運転領域において、前記流路面積変更手段により前記第1通路と第2通路との連通量を最大にさせる一方、前記第2運転領域において、前記流路面積変更手段により前記第1通路と第2通路との連通量を前記最大量よりも小さくさせることを特徴とする多気筒エンジンの吸排気装置。 - 請求項5に記載の多気筒エンジンの吸排気装置において、
前記絞り部は、内側に前記各第1通路が形成された内管と、当該内管を内側に収容する外管とを有し、
前記第2通路は、前記外管の内周面と前記内管の外周面との間に区画されており、
前記内管には、前記各第1通路と前記第2通路とをそれぞれ連通する連通口が形成されており、
前記流路面積変更手段は、前記連通口の開口量を変更可能であり、この連通口の開口量を変更することで前記第1通路と前記第2通路との連通量を変更することを特徴とする多気筒エンジンの吸排気装置。 - 請求項6に記載の多気筒エンジンの吸排気装置において、
前記内管のうち前記連通口が形成された部分の外周面は、上下流方向に延びる軸を中心とする略円周面状を呈し、
前記各連通口は、前記内管の外周面において周方向に互いに離間した位置にそれぞれ形成されており、
前記流路面積変更手段は、前記内管の外周面に沿って延びる形状を有し、前記各連通口をそれぞれ塞ぐことが可能であるとともに、前記内管の外周面を周方向に移動することで前記各連通口を塞ぐ位置と当該連通口を開口させる位置との間で変位可能な蓋部を含み、当該各蓋部を前記内管の外周面の周方向に移動させることで前記連通口の開口量を変更することを特徴とする多気筒エンジンの吸排気装置。 - 請求項1〜7のいずれかに記載の多気筒エンジンの吸排気装置において、
前記制御手段は、前記第2運転領域において、前記流路面積変更手段により、エンジンの回転数が高いほど前記各ガス通路の流路面積を大きくさせることを特徴とする多気筒エンジンの吸排気装置。
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