JP2013160169A - 多気筒エンジンの吸排気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン低速域から高速域までの各回転域を通して体積効率の落ち込みが抑制された多気筒エンジンの吸排気装置を提供する。
【解決手段】エンジン低速域では排気系を調整し、エゼクタ効果により気筒の掃気を図り、体積効率ひいてはトルクの向上を図る。中速域ではエアクリーナ３ｅから吸気ポート１７までの吸気系の管長及び管径又は容量を調整し、吸気共鳴効果により吸気の過給を図り、体積効率ひいてはトルクの向上を図る。高速域では独立吸気通路３の長さを調整し、吸気慣性効果により吸気の過給を図り、体積効率ひいてはトルクの向上を図る。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車等に搭載される多気筒エンジンの吸排気装置に関する。

従来、自動車等に搭載される多気筒エンジンにおいて、トルクの向上を目的とした吸排気装置の開発が行なわれている。

例えば、特許文献１には、排気順序が連続しない気筒の排気通路を束ねて、先細りの排気管として集合させ、この絞り部分にエゼクタ効果を持たせて、気筒間の排気干渉を防止する技術が開示されている。

特開平０４−０３６０２３号公報（第４頁、第５頁、第３図）

多気筒エンジンにおいて、広い回転域に亘ってトルクの向上を図り、トルクのワイドレンジ化を達成するためには、エンジン低速域から高速域までの各回転域を通して体積効率（ηＶ）の落ち込みをできるだけ少なくすることが重要である。これにより、加速時のトルクショックがなく、違和感の少ない、燃費に優れたエンジンが提供される。

そこで、本発明は、各回転域を通して体積効率の落ち込みが抑制された多気筒エンジンの吸排気装置の提供を目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、吸気ポートを開閉可能な吸気弁及び排気ポートを開閉可能な排気弁が備え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、各気筒の吸気ポートと、前記吸気ポートにそれぞれ接続された複数の独立吸気通路と、前記独立吸気通路の各上流端部が接続されたサージタンクと、前記サージタンクに接続されたエアクリーナとを含む吸気系、及び、１つの気筒又は排気順序が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た複数の独立排気通路と、前記独立排気通路の各下流端部が束ねられた状態で接続され、各独立排気通路の下流端部から噴出した排気が集合する混合管とを含む排気系を有し、エンジン回転数が所定の第１回転数未満のエンジン低速域においては、各気筒の吸排気開弁期間が所定のオーバーラップ期間を有し、排気順序が連続する気筒間において一方の気筒のオーバーラップ期間が他方の気筒の排気開弁時期に重複するように設定され、前記吸気弁の開閉により生じる振動の周波数が前記吸気系の共振周波数と一致する吸気共鳴の同調点が、エンジン回転数が前記第１回転数以上且つ前記第１回転数より高い所定の第２回転数未満のエンジン中速域に含まれるように前記吸気系の管長及び管径又は容量が設定され、前記吸気弁の開弁により生じる吸気の負圧波が前記サージタンクで反転して得られる正圧波に基く吸気慣性効果が、エンジン回転数が前記第２回転数以上のエンジン高速域で得られるように前記独立吸気通路の長さが設定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である（請求項１）。

本発明によれば、各独立排気通路を通過した排気が混合管に流入することにより混合管内に負圧が発生し、この負圧により、他の独立排気通路ないしこれと連通する他の気筒の排気ポート内の排気が下流側に吸い出されるエゼクタ効果が得られる。

その際、エンジン低速域では、各気筒の排気弁と吸気弁とが共に開いた状態となるオーバーラップ期間が設けられ、排気順序が連続する気筒間において一方の気筒のオーバーラップ期間中に他方の気筒の排気弁が開くので、前記エゼクタ効果がオーバーラップ期間中の気筒の吸気ポートにまで及び、気筒の掃気が促進される。これにより、エンジン低速域の体積効率（ηＶ）ひいてはトルクの向上が図られる。

その上で、本発明によれば、エンジン中速域では、エアクリーナから吸気ポートまでの吸気系の管長及び管径又は容量が調整されることにより、吸気弁の開閉により生じる振動の周波数が前記吸気系の共振周波数と一致する吸気共鳴効果が得られる。これにより、吸気共鳴効果で生成した吸気圧振動によって吸気の過給が行われ、エンジン中速域の体積効率ひいてはトルクの向上が図られる。

さらに、本発明によれば、エンジン高速域では、独立吸気通路の長さが調整されることにより、吸気弁の開弁により生じる吸気の負圧波が前記サージタンクで反転して得られる正圧波に基く吸気慣性効果が得られる。これにより、吸気慣性効果で生成した正圧波が吸気開弁中に吸気ポートに到達して吸気の過給が行われ、エンジン高速域の体積効率ひいてはトルクの向上が図られる。

以上により、エンジン低速域から高速域までの各回転域を通して体積効率ひいてはトルクの落ち込みが抑制され、これにより、加速時のトルクショックがなく、違和感の少ない、燃費に優れた多気筒エンジンが実現する。

本発明では、前記吸気共鳴の同調点が前記エンジン中速域に含まれるように、前記エアクリーナの容量が調整されていることが好ましい（請求項２）。

この構成によれば、吸気系のうちエアクリーナの容量が調整されることにより、吸気系の容量が調整されて、エンジン中速域の吸気共鳴効果が得られるので、この吸気共鳴効果を得るためのチューニングによってエンジン高速域の吸気慣性効果が影響を受けることが抑制される。すなわち、同じ吸気系の調整でも、例えば独立吸気通路の管長及び管径やサージタンクの容量等を調整した場合には、吸気慣性効果の同調点が変化するので、吸気慣性効果が狙いとする回転域で良好に発揮されなくなる可能性が生じる。これに対し、エアクリーナの容量を調整しても、吸気慣性効果に影響を与えることがないので好ましい。

本発明では、各気筒の排気ポートにおける排気弁の着座位置から各独立排気通路の下流端までの距離が５００ｍｍ以下に設定されていることが好ましい（請求項３）。

この構成によれば、各気筒から排出された排気が混合管に流入するまでの距離が５００ｍｍ以下と相対的に短いので、排気が混合管に流入するときの流速が相対的に高くなり、混合管内に発生する負圧が相対的に大きくなって、前記エゼクタ効果が十分良好に発揮される。

本発明によれば、多気筒エンジンにおいて、エンジン低速域から高速域までの各回転域を通して体積効率の落ち込みが抑制される。その結果、広い回転域に亘ってトルクが向上し、フラットなトルク特性が得られ、トルクがワイドレンジ化した多気筒エンジンが得られる。

本発明の実施形態に係る多気筒エンジンの吸排気装置の概略構成図である。 図１の吸気系を除いた排気系の拡大図である。 図２の要部側面図である。 図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。 図２のＶ−Ｖ線断面図である。 前記エンジンの各気筒の吸排気開弁期間が所定のオーバーラップ期間を有する説明図である。 前記エンジンの吸気弁及び排気弁の開弁期間の説明図である。 前記エンジンの回転域の説明図である。 実施形態の作用（回転域と体積効率との関係）の説明図である。 実施形態の作用（中速域の吸気共鳴効果）の説明図である。

（１）全体構成
図１は、本発明の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、図２は、図１の吸気系を除いた排気系の拡大図、図３は、図２の要部側面図である。この吸排気装置１００は、シリンダヘッド９及びシリンダブロック（図示せず）を有するエンジン本体１と、エンジン制御用のＥＣＵ２と、エンジン本体１に接続される複数の独立吸気通路３…３等を含む吸気系と、エンジン本体１に接続される排気マニホールド５と、排気マニホールド５に接続される触媒装置６とを備えている。

前記シリンダヘッド９及びシリンダブロックの内部にはピストンがそれぞれ嵌挿された複数（図例では４つ）の気筒１２が形成されている。本実施形態では、エンジン本体１は、直列４気筒のエンジンであって、シリンダヘッド９及びシリンダブロックの内部には、４つの気筒１２が直列に並んだ状態で形成されている。具体的には、図１及び図２の右から順に、第１気筒１２ａ、第２気筒１２ｂ、第３気筒１２ｃ、第４気筒１２ｄが形成されている。シリンダヘッド９には、ピストンの上方に区画された燃焼室内に臨むようにそれぞれ点火プラグ１５が設置されている。

エンジン本体１は４サイクルエンジンであって、図６に示すように、各気筒１２ａ〜１２ｄにおいて、１８０°ＣＡずつずれたタイミングで点火プラグ１５による点火が行われて、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程の各行程がそれぞれ１８０°ＣＡずつずれたタイミングで行われる。本実施形態では、第１気筒１２ａ→第３気筒１２ｃ→第４気筒１２ｄ→第２気筒１２ｂの順に点火が行われ、この順に各行程が実施される。

シリンダヘッド９には、それぞれ燃焼室に向かって開口する２つの吸気ポート１７及び２つの排気ポート１８が設けられている。吸気ポート１７は、各気筒１２内に吸気を導入するためのものである。排気ポート１８は、各気筒１２内から排気を排出するためのものである。各吸気ポート１７には、これら吸気ポート１７を開閉して吸気ポート１７と気筒１２内部とを連通又は遮断するための吸気弁１９が設けられている。各排気ポート１８には、これら排気ポート１８を開閉して排気ポート１８と気筒１２内部とを連通又は遮断するための排気弁２０が設けられている。吸気弁１９は、吸気弁駆動機構３０で駆動されることにより、所定のタイミングで吸気ポート１７を開閉する。排気弁２０は、排気弁駆動機構４０で駆動されることにより、所定のタイミングで排気ポート１８を開閉する。

吸気弁駆動機構３０は、吸気弁１９に連結された吸気カムシャフト３１と吸気ＶＶＴ３２とを有している。排気弁駆動機構４０は、排気弁２０に連結された排気カムシャフト４１と排気ＶＶＴ４２とを有している。吸気カムシャフト３１及び排気カムシャフト４１は、周知のチェーン及びスプロケット機構等の動力伝達機構を介してクランクシャフトに連結されており、クランクシャフトの回転に伴い回転して、吸気弁１９及び排気弁２０を開閉駆動する。

吸気ＶＶＴ３２及び排気ＶＶＴ４２は、吸気弁１９及び排気弁２０のバルブタイミングを変更するためのものである。例えば、吸気ＶＶＴ３２は、吸気カムシャフト３１と同軸に配置されてクランクシャフトにより直接駆動される所定の被駆動軸を有し、この被駆動軸と吸気カムシャフト３１との間の位相差を変更する。これにより、クランクシャフトと吸気カムシャフト３１との間の位相差が変更され、吸気弁１９のバルブタイミングが変更される。排気ＶＶＴ４２もこれに準じて同様である。

吸気ＶＶＴ３２及び排気ＶＶＴ４２の具体的構成としては、例えば、前記被駆動軸と吸気カムシャフト３１又は排気カムシャフト４１との間に周方向に並ぶ複数の液室を有し、これらの液室間に圧力差を設けることで前記位相差を変更する液圧式機構や、前記被駆動軸と吸気カムシャフト３１又は排気カムシャフト４１との間に電磁石を配設し、この電磁石に電力を付与することで前記位相差を変更する電磁式機構等が挙げられる。吸気ＶＶＴ３２及び排気ＶＶＴ４２は、ＥＣＵ２で算出された吸気弁１９及び排気弁２０の目標バルブタイミングに基づいて前記位相差を変更する。

本実施形態では、吸気ＶＶＴ３２及び排気ＶＶＴ４２は、吸気弁１９及び排気弁２０の開弁期間及びリフト量、つまりバルブプロファイルをそれぞれ一定に保ったまま、吸気弁１９及び排気弁２０の開弁時期（図７に示す開弁開始時期）及び閉弁時期をそれぞれ変更する。

本実施形態では、吸気弁１９及び排気弁２０の開弁時期及び閉弁時期とは、図７に示すように、各バルブのリフトカーブにおいてバルブのリフトが急峻に立ち上がる時期又は立ち下がる時期であり、例えば０．４ｍｍリフトの時期をいう。

（２）吸気系の構成
図１に示すように、エンジン本体１の各気筒１２の吸気ポート１７には、それぞれ独立吸気通路３が接続されている。各独立吸気通路３の上流端部は、それぞれサージタンク３ａに接続されている。サージタンク３ａには、下流側共通吸気通路３ｂ及び上流側共通吸気通路３ｄを介してエアクリーナ３ｅが接続されている。２つの共通吸気通路３ｂ，３ｄ間にはスロットル弁を収容するスロットルボディ３ｃが配設され、エアクリーナ３ｅには空気の取り入れ口であるエアホース３ｆが備えられている。

本実施形態では、後述するように、エンジン中速域において、吸気弁１９の開閉により生じる振動の周波数が前記エアクリーナ３ｅから前記吸気ポート１７までの吸気系の共振周波数と一致する吸気共鳴効果が得られるように、前記吸気系の管長及び管径又は容量が調整されている。

また、本実施形態では、後述するように、エンジン高速域において、吸気弁１９の開弁により生じる吸気の負圧波が前記サージタンク３ａで反転して得られる正圧波に基く吸気慣性効果が得られるように、前記独立吸気通路３の長さが調整されている。

（３）排気系の構成
図１〜図３に示すように、排気マニホールド５は、上流側から順に、３つの独立排気通路５２と、各独立排気通路５２の下流端部に接続されて各独立排気通路５２を通過した排気が流入し、集合する混合管５０とを有する。前記混合管５０は、その軸芯上に、上流側から順に、下流側ほど流路面積が小さくなるテーパ部５６と、前記テーパ部５６の下流端の流路面積（混合管５０の最小流路面積）を維持して下流側に延びるストレート部５７と、下流側ほど流路面積が大きくなるディフューザ部５８とを備えている。本実施形態では、前記テーパ部５６は、下流側に向かうに従って縮径する逆円錐台形状とされ、前記ディフューザ部５８は、下流側に向かうに従って拡径する円錐台形状とされている。

各独立排気通路５２は、各気筒１２の排気ポート１８に接続されている。具体的には、４つの気筒１２のうち、第１気筒１２ａの排気ポート１８及び第４気筒１２ｄの排気ポート１８は、それぞれ個別に１つの独立排気通路５２ａ、５２ｄに接続されている。一方、排気行程が隣り合わず排気順序が連続しない第２気筒１２ｂの排気ポート１８と第３気筒１２ｃの排気ポート１８とは、共通の１つの独立排気通路５２ｂに接続されている。より詳細には、第２気筒１２ｂの排気ポート１８及び第３気筒１２ｃの排気ポート１８に接続されている前記独立排気通路５２ｂは、その上流側において２つの通路に分離しており、その一方に第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。

本実施形態では、第２気筒１２ｂと第３気筒１２ｃとに対応する独立排気通路５２ｂは、前記第２気筒１２ｂと第３気筒１２ｃとの間、すなわち気筒列方向においてエンジン本体１の中央部分と対向する位置で前記混合管５０のテーパ部５６に向かって延びている。一方、第１気筒１２ａ及び第４気筒１２ｄにそれぞれ対応する独立排気通路５２ａ，５２ｄは、前記第１気筒１２ａ及び第４気筒１２ｄと対向する位置から湾曲しつつ前記混合管５０のテーパ部５６に向かって延びている。

これら独立排気通路５２ａ、５２ｂ、５２ｄは、互いに独立しており、第１気筒１２ａから排出された排気と、第２気筒１２ｂ又は第３気筒１２ｃから排出された排気と、第４気筒１２ｄから排出された排気とは、互いに独立して各独立排気通路５２ａ，５２ｂ，５２ｄを下流側に通過し、各独立排気通路５２ａ、５２ｂ、５２ｄの下流端から混合管５０のテーパ部５６に噴出する。

各独立排気通路５２の下流端部は、下流側ほど流路面積が小さくなる先細り部とされている。これにより、各独立排気通路５２の下流端から混合管５０に噴出するときの排気の流速は、各独立排気通路５２を先細り部まで通過してきた排気の流速よりも大きくなり、排気は、各独立排気通路５２の下流端から混合管５０のテーパ部５６に高速で噴出する。

本実施形態では、図４に示すように、各独立排気通路５２は、略楕円形断面を有する上流側部分（仮想線）から下流に向かうに従って流路面積が縮小され、下流端では上流側部分の流路面積の略１／３の流路面積を有する略扇形断面となっている。そして、図５に示すように、これらの独立排気通路５２の下流端部は、扇形をなす各下流端が集合して全体として略円形断面を形成するように束ねられて、前記混合管５０のテーパ部５６の上流端に接続されている（図１〜図３参照）。

このような構成により、各独立排気通路５２を通過した排気が高速で混合管５０に噴出したときには、混合管５０内に負圧が発生し、この負圧によって、排気を噴出した独立排気通路に隣接する他の独立排気通路５２ないしこれと連通する他の気筒１２の排気ポート１８内の排気が下流側に吸い出されるエゼクタ効果が奏される。

そして、このエゼクタ効果を高めるように、混合管５０のテーパ部５６は、下流側ほど流路面積が小さくなる形状とされている。これにより、各独立排気通路５２の下流端からテーパ部５６に噴出した排気は、高い流速を維持したままテーパ部５６及びストレート部５７を下流側に流れ、混合管５０内（特にテーパ部５６からストレート部５７）に発生する負圧が大きくなる。本実施形態では、混合管５０のテーパ部５６及びストレート部５７を流れる排気の流速をより高めるように、テーパ部５６の下流端の流路面積（すなわち混合管５０の最小流路面積であってストレート部５７の流路面積に同じ）は、複数の独立排気通路５２の下流端の流路面積の合計値よりも小さい値に設定されている。

独立排気通路５２の下流端からテーパ部５６に噴出した排気が高速でテーパ部５６及びストレート部５７を通過することにより、テーパ部５６からストレート部５７にかけて発生する負圧が大きくなる（つまり排気の圧力が低下する）と共に、排気の温度が低下する。そのため、テーパ部５６及びストレート部５７において、排気の外部への放熱量は小さく抑えられる。このことは後述する触媒の活性化に有利に働く。そして、ストレート部５７を通過した排気は、下流側ほど流路面積が大きくなる形状のディフューザ部５８に流入することにより流速が低下する一方で、排気の圧力及び温度が回復し、高圧高温状態に戻った状態で触媒装置６に流入する。

触媒装置６は、エンジン本体１から排出された排気を浄化するための装置である。この触媒装置６は、排気中の有害成分を浄化する機能を有する触媒本体６４と、この触媒本体６４を収容するケーシング６２とを備えている。ケーシング６２は、排気の流通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、例えば三元触媒を含有し、理論空燃比の雰囲気下で、ＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）を同時に酸化又は還元して除去し得る三元触媒機能を有する。

触媒本体６４は、ケーシング６２の排気流通方向の中央の拡径部分に収容されている。ケーシング６２の上流端には所定の空間が形成されている。前記混合管５０のディフューザ部５８の下流端は前記ケーシング６２の上流端に接続されている。ディフューザ部５８から排出された排気は前記ケーシング６２の上流端に流入した後、触媒本体６４側へ進行する。このとき、前述したように、混合管５０のディフューザ部５８を通過した排気は、高圧高温状態に戻っている。そのため、相対的に高い温度の排気が触媒本体６４に流入し、これにより、触媒本体６４は早期に活性化され、また、触媒本体６４の活性化状態が良好に維持される。

（４）本実施形態の特徴
本実施形態では、図８に示すように、エンジン回転数が所定の第１回転数Ｎｅ１未満の領域がエンジンの低速域（ｉ）と、エンジン回転数が前記第１回転数Ｎｅ１以上且つ前記第１回転数Ｎｅ１より高い所定の第２回転数Ｎｅ２未満の領域がエンジンの中速域（ｉｉ）と、エンジン回転数が前記第２回転数Ｎｅ２以上の領域がエンジンの高速域（ｉｉｉ）と設定されている。

前記第１回転数Ｎｅ１は、例えば２７００ｒｐｍ〜２８００ｒｐｍ等であり、前記第２回転数Ｎｅ２は、例えば３８００ｒｐｍ〜４０００ｒｐｍ等である。

［４−１］低速域でのエゼクタ効果
ＥＣＵ２は、少なくとも低速域（ｉ）においては、各気筒１２の吸排気開弁期間が所定のオーバーラップ期間を有し、排気順序が連続する気筒１２，１２間において一方の気筒１２のオーバーラップ期間が他方の気筒１２の排気開弁時期に重複するように、吸気弁駆動機構３０の吸気ＶＶＴ３２及び排気弁駆動機構４０の排気ＶＶＴ４２を制御する。

より具体的には、低速域（ｉ）においては、図６に示すように、各気筒１２の排気弁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、且つ、排気順序が連続する気筒１２，１２間において、一方の気筒（先行する気筒）１２のオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中に、他方の気筒（後続の気筒）１２の排気弁２０が開弁を開始するように、吸気ＶＶＴ３２及び排気ＶＶＴ４２が制御される。例えば、第１気筒１２ａの排気弁２０と吸気弁１９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の排気弁２０と吸気弁１９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の排気弁２０と吸気弁１９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の排気弁２０と吸気弁１９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が開弁するように、吸気ＶＶＴ３２及び排気ＶＶＴ４２がＥＣＵ２によって制御される。

これにより、排気行程気筒１２の排気弁２０が開弁してブローダウンガスがこの排気行程気筒１２から独立排気通路５２を通って混合管５０のテーパ部５６に高速で噴出されるのに伴い、エゼクタ効果によりオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中の吸気行程気筒１２の排気ポート１８内に負圧が生成される。そのため、前記エゼクタ効果がオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中の吸気行程気筒１２の排気ポート１８だけでなく、吸気行程気筒１２から吸気行程気筒１２の吸気ポート１７にまで及び、このオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中の吸気行程気筒１２の掃気が促進される。

その結果、図９に破線で示すように、少なくとも低速域（ｉ）においては、本実施形態に係る多気筒エンジンは、エゼクタ効果によって、体積効率（ηＶ）の向上ひいてはトルクの向上が図られる。

本実施形態では、各気筒１２の排気ポート１８における排気弁２０の着座位置から各独立排気通路５２の下流端までの距離が５００ｍｍ以下に設定されている。これにより、各気筒１２から排出された排気が混合管５０に流入するまでの距離が５００ｍｍ以下と相対的に短いので、排気が混合管５０に流入するときの流速が相対的に高くなり、混合管５０内に発生する負圧が相対的に大きくなって、エゼクタ効果がより一層良好に発揮される。

［４−２］中速域での吸気共鳴効果
次に、中速域（ｉｉ）においては、吸気共鳴効果によって吸気の過給が行われるように、吸気系の管長及び管径又は吸気系の容量が調整されている。すなわち、吸気共鳴効果は、吸気弁１９の開閉により生じる振動の周波数が吸気系の共振周波数と一致し、これにより生成した吸気圧振動によって吸気の過給が行われる現象である。

したがって、吸気系の共振周波数と、エンジンの吸気弁１９の開閉サイクルとをマッチング（同調）させることにより、狙いの回転域において吸気共鳴効果を得ることが可能となる。本実施形態では、吸気弁１９の開閉により生じる振動の周波数がエアクリーナ３ｅから吸気ポート１７までの吸気系の共振周波数と一致する吸気共鳴の同調点が、エンジン回転数が第１回転数Ｎｅ１以上且つ第２回転数Ｎｅ２未満の中速域に現れる（含まれる）ように、前記吸気系の管長及び管径又は吸気系の容量が設定されている。これにより、吸気共鳴効果で生成した吸気圧振動によって吸気の過給が中速域で行われる。

その結果、図９に実線で示すように、中速域（ｉｉ）においては、本実施形態に係る多気筒エンジンは、吸気共鳴効果によって、体積効率の向上ひいてはトルクの向上が図られる。

本実施形態では、吸気系は、エンジン本体１側から、吸気ポート１７、独立吸気通路３、サージタンク３ａ、下流側共通吸気通路３ｂ、スロットルボディ３ｃ、上流側共通吸気通路３ｄ及びエアクリーナ３ｅを含む。したがって、吸気系の管長及び管径又は吸気系の容量とは、これらの各部の管長及び管径又は各部の容量の総和である。ここで、エアクリーナ３ｅにエアホース３ｆを含ませてもよい。含ませる場合は、吸気系の管長及び管径又は容量にはエアホース３ｆの管長及び管径又は容量が含まれる。

本実施形態では、エアクリーナ３ｅの容量を相対的に小さくすることにより、吸気系全体の容量を小さくし、これにより、吸気系の共振周波数がエンジン中速域（ｉｉ）における吸気弁１９の開閉サイクルに同調するようにしている。エアクリーナ３ｅの容量が小さくなることにより、中速域（ｉｉ）の吸気共鳴効果が奏されることの他に、エンジンルームにおける他の部品のレイアウトが容易になる、歩行者保護のためのボンネットとの隙が確保できる、等の副次的な作用が得られる。

吸気系の容量を調整するためには、エアクリーナ３ｅの容量を増減調整することの他に、サージタンク３ａの容量を増減調整する、共通吸気通路（スロットルネック）３ｂ，３ｄの管長や管径を増減調整する、エアホース３ｆの管長や管径を増減調整する、独立吸気通路３の管長や管径を増減調整する、吸気ポート１７の容量を増減調整する、等が可能である。また、エアクリーナ３ｅよりエンジン本体１寄りの部位に、レゾネータを設置することも効果がある。ただし、サージタンク３ａや独立吸気通路３や吸気ポート１７の容量や管長や管径は、次に説明する高速域（ｉｉｉ）での吸気慣性効果にも関係するので、これらの値を吸気共鳴効果の点からチューニングした場合には、吸気慣性効果の同調点が変化して、吸気慣性効果が狙いとする高速域（ｉｉｉ）で良好に発揮されなくなる可能性が生じる。この点、エアクリーナ３ｅの容量を増減調整することは、高速域（ｉｉｉ）の吸気慣性効果に影響を与えることがないので好ましい。

［４−３］高速域での吸気慣性効果
次に、高速域（ｉｉｉ）においては、吸気慣性効果によって吸気の過給が行われるように、独立吸気通路３の長さが調整されている。すなわち、吸気慣性効果は、吸気弁１９の開弁により生じる吸気の負圧波がサージタンク３ａで反転して正圧波が得られ、この正圧波が吸気開弁中に吸気ポート１７に到達することによって吸気の過給が行われる現象である。

したがって、吸気ポート１７から各独立吸気通路３にかけての長さと、エンジンの吸気弁１９の開閉サイクルとをマッチング（同調）させることにより、狙いの回転域において吸気慣性効果を得ることが可能となる。本実施形態では、吸気弁１９の開弁により生じる吸気の負圧波がサージタンク３ａで反転して得られる正圧波に基く吸気慣性効果が、エンジン回転数が第２回転数Ｎｅ２以上の高速域で得られるように、前記独立吸気通路３の長さが設定されている。これにより、吸気慣性効果で生成した正圧波が吸気弁１９の開弁中に吸気ポート１７に到達して吸気の過給が高速域で行われる。

その結果、図９に鎖線で示すように、高速域（ｉｉｉ）においては、本実施形態に係る多気筒エンジンは、吸気慣性効果によって、体積効率の向上ひいてはトルクの向上が図られる。

以上のように、エンジン低速域（ｉ）から高速域（ｉｉｉ）までの各回転域を通して体積効率ひいてはトルクの落ち込みが抑制されているので、本実施形態に係る多気筒エンジンは、加速時のトルクショックがなく、違和感の少ない、燃費に優れたエンジンである。

［４−４］作用
一般に、排気系の構造がエゼクタ効果が奏されない構造の多気筒エンジンにおいては、低速域の体積効率の向上を例えば吸気共鳴効果によって行おうとし、高速域の体積効率の向上を例えば吸気慣性効果によって行おうとする。

これに対し、本実施形態に係る多気筒エンジンにおいては、排気系の構造がエゼクタ効果が奏される構造であるから、低速域の体積効率の向上をこのエゼクタ効果によって行うことができる。すると、低速域においては、エゼクタ効果と吸気共鳴効果とが重なって、両方の効果を発揮させた場合には、体積効率の向上が過剰となり、中速域の体積効率との間に大きな差が生じ、トルクショックや違和感の原因となる。

そこで、本実施形態では、低速域をエゼクタ効果で、中速域を吸気共鳴効果で、高速域を吸気慣性効果で、それぞれ体積効率の向上を図ることによって、体積効率が過度に大きい回転域や過度に小さい回転域をなくし、低速域から高速域までの広い回転域に亘って体積効率を平坦化させ、トルクのワイドレンジ化を達成したものである。

［４−５］実機試験
実機試験として、図１に示す多気筒エンジンの吸排気装置１００において、サージタンク３ａの容量を２Ｌに固定し、エアクリーナ３ｅの容量を７Ｌとした場合（図１０の◆マーク）、５Ｌとした場合（図１０の△マーク）、及び２Ｌとした場合（図１０の●マーク）で、１０００ｒｐｍ〜６０００ｒｐｍの回転域の範囲で、体積効率がどのように変化するかを調べた。結果を図１０に示す。

図１０から明らかなように、エアクリーナ３ｅの容量を小さくするに従い、３０００ｒｐｍ〜３７００ｒｐｍの回転域（中速域）では、体積効率が改善し、１００％に近くなった。一方、２５００ｒｐｍ〜２７００ｒｐｍの回転域（低速域）では、体積効率が低下したが、１００％を大きく下回ることはなかった。また、４０００ｒｐｍ〜５５００ｒｐｍの回転域（高速域）では、エアクリーナ３ｅの容量に拘らず、体積効率は１００％以上が維持されていた。さらに、１４００ｒｐｍ〜２２００ｒｐｍの回転域（低速域）でも、エアクリーナ３ｅの容量に拘らず、体積効率は１００％付近あるいはそれ以上が維持されていた。

これにより、まず、１４００ｒｐｍ〜２７００ｒｐｍの回転域（低速域）では、エアクリーナ３ｅの容量変化に影響されることなく、エゼクタ効果によって体積効率の向上が維持されたものと考えられる。また、４０００ｒｐｍ〜５５００ｒｐｍの回転域（高速域）でも、エアクリーナ３ｅの容量変化に影響されることなく、吸気慣性効果によって体積効率の向上が維持されたものと考えられる。

これらに対し、吸気共鳴効果については、エアクリーナ３ｅの容量が７Ｌの場合は、吸気系の容量が相対的に大きくなり、吸気系の共振周波数に同調する回転数が、２５００ｒｐｍ〜２７００ｒｐｍという相対的に低い回転域に現れたものと考えられる。つまり、吸気共鳴効果による体積効率の向上が、狙いとする３０００ｒｐｍ〜３７００ｒｐｍの回転域に現れず、それよりも低い２５００ｒｐｍ〜２７００ｒｐｍの回転域に現れたのである。この場合、３０００ｒｐｍ〜３７００ｒｐｍの回転域では、体積効率の落ち込みが見られ、２５００ｒｐｍ〜２７００ｒｐｍの回転域では、エゼクタ効果と吸気共鳴効果とによる過剰な体積効率の向上が見られる。その結果、２５００ｒｐｍ〜２７００ｒｐｍの回転域と３０００ｒｐｍ〜３７００ｒｐｍの回転域との間で、体積効率が大きく変動し、そのため、加速時や登坂時のトルクショックや違和感が大きくなる。また、２５００ｒｐｍ〜２７００ｒｐｍの回転域から３０００ｒｐｍ〜３７００ｒｐｍの回転域への移行時には、トルクが落ち込むので、運転者はアクセルを大きく踏み込み、燃費の低下が起きる。

一方、エアクリーナ３ｅの容量が２Ｌの場合は、吸気系の容量が相対的に小さくなり、吸気系の共振周波数に同調する回転数が高周波数側にシフトして、狙いとする３０００ｒｐｍ〜３７００ｒｐｍの回転域に現れたものと考えられる。その結果、エゼクタ効果による体積効率の向上と吸気慣性効果による体積効率の向上との間に挟まれて体積効率が落ち込んでいた３０００ｒｐｍ〜３７００ｒｐｍの回転域においては体積効率が向上し、エゼクタ効果と吸気共鳴効果とによって体積効率が過剰に向上していた２５００ｒｐｍ〜２７００ｒｐｍの回転域においては体積効率が低下して、全体として、低速域から高速域までの広い回転域に亘って体積効率が平坦化し、トルクのワイドレンジ化が達成された。その結果、加速時や登坂時のトルクショックや違和感が少なく、また、燃費に優れた多気筒エンジンが実現することになる。

（５）本実施形態の変形例
混合管５０は、流路面積が縮小するテーパ部５６だけを含むもの（ストレート部５７及びディフューザ部５８がないもの）でもよく、テーパ部５６と流路面積が拡大するディフューザ部５８とだけを含むもの（ストレート部５７がないもの）でもよい。このような構成の混合管５０を用いてもエゼクタ効果は十分得ることができる。例えば、量産設計時にレイアウト上の制約等から混合管５０を短くする場合に、テーパ部５６だけを含む混合管５０や、ストレート部５７を省略してテーパ部５６とディフューザ部５８とを直接滑らかに曲面でつなぐような形状の混合管５０等としても構わない。

また、吸気弁１９と排気弁２０とのオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌを設け、一方の気筒１２のオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌと他方の気筒１２の排気開弁時期とを重複させる制御を行うのは、低速域（ｉ）でも高負荷域のみとしてもよい。

３ 独立吸気通路
３ａ サージタンク
３ｂ 下流側共通吸気通路
３ｃ スロットルボディ
３ｄ 上流側共通吸気通路
３ｅ エアクリーナ
３ｆ エアホース
１２ 気筒
１７ 吸気ポート
１８ 排気ポート
１９ 吸気弁
２０ 排気弁
３０ 吸気弁駆動機構
３２ 吸気ＶＶＴ
４０ 排気弁駆動機構
４２ 排気ＶＶＴ
５０ 混合管
５２ 独立排気通路
５６ テーパ部
１００ 吸排気装置
Ｎｅ１ 第１回転数
Ｎｅ２ 第２回転数
ｉ 低速域
ｉｉ 中速域
ｉｉｉ 高速域

Claims (3)

1. 吸気ポートを開閉可能な吸気弁及び排気ポートを開閉可能な排気弁が備え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、
   各気筒の吸気ポートと、前記吸気ポートにそれぞれ接続された複数の独立吸気通路と、前記独立吸気通路の各上流端部が接続されたサージタンクと、前記サージタンクに接続されたエアクリーナとを含む吸気系、及び、
   １つの気筒又は排気順序が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た複数の独立排気通路と、前記独立排気通路の各下流端部が束ねられた状態で接続され、各独立排気通路の下流端部から噴出した排気が集合する混合管とを含む排気系を有し、
   エンジン回転数が所定の第１回転数未満のエンジン低速域においては、各気筒の吸排気開弁期間が所定のオーバーラップ期間を有し、排気順序が連続する気筒間において一方の気筒のオーバーラップ期間が他方の気筒の排気開弁時期に重複するように設定され、
   前記吸気弁の開閉により生じる振動の周波数が前記吸気系の共振周波数と一致する吸気共鳴の同調点が、エンジン回転数が前記第１回転数以上且つ前記第１回転数より高い所定の第２回転数未満のエンジン中速域に含まれるように前記吸気系の管長及び管径又は容量が設定され、
   前記吸気弁の開弁により生じる吸気の負圧波が前記サージタンクで反転して得られる正圧波に基く吸気慣性効果が、エンジン回転数が前記第２回転数以上のエンジン高速域で得られるように前記独立吸気通路の長さが設定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。
2. 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、
   前記吸気共鳴の同調点が前記エンジン中速域に含まれるように、前記エアクリーナの容量が調整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。
3. 請求項１又は２に記載の多気筒エンジンの吸排気装置において、
   各気筒の排気ポートにおける排気弁の着座位置から各独立排気通路の下流端までの距離が５００ｍｍ以下に設定されていることを特徴とする多気筒エンジンの吸排気装置。

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