JP2013185446A - 多気筒エンジンの排気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エゼクタ効果単独で得られる掃気効果を超える掃気効果が得られるように排気系が構成された多気筒エンジンの排気装置を提供する。
【解決手段】共通排気通路５４の上流端から下流端までの通路長を独立排気通路５２，５３の上流端から下流端までの通路長よりも短く設定する。容積拡大部６２ｂに到達した排気の正圧波が容積拡大部６２ｂで反射して負圧波が生成するように容積拡大部６２ｂの流路面積を容積拡大部６２ｂの上流の通路の流路面積よりも大きく設定する。少なくともエンジン低速域において、後続気筒１２から排出された排気の正圧波が容積拡大部６２ｂで反射して生成した負圧波が、先行気筒１２のオーバーラップ期間中に先行気筒１２の排気ポート１８に到達するように集合管５６の上流端から容積拡大部６２ｂの上流端までの長さＬ１を１ｍ以下に設定する。湾曲部において共通排気通路５４を独立排気通路５２，５３よりも内側に位置させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、自動車等に搭載される多気筒エンジンの排気装置に関する。

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、例えば、前記エゼクタ効果単独で得られる掃気効果を超える掃気効果が得られるように排気系を構成することが有効である。

そこで、本発明は、エゼクタ効果単独で得られる掃気効果を超える掃気効果が得られるように排気系が構成された多気筒エンジンの排気装置の提供を目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、吸気ポート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排気装置であって、１つの気筒の排気ポートに上流端が接続された１つ又は複数の独立排気通路と、排気順序が連続しない複数の気筒の排気ポートに複数の分岐通路の上流端がそれぞれ接続され、前記分岐通路が合流した１つの合流通路が形成された１つ又は複数の共通排気通路と、前記独立排気通路の下流端及び前記共通排気通路の下流端が束ねられて接続され、各下流端から噴出した排気が集合する集合管と、前記集合管の下流に設けられた容積拡大部と、少なくともエンジン回転数が所定の基準回転数未満のエンジン低速域において、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、前記気筒の排気弁が排気順序が１つ前の他の気筒のオーバーラップ期間中に開弁を開始するように、前記吸気弁及び前記排気弁を駆動する弁駆動手段とが設けられ、前記共通排気通路の上流端から下流端までの通路長が、前記独立排気通路の上流端から下流端までの通路長よりも短く設定され、前記容積拡大部は、前記気筒から排出された排気の正圧波が当該容積拡大部に到達し、当該容積拡大部で反射し、負圧波が生成するように、前記容積拡大部の上流の通路よりも流路面積（断面積）が大きく設定され、前記集合管の上流端から前記容積拡大部の上流端までの長さは、少なくとも前記エンジン低速域において、前記気筒から排出された排気の正圧波が前記容積拡大部で反射して生成した負圧波が、前記気筒よりも排気順序が１つ前の他の気筒のオーバーラップ期間中に当該他の気筒の排気ポートに到達するように、１ｍ以下に設定され、前記独立排気通路及び前記共通排気通路は、気筒列方向の一端側から他端側を見たときに湾曲する湾曲部が形成され、前記湾曲部において、前記共通排気通路は前記独立排気通路よりも内側に位置していることを特徴とする多気筒エンジンの排気装置である（請求項１）。

本発明によれば、気筒から排出された排気が独立排気通路又は共通排気通路の下流端から集合管に噴出することにより前記集合管内に負圧が発生し、この負圧により、他の気筒の排気ポート内の排気が下流に吸い出されるエゼクタ効果が得られる。

その際、少なくともエンジン低速域において、排気順序が連続する２つの気筒のうちの先行する気筒（以下単に「先行気筒」と記す場合がある）のオーバーラップ期間中に、後続する気筒（以下単に「後続気筒」と記す場合がある）の排気弁が開くので、少なくともエンジン低速域において、前記エゼクタ効果により、先行気筒内に負圧が生成し、前記先行気筒の掃気が促進される。

しかも、複数の分岐通路を有する共通排気通路の上流端から下流端までの通路長が、そのような分岐通路のない独立排気通路の上流端から下流端までの通路長よりも短く設定されているので、共通排気通路の排気通路容積の増大が抑制され、排気通路容積の気筒間格差が少なくなって、エゼクタ効果の気筒間格差が抑制される。すなわち、従来、複数の分岐通路を有する共通排気通路の前記通路長と、そのような分岐通路のない独立排気通路の前記通路長とを同じ長さ（等長）に設定すると、共通排気通路全体の排気通路容積が独立排気通路の排気通路容積よりも大きくなり、共通排気通路が接続された気筒から排出された排気が分岐通路から合流通路を通過するときに、排気が他の分岐通路に流れて（換言すれば膨張して）、エゼクタ効果が低下するという問題がある。これに対し、本発明では、共通排気通路の前記通路長を独立排気通路の前記通路長よりも短くしたから、排気通路容積の気筒間格差が少なくなり、たとえ排気が他の分岐通路に流れても（膨張しても）、エゼクタ効果の気筒間格差が抑制される。

その上で、本発明によれば、集合管の下流に設けられた容積拡大部の流路面積（断面積）、及び、集合管の上流端から容積拡大部の上流端までの長さ（以下便宜上「拡大部前長さ」と記す場合がある）が調整されることにより、少なくともエンジン低速域において、先行気筒のオーバーラップ期間中に、後続気筒から排出された排気の正圧波が容積拡大部で反射して生成した負圧波が前記先行気筒の排気ポートに到達するので、少なくともエンジン低速域において、前記負圧波により、先行気筒内の排気が排気ポート側に吸い出され、前記先行気筒の掃気がより一層促進される。

すなわち、本発明によれば、エゼクタ効果の気筒間格差が抑制され、そのため、安定した掃気効果が得られ、安定した体積効率（ηＶ）の向上が図られると共に、気筒から排出された排気が集合管に噴出することにより発生するエゼクタ効果による負圧と、気筒から排出された排気の正圧波が容積拡大部で反射することにより生成する負圧波とが協働し、エゼクタ効果単独で得られる掃気効果を超える掃気効果が得られる多気筒エンジンが実現する。その結果、エゼクタ効果単独の場合と比べて、体積効率がより一層向上し、広い回転域に亘ってトルクが向上し、トルクのワイドレンジ化が達成された多気筒エンジンが実現する。また、拡大部前長さが１ｍ以下に設定されているから、極低速域を除く実用的なエンジン回転域で、前記負圧波による吸い出し効果、すなわち掃気効果が得られる。

しかも、本発明では、前記独立排気通路及び前記共通排気通路は、気筒列方向の一端側から他端側を見たときに湾曲する湾曲部が形成され、前記湾曲部において、前記共通排気通路は前記独立排気通路よりも内側に位置しているので、例えば排気系のコンパクト化等のために形成される独立排気通路及び共通排気通路の湾曲部を有効利用して、効率よく共通排気通路の前記通路長を独立排気通路の前記通路長よりも短く設定できる。

本発明では、当該エンジンは直列４気筒エンジンであり、前記独立排気通路は２つ設けられ、気筒列方向においてエンジン端部に位置する第１気筒又は第４気筒の排気ポートに各独立排気通路の上流端が接続され、各独立排気通路の下流端の流路形状が扇形に形成され、前記共通排気通路は１つ設けられ、気筒列方向においてエンジン中央部に位置する第２気筒及び第３気筒の排気ポートに２つの分岐通路の上流端がそれぞれ接続され、前記合流通路の下流端の流路形状が扇形に形成され、前記集合管は、気筒列方向においてエンジン中央部に対向する位置に配置され、前記２つの独立排気通路の下流端及び前記１つの共通排気通路の下流端は、前記流路形状の扇形が３つ集まって円形となるように束ねられて前記集合管に接続され、前記１つの共通排気通路の下流端はエンジン寄りに配置され、前記２つの独立排気通路の下流端は気筒列方向に並んで配置されていることが好ましい（請求項２）。

この構成によれば、気筒列方向におけるエンジン中央部を境に、エンジンの一端側と他端側とで、２つの独立排気通路と１つの共通排気通路と３つの排気通路の下流端の配置と集合管とが対称に配置されるので、エゼクタ効果の気筒間格差が効率よく抑制される。

本発明では、前記気筒から排出された排気を浄化可能な触媒本体と、排気の流れ方向に延びて前記触媒本体を収容するケーシングとを含む触媒装置が設けられ、前記ケーシングは、前記集合管の下流端に接続され、前記触媒本体は、前記ケーシングの上流端から下流に離間した位置に配置され、前記ケーシングの前記触媒本体よりも上流側の一部又は全部が前記容積拡大部として機能していることが好ましい（請求項３）。

この構成によれば、触媒装置のケーシングの触媒本体よりも上流側の一部又は全部が前記正圧波から負圧波を生成させるための容積拡大部として機能するため、別途容積拡大部を設ける場合と比べて、排気系の構造を簡素化できる。また、別途容積拡大部を設ける場合と比べて、排気ポートから触媒本体までの距離を短くできるので、触媒本体に流入する排気の温度低下を抑制でき、触媒の活性化の点で有利となる。

本発明では、前記集合管は、下流ほど流路面積（断面積）が大きくなるように形成されたディフューザー部を前記集合管の上流端から下流に離間した位置に有することが好ましい（請求項４）。

この構成によれば、前記ディフューザー部の存在により、集合管の排気の流れ方向の長さを短く抑えつつ、集合管から排出される排気の圧力及び温度をより確実に回復させることができる。

本発明によれば、エゼクタ効果の気筒間格差が抑制され、そのため、安定した掃気効果が得られ、安定した体積効率の向上が図られつつ、エゼクタ効果単独で得られる掃気効果を超える掃気効果が得られるように排気系が構成され、そのため、広い回転域に亘ってトルクが向上し、トルクのワイドレンジ化が達成された多気筒エンジンが提供される。

本発明の実施形態に係る多気筒エンジンの排気装置を備えたエンジンシステムの概略構成図である。 図１の吸気系を除いた部分の拡大図である。 図１の排気系の概略側面図である。 本実施形態に係る排気系に含まれる独立排気通路、共通排気通路及び集合管の形状をより詳しく示す平面図である。 図４に示される部分の斜視図である。 図４に示される部分の側面図である。 本実施形態に係る吸気弁及び排気弁のバルブタイミングの説明図である。 本実施形態に係る吸気弁及び排気弁の開弁開始時期及び閉弁時期の説明図である。 図２のＩＸ−ＩＸ線断面図である。 図２のＸ−Ｘ線断面図である。 本実施形態の特徴の１つを説明するためのブロック平面図である。 本実施形態に係る集合管内の圧力分布図である。 排気順序が連続する気筒間の排気ポート内の圧力変化の説明図である。 本実施形態に係る排気装置の比較対象となる排気装置（比較装置）の図２に類似の概略構成図である。 本実施形態の効果を説明するための図１３に類似の説明図である。

（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排気装置１００を備えたエンジンシステムの概略構成図、図２は、図１の吸気系を除いた部分の拡大図、図３は、図１の排気系の概略側面図である。また、図４は、本実施形態に係る排気系に含まれる独立排気通路５２，５３、共通排気通路５４及び集合管５６の形状をより詳しく示す平面図、図５は、図４に示される部分の斜視図、図６は、図４に示される部分の側面図である。

なお、図１及び図２においては、シリンダヘッド９内の排気通路５２，５３，５４の長さが、例えば図４に示されるものに比べて長く描かれているが、これは、共通排気通路５４の分岐通路５４ｂ，５４ｃを明確に示すためであり、気筒１２…１２は、エンジン本体１の幅方向（図１及び図２に関して上下方向）の略中央部に設けられている。

この排気装置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、図２及び図４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。第１気筒１２ａ及び第４気筒１２ｄは、気筒列方向（図１及び図２に関して左右方向）においてエンジン本体１の端部に位置する気筒、第２気筒１２ｂ及び第３気筒１２ｃは、気筒列方向においてエンジン本体１の中央部に位置する気筒である。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７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。このことから明らかなように、第２気筒１２ｂ及び第３気筒１２ｃは、点火順序が連続せず、したがって排気順序も連続しない。

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８には「開弁開始時期」と記す）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８に示すように、バルブの開弁付近及び閉弁付近においてバルブリフトの勾配が緩やかな部分（ランプ部）を除いた区間をバルブの開弁期間とした場合の開弁開始時期及び閉弁完了時期のことをいう。例えば、ランプ部の高さが０．４ｍｍである場合には、バルブリフト量が０．４ｍｍに増大又は減少した時期が、それぞれ開弁時期及び閉弁時期になる。

各気筒１２の吸気ポート１７には独立吸気通路３が接続されている。独立吸気通路３は気筒数に対応して４つ備えられている。独立吸気通路３の気筒側の端部は２つに分かれ、その下流端が気筒１２の２つの吸気ポート１７に接続されている。

各気筒１２の排気ポート１８には独立排気通路５２，５３又は共通排気通路５４が接続されている。すなわち、エンジン本体１の排気側には、第１独立排気通路５２及び第２独立排気通路５３という２つの独立排気通路と、１つの共通排気通路５４とが備えられている。独立排気通路５２，５３の気筒側の端部はそれぞれ２つに分かれ、その上流端が気筒１２の２つの排気ポート１８に接続されている。共通排気通路５４は、上流側部分が第１分岐通路５４ｂ及び第２分岐通路５４ｃという２つの分岐通路に分岐し、各分岐通路５４ｂ，５４ｃの気筒側の端部は２つに分かれ、その上流端が気筒１２の２つの排気ポート１８に接続されている。

（２）排気系の構成
本実施形態に係る多気筒エンジンの排気系は、前記独立排気通路５２，５３と、前記共通排気通路５４と、集合管５６と、触媒装置６とを含む。

４つの気筒１２のうち、気筒列方向においてエンジン本体１の端部に位置する第１気筒１２ａ及び第４気筒１２ｄの排気ポート１８には、それぞれ第１独立排気通路５２の上流端及び第２独立排気通路５３の上端部が接続され、気筒列方向においてエンジン本体１の中央部に位置する第２気筒１２ｂ及び第３気筒１２ｃの排気ポート１８には、それぞれ共通排気通路５４の第１分岐通路５４ｂの上流端及び第２分岐通路５４ｃの上流端が接続されている。

第１独立排気通路５３及び第２独立排気通路５４は、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から集合管５６に向けて下流に延びている。これに対し、共通排気通路５４の第１分岐通路５４ｂ及び第２分岐通路５４ｃ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から所定距離だけ下流に延びた後、合流し、単一の合流通路５４ａとなって、集合管５６に向けて下流に延びている。すなわち、共通排気通路５４は、前記合流通路５４ａ、前記第１分岐通路５４ｂ、及び前記第２分岐通路５４ｃを含んでいる。そして、第１分岐通路５４ｂの上流端が第２気筒１２ｂの排気ポート１８に接続され、第２分岐通路５４ｃの上流端が第３気筒１２ｃの排気ポート１８に接続されている。

前述したように、第２気筒１２ｂと第３気筒１２ｃとは、相互に排気順序が連続しない気筒１２同士である。したがって、第２気筒１２ｂから排出された排気と、第３気筒１２ｃから排出された排気とが、共通排気通路５４を連続して流れることはない。

２つの独立排気通路５２，５３及び１つの共通排気通路５４は、相互に独立している。つまり、第１気筒１２ａから排出された排気と、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、第２気筒１２ｂから排出された排気とは、相互に干渉し合うことなく各排気通路５２，５３，５４を通過する。

第１独立排気通路５２及び第２独立排気通路５３は、第１気筒１２ａ及び第４気筒１２ｄの排気ポート１８から所定距離だけ下流に延びた後、気筒列方向においてエンジン本体１の中央部に向けて湾曲し、相互に近接する（図１、図２、図４及び図５参照）。同様に、共通排気通路５４の第１分岐通路５４ｂ及び第２分岐通路５４ｃは、第２気筒１２ｂ及び第３気筒１２ｃの排気ポート１８から所定距離だけ下流に延びた後、気筒列方向においてエンジン本体１の中央部に向けて湾曲し、相互に合流して合流通路５４ａとなる（図１、図２、図４及び図５参照）。

各排気通路５２，５３，５４の下流端部は、エンジン本体１の外部で、気筒列方向においてエンジン本体１の中央部に対向する位置で相互に束ねられ、これにより、各排気通路５２，５３，５４の下流端は、相互に束ねられた状態で集合管５６の上流端に接続される。集合管５６は、エンジン本体１の外部で、気筒列方向においてエンジン本体１の中央部に対向する位置に配置されている。各排気通路５２，５３，５４を通過した排気は、各排気通路５２，５３，５４の下流端から集合管５６内に噴出し、集合管５６内で集合する。

３つの排気通路５２，５３，５４の上流端（燃焼室を臨む排気ポート１８の開口）から下流端（集合管５６の上流端との接続部）までの通路長を同じ（等長）とした場合、これらの排気通路５２，５３，５４のうち、２つの気筒１２ｂ，１２ｃの排気ポート１８に接続するために上流側部分が２つの分岐通路５４ｂ，５４ｃに分岐している共通排気通路５４は、そのような分岐がない独立排気通路５２，５３に比べて、分岐している分だけ排気通路容積が大きくなる。すると、共通排気通路５４が接続された第２気筒１２ｂ又は第３気筒１２ｃから排出された排気が共通排気通路５４を通過するときは、排気が他の分岐通路５４ｂ，５４ｃに流れて（換言すれば膨張して）、エゼクタ効果が低下するのに対し、独立排気通路５２，５３が接続された第１気筒１２ａ又は第４気筒１２ｄから排出された排気が独立排気通路５２，５３を通過するときは、そのような現象（膨張）がないので、エゼクタ効果が低下せず、結果として、エゼクタ効果の気筒間格差が生じるという問題がある。

そこで、本実施形態では、このようなエゼクタ効果の気筒間格差を抑制するために、共通排気通路５４の上流端から下流端までの通路長が、第１独立排気通路５２及び第２独立排気通路５３の上流端から下流端までの通路長よりも短く設定されている。

図３及び図６に示すように、第１独立排気通路５２、第２独立排気通路５３、及び共通排気通路５４は、例えば排気系のコンパクト化等のために、気筒列方向の一端側から他端側を見たときに、エンジン本体１の外部で、図３に関して下方に湾曲する湾曲部Ｒが形成されている。そして、この湾曲部Ｒにおいて、共通排気通路５４は、第１独立排気通路５２及び第２独立排気通路５３よりも内側に位置している。これは、共通排気通路５４の上流端から下流端までの通路長を、独立排気通路５２，５３の上流端から下流端までの通路長よりも短く設定するための方策の１つである。

図１〜図４及び図６に示すように、独立排気通路５２，５３及び共通排気通路５４の上流側部分はシリンダヘッド９内に形成されている。そして、独立排気通路５２，５３及び共通排気通路５４のシリンダヘッド９外の部分（エンジン本体１の外部に露出している部分）及び集合管５６は、排気マニホールド５として形成されている。

特に、本実施形態では、図６から明らかなように、シリンダヘッド９内に形成された部分を含めて、前記湾曲部Ｒにおいて、共通排気通路５４は、第１独立排気通路５２及び第２独立排気通路５３よりも内側に位置している。ただし、これに限定されず、共通排気通路５４の上流端から下流端までの通路長が、独立排気通路５２，５３の上流端から下流端までの通路長よりも短く設定される限り、状況に応じて、シリンダヘッド９外の部分のみ、又は、シリンダヘッド９内に形成された部分のみ、共通排気通路５４が第１独立排気通路５２及び第２独立排気通路５３よりも内側に位置していてもよい。

図２及び図３に示すように、集合管５６は、上流から順に、円筒形状のガス流入部５６ａ、逆円錐台形状の絞り部５６ｂ、円筒形状のストレート部５６ｃ、円錐台形状のディフューザー部５６ｄ、及び円筒形状のガス排出部５６ｅを含む。束ねられた３つの排気通路５２，５３，５４の下流端は、前記ガス流入部５６ａに接続される。

各排気通路５２，５３，５４及び集合管５６は、各排気通路５２，５３，５４の下流端から排気が高速で集合管５６内に噴出し、これにより集合管５６内に負圧が発生し、発生した負圧によって隣接する他の排気通路５２，５３，５４と連通する排気ポート１８内の排気が下流に吸い出されるエゼクタ効果が得られるような形状を有している。さらに、集合管５６は、各排気通路５２，５３，５４の下流端から排気が高速で集合管５６内に噴出し、これにより低下した排気の圧力及び温度が集合管５６の下流側部分（例えばディフューザー部５６ｄ）において再び上昇、つまり回復するような形状を有している。

まず、各排気通路５２，５３，５４の下流側部分は、各排気通路５２，５３，５４の下流端から排気が高速で集合管５６内に噴出するように、流路面積（断面積のこと。以下同じ。）が下流ほど小さくなる先細り形状に形成されている（図４〜図６参照）。本実施形態では、図９に鎖線で示すように、各排気通路５２，５３，５４の上流側部分の流路の断面形状は円形ないし楕円形に形成されているが、下流側部分は流路面積が下流ほど小さくなり、図９に実線で示すように、下流端の流路形状は扇形に形成されている。この下流端の扇形の流路面積は、上流側の円形ないし楕円形の流路面積の略１／３に設定されている。３つの排気通路５２，５３，５４の下流端は、その流路形状の扇形が３つ集まって円形となるように束ねられて集合管５６のガス流入部５６ａに接続されている。

本実施形態では、各排気通路５２，５３，５４の下流端から集合管５６内に噴出した排気が円筒形状のガス流入部５６ａの内面に張り付いて排気の流速が低下するという不具合を抑制するために、図１０に示すように、ガス流入部５６ａの内面を、３つの排気通路５２，５３，５４の下流端が束ねられてなる円形よりも、径方向において外方に離間させている。例えば、３つの排気通路５２，５３，５４の下流端が束ねられてなる円形の外径を４０ｍｍ、ガス流入部５６ａの内径を６０ｍｍに設定し、２つの円を同心に配置している。

ここで、図１０及び図１１から明らかなように、共通排気通路５４の下流端はエンジン本体１寄りに配置され、第１独立排気通路５２及び第２独立排気通路５３の下流端は気筒列方向に並んで配置されている。

次に、集合管５６の絞り部５６ｂは、各排気通路５２，５３，５４の下流端から集合管５６内に噴出した排気が高い流速を維持したまま下流に流れるように、流路面積が下流ほど小さくなる逆円錐台形状に形成されている。この絞り部５６ｂの下流端の流路面積は、集合管５６の最小流路面積である。

また、集合管５６のストレート部５６ｃは、前記絞り部５６ｂから流入した排気の流速が維持されるように、前記最小流路面積を保って下流に延びる円筒形状に形成されている。

このような集合管５６の上流側部分の形状により、各排気通路５２，５３，５４の下流端から高速で集合管５６内に噴出した排気は、高速を維持したまま前記絞り部５６ｂを通過し、高速を維持したまま前記ストレート部５６ｃに流入し、この排気の周囲に大きい負圧が発生し、エゼクタ効果が得られる。

各排気通路５２，５３，５４の下流端の流路面積（本実施形態では扇形の面積）と同じ面積を有する真円の直径をａとし、前記集合管５６の最小流路面積（本実施形態では絞り部５６ｂの下流端の流路面積ひいてはストレート部５６ｃの流路面積）と同じ面積を有する真円の直径をＤとしたときに、ａ／Ｄを０．５以上に設定すれば、各排気通路５２，５３，５４の下流端から集合管５６内に噴出した排気が十分に高い流速でストレート部５６ｃに流入し、高いエゼクタ効果が得られることが分かっている。そこで、本実施形態では、ａ／Ｄ≧０．５が満足されるように、各排気通路５２，５３，５４の下流端の流路面積及び集合管５６の最小流路面積が定められている。

次に、集合管５６のディフューザー部５６ｄは、集合管５６の上流側部分において低下した排気の圧力及び温度が再び上昇、つまり回復するように、流路面積が下流ほど大きくなる円錐台形状に形成されている。

また、集合管５６のガス排出部５６ｅは、集合管５６が触媒装置６に接続し、排気が触媒装置６に排出される部分であり、流路面積が一定の円筒形状に形成されている。このガス排出部５６ｅの下流端に触媒装置６のケーシング６２が接続され、集合管５６を通過した排気は触媒装置６のケーシング６２に流入する。

以上のように構成された集合管５６において、任意の気筒１２から排気が排出されたときの圧力分布を調べた結果を図１２に示す。図１２は、２つの独立排気通路５２，５３及び１つの共通排気通路５４のうち、第１独立排気通路５２を選択し、対応する第１気筒１２ａの排気弁２０の開弁開始後に該気筒１２ａから高圧高速のガス（いわゆるブローダウンガス）が前記独立排気通路５２を通って集合管５６内に排出されたときの集合管５６内の圧力分布を示している。図１２に示されるように、独立排気通路５２の先細り形状の下流側部分から下流に向かって圧力が徐々に低下し、排気が噴出する独立排気通路５２の下流端から集合管５６のガス流入部５６ａ及び絞り部５６ｂに亘って圧力は十分に低下している（負圧大）。これによりエゼクタ効果が得られる。また、ストレート部５６ｃから下流に向かって圧力が徐々に上昇し、ディフューザー部５６ｄから排気が触媒装置６に排出されるガス排出部５６ｅに亘って圧力は十分に回復している（負圧小）。

ＥＣＵ２は、運転条件に応じて予め設定された吸気弁１９及び排気弁２０の目標バルブタイミングを記録領域に格納しており、ＥＣＵ２は、各種センサからの信号に基づき現在の運転条件を演算すると共にこの演算結果に対応した目標バルブタイミングを記録領域から抽出し、吸気弁１９及び排気弁２０のバルブタイミングがこの目標バルブタイミングとなるように、前記吸気ＶＶＴ３２及び排気ＶＶＴ４２を駆動する。

本実施形態では、前記吸気弁１９及び排気弁２０の目標バルブタイミングは、次のような観点から設定されている。すなわち、少なくともエンジン回転数が所定の基準回転数Ｎ１未満のエンジン低速域において（中速域や高速域まで拡大してもよいという意である）、図７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を挟んでオーバーラップし、且つ、後続気筒（排気順序が連続する２つの気筒のうちの排気順序が後続する気筒）１２の排気弁２０が先行気筒（排気順序が連続する２つの気筒のうちの排気順序が先行する気筒）１２のオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中に開弁を開始すること、である。具体的には、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が開弁するように設定されている。これにより、エゼクタ効果が増大し、先行気筒１２の排気ポート１８内の圧力はより一層低下する。

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、図２に示すように、三元触媒等の触媒本体６４と、この触媒本体６４を収容するケーシング６２とを備えている。

ケーシング６２は、前記集合管５６のガス排出部５６ｅに接続される接続部６２ａと、この接続部６２ａの下流に位置して前記触媒本体６４を収容する触媒収容部６２ｃと、接続部６２ａと触媒収容部６２ｃとの間に介在する容積拡大部６２ｂとを含んでいる。

前記接続部６２ａは、集合管５６のガス排出部５６ｅと略同じ径を有する円筒形状に形成されている。前記触媒本体６４は、略円筒形状であって、十分な触媒能力が確保されるように、前記集合管５６よりも大きな径を有している。これに伴い、前記触媒収容部６２ｃは、前記接続部６２ａよりも大径の略円筒形状に形成されている。例えば、前記接続部６２ａの径が６０ｍｍ程度であるのに対して、触媒収容部６２ｃの径は、１００ｍｍ程度に設定されている。そして、この接続部６２ａと前記触媒収容部６２ｃとの間に介設された前記容積拡大部６２ｂは、排気が接続部６２ａから円滑に触媒本体６４全体に流入するように、前記接続部６２ａから触媒収容部６２ｃに向かって拡径する円錐台形状に形成されている。

このようにして、ケーシング６２のうち、触媒本体６４の上流側の容積拡大部６２ｂには、当該容積拡大部６２ｂよりも上流側の通路（ここではケーシング６２の接続部６２ａ）に対して流路面積が拡大された比較的容積の大きい空間が形成されている。このため、集合管５６のガス排出部５６ｅからケーシング６２の接続部６２ａを通って前記容積拡大部６２ｂに到達した排気の圧力波（正圧波）は、この容積拡大部６２ｂにおいて反射し、負圧波に反転する。

ここで、ある気筒１２で排気弁２０が開弁した直後は、排気が急激に流出することにより、排気ポート１８に高い正圧が生じ、それに基く正圧の圧力波が排気系を下流側に向かって音速で伝播する。したがって、排気弁２０の開弁直後、前記容積拡大部６２ｂに最初に到達する圧力波は、正圧の圧力波になる。そして、この圧力波は、前記容積拡大部６２ｂで正圧から負圧に反転して反射し、この反転後の負圧波は、排気系を上流側に向かって音速で伝播する。この負圧波は、排気ポート１８に到達したとき、排気ポート１８内の排気を下流に吸い出す効果を有する。さらに、その場合に、気筒１２のオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中に到達したときは、気筒１２内の排気を下流に吸い出す効果、すなわち掃気の促進効果を有する。

一方、排気ポート１８から排出された排気そのものは、常に排気系を下流側へと流れ、独立排気通路５２，５３又は共通排気通路５４、集合管５６、ケーシング６２の接続部６２ａ及び容積拡大部６２ｂへと順に流入する。前述したように、排気ポート１８から排出された高圧、高温の排気は、流路面積が徐々に減少する排気通路５２，５３，５４の下流側部分及び集合管５６の上流側部分（ガス流入部５６ａ及び絞り部５６ｂ）を通過する過程で徐々に流速を増す（これに伴い圧力は低下する）が、その後、集合管５６のディフューザー部５６ｄを通過することで、圧力を回復させる。また、排気は、集合管５６のガス排出部５６ｅ及びケーシングの接続部６２ａを通過することでさらに圧力を回復させ、容積拡大部６２ｂ及び触媒収容部６２ｃへと流入する。

本実施形態では、触媒本体６４を収容するためのケーシング６２のうち、触媒本体６４よりも上流側に位置する前記容積拡大部６２ｂを、反転及び反射により排気の正圧波から負圧波を生成させるための容積拡大部として機能させている。

さらに、本実施形態では、図２に示すように、集合管５６の上流端から容積拡大部６２ｂの上流端までの長さ、すなわち拡大部前長さＬ１が、次のような観点から設定されている。すなわち、少なくともエンジン回転数が所定の基準回転数Ｎ１未満のエンジン低速域において（中速域や高速域まで拡大してもよいという意である）、後続気筒１２から排出されて前記容積拡大部６２ｂに到達した排気の正圧波が当該容積拡大部６２ｂで反転及び反射して生成した負圧波が、前記後続気筒１２よりも排気順序が１つ前の先行気筒１２のオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中に、前記先行気筒１２の排気ポート１８に到達すること、である。

本実施形態では、例えば、前記基準回転数Ｎ１が４０００ｒｐｍに設定され、前記拡大部前長さＬ１が３００ｍｍに設定されている。また、吸気弁１９及び排気弁２０のバルブタイミングは、排気弁２０の開弁時期がＢＢＤＣ（下死点前）６５°ＣＡ、排気弁２０の閉弁時期がＡＴＤＣ（上死点後）１５°ＣＡ、吸気弁１９の開弁時期がＢＴＤＣ（上死点前）１０°ＣＡに設定されている。

ここで、前記容積拡大部６２ｂで生成した負圧波が前記先行気筒１２の吸気ポート１８に到達するのに要する時間を短くするために、前記拡大部前長さＬ１をより短くすることも可能である。しかしながら、拡大部前長さＬ１を過度に短くすると、容積の大きい容積拡大部６２ｂがより上流側（エンジン本体１に近い側）に配置されることになるため、レイアウト上の制約が大きくなる。そこで、このような観点からも、本実施形態では、前記拡大部前長さＬ１が３００ｍｍに設定されている。

もっとも、前記拡大部前長さＬ１や前記基準回転数Ｎ１は、特に限定されるものではない。例えば、拡大部前長さＬ１を短くすると、後続気筒１２の排気ポート１８からブローダウンガスに基く正圧波が出射された後、容積拡大部６２ｂで生成した負圧波が先行気筒１２の排気ポート１８に到達するまでの時間が短くなる。すると、その負圧波の到達タイミングが先行気筒１２のオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中に収まるようになるエンジン回転数（つまり前記負圧波を利用した掃気促進が可能な回転数）が、より高速側に設定される。しかも、排気ポート１８から容積拡大部６２ｂまでの間では、圧力波が正圧から負圧、負圧から正圧へと交互に変化しつつ繰り返し往復するので（排気脈動）、複数回往復した後の高次の負圧波であれば、エンジン回転数が低くても、先行気筒１２のオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中に先行気筒１２の排気ポート１８に到達する。したがって、前記拡大部前長さＬ１を短くした場合は、より幅広い回転域で、排気脈動による負圧波を利用して掃気の促進を図ることができる。

ただし、排気脈動による負圧波は、高次になるほど減衰するため、拡大部前長さＬ１を短くした場合は、長くした場合に比べて、低回転域での掃気促進効果が相対的に小さくなる。よって、主として低回転域で掃気の促進を図りたいときは、拡大部前長さＬ１を長くすることがよい。しかしながら、拡大部前長さＬ１を過度に長くすると、容積拡大部６２ｂの下流に配置された触媒本体６４に流入する排気の温度が低下する。また、エンジン回転数が非常に低い極低速域で負圧波を先行気筒１２の排気ポート１８に到達させても、そのことによる掃気促進の意義は薄れてしまう。このような観点から、前記拡大部前長さＬ１は１ｍ以下に設定されることが好ましい。

例えば、拡大部前長さＬ１を１ｍに設定した場合は、エンジン回転数２０００ｒｐｍ付近において、排気弁２０の開弁時期及び閉弁時期をそれぞれＢＢＤＣ６５°ＣＡ、ＡＴＤＣ１５°ＣＡとし、吸気弁１９の開弁時期をＢＴＤＣ３０°ＣＡとすることで、先行気筒１２のオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中に、エゼクタ効果による負圧をこの先行気筒１２の排気ポート１８に生成させつつ、容積拡大部６２ｂでの反転及び反射による負圧波を同じくこの先行気筒１２の排気ポート１８に到達させることができる。

しかしながら、拡大部前長さＬ１を１ｍよりも長く設定した場合は、エンジン回転数が２０００ｒｐｍよりも低い極低速域でしか、前記負圧波を先行気筒１２の排気ポート１８に到達させることができなくなる。また、オーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌを十分に確保するために、排気弁２０の閉弁時期をより遅くしなければならなくなり、排気の吹き返し等が生じる可能性がある。このような観点からも、前記拡大部前長さＬ１は１ｍ以下に設定されることが好ましい。

図１３に、容積拡大部６２ｂでの排気の正圧波の反転及び反射による負圧波の生成及びこの負圧波の先行気筒１２の排気ポート１８への到達を確認するため、排気順序が連続する任意の先行気筒１２（図の下段）及び後続気筒１２（図の上段）の排気ポート１８内の圧力を測定した結果を、排気弁２０のリフトカーブすなわちバルブリフトと合わせて示す。この図１３において、実線で示した圧力波形Ｐ＿１は、排気系に前記容積拡大部６２ｂを有する本実施形態に係る排気装置１００の測定結果であり、破線で示した圧力波形Ｐ＿２は、図１４に例示するように、前記集合管５６よりも下流の部分に容積が拡大する部分を設けず、集合管５６よりも下流の部分を集合管５６のガス排出部５６ｅと同径の円筒管１６０で構成した排気装置（比較装置）の測定結果である。

なお、この図１３は、エゼクタ効果により排気ポート１８内に生成する負圧をなるべく排除し、容積拡大部６２ｂでの排気の正圧波の反転及び反射により生成した負圧波をより容易に確認できるように、排気弁２０と吸気弁１９とをオーバーラップさせずに、排気ポート１８内の圧力を測定した結果である。また、拡大部前長さＬ１は３００ｍｍ、エンジン回転数は１５００ｒｐｍとした。

図１３から明らかなように、後続気筒１２の排気弁２０の開弁開始直後（クランク角＝ＣＡ＿１）に、この後続気筒１２から非常に高い圧力（圧力＝Ｐ＿ｍａｘ）及び高い速度のブローダウンガスが排出されると、本実施形態の排気装置１００（実線）では、その直後（クランク角＝ＣＡ＿２付近）に、先行気筒１２の排気ポート１８内の圧力が負圧（Ｐ＿ｍｉｎ１）となっている。これに対して、比較装置（破線）では、前記ブローダウンガスの排出後、先行気筒１２の排気ポート１８内の圧力は正圧を維持している。これにより、前記容積拡大部６２ｂの存在によって負圧波が生成し、この負圧波が先行気筒１２の排気ポート１８に負圧を作用させることが確認された。

図１５に、図１３の圧力波形Ｐ＿１（実線）と併せて、排気弁２０と吸気弁１９とをオーバーラップさせた場合の本実施形態に係る排気装置１００の圧力波形Ｐ＿３（鎖線）を示す。その他の条件は同じである。

図１５から明らかなように、排気弁２０と吸気弁１９とをオーバーラップさせた場合は、容積拡大部６２ｂでの反転及び反射による負圧波の生成に加えて、エゼクタ効果がより強く発揮されることにより、後続気筒１２の排気弁２０の開弁開始直後（クランク角＝ＣＡ＿２付近）において、先行気筒１２の排気ポート１８内の圧力が、排気弁２０と吸気弁１９とのオーバーラップがないときの図１３の負圧（Ｐ＿ｍｉｎ１）よりもさらに大きい負圧（Ｐ＿ｍｉｎ２）となっている。これにより、排気弁２０と吸気弁１９とのオーバーラップにより、エゼクタ効果により先行気筒１２の排気ポート１８に負圧を生成させつつ、前記負圧波により同じ先行気筒１２の排気ポート１８に負圧を作用させることができ、より一層の高い掃気性能が得られることが確認された。

（３）本実施形態の特徴
本実施形態においては、気筒１２から排出された排気が、独立排気通路５２，５３又は共通排気通路５４を通過し、これらの排気通路５３，５３，５４の下流端から集合管５６に噴出することにより、前記集合管５６内に負圧が発生し、この負圧により、他の気筒１２の排気ポート１８内の排気が下流に吸い出されるエゼクタ効果が得られるように、排気系が構成されている。

その際、少なくともエンジン低速域において、排気順序が先行する先行気筒１２のオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中に、排気順序が後続する後続気筒１２の排気弁２０が開くので、少なくともエンジン低速域において、エゼクタ効果により、先行気筒１２内に負圧が生成し、前記先行気筒１２の掃気が促進される。

しかも、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とに接続するために、２つの分岐通路５４ｂ，５４ｃを有する共通排気通路５４の上流端から下流端までの通路長が、そのような分岐通路のない単一通路の独立排気通路５２，５３の上流端から下流端までの通路長よりも短く設定されているので、前記分岐に起因する共通排気通路５４の排気通路容積の増大が是正され、排気通路容積の気筒間格差が少なくなる。そのため、前述したエゼクタ効果の気筒間格差の問題が抑制される。

このエゼクタ効果の気筒間格差の抑制を確認するために、独立排気通路５２，５３と共通排気通路５４とで上流端から下流端までの通路長を同じ（等長）とした場合と、共通排気通路５４の前記通路長を独立排気通路５２，５３の前記通路長よりも短くして排気通路容積の気筒間格差を少なくした場合とで、図１３及び図１５のように、排気ポート圧力を測定したところ、排気通路容積の気筒間格差を少なくした場合は、排気通路５２，５３，５４の前記通路長を同じとした場合に比べて、ブローダウンガスのピーク圧力（図１３及び図１５におけるＰ＿ｍａｘに相当）の気筒間のバラツキが縮小した。また、体積効率（ηＶ）の気筒間格差も小さくなり、体積効率の最大バラツキが３％から２．２％に減少した。

その上で、容積拡大部６２ｂの流路面積、及び、拡大部前長さＬ１が調整されることにより、少なくともエンジン低速域において、先行気筒１２のオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中に、後続気筒１２から排出された排気の正圧波が容積拡大部６２ｂで反転及び反射して生成した負圧波が前記先行気筒１２の排気ポート１８に到達するので、少なくともエンジン低速域において、前記負圧波により、先行気筒１２内の排気が排気ポート１８側に吸い出され、前記先行気筒１８の掃気がより一層促進される。

その結果、エゼクタ効果の気筒間格差が抑制され、そのため、安定した掃気効果が得られ、安定した体積効率の向上が図られると共に、気筒１２から排出された排気が集合管５６に噴出することにより発生するエゼクタ効果の負圧と、気筒１２から排出された排気の正圧波が容積拡大部６２ｂで反転及び反射することにより生成する負圧波とが協働し、エゼクタ効果単独で得られる掃気効果を超える掃気効果が得られる多気筒エンジンが実現する。

したがって、エゼクタ効果単独の場合と比べて、体積効率がより一層向上し、広い回転域に亘ってトルクが向上し、トルクのワイドレンジ化が達成された多気筒エンジンが実現する。また、拡大部前長さＬ１が１ｍ以下に設定されているから、例えば極低速域等を除く実用的なエンジン回転域で、前記負圧波による吸い出し効果、すなわち掃気効果が得られる。

しかも、本実施形態においては、図３及び図６に示したように、独立排気通路５２，５３及び共通排気通路５４は、気筒列方向の一端側から他端側を見たときに湾曲する湾曲部Ｒが形成され、この湾曲部Ｒにおいて、共通排気通路５４は独立排気通路５２，５３よりも内側に位置している。

これにより、例えば排気系のコンパクト化等のために形成される独立排気通路５２，５３及び共通排気通路５４の湾曲部Ｒを有効利用して、効率よく、共通排気通路５４の上流端から下流端までの通路長を独立排気通路５２の上流端から下流端までの通路長よりも短くできる。

本実施形態においては、当該エンジンは直列４気筒エンジンである。２つ設けられた独立排気通路５２，５３は、それぞれ、気筒列方向においてエンジン本体１の端部に位置する第１気筒１２ａ又は第４気筒１２ｄの排気ポート１８に上流端が接続され、下流側部分が下流ほど流路面積が小さくなるように先細り形状に形成され、下流端の流路形状が扇形に形成されている。１つ設けられた共通排気通路５４は、気筒列方向においてエンジン本体１の中央部に位置する第２気筒１２ｂ及び第３気筒１２ｃの排気ポート１８に２つの分岐通路５４ｂ，５４ｃの上流端がそれぞれ接続され、前記分岐通路５４ｂ，５４ｃが合流した１つの合流通路５４ａが下流ほど流路面積が小さくなるように先細り形状に形成され、前記合流通路５４ａの下流端の流路形状が扇形に形成されている。集合管５６は、気筒列方向においてエンジン本体１の中央部に対向する位置に配置されている。そして、図１０及び図１１に示すように、２つの独立排気通路５２，５３の下流端及び１つの共通排気通路５４の下流端は、各下流端の流路形状の扇形が３つ集まって円形となるように束ねられて集合管５６に接続されている。その場合に、１つの共通排気通路５４の下流端はエンジン本体１寄りに配置され、２つの独立排気通路５２，５３の下流端は気筒列方向に並んで配置されている。

これにより、気筒列方向のエンジン本体１の中央部を境に、エンジン本体１の一端側と他端側とで、２つの独立排気通路５２，５３と１つの共通排気通路５４と３つの排気通路の下流端の配置と集合管５６とが対称に配置されるので、エゼクタ効果の気筒間格差が効率よく抑制される。

本実施形態においては、気筒１２から排出された排気を浄化可能な触媒本体６４と、排気の流れ方向に延びて前記触媒本体６４を収容するケーシング６２とを含む触媒装置６が設けられ、前記ケーシング６２は、前記集合管５６の下流端に接続され、前記触媒本体６は、前記ケーシング６２の上流端から下流に離間した位置（触媒収容部６２ｃ）で前記ケーシング６２に収容され、前記ケーシング６２の前記触媒本体６４よりも上流側の一部（容積拡大部６２ｂ）が正圧波の反転及び反射により負圧波を生成させるための容積拡大部として機能している。

これにより、触媒装置６のケーシング６２の触媒本体６４よりも上流側の容積拡大部６２ｂが正圧波から負圧波を生成させるための容積拡大部として機能するため、別途容積拡大部を設ける場合と比べて、排気系の構造を簡素化できる。また、別途容積拡大部を設ける場合と比べて、排気ポート１８から触媒本体６４までの距離を短くできるので、触媒本体６４に流入する排気の温度低下を抑制でき、触媒の早期活性化及び触媒の活性化状態の維持の点で有利となる。

本実施形態においては、前記集合管５６は、流路面積が下流ほど大きくなるように形成されたディフューザー部５６ｄを３つの排気通路５２，５３，５４の下流端（すなわち集合管５６の上流端）から下流に離間した位置に備えている。

これにより、ディフューザー部５６ｄの存在によって、集合管５６の排気の流れ方向の長さを短く抑えつつ、集合管５６から排出される排気の圧力及び温度をより確実に回復させることができる。

（４）本実施形態の変形例
集合管５６は、流路面積が縮小する絞り部５６ｂだけを含むもの（ストレート部５６ｃ及びディフューザー部５６ｄがないもの）でもよく、絞り部５６ｂと流路面積が拡大するディフューザー部５６ｄとだけを含むもの（ストレート部５６ｃがないもの）でもよい。このような構成の集合管５６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集合管５６を短くする場合に、絞り部５６ｂだけを含む集合管５６や、ストレート部５６ｃを省略して絞り部５６ｂとディフューザー部５６ｄとを直接滑らかに曲面でつなぐような形状の集合管５６等としても構わない。

したがって、集合管５６のディフューザー部５６ｄは省略可能であるが、このディフューザー部５６ｄを設けて、排気の圧力及び温度を回復させるようにすれば、容積拡大部６２ｂに到達する排気の正圧波の正圧量、ひいては容積拡大部６２ｂで反転及び反射して生成する負圧波の負圧量を高めることができ、この負圧波による気筒１２の掃気性能の向上効果をより高めることができる。また、触媒の活性化の点でも有利である。

触媒装置６のケーシング６２の接続部６２ａは省略可能である。つまり、ケーシング６２の触媒本体６４よりも上流側の全部（容積拡大部６２ｂ）が正圧波の反転及び反射により負圧波を生成させるための容積拡大部として機能することになる。これにより、集合管５６を出た排気が、直接、容積拡大部６２ｂを介して触媒本体６４に流入し、触媒の活性化の点で有利となる。

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、低速域でも高負荷域のみとしてもよい。

前記実施形態では、独立排気通路５２，５３の下流側部分を下流ほど流路面積が小さくなるように形成し、共通排気通路５４の合流通路５４ａを下流ほど流路面積が小さくなるように形成したが、これに限定されない。例えば、シリンダヘッド９と排気マニホールド５との合わせ面等では、下流のほうが流路面積が大きい部分が存在してもよい。すなわち、エゼクタ効果が得られる範囲内で、状況に応じて、各排気通路５２，５３，５４の下流端より上流側では、下流ほど流路面積が大きくなるように形成された部分があっても構わない。

１ エンジン本体
６ 触媒装置
１２ａ〜１２ｄ 第１〜第４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（弁駆動手段）
３２ 吸気ＶＶＴ
４０ 排気弁駆動機構（弁駆動手段）
４２ 排気ＶＶＴ
５２ 第１独立排気通路
５３ 第２独立排気通路
５４ 共通排気通路
５４ａ 合流通路
５４ｂ 第１分岐通路
５４ｃ 第２分岐通路
５６ 集合管
５６ｂ 絞り部
５６ｄ ディフューザー部
６２ ケーシング
６２ｂ 容積拡大部
６４ 触媒本体
１００ 排気装置
Ｌ１ 拡大部前長さ
Ｒ 湾曲部

Claims (4)

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排気装置であって、
   １つの気筒の排気ポートに上流端が接続された１つ又は複数の独立排気通路と、
   排気順序が連続しない複数の気筒の排気ポートに複数の分岐通路の上流端がそれぞれ接続され、前記分岐通路が合流した１つの合流通路が形成された１つ又は複数の共通排気通路と、
   前記独立排気通路の下流端及び前記共通排気通路の下流端が束ねられて接続され、各下流端から噴出した排気が集合する集合管と、
   前記集合管の下流に設けられた容積拡大部と、
   少なくともエンジン回転数が所定の基準回転数未満のエンジン低速域において、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、前記気筒の排気弁が排気順序が１つ前の他の気筒のオーバーラップ期間中に開弁を開始するように、前記吸気弁及び前記排気弁を駆動する弁駆動手段とが設けられ、
   前記共通排気通路の上流端から下流端までの通路長が、前記独立排気通路の上流端から下流端までの通路長よりも短く設定され、
   前記容積拡大部は、前記気筒から排出された排気の正圧波が当該容積拡大部に到達し、当該容積拡大部で反射し、負圧波が生成するように、前記容積拡大部の上流の通路よりも流路面積が大きく設定され、
   前記集合管の上流端から前記容積拡大部の上流端までの長さは、少なくとも前記エンジン低速域において、前記気筒から排出された排気の正圧波が前記容積拡大部で反射して生成した負圧波が、前記気筒よりも排気順序が１つ前の他の気筒のオーバーラップ期間中に当該他の気筒の排気ポートに到達するように、１ｍ以下に設定され、
   前記独立排気通路及び前記共通排気通路は、気筒列方向の一端側から他端側を見たときに湾曲する湾曲部が形成され、
   前記湾曲部において、前記共通排気通路は前記独立排気通路よりも内側に位置していることを特徴とする多気筒エンジンの排気装置。
2. 請求項１に記載の多気筒エンジンの排気装置において、
   当該エンジンは直列４気筒エンジンであり、
   前記独立排気通路は２つ設けられ、気筒列方向においてエンジン端部に位置する第１気筒又は第４気筒の排気ポートに各独立排気通路の上流端が接続され、各独立排気通路の下流端の流路形状が扇形に形成され、
   前記共通排気通路は１つ設けられ、気筒列方向においてエンジン中央部に位置する第２気筒及び第３気筒の排気ポートに２つの分岐通路の上流端がそれぞれ接続され、前記合流通路の下流端の流路形状が扇形に形成され、
   前記集合管は、気筒列方向においてエンジン中央部に対向する位置に配置され、
   前記２つの独立排気通路の下流端及び前記１つの共通排気通路の下流端は、前記流路形状の扇形が３つ集まって円形となるように束ねられて前記集合管に接続され、
   前記１つの共通排気通路の下流端はエンジン寄りに配置され、
   前記２つの独立排気通路の下流端は気筒列方向に並んで配置されていることを特徴とする多気筒エンジンの排気装置。
3. 請求項１又は２に記載の多気筒エンジンの排気装置において、
   前記気筒から排出された排気を浄化可能な触媒本体と、排気の流れ方向に延びて前記触媒本体を収容するケーシングとを含む触媒装置が設けられ、
   前記ケーシングは、前記集合管の下流端に接続され、
   前記触媒本体は、前記ケーシングの上流端から下流に離間した位置に配置され、
   前記ケーシングの前記触媒本体よりも上流側の一部又は全部が前記容積拡大部として機能していることを特徴とする多気筒エンジンの排気装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の多気筒エンジンの排気装置において、
   前記集合管は、下流ほど流路面積が大きくなるように形成されたディフューザー部を前記集合管の上流端から下流に離間した位置に有することを特徴とする多気筒エンジンの排気装置。

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