JP2017110617A - エンジンの排気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低回転低負荷の運転領域において排気ガス浄化用の触媒を活性化させながら、高回転高負荷の運転領域において触媒の劣化を抑制することができるエンジンの排気装置を提供すること。
【解決手段】全ての気筒で燃料を燃焼させて当該気筒から排気ガスを排出させる全筒運転と、一部の気筒でのみ燃料を燃焼させて当該気筒から排気ガスを排出させる減筒運転との間で運転状態を切り替え可能な多気筒エンジンの排気装置であって、一部の気筒に対応する排気ポートに接続される第１排気管と、一部の気筒以外の気筒に対応する排気ポートに接続される第２排気管と、第１排気管および第２排気管よりも排気流れ方向の下流側に配置され、第１排気管を通過した排気ガスおよび第２排気管を通過した排気ガスを浄化する触媒装置と、第１排気管の放熱を抑制する放熱抑制手段とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの排気装置に関し、特に、エンジンの高回転高負荷領域において触媒装置の劣化を抑制することができるエンジンの排気装置に関する。

従来、車両用エンジンは、シリンダヘッドおよびシリンダブロックを有するエンジン本体と、このエンジン本体に接続される排気管と、この排気管に接続される触媒装置とを備えており、その一例が特許文献１に開示されている。

また、従来より、ＨＣＣＩ（予混合圧縮着火）燃焼型エンジンの研究が進められている。ＨＣＣＩ燃焼は、着火までに燃料と空気を十分に混合し、その希薄予混合気を燃焼室内で圧縮自己着火させる燃焼法である。ＨＣＣＩ燃焼は、熱効率が高いために燃費が良好であり、また、燃焼最高温度が低いためにＮＯｘの発生を抑制することができる。

特開２０１３−７９６０９号公報

ＨＣＣＩ燃焼のように希薄混合気を燃焼させる（リーン燃焼）エンジンにおいては、上記のような利点がある反面、燃焼による熱の発生量が少ないため、特に、低回転低負荷の運転領域において排気ガスの温度が低くなる。排気ガスの温度が低い場合には、触媒装置の触媒が活性温度に達しにくくなるために触媒が十分に機能せず、排気ガスの浄化性能が低下する虞がある。

この問題を解消するために、低温から活性化する触媒を備えた触媒装置を採用することが考えられるが、この種の触媒は高温域で劣化し易く、従って、排気ガスの温度が高くなる高回転高負荷の運転領域では、触媒の劣化が早まってしまう虞がある。

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、低回転低負荷の運転領域において排気ガス浄化用の触媒を活性化させながら、高回転高負荷の運転領域において触媒の劣化を抑制することができるエンジンの排気装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、全ての気筒で燃料を燃焼させて当該気筒から排気ガスを排出させる全筒運転と、一部の気筒でのみ燃料を燃焼させて当該気筒から排気ガスを排出させる減筒運転との間で運転状態を切り替え可能な多気筒エンジンの排気装置であって、前記一部の気筒に対応する排気ポートに接続される第１排気管と、前記一部の気筒以外の気筒に対応する排気ポートに接続される第２排気管と、前記第１排気管および前記第２排気管よりも排気流れ方向の下流側に配置され、前記第１排気管を通過した排気ガスおよび前記第２排気管を通過した排気ガスを浄化する触媒装置と、前記第１排気管の放熱を抑制する放熱抑制手段とを備えた、エンジンの排気装置を提供する。

本発明によれば、全筒運転と減筒運転との間で運転状態を切り替え可能な多気筒エンジンに接続される第１排気管および第２排気管と、この第１排気管の放熱を抑制する放熱抑制手段とを備えているので、一部の気筒でのみ燃料が燃焼している減筒運転時、すなわちエンジンの発熱量が比較的少ない場合には、放熱抑制手段により、第１排気管を流通している排気ガスの温度低下が抑制され、全ての気筒で燃料が燃焼している全筒運転時、すなわちエンジンの発熱量が比較的多い場合には、放熱抑制手段が設けられていない第２排気管からの自然放熱が相対的に促進され、第２排気管を流通している排気ガスの温度が低下する。従って、減筒運転が行われる低回転低負荷の運転時には触媒が活性化して十分な排気浄化性能が得られるような温度に、そして、全筒運転が行われる高回転高負荷の運転時には触媒の劣化が抑制されるような温度に、触媒装置に流入する排気ガスの温度を適切に制御することができる。

本発明においては、前記２排気管の放熱を促進する放熱促進手段をさらに備えていることが好ましい。

この構成によれば、全ての気筒で燃料が燃焼している全筒運転時、すなわちエンジンの発熱量が比較的多い場合には、放熱促進手段により、前記２排気管の放熱が促進される。従って、高回転高負荷の運転時には触媒の劣化が抑制されるような温度に、触媒装置に流入する排気ガスの温度をより適切に制御することができる。

本発明においては、前記エンジンは、前記減筒運転を実行しつつ、燃焼室内においてリーンな混合気を燃焼させることが好ましい。

この構成によれば、減筒運転を実行しつつ、リーンな混合気を燃焼させる（以下、この燃焼を「リーン燃焼」と称する）ことにより、気筒一つ当たりの負荷を大きくしながらリーン燃焼が行われることになる。リーン燃焼で生成される排気ガスは、特に低回転低負荷の運転領域において低温となり易いが、減筒運転によって気筒一つ当たりの負荷を大きくすることにより、その気筒内で生成される排気ガスの温度を高めることができ、放熱抑制手段による放熱抑制効果と相まって、低回転低負荷時（エンジン全体では低負荷）に触媒装置に流入する排気ガスの温度を適切な温度に制御することができる。

本発明においては、前記エンジンは、前記減筒運転を実行しつつ、燃焼室内においてリーンな混合気を自着火により燃焼させるＨＣＣＩ燃焼を実行することが好ましい。

ＨＣＣＩ燃焼は、リーン燃焼の一種であるが、燃焼室全体で同時多発的に着火が始まる燃焼形態であるため、点火プラグによって一箇所から点火が始まる他のリーン燃焼よりも効率的な燃焼を実現することができ、燃料をより薄くしたさらにリーンな燃焼が可能となり、燃費性能をさらに高めることができる。

本発明においては、前記エンジンは６気筒エンジンであり、前記エンジンの排気装置は、前記第１排気管を通過した排気ガスと前記第２排気管を通過した排気ガスとが流入して合流する合流部を有する集合管をさらに備え、前記第１排気管は、前記６つの気筒のうち、排気順序が連続しない３つの気筒に対応する３つの排気ポートに各々接続されて、排気流れ方向の下流側端部が束ねられた３つの第１上流管と、前記３つの第１上流管の下流側端部に接続されて、下流部に流路面積が上流側から下流側に向かって小さくなるノズル部を有して、そのノズル部の下流側端部が前記集合管に接続される１つの第１下流管とを有し、前記第２排気管は、前記６つの気筒のうち、前記３つの気筒以外の排気順序が連続しない３つの気筒に対応する３つの排気ポートに各々接続されて、排気流れ方向の下流側端部が束ねられた３つの第２上流管と、前記３つの第２上流管の下流側端部に接続されて、下流部に流路面積が上流側から下流側に向かって小さくなるノズル部を有して、そのノズル部の下流側端部が前記集合管に接続される１つの第２下流管とを有し、前記触媒装置は、前記集合管の下流側に設けられていることが好ましい。

この構成によれば、６つの気筒に対応する６つの排気管の集合方式として、いわゆる「６−２−１」集合方式が採用される。さらに、第１下流管のノズル部は、上流側から下流側に向かって流路面積が小さくなっているため、排気ガスはノズル部を通過する際に流速が大きくなり、その高速の排気ガスが集合管の合流部に流入することにより、合流部内に負圧が発生する。この負圧により、第２排気管から排気ガスが掃気される（吸い出される）。この掃気は、いわゆる動圧排気系のエゼクタ効果によるものである。同様に、第２下流管のノズル部は、上流側から下流側に向かって流路面積が小さくなっているため、排気ガスはノズル部を通過する際に流速が大きくなり、その高速の排気ガスが集合管の合流部に流入することにより、合流部内に負圧が発生する。この負圧により、第１排気管から排気ガスが掃気される（吸い出される）。

従来の６気筒エンジンにおける排気装置は、６−２−１集合方式を採用していたものの、上記エゼクタ効果を利用しないものであったため、第１排気管の排気ガスの圧力（正圧）が第２排気管の排気を阻害するいわゆる排気干渉を防止するために、第１下流管および第２下流管の長さを長くしていた。そして、触媒が活性化し得る温度の排気ガスを触媒装置に流入させるために、触媒装置を第１下流管および第２下流管に各々配置していた。これらの要因により、排気装置全体が大きくなるとともに製造コストが高くなるという問題があった。

一方、本構成によれば、上記エゼクタ効果により、第１排気管の排気ガスが第２排気管の排気を阻害するのを防止することができるため（排気干渉の防止）、第１下流管および第２下流管の長さを短くすることができる。これにより、触媒装置を集合管の下流側に設けた状態で、触媒が活性化し得る温度の排気ガスを触媒装置に流入させることが可能となる。そして、集合管の下流側の１つの管路に触媒装置を設ければよいため、触媒装置の数を減らすことができる。従って、排気装置のコンパクト化および製造コストの低減を図ることができる。

本発明においては、前記エンジンは、気筒列方向が車両前後方向に向くように縦置きに配置された直列６気筒エンジンであり、前記第２排気管は、前記第１排気管よりも車両前後方向前側に配置されていることが好ましい。

この構成によれば、第２排気管が第１排気管よりも車両前後方向前側に配置されているため、走行風や電動ファンが生成する風によって第２排気管は第１排気管よりも冷却され易くなる。従って、第２排気管をより効果的に放熱させることができる。

以上説明したように、本発明によれば、低回転低負荷の運転領域において排気ガス浄化用の触媒を活性化させながら、高回転高負荷の運転領域において触媒の劣化を抑制することができる。

本発明の実施形態に係る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を示す図である。 本発明の実施形態に係るエンジンの排気装置を示す斜視図である。 本発明の実施形態における第１下流管および第２下流管の各々の下流部を示す斜視図である。 本発明の実施形態における第１下流管および第２下流管の各々の下流部と、集合管とを示す斜視図である。 図２のＶ−Ｖ線断面図である。 本発明の実施形態において、減筒運転が行われる運転領域（エンジン回転数とエンジン負荷とで表される領域）と、全筒運転が行われる運転領域とを示す図である。 本発明の実施形態（６気筒エンジン）における吸排気タイミングを示す図である。 本発明の実施形態（６気筒エンジン）におけるエゼクタ効果をエンジン回転数毎に示す図である。 ４気筒エンジンにおける吸排気タイミングを示す図である。 ４気筒エンジンにおけるエゼクタ効果をエンジン回転数毎に示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施形態について詳述する。

＜全体構成の概略＞
図１に示されるように、本発明の実施形態に係るエンジンの排気装置を備えるエンジンシステム１００は、シリンダヘッド９及びシリンダブロックを有するエンジン１と、エンジン制御用のＥＣＵ２と、エンジン１に接続される複数の吸気管３と、エンジン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。

本実施形態に係るエンジンの排気装置は、上記エンジンシステム１００の構成要素のうち、排気マニホールド５と、触媒装置６とを備えている。

以下、排気装置を含むエンジンシステム１００の各構成要素について詳細に説明する。

＜エンジン＞
上記シリンダヘッド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の気筒１２（図１参照）が形成されている。本実施形態では、エンジン１は、気筒列方向が車両前後方向に向くように縦置きに配置された直列６気筒ガソリンエンジンであって、シリンダヘッド９及びシリンダブロックの内部には６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，第５気筒１２ｅ，第６気筒１２ｆ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〜１２ｆにおいて、１２０°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、排気行程がそれぞれ１２０°ＣＡずつずれるように構成されている。本実施形態では、第１気筒１２ａ→第５気筒１２ｅ→第３気筒１２ｃ→第６気筒１２ｆ→第２気筒１２ｂ→第４気筒１２ｄの順に点火が行われてこの順に排気行程等が実施される。図７における符号Ｔは、ピストンが上死点に位置するタイミング、符号Ｂは、ピストンが下死点に位置するタイミングを示している。

なお、本実施形態のエンジン１は、６つの気筒１２ａ〜１２ｆのうち、第４〜第６気筒１２ｄ〜１２ｆを休止させ、残りの第１〜第３気筒１２ａ〜１２ｃを稼働させる運転、つまり減筒運転が可能な可変気筒エンジンである。このため、上記のような点火順序は、減筒運転ではない通常の運転時（６つの気筒１２ａ〜１２ｆを全て稼働させる全筒運転時）のものである。一方、減筒運転時には、点火順序が連続しない３つの気筒（本実施形態では、第４〜第６気筒１２ｄ〜１２ｆ）において点火プラグ１５の点火動作が禁止され、第１気筒１２ａ、第３気筒１２ｃ、第２気筒１２ｂの順に点火が行われるようになる。本実施形態のエンジン１は、低回転低負荷の運転領域を含む運転領域Ｒａ（図６参照）では減筒運転を行い、それ以外の運転領域Ｒｂ（図６参照）では、全筒運転を行うように設定されている。

また、本実施形態のエンジン１は、混合気を自着火により燃焼させるＨＣＣＩ燃焼（Homogeneous-Charge Compression Ignition combustion）が部分負荷域で実行されるように構成された火花点火式エンジンである。具体的には、本実施形態のエンジン１は、減筒運転が行われる低回転低負荷の運転領域Ｒａ（図６参照）ではＨＣＣＩ燃焼を行い、それ以外の運転領域Ｒｂ（図６参照）では、点火プラグ１５の火花点火をきっかけに混合気を火炎伝播により燃焼させるＳＩ燃焼（Spark Ignition）を行うように設定されている。

図２に示されるように、各気筒１２の上部には、それぞれ燃焼室に向かって開口する吸気ポート１７及び排気ポート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。

各気筒１２の吸気ポート１７は、吸気流れ方向上流側に位置する１つの吸気側集合ポート１７ａと、吸気側集合ポート１７ａの下流側端部で二股に分かれた吸気側分岐ポート１７ｂとを有している。各吸気側分岐ポート１７ｂ下流端は、燃焼室に対して開口している。

各気筒１２の排気ポート１８は、排気流れ方向下流側に位置する１つの排気側集合ポート１８ａと、排気側集合ポート１８ａの上流側端部で二股に分かれた排気側分岐ポート１８ｂとを有している。各排気側分岐ポート１８ｂの上流端は、燃焼室に対して開口している。

各吸気側分岐ポート１７ｂには、これら吸気側分岐ポート１７ｂ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バルブ１９が設けられている。各排気側分岐ポート１８ｂには、これら排気側分岐ポート１８ｂ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バルブ２０が設けられている。

吸気バルブ１９は、図１に示される吸気バルブ駆動機構３０により駆動されることで、所定のタイミングで吸気ポート１７を開閉する。また、排気バルブ２０は、排気バルブ駆動機構４０により駆動されることで、所定のタイミングで排気ポート１８を開閉する。

吸気バルブ駆動機構３０は、吸気バルブ１９に当接された吸気カムシャフト３１と吸気ＶＶＴ（Variable Valve Timing Mechanism（可変バルブタイミング機構））３２とを有している。吸気カムシャフト３１は、周知のチェーン・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、吸気バルブ１９を開閉駆動する。

吸気ＶＶＴ３２は、吸気バルブ１９のバルブタイミングを変更するためのものである。この吸気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と吸気カムシャフト３１との間の位相差を変更して、これによりクランクシャフトと前記吸気カムシャフト３１との間の位相差を変更することで、吸気バルブ１９のバルブタイミングを変更する。この吸気ＶＶＴ３２は、ＥＣＵ２で算出された吸気バルブ１９の目標バルブタイミングに基づいて上記位相差を変更する。

排気バルブ駆動機構４０は、吸気バルブ駆動機構３０と同様の構造を有している。すなわち、排気バルブ駆動機構４０は、排気バルブ２０に当接され、クランクシャフトに連結された排気カムシャフト４１と、この排気カムシャフト４１とクランクシャフトとの間の位相差を変更することで、排気バルブ２０のバルブタイミングを変更する排気ＶＶＴ４２とを有している。排気ＶＶＴ４２は、ＥＣＵ２で算出された排気バルブ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。そして、排気カムシャフト４１は、この位相差の下でクランクシャフトの回転に伴い回転して、排気バルブ２０を前記目標バルブタイミングで開閉駆動する。

＜吸気管＞
図１に示されるように、吸気管３は、吸気流れ方向の下流端部が、気筒１２の吸気ポート１７に接続されている。具体的には、吸気管３は気筒数に対応して６本設けられており、各気筒１２に設けられた２つの吸気ポート１７が、１つの吸気管３に接続されている。

＜排気マニホールド＞
図１に示されるように、排気マニホールド５は、３つの気筒１２ａ〜１２ｃに対応する排気ポート１８（排気側集合ポート１８ａ）に接続される第１排気管５２０と、他の３つの気筒１２ｄ〜１２ｆに対応する排気ポート１８（排気側集合ポート１８ａ）に接続される第２排気管５２１と、第１排気管５２０を通過した排気ガスと第２排気管５２１を通過した排気ガスとが流入して合流する合流部５６を有する集合管５０と、第１排気管５２０の周囲に設けられる放熱抑制部材７０（本発明の「放熱抑制手段」に相当する）と、第２排気管５２１の周囲に設けられる放熱促進部材７１（本発明の「放熱促進手段」に相当する）とを備えている。

具体的には、第１排気管５２０は、６つの気筒１２のうち、排気順序が連続しない３つの気筒１２ａ〜１２ｃに対応する３つの排気ポート１８に各々接続されて、排気流れ方向の下流側端部が束ねられた３つの第１上流管５２ａ〜５２ｃと、これら３つの第１上流管５２ａ〜５２ｃの下流側端部に接続されて、下流部に流路面積が上流側から下流側に向かって小さくなるノズル部５２ｇ１（図３，４参照）を有して、そのノズル部５２ｇ１の下流側端部が集合管５０に接続される１つの第１下流管５２ｇとを有する。本実施形態では、ノズル部５２ｇ１の流路面積は、その上流端における流路面積に対して下流端における流路面積が約２／３に設定されている。

第２排気管５２１は、６つの気筒１２のうち、上記３つの気筒１２ａ〜１２ｃ以外の排気順序が連続しない３つの気筒１２ｄ〜１２ｆに対応する３つの排気ポート１８に各々接続されて、排気流れ方向の下流側端部が束ねられた３つの第２上流管５２ｄ〜５２ｆと、これら３つの第２上流管５２ｄ〜５２ｆの下流側端部に接続されて、下流部に流路面積が上流側から下流側に向かって小さくなるノズル部５２ｈ１（図３，４参照）を有して、そのノズル部５２ｈ１の下流側端部が集合管５０に接続される１つの第２下流管５２ｈとを有する。第２排気管５２１は、第１排気管５２０よりも、車両前後方向前側に配置されている。本実施形態では、ノズル部５２ｈ１の流路面積は、その上流端における流路面積に対して下流端における流路面積が約２／３に設定されている。

本実施形態では、第１上流管５２ａ〜５２ｃおよび第２上流管５２ｄ〜５２ｆは、全てほぼ同じ長さに設定されている。また、第１下流管５２ｇと第２下流管５２ｈは、ほぼ同じ長さに設定されている。さらに、第１上流管５２ａ〜５２ｃおよび第２上流管５２ｄ〜５２ｆは、全てほぼ同じ流路面積を有している。また、第１下流管５２ｇと第２下流管５２ｈは、ほぼ同じ流路面積を有している。

本実施形態では、ノズル部５２ｇ１の下流端およびノズル部５２ｈ１の下流端は、各々半円形となっている。そして、図５に示すように、これらノズル部５２ｇ１およびノズル部５２ｈ１は、半円形をなす各下流端が、互いに隣接して全体として略円形断面を形成するように集合して集合部５６の上流端に接続されている（図３〜５参照）。また、半円形の重心を通るノズル部５２ｇ１の軸芯Ｌ１は、下流側ほど集合管５０の軸芯Ｌ２に近接するように集合管５０の軸芯Ｌ２に対して傾斜している。同様に、半円形の重心を通るノズル部５２ｈ１の軸芯Ｌ３は、下流側ほど集合管５０の軸芯Ｌ２に近接するように集合管５０の軸芯Ｌ２に対して傾斜している。本実施形態では、軸心Ｌ１と軸心Ｌ２と軸心Ｌ３とは、ストレート部５７の内部において１点で互いに交わっている。

本実施形態では、図２に示されるように、第１上流管５２ａ〜５２ｃは、各々、気筒１２ａ〜１２ｃと対向する位置から湾曲して、下流端開口部を車両前後方向後側に向けた状態で、第１下流管５２ｇに接続されている。第１下流管５２ｇは、その上端部が下向きに湾曲して、当該上端部よりも下流側が集合管５０に向かって直線状に延びている。

同様に、第２上流管５２ｄ〜５２ｆは、各々、気筒１２ｄ〜１２ｆと対向する位置から湾曲して、下流端開口部を車両前後方向後側に向けた状態で、第２下流管５２ｈに接続されている。第２下流管５２ｈは、その上端部が下向きに湾曲して、当該上端部よりも下流側が集合管５０に向かって直線状に延びている。

図１に示されるように、第１排気管５２０と第２排気管５２１とは、互いに独立しており、気筒１２ａ〜１２ｃから排出されて第１排気管５２０を通過する排気ガスと、気筒１２ｄ〜１２ｆから排出されて第２排気管５２１を通過する排気ガスとは、互いに独立して集合管５０の集合部５６に流入する。

図３に示されるように、第１下流部５２ｇのノズル部５２ｇ１は、上流側から下流側に向かって流路面積が小さくなっているため、ノズル部５２ｇ１を流れる排気ガスは、流れる過程で流速が増大し、高速流となって集合管５０の集合部５６に流入する。このように高速の排気ガスが集合部５６に流入することにより、集合部５６内でその高速の排気ガスの周囲に負圧が発生する。その負圧は波動（負圧波）となって、第２排気管５２１内をエンジン１側へ伝播し、気筒１２ｄ〜１２ｆと連通する排気ポート１８のうち、開弁状態の排気ポート１８を通じて燃焼室から排気ガスが吸い出されるエゼクタ効果を生じさせる。

同様に、第２下流部５２ｈのノズル部５２ｈ１は、上流側から下流側に向かって流路面積が小さくなっているため、ノズル部５２ｈ１を流れる排気ガスは、流れる過程で流速が増大し、高速流となって集合管５０の集合部５６に流入する。このように高速の排気ガスが集合部５６に流入することにより、集合部５６内でその高速の排気ガスの周囲に負圧が発生する。その負圧は波動（負圧波）となって、第１排気管５２０内をエンジン１側へ伝播し、気筒１２ａ〜１２ｃと連通する排気ポート１８のうち、開弁状態の排気ポート１８を通じて燃焼室から排気ガスが吸い出されるエゼクタ効果を生じさせる。

集合管５０は、図１，２，４に示されるように、上流側から順に、下流側ほど流路面積が小さくなる集合部５６と、この集合部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ー部５８とを備えている。

集合部５６は、第１排気管５２０から流入した排気ガスおよび第２排気管５２１から流入した排気ガスが高い速度を維持したまま下流側に流れるように、下流側に向かうほどその流路面積が小さくなる形状を有している。本実施形態では、排気の速度をより高めるべく集合部５６の下流端の流路面積は、第１排気管５２０および第２排気管５２１の下流端（ノズル部５２ｇ１およびノズル部５２ｈ１の下流端）の流路面積の合計よりも小さく設定されている。本実施形態では、この集合部５６は、下流側に向かうに従って縮径する逆円錐台形状（漏斗形状）を有している。

ストレート部５７に流入した排気は、ディフューザー５８部に流入する。ディフューザー部５８は下流側に向かうほど流路面積が拡大する形状を有しており、集合部５６から排出された高速の排気は、ストレート部５７及びこのディフューザー部５８を通過することで圧力が回復する。本実施形態では、このディフューザー部５８は、下流側に向かうに従って拡径する円錐台形状を有している。

触媒装置６は、エンジン１から排出されて第１排気管５２０を通過した排気ガスおよび第２排気管５２１を通過した排気ガスを浄化するための装置である。この触媒装置６は、本実施形態では、図２に示されるように、排気流れ方向における下流側端部が上流側端部に対して車両前後方向前側でかつ下側に位置するように斜め向きに配置されている。この触媒装置６は、図２に示されるように、三元触媒６４ａおよびガソリン粒子フィルタ６４ｂ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は排気ガス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、ケーシング６２の上下流方向の中央部分に収容されており、このケーシング６２の上流端には所定の空間が形成されている。ディフューザー部５８の下流端はこのケーシング６２の上流端に接続されており、ディフューザー部５８から排出された排気はこのケーシング６２の上流端に流入した後、触媒本体６４側へ進行する。

放熱抑制部材７０（図１，２参照）は、第１排気管５２０の放熱を抑制するための部材である。放熱抑制部材７０の構成は、特に限定されるものではないが、本実施形態では、第１排気管５２０のほぼ全体を被覆するように、第１排気管５２０の周囲に設けられ、耐熱性および断熱性を有する材料により構成されている。この放熱抑制部材７０は、本実施形態では、第１排気管５２０の表面とは所定の間隔を隔てた状態で第１排気管５２０の表面を覆うように設けられている。なお、この放熱抑制部材７０は、第１排気管５２０の表面に密着するように、第１排気管５２０の表面に設けられてもよい。放熱抑制部材７０が第１排気管５２０の表面とは所定の間隔を隔てた状態で設けられる場合には、放熱抑制部材７０と第１排気管５２０との間に、断熱層として機能する空気層が形成されるため、断熱性能を高めることができる。このように構成された放熱抑制部材７０を設けることにより、第１排気管５２０を介して排気ガスの熱が放熱されるのを抑制することができる。なお、第１排気管５２０の表面とは所定の間隔を隔てた状態で放熱抑制部材７０を設ける場合には、放熱抑制部材７０は金属製のものを使用してもよい。

放熱促進部材７１（図１，２参照）は、第２排気管５２１の放熱を促進するための部材である。放熱促進部材７１の構成は、特に限定されるものではないが、本実施形態では、図２に示されるように、第２排気管５２１とは所定の間隔を隔てた状態で第２排気管５２１を全体的に包囲する外壁部７１０と、外壁部７１０と第１排気管５２１との間に形成される空間に冷却液を導入するために外壁部７１に接続される冷却液導入管７１ａと、上記空間から冷却液を導出するために外壁部７１０に接続される３つの冷却液導出管７１ｂ〜７１ｄとを備えている。冷却液導入管７１ａは、外壁部７１０に対し、第２下流部５２ｈにおけるノズル部５２ｈ１よりも上流側の位置で接続される。冷却液導出管７１ｂ〜７１ｄは、各々、外壁部７１０に対し、第２上流部５２ｄ，５２ｅ，５２ｆの上流側端部と対向する位置に接続される。冷却液導出管７１ｂ〜７１ｄと冷却液導入管７１ａとの間には、図外のラジエータが設けられており、このラジエータの冷却液導入口に冷却液導出管７１ｂ〜７１ｄが接続され、このラジエータの冷却液導出口に冷却液導入管７１ａが接続されている。この放熱促進部材７１においては、ラジエータで冷却された冷却液が冷却液導入管７１ａを通じて上記空間内に導入され、この冷却液により第２排気管５２１が冷却される。第２排気管５２１から熱を奪った冷却液は、冷却液導出管７１ｂ〜７１ｄを通じてラジエータに戻されて冷却される。

＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ２は、運転条件に応じて予め設定された吸気バルブ１９、排気バルブ２０の目標バルブタイミングの目標開度と、運転条件に応じて予め設定された運転モード（全筒運転または減筒運転のいずれの運転を行うか、ＨＣＣＩ燃焼またはＳＩ燃焼のいずれを行うか）とを記憶している。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、この運転条件に対応した目標値を抽出し、吸気バルブ１９、排気バルブ２０のバルブタイミングがこの目標値になるように、前記吸気ＶＶＴ３２、排気ＶＶＴ４２を駆動する。さらに、ＥＣＵ２は、演算した運転条件に基づき、全筒運転または減筒運転のいずれの運転を行うか、ＨＣＣＩ燃焼またはＳＩ燃焼のいずれを行うかを制御する。なお、減筒運転を行う場合には、ＥＣＵ２は、吸気バルブ１９および排気バルブ２０を閉じた状態を維持する制御を行ってもよいし、或いは、これらのバルブを開閉動作させる制御を行ってもよい。

次に、前記吸気バルブ１９及び排気バルブ２０の目標バルブタイミングについて、図７、８を参照しつつ説明する。図７は、各気筒１２における吸排気タイミングおよび吸排気流量（ＥＸ：排気流量、ＩＮ：吸気流量）を示す図であり、図８は、排気バルブ２０の開弁期間と吸気バルブ１９の開弁期間とがオーバーラップする期間とエゼクタ効果との関係をエンジン回転数毎に示す図である。図８において、符号Ａは排気バルブ２０のリフト量を示し、符号Ｂは吸気バルブ１９のリフト量を示している。また、図８において、符号Ｃ〜Ｅは、後述の後続気筒の排気ポートに負圧波が到達するタイミングおよび排気ポートに到達する負圧波の強さを示している。

なお、図７には、排気バルブ２０の開弁期間と吸気バルブ１９の開弁期間とのオーバーラップ期間を明示していないが、実際には、排気期間と吸気期間とが一部オーバーラップしている。

吸気バルブ１９及び排気バルブ２０の目標バルブタイミングは、図８に示されるように、所定の運転領域（例えば全運転領域又は所定の基準回転数以下等の一部の領域、低速・高負荷域等）において、各気筒１２の排気バルブ２０の開弁期間と吸気バルブ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、図７に示されるように、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の始期よりも所定時間早いタイミングで、他方の気筒（後続の気筒）１２の排気バルブ２０が開弁を開始するように設定されている。なお、上記所定時間は、先行気筒から排気ガスが排出されてから、その排気ガスが合流部５６に流入することにより合流部５６で発生した負圧波が後続気筒に到達するまでの時間である。

具体的には、図７に示すように、第１気筒１２ａの排気バルブ２０と吸気バルブ１９とがオーバーラップしている期間の始期よりも上記所定時間早いタイミングで第５気筒１２ｅの排気バルブ２０が開弁し、第５気筒１２ｅの排気バルブ２０と吸気バルブ１９とがオーバーラップしている期間の始期よりも上記所定時間早いタイミングで第３気筒１２ｃの排気バルブ２０が開弁し、第３気筒１２ｃの排気バルブ２０と吸気バルブ１９とがオーバーラップしている期間の始期よりも上記所定時間早いタイミングで第６気筒１２ｆの排気バルブ２０が開弁し、第６気筒１２ｆの排気バルブ２０と吸気バルブ１９とがオーバーラップしている期間の始期よりも所定時間早いタイミングで第２気筒１２ｂの排気バルブ２０が開弁し、第２気筒１２ｂの排気バルブ２０と吸気バルブ１９とがオーバーラップしている期間の始期よりも所定時間早いタイミングで第４気筒１２ｄの排気バルブ２０が開弁し、第４気筒１２ｄの排気バルブ２０と吸気バルブ１９とがオーバーラップしている期間の始期よりも所定時間早いタイミングで第１気筒１２ａの排気バルブ２０が開弁するように設定されている。

なお、本エンジンシステム１００において、吸気バルブ１９及び排気バルブ２０の開弁時期（開弁開始時期）及び閉弁時期とは、それぞれ、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。

＜本実施形態の作用効果＞
以上のように構成された本エンジンシステム１００における作用効果について説明する。

本実施形態によれば、図１に示されるように、全筒運転と減筒運転との間で運転状態を切り替え可能な多気筒エンジン１に接続される第１排気管５２０および第２排気管５２１と、この第１排気管５２０の放熱を抑制する放熱抑制部材７０と、第２排気管５２１の放熱を促進する放熱促進部材７１とを備えているので、一部の気筒１２ａ〜１２ｃでのみ燃料が燃焼している減筒運転時、すなわちエンジンの発熱量が比較的少ない場合には、放熱抑制部材７０により、第１排気管５２０を流通している排気ガスの温度低下が抑制され、全ての気筒１２ａ〜１２ｆで燃料が燃焼している全筒運転時、すなわちエンジンの発熱量が比較的多い場合には、放熱促進部材７１により、第２排気管５２１を流通している排気ガスの放熱が促進される。減筒運転は、エンジン１が低回転低負荷状態にあるときに行われ（図６参照）、全筒運転は、例えばエンジン１が高回転高負荷状態にあるときに行われる（図６参照）。従って、低回転低負荷の運転時には触媒が活性化して十分な排気浄化性能が得られるような温度に、そして、高回転高負荷の運転時には触媒の劣化が抑制されるような温度に、触媒装置６に流入する排気ガスの温度を適切に制御することができる。なお、放熱促進部材７１において冷却液の流量を調節すれば、排気ガスの温度をより適切に制御することができる。

また、本実施形態によれば、エンジン１は、減筒運転を実行しつつ、リーン燃焼、具体的にはＨＣＣＩ燃焼を実行するので、以下の効果が得られる。すなわち、減筒運転を実行しつつ、リーン燃焼を行うことにより、気筒一つ当たりの負荷を大きくしながらリーン燃焼が行われることになる。リーン燃焼で生成される排気ガスは、特に低回転低負荷の運転領域において低温となり易いが、減筒運転によって気筒一つ当たりの負荷を大きくすることにより、その気筒内で生成される排気ガスの温度を高めることができ、放熱抑制部材７０による放熱抑制効果と相まって、低回転低負荷時（エンジン１全体では低負荷）に触媒装置６に流入する排気ガスの温度を適切な温度に制御することができる。しかも、リーン燃焼の一種であるＨＣＣＩ燃焼は、燃焼室全体で同時多発的に着火が始まる燃焼形態であるため、点火プラグによって一箇所から点火が始まる他のリーン燃焼よりも効率的な燃焼を実現することができ、燃料をより薄くしたさらにリーンな燃焼が可能となり、燃費性能をさらに高めることができる。

また、本実施形態によれば、６つの気筒１２ａ〜１２ｆに対応する６つの排気管の集合方式として、いわゆる「６−２−１」集合方式が採用されており、さらに、第１下流管５２ｇのノズル部５２ｇ１は、上流側から下流側に向かって流路面積が小さくなっているため、排気ガスはノズル部５２ｇ１を通過する際に流速が大きくなり、その高速の排気ガスが集合管５０の合流部５６に流入することにより、合流部５６内に負圧が発生する。この負圧により、第２排気管５２１から排気ガスが掃気される（吸い出される）。同様に、第２下流管５２ｈのノズル部５２ｈ１は、上流側から下流側に向かって流路面積が小さくなっているため、排気ガスはノズル部５２ｈ１を通過する際に流速が大きくなり、その高速の排気ガスが集合管５０の合流部５６に流入することにより、合流部５６内に負圧が発生する。この負圧により、第１排気管５２０から排気ガスが掃気される（吸い出される）。

この掃気作用すなわちエゼクタ効果により、第１排気管５２０の排気ガスが第２排気管５２１の排気を阻害するのを防止するとともに、第２排気管５２１の排気ガスが第１排気管５２０の排気を阻害するのを防止することができるため（排気干渉の防止）、第１下流管５２ｇおよび第２下流管５２ｈの長さを従来の排気装置よりも短くすることができる。これにより、触媒装置６を集合管５０の下流側に設けた状態で（図１，２参照）、触媒が活性化し得る温度の排気ガスを触媒装置６に流入させることが可能となる。そして、集合管５０の下流側の１つの管路に触媒装置６を設ければよいため、触媒装置６の数を減らすことができる。従って、排気装置６のコンパクト化および製造コストの低減を図ることができる。

また、本実施形態では、第２排気管５２１が第１排気管５２０よりも車両前後方向前側に配置されているため、走行風や電動ファンが生成する風によって第２排気管５２１は第１排気管５２０よりも冷却され易くなる。従って、第２排気管５２１をより効果的に放熱させることができる。

また、本実施形態では、減筒運転を行う場合に、休止させる気筒１２の排気バルブ２０および吸気バルブ１９を開閉することにより、吸気（新気）を燃焼室を通じて第２排気管５２１に流すようにしてもよく、この場合、燃焼していない低温の吸気により第２排気管５２１の放熱を促進することができる。

また、本実施形態では、６気筒エンジンの排気装置においてエゼクタ効果を作用させているため、図８に示されるように、１０００〜４０００回転の広いエンジン回転数の範囲に亘り、後続気筒の排気ポート１８が開いている期間に少なくとも負圧波のピーク部分を当該排気ポート１８に到達させて、この広範囲のエンジン回転数域においてエゼクタ効果を発揮させることができる。これにより、低回転域から高回転域まで広い範囲に亘り、エンジン１のトルクを向上させることができる。

これに対し、４サイクルの４気筒エンジンの排気装置においてエゼクタ効果を作用させる場合には、６気筒エンジンの場合と比べて十分なエゼクタ効果を発揮させることが難しい。図９は、４気筒エンジンの各気筒における吸排気タイミングおよび吸排気流量（ＥＸ：排気流量、ＩＮ：吸気流量）を示す図であり、図１０は、４気筒エンジンにおける排気バルブの開弁期間と吸気バルブの開弁期間とがオーバーラップする期間とエゼクタ効果との関係をエンジン回転数毎に示す図である。

４気筒エンジンでは、図９に示すように、各気筒において、１８０°ＣＡずつずれたタイミングで点火プラグによる点火が行われて、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程がそれぞれ１８０°ＣＡずつずれるように構成されている。具体的には、第１気筒→第３気筒→第４気筒→第２気筒の順に点火が行われてこの順に排気行程等が実施される。また、４気筒エンジンは、図９に示されるように、第１気筒の排気バルブと吸気バルブとがオーバーラップしている期間の始期よりも所定時間早いタイミングで第３気筒の排気バルブが開弁し、第３気筒の排気バルブと吸気バルブとがオーバーラップしている期間の始期よりも所定時間早いタイミングで第４気筒の排気バルブが開弁し、第４気筒の排気バルブと吸気バルブとがオーバーラップしている期間の始期よりも所定時間早いタイミングで第２気筒の排気バルブが開弁し、第２気筒の排気バルブと吸気バルブとがオーバーラップしている期間の始期よりも所定時間早いタイミングで第１気筒の排気バルブが開弁するように設定されている。

このような４気筒エンジンでは、図１０に示されるように、１０００〜２０００回転のエンジン回転数の範囲では、後続気筒の排気ポート１８が開いている期間に負圧波の少なくともピーク部分を当該排気ポート１８に到達させて、この広範囲のエンジン回転数域においてエゼクタ効果を発揮させることができるが、４０００回転以上のエンジン回転数の範囲では、後続気筒の排気ポートが開いている期間に負圧波が十分に当該排気ポートに到達することが難しくなり、このエンジン回転数域においてはエゼクタ効果を十分に発揮させることが難しくなる。これは、各気筒の排気工程が気筒間で１８０°ＣＡずつずれており、６気筒の１２０°ＣＡに対して大きいために、後続気筒の排気ポートに負圧波が到達するタイミングが遅れるためである。

なお、上記実施形態では、放熱促進部材７１において、外壁部７１０と第２排気管５２１との間の空間に冷却液を流しているが、外気等の空気を流してもよい。

また、上記放熱促進部材７１に代えて、走行風を導入可能な開閉式のエアシャッタ装置（図示略）を車両前部に設けて、必要に応じてシャッタを開いて走行風を導入し、その走行風により第２排気管５２１の表面を直接空冷するようにしてもよい。この場合には、上記エアシャッタ装置が本発明の放熱促進手段に相当する。

また、上記実施形態では、リーン燃焼の一種としてＨＣＣＩ燃焼を採用しているが、リーンな混合気を点火プラグにより点火する燃焼形態を採用してもよい。

また、上記実施形態に係るエンジン１は６気筒エンジンであるが、４気筒、５気筒、８気筒など、気筒数を変更してもよい。

また、上記実施形態に係るエンジン１はガソリンエンジンであるが、ディーゼルエンジンに適用してもよい。

１ エンジン
１２ａ〜１２ｆ 気筒
５０ 集合管
５２ａ〜５２ｃ 第１上流管
５２ｄ〜５２ｆ 第２上流管
５２ｇ 第１下流管
５２ｇ１ ノズル部
５２ｈ 第２下流管
５２ｈ１ ノズル部
５６ 合流部
７０ 放熱抑制部材
７１ 放熱促進部材
５２０ 第１排気管
５２１ 第２排気管

Claims (6)

1. 全ての気筒で燃料を燃焼させて当該気筒から排気ガスを排出させる全筒運転と、一部の気筒でのみ燃料を燃焼させて当該気筒から排気ガスを排出させる減筒運転との間で運転状態を切り替え可能な多気筒エンジンの排気装置であって、
   前記一部の気筒に対応する排気ポートに接続される第１排気管と、
   前記一部の気筒以外の気筒に対応する排気ポートに接続される第２排気管と、
   前記第１排気管および前記第２排気管よりも排気流れ方向の下流側に配置され、前記第１排気管を通過した排気ガスおよび前記第２排気管を通過した排気ガスを浄化する触媒装置と、
   前記第１排気管の放熱を抑制する放熱抑制手段とを備えた、エンジンの排気装置。
2. 前記２排気管の放熱を促進する放熱促進手段をさらに備えていることを特徴とする、請求項１に記載のエンジンの排気装置。
3. 前記エンジンは、前記減筒運転を実行しつつ、燃焼室内においてリーンな混合気を燃焼させることを特徴とする、請求項１または２に記載のエンジンの排気装置。
4. 前記エンジンは、前記減筒運転を実行しつつ、燃焼室内においてリーンな混合気を自着火により燃焼させるＨＣＣＩ燃焼を実行することを特徴とする、請求項３に記載のエンジンの排気装置。
5. 前記エンジンは６気筒エンジンであり、
   前記エンジンの排気装置は、前記第１排気管を通過した排気ガスと前記第２排気管を通過した排気ガスとが流入して合流する合流部を有する集合管をさらに備え、
   前記第１排気管は、前記６つの気筒のうち、排気順序が連続しない３つの気筒に対応する３つの排気ポートに各々接続されて、排気流れ方向の下流側端部が束ねられた３つの第１上流管と、前記３つの第１上流管の下流側端部に接続されて、下流部に流路面積が上流側から下流側に向かって小さくなるノズル部を有して、そのノズル部の下流側端部が前記集合管に接続される１つの第１下流管とを有し、
   前記第２排気管は、前記６つの気筒のうち、前記３つの気筒以外の排気順序が連続しない３つの気筒に対応する３つの排気ポートに各々接続されて、排気流れ方向の下流側端部が束ねられた３つの第２上流管と、前記３つの第２上流管の下流側端部に接続されて、下流部に流路面積が上流側から下流側に向かって小さくなるノズル部を有して、そのノズル部の下流側端部が前記集合管に接続される１つの第２下流管とを有し、
   前記触媒装置は、前記集合管の下流側に設けられていることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載のエンジンの排気装置。
6. 前記エンジンは、気筒列方向が車両前後方向に向くように縦置きに配置された直列６気筒エンジンであり、
   前記第２排気管は、前記第１排気管よりも車両前後方向前側に配置されていることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載のエンジンの排気装置。

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