JP5407992B2

JP5407992B2 - 多気筒エンジンの排気装置

Info

Publication number: JP5407992B2
Application number: JP2010080143A
Authority: JP
Inventors: 幹公藤井; 和也横田; 達範佐々木; 直之山形
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2030-03-31
Also published as: JP2011214403A

Description

本発明は、自動車等に設けられる多気筒エンジンの排気装置に関する。

従来、自動車等のエンジンにおいて、エンジン出力を高めること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、ターボ過給機を有する装置であって、各気筒の排気ポートに接続されて互いに独立する複数の独立通路と、ターボ過給機の上流に設けられてこれら独立通路が集合する集合部と、この集合部に設けられて各独立通路の流路面積を変更可能なバルブとを備えたものが開示されている。この装置では、前記バルブによって前記独立排気通路の流路面積を縮小することで、排気行程にある気筒の排気を所定の独立通路から前記集合部に比較的高速で流入させ、この高速の排気の周囲に生成された負圧を前記集合部において他の独立通路に作用させていわゆるエゼクタ効果によってこの他の独立通路内の排気を下流側に吸い出すことで、ターボ過給機に供給されるガス量を増大させてエンジン出力を向上させるよう構成されている。

特開２００９−９７３３５号公報

自動車等のエンジンにおいて、エンジン出力の向上要求は依然として高く、特に、ターボ過給機を有しない構造の簡素化が図られたエンジンシステムでは、簡単な構成でエンジン出力を高めることが求められている。

本発明は、このような事情に鑑み、簡単な構成でより吸気量をより増大させてエンジン出力を高めることのできる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バルブと前記排気ポートを開閉可能な排気バルブとが設け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の下流端に接続されて、当該各独立排気通路を通過するガスが集合する集合部と、前記集合部の上流側に設けられて、前記各独立排気通路の流路面積を変更可能な流路面積可変バルブと、前記流路面積可変バルブを駆動可能な流路面積可変バルブ駆動手段と、前記各気筒の吸気バルブおよび排気バルブを駆動可能なバルブ駆動手段とを備え、前記流路面積可変バルブ駆動手段は、エンジンの回転数が予め設定された基準回転数よりも低い低速領域において、少なくともエンジンに対する要求トルクが高い高負荷領域では、前記各独立排気通路の流路面積が最大面積よりも小さくなるように前記流路面積可変バルブを駆動し、前記バルブ駆動手段は、前記低速領域の少なくとも前記高負荷領域において、前記各気筒の吸気バルブの開弁期間と排気バルブの開弁期間とが所定のオーバーラップ期間重複するとともに、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中に他方の気筒の排気バルブが開弁するように、かつ、排気上死点から前記排気バルブの閉弁時期までの期間における前記吸気バルブと前記排気バルブのうちバルブリフトの小さい方のバルブのバルブリフトの時間面積の方が、前記吸気バルブの開弁時期から排気上死点までの前記吸気バルブと前記排気バルブのうちバルブリフトの小さい方のバルブのバルブリフトの時間面積よりも大きくなるように、前記各気筒の吸気バルブおよび排気バルブを駆動することを特徴とする多気筒エンジンの排気装置を提供する。

本装置によれば、低速領域のうち少なくとも高負荷領域においてエゼクタ効果が効果的に利用されており、このエゼクタ効果によって気筒内の掃気が促進されて吸気効率ひいてはエンジン出力が高められる。

すなわち、この装置では、低速領域のうち少なくとも高負荷領域において、前記流路面積可変バルブが独立排気通路の流路面積を縮小しており、排気はこの独立排気通路を高速で通過する。所定の独立排気通路から高速の排気が噴出すると、エゼクタ効果により他の独立排気通路内のガスには下流への強い吸い出し力が加えられる。ここで、本装置では、所定の気筒のオーバーラップ期間中に他の気筒の排気バルブが開弁している。そのため、この排気バルブの開弁に伴って所定の独立排気通路から高速の排気が噴出すると、前記吸い出し力を受けて前記オーバーラップ期間にある気筒内のガスが吸い出され、このオーバーラップ期間にある気筒内の掃気が促進される。

吸気ポートから吸気バルブを介して気筒内に吸気が流入して気筒内から排気バルブを介して排気ポート側に残留ガスが流出するという掃気時のガス流れでは、掃気されるガス量は排気バルブと吸気バルブのうちバルブリフトの小さい方のバルブの開口量によって制約される。本装置では、前記オーバーラップ期間のうち排気上死点よりも遅角側において、吸気バルブと排気バルブのうちバルブリフトの小さい方のバルブのバルブリフトの時間面積がより大きく設定されて前記開口量が大きく確保されており、排気上死点よりも遅角側において重点的に掃気が行なわれている。この排気上死点よりも遅角側では、ピストンの下降に伴って吸気ポート内のガスには気筒内への吸引力が強く作用する。そのため、本装置では、前記のように、排気上死点よりも遅角側において掃気が重点的に行なわれることで、前記エゼクタ効果により気筒内の残留ガスの排出が促進されつつより多くの吸気が吸気ポートから気筒内に流入する結果、吸気効率がより一層向上する。

本発明において、前記バルブ駆動手段は、前記排気バルブの開弁期間を一定に保持しつつ当該排気バルブの開弁時期および閉弁時期を変更可能な排気バルブタイミング可変機構を備え、前記排気バルブタイミング可変機構は、前記低速領域の少なくとも前記高負荷領域において、前記オーバーラップ期間がエンジンの回転数が前記基準回転数よりも高い高速領域よりも大きくなるように、前記排気バルブの開弁時期および閉弁時期を前記高速領域よりも遅角させるのが好ましい（請求項２）。

エンジンの回転数が高く排気の流量が多い場合、前記オーバーラップ期間を長くすると所定の気筒から排出された排気の一部がこのオーバーラップ期間中の気筒内に逆流するおそれがある。これに対して、この構成では、エンジンの回転数が低い低速領域ではオーバーラップ期間が大きくされる一方、エンジン回転数が高い高速領域ではこの低速領域よりもオーバーラップ期間が小さくされている。そのため、前記低速領域ではオーバーラップ期間が確保されて前記エゼクタ効果により吸気効率が高められつつ、高速領域では前記逆流が抑制されて吸気効率が高く維持される。

しかも、この構成では、排気バルブの開弁期間を一定としつつ排気バルブの閉弁時期を遅角させることでオーバーラップ期間の変更が行われている。そのため、低速領域の少なくとも前記高負荷領域において、排気バルブはオーバーラップ期間にある他の気筒のピストンの下降行程により近いタイミングで開弁する。排気バルブの開弁開始直後は、気筒から勢いよく排出された排気（いわゆるブローダウンガス）により他の気筒に対して高い吸い出し力が作用する。従って、この構成では、ピストンの下降に伴って吸気ポート内のガスに気筒内への吸引力が作用しているタイミングで、気筒内の残留ガスに排気ポート側への高い吸い出し力が作用して、掃気性能がより一層高められる。

また、本発明において、前記バルブ駆動手段は、前記吸気バルブのバルブリフト量を変化させることで当該吸気バルブの閉弁時期を変更可能な吸気バルブタイミング可変機構を備え、前記吸気バルブタイミング可変機構は、前記低速領域の少なくとも前記高負荷領域において、エンジンに対する要求トルクが高いほど前記吸気バルブのバルブリフト量を大きくするのが好ましい（請求項３）。

このようにすれば、吸気バルブの開弁時期が一定時期に固定されて前記オーバーラップ期間が確保されることで、前記低速領域においてエゼクタ効果による吸気効率の向上が実現される。しかも、高負荷領域において吸気バルブのバルブリフト量が大きくされることで気筒に流入する吸気量が増大するため、エンジン出力がより高められる。

また、本発明において、前記バルブ駆動手段は、前記吸気バルブの開弁期間を一定期間に保持しつつ当該吸気バルブの開弁時期および閉弁時期を変更可能な吸気バルブタイミング可変機構を備え、前記吸気バルブタイミング可変機構は、前記低速領域の少なくとも前記高負荷領域において、前記オーバーラップ期間が前記高速領域よりも大きくなるように、前記吸気バルブの開弁時期および閉弁時期を前記高速領域よりも進角させるのが好ましい（請求項４）。

このようにすれば、排気バルブの閉弁時期に加えて吸気バルブの開弁時期が変更されることで、低速領域において十分なオーバーラップ期間が確保されるとともに、高速領域においてオーバーラップ期間が確実に小さくされる。そのため、低速領域においてエゼクタ効果により吸気効率が高められつつ、高速領域において前記逆流が抑制されて吸気効率が高く維持される。しかも、高速領域では吸気慣性によって比較的遅角側において気筒内に多くの吸気量が流入する。そのため、高速領域において吸気バルブの閉弁時期が遅角側に設定されることで、高速領域において気筒内により多くの吸気が流入する。

以上のように、本発明によれば、エゼクタ効果をより効果的に利用して吸気効率を高めることができる。

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に示すエンジン本体１の下流側の部分を下から見た図である。図２に示すエンジン本体１の下流側の部分の側面図である。図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。低速側通路および高速側通路の集合部分の構成を説明するための図である。各気筒の吸気バルブおよび排気バルブのバルブタイミングを説明するための図である。流路面積可変バルブの開度マップを示した図である。吸気バルブおよび排気バルブのオーバーラップ期間のマップを示した図である。排気バルブのバルブタイミングを説明するための図である。回転数の変化に伴う吸気バルブおよび排気バルブのバルブタイミングの変化を示した図である。本発明の他の実施形態に係る多気筒エンジンの排気装置における吸気バルブのバルブタイミングの変化を示した図である。本発明の実施形態に係る多気筒エンジンの排気装置における吸気バルブおよび排気バルブの開弁時期および閉弁時期を説明するための図である。

本発明に係る多気筒エンジンの排気装置の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は前記多気筒エンジンの排気装置を備えたエンジンシステム１００の概略構成図である。このエンジンシステム１００は、シリンダヘッド９およびシリンダブロック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およ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が形成されている。本実施形態では、４つの気筒１２、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が形成されている。前記シリンダヘッド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。

前記エンジン本体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℃Ａずつずれたタイミングで前記点火プラグ１５による点火が行われ、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程がそれぞれ１８０℃Ａ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３気筒１２ｃ→第４気筒１２ｄ→第２気筒１２ｂ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。

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２つの吸気ポート１７および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内部とを連通あるいは遮断するための吸気バルブ１９が設けられている。各排気ポート１８には、これら排気ポート１８を開閉してこれら排気ポート１８と気筒１２内部とを連通あるいは遮断するための排気バルブ２０が設けられている。前記吸気バルブ１９は吸気バルブ駆動機構（バルブ駆動手段）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、前記排気バルブ２０は、排気バルブ駆動機構（バルブ駆動手段）４０により駆動されて、所定のタイミングで排気ポート１８を開閉する。

前記吸気バルブ駆動機構３０は、吸気バルブ１９に連結された吸気カムシャフト３１と吸気ＶＶＴ（吸気バルブタイミング可変機構）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。

前記吸気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。吸気ＶＶＴ３２の具体的構成としては、例えば、前記被駆動軸と前記吸気カムシャフト３１との間に周方向に並ぶ複数の液室を有し、これら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、前記被駆動軸と前記吸気カムシャフト３１との間に設けられた電磁石を有し、前記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。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前記位相差を変更する。

前記排気バルブ駆動機構４０は、前記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および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ＶＶＴ（排気バルブタイミング可変機構）４２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って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。

なお、本実施形態では、前記吸気ＶＶＴ３２および排気ＶＶＴ４２は、吸気バルブ１９および排気バルブ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、吸気バルブ１９および排気バルブ２０の開弁時期と閉弁時期とをそれぞれ変更する。

前記各気筒１２の排気ポート１８は、その下流側において独立排気通路５２に接続されている。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と第３気筒１２ｃの排気ポート１８は、１つの独立排気通路５２ｂに接続されている。これら独立排気通路５２は互いに独立しており、第２気筒１２ｂあるいは第３気筒１２ｃから排出された排気と、第１気筒１２ａ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５２内を通って下流側に排出される。本実施形態では、これら独立排気通路５２の上流部分は前記シリンダヘッド９内に形成されており、これら独立排気通路５２の下流部分は前記排気マニホールド５に設けられている。

前記排気マニホールド５は、前述のように前記排気ポート１８に接続される３つの独立排気通路５２に加えて、３つの流路面積可変バルブ５８と、低速側集合部５６とを備えている。

前記独立排気通路５２は、その下流側、本実施形態では前記排気マニホールド５の上流端付近、において、それぞれ高速側通路５３と低速側通路５４とに分離している。図２および図３に示すように、高速側通路５３は、それぞれシリンダヘッド９に形成された独立排気通路５２の上流側部分から直線的に後方に延びた後、下方に湾曲する形状を有している。前記低速側通路５４は、前記排気マニホールド５の上流端付近から下方に湾曲した後、高速側通路５３の下方を通り、これら高速側通路５３と同様に直線的に後方に延びた後、下方に湾曲する形状を有している。

前記各高速側通路５３の断面積すなわち流路面積は互いに同一に設定されている。各低速側通路５４の断面積すなわち流路面積は、互いに同一に設定されている。また、各高速側通路５３の流路面積は低速側通路５４の流路面積よりも大きく設定されている。

前記流路面積可変バルブ５８は、前記各高速側通路５３の流路面積を変更し、これにより各独立排気通路５２の流路面積を変更するためのものである。これら流路面積可変バルブ５８は各高速側通路５３内にそれぞれ１つずつ設けられている。本実施形態では、これら流路面積可変バルブ５８は、高速側通路５３内の上流端付近であって高速側通路５３内と低速側通路５４とが分離する付近に設けられている。

前記流路面積可変バルブ５８は、その中央に設けられた回動軸５８ａが回動駆動されるに伴いこの回動軸５８ａを中心として回動する。本実施形態では、各流路面積可変バルブ５８に、共通の回動軸５８ａが固定されており、３つの流路面積可変バルブ５８は一体に回動する。各流路面積可変バルブ５８は、排気の流れ方向と略平行な方向に広がる全開位置（図３の破線）と、排気の流れ方向と略垂直な方向に広がる全閉位置（図３の実線）との間で回動し、高速側通路５３を開閉して高速側通路５３の流路面積を変更する。なお、図３では、流路面積可変バルブ５８の全開位置と全閉位置とをより明確に示すために、高速側通路５３内に配置されて破線で示されるべき流路面積可変バルブ５８を全閉位置にある状態で実線で示している。

前記回動軸５８ａは、その端部に設けられたバルブアクチュエータ（流路面積可変バルブ駆動手段）５８ｂにより回動駆動される。このバルブアクチュエータ５８ｂは、ＥＣＵ２で算出された流路面積可変バルブ５８の目標開度に応じて、前記回動軸５８ａを回動させて流路面積可変バルブ５８を全閉あるいは全開位置に駆動する。このバルブアクチュエータ５８ｂは前記回動軸５８ａを回動駆動して前記流路面積可変バルブ５８を回動可能なものであればどのようなものであってもよい。

前記低速側集合部５６は、前記低速側通路５４の下流側に設けられる部分である。この低速側集合部５６は、各低速側通路５４と連通した状態で各低速側通路５４の下流端に接続されている。各低速側通路５４を通過したガスは、この低速側集合部５６に流入してこの低速側集合部５６にて集合する。この低速側集合部５６において、前記３つの低速側通路５４の下流端は互いに隣接する位置に配置されている。

前記低速側集合部５６は、略円筒状であってその上流端の断面は略円形を有している。各低速側通路５４は、上流側では断面がそれぞれ略円形であって略円筒状をなす一方、下流端付近５５では断面が円形から下流に向かうに従って徐々に扇形となっている。そして、これら低速側通路５４は、扇形をなす各下流端が全体として略円形断面を形成するように集合して前記低速側集合部５６の円形断面の上流端に接続されており、低速側集合部５６の上流端の断面形状および断面積と３つの低速側通路５４の下流端全体の断面形状および断面積とはほぼ同一に設定されている。すなわち、各通路の構成を模式的に示した図５において、３×Ａ１（低速側通路５４の下流端の断面積の合計）＝Ｓ１０（低速側集合部５６の上流端の断面積）に設定されている。

前記低速側集合部５６は、その上流端から下流に向かうに従って縮径してその断面積すなわち流路面積が下流に向かうに従って縮小する形状を有しており、低速側集合部５６の下流端の断面積Ｓ１１が上流端の断面積Ｓ１０よりも小さく（Ｓ１１＜Ｓ１０＝３×Ａ１）設定されている。このように流路面積が絞られるように構成された低速側集合部５６には、各低速側通路５４から高速で排気が流入する。

前記低速側集合部５６の下流端には前記触媒装置６の後述するケーシング６２が接続されており、前記低速側通路５４に流入した排気はこの低速側集合部５６を高速で通過した後、前記ケーシング６２内に流入する。

前記触媒装置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、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、排気の流れ方向と平行に延びる略円筒状を有している。前記触媒本体６４は、前記ケーシング６２の下流部分に収容されており、このケーシング６２の上流部分には、ケーシング６２に流入したガスが混合可能な所定の空間が形成されている。

前記触媒装置６のケーシング６２は、前記低速側集合部５６および各高速側通路５３と連通した状態でこれら低速側集合部５６の下流端および各高速側通路５３の下流端に接続されている。従って、前記低速側集合部５６を通過した排気および各高速側通路５３を通過した排気は、このケーシング６２に流入してこのケーシング６２の上流部分にて集合する。

このように、本実施形態では、触媒装置６のケーシング６２の上流部分６２ａが、各独立排気通路を通過したガスが集合する集合部として機能する。そして、前記低速側通路５４に流入した排気は前記低速側集合部５６に流入した後このケーシング６２に流入する一方、高速側通路５３に流入したガスは途中で集合することなくこのケーシング６２に流入してこのケーシング６２にて集合する。

本実施形態では、前記３つの高速側通路５３は前記ケーシング６２の上流端において互いに隣接する位置に配置されている。

前記ケーシング６２の上流部分６２ａは、その上端の断面積Ｓ２０が前記低速側集合部５６の下流端の断面積Ｓ１１および各高速側通路５３の下流端の断面積Ａ２の合計面積よりも大きく、かつ、その上流端から所定距離の間、下流に向かうに従って拡径する形状を有している。すなわち、図５において、３×Ａ２＋Ｓ１１（高速側通路５３の下流端の断面積Ａ２の合計３×Ａ２と低速側集合部５６の下流端の断面積Ｓ１１との和）＞Ｓ２０（ケーシング６２の上流端の断面積）に設定されているとともに、Ｓ２０＜Ｓ２１（ケーシング６２の下流側の断面積）に設定されている。各高速側通路５３を通過した排気は、このように断面積が大きく容積の大きいケーシング６２に流入する。従って、各高速側通路５３を通過する排気は、その背圧が小さく抑えられて排気抵抗が少ない状態で円滑にケーシング６２内に流入する。

前記ＥＣＵ２は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラであって、プログラムを実行するためのＣＰＵと、ＲＡＭやＲＯＭからなりプログラム及びデータを格納するメモリと、各種信号の入出力を行なうＩ／Ｏバスとを備えている。このＥＣＵ２は、前記Ｉ／Ｏバスを介して各種センサからの信号を受け、この信号に基づき種々の演算を行う。

ＥＣＵ２は、運転条件に応じて、吸気バルブ１９および排気バルブ２０の目標バルブタイミングを演算するとともに、前記流路面積可変バルブ５８の目標開度を演算して、吸気バルブ１９および排気バルブ２０のバルブタイミング、流路面積可変バルブ５８の開度がこれら目標値になるように、吸気ＶＶＴ３２および排気ＶＶＴ４２、前記バルブアクチュエータ５８ｂを駆動する。

前記吸気バルブ１９および排気バルブ２０の目標バルブタイミングは、エンジンの回転数ＮＥが基準回転数Ｎ１より低い低速領域Ｒ１（図８参照）において、図６に示すように、吸気バルブ１９と排気バルブ２０の両方が排気上死点（ＴＤＣ）を挟んで所定のオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ開弁して排気バルブ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ように、かつ、排気バルブ２０が排気行程が連続する他の気筒１２の前記オーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中に開弁を開始するように設定されている。具体的には、第１気筒１２ａの吸気バルブ１９と排気バルブ２０とがオーバーラップしている期間中に第３気筒１２ｃの排気バルブ２０が開弁を開始し、第３気筒１２ｃの吸気バルブ１９と排気バルブ２０とがオーバーラップしている期間中に第４気筒１２ｄの排気バルブ２０が開弁を開始し、第４気筒１２ｄの吸気バルブ１９と排気バルブ２０とがオーバーラップしている期間中に第２気筒１２ｂの排気バルブ２０が開弁を開始し、第２気筒１２ｂの吸気バルブ１９と排気バルブ２０とがオーバーラップしている期間中に第１気筒１２ａの排気バルブ２０が開弁を開始するよう設定されている。

また、前記低速領域Ｒ１における前記排気バルブ２０および吸気バルブ１９の目標バルブタイミングは、図７に示すように、オーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中において、排気バルブ２０と吸気バルブ１９のバルブリフトカーブの重複する領域の面積が排気上死点ＴＤＣよりも遅角側の方が排気上死点よりも進角側よりも大きくなるように設定されている。すなわち、排気上死点ＴＤＣから排気バルブ２０の閉弁時期ＥＶＣまでの期間における排気バルブ２０と吸気バルブ１９のうちバルブリフトの小さい方のバルブ（図７では、角度Ｃ１までは吸気バルブ１９であり、Ｃ1以降は排気バルブ２０である）のバルブリフトの時間面積Ｓ＿ＶＬ２が、吸気バルブ１９の開弁時期ＩＶＯから排気上死点ＴＤＣまでの期間における排気バルブ２０と吸気バルブ１９のうちバルブリフトの小さい方のバルブ（図７では吸気バルブ１９）のバルブリフトの時間面積Ｓ＿ＶＬ１よりも大きくなるように設定されている。

前記オーバーラップ期間の掃気時において、吸気ポート１７から吸気バルブ１９を介して気筒１２内に吸気が流入して気筒１２内から排気バルブ２０を介して排気ポート１８側に残留ガスが流出するというガス流れでは、掃気されるガス量は排気バルブ２０と吸気バルブ１９のうちバルブリフトの小さい方のバルブの開口量によって制約される。これに対して、本エンジンシステム１００では、前記のように、排気上死点ＴＤＣよりも遅角側において、吸気バルブ１９と排気バルブ２０のうちバルブリフトの小さい方のバルブのバルブリフトの時間面積Ｓ＿ＶＬ２がより大きく設定されてこのバルブ開口量が大きく確保されており、排気上死点ＴＤＣよりも遅角側において重点的に掃気が行なわれる。

前記低速領域Ｒ１では、前記Ｓ＿ＶＬ２＞Ｓ＿ＶＬ１の関係が維持されつつ、図８に示すように、排気バルブ２０の目標バルブタイミング（開弁時期ＥＶＯおよび閉弁時期ＥＶＣ）はエンジン回転数ＮＥが高くなるほど進角側に設定されている。また、図９に示すように、吸気バルブ１９の目標バルブタイミング（開弁時期ＩＶＯおよび閉弁時期ＩＶＣ）はエンジン回転数ＮＥが高くなるほど遅角側に設定されている。そして、低速領域Ｒ１では、エンジンの回転数ＮＥが高くなるほど前記オーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌが小さくなるように設定されている。

前記基準回転数Ｎ１は、例えば、２０００ｒｐｍである。また、排気バルブ２０の開弁時期ＥＶＯおよび閉弁時期ＥＶＣは、例えば、２０００ｒｐｍにおいてＥＶＯ＝ＢＢＤＣ（下死点前）３０℃Ａ、ＥＶＣ＝ＡＴＤＣ（上死点後）３０℃Ａに設定され、１５００ｒｐｍ以下においてＥＶＯ＝ＢＢＤＣ２０℃Ａ、ＥＶＣ＝ＡＴＤＣ４０℃Ａに設定されている。吸気バルブ１９の開弁時期ＩＶＯおよび閉弁時期ＩＶＣは、例えば、２０００ｒｐｍにおいてＩＶＯ＝ＢＴＤＣ（上死点前）３０℃Ａ、ＩＶＣ＝５０℃Ａに設定され、１５００ｒｐｍ以下においてＩＶＯ＝ＢＴＤＣ４０℃Ａ、ＩＶＣ＝４０℃Ａに設定されて、前記オーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌは、２０００ｒｐｍにおいて６０℃Ａ、１５００ｒｐｍ以下において８０℃Ａに設定されている。

なお、エンジンの回転数ＮＥと前記オーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌの関係は、エンジンの回転数ＮＥが高い条件の方がエンジンの回転数ＮＥが低い条件に比べてオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌが小さく設定されていればよく、エンジンの回転数ＮＥに応じてオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌが連続的に変化するものでなくてもよい。

一方、エンジン回転数ＮＥが前記基準回転数Ｎ１以上の高速領域Ｒ２では、排気バルブ２０の目標バルブタイミングは前記低速領域Ｒ１よりも進角側に設定されている。また、高速領域Ｒ２では、吸気バルブ１９の目標バルブタイミングは前記低速領域Ｒ１よりも遅角側に設定されている。そして、高速領域Ｒ２では、排気バルブ２０と吸気バルブ１９オーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌが低速領域Ｒ１での値よりも小さく設定されている。例えば、高速領域Ｒ２ではオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌは４０℃Ａ以下に設定されている。

なお、高速領域Ｒ２においても、排気バルブ２０の目標バルブタイミングはエンジン回転数ＮＥが高くなるほど進角側に設定され、吸気バルブ１９の目標バルブタイミングはエンジン回転数ＮＥが高くなるほど遅角側に設定されている。

図１０に、低速領域Ｒ１とＲ２における排気バルブ２０および吸気バルブ１９の目標バルブタイミングを比較したものを示す。この図１０において、実線が低速領域Ｒ１での目標バルブタイミングであり、破線が高速領域Ｒ２での目標バルブタイミングである。

前述のように、排気バルブ２０の目標バルブタイミングはエンジン回転数ＮＥが低いほど遅角されており、全ての運転領域で下死点より前で開弁するよう設定された排気バルブ２０は、低速領域Ｒ１において、より下死点に近く他の気筒の上死点により近い時期で開弁する。

なお、本エンジンシステム１００において、前記吸気バルブ１９および排気バルブ２０の開弁時期、閉弁時期とは、それぞれ、図１２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あるい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。

前記流路面積可変バルブ５８の目標開度は、前記低速領域Ｒ１において全閉に設定される一方、高速領域Ｒ２において全開に設定されている。低速領域Ｒ１では、前記各高速側通路５３が遮断されて、エンジン本体１から排出された排気は前記低速側通路５４のみを通って下流に流れる。一方、高速領域Ｒ２では、各高速側通路５３が開放されて、エンジン本体１から排出された排気は高速側通路５３および低速側通路５４を通って下流に流れる。

以上のように構成されたエンジンシステム１００における吸気性能について次に説明する。

所定の気筒１２（以下、適宜、排気行程気筒１２という）の排気バルブ２０が開弁すると、この気筒１２の排気ポート１８からこの気筒１２に対応する前記独立排気通路５２に排気が高速で流入する。

前記低速領域Ｒ１では、前記高速側通路５３は遮断されて独立排気通路５２のうち低速側通路５４のみが開放されており、前記排気は前記低速側通路５４にのみ流入する。前述のように、この低速側通路５４の流路面積は独立排気通路５２の上流側部分さらには高速側通路５３よりも小さく設定されている。さらに、低速側通路５４の下流に設けられた前記低速側集合部５６は、下流に向かうほど流路面積が小さくなっている。従って、前記排気は、前記低速側集合部５６を高速で通過する。

このようにして、低速側集合部５６に所定の低速側通路５４から高速の排気が噴出されると、この排気の周囲に発生した負圧作用すなわちエゼクタ効果により低速側集合部５６に連通している他の低速側通路５４には、その内部のガスを下流側へと吸い出す力が作用する。前記排気行程気筒１２の排気バルブ２０の開弁時において、排気順序がこの排気行程気筒１２の１つ前に設定された他の気筒１２（以下、適宜、吸気行程気筒１２という）は前記オーバーラップ期間中にあり、その排気バルブ２０と吸気バルブ１９とはいずれも開弁している。そのため、前記吸出し力は、この吸気行程気筒１２に接続された低速側通路５４を介して吸気行程気筒１２内のガスに作用する。この吸出し力により吸気行程気筒１２内の残留ガスは気筒１２内から勢いよく吸い出される。

ここで、排気上死点よりも遅角側では、ピストンの下降に伴い燃焼室の容積が増大することで、吸気ポート１７内のガスに吸気行程気筒１２内への強い吸引力が作用する。前述のように、本エンジンシステム１００では、排気上死点よりも遅角側において、吸気バルブ１９と排気バルブ２０のうちバルブリフトの小さい方のバルブのバルブリフトの時間面積Ｓ＿ＶＬ２がより大きく設定されており、排気上死点よりも遅角側であって吸気ポート１７内のガスに吸気行程気筒１２内への強い吸引力が作用するタイミングで重点的に掃気が行なわれている。そのため、この吸気に加えられる気筒１２内への吸引力と、前記エゼクタ効果により気筒１２内の残留ガスに加えられる排気ポート１８側への吸出し力とが効果的に作用して、より多くのガスが掃気され、より多くの吸気が気筒１２内に流入する。

特に、前記低速領域Ｒ１では、排気バルブ２０は下死点付近であって吸気行程気筒１２の排気上死点付近において開弁している。そのため、前記吸気行程気筒１２では、前記ピストンの下降に伴って吸気ポート１７側の吸気に気筒１２内への吸引力が作用するのと同時に、排気バルブ２０の開弁直後に気筒１２内から排出される高速のガス（いわゆるブローダウンガス）により生成される高い吸出し力が作用する。これにより、前記残留ガスはより勢いよく排出されてより多量の吸気が気筒１２内に流入する。

このようにして、本エンジンシステム１００では、低速領域Ｒ１において、エゼクタ効果が効果的に発揮され各気筒１２の掃気が促進されて、吸気効率が高められ、エンジン出力が高められる。

ここで、エンジン回転数ＮＥが高くなると吸気慣性により気筒１２に吸気が流入するタイミングは遅角側に移行する。すなわち、気筒１２に流入する吸気量が最大となる時期は遅角側に移行する。これに対して、前記低速領域Ｒ１において、吸気バルブ１９の閉弁時期ＩＶＣは、エンジン回転数ＮＥが高くなるほど遅角されている。そのため、この低速領域Ｒ１では、前記エゼクタ効果により掃気が促進されるとともに、エンジン回転数ＮＥの変化に伴う吸気量の流入タイミングの変化に対応してより多くの吸気量が気筒１２内に流入する。

また、エンジン回転数ＮＥが高く排気行程の時間が短いほど、排気バルブ２０を早期に開弁する方がより多くの排気を排出することができる。これに対して、前記低速領域Ｒ１において、排気バルブ２０の開弁時期ＥＶＯは、エンジン回転数ＮＥが高くなるほど進角されている。そのため、この低速領域Ｒ１では、前記エゼクタ効果により掃気が促進されるとともに、エンジン回転数ＮＥの変化に対応してより多くの排気が排出される。

一方、高速領域Ｒ２では、高速側通路５３は開放されており、気筒１２の排気ポート１８から独立排気通路５２に流入した排気は、前記低速側通路５４に加えて高速側通路５３に流入する。前述のように、高速側通路５３の流路面積は低速側通路５４の流路面積よりも大きく設定されており、前記排気の多くはこの高速側通路５３を通過する。そして、高速側通路５３を通過した排気は、直接前記触媒装置６のケーシング６２に流入する。ここで、これら高速側通路５３を通過したガスが集合するこのケーシング６２の上流部分６２ａは、その流路面積が各高速側通路５３の下流端の合計面積よりも大きく設定されているとともに、下流に向かうほど拡径する形状を有している。そのため、各高速側通路５３を通過した排気は、より少ない抵抗でこの高速側通路５３を円滑に通過する。これに伴い、高速側通路５３の下流端の圧力すなわち各高速側通路５３の背圧は低く抑えられる。

このようにして、本エンジンシステム１００では、排気流量が大きく背圧が高くなりやすい高速領域Ｒ２では、高速側通路５３が開放されて排気が抵抗の少ない状態で排出されることでシリンダの掃気が促進されてエンジン出力が確保される。

また、この高速領域Ｒ２において、吸気バルブ１９の閉弁時期ＩＶＣは、エンジン回転数ＮＥが高くなるほど遅角されており、前述のようにエンジン回転数ＮＥが高くなるほど遅角側に移行する吸気量が最大となる時期に合わせて吸気バルブ１９が閉弁するため、エンジン回転数ＮＥに応じて適切に吸気量が確保される。そして、この高速領域Ｒ２において、排気バルブ２０の開弁時期ＥＶＯはエンジン回転数ＮＥが高くなるほど進角されており、気筒１２からはエンジン回転数ＮＥの変化に対応してより多くの排気が排出される。

ここで、前記実施形態では、前記吸気バルブ１９がその開弁期間及びリフト量つまりバルブ・プロファイルが一定に保たれたまま、その開弁時期と閉弁時期とが変更される場合について説明したが、吸気バルブタイミング可変機構として、吸気バルブ１９の開弁時期を一定時期に固定しつつバルブリフト量を変更することで閉弁時期を変更するものを用いてもよい。

この場合には、前記低速領域Ｒ１において、図１１に示すように、エンジンに対する要求トルクすなわちエンジン負荷が高くなるほど吸気バルブ１９のバルブリフト量を大きくするのが好ましい。このようにすれば、吸気バルブ１９の開弁時期ＩＶＯが固定されることで前記オーバーラップ期間が十分に確保されて前記エゼクタ効果による掃気性能が高く維持されるとともに、高負荷領域において吸気バルブ１９のバルブリフト量が大きくなるのに伴い吸気量が増大することでエンジン出力が確実に高められる。一方、低負荷領域では、図１１に示すように、吸気バルブ１９の閉弁時期がエンジン負荷の低下に伴いＢＤＣより進角側に移動することで、ポンピングロスが低減され、燃焼安定性が向上する。

また、吸気バルブタイミング可変機構として、吸気バルブ１９の開弁時期、閉弁時期、バルブリフト量を、それぞれ個別に変更することができるものを用いてもよい。

また、前記低速領域Ｒ１において、前記オーバーラップ期間をエンジン回転数ＮＥによらず一定としてもよい。

また、前記実施形態では前記低速領域Ｒ１において前記流路面積可変バルブ５８が全閉位置に駆動される場合について説明したが、この低速領域Ｒ１における流路面積可変バルブ５８の位置は全閉位置に限らず、全開位置よりも閉じ側、すなわち、高速側通路５３の流路面積が最大面積よりも縮小される位置であればよい。

また、低速領域Ｒ１において、前記流路面積可変バルブ５８を全開位置と全閉位置との間で段階的あるいは連続的に変化するようにしてもよい。この場合には、エンジン回転数ＮＥが高くなるほど高速側通路５３の流路面積が大きくなるように前記流路面積可変バルブ５８を駆動するのが好ましい。このようにすれば、エンジン回転数ＮＥが低く排気の流量が少ない領域では高速側通路５３の流路面積を絞ることでエゼクタ効果により掃気性能を高めることができる一方、エンジン回転数ＮＥが高く排気の流量が多い領域では高速側通路の流路面積を大きくすることで排気抵抗を小さく抑えることにより掃気を促進することができる。

また、前記実施形態では、前記各独立排気通路５２が低速側通路５４と高速側通路５３とに分離しており、流路面積可変バルブ５８が高速側通路５３を開閉することで独立排気通路５２の流路面積が変更される場合について示したが、独立排気通路５２の流路面積を変更するための構成はこれに限らない。例えば、独立排気通路５２を低速側通路５４と高速側通路５３とに分離せず、独立排気通路５２内にその流路面積を変更可能な流路面積可変バルブを設けてもよい。

また、触媒装置６の位置は前記に限らない。例えば、前記独立排気通路５２の下流端と触媒装置６との間に、所定の通路を設けて、この通路内において高速側通路５３を通過したガスが集合するようにしてもよい。ただし、本エンジンシステム１００によれば、エゼクタ効果により吸気効率を高めることができるため、ターボ過給機を有しないエンジンシステムにおいて有用である。そして、このようにターボ過給機を有しない場合には、触媒装置６を前記実施形態のように各独立排気通路５３に直接接続してより上流側の位置に配置することができ、これにより触媒本体６４に流入する排気の温度を高く維持して触媒を早期に活性させることができる。

また、低速領域Ｒ１のうちエンジン負荷の低い低負荷領域では、吸気の圧力が小さく、吸気バルブ１９と排気バルブ２０のオーバーラップ期間を大きくすると排気が吸気側に逆流するおそれがあるため、このような場合には、吸気バルブ１９と排気バルブ２０のオーバーラップ期間を小さくするとともに、流路面積可変バルブ５８を全開としてもよい。

１エンジン本体
５排気マニホールド
１７吸気ポート
１８排気ポート
１９吸気バルブ
２０排気バルブ
３０吸気バルブ駆動機構（バルブ駆動手段）
３２吸気ＶＶＴ（吸気バルブタイミング可変機構）
４０排気バルブ駆動機構（バルブ駆動手段）
４２排気ＶＶＴ（排気バルブタイミング可変機構）
５２独立排気通路
５８流路面積可変バルブ
５８ｂバルブアクチュエータ（流路面積可変バルブ駆動手段）
６２ａケーシング上流部分（集合部）

Claims

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バルブと前記排気ポートを開閉可能な排気バルブとが設け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の下流端に接続されて、当該各独立排気通路を通過するガスが集合する集合部と、
前記集合部の上流側に設けられて、前記各独立排気通路の流路面積を変更可能な流路面積可変バルブと、
前記流路面積可変バルブを駆動可能な流路面積可変バルブ駆動手段と、
前記各気筒の吸気バルブおよび排気バルブを駆動可能なバルブ駆動手段とを備え、
前記流路面積可変バルブ駆動手段は、エンジンの回転数が予め設定された基準回転数よりも低い低速領域において、少なくともエンジンに対する要求トルクが高い高負荷領域では、前記各独立排気通路の流路面積が最大面積よりも小さくなるように前記流路面積可変バルブを駆動し、
前記バルブ駆動手段は、前記低速領域の少なくとも前記高負荷領域において、前記各気筒の吸気バルブの開弁期間と排気バルブの開弁期間とが所定のオーバーラップ期間重複するとともに、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中に他方の気筒の排気バルブが開弁するように、かつ、排気上死点から前記排気バルブの閉弁時期までの期間における前記吸気バルブと前記排気バルブのうちバルブリフトの小さい方のバルブのバルブリフトの時間面積の方が、前記吸気バルブの開弁時期から排気上死点までの前記吸気バルブと前記排気バルブのうちバルブリフトの小さい方のバルブのバルブリフトの時間面積よりも大きくなるように、前記各気筒の吸気バルブおよび排気バルブを駆動することを特徴とする多気筒エンジンの排気装置。
請求項１に記載の多気筒エンジンの排気装置であって、
前記バルブ駆動手段は、前記排気バルブの開弁期間を一定に保持しつつ当該排気バルブの開弁時期および閉弁時期を変更可能な排気バルブタイミング可変機構を備え、
前記排気バルブタイミング可変機構は、前記低速領域の少なくとも前記高負荷領域において、前記オーバーラップ期間がエンジンの回転数が前記基準回転数よりも高い高速領域よりも大きくなるように、前記排気バルブの開弁時期および閉弁時期を前記高速領域よりも遅角させることを特徴とする多気筒エンジンの排気装置。
請求項１または２に記載の多気筒エンジンの排気装置であって、
前記バルブ駆動手段は、前記吸気バルブのバルブリフト量を変化させることで当該吸気バルブの閉弁時期を変更可能な吸気バルブタイミング可変機構を備え、
前記吸気バルブタイミング可変機構は、前記低速領域の少なくとも前記高負荷領域において、エンジンに対する要求トルクが高いほど前記吸気バルブのバルブリフト量を大きくすることを特徴とする多気筒エンジンの排気装置。
請求項２に記載の多気筒エンジンの排気装置であって、
前記バルブ駆動手段は、前記吸気バルブの開弁期間を一定期間に保持しつつ当該吸気バルブの開弁時期および閉弁時期を変更可能な吸気バルブタイミング可変機構を備え、
前記吸気バルブタイミング可変機構は、前記低速領域の少なくとも前記高負荷領域において、前記オーバーラップ期間が前記高速領域よりも大きくなるように、前記吸気バルブの開弁時期および閉弁時期を前記高速領域よりも進角させることを特徴とする多気筒エンジンの排気装置。