JP5531922B2 - Intake and exhaust system for multi-cylinder engine - Google Patents
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Description
本発明は、自動車等に設けられる多気筒エンジンの吸排気装置に関する。 The present invention relates to an intake / exhaust device for a multi-cylinder engine provided in an automobile or the like.
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吸排気装置の開発が行なわれている。 2. Description of the Related Art Conventionally, intake and exhaust devices have been developed for the purpose of increasing engine output in engines such as automobiles.
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。 For example, Patent Document 1 is a device having a turbocharger, which is connected to an exhaust port of each cylinder and independent from each other, and an independent passage provided upstream of the turbocharger. Are provided, and a valve provided in the collecting portion and capable of changing the flow area of each independent passage is disclosed. In this apparatus, the flow area of the independent exhaust passage is reduced by the valve, so that the exhaust of the cylinder in the exhaust stroke flows from the predetermined independent passage into the collecting portion at a relatively high speed. The amount of gas supplied to the turbocharger by causing the negative pressure generated in the surrounding area to act on another independent passage in the collecting portion and sucking the exhaust gas in the other independent passage downstream by the so-called ejector effect. To increase the engine output.
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。 In an engine such as an automobile, the demand for improving the engine output is still high. In particular, in an engine system in which a structure without a turbocharger is simplified, it is required to increase the engine output with a simple configuration. .
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吸排気装置の提供を目的とする。 In view of such circumstances, an object of the present invention is to provide an intake / exhaust device for a multi-cylinder engine that can increase the intake air amount with a simple configuration and increase the engine output.
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吸排気装置であって、前記各気筒の吸気ポートにそれぞれ接続される吸気通路と、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とともに、少なくとも下流側において低速側通路と高速側通路とにそれぞれ分離する複数の独立排気通路と、前記各低速側通路の下流端に接続されて、当該各低速側通路に連通して当該各低速側通路を通過した排気が集合する低速側集合部と、前記各高速側通路の下流端に接続されて、当該各高速側通路に連通して当該各高速側通路を通過した排気が集合する高速側集合部と、前記各高速側通路に設けられて、当該各高速側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開閉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、前記各低速側通路のうち排気順序が連続する気筒に接続された低速側通路は互いに隣り合う位置で前記低速側集合部に接続されており、前記各低速側通路および低速側集合部は、各気筒から各低速側通路を通って前記低速側集合部に排気が排出されるに伴いエゼクタ効果によって隣接する他の低速側通路が負圧とされる形状を有し、前記バルブ駆動手段は、エンジン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、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と他方の気筒の排気バルブとが開弁している時期とが重複するように、各気筒の吸気バルブおよび排気バルブを駆動するとともに、エンジン回転数が前記基準回転数よりも高い高速領域において、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ように、各気筒の吸気バルブおよび排気バルブを駆動し、前記流路面積可変バルブ駆動手段は、前記低速領域のうち少なくとも前記多気筒エンジンに対する要求トルクが所定値よりも高い高負荷領域では前記流路面積可変バルブを全開よりも小さくして前記高速側通路を通過する排気の流量を小さくする一方、前記高速領域では前記流路面積可変バルブを全開にして高速側通路を開放し、前記各高速側通路の長さおよび横断面積は、前記エンジン回転数が前記高速領域内に設定された排気同調回転数となる運転条件において、前記排気バルブの開弁開始時期近傍で前記気筒から当該高速側通路を通って前記高速側集合部に排出された排気の正圧波が前記高速側集合部で反射して負圧波となり、この負圧波が前記高速側通路を通ってこの排気が排出された気筒の排気ポートに到達する時期と、この排気が排出された気筒の前記オーバーラップ期間とが重複するような寸法に設定されており、前記低速側集合部は、その上流端と下流端の少なくとも一方の流路面積が、当該低速側集合部の流路面積のうち最も小さい面積となる形状を有し、前記低速側通路は、その下流端部分の流路面積と同じ面積を有する真円の直径aと、前記低速側集合部の下流端と同じ面積を有する真円の直径Dとの関係がa/D≧0.5となる形状を有することを特徴とする多気筒エンジンの吸排気装置を提供する。
In order to solve the above problems, the present invention provides a plurality of cylinders each having an intake port and an exhaust port and provided with an intake valve capable of opening and closing the intake port and an exhaust valve capable of opening and closing the exhaust port. An intake / exhaust device for a multi-cylinder engine having an intake passage connected to an intake port of each cylinder and one cylinder or an exhaust port of a plurality of cylinders whose exhaust sequences are not continuous with each other A plurality of independent exhaust passages that are separated into a low speed side passage and a high speed side passage at least on the downstream side, and connected to the downstream ends of the low speed side passages, and communicated with the low speed side passages. Connected to the low speed side collecting portion where the exhaust gas that has passed through the passage gathers, and the downstream end of each of the high speed side passages, and communicates with each of the high speed side passages to each of the high speed sides A high-speed side collecting portion that collects exhaust gas that has passed through the passage, a flow area variable valve that is provided in each of the high-speed side passages and can change the flow area of each high-speed side passage, and the flow area variable valve And a valve driving means capable of driving the intake valve and the exhaust valve of each cylinder, and is connected to a cylinder in which the exhaust order is continuous in each of the low speed side passages. The low speed side passages are connected to the low speed side collecting portions at positions adjacent to each other, and the low speed side passages and the low speed side collecting portions are exhausted from the cylinders through the low speed side passages to the low speed side collecting portions. As the exhaust gas is discharged, the other low-speed side passages adjacent to each other have a negative pressure due to the ejector effect, and the valve driving means has a shape in which the engine speed is lower than a preset reference speed. ,Previous Between the cylinders in which the intake valve opening period and the exhaust valve opening period of each cylinder overlap with each other with a predetermined overlap period and the exhaust sequence continues, the overlap period of one cylinder and the exhaust of the other cylinder The intake valve and the exhaust valve of each cylinder are driven so that the timing when the valve is opened, and the intake valve of each cylinder is driven in a high speed region where the engine speed is higher than the reference speed. The intake valve and the exhaust valve of each cylinder are driven so that the valve opening period and the valve opening period of the exhaust valve overlap with each other by a predetermined overlap period. At least in the high load region where the required torque for the multi-cylinder engine is higher than a predetermined value, the flow passage area variable valve is made smaller than the fully open position so that the high speed side passage is While reducing the flow rate of exhaust gas passing through, in the high speed region, the flow path area variable valve is fully opened to open the high speed side passages, and the length and the cross sectional area of each high speed side passage are determined by the engine speed A positive pressure wave of the exhaust gas discharged from the cylinder through the high-speed side passage to the high-speed side collecting portion in the vicinity of the opening timing of the exhaust valve under the operating condition set to the exhaust synchronized rotation speed set in the high-speed region Is reflected at the high-speed side collecting portion to become a negative pressure wave, the negative pressure wave passes through the high-speed side passage and reaches the exhaust port of the cylinder where the exhaust is discharged, and the cylinder of the cylinder where the exhaust is discharged The low speed side gathering portion is set to have a dimension that overlaps the overlap period, and the flow area of at least one of the upstream end and the downstream end of the low speed side gathering portion is the largest among the flow passage areas of the low speed side gathering portion. small The low-speed side passage has a perfect circle diameter a having the same area as the flow path area of the downstream end portion thereof, and a perfect circle having the same area as the downstream end of the low-speed side assembly portion. Provided is an intake / exhaust device for a multi-cylinder engine having a shape in which a relationship with a diameter D is a / D ≧ 0.5 .
本発明によれば、低速領域においてエゼクタ効果を効果的に利用して気筒内の掃気を促進しつつ、高速領域において排気抵抗を小さく抑えるとともに排気の脈動圧力波の反射を利用して気筒内の掃気を促進することができ、全速度領域において吸気効率を高めてエンジン出力を高めることができる。 According to the present invention, the ejector effect is effectively used in the low speed region to promote scavenging in the cylinder, the exhaust resistance is suppressed to be small in the high speed region, and the reflection of the pulsating pressure wave of the exhaust is used to improve the inside of the cylinder. Scavenging can be promoted, and the engine output can be increased by increasing the intake efficiency in the entire speed region.
具体的には、この構成では、前記低速領域において、高速側通路を遮断して、排気をエゼクタ効果が得られるよう構成された低速側通路および低速側集合部を通過させるとともに、所定の気筒の前記オーバーラップ期間中に他の気筒の排気バルブを開弁させているので、排気バルブの開弁時に所定の低速側通路から高速の排気が噴出するのに伴い前記エゼクタ効果によって前記オーバーラップ期間にある気筒の排気ポート内のガスを下流側に吸い出すことができ、このオーバーラップ期間中の気筒内の掃気を促進することができる。
特に、前記低速側集合部は、その上流端と下流端の少なくとも一方の流路面積が、当該低速側集合部の流路面積のうち最も小さい面積となる形状を有し、前記低速側通路は、その下流端部分の流路面積と同じ面積を有する真円の直径aと、前記低速側集合部の下流端と同じ面積を有する真円の直径Dとの関係がa/D≧0.5となる形状を有しているため、前記エゼクタ効果を効果的に得ることができる。
Specifically, in this configuration, in the low speed region, the high speed side passage is shut off, and the exhaust gas is allowed to pass through the low speed side passage and the low speed side collecting portion configured to obtain the ejector effect. Since the exhaust valves of the other cylinders are opened during the overlap period, when the exhaust valve is opened, high-speed exhaust gas is ejected from a predetermined low-speed side passage, so that the ejector effect causes the overlap period. The gas in the exhaust port of a certain cylinder can be sucked downstream, and scavenging in the cylinder during the overlap period can be promoted.
In particular, the low-speed side assembly has a shape in which at least one flow path area of the upstream end and the downstream end is the smallest area among the flow areas of the low-speed collection unit, and the low-speed side passage is The relationship between the diameter a of the perfect circle having the same area as the flow path area of the downstream end portion and the diameter D of the perfect circle having the same area as the downstream end of the low-speed side assembly is a / D ≧ 0.5 Therefore, the ejector effect can be effectively obtained.
そして、この構成では、排気の流量が多いために排気抵抗が大きくなるおそれがある高速領域において、高速側通路を開放して排気を低速側通路に加えて高速側通路側に排出しているので、排気抵抗を小さく抑えて気筒内の掃気を促進することができる。 In this configuration, since the exhaust flow rate is high, the exhaust resistance may increase, so the high speed side passage is opened and the exhaust gas is discharged to the high speed side passage side in addition to the low speed side passage. In addition, the exhaust resistance can be suppressed to be small, and the scavenging in the cylinder can be promoted.
しかも、この構成では、高速領域において排気が通過する高速側通路の長さおよび横断面積が、エンジン回転数が前記基準回転数よりも高い排気同調回転数となる運転条件すなわち高速領域に含まれる所定のエンジン回転数において、前記排気バルブの開弁開始時期近傍で前記気筒から高速側通路を通って高速側集合部に排出された排気の正圧波が高速側集合部で反射して負圧波となり、この負圧波が高速側通路を通ってこの排気が排出された気筒の排気ポートに到達する時期と、この排気が排出された気筒の前記オーバーラップ期間とが重複するような寸法に設定されているため、前記高速領域において、前記負圧波により前記オーバーラップ期間中の気筒内のガスを排気ポート側に吸い出すことができ、気筒内の掃気をより一層促進することができる。 In addition, in this configuration, the length and the cross-sectional area of the high-speed side passage through which the exhaust passes in the high-speed region are the operating conditions in which the engine speed is the exhaust tuning speed higher than the reference speed, that is, the predetermined speed included in the high-speed area The positive pressure wave of the exhaust discharged from the cylinder through the high speed side passage to the high speed side collecting portion in the vicinity of the opening start timing of the exhaust valve is reflected at the high speed side collecting portion and becomes a negative pressure wave. The time when the negative pressure wave reaches the exhaust port of the cylinder where the exhaust gas is exhausted through the high-speed side passage and the overlap period of the cylinder where the exhaust gas is exhausted are set so as to overlap each other. Therefore, in the high speed region, the gas in the cylinder during the overlap period can be sucked out to the exhaust port side by the negative pressure wave, and scavenging in the cylinder is further promoted. Door can be.
本発明において、前記各高速側通路の長さおよび横断面積は、エンジン回転数が前記排気同調回転数となる条件において、前記排気の正圧波が前記高速側集合部で2回反射した後前記気筒の排気ポートに到達する時期と前記オーバーラップ期間とが重複するような寸法に設定されているのが好ましい(請求項2)。 In the present invention, the length and the cross-sectional area of each of the high speed side passages are determined so that the positive pressure wave of the exhaust gas is reflected twice by the high speed side collecting portion under the condition that the engine speed is the exhaust tuning speed. It is preferable that the dimension is set such that the time when the exhaust port is reached overlaps with the overlap period.
このようにすれば、高速側通路の長さを短く抑えつつ、前記正圧波の反射に伴い生成された負圧による掃気の促進効果を得ることができる。 By doing so, it is possible to obtain the scavenging promotion effect by the negative pressure generated along with the reflection of the positive pressure wave while suppressing the length of the high speed side passage.
また、本発明において、前記各吸気通路のうち前記吸気バルブから当該吸気バルブの開弁に伴い生成された吸気脈動の圧力波が反射されるまでの部分の長さおよび横断面積は、前記吸気脈動の1次の山が前記吸気バルブ近傍で生じる時期と吸気バルブの閉弁時期とが略同一となり吸気の慣性過給効果が得られる1次の吸気同調回転数が前記基準回転数よりも高く、かつ、前記吸気脈動の1次の谷が前記吸気バルブ近傍において発生する時期と吸気バルブの閉弁時期とが略同一となる吸気非同調回転数が前記基準回転数よりも低くなる寸法に設定されているのが好ましい(請求項3)。 In the present invention, the length and the cross-sectional area of each intake passage until the pressure wave of the intake pulsation generated when the intake valve is opened are reflected from the intake valve by the intake pulsation. The primary intake tuning rotation speed at which the primary peak of the intake valve is generated in the vicinity of the intake valve and the intake valve closing timing are substantially the same and the inertial supercharging effect of the intake is obtained is higher than the reference rotation speed, In addition, the intake non-synchronized rotational speed at which the primary valley of the intake pulsation occurs in the vicinity of the intake valve and the intake valve close timing is set to a dimension that is lower than the reference rotational speed. (Claim 3).
この構成によれば、低速領域においてエゼクタ効果を効果的に利用して気筒内の掃気を促進しつつ、高速領域において前記排気抵抗の低減効果および前記排気の圧力波による効果に加えて吸気の慣性過給効果を利用して気筒内への吸気の導入を促進することができる。 According to this configuration, the inertia of the intake air in addition to the effect of reducing the exhaust resistance and the effect of the pressure wave of the exhaust gas in the high speed region while facilitating scavenging in the cylinder by effectively using the ejector effect in the low speed region. The introduction of intake air into the cylinder can be promoted using the supercharging effect.
吸気の慣性過給効果とは、吸気バルブの開弁に伴い吸気バルブ近傍で生成した負圧の圧力脈動波が吸気通路を通って吸気通路の上流側に伝播してこの吸気通路の所定の容積部で反転、反射することで正圧波が生成され、この正圧の圧力脈動波が吸気通路を伝播して吸気行程中に吸気バルブに到達することで、気筒内への吸気が促進されるというものであり、吸気行程中に前記圧力脈動波が前記容積部で1回反転、反射して吸気バルブの閉弁直前に吸気バルブに到達する1次の吸気同調回転数付近では吸気を促進することができる。 The inertial supercharging effect of intake air means that a negative pressure pulsation wave generated in the vicinity of the intake valve when the intake valve is opened propagates to the upstream side of the intake passage through the intake passage, and this intake passage has a predetermined volume. The positive pressure wave is generated by reversing and reflecting at the part, and the positive pressure pulsation wave propagates through the intake passage and reaches the intake valve during the intake stroke, so that intake into the cylinder is promoted. In the intake stroke, the pressure pulsation wave is inverted once and reflected by the volume portion and reflected to reach the intake valve just before the intake valve is closed to promote intake near the primary intake tuning speed. Can do.
従って、前記1次の吸気同調回転数が前記基準回転数よりも高く設定されている前記構成によれば、この基準回転数よりもエンジン回転数の高い高速領域において、前記吸気の慣性過給効果により気筒内への吸気を促進することができる。特に、慣性過給効果を得ることのできない吸気脈動の1次の谷が発生する時期と吸気バルブの閉弁時期とが略同一となる非同調回転数が前記基準回転数よりも低くなるように構成されているので、高速領域全体にわたって掃気性能をより確実に高めることができる。 Therefore, according to the configuration in which the primary intake synchronized rotational speed is set higher than the reference rotational speed, the inertial supercharging effect of the intake air in a high speed region where the engine rotational speed is higher than the reference rotational speed. Thus, intake into the cylinder can be promoted. In particular, the non-synchronized rotational speed at which the primary trough of the intake pulsation in which the inertia supercharging effect cannot be obtained and the valve closing timing of the intake valve are substantially the same is lower than the reference rotational speed. Since it is comprised, scavenging performance can be more reliably improved over the high-speed area | region.
前記構成において、前記1次の吸気同調回転数と、前記排気同調回転数とが異なる回転数であるのが好ましい(請求項4)。 In the above configuration, it is preferable that the primary intake tuning rotational speed and the exhaust tuning rotational speed are different from each other.
このようにすれば、排気の圧力波による吸気促進効果が最も高くなるエンジン回転数と、吸気の慣性過給効果による吸気促進効果が最も高くなるエンジン回転数とが異なることで、より広範囲にわたって吸気を促進することができる。 In this way, the engine speed at which the intake acceleration effect due to the exhaust pressure wave becomes the highest is different from the engine speed at which the intake acceleration effect due to the inertial supercharging effect of the intake air becomes the highest. Can be promoted.
以上説明したように、本発明によれば、全速度領域において吸気効率を高めてエンジン出力を高めることができる。 As described above, according to the present invention, the engine output can be increased by increasing the intake efficiency in the entire speed region.
本発明に係る多気筒エンジンの吸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。 An embodiment of an intake / exhaust device for a multi-cylinder engine according to the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は前記多気筒エンジンの吸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、吸気通路を構成するエンジン本体1に接続される複数の吸気管3およびこれら吸気管3に接続されるサージタンク4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。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an
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、前記エンジン本体1は、直列4気筒のエンジンであって、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。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。
A plurality of
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て、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。
The engine body 1 is a four-cycle engine, and as shown in FIG. 6, the
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。
Two
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VVT32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。
The intake
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。
The
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。
The exhaust
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。
In the present embodiment, the
前記各気筒12の吸気ポート17は、その上流側においてそれぞれ前記吸気管3に接続されている。具体的には、前記吸気管3は気筒数に対応して4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。
The
前記各吸気管3は、その上流側において前記サージタンク4に接続されており、このサージタンクに貯留されている空気が各吸気管3に分配される。このサージタンク4は、吸気管3の並び方向に延びており吸気管3に分配するための空気を貯留可能な十分な容積を有している。従って、前記吸気バルブ19の開弁に伴い吸気バルブ19近傍で発生した負圧波は、吸気管3を伝播して前記サージタンク4に到達するとこのサージタンク4で反転、反射して正圧波となる。この正圧波は、吸気バルブ19側に戻り、気筒12の入口付近で反転、反射し負圧波となり、再びサージンタンク4側に伝播する。このようにして、吸気管3内には、図10に示すような、圧力脈動(吸気脈動)が生じる。この図10は、横軸を時間として、吸気バルブ19近傍における吸気脈動による圧力変化を模式的に示した図である。この図10に示すように、吸気バルブ19近傍では、吸気バルブ19の開弁開始(時刻t0)後、山(圧力の高い状態)と谷(圧力の低い状態)とが減衰しながら交互に現れる。
Each
吸気の慣性過給効果とは、前記吸気バルブ19の閉弁直前に吸気バルブ19近傍が前記山の状態とされて吸気ポート17側の圧力が高められることで気筒12への吸気が促進されるというものである。特に、前記負圧波がサージタンク4で1回反転、反射することで生成された正圧波による1次の山は、その圧力が大きく、高い慣性過給効果を得ることができる。
Inertial supercharging effect of intake air means that immediately before the
本実施形態では、この1次の山による高い慣性過給効果が、後述する基準回転数N1よりもエンジン回転数の高い高速領域で得られるように、前記吸気管3の長さL_in(図1参照)および横断面積すなわち排気の流れ方向と直交する方向の面積あるいは流路面積が設定されている。また、この高速領域において、前記吸気バルブ19の閉弁直前に吸気バルブ19近傍が前記谷の状態となるのを回避して、高速領域全体において前記慣性過給効果が得られるように、前記吸気管3の長さL_inおよび横断面積が設定されている。
In the present embodiment, the length L_in of the intake pipe 3 (FIG. 1) is obtained so that a high inertia supercharging effect due to the primary peak is obtained in a high speed region where the engine speed is higher than a reference speed N1 described later. And a cross-sectional area, that is, an area in a direction orthogonal to the flow direction of the exhaust gas or a flow path area is set. Further, in this high-speed region, the
すなわち、吸気バルブ19近傍において吸気脈動の1次の山が発生する時刻t1a(図10参照)と吸気バルブ19の閉弁時期とが略同一となる1次の吸気同調回転数Nin_1aが、前記基準回転数N1よりも高くなるように、また、吸気バルブ19近傍において吸気脈動の1次の谷が発生する時刻t1b(図10参照)と吸気バルブ19の閉弁時期とが略同一となる1次の非吸気同調回転数Nin_1bが、前記基準回転数N1よりも低くなるように、吸気管3の長さL_inおよび横断面積が設定されている。
That is, the primary intake synchronized rotation speed Nin_1a at which the time t1a (see FIG. 10) at which the primary peak of the intake pulsation occurs in the vicinity of the
ここで、1次の山による高い慣性過給効果をより高速領域で得られるようにするには、吸気管3の長さL_inをより短くする、あるいは、吸気管3の横断面積をより大きくすればよいが、吸気管3の横断面積を大きくする変更はレイアウト上の制約が大きいため、本実施形態では、吸気管3の長さL_inをより短くすることで高速領域で高い慣性過給効果が得られるようにしている。
Here, in order to obtain a high inertial supercharging effect due to the primary mountain in a higher speed region, the length L_in of the
前記排気マニホールド5は、3つの独立排気通路52と、3つの流路面積可変バルブ58および高速側集合部57と、混合管(低速側集合部)56aとストレート管56bとディフューザー56c(図2参照)と、を備えている。
The
前記各独立排気通路52は、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、これら各気筒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、1つの独立排気通路52bに接続されている。より詳細には、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、その一方に前記第2気筒12bの排気ポート18が接続され、他方に前記第3気筒12cの排気ポート18が接続されている。
Each
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。
These
前記各独立排気通路52は、その下流側において、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。本実施形態では、図2および図4に示すように、前記低速側通路54は、高速側通路53との分離点よりも上流側の独立排気通路52に沿って下流側に延びており、前記高速側通路53は、低速側通路54から上方に湾曲した後、低速側通路54と略平行に下流側に延びている。また、前記第2気筒12bおよび第3気筒12cの排気ポート18に対応する高速側通路53および低速側通路54は、これら気筒の中央部分すなわちエンジン本体1の略中央部分と対向して直線的に延びており、他の気筒の排気ポート18に対応する高速側通路53および低速側通路54は、対応する各排気ポート18と対向する位置から前記第2気筒12bおよび第3気筒12cに対応する各通路52,54に向かって湾曲して延びている。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おり、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。
Each of the
前記各低速側通路54の下流側には前記混合管56aが接続されており、各低速側通路54を通過した排気はこの混合管56aで集合する。この混合管56aにおいて、前記3つの低速側通路54は、その下流端が互いに隣接する位置で接続されている。
The mixing
前記各低速側通路54および混合管56aは、各低速側通路54から排気が高速で噴出されてこの排気が高速で混合管56aを通過するのに伴い、この高速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って隣接する他の低速側通路54およびこの低速側通路54に対応する排気ポート18内が負圧とされてこの排気ポート18内のガスが下流側に吸い出される形状を有している。
Each of the low
具体的には、前記各低速側通路54は、下流に向かうほどその流路面積が小さくなる形状を有しており、排気が各低速側通路54から高速で下流側へ噴出されるよう構成されている。より詳細には、図5に示すように、各低速側通路54は、略円形断面を有する上流側部分から下流に向かうに従ってその断面積が縮小されており、その下流端では上流側部分の円形断面積の略1/3となる扇形となっている。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混合管56aに接続されている。
Specifically, each of the low-
また、各低速側通路54から前記混合管56aへ排出される排気の流れ方向に沿って延びる各低速側通路54の下流端の軸心C1,C2,C3の交差角度であって、隣接する低速側通路54の下流端の軸心どうしの交差角度α(図2参照)は、それぞれ7度に設定されており、各低速側通路54は平行に近い状態で混合管56aに接続されている。すなわち、各低速側通路54は、所定の低速側通路54から混合管56aに排出された排気が他の低速側通路54側に向かって進行せず、この混合管56aにおいて排気の膨張ひいては排気の速度低下が小さく抑えられるよう構成されている。
Further, the crossing angles of the axial centers C1, C2, and C3 at the downstream ends of the low
そして、前記混合管56aは、その下流端の流路面積と同じ面積を有する真円の直径をD(図4参照)として、前記低速側通路54の下流端の断面積と同じ面積を有する真円の直径をa(図4参照)とした場合に、a/D=0.65となる形状を有している。
The mixing
ここで、この混合管56aの具体的構造は前記に限らないが、この混合管56aが、その上流端と下流端の少なくとも一方の流路面積が最も小さい流路面積となる形状を有し、a/Dがa/D≧0.5の範囲に設定されていれば、この混合管56aを排気が十分な高い速度で通過して前記エゼクタ効果が十分に得られることが分かっているため、前記のような形状を有するものが好ましい。なお、前記混合管56aへの排気の流入速度をより高めるべく、前記低速側通路54の下流端に流路面積が小さくされた部分すなわち絞り部が設けられている場合には、この絞り部の流路面積の直径をaとして、前記混合管56aがa/D≧0.5となるような形状とされるのが好ましい。
Here, the specific structure of the mixing
前記混合管56aに流入した排気は前記ストレート管56bおよび前記ディフューザー56cを通過して下流側に流出する。前記ストレート管56cは、前記混合管56aから連続して、この混合管56aの下流端と同一の断面形状すなわち同一の流路面積で下流側に延びる形状を有している。前記ディフューザー56cは、前記ストレート管56bから連続して下流側に延びており、下流に向かうに従って拡径してその流路面積が大きくなる形状を有している。
The exhaust gas flowing into the mixing
一方、前記各高速側通路53の下流側には前記高速側集合部57が接続されており、各高速側通路53を通過した排気はこの高速側集合部57で集合する。そして、この高速側通路53および高速側集合部57は、前記低速側通路54および混合管56aと異なり、高速側通路53から高速側集合部57に流入した排気が膨張しやすく排気抵抗が小さくなるような形状を有している。
On the other hand, the high-speed
具体的には、前記高速側通路53は、流路面積がほぼ一定の状態で下流側に延びる形状を有し、その流路面積は前記低速側通路54の下流端の流路面積よりも大きく設定されている。本実施形態では、1つの高速側通路53の流路面積が、3つの低速側通路54の下流端の流路面積の合計とほぼ一致するように設定されている。また、前記高速側集合部57は、排気の流れ方向に沿って延びる略円筒状であって、その流路面積が全体にわたってほぼ一定となる形状を有している。
Specifically, the high
そして、各高速側通路53からこの高速側集合部57へ排出された排気の流れ方向に沿って延びる各高速側通路53の下流端の軸心C11,C12,C13の交差角度であって、隣接する高速側通路53の下流端の軸心どうしの交差角度β(図3参照)は45度に設定されており、前記低速側通路54および混合管56aの場合と異なり、この高速側集合部57では、所定の高速側通路53から高速側集合部57に排出された排気は他の高速側通路53側に向かって比較的容易に進行できるよう構成されている。このようにして、高速側集合部57は、前記排気の膨張が促進されて排気抵抗がより低減されるように構成されている。特に、本実施形態では、高速側集合部57の外周面に、第1気筒12aに対応する高速側通路53と第4気筒12dに対応する高速側通路53とが、各下流端が互いに略対向する状態で接続されており、所定の高速側通路53から排出された排気がより容易に他の高速側通路53側に向かって進行し、排気抵抗が効果的に低減するよう構成されている。
Further, the crossing angles of the axial centers C11, C12, C13 at the downstream ends of the high
以上のように構成された前記高速側集合部57は高速側通路53から排出された排気に対して十分な容積を有しており、前記気筒12からこの高速側通路53を伝播して高速側集合部57に到達した圧力波はこの高速側集合部57で反転、反射する。
The high-speed
例えば、排気バルブ20の開弁開始直後には排気バルブ20の開弁に伴い排気ポート18内に高い圧力の正圧波が生成されるが、この正圧波は高速側通路53を通って高速側集合部57に到達するとこの高速側集合部57で反転、反射し、これにより負圧量の大きい負圧波が生成される。そして、この負圧波は高速側通路53を通って前記排気ポート18側に伝播する。図7に、排気ポート18内の圧力変化を排気バルブ20のバルブリフトと合わせて示す。この図7に示すように、排気ポート18内の圧力はクランク角度θ_EVOで開弁した排気バルブ20の開弁開始直後(クランク角度θ_Pmax)において最大値となる。そして、この排気ポート18内の圧力は、前記負圧波の到達に伴いクランク角θ_Pminにおいて最大負圧となる。
For example, immediately after the opening of the
本エンジンシステム100では、各高速側通路53の長さL_ex(図3参照)および横断面積が、前記基準回転数N1よりも高く設定された排気同調回転数Nexにおいて、所定の気筒12の排気バルブ20の開弁期間中にこの排気バルブ20の開弁に伴い生成された高い圧力の正圧波が前記高速側集合部57で反転、反射するとともに、前記排気バルブ20の開弁期間中に前記反転、反射により生成された前記負圧量の大きい負圧波がこの排気バルブ20が開弁している気筒12の排気ポート18に戻る時期と、この排気バルブ20が開弁している気筒12の後述するオーバーラップ期間とが重複するような大きさに設定されている。さらに、本実施形態では、前記排気同調回転数Nexが前記1次の吸気同調回転数Nin_1aと異なるように設定されている。
In the
すなわち、本エンジンシステム100では、前記排気同調回転数Nexにおいて、オーバーラップ期間中の気筒の排気ポート18に前記負圧量の大きい負圧波が到達して、この負圧波によりオーバーラップ期間中の気筒12内のガスが排気ポート18側へ吸い出されるよう構成されている。
That is, in the
ここで、排気同調回転数Nexを高くするには、各高速側通路53の長さL_exをより短くする、あるいは、各高速側通路53の横断面積をより大きくすればよいが、各高速側通路53の横断面積の変更はレイアウト上の制約が大きいため、本実施形態では、各高速側通路53の長さL_exを調整することで排気同調回転数Nexを調整している。
Here, in order to increase the exhaust synchronized rotation speed Nex, the length L_ex of each high
そして、本実施形態では、前記各高速側通路53の長さL_exおよび横断面積が、前記排気同調回転数Nexにおいて、オーバーラップ期間中の気筒の排気ポート18に前記高速側集合部57で2回反転、反射した負圧量の大きい負圧波が戻るように設定されており、高速側通路53の長さL_exを短くしつつ排気同調回転数Nexにおける気筒12内のガスの排気ポート18側への吸い出し効果が得られるように構成されている。
In the present embodiment, the length L_ex and the cross-sectional area of each high
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、これにより各高速側通路53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。
The flow passage area
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り高速側通路53を開放する全開位置(図4の破線)と、排気の流れ方向と略垂直な方向に広がり高速側通路53を遮断する全閉位置(図4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。
The flow path area
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。
The
前記ディフューザー56cの下流端および高速側集合部57の下流端にはそれぞれ前記触媒装置6の後述するケーシング62が接続されており、ディフューザー56cおよび高速側集合部57を通過した排気はケーシング62内に流入する。
The downstream end of the
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62aには所定の空間が形成されている。前記ディフューザー5cおよび高速側集合部57の各下流端はこのケーシング62の上流端62aに接続されており、これら下流端から排出された排気はこのケーシング62の上流端62aで集合した後、触媒本体64側へ進行する。
The
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。
The
ECU2には、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および前記流路面積可変バルブ58の目標開度が記憶されており、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とも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および流路面積可変バルブの開度がこの目標値になるように、前記吸気VVT32、排気VVT42および前記バルブアクチュエータ58bを駆動する。
The
前記吸気バルブ19、排気バルブ20の目標バルブタイミングおよび前記流路面積可変バルブ58の目標開度について次に説明する。
Next, the target valve timing of the
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、エンジンの回転数が基準回転数N1より低い低速領域において、排気バルブ20の開弁期間と吸気バルブ19の開弁期間とが吸気上死点(TDC)を挟んでオーバーラップし、かつ、排気バルブ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設定されている。具体的には、図6に示すように、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が開弁するよう設定されている。
The target valve timings of the
また、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、エンジンの回転数が基準回転数N1より高い高速領域において、低速領域と同様に、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設定される一方、前記オーバーラップ期間T_L/Oが前記低速領域で設定されたオーバーラップよりも小さくなるように設定されている。例えば、低速領域のオーバーラップ期間T_O/Lが60℃A以上であって80℃A等に設定されているのに対して、高速領域のオーバーラップ期間T_O/Lは例えば40℃A以下に設定されている。
Further, the target valve timings of the
前記流路面積可変バルブ58の目標開度は、前記低速荷領域では全閉に設定され、前記高速領域では全開に設定されている。
The target opening degree of the flow path area
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8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。
In the
以上のように構成された本エンジンシステム100における吸気性能について次に説明する。
Next, the intake performance in the
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から対応する排気ポート18および前記独立排気通路52には排気が高速で排出される。特に、図7に示すように、排気バルブ20の開弁開始直後(クランク角θ_Pmax)は気筒12から非常に高圧、高速のガス(いわゆるブローダウンガス)が排出される。
When an
前記低速領域では、前記流路面積可変バルブ58は閉弁されており気筒12から排出された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および混合管56aは、エゼクタ効果により所定の低速側通路54から混合管56aに排気が高速で噴出されるのに伴い他の低速側通路54内のガスが下流側へ吸い出されるよう構成されている。そして、前記低速領域では、前記排気行程気筒12の排気バルブ20の開弁開始時に、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)がオーバーラップ期間中となるよう設定されている。
In the low speed region, the flow path area
従って、前記低速領域では、排気行程気筒12内の排気が前記低速側通路54に流入してこの低速側通路54から前記混合管56aに高速で噴出されるのに伴い、前記エゼクタ効果により前記吸気行程気筒12内の残留ガスが排気ポート18側へ吸い出されて、吸気行程気筒12の掃気が促進され、吸気効率ひいてはエンジン出力が高められる。
Accordingly, in the low speed region, the exhaust gas in the
特に、各低速側通路54の下流端は前記混合管56aにおいて隣接して配置されている。そのため、排気行程気筒12に接続された低速側通路54による吸出し力は吸気行程気筒12に接続された低速側通路54に効果的に作用する。
In particular, the downstream end of each low
ここで、前述のように、前記低速側通路54は前記エゼクタ効果が効果的に得られるように下流側においてその流路面積が小さく絞られている。そのため、排気がこの低速側通路54のみを通過する場合において、エンジン回転数が高くなり排気流量が大きくなると、排気抵抗が大きくなってポンプ損失が増大する結果エンジン出力がかえって悪化するという問題が生じる。
Here, as described above, the flow path area of the low-
これに対して、本エンジンシステム100では、前記高速領域において、前記流路面積可変バルブ58が開弁されており、気筒12から排出された排気は前記低速側通路54に加えて排気抵抗が小さくなるよう構成された高速側通路53に流入する。従って、この高速領域では、前記ポンプ損失が小さく抑えられてエンジン出力が高められる。本実施形態では、前記基準回転数N1は、前記流路面積可変バルブ58を閉弁して前記高速側通路53を遮断して排気を前記低速側通路54側のみを通過するようにした場合に、ポンプ損失が所定値未満に抑えられる回転数に設定されており、前記ポンプ損失がより確実に小さく抑えられている。具体的には、この基準回転数N1は4500rpmに設定されている。
On the other hand, in the
しかも、本エンジンシステム100では、前述のように、各高速側通路53の長さL_exおよび横断面積の調整により、エンジン回転数が前記基準回転数N1よりも高く設定された排気同調回転数Nexとなる運転条件すなわちこの高速領域内の運転条件において、オーバーラップ期間中の気筒12の排気ポート18に前記負圧量の大きい負圧波が到達してこの負圧波によりオーバーラップ期間中の気筒12内のガスが排気ポート18側へ吸い出されるよう構成されている。そのため、この高速領域では、前記ポンプ損失の低減に加えてこの負圧波によって掃気が促進されることによりエンジン出力がより一層高められる。なお、本実施形態では、この排気同調回転数Nexは、5000rpmに設定されており、これに合わせて高速側通路53の長さL_exは150mmに設定されている。また、高速側通路53の径は32mmに設定されている。
Moreover, in the
さらに、本エンジンシステム100では、前述のように、各吸気管3の長さL_inおよび横断面積の調整により、前記吸気の慣性過給効果が得られる1次の吸気同調回転数Nin_1aが前記基準回転数N1よりも高く設定されて前記高速領域内となるように設定されている。そのため、この高速領域では、吸気の慣性過給効果によっても吸気効率が高められてエンジン出力が高められる。特に、吸気の慣性過給効果を得ることのできない吸気脈動の1次の谷が発生する時期と吸気バルブ19の閉弁時期とが略同一となる非同調回転数Nin_1bが前記基準回転数よりも低くなるように構成されているので、高速領域全体にわたって吸気効率を高めることができる。具体的には、この1次の吸気同調回転数Nin_1aは、5500rpmに設定されており、これに合わせて吸気管3の長さL_inは400mmに設定されている。なお、吸気管3の径は45mmに設定されており、4気筒を有する本実施形態におけるエンジン本体1の排気量は2リットルである。また、非同調回転数Nin_1bは3500rpm付近に設定されている。
Further, in the
さらに、前記排気同調回転数Nexと1次の吸気同調回転数Nin_1とが異なる値に設定されているため、高速領域では広い範囲にわたってエンジン出力が高められる。 Further, since the exhaust synchronized rotation speed Nex and the primary intake synchronized rotation speed Nin_1 are set to different values, the engine output is increased over a wide range in the high speed region.
以上のようにして、本エンジンシステム100では、低速領域においてエゼクタ効果を効果的に利用して気筒12内の掃気を促進しつつ、高速領域において排気抵抗を小さく抑えるとともに排気の脈動圧力波の反射および吸気慣性効果を利用して気筒12内の掃気、吸気を促進することができ、全速度領域において吸気効率を高めてエンジン出力を高めることができる。
As described above, in the
図9に本エンジンシステム100におけるエンジン回転数と体積効率の関係を示したグラフおよびエンジン回転数とトルクの関係を示したグラフを示す。この図において、実線が、本エンジンシステム100における体積効率およびトルクであり、破線は、全てのエンジン回転数において前記流路面積可変バルブ58を閉じた際の体積効率およびトルクである。この図に示されるように、本エンジンシステム100では、高速領域において流路面積可変バルブ58を開いて排気を高速側通路53側に流出させることで、前記排気抵抗の低減効果および排気の脈動圧力波の反射の利用等により体積効率すなわち吸気効率およびトルクを高めることができる。
FIG. 9 shows a graph showing the relationship between engine speed and volumetric efficiency and a graph showing the relationship between engine speed and torque in the
ここで、前記各高速側通路53の長さL_exおよび横断面積は、前記基準回転数N1より高い値に設定された排気同調回転数Nexにおいて、排気バルブ20の開弁に伴い生成された高い圧力の正圧波が高速側集合部57で反転、反射するとともに、排気バルブ20の開弁期間中にこの反転、反射により生成された負圧量の大きい負圧波がこの排気バルブ20が開弁している気筒12の排気ポート18に戻る時期と、この排気バルブ20が開弁している気筒12のオーバーラップ期間とが重複するような大きさに設定されていればよく、前記正圧波の反転回数は前記2回に限らない。しかしながら、この反転回数が大きくなるに従い負圧波の負圧量は小さくなる。また、反転回数が1回の場合には、高速側通路53の長さL_exが長くなって気筒12と前記触媒装置6との距離が長くなる結果、触媒装置6に流入する排気の温度が所望の温度よりも低くなる場合がある。そのため、前記各高速側通路53の長さL_exは、前記正圧波が2回反転するような長さとするのが好ましい。
Here, the length L_ex and the cross-sectional area of each high-
また、前記各高速側通路53および吸気管3の長さL_inおよび横断面積は、それぞれ、前記排気同調回転数Nexと前記1次の吸気同調回転数Nin_1aとが一致するような長さおよび横断面積に設定されていてもよい。ただし、これらを異なるように構成すれば、高速領域においてより広い範囲にわたってエンジン出力を高めることができる。
The length L_in and the cross-sectional area of each of the high-
また、低速領域のうちエンジンに対する要求トルクが所定値よりも高い高負荷領域でのみ、前記流路面積可変バルブ58を全開とし、低速領域のうちその他の低負荷領域では、流路面積可変バルブ58を全開あるいは全開よりも小さい開度で開弁させるようにしてもよい。
Further, the flow path area
また、触媒装置6の位置は前記に限らない。ただし、本エンジンシステム100によれば、エゼクタ効果および排気抵抗の低減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本体64を早期に活性させることができる。
Further, the position of the
また、前記実施形態では、前記排気ポート18の下流に独立排気通路52が接続されて、この独立排気通路52の下流において前記高速側通路53と低速側通路54とに分離している場合について説明したが、例えば、2つの排気ポートのうち一方の排気ポート18に高速側通路を接続して、他方の排気ポート18に低速側通路を前記高速側通路と独立して接続してもよい。そして、高速側通路に接続された排気ポート18の排気バルブ20を、前記流路面積可変バルブとして機能させてもよい。すなわち、一方の排気バルブ20を開閉することで高速側通路の流路面積を変更するようにしてもよい。
In the embodiment, the case where the
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)
40 排気バルブ駆動機構(バルブ駆動手段)
52 独立排気通路
53 高速側通路
54 低速側通路
56a 混合管(低速側集合部)
57 高速側集合部
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)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Engine
40 Exhaust valve drive mechanism (valve drive means)
52
57 High-speed
Claims (4)
前記各気筒の吸気ポートにそれぞれ接続される吸気通路と、
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とともに、少なくとも下流側において低速側通路と高速側通路とにそれぞれ分離する複数の独立排気通路と、
前記各低速側通路の下流端に接続されて、当該各低速側通路に連通して当該各低速側通路を通過した排気が集合する低速側集合部と、
前記各高速側通路の下流端に接続されて、当該各高速側通路に連通して当該各高速側通路を通過した排気が集合する高速側集合部と、
前記各高速側通路に設けられて、当該各高速側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開閉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、
前記各低速側通路のうち排気順序が連続する気筒に接続された低速側通路は互いに隣り合う位置で前記低速側集合部に接続されており、
前記各低速側通路および低速側集合部は、各気筒から各低速側通路を通って前記低速側集合部に排気が排出されるに伴いエゼクタ効果によって隣接する他の低速側通路が負圧とされる形状を有し、
前記バルブ駆動手段は、エンジン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、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と他方の気筒の排気バルブとが開弁している時期とが重複するように、各気筒の吸気バルブおよび排気バルブを駆動するとともに、エンジン回転数が前記基準回転数よりも高い高速領域において、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ように、各気筒の吸気バルブおよび排気バルブを駆動し、
前記流路面積可変バルブ駆動手段は、前記低速領域のうち少なくとも前記多気筒エンジンに対する要求トルクが所定値よりも高い高負荷領域では前記流路面積可変バルブを全開よりも小さくして前記高速側通路を通過する排気の流量を小さくする一方、前記高速領域では前記流路面積可変バルブを全開にして高速側通路を開放し、
前記各高速側通路の長さおよび横断面積は、前記エンジン回転数が前記高速領域内に設定された排気同調回転数となる運転条件において、前記排気バルブの開弁開始時期近傍で前記気筒から当該高速側通路を通って前記高速側集合部に排出された排気の正圧波が前記高速側集合部で反射して負圧波となり、この負圧波が前記高速側通路を通ってこの排気が排出された気筒の排気ポートに到達する時期と、この排気が排出された気筒の前記オーバーラップ期間とが重複するような寸法に設定されており、
前記低速側集合部は、その上流端と下流端の少なくとも一方の流路面積が、当該低速側集合部の流路面積のうち最も小さい面積となる形状を有し、
前記低速側通路は、その下流端部分の流路面積と同じ面積を有する真円の直径aと、前記低速側集合部の下流端と同じ面積を有する真円の直径Dとの関係がa/D≧0.5となる形状を有することを特徴とする多気筒エンジンの吸排気装置。 An intake / exhaust device for a multi-cylinder engine having a plurality of cylinders, each having an intake port and an exhaust port, and an intake valve capable of opening and closing the intake port and an exhaust valve capable of opening and closing the exhaust port. ,
An intake passage connected to each intake port of each cylinder;
A plurality of independent exhaust passages that are respectively connected to exhaust ports of one cylinder or a plurality of cylinders whose exhaust order is not continuous with each other, and that are separated into a low speed side passage and a high speed side passage at least downstream,
Connected to the downstream end of each of the low-speed side passages, communicated with the low-speed side passages, and the low-speed side collecting portion that collects exhaust gas that has passed through the low-speed side passages;
Connected to the downstream end of each of the high speed side passages, communicated with the high speed side passages, and the high speed side collecting portion where the exhaust passing through the high speed side passages gathers;
A flow path area variable valve provided in each high speed side passage and capable of changing a flow area of each high speed side passage;
A flow path area variable valve driving means capable of opening and closing the flow path area variable valve;
Valve drive means capable of driving the intake valve and the exhaust valve of each cylinder,
Of the low-speed passages, the low-speed passages connected to the cylinders in which the exhaust order is continuous are connected to the low-speed collecting portion at positions adjacent to each other,
Each of the low-speed side passages and the low-speed side collecting portion has negative pressure in the other low-speed side passages adjacent to each other due to the ejector effect as exhaust is discharged from each cylinder through the low-speed side passages to the low-speed side collecting portion. Have a shape
In the valve driving means, the opening period of the intake valve and the opening period of the exhaust valve of each cylinder overlap in a predetermined overlap period in a low speed region where the engine speed is lower than a preset reference speed. In addition, the intake valve and the exhaust valve of each cylinder are set so that the overlap period of one cylinder overlaps with the timing when the exhaust valve of the other cylinder is opened between cylinders in which the exhaust order is continuous. Each cylinder is driven so that the opening period of the intake valve and the opening period of the exhaust valve overlap each other in a predetermined overlap period in a high speed region where the engine speed is higher than the reference speed. Drive the intake and exhaust valves of the
The flow path area variable valve driving means is configured to make the flow path area variable valve smaller than fully open in the high load area where the required torque for the multi-cylinder engine is higher than a predetermined value in the low speed area. While reducing the flow rate of the exhaust gas passing through the high-speed region, open the high-speed side passage by fully opening the variable flow area valve in the high-speed region,
The length and the cross-sectional area of each high-speed side passage are determined from the cylinder in the vicinity of the opening timing of the exhaust valve in the operating condition where the engine speed is the exhaust synchronized rotation speed set in the high-speed region. The positive pressure wave of the exhaust discharged through the high speed side passage to the high speed side collecting portion is reflected by the high speed side collecting portion to become a negative pressure wave, and this negative pressure wave is discharged through the high speed side passage. The time when the exhaust port of the cylinder is reached and the overlap period of the cylinder where the exhaust gas is discharged are set to overlap .
The low-speed side assembly has a shape in which at least one flow path area of the upstream end and the downstream end is the smallest area among the flow areas of the low-speed side assembly,
In the low speed side passage, the relationship between the diameter a of the perfect circle having the same area as the flow path area of the downstream end portion thereof and the diameter D of the perfect circle having the same area as the downstream end of the low speed side collecting portion is a / An intake / exhaust device for a multi-cylinder engine having a shape satisfying D ≧ 0.5 .
前記各高速側通路の長さおよび横断面積は、エンジン回転数が前記排気同調回転数となる条件において、前記排気の正圧波が前記高速側集合部で2回反射した後前記気筒の排気ポートに到達する時期と前記オーバーラップ期間とが重複するような寸法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。 The intake / exhaust device for a multi-cylinder engine according to claim 1,
The length and the cross-sectional area of each high-speed side passage are such that the positive pressure wave of the exhaust is reflected twice by the high-speed side collecting portion and the exhaust port of the cylinder under the condition that the engine speed is the exhaust tuning speed. An intake / exhaust device for a multi-cylinder engine, characterized in that the dimension is set such that the time of arrival and the overlap period overlap.
前記各吸気通路のうち前記吸気バルブから当該吸気バルブの開弁に伴い生成された吸気
脈動の圧力波が反射されるまでの部分の長さおよび横断面積は、前記吸気脈動の1次の山が前記吸気バルブ近傍で生じる時期と吸気バルブの閉弁時期とが略同一となり吸気の慣性過給効果が得られる1次の吸気同調回転数が前記基準回転数よりも高く、かつ、前記吸気脈動の1次の谷が前記吸気バルブ近傍において発生する時期と吸気バルブの閉弁時期とが略同一となる吸気非同調回転数が前記基準回転数よりも低くなる寸法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。 The multi-cylinder engine intake / exhaust device according to claim 1 or 2,
The length and the cross-sectional area of each intake passage until the pressure wave of the intake pulsation generated when the intake valve is opened are reflected from the intake valve by the first peak of the intake pulsation. The timing that occurs in the vicinity of the intake valve and the closing timing of the intake valve are substantially the same, and the primary intake synchronized rotational speed that provides the inertial supercharging effect of intake is higher than the reference rotational speed, and the intake pulsation The intake non-synchronized rotational speed at which the primary valley occurs in the vicinity of the intake valve and the intake valve close timing are set to dimensions that are lower than the reference rotational speed. Multi-cylinder engine intake and exhaust system.
前記1次の吸気同調回転数と、前記排気同調回転数とが異なる回転数であることを特徴とする多気筒エンジンの吸排気装置。
The intake / exhaust device for a multi-cylinder engine according to claim 3,
An intake / exhaust device for a multi-cylinder engine, wherein the primary intake synchronized rotational speed and the exhaust synchronized rotational speed are different.
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