JP5673214B2 - 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排気通路と、ターボ過給機の上流に設けられてこれら排気通路が集合する集合部と、この集合部に設けられて各排気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排気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排気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排気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 exhaust 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 exhaust passage is disclosed. In this apparatus, by reducing the flow passage area of the exhaust passage by the valve, the exhaust of the cylinder in the exhaust stroke flows from the predetermined exhaust passage into the collecting portion at a relatively high speed, and the periphery of the high-speed exhaust is The amount of gas supplied to the turbocharger is reduced by causing the negative pressure generated in the above-mentioned collecting portion to act on the other exhaust passage and sucking the exhaust in the other exhaust passage downstream by the so-called ejector effect. The engine output is increased to increase the engine output.

特開2009−97335号公報JP 2009-97335 A

前記従来技術のようにエゼクタ効果による吸気量増大効果を得るべく排気通路の流路面積を縮小させた装置では、排気の速度を高めることができる一方排気抵抗が増大する。そのため、このような装置では、排気流量が小さいエンジン回転数の低い領域では前記エゼクタ効果による吸気量増大効果が得られる一方、排気流量が大きいエンジン回転数の高い領域では排気抵抗の増大によるポンプ損失の増大に伴いかえってエンジン出力が低下するという問題がある。   In the apparatus in which the flow passage area of the exhaust passage is reduced so as to obtain the intake amount increasing effect by the ejector effect as in the prior art, the exhaust speed can be increased while the exhaust resistance is increased. For this reason, in such a device, the effect of increasing the intake air amount due to the ejector effect can be obtained in a region where the exhaust flow rate is low and the engine speed is low, while in the region where the exhaust flow rate is high and the engine speed is high, However, there is a problem that the engine output is reduced with the increase of the engine.

本発明は、このような事情に鑑み、簡単な構成で全回転領域におい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 engine output in the entire rotation range with a simple configuration.

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、前記各独立排気通路のうち排気順序が連続する気筒に接続された独立排気通路は互いに隣り合う位置で前記集合部に接続されており、前記各独立排気通路の下流端部は、各気筒から各排気ポートおよび各独立排気通路を通って前記集合部に排気が排出されるのに伴いエゼクタ効果によって隣接する他の独立排気通路およびこの独立排気通路に接続された排気ポート内に負圧が生成されるように、上流側よりも下流側の方が流路面積が小さい形状を有し、前記バルブ駆動手段は、少なくとも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、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が他方の気筒の排気バルブが開弁している時期に重複するように、各気筒の吸気バルブおよび排気バルブを駆動し、前記基準回転数は、当該基準回転数よりもエンジンの回転数が高くなると、前記多気筒エンジンからのエンジン出力が、前記各独立排気通路の流路面積を一定とした場合におけるエンジン出力よりも小さくなる回転数付近に設定されており、前記各吸気通路は、その上流側部分に設けられて、前記吸気バルブの開弁に伴い当該吸気バルブの近傍で生成された吸気脈動の負圧波が反射して正圧波となる反転部位を有し、前記吸気通路のうち前記吸気バルブから前記反転部位までの長さおよび横断面積は、前記負圧波が前記反転部位で1回反射することに伴い生成された正圧波が前記吸気バルブ近傍に到達する時期と吸気バルブの閉弁時期とが略同一となるエンジン回転数であって、吸気の慣性過給効果が得られる吸気脈動の1次の同調回転数が、前記基準回転数よりも高くなり、かつ、前記負圧波が前記反転部位で2回反転することに伴い生成された正圧波が前記吸気バルブ近傍に到達する時期と吸気バルブの閉弁時期とが略同一となるエンジン回転数であって吸気の慣性過給効果が得られる吸気脈動の2次の同調回転数が、前記基準回転数よりも低くなるとともに、前記1次の同調回転数と2次の同調回転数との間のエンジン回転数であってこれら同調回転数間のエンジン回転数のうち前記吸気バルブの閉弁時期に当該吸気バルブ近傍に到達する吸気脈動の負圧波の負圧量が最も大きく当該負圧波の影響による体積効率の低下量が最も大きくなる非同調回転数が、前記基準回転数よりも低くなる寸法にそれぞれ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 of the cylinders and an independent connection connected to an exhaust port of one cylinder or a plurality of cylinders whose exhaust sequences are not consecutive to each other An exhaust passage, a collecting portion connected to a downstream end of each independent exhaust passage and collecting gas passing through each independent exhaust passage, and valve driving means capable of driving the intake valve and the exhaust valve of each cylinder The independent exhaust passages connected to the cylinders in which the exhaust order is continuous among the independent exhaust passages are connected to the collecting portion at positions adjacent to each other. And downstream end portions of the independent exhaust passages are connected to other independent exhaust passages adjacent to each other by an ejector effect as exhaust is discharged from the cylinders through the exhaust ports and the independent exhaust passages to the collective portion. In order to generate a negative pressure in the exhaust port connected to the independent exhaust passage, the downstream side has a shape with a smaller flow path area than the upstream side. In a low speed region where the number is lower than a preset reference rotational speed, the opening period of the intake valve and the opening period of the exhaust valve of each cylinder overlap with each other by a predetermined overlap period, and the exhaust sequence is continuous. Driving the intake valve and the exhaust valve of each cylinder so that the overlap period of one cylinder overlaps with the timing when the exhaust valve of the other cylinder is opened between the cylinders, When the engine speed is higher than the reference speed, the quasi-rotational speed is such that the engine output from the multi-cylinder engine is smaller than the engine power when the flow area of each independent exhaust passage is constant. Each intake passage is provided in the upstream portion thereof, and the negative pressure wave of the intake pulsation generated in the vicinity of the intake valve as the intake valve is opened is reflected. The reversal part that becomes a positive pressure wave has a length and a cross-sectional area in the intake passage from the intake valve to the reversal part, and the positive pressure wave generated when the negative pressure wave is reflected once at the reversal part. The engine rotational speed at which the pressure wave reaches the vicinity of the intake valve and the closing timing of the intake valve are substantially the same, and the primary synchronized rotational speed of the intake pulsation that provides the inertial supercharging effect of the intake air Above The timing at which the positive pressure wave generated when the negative pressure wave is reversed twice at the reversal part and near the intake valve is substantially the same as the intake valve closing timing. And the secondary tuned rotational speed of the intake pulsation for obtaining the inertial supercharging effect of the intake air becomes lower than the reference rotational speed, and the primary tuned rotational speed and the secondary tuned speed Among the engine speeds between the engine speeds, the negative pressure amount of the negative pressure wave of the intake pulsation that reaches the vicinity of the intake valve at the closing timing of the intake valve is the largest. Provided is an intake / exhaust device for a multi-cylinder engine, wherein the non-synchronized rotational speed at which the volumetric efficiency drop caused by the negative pressure wave is maximized is set to a dimension lower than the reference rotational speed. To do.

本装置によれば、エゼクタ効果と吸気の慣性過給効果を効果的に利用してエンジン出力を高めることができる。   According to this apparatus, the engine output can be increased by effectively utilizing the ejector effect and the inertial supercharging effect of the intake air.

具体的には、本装置では、各独立排気通路の流路面積が下流側において絞られてエゼクタ効果を得ることができるよう構成されているとともに、低速領域において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されている。そのため、低速領域において、エゼクタ効果によりオーバーラップ期間中の気筒の排気ポート内に負圧を生成してこのオーバーラップ期間中の掃気を促進することができる。   Specifically, in the present apparatus, the flow passage area of each independent exhaust passage is configured to be reduced on the downstream side to obtain an ejector effect, and during a predetermined cylinder overlap period in the low speed region. The exhaust valves of other cylinders are opened. Therefore, in the low speed region, a negative pressure can be generated in the exhaust port of the cylinder during the overlap period by the ejector effect, and scavenging during the overlap period can be promoted.

ここで、独立排気通路の流路面積が絞られていることで排気抵抗は増大する。これに対して、本装置では、吸気通路の長さおよび横断面積が適切に調整されることで吸気の慣性過給効果が得られる1次の同調回転数が高速領域内に設定されている。そのため、排気流量が大きいことによりエゼクタ効果による掃気性能向上効果よりも排気抵抗増大の影響の方が大きくなる高速領域においても、吸気の慣性過給効果により気筒内の掃気性能を高めてポンプ損失の増大を抑制することができ、全回転領域においてエンジン出力を高めることができる。   Here, exhaust resistance increases because the flow area of the independent exhaust passage is reduced. On the other hand, in the present apparatus, the primary synchronized rotational speed at which the inertial supercharging effect of the intake air can be obtained by appropriately adjusting the length and the cross-sectional area of the intake air passage is set in the high speed region. Therefore, even in the high-speed region where the effect of increased exhaust resistance is greater than the effect of improving the scavenging performance due to the ejector effect due to the large exhaust flow rate, the scavenging performance in the cylinder is increased due to the inertial supercharging effect of the intake air, thereby reducing the pump loss. The increase can be suppressed, and the engine output can be increased in the entire rotation region.

特に、前記1次の同調回転数と2次の同調回転数との間のエンジン回転数のうち吸気バルブ近傍において正圧波が発生する時期と吸気バルブの閉弁時期とが大きくずれるエンジン回転数であって、吸気バルブの閉弁時期に負圧量の大きい負圧波が吸気バルブ近傍に到達することでこの負圧波の影響による体積効率の悪化量が最も大きく体積効率が低く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。そのため、この負圧波の影響に伴う体積効率の低下を、前記エゼクタ効果で補うことができ、体積効率の低下を小さく抑えることができる。したがって、低速領域から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。   In particular, the engine speed at which the positive pressure wave is generated in the vicinity of the intake valve and the valve closing timing of the intake valve out of the engine speed between the primary synchronized speed and the secondary synchronized rotational speed are greatly different. As the negative pressure wave with a large negative pressure reaches the vicinity of the intake valve at the closing timing of the intake valve, the amount of deterioration in volumetric efficiency due to the negative pressure wave is the largest, and the unsynchronized rotational speed at which the volumetric efficiency is lowered is reduced. It is comprised so that it may become lower than the said reference rotation speed. Therefore, a decrease in volume efficiency due to the influence of the negative pressure wave can be compensated by the ejector effect, and a decrease in volume efficiency can be suppressed small. Therefore, the scavenging performance can be more reliably improved from the low speed region to the entire high speed region.

ここで、前記エゼクタ効果を効果的に得るための具体的構成としては、前記独立排気通路が、その下流端部の流路面積と同じ面積を有する真円の直径aと、前記集合部の最小流路面積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ものが挙げられる(請求項2)。   Here, as a specific configuration for effectively obtaining the ejector effect, the independent exhaust passage has a diameter a of a perfect circle having the same area as the flow path area at the downstream end thereof, and a minimum of the collecting portion. Examples include a shape in which the relationship with the diameter D of a perfect circle having the same area as the flow path area is a / D ≧ 0.5 (Claim 2).

また、排気の流速をより高めるべく前記独立排気通路の下流端部に流路面積が絞られた絞り部を形成するのが好ましく、この場合には、さらに、前記直径aを前記下流端部の絞り部の流路面積と同じ面積を有する真円の直径として、前記集合部の最小流路面積と同じ面積を有する真円の直径Dとの関係がa/D≧0.5を満足するのが好ましい(請求項3)。   Further, in order to further increase the flow rate of the exhaust gas, it is preferable to form a throttle portion having a reduced flow area at the downstream end portion of the independent exhaust passage. In this case, the diameter a is further set to the downstream end portion. The relationship between the diameter of a perfect circle having the same area as the flow path area of the throttle part and the diameter D of a perfect circle having the same area as the minimum flow path area of the aggregate part satisfies a / D ≧ 0.5. (Claim 3).

また、本発明において、前記各独立排気通路の前記下流端部よりも上流側の部分にそれぞれ接続されたバイパス通路と、前記バイパス通路の下流端に接続されて、当該各バイパス通路を通過するガスが集合するバイパス通路側集合部と、前記バイパス通路側集合部および前記集合部の下流端に接続されて、当該バイパス通路側集合部および集合部を通過するガスが集合する最終集合部と、前記各バイパス通路に設けられて、当該各バイパス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を備え、前記各バイパス通路の流路面積は、当該各バイパス通路の流路面積と前記各独立排気通路の下流端の流路面積との合計面積が、前記各独立排気通路のうち前記バイパス通路が接続される部分よりも上流側の部分の流路面積以上となる寸法に設定されており、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各バイパス通路を通過する排気の流量を小さくする一方、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では前記流路面積可変バルブを全開にして前記各バイパス通路を開放するのが好ましい(請求項4)。   Further, in the present invention, a bypass passage connected to a portion on the upstream side of the downstream end portion of each independent exhaust passage, and a gas connected to the downstream end of the bypass passage and passing through each bypass passage Is connected to the bypass passage side collecting portion and the downstream end of the collecting portion, the final collecting portion where the gas passing through the bypass passage side collecting portion and the collecting portion gathers, Provided in each bypass passage, comprising a variable flow area valve that can change the flow area of each bypass passage, and a variable flow area valve driving means that can open and close the variable flow area valve. The flow passage area of each bypass passage is the sum of the flow passage area of each bypass passage and the flow passage area at the downstream end of each independent exhaust passage. The flow path area variable valve driving means is set to have a dimension that is equal to or larger than the flow path area of the portion upstream of the portion to which the road is connected, and the required torque for at least the multi-cylinder engine in the low speed region is set. In a high load region higher than a predetermined value, the flow passage area variable valve is made smaller than fully opened to reduce the flow rate of exhaust gas passing through each bypass passage, while the engine speed is higher than the reference speed. In the region, it is preferable that the flow passage area variable valve is fully opened to open the bypass passages.

このようにすれば、排気流量の大きい高速領域において、気筒から排出された排気を前記独立排気通路に加えてバイパス通路を通過させて下流側に流出させることができ、排気抵抗を小さく抑えてエンジン出力をより高めることができる。   In this way, in a high speed region where the exhaust flow rate is large, the exhaust discharged from the cylinder can be added to the independent exhaust passage and pass through the bypass passage to be discharged downstream, and the exhaust resistance can be suppressed to a low level. The output can be further increased.

前記各バイパス通路としては、その流路面積が一定あるいは上流側よりも下流側の方が流路面積が大きい形状を有するものが挙げられる(請求項5)。   Examples of each bypass passage include those having a constant flow path area or a shape having a flow path area larger on the downstream side than on the upstream side (Claim 5).

以上のように、本発明によれば、全回転領域におい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 in the entire rotation region.

本発明の実施形態に係る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の概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of an engine system including an intake / exhaust device for a multi-cylinder engine according to an embodiment of the present invention. 図1において高速側通路と高速側集合部等を省略した図である。It is the figure which abbreviate | omitted the high speed side channel | path, the high speed side gathering part, etc. in FIG. 図1において低速側通路と低速側集合部等を省略した図である。It is the figure which abbreviate | omitted the low speed side channel | path, the low speed side gathering part, etc. in FIG. 図1に対応するエンジンシステムの概略縦断面図である。It is a schematic longitudinal cross-sectional view of the engine system corresponding to FIG. 図2のV−V線断面図である。It is the VV sectional view taken on the line of FIG. 低速側通路の他の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other structure of a low speed side channel | path. 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。It is a figure for demonstrating the valve timing of an intake valve and an exhaust valve. 吸気バルブ付近の圧力脈動の様子を示した図である。It is the figure which showed the mode of the pressure pulsation near an intake valve. 本発明の実施形態に係る多気筒エンジンの吸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。It is a figure for demonstrating the valve opening timing and valve closing timing of an intake valve and an exhaust valve in the intake / exhaust apparatus of the multicylinder engine which concerns on embodiment of this invention. 基準回転数の設定手順を説明するためのグラフである。It is a graph for demonstrating the setting procedure of a reference | standard rotation speed. 本発明の効果を説明するためのグラフである。It is a graph for demonstrating the effect of this invention.

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、エンジン本体1に接続されて吸気通路の一部を構成する複数の吸気管3と、これら吸気管3に接続されて吸気通路の一部を構成するサージタンク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 engine system 100 including an intake / exhaust device for the multi-cylinder engine. The engine system 100 includes an engine main body 1 having a cylinder head 9 and a cylinder block, an ECU 2 for engine control, a plurality of intake pipes 3 connected to the engine main body 1 and constituting a part of an intake passage, and the intake air. A surge tank 4 connected to the pipe 3 and constituting a part of the intake passage, an exhaust manifold 5 connected to the engine body 1, and a catalyst device 6 connected to the exhaust manifold 5 are provided.

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。   A plurality of cylinders 12 into which pistons are respectively inserted are formed in the cylinder head 9 and the cylinder block. In the present embodiment, the engine body 1 is an in-line four-cylinder engine, and four cylinders 12 are formed in series in the cylinder head 9 and the cylinder block. Specifically, a first cylinder 12a, a second cylinder 12b, a third cylinder 12c, and a fourth cylinder 12d are formed in order from the right in FIG. Each cylinder head 9 is provided with a spark plug 15 so as to face a combustion chamber partitioned above the piston.

前記エンジン本体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℃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. As shown in FIG. 7, the cylinders 12a to 12d are ignited by the spark plug 15 at a timing shifted by 180 ° C. A, and the intake stroke and the compression stroke are performed. The expansion stroke and the exhaust stroke are each shifted by 180 ° C. A. In the present embodiment, ignition is performed in the order of the first cylinder 12a → the third cylinder 12c → the fourth cylinder 12d → the second cylinder 12b, and the exhaust stroke and the like are performed in this order.

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 intake ports 17 and two exhaust ports 18 that open toward the combustion chamber are provided at the top of each cylinder 12. The intake port 17 is for introducing intake air into each cylinder 12. The exhaust port 18 is for exhausting the exhaust from each cylinder 12. Each intake port 17 is provided with an intake valve 19 for opening and closing the intake port 17 to communicate or block the intake port 17 and the inside of the cylinder 12. Each exhaust port 18 is provided with an exhaust valve 20 for opening and closing the exhaust port 18 to communicate or block the exhaust port 18 and the inside of the cylinder 12. The intake valve 19 is driven by an intake valve drive mechanism (valve drive means) 30 to open and close the intake port 17 at a predetermined timing. The exhaust valve 20 is driven by an exhaust valve drive mechanism (valve drive means) 40 to open and close the exhaust port 18 at a predetermined timing.

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 valve drive mechanism 30 has an intake camshaft 31 and an intake VVT 32 connected to the intake valve 19. The intake camshaft 31 is connected to the crankshaft via a known power transmission mechanism such as a chain / sprocket mechanism, and rotates with the rotation of the crankshaft to open and close the intake valve 19.

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 intake VVT 32 is for changing the valve timing of the intake valve 19. The intake VVT 32 is arranged coaxially with the intake camshaft 31 and changes the phase difference between a predetermined driven shaft that is directly driven by the crankshaft and the intake camshaft 31, thereby the crankshaft and the intake air By changing the phase difference from the camshaft 31, the valve timing of the intake valve 19 is changed. As a specific configuration of the intake VVT 32, for example, a plurality of liquid chambers arranged in the circumferential direction are provided between the driven shaft and the intake camshaft 31, and a pressure difference is provided between the liquid chambers to thereby change the position. A hydraulic mechanism that changes the phase difference, an electromagnetic mechanism that has an electromagnet provided between the driven shaft and the intake camshaft 31, and changes the phase difference by applying electric power to the electromagnet, etc. Is mentioned. The intake VVT 32 changes the phase difference based on the target valve timing of the intake valve 19 calculated by the ECU 2.

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 valve drive mechanism 40 has the same structure as the intake valve drive mechanism 30. That is, the exhaust valve drive mechanism 40 changes the valve timing of the exhaust valve 20 by changing the phase difference between the exhaust camshaft 41 and the crankshaft, and the exhaust camshaft 41 connected to the exhaust valve 20 and the crankshaft. And an exhaust VVT 42 to be used. The exhaust VVT 42 changes the phase difference based on the target valve timing of the exhaust valve 20 calculated by the ECU 2. The exhaust camshaft 41 rotates with the rotation of the crankshaft under this phase difference to drive the exhaust valve 20 to open and close at the target valve timing.

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 intake VVT 32 and the exhaust VVT 42 open the intake valve 19 and the exhaust valve 20 while keeping the valve opening period and the lift amount, that is, the valve profile, of the intake valve 19 and the exhaust valve 20 constant. The valve timing and the valve closing timing are each changed.

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 intake port 17 of each cylinder 12 is connected to the intake pipe 3 on the upstream side. Specifically, four intake pipes 3 are provided corresponding to the number of cylinders, and two intake ports 17 provided in each cylinder 12 are connected to one intake pipe 3.

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、本実施形態では、サージタンク4が負圧波が反射して正圧波となる反転部位として機能する。このサージタンク4での圧力波の反射に伴い、吸気管3内には、図8に示すような、圧力脈動が生じる。この図8は、横軸を時間として、吸気バルブ19近傍における圧力脈動による圧力変化を模式的に示した図である。この図8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 intake pipe 3 is connected to the surge tank 4 on the upstream side, and air stored in the surge tank is distributed to each intake pipe 3. The surge tank 4 extends in the direction in which the intake pipes 3 are arranged, and has a sufficient volume capable of storing air for distribution to the intake pipes 3. Accordingly, when the intake valve 19 is opened, the negative pressure wave generated in the vicinity of the intake valve 19 propagates through the intake pipe 3 and reaches the surge tank 4 and is inverted and reflected by the surge tank 4 to become a positive pressure wave. . This positive pressure wave returns to the intake valve 19 side, reverses and reflects near the inlet of the cylinder 12 to become a negative pressure wave, and propagates again to the sirgin tank 4 side. Thus, in this embodiment, the surge tank 4 functions as a reversal part where a negative pressure wave is reflected and becomes a positive pressure wave. With the reflection of the pressure wave at the surge tank 4, a pressure pulsation as shown in FIG. FIG. 8 is a diagram schematically showing a pressure change due to pressure pulsation in the vicinity of the intake valve 19 with the horizontal axis as time. As shown in FIG. 8, in the vicinity of the intake valve 19, after the opening of the intake valve 19 (time t0), peaks (high pressure state) and valleys (low pressure state) appear alternately while being attenuated. .

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、体積効率が高められるというものである。この慣性過給効果は、負圧波がサージタンク4で反転、反射する回数が増大するほど小さくなる。具体的には、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、その圧力が最も大きく、最も高い慣性過給効果を得ることができる。そして、前記負圧波がサージタンク4で2回反転、反射することで生成された正圧波による2次の山の圧力が次に高くなり、1次の山の次に高い慣性過給効果を得ることができる。従って、前記吸気バルブ19の閉弁直前に吸気バルブ19近傍を前記1次の山にすれば、体積効率を十分に高めることができる。   The intake air inertia supercharging effect is that immediately before the intake valve 19 is closed, the vicinity of the intake valve 19 is in the state of the mountain and the pressure on the intake port 17 side is increased, and intake to the cylinder 12 is promoted. Volume efficiency is improved. This inertia supercharging effect becomes smaller as the number of times the negative pressure wave is reversed and reflected by the surge tank 4 increases. Specifically, the first peak due to the positive pressure wave generated by reversing and reflecting the negative pressure wave once by the surge tank 4 has the highest pressure, and the highest inertial supercharging effect can be obtained. . Then, the pressure of the secondary peak due to the positive pressure wave generated by reversing and reflecting the negative pressure wave twice by the surge tank 4 becomes the next higher, and the inertial supercharging effect next to the primary peak is obtained. be able to. Therefore, if the vicinity of the intake valve 19 is made the primary peak just before the intake valve 19 is closed, the volumetric efficiency can be sufficiently increased.

一方、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されて吸気バルブ19近傍に吸気脈動の負圧波が到達した場合には、吸気ポート17側の圧力がこの負圧波により低く抑えられるため、気筒12への吸気の導入量は小さく抑えられる。すなわち、前記負圧波により気筒12への吸気の導入が阻害される。特に、1次の山と2次の山との間の1次の谷では、吸気バルブ19の閉弁直前に吸気バルブ19近傍に到達する負圧量が最も大きくなるため、吸気導入量の悪化すなわち体積効率の低下が大きくなる。   On the other hand, when the vicinity of the intake valve 19 is in the valley state just before the intake valve 19 is closed, and the negative pressure wave of the intake pulsation reaches the vicinity of the intake valve 19, the pressure on the intake port 17 side becomes the negative pressure wave. Therefore, the amount of intake air introduced into the cylinder 12 can be kept small. That is, introduction of intake air into the cylinder 12 is hindered by the negative pressure wave. In particular, in the primary valley between the primary peak and the secondary peak, the amount of negative pressure that reaches the vicinity of the intake valve 19 immediately before the intake valve 19 is closed becomes the largest, so the intake intake amount deteriorates. That is, the volumetric efficiency is greatly reduced.

なお、吸気バルブ19近傍に吸気脈動の圧力波が到達するか負圧波が到達するかによらず、吸気バルブ19の閉弁直前において吸気バルブ19近傍の圧力は正圧であり、負圧波が到達した場合にはその正圧量が小さく抑えられるだけである。   Note that the pressure in the vicinity of the intake valve 19 is positive immediately before the intake valve 19 is closed, regardless of whether the pressure wave of the intake pulsation or the negative pressure wave reaches the vicinity of the intake valve 19. In such a case, the amount of positive pressure can only be kept small.

本実施形態では、前記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の長さおよび横断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の長さおよび横断面積が設定されている。   In the present embodiment, the length and cross-sectional area of the intake pipe 3 are set so that a high inertial supercharging effect due to the primary peak can be obtained in a high speed region where the engine speed is higher than a reference speed N1 described later. Is set. Further, in this high-speed region, the intake air valve 19 is prevented from becoming a valley near the intake valve 19 immediately before the intake valve 19 is closed, so that the inertia supercharging effect can be obtained in the entire high-speed region. The length and cross-sectional area of the tube 3 are set.

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8参照)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、吸気管3の長さおよび横断面積が設定されている。そして、吸気バルブ19近傍において吸気脈動の2次の山が発生する時刻t2a(図8参照)と吸気バルブ19の閉弁時期とが略同一となる2次の同調回転数Nin_2aが、前記基準回転数N1よりも低くなり、かつ、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8参照)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の長さおよび横断面積が設定されている。ここで、前記1次の非同調回転数Nin_1bは、具体的には、1次の同調回転数Nin_1aと2次の同調回転数Nin_2aとの間の回転数であって、これら同調回転数の間のエンジン回転数のうち吸気脈動の負圧波の影響による体積効率の悪化量が最も大きくなる回転数である。例えば、非同調回転数Nin_1bは、エゼクタ効果が得られないエンジンにおいて、前記1次の同調回転数Nin_1aと2次の同調回転数Nin_2aとの間のエンジン回転数のうち、最も体積効率が悪化するエンジン回転数に設定されている。   That is, the primary synchronized rotation speed Nin_1a at which the time t1a (see FIG. 8) at which the primary peak of the intake pulsation occurs in the vicinity of the intake valve 19 and the closing timing of the intake valve 19 is substantially the same is the reference rotation. The length and cross-sectional area of the intake pipe 3 are set so as to be higher than the number N1. The time t2a (see FIG. 8) at which the secondary peak of the intake pulsation occurs in the vicinity of the intake valve 19 and the secondary synchronized rotational speed Nin_2a at which the valve closing timing of the intake valve 19 becomes substantially the same is the reference rotation. The time t1b (see FIG. 8) at which the primary valley of the intake pulsation occurs in the vicinity of the intake valve 19 and the timing at which the intake valve 19 is closed is substantially the same as the first non-synchronization. The length and the cross-sectional area of the intake pipe 3 are set so that the rotational speed Nin_1b is lower than the reference rotational speed N1. Here, the primary non-synchronization rotational speed Nin_1b is specifically a rotational speed between the primary synchronous rotational speed Nin_1a and the secondary synchronous rotational speed Nin_2a, and between these synchronous rotational speeds. The engine speed at which the volume efficiency deterioration due to the influence of the negative pressure wave of the intake pulsation is the largest. For example, the non-tuned rotation speed Nin_1b has the lowest volumetric efficiency among the engine speeds between the primary tuned rotation speed Nin_1a and the secondary tuned rotation speed Nin_2a in an engine where the ejector effect cannot be obtained. The engine speed is set.

なお、前記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。   In order to obtain a high inertial supercharging effect due to the primary peak in a higher speed region, the length of the intake pipe 3 is made shorter or the cross-sectional area of the intake pipe 3 is made larger. Although the change in which the cross-sectional area of the intake pipe 3 is increased is greatly limited in layout, in this embodiment, a high inertial supercharging effect can be obtained in a high speed region by shortening the length of the intake pipe 3. I am doing so.

前記排気マニホールド5は、3つの独立排気通路52と、3つの高速側通路(バイパス通路)53と、3つの流路面積可変バルブ58および高速側集合部57(バイパス通路側集合部、図3参照)と、混合管(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 exhaust manifold 5 includes three independent exhaust passages 52, three high-speed side passages (bypass passages) 53, three flow passage area variable valves 58, and a high-speed side collecting portion 57 (bypass passage-side collecting portion, see FIG. 3). ), A mixing tube (collecting portion) 56a, a straight tube 56b, and a diffuser 56c (see FIG. 2).

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 independent exhaust passage 52 is connected to the exhaust port 18 of each cylinder 12. Specifically, in the cylinder 12, the exhaust port 18 of the first cylinder 12a and the exhaust port 18 of the fourth cylinder 12d are individually connected to the independent exhaust passages 52a and 52d, respectively. On the other hand, the exhaust ports 18 of the second cylinder 12b and the third cylinder 12c in which the exhaust strokes are not adjacent to each other and the exhaust order is not continuous are not exhausted simultaneously from these cylinders, so that the structure is simplified. It is connected to one independent exhaust passage 52b. More specifically, the independent exhaust passage 52b connected to the exhaust port 18 of the second cylinder 12b and the third cylinder 12c is separated into two passages on the upstream side thereof, and the second cylinder is provided in one of the two passages. The exhaust port 18 of 12b is connected, and the exhaust port 18 of the third cylinder 12c is connected to the other.

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 independent exhaust passages 52 are independent from each other, and are exhausted from the second cylinder 12b or the third cylinder 12c, exhaust exhausted from the first cylinder 12a, and exhaust exhausted from the fourth cylinder 12d. Are discharged downstream through the independent exhaust passages 52 independently of each other.

前記各独立排気通路52の下流側には、各独立排気通路52の下流側をバイパスする高速側通路(バイパス通路)53が接続されている。すなわち、各独立排気通路52の下流側は、独立排気通路52を構成する低速側通路54と高速側通路53とに分離している。本実施形態では、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。   A high speed side passage (bypass passage) 53 that bypasses the downstream side of each independent exhaust passage 52 is connected to the downstream side of each independent exhaust passage 52. That is, the downstream side of each independent exhaust passage 52 is separated into a low speed side passage 54 and a high speed side passage 53 constituting the independent exhaust passage 52. In the present embodiment, as shown in FIG. 4, the low speed side passage 54 extends downstream along the independent exhaust passage 52 upstream from the separation point from the high speed side passage 53, and the high speed side passage is provided. 53, after curving upward from the low speed side passage 54, extends to the downstream side substantially parallel to the low speed side passage 54. Further, the high speed side passage 53 and the low speed side passage 54 corresponding to the exhaust ports 18 of the second cylinder 12b and the third cylinder 12c are linearly opposed to the central portion of these cylinders, that is, the substantially central portion of the engine body 1. The high speed side passage 53 and the low speed side passage 54 corresponding to the exhaust ports 18 of the other cylinders extend from the positions facing the corresponding exhaust ports 18 to the second cylinder 12b and the third cylinder 12c. It curves and extends toward the passages 52 and 54. The cross-sectional areas, that is, the flow areas of the respective high-speed passages 53 are set to be the same, and the cross-sectional areas, that is, the flow areas of the respective low-speed passages 54 are set to be the same.

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を通過したガスはこの混合管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 pipe 56a is connected to the downstream side of each low speed side passage 54, and the gas that has passed through each low speed side passage 54 gathers in the mixing pipe 56a. In the mixing pipe 56a, the three low speed side passages 54 are connected at positions where their downstream ends are adjacent to each other.

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 speed side passages 54 and the mixing pipes 56a has a negative pressure generated around the high speed exhaust gas as the exhaust gas is ejected from the low speed side passages 54 at a high speed and the exhaust gas passes through the mixing pipe 56a at a high speed. Due to the pressure action, that is, the ejector effect, the adjacent low speed side passage 54 and the exhaust port 18 corresponding to the low speed side passage 54 have a negative pressure, and the gas in the exhaust port 18 is sucked downstream. doing.

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。本実施形態では、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-speed passages 54 has a shape in which the flow passage area decreases toward the downstream, and exhaust gas is ejected from each low-speed passage 54 to the downstream side at a high speed. ing. In the present embodiment, as shown in FIG. 5, each low-speed passage 54 has a cross-sectional area that is reduced from the upstream portion having a substantially circular cross section toward the downstream, and the upstream portion has a circular shape at the downstream end. It has a sector shape that is approximately 1/3 of the cross-sectional area. These low speed side passages 54 are aggregated and connected to the mixing pipe 56a so that each downstream end forming a fan shape forms a substantially circular cross section as a whole.

また、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D1(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 pipe 56a is a true circle having the same area as the cross-sectional area of the downstream end of the low speed side passage 54, where D1 is a diameter of a perfect circle having the same area as the flow path area at the downstream end thereof (see FIG. 4). When the diameter of the circle is a (see FIG. 4), the shape is a / D = 0.65.

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、図6に示すように、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54aが設けられている場合には、この絞り部54a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。なお、図6は、図4の領域Xに対応する部分を拡大して示した図である。   Here, the specific structure of the mixing pipe 56a is not limited to the above, but the mixing pipe 56a has a shape in which the flow area of at least one of the upstream end and the downstream end is the smallest flow area, If a / D is set in the range of a / D ≧ 0.5, it is known that the exhaust passes through the mixing pipe 56a at a sufficiently high speed and the ejector effect is sufficiently obtained. What has the above shapes is preferable. In order to further increase the inflow speed of the exhaust gas to the mixing pipe 56a, as shown in FIG. 6, a portion having a reduced flow area, that is, a throttle portion 54a is provided at the downstream end of the low speed side passage 54. In this case, it is preferable that the diameter of the flow passage area of the throttle portion 54a be a, and the mixing tube 56a be shaped so that a / D ≧ 0.5. FIG. 6 is an enlarged view of a portion corresponding to the region X in FIG.

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 pipe 56a passes through the straight pipe 56b and the diffuser 56c and flows out downstream. The straight pipe 56c has the same cross-sectional shape as the downstream end of the mixing pipe 56a, that is, the shape extending to the downstream side with the same flow area, continuously from the mixing pipe 56a. The diffuser 56c continuously extends from the straight pipe 56b to the downstream side, and has a shape in which the diameter of the diffuser 56c increases toward the downstream and the flow passage area increases.

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および高速側集合部57を排気が膨張しやすいような形状、すなわち、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 side collecting portion 57 is connected to the downstream side of each high-speed side passage 53, and the exhaust gas that has passed through each high-speed side passage 53 is collected in the high-speed side collecting portion 57. The high-speed side passage 53 and the high-speed side collecting portion 57 are different from the low-speed side passage 54 and the mixing pipe 56a in such a shape that the exhaust easily expands in the high-speed side passage 53 and the high-speed side collecting portion 57, that is, the exhaust It has a shape that reduces the resistance.

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であって、その流路面積が前記低速側通路54の下流端の流路面積よりも大きく設定された形状を有している。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。なお、前記高速側通路53は、排気がよりスムーズに流れるよう、その流路面積と各低速側通路54の下流端の流路面積との合計面積が、各低速側通路54のうち高速側通路53が接続される部分よりも上流側の部分の流路面積以上となる寸法に設定されているのが好ましいが、その具体的な形状は前記に限らず、その流路面積が上流側よりも下流側の方が大きい形状であってもよい。   Specifically, the high-speed side passage 53 has a shape that extends downstream with a substantially constant flow area, and the flow area is larger than the flow area at the downstream end of the low-speed passage 54. It has a set shape. In the present embodiment, the flow area of one high speed side passage 53 is set to substantially match the total flow area of the downstream ends of the three low speed side passages 54. The high speed side passage 53 has a total area of the flow passage area and the flow passage area at the downstream end of each low speed side passage 54 so that the exhaust gas flows more smoothly. 53 is preferably set to a dimension that is equal to or larger than the flow area of the upstream portion of the portion to which 53 is connected, but the specific shape is not limited to the above, and the flow passage area is larger than that of the upstream side. The downstream side may have a larger shape.

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。   The high-speed side collecting portion 57 has a substantially cylindrical shape extending along the flow direction of the exhaust gas, and has a shape in which the flow path area is substantially constant throughout.

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 variable valve 58 is for changing the flow passage area of each high speed side passage 53 and thereby changing the flow passage area of each high speed side passage 53. Each of these flow path area variable valves 58 is provided in each high speed side passage 53.

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 variable valve 58 rotates about the rotation shaft 58a as the rotation shaft 58a provided at the center thereof is driven to rotate. In the present embodiment, a common rotation shaft 58a is fixed to each flow path area variable valve 58, and the three flow path area variable valves 58 rotate integrally. Each flow path area variable valve 58 extends in a direction substantially parallel to the exhaust flow direction and opens to the high speed side passage 53 (broken line in FIG. 4), and extends in a direction substantially perpendicular to the exhaust flow direction. It rotates between the fully closed position (solid line in FIG. 4) that blocks the passage 53, and opens and closes the high speed side passage 53 to change the flow area of the high speed side passage 53.

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 pivot shaft 58a is rotationally driven by a valve actuator (flow path area variable valve driving means) 58b provided at the end thereof. The valve actuator 58b rotates the pivot shaft 58a in accordance with the target opening degree of the flow path area variable valve 58 calculated by the ECU 2, and drives the flow path area variable valve 58 to the fully closed or fully opened position. . The valve actuator 58b may be any one as long as it can rotate the flow path area variable valve 58 by rotationally driving the rotation shaft 58a.

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 diffuser 56c and the downstream end of the high speed side collecting portion 57 are connected to a casing 62, which will be described later, of the catalyst device 6, and the exhaust gas that has passed through the diffuser 56c and the high speed side collecting portion 57 is placed in the casing 62. Inflow.

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とこの触媒本体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最終集合部として機能するこのケーシング62の上流端62aで集合した後、触媒本体側へ進行する。   The catalyst device 6 is a device for purifying the exhaust discharged from the engine body 1. The catalyst device 6 includes a catalyst body such as a three-way catalyst and a casing 62 that houses the catalyst body. The casing 62 has a substantially cylindrical shape extending in parallel with the exhaust flow direction. The catalyst body is accommodated in a central portion in the upstream and downstream direction of the casing 62, and a predetermined space is formed at the upstream end 62 a of the casing 62. The downstream ends of the diffuser 5c and the high speed side collecting portion 57 are connected to the upstream end 62a of the casing 62, and the exhaust discharged from these downstream ends is at the upstream end 62a of the casing 62 functioning as the final collecting portion. After gathering, it proceeds to the catalyst body side.

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 ECU 2 is a controller based on a known microcomputer, and includes a CPU for executing a program, a memory including a RAM and a ROM for storing a program and data, and an I / O for inputting and outputting various signals. It has a bus. The ECU 2 receives signals from various sensors via the I / O bus and performs various calculations based on the signals.

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 ECU 2 stores the target valve timings of the intake valve 19 and the exhaust valve 20 and the target opening of the flow path area variable valve 58 set in advance according to the operating conditions. The ECU 2 receives signals from various sensors. Based on this, the current operating condition is calculated and a target value corresponding to this operating condition is extracted, and the valve timing of the intake valve 19 and the exhaust valve 20 and the opening of the flow path area variable valve become this target value. The intake VVT 32, the exhaust VVT 42, and the valve actuator 58b are driven.

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 intake valve 19 and the exhaust valve 20 and the target opening of the flow path area variable valve 58 will be described.

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7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 intake valve 19 and the exhaust valve 20 are the intake top dead center between the valve opening period of the exhaust valve 20 and the valve opening period of the intake valve 19 in a low speed region where the engine speed is lower than the reference speed N1. (TDC) is overlapped, and the exhaust valve 20 is set to start opening during the overlap period T_O / L of the other cylinders 12. Specifically, as shown in FIG. 7, the exhaust valve 20 of the third cylinder 12c is opened during the period in which the intake valve 19 and the exhaust valve 20 of the first cylinder 12a overlap, and the third cylinder The exhaust valve 20 of the fourth cylinder 12d opens while the intake valve 19 and exhaust valve 20 of 12c overlap, and the intake valve 19 and exhaust valve 20 of the fourth cylinder 12d overlap. The exhaust valve 20 of the second cylinder 12b is opened during the period in which the exhaust valve 20 is open, and the exhaust valve 20 of the first cylinder 12a is opened during the period in which the intake valve 19 and the exhaust valve 20 of the second cylinder 12b are overlapping. It is set to do.

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 intake valve 19 and the exhaust valve 20 are set such that the exhaust valve 20 is opened and the intake valve 19 is opened in the high speed region where the engine speed is higher than the reference speed N1, as in the low speed region. While the valve period is set to overlap, the overlap period T_L / O is set to be smaller than the overlap set in the low speed region. For example, the overlap period T_O / L in the low speed region is set to 60 ° C. A or more and set to 80 ° C. A, while the overlap period T_O / L in the high speed region is set to 40 ° C. or less, for example. Has been.

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 variable valve 58 is set to be fully closed in the low speed load region, and is set to be fully open in the high speed region.

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9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 engine system 100, the valve opening timing and the valve closing timing of the intake valve 19 and the exhaust valve 20, respectively, are as follows. As shown in FIG. It is a time of falling, for example, a time of 0.4 mm lift.

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 engine system 100 configured as described above will be described.

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、排気バルブ20の開弁開始直後は気筒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 exhaust valve 20 of a predetermined cylinder 12 (hereinafter referred to as an exhaust stroke cylinder 12 as appropriate) is opened, exhaust is discharged from the cylinder 12 to the corresponding exhaust port 18 and the independent exhaust passage 52 at a high speed. In particular, a very high-pressure, high-speed gas (so-called blowdown gas) is discharged from the cylinder 12 immediately after the exhaust valve 20 starts to open.

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 variable valve 58 is closed, and the exhaust discharged from the cylinder 12 flows only into the low speed side passage 54. As described above, the low speed side passage 54 and the mixing pipe 56a are configured so that the exhaust gas is ejected from the predetermined low speed side passage 54 to the mixing pipe 56a at a high speed due to the ejector effect. It is configured to be sucked out downstream. In the low speed region, when the exhaust valve 20 of the exhaust stroke cylinder 12 starts to be opened, another cylinder 12 whose exhaust sequence is set immediately before the exhaust stroke cylinder 12 (hereinafter referred to as an intake stroke cylinder as appropriate). 12) is set to be during the overlap period.

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 exhaust stroke cylinder 12 flows into the low speed side passage 54 and is ejected from the low speed side passage 54 to the mixing pipe 56a at a high speed. Residual gas in the stroke cylinder 12 is sucked out to the exhaust port 18 side, scavenging of the intake stroke cylinder 12 is promoted, and intake efficiency and thus engine output is increased.

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 speed side passage 54 is disposed adjacent to the mixing pipe 56a. Therefore, the suction force by the low speed side passage 54 connected to the exhaust stroke cylinder 12 effectively acts on the low speed side passage 54 connected to the intake stroke cylinder 12.

ここで、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、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, the flow passage area of the low speed side passage 54 is narrowed down on the downstream side so that the ejector effect can be effectively obtained. Therefore, when the exhaust gas passes only through the low speed side passage 54, if the engine speed increases and the exhaust gas flow rate increases, the exhaust resistance increases and the pump loss increases. As a result, the engine output deteriorates. .

これに対して、本エンジンシステム100では、前記基準回転数N1が、低速側通路54が絞られることに伴って、エンジン出力がこの通路が絞られていない場合よりも低下する回転数付近に設定されている。すなわち、前記基準回転数N1は、本エンジンシステム100において排気を低速側通路54のみを通過させた場合(以下、低速側通路仕様という場合がある)のエンジン出力の方が、本エンジンシステム100において前記低速側通路54および高速側通路53を廃止して流路面積が一定の排気通路を用いた場合(以下、流路面積一定仕様という場合がある)のエンジン出力よりも小さくなる回転数付近に設定されている。そして、前述のように、各吸気管3の長さおよび横断面積の調整により、1次の同調回転数Nin_1aが前記基準回転数N1よりも高く、1次の非同調回転数Nin_1bが前記基準回転数N1よりも低く設定されている。そのため、前記低速側通路54が絞られることに伴いエンジン出力が低下する前記基準回転数N1よりもエンジン回転数の高い高速領域全体において、吸気の慣性過給効果により掃気性能を高めることができ、これによりポンプ損失の増大を抑制してエンジン出力の低下を小さく抑えることができる。   On the other hand, in the engine system 100, the reference rotational speed N1 is set near the rotational speed at which the engine output decreases as compared to the case where the passage is not throttled as the low speed side passage 54 is throttled. Has been. In other words, the reference engine speed N1 is higher in the engine system 100 when the engine output when the exhaust gas is allowed to pass through only the low speed side passage 54 (hereinafter sometimes referred to as the low speed side passage specification) in the engine system 100. When the low-speed side passage 54 and the high-speed side passage 53 are abolished and an exhaust passage having a constant flow path area is used (hereinafter, sometimes referred to as a constant flow path area specification), the engine speed is smaller than the engine output. Is set. As described above, by adjusting the length and the cross-sectional area of each intake pipe 3, the primary tuning rotation speed Nin_1a is higher than the reference rotation speed N1, and the primary non-tuning rotation speed Nin_1b is set to the reference rotation. It is set lower than the number N1. Therefore, the scavenging performance can be enhanced by the inertial supercharging effect of the intake air in the entire high speed region where the engine speed is higher than the reference speed N1 where the engine output decreases as the low speed side passage 54 is throttled, Thereby, an increase in pump loss can be suppressed and a decrease in engine output can be suppressed to a small level.

図10に、前記低速側通路仕様のエンジン出力(エンジントルク)の例(実線)と、前記流路面積一定仕様のエンジン出力(エンジントルク)の例(破線)とを示す。この図に示されるように、エンジン回転数がトルク低下回転数N0よりも低い領域では、前記低速側通路仕様の方が流路面積一定仕様よりもエンジントルクが高い。一方、エンジン回転数がトルク低下回転数N0よりも高い領域では、前記低速側通路仕様の方が流路面積一定仕様よりもエンジントルクが低い。   FIG. 10 shows an example (solid line) of the engine output (engine torque) of the low-speed side passage specification (broken line) and an example (broken line) of the engine output (engine torque) of the constant passage area specification. As shown in this figure, in the region where the engine speed is lower than the torque lowering speed N0, the engine torque is higher in the low speed side passage specification than in the constant flow path area specification. On the other hand, in the region where the engine speed is higher than the torque reduction speed N0, the engine torque is lower in the low speed side passage specification than in the constant flow path area specification.

本実施形態では、前記エンジントルクの低下が確実に抑制されるように、前記1次の同調回転数Nin_1aがこのトルク低下回転数N0に設定され、前記基準回転数N1は、このトルク低下回転数N0よりもわずかに小さい回転数に設定されている。例えば、前記トルク低下回転数N0が5000rpmであるのに対して、前記基準回転数N1は4500rpmに設定されている。そして、排気量2リットルのエンジン本体1において、前記吸気管3は、1次の同調回転数Nin_1a5000rpmとなるように、その径が45mm、その長さが500mmに設定されている。なお、この500mmという寸法は、吸気管3のうち吸気バルブ19からサージタンク4までの長さであり、エンジンヘッドからサージタンク4までの長さは例えば400mmである。この場合において、2次の同調回転数Nin_2aは、2500rpmとなり、1次の非同調回転数Nin_1bは3300rpmとなる。前記図10には、エンジントルクに合わせて、吸気バルブ19の閉弁時期の吸気バルブ19近傍における吸気慣性過給効果による体積効率の変化の様子を概略的に示している。   In the present embodiment, the primary tuning rotation speed Nin_1a is set to the torque reduction rotation speed N0 so that the decrease in the engine torque is reliably suppressed, and the reference rotation speed N1 is set to the torque reduction rotation speed. The number of revolutions is set slightly smaller than N0. For example, while the torque reduction rotational speed N0 is 5000 rpm, the reference rotational speed N1 is set to 4500 rpm. In the engine body 1 with a displacement of 2 liters, the intake pipe 3 is set to have a diameter of 45 mm and a length of 500 mm so that the primary synchronized rotation speed Nin_1a5000 rpm is obtained. The dimension of 500 mm is the length from the intake valve 19 to the surge tank 4 in the intake pipe 3, and the length from the engine head to the surge tank 4 is, for example, 400 mm. In this case, the secondary tuning rotation speed Nin_2a is 2500 rpm, and the primary non-tuning rotation speed Nin_1b is 3300 rpm. FIG. 10 schematically shows a change in volume efficiency due to the intake inertia supercharging effect in the vicinity of the intake valve 19 at the closing timing of the intake valve 19 in accordance with the engine torque.

なお、前記基準回転数N1は、吸気管3の長さおよび横断面積が同一であり得られる吸気脈動効果が同等の場合において、本エンジンシステム100において排気を低速側通路54のみを通過させた場合のエンジン出力の方が、本エンジンシステム100において前記低速側通路54および高速側通路53を廃止して流路面積が一定の排気通路を用いた場合のエンジン出力よりも小さくなる回転数付近に設定されている。また、図10に示した各仕様のエンジントルクの比較結果は、吸気管3の長さおよび横断面積が同一であり得られる吸気脈動効果が同等の場合の比較である。従って、前記低速側通路54および高速側通路53を廃止して流路面積が一定の排気通路を用いるとともに従来のようにエンジン回転数の比較的低い領域において吸気の慣性過給効果が得られるように構成されたエンジンシステム(吸気通路の同調回転数を変化させる可変装置が無い構成)のエンジン出力は、図10の鎖線に示すように、高速領域において、本エンジンシステム100よりも低く、本エンジンシステム100では、前記吸気の慣性過給効果により、従来のエンジンシステムに比べて高いエンジン出力を得ることができる。   The reference rotational speed N1 is the case where the exhaust gas is allowed to pass through only the low-speed side passage 54 in the engine system 100 when the intake pulsation effect that can be obtained with the same length and cross-sectional area of the intake pipe 3 is equivalent. The engine output of the engine system 100 is set near a rotational speed that is smaller than the engine output when the low speed side passage 54 and the high speed side passage 53 are abolished and an exhaust passage having a constant flow passage area is used in the engine system 100. Has been. Further, the engine torque comparison results of the respective specifications shown in FIG. 10 are comparisons when the intake pulsation effect that can be obtained with the same length and the cross-sectional area of the intake pipe 3 is equivalent. Accordingly, the low-speed side passage 54 and the high-speed side passage 53 are abolished and an exhaust passage having a constant flow path area is used, and an inertial supercharging effect of intake air can be obtained in a region where the engine speed is relatively low as in the prior art. The engine output of the engine system configured as described above (the configuration without the variable device for changing the synchronized rotation speed of the intake passage) is lower than that of the engine system 100 in the high speed region as shown by the chain line in FIG. In the system 100, an engine output higher than that of a conventional engine system can be obtained due to the inertial supercharging effect of the intake air.

さらに、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。   Further, in the engine system 100, the flow path area variable valve 58 is opened in the high speed region, and the exhaust gas discharged from the cylinder 12 has a configuration in which the exhaust resistance is reduced in addition to the low speed side passage 54. It flows into the high speed side passage 53 made. Therefore, in this high speed region, the pump loss is kept small and the engine output is increased.

以上のように、本エンジンシステム100では、吸気慣性効果が十分に得られない、さらには、吸気脈動の負圧波の影響により体制効率が悪化する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内の掃気を促進することができるとともに、高速領域において吸気慣性効果を利用して体積効率を高め、さらに、排気を前記低速側通路54および高速側通路53を通過させることでポンプ損失を小さく抑えることができ、全速度領域においてエンジン出力を高めることができる。   As described above, in the present engine system 100, the intake inertia effect cannot be sufficiently obtained, and further, in the low speed region where the system efficiency is deteriorated due to the negative pressure wave of the intake pulsation, the ejector effect is effectively used to make the cylinder 12 can promote scavenging, increase the volume efficiency by utilizing the intake inertia effect in the high speed region, and further reduce the pump loss by passing the exhaust through the low speed side passage 54 and the high speed side passage 53. The engine output can be increased over the entire speed range.

図11に本エンジンシステム100におけるエンジン回転数とエンジントルクの関係を示したグラフを示す。この図11において、実線が、本エンジンシステム100におけるエンジントルクトルクであり、破線は、図10の破線と同じグラフである。この図11に示されるように、本エンジンシステム100では、全速度領域においてエンジン出力を高めることができる。   FIG. 11 is a graph showing the relationship between the engine speed and the engine torque in the engine system 100. In FIG. 11, the solid line is the engine torque torque in the engine system 100, and the broken line is the same graph as the broken line in FIG. As shown in FIG. 11, in the engine system 100, the engine output can be increased in the entire speed region.

ここで、前記高速側通路53および流路面積可変バルブ58は省略可能である。すなわち、全回転数領域において排気を低速側通路54のみを通過させるようにしてもよい。このようにすれば、高速側通路53および流路面積可変バルブ58の省略に伴い構造を簡素化してコストを小さく抑えることができる。ただし、前記実施形態のように、高速側通路53等を設け、高速領域において排気を低速側通路54に加えて高速側通路53を通過するように構成すれば、高速領域における排気抵抗を小さく抑えてエンジン出力をより確実に高くすることができる。   Here, the high speed side passage 53 and the variable flow area 58 can be omitted. That is, the exhaust gas may be allowed to pass only through the low speed side passage 54 in the entire rotational speed region. By doing so, the structure can be simplified and the cost can be kept small with the omission of the high speed side passage 53 and the flow path area variable valve 58. However, if the high-speed side passage 53 is provided as in the above-described embodiment and the exhaust gas is added to the low-speed side passage 54 and passes through the high-speed side passage 53 in the high-speed region, the exhaust resistance in the high-speed region is kept small. The engine output can be increased more reliably.

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 variable valve 58 is fully opened only in a high load area where the required torque for the engine is higher than a predetermined value in the low speed area, and the flow path area variable valve 58 is opened in the other low load areas in the low speed area. May be opened at a full opening or an opening smaller than the full opening.

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 catalyst device 6 is not limited to the above. However, according to the engine system 100, the intake efficiency can be increased by reducing the ejector effect and the exhaust resistance, which is useful in an engine system that does not have a turbocharger. And when it does not have a turbocharger in this way, the catalyst device 6 can be directly connected to each independent exhaust passage 53 as in the above embodiment, and can be arranged at a more upstream position. The temperature of the exhaust gas flowing into the catalyst body 64 can be maintained high, and the catalyst body 64 can be activated early.

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(バイパス通路)
54 低速側通路(排気通路)
56a 混合管(集合部)
57 高速側集合部(バイパス通路側集合部)
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)
62a ケーシングの上流端(最終集合部)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Engine main body 5 Exhaust manifold 17 Intake port 18 Exhaust port 19 Intake valve 20 Exhaust valve 30 Intake valve drive mechanism (valve drive means)
40 Exhaust valve drive mechanism (valve drive means)
52 Independent exhaust passage 53 High-speed side passage (bypass passage)
54 Low speed passage (exhaust passage)
56a Mixing tube (aggregation part)
57 High-speed side assembly (bypass passage side assembly)
58 Channel area variable valve 58b Valve actuator (Channel area variable valve driving means)
62a Upstream end of casing (final assembly)

Claims (5)

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、
前記各独立排気通路のうち排気順序が連続する気筒に接続された独立排気通路は互いに隣り合う位置で前記集合部に接続されており、
前記各独立排気通路の下流端部は、各気筒から各排気ポートおよび各独立排気通路を通って前記集合部に排気が排出されるのに伴いエゼクタ効果によって隣接する他の独立排気通路およびこの独立排気通路に接続された排気ポート内に負圧が生成されるように、上流側よりも下流側の方が流路面積が小さい形状を有し、
前記バルブ駆動手段は、少なくとも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、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が他方の気筒の排気バルブが開弁している時期に重複するように、各気筒の吸気バルブおよび排気バルブを駆動し、
前記基準回転数は、当該基準回転数よりもエンジンの回転数が高くなると、前記多気筒エンジンからのエンジン出力が、前記各独立排気通路の流路面積を一定とした場合におけるエンジン出力よりも小さくなる回転数付近に設定されており、
前記各吸気通路は、その上流側部分に設けられて、前記吸気バルブの開弁に伴い当該吸気バルブの近傍で生成された吸気脈動の負圧波が反射して正圧波となる反転部位を有し、
前記吸気通路のうち前記吸気バルブから前記反転部位までの長さおよび横断面積は、前記負圧波が前記反転部位で1回反射することに伴い生成された正圧波が前記吸気バルブ近傍に到達する時期と吸気バルブの閉弁時期とが略同一となるエンジン回転数であって、吸気の慣性過給効果が得られる吸気脈動の1次の同調回転数が、前記基準回転数よりも高くなり、かつ、前記負圧波が前記反転部位で2回反転することに伴い生成された正圧波が前記吸気バルブ近傍に到達する時期と吸気バルブの閉弁時期とが略同一となるエンジン回転数であって吸気の慣性過給効果が得られる吸気脈動の2次の同調回転数が、前記基準回転数よりも低くなるとともに、前記1次の同調回転数と2次の同調回転数との間のエンジン回転数であってこれら同調回転数間のエンジン回転数のうち前記吸気バルブの閉弁時期に当該吸気バルブ近傍に到達する吸気脈動の負圧波の負圧量が最も大きく当該負圧波の影響による体積効率の低下量が最も大きくなる非同調回転数が、前記基準回転数よりも低くなる寸法にそれぞれ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。
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;
An independent exhaust passage connected to exhaust ports of one cylinder or a plurality of cylinders whose exhaust sequences are not continuous with each other;
A collecting portion connected to the downstream end of each independent exhaust passage, where gas passing through each independent exhaust passage gathers;
Valve drive means capable of driving the intake valve and the exhaust valve of each cylinder,
The independent exhaust passages connected to the cylinders in which the exhaust order is continuous among the independent exhaust passages are connected to the collecting portion at positions adjacent to each other,
The downstream end of each independent exhaust passage is connected to another independent exhaust passage adjacent to each other by an ejector effect as exhaust is discharged from each cylinder through each exhaust port and each independent exhaust passage to the collective portion. In order to generate a negative pressure in the exhaust port connected to the exhaust passage, the flow path area is smaller on the downstream side than on the upstream side,
The valve driving means has a predetermined overlap period between the valve opening period of the intake valve and the valve opening period of the exhaust valve in each cylinder at least in a low speed region where the engine speed is lower than a preset reference speed. Between the cylinders that overlap and the exhaust sequence continues, the overlap period of one cylinder overlaps with the time when the exhaust valve of the other cylinder is open. Drive
When the engine speed is higher than the reference speed, the engine output from the multi-cylinder engine is smaller than the engine output when the flow area of each independent exhaust passage is constant. Is set near the number of revolutions,
Each of the intake passages is provided in an upstream portion thereof, and has an inversion portion that reflects a negative pressure wave of the intake pulsation generated in the vicinity of the intake valve as the intake valve is opened to become a positive pressure wave. ,
The length and cross-sectional area from the intake valve to the reversal part of the intake passage are determined when the positive pressure wave generated by the negative pressure wave reflecting once at the reversal part reaches the vicinity of the intake valve. And the intake valve closing timing are substantially the same, and the primary tuned rotational speed of the intake pulsation for obtaining the inertial supercharging effect of the intake air is higher than the reference rotational speed, and The time when the positive pressure wave generated when the negative pressure wave is inverted twice at the reversal part reaches the vicinity of the intake valve and the closing timing of the intake valve are the engine speed and the intake air The secondary tuned rotational speed of the intake pulsation that provides the inertial supercharging effect becomes lower than the reference rotational speed, and the engine rotational speed between the primary tuned rotational speed and the secondary tuned rotational speed And these synchronous rotation Among the engine speeds during the period, the negative pressure amount of the negative pressure wave of the intake pulsation that reaches the vicinity of the intake valve at the closing timing of the intake valve is the largest, and the amount of decrease in volume efficiency due to the negative pressure wave is the largest An intake / exhaust device for a multi-cylinder engine, wherein the synchronized rotational speed is set to a dimension that is lower than the reference rotational speed.
請求項1に記載の多気筒エンジンの吸排気装置において、
前記独立排気通路は、その下流端部の流路面積と同じ面積を有する真円の直径aと、前記集合部の最小流路面積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。
The intake / exhaust device for a multi-cylinder engine according to claim 1,
The independent exhaust passage has a relationship between the diameter a of a perfect circle having the same area as the flow path area at the downstream end thereof and the diameter D of a perfect circle having the same area as the minimum flow path area of the collective part a / An intake / exhaust device for a multi-cylinder engine having a shape satisfying D ≧ 0.5.
請求項2に記載の多気筒エンジンの吸排気装置において、
前記独立排気通路の下流端部には、流路面積が絞られた絞り部が形成されており、
前記独立排気通路は、前記直径aを前記下流端部の絞り部の流路面積と同じ面積を有する真円の直径として、前記集合部の最小流路面積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。
The intake / exhaust device for a multi-cylinder engine according to claim 2,
The downstream end portion of the independent exhaust passage is formed with a throttle portion with a reduced flow area,
In the independent exhaust passage, the diameter a is a diameter of a perfect circle having the same area as the flow area of the throttle portion at the downstream end, and a diameter D of a perfect circle having the same area as the minimum flow area of the gathering portion The intake / exhaust device for a multi-cylinder engine has a shape in which the relationship of a / D ≧ 0.5.
請求項1〜3のいずれかに記載の多気筒エンジンの吸排気装置において、
前記各独立排気通路の前記下流端部よりも上流側の部分にそれぞれ接続されたバイパス通路と、
前記バイパス通路の下流端に接続されて、当該各バイパス通路を通過するガスが集合するバイパス通路側集合部と、
前記バイパス通路側集合部および前記集合部の下流端に接続されて、当該バイパス通路側集合部および集合部を通過するガスが集合する最終集合部と、
前記各バイパス通路に設けられて、当該各バイパス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を備え、
前記各バイパス通路の流路面積は、当該各バイパス通路の流路面積と前記各独立排気通路の下流端の流路面積との合計面積が、前記各独立排気通路のうち前記バイパス通路が接続される部分よりも上流側の部分の流路面積以上となる寸法に設定されており、
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各バイパス通路を通過する排気の流量を小さくする一方、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では前記流路面積可変バルブを全開にして前記各バイパス通路を開放す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 any one of claims 1 to 3,
Bypass passages respectively connected to portions upstream of the downstream end of each independent exhaust passage;
Connected to the downstream end of the bypass passage, and a bypass passage-side assembly where gas passing through the bypass passages gathers;
Connected to the downstream end of the bypass passage side collecting portion and the collecting portion, and a final collecting portion in which gas passing through the bypass passage side collecting portion and the collecting portion gathers,
A variable flow area valve provided in each bypass passage and capable of changing the flow area of each bypass passage;
A channel area variable valve driving means capable of opening and closing the channel area variable valve;
The flow passage area of each bypass passage is the sum of the flow passage area of each bypass passage and the flow passage area at the downstream end of each independent exhaust passage. Is set to a dimension that is equal to or larger than the flow area of the upstream portion of the portion
The variable flow area variable valve driving means is configured to make the variable variable flow area valve smaller than fully open in at least a high load area where a required torque for the multi-cylinder engine is higher than a predetermined value in the low speed area. The multi-cylinder is characterized in that the flow rate of the exhaust gas passing through the cylinder is reduced, and in the high speed region where the engine speed is higher than the reference speed, the flow passage area variable valve is fully opened to open the bypass passages. Engine intake and exhaust system.
請求項4に記載の多気筒エンジンの吸排気装置において、
前記各バイパス通路は、その流路面積が一定あるいは上流側よりも下流側の方が流路面積が大きい形状を有し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 4,
Each bypass passage has a constant flow passage area or a shape having a flow passage area larger on the downstream side than on the upstream side, and an intake / exhaust device for a multi-cylinder engine.
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