JP5703782B2

JP5703782B2 - 多気筒エンジンの吸排気装置

Info

Publication number: JP5703782B2
Application number: JP2011015116A
Authority: JP
Inventors: 隆雅松本; 直之山形
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2011-01-27
Filing date: 2011-01-27
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2031-01-27
Also published as: JP2012154272A

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。

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。

例えば、特許文献１には、ターボ過給機を有する装置であって、各気筒の排気ポートに接続されて互いに独立する複数の独立通路と、ターボ過給機の上流に設けられてこれら独立通路が集合する集合部と、この集合部に設けられて各独立通路の流路面積を変更可能なバルブとを備えたものが開示されている。この装置では、前記バルブによって前記独立排気通路の流路面積を縮小することで、排気行程にある気筒の排気を所定の独立通路から前記集合部に比較的高速で流入させ、この高速の排気の周囲に生成された負圧を前記集合部において他の独立通路に作用させていわゆるエゼクタ効果によってこの他の独立通路内の排気を下流側に吸い出すことで、ターボ過給機に供給されるガス量を増大させてエンジン出力を向上させるよう構成されている。

特開２００９−９７３３５号公報

自動車等のエンジンにおいて、エンジン出力の向上要求は依然として高く、簡単な構成でより一層エンジン出力を高めることが求められている。

本発明は、このような事情に鑑み、簡単な構成でより吸気量をより増大させてエンジン出力を高めることのできる多気筒エンジンの吸排気装置の提供を目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、吸気ポートおよび排気ポートがそれぞれ形成されるとともに前記吸気ポートを開閉可能な吸気バルブと前記排気ポートを開閉可能な排気バルブとが設けられた複数の気筒を有する多気筒エンジンの吸排気装置であって、１つの気筒あるいは排気順序が互いに連続しない複数の気筒の排気ポートにそれぞれ接続される独立排気通路と、前記各独立排気通路を通過したガスが集合するように当該各独立排気通路の下流端に接続された集合部と、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、前記各独立排気通路および集合部は、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形状を有するとともに、前記集合部は、その上流側部分を構成するスペーサ部と、当該スペーサ部の下流側に設けられて当該スペーサ部よりも流路面積の小さい絞り部とを有するとともに、前記各独立排気通路の下流端の内側面を当該下流端からその軸線と平行な方向に沿って下流側に延長した仮想面で囲まれた領域が、前記集合部の上流端から下流端にわたって、当該集合部の内側面から内側に離間する形状を有し、前記スペーサ部の少なくとも上流側部分の内側面は、前記各独立排気通路の下流端の断面から外周側に離間した位置で当該断面を囲む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。

本発明によれば、各独立排気通路および合流部が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少なくとも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ので、少なくともこの低速領域において、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負圧によりオーバーラップ期間中の掃気を促進することができる。

しかも、本発明では、前記各独立排気通路の下流端の内側面を当該下流端の軸線方向と平行な方向に沿って延長した仮想面が、前記集合部の上流端から下流端にわたって、集合部の内側面から内側に離間しており、各独立排気通路の下流端からその軸線方向に沿って排出された排気が主に集合部の内側面から内側に離間した位置を通過する。そのため、排気が集合部の内側面に衝突してこの排気の速度が低下するのが抑制されて、より高いエゼクタ効果すなわち排気ポート内の負圧量をより高くしてより高い掃気性能を得ることができる。また、各独立排気通路から排出された排気が集合部の内側面に沿って排出された場合では、排気がこの内側面に張り付くようにして流れることで集合部の軸線と直交する方向すなわち排気の流れ方向と直交する方向の圧力が不均一となり、集合部の下流側から集合部内に向かう排気の逆流が生じて他の独立排気通路内のガスを下流側に吸引する力が低くなるおそれがあるが、排気が集合部の内側面から離間した位置で流下することで前記圧力をより均一にして前記吸引力を高く維持し、これにより高い掃気性能を得ることができる。

本発明において、前記各独立排気通路の少なくとも一部の下流端は、前記集合部の軸線と異なる軸線を有し、前記集合部の軸線と異なる軸線を有する前記独立排気通路は、その下流端の軸線がそれぞれ下流に向かうに従って前記集合部の軸線に近接する方向に傾斜する姿勢で前記集合部に接続されているのが好ましい（請求項２）。

この構成によれば、前記独立排気通路からその下流端の軸線と平行な方向に排出された排気が集合部の軸線に向かって排出されるので、この集合部の軸線周りの圧力をより均一にすることができ、前記排気の逆流を抑制することができる。

前記構成において、前記集合部の下流端には、当該集合部と同軸で下流側に延びて流路面積が一定あるいは下流側ほど流路面積が大きくなる混合部が接続されており、前記各独立排気通路は、その各下流端の軸線が前記混合部の上流端と下流端との間の部分において当該混合部の軸線と交差する姿勢で前記集合部にそれぞれ接続されているのが好ましい（請求項３）。

このようにすれば、前記集合部の下流側に設けられた混合部において排気の流れ方向と直交する方向の圧力をより確実に均一とすることができ、この混合部から集合部に向かう排気の逆流を抑制することができる。

ここで、本発明によれば、前述のように、前記各独立排気通路から排出された排気を下
流側により均一に流下させることができる。そのため、前記集合部よりも下流側の部分に
前記集合部を通過した排気を浄化可能な触媒本体を有する触媒装置が設けられている場合
には、この触媒装置により均一に排気を流入させることができ、排気をより効果的に浄化
することができる。（請求項４）。

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。図１の部分拡大図である。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。図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。図３のＶ−Ｖ線断面図である。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。本発明の実施形態に係る吸気バルブおよび排気バルブの開弁時期および閉弁時期を説明するための図である。本発明の実施形態に係る集合部付近の排気の速度分布を示した図である。比較例１に係る集合部付近の排気の速度分布を示した図である。比較例２に係る集合部付近の排気の速度分布を示した図である。

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

図１は前記多気筒エンジンの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。図２は、図１の部分拡大図である。図３は、図２の概略側面図である。このエンジンシステム１００は、シリンダヘッド９およびシリンダブロックを有するエンジン本体１と、エンジン制御用のＥＣＵ２と、エンジン本体１に接続される複数の吸気管３と、エンジン本体１に接続される排気マニホールド５と、排気マニホールド５に接続される触媒装置６とを備えている。

前記シリンダヘッド９およびシリンダブロックの内部にはピストンがそれぞれ嵌挿された複数の気筒１２（図２参照）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。

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。

各気筒１２の上部には、それぞれ燃焼室に向かって開口する２つの吸気ポート１７および２つの排気ポート１８が設けられている。吸気ポート１７は、各気筒１２内に吸気を導入するためのものである。排気ポート１８は、各気筒１２内から排気を排出するためのものである。各吸気ポート１７には、これら吸気ポート１７を開閉して吸気ポート１７と気筒１２内部とを連通あるいは遮断するための吸気バルブ１９が設けられている。各排気ポート１８には、これら排気ポート１８を開閉してこれら排気ポート１８と気筒１２内部とを連通あるいは遮断するための排気バルブ２０が設けられている。前記吸気バルブ１９は吸気バルブ駆動機構（バルブ駆動手段）３０により駆動されることで、所定のタイミングで吸気ポート１７を開閉する。また、前記排気バルブ２０は、排気バルブ駆動機構（バルブ駆動手段）４０により駆動されて、所定のタイミングで排気ポート１８を開閉する。

前記吸気バルブ駆動機構３０は、吸気バルブ１９に連結された吸気カムシャフト３１と吸気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。

前記吸気ＶＶＴ３２は、吸気バルブ１９のバルブタイミングを変更するためのものである。この吸気ＶＶＴ３２は、吸気カムシャフト３１と同軸に配置されてクランクシャフトにより直接駆動される所定の被駆動軸と吸気カムシャフト３１との間の位相差を変更して、これによりクランクシャフトと前記吸気カムシャフト３１との間の位相差を変更することで、吸気バルブ１９のバルブタイミングを変更する。吸気ＶＶＴ３２の具体的構成としては、例えば、前記被駆動軸と前記吸気カムシャフト３１との間に周方向に並ぶ複数の液室を有し、これら液室間に圧力差を設けることで前記位相差を変更する液圧式機構や、前記被駆動軸と前記吸気カムシャフト３１との間に設けられた電磁石を有し、前記電磁石に電力を付与することで前記位相差を変更する電磁式機構等が挙げられる。この吸気ＶＶＴ３２は、ＥＣＵ２で算出された吸気バルブ１９の目標バルブタイミングに基づいて前記位相差を変更する。

前記排気バルブ駆動機構４０は、前記吸気バルブ駆動機構３０と同様の構造を有している。すなわち、排気バルブ駆動機構４０は、排気バルブ２０およびクランクシャフトに連結された排気カムシャフト４１と、この排気カムシャフト４１とクランクシャフトとの位相差を変更することで排気バルブ２０のバルブタイミングを変更する排気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。

なお、本実施形態では、前記吸気ＶＶＴ３２および排気ＶＶＴ４２は、吸気バルブ１９および排気バルブ２０の開弁期間及びリフト量つまりバルブ・プロファイルをそれぞれ一定に保ったまま、吸気バルブ１９および排気バルブ２０の開弁時期と閉弁時期とをそれぞれ変更する。

前記各気筒１２の吸気ポート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。

前記排気マニホールド５は、上流側から順に、３つの独立排気通路５２と、集合部５６と、この集合部５６と同じ軸線上に配置された混合部５７およびディフューザー部５８とを備えている。

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。本実施形態では、前記第２気筒１２ｂおよび第３気筒１２ｃの排気ポート１８に対応する独立排気通路５２は、これら気筒１２ｂ，１２ｃ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１２ａ，１２ｄの排気ポート１８に対応する独立排気通路５２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に対応する独立排気通路５２に向かって湾曲して延びている。

これら独立排気通路５２は、互いに独立しており、第２気筒１２ｂあるいは第３気筒１２ｃから排出された排気と、第１気筒１２ａから排出された排気と、第４気筒１２ｄから排出された排気とは、互いに独立して各独立排気通路５２内を通って下流側に排出される。各独立排気通路５２を通過したガスは前記集合部５６に流入する。

前記各独立排気通路５２および前記集合部５６は、各独立排気通路５２から高速で排気が噴出されてこの排気が高速で前記集合部５６内に流入するのに伴い、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独立排気通路５２およびこの独立排気通路５２と連通する排気ポート１８内に負圧が生成されこの排気ポート１８内のガスが下流側に吸い出されるような形状を有している。

具体的には、前記各独立排気通路５２は、排気が各独立排気通路５２から高速で前記集合管５６内に噴出されるよう、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いる。本実施形態では、図４に示すように、各独立排気通路５２は、略楕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楕円形断面積の略１／３となる扇形となっている。そして、これら独立排気通路５２は、扇形をなす各下流端が、互いに隣接して全体として略円形断面を形成するように集合して前記集合部５６に接続されている。

そして、前記集合部５６は、前記各独立排気通路５２から排出された排気が高い速度を維持したまま下流側に流れるよう、下流側に向かうほどその流路面積が小さくなる形状を有している。本実施形態では、排気の速度をより高めるべく前記集合部５６の下流端の流路面積は、前記各独立排気通路５２の下流端の流路面積の合計よりも小さく設定されている。

ここで、本発明者らは、各独立排気通路５２から集合部５６に排出された排気の噴流が前記集合部５６の内側面と接触すると、この接触すなわち排気と集合部５６の内側面との衝突に伴い、排気の速度が低下して前記エゼクタ効果すなわち他の排気ポート１８内のガスを下流側に吸い出す力が低下することを発見した。また、前記接触に伴い、排気が集合部５６の内側面側に偏り集合部５６の軸線近傍を流れない結果、集合部５６および集合部５６の下流側に設けられた混合部５７内の排気の流れ方向と垂直な方向の圧力が不均一となり、混合部５７から集合部５６に向かう排気の逆流が生じ、前記他の排気ポート１８内のガスを下流側に吸い出す力が低下することを発見した。特に、前記集合部５６には、複数の独立排気通路５２が接続されており全ての独立排気通路５２を集合部５６の軸線と同軸に配置することができない。すなわち、少なくとも一部の独立排気通路５２の軸線は集合部５６の軸線よりも集合部５６の内側面側に位置する。そのため、このような位置にある独立排気通路５２から排出された排気は集合部５６の内側面側に偏流しやすく前記逆流が生じやすい。

そこで、本発明者らは、前記排気の噴流と前記集合部５６の内側面との接触を回避するべく、排気の噴流が主に通過する領域、すなわち、独立排気通路５２の下流端の内側面をこの下流端の軸線Ｌ２（図３参照）と平行な方向に延長した仮想面（図３の破線Ｃ）で囲まれた領域Ａ（以下、適宜、噴流通過領域Ａという）が、集合部５６の内側面と重ならないように構成した。

前記噴流通過領域Ａと集合部５６の内側面とを重ならないようにするための具体的構成としては、前記各独立排気通路５２の軸線Ｌ２を集合部５６の軸線Ｌ１（図３参照）と平行としつつ前記集合部５６の内側面を独立排気通路５２の下流端からより離間させる構成と、前記各独立排気通路５２の軸線Ｌ２を下流に向かうに従って集合部５６の軸線Ｌ１に近接する方向に傾斜させる構成とが挙げられるが、本実施形態では、前述のように、集合部５６の下流端の流路面積が前記各独立排気通路５２の下流端の流路面積の合計よりも小さく設定されており、前記各独立排気通路５２の軸線Ｌ２と集合部５６の軸線Ｌ１とを平行にした場合には、集合部５６の下流端付近において噴流通過領域Ａと集合部５６の内側面とが重なってしまう。そこで、本実施形態では、前記集合部５６の上流側部分の内側面を、図３および図５に示すように、集合部５６の軸線Ｌ１方向から見て、前記各独立排気通路５２の下流端の内側面をこれら下流端の軸線Ｌ２と略直交する方向に離間した位置で囲む形状にするとともに、各独立排気通路５２の下流端の軸線Ｌ２を下流に向かうに従って集合部５６の軸線Ｌ２に近接する方向に傾斜させる構成とした。

具体的には、本実施形態では、図３に示すように、前記集合部５６の上流側部分に略円筒状のスペーサ部５６ａが設けられて、このスペーサ部５６ａの下流側に下流に向かうほど流路面積が絞られた略円錐台状の絞り部５６ｂが設けられている。なお、スペーサ部５６ａと絞り部５６ｂとは同軸上に配置されている。前記スペーサ部５６ａは、その内径が前記各独立排気通路５２の下流端で形成された円よりも大径を有しており、このスペーサ部５６ａの内側面は、独立排気通路５２の下流端よりも排気の流れ方向と直交する方向に離間した位置で排気の流れ方向に所定量延びている。

そして、前記各独立排気通路５２は、各独立排気通路５２から排出された排気噴流が前記スペーサ部５６ａにより均一に流入するように、各独立排気通路５２の下流端で形成された円の中心が前記スペーサ部５６ａの軸線Ｌ１上に位置するように集合部５６に接続されているとともに、各独立排気通路５２の軸線Ｌ２が各独立排気通路５２の下流端から下流に向かうに従ってスペーサ部５６ａすなわち集合部５６の軸線Ｌ１に近接する方向に傾く姿勢で集合部５６に接続されている。ここで、前記混合部５７から集合部５６への排気の逆流をより確実に抑制するためには、混合部５７内の排気の流れ方向と垂直な方向における圧力をより均一にするのが好ましい。そこで、本実施形態では、排気噴流が混合部５７内においてこの混合部５７の軸線Ｌ１近傍を通過するように、各独立排気通路５２は、その下流端の軸線Ｌ２が混合部５７の上流端から下流端の間で混合部５７の軸線Ｌ１と交わる姿勢で前記集合部５６に接続されている。

例えば、前記各独立排気通路５２の下流端全体で形成される円の径が４６ｍｍに設定されているのに対して、前記スペーサ部５６ａの径は６２ｍｍ、絞り部５６ｂの下流端の径ひいては混合部５７の径は３７ｍｍに設定されている。また、スペーサ部５６ａの上下流方向の長さは２５ｍｍ、絞り部５６ｂの上下流方向の長さは１５ｍｍに設定され、混合部５７の上下流方向の長さは５０ｍｍに設定されている。また、各独立排気通路５２のうち集合部５６の上流端から上流側に長さ１０ｍｍの範囲にわたる下流端部分は、その径方向内側部分の内側面が集合部５６の軸線Ｌ２と平行に延びるように、かつ、その径方向外側部分の内側面が集合部５６の軸線Ｌ２と平行な方向に対して１４度（図８のα１）傾斜するように構成されており、各独立排気通路５２の軸線Ｌ１の集合部５６の軸線Ｌ２に対する傾斜角度（図８のα２）は７度に設定されている。

以上のように構成された本実施形態に係る各独立排気通路５２および集合部５６における排気の流れの様子、具体的には、排気の速度分布を調べた結果を図８に示す。また、図９に本実施形態との比較例１として、前記各独立排気通路５２の集合部５６への接続構造（各軸線の傾斜角度）を前記実施形態と同一とする一方、前記集合部５６から前記スペーサ部５６ａが省略されたシステムについて、各独立排気通路５２および集合部５６における排気の速度分布を調べた結果を示す。また、本実施形態との比較例２として、図１０に、前記集合部５６の構成を前記実施形態と同一とする一方、前記各独立排気通路５２をその各軸線Ｌ２が集合部５６の軸線Ｌ１と平行に延びる姿勢で集合部５６に接続されたシステムについて、排気の速度分布を調べた結果を示す。

図９に示すように、前記比較例１では、本実施形態に対して前記スペーサ部５６ａが省略されたのに伴い、前記絞り部５６ｂの下流側（図９のＢで示す部分）において噴流通過領域Ａ（図９における破線Ｃ間の領域）と集合部５６の内側面とが交差しており、この絞り部５６ｂの下流端付近において排気噴流（図９の黒く塗りつぶされた部分）が集合部５６の内側面に衝突している。そして、これにより絞り部５６ｂから下流に向かう排気噴流の速度は、図８に示す本実施形態と比べて低くなっている。なお、図８〜図１０において、矢印の長さが各部の排気の速度を示しており、矢印が長い領域の方が排気の速度が高い。そして、図９に示す比較例１では、矢印の長さが長い領域が、図８に示す本実施形態に比べて小さくなっている。これより、比較例１の方が本実施形態に比べて排気噴流の速度が低下していることがわかる。

また、図１０に示すように、前記比較例２では、前記各独立排気通路５２の各軸線Ｌ２と集合部５６の軸線Ｌ１とが平行であることに伴い、前記絞り部５６ｂの下流側において噴流通過領域Ａ（図１０における破線Ｃ間の領域）と集合部５６の内側面とが交差しており、排気がこの内側面に吸い寄せられるようにしてこの内側面側に偏った位置で流下している。そして、この偏流により混合部５７において圧力の不均一が生じるのに伴い、図１０の矢印Ｅで示すように、集合部５６および混合部５７の軸線Ｌ１を挟んで排気噴流が流下する部分と反対側の部分では、混合部５７から集合部５６に向かって排気が逆流している。

これに対して、図８に示す本実施形態では、噴流通過領域Ａ（図８における破線Ｃ間の領域）と集合部５６の内側面とが交差しておらず、排気噴流（図８の黒く塗りつぶされた部分が集合部５６の内側面と衝突せずに前述のように排気が比較例１よりも高速で流下しているとともに、排気噴流が混合部５７の軸線Ｌ１周りに流れ込んでおり比較例２で見られた前記排気の逆流が抑制されている。

ここで、前記独立排気通路５２の下流端の断面積は、この断面積と同じ面積を有する真円の直径をａ（図３参照）とし、前記集合部５６の下流端および混合部５７の流路面積と同じ面積を有する真円の直径をＤ（図３参照）とした場合に、ａ／Ｄがａ／Ｄ≧０．５の範囲に設定されていれば前記混合部５７に向かって排気が十分に高い速度で流入して高いエゼクタ効果が得られることが分かっている。そこで、本実施形態では、前記独立排気通路５２等を、前記構成に加えてａ／Ｄ≧０．５を満足するように構成している。なお、前記独立排気通路５２から前記集合部５６への排気の流入速度をより高めるべく、前記独立排気通路５２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分が設けられている場合には、この絞り部分の流路面積の直径をａとして、前記混合部５７がａ／Ｄ≧０．５となるような形状とされるのが好ましい。

前記混合部５７に流入した排気は、前記ディフューザー５８部に流入する。

前記ディフューザー部５８は下流側に向かうほど流路面積が拡大する形状を有しており、前記集合部５６から排出された高速の排気は、前記混合部５７およびこのディフューザー部５８を通過することで圧力回復する。本実施形態では、このディフューザー部５８は、下流側に向かうに従って拡径する円錐台形状を有している。

前記ディフューザー部５８の下流側には触媒装置６が接続されており、前記ディフューザー部５８を通過した排気は、触媒装置６の後述するケーシング６２に流入する。

前記触媒装置６は、エンジン本体１から排出された排気を浄化するための装置である。この触媒装置６は、三元触媒等の触媒本体６４とこの触媒本体６４を収容するケーシング６２とを備えている。ケーシング６２は排気の流れ方向と平行に延びる略円筒状を有している。前記触媒本体６４は、前記ケーシング６２の上下流方向の中央部分に収容されており、このケーシング６２の上流端には所定の空間が形成されている。前記ディフューザー部５８の下流端はこのケーシング６２の上流端に接続されており、ディフューザー部５８から排出された排気はこのケーシング６２の上流端に流入した後、触媒本体６４側へ進行する。

前述のように、本実施形態では、前記排気の噴流は前記混合部５７の軸線Ｌ２周りに流入しており、排気はこの混合部５７さらには前記ディフューザー部５８および触媒本体６４に均一に流入し、排気は触媒本体６４で効果的に浄化される。

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がこの目標値になるように、前記吸気ＶＶＴ３２、排気ＶＶＴ４２を駆動する。

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について次に説明する。

前記吸気バルブ１９および排気バルブ２０の目標バルブタイミングは、全運転領域において、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。

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７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。

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。

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から非常に高速で排気（いわゆるブローダウンガス）が排出される。

ここで、本エンジンシステム１００では、前述のように、前記独立排気通路５２および集合部５６は、所定の独立排気通路５２から集合部５６に排気が高速で噴出され、これに伴いエゼクタ効果よって他の独立排気通路５２内に負圧が生成されてこの他の独立排気通路５２ひいてはこの他の独立排気通路５２に連通する排気ポート１８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、所定の気筒１２（吸気行程気筒）のオーバーラップ期間中に、排気順序がこの吸気行程気筒１２の１つ後に設定された他の気筒１２（排気行程気筒）の排気バルブ２０が開弁するように設定されている。

従って、排気行程気筒１２の排気バルブ２０が開弁して前記ブローダウンガスがこの排気行程気筒１２から独立排気通路５２を通って集合部５６に高速で噴出されるのに伴い、前記エゼクタ効果によりオーバーラップ期間中の吸気行程気筒１２の排気ポート１８内に負圧が生成され、これにより、このオーバーラップ期間中の吸気行程気筒１２内の掃気が促進される。

特に、本実施形態では、前記独立排気通路５２および集合部５６が、排気噴流が集合部５６の内側面に接触せず排気の速度が高く維持されかつ排気の逆流が生じないように構成されているため、より高いエゼクタ効果を得ることができる。すなわち、より高い負圧を吸気行程気筒１２の前記オーバーラップ期間中にこの吸気行程気筒１２の排気ポート１８に作用させることができ、吸気行程気筒１２の吸気効率を高めてエンジン出力を高めることができる。例えば、エンジン回転数が１５００ｒｐｍの条件において、前記図９に示した比較例１に対して本実施形態では吸気効率を約１０％高めることができた。また、各独立排気通路５２の下流端は前記集合部５６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に接続された独立排気通路５２による吸出し力は吸気行程気筒１２に接続された独立排気通路５２に効果的に作用する。

以上のように、本エンジンシステム１００によれば、より高いエゼクタ効果を得ることができ、これによりエンジン出力を高めることができる。

ここで、前記各独立排気通路５２および集合部５６は、前記集合部５６の排気の流れ方向全体において、前記各独立排気通路５２の下流端の内側面を当該下流端の軸線方向と平行な方向に延長した仮想面で囲まれた領域が、前記各独立排気通路５２の下流端の軸線を囲む方向全体にわたって前記集合部５６の内側面から離間する形状を有していればよく、その具体的な構成は前記に限らない。

ただし、前記各独立排気通路５２を、前記集合部５６の下流端に設けられた前記混合部５７の上流端と下流端との間の部分においてこの混合部５７の軸線と交差する姿勢で前記集合部５６にそれぞれ接続させれば、混合部５７において排気の流れ方向と直交する方向の圧力をより確実に均一とすることができ、この混合部５７から集合部に向かう排気の逆流をより確実に抑制して、エゼクタ効果による独立排気通路５２内のガスの吸出し力をより確実に高めることができる。

また、前記実施形態では、全運転領域において、吸気バルブ１９と排気バルブ２０とをオーバーラップさせるとともに他の気筒１２の排気バルブ２０の開弁開始時期とこのオーバーラップ期間とを重複させる制御を実施する場合について説明したが、この制御は、所定の基準回転数以下等の一部の領域でのみ行なうようにしてもよい。すなわち、エンジン回転数が高い運転領域では、排気流量が増大するため、エゼクタ効果により得られる掃気促進効果よりもポンプ損失低減により得られる掃気促進効果の方が高い場合がある。従って、このような場合には、吸気バルブ１９と排気バルブ２０とを掃気促進効果をより高めることができるように制御するのが好ましい。

また、前述のように、エンジン回転数が高い運転領域におけるポンプ損失を低減するべく、前記各独立排気通路５２のうち流路面積が小さくなる領域から前記ディフューザー部５８の下流側の部分までをバイパスする通路を設け、この通路をその流路面積を一定等として排気抵抗が大きくならない形状にするとともに、この通路にこの通路を開閉するバルブを取り付けて、前記エンジン回転数が低い運転領域ではこのバルブを閉じて前記独立排気通路５２のみを排気が通過するように構成するとともに、エンジン回転数が高い運転領域では前記バルブを開いて排気が前記バイパス通路側をも通過するように構成してもよい。

１エンジン本体
６触媒装置
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
５６集合部
５７混合部

Claims

吸気ポートおよび排気ポートがそれぞれ形成されるとともに前記吸気ポートを開閉可能な吸気バルブと前記排気ポートを開閉可能な排気バルブとが設けられた複数の気筒を有する多気筒エンジンの吸排気装置であって、
１つの気筒あるいは排気順序が互いに連続しない複数の気筒の排気ポートにそれぞれ接続される独立排気通路と、
前記各独立排気通路を通過したガスが集合するように当該各独立排気通路の下流端に接続された集合部と、
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、
前記各独立排気通路および集合部は、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形状を有するとともに、
前記集合部は、その上流側部分を構成するスペーサ部と、当該スペーサ部の下流側に設けられて当該スペーサ部よりも流路面積の小さい絞り部とを有するとともに、前記各独立排気通路の下流端の内側面を当該下流端からその軸線と平行な方向に沿って下流側に延長した仮想面で囲まれた領域が、前記集合部の上流端から下流端にわたって、当該集合部の内側面から内側に離間する形状を有し、
前記スペーサ部の少なくとも上流側部分の内側面は、前記各独立排気通路の下流端の断面から外周側に離間した位置で当該断面を囲むことを特徴とする多気筒エンジンの吸排気装置。
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、
前記各独立排気通路の少なくとも一部の下流端は、前記集合部の軸線と異なる軸線を有し、
前記集合部の軸線と異なる軸線を有する前記独立排気通路は、その下流端の軸線がそれぞれ下流に向かうに従って前記集合部の軸線に近接する方向に傾斜する姿勢で前記集合部に接続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。
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、
前記集合部の下流端には、当該集合部と同軸で下流側に延びて流路面積が一定あるいは下流側ほど流路面積が大きくなる混合部が接続されており、
前記各独立排気通路は、その各下流端の軸線が前記混合部の上流端と下流端との間の部分において当該混合部の軸線と交差する姿勢で前記集合部にそれぞれ接続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。
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、
前記集合部よりも下流側の部分に設けられて、前記集合部を通過した排気を浄化可能な触媒本体を有する触媒装置を備えることを特徴とする多気筒エンジンの吸排気装置。