JP5824946B2 - 多気筒エンジン - Google Patents

Description

本発明は、排気行程の時期が１４４°ＣＡずつ異なる５つの気筒を有するエンジン本体と、エンジン本体の各気筒の排気ポートから排出された排気ガスが流通する排気装置とを備えた多気筒エンジンに関する。

従来、複数の気筒を有する多気筒エンジンにおいては、いわゆるエゼクタ効果を利用して排気効率を高めることが試みられてきた。エゼクタ効果とは、高速で噴出された流体の周囲に発生する負圧によって他の流体を吸い出す作用のことである。

例えば、下記特許文献１には、列状に並ぶ４つの気筒を有した直列４気筒エンジンの排気装置として、各気筒の排気ポートにそれぞれ接続された４つの独立排気通路と、各独立排気通路が１箇所に集合する合流部（集合部）と、この合流部の上流側に設けられ、各独立排気通路の流路面積を変更可能な可変排気バルブとを備えたものが開示されている。

この特許文献１に記載の排気装置では、上記可変排気バルブが作動して各独立排気通路の流路面積が縮小されることにより、ある気筒から排出された排気ガスが独立排気通路を通って高速で合流部に流入する。すると、この高速で流入した排気ガスの周囲に負圧が生成され、この負圧が他の独立排気通路に作用することで（エゼクタ効果）、当該他の独立排気通路内の排気ガスが下流側に吸い出され、掃気の促進等が図られる。

特開２００９−９７３３５号公報

ところで、上記特許文献１のような直列４気筒エンジンの場合、各気筒の排気行程がクランク角で１８０°の間隔を空けて順に実施される。このため、ある気筒が排気行程に移行して、排気弁の開弁直後に排出される高速の排気ガス（ブローダウンガス）が合流部に向けて流れ出たとき、上記気筒に対し排気順序（排気行程の順序）が１つ前の他の気筒では、排気行程から吸気行程への移行時期（排気上死点の近傍）となっている。このとき、当該他の気筒において、排気弁および吸気弁がともに開弁していれば、上記ブローダウンガスの排出に伴う負圧の作用（エゼクタ効果）が、排気ポートからの排気ガスの吸い出しを促すとともに吸気ポートから気筒内への空気の流入をも促し、上記他の気筒での掃気が充分に促進されることになる。そこで、上記特許文献１では、エゼクタ効果を得るために上記独立排気通路の流路面積を縮小させる制御（可変排気バルブによる絞り制御）を実行する際には、当該制御を実行しない場合に比べて、上記オーバーラップ期間を拡大させるようにしている。

しかしながら、ある気筒で排気弁が開弁し始めてブローダウンガスが排出されたとしても、その時点から、上記ブローダウンガスが下流側の合流部に到達し、そこで生成された負圧が上記気筒に対し排気順序が１つ前の他の気筒の排気ポートに遡って影響するまでには、ある程度の時間を要する。このため、ある気筒の排気弁の開弁開始時期と、他の気筒のオーバーラップ期間とがほとんど同時になる直列４気筒エンジンにおいては、ブローダウンガスによる負圧の作用（エゼクタ効果）が、オーバーラップ期間を過ぎてから他の気筒に及ぶこともあり、エンジン回転数によっては（特に高回転域では）上記エゼクタ効果による掃気の促進が期待ほどは得られないという問題があった。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、エゼクタ効果による掃気の促進をより効率よく達成することが可能な多気筒エンジンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するためのものとして、本発明は、排気行程の時期が１４４°ＣＡずつ異なる５つの気筒を有するエンジン本体と、エンジン本体の各気筒の排気ポートから排出された排気ガスが流通する排気装置とを備えた多気筒エンジンであって、上記排気装置は、１つの気筒もしく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複数の独立排気通路と、上記各独立排気通路の下流端部どうしが互いに近接するように束ねられた集約部と、上記集約部の下流側に接続され、上記独立排気通路の全てと連通する共通の空間が内部に形成された合流部とを備え、上記集約部で束ねられた各独立排気通路の下流端部は、下流側に至るほど通路断面積が小さくなるように形成されており、２０００ｒｐｍから６０００ｒｐｍまでの速度域を含む運転領域において、上記各気筒の吸気弁および排気弁の開弁期間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ける排気順序が遅い方の気筒の排気弁の開弁開始時期から排気順序が早い方の気筒が上記オーバーラップ期間を迎えるまでの間に所定の時間差が生じるように、各気筒の吸気弁および排気弁の動作タイミングが設定されており、２０００ｒｐｍから６０００ｒｐｍまでの速度域を含む運転領域において、ある気筒からの排気ガスが上記合流部に噴出されるのに伴い生じる負圧が、排気順序が１つ前の他の気筒が上記オーバーラップ期間にあるときに当該他の気筒の排気ポートに作用するように、各気筒の排気ポートから上記合流部までの距離が設定されていることを特徴とするものである（請求項１）。

本発明では、各気筒の排気行程の時期が１４４°ＣＡずつ異なる５気筒エンジンを対象として、各気筒の独立排気通路の下流端部どうしを集約部で束ねるとともに、排気順序が連続する気筒間における一方の気筒（排気順序が遅い方の気筒）で排気弁が開き始める時期と他方の気筒（排気順序が早い方の気筒）がオーバーラップ期間を迎える時期との間に所定の時間差を設けるようにしたため、ある気筒から排出されたブローダウンガス（排気弁の開弁直後に排出される高速の排気ガス）が上記集約部の下流側（合流部）に噴出された後、そこで生成された負圧が他の気筒（排気順序が１つ前の気筒）の排気ポートに遡って到達するタイミングが、当該他の気筒の排気上死点の近傍に合い易くなる。したがって、上記他の気筒がオーバーラップ期間にあるときに負圧が到達するケースが増え、エンジンのより幅広い速度域において、掃気の促進を図ることができる。

本発明において、好ましくは、上記独立排気通路は、排気順序が互いに連続しない２つの気筒に接続される第１独立排気通路と、第１独立排気通路が接続される気筒を除いた３つの気筒のうち排気順序が連続しない２つの気筒に接続される第２独立排気通路と、第１および第２独立排気通路のいずれもが接続されない残りの１つの気筒に接続される第３独立排気通路とを有し、上記第１および第２独立排気通路は、それぞれ、排気順序が連続しない２つの気筒から延びる２つの分岐通路部と、各分岐通路部の下流端部どうしが連結された連結部と、連結部から下流側に延びる単一の共通通路部とを有し、上記第１および第２独立排気通路の各共通通路部の下流端部と、上記第３独立排気通路の下流端部とが束ねられて上記集約部が形成される（請求項２）。

このように、排気順序が互いに連続しない２つの気筒にそれぞれ２股状の第１、第２独立排気通路を接続した場合には、排気干渉を回避しながらも、全ての気筒に単管状の独立排気通路を接続した場合と比べて排気装置を全体的にコンパクトにできる。そして、上記二股状の第１、第２独立排気通路の各下流端部に、もう１つの単管状の独立排気通路の下流端部を合わせて集約部で束ねることにより、この集約部の下流側（合流部）でブローダウンガスによる負圧を発生させ、その負圧よる作用（エゼクタ効果）で各気筒の掃気を効果的に促進することができる。

以上説明したように、本発明によれば、エゼクタ効果による掃気の促進をより効率よく達成することが可能な多気筒エンジンを提供することができる。

本発明の一実施形態にかかる多気筒エンジンの全体構成を示す図である。 図１のII−II線に沿った断面図である。 上記エンジンの各気筒におけるバルブタイミングを説明するための図である。 上記エンジンにおいて得られるエゼクタ効果を確認するために行った数値シミュレーションの結果を示すグラフである。 本発明の比較例にかかるエンジンのバルブタイミングを説明するための図である。 上記比較例のエンジンにおいて得られるエゼクタ効果を確認するために行った数値シミュレーションの結果を示すグラフである。 本発明の変形実施例を説明するための図である。

（１）エンジンの全体構成
図１は、本発明の一実施形態にかかるエンジンの全体構成を示す図である。本図に示されるエンジンは、走行駆動用の動力源として車両に搭載される４サイクルの火花点火式多気筒エンジンである。具体的に、当実施形態のエンジンは、列状に並ぶ５つの気筒２Ａ〜２Ｅを有する直列５気筒型のエンジン本体１と、エンジン本体１に導入される空気（新気）が流通する吸気装置９と、エンジン本体１から排出される排気ガスが流通する排気装置１３とを備えている。

上記エンジン本体１の各気筒２Ａ〜２Ｅには、それぞれピストン（図示省略）が往復摺動可能に挿入されており、各ピストンの上方に燃焼室が区画形成されている。この燃焼室は、図外のインジェクタ（燃料噴射弁）から噴射される燃料と空気とによる混合気を燃焼させるための空間である。すなわち、各気筒２Ａ〜２Ｅの燃焼室では、火花点火（後述する点火プラグ７による点火）をきっかけに混合気が燃焼し、高温の排気ガスが生成される。生成された排気ガスは、各気筒２Ａ〜２Ｅの排気行程において、燃焼室から上記排気装置１３へと排出される。

上記エンジン本体１の上部（シリンダヘッド）には、上記吸気装置９から供給される空気を各気筒２Ａ〜２Ｅの燃焼室に導入するための吸気ポート３と、吸気ポート３を開閉する吸気弁５と、各気筒２Ａ〜２Ｅの燃焼室で生成された排気ガスを上記排気装置１３に導出するための排気ポート４と、排気ポート４を開閉する排気弁６とが設けられている。なお、図例のエンジンはいわゆるダブルオーバーヘッドカムシャフト式（ＤＯＨＣ）エンジンであり、１つの気筒につき吸気弁５および排気弁６が２つずつ設けられている。

上記エンジン本体１の上部（シリンダヘッド）には、各気筒２Ａ〜２Ｅの燃焼室を上から臨むように５つの点火プラグ７が設けられている。各点火プラグ７は、図外の点火回路からの給電に応じて各気筒２Ａ〜２Ｅの混合気に点火エネルギーを供給するものである。当実施形態のような直列５気筒エンジンでは、第１気筒２Ａ→第２気筒２Ｂ→第４気筒２Ｄ→第５気筒２Ｅ→第３気筒２Ｃの順に、１４４°ＣＡずつずれたタイミングで点火が行われて、この順に排気行程等が実施される。なお、「°ＣＡ」とは、エンジンの出力軸であるクランク軸の回転角（クランク角）を表す。

上記吸気装置９は、スロットル弁等の部品（図示省略）が装備される１本の吸気管１０と、吸気管１０の下流端部（エンジン本体１側の端部）に接続されたサージタンク１１と、サージタンク１１と各気筒２Ａ〜２Ｅの吸気ポート３とを連通する４つの独立吸気通路１２とを有している。

上記排気装置１３は、各気筒２Ａ〜２Ｅの排気ポート４から延びる３つの独立排気通路１４，１５，１６と、各独立排気通路１４，１５，１６の下流端部（エンジン本体１から遠ざかる方向の端部）が互いに近接するように束ねられた集約部１７と、集約部１７の下流側に接続され、上記独立排気通路１４，１５，１６の全てと連通する共通の空間が内部に形成された合流部１８と、合流部１８の下流側に接続された１本の排気管１９とを有している。なお、図１では図示を省略しているが、下流側の排気管１９には、排気ガス浄化用の触媒や、サイレンサー等が装備される。

（２）排気装置の具体的構成
上記排気装置１３が有する３つの独立排気通路１４，１５，１６のうち、２つの独立排気通路１４，１５は、その上流側が二股状に分かれるように形成されており、残りの１つの独立排気通路１６は、分岐のない単管状に形成されている。以下では、二股状の独立排気通路１４，１５を、それぞれ、第１独立排気通路１４および第２独立排気通路１５と称し、単管状の独立排気通路１６を第３独立排気通路１６と称する。

上記第１独立排気通路１４は、第１気筒２Ａおよび第４気筒２Ｄの各排気ポート４から延びる２つの分岐通路部１４ａ，１４ｂと、各分岐通路部１４ａ，１４ｂの下流端部どうしが連結された連結部１４ｃと、連結部１４ｃから下流側に延びる単一の共通通路部１４ｄとを有している。また、上記第２独立排気通路１５は、第２気筒２Ｂおよび第５気筒２Ｅの各排気ポート４から延びる２つの分岐通路部１５ａ，１５ｂと、各分岐通路部１５ａ，１５ｂの下流端部どうしが連結された連結部１５ｃと、連結部１５ｃから下流側に延びる単一の共通通路部１５ｄとを有している。

ここで、上述したように、当実施形態のような直列５気筒エンジンでは、第１気筒２Ａ→第２気筒２Ｂ→第４気筒２Ｄ→第５気筒２Ｅ→第３気筒２Ｃの順に排気行程が実施される。このことから、上記第１独立排気通路１４の各分岐通路部１４ａ，１４ｂが接続される第１気筒２Ａおよび第４気筒２Ｄは、排気順序（排気行程が実施される順序）が１つ飛びの関係となっており、上記第２独立排気通路１５の各分岐通路部１５ａ，１５ｂが接続される第２気筒２Ｂおよび第５気筒２Ｅもまた、排気順序が１つ飛びの関係となっている。すなわち、上記第１、第２独立排気通路１４，１５は、それぞれ、排気順序が連続しない２つの気筒に接続される通路であるということができる。

上記第３独立排気通路１６は、その上流端部が第３気筒２Ｃの排気ポート４に接続されており、当該排気ポート４から、図１に示す上面視においてほぼ真っ直ぐ下流側に延びるように形成されている。

上記第１、第２独立排気通路１４，１５は、その各下流端部の位置が上記第３独立排気通路１６の下流端部と一致するように、気筒列方向の中央側を指向して延びている。すなわち、第１独立排気通路１４の共通通路部１４ｄの下流端部と、第２独立排気通路１５の共通通路部１５ｄの下流端部と、第３独立排気通路１６の下流端部とが、それぞれ、気筒列方向の中央に位置する第３気筒２Ｃから上面視でほぼ真っ直ぐ下流側に離間した位置において１箇所に束ねられている。そして、この束ねられた３つの独立排気通路１４，１５，１６の各下流端部と、これらを束ねた状態に保持する保持部材等により、上記集約部１７が構成されている。

図２に示すように、上記各独立排気通路１４，１５，１６の各下流端部、つまり、第１独立排気通路１４の共通通路部１４ｄの下流端部と、第２独立排気通路１５の共通通路部１５ｄの下流端部と、第３独立排気通路１６の下流端部とは、それぞれ、円を３分割したような扇型の断面を有しており、このような断面を有する各下流端部が３つ集まることにより、全体としてほぼ円形の集約部１７が形成されている。

上記集約部１７において近接配置された各独立排気通路１４，１５，１６の下流端部は、下流側に至るほど通路断面積が小さくなるノズル状に形成されている（図１参照）。このため、上記各独立排気通路１４，１５，１６の下流端部を通過した排気ガスは、そこで加速した後に（流速を高めた後に）合流部１８へと噴出される。

図１に示すように、上記合流部１８の内部には、下流側ほど通路断面積が小さくなるように形成されたノズル部２０と、ほぼ一様の通路断面積を有するように形成されたストレート部２１と、下流側ほど通路断面積が大きくなるように形成されたディフューザ部２２とが、上流側から順に形成されている。このため、上記各独立排気通路１４，１５，１６のいずれかの下流端部から噴出された排気ガスは、まずノズル部２０へと流入し、そこでさらに加速する（圧力は低下する）。そして、ノズル部２０で加速した排気ガスは、ディフューザ部２２の通過時に減速され、これに伴って排気ガスの圧力が回復する。

上記のように各独立排気通路１４，１５，１６のいずれかの下流端部から合流部１８のノズル部２０に向けて高速で排気ガスが噴出されると、その噴出ガスの周囲には、大気圧よりも低い負圧が生成される。したがって、ある気筒の独立排気通路（１４，１５，１６のいずれか）から合流部１８に排気ガスが噴出されるのに伴い、他の気筒の独立排気通路等に負圧が作用して、排気ガスが下流側へと吸い出される（エゼクタ効果）。

上記エゼクタ効果により排気ガスが吸い出されることで、掃気の促進を図ることができる。また、ある気筒の独立排気通路（１４，１５，１６のいずれか）から排出された排気ガスが合流部１８から他の気筒の独立排気通路に逆流することが防止されるので、排気干渉が抑制されるという利点もある。

ここで、上記エゼクタ効果による掃気を確実に図るには、ある気筒の排気弁６が開弁し始めてから所定の時間差の後に、当該気筒よりも排気順序が１つ前の他の気筒において、吸気弁５および排気弁６がともに開弁している必要がある。

図３は、上記のような掃気の促進を目的として設定された第１気筒２Ａ〜第５気筒２Ｅの吸排気弁５，６の動作タイミングを示す図である。本図に示すように、第１気筒２Ａ〜第５気筒２Ｅのいずれにおいても、排気行程の終期から吸気行程の始期にかけて（図中の期間Ｏ／Ｌにかけて）、吸気弁５および排気弁６がともに開弁している。以下では、このように吸排気弁５，６がともに開弁している期間、つまり、吸気弁５の開弁期間と排気弁６の開弁期間とが重複している期間Ｏ／Ｌを、オーバーラップ期間と称する。一方、ある気筒がオーバーラップ期間（Ｏ／Ｌ）にあるとき、当該気筒の次に排気行程を迎える気筒では、既に排気弁６が開弁している。

すなわち、当実施形態のような５気筒エンジンでは、各気筒での火花点火が１４４°ＣＡずつずれたタイミングで行われ、ある気筒の排気行程の開始から、点火順序が次の気筒の排気行程の開始までに１４４°ＣＡの間隔が空くことになる。例えば、第１気筒２Ａの排気行程の開始から１４４°ＣＡが経過して、点火順序が次の第２気筒２Ｂでの排気行程が開始されても、上記第１気筒２Ａでは、未だ排気行程の途中にあり、排気行程の終了時点（排気上死点）までには、３６°ＣＡ（１８０−１４４＝３６°ＣＡ）分の余裕がある。このため、第１気筒２Ａが、排気上死点の前後のオーバーラップ期間（Ｏ／Ｌ）にあるとき、点火順序が次の第２気筒２Ｂでは、既に排気行程の途中段階（排気行程の開始から３６°ＣＡ経過した時点）にあり、排気弁６が既に開弁している。換言すれば、第２気筒２Ｂの排気弁６の開弁開始時期から、第１気筒２Ａがオーバーラップ期間を迎える時期（同気筒の吸気弁５が開き始める時期）までの間に、所定の時間差が存在している。

同様に、第２気筒２Ｂがオーバーラップ期間にあるとき、次に排気行程を迎える第４気筒２Ｄの排気弁６が既に開弁しており、第４気筒２Ｄがオーバーラップ期間にあるとき、次に排気行程を迎える第５気筒２Ｅの排気弁６が既に開弁しており、第５気筒２Ｅがオーバーラップ期間にあるとき、次に排気行程を迎える第３気筒２Ｃの排気弁６が既に開弁している。

吸排気弁５，６の動作タイミングが上記のように設定されていれば、ある気筒の排気弁６の開弁直後に排出される最も流速の速い排気ガス（いわゆるブローダウンガス）が合流部１８に噴出されたときに、その噴出流の周りに生成される大きな負圧の作用（エゼクタ効果）により、当該気筒よりも排気順序が１つ前の気筒における掃気性が高められる。例えば、第３気筒２Ｃの排気弁６が開き始めて、高速の排気ガス（ブローダウンガス）が第３独立排気通路１６を通じて合流部１８に噴出されると、それに伴う負圧が、上記第３気筒２Ｃよりも排気順序が１つ前の第５気筒２Ｅに作用する。

ここで、上記第３気筒２Ｃの排気弁６が開き始めてブローダウンガスが排出された時点から、そのブローダウンガスが第３独立排気通路１６を通って合流部１８に到達し、そこで生成された負圧が第２独立排気通路１５（共通通路部１５ｄおよび分岐通路部１５ｂ）を遡って第５気筒２Ｅの排気ポート４に伝播するまでには、ある程度の時間を要する。このように、第５気筒２Ｅの排気ポート４に負圧が到達するまでに時間差が存在する一方で、上述したように、第３気筒２Ｃの排気弁６が開き始めてから第５気筒２Ｅが排気上死点（排気行程と吸気行程の間の上死点）を迎えるまでにも時間差が存在する。したがって、上記第３気筒２Ｃからのブローダウンガスに基づく負圧は、多くのケースにおいて、第５気筒２Ｅが排気上死点の近傍にあるときに同気筒の排気ポート４に到達すると考えられる。排気上死点の近傍とは、吸気弁５および排気弁６がともに開くオーバーラップ期間に一致する時期であるから、このような時期に負圧が到達すれば、上記第５気筒２Ｅでは、排気ポート４からの排気ガスの吸い出しと、吸気ポート３から筒内への空気の流入とが同時に行われ、掃気が充分に図られるとともに、吸気量が増大される。なお、図３において右斜め上方に延びる１点差線の矢印は、排気弁６の開弁直後のブローダウンガスに基づく負圧が、排気順序が１つの前の気筒に対し所定の時間差をあけて作用することを表している。

以上のことは、排気順序が連続するいずれの気筒間においても同様である。例えば、第５気筒２Ｅの排気弁６の開弁直後に排出されるブローダウンガスが第２独立排気通路１５（分岐通路部１５ｂおよび共通通路部１５ｄ）を通って合流部１８に噴出されると、そこで生成された負圧は、第１独立排気通路１４（共通通路部１４ｄおよび分岐通路部１４ｂ）を遡って、オーバーラップ期間中にある第４気筒２Ｄの排気ポート４に到達する。同様に、第４気筒２Ｄから第１独立排気通路１４（１４ｂ，１４ｄ）を通って排出されたブローダウンガスによる負圧は、第２独立排気通路１５（１５ｄ，１５ａ）を遡って、オーバーラップ期間中にある第２気筒２Ｂに到達し、第２気筒２Ｂから第２独立排気通路１５（１５ａ，１５ｄ）を通って排出されたブローダウンガスによる負圧は、第１独立排気通路１４（１４ｄ，１４ａ）を遡って、オーバーラップ期間中にある第１気筒２Ａに到達し、第１気筒２Ａから第１独立排気通路１４（１４ａ，１４ｄ）を通って排出されたブローダウンガスによる負圧は、第３独立排気通路１６を遡って、オーバーラップ期間中にある第３気筒２Ｃに到達する。

図４は、当実施形態のような５気筒エンジンにおいて、ある特定の気筒（以下、対象気筒という）における排気ポート４の圧力を、回転速度が異なる複数の条件下で数値シミュレーションにより算出した結果である。なお、本図において、排気ポート４から合流部１８までの距離は、全ての気筒について同じ値（２５０ｍｍ）であるものとした。

図４に示すように、対象気筒が排気上死点にあるとき、つまりクランク角が下死点後（ＡＢＤＣ）１８０°ＣＡであるときの排気ポート圧は、エンジン回転速度が１０００ｒｐｍ（図中のグラフ線Ｘ）のときに正圧になっているが、それ以外の全ての回転速度（２０００〜６０００ｒｐｍ）では、いずれも負圧となっている。このことは、２０００〜６０００ｒｐｍという幅広い速度域で、上記対象気筒の次に排気行程を迎える気筒からのブローダウンガスによる負圧が、上記対象気筒の排気上死点において排気ポート４に作用していることを表している。

なお、図４において、エンジン回転速度が１０００ｒｐｍのときは、ブローダウンガスによる負圧が排気上死点よりも前に排気ポート４に到達していることになるが、排気ポート４から合流部１８までの距離（独立排気通路１４，１５，１６の通路長）が図４の条件よりも短ければ、１０００ｒｐｍのときであっても、上記負圧を排気上死点の付近に排気ポート４に到達させることも可能である。この場合には、６０００ｒｐｍ等の高速域における負圧到達のタイミングが排気上死点と合わなくなると考えられるが、図４の例と異なり、１０００ｒｐｍを含む低回転寄りの速度域で、排気上死点での排気ポート圧を負圧にすることができる。

（３）作用効果等
以上説明したように、当実施形態の多気筒エンジンは、排気行程の時期が１４４°ＣＡずつ異なる５つの気筒２Ａ〜２Ｅを有する（直列５気筒型の）エンジン本体１と、各気筒２Ａ〜２Ｅの排気ポート４から排出された排気ガスが流通する排気装置１３とを備える。排気装置１３は、１つの気筒もしく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４にそれぞれ接続される複数の独立排気通路１４，１５，１６と、各独立排気通路１４，１５，１６の下流端部どうしが互いに近接するように束ねられた集約部１７と、集約部１７の下流側に接続され、上記独立排気通路１４，１５，１６の全てと連通する共通の空間が内部に形成された合流部１８とを備える。上記集約部１７で束ねられた各独立排気通路１４，１５，１６の下流端部は、下流側に至るほど通路断面積が小さくなるように形成されており、上記各気筒２Ａ〜２Ｄの吸排気弁５，６の動作タイミングは、排気順序が連続する気筒間における一方の気筒の排気弁６の開弁開始時期から他方の気筒がオーバーラップ期間（図３の期間Ｏ／Ｌ）を迎えるまでの間に所定の時間差が生じるように設定されている。このような構成によれば、エゼクタ効果による掃気の促進をより効率よく達成できるという利点がある。

すなわち、上記実施形態では、各気筒２Ａ〜２Ｅの排気行程の時期が１４４°ＣＡずつ異なる５気筒エンジンを対象として、各気筒２Ａ〜２Ｅの独立排気通路１４，１５，１６の下流端部どうしを集約部１７で束ねるとともに、排気順序が連続する気筒間における一方の気筒で排気弁６が開き始める時期と他方の気筒がオーバーラップ期間（Ｏ／Ｌ）を迎える時期との間に所定の時間差を設けるようにしたため、ある気筒から排出されたブローダウンガス（排気弁６の開弁直後に排出される高速の排気ガス）が上記集約部１７の下流側（合流部１８）に噴出された後、そこで生成された負圧が他の気筒（排気順序が１つ前の気筒）の排気ポート４に遡って到達するタイミングが、当該他の気筒の排気上死点の近傍に合い易くなる。したがって、上記他の気筒がオーバーラップ期間にあるときに負圧が到達するケースが増え、エンジンのより幅広い速度域（図４の例では２０００〜６０００ｒｐｍの範囲）において、掃気の促進を図ることができる。

このような効果は、例えば直列４気筒エンジンのような、排気行程の時期が１８０°ＣＡずつ異なるエンジンと比較することで、より明確に理解することができる。図５は、直列４気筒エンジンの場合に、ブローダウンガスによる負圧がどのようなタイミングで到達するかを示した比較例である。本図に示すように、直列４気筒エンジンでは、ある気筒の排気弁が開き始める時期と、排気順序が１つ前の他の気筒がオーバーラップ期間を迎える時期とがほとんど同時になるため、ある気筒からのブローダウンガスによる負圧が他の気筒の排気ポートに到達したときには、当該他の気筒では、既にオーバーラップ期間が終了している可能性が高くなる。すなわち、直列４気筒エンジンでは、上記ブローダウンガスによる負圧が排気ポートに到達するタイミングと、吸排気弁のオーバーラップ期間とが合致しにくくなる。

以上のことから、排気行程の時期が１８０°ＣＡずつ異なる４気筒エンジンでは、ある気筒から排出されたブローダウンガスによる負圧を、オーバーラップ期間中の他の気筒に到達させて掃気の促進を図ろうとしても、上記実施形態の５気筒エンジンと比べれば、期待通りの効果を得ることは難しいと考えられる。もちろん、４気筒エンジンであっても、オーバーラップ期間を極端に長くとれば、そのオーバーラップ期間中に負圧を到達させることが可能となるが、オーバーラップ期間を長くし過ぎると、燃焼性に悪影響を与える等の問題が生じるため、オーバーラップ期間はむやみに長くとることはできない。

図６は、４気筒エンジンにおけるある特定の気筒（対象気筒）の排気ポート圧を数値シミュレーションにより算出した結果である。なお、この計算では、各気筒の排気ポートから合流部までの距離、および吸排気弁のオーバーラップ期間を、図４の計算時と同一とした。本図に示すように、４気筒エンジンの場合、排気上死点での排気ポート圧は、１０００ｒｐｍおよび２０００ｒｐｍ（図中のグラフ線Ｙ１，Ｙ２）のときに負圧になるものの、それ以外の速度域（３０００〜６０００ｒｐｍ）では、いずれも正圧になっている。このことは、３０００〜６０００ｒｐｍという幅広い速度域において、ブローダウンガスによる負圧を有効に利用できていないことを示している。

これに対し、上記実施形態のような５気筒エンジンでは、各気筒の排気行程の間隔が１４４°ＣＡと短いため、既に図４に示したように、例えば２０００〜６０００ｒｐｍといった幅広い速度域で、ある気筒から排出されたブローダウンガスによる負圧を、他の気筒が排気上死点にあるときに排気ポート４に到達させることができる。これにより、４気筒エンジンの場合よりも幅広い速度域で、エゼクタ効果による掃気の促進を図ることができる。

また、上記実施形態では、独立排気通路として、排気順序が互いに連続しない２つの気筒の組（第１気筒２Ａおよび第４気筒２Ｄの組と、第２気筒２Ｂおよび第５気筒２Ｅの組）に接続される２股状の第１、第２独立排気通路１４，１５と、残りの１つの気筒（第３気筒２Ｃ）に接続される単管状の第３独立排気通路１６とが設けられており、第１、第２独立排気通路１４，１５の各下流端部と、第３独立排気通路１６の下流端部とが束ねられて上記集約部１７が形成されている。このような構成によれば、排気装置１３を全体としてコンパクトに形成しながら、エゼクタ効果による掃気の促進を図ることができる。

すなわち、上記実施形態では、排気順序が互いに連続しない２つの気筒にそれぞれ２股状の第１、第２独立排気通路１４，１５を接続したため、排気干渉を回避しながらも、全ての気筒２Ａ〜２Ｅに単管状の独立排気通路を接続した場合と比べて排気装置１３を全体的にコンパクトにできる。そして、上記二股状の第１、第２独立排気通路１４，１５の各下流端部に、もう１つの単管状の独立排気通路１６の下流端部を合わせて集約部１７で束ねることにより、この集約部１７の下流側（合流部１８）でブローダウンガスによる負圧を発生させ、その負圧よる作用（エゼクタ効果）で各気筒の掃気を効果的に促進することができる。

（４）変形例
上記実施形態では、第１気筒２Ａ→第２気筒２Ｂ→第４気筒２Ｄ→第５気筒２Ｅ→第３気筒２Ｃの順に排気行程を迎える直列５気筒エンジンを前提に、排気順序が連続しない第１気筒２Ａおよび第４気筒２Ｄに二股状の第１独立排気通路１４を接続し、同じく排気順序が連続しない第２気筒２Ｂおよび第５気筒２Ｅに二股状の第２独立排気通路１５を接続し、残りの第３気筒２Ｃに単管状の第３独立排気通路１６を接続したが、これ以外の組合せも当然に可能である。以下の（ｉ）〜（iv）は、上記実施形態以外に考えられる４パターンの組合せを列挙したものである。各パターンにおいて、ハイフンでつないだ２つの数字の組合せは、二股状の独立排気通路が接続される気筒Ｎｏを表しており、末尾にある単独の数字は、単管状の独立排気通路が接続される気筒の気筒Ｎｏを表している。

（ｉ） １−５，２−３，４
（ii） ２−５，４−３，１
（iii）２−３，１−４，５
（iv） １−５，４−３，２
図７は、上記（ｉ）の組合せに基づく排気装置１３’を図示したものである。すなわち、この排気装置１３’には、第１気筒２Ａおよび第５気筒２Ｅに接続される二股状の第１独立排気通路１４’と、第２気筒２Ｂおよび第３気筒２Ｃに接続される二股状の第２独立排気通路１５’と、第４気筒２Ｄに接続される単管状の第３独立排気通路１６’とが含まれる。

具体的に、第１独立排気通路１４’は、第１気筒２Ａおよび第５気筒２Ｅから延びる２つの分岐通路部１４ａ’，１４ｂ’と、各分岐通路部１４ａ’，１４ｂ’の下流端部どうしが連結された連結部１４ｃ’と、連結部１４ｃ’から下流側に延びる単一の共通通路部１４ｄ’とを有している。また、第２独立排気通路１５’は、第２気筒２Ｂおよび第３気筒２Ｃから延びる２つの分岐通路部１５ａ’，１５ｂ’と、各分岐通路部１５ａ’，１５ｂ’の下流端部どうしが連結された連結部１５ｃ’と、連結部１５ｃ’から下流側に延びる単一の共通通路部１５ｄ’とを有している。そして、上記第１独立排気１４’の共通通路部１４ｄ’の下流端部と、上記第２独立排気１５’の共通通路部１５ｄ’の下流端部と、第３独立排気通路１６’の下流端部とが１箇所に束ねられて集約部１７が形成され、そのさらに下流側に合流部１８が接続されている。

なお、上記図７の例や、上記図１に示した実施形態では、排気順序が連続しない２つの気筒に二股状の独立排気通路を接続したが、５つの気筒２Ａ〜２Ｅの全てに、第３独立排気通路１６（または１６’）と同様の単管状の通路を接続し、これら５つの独立排気通路の各下流端部を束ねて集約部を形成してもよい。

また、上記実施形態では、エンジンの運転領域にかかわらず、図３に示すように、各気筒２Ａ〜２Ｅの吸気弁５および排気弁６の開弁期間が所定のオーバーラップ期間（Ｏ／Ｌ）重複し、かつ排気順序が連続する気筒間における一方の気筒の排気弁６の開弁開始時期から他方の気筒が上記オーバーラップ期間を迎えるまでの間に所定の時間差が生じるように、各気筒２Ａ〜２Ｅの吸排気弁５，６の動作タイミング（バルブタイミング）を設定したが、例えばバルブタイミングを変更し得る可変機構を備えたエンジンである場合には、エンジンの一部の運転領域でのみ、上記図３に示したようなバルブタイミングに設定してもよい。特に、吸気量が増大するエンジンの高負荷域では、図３に示したようなバルブタイミングに設定することが望ましい。

また、上記実施形態では、図１に示したような直列５気筒エンジンに本発明を適用した例について説明したが、本発明は、５気筒のシリンダ列を２列有するＶ型１０気筒エンジンに適用できることは言うまでもない。

２Ａ〜２Ｅ 気筒
３ 吸気ポート
４ 排気ポート
５ 吸気弁
６ 排気弁
１３ 排気装置
１４ 第１独立排気通路
１４ａ，１４ｂ 分岐通路部
１４ｃ 連結部
１４ｄ 共通通路部
１５ 第２独立排気通路
１５ａ，１５ｂ 分岐通路部
１５ｃ 連結部
１５ｄ 共通通路部
１６ 第３独立排気通路
１７ 集約部
１８ 合流部

Claims (2)

1. 排気行程の時期が１４４°ＣＡずつ異なる５つの気筒を有するエンジン本体と、エンジン本体の各気筒の排気ポートから排出された排気ガスが流通する排気装置とを備えた多気筒エンジンであって、
   上記排気装置は、１つの気筒もしく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複数の独立排気通路と、上記各独立排気通路の下流端部どうしが互いに近接するように束ねられた集約部と、上記集約部の下流側に接続され、上記独立排気通路の全てと連通する共通の空間が内部に形成された合流部とを備え、
   上記集約部で束ねられた各独立排気通路の下流端部は、下流側に至るほど通路断面積が小さくなるように形成されており、
   ２０００ｒｐｍから６０００ｒｐｍまでの速度域を含む運転領域において、上記各気筒の吸気弁および排気弁の開弁期間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ける排気順序が遅い方の気筒の排気弁の開弁開始時期から排気順序が早い方の気筒が上記オーバーラップ期間を迎えるまでの間に所定の時間差が生じるように、各気筒の吸気弁および排気弁の動作タイミングが設定されており、
   ２０００ｒｐｍから６０００ｒｐｍまでの速度域を含む運転領域において、ある気筒からの排気ガスが上記合流部に噴出されるのに伴い生じる負圧が、排気順序が１つ前の他の気筒が上記オーバーラップ期間にあるときに当該他の気筒の排気ポートに作用するように、各気筒の排気ポートから上記合流部までの距離が設定されていることを特徴とする多気筒エンジン。
2. 請求項１記載の多気筒エンジンにおいて、
   上記独立排気通路は、排気順序が互いに連続しない２つの気筒に接続される第１独立排気通路と、第１独立排気通路が接続される気筒を除いた３つの気筒のうち排気順序が連続しない２つの気筒に接続される第２独立排気通路と、第１および第２独立排気通路のいずれもが接続されない残りの１つの気筒に接続される第３独立排気通路とを有し、
   上記第１および第２独立排気通路は、それぞれ、排気順序が連続しない２つの気筒から延びる２つの分岐通路部と、各分岐通路部の下流端部どうしが連結された連結部と、連結部から下流側に延びる単一の共通通路部とを有し、
   上記第１および第２独立排気通路の各共通通路部の下流端部と、上記第３独立排気通路の下流端部とが束ねられて上記集約部が形成されたことを特徴とする多気筒エンジン。
   

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