JP5845777B2 - 多気筒エンジンの吸排気装置 - Google Patents

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混合部と、この混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混合部に比較的高速で流入させる。そして、この高速の排気の周囲に生成された負圧を前記混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し、これにより、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ている。

特開２００９−９７３３５号公報

前記のようにエンジン単体についてのエンジン出力の向上が求められる一方、車両等を量産する上では製造ばらつき等による車両間での性能ばらつきが小さく抑えられ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、製造ばらつき等に伴う性能ばらつきを抑制す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弁と前記排気ポートを開閉可能な排気弁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、各気筒の排気ポートに個別に接続された独立排気通路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た独立排気通路と、前記各独立排気通路を通過した排気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混合部と、前記混合部の下流端に接続されて、当該混合部を通過した排気を浄化可能な触媒本体と当該触媒本体を収容する触媒ケースとを含む触媒装置と、前記各気筒の吸気弁および排気弁を駆動可能なバルブ駆動手段とを有し、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所定の回転数よりも低くエンジンの負荷が予め設定された所定の負荷よりも高い低速高負荷領域において、前記各気筒の吸気弁の開弁期間と排気弁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弁が開弁している時期に重複するように、各気筒の吸気弁および排気弁を駆動し、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混合部に接続されており、前記各独立排気通路の下流端は、各気筒の排気ポートから当該独立排気通路の下流端を通って前記混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に接続された排気ポート内に負圧が生成されるように、下流側ほど流路面積が小さくなる形状を有し、前記混合部は、当該混合部の上流端から下流側に延びて下流側ほど流路面積が小さくなる縮径部と、当該混合部の下流端から前記混合部の下流端まで延びる直管部とを有し、前記直管部は、前記混合部を前記縮径部でのみ構成した場合に比べて前記混合部の長さのばらつきに対する前記排気ポート内に生成される負圧のばらつきが小さくなるように、上下流方向全体にわたって前記縮径部の下流端の流路面積と略同一の流路面積を有しており、前記触媒装置は、前記直管部の下流端に直接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を提供する。

本装置によれば、少なくとも低速高負荷領域において気筒内の新気量を増大させエンジン出力を高めることができるとともに、装置間ひいてはこの装置が取り付けられる車両間で生じる前記エンジン出力向上効果のばらつきを小さく抑えることができる。

具体的には、この装置では、各独立排気通路の下流端の流路面積が、下流側ほど小さくなるように設定されている。そのため、各独立排気通路から混合部に排気を高速で流入させることができ、これにより効果的にエゼクタ効果を得ることができる。すなわち、所定の排気ポートにより高い負圧を生成することができる。そして、この装置では、低速高負荷領域において、所定の気筒のオーバーラップ期間中に他の気筒の排気弁が開弁するよう構成されている。そのため、低速高負荷領域において、オーバーラップ期間中の気筒の排気ポートに、他の気筒から排出された排気により生成された高い負圧を作用させることができ、この負圧によりオーバーラップ期間中の掃気を促進し、気筒内の新気量を増大させることができる。

特に、この装置では、混合部の上流端部分が、下流側ほど流路面積が小さくなる縮径部とされている。そのため、各独立排気通路から高速で混合部に流入した排気を、その速度を維持したまま、あるいは、加速させつつ流下させることができる。ここで、混合部を流下する排気の周囲に生成される負圧は、排気の速度が速いほど高くなる。従って、この装置では、混合部を流下する排気の周囲に生成される負圧ひいてはオーバーラップ期間中の気筒の排気ポートに作用する負圧をより高くすることができ、掃気促進効果をより一層高めることができる。

ここで、混合部内を高速で排気を流下させるためには、前記のように、混合部の上流端から下流側に延びる部分の流路面積を下流側ほど小さくなるように設定すればよく、例えば、混合部全体の流路面積を下流に向かうに従って徐々に小さくさせて、排気の速度を下流に向かうに従って徐々に高めていくことが考えられる。あるいは、混合部の上流端から所定長さだけを下流に向かって流路面積を小さくした後再び下流に向かって流路面積を徐々に拡大させて、混合部の下流側部分にいわゆるディフューザーを形成することが考えられる。しかしながら、このように混合部の下流端付近で流路面積が変化する（下流に向かって徐々に小さくなる、あるいは、下流に向かって徐々に大きくなる）構成では、混合部の下流端付近における排気の速度が上下流方向の位置によって異なってしまう。そのため、製造ばらつきによって混合部の長さすなわち混合部の下流端の位置がばらつくと、混合部の下流端における排気の速度ひいてはこの排気により生成される負圧の大きさにばらつきが生じるという問題がある。

これに対して、本装置では、混合部の下流端が流路面積略一定で延びる直管部とされている。そのため、混合部の長さすなわち混合部の下流端の位置が上下流方向に変化しても、混合部の下流端の流路面積が一定に維持される。そのため、前記負圧の大きさ、ひいてはエンジン出力向上効果を一定に維持することができる。

しかも、この構成では、混合部が縮径部と直管部とによってのみ構成される。そのため、混合部の長さを短くすることができ、装置を小型化することができる。また、気筒から触媒装置までの距離が短くなるため、触媒装置に流入する排気の温度を高くして触媒本体の早期活性化を実現することができるとともに触媒本体の活性をより確実に維持することができる。

また、この構成では、流路面積が最小となり上下流方向と直交する断面方向における排気の分布がより均一となる縮径部の下流端から、流速が低くなり排気が前記断面方向に拡散しやすい、すなわち、排気の分布が均一になりやすい直管部が下流側に延び、この直管の下流端に触媒装置が接続されている。そのため、触媒本体に、その断面方向により均一に排気を導入することができ、触媒本体において排気を効率よく浄化することができる。

また、前記構成において、前記各気筒から排出された排気と接触する接触部を有すると
ともに前記排気の酸素濃度を検出可能な酸素濃度検出手段をさらに備え、前記酸素濃度検
出手段の接触部は、前記触媒ケースの内側であって前記混合部よりも下流側かつ前記触媒
本体よりも上流側の部分に配置されているのが好ましい（請求項２）。

前述のように、前記構成によれば、混合部の下流端に設けられた直管部において、排気を上下流方向と直交する方向に拡散させることができる。そのため、この混合部の直下すなわち混合部よりも下流側かつ前記触媒本体よりも上流側の位置に酸素濃度検出手段の接触部を配置すれば、より均一化された排気の濃度を検出することができ、酸素濃度の検出精度を高めることができる。

また、本発明において、前記触媒ケースと一体に形成された筒状部材であって、前記触
媒ケースの上流端から前記混合部の上流端まで延びて当該混合部の上流端に接続された外
筒を有し、前記混合部は、前記外筒の内側に収容されているのが好ましい（請求項３）。

このようにすれば、混合部が設けられている部分の剛性を高めることができる。
また、この構成において、前記外筒の内周面は、その下流側部分において前記混合部の外周面から径方向外側に離間しているのが好ましい（請求項４）。

以上のように、本発明によれば、製造ばらつき等に伴うエンジン出力ばらつきを抑制することができる。

本発明の実施形態に係る多気筒エンジンの吸排気装置の概略構成図である。 図１に示す装置の一部を示した概略断面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。 吸気弁および排気弁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弁および排気弁の開弁時期および閉弁時期を説明するための図である。 本発明の比較例に係る排気系の断面図である。 混合管の長さと負圧との関係を示したグラフである。 （ａ）図７に示すグラフにおいて混合管の長さＬがＬ２以上Ｌ３未満となる場合の構成を示した図である。（ｂ）図７に示すグラフにおいて混合管の長さＬがＬ１以上Ｌ２未満となる場合の構成を示した図である。（ｃ）図７に示すグラフにおいて混合管の長さＬがＬ１未満となる場合の構成を示した図である。 （ａ）図１に示す実施形態に係る混合管付近の排気の速度分布を示した図である。（ｂ）図６に示す比較例に係る混合管付近の排気の速度分布を示した図である。 他の実施形態に係る多気筒エンジンの吸排気装置の一部を示した概略断面図である。 図１０に示す装置について混合管の長さと負圧との関係を示したグラフである。 他の実施形態に係る多気筒エンジンの吸排気装置の一部を示した概略断面図である。

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は多気筒エンジンの吸排気装置１００の概略構成図である。図２は、多気筒エンジンの吸排気装置１００の排気側部分を示した概略断面図である。図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。

多気筒エンジンの吸排気装置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とを有する。

（１）エンジン本体１と吸気管３の構造
エンジン本体１と吸気管３の構成について説明する。

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、エンジン本体１は、直列４気筒のエンジンであって、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。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。

エンジン本体１は４サイクルエンジンであって、図４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弁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弁２０が設けられている。吸気弁１９は吸気弁駆動機構（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、排気弁２０は、排気弁駆動機構（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。

吸気弁駆動機構３０は、吸気弁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、吸気弁１９を開閉駆動する。

吸気ＶＶＴ３２は、吸気弁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、吸気弁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、被駆動軸と吸気カムシャフト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位相差を変更する液圧式機構や、被駆動軸と吸気カムシャフト３１との間に設けられた電磁石を有し、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。吸気ＶＶＴ３２は、ＥＣＵ２で算出された吸気弁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。

排気弁駆動機構４０は、吸気弁駆動機構３０と同様の構造を有している。すなわち、排気弁駆動機構４０は、排気弁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弁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で算出された排気弁２０の目標バルブタイミングに基づいて、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弁２０を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、吸気ＶＶＴ３２および排気ＶＶＴ４２は、吸気弁１９および排気弁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、吸気弁１９および排気弁２０の開弁時期と閉弁時期とをそれぞれ変更する。

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吸気管３に接続されている。具体的には、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。

（２）排気マニホールド５の構造
排気マニホールド５は、上流から順に、３つの独立排気通路５２と、混合管（混合部）５６と、外筒７０を備えている。混合管５６は、互いに同軸で配置された縮径部５７とストレート部（直管部）５８とからなる。縮径部５７は、混合部５６の上流端から下流側に延びている。ストレート部５８は、縮径部５７の下流端から混合部５６の下流端まで延びている。

各独立排気通路５２は、各気筒１２の排気ポート１８に接続されている。具体的には、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、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二股上に形成されており、その一方に第２気筒１２ｂの排気ポート１８が接続され、他方に第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、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略直線状に延びており、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、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内を通って流下する。各独立排気通路５２を通過した排気は、混合管５６に流入する。

各独立排気通路５２および混合管５６は、各独立排気通路５２から混合管５６内に排気が高速で流入するのに伴い、この高速の排気の周囲に発生した負圧作用（エゼクタ効果）によって隣接する他の独立排気通路５２ひいてはこの独立排気通路５２と連通する排気ポート１８内に負圧が生成されるような形状を呈している。

具体的には、各独立排気通路５２の下流端において、下流に向かうに従って排気が加速されるように、各独立排気通路５２の下流端の流路面積は下流に向かうほど小さくなるように設定されている。本実施形態では、図３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いき、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混合管５６に接続されている。

各独立排気通路５２の下流端すなわち混合管５６の上流端付近において、各独立排気通路５２から噴出された排気の速度が低下せず、混合管５６を排気が高速で通過するように、混合管５６の上流側部分の流路面積は、下流側ほど小さくなるように設定されている。すなわち、混合管５６のうち縮径部５７の流路面積は、下流側ほど小さくなるように設定されている。

本実施形態では、縮径部５７は、その上流端において一定の流路面積をもつように延びた後、下流に向かうに従って徐々に流路面積が縮小する形状を呈している。また、本実施形態では、縮径部５７の上流端は円筒状を呈し、縮径部５７の下流側部分は、円筒状の上流端部分と同軸で延びる円錐台形状を呈している。

独立排気通路５２および混合管５６の縮径部５７を高速で通過した排気は、縮径部５７の下流端から延びるストレート部５８に流入する。

ストレート部５８の流路面積は、上下流方向全体で一定に設定されている。ストレート部５８の流路面積は、縮径部５７の下流端の流路面積と同一であり、ストレート部５８は、縮径部５７の下流端から連続して、また、縮径部５７と同軸で、下流側に延びる円筒状を呈している。本実施形態では、ストレート部５８と縮径部５７とは一体に形成されている。

外筒７０は、管状部材である。外筒７０の内側には、混合管５６が収容されている。外筒７０は、混合管５６の上流端に接続されており、この混合管５６の上流端から下流端まで延びている。このように、排気マニホールド５のうち混合部５６が配置された部分は、混合管５６と外筒７０とからなる二重管構造となっている。二重管構造とされることで、この排気マニホールド５のうち混合管５６が配置された部分の剛性は高く維持されている。

外筒７０は、混合管５６の上流端の円筒状部分の外周面に、その内周面が接触した状態で、混合管５６と同軸で延びている。外筒７０は、断面積一定で延びており、混合管５６の下流側部分において、外筒７０の内周面は、混合管５６の外周面から外側に離間している。本実施形態では、外筒７０は、円管である。

（３）触媒装置６の構造
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。触媒装置６は、排気を浄化する三元触媒等の触媒本体６４とこの触媒本体６４を収容する触媒ケース６２とを備えている。触媒本体６４は、触媒ケース６２と同軸で収容されている。本実施形態では、触媒ケース６２は、上下流方向に延びる略円筒状を呈している。触媒本体６４は、上下流方向に延びる略円柱状を呈している。

触媒ケース６２と外筒７０とは、一体に形成されており、触媒ケース６２は、外筒７０の下流端からこの下流端と連続して下流側に延びている。具体的には、触媒ケース６２は、外筒７０の下流端からこの下流端と同じ断面積で所定量延びた後、外筒７０の下流端の断面積よりも大きい断面積で所定量延び、その後、上流端の断面積とほぼ同一断面積で下流端まで延びている。

前述のように、外筒７０は、混合管５６の下流側部分において、外筒７０の内周面は、混合管５６の外周面から外側に離間している。そのため、触媒ケース６２の上流端の内周面も、混合管５６よりも径方向外側の位置で下流側に延びている。

触媒本体６４は、触媒ケース６２の略中央部分であって、断面積が大きく設定された部分に収容されている。そのため、触媒ケース６２の上流端には、所定の空間が形成されている。混合管５６から排出された排気は、触媒ケース６２の上流端の空間に流入した後、触媒本体６４に流入する。

触媒ケース６２には、排気の酸素濃度を検出するためのＯ２センサ（酸素濃度検出手段）６６が取り付けられている。Ｏ２センサ６６は、先端に排気と接触する接触部６６ａを有しており、この接触部６６ａと排気とが接触することで酸素濃度を検出する。Ｏ２センサ６６は、この接触部６６ａが触媒ケース６２の上流端に形成された空間に位置する状態で、固定されている。すなわち、接触部６６ａは、触媒ケース６２の内側であって混合管５６よりも下流側かつ触媒本体６４よりも上流側の部分に配置されている。本実施形態では、接触部６６ａは、上下流方向から見て、混合管５６の下流端の内周面と一致する付近に配置されている。

（４）制御内容
次に、ＥＣＵ２により行われる制御内容について説明する。

ＥＣＵ２は、吸気弁１９、排気弁２０のバルブタイミングを制御可能である。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、この運転条件に応じて、吸気弁１９、排気弁２０のバルブタイミングを予め記憶された目標バルブタイミングになるように制御する。

吸気弁１９および排気弁２０の目標バルブタイミングは、全運転領域において、排気弁２０の開弁期間と吸気弁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、排気弁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４に示すように、第１気筒１２ａの吸気弁１９と排気弁２０とがオーバーラップしている期間中に第３気筒１２ｃの排気弁２０が開弁し、第３気筒１２ｃの吸気弁１９と排気弁２０とがオーバーラップしている期間中に第４気筒１２ｄの排気弁２０が開弁し、第４気筒１２ｄの吸気弁１９と排気弁２０とがオーバーラップしている期間中に第２気筒１２ｂの排気弁２０が開弁し、第２気筒１２ｂの吸気弁１９と排気弁２０とがオーバーラップしている期間中に第１気筒１２ａの排気弁２０が開弁するよう設定されている。

なお、本装置において、吸気弁１９および排気弁２０の開弁時期、閉弁時期とは、それぞれ、図５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。

（５）作用効果
以上のように構成された本装置１００では、所定の気筒１２（以下、適宜、排気行程気筒１２という）の排気弁２０が開弁すると、この気筒１２から、対応する排気ポート１８および独立排気通路５２に排気が高速で排出される。特に、排気弁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。

前述のように、独立排気通路５２および混合管５６は、所定の独立排気通路５２から混合管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内に負圧が生成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）の排気弁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の排気弁２０が開弁して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を通って混合管５６に高速で噴出されるのに伴い、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る。その結果、オーバーラップ期間中の吸気行程気筒１２内の残留ガスは下流側へ吸い出され、吸気行程気筒１２の掃気が促進される。そして、吸気行程気筒１２の新気量は増大され、高いエンジン出力が実現される。特に、本実施形態では、各独立排気通路５２は、互いに隣接した状態で混合管５６に接続されている。そのため、所定の独立排気通路５２から排出された排気の周囲に生成した負圧は、他の独立排気通路５２に効果的に作用し、高い掃気促進効果すなわち高いエンジン出力増大効果が発揮される。

ここで、エゼクタ効果を効果的に発揮させて所定の排気ポート１８内に高い負圧を生成するべく、各独立排気通路５２から混合管５６内に噴出された排気をその速度を高く維持したまま流下させる構成としては、前述のように、混合管５６の上流側部分の流路面積を下流側ほど小さくなるように設定すればよい。そのため、例えば、混合管５６として、ストレート部５８を省略して縮径部５７のみで構成されたものを用いることが考えられる。また、図６に示す比較例のように、混合管５６に、縮径部５７とストレート部５８とに加えて、ディフューザー部５９を設けることが考えられる。ディフューザー部５９は、ストレート部５８の下流端からストレート部５８と同軸で下流側に延びており、その流路面積が下流に向かうに従って徐々に拡大する形状を有している。図６に示す比較例では、外筒７０は省略している。

しかしながら、本発明者らは、鋭意研究の結果、混合管５６を、仮に、下流に向かうに従って徐々に流路面積が小さくなる縮径部５７のみで構成する、あるいは、比較例の構成とすると、混合管５６の製造ばらつきによって生じる、排気ポート１８内に生成される負圧の大きさのばらつき、ひいては、エンジン出力のばらつきが大きくなることを突き止めた。

図７に、混合管５６の構成と排気ポート１８に生成される負圧について調べた結果を示す。図７は、図６に示す比較例の混合管５６の構成に対して、混合管５６を下流側から切断していき、混合管５６の下流端の位置およびこの下流端に接続される触媒装置６の位置を上流側に変化させた際の、排気ポート１８内の負圧の変化を示したものである。図７において、横軸は、混合管５６の長さＬ（図８（ａ）〜（ｃ）参照）であり、縦軸は排気ポート１８内の負圧である。

図７において、第３基準長さＬ３は、比較例の混合管５６の長さである。第２基準長さＬ２は、比較例の混合管５６の上流端からディフューザー部５９の上流端すなわちストレート部５８の下流端までの長さである。第１基準長さＬ１は、比較例の混合管５６の上流端からストレート部５８の上流端すなわち縮径部５７の下流端までの長さである。

従って、図７において混合管長さＬがＬ２以上Ｌ３未満となる条件では、図８（ａ）に示すように、混合管５６は、上流から順に配置された、縮径部５７と、ストレート部５８と、下流に向かうに従って流路面積が徐々に大きくなるディフューザー部５９とで構成され、混合管５６の下流端付近の流路面積は、下流に向かうに従って徐々に大きくなる。なお、この条件では、混合管長さＬの差は、ディフューザー部５９の長さの差である。

また、図７において混合管長さＬがＬ１以上Ｌ２未満となる条件では、図８（ｂ）に示すように、混合管５６は、上流から順に配置された、縮径部５７と、上下流方向で流路面積が一定のストレート部５８とで構成され、混合管５６の下流端付近の流路面積は、上下流方向で一定となる。なお、この条件では、混合管長さＬの差は、ストレート部５８の長さの差である。

また、図７において混合管長さＬがＬ１未満となる条件では、図８（ｃ）に示すように、混合管５６は、下流に向かうに従って流路面積が徐々に小さくなる縮径部５７のみで構成され、混合管５６の下流端付近の流路面積は、下流に向かうに従って徐々に小さくなる。なお、この条件では、混合管長さＬの差は、縮径部５７の長さの差である。

この図７に示すように、混合管長さＬがＬ２以上Ｌ３未満であって混合管５６の下流端付近の流路面積が下流に向かうに従って徐々に大きくなる構成、あるいは、混合管長さＬがＬ１未満であって混合管５６の下流端付近の流路面積が下流に向かうに従って徐々に小さくなる構成では、混合管長さＬの変化に対する排気ポート１８内の負圧の変化幅が大きい。これは、これら混合管５６の下流端付近の流路面積が変化する構成では、この下流端付近の上下流位置によって排気の速度が異なっているため、混合管長さＬが変化することで混合管５６の下流端すなわち混合管５６を通過する排気の速度が変化するためと考えられる。そのため、混合管５６を、下流に向かうに従って徐々に流路面積が小さくなる縮径部５７のみで構成する、あるいは、比較例のように混合管５６の下流端付近の流路面積を下流に向かうに従って徐々に拡大させるよう構成した場合には、製造ばらつきによる混合管長さＬのばらつきに対して、排気ポート１８内の負圧のばらつきが大きくなる。

一方、混合管長さＬがＬ１以上Ｌ２未満であって混合管５６の下流端付近の流路面積が一定となる構成では、混合管長さＬが変化しても排気ポート１８内の負圧はほとんど変化していない。

従って、混合管５６を、縮径部５７と、上下流方向で流路面積が一定のストレート部５８とで構成した本装置１００では、製造ばらつきによる混合管長さＬのばらつきに対して、排気ポート１８内の負圧のばらつきを小さく抑えることができる。ここで、前記製造ばらつきとしては、混合管５６を製造する際に生じるばらつきや、混合管５を独立排気通路５２および触媒装置６に取り付ける際にこれらの大きさに合わせて混合管５６の下流端を切断して混合管長さを変更することに伴うばらつきがある。

また、図６に示す比較例と、本装置とについて、排気の流れを調べた結果を図９（ａ）および図９（ｂ）に示す。図９（ａ）が本装置１００の結果であり、図９（ｂ）が比較例の結果である。図９（ａ）および図９（ｂ）では、色の濃淡と矢印の長さとで流速が表されており、基本的に、色の濃い部分が流速が速い。

図９（ｂ）に示すように、混合管５６の下流端がディフューザー部５９とされた比較例では、排気の分布は、縮径部５７の下流端において断面方向に一端均一に近い分布となる。しかしながら、この比較例では、ディフューザー部５９が設けられていることで、縮径部５７の下流のストレート部５８において、排気の速度は低下せず、排気は、断面方向に拡散することなく流下する。そして、排気は、ディフューザー部５９の内周面のうち排出された独立排気通路５２側の面に付着した状態で混合管５６の下流端まで流れることとなり、混合管５６の下流端すなわち触媒装置６の上流端において、排気の混合管５６の断面方向の分布は不均一となる。

一方、図９（ａ）に示すように、混合管５６の下流端をストレート部５８とした本装置１００では、ストレート部５８において、排気の速度が低下するため、排気は、このストレート部５８において断面方向に拡散する。これに伴い、混合管５６の下流端すなわち触媒装置６の上流端において、排気の混合管５６の断面方向の分布は、図９（ｂ）に示す比較例の場合に比べて、より均一となる。

このように、本装置１００では、触媒装置６の上流端において、排気の分布を均一にすることができる。そのため、触媒本体６４に均一に排気を導入することができ、触媒本体６４において排気を効率よく浄化することができる。

さらに、本装置１００では、触媒装置６の上流端であって排気が均一に流れる部分にＯ２センサ６６の接触部６６ａが配置されている。そのため、Ｏ２センサによって酸素濃度をより精度よく検出することができる。

特に、本装置１００では、外筒７０および外筒７０に連続する触媒ケース６２の上流端が、混合管５６から外側に離間した位置で延びている。そのため、触媒ケース６２が混合管５６の下流端から連続して下流側に延びている場合に比べて、混合管５６から触媒装置６の上流端に排出された排気が触媒ケース６２の内周面に付着するのが抑制され、この上流端において排気の分布はより均一となる。

（６）参考例
ここで、図７に示すように、ストレート部５８の下流側にディフューザー部５９を設ければ、排気ポート１８内の負圧をより大きくすることができる。そこで、負圧を大きくしつつ、製造ばらつきによる性能ばらつきを抑制するために、図１０に示すように、ディフューザー部５９の下流側に、流路面積一定で延びる下流側ストレート部２５８を設けることが考えられる。

図１１に、比較例のディフューザー部５９の下流側に下流側ストレート部２５８を設けた場合の合管長さＬと負圧との関係を調べた結果を、図７に追加したグラフを示す。この図１１において、混合管長さＬがＬ３以上の結果が、ディフューザー部５９の下流側に下流側ストレート部２５８が設けられた場合の結果である。この図１１に示されるように、ディフューザー部５９の下流側にさらに下流側ストレート部２５８を設けた場合にも、混合管長さＬの変化に対する負圧の変化幅を小さく抑えることができ、製造ばらつきによる性能ばらつきを抑制することができる。また、この構成では、ディフューザー部５９によって排気が下流側により抵抗の少ない状態で流下するため、排気の速度をより高く維持することができる。なお、この構成において、縮径部５７とディフューザー部５９との間のストレート部５８は省略してもよい。

ただし、ディフューザー部５９および下流側ストレート部２５９を追加すると、その分混合管５６の長さが長くなる。そのため、ディフューザー部５９および下流側ストレート部２５９を省略すれば、装置の軽量化、小型化、気筒１２から触媒本体６４までの通路長さを短くして触媒の早期活性化および活性維持を促進することができる。

（７）他の実施形態
前記外筒７０を、省略して、図１２に示すように、混合管５６の下流端に触媒ケース６２を直接接続してもよい。ただし、混合管５６の周囲を外筒７０で囲み混合管５６が配置された部分を二重管構造とすれば、この部分の剛性を高めることができる。また、排気の温度低下を抑えることができる。

ここで、混合管５６の下流端に触媒ケース６２を直接接続する構成では、混合管５６から触媒装置６の上流端に排出された排気が触媒ケース６２の内周面に付着するのを抑制してこの上流端において排気の分布をより均一にするために、触媒ケース６２の上流端の内周面を、混合管５６の下流端からより外側に位置させるのが好ましい。例えば、図１２に示すように、触媒ケース６２の上流端をテーパ形状とする場合には、テーパ角度を約２０度以上とするのが好ましい。

また、前記実施形態では、全運転領域において、吸気弁１９と排気弁２０とをオーバーラップさせるとともに他の気筒１２の排気弁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、エンジン回転数が所定の回転数よりも低く、かつ、エンジンの負荷が予め設定された所定の負荷よりも高い低速高負荷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、吸気弁１９と排気弁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、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混合管５６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
１９ 吸気弁
２０ 排気弁
３０ 吸気弁駆動機構（バルブ駆動手段）
４０ 排気弁駆動機構（バルブ駆動手段）
５２ 独立排気通路
５６ 混合管（混合部）
５７ 縮径部
５８ ストレート部（直管部）
６２ 触媒ケース
６４ 触媒本体
７０ 外筒

Claims (4)

1. 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弁と前記排気ポートを開閉可能な排気弁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、
   各気筒の排気ポートに個別に接続された独立排気通路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た独立排気通路と、
   前記各独立排気通路を通過した排気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混合部と、
   前記混合部の下流端に接続されて、当該混合部を通過した排気を浄化可能な触媒本体と当該触媒本体を収容する触媒ケースとを含む触媒装置と、
   前記各気筒の吸気弁および排気弁を駆動可能なバルブ駆動手段とを有し、
   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所定の回転数よりも低くエンジンの負荷が予め設定された所定の負荷よりも高い低速高負荷領域において、前記各気筒の吸気弁の開弁期間と排気弁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弁が開弁している時期に重複するように、各気筒の吸気弁および排気弁を駆動し、
   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混合部に接続されており、
   前記各独立排気通路の下流端は、各気筒の排気ポートから当該独立排気通路の下流端を通って前記混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に接続された排気ポート内に負圧が生成されるように、下流側ほど流路面積が小さくなる形状を有し、
   前記混合部は、当該混合部の上流端から下流側に延びて下流側ほど流路面積が小さくなる縮径部と、当該縮径部の下流端から前記混合部の下流端まで延びる直管部とを有し、
   前記直管部は、前記混合部を前記縮径部でのみ構成した場合に比べて前記混合部の長さのばらつきに対する前記排気ポート内に生成される負圧のばらつきが小さくなるように、上下流方向全体にわたって前記縮径部の下流端の流路面積と略同一の流路面積を有しており、
   前記触媒装置は、前記直管部の下流端に直接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。
2. 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、
   前記各気筒から排出された排気と接触する接触部を有するとともに前記排気の酸素濃度を検出可能な酸素濃度検出手段をさらに備え、
   前記酸素濃度検出手段の接触部は、前記触媒ケースの内側であって前記混合部よりも下流側かつ前記触媒本体よりも上流側の部分に配置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。
3. 請求項１または２に記載の多気筒エンジンの吸排気装置において、
   前記触媒ケースと一体に形成された筒状部材であって、前記触媒ケースの上流端から前記混合部の上流端まで延びて当該混合部の上流端に接続された外筒を有し、
   前記混合部は、前記外筒の内側に収容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。
4. 請求項３に記載の多気筒エンジンの吸排気装置において、
   前記外筒の内周面は、その下流側部分において前記混合部の外周面から径方向外側に離間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。

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