JP5910034B2 - 多気筒エンジンの排気装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車等に搭載される多気筒エンジンの排気装置に関する。

従来、自動車等に搭載される多気筒エンジンにおいて、トルクの向上を目的とした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、排気順序が連続しない気筒の排気通路を束ねて、先細の排気管として集合させ、この絞り部分にエゼクタ効果を持たせて、気筒間の排気干渉を防止する技術が開示されている。

特開平０４−０３６０２３号公報（第４頁、第５頁、第３図）

多気筒エンジンにおいて、広い回転域に亘ってトルクの向上を図り、トルクのワイドレンジ化を達成するためには、例えば３０００〜３５００ｒｐｍ等の中回転域（中速域）における体積効率（ηＶ）の落ち込みを抑制することが重要な要素の１つである。

そこで、本発明は、中速域における体積効率の落ち込みを抑制することが可能な多気筒エンジンの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、排気ポート、吸気ポートを開閉可能な吸気弁、及び排気ポートを開閉可能な排気弁がそれぞれ備えられた気筒を複数有する多気筒エンジンの排気装置であって、１つの気筒又は排気順序が連続しない複数の気筒の排気ポートに上流端が接続された複数の独立排気通路と、前記各独立排気通路の下流端に接続され、前記各独立排気通路を通過した排気が流入する混合管とを有し、前記各独立排気通路の下流部は、下流に向かうほどその流路断面積が小さくなる形状を有し、前記各独立排気通路の下流端が束ねられた状態で前記混合管に接続され、前記混合管より下流の排気通路に、流路断面積が拡大した空間部を有するプリサイレンサ及びメインサイレンサが、メインサイレンサがプリサイレンサよりも下流側に位置する順番で配設され、各気筒の排気ポートにおける排気弁の着座位置から前記プリサイレンサの上流端までの距離が、エンジンの回転数が予め設定された第１の基準回転数以上でかつ第１の基準回転数よりも高い第２の基準回転数以下の第１運転領域において、排気弁の開弁により生じる排気の圧力波が前記プリサイレンサに到達して反射することにより負圧波が生じ、この負圧波が、前記排気弁を開弁した自気筒の前記排気弁の開弁期間と吸気弁の開弁期間とが所定期間オーバーラップするオーバーラップ期間中に自気筒の排気ポートに到達する距離に設定されており、各気筒の排気ポートにおける排気弁の着座位置から前記メインサイレンサの上流端までの距離が、エンジンの回転数が前記第１の基準回転数よりも低い第３の基準回転数以上でかつ前記第１の基準回転数未満の第２運転領域において、排気弁の開弁により生じる排気の圧力波が前記メインサイレンサに到達して反射することにより負圧波が生じ、この負圧波が、前記排気弁を開弁した自気筒の前記排気弁の開弁期間と吸気弁の開弁期間とが所定期間オーバーラップするオーバーラップ期間中に自気筒の排気ポートに到達する距離に設定されており、前記第１運転領域および第２運転領域を少なくとも含む所定の運転領域において、前記各気筒の排気弁の開弁期間と吸気弁の開弁期間とが所定期間オーバーラップすると共に、排気順序が連続する気筒間において先行の気筒の前記オーバーラップ期間中に後続の気筒の排気弁が開弁するように、各気筒の吸気弁及び排気弁を駆動する弁駆動手段が設けられていることを特徴とする多気筒エンジンの排気装置である。

本発明によれば、各独立排気通路を通過した排気が混合管に流入することにより混合管内に負圧が発生し、この負圧により、他の独立排気通路ないしこれと連通する他の気筒の排気ポート内の排気が下流側に吸い出されるエゼクタ効果が得られる。その際、所定の運転領域では、各気筒の排気弁と吸気弁とが共に開いた状態となるオーバーラップ期間が設けられ、排気順序が連続する気筒間において先行の気筒のオーバーラップ期間中に後続の気筒の排気弁が開弁するので、前記エゼクタ効果がオーバーラップ期間中の先行気筒の吸気ポートにまで及び、これにより、先行気筒の掃気がより一層促進され、体積効率（ηＶ）のより一層の向上、ひいてはトルクのより一層の向上が図られる。

その上で、本発明によれば、前記混合管より下流の排気通路に空洞拡大室が配設され、少なくともエンジン回転数が第１基準回転数〜第２基準回転数である中速域において、排気弁の開弁により生じる排気の圧力波が前記空洞拡大室で反射することにより生じる負圧波が自気筒の前記オーバーラップ期間中に排気ポートに到達するので、この負圧波による吸い出し効果によって、中速域において体積効率が向上し、中速域における体積効率の落ち込みを抑制することが可能となる。

また、本発明によれば、プリサイレンサによって、前記中速域における体積効率の落ち込みが抑制され、メインサイレンサによって、少なくともエンジン回転数が前記第１基準回転数未満である低速域における体積効率の落ち込みが抑制される。そのため、トルクのワイドレンジ化が達成され、広い回転域に亘って走り易いトルクが確保される。

本発明では、エンジンの回転数が前記第２の基準回転数を超える高速域を少なくとも含む第３運転領域において、吸気弁の開弁により生じる吸気の負圧波の反射により生じる正圧波が前記吸気弁の閉弁直前に吸気ポートに到達するように吸気系が設定されていることが好ましい。

この構成によれば、吸気の慣性過給効果によって、少なくともエンジン回転数が前記第２基準回転数を超える高速域における体積効率の落ち込みが抑制される。そのため、トルクのより一層のワイドレンジ化が達成され、より一層広い回転域に亘って走り易いトルクが確保される。

本発明では、各気筒の排気ポートにおける排気弁の着座位置から各独立排気通路の下流端までの距離が５００ｍｍ以下に設定されていることが好ましい。

この構成によれば、各気筒から排出され、各独立排気通路を通過した排気が混合管に流入することにより混合管内に十分な負圧が発生し、前記エゼクタ効果が十分良好に発揮される。

本発明では、前記混合管より下流の排気通路に、触媒本体を収容する触媒装置のケーシングが配設され、前記ケーシングより下流の排気通路に、前記プリサイレンサが配設され、前記プリサイレンサの内部空間部の容積をＡとし、前記ケーシングの内部空間部の容積をＢとしたときに、Ａ＞Ｂに設定されていることが好ましい。

本発明によれば、多気筒エンジンにおいて、中速域における体積効率の落ち込みを抑制することが可能となる。その結果、広い回転域に亘ってトルクが向上し、フラットなトルク特性が得られ、トルクがワイドレンジ化した多気筒エンジンが得られる。

本発明の実施形態に係る多気筒エンジンの排気装置の概略構成図である。 図１の要部拡大図である。 図２の要部側面図である。 図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。 図２のＶ−Ｖ線断面図である。 前記エンジンの各気筒の排気弁の開弁期間と吸気弁の開弁期間とが所定期間オーバーラップする説明図である。 前記吸気弁及び排気弁の開弁期間の説明図である。 前記エンジンの排気系の全体構成図である。 前記エンジンの運転領域の説明図である。 実施形態の作用（エンジン回転数と体積効率の向上との関係）の説明図である。 気筒とプリサイレンサ又はメインサイレンサとの間での圧力波が往復する状態を示す説明図である。 気筒の排気ポートに生じる圧力の変化を示すタイムチャートである。 実施形態の作用（プリサイレンサ又はメインサイレンサからの反射波の影響）の説明図である。 実施形態の作用（体積効率の向上）の説明図である。

（１）全体構成
図１は、本発明の実施形態に係る多気筒エンジンの排気装置１００の概略構成図、図２は、図１の要部拡大図、図３は、図２の要部側面図である（ただし独立排気通路５２ｂの図示が省略されている）。この装置１００は、シリンダヘッド９及びシリンダブロック（図示せず）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及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（図例では４つ）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及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及び図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。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６に示すように、各気筒１２ａ〜１２ｄにおいて、１８０°ＣＡずつずれたタイミングで点火プラグ１５による点火が行われて、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程の各行程がそれぞれ１８０°ＣＡずつずれたタイミングで行われる。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、この順に各行程が実施される。

シリンダヘッド９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及び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内部とを連通又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を開閉して排気ポート１８と気筒１２内部とを連通又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（弁駆動手段）３０で駆動されることにより、所定のタイミングで吸気ポート１７を開閉する。排気弁２０は、排気弁駆動機構（弁駆動手段）４０で駆動されることにより、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、周知のチェーン及び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。

吸気ＶＶＴ３２は、吸気カムシャフト３１と、この吸気カムシャフト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の間の位相差を変更し、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、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との間に電磁石を配設し、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。

各気筒１２の吸気ポート１７には、それぞれ吸気通路３が接続されている。各吸気通路３の上流端部は、それぞれサージタンク３ａに接続されている。

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及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弁２０を前記目標バルブタイミングで開閉駆動する。

本実施形態では、前記吸気ＶＶＴ３２及び排気ＶＶＴ４２は、吸気弁１９及び排気弁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及び排気弁２０の開弁時期（図７に示す開弁開始時期）及び閉弁時期をそれぞれ変更する。

また、本実施形態では、前記吸気弁１９及び排気弁２０の開弁時期（開弁開始時期）及び閉弁時期とは、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又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。

（２）排気系の構成
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、各独立排気通路５２の下流端に接続されて各独立排気通路５２を通過した排気が流入する混合管５０とを有する。前記混合管５０は、その軸芯上に、上流側から順に、下流側ほど流路面積が小さくなる集合部５６と、前記集合部５６の下流端の流路面積（混合管５０の最小流路面積）を維持して下流側に延びるストレート部５７と、下流側ほど流路面積が大きくなるディフューザー部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及び第４気筒１２ｄの排気ポート１８は、それぞれ個別に１つの独立排気通路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の排気ポート１８と第３気筒１２ｃの排気ポート１８とは、構造を簡素化する観点から、共通の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の排気ポート１８と第３気筒１２ｃの排気ポート１８と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と前記第３気筒１２ｃとに対応する独立排気通路５２ｂは、これら気筒１２ｂ，１２ｃの間すなわちエンジン本体１の略中央部分と対向する位置において前記混合管５０の集合部５６に向かって延びている。一方、前記第１気筒１２ａ及び前記第４気筒１２ｄにそれぞれ対応する独立排気通路５２ａ、５２ｄは、各気筒１２ａ、１２ｄと対向する位置から湾曲しつつ前記混合管５０の集合部５６に向かって延びている。

これら独立排気通路５２ａ、５２ｂ、５２ｄは、互いに独立しており、第１気筒１２ａから排出された排気と、第２気筒１２ｂ又は第３気筒１２ｃ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５２ａ、５２ｂ、５２ｄ内を通って下流側に排出される。各独立排気通路５２ａ、５２ｂ、５２ｄを通過した排気は前記混合管５０の集合部５６に流入する。

前記各独立排気通路５２及び前記集合部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混合管５０内の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及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内の排気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。本実施形態では、この集合部５６は、下流側に向かうに従って縮径する逆円錐台形状（漏斗形状）を有している。

このように、前記集合部５６及びストレート部５７においては、下流側の流路面積の方が上流側の流路面積よりも小さい。そのため、排気は前記集合部５６及びストレート部５７を高速で通過する。この通過時に、排気の圧力及び温度は低下する。そのため、前記集合部５６及びストレート部５７において、排気の外部への放熱量は小さく抑えられる。そして、このストレート部５７を通過した排気は、下流に向かうに従って流路面積が拡大するディフューザー部５８に流入することにより、排気の圧力及び温度が回復し、高い温度を維持したまま下流側の触媒装置６に排出される。

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、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、排気の流通方向と平行に延びる略円筒状を有している。触媒本体６４は、排気中の有害成分を浄化するためのものであり、理論空燃比の雰囲気下で三元触媒機能を有する。この触媒本体６４は、例えば、三元触媒を含有する。

前記触媒本体６４は、前記ケーシング６２の排気流通方向の中央の拡径部分に収容されている。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。前記混合管５０のディフューザー部５８の下流端は前記ケーシング６２の上流端に接続されている。ディフューザー部５８から排出された排気は前記ケーシング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、混合管５０のディフューザー部５８からは、高い温度の排気が下流側に排出される。そのため、混合管５０に直接に触媒装置６が接続されていることで、触媒装置６内には相対的に高温の排気が流入し、これにより、触媒本体６４は早期に活性化され、また、触媒本体６４の活性状態が確実に維持される。この触媒装置６は、「直キャタ」と称される。

一方、前記各独立排気通路５２の下流部は、排気が各独立排気通路５２から高速で前記集合部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（仮想線）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の断面積（流路面積）となる扇形となっている。そして、図５に示すように、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の上流端に接続されている（図１、図２参照）。

すなわち、前記混合管５０の軸芯と直交する方向における各独立排気通路５２の下流端の断面形状が互いに同じ略扇形に形成され（図４、図５参照）、前記扇形が集合して略円が形成されるように各独立排気通路５２の下流端が束ねられた状態で各独立排気通路５２の下流端が前記混合管５０の集合部５６の上流端に接続されている。

図８に示すように、直キャタ６の下流には、第２の触媒装置７が配設されている。この第２の触媒装置７は、直キャタ６と同様、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。詳しくは図示しないが、この触媒装置７もまた、三元触媒を含有する触媒本体と、この触媒本体を収容するケーシングとを備えている。ケーシング６２は、排気の流通方向と平行に延びる略円筒状を有している。この触媒装置７は、「アンダーフットキャタ」と称される。

（３）本実施形態の特徴
図８に示すように、アンダーフットキャタ７の下流に、プリサイレンサ８が配設されている。プリサイレンサ８は、内部に、流路面積が拡大した空間部を有する構造である（すなわち空洞拡大室である）。本実施形態では、プリサイレンサ８の内部空間部の容積は、直キャタ６のケーシング６２の中央拡径部分の内部空間部の容積や、アンダーフットキャタ７のケーシングの中央拡径部分の内部空間部の容積よりも大きい容積に設定されている。

図８に示すように、プリサイレンサ８の下流に、メインサイレンサ１０が配設されている。メインサイレンサ１０は、排気系の最後部に配設されている。メインサイレンサ１０は、内部に、流路面積が拡大した空間部を有する構造である。本実施形態では、メインサイレンサ１０の内部空間部の容積は、プリサイレンサ８の内部空間部の容積や、直キャタ６のケーシング６２の中央拡径部分の内部空間部の容積や、アンダーフットキャタ７のケーシングの中央拡径部分の内部空間部の容積よりも大きい容積に設定されている。

本実施形態では、各気筒１２の排気ポート１８における排気弁２０の着座位置（排気ポート１８が気筒１２を臨む開口）から各独立排気通路１２の下流端（混合管５０の集合部５６の上流端）までの距離Ｌ１が５００ｍｍ以下、好ましくは４００ｍｍ以下、より好ましくは３００ｍｍ以下に設定されている。

また、本実施形態では、各気筒１２の排気ポート１８における排気弁２０の着座位置から前記プリサイレンサ８までの距離Ｌ２が１６００ｍｍ〜２０００ｍｍ、好ましくは１８００ｍｍ程度に設定されている。

また、本実施形態では、各気筒１２の排気ポート１８における排気弁２０の着座位置から前記メインサイレンサ１０までの距離Ｌ３が３８００ｍｍ〜４２００ｍｍ、好ましくは４０００ｍｍ程度に設定されている。

本実施形態において、前記混合管５０より下流の排気通路に、流路面積が拡大した空間部を有するプリサイレンサ８を配設し、前記プリサイレンサ８より下流の排気通路に、流路面積が拡大した空間部を有するメインサイレンサ１０を配設した理由は、およそ次のようである。

まず、本実施形態においては、図９に示すように、エンジン回転数が予め設定された第１の基準回転数Ｎｅ１以上でかつこれよりも高い予め設定された第２の基準回転数Ｎｅ２以下の領域が第１運転領域（ｉ）、エンジン回転数が前記第１の基準回転数Ｎｅ１未満の領域が第２運転領域（ｉｉ）、エンジン回転数が前記第２の基準回転数Ｎｅ２を超える領域が第３運転領域（ｉｉｉ）と設定されている。

前記第１の基準回転数Ｎｅ１は、例えば２５００ｒｐｍ〜３０００ｒｐｍとされ、前記第２の基準回転数Ｎｅ２は、例えば３５００ｒｐｍ〜４０００ｒｐｍとされる。そして、第１運転領域（ｉ）は中速域、第２運転領域（ｉｉ）は低速域、第３運転領域（ｉｉｉ）は高速域とされる。さらに、エンジン回転数が例えば１２００ｒｐｍ未満の第４運転領域（ｉｖ）は極低速域とされる。なお、第２運転領域（ｉｉ）と第４運転領域（ｉｖ）との境界の回転数（ここでは１２００ｒｐｍ）は、請求項にいう第３の基準回転数に相当する。

前記低速域（ｉｉ）及び中速域（ｉ）において、図６に示すように、前記各気筒１２の排気弁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、排気順序が連続する気筒１２，１２間において、一方の気筒（先行する気筒）１２のオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中に、他方の気筒（後続の気筒）１２の排気弁２０が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の排気弁２０と吸気弁１９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の排気弁２０と吸気弁１９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の排気弁２０と吸気弁１９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の排気弁２０と吸気弁１９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が開弁するように設定されている。

つまり、ＥＣＵ２は、前記低・中速域（ｉｉ）（ｉ）において、各気筒１２の排気弁２０の開弁期間と吸気弁１９の開弁期間とが所定期間オーバーラップすると共に、排気順序が連続する気筒１２，１２間において先行の気筒１２の前記オーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中に後続の気筒１２の排気弁２０が開弁するように、吸気弁駆動機構３０及び排気弁駆動機構４０を制御する。

これにより、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を通って集合部５６に高速で噴出されるのに伴い、エゼクタ効果によりオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ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。そのため、前記エゼクタ効果がオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中の吸気行程気筒１２の排気ポート１８だけでなく、吸気行程気筒１２から吸気行程気筒１２の吸気ポート１７にまで及び、このオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中の吸気行程気筒１２内の掃気がより一層促進される。

その結果、図１０に実線で示すように、少なくとも、エンジン回転数が相対的に低い（例えば１２００ｒｐｍ以上、２５００ｒｐｍ〜３０００ｒｐｍ未満）低速域（ｉｉ）及びエンジン回転数が例えば２５００ｒｐｍ〜３０００ｒｐｍ以上、３５００ｒｐｍ〜４０００ｒｐｍ以下の中速域（ｉ）においては、本実施形態に係る多気筒エンジンは、エゼクタ効果によって、体積効率（ηＶ）の向上が図られる。

このような低・中速域（ｉｉ）（ｉ）におけるエゼクタ効果が十分良好に発揮されるように、前記図８に示した距離Ｌ１が５００ｍｍ以下、好ましくは４００ｍｍ以下、より好ましくは３００ｍｍ以下に設定されているのである。

本実施形態においては、吸気系は、前述したように（図１参照）、各気筒１２の吸気ポート１７に吸気通路３が接続され、各吸気通路３の上流端部にサージタンク３ａが接続されている。そして、前記高速域（ｉｉｉ）において、吸気弁１９の開弁により生じる吸気の負圧波の反射により生じる正圧波が前記吸気弁１９の閉弁直前に吸気ポート１７に到達するように、前記吸気系が設定されている。例えば、吸気弁１９の開弁により生じる吸気の負圧波が吸気ポート１７から吸気通路３を通ってサージタンク３ａに到達し、到達した負圧波の一部がサージタンク３ａを通過し、一部がサージタンク３ａで正圧波に反転し、反転した正圧波が反射して、自気筒１２の吸気弁１９の閉弁直前に吸気ポート１７に到達するように、吸気通路３の長さ、吸気通路３の径、サージタンク３ａの容積等が設定されているのである。

その結果、図１０に一点鎖線で示すように、エンジン回転数が相対的に高い（例えば３５００ｒｐｍ〜４０００ｒｐｍ超え）高速域（ｉｉｉ）においては、本実施形態に係る多気筒エンジンは、吸気の慣性過給効果によって、体積効率の向上が図られる。

ところで、各気筒１２において、排気弁２０の開弁直後には、ブローダウンによる高い正圧波が生じ、それによって排気マニホールド５及び排気マニホールド５より下流の排気通路内に排気脈動が生じる。この排気脈動は、図１１に示すように、気筒１２と、空洞拡大室であるプリサイレンサ８又はメインサイレンサ１０との間で、圧力波の一部が反射し合い、往復する現象である。圧力波がプリサイレンサ８又はメインサイレンサ１０で反射する際には、正圧と負圧との反転が起こり、排気ポート１８には負圧波と正圧波が交互に到達する。具体的には、１往復目の１次反射波、３往復目の３次反射波、５往復目の５次反射波、…は負圧波となり、２往復目の２次反射波、４往復目の４次反射波、６往復目の６次反射波、…は正圧波となる。そのため、排気ポート１８に作用する圧力は、図１２に示すように、交互に負圧と正圧とに変化しつつ、圧力波の往復が繰り返されるに伴い減衰する。そして、このような排気脈動における負圧波が、前記図６に示したようなオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中に排気ポート１８に到達すれば、気筒１２内から排気を吸い出して掃気性を高める作用が得られる。

図１３は、エンジン回転数が前記極低速域（ｉｖ）に属する１１００ｒｐｍ、エンジン回転数が前記低速域（ｉｉ）に属する２２００ｒｐｍ、エンジン回転数が前記中速域（ｉ）に属する３３００ｒｐｍにおいて、排気弁２０の開弁によるブローダウンにより生じる正圧波（ウ）がプリサイレンサ８で反射することにより生じる１次負圧波（ア）、プリサイレンサ８で反射することにより生じる２次正圧波（イ）、メインサイレンサ１０で反射することにより生じる１次負圧波（カ）、メインサイレンサ１０で反射することにより生じる２次正圧波（キ）が、どのようなタイミングで自気筒１２の排気ポート１８に到達するかを示す説明図（横軸はクランク角ＣＡ）である。なお、メインサイレンサ１０の１次負圧波（カ）及び２次正圧波（キ）については、気筒１２とメインサイレンサ１０との間にプリサイレンサ８がない場合を実線で示し、プリサイレンサ８がある場合を鎖線で示した。図示したように、プリサイレンサ８がある場合（鎖線）は、ない場合（実線）に比べて、メインサイレンサ１０の反射波（カ）（キ）の振幅が小さくなっているが、この理由は後述する。

低速域（ｉｉ）では、メインサイレンサ１０での反射による１次負圧波（カ）が自気筒１２のオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中に排気ポート１８に到達するが、プリサイレンサ８での反射による２次正圧波（イ）もまた自気筒１２のオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中に排気ポート１８に到達するので、自気筒１２内から排気を吸い出して掃気性を高める作用は大きくは得られない。

その結果、図１０に点線Ｘで示すように、エンジン回転数が相対的に低い（例えば１２００ｒｐｍ以上、２５００ｒｐｍ〜３０００ｒｐｍ未満）低速域（ｉｉ）においては、本実施形態に係る多気筒エンジンは、メインサイレンサ１０の反射波の影響による体積効率（ηＶ）の向上は大きくは図られない。なお、図１０において、破線は、プリサイレンサ８がない場合のメインサイレンサ１０の反射波の影響を示し、点線Ｘは、プリサイレンサ８がある場合のメインサイレンサ１０の反射波の影響を示す。

中速域（ｉ）では、プリサイレンサ８での反射による１次負圧波（ア）のみが自気筒１２のオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中に排気ポート１８に到達するので、自気筒１２内から排気を吸い出して掃気性を高める作用が大きく得られる。

その結果、図１０に二点鎖線で示すように、エンジン回転数が相対的に中程度の（例えば２５００ｒｐｍ〜３０００ｒｐｍ以上、３５００ｒｐｍ〜４０００ｒｐｍ以下）中速域（ｉ）においては、本実施形態に係る多気筒エンジンは、プリサイレンサ８の１次負圧波（反射波）によって、体積効率（ηＶ）の向上が図られる。

極低速域（ｉｖ）では、メインサイレンサ１０での反射による２次正圧波（キ）のみが自気筒１２のオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中に排気ポート１８に到達する。しかし、後述するように、プリサイレンサ８を設けたことにより、メインサイレンサ１０のみを配設した場合に比べて、上記２次正圧波（キ）の振幅が小さくなり、結果として、自気筒１２内から排気を吸い出して掃気性を高める作用が増える。

その結果、図１０に点線Ｘで示すように、エンジン回転数が相対的に非常に低い（例えば１２００ｒｐｍ未満）極低速域（ｉｖ）においては、本実施形態に係る多気筒エンジンは、プリサイレンサ８を設けたことでメインサイレンサ１０の圧力波が小さくなったことにより、メインサイレンサ１０のみを配設した場合に比べて、体積効率（ηＶ）の向上が図られる。この理由は後述する。

このような極低速域（ｉｖ）、低速域（ｉｉ）及び中速域（ｉ）におけるプリサイレンサ８やメインサイレンサ１０の負圧波（反射波）の効果が十分良好に発揮されるように、前記図８に示した距離Ｌ２が１６００ｍｍ〜２０００ｍｍ、好ましくは１８００ｍｍ程度に設定され、前記図８に示した距離Ｌ３が３８００ｍｍ〜４２００ｍｍ、好ましくは４０００ｍｍ程度に設定されているのである。

実機試験として、図８に示す排気系において、前記距離Ｌ３を４０００ｍｍとしてメインサイレンサ１０のみを配設した場合（図１４の□マーク）と、このメインサイレンサ１０に加えて、前記距離Ｌ２を１８００ｍｍとしてプリサイレンサ８も併せて配設した場合（図１４の◆マーク）とで、１０００ｒｐｍ〜６０００ｒｐｍの範囲で、体積効率がどのように変化するかを調べた。結果を図１４に示す。

図１４から明らかなように、メインサイレンサ１０のみの場合に比べて、プリサイレンサ８を併設した場合は、３０００ｒｐｍ〜４０００ｒｐｍの中速域において体積効率が向上し、１０００ｒｐｍの極低速域において体積効率が向上した。これは、中速域においては、プリサイレンサ８の１次負圧波（ア）の反射効果が発揮されたから、極低速域においては、プリサイレンサ８を設けたことでメインサイレンサ１０の圧力波が小さくなったから、と考察される。

すなわち、図１０に符号Ｘで示したように、プリサイレンサ８を設けた場合（点線）は、プリサイレンサ８を設けない場合（破線）に比べて、メインサイレンサ１０の反射波の影響が平坦になる。その結果、メインサイレンサ１０の反射波の影響が１０００ｒｐｍ付近では改善し、２０００ｒｐｍ付近では低下する（３０００ｒｐｍ付近ではあまり変化がない）。メインサイレンサ１０の反射波の影響が１０００ｒｐｍ付近で改善する理由は、およそ次のようなものであると考えられる。気筒１２とメインサイレンサ１０との間にプリサイレンサ８がないときは、ブローダウンにより生じる正圧波の全てがメインサイレンサ１０で反射する。しかし、気筒１２とメインサイレンサ１０との間にプリサイレンサ８があるときは、ブローダウンにより生じる正圧波の一部がプリサイレンサ８で反射し、残りがプリサイレンサ８を透過してメインサイレンサ１０で反射する。プリサイレンサ８を透過した圧力波（透過波）は振幅が小さくなる。そのため、メインサイレンサ１０に到達した圧力波（透過波）は振幅が小さくなっており、メインサイレンサ１０での反射波も振幅が小さくなる。その結果、プリサイレンサ８があるときは、ないときに比べて、メインサイレンサ１０の反射波の影響が小さくなる。その結果、図１３の極低速域（ｉｖ）に示したように、プリサイレンサ８があるときは、ないときに比べて、メインサイレンサ１０の２次正圧波（キ）の振幅が小さくなって、結果として、メインサイレンサ１０の反射波の影響が１０００ｒｐｍ付近の極低速域（ｉｖ）で改善するのである。

なお、１５００ｒｐｍ〜２０００ｒｐｍの低速域においては、プリサイレンサ８を併設した場合は、メインサイレンサ１０のみの場合に比べて、体積効率の低下が見られた。これは、プリサイレンサ８の２次正圧波（イ）が自気筒１２のオーバーラップ期間中に排気ポート１８に到達したから、と考察される。しかしながら、この領域では、吸気弁１９から入った新気が排気弁２０から出ていく過剰掃気状態となっているため、体積効率が低下しても、筒内に実際に残る新気の量の低下（トルクの低下）は小さいと考えられる。

（４）本実施形態の作用
本実施形態では、吸気ポート１７、排気ポート１８、吸気ポート１７を開閉可能な吸気弁１９、及び排気ポート１８を開閉可能な排気弁２０がそれぞれ備えられた気筒１２を複数有する多気筒エンジンの排気装置１００が提供される。前記排気装置１００は、１つの気筒１２又は排気順序が連続しない複数の気筒１２の排気ポート１８に上流端が接続された複数の独立排気通路５２と、前記各独立排気通路５２の下流端に接続され、前記各独立排気通路５２を通過した排気が流入する混合管５０とを有している。前記各独立排気通路５２の下流端が束ねられた状態で前記混合管５０に接続されている。所定の運転領域（低速域（ｉｉ）及び中速域（ｉ））において、前記各気筒１２の排気弁２０の開弁期間と吸気弁１９の開弁期間とが所定期間オーバーラップすると共に、排気順序が連続する気筒１２，１２間において先行の気筒１２の前記オーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中に後続の気筒１２の排気弁２０が開弁するように、各気筒１２の吸気弁１９及び排気弁２０を駆動する弁駆動手段３０，４０が設けられている。前記混合管５０より下流の排気通路に、流路断面積が拡大した空間部を有するプリサイレンサ８及びメインサイレンサ１０が、メインサイレンサ１０がプリサイレンサ８よりも下流側に位置する順番で配設され、各気筒１２の排気ポート１８における排気弁２０の着座位置から前記プリサイレンサ８の上流端までの距離が、エンジンの回転数が予め設定された第１の基準回転数Ｎｅ１以上でかつ第１の基準回転数Ｎｅ１よりも高い予め設定された第２の基準回転数Ｎｅ２以下の中速域（ｉ）において、排気弁２０の開弁により生じる排気の圧力波が前記プリサイレンサ８に到達して反射することにより負圧波（ア）が生じ、この負圧波（ア）が、前記排気弁２０を開弁した自気筒１２の前記排気弁２０の開弁期間と吸気弁１９の開弁期間とが所定期間オーバーラップするオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中に自気筒１２の排気ポート１８に到達する距離Ｌ２に設定されている。各気筒１２の排気ポート１８における排気弁２０の着座位置から前記メインサイレンサ１０の上流端までの距離が、エンジンの回転数が前記第１の基準回転数Ｎｅ１未満の第２運転領域（より詳しくは、第１の基準回転数Ｎｅ１未満の領域から、１２００ｒｐｍ（第３の基準回転数）未満の極低速域（ｉｖ）を除いた低速域（ｉｉ））において、排気弁２０の開弁により生じる排気の圧力波が前記メインサイレンサ１０に到達して反射することにより負圧波（カ）が生じ、この負圧波（カ）が、前記排気弁２０を開弁した自気筒１２の前記排気弁２０の開弁期間と吸気弁１９の開弁期間とが所定期間オーバーラップするオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中に自気筒１２の排気ポート１８に到達する距離Ｌ３に設定されている。

本実施形態によれば、各独立排気通路５２を通過した排気が混合管５０に流入することにより混合管５０内に負圧が発生し、この負圧により、他の独立排気通路５２ないしこれと連通する他の気筒１２の排気ポート１８内の排気が下流側に吸い出されるエゼクタ効果が少なくとも低速域（ｉｉ）で得られる。その際、この低速域を含む所定の運転領域（低速域（ｉｉ）及び中速域（ｉ））では、各気筒１２の排気弁２０と吸気弁１９とが共に開いた状態となるオーバーラップ期間が設けられ、排気順序が連続する気筒１２，１２間において先行の気筒１２のオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中に後続の気筒１２の排気弁２０が開弁するので、前記エゼクタ効果がオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中の先行気筒１２の吸気ポート１９にまで及び、これにより、先行気筒１２の掃気がより一層促進され、体積効率（ηＶ）のより一層の向上、ひいてはトルクのより一層の向上が図られる。

その上で、本実施形態によれば、前記混合管５０より下流の排気通路に空洞拡大室（プリサイレンサ）８が配設され、少なくともエンジン回転数が第１基準回転数Ｎｅ１〜第２基準回転数Ｎｅ２である第１運転領域（中速域（ｉ））において、排気弁２０の開弁により生じる排気の圧力波が前記空洞拡大室８で反射することにより生じる負圧波（ア）が自気筒１２の前記オーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中に排気ポート１８に到達するので、この負圧波（ア）による吸い出し効果によって、中速域（ｉ）において体積効率（ηＶ）が向上し、中速域（ｉ）における体積効率の落ち込みを抑制することが可能となる。

また、本実施形態によれば、プリサイレンサ８によって、前記中速域（ｉ）における体積効率の落ち込みが抑制されると共に、メインサイレンサ１０によって、少なくともエンジン回転数が前記第１基準回転数Ｎｅ１未満である低速域（ｉｉ）における体積効率の落ち込みが抑制される。そのため、トルクのワイドレンジ化が達成され、広い回転域に亘って走り易いトルクが確保される。

本実施形態では、エンジンの回転数が前記第２の基準回転数Ｎｅ２を超える第３運転領域（高速域（ｉｉｉ））において、吸気弁１９の開弁により生じる吸気の負圧波の反射により生じる正圧波が前記吸気弁１９の閉弁直前に吸気ポート１７に到達するように吸気系が設定されている。

これにより、吸気の慣性過給効果によって、少なくともエンジン回転数が前記第２基準回転数Ｎｅ２を超える高速域（ｉｉｉ）における体積効率の落ち込みが抑制される。そのため、トルクのより一層のワイドレンジ化が達成され、より一層広い回転域に亘って走り易いトルクが確保される。

本実施形態では、各気筒１２の排気ポート１８における排気弁２０の着座位置から各独立排気通路５２の下流端までの距離Ｌ１が５００ｍｍ以下に設定されている。

これにより、例えば低速域（ｉｉ）において、各気筒１２から排出され、各独立排気通路５２を通過した排気が混合管５０に流入することにより混合管５０内に十分な負圧が発生し、前記エゼクタ効果が十分良好に発揮される。

本実施形態では、前記混合管５０より下流の排気通路に、触媒本体を収容する触媒装置６，７のケーシングが配設され、前記ケーシングより下流の排気通路に、前記プリサイレンサ８が配設され、前記プリサイレンサ８の内部空間部の容積をＡとし、前記ケーシングの内部空間部の容積をＢとしたときに、Ａ＞Ｂに設定されている。

本実施形態では、各気筒１２の排気ポート１８における排気弁２０の着座位置から前記プリサイレンサ８までの距離Ｌ２が１６００ｍｍ〜２０００ｍｍに設定されている。

これにより、極低速域（ｉｖ）及び中速域（ｉ）において、プリサイレンサ８の負圧波（反射波）の効果が十分良好に発揮される。

本実施形態では、各気筒１２の排気ポート１８における排気弁２０の着座位置から前記メインサイレンサ１０までの距離Ｌ３が３８００ｍｍ〜４２００ｍｍに設定されている。

これにより、低速域（ｉｉ）において、メインサイレンサ１０の負圧波（反射波）の効果が十分良好に発揮される。

（５）本実施形態の変形例
状況に応じて、プリサイレンサ８に代えて又はプリサイレンサ８と共に、直キャタ６やアンダーフットキャタ７等を空洞拡大室として用いても構わない。

混合管５０は、流路面積が縮小する集合部５６だけを含むもの（ストレート部５７及びディフューザー部５８がないもの）でもよく、集合部５６と流路面積が拡大するディフューザー部５８とだけを含むもの（ストレート部５７がないもの）でもよい。このような構成の混合管を用いてもエゼクタ効果は得られる。例えば、量産設計時にレイアウト上の制約等から混合管５０を短くする場合に、集合部５６だけを含む混合管や、ストレート部を省略して集合部５６とディフューザー部５８とを直接滑らかに曲面でつなぐような形状の混合管等としても構わない。

また、吸気弁１９と排気弁２０とのオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌを設けるのは、低・中速域（ｉｉ）（ｉ）における高負荷域のみとしてもよい。

８ プリサイレンサ（空洞拡大室）
１０ メインサイレンサ（空洞拡大室）
１２ 気筒
１７ 吸気ポート
１８ 排気ポート
１９ 吸気弁
２０ 排気弁
３０ 吸気弁駆動機構（弁駆動手段）
４０ 排気弁駆動機構（弁駆動手段）
５０ 混合管
５２ 独立排気通路
１００ 排気装置

Claims (4)

1. 吸気ポート、排気ポート、吸気ポートを開閉可能な吸気弁、及び排気ポートを開閉可能な排気弁がそれぞれ備えられた気筒を複数有する多気筒エンジンの排気装置であって、
   １つの気筒又は排気順序が連続しない複数の気筒の排気ポートに上流端が接続された複数の独立排気通路と、前記各独立排気通路の下流端に接続され、前記各独立排気通路を通過した排気が流入する混合管とを有し、
   前記各独立排気通路の下流部は、下流に向かうほどその流路断面積が小さくなる形状を有し、
   前記各独立排気通路の下流端が束ねられた状態で前記混合管に接続され、
   前記混合管より下流の排気通路に、流路断面積が拡大した空間部を有するプリサイレンサ及びメインサイレンサが、メインサイレンサがプリサイレンサよりも下流側に位置する順番で配設され、
   各気筒の排気ポートにおける排気弁の着座位置から前記プリサイレンサの上流端までの距離が、エンジンの回転数が予め設定された第１の基準回転数以上でかつ第１の基準回転数よりも高い第２の基準回転数以下の第１運転領域において、排気弁の開弁により生じる排気の圧力波が前記プリサイレンサに到達して反射することにより負圧波が生じ、この負圧波が、前記排気弁を開弁した自気筒の前記排気弁の開弁期間と吸気弁の開弁期間とが所定期間オーバーラップするオーバーラップ期間中に自気筒の排気ポートに到達する距離に設定されており、
   各気筒の排気ポートにおける排気弁の着座位置から前記メインサイレンサの上流端までの距離が、エンジンの回転数が前記第１の基準回転数よりも低い第３の基準回転数以上でかつ前記第１の基準回転数未満の第２運転領域において、排気弁の開弁により生じる排気の圧力波が前記メインサイレンサに到達して反射することにより負圧波が生じ、この負圧波が、前記排気弁を開弁した自気筒の前記排気弁の開弁期間と吸気弁の開弁期間とが所定期間オーバーラップするオーバーラップ期間中に自気筒の排気ポートに到達する距離に設定されており、
   前記第１運転領域および第２運転領域を少なくとも含む所定の運転領域において、前記各気筒の排気弁の開弁期間と吸気弁の開弁期間とが所定期間オーバーラップすると共に、排気順序が連続する気筒間において先行の気筒の前記オーバーラップ期間中に後続の気筒の排気弁が開弁するように、各気筒の吸気弁及び排気弁を駆動する弁駆動手段が設けられていることを特徴とする多気筒エンジンの排気装置。
2. 請求項１に記載の多気筒エンジンの排気装置において、
   エンジンの回転数が前記第２の基準回転数を超える高速域を少なくとも含む第３運転領域において、吸気弁の開弁により生じる吸気の負圧波の反射により生じる正圧波が前記吸気弁の閉弁直前に吸気ポートに到達するように吸気系が設定されていることを特徴とする多気筒エンジンの排気装置。
3. 請求項１又は２に記載の多気筒エンジンの排気装置において、
   各気筒の排気ポートにおける排気弁の着座位置から各独立排気通路の下流端までの距離が５００ｍｍ以下に設定されていることを特徴とする多気筒エンジンの排気装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の多気筒エンジンの排気装置において、
   前記混合管より下流の排気通路に、触媒本体を収容する触媒装置のケーシングが配設され、
   前記ケーシングより下流の排気通路に、前記プリサイレンサが配設され、
   前記プリサイレンサの内部空間部の容積をＡとし、前記ケーシングの内部空間部の容積をＢとしたときに、Ａ＞Ｂに設定されていることを特徴とする多気筒エンジンの排気装置。
   

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