JP5953786B2 - 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、先細り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、例えばエンジン低速域においてエゼクタ効果が得られるように排気系を構成することが有効である。その場合、各気筒から排出された排気が混合管に噴出したときに該混合管内に発生する負圧ができるだけ大きくなるように該混合管を構成することが重要である。

そこで、本発明は、各気筒から排出された排気が集合する混合管内の負圧が可及的に大きくなり、エゼクタ効果が高められた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備えられた複数の気筒を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それぞれ接続された複数の独立排気通路と、前記独立排気通路の各下流端部が束ねられて接続され、各独立排気通路の下流端部から噴出した排気が集合する混合管とが設けられ、少なくともエンジン低速域においては、各気筒の吸排気開弁期間が所定のオーバーラップ期間を有し、排気順序が連続する気筒間において一方の気筒のオーバーラップ期間が他方の気筒の排気開弁時期に重複するように設定され、前記混合管は、流路面積が最小の中間部位と、当該中間部位から上流側に延びて前記独立排気通路の各下流端部に接続されるとともに流路面積が上流側から下流側に向けて徐々に縮小する上流部位と、前記中間部位から下流側に延びて流路面積が上流側から下流側に向けて徐々に拡大する下流部位とを有し、前記上流部位の下流端の流路面積および前記下流部位の上流端の流路面積は、それぞれ前記中間部位の流路面積と一致しており、前記混合管の下流部位の下流端部には、内側に触媒本体を収容するケーシングが、前記混合管の下流部位の下流端部の中心と前記ケーシングの上流端の中心とが略一致するように接続され、前記中間部位から前記ケーシングまでの部分の流路面積は、下流側ほど大きくなるように設定されており、前記上流部位の流路面積の縮小率の平均値を△Ｓ１とし、前記下流部位の流路面積の拡大率の平均値を△Ｓ２としたときに、△Ｓ１＞△Ｓ２となるよう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である（請求項１）。

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、少なくともエンジン低速域では、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一方の気筒のオーバーラップ期間中に他方の気筒の排気弁が開くので、前記エゼクタ効果がオーバーラップ期間中の気筒の吸気ポートにまで及び、気筒の掃気が促進される。これにより、エンジン低速域の体積効率（ηＶ）ひいてはトルクの向上が図られる。

その上で、本発明によれば、発明の実施形態で詳しく説明するように、前記混合管を、流路面積が上流側から下流側に向けて徐々に縮小する上流部位と、流路面積が最小の中間部位と、流路面積が上流側から下流側に向けて徐々に拡大する下流部位とを有する構成とし、前記上流部位の流路面積の縮小率の平均値を△Ｓ１とし、前記下流部位の流路面積の拡大率の平均値を△Ｓ２としたときに、△Ｓ１＞△Ｓ２となるように前記混合管を構成したから、△Ｓ１≦△Ｓ２となるように前記混合管を構成した場合に比べて、各気筒から排出された排気が混合管に噴出したときに該混合管内に発生する負圧が大きくなる。そのため、低速域でのエゼクタ効果が高められ、広い回転域に亘ってトルクが向上し、トルクがワイドレンジ化した多気筒エンジンが実現する。

本発明では、前記上流部位の内面は、混合管の軸芯に対し一定の角度θ１で上流に向けて開く傾斜面とされ、前記下流部位の内面は、混合管の軸芯に対し一定の角度θ２で下流に向けて開く傾斜面とされ、前記上流部位の内面の開き角度をθ１とし、前記下流部位の内面の開き角度をθ２としたときに、θ１＞θ２となるように設定されていることが好ましい（請求項２）。

この構成によれば、上流部位及び下流部位の内面の開き角度θ１，θ２が一定なので、混合管の成形が容易となる。

本発明では、前記下流部位は、上流側の第１下流部位と下流側の第２下流部位とを含み、前記混合管は、前記第１下流部位の流路面積の拡大率の平均値を△Ｓ２とし、前記第２下流部位の流路面積の拡大率の平均値を△Ｓ３としたときに、△Ｓ３＞△Ｓ２となるように設定され、前記第２下流部位の下流端に触媒装置のコーン部が接続されていることが好ましい（請求項３）。

この構成によれば、混合管の上流部位と第１下流部位との間で、△Ｓ１＞△Ｓ２の関係を維持しつつ、第１下流部位と第２下流部位との間で、△Ｓ３＞△Ｓ２の関係とするから、混合管の下流端部（第２下流部位の下流端）を触媒装置のコーン部（円錐部）に段差なく連続して接続することができる。しかも、その場合、下流部位の流路面積の拡大率の平均値を△Ｓ２で一定とした場合に比べて、混合管の軸方向の長さを短くでき、触媒の活性化に有利となる。

本発明では、前記上流部位の内面は、混合管の軸芯に対し一定の角度θ１で上流に向けて開く傾斜面とされ、前記第２下流部位の内面は、混合管の軸芯に対し一定の角度θ３で下流に向けて開く傾斜面とされ、前記上流部位の内面の開き角度をθ１とし、前記第２下流部位の内面の開き角度をθ３としたときに、θ３≧θ１となるように設定されていることが好ましい（請求項４）。

この構成によれば、上流部位及び第２下流部位の内面の開き角度θ１，θ３が一定なので、混合管の成形が容易となる。また、θ３＜θ１となるように混合管を構成した場合に比べて、混合管の軸方向の長さをさらに短くでき、触媒の活性化により一層有利となる。

本発明によれば、各気筒から排出された排気が混合管に噴出したときに該混合管内に発生する負圧が可及的に大きくなり、エゼクタ効果が高められて、トルクがワイドレンジ化した多気筒エンジンが提供される。本発明は、混合管の長さが制限されている場合に特に有効である。

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の排気系の拡大図である。 前記エンジンの排気マニホールド及び触媒装置の概略側面図である。 図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。 図３のＶ−Ｖ線断面図である。 前記エンジンの各気筒の吸排気開弁期間が所定のオーバーラップ期間を有する説明図である。 前記エンジンの吸気弁及び排気弁の開弁期間の説明図である。 第１の実施形態に係る混合管の詳細図である。 第１の実施形態に係る混合管内の圧力分布図である。 混合管の仕様と発生する負圧の最大値との関係図である。 第２の実施形態に係る混合管と触媒装置との接続の態様を示す斜視図である。 第２の実施形態に係る混合管の詳細図である。 第２の実施形態に係る混合管内の圧力分布図である。 比較例に係る混合管の詳細図である。 比較例に係る混合管内の圧力分布図である。 第３の実施形態に係る混合管の詳細図である。

（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の排気系の拡大図、図３は、前記エンジンの排気マニホールド５及び触媒装置６の概略側面図である。この排気装置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に接続される複数の独立吸気通路３…３等を含む吸気系と、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。排気弁駆動機構４０は、排気弁２０に連結された排気カムシャフト４１と排気ＶＶＴ４２とを有している。吸気カムシャフト３１及び排気カムシャフト４１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及び排気弁２０を開閉駆動する。

吸気ＶＶＴ３２及び排気ＶＶＴ４２は、吸気弁１９及び排気弁２０のバルブタイミングを変更するためのものである。例えば、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を有し、こ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する。これにより、クランクシャフトと吸気カムシャフト３１との間の位相差が変更され、吸気弁１９のバルブタイミングが変更される。排気ＶＶＴ４２もこれに準じて同様である。

吸気ＶＶＴ３２及び排気ＶＶＴ４２の具体的構成としては、例えば、前記被駆動軸と吸気カムシャフト３１又は排気カムシャフト４１との間に周方向に並ぶ複数の液室を有し、これらの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、前記被駆動軸と吸気カムシャフト３１又は排気カムシャフト４１との間に電磁石を配設し、この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及び排気ＶＶＴ４２は、ＥＣＵ２で算出された吸気弁１９及び排気弁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。

本実施形態では、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。

本実施形態では、吸気弁１９及び排気弁２０の開弁時期及び閉弁時期とは、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時期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
図１〜図３に示すように、排気マニホールド５は、上流側から順に、１つの気筒１２又は排気順序が連続しない２つの気筒１２の排気ポート１８にそれぞれ接続された３つの独立排気通路５２と、各独立排気通路５２の下流端部に接続されて各独立排気通路５２を通過した排気が流入し、集合する混合管５０とを有する。

前記混合管５０は、その軸芯Ｌ１（図３参照）上に、上流側から順に、流路面積が上流側から下流側に向けて徐々に縮小するテーパ部５６と、前記テーパ部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、流路面積が上流側から下流側に向けて徐々に拡大するディフューザ部５８とを備えている。

本実施形態では、前記テーパ部５６は、下流側ほど縮径する逆円錐台形状とされ、前記ストレート部５７は、円筒形状とされ、前記ディフューザ部５８は、下流側ほど拡径する円錐台形状とされている。すなわち、前記テーパ部５６、ストレート部５７及びディフューザ部５８の各内面は、混合管５０の軸芯Ｌ１に沿う断面視において、例えば曲線や複数の直線の組合せではなく、単一の直線で構成されている。その結果、テーパ部５６の内面は、混合管５０の軸芯Ｌ１に対し一定の角度θ１（図８参照）で上流に向けて開く傾斜面とされ、ディフューザ部５８の内面は、混合管５０の軸芯Ｌ１に対し一定の角度θ２（図８参照）で下流に向けて開く傾斜面とされている。

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、４つの気筒１２のうち、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、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、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。これに対し、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、それぞれ単独の独立排気通路５２ａ，５２ｄに接続されている。

３つの独立排気通路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を下流側に通過し、各独立排気通路５２ａ，５２ｂ，５２ｄの下流端部から混合管５０のテーパ部５６に噴出する。

本実施形態では、各気筒１２から排出された排気の流速ができるだけ低下せずに混合管５０に噴出するように、各独立排気通路５２の長さが制限されている。すなわち、できるだけ短くされている。

各独立排気通路５２の下流端部は、下流側ほど流路面積が小さくなる先細り部とされている。これにより、各独立排気通路５２の下流端部から混合管５０に噴出するときの排気の流速は、各独立排気通路５２を先細り部まで通過してきた排気の流速よりも大きくなり、排気は、各独立排気通路５２の下流端部から混合管５０のテーパ部５６に高速で噴出する。

本実施形態では、図４及び図５に示すように、各独立排気通路５２ａ，５２ｂ，５２ｄの下流端部は、断面形状が扇形とされ、この扇形が集合して全体として略円形断面を形成するように束ねられて、前記混合管５０のテーパ部５６の上流端に接続されている（図１〜図３参照）。

このような構成により、各独立排気通路５２を通過した排気が高速で混合管５０に噴出したときには、混合管５０内に負圧が発生し、この負圧によって、排気を噴出した独立排気通路５２に隣接する他の独立排気通路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奏される。

そして、このエゼクタ効果を高めるように、混合管５０のテーパ部５６は、下流側ほど流路面積が縮小する形状とされている。これにより、各独立排気通路５２の下流端部からテーパ部５６に噴出した排気は、高い流速を維持したままテーパ部５６及びストレート部５７を下流側に流れ、混合管５０内（特にテーパ部５６からストレート部５７）に発生する負圧が大きくなる。

本実施形態では、混合管５０のテーパ部５６及びストレート部５７を流れる排気の流速をより高めるように、テーパ部５６の下流端の流路面積（すなわち混合管５０の最小流路面積であってストレート部５７の流路面積に同じ）は、３つの独立排気通路５２の下流端部の流路面積の合計値よりも小さい値に設定されている。例えば、各独立排気通路５２の下流端部の流路面積と同じ面積を有する真円の直径をａとし、テーパ部５６の下流端の流路面積と同じ面積を有する真円の直径をＤとしたときに、ａ／Ｄが０．５８以上に設定されている。ただし、ａ／Ｄが大き過ぎると、各独立排気通路５２の下流端部から噴出した排気の流れが滞って、混合管５０内に発生する負圧が小さくなり、エゼクタ効果が不足する可能性がある。そこで、ａ／Ｄの好ましい範囲は、例えば０．５８〜０．８５である。

独立排気通路５２の下流端部からテーパ部５６に噴出した排気が高速でテーパ部５６及びストレート部５７を通過することにより、テーパ部５６からストレート部５７にかけて発生する負圧が大きくなる（つまり排気の圧力が低下する）と共に、排気の温度が低下する。そのため、テーパ部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。このことは触媒の活性化に有利に働く。そして、ストレート部５７を通過した排気は、下流側ほど流路面積が大きくなる形状のディフューザ部５８に流入することにより流速が低下する一方で、排気の圧力及び温度が回復し、高圧高温状態に戻った状態で触媒装置６に流入する。

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、排気中の有害成分を浄化する機能を有する触媒本体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、例えば三元触媒を含有し、理論空燃比の雰囲気下で、ＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）を同時に酸化又は還元して除去し得る三元触媒機能を有する。

触媒本体６４は、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の上流側にはコーン部（円錐部）６１が形成され、このコーン部６１から上流側に円筒状の通路部６０が延設されている。前記混合管５０のディフューザ部５８の下流端は前記通路部６０の上流端に接続されている。ディフューザ部５８から排出された排気は前記通路部６０及びコーン部６１を通過した後、触媒本体６４に流入する。このとき、前述したように、混合管５０のディフューザ部５８を通過した排気は、高圧高温状態に戻っている。そのため、相対的に高い温度の排気が高圧で触媒本体６４に流入し、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の活性化状態が良好に維持される。

本実施形態では、各気筒１２から排出された排気の温度ができるだけ低下せずに触媒本体６４に流入するように、触媒装置６は排気系の相対的に上流側に設置されている。そのため、例えば混合管５０の上流端部から触媒装置６のケーシング６２のコーン部６１までの長さ（図２に示す符号Ａ）が１ｍ以下に制限されている。

（３）本実施形態の特徴
［３−１］低速域でのエゼクタ効果
ＥＣＵ２は、少なくとも低速域（例えば２７００ｒｐｍ〜２８００ｒｐｍ以下の回転域）においては、各気筒１２の吸排気開弁期間が所定のオーバーラップ期間を有し、排気順序が連続する気筒１２，１２間において一方の気筒１２のオーバーラップ期間が他方の気筒１２の排気開弁時期に重複するように、吸気弁駆動機構３０の吸気ＶＶＴ３２及び排気弁駆動機構４０の排気ＶＶＴ４２を制御する。

より具体的には、低速域においては、図６に示すように、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、且つ、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、吸気ＶＶＴ３２及び排気ＶＶＴ４２が制御される。例えば、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、吸気ＶＶＴ３２及び排気ＶＶＴ４２がＥＣＵ２によって制御される。

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を通って混合管５０のテーパ部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の掃気が促進される。その結果、少なくとも低速域においては、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）の向上ひいてはトルクの向上が図られる。

［３−２］混合管の構造
次に、図８を参照して、混合管５０の構造をさらに詳しく説明する。なお、図８に示した独立排気通路５２、テーパ部５６、ストレート部５７、ディフューザ部５８及び触媒装置６の通路部６０は、それぞれ各部位の内面が描かれている。

前述したように、混合管５０は、その軸芯Ｌ１上に、上流側から順に、流路面積が上流側から下流側に向けて徐々に縮小するテーパ部５６と、流路面積が最小のストレート部５７と、流路面積が上流側から下流側に向けて徐々に拡大するディフューザ部５８とを備えている。テーパ部５６の上流端に独立排気通路５２（図８には１つのみ図示）の下流端部が接続され、この独立排気通路５２の下流端部から噴出した排気が高速でテーパ部５６及びストレート部５７を通過することによって混合管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の排気が吸い出されるエゼクタ効果が奏される。また、ストレート部５７を通過した排気がディフューザ部５８に流入することによって排気の圧力及び温度が回復し、排気は高圧高温状態に戻った状態で触媒装置６に流入する。

このような混合管５０の機能を良好に発揮させるためには、テーパ部５６は、独立排気通路５２から噴出した排気が高い流速を維持したままストレート部５７に流れ込むような形状とするのが望ましく、ディフューザ部５８は、圧力損失なく排気の圧力が高圧に戻るような形状とするのが望ましい。

ただし、本実施形態では、前述したように、エゼクタ効果や触媒活性化に有利な観点から、排気系の長さが制限（できるだけ短く）されており、その一環として、図８に符号Ｂで示す混合管５０の長さもまた制限されている。

以上のような事情を考慮して、本実施形態では、混合管５０は、テーパ部５６の流路面積の縮小率の平均値を△Ｓ１とし、ディフューザ部５８の流路面積の拡大率の平均値を△Ｓ２としたときに、△Ｓ１＞△Ｓ２となるように構成されている。なお、前述したように、本実施形態では、テーパ部５６の内面は、混合管５０の軸芯Ｌ１に対し一定の角度θ１で上流に向けて開く傾斜面とされ、ディフューザ部５８の内面は、混合管５０の軸芯Ｌ１に対し一定の角度θ２で下流に向けて開く傾斜面とされている。つまり、テーパ部５６の流路面積の縮小率は、△Ｓ１で一定（一律に△Ｓ１）であり、ディフューザ部５８の流路面積の拡大率は、△Ｓ２で一定（一律に△Ｓ２）である。したがって、前記△Ｓ１＞△Ｓ２の関係を角度でθ１＞θ２と表すことが可能となる。以下、この開き角度（又は傾斜角度）θ１，θ２を用いて説明する。

まず、テーパ部５６では、独立排気通路５２から噴出した排気の噴流がテーパ部５６の内面に衝突してその流速が低下することがないように、テーパ部５６の内面の開き角度θ１が決められる。テーパ部５６の内面の開き角度θ１は、テーパ部５６の上流端の径及び下流端の径により影響を受ける。また、テーパ部５６の上流端と下流端との距離（テーパ部５６の長さ）によっても影響を受ける。例えば、テーパ部５６の上流端の径が大きいほど、下流端の径が小さいほど、上流端と下流端との距離が短いほど、テーパ部５６の内面の開き角度θ１は大きくなる。

ここで、前述したように、本実施形態では、独立排気通路５２の下流端部の流路面積と同じ面積を有する真円の直径をａとし、テーパ部５６の下流端の流路面積と同じ面積を有する真円の直径をＤとしたときに、ａ／Ｄが０．５８以上に設定されている。定義より、ａはテーパ部５６の上流端の径に相関し、Ｄはテーパ部５６の下流端の径に相関する。すなわち、テーパ部５６の上流端の径と下流端の径との関係は、ａ／Ｄによって略定まっている。一方、混合管５０の長さＢが制限されているから、テーパ部５６の長さ（テーパ部５６の上流端と下流端との距離）が相対的に短くされる。その結果、テーパ部５６の内面の開き角度θ１は相対的に大きくなる傾向となる。そして、このテーパ部５６の内面の開き角度θ１に合わせて、独立排気通路５２の下流端部の先細り部の傾斜角度（独立排気通路５２からの排気の噴出角度）が決められる。

一方、ディフューザ部５８では、排気の流れがディフューザ部５８の内面から剥離することがないように、ディフューザ部５８の内面の開き角度θ２が決められる。排気の流れがディフューザ部５８の内面から剥離すると、乱流が生じ、排気の運動エネルギーが熱エネルギーに変わって、圧力に変換されず、圧力損失が生じるからである。圧力損失が生じると、最終的に大気圧まで戻るべき元の圧力が高くなってしまう。つまり、混合管５０内の負圧が小さくなってしまう。混合管５０内の負圧が小さくなると、気筒１２から排気が排出される際の排気抵抗が増大し、排気の流速が低下し、混合管５０内の負圧がより小さくなって、エゼクタ効果が弱まってしまう。また、排気抵抗が増大すると、気筒１２内でピストンの上昇が抵抗を受け、エンジントルクにも影響する。したがって、排気抵抗を小さくして、気筒１２から排気（ブローダウンガス）が高速で排出されるように、混合管５０内の負圧をできるだけ大きくすることが重要である。そして、そのために、ディフューザ部５８は、混合管５０内の負圧が圧力損失なく高圧に戻るように、すなわちディフューザ効率が良好となるように構成することが肝要である。

以上のような観点から、ディフューザ部５８の内面の開き角度θ２は、なるべく小さいほうが好ましい。ディフューザ部５８の内面の開き角度θ２が小さくなるほど、排気の流れがディフューザ部５８の内面から剥離する傾向が小さくなるからである。しかし、ディフューザ部５８の内面の開き角度θ２を小さくすると、ディフューザ部５８の上流端と下流端との距離（ディフューザ部５８の長さ）が長くなり、混合管５０の長さＢを制限するという要請に反することになる。一方、図８に鎖線で示すように、混合管５０の下流端部（ディフューザ部５８の下流端）を触媒装置６の通路部６０に段差なく連続して接続すると、ディフューザ部５８の内面の開き角度θ２が大きくなる。

後述する実機試験で説明するように、たとえ混合管５０の下流端部と触媒装置６の通路部６０との接続部に段差が生じても、ディフューザ部５８の内面の開き角度θ２をできるだけ小さくするほうが、混合管５０の下流端部を触媒装置６の通路部６０に段差なく連続して接続するよりも、良い結果が得られる（排気抵抗が減少し、混合管内の負圧が大きくなり、エゼクタ効果が高まる）ことが見出された。

以上を総合して、本実施形態では、テーパ部５６の内面の開き角度をθ１とし、ディフューザ部５８の内面の開き角度をθ２としたときに、θ１は相対的に大きくなる傾向となり、θ２は小さいほうが良い結果が得られるので、θ１＞θ２となるように混合管５０を構成しているのである。

ここで、テーパ部５６の内面の開き角度θ１の好ましい範囲は、５°以上、１３°以下であり、ディフューザ部５８の内面の開き角度θ２の好ましい範囲は、７°以下（０°を除く）である。

［３−３］実機試験
＜１＞ 図８に示す仕様（θ１＞θ２）の混合管５０についてエゼクタ効果の実機試験を行った。テーパ部５６の内面の開き角度θ１を９°とし、ディフューザ部５８の内面の開き角度θ２を５°とした。結果を図９に示す。

図９は、ある１つの気筒１２から排出された排気が独立排気通路５２の下流端部から混合管５０のテーパ部５６に噴出したときの混合管５０内の圧力分布図である。図中、ハッチングした領域は、混合管５０内で負圧が最大であった領域である。後述する比較例（図１５：θ１＜θ２）と比べて、負圧最大領域がテーパ部５６からストレート部５７に亘って広い範囲で生じていることが分かる。

混合管５０の上流端部（テーパ部５６の上流端）における圧力（負圧）をＰ１とし、混合管５０の下流端部（ディフューザ部５８の下流端）における圧力（負圧）をＰ２としたときに、その圧力差、すなわち負圧差△Ｐ（図８参照）は、４９．９ｋＰａであった。これは、比較例（図１５）と比べて、大きい値である。

この結果から、図８に示す仕様（θ１＞θ２）の混合管５０は、混合管５０の下流端部と触媒装置６の通路部６０との接続部に段差が生じているけれども、ディフューザ部５８においてディフューザ効率が良好となる開き角度θ２が維持されているので、剥離が起こらず、圧力損失が生じず、排気抵抗が減少し、混合管５０内に発生する負圧が大きくなり、エゼクタ効果が高められることが分かる。

＜２＞ テーパ部の内面の開き角度θ１を９°に固定して、ディフューザ部の内面の開き角度θ２を２°から１７．５°まで変化させたときに、混合管内に発生する負圧の最大値を調べた。また、ディフューザ部の内面の開き角度θ２を５°に固定して、テーパ部の内面の開き角度θ１を６°から１７°まで変化させたときに、混合管内に発生する負圧の最大値を調べた。結果を図１０に示す。

テーパ部の内面の開き角度θ１については、８°のときに、ディフューザ部の内面の開き角度θ２については、２°〜３°のときに、それぞれ、混合管内に発生する負圧の最大値がピークとなる。この結果からも、θ１＞θ２の関係が、混合管５０内に発生する負圧を大きくし、エゼクタ効果を高める観点から好ましい仕様であることが分かる。

＜３＞ 図８に示す仕様（θ１＞θ２）に別の仕様を追加した混合管５０についてエゼクタ効果の実機試験を行った。すなわち、図１１に示すように、この混合管５０は、ディフューザ部５８の下流端が、触媒装置６の通路部６０を介さずに、触媒装置６のケーシング６２のコーン部６１に直接接続されている。これによれば、混合管５０の上流端部から触媒装置６のケーシング６２のコーン部６１までの長さ（図２に示す符号Ａ）が混合管５０の長さＢに一致するまで短くなり、より一層触媒の活性化に有利となる。

図１２に示すように、この別の仕様を追加した混合管５０は、ディフューザ部５８が、上流側の第１ディフューザ部５８ａと、下流側の第２ディフューザ部５８ｂとを含んでいる。そして、第２ディフューザ部５８ｂの下流端が触媒装置６のケーシング６２のコーン部６１に段差なく連続して接続されている。そして、混合管５０は、第１ディフューザ部５８ａの流路面積の拡大率の平均値を△Ｓ２とし、第２ディフューザ部５８ｂの流路面積の拡大率の平均値を△Ｓ３としたときに、△Ｓ３＞△Ｓ２となるように構成されている。すなわち、開き角度（又は傾斜角度）θ２，θ３で表すと、θ３＞θ２となるように構成されている。

また、テーパ部５６については、図８に示す仕様（θ１＞θ２）と同じである。そして、△Ｓ３と△Ｓ１との関係は、第１ディフューザ部５８ａの下流端の径、コーン部６１の上流端の径、及び第１ディフューザ部５８ａの下流端とコーン部６１の上流端との距離（第２ディフューザ部５８ｂの長さ）に依存して変化し得るが、本実施形態では、△Ｓ３≧△Ｓ１となるように構成されている。すなわち、開き角度（又は傾斜角度）θ１，θ３で表すと、θ３≧θ１となるように構成されている。

図１２に示す仕様（θ３≧θ１＞θ２）の混合管５０についてエゼクタ効果の実機試験を行った。テーパ部５６の内面の開き角度θ１を９°とし、第１ディフューザ部５８ａの内面の開き角度θ２を５°とし、第２ディフューザ部５８ｂの内面の開き角度θ３を１５．８°とした。結果を図１３に示す。

図１３は、図９と同様、ある１つの気筒１２から排出された排気が独立排気通路５２の下流端部から混合管５０のテーパ部５６に噴出したときの混合管５０内の圧力分布図である。図中、ハッチングした領域は、混合管５０内で負圧が最大であった領域である。比較例（図１５）と比べて、負圧最大領域がテーパ部５６からストレート部５７に亘って広い範囲で生じていることが分かる。

混合管５０の上流端部（テーパ部５６の上流端）における圧力（負圧）をＰ１とし、混合管５０の下流端部（ディフューザ部５８の下流端）における圧力（負圧）をＰ２としたときに、その圧力差、すなわち負圧差△Ｐ（図１２参照）は、４７．０ｋＰａであった。これは、比較例（図１５）と比べて、大きい値である。

この結果から、図１２に示す仕様（θ３≧θ１＞θ２）の混合管５０は、混合管５０の下流端部が触媒装置６のコーン部６１に段差なく連続して接続されているため、第２ディフューザ部５８ｂの開き角度θ３が大きくなっているけれども、第１ディフューザ部５８ａにおいてディフューザ効率が良好となる開き角度θ２が維持されているので、剥離が起こらず、圧力損失が生じず、排気抵抗が減少し、混合管５０内に発生する負圧が大きくなり、エゼクタ効果が高められることが分かる。

＜４＞ 図８に示す仕様（θ１＞θ２）とは別の仕様の混合管５０についてエゼクタ効果の実機試験を行った（比較例）。すなわち、図１４に示すように、この混合管５０は、ディフューザ部５８の下流端が、触媒装置６の通路部６０に段差なく連続して接続されている（図８の鎖線参照）。その結果、ディフューザ部５８の内面の開き角度θ２が相対的に大きくなり、θ１＜θ２となっている。

図１４に示す仕様（θ１＜θ２）の混合管５０についてエゼクタ効果の実機試験を行った。テーパ部５６の内面の開き角度θ１を９°とし、ディフューザ部５８の内面の開き角度θ２を１０．５°とした。結果を図１５に示す。

図１５は、図９と同様、ある１つの気筒１２から排出された排気が独立排気通路５２の下流端部から混合管５０のテーパ部５６に噴出したときの混合管５０内の圧力分布図である。図中、ハッチングした領域は、混合管５０内で負圧が最大であった領域である。実施形態（図９、図１３）と比べて、負圧最大領域が小さくなっていることが分かる。

混合管５０の上流端部（テーパ部５６の上流端）における圧力（負圧）をＰ１とし、混合管５０の下流端部（ディフューザ部５８の下流端）における圧力（負圧）をＰ２としたときに、その圧力差、すなわち負圧差△Ｐ（図１４参照）は、４３．４ｋＰａであった。これは、実施形態（図９、図１３）と比べて、小さい値である。

この結果から、図１４に示す仕様（θ１＜θ２）の混合管５０は、混合管５０の下流端部が触媒装置６のコーン部６１に段差なく連続して接続されているため、ディフューザ部５８の開き角度θ２が大きくなり、剥離が起こり、圧力損失が生じ、排気抵抗が増大し、混合管５０内に発生する負圧が小さくなり、エゼクタ効果が弱められることが分かる。

［３−４］作用
本実施形態においては、混合管５０の長さＢを制限するという要請の下、混合管５０のテーパ部５６の内面の開き角度θ１をディフューザ部５８の内面の開き角度θ２よりも大きくした（θ１＞θ２）から、混合管５０のテーパ部５６の内面の開き角度θ１をディフューザ部５８の内面の開き角度θ２と同じ又はそれよりも小さくした（θ１≦θ２）場合に比べて、各気筒１２から排出された排気が混合管５０に噴出したときに該混合管５０内に発生する負圧が大きくなる。そのため、低速域でのエゼクタ効果が高められ、広い回転域に亘ってトルクが向上し、トルクがワイドレンジ化した多気筒エンジンが実現する。

また、混合管５０のディフューザ部５８を上流側の第１ディフューザ部５８ａと下流側の第２ディフューザ部５８ｂとで構成し、第２ディフューザ部５８ｂの内面の開き角度θ３を第１ディフューザ部５８ａの内面の開き角度θ２よりも大きくした（θ３＞θ２）場合には、混合管５０のテーパ部５６と第１ディフューザ部５８ａとの間で、θ１＞θ２の関係を維持しつつ、混合管５０の下流端部（第２ディフューザ部５８ｂの下流端）を触媒装置６０のコーン部６１に段差なく連続して接続することができる。しかも、その場合、ディフューザ部５８の内面の開き角度をθ２で一定とした場合に比べて、混合管５０の軸方向の長さＢを短くでき、触媒の活性化に有利となる。

また、第２ディフューザ部５８ｂの内面の開き角度θ３をテーパ部５６の内面の開き角度θ１と同じ又はそれよりも大きくした（θ３≧θ１）場合には、θ３＜θ１となるように混合管５０を構成した場合に比べて、混合管５０の軸方向の長さＢをさらに短くでき、触媒の活性化により一層有利となる。

また、テーパ部５６の内面の開き角度θ１、第１ディフューザ部５８ａの内面の開き角度θ２、及び第２ディフューザ部５８ｂの内面の開き角度θ３がそれぞれ一定なので、混合管５０の成形が容易となる。

（４）本実施形態の変形例
前記実施形態では、混合管５０のテーパ部５６、ストレート部５７及びディフューザ部５８の各内面は、混合管５０の軸芯Ｌ１に沿う断面視において、単一の直線で構成されている場合であったが、図１６に例示するように、例えば曲線で構成されていてもよい。図１６において、テーパ部５６の流路面積の縮小率の平均値△Ｓ１、第１ディフューザ部５８ａの流路面積の拡大率の平均値△Ｓ２、第２ディフューザ部５８ｂの流路面積の拡大率の平均値△Ｓ３は、それぞれ、各曲線に対する接線の傾きの平均値で表される。なお、図１６では、ストレート部５７は、軸芯Ｌ１方向の長さがほとんどないものとされている。

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、一方の気筒１２のオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌと他方の気筒１２の排気開弁時期とを重複させる制御を行うのは、低速域でも高負荷域のみとしてもよい。

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
３２ 吸気ＶＶＴ
４０ 排気弁駆動機構
４２ 排気ＶＶＴ
５０ 混合管
５２ 独立排気通路
５６ テーパ部（上流部位）
５７ ストレート部（中間部位）
５８ ディフューザ部（下流部位）
５８ａ 第１ディフューザ部（第１下流部位）
５８ｂ 第２ディフューザ部（第２下流部位）
６０ 触媒装置上流側通路部
６１ 触媒装置ケーシング上流側コーン部
６２ 触媒装置ケーシング
１００ 排気装置

Claims (4)

1. 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備えられた複数の気筒を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それぞれ接続された複数の独立排気通路と、前記独立排気通路の各下流端部が束ねられて接続され、各独立排気通路の下流端部から噴出した排気が集合する混合管とが設けられ、
   少なくともエンジン低速域においては、各気筒の吸排気開弁期間が所定のオーバーラップ期間を有し、排気順序が連続する気筒間において一方の気筒のオーバーラップ期間が他方の気筒の排気開弁時期に重複するように設定され、
   前記混合管は、流路面積が最小の中間部位と、当該中間部位から上流側に延びて前記独立排気通路の各下流端部に接続されるとともに流路面積が上流側から下流側に向けて徐々に縮小する上流部位と、前記中間部位から下流側に延びて流路面積が上流側から下流側に向けて徐々に拡大する下流部位とを有し、
   前記上流部位の下流端の流路面積および前記下流部位の上流端の流路面積は、それぞれ前記中間部位の流路面積と一致しており、
   前記混合管の下流部位の下流端部には、内側に触媒本体を収容するケーシングが、前記混合管の下流部位の下流端部の中心と前記ケーシングの上流端部の中心とが略一致するように接続され、
   前記中間部位から前記ケーシングまでの部分の流路面積は、下流側ほど大きくなるように設定されており、
   前記上流部位の流路面積の縮小率の平均値を△Ｓ１とし、前記下流部位の流路面積の拡大率の平均値を△Ｓ２としたときに、△Ｓ１＞△Ｓ２となるよう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。
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、
   前記上流部位の内面は、混合管の軸芯に対し一定の角度θ１で上流に向けて開く傾斜面とされ、前記下流部位の内面は、混合管の軸芯に対し一定の角度θ２で下流に向けて開く傾斜面とされ、前記上流部位の内面の開き角度をθ１とし、前記下流部位の内面の開き角度をθ２としたときに、θ１＞θ２となるよう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。
3. 請求項１に記載の多気筒エンジンの排気装置において、
   前記下流部位は、上流側の第１下流部位と下流側の第２下流部位とを含み、
   前記混合管は、前記第１下流部位の流路面積の拡大率の平均値を△Ｓ２とし、前記第２下流部位の流路面積の拡大率の平均値を△Ｓ３としたときに、△Ｓ３＞△Ｓ２となるように設定され、
   前記第２下流部位の下流端に触媒装置のコーン部が接続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３に記載の多気筒エンジンの排気装置において、
   前記上流部位の内面は、混合管の軸芯に対し一定の角度θ１で上流に向けて開く傾斜面とされ、前記第２下流部位の内面は、混合管の軸芯に対し一定の角度θ３で下流に向けて開く傾斜面とされ、前記上流部位の内面の開き角度をθ１とし、前記第２下流部位の内面の開き角度をθ３としたときに、θ３≧θ１となるよう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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