JP6269042B2 - エンジン - Google Patents

Description

本発明は、同一のシリンダに複数のポートが設けられたエンジンに関する。

車両から排出される排出ガスを浄化するために、エンジンの排気通路には排気浄化用の触媒が設けられている。近年、排気エミッションの規制強化により、エンジン低温始動時の排ガス浄化性能を向上させるために、触媒の位置をエンジンに近づけて配置することで、触媒の早期活性化を図る試みがなされている。

例えば図７に示すように、排気マニホールド１２１の集合管部１２４に触媒１３１を内蔵したエンジン１０１が知られている。なお、図７は、従来のエンジン１０１の一例を模式的に示す上面図である。排気マニホールド１２１は、シリンダヘッド１０３に形成された複数の排気ポート１０４に向かって分岐形成された複数の独立管１２５からなる独立管部１２２と、各独立管１２５の直下流に設けられ、全ての独立管１２５が集合した集合部１２３とを有する。

従来のエンジン１０１は、例えば一つのシリンダ１０２に対して二つの排気ポート１０４が設けられた場合、これら二つの排気ポート１０４はシリンダヘッド１０３内で合流し、シリンダ１０２と反対側の開口端に排気マニホールド１２１が接続される。図７のようなエンジン１０１の場合、排気マニホールド１２１の集合部１２３の直下流に触媒１３１を配置し、さらに触媒１３１の位置をエンジン１０１に近づけて配置することで、高温の排気によって触媒１３１の昇温時間を短縮し、触媒１３１を早期に活性化させることができる。

また、特許文献１には、一つの気筒に二つの排気弁が設けられた多気筒エンジンが開示されており、一方の排気弁につながる排気管と、他方の排気弁につながる排気管とがそれぞれ別体で設けられている。一方の排気管は第１の触媒に接続され、他方の排気管は第１の触媒よりもエンジンから離して配置される第２の触媒に接続されており、これら二つの触媒には排気下流側から合流配管が接続されている。また、二つの排気弁は休止可能に構成されており、冷間始動時には片方の排気弁を休止させて、エンジンに近接して配置した片方の触媒のみに排気を流通させることにより触媒を早期に活性化させることができ、触媒暖機性を高めることができるとされている。

特開２０１０−１６４０３５号公報

ところで、エンジンのシリンダへの空気の吸入能力を評価するための指標となる体積効率には、吸気が間欠的に行われることにより発生する吸気系の圧力振動（圧力脈動）が動的な要因として影響を与えることが知られている。このような吸気管内に生じる圧力波を利用して、慣性効果により体積効率を改善しようとする動的改善が行われている。また、排気系でも同様に、排気管内に生じる圧力波（圧力振動）を利用して慣性効果により体積効率を高める技術が開発されている。

吸気系及び排気系では、その形状に応じた固有振動数ともいえる共振周波数（共鳴周波数）をそれぞれ有している。共振周波数は、図７の排気系構造を例にすると、排気の流れる排気ポート１０４と独立管１２５とを合計した長さ及びこれらの断面積と、シリンダ１０２の容積とによって一義的に決まる。この共振周波数と上記の圧力振動の周波数とが適合すると、独立管１２５内の空気は共振するため排気効率が向上する。圧力振動の周波数は、エンジン回転速度に依存するため、エンジン回転速度を吸気系又は排気系の慣性効果が働く回転数に近づけ、圧力振動の周波数と共振周波数とを適合させることで、慣性効果により吸気効率又は排気効率を向上させることが可能である。

ただし、エンジン回転速度は、運転者の加速要求など様々な要因で決まるものであって常に変化しているため、吸気効率や排気効率を高めるためにエンジン回転速度を変更することは実際には難しい。そこで従来は、上記の独立管１２５に相当する吸気管又は排気管の長さが長いほど共振周波数が低くなることに着目し、これらの長さを変更することで吸気系又は排気系の共振周波数を変更し、吸気効率や排気効率を向上させようとしていた。例えば、上記の長さを比較的長くすることで、低中回転域のエンジン回転速度で吸気効率や排気効率を最適化するなどしていた。

しかしながら、上述した図７のような排気系構造や特許文献１の構造のように、触媒の早期活性化を図るために、触媒の位置をエンジンに近づけて配置する場合には、シリンダの排気出口（排気ポートの排気上流端）から触媒までの排気の流れる流路長（上記の長さに対応する部分）が短くなる。そのため、エンジン回転速度によっては排気効率が低下し、トルクの低下が生じることがあった。なお、このような課題は、吸気系においても同様であり、エンジン回転速度によっては吸気効率が低下して、トルクの低下を招くことがあった。

本願発明はこのような課題に鑑みて創案されたものであり、体積効率を高めることによりトルクを向上させることができるようにした、エンジンを提供することを目的としている。

（１）ここで開示するエンジンは、同一のシリンダに接続され互いに断面積の異なる複数の独立流路と、該複数の独立流路の前記シリンダ側と反対側の端部に設けられ、前記独立流路が全て集合されてなる集合部とを有する流路を備える。また、前記複数の独立流路の前記シリンダ側の端部に各々設けられた複数のバルブを備え、前記複数のバルブのうち一部のバルブを閉弁状態で休止可能な可変バルブ機構を備える。また、前記シリンダの上面に固定されるシリンダヘッドを備える。さらに、前記複数の独立流路は、前記シリンダから前記集合部までの長さが同一であり、前記シリンダヘッドは、前記複数の独立流路のうち前記断面積の大きい前記独立流路が接続される、断面積の大きい吸気ポート及び排気ポートと、前記複数の独立流路のうち前記断面積の小さい前記独立流路が接続される、断面積の小さい吸気ポート及び排気ポートと、を有し、前記断面積の大きい吸気ポート及び排気ポートと、前記断面積の小さい吸気ポート及び排気ポートとが、上面視で点火プラグを挟んで対角線状に設けられる。

（２）ここで開示するエンジンは、さらに、エンジン回転速度を検出する検出手段と、前記可変バルブ機構を制御する制御手段とを備えることが好ましい。また、前記制御手段は、前記検出手段で検出された前記エンジン回転速度に基づいて前記バルブの閉弁状態を変更するように前記可変バルブ機構を制御することが好ましい。

（３）前記制御手段は、前記検出手段で検出された前記エンジン回転速度が低いほど、前記複数の独立流路のうち前記断面積の小さい前記独立流路に空気が流れるように、前記バルブの閉弁状態を変更することが好ましい。

（４）前記同一のシリンダには、互いに断面積の異なる二つの独立流路が接続されていてもよい。また、前記制御手段は、前記検出手段で検出された前記エンジン回転速度が低回転域の場合に、前記二つの独立流路のうち前記断面積の大きい前記独立流路に設けられた前記バルブを閉弁し、前記検出手段で検出された前記エンジン回転速度が中回転域の場合に、前記二つの独立流路のうち前記断面積の小さい前記独立流路に設けられた前記バルブを閉弁し、前記検出手段で検出された前記エンジン回転速度が高回転域の場合に、前記二つの独立流路に設けられた前記バルブを何れも開弁することが好ましい。
（５）また、ここで開示する排気系構造は、上記の（１）〜（４）のいずれか一つのエンジンと、前記エンジンの排気中に含まれる物質を浄化、分解、又は除去する触媒とを備える。この排気系構造は、前記流路が排気流路であり、前記集合部の下流側に、前記触媒が設けられた排気管をさらに備える。

開示のエンジンによれば、複数のバルブのうち一部のバルブを閉弁状態にすることで、空気の流れを、長さに対する断面積の比率が互いに異なる複数の独立流路に切り替えることができる。これにより、エンジン回転速度に適合するように空気が流れる流路の共振周波数を変化させることができる。したがって、慣性効果により体積効率を高めることができ、トルクを向上させることができる。

一実施形態に係るエンジンの構成の一例を模式的に示す上面図である。 一実施形態に係るエンジンの構成の一例を模式的に示す断面図である。 一般的な吸気系の慣性効果を説明するための図である。 一実施形態に係るエンジンのエンジン回転数と排気効率との関係の一例を示す図である。 変形例に係るエンジンの一例を模式的に示す上面図である。 変形例に係るエンジンのエンジン回転数と排気効率との関係の一例を示す図である。 従来のエンジンの一例を模式的に示す上面図である。

図面を参照して、実施形態としてのエンジンについて説明する。なお、以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができるとともに、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることが可能である。

［１．構成］
［１−１．エンジン］
図１は、本実施形態のエンジン１の吸気系及び排気系（以下、単に吸排気系ともいう）の構造を模式的に示す上面図であり、図２は、エンジン１の内部構造を示す断面図である。このエンジン１は、例えばガソリンを燃料とする四気筒の内燃機関（ガソリンエンジン）である。エンジン１のシリンダブロック４７内には、中空円筒形状に形成された四本のシリンダ３２（気筒）が列設され、その上面にシリンダヘッド３３が固定される。なお、各シリンダ３２に対する構成は四気筒とも全て同一であるため、図２にはエンジン１に設けられた四つのシリンダ３２のうちの一つを示す。図中に示す白抜き矢印は、吸気及び排気の流れの方向を表し、吸気及び排気の流れの方向において上流側，下流側のことを単に上流側，下流側という。

図２に示すように、各シリンダ３２の内部には、その内周面に沿ってピストン４８が往復摺動自在に内装される。ピストン４８の上面とシリンダ３２の内周面とシリンダヘッド３３との三者に囲まれた空間は、エンジン１の燃焼室４６として機能する。ピストン４８の下部は、コネクティングロッドを介して、クランクシャフト４９の軸心から偏心した中心軸を持つクランクアームに連結される。これにより、ピストン４８の往復動作がクランクアームに伝達され、クランクシャフト４９の回転運動に変換される。

シリンダヘッド３３のシリンダ３２に対向する面（対向面部）３３ａには、吸入空気を燃焼室４６内に供給するための吸気ポート３４，３７と、燃焼室４６内で燃焼した後の排気を排出するための排気ポート４０，４３とが穿孔形成される。つまり、一つのシリンダ３２に対して二つの吸気ポート３４，３７と二つの排気ポート４０，４３とが設けられる。

これらの吸気ポート３４，３７及び排気ポート４０，４３の配置を、図１に例示する。それぞれの吸気ポート３４，３７におけるシリンダ３２側の開口端である開口部３５，３８には吸気弁３６，３９（吸気バルブ）が設けられ、反対側の開口端には吸気マニホールド１１が接続される。また、それぞれの排気ポート４０，４３におけるシリンダ３２側の開口端である開口部４１，４４には排気弁４２，４５（排気バルブ）が設けられ、反対側の開口端には排気マニホールド２１が接続される。

図１に示すように、二つの吸気ポート３４，３７は、流路断面積が互いに異なるように形成される。なお、流路断面積とは、空気が流通する空洞部分（流路）において、空気の流通方向に対して垂直な断面の面積のことを意味し、以下、単に断面積という。ここでは、一方の吸気ポート３７が、他方の吸気ポート３４よりも断面積が大きく形成される。二つの排気ポート４０，４３についても同様に、断面積が互いに異なり、一方の排気ポート４３が、他方の排気ポート４０よりも断面積が大きく形成される。なお、ここでは、断面積の大きい吸気ポート３７及び排気ポート４３と、断面積の小さい吸気ポート３４及び排気ポート４０とが、上面視で点火プラグ５９を挟んで対角線状に設けられる。

上記の吸気弁３６，３９及び排気弁４２，４５の上部は、図２に示すように、エンジン１の上部に設けられる可変バルブ機構５０に接続される。可変バルブ機構５０は、吸気弁３６，３９及び排気弁４２，４５のそれぞれについて、最大バルブリフト量及びバルブタイミングを個別に、又は、連動させつつ変更するための機構である。吸気弁３６，３９及び排気弁４２，４５の動作は、可変バルブ機構５０を介して、後述するエンジン制御装置７１によって各々の動作を個別に制御される。

吸気弁３６，３９及び排気弁４２，４５の各上端部はそれぞれ、可変バルブ機構５０内のロッカーアーム５１，５５に接続され、ロッカーアーム５１，５５の揺動に応じて個別に上下方向に往復駆動される。また、各ロッカーアーム５１，５５の他端には、カムシャフトに軸支されたカム５２，５６が設けられる。カム５２，５６の各形状（カムプロファイル）に応じて、ロッカーアーム５１，５５の揺動パターンが定められる。

可変バルブ機構５０には、ロッカーアーム５１，５５の各揺動量及び揺動のタイミングを変化させるための機構として、バルブリフト量調整機構５３，５７とバルブタイミング調整機構５４，５８とが設けられる。バルブリフト量調整機構５３，５７は、吸気弁３６，３９及び排気弁４２，４５の各最大バルブリフト量を連続的に変更する機構であり、カム５２，５６からロッカーアーム５１，５５に伝達される各揺動の大きさを変更する機能を持つ。なお、ロッカーアーム５１，５５の各揺動の大きさを変更するための具体的な構造は任意とする。

また、バルブタイミング調整機構５４，５８は、吸気弁３６，３９及び排気弁４２，４５の開閉のタイミング（バルブタイミング）を変更する機構であり、ロッカーアーム５１，５５に揺動を生じさせるカム５２，５６又はカムシャフトの回転位相を変更する機能を持つ。カム５２，５６又はカムシャフトの回転位相を変更することで、クランクシャフト４９の回転位相に対するロッカーアーム５１，５５の揺動のタイミングを連続的にずらす（変化させる）ことが可能となる。

なお、可変バルブ機構５０の中で排気弁４２，４５の動作を変更する要素であるロッカーアーム５５，カム５６，バルブリフト量調整機構５７及びバルブタイミング調整機構５８のことを、第一可変バルブ機構５０ａと称する。また、可変バルブ機構５０の中で吸気弁３６，３９の動作を変更する要素であるロッカーアーム５１，カム５２，バルブリフト量調整機構５３及びバルブタイミング調整機構５４のことを、第二可変バルブ機構５０ｂと称する。

吸気ポート３４と排気ポート４０との間には、点火プラグ５９がその先端を燃焼室４６側に突出させた状態で設けられる。点火プラグ５９による点火時期は、エンジン制御装置７１で制御される。また、吸気ポート３４，３７には、吸気ポート３４，３７内に燃料を噴射するインジェクター６０が設けられる。インジェクター６０から噴射される燃料量は、エンジン制御装置７１によって制御される。

［１−２．排気系］
排気系の構造について詳述する。図１に示すように、本実施形態では一つのシリンダ３２に対して、断面積の異なる二つの排気ポート４０，４３がそれぞれ設けられ、四つのシリンダ３２に対してそれぞれ設けられたこれらの排気ポート４０，４３の下流側には、一つの排気マニホールド２１が接続される。

排気マニホールド２１の下流側には、排気を外部へ導く排気管２４が接続され、排気管２４の内部には触媒６４が設けられる。この触媒６４は、例えば酸化触媒や三元触媒であって、排気中に含まれる窒素酸化物（NOx），一酸化炭素（CO），炭化水素（HC）等の成分やPM（Particulate Matter，粒子状物質）などの物質を浄化，分解，除去する機能を持つ。

排気マニホールド２１は、排気ポート４０，４３にそれぞれ接続される排気独立管２５，２６と、排気独立管２５，２６の直下流側に設けられて排気独立管２５，２６を集合させる排気集合部２３とを有する。排気独立管２５，２６は、シリンダ３２毎に設けられており、排気集合部２３は全ての排気独立管２５，２６を集合させる部分である。以下、排気マニホールド２１の中で、排気独立管２５，２６の部分をまとめて排気独立管部２２と称する。

一方の排気ポート４０と、この排気ポート４０に接続される排気独立管２５とが、シリンダ３２から排気集合部２３までの独立した排気の流路である排気独立流路４を形成する。また、他方の排気ポート４３と、この排気ポート４３に接続される排気独立管２６とが、シリンダ３２から排気集合部２３までの独立した排気の流路である排気独立流路５を形成する。すなわち、各シリンダ３２に連通する排気独立流路４と排気独立流路５との流路は、シリンダ３２から排気集合部２３まで交わらず、排気集合部２３で合流する。排気集合部２３は、シリンダ３２や排気系で発生しうる排気脈動や排気干渉を緩和するように機能する。

このように、エンジン１は、同一のシリンダ３２に接続される複数の排気独立流路４，５と、排気独立流路４，５のシリンダ３２側と反対側の端部に設けられ、排気独立流路４，５が全て集合されてなる排気集合部２３とを有する流路７を備える。また、エンジン１は、排気独立流路４，５のシリンダ３２側の端部に各々設けられた排気弁４２，４５を備えている。

本実施形態では、排気ポート４０，４３及び排気独立管２５，２６の断面形状が略円形状または略角断面形状に形成されており、一方の排気ポート４０の内径は他方の排気ポート４３の内径より小さく設定されている。また、一方の排気独立管２５の内径は他方の排気独立管２６の内径より小さく設定されている。つまり、各シリンダ３２の一方の排気独立流路４の断面積Ｓ₂₁の方が、他方の排気独立流路５の断面積Ｓ₂₂よりも小さく設定されている（Ｓ₂₁＜Ｓ₂₂）。このように、各シリンダ３２に連通する排気独立流路４と排気独立流路５とは、互いに断面積の大きさが異なるよう設定されている。

一方の排気独立流路４を形成する排気ポート４０及び排気独立管２５の各断面積は、同一（又は略同一）に設定されている。同様に、他方の排気独立流路５を形成する排気ポート４３及び排気独立管２６の各断面積も、同一（又は略同一）に設定されている。つまり、排気独立流路４，５は、その全長にわたってほぼ一定の断面積を有する。

本実施形態に係る排気独立流路４，５は、他方の排気独立流路５より断面積が小さく設定されている排気独立流路４の断面積Ｓ₂₁が、一つのシリンダに対して一つの排気ポートが設けられる場合の排気ポートの断面積より、半分かそれよりも小さくなるよう設定されている。

ここで、一方の排気ポート４０の開口部４１の中心側端部から排気独立管２５の排気集合部２３側の端部までの長さを、排気独立流路４の長さＬ₃と呼ぶ。同様に、他方の排気ポート４３の開口部４４の中心側端部から排気独立管２６の排気集合部２３側の端部までの長さを、排気独立流路５の長さＬ₄と呼ぶ。図１に示すように、各シリンダ３２の排気独立流路４の長さＬ₃と排気独立流路５の長さＬ₄とは同一（又は略同一）に設定されている。なお、本実施形態では、排気独立流路４の長さＬ₃と排気独立流路５の長さＬ₄とは、エンジン１の排気により、触媒６４を早期活性化できる程度の短い長さに設定されている。

上述したように、一つのシリンダ３２に連通する排気独立流路４及び排気独立流路５は、互いに断面積が異なり、長さが同一（又は略同一）に設定されている。つまり、同一のシリンダ３２に連通する排気独立流路４と排気独立流路５とは、長さに対する断面積の比率が互いに異なるように設定されている。これは、後述する共振周波数ｆが、排気独立流路４と排気独立流路５とで異なるようにするためである。

排気弁４２，４５は、第一可変バルブ機構５０ａにより、一部の排気弁が閉弁状態で休止されるようになっている。例えば、排気弁４５を閉弁状態で休止して、排気弁４２を開閉動作させることで、断面積の小さい排気独立流路４のみに排気を流通させることができる。反対に、排気弁４２を閉弁状態で休止して、排気弁４５を開閉動作させることで、断面積の大きい排気独立流路５のみに排気を流通させることができる。また、排気弁４２及び排気弁４５を何れも休止させずに開閉動作させることで、排気独立流路４及び排気独立流路５に共に排気を流通させることができる。この場合が最も排気が流れる流路の断面積が大きくなる。なお、これらの排気弁４２，４５の動作は、全てのシリンダ３２で同一であるものとする。

［１−３．吸気系］
次に、吸気系の構造について詳述する。本エンジン１の吸気系は、上述の排気系と同様の構成を含んで構成されている。図１に示すように、本実施形態では一つのシリンダ３２に対して、断面積の異なる二つの吸気ポート３４，３７がそれぞれ設けられ、四つのシリンダ３２に対してそれぞれ設けられたこれらの吸気ポート３４，３７の上流側には、一つの吸気マニホールド１１が接続される。

吸気マニホールド１１の上流側には、吸入空気をエンジン１へ導く吸気管１４が接続される。また、図２に示すように、吸気管１４にはスロットルボディ（図示略）が介装され、スロットルボディの内部には電子制御式のスロットルバルブ６２が内蔵される。吸気マニホールド１１側へと流れる空気量は、スロットルバルブ６２の開度（スロットル開度）に応じて調節される。このスロットル開度は、エンジン制御装置７１によって制御される。また、スロットルボディよりもさらに上流側の吸気管１４にはエアフィルター６３が設けられる。これにより、エアフィルター６３で濾過された新気が吸気マニホールド１１を介してエンジン１の各シリンダ３２に供給される。

吸気マニホールド１１は、吸気ポート３４，３７にそれぞれ接続される吸気独立管１５，１６と、吸気独立管１５，１６の直上流側に設けられて吸気独立管１５，１６を集合させる吸気集合部１３とを有する。吸気独立管１５，１６は、シリンダ３２毎に設けられており、吸気集合部１３は全ての吸気独立管１５，１６に分岐する前の部分である。以下、吸気マニホールド１１の中で、吸気独立管１５，１６の部分をまとめて吸気独立管部１２と称する。

一方の吸気ポート３４と、この吸気ポート３４に接続される吸気独立管１５とが、吸気集合部１３からシリンダ３２までの独立した吸気の流路である吸気独立流路２を形成する。また、他方の吸気ポート３７と、この吸気ポート３７に接続される吸気独立管１６とが、吸気集合部１３からシリンダ３２までの独立した吸気の流路である吸気独立流路３を形成する。

すなわち、シリンダ３２に連通する吸気独立流路２と吸気独立流路３とは、吸気集合部１３の下流側で分岐した後は互いに交わらず、それぞれ独立した流路を構成する。言い換えると、下流側から見たときに、二つの吸気独立流路２，３は、シリンダ３２から吸気集合部１３まで交わらず、吸気集合部１３にて合流する。吸気集合部１３は、吸気マニホールド１１に設けられたサージタンクとして、シリンダ３２や吸気系で発生しうる吸気脈動や吸気干渉を緩和するように機能する。

このように、エンジン１は、同一のシリンダ３２に接続される複数の吸気独立流路２，３と、吸気独立流路２，３のシリンダ３２側と反対側の端部に設けられ、吸気独立流路２，３が全て集合されてなる吸気集合部１３とを有する流路６を備える。また、エンジン１は、吸気独立流路２，３のシリンダ３２側の端部に各々設けられた吸気弁３６，３９を備えている。

本実施形態では、吸気ポート３４，３７及び吸気独立管１５，１６の断面形状が略円形状または略角断面形状に形成されており、一方の吸気ポート３４の内径は他方の吸気ポート３７の内径より小さく設定されている。また、一方の吸気独立管１５の内径は他方の吸気独立管１６の内径より小さく設定されている。つまり、各シリンダ３２の一方の吸気独立流路２の断面積Ｓ₁₁の方が、他方の吸気独立流路３の断面積Ｓ₁₂よりも小さく設定されている（Ｓ₁₁＜Ｓ₁₂）。このように、各シリンダ３２に連通する吸気独立流路２と吸気独立流路３とは、互いに断面積の大きさが異なるよう設定されている。

一方の吸気独立流路２を形成する吸気ポート３４及び吸気独立管１５の各断面積は、同一（又は略同一）に設定されている。同様に、他方の吸気独立流路３を形成する吸気ポート３７及び吸気独立管１６の各断面積も、同一（又は略同一）に設定されている。つまり、吸気独立流路２，３は、その全長にわたってほぼ一定の断面積を有する。

ここで、一方の吸気ポート３４の開口部３５の中心側端部から吸気独立管１５の吸気集合部１３側の端部までの長さを、吸気独立流路２の長さＬ₁と呼ぶ。同様に、他方の吸気ポート３７の開口部３８の中心側端部から吸気独立管１６の吸気集合部１３側の端部までの長さを、吸気独立流路３の長さＬ₂と呼ぶ。図１に示すように、各シリンダ３２の吸気独立流路２の長さＬ₁と吸気独立流路３の長さＬ₂とは、同一（又は略同一）に設定されている。

上述したように、一つのシリンダ３２に連通する吸気独立流路２及び吸気独立流路３は、互いに断面積が異なり、長さが同一（又は略同一）に設定されている。つまり、同一のシリンダ３２に連通する吸気独立流路２及び吸気独立流路３は、長さに対する断面積の比率が互いに異なるように設定されている。これは、後述する共振周波数ｆが、吸気独立流路２と吸気独立流路３とで異なるようにするためである。

吸気弁３６，３９は、第二可変バルブ機構５０ｂにより、一部の吸気弁を閉弁状態で休止されるようになっている。例えば、吸気弁３９を閉弁状態で休止して、吸気弁３６を開閉動作させることで、断面積の小さい吸気独立流路２のみに吸気を流通させることができる。反対に、吸気弁３６を閉弁状態で休止して、吸気弁３９を開閉動作させることで、断面積の大きい吸気独立流路３のみに吸気を流通させることができる。また、吸気弁３６及び吸気弁３９を何れも休止させずに開閉動作させることで、吸気独立流路２及び吸気独立流路３に共に吸気を流通させることができる。この場合が最も吸気が流れる流路の断面積が大きくなる。なお、これらの吸気弁３６，３９の動作は、全てのシリンダ３２で同一であるものとする。

［１−４．制御系，検出系］
エンジン１のクランクシャフト４９には、その回転角や回転速度を検出するエンジン回転速度センサー５５が設けられる。以下、ここで検出された回転速度のことを、単にエンジン回転数Ｎｅとも呼ぶ。このエンジン回転速度センサー５５が、エンジンの回転速度を検出する検出手段として機能する。なお、エンジン回転速度センサー５５で検出された回転角に基づいてエンジン制御装置７１の内部でエンジン回転数Ｎｅを演算する制御構成としてもよい。

本実施形態のエンジン１が適用される車両には、エンジン制御装置７１（ECU，Engine Electronic Control Unit）が設けられる。このエンジン制御装置７１は、例えばマイクロプロセッサやROM，RAM等を集積したLSIデバイスや組み込み電子デバイスとして構成され、車両に設けられた車載ネットワーク網の通信ラインに接続される。なお、車載ネットワーク上には、例えばブレーキ制御装置，変速機制御装置，車両安定制御装置，空調制御装置，電装品制御装置といったさまざまな公知の電子制御装置が、互いに通信可能に接続される。

エンジン制御装置７１は、エンジン１に関する点火系，燃料系，吸排気系及び動弁系といった広範なシステムを総合的に制御する電子制御装置である。エンジン制御装置７１の具体的な制御対象としては、可変バルブ機構５０を介しての吸気弁３６，３９及び排気弁４２，４５のバルブリフト量又はバルブタイミング、各シリンダ３２の点火時期、インジェクター６０からの燃料噴射量、スロットルバルブ６２の開度などが挙げられる。本実施形態では、エンジン回転数Ｎｅに応じて、吸気弁３６，３９及び排気弁４２，４５の一部を閉弁状態で休止させる休止制御について説明する。

［２．制御構成］
図２に示すように、エンジン制御装置７１には、上記の休止制御を実施するために、バルブリフト量制御部７２及びバルブタイミング制御部７３が設けられる。これらの各要素は電子回路（ハードウェア）によって実現してもよく、ソフトウェアとしてプログラミングされたものとしてもよいし、あるいはこれらの機能のうちの一部をハードウェアとして設け、他部をソフトウェアとしたものであってもよい。

バルブリフト量制御部７２（制御手段）は、エンジン回転数Ｎｅに応じて可変バルブ機構５０のバルブリフト量調整機構５３，５７に制御信号を出力し、吸気弁３６，３９及び吸気弁４２，４５のバルブリフト量を制御するものである。本実施形態のバルブリフト量制御部７２は、エンジン１の運転状態に応じてバルブリフト量を制御するとともに、エンジン回転数Ｎｅに基づいて吸気弁３６，３９及び排気弁４２，４５のうち一部の動作を休止させる休止制御を実施する。

バルブタイミング制御部７３（制御手段）は、エンジン回転数Ｎｅに応じて可変バルブ機構５０のバルブタイミング調整機構５４，５８に制御信号を出力し、吸気弁３６，３９及び排気弁４２，４５のそれぞれのバルブタイミング（開弁及び閉弁のタイミング）を変更するものである。本実施形態のバルブタイミング制御部７３は、エンジン１の運転状態に応じてバルブタイミングを制御する。なお、バルブリフト量制御部７２の代わりにバルブタイミング制御部７３が休止制御を実施する制御構成としてもよい。この場合、休止制御を実施するための条件はエンジン回転数Ｎｅに基づいて判定されることとしてもよい。

［３．休止制御］
休止制御では、エンジン回転数Ｎｅが低回転域（０≦Ｎｅ＜Ｎｅ₁）の場合，中回転域（Ｎｅ₁≦Ｎｅ＜Ｎｅ₂）の場合及び高回転域（Ｎｅ₂≦Ｎｅ）の場合に応じて、吸気弁３６，３９及び排気弁４２，４５の閉弁状態が制御される。以下に、各回転領域における休止制御について具体的に説明する。

エンジン回転数Ｎｅが所定の低回転域（０≦Ｎｅ＜Ｎｅ₁）にある場合は、複数の吸気独立流路２，３のうち断面積の小さい吸気独立流路２に吸気が流れ、複数の排気独立流路４，５のうち断面積の小さい排気独立流路４に排気が流れるように制御される。すなわち、バルブリフト量制御部７２により、断面積の大きい吸気独立流路３に設けられた吸気弁３９のバルブリフト量がゼロとなるようにバルブリフト量調整機構５３が制御される。これにより、吸気弁３９の動作が停止され、閉弁状態で休止される。

同様に、バルブリフト量制御部７２により、断面積の大きい排気独立流路５に設けられた排気弁４５のバルブリフト量がゼロとなるようにバルブリフト量調整機構５７が制御される。これにより、排気弁４５の動作が停止され、閉弁状態で休止される。このとき、各シリンダ３２における吸気弁３６及び排気弁４２は開閉動作することで、吸気ポート３４及び排気ポート４０のみが開放されることになり、吸気独立流路２及び排気独立流路４のみに吸気及び排気を流通させることができる。

エンジン回転数Ｎｅが所定の中回転域（Ｎｅ₁≦Ｎｅ＜Ｎｅ₂）にある場合は、断面積の大きい吸気独立流路３及び排気独立流路５に吸気及び排気が流れるように制御される。すなわち、バルブリフト量制御部７２により、断面積の小さい吸気独立流路２に設けられた吸気弁３６のバルブリフト量がゼロとなるようにバルブリフト量調整機構５３が制御される。これにより、吸気弁３６の動作が停止され、閉弁状態で休止される。

同様に、バルブリフト量制御部７２により、断面積の小さい排気独立流路４に設けられた排気弁４２のバルブリフト量がゼロとなるようにバルブリフト量調整機構５７が制御される。これにより、排気弁４２の動作が停止され、閉弁状態で休止される。このとき、各シリンダ３２における吸気弁３９及び排気弁４５は開閉動作することで、吸気ポート３７及び排気ポート４３のみが開放されることになり、吸気独立流路３及び排気独立流路５のみに吸気及び排気を流通させることができる。

エンジン回転数Ｎｅが所定の高回転域（Ｎｅ₂≦Ｎｅ）にある場合は、複数の吸気独立流路２，３の全てに吸気が流れ、複数の排気独立流路４，５の全てに排気が流れるように制御される。すなわち、バルブリフト量制御部７２により、吸気独立流路２，３に設けられた吸気弁３６，３９が動作するようにバルブリフト量調整機構５３が制御される。同様に、排気独立流路４，５に設けられた排気弁４２，４５が動作するようにバルブリフト量調整機構５７が制御される。これらにより、各シリンダ３２における吸気弁３６，３９及び排気弁４２，４５は、開閉動作し、吸気ポート３４，３７及び排気ポート４０，４３が開放されることになる。従って、全ての独立流路２，３及び４，５に吸気及び排気を流通させることができる。

［４．作用］
ここで、一般的な吸気系の慣性効果について、図３を用いて説明する。図３では、内部に空洞を有する空洞部７５に、開口部としてのネック部７６が設けられたヘルムホルツ共鳴器を模式的に示している。
吸気系の共振周波数ｆは、ヘルムホルツ共鳴器の振動から、次の式［１］で示される。

式［１］において、ａは音速，Ｓは図３に示すネック部７６の断面積，Ｌはネック部７６の長さ，Ｖは空洞部７５の容積を表す。上記の式［１］から分かるように、共振周波数ｆは、ネック部７６の断面積Ｓ及び長さＬと、空洞部７５の容積Ｖとによって決定する。ここで、空洞部７５をシリンダ３２に、ネック部７６を吸気独立流路２，３に対応させることで、エンジン１への慣性効果の影響を検することができる。

同一のシリンダ３２に連通する吸気独立流路２，３は、長さに対する断面積の比率が互いに異なるように設定されているため、式［１］から、これら二つの吸気独立流路２，３の共振周波数ｆ₁₁，ｆ₁₂は異なる。言い換えると、これら二つの吸気独立流路２，３の共振周波数ｆ₁₁，ｆ₁₂が異なるように、各長さＬ₁，Ｌ₂と、各断面積Ｓ₁₁，Ｓ₁₂とが設定されている。

吸気ポート３４，３７における吸気弁３６，３９の開弁に伴い、吸気の吸い込みにより吸気独立流路２，３の吸気弁３６，３９端に密度の低い負圧波が発生する。この負圧波が吸気独立流路２，３内を伝わり、開放端である吸気独立管１５，１６端で正圧波として反射して吸気弁３６，３９側に戻ってくる。この正圧波が、吸気弁３６，３９が開いている間に吸気弁３６，３９に到達することで、体積効率を向上させることができる慣性効果が生じる。

このような慣性効果は、吸気弁３６，３９が開いてから閉じるまでの間に吸気系の圧力振動の１サイクルが完了する圧力振動の周波数が、共振周波数に近づくことで上昇する。このため、仮にエンジン回転数Ｎｅ（吸気の間隔）及び開弁期間が変化した場合、慣性効果が上昇して最適な体積効率が得られる共振周波数ｆが変化することになる。このときの共振周波数ｆの逆数で表される周期１／ｆと、エンジン回転数Ｎｅと、吸気弁３６，３９が開弁している期間に相当する角度幅θとの関係は、次の式［２］で示される。なお、１２０／Ｎｅはクランクシャフト４９が２回転するエンジンの１サイクルの時間であり、θ／７２０°はエンジン１が２回転する際にバルブが開いている割合である。

式［２］を変形すると、次の式［３］が得られる。

さらに、式［３］の共振周波数ｆに式［１］を導入することで、式［４］の関係が導出される。

式［４］は、慣性効果が作用するエンジン回転数Ｎｅを示すものである。

式［４］から分かるように、吸気独立流路２，３の断面積が小さい場合、又は吸気独立流路２，３の長さ若しくはシリンダ３２の容積が大きい場合には、慣性効果が作用するエンジン回転数Ｎｅは小さくなる。一方、吸気独立流路２，３の断面積が大きい場合、又は吸気独立流路２，３の長さ若しくはシリンダ３２の容積が小さい場合には、慣性効果が作用するエンジン回転数Ｎｅは大きくなる。

上述した内容は、シリンダ３２と排気独立流路４，５からなる排気系の慣性効果についても同様であり、ネック部７６は排気独立流路４，５にも対応する。上記の式［１］から分かるように、シリンダ３２と排気独立流路４，５からなる排気系では、排気独立流路４，５の断面積、排気独立流路４，５の長さ、シリンダ３２の容積を変化させることで、排気系の共振周波数ｆを設定することができる。

本実施形態では、同一のシリンダ３２に連通する排気独立流路４，５は、長さに対する断面積の比率が互いに異なるように設定されているため、式［１］から、これら二つの排気独立流路４，５の共振周波数ｆ₂₁，ｆ₂₂は異なる。言い換えると、これら二つの排気独立流路４，５の共振周波数ｆ₂₁，ｆ₂₂が異なるように、各長さＬ₃，Ｌ₄と、各断面積Ｓ₂₁，Ｓ₂₂とが設定されている。

また、式［４］から分かるように、排気独立流路４，５の断面積が小さい場合、又は排気独立流路４，５の長さ若しくはシリンダ３２の容積が大きい場合には、慣性効果が作用するエンジン回転数Ｎｅは小さくなる。一方、排気独立流路４，５の断面積が大きい場合、又は排気独立流路４，５の長さ若しくはシリンダ３２の容積が小さい場合には、慣性効果が作用するエンジン回転数Ｎｅは大きくなる。

バルブリフト量制御部７２は、エンジン回転数Ｎｅが所定の低回転域（０≦Ｎｅ＜Ｎｅ₁）にある場合には、第二可変バルブ機構５０ｂを介して各シリンダ３２における吸気弁３９を閉弁状態で休止させる。また、バルブリフト量制御部７２は、第一可変バルブ機構５０ａを介して各シリンダ３２における排気弁４５を閉弁状態で休止させる。これにより、吸気独立流路２のみに吸気を流通させ、また排気独立流路４のみに排気を流通させる。

このとき、吸気独立流路２の断面積Ｓ₁₁は、吸気独立流路３の断面積Ｓ₁₂よりも小さく設定されているため、吸気系（吸気独立流路２）の共振周波数ｆ₁₁を、吸気独立流路３のみに吸気を流通させる場合の共振周波数ｆ₁₂よりも低い低周波数側に設定することができる。また、排気独立流路４の断面積Ｓ₂₁は、排気独立流路５の断面積Ｓ₂₂よりも小さく設定されているため、排気系（排気独立流路４）の共振周波数ｆ₂₁を、排気独立流路５のみに排気を流通させる場合の共振周波数ｆ₂₂よりも低い低周波数側に設定することができる。

バルブリフト量制御部７２は、エンジン回転数Ｎｅが所定の中回転域（Ｎｅ₁≦Ｎｅ＜Ｎｅ₂）にある場合には、第二可変バルブ機構５０ｂを介して各シリンダ３２における吸気弁３６を閉弁状態で休止させる。また、バルブリフト量制御部７２は、第一可変バルブ機構５０ａを介して各シリンダ３２における排気弁４２を閉弁状態で休止させる。これにより、吸気独立流路３のみに吸気を流通させ、また排気独立流路５のみに排気を流通させる。

このとき、吸気独立流路３の断面積Ｓ₁₂は、吸気独立流路２の断面積Ｓ₁₁よりも大きく設定されているため、吸気系（吸気独立流路３）の共振周波数ｆ₁₂を、吸気独立流路２のみに吸気を流通させる場合の共振周波数ｆ₁₁よりも高くすることができる。また、吸気独立流路３の断面積Ｓ₁₂は、吸気独立流路２，３の各断面積の合計（Ｓ₁₁＋Ｓ₁₂）よりも小さいため、吸気独立流路２，３の両方に吸気を流通させる場合の共振周波数ｆ₁₃よりも低くすることができる。これらにより、吸気系（吸気独立流路３）の共振周波数ｆ₁₂を中周波数側に設定することができる。

また、排気独立流路５の断面積Ｓ₂₂は、排気独立流路４の断面積Ｓ₂₁よりも大きく設定されているため、排気系（排気独立流路５）の共振周波数ｆ₂₂を、排気独立流路４のみに排気を流通させる場合の共振周波数ｆ₂₁よりも高くすることができる。また、排気独立流路５の断面積Ｓ₂₂は、排気独立流路４，５の各断面積の合計（Ｓ₂₁＋Ｓ₂₂）よりも小さいため、排気独立流路４，５の両方に排気を流通させる場合の共振周波数ｆ₂₃よりも低くすることができる。これらにより、排気系（排気独立流路５）の共振周波数ｆ₂₂を中周波数側に設定することができる。

バルブリフト量制御部７２は、エンジン回転数Ｎｅが所定の高回転域（Ｎｅ₂≦Ｎｅ）にある場合には、第二可変バルブ機構５０ｂを介して各シリンダ３２における吸気弁３６，３９を動作させる。また、バルブリフト量制御部７２は、可変バルブ機構５０ａを介して各シリンダ３２における排気弁４２，４５を動作させる。これにより、吸気独立流路２，３の両方に吸気を流通させ、排気独立流路４，５の両方に排気を流通させる。

このとき、吸気独立流路２，３の各断面積の合計（Ｓ₁₁＋Ｓ₁₂）が最も大きくなるため、吸気系の共振周波数ｆ₁₃を、吸気独立流路２，３の共振周波数ｆ₁₁，ｆ₁₂よりも高い高周波数側に設定することができる。また、排気独立流路４，５の各断面積の合計（Ｓ₂₁＋Ｓ₂₂）が最も大きくなるため、排気系の共振周波数ｆ₂₃を、排気独立流路４，５の共振周波数ｆ₂₁，ｆ₂₂よりも高い高周波数側に設定することができる。

以上のように、複数の吸気弁３６，３９のうち一部の吸気弁を閉弁状態で休止させる休止制御をすることにより、吸気が流通する流路の断面積を、Ｓ₁₁＜Ｓ₁₂＜Ｓ₁₁＋Ｓ₁₂の関係となるように変化させることで、吸気系の共振周波数ｆを、ｆ₁₁＜ｆ₁₂＜ｆ₁₃の関係となるように変化させることができる。また、複数の排気弁４２，４５のうち一部の排気弁を閉弁状態で休止させる休止制御をすることにより、排気が流通する流路の断面積を、Ｓ₂₁＜Ｓ₂₂＜Ｓ₂₁＋Ｓ₂₂の関係となるように変化させることで、排気系の共振周波数ｆを、ｆ₂₁＜ｆ₂₂＜ｆ₂₃の関係となるように変化させることができる。

図４は、本実施形態のエンジン１のエンジン回転数Ｎｅと排気効率との関係を示す図である。グラフＡは、排気独立流路４のみに排気が流通した場合、グラフＢは、排気独立流路５のみに排気が流通した場合、グラフＣは、排気独立流路４，５の両方に排気が流通した場合のエンジン回転数Ｎｅに対する排気効率を示す。図４に示すように、排気が流通する流路の断面積が小さく共振周波数ｆが低い場合には、エンジン１の低速回転域に排気効率のピークを持ち、断面積が大きく共振周波数ｆが高い場合には、エンジン１の高速回転域に排気効率のピークを持つ。

本実施形態のエンジン１は、低回転域（０≦Ｎｅ＜Ｎｅ₁）では排気弁４２が開弁し、中回転域（Ｎｅ₁≦Ｎｅ＜Ｎｅ₂）では排気弁４５が開弁し、高回転域（Ｎｅ₂≦Ｎｅ）では排気弁４２，４５の両方が開弁することで、排気系の共振周波数ｆを三段階に変化させることができる。これにより、エンジン回転数Ｎｅの全域において排気効率を高めるとともにトルクを向上させることができる。

また、本実施形態に係るエンジン１は、排気集合部２３の下流側に触媒６４を内蔵した排気管２４が接続されており、触媒６４の早期活性化のためにはエンジン１と触媒６４との距離を短くする必要がある。この場合、排気独立流路４，５の長さをできるだけ短くすることが有効である。そのため、上記の式［１］の長さＬを変更して排気系の共振周波数ｆを変更することは困難である。なお、シリンダ３２の容積は、共振周波数ｆ及び慣性効果以外の要素にも影響を与える場合があるため、シリンダ３２の容積を変更して排気系の共振周波数ｆを変更することも困難である。

そこで、本実施形態に係るエンジン１は、同一のシリンダ３２に連通する複数の排気独立流路４，５の断面積を異ならせることよって、共振周波数ｆの異なる複数の排気独立流路４，５を備えた排気系構造とすることができる。なお、排気系の共振周波数ｆは、式［１］に示すように断面積Ｓと長さＬとの比率に応じて変化するものである。このため、本実施形態に係るエンジン１では、同一のシリンダ３２に連通する複数の排気独立流路４，５の長さに対する断面積の比率が互いに異なるように設定することで、共振周波数ｆの異なる複数の排気独立流路４，５を備えた排気系構造とすることができる。
排気独立流路４，５の長さに対する断面積の比率が互いに異なるように設定するためには、以下に示すように長さ又は断面積を変更することにより行うことができる。

例えば、同一のシリンダ３２に連通する二本の排気独立流路４，５の長さが同じであり、且つ、断面積が同じである場合には、二本の排気独立流路４，５の長さに対する断面積の比率が等しくなり、共振周波数が互いに等しくなる。この場合、二本の排気独立流路の長さに対する断面積の比率が異なるように、いずれかの排気独立流路の断面積を変更することで、共振周波数が異なる複数の排気独立流路を備える排気系構造を提供することができる。

また、同一のシリンダ３２に連通する２本の排気独立流路の長さが、一方が他方の２倍の長さである場合には、長いほうの排気独立流路の断面積が短いほうの排気独立流路の断面積の２倍であると、２本の排気独立流路の長さに対する断面積の比率が等しくなり、共振周波数が互いに等しくなる。この場合、２本の排気独立流路の長さに対する断面積の比率が異なるように、いずれかの排気独立流路の断面積又は長さを変更することで、共振周波数が異なる複数の排気独立流路を備える排気系構造を提供することができる。

また、本実施形態に係るエンジン１では、排気独立流路４，５の断面積と長さとの比を一定にすることで、共振周波数を変化させずに排気独立流路４，５の断面積Ｓと長さＬとを変化させることができる。例えば、排気独立流路４，５の長さＬを２分の１にする場合であれば、排気独立流路４，５の断面積も２分の１にすることで、排気独立流路４，５の長さに対する断面積の比率を維持することにより、排気独立流路４，５の共振周波数の関係を変化させずにエンジン１と触媒６４との距離を短くして触媒６４の早期活性化させることができる。

また、式［１］から分かるように、排気系の共振周波数は、排気独立流路４，５の断面積Ｓと長さＬとにより表される√（Ｓ／Ｌ）に比例して変化するものである。このため、本実施形態に係るエンジン１では、同一のシリンダ３２に連通される排気独立流路４，５の断面積Ｓと長さＬとにより表される√（Ｓ／Ｌ）を変更することで、排気系の共振周波数ｆを変化させることができる。例えば、排気系の共振周波数ｆを２倍に設定する場合には、排気独立流路４，５の断面積を４倍にするか、又は排気独立流路４，５の長さを４分の１にすればよい。または、排気系の共振周波数ｆを２分の１に設定する場合には、排気独立流路４，５の断面積を４分の１にするか、又は排気独立流路４，５の長さを４倍にすればよい。

このようにして、同一のシリンダ３２に連通する排気独立流路４，５の断面積と長さとを変更して、排気独立流路４，５の長さに対する断面積の比率が互いに異なるように設定することで、共振周波数ｆの異なる複数の排気独立流路４，５を備えた排気系構造とすることができる。また、排気独立流路４，５に設けられた排気弁４２，４５のうち特定のバルブを休止させることで、排気系の共振周波数ｆをｆ₂₁＜ｆ₂₂＜ｆ₂₃の関係となるように変化させることができる。さらに、排気系の共振周波数ｆは、排気独立流路４，５をそれぞれ開閉させる排気弁４２，４５のうち、特定の排気弁を閉弁状態で休止させるだけで変化させることができるので、制御構成を簡素化することができる。

吸気系についても同様に、同一のシリンダ３２に連通する吸気独立流路２，３の断面積と長さとを異なるものにすることで、吸気系の共振周波数ｆをｆ₁₁＜ｆ₁₂＜ｆ₁₃の関係となるように変化させることができる。さらに、吸気系の共振周波数ｆは、吸気独立流路２，３をそれぞれ開閉させる吸気弁３６，３９のうち、特定の吸気弁を閉弁状態で休止させるだけで変化させることができるので、制御構成を簡素化することができる。

［５．効果］
（１）上記のエンジン１では同一のシリンダ３２から吸気集合部１３又は排気集合部２３までを互いに断面積の異なる複数の吸気独立流路２，３又は排気独立流路４，５で形成する。さらに、複数の吸気独立流路２，３又は排気独立流路４，５に設けられた複数の吸気弁３６，３９又は排気弁４２，４５のうち特定のバルブを、可変バルブ機構５０により閉弁状態で休止させることで、空気の流れる流路を断面積の異なる複数の独立流路に切り替える。これにより、エンジン回転数Ｎｅに適合するように空気の流れる流路の共振周波数ｆを変化させることができ、慣性効果が得られる。すなわち、エンジン回転速度を共振周波数に合うように変化させるのではなく、エンジン回転速度にあわせて慣性効果が十分得られるように共振周波数を変化させることができる。そのため、吸気流路に適用した場合には吸気効率を高めることができ、排気流路に適用した場合には排気効率を高めることができる。このようにして、エンジンの運転状態に影響を与えることなく、慣性効果によりエンジン１の体積効率を高めることにより、トルクを向上させることができる。

言い換えると、上記のエンジン１では、同一のシリンダ３２に対して、互いに断面積の異なる複数の独立流路２，３及び４，５が設けられるため、例えば図７のようなシリンダヘッド１０３内で排気ポート１０４が合流するとともに、この合流した流路が独立管１２５へと連通する従来のエンジン１０１に比べて、一つのシリンダ３２に対して断面積の小さい独立流路２，４がそれぞれ接続されることになる。そのため、本エンジン１は、仮に独立流路２，４の長さが従来のエンジン１０１と同一であったとしても、従来のエンジン１０１の流路が有する共振周波数よりも低い共振周波数ｆを持った流路を備えることができる。さらに、互いに断面積の異なる複数の独立流路２，３及び４，５を可変バルブ機構５０によって切り替えることで、共振周波数ｆを複数段（上記実施形態では三段階）に切り替えることができる。これにより、エンジン回転数Ｎｅに合った共振周波数ｆを持つ流路に吸気及び排気を流すことができ、吸気効率及び排気効率を高めることができる。

また、排気流路に適用した場合、本エンジン１は、複数の排気独立流路４，５の断面積を互いに異なるものとすることで、低い共振周波数ｆを持った流路を形成している。つまり、排気独立流路４，５の断面積を小さくすることで、共振周波数ｆを低下させることができるため、排気独立流路４，５の長さは短く設定することができる。言い換えると、排気独立流路４，５を短い長さに設定した場合であっても共振周波数ｆを低中周波数側に設定できるように、排気独立流路４，５の断面積を設定することで、触媒６４を排気集合部２３の直下流に配置することが可能となる。

これにより、触媒６４に高温の排気を流入させることができ、触媒６４を早期に活性化させることができる。また、排気独立流路４，５の長さを短くすることで、流路７（排気マニホールド２１）全体を小型化することができ、触媒６４をエンジン１の近傍に配置することができるため、エンジン１の熱によっても触媒６４を昇温することができる。これらによって、エンジン１の低温始動時の排ガス性能を向上させることができる。
従って、上記のエンジン１では、エンジン１の低温始動時における排ガス浄化性能の向上と、排気効率を高めることによるトルクの向上とを両立させることができる。

さらに、共振周波数ｆは、式［１］に示すように、ネック部７６の長さＬに対する断面積Ｓの比率によって決定する。上記のエンジン１では、同一のシリンダ３２に連通する複数の吸気独立流路２，３又は排気独立流路４，５が、シリンダ３２から各集合部１３，２３までの長さに対する断面積の比率が互いに異なる。このため、共振周波数ｆの異なる流路を確実に設定することができ、空気が流通する流路を切り替えることにより、エンジン回転数Ｎｅに適合するようにエンジン１の吸気系又は排気系の共振周波数ｆを変化させることができる。これによって、吸気効率又は排気効率を高め、トルクを向上させることができる。

（２）上記のエンジン１では、バルブリフト量制御部７２により、エンジン回転数Ｎｅに基づいて吸気弁３６，３９又は排気弁４２，４５の閉弁状態が制御されて、空気が流通する流路を切り替えることができる。このような制御によって、エンジン１の運転状態に適した吸気系又は排気系の共振周波数ｆを得ることができ、吸気効率又は排気効率を高め、トルクを向上させることができる。

（３）上記のエンジン１では、バルブリフト量制御部７２が、エンジン回転数Ｎｅが低いほど断面積の小さい流路（吸気独立流路２，排気独立流路４）に空気が流れるように、吸気弁３６，３９又は排気弁４２，４５の閉弁状態を変更する。これによって、エンジン回転数Ｎｅの低い低中回転域における吸気効率や排気効率を高め、トルクを向上させることができる。

（４）上記のエンジン１では、バルブリフト量制御部７２により、エンジン回転数Ｎｅが低回転域，中回転域及び高回転域の場合において、それぞれ特定の流路に空気が流れるよう吸気弁３６，３９又は排気弁４２，４５の閉弁状態が制御される。このように、エンジン回転数Ｎｅに基づいてバルブの閉弁状態を制御することで、エンジン１の運転状態に適した共振周波数ｆを得ることができ、吸気効率や排気効率を高め、トルクを向上させることができる。

［６．変形例］
上述した実施形態に関わらず、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。本実施形態の各構成は、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせてもよい。

上述の実施形態では、一つのシリンダ３２に、二つの吸気ポート３４，３７及び二つの排気ポート４０，４３を備えたエンジン１について説明したが、吸気ポート又は排気ポートの数はこれに限定されない。例えば、図５に示すように、一つのシリンダ８２に、二つの吸気ポート８３，８４と三つの排気ポート８５，８７，８９とを備えたエンジン８１としてもよい。

この場合、排気ポート８５，８７，８９に接続される排気マニホールド９１は、排気独立管９４，９５，９６からなる排気独立管部９２と、排気独立管９４，９５，９６の下流側に接続されて排気独立管９４，９５，９６を集合させている排気集合部９３とを有する。排気独立管９４，９５，９６は、それぞれ排気ポート８５，８７，８９に接続されている。排気ポート８５，８７，８９の開口部にはそれぞれ、開口部を開閉させる排気弁８６，８８，９０が設けられている。排気マニホールド９１の排気集合部９３の下流側に、排気を外部へ導く排気管２４が接続されており、この排気管２４には、触媒６４が設けられる。

各シリンダ８２に設けられた排気ポート８５と独立管９４とからなる排気独立流路９７の断面積Ｓ₃₁と、排気ポート８７と独立管９５とからなる排気独立流路９８の断面積Ｓ₃₂と、排気ポート８９と独立管９６とからなる排気独立流路９９の断面積Ｓ₃₃とは、Ｓ₃₁，Ｓ₃₂，Ｓ₃₃の順に大きくなるよう設定されている（Ｓ₃₁＜Ｓ₃₂＜Ｓ₃₃）。すなわち、変形例に係るエンジン８１では、各シリンダ８２に設けられた排気独立流路９７と、排気独立流路９８と、排気独立流路９９とが互いに断面積の大きさが異なるよう設定されている。また、断面積Ｓ₃₁と、断面積Ｓ₃₂と、断面積Ｓ₃₃とが、以下の式［５］の関係となるよう設定されている。
Ｓ₃₁＜Ｓ₃₂＜Ｓ₃₁＋Ｓ₃₂＜Ｓ₃₃＜Ｓ₃₁＋Ｓ₃₃＜Ｓ₃₂＋Ｓ₃₃＜Ｓ₃₁＋Ｓ₃₂＋Ｓ₃₃ 式［５］

このとき、排気弁８６，８８，９０について、上述の実施形態と同様の制御を実施することが可能である。すなわち、排気弁８８，９０を閉弁状態で休止させて、排気弁８６が開弁するように動作させることにより、断面積Ｓ₃₁の排気独立流路９７のみに排気を流通させることができる。同様に、排気弁８６，９０を休止させることにより、断面積Ｓ₃₂の排気独立流路９８のみに排気を流通させることができる。また、排気弁８６，８８を休止させることにより、断面積Ｓ₃₃の排気独立流路９９のみに排気を流通させることができる。

また、排気弁９０を休止させることにより、断面積の合計がＳ₃₁＋Ｓ₃₂となる排気独立流路９７及び９８に排気を流通させることができる。また、排気弁８８を休止させることにより、断面積の合計がＳ₃₁＋Ｓ₃₃となる排気独立流路９７及び９９に排気を流通させることができる。また、排気弁８６を休止させることにより、断面積の合計がＳ₃₂＋Ｓ₃₃となる排気独立流路９８及び９９に排気を流通させることができる。さらに、排気弁８６，８８，９０が全て開弁するように動作させることにより、断面積の合計がＳ₃₁＋Ｓ₃₂＋Ｓ₃₃となる排気独立流路９７，９８，９９全てに排気を流通させることができる。

このような制御の場合、排気が流通する断面積に応じて、排気系の共振周波数ｆが変化する。ここでは排気が流通する流路の断面積を、上記の式［５］の関係となるように順に変化させることで、排気系の共振周波数ｆを七段階に変化させることができる。

図６は、変形例に係るエンジン８１のエンジン回転数Ｎｅと排気効率との関係を示す図である。グラフＤ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｉ，Ｊは、それぞれ排気が流通する流路を切り替えた場合のエンジン回転数Ｎｅに対する排気効率の関係を示す。なお、低回転側のグラフＤが最も断面積の小さい排気独立流路９７に排気が流通した場合であり、高回転側のグラフほど断面積が大きい流路に排気が流通した場合を示す。つまり、グラフＤ〜Ｊは、上記の式［５］の七段階の断面積の関係に対応する。

図６に示すように、エンジン回転数Ｎｅ（０〜Ｎｅ₃，Ｎｅ₃〜Ｎｅ₄，Ｎｅ₄〜Ｎｅ₅，Ｎｅ₅〜Ｎｅ₆，Ｎｅ₆〜Ｎｅ₇，Ｎｅ₇〜Ｎｅ₈，Ｎｅ₈〜）に応じて特定の排気弁を閉弁させることにより、排気系の共振周波数を七段階に変化させることができ、上述の実施形態と同様に、エンジン回転数Ｎｅの全域において排気効率を高めるとともにトルクを向上させることができる。例えば、エンジン回転数ＮｅがＮｅ₃≦Ｎｅ＜Ｎｅ₄である場合には、グラフＥに対応する排気独立流路９８のみに排気を流通させることで高い排気効率を得ることができる。

また、変形例に係るエンジン８１によれば、互いに断面積が異なる三つの排気独立流路９７，９８，９９を備え、排気の流れる１乃至３の流路を切り替えることにより、上記実施形態よりも多段階的にエンジン回転数Ｎｅに合致させるよう共振周波数ｆを設定することができる。このため、排気効率の落ち込みを抑えて、より連続的に排気効率を高めることができる。

上述の実施形態では、エンジン１とその吸気系と排気系の両方について説明したが、排気系に適用されることで、排気効率の向上に加え、触媒の早期活性化という効果を得ることができる。このため、排気系のみに本発明の構成を適用したものであってもよい。

また、上述の実施形態では、四つのシリンダ３２を有する４気筒エンジン１に適用したものを例示したが、シリンダ３２の数は限定されず、単気筒エンジンにも、四気筒以外の多気筒エンジンにも適用することができる。
また、上述の実施形態では、ガソリンエンジンを例示したが、エンジン１の種類は限定されず、ディーゼルエンジンであってもよい。

また、上述の実施形態では、排気集合部２３の下流側に排気管２４が接続され、排気管２４の内部に触媒６４が設けられるものを例示したが、排気集合部２３が排気の下流側に延長されて、排気マニホールド２１に触媒６４が設けられるようにしてもよい。

また、上述の実施形態では、吸気管１４にはスロットルボディが介装され、スロットルボディの内部にはスロットルバルブ６２が内蔵されるものを例示したが、可変バルブ機構５０により吸気量を制御することで、スロットルボディ及びスロットルバルブ６２を備えないスロットルレスとしてもよい。

また、上述の実施形態では、吸気独立流路２，３及び排気独立流路４，５について、その全長にわたってほぼ一定の断面積を有するものを例示したが、同一のシリンダ３２に連通する吸気独立流路２，３又は排気独立流路４，５は、その共振周波数ｆ₁₁，ｆ₁₂又は共振周波数ｆ₂₁，ｆ₂₂がそれぞれ異なるように各断面積が設定されていればよい。このため、吸気独立流路２，３又は排気独立流路４，５の断面積を適宜変更して、断面積が流路の途中で変化するものであってもよい。吸気独立流路２の断面積を変更する場合には、吸気ポート３４，３７の断面積を変化させてもよく、吸気独立管１５，１６の断面積を変化させてもよく、あるいはこれらの両方を変化させてもよい。排気独立流路４，５の断面積を変更する場合には、排気ポート４０，４３の断面積を変化させてもよく、排気独立管２５，２６の断面積を変化させてもよく、あるいはこれらの両方を変化させてもよい。

上述の実施形態では、図４を参照して、バルブの制御により排気の流れる流路を切り替えることで、排気系の共振周波数ｆを三段階に変化させる場合について説明したが、共振周波数ｆの変化はこれに限定されない。例えば、エンジン回転数Ｎｅが低回転域にある場合には排気弁４５を休止させることで排気弁４２を動作させて、中・高回転域にある場合には排気弁４２，４５の両方を動作させることにより、排気系の共振周波数ｆを二段階に変化させてもよい。

１ エンジン
２，３ 吸気独立流路（独立流路）
４，５ 排気独立流路（独立流路）
６，７ 流路
１１ 吸気マニホールド
１２ 吸気独立管部
１３ 吸気集合部（集合部）
１５，１６ 吸気独立管
２１ 排気マニホールド
２２ 排気独立管部
２３ 排気集合部（集合部）
２５，２６ 排気独立管
３２ シリンダ
３３ シリンダヘッド
３４，３７ 吸気ポート
３５，３８ 吸気ポートの開口部
３６，３９ 吸気弁（バルブ）
４０，４３ 排気ポート
４２，４５ 排気弁（バルブ）
５０ 可変バルブ機構
５５ エンジン回転速度センサー（検出手段）
７１ エンジン制御装置
７２ バルブリフト量制御部（制御手段）
７３ バルブタイミング制御部（制御手段）

Claims (5)

1. 同一のシリンダに接続され互いに断面積の異なる複数の独立流路と、該複数の独立流路の前記シリンダ側と反対側の端部に設けられ、前記独立流路が全て集合されてなる集合部とを有する流路と、
   前記複数の独立流路の前記シリンダ側の端部に各々設けられた複数のバルブと、
   前記複数のバルブのうち一部のバルブを閉弁状態で休止可能な可変バルブ機構と、
   前記シリンダの上面に固定されるシリンダヘッドと、を備え、
   前記複数の独立流路は、前記シリンダから前記集合部までの長さが同一であり、
   前記シリンダヘッドは、
   前記複数の独立流路のうち前記断面積の大きい前記独立流路が接続される、断面積の大きい吸気ポート及び排気ポートと、
   前記複数の独立流路のうち前記断面積の小さい前記独立流路が接続される、断面積の小さい吸気ポート及び排気ポートと、を有し、
   前記断面積の大きい吸気ポート及び排気ポートと、前記断面積の小さい吸気ポート及び排気ポートとが、上面視で点火プラグを挟んで対角線状に設けられる
   ことを特徴とする、エンジン。
2. エンジン回転速度を検出する検出手段と、
   前記可変バルブ機構を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記検出手段で検出された前記エンジン回転速度に基づいて前記バルブの閉弁状態を変更するように前記可変バルブ機構を制御する
   ことを特徴とする、請求項１に記載のエンジン。
3. 前記制御手段は、前記検出手段で検出された前記エンジン回転速度が低いほど、前記複数の独立流路のうち前記断面積の小さい前記独立流路に空気が流れるように、前記バルブの閉弁状態を変更する
   ことを特徴とする、請求項２に記載のエンジン。
4. 前記同一のシリンダには、互いに断面積の異なる二つの独立流路が接続され、
   前記制御手段は、
   前記検出手段で検出された前記エンジン回転速度が低回転域の場合に、前記二つの独立流路のうち前記断面積の大きい前記独立流路に設けられた前記バルブを閉弁し、
   前記検出手段で検出された前記エンジン回転速度が中回転域の場合に、前記二つの独立流路のうち前記断面積の小さい前記独立流路に設けられた前記バルブを閉弁し、
   前記検出手段で検出された前記エンジン回転速度が高回転域の場合に、前記二つの独立流路に設けられた前記バルブを何れも開弁する
   ことを特徴とする、請求項２又は３記載のエンジン。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のエンジンと、前記エンジンの排気中に含まれる物質を浄化、分解、又は除去する触媒とを備える排気系構造であって、
   前記流路が排気流路であり、
   前記集合部の下流側に、前記触媒が設けられた排気管をさらに備える
   ことを特徴とする、排気系構造。

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