JP6468443B2 - 多気筒エンジンの排気構造 - Google Patents

Description

本発明は、列状に並ぶ複数の気筒が内部に形成されたエンジン本体を備え、燃料と空気との混合気を圧縮して自己着火させるＣＩ燃焼が各気筒で実行可能な多気筒エンジンに適用される排気構造に関する。

燃料と空気との混合気を圧縮して自己着火させるＣＩ燃焼（圧縮自己着火燃焼）は、例えばガソリンエンジンの分野で広く採用されているＳＩ燃焼（点火プラグにより混合気を強制的に着火させる燃焼）と比べて、燃焼期間が短く、より高い熱効率が得られるなどの利点がある。

上記のようなＣＩ燃焼を採用したエンジン（以下、ＣＩエンジンという）では、熱効率に優れる分、エンジン本体（気筒）から排出される排気ガスの温度が低くなる傾向にある。この場合において、排気ガスを浄化するための触媒装置がエンジン本体から遠い位置に設けられたのでは、触媒装置の活性化が十分に図られず、触媒装置による排気ガスの浄化性能を十分に確保できないおそれがある。このため、ＣＩエンジンでは、触媒装置をエンジン本体のできるだけ近くに配置することが望まれる。さらに近年、排気ガスに関する規制はますます厳しくなっており、このような厳しい規制をクリアするために触媒装置は大型化する傾向にある。

ＣＩエンジンにおいて、上記のように大型化した触媒装置をエンジン本体の近傍に効率よく配置するための構造として、エンジン本体の排気側の面に触媒装置を立向きの姿勢（中心軸心が概ね上下方向を向く姿勢）で取り付けることが提案される。

例えば、下記特許文献１には、ＣＩエンジンではないものの、立向きに配置された触媒装置をエンジン本体の排気側の面にブラケット（支持ピース）を介して固定するとともに、この触媒装置の上面に近距離で排気ガスが導入されるように構成した多気筒エンジンが開示されている。

特開２０１１−１２６４２２号公報

上記特許文献１の技術では、エンジン本体から排出された直後の高温の排気ガスを触媒装置に導入できるとともに、他の部品とのレイアウトと両立しつつ触媒装置の容積を拡大できるといった利点がある。

しかしながら、上記特許文献１では、触媒装置の上面がエンジン本体の排気ポートにほぼ直接接続されているため、触媒装置に流入する際の排気ガスの流れが気筒ごとに大きくばらつく結果、気筒によっては、触媒装置内の触媒のごく一部にしか排気ガスがあたらなくなってしまい、全体として十分な排気ガスの浄化性能が得られなくなるおそれがあった。

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、触媒装置を立向きに配置しつつ排気ガスの浄化性能を十分に確保することが可能な多気筒エンジンの排気構造を提供することを目的とする。

前記課題を解決するためのものとして、本発明は、複数の気筒が車両前後方向に沿って列状に並ぶ縦置きの姿勢で配設されたエンジン本体を備え、燃料と空気との混合気を圧縮して自己着火させるＣＩ燃焼が前記各気筒で実行可能な多気筒エンジンに適用される排気構造であって、前記エンジン本体の車幅方向一方側の面に取り付けられ、前記複数の気筒から排出された排気ガスが流通する平面視ループ状の排気マニホールドと、前記排気マニホールドの下流側に設けられ、前記エンジン本体の車幅方向一方側の面に沿って上流側よりも下流側の方が高さが低くなる立向きの姿勢で配置された触媒装置とを備え、前記排気マニホールドは、前記エンジン本体の上部に接続されるとともに前記複数の気筒にそれぞれ連通する複数の独立排気管と、各独立排気管の下流端が集合した集合部と、集合部から平面視で９０°よりも大きく方向転換するように湾曲しつつ下流側に延び、前記触媒装置の上面部に斜め上方から接続される共通排気管とを有し、前記複数の独立排気管は、平面視において、前記エンジン本体の車幅方向一方側の面から面外方向に離間するように延びた後、前記集合部に向かって車両前側に方向転換するように湾曲しつつ下流側に延び、かつ、車両後側の気筒の独立排気管が車両前側の気筒の独立排気管よりも外側のループを描くように形成されている、ことを特徴とするものである（請求項１）。

本発明によれば、触媒装置がエンジン本体の車幅方向一方側の面に沿って立向きに配置されているので、触媒装置の上面部の高さが高くなり、例えばエンジン本体の下面（もしくは車室フロア）と同程度の高さ位置において触媒装置を水平向きに配置した場合と異なり、エンジン本体の上部と触媒装置とをつなぐ排気マニホールドの管長を短くすることができる。これにより、エンジン本体（気筒）から排出されて間もない高温の排気ガスを触媒装置に導入できるので、ＣＩ燃焼が実行されるために排気ガスの温度が低くなる傾向にあるにもかかわらず、触媒装置内の触媒の活性化を効率よく図ることができ、当該触媒による排気ガスの浄化性能を十分に確保することができる。また、排気マニホールドの下流端からエンジン本体の下面付近までの高さスペースを利用して触媒装置の上下寸法を拡大できるので、その内部の触媒の容量を十分に増やすことができ、その意味でも排気ガスの浄化性能を高めることができる。

一方で、前記のように触媒装置を立向きに配置した場合、排気マニホールドの管長が短くなるので、その形状によっては、触媒装置内に流入する排気ガスの流れが気筒間で大きくばらつくことが想定される。すると、気筒によっては、触媒のごく一部にしか排気ガスがあたらなくなり、排気ガスの浄化性能を十分に確保できなくなるおそれがある。これに対し、本発明では、排気マニホールドにおける集合部よりも下流側の部分が、平面視で９０°よりも大きく方向転換するように湾曲した共通排気管とされているので、各気筒から排出されて触媒装置に流入する排気ガスは、触媒装置に流入する前に、大きく湾曲した共通排気管を通過するのに伴って十分に整流される。しかも、共通排気管の下流端が触媒装置の上面部に斜め上方から接続されるので、共通排気管から触媒装置内に流入する整流された排気ガスが、触媒の上端面に対し斜め方向に接近する結果、当該上端面におけるより広い面積に排気ガスがあたるようになる。これにより、触媒に対する排気ガスのあたり方が気筒間で均一化され、いずれの気筒から排出された排気ガスに対しても触媒による浄化性能を十分に発揮させることができる。

本発明において、好ましくは、前記共通排気管は、平面視において、前記集合部から前記エンジン本体に近づきつつ車両後側に方向転換するように湾曲している（請求項２）。

この構成によれば、排気マニホールドが全体として平面視で一回転するようなループ状に形成されるので、各気筒からの排気ガスを整流する区間を十分に確保しながら、エンジン本体からの面外方向の突出代が少ないコンパクトな構造の排気マニホールドを実現することができる。

前記エンジン本体は、前記気筒ごとに、前記独立排気管と気筒とを互いに連通する排気ポートと、排気ポートを開閉する排気弁とを有し、前記排気弁は、前記ＣＩ燃焼の実行時、前記気筒から排出された排気ガスを逆流させて気筒に戻すために、排気行程だけでなく吸気行程でも開弁されることがある。この場合、前記複数の独立排気管のそれぞれの容積は、前記ＣＩ燃焼時に前記各気筒に戻される排気ガスの量の最大値の１／２に相当する容積よりも大きい値に設定されることが好ましい（請求項３）。

この構成によれば、気筒に戻される排気ガス（内部ＥＧＲガス）の量の多くを自気筒から排出された排気ガスにより賄うことができる（他気筒からの排気ガスが自気筒に混入するのを抑制できる）ので、例えばエンジン負荷が変化する過渡運転時のように、気筒ごとに燃料の噴射量がばらつく（そのために各気筒から排出される排気ガスの温度がばらつく）ような状況下でも、各気筒に戻される排気ガスの温度をある程度高い精度で予測することができ、その予測に基づいて内部ＥＧＲ量を増減させることにより各気筒でのＣＩ燃焼を安定化させることができる。

前記構成において、より好ましくは、前記触媒装置は、上方ほど車両前側に位置するように傾いた姿勢で上下方向に延設されており、前記触媒装置の上面部における車両前側に偏った位置に前記共通排気管の下流端が接続される（請求項４）。

このように触媒装置を傾斜させつつ立向きに配置した場合には、触媒装置を真っ直ぐ上下方向に延びるように配設した場合と異なり、触媒装置の中心軸に沿った寸法（長手寸法）を拡大できるので、その内部の触媒の容量をより増やすことができる。また、このように傾斜配置された触媒装置に対し、その上面部における車両前側に偏った位置に共通排気管の下流端が接続されるので、当該接続部の高さが若干低くなる分、共通排気管を取り回す自由度が向上する。これにより、触媒の容量を十分に確保しながら、排気ガスの整流のために大きく湾曲させる必要のある共通排気管を、集合部から触媒装置にかけて無理なく配設することができる。

前記のように触媒装置が傾斜配置される場合、前記エンジン本体は、前後方向視において、エンジン本体の上部が排気側に傾くような姿勢で配置されていてもよい（請求項５）。

このようにエンジン本体が排気側に傾いている場合には、触媒装置を配設可能な上下方向のスペースが、エンジン本体が傾いていない場合に比べて若干減少することになる。しかしながら、このように上下方向のスペースが減少した場合でも、触媒装置が前記のように傾斜配置された構成によれば、触媒装置の容量を十分に確保することができる。

以上説明したように、本発明の多気筒エンジンの排気構造によれば、触媒装置を立向きに配置しつつ排気ガスの浄化性能を十分に確保できる等の利点がある。

本発明の排気構造が適用された多気筒エンジンの一実施形態を示す斜視図である。 上記エンジンの側面図である。 上記エンジンの平面図である。 上記エンジンの正面図である。 エンジン本体の内部構造を示す概略断面図である。 上記エンジンの排気通路を吸気側の斜め上方から見た斜視図である。 上記排気通路を吸気側から見た側面図である。 上記排気通路を上方から見た一部切欠き平面図である。 排気マニホールドから触媒に流入する排気ガスの流れを説明するための図である。 吸気弁および排気弁のリフト特性を示す図である。 エンジンの運転領域に応じた燃焼モードの相違を説明するためのマップ図である。 上記実施形態の変形例を説明するための図３相当図である。

（１）エンジンの全体構成
図１〜図４は、本発明の排気構造が適用された多気筒エンジンの一実施形態を示す斜視図、側面図、平面図、および正面図である。これらの図に示されるエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載される車載用の多気筒ガソリンエンジンであり、車両の前部に形成されたエンジンルームＥの内部に図外のエンジンマウントを介して取り付けられている。このエンジンは、列状に並んだ６つの気筒２Ａ〜２Ｆ（図３）が内部に形成された直列６気筒型のエンジン本体１と、エンジン本体１で生成された燃焼ガス（排気ガス）を外部に排出するための排気通路３０と、エンジン本体１に空気を導入するための吸気通路８０（図５）とを備えている。エンジン本体１は、上記６つの気筒２Ａ〜２Ｆが並ぶ方向である気筒列方向が車両の前後方向と平行になる縦置きの姿勢でエンジンルームＥに配設されている。

図５は、エンジン本体１の内部構造を示す概略断面図である。この図５および先の図１〜図４に示すように、エンジン本体１は、前後方向に長尺なブロック状のシリンダブロック３と、シリンダブロック３の上面に取り付けられたシリンダヘッド４と、シリンダブロック３の下面に取り付けられたオイルパン５とを有している。シリンダブロック３およびシリンダヘッド４の内部には、上記６つの気筒２Ａ〜２Ｆが前後方向に並ぶように形成されており、各気筒２Ａ〜２Ｆにはピストン１５（図５）が往復摺動可能に収容されている。なお、以下では、気筒２Ａ〜２Ｆを特に区別せずに指すときは、単に気筒２というものとする。

図５に示すように、ピストン１５の上方には燃焼室Ｃが画成されており、この燃焼室Ｃには、後述するインジェクタ１１からの噴射によって燃料が供給される。そして、噴射された燃料が燃焼室Ｃで燃焼し、その燃焼による膨張力で押し下げられたピストン１５が上下方向に往復運動する。なお、当実施形態のエンジンはガソリンエンジンであるため、燃料としてはガソリンが用いられる。ただし、燃料の全てがガソリンである必要はなく、例えばアルコール等の副成分が燃料に含まれていてもよい。

シリンダブロック３の下部には、エンジン本体１の出力軸であるクランク軸１６が前後方向に延びるように配設されている。ピストン１５は、クランク軸１６とコネクティングロッド１７を介して連結されており、上記ピストン１５の往復運動に応じてクランク軸１６が中心軸回りに回転するようになっている。

シリンダヘッド４には、気筒２（２Ａ〜２Ｆ）ごとに、吸気通路８０から供給される空気を燃焼室Ｃに導入するための吸気ポート６と、燃焼室Ｃで生成された燃焼ガス（排気ガス）を排気通路３０に導出するための排気ポート７と、吸気ポート６の燃焼室Ｃ側の開口を開閉する吸気弁８と、排気ポート７の燃焼室Ｃ側の開口を開閉する排気弁９とがそれぞれ設けられている。

吸気弁８および排気弁９は、シリンダヘッド４に配設された一対のカム軸等を含む動弁機構１８，１９により、クランク軸１６の回転に連動して開閉駆動される。

吸気弁８用の動弁機構１８には、吸気弁８のリフト量を連続的に（無段階で）変更することが可能な可変機構１８ａが組み込まれている。このような構成の可変機構１８ａは、連続可変バルブリフト機構（ＣＶＶＬ）などとして既に公知であり、具体的な構成例として、吸気弁８を駆動するためのカムをカム軸の回転と連動して往復揺動運動させるリンク機構と、リンク機構の配置（レバー比）を可変的に設定するコントロールアームと、コントロールアームを電気的に駆動することによって上記カムの揺動量（吸気弁８を押し下げる量と期間）を変更するステッピングモータとを備えたものを挙げることができる。

上記の可変機構１８ａにより吸気弁８のリフト量が変更されるのに伴い、吸気弁８のリフト特性は、図１０に示すように、リフト量の大きい実線で示すリフトカーブＩＮと、リフト量の小さい破線で示すリフトカーブＩＮ’との間で無段階に変更される。吸気弁のリフト特性が小リフトのカーブＩＮ’に近い特性になるほど気筒２（燃焼室Ｃ）に導入される空気量が減少し、大リフトのカーブＩＮに近い特性になるほど気筒２に導入される空気量が増大する。

排気弁９用の動弁機構１９には、吸気行程中に排気弁９を押し下げる動作を有効または無効にする切替機構１９ａが組み込まれている。すなわち、この切替機構１９ａは、排気弁９を排気行程だけでなく吸気行程でも継続して開弁可能にするとともに、この吸気行程中の排気弁９の開弁動作（以下、延長開弁ともいう）を実行するか停止するかを切り替える機能を有している。

このような構成の切替機構１９ａは既に公知であり、その具体例として、排気弁９を駆動するための通常のカム（排気行程中に排気弁９を押し下げるカム）とは別に吸気行程中に排気弁９を押し下げるサブカムと、このサブカムの駆動力が排気弁９に伝達されるのを有効または無効にするいわゆるロストモーション機構とを備えたものを挙げることができる。

上記の切替機構１９ａによりサブカムの動作切り替えが行われるのに伴い、排気弁９のリフト特性は、図１０に示すように、開弁期間が主に排気行程のみに設定される実線で示すリフトカーブＥＸと、開弁期間が排気行程から吸気行程まで継続する破線で示すリフトカーブＥＸ’との間で択一的に切り替えられる。サブカムによる排気弁９の押し下げが有効にされて破線のリフトカーブＥＸ’が選択されると、排気弁９の開弁期間が吸気行程まで継続される延長開弁が実現されることにより、高温の排気ガスが排気ポート７から気筒２（燃焼室Ｃ）に逆流する、いわゆる内部ＥＧＲが実現される。これにより、気筒２の高温化が図られるとともに、気筒２に導入される空気の量が減少する。

図５に示すように、シリンダヘッド４には、燃焼室Ｃに向けて燃料（ガソリン）を噴射するインジェクタ１１と、インジェクタ１１から噴射された燃料と空気との混合気に点火する点火プラグ１２とが、各気筒２につきそれぞれ１組ずつ設けられている。

図１〜図４に示すように、エンジン本体１の後面には、エンジン本体１のクランク軸１６の回転を変速しつつ車輪側に伝達する変速機２０が取り付けられている。当実施形態において、変速機２０は、車両の走行状態に応じて自動的に変速を行う自動変速機（ＡＴ）であり、上記クランク軸の回転を流体を介して伝達するトルクコンバータ２１と、トルクコンバータ２１の出力軸（タービン軸）の回転を自動的に減速または増速する変速ギヤ機構２２とを有している。変速ギヤ機構２２の出力回転は図外のプロペラシャフトに伝達され、当該プロペラシャフトの回転がディファレンシャル機構等を介して駆動輪のドライブシャフトに伝達されるようになっている。

排気通路３０は、エンジン本体１における車幅方向一方側つまり車両右側の側面（以下、排気側側面という）に取り付けられている。当実施形態において、排気通路３０は、前側の３つの気筒２Ａ〜２Ｃと後側の３つの気筒２Ｄ〜２Ｆとに対応してグループ分けされた２組の配管群を有している。具体的に、排気通路３０は、１つ目の配管群として、前側の３つの気筒２Ａ〜２Ｃから排出される排気ガスが流通する前側排気マニホールド３１と、前側排気マニホールド３１の下流端に接続された触媒装置３３と、触媒装置３３の下流端に接続された下流側配管３５とを有している。また、２つ目の配管群として、後側の３つの気筒２Ｄ〜２Ｆから排出される排気ガスが流通する後側排気マニホールド３２と、後側排気マニホールド３２の下流端に接続された触媒装置３４と、触媒装置３４の下流端に接続された下流側配管３６とを有している。なお、排気通路３０に関する下流（または上流）とは、エンジン本体１から排気通路３０を通じて外部に向かう排気ガスの流れ方向の下流（または上流）のことをいう。

前側排気マニホールド３１は、エンジン本体１の上部（シリンダヘッド４）の排気側側面にフランジ３７を介して取り付けられており、後側排気マニホールド３２は、前側排気マニホールド３１よりも後側において、エンジン本体１の上部（シリンダヘッド４）の排気側側面にフランジ３８を介して取り付けられている。

触媒装置３３，３４は、前側および後側排気マニホールド３１，３２の下流側にそれぞれ設けられるとともに、両排気マニホールド３１，３２の前後方向の位置関係に準じて、触媒装置３４が触媒装置３３よりも後側に位置するように配設されている。触媒装置３３，３４は、その中心軸線Ｚ（図２）が概ね上下方向を向く（下流側ほど高さが低くなる）立向きの姿勢でエンジン本体１の排気側側面に取り付けられている。より詳しくは、触媒装置３３，３４は、その中心軸線Ｚが上方ほど車両前側に位置するように側面視で傾斜しつつ上下方向に延設されており、その傾斜角度は、前側の触媒装置３３の方が後側の触媒装置３４よりも大きく設定されている。

触媒装置３３は、立向きに配置された円筒状のケーシング６１と、ケーシング６１の内部に収容された触媒本体６２（図２）とを有している。同様に、触媒装置３４は、立向きに配置された円筒状のケーシング７１と、ケーシング７１の内部に収容された触媒本体７２とを有している。

触媒本体６２，７２は、それぞれ、排気ガス中に含まれる有害物質を浄化するための触媒と、当該触媒を担持するためのモノリス状の担体とを有している。触媒は、例えば三元触媒、酸化触媒、ＮＯｘ触媒のいずれかもしくはその組合せとすることができる。なお、このような触媒に加えて、排気ガス中に含まれるＰＭを捕集するためのフィルターがそれぞれケーシング６１，７１に内蔵されていてもよい。

ケーシング６１，７１は、それぞれ、十分な容量の触媒本体６２，７２を収容可能なように比較的大型な円筒状に形成されている。このようなケーシング６１（７１）は、エンジン本体１（シリンダブロック３）の排気側側面にブラケット３９（図４）を介して固定されている。ケーシング６１（７１）の上面部には、排気マニホールド３１（３２）の下流端が接続される接続口部６１ａ（７１ａ）が形成されるとともに、ケーシング６１（７１）の下面部には、下流側配管３５（３６）の上流端が接続される接続口部６１ｂ（７１ｂ）が形成されている。上側の接続口部６１ａ（７１ａ）は、ケーシング６１（７１）の上面部における車両前側に偏った位置に形成されている。

下流側配管３５は、前側の触媒装置３３の下流端、つまりケーシング６１の下側の接続口部６１ｂから車両後方に向かって延びるように形成され、その途中部には振動吸収用のフレキシブルチューブ３５ａが設けられている。同様に、下流側配管３６は、後側の触媒装置３４の下流端、つまりケーシング７１の下側の接続口部７１ｂから車両後方に向かって延びるように形成され、その途中部には振動吸収用のフレキシブルチューブ３６ａが設けられている。

図４に示すように、エンジン本体１は、前後方向視（気筒列方向視）において、その上部が排気側（排気マニホールド３１，３２が取り付けられる車両右側）に傾くような姿勢でエンジンルームＥに配設されている。すなわち、気筒２の中心軸線をシリンダ軸線Ｙとすると、エンジン本体１は、前後方向視において、シリンダ軸線Ｙが鉛直線Ｖと所定角度をもって交差するように、より詳しくは、シリンダ軸線Ｙの上部の方が下部よりも車両右側に位置するように傾斜している。

また、図２に示すように、エンジン本体１は、側面視において、車両後側ほど高さが低くなるように後下がりに傾斜した姿勢でエンジンルームＥに配設されている。すなわち、クランク軸１６の中心軸線をクランク軸線Ｘとすると、エンジン本体１は、側面視において、クランク軸線Ｘが水平線Ｈと所定角度をもって交差するように、より詳しくは、クランク軸線Ｘの後部の方が前部よりも下側に位置するように傾斜している。

（２）運転領域に応じた制御
図１１は、エンジンの運転領域（負荷／回転速度）に応じた燃焼モードの相違を説明するためのマップ図である。本図に示すように、当実施形態のエンジンでは、比較的負荷の低い第１運転領域Ａ１において、インジェクタ１１から燃焼室Ｃに噴射された燃料と空気との混合気をピストン１５の圧縮作用のみによって着火させる燃焼、つまりＣＩ燃焼（圧縮自己着火燃焼）が行われる。一方、第１運転領域Ａ１よりも負荷の高い第２運転領域Ａ２では、点火プラグ１２からの火花放電により混合気を強制的に着火させる燃焼、つまりＳＩ燃焼（火花点火燃焼）が行われる。

ＣＩ燃焼が行われる第１運転領域Ａ１では、気筒２を高温にして混合気の自己着火を促進するために、切替機構１９ａの作動に応じて図１０にリフトカーブＥＸ’で示した排気弁９のリフト特性が選択され、排気弁９の延長開弁（吸気行程まで継続して排気弁９を開弁させる動作）が行われる。これにより、気筒２から一旦排出された排気ガスが逆流して気筒２内に戻され（内部ＥＧＲ）、この戻された排気ガスにより気筒２の高温化が図られる。

また、第１運転領域Ａ１では、負荷に応じて、吸気弁８のリフト特性が可変機構１８ａにより図１０のリフトカーブＩＮとＩＮ’との間で可変的に設定される。具体的には、負荷が低いほどリフト量の小さいカーブＩＮ’に近い特性が選択され、気筒２への空気導入量が減らされる。逆に、負荷が高いほどリフト量の大きいカーブＩＮに近い特性が選択され、気筒２への空気導入量が増やされる。

このように、当実施形態では、比較的負荷の低い第１運転領域Ａ１において、排気弁９の延長開弁による内部ＥＧＲ（排気ガスの逆流）を実行しつつ、負荷が低いほど吸気弁８のリフト量を小さくする制御が実行される。これにより、気筒２の全ガス量のうち内部ＥＧＲガス（逆流により気筒２に戻される排気ガス）が占める割合は、負荷が低いほど大きくなる。

なお、第１運転領域Ａ１よりも負荷の高い第２運転領域Ａ２では、ＣＩ燃焼ではなくＳＩ燃焼が行われるため、上記のような排気弁９の延長開弁が禁止され（図１０のリフトカーブＥＸが選択され）、内部ＥＧＲが停止される。

（３）排気マニホールドの詳細構造
図６および図７は、エンジン本体１から切り離した状態の排気通路３０を吸気側（車両左側）から見た斜視図および側面図であり、図８は同じく排気通路３０単独の平面図である。なお、図８では、排気マニホールド３１，３２の上流側の一部とフランジ３７，３８を取り除いた状態で排気通路３０を示している。これら図６〜図８、および先の図１〜図４を参照しつつ、前側排気マニホールド３１および後側排気マニホールド３２の詳細構造について説明する。

前側排気マニホールド３１は、エンジン本体１の排気側側面（フランジ３７）からそれぞれ延びる独立した３本の独立排気管４１〜４３と、独立排気管４１〜４３の各下流端部が集合した集合部４４と、集合部４４から触媒装置３３に向けて延びる共通排気管４５とを有している。独立排気管４１は最も前側の気筒２Ａと排気ポート７（図５）を介して連通し、独立排気管４２は前から２番目の気筒２Ｂと排気ポート７を介して連通し、独立排気管４３は前から３番目の気筒２Ｃと排気ポート７を介して連通している。各気筒２Ａ〜２Ｃからの排気ガスは、対応する独立排気管（４１〜４３のいずれか）を流通した上で、集合部４４、共通排気管４５、および触媒装置３３を通じて下流側配管３５へと排出される。

後側排気マニホールド３２の構造も同様である。すなわち、後側排気マニホールド３２は、エンジン本体１の排気側側面（フランジ３８）からそれぞれ延びる独立した３本の独立排気管５１〜５３と、独立排気管５１〜５３の各下流端部が集合した集合部５４と、集合部５４から触媒装置３４に向けて延びる共通排気管５５とを有している。独立排気管５１は前から４番目の気筒２Ｄと排気ポート７を介して連通し、独立排気管５２は前から５番目の気筒２Ｅと排気ポート７を介して連通し、独立排気管５３は前から６番目（最も後側）の気筒２Ｆと排気ポート７を介して連通している。各気筒２Ｄ〜２Ｆからの排気ガスは、対応する独立排気管（５１〜５３のいずれか）を流通した上で、集合部５４、共通排気管５５、および触媒装置３４を通じて下流側配管３６へと排出される。

前側排気マニホールド３１および後側排気マニホールド３２は、それぞれ平面視でループ状に形成されている。すなわち、前側排気マニホールド３１（後側排気マニホールド３２）における３つの独立排気管４１〜４３（５１〜５３）は、それぞれエンジン本体１の排気側側面（フランジ３７（３８））から面外方向に離間するように車両右側に延びた後、車両前方の集合部４４（５４）に向かって方向転換するように湾曲している。より詳しくは、各独立排気管４１〜４３（５１〜５３）は、平面視において、後側の気筒の独立排気管が前側の気筒の独立排気管よりも外側のループを描くような態様、言い換えると、独立排気管４１〜４３（５１〜５３）の中でも最も後側の気筒２Ｃ（２Ｆ）に対応する独立排気管４３（５３）のループの内側に他の気筒の独立排気管４１，４２（５１，５２）が位置するような態様で湾曲しつつ下流側に延びている。そして、各独立排気管４１〜４３（５１〜５３）の下流端部は、集合部４４（５４）の直前で互いに近接するように束ねられた状態で、集合部４４（５４）に対し車両後方側から接続されている。共通排気管４５（５５）は、集合部４４（５４）から再びエンジン本体１に近づくように湾曲しており、触媒装置３３（３４）の上流端部（ケーシング６１（７１）の上面部）に斜め上方から接続されている。

独立排気管４１〜４３（５１〜５３）は、ほぼ同一の容積を有するように形成されている。具体的に、各独立排気管４１〜４３（５１〜５３）のそれぞれの容積は、ＣＩ燃焼の実行時（つまり第１運転領域Ａ１での運転時）に各気筒２に戻される排気ガスの量（内部ＥＧＲ量）の最大値の１／２に相当する容積よりも大きい値に設定されている。

図６〜図８に示すように、共通排気管４５（５５）は、平面視において、集合部４４（５４）からエンジン本体１に近づく側（車両左側）に方向転換する第１湾曲部４５ａ（５５ａ）と、第１湾曲部４５ａ（５５ａ）の下流端からエンジン本体１に向かってほぼ真っ直ぐ（車幅方向に）延びるストレート部４５ｂ（５５ｂ）と、ストレート部４５ｂ（５５ｂ）の下流端から車両後側に方向転換する第２湾曲部４５ｃ（５５ｃ）とを有している。このような共通排気管４５（５５）は、図８に太線の矢印でも示すように、全体として平面視でほぼ１８０°方向転換するように大きく湾曲した形状を有しており、概ね平面視Ｃ字状に形成されている。

共通排気管４５（５５）における第１湾曲部４５ａ（５５ｂ）とストレート部４５ｂ（５５ｂ）との境界付近には、排気ガス中に含まれる酸素の濃度を検出するＯ₂センサ９０が取り付けられている。Ｏ₂センサ９０は、酸素濃度の大小に応じて起電力が変化する検出素子を共通排気管４５（５５）の内部に有しており、当該検出素子からの電気信号に基づいて排気ガス中の酸素濃度を検出する。

共通排気管４５（５５）における第２湾曲部４５ｃ（５５ｃ）の下流端は、触媒装置３３（３４）のケーシング６１（７１）の上面部、より詳しくは、当該上面部の前寄り位置に形成された接続口部６１ａ（７１ａ）に斜め上方から接続されている。すなわち、第２湾曲部４５ｃ（５５ｃ）は、接続口部６１ａ（７１ａ）に対しその上方かつ前方から回り込むように接近し、下方かつ後方を指向するように傾斜した状態で接続口部６１ａ（７１ａ）に接続されている。このため、図７に示すように、第２湾曲部４５ｃ（５５ｃ）の下流端の断面中心を下流側に延長した軸線をＳとすると、この延長軸線Ｓは、側面視において、触媒装置３３（３４）の中心軸線Ｚと交差する。その交差位置は、触媒本体６２（７２）の上端とほぼ同じかこれよりもやや下方に設定されている。

（４）作用・効果
以上説明したとおり、当実施形態では、混合気を圧縮して自己着火させるＣＩ燃焼が実行可能な多気筒エンジンにおいて、エンジン本体１の複数の気筒２Ａ〜２Ｃ（２Ｄ〜２Ｆ）から排出された排気ガスが流通する排気マニホールド３１（３２）がエンジン本体１の車幅方向一方側の側面に取り付けられ、この排気マニホールド３１（３２）の下流側に、上流側よりも下流側の方が高さが低くなる立向きの姿勢で触媒装置３３（３４）が取り付けられている。排気マニホールド３１（３２）は、エンジン本体１の上部（シリンダヘッド４）に接続された複数の独立した独立排気管４１〜４３（５１〜５３）と、各独立排気管４１〜４３（５１〜５３）の下流端が集合した集合部４４（５４）と、集合部４４（５４）から平面視でほぼ１８０°方向転換するように湾曲しつつ下流側に延び、触媒装置３３（３４）の上面部に斜め上方から接続される共通排気管４５（５５）とを有している。このような構成によれば、触媒装置３３（３４）を立向きに配置しつつ排気ガスの浄化性能を十分に確保できる等の利点がある。

すなわち、上記実施形態では、触媒装置３３（３４）がエンジン本体１の排気側の側面に沿って立向きに配置されているので、触媒装置３３（３４）の上面部の高さが高くなり、例えばエンジン本体１の下面（もしくは車室フロア）と同程度の高さ位置において触媒装置を水平向きに配置した場合と異なり、エンジン本体１の上部と触媒装置３３（３４）とをつなぐ排気マニホールド３１（３２）の管長を短くすることができる。これにより、エンジン本体１（気筒２）から排出されて間もない高温の排気ガスを触媒装置３３（３４）に導入できるので、ＣＩ燃焼が実行されるために排気ガスの温度が低くなる傾向にあるにもかかわらず、触媒装置３３（３４）内の触媒の活性化を効率よく図ることができ、当該触媒による排気ガスの浄化性能を十分に確保することができる。また、排気マニホールド３１（３２）の下流端からエンジン本体１の下面付近までの高さスペースを利用して触媒装置３３（３４）の上下寸法を拡大できるので、その内部の触媒（触媒本体６２（７２））の容量を十分に増やすことができ、その意味でも排気ガスの浄化性能を高めることができる。

一方で、上記のように触媒装置３３（３４）を立向きに配置した場合、排気マニホールドの管長が短くなるので、その形状によっては、触媒装置３３（３４）内に流入する排気ガスの流れが気筒２（２Ａ〜２Ｆ）間で大きくばらつくことが想定される。すると、気筒２によっては、触媒本体６２（７２）のごく一部にしか排気ガスがあたらなくなり、排気ガスの浄化性能を十分に確保できなくなるおそれがある。これに対し、上記実施形態では、排気マニホールド３１（３２）における集合部４４（５４）よりも下流側の部分が、平面視でほぼ１８０°方向転換するように大きく湾曲した共通排気管４５（５５）とされているので、各気筒２から排出されて触媒装置３３（３４）に流入する排気ガスは、触媒装置３３（３４）に流入する前に、大きく湾曲した共通排気管４５（５５）を通過するのに伴って十分に整流される。しかも、共通排気管４５（５５）の下流端が触媒装置３３（３４）の上面部に斜め上方から接続されるので、例えば図９に示すように、共通排気管４５（５５）から触媒装置３３（３４）（ケーシング６１（７１））内に流入する整流された排気ガスが、触媒本体６２（７２）の上端面に対し斜め方向に接近する結果、当該上端面におけるより広い面積に排気ガスがあたるようになる。これにより、触媒本体６２（７２）に対する排気ガスのあたり方が気筒２（２Ａ〜２Ｆ）間で均一化され、いずれの気筒２から排出された排気ガスに対しても触媒による浄化性能を十分に発揮させることができる。

特に、上記実施形態において、排気マニホールド３１（３２）の独立排気管４１〜４３（５１〜５３）は、平面視において、エンジン本体１の排気側側面から面外方向に離間するように延びた後、集合部４４（５４）に向かって車両前側（気筒列方向の一方側）に方向転換するように湾曲し、共通排気管４５（５５）は、平面視において、集合部４４（５４）からエンジン本体１に近づきつつ車両後側（気筒列方向の他方側）に方向転換するように湾曲している。このような構成によれば、排気マニホールド３１（３２）が全体として平面視で一回転するようなループ状に形成されるので、各気筒２からの排気ガスを整流する区間を十分に確保しながら、エンジン本体１からの面外方向の突出代が少ないコンパクトな構造の排気マニホールド３１（３２）を実現することができる。

また、上記実施形態では、ＣＩ燃焼の実行時（第１運転領域Ａ１での運転時）に、気筒２から排出された排気ガスを逆流させて気筒２に戻す内部ＥＧＲが実行されるとともに、排気マニホールド３１（３２）の独立排気管４１〜４３（５１〜５３）のそれぞれの容積が、内部ＥＧＲによって気筒２に戻される排気ガスの量の最大値（最大内部ＥＧＲ量）の１／２に相当する容積よりも大きい値に設定されている。このような構成によれば、気筒２に戻される排気ガス（内部ＥＧＲガス）の量の多くを自気筒から排出された排気ガスにより賄うことができる（他気筒からの排気ガスが自気筒に混入するのを抑制できる）ので、例えばエンジン負荷が変化する過渡運転時のように、気筒２ごとに燃料の噴射量がばらつく（そのために各気筒２から排出される排気ガスの温度がばらつく）ような状況下でも、各気筒２に戻される排気ガスの温度をある程度高い精度で予測することができ、その予測に基づいて内部ＥＧＲ量を増減させることにより各気筒２でのＣＩ燃焼を安定化させることができる。

また、上記実施形態では、上方ほど車両前側（気筒列方向の一方側）に位置するように傾いた姿勢で触媒装置３３（３４）が配置されるとともに、この触媒装置３３（３４）の上面部における車両前側に偏った位置（接続口部６１ａ（７１ａ））に共通排気管４５（５５）の下流端が接続されている。このように触媒装置３３（３４）を側面視で傾斜させつつ立向きに配置した場合には、触媒装置３３（３４）を真っ直ぐ上下方向に延びるように配設した場合と異なり、触媒装置３３（３４）の中心軸に沿った寸法（長手寸法）を拡大できるので、その内部の触媒（触媒本体６２（７２））の容量をより増やすことができる。また、このように傾斜配置された触媒装置３３（３４）に対し、その上面部における車両前側に偏った位置に共通排気管４５（５５）の下流端が接続されるので、当該接続部（接続口部６１ａ（７１ａ））の高さが若干低くなる分、共通排気管４５（５５）を取り回す自由度が向上する。これにより、触媒の容量を十分に確保しながら、排気ガスの整流のために大きく湾曲させる必要のある共通排気管４５（５５）を、集合部４４（５４）から触媒装置３３（３４）にかけて無理なく配設することができる。

ここで、上記実施形態によれば、エンジン本体１は、前後方向視（気筒列方向視）において、その上部が排気側に傾くような姿勢で配置されている。このため、触媒装置３３（３４）を配設可能な上下方向のスペースは、エンジン本体１が上記のように傾いていない場合に比べて減少することになる。しかしながら、上記実施形態では、触媒装置３３（３４）が側面視で傾斜配置されるので、上記のように上下方向のスペースが多少減少したとしても、触媒装置３３（３４）の容量を十分に確保することができる。

（５）変形例
上記実施形態では、排気マニホールド３１（３２）の複数の独立排気管４１〜４３（５１〜５３）を、後側の気筒の独立排気管が前側の気筒の独立排気管よりも外側のループを描くような態様で湾曲させたが、独立排気管４１〜４３（５１〜５３）の形状はこれに限られず、例えば図１２に示すような形状であってもよい。この図１２に例示される排気マニホールド３１’（３２’）は、中央の気筒２Ｂ（２Ｅ）から延びる独立排気管４２’（５２’）と、その後側の気筒２Ｃ（２Ｆ）から延びる独立排気管４３’（５３’）とが、平面視で交差するように配設されており、この交差部よりも下流側では、中央の気筒２Ｂ（２Ｅ）の独立排気管４２’（５２’）が最もループの外側に位置するように配設されている。

また、上記実施形態では、排気マニホールド３１（３２）の共通排気管４５（５５）を平面視でほぼ１８０°方向転換させるように概ねＣ字状に湾曲させたが、共通排気管の形状はこれに限られない。例えば、共通排気管は、１８０°よりも大きく方向転換するものであってもよいし、逆に１８０°よりも小さく方向転換するものであってもよい。ただし、共通排気管は、各気筒から排出された排気ガスをある程度整流できる程度に湾曲している必要があり、そのためには少なくとも９０°より大きく方向転換するように共通排気管を湾曲させる必要がある。

また、上記実施形態では、ガソリンを主成分とする燃料と空気との混合気をＣＩ燃焼（圧縮自己着火）させるガソリン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、混合気を自己着火させるＣＩ燃焼が実行可能なエンジンに総じて適用可能であり、例えば、軽油を自己着火により燃焼させるディーゼルエンジンにも本発明を適用可能である。

また、上記実施形態では、６つの気筒２Ａ〜２Ｆが車両前後方向に並ぶ縦置き式の直列６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、複数の気筒を有する多気筒エンジンに総じて適用可能であり、例えば、縦置き式の直列５気筒エンジンや直列４気筒エンジン、さらにはＶ型８気筒エンジンなどにも本発明を適用可能である。なお、Ｖ型エンジンの場合には、エンジンの両側のバンクにそれぞれ本発明を適用することが可能である。また、本発明は、縦置き式の多気筒エンジンだけでなく、気筒列方向が車幅方向と平行になる横置き式の多気筒エンジンにも適用可能である。

１ エンジン本体
２（２Ａ〜２Ｆ） 気筒
７ 排気ポート
９ 排気弁
３１ 前側排気マニホールド（排気マニホールド）
３２ 後側排気マニホールド（排気マニホールド）
３３ 触媒装置
３４ 触媒装置
４１〜４３ 独立排気管
４４ 集合部
４５ 共通排気管
５１〜５３ 独立排気管
５４ 集合部
５５ 共通排気管

Claims (5)

1. 複数の気筒が車両前後方向に沿って列状に並ぶ縦置きの姿勢で配設されたエンジン本体を備え、燃料と空気との混合気を圧縮して自己着火させるＣＩ燃焼が前記各気筒で実行可能な多気筒エンジンに適用される排気構造であって、
   前記エンジン本体の車幅方向一方側の面に取り付けられ、前記複数の気筒から排出された排気ガスが流通する平面視ループ状の排気マニホールドと、
   前記排気マニホールドの下流側に設けられ、前記エンジン本体の車幅方向一方側の面に沿って上流側よりも下流側の方が高さが低くなる立向きの姿勢で配置された触媒装置とを備え、
   前記排気マニホールドは、前記エンジン本体の上部に接続されるとともに前記複数の気筒にそれぞれ連通する複数の独立排気管と、各独立排気管の下流端が集合した集合部と、集合部から平面視で９０°よりも大きく方向転換するように湾曲しつつ下流側に延び、前記触媒装置の上面部に斜め上方から接続される共通排気管とを有し、
   前記複数の独立排気管は、平面視において、前記エンジン本体の車幅方向一方側の面から面外方向に離間するように延びた後、前記集合部に向かって車両前側に方向転換するように湾曲しつつ下流側に延び、かつ、車両後側の気筒の独立排気管が車両前側の気筒の独立排気管よりも外側のループを描くように形成されている、ことを特徴とする多気筒エンジンの排気構造。
2. 請求項１に記載の多気筒エンジンの排気構造において、
   前記共通排気管は、平面視において、前記集合部から前記エンジン本体に近づきつつ車両後側に方向転換するように湾曲している、ことを特徴とする多気筒エンジンの排気構造。
3. 請求項２に記載の多気筒エンジンの排気構造において、
   前記エンジン本体は、前記気筒ごとに、前記独立排気管と気筒とを互いに連通する排気ポートと、排気ポートを開閉する排気弁とを有し、
   前記排気弁は、前記ＣＩ燃焼の実行時、前記気筒から排出された排気ガスを逆流させて気筒に戻すために、排気行程だけでなく吸気行程でも開弁され、
   前記複数の独立排気管のそれぞれの容積は、前記ＣＩ燃焼時に前記各気筒に戻される排気ガスの量の最大値の１／２に相当する容積よりも大きい値に設定されている、ことを特徴とする多気筒エンジンの排気構造。
4. 請求項２または３に記載の多気筒エンジンの排気構造において、
   前記触媒装置は、上方ほど車両前側に位置するように傾いた姿勢で上下方向に延設されており、
   前記触媒装置の上面部における車両前側に偏った位置に前記共通排気管の下流端が接続されている、ことを特徴とする多気筒エンジンの排気構造。
5. 請求項４に記載の多気筒エンジンの排気構造において、
   前記エンジン本体は、前後方向視において、エンジン本体の上部が排気側に傾くような姿勢で配置されている、ことを特徴とする多気筒エンジンの排気構造。
   

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