JPH03229918A - 内燃機関の排気系 - Google Patents

内燃機関の排気系

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JPH03229918A
JPH03229918A JP2023638A JP2363890A JPH03229918A JP H03229918 A JPH03229918 A JP H03229918A JP 2023638 A JP2023638 A JP 2023638A JP 2363890 A JP2363890 A JP 2363890A JP H03229918 A JPH03229918 A JP H03229918A
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    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は内燃機関の排気系に関する。
〔従来の技術〕
実開昭６０−１２８９３７号公報には、内燃機関からの
（１） 排気を２本の排気管により排出するようにした排気系に
おいて、２本の排気管をその途中の予め定められた複数
の位置において各連通管により相互に連通し、この各連
通管内には各連通管を夫々開閉する制御弁を設け、この
各制御弁を機関回転数に応じて開閉して、機関回転数が
低回転から高回転まで変化しても、排気管内の排気脈動
による負圧波を排気弁が開いた時点に排気弁部に到達さ
せることができるようにした内燃機関の排気系が開示さ
れている。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながらこの排気系では排気脈動による負圧波が必
ずしも吸気弁および排気弁が共に開弁しているいわゆる
オーバラップ期間に排気弁部に到達しないため以下の問
題を解決することができない。
すなわち、シリンダ内に残留する既燃ガスがオーバラッ
プ期間内において吸気ボート内に逆流すると吸気行程時
における実質吸入空気量が減少しく２〉 斯くして吸気効率が低下するという問題がある。
〔課題を解決するための手段〕
上記問題点を解決するため本発明によれば、２つの機関
排気通路に断面急拡大部を設け、断面急拡大部より上流
位置で２つの機関排気通路を連通管によって相互に接続
し、連通管には連通管を開閉する制御弁を配置し、機関
排気通路内の排気脈動による負圧波が吸気弁および排気
弁が共に開弁じている期間内に排気弁部に到達するよう
に断面急拡大部の位置および連通管による２つの機関排
気通路の接続位置を決定しかつ制御弁の開閉制御を行な
うようにしている。
〔作　用〕
負圧波が吸気弁および排気弁が共に開弁しているいわゆ
るオーバラップ期間内に排気弁部に到達するために、オ
ーバラップ期間においてシリンダ内の既燃ガスが排気ポ
ート内に吸い出され吸気ポート内に逆流することがない
。
（３） 〔実施例〕 第１図には本考案の排気系の一実施例を採用した４気筒
内燃機関の全体図を示す。第１図を参照すると、１〜４
は第１〜第４気筒、５は吸気管、６は吸気管５内に配置
されたスロットル弁、７〜１０は第１〜第４気筒に夫々
接続された第１〜第４排気技管、１１は吸気弁開閉時期
制御装置を夫々示す。第１排気枝管７と第４排気枝管１
０とが合流して第１合流管１２となり、第２排気枝管８
と第３排気枝管９とが合流して第２合流管１３となる。
第１合流管１２と＊２合流管１３とは集合部１４で合流
して排気本管１５となり、さらに排気本管１５は２つの
分岐管１６・１７に分岐される。排気本管１５の断面積
は第１および第２合流管１２・１３の各断面積の約２倍
とされ、従って集合部１４では断面積が急激に拡大され
断面急拡大部となっている。このため、集合部１４で排
気脈動が反射され負圧波が発生する。
第１合流管１２と第２合流管１３とは途中で連通管１８
によって接続され、この連通管１８には連通管１８を開
閉する制御弁１９が配置される。制御弁１９が開弁（４
） されると第１合流管１２は連通管１８を介して第２合流
管１３にも連通されるため第１合流管１２の断面積は連
通管１８接続部で実質的にほぼ２倍となり断面積が急激
に拡大されることとなる。これは第２合流管１３につい
ても同様である。従って制御弁１９が開弁されると連通
管１８接続部において排気脈動が反射され負圧波が発生
する。
すなわち、制御弁１９閉弁時においては断面急拡大部で
ある集合部１４において排気脈動が反射され負圧波とな
ってシリンダ内に伝播していく。一方、制御弁１９開弁
時においては連通管１８接続部において排気脈動が反射
され負圧波となってシリンダ内に伝播していく。この場
合排気脈動のエネルギの大部分は連通管１８接続部で反
射されるため、集合部１４で反射されて発生する負圧波
は非常に小さくなるため実質的な影響を及ぼさない。
集合部１４直前の第１および第２合流管１２．１３には
触媒２０，２１が夫々配置され、排気本管１５の下流に
はサブマフラ２２が配置される。また、分岐管１６゜１
７には夫々メインマフラ２３，２４が配置される。す（
５） ブマフラ２２およびメインマフラ２３．２４は大容量と
され、これによって排気系路の平均背圧を低下すること
ができる。各気筒１〜４の各排気弁（図示せず）から集
合部１４までの各排気経路の長さは、機関低速運転時に
おいて負圧波が排気弁閉弁時近傍のオーバラップ期間に
排気弁部に到達するように決定されている。一方各排気
弁から連通管１８接続部までの排気経路の長さは、機関
中速運転時において負圧波が排気弁閉弁時近傍のオーバ
ラップ期間に排気弁部に到達するように決定されており
、排気弁から集合部１４までの排気経路の長さの約１／
２である。
第１図において、電子制御ユニット３０はディジタルコ
ンピュータからなり、双方向性バス３１によって相互に
接続されたＲＯＭ（！Ｊ−ドオンリメモリ）３２、ＲＡ
Ｍ　（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ　（マイ
クロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポー
ト３６を具備する。機関回転数を検出する回転数センサ
４０は人力ポート３５に接続される。また吸気管５内の
絶対圧を検出する絶対圧セ（６） ンサ４１はＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に接
続される。一方、出力ポート３６は各駆動回路３８３９
を介して夫々制御弁１９および吸気弁開閉時期制御装置
１１に接続される。
第５図には機関回転数ＮＥと機関負荷を表わす吸気管絶
対圧Ｐとによって通常タイミング領域と早期タイミング
領域とを示す。第５図を参照すると、高負荷かつ低・中
回転領域には早期タイミングとされ、その他の運転領域
では通常タイミングとされる。
第２図には吸気弁開閉時期制御装置１１を示す。
第２図を参照すると、４１はカムシャフト、４２はカム
プーリ、４３はケーシングを夫々示す。カムシャフト４
１の図示しない右方には吸気弁（図示せず）を開閉する
ためのカムが形成される。従ってカムシャフト４１が回
転することによって吸気弁は開閉される。カムプーリ４
２の外周面上には図示しない歯付ベルトと噛合する歯４
２ａが形成され、これによりカムブー１月２は歯付ベル
トを介して機関クランクシャフト　（図示せず）によっ
て駆動される。
（７） カムプーリ４２の内周部４２ｂは円筒状に形成され、従
って以下円筒状部と称する。この円筒状部４２ｂ内には
カムシャフト４１が嵌入され、カムシャフト４１とカム
プーリ４２とは相対的に回転変位可能とされている。カ
ムシャフト４１の左端部にはボルト４４によってケーシ
ング４３が締結され、カムシャフト４１とケーシング４
３とはこれらの間に配置されたキー４５によって一体回
転可能とされている。ケーシング４３はカップ状に形成
されており、カムプーリ４２の円筒状部４２ｂ外周面４
２ｃとケーシング４３の内周面４３ａとが対向するよう
に配置される。このためカムプーリ４２の円筒状部４２
ｂ外周面４２Ｃとケーシング４３の内周面４３ａとの間
にはほぼ円環状のピストン室４６が区画形成される。ピ
ストン室４６内にはほぼ円環状のパワーピストン４７が
カムシャフト４１の軸線方向に摺動変位可能に配置され
、これによってピストン室４６はパワーピストン４７の
左側に形成される圧力室４６ａとパワーピストン４７の
右側に形成されるばね室４６ｂとに分離される。パワー
ピストン４７は断面「コ」字状に形成され、「コ」（８
） 字状の凹部４７ａがばね室４６ｂに開口するように配置
される。ばね室４６ｂ内には圧縮コイルばね４８が配置
されパワーピストン４７を図中左方向に常時付勢してい
る。パワーピストン４７の内周面４７ｂの右方部はカム
プーリ円筒状部４２ｂの外周面４２ｃに接しており、パ
ワ−ピストン４７内周面４７ｂ左方部にはヘリカルギア
４７ｃが形成され、カムプーリ円筒状部４２ｂ外周面４
２ｃ上に形成されたヘリカルギア４２ｄと噛合している
。これによってカムプーリ４２の回転力がパワーピスト
ン４７に伝達される。パワーピストン４７の外周面４７
ｄの右方部とケーシング４３の内周面４３ａとの間には
シールリング４９が配置されオイルの漏れを防止してい
る。またパワーピストン４７の外周面４７ｄ左方部には
へりカルギア４７ｃと同じ向きに傾斜するヘリカルギア
４７ｅが形成され、ケーシング４３内周面４３ａ上に形
成されたへりカルギア４３ｂと噛合する。これによって
パワーピストン４７の回転力はケーシング４３に伝達さ
れる。ばね室４６ｂの下方部はドレン通路５０および５
１を介して図示しないオイルパンに接続される。
（９） 方、圧力室４６ａはオイル通路５２を介して切換弁５３
に接続される。ケーシング４３の端部外周面とカムプー
リ４２の間には軸受５４が配置され、これによってケー
シング４３とカムプーリ４２とは相対的に回転変位可能
とされている。またケーシング４３の外周面には一側面
上に凹凸を有するビスカスダンパ要素５５が固定され、
カムプーリ４２にはビスカスダンパ要素５５に対向して
配置されビスカスダンパ要素５５の凹凸と互いに小さな
隙間を有して噛合する凹凸を有するビスカスダンパ要素
５６が固定されている。これらビスカスダンパ要素５５
および５６の間にはシリコンオイルが満たされており、
これによってビスカスダンパ５７を構成している。
図示しない歯付ベルトによってカムプーリ４２が回転駆
動されると、カムプーリ４２の回転力はパワーピストン
４７およびケーシング４３を介してカムシャフト４１に
伝達される。
切換弁５３はオイル供給通路５８を介して図示しない加
圧オイル供給源に接続され、またオイル返戻通路５９を
介して図示しないオイルパンに接続され（１０） る。切換弁５３は駆動回路３９に接続され電子制御ユニ
ット３０（第１図参照）によって制御される。切換弁５
３はオンされるとオイル通路５２がオイル供給通路５８
に連通され、これによって圧力室４６ａ内に加圧された
エンジンオイルが供給される。圧力室４６ａ内に加圧オ
イルが供給されるとパワーピストン４７の左側面に加圧
オイルによる圧力を受けるため、パワーピストン４７は
圧縮コイルばね４８のばね力に抗して図中右方向に変位
する。パワーピストン４７が図中右方向に変位すると、
ヘリカルギア４２ｄと４７ｃによってパワーピストン４
７はカムプーリ４２に対してカムプーリ４２の回転方向
に向かって相対的に回転変位せしめられ、さらにヘリカ
ルギア４７ｅと４３ｂによってケーシング４３はパワー
ピストン４７に対してパワーピストン４７の回転方向に
向かって相対的に回転変位せしめられる。従ってパワー
ピストン４７が図中右方向に変位するとカムシャフト４
１がカムプーリ４２に対してカムプーリ４２の回転方向
に、パワーピストン４７の回転変位量とケーシング４３
の回転変位量の和だけ相対的に回転度（１１） 位することとなる。このため図示しない吸気弁の開弁時
期および閉弁時期がカムシャフトの回転変位量に応じて
早められることになる。パワーピストン４７がピストン
室４６の右端位置にあるとき、早期タイミングと称する
。
一方、切換弁５３がオフされるとオイル通路５２はオイ
ル返戻通路５９に連通され、これによって圧力室４６ａ
内の加圧オイルはオイル返戻通路５９を介してオイルパ
ンに返戻される。このため圧力室４６ａ内からオイルが
流出して圧力が低下するため、パワーピストン４７は圧
縮コイルばね４８によって第１図に示す位置まで図中左
方向に変位する。パワーピストン４７が図中左方向に変
位すると、前述と逆の動作によってカムシャフト４１は
カムプーリ４２に対してカムプーリ４２の回転方向と反
対方向に相対的に回転変位することとなる。このため図
示しない吸気弁の開弁時期および閉弁時期が早期タイミ
ングより遅れることとなる。パワーピストン４７が第１
図に示す位置にあるとき、通常タイミングと称する。
（１２） 第３図には通常タイミングおよび早期タイミングにおけ
る吸気弁の開閉弁時期、および排気弁の開閉弁時期を示
す。第３図を参照すると、吸気弁は通常タイミングにお
いては、例えば排気上死点前１０度（ＩＯＮ）で開弁さ
れ吸気下死点後６０度（ＩＣＮ）で閉弁される。一方、
早期タイミングにおいては、例えば排気上死点前４０度
（ＩＯＦ）で開弁され吸気下死点後３０度（ＩＣＦ）で
閉弁される。一方、排気弁の開閉弁時期は変更されず、
例えば排気下死点前６０度（ＥＯ）が開弁され排気上死
点後１０度（ＥＣ）で閉弁される。第４図には吸気弁お
よび排気弁開閉弁時期を弁リフト量との関係で示す。
ところで第３図および第４図に示すように、吸気弁およ
び排気弁が共に開弁しているオーバラップ期間において
は、シリンダ内に残留している既燃ガスが吸気ポート内
に逆流すると吸気行程時における実質吸入空気量が減少
し斯くして吸気効率が低下するという問題がある。
特に早期タイミングにおいてはオーバラップ期間ＴＯが
長くなるため既燃ガスが多量に吸気ポー（１３） ト内に逆流して吸気効率が大幅に低下するおそれがある
。
そこで本実施例では早期タイミング時において、低速運
転の場合には制御弁１９を閉弁せしめることによって排
気脈動を集合部１４で反射せしめ、斯くして負圧波が排
気弁閉弁時近傍のオーバラップ期間に排気弁部に到達す
るようにしている。機関回転数の上昇に伴ない負圧波が
排気弁部に到達する時期が遅れるため、中速運転時には
制御弁１９を開弁せしめて連通管１８接続部において排
気脈動を反射せしめる。これによって中速運転時におい
ても排気弁閉弁時近傍のオーバラップ期間に負圧波を排
気弁部に到達せしめることができる。このように、オー
バラップ期間の長くなる早期タイミング時に、機関低速
および中速運転時においても負圧波を排気弁閉弁時近傍
のオーバラップ期間に排気弁部に到達せしめることがで
きるため、この負圧によってシリンダ内の既燃ガスが排
気ポートに吸い出され吸気ポートからシリンダ内に流入
する新気量が増大する。この結果吸気効率が向上し機関
（１４） 出力を大幅に向上せしめることができる。また、吸気ポ
ートからシリンダ内に流入する新気による掃気によって
シリンダ内のガス温度が低下するた必ノッキングの発生
を抑制することができる。
第６図には吸気弁開閉時期制御装置１１および制御弁１
９を制御するためのルーチンを示す。このルーチンは一
定時間毎の割込みによって実行される。
第６図を参照すると、まずステップ７０において吸気管
絶対圧力Ｐが予め定められた圧力ＰＨ以上か否か、すな
わち機関負荷が高負荷か否か判定される。ステップ７１
では機関回転数ＮＥが例えば４４００ｒｐｍ以下か否か
判定される。ステップ７０およびステップ７１のうちい
ずれか一方において否定判定されるとステップ７２に進
み吸気弁開閉時期が通常タイミングとされ、また制御弁
１９が開弁せしめられる。本実施例では吸気弁開閉時期
が通常タイミングの場合には制御弁１９を開弁状態とし
機関中速運転時において負圧波が排気弁閉弁時近傍のオ
ーバラップ期間に排気弁部に到達するようにしている。
これは、通常タイミング領域においては早（１５） 期タイミング領域に比べてオーバラップ期間が短かいた
め、早期タイミング領域における程大きな効果が得られ
ないため制御弁１９を開弁状態に維持しているのである
が、通常タイミング領域においても早期タイミング領域
と同様に制御弁１９を制御してもよく、この場合にも吸
気効率を向上せしめることができる。
ステップ７０およびステップ７１の両者において肯定判
定された場合にはステップ７３に進み吸気弁開閉時期は
早期タイミングとされる。ステップ７４では機関回転数
ＮＥが３４０Ｏｒｐｍ以下か否か判定される。ＮＢ≦３
４０Ｏｒｐｍのとき、すなわち低速運転時においてはス
テップ７５に進み制御弁１９が閉弁せし約られ集合部１
４において排気脈動が反射せしめられる。一方、ステッ
プ７４において否定判定された場合、すなわち中速運転
時と判定された場合にはステップ７６に進み制御弁１９
が開弁せしめられる。これにより排気脈動は連通管１８
接続部で反射されることになる。
第７図には排気弁から排気脈動反射位置までの（１６） 排気経路長さと低速運転時における機関トルクとの関係
の実験値を示す。排気経路長さのＬｌは連通管１８接続
部に対応する位置であって制御弁１９を開弁じたときに
相当し、Ｌ２は集合部１４に対応する位置であって制御
弁１９を閉弁したときに相当する。低速運転時において
は、早期タイミング時に排気経路長さをＬ２まで長くす
る（制御弁１ｇを閉弁する）ことによってトルクを大幅
に向上することができる。一方、通常タイミングにおい
ては排気経路長さがＬＬ（制御弁１９開弁）よりＬ２の
方が若干良いが、本実施例では通常タイミング時には制
御弁１９を開弁状態としている。なお前述のように通常
タイミング時においても低速運転時には制御弁１９を閉
弁する（排気経路長さをＬ２とする）ことによって機関
性能をさらに向上することができる。
第８図には排気経路長さと最高出力（中速運転時）との
関係の実験値を示す。早期タイミング時には排気経路長
さをＬｌにする（制御弁１９を開弁する）ことによって
最高出力を大幅に増大させる（１７） ことができる。一方、通常タイミングにおいては排気経
路長さがＬ２よりＬｌの方が若干良い。
第９図には本実施例と従来例のトルクを示している。機
関回転数の全範囲において本実施例では従来例に対し機
関性能を大幅に向上することができる。
なお、本実施例では連通管１Ｂを１つだけ設けているが
、連通管１８を複数設けてより細かい制御をすることに
よりさらに機関性能を向上することができる。
また、本実施例では断面急拡大部を集合部１４としてい
るが、第１および第２合流管１２．１３を集合させるこ
となく夫々に断面急拡大部を設けてもよい。
〔発明の効果〕
オーバラップ期間において既燃ガスが吸気ポート内に逆
流することがないため、吸気効率を向上せしめることが
できる。
（１８）
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の排気系の一実施例を採用した４気筒内
燃機関の全体図、第２図は吸気弁開閉時期制御装置の縦
断面図、第３図および第４図は吸気弁および排気弁の開
閉弁時期を示す線図、第５図は吸気弁開閉時期制御装置
および制御弁の切換領域を示す線図、第６図は吸気弁開
閉時期制御装置および制御弁を制御するためのフローチ
ャート、第７図は排気経路長さと低速時トルクとの関係
を示す線図、第８図は排気経路長さと最高出力との関係
を示す線図、第９図は本実施例と従来例のトルクを示す
線図である。 １２・・・第１合流管、　　　１３・・・第２合流管、
１４・・・集合部、　　　　　１Ｂ・・・連通管、１９
・・・制御弁。 （１９） 特開平 ３ ２２９９１８　（１０） 排気経路長さ 排気経路長さ

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. ２つの機関排気通路に断面急拡大部を設け、該断面急拡
    大部より上流位置で前記２つの機関排気通路を連通管に
    よって相互に接続し、該連通管には該連通管を開閉する
    制御弁を配置し、機関排気通路内の排気脈動による負圧
    波が吸気弁および排気弁が共に開弁している期間内に排
    気弁部に到達するように前記断面急拡大部の位置および
    前記連通管による２つの機関排気通路の接続位置を決定
    しかつ前記制御弁の開閉制御を行なうようにした内燃機
    関の排気系。
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