(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気ポートおよび排気ポートがそれぞれ形成されるとともに前記吸気ポートを開閉可能な吸気バルブと前記排気ポートを開閉可能な排気バルブとが設け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つの気筒あるいは排気順序が互いに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るとともに、少なくとも下流側において２つの通路にそれぞれ分離する複数の独立排気通路と、
前記各独立排気通路の一方の通路である低速側通路の各下流端に接続されて、当該各低速側通路に連通して当該各低速側通路を通過したガスが集合する低速側集合部と、
前記各独立排気通路の他方の通路であって前記低速側通路よりも流路面積が大きく設定された高速側通路の各下流端に接続されて、当該各高速側通路に連通して当該各高速側通路を通過したガスが集合する高速側集合部と、
前記各高速側通路に設けられて、当該各高速側通路の流路面積を変更可能な流路面積可変バルブと、
前記流路面積可変バルブを駆動可能な流路面積可変バルブ駆動手段と、
前記各気筒の吸気バルブおよび排気バルブを駆動可能なバルブ駆動手段とを備え、
前記各低速側通路の下流端の流路面積は互いに同一に設定されており、
前記各高速側通路の下流端の流路面積は互いに同一に設定されており、
前記バルブ駆動手段は、エンジンの回転数が予め設定された基準回転数よりも低い低速領域において、少なくともエンジンに対する要求トルクが予め設定された基準負荷よりも高い高負荷領域では、前記各気筒の吸気バルブの開弁期間と排気バルブの開弁期間とが所定のオーバーラップ期間重複するように、かつ、排気順序が連続する気筒間において一方の気筒の前記オーバーラップ期間中に他方の気筒の排気バルブが開弁するように、各気筒の吸気バルブおよび排気バルブを駆動し、
前記流路面積可変バルブ駆動手段は、前記低速領域の少なくとも前記高負荷領域では、前記各高速側通路の流路面積がその最大面積よりも小さくなるように前記流路面積可変バルブを駆動する一方、エンジンの回転数が前記基準回転数よりも高い高速領域では前記各高速側通路の流路面積が最大面積となるように前記流路面積可変バルブを駆動し、
前記各低速側通路のうち排気順序が連続する気筒に接続された低速側通路の下流端は互いに隣り合う位置に配置されており、
前記低速側集合部は、その上流端と下流端の少なくとも一方の流路面積が、当該低速側集合部の流路面積のうち最も小さい面積となる形状を有し、
前記高速側集合部は、その上流端と下流端の少なくとも一方の流路面積が、当該高速側集合部の流路面積のうち最も小さい面積となる形状を有するとともに、前記低速側通路の下流端の流路面積と同じ面積を有する真円の直径ａ１と、前記低速側集合部の下流端の流路面積と同じ面積を有する真円の直径Ｄ１と、前記高速側通路の下流端の流路面積と同じ面積を有する真円の直径ａ２と、前記高速側集合部の下流端の流路面積と同じ面積を有する真円の直径Ｄ２との関係がａ１／Ｄ１≧ａ２／Ｄ２となる形状を有することを特徴とする多気筒エンジンの排気装置。
【請求項２】
請求項１に記載の多気筒エンジンの排気装置であって、
前記低速側集合部は、その上流端の流路面積が前記各低速側通路の下流端の流路面積の合計面積と同一であるとともに、その上流端から下流端にわたって流路面積が一定、あるいは、下流側の方がその流路面積が小さくなる形状を有することを特徴とする多気筒エンジンの排気装置。
【請求項３】
請求項２に記載の多気筒エンジンの排気装置であって、
前記高速側集合部は、その上流端から下流端にわたって、流路面積が前記各高速側通路の下流端の流路面積の合計面積以上となる形状を有することを特徴とする多気筒エンジンの排気装置。
【請求項４】
請求項３に記載の多気筒エンジンの排気装置であって、
前記独立排気通路、前記低速側通路および前記高速側通路をそれぞれ３本ずつ有し、
前記低速側集合部は、前記低速側通路の下流端の流路面積と同じ面積を有する真円の直径ａ１と、前記低速側集合部の下流端の流路面積と同じ面積を有する真円の直径Ｄ１との関係がａ１／Ｄ１≧０．５７となる形状を有し、
前記高速側集合部は、前記高速側通路の下流端の流路面積と同じ面積を有する真円の直径ａ２と、前記高速側集合部の下流端の流路面積と同じ面積を有する真円の直径Ｄ２との関係がａ２／Ｄ２≦０．５７となる形状を有することを特徴とする多気筒エンジンの排気装置。
【請求項５】
請求項４に記載の多気筒エンジンの排気装置であって、
中央に設けられた２つの気筒の排気順序が互いに連続しない状態で直列に配置された４つの気筒を有し、
前記独立排気通路のうち一つの独立排気通路は、前記中央に設けられた２つの気筒の排気ポートにそれぞれ接続される一方、他の独立排気通路は両端の２つの気筒にそれぞれ独立して接続されることを特徴とする多気筒エンジンの排気装置。
【請求項６】
請求項５に記載の多気筒エンジンの排気装置であって、
前記独立排気通路、前記低速側通路および前記高速側通路をそれぞれ４本ずつ有し、
前記低速側集合部は、前記低速側通路の下流端の流路面積と同じ面積を有する真円の直径ａ１と、前記低速側集合部の下流端の流路面積と同じ面積を有する真円の直径Ｄ１との関係がａ１／Ｄ１≧０．５となる形状を有し、
前記高速側集合部は、前記高速側通路の下流端の流路面積と同じ面積を有する真円の直径ａ２と、前記高速側集合部の下流端の流路面積と同じ面積を有する真円の直径Ｄ２との関係がａ２／Ｄ２≦０．５となる形状を有することを特徴とする多気筒エンジンの排気装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の多気筒エンジンの排気装置であって、
前記低速側集合部の下流端および前記高速側集合部の下流端に接続されて、当該低速側集合部と高速側集合部とに連通してこれら低速側集合部を通過したガスと高速側集合部を通過したガスとが集合する最終集合部と、
前記各気筒から排出された排気を浄化可能な触媒装置とを有し、
前記触媒装置は、前記最終集合部の下流端に直接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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車等に設けられる多気筒エンジンの排気装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車等のエンジンにおいて、エンジン出力を高めることを目的とした排気装置の開発が行なわれている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ターボ過給機を有する装置であって、各気筒の排気ポートに接続されて互いに独立する複数の独立通路と、ターボ過給機の上流に設けられてこれら独立通路が集合する集合部と、この集合部に設けられて各独立通路の流路面積を変更可能なバルブとを備えたものが開示されている。この装置では、前記バルブによって前記独立排気通路の流路面積を縮小することで、排気行程にある気筒の排気を所定の独立通路から前記集合部に比較的高速で流入させ、この高速の排気の周囲に生成された負圧を前記集合部において他の独立通路に作用させていわゆるエゼクタ効果によってこの他の独立通路内の排気を下流側に吸い出すことで、ターボ過給機に供給されるガス量を増大させてエンジン出力を向上させるよう構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−９７３３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
自動車等のエンジンにおいて、エンジン出力の向上要求は依然として高く、特に、ターボ過給機を有しない構造の簡素化が図られたエンジンシステムでは、簡単な構成でエンジン出力を高めることが求められている。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑み、簡単な構成でより吸気量をより増大させてエンジン出力を高めることのできる多気筒エンジンの排気装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために、本発明は、吸気ポートおよび排気ポートがそれぞれ形成されるとともに前記吸気ポートを開閉可能な吸気バルブと前記排気ポートを開閉可能な排気バルブとが設け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つの気筒あるいは排気順序が互いに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るとともに、少なくとも下流側において２つの通路にそれぞれ分離する複数の独立排気通路と、前記各独立排気通路の一方の通路である低速側通路の各下流端に接続されて、当該各低速側通路に連通して当該各低速側通路を通過したガスが集合する低速側集合部と、前記各独立排気通路の他方の通路であって前記低速側通路よりも流路面積が大きく設定された高速側通路の各下流端に接続されて、当該各高速側通路に連通して当該各高速側通路を通過したガスが集合する高速側集合部と、前記各高速側通路に設けられて、当該各高速側通路の流路面積を変更可能な流路面積可変バルブと、前記流路面積可変バルブを駆動可能な流路面積可変バルブ駆動手段と、前記各気筒の吸気バルブおよび排気バルブを駆動可能なバルブ駆動手段とを備え、前記各低速側通路の下流端の流路面積は互いに同一に設定されており、前記各高速側通路の下流端の流路面積は互いに同一に設定されており、前記バルブ駆動手段は、エンジンの回転数が予め設定された基準回転数よりも低い低速領域において、少なくともエンジンに対する要求トルクが予め設定された基準負荷よりも高い高負荷領域では、前記各気筒の吸気バルブの開弁期間と排気バルブの開弁期間とが所定のオーバーラップ期間重複するように、かつ、排気順序が連続する気筒間において一方の気筒の前記オーバーラップ期間中に他方の気筒の排気バルブが開弁するように、各気筒の吸気バルブおよび排気バルブを駆動し、前記流路面積可変バルブ駆動手段は、前記低速領域の少なくとも前記高負荷領域では、前記各高速側通路の流路面積がその最大面積よりも小さくなるように前記流路面積可変バルブを駆動する一方、エンジンの回転数が前記基準回転数よりも高い高速領域では前記各高速側通路の流路面積が最大面積となるように前記流路面積可変バルブを駆動し、前記各低速側通路のうち排気順序が連続する気筒に接続された低速側通路の下流端は互いに隣り合う位置に配置されており、前記低速側集合部は、その上流端と下流端の少なくとも一方の流路面積が、当該低速側集合部の流路面積のうち最も小さい面積となる形状を有し、前記高速側集合部は、その上流端と下流端の少なくとも一方の流路面積が、当該高速側集合部の流路面積のうち最も小さい面積となる形状を有するとともに、前記低速側通路の下流端の流路面積と同じ面積を有する真円の直径ａ１と、前記低速側集合部の下流端の流路面積と同じ面積を有する真円の直径Ｄ１と、前記高速側通路の下流端の流路面積と同じ面積を有する真円の直径ａ２と、前記高速側集合部の下流端の流路面積と同じ面積を有する真円の直径Ｄ２との関係がａ１／Ｄ１≧ａ２／Ｄ２となる形状を有することを特徴とする多気筒エンジンの排気装置を提供する。
【０００８】
本装置によれば、低速領域の少なくとも高負荷領域においてエゼクタ効果を効果的に利用して気筒内の掃気を促進しつつ、高速領域において排気抵抗を小さく抑えて気筒内の掃気を促進することができ、全速度領域において吸気効率高めてエンジン出力を高めることができる。
【０００９】
すなわち、この装置では、低速領域の少なくとも高負荷領域において、前記流路面積可変バルブにより高速側通路の流路面積が縮小されて独立排気通路の流路面積が絞られることで排気がこの独立排気通路を高速で通過するよう構成されており、所定の独立排気通路から高速の排気が噴出することでエゼクタ効果により他の独立排気通路内のガスが吸い出される。ここで、前記低速領域の少なくとも高負荷領域では、所定の気筒の前記オーバーラップ期間中に他の気筒の排気バルブが開弁しており、この排気バルブの開弁に伴って所定の独立排気通路から高速の排気が噴出することで前記エゼクタ効果によって前記オーバーラップ期間にある気筒内のガスが吸い出されるため、このオーバーラップ期間にある気筒すなわち吸気行程にある気筒内の掃気が促進されて吸気効率が高められる。
【００１０】
特に、高速側通路の流路面積が縮小された際に排気が主に通過する前記各低速側通路は、前記低速側集合部において、排気順序が連続する気筒に接続された低速側通路が互いに隣り合うように配置されており、排気バルブの開弁に伴って所定の低速側通路から噴出された高速の排気による負圧がより効果的に前記オーバーラップ期間にある気筒に接続された低速側通路に作用するため、前記気筒内の掃気がより一層促進される。
【００１１】
ここで、前記独立排気通路の流路面積が絞られると、排気の流量が多い場合には、排気抵抗が増大する結果かえって排気の排出が阻害されて掃気性能が悪化するおそれがある。これに対して、本装置では、排気の流量が多い高速領域では前記高速側通路の流路面積が最大面積とされて独立排気通路の流路面積が確保されて排気抵抗が小さく抑えられており、高速領域においても吸気効率を高めることができる。
【００１２】
特に、低速側通路の下流端の流路面積と同じ面積を有する真円の直径ａ１と、前記低速側集合部の下流端の流路面積と同じ面積を有する真円の直径Ｄ１と、前記高速側通路の下流端の流路面積と同じ面積を有する真円の直径ａ２と、前記高速側集合部の下流端の流路面積と同じ面積を有する真円の直径Ｄ２との関係がａ１／Ｄ１≧ａ２／Ｄ２に設定されて、低速側集合部において、その下流端の流路面積が低速側通路の下流端の流路面積に対して小さく設定される一方、高速側集合部において、その下流端の流路面積が高速側通路の下流端の流路面積に対して大きく設定されており、低速側通路から低速側集合部に噴出したガスの速度が低速側集合部内で低下するのが抑えられるとともに、高速側集合部の内圧が低く抑えられて排気抵抗が小さく抑えられている。そのため、本装置では、排気が主に低速側集合部を通過する低速領域の少なくとも高負荷領域において、前記オーバーラップ期間にある気筒に対して前記低速側集合部に噴出した高速のガスによる吸出し力をより効果的に作用させて掃気をより確実に促進することができるとともに、高速側通路を通過する高速領域において排気抵抗をより確実に小さく抑えることができ、吸気効率を高めることができる。
【００１４】
そして、各高速側通路の流路面積の方が、各低速側通路の流路面積よりも大きく設定されているため、低速領域の少なくとも高負荷領域において、排気が主に通過する低速側通路の流路面積が十分に絞られて前記エゼクタ効果が効果的に発揮されるとともに、高速領域において、独立排気通路の流路面積が確保されて排気抵抗がより確実に小さくなることで、吸気効率がより一層高められる。
【００１５】
また、本発明において、前記低速側集合部は、その上流端の流路面積が前記各低速側通路の下流端の流路面積の合計面積と同一であるとともに、その上流端から下流端にわたって流路面積が一定、あるいは、下流側の方がその流路面積が小さくなる形状を有するのが好ましい（請求項２）。
【００１６】
この構成によれば、前記低速側通路から低速側集合部に流入した排気は、その速度の低下が抑えられた状態で低速側集合部を通過する。そのため、高速で低速側集合部を通過する排気により前記オーバーラップ期間中の気筒に高い吸出し力が付与されて掃気がより一層促進される。
【００１７】
さらに、前記高速側集合部は、その上流端から下流端にわたって、流路面積が前記各高速側通路の下流端の流路面積の合計面積以上となる形状を有するのが好ましい（請求項３）。
【００１８】
この構成によれば、高速側集合部の容積が大きく確保されて、前記高速側通路およびこの高速側集合部を排気が通過する高速領域において、排気抵抗がより確実に小さく抑えられる。特に、この高速側集合部の下流端の流路面積が高速側通路の下流端の流路面積の合計以上となることで、排気はより少ない抵抗で高速側集合部から下流側に流れることができ、排気抵抗が小さく抑えられて吸気効率が高められる。
【００１９】
前記構成において、前記独立排気通路、前記低速側通路および前記高速側通路の本数は特に限定されないが、例えば、それぞれ３本ずつ設けられたものが挙げられる。そして、この場合には、ａ１／Ｄ１≧０．５７として低速側集合部の下流端の流路面積を各低速側通路の下流端の流路面積の合計より小さくして、低速側集合部を通過するガスの速度を高く維持し、低速領域の少なくとも高負荷領域において、エゼクタ効果を効果的に発揮させるとともに、ａ２／Ｄ２≦０．５７として高速側集合部の下流端の流路面積を各高速側通路の下流端の流路面積の合計以上として高速側集合部内の圧力を小さく抑えて、高速領域において、排気抵抗を小さく抑えるのが好ましい（請求項４）。
【００２０】
ここで、前記気筒が４つ設けられており、中央に設けられた２つの気筒の排気順序が互いに連続しない状態で直列に配置されているとともに、前記独立排気通路のうち一つの独立排気通路が、前記中央に設けられた２つの気筒の排気ポートにそれぞれ接続される一方、他の独立排気通路が両端の２つの気筒にそれぞれ独立して接続される装置では、低速領域の少なくとも高負荷領域において前記エゼクタ効果を効果的に発揮させる、かつ、高速領域において排気抵抗を小さく抑えつつ、各気筒に個別に独立排気通路が接続された場合に比べて、装置全体を小型化することができる（請求項５）。
【００２１】
また、前記独立排気通路、前記低速側通路および前記高速側通路の本数をそれぞれ４本ずつとして、ａ１／Ｄ１≧０．５として低速側集合部の下流端の流路面積を各低速側通路の下流端の流路面積の合計より小さくして、低速側集合部を通過するガスの速度を高く維持し、エゼクタ効果を効果的に発揮させるとともに、ａ２／Ｄ２≦０．５として高速側集合部の下流端の流路面積を各高速側通路の下流端の流路面積の合計以上として高速側集合部内の圧力を小さく抑えて排気抵抗を小さく抑える構成が挙げられる（請求項６）。
【００２２】
前述のように、本発明によれば、ターボ過給機を用いずとも十分に吸気効率を高めることができる。そのため、本発明は、前記低速側集合部の下流端および前記高速側集合部の下流端に接続されて、当該低速側集合部と高速側集合部とに連通してこれら低速側集合部を通過したガスと高速側集合部を通過したガスとが集合する最終集合部と、前記各気筒から排出された排気を浄化可能な触媒装置とを有し、前記触媒装置が、前記最終集合部の下流端に直接接続されておりターボ過給機を有しない装置に特に有用である（請求項７）。
【発明の効果】
【００２３】
以上のように、本発明によれば、簡単な構成で吸気量をより増大させてエンジン出力を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態に係る多気筒エンジンの排気装置を備えたエンジンシステムの概略構成図である。
【図２】図１に示すエンジン本体１の下流側の部分を下から見た図である。
【図３】図２に示すエンジン本体１の下流側の部分の側面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】低速側通路および高速側通路の集合部分の構成を説明するための図である。
【図６】吸気バルブおよび排気バルブのバルブタイミングを説明するための図である。
【図７】流路面積可変バルブの開度マップを示した図である。
【図８】本発明の実施形態に係る多気筒エンジンの排気装置における吸気バルブおよび排気バルブの開弁時期および閉弁時期を説明するための図である。
【図９】ａ／Ｄと充填効率との関係を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明に係る多気筒エンジンの排気装置の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２６】
図１は前記多気筒エンジンの排気装置を備えたエンジンシステム１００の概略構成図である。このエンジンシステム１００は、シリンダヘッド９およびシリンダブロック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。
【００２７】
前記シリンダヘッド９およ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の気筒１２が形成されている。本実施形態では、前記エンジン本体１は、直列４気筒のエンジンであって、前記シリンダヘッド９およ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。前記シリンダヘッド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。
【００２８】
前記エンジン本体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℃Ａずつずれたタイミングで前記点火プラグ１５による点火が行われて、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程がそれぞれ１８０℃Ａずつずれるように構成されている。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てこの順に排気行程等が実施される。
【００２９】
各気筒１２の上部には、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および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内部とを連通あるいは遮断するための吸気バルブ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を開閉してこれら排気ポート１８と気筒１２内部とを連通あるいは遮断するための排気バルブ２０が設けられている。前記吸気バルブ１９は吸気バルブ駆動機構（バルブ駆動手段）３０により駆動されることで、所定のタイミングで吸気ポート１７を開閉する。また、前記排気バルブ２０は、排気バルブ駆動機構（バルブ駆動手段）４０により駆動されて、所定のタイミングで排気ポート１８を開閉する。
【００３０】
前記吸気バルブ駆動機構３０は、吸気バルブ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／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、吸気バルブ１９を開閉駆動する。
【００３１】
前記吸気ＶＶＴ３２は、吸気バルブ１９のバルブタイミングを変更するためのものである。この吸気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と吸気カムシャフト３１との間の位相差を変更して、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、吸気バルブ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との間に設けられた電磁石を有し、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で算出された吸気バルブ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。
【００３２】
前記排気バルブ駆動機構４０は、前記吸気バルブ駆動機構３０と同様の構造を有している。すなわち、排気バルブ駆動機構４０は、排気バルブ２０およ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バルブ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で算出された排気バルブ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バルブ２０を前記目標バルブタイミングで開閉駆動する。
【００３３】
なお、本実施形態では、前記吸気ＶＶＴ３２および排気ＶＶＴ４２は、吸気バルブ１９および排気バルブ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、吸気バルブ１９および排気バルブ２０の開弁時期と閉弁時期とをそれぞれ変更する。
【００３４】
前記各気筒１２の排気ポート１８は、その下流側において独立排気通路５２に接続されている。前記気筒１２のうち第１気筒１２ａの排気ポート１８と第４気筒１２ｄの排気ポート１８とは、それぞれ個別に独立排気通路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と第３気筒１２ｃの排気ポート１８は、１つの独立排気通路５２ｂに接続されている。これら独立排気通路５２は、互いに独立しており、第２気筒１２ｂあるいは第３気筒１２ｃから排出された排気と、第１気筒１２ａ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５２内を通って下流側に排出される。本実施形態では、これら独立排気通路５２の上流部分は前記シリンダヘッド９内に形成されており、これら独立排気通路５２の下流部分は前記排気マニホールド５に設けられている。
【００３５】
前記排気マニホールド５は、前述のように前記排気ポート１８に接続される３つの独立排気通路５２に加えて、３つの流路面積可変バルブ５８と、低速側集合部５６と、高速側集合部５７とを備えている。
【００３６】
前記独立排気通路５２は、その下流側、本実施形態では前記排気マニホールド５の上流端付近、において、それぞれ高速側通路５３と低速側通路５４とに分離している。本実施形態では、図２および図３に示すように、高速側通路５３は、それぞれシリンダヘッド９に形成された独立排気通路５２の上流側部分から直線的に後方に延びた後下方に湾曲する形状を有している。低速側通路５４は、前記排気マニホールド５の上流端付近から下方に湾曲した後高速側通路５３の下方を通りこれら高速側通路５３と同様に直線的に後方に延びた後下方に湾曲する形状を有している。
【００３７】
前記各高速側通路５３の断面積すなわち流路面積は互いに同一に設定されており、各低速側通路５４の断面積すなわち流路面積は、互いに同一に設定されている。また、各高速側通路５３の流路面積は低速側通路５４の流路面積よりも大きく設定されている。
【００３８】
前記流路面積可変バルブ５８は、前記各高速側通路５３の流路面積を変更し、これにより各独立排気通路５２の流路面積を変更するためのものである。これら流路面積可変バルブ５８は各高速側通路５３内にそれぞれ１つずつ設けられている。本実施形態では、これら流路面積可変バルブ５８は、高速側通路５３内の上流端付近であって高速側通路５３内と低速側通路５４とが分離する付近に設けられている。
【００３９】
前記流路面積可変バルブ５８は、その中央に設けられた回動軸５８ａが回動駆動されるに伴いこの回動軸５８ａを中心として回動する。本実施形態では、各流路面積可変バルブ５８に、共通の回動軸５８ａが固定されており、３つの流路面積可変バルブ５８は一体に回動する。各流路面積可変バルブ５８は、排気の流れ方向と略平行な方向に広がる全開位置（図３の破線）と、排気の流れ方向と略垂直な方向に広がる全閉位置（図３の実線）との間で回動し、高速側通路５３を開閉して高速側通路５３の流路面積を変更する。なお、図３では、流路面積可変バルブ５８の全開位置と全閉位置とをより明確に示すために、高速側通路５３内に配置されて破線で示されるべき流路面積可変バルブ５８を全閉位置にある状態で実線で示している。
【００４０】
前記回動軸５８ａは、その端部に設けられたバルブアクチュエータ（流路面積可変バルブ駆動手段）５８ｂにより回動駆動される。このバルブアクチュエータ５８ｂは、ＥＣＵ２で算出された流路面積可変バルブの目標開度に応じて、前記回動軸５８ａを回動させて流路面積可変バルブ５８を全閉あるいは全開位置に駆動する。このバルブアクチュエータ５８ｂは前記回動軸５８ａを回動駆動して前記流路面積可変バルブ５８を回動可能なものであればどのようなものであってもよい。
【００４１】
前記低速側集合部５６は、前記低速側通路５４の下流側に設けられる部分である。この低速側集合部５６は、各低速側通路５４と連通した状態で各低速側通路５４の下流端に接続されている。各低速側通路５４を通過したガスはこの低速側集合部５６に流入してこの低速側集合部５６にて集合する。
【００４２】
本実施形態では、前記低速側集合部５６の上流端の断面は略半円形を有している。各低速側通路５４は、上流側では断面がそれぞれ略円形であって略円筒状をなす一方、下流端付近５５では、その断面が半円形状を径方向に３分割した形状に変形されている。そして、これら低速側通路５４は、その下流端の断面が全体として略半円形をなすように集合して前記低速側集合部５６の略半円形断面の上流端に接続されており、低速側集合部５６の上流端の断面形状および断面積と３つの低速側通路５４の下流端全体の断面形状および断面積とはほぼ同一に設定されている。すなわち、各通路の構成を模式的に示した図５において、３×Ｕ１（低速側通路５４の下流端の断面積Ｕ１の合計）＝Ｓ１０（低速側集合部５６の上流端の断面積）に設定されている。
【００４３】
前記３つの低速側通路５４の下流端の流路面積は互いに同一に設定されている。これら低速側通路５４の下流端は、低速側集合部５６の略半円形断面を有する上流端に、径方向に沿って並んだ状態で接続されている。前記第２気筒１２ｂと第３気筒１２ｃとにそれぞれ接続された低速側通路５４は径方向中央に配置されており、その左右に、前記第１気筒１２ａに接続された低速側通路５４と、第４気筒１２ｄに接続された低速側通路５４とがそれぞれ配置されている。前述のように、第１気筒１２ａ→第３気筒１２ｃ→第４気筒１２ｄ→第２気筒１２ｂの順に排気工程が実施されており、排気順序が連続する気筒１２に接続された低速側通路５４が互いに隣接した状態で配置されている。
【００４４】
前記低速側集合部５６は、その上流端から下流に向かうに従って縮径してその断面積すなわち流路面積が下流に向かうに従って縮小する形状を有しており、低速側集合部５６の下流端の断面積Ｓ１１は、上流端の断面積Ｓ１０よりも小さく（Ｓ１１＜Ｓ１０＝３×Ｕ１）設定されている。すなわち、前記低速側通路５４の下流端の断面積と同じ面積を有する真円の直径をａ１とし、低速側集合部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Ｄ１とした場合に、これら直径の関係が、ａ１／Ｄ１≧０．５７となるように、低速側集合部５６の断面積は下流に向かうに従って縮小している。本実施形態では、ａ１／Ｄ１＝０．６５に設定されている。
【００４５】
前記高速側集合部５７は、前記高速側通路５３の下流側に設けられる部分である。この高速側集合部５７は、各高速側通路５３と連通した状態で各高速側通路５３の下流端に接続されている。各高速側通路５３を通過したガスはこの高速側集合部５７に流入してこの高速側集合部５７にて集合する。
【００４６】
本実施形態では、前記高速側集合部５７の上流端の断面は略半円形を有している。各高速側通路５３は、上流側では断面がそれぞれ略円形であって略円筒状をなす一方、下流端付近では、その断面が半円形状を径方向に３分割した形状に変形されている。そして、これら高速側通路５３は、その下流端の断面が全体として略半円形をなすように集合して前記高速側集合部５７の略半円形断面の上流端に接続されており、高速側集合部５７の上流端の断面形状および断面積と３つの高速側通路５３の下流端全体の断面形状および断面積とはほぼ同一に設定されている。すなわち、各通路の構成を模式的に示した図５において、３×Ｕ２（高速側通路５３の下流端の断面積Ｕ２の合計）＝Ｓ２０（高速側集合部５７の上流端の断面積）に設定されている。
【００４７】
前記３つの高速側通路５３の下流端の流路面積は互いに同一に設定されている。これら３つの高速側通路５３の下流端は、高速側集合部５７の略半円形断面を有する上流端に、径方向に沿って並んだ状態で接続されている。前記第２気筒１２ｂと第３気筒１２ｃとにそれぞれ接続された高速側通路５３は径方向中央に配置されており、その左右に、前記第１気筒１２ａに接続された高速側通路５３と、第４気筒１２ｄに接続された高速側通路５３とがそれぞれ配置されている。
【００４８】
前記高速側集合部５７は、その上流端から下流に向かうに従って拡径してその断面積すなわち流路面積が下流に向かうに従って拡大した後、断面積一定で延びる形状を有しており、高速側集合部５７の下流端の断面積Ｓ２１は上流端の断面積Ｓ２０よりも大きく（Ｓ２１＜Ｓ２０＝３×Ｕ２）設定されている。すなわち、前記高速側通路５３の下流端の断面積と同じ面積を有する真円の直径をａ２とし、高速側集合部５７の下流端の流路面積と同じ面積を有する真円の直径をＤ２とした場合に、これら直径の関係が、ａ２／Ｄ２≦０．５７となるように設定されている。本実施形態では、ａ２／Ｄ２＝０．３に設定されている。
【００４９】
ここで、前記ａ１／Ｄ１あるいはａ２／Ｄ２と充填効率ηｃの関係について調べた結果を、図９を用いて説明する。
【００５０】
図９のグラフは、本実施形態に係るエンジンシステムと同様に、直列４気筒のエンジン本体１の気筒１２のうち第１気筒１２ａの排気ポート１８と第４気筒１２ｄの排気ポート１８とがそれぞれ個別に独立排気通路に接続されて、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と第３気筒１２ｃの排気ポート１８が１つの独立排気通路５２ｂに接続される一方、これら独立排気通路が高速側通路と低速側通路とに分離せずに所定の集合部に接続されてこれら独立排気通路を通過したガスがこの集合部で合流するよう構成されたエンジンシステムにおいて、各独立排気通路の下流端の流路面積すなわち断面積と同じ面積を有する真円の直径をａとし、前記集合部の下流端の流路面積すなわち断面積と同じ面積を有する真円の直径をＤとして、ａ／Ｄを変化させた際の、エンジン回転数ＮＥと充填効率ηｃとの関係を調べた結果である。また、この結果は、排気バルブ２０と吸気バルブ１９とは、所定のオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ開弁するように、すなわち、排気バルブ２０の開弁期間と吸気バルブ１９の開弁期間とがオーバーラップするように、かつ、排気バルブ２０が他の気筒１２の前記オーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中に開弁を開始するように設定された場合の結果である。
【００５１】
このグラフにおいて、横軸はエンジン回転数ＮＥであり、縦軸は充填効率ηｃである。ラインＬ１はａ／Ｄ＝０．３、ラインＬ２はａ／Ｄ＝０．５、ラインＬ３はａ／Ｄ＝０．５７、ラインＬ４はａ／Ｄ＝０．６５のラインである。
【００５２】
ａ／Ｄ＝０．５７では、３つの独立排気通路の下流端の断面積の合計と集合部の下流端の断面積とは同一であり、集合部は上流端から下流端にわたってその断面積が一定となる形状を有している。ａ／Ｄ≧０．５７では、３つの独立排気通路の下流端の断面積の合計の方が集合部の下流端の断面積よりも大きく、前記集合部は、独立排気通路の下流端の断面積の合計とほぼ同じ断面積を有する上流端から下流に向かって断面積が縮小する形状を有している。ａ／Ｄ≦０．５７では、集合部の下流端の断面積の方が３つの独立排気通路の下流端の断面積の合計よりも大きく、前記集合部は、独立排気通路の下流端の断面積の合計とほぼ同じ断面積を有する上流端から下流に向かって断面積が拡大する形状を有している。
【００５３】
このグラフにおいて、エンジン回転数ＮＥが、基準回転数Ｎ１以下の低速領域では、ａ／Ｄが大きくなるほど充填効率ηｃは増加している。一方、エンジン回転数ＮＥが基準回転数Ｎ１以上の高速領域では、ａ／Ｄが小さくなるほど充填効率ηｃは増加している。これは、エンジン回転数ＮＥが基準回転数Ｎ１以下の低速領域では、ａ／Ｄが大きく集合部がより絞られるのに伴い集合部を通過する排気の流速が高くなってエゼクタ効果による掃気性能が向上する一方、エンジン回転数ＮＥがＮＥより大きい高速領域では、ａ／Ｄが小さくなるほど集合部の流路面積が大きくなり、これに伴い背圧が小さくなることで排気性能が向上するためと考えられる。
【００５４】
すなわち、前記集合部に所定の独立排気通路から高速の排気が噴出されてこの排気が集合部を高速で通過すると、この排気の周囲に発生した負圧作用すなわちエゼクタ効果により、集合部に連通している他の独立排気通路にはその内部のガスを下流側へと吸い出す力が作用する。このとき、所定の排気バルブ２０の開弁時において他の気筒がオーバーラップ期間中にあれば、排気行程の気筒から排出された排気による前記吸出し力は、オーバーラップ期間中にある気筒１２に接続された独立排気通路を介してこの気筒１２内のガスに作用し、このオーバーラップ期間中にある気筒１２内の残留ガスを気筒１２内から吸い出して掃気を促進する。このエゼクタ効果による掃気促進効果は、前記集合部を通過する排気の流速が速いほど高くなる。そして、この集合部を通過する排気の流速は、前記ａ／Ｄが大きくなり集合部の下流端が絞られるほど集合部での速度低下が小さく抑えられて速くなる。
【００５５】
しかしながら、ａ／Ｄが大きく集合部の下流端の面積が小さいと排気抵抗は増大する。そのため、エンジン回転数ＮＥが高く排気流量が多い条件では、ａ／Ｄを大きくすると、この排気抵抗の増大による背圧の増加の影響が前記エゼクタ効果による掃気促進効果よりも大きくなり、かえって掃気性能が悪化する。
【００５６】
そこで、本エンジンシステム１００では、前述のように、独立排気通路５２を低速側通路５３と高速側通路５４とに分離して、低速側通路５３のａ／Ｄすなわちａ１／Ｄ１を０．５７以上の値とする一方、高速側通路５３のａ／Ｄすなわちａ２／Ｄ２を０．５７以下の値として、ａ１／Ｄ１≦ａ２／Ｄ２とする。そして、後述するように、エンジン回転数ＮＥが基準回転数Ｎ１以下の低速領域では、排気が低速側通路５３のみを通過するようにしてエゼクタ効果により掃気を促進する一方、エンジン回転数ＮＥが基準回転数Ｎ１より大きい高速領域では、排気が低速側通路５３に加えて高速側通路５４を通過するようにして背圧の増加を抑えて掃気性能を高く維持する。なお、ａ１／Ｄ１≦ａ２／Ｄ２が満足されれば、ａ１／Ｄ１とａ２／Ｄ２の具体的な範囲は前記ａ１／Ｄ１≧０．５７、ａ２／Ｄ２≦０．５７に限られないが、図９のグラフに示されるように、ａ１／Ｄ１≧０．５７とすれば、低速領域において充填効率を１以上とすることができるため、このような範囲にするのが好ましい。
【００５７】
ここで、前記ａ／Ｄ≧０．５７すなわち集合部の下流端の断面積を各独立排気通路の下流端の断面積の合計以下とする場合において、集合部の断面積がその上流端と下流端との間で大きくなると、この部分で排気の速度が低下する結果エゼクタ効果が弱まる。そのため、ａ／Ｄ≧０．５７とする低速側集合部５６では、前述のように、低速側集合部５６の上流端の面積を各低速側通路５４の下流端の断面積の合計とほぼ同じとするとともに、下流側に向かってその断面が縮小する形状とする。
【００５８】
一方、前記ａ／Ｄ≦０．５７すなわち集合部の下流端の断面積を各独立排気通路の下流端の断面積の合計以上とする場合では、集合部の断面積がその上流端と下流端との間で各独立排気通路の下流端の断面積の合計以上となっても、背圧の低下効果を得ることができる。そのため、ａ／Ｄ≦０．５７とする高速側集合部５７では、高速側集合部５７は、上下流間にわたってその断面積が各高速側通路５３の下流端の断面積の合計以上となればよく、例えば、高速側集合部５７の上流端の断面積が各高速側通路５３の下流端の断面積の合計よりも大きくなっていてもよい。
【００５９】
前記低速側集合部５６の下流端および高速側集合部５７の下流端にはそれぞれ前記触媒装置６の後述するケーシング６２が接続されており、低速側集合部５６および高速側集合部５７を通過した排気はケーシング６２内に流入する。
【００６０】
前記触媒装置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、三元触媒等の触媒本体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は排気の流れ方向と平行に延びる略円筒状を有している。前記触媒本体６４は、前記ケーシング６２の下流部分に収容されており、このケーシング６２の上流部分６２ａには、ケーシング６２に流入したガスが混合可能な所定の空間が形成されている。
【００６１】
前記触媒装置６のケーシング６２は、前記低速側集合部５６および高速側集合部５７と連通した状態でこれら低速側集合部５６の下流端および高速側集合部５７の下流端に接続されている。従って、前記低速側集合部５６を通過した排気および高速側集合部５７を通過した排気はこのケーシング６２に流入してこのケーシング６２にて集合する。このように、本実施形態では、触媒装置６のケーシング６２の上流部分６２ａが、低速側集合部５６および高速側集合部５７を通過したガスが集合する最終集合部として機能する。
【００６２】
前記ＥＣＵ２は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラであって、プログラムを実行するためのＣＰＵと、ＲＡＭやＲＯＭからなりプログラム及びデータを格納するメモリと、各種信号の入出力を行なうＩ／Ｏバスとを備えている。このＥＣＵ２は、前記Ｉ／Ｏバスを介して各種センサからの信号を受け、この信号に基づき種々の演算を行う。
【００６３】
ＥＣＵ２は、運転条件に応じて、吸気バルブ１９および排気バルブ２０の目標バルブタイミングを演算するとともに、前記流路面積可変バルブ５８の目標開度を演算して、吸気バルブ１９および排気バルブ２０のバルブタイミング、流路面積可変バルブの開度がこれら目標値になるように、吸気ＶＶＴ３２および排気ＶＶＴ４２、前記バルブアクチュエータ５８ｂを駆動する。
【００６４】
前記吸気バルブ１９および排気バルブ２０の目標バルブタイミングは、エンジンの回転数が基準回転数Ｎ１より低い低速領域であってエンジンに対する要求トルクすなわちエンジン負荷が基準負荷Ｑ１より高い高負荷領域すなわち低速高負荷領域Ｒ１（図７参照）では、図６に示すように、排気バルブ２０と吸気バルブ１９との両方が所定のオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ開弁するように、すなわち、排気バルブ２０の開弁期間と吸気バルブ１９の開弁期間とがオーバーラップするように、かつ、排気バルブ２０が他の気筒１２の前記オーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中に開弁を開始するように設定されている。具体的には、第１気筒１２ａの吸気バルブ１９と排気バルブ２０とがオーバーラップしている期間中に第３気筒１２ｃの排気バルブ１２ｃが開弁し、第３気筒１２ｃの吸気バルブ１９と排気バルブ２０とがオーバーラップしている期間中に第４気筒１２ｄの排気バルブ１２ｃが開弁し、第４気筒１２ｄの吸気バルブ１９と排気バルブ２０とがオーバーラップしている期間中に第２気筒１２ｂの排気バルブ２０が開弁し、第２気筒１２ｂの吸気バルブ１９と排気バルブ２０とがオーバーラップしている期間中に第１気筒１２ａの排気バルブ２０が開弁するよう設定されている。
【００６５】
一方、エンジンの回転数が基準回転数Ｎ１より高い高速領域Ｒ３（図７参照）では、前記吸気バルブ１９および排気バルブ２０の目標バルブタイミングは、前記オーバーラップ期間Ｔ＿Ｌ／Ｏが前記低速高負荷領域Ｒ１で設定されたオーバーラップよりも小さく（０を含む）なるように設定されている。
【００６６】
また、エンジンの回転数が基準回転数Ｎ１より低い低速領域であってエンジン負荷が基準負荷Ｑ１よりも低い低速低負荷領域Ｒ２（図７参照）では、前記吸気バルブ１９および排気バルブ２０の目標バルブタイミングは、排気バルブ２０と吸気バルブ１９のオーバーラップ期間Ｔ＿Ｌ／Ｏが低速高負荷領域Ｒ１で設定されたオーバーラップ期間よりも小さくなるように設定されている。
【００６７】
各領域では、前記のようなオーバーラップ期間の設定が維持されつつ、エンジン回転数ＮＥに応じてあるいはエンジン回転数ＮＥとエンジン負荷とに応じて排気バルブ２０と吸気バルブ１９の目標バルブタイミングが詳細に設定されており、ＥＣＵ２には、この予め設定された排気バルブ２０と吸気バルブ１９の目標バルブタイミングのマップが記憶されている。ＥＣＵ２は、運転条件に応じてこのマップから各目標バルブタイミングを抽出する。
【００６８】
前記基準回転数Ｎ１は例えば２０００ｒｐｍであり、前記基準負荷Ｑ１は例えば最大負荷の１／２程度の負荷である。また、低速高負荷領域Ｒ１のオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌは例えば６０℃Ａ以上であって８０℃Ａ等に設定されており、高速領域Ｒ２のオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌは例えば４０℃Ａ以下に設定されている。
【００６９】
なお、本エンジンシステム１００において、前記吸気バルブ１９および排気バルブ２０の開弁時期、閉弁時期とは、それぞれ、図８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あるい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。
【００７０】
前記流路面積可変バルブの目標開度は、前記低速高負荷領域Ｒ１では、全閉に設定される一方、その他の領域Ｒ２、Ｒ３では、全開に設定されている。すなわち、前記低速高負荷領域Ｒ１では、前記各高速側通路５３が遮断されて、エンジン本体１から排出された排気は前記低速側通路５４のみを通って下流に流れる。一方、その他領域Ｒ２、Ｒ３では、各高速側通路５３が開放されて、エンジン本体１から排出された排気は高速側通路５３および低速側通路５４を通って下流に流れる。
【００７１】
ＥＣＵ２には、この予め設定された流路面積可変バルブの目標開度のマップが記憶されており、ＥＣＵ２は、運転条件に応じてこのマップから流路面積可変バルブの目標開度を抽出する。
【００７２】
以上のように構成された本エンジンシステム１００における吸気性能について次に説明する。
【００７３】
所定の気筒１２（以下、適宜排気行程気筒１２という）の排気バルブ２０が開弁すると、この気筒１２の排気ポート１８から対応する前記独立排気通路５２に排気が高速で流入する。特に、排気バルブ２０の開弁直後は、気筒１２内から非常に高速のガス（いわゆるブローダウンガス）が流入する。
【００７４】
ここで、前記低速高負荷領域Ｒ１では、前記高速側通路５３は遮断されて独立排気通路５２のうち低速側通路５４のみが開放されており、前記排気は前記低速側通路５４にのみ流入する。前述のように、この低速側通路５４の流路面積は独立排気通路５２さらには高速側通路５３よりも小さく設定されている。さらに、低速側通路５４の下流に設けられた前記低速側集合部５６は、下流に向かうほど流路面積が小さくなっている。従って、前記排気は、前記低速側集合部５６を高速で通過する。
【００７５】
前記低速側集合部５６に所定の低速側通路５４から高速の排気が噴出されると、前述のように、エゼクタ効果により低速側集合部５６に連通している他の低速側通路５４にはその内部のガスを下流側へと吸い出す力が作用する。前記排気行程気筒１２の排気バルブ２０の開弁時において、排気順序がこの排気行程気筒１２の１つ前に設定された他の気筒１２（以下、適宜、吸気行程気筒１２という）は前記オーバーラップ期間中にあり、その排気バルブ２０と吸気バルブ１９とはいずれも開弁している。そのため、前記吸出し力により前記吸気行程気筒１２内の残留ガスは気筒１２内から勢いよく吸い出される。
【００７６】
特に、各低速側通路５４の下流端は前記低速側集合部５６において隣接して配置されている。そのため、排気行程気筒１２に接続された低速側通路５４による吸出し力は吸気行程気筒１２に接続された低速側通路５４に効果的に作用し、この吸気行程気筒１２から多量の残留ガスが吸い出される。
【００７７】
ここで、前記第２気筒１２ｂと第３気筒１２ｃとは同一の独立排気通路５２に接続されており、これら第２気筒１２ｂおよび第３気筒１２ｃから排出された排気は同じ低速側通路５４に流入するが、この第２気筒１２ｂと第３気筒１２ｃとは排気順序が連続しておらず、これら気筒１２ｂ，１２ｃから排出された排気は干渉することなく低速側通路５４を通過する。
【００７８】
このようにして、本エンジンシステム１００では、低速高負荷領域Ｒ１において、エゼクタ効果が効果的に発揮され各気筒１２の掃気が促進されてエンジン出力が高められる。
【００７９】
一方、前記高速領域Ｒ３では、高速側通路５３は開放されており、気筒１２の排気ポート１８から独立排気通路５２に流入した排気は、前記低速側通路５４に加えて高速側通路５３に流入する。前述のように、高速側通路５３の流路面積は低速側通路５４の流路面積よりも大きく設定されており、前記排気の多くはこの高速側通路５３を通過する。そして、高速側通路５３を通過したガスは、前記高速側集合部５７に流入する。前述のように、この高速側集合部５７は、そのａ２／Ｄ２が小さく設定されて、流路面積が各高速側通路５３の下流端の合計面積以上に設定されている。そのため、各高速側通路５３を通過した排気はこの高速側集合部５７を排気抵抗の小さい状態で通過する。これにより、この高速側通路５３の下流端の圧力すなわち各高速側通路５３の背圧は低く抑えられて、各気筒１２から排出される排気量が確保される。
【００８０】
このようにして、本エンジンシステム１００では、排気流量が大きく背圧が高くなりやすい高速領域Ｒ２では、高速側通路５３が開放されて排気が抵抗の少ない状態で排出されることで気筒１２の掃気が促進されてエンジン出力が確保される。
【００８１】
また、前記低速低負荷領域Ｒ２では、吸気の圧力が小さい。そのため、吸気バルブ１９と排気バルブ２０とをオーバーラップさせると排気が吸気側に逆流するおそれがある。
【００８２】
これに対して、本エンジンシステム１００では、低速低負荷領域Ｒ２において、吸気バルブ１９と排気バルブ２０とがオーバーラップせず、かつ、高速側通路５３が開放されている。そのため、前記逆流がより確実に回避されて吸気量が確保される。
【００８３】
以上のように、本エンジンシステム１００によれば、全速度領域において吸気効率を高めてエンジン出力を高めることができる。
【００８４】
ここで、前記低速側集合部５６、高速側集合部５７は、それぞれ上下流端にわたってその断面積が一定となる形状を有していてもよい。例えば、前記低速側集合部５６と高速側集合部５７とのいずれをも断面積が一定となる形状として、低速側集合部５６のａ１／Ｄ１および高速側集合部５７のａ２／Ｄ２をそれぞれａ１／Ｄ１＝ａ２／Ｄ２＝０．５７としてもよい。
【００８５】
また、前記実施形態では、エンジン本体１が直列４気筒のエンジンであって、第２気筒１２ｂと第３気筒１２ｃの排気ポート１８が１つの独立排気通路５２ｂに接続されて、独立排気通路５２ｂが３本設けられる場合について説明したが、各気筒１２の排気ポート１８にそれぞれ個別に独立排気通路５２ｂが接続されて４本の独立排気通路５２ｂが設けられていてもよい。ただし、排気順序が連続しない気筒の排気ポートをまとめて１つの独立排気通路５２ｂに接続すれば、システムの小型化を実現することができる。
【００８６】
また、４本の独立排気通路５２ｂが設けられて、これら独立排気通路５２ｂがそれぞれ４本の低速側通路５４と高速側通路５４とに分離する場合には、ａ１／Ｄ１≧０．５において、低速側通路５４の下流端の断面積の合計が低速側集合部５６の下流端の断面積よりも大きくなり、ａ２／Ｄ２≦０．５において、高速側通路５３の下流端の断面積の合計が高速側集合部５７の下流端の断面積よりも小さくなる。そのため、このように４本の独立排気通路５２ｂが設けられる場合には、ａ１／Ｄ１≧０．５、ａ２／Ｄ２≦０．５とするのが好ましい。
【００８７】
また、前記実施形態では前記低速低負荷領域Ｒ１において前記流路面積可変バルブ５８が全閉位置に駆動される場合について説明したが、この低速低負荷領域Ｒ１における流路面積可変バルブ５８の位置は全閉位置に限らず、全開位置よりも閉じ側、すなわち、高速側通路５３の流路面積が最大面積よりも縮小される位置であればよい。
【００８８】
なお、低速低負荷領域Ｒ１における流路面積可変バルブ５８の位置を全閉位置よりも開き側に設定した場合には、この低速低負荷領域Ｒ１において排気は高速側通路５３をその流路面積可変バルブ５８が設けられた位置で絞られつつ通過し、高速側通路５３においてもエゼクタ効果を得ることができる。そのため、このように設定した場合には、排気行程にある気筒に接続された高速側通路から噴出された排気により発生した負圧が吸気行程にある気筒に接続された高速側通路内の排気により効果的に作用してこの気筒の掃気が促進されるように、排気順序が連続する気筒に接続された高速側通路の下流端を互いに隣り合う位置に配置するのが好ましい。
【００８９】
また、低速低負荷領域Ｒ１において、前記流路面積可変バルブ５８を全開位置と全閉位置との間で段階的あるいは連続的に変化するようにしてもよい。この場合には、エンジン回転数が高くなるほど高速側通路５３の流路面積が大きくなるように前記流路面積可変バルブ５８を駆動するのが好ましい。このようにすれば、エンジン回転数ＮＥが低く排気の流量が少ない領域では高速側通路５３の流路面積を絞ることでエゼクタ効果により掃気を促進させることができる一方、エンジン回転数ＮＥが高く排気の流量が多い領域では高速側通路の流路面積を大きくすることで排気抵抗を小さく抑えることにより掃気を促進させて吸気効率を高めることができる。
【００９０】
また、触媒装置６の位置は前記に限らない。ただし、本エンジンシステム１００によれば、エゼクタ効果および背圧の低減により吸気効率を高めることができるため、ターボ過給機を有しないエンジンシステムにおいて有用である。そして、このようにターボ過給機を有しない場合には、触媒装置６を前記実施形態のように各独立排気通路５３に直接接続してより上流側の位置に配置することができ、これにより触媒本体６４に流入する排気の温度を高く維持して触媒本体６４を早期に活性させることができる。
【００９１】
また、低速低負荷領域Ｒ２においても、吸気バルブ１９と排気バルブ２０とをオーバーラップさせるとともに前記高速側通路５３を遮断して、気筒１２にエゼクタ効果による吸出し力を作用させて吸気効率を高めるようにしてもよい。
【００９２】
また、前記実施形態では、前記排気ポート１８の下流に独立排気通路５２が接続されて、この独立排気通路５２の下流において前記高速側通路５３と低速側通路５４とに分離している場合について説明したが、例えば、２つの排気ポートのうち一方の排気ポート１８に高速側通路を接続して、他方の排気ポート１８に低速側通路を前記高速側通路と独立して接続してもよい。そして、高速側通路に接続された排気ポート１８の排気バルブ２０を、前記流路面積可変バルブとして機能させてもよい。すなわち、一方の排気バルブ２０を開閉することで高速側通路の流路面積を変更するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００９３】
１  エンジン本体
５  排気マニホールド
６  触媒装置
１７  吸気ポート
１８  排気ポート
１９  吸気バルブ
２０  排気バルブ
３０  吸気バルブ駆動機構（バルブ駆動手段）
４０  排気バルブ駆動機構（バルブ駆動手段）
５２  独立排気通路
５３  高速側通路
５４  低速側通路
５６  低速側集合部
５７  高速側集合部
５８  流路面積可変バルブ
５８ｂ  バルブアクチュエータ（流路面積可変バルブ駆動手段）
６２ａ  ケーシング上流部分（最終集合部）
６４  触媒本体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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