(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吸排気装置であって、
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独立排気通路と、
前記独立排気通路から下流側に離間した位置に設けられて内側に所定の空間が形成された容積部と、
前記独立排気通路と前記容積部との間に介在して、当該各独立排気通路を通過するガスが集合する合流部と、
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、
前記各独立排気通路のうち排気順序が連続する気筒に接続された独立排気通路は互いに隣り合う位置で前記合流部に接続されており、
前記バルブ駆動手段は、少なくとも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、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し、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が他方の気筒の排気バルブが開弁している時期に重複するように、各気筒の吸気バルブおよび排気バルブを駆動し、
合流部の少なくとも上流側部分および前記各独立排気通路は、各気筒から各排気ポートおよび各独立排気通路を通って前記合流部に排気が排出されるのに伴いエゼクタ効果によって隣接する他の独立排気通路およびこの独立排気通路に接続された排気ポート内に負圧が生成される形状を有し、
前記容積部は、前記独立排気通路から前記合流部に排出された排気の圧力が負圧から正圧に復帰する位置よりも下流側の位置に設けられており、
前記容積部の前記排気の流れ方向と直交する方向の断面積は、所定の気筒から排出されて当該容積部に到達した排気の正圧波が当該容積部で反射して負圧波となるように、前記合流部の前記排気の流れ方向と直交する方向の断面積の最大値よりも大きく設定されており、
前記合流部の排気の流れ方向の長さおよび前記排気の流れ方向と直交する方向の断面積は、少なくとも当該合流部の下流端において当該合流部に排出された排気の圧力が正圧となり、かつ、少なくとも前記基準回転数以下の所定のエンジン回転数において、前記容積部で生成された排気の負圧波がこの負圧波の生成源である排気が排出された気筒よりも排気順序が１つ前の他の気筒の排気ポートに到達する時期と、当該他の気筒の前記オーバーラップ期間とが重複する寸法に設定されていることを特徴とする多気筒エンジンの吸排気装置。
【請求項２】
請求項１に記載の多気筒エンジンの吸排気装置において、
前記各気筒から排出された排気を浄化可能な触媒本体と、排気の流れ方向に延びて前記触媒本体を収容するケーシングとを含む触媒装置を備え、
前記触媒本体は、前記ケーシングの上流端から下流側に離間した位置であって当該触媒本体の上流側に所定の空間が形成される位置に配置されており、
前記ケーシングは、前記合流部の下流端に接続されており、
前記ケーシングの前記触媒本体よりも上流側の少なくとも一部の空間が前記容積部として機能することを特徴とする多気筒エンジンの吸排気装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の多気筒エンジンの吸排気装置において、
前記合流部は、前記独立排気通路の下流端から下流側に離間した位置に設けられて流路面積が下流に向かうほど拡大するディフューザー部を有することを特徴とする多気筒エンジンの吸排気装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の多気筒エンジンの吸排気装置において、
前記合流部の排気の流れ方向の長さは、１ｍ以下に設定されていることを特徴とする多気筒エンジンの吸排気装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の多気筒エンジンの吸排気装置において、
前記合流部の上流側部分は、前記各独立排気通路から当該合流部の上流側部分に排出された排気がこの合流部の上流側部分の内側面に付着するのが抑制されるよう、その内側面が前記各独立排気通路の下流端を前記排気の流れ方向と直交する方向に離間した位置で囲む形状を有することを特徴とする多気筒エンジンの吸排気装置。
【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吸排気装置に関する。
【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吸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、簡単な構成でより一層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吸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吸排気装置であって、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独立排気通路と、前記独立排気通路から下流側に離間した位置に設けられた容積部と、前記独立排気通路と前記容積部との間に介在して、当該各独立排気通路を通過するガスが集合する合流部と、前記合流部の下流端に接続されて内側に所定の空間が形成された容積部と、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、前記各独立排気通路のうち排気順序が連続する気筒に接続された独立排気通路は互いに隣り合う位置で前記合流部に接続されており、前記バルブ駆動手段は、少なくとも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、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し、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が他方の気筒の排気バルブが開弁している時期に重複するように、各気筒の吸気バルブおよび排気バルブを駆動し、合流部の少なくとも上流側部分および前記各独立排気通路は、各気筒から各排気ポートおよび各独立排気通路を通って前記合流部に排気が排出されるのに伴いエゼクタ効果によって隣接する他の独立排気通路およびこの独立排気通路に接続された排気ポート内に負圧が生成される形状を有し、前記容積部は、前記独立排気通路から前記合流部に排出された排気の圧力が負圧から正圧に復帰する位置よりも下流側の位置に設けられており、前記容積部の前記排気の流れ方向と直交する方向の断面積は、所定の気筒から排出されて当該容積部に到達した排気の正圧波が当該容積部で反射して負圧波となるように、前記合流部の前記排気の流れ方向と直交する方向の断面積の最大値よりも大きく設定されており、前記合流部の排気の流れ方向の長さおよび前記排気の流れ方向と直交する方向の断面積は、少なくとも当該合流部の下流端において当該合流部に排出された排気の圧力が正圧となり、かつ、少なくとも前記基準回転数以下の所定のエンジン回転数において、前記容積部で生成された排気の負圧波がこの負圧波の生成源である排気が排出された気筒よりも排気順序が１つ前の他の気筒の排気ポートに到達する時期と、当該他の気筒の前記オーバーラップ期間とが重複する寸法に設定されていることを特徴とする多気筒エンジンの吸排気装置を提供する。
【０００８】
この構成によれば、各独立排気通路および合流部がエゼクタ効果を得ることができるよう構成されているとともに少なくとも低速領域において所定の気筒のオーバーラップ期間中に他の気筒の排気バルブが開弁されているので、少なくともこの低速領域において、エゼクタ効果によりオーバーラップ期間中の気筒の排気ポート内に負圧を生成してこのオーバーラップ期間中の掃気を促進することができる。
【０００９】
しかも、この構成では、前記合流部および容積部の寸法が適切に調整されることで、合流部に排出された排気の正圧波が容積部で反射して負圧波が生成され、かつ、この負圧波が他の気筒のオーバーラップ期間中にこの他の気筒の排気ポートに到達するよう構成されているので、この負圧波により他の気筒内のガスを排気ポート側に吸い出すことができ、これにより前記オーバーラップ期間中の気筒の掃気をより一層促進することができる。
【００１０】
すなわち、本装置によれば、所定の気筒から排出された排気によるエゼクタ効果とこの排気の正圧波の反射により生成された負圧波を利用して他の気筒の掃気を促進することができ、これによりエンジン出力を高めることができる。
【００１１】
本発明において、前記各気筒から排出された排気を浄化可能な触媒本体と、排気の流れ方向に延びて前記触媒本体を収容するケーシングとを含む触媒装置を備え、前記触媒本体は、前記ケーシングの上流端から下流側に離間した位置であって当該触媒本体の上流側に所定の空間が形成される位置に配置されており、前記ケーシングは、前記合流部の下流端に接続されており、前記ケーシングの前記触媒本体よりも上流側の少なくとも一部の空間が前記容積部として機能するのが好ましい（請求項２）。
【００１２】
この構成によれば、触媒装置のケーシングの上流端が容積部として機能するため、別途容積部を設ける場合に比べて構造を簡素化することができる。また、エンジン本体と触媒本体との距離を短くすることができるため、触媒本体に流入する排気の温度を高くして触媒性能を高くして触媒を早期に活性させることができる。
【００１３】
また、本発明において、前記合流部は、前記独立排気通路の下流端から下流側に離間した位置に設けられて流路面積が下流に向かうほど拡大するディフューザー部を有するのが好ましい（請求項３）。
【００１４】
このようにすれば、前記合流部の排気の流れ方向の長さを短く抑えつつ当該合流部において排気の圧力をより確実に正圧に回復させることができる。
【００１５】
ここで、前記合流部の排気の流れ方向の具体的な長さとしては、１ｍ以下であるのが好ましい（請求項４）。
【００１６】
また、本発明において、前記合流部の上流側部分は、前記各独立排気通路から当該合流部の上流側部分に排出された排気がこの合流部の上流側部分の内側面に付着するのが抑制されるよう、その内側面が前記各独立排気通路の下流端を前記排気の流れ方向と直交する方向に離間した位置で囲む形状を有するのが好ましい（請求項５）。
【００１７】
このようにすれば、前記合流部の上流側部分の内側面に排気が付着、張り付いて排気の速度が低下するのを抑制することができるため、前記エゼクタ効果をより効果的に作用させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係る多気筒エンジンの吸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の部分拡大図である。
【図３】図１に対応するエンジンシステムの概略縦断面図である。
【図４】図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】図３のＶ−Ｖ線断面図である。
【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】独立排気通路および合流管における圧力分布を示す図である。
【図８】排気ポート内の圧力変化を示す図である。
【図９】本発明の実施形態に係る多気筒エンジンシステムの比較対象であるエンジンシステムの概略構成図である。
【図１０】本発明の実施形態に係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１１】本発明の効果を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
図１は前記多気筒エンジンの吸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。図２は、図１の部分拡大図である。図３は、図２の概略側面図である。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に接続される複数の吸気管３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。
【００２１】
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（図２参照）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。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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
前記各気筒１２の吸気ポート１７は、その上流側においてそれぞれ前記吸気管３に接続されている。具体的には、前記吸気管３は気筒数に対応して４本設けられており、各気筒１２に設けられた２つの吸気ポート１７が、１つの吸気管３に接続されている。
【００２９】
前記排気マニホールド５は、３つの独立排気通路５２と、集合管５６とを備えている。
【００３０】
前記各独立排気通路５２は、前記各気筒１２の排気ポート１８に接続されている。具体的には、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、これら各気筒から同時に排気が排出されることがないため、構造を簡素化する観点から、１つの独立排気通路５２ｂに接続されている。より詳細には、この第２気筒１２ｂと第３気筒１２ｃの排気ポート１８に接続されている独立排気通路５２ｂは、その上流側において２つの通路に分離しており、その一方に前記第２気筒１２ｂの排気ポート１８が接続され、他方に前記第３気筒１２ｃの排気ポート１８が接続されている。
【００３１】
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。
【００３２】
前記第２気筒１２ｂおよび第３気筒１２ｃの排気ポート１８に対応する独立排気通路５２は、これら気筒１２ｂ，１２ｃの中央部分すなわちエンジン本体１の略中央部分と対向して直線的に延びており、他の気筒１２ａ，１２ｄの排気ポート１８に対応する独立排気通路５２は、対応する各排気ポート１８と対向する位置から前記第２気筒１２ｂおよび第３気筒１２ｃに対応する独立排気通路５２に向かって湾曲して延びている。
【００３３】
前記各独立排気通路５２の下流側には前記集合管５６が接続されており、各独立排気通路５２を通過したガスはこの集合管５６で集合する。
【００３４】
前記集合管５６は、図２および図３に示すように、上流から順にガス流入部５６ａ、絞り部５６ｂ、混合管５６ｃ、ディフューザー部５６ｄ、ストレート管５６ｅとからなる。前記３つの独立排気通路５２は、その下流端が互いに隣接する位置で前記ガス流入部５６ａに接続されている。
【００３５】
前記各独立排気通路５２および前記集合管５６は、各独立排気通路５２からガスが高速で噴出されてこのガスが高速でこの集合管５６内に流入するのに伴い、この高速のガスの周囲に発生した負圧作用すなわちエゼクタ効果によって隣接する他の独立排気通路５２およびこの独立排気通路５２と連通する排気ポート１８内のガスが下流側に吸い出される形状を有している。また、前記集合管５６は、この集合管５６に流入した高速のガスが集合管５６の下流側において圧力回復するような形状を有している。
【００３６】
前記各独立排気通路５２および前記集合管５６の具体的構成について説明する。
【００３７】
前記各独立排気通路５２は、排気が各独立排気通路５２から高速で前記集合管５６内に噴出されるよう、下流に向かうほどその流路面積が小さくなる形状を有している。本実施形態では、図４に示すように、各独立排気通路５２は、略楕円形断面（図４の破線）を有する上流側部分から下流に向かうに従ってその断面積が縮小されており、その下流端では上流側部分の楕円形断面積の略１／３となる扇形となっている。そして、これら独立排気通路５２は、扇形をなす各下流端が全体として略円形断面を形成するように集合して前記集合管５６に接続されている。
【００３８】
ここで、前記集合管５６の上流端に位置する前記ガス流入部５６ａの内側面が各独立排気通路５２の内側面に沿って延びている場合には、ガス流入部５６ａ内に流入したガスがガス流入部５６ａの内壁に付着、張り付いて、排気の速度が低下するおそれがある。そこで、本エンジンシステム１００では、前記集合管５６のうち前記ガス流入部５６ａの内側面が、前記各独立排気通路５２から噴出された排気がガス流入部５６ａの内壁に付着して排気の速度が低下することのないよう、各独立排気通路５２の下流端をこれら下流端の内側面からガスの流れ方向と直交する方向に離間した位置で囲む形状とされている。本実施形態では、前記ガス流入部５６ａは略円筒状であり、このガス流入部５６ａは、図２および図５に示すように、その内側面が、各独立排気通路５２の下流端全体で構成される円筒の内側面から径方向外側に位置し、各独立排気通路５２の下流端全体をこれら下流端全体から径方向外側に離間した位置で囲んでいる。例えば、前記各独立排気通路５２の下流端全体で構成される円筒の内径が４０ｍｍであるのに対して、前記ガス流入部５６ａの内径は６０ｍｍに設定されている。
【００３９】
また、前記集合管５６のうち前記絞り部５６ｂは、排気が高い速度を維持したまま前記ガス流入部５６ａから下流側に流れるよう、下流側に向かうほどその流路面積が小さくなる形状を有している。本実施形態では、この絞り部５６ｂは、下流側に向かうに従って縮径する円錐台形状を有している。
【００４０】
前記絞り部５６ｂの下流側に設けられた前記混合管５６ｃは、前記絞り部５６ｂの下流端に連続する略円筒状であって、その断面積が一定の状態で下流側に延びている。
【００４１】
このように、前記独立排気通路５２から前記集合管５６のうち前記ガス流入部５６ａと前記絞り部５６ｂとを含む上流側部分は、下流側ほどその流路面積が小さくなる形状を有しており、独立排気通路５２から排出された排気は高速で前記混合管５６ｃに流入し、この排気の周囲には高い負圧が生成される。
【００４２】
ここで、前記独立排気通路５２の下流端の断面積は、この断面積と同じ面積を有する真円の直径をａ（図３参照）とし、前記絞り部５６ｂの下流端ひいては前記混合管５６ｃの流路面積と同じ面積を有する真円の直径をＤ（図３参照）とした場合に、ａ／Ｄがａ／Ｄ≧０．５の範囲に設定されていれば前記混合管５６ｃに向かって排気が十分に高い速度で流入して高いエゼクタ効果が得られることが分かっている。そこで、本実施形態では、前記独立排気通路５２等をａ／Ｄ≧０．５を満足するように構成している。なお、前記独立排気通路５２から前記集合管５６への排気の流入速度をより高めるべく、前記独立排気通路５２の下流端に流路面積が小さくされた部分すなわち絞り部分が設けられている場合には、この絞り部分の流路面積の直径をａとして、前記集合管５６の形状はａ／Ｄ≧０．５となるような形状とされるのが好ましい。
【００４３】
一方、前記集合管５６のうち前記ディフューザー部５６ｄは、前記独立排気通路５２の下流端から前記混合管５６ｃまでの間でその速度が高められ、これに伴いその圧力が低下した排気の圧力を回復させるよう、下流側に向かうほど流路面積が拡大する形状を有している。本実施形態では、このディフューザー部５６ｄは、下流側に向かうに従って拡径する円錐台形状を有している。
【００４４】
前記ディフューザー部５６ｄの下流側に設けられた前記ストレート管５６ｅは、前記触媒装置６に接続される部分であり、流路面積が一定の略円筒状を有している。このストレート管５６ｅの下流側には前記触媒装置６の後述するケーシング６２が接続されており、ストレート管５６ｅを通過した排気はケーシング６２内に流入する。
【００４５】
以上のように構成された独立排気通路５２および集合管５６において、所定の独立排気通路５２に接続された気筒１２から排気が排出された際の圧力分布を調べた結果を図７に示す。この図７は、所定の気筒１２の排気バルブ２０の開弁開始後であって所定の気筒１２から高圧、高速のガス（いわゆるブローダウンガス）が前記独立排気通路５２を通って前記集合管５６に排出された状態における圧力分布を示している。この図７に示されるように、独立排気通路５２の上流側から前記集合管５６の混合管５６ｃの上流端付近に向かって圧力は徐々に低下しており、集合管５６の上流側すなわち他の独立排気通路５２の下流端の圧力は十分に低下している。また、集合管５６のうち前記混合管５６ｃから下流側に向かって圧力は徐々に上昇しており、排気の圧力は混合管５６ｃおよびディフューザー部５６ｄを通過するのに伴い回復している。
【００４６】
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、図３に示すように、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。
【００４７】
ケーシング６２は、前記集合管５６のストレート管５６ｅに接続される接続部６２ａと、この接続部６２ａの下流側に位置して前記触媒本体６４が収容される触媒収容部６２ｃと、接続部６２ａと触媒収容部６２ｃとの間に介在する容積拡大部６２ｂとを含んでいる。
【００４８】
前記接続部６２ａは、前記ストレート管５６ｅとほぼ同じ径を有する略円筒状を有している。前記触媒本体６４は、略円筒状であって、十分な触媒能力を確保するべく前記集合管５６よりも大きな径を有している。これに伴い、前記触媒収容部６２ｃは、前記接続部６２ａよりも大径の略円筒状を有している。例えば、前記接続部６２ａの径が６０ｍｍ程度であるのに対して、触媒収容部６２ｃの径は、１００ｍｍ程度に設定されている。そして、この接続部６２ａと前記触媒収容部６２ｃとの間に設けられた前記容積拡大部６２ｂは、排気が接続部６２ａからスムーズに触媒本体６４全体に流入するように、前記接続部６２ａから触媒収容部６２ｃに向かって拡径する円錐台形状を有している。
【００４９】
このようにして、ケーシング６２のうち前記触媒本体６４の上流側（容積拡大部６２ｂ）には排気の流れ方向と直交する方向の面積が前記集合管５６よりも大きく容積の大きい空間が形成されており、前記集合管５６のストレート管５６ｅから接続部６２ａを通ってこのケーシング６２の容積拡大部６２ｂ内に流入した排気の圧力波は、この容積拡大部６２ｂにおいて反射、反転する。前述のように、前記集合管５６のディフューザー部５６ｄにおいて排気の圧力は十分に回復している。また、集合管５６のストレート管５６ｅおよびケーシング６２の接続部６２ａの通過に伴い排気の圧力は回復する。そのため、前記容積拡大部６２ｂには圧力が十分に回復した正圧の圧力波が到達する。そして、この正圧波は、前記容積拡大部６２ｂで反転、反射し、これにより負圧波が生成され、この負圧波は上流側に向かって伝播する。
【００５０】
なお、本実施形態では、触媒本体６４を収容するためのケーシング６２のうち、触媒本体６４よりも上流側に位置する前記容積拡大部６２ｂを排気の圧力波を反転、反射させるための容積部として機能させており、請求項における合流部は、このケーシング６２の容積部６２ｂと独立排気通路５２との間の部分に該当する。
【００５１】
図８に、前記容積拡大部６２ｂでの反転、反射による負圧波の生成およびこの負圧波の排気ポート１８への到達を確認するべく、所定の気筒１２の排気ポート１８内の圧力を測定した結果を、排気バルブ２０のリフトカーブすなわちバルブリフトと合わせて示す。この図８において、実線で示した圧力波形Ｐ＿１が本エンジンシステム１００における測定結果であり、破線で示した圧力波形Ｐ＿２は、図９に示すように、前記集合管５６よりも下流側の部分に容積が拡大する部分を設けず、この集合管５６よりも下流側の部分を集合管５６のストレート管５６ｅと同径の円筒管１６０で構成したエンジンシステム（以下、比較システムという場合がある）における排気ポート１８内の圧力を調べた結果である。また、この図８において上下２つの圧力グラフはそれぞれ排気順序が連続する２つの気筒（以下、上側を排気行程気筒、下側を吸気行程気筒という場合がある）の排気ポート１８内の圧力変化を示している。なお、この図８は、前記エゼクタ効果により排気ポート１８内に生成される負圧を排除して前記容積拡大部６２ｂでの反転、反射により生成された負圧波をより容易に確認できるよう、排気バルブ２０と吸気バルブ１９とをオーバーラップさせずに圧力を測定した結果である。
【００５２】
この図８において、排気行程気筒１２の排気バルブ２０の開弁開始直後（クランク角＝ＣＡ＿１）にこの排気行程気筒１２から非常に高い圧力（圧力＝Ｐ＿ｍａｘ）および高い速度のブローダウンガスが排出されると、本エンジンシステム１００では、その直後（クランク角ＣＡ＿２付近）に、吸気行程気筒１２の排気ポート１８内の圧力が負圧（Ｐ＿ｍｉｎ）となっている。これに対して、前記比較システムでは、前記ブローダウンガスの排出後、吸気行程気筒１２の圧力は正圧を維持している。これより、前記容積拡大部６２ｂの存在に伴って、排気ポート１８内に負圧が生成されることが確認された。
【００５３】
本エンジンシステム１００では、前記ケーシング６２の容積拡大部６２ｂと独立排気通路５２との間の部分の長さＬ１（図２参照）が、容積拡大部６２ｂにおいて排気の圧力が正圧となり、かつ、エンジン回転数が予め設定された基準回転数Ｎ１以下の低速領域において、前記容積拡大部６２ｂでの反転、反射により生成された負圧波がこの負圧波の生成源となった排気が排出された気筒１２（排気行程気筒）の前に排気行程が行われる気筒１２（吸気行程気筒）の排気ポート１８に到達する時期と、吸気行程気筒１２の後述するオーバーラップ期間とが重複するように設定されている。本実施形態では、基準回転数Ｎ１が４０００ｒｐｍに設定され、前記ケーシング６２の容積拡大部６２ｂと独立排気通路５２との間の部分の長さＬ１は３００ｍｍに設定されている。
【００５４】
ここで、前記容積拡大部６２ｂで前記負圧波が生成された後、前記吸気行程気筒１２の排気ポート１８に到達する時間を短くするには、前記容積拡大部６２ｂと独立排気通路５２との間の部分の長さＬ１をより短くする、あるいは、この容積拡大部６２ｂと独立排気通路５２との間の部分の排気の流れ方向と直交する方向の面積をより大きくすればよいが、この面積の変更はレイアウト上の制約が大きいため、本実施形態では、容積拡大部６２ｂと独立排気通路５２との間の部分の長さＬ１の調整により、前記負圧波が吸気行程気筒１２のオーバーラップ期間中に吸気行程気筒１２の排気ポート１８に到達するようにしている。
【００５５】
ＥＣＵ２には、運転条件に応じて予め設定された吸気バルブ１９、排気バルブ２０の目標バルブタイミングの目標開度が記憶されており、ＥＣＵ２は、各種センサからの信号に基づき現在の運転条件を演算するとともにこの運転条件に対応した目標値を抽出し、吸気バルブ１９、排気バルブ２０のバルブタイミングおよび流路面積可変バルブの開度がこの目標値になるように、前記吸気ＶＶＴ３２、排気ＶＶＴ４２および前記バルブアクチュエータ５８ｂを駆動する。
【００５６】
前記吸気バルブ１９、排気バルブ２０の目標バルブタイミングおよび前記流路面積可変バルブ５８の目標開度について次に説明する。
【００５７】
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、全運転領域において、排気バルブ２０の開弁期間と吸気バルブ１９の開弁期間とが吸気上死点（ＴＤＣ）を挟んでオーバーラップし、かつ、排気バルブ２０が他の気筒１２の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、図６に示すように、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２０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２０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。
【００５８】
また、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、エンジン回転数が前記基準回転数Ｎ１以下の低速領域において、前記排気行程気筒１２から排出された排気の圧力波が前記容積拡大部６２ｂで反転、反射することで生成された前記負圧波が前記吸気行程気筒１２のオーバーラップ期間中に、吸気行程気筒１２の排気ポート１８に到達するように設定されている。例えば、前記ケーシング６２の容積拡大部６２ｂと独立排気通路５２との間の部分の長さＬ１は３００ｍｍに設定された本実施形態では、エンジン回転数４０００ｒｐｍにおいて、排気バルブ２０の開弁開始時期、閉弁時期はＢＴＤＣ（下死点前）６５℃Ａ、ＡＴＤＣ（上死点後）１５℃Ａに設定され、吸気バルブ１９の開弁開始時期はＢＴＤＣ１０℃Ａに設定されている。
【００５９】
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１０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。
【００６０】
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。
【００６１】
本エンジンシステム１００では、前述のように、前記独立排気通路５２および集合管５６の上流側部分は、エゼクタ効果により所定の独立排気通路５２からび集合管５６に排気が高速で噴出されるのに伴い、他の独立排気通路５２内に負圧が生成されてこの他の独立排気通路５２ひいてはこの他の独立排気通路５２に連通する排気ポート１８内のガスが下流側へ吸い出されるよう構成されている。そして、所定の気筒１２（吸気行程気筒）のオーバーラップ期間中に、排気順序がこの吸気行程気筒１２の１つ後に設定された他の気筒１２（排気行程気筒１２）の排気バルブ２０が開弁するように設定されている。
【００６２】
従って、排気行程気筒１２の排気バルブ２０が開弁してこの排気行程気筒１２内の排気が独立排気通路５２を通って集合管５６に高速で噴出されるのに伴い、前記エゼクタ効果によりオーバーラップ期間中の吸気行程気筒１２の排気ポート１８内に負圧が生成され、これにより、このオーバーラップ期間中の吸気行程気筒１２内の掃気が促進される。
【００６３】
特に、本実施形態では、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の開弁直後に排気行程気筒１２から非常に高圧、高速の前記ブローダウンガスが排出されるのに伴って前記エゼクタ効果により生成される高い負圧が吸気行程気筒１２の前記オーバーラップ期間中にこの吸気行程気筒１２の排気ポート１８に作用するように構成されており、この高い負圧により吸気行程気筒１２の掃気が促進される。また、各独立排気通路５２の下流端は前記ガス流入部５６ａ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に接続された独立排気通路５２による吸出し力は吸気行程気筒１２に接続された独立排気通路５２に効果的に作用する。
【００６４】
さらに、本エンジンシステム１００では、前述のように、前記低速領域において、排気行程気筒１２から排出された排気の圧力波が前記触媒装置６の容積拡大部６２ｂで反転、反射して負圧波が生成され、この負圧波が吸気行程気筒１２のオーバーラップ期間中にこの吸気行程気筒１２の排気ポート１８に到達するよう構成されている。そのため、この負圧波の到達に伴いオーバーラップ期間中の吸気行程気筒１２内の掃気がより一層促進される。
【００６５】
図１１に、図８の圧力波形Ｐ＿１（実線）と合わせて、排気バルブ２０と吸気バルブ１９とをオーバーラップさせた場合すなわち本エンジンシステム１００における排気ポート１８内の圧力波形Ｐ＿３を調べた結果（鎖線）を示す。この図１１に示されるように、排気バルブ２０と吸気バルブ１９とをオーバーラップさせた場合には、前記容積拡大部６２ｂでの反射、反転による負圧波の生成に加えて前記エゼクタ効果が発揮されることで、排気行程気筒１２の排気バルブ２０の開弁開始後（クランク角ＣＡ＿２）において、吸気行程気筒１２の排気ポート１８は高い負圧（Ｐ＿ｍｉｎ２）となっており、これにより高い掃気性能が得られる。なお、図８および図１１は、前記容積拡大部６２ｂと独立排気通路５２との間の部分の長さＬ１が３００ｍｍに設定されたエンジンシステム１００において、エンジン回転数が１５００ｒｐｍでの結果である。
【００６６】
以上のように、本エンジンシステム１００によれば、エゼクタ効果に加えて排気の圧力波の反転、反射を効果的に利用して、気筒１２の掃気を促進し、吸気効率ひいてはエンジン出力を高めることができる。
【００６７】
ここで、前記容積拡大部６２ｂと独立排気通路５２との間の部分の長さＬ１、前記基準回転数Ｎ１の具体的な値は、前記に限らない。例えば、全エンジン回転数領域において、前記容積拡大部６２ｂでの反転、反射により生成された負圧波が、前記吸気行程気筒１２のオーバーラップ期間中に吸気行程気筒１２の排気ポート１８に到達するようにし、これに対応するように、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設定してもよい。具体的には、前記ケーシング６２の容積部６２ｂと独立排気通路５２との間の部分の長さＬ１をより短くして、基準回転数Ｎ１を最大エンジン回転数としてもよい。また、前記容積拡大部６２ｂと独立排気通路５２との間の部分の長さＬ１をより長くして、前記基準回転数Ｎ１を低くして、よりエンジン回転数の低い領域でのみ、前記負圧波が前記吸気行程気筒１２のオーバーラップ期間中に吸気行程気筒１２の排気ポート１８に到達するようにしてもよい。
【００６８】
ただし、前記容積拡大部６２ｂと独立排気通路５２との間の部分の長さＬ１を長くすると、前記容積拡大部６２ｂの下流側に配置された前記触媒本体６４に流入する排気の温度が低下する。また、エンジン回転数が非常に小さい極低速領域において前記負圧波を吸気行程気筒１２の排気ポート１８に到達させても得られる効果は小さい。そのため、前記ケーシング６２の容積拡大部６２ｂと独立排気通路５２との間の部分の長さＬ１は１．０ｍ以下に設定されるのが好ましい。
【００６９】
例えば、前記長さＬ１を１．０ｍとした場合は、エンジン回転数２０００ｒｐｍ付近において、排気バルブ２０の開弁開始時期、閉弁時期を６５℃Ａ、１５℃Ａ、吸気バルブ１９の開弁開始時期を３０℃Ａとすることで、前記エゼクタ効果により吸気行程気筒１２の排気ポート１８に負圧を生成させつつ前記反転、反射による負圧波をこの排気ポート１８に到達させることができる。しかしながら、前記長さＬ１を１．０ｍよりも長くすると、エンジン回転数２０００ｒｐｍよりも小さい極低速領域でしか前記負圧波を吸気行程気筒１２の排気ポート１８に到達させることができなくなる、また、前記排気バルブ２０の閉弁時期をより遅くせねばならなくなり、排気の吹き返し等が生じるおそれがあるため、前記長さＬ１は、１．０ｍ以下に設定されるのが好ましい。
【００７０】
また、前記集合管５６のうちの前記ガス流入部５６ａは、エゼクタ効果により所定の独立排気通路５２からガス流入部５６ａに排気が高速で噴出されるのに伴い、他の独立排気通路５２内に負圧が生成されてこの他の独立排気通路５２に連通する排気ポート１８内のガスが下流側へ吸い出されるよう構成されていればよく、その具体的な構成は前記に限らない。
【００７１】
例えば、前記ガス流入部５６ａの内径が、各独立排気通路５２の下流端全体で形成される円の内径と一致するように構成していてもよい。ただし、前記実施形態のように、前記ガス流入部５６ａを、その内側面が各独立排気通路５２の下流端をこれら下流端の内側面からガスの流れ方向と直交する方向に離間した位置で囲む形状とすれば、前記各独立排気通路５２から噴出された排気がガス流入部５６ａの内壁に付着、張り付く、また、衝突して排気の速度が低下するのを抑制することができる。
【００７２】
また、前記ディフューザー部５６ｄは省略可能である。ただし、このディフューザー部５６ｄを設けて、排気の圧力を回復させるようにすれば、前記容積拡大部６２ｂに到達する排気の正圧波の正圧量ひいてはこの容積拡大部６２ｂで反射、反転する負圧波の負圧量を高めることができ、この負圧波による前記気筒１２の掃気性能の向上効果をより高めることができる。
【００７３】
また、本実施形態では、前記触媒装置６のケーシング６２の容積拡大部６２ｂにおいて、前記排気の圧力波を反転、反射させるようにしたが、この容積拡大部６２ｂに代えて、別途、前記集合管５６の下流側に、この集合管５６よりも排気の流れ方向と直交する方向の面積が大きい容積部を設けてもよい。ただし、触媒装置６のケーシング６２を利用すれば、別途容積部を設ける場合に比べて構造を簡素化することができるとともに、触媒装置６と集合管５６ひいてはエンジン本体１との距離を短くすることができ、触媒本体６４を早期に活性化させることができる。
【００７４】
また、前記容積拡大部６２ｂあるいはこれに代わる容積部の形状は、前記集合管５６よりも排気の流れ方向と直交する方向の面積が大きい形状であればよく、前記実施形態のような円錐台形状に限らず、円筒状であってもよい。
【００７５】
また、前記実施形態では、全運転領域において、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他の気筒１２の排気バルブ２０の開弁開始時期とこのオーバーラップ期間とを重複させる制御を実施する場合について説明したが、この制御は、前記基準回転数Ｎ１以下等の一部の領域でのみ行なうようにしてもよい。すなわち、エンジン回転数が高い運転領域では、排気流量が増大するため、エゼクタ効果により得られる掃気促進効果よりもポンプ損失低減により得られる掃気促進効果の方が高い場合がある。従って、このような場合には、吸気バルブ１９と排気バルブ２０とを掃気促進効果をより高めることができるように制御するのが好ましい。
【００７６】
また、前述のように、エンジン回転数が高い運転領域におけるポンプ損失を低減するべく、前記各独立排気通路５２のうち流路面積が小さくなる領域から前記ディフューザー部５６ｄよりも下流側の部分までをバイパスする通路を設け、この通路をその流路面積を一定等として排気抵抗が大きくならない形状にするとともに、この通路にこの通路を開閉するバルブを取り付けて、前記エンジン回転数が低い運転領域ではこのバルブを閉じて前記独立排気通路５２のみを排気が通過するように構成するとともに、エンジン回転数が高い運転領域では前記バルブを開いて排気が前記バイパス通路側をも通過するように構成してもよい。
【符号の説明】
【００７７】
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
５６  集合管
５６ｄ  ディフューザー部
６２  ケーシング
６２ｂ  容積拡大部（容積部）
【図１】
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【図２】
0005870488.tif 000003
【図３】
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【図４】
0005870488.tif 000005
【図５】
0005870488.tif 000006
【図６】
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【図７】
0005870488.tif 000008
【図８】
0005870488.tif 000009
【図９】
0005870488.tif 000010
【図１０】
0005870488.tif 000011
【図１１】
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