(57)【要約】【課題】エンジンの低速領域ではエゼクタ効果により掃気を促進し、中速領域では排気の脈動を利用して掃気性を高め、各速度領域で吸気の充填量を増大させる。【解決手段】低速側独立排気通路５４および低速側集合部５５を有する低速側通路５３と、高速側独立排気通路５７，５８および高速側集合部５９を有する高速側通路５６と、排気流通状態を変更する排気流通変更手段とを備え、低速側通路５３は低速領域でエゼクタ効果が得られるようになっており、高速側通路５６は、高速側集合部５９までの通路が中速領域で排気脈動が同調する大きさに設定されている。排気流通変更手段は、低速領域では低速側通路５３を開くとともに高速側通路５６を絞り、エンジン回転数が前記低速領域から中速領域に移行したとき、低速側通路５３を閉じて高速側通路５６を開くように作動する。【選択図】図１
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【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た複数の独立排気通路、およびこれらの独立排気通路を下流側で集合させた集合部を備えるとともに、前記独立吸気通路および集合部が、低速側通路と高速側通路とに区分された排気通路と、
前記排気通路の排気流通状態を変更する排気流通変更手段と、
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、
前記低速側通路は、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通じる複数の低速側独立排気通路およびこれらの低速側独立排気通路を下流側で集合させた低速側集合部を有し、かつ、排気順序が連続する気筒に接続された低速側独立排気通路の下流端は互いに隣り合う位置に配置されており、
前記高速側通路は、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通じる複数の高速側独立排気通路およびこれらの高速側独立排気通路を下流側で集合させた高速側集合部を有し、かつ、排気ポートから高速側集合部までの通路がエンジンの中速領域で排気脈動が同調する大きさに設定されており、
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、
前記排気流通変更手段は、前記低速側通路を開閉するバルブおよび前記高速側通路の通路面積を変更するバルブを有し、エンジンの低速領域では前記低速側通路を開くとともに前記高速側通路を絞り、エンジン回転数が前記低速領域から中速領域に移行したとき、前記低速側通路を閉じて前記高速側通路を開くように作動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、
前記独立排気通路が上流端近傍で前記低速側独立排気通路と前記高速側独立排気通路とに分岐し、この分岐箇所に、前記低速側通路を開閉するバルブと前記高速側通路の通路面積を変更するバルブとを兼ねる切替バルブが設けられてい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１に記載の多気筒エンジンの排気装置であって、
前記独立排気通路が上流端近傍で前記低速側独立排気通路と前記高速側独立排気通路とに分岐し、この分岐箇所の直下流の前記低速側独立排気通路に、この低速側通路を開閉するバルブが設けられるとともに、前記分岐箇所の直下流の前記高速側独立排気通路に、この高速側通路の通路面積を変更するバルブが設けられてい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１に記載の多気筒エンジンの排気装置であって、
気筒毎に２つの排気ポートが設けられ、一方の排気ポートから下流側に低速側通路、他方の排気ポートから下流側に高速側通路がそれぞれ形成されるとともに、前記排気流通変更手段として、前記各排気ポートに設けられた排気弁に対してそれぞれ、排気弁を作動状態と停止状態とに変更可能な弁停止機が設けられてい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１〜４のいずれか１項に記載の多気筒エンジンの排気装置であって、
前記低速側通路の低速側集合部までの長さが、前記高速側通路の高速側集合部までの長さよりも短く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装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の多気筒エンジンの排気装置であって、
前記低速側集合部より下流の前記低速側通路と前記高速側集合部より下流の前記高側通路とが集合し、その集合部より下流側に排気を浄化する触媒装置が配置され、この触媒装置が未活性のときは、前記排気流通変更手段が前記低速側通路を開いて前記高速側通路を絞る状態とな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排気通路と、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排気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、エンジンの低速領域で、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により、排気行程にある気筒の排気を所定の独立排気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。こうすることで、吸気バルブと排気バルブとが両方開くオーバーラップ期間に排気が吸い出されることにより掃気が促進されるため、吸気の充填量が増大する。このようにして、低速領域で、エンジン出力を高めることができる。
【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】
上記のように低速領域でエゼクタ効果を持たせるようにしたエンジンにおいて、独立排気通路を短くし、かつ、独立排気通路の流路面積をエンジンの回転速度に応じて変えるようにすれば、エンジンの低速、中速、高速の各領域のうち、低速領域では前記エゼクタ効果により掃気を促進し、また、高速領域では排気流通抵抗が小さくなること等で掃気を促進することができる。しかし、エンジンの中速領域では、エゼクタ効果が充分に得られず、かつ、気筒間の排気干渉等により掃気性が悪くなり、吸気の充填量が低下し易くなる。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑み、エンジンの低速領域ではエゼクタ効果により掃気を促進するとともに、中速領域でも掃気性を高めて、これらの速度領域で吸気の充填量を増大させ、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を提供することを目的とする。
【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た複数の独立排気通路、およびこれらの独立排気通路を下流側で集合させた集合部を備えるとともに、前記独立吸気通路および集合部が、低速側通路と高速側通路とに区分された排気通路と、前記排気通路の排気流通状態を変更する排気流通変更手段と、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、前記低速側通路は、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通じる複数の低速側独立排気通路およびこれらの低速側独立排気通路を下流側で集合させた低速側集合部を有し、かつ、排気順序が連続する気筒に接続された低速側独立排気通路の下流端は互いに隣り合う位置に配置されており、前記高速側通路は、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通じる複数の高速側独立排気通路およびこれらの高速側独立排気通路を下流側で集合させた高速側集合部を有し、かつ、排気ポートから高速側集合部までの通路がエンジンの中速領域で排気脈動が同調する大きさに設定されており、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、前記排気流通変更手段は、前記低速側通路を開閉するバルブおよび前記高速側通路の通路面積を変更するバルブを有し、エンジンの低速領域では前記低速側通路を開くとともに前記高速側通路を絞り、エンジン回転数が前記低速領域から中速領域に移行したとき、前記低速側通路を閉じて前記高速側通路を開くように作動することを特徴とするものである。
【０００８】
本装置によれば、低速領域では、低速側通路が開かれるとともに高速側通路が絞られることにより、排気が低速側独立排気通路を高速で通過し、所定の低速側独立排気通路から低速側集合部へ高速の排気が噴出することでエゼクタ効果により他の低速側独立排気通路内のガスが吸い出される。ここで、本装置では、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し、この排気バルブの開弁に伴って所定の低速側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内の掃気が促進される。
【０００９】
また、中速領域では、低速側通路が閉じられるとともに高速側通路が開かれることにより、排気が高速側独立排気通路から高速側集合部へ流れる。ここで、本装置では、高速側通路の高速側集合部までの通路がエンジンの中速領域で排気脈動が同調する大きさに設定されているため、排気脈動により掃気が促進される。すなわち、排気行程となる気筒の排気バルブが開弁したときに生じる正圧波が高速側独立排気通路を伝播し、高速側集合部で反転し負圧波となって反射され、この負圧波が前記オーバーラップ期間内に排気ポートに戻って、いわゆる排気慣性効果により掃気が促進される。
【００１０】
こうして、低速、中側の各領域で、吸気の充填量が増大し、エンジン出力が高められる。
【００１１】
本発明において、前記独立排気通路が上流端近傍で前記低速側独立排気通路と前記高速側独立排気通路とに分岐し、この分岐箇所に、前記低速側通路を開閉するバルブと前記高速側通路の通路面積を変更するバルブとを兼ねる切替バルブが設けられていることが好ましい。
【００１２】
このようにした場合、低速領域では、前記切替バルブが低速側独立排気通路を開くとともに高速側独立排気通路を絞る状態となり、中速領域では、前記切替バルブが低速側独立排気通路を閉じるとともに高速側独立排気通路を開く状態となる。
【００１３】
また、本発明において、前記独立排気通路が上流端近傍で前記低速側独立排気通路と前記高速側独立排気通路とに分岐し、この分岐箇所の直下流の前記低速側独立排気通路に、この低速側通路を開閉するバルブが設けられるとともに、前記分岐箇所の直下流の前記高速側独立排気通路に、この高速側通路の通路面積を変更するバルブが設けられていてもよい。
【００１４】
このようにした場合、低速領域では、低速側通路を開閉するバルブが開かれるとともに高速側通路の通路面積を変更するバルブが通路を絞る状態となり、中速領域では、低速側通路を開閉するバルブが閉じられるとともに高速側通路の通路面積を変更するバルブが開かれる。
【００１５】
また、本発明において、気筒毎に２つの排気ポートが設けられ、一方の排気ポートから下流側に低速側通路、他方の排気ポートから下流側が高速側通路がそれぞれ形成されるとともに、前記排気流通変更手段として、前記各排気ポートに設けられた排気弁に対してそれぞれ、排気弁を作動状態と停止状態とに変更可能な弁停止機構が設けられていてもよい。
【００１６】
このようにした場合、低速領域では、低速側通路に通じる排気ポートに設けられた排気弁が作動状態とされるとともに高速側通路に通じる排気ポートに設けられた排気弁が停止状態とされ、中速領域では、低速側通路に通じる排気ポートに設けられた排気弁が停止状態とされるとともに高速側通路に通じる排気ポートに設けられた排気弁が作動状態とされる。
【００１７】
また、本発明において、前記低速側通路の低速側集合部までの長さが、前記高速側通路の高速側集合部までの長さよりも短く設定されていることが好ましい。
【００１８】
このようにすれば、低速領域で、排気が低速側通路を流れるとき、低速側集合部に至るまでの流速の減衰が小さく、エゼクタ効果が良好に発揮される。
【００１９】
また、前記低速側集合部より下流の前記低速側通路と前記高速側集合部より下流の前記高側側通路とが集合し、その集合部より下流側に排気を浄化する触媒装置が配置され、この触媒装置が未活性のときは、前記排気流通変更手段が前記低速側通路を開いて前記高速側通路を絞る状態となるようにすることが好ましい。
【００２０】
このようにすれば、触媒装置が未活性のとき、排気ポートから触媒装置までの流路のボリュームが小さくなって、排気が触媒装置に達するまでの排気温度の低下が抑制されることにより、触媒装置の暖機が促進され、触媒装置の活性化が早められる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の多気筒エンジンの排気装置によると、エンジンの低速領域ではエゼクタ効果を良好に発揮させて掃気を促進し、また中速領域では排気の脈動を効果的に利用して掃気性を高めることにより、これらの速度領域で吸気の充填量を増大させ、エンジン出力を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【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】排気マニフォールドの概略斜視図である。
【図３】切替バルブ配置された部分の概略図である。
【図４】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５】エンジンの低速、中速、高速の領域を示す図である。
【図６】低速側通路が使用されているときの気筒間の排気干渉を説明するための図である。
【図７】中速領域で高速側通路が使用されているときの排気慣性効果を説明するための図である。
【図８】低速側通路を使用した場合と高速側領域を使用した場合との、体積効率とエンジン回転数との関係を示す図である。
【図９】排気流通変更手段の別の実施形態を示す図である。
【図１０】排気流通変更手段のさらに別の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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。
【００２４】
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に接続された排気マニホールド５と、排気マニホールド５に接続された、排気を浄化する触媒装置６とを備えている。
【００２５】
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、４つの気筒１２、具体的には、図１の左から順に第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。
【００２６】
前記エンジン本体１は４サイクルエンジンであって、図４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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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、前気カムシャフト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。
【００３０】
前記排気弁駆動機構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、排気弁駆動機構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。
【００３１】
前記各気筒１２の排気ポート１８は、排気通路５０に接続されている。この排気通路５０は、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た複数の独立排気通路５２、およびこれらの独立排気通路５２を下流側で集合させた集合部を備えている。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の下流部分および集合部は、図２に示すように前記排気マニホールド５に設けられている。
【００３２】
前記排気通路５０の独立排気通路５２および集合部が、低速側通路５３と高速側通路５６とに区分されている。低速側通路５３は、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通じる複数の低速側独立排気通路５４およびこれらの低速側独立排気通路５４の下流側の低速側集合部５５を有し、高速側通路５６は、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通じる複数の高速側独立排気通路５７，５８およびこれらの高速側独立排気通路５７，５８の下流側の高速側集合部５９を有している。
【００３３】
本実施形態では、図１および図２に示すように、各気筒の排気ポート１８にそれぞれ接続された４本の独立排気通路５２が、排気マニフォールド５の上流端付近において、低速側独立排気通路５４と高速側独立排気通路５７とに分岐している。
【００３４】
前記低速側通路５３には、各気筒１２の排気ポート１８に通じる４本の低速側独立排気通路５４が形成され、これらの低速側独立排気通路５４が下流側で一括に集合されて、低速側集合部５５が形成されている。この低速側集合部５５において、排気順序が連続する気筒に接続された低速側独立排気通路５５の下流端は互いに隣り合う位置に配置されている。
【００３５】
また、前記高速側通路５６には、上流端から通路途中までの範囲に、各気筒１２の排気ポート１８に通じる気筒別の４本の高速側独立排気通路５７が形成され、通路途中で気筒別の高速側独立排気通路５７が２本ずつ集合されて、それより下流側に、２本に減数された高速側独立排気通路５８が形成され、さらにこの２本の高速側独立排気通路５８が下流側で集合されて、高速側集合部５９が形成されている。通路途中より下流側の高速側独立排気通路５８は、排気順序が互いに連続しない複数の気筒１２の排気ポート１８にそれぞれ通じている。すなわち、前述のように排気行程が第１気筒１２ａ→第３気筒１２ｃ→第４気筒１２ｄ→第２気筒１２ｂの順に行われる４気筒エンジンでは、上流側の気筒別の４本の高速側独立排気通路５７のうち、第１気筒１２ａと第４気筒１２ｄの各排気ポート１８に通じる高速側独立排気通路５７が集合されるとともに、第２気筒１２ｂと第３気筒１２ｃの各排気ポート１８に通じる高速側独立排気通路５７が集合されて、下流側の高速側独立排気通路５８が形成されている。
【００３６】
前記高速側通路５６の高速側集合部５９までの通路は、エンジンの中速域で排気脈動が同調する大きさ（長さおよび断面積）に設定されている。すなわち、排気脈動の同調とは、後に詳述するように、排気脈動による負圧波が排気バルブ２０と吸気バルブ１９の両方が開いているオーバーラップ期間に排気ポート１８に作用して、排気慣性効果が得られるようになる状態をいい、このような排気脈動の同調がエンジンの中速域で得られるように、排気ポート１８から高速側独立排気通路５７および高速側独立排気通路５８を経て高速側集合部５９に至るまでの通路の長さおよび断面積が設定されている。具体的には、排気ポート１８から高速側集合部５９までの通路の長さは、６０〜８０ｍｍ程度に設定されている。
【００３７】
一方、低速側通路５３の低速側集合部５５までの通路の長さは、高速側通路５６よりも短く設定され、具体的には３０〜４０ｍｍ程度に設定されている。
【００３８】
低速側集合部５５より下流の低速側通路５３と高速側集合部５９より下流の高側通路５６とは排気マニフォールド５の下流端部で集合され、その集合部より下流側に前記触媒装置６が配置されている。
【００３９】
また、前記低速側通路５３および前記高速側通路５６に対し、排気流通状態を変更する排気流通変更手段が設けられ、この排気流通変更手段は、低速側通路５３を開閉するバルブおよび高速側通路５６の通路面積を変更するバルブを有している。本実施形態では、低速側通路５３を開閉するバルブと高速側通路５６の通路面積を変更するバルブとを兼ねる切替バルブ６１が、各独立排気通路５２の上流端近傍の、低速側独立排気通路５４と高速側独立排気通路５７とに分岐する箇所に設けられている。
【００４０】
この切替バルブ６１は、図３に示すように、低速側独立排気通路５４を開くとともに高速側独立排気通路５７を閉じる状態（破線で示す状態）と、低速側独立排気通路５４を閉じるとともに高速側独立排気通路５７を開く状態（実線で示す状態）とに切替可能であり、さらに本実施形態では、低速側独立排気通路５４および高速側独立排気通路５７をともに開く状態（二点鎖線で示す状態）にも変位可能となっている。
【００４１】
各独立排気通路５２に設けられた切替バルブ６１は、共通の回動軸６２により連結されて一体に回動するようになっている。この回動軸６２は、バルブアクチュエータ６５により回転駆動される。このバルブアクチュエータ６５は、ＥＣＵ２からの制御信号に応じて回動軸６２を回動させ、切替バルブ６１を作動する。
【００４２】
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およ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、エンジン回転数を検出するエンジン回転数センサ６７、触媒装置６の温度を検出する触媒温度センサ６８等の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。
【００４３】
ＥＣＵ２は、エンジン回転数センサ６７等からの信号に基づいて運転状態を判別し、その運転状態に応じて、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が目標値になるように、吸気ＶＶＴ３２および排気ＶＶＴ４２を制御するとともに、切替バルブ６１により運転状態に応じて前記低速側通路５３および前記高速側通路５６を開閉するように、前記バルブアクチュエータ６３を駆動する。
【００４４】
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、少なくともエンジンの高負荷領域であって、エンジンの回転数が第１の基準回転数Ｎ１より低い低速領域Ｒ１（図５参照）では、図４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。
【００４５】
低速領域Ｒ１のオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌは例えば６０℃Ａ以上に設定されている。
【００４６】
なお、エンジンの回転数が基準回転数Ｎ１より高い中、高速領域では、前記吸気バルブ１９の開閉タイミングが遅らされることにより前記オーバーラップ期間Ｔ＿Ｌ／Ｏが前記低速領域Ｒ１で設定されたオーバーラップよりも小さくなるように設定されている。
【００４７】
また、前記切替バルブ６１は、エンジン回転数が図５に示す低速領域Ｒ１、中速領域Ｒ２、高速領域Ｒ３のいずれの領域にあるかに応じて、次のように制御される。
【００４８】
エンジンの回転数が第１の基準回転数Ｎ１よりも低い低速領域Ｒ１では、前記切替バルブ６１が低速側通路５３を開いて高速側通路５６を閉じる状態（図３中の破線の状態）とされる。また、エンジンの回転数が第１の基準回転数Ｎ１以上で、かつ、第２の基準回転数Ｎ２よりも低い中負荷領域Ｒ２では、前記切替バルブ６１が低速側通路５３を閉じて高速側通路５６を開く状態（図３中の実線の状態）とされる。さらにエンジンの回転数が第２の基準回転数Ｎ２以上の高速領域Ｒ３では、前記切替バルブ６１が低速側通路５３および高速側通路５６の両方を開く状態（図３中の二点鎖線の状態）とされる。
【００４９】
前記第１の基準回転数Ｎ１は例えば２０００ｒｐｍであり、また、第２の基準回転数Ｎ２は例えば４０００ｒｐｍである。
【００５０】
また、ＥＣＵ２は、前記触媒温度センサ６８からの信号に基づいて触媒装置６が未活性かどうかを判別し、触媒装置６が未活性のときは、低速側通路５３を開いて高速側通路５６を閉じる状態に切替バルブ６１を制御する。
【００５１】
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。
【００５２】
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に排気が高速で流出。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）が流出する。
【００５３】
ここで、エンジン回転数が前記低速領域Ｒ１あるときは、前記切替バルブ６１が低速側通路５３を開いて高速側通路５６を閉じる状態とされることにより、排気は低速側独立排気通路５４へ流れる。この状態では、低速側通路５３および高速側通路５６の両方が開いた場合と比べて流路面積が小さくなり、流路が絞られることで排気は高速で低速側独立排気通路５４を通って下流に流れ、前記低速側集合部５５に流入する。この場合に、低速側独立排気通路５４が短く設定されているため、低速側集合部５５に至るまでの間の流速の減衰は小さい。
【００５４】
そして、低速側集合部５５に所定の低速側独立排気通路５４から高速の排気が噴出されると、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低速側集合部５５に連通している他の低速側独立排気通路５４に対し、その内部のガスを下流側へと吸い出す力が作用する。ここで、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１９と吸気バルブ２０とはいずれも開弁している。そのため、前記吸出し力は、この吸気行程気筒１２に接続された低速側独立排気通路５４を介して吸気行程気筒１２内のガスに作用し、この吸出し力により吸気行程気筒１２内の残留ガスが気筒１２内から勢いよく吸い出され、これに伴い、吸気行程気筒１２内に吸気ポート１７から吸気バルブ１９を介して多量の空気が流入する。
【００５５】
特に、排気順序が連続する気筒１２に接続された低速側独立排気通路５４の下流端は前記低速側集合部５５において隣接して配置されているため、排気行程気筒１２に接続された低速側独立排気通路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独立排気通路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。
【００５６】
このようにして、エゼクタ効果が効果的に発揮されることにより、各気筒１２の掃気が促進され、吸気の充填効率が上昇してエンジン出力が高められる。
【００５７】
なお、多気筒エンジンにおいて各気筒１２での掃気には気筒間の排気干渉が影響する。すなわち、排気行程気筒１２の排気バルブ２０が開弁したときにブローダウンとともに正圧波が生じ、低速側通路５３が開かれている状態では、前記正圧波が、第６図に破線矢印で示すように、排気行程気筒１２の排気ポート１８に通じる低速側独立排気通路５４から低速側集合部５５を経て他の低速側独立排気通路５４へ伝播する。そして、この正圧波が吸気行程気筒１２のオーバーラップ期間中にこの気筒１２の吸気ポート１８に達すると、当該気筒１２の掃気を阻害する要因となる。
【００５８】
このような排気干渉を避けるには、前記吸気行程気筒１２のオーバーラップ期間中にこの気筒１２の吸気ポート１８に到達しないように、独立排気通路を長くすればよいが、低速領域で排気干渉を避けるには、独立排気通路を２〜３ｍ程度の長さにする必要があって、自動車への搭載性等の点から現実的ではない。
【００５９】
これに対し、本実施形態では、前記エゼクタ効果が充分に発揮されるように低速側独立排気通路５４を短くし、こうした場合に、低速領域Ｒ１で、前記排気干渉は生じるものの、その影響よりも前記エゼクタ効果による掃気促進作用が上回ることにより、吸気効率が高められるようにしている。
【００６０】
また、エンジン回転数が前記中速領域Ｒ２となったときは、前記切替バルブ６１が低速側通路５３を閉じて高速側通路５６を開く状態とされる。これにより、排気行程気筒１２の排気ポート１８から流出する排気が高速側独立排気通路５７，５８および高速側集合部５９を流通するようになる。
【００６１】
この状態では、前記エゼクタ効果は得られなくなるものの、中速領域Ｒ２において前記排気干渉が避けられるとともに、排気の脈動が掃気を促進するように作用し、吸気の充填効率が高められる。
【００６２】
すなわち、前記低速側通路５３が開かれている場合のエゼクタ効果は、背圧が低い低速領域Ｒ１では良好に得られるものの、中速領域Ｒ２では背圧が高くなるに伴いエゼクタ効果が低減するため、仮に中速領域Ｒ２まで低速側通路５３を開いて高速側通路５６を閉じた状態とすると、エゼクタ効果よりも前記排気干渉の影響が大きくなって、掃気性が悪くなる。
【００６３】
これに対し、本実施形態では、中速領域Ｒ２で、低速側通路５３が閉じられて、低速側通路５３よりも長い高速側通路５６が開かれる状態に切り替ることにより、排気行程気筒１２の排気バルブ２０が開弁したときに生じる正圧波が、この気筒１２の排気ポート１８に通じる高速側独立排気通路５７，５８から高速側集合部５９を経て他の高速側独立排気通路５８，５７へ伝播しても、この正圧波が吸気行程気筒１２のオーバーラップ期間中にこの気筒１２の吸気ポート１８に達することはないため、前期排気干渉が避けられる。
【００６４】
また、排気行程気筒１２の排気バルブ２０が開弁したときに生じる正圧波による脈動としては、集合部で反転し負圧波となって反射され、同一気筒に戻るものがある。例えば、図７に示すように、第１気筒１２ａで生じてこの気筒１２ａの排気ポート１８に通じる高速側独立排気通路５７，５８へ伝播した正圧波は、高速側集合部５９で反転し負圧波となって第１気筒１２ａの排気ポート１８に戻ってくる。他の気筒１２ｂ〜１２ｄで生じる圧力波についても同様である。
【００６５】
この負圧波が前記オーバーラップ期間内に排気ポート１８に戻ると、気筒内との圧力差が大きくなって、いわゆる排気慣性効果により掃気性が高められる。このように負圧波が排気ポート１８に戻るタイミングが前記オーバーラップ期間内となって排気慣性効果が得られる状態を、排気脈動の同調という。本実施形態では、このような排気脈動の同調が中速領域Ｒ２で得られるように高速側通路５６の高速側集合部５９までの通路（排気ポート１８から高速側独立排気通路５７，５８を経て高速側集合部５９に至るまでの通路）の長さおよび断面積が設定されていることにより、中速領域Ｒ２で掃気性が高められる。
【００６６】
このように、エンジン速度に応じて低速側通路５３を使用する状態と高速側通路５６を使用する状態とに切り替えられることにより、各速度領域でそれぞれ掃気性が高められ、この作用を、図８を参照しつつさらに説明する。
【００６７】
図８は体積効率とエンジン回転数との関係を示している。低速側通路５３を使用した場合、この図に実線で示すように、低速領域で、前述のエゼクタ効果で掃気が促進されることにより体積効率が高められ、また、通路長を短くすることで、高速領域でも、排気流通抵抗の軽減および排気慣性効果で体積効率を高めることは可能であるが、中速領域では、前述の排気干渉が生じることにより、体積効率が落ち込む。
【００６８】
一方、高速側通路５６を使用した場合、図８に破線で示すように、中速領域Ｒ２で、前述のように排気干渉が避けられるとともに排気慣性効果が得られることにより、体積効率が高められる。
【００６９】
従って、低速領域Ｒ１では低速側通路５３を使用し、エンジン回転数が第１の基準回転数Ｎ１を越えて中速領域Ｒ２になると、高速側通路５６を使用する状態に切り替えられることにより、これらの速度領域にわたり、高い体積効率が得られて、エンジン出力を高めることができる。
【００７０】
なお、前記高速領域Ｒ３では、低速側通路５３および高速側通路５６の両方が開かれることにより、流路面積が大きくなり、排気流通抵抗が軽減される。従って、排気流量が大きく背圧が高くなりやすい高速領域Ｒ３では、排気が抵抗の少ない状態で排出されることで掃気が促進されてエンジン出力が確保される。
【００７１】
また、触媒装置６が未活性状態のときは、低速側通路５３を開いて高速側通路５６を閉じる状態に切替バルブ６１が制御されることにより、各気筒１２の排気ポート１８から流出した排気が、低速側通路５３を通って触媒装置６に流れる。この状態では、排気ポート１８から触媒装置６までの流路のボリュームが小さくなるため、排気が触媒装置６に達するまでの間の排気温度の低下が抑制される。これにより、触媒装置６の暖機が促進され、触媒装置６の活性化が早められる。
【００７２】
なお、本発明の装置の具体的構造は前記実施形態に限定されず、種々変更可能である。以下に、他の実施形態を説明する。
【００７３】
（１）前記実施形態では、低速側通路５３を開閉するバルブと高速側通路５６の通路面積を変更するバルブとを兼ねる切替バルブ６１が設けられているが、図９に示すように、低速側通路５３を開閉するバルブ７１と、高速側通路５６の通路面積を変更するバルブ７３とを別個に設けてもよい。この場合、低速側通路５３を開閉するバルブ７１は、低速側独立排気通路５４の上流端近傍に設けられ、高速側通路５６の通路面積を変更するバルブ７３は、高速側独立排気通路５７の上流端近傍に設けられる。
【００７４】
これらのバルブ７１，７３は、それぞれ、回動軸７２，７４を介し、図外のアクチュエータにより回転駆動される。そして、低速領域では、図９に二点鎖線で示すようにバルブ７１が開かれるとともにバルブ７３が閉じられ、中速領域では、図９に実線で示すようにバルブ７１が閉じられるとともにバルブ７３が開かれる。また、高速領域では、両バルブ７１，７３がともに開かれる。
【００７５】
（２）前記実施形態では、前記低速低負荷領域Ｒ１において、低速側通路５３を開くとともに高速側通路５６を閉じるようにしているが、高速側通路５６は、低速低負荷領域Ｒ１において完全に閉じなくても、流路面積が最大面積よりも縮小されるように絞られた状態であればよい。例えば、図９に示した高速側通路５６の通路面積を変更するバルブ７３を、低速領域において、全閉とせずに、全開よりは小さい所定開度としてもよい。
【００７６】
このようにした場合でも、高速側通路５６が絞られれば、高速側通路５６が全開状態の場合と比べ、流路面積が小さくなるため低速側通路５３に流れる排気の流速が高くなり、エゼクタ効果が得られる。
【００７７】
しかし、前記実施形態のように前記低速低負荷領域Ｒ１において高速側通路５６を完全に閉じるようにする方が、エゼクタ効果は高められる。
【００７８】
（３）前記実施形態では、各気筒１２の排気ポート１８に通じる独立排気通路５２を低速側独立排気通路５４と高速側独立排気通路５７とに分岐させているが、図１０に示すように、各気筒１２に設けられた２つの排気ポート１８のうちの一方の排気ポート１８から下流を低速側通路５３、他方の排気ポート１８から下流を高速側通路５６とするようにしてもよい。
【００７９】
すなわち、図１０に示す実施形態では、各気筒１２の２つの排気ポート１８が互いに独立して形成され、一方の排気ポート１８に低速側独立排気通路５４が接続され、他方の排気ポート１８に高速側独立排気通路５７が接続されている。また、排気流通変更手段として、各排気ポート１８に設けられた排気弁２０に対してそれぞれ、排気弁２０を作動状態と停止状態とに変更可能な弁停止機構８０が設けられている。この弁停止機構８０の構造自体は、いわゆるロストモーション機構として従来から知られているため、詳しい図示および説明は省略する。
【００８０】
この実施形態による場合、低速領域では、低速側独立排気通路５４に通じる排気ポート１８に設けられた排気弁２０が作動状態とされる一方、高速側独立排気通路５７に通じる排気ポート１８に設けられた排気弁２０が停止状態とされることにより、高速側独立排気通路５７が閉じられて、排気が低速側独立排気通路５４にのみ流れる状態となる。また、中速領域では、低速側独立排気通路５４に通じる排気ポート１８に設けられた排気弁２０が停止状態とされる一方、高速側独立排気通路５７に通じる排気ポート１８に設けられた排気弁２０が作動状態とされることにより、低速側独立排気通路５４が閉じられて、排気が高速側独立排気通路５７にのみ流れる状態となる。高速領域では、各排気弁２０がいずれも作動状態とされる。
【００８１】
（４）高速側通路５６の構成は前記実施形態に限定されず、各気筒１２の排気ポート１８に通じる気筒別の高速側独立排気通路５７を長く形成して、下流側で一括に集合させるようにしてもよい。ただし、気筒数と同数の気筒別の高速側独立排気通路５７を長く形成すると、排気マニフォールドが大型化する。これに対し、前記実施形態のように、高速側独立排気通路５７を途中で２本ずつ集合させて、下流側の独立排気通路５８の本数を少なくすれば、高速側集合部５９までの通路を中速領域Ｒ２で排気脈動が同調するような長さとしつつ、高速側通路を極力コンパクトな構造とすることができる。
【符号の説明】
【００８２】
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）
５０  排気通路
５２  独立排気通路
５３  低速側通路
５４  低速側独立排気通路
５５  低速側集合部
５６  高速側通路
５７，５８  高速側独立排気通路
５９  高速側集合部
６１  切替バルブ（排気流通変更手段）
７１，７３  バルブ（排気流通変更手段）
８０  弁停止機構（排気流通変更手段）
【図１】
2011214438.tif 000003
【図２】
2011214438.tif 000004
【図３】
2011214438.tif 000005
【図４】
2011214438.tif 000006
【図５】
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【図６】
2011214438.tif 000008
【図７】
2011214438.tif 000009
【図８】
2011214438.tif 000010
【図９】
2011214438.tif 000011
【図１０】
2011214438.tif 000012