(57)【要約】【課題】高圧縮比エンジンにおいて、エンジンの低・中速域の高負荷域で、効果的にノッキングを抑制しつつ、高圧縮比エンジンによる高トルク化を達成する。【解決手段】エンジンの幾何学的圧縮比が１２を超える高圧縮比に設定される。各気筒の排気ポートに接続された分岐排気通路が排気順序が隣り合わない気筒同士で第１集合部により集合され、各第１集合部の下流の中間排気通路が第２集合部で集合された排気マニフォールドと、排気バルブタイミング可変機構と、点火時期制御手段と、有効圧縮比調節手段とを備える。高負荷域の低・中速域では、有効圧縮比が１０を超える値とされ、点火時期がリタードされるとともに、開弁オーバーラップ期間を所定期間確保しつつ、複数のエンジン回転数域で、排気脈動による負圧波が開弁オーバーラップ期間に排気ポートに到達するように、排気弁の開弁時期がエンジン回転数に応じて変えられるようにしている。【選択図】図１
2012041899.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも部分的にガソリンを含有する燃料が供給される４気筒以上の火花点火式エンジンにおいて、
エンジンの幾何学的圧縮比が１２を超える高圧縮比に設定されるとともに、
各気筒の排気ポートに接続された分岐排気通路が排気順序が隣り合わない気筒同士で第１集合部により集合され、各第１集合部の下流の中間排気通路が第２集合部で集合された排気マニフォールドと、
排気弁の開弁時期を変更する排気バルブタイミング可変機構と、
各気筒に設けられた点火プラグの点火時期を制御する点火時期制御手段と、
有効圧縮比を調節する有効圧縮比調節手段とを備え、
エンジンの高負荷域における低・中速域では、上記有効圧縮比調節手段により有効圧縮比が１０を超える値に調節され、かつ、上記点火時期制御手段により点火時期がＭＢＴより所定量リタードされるとともに、バルブリフト量０．３mmをもって吸気弁および排気弁の開弁時期および閉弁時期を定義した場合の吸気弁と排気弁との開弁オーバーラップ期間を所定期間確保しつつ、複数のエンジン回転数域で、排気脈動による負圧波が開弁オーバーラップ期間において各気筒の排気ポートに到達するように、上記排気バルブタイミング可変機構により排気弁の開弁時期がエンジン回転数に応じて変えられることを特徴とする火花点火式多気筒エンジン。
【請求項２】
請求項１記載の火花点火式多気筒エンジンにおいて、上記分岐排気通路１本の通路断面積Ｓ１と、上記中間排気通路１本の通路断面積Ｓ２と、上記第２集合部の下流の排気通路の通路断面積Ｓ３と関係が、（Ｓ２／Ｓ１）＜（Ｓ３／Ｓ２）となるように設定されていることを特徴とする火花点火式多気筒エンジン。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の火花点火式多気筒エンジンにおいて、排気マニフォールドより下流に、排気通路断面が拡大した空間部を有する空洞拡大室が設けられ、エンジン低速側の所定の第１エンジン回転数域で、排気弁開弁直後に生じる正圧波がこの空洞拡大室で反転した負圧波が開弁オーバーラップ期間に排気ポートに到達するように、上記空洞拡大室の位置が設定されていることを特徴とする火花点火式多気筒エンジン。
【請求項４】
請求項３記載の火花点火式多気筒エンジンにおいて、排気マニフォールドより下流に複数の空洞拡大室が設けられ、上記第１エンジン回転数域では、上記複数の空洞拡大室のうちの下流側空洞拡大室で反転した負圧波が開弁オーバーラップ期間に排気ポートに到達し、上記第１エンジン回転数域よりも所定回転数高回転側の第３エンジン回転数域では、上記複数の空洞拡大室のうちの上流側空洞拡大室で反転した負圧波が開弁オーバーラップ期間に排気ポートに到達し、上記第１エンジン回転数域と第３エンジン回転数域との間の第２エンジン回転数域および第３エンジン回転数域より高回転側の第４エンジン回転数域では、上記排気マニフォールド内での脈動による負圧波が開弁オーバーラップ期間に排気ポートに到達するように設定されていることを特徴とする火花点火式多気筒エンジン。
【請求項５】
請求項４記載の火花点火式多気筒エンジンにおいて、各気筒から上記排気マニフォールドの第２集合部までの通路長Ｌ１に対し、各気筒から上記上流側空洞拡大室までの通路長Ｌ２が３Ｌ１＜Ｌ２＜４Ｌ１、各気筒から上記下流側空洞拡大室までの通路長Ｌ３が５Ｌ１＜Ｌ３＜７Ｌ１に設定されていることを特徴とする火花点火式多気筒エンジン。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか１項に記載の火花点火式多気筒エンジンにおいて、有効圧縮比調節手段は、吸気弁の閉弁時期を変更可能とする吸気バルブタイミング可変機構より構成され、この吸気バルブタイミング可変機構より、エンジンの低・中速域における低負荷域では高負荷域に対し、有効圧縮比が低くなるように吸気弁の閉弁時期が変更されることを特徴とする火花点火式多気筒エンジン。
【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火花点火式多気筒エンジンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、火花点火式エンジンにおいて、排気脈動を利用してトルクの向上を図るため、吸気弁と排気弁がともに開いている開弁オーバーラップ期間を設定するとともに、トルク向上が要求される運転域で、排気脈動による負圧波が上記開弁オーバーラップ期間に排気ポートに到達するようにして、掃気性を高めるようにしたものが知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、上記開弁オーバーラップ期間の位相を変更可能とし、この開弁オーバーラップ期間に負圧波が排気ポートに到達するタイミングとすることが示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、排気弁の開弁時期を変更可能とする開弁時期変更手段を備え、エンジン回転数に応じて、排気脈動による負圧波が開弁オーバーラップ期間に排気ポートに到達するように上記開弁時期変更手段を制御することにより、エンジンの広い回転数域で掃気性を高め、トルクを向上させるようにすることが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３６７８８６１号公報
【特許文献１】特開２０１０−８４５３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、エンジンの熱効率を高めて燃費を改善するためには、圧縮比を高めることが有効であるが、ガソリンもしくはガソリンを含有する燃料が使用される火花点火式エンジンで、幾何学的圧縮比が１２を越えるような高圧縮比とした場合、次のような課題が残されていた。
【０００７】
高圧縮比エンジンでは、エンジンの熱効率が高められることにより、燃費が改善されるとともに、トルク向上も期待し得るが、エンジンの低・中速域の高負荷域で、ノッキングが生じやすくなる。ノッキングを抑制するには、有効圧縮比を下げること、あるいは、点火時期を大幅にリタードさせること等が考えられるが、これらの手法を採用するだけでは、充分に高トルクを確保することができない。つまり、高圧縮比エンジンは、高トルク化のポテンシャルを有するものの、ノッキング対策のため、従来では充分な高トルク化が達成されていなかった。
【０００８】
上記特許文献１，２では、このような高圧縮比エンジンでのノッキング対策とその場合の課題については、着目されていない。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑み、高圧縮比エンジンにおいて、エンジンの低・中速域の高負荷域で、効果的にノッキングを抑制しつつ、高圧縮比エンジンによる高トルク化を達成することができる火花点火式多気筒エンジン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】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明は、少なくとも部分的にガソリンを含有する燃料が供給される４気筒以上の火花点火式エンジンにおいて、エンジンの幾何学的圧縮比が１２を超える高圧縮比に設定されるとともに、各気筒の排気ポートに接続された分岐排気通路が排気順序が隣り合わない気筒同士で第１集合部により集合され、各第１集合部の下流の中間排気通路が第２集合部で集合された排気マニフォールドと、排気弁の開弁時期を変更する排気バルブタイミング可変機構と、各気筒に設けられた点火プラグの点火時期を制御する点火時期制御手段と、有効圧縮比を調節する有効圧縮比調節手段とを備え、エンジンの高負荷域における低・中速域では、上記有効圧縮比調節手段により有効圧縮比が１０を超える値に調節され、かつ、上記点火時期制御手段により点火時期がＭＢＴより所定量リタードされるとともに、バルブリフト量０．３mmをもって吸気弁および排気弁の開弁時期および閉弁時期を定義した場合の吸気弁と排気弁との開弁オーバーラップ期間を所定期間確保しつつ、複数のエンジン回転数域で、排気脈動による負圧波が開弁オーバーラップ期間において各気筒の排気ポートに到達するように、上記排気バルブタイミング可変機構により排気弁の開弁時期がエンジン回転数に応じて変えられることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明によると、エンジンの幾何学的圧縮比が１２を越える高圧縮とされることにより、エンジンの熱効率が高められて、燃費の改善およびトルク向上に有利となる。そして、エンジンの高負荷域における低・中速域では、高圧縮比エンジンによる高トルクを確保するために、有効圧縮比が１０を越える高い値に調節される一方、ノッキング防止のため、点火時期がＭＢＴより所定量リタードされる。
【００１２】
また、各気筒の排気ポートに接続された分岐排気通路が排気順序が隣り合わない気筒同士で第１集合部により集合され、各第１集合部の下流の中間排気通路が第２集合部で集合された排気マニフォールドにより、各気筒と第２集合部との間で圧力波が往復して排気脈動が生じ、エンジンの高負荷域における低・中速域で、排気脈動による負圧波が開弁オーバーラップ期間に排気ポートに到達して掃気性を高める作用が得られる。さらに、開弁オーバーラップ期間を所定期間確保しつつ、複数のエンジン回転数域で、排気脈動による負圧波が開弁オーバーラップ期間において各気筒の排気ポートに到達するように、排気弁の開弁時期がエンジン回転数に応じて変えられることにより、複数の回転数域で掃気性を高める作用が得られる。
【００１３】
そして、エンジンの高負荷域における低・中速域で、排気脈動が効果的に利用されて掃気性が高められることにより、吸気の体積効率が高められるとともに、掃気により筒内温度が引き下げられることでノッキング抑制にも有利となる。このため、幾何学的圧縮比および有効圧縮比が高くされながら、点火時期のリタード量を大幅なリタードから減少させることができる。
【００１４】
従って、高圧縮比エンジンにおいて、エンジンの高負荷域における低・中速域で、有効圧縮比が高くされながら、点火時期のMBTからの大幅なリタード量が減少されて、大幅にトルクを高めることができる。これに加えて、吸気の体積効率が高められる分、トルクを上積できる。
【００１５】
本発明において、上記分岐排気通路１本の通路断面積Ｓ１と、上記中間排気通路１本の通路断面積Ｓ２と、上記第２集合部の下流の排気通路の通路断面積Ｓ３と関係が、（Ｓ２／Ｓ１）＜（Ｓ３／Ｓ２）となるように設定されていることが好ましい。
【００１６】
このようにすると、排気マニフォールドにおいて排気脈動が生じるときに、第１集合部では圧力波の殆どが反転せずにそのまま通過し、第２集合部で圧力波が反転して、各気筒と第２集合部との間で圧力波が往復するような排気脈動が確実に得られる。
【００１７】
また、本発明において、排気マニフォールドより下流に、排気通路断面が拡大した空間部を有する空洞拡大室が設けられ、エンジン低速側の所定の第１エンジン回転数域で、排気弁開弁直後に生じる正圧波がこの空洞拡大室で反転した負圧波が開弁オーバーラップ期間に排気ポートに到達するように、上記空洞拡大室の位置が設定されていることが好ましい。
【００１８】
このようにすると、エンジン低速側の所定の第１エンジン回転数域では、気筒と空洞拡大室との間で往復する圧力波が、排気マニフォールドに生じる脈動が開弁オーバーラップ期間に排気ポートに及ぼす作用を助勢し、掃気性がより一層高められる。
【００１９】
さらに、排気マニフォールドより下流に複数の空洞拡大室が設けられ、上記第１エンジン回転数域では、上記複数の空洞拡大室のうちの下流側空洞拡大室で反転した負圧波が開弁オーバーラップ期間に排気ポートに到達し、上記第１エンジン回転数域よりも所定回転数高回転側の第３エンジン回転数域では上記複数の空洞拡大室のうちの上流側空洞拡大室で反転した負圧波が開弁オーバーラップ期間に排気ポートに到達し、上記第１エンジン回転数域と第３エンジン回転数域との間の第２エンジン回転数域および第３エンジン回転数域より高回転側の第４エンジン回転数域では、上記排気マニフォールド内での脈動による負圧波が開弁オーバーラップ期間に排気ポートに到達するように設定されていることが好ましい。
【００２０】
第１エンジン回転数域では、下流側空洞拡大室で反転した負圧波が、排気マニフォールドに生じる脈動が開弁オーバーラップ期間に排気ポートに及ぼす作用を助勢し、第３エンジン回転数では、上流側空洞拡大室で反転した負圧波が、排気マニフォールドに生じる脈動が開弁オーバーラップ期間に排気ポートに及ぼす作用を助勢する。そして、第１〜第４の各回転数域で効果的に掃気性が高められる。
【００２１】
このようにする場合に、各気筒から上記排気マニフォールドの第２集合部までの通路長Ｌ１に対し、各気筒から上記上流側空洞拡大室までの通路長Ｌ２が３Ｌ１＜Ｌ２＜４Ｌ１、各気筒から上記下流側空洞拡大室までの通路長Ｌ３が５Ｌ１＜Ｌ３＜７Ｌ１に設定されていることが好ましい。
【００２２】
このようにすると、上記第１〜第４の各回転数域で効果的に掃気性が高められる。
【００２３】
また、本発明において、有効圧縮比調節手段は、吸気弁の閉弁時期を変更とする吸気バルブタイミング可変機構より構成され、この吸気バルブタイミング可変機構より、エンジンの低・中速域における低負荷域では高負荷域に対し、有効圧縮比が低くなるように吸気弁の閉弁時期が変更されることを特徴とする火花点火式多気筒エンジン。
【００２４】
このようにすると、エンジンの低・中速域における低負荷域では、ポンピングロスが低減されて、燃費改善効果が高められる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の火花点火式多気筒エンジンによると、高圧縮比エンジンにおいて、エンジンの高負荷域における低・中速域で、排気脈動が効果的に利用されて掃気性が高められることにより、吸気の体積効率が高められることと、有効圧縮比が高くされながら点火時期のリタード量が減少されることとにより、大幅にトルクを高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態に係る火花点火式多気筒エンジンのエンジン本体および排気マニフォールドの概略平面図である。
【図２】エンジン本体の概略断面図である。
【図３】エンジンの排気系の概略平面図である。
【図４】排気弁と吸気弁の開閉タイミングおよびオーバーラップ期間を示す図である。
【図５】排気弁および吸気弁の開弁時期および閉弁時期の定義を示す説明図である。
【図６】気筒間の排気干渉を説明する図であって、（Ａ）は従来の排気マニフォールドによる場合、（Ｂ）本発明の実施形態に係るエンジンの排気マニフォールドによる場合を示す。
【図７】気筒と排気マニフォールドの第２集合部との間での圧力波が往復する状態を示す説明図である。
【図８】気筒の排気ポートに生じる圧力の変化を示す図ある。
【図９】従来の排気マニフォールドによる場合と本発明の実施形態に係るエンジンの排気マニフォールドによる場合とにつき、種々のエンジン回転数域において吸気の体積効率を調べたデータを示す図である。
【図１０】エンジン回転数に応じて排気弁および吸気弁の開弁時期および閉弁時期を変更する例を示す特性図である。
【図１１】気筒とプリサイレンサとの間を往復する圧力波による排気ポートの圧力変化を示す図である。
【図１２】気筒とメインサイレンサとの間を往復する圧力波による排気ポートの圧力変化を示す図である。
【図１３】エンジン回転数１５００ｒｐｍにおいて排気脈動等による排気ポートの圧力変化を示す図である。
【図１４】エンジン回転数２０００ｒｐｍにおいて排気脈動等による排気ポートの圧力変化を示す図である。
【図１５】エンジン回転数２５００ｒｐｍにおいて排気脈動等による排気ポートの圧力変化を示す図である。
【図１６】エンジン回転数３０００ｒｐｍにおいて排気脈動等による排気ポートの圧力変化を示す図である。
【図１７】エンジン回転数５０００ｒｐｍにおいて排気脈動等による排気ポートの圧力変化を示す図である。
【図１８】本発明の実施例に相当する幾何学的圧縮比１４のエンジンと参考例に相当する幾何学的圧縮比１１のエンジンとにつき、エンジン回転数と点火時期との関係を示す特性図である。
【図１９】幾何学的圧縮比１４のエンジンと幾何学的圧縮比１１のエンジンとにつき、掃気性向上によって体積効率が高められることと、ノッキング抑制作用改善によって点火時期のリタード量が減少されることとによる、トルク向上の効果を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明に係る火花点火式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。
【００２８】
図１は火花点火式多気筒エンジンのエンジン本体１および排気マニフォールド３０を概略的に示し、図２はエンジン本体１の断面を概略的に示している。本発明のエンジンはガソリンもしくはガソリンを含有する燃料が供給される４気筒以上の火花点火式多気筒エンジンであり、本実施形態では、直列４気筒の火花点火式エンジンとなっている。つまり、図１に示すように、エンジン本体１には、一端側から順に第１気筒２ａ、第２気筒２ｂ、第３気筒２ｃ、第４気筒２ｄの４つの気筒２が形成されている。
【００２９】
このエンジンは４サイクルエンジンであって、各気筒２において、１８０°ＣＡずつずれたタイミングで点火が行われて、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程がそれぞれ行われるように構成されている。本実施形態では、第１気筒２ａ→第３気筒２ｃ→第４気筒２ｄ→第２気筒２ｂ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
また、このエンジンの幾何学的圧縮比は、１２を越える高圧縮比に設定されている。ここで、幾何学的圧縮比とは、ピストンが下死点にあるときの燃焼室容積とピストンが上死点にあるときの燃焼室容積との比をいう。
【００３０】
エンジン本体１は、図２に示すように、シリンダヘッド３およびシリンダブロック４を有し、その内部に上記各気筒２が形成されている。各気筒２にはピストン５が嵌挿され、ピストン５の上方に燃焼室６が形成されている。
【００３１】
各気筒２の上部には、燃焼室６に開口する吸気ポート７および排気ポート８が設けられている。吸気ポート７は、各気筒２に吸気を導入するためのものである。排気ポート８は、各気筒２から排気を排出するためのものである。吸気ポート７は吸気弁９により開閉され、排気ポート８は排気弁１０により開閉されるようになっている。さらに各気筒２には、燃焼室６内に燃料を噴射する燃料噴射弁１１と、燃焼室６内の混合気に着火する点火プラグ１２が配設されている。なお、燃料噴射弁１１は、図２に示す例では燃焼室６内に直接燃料を噴射するようになっているが、吸気ポート７に燃料を噴射するものでもよい。
【００３２】
上記吸気弁９は吸気弁駆動機構１３により駆動され、排気弁１０は吸気弁駆動機構１６により駆動される。
【００３３】
吸気弁駆動機構１３は、吸気カムシャフト１４と、吸気バルブタイミング可変機構１５とを有している。そして、吸気カムシャフト１４に設けられた吸気カムにより吸気カムシャフト１４の回転に伴って吸気弁９が開閉され、その吸気弁９の開閉タイミングが、吸気バルブタイミング可変機構１５により変更可能となっている。この吸気バルブタイミング可変機構１５は、吸気弁９の閉弁タイミングを変更することにより、有効圧縮比を調節し得るものであり、有効圧縮比調節手段を構成している。なお、有効圧縮比とは、吸気弁閉弁時の燃焼室容積とピストンが上死点にあるときの燃焼室容積との比をいう。
【００３４】
また、排気弁駆動機構１６は、排気カムシャフト１７と、排気バルブタイミング可変機構１８とを有している。そして、排気カムシャフト１７に設けられた排気カムにより排気カムシャフト１７の回転に伴って排気弁１０が開閉され、その排気弁１０の開閉タイミングが、排気バルブタイミング可変機構１８により変更可能となっている。
【００３５】
上記吸気バルブタイミング可変機構１５および排気バルブタイミング可変機構１８は、当実施形態では位相式のバルブタイミング可変機構により構成されている。この位相式のバルブタイミング可変機構は、開弁期間を一定としつつその開閉タイミングを可変とするものである。このバルブタイミング可変機構の構造は従来から種々知られているため具体的構造の図示及び説明は省略するが、例えばタイミングベルトを介してクランク軸の回転が伝動されるカムプーリとカム軸との間に、両者を相対回転可能とする位相変更用部材が組み込まれ、この部材が油圧もしくは電動で駆動されるようになっている。
【００３６】
吸気バルブタイミング可変機構１５および排気バルブタイミング可変機構１８は、マイクロコンピュータにより構成されたエンジン制御用のコントローラ２０により制御される。このコントローラ２０は、点火回路２１を介し、点火プラグ１２の点火時期の制御も行うようになっており、コントローラ２０および点火回路２１が点火時期制御手段を構成している。また、このコントローラ２０には、エンジン回転数を検出する回転数センサ２２からの信号が入力され、さらに図外のスロットルセンサ等の、エンジン付加を検出するセンサからの信号も入力されている。
【００３７】
上記エンジン本体１の一側部には、排気マニフォールド３０が接続されている。
【００３８】
この排気マニフォールド３０は、各気筒２の排気ポート８に接続された分岐排気通路３１が排気順序が隣り合わない気筒同士で第１集合部３２により集合され、各第１集合部３２の下流の中間排気通路３３が第２集合部３４で集合された構造となっている。前述のように排気行程が第１気筒２ａ→第３気筒２ｃ→第４気筒２ｄ→第２気筒２ｂの順に行われる４気筒エンジンでは、各気筒２の排気ポート８に接続された４本の分岐排気通路３１のうち、第１気筒２ａと第４気筒２ｄの各排気ポート８に通じる分岐排気通路３１が集合されるとともに、第２気筒２ｂと第３気筒２ｃの各排気ポート８に通じる分岐排気通路３１が集合されて、２つの第１集合部３２と、その下流の２本の中間排気通路３３が形成されている。そして、この２本の排気通路３３が、その下流側において第２集合部３４で集合され、この第２集合部３４の下流が１本の排気通路３５となっている。
【００３９】
上記分岐排気通路３１の１本の通路面積Ｓ１と、中間排気通路３３の１本の通路面積Ｓ２と、第２集合部３４下流の排気通路３５の通路面積Ｓ３との関係が、（Ｓ２／Ｓ１）＜（Ｓ３／Ｓ２）となるように、これらの通路の通路面積が設定されている。つまり、分岐排気通路３１の通路面積Ｓ１に対する中間排気通路３３の通路面積Ｓ２の広がり度合いは比較的小さく、これと比べ、中間排気通路３３の通路面積Ｓ２に対する第２集合部３４下流の排気通路３５の通路面積Ｓ３の広がり度合いが大きくなっている。
【００４０】
図３は排気マニフォールド３０およびこれより下流側の部分を含む排気系の概略を示している。この図に示すように、排気マニフォールド３０の第２集合部下流３４の排気通路には、直キャタリスト３６が接続され、その下流側に、フレキシブルジョイント３７を介し、キャタリスト３８が接続されている。これら直キャタリスト３６およびキャタリスト３６は、排気の浄化を行うもので、筒状ケース内の流路に触媒を配設している。
【００４１】
また、排気マニフォールド３０より下流に、内部に排気通路断面が拡大した空間部を有する空洞拡大室が複数設けられ、当実施形態では、プリサイレンサ４１およびメインサイレンサ４２が空洞拡大室を構成している。プリサイレンサ４１は、上記キャタリスト３８の下流側に接続されている。メインサイレンサ４２は、プリサイレンサ４１の下流に、所定長さの排気管４３を介して接続されている。後に詳述するように、各気筒から排気マニフォールド３０の第２集合部３４までの通路長Ｌ１に対し、各気筒からプリサイレンサ４１までの通路長Ｌ２は３Ｌ１＜Ｌ２＜４Ｌ１、各気筒からメインサイレンサ４２までの通路長Ｌ３は５Ｌ１＜Ｌ３＜７Ｌ１に設定されている。
【００４２】
図４は排気弁および吸気弁の開閉タイミングを示している。この図においてＥＶＯは排気弁の開弁時期、ＥＶＣは排気弁の閉弁時期、ＩＶＯは吸気弁の開弁時期、ＩＶＣは吸気弁の閉弁時期である。また、ＯＬは吸気弁と排気弁との開弁オーバーラップ期間である。
この図に示すように、排気弁の開閉タイミングおよび吸気弁の開閉タイミングはそれぞれ実線で示すタイミングと破線で示すタイミングとわたって変更可能となっている。
【００４３】
そして、本実施形態では、コントローラ２０により、エンジン回転数エンジン付加等の運転状態に応じ、吸気バルブタイミング可変機構１５および排気バルブタイミング可変機構１８制御されることにより、排気弁の開閉タイミングおよび吸気弁の開閉タイミングが制御される。
【００４４】
とくにエンジンの高負荷域における低・中速域では、有効圧縮比が１０を超える値となるように、吸気弁の閉弁時期ＩＶＣが制御される。さらに、このエンジンの高負荷域における低・中速域では、開弁オーバーラップ期間ＯＬを所定期間確保しつつ、複数のエンジン回転数域で、排気脈動による負圧波が開弁オーバーラップ期間ＯＬにおいて気筒の排気ポートに到達するように、排気弁の開弁時期ＥＶＯがエンジン回転数に応じて変えられる。
【００４５】
ここで、吸気弁および排気弁の開弁時期ＩＶＯ，ＥＶＯおよび閉弁時期ＩＶＣ，ＥＶＣは、バルブリフト量０．３mmをもって定義している。バルブリフト量０．３mmとは、図５に示すように、バルブリフト特性におけるランプ部（開弁付近および閉弁付近においてバルブリフトの勾配が緩やかな区間）の高さに相当する。従って、吸気弁および排気弁の開弁期間および開弁オーバーラップ期間ＯＬは、ランプ部を除いた期間である。
【００４６】
なお、コントローラ２０は、エンジンの低・中速域における低負荷域では高負荷域に対し、有効圧縮比が低くなるように吸気弁の閉弁時期ＩＶＣを変化させるように制御する。つまり、吸気弁の閉弁時期ＩＶＣは吸気下死点後であるが、低負荷域では高負荷域よりも大きく吸気下死点から遅らせることにより、有効圧縮比が低くなるよう制御する。
【００４７】
また、コントローラ２０は、上記のように吸気弁および排気弁の開閉タイミングを制御するとともに、点火プラグ１２の点火時期を制御し、エンジンの高負荷域における低・中速域では、点火時期をＭＢＴより所定量リタードさせるようにしている。ここで、所定量とは、ノッキングが抑制されるリタード量である。
【００４８】
次に、本実施形態のエンジンの作用を説明する。
【００４９】
本実施形態のエンジンにおいて、上記排気マニフォールド３０は、気筒間の排気干渉が掃気性に悪影響を及ぼすことを防止するとともに、脈動による負圧が開弁オーバーラップ期間に排気ポートに到達して掃気性を高める作用を発揮させるのに有利な構造となっている。これらの作用を図６〜図８によって説明する。
【００５０】
図６は気筒間の排気干渉を説明するものであり、図６（Ａ）は、短い分岐排気通路が１つの集合部で一括に集合された従来の排気マニフォールド（左側に模式的に構造を示す）による場合について示し、図６（Ｂ）は、本実施形態の排気マニフォールド（左側に模式的に構造を示す）による場合について示している。これらの図では、第１気筒の排気弁および吸気弁の開閉タイミングと第３気筒の排気弁の開閉タイミングを示すとともに、第３気筒の排気弁の開弁によって同気筒の排気ポートに生じる圧力を破線で表している。
【００５１】
これらの図に示すように、第３気筒の排気弁が開弁した直後は、排気ガスが急激に流出する所謂ブローダウンにより排気ポートに高い正圧が生じる。また、第１気筒は、第３気筒の排気弁が開弁する時期より少し遅れて開弁オーバーラップ期間ＯＬとなる。そして、第３気筒に生じた正圧波は他の気筒に伝播するが、図６（Ａ）に示す従来の排気マニフォールドの場合、第３気筒から第１気筒までの圧力伝播経路が短いため、特に２０００ｒｐｍや４０００ｒｐｍ程度の低・中加速域では、上記正圧波が第１気筒の開弁オーバーラップ期間ＯＬに同気筒の排気ポートに到達し、掃気を阻害する。
【００５２】
これに対し、図６（Ｂ）に示す本実施形態の排気マニフォールド３０の場合、第３気筒２ｃに生じた正圧波は、第３気筒２ｃから第２集合部３４までの分岐排気通路３１および中間排気通路３３と第２集合部３４から第１気筒２ａまでの中間排気通路３３および分岐排気通路３１を通って第１気筒２ａへ伝播し、圧力伝播経路が長くなるため、第１気筒２ａの排気ポート８に到達するタイミングが遅れ、２０００ｒｐｍや４０００ｒｐｍ程度の低・中加速域でも、第１気筒２ａの開弁オーバーラップ期間ＯＬに同気筒２ａの排気ポート８に到達することが避けられ、排気干渉による掃気性の悪化が防止されることとなる。
【００５３】
次に、排気脈動により排気ポートに作用する圧力波について、図７および図８によって説明する。
【００５４】
各気筒において、排気弁の開弁直後にはブローダウンによる高い正圧波が生じ、それによって排気マニフォールド内に排気脈動が生じる。この場合、図１に示す排気マニフォールド３０において、排気順序が隣り合わない気筒の分岐排気通路３１同士が集合した第１集合部３２では圧力波の殆どが反転せずそのまま通過し、第２集合部３４で圧力波が反転して反射される。これにより、図７に示すように、気筒と第２集合部との間で圧力波が往復し、かつ、第２集合部で正圧、負圧が反転することにより、排気ポートに負圧波と正圧波が交互に到達し、１次（１往復目）、３次（３往復目）、５次（５往復目）は負圧波、２次（２往復目）、４次（４往復目）、６次（６往復目）は正圧波となる。こうして、排気ポートに作用する圧力は図８に示すように変動し、交互に負圧、正圧に変化しつつ、圧力波の往復が繰り返されるにつれて次第に減衰する。
【００５５】
このような排気脈動における負圧波が開弁オーバーラップ期間に排気ポートに到達すれば、気筒内から排気を吸い出して掃気性を高める作用が得られる。
【００５６】
ただし、エンジン回転数が変わると、排気弁の開弁直後の正圧波の発生時点から開弁オーバーラップ期間までの時間が変化することにより、負圧波が排気ポートに到達するタイミングは開弁オーバーラップ期間に対して変化する。ここで、例えば５０００ｒｐｍ付近の回転数域で１次の負圧波が開弁オーバーラップ期間に排気ポートに到達するように気筒から第２集合部までの通路長を設定しておくと、２５００〜３０００ｒｐｍ程度の回転数域では、３次の負圧波が開弁オーバーラップ期間に排気ポートに到達し、１５００〜２０００ｒｐｍ程度の回転数域では、５次の負圧波が開弁オーバーラップ期間に排気ポートに到達して、エンジンの低・中速域でも負圧波により掃気性を高める作用が得られる。本実施形態の排気マニフォールドではこのような設定が可能となる。
【００５７】
これに対し、図６（Ａ）に模式的に示した従来の排気マニフォールドによると、気筒から集合部までの通路が短くて、その間で圧力波が往復する時間が短いため、エンジンの低・中速域では、排気弁の開弁直後の正圧波の発生時点から開弁オーバーラップ期間までの間の圧力波の往復回数が多くなって、圧力波が著しく減衰するため、負圧波により掃気性を高める作用は得られがたい。
【００５８】
図９は、短い分岐排気通路が１つの集合部で一括に集合された従来の排気マニフォールド（右下に模式的に構造を示す）による場合と、本実施形態の排気マニフォールド（右上に模式的に構造を示す）による場合とにつき、一定の大きな開弁オーバーラップ期間を持たせるように吸・排気弁の開閉タイミングを設定した状態で、種々のエンジン回転数域において吸気の体積効率を調べたデータを示している。
【００５９】
この図に示すように、上記従来の排気マニフォールドによる場合、低速域から高速域にわたり、前述のように排気干渉が掃気性に悪影響を及ぼし、かつ、上記のように負圧波により掃気性を高める作用が得られ難いため、体積効率が充分に高められない。
【００６０】
これに対して本実施形態の排気マニフォールドによる場合、低速域から高速域までにわたり、排気干渉による掃気性の悪化が避けられることにより体積効率が高められ、さらに、２０００ｒｐｍ付近、３５００ｒｐｍ付近、５０００ｒｐｍ付近などの特定回転数域では、負圧波が開弁オーバーラップ期間に排気ポートに作用することで掃気性が高められる。
【００６１】
ところで、排気弁の開弁時期および開弁オーバーラップ期間が一定であると、負圧波が開弁オーバーラップ期間に排気ポートに到達する状態となるのは特定回転数域に限られ、それ以外の回転数域では、負圧波が排気ポートに到達する時期とが開弁オーバーラップ期間とがずれる。これに対し、本実施形態では、排気弁の開弁時期がエンジン回転数に応じて変えられることにより、多くの回転数域で、開弁オーバーラップ期間に排気ポートに負圧波が到達する状態が得られるようにしている。
【００６２】
具体的には、図１０および表１に示すように、排気弁の開弁時期、閉弁時期および吸気弁の開弁時期、閉弁時期がエンジン回転数に応じて変えられる。
【００６３】
【表１】
2012041899.tif 000003
【００６４】
なお、図１０のグラフの縦軸および表１中の吸気弁、排気弁の開弁、閉弁の時期を示す数値は、排気弁の開弁時期ＥＶＯについては下死点前（ＢＢＤＣ）のクランク角、排気弁の閉弁時期ＥＶＣについては上死点後（ＡＴＤＣ）のクランク角、吸気弁の開弁時期ＩＶＯについては上死点前（ＡＴＤＣ）のクランク角、吸気弁の閉弁時期ＩＶＣについては下死点後（ＡＢＤＣ）のクランク角を示している。
【００６５】
図１０および表１に基づいて説明すると、排気弁の開弁時期ＥＶＯは、エンジン回転数が１５００ｒｐｍのときに最も遅角してＢＢＤＣ１１°となり、このとき、後述の図１３に示すように５次（５往復目）の負圧波が開弁オーバーラップ期間ＯＬに排気ポートに到達する状態となる。そして、１５００ｒｐｍからは２０００ｒｐｍを越える程度まではエンジン回転数の上昇につれて排気弁の開弁時期ＥＶＯが次第に進角されることにより、５次（５往復目）の負圧波が開弁オーバーラップ期間ＯＬに排気ポートに到達する状態が維持される。エンジン回転数が２５００ｒｐｍになると排気弁の開弁時期ＥＶＯが再びＢＢＤＣ１１°まで遅角され、このときは、後述の図１５に示すように３次（３往復目）の負圧波が開弁オーバーラップ期間ＯＬに排気ポートに到達する状態となる。そして、２５００ｒｐｍからはエンジン回転数の上昇につれて排気弁の開弁時期ＥＶＯが次第に進角されることにより、３次（３往復目）の負圧波が開弁オーバーラップ期間ＯＬに排気ポートに到達する状態が維持される。
【００６６】
このように、エンジンの低・中速域では、排気弁の開弁時期ＥＶＯがエンジン回転数に応じて変えられることにより、複数のエンジン回転数域で、排気脈動による負圧波が開弁オーバーラップ期間に排気ポートに到達するように制御される。
【００６７】
エンジン回転数が４０００ｒｐｍ程度以上の高速域になると、多量の排気ガスを排出することができるように、排気弁の開弁時期ＥＶＯが進角側に保たれる。なお、排気弁の開弁時期ＥＶＯが進角側に保たれても、エンジン回転数が５０００ｒｐｍ付近では、後述の図１７に示すように、１次（１往復目）の負圧波が開弁オーバーラップ期間ＯＬに排気ポートに到達する状態が得られる。
【００６８】
また、吸気弁の閉弁時期ＩＶＣはエンジン回転数が１５００ｒｐｍ〜３０００ｒｐｍの回転数域では一定で、ＡＢＤＣ３６°とされる。吸気弁の閉弁時期ＩＶＣがこの程度であると、有効圧縮比は幾何学的圧縮比に対して大きく低下せず、１０を超えるような値となる。エンジン回転数が３５００ｒｐｍ程度以上になると、エンジン回転数の上昇につれて徐々に吸気弁の閉弁時期ＩＶＣが遅角される。
【００６９】
なお、本実施形態では排気バルブタイミング可変機構１８および吸気バルブタイミング可変機構１５が位相式のバルブタイミング可変機構であるので、排気弁の閉弁時期ＥＶＣは開弁時期ＥＶＯに対応して変化し、吸気弁の開弁時期ＩＶＯは閉弁時期ＩＶＣに対応して変化する。
【００７０】
また、本実施形態では、図３に示したプリサイレンサ４１およびメインサイレンサ４２により、所定の回転数域で、排気脈動による負圧波が掃気性を高める作用を助勢している。
【００７１】
すなわち、排気弁の開弁直後のブローダウンにより生じる圧力波は、前述のように、第２集合部３４で反転、反射して排気マニフォールド３０内に脈動を生じさせるが、圧力波の一部は第２集合部３４を通過して排気マニフォールド３０の下流側にも伝播する。そして、その圧力波は空洞拡大室であるプリサイレンサ４１で反転して反射されるが、プリサイレンサ４１に達した圧力波の一部はプリサイレンサ４１を通過してさらに下流側に伝播し、下流側の空洞拡大室であるメインサイレンサ４２で反転して反射される。つまり、図３に矢印で示すように、気筒と排気マニフォールド３０の第２集合部３４との間を往復する圧力波のほかに、気筒とプリサイレンサ４１との間を往復する圧力波、および気筒とメインサイレンサ４２との間を往復する圧力波も存在する。
【００７２】
そして、所定の第１エンジン回転数域では、メインサイレンサ４２で反転した負圧波が開弁オーバーラップ期間に排気ポートに到達し、上記第１エンジン回転数域よりも所定回転数高回転側の第３エンジン回転数域では、プリサイレンサ４１で反転した負圧波が開弁オーバーラップ期間に排気ポートに到達し、上記第１エンジン回転数域と第３エンジン回転数域との間の第２エンジン回転数域および第３エンジン回転数域より高回転側の第４エンジン回転数域では、上記排気マニフォールド内での脈動による負圧波が開弁オーバーラップ期間に排気ポートに到達するようになっている。
【００７３】
具体的には、気筒からプリサイレンサ４１までの通路長Ｌ２が３Ｌ１＜Ｌ２＜４Ｌ１に設定されることにより、プリサイレンサ４１で反転した負圧波が排気ポートに到達する時期は、排気ポート内での脈動による３次乃至４次の圧力波が排気ポートに到達する時期に近い時期となる。また、気筒からメインサイレンサ４２までの通路長Ｌ３が５Ｌ１＜Ｌ３＜７Ｌ１に設定されることにより、メインサイレンサ４２で反転した負圧波が排気ポートに到達する時期は、排気ポート内での脈動による５次乃至６次の圧力波が排気ポートに到達する時期に近い時期となる。
【００７４】
このように設定されることにより、図１１，図１２に示すように、２５０００ｒｐｍ付近のエンジン回転数域（第３エンジン回転数域）では、プリサイレンサ４１で反転した負圧波が開弁オーバーラップ期間に排気ポートに到達し、１５０００ｒｐｍ付近のエンジン回転数域（第１エンジン回転数域）では、メインサイレンサ４２で反転した負圧波が開弁オーバーラップ期間に排気ポートに到達するようなる。
【００７５】
なお、図１１は、気筒とプリサイレンサ４１との間を往復する圧力波が排気ポートに及ぼす圧力を、エンジン回転数が２５００ｒｐｍの場合について示し、図１２は、気筒とメインサイレンサ４２との間を往復する圧力波（図３参照）が排気ポートに及ぼす圧力を、エンジン回転数が１５００ｒｐｍの場合について示している。これらの図において、横軸は圧縮上死点からのクランク角を示し、縦軸は大気圧を０とした圧力を示している。
【００７６】
図１３〜図１７は、各種のエンジン回転数において、排気弁の開弁後の排気ポートの圧力変化を示している。これらの図において、横軸は圧縮上死点からのクランク角を示し、縦軸は大気圧を０とした圧力を示している。また、これらの図の右下に、開弁オーバーラップ期間ＯＬを示している。また、図１３〜図１６において、排気ポートの圧力変化を示す波形の中で実線と破線とが並存する箇所は、破線が排気マニフォールド内の脈動のみによる圧力変化を示し、実線がメインサイレンサ４２で反転した負圧波の影響およびプリサイレンサ４１で反転した負圧波による影響を含めた圧力変化を示している。
【００７７】
１５００ｒｐｍでは、図１３に示すように、５往復目の負圧が開弁オーバーラップ期間ＯＬに排気ポートに到達する。また、６往復目の正圧も開弁オーバーラップ期間ＯＬ内に排気ポートに到達するが、メインサイレンサで反転した負圧波が加わることにより、正圧が減少する。こうして、６往復目の正圧の悪影響が小さくされつつ、５往復目の負圧が活用されて、掃気性が高められる。
【００７８】
２０００ｒｐｍでも、図１４に示すように、５往復目の負圧が開弁オーバーラップ期間ＯＬに排気ポートに到達し、この負圧が活用されて、掃気性が高められる。
【００７９】
２５００ｒｐｍでは、図１５に示すように、３往復目の負圧が開弁オーバーラップ期間ＯＬに排気ポートに到達する。また、４往復目の正圧も開弁オーバーラップ期間ＯＬ内に排気ポートに到達するが、プリサイレンサで反転した負圧波が加わることにより、正圧が減少する。こうして、４往復目の正圧の悪影響が小さくされつつ、３往復目の負圧が活用されて、掃気性が高められる。
【００８０】
３０００ｒｐｍでも、図１６に示すように、３往復目の負圧が開弁オーバーラップ期間ＯＬに排気ポートに到達し、この負圧が活用されて、掃気性が高められる。
【００８１】
５０００ｒｐｍおよびそれ以上の回転数では、図１７に示すように、１往復目の負圧が開弁オーバーラップ期間ＯＬに排気ポートに到達し、この負圧が活用されて、掃気性が高められる。
【００８２】
このようにして、種々の回転数域で、負圧が開弁オーバーラップ期間ＯＬに排気ポートに到達する状態が得られ、掃気性が高められることとなる。
【００８３】
図１８は、エンジン回転速度と点火時期との関係を、幾何学的圧縮比εが１４の高圧縮比エンジンと、幾何学的圧縮比εが１１のエンジンとについて示している。
【００８４】
この図に示すように、エンジンの低速域では、ノッキング回避のため点火時期がＭＢＴよりリタードされ、エンジン回転数が上昇するにつれて点火時期のリタードが小さくなる。そして、幾何学的圧縮比εが１１のエンジンでは、低速域から中速域にかかるあたりで点火時期のリタードが０（点火時期がＭＢＴ）となる。これに対し、ノッキングが生じ易い高圧縮比エンジンでは、点火時期のリタード量が大きく、かつ、エンジン回転数が上昇するにつれて点火時期のリタード量が減少するものの、中速域さらには高速域でも、リタードしている。
【００８５】
図１９は、点火時期とエンジンのトルクとの関係を、幾何学的圧縮比εが１４の高圧縮比エンジンと、幾何学的圧縮比εが１１のエンジンとについて示している。実線は高圧縮比エンジンの場合、破線は幾何学的圧縮比εが１１のエンジンである。
【００８６】
この図に示すように、ＭＢＴ近くに点火時期が進角されるとトルクが高くなり、点火時期が遅角されるとそれにつれて、トルクが低下し、特に点火時期の遅角量が大きくなると、トルクの低下率が増大する。
【００８７】
高圧縮比エンジンで、上記実施形態のように排気脈動による負圧を利用して掃気性を向上した場合は、体積効率が高められることにより、太い実線で示すように、排気脈動による負圧を利用した掃気性の向上が図られていない場合（細い実線）と比べ、トルクが高められる。さらに、高圧縮比エンジンで、掃気性の向上が図られていない場合、点火時期が大幅にリタードされるが、排気脈動による負圧を利用して掃気性を向上すると、掃気により筒内温度が低下することでノッキング抑制にも有利となるから、その分だけ点火時期を進角させる（ＭＢＴに近づける）ことができ、これによってもトルクが高められる。つまり、体積効率が高められることによるトルクアップと、掃気によるノッキング抑制に応じた点火時期の進角によるトルクアップとが合わさって、大幅にトルクを高めることができる。
【００８８】
幾何学的圧縮比が低いエンジンでも、排気脈動による負圧を利用して掃気性を高めるようにすれば、太い破線で示すように、掃気性の向上が図られていない場合（細い実線）と比べてトルクが高められ、かつ、掃気によるノッキング抑制によって点火時期を進角することができるが、もともと点火時期のリタード量はあまり大きくないので、点火時期の進角によるトルクアップは比較的小さい。
【００８９】
これに対し、高圧縮比エンジンでは、ノッキング抑制のため本来は大幅な点火時期のリタードが必要であり、このようなエンジンにおいて、掃気によるノッキング抑制に応じ、点火時期を大幅なリタードから進角させると、それに伴うトルク上昇が大きくなる。従って、図１９に矢印でトルクアップを示したように、幾何学的圧縮比が低いエンジンにおいて同様の対策を行った場合と比べ、より大きくトルクを高めることができる。
【００９０】
なお、本発明は上記実施形態に限定されず種々変更可能である。
【００９１】
例えば、上記実施形態では、吸気バルブタイミング可変機構および排気バルブタイミング可変機構を位相式のバルブタイミング可変機構により構成しているが、バルブリフト量および開弁期間も変更できるようなバルブリフト可変機構等を用いてもよい。
【００９２】
また、上記条件では、排気マニフォールドより下流に設ける空洞拡大室として、プリサイレンサ４１およびメインサイレンサ４２を利用しているが、これらとは別にレゾネータを設けるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００９３】
１  エンジン本体
２、２ａ〜２ｄ  気筒
８  排気ポート
９  吸気弁
１０  排気弁
１２  点火プラグ
３０  排気マニフォールド
３１  分岐排気通路
３２  第１集合部
３３  中間排気通路
３４  第２排気通路
３５  排気通路
４１  プリサイレンサ（上流側空洞拡大室）
４２  メインサイレンサ（下流側空洞拡大室）
【図１】
2012041899.tif 000004
【図２】
2012041899.tif 000005
【図３】
2012041899.tif 000006
【図４】
2012041899.tif 000007
【図５】
2012041899.tif 000008
【図６】
2012041899.tif 000009
【図７】
2012041899.tif 000010
【図８】
2012041899.tif 000011
【図９】
2012041899.tif 000012
【図１０】
2012041899.tif 000013
【図１１】
2012041899.tif 000014
【図１２】
2012041899.tif 000015
【図１３】
2012041899.tif 000016
【図１４】
2012041899.tif 000017
【図１５】
2012041899.tif 000018
【図１６】
2012041899.tif 000019
【図１７】
2012041899.tif 000020
【図１８】
2012041899.tif 000021
【図１９】
2012041899.tif 000022