(57)【要約】【課題】触媒装置の過度の昇温および掃気性能の悪化を抑制しつつ、触媒装置の活性を適切に促進する。【解決手段】各気筒１０に接続される独立通路４０と、各独立通路４０から排出された排気が還流可能なようにループ状に構成された還流通路５と、触媒装置３を有して還流通路５に接続される下流側通路６とを設け、各独立通路４０の下流端部４３を、往路側通路５１を流れる排気の流れ方向と平行な方向に並び、かつ、この流れ方向をそれぞれ指向するように配設し、還流通路５の復路側通路５５に、排気のエネルギーを受けて回転するタービン７２と、復路側通路５５を開閉可能な排気開閉弁８０とを設け、タービン７２により発電機７４を回転駆動させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の気筒を有するエンジンの排気装置であって、
前記各気筒にそれぞれ接続されてこれら気筒から排出された排気が流入する独立通路と、
前記各独立通路が共通して接続されるとともに、当該各独立通路から排出された排気が還流可能なようにループ状に構成された還流通路と、
排気を浄化するための触媒装置を内側に有し、前記還流通路に接続される下流側通路とを備え、
前記還流通路は、前記各独立通路が接続される部分および当該部分と前記下流側通路とをつなぐ部分を含む往路側通路と、当該往路側通路と前記下流側通路との接続部から分岐して前記往路側通路の上流端部に向かって延び、前記往路側通路から前記下流側通路に流れなかった排気を前記往路側通路に戻す復路側通路とを有し、
前記各独立通路の下流端部は、前記往路側通路内において、当該往路側通路を流れる排気の流れ方向と平行な方向に並び、かつ、この流れ方向をそれぞれ指向するように配設され、
前記復路側通路には、排気のエネルギーを受けて回転するタービンと、当該復路側通路を開閉可能な排気開閉弁とが設けられており、
前記タービンは、当該タービンにより回転駆動されて発電する発電機に接続されていることを特徴とするエンジンの排気装置。
【請求項２】
請求項１に記載のエンジンの排気装置において、
エンジン回転数が第１基準回転数以上かつエンジン負荷が第１基準負荷以上の高速高負荷領域では、前記排気開閉弁によって前記復路側通路が開放され、
エンジン回転数が前記第１基準回転数よりも小さい第２基準回転数以下かつエンジン負荷が第２基準負荷以上の低速高負荷領域では、前記排気開閉弁によって前記復路側通路が閉鎖されることを特徴とするエンジンの排気装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のエンジンの排気装置において、
前記触媒装置が未活性状態のときは、前記排気開閉弁によって前記復路側通路が閉鎖されることを特徴とするエンジンの排気装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のエンジンの排気装置において、
前記排気開閉弁は、前記復路側通路のうち前記タービンよりも下流側に配置されていることを特徴とするエンジンの排気装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のエンジンの排気装置において、
前記各独立通路の下流端部の開口部分の面積と同じ面積を有する真円の径ａと、前記還流通路のうち前記各独立通路の下流端部が配置された部分の横断面の面積と同じ面積を有する真円の径Ｄとの比ａ／Ｄは、０．４以上０．９以下に設定されていることを特徴とするエンジンの排気装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載のエンジンの排気装置において、
前記各独立通路の下流端部は、それぞれ、先細り形状を有していることを特徴とする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エンジンの排気装置において、
前記エンジンは、ガソリンを燃料とするガソリンエンジンである、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、複数の気筒を有するエンジンの排気装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、エンジン性能を高めるための排気装置が検討されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、エンジンの排気抵抗を小さくして燃費性能を高めることを目的とした排気装置が開示されている。この排気装置では、排気通路に環状の通路が設けられ、各気筒に接続された複数の独立通路がこの環状の通路に接続されているとともに、この環状の通路の途中部分に排気を外部に排出するための下流側の通路が接続されている。この排気装置では、各気筒から排出された排気が環状の通路において二手に分かれて流下するため、排気抵抗が小さく抑えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６４−８０７１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、エンジンの排気性能を高めるために、排気通路に設けられた触媒装置の活性を促進することが求められている。
【０００６】
これに対して、例えば、各気筒から触媒装置までの通路長を短くすることが考えられる。これによれば、より高温の排気を触媒装置に流入させて触媒装置の活性を促進することができる。
【０００７】
しかしながら、単純に各気筒と触媒装置との距離を短くしただけでは、排気の温度が高い場合において触媒装置の温度が過剰に高くなり好ましくない。
【０００８】
また、前記通路長を短くするために、排気通路のうち各気筒にそれぞれ接続される独立通路を単純に短くして、これら独立通路をエンジンにより近い位置で集合させた場合には、所定の気筒から高速でこの集合部分に排気が流入した際に、排気の一部が他の気筒の独立通路に回り込んでしまい排気の排出性能が悪化してエンジンの掃気性能が悪化するおそれがある。
【０００９】
本発明は、前記のような事情に鑑みてなされたものであり、触媒装置の過度の昇温および掃気性能の悪化を抑制しつつ、触媒装置の活性を適切に促進することのできる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】
【００１０】
前記課題を解決するために、本発明は、複数の気筒を有するエンジンの排気装置であって、前記各気筒にそれぞれ接続されてこれら気筒から排出された排気が流入する独立通路と、前記各独立通路が共通して接続されるとともに、当該各独立通路から排出された排気が還流可能なようにループ状に構成された還流通路と、排気を浄化するための触媒装置を内側に有し、前記還流通路に接続される下流側通路とを備え、前記還流通路は、前記各独立通路が接続される部分および当該部分と前記下流側通路とをつなぐ部分を含む往路側通路と、当該往路側通路と前記下流側通路との接続部から分岐して前記往路側通路の上流端部に向かって延び、前記往路側通路から前記下流側通路に流れなかった排気を前記往路側通路に戻す復路側通路とを有し、前記各独立通路の下流端部は、前記往路側通路内において、当該往路側通路を流れる排気の流れ方向と平行な方向に並び、かつ、この流れ方向をそれぞれ指向するように配設され、前記復路側通路には、排気のエネルギーを受けて回転するタービンと、当該復路側通路を開閉可能な排気開閉弁とが設けられており、前記タービンは、当該タービンにより回転駆動されて発電する発電機に接続されていることを特徴とするエンジンの排気装置を提供する（請求項１）。
【００１１】
この装置によれば、各気筒と触媒装置との距離を短くして触媒装置の活性を促進しながら、触媒装置の過度の昇温および掃気性能の悪化を抑制することができる。
【００１２】
具体的には、この装置では、各気筒にそれぞれ接続される独立通路の下流端部が、当該下流端部が接続される部分を含む往路側通路を流れる排気の流れ方向と平行な方向に並び、かつ、この流れ方向を指向するように配設されている。そのため、各独立通路の下流端部から排出された排気をより確実に往路側通路に沿って流下させることができ、所定の独立通路から排出された排気が他の気筒の独立通路に回り込むのを抑制することができる。従って、排気の他の気筒側への回り込みを抑制しつつ独立通路の通路長を短くすることができる。そして、独立通路の通路長を短くすることで、触媒装置に流入する排気の温度を高く維持することができ、触媒装置の活性を促進することができる。
【００１３】
さらに、この装置では、各独立通路の下流端部に接続される還流通路が、排気が還流可能なようにループ状に構成されるとともに、この還流通路の復路側通路に発電機を回転駆動するタービンと排気開閉弁とが設けられている。そのため、排気の温度が過剰に高い場合には、排気開閉弁によって復路側通路を開放して各気筒から排出された排気の一部のエネルギーをタービンで消費してその温度を低下させた後に触媒装置に流入させることができる。従って、触媒装置に過剰に高温の排気が流入するのを回避することができ、触媒装置の過度の昇温を抑制することができる。
【００１４】
しかも、この装置では、前記のように排気のエネルギーを発電に利用することで排気の温度を低下させている。そのため、エンジンを含むシステム全体のエネルギー効率を高く確保しつつ触媒装置の過昇温を抑制することができる。
【００１５】
また、これにより、燃費性能の悪化を抑制することができる。すなわち、触媒装置の過昇温を抑制するために、エンジン出力に寄与しない燃料を気筒に導入して燃料の気化熱によって排気の温度を低下させるといういわゆるエンリッチ制御を実施することが考えられるが、本発明では、前記のようにして排気の温度が低下されるため、エンリッチ制御の実施が不要になる、あるいは、エンリッチ制御の実施時において気筒に導入する燃料の量を少なくすることができ、燃費性能の悪化を抑制することができる。
【００１６】
本発明において、エンジン回転数が第１基準回転数以上かつエンジン負荷が第１基準負荷以上の高速高負荷領域では、前記排気開閉弁によって前記復路側通路が開放され、エンジン回転数が前記第１基準回転数よりも小さい第２基準回転数以下かつエンジン負荷が第２基準負荷以上の低速高負荷領域では、前記排気開閉弁によって前記復路側通路が閉鎖されるのが好ましい（請求項２）。
【００１７】
このようにすれば、エンジン回転数およびエンジン負荷が高く排気の温度が高い高速高負荷領域において排気開閉弁を開放することで触媒装置の過昇温を抑制しつつ、エンジン回転数が低くエンジン負荷が高く排気の温度が比較的低い低速高負荷領域において排気開閉弁を閉鎖することで触媒装置の活性を促進することができる。
【００１８】
さらに、低速高負荷領域において、高いエンジントルクを確保することができる。具体的には、低速高負荷領域では、復路側通路が閉鎖されることで、還流通路のうち独立通路の下流端部が接続される部分に、還流した排気が流入するのが規制される。そのため、この還流した排気の流入によって独立通路の下流端部の周囲の圧力が増大するのを抑制することができる。すなわち、この下流端部の周囲の圧力を低く抑えることができる。従って、独立通路を介した各気筒からの排気の排出を促進することができ、エンジンの掃気性能を高めて高いエンジントルクを得ることができる。
【００１９】
また、本発明において、前記触媒装置が未活性状態のときは、前記排気開閉弁によって前記復路側通路が閉鎖されるのが好ましい（請求項３）。
【００２０】
このようにすれば、より多くの排気を触媒装置に流入させて昇温することができ、触媒装置をより早期に活性化させることができる。
【００２１】
また、本発明において、前記排気開閉弁は、前記復路側通路のうち前記タービンよりも下流側に配置されているのが好ましい（請求項４）。
【００２２】
この構成では、タービンを通過することで低温化された後の排気が排気開閉弁を通過するため、排気開閉弁の信頼性を高めることができる。また、排気開閉弁との接触によって温度すなわちエネルギーが低くなる前に、タービンに排気が流入するため、より効率よく発電することができる。
【００２３】
また、本発明において、前記各独立通路の下流端部の開口部分の面積と同じ面積を有する真円の径ａと、前記還流通路のうち前記各独立通路の下流端部が配置された部分の横断面の面積と同じ面積を有する真円の径Ｄとの比ａ／Ｄは、０．４以上０．９以下に設定されているのが好ましい（請求項５）。
【００２４】
このようにすれば、エゼクタ効果によって還流通路のうち独立通路の下流端部の周囲に負圧を生成させて、還流方向の流れを促進することができる。従って、所定の独立通路から排出された排気が他の独立通路に回り込むのをより確実に抑制することができる。
【００２５】
前記構成において、前記各独立通路の下流端部は、それぞれ、先細り形状を有しているのが好ましい（請求項６）。
【００２６】
このようにすれば、独立通路から排出される排気の流速を高めてエゼクタ効果を高めることができる。従って、前記排気の回り込みをより確実に抑制することができる。
【００２７】
ここで、ガソリンエンジンでは、特に、従来、高速高負荷領域等において排気の温度を低下するために前記エンリッチ制御が実施されている。そのため、本発明をガソリンエンジンに適用すれば、このエンリッチ制御の省略等が可能になり、燃費性能を高めることができる（請求項７）。
【発明の効果】
【００２８】
以上説明したように、本発明のエンジンの排気装置によれば、触媒装置の過度の昇温および掃気性能の悪化を抑制しつつ、触媒装置の活性を適切に促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】エンジンシステムの概略構成図である。
【図２】エンジン本体の概略断面図である。
【図３】ノズル部の開口部分を含む、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ断面を示す説明図である。
【図４】ノズル径及びポート長と、流速との関係を示す説明図である。
【図５】排気開閉弁の開弁および閉弁領域を示した図である。
【図６】還流通路及びノズル部の変形例を示した図３に対応する図である。
【図７】還流通路と下流側通路との接続構成の変形例を示した図２に対応する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
（１）全体構成
図１は、本発明の一実施形態にかかるエンジンの排気装置２が適用されるエンジンシステムの概略構成図である。図２は、エンジン本体１の概略断面図である。
【００３１】
ここでは、エンジン本体１が、ガソリンを燃料とする４ストロークのガソリンエンジンであって車両に駆動源として搭載される場合について説明する。また、エンジン本体１が、直列４気筒エンジンの場合について説明する。すなわち、図２に示すように、エンジン本体１は、所定の方向に並ぶ４つの気筒１０を有し、エンジン本体１には、図１の左側から順に第１気筒、第２気筒、第３気筒、第４気筒が形成されている。
【００３２】
図２に示すように、エンジン本体１には、エンジン本体１に吸気を導入するための吸気通路１２０が接続されている。また、図１に示すように、エンジン本体１には、エンジン本体１から外部に排気を排出するための排気装置２が接続されている。
【００３３】
エンジン本体１は、気筒１０が内部に形成されたシリンダブロック１０１と、シリンダブロック１０１の上面に設けられたシリンダヘッド１０２と、気筒１０に往復摺動可能に挿入されたピストン１０３とを有している。
【００３４】
ピストン１０３の上方には燃焼室９が形成されている。燃焼室９内には、シリンダブロック１０１の側壁に設けられたインジェクタ１０５から燃料が噴射される。噴射された燃料と空気との混合気は燃焼室９で燃焼し、ピストン１０３はその燃焼による膨張力で押し下げられて上下に往復運動する。なお、インジェクタ１０５は、シリンダヘッド１０２に設けられてもよい。
【００３５】
ピストン１０３はコネクティングロッドを介してクランク軸１０６と連結されており、ピストン１０３の往復運動に応じて、クランク軸１０６は中心軸回りに回転する。
【００３６】
シリンダヘッド１０２には、インジェクタ１０５から噴射された燃料と空気との混合気に対し火花放電による点火を行う点火プラグ１０８が、各気筒１０につき１組ずつ設けられている。
【００３７】
シリンダヘッド１０２には、各気筒１０にそれぞれ対応して、吸気通路１２０から供給される空気を各気筒１０の燃焼室９に導入するための吸気ポート１３と、吸気ポート１３を開閉する吸気弁１４と、各気筒１０の燃焼室９で生成された排気をエンジン本体１の外部に導出するための排気ポート１１と、排気ポート１１を開閉する排気弁１２とが設けられている。
【００３８】
本実施形態では、第１気筒→第３気筒→第４気筒→第２気筒の順で点火が行われ、この順で各気筒１０の吸気弁１４，排気弁１２が開弁する。
【００３９】
排気装置２は、エンジン本体１の各排気ポート１１に繋がるように設けられている。
【００４０】
（２）排気装置
排気装置２の詳細について次に説明する。以下では、適宜、気筒１０の配列方向を左右方向といい、図１における左（第１気筒側）および右（第４気筒側）をそれぞれ単に左および右という。
【００４１】
図１に示すように、排気装置２は、各気筒１０の排気ポート１１にそれぞれ個別に接続された独立通路４０と、これら４つの独立通路４０の各下流端部４３に共通して接続される還流通路５と、還流通路５に接続される下流側通路６とを備える。下流側通路６の内側には、排気を浄化するための触媒装置（以下、単に、触媒という場合がある）３が配設されている。触媒３は、下流側通路６の上流端付近に配置されている。触媒３は、例えば三元触媒である。
【００４２】
還流通路５は、ループ状に構成されており、各独立通路４０が接続される部分および当該部分と下流側通路６とをつなぐ部分を含む往路側通路５１と、この往路側通路５１と下流側通路６との接続部５ａから分岐して往路側通路５１の上流端部に向かって延び、往路側通路５１から下流側通路６に流れなかった排気を往路側通路５１に戻す復路側通路５５とを有している。これに伴い、各独立通路４０の下流端部４３から排出された排気は、還流通路５内を還流可能となっている。すなわち、還流通路５内において、各下流端部４３から還流通路５に流入した排気は、還流通路５を一周回って再びこれら下流端部４３が接続される部分に戻れるようになっている。なお、後述するように、還流通路５にはこれを開閉する排気開閉弁８０が設けられており、この排気開閉弁８０によって還流通路５が開放された場合にのみ、排気は還流する。
【００４３】
本実施形態では、還流通路５は平面視で略楕円形に延びている。具体的には、往路側通路５１は、エンジン本体１の排気側の側面に沿って左右に延びる第１通路５１ａと、この第１通路５１ａの下流端から湾曲しながら下流側通路６に向かう第２通路５１ｂと、第２通路５１ｂの下流端すなわち接続部５ａから右側に延びる第２通路５１ｃと、第２通路５１ｂの下流端から湾曲しながら第１通路５１ａの上流端に戻る第４通路５１ｄとを含んでいる。なお、本実施形態では、還流通路５の横断面は略円形状である。
【００４４】
本実施形態では、第１通路５１ａは、エンジン本体１の排気側の側面に近接した位置に配置されており、各独立通路４０の通路長は、非常に短い寸法となっている。
【００４５】
例えば、排気ポート１１と独立通路４０とを合わせた通路の長さ、すなわち、各気筒１０から排出されてから還流通路５内に流入するまでの排気の流路長（以下、「ポート長」と称する）は、各気筒１０のボア径の２倍以下に設定されている。なお、各独立通路４０の通路長を、ボア径以下に設定してもよい。
【００４６】
各独立通路４０の下流端部４３は、第１通路５１ａを流れる排気の流れ方向と平行な方向に沿って並んだ状態で第１通路５１ａに接続されている。なお、図１に示した例では、矢印Ｒで示した還流通路５を流れる排気の流れ方向は反時計回りとなり、第１通路５１ａ内において排気は左向きに流れる。
【００４７】
また、各独立通路４０の下流端部４３は、これらが接続される第１通路５１を流れる排気の流れ方向を指向するように還流通路５に接続されている。
【００４８】
具体的には、各下流端部４３は、第１通路５１ａの内側に挿通されており、第１通路５１ａ内において、独立通路４０における上流側から下流側に向かうに従って下流側に向かうように曲げられている。
【００４９】
各独立通路４０の下流端部４３は、それぞれ先細り状のノズルで構成されている。具体的には、各下流端部４３は、先細り状であって独立通路４０における上流側から下流側に向かうに従って流路面積が小さくなるような形状とされている。
【００５０】
これは、各下流端部４３から還流通路５内に高速で排気を排出させることで、エゼクタ効果によって各下流端部４３の周囲に負圧を生じさせて、所定の気筒１０から排出された排気が他の気筒１０側に回りこむのを抑制して、他の気筒の独立通路４０からより多くの排気を排出させるためである。
【００５１】
そして、各下流端部４３の開口部分４５の断面積Ｓ１は、高いエゼクタ効果が得られるように設定されている。
【００５２】
具体的には、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である図３に示すように、各断面積Ｓ１は、これと同じ面積を有する真円の径（以下、「ノズル径」とも称する）をそれぞれａとし、還流通路５（第１通路５１）のうち各開口部分４５（各独立通路４０の下流端部４３の開口部分４５）が配置された部分の横断面積（通路軸と直交する断面）Ｓ２と同じ面積を有する真円の径をＤとしたときに、０．４≦ａ／Ｄ≦０．７となるように構成されている。
【００５３】
これは、ａ／Ｄが小さくなるほど、エゼクタ効果による負圧が発生し難くなり、ａ／Ｄが０．４未満のときには、エゼクタ効果が十分に発揮されなくなるためである。一方、ａ／Ｄが１に近付くほど、負圧の発生には有利になるが、ａ／Ｄが０．７よりも大きくなると、開口部分４５の断面積Ｓ１が還流通路５（第１通路５１）の横断面積Ｓ２付近まで大きくなってしまい、各下流端部４３が還流通路５（第１通路５１）における排気の流れを阻害してしまう。したがって、負圧を適切に発生させつつ還流通路５における排気の流れを適切に確保するためには、ａ／Ｄは、０．４以上０．７以下に設定することが好ましく、本実施形態では、これを満たすように断面積Ｓ１が設定されている。
【００５４】
ここで、図４に示すように、ポート長が短くなるほど、独立通路４０内での排気の膨張が抑止されることに伴って、下流端部４３から噴出される排気の流速は速くなる。また、ノズル径ａが小さく流路面積がより絞られるほど、この排気の流速は速くなる。そして、前記のように、本実施形態では、ポート長が比較的短くされている。そのため、本実施形態では、下流端部４３から噴出される排気の流速を高くしつつ（具体的には、エゼクタ効果が十分に発揮される程度の流速としつつ）、ノズル径ａを大きくすることが可能になる。そして、このように、ノズル径ａが大きくされていることで、本実施形態では、特にエンジン回転数が高く排気流量が多い領域において、圧力損失を低減することが可能になる。
【００５５】
復路側通路５５には、発電装置７０が設けられている。
【００５６】
具体的には、発電装置７０は、タービン７２と、タービン７２に接続されるジェネレータ（発電機）７４とを有する。そして、このタービン７２が復路側通路５５に配置されている。タービン７２は、復路側通路５５を通過する排気により回転してジェネレータ７４を回転駆動する。ジェネレータ７４は回転駆動されることで発電する。ジェネレータ７４の回転により得られた電気は、ジェネレータ７４に接続されるバッテリ（不図示）に送られて貯蓄される、または／および、各種電気機器（不図示）に送られて消費される。
【００５７】
復路側通路５５には、これを開閉する排気開閉弁８０が設けられている。排気開閉弁８０により復路側通路５５が開放された場合にのみ、復路側通路５５には排気が流入する。そして、これに伴い、各独立通路４０の下流端部４３から排出された排気の一部が還流通路５を還流する。すなわち、各独立通路４０の下流端部４３から排出されて第１通路５１に流入した排気の一部は還流通路５内を流下した後、下流側通路６に流入し、他の排気は、復路側通路５５を通って第１通路５１に戻る。一方、排気開閉弁８０により復路側通路５５が閉鎖された場合には、復路側通路５５には排気は流入せず、各独立通路４０の下流端部４３から排出された排気はすべて下流側通路６に流入する。
【００５８】
本実施形態では、排気開閉弁８０は、復路側通路５５のうちタービン７２よりも下流側（第１通路５１に近い側）に配置されている。また、復路側通路５５は、還流通路５の他部よりも流路面積が小さく設定されている。
【００５９】
（３）排気開閉弁の制御手順
排気開閉弁８０の制御手順について次に説明する。
【００６０】
排気開閉弁８０は、エンジンの運転領域に応じて開閉操作される。具体的には、車両には、排気開閉弁８０を含むエンジンの各部（インジェクタ１０５、点火プラグ１０８等）を制御するＥＣＵ（エンジンコントロールユニット、不図示）が設けられており、ＥＣＵにより排気開閉弁８０を駆動するモータ等が制御され、排気開閉弁８０が開閉する。
【００６１】
図５は、横軸をエンジン回転数、縦軸をエンジン負荷としたエンジンの運転領域を示した図である。本実施形態では、この図５に示すように、排気開閉弁８０の制御に関して、３つの運転領域が設定されている。
【００６２】
具体的には、エンジン回転数とエンジン負荷とについて、エンジンの運転領域が、エンジン回転数が第１基準回転数Ｎ１以上かつエンジン負荷が第１基準負荷Ｔ１以上の高速高負荷領域Ａ１と、エンジン回転数が第１基準回転数よりも小さい第２基準回転数Ｎ２以下かつエンジン負荷が第２基準負荷Ｔ２以上の低速高負荷領域Ａ２と、残余の領域（以下、第３領域という）Ａ３とに区分けされている。本実施形態では、第１基準負荷Ｔ１は、エンジン回転数が高いほど小さくなるように設定されている。また、第２基準負荷Ｔ２はエンジン回転数が高いほど大きくなるように設定されている。各領域において、排気開閉弁８０は次のように制御される。
【００６３】
高速高負荷領域Ａ１では、排気開閉弁８０が開弁される。従って、高速高負荷領域Ａ１では、独立通路４０の下流端部４３から還流通路５に流入した排気すなわちエンジン本体１から排出された排気の一部は、還流して復路側通路５５に流入し、タービン７２を回転させ、残りの排気のみが還流することなくそのまま下流側通路６に流入する。タービン７２を回転させた排気は、第１通路５１においてエンジン本体１から排出された新たな排気と合流し、再び下流側通路６に向けて流下する。
【００６４】
一方、低速高負荷領域Ａ２では、排気開閉弁８０は閉弁される。従って、低速高負荷領域Ａ２では、エンジン本体１から排出された排気の全てが、還流することなく、すなわち、復路側通路５５およびタービン７２に流入することなく下流側通路６に流入する。
【００６５】
第３領域Ａ３では、排気開閉弁８０は、基本的に閉弁される。ただし、ジェネレータ７４に対して発電要求があった場合には、排気開閉弁８０は開弁される。
【００６６】
具体的には、ＥＣＵは、バッテリの残量や各種電気機器の操作状態に基づいてジェネレータ７４に発電させるか否かを判定しており、第３領域Ａ３においてジェネレータ７４に発電させると判定した場合には排気開閉弁８０を開弁する。そして、エンジン本体１から排出された排気の一部をタービン７２に流入させてジェネレータ７４に発電を行わせる。
【００６７】
また、本実施形態では、触媒３が未活性状態のときは、エンジンの運転領域が各領域Ａ１〜Ａ３のいずれであるかに関わらず、排気開閉弁８０を閉弁する。そして、エンジン本体１から排出された排気の全てを、還流させることなくそのまま下流側通路６に流入させる。
【００６８】
（４）作用等
以上のように、本実施形態に係るエンジンの排気装置では、ポート長が短くされてこれによってエンジン本体１から触媒３までに排気が通過する部分の流路長さが短くされている。そのため、触媒３により高温の排気を流入させることができ触媒３の早期活性化や触媒３の活性維持を実現することができる。
【００６９】
ここで、ポート長を短くした場合には、所定の気筒１０の独立通路４０から排出された排気が他の気筒１０の独立通路４０に回り込み、他の気筒１０からの排気の排出を阻害するおそれがある。すなわち、ポート長を短くした場合には、各気筒１０の独立通路４０から第１通路５１ａに排気が比較的高圧を維持したまま流入するため、他の気筒１０の独立通路４０に流入しやすくこの気筒１０からの排気の排出が阻害されやすい。特に、本実施形態のように４気筒エンジンでは、所定の気筒１０の排気弁１２が閉弁する前に他の気筒１０の排気弁１２が開弁するため、ポート長を短くした場合には、他の気筒１０から排気弁１２の開弁とともに第１通路５１ａに勢いよく排気が排出されて（いわゆるブローダウンガスが第１通路５１ａに流入して）、これにより生じた強い圧力波が、所定の気筒１０側に、この気筒１０の排気弁１２が閉弁する前に回り込んでしまうため、この気筒１０の排気の排出が阻害されてしまう。
【００７０】
これに対して、本実施形態では、各独立通路４０の下流端部４３が、これらが接続される第１通路５１ａを流れる排気の流れ方向と平行な方向に並び、かつ、この流れ方向をそれぞれ指向するように、還流通路５（第１通路５１ａ）に接続されている。
【００７１】
そのため、各独立通路４０の下流端部４３から排出された排気をより確実に還流通路５に沿って流下させることができ、所定の気筒２の独立通路４０から排出された排気および圧力波が他の気筒２の独立通路４０に回り込むのを抑制することができる。従って、各気筒２の排気の排出性能ひいては掃気性能を高く確保しつつ触媒３の早期活性化および活性維持を促進することができる。換言すると、本実施形態では、前記構成によって排気および圧力波の他の気筒１０側への回り込みが抑制されるため、ポート長を短くすることができ、前記効果を得ることができる。
【００７２】
特に、本実施形態では、前記のように各独立通路４０の下流端部４３がノズル形状とされるとともに、この下流端部４３の開口部分４５の断面積Ｓ１が前記のように構成されていることで、エゼクタ効果によって還流通路５のうち独立通路４０の下流端部４３の周囲に負圧を生成させることができる。従って、この負圧の作用によって還流通路５内において還流方向の流れを促進することができ、所定の気筒２の独立通路４０から排出された排気が他の気筒１０の独立通路４０に回り込むのをより確実に抑制することができる。
【００７３】
例えば、第２気筒１０の独立通路４０の下流端部４３から第１通路５１ａに排気が排出されると、この下流端部４３の周囲に負圧が生成される。その結果、第２気筒１０の独立通路４０よりも上流側（還流方向における上流側）に位置する他の独立通路４０から排出された排気の第２気筒１０側への流れが促進され、還流通路５内の還流方向の流れが促進される。
【００７４】
さらに、本実施形態では、各独立通路４０の下流端部４３が接続される還流通路５が、排気が還流可能なループ状に構成され、この還流通路５の復路側通路５５にタービン７２と排気開閉弁８０とが設けられている。従って、排気開閉弁８０によって復路側通路５５を閉鎖することで、エンジン本体１から排出された高温の排気をエンジン本体１から排出された直後にすべて触媒３に流入させて触媒３の早期活性および活性維持を実現することができるとともに、排気開閉弁８０によって復路側通路５５を開放することで、エンジン本体１から排出された排気の一部をタービン７２で膨張させて低温化させた後に下流側通路６および触媒３に向かわせることができ、触媒３の過度の昇温を抑制することができる。
【００７５】
具体的には、前記のように、本実施形態では、低速高負荷領域Ａ２であって排気の温度が比較的低い領域Ａ２では、排気開閉弁８０が閉弁されて復路側通路５５が閉鎖され、エンジン本体１から排出された排気の全てが触媒３に流入する。そのため、この領域Ａ２において、触媒３の温度を高く維持することができる。
【００７６】
一方、高速高負荷領域Ａ１であって排気の温度が比較的高い領域Ａ１では、排気開閉弁８０が開弁されて復路側通路５５が解放される。そのため、この領域Ａ１において高温の排気に晒されることで触媒３が過昇温するのを抑制することができる。
【００７７】
なお、高速高負荷領域Ａ１内においても、エンジン回転数およびエンジン負荷が高くなるほど、排気の温度は高くなるため排気をより低温化する必要が生じるが、エンジン回転数およびエンジン負荷が高くなるほど、排気流量（エンジン本体１から排出される排気の流量）は増大し、復路側通路５５およびタービン７２を通過してタービン７２で冷却される排気の流量も多くなる。そのため、高速高負荷領域Ａ１内において、エンジン回転数およびエンジン負荷が高くなるほど、下流側通路６および触媒３に流入する排気の温度はより低温化され、触媒３に流入する温度は適正に低温とされる。
【００７８】
また、前記のようにして触媒３が過昇温するのが抑制されることで、燃費性能の悪化を抑制することができる。すなわち、触媒３の過昇温を抑制するために、エンジン出力に寄与しない燃料を気筒に導入して燃料の気化熱によって排気の温度を低下させるといういわゆるエンリッチ制御を実施することが考えられるが、本装置では、前記のように、排気の還流によって触媒３に流入する排気の温度が低下されるため、エンリッチ制御の実施が不要になる、あるいは、エンリッチ制御時に気筒に導入する燃料の量を少なくすることができ、燃費性能の悪化を抑制することができる。
【００７９】
しかも、本実施形態では、タービン７２にジェネレータ７４が接続されて、タービン７２の回転に伴ってジェネレータ７４にて発電が行われるようになっている。そのため、タービン７２に排気を流入させて排気のエネルギーをこのタービン７２で消費した場合に、このエネルギーを有効に利用することができる。従って、エンジン本体１を含むシステム全体のエネルギー効率を高く確保することができる。
【００８０】
また、低速高負荷領域Ａ２において排気開閉弁８０が閉弁されて復路側通路５５が閉鎖されることによって、この領域Ａ２において高いエンジントルクを確保することもできる。
【００８１】
具体的には、復路側通路５５が閉鎖されると還流通路５のうち第１通路５１ａに上流側から排気が流入（還流）するのが規制される。そのため、第１通路５１内の圧力ひいては各独立通路４０の下流端部４３の周囲の圧力を低く抑えることができる。従って、独立通路４０を介した各気筒１０からの排気の排出を促進することができ、エンジンの掃気性能を高めて吸気量を多くし、高いエンジントルクを得ることができる。なお、低速高負荷領域Ａ２では、この掃気性能の向上による吸気量の増大効果が効果的に得られるように、排気弁１２と吸気弁１４とはその開弁期間がオーバーラップするように開閉される。
【００８２】
（５）変形例
前記実施形態では、排気開閉弁８０が復路側通路５５のうちタービン７２よりも下流側（第１通路５１ａに近い側）に設けられた場合について説明したが、排気開閉弁８０はタービン７２よりも上流側（下流側通路６に近い側）に設けられてもよい。ただし、排気開閉弁８０を復路側通路５５のうちタービン７２よりも下流側（第１通路５１ａに近い側）に設けた場合には、タービン７２で低温となった後の排気が排気開閉弁８０を通過するため、排気開閉弁８０の信頼性を高めることができる。また、排気開閉弁８０との接触によって温度すなわちエネルギーが低くなる前に、タービン７２に排気が流入するため、より効率よくタービン７２を回転させてジェネレータ７４にて効率よく発電させることができる。
【００８３】
また、各独立通路４０の下流端部４３の開口部分４５の断面積は前記のように、０．４≦ａ／Ｄ≦０．７となるように構成されていなくてもよい。また、各下流端部４３はノズル形状を有していなくてもよい。ただし、このように構成すれば、高いエゼクタ効果を得ることができ、掃気性能を高めることができる。
【００８４】
また、前記実施形態では、エンジン本体１がガソリンエンジンの場合について説明したが、エンジン本体１はガソリン以外の燃料で駆動されるエンジンであってもよい。ただし、ガソリンエンジンでは、特に、従来、高速高負荷領域Ａ１等において排気の温度を低下するために前記エンリッチ制御が実施されている。そのため、本発明をガソリンエンジンに適用すれば、このエンリッチ制御の省略等が可能になり、燃費性能を高めることができる。
【００８５】
また、エンジンの気筒数は前記に限らない。例えば、３気筒としてもよい。ただし、前記のように４気筒エンジンの場合は排気干渉が生じやすいため、このようなエンジンに本実施形態に係る排気装置２を適用すれば、効果的である。なお、３気筒エンジン等の排気干渉が生じにくいエンジンにおいても、所定の気筒の独立通路４０から排出された排気が他の気筒の独立通路４０に回り込むのが抑制されることで、掃気性能を高めることができる。すなわち、この回り込みによって独立通路４０および排気ポート１１内の圧力が増加する等が生じるのが抑制されるため、各気筒から適切に排気を排出させることで、掃気性能を高めることができる。
【００８６】
また、前記実施形態では、各独立通路４０及び還流通路５の断面が略円形状の場合について説明したが、これらの断面形状はこれに限らない。例えば、図６に示すように、略矩形状の横断面であってもよい。ただし、この場合、本願発明者等の知見から、各独立通路４０の下流端部２４３の開口部分２４５の断面積Ｓ２０１と同じ面積を有する真円の径ａと、還流通路５（第１通路５１ａ）のうち各開口部分２４５が配置された部分２５１ａの横断面積Ｓ２０２と同じ面積を有する真円の径をＤとの比ａ／Ｄは、０．５以上０．９以下に設定することが好ましい。
【００８７】
さらに、還流通路５と下流側通路６との接続構造は、図７に示すようにしてもよい。すなわち、下流側通路６の上流端部に往路側通路３５１と復路側通路３５５とが共通して接続されていてもよい。
【符号の説明】
【００８８】
１  エンジン本体１
３  触媒装置
５  還流通路
６  下流側通路
１０  気筒
５１  往路側通路
５５  復路側通路
７０  発電装置
７２  タービン
７４  ジェネレータ（発電機）
８０  排気開閉弁
【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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