多気筒エンジンの吸排気装置
【課題】簡単な構成で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を提供する。
【解決手段】独立排気通路５２の下流端および集合部５６を、エゼクタ効果によって隣接する他の独立排気通路５２に接続された排気ポート１８内に負圧が生成される形状にし、集合部５６の内周面を、その一部が、各独立排気通路５２の内周面の下流端の一部とほぼ一致する位置から各独立排気通路５２の下流端の軸線Ｌ２とほぼ同じ傾斜角度で下流側に延びる形状にするとともに、排気順序が連続する一方の気筒１２のオーバーラップ期間と他方の気筒１２の排気弁２０の開弁開始時期とを重複させる。
【解決手段】独立排気通路５２の下流端および集合部５６を、エゼクタ効果によって隣接する他の独立排気通路５２に接続された排気ポート１８内に負圧が生成される形状にし、集合部５６の内周面を、その一部が、各独立排気通路５２の内周面の下流端の一部とほぼ一致する位置から各独立排気通路５２の下流端の軸線Ｌ２とほぼ同じ傾斜角度で下流側に延びる形状にするとともに、排気順序が連続する一方の気筒１２のオーバーラップ期間と他方の気筒１２の排気弁２０の開弁開始時期とを重複させる。
【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弁と前記排気ポートを開閉可能な排気弁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た独立排気通路と、前記各独立排気通路を通過したガスが集合するように当該各独立排気通路の下流端に接続された集合部と、前記各気筒の吸気弁および排気弁を駆動可能なバルブ駆動手段とを備え、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所定の回転数よりも低くエンジンの負荷が予め設定された所定の負荷よりも高い低速高負荷領域において、前記各気筒の吸気弁の開弁期間と排気弁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弁が開弁している時期に重複するように、各気筒の吸気弁および排気弁を駆動し、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集合部に接続されており、前記各独立排気通路の下流端および前記集合部は、各気筒の排気ポートから当該独立排気通路の下流端を通って前記集合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に接続された排気ポート内に負圧が生成されるように、下流側ほど流路面積が小さくなる形状を有し、前記各独立排気通路の下流端は、排気順序が連続する気筒に接続された独立排気通路の下流端が互いに隣り合う位置となるように、かつ、当該各下流端の軸線がそれぞれ下流に向かうに従って前記集合部の軸線に近接する方向に傾斜するように、前記集合部に接続されており、前記集合部の内周面は、その一部が、前記各独立排気通路の内周面の下流端の一部とほぼ一致する位置から下流側に延びているとともに、当該一部が、前記各独立排気通路の下流端の軸線の傾斜角度とほぼ同じ角度で傾斜し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】
本発明によれば、各独立排気通路および集合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低速高負荷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弁が開弁されるので、少なくともこの低速高負荷領域において、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負圧により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、本発明では、集合部の内周面は、その一部が、前記各独立排気通路の下流端の内周面の一部とほぼ一致する位置から下流側に延びているとともに、当該一部が、前記各独立排気通路の下流端の軸線の傾斜角度とほぼ同じ角度で傾斜している。そのため、集合部において、排気を集合部の内周面の一部にはりついた状態で流下させることができ、排気が集合部の軸と直交する方向に広がってしまい、この膨張に伴い排気の速度が低下するといった事態、また、集合部の内周面に衝突することに伴い排気の速度が低下するといった事態をより確実に回避することができる。そして、この排気の速度低下を抑制することにより、より高いエゼクタ効果すなわち排気ポート内の負圧量をより高くすることができ、これによって高い掃気性能を実現することができる。
【００１０】
前記各独立排気通路の下流端および集合部の具体的構成としては、前記各独立排気通路の下流端は、前記集合部の軸線を中心とする円の円周上に、これら下流端全体で略円形をなすように配列されており、前記集合部の内周面の上流端は、前記各独立排気通路の下流端全体で形成される円と略一致する円形を呈し、前記集合部の内周面は、当該集合部の軸線を中心とする略円錐台面状を有するものが挙げられる（請求項２）。
【００１１】
ここで、前記各独立排気通路と前記集合部とは、前記各独立排気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をａとし、前記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をＤとして、ａ／Ｄが大きいほど高いエゼクタ効果を得ることができるが、ａ／Ｄが０．７以上と大きくなり、独立排気通路の下流端から排出された排気が通過する集合部の下流端の流路面積が非常に小さくなると、排気が集合部において軸方向と直交する方向に広がることに伴って集合部の内周面に衝突する。そのため、ａ／Ｄ≧０．７において本発明を適用すれば、前記衝突を回避して確実に高いエゼクタ効果ひいては高い掃気性能を実現することができる（請求項３）。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】吸気弁および排気弁のバルブタイミングを説明するための図である。
【図６】本発明の実施形態に係る吸気弁および排気弁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７】本発明の課題を説明するための図である。
【図８】本発明の実施形態に係る集合部付近の排気の速度分布を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
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。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。
【００１５】
エンジン本体１と吸気管３について説明する。
【００１６】
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。
【００１７】
前記エンジン本体１は４サイクルエンジンであって、図５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。
【００１８】
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弁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弁２０が設けられている。前記吸気弁１９は吸気弁駆動機構（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、前記排気弁２０は、排気弁駆動機構（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。
【００１９】
前記吸気弁駆動機構３０は、吸気弁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、吸気弁１９を開閉駆動する。
【００２０】
前記吸気ＶＶＴ３２は、吸気弁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、吸気弁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で算出された吸気弁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。
【００２１】
前記排気弁駆動機構４０は、前記吸気弁駆動機構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、排気弁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弁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で算出された排気弁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弁２０を前記目標バルブタイミングで開閉駆動する。
【００２２】
なお、本実施形態では、前記吸気ＶＶＴ３２および排気ＶＶＴ４２は、吸気弁１９および排気弁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、吸気弁１９および排気弁２０の開弁時期と閉弁時期とをそれぞれ変更する。
【００２３】
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。
【００２４】
次に、排気マニホールド５について説明する。
【００２５】
前記排気マニホールド５は、上流側から順に、３つの独立排気通路５２と、集合部５６と、この集合部５６と同軸で配置された混合部５７およびディフューザー部５８とを備えている。
【００２６】
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二股上に形成されており、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。本実施形態では、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。
【００２７】
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。各独立排気通路５２を通過したガスは前記集合部５６に流入する。
【００２８】
前記各独立排気通路５２および前記集合部５６は、各独立排気通路５２から高速で排気が噴出されてこの排気が高速で前記集合部５６内に流入するのに伴い、この高速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内に負圧が生成されこの排気ポート１８内のガスが下流側に吸い出されるような形状を有している。
【００２９】
具体的には、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部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３に示すように、各独立排気通路５２は、略楕円形断面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いき、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、互いに隣接して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部５６に接続されている。
【００３０】
前記集合部５６は、前記各独立排気通路５２から排出された排気が高い速度を維持したまま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。そして、集合部５６の内周面は、下流に向かうほど集合部５６の軸線Ｌ１に近づく方向に傾斜している。本実施形態では、集合部５６の内周面は、下流に向かうに従って縮径する円錐台面状を呈している。
【００３１】
ここで、本発明者らは、各独立排気通路５２から集合部５６に排出された排気の噴流が集合部５６に流入した際にこの集合部５６の軸線Ｌ１と直交する方向に広がると、この広がりすなわち膨張に伴い排気の速度が低下すること、また、前記広がりによって、図７に示すように、集合部５６の内周面に衝突して排気の速度が低下すること、また、上流側で一端広がった後下流側で再び絞られる結果流れの向きが変更されて抵抗が増加することを発見した。また、前記独立排気通路５２の下流端の断面積と同じ面積を有する真円の直径をａ（図２参照）とし、前記集合部５６の下流端および混合部５７の流路面積と同じ面積を有する真円の直径をＤ（図２参照）として、ａ／Ｄが大きいほど高いエゼクタ効果を得ることができる一方、ａ／Ｄが、特に、０．７以上という範囲に設定された場合において前記衝突が生じて排気の速度が低下することを突き止めた。この集合部５６における排気の速度低下は、エゼクタ効果すなわち他の排気ポート１８内の排気を下流側に吸い出す力を低下させて掃気性能を低下させる。
【００３２】
そこで、本発明者らは、ａ／Ｄ≧０．７としつつ、各独立排気通路５２の下流端から集合部５６に排出された排気噴流を集合部５６の内周面にはりついた状態で流下させて排気の広がりを抑制して排気速度の低下を抑え、これにより高いエゼクタ効果ひいては高い掃気性能を確実に得られるようにした。すなわち、本発明者らは、流れの周囲に物体を配置すると流れがこの物体に吸い寄せられるというコアンダ効果を利用した。
【００３３】
具体的には、集合部５６の内周面の上流端の一部と各独立排気通路５２の内周面の下流端の一部とをほぼ一致させるとともに、集合部５６の軸線Ｌ１に対する集合部５６の内周面の傾斜角度γ（図２参照）と、集合部５６の軸線Ｌ１に対する各独立排気通路５２の下流端の軸線Ｌ２の傾斜角度α（図２参照）とをほぼ一致させて、集合部５６の一部が独立排気通路５２の下流端から同じ角度で傾斜し、これらが連続して延びるように構成している。
【００３４】
本実施形態では、前記各独立排気通路５２の下流端全体で形成された円が、集合部５６の内周面の上流端の円とほぼ一致するように構成している。
【００３５】
ここで、独立排気通路５２の下流端全体で構成された円と、これに対応する集合部５６の内周面の上流端の円との径方向のずれ量は、各独立排気通路５２の下流端から集合部５６に排出された排気噴流を集合部５６の内周面にはりついた状態で流下させることが可能な範囲で適宜設定可能である。例えば、図２に示す例では、この図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である図４に示すように、集合部５６の内周面の上流端の円Ｃ１よりも、独立排気通路５２の下流端で構成される円Ｃ２の方が径が大きい。具体的には、集合部５６の上流端の円Ｃ１の内径が５１ｍｍに設定されている場合において、この集合部５６の内周面の上流端の円Ｃ１は、独立排気通路５２の下流端で構成される円Ｃ２よりも約２ｍｍ径方向外側に設定されている。ただし、集合部５６が各独立排気通路５２の下流端よりも径方向内側に位置する場合は、集合部５６の上流端によって排気の集合部５６内への流入が阻害されるおそれがあるため、集合部５６は各独立排気通路５２の下流端と一致あるいは径方向外側に位置するのが好ましい。
【００３６】
また、集合部５６の内周面の傾斜角度γと、各独立排気通路５２の下流端の傾斜角度αとのずれ量も、各独立排気通路５２の下流端から集合部５６に排出された排気噴流を集合部５６の内周面にはりついた状態で流下させることが可能な範囲で適宜設定可能である。ただし、各独立排気通路５２の内周面の径方向外側部分であって、円周上に延びる部分の、集合部５６の軸線Ｌ１に対する傾斜角度をβとした際に、集合部５６の傾斜角度γが、この傾斜角度βよりも大きいと、排気噴流が集合部５６に流入した際にこの集合部５６の内周面に衝突して排気の速度低下をまねくおそれがある。そのため、集合部５６の傾斜角度γは、各独立排気通路５２の径方向外側部分の傾斜角度をβよりも小さい方が好ましい。図２に示す例では、各独立排気通路５２の内周面の径方向外側部分の、集合部５６の軸線Ｌ１に対する傾斜角度をβとした際に、集合部５６の内周面の傾斜角度γが、γ＝（α＋β）／２をほぼ満足するように設定されている。
【００３７】
なお、図２に示す例では、各寸法が次のように設定されている。各独立排気通路５２の下流端全体で形成される円の直径は４７ｍｍに設定されている。各独立排気通路５２の下流端は、その断面積と同じ面積を有する真円の直径ａが２５ｍｍになるように設定されている。前記集合部５６の下流端の直径は、前述のように、独立排気通路５２の下流端で構成される円よりも大きく、５１ｍｍに設定されている。前記集合部５６の下流端は、その断面積と同じ面積を有する真円の直径Ｄが２９ｍｍになるように設定されている。各独立排気通路５２の下流端の軸線Ｌ２の、集合部５６の軸線Ｌ１に対する傾斜角度αは、７度に設定されている。各独立排気通路５２の内周面の円周上に延びる部分の、集合部５６の軸線Ｌ１に対する傾斜角度βは、１４度に設定されている。これに伴い、集合部５６の軸線Ｌ１に対する傾斜角度γは、１０度に設定されている。
【００３８】
以上のように構成された本実施形態に係る各独立排気通路５２および集合部５６における排気の流れの様子、具体的には、排気の速度分布を調べた結果を図８に示す。
【００３９】
図８に示すように、本実施形態では、各独立排気通路５２から排出された排気噴流は、集合部５６の軸線Ｌ１と直交する方向に広がることなく集合部５６の内周面にはりついた状態で流下している。そして、集合部５６の内周面のうち排気噴流の噴出箇所と反対側の面に、排気噴流が衝突するのが回避されており、抵抗が小さく抑えられた状態ひいては速度を高く維持した状態で流下している。
【００４０】
以上のように構成された集合部５６の下流端に接続される前記混合部５７は、略円柱状を有している。そして、この混合部５７の下流端に接続される前記ディフューザー部５８は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。前記集合部５６から排出された高速の排気は、前記混合部５７およびこのディフューザー部５８を通過することで圧力回復する。本実施形態では、このディフューザー部５８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。
【００４１】
次に、触媒装置６について説明する。
【００４２】
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は上下流方向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の上下流方向の中央部分に収容されており、このケーシング６２の上流端には所定の空間が形成されている。前記ディフューザー部５８の下流端はこのケーシング６２の上流端に接続されており、ディフューザー部５８から排出された排気はこのケーシング６２の上流端に流入した後、触媒本体６４側へ進行する。
【００４３】
次に、ＥＣＵ２について説明する。
【００４４】
ＥＣＵ２は、吸気弁１９、排気弁２０のバルブタイミングを制御可能である。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、この運転条件に応じて、吸気弁１９、排気弁２０のバルブタイミングを予め記憶された目標バルブタイミングになるように制御する。
【００４５】
前記吸気弁１９および排気弁２０の目標バルブタイミングは、全運転領域において、排気弁２０の開弁期間と吸気弁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、排気弁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５に示すように、第１気筒１２ａの吸気弁１９と排気弁２０とがオーバーラップしている期間中に第３気筒１２ｃの排気弁２０が開弁し、第３気筒１２ｃの吸気弁１９と排気弁２０とがオーバーラップしている期間中に第４気筒１２ｄの排気弁２０が開弁し、第４気筒１２ｄの吸気弁１９と排気弁２０とがオーバーラップしている期間中に第２気筒１２ｂの排気弁２０が開弁し、第２気筒１２ｂの吸気弁１９と排気弁２０とがオーバーラップしている期間中に第１気筒１２ａの排気弁２０が開弁するよう設定されている。
【００４６】
なお、本エンジンシステム１００において、前記吸気弁１９および排気弁２０の開弁時期、閉弁時期とは、それぞれ、図６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。
【００４７】
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。
【００４８】
所定の気筒１２（以下、適宜、排気行程気筒１２という）の排気弁２０が開弁すると、この気筒１２から対応する排気ポート１８および前記独立排気通路５２には排気が高速で排出される。特に、排気弁２０の開弁開始直後は気筒１２から非常に高速で排気（いわゆるブローダウンガス）が排出される。
【００４９】
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および集合部５６は、所定の独立排気通路５２から集合部５６に排気が高速で噴出され、これに伴いエゼクタ効果よって他の独立排気通路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）の排気弁２０が開弁するように設定されている。
【００５０】
従って、排気行程気筒１２の排気弁２０が開弁して前記ブローダウンガスがこの排気行程気筒１２から独立排気通路５２を通って集合部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。
【００５１】
本実施形態では、前述のように、各独立排気通路５２から排出された排気噴流は、集合部５６の軸線Ｌ１と直交する方向に広がることなく集合部５６の内周面にはりついた状態で流下して、これにより排気が集合部５６を高速で流下するよう構成されている。そのため、より高いエゼクタ効果、すなわち、より高いエンジン出力を得ることができる。
【００５２】
ここで、前記実施形態では、全運転領域において、吸気弁１９と排気弁２０とをオーバーラップさせるとともに他の気筒１２の排気弁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、エンジン回転数が所定の回転数よりも低く、かつ、エンジンの負荷が予め設定された所定の負荷よりも高い低速高負荷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、吸気弁１９と排気弁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。
【００５３】
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５８の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】
【００５４】
１ エンジン本体
１７ 吸気ポート
１８ 排気ポート
１９ 吸気弁
２０ 排気弁
３０ 吸気弁駆動機構（バルブ駆動手段）
４０ 排気弁駆動機構（バルブ駆動手段）
５２ 独立排気通路
５６ 集合部
【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弁と前記排気ポートを開閉可能な排気弁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た独立排気通路と、前記各独立排気通路を通過したガスが集合するように当該各独立排気通路の下流端に接続された集合部と、前記各気筒の吸気弁および排気弁を駆動可能なバルブ駆動手段とを備え、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所定の回転数よりも低くエンジンの負荷が予め設定された所定の負荷よりも高い低速高負荷領域において、前記各気筒の吸気弁の開弁期間と排気弁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弁が開弁している時期に重複するように、各気筒の吸気弁および排気弁を駆動し、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集合部に接続されており、前記各独立排気通路の下流端および前記集合部は、各気筒の排気ポートから当該独立排気通路の下流端を通って前記集合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に接続された排気ポート内に負圧が生成されるように、下流側ほど流路面積が小さくなる形状を有し、前記各独立排気通路の下流端は、排気順序が連続する気筒に接続された独立排気通路の下流端が互いに隣り合う位置となるように、かつ、当該各下流端の軸線がそれぞれ下流に向かうに従って前記集合部の軸線に近接する方向に傾斜するように、前記集合部に接続されており、前記集合部の内周面は、その一部が、前記各独立排気通路の内周面の下流端の一部とほぼ一致する位置から下流側に延びているとともに、当該一部が、前記各独立排気通路の下流端の軸線の傾斜角度とほぼ同じ角度で傾斜し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】
本発明によれば、各独立排気通路および集合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低速高負荷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弁が開弁されるので、少なくともこの低速高負荷領域において、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負圧により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、本発明では、集合部の内周面は、その一部が、前記各独立排気通路の下流端の内周面の一部とほぼ一致する位置から下流側に延びているとともに、当該一部が、前記各独立排気通路の下流端の軸線の傾斜角度とほぼ同じ角度で傾斜している。そのため、集合部において、排気を集合部の内周面の一部にはりついた状態で流下させることができ、排気が集合部の軸と直交する方向に広がってしまい、この膨張に伴い排気の速度が低下するといった事態、また、集合部の内周面に衝突することに伴い排気の速度が低下するといった事態をより確実に回避することができる。そして、この排気の速度低下を抑制することにより、より高いエゼクタ効果すなわち排気ポート内の負圧量をより高くすることができ、これによって高い掃気性能を実現することができる。
【００１０】
前記各独立排気通路の下流端および集合部の具体的構成としては、前記各独立排気通路の下流端は、前記集合部の軸線を中心とする円の円周上に、これら下流端全体で略円形をなすように配列されており、前記集合部の内周面の上流端は、前記各独立排気通路の下流端全体で形成される円と略一致する円形を呈し、前記集合部の内周面は、当該集合部の軸線を中心とする略円錐台面状を有するものが挙げられる（請求項２）。
【００１１】
ここで、前記各独立排気通路と前記集合部とは、前記各独立排気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をａとし、前記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をＤとして、ａ／Ｄが大きいほど高いエゼクタ効果を得ることができるが、ａ／Ｄが０．７以上と大きくなり、独立排気通路の下流端から排出された排気が通過する集合部の下流端の流路面積が非常に小さくなると、排気が集合部において軸方向と直交する方向に広がることに伴って集合部の内周面に衝突する。そのため、ａ／Ｄ≧０．７において本発明を適用すれば、前記衝突を回避して確実に高いエゼクタ効果ひいては高い掃気性能を実現することができる（請求項３）。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】吸気弁および排気弁のバルブタイミングを説明するための図である。
【図６】本発明の実施形態に係る吸気弁および排気弁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７】本発明の課題を説明するための図である。
【図８】本発明の実施形態に係る集合部付近の排気の速度分布を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
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。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。
【００１５】
エンジン本体１と吸気管３について説明する。
【００１６】
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。
【００１７】
前記エンジン本体１は４サイクルエンジンであって、図５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。
【００１８】
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弁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弁２０が設けられている。前記吸気弁１９は吸気弁駆動機構（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、前記排気弁２０は、排気弁駆動機構（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。
【００１９】
前記吸気弁駆動機構３０は、吸気弁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、吸気弁１９を開閉駆動する。
【００２０】
前記吸気ＶＶＴ３２は、吸気弁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、吸気弁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で算出された吸気弁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。
【００２１】
前記排気弁駆動機構４０は、前記吸気弁駆動機構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、排気弁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弁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で算出された排気弁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弁２０を前記目標バルブタイミングで開閉駆動する。
【００２２】
なお、本実施形態では、前記吸気ＶＶＴ３２および排気ＶＶＴ４２は、吸気弁１９および排気弁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、吸気弁１９および排気弁２０の開弁時期と閉弁時期とをそれぞれ変更する。
【００２３】
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。
【００２４】
次に、排気マニホールド５について説明する。
【００２５】
前記排気マニホールド５は、上流側から順に、３つの独立排気通路５２と、集合部５６と、この集合部５６と同軸で配置された混合部５７およびディフューザー部５８とを備えている。
【００２６】
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二股上に形成されており、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。本実施形態では、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。
【００２７】
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。各独立排気通路５２を通過したガスは前記集合部５６に流入する。
【００２８】
前記各独立排気通路５２および前記集合部５６は、各独立排気通路５２から高速で排気が噴出されてこの排気が高速で前記集合部５６内に流入するのに伴い、この高速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内に負圧が生成されこの排気ポート１８内のガスが下流側に吸い出されるような形状を有している。
【００２９】
具体的には、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部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３に示すように、各独立排気通路５２は、略楕円形断面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いき、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、互いに隣接して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部５６に接続されている。
【００３０】
前記集合部５６は、前記各独立排気通路５２から排出された排気が高い速度を維持したまま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。そして、集合部５６の内周面は、下流に向かうほど集合部５６の軸線Ｌ１に近づく方向に傾斜している。本実施形態では、集合部５６の内周面は、下流に向かうに従って縮径する円錐台面状を呈している。
【００３１】
ここで、本発明者らは、各独立排気通路５２から集合部５６に排出された排気の噴流が集合部５６に流入した際にこの集合部５６の軸線Ｌ１と直交する方向に広がると、この広がりすなわち膨張に伴い排気の速度が低下すること、また、前記広がりによって、図７に示すように、集合部５６の内周面に衝突して排気の速度が低下すること、また、上流側で一端広がった後下流側で再び絞られる結果流れの向きが変更されて抵抗が増加することを発見した。また、前記独立排気通路５２の下流端の断面積と同じ面積を有する真円の直径をａ（図２参照）とし、前記集合部５６の下流端および混合部５７の流路面積と同じ面積を有する真円の直径をＤ（図２参照）として、ａ／Ｄが大きいほど高いエゼクタ効果を得ることができる一方、ａ／Ｄが、特に、０．７以上という範囲に設定された場合において前記衝突が生じて排気の速度が低下することを突き止めた。この集合部５６における排気の速度低下は、エゼクタ効果すなわち他の排気ポート１８内の排気を下流側に吸い出す力を低下させて掃気性能を低下させる。
【００３２】
そこで、本発明者らは、ａ／Ｄ≧０．７としつつ、各独立排気通路５２の下流端から集合部５６に排出された排気噴流を集合部５６の内周面にはりついた状態で流下させて排気の広がりを抑制して排気速度の低下を抑え、これにより高いエゼクタ効果ひいては高い掃気性能を確実に得られるようにした。すなわち、本発明者らは、流れの周囲に物体を配置すると流れがこの物体に吸い寄せられるというコアンダ効果を利用した。
【００３３】
具体的には、集合部５６の内周面の上流端の一部と各独立排気通路５２の内周面の下流端の一部とをほぼ一致させるとともに、集合部５６の軸線Ｌ１に対する集合部５６の内周面の傾斜角度γ（図２参照）と、集合部５６の軸線Ｌ１に対する各独立排気通路５２の下流端の軸線Ｌ２の傾斜角度α（図２参照）とをほぼ一致させて、集合部５６の一部が独立排気通路５２の下流端から同じ角度で傾斜し、これらが連続して延びるように構成している。
【００３４】
本実施形態では、前記各独立排気通路５２の下流端全体で形成された円が、集合部５６の内周面の上流端の円とほぼ一致するように構成している。
【００３５】
ここで、独立排気通路５２の下流端全体で構成された円と、これに対応する集合部５６の内周面の上流端の円との径方向のずれ量は、各独立排気通路５２の下流端から集合部５６に排出された排気噴流を集合部５６の内周面にはりついた状態で流下させることが可能な範囲で適宜設定可能である。例えば、図２に示す例では、この図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である図４に示すように、集合部５６の内周面の上流端の円Ｃ１よりも、独立排気通路５２の下流端で構成される円Ｃ２の方が径が大きい。具体的には、集合部５６の上流端の円Ｃ１の内径が５１ｍｍに設定されている場合において、この集合部５６の内周面の上流端の円Ｃ１は、独立排気通路５２の下流端で構成される円Ｃ２よりも約２ｍｍ径方向外側に設定されている。ただし、集合部５６が各独立排気通路５２の下流端よりも径方向内側に位置する場合は、集合部５６の上流端によって排気の集合部５６内への流入が阻害されるおそれがあるため、集合部５６は各独立排気通路５２の下流端と一致あるいは径方向外側に位置するのが好ましい。
【００３６】
また、集合部５６の内周面の傾斜角度γと、各独立排気通路５２の下流端の傾斜角度αとのずれ量も、各独立排気通路５２の下流端から集合部５６に排出された排気噴流を集合部５６の内周面にはりついた状態で流下させることが可能な範囲で適宜設定可能である。ただし、各独立排気通路５２の内周面の径方向外側部分であって、円周上に延びる部分の、集合部５６の軸線Ｌ１に対する傾斜角度をβとした際に、集合部５６の傾斜角度γが、この傾斜角度βよりも大きいと、排気噴流が集合部５６に流入した際にこの集合部５６の内周面に衝突して排気の速度低下をまねくおそれがある。そのため、集合部５６の傾斜角度γは、各独立排気通路５２の径方向外側部分の傾斜角度をβよりも小さい方が好ましい。図２に示す例では、各独立排気通路５２の内周面の径方向外側部分の、集合部５６の軸線Ｌ１に対する傾斜角度をβとした際に、集合部５６の内周面の傾斜角度γが、γ＝（α＋β）／２をほぼ満足するように設定されている。
【００３７】
なお、図２に示す例では、各寸法が次のように設定されている。各独立排気通路５２の下流端全体で形成される円の直径は４７ｍｍに設定されている。各独立排気通路５２の下流端は、その断面積と同じ面積を有する真円の直径ａが２５ｍｍになるように設定されている。前記集合部５６の下流端の直径は、前述のように、独立排気通路５２の下流端で構成される円よりも大きく、５１ｍｍに設定されている。前記集合部５６の下流端は、その断面積と同じ面積を有する真円の直径Ｄが２９ｍｍになるように設定されている。各独立排気通路５２の下流端の軸線Ｌ２の、集合部５６の軸線Ｌ１に対する傾斜角度αは、７度に設定されている。各独立排気通路５２の内周面の円周上に延びる部分の、集合部５６の軸線Ｌ１に対する傾斜角度βは、１４度に設定されている。これに伴い、集合部５６の軸線Ｌ１に対する傾斜角度γは、１０度に設定されている。
【００３８】
以上のように構成された本実施形態に係る各独立排気通路５２および集合部５６における排気の流れの様子、具体的には、排気の速度分布を調べた結果を図８に示す。
【００３９】
図８に示すように、本実施形態では、各独立排気通路５２から排出された排気噴流は、集合部５６の軸線Ｌ１と直交する方向に広がることなく集合部５６の内周面にはりついた状態で流下している。そして、集合部５６の内周面のうち排気噴流の噴出箇所と反対側の面に、排気噴流が衝突するのが回避されており、抵抗が小さく抑えられた状態ひいては速度を高く維持した状態で流下している。
【００４０】
以上のように構成された集合部５６の下流端に接続される前記混合部５７は、略円柱状を有している。そして、この混合部５７の下流端に接続される前記ディフューザー部５８は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。前記集合部５６から排出された高速の排気は、前記混合部５７およびこのディフューザー部５８を通過することで圧力回復する。本実施形態では、このディフューザー部５８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。
【００４１】
次に、触媒装置６について説明する。
【００４２】
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は上下流方向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の上下流方向の中央部分に収容されており、このケーシング６２の上流端には所定の空間が形成されている。前記ディフューザー部５８の下流端はこのケーシング６２の上流端に接続されており、ディフューザー部５８から排出された排気はこのケーシング６２の上流端に流入した後、触媒本体６４側へ進行する。
【００４３】
次に、ＥＣＵ２について説明する。
【００４４】
ＥＣＵ２は、吸気弁１９、排気弁２０のバルブタイミングを制御可能である。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、この運転条件に応じて、吸気弁１９、排気弁２０のバルブタイミングを予め記憶された目標バルブタイミングになるように制御する。
【００４５】
前記吸気弁１９および排気弁２０の目標バルブタイミングは、全運転領域において、排気弁２０の開弁期間と吸気弁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、排気弁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５に示すように、第１気筒１２ａの吸気弁１９と排気弁２０とがオーバーラップしている期間中に第３気筒１２ｃの排気弁２０が開弁し、第３気筒１２ｃの吸気弁１９と排気弁２０とがオーバーラップしている期間中に第４気筒１２ｄの排気弁２０が開弁し、第４気筒１２ｄの吸気弁１９と排気弁２０とがオーバーラップしている期間中に第２気筒１２ｂの排気弁２０が開弁し、第２気筒１２ｂの吸気弁１９と排気弁２０とがオーバーラップしている期間中に第１気筒１２ａの排気弁２０が開弁するよう設定されている。
【００４６】
なお、本エンジンシステム１００において、前記吸気弁１９および排気弁２０の開弁時期、閉弁時期とは、それぞれ、図６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。
【００４７】
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。
【００４８】
所定の気筒１２（以下、適宜、排気行程気筒１２という）の排気弁２０が開弁すると、この気筒１２から対応する排気ポート１８および前記独立排気通路５２には排気が高速で排出される。特に、排気弁２０の開弁開始直後は気筒１２から非常に高速で排気（いわゆるブローダウンガス）が排出される。
【００４９】
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および集合部５６は、所定の独立排気通路５２から集合部５６に排気が高速で噴出され、これに伴いエゼクタ効果よって他の独立排気通路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）の排気弁２０が開弁するように設定されている。
【００５０】
従って、排気行程気筒１２の排気弁２０が開弁して前記ブローダウンガスがこの排気行程気筒１２から独立排気通路５２を通って集合部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。
【００５１】
本実施形態では、前述のように、各独立排気通路５２から排出された排気噴流は、集合部５６の軸線Ｌ１と直交する方向に広がることなく集合部５６の内周面にはりついた状態で流下して、これにより排気が集合部５６を高速で流下するよう構成されている。そのため、より高いエゼクタ効果、すなわち、より高いエンジン出力を得ることができる。
【００５２】
ここで、前記実施形態では、全運転領域において、吸気弁１９と排気弁２０とをオーバーラップさせるとともに他の気筒１２の排気弁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、エンジン回転数が所定の回転数よりも低く、かつ、エンジンの負荷が予め設定された所定の負荷よりも高い低速高負荷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、吸気弁１９と排気弁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。
【００５３】
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５８の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】
【００５４】
１ エンジン本体
１７ 吸気ポート
１８ 排気ポート
１９ 吸気弁
２０ 排気弁
３０ 吸気弁駆動機構（バルブ駆動手段）
４０ 排気弁駆動機構（バルブ駆動手段）
５２ 独立排気通路
５６ 集合部
【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弁と前記排気ポートを開閉可能な排気弁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た独立排気通路と、
前記各独立排気通路を通過したガスが集合するように当該各独立排気通路の下流端に接続された集合部と、
前記各気筒の吸気弁および排気弁を駆動可能なバルブ駆動手段とを備え、
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所定の回転数よりも低くエンジンの負荷が予め設定された所定の負荷よりも高い低速高負荷領域において、前記各気筒の吸気弁の開弁期間と排気弁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弁が開弁している時期に重複するように、各気筒の吸気弁および排気弁を駆動し、
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集合部に接続されており、
前記各独立排気通路の下流端および前記集合部は、各気筒の排気ポートから当該独立排気通路の下流端を通って前記集合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に接続された排気ポート内に負圧が生成されるように、下流側ほど流路面積が小さくなる形状を有し、
前記各独立排気通路の下流端は、排気順序が連続する気筒に接続された独立排気通路の下流端が互いに隣り合う位置となるように、かつ、当該各下流端の軸線がそれぞれ下流に向かうに従って前記集合部の軸線に近接する方向に傾斜するように、前記集合部に接続されており、
前記集合部の内周面は、その一部が、前記各独立排気通路の内周面の下流端の一部とほぼ一致する位置から下流側に延びているとともに、当該一部が、前記各独立排気通路の下流端の軸線の傾斜角度とほぼ同じ角度で傾斜し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、
前記各独立排気通路の下流端は、前記集合部の軸線を中心とする円の円周上に、これら下流端全体で略円形をなすように配列されており、
前記集合部の内周面の上流端は、前記各独立排気通路の下流端全体で形成される円と略一致する円形を呈し、
前記集合部の内周面は、当該集合部の軸線を中心とする略円錐台面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。
【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、
前記各独立排気通路と前記集合部とは、前記各独立排気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をａとし、前記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をＤとして、ａ／Ｄが０．７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吸排気装置。
【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弁と前記排気ポートを開閉可能な排気弁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た独立排気通路と、
前記各独立排気通路を通過したガスが集合するように当該各独立排気通路の下流端に接続された集合部と、
前記各気筒の吸気弁および排気弁を駆動可能なバルブ駆動手段とを備え、
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所定の回転数よりも低くエンジンの負荷が予め設定された所定の負荷よりも高い低速高負荷領域において、前記各気筒の吸気弁の開弁期間と排気弁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弁が開弁している時期に重複するように、各気筒の吸気弁および排気弁を駆動し、
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集合部に接続されており、
前記各独立排気通路の下流端および前記集合部は、各気筒の排気ポートから当該独立排気通路の下流端を通って前記集合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に接続された排気ポート内に負圧が生成されるように、下流側ほど流路面積が小さくなる形状を有し、
前記各独立排気通路の下流端は、排気順序が連続する気筒に接続された独立排気通路の下流端が互いに隣り合う位置となるように、かつ、当該各下流端の軸線がそれぞれ下流に向かうに従って前記集合部の軸線に近接する方向に傾斜するように、前記集合部に接続されており、
前記集合部の内周面は、その一部が、前記各独立排気通路の内周面の下流端の一部とほぼ一致する位置から下流側に延びているとともに、当該一部が、前記各独立排気通路の下流端の軸線の傾斜角度とほぼ同じ角度で傾斜し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、
前記各独立排気通路の下流端は、前記集合部の軸線を中心とする円の円周上に、これら下流端全体で略円形をなすように配列されており、
前記集合部の内周面の上流端は、前記各独立排気通路の下流端全体で形成される円と略一致する円形を呈し、
前記集合部の内周面は、当該集合部の軸線を中心とする略円錐台面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。
【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、
前記各独立排気通路と前記集合部とは、前記各独立排気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をａとし、前記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をＤとして、ａ／Ｄが０．７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吸排気装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−３２７５３（Ｐ２０１３−３２７５３Ａ）
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６９８０１（Ｐ２０１１−１６９８０１）
【出願日】平成２３年８月３日（２０１１．８．３）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月３日（２０１１．８．３）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
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