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トルクおよび燃費性能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と集合部58との間に介在する絞り部53と、絞り部53の状態を、各独立排気通路52と個別に連通する複数のガス通過空間57に区画する独立流通状態と、ガス通過空間57どうしが互いに連通された連通状態とに切替え可能な切替手段56,56b,56cとを設け、ガス通過空間57を下流側の流路面積の方が上流側の流路面積よりも小さくなる形状とし、低速高負荷領域を含む第1運転領域A1では、吸気弁19の開弁期間と排気弁20の開弁期間とをオーバーラップさせかつオーバーラップ期間中に他の気筒の排気弁20を開弁させるとともに絞り部53内の空間を独立流通状態とする一方、高速高負荷領域を含む第2運転領域A2では、絞り部53内の空間を連通状態とする。
【解決手段】独立排気通路52と集合部58との間に介在する絞り部53と、絞り部53の状態を、各独立排気通路52と個別に連通する複数のガス通過空間57に区画する独立流通状態と、ガス通過空間57どうしが互いに連通された連通状態とに切替え可能な切替手段56,56b,56cとを設け、ガス通過空間57を下流側の流路面積の方が上流側の流路面積よりも小さくなる形状とし、低速高負荷領域を含む第1運転領域A1では、吸気弁19の開弁期間と排気弁20の開弁期間とをオーバーラップさせかつオーバーラップ期間中に他の気筒の排気弁20を開弁させるとともに絞り部53内の空間を独立流通状態とする一方、高速高負荷領域を含む第2運転領域A2では、絞り部53内の空間を連通状態とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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、エンジントルク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る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トルク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、エンジントルク等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トルク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、簡単な構成で吸気効率を高めて、これによりエンジントルク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て内側を排気が通過する独立排気通路と、前記各独立排気通路よりも下流側に設けられて、当該各独立排気通路を通過した排気が内側で集合する集合部と、前記各独立排気通路と前記集合部との間に介在して、内側を前記各独立排気通路から排出された排気が通過する絞り部と、前記各独立排気通路から排出された排気が前記絞り部内を互いに独立して通過するように、前記各独立排気通路と個別に連通する複数のガス通過空間に前記絞り部内の空間を区画する独立流通状態と、前記各独立排気通路に対応する前記複数のガス通過空間どうしが互いに連通する連通状態とに、前記絞り部の状態を切替え可能な切替手段と、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、前記切替手段および前記バルブ駆動手段を制御可能な制御手段とを備え、前記各ガス通過空間は、前記独立流通状態において、各気筒の排気ポートから前記独立排気通路および前記ガス通過空間を通って前記集合部に排気が排出されるのに伴い隣接する他のガス通過空間およびこのガス通過空間と連通する独立排気通路に接続された排気ポート内にエゼクタ効果によって負圧が生成されるように、その下流側の流路面積がその上流側の流路面積よりも小さくなる形状を有するとともに、排気順序が連続する気筒に接続された前記独立排気通路に対応するガス通過空間が互いに隣り合うように配置されており、前記制御手段は、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を少なくとも含む第1運転領域において、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、前記バルブ駆動手段により前記各気筒の吸気弁および排気弁を駆動させるとともに、前記切替手段により前記絞り部の状態を前記独立流通状態にさせる一方、エンジンの回転数が前記基準回転数よりも高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高速高負荷領域を少なくとも含む第2運転領域において、前記切替手段により前記絞り部の状態を前記連通状態にさせ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(請求項1)。
【0008】
本発明によれば、低速高負荷領域を含む第1運転領域においてエゼクタ効果を効果的に利用して気筒内の掃気を促進することができるとともに、高速高負荷領域を含む第2運転領域において排気抵抗を小さく抑えることができ、より広い運転領域において吸気効率を高めてエンジントルクを高めることができる。
【0009】
具体的には、この構成では、第1運転領域において、所定の気筒のオーバーラップ期間と他の気筒の排気弁が開弁している時期とが重複するように構成されているとともに、各独立排気通路が個別に絞り部内の各ガス通過空間に連通されるように構成されている。そして、第1運転領域にある状態において、排気行程にある所定の気筒から各ガス通過空間に排気が排出されるのに伴い隣接する他のガス通過空間およびこのガス通過空間につながる排気ポート(前記オーバーラップ期間中の排気ポート)内にエゼクタ効果によって負圧が生成されるように、各ガス通過空間の流路面積が、下流側の方が上流側よりも小さくなるように設定されている。そのため、第1運転領域において、エゼクタ効果による負圧をオーバーラップ期間にある気筒の排気ポートに作用させて、気筒内の残留ガスをより多く排気ポート側に吸い出すことができ、掃気性能を高めることができる。そして、掃気性能の向上に伴い、吸気効率の増大、および、残留ガスの低減に伴うノッキングの抑制を実現して、高いエンジントルクを得ることができる。
【0010】
ここで、各ガス通過空間は、高いエゼクタ効果が発揮されるよう上流側よりも下流側の方が流路面積が小さくなる形状すなわち絞り形状を有している。そのため、エンジン回転数および負荷が高くなり排気流量が増大すると、排気抵抗が増大して、かえって掃気性能が悪化するおそれがある。これに対して、この構成では、高速高負荷領域を含む第2運転領域において、ガス通過空間が互いに連通されて、独立排気通路から排出された排気が絞り部内においてより流路面積の大きい空間を通過するように切替えられる。そのため、この第2運転領域において増大する排気抵抗を小さく抑えて、排気のポンピングロスを小さく、吸気効率を高くすることができ、この第2運転領域でも高いエンジントルク、また、高い熱効率すなわち燃費性能を得ることができる。
【0011】
本発明において、前記第2運転領域は、エンジンの回転数が前記基準回転数よりも高い高速領域と、エンジンの回転数が前記基準回転数よりも低い領域のうち前記低速高負荷領域を除く低速低負荷領域とを含むのが好ましい(請求項2)。
【0012】
このようにすれば、低速低負荷領域において過剰な掃気を抑制して気筒内の残留ガス量を確保し、これにより、吸気のポンピングロスおよび冷却損失を小さく抑えることができ、高い熱効率ひいては高い燃費性能を得ることができる。具体的には、低速低負荷領域では、吸気圧が低く筒内ガス量が少ないため、エゼクタ効果により高い掃気が行われると、気筒内の残留ガス量が少なくなることに伴って生じる吸気のポンピングロスの増大および燃焼温度の増大による冷却損失の増大の影響が大きくなり、熱効率が悪化するおそれがある。これに対して、本構成のように低速低負荷領域においてガス通過空間を連通して排気の通過する流路面積を大きくすれば、排気の速度を低く抑えて、周囲に生成する負圧を小さくく抑えることができ、これにより、過剰なエゼクタ効果ひいては過剰な掃気を抑制して気筒内の残留ガス量を確保することができる。
【0013】
また、この構成によれば、高速領域全体において、排気抵抗を小さく抑えて高い熱効率を得ることができる。
【0014】
本発明において前記独立排気通路および当該独立排気通路に対応する前記ガス通過空間は3つ以上設けられており、前記絞り部は、前記連通状態において、すべての前記ガス通過空間が互いに連通する形状を有しているのが好ましい(請求項3)。
【0015】
このようにすれば、第2運転領域において、絞り部内のうち各独立排気通路から排出された排気が通過する領域の流路面積をより大きくすることができる。そして、これにより、排気抵抗を抑えること、また、エゼクタ効果による過剰な掃気を抑えることができる。
【0016】
また、本発明において、前記絞り部内には、当該絞り部内の空間を区画可能な隔壁が設けられており、前記切替手段は、前記絞り部内に前記複数のガス通過空間が区画形成される位置に前記隔壁を配置することで前記絞り部内の空間を前記独立流通状態とし、前記隔壁をこの独立流通状態における位置から所定量ずらすことで前記絞り部内の空間を前記連通状態とするのが好ましい(請求項4)。
【0017】
このようにすれば、隔壁の位置を変更するという簡単な構成で、絞り部内の空間の状態を容易に切替えることができる。
【0018】
前記構成において、前記各独立排気通路および各ガス通過空間は、略円周上に配列されており、前記隔壁は、前記各ガス通過空間が並ぶ円周の中心を通って上下流方向に延びる中心軸から、径方向外側に延びており、前記切替手段は、前記隔壁を前記中心軸を中心として回動させるのが好ましい(請求項5)。
【0019】
このようにすれば、独立流通状態および連通状態のいずれにおいても、隔壁が上下流方向すなわち排気の流れ方向に沿って延びており、これらいずれの状態においても隔壁が排気の流れを阻害するのを回避することができる。
【0020】
前記構成において、前記第2運転領域は、エンジンの回転数が前記基準回転数よりも高い高速領域と、エンジンの回転数が前記基準回転数よりも低い領域のうち前記低速高負荷領域を除く低速低負荷領域とを含み、前記制御手段は、前記低速高負荷領域よりもエンジンの回転数が高いほど、あるいは、前記低速高負荷領域よりもエンジンの負荷が低いほど、前記切替手段により、前記隔壁の回動量を増大させるのが好ましい(請求項6)。
【0021】
この構成では、前記連通状態において、独立排気通路から排出された排気のうち隔壁によって他のガス通過空間側に向かうように分けられる排気の量がエンジン回転数が高く、エンジンの負荷が低くなるほど増大される。そのため、エンジン回転数の増大に伴い増大する排気流量に応じて、排気抵抗を適正に抑えることができる。
【0022】
このようにすれば、低速低負荷領域において過剰な掃気を抑制して気筒内の残留ガス量を確保し、これにより、吸気のポンピングロスおよび冷却損失を小さく抑えることができ、高い熱効率ひいては高い燃費性能を得ることができるとともに、高速領域全体において、排気抵抗を小さく抑えて高い熱効率を得ることができる。さらに、この構成では、独立排気通路から排出された排気のうち隔壁によって他のガス通過空間側に向かうように分けられる排気の量が、前記低速高負荷領域よりもエンジンの回転数が高いほど、あるいは、前記低速高負荷領域よりもエンジンの負荷が低いほど、増大される。そのため、エンジン回転数の増大に伴い増大する排気流量に応じて、排気抵抗を適正に抑えることができるとともに、エンジンの負荷が低くなるに伴い熱効率向上の面から増大する残留ガス量の必要量に応じて、過剰な掃気を適正に抑えることができ、運転領域全体において、エンジントルクおよび燃費性能をより高めることができる。
【0023】
ここで、前記のように、本発明では、絞り部内の空間の状態を変更することで、独立排気通路から排出された排気が通過する空間の流路面積を変更している。そのため、例えば、この流路面積を変更するために、絞り部と別に流路面積の大きい通路を設ける場合に比べて、エンジン本体から延びる排気系の構造を簡素化し、この排気系の長さを短くすることができる。そのため、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装置とを有し、前記触媒装置が、前記集合部の下流端に直接接続されていれば、エンジン本体から触媒装置まで距離を短くして、触媒装置に流入する排気の温度を高温化できる(請求項6)。すなわち、この構成によれば、触媒装置に流入する排気の温度を高めて、触媒装置の掃気活性化あるいは活性維持を促進することができる。
【発明の効果】
【0024】
以上説明したように、本発明によれば、より広い運転領域において吸気効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【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の概略構成図である。
【図2】図1の概略側面図である。
【図3】本発明の実施形態に係る多気筒エンジンの吸排気装置の制御系を説明するためのブロック図である。
【図4】本発明の実施形態に係る多気筒エンジンの吸排気装置におけ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5】図1のV−V線断面図である。
【図6】独立流通状態における絞り部と集合部付近を拡大して示した断面図である。
【図7】図6をVII−VII線で切断した切断面の図である。
【図8】図6をVIII−VIII線で切断した切断面の図である。
【図9】図6における絞り部の内側の様子を示した図である。
【図10】連通状態における絞り部と集合部付近を拡大して示した断面図である。
【図11】図10をXI−XI線で切断した切断面の図である。
【図12】図10をXII−XII線で切断した切断面の図である。
【図13】図10における絞り部の内側の様子を示した図である。
【図14】図7から隔壁を除いた図であって、絞り部本体の上流端を上流側から見た図である。
【図15】図8から隔壁を除いた図であって、絞り部本体の下流端を下流側から見た図である。
【図16】本発明の実施形態に係る多気筒エンジンの吸排気装置で用いられる制御マップを示した図である。
【図17】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18】本発明の他の実施形態に係る多気筒エンジンの吸排気装置で用いられる制御マップを示した図である。
【図19】発明の他の実施形態に係る多気筒エンジンの吸排気装置における図7と対応する図である。
【図20】発明の他の実施形態に係る多気筒エンジンの吸排気装置における図8と対応する図である。
【発明を実施するための形態】
【0026】
(1)装置の全体構成
図1は、本発明の第1実施形態に係る多気筒エンジンの吸排気装置100の概略構成図である。図2は、図1の概略側面図である。この装置100は、シリンダヘッド9およびシリンダブロック10(図2参照)を有するエンジン本体1と、ECU(制御手段、図3参照)90と、エンジン本体1に接続される排気マニホールド50と、排気マニホールド50に接続される触媒装置60とを備えている。
【0027】
シリンダヘッド9およびシリンダブロック10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、エンジン本体1は、直列4気筒のエンジンであって、シリンダヘッド9およびシリンダブロック10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。
【0028】
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。
【0029】
シリンダヘッド9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。
【0030】
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。
【0031】
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、ECU90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。
【0032】
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、ECU90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。
【0033】
なお、本実施形態では、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。
【0034】
(2)排気系の構成
排気マニホールド50と触媒装置60とを含む排気系の詳細について次に説明する。排気マニホールド50は、上流側から順に、3つの独立排気通路52と、絞り部53と、略円筒状の集合部58とを備えている。
【0035】
(2−1)独立排気通路52の構成
図1に示すように、各独立排気通路52は、シリンダヘッド9に形成された各気筒12の排気ポート18に接続されている。具体的には、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52,52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12b,2c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、二股状に形成された1つの独立排気通路52に接続されている。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52は、その上流側において2つの通路に分離しており、その一方に第2気筒12bの排気ポート18が接続され、他方に第3気筒12cの排気ポート18が接続されている。
【0036】
本実施形態では、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の中間位置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。また、図2に示すように、各独立排気通路52は、シリンダヘッド9から水平方向に延びた後、車両前後方向の後ろ斜め下方に向かって延びている。
【0037】
図5は、図1のV−V線断面図である。この図5に示されるように、前記独立排気通路52の下流端52aの断面形状、すなわち、この下流端52aの開口形状は円形であり、これら円形の下流端52aは、後ろ斜め下方に延びる軸線L上の点O1を中心とする円周面上に互いに等間隔に配列されている。
【0038】
(2−2)絞り部53の構成
図2等に示すように、絞り部53は、独立排気通路52の下流端部に沿って後ろ斜め下方に延びている。
【0039】
図6は、後述する独立流通状態における絞り部53と集合部58付近を拡大して示した断面図である。図7は、図6をVII−VII線で切断した切断面の図であり、独立流通状態における絞り部53の上流端を上流側から見た図である。図8は、図6をVIII−VIII線で切断した切断面の図であり、独立流通状態における絞り部53の下流端を下流側から見た図である。図9は、図6に示す独立流通状態における絞り部53の内側の一部を示した斜視図である。
【0040】
図10は、図6と対応する図であり、後述する連通状態における絞り部53と集合部58付近を拡大して示した断面図である。図11は、図10をXI−XI線で切断した切断面の図であり、連通状態における絞り部53の上流端を上流側から見た図である。図12は、図10をXII−XII線で切断した切断面の図であり、連通状態における絞り部53の下流端を下流側から見た図である。図13は、図10に示す連通状態における絞り部53の内側の一部を示した斜視図である。
【0041】
なお、図7、図8、図11、図12では、絞り部本体54と隔壁55とこれらで区画されて排気が通過可能な空間の位置がより明確になるように、この排気が通過可能な空間を黒く塗りつぶして示している。
【0042】
絞り部53は、本体54と、複数の隔壁56とを備えている。絞り部53の本体54は、軸Lを中心軸とする筒状部材であり、その内側には、各独立排気通路52から排出された排気が通過する空間が形成されている。各隔壁56は、絞り部本体54の内側を複数の空間に区画可能な部材である。
【0043】
図14は、図7から隔壁56を除いた図であって、絞り部本体54の上流端を上流側から見た図である。図15は、図8から隔壁56を除いた図であって、絞り部本体54の下流端を下流側から見た図である。
【0044】
図14等に示されるように、絞り部本体54の上流端の開口54aは、中心軸L上の点O2を中心とする円周上に互いに等間隔に配列された3つの第1仮想円201(図14に鎖線で示す)と、これら第1仮想円201の間の部分とで構成されている。第1仮想円201の間の部分は、点O2を中心とした3つの第1仮想円201の各中心付近を通る第2仮想円202の一部をなしており、絞り部本体54の上流端の開口54aは、第2仮想円202の円周上の互いに等間隔に並ぶ3つの円弧から径方向外側に膨出する3つ葉形状を有している。第1仮想円201どうしは互いに重複しておらず、第2仮想円202の径は、第1仮想円201の径よりもわずかに大きい寸法となっている。
【0045】
一方、図15等に示されるように、絞り部本体54の下流端の開口54bは、軸線L上の点O3を中心とする円形を有しており、これに対応して絞り部本体54の下流端の開口縁は円形リング状を有している。絞り部本体54の下流端の開口54bの径は、第2仮想円202の径と同じに設定されており、上下流方向から見て、絞り部本体54の下流端の開口54bと第2仮想円202とは一致する。
【0046】
このように、絞り部本体54の下流端の開口54bは、絞り部本体54の上流端の開口54aよりも小さく、絞り部本体54の内側空間は、下流に向かうほど流路面積が縮小している。
【0047】
具体的には、絞り部本体54の上流端の開口縁のうち第2仮想円202の円周の一部をなす3つの円弧部分からは、下流側に向かってそれぞれ中心軸Lと平行な面(以下、この部分をストレート面という)55aが延びている。前述のように、第2仮想円202と絞り部本体54の下流端の開口54bとは同一の円形であり、各ストレート面55aは、第2仮想円202の円周と絞り部本体54の下流端の開口縁との間で延びる仮想円筒の円筒面の一部を構成する。
【0048】
一方、絞り部本体54の上流端の開口縁のうち第1仮想円201の円周の一部をなす3つの円弧部分からは、それぞれ下流側に向かうに従って中心軸Lに近づく方向に傾斜する面(以下、この部分を縮径面という)55bが延びている。
【0049】
絞り部本体54の内周面は、これらストレート面55aと縮径面55bとで構成されており、絞り部本体54の各断面すなわち流路面積は、下流に向かうほど縮小している。
【0050】
各第1仮想円201は、各独立排気通路52の円形の下流端52aの開口と同一形状に設定されている。そして、絞り部本体54は、各第1仮想円201と各独立排気通路52の下流端52aの開口とが一致する位置で、各独立排気通路52の下流端52aに連結されている。
【0051】
隔壁56は、断面形状一定のまま上下流方向に延びる板状部材である。隔壁56の断面は、絞り部本体54の上流端の開口54aから3つの第1仮想円201を除いた部分と同じ形状を有している。隔壁56は、図7〜図9に示すように、その上流端がこの絞り部本体54の上流端の開口54aのうち3つの第1仮想円201を除いた部分に配置されることで、絞り部本体54内の空間を、これら3つの第1仮想円201から下流側に延びる3つのガス通過空間57に区画する。
【0052】
具体的には、隔壁56は、互いに一体に形成された上下流方向に延びる3つの仕切り壁56aからなる。各仕切り壁56aは、それぞれ中心軸Lから各ストレート面55aに向かって放射状に延びている。各仕切り壁56aの径方向の長さは第2仮想円202の半径と一致しており、各仕切り壁56aの径方向先端部分(以下、単に先端部分という)56a_1は、第2仮想円202の円周と絞り部本体54の下流端の開口縁との間で延びる仮想円筒の円筒面の一部を構成する。そのため、各仕切り壁56aが図6〜図9に示す位置(以下、区画位置という)に配置された状態で、各仕切り壁56aの先端部分56a_1は、ストレート面55aとその上下流方向全体にわたって面接触する。
【0053】
仕切り壁56aの外周面のうち先端部分56a_1間に延びる部分56a_2は、第1仮想円201の円周から中心軸Lと平行に下流側に延びる仮想円筒面の一部を構成する形状を有している。従って、各仕切り壁56aが区画位置に配置されて各仕切り壁56aの先端部分56a_1とストレート面55aとが面接触した状態で、絞り部本体54の上流端の開口54aは、図7に示すように、仕切り壁56aにより第1仮想円201からなる3つの領域に区画され、絞り部本体54の下流端の開口54bは、図8に示すように、仕切り壁56aにより円の略1/3をなす3つの扇形領域に区画される。そして、絞り部本体54内の空間は、上流端の第1仮想円201領域から下流端の扇形領域に向かって、流路面積が縮小する3つのガス通過空間57に区画される。すなわち、絞り部本体54内には、縮径面55bと仕切り壁56aの外周面56a_2とを内周面として互いに連通しない3つの通路が形成される。以下、仕切り壁56aが区画位置にあり、絞り部本体54内に互いに連通しない3つの通路が形成されている状態を独立流通状態という。
【0054】
前述のように、各第1仮想円201と各独立排気通路52の下流端52aの開口とは一致している。そのため、独立流通状態において、各独立排気通路52から排出された排気は、個別に3つのガス通過空間57に流入する。具体的には、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が、それぞれ対応するガス通過空間57に個別に流入する。また、前述のように、各ガス通過空間57は、その流路面積が下流側に向かうに従って縮小する形状を有している。従って、独立流通状態において、各独立排気通路52から排出された排気は各ガス通過空間57を通過することで速度が増大され、高速で集合部58内に流入する。
【0055】
隔壁56には、中心軸Lに沿って延びる回動軸56b(図1および図9参照)が連結されている。この回動軸56bは、隔壁56の上流端から上流側に延びており、その先端は、絞り部53および独立排気通路52の外側に露出している。回動軸56bの先端には、この回動軸56bおよび隔壁56すなわち各仕切り壁56aを回動させる回動アクチュエータ56c(図1および図3参照)が取り付けられている。回動アクチュエータ56cは、後述するECU90の指令を受けて、回動軸56bおよび各仕切り壁56aを中心軸L周りに回動させる。各仕切り壁56aが区画位置(独立流通状態に対応する図6〜図9の位置)から回動されると、絞り部本体54内の区画状態は変化し、各仕切り壁56aにより区画されていた各ガス通過空間57は互いに連通する。以下、この各ガス通過空間57どうしが連通している状態を、連通状態という。
【0056】
具体的には、前述のように、各仕切り壁56aの先端部分56a_1は、第2仮想円202の円周と絞り部本体54の下流端の開口縁との間で延びる仮想円筒の円筒面の一部を構成している。そのため、各仕切り壁56aの先端部分56a_1は、回動アクチュエータ56cにより駆動されることで、この仮想円筒の円筒面に沿って移動する。従って、各仕切り壁56aの先端部分56a_1がストレート面55aと面接触する前記区画位置からずれた場合、絞り部本体54の下流端において、各仕切り壁56aの先端部分56a_1と絞り部本体54の内周面(絞り部本体54の下流端の開口縁)との接触は維持される。一方、この場合において、絞り部本体54の下流端よりも上流側の部分では、図11に示すように、各仕切り壁56aの先端部分56a_1は、絞り部本体54の内周面(縮径面55b)から離間し、先端部分56a_1と絞り部本体54の内周面55bとの接触は解除される。3つのガス通過空間57は、この先端部分56a_1と絞り部本体54の内周面55bとが接触することにより互いに連通しない空間に区画されており、この接触が解除されるのに伴い3つのガス通過空間57は互いに連通する。
【0057】
本実施形態では、回動アクチュエータ56cは、回動軸56bおよび隔壁56すなわち各仕切り壁56aを60度回動可能であって、各仕切り壁56aを区画位置と、図11に示すように、各仕切り壁56aが中心軸Lから各ガス通過空間57の中心に向かって延びて3つのガス通過空間57が互いに連通する位置(以下、この位置を連通位置という)との間で回動させる。
【0058】
このように、各仕切り壁56aが区画位置から連通位置に回動されて各ガス通過空間57が連通し、絞り部53内の状態が連通状態とされると、各独立排気通路52から排出された排気は、対応するガス通過空間(独立排気通路52の下流端と一致する上流端を有するガス通過空間)57に流入した後、このガス通過空間に加えて他のガス通過空間57内にも流入していく。そのため、絞り部本体54の内側空間のうち各独立排気通路52から排出された排気が通過する空間の容積、流路面積は、独立流通状態よりも増大する。これに伴い、排気は、独立流通状態よりも抵抗の小さい状態で絞り部53を通過する。
【0059】
特に、本実施形態では、各仕切り壁56aが連通位置にある状態において、各仕切り壁56aは中心軸Lから各ガス通過空間57の中心軸に向かって延びており、各仕切り壁56aと各ガス通過空間57の内周面(縮径面55b)との距離が十分に確保されている。そのため、各独立排気通路52から排出された排気は、他の独立排気通路52と対応するガス通過空間57側により多く流入することができ、排気は、確実に抵抗の小さい状態で絞り部53を通過する。
【0060】
ここで、各仕切り壁56aは、区画位置および連通位置のいずれの位置にある場合でも、上下流方向すなわち排気の流れ方向に延びている。そのため、仕切り壁56aが排気の流れを阻害することはなく、排気は抵抗の小さい状態で絞り部本体54を通過する。また、各仕切り壁56aは後ろ斜め下方に延びる中心軸Lに沿って延びている。そのため、排気に含まれる水分が仕切り壁56aに付着した場合であっても、水分は下流側に流下し、水分による仕切り壁56aの腐食は抑制される。
【0061】
以上のように、本実施形態では、前記隔壁56と、回動軸56bと、回動アクチュエータ56cとが、各独立排気通路52から排出された排気が絞り部53内を互いに独立して通過するように、各独立排気通路52と個別に連通する複数のガス通過空間57に絞り部53内の空間を区画する独立流通状態と、各独立排気通路52に対応する複数のガス通過空間57どうしが互いに連通する連通状態とに、絞り部53の状態を切替え可能な切替手段として機能する。
【0062】
(2−3)集合部58の構成
集合部58は、各独立排気通路52から排出されて絞り部53を通過した排気が合流する部分である。集合部58は、図1、図6、図10に示すように、上流側から順に、ノズル部58a、ストレート部58b、ディフューザー部58cを備えている。
【0063】
前述のように、独立流通状態において、各独立排気通路52から排出された排気は、前記ガス通過空間57を個別に、かつ、高速で通過して、集合部58内に流入する。そのため、独立流通状態において、排気が高速で排出されたガス通過空間57に隣接する他のガス通過空間57内には、エゼクタ効果によって負圧が生成する。
【0064】
ノズル部58aは、エゼクタ効果がより効果的に得られ、所定の独立排気通路52およびガス通過空間57から排出された排気によって他のガス通過空間57ひいてはこのガス通過空間57と連通する他の独立排気通路52が接続された排気ポート18内に高い負圧が生成されるような形状を有している。
【0065】
具体的には、ノズル部58aは、各ガス通過空間57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、ノズル部58aの下流端の流路面積は、各独立排気通路52の下流端52aの流路面積の合計よりも小さく設定されている。
【0066】
ここで、1つのガス通過空間57の下流端の流路面積であって絞り部本体54の下流端の開口面積の約1/3の面積と同じ面積を有する真円の直径をa(図6参照)とし、ノズル部58a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(図6参照)とした場合、a/Dがa/D≧0.5の範囲に設定されていればノズル部58aを排気が十分に高い速度で通過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、ノズル部58aの下流端の流路面積を、a/D≧0.5を満足するように構成している。
【0067】
また、本実施形態では、ノズル部58aや下流側のストレート部58bにおいて圧力の不均一が生じ、これにより下流側への排気の吸出し力が低下するのを抑制するべく、ノズル部58aの上流側部分58a_1の内側面を独立排気通路52の下流端に対して、ガスの流れ方向と直交する方向に膨出させている。具体的には、ノズル部58aの上流側部分58a_1は、絞り部本体54の下流端の内径よりも大きな内径を有する円筒で構成されており、ノズル部58aの下流側部分58a_2は、下流に向かうに従って流路面積が縮小する形状で構成されている。
【0068】
ストレート部58bは、ノズル部58aの下流端から下流側に延びる円筒であり、ノズル部58aの下流端の流路面積と同じ流路面積一定で上下流方向に延びている。ディフューザー部58cは、このストレート部58bの下流端から下流に向かうに従って流路面積が拡大する略円錐台形状の筒状部材である。
【0069】
このようにノズル部58aからストレート部58bまでの部分は、上流側の流路面積の方が下流側よりも大きく設定されている。そのため、絞り部本体54から排出された排気はノズル部58aとストレート部58bとを高速で通過する。このとき、排気の圧力・温度は低下するため、ノズル部58aおよびストレート部58bにおいて、排気の外部への放熱量は小さく抑えられる。そして、ストレート部58bを通過した排気は、下流に向かうに従って流路面積が拡大するディフューザー部58cに流入することで、その圧力・温度が回復され、高い温度を維持したまま下流側に排出される。
【0070】
本実施形態では、ノズル部58aとストレート部58bとディフューザー部58cとは、中空の外側管58d内に挿入されており、ノズル部58aからディフューザー部58cまでの部分は二重管構造となっている。そのため、これらノズル部58a等からなる集合部58の通過時に、排気の外部への放熱はより一層抑制され、集合部58からは高い温度の排気が下流側に排出される。
【0071】
(2−4)触媒装置60の構成
図1に示すように、触媒装置60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。触媒装置60は、触媒本体(触媒)64と触媒本体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は排気の流れ方向と平行に延びる略円筒状を有している。触媒本体64は、排気中の有害成分を浄化するためのものである。触媒本体64は、例えば、理論空燃比の雰囲気下で三元触媒機能を有し、三元触媒を含有する。
【0072】
触媒本体64は、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、ケーシング62の上流端61には所定の空間が形成されている。集合部58の下流端、詳細には、ディフューザー部58cの下流端はケーシング62の上流端61に接続されており、ディフューザー部58cから排出された排気はケーシング62の上流端61に流入した後、触媒本体64側へ進行する。
【0073】
前述のように、集合部58からは、高い温度の排気が下流側に排出される。そのため、このように集合部58に直接触媒装置60が接続されていることで、触媒装置60内には高温の排気が流入し、これにより、触媒本体64は早期活性化される、また、触媒本体64の活性状態が確実に維持される。
【0074】
(3)制御系
図3は、エンジンの制御系を示すブロック図である。この図3に示されるECU90は、エンジンの各部を統括的に制御するための装置(制御手段)であり、周知のCPU、ROM、RAM等から構成されている。
【0075】
ECU90には、エンジンに設けられた各種センサから種々の情報が入力される。ECU90は、エンジンに設けられたクランク角センサSW2、吸気量センサSW4と電気的に接続されており、これら各センサSW2、SW4からの入力信号に基づいて、エンジン回転数Ne、吸気量ひいてはエンジン負荷Tといった種々の情報を取得する。
【0076】
ECU90は、その主な機能的要素として、判定手段91、吸排気制御手段92、回動アクチュエータ制御手段94を有している。
【0077】
判定手段91は、エンジン回転数Neとエンジン負荷Tとに基づいて、エンジンをどのような態様で制御すべきかを都度判定するものである。図16は、エンジン回転数Neおよび負荷Tに基づき決定される制御の種類を区分けして示す設定図(制御マップ)である。エンジンの運転中、前記判定手段91は、この図16の制御マップに従うようにエンジンの制御内容を決定する。
【0078】
図16の制御マップにおいて、エンジンの回転数Neが基準回転数N1以下の低速領域のうちエンジン負荷Tが基準負荷T1以上の低速高負荷領域には第1運転領域A1が設定されており、それ以外の領域には、第2運転領域A2が設定されている。第2運転領域A2は、エンジン回転数Neが基準回転数N1以上の高速領域A2_1と、エンジンの回転数Neが基準回転数N1未満の低速領域のうちエンジン負荷Tが基準負荷T1以下の低速低負荷領域A2_2とからなる。本実施形態では、基準負荷T1は、エンジン回転数Neが高くなるほど高くなるように設定されている。また、基準回転数N1は、例えば、2500rpm付近に設定されている。
【0079】
判定手段91は、エンジンの運転中において、エンジンの運転点(負荷Tおよび回転数Neの各値から特定される制御マップ上でのポイント)が第1運転領域A1であるか第2運転領域A2であるかを常に判断する。
【0080】
再び図3に戻って、吸排気制御手段92は、吸気VVT32および排気VVT42を駆動することにより、吸気弁19および排気弁20の開閉タイミングを変更する。
【0081】
回動アクチュエータ制御手段94は、回動アクチュエータ56cを駆動することにより、回動軸56bおよび隔壁56ひいては各仕切り壁56aを回動させて、各仕切り壁56aの位置を区画位置と連通位置とで切替え、絞り部本体54の状態を独立流通状態と連通状態とで切替える。
【0082】
ECU90は、その他、点火プラグ15等を運転状態に応じて適正に制御する。
【0083】
(4)各運転領域での制御内容
次に、以上のような機能を有するECU90の制御に基づき、図16に示した各運転領域(A1,A2)で、それぞれどのような制御が実施されるのかを説明する。ECU90は、クランク角センサSW2および吸気量センサSW4の各検出値に基づいて、エンジンの運転点(負荷Tおよび回転数Ne)が図16の制御マップにおけるどの運転領域に該当するかを逐次判定する。そして、判定された運転領域が、図16中の第1運転領域A1と第2運転領域A2のいずれであるかに応じて、それぞれ以下のような制御を実行する。
【0084】
(i)第1運転領域A1
第1運転領域A1では、図4に示すように、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調整される。詳細には、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が開弁するよう調整される。
【0085】
また、第1運転領域A1では、各仕切り壁56aの位置が区画位置とされて、絞り部53内の状態が独立流通状態とされる。すなわち、各独立排気通路52から排出された排気が、各独立排気通路52に対応する各ガス通過空間57であって、下流側ほど流路面積が小さく設定された空間57、をそれぞれ個別に通過して集合部58に流入するように制御される。
【0086】
このように制御されることで、第1運転領域A1では、所定の気筒(排気行程気筒)12の排気弁20が開弁して排気行程気筒12から所定のガス通過空間57を通って集合部58に排気が高速で排出されると、排気順序が排気行程気筒12の1つ前に設定された他の気筒(吸気行程気筒)に対応するガス通過空間およびこの気筒12に接続される排気ポート18内にエゼクタ効果により負圧が生成される。そして、排気行程気筒12の排気弁20開弁時に吸気行程気筒がオーバーラップ期間中にあることから、前記負圧によって、吸気行程気筒12内の残留ガスの多くが排気ポート18側に吸い出され、吸気行程気筒12内の掃気が促進される。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)が排出されるため、このブローダウンガスが排出された直後は、吸気行程気筒12内の残留ガスの多くが排気ポート18側に吸い出される。掃気が促進されると、吸気効率が増大する。従って、この第1運転領域A1では、高いエンジントルクが実現される。また、気筒12内の残留ガス量が少なくなりノッキングが抑制されるのに伴って点火時期の進角化が可能となることによっても、高いエンジントルクが実現される。
【0087】
なお、本装置において、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17に示すように、各弁19,20のリフトカーブにおいてリフトが急峻に立ち上がるあるいは立ち下がる時期(ランプ部の終わり、または、開始の時期)であり、例えば0.4mmリフトの時期をいう。
【0088】
(ii)第2運転領域A2の高速領域A2_1
第2運転領域A2のうちエンジンの回転数Neが高い高速領域A2_1では、排気流量が大きい。そのため、高速領域A2_1において、第1運転領域A1と同様に、各独立排気通路52から排出された排気を、下流に向かうに従って流路面積が縮小するガス通過空間57内に排出したのでは、エゼクタ効果による掃気性能向上効果よりも背圧が高くなることによる掃気性能の悪化の方が大きくなる。そこで、この高速領域A2_1では、次のような制御を実施する。
【0089】
高速領域A2_1では、排気弁20の開弁期間と吸気弁19の開弁期間とが、オーバーラップしないように調整される。また、第2運転領域A2では、各仕切り壁56aの位置が連通位置とされて、絞り部53内の状態が連通状態とされる。すなわち、3つのガス通過空間57が互いに連通して、各独立排気通路52から排出された排気が、各独立排気通路52にそれぞれ対応するガス通過空間57に流入した後、このガス通過空間57に加えて他の独立排気通路52と対応するガス通過空間にも流入するように制御される。
【0090】
このように制御されることで、第2運転領域A2のうちの高速領域A2_1では、各独立排気通路52から排出された排気は、絞り部53において、3つのガス通過空間57により構成された第1運転領域A1よりも流路面積の大きい空間を通過する。そのため、絞り部53において生じる排気抵抗は小さく抑えられる。このように、排気抵抗が小さく抑えられることで、高速領域A2_1では、排気のポンピングロスは小さく抑えられ、また、吸気効率は高くされ、これにより高いエンジントルク、高い熱効率が実現される。
【0091】
(iii)第2運転領域A2の低速低負荷領域A2_2
第2運転領域A2のうちエンジンの回転数Neが低くエンジン負荷Tが低い低速低負荷領域A2_2では、吸気圧が低く筒内ガス量が少ない。そのため、エゼクタ効果により高い掃気が行われて、これに伴い、気筒12内の残留ガス量が少なくなると、吸気のポンピングロスが増大する、また、燃焼温度が増大して冷却損失が増大するという、熱効率に対して好ましくない作用が生じる。また、そもそも、低速低負荷領域A2_2では、要求新気量が少なく、エゼクタ効果に伴う高い吸気効率を得る必要が小さい。
【0092】
そこで、低速低負荷領域A2_2では、高速領域A2_1と同様に、エゼクタ効果が発揮されないよう、各仕切り壁56aの位置が連通位置とされて、絞り部53内の状態が連通状態とされる。
【0093】
ただし、低速低負荷領域A2_2では、前述のように残留ガスが多い方が望ましい。そのため、低速低負荷領域A2_2では、高速領域A2_1と異なり、残留ガスがより多く得られるように、排気弁20の開弁期間と吸気弁19の開弁期間とは、オーバーラップするように制御される。
【0094】
このように制御されることで、第2運転領域A2のうちの低速低負荷領域A2_2では、各独立排気通路52から排出された排気は、絞り部53において、流路面積のより大きい空間を通過し、これにより、エゼクタ効果ひいては掃気が抑制される。掃気が抑制されると気筒12内にはより多くの残留ガスが残存する。そのため、低速低負荷領域A2_2では、吸気のポンピングロスおよび冷却損失が低減し、高い熱効率すなわち高い燃費性能が実現される。
【0095】
(5)作用効果
以上のように、本装置では、絞り部53内の状態を独立流通状態と連通状態とに切替えるという簡単な構成で、第1運転領域A1において、エゼクタ効果を利用して高いエンジントルクを得つつ、第2運転領域A2のうちの高速領域A2_1において排気抵抗を抑制して高いエンジントルクおよび燃費性能を得ることができるともに、第2運転領域A2のうちの低速低負荷領域A2_2において掃気を抑制して残留ガスを確保し、高い燃費性能を得ることができる。
【0096】
特に、本実施形態では、絞り部53内の状態が連通状態とされた場合に3つのガス通過空間57が全て連通しており、排気が通過する絞り部53内の空間の容積、流路面積をより大きく確保されている。そのため、第2運転領域A2の高速領域A2_1において、排気抵抗をより確実に小さく抑えることができるとともに、第2運転領域A2の低速低負荷領域A2_2において、掃気をより確実に抑制して残留ガスをより多く確保することができる。
【0097】
また、本実施形態では、隔壁56を回動させて、絞り部53の内側空間の区画状態を変更ることで、絞り部53内の状態を独立流通状態と連通状態とに切替えており、この切替えが簡単な構成で実現されている。
【0098】
また、このように絞り部53の内側空間の区画状態を変更して各独立排気通路52から排出された排気が通過する空間の流路面積を変更するという構成をとっており、独立排気通路52と集合部58との間に、エゼクタ効果を得るべく流路面積が下流側ほど小さくなるように構成された通路と、高速領域での排気抵抗および低速低負荷領域での過剰な掃気を抑えるべくこのエゼクタ用の通路をバイパスする通路とを個別に設ける場合に比べて、独立排気通路52から集合部58までの距離を短くすることができ、集合部58に直接連結された触媒装置60に流入する排気の温度を高く維持することができる。そのため、触媒本体64の掃気活性化あるいは触媒本体64の活性維持を促進することができる。
【0099】
(6)他の実施形態
前記第1実施形態では、各仕切り壁56aを区画位置と、この区画位置から60度ずれて各仕切り壁56aが中心軸Lから第1仮想円201の中心に向かって延びるようになる連通位置とのいずれか一方に切替える場合について示したが、各仕切り壁56aすなわち隔壁56の位置を運転条件に応じてより細かく変更させてもよい。例えば、図18の矢印に示すように、低速高負荷領域(第1運転領域)A1よりもエンジン回転数Neが増大する、また、エンジン負荷Tが低下するほど、区画位置からのずれ量すなわち隔壁56の回動量を増大させるようにしてもよい。具体的には、第2運転領域A2のうち、基準負荷T1とほぼ平行な第2基準負荷T2よりもエンジン回転数が低く、エンジ負荷が高い領域A2_2bにおいて、各仕切り壁56aを区画位置から30度ずらすようにしてもよい。また、領域A2_2bにおいて、各仕切り壁56aを、図18の矢印に示すようにエンジン回転数が高くなるほど、また、エンジン負荷が高くなるほど、区画位置からの連続的にずらしてもよい。例えば、隔壁56の回動量を、0〜60度の間で連続的に変化させてもよい。
【0100】
ここで、隔壁56の回動量が小さく、隔壁56の区画位置からのずれ量が小さい場合は、各独立排気通路52から排出された排気の多くが対応するガス通過空間57に他の独立排気通路52に対応するガス通過空間57側に向かう量が小さく抑えられる。そして、より多くの排気が、対応する1つのガス通過空間57すなわちエゼクタ効果が得られるよう構成された空間を通過する。そのため、この場合には、排気抵抗を適度に抑えつつ、比較的高いエゼクタ効果すなわち掃気性能を得ることができる。
【0101】
これより、前記のように、低速高負荷領域A1からエンジン回転数Neが増加するに従って、隔壁56の回動量を増大させれば、エゼクタ効果を得つつエンジン回転数Neの増大に伴う排気流量の増加に合わせて適正に排気抵抗を抑制することができ、掃気性能をより高めることができる。また、低速高負荷領域A1よりもエンジン負荷Tが低下して、要求新気量が小さくなり必要とされる残留ガス量が増大するのに従って、隔壁56の回動量を増大させてエゼクタ効果を低減させれば、エンジン負荷に応じて残留ガス量を適正に調整して高い燃費性能を得ることができる。
【0102】
また、絞り部53の詳細構造は前記に限らない。例えば、図19に示すように、絞り部253の絞り部本体254上流端の開口254aが円形であり、絞り部本体254内の空間が、この上流端の開口254aよりも面積の小さい下流端の円形の開口254bに向かって流路面積が徐々に縮小する略円錐台形状であってもよい。そして、絞り部本体254の中心軸から径方向外側に延びる複数の仕切り壁256aを有する隔壁256が、絞り部本体254内の空間を、上下流方向全体にわたって扇形の断面を有するガス通過空間257に区画するようにしてもよい。
【0103】
この実施形態において、隔壁256ひいては各仕切り壁256aは、第1実施形態と同様に絞り部本体254の中心軸を中心として回動される。そして、各仕切り壁256aは、図19に示すように絞り部本体254内の空間を各独立排気通路52とそれぞれ個別に連通する3つのガス通過空間257に区画して、絞り部253内の状態を各独立排気通路52から排出された排気が独立して対応するガス通過空間257に流入する独立流通状態とする区画位置と、図20に示すようにこの区画位置からずれて、絞り部253内の状態を複数のガス通過空間が互いに連通する連通状態とさせる連通位置との間で移動する。ここで、図19は、図7と対応する図である。図20は、図8と対応する図である。
【0104】
この実施形態では、各仕切り壁256aの先端部分256a_1は、回動位置によらず常に絞り部本体254の内周面254dと接触している。そのため、各仕切り壁256aが図20に示す連通位置に回動された状態において、隣接する2つのガス通過空間257が連通し、各独立排気通路52から排出された排気は、2つのガス通過空間257に流入する。
【0105】
このようにして、連通状態において、3つのガス通過空間257のうち2つのガス通過空間257のみが連通するように構成してもよい。ただし、3つのガス通過空間257の全てが連通すれば、連通状態において、絞り部253内の排気が通過する空間の容積、流路面積をより大きくすることができ、排気抵抗をより少なく抑えることができる。
【符号の説明】
【0106】
12 気筒
18 排気ポート
19 吸気弁
20 排気弁
52 独立排気通路
53 絞り部
54 隔壁(切替手段)
56c 回動アクチュエータ(切替手段)
60 触媒装置
90 ECU(制御手段)
【技術分野】
【0001】
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、エンジントルク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る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トルク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、エンジントルク等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トルク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、簡単な構成で吸気効率を高めて、これによりエンジントルク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て内側を排気が通過する独立排気通路と、前記各独立排気通路よりも下流側に設けられて、当該各独立排気通路を通過した排気が内側で集合する集合部と、前記各独立排気通路と前記集合部との間に介在して、内側を前記各独立排気通路から排出された排気が通過する絞り部と、前記各独立排気通路から排出された排気が前記絞り部内を互いに独立して通過するように、前記各独立排気通路と個別に連通する複数のガス通過空間に前記絞り部内の空間を区画する独立流通状態と、前記各独立排気通路に対応する前記複数のガス通過空間どうしが互いに連通する連通状態とに、前記絞り部の状態を切替え可能な切替手段と、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、前記切替手段および前記バルブ駆動手段を制御可能な制御手段とを備え、前記各ガス通過空間は、前記独立流通状態において、各気筒の排気ポートから前記独立排気通路および前記ガス通過空間を通って前記集合部に排気が排出されるのに伴い隣接する他のガス通過空間およびこのガス通過空間と連通する独立排気通路に接続された排気ポート内にエゼクタ効果によって負圧が生成されるように、その下流側の流路面積がその上流側の流路面積よりも小さくなる形状を有するとともに、排気順序が連続する気筒に接続された前記独立排気通路に対応するガス通過空間が互いに隣り合うように配置されており、前記制御手段は、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を少なくとも含む第1運転領域において、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、前記バルブ駆動手段により前記各気筒の吸気弁および排気弁を駆動させるとともに、前記切替手段により前記絞り部の状態を前記独立流通状態にさせる一方、エンジンの回転数が前記基準回転数よりも高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高速高負荷領域を少なくとも含む第2運転領域において、前記切替手段により前記絞り部の状態を前記連通状態にさせ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(請求項1)。
【0008】
本発明によれば、低速高負荷領域を含む第1運転領域においてエゼクタ効果を効果的に利用して気筒内の掃気を促進することができるとともに、高速高負荷領域を含む第2運転領域において排気抵抗を小さく抑えることができ、より広い運転領域において吸気効率を高めてエンジントルクを高めることができる。
【0009】
具体的には、この構成では、第1運転領域において、所定の気筒のオーバーラップ期間と他の気筒の排気弁が開弁している時期とが重複するように構成されているとともに、各独立排気通路が個別に絞り部内の各ガス通過空間に連通されるように構成されている。そして、第1運転領域にある状態において、排気行程にある所定の気筒から各ガス通過空間に排気が排出されるのに伴い隣接する他のガス通過空間およびこのガス通過空間につながる排気ポート(前記オーバーラップ期間中の排気ポート)内にエゼクタ効果によって負圧が生成されるように、各ガス通過空間の流路面積が、下流側の方が上流側よりも小さくなるように設定されている。そのため、第1運転領域において、エゼクタ効果による負圧をオーバーラップ期間にある気筒の排気ポートに作用させて、気筒内の残留ガスをより多く排気ポート側に吸い出すことができ、掃気性能を高めることができる。そして、掃気性能の向上に伴い、吸気効率の増大、および、残留ガスの低減に伴うノッキングの抑制を実現して、高いエンジントルクを得ることができる。
【0010】
ここで、各ガス通過空間は、高いエゼクタ効果が発揮されるよう上流側よりも下流側の方が流路面積が小さくなる形状すなわち絞り形状を有している。そのため、エンジン回転数および負荷が高くなり排気流量が増大すると、排気抵抗が増大して、かえって掃気性能が悪化するおそれがある。これに対して、この構成では、高速高負荷領域を含む第2運転領域において、ガス通過空間が互いに連通されて、独立排気通路から排出された排気が絞り部内においてより流路面積の大きい空間を通過するように切替えられる。そのため、この第2運転領域において増大する排気抵抗を小さく抑えて、排気のポンピングロスを小さく、吸気効率を高くすることができ、この第2運転領域でも高いエンジントルク、また、高い熱効率すなわち燃費性能を得ることができる。
【0011】
本発明において、前記第2運転領域は、エンジンの回転数が前記基準回転数よりも高い高速領域と、エンジンの回転数が前記基準回転数よりも低い領域のうち前記低速高負荷領域を除く低速低負荷領域とを含むのが好ましい(請求項2)。
【0012】
このようにすれば、低速低負荷領域において過剰な掃気を抑制して気筒内の残留ガス量を確保し、これにより、吸気のポンピングロスおよび冷却損失を小さく抑えることができ、高い熱効率ひいては高い燃費性能を得ることができる。具体的には、低速低負荷領域では、吸気圧が低く筒内ガス量が少ないため、エゼクタ効果により高い掃気が行われると、気筒内の残留ガス量が少なくなることに伴って生じる吸気のポンピングロスの増大および燃焼温度の増大による冷却損失の増大の影響が大きくなり、熱効率が悪化するおそれがある。これに対して、本構成のように低速低負荷領域においてガス通過空間を連通して排気の通過する流路面積を大きくすれば、排気の速度を低く抑えて、周囲に生成する負圧を小さくく抑えることができ、これにより、過剰なエゼクタ効果ひいては過剰な掃気を抑制して気筒内の残留ガス量を確保することができる。
【0013】
また、この構成によれば、高速領域全体において、排気抵抗を小さく抑えて高い熱効率を得ることができる。
【0014】
本発明において前記独立排気通路および当該独立排気通路に対応する前記ガス通過空間は3つ以上設けられており、前記絞り部は、前記連通状態において、すべての前記ガス通過空間が互いに連通する形状を有しているのが好ましい(請求項3)。
【0015】
このようにすれば、第2運転領域において、絞り部内のうち各独立排気通路から排出された排気が通過する領域の流路面積をより大きくすることができる。そして、これにより、排気抵抗を抑えること、また、エゼクタ効果による過剰な掃気を抑えることができる。
【0016】
また、本発明において、前記絞り部内には、当該絞り部内の空間を区画可能な隔壁が設けられており、前記切替手段は、前記絞り部内に前記複数のガス通過空間が区画形成される位置に前記隔壁を配置することで前記絞り部内の空間を前記独立流通状態とし、前記隔壁をこの独立流通状態における位置から所定量ずらすことで前記絞り部内の空間を前記連通状態とするのが好ましい(請求項4)。
【0017】
このようにすれば、隔壁の位置を変更するという簡単な構成で、絞り部内の空間の状態を容易に切替えることができる。
【0018】
前記構成において、前記各独立排気通路および各ガス通過空間は、略円周上に配列されており、前記隔壁は、前記各ガス通過空間が並ぶ円周の中心を通って上下流方向に延びる中心軸から、径方向外側に延びており、前記切替手段は、前記隔壁を前記中心軸を中心として回動させるのが好ましい(請求項5)。
【0019】
このようにすれば、独立流通状態および連通状態のいずれにおいても、隔壁が上下流方向すなわち排気の流れ方向に沿って延びており、これらいずれの状態においても隔壁が排気の流れを阻害するのを回避することができる。
【0020】
前記構成において、前記第2運転領域は、エンジンの回転数が前記基準回転数よりも高い高速領域と、エンジンの回転数が前記基準回転数よりも低い領域のうち前記低速高負荷領域を除く低速低負荷領域とを含み、前記制御手段は、前記低速高負荷領域よりもエンジンの回転数が高いほど、あるいは、前記低速高負荷領域よりもエンジンの負荷が低いほど、前記切替手段により、前記隔壁の回動量を増大させるのが好ましい(請求項6)。
【0021】
この構成では、前記連通状態において、独立排気通路から排出された排気のうち隔壁によって他のガス通過空間側に向かうように分けられる排気の量がエンジン回転数が高く、エンジンの負荷が低くなるほど増大される。そのため、エンジン回転数の増大に伴い増大する排気流量に応じて、排気抵抗を適正に抑えることができる。
【0022】
このようにすれば、低速低負荷領域において過剰な掃気を抑制して気筒内の残留ガス量を確保し、これにより、吸気のポンピングロスおよび冷却損失を小さく抑えることができ、高い熱効率ひいては高い燃費性能を得ることができるとともに、高速領域全体において、排気抵抗を小さく抑えて高い熱効率を得ることができる。さらに、この構成では、独立排気通路から排出された排気のうち隔壁によって他のガス通過空間側に向かうように分けられる排気の量が、前記低速高負荷領域よりもエンジンの回転数が高いほど、あるいは、前記低速高負荷領域よりもエンジンの負荷が低いほど、増大される。そのため、エンジン回転数の増大に伴い増大する排気流量に応じて、排気抵抗を適正に抑えることができるとともに、エンジンの負荷が低くなるに伴い熱効率向上の面から増大する残留ガス量の必要量に応じて、過剰な掃気を適正に抑えることができ、運転領域全体において、エンジントルクおよび燃費性能をより高めることができる。
【0023】
ここで、前記のように、本発明では、絞り部内の空間の状態を変更することで、独立排気通路から排出された排気が通過する空間の流路面積を変更している。そのため、例えば、この流路面積を変更するために、絞り部と別に流路面積の大きい通路を設ける場合に比べて、エンジン本体から延びる排気系の構造を簡素化し、この排気系の長さを短くすることができる。そのため、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装置とを有し、前記触媒装置が、前記集合部の下流端に直接接続されていれば、エンジン本体から触媒装置まで距離を短くして、触媒装置に流入する排気の温度を高温化できる(請求項6)。すなわち、この構成によれば、触媒装置に流入する排気の温度を高めて、触媒装置の掃気活性化あるいは活性維持を促進することができる。
【発明の効果】
【0024】
以上説明したように、本発明によれば、より広い運転領域において吸気効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【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の概略構成図である。
【図2】図1の概略側面図である。
【図3】本発明の実施形態に係る多気筒エンジンの吸排気装置の制御系を説明するためのブロック図である。
【図4】本発明の実施形態に係る多気筒エンジンの吸排気装置におけ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5】図1のV−V線断面図である。
【図6】独立流通状態における絞り部と集合部付近を拡大して示した断面図である。
【図7】図6をVII−VII線で切断した切断面の図である。
【図8】図6をVIII−VIII線で切断した切断面の図である。
【図9】図6における絞り部の内側の様子を示した図である。
【図10】連通状態における絞り部と集合部付近を拡大して示した断面図である。
【図11】図10をXI−XI線で切断した切断面の図である。
【図12】図10をXII−XII線で切断した切断面の図である。
【図13】図10における絞り部の内側の様子を示した図である。
【図14】図7から隔壁を除いた図であって、絞り部本体の上流端を上流側から見た図である。
【図15】図8から隔壁を除いた図であって、絞り部本体の下流端を下流側から見た図である。
【図16】本発明の実施形態に係る多気筒エンジンの吸排気装置で用いられる制御マップを示した図である。
【図17】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18】本発明の他の実施形態に係る多気筒エンジンの吸排気装置で用いられる制御マップを示した図である。
【図19】発明の他の実施形態に係る多気筒エンジンの吸排気装置における図7と対応する図である。
【図20】発明の他の実施形態に係る多気筒エンジンの吸排気装置における図8と対応する図である。
【発明を実施するための形態】
【0026】
(1)装置の全体構成
図1は、本発明の第1実施形態に係る多気筒エンジンの吸排気装置100の概略構成図である。図2は、図1の概略側面図である。この装置100は、シリンダヘッド9およびシリンダブロック10(図2参照)を有するエンジン本体1と、ECU(制御手段、図3参照)90と、エンジン本体1に接続される排気マニホールド50と、排気マニホールド50に接続される触媒装置60とを備えている。
【0027】
シリンダヘッド9およびシリンダブロック10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、エンジン本体1は、直列4気筒のエンジンであって、シリンダヘッド9およびシリンダブロック10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。
【0028】
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。
【0029】
シリンダヘッド9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。
【0030】
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。
【0031】
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、ECU90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。
【0032】
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、ECU90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。
【0033】
なお、本実施形態では、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。
【0034】
(2)排気系の構成
排気マニホールド50と触媒装置60とを含む排気系の詳細について次に説明する。排気マニホールド50は、上流側から順に、3つの独立排気通路52と、絞り部53と、略円筒状の集合部58とを備えている。
【0035】
(2−1)独立排気通路52の構成
図1に示すように、各独立排気通路52は、シリンダヘッド9に形成された各気筒12の排気ポート18に接続されている。具体的には、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52,52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12b,2c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、二股状に形成された1つの独立排気通路52に接続されている。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52は、その上流側において2つの通路に分離しており、その一方に第2気筒12bの排気ポート18が接続され、他方に第3気筒12cの排気ポート18が接続されている。
【0036】
本実施形態では、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の中間位置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。また、図2に示すように、各独立排気通路52は、シリンダヘッド9から水平方向に延びた後、車両前後方向の後ろ斜め下方に向かって延びている。
【0037】
図5は、図1のV−V線断面図である。この図5に示されるように、前記独立排気通路52の下流端52aの断面形状、すなわち、この下流端52aの開口形状は円形であり、これら円形の下流端52aは、後ろ斜め下方に延びる軸線L上の点O1を中心とする円周面上に互いに等間隔に配列されている。
【0038】
(2−2)絞り部53の構成
図2等に示すように、絞り部53は、独立排気通路52の下流端部に沿って後ろ斜め下方に延びている。
【0039】
図6は、後述する独立流通状態における絞り部53と集合部58付近を拡大して示した断面図である。図7は、図6をVII−VII線で切断した切断面の図であり、独立流通状態における絞り部53の上流端を上流側から見た図である。図8は、図6をVIII−VIII線で切断した切断面の図であり、独立流通状態における絞り部53の下流端を下流側から見た図である。図9は、図6に示す独立流通状態における絞り部53の内側の一部を示した斜視図である。
【0040】
図10は、図6と対応する図であり、後述する連通状態における絞り部53と集合部58付近を拡大して示した断面図である。図11は、図10をXI−XI線で切断した切断面の図であり、連通状態における絞り部53の上流端を上流側から見た図である。図12は、図10をXII−XII線で切断した切断面の図であり、連通状態における絞り部53の下流端を下流側から見た図である。図13は、図10に示す連通状態における絞り部53の内側の一部を示した斜視図である。
【0041】
なお、図7、図8、図11、図12では、絞り部本体54と隔壁55とこれらで区画されて排気が通過可能な空間の位置がより明確になるように、この排気が通過可能な空間を黒く塗りつぶして示している。
【0042】
絞り部53は、本体54と、複数の隔壁56とを備えている。絞り部53の本体54は、軸Lを中心軸とする筒状部材であり、その内側には、各独立排気通路52から排出された排気が通過する空間が形成されている。各隔壁56は、絞り部本体54の内側を複数の空間に区画可能な部材である。
【0043】
図14は、図7から隔壁56を除いた図であって、絞り部本体54の上流端を上流側から見た図である。図15は、図8から隔壁56を除いた図であって、絞り部本体54の下流端を下流側から見た図である。
【0044】
図14等に示されるように、絞り部本体54の上流端の開口54aは、中心軸L上の点O2を中心とする円周上に互いに等間隔に配列された3つの第1仮想円201(図14に鎖線で示す)と、これら第1仮想円201の間の部分とで構成されている。第1仮想円201の間の部分は、点O2を中心とした3つの第1仮想円201の各中心付近を通る第2仮想円202の一部をなしており、絞り部本体54の上流端の開口54aは、第2仮想円202の円周上の互いに等間隔に並ぶ3つの円弧から径方向外側に膨出する3つ葉形状を有している。第1仮想円201どうしは互いに重複しておらず、第2仮想円202の径は、第1仮想円201の径よりもわずかに大きい寸法となっている。
【0045】
一方、図15等に示されるように、絞り部本体54の下流端の開口54bは、軸線L上の点O3を中心とする円形を有しており、これに対応して絞り部本体54の下流端の開口縁は円形リング状を有している。絞り部本体54の下流端の開口54bの径は、第2仮想円202の径と同じに設定されており、上下流方向から見て、絞り部本体54の下流端の開口54bと第2仮想円202とは一致する。
【0046】
このように、絞り部本体54の下流端の開口54bは、絞り部本体54の上流端の開口54aよりも小さく、絞り部本体54の内側空間は、下流に向かうほど流路面積が縮小している。
【0047】
具体的には、絞り部本体54の上流端の開口縁のうち第2仮想円202の円周の一部をなす3つの円弧部分からは、下流側に向かってそれぞれ中心軸Lと平行な面(以下、この部分をストレート面という)55aが延びている。前述のように、第2仮想円202と絞り部本体54の下流端の開口54bとは同一の円形であり、各ストレート面55aは、第2仮想円202の円周と絞り部本体54の下流端の開口縁との間で延びる仮想円筒の円筒面の一部を構成する。
【0048】
一方、絞り部本体54の上流端の開口縁のうち第1仮想円201の円周の一部をなす3つの円弧部分からは、それぞれ下流側に向かうに従って中心軸Lに近づく方向に傾斜する面(以下、この部分を縮径面という)55bが延びている。
【0049】
絞り部本体54の内周面は、これらストレート面55aと縮径面55bとで構成されており、絞り部本体54の各断面すなわち流路面積は、下流に向かうほど縮小している。
【0050】
各第1仮想円201は、各独立排気通路52の円形の下流端52aの開口と同一形状に設定されている。そして、絞り部本体54は、各第1仮想円201と各独立排気通路52の下流端52aの開口とが一致する位置で、各独立排気通路52の下流端52aに連結されている。
【0051】
隔壁56は、断面形状一定のまま上下流方向に延びる板状部材である。隔壁56の断面は、絞り部本体54の上流端の開口54aから3つの第1仮想円201を除いた部分と同じ形状を有している。隔壁56は、図7〜図9に示すように、その上流端がこの絞り部本体54の上流端の開口54aのうち3つの第1仮想円201を除いた部分に配置されることで、絞り部本体54内の空間を、これら3つの第1仮想円201から下流側に延びる3つのガス通過空間57に区画する。
【0052】
具体的には、隔壁56は、互いに一体に形成された上下流方向に延びる3つの仕切り壁56aからなる。各仕切り壁56aは、それぞれ中心軸Lから各ストレート面55aに向かって放射状に延びている。各仕切り壁56aの径方向の長さは第2仮想円202の半径と一致しており、各仕切り壁56aの径方向先端部分(以下、単に先端部分という)56a_1は、第2仮想円202の円周と絞り部本体54の下流端の開口縁との間で延びる仮想円筒の円筒面の一部を構成する。そのため、各仕切り壁56aが図6〜図9に示す位置(以下、区画位置という)に配置された状態で、各仕切り壁56aの先端部分56a_1は、ストレート面55aとその上下流方向全体にわたって面接触する。
【0053】
仕切り壁56aの外周面のうち先端部分56a_1間に延びる部分56a_2は、第1仮想円201の円周から中心軸Lと平行に下流側に延びる仮想円筒面の一部を構成する形状を有している。従って、各仕切り壁56aが区画位置に配置されて各仕切り壁56aの先端部分56a_1とストレート面55aとが面接触した状態で、絞り部本体54の上流端の開口54aは、図7に示すように、仕切り壁56aにより第1仮想円201からなる3つの領域に区画され、絞り部本体54の下流端の開口54bは、図8に示すように、仕切り壁56aにより円の略1/3をなす3つの扇形領域に区画される。そして、絞り部本体54内の空間は、上流端の第1仮想円201領域から下流端の扇形領域に向かって、流路面積が縮小する3つのガス通過空間57に区画される。すなわち、絞り部本体54内には、縮径面55bと仕切り壁56aの外周面56a_2とを内周面として互いに連通しない3つの通路が形成される。以下、仕切り壁56aが区画位置にあり、絞り部本体54内に互いに連通しない3つの通路が形成されている状態を独立流通状態という。
【0054】
前述のように、各第1仮想円201と各独立排気通路52の下流端52aの開口とは一致している。そのため、独立流通状態において、各独立排気通路52から排出された排気は、個別に3つのガス通過空間57に流入する。具体的には、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が、それぞれ対応するガス通過空間57に個別に流入する。また、前述のように、各ガス通過空間57は、その流路面積が下流側に向かうに従って縮小する形状を有している。従って、独立流通状態において、各独立排気通路52から排出された排気は各ガス通過空間57を通過することで速度が増大され、高速で集合部58内に流入する。
【0055】
隔壁56には、中心軸Lに沿って延びる回動軸56b(図1および図9参照)が連結されている。この回動軸56bは、隔壁56の上流端から上流側に延びており、その先端は、絞り部53および独立排気通路52の外側に露出している。回動軸56bの先端には、この回動軸56bおよび隔壁56すなわち各仕切り壁56aを回動させる回動アクチュエータ56c(図1および図3参照)が取り付けられている。回動アクチュエータ56cは、後述するECU90の指令を受けて、回動軸56bおよび各仕切り壁56aを中心軸L周りに回動させる。各仕切り壁56aが区画位置(独立流通状態に対応する図6〜図9の位置)から回動されると、絞り部本体54内の区画状態は変化し、各仕切り壁56aにより区画されていた各ガス通過空間57は互いに連通する。以下、この各ガス通過空間57どうしが連通している状態を、連通状態という。
【0056】
具体的には、前述のように、各仕切り壁56aの先端部分56a_1は、第2仮想円202の円周と絞り部本体54の下流端の開口縁との間で延びる仮想円筒の円筒面の一部を構成している。そのため、各仕切り壁56aの先端部分56a_1は、回動アクチュエータ56cにより駆動されることで、この仮想円筒の円筒面に沿って移動する。従って、各仕切り壁56aの先端部分56a_1がストレート面55aと面接触する前記区画位置からずれた場合、絞り部本体54の下流端において、各仕切り壁56aの先端部分56a_1と絞り部本体54の内周面(絞り部本体54の下流端の開口縁)との接触は維持される。一方、この場合において、絞り部本体54の下流端よりも上流側の部分では、図11に示すように、各仕切り壁56aの先端部分56a_1は、絞り部本体54の内周面(縮径面55b)から離間し、先端部分56a_1と絞り部本体54の内周面55bとの接触は解除される。3つのガス通過空間57は、この先端部分56a_1と絞り部本体54の内周面55bとが接触することにより互いに連通しない空間に区画されており、この接触が解除されるのに伴い3つのガス通過空間57は互いに連通する。
【0057】
本実施形態では、回動アクチュエータ56cは、回動軸56bおよび隔壁56すなわち各仕切り壁56aを60度回動可能であって、各仕切り壁56aを区画位置と、図11に示すように、各仕切り壁56aが中心軸Lから各ガス通過空間57の中心に向かって延びて3つのガス通過空間57が互いに連通する位置(以下、この位置を連通位置という)との間で回動させる。
【0058】
このように、各仕切り壁56aが区画位置から連通位置に回動されて各ガス通過空間57が連通し、絞り部53内の状態が連通状態とされると、各独立排気通路52から排出された排気は、対応するガス通過空間(独立排気通路52の下流端と一致する上流端を有するガス通過空間)57に流入した後、このガス通過空間に加えて他のガス通過空間57内にも流入していく。そのため、絞り部本体54の内側空間のうち各独立排気通路52から排出された排気が通過する空間の容積、流路面積は、独立流通状態よりも増大する。これに伴い、排気は、独立流通状態よりも抵抗の小さい状態で絞り部53を通過する。
【0059】
特に、本実施形態では、各仕切り壁56aが連通位置にある状態において、各仕切り壁56aは中心軸Lから各ガス通過空間57の中心軸に向かって延びており、各仕切り壁56aと各ガス通過空間57の内周面(縮径面55b)との距離が十分に確保されている。そのため、各独立排気通路52から排出された排気は、他の独立排気通路52と対応するガス通過空間57側により多く流入することができ、排気は、確実に抵抗の小さい状態で絞り部53を通過する。
【0060】
ここで、各仕切り壁56aは、区画位置および連通位置のいずれの位置にある場合でも、上下流方向すなわち排気の流れ方向に延びている。そのため、仕切り壁56aが排気の流れを阻害することはなく、排気は抵抗の小さい状態で絞り部本体54を通過する。また、各仕切り壁56aは後ろ斜め下方に延びる中心軸Lに沿って延びている。そのため、排気に含まれる水分が仕切り壁56aに付着した場合であっても、水分は下流側に流下し、水分による仕切り壁56aの腐食は抑制される。
【0061】
以上のように、本実施形態では、前記隔壁56と、回動軸56bと、回動アクチュエータ56cとが、各独立排気通路52から排出された排気が絞り部53内を互いに独立して通過するように、各独立排気通路52と個別に連通する複数のガス通過空間57に絞り部53内の空間を区画する独立流通状態と、各独立排気通路52に対応する複数のガス通過空間57どうしが互いに連通する連通状態とに、絞り部53の状態を切替え可能な切替手段として機能する。
【0062】
(2−3)集合部58の構成
集合部58は、各独立排気通路52から排出されて絞り部53を通過した排気が合流する部分である。集合部58は、図1、図6、図10に示すように、上流側から順に、ノズル部58a、ストレート部58b、ディフューザー部58cを備えている。
【0063】
前述のように、独立流通状態において、各独立排気通路52から排出された排気は、前記ガス通過空間57を個別に、かつ、高速で通過して、集合部58内に流入する。そのため、独立流通状態において、排気が高速で排出されたガス通過空間57に隣接する他のガス通過空間57内には、エゼクタ効果によって負圧が生成する。
【0064】
ノズル部58aは、エゼクタ効果がより効果的に得られ、所定の独立排気通路52およびガス通過空間57から排出された排気によって他のガス通過空間57ひいてはこのガス通過空間57と連通する他の独立排気通路52が接続された排気ポート18内に高い負圧が生成されるような形状を有している。
【0065】
具体的には、ノズル部58aは、各ガス通過空間57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、ノズル部58aの下流端の流路面積は、各独立排気通路52の下流端52aの流路面積の合計よりも小さく設定されている。
【0066】
ここで、1つのガス通過空間57の下流端の流路面積であって絞り部本体54の下流端の開口面積の約1/3の面積と同じ面積を有する真円の直径をa(図6参照)とし、ノズル部58a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(図6参照)とした場合、a/Dがa/D≧0.5の範囲に設定されていればノズル部58aを排気が十分に高い速度で通過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、ノズル部58aの下流端の流路面積を、a/D≧0.5を満足するように構成している。
【0067】
また、本実施形態では、ノズル部58aや下流側のストレート部58bにおいて圧力の不均一が生じ、これにより下流側への排気の吸出し力が低下するのを抑制するべく、ノズル部58aの上流側部分58a_1の内側面を独立排気通路52の下流端に対して、ガスの流れ方向と直交する方向に膨出させている。具体的には、ノズル部58aの上流側部分58a_1は、絞り部本体54の下流端の内径よりも大きな内径を有する円筒で構成されており、ノズル部58aの下流側部分58a_2は、下流に向かうに従って流路面積が縮小する形状で構成されている。
【0068】
ストレート部58bは、ノズル部58aの下流端から下流側に延びる円筒であり、ノズル部58aの下流端の流路面積と同じ流路面積一定で上下流方向に延びている。ディフューザー部58cは、このストレート部58bの下流端から下流に向かうに従って流路面積が拡大する略円錐台形状の筒状部材である。
【0069】
このようにノズル部58aからストレート部58bまでの部分は、上流側の流路面積の方が下流側よりも大きく設定されている。そのため、絞り部本体54から排出された排気はノズル部58aとストレート部58bとを高速で通過する。このとき、排気の圧力・温度は低下するため、ノズル部58aおよびストレート部58bにおいて、排気の外部への放熱量は小さく抑えられる。そして、ストレート部58bを通過した排気は、下流に向かうに従って流路面積が拡大するディフューザー部58cに流入することで、その圧力・温度が回復され、高い温度を維持したまま下流側に排出される。
【0070】
本実施形態では、ノズル部58aとストレート部58bとディフューザー部58cとは、中空の外側管58d内に挿入されており、ノズル部58aからディフューザー部58cまでの部分は二重管構造となっている。そのため、これらノズル部58a等からなる集合部58の通過時に、排気の外部への放熱はより一層抑制され、集合部58からは高い温度の排気が下流側に排出される。
【0071】
(2−4)触媒装置60の構成
図1に示すように、触媒装置60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。触媒装置60は、触媒本体(触媒)64と触媒本体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は排気の流れ方向と平行に延びる略円筒状を有している。触媒本体64は、排気中の有害成分を浄化するためのものである。触媒本体64は、例えば、理論空燃比の雰囲気下で三元触媒機能を有し、三元触媒を含有する。
【0072】
触媒本体64は、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、ケーシング62の上流端61には所定の空間が形成されている。集合部58の下流端、詳細には、ディフューザー部58cの下流端はケーシング62の上流端61に接続されており、ディフューザー部58cから排出された排気はケーシング62の上流端61に流入した後、触媒本体64側へ進行する。
【0073】
前述のように、集合部58からは、高い温度の排気が下流側に排出される。そのため、このように集合部58に直接触媒装置60が接続されていることで、触媒装置60内には高温の排気が流入し、これにより、触媒本体64は早期活性化される、また、触媒本体64の活性状態が確実に維持される。
【0074】
(3)制御系
図3は、エンジンの制御系を示すブロック図である。この図3に示されるECU90は、エンジンの各部を統括的に制御するための装置(制御手段)であり、周知のCPU、ROM、RAM等から構成されている。
【0075】
ECU90には、エンジンに設けられた各種センサから種々の情報が入力される。ECU90は、エンジンに設けられたクランク角センサSW2、吸気量センサSW4と電気的に接続されており、これら各センサSW2、SW4からの入力信号に基づいて、エンジン回転数Ne、吸気量ひいてはエンジン負荷Tといった種々の情報を取得する。
【0076】
ECU90は、その主な機能的要素として、判定手段91、吸排気制御手段92、回動アクチュエータ制御手段94を有している。
【0077】
判定手段91は、エンジン回転数Neとエンジン負荷Tとに基づいて、エンジンをどのような態様で制御すべきかを都度判定するものである。図16は、エンジン回転数Neおよび負荷Tに基づき決定される制御の種類を区分けして示す設定図(制御マップ)である。エンジンの運転中、前記判定手段91は、この図16の制御マップに従うようにエンジンの制御内容を決定する。
【0078】
図16の制御マップにおいて、エンジンの回転数Neが基準回転数N1以下の低速領域のうちエンジン負荷Tが基準負荷T1以上の低速高負荷領域には第1運転領域A1が設定されており、それ以外の領域には、第2運転領域A2が設定されている。第2運転領域A2は、エンジン回転数Neが基準回転数N1以上の高速領域A2_1と、エンジンの回転数Neが基準回転数N1未満の低速領域のうちエンジン負荷Tが基準負荷T1以下の低速低負荷領域A2_2とからなる。本実施形態では、基準負荷T1は、エンジン回転数Neが高くなるほど高くなるように設定されている。また、基準回転数N1は、例えば、2500rpm付近に設定されている。
【0079】
判定手段91は、エンジンの運転中において、エンジンの運転点(負荷Tおよび回転数Neの各値から特定される制御マップ上でのポイント)が第1運転領域A1であるか第2運転領域A2であるかを常に判断する。
【0080】
再び図3に戻って、吸排気制御手段92は、吸気VVT32および排気VVT42を駆動することにより、吸気弁19および排気弁20の開閉タイミングを変更する。
【0081】
回動アクチュエータ制御手段94は、回動アクチュエータ56cを駆動することにより、回動軸56bおよび隔壁56ひいては各仕切り壁56aを回動させて、各仕切り壁56aの位置を区画位置と連通位置とで切替え、絞り部本体54の状態を独立流通状態と連通状態とで切替える。
【0082】
ECU90は、その他、点火プラグ15等を運転状態に応じて適正に制御する。
【0083】
(4)各運転領域での制御内容
次に、以上のような機能を有するECU90の制御に基づき、図16に示した各運転領域(A1,A2)で、それぞれどのような制御が実施されるのかを説明する。ECU90は、クランク角センサSW2および吸気量センサSW4の各検出値に基づいて、エンジンの運転点(負荷Tおよび回転数Ne)が図16の制御マップにおけるどの運転領域に該当するかを逐次判定する。そして、判定された運転領域が、図16中の第1運転領域A1と第2運転領域A2のいずれであるかに応じて、それぞれ以下のような制御を実行する。
【0084】
(i)第1運転領域A1
第1運転領域A1では、図4に示すように、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調整される。詳細には、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が開弁するよう調整される。
【0085】
また、第1運転領域A1では、各仕切り壁56aの位置が区画位置とされて、絞り部53内の状態が独立流通状態とされる。すなわち、各独立排気通路52から排出された排気が、各独立排気通路52に対応する各ガス通過空間57であって、下流側ほど流路面積が小さく設定された空間57、をそれぞれ個別に通過して集合部58に流入するように制御される。
【0086】
このように制御されることで、第1運転領域A1では、所定の気筒(排気行程気筒)12の排気弁20が開弁して排気行程気筒12から所定のガス通過空間57を通って集合部58に排気が高速で排出されると、排気順序が排気行程気筒12の1つ前に設定された他の気筒(吸気行程気筒)に対応するガス通過空間およびこの気筒12に接続される排気ポート18内にエゼクタ効果により負圧が生成される。そして、排気行程気筒12の排気弁20開弁時に吸気行程気筒がオーバーラップ期間中にあることから、前記負圧によって、吸気行程気筒12内の残留ガスの多くが排気ポート18側に吸い出され、吸気行程気筒12内の掃気が促進される。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)が排出されるため、このブローダウンガスが排出された直後は、吸気行程気筒12内の残留ガスの多くが排気ポート18側に吸い出される。掃気が促進されると、吸気効率が増大する。従って、この第1運転領域A1では、高いエンジントルクが実現される。また、気筒12内の残留ガス量が少なくなりノッキングが抑制されるのに伴って点火時期の進角化が可能となることによっても、高いエンジントルクが実現される。
【0087】
なお、本装置において、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17に示すように、各弁19,20のリフトカーブにおいてリフトが急峻に立ち上がるあるいは立ち下がる時期(ランプ部の終わり、または、開始の時期)であり、例えば0.4mmリフトの時期をいう。
【0088】
(ii)第2運転領域A2の高速領域A2_1
第2運転領域A2のうちエンジンの回転数Neが高い高速領域A2_1では、排気流量が大きい。そのため、高速領域A2_1において、第1運転領域A1と同様に、各独立排気通路52から排出された排気を、下流に向かうに従って流路面積が縮小するガス通過空間57内に排出したのでは、エゼクタ効果による掃気性能向上効果よりも背圧が高くなることによる掃気性能の悪化の方が大きくなる。そこで、この高速領域A2_1では、次のような制御を実施する。
【0089】
高速領域A2_1では、排気弁20の開弁期間と吸気弁19の開弁期間とが、オーバーラップしないように調整される。また、第2運転領域A2では、各仕切り壁56aの位置が連通位置とされて、絞り部53内の状態が連通状態とされる。すなわち、3つのガス通過空間57が互いに連通して、各独立排気通路52から排出された排気が、各独立排気通路52にそれぞれ対応するガス通過空間57に流入した後、このガス通過空間57に加えて他の独立排気通路52と対応するガス通過空間にも流入するように制御される。
【0090】
このように制御されることで、第2運転領域A2のうちの高速領域A2_1では、各独立排気通路52から排出された排気は、絞り部53において、3つのガス通過空間57により構成された第1運転領域A1よりも流路面積の大きい空間を通過する。そのため、絞り部53において生じる排気抵抗は小さく抑えられる。このように、排気抵抗が小さく抑えられることで、高速領域A2_1では、排気のポンピングロスは小さく抑えられ、また、吸気効率は高くされ、これにより高いエンジントルク、高い熱効率が実現される。
【0091】
(iii)第2運転領域A2の低速低負荷領域A2_2
第2運転領域A2のうちエンジンの回転数Neが低くエンジン負荷Tが低い低速低負荷領域A2_2では、吸気圧が低く筒内ガス量が少ない。そのため、エゼクタ効果により高い掃気が行われて、これに伴い、気筒12内の残留ガス量が少なくなると、吸気のポンピングロスが増大する、また、燃焼温度が増大して冷却損失が増大するという、熱効率に対して好ましくない作用が生じる。また、そもそも、低速低負荷領域A2_2では、要求新気量が少なく、エゼクタ効果に伴う高い吸気効率を得る必要が小さい。
【0092】
そこで、低速低負荷領域A2_2では、高速領域A2_1と同様に、エゼクタ効果が発揮されないよう、各仕切り壁56aの位置が連通位置とされて、絞り部53内の状態が連通状態とされる。
【0093】
ただし、低速低負荷領域A2_2では、前述のように残留ガスが多い方が望ましい。そのため、低速低負荷領域A2_2では、高速領域A2_1と異なり、残留ガスがより多く得られるように、排気弁20の開弁期間と吸気弁19の開弁期間とは、オーバーラップするように制御される。
【0094】
このように制御されることで、第2運転領域A2のうちの低速低負荷領域A2_2では、各独立排気通路52から排出された排気は、絞り部53において、流路面積のより大きい空間を通過し、これにより、エゼクタ効果ひいては掃気が抑制される。掃気が抑制されると気筒12内にはより多くの残留ガスが残存する。そのため、低速低負荷領域A2_2では、吸気のポンピングロスおよび冷却損失が低減し、高い熱効率すなわち高い燃費性能が実現される。
【0095】
(5)作用効果
以上のように、本装置では、絞り部53内の状態を独立流通状態と連通状態とに切替えるという簡単な構成で、第1運転領域A1において、エゼクタ効果を利用して高いエンジントルクを得つつ、第2運転領域A2のうちの高速領域A2_1において排気抵抗を抑制して高いエンジントルクおよび燃費性能を得ることができるともに、第2運転領域A2のうちの低速低負荷領域A2_2において掃気を抑制して残留ガスを確保し、高い燃費性能を得ることができる。
【0096】
特に、本実施形態では、絞り部53内の状態が連通状態とされた場合に3つのガス通過空間57が全て連通しており、排気が通過する絞り部53内の空間の容積、流路面積をより大きく確保されている。そのため、第2運転領域A2の高速領域A2_1において、排気抵抗をより確実に小さく抑えることができるとともに、第2運転領域A2の低速低負荷領域A2_2において、掃気をより確実に抑制して残留ガスをより多く確保することができる。
【0097】
また、本実施形態では、隔壁56を回動させて、絞り部53の内側空間の区画状態を変更ることで、絞り部53内の状態を独立流通状態と連通状態とに切替えており、この切替えが簡単な構成で実現されている。
【0098】
また、このように絞り部53の内側空間の区画状態を変更して各独立排気通路52から排出された排気が通過する空間の流路面積を変更するという構成をとっており、独立排気通路52と集合部58との間に、エゼクタ効果を得るべく流路面積が下流側ほど小さくなるように構成された通路と、高速領域での排気抵抗および低速低負荷領域での過剰な掃気を抑えるべくこのエゼクタ用の通路をバイパスする通路とを個別に設ける場合に比べて、独立排気通路52から集合部58までの距離を短くすることができ、集合部58に直接連結された触媒装置60に流入する排気の温度を高く維持することができる。そのため、触媒本体64の掃気活性化あるいは触媒本体64の活性維持を促進することができる。
【0099】
(6)他の実施形態
前記第1実施形態では、各仕切り壁56aを区画位置と、この区画位置から60度ずれて各仕切り壁56aが中心軸Lから第1仮想円201の中心に向かって延びるようになる連通位置とのいずれか一方に切替える場合について示したが、各仕切り壁56aすなわち隔壁56の位置を運転条件に応じてより細かく変更させてもよい。例えば、図18の矢印に示すように、低速高負荷領域(第1運転領域)A1よりもエンジン回転数Neが増大する、また、エンジン負荷Tが低下するほど、区画位置からのずれ量すなわち隔壁56の回動量を増大させるようにしてもよい。具体的には、第2運転領域A2のうち、基準負荷T1とほぼ平行な第2基準負荷T2よりもエンジン回転数が低く、エンジ負荷が高い領域A2_2bにおいて、各仕切り壁56aを区画位置から30度ずらすようにしてもよい。また、領域A2_2bにおいて、各仕切り壁56aを、図18の矢印に示すようにエンジン回転数が高くなるほど、また、エンジン負荷が高くなるほど、区画位置からの連続的にずらしてもよい。例えば、隔壁56の回動量を、0〜60度の間で連続的に変化させてもよい。
【0100】
ここで、隔壁56の回動量が小さく、隔壁56の区画位置からのずれ量が小さい場合は、各独立排気通路52から排出された排気の多くが対応するガス通過空間57に他の独立排気通路52に対応するガス通過空間57側に向かう量が小さく抑えられる。そして、より多くの排気が、対応する1つのガス通過空間57すなわちエゼクタ効果が得られるよう構成された空間を通過する。そのため、この場合には、排気抵抗を適度に抑えつつ、比較的高いエゼクタ効果すなわち掃気性能を得ることができる。
【0101】
これより、前記のように、低速高負荷領域A1からエンジン回転数Neが増加するに従って、隔壁56の回動量を増大させれば、エゼクタ効果を得つつエンジン回転数Neの増大に伴う排気流量の増加に合わせて適正に排気抵抗を抑制することができ、掃気性能をより高めることができる。また、低速高負荷領域A1よりもエンジン負荷Tが低下して、要求新気量が小さくなり必要とされる残留ガス量が増大するのに従って、隔壁56の回動量を増大させてエゼクタ効果を低減させれば、エンジン負荷に応じて残留ガス量を適正に調整して高い燃費性能を得ることができる。
【0102】
また、絞り部53の詳細構造は前記に限らない。例えば、図19に示すように、絞り部253の絞り部本体254上流端の開口254aが円形であり、絞り部本体254内の空間が、この上流端の開口254aよりも面積の小さい下流端の円形の開口254bに向かって流路面積が徐々に縮小する略円錐台形状であってもよい。そして、絞り部本体254の中心軸から径方向外側に延びる複数の仕切り壁256aを有する隔壁256が、絞り部本体254内の空間を、上下流方向全体にわたって扇形の断面を有するガス通過空間257に区画するようにしてもよい。
【0103】
この実施形態において、隔壁256ひいては各仕切り壁256aは、第1実施形態と同様に絞り部本体254の中心軸を中心として回動される。そして、各仕切り壁256aは、図19に示すように絞り部本体254内の空間を各独立排気通路52とそれぞれ個別に連通する3つのガス通過空間257に区画して、絞り部253内の状態を各独立排気通路52から排出された排気が独立して対応するガス通過空間257に流入する独立流通状態とする区画位置と、図20に示すようにこの区画位置からずれて、絞り部253内の状態を複数のガス通過空間が互いに連通する連通状態とさせる連通位置との間で移動する。ここで、図19は、図7と対応する図である。図20は、図8と対応する図である。
【0104】
この実施形態では、各仕切り壁256aの先端部分256a_1は、回動位置によらず常に絞り部本体254の内周面254dと接触している。そのため、各仕切り壁256aが図20に示す連通位置に回動された状態において、隣接する2つのガス通過空間257が連通し、各独立排気通路52から排出された排気は、2つのガス通過空間257に流入する。
【0105】
このようにして、連通状態において、3つのガス通過空間257のうち2つのガス通過空間257のみが連通するように構成してもよい。ただし、3つのガス通過空間257の全てが連通すれば、連通状態において、絞り部253内の排気が通過する空間の容積、流路面積をより大きくすることができ、排気抵抗をより少なく抑えることができる。
【符号の説明】
【0106】
12 気筒
18 排気ポート
19 吸気弁
20 排気弁
52 独立排気通路
53 絞り部
54 隔壁(切替手段)
56c 回動アクチュエータ(切替手段)
60 触媒装置
90 ECU(制御手段)
【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て内側を排気が通過する独立排気通路と、
前記各独立排気通路よりも下流側に設けられて、当該各独立排気通路を通過した排気が内側で集合する集合部と、
前記各独立排気通路と前記集合部との間に介在して、内側を前記各独立排気通路から排出された排気が通過する絞り部と、
前記各独立排気通路から排出された排気が前記絞り部内を互いに独立して通過するように、前記各独立排気通路と個別に連通する複数のガス通過空間に前記絞り部内の空間を区画する独立流通状態と、前記各独立排気通路に対応する前記複数のガス通過空間どうしが互いに連通する連通状態とに、前記絞り部の状態を切替え可能な切替手段と、
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、
前記切替手段および前記バルブ駆動手段を制御可能な制御手段とを備え、
前記各ガス通過空間は、前記独立流通状態において、各気筒の排気ポートから前記独立排気通路および前記ガス通過空間を通って前記集合部に排気が排出されるのに伴い隣接する他のガス通過空間およびこのガス通過空間と連通する独立排気通路に接続された排気ポート内にエゼクタ効果によって負圧が生成されるように、その下流側の流路面積がその上流側の流路面積よりも小さくなる形状を有するとともに、排気順序が連続する気筒に接続された前記独立排気通路に対応するガス通過空間が互いに隣り合うように配置されており、
前記制御手段は、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を少なくとも含む第1運転領域において、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、前記バルブ駆動手段により前記各気筒の吸気弁および排気弁を駆動させるとともに、前記切替手段により前記絞り部の状態を前記独立流通状態にさせる一方、エンジンの回転数が前記基準回転数よりも高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高速高負荷領域を少なくとも含む第2運転領域において、前記切替手段により前記絞り部の状態を前記連通状態にさせ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、
前記第2運転領域は、エンジンの回転数が前記基準回転数よりも高い高速領域と、エンジンの回転数が前記基準回転数よりも低い領域のうち前記低速高負荷領域を除く低速低負荷領域とを含む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、
前記独立排気通路および当該独立排気通路に対応する前記ガス通過空間は3つ以上設けられており、
前記絞り部は、前記連通状態において、すべての前記ガス通過空間が互いに連通する形状を有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、
前記絞り部内には、当該絞り部内の空間を区画可能な隔壁が設けられており、
前記切替手段は、前記絞り部内に前記複数のガス通過空間が区画形成される位置に前記隔壁を配置することで前記絞り部内の空間を前記独立流通状態とし、前記隔壁をこの独立流通状態における位置から所定量ずらすことで前記絞り部内の空間を前記連通状態と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5】
請求項4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および各ガス通過空間は、略円周上に配列されており、
前記隔壁は、前記各ガス通過空間が並ぶ円周の中心を通って上下流方向に延びる中心軸から、径方向外側に延びており、
前記切替手段は、前記隔壁を前記中心軸を中心として回動させ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6】
請求項5に記載の多気筒エンジンの吸排気装置において、
前記第2運転領域は、エンジンの回転数が前記基準回転数よりも高い高速領域と、エンジンの回転数が前記基準回転数よりも低い領域のうち前記低速高負荷領域を除く低速低負荷領域とを含み、
前記制御手段は、前記低速高負荷領域よりもエンジンの回転数が高いほど、あるいは、前記低速高負荷領域よりもエンジンの負荷が低いほど、前記切替手段により、前記隔壁の回動量を増大させ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7】
請求項1〜6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、
前記各気筒から排出された排気を浄化可能な触媒装置を有し、
前記触媒装置は、前記集合部の下流端に直接接続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て内側を排気が通過する独立排気通路と、
前記各独立排気通路よりも下流側に設けられて、当該各独立排気通路を通過した排気が内側で集合する集合部と、
前記各独立排気通路と前記集合部との間に介在して、内側を前記各独立排気通路から排出された排気が通過する絞り部と、
前記各独立排気通路から排出された排気が前記絞り部内を互いに独立して通過するように、前記各独立排気通路と個別に連通する複数のガス通過空間に前記絞り部内の空間を区画する独立流通状態と、前記各独立排気通路に対応する前記複数のガス通過空間どうしが互いに連通する連通状態とに、前記絞り部の状態を切替え可能な切替手段と、
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、
前記切替手段および前記バルブ駆動手段を制御可能な制御手段とを備え、
前記各ガス通過空間は、前記独立流通状態において、各気筒の排気ポートから前記独立排気通路および前記ガス通過空間を通って前記集合部に排気が排出されるのに伴い隣接する他のガス通過空間およびこのガス通過空間と連通する独立排気通路に接続された排気ポート内にエゼクタ効果によって負圧が生成されるように、その下流側の流路面積がその上流側の流路面積よりも小さくなる形状を有するとともに、排気順序が連続する気筒に接続された前記独立排気通路に対応するガス通過空間が互いに隣り合うように配置されており、
前記制御手段は、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を少なくとも含む第1運転領域において、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、前記バルブ駆動手段により前記各気筒の吸気弁および排気弁を駆動させるとともに、前記切替手段により前記絞り部の状態を前記独立流通状態にさせる一方、エンジンの回転数が前記基準回転数よりも高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高速高負荷領域を少なくとも含む第2運転領域において、前記切替手段により前記絞り部の状態を前記連通状態にさせ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、
前記第2運転領域は、エンジンの回転数が前記基準回転数よりも高い高速領域と、エンジンの回転数が前記基準回転数よりも低い領域のうち前記低速高負荷領域を除く低速低負荷領域とを含む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、
前記独立排気通路および当該独立排気通路に対応する前記ガス通過空間は3つ以上設けられており、
前記絞り部は、前記連通状態において、すべての前記ガス通過空間が互いに連通する形状を有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、
前記絞り部内には、当該絞り部内の空間を区画可能な隔壁が設けられており、
前記切替手段は、前記絞り部内に前記複数のガス通過空間が区画形成される位置に前記隔壁を配置することで前記絞り部内の空間を前記独立流通状態とし、前記隔壁をこの独立流通状態における位置から所定量ずらすことで前記絞り部内の空間を前記連通状態と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5】
請求項4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および各ガス通過空間は、略円周上に配列されており、
前記隔壁は、前記各ガス通過空間が並ぶ円周の中心を通って上下流方向に延びる中心軸から、径方向外側に延びており、
前記切替手段は、前記隔壁を前記中心軸を中心として回動させ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6】
請求項5に記載の多気筒エンジンの吸排気装置において、
前記第2運転領域は、エンジンの回転数が前記基準回転数よりも高い高速領域と、エンジンの回転数が前記基準回転数よりも低い領域のうち前記低速高負荷領域を除く低速低負荷領域とを含み、
前記制御手段は、前記低速高負荷領域よりもエンジンの回転数が高いほど、あるいは、前記低速高負荷領域よりもエンジンの負荷が低いほど、前記切替手段により、前記隔壁の回動量を増大させ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7】
請求項1〜6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、
前記各気筒から排出された排気を浄化可能な触媒装置を有し、
前記触媒装置は、前記集合部の下流端に直接接続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。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【公開番号】特開2013−44236(P2013−44236A)
【公開日】平成25年3月4日(2013.3.4)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−180294(P2011−180294)
【出願日】平成23年8月22日(2011.8.22)
【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3月4日(2013.3.4)
【国際特許分類】
【出願日】平成23年8月22日(2011.8.22)
【出願人】(000003137)マツダ株式会社 (6,115)
【Fターム(参考)】
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