多気筒エンジン
【課題】低速低負荷領域において多量の高温の排気を気筒内に残留させつつ、低速高負荷領域において、気筒内の高温排気の残留量を少なく抑えることのできる多気筒エンジンを提供する。
【解決手段】排気マニホールド50内の排気の流通状態を、各独立排気通路52内の排気が、流路面積が下流側ほど小さくなる通路を通る第1状態と、各独立排気通路52内の排気が第1状態よりも流路面積の大きい通路を通る第2状態とに変更可能であるとともに、独立排気通路52内の排気が共通排気通路50aに流入するまでに通過する通路の流路面積を連続的に変更可能な通路状態変更手段55fを設け、低速高負荷領域A1において、前記流通状態を第1状態にし、排気弁の再開弁動作を停止し、低速低負荷領域A2において、前記流通状態を第2状態にし、排気弁の再開弁動作を実施する一方、中負荷領域A3において、排気の通路の流路面積を負荷の増大に伴い減少させる。
【解決手段】排気マニホールド50内の排気の流通状態を、各独立排気通路52内の排気が、流路面積が下流側ほど小さくなる通路を通る第1状態と、各独立排気通路52内の排気が第1状態よりも流路面積の大きい通路を通る第2状態とに変更可能であるとともに、独立排気通路52内の排気が共通排気通路50aに流入するまでに通過する通路の流路面積を連続的に変更可能な通路状態変更手段55fを設け、低速高負荷領域A1において、前記流通状態を第1状態にし、排気弁の再開弁動作を停止し、低速低負荷領域A2において、前記流通状態を第2状態にし、排気弁の再開弁動作を実施する一方、中負荷領域A3において、排気の通路の流路面積を負荷の増大に伴い減少させる。
【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多気筒エンジンに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、ガソリンエンジンにおける低負荷領域での圧縮自己着火燃焼の実現のため、また、冷間始動時における触媒の早期昇温、早期活性化等のために、低負荷領域において気筒内に高温の排気を逆流(還流)させて気筒内に残留する高温の排気量を増大させ、これにより温度を高める技術(EGR技術)の開発が行われている。
【0003】
圧縮自己着火燃焼は、燃焼室に生成された混合気をピストンで圧縮し、高温・高圧の環境下で、火花点火によらず混合気を自着火させるというものである。この圧縮自己着火燃焼では、燃焼室の各所で同時多発的に自着火するため、火花点火による燃焼に比べて、高い熱効率が得られると言われている。しかしながら、圧縮自己着火燃焼を実現するためには、混合気を自着火可能な温度にまで高める必要がある。そこで、この混合気の温度上昇を実現するために、高温の排気を気筒内に戻すEGR技術が用いられる。
【0004】
例えば、下記特許文献1に開示されたエンジンでは、排気弁が排気行程中に加えて吸気行程中にも開弁可能なように構成されており、気筒内の温度が低い低負荷領域において、排気弁を排気行程および吸気行程にも開弁させる排気二度開き制御を行うことで、高温の排気を気筒内に逆流させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2007−85241号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
前記のように、低速低負荷領域において、高温の排気を多量に気筒内に残留させて混合気の温度を高めることが望まれている。しかしながら、負荷の高い領域では、高温の排気が気筒内に多量に存在すると、混合気の温度が過剰に高くなり異常燃焼が生じる、あるいは、新気の導入量が少なくなりエンジントルクが低下するという問題がある。
【0007】
本発明は、このような事情に鑑み、低速低負荷領域において多量の高温の排気を気筒内に残留させつつ、低速高負荷領域において、気筒内の高温排気の残留量を少なく抑えることのできる多気筒エンジンの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
前記課題を解決するために、本発明は、吸気ポートと排気ポートと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、を有する複数の気筒を備えた多気筒エンジンであって、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よりも下流側に設けられて前記各独立排気通路を通過した排気が内側で集合する共通排気通路とを含む排気マニホールドと、前記排気マニホールド内の排気の流通状態を、前記各独立排気通路内の排気が前記共通排気通路に流入するのに伴いエゼクタ効果によって他の独立排気通路内に負圧が生成されるように、前記各独立排気通路内の排気が、互いに近接しかつ流路面積が下流側ほど小さくなる通路をそれぞれ個別に通って前記共通排気通路に流入する第1状態と、前記各独立排気通路内の排気が前記第1状態よりも流路面積の大きい通路を通過して前記共通排気通路に流入する第2状態とに変更可能であるとともに、前記各独立排気通路内の排気が前記共通排気通路に流入するまでに通過する通路の流路面積を前記第1状態における面積と第2状態における面積との間で連続的に変更可能な通路状態変更手段と、前記吸気弁と前記排気弁とを駆動可能なバルブ駆動手段と、前記吸気弁と前記排気弁の動作、前記通路状態変更手段の動作、前記バルブ駆動手段の動作を制御可能な制御手段とを備え、前記バルブ駆動手段は、前記排気弁を排気行程での開弁動作のほかに吸気行程で再度開弁させる再開弁動作の実行、停止が可能であり、前記制御手段は、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かつエンジンの負荷が予め設定された第1基準負荷以上の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、前記バルブ駆動手段によって前記再開弁動作を停止させ、前記通路状態変更手段によって前記排気マニホールド内の排気の流通状態を前記第1状態にさせるとともに、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、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かつエンジンの負荷が前記第1基準負荷よりも低い第2基準負荷未満の低速低負荷領域を少なくとも含む第2運転領域において、前記バルブ駆動手段によって前記再開弁動作を実行させるとともに、前記通路状態変更手段によって前記排気マニホールド内の排気の流通状態を前記第2状態にさせ、前記第1運転領域と第2運転領域との間に設定されてエンジンの負荷が前記第2基準負荷以上かつ前記第1基準負荷未満の第3運転領域において、前記バルブ駆動手段によって前記再開弁動作を実行させるとともに、前記通路状態変更手段によって、前記各独立排気通路内の排気が前記共通排気通路に流入するまでに通過する通路の流路面積を、前記第2状態における面積から前記第1状態における面積まで、エンジンの負荷が増大するほど減少するように変更させることを特徴とする多気筒エンジンを提供する(請求項1)。
【0009】
本発明によれば、低速低負荷領域を含む第2領域において気筒内に高温の排気を多量に逆流・残留させつつ、低速高負荷領域を含む第1領域において高い掃気性能を実現して気筒内に逆流・残留する高温排気を少なく抑え、異常燃焼の抑制やエンジントルクの向上を実現することができる。
【0010】
具体的には、本発明では、第1運転領域において、排気弁が排気行程のみに開弁され、排気マニホールド内の排気の流通状態が、第1状態、すなわち、エゼクタ効果によって独立排気通路内に負圧が生成されるように、各独立排気通路内の排気が、流路面積が下流側ほど小さくなる通路をそれぞれ個別に流下して前記共通排気通路にそれぞれ独立して流入する状態にされるとともに、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(吸気行程気筒)の前記オーバーラップ期間が他方の気筒(排気行程気筒)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が駆動される。そのため、オーバーラップ期間中の気筒(吸気行程気筒)の排気ポート内にエゼクタ効果による高い負圧を作用させて、これによりオーバーラップ期間中の掃気を促進させて、気筒内の高温排気の残留量、すなわち内部EGRガス量を少なく抑えることができる。
【0011】
一方、本発明では、第2運転領域において、気筒内に残留する高温排気量を確保するべく、排気弁が排気行程に加えて吸気行程でも開弁されて、排気行程で排気ポート内にいったん排出された排気が気筒内に逆流するよう制御されている。ここで、所定の気筒の吸気行程と他の気筒の排気行程とは一致する。そのため、この第2運転領域において、前記第1運転領域のように排気行程気筒から排気が高速で共通排気通路に流入し、高いエゼクタ効果が発揮されて吸気行程気筒に高い負圧が生成されると、開弁している排気弁を通して吸気行程気筒内およびその排気ポート内の高温排気が下流側に吸い出されてしまい、高温排気の逆流・残留量を確保できなくなるおそれがある。これに対して、本発明では、第2運転領域において、排気マニホールド内の排気の流通状態が、排気が前記第1状態よりも流路面積の大きい通路を通過して共通排気通路に流入する第2状態とされ、共通排気通路に流入するまでの排気の膨張すなわち排気の速度低下が促進される。従って、この第2運転領域では、エゼクタ効果は弱められ、気筒内の高温排気の吸出しが抑制されて高温排気の逆流・残留量、すなわち内部EGRガス量が確保される。
【0012】
さらに、本発明では、排気弁の吸気行程での開弁制御を実施する第1運転領域と、この制御を停止する第2運転領域との間に第3運転領域が設定されて、この第3運転領域においてエンジン負荷の増大に伴い内部EGRガス量が減少するよう構成されている。そのため、第1運転領域から第2運転領域へ、あるいは、その逆方向の変化時に、内部EGRガス量が急激に変化するのを抑制することができる。
【0013】
具体的には、本発明では、第3運転領域において、排気弁の吸気行程での開弁制御を実施しつつ、独立排気通路から共通排気通路に流入するまでに排気が通過する通路の流路面積を、前記第2状態における面積から前記第1状態における面積に向かってエンジンの負荷が増大するほど減少させて、負荷の増大に伴ってエゼクタ効果すなわち排気を下流側へ吸いだす力を徐々に強めるように制御している。そのため、この第3運転領域では、排気弁の再開弁に伴い気筒内へ逆流しようとする排気を下流側に吸い出す力が、負荷の増大に伴って徐々に強められて、排気弁再開弁中の高温排気の逆流・残留量すなわち内部EGRガス量が負荷の増大に伴って徐々に減少される。
【0014】
前記第2運転領域で実施される燃焼形態としては、例えば、自着火燃焼が挙げられる。すなわち、本発明の一実施形態として、少なくとも一部がガソリンからなる燃料を前記気筒内に噴射するインジェクタを備え、前記第2運転領域において、前記気筒内の混合気が自着火により燃焼する自着火燃焼モードが実行されるものが挙げられる(請求項2)。
【0015】
ここで、前記第1運転領域および第3運転領域においても自着火燃焼モードが実施される場合において自着火燃焼モードが実施される場合には、これら全運転領域において混合気を適正に自己着火可能な温度に調整する必要がある。すなわち、負荷が低い領域では混合気の温度が低くなりやすいため混合気の自己着火を実現するためには混合気の温度を高める必要がある。一方、負荷が高い領域では混合気の温度が過剰に高くなるやすいため燃焼騒音の増大やノッキングを回避するためには混合気の温度を低くする必要がある。
【0016】
これに対して、本発明では、低速低負荷領域を含む第2領域において気筒内に高温の排気を多量に逆流・残留させつつ、低速高負荷領域を含む第1領域において高い掃気性能を実現して気筒内に逆流・残留する高温排気を少なく抑えることができるとともに、これらの間の第3領域において負荷が増大するほど、すなわち、混合気の温度が高くなりやすく必要な混合気の温度の低減代が大きくなるほど、内部EGRガス量が減少するよう構成されている。そのため、第1、第2、第3運転領域全てにおいて、内部EGRガス量ひいては混合気の温度を適正に調整して、適正な自己着火燃焼を実現することができる。従って、本発明は、前記第1運転領域および第3運転領域においても自着火燃焼モードが実施される場合において、より効果的である(請求項3)。
【0017】
前記排気マニホールドおよび前記通路状態変更手段の具体的構成としては、前記排気マニホールドは、前記排気マニホールドは、前記各独立排気通路の下流端と前記共通排気通路との間に介在して、前記各独立排気通路の下流端から排出された排気がそれぞれ独立して流入するとともに少なくとも前記第1状態において流路面積が下流側ほど小さくなる形状を呈する複数のガス通路が内側に形成された絞り部を有し、前記通路状態変更手段は、前記各ガス通路の流路面積を変更可能であり、当該各ガス通路の流路面積を変更することで、前記各独立排気通路内の排気が前記共通排気通路に流入するまでに通過する通路の流路面積を前記第1状態における面積と第2状態における面積との間で変更するものが挙げられる(請求項4)。
【0018】
この構成において、前記各ガス通路は、前記各独立排気通路の下流端から前記共通排気通路まで延びて前記各独立排気通路とそれぞれ個別に連通する第1通路と、当該各第1通路と前記共通排気通路とに連通する第2通路とを含み、前記通路状態変更手段は、前記第1通路と第2通路との連通量を変更することで前記各ガス通路の流路面積を変更するのが好ましい(請求項5)。
【0019】
この構成によれば、絞り部内に第1通路と第2通路とを形成し、これら第1通路と第2通路との連通量を変更するという簡単な構成で、各ガス通路の流路面積ひいては排気マニホールド内の排気の流通状態を変更することができる。
【0020】
また、前記各ガス通路として、前記各独立排気通路の下流端から前記共通排気通路まで延びて前記各独立排気通路とそれぞれ個別に連通する第1通路と、当該各第1通路と前記共通排気通路とに連通する第2通路とを含み、前記通路状態変更手段は、前記第2通路の流路面積を変更することで前記各ガス通路の流路面積を変更するものを用いてもよい(請求項6)。
【0021】
この構成によれば、絞り部内に第1通路と第2通路とを形成し、第2通路の流路面積を変更するという簡単な構成で、各ガス通路の流路面積ひいては排気マニホールド内の排気の流通状態を変更することができる。
【0022】
また、前記排気マニホールドおよび前記通路状態変更手段の具体的構成としては、前記排気マニホールドは、前記各独立排気通路の下流端と前記共通排気通路との間に介在する絞り部と、前記各独立排気通路の途中に設けられて複数の独立排気通路どうしを連通する連通通路と、当該連通通路を介した独立排気通路どうしの連通状態を変更可能な連通状態変更手段とを備え、前記絞り部の内側には、下流ほど流路面積が縮小する形状を有するとともに、前記各独立排気通路の下流端から排出された排気がそれぞれ独立して流入するように配置された複数のガス通路が形成されており、前記通路状態変更手段は、前記連通状態変更手段によって前記連通通路を介した前記独立排気通路どうしの連通量を変更することで、前記各独立排気通路内の排気が前記共通排気通路に流入するまでに通過する通路の流路面積を前記第1状態における面積と第2状態における面積との間で変更するものが挙げられる(請求項7)。
【0023】
また、前記排気マニホールドおよび前記通路状態変更手段の具体的構成としては、前記排気マニホールドは、前記各独立排気通路の下流端と前記共通排気通路との間に介在する絞り部と、前記各独立排気通路と前記共通排気通路とを連通して前記絞り部をバイパスさせるバイパス通路と、当該バイパス通路を開閉して当該バイパス通路を介した前記独立排気通路と前記共通排気通路との連通量を変更可能なバイパス通路開閉手段とを備え、前記絞り部の内側には、下流ほど流路面積が縮小する形状を有するとともに、前記各独立排気通路の下流端から排出された排気がそれぞれ独立して流入するように配置された複数のガス通路が形成されており、前記通路状態変更手段は、前記バイパス通路開閉手段によって前記バイパス通路を介した前記独立排気通路と前記共通排気通路との連通量を変更することで、前記各独立排気通路内の排気が前記共通排気通路に流入するまでに通過する通路の流路面積を前記第1状態における面積と第2状態における面積との間で変更するものが挙げられる(請求項8)。
【発明の効果】
【0024】
以上説明したように、本発明によれば、低速低負荷領域において多量の高温の排気の逆流・残留を実現しつつ、低速高負荷領域において掃気性能を高めて高温排気の気筒内の高温の排気の逆流・残留量を少なく抑えて、異常燃焼の回避やエンジントルクの向上を実現することができる。
【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全体構成を示す図である。
【図2】図1に示すエンジンの排気系の構成を示す図である。
【図3】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4】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の制御系を説明するためのブロック図である。
【図5】図2のV−V線断面図である。
【図6】外管が流路面積最小位置にある状態における絞り部周辺の断面図である。
【図7】(a)図6をVII−VII線で切断した切断面の図である。(b)(a)の図のうち内管のみを示した図である。(c)(a)の図のうち外管のみを示した図である。
【図8】(a)図6をVIII−VIII線で切断した切断面の図である。(b)(a)の図のうち内管のみを示した図である。(c)(a)の図のうち外管のみを示した図である。
【図9】図6をIX−IX線で切断した切断面の図である。
【図10】外管が流路面積最小位置よりも下流にある状態における絞り部周辺の断面図である。
【図11】図10をXI−XI線で切断した切断面の図である。
【図12】外管の一部を示す概略斜視図である。
【図13】外管が流路面積最大位置にある状態における絞り部周辺の断面図である。
【図14】本発明の第1実施形態に係る多気筒エンジンで用いられる制御マップを示した図である。
【図15】リーンHCCI燃焼モードの制御内容を説明するためのタイムチャートである。
【図16】エンジン負荷に対する排気二度開きの制御例および外管位置の制御例を示した図である。
【図17】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18】本発明の第4実施形態に係る多気筒エンジンの絞り部を上流から見た図である。
【図19】(a)本発明の第4実施形態に係る多気筒エンジンの吸排気装置において、蓋が全閉位置にある状態の内管の概略斜視図である。(b)本発明の第4実施形態に係る多気筒エンジンの吸排気装置において、蓋が全開位置にある状態の内管の概略斜視図である。
【図20】(a)図19の(a)に対応する絞り部の断面図である。(b)図19の(b)に対応する絞り部の断面図である。
【図21】本発明の第5実施形態に係る多気筒エンジンの排気マニホールドの概略図である。
【図22】本発明の第5実施形態に係る多気筒エンジンの排気マニホールドの概略図である。
【図23】本発明の第6実施形態に係る多気筒エンジンの排気マニホールド周辺の概略側面図である。
【発明を実施するための形態】
【0026】
(1)エンジンの全体構成
図1は、本発明の一実施形態にかかる多気筒エンジンの全体構成を示す図である。図2は、このエンジンの一部(主に排気マニホールド)を示す図である。図1に示されるエンジンは、走行駆動用の動力源として車両に搭載される往復ピストン型の多気筒エンジンである。このエンジンのエンジン本体1は、所定の方向並ぶ4つの気筒2(図2参照)を有するシリンダブロック3と、シリンダブロック3の上面に設けられたシリンダヘッド4と、各気筒2に往復摺動可能に挿入されたピストン5とを有している。具体的には、図2の右から順に第1気筒2a,第2気筒2b,第3気筒2c,第4気筒2dが形成されている。本実施形態では、前記エンジンはガソリンエンジンであり、エンジン本体1に供給される燃料は、ガソリンを主成分とする。なお、この燃料は、その中身が、全てガソリンであってもよいし、ガソリンにエタノール(エチルアルコール)等を含有させたものでもよい。
【0027】
前記エンジン本体1は4サイクルエンジンであって、各気筒2a〜2dにおいて、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(図3参照)。本実施形態では、第1気筒2a→第3気筒2c→第4気筒2d→第2気筒2bの順に点火が行われてこの順に排気行程等が実施される。
【0028】
前記ピストン5はコネクティングロッド8を介してクランク軸7と連結されており、前記ピストン5の往復運動に応じて前記クランク軸7が中心軸回りに回転するようになっている。
【0029】
前記ピストン5の上方には燃焼室6が形成されている。この燃焼室6には吸気ポート9および排気ポート10が開口し、各ポート9,10を開閉する吸気弁11および排気弁12が、前記シリンダヘッド4にそれぞれ設けられている。なお、図例のエンジンはいわゆるダブルオーバーヘッドカムシャフト式(DOHC)エンジンであり、各気筒につき前記吸気ポート9および排気ポート10が2つずつ設けられるとともに、前記吸気弁11および排気弁12も2つずつ設けられている。
【0030】
ここで、当実施形態のエンジン本体1は、理論熱効率の向上や、後述する圧縮自己着火燃焼の安定化等を目的として、14以上という比較的高い幾何学的圧縮比を有するように設定されている。なお、幾何学的圧縮比の上限値は、実用上の観点等から30程度であると考えられるため、エンジン本体1の幾何学的圧縮比は、14以上30以下の範囲の適宜の値に設定される。
【0031】
エンジンには、各種センサが取り付けられている。例えば、エンジン冷却水の温度を検出するための水温センサSW1、クランク軸7の回転角度(クランク角)ひいてはエンジンの回転数を検出するためのクランク角センサSW2、前記カムシャフトの角度を検出して気筒判別(各気筒が吸気、圧縮、膨張、排気のいずれの行程にあるかの判別)用の信号を出力するカム角センサSW3、燃焼室6に流入する新気の温度を検出するための外気温センサSW4が、エンジン本体に取り付けられている。
【0032】
前記吸気弁11および排気弁12は、それぞれ、シリンダヘッド4に配設された一対のカムシャフト(図示省略)等を含む動弁機構13,14によりクランク軸7の回転に連動して開閉駆動される。
【0033】
前記吸気弁11用の動弁機構13には、CVVL15およびVVT16がそれぞれ組み込まれている。CVVL15は、連続可変バルブリフト機構(Continuous Variable Valve Lift Mechanism)と呼ばれるものであり、吸気弁11のリフト量を連続的に(無段階で)変更するものである。また、吸気VVT16は、可変バルブタイミング機構(Variable Valve Timing Mechanism)と呼ばれるものであり、吸気弁11の開閉タイミング(位相角度)を可変的に設定するものである。これら吸気CVVL15および吸気VVT16は、エンジンの全ての吸気弁11のリフト量および開閉タイミングを変更できるように設けられており、吸気CVVL15および吸気VVT16の両方が駆動されると、各気筒2において一対の吸気弁11のリフト量および開閉タイミングが同時に変更されるようになっている。
【0034】
前記のような構成の吸気CVVL15は既に公知であり、その具体例として、吸気弁11駆動用のカムをカムシャフトの回転と連動して往復揺動運動させるリンク機構と、リンク機構の配置(レバー比)を可変的に設定するコントロールアームと、コントロールアームを電気的に駆動することによって前記カムの揺動量(吸気弁11を押し下げる量)を変更するステッピングモータとを備えたものを挙げることができる(例えば特開2007−85241号公報参照)。また、前記吸気VVT16についても、液圧式、電磁式、機械式など、種々のタイプのものが既に公知であり、その中から適宜のものを採用し得る。
【0035】
前記排気弁12用の動弁機構14には、吸気行程中に排気弁12を押し下げる機能を有効または無効にするON/OFFタイプの可変バルブリフト機構(Variable Valve Lift Mechanism)であるVVL17が組み込まれている。排気VVL17は、排気弁12を排気行程だけでなく吸気行程でも開弁可能にするとともに、この吸気行程中の排気弁12の開弁動作を実行するか停止するかを切り替える機能を有している。排気VVL17は、エンジンの全ての排気弁12に対応して設けられており、かつ、各気筒2の一対の排気弁12に対し、それぞれ個別に、吸気行程中の開弁動作を実行または停止できる。
【0036】
このような構成の排気VVL17は既に公知であり、その具体例として、排気弁12駆動用の通常のカム(排気行程中に排気弁12を押し下げるカム)とは別に吸気行程中に排気弁12を押し下げるサブカムと、このサブカムの駆動力が排気弁12に伝達されるのを有効または無効にするいわゆるロストモーション機構とを備えたものを挙げることができる(例えば特開2007−85241号公報参照)。
【0037】
排気VVL17の作用により排気弁12が吸気行程中に開弁することで、排気行程で燃焼室6内からいったん排気ポート10に排出された高温の排気は燃焼室6(気筒2)に逆流する。この逆流により、燃焼室6内の高温排気の量すなわち内部EGRガス量は増大し、燃焼室6の高温化が図られるとともに、燃焼室6に導入される空気(新気)の量が低減される。以下では、このような排気弁12の再開弁(吸気行程中の開弁)による排気の逆流・残留操作を、排気二度開き制御と称する。
【0038】
エンジン本体1のシリンダヘッド4には、点火プラグ20およびインジェクタ21が、各気筒2につき1組ずつ設けられている。
【0039】
インジェクタ21は、燃焼室6をその天井面(燃焼室6を覆うシリンダヘッド4の下面)から臨むように設けられている。各気筒2のインジェクタ21にはそれぞれ燃料供給管23が接続されており、各燃料供給管23を通じて供給される燃料(ガソリンを主成分とする燃料)が前記インジェクタ21の先端部から噴射される。
【0040】
インジェクタ21は、その噴口が燃焼室6天井の中央部に位置するように設けられている。インジェクタ21は、例えば、多噴口型のインジェクタが用いられ、その先端部に複数(例えば12個)の噴口を有している。そして、インジェクタ21の各噴口から燃料が噴射されると、その燃料は、ピストン5の冠面(上面)に近づくほどボア径方向外側に拡がるように放射状に広がる。
【0041】
点火プラグ20は、各気筒2の燃焼室6を上方から臨むように前記インジェクタ21と隣接して配置されている。この点火プラグ20は、燃焼室6に露出する電極を先端部に有し、図外の点火回路からの給電に応じて前記電極から火花を放電する。
【0042】
エンジン本体1の吸気ポート9および排気ポート10には、吸気通路28および排気マニホールド50がそれぞれ接続されている。外部からの吸入空気(新気)は、前記吸気通路28を通じて燃焼室6に供給されるとともに、燃焼室6で生成された排気(既燃ガス)は、前記排気マニホールド50を通じて外部に排出される。排気マニホールド50の詳細構造については後述する。
【0043】
吸気通路28は、単一の通路からなる共通通路部28cと、共通通路部28cの下流側端部に設けられたサージタンク28bと、気筒2ごとに分岐して設けられて前記サージタンク28bと各気筒2の吸気ポート9とを接続する分岐通路部28aとを有している。
【0044】
吸気通路28の共通通路部28cには、スロットルバルブ25が開閉可能に設けられている。ただし、当実施形態では、前記CVVL15により吸気弁11のリフト量が調整され、また、排気VVL17により燃焼室6に逆流(残留)する排気の量が調整される。したがって、これらの操作に基づいて、スロットルバルブ25を操作することなく、燃焼室6に導入される空気(新気)の量を調整することが可能である。このため、スロットルバルブ25は、エンジンの停止時等を除いて、全開もしくはそれに近い値に維持される。
【0045】
(2)排気マニホールドの構成
排気マニホールド50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、可動部51と、触媒装置60とを備えている。ここで、排気マニホールド50のうち可動部51の後述する絞り部53よりも下流の部分が、各独立排気通路52を通過した全ての排気が内側で集合する共通排気通路50a(図2参照)を構成する。具体的には、この実施形態では、集合部58と、触媒装置60とが、共通排気通路50aを構成する。
【0046】
(2−1)独立排気通路52の構成
図2に示すように、前記各独立排気通路52は、シリンダヘッド4に形成された前記各気筒2の排気ポート10に接続されている。具体的には、前記気筒2のうち第1気筒2aの排気ポート10と第4気筒2dの排気ポート10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2bと第3気筒2cの排気ポート10は、これら各気筒2b,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、二股上に形成された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2bと第3気筒2cの排気ポート10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2bの排気ポート10が接続され、他方に第3気筒2cの排気ポート10が接続されている。
【0047】
本実施形態では、第2気筒2bおよび第3気筒2cの排気ポート10に対応する独立排気通路52は、これら気筒2b,2c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2a,2dの排気ポート10に対応する独立排気通路52は、対応する各排気ポート10と対向する位置から前記第2気筒2bおよび第3気筒2c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。
【0048】
図5は、図2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、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、車両後方に向かって斜め下方に延びる軸線L(図2参照)上の点O1を中心とする円の円周上に互いに等間隔に配列されている。
【0049】
(2−2)可動部51の構成
図2等に示すように、可動部51は、二重管構造であって、円筒状の収容管51aの内側に絞り部53と集合部58とが収容された構造を有している。絞り部53と集合部58とは、上流側からこの順序で収容されている。収容管51aは、車両後方に向かって斜め下方に延びる前記軸線Lを中心軸として後ろ斜め下方に延びている。以下、この収容管51aの軸線Lを単に軸線Lと呼ぶ場合がある。
【0050】
(2−2−1)絞り部53の構成
図6は、外管55が最も上流側の位置にある状態(以下、この位置を流路面積最小位置という)における可動部51付近を拡大して示した断面図である。図7(a)は、図6のVII−VII線断面図のうち絞り部53のみを示した図である。図7(b)は、図7(a)のうち後述する内管54のみを示した図である。図7(c)は、図7(b)のうち外管55のみを示した図である。図8(a)は、図6のVIII−VIII線断面図のうち絞り部53のみを示した図である。図8(b)は、図8(a)のうち後述する内管54のみを示した図である。図8(c)は、図8(b)のうち後述する外管55のみを示した図である。図9は、図6のIX−IX線断面図のうち絞り部53のみを示した図である。
【0051】
図10は、図6に対応する図であって、外管55が前記流路面積最小位置よりも下流側にスライドした状態における可動部51付近を拡大して示した断面図である。図11は、図9に対応する図であって、図10のIX−IX線断面図のうち絞り部53のみを示した図である。
【0052】
絞り部53は、内管54と外管55とを有する。
【0053】
内管54は、上下流方向に延びる管状部材である。内管54の内側には、上下流方向に延びる3つの第1通路54aが形成されている。内管54の外形は、その上流側部分が収容管51aの軸線Lを中心軸とする円筒形をなし、その下流側部分が前記軸線Lを中心として下流に向かうに従って縮径する略円錐台形状をなすように構成されている。すなわち、内管54の外周面54gは、その上流側部分に設けられて軸線Lと平行に延びる円筒面54g_1と、その下流側部分に設けられて下流に向かうに従って軸線L側に傾斜する内管側傾斜面54g_2(内管側傾斜部)とからなる。内管54の下流端の外周面54gの径は、例えば、内管54の上流端の外周面54gの径の約半分に設定されている。
【0054】
各第1通路54aは、軸線Lを中心軸とする円筒の円筒面上に互いに等間隔に並んでいる。各第1通路54aは、その内周面のうち軸線L側の部分がこの軸線Lに沿って延びる一方、その内周面のうち軸線Lから径方向に離間した側の部分が、内管54の外周面54gに沿って延びる形状を有している。この形状に伴い、各第1通路54aの流路面積は、下流側ほど小さくなっている。
【0055】
具体的には、各第1通路54aの上流端54bは、図7(a)、(b)に示すように、それぞれ円形をなしている。一方、各第1通路54aの下流端54cは、図8(a)、(b)に示すように、1つの円を三分割した略扇形状をなしており、その面積は、前記円形の上流端54bの面積よりも小さい面積に設定されている。そして、各第1通路54aは、その円形の上流端54bから下流側に、所定量、同一流路面積で延びた後、この上流端54bよりも流路面積の小さい下流端54cに向かって徐々に縮径しつつ延びている。本実施形態では、第1通路54aの下流端54c全体で構成される円の径と、各第1通路54aの上流端54bの円の径とはほぼ同じ寸法に設定されている。
【0056】
内管54は、各第1通路54aの円形の上流端54bが、それぞれ前記各独立排気通路52の下流端52aと一致するように配置されている。そのため、各独立排気通路52の下流端52aから排出された排気は、対応する各第1通路54a内に個別に(独立して)流入する。
【0057】
内管54の管壁のうち各第1通路54aに対応する部分には、これら第1通路54aと内管54の外側とを連通する連通口54dが形成されている。各連通口54dは、内管54の外周面54gのうち内管側傾斜面54g_2に開口しており、下流に向かって開口している。本実施形態では、各連通口54dは、略円形である。
【0058】
内管54の管壁には、各第1通路54a間に対応する部分に、それぞれ内管54の外周面54gから軸線Lに向かって延びるとともに、上下流方向に延びる溝54eが形成されている。
【0059】
外管55は、上下流方向に延びる管状部材である。この外管55の内側には1つの通路が形成されており、この通路内に内管54が収容されている。外管55の内周面55gは、外管55が図6に示す流路面積最小位置にある状態において、内管54の外周面54gに沿って延びている。すなわち、外管55の内周面55gは、その上流側部分に設けられて前記軸Lと平行に延びる円筒面55g_1と、その下流側部分に設けられて下流に向かうに従って軸L側に傾斜する外管側傾斜面55g_2(外管側傾斜部)とからなる。外管55の外管側傾斜面55g_2は、外管55が流路面積最小位置にある状態において、内管54の内管側傾斜面54g_2に接触するように延び、この状態において、前記各連通口54dを塞ぐように構成されている。
【0060】
図12に、外管55の一部の斜視図を示す。この図12および図7(a)等に示すように、外管55には、内管54の各溝54eに対応して、その内周面55gから軸線Lに向かって延びるとともに上下流方向に延びる区画壁55eが形成されている。これら区画壁55eは、各溝54e内に挿入されている。
【0061】
外管55は、内管54に対して下流側に相対移動可能である。本実施形態では、内管54は動かず、外管55が軸線Lと平行に上下流方向にスライドする。なお、本実施形態では、外管55は、前記集合部58と一体に形成されており、集合部58とともに上下流方向にスライドする。
【0062】
具体的には、図2に示すように、外管55の外周面には、スライドアクチュエータ(通路状態変更手段)55fが取り付けられている。スライドアクチュエータ55fは、後述するECU100の指令を受けて、外管55を軸線Lと平行に、図6に示す流路面積最小位置と、この流路面積最小位置よりも下流側の位置である図13に示す流路面積最大位置との間で連続的にスライドさせる。このとき、外管55の各区画壁55eは、内管54の各溝54e内をスライドする。
【0063】
図6に示す流路面積最小位置において、外管55は、内管54の上流端から下流端まで延びる。前述のように、この状態において、外管55の内周面55gは、内管54の外周面54gと接触して、連通口54dを塞ぐ。連通口54dが塞がれると、各独立排気通路52から排出された排気は、絞り部53のうち第1通路54aのみを通過して流下する。このように、外管55が流路面積最小位置にある状態(第1状態)では、絞り部53内に形成されて各独立排気通路52から排出された排気が通過可能なガス通路は、第1通路54aのみで構成され、ガス通路の流路面積は最小面積となる。
【0064】
一方、図10に示すように外管55が流路面積最小位置から下流側にスライド移動した状態では、外管55の内周面55gは内管54の外周面54gから下流側および径方向外側(軸線Lから離れる方向)に離間する。この離間に伴い、各連通口54dは開口され、外管55の内周面55gと内管54の外周面54gとの間には第2通路55aが出現する。
【0065】
図11に示すように、外管55の各区画壁55eが内管54の各溝54e内に挿入されていることで、外管55の内周面55gと内管54の外周面54gとの間には、区画壁55eによって、3つの第2通路55aが区画される。各第2通路55aは、各第1通路54aの径方向外側にそれぞれ位置して、各連通口54dを介して第1通路54aと連通する。
【0066】
このように外管55が流路面積最小位置から下流側にスライドした状態において、絞り部53内に形成されるガス通路は、第1通路54aと第2通路55aとによって構成される。そして、各独立排気通路52から排出された排気は、第1通路54aに流入した後、その一部が前記連通口54dを介して第2通路55a内にも流入するようになる。このように、外管55が流路面積最大位置にある状態では、各ガス通路の流路面積は最小面積よりも大きくなる。
【0067】
前記第2通路55aの流路面積ひいては絞り部53内のガス通路の流路面積は、外管55の下流側へのスライド量が大きくなるほど大きくなる。具体的には、外管55が下流側へスライドするほど、外管55の内周面55gと内管54の外周面54gとの離間量は大きくなり、それに応じて第2通路55aおよびガス通路の流路面積は大きくなる。
【0068】
本実施形態では、図13に示す流路面積最大位置にある状態において、外管55は、最も下流側に位置しており、この状態において第2通路55aおよびガス通路の流路面積は最大面積となる(第2状態)。この状態において、外管55の上流端は、内管54のうち円筒状を有する上流側部分の下流端に位置し、外管55は、この位置から下流側に延びている。
【0069】
本実施形態では、前記スライドアクチュエータ55fは、外管55の位置を、流路面積最小位置と、流路面積最大位置との間で連続的に変化させるのに伴い、各ガス通路の流路面積は、最小面積と最大面積との間で連続的に変更される。
【0070】
(2―2−2)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。外管55の位置に関わらず、各独立排気通路52から排出されて絞り部53の各ガス通路に流入した排気は、この集合部58内に流入する。
【0071】
なお、図10に示すように、外管55が流路面積最大位置にある状態では、外管55は内管54よりも下流側に延びており、第1通路54aを通過した排気は、外管55の内側に流入して第2通路55aを通過した排気と合流した後、集合部58内に流入する。
【0072】
集合部58は、図6等に示すように、上流側から順に、ノズル部58a、混合部58b、ディフューザー部58cを備えている。本実施形態では、前述のように、集合部58は外管55と一体にスライド可能に連結されており、ノズル部58aは、外管55の下流端に一体に連結されてこの下流端から下流に延びている。
【0073】
後述するように、本ガソリンエンジンでは、所定の運転領域(第1運転領域A1)において、絞り部53からノズル部58a内に高速で排気を排出させてエゼクタ効果を発揮させるよう構成されている。そのため、ノズル部58aの形状は、絞り部53から排出された排気が高い速度を維持したまま流下するように、下流側ほどその流路面積が小さくなる形状に設定されている。本実施形態では、ノズル部58aは、下流に向かうに従って縮径する略円錐台形状を有している。また、ノズル部58aの内周面は、絞り部53から流出した排気がこの内周面に沿って円滑に流下するように、外管55の下流側部分の内周面すなわち外管側傾斜面55g_2に連続して、下流に向かうに従って軸線Lに近づく方向に傾斜している。このノズル部58aの軸線Lに対する傾斜角度は、前記外管55の外管側傾斜面55g_2の傾斜角度とほぼ同じに設定されている。
【0074】
混合部58bは、ノズル部58aの下流端から下流側に延びる円筒形状を有しており、ノズル部58aの下流端の開口と同じ流路面積を有している。ディフューザー部58cは、この混合部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を有している。
【0075】
このようにノズル部58aと混合部58bとで構成される部分では、上流側の流路面積の方が下流側よりも大きい。そのため、排気はこのノズル部58aと混合部58bとを高速で通過する。この通過時に、排気の圧力・温度は低下する。従って、ノズル部58aおよび混合部58bにおいて、排気の外部への放熱量は少なく抑えられる。そして、混合部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。
【0076】
また、前述のように、本実施形態では、集合部58および絞り部53は、中空の収容管51a内に挿入されている。そのため、これら集合部58および絞り部53の通過時における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。
【0077】
(2−3)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。この触媒装置60は、触媒本体(触媒)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り、理論空燃比の雰囲気下で三元触媒機能を有する。この触媒本体64は、例えば、三元触媒を含有する。
【0078】
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、このケーシング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の下流端はこのケーシング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このケーシング62の上流端61に流入した後、触媒本体64側へ進行する。
【0079】
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。
【0080】
(3)排気マニホールド50の作用
外管55が流路面積最小位置にある第1状態では、前述のように、絞り部53内のガス通路は、下流ほど流路面積が小さくなる形状を有する第1通路54aのみで構成され、その流路面積は最小とされる。そのため、この第1状態では、各独立排気通路52から各第1通路54aに流入した排気は、第1通路54aの通過途中でその速度が高められ、高速でノズル部58a内に流入する。特に、本実施形態では、集合部58も、下流ほど流路面積が小さくなる形状を有している。そのため、各独立排気通路52から排出された排気は、集合部58においてもその速度を高く維持したまま流下する。この第1状態では、このように集合部58内を所定の第1通路54aから排出された排気が高速で通過する結果、エゼクタ効果によって、隣接する他の第1通路54a内およびこれと連通する独立排気通路52および排気ポート10内に比較的高い負圧量の負圧が生成される。
【0081】
一方、外管55が流路面積最小位置よりも下流側にある状態では、絞り部53内のガス通路は、第1通路54aと第2通路55aとで構成されて、その流路面積は最小面積よりも大きくされる。そのため、この状態では、各独立排気通路52から各第1通路54aに流入した排気は、第1状態のときよりもガス通路内での膨張が促進され、その速度が低く抑えられた状態で集合部58内に流入する。この結果、この外管55が流路面積最小位置よりも下流側にある状態では、エゼクタ効果により排気ポート10内に生成する負圧量が第1状態よりも小さく抑えられる。
【0082】
絞り部53内のガス通路の流路面積は、外管55が最も下流側の流路面積最大位置にある状態において最大となり、この状態(第2状態)において、エゼクタ効果による負圧量は最も小さくなる。そして、絞り部53内のガス通路の流路面積は、外管55の位置が流路面積最小位置から流路面積最大位置に連続的に変更されるのに伴い、連続的に大きくなる。従って、エゼクタ効果による負圧量は、外管55の位置が流路面積最小位置から流路面積最大位置に連続的に変更されるのに伴い、連続的に小さくなる。
【0083】
このように、本実施形態では、外管55の位置が変更されることによって、排気マニホールド50内の排気の流通状態が、エゼクタ効果によって他の独立排気通路52内に負圧が生成されるように、各独立排気通路52内の排気が、互いに隣接しかつ流路面積が下流側ほど小さくなる第1通路54aをそれぞれ個別に通って共通排気通路50a(共通排気通路50aのうちの集合部58)に流入する第1状態と、各独立排気通路52内の排気が第1状態よりも流路面積の大きい通路(第1通路54aおよび第2通路55a)を通過して共通排気通路に流入する第2状態とに変更されるとともに、この第1状態と第2状態との間で各独立排気通路52内の排気が共通排気通路50aに流入するまでに通過する通路(本実施形態では絞り部53内のガス通路)の流路面積が連続的に変更され、これにより、各状態におけるエゼクタ効果によって所定の独立排気通路52内に生成される負圧量が変更される。
【0084】
(4)制御系
図4は、エンジンの制御系を示すブロック図である。この図4に示されるECU(制御手段)100は、エンジンの各部を統括的に制御するための装置であり、周知のCPU、ROM、RAM等から構成されている。
【0085】
ECU100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。ECU100は、エンジンに設けられた前記水温センサSW1、クランク角センサSW2、カム角センサSW3、および外気温センサSW4等と電気的に接続されており、これら各センサSW1〜SW4からの入力信号に基づいて、エンジンの冷却水温、クランク角、エンジン回転数、気筒判別情報、および新気の温度といった種々の情報を取得する。
【0086】
また、ECU100には、車両に設けられた各種センサからの情報も入力される。例えば、車両には、運転者により踏み込み操作される図外のアクセルペダルの開度(アクセル開度)を検出するアクセル開度センサSW5が設けられており、このアクセル開度センサSW5により検出されたアクセル開度が、ECU100に入力される。
【0087】
ECU100が有するより具体的な機能について説明する。ECU100は、その主な機能的要素として、判定手段101、インジェクタ制御手段102、吸排気制御手段103、排気二度開き制御手段104、および、点火制御手段106、アクチュエータ制御手段107、を有している。
【0088】
記判定手段101は、クランク角センサSW2の検出値から特定されるエンジン回転数と、アクセル開度センサSW4の検出値から特定されるエンジン負荷(目標トルク)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。なお、以下では、エンジン回転数をNe、エンジン負荷をTとする。
【0089】
図14は、前記エンジン回転数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101は、この図14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。
【0090】
図14の制御マップにおいて、所定の第2基準負荷T2よりも負荷が小さい領域であって全エンジン回転数にわたって、第2運転領域A2が設定されている。エンジン回転数が所定の回転数よりも高く、かつ、全負荷近傍の領域には、第4運転領域A4が設定されている。第2基準負荷T2よりも高い第1基準負荷T1以上の高負荷領域であって第4運転領域A4を除く領域には、第1運転領域A1が設定されている。なお、第4運転領域は、第2基準負荷T2よりも負荷の高い領域に設定されている。第1運転領域A1と第2運転領域A2との間には、第3運転領域A3が設定されている。すなわち、第3運転領域A3は、第2基準負荷T2以上第1基準負荷T1未満の中負荷領域であって、全エンジン回転数にわたって設定されている。
【0091】
再び図4に戻って、インジェクタ制御手段102は、インジェクタ21に内蔵された図外のニードル弁(インジェクタ21の先端部の噴口を開閉する弁)を電磁的に開閉することにより、インジェクタ21から燃焼室6に噴射される燃料の噴射量や噴射時期を制御する。
【0092】
吸排気制御手段103は、吸気CVVL15および吸気VVT16を駆動することにより、吸気弁11のリフト量(開弁量)および開閉タイミングを変更するとともに、排気VVL17を駆動することにより排気弁12の開閉タイミングを変更する制御を行うものである。
【0093】
排気二度開き制御手段104は、排気VVL17を駆動して排気弁12の吸気行程中の開弁を実行または停止することにより、燃焼室6に排気を逆流・残留させる操作(排気二度開き制御)の実施/停止を切り替える。なお、当実施形態において、排気弁12は1気筒あたり2つ設けられているので、吸気行程中に開弁する排気弁12の数を0,1,2の間で切り替えることにより、燃焼室6内に逆流・残留する排気の量(内部EGRガス量)を段階的に変化させることが可能である。
【0094】
点火制御手段106は、点火プラグ20による火花点火のタイミング(点火時期)等を制御する。ここで、後述するように、本実施形態のガソリンエンジンでは、全運転領域で圧縮自己着火燃焼を実施しており、点火プラグ20による火花点火は通常運転字には停止され、エンジンの暖機完了前等において用いられる。
【0095】
(5)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ECU100の制御に基づき、図14に示した各運転領域(A1,A2,A3,A4)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。ECU100は、クランク角センサSW2およびアクセル開度センサ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14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14中の第1運転領域A1と第2運転領域A2と第3運転領域A3と第4運転領域A4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。
【0096】
(5−1)第2運転領域A2
低負荷領域からなる第2運転領域A2では、点火プラグ20による混合気の点火は停止されて、十分に混合された燃料と空気の混合気であって非常にリーンな混合気をピストン5の圧縮作用によって自着火させる、リーンHCCI燃焼(Homogeneous−Charge Compression Ignition Combustion、予混合圧縮自己着火燃焼)モードが実行される。
【0097】
図15は、リーンHCCI燃焼モードが実行された際の、燃料噴射時期と吸排気弁11,12のリフト特性、およびそれに基づく燃焼により生じる熱発生率(J/deg)を示す図である。この図15に示すように、このリーンHCCI燃焼モードでは、圧縮上死点(圧縮行程と膨張行程の間のTDC)よりも十分に早いタイミングで燃料が噴射され、燃料と空気の混合が十分に混合された圧縮上死点付近においてこの混合気をピストン5の圧縮作用によって自着火させる。
【0098】
具体的に、当実施形態において、このリーンHCCI燃焼モードで運転されているときには、吸気行程中の所定時期にインジェクタ21から燃焼室6に対し比較的少量の燃料が噴射(P)され、この1回の燃料噴射Pにより一括噴射された少量の燃料と、吸気通路28から燃焼室6に導入される空気(新気)とに基づき形成される均質でかつリーンな混合気が、ピストン5の圧縮作用により高温、高圧化し、圧縮上死点付近で自着火する。すると、このような自着火に基づき、波形Qaに示すような熱発生を伴う燃焼が生じることになる。
【0099】
リーンHCCI燃焼モードでは、燃焼室6内に噴射される燃料重量Fに対する燃焼室6内の全ガスの重量Gの割合であるG/Fが、30以上(例えば35)となるように設定される。ただし、このように大幅にリーンでかつ均質な空燃比下では、燃焼室内の温度を意図的に上昇させないと、失火が起きるおそれがある。前述のように、本ガソリンエンジンでは、エンジン本体の幾何学的圧縮比が14以上と高い値に設定されており、ピストン5の圧縮作用により燃焼室内の温度をある程度まで高めることができるが、燃焼室内の温度が低い低負荷領域においてより安定した燃焼を実現するために、本実施形態では、燃焼室6(気筒2)内に残留する高温の排気すなわち内部EGRガス量を多く確保する制御が実施される。
【0100】
具体的には、第2運転領域A2では、排気VVL17を駆動して排気弁12を吸気行程中に開弁させることにより、燃焼室6で生成されて排気ポート10側に流出した排気を燃焼室6に逆流させる排気二度開き制御が実行される。すなわち、排気弁12は、通常、排気行程のみで開弁するが(図15のリフトカーブEX)、排気VVL17の駆動に基づき排気弁12を吸気行程でも開弁させることにより(リフトカーブEX’)、排気ポート10から燃焼室6に排気を逆流させる。
【0101】
このように、高温の排気が燃焼室6に逆流することで、燃焼室6内に残留する高温の排気すなわち高温の内部EGRガスが多く確保される。そして、これにより燃焼室6内の混合気の温度が高温化される結果、混合気の自着火が促進される。なお、内部EGRガス量は、低負荷側ほど多く、高負荷側ほど少なく設定される。そのための制御として、例えば、第2運転領域A2における低負荷域(無負荷に近い領域)では、吸気行程中に開弁する排気弁12の数が2つとされ、それよりも負荷が高くなると、開弁数が1つに減らされる。
【0102】
また、この第2運転領域A2では、前記絞り部53の外管55の位置が流路面積最大位置とされて、排気マニホールド50内の排気の流通状態が第2状態、すなわち、絞り部53内の各ガス通路の流路面積が最大面積になる状態とされる。このような制御を実施するのは、次の理由に基づく。
【0103】
前述のように、第2運転領域A2では、内部EGRガス量を確保するために吸気行程中に排気弁12が再開弁される。図3に示すように、所定の気筒(吸気行程気筒)2の吸気行程と、この吸気行程気筒2よりも排気行程が1つ後の気筒(排気行程気筒)2の排気行程とは一致する。従って、吸気行程気筒2において吸気弁11に加えて排気弁12が再開弁されている期間中に、排気行程気筒2内の排気は、絞り部53を通って集合部58へと排出される。
【0104】
前述のように、絞り部53の外管55の位置が流路面積最小位置であって排気マニホールド50内の排気の流通状態が第1状態にある場合は、所定の気筒2から排出された排気が第1通路54aを通過する際に、エゼクタ効果によって、他の気筒2の排気ポート10内に高い負圧が生成する。そのため、排気弁12の再開弁制御の実施時に、前記のように絞り部53の外管55の位置を流路面積最小位置とし排気マニホールド50内の排気の流通状態を第1状態とすると、排気弁12が再開弁している吸気行程気筒2の排気ポート10に、排気行程気筒2の排気により生成された高い負圧が作用して、吸気行程気筒2の排気ポート10内の排気が下流側に吸い出されてしまい、吸気行程気筒2内に逆流・残留する排気の量すなわち内部EGRガス量を十分に確保できなくなる。これに対して、前述のように、絞り部53の外管55の位置を流路面積最大位置とし排気マニホールド50内の排気の流通状態を第2状態とすれば、エゼクタ効果による負圧量は小さく抑えられる。
【0105】
そこで、本エンジンでは、内部EGRガス量を多く確保したい第2運転領域A2において、エゼクタ効果により生じた負圧による吸気行程気筒2内および排気ポート10内の排気の下流側への吸出しを抑制するべく、前記絞り部53の外管55の位置を流路面積最大位置として排気マニホールド50内の排気の流通状態を第2状態とする。そして、エゼクタ効果による負圧量を小さく抑えて、排気の逆流・残留量すなわち内部EGRガス量を確保する。
【0106】
以上のようにして、第2運転領域A2では、G/Fが30以上という大幅にリーンの混合気が、多量の内部EGRガス量が確保されることで、自着火可能な温度にまで確実に高められて自着火燃焼し、これにより、NOxの発生が抑制されつつ、燃焼温度ひいては冷却損失の低減に伴う高い熱効率(燃費)が実現される。
【0107】
(5−2)第1運転領域A1および第4運転領域A4
高負荷領域からなる第1運転領域A1および第4運転領域A4においても、第2運転領域A2と同様に、HCCI燃焼モードが実行される。すなわち、圧縮上死点よりも早いタイミングで燃料が噴射され、燃料と空気の混合が混合された圧縮上死点付近においてこの混合気をピストン5の圧縮作用によって自着火させる。
【0108】
ただし、この第1運転領域A1および第4運転領域A4では、第2運転領域A2と異なり、負荷が高く多量の燃料が噴射されるため、燃焼室6内の着火後の温度圧力は高温・高圧となる。そのため、この第1運転領域A1および第4運転領域A4において、第2運転領域A2と同様に高温の排気を燃焼室6内に逆流・残留させたのでは、混合気の温度が過剰に高温となり、着火後に燃焼騒音が著しく増大する、また、ノッキング等の異常燃焼が生じやすくなる。特に、本実施形態では、エンジン本体1の幾何学的圧縮比が14と高い値に設定されているため、燃焼騒音およびノッキングの問題が顕著になる。
【0109】
そこで、第1運転領域A1および第4運転領域A4では、燃焼室6内に逆流・残留する高温の排気をより少なくするため、すなわち、燃焼室6内の残留ガスをより多く下流側へ吸い出すための制御が実施される。
【0110】
具体的には、第1運転領域A1および第4運転領域A4では、排気二度開き制御が停止されて、高温の排気が燃焼室6内に多量に逆流するのが禁止される。すなわち、排気弁12が排気行程中のみに開弁するよう、排気VVL17が調整される。また、吸気弁11、排気弁12および排気マニホールド50内の排気の流通状態が、以下に示す通り、第1運転領域A1と第4運転領域A4とにおいて、それぞれ、内部EGRガス量を少なく抑えることのできる適切な状態に調整される。
【0111】
(i)第1運転領域A1における吸気弁11等の制御方法
第1運転領域A1では、排気弁12の開弁期間と吸気弁11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12が他の気筒2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2aの吸気弁11と排気弁12とがオーバーラップしている期間中に第3気筒2cの排気弁12が開弁し、第3気筒2cの吸気弁11と排気弁12とがオーバーラップしている期間中に第4気筒2dの排気弁12が開弁し、第4気筒2dの吸気弁11と排気弁12とがオーバーラップしている期間中に第2気筒2bの排気弁12が開弁し、第2気筒2bの吸気弁11と排気弁12とがオーバーラップしている期間中に第1気筒2aの排気弁12が開弁するよう調整される。
【0112】
また、外管55の位置が流路面積最小位置とされて絞り部53内の各ガス通路の流路面積が最小面積となり排気マニホールド50内の排気の流通状態が第1状態とされる。
【0113】
このように外管55の位置が流路面積最小位置にある状態では、前述のように、所定の気筒2から排出された排気が第1通路54aを通過する際に、高いエゼクタ効果が発揮され、これによって、他の気筒2の排気ポート10内に高い負圧が生成する。そのため、前記のように排気弁12の開弁期間と吸気弁11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12が他の気筒2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ていれば、所定の気筒(排気行程気筒)2の排気弁12が開弁してこの排気行程気筒2から排気が高速で排出されるのに伴って、オーバーラップ期間中にある吸気行程中の気筒(吸気行程気筒)2の排気ポート10内に高い負圧を生成することができ、この負圧によって吸気行程気筒2内の残留ガスを下流側へ吸いだすことができる。特に、排気弁12の開弁開始直後は気筒2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2内の残留ガスの多くが下流側に吸い出される。
【0114】
以上のように、第1運転領域A1では、高いエゼクタ効果によって燃焼室6内の高温の残留ガスが下流側へ吸いだされ燃焼室6内の内部EGRガス量が少なく抑えられて、燃焼室6内の過剰な温度上昇が抑制される。そして、燃焼騒音の低減およびノッキングが抑制されて、適正なHCCI燃焼が実現される。
【0115】
なお、本エンジンにおいて、前記吸気弁11および排気弁12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11,12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であり、例えば0.4mmリフトの時期をいう。
【0116】
(ii)第4運転領域A4における吸気弁11等の制御方法
高速の全負荷近傍の領域からなる第4運転領域A4では、吸気弁11の開弁期間と排気弁12の開弁期間とのオーバーラップ量が、第1運転領域A1よりも少なくなるように調整される。また、第4運転領域A4では、外管55の位置が流路面積最大位置とされて、絞り部53内の各ガス通路の流路面積が最大面積とされ、排気マニホールド50内の排気の流通状態が第2状態とされる。
【0117】
第4運転領域A4では、エンジン回転数Neおよびエンジン負荷Tが高いことに伴い排気流量が大きい。そのため、第1運転領域A1のように、吸気弁11と排気弁12とをオーバーラップさせ、外管55の位置を流路面積最小位置として絞り部53内の各ガス通路の流路面積を小さい面積としたのでは、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が大きくなり、内部EGRガス量を十分に少なく抑えることが困難となる。そこで、本ガソリンエンジンでは、第4運転領域A4において、前記のような制御を実施する。
【0118】
このように制御されることで、第4運転領域A4では、各独立排気通路52から排出された排気は、流路面積が最大のガス通路を排気抵抗が小さく抑えられた状態で流下する。そのため、エンジンの背圧は小さく抑えられる。この背圧の低減に伴い掃気は促進され、内部EGRガス量が少なく抑えられる。また、排気のポンピングロスが小さく抑えられるとともに吸気効率が高められて、高いエンジントルクが実現される。
【0119】
(5−3)第3運転領域A3
中負荷領域からなる第3運転領域A3においても、前記第1運転領域A1、第2運転領域A2と同様に、HCCI燃焼モードが実行される。すなわち、圧縮上死点よりも早いタイミングで燃料が噴射され、燃料と空気の混合が混合された圧縮上死点付近においてこの混合気をピストン5の圧縮作用によって自着火させる。
【0120】
ただし、燃焼室6内の温度を高くする必要がある低負荷の第2運転領域A2と、燃焼室6内の温度を低くする必要がある高負荷の第1運転領域A1と、の間に設定された中負荷域の第3運転領域A3は、燃焼室6内の温度を比較的高くする必要がある運転領域(低負荷側の領域)と、燃焼室6内の温度を比較的低くする必要がある運転領域(高負荷側の領域)とを両方含んでいる。そのため、この第3運転領域A3では、燃焼室6内の温度を適正な温度とするために、負荷に応じて高温排気の逆流・残留量を調整する必要がある。そこで、この第3運転領域A3では、負荷が増大するに従って大きくなる必要な燃焼室6内の温度の低減代(負荷が増大するに従って小さくなる必要な燃焼室6内の温度の上昇代)に合わせて、負荷が増大するに従って高温排気の逆流・残留量を少なくするように制御される。
【0121】
具体的には、排気二度開き制御が実行される。そして、図16に示すように、外管55の位置が流路面積最大位置から流路面積最小位置まで、負荷が増大するに従って徐々に上流側に変更される。すなわち、絞り部53内の各ガス通路の流路面積が、負荷が増大するに従って徐々に小さい面積に変更される。図16は、所定のエンジン回転数における負荷方向の、排気二度開き制御の実施・停止および外管55の位置変化を示したものである。
【0122】
このように制御されることで、第3運転領域A3では、エゼクタ効果により、排気弁12が再開弁している吸気行程気筒2の排気ポート10に作用する負圧量が負荷の徐々に伴って徐々に増大されて吸気行程気筒2内から下流側に吸い出される高温排気の量が徐々に増大していく。すなわち、負荷の増大に伴って掃気性能が徐々に高められていく。従って、この第3運転領域A3では、負荷の増大に伴い燃焼室6内への高温排気の逆流・残留量が徐々に低減されて、燃焼室6内の温度が負荷に応じた適正な温度に調整される。そして、燃焼室6内の温度が低いことによる失火や、燃焼室6内の温度が過剰に高いことによる高い燃焼騒音やノッキングが回避されて、適正なHCCI燃焼が実現される。
【0123】
また、このように、多量の高温排気が燃焼室6内に逆流・残留するよう構成されて高温排気の逆流・残留量すなわち内部EGRガス量が多く設定された第2運転領域A2と、高温排気の逆流・残留が禁止、抑制されるよう構成されて内部EGRガス量が少なく設定された第1運転領域A1との間において、負荷が増大するほど(第2運転領域A2から第1運転領域A1に向かうほど)内部EGRガス量が少なく抑えられるよう制御されることで、第1運転領域A1と第2運転領域A2との間における負荷方向の内部EGRガス量の変化が小さく抑えられる。そのため、第1運転領域A1と第2運転領域A2との間での過渡時において、内部EGRガス量の急激な変化を抑制することができ、この急激な変化に伴う悪影響(トルクショックや騒音の増大等)を抑制することができる。
【0124】
(6)作用効果
以上説明したように、本エンジンでは、各運転領域においてエゼクタ効果による掃気性能を適正に調整し、これにより、高温排気の燃焼室6内への逆流・残留量を適正な量にして燃焼室6内の混合気の温度を適正な値に調整しており、全運転領域(低負荷領域A2、高負荷領域A1、中負荷領域A3)において適正なHCCI燃焼を実現することができる。
【0125】
特に、本実施形態では、絞り部53を内側に第1通路54aが形成された内管54とこの内管54を収容する外管55とで構成し、これら外管55と内管54との間に第2通路55aを区画するとともに、第2通路55aの流路面積を変更するという簡単な構成で、絞り部53内の各ガス通路の流路面積を変更しており、絞り部53の構造ひいては装置全体の構造を簡素化することができる。また、前記外管55を上下流方向にスライドさせるだけでよく、外管55の駆動構造を簡素化することができる。
【0126】
(7)他の実施形態
(7−1)第2実施形態
第1実施形態では、全運転領域でHCCI燃焼を実施する場合について示したが、各運転領域の燃焼形態はこれに限らない。例えば、高負荷領域からなる第1運転領域A1において、点火プラグによって混合気を点火させ、これにより混合気を燃焼させる、火花点火燃焼を行ってもよい。この場合においても、高負荷の第1運転領域A1において、第1実施形態と同様の制御を実施することで、この第1運転領域A1での混合気の過剰な温度上昇に伴うノッキングや燃焼騒音の増大を回避することができる。具体的には、高負荷の第1運転領域A1において火花点火燃焼を実施する第2実施形態においても、第1実施形態と同様に、第1運転領域A1において、排気二度開き制御を停止させ、排気弁12の開弁期間と吸気弁11の開弁期間とを、吸気上死点(TDC)を挟んでオーバーラップし、かつ、排気弁12が他の気筒2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し、外管55の位置を、前記流路面積最小位置として排気マニホールド50内の排気の流通状態を第1状態とする。これにより、第2実施形態においても、第1運転領域A1での燃焼室6内の混合気の温度上昇を抑制して、ノッキング等を回避して適正な火花点火燃焼が実現される。
【0127】
(7−2)第3実施形態
また、第2運転領域A2において火花点火燃焼を行ってもよい。ここで、冷間始動時に、燃焼温度を高めて暖房性能を改善するとともに触媒を早期活性化させるためには、第2運転領域A2において火花点火燃焼を行う場合であっても、この第2運転領域A2において燃焼室6内の内部EGRガス量を多く確保する制御を実施するのが好ましい。そのため、第2運転領域A2において火花点火燃焼を行う第3実施形態においても、第1実施形態と同様に、第2運転領域A2では、排気二度開き制御を実行するとともに、排気マニホールド50内の排気の流通状態を第2状態とする。これにより、第2運転領域A2において燃焼室6内の内部EGRガス量を多く確保することができ、燃焼温度を高めることができる。
【0128】
(7−3)第4実施形態
第1実施形態では、ガス通路の流路面積を変更するための構成として、第2通路55aの流路面積を変更するものを挙げたが、ガス通路の流路面積を変更する構成はこれに限らない。
【0129】
例えば、絞り部内に形成された第1通路と第2通路との連通量を変更することでガス通路の流路面積を変更するようにしてもよい。この連通量を変更することでガス通路の流路面積を変更する構成の一例を、図18、図19(a)(b)、図29(a)(b)に示す。図18は、第1実施形態の図7(a)に対応する図である。図19(a)、(b)は、外管155を省略した状態の絞り部153の斜視図であり、(a)が連通口154dを全閉とした状態、(b)が連通口154dを全開とした状態である。図20(a)、(b)は、絞り部153の断面図であり、(a)が図19(a)と対応する図、(b)が図19(b)と対応する図である。
【0130】
図18〜図20に示す第4実施形態は、第1実施形態と同様に、内管154と外管155とを有する絞り部153を有している。内管154の外周面154gは、第1実施形態と同様に、その上流側部分に設けられて中心軸Lと平行に延びる円筒面154g_1と、その下流側部分に設けられて下流に向かうに従って絞り部153の中心軸L側に傾斜する内管側傾斜面154g_2とで構成されている。内管154の内側には、第1実施形態と同様に、下流側ほど流路面積が縮小する複数の第1通路154aが形成されている。
【0131】
一方、第4実施形態に係る外管155は、内管154に対して相対移動不能に固定されている。外管155は、その内周面155gが、内管154の外周面154gから径方向外側に離間して、これら内周面155gと外周面154gとの間に第2通路155aが区画された状態で固定されている。外管155の内周面155gは、内管154の外周面154gと平行に延びている。内管154の外周面154gのうち第1通路155a間に対応する位置には、径方向外側に向かって突出して外管155の内周面155gと当接する位置まで延びる区画壁154eが設けられており、外管155の内周面155gと内管154の外周面154gとの間には、第1通路155aと対応する位置にそれぞれ第2通路155aが形成されている。この第4実施形態では、3つの第1通路155aに対応して3つの第2通路155aが形成されている。内管154の管壁には、第1通路154aと第2通路155aとをそれぞれ連通する連通口154dが形成されている。各連通口154dは、内管154の外周面154gのうちの円筒面154g_1に開口している。
【0132】
また、この第4実施形態に係る絞り部153には、各連通口154dをそれぞれ開閉可能な蓋159と、これら蓋159を駆動可能な回動アクチュエータ(通路状態変更手段、図示省略)が設けられている。
【0133】
各蓋159は、内管154の外周面154gに沿って延びている。回動アクチュエータは、各蓋159を、内管154の外周面154gに沿って周方向に移動させる。すなわち、回動アクチュエータは、各蓋159を、絞り部153の中心軸Lを中心として回動させる。そして、この回動アクチュエータは、図19(a)および図20(a)に示す各連通口154dを全閉にする位置と、図19(b)および図20(b)に示す各連通口154dを全開にする位置との間で移動させる。この移動により連通口154dの開口量は変化し、この開口量の変化に伴って、第1通路154aと第2通路155aとの連通量は変化する。そして、絞り部153のうち排気が通過するガス通路の流路面積は変化する。ここで、第1通路154aに流入した排気は、この連通量に応じた量だけ第2通路155a内に流入する。そのため、絞り部153のうち排気が通過するガス通路の流路面積は、この連通量と第1通路154aの流路面積により規定される。すなわち、第1通路154aの流路面積と前記連通口154dの開口面積との合計面積が、ガス通路の流路面積となる。
【0134】
この第4実施形態では、蓋159が連通口154dを全閉とする位置に配置されて、第1通路154aと第2通路155aとが連通しない状態とされることで、排気マニホールド内の排気の流通状態は、第1状態とされる。すなわち、連通口154dが全閉とされると、各気筒2から排出された排気は、それぞれ下流ほど流路面積が小さく設定された第1通路154aのみを通過することになる。そして、この状態とされることで、排気の速度は高められ、高いエゼクタ効果ひいては高い掃気性能が発揮される。
【0135】
一方、この第4実施形態では、蓋159が前記連通口154dを全開とする位置に配置されて、第1通路154aと第2通路155aとの連通量が最大とされ、これによりガス通路の流路面積は最大とされて、排気マニホールド内の排気の流通状態が第2状態とされる。すなわち、連通口154dが全開とされると、各気筒2から排出された排気は、第1通路154aに加えて第2通路155aとの両方を通過して集合部に流入することになる。そして、この状態とされることで、排気の速度は抑えられ、エゼクタ効果による負圧量、ひいては、掃気性能が低く抑えられる。
【0136】
また、この第4実施形態では、蓋159の位置が、連通口154dを全閉とする位置と、全開とする位置との間で連続的に変更されることで、独立排気通路452から集合部に流入するまでに排気が通過する通路の流路面積が変更される。
【0137】
(7−4)第5実施形態
第1実施形態および第3実施形態では、絞り部内に形成されたガス通路の流路面積を変更することで、排気マニホールド内の排気の流通状態を、第1状態と、第2状態とに変更した場合について示したが、排気マニホールド内の排気の流通状態を変更する具体的構成はこれに限らない。
【0138】
例えば、図21および図22に示すような構成としてもよい。これらの図に示す第5実施形態に係るエンジンでは、第1実施形態と同様に、排気マニホールド450に、独立排気通路452と絞り部453とが設けられている。なお、これらの図は、排気マニホールド450のうち絞り部453よりも下流側の部分を省略した図である。一方、このエンジンでは、第1実施形態と異なり、気筒2毎に独立した独立排気通路452が設けられている。また、絞り部453内に形成されたガス通路の流路面積が変更不能とされている。また、独立排気通路452がその途中において互いに連通通路455により連通されている。また、この連通通路455に、この通路を開閉して連通通路455を介した独立排気通路452どうしの連通状態を変更可能なバルブ(連通状態変更手段、不図示)が設けられている。
【0139】
具体的には、絞り部453は、内側に下流側に向かって流路面積が縮小する複数のガス通路453aが形成された筒状部材のみからなる。各ガス通路453aは、各独立排気通路452に接続されており、各気筒2から排出された排気は各ガス通路453aに個別に流入する。図21および図22に示す例では、4つの気筒2に対して、4つの独立排気通路452および4つのガス通路453aが設けられている。そして、これら4つのガス通路453aは、図22に示すように、各ガス通路453aが隣接するように円周上に配列されている。
【0140】
また、前記連通通路455は、排気行程が連続しない気筒2に対応した独立排気通路452どうしを連通しており、前記バルブが全開とされて連通通路455を介して独立排気通路52どうしが連通された状態においても、各気筒2から排出された排気が干渉しないように構成されている。具体的には、第1気筒2aと第4気筒2dに対応する独立排気通路452どうしが連通され、第2気筒2bと第3気筒2cに対応する独立排気通路452どうしが連通されている。
【0141】
この第5実施形態では、前記バルブが全閉とされることで、排気マニホールド450内の排気の流通状態は第1状態とされる。すなわち、前記バルブが全閉とされることで、各気筒2から排出された排気は、それぞれ1本の独立排気通路52および下流ほど流路面積が小さく設定された1本のガス通路453aのみを通過する状態とされる。そして、第1運転領域A1において、この状態とされることで、各独立排気通路452から排出された排気の速度はガス通路453の通過時に高められて、高いエゼクタ効果が発揮されることになる。
【0142】
一方、この第5実施形態では、前記バルブが全開とされることで、排気マニホールド450内の排気の流通状態は第2状態とされる。すなわち、前記バルブが全開とされることで、各気筒2から排出された排気は、対応する独立排気通路452に流入した後、連通通路455を介して他の独立排気通路452に分流し、前記排気は、2本の独立排気通路452に対応した2本のガス通路453aを含み、第1状態よりも流路面積の大きい通路を通過してノズル部58aに流入することになる。そして、第2運転領域A2において、この状態とされることで、各独立排気通路452から排出された排気の速度は弱められ、エゼクタ効果が弱められることになる。
【0143】
また、この第5実施形態では、バルブの開度が全閉と全開との間で連続的に変更されることで、独立排気通路452から絞り部453よりも下流側の通路(共通排気通路)内に流入するまでに排気が通過する通路の流路面積が変更される。具体的には、バルブの開度が全閉から全開に向かって大きくなるに従って流路面積は徐々に増大される。そして、各気筒2から排出された排気が対応する独立排気通路452とは別の独立排気通路452に分流する量が増大される。従って、この第5実施形態では、第3運転領域A3において、エンジン負荷が増大するほどバルブの開度が徐々に閉じ側に変更される。
【0144】
(7−5)第6実施形態
また、排気マニホールド内の排気の流通状態を変更する構成として、図23に示すものを用いてもよい。
【0145】
この図23に示す第6実施形態に係るエンジンでは、第1実施形態と同様に、排気マニホールド550に、独立排気通路52と絞り部553とノズル部558aと混合部558bとディフューザー部558cとが設けられている。一方、このエンジンでは、第1実施形態と異なり、絞り部553内に形成された各ガス通路553aの流路面積が変更不能とされている。また、独立排気通路52の途中からそれぞれ絞り部553よりも下流側の部分である共通排気通路550aに延びて各独立排気通路52と共通排気通路550aとを接続し、排気を絞り部553をバイパスさせるバイパス通路555が設けられている。また、各バイパス通路555に、これらバイパス通路555を開閉するバイパスバルブ(バイパス通路開閉手段)555aが設けられている。ここで、第6実施形態では、各バイパス通路555は、共通排気通路550aのうち触媒装置60のケーシング61の上流端に接続されている。
【0146】
具体的には、絞り部553は、内側に下流側に向かって流路面積が縮小する複数のガス通路553aが形成された筒状部材のみからなる。各ガス通路553aは、各独立排気通路52に個別に接続されている。本実施形態では、第1実施形態と同様に、3つの独立排気通路52が設けられており、これらに対応して絞り部内には3つのガス通路553aが設けられている。これら3つのガス通路553aは、第1実施形態の第1ガス通路と同様に円周上に配列されている。
【0147】
この第6実施形態では、バイパスバルブ555aが全閉とされることで、排気マニホールド550内の排気の流通状態は第1状態とされる。すなわち、バイパスバルブ555aが全閉とされることで、各気筒2から排出された排気は、バイパス通路555側に分流することなくすべて、下流ほど流路面積が小さく設定されたガス通路553aに流入することになる。そして、この第6実施形態では、第1運転領域A1において、この状態とされることで、各独立排気通路52から排出された排気の速度はガス通路553aの通過時に高められて、高いエゼクタ効果が発揮されることになる。
【0148】
一方、この第6実施形態では、バイパスバルブ555aが全開とされることで、排気マニホールド550内の排気の流通状態は第2状態とされる。具体的には、バイパスバルブ555aが全開とされることで、各気筒2から排出された排気は、対応する独立排気通路52に流入後、絞り部553内のガス通路553aとバイパス通路555とに分かれて流入し、その後触媒装置60のケーシング61の上流端で合流する。そのため、各独立排気通路52内の排気全体が共通排気通路550a、すなわち、ノズル部558aとケーシング61とに流入するまでに通過する通路の流路面積は絞り部553内のガス通路553aの流路面積とバイパス通路555の流路面積との合計面積となり、この通過通路の流路面積は第1状態よりも大きい面積とされる。そして、この第6実施形態では、第2運転領域A2において、この状態とされることで、各独立排気通路452から排出された排気の速度は弱められ、エゼクタ効果が弱められることになる。
【0149】
また、この第6実施形態では、バイパスバルブ555aが全閉と全開との間で連続的に変更されて、バイパス通路555の流路面積すなわち所定の独立排気通路552からバイパス通路555に分流した排気が通過する通路の流路面積が変更されることで、ガス通路553aの流路面積とバイパス通路555の流路面積との合計面積、ひいては、独立排気通路552から触媒装置60のケーシング61内に流入するまでに排気が通過する通路の流路面積が変更される。具体的には、バイパスバルブ555aの開度が全閉から全開に向かって大きくなるに従って流路面積が増大される。従って、この第6実施形態では、第3運転領域A3において、エンジン負荷が増大するほどバイパスバルブ555aの開度が徐々に閉じ側に変更される。
【0150】
(7−6)その他の実施形態
また、前記第1実施形態では、図15を用いて、リーンHCCI燃焼モードにおける燃料の噴射時期や点火時期について例示したが、これはあくまで一例に過ぎず、燃料噴射時期や点火時期はエンジンの特性等によって適宜変更し得るものである。
【0151】
また、前記実施形態では、リーンHCCI燃焼モードにおいて、G/Fを30以上に制御する場合について例示したが、G/Fではなく理論空燃比λを制御し、この理論空燃比をλ=2以上とする制御を実施してもよい。
【符号の説明】
【0152】
2 気筒
10 排気ポート
11 吸気弁
12 排気弁
16 VVT(バルブ駆動手段)
17 VVL(バルブ駆動手段)
50 排気マニホールド
50a 共通排気通路
52 独立排気通路
53 絞り部
55f スライドアクチュエータ(通路状態変更手段)
100 ECU(制御手段)
【技術分野】
【0001】
本発明は、複数の気筒を有する多気筒エンジンに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、ガソリンエンジンにおける低負荷領域での圧縮自己着火燃焼の実現のため、また、冷間始動時における触媒の早期昇温、早期活性化等のために、低負荷領域において気筒内に高温の排気を逆流(還流)させて気筒内に残留する高温の排気量を増大させ、これにより温度を高める技術(EGR技術)の開発が行われている。
【0003】
圧縮自己着火燃焼は、燃焼室に生成された混合気をピストンで圧縮し、高温・高圧の環境下で、火花点火によらず混合気を自着火させるというものである。この圧縮自己着火燃焼では、燃焼室の各所で同時多発的に自着火するため、火花点火による燃焼に比べて、高い熱効率が得られると言われている。しかしながら、圧縮自己着火燃焼を実現するためには、混合気を自着火可能な温度にまで高める必要がある。そこで、この混合気の温度上昇を実現するために、高温の排気を気筒内に戻すEGR技術が用いられる。
【0004】
例えば、下記特許文献1に開示されたエンジンでは、排気弁が排気行程中に加えて吸気行程中にも開弁可能なように構成されており、気筒内の温度が低い低負荷領域において、排気弁を排気行程および吸気行程にも開弁させる排気二度開き制御を行うことで、高温の排気を気筒内に逆流させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2007−85241号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
前記のように、低速低負荷領域において、高温の排気を多量に気筒内に残留させて混合気の温度を高めることが望まれている。しかしながら、負荷の高い領域では、高温の排気が気筒内に多量に存在すると、混合気の温度が過剰に高くなり異常燃焼が生じる、あるいは、新気の導入量が少なくなりエンジントルクが低下するという問題がある。
【0007】
本発明は、このような事情に鑑み、低速低負荷領域において多量の高温の排気を気筒内に残留させつつ、低速高負荷領域において、気筒内の高温排気の残留量を少なく抑えることのできる多気筒エンジンの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
前記課題を解決するために、本発明は、吸気ポートと排気ポートと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、を有する複数の気筒を備えた多気筒エンジンであって、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よりも下流側に設けられて前記各独立排気通路を通過した排気が内側で集合する共通排気通路とを含む排気マニホールドと、前記排気マニホールド内の排気の流通状態を、前記各独立排気通路内の排気が前記共通排気通路に流入するのに伴いエゼクタ効果によって他の独立排気通路内に負圧が生成されるように、前記各独立排気通路内の排気が、互いに近接しかつ流路面積が下流側ほど小さくなる通路をそれぞれ個別に通って前記共通排気通路に流入する第1状態と、前記各独立排気通路内の排気が前記第1状態よりも流路面積の大きい通路を通過して前記共通排気通路に流入する第2状態とに変更可能であるとともに、前記各独立排気通路内の排気が前記共通排気通路に流入するまでに通過する通路の流路面積を前記第1状態における面積と第2状態における面積との間で連続的に変更可能な通路状態変更手段と、前記吸気弁と前記排気弁とを駆動可能なバルブ駆動手段と、前記吸気弁と前記排気弁の動作、前記通路状態変更手段の動作、前記バルブ駆動手段の動作を制御可能な制御手段とを備え、前記バルブ駆動手段は、前記排気弁を排気行程での開弁動作のほかに吸気行程で再度開弁させる再開弁動作の実行、停止が可能であり、前記制御手段は、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かつエンジンの負荷が予め設定された第1基準負荷以上の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、前記バルブ駆動手段によって前記再開弁動作を停止させ、前記通路状態変更手段によって前記排気マニホールド内の排気の流通状態を前記第1状態にさせるとともに、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、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かつエンジンの負荷が前記第1基準負荷よりも低い第2基準負荷未満の低速低負荷領域を少なくとも含む第2運転領域において、前記バルブ駆動手段によって前記再開弁動作を実行させるとともに、前記通路状態変更手段によって前記排気マニホールド内の排気の流通状態を前記第2状態にさせ、前記第1運転領域と第2運転領域との間に設定されてエンジンの負荷が前記第2基準負荷以上かつ前記第1基準負荷未満の第3運転領域において、前記バルブ駆動手段によって前記再開弁動作を実行させるとともに、前記通路状態変更手段によって、前記各独立排気通路内の排気が前記共通排気通路に流入するまでに通過する通路の流路面積を、前記第2状態における面積から前記第1状態における面積まで、エンジンの負荷が増大するほど減少するように変更させることを特徴とする多気筒エンジンを提供する(請求項1)。
【0009】
本発明によれば、低速低負荷領域を含む第2領域において気筒内に高温の排気を多量に逆流・残留させつつ、低速高負荷領域を含む第1領域において高い掃気性能を実現して気筒内に逆流・残留する高温排気を少なく抑え、異常燃焼の抑制やエンジントルクの向上を実現することができる。
【0010】
具体的には、本発明では、第1運転領域において、排気弁が排気行程のみに開弁され、排気マニホールド内の排気の流通状態が、第1状態、すなわち、エゼクタ効果によって独立排気通路内に負圧が生成されるように、各独立排気通路内の排気が、流路面積が下流側ほど小さくなる通路をそれぞれ個別に流下して前記共通排気通路にそれぞれ独立して流入する状態にされるとともに、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(吸気行程気筒)の前記オーバーラップ期間が他方の気筒(排気行程気筒)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が駆動される。そのため、オーバーラップ期間中の気筒(吸気行程気筒)の排気ポート内にエゼクタ効果による高い負圧を作用させて、これによりオーバーラップ期間中の掃気を促進させて、気筒内の高温排気の残留量、すなわち内部EGRガス量を少なく抑えることができる。
【0011】
一方、本発明では、第2運転領域において、気筒内に残留する高温排気量を確保するべく、排気弁が排気行程に加えて吸気行程でも開弁されて、排気行程で排気ポート内にいったん排出された排気が気筒内に逆流するよう制御されている。ここで、所定の気筒の吸気行程と他の気筒の排気行程とは一致する。そのため、この第2運転領域において、前記第1運転領域のように排気行程気筒から排気が高速で共通排気通路に流入し、高いエゼクタ効果が発揮されて吸気行程気筒に高い負圧が生成されると、開弁している排気弁を通して吸気行程気筒内およびその排気ポート内の高温排気が下流側に吸い出されてしまい、高温排気の逆流・残留量を確保できなくなるおそれがある。これに対して、本発明では、第2運転領域において、排気マニホールド内の排気の流通状態が、排気が前記第1状態よりも流路面積の大きい通路を通過して共通排気通路に流入する第2状態とされ、共通排気通路に流入するまでの排気の膨張すなわち排気の速度低下が促進される。従って、この第2運転領域では、エゼクタ効果は弱められ、気筒内の高温排気の吸出しが抑制されて高温排気の逆流・残留量、すなわち内部EGRガス量が確保される。
【0012】
さらに、本発明では、排気弁の吸気行程での開弁制御を実施する第1運転領域と、この制御を停止する第2運転領域との間に第3運転領域が設定されて、この第3運転領域においてエンジン負荷の増大に伴い内部EGRガス量が減少するよう構成されている。そのため、第1運転領域から第2運転領域へ、あるいは、その逆方向の変化時に、内部EGRガス量が急激に変化するのを抑制することができる。
【0013】
具体的には、本発明では、第3運転領域において、排気弁の吸気行程での開弁制御を実施しつつ、独立排気通路から共通排気通路に流入するまでに排気が通過する通路の流路面積を、前記第2状態における面積から前記第1状態における面積に向かってエンジンの負荷が増大するほど減少させて、負荷の増大に伴ってエゼクタ効果すなわち排気を下流側へ吸いだす力を徐々に強めるように制御している。そのため、この第3運転領域では、排気弁の再開弁に伴い気筒内へ逆流しようとする排気を下流側に吸い出す力が、負荷の増大に伴って徐々に強められて、排気弁再開弁中の高温排気の逆流・残留量すなわち内部EGRガス量が負荷の増大に伴って徐々に減少される。
【0014】
前記第2運転領域で実施される燃焼形態としては、例えば、自着火燃焼が挙げられる。すなわち、本発明の一実施形態として、少なくとも一部がガソリンからなる燃料を前記気筒内に噴射するインジェクタを備え、前記第2運転領域において、前記気筒内の混合気が自着火により燃焼する自着火燃焼モードが実行されるものが挙げられる(請求項2)。
【0015】
ここで、前記第1運転領域および第3運転領域においても自着火燃焼モードが実施される場合において自着火燃焼モードが実施される場合には、これら全運転領域において混合気を適正に自己着火可能な温度に調整する必要がある。すなわち、負荷が低い領域では混合気の温度が低くなりやすいため混合気の自己着火を実現するためには混合気の温度を高める必要がある。一方、負荷が高い領域では混合気の温度が過剰に高くなるやすいため燃焼騒音の増大やノッキングを回避するためには混合気の温度を低くする必要がある。
【0016】
これに対して、本発明では、低速低負荷領域を含む第2領域において気筒内に高温の排気を多量に逆流・残留させつつ、低速高負荷領域を含む第1領域において高い掃気性能を実現して気筒内に逆流・残留する高温排気を少なく抑えることができるとともに、これらの間の第3領域において負荷が増大するほど、すなわち、混合気の温度が高くなりやすく必要な混合気の温度の低減代が大きくなるほど、内部EGRガス量が減少するよう構成されている。そのため、第1、第2、第3運転領域全てにおいて、内部EGRガス量ひいては混合気の温度を適正に調整して、適正な自己着火燃焼を実現することができる。従って、本発明は、前記第1運転領域および第3運転領域においても自着火燃焼モードが実施される場合において、より効果的である(請求項3)。
【0017】
前記排気マニホールドおよび前記通路状態変更手段の具体的構成としては、前記排気マニホールドは、前記排気マニホールドは、前記各独立排気通路の下流端と前記共通排気通路との間に介在して、前記各独立排気通路の下流端から排出された排気がそれぞれ独立して流入するとともに少なくとも前記第1状態において流路面積が下流側ほど小さくなる形状を呈する複数のガス通路が内側に形成された絞り部を有し、前記通路状態変更手段は、前記各ガス通路の流路面積を変更可能であり、当該各ガス通路の流路面積を変更することで、前記各独立排気通路内の排気が前記共通排気通路に流入するまでに通過する通路の流路面積を前記第1状態における面積と第2状態における面積との間で変更するものが挙げられる(請求項4)。
【0018】
この構成において、前記各ガス通路は、前記各独立排気通路の下流端から前記共通排気通路まで延びて前記各独立排気通路とそれぞれ個別に連通する第1通路と、当該各第1通路と前記共通排気通路とに連通する第2通路とを含み、前記通路状態変更手段は、前記第1通路と第2通路との連通量を変更することで前記各ガス通路の流路面積を変更するのが好ましい(請求項5)。
【0019】
この構成によれば、絞り部内に第1通路と第2通路とを形成し、これら第1通路と第2通路との連通量を変更するという簡単な構成で、各ガス通路の流路面積ひいては排気マニホールド内の排気の流通状態を変更することができる。
【0020】
また、前記各ガス通路として、前記各独立排気通路の下流端から前記共通排気通路まで延びて前記各独立排気通路とそれぞれ個別に連通する第1通路と、当該各第1通路と前記共通排気通路とに連通する第2通路とを含み、前記通路状態変更手段は、前記第2通路の流路面積を変更することで前記各ガス通路の流路面積を変更するものを用いてもよい(請求項6)。
【0021】
この構成によれば、絞り部内に第1通路と第2通路とを形成し、第2通路の流路面積を変更するという簡単な構成で、各ガス通路の流路面積ひいては排気マニホールド内の排気の流通状態を変更することができる。
【0022】
また、前記排気マニホールドおよび前記通路状態変更手段の具体的構成としては、前記排気マニホールドは、前記各独立排気通路の下流端と前記共通排気通路との間に介在する絞り部と、前記各独立排気通路の途中に設けられて複数の独立排気通路どうしを連通する連通通路と、当該連通通路を介した独立排気通路どうしの連通状態を変更可能な連通状態変更手段とを備え、前記絞り部の内側には、下流ほど流路面積が縮小する形状を有するとともに、前記各独立排気通路の下流端から排出された排気がそれぞれ独立して流入するように配置された複数のガス通路が形成されており、前記通路状態変更手段は、前記連通状態変更手段によって前記連通通路を介した前記独立排気通路どうしの連通量を変更することで、前記各独立排気通路内の排気が前記共通排気通路に流入するまでに通過する通路の流路面積を前記第1状態における面積と第2状態における面積との間で変更するものが挙げられる(請求項7)。
【0023】
また、前記排気マニホールドおよび前記通路状態変更手段の具体的構成としては、前記排気マニホールドは、前記各独立排気通路の下流端と前記共通排気通路との間に介在する絞り部と、前記各独立排気通路と前記共通排気通路とを連通して前記絞り部をバイパスさせるバイパス通路と、当該バイパス通路を開閉して当該バイパス通路を介した前記独立排気通路と前記共通排気通路との連通量を変更可能なバイパス通路開閉手段とを備え、前記絞り部の内側には、下流ほど流路面積が縮小する形状を有するとともに、前記各独立排気通路の下流端から排出された排気がそれぞれ独立して流入するように配置された複数のガス通路が形成されており、前記通路状態変更手段は、前記バイパス通路開閉手段によって前記バイパス通路を介した前記独立排気通路と前記共通排気通路との連通量を変更することで、前記各独立排気通路内の排気が前記共通排気通路に流入するまでに通過する通路の流路面積を前記第1状態における面積と第2状態における面積との間で変更するものが挙げられる(請求項8)。
【発明の効果】
【0024】
以上説明したように、本発明によれば、低速低負荷領域において多量の高温の排気の逆流・残留を実現しつつ、低速高負荷領域において掃気性能を高めて高温排気の気筒内の高温の排気の逆流・残留量を少なく抑えて、異常燃焼の回避やエンジントルクの向上を実現することができる。
【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全体構成を示す図である。
【図2】図1に示すエンジンの排気系の構成を示す図である。
【図3】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4】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の制御系を説明するためのブロック図である。
【図5】図2のV−V線断面図である。
【図6】外管が流路面積最小位置にある状態における絞り部周辺の断面図である。
【図7】(a)図6をVII−VII線で切断した切断面の図である。(b)(a)の図のうち内管のみを示した図である。(c)(a)の図のうち外管のみを示した図である。
【図8】(a)図6をVIII−VIII線で切断した切断面の図である。(b)(a)の図のうち内管のみを示した図である。(c)(a)の図のうち外管のみを示した図である。
【図9】図6をIX−IX線で切断した切断面の図である。
【図10】外管が流路面積最小位置よりも下流にある状態における絞り部周辺の断面図である。
【図11】図10をXI−XI線で切断した切断面の図である。
【図12】外管の一部を示す概略斜視図である。
【図13】外管が流路面積最大位置にある状態における絞り部周辺の断面図である。
【図14】本発明の第1実施形態に係る多気筒エンジンで用いられる制御マップを示した図である。
【図15】リーンHCCI燃焼モードの制御内容を説明するためのタイムチャートである。
【図16】エンジン負荷に対する排気二度開きの制御例および外管位置の制御例を示した図である。
【図17】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18】本発明の第4実施形態に係る多気筒エンジンの絞り部を上流から見た図である。
【図19】(a)本発明の第4実施形態に係る多気筒エンジンの吸排気装置において、蓋が全閉位置にある状態の内管の概略斜視図である。(b)本発明の第4実施形態に係る多気筒エンジンの吸排気装置において、蓋が全開位置にある状態の内管の概略斜視図である。
【図20】(a)図19の(a)に対応する絞り部の断面図である。(b)図19の(b)に対応する絞り部の断面図である。
【図21】本発明の第5実施形態に係る多気筒エンジンの排気マニホールドの概略図である。
【図22】本発明の第5実施形態に係る多気筒エンジンの排気マニホールドの概略図である。
【図23】本発明の第6実施形態に係る多気筒エンジンの排気マニホールド周辺の概略側面図である。
【発明を実施するための形態】
【0026】
(1)エンジンの全体構成
図1は、本発明の一実施形態にかかる多気筒エンジンの全体構成を示す図である。図2は、このエンジンの一部(主に排気マニホールド)を示す図である。図1に示されるエンジンは、走行駆動用の動力源として車両に搭載される往復ピストン型の多気筒エンジンである。このエンジンのエンジン本体1は、所定の方向並ぶ4つの気筒2(図2参照)を有するシリンダブロック3と、シリンダブロック3の上面に設けられたシリンダヘッド4と、各気筒2に往復摺動可能に挿入されたピストン5とを有している。具体的には、図2の右から順に第1気筒2a,第2気筒2b,第3気筒2c,第4気筒2dが形成されている。本実施形態では、前記エンジンはガソリンエンジンであり、エンジン本体1に供給される燃料は、ガソリンを主成分とする。なお、この燃料は、その中身が、全てガソリンであってもよいし、ガソリンにエタノール(エチルアルコール)等を含有させたものでもよい。
【0027】
前記エンジン本体1は4サイクルエンジンであって、各気筒2a〜2dにおいて、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(図3参照)。本実施形態では、第1気筒2a→第3気筒2c→第4気筒2d→第2気筒2bの順に点火が行われてこの順に排気行程等が実施される。
【0028】
前記ピストン5はコネクティングロッド8を介してクランク軸7と連結されており、前記ピストン5の往復運動に応じて前記クランク軸7が中心軸回りに回転するようになっている。
【0029】
前記ピストン5の上方には燃焼室6が形成されている。この燃焼室6には吸気ポート9および排気ポート10が開口し、各ポート9,10を開閉する吸気弁11および排気弁12が、前記シリンダヘッド4にそれぞれ設けられている。なお、図例のエンジンはいわゆるダブルオーバーヘッドカムシャフト式(DOHC)エンジンであり、各気筒につき前記吸気ポート9および排気ポート10が2つずつ設けられるとともに、前記吸気弁11および排気弁12も2つずつ設けられている。
【0030】
ここで、当実施形態のエンジン本体1は、理論熱効率の向上や、後述する圧縮自己着火燃焼の安定化等を目的として、14以上という比較的高い幾何学的圧縮比を有するように設定されている。なお、幾何学的圧縮比の上限値は、実用上の観点等から30程度であると考えられるため、エンジン本体1の幾何学的圧縮比は、14以上30以下の範囲の適宜の値に設定される。
【0031】
エンジンには、各種センサが取り付けられている。例えば、エンジン冷却水の温度を検出するための水温センサSW1、クランク軸7の回転角度(クランク角)ひいてはエンジンの回転数を検出するためのクランク角センサSW2、前記カムシャフトの角度を検出して気筒判別(各気筒が吸気、圧縮、膨張、排気のいずれの行程にあるかの判別)用の信号を出力するカム角センサSW3、燃焼室6に流入する新気の温度を検出するための外気温センサSW4が、エンジン本体に取り付けられている。
【0032】
前記吸気弁11および排気弁12は、それぞれ、シリンダヘッド4に配設された一対のカムシャフト(図示省略)等を含む動弁機構13,14によりクランク軸7の回転に連動して開閉駆動される。
【0033】
前記吸気弁11用の動弁機構13には、CVVL15およびVVT16がそれぞれ組み込まれている。CVVL15は、連続可変バルブリフト機構(Continuous Variable Valve Lift Mechanism)と呼ばれるものであり、吸気弁11のリフト量を連続的に(無段階で)変更するものである。また、吸気VVT16は、可変バルブタイミング機構(Variable Valve Timing Mechanism)と呼ばれるものであり、吸気弁11の開閉タイミング(位相角度)を可変的に設定するものである。これら吸気CVVL15および吸気VVT16は、エンジンの全ての吸気弁11のリフト量および開閉タイミングを変更できるように設けられており、吸気CVVL15および吸気VVT16の両方が駆動されると、各気筒2において一対の吸気弁11のリフト量および開閉タイミングが同時に変更されるようになっている。
【0034】
前記のような構成の吸気CVVL15は既に公知であり、その具体例として、吸気弁11駆動用のカムをカムシャフトの回転と連動して往復揺動運動させるリンク機構と、リンク機構の配置(レバー比)を可変的に設定するコントロールアームと、コントロールアームを電気的に駆動することによって前記カムの揺動量(吸気弁11を押し下げる量)を変更するステッピングモータとを備えたものを挙げることができる(例えば特開2007−85241号公報参照)。また、前記吸気VVT16についても、液圧式、電磁式、機械式など、種々のタイプのものが既に公知であり、その中から適宜のものを採用し得る。
【0035】
前記排気弁12用の動弁機構14には、吸気行程中に排気弁12を押し下げる機能を有効または無効にするON/OFFタイプの可変バルブリフト機構(Variable Valve Lift Mechanism)であるVVL17が組み込まれている。排気VVL17は、排気弁12を排気行程だけでなく吸気行程でも開弁可能にするとともに、この吸気行程中の排気弁12の開弁動作を実行するか停止するかを切り替える機能を有している。排気VVL17は、エンジンの全ての排気弁12に対応して設けられており、かつ、各気筒2の一対の排気弁12に対し、それぞれ個別に、吸気行程中の開弁動作を実行または停止できる。
【0036】
このような構成の排気VVL17は既に公知であり、その具体例として、排気弁12駆動用の通常のカム(排気行程中に排気弁12を押し下げるカム)とは別に吸気行程中に排気弁12を押し下げるサブカムと、このサブカムの駆動力が排気弁12に伝達されるのを有効または無効にするいわゆるロストモーション機構とを備えたものを挙げることができる(例えば特開2007−85241号公報参照)。
【0037】
排気VVL17の作用により排気弁12が吸気行程中に開弁することで、排気行程で燃焼室6内からいったん排気ポート10に排出された高温の排気は燃焼室6(気筒2)に逆流する。この逆流により、燃焼室6内の高温排気の量すなわち内部EGRガス量は増大し、燃焼室6の高温化が図られるとともに、燃焼室6に導入される空気(新気)の量が低減される。以下では、このような排気弁12の再開弁(吸気行程中の開弁)による排気の逆流・残留操作を、排気二度開き制御と称する。
【0038】
エンジン本体1のシリンダヘッド4には、点火プラグ20およびインジェクタ21が、各気筒2につき1組ずつ設けられている。
【0039】
インジェクタ21は、燃焼室6をその天井面(燃焼室6を覆うシリンダヘッド4の下面)から臨むように設けられている。各気筒2のインジェクタ21にはそれぞれ燃料供給管23が接続されており、各燃料供給管23を通じて供給される燃料(ガソリンを主成分とする燃料)が前記インジェクタ21の先端部から噴射される。
【0040】
インジェクタ21は、その噴口が燃焼室6天井の中央部に位置するように設けられている。インジェクタ21は、例えば、多噴口型のインジェクタが用いられ、その先端部に複数(例えば12個)の噴口を有している。そして、インジェクタ21の各噴口から燃料が噴射されると、その燃料は、ピストン5の冠面(上面)に近づくほどボア径方向外側に拡がるように放射状に広がる。
【0041】
点火プラグ20は、各気筒2の燃焼室6を上方から臨むように前記インジェクタ21と隣接して配置されている。この点火プラグ20は、燃焼室6に露出する電極を先端部に有し、図外の点火回路からの給電に応じて前記電極から火花を放電する。
【0042】
エンジン本体1の吸気ポート9および排気ポート10には、吸気通路28および排気マニホールド50がそれぞれ接続されている。外部からの吸入空気(新気)は、前記吸気通路28を通じて燃焼室6に供給されるとともに、燃焼室6で生成された排気(既燃ガス)は、前記排気マニホールド50を通じて外部に排出される。排気マニホールド50の詳細構造については後述する。
【0043】
吸気通路28は、単一の通路からなる共通通路部28cと、共通通路部28cの下流側端部に設けられたサージタンク28bと、気筒2ごとに分岐して設けられて前記サージタンク28bと各気筒2の吸気ポート9とを接続する分岐通路部28aとを有している。
【0044】
吸気通路28の共通通路部28cには、スロットルバルブ25が開閉可能に設けられている。ただし、当実施形態では、前記CVVL15により吸気弁11のリフト量が調整され、また、排気VVL17により燃焼室6に逆流(残留)する排気の量が調整される。したがって、これらの操作に基づいて、スロットルバルブ25を操作することなく、燃焼室6に導入される空気(新気)の量を調整することが可能である。このため、スロットルバルブ25は、エンジンの停止時等を除いて、全開もしくはそれに近い値に維持される。
【0045】
(2)排気マニホールドの構成
排気マニホールド50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、可動部51と、触媒装置60とを備えている。ここで、排気マニホールド50のうち可動部51の後述する絞り部53よりも下流の部分が、各独立排気通路52を通過した全ての排気が内側で集合する共通排気通路50a(図2参照)を構成する。具体的には、この実施形態では、集合部58と、触媒装置60とが、共通排気通路50aを構成する。
【0046】
(2−1)独立排気通路52の構成
図2に示すように、前記各独立排気通路52は、シリンダヘッド4に形成された前記各気筒2の排気ポート10に接続されている。具体的には、前記気筒2のうち第1気筒2aの排気ポート10と第4気筒2dの排気ポート10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2bと第3気筒2cの排気ポート10は、これら各気筒2b,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、二股上に形成された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2bと第3気筒2cの排気ポート10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2bの排気ポート10が接続され、他方に第3気筒2cの排気ポート10が接続されている。
【0047】
本実施形態では、第2気筒2bおよび第3気筒2cの排気ポート10に対応する独立排気通路52は、これら気筒2b,2c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2a,2dの排気ポート10に対応する独立排気通路52は、対応する各排気ポート10と対向する位置から前記第2気筒2bおよび第3気筒2c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。
【0048】
図5は、図2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、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、車両後方に向かって斜め下方に延びる軸線L(図2参照)上の点O1を中心とする円の円周上に互いに等間隔に配列されている。
【0049】
(2−2)可動部51の構成
図2等に示すように、可動部51は、二重管構造であって、円筒状の収容管51aの内側に絞り部53と集合部58とが収容された構造を有している。絞り部53と集合部58とは、上流側からこの順序で収容されている。収容管51aは、車両後方に向かって斜め下方に延びる前記軸線Lを中心軸として後ろ斜め下方に延びている。以下、この収容管51aの軸線Lを単に軸線Lと呼ぶ場合がある。
【0050】
(2−2−1)絞り部53の構成
図6は、外管55が最も上流側の位置にある状態(以下、この位置を流路面積最小位置という)における可動部51付近を拡大して示した断面図である。図7(a)は、図6のVII−VII線断面図のうち絞り部53のみを示した図である。図7(b)は、図7(a)のうち後述する内管54のみを示した図である。図7(c)は、図7(b)のうち外管55のみを示した図である。図8(a)は、図6のVIII−VIII線断面図のうち絞り部53のみを示した図である。図8(b)は、図8(a)のうち後述する内管54のみを示した図である。図8(c)は、図8(b)のうち後述する外管55のみを示した図である。図9は、図6のIX−IX線断面図のうち絞り部53のみを示した図である。
【0051】
図10は、図6に対応する図であって、外管55が前記流路面積最小位置よりも下流側にスライドした状態における可動部51付近を拡大して示した断面図である。図11は、図9に対応する図であって、図10のIX−IX線断面図のうち絞り部53のみを示した図である。
【0052】
絞り部53は、内管54と外管55とを有する。
【0053】
内管54は、上下流方向に延びる管状部材である。内管54の内側には、上下流方向に延びる3つの第1通路54aが形成されている。内管54の外形は、その上流側部分が収容管51aの軸線Lを中心軸とする円筒形をなし、その下流側部分が前記軸線Lを中心として下流に向かうに従って縮径する略円錐台形状をなすように構成されている。すなわち、内管54の外周面54gは、その上流側部分に設けられて軸線Lと平行に延びる円筒面54g_1と、その下流側部分に設けられて下流に向かうに従って軸線L側に傾斜する内管側傾斜面54g_2(内管側傾斜部)とからなる。内管54の下流端の外周面54gの径は、例えば、内管54の上流端の外周面54gの径の約半分に設定されている。
【0054】
各第1通路54aは、軸線Lを中心軸とする円筒の円筒面上に互いに等間隔に並んでいる。各第1通路54aは、その内周面のうち軸線L側の部分がこの軸線Lに沿って延びる一方、その内周面のうち軸線Lから径方向に離間した側の部分が、内管54の外周面54gに沿って延びる形状を有している。この形状に伴い、各第1通路54aの流路面積は、下流側ほど小さくなっている。
【0055】
具体的には、各第1通路54aの上流端54bは、図7(a)、(b)に示すように、それぞれ円形をなしている。一方、各第1通路54aの下流端54cは、図8(a)、(b)に示すように、1つの円を三分割した略扇形状をなしており、その面積は、前記円形の上流端54bの面積よりも小さい面積に設定されている。そして、各第1通路54aは、その円形の上流端54bから下流側に、所定量、同一流路面積で延びた後、この上流端54bよりも流路面積の小さい下流端54cに向かって徐々に縮径しつつ延びている。本実施形態では、第1通路54aの下流端54c全体で構成される円の径と、各第1通路54aの上流端54bの円の径とはほぼ同じ寸法に設定されている。
【0056】
内管54は、各第1通路54aの円形の上流端54bが、それぞれ前記各独立排気通路52の下流端52aと一致するように配置されている。そのため、各独立排気通路52の下流端52aから排出された排気は、対応する各第1通路54a内に個別に(独立して)流入する。
【0057】
内管54の管壁のうち各第1通路54aに対応する部分には、これら第1通路54aと内管54の外側とを連通する連通口54dが形成されている。各連通口54dは、内管54の外周面54gのうち内管側傾斜面54g_2に開口しており、下流に向かって開口している。本実施形態では、各連通口54dは、略円形である。
【0058】
内管54の管壁には、各第1通路54a間に対応する部分に、それぞれ内管54の外周面54gから軸線Lに向かって延びるとともに、上下流方向に延びる溝54eが形成されている。
【0059】
外管55は、上下流方向に延びる管状部材である。この外管55の内側には1つの通路が形成されており、この通路内に内管54が収容されている。外管55の内周面55gは、外管55が図6に示す流路面積最小位置にある状態において、内管54の外周面54gに沿って延びている。すなわち、外管55の内周面55gは、その上流側部分に設けられて前記軸Lと平行に延びる円筒面55g_1と、その下流側部分に設けられて下流に向かうに従って軸L側に傾斜する外管側傾斜面55g_2(外管側傾斜部)とからなる。外管55の外管側傾斜面55g_2は、外管55が流路面積最小位置にある状態において、内管54の内管側傾斜面54g_2に接触するように延び、この状態において、前記各連通口54dを塞ぐように構成されている。
【0060】
図12に、外管55の一部の斜視図を示す。この図12および図7(a)等に示すように、外管55には、内管54の各溝54eに対応して、その内周面55gから軸線Lに向かって延びるとともに上下流方向に延びる区画壁55eが形成されている。これら区画壁55eは、各溝54e内に挿入されている。
【0061】
外管55は、内管54に対して下流側に相対移動可能である。本実施形態では、内管54は動かず、外管55が軸線Lと平行に上下流方向にスライドする。なお、本実施形態では、外管55は、前記集合部58と一体に形成されており、集合部58とともに上下流方向にスライドする。
【0062】
具体的には、図2に示すように、外管55の外周面には、スライドアクチュエータ(通路状態変更手段)55fが取り付けられている。スライドアクチュエータ55fは、後述するECU100の指令を受けて、外管55を軸線Lと平行に、図6に示す流路面積最小位置と、この流路面積最小位置よりも下流側の位置である図13に示す流路面積最大位置との間で連続的にスライドさせる。このとき、外管55の各区画壁55eは、内管54の各溝54e内をスライドする。
【0063】
図6に示す流路面積最小位置において、外管55は、内管54の上流端から下流端まで延びる。前述のように、この状態において、外管55の内周面55gは、内管54の外周面54gと接触して、連通口54dを塞ぐ。連通口54dが塞がれると、各独立排気通路52から排出された排気は、絞り部53のうち第1通路54aのみを通過して流下する。このように、外管55が流路面積最小位置にある状態(第1状態)では、絞り部53内に形成されて各独立排気通路52から排出された排気が通過可能なガス通路は、第1通路54aのみで構成され、ガス通路の流路面積は最小面積となる。
【0064】
一方、図10に示すように外管55が流路面積最小位置から下流側にスライド移動した状態では、外管55の内周面55gは内管54の外周面54gから下流側および径方向外側(軸線Lから離れる方向)に離間する。この離間に伴い、各連通口54dは開口され、外管55の内周面55gと内管54の外周面54gとの間には第2通路55aが出現する。
【0065】
図11に示すように、外管55の各区画壁55eが内管54の各溝54e内に挿入されていることで、外管55の内周面55gと内管54の外周面54gとの間には、区画壁55eによって、3つの第2通路55aが区画される。各第2通路55aは、各第1通路54aの径方向外側にそれぞれ位置して、各連通口54dを介して第1通路54aと連通する。
【0066】
このように外管55が流路面積最小位置から下流側にスライドした状態において、絞り部53内に形成されるガス通路は、第1通路54aと第2通路55aとによって構成される。そして、各独立排気通路52から排出された排気は、第1通路54aに流入した後、その一部が前記連通口54dを介して第2通路55a内にも流入するようになる。このように、外管55が流路面積最大位置にある状態では、各ガス通路の流路面積は最小面積よりも大きくなる。
【0067】
前記第2通路55aの流路面積ひいては絞り部53内のガス通路の流路面積は、外管55の下流側へのスライド量が大きくなるほど大きくなる。具体的には、外管55が下流側へスライドするほど、外管55の内周面55gと内管54の外周面54gとの離間量は大きくなり、それに応じて第2通路55aおよびガス通路の流路面積は大きくなる。
【0068】
本実施形態では、図13に示す流路面積最大位置にある状態において、外管55は、最も下流側に位置しており、この状態において第2通路55aおよびガス通路の流路面積は最大面積となる(第2状態)。この状態において、外管55の上流端は、内管54のうち円筒状を有する上流側部分の下流端に位置し、外管55は、この位置から下流側に延びている。
【0069】
本実施形態では、前記スライドアクチュエータ55fは、外管55の位置を、流路面積最小位置と、流路面積最大位置との間で連続的に変化させるのに伴い、各ガス通路の流路面積は、最小面積と最大面積との間で連続的に変更される。
【0070】
(2―2−2)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。外管55の位置に関わらず、各独立排気通路52から排出されて絞り部53の各ガス通路に流入した排気は、この集合部58内に流入する。
【0071】
なお、図10に示すように、外管55が流路面積最大位置にある状態では、外管55は内管54よりも下流側に延びており、第1通路54aを通過した排気は、外管55の内側に流入して第2通路55aを通過した排気と合流した後、集合部58内に流入する。
【0072】
集合部58は、図6等に示すように、上流側から順に、ノズル部58a、混合部58b、ディフューザー部58cを備えている。本実施形態では、前述のように、集合部58は外管55と一体にスライド可能に連結されており、ノズル部58aは、外管55の下流端に一体に連結されてこの下流端から下流に延びている。
【0073】
後述するように、本ガソリンエンジンでは、所定の運転領域(第1運転領域A1)において、絞り部53からノズル部58a内に高速で排気を排出させてエゼクタ効果を発揮させるよう構成されている。そのため、ノズル部58aの形状は、絞り部53から排出された排気が高い速度を維持したまま流下するように、下流側ほどその流路面積が小さくなる形状に設定されている。本実施形態では、ノズル部58aは、下流に向かうに従って縮径する略円錐台形状を有している。また、ノズル部58aの内周面は、絞り部53から流出した排気がこの内周面に沿って円滑に流下するように、外管55の下流側部分の内周面すなわち外管側傾斜面55g_2に連続して、下流に向かうに従って軸線Lに近づく方向に傾斜している。このノズル部58aの軸線Lに対する傾斜角度は、前記外管55の外管側傾斜面55g_2の傾斜角度とほぼ同じに設定されている。
【0074】
混合部58bは、ノズル部58aの下流端から下流側に延びる円筒形状を有しており、ノズル部58aの下流端の開口と同じ流路面積を有している。ディフューザー部58cは、この混合部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を有している。
【0075】
このようにノズル部58aと混合部58bとで構成される部分では、上流側の流路面積の方が下流側よりも大きい。そのため、排気はこのノズル部58aと混合部58bとを高速で通過する。この通過時に、排気の圧力・温度は低下する。従って、ノズル部58aおよび混合部58bにおいて、排気の外部への放熱量は少なく抑えられる。そして、混合部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。
【0076】
また、前述のように、本実施形態では、集合部58および絞り部53は、中空の収容管51a内に挿入されている。そのため、これら集合部58および絞り部53の通過時における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。
【0077】
(2−3)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。この触媒装置60は、触媒本体(触媒)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り、理論空燃比の雰囲気下で三元触媒機能を有する。この触媒本体64は、例えば、三元触媒を含有する。
【0078】
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、このケーシング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の下流端はこのケーシング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このケーシング62の上流端61に流入した後、触媒本体64側へ進行する。
【0079】
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。
【0080】
(3)排気マニホールド50の作用
外管55が流路面積最小位置にある第1状態では、前述のように、絞り部53内のガス通路は、下流ほど流路面積が小さくなる形状を有する第1通路54aのみで構成され、その流路面積は最小とされる。そのため、この第1状態では、各独立排気通路52から各第1通路54aに流入した排気は、第1通路54aの通過途中でその速度が高められ、高速でノズル部58a内に流入する。特に、本実施形態では、集合部58も、下流ほど流路面積が小さくなる形状を有している。そのため、各独立排気通路52から排出された排気は、集合部58においてもその速度を高く維持したまま流下する。この第1状態では、このように集合部58内を所定の第1通路54aから排出された排気が高速で通過する結果、エゼクタ効果によって、隣接する他の第1通路54a内およびこれと連通する独立排気通路52および排気ポート10内に比較的高い負圧量の負圧が生成される。
【0081】
一方、外管55が流路面積最小位置よりも下流側にある状態では、絞り部53内のガス通路は、第1通路54aと第2通路55aとで構成されて、その流路面積は最小面積よりも大きくされる。そのため、この状態では、各独立排気通路52から各第1通路54aに流入した排気は、第1状態のときよりもガス通路内での膨張が促進され、その速度が低く抑えられた状態で集合部58内に流入する。この結果、この外管55が流路面積最小位置よりも下流側にある状態では、エゼクタ効果により排気ポート10内に生成する負圧量が第1状態よりも小さく抑えられる。
【0082】
絞り部53内のガス通路の流路面積は、外管55が最も下流側の流路面積最大位置にある状態において最大となり、この状態(第2状態)において、エゼクタ効果による負圧量は最も小さくなる。そして、絞り部53内のガス通路の流路面積は、外管55の位置が流路面積最小位置から流路面積最大位置に連続的に変更されるのに伴い、連続的に大きくなる。従って、エゼクタ効果による負圧量は、外管55の位置が流路面積最小位置から流路面積最大位置に連続的に変更されるのに伴い、連続的に小さくなる。
【0083】
このように、本実施形態では、外管55の位置が変更されることによって、排気マニホールド50内の排気の流通状態が、エゼクタ効果によって他の独立排気通路52内に負圧が生成されるように、各独立排気通路52内の排気が、互いに隣接しかつ流路面積が下流側ほど小さくなる第1通路54aをそれぞれ個別に通って共通排気通路50a(共通排気通路50aのうちの集合部58)に流入する第1状態と、各独立排気通路52内の排気が第1状態よりも流路面積の大きい通路(第1通路54aおよび第2通路55a)を通過して共通排気通路に流入する第2状態とに変更されるとともに、この第1状態と第2状態との間で各独立排気通路52内の排気が共通排気通路50aに流入するまでに通過する通路(本実施形態では絞り部53内のガス通路)の流路面積が連続的に変更され、これにより、各状態におけるエゼクタ効果によって所定の独立排気通路52内に生成される負圧量が変更される。
【0084】
(4)制御系
図4は、エンジンの制御系を示すブロック図である。この図4に示されるECU(制御手段)100は、エンジンの各部を統括的に制御するための装置であり、周知のCPU、ROM、RAM等から構成されている。
【0085】
ECU100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。ECU100は、エンジンに設けられた前記水温センサSW1、クランク角センサSW2、カム角センサSW3、および外気温センサSW4等と電気的に接続されており、これら各センサSW1〜SW4からの入力信号に基づいて、エンジンの冷却水温、クランク角、エンジン回転数、気筒判別情報、および新気の温度といった種々の情報を取得する。
【0086】
また、ECU100には、車両に設けられた各種センサからの情報も入力される。例えば、車両には、運転者により踏み込み操作される図外のアクセルペダルの開度(アクセル開度)を検出するアクセル開度センサSW5が設けられており、このアクセル開度センサSW5により検出されたアクセル開度が、ECU100に入力される。
【0087】
ECU100が有するより具体的な機能について説明する。ECU100は、その主な機能的要素として、判定手段101、インジェクタ制御手段102、吸排気制御手段103、排気二度開き制御手段104、および、点火制御手段106、アクチュエータ制御手段107、を有している。
【0088】
記判定手段101は、クランク角センサSW2の検出値から特定されるエンジン回転数と、アクセル開度センサSW4の検出値から特定されるエンジン負荷(目標トルク)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。なお、以下では、エンジン回転数をNe、エンジン負荷をTとする。
【0089】
図14は、前記エンジン回転数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101は、この図14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。
【0090】
図14の制御マップにおいて、所定の第2基準負荷T2よりも負荷が小さい領域であって全エンジン回転数にわたって、第2運転領域A2が設定されている。エンジン回転数が所定の回転数よりも高く、かつ、全負荷近傍の領域には、第4運転領域A4が設定されている。第2基準負荷T2よりも高い第1基準負荷T1以上の高負荷領域であって第4運転領域A4を除く領域には、第1運転領域A1が設定されている。なお、第4運転領域は、第2基準負荷T2よりも負荷の高い領域に設定されている。第1運転領域A1と第2運転領域A2との間には、第3運転領域A3が設定されている。すなわち、第3運転領域A3は、第2基準負荷T2以上第1基準負荷T1未満の中負荷領域であって、全エンジン回転数にわたって設定されている。
【0091】
再び図4に戻って、インジェクタ制御手段102は、インジェクタ21に内蔵された図外のニードル弁(インジェクタ21の先端部の噴口を開閉する弁)を電磁的に開閉することにより、インジェクタ21から燃焼室6に噴射される燃料の噴射量や噴射時期を制御する。
【0092】
吸排気制御手段103は、吸気CVVL15および吸気VVT16を駆動することにより、吸気弁11のリフト量(開弁量)および開閉タイミングを変更するとともに、排気VVL17を駆動することにより排気弁12の開閉タイミングを変更する制御を行うものである。
【0093】
排気二度開き制御手段104は、排気VVL17を駆動して排気弁12の吸気行程中の開弁を実行または停止することにより、燃焼室6に排気を逆流・残留させる操作(排気二度開き制御)の実施/停止を切り替える。なお、当実施形態において、排気弁12は1気筒あたり2つ設けられているので、吸気行程中に開弁する排気弁12の数を0,1,2の間で切り替えることにより、燃焼室6内に逆流・残留する排気の量(内部EGRガス量)を段階的に変化させることが可能である。
【0094】
点火制御手段106は、点火プラグ20による火花点火のタイミング(点火時期)等を制御する。ここで、後述するように、本実施形態のガソリンエンジンでは、全運転領域で圧縮自己着火燃焼を実施しており、点火プラグ20による火花点火は通常運転字には停止され、エンジンの暖機完了前等において用いられる。
【0095】
(5)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ECU100の制御に基づき、図14に示した各運転領域(A1,A2,A3,A4)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。ECU100は、クランク角センサSW2およびアクセル開度センサ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14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14中の第1運転領域A1と第2運転領域A2と第3運転領域A3と第4運転領域A4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。
【0096】
(5−1)第2運転領域A2
低負荷領域からなる第2運転領域A2では、点火プラグ20による混合気の点火は停止されて、十分に混合された燃料と空気の混合気であって非常にリーンな混合気をピストン5の圧縮作用によって自着火させる、リーンHCCI燃焼(Homogeneous−Charge Compression Ignition Combustion、予混合圧縮自己着火燃焼)モードが実行される。
【0097】
図15は、リーンHCCI燃焼モードが実行された際の、燃料噴射時期と吸排気弁11,12のリフト特性、およびそれに基づく燃焼により生じる熱発生率(J/deg)を示す図である。この図15に示すように、このリーンHCCI燃焼モードでは、圧縮上死点(圧縮行程と膨張行程の間のTDC)よりも十分に早いタイミングで燃料が噴射され、燃料と空気の混合が十分に混合された圧縮上死点付近においてこの混合気をピストン5の圧縮作用によって自着火させる。
【0098】
具体的に、当実施形態において、このリーンHCCI燃焼モードで運転されているときには、吸気行程中の所定時期にインジェクタ21から燃焼室6に対し比較的少量の燃料が噴射(P)され、この1回の燃料噴射Pにより一括噴射された少量の燃料と、吸気通路28から燃焼室6に導入される空気(新気)とに基づき形成される均質でかつリーンな混合気が、ピストン5の圧縮作用により高温、高圧化し、圧縮上死点付近で自着火する。すると、このような自着火に基づき、波形Qaに示すような熱発生を伴う燃焼が生じることになる。
【0099】
リーンHCCI燃焼モードでは、燃焼室6内に噴射される燃料重量Fに対する燃焼室6内の全ガスの重量Gの割合であるG/Fが、30以上(例えば35)となるように設定される。ただし、このように大幅にリーンでかつ均質な空燃比下では、燃焼室内の温度を意図的に上昇させないと、失火が起きるおそれがある。前述のように、本ガソリンエンジンでは、エンジン本体の幾何学的圧縮比が14以上と高い値に設定されており、ピストン5の圧縮作用により燃焼室内の温度をある程度まで高めることができるが、燃焼室内の温度が低い低負荷領域においてより安定した燃焼を実現するために、本実施形態では、燃焼室6(気筒2)内に残留する高温の排気すなわち内部EGRガス量を多く確保する制御が実施される。
【0100】
具体的には、第2運転領域A2では、排気VVL17を駆動して排気弁12を吸気行程中に開弁させることにより、燃焼室6で生成されて排気ポート10側に流出した排気を燃焼室6に逆流させる排気二度開き制御が実行される。すなわち、排気弁12は、通常、排気行程のみで開弁するが(図15のリフトカーブEX)、排気VVL17の駆動に基づき排気弁12を吸気行程でも開弁させることにより(リフトカーブEX’)、排気ポート10から燃焼室6に排気を逆流させる。
【0101】
このように、高温の排気が燃焼室6に逆流することで、燃焼室6内に残留する高温の排気すなわち高温の内部EGRガスが多く確保される。そして、これにより燃焼室6内の混合気の温度が高温化される結果、混合気の自着火が促進される。なお、内部EGRガス量は、低負荷側ほど多く、高負荷側ほど少なく設定される。そのための制御として、例えば、第2運転領域A2における低負荷域(無負荷に近い領域)では、吸気行程中に開弁する排気弁12の数が2つとされ、それよりも負荷が高くなると、開弁数が1つに減らされる。
【0102】
また、この第2運転領域A2では、前記絞り部53の外管55の位置が流路面積最大位置とされて、排気マニホールド50内の排気の流通状態が第2状態、すなわち、絞り部53内の各ガス通路の流路面積が最大面積になる状態とされる。このような制御を実施するのは、次の理由に基づく。
【0103】
前述のように、第2運転領域A2では、内部EGRガス量を確保するために吸気行程中に排気弁12が再開弁される。図3に示すように、所定の気筒(吸気行程気筒)2の吸気行程と、この吸気行程気筒2よりも排気行程が1つ後の気筒(排気行程気筒)2の排気行程とは一致する。従って、吸気行程気筒2において吸気弁11に加えて排気弁12が再開弁されている期間中に、排気行程気筒2内の排気は、絞り部53を通って集合部58へと排出される。
【0104】
前述のように、絞り部53の外管55の位置が流路面積最小位置であって排気マニホールド50内の排気の流通状態が第1状態にある場合は、所定の気筒2から排出された排気が第1通路54aを通過する際に、エゼクタ効果によって、他の気筒2の排気ポート10内に高い負圧が生成する。そのため、排気弁12の再開弁制御の実施時に、前記のように絞り部53の外管55の位置を流路面積最小位置とし排気マニホールド50内の排気の流通状態を第1状態とすると、排気弁12が再開弁している吸気行程気筒2の排気ポート10に、排気行程気筒2の排気により生成された高い負圧が作用して、吸気行程気筒2の排気ポート10内の排気が下流側に吸い出されてしまい、吸気行程気筒2内に逆流・残留する排気の量すなわち内部EGRガス量を十分に確保できなくなる。これに対して、前述のように、絞り部53の外管55の位置を流路面積最大位置とし排気マニホールド50内の排気の流通状態を第2状態とすれば、エゼクタ効果による負圧量は小さく抑えられる。
【0105】
そこで、本エンジンでは、内部EGRガス量を多く確保したい第2運転領域A2において、エゼクタ効果により生じた負圧による吸気行程気筒2内および排気ポート10内の排気の下流側への吸出しを抑制するべく、前記絞り部53の外管55の位置を流路面積最大位置として排気マニホールド50内の排気の流通状態を第2状態とする。そして、エゼクタ効果による負圧量を小さく抑えて、排気の逆流・残留量すなわち内部EGRガス量を確保する。
【0106】
以上のようにして、第2運転領域A2では、G/Fが30以上という大幅にリーンの混合気が、多量の内部EGRガス量が確保されることで、自着火可能な温度にまで確実に高められて自着火燃焼し、これにより、NOxの発生が抑制されつつ、燃焼温度ひいては冷却損失の低減に伴う高い熱効率(燃費)が実現される。
【0107】
(5−2)第1運転領域A1および第4運転領域A4
高負荷領域からなる第1運転領域A1および第4運転領域A4においても、第2運転領域A2と同様に、HCCI燃焼モードが実行される。すなわち、圧縮上死点よりも早いタイミングで燃料が噴射され、燃料と空気の混合が混合された圧縮上死点付近においてこの混合気をピストン5の圧縮作用によって自着火させる。
【0108】
ただし、この第1運転領域A1および第4運転領域A4では、第2運転領域A2と異なり、負荷が高く多量の燃料が噴射されるため、燃焼室6内の着火後の温度圧力は高温・高圧となる。そのため、この第1運転領域A1および第4運転領域A4において、第2運転領域A2と同様に高温の排気を燃焼室6内に逆流・残留させたのでは、混合気の温度が過剰に高温となり、着火後に燃焼騒音が著しく増大する、また、ノッキング等の異常燃焼が生じやすくなる。特に、本実施形態では、エンジン本体1の幾何学的圧縮比が14と高い値に設定されているため、燃焼騒音およびノッキングの問題が顕著になる。
【0109】
そこで、第1運転領域A1および第4運転領域A4では、燃焼室6内に逆流・残留する高温の排気をより少なくするため、すなわち、燃焼室6内の残留ガスをより多く下流側へ吸い出すための制御が実施される。
【0110】
具体的には、第1運転領域A1および第4運転領域A4では、排気二度開き制御が停止されて、高温の排気が燃焼室6内に多量に逆流するのが禁止される。すなわち、排気弁12が排気行程中のみに開弁するよう、排気VVL17が調整される。また、吸気弁11、排気弁12および排気マニホールド50内の排気の流通状態が、以下に示す通り、第1運転領域A1と第4運転領域A4とにおいて、それぞれ、内部EGRガス量を少なく抑えることのできる適切な状態に調整される。
【0111】
(i)第1運転領域A1における吸気弁11等の制御方法
第1運転領域A1では、排気弁12の開弁期間と吸気弁11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12が他の気筒2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2aの吸気弁11と排気弁12とがオーバーラップしている期間中に第3気筒2cの排気弁12が開弁し、第3気筒2cの吸気弁11と排気弁12とがオーバーラップしている期間中に第4気筒2dの排気弁12が開弁し、第4気筒2dの吸気弁11と排気弁12とがオーバーラップしている期間中に第2気筒2bの排気弁12が開弁し、第2気筒2bの吸気弁11と排気弁12とがオーバーラップしている期間中に第1気筒2aの排気弁12が開弁するよう調整される。
【0112】
また、外管55の位置が流路面積最小位置とされて絞り部53内の各ガス通路の流路面積が最小面積となり排気マニホールド50内の排気の流通状態が第1状態とされる。
【0113】
このように外管55の位置が流路面積最小位置にある状態では、前述のように、所定の気筒2から排出された排気が第1通路54aを通過する際に、高いエゼクタ効果が発揮され、これによって、他の気筒2の排気ポート10内に高い負圧が生成する。そのため、前記のように排気弁12の開弁期間と吸気弁11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12が他の気筒2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ていれば、所定の気筒(排気行程気筒)2の排気弁12が開弁してこの排気行程気筒2から排気が高速で排出されるのに伴って、オーバーラップ期間中にある吸気行程中の気筒(吸気行程気筒)2の排気ポート10内に高い負圧を生成することができ、この負圧によって吸気行程気筒2内の残留ガスを下流側へ吸いだすことができる。特に、排気弁12の開弁開始直後は気筒2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2内の残留ガスの多くが下流側に吸い出される。
【0114】
以上のように、第1運転領域A1では、高いエゼクタ効果によって燃焼室6内の高温の残留ガスが下流側へ吸いだされ燃焼室6内の内部EGRガス量が少なく抑えられて、燃焼室6内の過剰な温度上昇が抑制される。そして、燃焼騒音の低減およびノッキングが抑制されて、適正なHCCI燃焼が実現される。
【0115】
なお、本エンジンにおいて、前記吸気弁11および排気弁12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11,12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であり、例えば0.4mmリフトの時期をいう。
【0116】
(ii)第4運転領域A4における吸気弁11等の制御方法
高速の全負荷近傍の領域からなる第4運転領域A4では、吸気弁11の開弁期間と排気弁12の開弁期間とのオーバーラップ量が、第1運転領域A1よりも少なくなるように調整される。また、第4運転領域A4では、外管55の位置が流路面積最大位置とされて、絞り部53内の各ガス通路の流路面積が最大面積とされ、排気マニホールド50内の排気の流通状態が第2状態とされる。
【0117】
第4運転領域A4では、エンジン回転数Neおよびエンジン負荷Tが高いことに伴い排気流量が大きい。そのため、第1運転領域A1のように、吸気弁11と排気弁12とをオーバーラップさせ、外管55の位置を流路面積最小位置として絞り部53内の各ガス通路の流路面積を小さい面積としたのでは、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が大きくなり、内部EGRガス量を十分に少なく抑えることが困難となる。そこで、本ガソリンエンジンでは、第4運転領域A4において、前記のような制御を実施する。
【0118】
このように制御されることで、第4運転領域A4では、各独立排気通路52から排出された排気は、流路面積が最大のガス通路を排気抵抗が小さく抑えられた状態で流下する。そのため、エンジンの背圧は小さく抑えられる。この背圧の低減に伴い掃気は促進され、内部EGRガス量が少なく抑えられる。また、排気のポンピングロスが小さく抑えられるとともに吸気効率が高められて、高いエンジントルクが実現される。
【0119】
(5−3)第3運転領域A3
中負荷領域からなる第3運転領域A3においても、前記第1運転領域A1、第2運転領域A2と同様に、HCCI燃焼モードが実行される。すなわち、圧縮上死点よりも早いタイミングで燃料が噴射され、燃料と空気の混合が混合された圧縮上死点付近においてこの混合気をピストン5の圧縮作用によって自着火させる。
【0120】
ただし、燃焼室6内の温度を高くする必要がある低負荷の第2運転領域A2と、燃焼室6内の温度を低くする必要がある高負荷の第1運転領域A1と、の間に設定された中負荷域の第3運転領域A3は、燃焼室6内の温度を比較的高くする必要がある運転領域(低負荷側の領域)と、燃焼室6内の温度を比較的低くする必要がある運転領域(高負荷側の領域)とを両方含んでいる。そのため、この第3運転領域A3では、燃焼室6内の温度を適正な温度とするために、負荷に応じて高温排気の逆流・残留量を調整する必要がある。そこで、この第3運転領域A3では、負荷が増大するに従って大きくなる必要な燃焼室6内の温度の低減代(負荷が増大するに従って小さくなる必要な燃焼室6内の温度の上昇代)に合わせて、負荷が増大するに従って高温排気の逆流・残留量を少なくするように制御される。
【0121】
具体的には、排気二度開き制御が実行される。そして、図16に示すように、外管55の位置が流路面積最大位置から流路面積最小位置まで、負荷が増大するに従って徐々に上流側に変更される。すなわち、絞り部53内の各ガス通路の流路面積が、負荷が増大するに従って徐々に小さい面積に変更される。図16は、所定のエンジン回転数における負荷方向の、排気二度開き制御の実施・停止および外管55の位置変化を示したものである。
【0122】
このように制御されることで、第3運転領域A3では、エゼクタ効果により、排気弁12が再開弁している吸気行程気筒2の排気ポート10に作用する負圧量が負荷の徐々に伴って徐々に増大されて吸気行程気筒2内から下流側に吸い出される高温排気の量が徐々に増大していく。すなわち、負荷の増大に伴って掃気性能が徐々に高められていく。従って、この第3運転領域A3では、負荷の増大に伴い燃焼室6内への高温排気の逆流・残留量が徐々に低減されて、燃焼室6内の温度が負荷に応じた適正な温度に調整される。そして、燃焼室6内の温度が低いことによる失火や、燃焼室6内の温度が過剰に高いことによる高い燃焼騒音やノッキングが回避されて、適正なHCCI燃焼が実現される。
【0123】
また、このように、多量の高温排気が燃焼室6内に逆流・残留するよう構成されて高温排気の逆流・残留量すなわち内部EGRガス量が多く設定された第2運転領域A2と、高温排気の逆流・残留が禁止、抑制されるよう構成されて内部EGRガス量が少なく設定された第1運転領域A1との間において、負荷が増大するほど(第2運転領域A2から第1運転領域A1に向かうほど)内部EGRガス量が少なく抑えられるよう制御されることで、第1運転領域A1と第2運転領域A2との間における負荷方向の内部EGRガス量の変化が小さく抑えられる。そのため、第1運転領域A1と第2運転領域A2との間での過渡時において、内部EGRガス量の急激な変化を抑制することができ、この急激な変化に伴う悪影響(トルクショックや騒音の増大等)を抑制することができる。
【0124】
(6)作用効果
以上説明したように、本エンジンでは、各運転領域においてエゼクタ効果による掃気性能を適正に調整し、これにより、高温排気の燃焼室6内への逆流・残留量を適正な量にして燃焼室6内の混合気の温度を適正な値に調整しており、全運転領域(低負荷領域A2、高負荷領域A1、中負荷領域A3)において適正なHCCI燃焼を実現することができる。
【0125】
特に、本実施形態では、絞り部53を内側に第1通路54aが形成された内管54とこの内管54を収容する外管55とで構成し、これら外管55と内管54との間に第2通路55aを区画するとともに、第2通路55aの流路面積を変更するという簡単な構成で、絞り部53内の各ガス通路の流路面積を変更しており、絞り部53の構造ひいては装置全体の構造を簡素化することができる。また、前記外管55を上下流方向にスライドさせるだけでよく、外管55の駆動構造を簡素化することができる。
【0126】
(7)他の実施形態
(7−1)第2実施形態
第1実施形態では、全運転領域でHCCI燃焼を実施する場合について示したが、各運転領域の燃焼形態はこれに限らない。例えば、高負荷領域からなる第1運転領域A1において、点火プラグによって混合気を点火させ、これにより混合気を燃焼させる、火花点火燃焼を行ってもよい。この場合においても、高負荷の第1運転領域A1において、第1実施形態と同様の制御を実施することで、この第1運転領域A1での混合気の過剰な温度上昇に伴うノッキングや燃焼騒音の増大を回避することができる。具体的には、高負荷の第1運転領域A1において火花点火燃焼を実施する第2実施形態においても、第1実施形態と同様に、第1運転領域A1において、排気二度開き制御を停止させ、排気弁12の開弁期間と吸気弁11の開弁期間とを、吸気上死点(TDC)を挟んでオーバーラップし、かつ、排気弁12が他の気筒2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し、外管55の位置を、前記流路面積最小位置として排気マニホールド50内の排気の流通状態を第1状態とする。これにより、第2実施形態においても、第1運転領域A1での燃焼室6内の混合気の温度上昇を抑制して、ノッキング等を回避して適正な火花点火燃焼が実現される。
【0127】
(7−2)第3実施形態
また、第2運転領域A2において火花点火燃焼を行ってもよい。ここで、冷間始動時に、燃焼温度を高めて暖房性能を改善するとともに触媒を早期活性化させるためには、第2運転領域A2において火花点火燃焼を行う場合であっても、この第2運転領域A2において燃焼室6内の内部EGRガス量を多く確保する制御を実施するのが好ましい。そのため、第2運転領域A2において火花点火燃焼を行う第3実施形態においても、第1実施形態と同様に、第2運転領域A2では、排気二度開き制御を実行するとともに、排気マニホールド50内の排気の流通状態を第2状態とする。これにより、第2運転領域A2において燃焼室6内の内部EGRガス量を多く確保することができ、燃焼温度を高めることができる。
【0128】
(7−3)第4実施形態
第1実施形態では、ガス通路の流路面積を変更するための構成として、第2通路55aの流路面積を変更するものを挙げたが、ガス通路の流路面積を変更する構成はこれに限らない。
【0129】
例えば、絞り部内に形成された第1通路と第2通路との連通量を変更することでガス通路の流路面積を変更するようにしてもよい。この連通量を変更することでガス通路の流路面積を変更する構成の一例を、図18、図19(a)(b)、図29(a)(b)に示す。図18は、第1実施形態の図7(a)に対応する図である。図19(a)、(b)は、外管155を省略した状態の絞り部153の斜視図であり、(a)が連通口154dを全閉とした状態、(b)が連通口154dを全開とした状態である。図20(a)、(b)は、絞り部153の断面図であり、(a)が図19(a)と対応する図、(b)が図19(b)と対応する図である。
【0130】
図18〜図20に示す第4実施形態は、第1実施形態と同様に、内管154と外管155とを有する絞り部153を有している。内管154の外周面154gは、第1実施形態と同様に、その上流側部分に設けられて中心軸Lと平行に延びる円筒面154g_1と、その下流側部分に設けられて下流に向かうに従って絞り部153の中心軸L側に傾斜する内管側傾斜面154g_2とで構成されている。内管154の内側には、第1実施形態と同様に、下流側ほど流路面積が縮小する複数の第1通路154aが形成されている。
【0131】
一方、第4実施形態に係る外管155は、内管154に対して相対移動不能に固定されている。外管155は、その内周面155gが、内管154の外周面154gから径方向外側に離間して、これら内周面155gと外周面154gとの間に第2通路155aが区画された状態で固定されている。外管155の内周面155gは、内管154の外周面154gと平行に延びている。内管154の外周面154gのうち第1通路155a間に対応する位置には、径方向外側に向かって突出して外管155の内周面155gと当接する位置まで延びる区画壁154eが設けられており、外管155の内周面155gと内管154の外周面154gとの間には、第1通路155aと対応する位置にそれぞれ第2通路155aが形成されている。この第4実施形態では、3つの第1通路155aに対応して3つの第2通路155aが形成されている。内管154の管壁には、第1通路154aと第2通路155aとをそれぞれ連通する連通口154dが形成されている。各連通口154dは、内管154の外周面154gのうちの円筒面154g_1に開口している。
【0132】
また、この第4実施形態に係る絞り部153には、各連通口154dをそれぞれ開閉可能な蓋159と、これら蓋159を駆動可能な回動アクチュエータ(通路状態変更手段、図示省略)が設けられている。
【0133】
各蓋159は、内管154の外周面154gに沿って延びている。回動アクチュエータは、各蓋159を、内管154の外周面154gに沿って周方向に移動させる。すなわち、回動アクチュエータは、各蓋159を、絞り部153の中心軸Lを中心として回動させる。そして、この回動アクチュエータは、図19(a)および図20(a)に示す各連通口154dを全閉にする位置と、図19(b)および図20(b)に示す各連通口154dを全開にする位置との間で移動させる。この移動により連通口154dの開口量は変化し、この開口量の変化に伴って、第1通路154aと第2通路155aとの連通量は変化する。そして、絞り部153のうち排気が通過するガス通路の流路面積は変化する。ここで、第1通路154aに流入した排気は、この連通量に応じた量だけ第2通路155a内に流入する。そのため、絞り部153のうち排気が通過するガス通路の流路面積は、この連通量と第1通路154aの流路面積により規定される。すなわち、第1通路154aの流路面積と前記連通口154dの開口面積との合計面積が、ガス通路の流路面積となる。
【0134】
この第4実施形態では、蓋159が連通口154dを全閉とする位置に配置されて、第1通路154aと第2通路155aとが連通しない状態とされることで、排気マニホールド内の排気の流通状態は、第1状態とされる。すなわち、連通口154dが全閉とされると、各気筒2から排出された排気は、それぞれ下流ほど流路面積が小さく設定された第1通路154aのみを通過することになる。そして、この状態とされることで、排気の速度は高められ、高いエゼクタ効果ひいては高い掃気性能が発揮される。
【0135】
一方、この第4実施形態では、蓋159が前記連通口154dを全開とする位置に配置されて、第1通路154aと第2通路155aとの連通量が最大とされ、これによりガス通路の流路面積は最大とされて、排気マニホールド内の排気の流通状態が第2状態とされる。すなわち、連通口154dが全開とされると、各気筒2から排出された排気は、第1通路154aに加えて第2通路155aとの両方を通過して集合部に流入することになる。そして、この状態とされることで、排気の速度は抑えられ、エゼクタ効果による負圧量、ひいては、掃気性能が低く抑えられる。
【0136】
また、この第4実施形態では、蓋159の位置が、連通口154dを全閉とする位置と、全開とする位置との間で連続的に変更されることで、独立排気通路452から集合部に流入するまでに排気が通過する通路の流路面積が変更される。
【0137】
(7−4)第5実施形態
第1実施形態および第3実施形態では、絞り部内に形成されたガス通路の流路面積を変更することで、排気マニホールド内の排気の流通状態を、第1状態と、第2状態とに変更した場合について示したが、排気マニホールド内の排気の流通状態を変更する具体的構成はこれに限らない。
【0138】
例えば、図21および図22に示すような構成としてもよい。これらの図に示す第5実施形態に係るエンジンでは、第1実施形態と同様に、排気マニホールド450に、独立排気通路452と絞り部453とが設けられている。なお、これらの図は、排気マニホールド450のうち絞り部453よりも下流側の部分を省略した図である。一方、このエンジンでは、第1実施形態と異なり、気筒2毎に独立した独立排気通路452が設けられている。また、絞り部453内に形成されたガス通路の流路面積が変更不能とされている。また、独立排気通路452がその途中において互いに連通通路455により連通されている。また、この連通通路455に、この通路を開閉して連通通路455を介した独立排気通路452どうしの連通状態を変更可能なバルブ(連通状態変更手段、不図示)が設けられている。
【0139】
具体的には、絞り部453は、内側に下流側に向かって流路面積が縮小する複数のガス通路453aが形成された筒状部材のみからなる。各ガス通路453aは、各独立排気通路452に接続されており、各気筒2から排出された排気は各ガス通路453aに個別に流入する。図21および図22に示す例では、4つの気筒2に対して、4つの独立排気通路452および4つのガス通路453aが設けられている。そして、これら4つのガス通路453aは、図22に示すように、各ガス通路453aが隣接するように円周上に配列されている。
【0140】
また、前記連通通路455は、排気行程が連続しない気筒2に対応した独立排気通路452どうしを連通しており、前記バルブが全開とされて連通通路455を介して独立排気通路52どうしが連通された状態においても、各気筒2から排出された排気が干渉しないように構成されている。具体的には、第1気筒2aと第4気筒2dに対応する独立排気通路452どうしが連通され、第2気筒2bと第3気筒2cに対応する独立排気通路452どうしが連通されている。
【0141】
この第5実施形態では、前記バルブが全閉とされることで、排気マニホールド450内の排気の流通状態は第1状態とされる。すなわち、前記バルブが全閉とされることで、各気筒2から排出された排気は、それぞれ1本の独立排気通路52および下流ほど流路面積が小さく設定された1本のガス通路453aのみを通過する状態とされる。そして、第1運転領域A1において、この状態とされることで、各独立排気通路452から排出された排気の速度はガス通路453の通過時に高められて、高いエゼクタ効果が発揮されることになる。
【0142】
一方、この第5実施形態では、前記バルブが全開とされることで、排気マニホールド450内の排気の流通状態は第2状態とされる。すなわち、前記バルブが全開とされることで、各気筒2から排出された排気は、対応する独立排気通路452に流入した後、連通通路455を介して他の独立排気通路452に分流し、前記排気は、2本の独立排気通路452に対応した2本のガス通路453aを含み、第1状態よりも流路面積の大きい通路を通過してノズル部58aに流入することになる。そして、第2運転領域A2において、この状態とされることで、各独立排気通路452から排出された排気の速度は弱められ、エゼクタ効果が弱められることになる。
【0143】
また、この第5実施形態では、バルブの開度が全閉と全開との間で連続的に変更されることで、独立排気通路452から絞り部453よりも下流側の通路(共通排気通路)内に流入するまでに排気が通過する通路の流路面積が変更される。具体的には、バルブの開度が全閉から全開に向かって大きくなるに従って流路面積は徐々に増大される。そして、各気筒2から排出された排気が対応する独立排気通路452とは別の独立排気通路452に分流する量が増大される。従って、この第5実施形態では、第3運転領域A3において、エンジン負荷が増大するほどバルブの開度が徐々に閉じ側に変更される。
【0144】
(7−5)第6実施形態
また、排気マニホールド内の排気の流通状態を変更する構成として、図23に示すものを用いてもよい。
【0145】
この図23に示す第6実施形態に係るエンジンでは、第1実施形態と同様に、排気マニホールド550に、独立排気通路52と絞り部553とノズル部558aと混合部558bとディフューザー部558cとが設けられている。一方、このエンジンでは、第1実施形態と異なり、絞り部553内に形成された各ガス通路553aの流路面積が変更不能とされている。また、独立排気通路52の途中からそれぞれ絞り部553よりも下流側の部分である共通排気通路550aに延びて各独立排気通路52と共通排気通路550aとを接続し、排気を絞り部553をバイパスさせるバイパス通路555が設けられている。また、各バイパス通路555に、これらバイパス通路555を開閉するバイパスバルブ(バイパス通路開閉手段)555aが設けられている。ここで、第6実施形態では、各バイパス通路555は、共通排気通路550aのうち触媒装置60のケーシング61の上流端に接続されている。
【0146】
具体的には、絞り部553は、内側に下流側に向かって流路面積が縮小する複数のガス通路553aが形成された筒状部材のみからなる。各ガス通路553aは、各独立排気通路52に個別に接続されている。本実施形態では、第1実施形態と同様に、3つの独立排気通路52が設けられており、これらに対応して絞り部内には3つのガス通路553aが設けられている。これら3つのガス通路553aは、第1実施形態の第1ガス通路と同様に円周上に配列されている。
【0147】
この第6実施形態では、バイパスバルブ555aが全閉とされることで、排気マニホールド550内の排気の流通状態は第1状態とされる。すなわち、バイパスバルブ555aが全閉とされることで、各気筒2から排出された排気は、バイパス通路555側に分流することなくすべて、下流ほど流路面積が小さく設定されたガス通路553aに流入することになる。そして、この第6実施形態では、第1運転領域A1において、この状態とされることで、各独立排気通路52から排出された排気の速度はガス通路553aの通過時に高められて、高いエゼクタ効果が発揮されることになる。
【0148】
一方、この第6実施形態では、バイパスバルブ555aが全開とされることで、排気マニホールド550内の排気の流通状態は第2状態とされる。具体的には、バイパスバルブ555aが全開とされることで、各気筒2から排出された排気は、対応する独立排気通路52に流入後、絞り部553内のガス通路553aとバイパス通路555とに分かれて流入し、その後触媒装置60のケーシング61の上流端で合流する。そのため、各独立排気通路52内の排気全体が共通排気通路550a、すなわち、ノズル部558aとケーシング61とに流入するまでに通過する通路の流路面積は絞り部553内のガス通路553aの流路面積とバイパス通路555の流路面積との合計面積となり、この通過通路の流路面積は第1状態よりも大きい面積とされる。そして、この第6実施形態では、第2運転領域A2において、この状態とされることで、各独立排気通路452から排出された排気の速度は弱められ、エゼクタ効果が弱められることになる。
【0149】
また、この第6実施形態では、バイパスバルブ555aが全閉と全開との間で連続的に変更されて、バイパス通路555の流路面積すなわち所定の独立排気通路552からバイパス通路555に分流した排気が通過する通路の流路面積が変更されることで、ガス通路553aの流路面積とバイパス通路555の流路面積との合計面積、ひいては、独立排気通路552から触媒装置60のケーシング61内に流入するまでに排気が通過する通路の流路面積が変更される。具体的には、バイパスバルブ555aの開度が全閉から全開に向かって大きくなるに従って流路面積が増大される。従って、この第6実施形態では、第3運転領域A3において、エンジン負荷が増大するほどバイパスバルブ555aの開度が徐々に閉じ側に変更される。
【0150】
(7−6)その他の実施形態
また、前記第1実施形態では、図15を用いて、リーンHCCI燃焼モードにおける燃料の噴射時期や点火時期について例示したが、これはあくまで一例に過ぎず、燃料噴射時期や点火時期はエンジンの特性等によって適宜変更し得るものである。
【0151】
また、前記実施形態では、リーンHCCI燃焼モードにおいて、G/Fを30以上に制御する場合について例示したが、G/Fではなく理論空燃比λを制御し、この理論空燃比をλ=2以上とする制御を実施してもよい。
【符号の説明】
【0152】
2 気筒
10 排気ポート
11 吸気弁
12 排気弁
16 VVT(バルブ駆動手段)
17 VVL(バルブ駆動手段)
50 排気マニホールド
50a 共通排気通路
52 独立排気通路
53 絞り部
55f スライドアクチュエータ(通路状態変更手段)
100 ECU(制御手段)
【特許請求の範囲】
【請求項1】
吸気ポートと排気ポートと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、を有する複数の気筒を備えた多気筒エンジンであって、
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よりも下流側に設けられて前記各独立排気通路を通過した排気が内側で集合する共通排気通路とを含む排気マニホールドと、
前記排気マニホールド内の排気の流通状態を、前記各独立排気通路内の排気が前記共通排気通路に流入するのに伴いエゼクタ効果によって他の独立排気通路内に負圧が生成されるように、前記各独立排気通路内の排気が、互いに近接しかつ流路面積が下流側ほど小さくなる通路をそれぞれ個別に通って前記共通排気通路に流入する第1状態と、前記各独立排気通路内の排気が前記第1状態よりも流路面積の大きい通路を通過して前記共通排気通路に流入する第2状態とに変更可能であるとともに、前記各独立排気通路内の排気が前記共通排気通路に流入するまでに通過する通路の流路面積を前記第1状態における面積と第2状態における面積との間で連続的に変更可能な通路状態変更手段と、
前記吸気弁と前記排気弁とを駆動可能なバルブ駆動手段と、
前記吸気弁と前記排気弁の動作、前記通路状態変更手段の動作、前記バルブ駆動手段の動作を制御可能な制御手段とを備え、
前記バルブ駆動手段は、前記排気弁を排気行程での開弁動作のほかに吸気行程で再度開弁させる再開弁動作の実行、停止が可能であり、
前記制御手段は、
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かつエンジンの負荷が予め設定された第1基準負荷以上の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、前記バルブ駆動手段によって前記再開弁動作を停止させ、前記通路状態変更手段によって前記排気マニホールド内の排気の流通状態を前記第1状態にさせるとともに、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、
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かつエンジンの負荷が前記第1基準負荷よりも低い第2基準負荷未満の低速低負荷領域を少なくとも含む第2運転領域において、前記バルブ駆動手段によって前記再開弁動作を実行させるとともに、前記通路状態変更手段によって前記排気マニホールド内の排気の流通状態を前記第2状態にさせ、
前記第1運転領域と第2運転領域との間に設定されてエンジンの負荷が前記第2基準負荷以上かつ前記第1基準負荷未満の第3運転領域において、前記バルブ駆動手段によって前記再開弁動作を実行させるとともに、前記通路状態変更手段によって、前記各独立排気通路内の排気が前記共通排気通路に流入するまでに通過する通路の流路面積を、前記第2状態における面積から前記第1状態における面積まで、エンジンの負荷が増大するほど減少するように変更させることを特徴とする多気筒エンジン。
【請求項2】
請求項1に記載の多気筒エンジンにおいて、
少なくとも一部がガソリンからなる燃料を前記気筒内に噴射するインジェクタを備え、
前記第2運転領域において、前記気筒内の混合気が自着火により燃焼する自着火燃焼モードが実行されることを特徴とする多気筒エンジン。
【請求項3】
請求項2に記載の多気筒エンジンにおいて、
前記第1運転領域および第3運転領域においても、前記気筒内の混合気が自着火により燃焼する自着火燃焼モードが実行されることを特徴とする多気筒エンジン。
【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において、
前記排気マニホールドは、前記各独立排気通路の下流端と前記共通排気通路との間に介在して、前記各独立排気通路の下流端から排出された排気がそれぞれ独立して流入するとともに少なくとも前記第1状態において流路面積が下流側ほど小さくなる形状を呈する複数のガス通路が内側に形成された絞り部を有し、
前記通路状態変更手段は、前記各ガス通路の流路面積を変更可能であり、当該各ガス通路の流路面積を変更することで、前記各独立排気通路内の排気が前記共通排気通路に流入するまでに通過する通路の流路面積を前記第1状態における面積と第2状態における面積との間で変更することを特徴とする多気筒エンジン。
【請求項5】
請求項4に記載の多気筒エンジンにおいて、
前記各ガス通路は、前記各独立排気通路の下流端から前記共通排気通路まで延びて前記各独立排気通路とそれぞれ個別に連通する第1通路と、当該各第1通路と前記共通排気通路とに連通する第2通路とを含み、
前記通路状態変更手段は、前記第1通路と第2通路との連通量を変更することで前記各ガス通路の流路面積を変更することを特徴とする多気筒エンジン。
【請求項6】
請求項4に記載の多気筒エンジンにおいて、
前記各ガス通路は、前記各独立排気通路の下流端から前記共通排気通路まで延びて前記各独立排気通路とそれぞれ個別に連通する第1通路と、当該各第1通路と前記共通排気通路とに連通する第2通路とを含み、
前記通路状態変更手段は、前記第2通路の流路面積を変更することで前記各ガス通路の流路面積を変更することを特徴とする多気筒エンジン。
【請求項7】
請求項1〜3のいずれかに記載の多気筒エンジンにおいて、
前記排気マニホールドは、前記各独立排気通路の下流端と前記共通排気通路との間に介在する絞り部と、前記各独立排気通路の途中に設けられて複数の独立排気通路どうしを連通する連通通路と、当該連通通路を介した独立排気通路どうしの連通状態を変更可能な連通状態変更手段とを備え、
前記絞り部の内側には、下流ほど流路面積が縮小する形状を有するとともに、前記各独立排気通路の下流端から排出された排気がそれぞれ独立して流入するように配置された複数のガス通路が形成されており、
前記通路状態変更手段は、前記連通状態変更手段によって前記連通通路を介した前記独立排気通路どうしの連通量を変更することで、前記各独立排気通路内の排気が前記共通排気通路に流入するまでに通過する通路の流路面積を前記第1状態における面積と第2状態における面積との間で変更することを特徴とする多気筒エンジン。
【請求項8】
請求項1〜3のいずれかに記載の多気筒エンジンにおいて、
前記排気マニホールドは、前記各独立排気通路の下流端と前記共通排気通路との間に介在する絞り部と、前記各独立排気通路と前記共通排気通路とを連通して前記絞り部をバイパスさせるバイパス通路と、当該バイパス通路を開閉して当該バイパス通路を介した前記独立排気通路と前記共通排気通路との連通量を変更可能なバイパス通路開閉手段とを備え、
前記絞り部の内側には、下流ほど流路面積が縮小する形状を有するとともに、前記各独立排気通路の下流端から排出された排気がそれぞれ独立して流入するように配置された複数のガス通路が形成されており、
前記通路状態変更手段は、前記バイパス通路開閉手段によって前記バイパス通路を介した前記独立排気通路と前記共通排気通路との連通量を変更することで、前記各独立排気通路内の排気が前記共通排気通路に流入するまでに通過する通路の流路面積を前記第1状態における面積と第2状態における面積との間で変更することを特徴とする多気筒エンジン。
【請求項1】
吸気ポートと排気ポートと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、を有する複数の気筒を備えた多気筒エンジンであって、
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よりも下流側に設けられて前記各独立排気通路を通過した排気が内側で集合する共通排気通路とを含む排気マニホールドと、
前記排気マニホールド内の排気の流通状態を、前記各独立排気通路内の排気が前記共通排気通路に流入するのに伴いエゼクタ効果によって他の独立排気通路内に負圧が生成されるように、前記各独立排気通路内の排気が、互いに近接しかつ流路面積が下流側ほど小さくなる通路をそれぞれ個別に通って前記共通排気通路に流入する第1状態と、前記各独立排気通路内の排気が前記第1状態よりも流路面積の大きい通路を通過して前記共通排気通路に流入する第2状態とに変更可能であるとともに、前記各独立排気通路内の排気が前記共通排気通路に流入するまでに通過する通路の流路面積を前記第1状態における面積と第2状態における面積との間で連続的に変更可能な通路状態変更手段と、
前記吸気弁と前記排気弁とを駆動可能なバルブ駆動手段と、
前記吸気弁と前記排気弁の動作、前記通路状態変更手段の動作、前記バルブ駆動手段の動作を制御可能な制御手段とを備え、
前記バルブ駆動手段は、前記排気弁を排気行程での開弁動作のほかに吸気行程で再度開弁させる再開弁動作の実行、停止が可能であり、
前記制御手段は、
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かつエンジンの負荷が予め設定された第1基準負荷以上の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、前記バルブ駆動手段によって前記再開弁動作を停止させ、前記通路状態変更手段によって前記排気マニホールド内の排気の流通状態を前記第1状態にさせるとともに、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、
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かつエンジンの負荷が前記第1基準負荷よりも低い第2基準負荷未満の低速低負荷領域を少なくとも含む第2運転領域において、前記バルブ駆動手段によって前記再開弁動作を実行させるとともに、前記通路状態変更手段によって前記排気マニホールド内の排気の流通状態を前記第2状態にさせ、
前記第1運転領域と第2運転領域との間に設定されてエンジンの負荷が前記第2基準負荷以上かつ前記第1基準負荷未満の第3運転領域において、前記バルブ駆動手段によって前記再開弁動作を実行させるとともに、前記通路状態変更手段によって、前記各独立排気通路内の排気が前記共通排気通路に流入するまでに通過する通路の流路面積を、前記第2状態における面積から前記第1状態における面積まで、エンジンの負荷が増大するほど減少するように変更させることを特徴とする多気筒エンジン。
【請求項2】
請求項1に記載の多気筒エンジンにおいて、
少なくとも一部がガソリンからなる燃料を前記気筒内に噴射するインジェクタを備え、
前記第2運転領域において、前記気筒内の混合気が自着火により燃焼する自着火燃焼モードが実行されることを特徴とする多気筒エンジン。
【請求項3】
請求項2に記載の多気筒エンジンにおいて、
前記第1運転領域および第3運転領域においても、前記気筒内の混合気が自着火により燃焼する自着火燃焼モードが実行されることを特徴とする多気筒エンジン。
【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において、
前記排気マニホールドは、前記各独立排気通路の下流端と前記共通排気通路との間に介在して、前記各独立排気通路の下流端から排出された排気がそれぞれ独立して流入するとともに少なくとも前記第1状態において流路面積が下流側ほど小さくなる形状を呈する複数のガス通路が内側に形成された絞り部を有し、
前記通路状態変更手段は、前記各ガス通路の流路面積を変更可能であり、当該各ガス通路の流路面積を変更することで、前記各独立排気通路内の排気が前記共通排気通路に流入するまでに通過する通路の流路面積を前記第1状態における面積と第2状態における面積との間で変更することを特徴とする多気筒エンジン。
【請求項5】
請求項4に記載の多気筒エンジンにおいて、
前記各ガス通路は、前記各独立排気通路の下流端から前記共通排気通路まで延びて前記各独立排気通路とそれぞれ個別に連通する第1通路と、当該各第1通路と前記共通排気通路とに連通する第2通路とを含み、
前記通路状態変更手段は、前記第1通路と第2通路との連通量を変更することで前記各ガス通路の流路面積を変更することを特徴とする多気筒エンジン。
【請求項6】
請求項4に記載の多気筒エンジンにおいて、
前記各ガス通路は、前記各独立排気通路の下流端から前記共通排気通路まで延びて前記各独立排気通路とそれぞれ個別に連通する第1通路と、当該各第1通路と前記共通排気通路とに連通する第2通路とを含み、
前記通路状態変更手段は、前記第2通路の流路面積を変更することで前記各ガス通路の流路面積を変更することを特徴とする多気筒エンジン。
【請求項7】
請求項1〜3のいずれかに記載の多気筒エンジンにおいて、
前記排気マニホールドは、前記各独立排気通路の下流端と前記共通排気通路との間に介在する絞り部と、前記各独立排気通路の途中に設けられて複数の独立排気通路どうしを連通する連通通路と、当該連通通路を介した独立排気通路どうしの連通状態を変更可能な連通状態変更手段とを備え、
前記絞り部の内側には、下流ほど流路面積が縮小する形状を有するとともに、前記各独立排気通路の下流端から排出された排気がそれぞれ独立して流入するように配置された複数のガス通路が形成されており、
前記通路状態変更手段は、前記連通状態変更手段によって前記連通通路を介した前記独立排気通路どうしの連通量を変更することで、前記各独立排気通路内の排気が前記共通排気通路に流入するまでに通過する通路の流路面積を前記第1状態における面積と第2状態における面積との間で変更することを特徴とする多気筒エンジン。
【請求項8】
請求項1〜3のいずれかに記載の多気筒エンジンにおいて、
前記排気マニホールドは、前記各独立排気通路の下流端と前記共通排気通路との間に介在する絞り部と、前記各独立排気通路と前記共通排気通路とを連通して前記絞り部をバイパスさせるバイパス通路と、当該バイパス通路を開閉して当該バイパス通路を介した前記独立排気通路と前記共通排気通路との連通量を変更可能なバイパス通路開閉手段とを備え、
前記絞り部の内側には、下流ほど流路面積が縮小する形状を有するとともに、前記各独立排気通路の下流端から排出された排気がそれぞれ独立して流入するように配置された複数のガス通路が形成されており、
前記通路状態変更手段は、前記バイパス通路開閉手段によって前記バイパス通路を介した前記独立排気通路と前記共通排気通路との連通量を変更することで、前記各独立排気通路内の排気が前記共通排気通路に流入するまでに通過する通路の流路面積を前記第1状態における面積と第2状態における面積との間で変更することを特徴とする多気筒エンジン。
【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21】
【図22】
【図23】
【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21】
【図22】
【図23】
【公開番号】特開2013−53574(P2013−53574A)
【公開日】平成25年3月21日(2013.3.21)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−192856(P2011−192856)
【出願日】平成23年9月5日(2011.9.5)
【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21日(2013.3.21)
【国際特許分類】
【出願日】平成23年9月5日(2011.9.5)
【出願人】(000003137)マツダ株式会社 (6,115)
【Fターム(参考)】
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