JP5915104B2 - 多気筒エンジンの排気装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車等に搭載される多気筒エンジンの排気装置に関する。

従来、自動車等に搭載される多気筒エンジンにおいて、トルクの向上を目的とした排気装置の開発が行なわれている。

例えば、特許文献１には、排気順序が連続しない気筒の排気通路を束ねて、先細の排気管として集合させ、この絞り部分にエゼクタ効果を持たせて、気筒間の排気干渉を防止する技術が開示されている。

特開平０４−０３６０２３号公報（第４頁、第５頁、第３図）

多気筒エンジンにおいて、トルクの向上を図るためには、前記エゼクタ効果の低下を抑制することが重要な要素の１つである。

そこで、本発明は、簡単な構成でエゼクタ効果の低下を抑制することが可能な多気筒エンジンの排気装置の提供を目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、吸気ポートを開閉可能な吸気弁及び排気ポートを開閉可能な排気弁が備えられた複数の気筒を有する多気筒エンジンの排気装置であって、１つの気筒又は排気順序が連続しない複数の気筒の排気ポートに上流端が接続された複数の独立排気通路と、排気流通方向の下流側が次第に縮径し、前記各独立排気通路を通過した排気が流入する集合部とを有し、前記各独立排気通路の下流部は、その流路面積が下流側に向かうほど小さくなるように形成され、前記各独立排気通路の下流端が束ねられた状態で前記集合部の上流端に接続され、前記各独立排気通路から前記集合部に噴出される排気噴流の自励振動を抑制するための手段として、前記集合部又は前記集合部より下流の排気通路に、排気流路を部分的に塞ぐ障害部材が設けられていることを特徴とする多気筒エンジンの排気装置である（請求項１）。

本発明によれば、各独立排気通路を通過した排気が集合部に流入することにより集合部内に負圧が発生し、この負圧により、他の独立排気通路ないしこれと連通する他の気筒の排気ポート内の排気が下流側に吸い出されるエゼクタ効果が得られる。

その上で、本発明によれば、前記集合部は、排気流通方向の下流側が次第に縮径する形状、換言すれば、流路面積が下流側ほど小さくなる形状とされ、この集合部に、又は、この集合部より下流の排気通路（例えば集合部を含む混合管に含まれる排気通路でも含まれない排気通路でもよい）に、排気流路を部分的に塞ぐ障害部材が設けられている。これにより、発明の実施形態でより詳しく説明されるように、各独立排気通路の下流端から噴出された排気噴流の自励振動が抑制される。この自励振動は、各独立排気通路の下流端から噴出された排気噴流が集合部を含む混合管内の負圧の不均衡によって混合管内でいずれかの側に偏り、混合管の内壁面に接触し、接触した側において排気噴流の速度が低下し、負圧が弱くなり、これにより排気噴流が混合管の内壁面の別の場所に移動し、…という動作の繰返しにより生じるものと考えられる。そして、前記障害部材は、排気噴流が混合管の内壁面の別の場所に移動するのを邪魔して自励振動を抑制する作用を有するものと考えられる。排気噴流が自励振動を起こすと、集合部内（混合管内）の負圧が弱くなり、エゼクタ効果が低下する。したがって、排気噴流の自励振動を抑制することにより、簡単な構成でエゼクタ効果の低下を抑制することが可能となる。また、自励振動を抑制することにより、ＮＶＨのうちＮＶ（ノイズ（騒音）・バイブレーション（振動））が改善される。

本発明では、少なくとも低速・高負荷域において、前記各気筒の排気弁の開弁期間と吸気弁の開弁期間とが所定期間オーバーラップすると共に、排気順序が連続する気筒間において先行の気筒の前記オーバーラップ期間中に後続の気筒の排気弁が開弁するように、各気筒の吸気弁及び排気弁を駆動する弁駆動手段が設けられていることが好ましい（請求項２）。

この構成によれば、少なくとも低速・高負荷域では、各気筒の排気弁と吸気弁とが共に開いた状態となるオーバーラップ期間が設けられ、排気順序が連続する気筒間において先行の気筒のオーバーラップ期間中に後続の気筒の排気弁が開弁するので、前記エゼクタ効果がオーバーラップ期間中の先行気筒の吸気ポートにまで及び、これにより、先行気筒の掃気がより一層促進され、体積効率（ηＶ）のより一層の向上、ひいてはトルクのより一層の向上が図られる。

本発明では、前記障害部材は、前記集合部の直下流の排気通路に設けられていることが好ましい（請求項３）。

この構成によれば、障害部材は、流路面積が最小の位置に設けられている。流路面積が小さいほど、排気噴流の速度が上昇し、負圧が強くなり、排気噴流の自励振動が起き易くなる。したがって、この構成によれば、障害部材により排気噴流の自励振動が効果的に抑制される。

本発明では、前記障害部材は、Ｏ_２センサであることが好ましい（請求項４）。

この構成によれば、障害部材として専用の部材を用意する必要がなく、Ｏ_２センサを障害部材として兼用することで、部品点数の削減が図られる。また、Ｏ_２センサを流路面積が最小の位置に設けた場合（例えば混合管の集合部の直下流に設けた場合等）には、全ての気筒から排出される排気の酸素濃度を均等に検出できる。そのため、エンジンの運転状態を精度よく検出でき、例えばＡＷＳ（アクセルレーテッド・ウオームアップ・システム）の実行時における気筒毎の制御を精度よく行うことができる。

本発明では、前記障害部材を排気通路の流路面積が最小の位置に設け、各独立排気通路の下流端の流路面積と同じ面積を有する真円の直径をａとし、前記最小の流路面積から前記障害部材が排気流路を塞ぐ面積を減算した面積と同じ面積を有する真円の直径をＤとしたときに、ａ／Ｄが０．５〜０．８５であることが好ましい（請求項５）。

この構成によれば、エゼクタ効果と、排気噴流の自励振動の抑制効果とがバランスよく両立する。前記ａ／Ｄが０．５未満であると、前記最小の流路面積から前記障害部材が排気流路を塞ぐ面積を減算した面積が大き過ぎることになり、このことは前記障害部材が排気流路を塞ぐ面積が小さ過ぎることを意味し、その結果、排気噴流の自励振動の抑制効果が不足し得る。前記ａ／Ｄが０．８５を超えると、前記最小の流路面積から前記障害部材が排気流路を塞ぐ面積を減算した面積が小さ過ぎることになり、このことは前記障害部材が排気流路を塞ぐ面積が大き過ぎることを意味し、その結果、各独立排気通路の下流端から噴出された排気噴流の流れが滞って、集合部内（混合管内）の負圧が弱くなり、エゼクタ効果が不足し得る。

本発明によれば、多気筒エンジンにおいて、簡単な構成でエゼクタ効果の低下を抑制することが可能となる。その結果、トルクが向上した多気筒エンジンが得られる。

本発明の実施形態に係る多気筒エンジンの排気装置の概略構成図である。 図１の要部拡大図である。 図２の要部側面図である。 図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。 図２のＶ−Ｖ線断面図である。 前記エンジンの各気筒の排気弁の開弁期間と吸気弁の開弁期間とが所定期間オーバーラップする説明図である。 前記吸気弁及び排気弁の開弁期間の説明図である。 Ｏ_２センサを混合管の集合部より下流の排気通路（ストレート部）に設けた場合の混合管の縦断面図である。 実施形態の作用（排気噴流の自励振動の抑制）の説明図である。 実施形態の作用（周波数１０００Ｈｚ〜２０００Ｈｚの振動の振幅の低減）の説明図である。 実施形態の作用（エンジン回転数１０００ｒｐｍ〜６０００ｒｐｍでの振動の振幅の合計値の減少）の説明図である。 （ａ）〜（ｄ）は、排気噴流の自励振動が起きる原因の説明図である。 図８のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線断面図であって、独立排気通路の下流端の流路面積及び最小の流路面積から障害部材が排気流路を塞ぐ面積を減算した面積を説明するものである。 Ｏ_２センサを混合管の集合部より下流の排気通路（触媒装置のケーシングの上流管部）に設けた場合の混合管及び触媒装置のケーシングの上流管部の縦断面図である。

（１）全体構成
図１は、本発明の実施形態に係る多気筒エンジンの排気装置１００の概略構成図、図２は、図１の要部拡大図、図３は、図２の要部側面図である（ただし独立排気通路５２ｂの図示が省略されている）。この装置１００は、シリンダヘッド９及びシリンダブロック（図示せず）を有するエンジン本体１と、エンジン制御用のＥＣＵ２と、エンジン本体１に接続される排気マニホールド５と、排気マニホールド５に接続される触媒装置６とを備えている。

前記シリンダヘッド９及びシリンダブロックの内部にはピストンがそれぞれ嵌挿された複数（図例では４つ）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及びシリンダブロックの内部には、４つの気筒１２が直列に並んだ状態で形成されている。具体的には、図１及び図２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。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。

エンジン本体１は４サイクルエンジンであって、図６に示すように、各気筒１２ａ〜１２ｄにおいて、１８０°ＣＡずつずれたタイミングで点火プラグ１５による点火が行われて、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程の各行程がそれぞれ１８０°ＣＡずつずれたタイミングで行われる。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、この順に各行程が実施される。

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及び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内部とを連通又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を開閉して排気ポート１８と気筒１２内部とを連通又は遮断するための排気弁２０が設けられている。吸気弁１９は、吸気弁駆動機構（弁駆動手段）３０で駆動されることにより、所定のタイミングで吸気ポート１７を開閉する。排気弁２０は、排気弁駆動機構（弁駆動手段）４０で駆動されることにより、所定のタイミングで排気ポート１８を開閉する。

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、周知のチェーン及び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。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。

吸気ＶＶＴ３２は、吸気カムシャフト３１と、この吸気カムシャフト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の間の位相差を変更し、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との間に電磁石を配設し、前記電磁石に電力を付与することで前記位相差を変更する電磁式機構等が挙げられる。この吸気ＶＶＴ３２は、ＥＣＵ２で算出された吸気弁１９の目標バルブタイミングに基づいて前記位相差を変更する。

各気筒１２の吸気ポート１７には、それぞれ吸気通路３が接続されている。各吸気通路３の上流端部は、それぞれサージタンク３ａに接続されている。

排気弁駆動機構４０は、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及びクランクシャフトに連結された排気カムシャフト４１と、この排気カムシャフト４１とクランクシャフトとの位相差を変更することで、排気弁２０のバルブタイミングを変更する排気ＶＶＴ４２とを有している。排気ＶＶＴ４２は、ＥＣＵ２で算出された排気弁２０の目標バルブタイミングに基づいて前記位相差を変更する。そして、排気カムシャフト４１は、この位相差の下でクランクシャフトの回転に伴って回転して排気弁２０を前記目標バルブタイミングで開閉駆動する。

本実施形態では、前記吸気ＶＶＴ３２及び排気ＶＶＴ４２は、吸気弁１９及び排気弁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及び排気弁２０の開弁時期（図７に示す開弁開始時期）及び閉弁時期をそれぞれ変更する。

また、本実施形態では、前記吸気弁１９及び排気弁２０の開弁時期（開弁開始時期）及び閉弁時期とは、それぞれ、図７に示すように、各バルブのリフトカーブにおいてバルブのリフトが急峻に立ち上がる又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。

（２）排気系の構成
排気マニホールド５は、上流側から順に、３つの独立排気通路５２と、各独立排気通路５２の下流端に接続されて各独立排気通路５２を通過した排気が流入する混合管５０とを有する。前記混合管５０は、その軸芯上に、上流側から順に、下流側ほど流路面積が小さくなる集合部５６と、前記集合部５６の下流端の流路面積（混合管５０の最小流路面積）を維持して下流側に延びるストレート部５７と、下流側ほど流路面積が大きくなるディフューザー部５８とを備えている。

前記各独立排気通路５２は、前記各気筒１２の排気ポート１８に接続されている。具体的には、前記気筒１２のうち第１気筒１２ａの排気ポート１８及び第４気筒１２ｄの排気ポート１８は、それぞれ個別に１つの独立排気通路５２ａ、５２ｄに接続されている。一方、排気行程が隣り合わず排気順序が連続しない第２気筒１２ｂの排気ポート１８と第３気筒１２ｃの排気ポート１８とは、構造を簡素化する観点から、共通の１つの独立排気通路５２ｂに接続されている。より詳細には、この第２気筒１２ｂの排気ポート１８と第３気筒１２ｃの排気ポート１８とに接続されている独立排気通路５２ｂは、その上流側において２つの通路に分離しており、その一方に前記第２気筒１２ｂの排気ポート１８が接続され、他方に前記第３気筒１２ｃの排気ポート１８が接続されている。

本実施形態では、前記第２気筒１２ｂと前記第３気筒１２ｃとに対応する独立排気通路５２ｂは、これら気筒１２ｂ，１２ｃの間すなわちエンジン本体１の略中央部分と対向する位置において前記混合管５０の集合部５６に向かって延びている。一方、前記第１気筒１２ａ及び前記第４気筒１２ｄにそれぞれ対応する独立排気通路５２ａ、５２ｄは、各気筒１２ａ、１２ｄと対向する位置から湾曲しつつ前記混合管５０の集合部５６に向かって延びている。

これら独立排気通路５２ａ、５２ｂ、５２ｄは、互いに独立しており、第１気筒１２ａから排出された排気と、第２気筒１２ｂ又は第３気筒１２ｃから排出された排気と、第４気筒１２ｄから排出された排気とは、互いに独立して各独立排気通路５２ａ、５２ｂ、５２ｄ内を通って下流側に排出される。各独立排気通路５２ａ、５２ｂ、５２ｄを通過した排気は前記混合管５０の集合部５６に流入する。

前記各独立排気通路５２及び前記集合部５６は、各独立排気通路５２から高速で排気が噴出されてこの排気が高速で前記集合部５６内に流入するのに伴い、この高速の排気の周囲に発生した混合管５０内の負圧作用すなわちエゼクタ効果によって隣接する他の独立排気通路５２及びこの独立排気通路５２と連通する排気ポート１８内に負圧が生成され、この排気ポート１８内の排気が下流側に吸い出されるような形状を有している。

具体的には、前記集合部５６は、前記各独立排気通路５２から排出された排気が高い速度を維持したまま下流側に流れ、且つ下流からの逆流を防止するよう、下流側に向かうほどその流路面積が小さくなる形状を有している。本実施形態では、排気の速度をより高い状態で維持するべく前記集合部５６の下流端の流路面積は、前記各独立排気通路５２の下流端の流路面積の合計よりも小さく設定されている。本実施形態では、この集合部５６は、下流側に向かうに従って縮径する逆円錐台形状（漏斗形状）を有している。

このように、前記集合部５６及びストレート部５７においては、下流側の流路面積の方が上流側の流路面積よりも小さい。そのため、排気は前記集合部５６及びストレート部５７を高速で通過する。この通過時に、排気の圧力及び温度は低下する。そのため、前記集合部５６及びストレート部５７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、このストレート部５７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５８に流入することにより、排気の圧力及び温度が回復し、高い温度を維持したまま下流側の触媒装置６に排出される。

触媒装置６は、エンジン本体１から排出された排気を浄化するための装置である。この触媒装置６は、触媒本体６４と、この触媒本体６４を収容するケーシング６２とを備えている。ケーシング６２は、排気の流通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。

前記触媒本体６４は、前記ケーシング６２の排気流通方向の中央の拡径部分に収容されている。ケーシング６２の上流端には所定の空間が形成されている。前記混合管５０のディフューザー部５８の下流端は前記ケーシング６２の上流端に接続されている。ディフューザー部５８から排出された排気は前記ケーシング６２の上流端に流入した後、触媒本体６４側へ進行する。

前述のように、混合管５０のディフューザー部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、混合管５０に直接に触媒装置６が接続されていることで、触媒装置６内には相対的に高温の排気が流入し、これにより、触媒本体６４は早期に活性化され、また、触媒本体６４の活性状態が確実に維持される。

一方、前記各独立排気通路５２の下流部は、排気が各独立排気通路５２から高速で前記集合部５６内に噴出されるよう、下流に向かうほどその流路面積が小さくなる形状を有している。本実施形態では、図４に示すように、各独立排気通路５２は、略楕円形断面を有する上流側部分（仮想線）から下流に向かうに従ってその断面積が縮小されており、その下流端では上流側部分の楕円形断面積の略１／３の断面積（流路面積）となる扇形となっている。そして、図５に示すように、これら独立排気通路５２は、扇形をなす各下流端が、互いに隣接して全体として略円形断面を形成するように集合して前記集合部５６の上流端に接続されている（図１、図２参照）。

すなわち、前記混合管５０の軸芯と直交する方向における各独立排気通路５２の下流端の断面形状が互いに同じ略扇形に形成され（図４、図５参照）、前記扇形が集合して略円が形成されるように各独立排気通路５２の下流端が束ねられた状態で各独立排気通路５２の下流端が前記混合管５０の集合部５６の上流端に接続されている。

本実施形態では、少なくとも低速・高負荷域において、図６に示すように、前記各気筒１２の排気弁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、排気順序が連続する気筒１２，１２間において、一方の気筒（先行の気筒）１２のオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中に、他方の気筒（後続の気筒）１２の排気弁２０が開弁を開始するように設定されている。

具体的には、図６に示すように、第１気筒１２ａの排気弁２０と吸気弁１９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の排気弁２０と吸気弁１９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の排気弁２０と吸気弁１９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の排気弁２０と吸気弁１９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が開弁するように設定されている。

つまり、ＥＣＵ２は、少なくとも低速・高負荷域において、各気筒１２の排気弁２０の開弁期間と吸気弁１９の開弁期間とが所定期間オーバーラップすると共に、排気順序が連続する気筒１２，１２間において先行の気筒１２の前記オーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中に後続の気筒１２の排気弁２０が開弁するように、吸気弁駆動機構３０及び排気弁駆動機構４０を制御する。

これにより、排気行程気筒１２の排気弁２０が開弁してブローダウンガスがこの排気行程気筒１２から独立排気通路５２を通って集合部５６に高速で噴出されるのに伴い、エゼクタ効果によりオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中の吸気行程気筒１２の排気ポート１８内に負圧が生成される。そのため、前記エゼクタ効果がオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中の吸気行程気筒１２の排気ポート１８だけでなく、吸気行程気筒１２から吸気行程気筒１２の吸気ポート１７にまで及び、このオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中の吸気行程気筒１２内の掃気がより一層促進される。

（３）本実施形態の特徴
図８に示すように、前記混合管５０の集合部５６より下流の排気通路に、Ｏ_２センサ５９が配設されている。より具体的には、このＯ_２センサ５９は、前記集合部５６より下流のストレート部５７の上流端部に配設されている（図２、図３も参照）。すなわち、このＯ_２センサ５９は、流路面積が最小の位置に配設されている。そして、このＯ_２センサ５９は、混合管５０の管壁から内部空間（排気流路）に突出する棒状のセンサ部を有することにより、混合管５０の排気流路、より詳しくはストレート部５７の排気流路を部分的に塞ぐ障害部材として機能する（図４、図５も参照）。以下、Ｏ_２センサ５９のことを障害部材５９と称して説明する。

本実施形態において、前記混合管５０の集合部５６より下流の排気通路に、排気流路を部分的に塞ぐ障害部材５９を配設した理由は、およそ次のようである。

図９は、本実施形態に係るエンジンにおいて、クランク角ＣＡに応じて、前記排気マニホールド５の３つの独立排気通路５２のうちの第１気筒１２ａの独立排気通路５２ａ（第４気筒１２ｄの独立排気通路５２ｄでも同様の結果が得られる)の内部の圧力がどのように変化するかを示す説明図（エンジン回転数は２５００ｒｐｍ）である。

３６０°ＣＡ付近の高い圧力は、自気筒（第１気筒１２ａ）からのブローダウンガスにより独立排気通路５２ａ内に生じる正圧である。そして、５４０°ＣＡ付近の負圧は、第３気筒１２ｃから集合部５６に流出するブローダウンガスに基くエゼクタ効果により独立排気通路５２ａ内に生じる負圧、０°ＣＡ付近の負圧は、第４気筒１２ｄからのブローダウンガスに基くエゼクタ効果により独立排気通路５２ａ内に生じる負圧、１８０°ＣＡ付近の負圧は、第２気筒１２ｂからのブローダウンガスに基くエゼクタ効果により独立排気通路５２ａ内に生じる負圧である。

図示したように、前記混合管５０の集合部５６より下流の排気通路に、排気流路を部分的に塞ぐ障害部材を配設しない場合（鎖線）は、エゼクタ効果による負圧の発生時に、換言すれば、他気筒１２ｂ，１２ｃ，１２ｄからのブローダウン時に、自気筒１２ａの独立排気通路５２ａの内部圧力が振動を起こしている。この振動により、混合管５０内の負圧が弱くなり、エゼクタ効果が低下し、トルクの向上が図り難くなる。また、この振動により、ＮＶ（ノイズ（騒音）・バイブレーション（振動））も悪化する。

図１０は、図９に示す負圧発生時の振動を周波数分析したものである（エンジン回転数は２５００ｒｐｍ）。図示したように、周波数が５００Ｈｚ〜８０００Ｈｚのうち、１０００Ｈｚ〜２０００Ｈｚの範囲で、振動の振幅が最も大きくなっている（破線）。

図１１は、エンジン回転数が１０００ｒｐｍ〜６０００ｒｐｍの範囲で、周波数が１０００Ｈｚ〜２０００Ｈｚの範囲の振動の振幅の合計値（ｏｖｅｒａｌｌ）を示したものである。図示したように、前記混合管５０の集合部５６より下流の排気通路に、排気流路を部分的に塞ぐ障害部材を配設しない場合（破線）は、エンジン回転数が１０００ｒｐｍ〜６０００ｒｐｍの全範囲で、周波数が１０００Ｈｚ〜２０００Ｈｚの範囲の振動の振幅の合計値が相対的に大きくなっている。

他気筒からのブローダウン時に、自気筒の独立排気通路５２の内部圧力に振動が発生する理由は、必ずしも明らかではないが、例えば、次のようなことが考えられる。

図１２は、日本機械学会論文集（Ｂ編）５２巻４７４号（昭６１−２）、５０８頁〜５１３頁、「超高速空気エゼクタにおける一次流れの振動」（松尾、望月、中村）に掲載されている図７の一部を抽出して描き改めたものである。図中、符号２５６は混合管の収束部（本実施形態の混合管５０の集合部５６に相当）、符号２５２ｂはコンプレッサからの圧縮空気が噴出するノズル（本実施形態の他気筒の独立排気通路５２ｂに相当）、符号２５２ａ，２５２ｄは前記ノズル２５２ｂに隣接し、図外の集合胴（チャンバー）に連通する通路（本実施形態の自気筒の独立排気通路５２ａ，５２ｄに相当）である。

前記ノズル２５２ｂから、マッハ３．０５の超高速で、乾燥空気を混合管の収束部２５６に噴出させると、噴出された噴流Ｅは、混合管内の負圧の不均衡によって混合管内でいずれかの側に偏り、混合管の内壁面に接触する（図１２（ａ）の状態）。すると、接触した側において噴流Ｅの速度が低下し、負圧が弱くなり、これにより噴流Ｅは混合管の内壁面の別の場所に移動する（図１２（ｂ）の状態を経て図１２（ｃ）の状態）。今度は、接触した別の側において噴流Ｅの速度が低下し、負圧が弱くなり、これにより噴流Ｅは混合管の内壁面のさらに別の場所に移動する（図１２（ｄ）の状態を経て図１２（ａ）の状態）。以上のような動作が繰り返されることにより、ノズル２５２ｂから噴出された圧縮空気の噴流Ｅが自励振動を起こす。そして、この自励振動が、前記ノズル２５２ｂに隣接する通路２５２ａ，２５２ｄ内において、負圧の発生時（圧縮空気の噴出時）に、圧力の振動として現れるものと考えられる。

そのため、例えば、図１２（ａ）の状態から図１２（ｂ）の状態を経て図１２（ｃ）の状態に移行する際や、図１２（ｃ）の状態から図１２（ｄ）の状態を経て図１２（ａ）の状態に移行する際等に、つまり、圧縮空気の噴流Ｅが混合管の内壁面の別の場所に移動する際に、その移動を邪魔すると、圧縮空気の噴流Ｅの自励振動が抑制されると考えられる。

したがって、本実施形態では、図８に示したように、前記混合管５０の集合部５６より下流の排気通路に、排気流路を部分的に塞ぐ障害部材５９を配設したものである。この障害部材５９は、各独立排気通路５２から前記混合管５０の集合部５６内に高速で噴出された排気噴流が混合管５０の内壁面の別の場所に移動するのを邪魔して自励振動を抑制する作用を有するものと考えられる。

なお、排気噴流が混合管５０の内壁面の別の場所に移動する場合、排気噴流は、混合管５０の内壁面に沿って、すなわち、混合管５０の内壁面に接触した状態のまま、別の場所に移動するものと考えられる。

図９〜図１１に、前記混合管５０の集合部５６より下流の排気通路に、排気流路を部分的に塞ぐ障害部材５９を配設した場合（実線）を併せて示す。図示したように、図９においては、他気筒１２ｂ，１２ｃ，１２ｄからのブローダウン時における自気筒１２ａの独立排気通路５２ａの内部圧力の振動が抑制されている。図１０においては、周波数が１０００Ｈｚ〜２０００Ｈｚの範囲で、振動の振幅が低減されている。図１１においては、エンジン回転数が１０００ｒｐｍ〜６０００ｒｐｍの範囲で、周波数が１０００Ｈｚ〜２０００Ｈｚの範囲の振動の振幅の合計値が相対的に減少している。

状況に応じて、図８に仮想線で示したように、障害部材５９を集合部５６より下流の排気通路に配設する態様として、混合管５０のディフューザー部５８に配設してもよい。あるいは、図示しないが、混合管５０の下流の触媒装置６のケーシング６２の上流管部に配設してもよい。これらに対して、障害部材５９を集合部５６に配設することもできる。

図１３は、図８のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線断面図である。図中、符号Ｓ１は、仮想線で示される独立排気通路５２の下流端の流路面積を示している。また、図中、ハッチングを施した部分は、混合管５０の最小の流路面積から障害部材５９が排気流路を塞ぐ面積を減算した面積を示している。図８において、最小の流路面積は、混合管５０の集合部５６の下流端の流路面積、又は、混合管５０のストレート部５７の流路面積である。図８の場合は、障害部材５９がストレート部５７に配設されている（すなわち流路面積が最小の位置に配設されている）ので、図１３では、ストレート部５７の流路面積（符号５７の円の面積）から障害部材５９が排気流路を塞ぐ面積（白抜き部分の面積）を減算した部分にハッチングを施してある。

そして、本実施形態では、独立排気通路５２の下流端の流路面積Ｓ１と同じ面積を有する真円の直径をａとし、ストレート部５７の流路面積から障害部材５９が排気流路を塞ぐ面積を減算した面積、すなわち「有効流路面積」（図１３のハッチング部分）と同じ面積を有する真円の直径をＤとしたときに、ａ／Ｄを０．５〜０．８５としている。これにより、後に詳しく説明するように、エゼクタ効果と、排気噴流の自励振動の抑制効果とがバランスよく両立する。

（４）本実施形態の作用
本実施形態では、吸気ポート１７を開閉可能な吸気弁１９及び排気ポート１８を開閉可能な排気弁２０が備えられた複数の気筒１２を有する多気筒エンジンの排気装置１００が提供される。排気装置１００は、１つの気筒１２又は排気順序が連続しない複数の気筒１２の排気ポート１８に接続された複数の独立排気通路５２と、前記各独立排気通路５２を通過した排気が流入する混合管５０とを有している。前記各独立排気通路５２の下流端が束ねられた状態で前記混合管５０の上流端に接続されている。前記混合管５０は、排気流通方向の下流側が次第に縮径する集合部５６を含んでいる。前記集合部５６又は前記集合部５６より下流の排気通路に、排気流路を部分的に塞ぐ障害部材５９が設けられている。

本実施形態によれば、各独立排気通路５２を通過した排気が混合管５０に流入することにより混合管５０内に負圧が発生し、この負圧により、他の独立排気通路５２ないしこれと連通する他の気筒１２の排気ポート１８内の排気が下流側に吸い出されるエゼクタ効果が得られる。

その上で、本実施形態によれば、前記混合管５０は、排気流通方向の下流側が次第に縮径する集合部５６、換言すれば、流路面積が下流側ほど小さくなる集合部５６を含み、この集合部５６に、又は、この集合部５６より下流の排気通路（混合管５０に含まれる排気通路でも含まれない排気通路でもよい）に、排気流路を部分的に塞ぐ障害部材５９が設けられている。これにより、障害部材５９が、各独立排気通路の下流端から噴出された排気噴流が混合管５０の内壁面の別の場所に移動するのを邪魔することにより、前記排気噴流の自励振動が抑制される。排気噴流が自励振動を起こすと、混合管５０内の負圧が弱くなり、エゼクタ効果が低下し、トルクの向上が図り難くなる。したがって、排気噴流の自励振動を抑制することにより、簡単な構成でエゼクタ効果の低下を抑制することが可能となり、トルクの向上が図られる。また、排気噴流の自励振動を抑制することにより、ＮＶＨのうちＮＶが改善される。

本実施形態では、少なくとも低速・高負荷域において、各気筒１２の排気弁２０の開弁期間と吸気弁１９の開弁期間とが所定期間オーバーラップすると共に、排気順序が連続する気筒１２，１２間において先行の気筒１２の前記オーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中に後続の気筒１２の排気弁２０が開弁するように、各気筒１２の吸気弁１９及び排気弁２０を駆動する吸気弁駆動機構３０及び排気弁駆動機構４０が設けられている。

これにより、少なくとも低速・高負荷域では、各気筒１２の排気弁２０と吸気弁１９とが共に開いた状態となるオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌが設けられ、排気順序が連続する気筒１２，１２間において先行の気筒１２のオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中に後続の気筒１２の排気弁２０が開弁するので、前記エゼクタ効果がオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中の先行気筒１２の吸気ポート１７にまで及び、これにより、先行気筒１２の掃気がより一層促進され、体積効率（ηＶ）のより一層の向上、ひいてはトルクのより一層の向上が図られる。

本実施形態では、前記障害部材５９として、Ｏ_２センサを兼用したから、障害部材５９として専用の部材を用意する必要がなく、Ｏ_２センサを障害部材５９として兼用することで、部品点数の削減が図られる。また、Ｏ_２センサを流路面積が最小の位置（ストレート部５７）に設けたから、全ての気筒１２から排出される排気の酸素濃度を均等に検出できる。そのため、エンジンの運転状態を精度よく検出でき、例えばＡＷＳの実行時における気筒１２毎の制御を精度よく行うことができる。

本実施形態では、前記障害部材５９を流路面積が最小の位置（ストレート部５７）に設け、各独立排気通路５２の下流端の流路面積Ｓ１と同じ面積を有する真円の直径をａとし、最小の流路面積であるストレート部５７の流路面積から前記障害部材５９が排気流路を塞ぐ面積を減算した面積(有効流路面積）と同じ面積を有する真円の直径をＤとしたときに、ａ／Ｄを０．５〜０．８５としている。

前記ａ／Ｄが０．５未満であると、有効流路面積が大き過ぎることになり、このことは前記障害部材５９が排気流路を塞ぐ面積が小さ過ぎることを意味し、その結果、排気噴流の自励振動の抑制効果が不足し得る。一方、前記ａ／Ｄが０．８５を超えると、有効流路面積が小さ過ぎることになり、このことは前記障害部材５９が排気流路を塞ぐ面積が大き過ぎることを意味し、その結果、各独立排気通路５２の下流端から噴出された排気噴流の流れが滞って、混合管５０内の負圧が弱くなり、エゼクタ効果が不足し得る。以上により、前記ａ／Ｄを０．５〜０．８５とすることにより、エゼクタ効果と、排気噴流の自励振動の抑制効果とがバランスよく両立する。

（５）本実施形態の変形例
混合管５０は、流路面積が縮小する集合部５６のみを含むもの（ストレート部５７及びディフューザー部５８がないもの）でもよく、集合部５６と流路面積が拡大するディフューザー部５８とだけを含むもの（ストレート部５７がないもの）でもよい。このような構成の混合管を用いてもエゼクタ効果は得られる。例えば、量産設計時にレイアウト上の制約等から混合管５０を短くする場合に、集合部５６のみを含む混合管や、ストレート部を省略して集合部５６とディフューザー部５８とを直接滑らかに曲面でつなぐような形状の混合管等としても構わない。

例えば、図１４に示すように、集合部５６のみを含む混合管５０を用いた場合、障害部材（図例はＯ_２センサ）５９は、前記混合管５０の直下流、つまり集合部５６の直下流の排気通路に配設することが好ましい。図１４では、障害部材５９は、混合管５０の下流の触媒装置６のケーシング６２の上流管部に配設されている。

これにより、混合管５０の排気流通方向の長さのコンパクト化が図られ、ひいては排気系全体の排気流通方向の長さのコンパクト化が図られる。加えて、障害部材５９は、流路面積が最小の位置（集合部５６の直下流）に配設されている。流路面積が小さいほど、排気噴流の速度が上昇し、負圧が強くなり、排気噴流の自励振動が起き易くなる。したがって、この構成によれば、障害部材５９により排気噴流の自励振動が効果的に抑制される。

障害部材５９の形状、数、配置等は、排気流路を部分的に塞ぐものであれば、特に限定されるものではなく、状況に応じて適宜決定すればよい。採用し得る形状としては、棒状の他、板状、網目状等が挙げられる。採用し得る配置としては、排気流路に突出の他、排気流路を跨ぐものでもよい。また、排気流通方向に複数個を並べてもよく、排気流路を囲むように複数個を並べてもよい。また、これらを組み合わせて用いてもよい。

Ｏ_２センサの他に、障害部材５９として兼用し得るセンサ類としては、例えば排気温センサ等が挙げられる。

１２ 気筒
１７ 吸気ポート
１８ 排気ポート
１９ 吸気弁
２０ 排気弁
３０ 吸気弁駆動機構（弁駆動手段）
４０ 排気弁駆動機構（弁駆動手段）
５０ 混合管
５２ 独立排気通路
５６ 集合部
５９ 障害部材
１００ 排気装置

Claims (5)

1. 吸気ポートを開閉可能な吸気弁及び排気ポートを開閉可能な排気弁が備えられた複数の気筒を有する多気筒エンジンの排気装置であって、
   １つの気筒又は排気順序が連続しない複数の気筒の排気ポートに上流端が接続された複数の独立排気通路と、排気流通方向の下流側が次第に縮径し、前記各独立排気通路を通過した排気が流入する集合部とを有し、
   前記各独立排気通路の下流部は、その流路面積が下流側に向かうほど小さくなるように形成され、
   前記各独立排気通路の下流端が束ねられた状態で前記集合部の上流端に接続され、
   前記各独立排気通路から前記集合部に噴出される排気噴流の自励振動を抑制するための手段として、前記集合部又は前記集合部より下流の排気通路に、排気流路を部分的に塞ぐ障害部材が設けられていることを特徴とする多気筒エンジンの排気装置。
2. 請求項１に記載の多気筒エンジンの排気装置において、
   少なくとも低速・高負荷域において、前記各気筒の排気弁の開弁期間と吸気弁の開弁期間とが所定期間オーバーラップすると共に、排気順序が連続する気筒間において先行の気筒の前記オーバーラップ期間中に後続の気筒の排気弁が開弁するように、各気筒の吸気弁及び排気弁を駆動する弁駆動手段が設けられていることを特徴とする多気筒エンジンの排気装置。
3. 請求項１又は２に記載の多気筒エンジンの排気装置において、
   前記障害部材は、前記集合部の直下流の排気通路に設けられていることを特徴とする多気筒エンジンの排気装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の多気筒エンジンの排気装置において、
   前記障害部材は、Ｏ_２センサであることを特徴とする多気筒エンジンの排気装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の多気筒エンジンの排気装置において、
   前記障害部材を排気通路の流路面積が最小の位置に設け、
   各独立排気通路の下流端の流路面積と同じ面積を有する真円の直径をａとし、前記最小の流路面積から前記障害部材が排気流路を塞ぐ面積を減算した面積と同じ面積を有する真円の直径をＤとしたときに、ａ／Ｄが０．５〜０．８５であることを特徴とする多気筒エンジンの排気装置。
   

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