CN102207033A - 多气缸发动机的排气装置 - Google Patents

Abstract

本发明的多气缸发动机的排气装置设置有低速侧通道、高速侧通道、低速侧集合部、高速侧集合部及可改变高速侧通道的流路面积的流路面积可变阀，使具有与低速侧通道的下游端的流路面积相同面积的正圆的直径a1和具有与低速侧集合部的下游端的流路面积相同面积的正圆的直径D1和具有与高速侧通道的下游端的流路面积相同面积的正圆的直径a2及具有与高速侧集合部的下游端的流路面积相同面积的正圆的直径D2之间满足a1/D1≥a2/D2的关系，在低速区域，在一气缸的进气门与排气门的重叠期间，使排气顺序与该气缸连续的气缸的排气门打开，并缩小高速侧通道的流路面积，而在高速区域，使高速侧通道的流路面积为最大面积。由此能以简单的结构来进一步增大进气量，提高发动机输出。

Description

多气缸发动机的排气装置

技术领域

本发明涉及一种装配在汽车等中的多气缸发动机的排气装置。

背景技术

自以往，在汽车等的发动机的领域已有以提高发动机输出为目的的排气装置的开发。

例如，在日本专利公开公报特开2009-97335号中公开了一种具有涡轮增压器的装置，该装置包括：与各气缸的排气口连接并彼此独立的多条独立通道；设在涡轮增压器的上游并使这些独立通道汇合的集合部；设置在该集合部中并可改变各独立通道的流路面积的阀。该装置中，通过所述阀来缩小所述独立排气通道的流路面积，以使处于排气冲程中的气缸的废气从指定的独立通道以相对较高的速度流入所述集合部，在所述集合部处使该高速的废气周围产生的负压作用于其他独立通道，通过所谓的喷射(ejector)效应将其他独立通道内的废气抽吸到下游侧。借此增大供给到涡轮增压器的气体量。

在汽车等的发动机领域，对提高发动机输出的要求依然较高，尤其在去除涡轮增压器以实现结构的简化的发动机系统中，要求以简单的结构来提高发动机输出。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够以简单的结构来进一步增大进气量以提高发动机输出的多气缸发动机的排气装置。

为了达成此目的，本发明的多气缸发动机的排气装置中，所述发动机具有多个气缸，所述多个气缸分别形成有进气口及排气口，并且分别设有能够开闭所述进气口的进气门和能够开闭所述排气口的排气门，该多气缸发动机的排气装置包括：多个独立排气通道，分别连接于一个气缸或者多个排气顺序彼此不连续的气缸的排气口，并且在至少下游侧分别分离为低速侧通道与高速侧通道；低速侧集合部，连接于各所述低速侧通道的下游端，与各所述低速侧通道连通，以使通过各所述低速侧通道后的气体汇合；高速侧集合部，连接于各所述高速侧通道的下游端，与各所述高速侧通道连通，以使通过各所述高速侧通道后的气体汇合；流路面积可变阀，设置在各所述高速侧通道中，能够改变各所述高速侧通道的流路面积；流路面积可变阀驱动机构，能够驱动所述流路面积可变阀；气门驱动机构，能够驱动各所述气缸的进气门及排气门；其中，所述气门驱动机构驱动各气缸的进气门及排气门，以在发动机的转速低于预先设定的基准转速的低速区域中的至少对发动机的要求扭矩高的高负载区域中，使各所述气缸的进气门的打开期间与排气门的打开期间重叠指定的重叠期间，且在排气顺序彼此连续的气缸中的一个气缸的所述重叠期间，使另一个气缸的排气门打开，所述流路面积可变阀驱动机构驱动所述流路面积可变阀，以在所述低速区域的至少所述高负载区域中，使各所述高速侧通道的流路面积小于该高速侧通道的最大面积，而在发动机的转速高于所述基准转速的高速区域中，使各所述高速侧通道的流路面积为该高速侧通道的最大面积，各所述低速侧通道中的连结于排气顺序彼此连续的气缸的低速侧通道的下游端，设置在彼此相邻的位置，所述低速侧集合部呈其上游端与下游端的至少一端的流路面积为该低速侧集合部的流路面积中的最小面积的形状，所述高速侧集合部呈其上游端与下游端的至少一端的流路面积为该高速侧集合部的流路面积中的最小面积的形状，并且该形状以具有与所述低速侧通道的下游端的流路面积相同的面积的正圆的直径a1、具有与所述低速侧集合部的下游端的流路面积相同的面积的正圆的直径D1、具有与所述高速侧通道的下游端的流路面积相同的面积的正圆的直径a2、具有与所述高速侧集合部的下游端的流路面积相同的面积的正圆的直径D2之间满足以下数式(1)的关系来形成：

a1/D1≥a2/D2    (1)。

根据本发明的排气装置，在低速区域的至少高负载区域中，能够有效利用喷射效应来促进气缸内的扫气，并且在高速区域中，能够将排气阻力抑制得较小而促进气缸内的扫气，从而在全速度区域中，能够提高进气效率以提高发动机输出。

附图说明

图1是具备本发明的实施方式所涉及的多气缸发动机的排气装置的发动机系统的概略结构图。

图2是位于图1所示的发动机主体1的下游侧部分的从下方观察时的图。

图3是位于图2所示的发动机主体1的下游侧部分的侧视图。

图4是图3的IV-IV线剖视图。

图5是说明低速侧通道及高速侧通道的集合部分的结构的图。

图6是说明进气门及排气门的气门正时的图。

图7是表示发动机的各运转区域R1、R2、R3的区划例的图。

图8是说明本发明的实施方式所涉及的多气缸发动机的排气装置中的进气门及排气门的打开时期及关闭时期的图。

图9是表示a/D与填充效率的关系的图。

具体实施方式

参照附图说明本发明所涉及的多气缸发动机的排气装置的实施方式。

图1是具备所述多气缸发动机的排气装置的发动机系统100的概略结构图。此发动机系统100具备：具有气缸盖9及气缸体的发动机主体1、发动机控制用ECU2、连接于发动机主体1的排气歧管5、及连接于排气歧管5的催化剂装置6。

在所述气缸盖9及气缸体的内部，形成着分别嵌插有活塞的多个气缸12。在本实施方式中，所述发动机主体1是直列四缸的发动机，在所述气缸盖9及气缸体的内部，以直列排列的状态形成有四个气缸12。具体而言，从图1的右方依次形成第1气缸12a、第2气缸12b、第3气缸12c、第4气缸12d。在所述气缸盖9上，以面临于区划在活塞的上方的燃烧室内的状态分别设置有火花塞15。

所述发动机主体1是四循环发动机。在该发动机主体1中，如图6所示，在各气缸12a～12d中，以各自相差180℃A的正时来进行所述火花塞15的点火，各自相差180℃A来实施进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程、排气冲程。本实施方式中，按照第1气缸12a→第3气缸12c→第4气缸12d→第2气缸12b的顺序进行点火，并按此顺序来实施排气冲程等。

在各气缸12的上部，分别设置有向燃烧室开口的两个进气口17及两个排气口18。进气口17用于向各气缸12内导入进气。排气口18用于从各气缸12内排出废气。在各进气口17上，设置有用于开闭这些进气口17以将进气口17与气缸12内部之间连通或阻断的进气门19。在各排气口18上，设置有用于开闭这些排气口18以将这些排气口18与气缸12内部连通或阻断的排气门20。所述进气门19由进气门驱动机构(气门驱动机构)30进行驱动，以指定的正时来开闭进气口17。而且，所述排气门20由排气门驱动机构(气门驱动机构)40进行驱动，以指定的正时来开闭排气口18。

所述进气门驱动机构30具有连结于进气门19的进气凸轮轴31和进气VVT32。进气凸轮轴31经由众所周知的链/链轮机构等传动机构连结于曲轴，并伴随曲轴的旋转而旋转以驱动进气门19开闭。

所述进气VVT32用于改变进气门19的气门正时。此进气VVT32改变与进气凸轮轴31同轴设置并由曲轴直接驱动的指定的被驱动轴与进气凸轮轴31之间的相位差。借此，改变曲轴与所述进气凸轮轴31之间的相位差，改变进气门19的气门正时。作为进气VVT32的具体结构，例如可列举：液压式机构，在所述被驱动轴与所述进气凸轮轴31之间具有沿圆周方向排列的多个液室，通过在这些液室间设置压力差来改变所述相位差；或电磁式机构，在所述被驱动轴与所述进气凸轮轴31之间设置电磁铁，通过对所述电磁铁施加电力来改变所述相位差。此进气VVT32基于由ECU2算出的进气门19的目标气门正时来改变所述相位差。

所述排气门驱动机构40具有与所述进气门驱动机构30同样的结构。此排气门驱动机构40具有：连结于排气门20及曲轴的排气凸轮轴41；通过改变该排气凸轮轴41与曲轴的相位差来改变排气门20的气门正时的排气VVT42。排气VVT42基于由ECU2算出的排气门20的目标气门正时来改变所述相位差。排气凸轮轴41在此相位差之下随着曲轴的旋转而旋转，以所述目标气门正时来驱动排气门20开闭。

另外，在本实施方式中，所述进气VVT32及排气VVT42在分别将进气门19及排气门20的打开期间及提升量即气门曲线维持在一定的情况下，分别改变进气门19及排气门20的打开时期与关闭时期。

各所述气缸12的排气口18在其下游侧连接于独立排气通道52。所述气缸12中的第1气缸12a的排气口18与第4气缸12d的排气口18分别个别地连接于独立排气通道52a、52d。另一方面，设在发动机主体1的中央且排气顺序不连续的第2气缸12b与第3气缸12c的排气口18连接于一条独立排气通道52b。这些独立排气通道52彼此独立。从第2气缸12b或者第3气缸12c排出的废气、从第1气缸12a排出的废气和从第4气缸12d排出的废气彼此独立地通过各独立排气通道52内而流下。在本实施方式中，这些独立排气通道52的上游部分形成在所述气缸盖9内，这些独立排气通道52的下游部分设置在所述排气歧管5内。

所述排气歧管5在所述三个独立排气通道52的基础上，具备三个流路面积可变阀58、低速侧集合部56及高速侧集合部57。

各所述独立排气通道52的下游侧分别分离为高速侧通道53与低速侧通道54。在本实施方式中，此分离部位位于所述排气歧管5的上游端附近。而且，在本实施方式中，如图2及图3所示，各高速侧通道53分别从气缸盖9上形成的独立排气通道52的上游侧部分直线地向后方延伸之后，向下方弯曲。另一方面，各低速侧通道54从所述排气歧管5的上游端附近向下方弯曲，经过高速侧通道53的下方并与这些高速侧通道53同样地直线地向后方延伸之后，向下方弯曲。

各所述高速侧通道53的剖面积即流路面积被设定为彼此相同。各低速侧通道54的剖面积即流路面积被设定为彼此相同。各高速侧通道53的流路面积被设定为大于低速侧通道54的流路面积。

所述流路面积可变阀58用于改变各所述高速侧通道53的流路面积，以改变各独立排气通道52的流路面积。这些流路面积可变阀58分别在各高速侧通道53内各设有一个。在本实施方式中，这些流路面积可变阀58设在高速侧通道53内的上游端附近且高速侧通道53与低速侧通道54分离的位置附近。

所述流路面积可变阀58随着设在其中央的转动轴58a被转动驱动而围绕该转动轴58a的轴中心转动。本实施方式中，在各流路面积可变阀58中，固定有共用的转动轴58a，三个流路面积可变阀58一体地转动。各流路面积可变阀58在与废气的流动方向大致平行的方向上扩展的全开位置(图3的虚线)、和在与废气的流动方向大致垂直的方向上扩展的全闭位置(图3的实线)之间转动，开闭高速侧通道53以改变高速侧通道53的流路面积。另外，在图3中，为了更明确地示出流路面积可变阀58的全开位置与全闭位置，用实线示出了设置在高速侧通道53内而应以虚线示出的流路面积可变阀58。

所述转动轴58a由设在其端部的阀致动器(流路面积可变阀驱动机构)58b进行转动驱动。此阀致动器58b对应于由ECU2算出的流路面积可变阀的目标开度，使所述转动轴58a转动以驱动流路面积可变阀58至全闭或者全开位置。此阀致动器58b只要能够通过驱动所述转动轴58a转动以使所述流路面积可变阀58转动即可，可以是任意结构。

所述低速侧集合部56设在所述低速侧通道54的下游侧。此低速侧集合部56连接于各低速侧通道54的下游端，并与各低速侧通道54连通。通过各低速侧通道54后的气体由该低速侧集合部56集合。在本实施方式中，所述低速侧集合部56的上游端的剖面形状为大致半圆形。

各所述低速侧通道54的剖面形状在上游侧部分为大致圆形状，在下游侧部分，随着靠近下游，从大致圆形状变形为在径向将半圆形状一分为三所得的形状。这些低速侧通道54以其下游端的剖面整体上呈大致半圆形的状态集合而连接于所述低速侧集合部56的大致半圆形剖面的上游端。这些低速侧通道54的下游端以在径向排列的状态连接于低速侧集合部56的具有大致半圆形剖面的上游端。其中，与所述第2气缸12b和第3气缸12c分别连接的低速侧通道54设置在径向中央，在其左右分别设置有连接于所述第1气缸12a的低速侧通道54与连接于第4气缸12d的低速侧通道54。如前所述，按照第1气缸12a→第3气缸12c→第4气缸12d→第2气缸12b的顺序实施排气工序，连接于排气顺序连续的气缸12的低速侧通道54以彼此邻接的状态而设置。所述三个低速侧通道54的下游端的流路面积被设定为彼此相同。

所述低速侧集合部56的上游端的剖面形状及剖面积与三个低速侧通道54的下游端整体的剖面形状及剖面积被设定为大致相同，即，如示意性地表示各低速侧通道54及高速侧通道53的图5所示，被设定为3×U1(低速侧通道54的下游端的剖面积U1的合计)＝S10(低速侧集合部56的上游端的剖面积)。

所述低速侧集合部56的剖面积即流路面积随着接近下游而缩小，低速侧集合部56的下游端的剖面积S11被设定为小于其上游端的剖面积S10(S11＜S10＝3×U1)。即，当将具有与所述低速侧通道54的下游端的剖面积相同的面积的正圆的直径设为a1，将具有与低速侧集合部56的下游端的流路面积相同的面积的正圆的直径设为D1时，这些直径的关系为a1/D1≥0.57。本实施方式中，设定为a1/D1＝0.65。

所述高速侧集合部57设在所述高速侧通道53的下游侧。此高速侧集合部57连接于各高速侧通道53的下游端，并与各高速侧通道53连通。通过各高速侧通道53后的气体由此高速侧集合部57集合。本实施方式中，所述高速侧集合部57的上游端的剖面形状为大致半圆形。

各所述高速侧通道53的剖面形状在上游侧部分为大致圆形状，在下游侧部分，随着接近下游，从大致圆形状变形为在径向将半圆形状一分为三所得的形状。这些高速侧通道53以其下游端的剖面整体上呈大致半圆形的状态集合并连接于所述高速侧集合部57的大致半圆形剖面的上游端。这三个高速侧通道53的下游端以在径向排列的状态连接于高速侧集合部57的具有大致半圆形剖面的上游端。其中，与所述第2气缸12b和第3气缸12c分别连接的高速侧通道53设置在径向中央，在其左右，分别设置有连接于所述第1气缸12a的高速侧通道53与连接于第4气缸12d的高速侧通道53。所述三个高速侧通道53的下游端的流路面积被设定为彼此相同。

所述高速侧集合部57的上游端的剖面形状及剖面积与三个高速侧通道53的下游端整体的剖面形状及剖面积被设定为大致相同，即，如示意性地表示各通道的结构的图5所示，被设定为3×U2(高速侧通道53的下游端的剖面积U2的合计)＝S20(高速侧集合部57的上游端的剖面积)。

所述高速侧集合部57呈下述形状：其剖面积亦即流路面积随着接近下游而扩大，之后以一定的值(剖面积)向下游侧延伸。高速侧集合部57的下游端的剖面积S21被设定为大于其上游端的剖面积S20(S21＞S20＝3×U2)。即，当将具有与所述高速侧通道53的下游端的剖面积相同的面积的正圆的直径设为a2，将具有与高速侧集合部57的下游端的流路面积相同的面积的正圆的直径设为D2时，这些直径的关系为a2/D2≤0.57。本实施方式中，设定为a2/D2＝0.3。

此处，使用图9来说明对所述a1/D1或者a2/D2与填充效率ηc的关系进行调查的结果。

图9的图形是在具有以下结构的发动机系统中，将具有与各独立排气通道的下游端的流路面积相同的面积的正圆的直径设为a、将具有与所述集合部的下游端的流路面积相同的面积的正圆的直径设为D，调查改变a/D时的发动机转速NE与填充效率ηc之间的关系后所得的结果。该发动机系统的结构中，与本实施方式所涉及的发动机系统同样，直列四气缸的发动机主体1的气缸12中的第1气缸12a的排气口18和第4气缸12d的排气口18分别个别地连接于独立排气通道，排气冲程不相邻、排气顺序不连续的第2气缸12b和第3气缸12c的排气口18连接于一条独立排气通道52b，另一方面这些独立排气通道并不分离为高速侧通道与低速侧通道而连接于指定的集合部，通过这些独立排气通道后的气体在此集合部处汇合。另外，此结果是在排气门20与进气门19被设定为排气门20的打开期间与进气门19的打开期间重叠指定的重叠期间T_O/L，而且排气门20在其他气缸12的所述重叠期间中开始打开的情况下的结果。

在此图形中，横轴是发动机转速NE，纵轴是填充效率ηc。线L1为a/D＝0.3时、线L2为a/D＝0.5时、线L3为a/D＝0.57时、线L4为a/D＝0.65时的发动机转速NE与填充效率ηc的关系。

在a/D＝0.57的条件下，三个独立排气通道的下游端的剖面积的合计与集合部的下游端的剖面积相同。而且，在此条件下，集合部的剖面积从上游端至下游端范围为一定。在a/D＞0.57的条件下，三个独立排气通道的下游端的剖面积的合计面积大于集合部的下游端的剖面积。而且，在此条件下，所述集合部的上游端的剖面积与独立排气通道的下游端的剖面积的合计面积大致相同。另一方面，集合部的剖面积从上游端开始向下游逐渐缩小。在a/D＜0.57的条件下，集合部的下游端的剖面积大于三个独立排气通道的下游端的剖面积的合计面积。而且，在此条件下，所述集合部的上游端的剖面积与独立排气通道的下游端的剖面积的合计面积大致相同。另一方面，集合部的剖面积从上游端开始向下游逐渐扩大。

如此图形所示，在发动机转速NE为基准转速N1以下的低速区域，a/D越大，填充效率ηc越增加。另一方面，在发动机转速NE高于基准转速N1的高速区域，a/D越小，填充效率ηc越增加。

这可以理解为是因为，在发动机转速NE为基准转速N1以下的低速区域，a/D越大，集合部的剖面积越接近下游侧越小，即，随着集合部在下游侧进一步收窄，通过集合部的废气的流速变高而由喷射效应带来的扫气性能提高。而在发动机转速NE高于NE的高速区域，a/D变小，集合部的剖面积亦即流路面积变大，背压变小，由此，排气性能提高。

具体而言，当处于排气冲程中的指定的排气门20打开、高速废气从指定的独立排气通道向所述集合部喷出、且该废气高速通过集合部时，借助该废气周围产生的负压作用即喷射效应，对连通于集合部的其他的独立排气通道产生将其内部的气体向下游侧抽吸的力。并且，由于在指定的排气门20打开时其他的气缸处于重叠期间中，因此从所述排气冲程的气缸排出的废气带来的抽吸力经由所述独立排气通道而作用于处于所述重叠期间中的气缸12内的气体，将处于该重叠期间中的气缸12内的残留气体从气缸12内抽出。通过所述集合部的废气的流速越快，则此喷射效应带来的残留气体的抽吸效果即扫气促进效果越好。并且，所述a/D越大从而集合部的下游端越收窄，则集合部中的速度下降被抑制得越小，结果，通过此集合部的废气的流速越快。

另外，当a/D变大从而集合部的下游端的流路面积较小时，排气阻力增大。

因此，如上所述，一般认为在排气流量相对较少的低速区域，a/D越大而扫气性能越高。并且，在发动机转速NE高而排气流量大的条件下，如果加大a/D，则此排气阻力的增大带来的背压增加的影响比所述喷射效应带来的扫气促进效果大，扫气性能反而会恶化。

因此，在本发动机系统100中，如前所述，将独立排气通道52分离为低速侧通道54与高速侧通道53，将低速侧通道54的a/D即a1/D1设为0.57以上的值，另一方面，将高速侧通道53的a/D即a2/D2设为0.57以下的值，以使a1/D1≥a2/D2。并且，如后所述，在发动机转速NE为基准转速N1以下的低速区域中，以使废气仅通过低速侧通道54的方式来通过喷射效应促进扫气，另一方面，在发动机转速NE大于基准转速N1的高速区域中，以废气除了通过低速侧通道54以外还通过高速侧通道53的方式来抑制背压的增加以将扫气性能维持得较高。另外，只要满足a1/D1≥a2/D2即可，a1/D1与a2/D的具体范围不限于所述a1/D1≥0.57、a2/D2≤0.57，但如图9的图形所示，当设a1/D1≥0.57时，便可以在低速区域中使填充效率为1以上，因此较为理想的是设为这样的范围。

此处，在设为所述a/D≥0.57、亦即将集合部的下游端的剖面积设为各独立排气通道的下游端的剖面积的合计面积以下时，如果集合部在上游端与下游端之间的剖面积变大，则在此部分，废气的速度下降而喷射效应变弱。因此，在a/D≥0.57的低速侧集合部56中，如前所述，该低速侧集合部56呈下述形状，即低速侧集合部56的上游端的面积设为与各低速侧通道54的下游端的剖面积的合计面积大致相同，并且该低速侧集合部56的剖面随着接近下游侧而缩小。

另一方面，在设为所述a/D≤0.57、即将集合部的下游端的剖面积设为各独立排气通道的下游端的剖面积的合计面积以上时，即使集合部在上游端与下游端之间的剖面积为各独立排气通道的下游端的剖面积的合计面积以上，仍能够获得降低背压的效果。因此，在a/D≤0.57的高速侧集合部57中，高速侧集合部57只要其剖面积在整个上下游间为各高速侧通道53的下游端的剖面积的合计面积以上即可，例如，高速侧集合部57的上游端的剖面积也可以大于各高速侧通道53的下游端的剖面积的合计面积。

所述低速侧集合部56的下游端及所述高速侧集合部57的下游端与所述催化剂装置6的后述壳体62连接，通过低速侧集合部56及高速侧集合部57后的废气流入壳体62内。

所述催化剂装置6是用于对从发动机主体1排出的废气进行净化的装置。此催化剂装置6具备三元催化剂等催化剂主体64和收容此催化剂主体64的壳体62。壳体62呈与废气的流动方向平行地延伸的大致圆筒状。所述催化剂主体64被收容在所述壳体62的下游部分，在此壳体62的上游部分62a，形成有使流入壳体62的气体可汇合的指定空间。

所述催化剂装置6的壳体62在与所述低速侧集合部56及高速侧集合部57连通的状态下，连接于这些低速侧集合部56的下游端及高速侧集合部57的下游端。因而，通过所述低速侧集合部56后的废气及通过高速侧集合部57后的废气流入此壳体62并由此壳体62集合。这样，在本实施方式中，催化剂装置6的壳体62的上游部分62a作为通过低速侧集合部56及高速侧集合部57后的气体汇合的最终集合部发挥功能。

所述ECU2是以众所周知的微电脑为基础的控制器，且具备用于执行程序的CPU、包含RAM或ROM并储存程序及数据的存储器、及进行各种信号的输出输入的I/O总线。此ECU2经由所述I/O总线而接收来自各种传感器的信号，并基于此信号来进行各种运算。

ECU2根据运转条件来运算进气门19及排气门20的目标气门正时，并且运算所述流路面积可变阀58的目标开度。接着，ECU2驱动进气VVT32及排气VVT42、所述阀致动器58b，以使进气门19及排气门20的气门正时与流路面积可变阀的开度达到这些目标值。

所述进气门19及排气门20的目标气门正时被设定为，在发动机的转速低于基准转速N1的低速区域中的对发动机主体1的要求扭矩亦即发动机负载高于基准负载Q1的高负载区域亦即低速高负载区域R1(参照图7)中，如图6所示，排气门20与进气门19这两者以指定的重叠期间T_O/L打开，以使排气门20的打开期间与进气门19的打开期间重叠，且排气门20在其他气缸12的重叠期间T_O/L中开始打开。具体设定为，在第1气缸12a的进气门19与排气门20重叠的期间中，第3气缸12c的排气门12c打开；在第3气缸12c的进气门19与排气门20重叠的期间中，第4气缸12d的排气门12c打开；在第4气缸12d的进气门19与排气门20重叠的期间中，第2气缸12b的排气门20打开；在第2气缸12b的进气门19与排气门20重叠的期间中，第1气缸12a的排气门20打开。

另一方面，在发动机的转速高于基准转速N1的高速区域R3(参照图7)，所述进气门19及排气门20的目标气门正时被设定为，所述重叠期间T_L/O小于在所述低速高负载区域R1中所设定的重叠期间(包括零)。

另外，在发动机的转速低于基准转速N1的低速区域中的发动机负载低于基准负载Q1的低速低负载区域R2(参照图7)中，所述进气门19及排气门20的目标气门正时被设定为，排气门20与进气门19的重叠期间T_L/O小于在低速高负载区域R1中所设定的重叠期间。

在各区域中，在维持如上所述的重叠期间的情况下，根据发动机转速NE或者根据发动机转速NE和发动机负载来详细设定排气门20与进气门19的目标气门正时，在ECU2中，存储着此预先设定的排气门20与进气门19的目标气门正时的图谱。ECU2对应于运转条件来从此图谱中提取各目标气门正时。

所述基准转速N1例如为2000rpm，所述基准负载Q1例如是最大负载的1/2左右的负载。另外，低速高负载区域R1的重叠期间T_O/L例如被设定为60℃A以上，例如80℃A等，高速区域R3的重叠期间T_O/L例如被设定为40℃A以下。

另外，在本发动机系统100中，所述进气门19及排气门20的打开时期、关闭时期如图8所示，分别是指在各气门的提升曲线中气门的升降急遽上升、急遽下降的时期，例如是指提升0.4mm的时期。

所述流路面积可变阀58的目标开度在所述低速高负载区域R1中被设定为全闭，另一方面，在其他的区域R2、R3中，被设定为全开。即，在所述低速高负载区域R1中，各所述高速侧通道53被阻断，从发动机主体1排出的废气仅通过所述低速侧通道54流向下游。另一方面，在其他区域R2、R3中，各高速侧通道53开放，从发动机主体1排出的废气通过高速侧通道53及低速侧通道54流向下游。

ECU2中储存有此预先设定的流路面积可变阀58的目标开度的图谱，ECU2根据运转条件来从此图谱提取流路面积可变阀58的目标开度。

接下来，对具备上述结构的本发动机系统100的进气性能进行说明。

当指定的气缸12(以下，为方便起见称作排气冲程气缸12)的排气门20打开时，废气从此气缸12的排气口18高速流入所述独立排气通道52。尤其在排气门20打开的紧后，非常高速的气体(所谓的卸压气体)从气缸12内排出。

此处，在所述低速高负载区域R1中，所述高速侧通道53被阻断而只有独立排气通道52中的低速侧通道54开放，因此从排气冲程气缸12排出的废气仅流入所述低速侧通道54。如前所述，此低速侧通道54的流路面积被设定为小于高速侧通道53。而且，设在低速侧通道54下游的所述低速侧集合部56越接近下游，流路面积越小。因而，所述废气高速通过所述低速侧集合部56。

当高速废气从指定的低速侧通道54向所述低速侧集合部56喷出时，如前所述，通过喷射效应，对与低速侧集合部56连通的其他的低速侧通道54产生将其内部的气体向下游侧抽吸的力。在所述排气冲程气缸12的排气门20打开时，排气顺序被设定为此排气冲程气缸12之前一个的其他气缸12(以下，为方便起见称作进气冲程气缸12)处于所述重叠期间中，其排气门20与进气门19均打开。因此，通过所述抽吸力，所述进气冲程气缸12内的残留气体从气缸12内被有力地抽吸到独立排气通道52侧。

尤其，各低速侧通道54的下游端在所述低速侧集合部56相邻设置。因此，连接于排气冲程气缸12的低速侧通道54带来的抽吸力有效作用于与进气冲程气缸12连接的低速侧通道54，大量的残留气体从此进气冲程气缸12被抽出。

此处，所述第2气缸12b与第3气缸12c连接于同一条独立排气通道52，从这些第2气缸12b及第3气缸12c排出的废气流入相同的低速侧通道54，但此第2气缸12b与第3气缸12c的排气顺序不连续，从这些气缸12b、12c排出的废气互不干涉地通过低速侧通道54。

这样，在本发动机系统100中，在低速高负载区域R1，喷射效应有效地发挥而各气缸12的扫气得以促进，从而发动机输出得到提高。

另一方面，在所述高速区域R3，高速侧通道53开放，从气缸12向独立排气通道52排出的废气除了流入所述低速侧通道54以外，还流入高速侧通道53。如前所述，高速侧通道53的流路面积被设定为大于低速侧通道54的流路面积，所述废气大多通过此高速侧通道53。接着，通过高速侧通道53后的气体流入所述高速侧集合部57。如前所述，此高速侧集合部57的a2/D2被设定得较小，其流路面积被设定为各高速侧通道53的下游端的合计面积以上。因此，通过各高速侧通道53后的废气在排气阻力较小的状态下通过此高速侧集合部57。借此，此高速侧通道53的下游端的压力即各高速侧通道53的背压被抑制得较低。

这样，在本发动机系统100中，在排气流量较大而背压易变高的高速区域R3中，背压被抑制得较低，借此，气缸12的扫气得以促进，从而可确保发动机输出。

此处，在所述低速低负载区域R2，进气的压力较小。因此，当使进气门19与排气门20重叠时，存在废气向进气侧逆流而进气量降低进而发动机输出降低的危险。

对此，在本发动机系统100中，在低速低负载区域R2中，将进气门19与排气门20设定为不重叠，或者将重叠期间设定得足够小，并且使高速侧通道53开放，以避免所述逆流而确保发动机输出。

如上所述，根据本发动机系统100，在全部的速度区域中能够提高进气效率以提高发动机输出。

此处，所述低速侧集合部56、高速侧集合部57也可以分别形成为其剖面积在上下游两端之间为一定的形状。例如，在所述低速侧集合部56与高速侧集合部57均设为剖面积为一定的形状的情况下，可以将低速侧集合部56的a1/D1及高速侧集合部57的a2/D2分别设为a1/D1＝a2/D2＝0.57。

另外，在所述实施方式中，对发动机主体1是直列四缸的发动机、且第2气缸12b与第3气缸12c的排气口18连接于一条独立排气通道52b、设有三条独立排气通道52b的情况进行了说明，但也可以在各气缸12的排气口18处分别个别地连接独立排气通道52b而设置四条独立排气通道52b。但是，如果将排气顺序不连续的气缸的排气口统一连接到一条独立排气通道52b，则可实现系统的小型化。

另外，当设置四条独立排气通道52b，且这些独立排气通道52b分别分离为四条低速侧通道54与高速侧通道54时，通过使a1/D1≥0.5，低速侧通道54的下游端的剖面积的合计面积为低速侧集合部56的下游端的剖面积以上，通过使a2/D2≤0.5，高速侧通道53的下游端的剖面积的合计面积为高速侧集合部57的下游端的剖面积以下。因此，如上所述设置四条独立排气通道52b时，较为理想的是a1/D1≥0.5、a2/D2≤0.5。

另外，在所述实施方式中，对在所述低速高负载区域R1中驱动所述流路面积可变阀58于全闭位置的情况进行了说明，但此低速高负载区域R1中的流路面积可变阀58的位置并不限于全闭位置，也可以是比全开位置更靠闭合侧的位置，亦即是高速侧通道53的流路面积比最大面积小的位置。

另外，当将低速高负载区域R1中的流路面积可变阀58的位置设定为比全闭位置更靠全开侧的位置时，在此低速高负载区域R1中，废气在设有此流路面积可变阀58的位置处以被挤压的状态通过高速侧通道53，从而在高速侧通道53也能够获得喷射效应。因此，这样设定时，较为理想的是将与排气顺序互相连续的气缸连接的高速侧通道的下游端设置于彼此相邻的位置，以使得由从与处于排气冲程的气缸连接的高速侧通道喷出的废气产生的负压更加有效地作用于与处于进气冲程的气缸连接的高速侧通道内的废气，以促进此气缸的扫气。

另外，在低速高负载区域R1中，也可以使所述流路面积可变阀58在全开位置与全闭位置之间阶段地或者连续地变化。此时，较为理想的是以发动机转速NE越高，则高速侧通道53的流路面积越大的方式来驱动所述流路面积可变阀58。这样，在发动机转速NE低而废气的流量少的区域中，可以通过减小高速侧通道53的流路面积来利用喷射效应而促进扫气，另一方面，在发动机转速NE高而废气的流量大的区域中，可以通过增大高速侧通道53的流路面积来将排气阻力抑制得较小，借此促进扫气以提高进气效率。

另外，催化剂装置6的位置并不限于所述情形。由于本发动机系统100能够通过喷射效应及背压的降低来提高进气效率，因此在不具有涡轮增压器的发动机系统中有用。于是，当如此不具有涡轮增压器时，可以将催化剂装置6如所述实施方式般直接连接于各独立排气通道53而设置到更上游侧的位置，借此，能够将流入催化剂主体64的废气的温度维持得较高而使催化剂主体64较早地生效。

此外，在低速低负载区域R2中，也可以使进气门19与排气门20重叠，并且阻断所述高速侧通道53，以使喷射效应带来的抽吸力作用于气缸12而提高进气效率。

另外，在所述实施方式中，对独立排气通道52连接于所述排气口18的下游、并在此独立排气通道52的下游分离为所述高速侧通道53与低速侧通道54的情形进行了说明，但例如也可以将高速侧通道连接于两个排气口中的一个排气口18，而将低速侧通道与所述高速侧通道独立地连接于另一个排气口18。并且，也可以使连接于高速侧通道的排气口18的排气门20作为所述流路面积可变阀来发挥功能。即，可以通过开闭一侧的排气门20来改变高速侧通道的流路面积。

如上所述，本发明是一种多气缸发动机的排气装置，所述发动机具有多个气缸，所述多个气缸分别形成有进气口及排气口，并且设有能够开闭所述进气口的进气门和能够开闭所述排气口的排气门，所述多气缸发动机的排气装置包括：多个独立排气通道，分别连接于一个气缸或者多个排气顺序彼此不连续的气缸的排气口，并且在至少下游侧分别分离为低速侧通道与高速侧通道；低速侧集合部，连接于各所述低速侧通道的下游端，与各所述低速侧通道连通，以使通过各所述低速侧通道后的气体汇合；高速侧集合部，连接于各所述高速侧通道的下游端，与各所述高速侧通道连通，以使通过各所述高速侧通道后的气体汇合；流路面积可变阀，设置在各所述高速侧通道中，能够改变各所述高速侧通道的流路面积；流路面积可变阀驱动机构，能够驱动所述流路面积可变阀；气门驱动机构，能够驱动各所述气缸的进气门及排气门；其中，所述气门驱动机构驱动各气缸的进气门及排气门，以在发动机的转速低于预先设定的基准转速的低速区域中的至少对发动机的要求扭矩高的高负载区域中，使各所述气缸的进气门的打开期间与排气门的打开期间重叠指定的重叠期间，且在排气顺序彼此连续的气缸中的一个气缸的所述重叠期间，使另一个气缸的排气门打开，所述流路面积可变阀驱动机构驱动所述流路面积可变阀，以在所述低速区域的至少所述高负载区域中，使各所述高速侧通道的流路面积小于该高速侧通道的最大面积，而在发动机的转速高于所述基准转速的高速区域中，使各所述高速侧通道的流路面积为该高速侧通道的最大面积，各所述低速侧通道中的连结于排气顺序彼此连续的气缸的低速侧通道的下游端，设置在彼此相邻的位置，所述低速侧集合部呈其上游端与下游端的至少一端的流路面积为该低速侧集合部的流路面积中的最小面积的形状，所述高速侧集合部呈其上游端与下游端的至少一端的流路面积为该高速侧集合部的流路面积中的最小面积的形状，并且该形状以具有与所述低速侧通道的下游端的流路面积相同的面积的正圆的直径a1、具有与所述低速侧集合部的下游端的流路面积相同的面积的正圆的直径D1、具有与所述高速侧通道的下游端的流路面积相同的面积的正圆的直径a2、具有与所述高速侧集合部的下游端的流路面积相同的面积的正圆的直径D2之间满足数式a1/D1≥a2/D2的关系来形成。

此装置中，在低速区域的至少高负载区域中，通过所述流路面积可变阀来缩小高速侧通道的流路面积，从而收窄独立排气通道的流路面积，借此，废气得以高速通过此独立排气通道，高速的废气从指定的独立排气通道喷出，从而利用喷射效应来抽吸其他独立排气通道内的气体。此处，在所述低速区域的至少高负载区域中，在指定的气缸的所述重叠期间中，其他气缸的排气门打开，随着此排气门的打开，高速的废气从指定的独立排气通道喷出，借此，利用所述喷射效应来抽吸处于所述重叠期间中的气缸内的气体，因此处于此重叠期间中的气缸即处于进气冲程的气缸内的扫气得以促进，从而进气效率提高。

尤其，在高速侧通道的流路面积缩小时废气主要通过的各所述低速侧通道中的与排气顺序连续的气缸连接的低速侧通道被设置为，在所述低速侧集合部处彼此相邻，从而伴随排气门的打开，从指定的低速侧通道喷出的高速废气造成的负压便更有效地作用于与处于所述重叠期间中的气缸连接的低速侧通道，因此所述气缸内的扫气得到进一步促进。

此处，当所述独立排气通道的流路面积收窄时，如果废气的流量大，则排气阻力将增大，结果，存在废气的排出反而会受到阻碍而扫气性能恶化的危险。对此，在本装置中，在废气的流量大的高速区域中，将所述高速侧通道的流路面积设为最大面积，以确保独立排气通道的流路面积，将排气阻力抑制得较小，从而在高速区域中也能够提高进气效率。

尤其，具有与低速侧通道的下游端的流路面积相同的面积的正圆的直径a1、具有与所述低速侧集合部的下游端的流路面积相同的面积的正圆的直径D1、具有与所述高速侧通道的下游端的流路面积相同的面积的正圆的直径a2、及具有与所述高速侧集合部的下游端的流路面积相同的面积的正圆的直径D2之间的关系被设定为a1/D1≥a2/D2，在低速侧集合部，其下游端的流路面积被设定为小于低速侧通道的下游端的流路面积，而在高速侧集合部，其下游端的流路面积被设定为大于高速侧通道的下游端的流路面积，从而从低速侧通道向低速侧集合部喷出的气体的速度在低速侧集合部内下降的情况得到抑制，并且高速侧集合部的内压被抑制得较低从而排气阻力被抑制得较小。因此，本装置中，在废气主要通过的低速侧集合部的低速区域的至少高负载区域中，能够使向所述低速侧集合部喷出的高速气体带来的抽吸力更有效地作用于处于所述重叠期间中的气缸，更切实地促进扫气，并且在废气通过的高速侧通道的高速区域中，能够更切实地将排气阻力抑制得较小，从而能够提高进气效率。

如此，根据本发明，在低速区域的至少高负载区域中，能够有效利用喷射效应来促进气缸内的扫气，并且在高速区域能够将排气阻力抑制得较小，以促进气缸内的扫气，从而能够在全部的速度区域中提高进气效率而提高发动机输出。

另外，较为理想的是，各所述高速侧通道的流路面积大于各所述低速侧通道的流路面积。这样，在低速区域的至少高负载区域中，废气主要通过的低速侧通道的流路面积被充分收窄，所述喷射效应得以有效发挥，并且，在高速区域中，由于独立排气通道的流路面积得以确保，排气阻力更切实地变小，因而进气效率进一步提高。

另外，较为理想的是，所述低速侧集合部的上游端的流路面积与各所述低速侧通道的下游端的流路面积的合计面积相同，并且所述低速侧集合部的流路面积在从上游端至下游端的范围内为相同或者越位于下游侧越小。此处的“相同”包括所述低速侧集合部的上游端的流路面积与各所述低速侧通道的下游端的流路面积的合计面积大致相同的情形。根据此结构，从所述低速侧通道流入低速侧集合部的废气在其速度的下降得以抑制的状态下通过低速侧集合部。因此，借助高速通过低速侧集合部的废气产生的高的抽吸力便施加于处于所述重叠期间中的气缸，从而进一步促进扫气。

此外，较为理想的是，所述高速侧集合部的流路面积在从上游端至下游端的范围大于或等于各所述高速侧通道的下游端的流路面积的合计面积。根据此结构，可确保高速侧集合部的容积较大，因此在废气通过所述高速侧通道及此高速侧集合部的高速区域，排气阻力被更切实地抑制得较小。尤其，由于此高速侧集合部的下游端的流路面积为高速侧通道的下游端的流路面积的合计面积以上，因此废气能够以更小的阻力从高速侧集合部流向下游侧，从而可将排气阻力抑制得较小而提高进气效率。

所述独立排气通道、所述低速侧通道及所述高速侧通道的个数并无特别限定，例如可列举分别设有三个的情形。此时，较为理想的是，以满足数式a1/D1≥0.57的关系来形成所述低速侧集合部，从而使低速侧集合部的下游端的流路面积小于各低速侧通道的下游端的流路面积的合计面积，以将通过低速侧集合部的气体的速度维持得较高，在低速区域的至少高负载区域中，使喷射效应得以有效发挥，并且以满足数式a2/D2≤0.57的关系来形成所述高速侧集合部，从而使高速侧集合部的下游端的流路面积为各高速侧通道的下游端的流路面积的合计面积以上，以将高速侧集合部内的压力抑制得较小，在高速区域，将排气阻力抑制得较小。

在所述发动机具有四个气缸并且该四个气缸以设于中央的两个气缸的排气顺序彼此不连续的状态直列设置时，较为理想的是，使多个所述独立排气通道中的一个独立排气通道与所述设于中央的两个气缸的排气口分别连接，使其他的独立排气通道分别独立地与两端的气缸连接，在此装置中，在低速区域的至少高负载区域中，能够使所述喷射效应有效发挥，而且在高速区域中，能够将排气阻力抑制得较小，并且与独立排气通道个别地连接于各气缸的情况相比，能够实现装置整体的小型化。

另外，在所述独立排气通道、所述低速侧通道及所述高速侧通道的个数分别设为四个时，较为理想的是，以满足数式a1/D1≥0.5的关系来形成所述低速侧集合部，从而使低速侧集合部的下游端的流路面积小于各低速侧通道的下游端的流路面积的合计面积，从而将通过低速侧集合部的气体的速度维持得较高，使喷射效应得以有效发挥，并且以满足数式a2/D2≤0.5的关系来形成所述高速侧集合部，从而使高速侧集合部的下游端的流路面积为各高速侧通道的下游端的流路面积的合计面积以上，从而将高速侧集合部内的压力抑制得较小而将排气阻力抑制得较小。

如前所述，根据本发明，即使不使用涡轮增压器也能够充分提高进气效率。因此，本发明对于下述装置尤其有用，即此装置包括：最终集合部，连接于所述低速侧集合部的下游端及所述高速侧集合部的下游端，将所述低速侧集合部和所述高速侧集合部连通，使通过所述低速侧集合部后的气体与通过所述高速侧集合部后的气体汇合；催化剂装置，能够将从各所述气缸排出的废气进行净化；其中，所述催化剂装置直接连接于所述最终集合部的下游端，并且此装置不具有涡轮增压器。

Claims (8)

1.一种多气缸发动机的排气装置，其特征在于：

所述发动机具有多个气缸，所述多个气缸分别形成有进气口及排气口，并且分别设有能够开闭所述进气口的进气门和能够开闭所述排气口的排气门，

所述多气缸发动机的排气装置包括：

多个独立排气通道，分别连接于一个气缸或者多个排气顺序彼此不连续的气缸的排气口，并且在至少下游侧分别分离为低速侧通道与高速侧通道；

低速侧集合部，连接于各所述低速侧通道的下游端，与各所述低速侧通道连通，以使通过各所述低速侧通道后的气体汇合；

高速侧集合部，连接于各所述高速侧通道的下游端，与各所述高速侧通道连通，以使通过各所述高速侧通道后的气体汇合；

流路面积可变阀，设置在各所述高速侧通道中，能够改变各所述高速侧通道的流路面积；

流路面积可变阀驱动机构，能够驱动所述流路面积可变阀；

气门驱动机构，能够驱动各所述气缸的进气门及排气门；其中，

所述气门驱动机构驱动各气缸的进气门及排气门，以在发动机的转速低于预先设定的基准转速的低速区域中的至少对发动机的要求扭矩高的高负载区域中，使各所述气缸的进气门的打开期间与排气门的打开期间重叠指定的重叠期间，且在排气顺序彼此连续的气缸中的一个气缸的所述重叠期间，使另一个气缸的排气门打开，

所述流路面积可变阀驱动机构驱动所述流路面积可变阀，以在所述低速区域的至少所述高负载区域中，使各所述高速侧通道的流路面积小于该高速侧通道的最大面积，而在发动机的转速高于所述基准转速的高速区域中，使各所述高速侧通道的流路面积为该高速侧通道的最大面积，

各所述低速侧通道中的连结于排气顺序彼此连续的气缸的低速侧通道的下游端，设置在彼此相邻的位置，

所述低速侧集合部呈其上游端与下游端的至少一端的流路面积为该低速侧集合部的流路面积中的最小面积的形状，

所述高速侧集合部呈其上游端与下游端的至少一端的流路面积为该高速侧集合部的流路面积中的最小面积的形状，并且该形状以具有与所述低速侧通道的下游端的流路面积相同的面积的正圆的直径a1、具有与所述低速侧集合部的下游端的流路面积相同的面积的正圆的直径D1、具有与所述高速侧通道的下游端的流路面积相同的面积的正圆的直径a2、具有与所述高速侧集合部的下游端的流路面积相同的面积的正圆的直径D2之间满足以下数式(1)的关系来形成：

a1/D1≥a2/D2    (1)。

2.根据权利要求1所述的多气缸发动机的排气装置，其特征在于：

各所述高速侧通道的流路面积大于各所述低速侧通道的流路面积。

3.根据权利要求2所述的多气缸发动机的排气装置，其特征在于：

所述低速侧集合部的上游端的流路面积与各所述低速侧通道的下游端的流路面积的合计面积相同，并且所述低速侧集合部的流路面积在从上游端至下游端的范围内为相同或者越位于下游侧越小。

4.根据权利要求3所述的多气缸发动机的排气装置，其特征在于：

所述高速侧集合部的流路面积在从上游端至下游端的范围内大于或等于各所述高速侧通道的下游端的流路面积的合计面积。

5.根据权利要求4所述的多气缸发动机的排气装置，其特征在于：

所述独立排气通道、所述低速侧通道及所述高速侧通道各有三个，

所述低速侧集合部的形状在具有与所述低速侧通道的下游端的流路面积相同的面积的正圆的直径a1和具有与所述低速侧集合部的下游端的流路面积相同的面积的正圆的直径D1之间满足以下数式(2)的关系来形成：

a1/D1≥0.57    (2)，

所述高速侧集合部的形状在具有与所述高速侧通道的下游端的流路面积相同的面积的正圆的直径a2和具有与所述高速侧集合部的下游端的流路面积相同的面积的正圆的直径D2之间满足以下数式(3)的关系来形成：

a2/D2≤0.57    (3)。

6.根据权利要求5所述的多气缸发动机的排气装置，其特征在于：

所述发动机具有四个气缸，所述四个气缸以设于中央的两个气缸的排气顺序彼此不连续的状态直列设置，

多个所述独立排气通道中的一个独立排气通道与所述设于中央的两个气缸的排气口分别连接，其他的独立排气通道分别独立地与两端的气缸连接。

7.根据权利要求4所述的多气缸发动机的排气装置，其特征在于：

所述独立排气通道、所述低速侧通道及所述高速侧通道各有四个，

所述低速侧集合部的形状在具有与所述低速侧通道的下游端的流路面积相同的面积的正圆的直径a1和具有与所述低速侧集合部的下游端的流路面积相同的面积的正圆的直径D1之间满足以下数式(4)的关系来形成：

a1/D1≥0.5    (4)，

所述高速侧集合部的形状在具有与所述高速侧通道的下游端的流路面积相同的面积的正圆的直径a2和具有与所述高速侧集合部的下游端的流路面积相同的面积的正圆的直径D2之间满足以下数式(5)的关系来形成：

a2/D2≤0.5    (5)。

8.根据权利要求1所述的多气缸发动机的排气装置，其特征在于还包括：

最终集合部，连接于所述低速侧集合部的下游端及所述高速侧集合部的下游端，将所述低速侧集合部和所述高速侧集合部连通，使通过所述低速侧集合部后的气体与通过所述高速侧集合部后的气体汇合；

催化剂装置，能够将从各所述气缸排出的废气进行净化；其中，

所述催化剂装置直接连接于所述最终集合部的下游端。

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