JP2009103041A - 過給機付エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造でありながら、単一の排気ターボ過給機５０で排気性能を維持しつつ広範な運転領域でエンジントルクを増大させること。
【解決手段】排気マニホールド１６と、全気筒３の排気通路が集合した集合部３１ｃと、その下流側の排気ターボ過給機５０とを備えた過給機付エンジン１の過給装置であって、排気マニホールド１６の各出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄの有効開口面積を変更可能な可変排気バルブ３０とを備える。可変排気バルブ３０の制御手段２０は、過給領域の部分負荷運転領域Ｒ１２において、各出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄの有効開口面積を縮小させて、エゼクタ効果による過給性能を向上する。また、所定の運転状況では、バイパス通路を開いて排気ターボ過給機５０をバイパスし、排気マニホールド１６からの排気Ｗｅを直接触媒６３に排出する。
【選択図】図４

Description

本発明は過給機付エンジンに関し、特に低回転領域でのエンジントルクを増大させる過給装置を備えた過給機付エンジンに関する。

エンジンの出力トルク増大を図る手段として、吸気圧力を増大させる過給装置が知られている。その代表的なものとして排気ターボ過給機がよく知られている。排気ターボ過給機は、排気通路に設けられたタービンホイールと吸気通路に設けられたコンプレッサホイールとをシャフトで連結したものであり、排気ガスでタービンホイールを回転させることによりコンプレッサホイールを駆動し、吸気圧を上昇させるように構成されている。

排気ターボ過給機は、効率よく高い過給圧が得られる反面、必ずしも広い運転領域でエンジントルクを増大させることができないという特徴がある。一般的に、小型の排気ターボ過給機は低速運転領域でのトルクを増大させ、大型の排気ターボ過給機は高速運転領域でのトルクを増大させる。従って、排気ターボ過給機を設ける場合には、エンジンに要求されるトルク特性に相応しいタイプの排気ターボ過給機を選択する必要がある。

しかし多くの場合、低速運転領域から高速運転領域にわたる広い運転領域でエンジントルクを増大させることが望まれる。そこで、例えば低速用と高速用の２つの排気ターボ過給機を備えるもの（いわゆる２ステージターボ）、低速用の電動過給機と高速用の排気ターボ過給機とを備えるもの、或いは特許文献１に示すように、タービンホイールのノズルに可動式のベーンを設け、低速運転領域ではそのベーン開度を低減して過給効率を高めたもの（いわゆる可変ジオメトリターボ）等が提案されている。
特開平９−１１２２８５号公報

しかしながら、特許文献１に示される可変ジオメトリターボをはじめ、上記従来の各過給機は、何れも構造が複雑であったり大型化を招いたりするという問題点があった。また、特許文献１の構成では、単に排気圧力を調整しているに過ぎなかったので、運転状況によっては、ベーン開度が小さい場合に、排気マニホールド内の排気が集合部において他の排気通路に回り込むおそれもあった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、簡単な構造でありながら、単一の排気ターボ過給機で排気性能を維持しつつ広範な運転領域でエンジントルクを増大させることのできる過給機付エンジンを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために本発明は、エンジンに設けられた複数の気筒の各排気ポートに対応して独立して接続された独立排気通路を有する排気マニホールドと、前記排気マニホールドの各独立排気通路の下流側が１つに集合した集合部と、前記集合部の下流側に接続された排気ターボ過給機と、前記排気ターボ過給機の下流側に接続された主排気通路に設けられる触媒と、所定のインターセプトポイントで前記排気ターボ過給機をバイパスして前記排気マニホールドからの排気を前記主排気通路の当該触媒よりも上流側に吐出するウエストゲート通路とを備えた過給機付エンジンであって、所定の過給運転領域でエゼクタ効果を奏するべく、前記集合部と前記排気マニホールドとの間で当該独立排気通路の出口の有効開口面積を変更可能に構成された可変排気バルブと、少なくとも冷間時に前記排気ターボ過給機をバイパスして前記排気マニホールドからの排気を前記主排気通路の当該触媒よりも上流側に吐出するバイパス通路と、前記バイパス通路を開閉する開閉弁手段と、前記可変排気バルブを駆動制御する可変排気バルブ制御手段と、少なくとも前記開閉弁手段を駆動制御する通路開閉制御手段とを備え、前記可変排気バルブ制御手段は、少なくとも冷間時を含む所定のバイパス運転条件成立時において、前記出口の有効開口面積が最小値になるように前記可変排気バルブを駆動制御するものであり、前記通路開閉制御手段は、前記バイパス運転条件の成立時に前記バイパス通路を連通するものであることを特徴とする過給機付エンジンである。この態様では、排気マニホールドの独立排気通路と可変排気バルブとによって、排気マニホールドの出口でエゼクタ効果を得ることができる。エゼクタ効果とは、ノズルから噴射した駆動流体の速度エネルギの一部を圧力エネルギに変換し、当該圧力エネルギにより被吸引流体を吸引排出することをいう。このエゼクタ効果によって、排気ターボ過給機の入力流量（排気ターボ過給機に供給される単位時間当たりの排気の量）の増加や、掃気の促進、或いは動圧過給を行う場合に過給効果を促進する、といった効果を得ることができる。他方、冷間時等においては、排気性能を維持するため、排気温度を高い状態に維持することが好ましい。そこで、本態様では、冷間時を含む所定のバイパス運転条件が成立したときには、バイパス通路が連通される。この結果、排気は排気ターボ過給機をバイパスし、排気ターボ過給機のタービンホイールに熱を奪われることなく下流側の触媒に排出されるので、冷間時等においても、排気性能を維持することができる。この場合においても、排気マニホールドの３つの独立排気通路によって、排気がいわば、絞られた状態でバイパス通路を通るため、一の排気通路から排出されたブローダウンガスを駆動流体とするエゼクタ効果によって他の排気通路にある排気が被吸引流体として吸引される結果、排気通路内の排気が集合部において他の排気通路に回り込むおそれも少なくなる。本発明において、有効開口面積とは、排気が各出口を流通することのできる出口毎の開口面積をいう。

好ましい態様において、排気ターボ過給機は大型である。その場合には、高速運転領域においては大型ターボの本来特性としてのトルク増大を図り、低速運転領域においては上記エゼクタ効果等によりトルク増大を図ることができる。結局、低速運転領域から高速運転領域にわたる広い運転領域でエンジントルクを増大させることができる。

好ましい態様において、前記気筒は直列に配置された第１〜第４気筒であり、前記独立排気通路は、これら第１〜第４気筒に対応して独立して接続される第１独立排気通路、第２独立排気通路、第３独立排気通路、並びに第４独立排気通路であり、前記排気マニホールドは、直列配置中央側の第２独立排気通路および第３独立排気通路の下流端を前記集合部の上流側で集合した補助集合排気通路を含み、前記各気筒は、クランク角９０度ごとに順次点火時期を迎えるように互いに各行程をずらして運転されるとともに、前記第２気筒と前記第３気筒とは点火順序が隣り合わないように設定されている。この態様では、コンパクトなレイアウトを実現しつつ、エゼクタ効果によって、吸気量の増大作用をより効果的に得ることができる。本態様では、４気筒エンジンであって、各気筒がクランク角９０度ごとに順次点火時期を迎えるように互いに各行程をずらして運転されるので、ある気筒が排気バルブ開弁直後にあるとき、他の何れかの気筒でオーバラップ期間となっている。このため、全てのサイクルにおいて、駆動流体としてのブローダウンガスがオーバラップ期間にある気筒の排気を吸い出し、好適な掃気作用を奏することができる。またエゼクタ効果が各気筒のオーバラップ期間において何れも有効に機能するので、バイパス時の流速についてもこれを増加し、触媒の昇温効果を高めることになる。

好ましい態様において、前記独立排気通路の出口が並列された状態で接続されるハウジングを含み、前記バイパス通路の上流端と前記ウエストゲート通路の上流端とをそれぞれ前記ハウジングに接続し、前記開閉弁手段は、共通のアクチュエータで各通路を開閉するものである。この態様では、一つのアクチュエータで二つの通路の開閉制御を司ることができるので、機械的構造を簡素化し、また、部品点数を必要充分な個数に留めて、エンジン全体のコンパクト化、軽量化を図ることができる。

好ましい態様において、前記独立排気通路の出口が並列された状態で接続されるハウジングを含み、前記バイパス通路の上流端を前記ハウジングに接続し、前記可変排気バルブは、前記出口の有効開口面積を最小値にする位置では前記バイパス通路を開き、前記出口の有効開口面積を最小値よりも所定量以上開く位置では、前記バイパス通路を塞ぐことによって前記開閉弁手段を兼ねるものである。この態様では、バイパス通路の開閉動作を可変排気バルブの変位動作によって制御することができるので、バイパス通路の開閉制御を可及的に簡素な構成を実現することができる。

好ましい態様において、前記ウエストゲート通路の上流端を前記ハウジングに接続し、前記可変排気バルブは、前記出口の有効開口面積を最小値にする位置では前記ウエストゲート通路を塞ぎ、前記出口の有効開口面積を最小値よりも所定量以上開く位置では、前記ウエストゲート通路を開閉可能に開放するものであり、前記ハウジングには、所定の過給圧によって前記ウエストゲート通路を開閉する過給圧アクチュエータを設けている。この態様では、電気的な制御を要することなくウエストゲート通路の開閉制御を司ることができる。

好ましい態様において、前記バイパス通路と前記ウエストゲート通路とのうち、少なくともウエストゲート通路は、前記ウエストゲート通路の下流端は、前記主排気通路に対し、当該触媒の上流端に設けたテーパ部と同心に開口するように接続されている。この態様では、主排気通路に接続された通路からの排気を駆動流体とし、主排気通路の上流側に滞留する気体を被吸出し流体とするエゼクタ効果を得ることが可能になる。この結果、バイパスして流れた駆動流体としての排気のみならず、主排気通路内の排気がタービンホイールの下流側で主排気通路内に流通するので、排気ターボ過給機の背圧を一層効果的に低減することができるとともに、より多くの排気を触媒内に導くことによって、触媒の温度上昇を促進し、触媒の排気性能を高めることができる。

好ましい態様において、前記バイパス通路と前記ウエストゲート通路とは、それぞれの下流端が、前記ウエストゲート通路の下流端は、前記主排気通路に対し、当該触媒の上流端に設けたテーパ部と同心に開口するように接続されている共通の排出通路に集合している。この態様では、共通の排出通路にバイパス通路とウエストゲート通路とを合流させることにより、配管構造を簡素化し、部品点数を低減することができる。特に、ウエストゲート通路が開いている場合には、当該ウエストゲート通路を通る排気を駆動流体とするエゼクタ効果によって、排気ターボ過給機の背圧を迅速に低減することができるとともに、より多くの排気を触媒内に導くことによって、触媒の温度上昇を促進し、触媒の排気性能を高めることができる。

以上説明したように、本発明では、排気マニホールドの３つの独立排気通路（第１排気通路、第４排気通路および補助集合排気通路）と可変排気バルブとによって、排気マニホールドの出口でエゼクタ効果を得ることができ、このエゼクタ効果によって、タービンホイールの駆動力を小さな背圧のままで増大させ、過給圧を上昇させることができ、掃気を促進することができ、さらには、動圧過給を行う場合に過給効果を促進することができるとともに、冷間時等においては、ウエストゲート通路とは別のバイパス通路によって、触媒の昇温を促進することができるので、簡単な構造でありながら、単一の排気ターボ過給機で排気性能を維持しつつ広範な運転領域でエンジントルクを増大させることができるという顕著な効果を奏する。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施の形態について説明する。

図１は、図１の実施の形態に係る過給機付エンジン（以下エンジンと略称する）１の概略構成図である。また図２は、図１の部分側断面図である。

エンジン１は直列４気筒の４サイクルエンジンである。

エンジン１のシリンダブロック２には第１〜第４気筒３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ（これらを総称するときは気筒３という）が一水平線上に配設されている。各気筒３の構成は共通で、図２に示すように燃焼室４の上部には吸気Ｗｉを吸入するための吸気ポート６と排気Ｗｅを排出するための排気ポート８とが設けられている。吸気ポート６にはこれを開閉する吸気バルブ７が、排気ポート８にはこれを開閉する排気バルブ９が、それぞれ設けられている。さらに図略のシリンダヘッドには、燃焼室４の頂部に火花を発生させる点火プラグ５が設けられている。その他、図略の燃料供給手段（燃料噴射弁など）が適宜位置に設けられている。

エンジン１の運転状態を検出するために、エンジン１には、クランク角度センサＳＷ１、エンジン水温センサＳＷ２、エアフローセンサＳＷ３、吸気温度センサＳＷ４が設けられている。また、このエンジン１を搭載した車両の運転状態を検出するために、車両には、アクセル開度センサＳＷ５、車速センサＳＷ６等が設けられている。

また本実施形態のエンジン１は、一般的な４気筒エンジンと同様、各気筒３が、クランク角９０度（以下９０°ＣＡと表記する）ごとに順次点火時期を迎えるように互いに各行程をずらして運転されている。点火順序はいわゆる＃１→＃３→＃４→＃２（＃ｘは第ｘ気筒であることを示す）である。表１に、各気筒３の行程の遷移を示し、図３にタイミングチャートを示す。

表１並びに図３を参照して、各行は第１気筒３ａ〜第４気筒３ｄ、各列は９０°ＣＡ毎の行程の遷移を示す。表１に示すように、例えば第１気筒３ａが膨張行程にあるとき、第２気筒３ｂは排気行程、第３気筒３ｃは圧縮行程、第４気筒３ｄは吸気行程にある。

なお図２は、第１気筒３ａが膨張行程から排気行程への移行期（下死点付近）にある状態を示している。このとき、排気バルブ９が開いて排気Ｗｅが燃焼室４から排気ポート８へ排出され始める（ブローダウン）。

また表１並びに図３に示すように、第１気筒３ａがブローダウンを開始しているときに第２気筒３ｂは、排気行程から吸気行程への移行期（上死点付近）にある。この移行期において、図示のように吸気バルブ７と排気バルブ９とが共に開弁している期間、いわゆるオーバラップ期間が設けられている。

各気筒３の排気ポート８には、排気マニホールド１６の上流側を形成する４つの独立排気通路１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄが接続されている。

図２に示すように、排気マニホールド１６の独立排気通路１６ａ〜１６ｄの上流端には図略のシリンダヘッドに固定されるフランジ１６ｅが設けられ、このフランジ１６ｅを介して排気マニホールド１６の独立排気通路１６ａ〜１６ｄは、第１〜第４気筒３ａ〜３ｄにそれぞれ接続されている。各独立排気通路１６ａ〜１６ｄは、全長にわたってφ３６ｍｍの円と同面積の開口面積Ｓ１に設定されている。

図４は図１の実施の形態に係る要部を示す外観斜視図である。図５は図１の実施の形態に係る要部を拡大して示す外観斜視図である。

図１、図４、図５に示すように、第１排気通路１６ａおよび第４排気通路１６ｄは、その全長にわたって独立状態を維持するが、第２排気通路１６ｂと第３排気通路１６ｃとは、その下流側で集合され、補助集合排気通路１６ｂｃとなっている。従って排気マニホールド１６の下流端付近では３つの独立排気通路（第１排気通路１６ａ、補助集合排気通路１６ｂｃ、第４排気通路１６ｄ）が形成されている。第１、第４排気通路１６ａ、１６ｄおよび補助集合排気通路１６ｂｃは、第１排気通路１６ａと第４排気通路１６ｄとが補助集合排気通路１６ｂｃを両側から挟むように浅い角度で（略平行が好ましい）並列配置されており、全体として排気マニホールド１６を構成する。以下、特に記す場合を除き、独立排気通路とは下流側の３つの独立排気通路を指すものとする。

第１排気通路１６ａと第４排気通路１６ｄ、および第２排気通路１６ｂと第３排気通路１６ｃとはそれぞれ互いに対称形状となっている。従って、第１排気通路長さＬａと第４排気通路長さＬｄとは略等しくなっている。また、補助集合通路１６ｂｃの長さを含めた第２排気通路１６ｂの長さを第２排気通路長さＬｂ、補助集合通路１６ｂｃの長さを含めた第３排気通路１６ｃの長さを第３排気通路長さＬｃとした場合、第２、第３排気通路長さＬｂ、Ｌｃは、それぞれ第１排気通路長さＬａと略等しくなるように構成されている。

さらに本実施形態において、第１排気通路長さＬａは２００ｍｍ乃至はそれ以下となるように構成されている。また第１通路容積Ｖａと第４通路容積Ｖｄとは略等しい。さらに、補助集合通路１６ｂｃの体積を含めた第２排気通路１６ｂの体積を第２排気通路体積Ｖｂ、補助集合通路１６ｂｃの体積を含めた第３排気通路１６ｃの体積を第３排気通路体積Ｖｃとした場合、第２、第３排気通路体積Ｖｂ、Ｖｃは、それぞれ第１排気通路体積Ｖａと略等しくなるように構成されている。

排気マニホールド１６の下流側には、取付フレーム１７が設けられており、図５に示すように、この取付フレーム１７が各独立排気通路１６ａ、１６ｂｃ、１６ｄの出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄを区画している。各出口１７ａ、１７ｂｃ、１７は、上流側の独立排気通路１６ａ、１６ｂｃ、１６ｄと同様に、φ３６ｍｍの円形断面積と同面積の開口面積Ｓ１に設定されている。

排気マニホールド１６は、取付フレーム１７を介して可変排気バルブ３０のハウジング３１に接続されている。

可変排気バルブ３０は、上記３つの独立排気通路１６ａ、１６ｂｃ、１６ｄの独立状態を維持しつつ、各出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄの有効開口面積Ｓ２を変更するバルブである。ここで有効開口面積Ｓ２とは、排気Ｗｅが各出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄを流通することのできる出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄ毎の開口面積をいい、以下の説明では、この有効開口面積Ｓ２と等しい円の直径を有効開口径Ｄ２いう。

図６は、図１の実施形態に係る可変排気バルブ３０の概略構成を示す斜視図であり、（Ａ）は冷間時、（Ｂ）は温間時の状態を示すものである。

図４および図６を参照して、可変排気バルブ３０は、排気マニホールド１６と排気ターボ過給機５０との間に介在するハウジング３１と、ハウジング３１内に収容され、排気マニホールド１６の出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄの有効開口面積Ｓ２を変更するフラップ３５と、フラップ３５が排気Ｗｅの流れる方向と交差する軸周りで揺動するようにハウジング３１に軸支されたフラップ軸３７と、フラップ軸３７を回転させるモータ等のアクチュエータ３８と、フラップ軸３７を介してフラップ３５を開弁方向に付勢するリターンスプリング３９とを備えている。

ハウジング３１の上流端には、取付フレーム１７が固定されており、これによって、ハウジング３１には、排気マニホールド１６の第１独立排気通路１６ａ、第４独立排気通路１６ｄ、並びに補助集合排気通路１６ｂｃの各出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄが並列された状態で接続されている。

ハウジング３１の下流端側には、フランジ３１ａが設けられ、このフランジ３１ａを介して排気ターボ過給機５０のハウジング５１と接合されている。ハウジング３１は、排気ターボ過給機５０のレイアウトの都合上、途中で下方に曲げられている。排気ターボ過給機５０の設置位置によってはこのような曲げは不要である。また異なる曲げ角であってもよい。

ハウジング３１内のフランジ３１ａよりも上流側には、各独立排気通路１６ａ、１６ｂｃ、１６ｄからの排気Ｗｅが合流する集合部３１ｃが区画されている。この集合部３１ｃの上流側には、当該ハウジング３１内を流れる排気Ｗｅの主流に直交して上方に膨出する膨出部３１ｂが形成されており、フラップ３５は、フラップ軸３７の軸周りに回動することによって膨出部３１ｂ内に進退可能な状態で収容されている。

図６を参照して、フラップ３５は、軽量化のために内部が空洞になっている中空体であり、その外周には、フラップ軸３７を扇の要とする扇形の扇状面３６を有する。フラップ３５が膨出部３１ｂから下方に突出するように回動すると、扇状面３６は、ハウジング３１に接続された排気マニホールド１６の各出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄに対向し、排気マニホールド１６から排出された排気Ｗｅの流量を絞る位置に変位する（図６（Ａ）参照）。他方、フラップ３５が膨出部３１ｂ内に入り込む位置に回動すると、扇状面３６は、各出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄを開く位置に変位する（図６（Ｂ）参照）。

本実施形態では、可変排気バルブ３０が全閉位置にある場合でも、僅かな排気Ｗｅ（例えば、全排気流の２０％）が集合部３１ｃに流れるように構成されている。

本実施形態では、排気Ｗｅの主流において、フラップ軸３７よりも上流側で扇状面３６が排気Ｗｅを受けて各出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄの有効開口面積Ｓ２を調整するように構成されている。また、フラップ軸３７の水平線を通る直径が、可及的に集合部３１ｃの内側に臨むように配置されている。従って、排気Ｗｅが扇状面３６に当接することによってフラップ３５に作用するフラップ軸３７回りのトルクは、排気流を遮る板状のベーンがその回動軸よりも上流側にある構成に比べて小さくなり、ブローダウンによって排気流速Ｑｅが大きい運転状況でも、振動しにくくなっている。

ハウジング３１の膨出部３１ｂの側部には、バイパス用開口３１ｄと、ウエストゲート用開口３１ｅとが形成されている。バイパス用開口３１ｄは、フラップ３５が図６（Ａ）に示す全閉状態のとき、排気マニホールド１６の各出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄと連通する。他方、ウエストゲート用開口３１ｅは、フラップ３５が図６（Ｂ）に示す所定の開閉位置から全開位置に至る範囲で各出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄと連通する。

各開口３１ｄ、３１ｅは、ハウジング３１の側部に形成されたチェンバ３１ｆに連通しており、このチェンバ３１ｆ内に配置された開閉弁機構７０によって開閉制御されるようになっている。

図７は、図１の実施形態に係る可変排気バルブ３０のハウジング３１の要部を示す斜視図であり、（Ａ）は閉弁状態、（Ｂ）は開弁状態を示すものである。

図７を参照して、各開口３１ｄ、３１ｅは、それぞれ開閉弁機構７０の弁体７１、７２によって開放可能に閉塞されている。各弁体７１、７２は、連結部材７３によって連結されている。連結部材７３は、連結アーム７４を介して駆動軸７５に連結されている。駆動軸７５は、鉛直線回りに回動可能に軸支されており、上端部には、入力ギア７６を有している。この入力ギア７６には、エンジン制御ユニット２０によって駆動制御されるアクチュエータ７７の出力ギア７８が噛合している。この構成により、開閉弁機構７０の各弁体７１、７２は、図７（Ａ）に示すように、対応する開口３１ｄ、３１ｅを閉じる遮蔽姿勢と、図７（Ｂ）に示すように、対応する開口３１ｄ、３１ｅを開放する開放姿勢との間で変位するように構成されている。

チェンバ３１ｆは、排出通路６１を介して、次に接続する排気ターボ過給機５０をバイパスし、主排気通路６０の触媒６３の上流側に接続されている。

図１、図２、図４に示すように、本実施形態において、触媒６３の上流端には、テーパ部６３ａが形成されており、排出通路６１の下流端は、主排気通路６０に対し、当該触媒６３の上流端に設けたテーパ部６３ａと同心に開口するように接続されている。

本実施形態においては、バイパス用開口３１ｄ、チェンバ３１ｆ、排出通路６１がバイパス通路を構成し、ウエストゲート用開口３１ｅ、チェンバ３１ｆ、排出通路６１がウエストゲート通路を構成している。

図１、図２、図４を参照して、可変排気バルブ３０のハウジング３１（集合部３１ｃ）の下流側には、排気ターボ過給機５０が接続されている。排気ターボ過給機５０は、可変排気バルブ３０と主排気通路６０との間に接続されて、排気マニホールド１６からの排気Ｗｅを主排気通路６０に導くハウジング５１と、このハウジング５１内の主排気通路６０上流端に配置されたタービンホイール５４と、図略の吸気通路に設けられたコンプレッサホイール５２と、このコンプレッサホイール５２と連結されるシャフト５３とを備えたものであり、排気Ｗｅでタービンホイール５４を回転させることによりコンプレッサホイール５２を駆動し、吸気Ｗｉを圧縮して吸気圧を上昇させる装置である。なお本実施形態の排気ターボ過給機５０は、主に高速運転領域においてトルク増大作用の強い大型ターボである。一般的に、Ａ／Ｒ（図２に示すタービンホイール部分のノズル面積Ａと、タービンホイール軸からノズル中心部までの距離Ｒとの比）が比較的大きく、またタービンホイール径Ｄも比較的大きいものを大型ターボという。本実施形態の排気ターボ過給機５０は、一般的な大型ターボと比較して、タービンホイール径Ｄが大きいことは同様であるがＡ／Ｒが比較的小さい設定となっている。

本実施形態においては、排気ターボ過給機５０の回転速度を検出するための回転速度センサＳＷ７が設けられている。

また図１に示すように、エンジン１には可変バルブタイミング機構１２が設けられている。本実施形態の可変バルブタイミング機構１２は、吸気バルブ７および排気バルブ９の開弁期間を維持したまま、バルブ開閉弁時期を平行移動的に前後させる、いわゆるＶＶＴ（Variable Valve Timing）である。ＶＶＴの方式としては、バルブタイミングを連続的に変化させるものでも、２以上の段階的に変化させるものでもよい。

なお本実施形態の可変バルブタイミング機構１２は、吸気側の吸気ＶＶＴ１２ｉ（吸気バルブタイミング変更手段）と排気側の排気ＶＶＴ１２ｅ（排気バルブタイミング変更手段）とを備え、吸気バルブ７と排気バルブ９の双方においてバルブタイミングを変化させる。

エンジン１の動作は、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ：Engine Control Unit）２０によって電気的に制御される。エンジン制御ユニット２０は、ＣＰＵ、メモリ、カウンタタイマー群、インターフェース並びにこれらのユニットを接続するバス等を有するマイクロプロセッサで構成された制御ユニットである。

図１で説明したように、エンジン制御ユニット２０には、入力要素として、クランク角度センサＳＷ１、エンジン水温センサＳＷ２、エアフローセンサＳＷ３、吸気温度センサＳＷ４、アクセル開度センサＳＷ５、車速センサＳＷ６、回転速度センサＳＷ７等の各種検出手段が接続されている。他方、制御要素として、可変バルブタイミング機構１２に設けられた電磁弁（図示せず）、可変排気バルブ３０のアクチュエータ３８、開閉弁機構７０のアクチュエータ７７等が接続されている。

かかる構成により、エンジン制御ユニット２０は、燃料供給量、スロットル開度或いは点火時期といった一般的な燃焼制御に加え、可変バルブタイミング機構１２の駆動制御を行う。さらにエンジン制御ユニット２０は、可変排気バルブ３０を駆動制御する可変排気バルブ制御手段としても機能する。またエンジン制御ユニット２０は、開閉弁手段としての開閉弁機構７０の開閉制御を実行する通路開閉制御手段としても機能する。

図８は、図１の実施の形態に係る運転状態に応じた制御を行うための運転領域の設定例を示す特性図である。

図８を参照して、同図に示す運転特性では、エンジン１の運転領域のうち、可変排気バルブ３０によって、排気マニホールド１６出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄの有効開口面積Ｓ２が絞られる運転領域Ｒ１１、Ｒ１２と、出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄが全開で運転される運転領域Ｒ２とが図のように設定される。

運転領域Ｒ１１、Ｒ１２では、独立排気絞り制御が実行されるように設定されている。独立排気絞り制御とは、可変排気バルブ制御手段としてのエンジン制御ユニット２０が可変排気バルブ３０を駆動し、独立排気通路１６ａ、１６ｂｃ、１６ｄの各出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄの有効開口面積Ｓ２を最大面積時（可変排気バルブ３０が全開のときの開口面積）よりも縮小させる制御であり、具体的にはエンジン制御ユニット２０が可変排気バルブ３０のアクチュエータ３８に開度信号を送り、アクチュエータ３８がフラップ軸３７を回転駆動してフラップ３５の回転角度を調節する。このうち、所定の低速低負荷運転領域（図示の例では２０００ｒｐｍ）以下の部分負荷運転領域においては、可変排気バルブ３０が全閉となり、排気マニホールド１６から排出された排気Ｗｅが、バイパス用開口３１ｄからチェンバ３０ｆを経て排出通路６１に排出され、排気ターボ過給機５０をバイパスして触媒６３に導入される運転領域Ｒ１１が設定されている。また、これとは別に、所定の冷間時（例えば、排気温度が触媒６３のライトオフ温度未満のとき等）でも、運転領域Ｒ１１と同様に、可変排気バルブ３０が全閉となり、排気マニホールド１６から排出された排気Ｗｅが、バイパス用開口３１ｄからチェンバ３０ｆを経て排出通路６１に排出され、排気ターボ過給機５０をバイパスして触媒６３に導入されるように設定されている。

図９は、図１の実施の形態に係るエンジン１の制御例を示すフローチャートである。

図９を参照して、このフローチャートが実行されると、エンジン制御ユニット２０は、各入力要素からエンジン（ないし車両）の運転状態を検出し、その運転領域を判定する（ステップＳ１）。次いで、エンジン制御ユニット２０は、現在の運転が、可変排気バルブ３０を全閉にするバイパス運転条件（エンジン１の運転領域が低速低負荷の運転領域Ｒ１１である場合、または冷間時である場合）が成立しているか否かを判定する（ステップＳ２）。

仮に運転状態が低速低負荷の運転領域Ｒ１１内である場合、またはエンジン１の冷間時にある場合、バイパス運転条件が成立し、エンジン制御ユニット２０は、アクチュエータ３８を駆動して、フラップ３５を回動させ、図６（Ａ）に示すように、排気マニホールド１６の出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄの下流側を全閉にする（ステップＳ３）。これとともに、バイパス用開口３１ｄを図７（Ｂ）に示すように開くようにアクチュエータ７７を制御する（ステップＳ４）。

この制御により、排気マニホールド１６から排出された排気Ｗｅは、バイパス用開口３１ｄからチェンバ３１ｆを介して排出通路６１を通り、排気ターボ過給機５０をバイパスして触媒６３に導かれる。さらに、排出通路６１の下流端は、主排気通路６０に対し、当該触媒６３の上流端に設けたテーパ部６３ａと同心に開口するように接続されているので、排出通路６１から排出される排気Ｗｅｂが駆動流体として機能し、主排気通路６０の上流側にある気体を被吸出し流体として触媒６３に送出するエゼクタ効果を奏することが可能になる。このため、排気ターボ過給機５０の下流側に滞留している気体が速やかに触媒６３内に導入され、触媒６３の昇温に寄与する。

この結果、低速低負荷の運転領域Ｒ１１や冷間時では、排気Ｗｅが直ちに触媒６３に導入されるので、触媒６３を短時間で活性温度に昇温することができる。

次いで、エンジン１が停止しているか否かを判定し（ステップＳ５）、停止していれば、制御を終了し、停止していなければステップＳ１に戻って上述した制御を繰り返す。

次に、ステップＳ２において、バイパス運転条件が成立していない場合、エンジン制御ユニット２０は、ステップＳ１の判定に基づき、各出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄの有効開口面積Ｓ２を決定し（ステップＳ６）、決定された有効開口面積Ｓ２に基づいて、アクチュエータ３８を駆動し、フラップ３５を駆動して、出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄを適宜絞る（ステップＳ７）。次いで、設定された有効開口面積Ｓ２に基づいて、排気バルブ９の開タイミングと吸気バルブ７の開閉タイミングとをＶＶＴ１２ｅ、１２ｉで制御する（ステップＳ８）。また、回転速度センサＳＷ７の検出値に基づいて、排気ターボ過給機５０の回転速度が所定の設定値Ｐｉｎｔ（インターセプトポイントよりも僅かに低い値）未満であるか否かを判定し（ステップＳ９）、設定値Ｐｉｎｔ未満であれば、ウエストゲート用開口３１ｅを閉じるようにアクチュエータ７７を制御して（ステップＳ１０）、ステップＳ５に移行し、設定値Ｐｉｎｔ以上であれば、ステップＳ４に移行する。これによって、排気ターボ過給機５０の回転速度がインターセプトポイントを超えない範囲で、排気流によるエゼクタ効果を生じせしめ、排気ターボ過給機５０の入力流量（排気ターボ過給機５０に供給される単位時間当たりの排気Ｗｅの量）を増量し、タービンホイール５４の駆動力を増大させて、過給圧を向上させることができる。また、被吸出し流体である排気Ｗｅが吸出され、掃気が促進されるので、当該気筒３の排気抵抗が低減される。さらに、ブローダウンガスの圧力を高めて動圧過給性能を向上することができる。

図２を参照して、より詳細に説明すると、上述のように図２の状態では、第１気筒３ａが排気Ｗｅバルブ開弁直後、第２気筒３ｂがオーバラップ期間となっている。第１排気通路１６ａに導かれた排気Ｗｅ（ブローダウンガス）は可変排気バルブ３０で絞られる。絞られたブローダウンガスは流速が増大し、圧力が低下する。この絞られたブローダウンガスがエゼクタ効果をもたらす駆動流体として機能し、補助集合排気通路１６ｂｃ（および第２排気通路１６ｂ）を流れる被吸出し流体としての排気Ｗｅを吸出し、集合部３１ｃに導入する。なお、第２気筒３ｂの排気バルブ９が閉じた後（オーバーラップ期間後）であっても、駆動流体のエゼクタ効果が存続している場合には、第２排気通路１６ｂおよび補助集合排気通路１６ｂｃに残存する排気Ｗｅを吸出すことができ、掃気を促進することができる。図２では第１気筒３ａがブローダウン状態にある場合を示しているが、表１、図３から明らかなように、他の場合も同様である。本実施形態では、３本の独立排気通路１６ａ、１６ｂｃ、１６ｄの各出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄが取付フレーム１７付近において略平行に並列配置され、ハウジング３１に流入後も集合部３１ｃに至るまで各出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄの並列配置が維持されるので、上記合流角度の条件を満たし、高いエゼクタ効果が得られる。

また、可変排気バルブ３０が全開状態のとき、フラップ３５がほぼ完全に膨出部３１ｂに格納されて、バイパス用開口３１ｄが閉塞されるとともに、フラップ３５の一部が排気マニホールド１６から連続する排気通路の壁面を形成している。従って第１排気通路１６ａからの排気Ｗｅは取付フレーム１７を経てハウジング３１に円滑に流入し、集合部３１ｃから排気ターボ過給機５０のハウジング５１に導かれる。ここで、排気ターボ過給機５０の回転速度が高くなると、ステップＳ９の判定により、アクチュエータ７７が駆動され、弁体７２がウエストゲート用開口３１ｅを開くので、排気Ｗｅは、ウエストゲート用開口３１ｅからチェンバ３１ｆを経て排出通路６１に流れ、触媒６３に導かれる。さらに、排出通路６１の下流端は、主排気通路６０に対し、当該触媒６３の上流端に設けたテーパ部６３ａと同心に開口するように接続されているので、排出通路６１から排出される排気Ｗｅｂが駆動流体として機能し、主排気通路６０の上流側にある気体を被吸出し流体として触媒６３に送出するエゼクタ効果を奏することが可能になる。このため、排気ターボ過給機５０の背圧を速やかに低減し、高い過給性能を維持することが可能になる。

図１０は、図１の実施の形態に係るバルブタイミング変更制御の説明図である。横軸にはクランク角度θ（ｄｅｇ：°ＣＡ）を示し、第１気筒３ａの上死点ＴＤＣを０°ＣＡとする。縦軸には吸排気バルブ７、９の模式的な開弁量を示す。なお上段には、点火順序の隣り合う気筒のうち後に点火する方の気筒を示し、下段には、先に点火する方の気筒を示す。その一例として、上段に第１気筒３ａ、下段に第２気筒３ｂを示す。そして、第１気筒３ａが膨張行程から排気行程への移行期（下死点付近）にあり、第２気筒３ｂが排気行程から吸気行程への移行期（上死点付近）にある状態を示している。これは図２に示す状態に相当する。

破線で示す排気バルブ開期間Ｐｅ１および吸気バルブ開期間Ｐｉ１は独立排気絞り制御を行わず、可変排気バルブ３０が全開状態である場合（本実施形態においては例えば自然吸気領域）の特性である。ここで、排気Ｗｅの掃気を充分に行い、且つ吸気Ｗｉをより多く吸入するため（或いは吸気Ｗｉで排気Ｗｅを押し出すため）に、第２気筒３ｂの上死点付近において排気バルブ開期間Ｐｅ１と吸気バルブ開期間Ｐｉ１とが重複するオーバラップＬ２が設定されている。このオーバラップＬ２は、一般的な可変バルブタイミング制御と同様に、エンジン回転速度Ｎｅが高いほど排気バルブ９の閉弁時期を遅らせ、吸気バルブ７の開弁時期を進めることによって拡大される（排気ＶＶＴ１２ｅか吸気ＶＶＴ１２ｉの何れか一方で行ってもよい）。

一方、独立排気絞り制御の実行中では、実線で示す排気バルブ開期間Ｐｅ２および吸気バルブ開期間Ｐｉ２は、同じエンジン回転速度Ｎｅであっても図１０のオーバラップＬ３で示すように、独立排気絞り制御を行わない場合のオーバラップＬ２よりも拡大されている。具体的には排気バルブ９の閉弁時期が遅らされ、吸気バルブ７の開弁時期が進められる。ここで、オーバラップＬ２が大きすぎると吸気負圧によって排気Ｗｅが逆流するおそれがある。しかし独立排気絞り制御では、エゼクタ効果によって排気Ｗｅが下流側に吸出されるので、そのような逆流が起こりにくい。すなわち、排気Ｗｅの逆流という弊害を抑制しつつオーバラップ量を増大させることができる。従って、本実施形態では、独立排気絞り制御中にオーバラップＬ２をオーバラップＬ３に拡大することにより、吸気量を増大させ、エンジントルクの増大をさらに促進するようにしているのである。

他方、オーバラップＬ２をオーバラップＬ３に拡大するに際し、排気バルブ閉弁時期を遅らせてオーバラップ量を増大しているので、独立排気絞り制御の実行時は、図１０上段に示すように、排気バルブ開弁時期が期間Ｌ１だけ遅れることになる（開弁期間自体は平行移動的に変更され、不変であるから）。このため、独立排気絞り制御の非実行時に比べ、ブローダウンガスを加勢し、顕著なエゼクタ効果を得ることができる。もっとも、排気バルブ９を排気下死点後に開くと排気抵抗が大きくなるので、排気バルブ開弁時期の遅延は、図示のように排気下死点直前までにとどめておくことが好ましい。

以上説明したように、本実施形態においては、所定の部分負荷運転領域Ｒ１２では、エゼクタ効果によって、過給圧を向上させ、掃気を促進し、動圧過給性能を高めることができる。

他方、冷間時等、排気性能を維持することが必要な運転状態では、バイパス用開口３１ｄ、チェンバ３１ｆ、排出通路６１によって構成されるバイパス通路が連通される。この結果、排気Ｗｅは排気ターボ過給機５０をバイパスし、排気ターボ過給機５０のタービンホイール５４に熱を奪われることなく下流側の触媒６３に排出されるので、冷間時等においても、排気性能を維持することができる。この場合においても、排気Ｗｅマニホールド１６の３つの独立排気通路１６ａ、１６ｂｃ、１６ｄによって、排気Ｗｅがいわば、絞られた状態でバイパス通路（３１ｄ、３１ｆ、６１）を通るため、一の排気通路内の排気Ｗｅが集合部３１ｃにおいて他の排気通路に回り込むおそれも少なくなる。また、低速低負荷の運転領域Ｒ１１では排気ターボ過給機５０をバイパスするので、比較的大型の装置を採用しても、低速の部分負荷運転領域でトルクが低下するおそれもなくなる。

また本実施形態では、各気筒３ａ〜３ｄは、クランク角９０度ごとに順次点火時期を迎えるように互いに各行程をずらして運転されるとともに、第２気筒３ａ〜３ｄと第３気筒３ａ〜３ｄとは点火順序が隣り合わないように設定されている。このため本実施形態では、コンパクトなレイアウトを実現しつつ、エゼクタ効果によって、吸気量の増大作用をより効果的に得ることができる。本実施形態では、４気筒３ａ〜３ｄエンジンであって、各気筒３ａ〜３ｄがクランク角９０度ごとに順次点火時期を迎えるように互いに各行程をずらして運転されるので、ある気筒３ａ〜３ｄが排気Ｗｅバルブ開弁直後にあるとき、他の何れかの気筒３ａ〜３ｄでオーバラップ期間となっている。このため、全てのサイクルにおいて、駆動流体としてのブローダウンガスがオーバラップ期間にある気筒３ａ〜３ｄの排気Ｗｅを吸い出し、好適な掃気作用を奏することができる。またエゼクタ効果が各気筒３のオーバラップ期間において何れも有効に機能するので、バイパス時の流速についてもこれを増加し、触媒６３の昇温効果を高めることになる。

また本実施形態では、バイパス通路（３１ｄ、３１ｆ、６１）の上流端とウエストゲート通路（ウエストゲート用開口３１ｅ、チェンバ３１ｆ、排出通路６１）の上流端とをそれぞれハウジング３１に接続し、本実施形態において開閉弁手段を構成する開閉弁機構７０は、共通のアクチュエータ７７で各通路（バイパス用開口３１ｄ、ウエストゲート用開口３１ｅ）を開閉するものである。このため本実施形態では、一つのアクチュエータ７７で二つの通路の開閉制御を司ることができるので、機械的構造を簡素化し、また、部品点数を必要充分な個数に留めて、エンジン全体のコンパクト化、軽量化を図ることができる。

また本実施形態では、バイパス通路（３１ｄ、３１ｆ、６１）の上流端をハウジング３１に接続し、可変排気バルブ３０は、独立排気通路１６ａ、１６ｂｃ、１６ｄを全閉にする位置ではバイパス通路（３１ｄ、３１ｆ、６１）を開き、独立排気通路１６ａ、１６ｂｃ、１６ｄを開く位置では、バイパス通路（３１ｄ、３１ｆ、６１）を塞ぐことによって開閉弁手段を兼ねるものである。このため本実施形態では、バイパス通路（３１ｄ、３１ｆ、６１）の開閉動作を可変排気バルブ３０の変位動作によって制御することができるので、バイパス通路（３１ｄ、３１ｆ、６１）の開閉制御を可及的に簡素な構成を実現することができる。

また本実施形態では、バイパス通路（３１ｄ、３１ｆ、６１）とウエストゲート通路（３１ｅ、３１ｆ、６１）とは、それぞれの下流端が、主排気通路６０の経路中心（触媒６３のテーパ部６３ａの中心線６３ｂ）に対し、上流側が鋭角になるように当該主排気通路６０の略中央部分に接続されている共通の排出通路６１に集合している。このため本実施形態では、共通の排出通路６１にバイパス通路（３１ｄ、３１ｆ）とウエストゲート通路（３１ｅ、３１ｆ）とを合流させることにより、配管構造を簡素化し、部品点数を低減することができる。特に、ウエストゲート通路（３１ｅ、３１ｆ、６１）が開いている場合には、当該ウエストゲート通路（３１ｅ、３１ｆ、６１）を通る排気Ｗｅを駆動流体とするエゼクタ効果によって、排気ターボ過給機５０の背圧を迅速に低減することができる。

また本実施形態では、バイパス通路（３１ｄ、３１ｆ、６１）とウエストゲート通路（３１ｅ、３１ｆ、６１）とのうち、少なくともウエストゲート通路（３１ｅ、３１ｆ、６１）は、主排気通路６０の経路中心（触媒６３のテーパ部６３ａの中心線６３ｂ）に対し、上流側が鋭角になるように当該主排気通路６０の略中央部分に接続されている。このため本実施形態では、主排気通路６０に接続された通路からの排気Ｗｅを駆動流体とし、主排気通路６０の上流側に滞留する気体を被吸出し流体とするエゼクタ効果を得ることが可能になる。この結果、バイパスして流れた駆動流体としての排気Ｗｅのみならず、主排気通路６０内の排気Ｗｅがタービンホイール５４の下流側で主排気通路６０内に流通するので、排気ターボ過給機５０の背圧を一層効果的に低減することができるとともに、より多くの排気Ｗｅを触媒６３内に導くことによって、触媒６３の温度上昇を促進し、触媒６３の排気性能を高めることができる。

上述した実施形態は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

図１１は、本発明の実施の別の形態に係るウエストゲートバルブ機構８０を示す斜視図であり、（Ａ）が閉弁時、（Ｂ）が開弁時を示す。また、図１２は、図１１のウエストゲートバルブ機構８０に採用されている過給圧アクチュエータの構成図である。

図１１を参照して、同図に示すウエストゲートバルブ機構８０は、専らウエストゲート用開口３１ｅを閉じる弁体８１のみを有し、バイパス用開口３１ｄは、常時開放している。低速低負荷運転領域Ｆ１１や冷間時では、可変排気バルブ３０が主となる排気経路を全閉にするので、直ちにバイパス用開口３１ｄを開いて排気マニホールド１６からの排気Ｗｅを排出する必要があることから、専ら可変排気バルブ３０の開閉動作によってバイパス用開口３１ｄを開閉し、排気マニホールド１６と連通するようにしているのである。

他方、ウエストゲート用開口３１ｅを閉じる弁体８１は、図１１、図１２に示すように、片持ち状の取付部材８２の一端に固定され、この取付部材８２の他端がアーム８３の先端部分に回動自在に支持されている。アーム８３の基端部分は、リンク部材８４に固定されている。リンク部材８４は、リンク軸８５を介して過給圧アクチュエータ８６のロッド８７に連結されている。

ロッド８７は、過給圧アクチュエータ８６の内部に収容されるフランジ状の基端部８７ａを有している。この基端部８７ａは、過給圧アクチュエータ８６のダイアフラム８６ａに対し、コイルばね８６ｂによって弾性的に付勢されている。ダイアフラム８６ａの基端部８７ａと反対側には、排気ターボ過給機５０の出口側と連通する連通路８６ｃが形成されており、ダイアフラム８６ａは、排気ターボ過給機５０の背圧を受けるようになっている。この結果、背圧が所定の値になったところで、ロッド８７がコイルばね８６ｂの付勢力に抗して前方に付勢され、その力でリンク部材８４が回動することによってアーム８３が取付部材８２を回動し、図１１（Ａ）に示す閉弁状態から図１１（Ａ）に示す開弁状態に弁体８１を駆動できるようになっている。なお、残余の点については、図１以下で説明した実施形態と同様に、ウエストゲート通路（３１ｅ、３１ｆ、６１）の上流端（ウエストゲート用開口３１ｅ）がハウジング３１に接続され、可変排気バルブ３０は、各出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄの有効開口面積Ｓ２が所定量絞られる運転領域では、ウエストゲート通路（３１ｅ、３１ｆ、６１）を塞ぎ、独立排気通路１６ａ、１６ｂｃ、１６ｄの各出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄの有効開口面積Ｓ２を最大値に変更する位置では、ウエストゲート通路（３１ｅ、３１ｆ、６１）を開閉可能に開放するように構成されている。

図１１に示した実施形態では、電気的な制御を要することなくウエストゲート通路（３１ｅ、３１ｆ、６１）の開閉制御を司ることができる。また、バイパス通路の具体化に当たっては、可変排気バルブ３０のフラップ３５の開閉動作でバイパス通路の開閉制御を行うことができるので、フラップ３５をバイパス通路の開閉弁手段としても機能させて構成を簡素化し、部品点数を低減することができる。

また、各実施形態において、第１排気通路１６ａ等の長さＬａ、容積Ｖａ、径Ｄ１、Ｄ２等の設定値は、上記各値に限定するものではない。これらはエンジンの大きさや排気量によって適宜好適な値としてよい。

また可変バルブタイミング機構によるバルブタイミング変更制御は、実行することの利点は多いが必ずしも必要ではなく、これがなくても本発明の基本的な効果を充分得ることができる。

また、上述した構成を具体化するに当たり、排出通路をバイパス用、ウエストゲート用で個別に設けてもよい。その場合に、ウエストゲート用の排出通路には、インタークーラを設けてもよい。

また、可変排気バルブ３０のフラップ３５に代えて、位相によって流路を切り換えるロータを採用してもよい。

次に、上述した各実施形態におけるさらなる技術的特徴について説明する。

（１）動圧過給による過給能力の向上
まず動圧過給について説明する。動圧過給は、排気のブローダウンを利用して排気ターボ過給機５０の過給能力を高めるものである。よく知られているように、１排気行程当たりの有効な排気時間（以下、「ブローダウン期間」という）は、排気Ｗｅバルブ開弁直後の排気流速Ｑｅのピーク値（以下、「ブローダウンピーク」という）が大きい程、短くなる。しかし、動圧過給の特性（流速で定まる圧力比）は、二次曲線的な特性を有する。そのため、ブローダウンピークが高い場合には、ブローダウン期間の短縮による目減り分を差引いても、ブローダウンピークが低い場合よりも時間平均したタービン駆動力が増大する。

図１３は排気ブローダウン特性図（実測値）である。横軸に第１気筒３ａのクランク角度θ（ｄｅｇ：上死点を０°ＣＡとする）、縦軸に排気流速Ｑｅ（ｋｇ／ｓ）を示す。図示の特性は、可変排気バルブ３０による絞り効果のない場合（可変排気バルブ３０が全開の場合）の特性である。ブローダウンは各気筒３の排気行程毎に１８０°ＣＡ周期で発生する。図示の例は、１８０°ＣＡから３６０°ＣＡの間に第１気筒３ａにおいて発生しているブローダウンを示している。

特性Ｃ１２は本発明の各実施形態の特性である。一方特性Ｃ１０２は、上述した各実施形態よりも通路容積の大きい標準的な排気マニホールドで得られた特性である。特性Ｃ１２の方が特性Ｃ１０２に対してブローダウンピークが大きく、その分、ブローダウン期間が短くなっている。つまり特性Ｃ１２のものは特性Ｃ１０２のものに比べ、動圧過給効果が高い。実測値では、特性Ｃ１２のものは特性Ｃ１０２のものに対して単位時間当たりのタービンホイール回転数が４３％増大した。

また強い動圧過給を行うことによって、ブローダウン期間が短縮されるので、ブローダウン後の排気圧力が低下し、排気抵抗が下がるとともに残留ガスが減って、吸気の充填量と耐ノック性が改善されるという効果もある。

特性Ｃ１２のような大きな排気ブローダウンピークを得るための最も効果的な手段は、排気マニホールド１６の容積を小さくすることである。そのためには図５に示す第１通路容積Ｖａ（≒第２通路容積Ｖｂ≒第３通路容積Ｖｃ≒第４通路容積Ｖｄ）を小さくすればよい。そして、有効開口面積を小さくすると排気抵抗が増大して好ましくないことを鑑みれば、第１通路容積Ｖａを小さくするには、第１排気通路１６ａの長さを可及的に短くすればよいということになる。具体的には第１排気通路１６ａの長さＬａ（図４に示す）を、第１排気通路１６ａの開口面積と同じ円の直径Ｄ１（図２に示す）の６倍以下とすることが好ましい。本発明の各実施形態では上述のように開口径Ｄ１＝φ３６ｍｍ、長さＬａ≦２００ｍｍであるから、この条件を満たし、効果的な動圧過給が期待できる。

また上述のように、排気マニホールド１６の第１通路容積Ｖａ〜第４通路容積Ｖｄは、互いに略等しい。仮にこれらの独立排気通路の容積に互いに大きな差があると、エゼクタ効果による掃気促進効果も気筒間で大きくばらついてしまう。そうすると、掃気性に依存するノッキング性能にも差が生じ、結果的に最もノッキング性能の低い気筒３に合わせた設定が余儀なくされ、他の気筒３でノッキング性能を向上してもそれが無駄になる。また、エゼクタ効果による上記吸気量増大効果にも気筒間ばらつきが生じてしまう。

本発明の各実施形態の構成によれば、第１通路容積Ｖａ〜第４通路容積Ｖｄが互いに略等しいので、これらの問題がなく、エゼクタ効果の利点をより効果的に得ることができる。

ところで、一般的な過給機付エンジンにおいて、第１排気通路１６ａの長さＬａと第４排気通路１６ｄの長さＬｄとが略等しくなるように自然にレイアウトすれば、集合部３１ｃを中央寄りに配置した本発明の各実施形態のような略対称のレイアウトとなる。そうすると第２排気通路１６ｂと第３排気通路１６ｃは、これらが互いに独立していれば、その長さが上記長さＬａや長さＬｄに比べて短くなるのが自然である。これを無理に長さＬａに揃えるためには不自然に迂回させる等のレイアウトが必要となる。これは排気抵抗の増大を招いたり、そのレイアウトを成立させるために長さＬａや長さＬｄの短縮が妨げられたりして好ましくない。

本発明の各実施形態によれば、その小容積となりがちな第２排気通路１６ｂと第３排気通路１６ｃとを集合した補助集合排気通路１６ｂｃを設けているので、この補助集合排気通路１６ｂｃの長さを含む第２排気通路長さＬｂや第３排気通路長さＬｃを容易に第１排気通路長さＬａや第４排気通路長さＬｄと略等しくし、結果として、第１通路容積Ｖａ〜第４通路容積Ｖｄを互いに略等しく設定することができるのである。

なお、第２排気通路１６ｂと第３排気通路１６ｃとは、これらを集合させても相互の独立性が保たれている。上記表１並びに図３に示したように、第２気筒３ｂと第３気筒３ｃとは点火順序が隣り合っていないので、排気バルブ９が下死点前から開き始め、上死点後に閉じることを考慮に入れても第２気筒３ｂの排気バルブ９と第３気筒３ｃの排気バルブ９とが共に開いている期間はない。従って相互に排気干渉を起こすことがなく、第２気筒３ｂの排気行程においては補助集合排気通路１６ｂｃを擬似的に第２排気通路１６ｂの延長とみなすことができ、第３気筒３ｃの排気行程においては補助集合排気通路１６ｂｃを擬似的に第３排気通路１６ｃの延長とみなすことができるのである。

このように本発明の各実施形態では、４気筒エンジンでありながら、３つの独立排気通路で相互の独立関係を実現している。こうすることによりレイアウトのコンパクト化が図られ、ハウジング３１や排気ターボ過給機５０との接続部を小型化することができる。

なお排気マニホールド容積を小さくすると上述のように動圧過給効果が高くなるが、その反面、高速運転領域において排気温度が高くなる傾向となる。従って、例えば排気マニホールド１６の材質として耐熱性の高い鋳鋼を用いたり、排気マニホールド１６を水冷化したりして耐熱性の向上を図ることが好ましい。

（２）各独立排気通路と可変排気バルブとを用いた独立排気絞り制御
上述したように、本発明の各実施形態においては、各独立排気通路１６ａ、１６ｂｃ、１６ｄと可変排気バルブ３０とを用いた独立排気絞り制御によって、大きなエゼクタ効果を得ることができる。

エゼクタ効果による利点は、主に次の３点が挙げられる。

第１に、排気ターボ過給機５０の入力流量（排気ターボ過給機５０に供給される単位時間当たりの排気Ｗｅの量）の増量である。排気Ｗｅバルブ開弁直後の入力流量は、通常のブローダウン時の排気流量に、エゼクタ効果によって吸出された排気流量が付加される結果、タービンホイール５４の駆動力が増大し、過給圧を向上させることができる。

第２に、排気Ｗｅの掃気促進である。エゼクタ効果によって被吸出し流体である排気Ｗｅが吸出され、掃気が促進されるので当該気筒３の排気抵抗が低減される。また掃気の促進によってオーバラップ期間での吸気が促進されるので、吸気量を増大させ、エンジントルクを増大させることができる。

第３に、動圧過給の促進である。上述のように、排気マニホールド１６の容積を小さくすることで動圧過給の効果が得られるが、エゼクタ効果によって以下説明するようにその効果をさらに促進することができる。

可変排気バルブ３０がない、又はあっても全開の場合であって、エゼクタ効果が期待できない場合、ブローダウンガスは集合部３１ｃを介して他の排気通路に回り込む（逆流する）。これはその排気通路の容積が見かけ上増えたように作用する。これに対し可変排気バルブ３０によるエゼクタ効果があると、ブローダウンガスは駆動流体として他の排気通路から被駆動流体である排気Ｗｅを吸出す。つまり他の排気通路に回り込むことがない。これは、動圧過給においては排気通路容積を削減したような作用をもたらす。

このように、全体の排気通路容積（排気マニホールド容積）が同じであれば、可変排気バルブ３０によるエゼクタ効果を有する本発明の各実施形態は、エゼクタ効果のないものに比べ、より動圧過給を促進することができるのである。

以上、本発明の各実施形態の主要な技術的特徴である動圧過給および独立排気絞り制御について説明したが、これらは密接に関連し、協働して過給性能を高めている。

図１４は、部分負荷運転領域Ｒ１２における充填効率ηｃを示すグラフである。横軸はエンジン回転速度Ｎｅ（ｒｐｍ）、縦軸は充填効率ηｃ（％）を示す。特性Ｃ１３は動圧過給と独立排気絞り制御とが併用された本発明の各実施形態の特性である。特性Ｃ１０３は比較対象のために示す特性であり、従来の一般的な排気マニホールド（可変排気バルブ３０なし）を用いた場合の特性である。特性Ｃ１３の充填効率ηｃは特性Ｃ１０３に対して約２０〜３０ポイント増大している。これは動圧過給と可変排気バルブ３０を用いた独立排気絞り制御とによる過給圧増大の効果である。

図１５は、部分負荷運転領域Ｒ１２におけるエンジンの正味平均有効圧（ＢＭＥＰ）を示すグラフである。横軸はエンジン回転速度Ｎｅ（ｒｐｍ）、縦軸は正味平均有効圧（ｋＰａ）を示す。特性Ｃ１４は動圧過給と独立排気絞り制御とが併用された本発明の各実施形態の特性（図１４の特性Ｃ１３に対応する特性）である。特性Ｃ１０４は比較対象のために示す特性であり、図１４の特性Ｃ１０３に対応する特性である。特性Ｃ１４の正味平均有効圧は特性Ｃ１０４に対して約２００〜４００ｋＰａ増大している。これは動圧過給と可変排気バルブ３０を用いた独立排気絞り制御とによって充填効率が増大（図１４）した効果であって、すなわちエンジントルクが増大したことを示している。

次に、上記エゼクタ効果をより顕著に奏するために本発明の各実施形態で採用されている更なる技術について説明する。

図１６は本発明の各実施形態における排気通路の有効開口比Ｒｄと体積効率ηｖとの関係を示すグラフである。横軸の上段は有効開口径Ｄ２（ｍｍ）を示す。

横軸の下段は有効開口比Ｒｄ（％）を示す。有効開口比Ｒｄとは、各出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄの有効開口径Ｄ２に対する各開口径Ｄ１の面積比率である。すなわちＲｄ＝（Ｄ２／Ｄ１）２×１００（％）、或いはＲｄ＝（Ｓ２／Ｓ１）×１００（％）である。

図１６に示す特性Ｃ１５はエンジン回転速度Ｎｅ＝１５００ｒｐｍにおける特性、Ｃ１６は同２０００ｒｐｍにおける特性を示す。これらの特性から明らかなように、有効開口径Ｄ２＝２２〜２８ｍｍの範囲（有効開口比Ｒｄ：３７〜６１％の範囲）において体積効率ηｖの特段に高い好適な範囲が存在する。これは、この好適範囲において特に顕著なエゼクタ効果が得られることを示している。従って、有効開口径Ｄ２をこの好適範囲に設定することにより、より高い過給効果が得られ、エンジントルクの一層の増大を図ることができる。

次に、本発明の各実施形態の排気ターボ過給機５０の作用効果について説明する。

図１７は排気ターボ過給機５０の効率を示すグラフである。横軸に排気流速Ｑｅ（ｋｇ／ｓ）、縦軸に効率ηｔ（％）を示す。実線で示す特性Ｃ２１は本発明の各実施形態の排気ターボ過給機５０の特性、破線で示す特性Ｃ１２１は一般的な大型排気ターボ過給機の特性である。一般的な特性Ｃ１２１では、排気流速Ｑｅの適用範囲の中央付近で効率ηｔがピークになるように設定されている。

それに対して本発明の各実施形態の排気ターボ過給機５０は、上述のように大型排気ターボ過給機でありながら一般的な大型排気ターボ過給機に比べて相対的にＡ／Ｒが小さいので、図示のように特性Ｃ２１の効率ηｔのピークが特性Ｃ１２１に比べて高流量側にずれる。またそのピーク値も高くなる。排気流速Ｑｅが高いとタービンホイールの流速も高くなるから、このような設定はタービンホイールの流速の多い領域を積極的に用いる本発明の各実施形態の動圧過給にとって好適な設定となっている。

図１８はエンジントルク特性を示すグラフである。横軸にエンジン回転速度Ｎｅ（ｒｐｍ）、縦軸にエンジントルクＴｅ（Ｎ・ｍ）を示す。実線で示す特性Ｃ２４は本発明の各実施形態の特性、破線で示す特性Ｃ１２４は従来型の排気系と一般的な大型排気ターボ過給機を採用した場合の特性、そして特性Ｃ１２５は従来型の排気系と一般的な小型排気ターボ過給機（タービンホイール径ＤおよびＡ／Ｒが相対的に小さい排気ターボ過給機）を採用した場合の特性である。

図示のように、特性Ｃ１２４では大型排気ターボ過給機による高速域でのトルク増大作用が強く、特性Ｃ１２５では小型排気ターボ過給機による低速域でのトルク増大作用が強い。

それらに対して本発明の各実施形態の特性Ｃ２４は、高速運転領域では大型の排気ターボ過給機５０の採用によってトルク増大作用が強く、低速運転領域では動圧過給、可変排気バルブ３０を用いた独立排気絞り制御、バルブタイミング変更制御および小Ａ／Ｒの排気ターボ過給機５０の採用等によってトルク増大作用が強い。その結果、１つの排気ターボ過給機５０を用いた簡潔な構成でありながら、低速運転領域から高速運転領域にわたる広い範囲で大きな過給効果を得てエンジントルクの増大が達成されている。

本発明の第１実施形態に係る過給機付エンジンの概略構成図である。 図１の部分側断面図である。 図１の実施の形態に係るタイミングチャートである。 図１の実施の形態に係る要部を示す外観斜視図である。 図１の実施の形態に係る要部を拡大して示す外観斜視図である。 図１の実施形態に係る可変排気バルブの概略構成を示す斜視図であり、（Ａ）は冷間時、（Ｂ）は温間時の状態を示すものである。 図１の実施形態に係る可変排気バルブのハウジングの要部を示す斜視図であり、（Ａ）は閉弁状態、（Ｂ）は開弁状態を示すものである。 図１の実施の形態に係る運転状態に応じた制御を行うための運転領域の設定例を示す特性図である。 図１の実施の形態に係るエンジン１の制御例を示すフローチャートである。 図１の実施の形態に係るバルブタイミング変更制御の説明図である。 本発明の実施の別の形態に係る開閉弁機構を示す斜視図であり、（Ａ）が閉弁時、（Ｂ）が開弁時を示す。 図１１の開閉弁機構に採用されている過給圧アクチュエータの構成図である。 排気ブローダウン特性図である。 低速過給領域における充填効率を示すグラフである。 低速過給領域におけるエンジンの正味平均有効圧を示すグラフである。 排気通路の絞り度合と体積効率との関係を示すグラフである。 排気ターボ過給機の効率を示すグラフである。 エンジントルク特性を示すグラフである。

符号の説明

１ 過給機付エンジン
３ 気筒
１６ 排気マニホールド
１６ａ 独立排気通路
１６ｂ 独立排気通路
１６ｃ 独立排気通路
１６ｄ 独立排気通路
１６ｂｃ 補助集合排気通路
１７ 取付フレーム
２０ エンジン制御ユニット（可変排気バルブ制御手段、通路開閉制御手段の一例）
３０ 可変排気バルブ
３１ ハウジング
３１ｃ 集合部
３１ｄ バイパス用開口
３１ｅ ウエストゲート用開口
３５ フラップ（開閉弁手段の一例）
５０ 排気ターボ過給機
６０ 主排気通路
６１ 排出通路
６３ 触媒
６３ａ テーパ部
７０ 開閉弁機構（開閉弁手段の一例）
８０ ウエストゲートバルブ機構
８６ 過給圧アクチュエータ

Claims (7)

1. エンジンに設けられた複数の気筒の各排気ポートに対応して独立して接続された独立排気通路を有する排気マニホールドと、前記排気マニホールドの各独立排気通路の下流側が１つに集合した集合部と、前記集合部の下流側に接続された排気ターボ過給機と、前記排気ターボ過給機の下流側に接続された主排気通路に設けられる触媒と、所定のインターセプトポイントで前記排気ターボ過給機をバイパスして前記排気マニホールドからの排気を前記主排気通路の当該触媒よりも上流側に吐出するウエストゲート通路とを備えた過給機付エンジンであって、
   所定の過給運転領域でエゼクタ効果を奏するべく、前記集合部と前記排気マニホールドとの間で当該独立排気通路の出口の有効開口面積を変更可能に構成された可変排気バルブと、
   少なくとも冷間時に前記排気ターボ過給機をバイパスして前記排気マニホールドからの排気を前記主排気通路の当該触媒よりも上流側に吐出するバイパス通路と、
   前記バイパス通路を開閉する開閉弁手段と、
   前記可変排気バルブを駆動制御する可変排気バルブ制御手段と、
   少なくとも前記開閉弁手段を駆動制御する通路開閉制御手段と
   を備え、
   前記可変排気バルブ制御手段は、少なくとも冷間時を含む所定のバイパス運転条件成立時において、前記出口の有効開口面積が最小値になるように前記可変排気バルブを駆動制御するものであり、
   前記通路開閉制御手段は、前記バイパス運転条件の成立時に前記バイパス通路を連通するものである
   ことを特徴とする過給機付エンジン。
2. 請求項１記載の過給機付エンジンにおいて、
   前記気筒は直列に配置された第１〜第４気筒であり、
   前記独立排気通路は、これら第１〜第４気筒に対応して独立して接続される第１独立排気通路、第２独立排気通路、第３独立排気通路、並びに第４独立排気通路であり、前記排気マニホールドは、直列配置中央側の第２独立排気通路および第３独立排気通路の下流端を前記集合部の上流側で集合した補助集合排気通路を含み、
   前記各気筒は、クランク角９０度ごとに順次点火時期を迎えるように互いに各行程をずらして運転されるとともに、前記第２気筒と前記第３気筒とは点火順序が隣り合わないように設定されている
   ことを特徴とする過給機付エンジン。
3. 請求項１または２記載の過給機付エンジンにおいて、
   前記独立排気通路の出口が並列された状態で接続されるハウジングを含み、
   前記バイパス通路の上流端と前記ウエストゲート通路の上流端とをそれぞれ前記ハウジングに接続し、
   前記開閉弁手段は、共通のアクチュエータで各通路を開閉するものである
   ことを特徴とする過給機付エンジン。
4. 請求項１または２記載の過給機付エンジンにおいて、
   前記独立排気通路の出口が並列された状態で接続されるハウジングを含み、
   前記バイパス通路の上流端を前記ハウジングに接続し、
   前記可変排気バルブは、前記出口の有効開口面積を最小値にする位置では前記バイパス通路を開き、前記出口の有効開口面積を最小値よりも所定量以上開く位置では、前記バイパス通路を塞ぐことによって前記開閉弁手段を兼ねるものである
   ことを特徴とする過給機付エンジン。
5. 請求項４記載の過給機付エンジンにおいて、
   前記ウエストゲート通路の上流端を前記ハウジングに接続し、
   前記可変排気バルブは、前記出口の有効開口面積を最小値にする位置では前記ウエストゲート通路を塞ぎ、前記出口の有効開口面積を最小値よりも所定量以上開く位置では、前記ウエストゲート通路を開閉可能に開放するものであり、
   前記ハウジングには、所定の過給圧によって前記ウエストゲート通路を開閉する過給圧アクチュエータを設けている
   ことを特徴とする過給機付エンジン。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の過給機付エンジンにおいて、
   前記バイパス通路と前記ウエストゲート通路とのうち、少なくともウエストゲート通路は、前記ウエストゲート通路の下流端は、前記主排気通路に対し、当該触媒の上流端に設けたテーパ部と同心に開口するように接続されている
   ことを特徴とする過給機付エンジン。
7. 請求項６記載の過給機付エンジンにおいて、
   前記バイパス通路と前記ウエストゲート通路とは、それぞれの下流端が、前記ウエストゲート通路の下流端は、前記主排気通路に対し、当該触媒の上流端に設けたテーパ部と同心に開口するように接続されている共通の排出通路に集合している
   ことを特徴とする過給機付エンジン。

Images