JP2009228537A - 過給機付きエンジンの排気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガス流量が少ない所定の過給運転領域で、排気ターボ過給機に与える動圧エネルギーをより一層増大し、効果的に過給性能を高めることができるようにする。
【解決手段】複数の気筒を有するエンジンと、排気ターボ過給機とを備え、各気筒には、全運転領域で排気ガスを排出するプライマリ排気ポートと、所定の過給運転領域では排気ガスの排出量を制限し、高速運転領域では排気ガスの排出量の制限を解除するセカンダリ排気ポートとが設けられている。また、各気筒のプライマリ排気ポートと排気ターボ過給機とを接続するプライマリ排気通路と、各気筒のセカンダリ排気ポートと排気ターボ過給機とを接続するセカンダリ排気通路とを備える。プライマリ排気通路は、各気筒別に各々独立した状態で排気ターボ過給機に接続され、セカンダリ排気通路は、途中で集合されて、その集合部より下流で上記排気ターボ過給機に接続される。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気ターボ過給機を備えた過給機付きエンジンに関するものである。

従来から、エンジン出力トルクの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良く知られている。この排気ターボ過給機は、排気通路に設けられたタービンと吸気通路に設けられたコンプレッサ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を回転させることによりコンプレッサを駆動し、吸気圧を上昇させるように構成されている。

さらにこの排気ターボ過給機において、排気ガス流量が少ない運転領域で排気の動圧を利用しての過給効果を高めるようにすることも考えられている。

例えば特許文献１に示された排気装置では、複数の気筒を備えたエンジンの気筒毎にプライマリ排気ポートおよび゛セカンダリ排気ポートをそれぞれ設け、各気筒のプライマリ排気ポートに接続された排気通路を集合させて、その集合したプライマリ側の排気通路を排気ターボ過給機のプライマリ側タービンスクロールに接続するとともに、各気筒のセカンダリ排気ポートに接続された排気通路を集合させて、その集合したセカンダリ側の排気通路を排気ターボ過給機のセカンダリ側タービンスクロールに接続し、かつ、セカンダリ側の排気通路に制御弁を設け、排気ガス流量が少ない所定の過給運転領域では、上記制御弁によりセカンダリ側の排気通路を閉じて、プライマリ側の排気通路のみから排気ターボ過給機に排気ガスを導くようにしている。
特開平２−９１４２２号公報

上記特許文献１に示されている排気装置によると、排気ガスの流量が少ない所定の過給運転領域では、プライマリ排気ポートからの排気ガスのブローダウン（排気吹き出し）による動圧エネルギーが排気ターボ過給機に与えられ、プライマリ側の排気通路のみから排気ガスが排気ターボ過給機に供給されることで排気ガスの流速が高められる。

しかし、プライマリ排気ポートに通じる排気通路は途中で集合されてからターボ過給機に接続されるので、集合部での排気干渉等により動圧が低減し、排気流速も低下し易くなる等、改善すべき点が残されていた。

本発明は上記の事情に鑑み、排気ガスの流量が少ない所定の過給運転領域で、排気ターボ過給機に与える動圧エネルギーをより一層増大し、効果的に過給性能を高めることができる過給機付きエンジンの排気装置を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために本発明は、複数の気筒を有するエンジンと、排気ターボ過給機とを備えた過給機付きエンジンの排気装置において、エンジンの各気筒に設けられて、エンジンの全運転領域で排気ガスを排出するプライマリ排気ポートと、上記各気筒に設けられて、所定の過給運転領域では排気ガスの排出量を制限し、それ以外の高速運転領域では排気ガスの排出量の制限を解除するセカンダリ排気ポートと、上記各気筒のプライマリ排気ポートと排気ターボ過給機とを接続するプライマリ排気通路と上記各気筒のセカンダリ排気ポートと排気ターボ過給機とを接続するセカンダリ排気通路とを備え、上記プライマリ排気通路は、各気筒のプライマリ排気ポートに対応し各々独立した状態で排気ターボ過給機に接続されるように構成され、セカンダリ排気通路は、当該排気通路途中で集合されて、その集合部より下流で上記排気ターボ過給機に接続されるように構成されているものである。

この構成によると、上記所定の過給運転領域では、セカンダリ排気ポートからの排気ガスの流出量が制限されて、排気ガスが主にプライマリ排気ポートからプライマリ排気通路を通って排気ターボ過給機に導かれることにより、排気ガスの流速が高められるとともに、プライマリ排気ポートが開くときのブローダウンによる動圧エネルギーがターボ過給機に与えられる。

特に、各気筒のプライマリ排気ポートに対応する各プライマリ排気通路が互いに独立した状態で排気ターボ過給機に接続されるようにしているため、通路途中で集合する場合のような排気干渉を招くことがない。また、通路途中で集合しないことにより、各プライマリ排気通路の容積を可及的に小さくすることができる。これらにより、動圧の低減や排気流速の低下を防止することができる。さらに、各プライマリ排気通路が排気ターボ過給機に接続された箇所では、プライマリ排気ポートが開いた直後のブローダウンの時期にある気筒に対応する１つのプライマリ排気通路から高い流速の排気ガスが排気ターボ過給機に流入し、それに伴い、他のプライマリ排気通路から排気ガスが吸い出されるエゼクタ効果が生じることにより、排気ターボ過給機に流入する排気ガス量が増加する。

これらの作用により、排気ターボ過給機に供給される排気エネルギーが増加し、過給性能が高められる。

一方、排気ガスの流量が多い高速運転領域では、セカンダリ排気ポートからの排気ガスの流出量の制限が解除されて、プライマリ、セカンダリの両排気ポートからプライマリ排気通路およびセカンダリ排気通路を通して排気ガスがターボ過給機に導かれ、排気流通抵抗が低減される。また、高速運転領域では排気温度が高くなるが、セカンダリ排気通路は途中で集合しているため、この集合部分で冷却効果が得られ、温度上昇を抑制することができる。

本発明の過給機付きエンジンの排気装置において、上記排気ターボ過給機は、タービンホイールがタービンスクロール上流の排気路の延長線上に突出して配置されるタイプであり、上記各プライマリ排気通路は上記ターボ過給機のタービンスクロール内周側に接続されていることが好ましい。

このようにすると、所定の過給運転領域で、プライマリ排気通路から排気ターボ過給機に流入する排気ガスの流れが効果的にタービンホイールに作用し、過給効率が高められる。

また、上記セカンダリ排気ポートは、排気バルブの作動を停止可能とする弁停止機構もしくは排気バルブのリフト量を可変にする弁リフト量可変機構のいずれかを用いて排気ガス排出量を制限可能とすることが好ましい。

このようにすれば、排気通路中に流通を制限する弁装置等を設ける必要がなく、排気系をコンパクトな構造とすることができる。

以上説明したように、本発明の過給機付きエンジンの排気装置によると、排気ガスの流量が少ない所定の過給運転領域では、主にプライマリ排気ポートからプライマリ排気通路を通して排気ガスが排気ターボ過給機に導かれ、特に、各気筒のプライマリ排気ポートに対応する各プライマリ排気通路が互いに独立した状態で排気ターボ過給機に接続されるようにしているため、排気ターボ過給機に与える動圧エネルギーを増大し、効果的に過給性能を高めることができる。

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、本発明の一実施形態に係る過給機付きエンジンの概略構成図である。また図２は、上記過給機付きエンジンの部分側断面図である。

これらの図に示す過給機付きエンジンは直列４気筒４サイクルのエンジンであり、エンジン１のシリンダブロック２には、一端側から順に第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、気筒３内のピストン４の上方に燃焼室５が形成され、燃焼室５の上部には吸気を吸入するための吸気ポート６と排気を排出するための排気ポート８とが設けられ、本実施形態では吸気ポート６および排気ポート８が２つずつ設けられている。上記両吸気ポート６にはこれを開閉する吸気バルブ７が、両排気ポート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。さらにシリンダヘッド１０には、燃焼室５の頂部に火花を発生させる点火プラグ１１が設けられている。その他、燃料噴射弁１２を含む図略の燃料供給手段が適宜位置に設けられている。

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１８０度（以下１８０°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。点火順序は第１気筒３ａ→第３気筒３ｃ→第４気筒３ｄ→第２気筒３ｂである。従って、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。

このエンジン１において、上記両排気ポート８のうちの一方をプライマリ排気ポート８ａ、他方をセカンダリ排気ポート８ｂと呼ぶと、プライマリ排気ポート８ａはエンジンの全運転域で排気ガスを排出し、セカンダリ排気ポート８ｂは、所定の過給運転領域では排気ガスの排出量を制限し、それ以外の高速運転領域では排気ガスの排出量の制限を解除するようになっている。

このようなセカンダリ排気ポート８ｂの排気ガス排出量の制限、並びに制限解除は、弁リフト量可変機構１５を用いて行われる。すなわち、上記吸気バルブ７および排気バルブ９はそれぞれカムシャフト等からなる動弁機構１３，１４により開閉作動されるが、排気側の動弁機構１４には、セカンダリ排気ポート８ｂを開閉する排気バルブ９に対して、そのリフト量および開弁期間を変更可能にする弁リフト量可変機構１５が組み込まれている。

この弁リフト量可変機構１５は、動弁カムを切換可能とする等により、セカンダリ排気ポート８ｂを開閉する排気バルブ９のリフト特性を、図３に実線で示す最大リフト状態ＥＶ２maxと同図に破線で示す最小リフト状態ＥＶ２minとの間で変更可能としている。上記最大リフト状態ＥＶ２maxでは、排気バルブ９が下死点前の所定時期に開かれて上死点後の所定時期に閉じられ、最小リフト状態ＥＶ２minでは、最大リフト状態と比べてリフト量および開弁期間が小さくなっている。

なお、図３において、符号ＥＶ１を付して示した特性はプライマリ排気ポート８ａを開閉する排気バルブ９のリフト特性、符号ＩＶを付して示した特性は吸気バルブ７のリフト特性であり、本実施形態ではこれらは一定であり、上死点付近では吸気バルブ７と排気バルブ９がともに開いているオーバーラップ期間ＯＬが設定されている。

また、図１および図２に示すように、上記エンジン１に対し、吸気通路３０と、排気通路４０とが配設されるとともに、排気ターボ過給機２０が設けられている。この排気ターボ過給機２０は、タービンハウジング２１に収容されたタービンホイール２２と、コンプレッサハウジング２３に収容されたコンプレッサインペラ２４と、これらを連結する連結部２５とを備えている。そして、排気通路４０にタービンハウジング２１が接続される一方、吸気通路３０にコンプレッサハウジング２３が接続されている。コンプレッサ下流の吸気通路３０には吸気を冷却するインタークーラ３１が設けられ、さらにこのインタークーラ３１の下流に吸気流量を調節するスロットルバルブ３２が設けられ、スロットルバルブ３２を通った吸気が吸気マニホールド３３を経て各気筒３に供給されるようになっている。

上記排気通路４０には、各気筒３のプライマリ排気ポート８ａと排気ターボ過給機２０とを接続するプライマリ排気通路４１と、各気筒のセカンダリ排気ポート８ｂと排気ターボ過給機２０とを接続するセカンダリ排気通路４２とが設けられている。

上記プライマリ排気通路４１は、図１に示すように、各気筒のプライマリ排気ポート８ａに対応して、各々独立した状態で排気ターボ過給機２０のタービンハウジング２１に接続されている。一方、セカンダリ排気通路４２は、当該排気通路途中で集合され、その集合部下流で排気ターボ過給機２０のタービンハウジング２１に接続されている。

上記プライマリ排気通路４１およびセカンダリ排気通路４２の具体的構造を、図４〜図６を参照して説明する。

図４はプライマリ排気通路４１とセカンダリ排気通路４２とが組み合わされて排気ターボ過給機２０に接続された構造を示し、図５（ａ）および（ｂ）はプライマリ排気通路４１とセカンダリ排気通路４２とを分離して個別に示したものである。

これらの図に示すように、各プライマリ排気通路４１は、上流端が各気筒のプライマリ排気ポート８ａに接続され、下流側では互いに接近するが、合流はせず、通路壁で仕切られた状態で寄り集まっている。一方、セカンダリ排気通路４２は、上流側が気筒別に分かれて各気筒３のセカンダリ排気ポート８ｂに接続され、通路途中で集合して、下流側は一つの通路となっている。そして、図６に示すように、各プライマリ排気通路４１の下流端部は断面略扇形に形成され、またセカンダリ排気通路４２が集合した通路の下流端部は断面略半円形に形成され、これら各プライマリ排気通路４１の下流端部とセカンダリ排気通路４２の下流端部とが寄り集まって、全体として断面略円形をなすように構成されている。

図７は、本実施形態の排気ターボ過給機２０の内部および排気ターボ過給機２０に対する排気通路４０の接続部分の具体的構造を示している。なお、この図において、排気ターボ過給機２０はタービンホイール２２の軸と直交する方向の断面で示し、排気通路４１，４２は排気ガス流通方向と直交する方向の断面を模式的に示している。

この図に示すように、排気ターボ過給機２０のタービンハウジング２１は、タービンホイール２２を囲む蝸牛形状の筐体からなるタービンスクロール２１ａと、このタービンスクロール２１ａの上流側に連なる排気導入部２１ｂとを有し、排気導入部２１ｂの上流端にはフランジ２１ｃが形成され、この部分にプライマリ排気通路４１およびセカンダリ排気通路４２の下流端部が接続されている。

また、上記タービンスクロール２１ａ内に位置するタービンホイール２２は、多数の翼を有し、その翼の先端部が上記排気導入部２１ｂ（タービンスクロール上流の排気路）の延長線上に突出するように配置されている。

このようなタイプの排気ターボ過給機２０に対し、上記各プライマリ排気通路４１の下流端部は排気導入部２１ｂを介してタービンスクロール２１ａの内周側に接続され、上記セカンダリ排気ポート４２の下流端部は排気導入部２１ｂを介してタービンスクロール２１ａの外周側に接続されている。

なお、エンジン１の動作は図２中に示すエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）５０によって電気的に制御される。このエンジン制御ユニット５０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ている。

エンジン制御ユニット５０には、入力要素として、クランク角度センサＳＮ１、エアフローセンサＳＮ２、回転速度センサＳＮ３、アクセル開度センサＳＮ４、車速センサＳＮ５等の各種検出手段が接続されている。そして、このエンジン制御ユニット５０により、燃料噴射弁１２を含む燃料供給手段、点火プラグ１１を含む点火装置、スロットルバルブ３２のアクチュエータ（図示せず）、弁リフト量可変機構１５等が制御されるようになっている。

図８は、上記エンジン制御ユニットにより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。この図において、横軸はエンジン回転速度Ｎｅ（ｒｐｍ）、縦軸は要求負荷（要求トルク）τ（Ｎ・ｍ）を示す。

同図に示す運転特性では、所定の低速高負荷から高速低負荷にわたるラインを境として、低速側の動圧過給運転領域（所定の過給運転領域）Ｒ１と、高速運転領域Ｒ２とが設定されている。

そして、エンジン制御ユニット５０は、動圧過給運転領域Ｒ１では、セカンダリ排気ポート８ｂを開閉する排気バルブ９を図３に破線で示す最小リフト状態ＥＶ２minとするように、弁リフト量可変機構１５を制御する。一方、高速運転領域Ｒ２では、セカンダリ排気ポート８ｂを開閉する排気バルブ９を図３に実線で示す最大リフト状態ＥＶ２maxとするように、弁リフト量可変機構１５を制御する。

以上のような本実施形態の排気装置によると、排気ガスの流量が比較的少ない動圧過給運転領域Ｒ１では、セカンダリ排気ポート８ｂを開閉する排気バルブ９が最小リフト状態ＥＶ２min（図３参照）となるように弁リフト量可変機構１５が制御され、セカンダリ排気ポート８ｂからの排気量が制限される。この状態では、排気ガスが主にプライマリ排気ポート８ａからプライマリ排気通路４１を通って排気ターボ過給機２０に導かれることにより、排気ガスの流速が高められる。そして、プライマリ排気ポート８ａが開くときのブローダウンによる動圧エネルギーが排気ターボ過給機２０に与えられる。

この場合に、各気筒３のプライマリ排気ポート８ａに対応する各プライマリ排気通路４１が互いに独立した状態で排気ターボ過給機２０に接続されているため、通路途中で集合する場合のような気筒間の排気干渉を招くことがなく、排気干渉による動圧の低減や排気流速の低下を防止することができる。また、通路途中で集合しないことにより、各プライマリ排気通路４１の容積を可及的に小さくすることができる。このため、ブローダウンによる動圧および排気流速を高く保つことができる。

さらに、各プライマリ排気通路８ａが排気ターボ過給機２０に接続された箇所では、プライマリ排気ポート８ａが開いた直後のブローダウンの時期にある気筒に対応する１つのプライマリ排気通路４１から高い流速の排気ガスが排気ターボ過給機に流入し、それに伴い、他のプライマリ排気通路４１から排気ガスが吸い出されるエゼクタ効果が生じることにより、排気ターボ過給機２０に流入する排気ガス量が増加する。

また、本実施形態において排気ターボ過給機２０は、タービンホイール２２の翼の先端部がタービンスクロール２１ａ上流の排気路の延長線上に突出して配置されるタイプであり、この排気ターボ過給機２０に対し、上記各プライマリ排気通路４１はタービンスクロール２１ａの内周側に接続されているため、タービンホイール２２の翼の先端部が位置するタービンスクロール２１ａの内周側の排気流速が高くなり、効果的に排気ガスのエネルギーがタービンホイール２２に与えられる。

これらの作用により、排気ターボ過給機２０に供給される排気エネルギーが増大し、過給性能が高められる。

また、プライマリ排気ポート８ａを開閉する排気バルブ９のリフト特性ＥＶ１と吸気バルブ７のリフト特性ＩＶとが図３に示すように設定されて、上死点付近で吸気バルブ７と排気バルブ９がともに開いているオーバーラップ期間ＯＬが設定されることにより、このオーバーラップ期間ＯＬに燃焼室内の掃気が行われるが、上記エゼクタ効果で排気ガスが吸い出されることにより、掃気性が一層高められる。従って、過給性能が高められることに加えて掃気性が高められることによってもエンジンの充填効率が高められる。

一方、排気ガスの流量が多い高速運転領域Ｒ２では、セカンダリ排気ポート８ｂを開閉する排気バルブ９が最大リフト状態ＥＶ２max（図３参照）となるように弁リフト量可変機構１５が制御され、セカンダリ排気ポート８ｂからの排気量の制限が解除されて、プライマリ排気ポート８ａおよびセカンダリ排気ポート８ｂの両方からプライマリ排気通路４１およびセカンダリ排気通路４２を通して排気ガスが排気ターボ過給機２０に導かれる。これにより、排気流通抵抗が低減される。また、高速運転領域では排気温度が高くなるが、セカンダリ排気通路４２は途中で集合しているため、この集合部分で断熱膨張による冷却効果が得られことにより、排気温度の上昇を抑制することができる。

なお、本発明の排気装置の具体的構造は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。以下に、変形例を説明する。
（１）上記実施形態では、動圧過給運転領域Ｒ１でセカンダリ排気ポート８ｂからの排気ガスの排出量を制限するための手段として、弁リフト量可変機構１５を設けているが、これに代えて、排気バルブの作動を停止可能とする弁停止機構を設けてもよい。この場合、動圧過給運転領域Ｒ１で弁停止状態、高速運転領域Ｒ２で弁作動状態とするように、弁停止機構を制御すればよい。

なお、セカンダリ排気通路の途中に排気の流通量を制御する弁装置を設けることも考えられるが、上記弁リフト量可変機構１５または弁停止機構を用いれば、排気系をコンパクトな構造とすることができる。
（２）上記実施形態では、プライマリ排気ポートを開閉する排気弁および吸気ポートを開閉する吸気弁は開閉タイミングが一定となっているが、これらの弁の双方もしくは一方に対してバルブタイミング可変機構を設け、プライマリ排気ポートと吸気ポートとのオーバーラップ期間ＯＬを変更可能としてもよい。この場合、上記動圧過給運転領域Ｒ１ではオーバーラップ期間ＯＬを大きくし、高速運転領域Ｒ２ではオーバーラップ期間ＯＬを小さくすればよい。

本発明の一実施形態に係る過給機付きエンジンの概略構成図である。 図１のエンジンの部分側断面図である。 排気バルブの弁リフト特性を示す説明図である。 排気通路および排気ターボ過給機を示す斜視図である。 プライマリ排気通路とセカンダリ排気通路とを分離して示し、（ａ）はプライマリ排気通路の斜視図、（ｂ）はセカンダリ排気通路の斜視図である。 排気通路の下流端部の断面形状を示す斜視図である。 ターボ過給機の断面図である。 運転状態に応じた制御を行うための運転領域の設定を示す特性図である。

符号の説明

１ エンジン
３ 気筒
８ａ プライマリ排気ポート
８ｂ セカンダリ排気ポート
１５ 弁リフト量可変機構
２０ 排気ターボ過給機
２１ａ タービンスクロール
２２ タービンホイール
４１ プライマリ排気通路
４２ セカンダリ排気通路

Claims (3)

1. 複数の気筒を有するエンジンと、排気ターボ過給機とを備えた過給機付きエンジンの排気装置において、
   エンジンの各気筒に設けられて、エンジンの全運転領域で排気ガスを排出するプライマリ排気ポートと、
   上記各気筒に設けられて、所定の過給運転領域では排気ガスの排出量を制限し、それ以外の高速運転領域では排気ガスの排出量の制限を解除するセカンダリ排気ポートと、
   上記各気筒のプライマリ排気ポートと排気ターボ過給機とを接続するプライマリ排気通路と、
   上記各気筒のセカンダリ排気ポートと排気ターボ過給機とを接続するセカンダリ排気通路とを備え、
   上記プライマリ排気通路は、各気筒のプライマリ排気ポートに対応し各々独立した状態で排気ターボ過給機に接続されるように構成され、
   セカンダリ排気通路は、当該排気通路途中で集合されて、その集合部より下流で上記排気ターボ過給機に接続されるように構成されていることを特徴とする過給機付きエンジンの排気装置。
2. 上記排気ターボ過給機は、タービンホイールがタービンスクロール上流の排気路の延長線上に突出して配置されるタイプであり、上記各プライマリ排気通路は上記ターボ過給機のタービンスクロール内周側に接続されることを特徴とする請求項１記載の過給機付きエンジンの排気装置。
3. 上記セカンダリ排気ポートは、排気バルブの作動を停止可能とする弁停止機構もしくは排気バルブのリフト量を可変にする弁リフト量可変機構のいずれかを用いて排気ガス排出量を制限可能とすることを特徴とする請求項１又は２記載の過給機付きエンジンの排気装置。

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