JP2010209782A - 多気筒エンジンの排気システムの制御方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な手法によって排気ターボ式過給機の駆動を効率的に行なう。
【解決手段】３本以上の独立分岐通路１６ａ〜１６ｄの下流側同士が集合された集合部３１ｃの下流側に、排気ターボ式過給機５０が配設される。集合部３１ｃの上流側に可変絞り弁３０が配設される。可変絞り弁３０が該所定開度以上のときに、連通路４１によって、吸気行程での吸・排気弁のオーバラップ期間と排気行程での排気弁の開弁期間が互いに重なる気筒間での前記各独立分岐通路同士が連通される。可変絞り弁３０が所定開度未満のときは、連通路４１が遮断される。排気通路中の酸素濃度に関する値が所定値未満のときは、可変絞り弁３０を閉弁させて連通路４１を遮断する一方、検出された排気通路中の酸素濃度に関する値が所定値以上のときは可変絞り弁３０が所定開度以上とされる（後燃焼の実行）。
【選択図】 図８

Description

本発明は、多気筒エンジンの排気システムの制御方法およびその装置に関するものである。

排気ターボ式過給機を備えたエンジンにおいては、複数気筒からの排気ガスが排気マニホールドを介して集合部に集合されて、この集合部の下流側に排気ターボ式過給機が配設される。排気ターボ式過給機を効率よく作動させるためには、排気ポートから排出された直後の勢いの強い排気ガスつまりブローダウンガスを、その勢いを極力弱めることなく排気ターボ式過給機に供給することが好ましいものとなる。

特許文献１には、排気マニホールドの独立分岐通路同士が集合される集合部の下流側に排気ターボ式過給機を配設したものにおいて、集合部に、排気ガスの流れを集合部の中心側に向けて偏向させるノズル弁を設けて、排気ターボ式過給機に排気ガスが極力勢いよく供給されるようにしたものが提案されている。また、レーシング用エンジンにおいては、排気ターボ式過給機を極力高回転状態に維持するために、例えば減速時において排気通路内に燃料噴射を行なうことにより排気通路内で燃焼を行わせることも実行されている。
特開２００７−２３１７９１号公報

ところで、排気ターボ式過給機の上流側の排気通路は、互いに異なる気筒に連なる複数の独立分岐通路に分岐されているが、ある独立分岐通路に排出された排気ガスが、他の独立分岐通路に向けて流れることにより膨張されてしまって、排気ターボ式過給機へ供給される排気ガスの勢いが低減されてしまい、この分排気ターボ式過給機を効率よく作動させることが難しくなる。特許文献１に記載のものでは、集合部に供給される排気ガスを排気ターボ式過給機に向かうように集中させる作用を有するものの、ある独立分岐通路からの排気ガスが他の独立分岐通路へ流れてしまうことを阻止することまでは難しいものとなる。また、排気通路内に燃料噴射を行うものにあっては、レーシング用という特別なエンジンであって、乗用車用や商用車用という一般的なエンジン用としては採用しがたく、また排気通路に燃料噴射を行うために構造も複雑になってしまうことになる。

本発明は以上のような事情を勘案してなされたもので、その目的は、簡単な手法によって排気ターボ式過給機の駆動を効率的に行えるようにした多気筒エンジンの排気システムの制御方法およびその装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明方法にあっては次のような解決手法を採択してある。すなわち、特許請求の範囲における請求項１に記載のように、
互いに異なる排気ポートに連なると共に互いに独立した３本以上の独立分岐通路と、
前記各独立分岐通路の下流側同士が集合された集合部と、
前記集合部の下流側に配設された排気ターボ式過給機と、
前記集合部の上流側において前記各独立分岐通路の開口面積を変更して絞り部を形成するための可変絞り弁と、
前記可変絞り弁が該所定開度以上のときに吸気行程での吸・排気弁の開弁期間がオーバラップするオーバラップ期間と、排気行程での排気弁の開弁期間が互いに重なる気筒間での前記各独立分岐通路同士を連通をさせる一方、該可変絞り弁が所定開度未満のときに各独立分岐通路同士の連通が遮断される連通路と、
を備えた多気筒エンジンの排気システムの制御方法であって、
排気通路中の酸素濃度に関する値を検出する第１ステップと、
エンジンの所定運転領域において、前記第１ステップで検出された排気通路中の酸素濃度に関する値が所定値未満のときは、前記可変絞り弁を閉弁させて前記連通路を遮断する第２ステップと、
前記所定運転領域において、前記第１ステップで検出された排気通路中の酸素濃度に関する値が前記所定値以上のときは、前記可変絞り弁を前記所定開度以上として、前記連通路を介しての排気ガスと掃気ガスとの混合による後燃焼を実行させる第３ステップと、
を備えているようにしてある。

上記解決手法によれば、可変絞り弁を閉弁することによって形成される絞り部によって、排気のエゼクタ効果（吸い出し効果）を得ることができる。すなわち、ある独立分岐通路に排出された排気ガスは、その絞り部を通過することによって流速が速められて、勢いよく排気ターボ式過給機側へ向けて流れることになる。そして、絞り部を排気ガスが通過する際に、他の独立分岐通路内を吸引する吸い出し効果が発揮されて、ある独立分岐通路からの排気ガスが他の独立分岐通路へ膨張されることなく排気ターボ式過給機へダイレクトに供給されることになる。特に、排気ポートが開いた直後の勢いの強い排気ガスつまりブローダウンガスによって上記吸い出し効果が高められることになる。また、上記吸い出し効果によって、ある気筒から排出される排気ガスによって、他の気筒の掃気が良好となって当該他の気筒の充填効率も高められることになる（１０〜２０％の充填効率向上）。さらに、排気の脈動を利用した動圧過給を得る場合に、ある独立分岐通路を流れる排気ガスが他の独立分岐通路へ流れる（膨張する）ことが防止されるので、排気通路容積が小さくしたのと同様の効果を得て、動圧過給の効果を高めることができる（勢いの強いブローダウンガスによる瞬時流量を排気ターボ式過給機に効果的に供給できる）。以上のことから、総合して、エンジントルク特に低速時でのエンジントルクを大きく向上させることができる。

以上に加えて、排気通路内の酸素濃度に関する値が所定値以上のとき、つまり排気ガスと掃気ガスとの混合によって排気通路内で後燃焼が期待できるときは、可変絞り弁を所定開度以上の開度として、ある気筒からの排気ガス中の未燃成分と別の気筒からの掃気ガス（中の酸素）との混合による後燃焼を行わせて、この後燃焼の燃焼エネルギによって排気ターボ式過給機をより効率的に作動させることができる（すみやかな回転数上昇を得ることができる）。勿論、排気ガスと掃気ガスとの混合による後燃焼であるので、排気通路内に別途燃料噴射を行う場合に比して構造も極めて簡単となる。

上記解決手法を前提とした好ましい態様は、特許請求の範囲における請求項２以下に記載のとおりである。すなわち、
排気ガスの温度に関する値を検出する第４ステップと、
前記所定値を前記第４ステップで検出される排気ガス温度に関する値が高いほど小さい値に設定する第５ステップと、
をさらに有している、
ようにしてある（請求項２対応）。この場合、排気ガス温度が高いほど低い酸素濃度での後燃焼が可能となるので、排気温度が高いほど相対的に低い酸素濃度でも後燃焼を実行させるようにして、後燃焼を利用した排気ターボ式過給機の駆動を行う機会を拡大することができる。

前記第３ステップでは、前記可変絞り弁が、前記連通路を開くために必要な最小開度とされる、ようにしてある（請求項３対応）。この場合、後燃焼を行わせつつ、吸い出し効果も十分に得て、排気ターボ式過給機を効率的に作動させる上でより好ましいものとなる。

前記所定運転領域が、前記排気ターボ式過給機におけるウエストゲートバルブが開弁されるときのエンジン回転数以下の低回転領域とされている、ようにしてある（請求項４対応）。この場合、ウエストゲートバルブが開弁される前の低回転領域において、後燃焼を利用した排気ターボ式過給機の駆動を効率的に行なうことができる。なお、ウエストゲートバルブが開弁されるような高回転領域では、排気ターボ式過給機が十分に駆動されているので、後燃焼を利用した駆動補助の制御はもはや必要のないものとなる。

吸気圧に関する値を検出する第６ステップをさらに有し、
前記第３ステップでは、前記第６ステップで検出される吸気圧に関する値が大気圧以上となったことを条件として、前記可変絞り弁を前記所定開度以上とする、ようにしてある（請求項５対応）。この場合、排気ターボ式過給機による過給は、吸気圧が大気圧にまで上昇した後に遅れて効いてくるので、吸気圧が大気圧未満のときは連通路を閉じておくことにより吸い出し効果を最大限引き出すことによって排気ターボ式過給機の駆動を効率的に行い、吸気圧が大気圧になった時点から後燃焼による排気ターボ式過給機の駆動を行なうことにより、排気ターボ式過給機のすみやかな回転数上昇を得ることができる。

前記目的を達成するため、本発明装置にあっては次のような解決手法を採択してある。すなわち、特許請求の範囲における請求項６に記載のように、
互いに異なる排気ポートに連なると共に互いに独立した３本以上の独立分岐通路と、
前記各独立分岐通路の下流側同士が集合された集合部と、
前記集合部の下流側に配設された排気ターボ式過給機と、
前記集合部の上流側において前記各独立分岐通路の開口面積を変更して絞り部を形成するための可変絞り弁と、
前記可変絞り弁が該所定開度以上のときに吸気行程での吸・排気弁の開弁期間がオーバラップするオーバラップ期間と、排気行程での排気弁の開弁期間が互いに重なる気筒間での前記各独立分岐通路同士を連通をさせる一方、該可変絞り弁が所定開度未満のときに各独立分岐通路同士の連通が遮断される連通路と、
を備えた多気筒エンジンの排気システムの制御装置であって、
排気通路中の酸素濃度に関する値を検出する酸素濃度検出手段と、
前記酸素濃度検出手段からの出力を受け、前記可変絞り弁を開閉制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、エンジンの所定運転領域において、前記酸素濃度検出手段で検出された酸素濃度に関する値が所定値未満のときは前記可変絞り弁を閉弁させて前記連通路を遮断する一方、該酸素濃度検出手段で検出された排気通路中の酸素濃度に関する値が該所定値以上のときは該可変絞り弁を前記所定開度以上として前記連通路を介しての排気ガスと掃気ガスとの混合による後燃焼を実行させるように設定されている、
ようにしてある。上記解決手法によれば、請求項１に記載の制御方法を実行する装置が提供される。

本発明によれば、排気ガスによる吸い出し効果に加えて、排気ガスと掃気ガスとの混合による後燃焼とを利用するという簡単な手法によって、排気ターボ式過給機を効率よく作動させることができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係るエンジンの過給装置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。この図１、図２において、エンジン１は直列４気筒の火花展開式とされた４サイクルエンジンである。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）が一直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。そして吸気ポート６を開閉する吸気バルブ７と排気ポート８を開閉する排気バルブ９とが設けられている。さらに燃焼室４の頂部には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。

各気筒３の排気ポート８には、第１〜第４排気通路１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄが接続されている。図１に示すように、そのうちの第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。第１〜第４排気通路１６ａ〜１６ｄ及び補助集合排気通路１６ｂｃは全体として排気マニホールド１６を構成する。

つまり排気マニホールド１６は、上流側においては４つの独立排気通路を有し（第１〜第４気筒３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ）、下流側においては３つの独立排気通路（第１，第４排気通路１６ａ，１６ｄ及び補助集合排気通路１６ｂｃ）を有する構成されている。以下の説明では、特記する場合を除き、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。

排気マニホールド１６の下流側にはハウジング３１が接続されている。ハウジング３１の内部上流側（排気マニホールド１６との接続部付近）には可変絞り弁３０が設けられている。またハウジング３１は、可変絞り弁３０より下流側において、上記３つの独立排気通路が集合する集合部３１ｃを形成する。

可変絞り弁３０は、上記３つの独立排気通路１６ａ，１６ｂｃ，１６ｄの各通路断面積を、その独立状態を維持しつつ変更するバルブであって、弁体としてのフラップ３５やこれを駆動するアクチュエータ３８等を備える。詳細構造は図５等を参照して後述する。

図１に示すように、ハウジング３１（集合部３１ｃ）の下流側には、排気ターボ式過給機５０のハウジング５１、詳しくはそのタービンノズルが接続されている。排気ターボ式過給機５０は周知の過給機であって、排気通路６０に設けられたタービン５４と吸気通路に設けられたコンプレッサ５２とをシャフト５３で連結したものであり、排気Ｗｅでタービン５４を回転させることによりコンプレッサ５２を駆動し、吸気Ｗｉを圧縮して吸気圧を上昇させる。また排気通路６０には、タービン５４をバイパスするウエスト通路６１と、ウエスト通路６１を開閉するウエストゲートバルブ６２とが設けられている。

なお、本実施形態の排気ターボ式過給機５０は、主に高回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に示すタービン部のノズル面積Ａと、タービン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式過給機５０は、一般的な大型ターボと比較して、タービン径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。

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（バルブタイミング変更手段）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及び排気バルブ９の開弁期間を維持したまま、バルブタイミング（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良い。

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。

また図１に示すように、エンジン１の動作を電気的に制御するＥＣＵ（Engine ControlUnit）２０が設けられている。ＥＣＵ２０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。ＥＣＵ２０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の駆動制御やウエストゲートバルブ６２の開閉制御を行う。

さらにＥＣＵ２０は、可変絞り弁３０を駆動制御する可変絞り弁制御手段としても機能する。具体的にはＥＣＵ２０は、少なくとも過給領域の所定の低回転領域（ウエストゲートバルブ６２が開き始めるインターセプトポイントより低回転領域）において、後述するように、可変絞り弁３０によって独立排気通路１６ａ，１６ｂｃ，１６ｄの各通路断面積を最大面積時（可変絞り弁３０が開弁状態）よりも縮小させる独立排気絞り制御を実行する。

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１８０度（以下１８０度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（排気行程順序とも言える）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。すなわち、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。

図２に示す状態においては、第１気筒３ａは膨張行程から排気行程への移行期（下死点付近）にある。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）。このとき第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、いわゆるオーバーラップ期間が設けられている。より具体的には、後述する排気通路の絞り作用や後燃焼を行う運転状態では、各気筒において、排気バルブ８は膨張行程下死点前に開弁されると共に吸気行程上死点後に閉弁され、また吸気バルブ７は吸気上死点前に開弁される。吸気弁７と排気弁９とがそれぞれ開弁するオーバラップ期間は、エンジンの低回転領域では最小に設定され、エンジン回転数が所定回転数以上の高回転のときは最大とされ、この最小と最大との間の回転数域では、エンジン回転数の増大に応じて大きくされる。なお、オーバラップ期間を大きくするには、吸気弁７の開弁時期を早めることと排気弁９の閉弁時期を遅くすることの少なくとも一方を行うようにすればよい。

図３は排気マニホールド１６とハウジング３１の外観斜視図である。また図４は排気マニホールド１６の下流側部分斜視図である。また図５は可変絞り弁３０の要部斜視図である。また図６は排気マニホールド１６及びハウジング３１の縦断面図であって、可変絞り弁３０が開弁状態にある状態を示す図である。図７は図６と同様の断面図であって、可変絞り弁３０が開弁状態にある状態を示す図である。図８は図６と同様の断面図であって、可変絞り弁３０が後述する連通路４１を開く最小開度にある状態を示す図である。図９は図６のＸ９−Ｘ９線断面図である。以下これらの図を参照して排気マニホールド１６とハウジング３１、特にハウジング３１内の可変絞り弁３０について説明する。

図３に示すように、排気マニホールド１６の上流端にはフランジ１６ｅが設けられ、エンジン１の図略のシリンダヘッドに固定されている。このフランジ１６ｅに４本の排気通路、すなわち第１，第２，第３，第４排気通路１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄが接続されている。フランジ１６ｅ部において、各排気通路はφ３６ｍｍの円形断面を有する。

第１排気通路１６ａは、１列に並ぶ気筒３の一端側に配置された第１気筒３ａの排気ポート８に接続される。第４排気通路１６ｄは他端側に配置された第４気筒３ｄの排気ポート８に接続される。第２排気通路１６ｂ及び第３排気通路１６ｃは、中央側の第２気筒３ｂ及び第３気筒３ｃの排気ポート８にそれぞれ接続される。

図４に示すように、第１排気通路１６ａ及び第４排気通路１６ｄは、その全長に亘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、その下流端直前で互いに集合され、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本の独立排気通路（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。これらは補助集合排気通路１６ｂｃを第１排気通路１６ａと第４排気通路１６ｄが両側から挟むように、浅い角度で（略平行が望ましい）並列配置されている。

排気マニホールド１６の下流端であるマニホールド出口１７において上記３本の独立排気通路が開口している。すなわち第１排気通路１６ａの第１開口部１７ａ、補助集合排気通路１６ｂｃの補助集合開口部１７ｂｃおよび第４排気通路１６ｄの第４開口部１７ｄが、この順に一直線上に配置されている。各開口部１７ａ，１７ｂｃ，１７ｄの開口面積は、約３８０〜６１６ｍｍ²の範囲内で互いに略等しくなるように構成されている。この面積はφ２２〜φ２８ｍｍの円形断面積に相当する。またこれは、各排気通路１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄのマニホールド入口部の面積（φ３６ｍｍ相当）に対して面積比で３７〜６１％となっている。

第１排気通路１６ａと第４排気通路１６ｄ、及び第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とは略等しい。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とは略等しく、これらと補助集合通路容積Ｖｂｃ（第２排気通路１６ｂ単独の部分及び第３排気通路１６ｃ単独の部分を含む）とも略等しくなるように構成されている。

動圧過給を得るには、排気脈動（のピーク値）を大きくすればよく、大きな排気脈動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４に示す第１通路容積Ｖａ（≒第４通路容積Ｖｄ≒補助集合通路容積Ｖｂｃ）を小さくすれば良い。そして、通路断面積を小さくすると排気抵抗が増大して望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良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の排気マニホールド入口における通路径Ｄ１（図６に示す）の６倍以下とすることが望ましい。本実施形態では上述のように径Ｄ１＝φ３６ｍｍ、長さＬａ≦２００ｍｍであるから、この条件を満たしている。従って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及び補助集合通路容積Ｖｂｃの各通路容積は、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及び補助集合通路容積Ｖｂｃの容積が互いに略等しいので、これらの問題がなく、吸い出し効果（エゼクタ効果）の利点をより効果的に得ることができる。

図６に示すように、排気マニホールド１６のマニホールド出口１７にハウジング３１が接続されている。ハウジング３１は、上流側においては可変絞り弁３０のフラップ３５を支持し、収納するバルブハウジングとして機能し、それより下流側においては、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を形成する。

可変絞り弁３０は、排気Ｗｅの流れに交差する方向に設けられ、ハウジング３１に支持されたフラップ軸３７と、フラップ軸３７まわりに旋回可能とされた弁体としてのフラップ３５と、ＥＣＵ２０からの制御信号（可変絞り弁３０の開度指令）に基づいてフラップ軸３７を回転させるアクチュエータ３８（モータ等）と、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とを含む。フラップ３５は、フラップ軸３７視でフラップ軸３７を扇の要とする扇形断面の扇状面３６を有する。扇状面３６の内側は空洞とされ、軽量化が図られている。

図６に示すように、ハウジング３１には上方に膨出する膨出部３１ｂが形成されており、膨出部３１ｂの内側にフラップ３５が格納された状態（図６に示す状態）が可変絞り弁３０の開弁（全開）状態である。可変絞り弁３０が全開のとき、図６に示すように、マニホールド出口１７からハウジング３１内に導入された排気Ｗｅはフラップ３５（可変絞り弁３０）で絞られることなく集合部３１ｃに導かれる。

一方フラップ３５がフラップ軸３７を中心に回転駆動され、膨出部３１ｂよりも内側に最も侵入した状態（図７に示す状態）が可変絞り弁３０の閉弁（全閉）状態である。フラップ３５は、アクチュエータ３８によって全閉状態と全開状態との間で適宜開度調節される。

可変絞り弁３０が全閉のとき、図７に示すように、フラップ３５の扇状面３６が流路の一部を遮るので排気通路断面積が縮小される。従ってマニホールド出口１７からハウジング３１内に導入された排気Ｗｅは可変絞り弁３０によって絞られた後、集合部３１ｃに導かれる。

なお図６〜図８に示すように、ハウジング３１の上流側には仕切板３２が設けられている。仕切板３２は排気Ｗｅの流れに沿って（平行に）立設され、またフラップ軸３７方向に離間して２枚設けられている。２枚の仕切板３２のうち一方は、マニホールド出口１７との合わせ部において第１開口部１７ａと補助集合開口部１７ｂｃとを仕切る壁面から連続するように立設されてハウジング３１内を仕切り、他方は、補助集合開口部１７ｂｃと第４開口部１７ｄとを仕切る壁面から連続するように立設されてハウジング３１内を仕切る。すなわち、仕切板３２に沿って排気Ｗｅが流れる区間では、２枚の仕切板３２によって各独立排気通路１６ａ，１６ｂｃ，１６ｄの独立状態及び並列状態が維持されている。

そして各仕切板３２の各後縁３２ａは、可変絞り弁３０が閉弁状態にあるときのフラップ３５の扇状面３６に沿うように成形されている。従って、排気Ｗｅがフラップ３５で絞られる際には、上記独立状態及び並列状態が維持された状態で絞られる。

また集合部３１ｃは、仕切板３２の後縁３２ａより下流側に形成される。

ハウジング３１の下流端側にはフランジ３１ａが設けられ、排気ターボ過給機５０のハウジング５１と接合されている。なお排気ターボ過給機５０のレイアウトの都合上、ハウジング３１は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良い。

図６〜図９に示すように、ハウジング３１内にはハウジング３１の曲げ方向に沿った導流板３３が設けられている。導流板３３は、仕切板３２を通過した排気Ｗｅを、ハウジング３１の曲がりに沿って円滑に流れるように導く。特に、図７に示すように、導流板３３は可変絞り弁３０が閉弁状態のとき、仕切板３２を通過した排気Ｗｅをハウジング３１と導流板３３とが囲むように配置されている。

また図６〜図９に示すように、ハウジング３１内の集合部３１ｃには、ハウジング３１の曲げ外側壁面から内側に立設するように整流ガイド３４が設けられている。整流ガイド３４は排気Ｗｅの流れに沿って（平行に）立設され、またフラップ軸３７方向に離間して２枚設けられている。また各整流ガイド３４は、各仕切板３２とそれぞれ略同一平面上に設けられている。整流ガイド３４の、ハウジング３１の曲げ方向内側には導流板３３との間に隙間が設けられている。後に詳述するが、整流ガイド３４は、排気方向に交差する方向（図６や図７の紙面に平行でない方向）の旋回流を規制するために設けられている。

ここで、フラップ３５の扇状面３６に排気圧力が作用したとき、この排気圧力Ｐｅは扇状面３６に対して垂直に、つまりフラップ軸３７のラジアル方向に作用するため、理論上回転モーメントが発生しない（合力としてフラップ軸３７にラジアル荷重が作用する）。従って排気脈動が大きくてもフラップ３５のバタツキが起こり難く、それを防止するためのアクチュエータ３８の大型化やリターンスプリング３９の大型化も不要となる。その結果、可変絞り弁３０を、確実な動作を図りつつ小型化することができる。

前記導流板３３の上流側端部の上面側には、図６〜図８に示すように、フラップ３５の長手方向つまりフラップ軸３７の軸線に延びる連通路４１が形成されている。この連通路４１は、導流板３３の上面から突出された通路構成用用の突起部４２によって構成されている。すなわち、突起部４２は、一端上方に延びた後、前方（排気通路の上流側）に向けて延びている。そして、連通路４１は、その前方開口部が開かれた状態では、各独立排気通路１６ａと１６ｂｃと１６ｄに開口されて、各独立排気通路１６ａと１６ｂｃと１６ｄとを連通する。フラップ３５が閉弁状態にある図７に示す状態では、その前方開口部が閉じられて、連通路４１を介しての各独立排気通路１６ａと１６ｂｃと１６ｄの連通は遮断される。また、フラップ３５が図６に示す開弁状態とされると、その前方開口部が開かれて、連通路４１を介して３つの独立排気通路１６ａと１６ｂｃと１６ｄとが互いに連通されることになる。図８は、フラップ３５が、連通路４１を開く最小開度のときを示し、この最小開度のときは、フラップ３５による絞り作用と連通路４１を介した各独立排気通路１６ａと１６ｂｃと１６ｄの連通状態とが共に確保される状態となる。そして、図８の状態からフラップ３５の開度が大きくなるにつれて、その絞り作用が低減されていくことになる。

フラップ３５（用のアクチュエータ３８）の駆動制御のために、図１に示すように、ＥＣＵ２０には、各種センサＳ１〜Ｓ４からの信号が入力される。センサＳ１は、エンジン回転数を検出するものである。センサＳ２は、吸気圧（コンプレッサ５２下流側の吸気通路内の圧力）を検出するものである。センサＳ３は、排気通路中の酸素濃度を検出するものである。センサＳ４は、排気ガスの温度を検出するものである。上記センサＳ３、Ｓ４は、例えば集合部３１ｃやタービン５４下流でかつ図示を略す排気ガス浄化触媒上流の排気通路に設けることができる。

図１０はＥＣＵ２０による制御例を示すタイムチャートであり、（ａ）はスロットル開度の変化を示し、（ｂ）は吸気弁７と排気弁９とがそれぞれ開弁されるオーバラップ期間の変化を示し、（ｃ）は可変絞り弁３０（フラップ３５）の開度変化を示し、（ｄ）は吸気圧の変化を示し、（ｅ）は酸素濃度の変化を示す。また、図１１は図１０の制御を実行するためのフローチャートである。

図１０に示す制御例では、制御しきい値として、所定回転数Ｎ２と、所定酸素濃度ＯＢと、所定吸気圧力Ｐ１とが設定される。所定回転数Ｎ２は、ウエストゲートバルブ６２が開弁されるエンジン回転数（インターセプト回転数で、例えば２０００ｒｐｍ）である。実際のエンジン回転数が所定回転数Ｎ２よりも高回転のときは、多量の排気ガスを効率よく排出するために、フラップ３５は図６に示す全開状態とされる。

実際のエンジン回転数が、所定回転数はＮ２以下の低回転領域では、センサＳ３で検出される酸素濃度が所定酸素濃度ＯＢ以上であり、かつセンサＳ２で検出される吸気圧が所定吸気圧Ｐ１（実施形態では大気圧）以上のときに、後燃焼が可能であり、しかも後燃焼を利用した排気ターボ式過給機の効率的な駆動が得られるときであるとして、フラップ３５が図８に示す連通路４１を開く最小開度とされて、吸い出し効果に加えて後燃焼を得る状態とされる。そして、所定酸素濃度ＯＢは、センサＳ４で検出される排気温度が高いほど低く設定される。

実際のエンジン回転数が所定回転数Ｎ２以下であっても、吸気圧が所定吸気圧Ｐ１未満のとき、あるいは酸素濃度が所定酸素濃度ＯＢ以下のときは、フラップ３５が図７に示す全閉状態とされて、もっぱら吸い出し効果を利用した制御とされる。

また、フラップ３５が連通路４１を開く最小開度の場合は、ある気筒の膨張行程終期からその排気バルブ９が開弁されて排気行程で排気ガスが独立通路に排出される一方、そのときに吸気バルブ７と排気バルブ９とが開弁されている気筒からは上記排気ガスによる吸い出し効果によって掃気されて、掃気ガス（酸素）が独立通路に排出され、上記排気ガスが連通路４１を通って掃気気筒の掃気ガスと混合されることによって生じる燃焼が後燃焼となる。なお、後燃焼が行われる関係となる気筒は、実施形態の場合は次のようになる。すなわち、図１７に示すように、１番気筒＃１（排気）と２番気筒＃２（吸気）、３番気筒＃３（排気）と１番気筒＃１（吸気）、４番気筒＃４（排気）と３番気筒＃３（吸気）、２番気筒＃２（排気）と４番気筒＃４（吸気）となる。

図１０について詳しく説明すると、まず、低回転領域においてフラップ３５が全閉とされたｔ１時点において、スロットル開度が大きく開かれ、これに応じてエンジン回転数が上昇されていく。そして、エンジン回転数の上昇に応じて、吸気弁７と排気弁９とがそれぞれ開弁されるオーバラップ期間が大きくされていく。エンジン回転数の上昇に応じて排気ターボ式過給機５０の回転数も上昇するが、ｔ２時点までは、吸気圧力が大気圧未満であるため、もっぱら自然吸気（ＮＡ）状態での回転数増大となる。

ｔ２時点は、吸気圧力が大気圧になった時点であり、このｔ２時点の前の状態では、もっぱら吸い出し効果を利用した排気ターボ式過給機の駆動となる。また、ｔ２時点以後であっても、酸素濃度が所定酸素濃度ＯＢ未満であるときは、フラップ３５は全閉のままとされる。

ｔ３時点は、酸素濃度が所定酸素濃度ＯＢ以上となったときであり、このときは、フラップ３５が、連通路４１を開く最小開度とされて、後燃焼と吸い出し効果とによる排気ターボ式過給機５０の駆動状態となる。

ｔ４時点は、エンジン回転数が所定回転数Ｎ２よりも大きくなった時点であり、このｔ４以後は、フラップ３５は全開とされる（多量の排気ガスの効率的な排出を優先した制御）。

前述したようなＥＣＵ２０による制御を具体的に示すのが図１１のフローチャートである。以下このフローチャートについて説明するが、以下の説明でＱはステップを示す。まず、図１１のＱ１において、各センサＳ１〜Ｓ４からの信号が読み込まれる。すなわち、読み込まれたエンジン回転数がＮとされ、読み込まれた酸素濃度がＯＸとされ、読み込まれた吸気圧がＰとされ、読み込まれた排気温度がＴとされる。

この後、Ｑ２において、実際のエンジン回転数Ｎが所定回転数Ｎ２以下であるか否かが判別される。このＱ２の判別でＮＯのときは、Ｑ３において、フラップ３５が図６に示す全開とされる（多量の排気ガスの効率的な排出で、後燃焼なし、吸い出し効果なし）。

前記Ｑ２の判別でＹＥＳのときは、Ｑ４において、排気温度Ｔに応じて、所定酸素濃度ＯＢが設定される。この所定酸素濃度ＯＢは、排気温度Ｔが高いほど低い値に設定されるが、所定の上限値と下限値との範囲の値に設定される。

上記Ｑ４の後、Ｑ５において、実際の吸気圧Ｐが所定吸気圧Ｐ１（実施形態では大気圧）以上であるか否かが判別される。このＱ５の判別でＹＥＳのときは、Ｑ６において、実際の酸素濃度ＯＸが所定酸素濃度ＯＢ以上であるか否かが判別される。このＱ６の判別でＹＥＳのときは、Ｑ７において、フラップ３５が、図８に示す連通路４１を開く最小開度とされる（後燃焼有り＋吸い出し効果有り）。

前記Ｑ５の判別でＮＯのとき、あるいはＱ６の判別でＮＯのときは、それぞれ、Ｑ８において、フラップ３５が図７に示す全閉状態とされる（後燃焼なし＋吸い出し効果有り）。

図１２，図１３は、本発明の第２の実施形態を示すもので、前記第１の実施形態と同一構成要素には同一符合を付してその重複した説明は省略する（このことは以下の第３の実施形態についても同じ）。また、図１２は図７に対応し、図１３は図８に対応している。

本実施形態では、連通路４５（前記実施形態における連通路４１に対応）を、フラップ３５に形成してある。すなわち、フラップ３５の扇状面に開口された凹部を形成することによって連通路４５が構成されている。この連通路４５は、フラップ軸３７の軸線方向に延びている。そして、図１２に示すように、フラップ３５が全閉状態のときは、連通路４５が導流板３３によって塞がれた状態となる（各独立排気通路１６ａ、１６ｂｃ、１６ｄは、連通路４５を介しては互いに遮断されている状態）。

図１２の状態から、フラップ３５を若干開弁方向に回動させると、図１３に示すように連通路４５が開かれて、各独立排気通路１６ａと１６ｂｃと１６ｄとは互いに連通されることになる（排気ガスと掃気ガスとが混合される状態）。なお、フラップ３５の全開状態は図示を略すが、図６に対応した状態とされる。

図１４〜図１６は、本発明の第３の実施形態を示すものであり、図６〜図８に対応した簡略断面図である。図１４〜図１６においては、仕切板３２を省略して描かれているが、図６〜図８に示す場合と同様に仕切板３２を有するものである。本実施形態では、連通路４７（連通路４１あるいは４５に対応）を、実質的に、導流板３３の直上流部分において構成するようにしてある。すなわち、集合部３１ｃからその下流側の排気通路のうち、導流板３３で画成された一方の通路が第１通路７１として示され、他方の通路が第２通路７２として示される。第１通路７１は、フラップ３５によって開閉される一方、第２通路７２は常時開口されている。そして、フラップ３５によって開閉される第１通路７１に、開閉弁７３が配設されている。

図１４は、フラップ３５によって第１通路７１が閉じられたときである（開閉弁７３は閉弁されているが、開弁されていても同じ）。図１５は、フラップ３５が、全閉状態からわずかに開弁方向に駆動された状態であり、この状態では、導流板３３の直上流側部分において、第１通路７１と第２通路７２との上流側部分同士が連通される連通路４７が構成されることになる。図１６は、フラップ３５が全開とされた状態である。

以上実施形態について説明したが、本発明は、実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載された範囲において適宜の変更が可能であり、例えば次のような場合をも含むものである。４気筒以外の多気筒エンジンにおいても同様に適用し得る。例えば、３気筒エンジンの場合は、各分岐管１６ａ、１６ｂｃ、１６ｄが、それぞれ異なる１つの気筒のみに連通されるようにすればよい。又、例えば６気筒エンジン（直列６気筒、Ｖ型６気筒）においては、排気ターボ式過給機５０を３気筒毎に１つづつ設けて、合計２個の排気ターボ式過給機５０を設けることによって対応することができる（排気通路構造は、３気筒エンジン用のものが２組構成される）。８気筒エンジン、特にＶ型８気筒エンジンにおいては、排気ターボ式過給機５０を１つのバンク毎（４気筒毎）に１つづつ設けて、合計２個の排気ターボ式過給機５０を設けることによって対応することができる（排気通路構造は、４気筒エンジン用のものが２組構成される）。

可変絞り弁としては、扇状面を有するものに限らず、例えば揺動される板状のもの等、適宜の種類のものを用いることができる。エンジンとしては、火花点火式エンジンに限らず、ディーゼルエンジンで代表される圧縮着火式エンジンであってもよく、また往復動式に限らずロータリピストンエンジンであってもよい。
所定回転数Ｎ２よりも若干低回転数となる所定回転数Ｎ１に設定するようにしてもよく（Ｎ２を例えば２０００ｒｐｍとしたとき、Ｎ１は例えば１７００ｒｐｍ）、この場合、エンジン回転数がＮ１とＮ２との間にあるときは、フラッップ３５を、エンジン回転数の増大に応じて連通路４１（４５、４７）を開いている最小開度状態から徐々に全開とするようにしてもよい（後燃焼と吸い出し効果とをエンジン回転数に応じてバランスよく得るようにする）。エンジン回転数、酸素濃度、吸気圧、排気温度は、直接検出してもよいが、これらに関連した値から間接的に検出（算出）するようにしてもよい。フラップ３５の開閉制御に際して、吸気圧に基づく制御を行うことなく、酸素濃度を利用した制御を行うようにしてもよい（図１１に示すＱ５のステップを無くして、Ｑ４の後Ｑ６へ移行する制御としてもよい）。勿論、本発明の目的は、明記されたものに限らず、実質的に好ましいあるいは利点として表現されたものを提供することをも暗黙的に含むものである。

本発明の第１実施形態に係るエンジンの過給装置の概略構成図である。 図１の部分側断面図である。 排気マニホールドと可変絞り弁のハウジングの外観斜視図である。 排気マニホールドの下流側部分斜視図である。 可変絞り弁の要部斜視図である。 排気マニホールド及び可変絞り弁のハウジングの縦断面図であって、可変絞り弁が全開状態にある状態を示す図である。 図６と同様の断面図であって、可変絞り弁が全閉状態にある状態を示す図である。 図６と同様の断面図であって、可変絞り弁が連通路を開く最小開度状態にある状態を示す図である。 図６のＸ９−Ｘ９線相当断面図である。 本発明の制御例を示すタイムチャートである。 図１０に示す制御を行うためのフローチャートである。 本発明の第２の実施形態を示すもので、図７に対応した断面図である。 本発明の第２の実施形態を示すもので、図８に対応した断面図である。 本発明の第３の実施形態を示すもので、図７に対応した簡略断面図である。 本発明の第３の実施形態を示すもので、図８に対応した簡略断面図である。 本発明の第３の実施形態を示すもので、図６に対応した簡略断面図である。 各気筒の行程順と吸・排気弁が共に開弁するオーバラップ期間とを示す図。

１：エンジン
３：気筒
７：吸気バルブ
８：排気ポート
９：排気バルブ
１６：排気マニホールド
１６ａ，１６ｄ：第１，第４排気通路（独立排気通路）
１６ｂｃ：補助集合排気通路（独立排気通路）
２０：ＥＣＵ（制御手段）
３０：可変絞り弁
３１ｃ：集合部
３５：フラップ（弁体）
４１：連通路（図６〜図８）
４５：連通路（図１４，図１５）
４７：連通路（図１７）
７３：開閉弁（図１６〜図１８）
７４：連通路（図１６〜図１８）
５０：排気ターボ過給機
６２：ウエストゲートバルブ
７１：第１通路（図１６〜図１８）
７２：第２通路（図１６〜図１８）
Ｓ１：センサ（エンジン回転数）
Ｓ２：センサ（吸気圧）
Ｓ３：センサ（酸素濃度）
Ｓ４：センサ（排気温度）

Claims (6)

1. 互いに異なる排気ポートに連なると共に互いに独立した３本以上の独立分岐通路と、
   前記各独立分岐通路の下流側同士が集合された集合部と、
   前記集合部の下流側に配設された排気ターボ式過給機と、
   前記集合部の上流側において前記各独立分岐通路の開口面積を変更して絞り部を形成するための可変絞り弁と、
   前記可変絞り弁が該所定開度以上のときに吸気行程での吸・排気弁の開弁期間がオーバラップするオーバラップ期間と、排気行程での排気弁の開弁期間が互いに重なる気筒間での前記各独立分岐通路同士を連通をさせる一方、該可変絞り弁が所定開度未満のときに各独立分岐通路同士の連通が遮断される連通路と、
   を備えた多気筒エンジンの排気システムの制御方法であって、
   排気通路中の酸素濃度に関する値を検出する第１ステップと、
   エンジンの所定運転領域において、前記第１ステップで検出された排気通路中の酸素濃度に関する値が所定値未満のときは、前記可変絞り弁を閉弁させて前記連通路を遮断する第２ステップと、
   前記所定運転領域において、前記第１ステップで検出された排気通路中の酸素濃度に関する値が前記所定値以上のときは、前記可変絞り弁を前記所定開度以上として、前記連通路を介しての排気ガスと掃気ガスとの混合による後燃焼を実行させる第３ステップと、
   を備えていることを特徴とする多気筒エンジンの排気システムの制御方法。
2. 請求項１において、
   排気ガスの温度に関する値を検出する第４ステップと、
   前記所定値を前記第４ステップで検出される排気ガス温度に関する値が高いほど小さい値に設定する第５ステップと、
   をさらに有している、
   ことを特徴とする多気筒エンジンの排気システムの制御方法。
3. 請求項１または請求項２において、
   前記第３ステップでは、前記可変絞り弁が、前記連通路を開くために必要な最小開度とされる、ことを特徴とする多気筒エンジンの排気システムの制御方法。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、
   前記所定運転領域が、前記排気ターボ式過給機におけるウエストゲートバルブが開弁されるときのエンジン回転数以下の低回転領域とされている、
   ことを特徴とする多気筒エンジンの排気システムの制御方法。
5. 請求項４において、
   吸気圧に関する値を検出する第６ステップをさらに有し、
   前記第３ステップでは、前記第６ステップで検出される吸気圧に関する値が大気圧以上となったことを条件として、前記可変絞り弁を前記所定開度以上とする、ことを特徴とする多気筒エンジンの排気システムの制御方法。
6. 互いに異なる排気ポートに連なると共に互いに独立した３本以上の独立分岐通路と、
   前記各独立分岐通路の下流側同士が集合された集合部と、
   前記集合部の下流側に配設された排気ターボ式過給機と、
   前記集合部の上流側において前記各独立分岐通路の開口面積を変更して絞り部を形成するための可変絞り弁と、
   前記可変絞り弁が該所定開度以上のときに吸気行程での吸・排気弁の開弁期間がオーバラップするオーバラップ期間と、排気行程での排気弁の開弁期間が互いに重なる気筒間での前記各独立分岐通路同士を連通をさせる一方、該可変絞り弁が所定開度未満のときに各独立分岐通路同士の連通が遮断される連通路と、
   を備えた多気筒エンジンの排気システムの制御装置であって、
   排気通路中の酸素濃度に関する値を検出する酸素濃度検出手段と、
   前記酸素濃度検出手段からの出力を受け、前記可変絞り弁を開閉制御する制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、エンジンの所定運転領域において、前記酸素濃度検出手段で検出された酸素濃度に関する値が所定値未満のときは前記可変絞り弁を閉弁させて前記連通路を遮断する一方、該酸素濃度検出手段で検出された排気通路中の酸素濃度に関する値が該所定値以上のときは該可変絞り弁を前記所定開度以上として前記連通路を介しての排気ガスと掃気ガスとの混合による後燃焼を実行させるように設定されている、
   ことを特徴とする多気筒エンジンの排気システムの制御装置。

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