JP2014080897A

JP2014080897A - ターボ過給機付エンジン

Info

Publication number: JP2014080897A
Application number: JP2012228553A
Authority: JP
Inventors: Shuhei Tsujita; 周平辻田; Naoyuki Yamagata; 直之山形
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2012-10-16
Filing date: 2012-10-16
Publication date: 2014-05-08
Anticipated expiration: 2032-10-16
Also published as: JP5983285B2

Abstract

【課題】過給圧を抑制する過給圧制御をエンジンの高速域で適正に実行しつつ、エンジンの燃費性能を改善する。
【解決手段】エンジンは、タービン２２およびコンプレッサ２３を含むターボ過給機２０と、排気還流のためのＥＧＲ通路４５と、ＥＧＲ通路４５に設けられたＥＧＲ弁４７と、タービン２２をバイパスするバイパス通路４２と、バイパス通路４２に設けられたウェストゲート弁４３とを備える。インターセプト回転速度よりも高速側に設定された第１領域での運転時は、ＥＧＲ弁４７を開いてウェストゲート弁４３を閉じる第１の過給圧制御が実行され、上記第１領域よりも排気ガスの流量が多くなる第２領域での運転時は、ＥＧＲ弁４７およびウェストゲート弁４３の双方を開く第２の過給圧制御が実行される。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気通路を通過する排気ガスのエネルギーにより駆動されるタービンと、タービンにより駆動されて吸気通路内の空気を加圧するコンプレッサとを含むターボ過給機を備えたターボ過給機付エンジンに関する。

ターボ過給機は、エンジンから排出される排気ガスのエネルギーを利用してエンジンの高出力化を達成するものであり、従来から各種エンジンに広く採用されている。

上記ターボ過給機を採用したエンジンでは、エンジンの回転速度がある程度上昇した時点で過給圧が上限値に達するので、それ以降は、過給圧が上限値を超えないようにするための過給圧制御を実行する必要がある。

例えば、下記特許文献１に示されるターボ過給機付エンジンは、ターボ過給機のタービンをバイパスするバイパス通路と、バイパス通路に設けられたウェストゲート弁とを備えており、エンジンの回転速度がインターセプト回転速度（全負荷条件で過給圧が上限値に達するときの回転速度）を超えると、上記ウェストゲート弁が開かれて、排気ガスの一部がバイパス通路に流される。これにより、タービンに流入する排気ガスの量が減らされて、過給圧の上昇が抑制される。

また、特許文献１のエンジンは、エンジンの排気通路と吸気通路とを互いに連結するＥＧＲ通路と、ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲ弁とを備えている。上記インターセプト回転速度よりも高速側では、上記ウェストゲート弁が開かれる一方で、ＥＧＲ弁は閉じられる。これにより、上記ＥＧＲ通路を通じた排気ガスの流れが遮断され、排気ガスを排気通路から吸気通路に戻す操作（排気還流）が停止される。

特開２００７−３１５１７３号公報

ところで、上記特許文献１のように、インターセプト回転速度でウェストゲート弁を開き（且つＥＧＲ弁を閉じ）、それによってタービンに流入する排気ガス流量を抑制したとしても、その状態からエンジン回転速度がさらに上昇していけば、タービン上流の排気ガスの圧力（排気圧力）は徐々に増大していく。一方で、過給圧、つまり吸気通路の圧力は一定に維持されるから、エンジン回転速度が上昇するほど、過給圧に対する排気圧の増分が大きくなってしまう。このことは、ポンピングロスの増大を招き、燃費性能の悪化につながる。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、過給圧を抑制する過給圧制御をエンジンの高速域で適正に実行しつつ、エンジンの燃費性能を改善することが可能なターボ過給機付エンジンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するためのものとして、本発明は、排気通路を通過する排気ガスのエネルギーにより駆動されるタービンと、タービンにより駆動されて吸気通路内の空気を加圧するコンプレッサとを含むターボ過給機を備えたターボ過給機付エンジンであって、上記タービンよりも上流側の排気通路と吸気通路とを互いに連結するＥＧＲ通路と、上記ＥＧＲ通路に設けられた開閉可能なＥＧＲ弁と、上記タービンをバイパスするように上記排気通路に設けられたバイパス通路と、上記バイパス通路に設けられた開閉可能なウェストゲート弁と、上記ＥＧＲ弁およびウェストゲート弁の開閉動作を制御する制御手段とを備え、エンジン全負荷で上記コンプレッサの過給圧が予め定められた上限値に達するときのエンジン回転速度をインターセプト回転速度としたとき、上記制御手段は、上記インターセプト回転速度よりも高速側に設定された第１領域での運転時に、上記ＥＧＲ弁を開いてウェストゲート弁を閉じる第１の過給圧制御を実行し、上記第１領域よりも排気ガスの流量が多くなる第２領域での運転時に、上記ＥＧＲ弁およびウェストゲート弁の双方を開く第２の過給圧制御を実行する、ことを特徴とするものである（請求項１）。

本発明によれば、エンジン回転速度がインターセプト回転速度よりも上昇したときに、過給圧を抑制する過給圧制御として、まず、ＥＧＲ弁を開いてウェストゲート弁を閉じる第１の過給圧制御が実行される。ＥＧＲ弁が開かれると、排気ガスの一部がタービンの上流側からＥＧＲ通路に分流して吸気通路に戻されるため、タービンに流入する排気ガスの量が減り、過給圧の上昇が抑制される。しかも、ＥＧＲ通路に分流した排気ガスは、吸気通路に戻されるので、排気圧力と吸気圧力との差を小さくする役割を果たす。これにより、ポンピングロスが効果的に低減されて、燃費性能がより向上する。

ただし、上記のような第１の過給圧制御を、排気ガスの流量が最大限多くなるような条件でも継続して実行した場合には、吸気通路に戻される排気ガスの還流量が過大になり、燃焼安定性の低下（もしくは失火）等の問題を起こすことが懸念される。そこで、本発明では、上述した第１の過給圧制御の実行領域（第１領域）よりも排気ガスの流量が多くなる第２領域で、ＥＧＲ弁に加えてウェストゲート弁を開く第２の過給圧制御が実行される。これにより、排気ガスの一部がＥＧＲ通路を通じて吸気通路に戻されるとともに、別の排気ガスの一部がバイパス通路に流れる（つまりタービンをバイパスする）ので、吸気通路への排気ガスの還流量を過度に増やすことなく、タービンに流入する排気ガスの量を充分に減らすことができる。この結果、排気ガスの還流量が過大になって燃焼安定性が悪化するのを確実に防止しつつ、上限値を超えない範囲で過給圧を適正に制御することができる。

本発明において、好ましくは、上記インターセプト回転速度がエンジンの定格回転速度の１／３以上になるように上記ターボ過給機の緒元が設定されている（請求項２）。

このように、インターセプト回転速度を定格回転速度の１／３以上に設定した場合（つまりターボ過給機のタービンとして比較的大型のものを用いた場合）には、過給圧を抑制する過給圧制御が必要な速度域が、比較的狭い範囲に限定されることになる。このことは、過給圧の上昇を抑えるための最終手段としてウェストゲート弁が開かれる運転領域（つまり上述した第２の過給圧制御が実行される第２領域）がごく狭い範囲に限られることを意味する。このように、狭い運転領域でしかウェストゲート弁を開く必要がなくなるので、上記構成によれば、高速域でのポンピングロスの増大を最小限に抑えることができる。

上記構成において、より好ましくは、エンジンが複数の気筒を有する多気筒エンジンであり、１つの気筒もしくは排気順序が連続しない複数の気筒の各排気ポートに上流端部が接続された複数の独立排気通路と、各独立排気通路の下流端部どうしが１つに集合した排気集合部と、上記独立排気通路内を通る排気ガスの流通面積を可変的に設定する排気絞り弁とを備え、上記ターボ過給機のタービンは、上記排気集合部の下流側に配設されており、上記制御手段は、上記インターセプト回転速度よりも低速側に設定された第３領域での運転時に、上記排気絞り弁を閉じる独立排気絞り制御を実行する（請求項３）。

この構成によれば、インターセプト回転速度よりも回転速度の低い第３領域での運転時に、排気絞り弁を閉じることにより各独立排気通路内の流通面積を縮小させる独立排気絞り制御が実行されるので、排気弁の開弁直後に高速で排出される排気ガス（ブローダウンガス）の圧力ピーク値を高めることができる。これにより、ターボ過給機のタービンに作用する駆動力を高められるとともに（動圧過給効果）、排気のブローダウンに伴い排気集合部に発生する負圧を強めて、気筒内の残留ガスの掃気を促進することができる（エゼクタ効果）。そして、これらの効果の結果、エンジン低速域での過給能力を改善して、エンジントルクを充分に高めることができる。

ここで、ターボ過給機のタービンは、上述したように、インターセプト回転速度が定格回転速度の１／３以上になるような大型のタービンである。タービンが大型である場合、本来は、エンジン低速域での過給能力を充分に確保することが困難であり、低速域でのトルクが低くなりがちである。このような問題に対し、上記構成では、独立排気絞り制御に基づき動圧過給効果およびエゼクタ効果を発揮させることにより、エンジン低速域での過給能力不足を充分に補うことができるため、上記のような問題を効果的に解消して、低速域でのトルクを高めることができる。

一方、インターセプト回転速度よりも高速側では、排気ガスの流量が多くなるので、独立排気絞り制御等を実行しなくても、タービンには大きな駆動力を作用させることができ、ターボ過給機の過給能力を充分に高めることができる。しかも、タービンが大型であるので、エンジンの高速域での過給能力が本来的に高く、過給圧のピーク値を充分に高い値に設定することができる。

さらに、タービンが大型であれば、排気ガス流量の多いエンジンの高速域において、排気ガスの流通抵抗がそもそも増大しにくい。その上で、上記構成では、インターセプト回転速度よりも高速側の領域で、上記独立排気絞り制御の停止によって独立排気通路内の流通面積が拡大されるので、ポンピングロスを大幅に低減させることができ、エンジン高速域での燃費性能をさらに向上させることができる。

上記構成において、より好ましくは、上記ＥＧＲ通路の排気側の端部が上記排気集合部に接続される（請求項４）。

この構成によれば、各気筒に共通の排気集合部に流入した排気ガスを、ターボ過給機のタービンに流入する前にＥＧＲ通路に分流させることができるので、過給圧の抑制とポンピングロスの低減とを効率よく図ることができる。

以上説明したように、本発明のターボ過給機付エンジンによれば、過給圧を抑制する過給圧制御をエンジンの高速域で適正に実行しつつ、エンジンの燃費性能を改善することができる。

本発明の一実施形態にかかるターボ過給機付エンジンの全体構成を示す図である。上記エンジンの排気通路内のガス流れを模式的に示す側面図である。上記排気通路の斜視図である。エンジンの各気筒から延びる独立排気通路の出口部分を示す斜視図である。上記ターボ過給機のコンプレッサの特性を示す性能曲線のグラフである。上記エンジンの制御系を示すブロック図である。上記エンジンの運転領域を制御内容の種類ごとに複数の領域に区分けした制御マップである。上記エンジンの排気圧力のクランク角に応じた変化を示すグラフである。上記エンジンの吸排気弁の開閉タイミングを気筒ごとに示すタイムチャートである。排気圧力と吸気圧力（過給圧）との関係を説明するための図である。

（１）エンジンの全体構成
図１および図２は、本発明の一実施形態にかかるターボ過給機付多気筒エンジンを示している。本図に示されるエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載される４サイクルの火花点火式多気筒エンジンである。具体的に、当実施形態のエンジンは、列状に並ぶ４つの気筒２Ａ〜２Ｄを有する直列４気筒型のエンジン本体１と、エンジン本体１に空気を導入するための吸気通路１０と、エンジン本体１で生成された排気ガスを排出するための排気通路３０とを備えている。

エンジン本体１の各気筒２Ａ〜２Ｄには、それぞれピストン（図示省略）が往復摺動可能に挿入されており、各ピストンの上方に燃焼室３が区画形成されている。燃焼室３では、後述するインジェクタ９から噴射される燃料と空気との混合気が燃焼し、その燃焼によって生成された排気ガスは、各気筒２Ａ〜２Ｄの排気行程において、燃焼室３から排気通路３０へと排出される。

エンジン本体１の上部（シリンダヘッド）には、吸気通路１０から供給される空気を各気筒２Ａ〜２Ｄの燃焼室に導入するための吸気ポート４と、吸気ポート４を開閉する吸気弁６と、各気筒２Ａ〜２Ｄの燃焼室で生成された排気ガスを排気通路３０に導出するための排気ポート５と、排気ポート５を開閉する排気弁７とが設けられている。

吸気弁６および排気弁７は、それぞれ、カムシャフトやカム等を含む動弁機構（図示省略）により、エンジン本体１のクランク軸の回転に連動して開閉駆動される。吸気弁６および排気弁７用の各動弁機構には、それぞれＶＶＴ１６が組み込まれている。ＶＶＴ１６は、可変バルブタイミング機構（Variable Valve Timing Mechanism）の略称であり、吸気弁６および排気弁７の開閉タイミングを可変的に設定するためのバルブ可変機構である。

エンジン本体１の上部（シリンダヘッド）には、燃焼室３に向けて燃料（ガソリンを含有する燃料）を噴射するインジェクタ９と、インジェクタ９から噴射された燃料と空気との混合気に火花放電による着火エネルギーを供給する点火プラグ８とが、各気筒２Ａ〜２Ｄにつきそれぞれ１組ずつ設けられている。

点火プラグ８は、図外の点火回路からの給電に応じて各気筒２Ａ〜２Ｄの混合気に対し順に着火エネルギーを供給する。当実施形態のような直列４気筒エンジンでは、第１気筒２Ａ→第３気筒２Ｃ→第４気筒２Ｄ→第２気筒２Ｂの順に、１８０°ＣＡずつずれたタイミングで点火が行われて、この順に排気行程等が実施される（後述する図９も参照）。なお、「°ＣＡ」とは、エンジンの出力軸であるクランク軸の回転角（クランク角）を表す。

吸気通路１０は、各気筒２Ａ〜２Ｄの吸気ポート４と連通する４つの独立吸気通路１１と、各独立吸気通路１１の上流側（吸入空気の流れ方向の上流側）に共通に設けられたサージタンク１２と、サージタンク１２の上流側に設けられた単管状の吸気管１３とを有している。吸気管１３には、吸入空気量を調節するための開閉可能なスロットル弁１４と、後述するターボ過給機２０により圧縮された空気を冷却するためのインタークーラ１５とが設けられている。

排気通路３０は、図１〜図４に示すように、各気筒２Ａ〜２Ｄの排気ポート５と連通する複数の独立排気通路３１，３２，３３と、各独立排気通路３１，３２，３３の下流端部（排気ガスの流れ方向下流側の端部）が集合した排気集合部３４と、排気集合部３４の下流側に設けられた単管状の排気管３５とを有している。排気管３５には、三元触媒等の触媒が内蔵された触媒コンバータ３６やサイレンサー（図示省略）等が設けられる。

上記のように、当実施形態では４つの気筒２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄに対し３つの独立排気通路３１，３２，３３が用意されている。これは、中央の独立排気通路３２が、２番気筒２Ｂおよび３番気筒２Ｃに対し共通に使用可能なようにＹ字状に分岐した形状とされているからである。すなわち、独立排気通路３２は、２番気筒２Ｂおよび３番気筒２Ｃの各排気ポート５から延びる２つの分岐通路部３２ａ，３２ｂと、各分岐通路部３２ａ，３２ｂが合流することで形成された単一の共通通路部３２ｃとを有している。一方、１番気筒２Ａおよび４番気筒２Ｄの各排気ポート５に接続される独立排気通路３１，３３については、分岐のない単管状に形成されている。以下では、単管状の独立排気通路３１，３３を、それぞれ「第１独立排気通路３１」および「第３独立排気通路３３」といい、二股状に分岐した独立排気通路３２を「第２独立排気通路３２」ということがある。

ここで、当実施形態のような４サイクル４気筒エンジンでは、１番気筒２Ａ→３番気筒２Ｃ→４番気筒２Ｄ→２番気筒２Ｂの順に点火が行われるので、二股状に形成された第２独立排気通路３２の上流端部が接続される２番気筒２Ｂおよび３番気筒２Ｃは、排気順序（排気行程が実施される順序）が連続しない関係にある。このため、上記のように２番気筒２Ｂおよび３番気筒２Ｃに共通の独立排気通路３２を接続した場合でも、これら両気筒２Ｂ，２Ｃからの排気ガスが同時に第２独立排気通路３２に流れることはない。

単管状に形成された第１、第３独立排気通路３１，３３は、その間に位置する第２独立排気通路３２の共通通路部３２ｃに徐々に近接するように、気筒列方向の中央側を指向して延びている。そして、第１、第３独立排気通路３１，３３の各下流端部と第２独立排気通路３２の下流端部（共通通路部３２ｃの下流端部）とが、所定の角度（比較的浅い角度が望ましい）をもって合流することにより、各独立排気通路３１〜３３の下流側に上記排気集合部３４が形成されている。

単管状の第１独立排気通路３１および第３独立排気通路３３は、２番気筒２Ｂと３番気筒２Ｃとの間を通る中心線を挟んで対称の形状を有している。このため、第１独立排気通路３１および第３独立排気通路３３は、互いに同一の通路長および容積を有している。一方、二股状の第２独立排気通路３２は、その分岐通路部３２ａ，３２ｂおよび共通通路部３２ｃの各通路長の合計が、第１、第２独立排気通路３１，３２のそれぞれの通路長と同一となるように形成されており、第１、第２独立排気通路３１，３２と同一の容積を有している。

図２および図４に示すように、第１、第３独立排気通路３１，３３の各下流部と、第２独立排気通路３２の下流部（共通通路部３２ｃ）とは、排気ガスの流れ方向に沿って延びる隔壁３７によってそれぞれ２分されている。すなわち、第１、第３独立排気通路３１，３３の下流部、および第２独立排気通路３２の共通通路部３２ｃは、それぞれ、隔壁３７によって区画された２つの流路３８，３９を有している。

第１〜第３独立排気通路３１，３２，３３内の各隔壁３７は、独立排気通路３１，３２，３３の途中部から下流端部（排気集合部３４との接続部）までの範囲に亘って設けられている。言い換えると、各独立排気通路３１，３２，３３は、流路３８，３９に２分された状態のまま（途中でその分割状態が解消されることなく）、排気集合部３４に接続されている。

排気通路３０には、その第１〜第３独立排気通路３１，３２，３３内を通る排気ガスの流通面積を変更するための排気絞り弁４０が設けられている。この排気絞り弁４０は、第１〜第３独立排気通路３１，３２，３３の各下流部に備わる上記流路３８，３９のうちの一方（当実施形態では図４の下側に位置する流路３９）を開閉可能に遮断することにより、各独立排気通路３１，３２，３３内の流通面積を変更する。なお、以下では、排気絞り弁４０により開閉される流路３９を「可変流路３９」といい、もう一方の流路３８を「常用流路３８」という。

排気絞り弁４０は、その詳細な図示は省略するが、第１〜第３独立排気通路３１，３２，３３内のそれぞれの可変流路３９を遮断するように設けられた３つの弁体と、各弁体どうしを連結するシャフトと、シャフトを回転駆動する駆動源（電気モータ等）を有している。このような構造の排気絞り弁４０は、上記駆動源によるシャフトおよび弁体の回転駆動に伴って、各独立排気通路３１，３２，３３内の可変流路３９を同時に開閉することが可能である。

当実施形態のエンジンには、エンジン本体１から排出される排気ガスのエネルギーにより駆動されるターボ過給機２０が装備されている。

ターボ過給機２０は、排気通路３０の排気集合部３４の直下流（排気集合部３４と排気管３５との間）に設けられたタービンハウジング２１と、タービンハウジング２１内に配設されたタービン２２と、吸気管１３内に配設されたコンプレッサ２３と、これらタービン２２およびコンプレッサ２３を互いに連結する連結軸２４とを有している。エンジンの運転中、エンジン本体１の各気筒２Ａ〜２Ｄから排気ガスが排出されると、その排気ガスが独立排気通路３１，３２，３３等を通じてターボ過給機２０のタービンハウジング２１内に流入することにより、タービン２２が排気ガスのエネルギーを受けて高速で回転する。また、タービン２２と連結軸２４を介して連結されたコンプレッサ２３がタービン２２と同じ回転速度で駆動されることにより、吸気管１３を通過する吸入空気が加圧されて、エンジン本体１の各気筒２Ａ〜２Ｄへと圧送される。

排気通路３０には、ターボ過給機２０のタービン２２をバイパスするためのバイパス通路４２が、タービンハウジング２１とその下流側の排気管３５とを互いに連結するように設けられており、このバイパス通路４２の途中部には、ウェストゲート弁４３が開閉可能に設けられている。ウェストゲート弁４３が開弁されると、エンジン本体１から排出された排気ガスの少なくとも一部がバイパス通路４２を通過するので、タービン２２に流入する排気ガスの量が減り、タービン２２の駆動力が抑制される。

排気通路３０の排気集合部３４と吸気通路１０のサージタンク１２とは、ＥＧＲ通路４５を介して互いに連結されている。このＥＧＲ通路４５は、エンジン本体１から排出された排気ガスの一部を吸気系に戻す、いわゆる排気還流（Exhaust Gas Recirculation）を行うための通路である。ＥＧＲ通路４５には、ＥＧＲガス（吸気系に戻される排気ガス）を冷却するためのＥＧＲクーラ４６と、ＥＧＲ通路４５を通るＥＧＲガスの流量を制御するための開閉可能なＥＧＲ弁４７とが設けられている。

（２）ターボ過給機の特性
当実施形態では、ターボ過給機２０として、比較的大型のタービン２２とコンプレッサ２３とを組み合わせたものが用いられる。それは、次のような理由による。

従来、特に低速域からの加速時にトルクの応答性を高める観点から、コンプレッサに対してタービンのサイズを小型化し、排気ガスの流量が少ない低速域でも高い圧力比が得られるようにすることが多かった。タービンは、ある程度の量の排気ガスがないと高速で回転できないが、小型のタービンであれば、排気ガスの流量が少なくても高速で回転できるので、低速域でのコンプレッサの圧力比を高める（つまり低速域での過給能力を高める）ことができる。

図５は、コンプレッサの特性を示す性能曲線のグラフであり、その縦軸はコンプレッサの圧力比、横軸はコンプレッサの吐出流量である。この図５のグラフにおいて、各ラインＳＬ、ＲＬ、ＣＬは、それぞれ、サージライン、回転限界ライン、チョークラインを表しており、これらのラインで囲まれた領域がコンプレッサの運転可能領域である。また、この運転可能領域内に図示された等高線のような曲線群は、コンプレッサの効率が等しい運転ポイントを結んだ等効率線であり、領域の中央側に位置する曲線ほど効率が高くなることを表している。

従来から多用されてきたように、タービンとして比較的小型のものを用いた場合には、エンジンの低速域からの加速時に、すぐにタービンの回転速度が上昇し、これに伴いコンプレッサの圧力比も比較的鋭く上昇する。このように、少ない流量でも高い圧力比が得られるので、加速時のコンプレッサの特性としては、図５の曲線Ｌ２のような、傾きの大きい曲線が得られる。これにより、エンジンの低速域でも比較的高い過給圧が得られるので、低速域のエンジンのトルクが上昇し、低速域からの加速レスポンスが向上する。なお、曲線Ｌ２では、その途中から圧力比が頭打ちになっている（横向きの直線に移行している）が、これは、エンジンや過給機を保護する観点から設けられた上限値に過給圧が達したために過給圧制御（ウェストゲート弁を開く等の制御）が実行されたことを示している。

上記のように、タービンを小型化することは、エンジンの低速域でのトルクを補強する上では有利であるが、その反面、エンジンの高速域では、タービンを通過するときの排気ガスの流通抵抗が高くなり易く、ポンピングロスが増大するという欠点がある。また、コンプレッサのサージラインＳＬの近傍が多用されることとなるため、コンプレッサ単体でみると、決して効率の良い使い方とはいえない。

これに対し、当実施形態では、タービン２２として比較的大型のものを用いている。このため、エンジンの低速域からの加速時には、図５の曲線Ｌ１に示すように、コンプレッサ２３の効率の高いところ（等高線の尾根の近傍）が多用されるようになり、コンプレッサ単独の使用条件としては好ましいといえる。

ただし、加速初期のような排気ガスの流量が少ない状況では、タービン２２の回転速度がなかなか上昇せず、コンプレッサ２３の圧力比は緩やかにしか上昇しない。このことは、エンジン低速域でのトルクが充分に増大せず、低速域からの加速レスポンスが悪くなることを意味する。

一方、エンジン回転速度がある程度上昇して以降は、タービン２２の回転上昇に応じて大きな圧力比が得られ、充分なトルクを確保することができる。しかも、排気ガスの流量が多いときの流通抵抗（排気ガスがタービン２２を通過するときの抵抗）はタービンが小型であるときよりも小さいので、エンジン高速域におけるポンピングロスを低減して燃費を向上させることができる。

以上のとおり、タービン２２を大型化した当実施形態の構成は、高速域でのトルクの確保や燃費の面で有利である一方、低速域でのトルクが充分に出せないという問題がある。そこで、このような問題に対処すべく、当実施形態では、排気絞り弁４０を閉弁して可変流路３９を遮断する独立排気絞り制御を低速域で実行することにより、低速域でのトルク不足を補うようにしている（その詳細は後述する）。

（３）制御系
次に、図６を用いて、エンジンの制御系について説明する。当実施形態のエンジンは、その各部がＥＣＵ（エンジン制御ユニット）５０によって統括的に制御される。ＥＣＵ５０は、周知のとおり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されるマイクロプロセッサであり、本発明にかかる制御手段に相当するものである。

ＥＣＵ５０には、各種センサからの情報が入力される。例えば、エンジンもしくは車両には、エンジンの回転速度、つまりエンジン本体１のクランク軸の回転速度を検出するためのエンジン速度センサＳＮ１と、エンジンの冷却水の温度を検出するためのエンジン水温センサＳＮ２と、吸気管１３を通過する吸入空気の流量を検出するためのエアフローセンサＳＮ３と、ドライバーにより操作される図外のアクセルペダルの開度（アクセル開度）を検出するためのアクセル開度センサＳＮ４とが設けられており、これらの各センサで検出された情報が電気信号としてＥＣＵ５０に逐次入力されるようになっている。

ＥＣＵ５０は、上記各センサ（ＳＮ１〜ＳＮ４等）からの入力信号に基づいて種々の演算等を実行しつつ、エンジンの各部を制御する。すなわち、ＥＣＵ５０は、点火プラグ８、インジェクタ９、吸排気弁用のＶＶＴ１６，１６、スロットル弁１４、排気絞り弁４０、ウェストゲート弁４３、およびＥＧＲ弁４７と電気的に接続されており、上記演算の結果等に基づいて、これらの機器にそれぞれ駆動用の制御信号を出力する。

（４）運転領域に応じた制御
次に、ＥＣＵ５０が行うエンジン制御の具体例について、図７の制御マップを参照しつつ説明する。

図７において、ＷＯＴは、エンジンの全負荷ライン（アクセル全開のときのエンジントルク）を表している。当実施形態では、エンジンにターボ過給機２０が備わっているので、エンジンの全負荷ラインＷＯＴは、自然吸気のとき（過給なしのとき）のエンジントルクの上限である自然吸気ラインＮＡよりも高く設定されている。

全負荷ラインＷＯＴ上に存在するポイントＩＣは、いわゆるインターセプトポイントである。このインターセプトポイントＩＣでは、ターボ過給機２０のコンプレッサ２３による過給圧が予め定められた上限値に達するので、過給圧がそれ以上に上昇するのを防止するための過給圧制御が実行される。なお、以下では、インターセプトポイントＩＣに対応するエンジン回転速度Ｎｉを、「インターセプト回転速度Ｎｉ」と称する。

インターセプトポイントＩＣよりも高速側の全負荷ラインＷＯＴ上に存在するポイントＸは、エンジンの出力が最大になる最高出力点である。なお、以下では、最高出力点Ｘに対応するエンジン回転速度Ｎｘを、「定格回転速度Ｎｘ」という。定格回転速度Ｎｘは、比較的高速側の値をとるが、エンジンの最高許容回転速度（いわゆるレッドゾーンに入る速度）とは必ずしも一致しない。

上述したように、当実施形態では、比較的大型のタービン２２が用いられているので、エンジン回転速度がある程度上昇しないと、コンプレッサ２３による過給圧は上限値に達しない。このため、インターセプトポイントＩＣに対応するエンジン回転速度、つまりインターセプト回転速度Ｎｉは、エンジンの定格回転速度Ｎｘの１／３以上の値となる。言い換えると、当実施形態のターボ過給機２０の緒元は、インターセプト回転速度Ｎｉがエンジンの定格回転速度Ｎｘの１／３以上になるように設定されている。

図７のマップによると、インターセプト回転速度Ｎｉよりも高回転側の速度域における高負荷側（トルクの高い側）に、第１領域Ｒ１が設定されているとともに、この第１領域Ｒ１よりもさらに高負荷側に、第２領域Ｒ２が設定されている。一方、インターセプト回転速度Ｎｉよりも低回転側の速度域における高負荷側には、第３領域Ｒ３が設定されている。また、これら第１、第２、第３領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を除いた残余の領域、つまりインターセプトポイントＩＣを頂点とした下拡がり状の領域および自然吸気ラインＮＡよりも低負荷側の領域には、第４領域Ｒ４が設定されている。

エンジンの運転中、ＥＣＵ５０は、エンジン速度センサＳＮ１、エアフローセンサＳＮ３、およびアクセル開度センサＳＮ４等から得られる情報に基づいて、エンジンが図７の制御マップにおけるどの領域で運転されているかを逐次判断し、その判断結果に応じてそれぞれ次のような制御を実行する。

（ｉ）第４領域Ｒ４
まず、第４領域Ｒ４でエンジンが運転されているときの制御について説明する。第４領域Ｒ４での運転時、ＥＣＵ５０は次のような制御を実行する。
・排気絞り弁４０を開く（独立排気絞り制御の非実行）。
・ウェストゲート弁４３を閉じる。

すなわち、第４領域Ｒ４では、排気絞り弁４０が開かれて、第１〜第３独立排気通路３１，３２，３３内のそれぞれの可変流路３９が開放される。これにより、各独立排気通路３１，３２，３３内では、常用流路３８および可変流路３９の双方を排気ガスが流通し得るようになり、排気ガスの流通抵抗が低減される。このため、特に第４領域Ｒ４内の高速域のように、各気筒２Ａ〜２Ｄから単位時間あたりに排出される排気ガスの量が多くなる運転条件であっても、排気ガスがスムーズに排出され、ポンピングロスが低減される。

また、第４領域Ｒ４では、各独立排気通路３１，３２，３３を通じて排出された排気ガスが全てターボ過給機２０のタービン２２に流入するように、ウェストゲート弁４３が閉じられる。これにより、排気ガスのエネルギーを受けてタービン２２が回転するとともに、このタービン２２によってコンプレッサ２３が駆動され、コンプレッサ２３による過給が行われる。

なお、ＥＧＲ弁４７については、少なくとも第４領域Ｒ４内の低負荷側で開かれる。これにより、ＥＧＲ通路４５を通じた排気ガスの還流操作が行われ、低負荷域でのポンピングロスの低減が図られる。

（ii）第３領域Ｒ３
第３領域Ｒ３での運転時、ＥＣＵ５０は次のような制御を実行する。
・排気絞り弁４０を閉じる（独立排気絞り制御の実行）。
・吸排気弁６，７のバルブオーバーラップ期間を拡大する。
・ウェストゲート弁４３およびＥＧＲ弁４７の双方を閉じる。

すなわち、第３領域Ｒ３では、排気絞り弁４０を閉じる独立排気絞り制御が実行されることにより、第１〜第３独立排気通路３１，３２，３３内のそれぞれの可変流路３９が遮断される。このことは、各独立排気通路３１，３２，３３内の流通面積が実質的に減少したことを意味する。すると、エンジン本体１の各気筒２Ａ〜２Ｄから排出された排気ガスは、各独立排気通路３１，３２，３３内の常用流路３８のみを通って、高い流速を保ったまま排気集合部３４およびタービン２２へと流入する。

また、第３領域Ｒ３では、ウェストゲート弁４３およびＥＧＲ弁４７の双方が閉じられる。これにより、各気筒２Ａ〜２Ｄから排出された排気ガスは、全てターボ過給機２０のタービン２２に流入し、コンプレッサ２３による過給が最大限行われる。

さらに、第３領域Ｒ３では、吸気弁６および排気弁７用の各ＶＶＴ１６が駆動されることにより、吸気弁６および排気弁７の双方が開くバルブオーバーラップ期間が、第４領域Ｒ４のときよりも長くなるように設定される。すなわち、図８および図９に示すように、各気筒２Ａ〜２Ｄの排気行程の後半から吸気行程の前半にかけた比較的長い期間ＯＬに亘って、吸気弁６および排気弁７の双方が開かれるように、吸排気弁６，７の開閉タイミングが設定される。

なお、上記のような制御は、第３領域Ｒ３での定常運転時はもちろんのこと、エンジンの運転ポイントが低負荷域から第３領域Ｒ３に移行しようとする過渡期にも実行される。すなわち、エンジンの低速域での運転中に負荷（アクセル開度に基づく要求トルク）が増大し、これに伴ってエンジンの運転ポイントが第３領域Ｒ３に向かって図７の上方に移動しているときには、第３領域Ｒ３への実際の移行に先立って、排気絞り弁４０を閉じるとともにバルブオーバーラップ期間を拡大させる制御が実行される。

（iii）第１領域Ｒ１
第１領域Ｒ１での運転時、ＥＣＵ５０は次のような制御を実行する。
・排気絞り弁４０を開く（独立排気絞り制御の非実行）。
・ＥＧＲ弁４７を開き、ウェストゲート弁４３を閉じる（第１の過給圧制御）。

第１領域Ｒ１は、インターセプト回転速度Ｎｉよりも高速側の全負荷ラインＷＯＴを含む領域であり、ターボ過給機２０のタービン２２に流入する排気ガスの量を抑制しないと、コンプレッサ２３による過給圧が過大になる領域である。そこで、第１領域Ｒ１では、エンジン本体１およびターボ過給機２０を保護するために、ＥＧＲ弁４７を開く第１の過給圧制御が実行される。

第１の過給圧制御に伴いＥＧＲ弁４７が開かれることで、排気集合部３４に接続されたＥＧＲ通路４５を通って排気ガスが吸気通路１０に戻されるので、排気集合部３４よりも下流側に配設されたタービン２２に流入する排気ガスの量が減らされ、それによって過給圧が上限値を超えないように（上限値で一定になるように）制御される。

一方、第１の過給圧制御では、ウェストゲート弁４３は閉じた状態（全閉状態）に維持される。第１領域Ｒ１は、後述する第２領域Ｒ２に比べれば排気ガスの流量が少ないので、排気還流だけで過給圧を上限値に維持できるからである。

また、第１領域Ｒ１では、エンジン回転速度が比較的高く排気ガスの流量が多いため、これに対応すべく排気絞り弁４０が開かれて、第１〜第３独立排気通路３１，３２，３３内のそれぞれの可変流路３９が開放される。これにより、各気筒２Ａ〜２Ｄからの排気ガスは、各独立排気通路３１，３２，３３内の常用流路３８および可変流路３９の双方を通ってスムーズに下流側へと排出される。

（iv）第２領域Ｒ２
第２領域Ｒ２での運転時、ＥＣＵ５０は次のような制御を実行する。
・排気絞り弁４０を開く（独立排気絞り制御の非実行）。
・ＥＧＲ弁４７およびウェストゲート弁４３の双方を開く（第２の過給圧制御）
第２領域Ｒ２は、最も高回転かつ高負荷の領域であり、排気ガスの流量が最も多くなる条件であるから、コンプレッサ２３による過給圧が最も上昇し易い。このため、上述した第１領域Ｒ１のようにＥＧＲ弁４７を開くだけ（排気還流を行うだけ）では、過給圧を上限値に維持することが困難になる。もちろん、第１領域Ｒ１のときよりもＥＧＲ弁４７をさらに大きく開くことで過給圧の上昇を抑えることも考えられるが、このようにすると、気筒２Ａ〜２Ｄ内に供給される新気の量が不足し、燃焼が不安定になったり失火を起こしたりするおそれがある。

そこで、第２領域Ｒ２では、ＥＧＲ弁４７を所定値以下の開度で開きつつウェストゲート弁４３を追加で開く、第２の過給圧制御が実行される。これにより、最も排気ガスの流量の多い条件であるにもかかわらず過給圧が上限値に維持され、しかも燃焼の安定性が確保される。

なお、上記のようにウェストゲート弁４３の開弁が加わる点を除けば、第２領域Ｒ２での制御は、上述した第１領域Ｒ１での制御と基本的に同じである。

（５）作用等
以上説明したように、当実施形態のエンジンは、ターボ過給機２０のタービン２２よりも上流側の排気通路３０（具体的には排気集合部３４）と吸気通路１０とを互いに連結するＥＧＲ通路４５と、ＥＧＲ通路４５に設けられた開閉可能なＥＧＲ弁４７と、タービン２２をバイパスするように排気通路３０に設けられたバイパス通路４２と、バイパス通路４２に設けられた開閉可能なウェストゲート弁４３と、ＥＧＲ弁４７およびウェストゲート弁４３を含むエンジンの各部を制御するＥＣＵ５０（制御手段）とを備える。ＥＣＵ５０は、インターセプト回転速度Ｎｉよりも高速側に設定された第１領域Ｒ１での運転時に、ＥＧＲ弁４７を開いてウェストゲート弁４３を閉じる第１の過給圧制御を実行し、第１領域Ｒ１よりも回転速度または負荷が高い（よって排気ガスの流量が相対的に多い）第２領域Ｒ２での運転時に、ＥＧＲ弁４７およびウェストゲート弁４３の双方を開く第２の過給圧制御を実行する。このような構成によれば、過給圧を抑制する過給圧制御をエンジンの高速域で適正に実行しつつ、エンジンの燃費性能を改善できるという利点がある。

すなわち、上記実施形態では、エンジン回転速度がインターセプト回転速度Ｎｉよりも上昇したときに、過給圧を抑制する過給圧制御として、まず、ＥＧＲ弁４７を開いてウェストゲート弁４３を閉じる第１の過給圧制御が実行される。ＥＧＲ弁４７が開かれると、排気ガスの一部がタービン２２の上流側からＥＧＲ通路４５に分流して吸気通路１０に戻されるため、タービン２２に流入する排気ガスの量が減り、過給圧の上昇が抑制される（上限値に維持される）。しかも、ＥＧＲ通路４５に分流した排気ガスは、吸気通路１０に戻されるので、排気圧力と吸気圧力との差を小さくする役割を果たす。これにより、ポンピングロスが効果的に低減されて、燃費性能がより向上する。

もちろん、上記とは逆に、ＥＧＲ弁４７を閉じてウェストゲート弁４３を開くことによって過給圧を制御することも考えられる。ウェストゲート弁４３を開けば、排気ガスの一部がタービン２２をバイパスして排気通路３０の下流側に捨てられ、タービン２２の駆動力が抑制されるからである。しかしながら、このようにすると、吸気圧力（過給圧に同じ）に対する排気圧力の増分が拡大し、ポンピングロスの増大を招いてしまう。例えば、インターセプト回転速度Ｎｉを超えてエンジン回転速度がさらに上昇した場合には、図１０の「排気圧力（Ｗ／Ｇ）」に示すように、ウェストゲート弁４３の開弁によって過給圧は所定の上限値（図中にＺで示す）に維持される一方で、タービン２２の上流側の排気圧力は徐々に増大していく。これは、タービン２２に流入する排気ガスの量が減らされたときに、その減少分がタービン２２の駆動力に及ぼす影響の方が、排気圧力に及ぼす影響よりも大きい（つまり、排気ガスの量を少し減らしただけでもタービン２２の駆動力は大きく低下する）からである。したがって、上記のようにウェストゲート弁４３の開弁によって過給圧を制御した場合には、高速側ほど排気圧力と吸気圧力との差ΔＨ２が大きくなり、ポンピングロスが増大してしまう。

これに対し、上記実施形態では、第１の過給圧制御として、ＥＧＲ弁４７を開いてウェストゲート弁４３を閉じるため、図１０の「排気圧力（ＥＧＲ）」に示すように、上記のような排気圧力の上昇を抑制して、ポンピングロスを効果的に低減することができる。すなわち、ＥＧＲ弁４７が開かれることで、ＥＧＲ通路４５を通じて吸気通路１０（具体的にはコンプレッサ２３よりも下流側のサージタンク１２）に排気ガスが戻され、その戻された排気ガス（ＥＧＲガス）が吸入空気に追加されるので、過給圧（≒吸気圧力）が一定とすると、コンプレッサ２３が圧縮すべき吸入空気の量は、上記追加されるＥＧＲガスの分だけ減少する。このことは、タービン２２に付与すべき駆動力が小さい値で済むことを意味するので、タービン２２に流入する排気ガスの量を多く減らすことができ、タービン２２上流の排気圧力をより低く抑えることができる。このように、ＥＧＲによって過給圧を制御する第１の過給圧制御によれば、ウェストゲート弁４３の開弁によって過給圧を制御する場合（いわば排気ガスをタービン２２の下流側に捨てる場合）と比べて、排気圧力を下げても所要の過給圧を得ることができるので、排気圧力と吸気圧力との差ΔＨ１を小さくでき、ポンピングロスを低減させて燃費性能をより向上させることができる。

なお、吸入空気にＥＧＲガスを混入させるとエンジントルクが低下する懸念があるが、インターセプト回転速度Ｎｉよりも高速側においてＥＧＲガスを導入しても、このことが直ちにトルクの低下に結びつくわけではない。すなわち、過給エンジンのトルクは、過給圧、点火タイミング、排気ガス温度制限という３つの主要因によっておおよそ決まってくるが、インターセプト回転速度Ｎｉよりも高速側（且つ高負荷側）の領域でＥＧＲガスを適度に導入すると、ノッキングが抑制されるとともに排気ガス温度が低下するので、点火タイミングを進角させることが可能になり、エンジンに導入する空気量（およびこれに比例して決まる燃料の噴射量）に対する比出力が増大する。加えて、上述したポンピングロスの低減効果によっても出力が向上する。このように、適度な量のＥＧＲガスであれば、これを導入することでエンジントルクを低下させることなく燃費性能を向上させることができる。

一方、上記のような第１の過給圧制御（ＥＧＲを利用した過給圧制御）を、排気ガスの流量が最大限多くなるような条件でも継続して実行した場合には、吸気通路１０に戻される排気ガスの還流量（ＥＧＲガス量）が過大になり、燃焼安定性の低下（もしくは失火）等の問題を起こすことが懸念される。そこで、上記実施形態では、上述した第１の過給圧制御の実行領域（第１領域Ｒ１）よりも排気ガスの流量が多くなる第２領域Ｒ２で、ＥＧＲ弁４７に加えてウェストゲート弁４３を開く第２の過給圧制御が実行される。これにより、排気ガスの一部がＥＧＲ通路４５を通じて吸気通路１０に戻されるとともに、別の排気ガスの一部がバイパス通路４２に流れる（つまりタービン２２をバイパスする）ので、吸気通路１０への排気ガスの還流量を過度に増やすことなく、タービン２２に流入する排気ガスの量を充分に減らすことができる。この結果、排気ガスの還流量が過大になって燃焼安定性が悪化するのを確実に防止しつつ、上限値を超えない範囲で過給圧を適正に制御することができる。

ここで、上記実施形態では、ターボ過給機２０のタービン２２として比較的大型のものが用いられており、インターセプト回転速度Ｎｉがエンジンの定格回転速度Ｎｘの１／３以上に設定されている。このため、過給圧を抑制する過給圧制御が必要な速度域は、これまで多用されてきた過給機付エンジン、特に、低速域からの加速レスポンスを重視してタービンを小型化したエンジンと比べれば、狭い範囲で済むことになる。このことは、過給圧を抑制するための最終手段としてウェストゲート弁４３が開かれる運転領域（つまり上述した第２の過給圧制御が実行される第２領域Ｒ２）がごく狭い範囲に限られることを意味する。このように、狭い運転領域でしかウェストゲート弁４３を開く必要がなくなるので、上記実施形態によれば、高速域でのポンピングロスの増大を最小限に抑えることができる。

また、上記実施形態では、エンジンの排気通路３０が、１つの気筒（２Ａまたは２Ｄ）の排気ポート５に上流端部が接続された第１、第３独立排気通路３１，３３と、排気順序が連続しない複数の気筒（２Ｂおよび２Ｃ）の各排気ポート５に上流端部が接続された第２独立排気通路３２と、これら各独立排気通路３１，３２，３３の下流端部どうしが１つに集合した排気集合部３４と、独立排気通路３１，３２，３３内を通る排気ガスの流通面積を可変的に設定する排気絞り弁４０とを備えており、排気集合部３４の下流側にはターボ過給機２０のタービン２２が配設されている。ＥＣＵ５０は、インターセプト回転速度Ｎｉよりも低速側に設定された第３領域Ｒ３での運転時に、排気絞り弁４０を閉じる独立排気絞り制御を実行する。このような構成によれば、排気ガスのブローダウンを利用したいわゆる動圧過給効果により、低速域でのターボ過給機２０の過給能力をより高めることができる。

図８は、ある特定の気筒のクランク角を横軸にとり、各気筒２Ａ〜２Ｄから排出された排気ガスの圧力（排気集合部３４での測定値）を縦軸にとったグラフである。このグラフにおいて、横軸のＢＤＣ，ＴＤＣは、それぞれ上記特定気筒の下死点および上死点を示しており、ＢＤＣからＴＤＣまでの間隔はクランク角にして１８０°ＣＡである。また、図示の特性線Ａは、上記独立排気絞り制御を実行した場合の排気ガスの圧力を示しており、特性線Ｂは、上記独立排気絞り制御を実行しなかった場合の排気ガスの圧力を示している。

当実施形態のエンジンは４気筒エンジンであり、気筒２Ａ〜２Ｄ間の点火間隔が１８０°ＣＡであるため、これに合わせて、排気弁７を開いた直後に発生する排気ガスのブローダウン（高圧・高速の排気流れ）も１８０°ＣＡごとに発生する。図８のグラフによれば、ブローダウンによる排気圧力のピーク値は、独立排気絞り制御を伴う特性線Ａの方が、独立排気絞り制御を伴わない特性線Ｂよりも高くなっている。これは、独立排気絞り制御を実行することで、各独立排気通通路３１，３２，３３内の可変流路３９が遮断されて排気ガスの流通面積が縮小し、排気ガスが短期間に集中的に流れるようになったからである。

ここで、１回の排気行程当たりの有効な排気時間（ブローダウン期間）は、排気弁７の開弁直後に現れる排気圧力のピーク値（ブローダウンピーク）が高いほど、短くなる。一方で、動圧過給による効果は、ブローダウンピークに対して二次曲線的な特性を有することが知られている。そのため、特性線Ａに示したように、独立排気絞り制御によってブローダウンピークを高めた場合には、ブローダウンピークが低い特性線Ｂの場合（独立排気絞り制御を実行しなかった場合）と比べて、ブローダウン期間の短縮による目減り分を差引いても、タービン２２が排気ガスから受け取る平均的な駆動力（駆動力の時間平均値）が増大することになる。

また、独立排気絞り制御を伴う特性線Ａのように、ブローダウン期間が短縮されると、ブローダウンピーク後に発生する排気圧力のボトム値がより低い値（過給圧を大きく下回る値）まで低下する。したがって、独立排気絞り制御を実行した場合には、排気圧力のピーク値からボトム値までの落差（図８にΔＨｐとして示す）がより大きくなる。このことは、排気ガスがよりスムーズに排出されて気筒２Ａ〜２Ｄ内の残留ガスが減少すること（掃気の促進）につながり、ひいてはエンジントルクの向上につながる。

加えて、上記実施形態では、独立排気絞り制御を実行する第３領域Ｒ３での運転時に、図８にＯＬで示すバルブオーバーラップ期間が拡大され、排気上死点（排気行程と吸気行程との間の上死点；図８のＴＤＣ）の前後にかけた比較的長い期間に亘って吸気弁６および排気弁７の双方が開かれるので、いわゆるエゼクタ効果を効果的に発揮させて掃気をより促進することができる。エゼクタ効果とは、高速の噴流の周囲に発生する負圧を利用して被駆動流体を吸引する作用のことである。

すなわち、ある気筒が排気上死点（ＴＤＣ）の近傍にあるとき（以下、この気筒のことを先行気筒という）、当該先行気筒の次に排気行程を迎える後続気筒からは、ブローダウンによって高速の排気ガスが噴出される（図２の矢印Ｗｅ０参照）。このブローダウンガスは、排気集合部３４に流入したときにその周囲に強い負圧を発生させるが、この強い負圧は、独立排気通路（３１，３２，３３のいずれか）を遡って上記先行気筒の排気ポート５に作用し、当該先行気筒から排気ガスを吸い出そうとする（エゼクタ効果）。しかもこのとき、先行気筒では、図９に示すように、バルブオーバーラップ期間（ＯＬ）が形成されており、吸気弁６および排気弁７の双方が開いているので、吸気ポート４から気筒内に吸入された空気がそのまま排気ポート５へと吹き抜けるような流れが生じ（図２の矢印Ｗｉ，Ｗｅ参照）、この吸入空気の吹き抜けによってより一層掃気が促進される。

また、エゼクタ効果によって上記のような吹き抜け流（吸気ポート４から排気ポート５へと吹き抜ける吸入空気の流れ）が生じると、その吹き抜け流が既燃ガス（混合気の燃焼により生成されたガス）に付加されることにより、各気筒２Ａ〜２Ｄからの排気ガスの流量が増大する。タービン２２の駆動力は、排気ガスの流量に比例するので、エゼクタ効果によって排気ガスの流量が増大すると、これに比例してタービン２２の駆動力が増大し、ターボ過給機２０の過給能力が向上する。

特に、上記実施形態では、ターボ過給機２０のタービン２２として比較的大型のものを用いているので、上記のような独立排気絞り制御による恩恵は大きいものとなる。すなわち、排気ガス流量の少ない低速側の領域Ｒ３で、仮に、上記のような独立排気絞り制御（排気絞り弁４０を閉じて流路３９を遮断する制御）を実行しなかった場合には、タービン２２を高速で回転させるための駆動力が充分に得られず、第３領域Ｒ３と第４領域Ｒ４との境界である図７のラインＰのようなトルクしか得ることができない。これに対し、上記実施形態のように、独立排気絞り制御を実行しつつバルブオーバーラップ期間を拡大することにより、動圧過給効果およびエゼクタ効果を発揮させるようにした場合には、タービン２２に作用する平均的な駆動力が増大するので、大型のタービン２２であってもこれを充分に高速で回転させることができる。これにより、ターボ過給機２０による低速域での過給能力を充分に高めることができるので、上記ラインＰよりもトルクの高い上記領域Ｒ３を実現させることが可能となる。

一方、インターセプト回転速度Ｎｉよりも高速側では、排気ガスの流量が多くなるので、上記のような独立排気絞り制御等を実行しなくても、タービン２２には大きな駆動力を作用させることができ、ターボ過給機２０の過給能力を充分に高めることができる。しかも、上記実施形態では、インターセプト回転速度Ｎｉがエンジンの定格回転速度Ｎｘの１／３以上に設定されている（つまりタービン２２が大型である）ので、エンジンの高速域での過給能力が本来的に高く、過給圧のピーク値を充分に高い値に設定することができる。このことは、高速域での頭打ち感（加速の伸びが鈍ること）のない商品性に優れたエンジンが実現されることを意味する。

さらに、タービン２２が大型であれば、排気ガス流量の多いエンジンの高速域において、排気ガスの流通抵抗がそもそも増大しにくい。その上で、上記実施形態では、インターセプト回転速度Ｎｉよりも高速側の領域で、上記独立排気絞り制御の停止によって独立排気通路３１，３２，３３内の流通面積が拡大されるので、ポンピングロスを大幅に低減させることができ、エンジン高速域での燃費性能をさらに向上させることができる。

また、上記実施形態では、各独立排気通路３１，３２，３３の下流部が、排気ガスの流れ方向に沿って延びる隔壁３７によって常用流路３８と可変流路３９とに区分されており、排気絞り弁４０は、上記２つの流路３８，３９のうちの一方（可変流路３９）を開閉可能に遮断するように設けられている。このような構成によれば、隔壁３７で区画された２つの流路３８，３９のうちの一方を排気絞り弁４０によって遮断または開放するという簡単な構成で、独立排気通路３１，３２，３３内の流通面積を変化させることができ、上記独立排気絞り制御の実行と停止とを迅速かつ確実に切り替えることができる。

なお、上記実施形態では、第１〜第３独立排気通路３１，３２，３３とタービンハウジング２１との間に別体の排気集合部３４を設けたが、別体の排気集合部３４を省略して、各独立排気通路３１，３２，３３の下流端部をタービンハウジング２１に直接接続するようにしてもよい。この場合は、タービンハウジング２１の上流部（タービン２２よりも上流側に位置する部分）が、排気集合部として機能することになる。

また、上記実施形態では、２番気筒２Ｂおよび３番気筒２Ｃに二股状に分岐した第２独立排気通路３２を接続するとともに、１番気筒２Ａまたは４番気筒２Ｄに単管状の第１、第３独立排気通路３１，３３を接続することにより、４つの気筒２Ａ〜２Ｄに対し３つの独立排気通路３１，３２，３３を設けるようにしたが、第１、第３独立排気通路３１，３３と同様の単管状の排気通路を全ての気筒２Ａ〜２Ｄに接続することにより、気筒２Ａ〜２Ｄと同数の４つの独立排気通路を設けるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、吸気弁６および排気弁７用の各動弁機構に、バルブ開閉タイミングを変更するためのＶＶＴ１６（バルブ可変機構）をそれぞれ設けたが、バルブオーバーラップ期間を運転条件に応じて変更できればよく、吸気弁６および排気弁７のいずれか一方の動弁機構にのみＶＶＴ１６を設けてもよい。

また、上記実施形態では、インターセプト回転速度Ｎｉよりも低速側の第３領域Ｒ３での運転時、排気絞り弁４０を閉じる独立排気絞り制御を実行することにより、ターボ過給機２０の過給能力を改善してエンジントルクを高めるようにしたが、エンジンの回転速度が極端に低いエンジンの極低速域では、充分なトルクが出ないことも想定される。そこで、極低速域でのトルクを補強すべく、電気モータにより駆動される電動過給機を用いて補助的な過給を行うようにしてもよい。

２Ａ〜２Ｄ気筒
４排気ポート
５吸気弁
６排気弁
９ＶＶＴ（バルブ可変機構）
１０吸気通路
２０ターボ過給機
２２タービン
２３コンプレッサ
３０排気通路
３１第１独立排気通路
３２第２独立排気通路
３３第３独立排気通路
３４排気集合部
４０排気絞り弁
４２バイパス通路
４３ウェストゲート弁
４５ＥＧＲ通路
４７ＥＧＲ弁
５０ＥＣＵ（制御手段）
Ｒ１第１領域
Ｒ２第２領域
Ｒ３第３領域
Ｎｉインターセプト回転速度
Ｎｘ（エンジンの）定格回転速度

Claims

排気通路を通過する排気ガスのエネルギーにより駆動されるタービンと、タービンにより駆動されて吸気通路内の空気を加圧するコンプレッサとを含むターボ過給機を備えたターボ過給機付エンジンであって、
上記タービンよりも上流側の排気通路と吸気通路とを互いに連結するＥＧＲ通路と、
上記ＥＧＲ通路に設けられた開閉可能なＥＧＲ弁と、
上記タービンをバイパスするように上記排気通路に設けられたバイパス通路と、
上記バイパス通路に設けられた開閉可能なウェストゲート弁と、
上記ＥＧＲ弁およびウェストゲート弁の開閉動作を制御する制御手段とを備え、
エンジン全負荷で上記コンプレッサの過給圧が予め定められた上限値に達するときのエンジン回転速度をインターセプト回転速度としたとき、上記制御手段は、上記インターセプト回転速度よりも高速側に設定された第１領域での運転時に、上記ＥＧＲ弁を開いてウェストゲート弁を閉じる第１の過給圧制御を実行し、上記第１領域よりも排気ガスの流量が多くなる第２領域での運転時に、上記ＥＧＲ弁およびウェストゲート弁の双方を開く第２の過給圧制御を実行する、ことを特徴とするターボ過給機付エンジン。
請求項１記載のターボ過給機付エンジンにおいて、
上記インターセプト回転速度がエンジンの定格回転速度の１／３以上になるように上記ターボ過給機の緒元が設定されている、ことを特徴とするターボ過給機付エンジン。
請求項２記載のターボ過給機付エンジンにおいて、
上記エンジンが複数の気筒を有する多気筒エンジンであり、
１つの気筒もしくは排気順序が連続しない複数の気筒の各排気ポートに上流端部が接続された複数の独立排気通路と、各独立排気通路の下流端部どうしが１つに集合した排気集合部と、上記独立排気通路内を通る排気ガスの流通面積を可変的に設定する排気絞り弁とを備え、
上記ターボ過給機のタービンは、上記排気集合部の下流側に配設されており、
上記制御手段は、上記インターセプト回転速度よりも低速側に設定された第３領域での運転時に、上記排気絞り弁を閉じる独立排気絞り制御を実行する、ことを特徴とするターボ過給機付エンジン。
請求項３記載のターボ過給機付エンジンにおいて、
上記ＥＧＲ通路の排気側の端部が上記排気集合部に接続された、ことを特徴とするターボ過給機付エンジン。