JP2014214638A - ターボ過給機付エンジン装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ過給機付エンジン装置において、高速運転時の出力を高くし、かつ、低速トルクの向上と、筒内残留燃焼ガスの高効率掃気とを実現することである。【解決手段】エンジン装置１０は、エンジン１２と制御装置９０とを含む。エンジン１２は、高圧段ターボ過給機用の高圧段排気通路に接続され、高圧段排気弁によって開閉される高圧段排気ポートＰＨと、低圧段ターボ過給機用の低圧段排気通路に接続され、低圧段排気弁によって開閉される低圧段排気ポートＰＬとを含む。制御装置９０は、低速運転条件成立で高圧段排気弁を低圧段排気弁よりも早く開弁し、低圧段排気弁と吸気弁との間でバルブオーバラップ期間を発生させ、高速運転条件成立で低圧段排気弁を高圧段排気弁よりも早く開弁し、高圧段排気弁と吸気弁との間でバルブオーバラップ期間を発生させるように、高圧段排気弁及び低圧段排気弁の駆動を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、高圧段ターボ過給機及び低圧段ターボ過給機を備えるターボ過給機付エンジン装置に関する。

従来から、特許文献１、特許文献２のように、ターボ過給機を有するエンジンにおいて、新気の混合気の筒内からの吹き抜けを抑制するとともに、筒内残留燃焼ガスの掃気を効率よく行うことを目的として、吸気弁と一部の排気弁との開弁期間が重なるバルブオーバラップ期間を発生させるエンジンが知られている。

特許文献１には、第１排気ポートのみがターボ過給機のタービンに接続され、第２排気ポートはタービンを迂回して下流の排気通路に接続され、第２排気ポートでの開弁及び閉弁の時期が第１排気ポートでの開弁及び閉弁の時期よりも遅く設定され、一部の吸気ポートの開弁時期が第２排気ポートの閉弁時期よりも早く設定されるターボ過給機付エンジンが記載されている。

特許文献２には、タービンに通じる第１排気通路を開閉する第１開閉弁と、タービンを通過しない第２排気通路を開閉する第２排気弁とを備える過給機付エンジンが記載されている。このエンジンでは、第２排気弁の閉弁時期が第１排気弁の閉弁時期よりも遅く設定され、第２排気弁の開弁期間と２つの吸気弁の開弁期間とで重なるバブルオーバラップ期間が設定されている。

特開平８−６１０７０号公報 特開２０１１−２３１６９９号公報

特許文献１及び特許文献２のいずれに記載されたエンジンでも、タービンとして１つのみを有する１段ターボ構造（シングルターボ）であるため、低速から高速までの広い運転領域において、１つのターボ過給機で筒内への圧縮空気の供給を行う必要がある。この場合、高速運転時の出力を高くするための高速運転域での筒内の必要空気量からコンプレッサ及びタービンの大きさが決まるので、低速運転域に対しては最適なコンプレッサ及びタービンの大きさよりも大きくなる場合がある。このため、低速運転域での過渡トルクの応答性が低下して、いわゆるターボラグが生じるので、低速運転時のトルク向上の面で改善の余地がある。

一方、低速トルク及びその応答性を向上するための技術として、２つのターボ過給機を備える２段過給型のエンジンもある。このエンジンでは、低速運転時用の応答性が高い小型の高圧段ターボ過給機と、高速運転に適した低圧段ターボ過給機との２つのタービンが排気通路の排気方向に直列に配置されている。低速運転では主に高圧段ターボ過給機が用いられ、高速運転では主に低圧段ターボ過給機が用いられる。

しかしながら、この構成では、過給圧が発生する条件下で、排気通路において排気ポートからタービン入口までの間の圧力である背圧が吸気圧よりも高くなる場合がある。このため、吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間との一部が重なるバルブオーバラップ期間を発生させても、吸気によって筒内からの残留燃焼ガスの掃気を効率よく行うことができないおそれがある。筒内の掃気を十分に行えないと、筒内で残留燃焼ガスが残って筒内温度が高くなり、ノッキングが生じやすいので、エンジン出力が抑制される。

本発明の目的は、高速運転時の出力を高くでき、かつ、低速トルクの向上と、筒内残留燃焼ガスの高効率掃気とを実現できるターボ過給機付エンジン装置を提供することである。

本発明に係るターボ過給機付エンジン装置は、吸気通路に接続され吸気弁により開閉される吸気ポートと、高圧段ターボ過給機用のタービンを有する高圧段排気通路に接続され、高圧段排気弁によって開閉される高圧段排気ポートと、低圧段ターボ過給機用のタービンを有する低圧段排気通路に接続され、低圧段排気弁によって開閉される低圧段排気ポートとを含むエンジンと、前記高圧段排気弁及び前記低圧段排気弁の駆動を制御する制御装置とを備えるターボ過給機付エンジン装置であって、前記制御装置は、エンジンの低速運転条件成立で、前記高圧段排気弁を前記低圧段排気弁の開弁よりも早い時期に開弁し、前記高圧段排気弁を前記低圧段排気弁の閉弁よりも早い時期に閉弁し、前記低圧段排気弁と前記吸気弁との間で低速時バルブオーバラップ期間を発生させ、エンジンの高速運転条件成立で、前記低圧段排気弁を前記高圧段排気弁の開弁よりも早い時期に開弁し、前記低圧段排気弁を前記高圧段排気弁の閉弁よりも早い時期に閉弁し、前記高圧段排気弁と前記吸気弁との間で高速時バルブオーバラップ期間を発生させるように、前記高圧段排気弁及び前記低圧段排気弁の駆動を制御することを特徴とする。

本発明のターボ過給機付エンジン装置によれば、高速運転時の出力を高くでき、かつ、低速トルクの向上と、筒内残留燃焼ガスの高効率掃気とを実現できる。

本発明の実施形態のターボ過給機付エンジン装置の模式図である。 図１の構成におけるエンジンの断面図である。 図１の構成において、１つの気筒に対応する吸気ポート及び排気ポートと各ポートを開閉する弁とを示す模式図である。 図１の構成において、２つの排気可変動弁機構の排気カム軸により形成される排気弁駆動部を示す断面図である。 図１の構成で低速運転時の弁の動作を示す図である。 図１の構成で高速運転時の弁の動作を示す図である。 図１の構成で、低速運転時の各ポートを通過するガス流量とエンジンクランク角との関係の計算結果を示す図である。 図１の構成で、低速運転時の筒内圧力及び筒内燃焼残留ガス率とエンジンクランク角との関係の計算結果を示す図である。 図１の構成で、低速運転時の筒内平均有効圧（ＢＭＥＰ）の過渡的変化の計算結果を示す図である。 図１の構成で、高速運転時の筒内圧力及び筒内燃焼残留ガス率とエンジンクランク角との関係の計算結果を示す図である。 本発明の実施形態と比較例とにおいて、低速で全負荷の定常運転時におけるＢＭＥＰと燃料消費率との関係の計算結果を示す図である。 本発明の実施形態と比較例とにおいて、低速で全負荷の定常運転時におけるＢＭＥＰと筒内残留ガス率との関係の計算結果を示す図である。

以下において、図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。図１から図６は、本発明の実施形態を示している。先ず、図１から図４を用いて、本実施形態のターボ過給機付エンジン装置１０の構成を説明し、その後、吸気弁１６及び排気弁１８，２０の動作を説明する。

図１は、本実施形態のターボ過給機付エンジン装置１０の模式図であり、図２はエンジン１２の断面図である。図３は、図１の構成において、１つの燃焼室１４に通じる吸気ポートＰｉ及び排気ポートＰＨ，ＰＬと各ポートＰｉ，ＰＨ，ＰＬを開閉する弁１６，１８，２０とを示す模式図である。以下、ターボ過給機付エンジン装置１０は、単にエンジン装置１０という。

エンジン装置１０は、エンジン１２と、制御装置９０とを備える。エンジン１２は、いわゆるツインターボ付の直列４気筒のガソリンエンジンであり、シリンダ部材２１、ピストン２２（図２）、クランク軸２３、吸気通路２４、駆動部である吸気可変動弁機構２６、高圧段排気通路２８、低圧段排気通路３０、駆動部である２つの排気可変動弁機構３２，３３、高圧段ターボ過給機３４及び低圧段ターボ過給機３６を含む。なお、シリンダ３８（図２）である気筒の数は４つに限定するものではなく、５つまたは６つなど任意の気筒数としてもよい。また、シリンダ３８は直列配置に限定するものではなくＶ字形式または水平対向式の配置でもよい。また、エンジン１２はガソリンエンジンに限定するものではなく、ディーゼルエンジンとしてもよい。また、燃料噴射方式は、ポート噴射式でも、筒内直接噴射式でもよい

図２に示すように、シリンダ部材２１は、４つのシリンダ３８が形成されたシリンダブロック４０と、シリンダブロック４０の上部に結合されたシリンダヘッド４２とにより形成される。クランク軸２３は、各シリンダ３８内で摺動変位するピストン２２の下部に結合ロッド４４を介して連結される。各シリンダ３８と、各ピストン２２の上面と、シリンダヘッド４２の下面との間には燃焼室１４が形成される。

図１に示すように、シリンダ部材２１には、クランク軸２３のクランク角θを検出するクランク角センサ４６が取り付けられる。クランク角センサ４６の検出信号は、後述する制御装置９０に入力される。

シリンダヘッド４２は、各燃焼室１４に通じる２つの吸気ポートＰｉ、高圧段排気ポートＰＨ、低圧段排気ポートＰＬを有する。吸気通路２４は、上流側通路４８とサージタンク５０と下流側通路５２とを含む。上流側通路４８は、低圧段コンプレッサ５４及び高圧段コンプレッサ５６と、スロットル弁５８とを含み、上流側通路４８の下流端がサージタンク５０に接続される。低圧段コンプレッサ５４及び高圧段コンプレッサ５６は、後で説明する。また、上流側通路４８は、高圧段コンプレッサ５６を迂回するバイパス通路５７を有する。バイパス通路５７には、バイパス開閉弁５９が設けられる。バイパス開閉弁５９の開閉動作は、後述する制御装置９０により制御される。

スロットル弁５８は、アクチュエータ６０により駆動され、そのアクチュエータ６０の駆動は制御装置９０で制御される。アクセルペダルセンサ６２は、図示しないアクセルペダルの操作量ＡＰを検出し、その検出値を表す信号は、後述する制御装置９０に入力される。

サージタンク５０は、４つの下流側通路５２の上流端に接続される。下流側通路５２は、各燃焼室１４に対応して４つが設けられ、各下流側通路５２の下流側で分岐した分岐通路が２つの吸気ポートＰｉに通じている。この構成により、吸気通路２４から吸気ポートＰｉに新気である空気が導入される。

シリンダヘッド４２には点火プラグ６４と、燃料噴射装置であるインジェクタ６５とが取り付けられる。点火プラグ６４は、各燃焼室１４内で着火させることにより燃料と空気との混合気を燃焼させる。インジェクタ６４は、吸気ポートＰｉにおいて、二股に分かれる直前の上流部分に燃料を噴射するために取り付けられる。各吸気ポートＰｉの燃焼室１４側は吸気ポートＰｉ開閉用の吸気弁１６により開閉される。各吸気弁１６は、クランク軸２３の回転に伴って回転する吸気カム軸６６（図１）によって駆動される。なお、図１のシリンダ部材２１は模式的に示したもので、実際には、吸気ポートＰｉの二股に分かれる部分の直前である上流側、及び、インジェクタ６５の取り付け部と、後述する排気ポートＰＬ，ＰＨとを含む形状を有する。

吸気可変動弁機構２６は、各吸気弁１６の開弁時期及び閉弁時期を連続的に可変とする。より詳しくは、吸気可変動弁機構２６は、クランク軸２３の回転位相に対して吸気カム軸６６の回転位相を変更可能な可変バルブタイミング機構を含む。吸気カム軸６６の回転位相の変更によって、吸気弁１６の開弁時期及び閉弁時期が変更される。吸気可変動弁機構２６は、吸気弁１６のリフト量を連続的に変更可能とするリフト量可変機構を含む構成としてもよい。

高圧段排気通路２８は、２つの上流側分岐通路６８と、各上流側分岐通路６８の下流端の合流部に接続された下流側通路７０とを含む。２つの燃焼室１４を１組として各組の燃焼室１４に対応する高圧段排気ポートＰＨに各上流側分岐通路６８の分岐通路が通じている。高圧段排気通路２８は、後述する高圧段ターボ過給機３４用の高圧段タービン７８を有する。

低圧段排気通路３０は、２つの上流側分岐通路７２と、各上流側分岐通路７２の下流端に接続された下流側通路７４とを含む。２つの燃焼室１４を１組として各組の燃焼室１４に対応する低圧段排気ポートＰＬに各上流側分岐通路７２の分岐通路が通じている。低圧段排気通路３０は、後述する低圧段ターボ過給機３６用の低圧段タービン８２を有する。低圧段排気通路３０は、高圧段排気通路２８とは独立してシリンダ部材２１に接続され、それぞれの排気通路３０，２８の下端は、触媒（図示なし）へと接続される。この構成により、高圧段排気ポートＰＨから高圧段排気通路２８に排気ガスが排出され、低圧段排気ポートＰＬから低圧段排気通路３０に排気ガスが排出される。

図４は、２つの排気可変動弁機構３２，３３の排気カム軸７６，７７により形成される排気弁駆動部を示す断面図である。図３、図４に示すように、各高圧段排気ポートＰＨの燃焼室１４側は高圧段排気弁１８により開閉され、高圧段排気弁１８は、クランク軸２３（図２）の回転に伴って回転する排気カム軸７６（図１、図４）によって直接に、または図４のようにロッカーアーム７９を介して駆動される。

図３に示すように、各低圧段排気ポートＰＬの燃焼室１４側は低圧段排気弁２０により開閉され、低圧段排気弁２０は、図２のクランク軸２３の回転に伴って回転する排気カム軸７７（図１、図４）によって直接に、またはロッカーアーム７９を介して駆動される。図４では、右側の排気カム軸７７によって押されるロッカーアーム７９により低圧段排気弁２０が駆動される。

排気可変動弁機構３２，３３は、油圧式または電動式のアクチュエータで、対応する排気弁１８，２０の開弁時期及び閉弁時期を独立して連続的に可変とする。より詳しくは、排気可変動弁機構３２，３３は、クランク軸２３の回転位相に対して排気カム軸７６，７７の回転位相を変更可能な可変バルブタイミング機構を含む。排気カム軸７６，７７の回転位相の変更によって、高圧段排気弁１８及び低圧段排気弁２０の開弁時期及び閉弁時期が互いに独立して変更される。この構成により、各気筒に対応して設けられた２つの吸気弁１６と高圧段排気弁１８と低圧段排気弁２０とは、互いに独立に作動することが可能である。排気可変動弁機構３２，３３は、高圧段排気弁１８及び低圧段排気弁２０のリフト量を連続的に変更可能とするリフト量可変機構を含む構成としてもよい。吸気可変動弁機構２６及び排気可変動弁機構３２，３３は、後述する制御装置９０によって制御される。なお、可変動弁機構２６，３２，３３は、チェーンやベルトまたは歯車を介してクランク軸２３と連結される構成としてもよい。

高圧段ターボ過給機３４は、高圧段排気通路２８の下流側通路７０の上流部に設けられた高圧段タービン７８と、吸気通路２４に設けられた高圧段コンプレッサ５６と、高圧段タービン７８及び高圧段コンプレッサ５６を連結する連結軸８０とを含む。高圧段ターボ過給機３４は、高圧段排気通路２８を流れる排気ガスによって高圧段タービン７８が駆動される場合に、連結軸８０を介して高圧段コンプレッサ５６を駆動し、その駆動によって加圧されたガスを各燃焼室１４に送る機能を有する。

低圧段ターボ過給機３６は、低圧段排気通路３０の下流側通路７４の上流部に設けられた低圧段タービン８２と、吸気通路２４に設けられた低圧段コンプレッサ５４と、低圧段タービン８２及び低圧段コンプレッサ５４を連結する連結軸８４とを含む。低圧段ターボ過給機３６は、低圧段排気通路３０を流れる排気ガスによって低圧段タービン８２が駆動される場合に、連結軸８４を介して低圧段コンプレッサ５４を駆動し、その駆動によって加圧されたガスを各燃焼室１４に送る機能を有する。低圧段タービン８２は、高圧段タービン７８よりも大型である。低圧段コンプレッサ５４及び高圧段コンプレッサ５６は、吸気通路２４にガスの流れ方向に沿って直列に配置される。

制御装置９０は、ＣＰＵ、メモリを有するマイクロコンピュータを含むもので、「ＥＣＵ」とも呼ばれる。制御装置９０は、アクセルペダルセンサ６２で検出されたペダル操作量に応じて、スロットル弁５８のアクチュエータ６０を駆動する。なお、アクセルペダルに図示しないリンクまたはワイヤでスロットル弁５８の回転軸を連結し、アクセルペダルの操作量に連動してスロットル弁５８のスロットル開度を変更可能としてもよい。

制御装置９０は、吸気排気弁開閉制御部９２を有する。吸気排気弁開閉制御部９２は、エンジン１２の運転条件に応じて、クランク角との関係で各燃焼室１４に対応する吸気弁１６及び排気弁１８，２０の開弁時期及び閉弁時期の関係を変更するように、排気可変動弁機構３２，３３及び吸気可変動弁機構２６を制御することで、吸気弁１６及び排気弁１８，２０の駆動を制御する。具体的には、吸気排気弁開閉制御部９２は、クランク角センサ４６の検出値からエンジン１２の回転速度を算出し、回転速度の算出値が所定値以下であれば、低速運転条件が成立であると判定し、回転速度の算出値が所定値を上回れば、高速運転条件が成立であると判定する。

図５は、図１の構成で低速の定常運転時の弁の動作を１サイクル中で示す図である。吸気排気弁開閉制御部９２は、エンジン１２の低速運転条件成立で、低圧段排気弁２０の開弁時期ｔＬ１よりも早い時期である下死点付近の時期ｔＨ１において高圧段排気弁１８を開弁し、低圧段排気弁２０の閉弁時期ｔＬ２よりも早い時期ｔＨ２に高圧段排気弁１８を閉弁するように、排気可変動弁機構３２，３３（図１）を制御する。なお、図５では、高圧段排気弁１８の閉弁時期ｔＨ２が低圧段排気弁２０の開弁時期ｔＬ１よりも若干遅くなっているが、より好ましくは、高圧段排気ポートＰＨ内の排気ガスが低圧段排気ポートＰＬへ逆流するのを防止するため、高圧段排気弁１８の閉弁時期ｔＨ２は開弁時期ｔＬ１と同時か、または開弁時期ｔＬ１よりも早くする。

また、吸気排気弁開閉制御部９２は、低速運転条件成立で、吸気弁１６の開弁時期ｔＳ１よりも遅い時期ｔＬ２において低圧段排気弁２０を閉弁することにより、低圧段排気弁２０と吸気弁１６との間で低速時バルブオーバラップ期間（図５の斜線部Ｔ１の期間）を発生させるように、排気可変動弁機構３２，３３及び吸気可変動弁機構２６を制御する。吸気弁１６は、低圧段排気弁２０の閉弁時期ｔＬ２よりも遅い時期ｔＳ２に閉弁する。

図６は、図１の構成で高速の定常運転時の弁の動作を１サイクル中で示す図である。吸気排気弁開閉制御部９２は、エンジン１２の高速運転条件成立で、高圧段排気弁１８の開弁時期ｔＨ１よりも早い時期である下死点付近の時期ｔＬ１において低圧段排気弁２０を開弁し、高圧段排気弁１８の閉弁時期ｔＨ２よりも早い時期ｔＬ２に低圧段排気弁２０を閉弁するように、排気可変動弁機構３２，３３を制御する。また、吸気排気弁開閉制御部９２は、高速運転条件成立で、吸気弁１６の開弁時期ｔＳ１よりも遅い時期ｔＨ２に高圧段排気弁１８を閉弁することにより、高圧段排気弁１８と吸気弁１６との間で高速時バルブオーバラップ期間（図６の斜線部Ｔ２の期間）を発生させるように、排気可変動弁機構３２及び吸気可変動弁機構２６を制御する。吸気弁１６は、高圧段排気弁１８の閉弁時期ｔＨ２よりも遅い時期ｔＳ２に閉弁する。好ましくは、低圧段排気ポートＰＬ内の排気ガスが高圧段排気ポートＰＨへ逆流するのを防止するため、低圧段排気弁２０の閉弁時期ｔＬ２は開弁時期ｔＨ１と同時か、または開弁時期ｔＨ１よりも早くする。

また、制御装置９０は、低速運転条件成立でバイパス開閉弁５９を閉弁した状態を維持し、吸気通路２４に導入された空気を高圧段コンプレッサ５６配置部に導入し、高速運転条件成立でバイパス開閉弁５９を開弁し、空気をバイパス通路５７に通過させる。吸気通路２４において高圧段コンプレッサ５６配置部での空気通路は狭いので、バイパス開閉弁５９の開弁で多くの空気がバイパス通路５７を通過する。

なお、吸気弁１６の開弁時期を一定としても、排気弁１８，２０の開弁時期及び閉弁時期の変更のみでバルブオーバラップ期間を変更することができる。このため、吸気可変動弁機構２６を省略してもよい。この場合、吸気排気弁開閉制御部９２は、エンジン１２の運転条件に応じて、吸気弁１６及び排気弁１８，２０の開弁時期及び閉弁時期の関係を変更するように、排気可変動弁機構３２，３３を制御することで、排気弁１８，２０の駆動を制御する。この場合、駆動部は排気可変動弁機構３２，３３のみにより形成される。

また、上記では、吸気弁１６及び排気弁１８，２０の開弁時期及び閉弁時期を連続的に可変としているが、吸気弁１６及び排気弁１８，２０の開弁時期及び閉弁時期を低速運転時と高速運転時との２段階で可変とする構成としてもよい。

上記のエンジン装置１０によれば、高速運転時に高速運転に適した低圧段タービン８２を有する低圧段ターボ過給機３６が主に用いられるので、高速運転域での必要空気量を確保できる。このため、高速運転時の出力を高くできる。しかも低速運転時に低速運転に適した高圧段タービン７８が主に用いられるので、低速トルクの向上を図れる。

一方、従来の１段過給型エンジンである１段ターボ付エンジンの構成では、低速運転時に低速運転に適したタービンよりも大きなタービンを用いる必要があり、タービンの大きさに対して排気ガス流量が少ないので、ターボ過給機の回転数を効率よく増加させることができない。このため、１段ターボ付エンジンでは、低速運転時の出力が自然吸気エンジンと同等のレベルとなる場合がある。また、低速運転時の過渡応答性が低いのでターボラグの問題が生じる場合もある。

また、高圧段ターボ過給機及び低圧段ターボ過給機の２つのタービンが排気通路の排気方向に直列に配置される比較例の２段過給型エンジンでは、高圧段ターボ過給機に応答性のよい小型の構造を用いることで、１段過給型エンジンよりも過給圧を高めて、低速トルク及び過渡トルクの向上を図れる可能性はある。しかしながら、比較例の２段ターボ過給型エンジンでは、排気ポートからタービン入口までの排気通路内の圧力である背圧が高くなるので効果的な掃気を行えない。このため、筒内の燃焼室に燃焼ガスが残留して燃焼室内の体積効率が低下し、さらに混合気温度の上昇によってノッキングが発生することによりエンジン出力の向上が抑制される。

また、比較例では、排気通路にエンジンの低速時または高速時にタービンを迂回して排気ガスを流すバイパス通路と、バイパス通路の開閉機構とを必要とする。一方、本発明では、高圧段排気弁１８及び低圧段排気弁２０の開閉時期の前後を低速運転時と高速運転時とで切り替える構成を有する。このため、低速運転時には、低圧段排気通路３０内の圧力を大気圧程度に低下させることができ、高速運転時には、高圧段排気通路２８内の圧力を大気圧程度に低下させることができる。したがって、排気通路３０，２８にバイパス通路とその開閉機構とを設けることなく、運転条件に応じて主に用いるタービン７８，８２を切り替えることができる。

また、低速運転条件成立で、低圧段排気弁２０と吸気弁１６との間で低速時バルブオーバラップ期間が発生し、高速運転条件成立で、高圧段排気弁１８と吸気弁１６との間で高速時バルブオーバラップ期間が発生するので、吸気ポートＰｉから燃焼室１４に供給される新気で筒内残留燃焼ガスを圧力の低い低圧段排気通路３０または高圧段排気通路２８に押し出すことができる。このため、筒内残留燃焼ガスの掃気を効率よく行える。

また、低速運転条件成立で高圧段排気弁１８が低圧段排気弁２０よりも早く開弁するので、高温で高圧の排気ガスが優先的に高圧段排気通路２８に導入され、低速トルクがより向上する。一方、高速運転条件成立で低圧段排気弁２０が高圧段排気弁１８よりも早く開弁するので、高温で高圧の排気ガスが優先的に低圧段排気通路３０に導入され、エンジン出力が向上する。したがって、高速運転時の出力を高くでき、かつ、低速トルクの向上と、筒内残留燃焼ガスの高効率掃気とを実現できる。

また、本実施形態で、上記の比較例の２段過給型エンジン、及び、上記の特許文献１，２に記載されたエンジンの場合と同等のトルクを出力する場合に、燃料消費率及び筒内残留燃焼ガスの残留率を同等、または同等以下にできる。また、比較例のエンジンに比べて低速トルクの過渡応答性を同等または同等以上に確保できる。

次に、本発明の効果を解析ソフトで解析した結果を説明する。この解析では、本実施形態のエンジン１２の条件で、市販のエンジンシステム解析ソフトとして、米国のＧａｍｍａ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社製の「ＧＴ−ＳＵＩＴＥ」を用いてエンジン性能を解析した。

図７、図８は、低速の定常運転時における１サイクル中のポートを通過するガス流量と、筒内圧力と残留燃焼ガスの「残留ガス率」とを計算した結果を時間履歴で示している。残留ガス率は、吸気ポートＰｉの閉弁時における残留燃焼ガスの割合から求めた。また、図９は、低速運転時の筒内平均有効圧である「ＢＭＥＰ」の過渡状態を計算した結果を示している。ＢＭＥＰが増大するのにしたがってエンジントルクが増大する。

図９では、アイドリング状態から時間０において、スロットル弁を全開まで０．１秒で急激に開弁し、エンジン１２が発生するトルクの増加に応じて負荷を調整した。また、低速トルクの評価を行うためにエンジン回転数を１２００min^-1の一定値に維持した場合のＢＭＥＰの履歴をプロットした。なお、ここでは、比較例として、２つのタービンが排気通路の排気方向に直列に配置された２段過給型エンジンである「直列２段ターボ付エンジン」と、１段過給型エンジンである「１段ターボ付エンジン」とを用いて本発明と比較した。計算では、いずれも１２００min^-1における定常運転でのＢＭＥＰが最大化するような吸排気弁のタイミングを最適化計算によって求め、それを用いて過渡変化を求める計算を行った。また、計算では、直列２段ターボ付エンジンの高圧段及び低圧段のコンプレッサ及びタービンがいずれも本発明と同じ大きさであるターボ過給機を用いて、配置のみを変更した。また、直列２段ターボ付エンジンでは、各燃焼室に対応する２つの排気ポートが共通の排気通路の内部で高圧段タービンに通じるので、バルブリフト及び開閉時期は２つの排気弁で同じとした。

本発明の場合、図５で示したように、低速運転時には高圧段排気弁１８が低圧段排気弁２０よりも早期に開弁するので、図７で示すように、燃焼室１４内から高温で高圧の排気ガスが高圧段排気ポートＰＨに低圧段排気ポートＰＬよりも先に導入される。このため、応答性のよい低速運転用の高圧段ターボ過給機３４のタービン７８に優先的に排気エネルギを導入できる。したがって、図９の計算結果から分かるように、本発明では、高圧段ターボ過給機３４の回転数及び過給圧を迅速に上昇できて、エンジン１２の低速トルク及び過渡トルクの応答性を向上できる。

また、図５で示したように、高圧段タービン７８に高温で高圧の排気ガスが導入され、その導入が完了した後に低圧段排気弁２０が開弁されるので、吸気ポートＰｉ内の圧力よりも低圧段排気ポートＰＬ内の圧力を下げることができる。このため、図８の筒内圧の吸排気上死点直前部分を見ると分かるように、筒内圧を十分に小さくできた。このようにバルブオーバラップ期間を適切に設定または制御することにより、筒内残留燃焼ガスを効果的に掃気できる。このことは、図８の計算結果で吸排気上死点後に残留ガス率が十分に低下したことでも確認できる。この結果、燃焼室１４内での混合気温度を下げることができ、耐ノッキング性が向上し、エンジン１２の出力が向上する。

一方、本発明の場合、高速運転時には、低速運転時の場合に対して高圧段排気弁１８及び低圧段排気弁２０の動作の前後が逆になる。この場合、図６で示したように、低圧段排気弁２０が高圧段排気弁１８よりも早期に開弁するので、燃焼室１４内から高温で高圧の排気ガスが低圧段排気ポートＰＬに高圧段排気ポートＰＨよりも先に導入される。このため、高速で高負荷運転用の低圧段ターボ過給機３６のタービン７８に優先的に排気エネルギを導入できる。したがって、直列２段ターボ付エンジンの比較例で高速運転時に高圧段タービンを迂回して排気ガスを流す場合と同様またはそれ以上に、低圧段ターボ過給機３６でエンジン出力を高くできる。

また、低圧段タービン８２に高温で高圧の排気ガスが導入され、その導入が完了した後に高圧段排気弁１８が開弁されるので、吸気ポートＰｉ内の圧力よりも高圧段排気ポートＰＨ内の圧力を下げることができる。図１０は、高速の定常運転時における１サイクル中の筒内圧力と残留ガス率とを計算した結果を時間履歴で示している。本実施形態では、図１０の筒内圧の吸排気上死点直前部分を見ると分かるように、吸気ポートＰｉ内の圧力よりも低くでき、掃気後に筒内圧が過給圧まで上昇している。このようにバルブオーバラップ期間を適切に設定または制御することにより、筒内残留燃焼ガスを効果的に掃気できる。このことは、図１０の計算結果で、吸排気上死点後に残留ガス率が十分に低下したことでも確認できる。この結果、燃焼室１４内での混合気温度を下げることができ、耐ノッキング性が向上し、エンジン１２の出力が向上する。

また、本実施形態では、吸気弁１６、高圧段排気弁１８、及び低圧段排気弁２０のバルブタイミングである開弁時期及び閉弁時期を各弁１６，１８，２０で独立に制御することによってエンジン性能を最適化できる。この場合、目的関数をＢＭＥＰの最大化と燃料消費率の最小化とした２目的最適化計算により得られたバルブタイミングを用いてエンジン性能のパレート解を求めることができる。パレート解は、目的関数の重みを変化させた複数の最適解である。

また、本実施形態の別例として、エンジン装置１０は、次の（１）（２）の一方または両方の構成を備えてもよい。
（１）制御装置９０が、エンジン１２の低速運転条件成立で、低圧段排気弁２０の開弁よりも早い時期であって、膨張行程の上死点から下死点までを１ストローク期間として、前半の１／２ストローク期間内の時期に高圧段排気弁１８を開弁するように、高圧段排気弁１８の駆動を制御する。この場合、例えば図５に二点鎖線αで示すように高圧段排気弁１８の開弁時期を進角させて、開弁時期を早くするようにバルブタイミングを変化させる。
（２）制御装置９０が、エンジン１２の高速運転条件成立で、高圧段排気弁１８の開弁よりも早い時期であって、膨張行程の上死点から下死点までを１ストローク期間として、前半の１／２ストローク期間内の時期に低圧段排気弁２０を開弁するように、低圧段排気弁２０の駆動を制御する。この場合、例えば図６に二点鎖線βで示すように低圧段排気弁２０の開弁時期を進角させて、開弁時期を早くするようにバルブタイミングを変化させる。

（１）（２）の構成は、上記のパレート解を求める際に、低速トルクの最大化を目的として、ＢＭＥＰの最大化の重みを１として、燃料消費率の最小化の重みを０とした最適解として求めることができる。この場合、低速運転時には、膨張行程中の前半段階で高圧段排気弁１８が開弁される。このため、一般的にピストン２２を押し下げるために用いられる燃焼ガスのエネルギが高圧段タービン７８に多く配分され、例えば優先的に配分される。したがって、高圧段ターボ過給機３４を従来よりも短時間で高回転速度の高過給圧状態に移行させることができ、しかも従来よりも高い過給圧を得ることができる。この結果、燃焼室１４内に導入される空気量及び燃料噴射量が増加して低速トルクがより向上する。なお、燃焼室１４内に導入される燃料と空気の混合気が燃焼することで発生するエネルギは、狙いとするＢＭＥＰ値に応じてエンジン１２のピストンを押し下げる分と、高圧段ターボ過給機３４の駆動分とに所定の割合で配分される。この配分において、負荷の調整でエンジン回転数が一定である場合に、高圧段排気弁１８を早期に開弁することによって高圧段ターボ過給機３４が高回転速度で高過給状態となり、筒内により多くの空気及び燃料を導入することができる。このため、燃料と空気の混合気が燃焼することで発生するエネルギを増加させることができる。この場合、エンジン１２に配分されるエネルギの割合は相対的に低くなるが、高圧段ターボ過給機３４での過給圧増加による発生エネルギの増加分の方がエンジン１２へのエネルギ供給の低下分を上回る。このため、ＢＭＥＰ値は大きくなり、エンジン出力は大きくなる。一方で、燃焼室１４内に導入した燃料と空気との混合気の燃焼で発生するエネルギに対する、エンジン１２へ配分されるエネルギの割合は低下する。このため、エンジンの出力ベースで算出される燃料消費率は相対的に増大し、ＢＭＥＰ値と燃料消費率とはトレードオフの関係にある。

図１１、図１２は、本発明及び比較例を用いて低速で全負荷の条件として、１２００min^-1のスロットル弁全開（ＷＯＴ）での定常運転時における燃料消費率及びＢＭＥＰの関係、筒内残留ガス率及びＢＭＥＰの関係を計算した結果をそれぞれ示している。この計算は、本発明において、上記のようにＢＭＥＰを最大化したバルブタイミングを採用した構成で行った。比較例は、直列２段ターボ付エンジンである。図１１のようにＢＭＥＰを最大化する本発明の構成では、燃料消費率は比較例よりも高くなったが、低速運転時の最大トルクを向上できた。また、図１２に示すように、残留ガス率は比較例で１％を超えているのに対し、本発明では残留ガス率を１％よりも十分に小さくできた。

なお、本発明で用いるターボ過給機は、シングルエントリ式に限定せず、ツインエントリ式または可変ノズル式（ＶＮ式）を採用してもよい。ＶＮ式は、タービン外周に配置された可動ベーンを動作させることで、可動ベーンにより形成され、タービンに排気ガスを導入するノズルの噴出量を可変とする。

１０ ターボ過給機付エンジン装置、１２ エンジン、１４ 燃焼室、１６ 吸気弁、１８ 高圧段排気弁、２０ 低圧段排気弁、２１ シリンダ部材、２２ ピストン、２３ クランク軸、２４ 吸気通路、２６ 吸気可変動弁機構、２８ 高圧段排気通路、３０ 低圧段排気通路、３２，３３ 排気可変動弁機構、３４ 高圧段ターボ過給機、３６ 低圧段ターボ過給機、３８ シリンダ、４０ シリンダブロック、４２ シリンダヘッド、４４ 結合ロッド、４６ クランク角センサ、４８ 上流側通路、５０ サージタンク、５２ 下流側通路、５４ 低圧段コンプレッサ、５６ 高圧段コンプレッサ、５７ バイパス通路、５８ スロットル弁、５９ バイパス開閉弁、６０ アクチュエータ、６２ アクセルペダルセンサ、６４ 点火プラグ、６５ インジェクタ、６６ 吸気カム軸、６８ 上流側分岐通路、７０ 下流側通路、７２ 上流側分岐通路、７４ 下流側通路、７６，７７ 排気カム軸、７８ 高圧段タービン、７９ ロッカーアーム、８０ 連結軸、８２ 低圧段タービン、８４ 連結軸、９０ 制御装置、９２ 吸気排気弁開閉制御部。

Claims (5)

1. 吸気通路に接続され吸気弁により開閉される吸気ポートと、高圧段ターボ過給機用のタービンを有する高圧段排気通路に接続され、高圧段排気弁によって開閉される高圧段排気ポートと、低圧段ターボ過給機用のタービンを有する低圧段排気通路に接続され、低圧段排気弁によって開閉される低圧段排気ポートとを含むエンジンと、
   前記高圧段排気弁及び前記低圧段排気弁の駆動を制御する制御装置とを備えるターボ過給機付エンジン装置であって、
   前記制御装置は、
   エンジンの低速運転条件成立で、前記高圧段排気弁を前記低圧段排気弁の開弁よりも早い時期に開弁し、前記高圧段排気弁を前記低圧段排気弁の閉弁よりも早い時期に閉弁し、前記低圧段排気弁と前記吸気弁との間で低速時バルブオーバラップ期間を発生させ、エンジンの高速運転条件成立で、前記低圧段排気弁を前記高圧段排気弁の開弁よりも早い時期に開弁し、前記低圧段排気弁を前記高圧段排気弁の閉弁よりも早い時期に閉弁し、前記高圧段排気弁と前記吸気弁との間で高速時バルブオーバラップ期間を発生させるように、前記高圧段排気弁及び前記低圧段排気弁の駆動を制御することを特徴とするターボ過給機付エンジン装置。
2. 請求項１に記載のターボ過給機付エンジン装置において、
   前記高圧段排気弁及び前記低圧段排気弁を駆動する駆動部であって、前記高圧段排気弁及び前記低圧段排気弁の開弁時期及び閉弁時期を連続的に可変とする駆動部を備えることを特徴とするターボ過給機付エンジン装置。
3. 請求項１に記載のターボ過給機付エンジン装置において、
   前記高圧段排気弁及び前記低圧段排気弁を駆動する駆動部であって、前記高圧段排気弁及び前記低圧段排気弁の開弁時期及び閉弁時期を２段階で可変とする駆動部を備えることを特徴とするターボ過給機付エンジン装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１に記載のターボ過給機付エンジン装置において、
   前記制御装置は、
   エンジンの低速運転条件成立で、前記低圧段排気弁の開弁よりも早い時期であって、膨張行程の上死点から下死点までを１ストローク期間として、前半の１／２ストローク期間内の時期に前記高圧段排気弁を開弁するように、前記高圧段排気弁の駆動を制御することを特徴とするターボ過給機付エンジン装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１に記載のターボ過給機付エンジン装置において、
   前記制御装置は、
   エンジンの高速運転条件成立で、前記高圧段排気弁の開弁よりも早い時期であって、膨張行程の上死点から下死点までを１ストローク期間として、前半の１／２ストローク期間内の時期に前記低圧段排気弁を開弁するように、前記低圧段排気弁の駆動を制御することを特徴とするターボ過給機付エンジン装置。

Images