JP2017145715A - ターボ過給エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】発電機での発電量の増減にかかわらずエンジン出力を安定的に確保する。
【解決手段】ターボ過給エンジンは、吸気通路２０および排気通路３０と、ターボ過給機５０と、発電装置６０とを備える。排気通路３０は、排気行程が重ならない２つ以上の気筒からなる第１気筒群（２Ｂ，２Ｃ）に連通する第１排気マニホールド３１と、第１気筒群とは異なる２つ以上の気筒からなりかつ排気行程が重ならない第２気筒群（２Ａ，２Ｄ）に連通する第２排気マニホールド３２とを有する。ターボ過給機５０は、第１排気マニホールド３１に配設された過給用タービン５１と、吸気通路２０に配設されたコンプレッサ５２とを有する。発電装置６０は、第２排気マニホールド３２に配設された発電用タービン６１と、発電用タービン６１により駆動されて発電する発電機（６２）とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、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含むターボ過給機を備えたターボ過給エンジンに関する。

上記ターボ過給エンジンの一例として、下記特許文献１のものが知られている。この特許文献１のターボ過給エンジンでは、排気通路にターボ過給機のタービン（過給用タービン）が配設されるとともに、当該過給用タービンのさらに下流側の排気通路に、発電機を駆動するためのタービン（発電用タービン）が配設されている。

このように、過給用タービンの下流側に発電用タービンが配設された特許文献１のターボ過給エンジンによれば、過給用タービンを通過した後の排気のエネルギーを利用して発電用タービンを駆動し、本来であれば捨てられる排気エネルギーの一部を電力に変換する（発電する）ことができるので、排気エネルギーのより有効な利用を図ることができる。

特開２０１５−１０８３３０号公報

しかしながら、上記特許文献１のターボ過給エンジンでは、過給用タービンの下流側に発電用タービンが配設されているため、例えば発電機での発電量が増大したときに、発電用タービンの回転抵抗が増える結果、発電用タービンの上流側、つまり過給用タービンと発電用タービンとの間の排気圧力が高くなり、過給用タービンの回転が阻害されて過給能力が低下するおそれがあった。また、排気圧力の増大に伴って、エンジンの各気筒の掃気性が悪化し、ノッキング防止のために点火タイミングのリタード制御が必要になる可能性もあった。

このように、上記特許文献１において発電機での発電量が増大した場合には、過給能力の低下および掃気性の悪化を招くので、エンジン出力が低下するだけでなく、排気エネルギーの減少につながり、結局のところ発電量が想定よりも増えないという事態につながるおそれがあった。

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、発電機での発電量を要求に応じて適切に増減させることができ、しかもエンジン出力を安定的に確保することが可能なターボ過給エンジンを提供することを目的とする。

前記課題を解決するためのものとして、本発明は、複数の気筒と、各気筒に導入される吸気が流通する吸気通路と、各気筒から排出される排気が流通する排気通路と、排気のエネルギーを利用して吸気を過給するターボ過給機と、排気のエネルギーを利用して発電する発電装置とを備えたターボ過給エンジンであって、前記排気通路は、排気行程が重ならない２つ以上の気筒からなる第１気筒群に連通する第１排気マニホールドと、前記第１気筒群とは異なる２つ以上の気筒からなりかつ排気行程が重ならない第２気筒群に連通する第２排気マニホールドとを有し、前記第１排気マニホールドは、前記第１気筒群からそれぞれ延びる独立した２つ以上の第１枝管と、各第１枝管の下流端がそれぞれ接続された共通の第１集合管とを有し、前記第２排気マニホールドは、前記第２気筒群からそれぞれ延びる独立した２つ以上の第２枝管と、各第２枝管の下流端がそれぞれ接続された共通の第２集合管とを有し、前記ターボ過給機は、前記第１気筒群から排出された排気のエネルギーを受けて回転するように前記第１集合管に配設された過給用タービンと、前記吸気通路に配設され、前記過給用タービンにより駆動されて吸気を過給するコンプレッサとを有し、前記発電装置は、前記第２気筒群から排出された排気のエネルギーを受けて回転するように前記第２集合管に配設された発電用タービンと、当該発電用タービンにより駆動されて発電する発電機とを有する、ことを特徴とするものである（請求項１）。

本発明によれば、排気行程が重ならない第１気筒群に接続された第１排気マニホールドに過給用タービンが配設されるとともに、排気行程が重ならない第２気筒群に接続された第２排気マニホールドに発電用タービンが配設されているため、要求発電量の変化に対応させて発電機での発電量を増減させたとしても（これに応じて発電用タービンの回転抵抗が変動したとしても）、そのことが第２気筒群の掃気性に影響したり、ひいては第１気筒群の掃気性や過給性能に影響したりすることがなく、発電量の変動にかかわらずエンジン出力を安定的に確保することができる。

例えば、発電機での発電量が増えると、発電用タービンの回転抵抗が増大するので、この発電用タービンに第２排気マニホールドを通じて排気を供給する第２気筒群の排気圧力、より詳しくは、第２排気マニホールドにおける発電用タービンよりも上流側の圧力もしくは第２気筒群の排気ポートの圧力は、特に当該第２気筒群の排気行程の開始時（排気下死点近傍）において大きく上昇する。しかしながら、第２気筒群は排気行程が重ならない関係にあるので、この第２気筒群に属するいずれの気筒においても、それぞれの排気行程の終了時（排気上死点近傍）には排気圧力が十分に低下する。したがって、上記のように発電量を増大させたとしても、第２気筒群の掃気性が悪化する（気筒内に残留する燃焼ガスの量が増える）ことがなく、その対策のための燃焼補正、例えばノッキングを防止するために当該第２気筒群の点火タイミングをリタードするなどの実質的な燃焼補正を行う必要がない。また、第２気筒群の排気行程の終了時において排気圧力が十分に低下することから、仮に当該排気圧力の低下が遅れた場合に生じ得る他気筒への影響、つまり、第１気筒群から排気を排出する動作が第２気筒群からの排気の圧力により阻害されるような事態を回避することができる。これにより、第１気筒群での燃焼に対しても実質的な影響が及ばず、当該第１気筒群からの排気のエネルギーにより駆動されるターボ過給機による過給能力も良好に維持することができ、エンジン出力を安定化させることができる。このように、本発明によれば、要求発電量の変化に対応させて発電機での発電量を適切に増減させながら、当該発電量の増減に伴うエンジン出力の変動を最小限に抑えることができる。

本発明のターボ過給エンジンは、好ましくは、前記発電機での発電量が増大されたときに、前記第１気筒群および第２気筒群に導入される吸気の流量を増量補正する吸気量調整手段をさらに備える（請求項２）。

この構成によれば、発電量の増大およびそれに起因したポンピングロスの増大が生じた場合でも、エンジンの正味の出力トルク（軸トルク）として、発電量の増大前と同等のトルクを確実に確保することができる。

前記吸気通路は、前記第１気筒群および第２気筒群に属する複数の気筒にそれぞれ連通する独立した４つ以上の独立吸気管と、各独立吸気管と連通するようにその上流側に設けられた共通吸気管とを有するものであってもよい。この場合、前記吸気量調整手段は、前記共通吸気管に設けられたスロットル弁とすることができる（請求項３）。

この構成によれば、第１・第２気筒群に導入される吸気の流量を増量補正する制御を、スロットル弁の開度を増大させることにより簡単に実現することができる。

本発明において、好ましくは、前記排気通路は、前記第１排気マニホールドおよび第２排気マニホールドの各下流端が接続された共通排気管と、共通排気管に設けられた排気浄化用の触媒装置と、前記過給用タービンまたは発電用タービンに流入する前の排気を当該過給用タービンまたは発電用タービンを迂回しつつ前記共通排気管に導くバイパス通路と、バイパス通路に開閉可能に設けられた切替弁とをさらに有し、前記切替弁は、前記触媒装置内の触媒が未活性状態にあるときに開弁される（請求項４）。

この構成によれば、過給用タービンまたは発電用タービンで消費される排気エネルギーが減少するので、高温の排気を触媒に流入させて当該触媒を迅速に活性化させることができる。

以上説明したように、本発明のターボ過給エンジンによれば、発電機での発電量を要求に応じて適切に増減させることができ、しかもエンジン出力を安定的に確保することができる。

本発明の一実施形態にかかるターボ過給エンジンの全体構成を概略的に示す平面図である。 上記エンジンの本体部（エンジン本体）の断面図である。 上記エンジンの制御系統を示すブロック図である。 ジェネレータ（発電機）での発電量増大に伴い実行される制御の具体例を示すタイムチャートである。 触媒の未活性時に実行される制御の具体例を説明するためのフローチャートである。 過給用の気筒と発電用の気筒とにおける排気圧力の変化を示す図である。

（１）エンジンの全体構成
図１は、本発明の一実施形態にかかるターボ過給エンジンの全体構成を概略的に示す平面図である。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た４サイクルのガソリンエンジンであり、列状に並ぶ４つの気筒２Ａ〜２Ｄを有する直列多気筒型のエンジン本体１と、エンジン本体１に燃焼用の空気を導入するための吸気通路２０と、エンジン本体１で生成された燃焼ガス（排気）を排出するための排気通路３０と、排気通路３０を流通する排気により駆動されるターボ過給機５０と、同じく排気通路３０を流通する排気により駆動される発電装置６０とを備えている。

図２は、エンジン本体１の断面図である。本図に示すように、エンジン本体１は、円筒状の気筒２Ａ〜２Ｄが内部に形成されたシリンダブロック３と、気筒２Ａ〜２Ｄの上面を塞ぐようにシリンダブロック３に取り付けられたシリンダヘッド４と、各気筒２Ａ〜２Ｄにそれぞれ往復動可能に挿入されたピストン５とを有している。

ピストン５の上方には燃焼室６が画成されており、この燃焼室６には、後述するインジェクタ１１から噴射されるガソリンを主成分とする燃料が供給される。そして、供給された燃料が燃焼室６で燃焼し、その燃焼による膨張力で押し下げられたピストン５が上下方向に往復運動するようになっている。なお、当実施形態のエンジンは、一般的なガソリンエンジンと同じく、基本的にストイキ燃焼で運転される。このため、各気筒２Ａ〜２Ｄでの混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）は、例外的な場合を除いて理論空燃比（１４．７）もしくはその近傍に設定される。

ピストン５の下方には、エンジン本体１の出力軸であるクランク軸１５が配設されている。クランク軸１５は、ピストン５とコネクティングロッド１４を介して連結され、ピストン５の往復運動に応じて中心軸回りに回転する。シリンダブロック３には、クランク軸１５の回転速度つまりエンジン本体１の出力回転速度を検出するエンジン回転センサＳＮ１が設けられている。

シリンダヘッド４には、燃焼室６に向けて燃料（ガソリン）を噴射するインジェクタ１１と、インジェクタ１１から噴射された燃料と空気との混合気に点火する点火プラグ１２とが、各気筒２Ａ〜２Ｄにつき１組ずつ設けられている。

ここで、当実施形態のような４サイクル４気筒のガソリンエンジンでは、各気筒２Ａ〜２Ｄに設けられたピストン５がクランク角で１８０°（１８０°ＣＡ）の位相差をもって上下運動する。これに対応して、各気筒２Ａ〜２Ｄでの点火のタイミングも、１８０°ＣＡずつ位相をずらしたタイミングに設定される。具体的には、図１の左側から順に、気筒２Ａを第１気筒、気筒２Ｂを第２気筒、気筒２Ｃを第３気筒、気筒２Ｄを第４気筒とすると、第１気筒２Ａ→第３気筒２Ｃ→第４気筒２Ｄ→第２気筒２Ｂの順に点火（燃焼）が行われるようになっている。

図１および図２に示すように、シリンダヘッド４には、各気筒２Ａ〜２Ｄに対応して、吸気通路２０から供給される空気（吸気）を各気筒２Ａ〜２Ｄに導入するための吸気ポート７と、各気筒２Ａ〜２Ｄで生成された排気を排気通路３０に導出するための排気ポート８と、吸気ポート７を開閉可能に閉鎖する吸気弁９と、排気ポート８を開閉可能に閉鎖する排気弁１０とがそれぞれ設けられている。

図１に示すように、吸気通路２０は、第１気筒２Ａ〜第４気筒２Ｄにそれぞれ吸気ポート７を介して連通する４本の独立した独立吸気管２１〜２４と、独立吸気管２１〜２４の各上流端が接続された共通のサージタンク２５と、サージタンク２５から上流側に延びる単管状の共通吸気管２６とを有している。なお、本明細書において、吸気通路２０における上流（または下流）とは、吸気通路２０を流通する吸気の流れ方向の上流（または下流）のことをいう。

共通吸気管２６には、吸気中に含まれる異物を除去するエアクリーナ２７と、ターボ過給機５０（後述するコンプレッサ５２）により過給された吸気を冷却するインタークーラ２８と、共通吸気管２６を流通する吸気の流量を調整する開閉可能なスロットル弁２９（請求項にいう「吸気量調整手段」に相当）とが、上流側からこの順に配設されている。また、共通吸気管２６におけるエアクリーナ２７よりも下流側（エアクリーナ２７と後述するコンプレッサ５２との間）には、吸気の流量を検出するエアフローセンサＳＮ２が設けられるとともに、共通吸気管２６におけるスロットル弁２９よりも下流側（スロットル弁２９とサージタンク２５との間）には、当該位置を通過する吸気の圧力、つまりターボ過給機５０により過給された後の吸気の圧力を検出する過給圧センサＳＮ３が設けられている。

排気通路３０は、第２気筒２Ｂおよび第３気筒２Ｃに排気ポート８を介して連通する第１排気マニホールド３１と、第１気筒２Ａおよび第４気筒２Ｄに排気ポート８を介して連通する第２排気マニホールド３２と、第１排気マニホールド３１および第２排気マニホールド３２の各下流端どうしが集合した集合部３３と、集合部３３からさらに下流側に延びる単管状の共通排気管３４とを有している。なお、本明細書において、排気通路３０における下流（または上流）とは、排気通路３０を流通する排気の流れ方向の下流（または上流）のことをいう。

共通排気管３４には、排気中に含まれる有害物質（ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ）を浄化するための触媒装置３５が設けられている。触媒装置３５は、いわゆる三元触媒からなる触媒と、当該触媒を内部に収容するケーシングとを有している。ケーシングには、触媒の温度を検出する触媒温度センサＳＮ６が取り付けられている。

第１排気マニホールド３１は、第２気筒２Ｂおよび第３気筒２Ｃからそれぞれ延びる独立した２つの枝管３１ａ，３１ｂと、各枝管３１ａ，３１ｂの下流端が集合した集合部３１ｃと、集合部３１ｃから下流側に延びる集合管３１ｄとを有している。集合管３１ｄには、第２気筒２Ｂおよび第３気筒２Ｃの空燃比（Ａ／Ｆ）を調べるために排気中に含まれる酸素の濃度を検出するリニアＯ₂センサからなる第１Ａ／ＦセンサＳＮ４が設けられている。なお、第１排気マニホールド３１の枝管３１ａ，３１ｂは、請求項にいう「第１枝管」に相当し、第１排気マニホールド３１の集合管３１ｄは、請求項にいう「第１集合管」に相当する。

第２排気マニホールド３２は、第１気筒２Ａおよび第４気筒２Ｄからそれぞれ延びる独立した２つの枝管３２ａ，３２ｂと、各枝管３２ａ，３２ｂの下流端が集合した集合部３２ｃと、集合部３２ｃから下流側に延びる集合管３２ｄとを有している。集合管３２ｄには、第１気筒２Ａおよび第４気筒２Ｄの空燃比（Ａ／Ｆ）を調べるために排気中に含まれる酸素の濃度を検出するリニアＯ₂センサからなる第２Ａ／ＦセンサＳＮ５が設けられている。なお、第２排気マニホールド３２の枝管３２ａ，３２ｂは、請求項にいう「第２枝管」に相当し、第２排気マニホールド３２の集合管３２ｄは、請求項にいう「第２集合管」に相当する。

ターボ過給機５０は、第１排気マニホールド３１に配設された過給用タービン５１と、共通吸気管２６に配設されたコンプレッサ５２と、コンプレッサ５２と過給用タービン５１とを連結する連結軸５３とを有している。より詳しくは、過給用タービン５１は、第１排気マニホールド３１における集合管３１ｄの途中部に配設されており、第２気筒２Ｂおよび第３気筒２Ｃから排出されて集合管３１ｄを通過する排気のエネルギーを受けて回転する。コンプレッサ５２は、過給用タービン５１と連動して回転することにより、共通吸気管２６を流通する空気を加圧（過給）する。

第１排気マニホールド３１には、過給用タービン５１をバイパスするバイパス通路３６と、バイパス通路３６に開閉可能に設けられたウェストゲート弁３７（請求項にいう「切替弁」に相当）とが設けられている。バイパス通路３６は、第１排気マニホールド３１の集合管３１ｄにおける過給用タービン５１の上流側部位と下流側部位とを互いに連通するように設けられている。ウェストゲート弁３７は、コンプレッサ５２により加圧された吸気の圧力（つまり過給圧）の過上昇を防止するためのものであり、当該過給圧が上限値を超えたときに開弁されてバイパス通路３６内の排気の流れを許容することにより、過給用タービン５１に流入する排気の流量を制限する。

発電装置６０は、第２排気マニホールド３２に配設された発電用タービン６１と、発電用タービン６１と連結軸６３を介して連結されたジェネレータ６２（請求項にいう「発電機」に相当）とを有している。より詳しくは、発電用タービン６１は、第２排気マニホールド３２における集合管３２ｄの途中部に配設されており、第１気筒２Ａおよび第４気筒２Ｄから排出されて集合管３２ｄを通過する排気のエネルギーを受けて回転する。ジェネレータ６２は、発電用タービン６１と連動して回転するロータコイルを有し、当該ロータコイルの回転に伴う電磁誘導により発電を行う。発電された電力は、車両に搭載された図外の各種電気機器に供給されるか、もしくはバッテリに蓄電される。

以上のように、当実施形態では、第２気筒２Ｂおよび第３気筒２Ｃに対し共通の第１排気マニホールド３１が接続され、第１気筒２Ａおよび第４気筒２Ｄに対し共通の第２排気マニホールド３２が接続されている。言い換えると、当実施形態では、エンジン本体１から排気通路３０の集合部３３までの間において、第２気筒２Ｂおよび第３気筒２Ｃの排気経路と、第１気筒２Ａおよび第４気筒２Ｄの排気経路とが互いに分離（独立）している。そして、一方の排気経路（第１排気マニホールド３１）に過給用タービン５１が配設され、他方の排気経路（第２排気マニホールド３２）に発電用タービン６１が配設されている。したがって、過給用タービン５１には第２気筒２Ｂおよび第３気筒２Ｃから排出される排気のみが作用し、発電用タービン６１には第１気筒２Ａおよび第４気筒２Ｄから排出される排気のみが作用する。

また、当実施形態では、上記のような気筒の組合せ（気筒２Ｂ，２Ｃ／気筒２Ａ，２Ｄ）に対しそれぞれ排気マニホールド３１，３２が接続されているため、排気干渉の発生を回避することが可能である。すなわち、当実施形態では、上述したように、第１気筒２Ａ→第３気筒２Ｃ→第４気筒２Ｄ→第２気筒２Ｂの順に燃焼順序が設定されている。このため、排気経路が分けられた上記２つの気筒群、つまり第２気筒２Ｂおよび第３気筒２Ｃの組と、第１気筒２Ａおよび第４気筒２Ｄの組とは、それぞれ、排気順序が連続しない関係、言い換えると、排気行程が互いに重ならない（分断された）関係にある。具体的に、前者の組、つまり第２気筒２Ｂおよび第３気筒２Ｃについては、排気順序が１つ飛ばしの関係にあるので、一方の気筒（２Ｂまたは２Ｃ）から排気が排出される排気行程の期間と、他方の気筒（２Ｃまたは２Ｂ）から排気が排出される排気行程の期間とが重なり合うことがない。このため、第２気筒２Ｂからの排気と第３気筒２Ｃからの排気とは、第１排気マニホールド３１内で干渉することなくスムーズに排出される。同様に、後者の組、つまり第１気筒２Ａおよび第４気筒２Ｄについても、排気順序が１つ飛ばしの関係にあるので、一方の気筒（２Ａまたは２Ｄ）から排気が排出される排気行程の期間と、他方の気筒（２Ｄまたは２Ａ）から排気が排出される排気行程の期間とが重なり合うことがない。このため、第１気筒２Ａからの排気と第４気筒２Ｄからの排気とは、第２排気マニホールド３２内で干渉することなくスムーズに排出される。なお、当実施形態において、第１排気マニホールド３１が接続される第２気筒２Ｂおよび第３気筒２Ｃの組は、請求項にいう「第１気筒群」に相当し、第２排気マニホールド３２が接続される第１気筒２Ａおよび第４気筒２Ｄの組は、請求項にいう「第２気筒群」に相当する。

（２）制御系統
次に、エンジンの制御系統について図３のブロック図を参照しつつ説明する。本図に示されるＥＣＵ７０は、エンジンの各部を統括的に制御するためのマイクロプロセッサであり、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されている。このＥＣＵ７０は、請求項にいう「制御手段」に相当する。

ＥＣＵ７０には各種センサによる検出信号が入力される。例えば、ＥＣＵ７０は、上述したエンジン回転センサＳＮ１、エアフローセンサＳＮ２、過給圧センサＳＮ３、第１・第２Ａ／ＦセンサＳＮ４，ＳＮ５、および触媒温度センサＳＮ６と電気的に接続されており、これら各種センサによって検出された情報（つまりエンジン回転速度、吸気流量、過給圧、排気中の酸素濃度、および触媒温度）が電気信号としてＥＣＵ７０に逐次入力されるようになっている。

また、車両には、当該車両を運転するドライバーにより操作されるアクセルペダル（図示省略）の開度を検出するアクセルセンサＳＮ７と、車両に搭載されたバッテリ（図示省略）の電圧を検出するバッテリセンサＳＮ８とが設けられており、これアクセルセンサＳＮ７およびバッテリセンサＳＮ８による検出信号もＥＣＵ７０に入力される。

ＥＣＵ７０は、上記各種センサからの入力信号に基づいて種々の判定や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、ＥＣＵ７０は、インジェクタ１１、点火プラグ１２、スロットル弁２９、ウェストゲート弁３７、およびジェネレータ６２等の機器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制御用の信号を出力する。

例えば、エンジン運転中の典型的な制御について簡単に説明しておくと、ＥＣＵ７０は、アクセルセンサＳＮ７により検出されるアクセル開度に基づいて、当該アクセル開度が大きいほど吸気流量が増えるようにスロットル弁２９の開度を制御する。また、エアフローセンサＳＮ２により検出される吸気流量等に基づいて、各気筒２Ａ〜２Ｄにおける混合気の空燃比が予め設定された目標空燃比（通常は理論空燃比（１４．７）もしくはその近傍）になるようにインジェクタ１１から各気筒２Ａ〜２Ｄに噴射される燃料の目標噴射量を決定し、当該目標噴射量に一致する量の燃料が噴射されるようにインジェクタ１１を制御する。さらに、第１・第２Ａ／ＦセンサＳＮ４，ＳＮ５により検出される酸素濃度に基づいて各気筒２Ａ〜２Ｄでの空燃比を特定し、当該空燃比が上記目標空燃比から外れる場合にはインジェクタ１１からの目標噴射量を補正する制御（フィードバック制御）を行う。

（３）発電量が変動したときの制御動作
次に、ジェネレータ６２での発電量が変動したときにＥＣＵ７０により実行される制御動作の一例について、図４のタイムチャートを参照しつつ説明する。この図４の例では、時点ｔ１においてジェネレータ６２に対する要求発電量がＧ１からＧ２に増大したものとする（グラフ（ｂ）参照）。一方、要求発電量の増えた時点ｔ１の前後において、エンジンの要求トルクは変わらず、ＴＡ０のまま一定であるとする（グラフ（ａ）参照）。

ここで、ジェネレータ６２に対する要求発電量は、エンジンおよび車両の種々の状態に基づいて決定される。例えば、ＥＣＵ７０は、エンジン回転センサＳＮ１やアクセルセンサＳＮ７等の検出値から特定されるエンジンの運転状態（回転速度・負荷）と、バッテリセンサＳＮ８の検出値から特定されるバッテリの残容量と、車両に搭載された各種電気機器の負荷（消費電力）とを含む各種条件に基づいて、ジェネレータ６２に対する要求発電量を逐次決定する。時点ｔ１では、このような要求発電量の決定因子に何らかの変化があり（例えば電気機器の負荷が増大するなどの変化があり）、これに基づいて要求発電量がＧ１からＧ２まで増大設定されている。

要求発電量がＧ２まで増大すると、ＥＣＵ７０は、その要求発電量Ｇ２に一致する電力が実際に発生するようにジェネレータ６２を制御する。具体的には、ジェネレータ６２のロータコイルに印加される磁化用の電流を要求発電量の増分に応じて増やすことにより、増大後の要求発電量Ｇ２に一致する電力をジェネレータ６２で発生させる。ただし、ここでは、要求発電量が増えた時点ｔ１で直ちに実際の発電量を増大させるのではなく、気筒２Ａ〜２Ｄへの燃料噴射量が増やされる後述する時点ｔ２まで待ってから実際の発電量を増大させる。

上記のようにジェネレータ６２での発電量が増大すると、発電用タービン６１の回転抵抗が増大するので、第２排気マニホールド３２を流通する排気の流通抵抗が高まり、ポンピングロスが増大する。このため、発電量が増えた後もエンジンを同一条件で運転したままでは、エンジンの出力軸（クランク軸１５）から仕事として取り出せる正味のトルク（軸トルク）が減少してしまう。そこで、ＥＣＵ７０は、ポンピングロスに対応する軸トルクの低下を補うべく、スロットル弁２９の開度を増大させるとともに、インジェクタ１１からの噴射量を増大させる制御（出力補正制御）を実行する。

具体的に、ＥＣＵ７０は、上記出力補正制御として、まず、要求発電量がＧ２に増えた時点ｔ１でスロットル弁２９を開方向に駆動し、その開度をＶ１からこれより大きいＶ２まで増大させる（グラフ（ｃ）参照）。加えて、開度Ｖ２への増大後、気筒への吸気充填量が実際に増えるのに要する時間（遅れ時間）が経過した時点ｔ２で、インジェクタ１１から気筒２Ａ〜２Ｄに噴射される燃料の噴射量をＦ１からＦ２に増大させる（グラフ（ｄ）参照）。なお、ここでのスロットル弁２９の開度の増大幅（Ｖ２−Ｖ１）は、要求発電量の増分（Ｇ２−Ｇ１）が大きいほど大きくされる。また、燃料噴射量の増大幅（Ｆ２−Ｆ１）は、スロットル弁２９の開度の増大幅（Ｖ２−Ｖ１）が大きいほど大きくされる。

そして、ＥＣＵ７０は、噴射量がＦ２まで増やされた時点ｔ２において、ジェネレータ６２による実際の発電量を増大させる（グラフ（ｂ）参照）。すなわち、ジェネレータ６２のロータコイルに印加される磁化用の電流を増やすことにより、増大後の要求発電量Ｇ２に一致する電力をジェネレータ６２で発生させる。

以上のような制御が行われるのに伴って、図４の最下段のグラフ（ｅ）に示すように、時点ｔ２以降、燃料噴射量が増えた分だけエンジンの図示トルク（損失を無視した計算上のトルク）が増大する。一方、上述したように、時点ｔ２での発電量の増大に伴いポンピングロスは増えているので、このポンピングロスの増分を差し引いた正味の軸トルクは、発電量の増大前と増大後で変化せず、一定のままとなる。

上記時点ｔ２以降、ＥＣＵ７０は、エンジンの軸トルクが実際に目標通りになるように、フィードバック制御によってスロットル弁２９の開度および燃料噴射量を微調整する。例えば、ＥＣＵ７０は、エアフローセンサＳＮ２により検出される吸気流量と、過給圧センサＳＮ３により検出される過給圧と、第１・第２Ａ／ＦセンサＳＮ４，ＳＮ５により検出される酸素濃度（ひいては各気筒２Ａ〜２Ｄの空燃比）とをパラメータとしたフィードバック制御により、エンジンの軸トルクが目標値から大きく外れないようにスロットル弁２９の開度および燃料噴射量を微調整する。

なお、図４では、ジェネレータ６２に対する要求発電量が増大した場合の出力補正制御（スロットル弁２９の開度および燃料噴射量を増大させる制御）について例示したが、要求発電量が減少した場合にも、同様の目的の出力補正制御が実行される。ただし、要求発電量が減少した場合には、ポンピングロスが減少するので、その減少分だけエンジンの図示トルクを減少させるべく、図４とは逆に、スロットル弁２９の開度および燃料噴射量が低減される。

（４）触媒未活性時の制御
ここで、エンジンが冷間始動された直後のように、触媒装置３５内の三元触媒の温度が十分に高くない（活性化温度を下回る）状況下では、いち早く排気エミッションを改善するために、触媒の活性化を優先的に実現させる必要がある。次に、このような場合にＥＣＵ７０により実行される制御を図５のフローチャートを用いて説明する。

図５に示す制御がスタートすると、ＥＣＵ７０は、触媒温度センサＳＮ６により検出される触媒温度が、触媒が活性化していることを表す温度として予め定められた所定値Ｔｘ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１）。

上記ステップＳ１でＮＯと判定されて触媒温度が所定値Ｔｘ未満であること、つまり触媒が活性化していないことが確認された場合、ＥＣＵ７０は、アクセルセンサＳＮ７により検出されるアクセル開度等に基づいて、エンジンの負荷（アクセル開度に基づく要求トルク）が予め定められた基準値よりも低いか否かを判定する（ステップＳ２）。

上記ステップＳ２でＹＥＳと判定されてエンジン負荷が低いことが確認された場合、ＥＣＵ７０は、ウェストゲート弁３７を全開位置まで開く制御を実行する（ステップＳ３）。これにより、第２気筒２Ｂおよび第３気筒２Ｃから排出された排気のほぼ全量が、過給用タービン５１ではなくバイパス通路３６を流れるようになる。すなわち、ウェストゲート弁３７が開弁されたバイパス通路３６により、過給用タービン５１に流入する前の排気が、当該過給用タービン５１を迂回して共通排気管３４および触媒装置３５へと導かれる。

また、上記ステップＳ３の制御と併せて、ＥＣＵ７０は、ジェネレータ６２での発電を停止もしくは抑制する制御を実行する（ステップＳ４）。すなわち、ＥＣＵ７０は、仮に発電を停止しても当面は必要な電力を確保できる状況であれば、ジェネレータ６２での発電を停止し、ジェネレータ６２での発電なしには必要電力を確保できない状況であれば、必要最低限の発電のみを許容する（余分な発電は禁止する）ようにジェネレータ６２を制御する。

さらに、上記ステップＳ３，Ｓ４の制御と併せて、ＥＣＵ７０は、各気筒２Ａ〜２Ｄに対する点火プラグ１２の点火タイミングを通常よりも遅いタイミングに設定する点火リタード制御を実行する（ステップＳ５）。

以上のようなステップＳ３〜Ｓ５の制御は、触媒の活性化を促進させるＡＷＳモードの一環として実行されるものである。すなわち、上記ステップＳ３〜Ｓ５の制御は、いずれも、触媒装置３５に流入する排気の温度を高めることにつながるので、触媒の活性化に有効である。例えば、ステップＳ５の制御（点火リタード）により、混合気の燃焼エネルギーのうちピストン５を押し下げるのに消費されるエネルギーが減少するので、各気筒２Ａ〜２Ｄから排出される排気の温度自体が上昇する。また、ステップＳ３の制御（ウェストゲート弁３７の開弁）により、過給用タービン５１を回転させるために排気エネルギーが消費されなくなるので、触媒装置３５に流入する排気の温度が上昇する。さらに、ステップＳ４の制御（発電の停止もしくは抑制）により、発電用タービン６１を回転させるために消費される排気エネルギーが減少するので、やはり触媒装置３５に流入する排気の温度が上昇する。これらの制御（ＡＷＳモード）により、触媒の早期活性化が図られる。

一方、上記ステップＳ１でＹＥＳと判定されて触媒温度が所定値Ｔｘ以上であること（つまり触媒が活性化していること）が確認された場合、もしくは、上記ステップＳ２でＮＯと判定されてエンジン負荷が低くないことが確認された場合、ＥＣＵ７０は、触媒の活性化を特に優先しない通常モードの制御を実行する（ステップＳ６）。すなわち、この通常モードでは、触媒の活性化を優先する上述したＡＷＳモード（ステップＳ３〜Ｓ５）が実行されることはなく、エンジンの効率もしくは出力を重視した通常通りの制御が実行される。

（５）作用効果
以上説明したように、当実施形態のターボ過給エンジンでは、排気行程が重ならない第２気筒２Ｂおよび第３気筒２Ｃに接続された第１排気マニホールド３１に過給用タービン５１が配設されるとともに、排気行程が重ならない第１気筒２Ａおよび第４気筒２Ｄに接続された第２排気マニホールド３２に発電用タービン６１が配設されているので、要求発電量の変化に対応させてジェネレータ６２での発電量を増減させたとしても（これに応じて発電用タービン６１の回転抵抗が変動したとしても）、そのことが第１気筒２Ａおよび第４気筒２Ｄの掃気性に影響したり、ひいては第２気筒２Ｂおよび第３気筒２Ｄの掃気性や過給性能に影響したりすることがなく、発電量の変動にかかわらずエンジン出力を安定的に確保することができる。

例えば、ジェネレータ６２での発電量が増えると、発電用タービン６１の回転抵抗が増大するので、この発電用タービン６１に第２排気マニホールド３２を通じて排気を供給する第１気筒２Ａおよび第４気筒２Ｄの排気圧力、より詳しくは、第２排気マニホールド３２における発電用タービン６１よりも上流側の圧力もしくは第１気筒２Ａおよび第４気筒２Ｄの排気ポート８の圧力は、特に当該気筒の排気行程の開始時（排気下死点近傍）において大きく上昇する。しかしながら、第１気筒２Ａおよび第４気筒２Ｄは排気行程が重ならない関係にあるので、これら気筒２Ａ，２Ｄのいずれにおいても、それぞれの排気行程の終了時（排気上死点近傍）には排気圧力が十分に低下する。したがって、上記のように発電量を増大させたとしても、第１気筒２Ａおよび第４気筒２Ｄの掃気性が悪化する（気筒内に残留する燃焼ガスの量が増える）ことがなく、その対策のための燃焼補正、例えばノッキングを防止するために当該気筒２Ａ，２Ｄの点火タイミングをリタードするなどの実質的な燃焼補正を行う必要がない。また、第１気筒２Ａまたは第４気筒２Ｄの排気行程の終了時において排気圧力が十分に低下することから、仮に当該排気圧力の低下が遅れた場合に生じ得る他気筒への影響、つまり、第２気筒２Ｂまたは第３気筒２Ｃから排気を排出する動作が第１気筒２Ａまたは第４気筒２Ｄからの排気の圧力により阻害されるような事態を回避することができる。これにより、第２気筒２Ｂおよび第３気筒２Ｃでの燃焼に対しても実質的な影響が及ばず、当該気筒２Ｂ，２Ｃからの排気のエネルギーにより駆動されるターボ過給機５０による過給能力も良好に維持することができ、エンジン出力を安定化させることができる。このように、上記実施形態によれば、要求発電量の変化に対応させてジェネレータ６２での発電量を適切に増減させながら、当該発電量の増減に伴うエンジン出力の変動を最小限に抑えることができる。

ただし、ジェネレータ６２での発電量が増減されると、発電用タービン６１の回転抵抗が変動して第２排気マニホールド３２内の排気の流通抵抗が変動する（つまりポンピングロスが変動する）。そこで、上記実施形態では、当該ポンピングロスの変動にかかわらずエンジンの正味の出力トルク（軸トルク）を同等に維持するべく、エンジン出力を補正する出力補正制御が実行される。例えば、図４に示したように、ジェネレータ６２での発電量が増大した場合には、それによるポンピングロスの増分を補って同等の軸トルクを確保するべく、スロットル弁２９の開度を増大させるとともに、各気筒２Ａ〜２Ｄへの燃料噴射量を増大させる制御が実行される。これにより、エンジンの軸トルクとして、発電量の増大前と同等のトルクを確実に確保することができる。

以上のことを図６を用いてより詳しく説明する。図６における上段のグラフは、発電用タービン６１に排気を供給する第１気筒２Ａおよび第４気筒２Ｄ（以下、発電用気筒ともいう）の排気圧力を示しており、下段のグラフは、過給用タービン５１に排気を供給する第２気筒２Ｂおよび第３気筒２Ｃ（以下、過給用気筒ともいう）の排気圧力を示している。各グラフの実線の波形は、発電量を増やす前の初期状態の排気圧力である。例えば、発電用気筒２Ａ，２Ｄの排気圧力（上段）は、それぞれの排気行程の開始直後（排気下死点ＢＤＣの近傍）においてピークを迎えている。同様に、過給用気筒２Ｂ，２Ｃの排気圧力（下段）は、それぞれの排気行程の開始直後（排気下死点ＢＤＣの近傍）においてピークを迎えている。初期状態ではジェネレータ６２の発電量が少ないため、発電用タービン６１の回転抵抗が小さく（排気の流通抵抗が小さく）、よって発電用気筒２Ａ，２Ｄの排気圧力（実線）のピークは比較的小さい。一方、過給用タービン５１はコンプレッサ５２に過給をさせる仕事をしているので、過給用タービン５１の回転抵抗は比較的大きく、よって過給用気筒２Ｂ，２Ｃの排気圧力（実線）のピークは発電用気筒２Ａ，２Ｄに比べて大きい。

このような状態を初期状態として、そこからジェネレータ６２での発電量が増やされた場合の発電用気筒２Ａ，２Ｄの排気圧力を上段のグラフにおいて破線の波形で示している。この破線の波形に示すように、ジェネレータ６２での発電量が増やされると、これに伴って発電用タービン６１の回転抵抗が高まることから、発電用気筒２Ａ，２Ｄの排気圧力のピーク値（ＢＤＣ近傍の排気圧力）は大きくなる。しかしながら、第２排気マニホールド３２内で排気干渉が起きないことから、各気筒２Ａ，２Ｄの排気行程の終了時（排気上死点ＴＤＣの近傍時期）において、排気圧力は十分に低下している。したがって、この時点で排気行程が開始される他の気筒（つまり過給用気筒）２Ｂ，２Ｃにおいては、自身の排気ポート８の圧力（もしくは第１排気マニホールド３１の圧力）が十分に低下していることになり、排気を排出する動作が阻害されない。このため、当該過給用気筒２Ｂ，２Ｃの排気圧力は、発電量の増大後においても、基本的に実線の波形のまま変化しない。

図６では、上記のように発電量が増大設定された状態から、さらにポンピングロスの増分を補うための出力補正制御（図４に示したようなスロットル開度および燃料噴射量の増大制御）が実行された場合の発電用気筒２Ａ，２Ｄの排気圧力を上段のグラフにおいて一点鎖線で示すとともに、同じく出力補正制御が実行された場合の過給用気筒２Ｂ，２Ｃの排気圧力を下段のグラフにおいて一点鎖線で示している。上段グラフの一点鎖線の波形に示すように、発電用気筒２Ａ，２Ｄでは、上記出力補正制御により排気の流量および熱量がわずかに増大することに伴って、当該制御の実行前（破線の波形）に比べて排気圧力のピーク値が上昇している。ただしこの場合も、ピーク後の排気圧力は自身の排気行程の終了時までに十分に低下している。同様に、下段グラフの一点鎖線の波形に示すように、過給用気筒２Ｂ，２Ｃにおいても、出力補正制御の実行前（実線の波形）に比べて排気圧力のピーク値が上昇するとともに、ピーク後の排気圧力は排気行程の終了時までに十分に低下している。以上のように、発電量の増大および出力補正制御に伴って、発電用気筒２Ａ，２Ｄおよび過給用気筒２Ｂ，２Ｃの排気圧力の波形（特にピーク値）はそれぞれ変化するが、気筒間で相互に影響し合うことはなく、各気筒２Ａ〜２Ｄの排気行程の終了時にはそれぞれの気筒の排気圧力は十分に低下している。このため、各気筒２Ａ〜２Ｄの掃気性が悪化することや、これに伴い点火タイミングのリタードなどの実質的な燃焼補正をする必要が生じるのを回避することができる。

また、上記実施形態では、図５に示したように、触媒（触媒装置３５内の三元触媒）が未活性状態にあるときに、ＡＷＳモードの一環として、ウェストゲート弁３７を開く制御（ステップＳ３）や、ジェネレータ６２での発電を停止もしくは抑制する制御（ステップＳ４）が実行される。これにより、過給用タービン５１および発電用タービン６１で消費される排気エネルギーが減少するので、高温の排気を触媒装置３５に流入させて当該触媒装置３５内の触媒を迅速に活性化させることができる。

（６）変形例
上記実施形態では、ストイキ燃焼を行うガソリンエンジンであることを前提に、ジェネレータ６２での発電量が増大したときの出力補正制御（ポンピングロスの増分を補う制御）を、スロットル弁２９の開度を大きくして各気筒２Ａ〜２Ｄへの吸気量を増やし、かつ各気筒２Ａ〜２Ｄへの燃料噴射量を増やすことによって実現したが、例えば理論空燃比よりもリーンな空燃比で燃焼を行うリーンバーンガソリンエンジンもしくはディーゼルエンジンである場合には、各気筒に導入される吸気量を同等にしながら燃料噴射量のみを増やすことにより、同様の出力補正を行うことが可能である。また、上記実施形態（ストイキ燃焼を行うガソリンエンジン）においてジェネレータ６２での発電量が減少した場合には、スロットル弁２９の開度を低減しつつ燃料噴射量を減らすところであるが、リーンバーンガソリンエンジンもしくはディーゼルエンジンである場合には、吸気量を同等にしながら燃料噴射量のみを減らせばよい。

また、上記実施形態では、発電量の変動に応じた出力補正のために吸気量を増減させる制御を、吸気通路２０の共通吸気管２６に設けられたスロットル弁２９の開度を調整することにより実現したが、吸気量を増減させることのできる手段であればスロットル弁２９に限らず使用可能である。例えば、各気筒２Ａ〜２Ｄの吸気弁９の開閉タイミングやリフト量を変更可能なバルブ可変機構を備えるエンジンである場合、このバルブ可変機構を用いて吸気弁９の開閉タイミングまたはリフト量を変更することにより、吸気量を増減させることが考えられる。さらに、過給用タービン５１として、タービンに流入する排気の流速を変更するための可変ベーンを備えたいわゆる可変ジオメトリー式のタービン（ＶＧＴ）を使用したエンジンである場合には、この可変ベーンを用いてタービンの駆動力を調整することにより、吸気量を増減させことが考えられる。

また、上記実施形態では、過給用タービン５１をバイパスするバイパス通路３６を第１排気マニホールド３１に設け、触媒装置３５内の触媒が未活性状態であるときには、当該バイパス通路３６に設けられたウェストゲート弁３７（切替弁）を開くことにより、過給用タービン５１に流入する前の排気を当該過給用タービン５１を迂回させつつ触媒装置３５（共通排気管３４）に流すようにしたが、第２排気マニホールド３２にも同様のバイパス通路を設けてもよい。すなわち、発電用タービン６１をバイパスするバイパス通路を第２排気マニホールド３２に設けるとともに、当該バイパス通路を開閉するための切替弁を設け、触媒の未活性時には切替弁を開くことにより、発電用タービン６１に流入する前の排気を当該発電用タービン６１を迂回させつつ触媒装置に流すようにしてもよい。

また、上記実施形態では、４つの気筒２Ａ〜２Ｄを有する４気筒エンジンに本発明を適用した例について説明したが、本発明は、４気筒エンジンに限らず、５気筒や６気筒など、種々の多気筒エンジンに適用することが可能である。例えば６気筒エンジンである場合には、排気行程が重ならない３つの気筒と、排気行程が重ならない別の３つの気筒とに分けて、一方の気筒群から排出される排気を過給用タービンに供給し、他方の気筒群から排出される排気を発電用タービンに供給することが考えられる。

２Ａ〜２Ｄ 気筒
２０ 吸気通路
２１〜２４ 独立吸気管
２６ 共通吸気管
２９ スロットル弁（吸気量調整手段）
３０ 排気通路
３１ 第１排気マニホールド
３１ａ，３１ｂ 枝管（第１枝管）
３１ｄ 集合管（第１集合管）
３２ 第２排気マニホールド
３２ａ，３２ｂ 枝管（第２枝管）
３２ｄ 集合管（第２集合管）
３４ 共通排気管
３５ 触媒装置
３６ バイパス通路
３７ ウェストゲート弁（切替弁）
５０ ターボ過給機
５１ 過給用タービン
５２ コンプレッサ
６０ 発電装置
６１ 発電用タービン
６２ ジェネレータ（発電機）

Claims (4)

1. 複数の気筒と、各気筒に導入される吸気が流通する吸気通路と、各気筒から排出される排気が流通する排気通路と、排気のエネルギーを利用して吸気を過給するターボ過給機と、排気のエネルギーを利用して発電する発電装置とを備えたターボ過給エンジンであって、
   前記排気通路は、排気行程が重ならない２つ以上の気筒からなる第１気筒群に連通する第１排気マニホールドと、前記第１気筒群とは異なる２つ以上の気筒からなりかつ排気行程が重ならない第２気筒群に連通する第２排気マニホールドとを有し、
   前記第１排気マニホールドは、前記第１気筒群からそれぞれ延びる独立した２つ以上の第１枝管と、各第１枝管の下流端がそれぞれ接続された共通の第１集合管とを有し、
   前記第２排気マニホールドは、前記第２気筒群からそれぞれ延びる独立した２つ以上の第２枝管と、各第２枝管の下流端がそれぞれ接続された共通の第２集合管とを有し、
   前記ターボ過給機は、前記第１気筒群から排出された排気のエネルギーを受けて回転するように前記第１集合管に配設された過給用タービンと、前記吸気通路に配設され、前記過給用タービンにより駆動されて吸気を過給するコンプレッサとを有し、
   前記発電装置は、前記第２気筒群から排出された排気のエネルギーを受けて回転するように前記第２集合管に配設された発電用タービンと、当該発電用タービンにより駆動されて発電する発電機とを有する、ことを特徴とするターボ過給エンジン。
2. 請求項１に記載のターボ過給エンジンにおいて、
   前記発電機での発電量が増大されたときに、前記第１気筒群および第２気筒群に導入される吸気の流量を増量補正する吸気量調整手段をさらに備えた、ことを特徴とするターボ過給エンジン。
3. 請求項２に記載のターボ過給エンジンにおいて、
   前記吸気通路は、前記第１気筒群および第２気筒群に属する複数の気筒にそれぞれ連通する独立した４つ以上の独立吸気管と、各独立吸気管と連通するようにその上流側に設けられた共通吸気管とを有し、
   前記吸気量調整手段は、前記共通吸気管に設けられたスロットル弁である、ことを特徴とするターボ過給エンジン。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のターボ過給エンジンにおいて、
   前記排気通路は、前記第１排気マニホールドおよび第２排気マニホールドの各下流端が接続された共通排気管と、共通排気管に設けられた排気浄化用の触媒装置と、前記過給用タービンまたは発電用タービンに流入する前の排気を当該過給用タービンまたは発電用タービンを迂回しつつ前記共通排気管に導くバイパス通路と、バイパス通路に開閉可能に設けられた切替弁とをさらに有し、
   前記切替弁は、前記触媒装置内の触媒が未活性状態にあるときに開弁される、ことを特徴とするターボ過給エンジン。

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