JP2017160895A

JP2017160895A - エンジンの排気装置

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Publication number: JP2017160895A
Application number: JP2016048996A
Authority: JP
Inventors: 満幸室谷; Mitsuyuki Murotani; 貴史西尾; Takashi Nishio; 周平辻田; Shuhei Tsujita; 栄之介末國; Einosuke Suekuni; 潤司梅村; Junji Umemura
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2016-03-11
Filing date: 2016-03-11
Publication date: 2017-09-14
Anticipated expiration: 2036-03-11
Also published as: DE112017000102T5; US20180283303A1; CN108884775A; CN108884775B; WO2017154988A1; JP6330836B2; US10584655B2

Abstract

【課題】排気通路内にバルブが配設されたエンジンの排気装置において、燃料カット中のバルブのばたつきを防止する。
【解決手段】排気通路５３は、互いに並行に設けられた第１通路（高速用通路２４ｂ、２５ｂ、２６ｂ）と第２通路（低速用通路２４ｃ、２５ｃ、２６ｃ）とを含むと共に、第１通路及び第２通路の集合部５４よりも下流にターボ過給機５０のタービンハウジング５６０が接続される。エンジンの排気装置１００は、第１通路に配設されかつ、第１通路を開閉するよう構成されたバルブ（排気可変弁３）を備える。制御部（エンジン制御部７）は、エンジン１の回転数が所定回転数よりも低いときに、バルブを閉じて第１通路を閉塞し、所定回転数以上のときに、バルブを開けて第１通路を開ける。制御部は、エンジンの回転数が所定回転数よりも低いときであっても、燃料カット制御を実行しているときには、バルブを開ける。
【選択図】図１０

Description

ここに開示する技術は、エンジンの排気装置に関する。

特許文献１には、ターボ過給機付きエンジンにおいて、各気筒に通じる独立排気通路とタービンとの間に、排気弁装置を介設することが記載されている。排気弁装置は、エンジンの回転数に応じてエンジンから排出される排気ガスの流通面積を変更することにより、タービンに導入する排気ガスの流速を変更する。

特許文献１に記載されている排気装置についてさらに詳細に説明をする。このエンジンは、１番〜４番の４つの気筒を有する直列４気筒エンジンである。独立排気通路は、１番気筒に通じる第１排気通路と、２番及び３番気筒に通じる第２排気通路と、４番気筒に通じる第３排気通路と、を含んでいる。排気弁装置は、独立排気通路に接続される上流側排気通路を備えている。ターボ過給機は、上流側排気通路とタービンハウジングとをつなぐ下流側排気通路を備えている。

上流側排気通路は、第１〜第３排気通路のそれぞれに連通する独立した３つの通路によって構成されている。３つの通路はそれぞれ、低速用通路及び高速用通路の２つの通路に分岐している。下流側排気通路は、上流側排気通路の低速用通路及び高速用通路のそれぞれに連通する独立した低速用通路と高速用通路とを有している。下流側排気通路の低速用通路及び高速用通路はそれぞれ、上流側排気通路において独立していた３つの通路が合流している。下流側排気通路の下流端は、低速用通路と高速用通路とが合流した上で、タービンの入口に接続されている。

上流側排気通路における高速用通路には、バタフライバルブを配設している。バタフライバルブに連結された駆動軸をアクチュエータによって回転することによって、バタフライバルブは、開及び閉が切り替わる。

エンジンが所定回転数以下の低回転域においては、バタフライバルブを閉じる。このことで、排気ガスの流通面積が絞られるから、排気ガスの流速が高まり、エンジンの低回転域においてタービンの駆動力が高まる。また、排気ガスの流速が高まることで、低速用通路の独立した３つの通路の集合箇所においてエゼクタ効果が得られ、低回転域では、気筒内の既燃ガスを吸い出す効果も得られる。一方、エンジンの高回転域では、低速用通路と高速用通路との両方を通じて排気ガスをタービンに導入することができ、排気抵抗を低減してタービンの駆動力が高まる。

特許文献２には、燃費性能を向上させるために、自動車の減速中に所定の燃料カット条件が成立したときに、燃料カットを行うことが記載されている。

特開２０１４−２５６９４２号公報特開平１０−３０４７７号公報

ところで、特許文献１に記載されているような排気装置を備えたエンジンに、特許文献２に記載されているような燃料カット制御を組み合わせると、燃料カット中にエンジン回転数が所定回転数以下になったときに、バタフライバルブが閉じて、高速用通路を閉塞する。

ここで、燃料カット中は、スロットルバルブの開度が小さくかつ、燃焼室内における燃焼が行われないため、燃焼を伴わない膨張行程終了時の気筒内の圧力状態は、吸気通路及び排気通路よりも低くなる。そのため、排気行程の初期に排気弁が開弁すると、排気通路内のガスが気筒内に逆流するようになる一方、排気行程が進んでピストンが上昇するに従い、気筒内のガスが排気通路に押し出されるようになる。高速用通路を閉塞しているバタフライバルブには、排気通路内のガスが気筒内に逆流するときの流体圧力と、気筒内のガスが排気通路に押し出されるときの流体圧力とが交互に作用する。その結果、バタフライバルブが、駆動軸を中心とする回動方向に、ばたつくようになり、異音の発生や、バタフライバルブの耐久性の低下が懸念される。

ここに開示する技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、排気通路内にバルブが配設されたエンジンの排気装置において、燃料カット中のバルブのばたつきを防止することにある。

ここに開示する技術は、エンジンの内部に設けられる燃焼室の排気口と前記エンジンの外部に設けられる触媒装置とを接続する排気通路内に配設されかつ、駆動軸を回動させることにより、当該排気通路の通路断面積を変更するよう回動可能に構成された板状のバルブと、前記バルブの開度を制御するよう構成されたバルブ制御部と、を備えたエンジンの排気装置に関する。

前記エンジンは、前記燃焼室に燃料を供給するよう構成された燃料噴射弁と、車両の走行中に所定条件が成立したときに前記燃料噴射弁からの燃料噴射を禁止する燃料カット制御を実行するよう構成された燃料噴射弁制御部と、を有し、前記排気通路は、前記排気口に接続された共通通路と、該共通通路の下流部において分岐しかつ、互いに並行に設けられた第１通路及び第２通路と、前記第１通路及び前記第２通路の下流部において前記第１通路及び前記第２通路が集合する集合部と、を含み、前記第１通路及び第２通路の集合部は、タービンを備えたターボ過給機のタービンハウジングに接続され、前記バルブは、前記第１通路に配設されかつ、前記第１通路の通路断面積を変更するよう構成され、前記バルブ制御部は、前記エンジンの回転数が所定回転数よりも低いときに、前記バルブを閉じて前記第１通路を閉塞し、前記所定回転数以上のときに、前記バルブを開けて前記第１通路を開け、前記バルブ制御部は、前記エンジンの回転数が前記所定回転数よりも低いときであっても、前記燃料噴射弁制御部が前記燃料カット制御を実行しているときには、前記バルブを開けるように構成されている。

この構成によると、排気通路の第１通路に配設されたバルブは、エンジンの回転数が所定回転数よりも低いときに閉じて、第１通路を閉塞する。排気ガスの流通面積が絞られることで排気ガスの流速が高まり、エンジンの低回転域においてタービンの駆動力が高まる。前記バルブはまた、エンジンの回転数が所定回転数以上のときは開いて、第１通路を開ける。バルブは全開にしてもよいし、中間開度に調整してもよい。第１通路と第２通路との両方を通じて排気ガスをタービンに導入することができ、排気抵抗を低減してタービンの駆動力が高まる。

そうして、燃料噴射弁制御部が燃料カット制御を実行しているときには、エンジンの回転数が所定回転数より低くても、バルブ制御部はバルブを開けて、第１通路を開ける。このときに、バルブは、全開にしてもよいし、中間開度に調整してもよい。燃料カット中に、排気弁の開閉に伴い、排気通路内のガスが気筒内に逆流したり、気筒内のガスが排気通路に押し出されたりしても、バルブに流体圧力が作用することが抑制される。その結果、燃料カット中のバルブのばたつきを防止することが可能になる。

前記装置は、アクセル開度を検出するよう構成されたアクセル開度検出部と、前記エンジンの実トルクを推定するよう構成されたトルク推定部と、を備え、前記バルブ制御部は、前記アクセル開度検出部がアクセル開度がゼロであることを検出しかつ、前記トルク推定部が前記エンジンの実トルクが所定値以下であることを推定したときには、前記エンジンの回転数が前記所定回転数よりも低くかつ、前記燃料カット制御を実行しているときであっても、前記バルブを開ける、としてもよい。

つまり、バルブ制御部は、燃料カットを開始したことを受けて、バルブを開けるのではなく、燃料カットの開始と同時に、バルブを開けるようにする。そのために、アクセル開度がゼロであることが検出されかつ、エンジンの実トルクが所定値以下であることが検出されたときにバルブを開ける。こうすることで、バルブを閉じている状態から、燃料カットの開始と同時に、バルブを速やかに開けることが可能になる。その結果、バルブのばたつきを確実に防止することが可能になり、異音の発生を回避することが可能になる。

前記バルブ制御部は、前記アクセル開度検出部が、前記アクセル開度がゼロの状態が、所定時間継続したことを検出したときに、前記バルブを開ける、としてもよい。

アクセル開度が一時的にゼロになったときに、直ちにバルブを開けるのではなく、アクセル開度がゼロの状態が継続したときに、バルブ制御部は、バルブを開ける。これにより、運転者が、アクセルペダルを一瞬離したが、すぐに踏み直したような場合に、排気通路に配設したバルブが開いてしまうことが回避される。こうすることで、ドライバビリティを損なうことが防止される。

以上説明したように、前記のエンジンの排気装置によると、エンジンの回転数が所定回転数よりも低いときに閉じるバルブを、燃料カット制御を実行しているときには、エンジンの回転数が所定回転数より低くても開けて、第１通路を開けることにより、燃料カット中に、排気弁の開閉に伴う流体圧力がバルブに作用することが抑制され、燃料カット中のバルブのばたつきを防止することが可能になる。

図１は、エンジンの排気装置が適用されるエンジンシステムを示す概念図である。図２は、エンジンの排気装置の構成を示す、一部断面の概略図である。図３は、エンジンの排気装置の構成を示す断面図である。図４は、排気弁装置の構成を示すタービン側から見た斜視図である。図５は、図３のＶ−Ｖ断面図である。図６は、負圧式アクチュエータの断面図である。図７は、エンジンシステムの構成を示すブロック図である。図８は、排気可変弁の開閉に係る制御マップを例示する図である。図９は、排気可変弁の開閉に係る制御を示すフローチャートである。図１０は、排気可変弁が開いている走行状態から燃料カット制御に至るまでの、アクセル開度、スロットル開度、エンジン回転数、エンジントルク、燃料噴射量及び排気可変弁の開閉状態の変化を例示するタイムチャートである。

以下、ここに開示するエンジンの排気装置について、図面を参照しながら詳細に説明をする。尚、以下の説明は例示である。図１は、前記排気装置１００が適用されるエンジンシステムを示している。

（エンジンシステムの全体構成）
エンジンシステムは、火花点火式内燃機関として構成されたエンジン１を備えている。エンジン１は、ターボ過給機付きエンジンである。エンジン１は、図示は省略するが、自動車における前部のエンジンルーム内で、いわゆる横置きに搭載される。エンジン１は縦置きであってもよい。エンジン１の出力軸であるクランクシャフト２９は、図示を省略する変速機を介して駆動輪に連結されている。エンジン１の出力を駆動輪に伝達することによって、自動車が走行する。

エンジン１は、シリンダブロック１１と、シリンダブロック１１の上に載置されるシリンダヘッド１０と、を備えている。シリンダブロック１１の内部には、複数の気筒２が設けられている。この例では、エンジン１は、後述するように、第１〜第４の４つの気筒２Ａ〜２Ｄを有する。４つの気筒２は、図１における紙面に垂直な方向に並んで配置されている。尚、エンジン１が有する気筒２の数、及び、気筒２の配列は、特定の数及び配列に限定されない。

クランクシャフト２９は、一部の図示を省略するコネクティングロッド２７１を介してピストン２７に連結されている。エンジン１は、クランクシャフト２９の回転数、つまりエンジン１の回転数を検知するクランク角センサ２１１を有している。

ピストン２７は、各気筒２内に往復動可能に内挿されている。ピストン２７と、シリンダヘッド１０と、気筒２とは、燃焼室２００を区画形成する。

シリンダヘッド１０には、気筒２毎に吸気ポート１２が形成されている。吸気ポート１２は、燃焼室２００に連通する。吸気ポート１２には、燃焼室２００に設けられた吸気口を遮断可能な吸気弁３０１が配設されている。吸気弁３０１は、吸気動弁機構３１０によって駆動される。吸気弁３０１は、所定のタイミングで吸気ポート１２を開閉する。

シリンダヘッド１０にはまた、気筒２毎に排気ポート１３が形成されている。排気ポート１３は、燃焼室２００に連通する。排気ポート１３には、燃焼室２００に設けられた排気口を遮断可能な排気弁３０３が配設されている。排気弁３０３は、排気動弁機構３３０によって駆動される。排気弁３０３は、所定のタイミングで排気ポート１３を開閉する。

吸気動弁機構３１０は、吸気弁３０１のリフト量及び吸気弁３０１の開弁期間を変更可能に構成されている。吸気動弁機構３１０は、公知の様々な構成を採用することが可能である。吸気動弁機構３１０は、図７に示すように、エンジン制御部７からの信号を受けて、吸気弁３０１のリフト量及び吸気弁３０１の開弁期間を変更する。

排気動弁機構３３０も、排気弁３０３のリフト量及び排気弁３０３の開弁期間を変更可能に構成されている。排気動弁機構３３０は、公知の様々な構成を採用することが可能である。排気動弁機構３３０は、図７に示すように、エンジン制御部７からの信号を受けて、排気弁３０３のリフト量及び排気弁３０３の開弁期間を変更する。

吸気ポート１２には、吸気通路５２が接続されている。吸気通路５２は、気筒２に吸気を導く。吸気通路５２には、スロットルバルブ５１１が介設している。スロットルバルブ５１１は、電気制御式である。エンジン制御部７が出力した制御信号を受けたスロットルアクチュエータ５１２が、スロットルバルブ５１１の開度を調整する。

吸気通路５２におけるスロットルバルブ５１１よりも上流には、ターボ過給機５０のコンプレッサ５５が配設されている。コンプレッサ５５が作動することにより、吸気の過給を行う。スロットルバルブ５１１とコンプレッサ５５との間には、コンプレッサ５５により圧縮された空気を冷却するインタークーラ５１３が配設されている。

吸気通路５２におけるスロットルバルブ５１１よりも下流には、サージタンク５２１と、サージタンク５２１の下流側で４つの気筒２のそれぞれに分岐される独立通路５２２とが設けられている。

吸気通路５２において、コンプレッサ５５よりも下流には、気筒２に導入する吸入空気量と、吸気の温度とを検出するエアフローセンサ５２０が配設されている。

排気ポート１３には、排気通路５３が接続されている。排気通路５３には、排気装置１００が設けられている。排気装置１００の詳細は後述する。

排気通路５３には、ターボ過給機５０のタービン５６が配設されている。ターボ過給機５０は、排気装置１００の一部を構成する。タービン５６が排気ガス流により回転し、タービン５６の回転により、タービン５６と連結軸５７を介して連結されたコンプレッサ５５が作動する。

排気通路５３には、排気ガスを、タービン５６をバイパスして流すための排気バイパス通路５３１が設けられている。排気バイパス通路５３１には、ウエストゲートバルブ９３が設けられている。ウエストゲートバルブ９３は、排気バイパス通路５３１を流れる排気ガスの流量を調整する。ウエストゲートバルブ９３の開度が大きいほど、排気バイパス通路５３１を流れる排気ガスの流量が増え、タービン５６を流れる流量が少なくなる。

排気通路５３において、タービン５６よりも下流には、排気ガスを浄化するよう構成された、第１触媒装置８１と第２触媒装置８２とが配設されている。排気通路５３にはまた、排気ガス中の酸素濃度を検知するための、２つのＯ_２センサ８３、８４が介設している。各Ｏ_２センサ８３、８４はそれぞれ、図７に示すように、エンジン制御部７に検知信号を出力する。

エンジン１には、気筒２毎に燃料噴射弁４１が取り付けられている。燃料噴射弁４１は、気筒２内に直接、燃料（ここでは、ガソリン、又は、ガソリンを含む燃料）を噴射するように構成されている。燃料噴射弁４１は、吸気ポート１２に燃料を噴射するように構成してもよい。燃料噴射弁４１の構成は、どのようなものであってみよいが、例えば多噴口型の燃料噴射弁としてもよい。図７に示すように、燃料噴射弁４１は、エンジン制御部７からの燃料噴射パルスに従って、所定の量の燃料を、所定のタイミングで、気筒２内に噴射する。尚、図１の例では、燃料噴射弁４１を、気筒２の吸気側の側部に取り付けている。気筒２内における燃料噴射弁４１の取り付け位置は、図例の位置に限らない。

エンジン１にはまた、気筒２毎に、点火プラグ４２が取り付けられている。点火プラグ４２は、シリンダヘッド１０の天井面において、電極が気筒２の軸心上となるように取り付けられている。点火プラグ４２は、燃焼室２００内で火花を発生させることによって、燃焼室２００内の混合気に点火する。点火プラグ４２は、図７に示すように、エンジン制御部７からの点火信号により、所望の点火タイミングで火花を発生させる。
（エンジンの排気装置の構成）
図２及び図３は、エンジンの排気装置１００を示している。前述したように、エンジンは、ターボ過給機５０を備えた４サイクルエンジンであり、本実施形態では１番気筒、３番気筒、４番気筒、２番気筒の順に燃焼が行なわれるように構成されている。このエンジン１は、４つの気筒２Ａ〜２Ｄ（１番気筒２Ａ、２番気筒２Ｂ、３番気筒２Ｃ、４番気筒２Ｄ）が列状に並んでいる。排気装置１００は、エンジン１で生成された排気ガスを排出するための排気マニホールドと、詳細は後述する排気弁装置２０と、ターボ過給機５０とを備えている。

このエンジンには、排気マニホールドとして独立した部品は備えられておらず、詳細は後述するが、エンジン１（シリンダヘッド１０）の独立排気通路１４、１５、１６、排気弁装置２０の上流側排気通路２４、２５、２６、並びに、ターボ過給機５０の排気導入通路部５１及び集合部５４が協働して排気マニホールドを構成している。

エンジン１は、排気マニホールドを通じて排出される排気ガスによりターボ過給機５０を作動させることで、各気筒２Ａ〜２Ｄへと導入される吸気を圧縮して吸気圧を上昇させるように構成されている。そして、自動車の運転状態に応じ、ターボ過給機５０に導入される排気ガスの流速が、エンジン１とターボ過給機５０との間に介設される前記排気弁装置２０によって制御されることで、このターボ過給機５０によるエンジントルク上昇効果が、エンジン回転数域の低回転域から高回転域の広範囲にわたって得られるように構成されている。

尚、以下の説明では、方向関係を明確にするために、図２を基準として、エンジン１における気筒２Ａ〜２Ｄの配列方向を「左右方向」、これに直交する方向（図２の上下方向）を「前後方向」とし、ターボ過給機５０側をエンジンの「前側」とする。

エンジン１のシリンダヘッド１０には、４つの気筒２Ａ〜２Ｄに対して３つの独立排気通路が形成されている。具体的には、１番気筒２Ａの排気ポート１３に接続されかつ、１番気筒２Ａの排気に使用される第１独立排気通路１４と、排気順序が互いに連続しない２番気筒２Ｂ及び３番気筒２Ｃそれぞれの排気ポート１３に接続されかつ、２番気筒２Ｂ及び３番気筒２Ｃの排気に共通して使用される第２独立排気通路１５と、４番気筒２Ｄの排気ポート１３に接続されかつ、４番気筒２Ｄの排気に使用される第３独立排気通路１６とが形成されている。第２独立排気通路１５は、２番気筒２Ｂ及び３番気筒２Ｃに対して共通に使用可能なように上流側がＹ字状に分岐した形状とされている。

これら独立排気通路１４、１５、１６は、その下流側端部がシリンダヘッド１０の左右方向略中央に集約されるように形成され、互いに近接して左右方向に一列に並んだ状態でシリンダヘッド１０の前面に開口している。

また、シリンダヘッド１０には、ＥＧＲ下流側通路１８が形成されている。このＥＧＲ下流側通路１８は、図２に示すように、シリンダヘッド１０のうち、１番気筒２Ａの左側を前後方向に横断するように形成されている。このＥＧＲ下流側通路１８の上流側端部は、シリンダヘッド１０の前面であって前記独立排気通路１４の左側の位置に開口している。一方、ＥＧＲ下流側通路１８の下流側端部は、シリンダヘッド１０の後面に開口している。尚、前記ＥＧＲ下流側通路１８の下流側端部は、１番気筒２Ａの吸気ポート１２の左側の位置に開口している。

図４は、タービン側から見た排気弁装置２０を示している。前記排気弁装置２０は、エンジン１から排出される排気ガスの流通面積を変更することにより、ターボ過給機５０に導入される排気ガスの流速を変更させるものであり、エンジン１の前面にボルトにより固定されている。

この排気弁装置２０は、シリンダヘッド１０側の前記独立排気通路１４、１５、１６それぞれに連通する３つの独立した上流側排気通路２４、２５、２６（第１上流側排気通路２４、第２上流側排気通路２５、第３上流側排気通路２６）と、シリンダヘッド１０側の前記ＥＧＲ下流側通路１８に連通するＥＧＲ中間通路２８とが形成された装置本体２１と、上流側排気通路２４、２５、２６内の排気ガスの流通面積を変更するための排気可変弁３とを備えている。尚、装置本体２１は、金属鋳造体で構成されている。

各上流側排気通路２４、２５、２６はそれぞれ、下流側がＹ字状に分岐した形状とされている。すなわち、図３及び図４に示すように、第１上流側排気通路２４は、シリンダヘッド１０側の第１独立排気通路１４に連通する共通通路２４ａと、この共通通路２４ａから上下二股状に分岐する高速用通路２４ｂ及び低速用通路２４ｃとを有している。第２上流側排気通路２５及び第３上流側排気通路２６も同様に、シリンダヘッド１０側の独立排気通路１５、１６にそれぞれ連通する共通通路２５ａ、２６ａ（図示省略）と、この共通通路２５ａ、２６ａから二股状に上下に分岐する高速用通路２５ｂ、２６ｂ及び低速用通路２５ｃ、２６ｃとを有している。尚、当実施形態では、各上流側排気通路２４、２５、２６における高速用通路２４ｂ、２５ｂ、２６ｂが第１通路に、低速用通路２４ｃ、２５ｃ、２６ｃが第２通路に相当する。低速用通路２４ｃ、２５ｃ、２６ｃは、高速用通路２４ｂ、２５ｂ、２６ｂよりも流路断面積が小さく形成されている。また、共通通路２４ａ、２５ａ、２６ａ及び独立排気通路１４、１５、１６が、排気口に接続される共通通路に相当する。

各高速用通路２４ｂ、２５ｂ、２６ｂは、断面形状が略矩形であり、図４に示すように、左右方向に一列に並ぶように形成されている。各低速用通路２４ｃ、２５ｃ、２６ｃも同様に、断面形状が略矩形であり、前記各高速用通路２４ｂ、２５ｂ、２６ｂの上方の位置において、左右方向に一例に並ぶように形成されている。

一方、前記ＥＧＲ中間通路２８は、図２及び図４に示すように、装置本体２１の左端に形成されている。このＥＧＲ中間通路２８は、断面形状が略矩形であり、第１上流側排気通路２４のうち高速用通路２４ｂの左下に位置している。

前記排気可変弁３は、前記上流側排気通路２４、２５、２６のうち、各高速用通路２４ｂ、２５ｂ、２６ｂ内の排気ガスの流通面積を変更するものである。この排気可変弁３は、各高速用通路２４ｂ、２５ｂ、２６ｂ内にそれぞれ配置される合計３つのバタフライバルブ３０を含むバルブ本体３１と、バルブ本体３１に連結された駆動軸３２と、この駆動軸３２を回転させる負圧式アクチュエータ４とを含む。排気可変弁３は、負圧式アクチュエータ４により駆動軸３２を介して各バタフライバルブ３０を回転駆動することにより、各高速用通路２４ｂ、２５ｂ、２６ｂを同時に開閉する。

ここで、排気可変弁３の構成について具体的に説明する。図４に示すように、バルブ本体３１は、左右方向に並んだ３つのバタフライバルブ３０を互いに連結して構成されている。左右方向に並んだ高速用通路２４ｂ、２５ｂ、２６ｂは、その横断面の中心部分が左右方向に互いに連通しており、バルブ本体３１は、互いに連通した高速用通路２４ｂ、２５ｂ、２６ｂの横断面の中心部分を横切るように、左右方向に延びて配設されている。バルブ本体３１の左右の両端部には、支持部３１１が、バルブ本体３１と一体的に設けられている。各支持部３１１は、装置本体２１に対して軸心Ｘ１（図５参照）回りに回転可能に支持されている。バルブ本体３１は、高温の排気ガスに曝されるため、耐熱性を有する材料によって構成される。

各バタフライバルブ３０は、図４及び図５に示すように、各高速用通路２４ｂ、２５ｂ、２６ｂの断面形状に対応した矩形の板状に形成されている。各バタフライバルブ３０は、後述するように、負圧式アクチュエータ４のストッパー係合部４７がストッパー４６に当接しているときに（図６参照）、図５に実線で示すように、高速用通路２４ｂ、２５ｂ、２６ｂを閉じた状態にする。その状態から、負圧式アクチュエータ４が駆動することによって、ストッパー係合部４７がストッパー４６から離れると、バルブ本体３１が、図５における時計回りの方向に回転し、二点鎖線で示すように、各バタフライバルブ３０は、高速用通路２４ｂ、２５ｂ、２６ｂを開けた状態にする。

駆動軸３２は、詳細な図示は省略するが、バルブ本体３１の左端部に連結されている。駆動軸３２は、図４に示すように、装置本体２１を貫通して、上流側排気通路２４、２５、２６の左側の外にまで延びている。駆動軸３２の先端部分は、装置本体２１に一体に設けられた補助軸受部２２に、軸心Ｘ１回りに回転可能に支持されている。補助軸受部２２は、上流側排気通路２４、２５、２６から、所定の距離だけ離れて設けられている。

駆動軸３２の先端部、詳細には、補助軸受部２２よりも左側に突出した駆動軸３２の先端部には、レバー部材３３が取り付けられている。レバー部材３３に対し、負圧式アクチュエータ４の出力軸４４の先端が連結される。

負圧式アクチュエータ４は、図４及び図６に示すように、ブラケット４５を介して装置本体２１に固定されている。負圧式アクチュエータ４は、底部に接続した負圧管４１１を通じて負圧が供給及び排出されることに伴い、出力軸４４が進退するように構成される。出力軸４４の進退に伴い、レバー部材３３は、駆動軸３２の軸心Ｘ１を中心に揺動し、駆動軸３２は、軸心Ｘ１を中心に回転する。

負圧式アクチュエータ４のブラケット４５には、ストッパー４６が取り付けられている。尚、本実施形態では、ブラケット４５を出力軸４４が進退する軌跡上に取り付けているため、ストッパー４６をブラケット４５に取り付けているが、ストッパー４６は、出力軸４４の進退軌跡上に取り付けられていれば良いので、例えば、ブラケット４５を前記軌跡上以外に取り付けている場合には、ストッパー４６を負圧式アクチュエータ４の本体に直接取り付けるようにしても良い。

出力軸４４には、ストッパー４６に係合するストッパー係合部４７が固定されている。ストッパー４６及びストッパー係合部４７は、出力軸４４が退避方向へ移動したときに互いに係合することによって、出力軸４４がそれ以上に退避方向に移動することを阻止する。

ストッパー４６は、ハット状の部材であり、その中心位置に、出力軸４４が通過する通過孔４６１が形成されている。この通過孔４６１は、出力軸４４の径よりも十分に大きな径を有している。ストッパー４６はまた、通過孔４６１を含む中心位置に、凸状に膨らんだ第１当接面４６２を有している。

ストッパー係合部４７は、出力軸４４の中間位置に固定されている。ストッパー係合部４７は、ストッパー４６の第１当接面４６２に当接する第２当接面４７１を有している。第２当接面４７１は、凹球面状である。

負圧式アクチュエータ４に負圧を供給したとき（つまり、負圧式アクチュエータをオンにしたとき）には、出力軸４４は退避方向に移動をして、図６に示すように、ストッパー４６及びストッパー係合部４７が互いに係合する。これにより、各バタフライバルブ３０が、図５に実線で示すように、各高速用通路２４ｂ、２５ｂ、２６ｂを閉じる。一方、負圧式アクチュエータ４から負圧を排出する（つまり、負圧式アクチュエータをオフにする）と、出力軸４４は進出方向に移動をする。これにより、各バタフライバルブ３０が、図５に二点鎖線で示すように、各高速用通路２４ｂ、２５ｂ、２６ｂを開ける。排気可変弁３は、ノーマルオープンに構成されている。

前記ターボ過給機５０は、図２及び図３に示すように、排気弁装置２０の装置本体２１にボルトにより固定される。ターボ過給機５０は、装置本体２１の取付面２１ａ（図４参照）に固定される排気導入通路部５１と、排気導入通路部５１に連続するタービンハウジング５６０と、このタービンハウジング５６０内に配設されるタービン５６と、図２においては図外となる吸気通路５２内に配設されるコンプレッサ５５とを含む。

排気導入通路部５１は、排気弁装置２０における高速用通路２４ｂ、２５ｂ、２６ｂ、及び、低速用通路２４ｃ、２５ｃ、２６ｃのそれぞれに連通する、独立した高速用通路５１ｂと低速用通路５１ｃとを有している。詳細な図示は省略するが、排気導入通路部５１の高速用通路５１ｂは、排気弁装置２０において独立していた３つの高速用通路２４ｂ、２５ｂ、２６ｂが合流する。同様に、排気導入通路部５１の低速用通路５１ｃは、排気弁装置２０において独立していた３つの低速用通路２４ｃ、２５ｃ、２６ｃが合流する。

排気導入通路部５１は、その下流端部に、高速用通路５１ｂと低速用通路５１ｃとが集合する集合部５４を備えている。下流側排気通路部の高速用通路５１ｂ及び低速用通路５１ｃからの排気ガスがこの集合部５４で合流してタービン５６に送られる。

前述したように、このエンジンには、排気マニホールドとして独立した部品は備えられておらず、エンジン１（シリンダヘッド１０）の独立排気通路１４、１５、１６、排気弁装置２０の上流側排気通路２４、２５、２６、並びに、ターボ過給機５０の排気導入通路部５１及び集合部５４が組み合わさって排気マニホールドを構成している。

また、タービンハウジング５６０の排気導入通路部５１の左側部には、排気弁装置２０の前記ＥＧＲ中間通路２８に連通するＥＧＲ上流側通路５８が形成されている。ターボ過給機５０に流入する排気ガスの一部は、ＥＧＲガスとして、ＥＧＲ上流側通路５８、前記ＥＧＲ中間通路２８及びＥＧＲ下流側通路１８を通じて吸気通路に導入されるようになっている。つまり、このエンジンでは、ＥＧＲ下流側通路１８、ＥＧＲ中間通路２８及びＥＧＲ上流側通路５８によりＥＧＲ通路が構成されている。

前記のように構成されたエンジンにおいて、エンジン１で生成された排気ガスは、独立排気通路１４、１５、１６から排気弁装置２０の上流側排気通路２４、２５、２６を介してターボ過給機５０に導入される。その際、排気弁装置２０の各高速用通路２４ｂ、２５ｂ、２６ｂを流通する排気ガスの流通面積が、エンジン制御部７によって、自動車の運転状態において変更される。

具体的には、図８に示すように、エンジン１の回転数が所定回転数（例えば１６００ｒｐｍ）よりも低い低回転域では、高速用通路２４ｂ、２５ｂ、２６ｂを閉じるように排気弁装置２０が制御される。つまり、各バタフライバルブ３０が、図５に実線で示すように、各高速用通路２４ｂ、２５ｂ、２６ｂを閉じるように、排気可変弁３を閉弁する。これにより、少ない排気ガスを低速用通路２４ｃ、２５ｃ、２６ｃに集中させることで排気ガスの流速を高め、これによりターボ過給機５０のタービン５６の駆動力をアップさせて吸気圧を高める。また、低回転域においては、上流側の低速用通路２４ｃ、２５ｃ、２６ｃが集合する、下流側の低速用通路５１ｃにおいてエゼクタ効果が得られ、各気筒２Ａ〜２Ｄ内の既燃ガスを吸い出すことによる掃気効果も得られる。

一方、エンジン１の回転数が所定回転数以上の高回転域では、低速用通路２４ｃ、２５ｃ、２６ｃのみを使って排気ガスを通過させると通路抵抗により掃気性能が低下してしまう虞があるので、高速用通路２４ｂ、２５ｂ、２６ｂを開くように排気弁装置２０が制御される。つまり、各バタフライバルブ３０が、図５に二点鎖線で示すように、各高速用通路２４ｂ、２５ｂ、２６ｂを開けるように、排気可変弁３を開弁する。高速用通路２４ｂ、２５ｂ、２６ｂ及び低速用通路２４ｃ、２５ｃ、２６ｃの両方を通じて排気ガスをターボ過給機５０に導入することで、排気通路抵抗による掃気性能の低下を抑制しつつターボ過給機５０を駆動させて吸気圧を高める。排気可変弁３は、所定の回転数を境にして、全開と全閉とが切り替わる。そのため、排気可変弁３の開閉動作には、高い応答性が求められる。

（エンジンの制御）
図７は、エンジンシステムの構成を示すブロック図である。エンジンシステムは、エンジン制御部７を有している。エンジン制御部７には、前述したエアフローセンサ５２０、Ｏ_２センサ８３、８４、及び、クランク角センサ２１１が接続される。エンジン制御部７にはまた、エンジン１の冷却水通路に取り付けられかつ、冷却水温を検知する水温センサ２１０、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ２１２、変速機のギヤ段を検出するギヤ段検出手段２１５、及び、車速を検出する車速センサ２１４が接続される。エンジン制御部７は、これらのセンサ等の検出結果に基づいて設定した自動車の目標加速度から、エンジン１の目標トルクを設定する。エンジン制御部７は、設定したエンジン１の目標トルクを実現すべく、燃料噴射弁４１、点火プラグ４２、吸気動弁機構３１０、排気動弁機構３３０、スロットルバルブ５１１、及び排気可変弁３に、制御信号を出力する。エンジン制御部７は、バタフライバルブ３０の開度を制御するバルブ制御部を構成する。

エンジン制御部７はまた、自動車の減速時に、予め設定した燃料カット条件が成立したときには、エンジン１に対する燃料供給を中止する燃料カット制御を行うように構成されている。エンジン制御部７は、所定条件が成立したときに燃料噴射弁４１からの燃料噴射を禁止する燃料カット制御を実行する燃料噴射弁制御部を構成する。燃料カット条件は、アクセルペダルが踏まれておらず、アクセル開度がゼロであること、エンジン１の回転数が所定回転数以上であること、及び、エンジン１のトルクが所定トルクに低下することを含む。

ここで、所定回転数は、エンジンストールにならないように燃料カット制御から復帰するとき（つまり燃料の供給を再開するとき）の回転数に相当する。所定回転数は、アイドル回転数よりも若干高い回転数であり、例えばアイドル回転数が７５０ｒｐｍである場合には、１０００ｒｐｍとしてもよい。所定回転数は、適宜設定することが可能である。また、所定トルクは、燃料カット制御を開始するトルクに相当し、燃料カット制御を開始しても、トルクショックが生じないトルクである。所定トルクも適宜設定することが可能である。

燃料カット制御を行う領域は、図８にＦ／Ｃとして示すように、排気可変弁３が閉じられる領域を含む。

バタフライバルブ３０が閉じた状態であっても、排気通路内のガスが、排気口からタービンハウジング５６０の方に流れることによって生じる流体圧力のみがバタフライバルブ３０に作用する時には、ストッパー係合部４７とストッパー４６との当接によって、バタフライバルブ３０のばたつきは抑制されるが、燃料カット制御中は、スロットルバルブ５１１の開度が小さくかつ、燃焼室２００内における燃焼が行われないため、燃焼を伴わない膨張行程終了時の気筒２内の圧力状態は、吸気通路５２及び排気通路５３よりも低くなる。そのため、排気行程の初期に排気弁３０３が開弁すると、排気通路５３内のガスが排気口を通じて気筒２内に逆流するようになる一方、排気行程が進んでピストン２７が上昇するに従い、気筒２内のガスが排気通路５３に押し出されるようになる。このときに、高速用通路２４ｂ、２５ｂ、２６ｂをバタフライバルブ３０が閉塞していると、バタフライバルブ３０には、排気通路５３内のガスが気筒２内に逆流するときの流体圧力と、気筒２内のガスが排気通路５３に押し出されるときの流体圧力とが交互に作用する。その結果、ストッパー係合部４７とストッパー４６との当接状態を強める方向の力と、当接を引き離す方向の力とが交互に作用し、バタフライバルブ３０（つまり、バルブ本体３１）が、駆動軸３２を中心とする回動方向に、ばたつくようになり、異音の発生や、バタフライバルブ３０の耐久性の低下が懸念される。

そこで、このエンジンシステムでは、燃料カット制御中は、排気可変弁３を開くように構成されている。以下、この排気可変弁３の開閉制御について、図９に示すフローチャートを参照しながら、具体的に説明をする。図９に示すフローチャートは、自動車が減速している最中のフローに相当する。また、エンジン制御部７は、このフローチャートに並行して、燃料カットの開始、及び、復帰に関する制御を行う。

先ず、スタート後のステップＳ１では、エンジン１の運転状態を読み込む。具体的には、エンジン回転数、及び、エンジン１の実トルクを読み込む。エンジン回転数は、クランク角センサ２１１の検出信号に基づいて検出される。エンジンの実トルクは、この例では、アクセル開度センサ２１２、車速センサ２１４、変速機のギヤ段検出手段２１５の検出値に基づいて決定される。エンジン制御部７は、トルク推定部を構成する。尚、エンジントルクは、エアフローセンサ５２０によって検知される、気筒２内に導入される吸入空気量と吸気温度とにより推定してもよい。また、エンジントルクは、例えば燃料噴射量に基づいて推定してもよい。

続くステップＳ２では、エンジンの回転数Ｎｅが、１６００ｒｐｍ以上か否かを判定する。１６００ｒｐｍは、図８に示すように、排気可変弁３を開閉する境界となる回転数である。エンジンの回転数が、１６００ｒｐｍ以上のときには、エンジン１の回転数が高回転域にあるとしてステップＳ６に移行して、排気可変弁３を開ける。

一方、エンジン回転数が１６００ｒｐｍよりも低いときには、ステップＳ３に移行する。ステップＳ３では、アクセルオフの状態が所定時間継続しているか否かを判断する。ＮＯのときには、ステップＳ７に移行する。ステップＳ７では、エンジン１の回転数が低回転域にあるため、排気可変弁３を閉じる。

ステップＳ４では、エンジン１の回転数Ｎｅが、１０００ｒｐｍよりも低いか否かを判定する。１０００ｒｐｍは、燃料カット制御から復帰するときの回転数に相当する。ＹＥＳのときには、燃料カットを行わないため、ステップＳ７に移行をして、排気可変弁３を閉じる。一方、ＮＯのときには、ステップＳ５に移行する。

ステップＳ５では、エンジン１の実トルクが燃料カット制御を開始しても、トルクショックが生じない程度にまで低下したか否かを判定する。前述の通り、エンジン１の実トルクは、アクセル開度センサ２１２、車速センサ２１４、変速機のギヤ段検出手段２１５の検出値に基づいて決定される。ＮＯのときには、燃料カット制御が開始しないため、ステップＳ７に移行をして、排気可変弁３を閉じる。一方、ＹＥＳのときには、燃料カット制御が開始するとして、ステップＳ６に移行をして、排気可変弁３を開ける。前述したように、エンジン制御部７は、このフローとは別に、燃料カットの開始を判断している。燃料カットの開始の判断は、図９のフローにおけるステップＳ２〜Ｓ５と実質的に同じである。従って、燃料噴射弁４１に対して燃料の噴射を停止させることによる燃料カットの開始と、排気可変弁３の開弁とは、実質的に同時に行われる。

図１０は、自動車の減速時における、アクセル開度、スロットル開度、エンジン回転数、エンジントルク、燃料噴射量、及び排気可変弁３の開閉の変化を示すタイムチャートである。先ず、時刻ｔ０において、排気可変弁３が開いている状態で、アクセルペダルの踏み込みが次第に解除されて、自動車の減速が開始したとする。アクセル開度の低減に伴い、スロットル開度が低減する。それに対応して燃料噴射量も低減する。そうしてエンジン回転数及びエンジントルクが共に、低下する。

時刻ｔ１において、エンジン回転数が、排気可変弁３を閉じる回転数（ここでは、前述したように１６００ｒｐｍ）に到達したとする。これにより、排気可変弁３が、開から閉に変更される。

時刻ｔ２において、アクセル開度がゼロとなり、以降、その状態が継続をしたとする。スロットル開度は、アイドル運転開度に維持される。エンジン回転数、及び、エンジントルクは、次第に低下する。

時刻ｔ３において、エンジントルクが、燃料カット移行可能トルクに達したとする。これを受けて、燃料の供給が停止される。また、図９に示すフローチャートに従い、閉じられていた排気可変弁３は、再び開けられる。

時刻ｔ４において、燃料カット中に次第に低下していたエンジン回転数が、所定回転数（つまり、アイドル回転数＋α）に到達したとする。これを受けて、燃料噴射が再開されると共に、排気可変弁３は、開状態から、閉状態に変更される。

以上説明したように、この構成のエンジン１の排気装置１００では、エンジン１が燃料カット制御を行っているときには、エンジン１の回転数が所定回転数よりも低くても、排気可変弁３を開けて、高速用通路２４ｂ、２５ｂ、２６ｂを開ける。これにより、燃料カット中に、排気弁３０３の開閉に伴い、排気通路５３内のガスが気筒２内に逆流したり、気筒２内のガスが排気通路５３に押し出されたりしても、バタフライバルブ３０に流体圧力が作用することが抑制される。その結果、燃料カット中のバルブ本体３１のばたつきを防止することが可能になる。

また、エンジン制御部７は、燃料カットを開始したことを受けて、排気可変弁３を開けるのではなく、燃料カットの開始と同時に、排気可変弁３を開けるようにするため、排気可変弁３を速やかに開けることが可能になる。その結果、バルブ本体３１のばたつきを確実に防止することが可能になり、異音の発生を回避することが可能になる。

さらに、エンジン制御部７は、アクセル開度がゼロの状態が、所定時間継続したことが検出されたときに、排気可変弁３を開けるため、アクセル開度が一時的にゼロになったときには、排気可変弁３は開かない。運転者が、アクセルペダルを一瞬離したが、すぐに踏み直したような場合に、排気可変弁３が開いてしまうことが回避される。その結果、ドライバビリティを損なうことが防止される。

尚、以上説明した前記実施形態のエンジンは、エンジン１の排気装置１００の好ましい実施形態の例示であって、当該エンジンやこれに組み込まれる排気弁装置２０の具体的な構成は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

また、前記実施形態では、排気装置１００を直列４気筒の４サイクルエンジンに適用した例について説明したが、ここに開示する排気装置は、勿論、前記実施形態以外のエンジンについても適用可能である。

１エンジン
１００排気装置
２１２アクセル開度センサ（アクセル開度検出部）
２４ａ共通通路
２４ｂ、２５ｂ、２６ｂ高速用通路（第１通路）
２４ｃ、２５ｃ、２６ｃ低速用通路（第２通路）
３排気可変弁
３０バタフライバルブ（バルブ）
３１バルブ本体
３２駆動軸
４１燃料噴射弁
５０ターボ過給機
５３排気通路
５４集合部
５６タービン
５６０タービンハウジング
７エンジン制御部（バルブ制御部、燃料噴射弁制御部、トルク推定部）

Claims

エンジンの内部に設けられる燃焼室の排気口と前記エンジンの外部に設けられる触媒装置とを接続する排気通路内に配設されかつ、駆動軸を回動させることにより、当該排気通路の通路断面積を変更するよう回動可能に構成された板状のバルブと、
前記バルブの開度を制御するよう構成されたバルブ制御部と、を備えたエンジンの排気装置であって、
前記エンジンは、前記燃焼室に燃料を供給するよう構成された燃料噴射弁と、車両の走行中に所定条件が成立したときに前記燃料噴射弁からの燃料噴射を禁止する燃料カット制御を実行するよう構成された燃料噴射弁制御部と、を有し、
前記排気通路は、前記排気口に接続される共通通路と、該共通通路の下流部において分岐しかつ、互いに並行に設けられた第１通路及び第２通路と、前記第１通路及び前記第２通路の下流部において前記第１通路及び前記第２通路が集合する集合部と、を含み、
前記第１通路及び第２通路の集合部は、タービンを備えたターボ過給機のタービンハウジングに接続され、
前記バルブは、前記第１通路に配設されかつ、前記第１通路の通路断面積を変更するよう構成され、
前記バルブ制御部は、前記エンジンの回転数が所定回転数よりも低いときに、前記バルブを閉じて前記第１通路を閉塞し、前記所定回転数以上のときに、前記バルブを開けて前記第１通路を開け、
前記バルブ制御部は、前記エンジンの回転数が前記所定回転数よりも低いときであっても、前記燃料噴射弁制御部が前記燃料カット制御を実行しているときには、前記バルブを開けるように構成されているエンジンの排気装置。
請求項１に記載のエンジンの排気装置において、
アクセル開度を検出するよう構成されたアクセル開度検出部と、
前記エンジンの実トルクを推定するよう構成されたトルク推定部と、を備え、
前記バルブ制御部は、前記アクセル開度検出部がアクセル開度がゼロであることを検出しかつ、前記トルク推定部が前記エンジンの実トルクが所定値以下であることを推定したときには、前記エンジンの回転数が前記所定回転数よりも低くかつ、前記燃料カット制御を実行しているときであっても、前記バルブを開けるエンジンの排気装置。
請求項２に記載のエンジンの排気装置において、
前記バルブ制御部は、前記アクセル開度検出部が、前記アクセル開度がゼロの状態が、所定時間継続したことを検出したときに、前記バルブを開けるエンジンの排気装置。