JP4973541B2 - Supercharged engine system - Google Patents
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Description
本発明は過給機付エンジンシステムに関し、特に排気ターボ過給機を備えた過給機付エンジンシステムに関する。 The present invention relates to a supercharged engine system, and more particularly to a supercharged engine system equipped with an exhaust turbocharger.
エンジンの出力トルク増大を図る手段として、吸気圧力を増大させる過給装置が知られている。その代表的なものとして排気ターボ過給機がよく知られている。例えば、特許文献1に開示されている排気ターボ過給機は、排気通路に設けられたタービンスクロールと吸気通路に設けられたコンプレッサスクロールとをシャフトで連結したものであり、排気ガスでタービンスクロールを回転させることによりコンプレッサスクロールを駆動し、吸気圧を上昇させるように構成されている。
As a means for increasing the output torque of the engine, a supercharging device for increasing the intake pressure is known. A typical example is an exhaust turbocharger. For example, an exhaust turbocharger disclosed in
特許文献1に開示されている排気ターボ過給機は、広い運転領域でのトルクアップと燃費向上との両立を図るため、タービンのノズル部に可変ベーンを備えた構成を開示している。この可変ベーンは、部分負荷運転領域では、低圧の過給圧で開閉制御されることにより、タービンスクロールに流入する排気の流量を抑制して背圧を低減し、燃費低下を抑制する一方、高負荷側では、高圧の過給圧で開閉制御されることにより、タービンスクロールに流入する排気の流量を増量し、出力アップを図るように構成されている。
一般的に、小型の排気ターボ過給機はエンジン低速運転領域でのトルクを増大させ、大型の排気ターボ過給機はエンジン高速運転領域でのトルクを増大させる。そこで、高回転域での過給性能を高めるため、排気ターボ過給機の大型化が進んでいる。 Generally, a small exhaust turbocharger increases the torque in the engine low speed operation region, and a large exhaust turbocharger increases the torque in the engine high speed operation region. Therefore, in order to improve the supercharging performance in the high rotation range, the exhaust turbocharger is becoming larger.
しかるに、近年では、高回転域での過給性能に併せて、低速運転領域での燃費の低減や出力向上の要請も一段と高まっている。 However, in recent years, in addition to the supercharging performance in the high rotation range, the demand for reduction in fuel consumption and improvement in output in the low speed operation range has been further increased.
大型の排気ターボ過給機を採用し、エンジン低速運転領域での過給性能を高める方法としては、排気ターボ過給機を電気的に駆動する電動過給機等を採用することが一般的であるが、エンジン低速運転領域(例えば、2000rpm以下)での過給要請は、比較的頻繁であるため、そのたびに電動過給機等を駆動することは、バッテリの消耗が大きくなり好ましくない。 As a method of using a large exhaust turbocharger and improving the supercharging performance in the engine low-speed operation region, it is common to use an electric supercharger that electrically drives the exhaust turbocharger. However, since the supercharge request in the engine low speed operation region (for example, 2000 rpm or less) is relatively frequent, it is not preferable to drive the electric supercharger or the like every time because the battery is consumed greatly.
本発明は上記不具合に鑑みてなされたものであり、可及的に電動過給機等の稼働率を低減しつつ、広いエンジン運転領域にわたって高い過給性能を発揮することのできる過給機付エンジンシステムを提供することを課題としている。 The present invention has been made in view of the above problems, and is provided with a supercharger capable of exhibiting high supercharging performance over a wide engine operating range while reducing the operating rate of an electric supercharger or the like as much as possible. The challenge is to provide an engine system.
上記課題を解決するために本発明は、所定の運転領域では、吸気バルブと排気バルブの各開弁期間が排気上死点付近でオーバーラップするように前記吸気バルブと前記排気バルブのそれぞれの開閉タイミングを変更可能に構成されたエンジンと、前記エンジンに設けられた複数の気筒の各排気ポートに対応して独立して接続され、独立排気通路を有する排気マニホールドと、前記排気マニホールドの各独立排気通路の下流側が1つに集合した集合部と、前記集合部の下流側に接続された排気ターボ過給機と、少なくとも所定のエンジン低速運転領域では、エゼクタ効果を奏するべく、前記集合部と前記排気マニホールドとの間で当該独立排気通路の出口の有効開口面積を最大値よりも縮小する独立排気絞りモードで運転される可変排気バルブと、前記独立排気絞りモードで可変排気バルブが作動するエンジン低速運転領域と、前記排気ターボ過給機が作動する過給運転領域との重複領域で前記エンジンが運転される場合には、未燃燃料が前記エンジンから排出されて前記排気ターボ過給機の上流側で燃焼されるように、少なくとも空燃比を可燃範囲内で理論空燃比よりもリッチにし且つ前記吸気バルブと前記排気バルブの各開弁期間がオーバーラップするオーバーラップ量を予め設定された範囲以上に拡大する後燃えモードで前記エンジンの混合気の燃焼を制御する燃焼制御手段とを備えていることを特徴とする過給機付エンジンシステムである。この態様では、所定のエンジン低速運転領域では、独立排気通路の出口の有効開口面積を最大値よりも縮小する独立排気絞りモードに可変排気バルブが切り換わることによって、排気マニホールドの出口においてエゼクタ効果を得ることができる。エゼクタ効果とは、ノズルから噴射した駆動流体の速度エネルギーの一部を圧力エネルギーに変換し、当該圧力エネルギーにより被吸引流体を吸引排出することをいう。このエゼクタ効果によって、比較的低速低負荷運転領域であっても、排気ターボ過給機の入力流量(排気ターボ過給機に供給される単位時間当たりの排気の量)を増加することができる。また、エゼクタ効果によるブローダウンピークの高まりによって、動圧過給効果や掃気性の向上を促進することができる。
In order to solve the above-described problems, the present invention is configured to open and close the intake valve and the exhaust valve so that the valve opening periods of the intake valve and the exhaust valve overlap each other in the vicinity of the exhaust top dead center in a predetermined operation range. An engine configured to be able to change timing, an exhaust manifold independently connected to each exhaust port of a plurality of cylinders provided in the engine, and having an independent exhaust passage, and each independent exhaust of the exhaust manifold At least in a predetermined engine low-speed operation region, a collective part in which the downstream side of the passage is gathered into one, an exhaust turbocharger connected to the downstream side of the collective part, and the collective part and the Variable exhaust valve operated in an independent exhaust throttle mode that reduces the effective opening area of the outlet of the independent exhaust passage to the exhaust manifold from the maximum value The engine low speed operation region where the variable exhaust valve is operated in the independent exhaust throttle mode, when the exhaust turbocharger the engine in an overlapping region between the supercharge operating range of operation of the operation, unburned fuel Is discharged from the engine and burned upstream of the exhaust turbocharger, at least the air-fuel ratio is made richer than the stoichiometric air-fuel ratio within the combustible range and the intake valve and the exhaust valve are opened. A supercharger-equipped engine comprising combustion control means for controlling combustion of the air-fuel mixture in the engine in a post-combustion mode that expands an overlap amount that overlaps a period beyond a preset range System. In this aspect, in a predetermined engine low-speed operation region, the variable exhaust valve is switched to the independent exhaust throttle mode in which the effective opening area of the outlet of the independent exhaust passage is reduced below the maximum value, whereby the ejector effect is achieved at the outlet of the exhaust manifold. Obtainable. The ejector effect means that part of the velocity energy of the driving fluid ejected from the nozzle is converted into pressure energy, and the fluid to be sucked is sucked and discharged by the pressure energy. Due to this ejector effect, the input flow rate of the exhaust turbocharger (the amount of exhaust per unit time supplied to the exhaust turbocharger) can be increased even in a relatively low speed and low load operation region. Moreover, the increase of the blowdown peak due to the ejector effect can promote the improvement of the dynamic pressure supercharging effect and the scavenging performance.
加えて、独立排気絞りモードで可変排気バルブが作動するエンジン低速運転領域と、排気ターボ過給機が作動する過給運転領域との重複領域でエンジンが運転される場合には、未燃燃料が排気ターボ過給機の上流側で燃焼されるように混合気の燃焼条件が設定されるので、この設定によっていわゆる「後燃え」現象が生じる。この後燃え現象は、空燃比を可燃範囲内で理論空燃比よりもリッチにし、吸気バルブと排気バルブの開タイミングがオーバーラップするオーバーラップ量を増加すると、未燃燃料が吸気バルブと排気バルブのオーバーラップ期間中に排出され、さらにエゼクタ効果によるブローダウンピークの高まりによって高圧状態で周囲の空気と混合されて、排気ターボ過給機の上流側で燃焼する現象をいう。独立排気絞りモードでの運転中において、オーバーラップ量を増加すると、最初は、オーバーラップ量の増加に伴って掃気される既燃ガスが増加するので、掃気による充填効率が向上し、出力が向上するが、オーバーラップ量がある値以上になると、気筒に残る新気の充填量がオーバーラップによる吹き抜け量と比例しなくなり、出力は横ばいになる。ところが、出力が横ばいになった後もオーバーラップ量を増加し続けると、今度は、未燃燃料が排気通路に排出され、排出された未燃燃料が排気ターボ過給機の上流側で燃焼することによって、後燃え現象が生じることが見出されたのである。後燃え現象が生じると、排気の圧力が高まるので、その分、過給圧が上昇し、過給性能を大幅にアップすることができる。従って、比較的大型の排気ターボ過給機を採用した場合であっても、エンジンの低速運転領域で大きな過給性能を得ることができるようになる。
In addition, when the engine is operated in the overlapping region of the engine low speed operation region where the variable exhaust valve operates in the independent exhaust throttle mode and the supercharging operation region where the exhaust turbocharger operates , unburned fuel is Since the combustion condition of the air-fuel mixture is set so that it is combusted on the upstream side of the exhaust turbocharger, this setting causes a so-called “afterburn” phenomenon. This post-burning phenomenon is caused by making the air-fuel ratio richer than the stoichiometric air-fuel ratio within the combustible range and increasing the overlap amount at which the opening timing of the intake valve and the exhaust valve overlaps. It is a phenomenon that is discharged during the overlap period, and further mixed with ambient air in a high pressure state due to an increase in blowdown peak due to the ejector effect, and combusts upstream of the exhaust turbocharger. When the overlap amount is increased during operation in the independent exhaust throttle mode, initially, the burned gas that is scavenged increases as the overlap amount increases, so the charging efficiency by scavenging is improved and the output is improved. However, when the overlap amount exceeds a certain value, the amount of fresh air remaining in the cylinder is not proportional to the blow-through amount due to the overlap, and the output becomes flat. However, if the overlap amount continues to increase even after the output has leveled off, this time, unburned fuel is discharged into the exhaust passage, and the discharged unburned fuel burns upstream of the exhaust turbocharger. As a result, it was found that the afterburning phenomenon occurs. When the afterburning phenomenon occurs, the pressure of the exhaust gas increases, so that the boost pressure rises and the boost performance can be greatly improved. Therefore, even when a relatively large exhaust turbocharger is employed, a large supercharging performance can be obtained in the low speed operation region of the engine.
好ましい態様において、前記エンジンの吸気通路に設けられた電動過給機と、前記後燃えモードで前記エンジンの混合気の燃焼が制御される際に当該吸気バルブと排気バルブの各開弁期間がオーバーラップするオーバーラップ量が所定のトルク停留範囲にある場合には、前記電動過給機を作動制御する電動過給制御手段とを備えている。この態様では、後燃え現象が生じないオーバーラップ量で吸気バルブおよび排気バルブが作動している場合には、電動過給機が作動し、過給圧を上昇して出力の不足分を補うことができる。上述したように、独立排気絞りモードでの運転中においてオーバーラップ量を増加すると、掃気性が向上するオーバーラップ量と後燃え現象によって過給性能が向上するオーバーラップ量との間に、掃気性が飽和し、且つ後燃え現象が生じるに至らないトルク停留範囲が生じる場合がある。そこで、本態様では、そのようなトルク停留範囲で吸気バルブおよび排気バルブが作動している間には、電動過給機によって過給能力を補って、広い運転領域で高い出力を維持することができるようにしているのである。しかも、電動過給機が作動する運転領域は、上述のトルク停留範囲だけでよいので、電動過給機の稼働率を必要最小限に低減することができる。 In a preferred embodiment, when the combustion of the air-fuel mixture of the engine is controlled in the afterburning mode and the electric supercharger provided in the intake passage of the engine, the valve opening periods of the intake valve and the exhaust valve are over. When the overlap amount to be wrapped is within a predetermined torque stop range, an electric supercharging control means for controlling the operation of the electric supercharger is provided. In this mode, when the intake valve and the exhaust valve are operating with an overlap amount that does not cause the afterburning phenomenon, the electric supercharger operates and the boost pressure is increased to compensate for the shortage of output. Can do. As described above, when the overlap amount is increased during the operation in the independent exhaust throttle mode, the scavenging performance is between the overlap amount in which the scavenging performance is improved and the overlap amount in which the supercharging performance is improved by the afterburning phenomenon. May saturate, and a torque stop range may occur where no afterburning phenomenon occurs. Therefore, in this aspect, while the intake valve and the exhaust valve are operating in such a torque stop range, it is possible to supplement the supercharging capability with the electric supercharger and maintain a high output in a wide operation region. I am trying to do it. In addition, since the operating region in which the electric supercharger operates is only the torque stop range described above, the operating rate of the electric supercharger can be reduced to the minimum necessary.
好ましい態様において、前記燃焼制御手段は、前記後燃えモードにおいて、前記吸気バルブと前記排気バルブの各開弁期間がオーバーラップするオーバーラップ量をクランク角度で少なくとも90°以上に制御するものである。この態様では、後燃えモードで運転されるべき運転状態において、高い確率で後燃え現象を生じ、過給性能を高めて出力の向上を図ることができる。 In a preferred aspect, the combustion control means controls the amount of overlap in which the valve opening periods of the intake valve and the exhaust valve overlap each other at a crank angle of at least 90 ° or more in the afterburning mode. In this aspect, in the operation state to be operated in the afterburning mode, the afterburning phenomenon occurs with a high probability, and the supercharging performance can be improved to improve the output.
以上説明したように本発明では、所定の運転領域では、後燃えモードでエンジンの混合気の燃焼が制御されるので、当該運転領域で実行される独立排気絞りモードによる掃気の向上や過給入力流量の増加等による過給性能の向上効果と相俟って、後燃え現象による過給性能の向上により、一層、燃費の低下や出力の向上を図ることができる。従って、本発明によれば、可及的に電動過給機等の稼働率を低減しつつ、広いエンジン運転領域にわたって高い過給性能を発揮することができるという顕著な効果を奏する。 As described above, in the present invention, the combustion of the air-fuel mixture of the engine is controlled in the afterburning mode in the predetermined operating region, so that the scavenging can be improved and the supercharging input can be performed by the independent exhaust throttle mode executed in the operating region. Combined with the effect of improving the supercharging performance by increasing the flow rate or the like, the improvement of the supercharging performance by the afterburning phenomenon can further reduce the fuel consumption and the output. Therefore, according to the present invention, there is a remarkable effect that high supercharging performance can be exhibited over a wide engine operation region while reducing the operating rate of the electric supercharger or the like as much as possible.
以下、添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施の形態について説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1は、図1の実施の形態に係る過給機付エンジンシステム(以下エンジンと略称する)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。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a supercharged engine system (hereinafter abbreviated as an engine) according to the embodiment of FIG. 2 is a partial side sectional view of FIG.
過給機付エンジンシステムは直列4気筒4サイクルのエンジン1を備えている。
The supercharged engine system includes an in-line four-cylinder four-
エンジン1のシリンダブロック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)が一水平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。吸気ポート6にはこれを開閉する吸気バルブ7が、排気ポート8にはこれを開閉する排気バルブ9が、それぞれ設けられている。さらに図略のシリンダヘッドには、燃焼室4の頂部に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、燃料噴射弁10(図2参照)を含む図略の燃料供給手段が適宜位置に設けられている。
The
エンジン1の運転状態を検出するために、エンジン1には、クランク角度センサSN1、エンジン水温センサSN2、エアフローセンサSN3、吸気温度センサSN4が設けられている。また、このエンジン1を搭載した車両の運転状態を検出するために、車両には、アクセル開度センサSN5、車速センサSN6等が設けられている。
In order to detect the operating state of the
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°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。表1に、各気筒3の行程の遷移を示し、図3にタイミングチャートを示す。
Further, the
表1並びに図3を参照して、各行は第1気筒3a〜第4気筒3d、各列は180°CA毎の行程の遷移を示す。表1に示すように、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。
Referring to Table 1 and FIG. 3, each row represents the
なお図2は、第1気筒3aが膨張行程から排気行程への移行期(下死点付近)にある状態を示している。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)。
FIG. 2 shows a state in which the
また表1並びに図3に示すように、第1気筒3aがブローダウンを開始しているときに第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。
As shown in Table 1 and FIG. 3, when the
各気筒3の排気ポート8には、排気マニホールド16の上流側を形成する4つの独立排気通路16a、16b、16c、16dが接続されている。
Four
図2に示すように、排気マニホールド16の独立排気通路16a〜16dの上流端には図略のシリンダヘッドに固定されるフランジ16eが設けられ、このフランジ16eを介して排気マニホールド16の独立排気通路16a〜16dは、第1〜第4気筒3a〜3dの排気ポート8にそれぞれ接続されている。各独立排気通路16a〜16dは、全長にわたってφ36mmの円と同面積の開口面積S1に設定されている。
As shown in FIG. 2, a
図4は図1の実施の形態に係る要部を示す外観斜視図である。図5は図1の実施の形態に係る要部を拡大して示す外観斜視図である。 FIG. 4 is an external perspective view showing the main part according to the embodiment of FIG. FIG. 5 is an external perspective view showing an enlarged main part according to the embodiment of FIG.
図1、図4、図5に示すように、第1排気通路16aおよび第4排気通路16dは、その全長にわた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、その下流側で集合され、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つの独立排気通路(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。第1、第4排気通路16a、16dおよび補助集合排気通路16bcは、第1排気通路16aと第4排気通路16dとが補助集合排気通路16bcを両側から挟むように浅い角度で(略平行が好ましい)並列配置されており、全体として排気マニホールド16を構成する。以下、特に記す場合を除き、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。
As shown in FIGS. 1, 4, and 5, the
第1排気通路16aと第4排気通路16d、および第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とは略等しくなっている。また、補助集合排気通路16bcの長さを含めた第2排気通路16bの長さを第2排気通路長さLb、補助集合排気通路16bcの長さを含めた第3排気通路16cの長さを第3排気通路長さLcとした場合、第2、第3排気通路長さLb、Lcは、それぞれ第1排気通路長さLaと略等しくなるように構成されている。
The
さらに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とは略等しい。さらに、補助集合排気通路16bcの体積を含めた第2排気通路16bの体積を第2排気通路容積Vb、補助集合排気通路16bcの体積を含めた第3排気通路16cの体積を第3排気通路容積Vcとした場合、第2、第3排気通路容積Vb、Vcは、それぞれ第1排気通路容積Vaと略等しくなるように構成されている。
Further, in the present embodiment, the first exhaust passage length La is configured to be 200 mm or less. The first passage volume Va and the fourth passage volume Vd are substantially equal. Further, the volume of the
排気マニホールド16の下流側には、取付フレーム17が設けられており、図5に示すように、この取付フレーム17が各独立排気通路16a、16bc、16dの出口17a、17bc、17dを区画している。各出口17a、17bc、17dは、上流側の独立排気通路16a、16bc、16dと同様に、φ36mmの円形断面積と同面積の開口面積S1に設定されている。
A mounting
排気マニホールド16は、取付フレーム17を介して可変排気バルブ30のハウジング31に接続されている。
The
可変排気バルブ30は、上記3つの独立排気通路16a、16bc、16dの独立状態を維持しつつ、各出口17a、17bc、17dの有効開口面積S2を変更するバルブである。ここで有効開口面積S2とは、排気Weが各出口17a、17bc、17dを流通することのできる出口17a、17bc、17d毎の開口面積をいい、以下の説明では、この有効開口面積S2と等しい円の直径を有効開口径D2という。詳しくは後述するように、可変排気バルブ30は、エゼクタ効果による過給性能の向上等を図るために設けられている。ここでエゼクタ効果とは、ノズルから噴射した駆動流体の速度エネルギーの一部を圧力エネルギーに変換し、当該圧力エネルギーにより被吸引流体を吸引排出することをいう。このエゼクタ効果によって、本実施形態においては、詳しくは後述するように、比較的低速低負荷運転領域であっても、排気ターボ過給機50の入力流量(排気ターボ過給機50に供給される単位時間当たりの排気の量)を増加するとともに、ブローダウンピークの高まりによって、動圧過給効果や掃気性の向上を促進することができるようになっている。
The
図6は、図1の実施形態に係る可変排気バルブ30の概略構成を示す斜視図であり、(A)は閉弁時、(B)は開弁時の状態を示すものである。
FIG. 6 is a perspective view showing a schematic configuration of the
図4および図6を参照して、可変排気バルブ30は、排気マニホールド16と排気ターボ過給機50との間に介在するハウジング31と、ハウジング31内に収容され、排気マニホールド16の出口17a、17bc、17dの有効開口面積S2を変更するフラップ35と、フラップ35が排気Weの流れる方向と交差する軸周りで揺動するようにハウジング31に軸支されたフラップ軸37と、フラップ軸37を回転させるモータ等のアクチュエータ38と、フラップ軸37を介してフラップ35を開弁方向に付勢するリターンスプリング39とを備えている。
Referring to FIGS. 4 and 6, the
ハウジング31の上流端には、取付フレーム17が固定されており、これによって、ハウジング31には、排気マニホールド16の第1独立排気通路16a、第4独立排気通路16d、並びに補助集合排気通路16bcの各出口17a、17bc、17dが並列された状態で接続されている。
The mounting
ハウジング31の下流端側には、フランジ31aが設けられ、このフランジ31aを介して排気ターボ過給機50のハウジング51と接合されている。ハウジング31は、排気ターボ過給機50のレイアウトの都合上、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よい。
A
ハウジング31内のフランジ31aよりも上流側には、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が区画されている。この集合部31cの上流側には、当該ハウジング31内を流れる排気Weの主流に直交して上方に膨出する膨出部31bが形成されており、フラップ35は、フラップ軸37の軸周りに回動することによって膨出部31b内に進退可能な状態で収容されている。
On the upstream side of the
図6を参照して、フラップ35は、軽量化のために内部が空洞になっている中空体であり、その外周には、フラップ軸37を扇の要とする扇形の扇状面36を有する。フラップ35が膨出部31bから下方に突出するように回動すると、扇状面36は、ハウジング31に接続された排気マニホールド16の各出口17a、17bc、17dに対向し、排気マニホールド16から排出された排気Weの流量を絞る位置に変位する(図6(A)参照)。他方、フラップ35が膨出部31b内に入り込む位置に回動すると、扇状面36は、各出口17a、17bc、17dを開く位置に変位する(図6(B)参照)。
Referring to FIG. 6, the
本実施形態では、可変排気バルブ30が全閉位置にある場合でも、僅かな排気We(例えば、全排気流の20%)が集合部31cに流れるように構成されている。
In this embodiment, even when the
本実施形態では、排気Weの主流において、フラップ軸37よりも上流側で扇状面36が各出口17a、17bc、17dの有効開口面積S2を調整するように構成されている。また、フラップ軸37の水平線を通る直径が、可及的に集合部31cの内側に臨むように配置されている。従って、排気Weが扇状面36に当接することによってフラップ35に作用するフラップ軸37回りのトルクは、排気流を遮る板状のベーンがその回動軸よりも上流側にある構成に比べて小さくなり、ブローダウンによって排気流速Qeが大きい運転状況でも、振動しにくくなっている。
In the present embodiment, the fan-shaped
ハウジング31の膨出部31bの側部には、ウエストゲート用開口31eが形成されている。ウエストゲート用開口31eは、フラップ35が図6(B)に示す所定の開閉位置から全開位置に至る範囲で各出口17a、17bc、17dと連通する。ウエストゲート用開口31eは、ハウジング31の側部に形成された図略のウエストゲートバルブ機構によって開閉制御されるようになっている。なお、ウエストゲートバルブ機構自身は、周知の構成をそのまま流用することができるので、その詳細について説明は省略する。
A waist gate opening 31e is formed on the side of the bulging
図1、図2、並びに図4に示すように、ウエストゲート用開口31eは、排出通路61を介して、排気ターボ過給機50をバイパスし、主排気通路60の触媒63の上流側に接続されている。より詳細に説明すると、本実施形態において、触媒63は、排気ターボ過給機50の直下に配置され、排気ターボ過給機50に接続された主排気通路60は、当該排気ターボ過給機50と触媒63との間に湾曲部60aを形成している。そして、この湾曲部60aの円弧方向外周側に排出通路61の下流端が接続されることによって、ウエストゲート通路としての排出通路61の下流端は、主排気通路60に接続されている。なお本実施形態において、排出通路61には、クーラ64が設けられている。また、本実施形態では、触媒63の温度状態を検出するために、排気温度センサSN7が適所に設けられ、排気Weの温度によって触媒63の温度状態を検出することができるようになっている。本実施形態において、触媒63は、3成分触媒コンバータ(TWC)である。3成分触媒コンバータは、エンジン からの排気ガス中の炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物を効率的に除去するものであり、その活性温度は、例えば200℃〜250℃である。
As shown in FIGS. 1, 2, and 4, the
次に、可変排気バルブ30のハウジング31(集合部31c)の下流側には、排気ターボ過給機50が接続されている。図1にも示すように、排気ターボ過給機50は、可変排気バルブ30と主排気通路60との間に接続されて、排気マニホールド16からの排気Weを主排気通路60に導くハウジング51と、このハウジング51内の主排気通路60上流端に配置されたタービンスクロール54と、吸気通路80に設けられたコンプレッサスクロール52と、このコンプレッサスクロール52と連結されるシャフト53とを備えたものであり、排気Weでタービンスクロール54を回転させることによりコンプレッサスクロール52を駆動し、吸気Wiを圧縮して吸気圧を上昇させる装置である。なお本実施形態の排気ターボ過給機50は、主に高速運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。
Next, an
本実施形態においては、排気ターボ過給機50の回転速度を検出するための回転速度センサSN8が設けられている(図1参照)。
In the present embodiment, a rotational speed sensor SN8 for detecting the rotational speed of the
次に、エンジン1の吸気通路80には、スロットルバルブ81が設けられており、このスロットルバルブ81によって吸気流量が調整されるようになっている。
Next, a
スロットルバルブ81と排気ターボ過給機50のコンプレッサスクロール52との間には、インタークーラ82が配設されており、このインタークーラ82とスロットルバルブ81との間には、電動過給機83が設けられている。この電動過給機83は、電気モータにより直接駆動されるインペラ等で構成されている。さらに吸気通路80には、インタークーラ82の下流側から電動過給機83をバイパスしてスロットルバルブ81の上流側に連通するバイパス通路84が設けられている。このバイパス通路84には、図略のアクチュエータにより駆動されてこのバイパス通路84の空気流通量を調節する吸気制御バルブ85が設けられている。
An
また図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および排気バルブ9の開弁期間を維持したまま、バルブ開閉弁時期を平行移動圧に前後させる、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よい。
As shown in FIG. 1, the
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ことができるように構成されている。
The variable
エンジン1の動作は、エンジン制御ユニット(ECU:Engine Control Unit)20によって電気的に制御される。エンジン制御ユニット20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。
The operation of the
図1で説明したように、エンジン制御ユニット20には、入力要素として、クランク角度センサSN1、エンジン水温センサSN2、エアフローセンサSN3、吸気温度センサSN4、アクセル開度センサSN5、車速センサSN6、排気温度センサSN7、回転速度センサSN8等の各種検出手段が接続されている。他方、制御要素として、燃料噴射弁10を含む図略の燃料供給手段、スロットルバルブ81のアクチュエータ(図示せず)、可変バルブタイミング機構12に設けられた電磁弁(図示せず)、可変排気バルブ30のアクチュエータ38、電動過給機83、吸気制御バルブ85のアクチュエータ(図示せず)等が接続されている。
As described in FIG. 1, the
かかる構成により、エンジン制御ユニット20は、燃料供給量、スロットル開度或いは点火時期といった燃焼制御を実行する燃焼制御手段として機能する。この燃焼制御手段としてのエンジン制御ユニット20は、可変バルブタイミング機構12の駆動制御を行う。加えて、エンジン制御ユニット20は、可変排気バルブ30を駆動制御する可変排気バルブ制御手段としても機能する。
With this configuration, the
図7は、図1の実施の形態に係る運転状態に応じた制御を行うための運転領域の設定例を示す特性図である。図7において、横軸はエンジン回転速度Ne(rpm)、縦軸は要求トルクτ(N・m)を示す。また、特性WOTは最大負荷トルク(エンジン全開運転領域)を示す。特性NAを境に高負荷側の過給運転領域R10、R11、R20、R21と、低負荷側の自然吸気運転領域R12、R22が設定されている。 FIG. 7 is a characteristic diagram showing a setting example of an operation region for performing control according to the operation state according to the embodiment of FIG. In FIG. 7, the horizontal axis indicates the engine speed Ne (rpm), and the vertical axis indicates the required torque τ (N · m). The characteristic WOT indicates the maximum load torque (engine fully open operation region). The supercharging operation regions R10, R11, R20, and R21 on the high load side and the natural intake operation regions R12 and R22 on the low load side are set with the characteristic NA as a boundary.
図7を参照して、本実施形態において、各運転領域R10〜R22のうち、低速側の過給運転領域R10および自然吸気運転領域R12では、独立排気絞りモードが実行されるように設定されている。独立排気絞りモードとは、可変排気バルブ制御手段としてのエンジン制御ユニット20が可変排気バルブ30を駆動し、独立排気通路16a、16bc、16dの各出口17a、17bc、17dの有効開口面積S2を最大面積時(可変排気バルブ30が全開のときの開口面積)よりも縮小させる制御であり、具体的にはエンジン制御ユニット20が可変排気バルブ30のアクチュエータ38に開度信号を送り、アクチュエータ38がフラップ軸37を回転駆動してフラップ35の回転角度を調節する制御である。独立排気絞りモードでは、運転領域に応じて、可変排気バルブ30を全閉にしたり、要求負荷が大きくなるほど有効開口面積S2を絞るように変更したりすることができるように構成されている。本実施形態では、所定の低回転速度(例えば、2000rpm)以下の過給運転領域R11では、負荷が高くなるほど、有効開口面積S2を低減する調整制御が実行される。また、運転領域R20、R21、R22では、有効開口面積S2が全開に設定される。
With reference to FIG. 7, in the present embodiment, among the operation regions R10 to R22, in the supercharging operation region R10 and the natural intake operation region R12 on the low speed side, the independent exhaust throttle mode is set to be executed. Yes. In the independent exhaust throttle mode, the
次に、運転領域が低速側の過給運転領域R10または過給運転領域R11(図示の例では、2000rpm以下の過給運転領域)である場合、エンジン制御ユニット20は、いわゆる後燃えモードでオーバーラップ量と燃料噴射量を制御する。この後燃えモードとは、未燃燃料がエンジン1から排出されて排気ターボ過給機50の上流側で燃焼されるように、少なくとも空燃比を可燃範囲内で理論空燃比よりもリッチにし、オーバーラップ量を予め設定された範囲以上に拡大する運転モードをいう。
Next, when the operation range is the low speed side supercharging operation region R10 or the supercharging operation region R11 (in the illustrated example, the supercharging operation region of 2000 rpm or less), the
図8は、本実施形態に係る後燃え現象を説明するためのグラフである。図8において、横軸はクランク角度で示すオーバーラップ量(オーバラップ期間)OL、縦軸は出力(KPa)を示す。 FIG. 8 is a graph for explaining the afterburning phenomenon according to the present embodiment. In FIG. 8, the horizontal axis indicates the overlap amount (overlap period) OL indicated by the crank angle, and the vertical axis indicates the output (KPa).
図8を参照して、独立排気絞りモードでの運転中において、オーバーラップ量OLを増加すると、最初は、オーバーラップ量OLの増加に伴って掃気される既燃ガスが増加するので、掃気による充填効率が向上し、出力が向上するが、オーバーラップ量OLがある量以上になると、気筒に残る新気の充填量がオーバーラップによる吹き抜け量と比例しなくなり、出力は横ばいになる(トルク停留範囲)。ところが、出力が横ばいになったトルク停留範囲を超えてオーバーラップ量OLを増加し続けると、今度は、未燃燃料が排気通路に排出され、排出された未燃燃料が排気ターボ過給機の上流側で燃焼することによって、後燃え現象が生じることが見出されたのである。 Referring to FIG. 8, when the overlap amount OL is increased during the operation in the independent exhaust throttle mode, initially, the burned gas scavenged increases with the increase of the overlap amount OL. Although the charging efficiency is improved and the output is improved, when the overlap amount OL exceeds a certain amount, the amount of fresh air remaining in the cylinder is not proportional to the blow-through amount due to the overlap, and the output becomes flat (torque retention) range). However, if the overlap amount OL continues to increase beyond the torque stoppage range where the output leveled off, this time, unburned fuel is discharged into the exhaust passage, and the discharged unburned fuel is discharged from the exhaust turbocharger. It has been found that afterburning causes an afterburning phenomenon.
このような後燃え現象が生じると、排気通路内での燃焼によって過給圧が高まるため、過給性能が大幅に向上し、エンジン1の出力向上や燃費低減が顕著になる。また、排気温度も高くなるので、触媒63の活性化に寄与することも可能となる。そのため、本実施形態では、エンジン1の運転状態に応じて、積極的に後燃え現象を利用し、出力向上や排気浄化性能の向上を図ることとしているのである。
When such a post-burn phenomenon occurs, the supercharging pressure increases due to combustion in the exhaust passage, so that the supercharging performance is greatly improved, and the output of the
図9は、オーバーラップ量OLとエンジン回転速度Neとの関係を示すグラフである。図9において、横軸はエンジン回転速度Ne(rpm)、縦軸は、クランク角度で示すオーバーラップ量OLである。 FIG. 9 is a graph showing the relationship between the overlap amount OL and the engine rotational speed Ne. In FIG. 9, the horizontal axis represents the engine rotation speed Ne (rpm), and the vertical axis represents the overlap amount OL indicated by the crank angle.
本件発明者が鋭意研究した結果、後燃え現象が生じるために必要なオーバーラップ量OLは、エンジン回転速度Neが大きくなるほど、小さくなり、例えば1500rpmの場合には、90°CA以上であれば、後燃え現象が生じることが明らかになった。従って、図7に示した運転領域において、過給運転領域R10、R11で後燃えモードに切り換えられた場合、エンジン制御ユニット20は、開弁期間IN、EXのオーバーラップ量OLを90°CA以上に設定し、エンジン1を制御する。
As a result of earnest research by the present inventors, the overlap amount OL required for the afterburn phenomenon to occur becomes smaller as the engine rotational speed Ne increases. For example, in the case of 1500 rpm, 90 ° CA or more, It became clear that afterburn phenomenon occurred. Therefore, in the operation region shown in FIG. 7, when the
次に、後燃えモードにおける吸気バルブ7と排気バルブ9のオーバーラップは、排気バルブ9を遅閉じにして、排気上死点の前後に設定することが好ましい。 Next, the overlap between the intake valve 7 and the exhaust valve 9 in the afterburning mode is preferably set before and after the exhaust top dead center with the exhaust valve 9 closed late.
図10は、排気特性図であり、(A)は独立排気絞りモード(可変排気バルブが全閉の場合)、(B)は通常の運転モード(可変排気バルブが全開の場合)である。図10において、横軸は第1気筒3aのクランク角度θ(deg:上死点を0°CAとする)であり、縦軸は排気圧力(KPa)と開弁期間(mm)を示す。また、吸気バルブ7と排気バルブ9の開弁期間をそれぞれIN、EXで示す。
FIG. 10 is an exhaust characteristic diagram, where (A) is an independent exhaust throttle mode (when the variable exhaust valve is fully closed), and (B) is a normal operation mode (when the variable exhaust valve is fully open). In FIG. 10, the horizontal axis represents the crank angle θ (deg: top dead center is 0 ° CA) of the
図10(A)を参照して、独立排気絞りモードでのブローダウン特性は、エゼクタ効果による排気の吸い出し効果によって、他の気筒のブローダウンピークの影響を殆ど受けることはない。そのため、出力向上の観点から排気バルブ9の閉弁タイミングを遅角し、排気上死点の前後で開弁期間EX、INをオーバーラップさせることが好ましい。 Referring to FIG. 10A, the blowdown characteristic in the independent exhaust throttle mode is hardly affected by the blowdown peak of the other cylinders due to the exhaust effect of the exhaust by the ejector effect. Therefore, it is preferable to delay the valve closing timing of the exhaust valve 9 from the viewpoint of improving the output and overlap the valve opening periods EX and IN before and after the exhaust top dead center.
他方、図10(B)に示すように、可変排気バルブが全閉の場合の排気圧力は、他の気筒のブローダウンピークの影響を受けてしまうので、開弁期間EX、INが排気上死点以降にオーバーラップすると、排気圧力が過給圧を上回ってしまい、掃気ができなくなるおそれがある。 On the other hand, as shown in FIG. 10B, the exhaust pressure when the variable exhaust valve is fully closed is affected by the blowdown peak of the other cylinders. If it overlaps after the point, the exhaust pressure will exceed the supercharging pressure and scavenging may not be possible.
そこで、本実施形態では、図7に示す過給運転領域R20でのみ比較的大きなオーバーラップ量OL(例えば65°CA)を採用し、運転領域R12、R21、R22では、可及的にオーバーラップ量OLを小さく(例えば、0°CA〜40°CAに)設定するようにしている。運転領域R12、R20〜R22で吸気開弁期間INと排気開弁期間EXをオーバーラップさせる場合、そのオーバーラップ量OLは、エンジン回転速度Neが高いほど排気バルブ9の閉弁時期を遅らせ、吸気バルブ7の開弁時期を進めることによって拡大される(排気VVT12eか吸気VVT12iの何れか一方で行ってもよい)。具体的なオーバーラップ量OLは、エンジン1毎に、実験等に基づいて適切な値を定め、マップ化してエンジン制御ユニット20のメモリに記憶されており、運転状況に応じて記憶されたマップからオーバーラップ量OLを読み出すことにより制御することとしている。
Therefore, in the present embodiment, a relatively large overlap amount OL (for example, 65 ° CA) is adopted only in the supercharging operation region R20 shown in FIG. 7, and the operation regions R12, R21, and R22 overlap as much as possible. The amount OL is set small (for example, 0 ° CA to 40 ° CA). When the intake valve opening period IN and the exhaust valve opening period EX are overlapped in the operation regions R12, R20 to R22, the overlap amount OL delays the closing timing of the exhaust valve 9 as the engine rotational speed Ne increases. It is expanded by advancing the valve opening timing of the valve 7 (may be performed by either the
次に後燃えモードでは、燃料噴射量を調整して、空燃比が可燃範囲でリッチ(A/Fが例えば14.0〜12.7)に設定される。この空燃比の設定により、ブローダウンによって未燃燃料が排気バルブ9から排気通路に排気マニホールド16の各独立排気通路16a〜16dに排出された際に燃焼し、排気ターボ過給機50の過給圧を好適に上昇することが可能となる。
Next, in the afterburning mode, the fuel injection amount is adjusted, and the air-fuel ratio is set to rich (A / F is, for example, 14.0 to 12.7) in the combustible range. By setting the air-fuel ratio, unburned fuel is combusted by blowdown when discharged from the exhaust valve 9 to the exhaust passage into the
また、エンジン制御ユニット20は、通常は、吸気Wiが電動過給機83をバイパスする電動過給バイパスモードでエンジン1を運転制御するとともに、所定の運転状態では、電動過給機83を稼動する電動過給モードでエンジン1を運転制御できるように構成されている。電動過給バイパスモードでは、図1に示した電動過給機83が停止するとともに、バイパス通路84の吸気制御バルブ85が全開になり、インタークーラ82を通過した吸気Wiが電動過給機83をバイパスしてエンジン1に供給されるようになっている。また、電動過給モードでは、図1に示した電動過給機83が稼動するとともに、バイパス通路84の吸気制御バルブ85が全閉になり、インタークーラ82を通過した吸気Wiが電動過給機83に過給されてエンジン1に供給されるようになっている。
In addition, the
一般に、可変バルブタイミング機構12は、油圧を切り換えることによって、吸気バルブ7と排気バルブ9の開タイミングを切り換えるように構成されていることから、開タイミングのオーバーラップ量OLを切り換える際に図8に示したトルク停留範囲を通過することを余儀なくされる場合がある。そのため、本実施形態では、目標トルクを得るためにバルブタイミングを切り換えた際、開弁期間IN、EXのオーバーラップ量OLが、トルク停留範囲を通過する運転状態のときは、電動過給機83を駆動して過給性能をアシストするようにしているのである。このように本実施形態では、エンジン制御ユニット20が、電動過給制御手段として機能するように構成されている。
In general, the variable
なお、エンジン1の冷間時は、触媒63が活性温度に達していない場合も多く、運転状況によっては、触媒63が活性温度に昇温するまでに相当の時間を有する場合もある。そこで、本実施形態では、触媒63に関連する温度状態が活性温度付近に設定される所定の設定温度Tst以下である場合には、次に説明するフローチャートから明らかなように、運転領域に拘わらず、独立排気絞りモードで可変排気バルブ30を運転するとともに、エンジン1の燃焼条件を後燃えモードで設定するようにしている。触媒63に関連する温度状態は、触媒63の温度そのものであっても、代用特性(例えば、排気温度)であってもよい。
When the
次に、本実施形態に係るエンジンシステムの制御例について説明する。 Next, a control example of the engine system according to the present embodiment will be described.
図11および図12は、本発明の実施の一形態におけるエンジンシステムの制御例を示すフローチャートである。 11 and 12 are flowcharts showing an example of control of the engine system in one embodiment of the present invention.
まず、図11を参照して、エンジン制御ユニット20は、まず、初期動作として、フラグやメモリの初期化を実行する(ステップST1)。ここで、本実施形態では、ステップST1の初期動作によって、電動過給バイパスモードが選定され、電動過給機83のバイパス通路84に設けられた吸気制御バルブ85は、全開にセットされ、インタークーラ82を通過した吸気Wiがバイパス通路84によって電動過給機83をバイパスしてエンジン1に供給されるようになっている。
First, referring to FIG. 11, the
ステップST1に示した初期動作の後、エンジン制御ユニット20は、入力要素から入力された各検出信号を読み取り(ステップST2)、読み取った検出信号の値に基づいて、エンジン1の要求トルクを演算する(ステップST3)。要求トルクを演算した後、エンジン制御ユニット20は、ステップST2で読み取った検出信号(具体的には、排気温度センサSN7の検出値)に基づいて、触媒63の温度が、当該触媒63の活性温度に基づいて定められた所定の設定温度Tstに達しているか否かを判定する(ステップST4)。仮に触媒63が設定温度Tstに達していない場合には、当該触媒温度の昇温を促進するために、ステップST6以降のフローに移行する。この結果、冷間時等、触媒温度が低い運転状態では、後燃え現象による触媒63の昇温促進を図ることが可能になる。
After the initial operation shown in step ST1, the
他方、触媒温度が活性温度に達している場合には、目標となる運転領域が低速側の過給運転領域R10であるか否かを判定する(ステップST5)。 On the other hand, when the catalyst temperature has reached the activation temperature, it is determined whether or not the target operation region is the low-speed supercharging operation region R10 (step ST5).
仮に目標となる運転領域が過給運転領域R10である場合、エンジン制御ユニット20は、可変排気バルブ30を全閉(独立排気絞りモード)に設定する(ステップST6)。これとともに、エンジン1の制御モードを後燃えモードに設定し、開弁期間IN、EXのオーバーラップ量OLと空燃比を上述した設定条件に設定する(ステップST7)。この結果、排気流によるエゼクタ効果を生じせしめ、排気ターボ過給機50の入力流量(排気ターボ過給機50に供給される単位時間当たりの排気Weの量)を増量し、タービンスクロール54の駆動力を増大させて、過給圧を向上させることができる。また、被吸出し流体である排気Weが吸出され、掃気が促進されるので、当該気筒3の排気抵抗が低減される。さらに、ブローダウンガスの圧力を高めて動圧過給性能を向上することができる。
If the target operation region is the supercharging operation region R10, the
図2を参照して、より詳細に説明すると、上述のように図2の状態では、第1気筒3aが排気Weバルブ開弁直後、第2気筒3bがオーバーラップ期間となっている。第1排気通路16aに導かれた排気We(ブローダウンガス)は可変排気バルブ30で絞られる。絞られたブローダウンガスは流速が増大し、圧力が低下する。この絞られたブローダウンガスがエゼクタ効果をもたらす駆動流体として機能し、補助集合排気通路16bc(および第2排気通路16b)を流れる被吸出し流体としての排気Weを吸出し、集合部31cに導入する。なお、第2気筒3bの排気バルブ9が閉じた後(オーバーラップ期間後)であっても、駆動流体のエゼクタ効果が存続している場合には、第2排気通路16bおよび補助集合排気通路16bcに残存する排気Weを吸出すことができ、掃気を促進することができる。図2では第1気筒3aがブローダウン状態にある場合を示しているが、表1、図3から明らかなように、他の場合も同様である。本実施形態では、3本の独立排気通路16a、16bc、16dの各出口17a、17bc、17dが取付フレーム17付近において略平行に並列配置され、ハウジング31に流入後も集合部31cに至るまで各出口17a、17bc、17dの並列配置が維持されるので、高いエゼクタ効果が得られる。
In more detail with reference to FIG. 2, as described above, in the state of FIG. 2, the
次いで、ステップST7の制御によって、吸気バルブ7の開弁期間INと排気バルブ9の開弁期間EXとがオーバーラップするとともに、そのオーバーラップ量OLが、少なくとも90°CA以上に設定されるので、空燃比が14以上のリッチに設定されていることと相俟って、筒内の未燃燃料が高速の排気流に乗って排気ターボ過給機50に向かって排出され、タービンスクロール54の手前で燃焼する(後燃え現象)。この後燃え現象によって、排気温度が高まるとともに、タービンスクロール54を駆動する過給圧が大幅に上昇するので、冷間時においても、高い過給性能を発揮することができ、エンジン1の出力向上に寄与する。さらに後燃え現象による排気温度の上昇によって、触媒63も加温されるので、冷間時等においては、比較的短い稼動時間で活性温度に達し、高い排気浄化性能を発揮することが可能になる。
Next, the control of step ST7 causes the valve opening period IN of the intake valve 7 and the valve opening period EX of the exhaust valve 9 to overlap, and the overlap amount OL is set to at least 90 ° CA or more. Combined with the rich air / fuel ratio being set to 14 or more, the unburned fuel in the cylinder rides on the high-speed exhaust flow and is discharged toward the
次に、ステップST5の判定において、目標とする運転領域が過給運転領域ではない場合、エンジン制御ユニット20は、さらに、目標となる運転領域が、独立排気絞りモードで運転される過給運転領域R11であるか否かを判定する(ステップST8)。
Next, in step ST5, when the target operation region is not the supercharging operation region, the
仮に運転領域が過給運転領域R11である場合には、エンジン制御ユニット20は、目標負荷に応じて、可変排気バルブ30の開度を設定し(ステップST9)、ステップST7に移行して後燃えモードを実行する。この結果、図7の過給運転領域R11においても、後燃え現象による過給性能の向上を図ることが可能になる。
If the operation region is the supercharging operation region R11, the
さらに、ステップST8の判定において、目標とする運転領域が過給運転領域R11ではない場合、エンジン制御ユニット20は、さらに、目標となる運転領域が独立排気絞りモードで運転される自然吸気運転領域R12であるか否かを判定する(ステップST10)。
Furthermore, in the determination of step ST8, when the target operation region is not the supercharging operation region R11, the
仮に運転領域が自然吸気運転領域R12である場合には、エンジン制御ユニット20は、可変排気バルブ30を全閉に設定する(ステップST11)。これにより、エゼクタ効果による動圧過給効果の向上や過給入力流量の増加を図ることができ、過給性能が高まるので、掃気性が向上することと相俟って、エンジン1の出力向上や燃費の低減を図ることが可能になる。この運転状態では、当該運転領域のエンジン回転速度や目標負荷に応じて、オーバーラップ量OLや空燃比が制御される(ステップST12)。
If the operation region is the natural intake operation region R12, the
さらに、ステップST10の判定において、目標とする運転領域が自然吸気運転領域R12ではない場合、エンジン制御ユニット20は、可変排気バルブ30を全開に設定し(ステップST14)、その後、ステップST12以降に移行して、当該運転領域のエンジン回転速度や目標負荷に応じて、オーバーラップ量OLや空燃比を制御するように構成されている。
Further, in the determination of step ST10, when the target operation region is not the natural intake operation region R12, the
次に、ステップST7またはステップST12の処理を実行した後の制御について図12を参照しながら説明する。 Next, the control after executing the process of step ST7 or step ST12 will be described with reference to FIG.
図12に示すように、ステップST7またはステップST12の処理を実行した後、エンジン制御ユニット20は、可変バルブタイミング機構12の設定変更に伴って、開弁期間IN、EXのオーバーラップ量OLが図8に示したトルク停留範囲を通過する運転状態にあるか否かを判定し(ステップST15)、トルク停留範囲を通過する場合には、さらに、トルク不足が生じているか否かを判定する(ステップST16)。トルク不足は、例えば、予め設定した時間内にエンジン回転速度Neが想定される速度を下回っているか否かを判定することによって判断される。
As shown in FIG. 12, after executing the processing of step ST7 or step ST12, the
トルク不足が生じているとステップST16で判断した場合、エンジン制御ユニット20は、電動過給モードでエンジン1を運転制御する(ステップST17)。これにより、電動過給機83が稼動するとともに、バイパス通路84の吸気制御バルブ85が全閉になり、インタークーラ82を通過した吸気Wiが電動過給機83に過給されてエンジン1に供給される。
When it is determined in step ST16 that torque shortage has occurred, the
電動過給モードで電動過給機83を駆動した後は、ステップST2に戻って上述した制御を繰り返す。
After driving the
他方、ステップST15において、トルク停留範囲を通過していないと判定した場合、またはステップST16において、トルク不足が生じていないと判定した場合、エンジン制御ユニット20は、電動過給機83の運転モードを電動過給バイパスモードに設定する(ステップST18)。これにより、電動過給機83が停止し、バイパス通路84の吸気制御バルブ85が全開になり、インタークーラ82を通過した吸気Wiが電動過給機83をバイパスしてエンジン1に供給される。
On the other hand, if it is determined in step ST15 that it has not passed the torque retention range, or if it is determined in step ST16 that there is no torque shortage, the
次いでエンジン制御ユニット20は、トルクオーバーが生じているか否かを判定する(ステップST19)。仮に値が1である場合、すなわち、触媒63が所定の設定温度Tst未満である場合、エンジン制御ユニット20は、トルク抑制制御サブルーチンST20を実行し、値が1でない場合には、ステップST2に戻って上述した制御を繰り返す。
Next, the
図13は、図11のステップST20に示したトルク抑制制御サブルーチンのフローチャートである。 FIG. 13 is a flowchart of the torque suppression control subroutine shown in step ST20 of FIG.
図13を参照して、トルク抑制制御サブルーチンST20が実行される場合、エンジン制御ユニット20は、点火リタードST201を実行し(ステップST201)、その後、依然、トルクオーバーが生じているか否かを判定する(ステップST202)。点火リタードによって、筒内での燃焼が緩慢になり、膨張行程での運動エネルギーが低減されるとともに、排気温度も低下するので、過給圧が低下する。仮に点火リタードによってもトルクオーバーが生じている場合、エンジン制御ユニット20は、さらにスロットルバルブ81の開度(スロットル開度)を低減し(ステップST203)、その後、依然、トルクオーバーが生じているか否かを判定する(ステップST204)。スロットル開度を低減することによって、筒内の充填量が低減され、トルクが低下する。また、ブローダウンも下がり、過給圧も低減される。仮にスロットル開度を低減してもトルクオーバーが生じている場合、エンジン制御ユニット20は、さらに可変バルブタイミング機構12を駆動制御し、オーバーラップ量OLを低減し(ステップST205)、その後、依然、トルクオーバーが生じているか否かを判定する(ステップST206)。オーバーラップ量OLが低減されることにより、掃気が抑制され、トルクが低下する。また、ブローダウンも下がり、過給圧も低減される。
Referring to FIG. 13, when torque suppression control subroutine ST20 is executed,
ステップST201、ST203、ST205の処理を実行した結果、トルクオーバーが解消した場合には、元のルーチンに復帰する。他方、ステップST205の処理を実行しても、依然、トルクオーバーが解消しない場合には、再度、ステップST203以下の処理を実行する。 As a result of executing the processing of steps ST201, ST203, ST205, when the torque over is resolved, the process returns to the original routine. On the other hand, if the torque over is still not resolved even after the process of step ST205 is executed, the process of step ST203 and subsequent steps is executed again.
以上説明したように本実施形態では、所定のエンジン低速運転領域R10〜R12では、独立排気通路16a〜16dの出口17a〜17dの有効開口面積S2を最大値よりも縮小する独立排気絞りモードに可変排気バルブ30が切り換わることによって、排気マニホールド16の出口17a〜17dにおいてエゼクタ効果を得ることができる。このエゼクタ効果によって、比較的低速低負荷運転領域であっても、排気ターボ過給機50の入力流量(排気ターボ過給機50に供給される単位時間当たりの排気の量)を増加することができる。また、エゼクタ効果によるブローダウンピークの高まりによって、動圧過給効果や掃気性の向上を促進することができる。
As described above, in the present embodiment, in the predetermined engine low speed operation region R10 to R12, the effective opening area S2 of the
加えて、独立排気絞りモードで可変排気バルブ30が作動するエンジン低速運転領域R10〜R12と、排気ターボ過給機50が作動する過給運転領域R10、R11、R20、R21との重複領域、つまり低速側の過給運転領域R10、R11でエンジン1が運転される場合には、未燃燃料が排気ターボ過給機50の上流側で燃焼されるように混合気の燃焼条件が設定されるので、この設定によっていわゆる後燃え現象が生じる。後燃え現象が生じると、排気の圧力が高まるので、その分、過給圧が上昇し、過給性能を大幅にアップすることができる。従って、比較的大型の排気ターボ過給機50を採用した場合であっても、エンジン1の低速運転領域で大きな過給性能を得ることができるようになる。
In addition, an overlapping region of the engine low speed operation region R10 to R12 in which the
また本実施形態では、エンジン1の吸気通路80に設けられた電動過給機83と、後燃えモードでエンジン1の混合気の燃焼が制御される際のオーバーラップ量OLが所定のトルク停留範囲にある場合には、電動過給機83を作動制御する電動過給制御手段(エンジン制御ユニット20)とを備えている。このため本実施形態では、後燃え現象が生じないオーバーラップ量OLで吸気バルブ7および排気バルブ9が作動している場合には、電動過給機83が作動し、過給圧を上昇して出力の不足分を補うことができる。図8に示したように、独立排気絞りモードでの運転中においてオーバーラップ量OLを増加すると、掃気性が向上するオーバーラップ量OLと後燃え現象によって過給性能が向上するオーバーラップ量OLとの間に、掃気性が飽和し、且つ後燃え現象が生じるに至らないトルク停留範囲が生じる場合がある。そこで、本実施形態では、そのようなトルク停留範囲で吸気バルブ7および排気バルブ9が作動している間には、電動過給機83によって過給能力を補って、広い運転領域で高い出力を維持することができるようにしているのである。しかも、電動過給機83が作動する運転領域は、図8に示した上述のトルク停留範囲だけでよいので、電動過給機83の稼働率を必要最小限に低減することができる。
Further, in the present embodiment, the overlap amount OL when the combustion of the air-fuel mixture of the
また本実施形態では、燃焼制御手段は、後燃えモードにおいて、オーバーラップ量OLをクランク角度で少なくとも90°以上に制御するものである。このため本実施形態では、後燃えモードで運転されるべき運転状態において、高い確率で後燃え現象を生じ、過給性能を高めて出力の向上を図ることができる。 In the present embodiment, the combustion control means controls the overlap amount OL to at least 90 ° or more in crank angle in the afterburning mode. For this reason, in this embodiment, in the operation state to be operated in the afterburning mode, the afterburning phenomenon occurs with a high probability, and the supercharging performance can be improved to improve the output.
このように本実施形態では、所定の運転領域R10、R11では、後燃えモードでエンジン1の混合気の燃焼が制御されるので、当該運転領域R10、R11で実行される独立排気絞りモードによる掃気の向上や過給入力流量の増加等による過給性能の向上効果と相俟って、後燃え現象による過給性能の向上により、一層、燃費の低下や出力の向上を図ることができる。従って、本発明によれば、可及的に電動過給機83等の稼働率を低減しつつ、広いエンジン1運転領域にわたって高い過給性能を発揮することができるという顕著な効果を奏する。
As described above, in the present embodiment, in the predetermined operation region R10, R11, the combustion of the air-fuel mixture of the
次に、本実施形態におけるさらなる技術的特徴について説明する。 Next, further technical features in the present embodiment will be described.
(1)動圧過給による過給能力の向上
本実施形態においては、上述のような独立排気通路16a〜16dを採用しているので、動圧過給効果を奏することができる。動圧過給は、排気のブローダウンを利用して排気ターボ過給機50の過給能力を高めるものである。よく知られているように、1排気行程当たりの有効な排気時間(以下、「ブローダウン期間」という)は、排気Weバルブ開弁直後の排気流速Qeのピーク値(以下、「ブローダウンピーク」という)が大きいほど、短くなる。しかし、動圧過給の特性(流速で定まる圧力比)は、二次曲線的な特性を有する。そのため、ブローダウンピークが高い場合には、ブローダウン期間の短縮による目減り分を差引いても、ブローダウンピークが低い場合よりも時間平均したタービン駆動力が増大する。
(1) Improvement of supercharging capability by dynamic pressure supercharging In this embodiment, since the above
図14は排気ブローダウン特性図(実測値)である。横軸に第1気筒3aのクランク角度θ(deg:上死点を0°CAとする)、縦軸に排気流速Qe(kg/s)を示す。ブローダウンは各気筒3の排気行程毎に180°CA周期で発生する。図示の例は、180°CAから360°CAの間に第1気筒3aにおいて発生しているブローダウンを示している。
FIG. 14 is an exhaust blowdown characteristic diagram (actual measurement value). The abscissa indicates the crank angle θ (deg: top dead center is 0 ° CA) of the
特性C12は本実施形態の特性である。一方特性C102は、本実施形態よりも通路容積の大きい標準的な排気マニホールドで得られた特性である。特性C12の方が特性C102に対してブローダウンピークが大きく、その分、ブローダウン期間が短くなっている。このため特性C12のものは特性C102のものに比べ、動圧過給効果が高くなる。実測値では、特性C12のものは特性C102のものに対して単位時間当たりのタービンスクロール回転数が43%増大した。 A characteristic C12 is a characteristic of the present embodiment. On the other hand, the characteristic C102 is a characteristic obtained with a standard exhaust manifold having a larger passage volume than in the present embodiment. The characteristic C12 has a larger blowdown peak than the characteristic C102, and the blowdown period is shortened accordingly. For this reason, the characteristic C12 has a higher dynamic pressure supercharging effect than the characteristic C102. In the actual measurement value, the turbine scroll speed per unit time of the characteristic C12 increased by 43% compared to the characteristic C102.
またブローダウン期間が短縮されることによって、ブローダウンピーク後の排気圧力が低下し、排気抵抗が下がるとともに残留ガスが減って、吸気の充填量と耐ノック性が改善されるという効果もある。 Further, by shortening the blow-down period, the exhaust pressure after the blow-down peak is lowered, the exhaust resistance is lowered, the residual gas is reduced, and the intake charge amount and the knock resistance are improved.
特性C12のような大きな排気ブローダウンピーク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5に示す第1通路容積Va(≒第2通路容積Vb≒第3通路容積Vc≒第4通路容積Vd)を小さくすればよい。そして、有効開口面積を小さくすると排気抵抗が増大して好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よ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4参照)を、第1排気通路16aの開口面積と同じ円の開口径D1(図2参照)の6倍以下とすることが好ましい。本実施形態では上述のように開口径D1=φ36mm、長さLa≦200mmであるから、この条件を満たし、効果的な動圧過給が期待できる。
The most effective means for obtaining a large exhaust blowdown peak such as characteristic C12 is to reduce the volume of the
(2)エゼクタ効果
上述したように、本実施形態においては、各独立排気通路16a、16bc、16dと可変排気バルブ30とを用いた独立排気絞りモードによって、大きなエゼクタ効果を得ることができる。
(2) Ejector Effect As described above, in the present embodiment, a large ejector effect can be obtained by the independent exhaust throttle mode using the
本実施形態に係るエゼクタ効果による利点は、主に次の4点が挙げられる。 The advantages of the ejector effect according to this embodiment mainly include the following four points.
第1に、排気ターボ過給機50の入力流量(排気ターボ過給機50に供給される単位時間当たりの排気Weの量)の増量である。排気Weバルブ開弁直後の入力流量は、通常のブローダウン時の排気流量に、エゼクタ効果によって吸出された排気流量が付加される結果、タービンスクロール54の駆動力が増大し、過給圧を向上させることができる。従って、部分負荷運転領域において、従来、背圧の低減を図るために排気ターボ過給機への排気の流通を回避していたような運転領域であっても、高い過給性能を発揮することができる。
First, it is an increase in the input flow rate of the exhaust turbocharger 50 (the amount of exhaust We supplied to the
第2に、排気Weの掃気促進である。エゼクタ効果によって被吸出し流体である排気Weが吸出され、掃気が促進されるので当該気筒3の排気抵抗が低減される。また掃気の促進によってオーバーラップ期間での吸気が促進されるので、吸気量を増大させ、エンジントルクを増大させることができる。
Secondly, the scavenging of the exhaust gas We is promoted. Due to the ejector effect, the exhaust We as the fluid to be sucked out is sucked and scavenging is promoted, so that the exhaust resistance of the
第3に、動圧過給の促進である。上述のように、排気マニホールド16の容積を小さくすることで動圧過給の効果が得られるが、エゼクタ効果によって以下説明するようにその効果をさらに促進することができる。
Third, promotion of dynamic pressure supercharging. As described above, the effect of dynamic pressure supercharging can be obtained by reducing the volume of the
可変排気バルブ30がない、又はあっても全開の場合であって、エゼクタ効果が期待できない場合、ブローダウンガスは集合部31cを介して他の排気通路に回り込む(逆流する)。これはその排気通路の容積が見かけ上増えたように作用する。これに対し可変排気バルブ30によるエゼクタ効果があると、ブローダウンガスは駆動流体として他の排気通路から被駆動流体である排気Weを吸出す。つまり他の排気通路に回り込むことがない。これは、動圧過給においては排気通路容積を削減したような作用をもたらす。
If the
このように、全体の排気通路容積(排気マニホールド容積)が同じであれば、可変排気バルブ30によるエゼクタ効果を有する本実施形態は、エゼクタ効果のないものに比べ、より動圧過給を促進することができるのである。
As described above, when the entire exhaust passage volume (exhaust manifold volume) is the same, the present embodiment having the ejector effect by the
第4に、オーバーラップ量OLの拡大による後燃え現象の積極利用である。 Fourthly, the post-burning phenomenon is actively utilized by increasing the overlap amount OL.
オーバーラップ量OLを大きく設定しても、吸気負圧によって排気が逆流するおそれが少なくなるので、自然吸気運転領域R12においても、比較的大きなオーバーラップ量OLを確保し、一層、掃気の促進に寄与することができる。そればかりでなく、低速での過給運転領域R10、R11において、未燃燃料を後燃えさせるような大きなオーバーラップ量OL(クランク角度で90°CA以上)を確保することも可能になる。このため、上述のような後燃えモードによる運転を可能にし、燃費の低減や出力向上に一層寄与することが可能になる。 Even if the overlap amount OL is set to a large value, the possibility of exhaust gas flowing backward due to the intake negative pressure is reduced. Therefore, a relatively large overlap amount OL is secured even in the natural intake operation region R12 to further promote scavenging. Can contribute. In addition, in the supercharging operation regions R10 and R11 at low speed, it is possible to ensure a large overlap amount OL (90 ° CA or more in crank angle) that causes the unburned fuel to be burned after. For this reason, the driving | operation by the above-mentioned afterburning modes is enabled, and it becomes possible to contribute further to reduction of a fuel consumption, and an output improvement.
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、掃気性に依存する耐ノッキング性能にも差が生じ、結果的に最も耐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で耐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。
As described above, the first passage volume Va to the fourth passage volume Vd of the
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が互いに略等しいので、これらの問題がなく、エゼクタ効果の利点をより効果的に得ることができる。 According to the configuration of the present embodiment, since the first passage volume Va to the fourth passage volume Vd are substantially equal to each other, there is no such problem, and the advantage of the ejector effect can be obtained more effectively.
ところで、一般的な過給機付エンジンにおいて、第1排気通路16aの長さLaと第4排気通路16dの長さLdとが略等しくなるように自然にレイアウトすれば、集合部31cを中央寄りに配置した本実施形態のような略対称のレイアウトとなる。そうすると第2排気通路16bと第3排気通路16cは、これらが互いに独立していれば、その長さが上記長さLaや長さLdに比べて短くなるのが自然である。これを無理に長さLaに揃えるためには不自然に迂回させる等のレイアウトが必要となる。これは排気抵抗の増大を招いたり、そのレイアウトを成立させるために長さLaや長さLdの短縮が妨げられたりして好ましくない。
By the way, in a general engine with a supercharger, if the length La of the
本実施形態によれば、その小容積となりがちな第2排気通路16bと第3排気通路16cとを集合した補助集合排気通路16bcを設けているので、この補助集合排気通路16bcの長さを含む第2排気通路長さLbや第3排気通路長さLcを容易に第1排気通路長さLaや第4排気通路長さLdと略等しくし、結果として、第1通路容積Va〜第4通路容積Vdを互いに略等しく設定することができるのである。
According to the present embodiment, since the auxiliary collective exhaust passage 16bc that collects the
なお、第2排気通路16bと第3排気通路16cとは、これらを集合させても相互の独立性が保たれている。表1並びに図3に示したように、第2気筒3bと第3気筒3cとは点火順序が隣り合っていないので、排気バルブ9が下死点前から開き始め、上死点後に閉じることを考慮に入れても第2気筒3bの排気バルブ9と第3気筒3cの排気バルブ9とが共に開いている期間はない。従って相互に排気干渉を起こすことがなく、第2気筒3bの排気行程においては補助集合排気通路16bcを擬似的に第2排気通路16bの延長とみなすことができ、第3気筒3cの排気行程においては補助集合排気通路16bcを擬似的に第3排気通路16cの延長とみなすことができるのである。
Note that the
このように本実施形態では、4気筒エンジンでありながら、3つの独立排気通路で相互の独立関係を実現している。こうすることによりレイアウトのコンパクト化が図られ、ハウジング31や排気ターボ過給機50との接続部を小型化することができる。
Thus, in this embodiment, although it is a 4-cylinder engine, the mutually independent relationship is implement | achieved by the three independent exhaust passages. By doing so, the layout can be made compact, and the connecting portion between the
以上、本実施形態の主要な技術的特徴である動圧過給効果、並びにエゼクト効果について説明したが、これらは密接に関連し、協働して過給性能を高め、さらには燃費の低減や出力の向上に寄与している。 As described above, the dynamic pressure supercharging effect and the ejecting effect, which are the main technical features of the present embodiment, have been described, but these are closely related and cooperate to improve the supercharging performance, and further reduce fuel consumption. Contributes to improved output.
図15は、独立排気絞りモードで運転される運転領域R10〜R12における充填効率ηcを示すグラフである。図15において、横軸はエンジン回転速度Ne(rpm)、縦軸は充填効率ηc(%)を示す。特性C13は動圧過給と独立排気絞りモードとが併用された本実施形態の特性である。特性C103は比較対象のために示す特性であり、従来の一般的な排気マニホールド(可変排気バルブ30なし)を用いた場合の特性である。特性C13の充填効率ηcは特性C103に対して約20〜30ポイント増大している。これは動圧過給と可変排気バルブ30を用いた独立排気絞りモードとによる過給圧増大の効果である。
FIG. 15 is a graph showing the charging efficiency ηc in the operation regions R10 to R12 operated in the independent exhaust throttle mode. In FIG. 15, the horizontal axis indicates the engine rotation speed Ne (rpm), and the vertical axis indicates the charging efficiency ηc (%). A characteristic C13 is a characteristic of the present embodiment in which the dynamic pressure supercharging and the independent exhaust throttle mode are used in combination. A characteristic C103 is a characteristic shown for comparison, and is a characteristic when a conventional general exhaust manifold (without the variable exhaust valve 30) is used. The filling efficiency ηc of the characteristic C13 is increased by about 20 to 30 points with respect to the characteristic C103. This is the effect of increasing the supercharging pressure by the dynamic pressure supercharging and the independent exhaust throttle mode using the
図16は、過給運転領域R10〜R12におけるエンジンの正味平均有効圧(BMEP)を示すグラフである。図16において、横軸はエンジン回転速度Ne(rpm)、縦軸は正味平均有効圧(kPa)を示す。特性C14は動圧過給と独立排気絞りモードとが併用された本実施形態の特性(図15の特性C13に対応する特性)である。特性C104は比較対象のために示す特性であり、図15の特性C103に対応する特性である。特性C14の正味平均有効圧は特性C104に対して約200〜400kPa増大している。これは動圧過給と可変排気バルブ30を用いた独立排気絞りモードとによって充填効率が増大(図15)した効果であって、すなわちエンジントルクが増大したことを示している。
FIG. 16 is a graph showing the net average effective pressure (BMEP) of the engine in the supercharging operation regions R10 to R12. In FIG. 16, the horizontal axis indicates the engine rotation speed Ne (rpm), and the vertical axis indicates the net average effective pressure (kPa). A characteristic C14 is a characteristic of the present embodiment in which the dynamic pressure supercharging and the independent exhaust throttle mode are used together (a characteristic corresponding to the characteristic C13 in FIG. 15). A characteristic C104 is a characteristic shown for comparison, and corresponds to the characteristic C103 in FIG. The net average effective pressure of the characteristic C14 is increased by about 200 to 400 kPa with respect to the characteristic C104. This is an effect that the charging efficiency is increased (FIG. 15) by the dynamic pressure supercharging and the independent exhaust throttle mode using the
次に、上記エゼクタ効果をより顕著に奏するために本実施形態で採用されている更なる技術について説明する。 Next, a description will be given of a further technique employed in the present embodiment in order to achieve the ejector effect more remarkably.
図17は本実施形態における排気通路の有効開口比Rdと体積効率ηvとの関係を示すグラフである。横軸の上段は有効開口径D2(mm)を示す。 FIG. 17 is a graph showing the relationship between the effective opening ratio Rd of the exhaust passage and the volume efficiency ηv in the present embodiment. The upper part of the horizontal axis shows the effective opening diameter D2 (mm).
横軸の下段は有効開口比Rd(%)を示す。有効開口比Rdとは、各出口17a、17bc、17dの有効開口径D2に対する各開口径D1の面積比率である。すなわちRd=(D2/D1)2×100(%)、或いはRd=(S2/S1)×100(%)である。
The lower part of the horizontal axis indicates the effective aperture ratio Rd (%). The effective opening ratio Rd is the area ratio of each opening diameter D1 to the effective opening diameter D2 of each
図17に示す特性C15はエンジン回転速度Ne=1500rpmにおける特性、C16は同2000rpmにおける特性を示す。これらの特性から明らかなように、有効開口径D2=22〜28mmの範囲(有効開口比Rd:37〜61%の範囲)において体積効率ηvの特段に高い好適な範囲が存在する。これは、この好適範囲において特に顕著なエゼクタ効果が得られることを示している。従って、有効開口径D2をこの好適範囲に設定することにより、より高い過給効果が得られ、エンジントルクの一層の増大を図ることができる。 A characteristic C15 shown in FIG. 17 indicates a characteristic at an engine rotational speed Ne = 1500 rpm, and C16 indicates a characteristic at 2000 rpm. As is clear from these characteristics, there is a particularly preferable range in which the volumetric efficiency ηv is particularly high in the range of the effective aperture diameter D2 = 22 to 28 mm (effective aperture ratio Rd: range of 37 to 61%). This indicates that a particularly remarkable ejector effect can be obtained in this preferred range. Therefore, by setting the effective opening diameter D2 within this preferable range, a higher supercharging effect can be obtained and the engine torque can be further increased.
また、図7に示した過給運転領域R10、R11において、運転モードを後燃えモードとすることによって、動圧過給効果やエゼクタ効果と相俟って過給性能を高めることができるとともに、冷間時の排気浄化性能にも寄与することが可能になる。 In addition, in the supercharging operation regions R10 and R11 shown in FIG. 7, by setting the operation mode to the afterburning mode, the supercharging performance can be enhanced in combination with the dynamic pressure supercharging effect and the ejector effect, It is also possible to contribute to the exhaust gas purification performance when cold.
上述した実施形態は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。 The above-described embodiments can be appropriately changed without departing from the gist of the present invention.
例えば、第1排気通路16a等の長さLa、容積Va、径D1、D2等の設定値は、上記各値に限定するものではない。これらはエンジンの大きさや排気量によって適宜好適な値としてよい。
For example, the set values such as the length La, the volume Va, the diameters D1 and D2 of the
また、可変バルブタイミング機構12によるバルブタイミング変更制御は、後燃えモードでの運転制御を除き、実行することの利点は多いが必ずしも必要ではなく、これがなくても本発明の基本的な効果を充分得ることができる。
Further, the valve timing change control by the variable
また、可変排気バルブ30のフラップ35に代えて、位相によって流路を切り換えるロータを採用してもよい。
Further, instead of the
また、電動過給機としては、図1に示したように排気ターボ過給機50と別構成の電動過給機83(いわゆるe−Boost)の他、排気ターボ過給機50のタービンスクロール54をモータで駆動する形式のもの(いわゆるe−Turbo)を採用してもよい。
Further, as the electric supercharger, as shown in FIG. 1, in addition to the electric turbocharger 83 (so-called e-Boost) having a different configuration from the
このように上述した実施の形態は、本発明の好ましい具体例を例示したものに過ぎず、本発明は上述した実施形態に限定されない。本発明の特許請求の範囲内で種々の変更が可能であることはいうまでもない。 Thus, the above-described embodiment is merely an example of a preferred specific example of the present invention, and the present invention is not limited to the above-described embodiment. It goes without saying that various modifications are possible within the scope of the claims of the present invention.
1 過給機付エンジン
3 気筒
10 燃料噴射弁
12 可変バルブタイミング機構
16 排気マニホールド
16a 独立排気通路
16b 排気通路
16bc 補助集合排気通路
16c 排気通路
16d 独立排気通路
17a−17d 出口
20 エンジン制御ユニット(燃焼制御手段、電動過給制御手段の一例)
30 可変排気バルブ
31c 集合部
50 排気ターボ過給機
80 吸気通路
83 電動過給機
R10 (低速)過給運転領域
R11 (低速)過給運転領域
R12 自然吸気運転領域
R20 (中速)過給運転領域
R21 (高速)過給運転領域
R22 (中高速)自然吸気運転領域
DESCRIPTION OF
30
Claims (3)
前記エンジンに設けられた複数の気筒の各排気ポートに対応して独立して接続され、独立排気通路を有する排気マニホールドと、
前記排気マニホールドの各独立排気通路の下流側が1つに集合した集合部と、
前記集合部の下流側に接続された排気ターボ過給機と、
少なくとも所定のエンジン低速運転領域では、エゼクタ効果を奏するべく、前記集合部と前記排気マニホールドとの間で当該独立排気通路の出口の有効開口面積を最大値よりも縮小する独立排気絞りモードで運転される可変排気バルブと、
前記独立排気絞りモードで可変排気バルブが作動するエンジン低速運転領域と、前記排気ターボ過給機が作動する過給運転領域との重複領域で前記エンジンが運転される場合には、未燃燃料が前記エンジンから排出されて前記排気ターボ過給機の上流側で燃焼されるように、少なくとも空燃比を可燃範囲内で理論空燃比よりもリッチにし且つ前記吸気バルブと前記排気バルブの各開弁期間がオーバーラップするオーバーラップ量を予め設定された範囲以上に拡大する後燃えモードで前記エンジンの混合気の燃焼を制御する燃焼制御手段と
を備えている
ことを特徴とする過給機付エンジンシステム。 In a predetermined operation region, an engine configured to be able to change the opening and closing timing of each of the intake valve and the exhaust valve so that the opening periods of the intake valve and the exhaust valve overlap each other in the vicinity of the exhaust top dead center;
An exhaust manifold connected independently to each exhaust port of a plurality of cylinders provided in the engine and having an independent exhaust passage;
A collecting portion in which the downstream sides of the independent exhaust passages of the exhaust manifold are gathered together;
An exhaust turbocharger connected to the downstream side of the collecting portion;
At least in a predetermined engine low-speed operation region, in order to achieve an ejector effect, the engine is operated in an independent exhaust throttle mode in which the effective opening area at the outlet of the independent exhaust passage is reduced below the maximum value between the collecting portion and the exhaust manifold. Variable exhaust valve
And low engine speed operating region where the variable exhaust valve is operated in the independent exhaust throttle mode, wherein when said engine exhaust turbo supercharger in an overlapping region between the supercharge operating range of operation of the operation, unburned fuel At least the air-fuel ratio is made richer than the stoichiometric air-fuel ratio within the flammable range and the intake valves and the exhaust valves are opened so that they are discharged from the engine and burned upstream of the exhaust turbocharger. And a combustion control means for controlling the combustion of the air-fuel mixture of the engine in a post-combustion mode that expands an overlap amount that overlaps a predetermined range or more. .
前記エンジンの吸気通路に設けられた電動過給機と、
前記後燃えモードで前記エンジンの混合気の燃焼が制御される際に当該吸気バルブと排気バルブの各開弁期間がオーバーラップするオーバーラップ量が所定のトルク停留範囲にある場合には、前記電動過給機を作動制御する電動過給制御手段と
を備えている
ことを特徴とする過給機付エンジンシステム。 The engine system with a supercharger according to claim 1,
An electric supercharger provided in the intake passage of the engine;
When the combustion amount of the air-fuel mixture of the engine is controlled in the afterburning mode, if the overlap amount in which the valve opening periods of the intake valve and the exhaust valve overlap each other is within a predetermined torque stop range, the electric motor An engine system with a supercharger comprising: an electric supercharge control means for controlling the operation of the supercharger.
前記燃焼制御手段は、前記後燃えモードにおいて、前記吸気バルブと前記排気バルブの各開弁期間がオーバーラップするオーバーラップ量をクランク角度で少なくとも90°以上に制御するものである
ことを特徴とする過給機付エンジンシステム。
The supercharged engine system according to claim 1 or 2,
The combustion control means controls, in the afterburning mode, an overlap amount in which the valve opening periods of the intake valve and the exhaust valve overlap each other so that a crank angle is at least 90 ° or more. Supercharged engine system.
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