JP5906099B2 - エンジンの過給装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の気筒を２つのグループに分割し、分割したグループ毎の気筒からの排気をそれぞれ独立した排気通路を介してタービンに供給するエンジンの過給装置に関する。

従来、気筒数が４気筒或いは６気筒等の偶数に設定されたエンジンのシングルターボ過給装置としては、各気筒を燃焼順序が不連続となる気筒毎の２つのグループに分割し、分割したグループ毎の気筒からの排気をそれぞれ独立した排気通路（タービン前排気通路）を介してタービンに供給することにより、低回転域からの過給特性の向上と排気干渉の低減とを実現するツインスクロール式のターボ過給装置が知られている。

また、この種のターボ過給装置において、例えば、特許文献１には、過給圧（タービン出力）の過度な上昇を防止すること等を目的として、各群（グループ）の排気集合通路（タービン前排気通路）を相互に連通する連通路と、一方のタービン前排気通路をタービンの下流側（タービン後排気通路）に連通するバイパス通路とを設け、さらに、連通路を開閉する連通バルブと、バイパス通路を開閉するウエストゲートバルブとを設けた技術が開示されている。このような技術によれば、中速運転時にはエンジン回転数の上昇に伴ってその開弁率が大きくなるよう連通バルブを開動作させ、両タービン前排気通路の排気脈動を相互に干渉させることにより、シングルスクロール式のターボ過給装置と同様の効果を得て、過給圧の過度の上昇を防止する。さらに、連通バルブを全開後の高速運転時には、ウエストゲートバルブを開動作させ、バイパス通路を介して排気の一部をタービンの下流側に流下させることにより、過給圧の過度の上昇を防止する。

特公平５−６３６１６号公報

しかしながら、上述の特許文献１に開示された技術では、例えば、連通バルブを全閉或いは所定の中間開弁率までしか開動作させていない状態にてウエストゲートバルブを開動作させた場合、構造上、タービン前排気通路間の排気圧力に差が生じてしまい、各気筒のノック限界がグループ間で異なってしまう等の虞がある。従って、特許文献１の技術では、連通バルブを全開させた上でウエストゲートバルブを開動作させる必要があり、連通バルブ及びウエストゲートバルブの開閉タイミングが所定に制限される等、更なる制御性の向上が求められていた。

また、上述の特許文献１の技術において、連通バルブを全開させた際にシングルスクロール式のターボ過給装置に相当する効果を得るためには連通路の開口面積を所定以上の大きさに確保する必要があるが、連通路の開口面積を大きく設定した場合、連通バルブの開弁率を僅かに変化させただけでも連通路を流れる排気流量が大きく変化する場合があり、特に連通バルブの連通度を小さな開弁率で制御することが困難となる虞がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、排気に対する制御を高い自由度で精度良く行うことができるエンジンの過給装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様によるエンジンの過給装置は、吸気通路に介装されたコンプレッサを排気によって駆動するタービンと、燃焼順序が不連続となるよう分割した２つのグループ毎の気筒からの排気をそれぞれ独立して前記タービンに導く２つのタービン前排気通路と、上流側に前記各タービン前排気通路が連通すると共に下流側にタービン後排気通路が連通するウエストゲート室と、前記各タービン前排気通路と前記ウエストゲート室との連通量を調整するメインウエストゲートバルブと、前記ウエストゲート室と前記タービン後排気通路との連通量を調整するサブウエストゲートバルブと、前記メインウエストゲートバルブと前記サブウエストゲートバルブの開弁率を制御する開弁率制御手段と、を備え、前記開弁率制御御手段は、前記メインウエストゲートバルブの開弁率を予め設定された開弁率よりも小さい開弁率に制御するとき、前記サブウエストゲートバルブを全閉するものである。
また、本発明の他の態様によるエンジンの過給装置は、吸気通路に介装されたコンプレッサを排気によって駆動するタービンと、燃焼順序が不連続となるよう分割した２つのグループ毎の気筒からの排気をそれぞれ独立して前記タービンに導く２つのタービン前排気通路と、上流側に前記各タービン前排気通路が連通すると共に下流側にタービン後排気通路が連通するウエストゲート室と、前記各タービン前排気通路と前記ウエストゲート室との連通量を調整するメインウエストゲートバルブと、前記ウエストゲート室と前記タービン後排気通路との連通量を調整するサブウエストゲートバルブと、前記メインウエストゲートバルブと前記サブウエストゲートバルブの開弁率を制御する開弁率制御手段と、を備え、前記開弁率制御手段は、予め設定されたエンジンの運転領域において、前記メインウエストゲートバルブ及び前記サブウエストゲートバルブの各開弁率を、予め設定された中間の各開弁率に制御するものである。

本発明のエンジンの過給装置によれば、排気に対する制御を高い自由度で精度良く行うことができる。

過給機付エンジンの全体構成図 メインウエストゲートバルブの連通度に対する軸トルクの特性図 エンジン回転速度Ａにおけるメインウエストゲートバルブの連通度に対する各圧力変化を示す特性図 エンジン回転速度Ａにおけるメインウエストゲートバルブの連通度に対する各圧力変化を示す特性図 メインウエストゲートバルブ及びサブウエストゲートバルブに対するバルブ制御ルーチンの一例を示すフローチャート

以下、図面を参照して本発明の形態を説明する。図面は本発明の一実施形態に係わり、図１は過給機付エンジンの全体構成図、図２はメインウエストゲートバルブの連通度に対する軸トルクの特性図、図３及び図４はエンジン回転速度Ａにおけるメインウエストゲートバルブの連通度に対する各圧力変化を示す特性図、図５はメインウエストゲートバルブ及びサブウエストゲートバルブに対するバルブ制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。

図１に示すエンジン１は、例えば、ツインスクロール式のシングルターボ過給装置３０が接続された水平対向４気筒エンジンである。このエンジン１の左右バンクにはシリンダヘッド２が設けられ、これら各シリンダヘッド２には、各バンクに形成された気筒３に対応して吸気ポート５と排気ポート６とが各々形成されている。

ここで、本実施形態において、例えば、右バンクには＃１及び＃３の気筒３が形成され、左バンクには＃２及び＃４の気筒３が形成されている。そして、これら各気筒３の燃焼は、例えば、＃１→＃３→＃２→＃４の燃焼順序にて行われるよう設定されている。

各シリンダヘッド２の吸気ポート５は、その上流側が吸気マニホルド１０を介してエアチャンバ１１に集合されている。さらに、エアチャンバ１１の上流側にはスロットル通路１２が連通され、スロットル通路１２の上流側には、吸気通路を形成する吸気管１３を介してエアクリーナ１４が取り付けられている。

また、スロットル通路１２には、例えば、スロットルアクチュエータ１５ａによって開閉動作される電子制御式のスロットル弁１５が設けられ、スロットル通路１２の直上流の吸気管１３にはインタークーラ１６が介装されている。

さらに、吸気管１３上において、インタークーラ１６とエアクリーナ１４との間には、ターボ過給装置３０のコンプレッサ３１が介装されている。このコンプレッサ３１は、吸気管１３の中途に介装されるコンプレッサハウジング３２を有し、このコンプレッサハウジング３２内には、後述するタービン３４によって駆動されるコンプレッサホイール３３が回転可能に収容されている。

一方、各シリンダヘッド２の排気ポート６は、気筒３の燃焼順序が不連続となる２つのグループ毎にそれぞれ独立したタービン前排気通路を形成する排気マニホルド２１，２２を介して、タービン３４に接続されている。

具体的に説明すると、例えば、燃焼順序が＃１→＃３→＃２→＃４に設定された本実施形態において、各気筒３は、燃焼順序が不連続となる２つの気筒のグループ、すなわち、＃１及び＃２の気筒３からなるグループと、＃３及び＃４の気筒３からなるグループとに分割されている。そして、各気筒３の排気ポート６は、グループ毎に独立した排気マニホルド２１，２２に接続されている。

一方、タービン３４は、２つのスクロール３６，３７が併設されたタービンハウジング３５を有し、このタービンハウジング３５の各スクロール３６，３７には、各排気マニホルド２１，２２の下流側がそれぞれ接続されている。さらに、タービンハウジング３５内にはタービンホイール３８が回転可能に収容され、このタービンホイール３８には、タービンシャフト３９を介してコンプレッサホイール３３が連結されている。

また、タービンハウジング３５には、タービン後排気通路を形成する排気管２３が連通されている。この排気管２３の中途には、触媒２４が介装されており、また、排気管２３の下流にはマフラ２５が連通されている。

さらに、このようなエンジン１の排気系において、各排気マニホルド２１，２２の中途には連通口２１ａ，２２ａが開口され、これら連通口２１ａ，２２ａには、所定の容積を有するウエストゲート室４０の上流側が連通されている。また、排気管２３の中途には連通口２３ａが開口され、この連通口２３ａには、ウエストゲート室４０の下流側が連通されている。

これらの連通により、ウエストゲート室４０は、両排気マニホルド２１，２２の中途を互いに連通する容積室として機能するとともに、タービン３４を迂回して両排気マニホルド２１，２２を排気管２３に連通するバイパス通路として機能する。なお、各連通口２１ａ，２２ａの開口面積は、例えば、各排気マニホルド２１，２２の下流端が連通される各スクロール３６，３７の開口面積と略同程度の比較的大面積に設定されていることが望ましい。

また、ウエストゲート室４０内には、各連通口２１ａ，２２ａを介して連通された各排気マニホルド２１，２２とウエストゲート室４０との連通量を調整するためのメインウエストゲートバルブ４１が配設されている。このメインウエストゲートバルブ４１は、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）４５によって制御され、連通口２１ａ，２２ａの開弁率を０％から１００％の間で可変制御する。

さらに、排気管２３内には、連通口２３ａを介して連通されたウエストゲート室４０と排気管２３との連通量を調整するためのサブウエストゲートバルブ４２が配設されている。このサブウエストゲートバルブ４２は、ＥＣＵ４５によって制御され、連通口２３ａの開弁率を０％から１００％の間で可変制御する。

すなわち、ウエストゲート室４０によって形成されたバイパス通路には、メインウエストゲートバルブ４１及びサブウエストゲートバルブ４２が直列に配置され、これらは開弁率制御手段としてのＥＣＵ４５による制御を通じて、ウエストゲート室４０の上流側と下流側をそれぞれ任意の開弁率にて開閉することが可能となっている。

これらにより、ウエストゲート室４０を通過する排ガス流量とウエストゲート室４０内の圧力を調整すると共にメインウエストゲートバルブ４１の排気マニホルド間の連通度を制御する。

ここで、目標過給圧を同一としてメインウエストゲートバルブ４１の連通度を変化させた場合のトルク特性の一例を図２に示す。なお、図２中では、低速度域で目標過給圧に到達しない場合にはサブウエストゲートバルブの開弁率を０として運転し、目標過給圧に到達が可能なエンジン回転速度より高い回転速度域では、メインウエストゲートバルブ４１の連通度を指定の連通度に保ちながら、サブウエストゲートバルブ４２の連通度が所定の中間開度に可変制御（過給圧制御）されているときのものが例示されている。

図２から明らかなように、過給の立ち上がり時は、各グループを完全に独立させた場合の軸トルクが最も高くなる。一方、エンジン１の高速度域では、メインウエストゲートバルブ４１の連通度を高くし、サブウエストゲートバルブ４２の連通度の制御によって過給圧制御を行った場合の軸トルクが高くなる。また、中間速度域において同一過給圧で制御した場合には、メインウエストゲートバルブ４１の連通度を絞り、連通度を制御しながら、サブウエストゲートバルブ４２によって過給圧制御を行った場合の軸トルクが最も高くなる。

次に、図２中の所定エンジン回転速度Ａにおけるメインウエストゲートバルブ４１の連通度に対するエンジン１の各圧力変化を示す特性の一例を図３，４に示す。なお、図３，４中において、クランク角度θ＝０の地点が排気行程から吸気行程に移行する上死点であり、細破線で囲まれた期間が吸気弁と排気弁が共に開いているオーバーラップ期間である。

図３，４から明らかなように、エンジン１の吸気圧力は、排気集合形態の影響をほとんど受けないため、メインウエストゲートバルブ４１の連通度に関わらず、略一様な特性となる。

一方、筒内圧力は排気バルブ或いは吸気バルブの開度の大きい側の影響を受け、オーバーラップを挟み排気圧力或いは吸気圧力に近い波形となる。

この場合において、例えば、図３に示すように、メインウエストゲートバルブ４１の連通度が０％である場合、各グループの排気が独立しているため、筒内圧力は、次燃焼気筒の排気ブローダウンの影響を受けず、クランク角度θ＝０〜６０度にかけての排気干渉による圧力上昇はないが、タービン３４の利用効率が悪く高圧となる。

また、メインウエストゲートバルブ４１の連通度を増加させていくと、連通度が３０％程度までは０％の排気脈動周期と位相を保ちながらオーバーラップ期間後半の排気圧力を下げることができる。また、オーバーラップ後半では吸気圧が排気圧よりも高い状態を維持して排気干渉の影響を低く抑えることが可能であり、オーバーラップ中の残留ガスの掃気を最適化でき、体積効率の向上とノッキングの抑制を実現して軸トルクの向上が可能となる。

また、例えば、図４に示すように、メインウエストゲートバルブ４１の連通度をさらに増加させると、排気脈動周期と位相が排気グループの独立していない集合形態（所謂４−１−Ｔ集合形態）の排気脈動となり、オーバーラップ期間前半では排気脈動の変化により、また後半では次燃焼気筒の排気ブローダウンの影響で、オーバーラップ中の排気圧力が連通度を制御して最適化される状態よりも高くなり、軸トルクが低下する。

これらの各特性等に基づき、例えば、ＥＣＵ４５には、エンジン１の各運転状態等におけるメインウエストゲートバルブ４１及びサブウエストゲートバルブ４２の開弁率の最適値が予めマップ化されて格納されており（図示せず）、ＥＣＵ４５は、このマップに基づいてバルブ制御を行う。図５は、このようなマップ等に基づくバルブ制御についての概略の一例を示すものであり、このルーチンがスタートすると、ＥＣＵ４５は、先ず、ステップＳ１０１において、ＥＣＵ４５は、現在のターボ過給装置３０の状態が過給制御の必要状態（過給の立ち上がり状態）であるか否かを調べる。

そして、ステップＳ１０１において、過給制御の必要状態であると判定した場合、ＥＣＵ３０は、ステップＳ１０２に進み、メインウエストゲートバルブ４１の開弁率を０％（全閉状態）とする制御を行い、続くステップＳ１０３において、サブウエストゲートバルブ４２の開弁率を０％（全閉状態）とする制御を行った後、ルーチンを抜ける。

一方、ステップＳ１０１において、既に過給圧が所定以上まで立ち上げられていると判定すると、ＥＣＵ４５は、ステップＳ１０４に進み、現在のエンジン回転速度が予め設定された低速域にあるか否かを調べる。

そして、ステップＳ１０４において、エンジン回転速度が低速域にあると判定すると、ＥＣＵ４５は、ステップＳ１０５に進み、例えば、予め設定されたマップ等に基づき、メインウエストゲートバルブ４１を、エンジン回転速度等に応じた０〜３０％の範囲の開弁率にて可変制御し、続くステップＳ１０６において、サブウエストゲートバルブ４２の開弁率を０％（全閉状態）とする制御を行った後、ルーチンを抜ける。

この場合、サブウエストゲートバルブ４２を全閉状態とし、ウエストゲート室４０内に排気圧を蓄圧することにより、排気の急激な流入を抑制してメインウエストゲートバルブ４１の開弁率を精度良く制御することが可能となる。

一方、ステップＳ１０４において、エンジン回転速度が低速域にないと判定すると、ＥＣＵ４５は、ステップＳ１０７に進み、エンジン回転速度が予め設定された中速域にあるか否かを調べる。

そして、ステップＳ１０７において、エンジン回転速度が中速域にあると判定すると、ＥＣＵ４５は、ステップＳ１０８に進み、メインウエストゲートバルブ４１を予め設定された中間開弁率（例えば、３０％）に制御し、続くステップＳ１０９において、例えば、予め設定されたマップ等に基づき、サブウエストゲートバルブ４２を、エンジン回転速度等に応じた中間開弁率に可変制御（過給圧制御）した後、ルーチンを抜ける。

一方、ステップＳ１０７において、エンジン回転速度が中速域にないと判定すると、すなわち、エンジン回転速度が高速域にあると判定すると、ＥＣＵ４５は、ステップＳ１１０に進み、例えば、予め設定されたマップ等に基づき、メインウエストゲートバルブ４１を、エンジン回転速度等に応じた３０〜１００％の範囲の開弁率にて可変制御し、続くステップＳ１１１において例えば、予め設定されたマップ等に基づき、サブウエストゲートバルブ４２を、エンジン回転速度等に応じた中間開弁率に可変制御（過給圧制御）した後、ルーチンを抜ける。

このような実施形態によれば、燃焼順序が不連続となる気筒３毎に分割したグループ毎の気筒３からの排気をそれぞれ独立してタービン３４のスクロール３６，３７に導く各排気マニホルド２１，２２の中途にウエストゲート室４０の上流側に連通するとともに、ウエストゲート室４０の下流側を排気管２３の中途に連通してタービン３４を迂回するバイパス通路を形成するとともに、このバイパス通路上に、各排気マニホルド２１，２２とウエストゲート室４０との連通量（開弁率）を調整するメインウエストゲートバルブ４１と、ウエストゲート室４０と排気管２３との連通量（開弁率）を調整するサブウエストゲートバルブ４２とを設けることにより、排気に対する制御を高い自由度で精度良く行うことができる。

すなわち、各グループの気筒３に対応した排気マニホルド２１，２２の連通口２１ａ，２２ａに対し、当該２つの排気マニホルド２１，２２間の連通量を調整するためのメインウエストゲートバルブ４１と、過給圧調整用のサブウエストゲートバルブ４２とを直列に配置することにより、メインウエストゲートバルブ４１を全開することなく所定の中間開弁率に制御した状態にて、サブウエストゲートバルブ４２を開動作させた場合にも、両排気マニホルド２１，２２間の排気圧力に差が生じることを防止することができる。従って、メインウエストゲートバルブ４１を中間開弁率に制御した状態であってもサブウエストゲートバルブ４２を通じた過給圧制御を好適に行うことができ、排気に対する制御を高い自由度で実現することができる。

また、メインウエストゲートバルブ４１を比較的小さい開弁率にて制御等する場合には、例えば、サブウエストゲートバルブ４２を全閉することによって、メインウエストゲートバルブ４１に対する背圧をウエストゲート室４０内に蓄圧すれば、各排気マニホルド２１，２２からウエストゲート室４０内への排気の急激な流入を防止することができ、各連通口２１ａ，２２ａの開口面積を比較的大きく設定した場合にも、良好な制御性を維持することができる。

なお、本発明は、以上説明した各実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲内である。例えば、メインウエストゲートバルブ及びサブウエストゲートバルブに対する制御は、上述のものに限定されるものではなく、エンジンの気筒数、排気マニホルドの管路長等の種々の条件に応じて適宜変更が可能であることは勿論である。

１ … エンジン
２ … シリンダヘッド
３ … 気筒
５ … 吸気ポート
６ … 排気ポート
１０ … 吸気マニホルド
１１ … エアチャンバ
１２ … スロットル通路
１３ … 吸気管
１４ … エアクリーナ
１５ … スロットル弁
１５ａ … スロットルアクチュエータ
１６ … インタークーラ
２１，２２ … 排気マニホルド
２１ａ，２２ａ … 連通口
２３ … 排気管
２３ａ … 連通口
２４ … 触媒
２５ … マフラ
３０ … シングルターボ過給装置
３０ … ターボ過給装置
３１ … コンプレッサ
３２ … コンプレッサハウジング
３３ … コンプレッサホイール
３４ … タービン
３５ … タービンハウジング
３６，３７ … スクロール
３８ … タービンホイール
３９ … タービンシャフト
４０ … ウエストゲート室
４１ … メインウエストゲートバルブ
４２ … サブウエストゲートバルブ
４５ … エンジン制御ユニット（開弁率制御手段）

Claims (3)

1. 吸気通路に介装されたコンプレッサを排気によって駆動するタービンと、
   燃焼順序が不連続となるよう分割した２つのグループ毎の気筒からの排気をそれぞれ独立して前記タービンに導く２つのタービン前排気通路と、
   上流側に前記各タービン前排気通路が連通すると共に下流側にタービン後排気通路が連通するウエストゲート室と、
   前記各タービン前排気通路と前記ウエストゲート室との連通量を調整するメインウエストゲートバルブと、
   前記ウエストゲート室と前記タービン後排気通路との連通量を調整するサブウエストゲートバルブと、
   前記メインウエストゲートバルブと前記サブウエストゲートバルブの開弁率を制御する開弁率制御手段と、を備え、
   前記開弁率制御御手段は、前記メインウエストゲートバルブの開弁率を予め設定された開弁率よりも小さい開弁率に制御するとき、前記サブウエストゲートバルブを全閉することを特徴とするエンジンの過給装置。
2. 吸気通路に介装されたコンプレッサを排気によって駆動するタービンと、
   燃焼順序が不連続となるよう分割した２つのグループ毎の気筒からの排気をそれぞれ独立して前記タービンに導く２つのタービン前排気通路と、
   上流側に前記各タービン前排気通路が連通すると共に下流側にタービン後排気通路が連通するウエストゲート室と、
   前記各タービン前排気通路と前記ウエストゲート室との連通量を調整するメインウエストゲートバルブと、
   前記ウエストゲート室と前記タービン後排気通路との連通量を調整するサブウエストゲートバルブと、
   前記メインウエストゲートバルブと前記サブウエストゲートバルブの開弁率を制御する開弁率制御手段と、を備え、
   前記開弁率制御手段は、予め設定されたエンジンの運転領域において、前記メインウエストゲートバルブ及び前記サブウエストゲートバルブの各開弁率を、予め設定された中間の各開弁率に制御することを特徴とするエンジンの過給装置。
3. 前記開弁率制御手段は、予め設定されたエンジンの運転領域において、前記メインウエストゲートバルブ及び前記サブウエストゲートバルブの各開弁率を、予め設定された中間の各開弁率に制御することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの過給装置。

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