JP5998901B2 - ターボ過給エンジン - Google Patents

Description

本発明は、排気通路を通過する排気ガスのエネルギーにより駆動されるタービンと、タービンにより駆動されて吸気通路内の空気を加圧する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。

ターボ過給機は、エンジンから排出される排気ガスのエネルギーを利用してエンジンの高出力化を達成するものであり、従来から各種エンジンに広く採用されている。

前記ターボ過給機を備えたターボ過給エンジンにおいて、特許文献１には、排気通路と吸気通路とを連通するＥＧＲ通路を介して排気通路を通過する排気ガスの一部を吸気通路に還流するＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置を併せて備えることが開示されている。ＥＧＲ（排気還流）を行うことにより、燃焼温度が低下し、ノッキング等の異常燃焼が抑制され、ＮＯｘ等のエミッションが低減される。また、ノッキングが抑制されることにより、点火時期の進角が可能になり、相対的に少ない燃料でも十分なトルクが得られて、燃費の改善も図られる。

また、特許文献２には、前記ＥＧＲ装置として、タービンより上流の排気通路とコンプレッサより下流の吸気通路とを連通する高圧ＥＧＲ通路を有する高圧ＥＧＲ装置と、タービンより下流の排気通路とコンプレッサより上流の吸気通路とを連通する低圧ＥＧＲ通路を有する低圧ＥＧＲ装置とを併せて備えることが開示されている。

特開２０１０−２４９７４号公報（段落００２７） 特開２００８−１３８５９８号公報（段落００３３、００３５）

ところで、エンジンの運転領域において、高負荷域はトルクが必要な領域であるが、高圧ＥＧＲ装置と低圧ＥＧＲ装置とを備えるターボ過給エンジンにおいて、そのような高負荷域で２つのＥＧＲ装置を異常燃焼の抑制やエミッションの低減を確保しつつ、さらにトルク向上の観点からどのように使い分けるかが問題となる。

そこで、本発明は、トルクが必要な高負荷域で高圧ＥＧＲ装置と低圧ＥＧＲ装置とがトルク向上の観点から良好に使い分けられたターボ過給エンジンの提供を目的とする。

前記課題を解決するためのものとして、本発明は、排気通路を通過する排気ガスのエネルギーにより駆動されるタービンと、タービンにより駆動されて吸気通路内の空気を加圧する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であって、前記タービンより上流の排気通路と前記コンプレッサより下流の吸気通路とを連通するＥＧＲ通路及び前記ＥＧＲ通路を通過する第１のＥＧＲガスの流量を調節する第１のＥＧＲ弁を含む第１のＥＧＲ装置と、前記タービンより下流の排気通路と前記コンプレッサより上流の吸気通路とを連通するＥＧＲ通路及び前記ＥＧＲ通路を通過する第２のＥＧＲガスの流量を調節する第２のＥＧＲ弁を含む第２のＥＧＲ装置と、前記タービンをバイパスするように前記排気通路に設けられたバイパス通路と、前記バイパス通路に開閉可能に設けられたウェストゲート弁と、前記第１のＥＧＲ弁及び前記第２のＥＧＲ弁を制御するＥＧＲ制御手段と、前記ウェストゲート弁を制御するウェストゲート弁制御手段とを備え、前記ＥＧＲ制御手段は、エンジンの運転領域において、低速高負荷側の第１の領域では前記第２のＥＧＲガスの流量が前記第１のＥＧＲガスの流量よりも多くなり、高速高負荷側の第２の領域では前記第１のＥＧＲガスの流量が前記第２のＥＧＲガスの流量よりも多くなるように、前記第１のＥＧＲ弁及び前記第２のＥＧＲ弁を制御し、前記ウェストゲート弁制御手段は、前記第２の領域における高速高負荷側の一部に設定された第４の領域で前記ウェストゲート弁を開弁し、前記第２の領域のうち前記第４の領域を除いた残余の領域では前記ウェストゲート弁を閉弁することを特徴とするターボ過給エンジンである（請求項１）。

本発明によれば、トルクが必要な高負荷域において、低速側の第１の領域では、第２のＥＧＲ装置による第２のＥＧＲガスの流量が第１のＥＧＲ装置による第１のＥＧＲガスの流量よりも多くされる。これにより、低速高負荷域で過給効率が改善し、トルクが向上する。すなわち、第２のＥＧＲ装置による第２のＥＧＲガスは、コンプレッサより上流の吸気通路に還流されるので、コンプレッサの仕事量が増え、コンプレッサの吐出流量が増大する。そのため、過給圧ひいてはコンプレッサの圧力比が上り、エンジンの運転状態が同じでも、コンプレッサの運転ポイントはコンプレッサの吐出流量及び圧力比が増大したポイントに移動する。しかも、第２のＥＧＲ装置による第２のＥＧＲガスは、タービンより下流の排気通路から抜き出されるので、タービンの駆動力は低下しない。したがって、コンプレッサの運転ポイントはコンプレッサ効率の向上したところに位置し、過給効率が改善し、過給量が効率よく高められる。以上により、低速高負荷側の第１の領域で第２のＥＧＲガスの流量を相対的に多くすることにより、過給効率が改善し、トルクが向上する。

また、本発明によれば、トルクが必要な高負荷域において、高速側の第２の領域では、第１のＥＧＲ装置による第１のＥＧＲガスの流量が第２のＥＧＲ装置による第２のＥＧＲガスの流量よりも多くされる。これにより、高速高負荷域でトルクが向上する。すなわち、第１のＥＧＲ装置による第１のＥＧＲガスは、タービンより上流の排気通路から抜き出され、コンプレッサより下流の吸気通路に還流されるので、タービンより上流の排気圧が低減され、コンプレッサより下流の吸気圧が上昇する。その結果、ポンピングロスが減少するので、高速高負荷側の第２の領域で第１のＥＧＲガスの流量を相対的に多くすることにより、トルクが向上する。さらに、低温のＥＧＲガスが燃焼室に導入されることによって燃焼温度が低下し、ノッキングが抑制されて点火時期が進角できること、排気ガス温度の低下により空気量が増量すること等によっても、高速高負荷側の第２の領域でトルクが向上する。なお、ノッキングが抑制されることにより、点火時期の進角が可能になり、相対的に少ない燃料でも十分なトルクが得られて、燃費の改善も図られる。
さらに、本発明によれば、高速高負荷側の第２の領域内のさらに高速高負荷側に第４の領域が設定され、この第４の領域でウェストゲート弁を開くことによりタービンの駆動力が低下する。そのため、例えば、ターボ過給機のコンプレッサによる過給圧がエンジンや過給機を保護する観点から設けられた上限値を超えて上昇するのを防止する過給圧制御を第４の領域において実行することができる。

以上により、本発明によれば、トルクが必要な高負荷域で第１のＥＧＲ装置と第２のＥＧＲ装置とがトルク向上の観点から良好に使い分けられたターボ過給エンジンが提供される。

本発明において、好ましくは、前記ＥＧＲ制御手段は、前記第１の領域では前記第２のＥＧＲ弁を開弁すると共に前記第１のＥＧＲ弁を閉弁し、前記第２の領域では前記第１のＥＧＲ弁を開弁すると共に前記第２のＥＧＲ弁を閉弁する（請求項２）。

この構成によれば、低速高負荷側の第１の領域では第２のＥＧＲ装置による第２のＥＧＲガスのみ吸気通路に還流し、高速高負荷側の第２の領域では第１のＥＧＲ装置による第１のＥＧＲガスのみ吸気通路に還流する。そのため、両領域において前述のトルク向上作用がより一層大きくなる。

本発明において、好ましくは、前記ＥＧＲ制御手段は、エンジンの運転領域において、前記第１の領域及び前記第２の領域を除く第３の領域では、前記第１のＥＧＲ装置及び前記第２のＥＧＲ装置の双方を用いてＥＧＲを行うと共に、前記第３の領域において、前記第１の領域に近い領域ほど前記第２のＥＧＲガスの流量が前記第１のＥＧＲガスの流量よりも多くなり、前記第２の領域に近い領域ほど前記第１のＥＧＲガスの流量が前記第２のＥＧＲガスの流量よりも多くなるように、前記第１のＥＧＲ弁及び前記第２のＥＧＲ弁を制御する（請求項３）。

この構成によれば、エンジンの運転領域において、トルクが少なくて済む低〜中負荷側の第３の領域、すなわち部分負荷域では、第１のＥＧＲ装置及び前記第２のＥＧＲ装置の双方を用いてＥＧＲ（排気還流）が行われる。例えば、第１のＥＧＲ装置を用いてＥＧＲが行われたときは、第１のＥＧＲガスは、エンジン本体に近い部位で排気通路から抜き出され吸気通路に還流されるので、比較的高温の状態で燃焼室に導入される。そのため、第１のＥＧＲ装置を用いてＥＧＲを行うことにより、着火性を確保することができる。一方、第２のＥＧＲ装置を用いてＥＧＲが行われたときは、第２のＥＧＲガスは、エンジン本体から遠い部位で排気通路から抜き出され吸気通路に還流されるので、比較的低温の状態で燃焼室に導入される。そのため、第２のＥＧＲ装置を用いてＥＧＲを行うことにより、排気ガス温度及び排気圧の過度の上昇を抑制することができる。そして、これらを組み合わせて行うことにより、燃焼性の向上と、ポンピングロス低減による燃費の向上とを図ることができる。

その上で、この第３の領域では、低速高負荷側の第１の領域に近いほど第２のＥＧＲガスの流量が第１のＥＧＲガスの流量よりも多くされ、高速高負荷側の第２の領域に近いほど第１のＥＧＲガスの流量が第２のＥＧＲガスの流量よりも多くされるので、この第３の領域内でエンジンの運転状態が第１の領域又は第２の領域に近づくとき及びエンジンの運転状態が第３の領域から第１の領域又は第２の領域に移行するとき等の過渡時のＥＧＲ制御の応答性が向上する。

本発明において、好ましくは、気筒の吸気ポートを開閉する吸気弁及び排気ポートを開閉する排気弁を制御する吸排気弁制御手段が備えられ、前記吸排気弁制御手段は、前記第１の領域において、吸気ポート内の圧力が排気ポート内の圧力よりも高くなる時期に吸気弁及び排気弁の双方が開くバルブオーバーラップ期間が形成又は拡大されるように、前記吸気弁及び前記排気弁を制御する（請求項４）。

この構成によれば、低速高負荷側の第１の領域で、前記バルブオーバーラップ期間中に、吸気側から排気側へ燃焼室を吹き抜ける吸気の吹き抜け流が発生する。そのため、気筒内の残留ガスを取り除く効果（掃気効果）が得られ、ノッキングが抑制されて点火時期が進角できる。その結果、第１の領域における前述のトルク向上作用がさらに増長される。また、ノッキングが抑制されることにより、点火時期の進角が可能になり、相対的に少ない燃料でも十分なトルクが得られて、燃費の改善も図られる。

本発明によれば、トルクが必要な高負荷域で第１のＥＧＲ装置と第２のＥＧＲ装置とがトルク向上の観点から良好に使い分けられたターボ過給エンジンが提供される。

本発明の実施形態に係るターボ過給エンジンの全体構成を示す図である。 前記エンジンの排気通路内のガスの流れを模式的に示す側面図である。 前記エンジンの各気筒から延びる独立排気通路の出口部分を示す斜視図である。 前記エンジンの制御系を示すブロック図である。 前記エンジンの運転領域を制御内容の種類毎に複数の領域に区分けした制御マップである。 エンジンの運転領域の全域で高圧ＥＧＲを行ったときの前記エンジンの全負荷ラインと、ＥＧＲを行わなかったときの前記エンジンの全負荷ラインとを重ねて示すマップである。 エンジンの運転領域の全域で低圧ＥＧＲを行ったときの前記エンジンの全負荷ラインと、エンジンの運転領域の全域で高圧ＥＧＲを行ったときの前記エンジンの全負荷ラインとを重ねて示すマップである。 低圧ＥＧＲの作用を説明するためのターボ過給機のコンプレッサの特性を示す性能曲線のグラフである。 前記エンジンの排気圧力のクランク角に応じた変化を示すグラフである。 前記エンジンの吸排気弁の開閉タイミングを気筒毎に示すタイムチャートである。

（１）エンジンの全体構成
図１及び図２は、本発明の実施形態に係るターボ過給エンジンを示している。本実施形態に係るエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載される４サイクルの火花点火式多気筒エンジンである。具体的に、エンジンは、列状に並ぶ４つの気筒２Ａ〜２Ｄを有する直列４気筒型のエンジン本体１と、エンジン本体１に空気を導入するための吸気通路１０と、エンジン本体１で生成された排気ガスを排出するための排気通路３０とを備えている。

エンジン本体１の各気筒２Ａ〜２Ｄには、それぞれピストン（図示省略）が往復摺動可能に挿入されており、各ピストンの上方に燃焼室３が区画形成されている。燃焼室３では、後述するインジェクタ９から噴射される燃料と空気との混合気が燃焼し、その燃焼によって生成された排気ガスは、各気筒２Ａ〜２Ｄの排気行程において、燃焼室３から排気通路３０へと排出される。

エンジン本体１の上部（シリンダヘッド）には、吸気通路１０から供給される空気を各気筒２Ａ〜２Ｄの燃焼室に導入するための吸気ポート４と、吸気ポート４を開閉する吸気弁６と、各気筒２Ａ〜２Ｄの燃焼室で生成された排気ガスを排気通路３０に導出するための排気ポート５と、排気ポート５を開閉する排気弁７とが設けられている。

吸気弁６及び排気弁７は、それぞれ、カムシャフトやカム等を含む動弁機構（図示省略）により、エンジン本体１のクランク軸の回転に連動して開閉駆動される。吸気弁６及び排気弁７用の各動弁機構には、それぞれＶＶＴ１６が組み込まれている。ＶＶＴ１６は、可変バルブタイミング機構（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖａｌｖｅ Ｔｉｍｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）の略称であり、吸気弁６及び排気弁７の開閉タイミングを可変的に設定するためのバルブ可変機構である。

エンジン本体１の上部（シリンダヘッド）には、燃焼室３に向けて燃料（ガソリンを含有する燃料）を噴射するインジェクタ９と、インジェクタ９から噴射された燃料と空気との混合気に火花放電による着火エネルギーを供給する点火プラグ８とが、各気筒２Ａ〜２Ｄにつきそれぞれ１組ずつ設けられている。

点火プラグ８は、図外の点火回路からの給電に応じて各気筒２Ａ〜２Ｄの混合気に対し順に着火エネルギーを供給する。本実施形態のような直列４気筒エンジンでは、第１気筒２Ａ→第３気筒２Ｃ→第４気筒２Ｄ→第２気筒２Ｂの順に、１８０°ＣＡずつずれたタイミングで点火が行われて、この順に排気行程等が実施される（後述する図１０も参照）。なお、「°ＣＡ」とは、エンジンの出力軸であるクランク軸の回転角（クランク角）を表す。

吸気通路１０は、各気筒２Ａ〜２Ｄの吸気ポート４と連通する４つの独立吸気通路１１と、各独立吸気通路１１の上流側（吸入空気の流れ方向の上流側）に共通に設けられたサージタンク１２と、サージタンク１２の上流側に設けられた単管状の吸気管１３とを有している。吸気管１３には、吸入空気量を調節するための開閉可能なスロットル弁１４と、後述するターボ過給機２０により圧縮された空気を冷却するためのインタークーラ１５とが設けられている。

排気通路３０は、図１〜図３に示すように、各気筒２Ａ〜２Ｄの排気ポート５と連通する複数の独立排気通路３１，３２，３３と、各独立排気通路３１，３２，３３の下流端部（排気ガスの流れ方向下流側の端部）が集合した排気集合部３４と、排気集合部３４の下流側に設けられた単管状の排気管３５とを有している。排気管３５には、三元触媒等の触媒が内蔵された触媒コンバータ３６やサイレンサー（図示省略）等が設けられる。

前記のように、本実施形態では４つの気筒２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄに対し３つの独立排気通路３１，３２，３３が用意されている。これは、中央の独立排気通路３２が、２番気筒２Ｂ及び３番気筒２Ｃに対し共通に使用可能なようにＹ字状に分岐した形状とされているからである。すなわち、独立排気通路３２は、２番気筒２Ｂ及び３番気筒２Ｃの各排気ポート５から延びる２つの分岐通路部３２ａ，３２ｂと、各分岐通路部３２ａ，３２ｂが合流することで形成された単一の共通通路部３２ｃとを有している。一方、１番気筒２Ａ及び４番気筒２Ｄの各排気ポート５に接続される独立排気通路３１，３３については、分岐のない単管状に形成されている。以下では、単管状の独立排気通路３１，３３を、それぞれ「第１独立排気通路３１」及び「第３独立排気通路３３」といい、二股状に分岐した独立排気通路３２を「第２独立排気通路３２」ということがある。

ここで、本実施形態のような４サイクル４気筒エンジンでは、１番気筒２Ａ→３番気筒２Ｃ→４番気筒２Ｄ→２番気筒２Ｂの順に点火が行われるので、二股状に形成された第２独立排気通路３２の上流端部が接続される２番気筒２Ｂ及び３番気筒２Ｃは、排気順序（排気行程が実施される順序）が連続しない関係にある。このため、前記のように２番気筒２Ｂ及び３番気筒２Ｃに共通の独立排気通路３２を接続した場合でも、これら両気筒２Ｂ，２Ｃからの排気ガスが同時に第２独立排気通路３２に流れることはない。

単管状に形成された第１、第３独立排気通路３１，３３は、その間に位置する第２独立排気通路３２の共通通路部３２ｃに徐々に近接するように、気筒列方向の中央側を指向して延びている。そして、第１、第３独立排気通路３１，３３の各下流端部と第２独立排気通路３２の下流端部（共通通路部３２ｃの下流端部）とが、所定の角度（比較的浅い角度が望ましい）をもって合流することにより、各独立排気通路３１〜３３の下流側に前記排気集合部３４が形成されている。

単管状の第１独立排気通路３１及び第３独立排気通路３３は、２番気筒２Ｂと３番気筒２Ｃとの間を通る中心線を挟んで対称の形状を有している。このため、第１独立排気通路３１及び第３独立排気通路３３は、互いに同一の通路長及び容積を有している。一方、二股状の第２独立排気通路３２は、その分岐通路部３２ａ，３２ｂ及び共通通路部３２ｃの各通路長の合計が、第１、第２独立排気通路３１，３２のそれぞれの通路長と同一となるように形成されており、第１、第２独立排気通路３１，３２と同一の容積を有している。

図２及び図３に示すように、第１、第３独立排気通路３１，３３の各下流部と、第２独立排気通路３２の下流部（共通通路部３２ｃ）とは、排気ガスの流れ方向に沿って延びる隔壁３７によってそれぞれ２分されている。すなわち、第１、第３独立排気通路３１，３３の下流部、及び第２独立排気通路３２の共通通路部３２ｃは、それぞれ、隔壁３７によって区画された２つの流路３８，３９を有している。

第１〜第３独立排気通路３１，３２，３３内の各隔壁３７は、独立排気通路３１，３２，３３の途中部から下流端部（排気集合部３４との接続部）までの範囲に亘って設けられている。言い換えると、各独立排気通路３１，３２，３３は、流路３８，３９に２分された状態のまま（途中でその分割状態が解消されることなく）、排気集合部３４に接続されている。

排気通路３０には、その第１〜第３独立排気通路３１，３２，３３内を通る排気ガスの流通面積を変更するための排気絞り弁４０が設けられている。この排気絞り弁４０は、第１〜第３独立排気通路３１，３２，３３の各下流部に備わる前記流路３８，３９のうちの一方（本実施形態では図３の上側に位置する流路３９）を開閉可能に遮断することにより、各独立排気通路３１，３２，３３内の流通面積を変更する。なお、以下では、排気絞り弁４０により開閉される流路３９を「可変流路３９」といい、もう一方の流路３８を「常用流路３８」という。

排気絞り弁４０は、その詳細な図示は省略するが、第１〜第３独立排気通路３１，３２，３３内のそれぞれの可変流路３９を遮断するように設けられた３つの弁体と、各弁体同士を連結するシャフトと、シャフトを回転駆動する駆動源（電気モータ等）とを有している。このような構造の排気絞り弁４０は、前記駆動源によるシャフト及び弁体の回転駆動に伴って、各独立排気通路３１，３２，３３内の可変流路３９を同時に開閉することが可能である。

本実施形態のエンジンには、エンジン本体１から排出される排気ガスのエネルギーにより駆動されるターボ過給機２０が装備されている。

ターボ過給機２０は、排気通路３０の排気集合部３４の直下流（排気集合部３４と排気管３５との間）に設けられたタービンハウジング２１と、タービンハウジング２１内に配設されたタービン２２と、吸気管１３内に配設されたコンプレッサ２３と、これらタービン２２及びコンプレッサ２３を互いに連結する連結軸２４とを有している。エンジンの運転中、エンジン本体１の各気筒２Ａ〜２Ｄから排気ガスが排出されると、その排気ガスが独立排気通路３１，３２，３３等を通じてターボ過給機２０のタービンハウジング２１内に流入することにより、タービン２２が排気ガスのエネルギーを受けて高速で回転する。また、タービン２２と連結軸２４を介して連結されたコンプレッサ２３がタービン２２と同じ回転速度で駆動されることにより、吸気管１３を通過する吸入空気が加圧されて、エンジン本体１の各気筒２Ａ〜２Ｄへと圧送される。

排気通路３０には、ターボ過給機２０のタービン２２をバイパスするためのバイパス通路４２が、タービンハウジング２１とその下流側の排気管３５とを互いに連結するように設けられており、このバイパス通路４２の途中部には、ウェストゲート弁４３が開閉可能に設けられている。ウェストゲート弁４３が開弁されると、エンジン本体１から排出された排気ガスの少なくとも一部がバイパス通路４２を通過するので、タービン２２に流入する排気ガスの量が減り、タービン２２の駆動力が抑制される。

排気通路３０の排気集合部３４と吸気通路１０のサージタンク１２とは、高圧ＥＧＲ通路５１を介して互いに連結されている。つまり、高圧ＥＧＲ通路５１は、タービン２２より上流の排気通路３０と、コンプレッサ２３より下流の吸気通路１０とを連通している。この高圧ＥＧＲ通路５１は、エンジン本体１から排出された排気ガスの一部を吸気系に戻す、いわゆる排気還流（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）を行うための通路である。高圧ＥＧＲ通路５１には、ＥＧＲガス（吸気系に戻される排気ガス）を冷却するための高圧ＥＧＲクーラ５２と、高圧ＥＧＲ通路５１を通過するＥＧＲガス（第１のＥＧＲガス）の流量を調節するための開閉可能な高圧ＥＧＲ弁（第１のＥＧＲ弁）５３とが設けられている。これらの高圧ＥＧＲ通路５１、高圧ＥＧＲクーラ５２、及び高圧ＥＧＲ弁５３を含んで、高圧ＥＧＲ装置５０が構成されている。高圧ＥＧＲ装置５０は、本発明の第１のＥＧＲ装置に相当する。以下では、高圧ＥＧＲ装置５０を用いて行うＥＧＲを「高圧ＥＧＲ」と称する。

本実施形態に係るエンジンは、前記高圧ＥＧＲ装置５０に加えて、低圧ＥＧＲ装置６０を備えている。すなわち、触媒コンバータ３６より下流の排気管３５とコンプレッサ２３より上流の吸気管１３とは、低圧ＥＧＲ通路６１を介して互いに連結されている。つまり、低圧ＥＧＲ通路６１は、タービン２２より下流の排気通路３０と、コンプレッサ２３より上流の吸気通路１０とを連通している。この低圧ＥＧＲ通路６１は、高圧ＥＧＲ通路５１と同様、排気還流を行うための通路である。低圧ＥＧＲ通路６１には、ＥＧＲガスを冷却するための低圧ＥＧＲクーラ６２と、低圧ＥＧＲ通路６１を通過するＥＧＲガス（第２のＥＧＲガス）の流量を調節するための開閉可能な低圧ＥＧＲ弁（第２のＥＧＲ弁）６３とが設けられている。これらの低圧ＥＧＲ通路６１、低圧ＥＧＲクーラ６２、及び低圧ＥＧＲ弁６３を含んで、低圧ＥＧＲ装置６０が構成されている。低圧ＥＧＲ装置６０は、本発明の第２のＥＧＲ装置に相当する。以下では、低圧ＥＧＲ装置６０を用いて行うＥＧＲを「低圧ＥＧＲ」と称する。

（２）制御系
次に、図４を用いて、エンジンの制御系について説明する。本実施形態のエンジンは、その各部がＥＣＵ（エンジン制御ユニット）７０によって統括的に制御される。ＥＣＵ７０は、周知のとおり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されるマイクロプロセッサであり、本発明のＥＧＲ制御手段、吸排気弁制御手段、及びウェストゲート弁制御手段に相当する。

ＥＣＵ７０には、各種センサからの情報が入力される。例えば、エンジン又は車両には、エンジンの回転速度、つまりエンジン本体１のクランク軸の回転速度を検出するためのエンジン速度センサＳＮ１と、エンジンの冷却水の温度を検出するためのエンジン水温センサＳＮ２と、吸気管１３を通過する吸入空気の流量を検出するためのエアフローセンサＳＮ３と、ドライバーにより操作される図外のアクセルペダルの開度（アクセル開度）を検出するためのアクセル開度センサＳＮ４とが設けられており、これらの各センサで検出された情報が電気信号としてＥＣＵ７０に逐次入力されるようになっている。

ＥＣＵ７０は、前記各センサ（ＳＮ１〜ＳＮ４等）からの入力信号に基づいて種々の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、点火プラグ８、インジェクタ９、吸排気弁用のＶＶＴ１６，１６、スロットル弁１４、排気絞り弁４０、ウェストゲート弁４３、高圧ＥＧＲ弁５３、及び低圧ＥＧＲ弁６３と電気的に接続されており、前記演算の結果等に基づいて、これらの機器にそれぞれ駆動用の制御信号を出力する。

（３）運転領域に応じた制御
次に、ＥＣＵ７０が行うエンジン制御の具体例について、図５の制御マップを参照しつつ説明する。

図５において、ＷＯＴは、エンジンの全負荷ライン（アクセル全開のときのエンジントルク）を表している。本実施形態では、エンジンにターボ過給機２０が備わっているので、エンジンの全負荷ラインＷＯＴは、自然吸気のとき（過給なしのとき）のエンジントルクの上限である自然吸気ライン（図示せず）よりも高く設定されている。

全負荷ラインＷＯＴ上に存在するポイントＩＣは、いわゆるインターセプトポイントである。このインターセプトポイントＩＣでは、ターボ過給機２０のコンプレッサ２３による過給圧が、エンジンや過給機２０を保護する観点から予め定められた上限値に達するので、インターセプトポイントＩＣより高回転側では、前記過給圧が上限値を超えて上昇するのを防止するための過給圧制御が実行される。なお、以下では、インターセプトポイントＩＣに対応するエンジン回転速度Ｎｉを「インターセプト回転速度Ｎｉ」と称する。

図５のマップによると、インターセプト回転速度Ｎｉよりも所定速度低い回転速度Ｎｏ（以下「中間回転速度Ｎｏ」と称する）が設定され、エンジンの運転領域において、前記中間回転速度Ｎｏよりも低回転側の速度域における高負荷側（トルクの高い側）に第１領域Ｒ１が設定されている。一方、中間回転速度Ｎｏよりも高回転側の速度域における高負荷側に第２領域Ｒ２が設定されている。そして、これらの第１、第２領域Ｒ１，Ｒ２を除いた残余の領域に第３領域Ｒ３が設定されている。

なお、第２領域Ｒ２内に第４領域Ｒ４が設定されている。この第４領域Ｒ４は、第２領域Ｒ２内において最も高回転かつ高負荷側の領域である。以下、特に断らない限り、第２領域Ｒ２というときは、この第４領域Ｒ４を含めていう。

エンジンの運転中、ＥＣＵ７０は、エンジン速度センサＳＮ１、エアフローセンサＳＮ３、及びアクセル開度センサＳＮ４等から得られる情報に基づいて、エンジンが図５の制御マップにおけるどの領域で運転されているかを逐次判断し、その判断結果に応じて、各領域毎に、吸気弁６、排気弁７、排気絞り弁４０、ウェストゲート弁４３、高圧ＥＧＲ弁４７、及び低圧ＥＧＲ弁５３を制御する。

詳しくは後述するが、本実施形態においては、ＥＣＵ７０は、この図５に示す制御マップの全領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４において、高圧ＥＧＲ弁４７及び低圧ＥＧＲ弁５３を制御することにより、ＥＧＲを行う。

次に、本実施形態において図５に示す制御マップが設定された経緯を説明する。

まず、図６において、実線（高圧ＥＧＲ）は、エンジンの運転領域の全域で高圧ＥＧＲを行ったときのエンジンの全負荷ラインを表し、鎖線（ＥＧＲ無し）は、ＥＧＲを行わなかったときのエンジンの全負荷ラインを表す。なお、図６には、高圧ＥＧＲを行ったときのインターセプトポイントＩＣ及びインターセプト回転速度Ｎｉが併せて示されている。図示したように、高圧ＥＧＲを行ったときは、行わなかったときに比べて、高速域でトルクが向上し、低速域でトルクが低下している。

高速域でトルクが向上する理由は、高圧ＥＧＲでは、ＥＧＲガス（第１のＥＧＲガス）がタービン２２より上流の排気通路３０から抜き出され、コンプレッサ２３より下流の吸気通路１０に還流されるので、タービン２２より上流の排気圧が低減され、コンプレッサ２３より下流の吸気圧が上昇して、ポンピングロスが減少すること、低温のＥＧＲガスが燃焼室に導入されることによって燃焼温度が低下し、ノッキングが抑制されて点火時期が進角できること、排気ガス温度の低下により空気量が増量すること等である。なお、ノッキングが抑制されることにより、点火時期の進角が可能になり、相対的に少ない燃料でも十分なトルクが得られて、燃費の改善も図られる。

低速域でトルクが低下する理由は、ＥＧＲにより新気量が低下すること、新気量の低下及びタービン２２より上流の排気圧の低下により過給圧が低下すること等である。

また、図７において、破線（低圧ＥＧＲ）は、エンジンの運転領域の全域で低圧ＥＧＲを行ったときのエンジンの全負荷ラインを表し、実線（高圧ＥＧＲ）は、エンジンの運転領域の全域で高圧ＥＧＲを行ったときのエンジンの全負荷ラインを表す。なお、図７には、低圧ＥＧＲを行ったときのインターセプトポイントα及びインターセプト回転速度Ｎｏ（前記中間回転速度Ｎｏに等しい）が併せて示されている。図示したように、低圧ＥＧＲを行ったときは、高圧ＥＧＲを行ったときに比べて、低速域でトルクが向上している。つまり、低圧ＥＧＲを行ったときのエンジンの全負荷ラインは、高圧ＥＧＲを行ったときのエンジンの全負荷ラインにおける前記低速域でのトルクの低下を補填することができる。それは、次のような理由による。

図８は、ターボ過給機のコンプレッサの特性を示す性能曲線のグラフであり、低圧ＥＧＲの作用を説明するためのものである。

図８において、縦軸はコンプレッサの圧力比、横軸はコンプレッサの吐出流量である。この図８のグラフにおいて、各ラインＳＬ、ＲＬ、ＣＬは、それぞれ、サージライン、回転限界ライン、チョークラインを表しており、これらのラインで囲まれた領域がコンプレッサの運転可能領域である。また、この運転可能領域内に図示された等高線のような曲線群は、コンプレッサの効率が等しい運転ポイントを結んだ等効率線であり、領域の中央側に位置する曲線ほど効率が高くなることを表している。

図８では、ある特定の条件でエンジンを運転したときのコンプレッサの運転ポイントの変化を作動ラインとして表している。なお、作動ラインは、その途中から圧力比が頭打ちになっている（横向きの直線に移行している）が、これは、エンジンや過給機を保護する観点から設けられた上限値に過給圧が達したために過給圧制御（例えばウェストゲート弁を開く等する制御）が実行されたことを示している。これについては後述する。

いま、ＥＧＲ無しで、コンプレッサの吐出流量及びコンプレッサの圧力比がポイントＰ１にあるとする。このコンプレッサの運転ポイントＰ１は、前記流量及び前記圧力比が比較的小さいポイントである。このとき、エンジンの運転状態は低速高負荷域、すなわち図５の第１領域Ｒ１にある。

この状態で低圧ＥＧＲを行うと、低圧ＥＧＲではＥＧＲガス（第２のＥＧＲガス）はコンプレッサ２３より上流の吸気通路１０に還流されるので、コンプレッサ２３の仕事量が増え、コンプレッサ２３の吐出流量が増大する（図中、吐出流量の増分を符号ΔＱで示した）。そのため、過給圧ひいてはコンプレッサ２３の圧力比が上り、エンジンの運転状態が同じでも、コンプレッサ２３の運転ポイントは当初のポイントＰ１から作動ライン上の別のポイントＰ２に移動する。このポイントＰ２は、当初のポイントＰ１よりも吐出流量及び圧力比が増大したポイントである。しかも、低圧ＥＧＲではＥＧＲガス（第２のＥＧＲガス）はタービン２２より下流の排気通路３０から抜き出されるので、タービン２２の駆動力は低下しない。したがって、前記ポイントＰ２は、図８から明らかなように、当初のポイントＰ１よりもコンプレッサ効率の向上したところに位置する。そのため、過給効率が改善し、過給量が効率よく高められる。以上により、低圧ＥＧＲを行うことにより低速高負荷域（図５の第１領域Ｒ１）のトルクが向上する。

なお、図８において、ポイントＰ３は、過給圧が上限値を超えて上昇するのを防止するための過給圧制御が開始されるポイントである。このポイントＰ３よりも流量が大きくなると、例えばウェストゲート弁４３が開かれて、タービン２２より上流の排気圧が低減され、過給圧が上限値を超えないように一定に維持される。その場合、過給圧を一定に維持するための排気圧の低減量は少なくて済むので、前記ポイントＰ３よりも流量が大きい側では、過給圧に対する排気圧の増分が次第に大きくなっていく。このことは、ポンピングロスの増大を招き、燃費性能の悪化につながる。したがって、低圧ＥＧＲは、低速域のトルク向上作用を有するものの、前記ポイントＰ３よりも流量が小さい側（図中、符号ＡｒＬｏで示した側）で行うことが好ましい。

ここで、図６に、インターセプトポイントＩＣを起点として高速側かつ低トルク側に延びるラインＸ５を示した。このラインＸ５は、エンジンの運転領域の全域で高圧ＥＧＲを行ったときに、これより高速側で過給圧制御が実行されることを示すラインである。したがって、以下では、このラインを「高圧ＥＧＲ時の過給圧制御開始ラインＸ５」と称する。同様に、図７に、インターセプトポイントαを起点として高速側かつ低トルク側に延びるラインＸ４を示した。このラインＸ４は、エンジンの運転領域の全域で低圧ＥＧＲを行ったときに、これより高速側で過給圧制御が実行されることを示すラインである。したがって、以下では、このラインを「低圧ＥＧＲ時の過給圧制御開始ラインＸ４」と称する。そして、図８を参照して説明したように、低圧ＥＧＲは、過給圧制御が開始されるポイントＰ３よりも流量が小さい側ＡｒＬｏで行うことが好ましい。このことを図７の低圧ＥＧＲ時の過給圧制御開始ラインＸ４に当てはめて考えると、低圧ＥＧＲ時の過給圧制御開始ラインＸ４より高速側の領域では低圧ＥＧＲを行わないことが好ましいということができる。

以上を総合し、本実施形態においては、図６に実線で示した高圧ＥＧＲを行ったときのエンジンの全負荷ラインと、図７に破線で示した低圧ＥＧＲを行ったときのエンジンの全負荷ラインとを重ね合わせることにより、図５に示す制御マップを設定したものである。

ここで、本実施形態では、高圧ＥＧＲを行ったときの全負荷ラインと低圧ＥＧＲを行ったときの全負荷ラインとの交点は、低圧ＥＧＲを行ったときのインターセプトポイントαと一致している。

その結果、図５に示したＷＯＴのうち、前記インターセプトポイントαより低速側のラインＹ１は、図７に示した低圧ＥＧＲのときの全負荷ラインのうちの前記インターセプトポイントαより低速側のラインＸ１に相当し、図５に示したＷＯＴのうち、前記インターセプトポイントαより高速側のラインＹ２は、図６に示した高圧ＥＧＲのときの全負荷ラインのうちの前記交点より高速側のラインＸ２に相当する。

また、図５に示した第１領域Ｒ１と第３領域Ｒ３との境界ラインＹ３は、図６に示した高圧ＥＧＲのときの全負荷ラインのうちの前記交点より低速側のラインＸ３に相当し、図５に示した第２領域Ｒ２と第３領域Ｒ３との境界ラインＹ４は、図７に示した低圧ＥＧＲ時の過給圧制御開始ラインＸ４に相当し、図５に示したラインＹ５は、図６に示した高圧ＥＧＲ時の過給圧制御開始ラインＸ５に相当する。

以下、各領域毎にＥＣＵ７０が行う制御の内容を分説する。

［ｉ］第１領域Ｒ１
第１領域Ｒ１は、図５に示す制御マップが設定された経緯から分かるように、高圧ＥＧＲではトルクが確保できず、低圧ＥＧＲでトルクが確保できる領域である。したがって、この第１領域Ｒ１での運転時、ＥＣＵ７０は次のような制御を実行する。
・高圧ＥＧＲ弁５３を閉じ、低圧ＥＧＲ弁６３を開く。
・排気絞り弁４０を閉じる（独立排気絞り制御の実行）。
・吸排気弁６，７のバルブオーバーラップ期間を形成又は拡大する。
・ウェストゲート弁４３を閉じる。

第１領域Ｒ１では、高圧ＥＧＲが停止され、低圧ＥＧＲが行われる。すなわち、低圧ＥＧＲ装置６０による第２のＥＧＲガスの流量が高圧ＥＧＲ装置５０による第１のＥＧＲガスの流量よりも多くなる。より具体的には、ＥＧＲガスは全て低圧ＥＧＲ装置６０による第２のＥＧＲガスとなり、高圧ＥＧＲ装置５０による第１のＥＧＲガスの流量はゼロとなる。そのため、図８を参照して説明したように、トルクが必要な高負荷域において、低速側の第１領域Ｒ１で、過給効率が改善し、トルクが向上する。

また、第１領域Ｒ１では、排気絞り弁４０を閉じる独立排気絞り制御（排気絞り弁４０を閉じて独立排気通路３１，３２，３３内の流通面積を減少させる制御）が実行されることにより、第１〜第３独立排気通路３１，３２，３３内のそれぞれの可変流路３９が遮断される。このことは、各独立排気通路３１，３２，３３内の流通面積が実質的に減少したことを意味する。すると、エンジン本体１の各気筒２Ａ〜２Ｄから排出された排気ガスは、各独立排気通路３１，３２，３３内の常用流路３８のみを通って、高い流速を保ったまま排気集合部３４及びタービン２２へと流入する。

また、第１領域Ｒ１では、ウェストゲート弁４３が閉じられることにより、各気筒２Ａ〜２Ｄから排出された排気ガスは、全てターボ過給機２０のタービン２２に流入し、コンプレッサ２３による過給が十分行われる。

また、第１領域Ｒ１では、吸気弁６及び排気弁７用の各ＶＶＴ１６が駆動されることにより、吸気弁６及び排気弁７の双方が開くバルブオーバーラップ期間が形成又は拡大される。すなわち、図９及び図１０に示すように、各気筒２Ａ〜２Ｄの排気行程の後半から吸気行程の前半にかけた比較的長い期間ＯＬに亘って、吸気弁６及び排気弁７の双方が開かれるように、吸排気弁６，７の開閉タイミングが設定される。前記期間、すなわちバルブオーバーラップ期間ＯＬは、この第１領域Ｒ１において、吸気ポート４内の圧力（吸気圧）が排気ポート５内の圧力（排気圧）よりも高くなる時期と重なり合う。なお、図１０には、排気弁７のリフトカーブをＥＸ、吸気弁６のリフトカーブをＩＮとして表記している。

このように、過給圧が排気圧以上に高まる第１領域Ｒ１でバルブオーバーラップ期間ＯＬが形成又は拡大されることにより、このバルブオーバーラップ期間ＯＬの間は、燃焼室３を介して吸気ポート４から排気ポート５へと吹き抜ける吸気の流れ（吹き抜け流）が形成される。この吹き抜け流は、燃焼室３に残っている既燃ガス（残留ガス）を排気ポート５へ押し出す、つまり掃気を促進する役割を果たす。

［ｉｉ］第２領域Ｒ２
第２領域Ｒ２（第４領域を含めていう）は、図５に示す制御マップが設定された経緯から分かるように、ポンピングロスの増大を招くため、低圧ＥＧＲを行わないことが好ましい領域である。したがって、この第２領域Ｒ２での運転時、ＥＣＵ７０は次のような制御を実行する。
・低圧ＥＧＲ弁６３を閉じ、高圧ＥＧＲ弁５３を開く。
・排気絞り弁４０を開く（独立排気絞り制御の非実行）。
・ウェストゲート弁４３を閉じる（第４領域Ｒ４では開く）。

第２領域Ｒ２では、低圧ＥＧＲが停止され、高圧ＥＧＲが行われる。すなわち、高圧ＥＧＲ装置５０による第１のＥＧＲガスの流量が低圧ＥＧＲ装置６０による第２のＥＧＲガスの流量よりも多くなる。より具体的には、ＥＧＲガスは全て高圧ＥＧＲ装置５０による第１のＥＧＲガスとなり、低圧ＥＧＲ装置６０による第２のＥＧＲガスの流量はゼロとなる。そのため、図８を参照して説明したように、低圧ＥＧＲを行うと発生するポンピングロスの増大が回避され、代わりに、タービン２２より上流の排気通路３０から抜き出された第１のＥＧＲガスがコンプレッサ２３より下流の吸気通路１０に還流されるので、ポンピングロスが減少する。

また、第２領域Ｒ２で高圧ＥＧＲ装置５０による第１のＥＧＲガスの流量が低圧ＥＧＲ装置６０による第２のＥＧＲガスの流量よりも多くなることにより、図６を参照して説明したように、トルクが必要な高負荷域において、高速側の第２領域Ｒ２で、ポンピングロスの減少、ノッキングの抑制、排気ガス温度の低下等により、トルクが向上する。また、ノッキングが抑制されることにより、点火時期の進角が可能になり、相対的に少ない燃料でも十分なトルクが得られて、燃費の改善も図られる。

また、第２領域Ｒ２では、エンジン回転速度が比較的高く排気ガスの流量が多いため、これに対応すべく排気絞り弁４０が開かれて、第１〜第３独立排気通路３１，３２，３３内のそれぞれの可変流路３９が開放される。これにより、各気筒２Ａ〜２Ｄからの排気ガスは、各独立排気通路３１，３２，３３内の常用流路３８及び可変流路３９の双方を通ってスムーズに下流側へと排出される。

また、第４領域Ｒ４以外の第２領域Ｒ２では、ウェストゲート弁４３が閉じられることにより、各気筒２Ａ〜２Ｄから排出された排気ガスは、全てターボ過給機２０のタービン２２に流入し、コンプレッサ２３による過給が十分行われる。

一方、第４領域Ｒ４では、ウェストゲート弁４３が開かれることにより過給圧制御が実行され、コンプレッサ２３による過給圧がエンジンやターボ過給機２０を保護する観点から設けられた上限値を超えて上昇することが防止される。

［ｉｉｉ］第３領域Ｒ３
第３領域Ｒ３は、図５に示す制御マップが設定された経緯から分かるように、高圧ＥＧＲ及び低圧ＥＧＲのいずれも行うことができる領域である。したがって、この第３領域Ｒ３での運転時、ＥＣＵ７０は次のような制御を実行する。
・高圧ＥＧＲ弁５３及び低圧ＥＧＲ弁６３の双方を開く。
・排気絞り弁４０を開く（独立排気絞り制御の非実行）。
・ウェストゲート弁４３を閉じる。

すなわち、第３領域Ｒ３では、低圧ＥＧＲ及び高圧ＥＧＲの双方が行われる。これにより、トルクが少なくて済む部分負荷域において、高圧ＥＧＲ及び低圧ＥＧＲの特徴（レスポンスやＥＧＲガスの温度等）を考慮し、状況に応じて、着火性の確保、排気ガス温度及び排気圧の過度の上昇の抑制、燃焼性の向上と燃費の向上との同時達成等を図ることができる。

なお、ＥＣＵ７０は、第３領域Ｒ３において、第１領域Ｒ１に近い領域ほど低圧ＥＧＲ装置６０による第２のＥＧＲガスの流量が高圧ＥＧＲ装置５０による第１のＥＧＲガスの流量よりも多くなり、第２領域Ｒ２に近い領域ほど高圧ＥＧＲ装置５０による第１のＥＧＲガスの流量が低圧ＥＧＲ装置６０による第２のＥＧＲガスの流量よりも多くなるように、高圧ＥＧＲ弁５３及び低圧ＥＧＲ弁６３を制御する。図５において、第３領域Ｒ３に示した破線及び矢印は、この制御の内容を模式的に示したものである。

また、第３領域Ｒ３では、排気絞り弁４０が開かれて、第１〜第３独立排気通路３１，３２，３３内のそれぞれの可変流路３９が開放される。これにより、各気筒２Ａ〜２Ｄからの排気ガスは、各独立排気通路３１，３２，３３内の常用流路３８及び可変流路３９の双方を通ってスムーズに下流側へと排出される。

また、第３領域Ｒ３では、ウェストゲート弁４３が閉じられることにより、各気筒２Ａ〜２Ｄから排出された排気ガスは、全てターボ過給機２０のタービン２２に流入し、コンプレッサ２３による過給が十分行われる。

（４）作用等
本実施形態に係るエンジンは、排気通路３０を通過する排気ガスのエネルギーにより駆動されるタービン２２と、タービン２２により駆動されて吸気通路１０内の空気を加圧するコンプレッサ２３とを含むターボ過給機２０を備えたターボ過給エンジンであって、次のような特徴的構成を有している。

まず、タービン２２より上流の排気通路３０とコンプレッサ２３より下流の吸気通路１０とを連通する高圧ＥＧＲ通路５１と、高圧ＥＧＲ通路５１を通過する第１のＥＧＲガスの流量を調節する高圧ＥＧＲ弁５３とを含む第１のＥＧＲ装置５０が備えられている。

また、タービン２２より下流の排気通路３０とコンプレッサ２３より上流の吸気通路１０とを連通する低圧ＥＧＲ通路６１と、低圧ＥＧＲ通路６１を通過する第２のＥＧＲガスの流量を調節する低圧ＥＧＲ弁６３とを含む第２のＥＧＲ装置６０が備えられている。

また、エンジンの運転領域において、低速高負荷側の第１領域Ｒ１では第２のＥＧＲガスの流量が第１のＥＧＲガスの流量よりも多くなり、高速高負荷側の第２領域Ｒ２では第１のＥＧＲガスの流量が第２のＥＧＲガスの流量よりも多くなるように、高圧ＥＧＲ弁５３及び低圧ＥＧＲ弁６３を制御するＥＣＵ７０が備えられている。

この構成によれば、トルクが必要な高負荷域において、低速側の第１領域Ｒ１では、低圧ＥＧＲ装置６０による第２のＥＧＲガスの流量が高圧ＥＧＲ装置５０による第１のＥＧＲガスの流量よりも多くされる。より具体的には、本実施形態では、高圧ＥＧＲ装置５０による第１のＥＧＲガスの流量がゼロとされ、吸気通路１０には全て低圧ＥＧＲ装置６０による第２のＥＧＲガスが還流される。これにより、低速高負荷域で過給効率が改善し、トルクが向上する。すなわち、図８を参照して説明したように、低圧ＥＧＲ装置６０による第２のＥＧＲガスは、コンプレッサ２３より上流の吸気通路１０に還流されるので、コンプレッサ２３の仕事量が増え、コンプレッサ２３の吐出流量が増大する。そのため、過給圧ひいてはコンプレッサ２３の圧力比が上り、エンジンの運転状態が同じでも、コンプレッサ２３の運転ポイントは当初ポイントＰ１からコンプレッサ２３の吐出流量及び圧力比が増大したポイントＰ２に移動する。しかも、低圧ＥＧＲ装置６０による第２のＥＧＲガスは、タービン２２より下流の排気通路３０から抜き出されるので、タービン２２の駆動力は低下しない。したがって、コンプレッサ２３の運転ポイントＰ２はコンプレッサ効率の向上したところに位置し、過給効率が改善し、過給量が効率よく高められる。以上により、低速高負荷側の第１領域Ｒ１で第２のＥＧＲガスの流量を相対的に多くすることにより、過給効率が改善し、トルクが向上する。

また、前記構成によれば、トルクが必要な高負荷域において、高速側の第２領域Ｒ２では、高圧ＥＧＲ装置５０による第１のＥＧＲガスの流量が低圧ＥＧＲ装置６０による第２のＥＧＲガスの流量よりも多くされる。より具体的には、本実施形態では、低圧ＥＧＲ装置６０による第２のＥＧＲガスの流量がゼロとされ、吸気通路１０には全て高圧ＥＧＲ装置５０による第１のＥＧＲガスが還流される。これにより、高速高負荷域でトルクが向上する。すなわち、図６を参照して説明したように、高圧ＥＧＲ装置５０による第１のＥＧＲガスは、タービン２２より上流の排気通路３０から抜き出され、コンプレッサ２３より下流の吸気通路１０に還流されるので、タービン２２より上流の排気圧が低減され、コンプレッサ２３より下流の吸気圧が上昇する。その結果、ポンピングロスが減少するので、高速高負荷側の第２領域Ｒ２で第１のＥＧＲガスの流量を相対的に多くすることにより、トルクが向上する。さらに、低温のＥＧＲガスが燃焼室に導入されることによって燃焼温度が低下し、ノッキングが抑制されて点火時期が進角できること、排気ガス温度の低下により空気量が増量すること等によっても、高速高負荷側の第２領域Ｒ２でトルクが向上する。なお、ノッキングが抑制されることにより、点火時期の進角が可能になり、相対的に少ない燃料でも十分なトルクが得られて、燃費の改善も図られる。

以上により、本実施形態によれば、トルクが必要な高負荷域で高圧ＥＧＲ装置５０と低圧ＥＧＲ装置６０とがトルク向上の観点から良好に使い分けられたターボ過給エンジンが提供される。

特に、本実施形態では、ＥＣＵ７０は、第１領域Ｒ１では低圧ＥＧＲ弁６３を開弁すると共に高圧ＥＧＲ弁５３を閉弁し、第２領域Ｒ２では高圧ＥＧＲ弁５３を開弁すると共に低圧ＥＧＲ弁６３を閉弁する。

この構成によれば、低速高負荷側の第１領域Ｒ１では低圧ＥＧＲ装置６０による第２のＥＧＲガスのみ吸気通路１０に還流し、高速高負荷側の第２領域Ｒ２では高圧ＥＧＲ装置５０による第１のＥＧＲガスのみ吸気通路１０に還流するため、両領域Ｒ１，Ｒ２において前述のトルク向上作用がより一層大きくなる。

次に、本実施形態では、ＥＣＵ７０は、エンジンの運転領域において、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２を除く第３領域Ｒ３では、高圧ＥＧＲ装置５０及び低圧ＥＧＲ装置６０の双方を用いてＥＧＲを行う。

この構成によれば、エンジンの運転領域において、トルクが少なくて済む低〜中負荷側の第３領域Ｒ３、すなわち部分負荷域では、高圧ＥＧＲ装置５０及び低圧ＥＧＲ装置６０の双方を用いてＥＧＲが行われる。例えば、高圧ＥＧＲ装置５０を用いてＥＧＲが行われたときは、第１のＥＧＲガスは、エンジン本体に近い部位で排気通路３０から抜き出され吸気通路１０に還流されるので、比較的高温の状態で燃焼室３に導入される。そのため、高圧ＥＧＲ装置５０を用いてＥＧＲを行うことにより、着火性を確保することができる。一方、低圧ＥＧＲ装置６０を用いてＥＧＲが行われたときは、第２のＥＧＲガスは、エンジン本体から遠い部位で排気通路３０から抜き出され吸気通路１０に還流されるので、比較的低温の状態で燃焼室３に導入される。そのため、低圧ＥＧＲ装置６０を用いてＥＧＲを行うことにより、排気ガス温度及び排気圧の過度の上昇を抑制することができる。そして、これらを組み合わせて行うことにより、燃焼性の向上と、ポンピングロス低減による燃費の向上とを図ることができる。高圧ＥＧＲ装置５０によるＥＧＲガスの流量と低圧ＥＧＲ装置６０によるＥＧＲガスの流量との比率は、高圧ＥＧＲ及び低圧ＥＧＲの特徴（レスポンスやＥＧＲガスの温度等）を考慮し、状況に応じて、決定すればよい。

次に、本実施形態では、ＥＣＵ７０は、第３領域Ｒ３では、低速高負荷側の第１領域Ｒ１に近い領域ほど低圧ＥＧＲ装置６０による第２のＥＧＲガスの流量が高圧ＥＧＲ装置５０による第１のＥＧＲガスの流量よりも多くなり、高速高負荷側の第２領域Ｒ２に近い領域ほど高圧ＥＧＲ装置５０による第１のＥＧＲガスの流量が低圧ＥＧＲ装置６０による第２のＥＧＲガスの流量よりも多くなるように、高圧ＥＧＲ弁５３及び低圧ＥＧＲ弁６３を制御する。

この構成によれば、第３領域Ｒ３内でエンジンの運転状態が第１領域Ｒ１又は第２領域Ｒ２に近づくとき及びエンジンの運転状態が第３領域Ｒ３から第１領域Ｒ１又は第２領域Ｒ２に移行するとき等の過渡時のＥＧＲ制御の応答性が向上する。

次に、本実施形態では、ＥＣＵ７０は、第１領域Ｒ１において、吸気ポート４内の圧力が排気ポート５内の圧力よりも高くなる時期に吸気弁６及び排気弁７の双方が開くバルブオーバーラップ期間ＯＬが形成又は拡大されるように、気筒２Ａ〜２Ｄの吸気ポート４を開閉する吸気弁６及び排気ポート５を開閉する排気弁７を制御する。

この構成によれば、低速高負荷側の第１領域Ｒ１で、バルブオーバーラップ期間ＯＬ中に、吸気側から排気側へ燃焼室３を吹き抜ける吸気の吹き抜け流が発生する。そのため、気筒２Ａ〜２Ｄ内の残留ガスを取り除く掃気効果が得られ、ノッキングが抑制されて点火時期が進角できる。その結果、第１領域Ｒ１における前述のトルク向上作用がさらに増長される。また、ノッキングが抑制されることにより、点火時期の進角が可能になり、相対的に少ない燃料でも十分なトルクが得られて、燃費の改善も図られる。次に、この点につきさらに詳しく説明する。

すなわち、本実施形態では、排気ガスの流量が所定値以下となる運転領域（第１領域Ｒ１、第２領域Ｒ２）で、低圧ＥＧＲ弁６３が開かれ、タービン２２を通過した後の排気ガスの一部がＥＧＲガスとしてコンプレッサ２３上流の吸気通路１０に戻される。すると、コンプレッサ２３には、ＥＧＲガスと新気とが混じった吸気が流入するので、コンプレッサ２３が圧送する吸気の流量が増大する。このことは、コンプレッサ２３の圧力比の上昇、つまり過給圧の上昇につながるので、それほど負荷が高くない条件でも、過給圧を排気圧以上の値まで上昇させることが可能になる。

そして、高負荷の第１領域Ｒ１で吸排気弁６，７のバルブオーバーラップ期間ＯＬが形成又は拡大されるので、過給圧が排気圧以上に高まっていることとの相乗効果により、各気筒２Ａ〜２Ｄの吸気ポート４から排気ポート５へと吸気が吹き抜ける吹き抜け流が十分な強さで生成される（図２の矢印Ｗｉ，Ｗｅ参照）。このような吹き抜け流は、各気筒２Ａ〜２Ｄ内の残留ガスを取り除く掃気効果を発揮するので、各気筒２Ａ〜２Ｄでは、高負荷域での運転であるにも拘らず、ノッキングが起き難い環境がつくり出される。このことは、点火時期を進角することを可能にするので、相対的に少ない燃料でも十分な出力が得られるようになり、燃費の改善につながる。

特に、本実施形態では、エンジンの排気通路３０が、１つの気筒（２Ａ又は２Ｄ）の排気ポート５に上流端部が接続された第１、第３独立排気通路３１，３３と、排気順序が連続しない複数の気筒（２Ｂ及び２Ｃ）の各排気ポート５に上流端部が接続された第２独立排気通路３２と、これらの各独立排気通路３１，３２，３３の下流端部同士が１つに集合した排気集合部３４と、独立排気通路３１，３２，３３内を通る排気ガスの流通面積を可変的に設定する排気絞り弁４０とを有している。そして、ＥＣＵ７０は、第１領域Ｒ１での運転時に、吸排気弁６，７のバルブオーバーラップ期間ＯＬを形成又は拡大することに加えて、排気絞り弁４０を閉じて独立排気通路３１，３２，３３内の流通面積を減少させる独立排気絞り制御を実行する。このような構成によれば、排気ガスのブローダウン（排気弁７の開弁直後に生じる高圧、高速の排気の流れ）に伴って生じるいわゆるエゼクタ効果により、より確実に残留ガスの掃気を図ることができる。なお、エゼクタ効果とは、高速の噴流の周囲に発生する負圧を利用して被駆動流体を吸引する作用のことである。

図９は、ある特定の気筒のクランク角を横軸にとり、各気筒２Ａ〜２Ｄから排出された排気ガスの圧力（排気集合部３４での測定値）を縦軸にとったグラフである。このグラフにおいて、横軸のＢＤＣ，ＴＤＣ，ＢＤＣ…は、それぞれ前記特定気筒の下死点及び上死点を示しており、ＢＤＣからＴＤＣ又はＴＤＣからＢＤＣまでの間隔はクランク角にして１８０°ＣＡである。本実施形態に係るエンジンは、４気筒エンジンであり、気筒２Ａ〜２Ｄ間の点火間隔が１８０°ＣＡであるため、これに合わせて、各気筒２Ａ〜２Ｄの排気弁７を開いた直後に発生する排気ガスのブローダウンも１８０°ＣＡ毎に発生する。このため、前記特定気筒のＢＤＣ，ＴＤＣ，ＢＤＣ…と前記ブローダウンの発生位置とは、概ね一致している。

図９のグラフにおいて、前記特定気筒が排気上死点（ＴＤＣ）の近傍にあるとき、この特定気筒の次に排気行程を迎える後続気筒からは、ブローダウンによって高速の排気ガスが噴出される（図２の矢印Ｗｅ０参照）。このブローダウンガスは、排気集合部３４に流入したときにその周囲に強い負圧を発生させる。特に、第１領域Ｒ１では、独立排気通路３１，３２，３３内の流通面積を減少させる独立排気絞り制御が実行されるので、各気筒２Ａ〜２Ｄから排出されるブローダウンガスの流速がより速められ、より強い負圧が生成される。この強い負圧は、独立排気通路（３１，３２，３３のいずれか）を遡って前記特定気筒の排気ポート５に作用し、排気ポート５の圧力を下げるので（図９に破線で示した波形を参照）、その排気ポート５を通じて排気ガスを吸い出そうとする（エゼクタ効果）。

しかもこのとき、第１領域Ｒ１では、このような強いエゼクタ効果が得られる上に、前述したように、吸排気弁６，７のバルブオーバーラップ期間ＯＬが形成又は拡大されているので、各気筒２Ａ〜２Ｄのバルブオーバーラップ期間ＯＬ中、吸気ポート４の圧力（つまり過給圧）と排気ポート５の圧力との間には、図９に示すような大きな落差ΔＨが生まれる。この圧力差ΔＨは、吸気ポート４から排気ポート５へと吸気が吹き抜ける吹き抜け流（図２の矢印Ｗｉ，Ｗｅ参照）を強め、残留ガスの掃気をより一層促進させる。

さらに、第１領域Ｒ１では、独立排気絞り制御に伴い、ブローダウンによる排気圧力のピーク値（ブローダウンピーク）がより高められる。これは、独立排気絞り制御を実行することで、各独立排気通路３１，３２，３３内の可変流路３９が遮断されて排気ガスの流通面積が縮小し、排気ガスが短期間に集中的に流れるようになったからである。そして、このことは、過給圧を高める効果を発揮する（動圧過給効果）。

ここで、１回の排気行程当たりの有効な排気時間（ブローダウン期間）は、排気弁７の開弁直後に現れる排気圧力のピーク値（ブローダウンピーク）が高いほど、短くなる。一方で、動圧過給による効果は、ブローダウンピークに対して二次曲線的な特性を有することが知られている。そのため、本実施形態のように、独立排気絞り制御によってブローダウンピークを高めた場合には、独立排気絞り制御を実行しなかった場合と比べて、ブローダウン期間の短縮による目減り分を差し引いても、タービン２２が排気ガスから受け取る平均的な駆動力が増大することになる。本実施形態では、このような動圧過給効果によってターボ過給機２０の過給能力をより高めることができるので、負荷の高い第１領域Ｒ１で低圧ＥＧＲを実行しながらも、高い過給圧により十分な新気量を確保して、エンジントルクを高めることができる。

次に、本実施形態では、ＥＣＵ７０は、第２領域Ｒ２においてさらに高速高負荷側に設定された第４領域Ｒ４でターボ過給機２０のウェストゲート弁４３を開く。

この構成によれば、高速高負荷側の第２領域Ｒ２内のさらに高速高負荷側に第４領域Ｒ４が設定され、この第４領域Ｒ４でウェストゲート弁４３が開かれることによりタービン２２の駆動力が低下する。そのため、例えば、ターボ過給機２０のコンプレッサ２３による過給圧がエンジンや過給機２０を保護する観点から設けられた上限値を超えて上昇するのを防止する過給圧制御が第４領域Ｒ４において実行される。

なお、前記実施形態では、第１領域Ｒ１での低圧ＥＧＲ装置６０による第２のＥＧＲガスの流量と高圧ＥＧＲ装置５０による第１のＥＧＲガスの流量との比率を１００：０にしたが、第２のＥＧＲガスの流量が第１のＥＧＲガスの流量よりも多い限り、これに限定されない。同様に、前記実施形態では、第２領域Ｒ２での高圧ＥＧＲ装置５０による第１のＥＧＲガスの流量と低圧ＥＧＲ装置６０による第２のＥＧＲガスの流量との比率を１００：０にしたが、第１のＥＧＲガスの流量が第２のＥＧＲガスの流量よりも多い限り、これに限定されない。

また、前記実施形態では、第１〜第３独立排気通路３１，３２，３３とタービンハウジング２１との間に別体の排気集合部３４を設けたが、別体の排気集合部３４を省略して、各独立排気通路３１，３２，３３の下流端部をタービンハウジング２１に直接接続するようにしてもよい。この場合は、タービンハウジング２１の上流部（タービン２２よりも上流側に位置する部分）が、排気集合部として機能することになる。

また、前記実施形態では、２番気筒２Ｂ及び３番気筒２Ｃに二股状に分岐した第２独立排気通路３２を接続するとともに、１番気筒２Ａ又は４番気筒２Ｄに単管状の第１、第３独立排気通路３１，３３を接続することにより、４つの気筒２Ａ〜２Ｄに対し３つの独立排気通路３１，３２，３３を設けるようにしたが、第１、第３独立排気通路３１，３３と同様の単管状の排気通路を全ての気筒２Ａ〜２Ｄに接続することにより、気筒２Ａ〜２Ｄと同数の４つの独立排気通路を設けるようにしてもよい。

また、前記実施形態では、吸気弁６及び排気弁７用の各動弁機構に、バルブ開閉タイミングを変更するためのＶＶＴ１６をそれぞれ設けたが、バルブオーバーラップ期間ＯＬを運転条件に応じて変更できればよく、吸気弁６及び排気弁７のいずれか一方の動弁機構にのみＶＶＴ１６を設けてもよい。

また、前記実施形態では、低圧ＥＧＲ通路６１を排気通路３０の触媒コンバータ３６の下流に接続したが、タービン２２の下流である限り、前記触媒コンバータ３６の上流に接続してもよい。

また、前記実施形態では、第１領域Ｒ１において掃気効果を高めるために、エゼクタ効果とバルブオーバーラップを利用したり、さらに独立排気絞り制御を実行したが、これに限らず、例えば、エキゾーストマニホルドからタービンハウジングへの流路が２つに分割されて多気筒からの排気エネルギーの干渉が低減されたツインスクロールターボとバルブオーバーラップを利用したり、あるいは連続可変バルブリフト装置（ＣＶＶＬ：Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖａｌｖｅ Ｌｉｆｔｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）とバルブオーバーラップを利用することによっても掃気効果を高めることが可能である。

２Ａ〜２Ｄ 気筒
４ 吸気ポート
５ 排気ポート
６ 吸気弁
７ 排気弁
１０ 吸気通路
１６ ＶＶＴ
２０ ターボ過給機
２２ タービン
２３ コンプレッサ
３０ 排気通路
３１ 第１独立排気通路
３２ 第２独立排気通路
３３ 第３独立排気通路
３４ 排気集合部
４０ 排気絞り弁
４２ バイパス通路
４３ ウェストゲート弁
５０ 高圧ＥＧＲ装置（第１のＥＧＲ装置）
５１ 高圧ＥＧＲ通路
５３ 高圧ＥＧＲ弁（第１のＥＧＲ弁）
６０ 低圧ＥＧＲ装置（第２のＥＧＲ装置）
６１ 低圧ＥＧＲ通路
６３ 低圧ＥＧＲ弁（第２のＥＧＲ弁）
７０ ＥＣＵ（ＥＧＲ制御手段、吸排気弁制御手段、ウェストゲート弁制御手段）
Ｎｉ インターセプト回転速度
Ｎｏ 中間回転速度
ＯＬ バルブオーバーラップ期間
Ｒ１ 第１領域
Ｒ２ 第２領域
Ｒ３ 第３領域
Ｒ４ 第４領域

Claims (4)

1. 排気通路を通過する排気ガスのエネルギーにより駆動されるタービンと、タービンにより駆動されて吸気通路内の空気を加圧する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であって、
   前記タービンより上流の排気通路と前記コンプレッサより下流の吸気通路とを連通するＥＧＲ通路及び前記ＥＧＲ通路を通過する第１のＥＧＲガスの流量を調節する第１のＥＧＲ弁を含む第１のＥＧＲ装置と、
   前記タービンより下流の排気通路と前記コンプレッサより上流の吸気通路とを連通するＥＧＲ通路及び前記ＥＧＲ通路を通過する第２のＥＧＲガスの流量を調節する第２のＥＧＲ弁を含む第２のＥＧＲ装置と、
   前記タービンをバイパスするように前記排気通路に設けられたバイパス通路と、
   前記バイパス通路に開閉可能に設けられたウェストゲート弁と、
   前記第１のＥＧＲ弁及び前記第２のＥＧＲ弁を制御するＥＧＲ制御手段と、
   前記ウェストゲート弁を制御するウェストゲート弁制御手段とを備え、
   前記ＥＧＲ制御手段は、エンジンの運転領域において、低速高負荷側の第１の領域では前記第２のＥＧＲガスの流量が前記第１のＥＧＲガスの流量よりも多くなり、高速高負荷側の第２の領域では前記第１のＥＧＲガスの流量が前記第２のＥＧＲガスの流量よりも多くなるように、前記第１のＥＧＲ弁及び前記第２のＥＧＲ弁を制御し、
   前記ウェストゲート弁制御手段は、前記第２の領域における高速高負荷側の一部に設定された第４の領域で前記ウェストゲート弁を開弁し、前記第２の領域のうち前記第４の領域を除いた残余の領域では前記ウェストゲート弁を閉弁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ＥＧＲ制御手段は、前記第１の領域では前記第２のＥＧＲ弁を開弁すると共に前記第１のＥＧＲ弁を閉弁し、前記第２の領域では前記第１のＥＧＲ弁を開弁すると共に前記第２のＥＧＲ弁を閉弁することを特徴とするターボ過給エンジン。
3. 請求項１又は２に記載のターボ過給エンジンにおいて、
   前記ＥＧＲ制御手段は、エンジンの運転領域において、前記第１の領域及び前記第２の領域を除く第３の領域では、前記第１のＥＧＲ装置及び前記第２のＥＧＲ装置の双方を用いてＥＧＲを行うと共に、前記第３の領域において、前記第１の領域に近い領域ほど前記第２のＥＧＲガスの流量が前記第１のＥＧＲガスの流量よりも多くなり、前記第２の領域に近い領域ほど前記第１のＥＧＲガスの流量が前記第２のＥＧＲガスの流量よりも多くなるように、前記第１のＥＧＲ弁及び前記第２のＥＧＲ弁を制御することを特徴とするターボ過給エンジン。
4. 請求項１から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、
   気筒の吸気ポートを開閉する吸気弁及び排気ポートを開閉する排気弁を制御する吸排気弁制御手段が備えられ、
   前記吸排気弁制御手段は、前記第１の領域において、吸気ポート内の圧力が排気ポート内の圧力よりも高くなる時期に吸気弁及び排気弁の双方が開くバルブオーバーラップ期間が形成又は拡大されるように、前記吸気弁及び前記排気弁を制御することを特徴とするターボ過給エンジン。
   

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