JP6225883B2 - ターボ過給機付きエンジンの排気装置 - Google Patents

Description

ここに開示する技術は、ターボ過給機付きエンジンの排気装置に関する。

特許文献１には、ターボ過給機付きロータリピストンエンジンの排気装置として、トロコイド内周面を有するロータハウジングに排気ポートを設け、２つの気筒の排気ポートを排気通路によって集合させた上でターボ過給機のタービン上流に接続する一方で、２つのロータの間に配設されるインターミディエイトハウジングに、２つのロータ収容室の排気行程にある作動室を互いに連通するよう厚み方向に貫通する連通路を設けると共に、その連通路にタービンをバイパスするバイパス路を接続する構成が記載されている。

また、特許文献２には、特許文献１記載されているロータリピストンエンジンのように、ロータハウジングに排気ポートの開口部を設けた、いわゆるペリフェラル排気方式とは異なり、サイドハウジング及びインターミディエイトハウジングのそれぞれに、排気ポートの開口部を設けた、いわゆるサイド排気方式のロータリピストンエンジンが記載されている。サイド排気方式のロータリピストンエンジンは、吸排気タイミングのオーバーラップを解消し、次工程に持ち込まれる既燃ガスが低減する。

特公平６−４７９４２号公報 特許第３５９８５４６号公報

ところで、ターボ過給機付きエンジンにおいては、ターボ過給機の過給効率を高めたいという要求がある。この要求を満たすには、排気ポートを開いた直後に、排気ガスが高い圧力で排気通路に噴出するブローダウンのエネルギを、ターボ過給機のタービンに、できるだけロスなく供給することが有効である。

しかしながら、複数の気筒を有するエンジンにおいて、排気行程の一部が重なり合う気筒の排気ポートにつながる排気通路同士を集合させた上で、タービンに接続する構成では、排気通路に噴出されたブローダウンガスの一部が、そこに連通する別の気筒内に流れて膨張してしまい、タービンに供給されるブローダウンエネルギが、その分、低下するという不都合がある。

特許文献２に記載されているようなサイド排気方式のロータリピストンエンジンは、排気ポートの開いた時に開口面積が急拡大する特性を有しているため、レシプロエンジンと比較して、高いブローダウンエネルギを確保することが可能であり、ターボ過給機の過給効率の向上に有利である。しかしながら、２ロータタイプのロータリピストンエンジンにおいては、インターミディエイトハウジングの両側面それぞれに開口部を有する排気ポート同士を集合させて、タービンに接続すると、一方の気筒から噴出したブローダウンガスの一部が、排気行程の中期にある他方の気筒内に流れて膨張してしまうため、高いブローダウンエネルギを有効に利用することができないという不都合がある。

ここに開示する技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ターボ過給機付きエンジンにおいて、ブローダウンエネルギを有効に利用して、ターボ過給機の過給効率の向上を図ることにある。

ここに開示する技術は、ターボ過給機付きエンジンの排気装置に係り、この排気装置は、 複数の気筒を有するエンジンに設けられかつ、各気筒内の排気ガスを排出するよう、気筒毎に複数設けられた排気ポートと、前記排気ポートのそれぞれにつながるよう構成された排気通路と、前記排気通路に配設されかつ、前記排気ガスのエネルギによって駆動をするよう構成されたターボ過給機のタービンと、を備える。

そして、前記排気通路は、排気行程の一部が重なり合う２つの特定気筒において、複数の前記排気ポートの少なくとも一つに接続されると共に、前記２つの特定気筒間で集合した上で前記タービンに接続される集合通路と、前記２つの特定気筒における他の排気ポートに接続されると共に、前記２つの特定気筒間で集合せずに前記タービンに接続される気筒毎の独立通路と、を有し、前記集合通路につながる前記排気ポートは、前記独立通路につながる前記排気ポートの開タイミングよりも遅れて開くよう構成されている。

この構成によると、エンジンの排気ポートとターボ過給機のタービンとを互いに接続する排気通路は、集合通路と、独立通路との２種類の通路を有している。この内、集合通路は、排気行程の一部が重なり合う２つの特定気筒において集合した上で、タービンに接続される。ここで、２つの特定気筒は、一方の気筒の排気ポートを開くときに、他方の気筒は排気行程にあることを意味する。従って、一方の気筒の排気ポートを開いたときに、ブローダウンガスの一部は、集合通路を介して、他の気筒内に流れていく可能性がある。集合通路を通じてタービンへ供給される排気エネルギは、その分、低下する可能性がある。

これに対し、独立通路は、２つの特定気筒間で集合せずに、気筒毎にタービンに接続される。これにより、独立通路では、原則的に、タービンに供給するまでに、排気エネルギのロスが生じない。ここで、各通路をそれぞれタービンのスクロールに接続する上で、そのスクロールの直上流で、独立通路同士が実質的に合流する構成は、「２つの特定気筒間で集合せずに前記タービンに接続される」ことに含まれる。この構成であれば、排気エネルギを、ロス無くタービンに供給することが可能なためである。独立通路は、比較的高い排気エネルギをタービンに供給することが可能になる。

前記の構成では、集合通路につながる排気ポートは、独立通路につながる排気ポートよりも遅れて開くように構成されている。言い換えると、独立通路につながる排気ポートは、先に開く。この開口時には、集合通路につながる排気ポートは閉じているため、ブローダウンエネルギが、より一層高まる。従って、相対的に高いブローダウンエネルギを、独立通路を介してロス無く、タービンに供給することが可能になる。こうして、ターボ過給機の過給効率の向上が図られる。

一方、集合通路につながる排気ポートが、遅れて開いた時に発生するブローダウンガスの圧力は、独立通路につながる排気ポートが開いた時よりも低くなるものの、圧力が低い分、集合通路を介してつながる他方の特定気筒の方に流れるブローダウンガスが減る。その結果、集合通路を通じても、比較的高いブローダウンエネルギをタービンに供給することが可能になる。

こうして、前記の構成では、ブローダウンエネルギを有効に利用することによって、特に、ターボ過給機の過給効率が低下し易い低回転域において、過給効率の向上が図られる。

前記エンジンは、２つのロータと２つのロータ収容室とを備えた２ロータタイプのロータリピストンエンジンであり、前記２つのロータ収容室は、トロコイド内周面を有する２つのロータハウジングが、インターミディエイトハウジングを挟むと共に、２つのロータハウジングの外側それぞれをさらに、２つのサイドハウジングが挟むことによって区画されており、前記ロータの回転に伴い開閉される前記排気ポートの開口部は、前記２つのサイドハウジングの側面それぞれと、前記インターミディエイトハウジングの両側面とに設けられていて、前記インターミディエイトハウジングに開口部を有する前記排気ポートが前記集合通路に接続されかつ、前記サイドハウジングに開口部を有する前記排気ポートが前記独立通路に接続され、前記インターミディエイトハウジングに開口部を有する前記排気ポートは、前記サイドハウジングに開口部を有する前記排気ポートよりも遅れて開くように、その開口部が、前記サイドハウジングの開口部とは異なる形状に構成されている、としてもよい。

サイド排気方式のロータリピストンエンジンは、ロータの回転に伴い開く排気ポートの開口面積が、急激に拡大するという特性を有しているため、レシプロエンジンと比較して、ブローダウンエネルギが高くなる。

一方で、２ロータタイプのロータリピストンエンジンにおいては、２つのロータの位相は１８０°に設定され、一方の気筒において排気ポートを開くときに、他方の気筒は排気行程の中期にある。前記の構成において、インターミディエイトハウジングの両側それぞれに開口部が設けられた２つの排気ポートは、集合通路を通じて互いに連通していると共に、そのインターミディエイトハウジングに開口部を有する排気ポートは、サイドハウジングに開口部を有する排気ポートよりも遅れて開くように、その開口部が、サイドハウジングの開口部とは異なる形状を有している。

この構成により、先に開くサイドハウジングの排気ポートから、ブローダウンエネルギを、ロス無くタービンに供給することが可能になる。ロータリピストンエンジン特有の高いブローダウンエネルギを有効に利用することで、ターボ過給機の過給効率が高まる。また、遅れて開くインターミディエイトハウジングの排気ポートからも、比較的高いブローダウンエネルギをタービンに供給することが可能になる。従って、ロータリピストンエンジンにおいて、高いブローダウンエネルギを有効に利用して、ターボ過給機の過給効率の向上が図られる。

前記集合通路につながる前記排気ポートの閉タイミングと、前記独立通路につながる前記排気ポートの閉タイミングとは、互いに同じに設定されている、としてもよい。

排気ポートの開タイミングを異ならせる一方で、閉タイミングをずらしてしまうと、相対的に遅く閉口する排気ポートを通じて、次の行程に送られる燃焼ガスが増えることになる。これに対し、排気ポートの閉タイミングを同じにすることにより、次の行程に送られる燃焼ガスが増えてしまうことが回避される。これは、特にアイドル運転時の安定性を確保可能にする。

以上説明したように、前記のターボ過給機付きエンジンの排気装置によると、排気行程の一部が重なり合う２つの特定気筒において、少なくとも一つの排気ポートを集合通路に接続し、他の排気ポートを独立通路に接続すると共に、集合通路につながる排気ポートを、独立通路につながる排気ポートの開タイミングよりも遅れて開くよう構成することで、独立通路を通じて、より高いブローダウンエネルギを、ロス無くタービンに供給することが可能になり、ターボ過給機の過給効率の向上が図られる。

ロータリピストンエンジンの構成を示す断面説明図である。 ターボ過給機付きロータリピストンエンジンの排気装置の構成を示す概念図である。 （ａ）ロータリピストンエンジンのターボ過給機の特性、（ｂ）レシプロエンジンのターボ過給機の特性の例示である。 サイドハウジングに設けられた排気ポートの開口部の形状と、インターミディエイトハウジングに設けられた排気ポートの開口部の形状とを比較する図である。 サイドハウジングに設けられた排気ポートの開口部の形状とインターミディエイトハウジングに設けられた排気ポートの開口部の形状とが同じ従来構成における、各排気ポートの開口面積の変化と、各排気ポートの圧力変動とを例示する図である。 サイドハウジングに設けられた排気ポートの開口部の形状とインターミディエイトハウジングに設けられた排気ポートの開口部の形状とが異なる本構成における、各排気ポートの開口面積の変化と、各排気ポートの圧力変動とを例示する図である。 （ａ）ここに開示する技術を、水平対向４気筒レシプロエンジンに適用する場合の構成例、（ｂ）ここに開示する技術を、直列４気筒レシプロエンジンに適用する場合の構成例、（ｃ）ここに開示する技術を、直列２気筒レシプロエンジンに適用する場合の構成例を示す概念図である。

以下、図面を参照しながらターボ過給機付きエンジンの排気装置を説明する。尚、以下の説明は、例示である。図１は、ロータリピストンエンジン１（以下、単にロータリエンジン１ともいう）の構造を示している。ロータリエンジン１は、図２に示すように、２つのロータ２を備えた２ロータタイプであり、前側（便宜上、図２における紙面左側）及び後側（便宜上、図２における紙面右側）の２つのロータハウジング３、３が、インターミディエイトハウジング（つまり、サイドハウジング）４をその間に挟んだ状態で、これらの両側からさらに２つのサイドハウジング４１、４１で挟み込むようにして一体化されることによって構成されている。尚、ロータ２の個数（気筒数）はこれに限定されるものではない。

ロータハウジング３の、平行トロコイド曲線で描かれるトロコイド内周面３ａと、これらロータハウジング３を両側から挟むサイドハウジング４１の内側面と、インターミディエイトハウジング４の両側の内側面４ａとによって、回転軸Ｘの一方側から回転軸Ｘに沿う方向にロータリピストンエンジン１を見たときに、繭のような略楕円形状をしたロータ収容室３１が、前側及び後側の２つ横並びに区画されており、これらロータ収容室３１にロータ２が１つずつ収容されている。各ロータ収容室３１は、インターミディエイトハウジング４に対して対称に配置されており、ロータ２の位置及び位相が異なっている点を除けば構成は同じであるため、以下、１つのロータ収容室３１について説明する。

ロータ２は、回転軸Ｘの方向から見て各辺の中央部が膨出する略三角形状をしたブロック体からなり、その外周に、各頂部間に３つの略長方形をしたフランク面２ａ、２ａ、２ａを備えている。

ロータ２は、各頂部に図示しないアペックスシールを有し、これらアペックスシールがロータハウジング３のトロコイド内周面３ａに摺接しており、このロータハウジング３のトロコイド内周面３ａと、インターミディエイトハウジング４の内側面４ａと、サイドハウジング４１の内側面と、ロータ２のフランク面２ａとで、ロータ収容室３１の内部に、３つの作動室８、８、８がそれぞれ区画形成されている。従ってこのエンジン１は、車両前後方向の前側に第１〜第３の３つの作動室８と、後側に第４〜第６の３つの作動室８の、合計６個の作動室を有している。

ロータ２の内側には位相ギアが設けられている（図示せず）。すなわち、ロータ２の内側の内歯車（ロータギア）とサイドハウジング４１側の外歯車（固定ギア）とが噛合するとともに、ロータ２は、インターミディエイトハウジング４及びサイドハウジング４１を貫通しかつ、出力軸Ｘを構成するエキセントリックシャフト６に対して、遊星回転運動をするように支持されている。尚、符号２１は、ロータ２の側面に設けられたオイルシールであり、余分な潤滑オイルが作動室８内に流入することを防止する。

ロータ２の回転運動は内歯車と外歯車との噛み合いによって規定され、ロータ２は、３つのシール部が各々ロータハウジング３のトロコイド内周面３ａに摺接しつつ、エキセントリックシャフト６の偏心輪（偏心軸）６ａの周りを自転しながら、回転軸Ｘの周りに自転と同方向に公転する（この自転及び公転を含め、広い意味で単にロータの回転という）。そして、ロータ２が１回転する間に３つの作動室８、８、８が周方向に移動し、それぞれで吸気、圧縮、膨張（燃焼）及び排気の各行程が行われて、これにより発生する回転力がロータ２を介してエキセントリックシャフト６から出力される。

より具体的に、ロータ２は矢印で示すように、時計回りに回転し、回転軸Ｘを通るロータ収容室３１の長軸Ｙを境に分けられるロータ収容室３１の右側が概ね吸気及び排気行程の領域となり、左側が概ね圧縮及び膨張行程の領域となっている。

これに対し、従来構成のロータリピストンエンジンは、長軸Ｙを境に分けられるロータ収容室３１の左側が概ね吸気及び排気行程の領域となり、右側が概ね圧縮及び膨張行程の領域となっている。つまり、本構成のロータリピストンエンジンは、従来構成のロータリピストンエンジンを、回転軸Ｘを中心として１８０°回転させたような状態で車両に搭載している。

図１における右下の作動室８に着目すると、これは吸気と噴射された燃料とによって混合気を形成する吸気行程を示しており、この作動室８がロータ２の回転につれて圧縮行程に移行すると、その内部にて混合気が圧縮される。その後、図１の左側に示す作動室８のように圧縮行程の終盤から膨張行程にかけて所定のタイミングにて点火プラグ８２、８３により点火されて、燃焼・膨張行程が行われる。そして、最後に図１の右上の作動室８のような排気行程に至ると、燃焼ガスが排気ポート１０から排気された後、再び吸気行程に戻って各行程が繰り返されるようになっている。

吸気行程の状態にある作動室８には、吸気ポート１１が連通している。吸気ポート１１の開口部は、より詳細には、吸気行程の状態にある作動室８に面するインターミディエイトハウジング４の内側面４ａに、ロータ収容室３１の外周側の、回転軸Ｘを通るロータ収容室３１の短軸Ｚ寄りで設けられていると共に、吸気ポート１１は、インターミディエイトハウジング４内を、ほぼ水平方向に延びて、エンジン１の側面に開口している。また、図示は省略するが、吸気行程の状態にある作動室８に面するサイドハウジング４１の内側面にも、吸気ポート１１の開口部に対向するように、別の吸気ポートの開口部が設けられており、この吸気ポートも、サイドハウジング４１内を、ほぼ水平方向に延びて、エンジン１の側面に開口している。エンジン１の側面には、吸気ポート１１に連通する吸気マニホールド１２が取り付けられる。

排気行程の状態にある作動室８には、排気ポート１０が連通している。排気ポート１０の開口部は、より詳細には、排気行程の状態にある作動室８に面するインターミディエイトハウジング４の内側面４ａに、ロータ収容室３１の外周側の短軸Ｚ寄りで設けられていると共に、排気ポート１０は、インターミディエイトハウジング４内を、斜め上方に向かって延びて、エンジン１の上面と側面との角部付近に開口している。また、図２に示すように、排気行程の状態にある作動室８に面するサイドハウジング４１の内側面にも、前記排気ポート１０の開口部に対向して、別の排気ポート１０の開口部が設けられている。サイドハウジング４１に形成された排気ポートも、サイドハウジング４１内を、斜め上方に向かって延びて、エンジン１の上面と側面との角部付近に開口している。このエンジン１では、いわゆるサイド排気方式が採用されており、この排気ポート１０の開口部の位置及び形状は、吸気のオープンタイミングと排気のオープンタイミングとがオーバーラップしないように設定されている。これによって、次行程に持ち込まれる残留排ガスを低減している。詳しくは後述するが、サイドハウジング４１の側面に設けた排気ポート１０の開口部の形状と、インターミディエイトハウジング４の側面に設けた排気ポート１０の開口部の形状とは、異なっており、両排気ポート１０の開くタイミングは異なる一方で、両排気ポート１０の閉じるタイミングは同じに設定されている。尚、以下においては、サイドハウジング４１に形成された排気ポート１０は、プライマリポート１０ａと呼び、インターミディエイトハウジング４に形成された排気ポートは、セカンダリポート１０ｂと呼び、それらの排気ポートを総称するときには、単に排気ポート１０と呼ぶ場合がある。エンジン１には、排気ポート１０に連通する排気通路１３が接続される。排気通路１３の構成についての詳細は、後述する。

尚、図１における符号１０３は、排気通路１３内に二次エアを供給するための二次エア通路である。

作動室８内に燃料を供給するためのインジェクタ８１は、インターミディエイトハウジング４に取り付けられており、このインターミディエイトハウジング４に設けた吸気ポート１１内に燃料を噴射する。

ロータハウジング３の側部における、短軸Ｚを挟んだロータ回転方向のトレーリング側（遅れ側）位置と、リーディング側（進み側）位置とにはそれぞれ、Ｔ側点火プラグ８２とＬ側点火プラグ８３とが取り付けられている。これら２つの点火プラグ８２、８３は、圧縮・膨張状態にある作動室８に臨んでおり、作動室８内の混合気に、同時に点火、又は位相差を持って順に点火をする。

図２は、ターボ過給機付きロータリエンジン１の排気装置の構成を概念的に示している。図２は、排気装置に含まれる要素と要素との間の接続関係を概念的に示す図であり、各通路の接続位置、合流位置、及び分岐位置や、通路形状等を、必ずしも、具体的に表すものではない。

排気装置は、ターボ過給機５のタービン５１と、その下流側の触媒装置１００と、排気ガスの一部を吸気側に還流させるＥＧＲシステム９と、を備えている。触媒装置１００は、例えば三元触媒を備えて構成される。

前述したように、２ロータタイプのロータリエンジン１において、各気筒（つまり、ロータ２を収容するロータ収容室３１であり、以下、説明の便宜上、図２における左側の気筒を前側気筒３１ａと呼び、図２における右側の気筒を後側気筒３１ｂと呼ぶ）には、サイドハウジング４１に開口部を有するプライマリポート１０ａと、インターミディエイトハウジング４に開口部を有するセカンダリポート１０ｂと、が設けられている。この排気装置では、各気筒３１ａ、３１ｂのプライマリポート１０ａと、セカンダリポート１０ｂとは、互いに別の排気通路１３に接続されている。具体的に、プライマリポート１０ａは、独立通路１３１に接続され、セカンダリポート１０ｂは、集合通路１３２に接続されている。

独立通路１３１は、前側気筒３１ａのプライマリポート１０ａと、後側気筒３１ｂのプライマリポート１０ａとを、集合させずにタービン５１に接続させるよう構成されている。従って、独立通路１３１は、前側気筒３１ａのプライマリポート１０ａに接続される通路と、後側気筒３１ｂのプライマリポート１０ａに接続される通路との２つからなる。２ロータタイプのロータリエンジン１において、前側気筒３１ａと後側気筒３１ｂとの位相差は１８０°に設定されており、後述するように、前側気筒３１ａの排気行程と、後側気筒３１ｂの排気行程とは一部が重なるが、独立通路１３１は、２つの通路が集合しないため、各プライマリポート１０ａから排出される排気ガスは、他の気筒の方に流れて膨張してしまうことは起こらない。各独立通路１３１では、排気エネルギを、タービン５１に対しロス無く供給することが可能である。具体的な独立通路１３１の構成は、前側気筒３１ａのプライマリポート１０ａに接続される独立通路１３１と、後側気筒３１ｂのプライマリポート１０ａに接続される独立通路１３１とが、タービン５１の直上流までは、互いに独立しており、そのタービン５１の直上流において、２つの独立通路１３１及び集合通路１３２が合流しタービン５１に接続される。尚、前側気筒３１ａのプライマリポート１０ａに接続される独立通路１３１と、後側気筒３１ｂのプライマリポート１０ａに接続される独立通路１３１とは、適宜の箇所で合流させることが可能である。

集合通路１３２は、前側気筒３１ａのセカンダリポート１０ｂと、後側気筒３１ｂのセカンダリポート１０ｂとを、集合させた上で、タービン５１に接続される通路である。前側気筒３１ａのセカンダリポート１０ｂと、後側気筒３１ｂのセカンダリポート１０ｂとは、インターミディエイトハウジング４の外側面において隣り合って開口している。集合通路１３２は、その２つ並んだセカンダリポート１０ｂの開口部の両方に接続されるよう構成されている。また、集合通路１３２は、インターミディエイトハウジング４の外側面から、集合通路の途中まで延びるように配設される仕切り壁１３２１を有している。仕切り壁１３２１は、前側気筒３１ａのセカンダリポート１０ｂに接続される通路と、後側気筒３１ｂのセカンダリポート１０ｂに接続される通路とが、互いに独立状態のままで平行に延びるように構成されている。この仕切り壁１３２１の下流側において、２つの通路は集合するようになる。集合通路１３２の下流側は、図２に示すように、２つの独立通路１３１と集合した上で、タービン５１に接続される。

仕切り壁１３２１が２つの通路を平行にする構成により、一方の気筒から排出された排気ガスの一部が、他方の気筒の方に流れてしまうことをできる限り抑制している。しかしながら、集合通路１３２は、排気行程の一部が重なり合う前側気筒３１ａと後側気筒３１ｂとの２つの気筒のセカンダリポート１０ｂ同士が互いにつながっているため、独立通路１３１とは異なり、一方の気筒から排出された排気ガスの一部が、他方の気筒の方に流れて膨張してしまうことが起こり得る。特にセカンダリポート１０ｂの開口時に生じるブローダウンによって、高圧の排気ガスの一部が、開いているセカンダリポート１０ｂを通じて他方の気筒内に流入して膨張するようになり、その結果、ターボ過給機５のタービン５１に供給されるブローダウンエネルギが低下し得る。

ターボ過給機５は、排気通路１３上に配設されたタービン５１と、図示を省略する吸気通路上に配設されたコンプレッサ５２とを有している。排気ガス流によってタービン５１が回転し、このタービン５１の回転によって、タービン５１に連結されたコンプレッサ５２が作動をすることで、所望の過給圧を得る。タービン５１の下流側は、第1通路１３３を介して、触媒装置１００に接続される。ターボ過給機５はまた、タービン５１をバイパスして触媒装置１００に接続される第２通路１３４を有しており、この第２通路１３４上には、ウェストゲートバルブ１３４１が介設している。ウェストゲートバルブ１３４１を開弁したときには、排気ガスはタービン５１をバイパスして流れるようになる。これにより、ターボ過給機５の過過給を防止する。

ここで、ロータリエンジンに取り付けられたターボ過給機の特性について説明をする。図３（ａ）は、ロータリエンジンに取り付けられたターボ過給機の特性を示し、図３（ｂ）は、同じターボ過給機を、レシプロエンジンに取り付けたときの特性を示している。先ず、図３（ｂ）の一点鎖線は、ウェストゲートバルブを開くインターセプトポイントを示しており、レシプロエンジンにおいて、インターセプトポイント以下の低回転域では、ウェストゲートバルブが閉じていると共に、同図に実線で示す過給圧の方が、同図に破線で示すタービン前背圧よりも高くなる。一方、インターセプトポイントを超える中回転域から高回転域では、ウェストゲートバルブが開いて過給圧を制限することに伴い、タービン前背圧の方が過給圧よりも高くなる。ウェストゲートバルブを開けることで、タービン前背圧は低下するものの、それ以上に過給圧の低下が大きい。

ロータリエンジンに取り付けられたターボ過給機では、図３（ａ）に示すように、ウェストゲートバルブを閉じるインターセプトポイント以下の低回転域では、同図に実線で示す過給圧の方が、同図に破線で示すタービン前背圧よりも高くなる。これは、レシプロエンジンと同じである。一方、インターセプトポイントを超える中回転域から高回転域では、ウェストゲートバルブを開いて過給圧を制限するものの、過給圧の方がタービン前背圧よりも高い状態が維持される。これは以下に述べるように、排気ポートの開口特性が相違するためと考えられる。

つまり、排気ポートをポペット弁の上下動によって開閉するレシプロエンジンにおいては、排気ポートを開く時に、ポペット弁のリフト量が徐々に大きくなる。これに対し、ロータリエンジンでは、図４からも明らかなように、サイドハウジング４１及びインターミディエイトハウジング４の側面の開口部が、ロータ２の回転に伴い開閉する構造であるため、排気ポート１０を開く時に、その開口面積が急激に拡大するようになる。このように、排気ポートを開く時の開口状態の変化特性が、ロータリエンジン１とレシプロエンジンとでは、大きく相違する。排気ポートを開いた時には、ブローダウンにより、排気ガスが高い圧力で排気通路に噴出するが、ロータリエンジン１は、排気ポートを開く時に開口面積が急拡大する特性に起因して、レシプロエンジンよりも高いブローダウンエネルギをタービンに供給することができる。このことが、図３に示すような、ターボ過給機の特性の相違を生むと考えられる。尚、図３（ａ）において、流量が増大する高回転域では、過給圧よりもタービン前背圧が高くなるが、これは、コンプレッサ効率の低下によるものである。

図２の排気装置に戻り、ＥＧＲシステム９は、集合通路１３２に連通するＥＧＲ通路９１と、ＥＧＲ通路９１の途中に介設されたＥＧＲクーラー９２と、ＥＧＲクーラー９２の下流側に配設されたＥＧＲ弁９３とを備えている。ＥＧＲ通路９１は、前側気筒３１ａ及び後側気筒３１ｂのそれぞれに連通する集合通路１３２に接続されることで、前側気筒３１ａからの排気ガス、及び、後側気筒３１ｂからの排気ガスを均等に取り出すことが可能である。ＥＧＲクーラー９２は、エンジン冷却水によって排気ガスを冷却するように構成されている。吸気側には、冷却した低温の排気ガスが還流する。ＥＧＲ弁９３は、吸気側に還流させる排気ガス量の調整を行う流量調整弁である。

このように、ＥＧＲ通路９１を集合通路１３２に接続し、独立通路１３１からは、ＥＧＲガスの取り出しを行わないことで、独立通路１３１を通じてターボ過給機５のタービン５１に供給される排気エネルギは、独立通路１３１においては、その途中でロスが生じないこととも関係して、高くなる。特にロータリエンジン１では、前述の通り、高いブローダウンエネルギを得ることができるため、集合通路１３２からＥＧＲガスの取り出しを行っても、独立通路１３１によって高いブローダウンエネルギをタービン５１に供給することで、ターボ過給機５の過給効率を高めることが可能になる。

一方、集合通路１３２は、前側気筒３１ａと後側気筒３１ｂとのそれぞれに連通し、前述したように、各気筒３１ａ、３１ｂから排出された排気ガスを均等に取り出すことが可能になる。集合通路１３２もまた、タービン５１に接続されていて、残余の排気ガスをタービン５１に供給することになるが、各気筒３１ａ、３１ｂから排出された排気ガスを均等に取り出すことにより、タービン５１に送られる排気ガスの脈動を均質化することが可能になる。このこともまた、ターボ過給機５の過給効率の向上に有利になる。

排気装置はさらに、ＥＧＲクーラー９２の下流側においてＥＧＲ通路９１から分岐すると共に、触媒装置１００の上流側で第２通路１３４に接続される第３通路１３５を備えている。第３通路１３５には、当該第３通路１３５を流れる排気ガスの流量を調整する流量調整弁１３６が介設されている。

ＥＣＵ２０は、ロータリエンジン１の運転を制御する。図２に示す排気装置に関しては、ウェストゲートバルブ１３４１の開度、ＥＧＲ弁９３の開度、及び、第３通路１３５の流量調整弁１３６の開度をそれぞれ調整制御する。

具体的にＥＣＵ２０は、ロータリエンジン１の運転状態に応じて、過給圧が所定の過給圧となるように、ウェストゲートバルブ１３４１の開度調整を行う。

また、ＥＣＵ２０は、ロータリエンジン１の運転状態に応じてＥＧＲ弁９３の開度を調整する。これにより、所望の量の排気ガスが、集合通路１３２から取り出されると共に、ＥＧＲクーラー９２を通過して冷却された後に、吸気側へと還流される。

触媒装置１００には、タービン５１を通過後の比較的低温の排気ガスと、ウェストゲートバルブ１３４１が開いているときには、第２通路１３４によってタービン５１をバイパスした比較的高温の排気ガスとがそれぞれ流入する。触媒装置１００を流れる排気ガスの温度は、適宜の温度となる。

ロータリエンジン１の運転状態が高回転及び／又は高負荷領域にあるときには、触媒装置１００の温度が高くなり易い。ＥＣＵ２０は、触媒装置１００の温度に応じて、その温度が高くなるときには、第３通路１３５の流量調整弁１３６を開いて、集合通路１３２から取り出しかつ、ＥＧＲクーラー９２によって冷却した排気ガスを、触媒装置１００の上流側で第２通路１３４に導入する。これにより、触媒装置１００に流入する排気ガスの温度が低くなるため、触媒装置１００の温度が高くなりすぎることが回避される。これは、触媒装置１００の信頼性向上と共に、触媒装置１００の耐久性を向上する。

尚、触媒装置１００の温度が高くなる運転状態では、ＥＧＲガスの還流量は少ないため、ＥＧＲクーラー９２を通過した排気ガスを、吸気側に流さずに、触媒装置１００に流しても、ＥＧＲガスが不足することにはならない。

次に、図４を参照しながら、エンジン１の排気ポート１０の構成についてさらに詳細に説明をする。図４は、エンジン１における排気ポート１０の開口部付近を拡大して示す図である。前述したように、このロータリエンジン１は、サイド排気方式であり、排気ポート１０は、サイドハウジング４１に開口部を有する（つまり、プライマリポート１０ａ）と共に、インターミディエイトハウジング４においても、このサイドハウジング４１の開口部に向かい合うように、排気ポート１０の開口部が設けられている（つまり、セカンダリポート１０ｂ）。

ここで、排気ポート１０の開口部は、３つの開口縁からなる細長い略三角形状を有している。この細長略三角形状の開口部の形状は、次のようにして定められる。つまり、図４における紙面上側に位置する開口縁の形状は、図４に仮想的に示すように、回転するロータ２が、所定のタイミングで排気ポート１０を開くように、ロータ２の周縁形状にほぼ一致するように設定され、紙面右側に位置する開口縁の形状は、回転するロータ２が、所定のタイミングで排気ポート１０を閉じるように、ロータ２の周縁形状にほぼ一致するように設定される。紙面左側に位置しかつ、最も長さの長い開口縁の形状は、ロータ２に設けられたオイルシール２１（図１参照）の軌跡に基づいて、設定される。

このロータリエンジン１では、図４において一点鎖線で示されるプライマリポート１０ａの開口部１０１の形状と、図４において実線で示されるセカンダリポート１０ｂの開口部１０２の形状とが異なる。プライマリポート１０ａの開口部１０１は、ポート開タイミングに係る開口縁の位置が、相対的にロータ回転方向の遅れ側（つまり、図４における紙面上側）に位置し、セカンダリポート１０ｂの開口部１０２は、ポート開タイミングに係る開口縁の位置が、相対的にロータ回転方向の進み側（つまり、図４における紙面下側）に位置する。これにより、プライマリポート１０ａは、相対的に早いタイミングで開きかつ、セカンダリポート１０ｂは、相対的に遅いタイミングで開く。

一方、プライマリポート１０ａの開口部１０１と、セカンダリポート１０ｂの開口部１０２とは、ポート閉口に係る開口縁の位置は、互いに同じ位置に設定されている。これにより、プライマリポート１０ａとセカンダリポート１０ｂとは、同じタイミングで閉口する。

この構成は、ターボ過給機付きエンジン１において、ブローダウンエネルギを有効に利用して、ターボ過給機５の過給効率を向上させる。以下、この点について、図５、６を参照しながら説明をする。

従来構成のサイド排気方式のロータリエンジンでは、サイドハウジングに設けた排気ポート（つまり、プライマリポート）の開口部の形状と、インターミディエイトハウジングに設けた排気ポート（つまり、セカンダリポート）の開口部の形状とは互いに同じであった。従って、プライマリポートの開タイミングと、セカンダリポートの開タイミングとは互いに同じでありかつ、プライマリポートの閉タイミングと、セカンダリポートの閉タイミングとは互いに同じである。図５は、従来構成におけるターボ過給機付きロータリエンジンの、プライマリポートの開口面積の変化及びセカンダリポートの開口面積の変化に対する、各ポート内の圧力の変動を例示している。横軸は、エキセン角である。先ず、前側気筒において、プライマリポート及びセカンダリポートが共に、同じタイミングで開くに伴い、プライマリポートの開口部及びセカンダリポートの開口部の両方から、ブローダウンガスが噴出する。前述したように、サイド排気方式のロータリエンジンでは、排気ポートの開口面積が急拡大することから、強いブローダウンエネルギが得られる。その結果、排気ポートの開口直後には、ポート内の圧力が急激に高まる。その後、ロータの回転に伴い、作動室内の既燃ガスがプライマリポートの開口部及びセカンダリポートの開口部を通じて各排気ポートに押し出されるようになり、ポート内の圧力は、エキセン角の進行に対し所定の圧力を維持するようになる。

２ロータタイプのロータリエンジン１では、前側気筒と後側気筒との位相差が１８０°に設定されている。このため、前側気筒が排気行程の中期にあるときに、後側気筒の排気ポートが開く。つまり、後側気筒のプライマリポート及びセカンダリポートのそれぞれが、同時に開くが、セカンダリポートは、集合通路を介して、前側気筒の、開いているセカンダリポートにつながっていると共に、排気行程の中期にある前側気筒の排気ポートの圧力は比較的低い。このため、後側気筒のセカンダリポートから排出されるブローダウンガスの一部が、前側気筒のセカンダリポートを介して、前側気筒の作動室内に流れ込んで膨張する。このことにより、セカンダリポートにおける圧力の低下は勿論のこと、作動室を介してセカンダリポートに連通するプライマリポートにおける圧力の低下も招き得る。結果として、ロータリエンジンは、高いブローダウンエネルギが得られるものの、ターボ過給機のタービンに供給されるブローダウンエネルギは、その分、低下する（図５のＰ１参照）。

これに対し、前記の構成では、独立通路１３１に接続されるプライマリポート１０ａの開タイミングを相対的に早くかつ、集合通路１３２に接続されるセカンダリポート１０ｂの開タイミングを相対的に遅くなるように構成している。この場合、図６に示すように、後側気筒３１ｂのプライマリポート１０ａが開くときには、セカンダリポート１０ｂは閉じているため、ブローダウンガスが、プライマリポート１０ａにのみ流れる。その結果、図６に実線で示すように、プライマリポート１０ａの圧力は、従来構成の圧力Ｐ１よりも高まる。しかも、プライマリポート１０ａは、独立通路１３１に接続されているため、その高いブローダウンエネルギをロス無くタービン５１に供給することが可能になる。

プライマリポート１０ａの開口に遅れて、後側気筒３１ｂのセカンダリポート１０ｂが開く。このタイミングでは、作動室８内の既燃ガスの一部が既に、プライマリポート１０ａに排出されているため、セカンダリポート１０ｂにおいてもブローダウンが生じるものの、図６に破線で示すように、その圧力は相対的に低くなる。また、セカンダリポート１０ｂは、集合通路１３２を通じて前側気筒３１ａのセカンダリポート１０ｂに連通しており、ブローダウンガスの一部は、前側気筒３１ａの作動室８内に流れ込むが、セカンダリポート１０ｂのブローダウン時の圧力は相対的に低いため、その分、前側気筒３１ａの方にブローダウンガスが流れ込むことは抑制される。従って、集合通路１３２を通じても、比較的高いブローダウンエネルギを、ターボ過給機５のタービン５１に供給することが可能になる。尚、図４からも明らかなように、セカンダリポート１０ｂの開口部１０２の最大開口面積は、プライマリポート１０ａの開口部１０１の最大開口面積よりも小さい。

こうして、プライマリポート１０ａの開タイミングを相対的に早くかつ、セカンダリポート１０ｂの開タイミングを相対的に遅くすることによって、ブローダウンエネルギを効率的にタービン５１に供給することが可能になり、ターボ過給機５の過給効率の向上が図られる。これは特に、排気エネルギが低くなるため過給効率が低下し易いエンジンの低回転域において、過給効率を向上させる上で有効である。尚、プライマリポート１０ａの開タイミングと、セカンダリポート１０ｂの開タイミングとの位相差は、エキセン角で２０°程度に設定してもよい。

プライマリポート１０ａの開タイミングとセカンダリポート１０ｂの開タイミングとが異なる一方で、プライマリポート１０ａの閉タイミングとセカンダリポート１０ｂの閉タイミングとは同じに設定されている。プライマリポート１０ａ及びセカンダリポート１０ｂの閉タイミングは共に、アイドル運転時の安定性が確保されるように、次行程の作動室８に送られる排気ガス量が所定量以下になるタイミングに設定されているためである。言い換えると、セカンダリポート１０ｂの閉タイミングを、開タイミングの遅れに対応して遅らせてしまうと、次行程の作動室８に送られる排気ガス量が増えてしまい、アイドル運転時の安定性が確保されなくなるのである。

尚、ここに開示する技術は、ロータリエンジン１に適用することに限らず、多気筒のレシプロエンジンの排気装置に適用することも可能である。例えば、図７（ａ）は、水平対向４気筒レシプロエンジン１００１に、ここに開示する技術を適用した例を示している。このエンジン１００１は、第１、第２、第３及び第４の気筒３１１、３１２、３１３、３１４を有しており、第１及び第３気筒３１１、３１３が、回転軸（つまり、クランク軸）Ｘを挟んだ一側に、第２及び第４気筒３１２、３１４が、回転軸Ｘを挟んだ他側に配設される。このエンジン１００１の点火順序は、第１気筒３１１、第３気筒３１３、第４気筒３１４、第２気筒３１２の順に設定されており、回転軸Ｘを挟んだ一側に配設された第１気筒３１１と第３気筒３１３とは、排気行程の一部が重なり合う２つの特定気筒を構成し、回転軸Ｘを挟んだ他側に配設された第２気筒３１２と第４気筒３１４とも、排気行程の一部が重なり合う２つの特定気筒を構成する。排気通路１３は、回転軸Ｘを挟んだ一側と他側とのそれぞれで、個別に設けられている。

各気筒３１１〜３１４には、プライマリポート１０ａとセカンダリポート１０ｂとの２つの排気ポートが設けられており、第１気筒３１１及び第３気筒３１３においては、セカンダリポート１０ｂが集合通路１３２に接続されている。集合通路１３２は、その途中で集合した後に、ターボ過給機５のタービン５１に接続される。一方、プライマリポート１０ａは独立通路１３１に接続され、途中で集合することなく、ターボ過給機５のタービン５１に接続される。第２気筒３１２及び第４気筒３１４においても同様に、セカンダリポート１０ｂが集合通路１３２に接続され、プライマリポート１０ａは独立通路１３１に接続されている。尚、符号５１ａは、可変ベーンであり、このターボ過給機５は、可変容量ターボ過給機である。但し、ターボ過給機５の構成は適宜変更することが可能である。

このレシプロエンジン１００１ではまた、各気筒３１１〜３１４において、２つの排気ポートを開閉する排気弁（図示省略）の開弁タイミングが異なるように構成されており、具体的には、独立通路１３１に接続されたプライマリポート１０ａの開弁タイミングが相対的に早くかつ、集合通路１３２に接続されたセカンダリポート１０ｂの開弁タイミングが相対的に遅くされる。このような構成を実現する上で、排気弁を駆動する動弁機構は、例えば油圧式の可変駆動機構を採用してもよい。油圧式の可変駆動機構は、油圧の供給を受けて排気弁をリフトさせるピストンと、ピストンに供給する作動油圧を昇圧するポンプとを備え、ポンプからピストンへの作動油の給排を制御することによって、排気弁の開弁タイミングを変更することが可能である。また、電磁駆動式の排気弁を採用することによっても、２つの排気ポートの開弁タイミングを異ならせることが可能である。

このような構成のレシプロエンジン１００１では、前述したロータリエンジン１と同様に、独立通路１３１に接続されたプライマリポート１０ａを、相対的に早いタイミングで開くことで、独立通路１３１を通じて、より高いブローダウンエネルギをタービン５１に供給することが可能になる。また、集合通路１３２に接続されたセカンダリポート１０ｂを、相対的に遅いタイミングで開くが、ブローダウンガスの圧力が相対的に低くなって、集合通路１３２を通じて隣の気筒内へと流れ込むブローダウンガスが減ることで、比較的高いブローダウンエネルギを、集合通路１３２を介して、タービン５１に供給することが可能になる。その結果、特に低回転域において、ブローダウンエネルギを有効に利用して、ターボ過給機５の過給効率を向上させることが可能になる。尚、レシプロエンジン１００１において、各気筒３１１〜３１４における２つの排気ポートの閉タイミングは、同じにしてもよいし、異ならせてもよい。

この構成ではまた、回転軸Ｘを挟んだ一側と他側とのそれぞれで個別に排気通路１３を設けることが可能になる。これにより、排気通路１３のレイアウト性が向上する。尚、図７（ａ）の構成は、Ｖ型４気筒レシプロエンジンに対しても、同様に、適用可能である。

図７（ｂ）は、直列４気筒レシプロエンジン１００２の構成例を示している。このエンジン１００２は、第１気筒３１１、第２気筒３１２、第３気筒３１３及び第４気筒３１４が、回転軸Ｘに沿って一列に配設されている。このエンジン１００２の点火順序は、第１気筒３１１、第２気筒３１２、第４気筒３１４、第３気筒３１３の順に設定されている。従って、このエンジン１００２では、第１気筒３１１及び第２気筒３１２が、排気行程の一部が重なり合う２つの特定気筒となり、第３気筒３１３及び第４気筒３１４が、排気行程の一部が重なり合う２つの特定気筒となる。排気通路１３は、第１気筒３１１及び第２気筒３１２に接続される排気通路１３と、第３気筒３１３及び第４気筒３１４に接続される排気通路１３との２系統に分かれている。

このエンジン１００２においても、各気筒３１１〜３１４には、プライマリポート１０ａとセカンダリポート１０ｂとの２つの排気ポートが設けられており、セカンダリポート１０ｂが集合通路１３２に接続されている。集合通路１３２は、その途中で集合した後に、ターボ過給機５のタービン５１に接続される。一方、プライマリポート１０ａは独立通路１３１に接続され、途中で集合することなく、ターボ過給機５のタービン５１に接続される。第３気筒３１３及び第４気筒３１４においても同様である。

また、このエンジン１００２でも、例えば油圧式の可変駆動機構や、電磁駆動式の排気弁によって、各気筒３１１〜３１４において、２つの排気ポートを開閉する排気弁（図示省略）の開弁タイミングが異なるように構成されている。つまり、独立通路１３１に接続されたプライマリポート１０ａの開弁タイミングが相対的に早くかつ、集合通路１３２に接続されたセカンダリポート１０ｂの開弁タイミングが相対的に遅くされている。従って、この構成のレシプロエンジンでは、前述したロータリエンジン１と同様に、独立通路１３１に接続されたプライマリポート１０ａを、相対的に早いタイミングで開くことで、独立通路１３１を通じて、より高いブローダウンエネルギをタービン５１に供給することが可能になり、集合通路１３２に接続されたセカンダリポート１０ｂを、相対的に遅いタイミングで開くことで、比較的高いブローダウンエネルギを、集合通路１３２を介して、タービン５１に供給することが可能になり、特に低回転域において、ブローダウンエネルギを有効に利用して、ターボ過給機５の過給効率を向上させることが可能になる。尚、レシプロエンジン１００２において、各気筒３１１〜３１４における２つの排気ポートの閉タイミングは、同じにしてもよいし、異ならせてもよい。

図７（ｃ）は、直列２気筒レシプロエンジン１００３の構成例を示している。このエンジン１００３は、第１気筒３１１及び第２気筒３１２が、回転軸Ｘに沿って一列に配設されている。このエンジン１００３の第１気筒３１１と第２気筒３１２との点火位相差は、１８０°に設定されており、これにより、第１気筒３１１及び第２気筒３１２の排気行程の一部が重なり合う。排気通路１３の構成は、図７（ｂ）に示す直列４気筒レシプロエンジンにおける、第１気筒３１１及び第２気筒３１２の排気通路１３と同じである。従って、同じ構成について同じ符号を付して、その説明は省略する。この構成のレシプロエンジン１００３でも、ブローダウンエネルギを有効に利用して、ターボ過給機５の過給効率を向上させることが可能になる。尚、レシプロエンジン１００３において、各気筒３１１〜３１４における２つの排気ポートの閉タイミングは、同じにしてもよいし、異ならせてもよい。

尚、レシプロエンジンは、ガソリンエンジン（つまり、火花点火式エンジン）及びディーゼルエンジンのいずれであってもよい。

１ ロータリピストンエンジン（エンジン）
１０ 排気ポート
１０ａ プライマリポート（排気ポート）
１０ｂ セカンダリポート（排気ポート）
１００１〜１００３ レシプロエンジン
１３ 排気通路
１３１ 独立通路
１３２ 集合通路
２ ロータ
３ ロータハウジング
３１ ロータ収容室（気筒）
３１１〜３１４ 気筒
３１ａ 前側気筒
３１ｂ 後側気筒
４ インターミディエイトハウジング
４１ サイドハウジング
５ ターボ過給機
５１ タービン

Claims (3)

1. 複数の気筒を有するエンジンに設けられかつ、各気筒内の排気ガスを排出するよう、気筒毎に複数設けられた排気ポートと、
   前記排気ポートのそれぞれにつながるよう構成された排気通路と、
   前記排気通路に配設されかつ、前記排気ガスのエネルギによって駆動をするよう構成されたターボ過給機のタービンと、を備え、
   前記排気通路は、
   排気行程の一部が重なり合う２つの特定気筒において、複数の前記排気ポートの少なくとも一つに接続されると共に、前記２つの特定気筒間で集合した上で前記タービンに接続される集合通路と、
   前記２つの特定気筒における他の排気ポートに接続されると共に、前記２つの特定気筒間で集合せずに前記タービンに接続される気筒毎の独立通路と、を有し、
   前記集合通路につながる前記排気ポートは、前記独立通路につながる前記排気ポートの開タイミングよりも遅れて開くよう構成されているターボ過給機付きエンジンの排気装置。
2. 請求項１に記載のターボ過給機付きエンジンの排気装置において、
   前記エンジンは、２つのロータと２つのロータ収容室とを備えた２ロータタイプのロータリピストンエンジンであり、
   前記２つのロータ収容室は、トロコイド内周面を有する２つのロータハウジングが、インターミディエイトハウジングを挟むと共に、２つのロータハウジングの外側それぞれをさらに、２つのサイドハウジングが挟むことによって区画されており、
   前記ロータの回転に伴い開閉される前記排気ポートの開口部は、前記２つのサイドハウジングの側面それぞれと、前記インターミディエイトハウジングの両側面とに設けられていて、前記インターミディエイトハウジングに開口部を有する前記排気ポートが前記集合通路に接続されかつ、前記サイドハウジングに開口部を有する前記排気ポートが前記独立通路に接続され、
   前記インターミディエイトハウジングに開口部を有する前記排気ポートは、前記サイドハウジングに開口部を有する前記排気ポートよりも遅れて開くように、その開口部が、前記サイドハウジングの開口部とは異なる形状に構成されているターボ過給機付きエンジンの排気装置。
3. 請求項１又は２に記載のターボ過給機付きエンジンの排気装置において、
   前記集合通路につながる前記排気ポートの閉タイミングと、前記独立通路につながる前記排気ポートの閉タイミングとは、互いに同じに設定されているターボ過給機付きエンジンの排気装置。

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