JP6274181B2

JP6274181B2 - ターボ過給機付きエンジンの排気装置

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Publication number: JP6274181B2
Application number: JP2015214728A
Authority: JP
Inventors: 直之山形
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2015-10-30
Filing date: 2015-10-30
Publication date: 2018-02-07
Anticipated expiration: 2035-10-30
Also published as: JP2017082741A

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、ターボ過給機付き多気筒レシプロエンジンにおいて、高負荷高回転の運転領域では、一部の気筒から排出された排気ガスのみをターボ過給機のタービンに供給し、残りの気筒から排出された排気ガスは、タービンをバイパスして流すことが記載されている（いわゆる部分過給構成）。これにより、エンジンの背圧の上昇を抑制し、ポンプ損失を低減する。

特開平５−１４１２５５号公報

ところで、多気筒エンジンにおいては、複数の気筒に接続される排気通路が集合していることが一般的であるため、ある気筒から排出された排気ガスが、他の気筒に流入する排気干渉を招く場合がある。気筒間の排気干渉は、気筒内の残留排気ガスを増やす。また、ターボ過給機付きエンジンは、エンジンの背圧が高くなるため、排気干渉が助長される。

この点に関し、例えば特許文献１に記載されている部分過給構成において、複数の気筒を、構造的に排気干渉しない気筒（つまり、排気順序が隣合わない気筒）からなる気筒群に分け、一方の気筒群はタービンに接続する一方、他方の気筒群はタービンをバイパスするよう構成すれば、一方の気筒群と他方の気筒群との間では排気干渉がなくかつ、一方の気筒群及び他方の気筒群においても排気干渉がなくなる。よって、排気干渉を回避することが可能になる。しかしながらこの構成は、タービンには一部の気筒しか接続されない部分過給構成であるため、タービンに供給される排気エネルギが少なくなり、ターボ過給機の過給能力が低くなる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の排気装置において、排気干渉を回避しつつも、ターボ過給機のタービン効率を高めることにある。

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関する。このターボ過給機付きエンジンの排気装置は、複数の気筒を有するよう構成されたエンジンと、前記複数の気筒それぞれから排出される排気ガスが流れるよう構成された排気通路と、前記排気通路に配設されたタービンを有するよう構成されたターボ過給機と、を備える、
前記複数の気筒は、一つの、又は、排気干渉をしない複数の気筒であると共に、第１の排気通路を通じて前記タービンに接続される第１種の気筒と、一つの、又は、排気干渉をしない複数の気筒であると共に、前記タービンの下流で前記第１の排気通路と集合する第２の排気通路が接続されることで前記タービンをバイパスする第２種の気筒とを含み、前記第２の排気通路において、前記タービンの下流側で前記第１の排気通路と集合する開口端部は、前記第１の排気通路の流れ方向と実質的に同じになるように前記第１の排気通路の開口端部に隣り合って設けられると共に、通路面積を縮小する絞りが設けられている。

この構成によると、エンジンが有する複数の気筒は、第１種の気筒と、第２種の気筒とを含む。第１種の気筒は、第１の排気通路を通じてタービンに接続される。第１種の気筒は、一つの、又は、排気干渉をしない複数の気筒である。従って、第１種の気筒においては、排気干渉は生じない。排気干渉が回避されることで、第１の排気通路を通じてタービンに供給する排気エネルギを高めることが可能になる。

第２種の気筒は、一つの、又は、排気干渉をしない複数の気筒である。従って、第２種の気筒においては、排気干渉は生じない。第２種の気筒は、第２の排気通路が接続されることで、タービンをバイパスする。第２の排気通路は、タービンの下流で第１の排気通路と集合する。タービンの上流において、第１の排気通路と第２の排気通路とは互いに独立であるから、第１種の気筒と第２種の気筒との間での排気干渉も回避される。

第２の排気通路は、第１の排気通路との集合箇所において、第１の排気通路の流れ方向と同じになるように、第１の排気通路の開口端部に隣り合って、開口端部が設けられると共に、通路面積を縮小する絞りが設けられている。第１の排気通路と第２の排気通路との集合箇所において、第２の排気通路からの排気ガスの流速が、絞りによって高められ、第２の排気通路の開口端部の周囲に強い負圧が発生する（エゼクタ効果）。このエゼクタ効果によって、第１の排気通路を流れる排気ガスが吸い出され、タービンの下流側の圧力が低下する。タービンの上流側と下流側との圧力差が大きくなり、タービン効率が高まる。

前述したように、この構成の排気装置では、多気筒エンジンにおける一部の気筒から排出された排気ガスのみがタービンに供給される部分過給構成であるため、タービンに供給される排気エネルギは、その分、低下し得る。しかしながら、タービンをバイパスする第２種の気筒から排出された排気ガスは、エゼクタ効果を利用してタービン前後の圧力差を高め、それによってタービン効率を高める。これにより、タービンに供給される排気エネルギの低下分を補って、過給能力を高めることが可能になる。よって、排気干渉を回避しつつも、ターボ過給機のタービン効率を高めることが実現する。

尚、エンジンの吸気側では、全気筒に対して過給が行われるように、吸気通路の共通通路に、ターボ過給機のコンプレッサを配設すればよい。これにより、タービン効率の向上によって、エンジン全体の吸気充填効率が高まる。

前記第１の排気通路には、所定の過給圧以上のときに開弁することによって、前記タービンをバイパスして前記排気ガスを流すよう構成されたウェストゲートバルブが配設されている、としてもよい。

この構成により、エンジンの高回転域ではウェストゲートバルブが開弁する。第１種の気筒から排出された排気ガスは、タービンをバイパスして流れるようになるため、エンジンの背圧が低下する。一方、第２種の気筒から排出された排気ガスは、タービンをバイパスする第２の排気通路を流れるため、エンジンの高回転域でもエンジンの背圧上昇が抑制される。こうして、高回転域において、エンジンのポンプ損失が低減する。

前記ターボ過給機は、前記タービンにおける前記排気ガスの通路面積が変化するよう構成されたＶＧＴであり、前記ターボ過給機は、前記エンジンが低回転域にあるときに、前記タービンにおける前記排気ガスの通路面積を絞る、としてもよい。

こうすることで、エンジンの低回転域では、ＶＧＴのベーンによって排気ガスの通路面積を絞ることによる流速向上と、第１の排気通路と第２の排気通路との集合箇所におけるエゼクタ効果によるタービン下流の圧力低下とによって、タービン効率を高めることが可能になる。その結果、エンジンの低回転域においてターボ過給機の過給能力が高まって、吸気充填効率を高めることが可能になる。

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、第１種の気筒に接続される第１の排気通路をタービンに接続する一方で、第２種の気筒に接続される第２の排気通路はタービンをバイパスすることで排気干渉を回避すると共に、タービン下流の第１の排気通路と第２の排気通路との集合箇所において、第２の排気通路の開口端部に絞りを設けることで、エゼクタ効果によりタービン前後の圧力差が大きくなって、ターボ過給機のタービン効率が高まり、吸気充填効率を高めることができる。

図１は、ロータリーピストンエンジンの構成を示す断面図である。図２は、ターボ過給機付きロータリーピストンエンジンの排気装置の構成を示す説明図である。図３は、ターボ過給機付きレシプロエンジンの排気装置の構成を示す説明図である。

以下、ここに開示するターボ過給機付きエンジンの排気装置について、図面を参照しながら説明をする。

（多気筒ロータリーピストンエンジンの構成例）
ここでは、多気筒ロータリーピストンエンジンを例に、説明をする。尚、以下に示すロータリーピストンエンジンの構成は例示である。

図１及び図２は、ロータリーピストンエンジン１（以下、単にロータリーエンジン１ともいう）の構造を示している。ロータリーエンジン１は、図２に示すように、２つのロータ２を備えた２ロータタイプである。２ロータの（言い換えると２気筒の）ロータリーエンジン１は、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（つまり、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の側面４１ａと、インターミディエイトハウジング４の両側の側面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ーピストンエンジン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いる。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いる。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る。ロータ２は、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ている。これらアペックスシールは、ロータハウジング３のトロコイド内周面３ａに摺接する。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の側面４ａと、サイドハウジング４１の側面４１ａ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、前側気筒３１ａに第１〜第３の３つの作動室８と、後側気筒３１ｂ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。ロータ２は、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。エキセントリックシャフト６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を貫通する。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る。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る。このサイクルによって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、時計回りに回転する。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。

ここで、従来構成のロータリー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。本構成のロータリーピストンエンジンは、従来構成のロータリー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。但し、ロータリーピストンエンジンの搭載状態は、従来と同じ搭載状態にしてもよい。

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いる。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。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の側面４１ａ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いる。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の独立通路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の側面４ａ、及び／又は、サイドハウジング４１の側面４１ａ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。排気ポート１０は、インターミディエイトハウジング４又はサイドハウジング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気ガスを低減している。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。排気ポート１０及び排気通路１３の構成についての詳細は、後述する。

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に取り付けられている。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ーエンジン１の排気装置の構成を示している。排気装置は、排気ポートに接続される排気通路１３と、ターボ過給機５のタービン５１と、その下流の触媒装置１００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ーエンジン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、排気ポート１０が設けられている。

前側気筒３１ａの排気ポート１０は、サイドハウジング４１とインターミディエイトハウジング４との両方に設けられている。つまり、前側気筒３１ａの排気ポート１０は、サイドハウジング４１に設けられた排気ポート１０ａと、インターミディエイトハウジング４に設けられた排気ポート１０ｂとを含む。ここで、インターミディエイトハウジング４には、前側気筒３１ａの排気ポート１０ｂのみが設けられている。インターミディエイトハウジング４の厚みを比較的薄くしつつも、十分な通路断面積を有する排気ポート１０ｂを形成することが可能になる。

前側気筒３１ａの排気ポート１０には、第１の排気通路１３１が接続されている。第１の排気通路１３１は、２つの排気ポート１０ａ及び１０ｂのそれぞれに接続される独立通路と、２つの独立通路が合流した合流通路とを含んでいる。タービン５１を収容するタービンハウジング５３は、合流通路の途中に設けられている。第１の排気通路１３１は、タービン５１に接続されるため、熱対策として鋳物によって構成されている。図２では、鋳物により構成される第１の排気通路１３１を、厚肉に描いている。このロータリーエンジン１では、前側気筒３１ａが、タービン５１に接続される第１種の気筒に相当する。前側気筒３１ａに接続される第１の排気通路１３１は、後側気筒３１ｂとは独立しているため、排気干渉を回避して、高い排気エネルギをタービン５１に供給することが可能である。

後側気筒３１ｂの排気ポート１０ｃは、サイドハウジング４１にのみ設けられている。従って、前側気筒３１ａの排気ポート１０ａ、１０ｂの通路断面積の合計は、後側気筒３１ｂの排気ポート１０ｃの通路断面積よりも大きい。タービン５１に接続される第１の排気通路１３１は排気抵抗が高くなり得るが、排気ポート１０ａ、１０ｂの通路断面積が相対的に大きいため、前側気筒３１ａは、排気抵抗の増大が抑制される。

後側気筒３１ｂの排気ポート１０ｃには、第２の排気通路１３２が接続されている。第２の排気通路１３２は、タービン５１をバイパスして、タービン５１の下流において、第１の排気通路１３１と集合する。第２の排気通路１３２に接続される排気ポート１０ｃは、通路断面積が相対的に小さくなるが、第２の排気通路１３２はタービン５１をバイパスするため、後側気筒３１ｂも、排気抵抗の増大が抑制される。

第１の排気通路１３１と第２の排気通路１３２との集合箇所において、第２の排気通路１３２の開口端部は、第１の排気通路１３１の開口端部に対して隣り合うように設けられる。図２の例では、第１の排気通路１３１の開口端部の周囲を囲むように、第２の排気通路１３２の開口端部が設けられる。これにより、第１の排気通路１３１の開口端部から吐き出される排気ガスの流れと、第２の排気通路１３２の開口端部から吐き出される排気ガスの流れとは、実質的に同じ方向になる。第２の排気通路１３２の開口端部にはまた、その通路面積が縮小する絞り１３２１が設けられている。これにより、第２の排気通路１３２から吐き出される排気ガスの流速が高まり、第２の排気通路１３２の開口端部の周囲に、エゼクタ効果によって、強い負圧が発生する。この強い負圧が、第１の排気通路１３１から排気ガスを吸い出すようになり、タービン５１の下流側の圧力が低下する。その結果、タービン５１の上流側と下流側との圧力差が大きくなり、タービン効率が高まる。

第２の排気通路１３２は、タービン５１をバイパスする通路であるため、第１の排気通路１３１と比較して温度が低くなる。第２の排気通路１３２は、シート材（例えば鋼板）によって構成される。これにより、第２の排気通路１３２の熱容量は、第１の排気通路１３１の熱容量よりも小さくなる。尚、図２では、シート材により構成される第２の排気通路１３２を、薄肉に描いている。このロータリーエンジン１では、後側気筒３１ｂが、タービン５１をバイパスする第２種の気筒に相当する。

触媒装置１００は、第１の排気通路１３１と第２の排気通路１３２との集合箇所よりも下流に配設されている。

排気通路１３にはまた、第１の排気通路１３１と第２の排気通路１３２との集合箇所よりも下流でかつ、触媒装置１００の上流に、Ｏ_２センサ１３４が配設されている。Ｏ_２センサ１３４は、排気ガス中の酸素濃度を検知するよう構成されている。Ｏ_２センサ１３４の検知結果は、様々な制御に利用される。ここでは特に、ロータリーエンジン１における燃焼状態を検知するために利用される。具体的には、不完全燃焼の発生等を検知する。

燃焼状態の検知に関連し、燃焼状態が悪化した気筒を識別するためのＯ_２センサ１３５（つまり、気筒識別用Ｏ_２センサ１３５）が、第１の排気通路１３１に配設されている。気筒識別用Ｏ_２センサ１３５は、より詳細には、タービン５１の下流でかつ、第１の排気通路１３１と第２の排気通路１３２との集合箇所よりも上流に配設されている。排気通路１３におけるこの箇所は、前側気筒３１ａから排出された排気ガスのみが通る箇所である。従って、触媒装置１００の上流のＯ_２センサ１３４の検出値と、気筒識別用Ｏ_２センサ１３５の検出値との比較によって、前側気筒３１ａと後側気筒３１ｂとの識別が可能になる。具体的に、触媒装置１００の上流のＯ_２センサ１３４の検出値に基づき、不完全燃焼の発生等を検知したときに、気筒識別用Ｏ_２センサ１３５の検出値も、同様の傾向を示すときには、前側気筒３１ａにおいて不完全燃焼等が発生していると判定することが可能である。逆に、気筒識別用Ｏ_２センサ１３５の検出値が、同様の傾向を示さないときには、後側気筒３１ｂにおいて不完全燃焼等が発生していると判定することが可能である。多気筒のロータリーピストンエンジン１は排気行程が重なるため、レシプロエンジンにおいて採用されている一つのＯ_２センサを利用して、各気筒の空燃比を変更することで気筒識別を行う手法では、正確な気筒識別が困難であるが、第１の排気通路１３１におけるタービン５１の下流と、第１の排気通路１３１と第２の排気通路１３２との集合箇所よりも下流と、のそれぞれにＯ_２センサ１３４、１３５を配設することによって、前述したように、ロータリーピストンエンジン１においても気筒識別が可能になる。

また、タービン５１の下流側は、排気ガスの温度が低下しているから、第１の排気通路１３１におけるタービン５１の下流にＯ_２センサ１３５を配置することは、耐熱温度が低いＯ_２センサを用いることが可能になるという利点もある。

ターボ過給機５は、図２に模式的に示すように、タービンハウジング５３内にベーン５４が設けられたＶＧＴである。つまり、ＶＧＴは、ロータリーエンジン１の運転状態に応じて、ベーン５４の角度を変更することにより、タービンハウジング５３内の、排気ガスの通路面積を変化させるよう構成されている。詳細は後述するが、このロータリーエンジン１では、ロータリーエンジン１の運転状態に応じてベーン５４の角度を変更すること以外に、触媒装置１００の未活性時にも、排気ガスの通路面積が小さくなるように、ベーン５４の角度を変化させる。

ターボ過給機５には、ウェストゲートバルブ１３６が設けられている。ウェストゲートバルブ１３６は、ここでは、電動のバルブであり、所定の過給圧以上のときに開弁する。ウェストゲートバルブ１３６が開弁することにより、排気ガスの一部はタービンをバイパスするようになる。ウェストゲートバルブ１３６は、後述するように、触媒装置１００の未活性時にも開弁する。

尚、ターボ過給機５のベーン５４の角度、及び、電動のウェストゲートバルブ１３６の開度は、図示を省略するＰＣＭ（Powertrain Control Module）によって、その動作が制御される。

尚、ターボ過給機５のコンプレッサ５２は、図２では図示しないが、吸気通路に配設される。吸気通路は、コンプレッサ５２の下流において、前側気筒３１ａに接続される独立通路１２と、後側気筒３１ｂに接続される独立通路１２とに分岐する。従って、ターボ過給機５のタービン５１には、前述したように、前側気筒３１ａ及び後側気筒３１ｂの内の、前側気筒３１ａのみが接続されるが、コンプレッサ５２には、前側気筒３１ａ及び後側気筒３１ｂの両方が接続される。前側気筒３１ａ及び後側気筒３１ｂのそれぞれに対して過給が行われる。

尚、ここに開示する技術は、２気筒のロータリーピストンエンジン１に適用することに限定されない。図示は省略するが、例えば３気筒のロータリーピストンエンジンに、ここに開示する技術を適用することも可能である。この場合は、例えば３つ並んだ気筒の内、中央の１つの気筒を第１種の気筒とし、両端の２つの気筒を第２種の気筒としてもよい。この構成では、２つのインターミディエイトハウジングにはそれぞれ、第１種の気筒の排気ポートを形成し、２つのサイドハウジングにはそれぞれ、第２種の気筒の排気ポートを形成してもよい。

以上説明したように、ここに開示するターボ過給機付きエンジンの排気装置は、複数の気筒３１ａ、３１ｂを有するよう構成されたエンジン１と、前記複数の気筒３１ａ、３１ｂそれぞれから排出される排気ガスが流れるよう構成された排気通路１３と、前記排気通路１３に配設されたタービン５１を有するよう構成されたターボ過給機５と、を備える、
前記複数の気筒３１ａ、３１ｂは、一つの、又は、排気干渉をしない複数の気筒であると共に、第１の排気通路１３１を通じて前記タービン５１に接続される第１種の気筒（つまり、前側気筒３１ａ）と、一つの、又は、排気干渉をしない複数の気筒であると共に、前記タービン５１をバイパスする第２の排気通路１３２を通じて前記タービン５１の下流で前記第１の排気通路１３１と集合する第２種の気筒（つまり、後側気筒３１ｂ）とを含み、前記第２の排気通路１３２において、前記タービン５１の下流側で前記第１の排気通路１３１と集合する開口端部は、前記第１の排気通路１３１の流れ方向と実質的に同じになるように前記第１の排気通路１３１の開口端部に隣り合って設けられると共に、通路面積を縮小する絞り１３２１が設けられている。

この構成によると、エンジン１が有する複数の気筒は、前側気筒３１ａと後側気筒３１ｂとを含む。前側気筒３１ａは、第１の排気通路１３１を通じてタービン５１に接続される。後側気筒３１ｂは、第２の排気通路１３２によって、タービン５１をバイパスし、タービン５１の下流で第１の排気通路１３１と集合する。ロータリーピストンエンジン１では、２つの気筒の排気行程が重なり合うが、タービン５１の上流において、第１の排気通路１３１と第２の排気通路１３２とが互いに独立であるから、排気干渉が生じない。排気干渉が回避されることで、第１の排気通路１３１を通じてタービン５１に供給する排気エネルギを高めることが可能になる。また、前側気筒３１ａ及び後側気筒３１ｂ内の残留排気ガスを少なくすることが可能になる。

第２の排気通路１３２の、第１の排気通路１３１との集合箇所に絞り１３２１を設けることにより、第２の排気通路１３２からの排気ガスの流れの流速が、絞り１３２１によって高められ、第２の排気通路１３２の開口端部の周囲に強い負圧が発生する（エゼクタ効果）。このエゼクタ効果によって、第１の排気通路１３１を流れる排気ガスが吸い出され、タービン５１の下流側の圧力が低下する。タービン５１の上流側と下流側との圧力差が大きくなり、タービン効率が高まる。この構成の排気装置は、部分過給構成であるため、タービン５１に供給される排気エネルギは、低下し得るものの、タービン５１をバイパスする後側気筒３１ｂから排出された排気ガスのエネルギを利用してタービン前後の圧力差を高め、それによってタービン効率を高めることにより、タービン５１に供給される排気エネルギの低下分を補って、過給能力を高めることが可能になる。その結果、前側気筒３１ａ及び後側気筒３１ｂを含むエンジン全体の吸気充填効率が高まる。

また、エンジンの高回転域では、エゼクタ効果によってタービン５１の下流側の圧力が低下することで、ポンプ損失が低減するという利点もある。

さらに、前側気筒３１ａの排気ポート１０ａ、１０ｂ、及び、第１の排気通路１３１は、タービン５１に接続されるため、排気抵抗が高くなり得るが、通路断面積を大きくすることで、排気抵抗の増大が抑制される。前側気筒３１ａから排出される排気ガスのエネルギを、効率良く、タービン５１に供給することが可能になる。

一方、後側気筒３１ｂの排気ポート１０ｃ、及び、第２の排気通路１３２は、通路断面積が相対的に小さくなるが、第２の排気通路１３２はタービン５１に接続されないため、排気抵抗が低い。このため、通路断面積が相対的に小さくても、第２の排気通路１３２は、排気抵抗の増大が抑制される。後側気筒３１ｂから排出される排気ガスも、スムースに排出することが可能になる。

こうして、排気干渉の回避と共に、第１及び第２の排気通路１３２における排気抵抗の低減によって、ターボ過給機付きロータリーピストンエンジン１のポンプ損失が低減する。

前記第１の排気通路１３１には、所定の過給圧以上のときに開弁することによって、前記タービン５１をバイパスして前記排気ガスを流すよう構成されたウェストゲートバルブ１３６が配設されている。

これにより、エンジン１の高回転域では、前側気筒３１ａから排出された排気ガスが、タービン５１をバイパスして流れるようになるため、エンジン１の背圧が低下する。一方、後側気筒３１ｂから排出された排気ガスは、タービン５１をバイパスする第２の排気通路１３２を流れるため、エンジン１の高回転域でもエンジンの背圧上昇が抑制される。こうして、高回転域において、エンジン１のポンプ損失が低減する。また、エンジン１の高回転域では、エゼクタ効果によってタービン５１の下流側の圧力が低下することでも、ポンプ損失が低減する。

前記ターボ過給機５は、前記タービン５１における前記排気ガスの通路面積が変化するよう構成されたＶＧＴであり、前記ターボ過給機５は、前記エンジン１が低回転域にあるときに、前記タービン５１における前記排気ガスの通路面積を絞るように、ベーン５４の角度を変更する。

こうすることで、エンジン１の低回転域では、ＶＧＴのベーン５４によって排気ガスの通路面積を絞ることと、第１の排気通路１３１と第２の排気通路１３２との集合箇所におけるエゼクタ効果と、によって、タービン効率を高めることが可能になる。エンジン１の低回転域においてターボ過給機５の過給能力が高まって、吸気充填効率が高めることが可能になる。

さらに、このエンジン１では、触媒装置１００が未活性のときには、ベーン５４の角度を変更することにより、前側気筒３１ａから排出された排気ガスがタービン５１に流入することを制限しつつ、電動のウェストゲートバルブ１３６を開けることにより、タービン５１をバイパスして前側気筒３１ａから排出された排気ガスを触媒装置１００に送る。これにより、触媒装置１００の未活性時には、前側気筒３１ａ及び後側気筒３１ｂのそれぞれから排出された排気ガスが、タービン５１をバイパスして触媒装置１００に送られるようになる。

また、第２の排気通路１３２は、シート材から構成されている。これにより、第２の排気通路１３２の熱容量が小さくなる。そのため、触媒装置１００が未活性のときに、温度の高い排気ガスを触媒装置１００に送ることが可能になる。これにより、触媒装置１００の早期活性化が図られる。

また、エンジン１の高負荷高回転域では、タービン５１を通過することによって温度が低下した排気ガスが、タービン５１をバイパスした排気ガスと混ざり合って、触媒装置１００に送られる。エンジン１の高負荷高回転域では、触媒装置１００に送られる排気ガスの温度が過剰に高くなるという懸念があるが、排気ガスの一部が、タービン５１を通過することにより、触媒装置１００に送られる排気ガスの温度を低くして、触媒装置１００の劣化を防止することが可能になる。

（多気筒レシプロエンジンの構成例）
図３は、ここに開示する技術を、多気筒レシプロエンジンに適用した構成例を示している。このレシプロエンジン１０１は、第１〜第４の４つの気筒３１１、３１２、３１３、３１４を有している。４つの気筒３１１、３１２、３１３、３１４は、クランク軸方向に一列に並んでいる。このレシプロエンジン１０１は、直列４気筒エンジンである。尚、レシプロエンジンの気筒数、及び、気筒の配列はこれに限定されない。

このエンジンは、４サイクルエンジンである。４つの気筒３１１〜３１４はそれぞれ、吸気、圧縮、膨張（燃焼）、及び排気の各行程を、異なる位相で行う。４つの気筒３１１〜３１４の点火順は、第１気筒３１１、第３気筒３１３、第４気筒３１４、第２気筒３１２の順に設定されている。従って、第１気筒３１１と第４気筒３１４とは、排気順序が隣り合わず、それによって排気干渉が生じない気筒同士となる。同様に、第２気筒３１２と第３気筒３１３とは、排気順序が隣り合わずに、排気干渉が生じない気筒同士となる。

図３に模式的に示すように、各気筒３１１〜３１４には、排気ポート３１５が連通している。排気ポート３１５は、図３では図示を省略する排気弁によって開閉する。

排気ポート３１５には、排気通路１３０が接続される。排気通路１３０は、第２及び第３気筒３１２、３１３の排気ポート３１５に接続される第１の排気通路１３１０と、第１及び第４気筒３１１、３１４の排気ポート３１５に接続される第２の排気通路１３２０と、に分けられる。第１の排気通路１３１０と第２の排気通路１３２０とは、下流側において互いに集合する。触媒装置１００は、集合通路上に配設されている。

第１の排気通路１３１０は、第２気筒３１２の排気ポート３１５及び第３気筒３１３の排気ポート３１５のそれぞれに対して、独立して接続される独立通路と、２つの独立通路が合流した合流通路とを含んでいる。ターボ過給機５のタービン５１を収容するタービンハウジング５３は、合流通路の途中に設けられている。第１の排気通路１３１０は、タービン５１に接続されるため、熱対策として鋳物によって構成されている。このレシプロエンジン１０１では、第２気筒３１２及び第３気筒３１３が、タービン５１に接続される第１種の気筒に相当する。

第２の排気通路１３２０は、第１気筒３１１の排気ポート３１５に接続される独立通路と、第４気筒３１４の排気ポート３１５に接続される独立通路とを含んでいる。第２の排気通路１３２０は、タービン５１をバイパスして、タービン５１の下流において、第１の排気通路１３１と集合する。

第１の排気通路１３１０と第２の排気通路１３２０との集合箇所において、第２の排気通路１３２０の開口端部は、第１の排気通路１３１０の開口端部に対して隣り合うように設けられる。図３の例では、第１の排気通路１３１０の開口端部を挟んだ両側それぞれに、第１気筒３１１の排気ポート３１５に接続される第２の排気通路１３２０の開口端部と、第４気筒３１４の排気ポート３１５に接続される第２の排気通路１３２０の開口端部とが配設される。この構成により、第１の排気通路１３１０の開口端部から吐き出される排気ガスの流れと、第２の排気通路１３２０の開口端部から吐き出される排気ガスの流れとは、実質的に同じ方向になる。第２の排気通路１３２０の開口端部にはまた、その通路面積が縮小する絞り１３２１が設けられている。これにより、第２の排気通路１３２０から吐き出される排気ガスの流速が高まり、第２の排気通路１３２０の開口端部の周囲に、エゼクタ効果によって、強い負圧が発生する。この強い負圧によって第１の排気通路１３１０から排気ガスが吸い出され、タービン５１の下流側の圧力が低下する。

第２の排気通路１３２０は、タービン５１をバイパスする通路であるため、第１の排気通路１３１０と比較して温度が低くなる。第２の排気通路１３２０は、シート材（例えば鋼板）によって構成される。これにより、第２の排気通路１３２０の熱容量は、第１の排気通路１３１０の熱容量よりも小さくなる。このレシプロエンジン１０１では、第１気筒３１１及び第４気筒３１４が、タービン５１をバイパスする第２種の気筒に相当する。

ターボ過給機５は、前述した構成例と同様に、タービンハウジング５３内にベーン５４が設けられたＶＧＴである。ベーン５４の角度は、レシプロエンジン１０１の運転状態に応じて変更される。また、レシプロエンジン１０１においても、触媒装置１００の未活性時には、排気ガスの通路面積が小さくなるように、ベーン５４の角度を変化させる。

また、このターボ過給機５にも、電動のウェストゲートバルブ１３６が設けられている。ウェストゲートバルブ１３６は、所定の過給圧以上で開弁する他、触媒装置１００の未活性時にも開弁をする。

尚、図３では図示を省略するが、ターボ過給機５のコンプレッサ５２は、吸気通路における共通通路に配設される。これにより、第１〜第４の各気筒３１１〜３１４に対して過給が行われる。

尚、レシプロエンジン１０１においては、従来公知の技術によって気筒識別を行うことが可能であるため、ロータリーピストンエンジン１とは異なり、図３に示す構成例では、第１の排気通路１３１０に、気筒識別用のＯ_２センサを配設していない。しかし、第１の排気通路１３１０に、気筒識別用のＯ_２センサを配設するようにしてもよい。

このレシプロエンジン１０１においても、第１種の気筒である第２気筒３１２及び第３気筒３１３は、第１の排気通路１３１０を通じてタービン５１に接続される。第２種の気筒である第１気筒３１１及び第４気筒３１４は、第２の排気通路１３２０によって、タービン５１をバイパスし、タービン５１の下流で第１の排気通路１３１０と集合する。第２気筒３１２と第３気筒３１３とは排気干渉しない気筒同士であり、タービン５１の上流において、第１の排気通路１３１０と第２の排気通路１３２０とが互いに独立であるから、このレシプロエンジン１０１においても、排気干渉が生じない。排気干渉が回避されることで、第１の排気通路１３１０を通じてタービン５１に供給する排気エネルギを高めることが可能になる。また、各気筒３１１〜３１４内の残留排気ガスを少なくすることが可能になる。

また、第１の排気通路１３１０と第２の排気通路１３２０との集合箇所におけるエゼクタ効果によって、タービン下流側の圧力が低下し、タービンの上流側と下流側との圧力差が大きくなって、タービン効率が高まる。その結果、部分過給構成であるためタービン５１に供給される排気エネルギは低下するが、その低下分を補って、過給能力が高まり、第１〜第４気筒３１１〜３１４を含むエンジン全体の吸気充填効率が高まる。また、レシプロエンジン１０１の高回転域において、ウェストゲートバルブ１３６が開弁することで、第２及び第３気筒３１２、３１３から排出された排気ガスがタービン５１をバイパスして流れるようになり、かつ、第１及び第４気筒３１１、３１４から排出された排気ガスは、第２の排気通路１３２０を通じてタービン５１をバイパスして流れるため、エンジン１０１の背圧を低下させることが可能になる。これにより、レシプロエンジン１０１の高回転域においてポンプ損失が低減する。

さらに、レシプロエンジン１０１の低回転域においては、ＶＧＴのベーン５４によってタービンハウジング５３内の排気ガスの通路面積を絞ることによる流速向上と、エゼクタ効果によるタービン５１の下流の圧力低下とによって、タービン効率を高めることが可能になる。その結果、レシプロエンジン１０１の低回転域においては、ターボ過給機５の過給能力が高まって、吸気充填効率が高まる。

さらに、触媒装置１００の未活性時には、ベーン５４の角度を変更することにより、前記前側気筒３１ａから排出された排気ガスが前記タービン５１に流入することを制限しつつ、ウェストゲートバルブ１３６が開弁することにより、タービン５１をバイパスして第２及び第３気筒３１２、３１３から排出された排気ガスを触媒装置１００に送る。これにより、触媒装置１００の未活性時には、全ての気筒３１１〜３１４のそれぞれから排出された排気ガスが、タービン５１をバイパスして触媒装置１００に送られるようになる。

また、第２の排気通路１３２は０、シート材から構成されている。これにより、第２の排気通路１３２０の熱容量が小さくなる。そのため、触媒装置１００が未活性のときに、温度の高い排気ガスを触媒装置１００に送ることが可能になる。これにより、触媒装置１００の早期活性化が図られる。

また、エンジン１の高負荷高回転域では、タービン５１を通過することによって温度が低下した排気ガスが、タービン５１をバイパスした排気ガスと混ざり合って、触媒装置１００に送られる。触媒装置１００に送られる排気ガスの温度を低くして、触媒装置１００の劣化を防止することが可能になる。

１ロータリーピストンエンジン（エンジン）
１００触媒装置
１０１レシプロエンジン（エンジン）
１３、１３０排気通路
１３１、１３１０第１の排気通路
１３２、１３２０第２の排気通路
１３２１絞り
１３６ウェストゲートバルブ
３１ロータ収容室（気筒）
３１ａ前側気筒（第１種の気筒）
３１ｂ後側気筒（第２種の気筒）
３１１〜３１４第１〜第４気筒
５ターボ過給機
５１タービン
５４ベーン

Claims

複数の気筒を有するよう構成されたエンジンと、
前記複数の気筒それぞれから排出される排気ガスが流れるよう構成された排気通路と、
前記排気通路に配設されたタービンを有するよう構成されたターボ過給機と、を備え、
前記複数の気筒は、
一つの、又は、排気干渉をしない複数の気筒であると共に、第１の排気通路を通じて前記タービンに接続される第１種の気筒と、
一つの、又は、排気干渉をしない複数の気筒であると共に、前記タービンの下流で前記第１の排気通路と集合する第２の排気通路が接続されることで前記タービンをバイパスする第２種の気筒とを含み、
前記第２の排気通路において、前記タービンの下流側で前記第１の排気通路と集合する開口端部は、前記第１の排気通路の流れ方向と実質的に同じになるように前記第１の排気通路の開口端部に隣り合って設けられると共に、通路面積を縮小する絞りが設けられているターボ過給機付きエンジンの排気装置。
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、
前記第１の排気通路には、所定の過給圧以上のときに開弁することによって、前記タービンをバイパスして前記排気ガスを流すよう構成されたウェストゲートバルブが配設されているターボ過給機付きエンジンの排気装置。
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、
前記ターボ過給機は、前記タービンにおける前記排気ガスの通路面積が変化するよう構成されたＶＧＴであり、
前記ターボ過給機は、前記エンジンが低回転域にあるときに、前記タービンにおける前記排気ガスの通路面積を絞るターボ過給機付きエンジンの排気装置。