JPH0791993B2 - エンジンの排気装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はエンジンの排気装置に関するものである。

［従来技術］ エンジンの排気ガスが有するエネルギを利用して、エン
ジンの出力を向上させるため、エンジンの排気通路にタ
ービンを介設して、このタービンを排気ガスで駆動する
ようにするとともに、このタービンによって駆動される
ブロワを吸気通路に介設し、このブロワで加圧した吸気
を各気筒に充填するようにした排気ターボ過給機は、よ
く知られている。

ところで、自動車用エンジンのように、低速から高速に
至る広い運転範囲を有するエンジンでは、排気ガス量も
広い範囲で変動する。このため、上記のような排気ター
ボ過給機を備えたエンジンでは、高回転高負荷となるに
従って排気ガス量が増加すると、タービンが排気抵抗と
なって、排圧が過度に上昇し、このような排圧の上昇に
伴って燃焼室内の残留ガスの増加および充填量の減少が
招来されるといった問題があり、一般には、排気通路に
タービンをバイパスするウエストゲート通路を設け、排
圧が設定値まで上昇したときにウエストゲート通路を開
いてタービンをバイパスさせる方式が採用されている。

しかしながら、このウエストゲート方式においても、タ
ービン効率を上げるためにはタービンに至る排気通路設
定の面積をある程度絞り込む必要があることから、排気
抵抗を必要十分に低減できない問題がある。

このため、夫々第１、第２排気弁によって開閉される第
１排気ポートと第２排気ポートとを設け、第１排気ポー
トから排出される排気ガスは、第１排気ポートに連通す
る第１排気通路に介設されたタービンに導き、該タービ
ンにより吸気通路に介設されたブロワを駆動して過給を
行う一方、第２排気ポートに連通し、かつ上記タービン
をバイパスする第２排気通路を設け、排気ガスの一部を
上記第２排気ポートから直接にこの第２排気通路に排出
することにより排圧の上昇を抑制するようにしたエンジ
ンの排気装置が提案されている（例えば、特開昭57−14
6021号公報参照）。

ところで、エンジンの排気行程、特に高回転高負荷運転
時においては、排気弁が開かれた際、燃焼室内に閉じ込
められていた圧力の高い燃焼ガスがブローダウンガスと
呼ばれる高温高圧の排気ガスとしてパルス状に一挙に排
気通路に排出される。

そして、上記のような過給機のタービンをバイパスする
第２排気通路を設けた従来の排気装置では、高回転高負
荷時の排圧の上昇は全体として抑制されるものの、排気
弁が開かれた際、上記のブローダウンガスがタービンに
直接に作用するため、タービンは急激な圧力変動を受け
るとともに温度が過上昇し、従ってタービンの耐久性や
効率が低下するという問題があった。

［発明の目的］ 本発明は、エンジンの高回転高負荷時の排圧の上昇を有
効に抑制するとともに、タービンに流入するブローダウ
ンガスによる排気の圧力変動の平滑化を図り、かつター
ビン温度の過上昇を防止し、タービンの耐久性と効率を
高めるようにした排気ターボ過給機付エンジンの排気装
置を提供することを目的とする。

［発明の構成］ 本発明は、上記の目的を達成するため、第１排気ポート
と第２排気ポートとを備え、第１排気ポートを介して排
出される排気ガスを第１排気通路に介設されたタービン
に導き、該タービンにより吸気通路に介設されたブロワ
を駆動して過給を行う一方、第２排気ポートを介して排
出される排気ガスを、上記タービンをバイパスして設け
られた第２排気通路を通して排出するようにしたエンジ
ンの排気装置において、 第２排気ポートの開時期を第１排気ポートの開時期より
早めるとともに、第２排気ポートからの排気ガスの流れ
を停止させる手段を設け、少なくとも高回転高負荷時に
は該停止手段を不作動とするようにしたことを特徴とす
る、エンジンの排気装置を提供する。

［発明の効果］ 本発明によれば、エンジンの高回転高負荷時には、停止
手段を不作動することにより高温高圧のパルス状のブロ
ーダウンガスを開時期が早く設定された第２排気ポート
から排気ターボ過給機のタービンをバイパスする第２排
気通路に排出されるようにしたので、タービンにパルス
状の高圧波が直接に作用することがなく、タービンの過
度な温度上昇が防止され、かつ、タービンに流入する排
気ガスの圧力が平滑化され、タービンの耐久性と効率が
向上する。さらに、排圧の上昇が抑制され、燃費性が向
上する。

また、低回転時には、停止手段が作動されて第２排気通
路側が遮断されるのですべての排気ガスがタービンに導
入され、効果的な動圧過給が行えるのでエンジンの出力
を高めることができる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を具体的に説明する。

第１図に示すように、４気筒レシプロエンジンＥを構成
する各気筒＃１〜＃４には、夫々第１排気弁１によって
開閉される第１排気ポート２と、第２排気弁３によって
上記第１排気ポート２よりやや早い時期に開閉される第
２排気ポート４とが設けられている（第４図参照）。上
記第１、第２排気弁は、具体的に図示しないが、周知の
動弁機構により、エンジンの回転に同期した所定のタイ
ミングで開閉駆動されるようになっており、各第２排気
弁３はマイクロコンピュータで構成された制御回路５か
らの停止信号によって、所定の運転状態においては動弁
機構から切り離されるようになっており、開弁動作が停
止されるようになっている。上記制御回路５は、図示し
ていない回転数センサによって検出されるエンジン回転
数、図示していない圧力センサによって検出される過給
圧等を入力情報として各第２排気弁３の作動・停止の制
御を実行するようになっている。

上記各第１排気ポート２は、夫々排気の動圧を確保する
ために比較的小径に形成された第１分岐排気通路６に接
続されている。これらの第１分岐排気通路６は第１集合
部７で単一の第１排気通路８に集合されている。この第
１排気通路８には、エアフローメータ９下流の吸気通路
11に介設された、排気ターボ過給機12のブロワ12aをシ
ャフト12bを介して駆動するためのタービン12cが介設さ
れている。なお、タービン12c直前で第１排気通路８は
排気ガスの流速を大きくし動圧を確保するため絞り込ま
れている。そして、上記第１排気通路８の第１集合部７
下流でかつタービン12cの上流となる位置と、タービン1
2cのやや下流となる位置との間には、タービン12cをバ
イパスするバイパス通路13が設けられており、このバイ
パス通路13には、タービン12cに流入する排気量を調節
し、吸気通路11内の過給圧を最高過給以下に制御するた
めに、バイパス通路13を開閉するウエストゲートバルブ
14が介設されている。

一方、各第２排気ポート４は、それぞれエンジンＥの排
圧の上昇を抑制するために比較的大径に形成された第２
分岐排気通路15に接続されている。これらの各第２分岐
排気通路15は第２集合部16で単一の第２排気通路17に集
合されており、この第２排気通路17は、合流部18で、さ
らに前記第１排気通路８と集合されて共通排気通路19に
接続されている。

次に、制御回路５による第２排気弁３の制御方法につい
て、第３図に示す制御フローチャートを参照しながら詳
しく説明する。

制御が開始されると、まずステップS1で、図示していな
い回転数センサで検出されるエンジン回転数Ｎと図示し
ていない圧力センサで検出される吸気通路11内の過給圧
Ｐがマイクロコンピュータで構成される制御回路５に読
み込まれる（第１図参照）。

続いて、制御はステップS2に進められ、このステップS2
では、エンジン回転数Ｎが第２排気弁３の作動を停止さ
せるべき（閉じたままになる）低回転域にあるかどうか
を判定するために、上記エンジン回転数Ｎが予め定めた
設定回転数Ｎminと比較される。上記設定回転数Ｎmin
は、エンジン回転数がこれより小さいと、エンジン負荷
の大小にかかわらず第２排気弁３の作動を停止させる限
界を示す定数であり、予め制御回路５に記憶されてい
る。

上記の比較の結果、エンジンＥの運転状態が低回転域に
ある、すなわちＮ＜Ｎminとなる場合には、排圧の上昇
は小さいので、排気ガスを全量タービン12cに導入し排
気ガスの流速を高め動圧過給を効果的に行ない、もって
エンジンの出力向上を図るために、制御はステップS6に
分岐され、ステップS6で第２排気弁３の作動は停止され
る。但し、前回以前の制御スキャンにおいてすでに第２
排気弁３の作動が停止されているときは、停止状態が継
続される。

第２排気弁３の作動が停止されている（閉じたままにな
る）ときには、本実施例の排気装置は、単一の排気通路
に排気ターボ過給機のタービンを介設した従来の排気装
置と全く同様の作用をもたらす。続いて、ステップS7で
イグニッションスイッチがオンか否かが判定され、オン
であればエンジンＥは運転を継続しているので、制御は
ステップS1に復帰・続行される。これに対して、イグニ
ッションスイッチがオフであれば、エンジンの運転は停
止されているので制御は終了する。

一方、ステップS2において、エンジンＥの運転状態が高
回転域にある、すなわちＮ≧Ｎminとなる場合には、さ
らに、エンジンの負荷の大小によって第２排気弁３の作
動の要否を判定するために、制御はステップS3に進めら
れる。

ステップS3では、エンジンＥの負荷の大小に応じて夫々
第２排気弁３を作動又は停止させるために、第２排気弁
３を作動させるべき吸気通路11内の過給圧の設定圧Psを
演算する。上記設定圧Psは、例えばエンジンの回転数Ｎ
の１次関数Ps（Ｎ）として表わされ、この関数Ps（Ｎ）
は制御回路５に予め記憶されている。従って、ステップ
S3では、時々刻々のエンジン回転数Ｎに対応する設定圧
Ps（Ｎ）が演算される。

次に制御は、ステップS4に進められ、エンジン負荷の状
態が判定される。ステップS4では、ステップS1で読み込
まれた吸気通路11内の過給圧ＰとステップS3で演算され
た設定圧Ps（Ｎ）の比較が行なわれる。

上記の比較の結果、エンジンＥの運転状態が低負荷域に
ある、すなわちＰ≦Ps（Ｎ）となる場合には、前記の低
回転時と同様排圧の上昇は小さいので、排気ガスを全量
タービン12cに導入し排気ガスの流速を高め動圧過給を
効果的に行い、もってエンジンの出力向上を図るため
に、制御はステップS6に分岐され、前記のステップS2で
YES側に分岐されたときと全く同様にステップS6で第２
排気弁３の作動は停止され、続いてステップS7でイグニ
ッションスイッチのオン・オフに応じて、夫々、制御が
続行、又は停止される。

一方、ステップS4において、エンジンＥの運転状態が高
負荷域にある、すなわちＰ＞Ps（Ｎ）となる場合には、
制御はステップS5に進められる。ステップS5では、ブロ
ーダウン時のパルス状に高圧となる排気ガスをタービン
12cをバイパスさせて、第２排気ポート４から第２分岐
排気通路15及び第２排気通路17を通して排出し、排圧の
上昇を防止するとともにブローダウンガスによる排圧変
動を平滑化するために、第２排気弁３が作動されるよう
になっている。以下、これを説明する。

第４図に示すように、上記第１排気弁１の開閉タイミン
グは、従来のエンジンの排気弁の開閉タイミングと同様
に、膨張行程終期の下死点BDC直前で開き始め、吸気行
程初期の上死点TDC直後に閉じるように設定されてい
る。これに対して、上記第２排気弁３の開弁タイミング
は、第１排気弁１の開弁タイミングより早く設定されて
おり、（例えば、クランク角で、第２排気弁３の開弁タ
イミング320゜に対して、第１排気弁１の開弁タイミン
グ340゜）、一方第２排気弁３の閉弁タイミングは排気
行程下死点BDCより若干後のタイミング（例えば、下死
点BDCよりクランク角で40゜）に設定されている。この
ような第２排気弁３の開閉タイミングは、実質的にブロ
ーダウン時の高温高圧の排気ガスがタービン12cをバイ
パスして第２分岐排気通路15及び第２排気通路17を通し
て排出され、その後に第１排気弁１が開かれると、燃焼
室内のその他の排気ガスが第１分岐排気通路６及び第１
排気通路８を通してタービン12cに導かれるように設定
されている。従って、第５図に示すように、従来システ
ムでは排圧特性がクランク角に対して曲線C₁で示される
ような形状となり、ブローダウン時にはパルス状に圧力
が上昇する変動の激しい特性となるが、本実施例による
システムでは第１排気弁１に先行して第２排気弁３が開
かれ、燃焼室内の高圧が第２排気ポート４から初期に逃
がされるため、第１排気通路８のタービン上流での排圧
特性はクランク角に対して曲線C₂で示されるような形状
となり、タービン12cに作用する排圧は実質的に平滑化
されるようになっている。なお、点火タイミングの運転
状態に応じた変更等にともなって、制御回路５により設
定する第２排気弁３の開閉タイミングをエンジンＥの運
転状態に応じて時間的に前後にずらせられるようにし
て、パルス状のブローダウンガスを確実にタービン12c
をバイパスさせるようにすればより的確な排圧制御が行
える。

以上のように、第２排気弁３を作動させることによっ
て、タービン12cは過熱及び圧力変動から保護されター
ビンの耐久性が向上するとともにタービン効率が向上す
るようになる。また、排圧の上昇が抑制されるため、燃
費性が向上するようになる。

続いて、ステップS7でイグニッションスイッチがオンか
否かが判定され、オンであれば制御はステップS1に復帰
・続行され、オフであれば制御は終了する。

以上のような、第２排気弁３の制御が行なわれる結果、
第２排気弁３の開度は、ウェストゲートバルブ14の開
度、吸気通路11内の過給圧及びエンジンＥの平均有効圧
力Peがエンジン回転数に対してどのように変化するかの
一例を第６図に示す。

第６図に示すように、エンジン回転数Ｎが次第に増加し
ていくと、過給圧Ｐは最初は直線的に増加するが、過給
圧が最高過給圧PAに達する、エンジン回転数Ｎ＝N₁とな
る時点からは、ウェストゲートバルブ14が開き始め、ウ
ェストゲートバルブ14によって過給圧が最高過給圧PAで
一定となるようにコントロールされる。さらにエンジン
回転数Ｎが増加すると、ウェストゲートバルブ14が次第
に開度を大きくしつつ、過給圧を最高過給圧PAに保って
いるが、エンジン回転数Ｎが前記の最低回転数Ｎminに
達した時点で、第２排気弁３が作動を開始する。この例
ではＮ＝Ｎminとなった時点での過給圧Ｐ＝PAは前記の
設定圧Ps（Ｎ）より大きいので、PA＞Ps（Ｎ）となって
おり、第３図の制御フローチャート（ステップS4）に従
って、第２排気弁３が作動を開始する。このため、排圧
が下がるので、過給圧を最高過給圧PAで一定となるよう
にコントロールしているウェストゲートバルブ14の開度
は、段階状に下がる。さらにエンジン回転数Ｎが増加す
ると、再びウェストゲートバルブ14が開度を大きくしつ
つ、過給圧を最高過給圧PAで一定となるようにコントロ
ールする。

このとき、エンジンＥの平均有効圧力Peは、第２排気弁
３が全閉のまま保持された場合には、エンジン回転数Ｎ
の増加に従って曲線G₁で示されるように最初は増加する
が極大点Ｍに達した後はゆるやかに減少する。これに対
して、第２排気弁３がエンジン回転数Ｎmin以上で開閉
駆動された場合には、平均有効圧力Peは曲線G₂で示され
るように、第２排気弁３が作動する時点Ｎ＝Ｎminより
エンジン回転数Ｎが大きい領域ではブローダウンガスが
タービン12cをバイパスして通されるのでPeは急激に減
少する。従って、第２排気弁３が作動した場合、エンジ
ンＥの平均有効圧Peは曲線G₁と曲線G₂の差だけ減少し
（領域（Ｂ）で示されている）、これに相当する無駄な
ピストン仕事が軽減され、燃費性が向上するようになっ
ている。

また、第７図に、エンジン回転数ＮをＮmin以上で一定
にして、エンジン負荷を増加させた場合の、第２排気弁
３の開度とウェストゲートバルブ14の開度の平均有効圧
力Peに対する変化の状態を示す。

第７図に示すように、エンジン回転数ＮがＮmin以上で
一定のときは、平均有効圧力Peの増加に伴って吸気通路
11内の過給圧Ｐも直線的に増加し、過給圧Ｐが、そのエ
ンジン回転数Ｎに対応する設定圧Ps（Ｎ）に達した平均
有効圧力Pe＝Pe₁の時点で第２排気弁３が作動するよう
になっている。

次に、本発明のもう一つの好ましい実施例を第２図に示
す。但し、第１図に示す実施例と同一の構成と作用を有
する部材には同一番号を付しており、その説明は重複を
避けるため省略する。

第２図に示す実施例では、ある気筒の排気行程の初期に
排気ガスの吹き出しによって発生する正の圧力波が排気
行程の終期にある他の気筒の排気ポートに伝播し残留ガ
ス圧を高め体積効率を悪化させる、いわゆる排気干渉を
防止するために、第２排気通路を２系統に分離してい
る。すなわち、点火順序が連続しない＃1,＃４気筒（以
下第１気筒群Ｐという）の夫々の第２分岐排気通路15
a、15dは第2P排気通路21に接続され、この第2P排気通路
21には、吸気通路11内の過給圧を制御するための第１ウ
ェストゲートバルブ22が介設されている。

一方、点火順序が連続しない＃2,＃３気筒（以下第２気
筒群Ｓという）の夫々の第２分岐吸気通路15b、15cは第
2C排気通路23に接続され、この第2S排気通路23には、吸
気通路11内の過給圧を制御するための第２ウェストゲー
トバルブ24が介設されている。

そして、本実施例では過給圧制御は上記の第１ウェスト
ゲートバルブ22と第２ウェストゲートバルブ24のみで行
なわれるため、第１排気通路８にはバイパス通路及びウ
ェストゲートバルブは設ける必要がない。また、第２排
気ポート４からの排気ガスの流れは上記の第１ウェスト
ゲートバルブ22と第２ウェストゲートバルブ24で停止で
きるので、第２排気弁３に対しては停止手段を設ける必
要がない。従って部品点数を減らすことができ、システ
ムが簡素化されコストダウンを図ることができる。

上記第１気筒群Ｐの排気を通す第2P排気通路21と第１気
筒群Ｓの排気を通す第2S排気通路23は夫々、第１排気通
路８とタービン12c下流で集合され１本の共通排気通路1
9に接続されている。

ところで、第１排気通路８と第2P排気通路21の合流部下
流の共通排気通路19には、圧力波を利用して、気筒内の
残留ガスの吹き出し効果を高めるために、十分な容積を
有する容積部25が設けられている。

以下、上記容積部25の作用について、＃１気筒について
代表的に説明するが、＃２〜＃４気筒についても同様で
ある。

＃１気筒の排気行程の初期にブローダウンガスによっ
て、第２排気ポート４近傍に発生した正の圧力波は、下
流に向かって略音速で順次第２分岐排気通路15a、第2P
排気通路21、共通排気通路19を伝播し、開放端となる容
積部25で負の圧力波となって反射され、再び、略音速で
上流に向かって共通排気通路19、第2P排気通路21、第２
分岐排気通路15aを伝播して排気行程の後段に第２排気
ポート４に到達し、＃１気筒内の残留ガスを吸い出すよ
うになっている。上記容積部25の位置は、上記の圧力波
が一連の排気通路内を往復伝播するのに要する時間が、
第２排気弁３の開閉タイミングとマッチングするように
設定されていることはもちろんである。これによって、
残留ガスの吹き出し効果を向上させることができ燃費性
を向上させることができる。

以上、第２図に示す実施例によれば、排圧の上昇の抑制
により燃費性が向上するとともに排圧の平滑化によりタ
ービン12cの効率が高まる。さらに、排気システムが簡
素化されコストが低減できるとともに、圧力波を利用し
て排気効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例を示す排気ターボ過給機を備
えた４気筒レシプロエンジンのシステム構成図である。 第２図は、本発明のもう一つの好ましい実施例を示す排
気ターボ過給機を備えた４気筒レシプロエンジンのシス
テム構成図である。 第３図は、第２排気弁の作動と停止の制御方法を示すフ
ローチャートである。 第４図は、第１排気弁と第２排気弁の開閉タイミングを
示す図である。 第５図は、従来システムと本実施例の排圧特性を示す図
である。 第６図は、本実施例における排気装置のエンジン回転数
に対する作動状態を示す図である。 第７図は、本実施例における排気装置の平均有効圧力に
対する作動状態を示す図である。 １……第１排気弁、２……第１排気ポート、 ３……第２排気弁、４……第２排気ポート、 ８……第１排気通路、12……排気ターボ過給機、 12a……ブロワ、12c……タービン、 17……第２排気通路。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−128920（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−146021（ＪＰ，Ａ) 実開 昭56−175520（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１排気ポートと第２排気ポートとを備
   え、第１排気ポートを介して排出される排気ガスを第１
   排気通路に介設されたタービンに導き、該タービンによ
   り、吸気通路に介設されたブロワを駆動して過給を行う
   一方、第２排気ポートを介して排出される排気ガスを、
   上記タービンをバイパスして設けられた第２排気通路を
   通して排出するようにしたエンジンの排気装置におい
   て、 第２排気ポートの開時期を第１排気ポートの開時期より
   早めるとともに、第２排気ポートからの排気ガスの流れ
   を停止させる手段を設け、少なくとも高回転高負荷時に
   は該停止手段を不作動とするようにしたことを特徴とす
   る、エンジンの排気装置。