(57)【要約】【課題】排気行程が相互にずれた気筒からの排気が並列の排気通路を経て導入されるツインエントリターボ過給装置を伴って作動する多気筒内燃機関について、高負荷運転時には過給効率を高め、より小型の過給機にてもより高い機関出力を出すことができるようにすると共に、低負荷運転時には内部排気ガス再循量を増大させ、ＮＯｘの排出を抑制させる。【解決手段】ツインエントリターボ過給装置へ排気を導入する並列の排気通路の途中を互いに選択的に連通させる通路連通制御弁を設け、機関の低出力トルク運転時に通路連通制御弁を開くようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ツインエントリターボ過給装置を伴って作動する多気筒内燃機関にして、排気行程が相互にずれた気筒からの排気が並列の排気通路を経て前記ツインエントリターボ過給装置へ並列に導入されると共に、前記並列の排気通路の途中を互いに選択的に連通させる通路連通制御弁が設けられ、機関の低出力トルク運転時に前記通路連通制御弁が開かれるようになっていることを特徴とする多気筒内燃機関。
【請求項２】
前記通路連通制御弁は過給過剰を生ずる高回転速度運転時にも開かれるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の多気筒内燃機関。
【請求項３】
前記通路連通制御弁は機関が低出力トルク且つ低回転速度運転状態より高出力トルク且つ低回転速度運転状態を経て高回転速度運転状態へ移行するとき途中で一旦閉じられるようになっていることを特徴とする請求項２に記載の多気筒内燃機関。
【請求項４】
機関には吸気弁開閉位相変更手段が設けられており、前記通路連通制御弁が閉じられることに伴って前記吸気弁開閉位相変更手段により吸気弁開閉位相が進められるとき、前記吸気弁開閉位相変更手段による吸気弁開閉位相の進めは、前記通路連通制御弁が閉じ終わる時点に合わせて行われるようになっていることを特徴とする請求項３に記載の多気筒内燃機関。
【請求項５】
前記並列の排気通路は両者に共通の通路壁にて隔てられた部分を有し、前記通路連通制御弁は前記共通通路壁に開けられた孔を弁板にて開閉するようになっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の多気筒内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、過給式内燃機関に係り、特に内燃機関が多気筒内燃機関であることに関連して過給制御を行う過給式多気筒内燃機関に係る。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関に於ける過給は、排気によりタービンを回し、それによって圧縮機を回して吸気を加圧するものであり、内燃機関が多気筒内燃機関である場合には、各気筒からの排気をマニホールドにより一つに集めて排気タービンへ導くことが従来より行われている。この場合、多気筒内燃機関に於いては、各気筒の作動位相が相互にずらされており、例えば直列配列の４気筒内燃機関では、作動位相は一般に第１気筒、第３気筒、第４気筒、第２気筒の順になっていることから、各気筒からの排気をマニホールドにより一つに集めて排気タービンへ送るに当たっては、各気筒からの排気の干渉を避けるため、第１気筒と第４気筒からの排気を一つにまとめて一つの合流排気通路とし、第２気筒と第３気筒からの排気を一つにまとめて他の一つの合流排気通路とし、更にこれら両者を一つにまとめることが行われているが、更に、内燃機関が高負荷運転されるときには、排気温度が高くなることに対処して、その温度を下げるべく、上記の二つの合流排気通路の途中を連通弁により選択的に連通するようにし、機関の高負荷運転時にはかかる連通弁を開き、各気筒に対し有効に作用する排気通路を拡大することにより排気タービンに流入する排気温度の低減を図ることが、下記の特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開平３-１７２５３５
【０００３】
また、内燃機関に於ける吸気弁の開閉タイミング（位相）を機関の回転速度等に応じて進めたり遅らせたりするように調節する可変バルブタイミングの技術がＶＶＴ（Variable Valve Timing）として知られているが、上記の特許文献１には、機関回転数を上昇させていく際、機関回転数が上記の連通弁を開くような回転数に達する以前に吸気弁の開閉タイミングを遅れ側に切り換え、ノッキングの発生を抑制することが記載されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
内燃機関の排気は、機関の爆発行程に於ける燃料の爆燃の余波を伴って機関の排気ポートより勢いよく噴出されてくるので、かなりの運動エネルギを有しており、過給用排気タービンは、それを有効に利用できるよう、一般に動圧型タービンとして構成されるのが有利である。タービンが動圧型であるときには、多気筒内燃機関に対してはタービンがツインエントリ型とされ、排気行程が相互にずれた気筒からの排気が並列の排気通路を経てタービンのツインノズルへ供給されるようになっているのが、タービンの作動効率を高め、できるだけ小型の過給機により高い過給効果を得て機関出力を高めるには好ましい。
【０００５】
一方、内燃機関については、ＮＯｘの排出による大気汚染の問題があるが、ＮＯｘの排出は新気に排気ガスを混ぜて燃焼温度を下げることにより抑制されるので、特に高出力を要しない機関の低負荷運転時には新気に十分な量の排気ガスを混ぜて運転することが望まれる。新気に排気ガスを混ぜるには、排気系より排気の一部をガス管により導いて吸気系に導入する外部排気ガス再循環のほかに、排気行程より吸気行程に移る際、排気の一部を気筒内に残留させて新気に混入させる内部排気ガス再循環がある。内部排気ガス再循環は、排気系の背圧が上昇すると増大する。
【０００６】
上記の通り機関が高い過給効果を得て高い機関出力を出す運転状態にあるときには、ツインエントリターボ型過給機は排気行程が相互にずれた気筒からの排気のそれぞれを並列の排気通路を経て整然と供給されるようになっていることにより高いタービン作動効率にて作動し、より小型の過給機にてもより高い機関出力を出すことができるが、低負荷運転時には、タービン作動効率はさして問題とはならない。それよりも低負荷運転時にはＮＯｘの排出を可及的に抑制しておくことの方がより有効である。
【０００７】
本発明は、上記の事情に着目し、排気行程が相互にずれた気筒からの排気が並列の排気通路を経て導入されるツインエントリターボ過給装置を伴って作動する多気筒内燃機関について、高負荷運転時には過給効率を高め、より小型の過給機にてもより高い機関出力を出すことができるようにすると共に、低負荷運転時には内部排気ガス再循量を増大させ、ＮＯｘの排出を抑制させること課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の主たる課題を解決するものとして、本発明は、ツインエントリターボ過給装置を伴って作動する多気筒内燃機関にして、排気行程が相互にずれた気筒からの排気が並列の排気通路を経て前記ツインエントリターボ過給装置へ並列に導入されると共に、前記並列の排気通路の途中を互いに選択的に連通させる通路連通制御弁が設けられ、機関の低出力トルク運転時に前記通路連通制御弁が開かれるようになっていることを特徴とする多気筒内燃機関を提案するものである。
【０００９】
前記通路連通制御弁は過給過剰を生ずる高回転速度運転状態に於いても開かれるようになっていてよい。
【００１０】
また前記通路連通制御弁は機関が低出力トルク且つ低回転速度運転状態より高出力トルク且つ低回転速度運転状態を経て高回転速度運転状態へ移行するとき途中で一旦閉じられるようになっていてよい。
【００１１】
更に、機関には吸気弁開閉位相変更手段が設けられており、前記通路連通制御弁が閉じられることに伴って前記吸気弁開閉位相変更手段により吸気弁開閉位相が進められるとき、前記吸気弁開閉位相変更手段による吸気弁開閉位相の進めは、前記通路連通制御弁が閉じ終わる時点に合わせて行われるようになっていてよい。
【００１２】
前記並列の排気通路は両者に共通の通路壁にて隔てられた部分を有し、前記通路連通制御弁は前記共通通路壁に開けられた孔を弁板にて開閉するようになっていてよい。
【発明の効果】
【００１３】
上記の如く、ツインエントリターボ過給装置を伴って作動する多気筒内燃機関に於いて、排気行程が相互にずれた気筒からの排気が並列の排気通路を経て前記ツインエントリターボ過給装置へ並列に導入されると共に、前記並列の排気通路の途中を互いに選択的に連通させる通路連通制御弁が設けられ、機関の低出力トルク運転時に前記通路連通制御弁が開かれるようになっていれば、機関の低出力トルク運転時には、並列の排気通路を経て動圧型タービンへ並列に排気を送るいずれの気筒に対しても、タービンに至る排気通路は排気ガス流量に対する流路断面積の比が途中から倍化され、通路連通制御弁より下流側に於ける並列の排気通路内には排気ガスの停滞が生じ、いずれの気筒にとっても排気行程時の背圧が上昇し、それに応じて内部排気ガス再循環量が増大する。
【００１４】
前記通路連通制御弁が過給過剰を生ずる高回転速度運転状態に於いても開かれるようになっていれば、機関の高回転速度運転時には、いずれの気筒に対しても、タービンに至る排気通路は排気流量に対する排気通路の断面積の比が途中から倍化されるので、動圧型タービンの出力は排気流量に対し相対的に低下し、機関の高回転速度運転域に過給が過剰になることを回避することができ、過給過剰時に排気ガス流にタービンをバイパスさせるウェイストゲイト弁を省略することも可能となる。
【００１５】
前記通路連通制御弁は機関が低出力トルク且つ低回転速度運転状態より高出力トルク且つ低回転速度運転状態を経て高回転速度運転状態へ移行するとき途中で一旦閉じられるようになっていれば、機関を低出力トルク且つ低回転速度運転状態より高出力トルク且つ高回転速度運転状態へ移行させる過程において、スロットルを開くことにより機関の出力トルクは増大するが、機関の回転速度の上昇には遅れがでる高出力トルク且つ低回転速度運転時に、前記通路連通制御弁を一旦とじることにより、過給効果を高め、機関出力をできるだけ速やかに立ち上げることができる。
【００１６】
機関には吸気弁開閉位相変更手段が設けられており、前記通路連通制御弁が閉じられることに伴って前記吸気弁開閉位相変更手段により吸気弁開閉位相が進められるとき、前記吸気弁開閉位相変更手段による吸気弁開閉位相の進めは、前記通路連通制御弁が閉じ終わる時点に合わせて行われるようになっていれば、通路連通制御弁の開閉作動の速度が、吸気弁開閉位相変更手の吸気弁開閉位相変更作動速度に比してかなり遅いことにより、通路連通制御弁がまだ閉じ終わらないときに吸気弁開閉位相が進められてノッキングやスモーキングが発生するようなことが避けられる。
【００１７】
前記並列の排気通路が両者に共通の通路壁にて隔てられた部分を有し、前記通路連通制御弁が前記共通通路壁に開けられた孔を弁板にて開閉するようになっていれば、並列の排気通路の間を選択的に連通させる機能を極めて簡単な構造により達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は本発明による多気筒内燃機関の構造を解図的に示す概略図である。図に於いて、１０は多気筒内燃機関のシリンダブロックである。多気筒内燃機関は図示の例では４気筒内燃機関であり、シリンダブロック１０内には４つの気筒１２a、１２b、１２c、１２dが設けられている。これらの気筒の作動の順序は１２a−１２c−１２d−１２bである。そこで作動位相が互いに最も離れている気筒１２aと１２dからの排気が排気サブマニホールド１４により集められ、同じく作動位相が互いに最も離れている気筒１２bと１２cからの排気が排気サブマニホールド１６により集められ、これら２つのサブマニホールドからの排気が、２つの並列に配置された排気通路１８および２０を経てツインエントリ型のタービン２２へ導入されるようになっている。
【００１９】
尚、ツインエントリ型タービン２２への排気通路１８、２０による排気の並列導入は、図１の解図的表示では、タービンの軸線方向に沿ってなされているが、実際にもそのようにタービンの軸線方向に沿って並置された２つのノズル群によりなされてもよく、或いはまた排気通路１８、２０の各々に属する２種類のノズルは、タービンの軸線方向に於ける同じ位置にあってタービンの周方向に半周ずつに分けて設けられるか、或は２種類のノズルをいくつかのノズル群に分け、それらを周方向に沿って交互に並べる等、種々の可能な構成によりなされよい。
【００２０】
タービン２２からの排気は排気導管２４を経て触媒コンバータ２６へ導かれ、その後図には示されていない消音器等を経て大気へ放出される。
【００２１】
吸気はエアクリーナ２８および吸気導管３０を経てタービン２２により駆動される圧縮機３２の入口へ導かれる。圧縮機３２にて加圧された吸気は吸気導管３４、インタークーラ３６、吸気導管３８、スロットル弁４０、吸気マニホールド４２を経て気筒１２a〜１２dへ供給されるようになっている。４４は気筒１２a〜１２dに対する図には示されていない吸気弁の開閉位相を変更する吸気弁開閉位相変更装置を示し、符号４４が指している部分はそのアクチュエータの部分である。
【００２２】
スロットル弁４０および吸気弁開閉位相変更装置４４はマイクロコンピュータを備えた電子式車輌運転制御装置（ＥＣＵ）４６によりその作動が制御されるようになっている。電子式車輌運転制御装置４６には吸気弁開閉位相センサ４８より吸気弁の開閉位相を示す信号、吸気温センサ５０より吸気マニホールドへ供給される吸気の温度を示す信号が供給されるほか、内燃機関およびこれを搭載した車輌の運転状態に関する各種の信号Ｉが供給されるようになっている。
【００２３】
排気通路１８、２０には、図２に於いてより詳細に示されている如く、排気通路１８と２０の途中を選択的に連通する通路連通制御弁５２が設けられている。図示の例では、並列の排気通路は両者に共通の通路壁５４にて隔てられた部分を有し、通路連通制御弁５２は共通通路壁５４に開けられた孔５６を弁板５８にて開閉するようになっている。弁板５８は弁軸６０により担持され、該弁軸がアクチュエータ６２によりその中心軸線の周りに回動されることにより、図中二点鎖線にて示されている如く孔５６を閉じる位置と、図中実線にて示されている如く孔５６を開く位置の間で回動されるようになっている。アクチュエータ６２の作動は電子式車輌運転制御装置４６により制御される。
【００２４】
内燃機関の運転領域をその回転数と出力トルクにより表せば、図３の如くなり、出力トルクが比較的低い領域では、ＮＯｘ排出抑制のため、かなり広い回転数領域にわたって排気ガス再循環（ＥＧＲ）を実施することが望まれる。図にてＥＧＲ領域として示されている領域がそれである。一方、排気による吸気の過給が行われる場合に、過給過剰となるため従来のウェイストゲイト装置により排気の一部に排気タービンをバイパスさせる必要が生ずる領域が、図にてＷＧ領域として示されている領域である。図１および２に示す如く、排気行程が相互にずれた気筒からの排気を並列排気通路により動圧型タービンへ並列に導入し、並列排気通路間を通路連通制御弁により選択的に連通させる構造は、ＥＧＲ領域に対する機関運転の適応制御と、ＷＧ領域に対する機関運転の適応制御の両方を可能にする。
【００２５】
即ち、上記の如きＥＧＲ領域では、各気筒より排出される排気の流量は小さいので、並列の排気通路１８、２０の各々を通って流れる排気流量が小さいことから、各排気通路内には排気の流れが停滞した状態が生じている。このような状態にあるとき通路連通制御弁５２が開かれ、排気通路１８、２０の途中が互いに連通されると、いずれの気筒に対しても背圧を高める結果となり、排気行程から吸気行程に移る際に気筒内に残留する排気の量が増え、内部排気ガス再循環量の増大により排気ガス再循環率が高まる。従って、通路連通制御弁５２は、図３に示されている如きＥＧＲ領域にて開かれることにより、かかる低トルク運転領域にて機関出力を損なうことなく排気ガス再循環率を高め、ＮＯｘの排出を可及的に抑制する機能を発揮することができる。
【００２６】
また、動圧型タービンでは、タービンのノズルへ供給される作動流体の流量に対する作動流体通路の断面積の比である断面比が、タービン出力を最大にする値より増大すれば、それにつれてタービン出力は低下していくが、図示の如く位相が互いにずれた２つの気筒からの排気を動圧型タービン２２へ並列に導く排気通路１８、２０が途中で通路連通制御弁５２により連通されると、各一つの気筒からの排気流にとっては、断面比が途中から２倍に倍化されることになり、各一つの気筒からの排気流により得られるタービン出力はそれに相当して低下する。図示の４気筒の例では、このことは気筒１２a〜１２dのいずれについても生じ、従ってタービン２２の出力は全体としてそれに相当して低下する。従って、ＷＧ領域にて通路連通制御弁５２を開くことにより、従来のウェイストゲイト装置による排気の一部のタービンバイパスと同様の効果が得られる。
【００２７】
図３に矢印にて示されている２つの機関運転状態の変化を示す線ＡおよびＢは、上記の如きＥＧＲ領域およびＷＧ領域に対する通路連通制御弁５２の制御を踏まえて、内燃機関の出力を低トルク運転状態より出発して増大させるとき、初期機関回転数が比較的低いときと比較的高いときとで、通路連通制御弁５２の制御を異ならせる態様を例示している。これには、通路連通制御弁５２の制御に関連して吸気弁開閉位相変更装置４４も制御される。図４はその作動態様の変化を表にして示すものである。
【００２８】
低トルクであって機関回転数が比較的低い状態より機関出力を増大させるときには、経路Ａにより示す如く、通路連通制御弁５２は当初の開かれた状態から途中で一旦閉じられ、これに対応して吸気弁開閉位相は当初の幾分進角された状態から最大進角位置まで進められる。これは、低トルク運転状態のとき通路連通制御弁５２が開かれていたことにより各排気通路内に生じていた排気の停滞を一旦解消させ、それと同時に吸気弁開閉位相を最大限に進めることにより吸気の充填効率の上昇を図るためである。その後、運転がＷＧ領域に入るところで、通路連通制御弁５２が再び開かれ、過給が過剰になることが回避される。尚、加速が終了したら吸気弁開閉位相は遅角されてよい。
【００２９】
低トルクであって機関回転数が比較的高い状態より機関出力を増大させるときには、経路Ｂにより示す如く、トルクが上昇すると運転は直ぐにＷＧ領域に入るので、通路連通制御弁５２は当初の開いた状態をそのまま保持されればよい。この場合には、吸気弁開閉位相は当初の幾分進角した状態からそのまま遅角されればよい。
【００３０】
図５は、上記の経路Ａによる機関出力増大に際して、途中で通路連通制御弁５２を一旦閉じると共に、吸気弁開閉位相を最大進角位置まで進めるに当たっての制御の更なる改善を図ることを示すグラフである。この場合、通路連通制御弁５２を一旦閉じるのは、上記の通り低トルク運転状態のとき通路連通制御弁５０が開かれていたことにより各排気通路内に生じていた排気の停滞を一旦解消させ、吸気弁開閉位相を最大限に進めることによる吸気充填効率の上昇効果を高めるためであるが、通路連通制御弁５２の開閉速度は吸気弁開閉位相変更装置４４により吸気弁開閉位相を進角させる速度よりも遅いので、通路連通制御弁５２の閉弁制御と吸気弁開閉位相変更装置４４の進角制御とを同時に開始したのでは、並列排気通路間の干渉による排気の停滞が解消されない状態で吸気弁の開閉位相が進められ、気筒内に於ける残留排気の割合が増大し、スモーキング、ノッキング、異常燃焼等が生ずる虞れがある。そこで、吸気弁開閉位相変更装置４４による吸気弁開閉位相の進角は、通路連通制御弁５０が実際に閉じられた時とされるよう、吸気弁開閉位相変更装置４４の作動を破線より実線にて示す如く修正することが行われれば、図中破線にて示されている如き気筒内残留排気の増大を来たすことなく、それを実線にて示す如く低減させることができる。
【００３１】
以上に於いては本発明を一つの実施の形態について詳細に説明したが、かかる実施の形態について本発明の範囲内にて種々の変更が可能であることは当業者にとって明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明による多気筒内燃機関の構造を解図的に示す概略図。
【図２】並列排気通路の途中を選択的に連通する通路連通制御弁一例についてより詳細に示す概略図。
【図３】内燃機関の運転領域をその回転数と出力トルクにより示すグラフ。
【図４】図３に矢印にて示す２つの機関運転状態の変化経路ＡおよびＢによる作動態様の変化を示す表。
【図５】図３の経路Ａによる機関出力増大に際して、途中で通路連通制御弁を一旦閉じると共に、吸気弁開閉位相を最大進角位置まで進めるに当たっての制御の更なる改善を示すグラフ。
【符号の説明】
【００３３】
１０…シリンダブロック、１２a，１２b，１２c．１２d…気筒、１４，１６…サブマニホールド、１８，２０…排気通路、２２…タービン、２４…排気導管、２６…触媒コンバータ、２８…エアクリーナ、３０…吸気導管、３２…圧縮機、３４…吸気導管、３６…インタークーラ、３８…吸気導管、４０…スロットル弁、４２…吸気マニホールド、４４…吸気弁開閉位相変更装置、４６…電子式車輌運転制御装置、４８…吸気弁開閉位相センサ、５０…吸気温センサ、５２…通路連通制御弁、５４…共通通路壁、５６…孔、５８…弁板、６０…弁軸、６２…アクチュエータ
【図１】
2005330836.tif 000003
【図２】
2005330836.tif 000004
【図３】
2005330836.tif 000005
【図４】
2005330836.tif 000006
【図５】
2005330836.tif 000007