(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒毎の排気通路が、ターボ過給機のタービンに通じる第１排気通路と上記タービンを通らない下流側排気通路に通じる第２排気通路とに分けられ、第１排気通路を開閉する第１排気弁の開弁時期が第２排気通路を開閉する第２排気弁の開弁時期よりも早くなるように設定されているターボ過給機付エンジンであって、
エンジンの最高出力回転数域を含む高速域では、上記各排気弁の開閉タイミングを、第１排気弁がピストン下死点前に開いて排気行程後半に閉じ、第２排気弁が排気行程前半に開いてピストン上死点以後に閉じ、両排気弁の開弁期間がオーバラップする開弁オーバラップ期間の中心が排気行程の中期となるようにし、
エンジンの低速域では高速域と比べて第１排気弁の開弁期間及びバルブリフト量を大きく、かつ第２排気弁の開弁期間及びバルブリフト量を小さくするように、
上記各排気弁のバルブリフト特性を運転状態に応じて変更するバルブリフト特性可変手段を設けたことを特徴とするターボ過給機付エンジン。
【請求項２】
上記ターボ過給機は、最高過給圧規制用のウエストゲートバルブがエンジンの最高出力回転数の１／２以下の低速側で開弁する低速過給性能の高い小型過給機であることを特徴とする請求項１記載のターボ過給機付エンジン。
【請求項３】
少なくとも最高出力回転数域において上記第１排気弁の開弁から上記第２排気弁の閉弁までの総排気期間に対して上記開弁オーバラップ期間が１／３以上となるように設定したことを特徴とする請求項１または２記載のターボ過給機付エンジン。
【請求項４】
少なくとも最高出力回転数域において上記第１排気弁の開弁期間が上記開弁オーバラップ期間の２倍よりも短くなるように設定したことを特徴とする請求項１または２記載のターボ過給機付エンジン。
【請求項５】
少なくとも最高出力回転数域において上記第１排気弁のみが開いている期間と上記開弁オーバラップ期間と上記第２排気弁のみが開いている期間とが、いずれも、上記第１排気弁の開弁から上記第２排気弁の閉弁までの総排気期間に対して３０％以上となるように設定したことを特徴とする請求項１または２記載のターボ過給機付エンジン。
【請求項６】
各気筒に対して上記第１，第２の２つの排気弁と２つの吸気弁とを設け、上記第１，第２排気弁をともに吸気弁の弁径よりも大径としたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のターボ過給機付エンジン。
【請求項７】
エンジンがディーゼルエンジンである請求項１〜６のいずれかに記載のターボ過給機付エンジン。
【請求項８】
エンジンが直噴式ガソリンエンジンであって、少なくとも低速低負荷域及び低速高負荷域でリーンバーン運転を行うようにしたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のターボ過給機付エンジン。
【請求項９】
排気通路の下流側に触媒装置を備え、第２排気通路からタービンに通らずに下流側へ流れる排気ガス及びタービンをバイパスするウエストゲート通路に流れる排気ガスが上記触媒装置に導かれるように構成したことを特徴とする請求項８記載のターボ過給機付エンジン。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかに記載のターボ過給機エンジンと無段変速機とを備え、定常走行ラインが低速高負荷側の過給域を通るように上記無段変速機の変速制御特性を設定したことを特徴とするターボ過給機付エンジン搭載車のパワーユニット。
【請求項１１】
少なくとも低速高負荷側の過給域でリーンバーン運転を行うようにしたことを特徴とする請求項１０記載のターボ過給機付エンジン搭載車のパワーユニット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターボ過給機を備えるとともに、気筒毎の排気通路を分割してその一部の排気通路を通る排気ガスのみがタービンに導かれるようにしたターボ過給機付エンジンと、これを用いたパワーユニットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、排気通路に設けられたタービンと、吸気通路に設けられて上記タービンに連結されたコンプレッサとで構成されるターボ過給機により、吸気の過給を行うようにしたターボ過給機付エンジンは一般に知られており、この種のターボ過給機において燃費改善等を図る構造は種々提案されている。
【０００３】
例えば特公昭６３−４４９３６号公報には、ターボ過給機のタービンに排気を導く第１の排気通路に加え、上記タービンを通らない下流側排気通路に排気を導く第２の排気通路を形成し、第１の排気通路を開閉する排気弁を通常の排気弁開閉タイミングで開閉させるとともに、第２の排気通路を開閉する第３弁を排気行程の後期に開くようにしたターボ過給機付エンジンが示されている。
【０００４】
この過給機付エンジンは、比較的高速側の運転域で過給能力が高くなるような通常のターボ過給機を用いた場合の高速高負荷域での排圧上昇を抑制するものであって、一般の過給機付エンジンに設けられているウエストゲートバルブを用いた過給圧制御手段の代りに、上記第３弁により排気行程後期に排気ガスの一部を上記第２の排気通路に流出させて、タービンを通さずに排出させるようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報に示されている従来の過給機付エンジンにおいては、第１の排気通路を開閉する排気弁が一般のエンジンの排気弁と略同様に排気行程の期間中開いているのに対し、上記第３弁は排気行程後期に開かれ、かつ、開弁期間及びバルブリフト量が上記排気弁と比べてかなり小さく設定されている。なお、上記第３弁は開閉時期が進角装置により遅進されて、高速もしくは高負荷運転時ほど進角されるようになっているが、その進角状態のときでも排気行程後期に開弁し、かつ開弁期間及びバルブリフト量が上記排気弁と比べてかなり小さいことに変りはない。
【０００６】
このような過給機付エンジンによると、低速域での出力向上に有利な小型ターボ過給機を用いた場合等に、高速出力等の面で課題が残されていた。
【０００７】
すなわち、一般に用いられているターボ過給機では低速域で過給性能が低下し易く、これと比べ、タービンの厚さや径を小さくした小型ターボ過給機を用いれば、排気流量の少ない低速域でもタービンに流入する排気ガスの圧力が高められることにより過給性能が高められる。ところが、このように低速域で過給性能が高い小型ターボ過給機を用いると、排気流量の多い高速域で排圧の上昇により排気ポンピングロスの増大を招き易く、上記従来装置のようにタービンを通らない第２の排気通路及びこの通路を開閉する第３弁を設けた構造による場合でも、第３弁の開弁時期が排気行程後半で、かつ、開弁期間及びバルブリフト量が上記排気弁と比べてかなり小さいため、排圧の上昇を充分に抑制できない。このため、結局、ウエストゲートバルブを多用せざるを得なくなり、ウエストゲートバルブから高圧の排気のエネルギーが排出されることによるロスが増大し、高速出力の向上があまり期待できなくなる。
【０００８】
本発明は、上記の事情に鑑み、低速過給性能向上に有利な小型ターボ過給機を用いた場合等でも、高速域における排気ポンピングロスを抑制して高速出力性能を向上することができるターボ過給機付エンジンを提供し、またこのターボ過給機付エンジンを用いて出力性能及び燃費性能等の向上に有利なパワーユニットを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、気筒毎の排気通路が、ターボ過給機のタービンに通じる第１排気通路と上記タービンを通らない下流側排気通路に通じる第２排気通路とに分けられ、第１排気通路を開閉する第１排気弁の開弁時期が第２排気通路を開閉する第２排気弁の開弁時期よりも早くなるように設定されているターボ過給機付エンジンであって、エンジンの最高出力回転数域を含む高速域では、上記各排気弁の開閉タイミングを、第１排気弁がピストン下死点前に開いて排気行程後半に閉じ、第２排気弁が排気行程前半に開いてピストン上死点以後に閉じ、両排気弁の開弁期間がオーバラップする開弁オーバラップ期間の中心が排気行程の中期となるようにし、エンジンの低速域では高速域と比べて第１排気弁の開弁期間及びバルブリフト量を大きく、かつ第２排気弁の開弁期間及びバルブリフト量を小さくするように、上記各排気弁のバルブリフト特性を運転状態に応じて変更するバルブリフト特性可変手段を設けたものである。
【００１０】
このエンジンによると、最高出力回転数域を含む高速域では、排気行程で上記第１排気弁のみが開弁している期間、及び開弁オーバラップ期間の途中までの期間に、排気ガスが主に第１排気通路からタービンに導かれ、ブローダウンエネルギーが有効にタービンに与えられる一方、開弁オーバラップ期間の途中から第２排気弁が閉じるまでの間は排気ガスが主に第２排気通路からタービンを通らない下流側排気通路に導かれる。このため、最高出力回転数域でも充分に排気ポンピングロスが低減され、過給による出力向上が有効に達成される。
【００１１】
また、各排気弁のバルブリフト特性を運転状態に応じて変更するバルブリフト特性可変手段を設け、エンジンの低速域では高速域と比べて第１排気弁の開弁期間及びバルブリフト量を大きく、かつ第２排気弁の開弁期間及びバルブリフト量を小さくするようにしていることにより、低速域での過給作用が高められる。
【００１２】
とくに、ターボ過給機が、最高過給圧規制用のウエストゲートバルブがエンジンの最高出力回転数の１／２以下の低速側で開弁する低速過給性能の高い小型過給機であると（請求項２）、この過給機によって低速出力が高められるとともに、上記のように最高出力回転数域において排気ポンピングロスが低減され、高速出力も充分に高められる。
【００１３】
この発明のエンジンにおける各排気弁の開閉タイミングの好ましい設定としては、少なくとも最高出力回転数域において上記第１排気弁の開弁から上記第２排気弁の閉弁までの総排気期間に対して上記開弁オーバラップ期間が１／３以上となるように設定する（請求項３）。
【００１４】
また、少なくとも最高出力回転数域において上記第１排気弁の開弁期間が上記開弁オーバラップ期間の２倍よりも短くなるように設定する（請求項４）。
【００１５】
また、少なくとも最高出力回転数域において上記第１排気弁のみが開いている期間と上記開弁オーバラップ期間と上記第２排気弁のみが開いている期間とが、いずれも、上記第１排気弁の開弁から上記第２排気弁の閉弁までの総排気期間に対して３０％以上となるように設定する（請求項５）。
【００１６】
このような設定によると、燃焼室内の排気ガスが第１排気通路に流出する状態から第２排気通路に流出する状態への移行がスムーズに行われ、排気ポンピングロスの低減等の作用が良好に得られる。
【００１７】
各気筒に対して上記第１，第２の２つの排気弁と２つの吸気弁とを設け、上記第１，第２排気弁をともに吸気弁の弁径よりも大径としておけば（請求項６）、第１排気弁のみが開いている期間や第２排気弁のみが開いている期間にも、燃焼室からの排気ガスの流出が良好に行われる。
【００１８】
本発明のターボ過給機付エンジンをディーゼルエンジンに適用すれば（請求項７）、ディーゼルエンジンは拡散燃焼が行われることによりガソリンエンジンと比べて低速高負荷域でノッキングが生じにくいことから、小型ターボ過給機を用いること等による低速高負荷域での高過給化が有効に達成される。そして、低速高負荷域での高過給化により、スモークが低減され、出力向上とともに燃費及びエミッションが改善される。
【００１９】
また、本発明のターボ過給機付エンジンを直噴式ガソリンエンジンに適用し、少なくとも低速低負荷域及び低速高負荷域でリーンバーン運転を行うようにすれば（請求項８）、燃費が改善されるとともに、リーン化によりノッキングが抑制されて、とくに低速高負荷域で高過給が行われつつリーンバーン運転されることで出力及び燃費性能が向上される。
【００２０】
さらにこのエンジンにおいて、排気通路の下流側に触媒装置を備え、第２排気通路からタービンに通らずに下流側へ流れる排気ガス及びタービンをバイパスするウエストゲート通路に流れる排気ガスが上記触媒装置に導かれるように構成すれば（請求項９）、触媒装置が暖機しにくいリーン運転状態でも、上記第２排気通路及びウエストゲート通路から、タービンに熱が奪われない排気ガスが触媒装置へ導かれ、触媒装置の暖機が促進される。
【００２１】
上記のようなターボ過給機付エンジンと無段変速機とを備え、定常走行ラインが低速高負荷側の過給域を通るように上記無段変速機の変速制御特性を設定したターボ過給機付エンジン搭載車のパワーユニットによると（請求項１０）、過給等により低速高負荷域の低燃費化が促進され、かつ、その低速高負荷側の低燃費領域の使用頻度が高められる。
【００２２】
このパワーユニットにおいて、少なくとも低速高負荷側の過給域でリーンバーン運転を行うようにすれば（請求項１１）、燃費がより一層改善される。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２４】
図１は本発明の一実施形態によるターボ過給機付エンジンとこれを用いたパワーユニットを示している。当実施形態のエンジンはディーゼルエンジンであり、最高出力回転数は４０００ｒｐｍ程度となっている。
【００２５】
この図において、１はエンジン本体であって、複数の気筒（図示の例では４気筒）を備えており、このエンジン本体１と吸気系及び排気系等でエンジンが構成されている。また、１０はターボ過給機であって、排気通路中に介設されたタービン１１と、このタービン１１にシャフト１３を介して連結されて吸気通路中に介設されたコンプレッサ１２とで構成されている。
【００２６】
上記エンジン本体１の各気筒の燃焼室２には、燃料噴射ポンプから供給される燃料を噴射する噴射ノズル（図示省略）が具備されるとともに、気筒毎の排気通路３Ａ，３Ｂの上流端側の排気ポート４Ａ，４Ｂ及び気筒毎の吸気通路６の下流端側の吸気ポート７が燃焼室２に開口している。気筒毎の排気通路は、第１排気通路３Ａと第２排気通路３Ｂとに分けられ、これら第１，第２排気通路３Ａ，３Ｂの各上流端側の第１，第２排気ポート４Ａ，４Ｂが燃焼室２に開口し、この第１，第２排気ポート４Ａ，４Ｂに第１，第２排気弁５Ａ，５Ｂが配設されている。また、当実施形態では吸気ポート７も各気筒に２つずつ配設され、各吸気ポート７にそれぞれ吸気弁８が配設されている。
【００２７】
排気系において、気筒毎の各第１排気通路３Ａは集合され、その集合部下流の第１集合排気通路１５Ａが上記タービン１１の排気入口側に接続されている。上記タービン１１の排気出口側には、タービン下流側排気通路１６が接続されている。また、気筒毎の各第２排気通路３Ｂは集合され、その集合部下流の第２集合排気通路１５Ｂは、上記タービン１１を通らずに、下流端部が上記タービン下流側排気通路１６に合流している。
【００２８】
上記タービン１１の排気入口側の上流と排気出口側の下流との間には、タービン１１をバイパスするウエストゲート通路１７が形成され、このウエストゲート通路１７に最高過給圧規制用のウエストゲートバルブ１８が介設されている。このウエストゲートバルブ１８はダイヤフラム装置等からなるアクチュエータ１９により過給圧等に応じて作動されるようになっている。
【００２９】
一方、吸気系においては、エアクリーナ２２を介して吸気を導入する上流側吸気通路２１がターボ過給機１０のコンプレッサ１２の吸気入口側に接続されるとともに、ターボ過給機１０のコンプレッサ１２の吸気出口側に接続された吸気通路２３がインタークーラ２４を経てサージタンク２５に達しており、サージタンク２５の下流側に気筒毎の吸気通路６が配設されている。
【００３０】
また、当実施形態のエンジンにおいて用いられているターボ過給機１０は低速過給性能の高い小型ターボ過給機からなっており、この小型ターボ過給機は、高速側で過給性能が高くなる通常のターボ過給機と比べ、タービン１１の径もしくは厚さまたはその両方が小さくされることにより、比較的排気量の少ない低速域でもタービン上流側の排気圧力が上昇して排気エネルギーが与えられ易い構造となっている。このような小型ターボ過給機によると、エンジンの最高出力回転数の１／２以下の低速域で過給圧の上昇に応じてウエストゲートバルブ１８が開かれ、典型的なものでは最高出力回転数の４０％以下（最高出力回転数が４０００ｒｐｍのディーゼルエンジンでは１６００ｒｐｍ程度）でウエストゲートバルブ１８が開かれ始める。
【００３１】
上記エンジンの出力軸には変速機が接続されて、エンジンと変速機とでパワーユニットが構成される。当実施形態ではこのパワーユニットにおける変速機が無断変速機３０からなっている。この無断変速機３０は、例えば入力側プーリ３１と出力側プーリ３２とこれらのプーリ３１，３２間に懸け渡されたベルト３３とを備えるとともに、上記両プーリ３１，３２のプーリ比の変更によって変速比を無段階に変更し得るようになっている。無断変速機３０の出力側には終減速機３５が接続され、この終減速機３５に車軸３６を介して車輪３７が連結されている。なお、無断変速機３０は、上記のような構造のものに限らず、例えばトロイダル型変速機等も採用し得る。
【００３２】
図２は燃焼室２に対する吸・排気ポートの開口部分及び吸・排気弁を示しており、この図のように、当実施形態では、第１排気弁５Ａと第２排気弁５Ｂの弁径が略同一（両排気ポート４Ａ，４Ｂの開口面積が略同一）とされるとともに、各排気弁５Ａ，５Ｂの弁径が各吸気弁８の弁径よりも大（排気ポート４Ａ，４Ｂの開口面積が吸気ポート７の開口面積よりも大）となっている。
【００３３】
上記ターボ過給機付エンジンにおける第１排気弁５Ａ、第２排気弁５Ｂ及び吸気弁８の開閉タイミング（高速域での開閉タイミング）を、図３によって説明する。なお、以下の説明において、ＢＤＣはピストン下死点、ＴＤＣはピストン上死点をそれぞれ意味し、またＢＢＤＣは下死点前、ＡＢＤＣは下死点後、ＢＴＤＣは上死点前、ＡＴＤＣは上死点後をそれぞれ意味する。また開弁時期、閉弁時期、開弁期間、開弁オーバラップ期間などをいうときの角度はクランク角である。
【００３４】
上記第１排気弁５Ａは、ＢＤＣより前に開かれて、排気行程後半（ＡＢＤＣ９０°からＴＤＣまでの間）に閉じられ、第２排気弁５Ｂは、排気行程前半（ＢＤＣからＡＢＤＣ９０°までの間）に開かれてＴＤＣまたはそれより後に閉じられる。上記各排気弁５Ａ，５Ｂは、開弁期間及びリフト量が略同一とされることにより、開口面積比が略同一とされている。そして、第１排気弁５Ａの開弁から第２排気弁５Ｂの閉弁までの総排気期間に対して上記開弁オーバラップ期間が１／３以上となり、また、第１排気弁５Ａの開弁期間が開弁オーバラップ期間の２倍よりも短くなるように設定されている。あるいは、第１排気弁５Ａのみが開いている期間と、上記開弁オーバラップ期間と、第２排気弁５Ｂのみが開いている期間とが、いずれも、上記総排気期間の３０％以上となるように設定されている。
【００３５】
要するに、第１排気弁５Ａのみが開いている期間と、上記開弁オーバラップ期間と、第２排気弁５Ｂのみが開いている期間とが略同等となるように、第１，第２排気弁５Ａ，５Ｂの開閉タイミングが設定されている。具体的に一例を示すと、第１排気弁５Ａの開弁時期ＶＯ１がＢＢＤＣ５０°、同閉弁時期ＶＣ１がＢＴＤＣ６０°、第２排気弁５Ｂの開弁時期ＶＯ２がＡＢＤＣ３０°、同閉弁時期ＶＣ２がＡＴＤＣ１０°となっている。従って、第１排気弁５Ａの開弁期間は１７０°、第２排気弁５Ｂの開弁期間は１６０°、開弁オーバラップ期間は９０°である。そして、当実施形態では、上記各排気弁５Ａ，５Ｂのバルブリフト特性が一定となっている。
【００３６】
吸気弁８の開閉タイミングは一般のエンジンと同程度であり、例えば開弁時期ＩＯがＴＤＣ付近、閉弁時期ＩＣがＡＢＤＣ４０°に設定されている。
【００３７】
また、上記パワーユニットにおける無段変速機３０の変速比制御特性は、低速高負荷側の過給域で定常走行が行われるように設定されている。すなわち、無段変速機３０の制御においては、出力回転数及びスロットル開度等に応じた変速比制御のマップが設定され、このマップに基づいて変速比の制御が行われ、この場合に、無段変速機３０は変速比制御特性の設定の自由度が比較的高い。そして、後に詳述するように、低速高負荷側の過給領域では燃費率が低くなることから、図８に示すように、定常走行ラインが低速低負荷側から低速高負荷側の過給領域を通って高速高負荷側に至るように、変速比制御特性が設定されている。
【００３８】
以上のような当実施形態による作用を、次に説明する。
【００３９】
排気行程では、先ずＢＤＣ以前に第１排気弁５Ａが開弁し、総排気期間のうちの最初の１／３程度の期間（上記具体例によるとＢＢＤＣ５０°〜ＡＢＤＣ３０°の期間）は第１排気弁５Ａのみが開いていて、この期間に燃焼室２から流出する排気ガスは全て第１排気通路３Ａを通ってタービン１０に送られる。次いで、排気行程前半に第２排気弁５Ｂが開弁し、さらに排気行程後半に第２排気弁５Ａが閉弁し、その間の開弁オーバラップ期間（上記具体例によるとＡＢＤＣ３０°〜ＢＴＤＣ６０°の期間）は両排気弁５Ａ，５Ｂが開いていて、排気ガスが第１排気通路３Ａと第２排気通路３Ｂとに分流する状態となる。ただし、開弁オーバラップ期間の途中までは第１排気弁５Ａに比べて第２排気弁５Ｂのバルブリフト量が小さいために排気ガスが第１排気通路３Ａに多く流れる。
【００４０】
こうして、排気行程初期から上記開弁オーバラップ期間の途中までの期間に燃焼室２から流出する排気ガスは主にタービン１１に導かれ、排気ガスのブローダウンエネルギーが有効にタービン１１に与えられる。
【００４１】
上記開弁オーバラップ期間の途中からは第２排気弁５Ｂのバルブリフト量が大きくなることにより排気ガスが第２排気通路３Ｂに多く流れ、また、第１排気弁５Ａが閉弁してからＴＤＣもしくはそれより後の時期までの期間（上記具体例によるとＢＴＤＣ６０°〜ＡＴＤＣ１０°の期間）は、第２排気弁５Ｂのみが開いていて、この期間に燃焼室２から流出する排気ガスは全て第２排気通路３Ｂに流れる。こうして、開弁オーバラップ期間の途中から排気行程終期までの期間には、排気ガスが主に第２排気通路３Ｂから第２集合排気通路１５Ｂを経て、タービン１１を通らずにその下流の排気通路１６へ流れる。
【００４２】
このようにして、ターボ過給機１０に排気エネルギーが与えられつつ、排圧上昇が抑制され、とくに、上記ターボ過給機１０として、ウエストゲートバルブがエンジンの最高出力回転数の１／２以下の低速側で開弁するような低速過給性能の高い小型過給機が用いられるとともに、各排気弁５Ａ，５Ｂの開閉タイミングが上記のように設定されていることにより、低速出力が向上されるとともに、高速域でも排気ポンピングロスが充分に抑制されて高速出力が確保される。
【００４３】
このような作用を、図４〜図８を参照しつつ、より詳しく説明する。
【００４４】
図４は排気行程中の筒内圧力の変化を示している。この図において、θ１は排気弁開時期であり、この時期から排気流出に伴って筒内圧力が低下し、排気行程終期に排気通路内の排気圧力Ｐ２（約２Kgf/cm2）と同程度にまで下がる。この筒内圧力変化の過程において、筒内圧力が上記排気圧力Ｐ２の２倍程度の臨界圧Ｐ１（約４Kgf/cm2）以上である間は、排気通路側の圧力変動がピストンに与える排気抵抗に殆ど影響を及ぼさず、つまりこの期間に排気通路側の圧力が上昇しても排気ポンピングロスは殆ど増加しない。そして、当実施形態のようなターボ過給機付エンジンにおいて、最高出力回転数域（４０００ｒｐｍ程度）では、排気弁開時期から約１２０°で上記臨界圧Ｐ１となる。
【００４５】
従って、図３に示すように各排気弁５Ａ，５Ｂの開閉タイミングが設定されていると、最高出力回転数域では、筒内圧力が上記臨界圧Ｐ１となる時期θ２が開弁オーバラップ期間の途中となり、この時期θ２までの期間は排気ガスが主にタービン１１に送られて、タービン１１の抵抗により排気通路の圧力が上昇するものの筒内圧力が上記臨界圧よりも高いためピストンに与える排気抵抗の増加を招かず、またこの時期θ２以後の、筒内圧力が臨界圧よりも低くなる期間は排気ガスが主に第２排気通路３Ｂに流れてタービン１１を通らないため排気通路の圧力が低くなり、排気ポンピングロスが低減される。なお、前記の特公昭６３−４４９３６号公報に示されている排気弁開閉タイミングによると、第２排気通路を開閉する弁の開時期が、最高出力回転数域で筒内圧力が上記臨界圧Ｐ１となる時期θ２よりもかなり遅いため、高速域で排気ポンピングロスの増大を招くこととなる。
【００４６】
また、図５は上記第１排気弁５Ａの開弁期間Ａと第２排気弁５Ｂの開弁期間Ｂとの比（Ａ／Ｂ）と、ポンピングロス（Ｐfp）、過給圧（Ｐin）及び平均有効圧（Ｐｅ）との関係を示している。このデータは、開弁オーバラップ期間は９０°とし、最高出力回転数域（４０００ｒｐｍ程度）での全負荷の場合について、シミュレーションで求めたものである。
【００４７】
この図のように、上記比（Ａ／Ｂ）が大きくなる（第１排気弁５Ａの開弁期間の割合が大きくなる）につれ、過給圧（Ｐin）及びポンピングロス（Ｐfp）が大きくなるが、Ａ／Ｂ＝１を越えるあたりから、ウエストゲートバルブ１８の開度が大きくなって過給圧（Ｐin）は横ばいとなり、平均有効圧（Ｐｅ）は緩やかに低下する。従って、上記比（Ａ／Ｂ）を１付近とし、つまり第１排気弁５Ａの開弁期間と第１排気弁５Ｂの開弁期間とを同程度とすることが、高速出力向上に有利となる。
【００４８】
図６は、両排気弁５Ａ，５Ｂの開弁オーバラップ期間の大きさと、ポンピングロス（Ｐfp）、過給圧（Ｐin）及び平均有効圧（Ｐｅ）との関係を、最高出力回転数域（４０００ｒｐｍ程度）での全負荷の場合について示している。
【００４９】
この図のように、開弁オーバラップ期間が小さくなると、燃焼室２内の排気ガスが第１排気通路３Ａに流出する状態から第２排気通路３Ｂに流出する状態への移行がスムーズに行われないため筒内圧力が上昇してポンピングロス（Ｐfp）が増加するとともに、第１排気弁５Ａの開弁期間が相対的に小さくなるため過給圧（Ｐin）も上昇しない。そして、開弁オーバラップ期間を大きくしていくと、９０°程度で過給圧（Ｐin）が最も高くなる。開弁オーバラップ期間が９０°よりもさらに大きくなれば、第２排気通路３Ｂへ排気ガスが流出し易くなるので過給圧（Ｐin）が次第に低下するが、ポンピングロス（Ｐfp）も低下するので、平均有効圧（Ｐｅ）の急激な落ち込みはない。
【００５０】
図７はエンジン回転数に応じた全負荷時の平均有効圧の変化の特性を、上記第１排気弁５Ａの開弁期間割合（総排気期間に対する第１排気弁５Ａの開弁期間の割合）を種々変えた場合について示している。この図において、Ｐe1は上記開弁期間割合が６０％の場合の特性、Ｐe2は上記開弁期間割合が７０％の場合の特性、Ｐe3は上記開弁期間割合が８０％の場合の特性であり、これらの場合のいずれにおいても開弁オーバラップ期間は９０°としている。また、Ｐe0は高速側で過給性能が高くなる通常のターボ過給機を用いた一般的なターボ過給機付エンジンによる特性である。
【００５１】
この図のように、通常のターボ過給機を用いた一般的なターボ過給機付エンジンによると、低速域での出力が低い（Ｐe0）。また、小型ターボ過給機を用いて図１のように排気系を構成したエンジンにおいては、上記開弁期間割合を小さくするとタービン１１への排気エネルギーの供給が少なくなるため過給性能が充分に高められず（Ｐe1）、一方、上記開弁期間割合を大きくし過ぎると低速出力は高められるが高速域では排気ポンピングロスが増大するために出力が低下する（Ｐe3）。そして、この図によると上記開弁期間割合を７０％程度とすることにより、低速から高速までにわたって出力を高めることができるような最適な特性が得られる（Ｐe2）。
【００５２】
これら図４〜図７に示すデータから理解されるように、両排気弁５Ａ，５Ｂの開閉タイミングを図３のように設定し、つまり両排気弁５Ａ，５Ｂの開弁期間を同程度とするとともに、第１排気弁５ＡがＢＤＣ前に開いて排気行程後半に閉じ、第２排気弁５Ｂが排気行程前半に開いてＴＤＣ以後に閉じるようにして、開弁オーバラップ期間の中心が排気行程の中期となり、かつ、開弁オーバラップが総排気期間の３０％以上（好ましくは９０°程度）となるように設定すれば、小型ターボ過給機の特質を生かして低速出力を高めつつ、高速域でも充分に出力を高めることができる。
【００５３】
この場合、上記のようなバルブ開閉タイミングの設定とともに、上記両排気弁５Ａ，５Ｂの弁径が同程度とされ、かつ、各排気弁５Ａ，５Ｂの弁径が吸気弁８の弁径よりも大きくされることにより、第１排気弁５Ａのみが開いている期間や第２排気弁５Ｂのみが開いている期間にも燃焼室２からの排気の流出が良好に行われ、過給性能の向上及び排気ポンピングロス低減等の作用が有効に発揮される。
【００５４】
また、ディーゼルエンジンに適用した当実施形態によると、ディーゼルエンジンは拡散燃焼が行われることによりガソリンエンジンと比べて低速高負荷域でノッキングが生じにくいことから、低速高負荷域での高過給化に有利であり、このような低速高負荷域での高過給化により、スモークが低減され、燃費及びエミッションも改善される。しかも、ディーゼルエンジンは最高出力回転数が４０００ｒｐｍ程度とガソリンエンジンと比べて低いので、小型ターボ過給機を用いた場合の最高出力回転域での排気ポンピングロス抑制にも有利である。
【００５５】
さらに、このエンジンと無段変速機とが組み合わされて、無段変速機の変速比制御特性が図８のように設定されることにより、燃費性能がより一層向上される。具体的に説明すると、同図中に細い実線で示した曲線は等燃費率ラインであって、この図のように燃費率の低い領域（ｂmin ）は低速高負荷域にあり、とくに、等実施形態のエンジンでは上記のように低速高負荷域での高過給化によりこの領域でのより一層の低燃費化が図られる。そして、このように低速高負荷域での低燃費化が図られつつ、定常走行ラインがこの領域を通るように無段変速機の変速比制御特性が設定されていることにより、低燃費領域での運転の頻度が高められる。
【００５６】
なお、実施の形態における以上の説明では、第１排気弁５Ａ及び第２排気弁５Ｂのバルブリフト特性については図３に示す設定のみを説明しているが、次に説明する実施形態では、図９に示すように、バルブリフト特性可変手段４０を設け、運転状態に応じて第１排気弁５Ａ及び第２排気弁５Ｂのバルブリフト特性を変更するようにしている。
【００５７】
すなわち、上記バルブリフト特性可変手段４０は、例えば第１排気弁５Ａに対して高速用及び低速用の２種のカム４１，４２をカムシャフトに配設し、カム４１，４２と排気弁５Ａとの間のロッカーアーム等に、一方のカム４１で排気弁５Ａを駆動する状態と他方のカム４２で排気弁５Ａを駆動する状態とに切換える連係切換機構を設け、また、同様に第２排気弁５Ｂに対して高速用及び低速用の２種のカム４３，４４をカムシャフトに配設し、カム４３，４４と排気弁５Ｂとの間のロッカーアーム等に、連係切換機構を設けている。
【００５８】
そして、図１１に示すように、所定境界ラインより高速側の領域では高速用のカム４１，４３により高速用バルブリフト特性で排気弁５Ａ，５Ｂが駆動され、所定境界ラインより低速側の領域では低速用のカム４２，４４により低速用バルブリフト特性で排気弁５Ａ，５Ｂが駆動される。
【００５９】
上記高速用バルブリフト特性は図１０中に実線（Ｖ１H，Ｖ２H）で示すように設定され、つまり、前記の実施形態のバルブリフト特性（図３）と同様に、第１排気弁５ＡがＢＤＣ前に開いて排気行程後半に閉じ、第２排気弁５Ｂが排気行程前半に開いてＴＤＣ以後に閉じ、かつ、開弁オーバラップ期間の中心が排気行程の中期となるように設定されている。一方、上記低速用バルブリフト特性は図１０中に破線（Ｖ１L，Ｖ２L）で示すように設定され、つまり、第１排気弁５ＡがＢＤＣ前からＴＤＣ以後までにわたる総排気期間だけ開かれる一方、第２排気弁５Ｂは実質的に開かず、バルブの閉固着を避けるための作動だけを行うようになっている。
【００６０】
なお、ターボ過給機、排気通路及び吸気通路等の構成は図１に示す実施形態と同様であるため、図９ではこれらの図示を省略する。
【００６１】
当実施形態によると、高速域では第１排気弁５Ａ及び第２排気弁５Ｂが上記高速用バルブリフト特性で作動され、前記実施形態と同様の作用で過給が行われつつ排気ポンピングロスが低減される。また、低速域では、第１排気弁５Ａが総排気期間だけ開かれる一方、第２排気弁５Ｂが実質的に開かれないため、総排気期間中に燃焼室２から流出する排気ガスはタービンに導かれ、低速域での過給作用が高められる。
【００６２】
図１２は本発明のさらに別の実施形態を示し、この実施形態では本発明を直噴式のガソリンエンジンに適用している。すなわち、エンジンの各気筒の燃焼室には、点火プラグ５１が設けられるとともに、燃焼室内に直接燃料を噴射供給するインジェクタ５２が設けられている。上記インジェクタ５２からの燃料噴射量はコントロール（ＥＣＵ）５３により制御される。このＥＣＵ５３は、吸入空気量を検出するエアフローメータ５４、エンジン回転数を検出する回転数センサ５５、空燃比を検出するリニアＯ2 センサ５６等からの信号を受け、運転状態に応じた目標空燃比となるようにインジェクタ５２からの燃料噴射量を制御する。
【００６３】
上記ＥＣＵ５３による空燃比制御は、少なくとも低速高負荷時にリーンバーン運転を行うようにし、具体的には、低回転低負荷側の領域で成層燃焼を行わせることにより空燃比を大幅にリーンとする一方、低回転高負荷域でも過給により出力性能を満足し得るようにしながら空燃比を理論空燃比よりリーンに設定している。
【００６４】
ターボ過給機１０、排気通路及び吸気通路等の構成は図１に示した実施形態とほぼ同様であって、気筒別に第１，第２排気通路３Ａ，３Ｂが形成されてその上流側の第１，第２排気ポート４Ａ，４Ｂに第１，第２排気弁５Ａ，５Ｂが設けられるとともに、各第１排気通路３Ａが集合した第１集合排気通路１５Ａがタービン１１に接続され、各第２排気通路３Ｂが集合した第２集合排気通路１５Ｂはタービン１１を通らずに下流端がタービン下流側排気通路１６に接続されており、また、最高過給圧規制のため、タービン１１をバイパスするウエストゲート通路１７及びウエストゲートバルブ１８が設けられている。
【００６５】
さらに、上記タービン下流側排気通路１６には、ウエストゲート通路１７及び第２集合排気通路１５Ｂが合流する部分より下流側に、排気浄化用の触媒装置５７が設けられている。
【００６６】
上記各排気弁５Ａ，５Ｂは前記の実施形態と同様に図３に示すようなバルブリフト特性で作動され、あるいは、図９〜図１１に示すように運転状態に応じて高速用と低速用のバルブリフト特性に変更される。
【００６７】
また、当実施形態でもエンジンに接続される変速機は無段変速機３０からなり、かつ、図８のように定常走行ラインが低速高負荷域を通るように変速比制御特性が設定されている。
【００６８】
この実施形態によっても、小型ターボ過給機１０が用いられることによって低速出力が高められるとともに、上記のように各排気弁５Ａ，５Ｂのバルブリフト特性等が設定されることにより高速域での出力も充分に確保される等の作用は、前記の実施形態と同様である。
【００６９】
さらに当実施形態では、低速高負荷域で、高過給化が図られつつリーバーンが行われることにより、燃費性能が大幅に向上される。その上、この低速高負荷の低燃費領域で定常運転が行われるように無段変速機３０の変速比制御特性が設定されていることにより、低燃費領域の使用頻度が高められる。
【００７０】
また、このように過給が行われるとともに低速の高過給域までリーンバーンが行われるエンジンでは、リーンバーンによって排気温度上昇が妨げられるとともに、タービン通過時に排気ガス温度が低下するため、排気通路中に設けられる触媒装置５７の暖機性が阻害され易いという傾向がある。これに対し、当実施形態のように、小型ターボ過給機１０を用いることでウエストゲートバルブ１８が低速域から開かれるようにするとともに、タービン１１を通らないウエストゲート通路１７及び第２集合排気通路１５Ｂの合流部分の下流に触媒装置５７を設けておけば、低速域でも上記ウエストゲート通路１７及び第２集合排気通路１５Ｂから比較的高温の排気ガスが触媒装置５７に導かれ、触媒装置５７の暖機が促進される。
【００７１】
【発明の効果】
以上のように本発明は、ターボ過給機のタービンに通じる第１排気通路と、上記タービンを通らない下流側排気通路に通じる第２排気通路と、各排気通路を開閉する第１排気弁及び第２排気弁を備えるとともに、エンジンの最高出力回転数域を含む高速域では、第１排気弁がピストン下死点前に開いて排気行程後半に閉じ、第２排気弁が排気行程前半に開いてピストン上死点以後に閉じ、かつ、両排気弁の開弁期間がオーバラップする開弁オーバラップ期間の中心が排気行程の中期となるように設定しているため、ブローダウンエネルギーを上記タービンに有効に与えるようにしつつ、最高出力回転数域でも排気ポンピングロスを充分に低減し、有効に出力を向上することができる。また、エンジンの高速域では上記各排気弁の開弁期間及びバルブリフト量を略同一とする一方、エンジンの低速域では高速域と比べて第１排気弁の開弁期間及びバルブリフト量を大きく、かつ第２排気弁の開弁期間及びバルブリフト量を小さくするようにしているため、低速域での過給作用を高めることができる。
【００７２】
とくに、低速過給性能の高い小型ターボ過給機を用いつつ、排気通路の構成及び第１，第２排気弁の開閉タイミングの設定を上記のようにすれば、上記小型ターボ過給機によって低速域での過給作用が高められるとともに、この小型ターボ過給機を用いる場合に生じ易い高速域での排気ポンピングロス増大による出力低下を有効に防止することができ、高速出力も充分に高めることができる。
【００７３】
より具体的には、少なくとも最高出力回転数域において上記開弁オーバラップ期間が総排気期間の１／３以上となるように設定し、あるいは、少なくとも最高出力回転数域において上記第１排気弁のみが開いている期間と上記開弁オーバラップ期間と上記第２排気弁のみが開いている期間とが、いずれも、上記第１排気弁の開弁から上記第２排気弁の閉弁までの総排気期間に対して３０％以上となるように設定することにより、上記効果が充分に発揮される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態によるターボ過給機付エンジンの全体概略図である。
【図２】  第１，第２排気弁と吸気弁の配置及び大きさの関係を示す要部概略平面図である。
【図３】  第１排気弁、第２排気弁及び吸気弁のバルブリフト特性を示す図である。
【図４】  排気弁開弁後の筒内圧力の変化を示す図である。
【図５】  両排気弁の開弁期間の比と過給圧、ポンピングロス及び平均有効圧との関係を示す図である。
【図６】  開弁オーバラップ期間と過給圧、ポンピングロス及び平均有効圧との関係を示す図である。
【図７】  エンジン回転数と平均有効圧との関係を、第１排気弁の開弁期間割合等を種々変えた場合について示す図である。
【図８】  無段変速機の変速比制御による定常走行ラインと等燃費率ラインを示す図である。
【図９】  各排気弁のバルブリフト特性を可変とした実施形態を示す要部の概略図である。
【図１０】  バルブリフト特性可変とする場合の各排気弁の高速用と低速用のバルブリフト特性を示す図である。
【図１１】  バルブリフト特性を運転状態に応じて変更する場合の領域設定を示す図である。
【図１２】  本発明のさらに別の実施形態を示すターボ過給機付エンジンの全体概略図である。
【符号の説明】
１  エンジン本体
２  燃焼室
３Ａ  第１排気通路
３Ｂ  第２排気通路
５Ａ  第１排気弁
５Ｂ  第２排気弁
１０  ターボ過給機
１１  タービン
１２  コンプレッサ
１７  ウエストゲート通路
１８  ウエストゲートバルブ
３０  無段変速機
４０  バルブリフト特性可変手段
５７  触媒装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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