(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の運転領域では、吸気バルブと排気バルブの各開弁期間が排気上死点付近でオーバーラップするように前記吸気バルブと前記排気バルブのそれぞれの開閉タイミングを変更可能に構成されたエンジンと、
前記エンジンに設けられた複数の気筒の各排気ポートに対応して独立して接続され、独立排気通路を有する排気マニホールドと、
前記排気マニホールドの各独立排気通路の下流側が１つに集合した集合部と、
前記集合部の下流側に接続された排気ターボ過給機と、
少なくとも所定のエンジン低速運転領域では、エゼクタ効果を奏するべく、前記集合部と前記排気マニホールドとの間で当該独立排気通路の出口の有効開口面積を最大値よりも縮小する独立排気絞りモードで運転される可変排気バルブと、
前記独立排気絞りモードで可変排気バルブが作動するエンジン低速運転領域と、前記排気ターボ過給機が作動する過給運転領域との重複領域で前記エンジンが運転される場合には、未燃燃料が前記エンジンから排出されて前記排気ターボ過給機の上流側で燃焼されるように、少なくとも空燃比を可燃範囲内で理論空燃比よりもリッチにし且つ前記吸気バルブと前記排気バルブの各開弁期間がオーバーラップするオーバーラップ量を予め設定された範囲以上に拡大する後燃えモードで前記エンジンの混合気の燃焼を制御する燃焼制御手段と
を備えている
ことを特徴とする過給機付エンジンシステム。
【請求項２】
請求項１記載の過給機付エンジンシステムにおいて、
前記エンジンの吸気通路に設けられた電動過給機と、
前記後燃えモードで前記エンジンの混合気の燃焼が制御される際に当該吸気バルブと排気バルブの各開弁期間がオーバーラップするオーバーラップ量が所定のトルク停留範囲にある場合には、前記電動過給機を作動制御する電動過給制御手段と
を備えている
ことを特徴とする過給機付エンジンシステム。
【請求項３】
請求項１または２記載の過給機付エンジンシステムにおいて、
前記燃焼制御手段は、前記後燃えモードにおいて、前記吸気バルブと前記排気バルブの各開弁期間がオーバーラップするオーバーラップ量をクランク角度で少なくとも９０°以上に制御するものである
ことを特徴とする過給機付エンジンシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は過給機付エンジンシステムに関し、特に排気ターボ過給機を備えた過給機付エンジンシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの出力トルク増大を図る手段として、吸気圧力を増大させる過給装置が知られている。その代表的なものとして排気ターボ過給機がよく知られている。例えば、特許文献１に開示されている排気ターボ過給機は、排気通路に設けられたタービンスクロールと吸気通路に設けられたコンプレッサスクロールとをシャフトで連結したものであり、排気ガスでタービンスクロールを回転させることによりコンプレッサスクロールを駆動し、吸気圧を上昇させるように構成されている。
【０００３】
特許文献１に開示されている排気ターボ過給機は、広い運転領域でのトルクアップと燃費向上との両立を図るため、タービンのノズル部に可変ベーンを備えた構成を開示している。この可変ベーンは、部分負荷運転領域では、低圧の過給圧で開閉制御されることにより、タービンスクロールに流入する排気の流量を抑制して背圧を低減し、燃費低下を抑制する一方、高負荷側では、高圧の過給圧で開閉制御されることにより、タービンスクロールに流入する排気の流量を増量し、出力アップを図るように構成されている。
【特許文献１】特開平９−１１２２８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般的に、小型の排気ターボ過給機はエンジン低速運転領域でのトルクを増大させ、大型の排気ターボ過給機はエンジン高速運転領域でのトルクを増大させる。そこで、高回転域での過給性能を高めるため、排気ターボ過給機の大型化が進んでいる。
【０００５】
しかるに、近年では、高回転域での過給性能に併せて、低速運転領域での燃費の低減や出力向上の要請も一段と高まっている。
【０００６】
大型の排気ターボ過給機を採用し、エンジン低速運転領域での過給性能を高める方法としては、排気ターボ過給機を電気的に駆動する電動過給機等を採用することが一般的であるが、エンジン低速運転領域（例えば、２０００ｒｐｍ以下）での過給要請は、比較的頻繁であるため、そのたびに電動過給機等を駆動することは、バッテリの消耗が大きくなり好ましくない。
【０００７】
本発明は上記不具合に鑑みてなされたものであり、可及的に電動過給機等の稼働率を低減しつつ、広いエンジン運転領域にわたって高い過給性能を発揮することのできる過給機付エンジンシステムを提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明は、所定の運転領域では、吸気バルブと排気バルブの各開弁期間が排気上死点付近でオーバーラップするように前記吸気バルブと前記排気バルブのそれぞれの開閉タイミングを変更可能に構成されたエンジンと、前記エンジンに設けられた複数の気筒の各排気ポートに対応して独立して接続され、独立排気通路を有する排気マニホールドと、前記排気マニホールドの各独立排気通路の下流側が１つに集合した集合部と、前記集合部の下流側に接続された排気ターボ過給機と、少なくとも所定のエンジン低速運転領域では、エゼクタ効果を奏するべく、前記集合部と前記排気マニホールドとの間で当該独立排気通路の出口の有効開口面積を最大値よりも縮小する独立排気絞りモードで運転される可変排気バルブと、前記独立排気絞りモードで可変排気バルブが作動するエンジン低速運転領域と、前記排気ターボ過給機が作動する過給運転領域との重複領域で前記エンジンが運転される場合には、未燃燃料が前記エンジンから排出されて前記排気ターボ過給機の上流側で燃焼されるように、少なくとも空燃比を可燃範囲内で理論空燃比よりもリッチにし且つ前記吸気バルブと前記排気バルブの各開弁期間がオーバーラップするオーバーラップ量を予め設定された範囲以上に拡大する後燃えモードで前記エンジンの混合気の燃焼を制御する燃焼制御手段とを備えていることを特徴とする過給機付エンジンシステムである。この態様では、所定のエンジン低速運転領域では、独立排気通路の出口の有効開口面積を最大値よりも縮小する独立排気絞りモードに可変排気バルブが切り換わることによって、排気マニホールドの出口においてエゼクタ効果を得ることができる。エゼクタ効果とは、ノズルから噴射した駆動流体の速度エネルギーの一部を圧力エネルギーに変換し、当該圧力エネルギーにより被吸引流体を吸引排出することをいう。このエゼクタ効果によって、比較的低速低負荷運転領域であっても、排気ターボ過給機の入力流量（排気ターボ過給機に供給される単位時間当たりの排気の量）を増加することができる。また、エゼクタ効果によるブローダウンピークの高まりによって、動圧過給効果や掃気性の向上を促進することができる。
【０００９】
加えて、独立排気絞りモードで可変排気バルブが作動するエンジン低速運転領域と、排気ターボ過給機が作動する過給運転領域との重複領域でエンジンが運転される場合には、未燃燃料が排気ターボ過給機の上流側で燃焼されるように混合気の燃焼条件が設定されるので、この設定によっていわゆる「後燃え」現象が生じる。この後燃え現象は、空燃比を可燃範囲内で理論空燃比よりもリッチにし、吸気バルブと排気バルブの開タイミングがオーバーラップするオーバーラップ量を増加すると、未燃燃料が吸気バルブと排気バルブのオーバーラップ期間中に排出され、さらにエゼクタ効果によるブローダウンピークの高まりによって高圧状態で周囲の空気と混合されて、排気ターボ過給機の上流側で燃焼する現象をいう。独立排気絞りモードでの運転中において、オーバーラップ量を増加すると、最初は、オーバーラップ量の増加に伴って掃気される既燃ガスが増加するので、掃気による充填効率が向上し、出力が向上するが、オーバーラップ量がある値以上になると、気筒に残る新気の充填量がオーバーラップによる吹き抜け量と比例しなくなり、出力は横ばいになる。ところが、出力が横ばいになった後もオーバーラップ量を増加し続けると、今度は、未燃燃料が排気通路に排出され、排出された未燃燃料が排気ターボ過給機の上流側で燃焼することによって、後燃え現象が生じることが見出されたのである。後燃え現象が生じると、排気の圧力が高まるので、その分、過給圧が上昇し、過給性能を大幅にアップすることができる。従って、比較的大型の排気ターボ過給機を採用した場合であっても、エンジンの低速運転領域で大きな過給性能を得ることができるようになる。
【００１０】
好ましい態様において、前記エンジンの吸気通路に設けられた電動過給機と、前記後燃えモードで前記エンジンの混合気の燃焼が制御される際に当該吸気バルブと排気バルブの各開弁期間がオーバーラップするオーバーラップ量が所定のトルク停留範囲にある場合には、前記電動過給機を作動制御する電動過給制御手段とを備えている。この態様では、後燃え現象が生じないオーバーラップ量で吸気バルブおよび排気バルブが作動している場合には、電動過給機が作動し、過給圧を上昇して出力の不足分を補うことができる。上述したように、独立排気絞りモードでの運転中においてオーバーラップ量を増加すると、掃気性が向上するオーバーラップ量と後燃え現象によって過給性能が向上するオーバーラップ量との間に、掃気性が飽和し、且つ後燃え現象が生じるに至らないトルク停留範囲が生じる場合がある。そこで、本態様では、そのようなトルク停留範囲で吸気バルブおよび排気バルブが作動している間には、電動過給機によって過給能力を補って、広い運転領域で高い出力を維持することができるようにしているのである。しかも、電動過給機が作動する運転領域は、上述のトルク停留範囲だけでよいので、電動過給機の稼働率を必要最小限に低減することができる。
【００１１】
好ましい態様において、前記燃焼制御手段は、前記後燃えモードにおいて、前記吸気バルブと前記排気バルブの各開弁期間がオーバーラップするオーバーラップ量をクランク角度で少なくとも９０°以上に制御するものである。この態様では、後燃えモードで運転されるべき運転状態において、高い確率で後燃え現象を生じ、過給性能を高めて出力の向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように本発明では、所定の運転領域では、後燃えモードでエンジンの混合気の燃焼が制御されるので、当該運転領域で実行される独立排気絞りモードによる掃気の向上や過給入力流量の増加等による過給性能の向上効果と相俟って、後燃え現象による過給性能の向上により、一層、燃費の低下や出力の向上を図ることができる。従って、本発明によれば、可及的に電動過給機等の稼働率を低減しつつ、広いエンジン運転領域にわたって高い過給性能を発揮することができるという顕著な効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施の形態について説明する。
【００１４】
図１は、図１の実施の形態に係る過給機付エンジンシステム（以下エンジンと略称する）の概略構成図である。また図２は、図１の部分側断面図である。
【００１５】
過給機付エンジンシステムは直列４気筒４サイクルのエンジン１を備えている。
【００１６】
エンジン１のシリンダブロック２には第１〜第４気筒３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ（これらを総称するときは気筒３という）が一水平線上に配設されている。各気筒３の構成は共通で、図２に示すように燃焼室４の上部には吸気Ｗｉを吸入するための吸気ポート６と排気Ｗｅを排出するための排気ポート８とが設けられている。吸気ポート６にはこれを開閉する吸気バルブ７が、排気ポート８にはこれを開閉する排気バルブ９が、それぞれ設けられている。さらに図略のシリンダヘッドには、燃焼室４の頂部に火花を発生させる点火プラグ５が設けられている。その他、燃料噴射弁１０（図２参照）を含む図略の燃料供給手段が適宜位置に設けられている。
【００１７】
エンジン１の運転状態を検出するために、エンジン１には、クランク角度センサＳＮ１、エンジン水温センサＳＮ２、エアフローセンサＳＮ３、吸気温度センサＳＮ４が設けられている。また、このエンジン１を搭載した車両の運転状態を検出するために、車両には、アクセル開度センサＳＮ５、車速センサＳＮ６等が設けられている。
【００１８】
また本実施形態のエンジン１は、一般的な４気筒エンジンと同様、各気筒３が、クランク角１８０度（以下１８０°ＣＡと表記する）ごとに順次点火時期を迎えるように互いに各行程をずらして運転されている。点火順序はいわゆる＃１→＃３→＃４→＃２（＃ｘは第ｘ気筒であることを示す）である。表１に、各気筒３の行程の遷移を示し、図３にタイミングチャートを示す。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
表１並びに図３を参照して、各行は第１気筒３ａ〜第４気筒３ｄ、各列は１８０°ＣＡ毎の行程の遷移を示す。表１に示すように、例えば第１気筒３ａが膨張行程にあるとき、第２気筒３ｂは排気行程、第３気筒３ｃは圧縮行程、第４気筒３ｄは吸気行程にある。
【００２１】
なお図２は、第１気筒３ａが膨張行程から排気行程への移行期（下死点付近）にある状態を示している。このとき、排気バルブ９が開いて排気Ｗｅが燃焼室４から排気ポート８へ排出され始める（ブローダウン）。
【００２２】
また表１並びに図３に示すように、第１気筒３ａがブローダウンを開始しているときに第２気筒３ｂは、排気行程から吸気行程への移行期（上死点付近）にある。この移行期において、図示のように吸気バルブ７と排気バルブ９とが共に開弁している期間、いわゆるオーバーラップ期間が設けられている。
【００２３】
各気筒３の排気ポート８には、排気マニホールド１６の上流側を形成する４つの独立排気通路１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄが接続されている。
【００２４】
図２に示すように、排気マニホールド１６の独立排気通路１６ａ〜１６ｄの上流端には図略のシリンダヘッドに固定されるフランジ１６ｅが設けられ、このフランジ１６ｅを介して排気マニホールド１６の独立排気通路１６ａ〜１６ｄは、第１〜第４気筒３ａ〜３ｄの排気ポート８にそれぞれ接続されている。各独立排気通路１６ａ〜１６ｄは、全長にわたってφ３６ｍｍの円と同面積の開口面積Ｓ１に設定されている。
【００２５】
図４は図１の実施の形態に係る要部を示す外観斜視図である。図５は図１の実施の形態に係る要部を拡大して示す外観斜視図である。
【００２６】
図１、図４、図５に示すように、第１排気通路１６ａおよび第４排気通路１６ｄは、その全長にわたって独立状態を維持するが、第２排気通路１６ｂと第３排気通路１６ｃとは、その下流側で集合され、補助集合排気通路１６ｂｃとなっている。従って排気マニホールド１６の下流端付近では３つの独立排気通路（第１排気通路１６ａ、補助集合排気通路１６ｂｃ、第４排気通路１６ｄ）が形成されている。第１、第４排気通路１６ａ、１６ｄおよび補助集合排気通路１６ｂｃは、第１排気通路１６ａと第４排気通路１６ｄとが補助集合排気通路１６ｂｃを両側から挟むように浅い角度で（略平行が好ましい）並列配置されており、全体として排気マニホールド１６を構成する。以下、特に記す場合を除き、独立排気通路とは下流側の３つの独立排気通路を指すものとする。
【００２７】
第１排気通路１６ａと第４排気通路１６ｄ、および第２排気通路１６ｂと第３排気通路１６ｃとはそれぞれ互いに対称形状となっている。従って、第１排気通路長さＬａと第４排気通路長さＬｄとは略等しくなっている。また、補助集合排気通路１６ｂｃの長さを含めた第２排気通路１６ｂの長さを第２排気通路長さＬｂ、補助集合排気通路１６ｂｃの長さを含めた第３排気通路１６ｃの長さを第３排気通路長さＬｃとした場合、第２、第３排気通路長さＬｂ、Ｌｃは、それぞれ第１排気通路長さＬａと略等しくなるように構成されている。
【００２８】
さらに本実施形態において、第１排気通路長さＬａは２００ｍｍ乃至はそれ以下となるように構成されている。また第１通路容積Ｖａと第４通路容積Ｖｄとは略等しい。さらに、補助集合排気通路１６ｂｃの体積を含めた第２排気通路１６ｂの体積を第２排気通路容積Ｖｂ、補助集合排気通路１６ｂｃの体積を含めた第３排気通路１６ｃの体積を第３排気通路容積Ｖｃとした場合、第２、第３排気通路容積Ｖｂ、Ｖｃは、それぞれ第１排気通路容積Ｖａと略等しくなるように構成されている。
【００２９】
排気マニホールド１６の下流側には、取付フレーム１７が設けられており、図５に示すように、この取付フレーム１７が各独立排気通路１６ａ、１６ｂｃ、１６ｄの出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄを区画している。各出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄは、上流側の独立排気通路１６ａ、１６ｂｃ、１６ｄと同様に、φ３６ｍｍの円形断面積と同面積の開口面積Ｓ１に設定されている。
【００３０】
排気マニホールド１６は、取付フレーム１７を介して可変排気バルブ３０のハウジング３１に接続されている。
【００３１】
可変排気バルブ３０は、上記３つの独立排気通路１６ａ、１６ｂｃ、１６ｄの独立状態を維持しつつ、各出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄの有効開口面積Ｓ２を変更するバルブである。ここで有効開口面積Ｓ２とは、排気Ｗｅが各出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄを流通することのできる出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄ毎の開口面積をいい、以下の説明では、この有効開口面積Ｓ２と等しい円の直径を有効開口径Ｄ２という。詳しくは後述するように、可変排気バルブ３０は、エゼクタ効果による過給性能の向上等を図るために設けられている。ここでエゼクタ効果とは、ノズルから噴射した駆動流体の速度エネルギーの一部を圧力エネルギーに変換し、当該圧力エネルギーにより被吸引流体を吸引排出することをいう。このエゼクタ効果によって、本実施形態においては、詳しくは後述するように、比較的低速低負荷運転領域であっても、排気ターボ過給機５０の入力流量（排気ターボ過給機５０に供給される単位時間当たりの排気の量）を増加するとともに、ブローダウンピークの高まりによって、動圧過給効果や掃気性の向上を促進することができるようになっている。
【００３２】
図６は、図１の実施形態に係る可変排気バルブ３０の概略構成を示す斜視図であり、（Ａ）は閉弁時、（Ｂ）は開弁時の状態を示すものである。
【００３３】
図４および図６を参照して、可変排気バルブ３０は、排気マニホールド１６と排気ターボ過給機５０との間に介在するハウジング３１と、ハウジング３１内に収容され、排気マニホールド１６の出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄの有効開口面積Ｓ２を変更するフラップ３５と、フラップ３５が排気Ｗｅの流れる方向と交差する軸周りで揺動するようにハウジング３１に軸支されたフラップ軸３７と、フラップ軸３７を回転させるモータ等のアクチュエータ３８と、フラップ軸３７を介してフラップ３５を開弁方向に付勢するリターンスプリング３９とを備えている。
【００３４】
ハウジング３１の上流端には、取付フレーム１７が固定されており、これによって、ハウジング３１には、排気マニホールド１６の第１独立排気通路１６ａ、第４独立排気通路１６ｄ、並びに補助集合排気通路１６ｂｃの各出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄが並列された状態で接続されている。
【００３５】
ハウジング３１の下流端側には、フランジ３１ａが設けられ、このフランジ３１ａを介して排気ターボ過給機５０のハウジング５１と接合されている。ハウジング３１は、排気ターボ過給機５０のレイアウトの都合上、途中で下方に曲げられている。排気ターボ過給機５０の設置位置によってはこのような曲げは不要である。また異なる曲げ角であってもよい。
【００３６】
ハウジング３１内のフランジ３１ａよりも上流側には、各独立排気通路１６ａ、１６ｂｃ、１６ｄからの排気Ｗｅが合流する集合部３１ｃが区画されている。この集合部３１ｃの上流側には、当該ハウジング３１内を流れる排気Ｗｅの主流に直交して上方に膨出する膨出部３１ｂが形成されており、フラップ３５は、フラップ軸３７の軸周りに回動することによって膨出部３１ｂ内に進退可能な状態で収容されている。
【００３７】
図６を参照して、フラップ３５は、軽量化のために内部が空洞になっている中空体であり、その外周には、フラップ軸３７を扇の要とする扇形の扇状面３６を有する。フラップ３５が膨出部３１ｂから下方に突出するように回動すると、扇状面３６は、ハウジング３１に接続された排気マニホールド１６の各出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄに対向し、排気マニホールド１６から排出された排気Ｗｅの流量を絞る位置に変位する（図６（Ａ）参照）。他方、フラップ３５が膨出部３１ｂ内に入り込む位置に回動すると、扇状面３６は、各出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄを開く位置に変位する（図６（Ｂ）参照）。
【００３８】
本実施形態では、可変排気バルブ３０が全閉位置にある場合でも、僅かな排気Ｗｅ（例えば、全排気流の２０％）が集合部３１ｃに流れるように構成されている。
【００３９】
本実施形態では、排気Ｗｅの主流において、フラップ軸３７よりも上流側で扇状面３６が各出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄの有効開口面積Ｓ２を調整するように構成されている。また、フラップ軸３７の水平線を通る直径が、可及的に集合部３１ｃの内側に臨むように配置されている。従って、排気Ｗｅが扇状面３６に当接することによってフラップ３５に作用するフラップ軸３７回りのトルクは、排気流を遮る板状のベーンがその回動軸よりも上流側にある構成に比べて小さくなり、ブローダウンによって排気流速Ｑｅが大きい運転状況でも、振動しにくくなっている。
【００４０】
ハウジング３１の膨出部３１ｂの側部には、ウエストゲート用開口３１ｅが形成されている。ウエストゲート用開口３１ｅは、フラップ３５が図６（Ｂ）に示す所定の開閉位置から全開位置に至る範囲で各出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄと連通する。ウエストゲート用開口３１ｅは、ハウジング３１の側部に形成された図略のウエストゲートバルブ機構によって開閉制御されるようになっている。なお、ウエストゲートバルブ機構自身は、周知の構成をそのまま流用することができるので、その詳細について説明は省略する。
【００４１】
図１、図２、並びに図４に示すように、ウエストゲート用開口３１ｅは、排出通路６１を介して、排気ターボ過給機５０をバイパスし、主排気通路６０の触媒６３の上流側に接続されている。より詳細に説明すると、本実施形態において、触媒６３は、排気ターボ過給機５０の直下に配置され、排気ターボ過給機５０に接続された主排気通路６０は、当該排気ターボ過給機５０と触媒６３との間に湾曲部６０ａを形成している。そして、この湾曲部６０ａの円弧方向外周側に排出通路６１の下流端が接続されることによって、ウエストゲート通路としての排出通路６１の下流端は、主排気通路６０に接続されている。なお本実施形態において、排出通路６１には、クーラ６４が設けられている。また、本実施形態では、触媒６３の温度状態を検出するために、排気温度センサＳＮ７が適所に設けられ、排気Ｗｅの温度によって触媒６３の温度状態を検出することができるようになっている。本実施形態において、触媒６３は、３成分触媒コンバータ（TWC）である。３成分触媒コンバータは、エンジン からの排気ガス中の炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物を効率的に除去するものであり、その活性温度は、例えば２００℃〜２５０℃である。
【００４２】
次に、可変排気バルブ３０のハウジング３１（集合部３１ｃ）の下流側には、排気ターボ過給機５０が接続されている。図１にも示すように、排気ターボ過給機５０は、可変排気バルブ３０と主排気通路６０との間に接続されて、排気マニホールド１６からの排気Ｗｅを主排気通路６０に導くハウジング５１と、このハウジング５１内の主排気通路６０上流端に配置されたタービンスクロール５４と、吸気通路８０に設けられたコンプレッサスクロール５２と、このコンプレッサスクロール５２と連結されるシャフト５３とを備えたものであり、排気Ｗｅでタービンスクロール５４を回転させることによりコンプレッサスクロール５２を駆動し、吸気Ｗｉを圧縮して吸気圧を上昇させる装置である。なお本実施形態の排気ターボ過給機５０は、主に高速運転領域においてトルク増大作用の強い大型ターボである。
【００４３】
本実施形態においては、排気ターボ過給機５０の回転速度を検出するための回転速度センサＳＮ８が設けられている（図１参照）。
【００４４】
次に、エンジン１の吸気通路８０には、スロットルバルブ８１が設けられており、このスロットルバルブ８１によって吸気流量が調整されるようになっている。
【００４５】
スロットルバルブ８１と排気ターボ過給機５０のコンプレッサスクロール５２との間には、インタークーラ８２が配設されており、このインタークーラ８２とスロットルバルブ８１との間には、電動過給機８３が設けられている。この電動過給機８３は、電気モータにより直接駆動されるインペラ等で構成されている。さらに吸気通路８０には、インタークーラ８２の下流側から電動過給機８３をバイパスしてスロットルバルブ８１の上流側に連通するバイパス通路８４が設けられている。このバイパス通路８４には、図略のアクチュエータにより駆動されてこのバイパス通路８４の空気流通量を調節する吸気制御バルブ８５が設けられている。
【００４６】
また図１に示すように、エンジン１には可変バルブタイミング機構１２が設けられている。本実施形態の可変バルブタイミング機構１２は、吸気バルブ７および排気バルブ９の開弁期間を維持したまま、バルブ開閉弁時期を平行移動圧に前後させる、いわゆるＶＶＴ（Variable Valve Timing）である。ＶＶＴの方式としては、バルブタイミングを連続的に変化させるものでも、２以上の段階的に変化させるものでもよい。
【００４７】
なお本実施形態の可変バルブタイミング機構１２は、吸気側の吸気ＶＶＴ１２ｉ（吸気バルブタイミング変更手段）と排気側の排気ＶＶＴ１２ｅ（排気バルブタイミング変更手段）とを備え、吸気バルブ７と排気バルブ９の双方においてバルブタイミングを変化させることができるように構成されている。
【００４８】
エンジン１の動作は、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ：Engine Control Unit）２０によって電気的に制御される。エンジン制御ユニット２０は、ＣＰＵ、メモリ、カウンタタイマー群、インターフェース並びにこれらのユニットを接続するバス等を有するマイクロプロセッサで構成された制御ユニットである。
【００４９】
図１で説明したように、エンジン制御ユニット２０には、入力要素として、クランク角度センサＳＮ１、エンジン水温センサＳＮ２、エアフローセンサＳＮ３、吸気温度センサＳＮ４、アクセル開度センサＳＮ５、車速センサＳＮ６、排気温度センサＳＮ７、回転速度センサＳＮ８等の各種検出手段が接続されている。他方、制御要素として、燃料噴射弁１０を含む図略の燃料供給手段、スロットルバルブ８１のアクチュエータ（図示せず）、可変バルブタイミング機構１２に設けられた電磁弁（図示せず）、可変排気バルブ３０のアクチュエータ３８、電動過給機８３、吸気制御バルブ８５のアクチュエータ（図示せず）等が接続されている。
【００５０】
かかる構成により、エンジン制御ユニット２０は、燃料供給量、スロットル開度或いは点火時期といった燃焼制御を実行する燃焼制御手段として機能する。この燃焼制御手段としてのエンジン制御ユニット２０は、可変バルブタイミング機構１２の駆動制御を行う。加えて、エンジン制御ユニット２０は、可変排気バルブ３０を駆動制御する可変排気バルブ制御手段としても機能する。
【００５１】
図７は、図１の実施の形態に係る運転状態に応じた制御を行うための運転領域の設定例を示す特性図である。図７において、横軸はエンジン回転速度Ｎｅ（ｒｐｍ）、縦軸は要求トルクτ（Ｎ・ｍ）を示す。また、特性ＷＯＴは最大負荷トルク（エンジン全開運転領域）を示す。特性ＮＡを境に高負荷側の過給運転領域Ｒ１０、Ｒ１１、Ｒ２０、Ｒ２１と、低負荷側の自然吸気運転領域Ｒ１２、Ｒ２２が設定されている。
【００５２】
図７を参照して、本実施形態において、各運転領域Ｒ１０〜Ｒ２２のうち、低速側の過給運転領域Ｒ１０および自然吸気運転領域Ｒ１２では、独立排気絞りモードが実行されるように設定されている。独立排気絞りモードとは、可変排気バルブ制御手段としてのエンジン制御ユニット２０が可変排気バルブ３０を駆動し、独立排気通路１６ａ、１６ｂｃ、１６ｄの各出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄの有効開口面積Ｓ２を最大面積時（可変排気バルブ３０が全開のときの開口面積）よりも縮小させる制御であり、具体的にはエンジン制御ユニット２０が可変排気バルブ３０のアクチュエータ３８に開度信号を送り、アクチュエータ３８がフラップ軸３７を回転駆動してフラップ３５の回転角度を調節する制御である。独立排気絞りモードでは、運転領域に応じて、可変排気バルブ３０を全閉にしたり、要求負荷が大きくなるほど有効開口面積Ｓ２を絞るように変更したりすることができるように構成されている。本実施形態では、所定の低回転速度（例えば、２０００ｒｐｍ）以下の過給運転領域Ｒ１１では、負荷が高くなるほど、有効開口面積Ｓ２を低減する調整制御が実行される。また、運転領域Ｒ２０、Ｒ２１、Ｒ２２では、有効開口面積Ｓ２が全開に設定される。
【００５３】
次に、運転領域が低速側の過給運転領域Ｒ１０または過給運転領域Ｒ１１（図示の例では、２０００ｒｐｍ以下の過給運転領域）である場合、エンジン制御ユニット２０は、いわゆる後燃えモードでオーバーラップ量と燃料噴射量を制御する。この後燃えモードとは、未燃燃料がエンジン１から排出されて排気ターボ過給機５０の上流側で燃焼されるように、少なくとも空燃比を可燃範囲内で理論空燃比よりもリッチにし、オーバーラップ量を予め設定された範囲以上に拡大する運転モードをいう。
【００５４】
図８は、本実施形態に係る後燃え現象を説明するためのグラフである。図８において、横軸はクランク角度で示すオーバーラップ量（オーバラップ期間）ＯＬ、縦軸は出力（ＫＰａ）を示す。
【００５５】
図８を参照して、独立排気絞りモードでの運転中において、オーバーラップ量ＯＬを増加すると、最初は、オーバーラップ量ＯＬの増加に伴って掃気される既燃ガスが増加するので、掃気による充填効率が向上し、出力が向上するが、オーバーラップ量ＯＬがある量以上になると、気筒に残る新気の充填量がオーバーラップによる吹き抜け量と比例しなくなり、出力は横ばいになる（トルク停留範囲）。ところが、出力が横ばいになったトルク停留範囲を超えてオーバーラップ量ＯＬを増加し続けると、今度は、未燃燃料が排気通路に排出され、排出された未燃燃料が排気ターボ過給機の上流側で燃焼することによって、後燃え現象が生じることが見出されたのである。
【００５６】
このような後燃え現象が生じると、排気通路内での燃焼によって過給圧が高まるため、過給性能が大幅に向上し、エンジン１の出力向上や燃費低減が顕著になる。また、排気温度も高くなるので、触媒６３の活性化に寄与することも可能となる。そのため、本実施形態では、エンジン１の運転状態に応じて、積極的に後燃え現象を利用し、出力向上や排気浄化性能の向上を図ることとしているのである。
【００５７】
図９は、オーバーラップ量ＯＬとエンジン回転速度Ｎｅとの関係を示すグラフである。図９において、横軸はエンジン回転速度Ｎｅ（ｒｐｍ）、縦軸は、クランク角度で示すオーバーラップ量ＯＬである。
【００５８】
本件発明者が鋭意研究した結果、後燃え現象が生じるために必要なオーバーラップ量ＯＬは、エンジン回転速度Ｎｅが大きくなるほど、小さくなり、例えば１５００ｒｐｍの場合には、９０°ＣＡ以上であれば、後燃え現象が生じることが明らかになった。従って、図７に示した運転領域において、過給運転領域Ｒ１０、Ｒ１１で後燃えモードに切り換えられた場合、エンジン制御ユニット２０は、開弁期間ＩＮ、ＥＸのオーバーラップ量ＯＬを９０°ＣＡ以上に設定し、エンジン１を制御する。
【００５９】
次に、後燃えモードにおける吸気バルブ７と排気バルブ９のオーバーラップは、排気バルブ９を遅閉じにして、排気上死点の前後に設定することが好ましい。
【００６０】
図１０は、排気特性図であり、（Ａ）は独立排気絞りモード（可変排気バルブが全閉の場合）、（Ｂ）は通常の運転モード（可変排気バルブが全開の場合）である。図１０において、横軸は第１気筒３ａのクランク角度θ（ｄｅｇ：上死点を０°ＣＡとする）であり、縦軸は排気圧力（ＫＰａ）と開弁期間（ｍｍ）を示す。また、吸気バルブ７と排気バルブ９の開弁期間をそれぞれＩＮ、ＥＸで示す。
【００６１】
図１０（Ａ）を参照して、独立排気絞りモードでのブローダウン特性は、エゼクタ効果による排気の吸い出し効果によって、他の気筒のブローダウンピークの影響を殆ど受けることはない。そのため、出力向上の観点から排気バルブ９の閉弁タイミングを遅角し、排気上死点の前後で開弁期間ＥＸ、ＩＮをオーバーラップさせることが好ましい。
【００６２】
他方、図１０（Ｂ）に示すように、可変排気バルブが全閉の場合の排気圧力は、他の気筒のブローダウンピークの影響を受けてしまうので、開弁期間ＥＸ、ＩＮが排気上死点以降にオーバーラップすると、排気圧力が過給圧を上回ってしまい、掃気ができなくなるおそれがある。
【００６３】
そこで、本実施形態では、図７に示す過給運転領域Ｒ２０でのみ比較的大きなオーバーラップ量ＯＬ（例えば６５°ＣＡ）を採用し、運転領域Ｒ１２、Ｒ２１、Ｒ２２では、可及的にオーバーラップ量ＯＬを小さく（例えば、０°ＣＡ〜４０°ＣＡに）設定するようにしている。運転領域Ｒ１２、Ｒ２０〜Ｒ２２で吸気開弁期間ＩＮと排気開弁期間ＥＸをオーバーラップさせる場合、そのオーバーラップ量ＯＬは、エンジン回転速度Ｎｅが高いほど排気バルブ９の閉弁時期を遅らせ、吸気バルブ７の開弁時期を進めることによって拡大される（排気ＶＶＴ１２ｅか吸気ＶＶＴ１２ｉの何れか一方で行ってもよい）。具体的なオーバーラップ量ＯＬは、エンジン１毎に、実験等に基づいて適切な値を定め、マップ化してエンジン制御ユニット２０のメモリに記憶されており、運転状況に応じて記憶されたマップからオーバーラップ量ＯＬを読み出すことにより制御することとしている。
【００６４】
次に後燃えモードでは、燃料噴射量を調整して、空燃比が可燃範囲でリッチ（Ａ／Ｆが例えば１４．０〜１２．７）に設定される。この空燃比の設定により、ブローダウンによって未燃燃料が排気バルブ９から排気通路に排気マニホールド１６の各独立排気通路１６ａ〜１６ｄに排出された際に燃焼し、排気ターボ過給機５０の過給圧を好適に上昇することが可能となる。
【００６５】
また、エンジン制御ユニット２０は、通常は、吸気Ｗｉが電動過給機８３をバイパスする電動過給バイパスモードでエンジン１を運転制御するとともに、所定の運転状態では、電動過給機８３を稼動する電動過給モードでエンジン１を運転制御できるように構成されている。電動過給バイパスモードでは、図１に示した電動過給機８３が停止するとともに、バイパス通路８４の吸気制御バルブ８５が全開になり、インタークーラ８２を通過した吸気Ｗｉが電動過給機８３をバイパスしてエンジン１に供給されるようになっている。また、電動過給モードでは、図１に示した電動過給機８３が稼動するとともに、バイパス通路８４の吸気制御バルブ８５が全閉になり、インタークーラ８２を通過した吸気Ｗｉが電動過給機８３に過給されてエンジン１に供給されるようになっている。
【００６６】
一般に、可変バルブタイミング機構１２は、油圧を切り換えることによって、吸気バルブ７と排気バルブ９の開タイミングを切り換えるように構成されていることから、開タイミングのオーバーラップ量ＯＬを切り換える際に図８に示したトルク停留範囲を通過することを余儀なくされる場合がある。そのため、本実施形態では、目標トルクを得るためにバルブタイミングを切り換えた際、開弁期間ＩＮ、ＥＸのオーバーラップ量ＯＬが、トルク停留範囲を通過する運転状態のときは、電動過給機８３を駆動して過給性能をアシストするようにしているのである。このように本実施形態では、エンジン制御ユニット２０が、電動過給制御手段として機能するように構成されている。
【００６７】
なお、エンジン１の冷間時は、触媒６３が活性温度に達していない場合も多く、運転状況によっては、触媒６３が活性温度に昇温するまでに相当の時間を有する場合もある。そこで、本実施形態では、触媒６３に関連する温度状態が活性温度付近に設定される所定の設定温度Ｔｓｔ以下である場合には、次に説明するフローチャートから明らかなように、運転領域に拘わらず、独立排気絞りモードで可変排気バルブ３０を運転するとともに、エンジン１の燃焼条件を後燃えモードで設定するようにしている。触媒６３に関連する温度状態は、触媒６３の温度そのものであっても、代用特性（例えば、排気温度）であってもよい。
【００６８】
次に、本実施形態に係るエンジンシステムの制御例について説明する。
【００６９】
図１１および図１２は、本発明の実施の一形態におけるエンジンシステムの制御例を示すフローチャートである。
【００７０】
まず、図１１を参照して、エンジン制御ユニット２０は、まず、初期動作として、フラグやメモリの初期化を実行する（ステップＳＴ１）。ここで、本実施形態では、ステップＳＴ１の初期動作によって、電動過給バイパスモードが選定され、電動過給機８３のバイパス通路８４に設けられた吸気制御バルブ８５は、全開にセットされ、インタークーラ８２を通過した吸気Ｗｉがバイパス通路８４によって電動過給機８３をバイパスしてエンジン１に供給されるようになっている。
【００７１】
ステップＳＴ１に示した初期動作の後、エンジン制御ユニット２０は、入力要素から入力された各検出信号を読み取り（ステップＳＴ２）、読み取った検出信号の値に基づいて、エンジン１の要求トルクを演算する（ステップＳＴ３）。要求トルクを演算した後、エンジン制御ユニット２０は、ステップＳＴ２で読み取った検出信号（具体的には、排気温度センサＳＮ７の検出値）に基づいて、触媒６３の温度が、当該触媒６３の活性温度に基づいて定められた所定の設定温度Ｔｓｔに達しているか否かを判定する（ステップＳＴ４）。仮に触媒６３が設定温度Ｔｓｔに達していない場合には、当該触媒温度の昇温を促進するために、ステップＳＴ６以降のフローに移行する。この結果、冷間時等、触媒温度が低い運転状態では、後燃え現象による触媒６３の昇温促進を図ることが可能になる。
【００７２】
他方、触媒温度が活性温度に達している場合には、目標となる運転領域が低速側の過給運転領域Ｒ１０であるか否かを判定する（ステップＳＴ５）。
【００７３】
仮に目標となる運転領域が過給運転領域Ｒ１０である場合、エンジン制御ユニット２０は、可変排気バルブ３０を全閉（独立排気絞りモード）に設定する（ステップＳＴ６）。これとともに、エンジン１の制御モードを後燃えモードに設定し、開弁期間ＩＮ、ＥＸのオーバーラップ量ＯＬと空燃比を上述した設定条件に設定する（ステップＳＴ７）。この結果、排気流によるエゼクタ効果を生じせしめ、排気ターボ過給機５０の入力流量（排気ターボ過給機５０に供給される単位時間当たりの排気Ｗｅの量）を増量し、タービンスクロール５４の駆動力を増大させて、過給圧を向上させることができる。また、被吸出し流体である排気Ｗｅが吸出され、掃気が促進されるので、当該気筒３の排気抵抗が低減される。さらに、ブローダウンガスの圧力を高めて動圧過給性能を向上することができる。
【００７４】
図２を参照して、より詳細に説明すると、上述のように図２の状態では、第１気筒３ａが排気Ｗｅバルブ開弁直後、第２気筒３ｂがオーバーラップ期間となっている。第１排気通路１６ａに導かれた排気Ｗｅ（ブローダウンガス）は可変排気バルブ３０で絞られる。絞られたブローダウンガスは流速が増大し、圧力が低下する。この絞られたブローダウンガスがエゼクタ効果をもたらす駆動流体として機能し、補助集合排気通路１６ｂｃ（および第２排気通路１６ｂ）を流れる被吸出し流体としての排気Ｗｅを吸出し、集合部３１ｃに導入する。なお、第２気筒３ｂの排気バルブ９が閉じた後（オーバーラップ期間後）であっても、駆動流体のエゼクタ効果が存続している場合には、第２排気通路１６ｂおよび補助集合排気通路１６ｂｃに残存する排気Ｗｅを吸出すことができ、掃気を促進することができる。図２では第１気筒３ａがブローダウン状態にある場合を示しているが、表１、図３から明らかなように、他の場合も同様である。本実施形態では、３本の独立排気通路１６ａ、１６ｂｃ、１６ｄの各出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄが取付フレーム１７付近において略平行に並列配置され、ハウジング３１に流入後も集合部３１ｃに至るまで各出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄの並列配置が維持されるので、高いエゼクタ効果が得られる。
【００７５】
次いで、ステップＳＴ７の制御によって、吸気バルブ７の開弁期間ＩＮと排気バルブ９の開弁期間ＥＸとがオーバーラップするとともに、そのオーバーラップ量ＯＬが、少なくとも９０°ＣＡ以上に設定されるので、空燃比が１４以上のリッチに設定されていることと相俟って、筒内の未燃燃料が高速の排気流に乗って排気ターボ過給機５０に向かって排出され、タービンスクロール５４の手前で燃焼する（後燃え現象）。この後燃え現象によって、排気温度が高まるとともに、タービンスクロール５４を駆動する過給圧が大幅に上昇するので、冷間時においても、高い過給性能を発揮することができ、エンジン１の出力向上に寄与する。さらに後燃え現象による排気温度の上昇によって、触媒６３も加温されるので、冷間時等においては、比較的短い稼動時間で活性温度に達し、高い排気浄化性能を発揮することが可能になる。
【００７６】
次に、ステップＳＴ５の判定において、目標とする運転領域が過給運転領域ではない場合、エンジン制御ユニット２０は、さらに、目標となる運転領域が、独立排気絞りモードで運転される過給運転領域Ｒ１１であるか否かを判定する（ステップＳＴ８）。
【００７７】
仮に運転領域が過給運転領域Ｒ１１である場合には、エンジン制御ユニット２０は、目標負荷に応じて、可変排気バルブ３０の開度を設定し（ステップＳＴ９）、ステップＳＴ７に移行して後燃えモードを実行する。この結果、図７の過給運転領域Ｒ１１においても、後燃え現象による過給性能の向上を図ることが可能になる。
【００７８】
さらに、ステップＳＴ８の判定において、目標とする運転領域が過給運転領域Ｒ１１ではない場合、エンジン制御ユニット２０は、さらに、目標となる運転領域が独立排気絞りモードで運転される自然吸気運転領域Ｒ１２であるか否かを判定する（ステップＳＴ１０）。
【００７９】
仮に運転領域が自然吸気運転領域Ｒ１２である場合には、エンジン制御ユニット２０は、可変排気バルブ３０を全閉に設定する（ステップＳＴ１１）。これにより、エゼクタ効果による動圧過給効果の向上や過給入力流量の増加を図ることができ、過給性能が高まるので、掃気性が向上することと相俟って、エンジン１の出力向上や燃費の低減を図ることが可能になる。この運転状態では、当該運転領域のエンジン回転速度や目標負荷に応じて、オーバーラップ量ＯＬや空燃比が制御される（ステップＳＴ１２）。
【００８０】
さらに、ステップＳＴ１０の判定において、目標とする運転領域が自然吸気運転領域Ｒ１２ではない場合、エンジン制御ユニット２０は、可変排気バルブ３０を全開に設定し（ステップＳＴ１４）、その後、ステップＳＴ１２以降に移行して、当該運転領域のエンジン回転速度や目標負荷に応じて、オーバーラップ量ＯＬや空燃比を制御するように構成されている。
【００８１】
次に、ステップＳＴ７またはステップＳＴ１２の処理を実行した後の制御について図１２を参照しながら説明する。
【００８２】
図１２に示すように、ステップＳＴ７またはステップＳＴ１２の処理を実行した後、エンジン制御ユニット２０は、可変バルブタイミング機構１２の設定変更に伴って、開弁期間ＩＮ、ＥＸのオーバーラップ量ＯＬが図８に示したトルク停留範囲を通過する運転状態にあるか否かを判定し（ステップＳＴ１５）、トルク停留範囲を通過する場合には、さらに、トルク不足が生じているか否かを判定する（ステップＳＴ１６）。トルク不足は、例えば、予め設定した時間内にエンジン回転速度Ｎｅが想定される速度を下回っているか否かを判定することによって判断される。
【００８３】
トルク不足が生じているとステップＳＴ１６で判断した場合、エンジン制御ユニット２０は、電動過給モードでエンジン１を運転制御する（ステップＳＴ１７）。これにより、電動過給機８３が稼動するとともに、バイパス通路８４の吸気制御バルブ８５が全閉になり、インタークーラ８２を通過した吸気Ｗｉが電動過給機８３に過給されてエンジン１に供給される。
【００８４】
電動過給モードで電動過給機８３を駆動した後は、ステップＳＴ２に戻って上述した制御を繰り返す。
【００８５】
他方、ステップＳＴ１５において、トルク停留範囲を通過していないと判定した場合、またはステップＳＴ１６において、トルク不足が生じていないと判定した場合、エンジン制御ユニット２０は、電動過給機８３の運転モードを電動過給バイパスモードに設定する（ステップＳＴ１８）。これにより、電動過給機８３が停止し、バイパス通路８４の吸気制御バルブ８５が全開になり、インタークーラ８２を通過した吸気Ｗｉが電動過給機８３をバイパスしてエンジン１に供給される。
【００８６】
次いでエンジン制御ユニット２０は、トルクオーバーが生じているか否かを判定する（ステップＳＴ１９）。仮に値が１である場合、すなわち、触媒６３が所定の設定温度Ｔｓｔ未満である場合、エンジン制御ユニット２０は、トルク抑制制御サブルーチンＳＴ２０を実行し、値が１でない場合には、ステップＳＴ２に戻って上述した制御を繰り返す。
【００８７】
図１３は、図１１のステップＳＴ２０に示したトルク抑制制御サブルーチンのフローチャートである。
【００８８】
図１３を参照して、トルク抑制制御サブルーチンＳＴ２０が実行される場合、エンジン制御ユニット２０は、点火リタードＳＴ２０１を実行し（ステップＳＴ２０１）、その後、依然、トルクオーバーが生じているか否かを判定する（ステップＳＴ２０２）。点火リタードによって、筒内での燃焼が緩慢になり、膨張行程での運動エネルギーが低減されるとともに、排気温度も低下するので、過給圧が低下する。仮に点火リタードによってもトルクオーバーが生じている場合、エンジン制御ユニット２０は、さらにスロットルバルブ８１の開度（スロットル開度）を低減し（ステップＳＴ２０３）、その後、依然、トルクオーバーが生じているか否かを判定する（ステップＳＴ２０４）。スロットル開度を低減することによって、筒内の充填量が低減され、トルクが低下する。また、ブローダウンも下がり、過給圧も低減される。仮にスロットル開度を低減してもトルクオーバーが生じている場合、エンジン制御ユニット２０は、さらに可変バルブタイミング機構１２を駆動制御し、オーバーラップ量ＯＬを低減し（ステップＳＴ２０５）、その後、依然、トルクオーバーが生じているか否かを判定する（ステップＳＴ２０６）。オーバーラップ量ＯＬが低減されることにより、掃気が抑制され、トルクが低下する。また、ブローダウンも下がり、過給圧も低減される。
【００８９】
ステップＳＴ２０１、ＳＴ２０３、ＳＴ２０５の処理を実行した結果、トルクオーバーが解消した場合には、元のルーチンに復帰する。他方、ステップＳＴ２０５の処理を実行しても、依然、トルクオーバーが解消しない場合には、再度、ステップＳＴ２０３以下の処理を実行する。
【００９０】
以上説明したように本実施形態では、所定のエンジン低速運転領域Ｒ１０〜Ｒ１２では、独立排気通路１６ａ〜１６ｄの出口１７ａ〜１７ｄの有効開口面積Ｓ２を最大値よりも縮小する独立排気絞りモードに可変排気バルブ３０が切り換わることによって、排気マニホールド１６の出口１７ａ〜１７ｄにおいてエゼクタ効果を得ることができる。このエゼクタ効果によって、比較的低速低負荷運転領域であっても、排気ターボ過給機５０の入力流量（排気ターボ過給機５０に供給される単位時間当たりの排気の量）を増加することができる。また、エゼクタ効果によるブローダウンピークの高まりによって、動圧過給効果や掃気性の向上を促進することができる。
【００９１】
加えて、独立排気絞りモードで可変排気バルブ３０が作動するエンジン低速運転領域Ｒ１０〜Ｒ１２と、排気ターボ過給機５０が作動する過給運転領域Ｒ１０、Ｒ１１、Ｒ２０、Ｒ２１との重複領域、つまり低速側の過給運転領域Ｒ１０、Ｒ１１でエンジン１が運転される場合には、未燃燃料が排気ターボ過給機５０の上流側で燃焼されるように混合気の燃焼条件が設定されるので、この設定によっていわゆる後燃え現象が生じる。後燃え現象が生じると、排気の圧力が高まるので、その分、過給圧が上昇し、過給性能を大幅にアップすることができる。従って、比較的大型の排気ターボ過給機５０を採用した場合であっても、エンジン１の低速運転領域で大きな過給性能を得ることができるようになる。
【００９２】
また本実施形態では、エンジン１の吸気通路８０に設けられた電動過給機８３と、後燃えモードでエンジン１の混合気の燃焼が制御される際のオーバーラップ量ＯＬが所定のトルク停留範囲にある場合には、電動過給機８３を作動制御する電動過給制御手段（エンジン制御ユニット２０）とを備えている。このため本実施形態では、後燃え現象が生じないオーバーラップ量ＯＬで吸気バルブ７および排気バルブ９が作動している場合には、電動過給機８３が作動し、過給圧を上昇して出力の不足分を補うことができる。図８に示したように、独立排気絞りモードでの運転中においてオーバーラップ量ＯＬを増加すると、掃気性が向上するオーバーラップ量ＯＬと後燃え現象によって過給性能が向上するオーバーラップ量ＯＬとの間に、掃気性が飽和し、且つ後燃え現象が生じるに至らないトルク停留範囲が生じる場合がある。そこで、本実施形態では、そのようなトルク停留範囲で吸気バルブ７および排気バルブ９が作動している間には、電動過給機８３によって過給能力を補って、広い運転領域で高い出力を維持することができるようにしているのである。しかも、電動過給機８３が作動する運転領域は、図８に示した上述のトルク停留範囲だけでよいので、電動過給機８３の稼働率を必要最小限に低減することができる。
【００９３】
また本実施形態では、燃焼制御手段は、後燃えモードにおいて、オーバーラップ量ＯＬをクランク角度で少なくとも９０°以上に制御するものである。このため本実施形態では、後燃えモードで運転されるべき運転状態において、高い確率で後燃え現象を生じ、過給性能を高めて出力の向上を図ることができる。
【００９４】
このように本実施形態では、所定の運転領域Ｒ１０、Ｒ１１では、後燃えモードでエンジン１の混合気の燃焼が制御されるので、当該運転領域Ｒ１０、Ｒ１１で実行される独立排気絞りモードによる掃気の向上や過給入力流量の増加等による過給性能の向上効果と相俟って、後燃え現象による過給性能の向上により、一層、燃費の低下や出力の向上を図ることができる。従って、本発明によれば、可及的に電動過給機８３等の稼働率を低減しつつ、広いエンジン１運転領域にわたって高い過給性能を発揮することができるという顕著な効果を奏する。
【００９５】
次に、本実施形態におけるさらなる技術的特徴について説明する。
【００９６】
（１）動圧過給による過給能力の向上
本実施形態においては、上述のような独立排気通路１６ａ〜１６ｄを採用しているので、動圧過給効果を奏することができる。動圧過給は、排気のブローダウンを利用して排気ターボ過給機５０の過給能力を高めるものである。よく知られているように、１排気行程当たりの有効な排気時間（以下、「ブローダウン期間」という）は、排気Ｗｅバルブ開弁直後の排気流速Ｑｅのピーク値（以下、「ブローダウンピーク」という）が大きいほど、短くなる。しかし、動圧過給の特性（流速で定まる圧力比）は、二次曲線的な特性を有する。そのため、ブローダウンピークが高い場合には、ブローダウン期間の短縮による目減り分を差引いても、ブローダウンピークが低い場合よりも時間平均したタービン駆動力が増大する。
【００９７】
図１４は排気ブローダウン特性図（実測値）である。横軸に第１気筒３ａのクランク角度θ（ｄｅｇ：上死点を０°ＣＡとする）、縦軸に排気流速Ｑｅ（ｋｇ／ｓ）を示す。ブローダウンは各気筒３の排気行程毎に１８０°ＣＡ周期で発生する。図示の例は、１８０°ＣＡから３６０°ＣＡの間に第１気筒３ａにおいて発生しているブローダウンを示している。
【００９８】
特性Ｃ１２は本実施形態の特性である。一方特性Ｃ１０２は、本実施形態よりも通路容積の大きい標準的な排気マニホールドで得られた特性である。特性Ｃ１２の方が特性Ｃ１０２に対してブローダウンピークが大きく、その分、ブローダウン期間が短くなっている。このため特性Ｃ１２のものは特性Ｃ１０２のものに比べ、動圧過給効果が高くなる。実測値では、特性Ｃ１２のものは特性Ｃ１０２のものに対して単位時間当たりのタービンスクロール回転数が４３％増大した。
【００９９】
またブローダウン期間が短縮されることによって、ブローダウンピーク後の排気圧力が低下し、排気抵抗が下がるとともに残留ガスが減って、吸気の充填量と耐ノック性が改善されるという効果もある。
【０１００】
特性Ｃ１２のような大きな排気ブローダウンピークを得るための最も効果的な手段は、排気マニホールド１６の容積を小さくすることである。そのためには図５に示す第１通路容積Ｖａ（≒第２通路容積Ｖｂ≒第３通路容積Ｖｃ≒第４通路容積Ｖｄ）を小さくすればよい。そして、有効開口面積を小さくすると排気抵抗が増大して好ましくないことを鑑みれば、第１通路容積Ｖａを小さくするには、第１排気通路１６ａの長さを可及的に短くすればよいということになる。具体的には第１排気通路１６ａの長さＬａ（図４参照）を、第１排気通路１６ａの開口面積と同じ円の開口径Ｄ１（図２参照）の６倍以下とすることが好ましい。本実施形態では上述のように開口径Ｄ１＝φ３６ｍｍ、長さＬａ≦２００ｍｍであるから、この条件を満たし、効果的な動圧過給が期待できる。
【０１０１】
（２）エゼクタ効果
上述したように、本実施形態においては、各独立排気通路１６ａ、１６ｂｃ、１６ｄと可変排気バルブ３０とを用いた独立排気絞りモードによって、大きなエゼクタ効果を得ることができる。
【０１０２】
本実施形態に係るエゼクタ効果による利点は、主に次の４点が挙げられる。
【０１０３】
第１に、排気ターボ過給機５０の入力流量（排気ターボ過給機５０に供給される単位時間当たりの排気Ｗｅの量）の増量である。排気Ｗｅバルブ開弁直後の入力流量は、通常のブローダウン時の排気流量に、エゼクタ効果によって吸出された排気流量が付加される結果、タービンスクロール５４の駆動力が増大し、過給圧を向上させることができる。従って、部分負荷運転領域において、従来、背圧の低減を図るために排気ターボ過給機への排気の流通を回避していたような運転領域であっても、高い過給性能を発揮することができる。
【０１０４】
第２に、排気Ｗｅの掃気促進である。エゼクタ効果によって被吸出し流体である排気Ｗｅが吸出され、掃気が促進されるので当該気筒３の排気抵抗が低減される。また掃気の促進によってオーバーラップ期間での吸気が促進されるので、吸気量を増大させ、エンジントルクを増大させることができる。
【０１０５】
第３に、動圧過給の促進である。上述のように、排気マニホールド１６の容積を小さくすることで動圧過給の効果が得られるが、エゼクタ効果によって以下説明するようにその効果をさらに促進することができる。
【０１０６】
可変排気バルブ３０がない、又はあっても全開の場合であって、エゼクタ効果が期待できない場合、ブローダウンガスは集合部３１ｃを介して他の排気通路に回り込む（逆流する）。これはその排気通路の容積が見かけ上増えたように作用する。これに対し可変排気バルブ３０によるエゼクタ効果があると、ブローダウンガスは駆動流体として他の排気通路から被駆動流体である排気Ｗｅを吸出す。つまり他の排気通路に回り込むことがない。これは、動圧過給においては排気通路容積を削減したような作用をもたらす。
【０１０７】
このように、全体の排気通路容積（排気マニホールド容積）が同じであれば、可変排気バルブ３０によるエゼクタ効果を有する本実施形態は、エゼクタ効果のないものに比べ、より動圧過給を促進することができるのである。
【０１０８】
第４に、オーバーラップ量ＯＬの拡大による後燃え現象の積極利用である。
【０１０９】
オーバーラップ量ＯＬを大きく設定しても、吸気負圧によって排気が逆流するおそれが少なくなるので、自然吸気運転領域Ｒ１２においても、比較的大きなオーバーラップ量ＯＬを確保し、一層、掃気の促進に寄与することができる。そればかりでなく、低速での過給運転領域Ｒ１０、Ｒ１１において、未燃燃料を後燃えさせるような大きなオーバーラップ量ＯＬ（クランク角度で９０°ＣＡ以上）を確保することも可能になる。このため、上述のような後燃えモードによる運転を可能にし、燃費の低減や出力向上に一層寄与することが可能になる。
【０１１０】
また上述のように、排気マニホールド１６の第１通路容積Ｖａ〜第４通路容積Ｖｄは、互いに略等しい。仮にこれらの独立排気通路の容積に互いに大きな差があると、エゼクタ効果による掃気促進効果も気筒間で大きくばらついてしまう。そうすると、掃気性に依存する耐ノッキング性能にも差が生じ、結果的に最も耐ノッキング性能の低い気筒３に合わせた設定が余儀なくされ、他の気筒３で耐ノッキング性能を向上してもそれが無駄になる。また、エゼクタ効果による上記吸気量増大効果にも気筒間ばらつきが生じてしまう。
【０１１１】
本実施形態の構成によれば、第１通路容積Ｖａ〜第４通路容積Ｖｄが互いに略等しいので、これらの問題がなく、エゼクタ効果の利点をより効果的に得ることができる。
【０１１２】
ところで、一般的な過給機付エンジンにおいて、第１排気通路１６ａの長さＬａと第４排気通路１６ｄの長さＬｄとが略等しくなるように自然にレイアウトすれば、集合部３１ｃを中央寄りに配置した本実施形態のような略対称のレイアウトとなる。そうすると第２排気通路１６ｂと第３排気通路１６ｃは、これらが互いに独立していれば、その長さが上記長さＬａや長さＬｄに比べて短くなるのが自然である。これを無理に長さＬａに揃えるためには不自然に迂回させる等のレイアウトが必要となる。これは排気抵抗の増大を招いたり、そのレイアウトを成立させるために長さＬａや長さＬｄの短縮が妨げられたりして好ましくない。
【０１１３】
本実施形態によれば、その小容積となりがちな第２排気通路１６ｂと第３排気通路１６ｃとを集合した補助集合排気通路１６ｂｃを設けているので、この補助集合排気通路１６ｂｃの長さを含む第２排気通路長さＬｂや第３排気通路長さＬｃを容易に第１排気通路長さＬａや第４排気通路長さＬｄと略等しくし、結果として、第１通路容積Ｖａ〜第４通路容積Ｖｄを互いに略等しく設定することができるのである。
【０１１４】
なお、第２排気通路１６ｂと第３排気通路１６ｃとは、これらを集合させても相互の独立性が保たれている。表１並びに図３に示したように、第２気筒３ｂと第３気筒３ｃとは点火順序が隣り合っていないので、排気バルブ９が下死点前から開き始め、上死点後に閉じることを考慮に入れても第２気筒３ｂの排気バルブ９と第３気筒３ｃの排気バルブ９とが共に開いている期間はない。従って相互に排気干渉を起こすことがなく、第２気筒３ｂの排気行程においては補助集合排気通路１６ｂｃを擬似的に第２排気通路１６ｂの延長とみなすことができ、第３気筒３ｃの排気行程においては補助集合排気通路１６ｂｃを擬似的に第３排気通路１６ｃの延長とみなすことができるのである。
【０１１５】
このように本実施形態では、４気筒エンジンでありながら、３つの独立排気通路で相互の独立関係を実現している。こうすることによりレイアウトのコンパクト化が図られ、ハウジング３１や排気ターボ過給機５０との接続部を小型化することができる。
【０１１６】
以上、本実施形態の主要な技術的特徴である動圧過給効果、並びにエゼクト効果について説明したが、これらは密接に関連し、協働して過給性能を高め、さらには燃費の低減や出力の向上に寄与している。
【０１１７】
図１５は、独立排気絞りモードで運転される運転領域Ｒ１０〜Ｒ１２における充填効率ηｃを示すグラフである。図１５において、横軸はエンジン回転速度Ｎｅ（ｒｐｍ）、縦軸は充填効率ηｃ（％）を示す。特性Ｃ１３は動圧過給と独立排気絞りモードとが併用された本実施形態の特性である。特性Ｃ１０３は比較対象のために示す特性であり、従来の一般的な排気マニホールド（可変排気バルブ３０なし）を用いた場合の特性である。特性Ｃ１３の充填効率ηｃは特性Ｃ１０３に対して約２０〜３０ポイント増大している。これは動圧過給と可変排気バルブ３０を用いた独立排気絞りモードとによる過給圧増大の効果である。
【０１１８】
図１６は、過給運転領域Ｒ１０〜Ｒ１２におけるエンジンの正味平均有効圧（ＢＭＥＰ）を示すグラフである。図１６において、横軸はエンジン回転速度Ｎｅ（ｒｐｍ）、縦軸は正味平均有効圧（ｋＰａ）を示す。特性Ｃ１４は動圧過給と独立排気絞りモードとが併用された本実施形態の特性（図１５の特性Ｃ１３に対応する特性）である。特性Ｃ１０４は比較対象のために示す特性であり、図１５の特性Ｃ１０３に対応する特性である。特性Ｃ１４の正味平均有効圧は特性Ｃ１０４に対して約２００〜４００ｋＰａ増大している。これは動圧過給と可変排気バルブ３０を用いた独立排気絞りモードとによって充填効率が増大（図１５）した効果であって、すなわちエンジントルクが増大したことを示している。
【０１１９】
次に、上記エゼクタ効果をより顕著に奏するために本実施形態で採用されている更なる技術について説明する。
【０１２０】
図１７は本実施形態における排気通路の有効開口比Ｒｄと体積効率ηｖとの関係を示すグラフである。横軸の上段は有効開口径Ｄ２（ｍｍ）を示す。
【０１２１】
横軸の下段は有効開口比Ｒｄ（％）を示す。有効開口比Ｒｄとは、各出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄの有効開口径Ｄ２に対する各開口径Ｄ１の面積比率である。すなわちＲｄ＝（Ｄ２／Ｄ１）２×１００（％）、或いはＲｄ＝（Ｓ２／Ｓ１）×１００（％）である。
【０１２２】
図１７に示す特性Ｃ１５はエンジン回転速度Ｎｅ＝１５００ｒｐｍにおける特性、Ｃ１６は同２０００ｒｐｍにおける特性を示す。これらの特性から明らかなように、有効開口径Ｄ２＝２２〜２８ｍｍの範囲（有効開口比Ｒｄ：３７〜６１％の範囲）において体積効率ηｖの特段に高い好適な範囲が存在する。これは、この好適範囲において特に顕著なエゼクタ効果が得られることを示している。従って、有効開口径Ｄ２をこの好適範囲に設定することにより、より高い過給効果が得られ、エンジントルクの一層の増大を図ることができる。
【０１２３】
また、図７に示した過給運転領域Ｒ１０、Ｒ１１において、運転モードを後燃えモードとすることによって、動圧過給効果やエゼクタ効果と相俟って過給性能を高めることができるとともに、冷間時の排気浄化性能にも寄与することが可能になる。
【０１２４】
上述した実施形態は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【０１２５】
例えば、第１排気通路１６ａ等の長さＬａ、容積Ｖａ、径Ｄ１、Ｄ２等の設定値は、上記各値に限定するものではない。これらはエンジンの大きさや排気量によって適宜好適な値としてよい。
【０１２６】
また、可変バルブタイミング機構１２によるバルブタイミング変更制御は、後燃えモードでの運転制御を除き、実行することの利点は多いが必ずしも必要ではなく、これがなくても本発明の基本的な効果を充分得ることができる。
【０１２７】
また、可変排気バルブ３０のフラップ３５に代えて、位相によって流路を切り換えるロータを採用してもよい。
【０１２８】
また、電動過給機としては、図１に示したように排気ターボ過給機５０と別構成の電動過給機８３（いわゆるｅ−Ｂｏｏｓｔ）の他、排気ターボ過給機５０のタービンスクロール５４をモータで駆動する形式のもの（いわゆるｅ−Ｔｕｒｂｏ）を採用してもよい。
【０１２９】
このように上述した実施の形態は、本発明の好ましい具体例を例示したものに過ぎず、本発明は上述した実施形態に限定されない。本発明の特許請求の範囲内で種々の変更が可能であることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【０１３０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る過給機付エンジンの概略構成図である。
【図２】図１の部分側断面図である。
【図３】図１の実施の形態に係るタイミングチャートである。
【図４】図１の実施の形態に係る要部を示す外観斜視図である。
【図５】図１の実施の形態に係る要部を拡大して示す外観斜視図である。
【図６】図１の実施形態に係る可変排気バルブの概略構成を示す斜視図であり、（Ａ）は閉弁時、（Ｂ）は開弁時の状態を示すものである。
【図７】図１の実施の形態に係る運転状態に応じた制御を行うための運転領域の設定例を示す特性図である。
【図８】本実施形態に係る後燃え現象を説明するためのグラフである。
【図９】オーバーラップ量とエンジン回転速度との関係を示すグラフである。
【図１０】排気特性図であり、（Ａ）は独立排気絞りモード（可変排気バルブが全閉の場合）、（Ｂ）は通常の運転モード（可変排気バルブが全開の場合）である。
【図１１】本発明の実施の一形態におけるエンジンシステムの制御例を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の実施の一形態におけるエンジンシステムの制御例を示すフローチャートである。
【図１３】図１１のトルク抑制制御サブルーチンを示すフローチャートである。
【図１４】排気ブローダウン特性図である。
【図１５】低速過給運転領域における充填効率を示すグラフである。
【図１６】低速過給運転領域におけるエンジンの正味平均有効圧を示すグラフである。
【図１７】排気通路の絞り度合と体積効率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１３１】
１  過給機付エンジン
３  気筒
１０  燃料噴射弁
１２  可変バルブタイミング機構
１６  排気マニホールド
１６ａ  独立排気通路
１６ｂ  排気通路
１６ｂｃ  補助集合排気通路
１６ｃ  排気通路
１６ｄ  独立排気通路
１７ａ−１７ｄ  出口
２０  エンジン制御ユニット（燃焼制御手段、電動過給制御手段の一例）
３０  可変排気バルブ
３１ｃ  集合部
５０  排気ターボ過給機
８０  吸気通路
８３  電動過給機
Ｒ１０  （低速）過給運転領域
Ｒ１１  （低速）過給運転領域
Ｒ１２  自然吸気運転領域
Ｒ２０  （中速）過給運転領域
Ｒ２１  （高速）過給運転領域
Ｒ２２  （中高速）自然吸気運転領域 
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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