(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の気筒を備えたエンジンと、
上記エンジンの各気筒の排気ポートに対応して独立して接続された独立排気通路を有する排気マニフォールドと、
上記排気マニフォ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、
上記集合部の下流の排気通路に直列に接続された複数の排気ターボ過給機と、
上記排気ターボ過給機の下流に接続された排気浄化用の触媒と、
所定の過給運転領域でエゼクタ効果を奏すべく、上記排気マニフォールドと上記集合部との間で上記独立排気通路の出口の有効開口面積を変更可能に構成された可変排気バルブと、
上記所定の過給運転領域で上記独立排気通路の出口の有効開口面積を最大開口時の開口面積よりも小さくするように上記可変排気バルブを制御する可変排気バルブ制御手段と、
上記所定の過給運転領域で排気バルブ開期間と吸気バルブ開期間とが重複するオーバーラップ期間を拡大するようにバルブタイミングを制御するオーバーラップ制御手段と、
エンジンの温度状態を判別する温度状態判別手段と、
上記複数の排気ターボ過給機のタービンのうちの１つ以外をバイパスして、そのバイパスしたタービンの上流側の排気通路と下流側の排気通路とを接続するタービンバイパス通路と、
上記複数の排気ターボ過給機のタービンのうちの１つ以外のタービンと上記タービンバイパス通路とのいずれか一方に択一的に排気を流通させる排気流路切替バルブと、
エンジンの運転状態及び温度状態に応じ上記排気流路切替バルブを制御して排気の流路を選択する流路選択手段とを備え、
上記独立排気通路の各出口が並列に配置されており、
上記可変排気バルブは、上記独立排気通路の各出口に対向するように配置されたフラップを有し、上記所定の過給運転領域では、当該フラップの駆動によって上記各出口の有効開口面積が小さく変更され、
上記流路選択手段は、上記所定の過給運転領域で、上記温度状態判別手段が冷間時と判断した場合には、排気が上記複数の排気ターボ過給機のタービンのうちの１つと上記タービンバイパス通路とを通って上記触媒へ流れ、上記所定の過給運転領域で、上記温度状態判別手段が温間時と判断した場合には、排気が上記複数の排気ターボ過給機の各タービンを通るように排気流路切替バルブを制御することを特徴とする過給機付きエンジン。
【請求項２】
請求項１記載の過給機付きエンジンにおいて、
上記複数の排気ターボ過給機はタービンの径が異なっており、上記所定の過給運転領域で、上記エンジン状態判別手段が冷間時と判断した場合に、排気が上記複数の排気ターボ過給機のタービンのうちでもっとも径が小さいタービンと、それ以外のタービンをバイパスするタービンバイパス通路とを通るようにしたことを特徴とする過給機付きエンジン。
【請求項３】
請求項１または２記載の過給機付きエンジンにおいて、
可変排気バルブ制御手段は、上記所定の過給運転領域で、上記温度状態判別手段が冷間時と判断した場合に、上記独立排気通路の出口の有効開口面積を温間時と比べて小さくするように上記可変排気バルブを制御することを特徴とする過給機付きエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の排気ターボ過給機を備えた過給機付きエンジンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、エンジン出力トルクの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。また、特許文献１に示されるように、複数の排気ターボ過給機を具備したエンジンも知られている。この特許文献１に示されたエンジンは、高圧段と低圧段の二つのターボ過給機を備え、これらのターボ過給機のタービンを直列に排気通路に接続し、排気が両ターボ過給機を通ることにより、両過給機が駆動されるようになっている。
【特許文献１】特開２００４−２８１０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記特許文献１に記載のエンジンでは、複数の過給機が使用されることにより、過給性能の向上が期待できる。しかし、このように複数の過給機を用いても、排気流量が少ない低速運転領域で充分に過給性能を高めることが難しい。
【０００４】
また、一般にエンジンの排気通路には排気浄化用の触媒が設けられているが、冷間時には触媒が活性温度に達していないことが多く、活性温度に達するまでは充分な排気浄化性能が得られないため、エミッション改善のためには、触媒が活性温度に達するまでの時間を短縮することが望まれる。
【０００５】
本発明は上記の事情に鑑み、複数の排気ターボ過給機を用い、かつ、過給機に与える排気エネルギーを増大させて効果的に過給性能を高めることができるとともに、冷間時には触媒の温度上昇を促進することができる過給機付きエンジン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】
【０００６】
上記課題を解決するために本発明は、複数の気筒を備えたエンジンと、上記エンジンの各気筒の排気ポートに対応して独立して接続された独立排気通路を有する排気マニフォールドと、上記排気マニフォ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、上記集合部の下流の排気通路に直列に接続された複数の排気ターボ過給機と、上記排気ターボ過給機の下流に接続された排気浄化用の触媒と、所定の過給運転領域でエゼクタ効果を奏すべく、上記排気マニフォールドと上記集合部との間で上記独立排気通路の出口の有効開口面積を変更可能に構成された可変排気バルブと、上記所定の過給運転領域で上記独立排気通路の出口の有効開口面積を最大開口時の開口面積よりも小さくするように上記可変排気バルブを制御する可変排気バルブ制御手段と、上記所定の過給運転領域で排気バルブ開期間と吸気バルブ開期間とが重複するオーバーラップ期間を拡大するようにバルブタイミングを制御するオーバーラップ制御手段と、エンジンの温度状態を判別する温度状態判別手段と、上記複数の排気ターボ過給機のタービンのうちの１つ以外をバイパスして、そのバイパスしたタービンの上流側の排気通路と下流側の排気通路とを接続するタービンバイパス通路と、上記複数の排気ターボ過給機のタービンのうちの１つ以外のタービンと上記タービンバイパス通路とのいずれか一方に択一的に排気を流通させる排気流路切替バルブと、エンジンの運転状態及び温度状態に応じ上記排気流路切替バルブを制御して排気の流路を選択する流路選択手段とを備え、上記独立排気通路の各出口が並列に配置されており、上記可変排気バルブは、上記独立排気通路の各出口に対向するように配置されたフラップを有し、上記所定の過給運転領域では、当該フラップの駆動によって上記各出口の有効開口面積が小さく変更され、上記流路選択手段は、上記所定の過給運転領域で、上記温度状態判別手段が冷間時と判断した場合には、排気が上記複数の排気ターボ過給機のタービンのうちの１つと上記タービンバイパス通路とを通って上記触媒へ流れ、上記所定の過給運転領域で、上記温度状態判別手段が温間時と判断した場合には、排気が上記複数の排気ターボ過給機の各タービンを通るように排気流路切替バルブを制御するようにしたものである。
【０００７】
この構成によると、上記所定の過給運転領域では、上記オーバーラップ期間が拡大されることにより、未燃燃料が排気通路に排出され、後燃え（排気通路内での燃焼）が生じる。特に、この未燃燃料を含む排気が上記１つの排気ターボ過給機のタービンで攪拌されることにより、このタービンの下流で後燃えが生じる。そして、冷間時には、上記１つ以外のタービンはバイパスするので、後燃えによる熱エネルギーが上記１つ以外のタービンで奪われることなく触媒に供給され、触媒の温度上昇が促進される。また、このときに、独立排気通路の出口の有効開口面積を小さくするように可変排気バルブが制御されることにより、排気流速の高いブローダウンガスが有効にタービンに導かれるとともにエゼクタ効果で排気流量が増加して、ブローダウンガスによる動圧過給効果が高められるため、タービンの駆動力が増大し、上記１つのターボ過給機でも充分に過給性能が高められる。
【０００８】
一方、上記所定の過給運転領域で、温間時には、上記オーバーラップ期間が拡大されることにより未燃燃料が排気通路に排出されて、上記１つのターボ過給機のタービンの下流で後燃えが生じることは冷間時と同様であるが、後燃えによる熱エネルギーが上記１つ以外のタービンに供給され、そのタービンの駆動力が高められる。これにより、過給機の出力および過渡レスポンス（加速時のトルク上昇の応答性）を向上させることができる。
【０００９】
本発明の過給機付きエンジンにおいて、上記複数の排気ターボ過給機はタービンの径が異なっており、上記所定の過給運転領域で、上記エンジン状態判別手段が冷間時と判断した場合に、排気が上記複数の排気ターボ過給機のタービンのうちでもっとも径が小さいタービンと、それ以外のタービンをバイパスするタービンバイパス通路とを通るようにすることが好ましい。
【００１０】
このようにすると、上記所定の過給運転領域で、上記オーバーラップ期間が拡大されることにより未燃燃料が排気通路に排出される状態にあるとき、小型で回転数の高いターボ過給機のタービンにより排気を攪拌することで攪拌作用を高め、確実に後燃えを生じさせることができる。
【００１１】
また、可変排気バルブ制御手段は、上記所定の過給運転領域で、上記温度状態判別手段が冷間時と判断した場合に、上記独立排気通路の出口の有効開口面積を温間時と比べて小さくするように上記可変排気バルブを制御することが好ましい。
【００１２】
このようにすると、上記所定の過給運転領域において、温間時には、エンジン温度が高い状態でもノッキングが生じない程度に可変排気バルブによる独立排気通路の出口の絞り度合いが調整されるが、ノッキングが生じにくい冷間時には、独立排気通路の出口がより絞られることでエゼクタ効果が高められる。これにより、上記所定の過給運転領域での冷間時には、実質的に１つのターボ過給機のみが駆動される状態であっても、充分に過給性能が高められる。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明の過給機付きエンジンによると、所定の過給領域での冷間時には、オーバーラップ期間を拡大することで未燃燃料を排気通路に排出させて、１つのターボ過給機のタービンによる攪拌作用で後燃えを生じさせ、その熱エネルギーを触媒に供給することにより、触媒の温度上昇を促進し、触媒が活性化するまでの時間を短縮することができる。また、所定の過給領域での温間時には、後燃えによる熱エネルギーを１つ以外のタービンに供給することでタービンの駆動力を増大することができ、複数のターボ過給機を効果的に用いて過給性能を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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。
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態に係る過給機付きエンジン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。
【００１６】
図１に示す過給機付きエンジンは直列４気筒４サイクルのエンジンであり、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、回転速度センサＳＮ４、吸気温度センサＳＮ５等が設けられている。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ＳＮ６、車速センサＳＮ７等が設けられている。
【００１８】
また本実施形態のエンジン１は、図３のタイミングチャートに示すように、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。従って、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。
【００１９】
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）。
【００２０】
また、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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
図４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。
【００２４】
図１および図４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１６ａ、１６ｂｃ、１６ｄを指すものとする。
【００２５】
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４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。
【００２６】
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。
【００２７】
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の有効開口面積を変更するバルブである。ここで有効開口面積とは、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毎の開口面積をいう。
【００２８】
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、後記排気ターボ過給機４０のタービン４１の入力流量（タービン４１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。
【００２９】
図５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。
【００３０】
図１、図２及び図５に示すように、可変排気バルブ３０は、排気マニホールド１６と後記排気ターボ過給機４０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の有効開口面積を変更するフラップ３５と、フラップ３５が矢印Ｚ１のように排気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。
【００３１】
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。
【００３２】
図１及び図２に示すように、ハウジング３１内には、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。
【００３３】
図２及び図５に示すように、フラップ３５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５（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５（Ｂ）参照）。
【００３４】
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。
【００３５】
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が大きい運転状況でも、振動しにくくなっている。
【００３６】
また、図１に示すように、本実施形態の過給機付きエンジンは複数のターボ過給機を備え、本実施形態では第１，第２の２つのターボ過給機４０，５０を備えている。そして、これらのターボ過給機４０，５０のタービン４１，５１が、可変排気バルブ３０の下流の排気通路６０に、直列に接続されている。
【００３７】
排気ターボ過給機４０，５０は、排気通路６０に設けられたタービン４１，５１と、吸気通路８０に設けられたコンプレッサ４２，５２と、このコンプレッサ４２，５２をタービン４１，５１に連結するシャフト４３，５３とを備えたものであり、排気Ｗｅでタービン４１，５１を回転させることによりコンプレッサ４２，５２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。本実施形態では、第１ターボ過給機４０として、タービン４１及びコンプレッサ４２が比較的小径の小型過給機（通常の低速域でトルクアップを図るエンジンに採用される過給機と同程度かそれよりもさらに小型の過給機）が用いられる一方、第２ターボ過給機５０として、タービン５１及びコンプレッサ５２が第１のターボ過給機４０と比べて大径の大型過給機（通常の高速域でトルクアップを図るエンジンに採用される過給機と同程度かそれよりもさらに大型の過給機）が用いられている。
【００３８】
排気通路６０において、第１ターボ過給機４０のタービン４１は第２ターボ過給機５０のタービン５１よりも上流に配置されている。また、第２ターボ過給機５０のタービン５１よりも下流には、排気浄化用の触媒６５が設けられている。本実施形態において、触媒６５は、三元触媒であり、所定温度範囲で活性化し、排気中の炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物を除去することができるものである。
【００３９】
上記排気通路６０に対し、第１ターボ過給機４０のタービン４１をバイパスしてその上流側と下流側を接続する第１タービンバイパス通路６１と、第２ターボ過給機５０のタービン５１をバイパスしてその上流側と下流側とを接続する第２タービンバイパス通路６２とが設けられている。上記第２タービンバイパス通路６２は、複数の排気ターボ過給機のタービンうちの１つ以外をバイパスして、そのバイパスしたタービンの上流側の排気通路と下流側の排気通路とを接続するタービンバイパス通路に相当する。
【００４０】
排気通路６０から第１タービンバイパス通路６１が分岐する箇所には、タービン４１に排気を流通させる状態（タービン４１側の通路を開いて第１タービンバイパス通路６１を閉じる状態）と、第１タービンバイパス通路６１に排気を流通させる状態（タービン４１側の通路を閉じて第１タービンバイパス通路６１を開く状態）とに切換可能な第１排気流路切換バルブ６３が設けられている。また、排気通路６０から第２タービンバイパス通路６２が分岐する箇所には、タービン５１に排気を流通させる状態（タービン５１側の通路を開いて第２タービンバイパス通路６２を閉じる状態）と、第２タービンバイパス通路６２に排気を流通させる状態（タービン５１側の通路を閉じて第２タービンバイパス通路６２を開く状態）とに切換可能な第２排気流路切換バルブ６４が設けられている。上記第２排気流路切換バルブ６４は、上記複数の排気ターボ過給機のタービンうちの１つ以外のタービンとタービンバイパス通路とのいずれか一方を択一的に接続する排気流路切替バルブに相当する。
【００４１】
一方、エンジン１の吸気通路８０には、上記両ターボ過給機４０，５０のコンプレッサ４２，５２が直列に配設されるともに、その下流に吸気を冷却するインタークーラ８５が設けられ、さらにこのインタークーラ８５の下流に、吸気流量を調節するスロットルバルブ８６が設けられ、スロットルバルブ８６を通った吸気が吸気マニホールド８７を経て各気筒に供給されるようになっている。
【００４２】
さらに、上記吸気通路８０に対し、第１ターボ過給機４０のコンプレッサ４２をバイパスしてその上流側と下流側を接続する第１コンプレッサバイパス通路８１と、第２ターボ過給機５０のコンプレッサ５２をバイパスしてその上流側と下流側とを接続する第２コンプレッサバイパス通路８２とが設けられている。
【００４３】
吸気通路８０から第１コンプレッサバイパス通路８１が分岐する箇所には、コンプレッサ４２に吸気を流通させる状態（コンプレッサ４２側の通路を開いて第１コンプレッサバイパス通路８１を閉じる状態）と、第１コンプレッサバイパス通路８１に吸気を流通させる状態（コンプレッサ４２側の通路を閉じて第１コンプレッサバイパス通路８１を開く状態）とに切換可能な第１吸気流路切換バルブ８３が設けられている。また、吸気通路８０から第２コンプレッサバイパス通路８２が分岐する箇所には、コンプレッサ５２に吸気を流通させる状態（コンプレッサ５２側の通路を開いて第２コンプレッサバイパス通路８２を閉じる状態）と、第２コンプレッサバイパス通路８２に吸気を流通させる状態（コンプレッサ５２側の通路を閉じて第２コンプレッサバイパス通路８２を開く状態）とに切換可能な第２吸気流路切換バルブ８４が設けられている。
【００４４】
上記各排気流路切換バルブ６３，６４及び各吸気流路切換バルブ８３，８４は、後記エンジン制御ユニット２０からの信号に応じてアクチュエータ６３ａ，６４ａ，８３ａ，８４ａにより作動されるようになっている。
【００４５】
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段以上に段階的に変化させるものでもよい。
【００４６】
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。
【００４７】
エンジン１の動作は、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）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。
【００４８】
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、回転速度センサＳＮ４、吸気温度センサＳＮ５、アクセル開度センサＳＮ６、車速センサＳＮ７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８６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、各排気流路切換バルブ６３，６４及び各吸気流路切換バルブ８３，８４のアクチュエータ６３ａ，６４ａ，８３ａ，８４ａ等が接続されている。
【００４９】
図６は、エンジン制御ユニット２０の機能的構成を示している。エンジン制御ユニット２０は、燃料供給量、スロットル開度、点火時期等の制御による燃焼制御を実行する。さらにこのエンジン制御ユニット２０は、運転状態およびエンジンの温度状態に応じて可変排気バルブ３０を制御する可変排気バルブ制御手段２１と、運転状態等に応じて吸気ＶＶＴ１２ｉ及び排気ＶＶＴ１２ｅを制御することによりオーバーラップ期間（排気バルブ開期間と吸気バルブ開期間とが重複する期間）を制御するオーバーラップ制御手段２２と、エンジン水温等によってエンジンの温度状態を判別する温度状態判別手段２３と、運転状態およびエンジンの温度状態に応じて切換バルブ６３，６４，８３，８４を制御することにより排気の流路並びに吸気の流路を選択する流路選択手段２４とを機能的に含んでいる。
【００５０】
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。この図において、横軸はエンジン回転速度Ｎｅ（ｒｐｍ）、縦軸は要求負荷（要求トルク）τ（Ｎ・ｍ）を示す。
【００５１】
同図に示す運転特性では、所定の低速高負荷から高速低負荷にわたるラインを境として、低速側の動圧過給運転領域（所定の過給運転領域）Ｒ１と、高速運転領域Ｒ２とが設定されている。
【００５２】
そして、動圧過給運転領域Ｒ１では、可変排気バルブ制御手段２１により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２１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に制御信号を送り、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。なお、高速運転領域Ｒ２では、可変排気バルブ３０が全開に設定される。
【００５３】
また、動圧過給運転領域Ｒ１である場合、いわゆる後燃えモードでオーバーラップ期間と燃料噴射量とが制御される。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通路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するとともに、オーバーラップ期間を予め設定された範囲（通常燃焼状態とされるときに設定される範囲）以上に拡大する運転モードをいう。
【００５４】
このような後燃えモードにされると、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通路中で燃焼することによって、後燃え現象が生じる。なお、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期間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、動圧過給運転領域Ｒ１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のオーバーラップ期間ＯＬを９０°ＣＡ以上に設定し、エンジン１を制御する。
【００５５】
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。
【００５６】
図８は、排気特性図であり、（Ａ）は独立排気絞りモード、（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８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）と開弁リフト量（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。
【００５７】
図８（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。
【００５８】
他方、図８（Ｂ）に示すように、可変排気バルブが全開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。
【００５９】
そこで、本実施形態では、図７に示す動圧過給運転領域Ｒ１で比較的大きなオーバーラップ期間ＯＬ（例えば６５°ＣＡ）を採用し、高速運転領域Ｒ２では、可及的にオーバーラップ期間ＯＬを小さく（例えば、０°ＣＡ〜４０°ＣＡに）設定するようにしている。
【００６０】
また、エンジン１の冷間時は、触媒６５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６５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、後に詳述するように、動圧過給運転領域Ｒ１において冷間時である場合には、触媒６５の温度上昇を促進するため、流路選択手段２４により、排気が第１ターボ過給機４０のタービン４１と第２タービンバイパス通路６２とを通って触媒６５へ流れるように排気流路切換バルブ６３，６４が制御され、一方、動圧過給運転領域Ｒ１において温間時である場合には、排気が両ターボ過給機４０，５０のタービン４１，５１を通るように排気流路切換バルブ６３，６４が制御される。
【００６１】
次に、本実施形態に係るエンジンの制御例を図９のフローチャートによって説明する。
【００６２】
この図において、エンジン制御ユニット２０は、まず、エンジン水温、要求負荷、エンジン回転速度等のデータを読み取る（ステップＳ１）。そして、要求負荷及びエンジン回転速度等のデータに基づいてエンジンの現在の運転状態を調べ（ステップＳ２）、その運転状態が動圧過給運転領域Ｒ１にあるか高速運転領域Ｒ２にあるかを判定する。
【００６３】
この判定で動圧過給運転領域Ｒ１にあることが判定された場合は、可変排気バルブを、全開よりも小さく、かつ運転状態応じて設定された開度に調整する（ステップＳ３）。さらに、後燃えモードの燃焼条件を設定する（ステップＳ４）。つまり、前述のように、オーバーラップ期間を大きくするように吸気ＶＶＴ１２ｉ及び排気ＶＶＴ１２ｅによるバルブ開閉タイミングを設定するとともに、空燃比をリッチにするように燃料噴射量を設定する。
【００６４】
次に、エンジン水温が所定温度Ｔよりも高いか否かを判定する（ステップＳ５）。そして、エンジン水温が所定温度Ｔ以下の冷間時であることを判定した場合（ステップＳ５の判定がＮＯの場合）は、図１０に示すように、第１ターボ過給機４０のタービン４１に排気を流通させる状態（タービン４１側の通路を開いて第１タービンバイパス通路６１を閉じる状態）に第１排気流路切換バルブ６３を制御するとともに、第２ターボ過給機５０のタービン５１をバイパスする状態（タービン５１側の通路を閉じて第２タービンバイパス通路６２を閉じる状態）に第２排気流路切換バルブ６４を制御する（ステップＳ６）。なお、この排気流路切換バルブ６３，６４の制御に対応して、第１吸気流路切換バルブ８３は、第１ターボ過給機４０のコンプレッサ４２に吸気を流通させる状態（コンプレッサ４２側の通路を開いて第１コンプレッサバイパス通路８１を閉じる状態）とされ、第２吸気流路切換バルブ８４は、第２ターボ過給機５０のコンプレッサ５２をバイパスする状態（コンプレッサ５２側の通路を閉じて第２コンプレッサバイパス通路８２を開く状態）とされる。
【００６５】
さらにこの場合に、可変排気バルブ３０は、設定開度よりも小さい開度（例えば全閉）とする（ステップＳ７）。
【００６６】
また、運転状態が動圧過給運転領域Ｒ１にあって、ステップＳ５でエンジン水温が所定温度Ｔよりも高い温間時であることを判定した場合は、図１２に示すように、第１ターボ過給機４０のタービン４１に排気を流通させる状態（タービン４１側の通路を開いて第１タービンバイパス通路６１を閉じる状態）に第１排気流路切換バルブ６３を制御するとともに、第２ターボ過給機５０のタービン５１にも排気を流通させる状態（タービン５１側の通路を開いて第２タービンバイパス通路６２を閉じる状態）に第２排気流路切換バルブ６４を制御する（ステップＳ８）。なお、この排気流路切換バルブ６３，６４の制御に対応して、第１吸気流路切換バルブ８３は、第１ターボ過給機４０のコンプレッサ４２に吸気を流通させる状態（コンプレッサ４２側の通路を開いて第１コンプレッサバイパス通路８１を閉じる状態）とされ、第２吸気流路切換バルブ８４は、第２ターボ過給機５０のコンプレッサ５２に吸気を流通させる状態（コンプレッサ５２側の通路を開いて第２コンプレッサバイパス通路８２を閉じる状態）とされる。
【００６７】
ステップＳ２で運転状態が高速運転領域Ｒ２にあることが判定された場合は、図１３に示すように、第１ターボ過給機４０のタービン４１をバイパスする状態（タービン４１側の通路を閉じて第１タービンバイパス通路６１を開く状態）に第１排気流路切換バルブ６３を制御するとともに、第２ターボ過給機５０のタービン５１に排気を流通させる状態（タービン５１側の通路を開いて第２タービンバイパス通路６２を閉じる状態）に第２排気流路切換バルブ６４を制御する（ステップＳ９）。なお、この排気流路切換バルブ６３，６４の制御に対応して、第１吸気流路切換バルブ８３は、第１ターボ過給機４０のコンプレッサ４２をバイパスする状態（コンプレッサ４２側の通路を閉じて第１コンプレッサバイパス通路８１を開く状態）とされ、第２吸気流路切換バルブ８４は、第２ターボ過給機５０のコンプレッサ５２に吸気を流通させる状態（コンプレッサ５２側の通路を開いて第２コンプレッサバイパス通路８２を閉じる状態）とされる。
【００６８】
さらにこの場合に、可変排気バルブ３０を開く（ステップＳ１０）とともに、通常運転での燃焼条件に設定する（ステップＳ１１）。つまり、オーバーラップ期間を小さくするように吸気ＶＶＴ１２ｉ及び排気ＶＶＴ１２ｅによるバルブ開閉タイミングを設定するとともに、空燃比を略理論空燃比とするように燃料噴射量を設定する。
【００６９】
以上のような本実施形態の過給機付きエンジンによると、エンジンの運転状態が動圧過給運転領域Ｒ１にあって、エンジン水温が所定温度Ｔ以下の冷間時にある場合、後燃えモードの燃焼条件とされるとともに、排気流路切換バルブ６３，６４が図１０に示す状態に制御されることにより、同図に矢印で示すように、排気が第１ターボ過給機４０のタービン４１を通り、第２ターボ過給機５０のタービン５１をバイパスして触媒６５に流れるように排気流路が設定される。これにより、触媒６５の温度上昇が促進される。
【００７０】
すなわち、排気がターボ過給機のタービンを通って触媒に送られる場合において、小オーバーラップ作動時では、排気熱がタービンに奪われることによってタービン後および触媒前の排気温度Ｐ３，Ｐ４が比較的低くなるのに対し、大オーバーラップ作動時では、掃気効果によって独立排気通路１６ａ〜１６ｄの排気温度Ｐ１は下がるものの、未燃燃料が排気通路に排出されるとともにタービンで攪拌されることによりタービン下流で後燃えが発生し、これによってタービン後および触媒前の排気温度Ｐ３，Ｐ４がタービン前の排気温度Ｐ２よりも上昇する。
【００７１】
特に、後燃えは排気温度と攪拌するタービンの回転数とに影響されるので、小型で回転数が高い第１ターボ過給機４０のタービン４１で攪拌することにより、攪拌作用を高めて確実に後燃えを生じさせることができる。そして、第２ターボ過給機５０のタービン５１はバイパスするため、後燃えによる熱エネルギーがタービン５１で奪われることなく触媒６５に供給される。これにより、触媒６５の温度上昇が促進され、触媒６５が活性温度に昇温するまでの時間が短縮されることとなる。
【００７２】
また、この冷間時には、第２ターボ過給機５０は実質的に作動せず、第１ターボ過給機４０のみによって過給が行われるが、可変排気バルブ３０が閉じられることにより、過給作用が高められる。
【００７３】
すなわち、排気バルブ９の開弁直後は燃焼室内からの高圧ガスが噴出すブローダウン現象により排気流速が高くなり、そのブローダウンガスをタービンに導くことで動圧過給効果が得られる。特に、独立排気通路１６ａ，１６ｂｃ，１６ｄの出口付近に設けられた可変排気バルブ３０の開度が小さくされることにより、ブローダウン期間にある気筒から１つの独立排気通路に排出された排気が可変排気バルブ３０を通過するときにエゼクタ効果で他の独立排気通路から排気を吸い出して、排気流量が増加するため、動圧過給効果が高められ、第１ターボ過給機４０のタービン４１の駆動力が増大して、過給圧を高めることができる。さらに、排気を吸い出すエゼクタ効果で掃気性も高められる。
【００７４】
そして、温間時には独立排気通路の出口の有効開口面積をある程度以上絞るとノッキングが生じ易くなるが、冷間時には、ノッキングが生じ難いため、独立排気通路の出口の有効開口面積（可変排気バルブ３０の開度）をより小さくすることができ、これにより動圧過給効果を高めることができる。
【００７５】
このようにして、冷間時には、小型の第１ターボ過給機４０のみによって過給が行われても、充分に過給圧を高めることができる。
【００７６】
一方、エンジンの運転状態が動圧過給運転領域Ｒ１にあって、エンジン水温が所定温度Ｔよりも高い温間時にある場合、後燃えモードの燃焼条件とされ、かつ、可変排気バルブ３０が運転状態に応じた設定開度に調整されるとともに、排気流路切換バルブ６３，６４が図１２に示す状態に制御されることにより、同図に矢印で示すように、排気が第１ターボ過給機４０のタービン４１と第２ターボ過給機５０のタービン５１とを通るように排気流路が設定される。これにより、両ターボ過給機４０，５０が協働して過給作用を高める。
【００７７】
すなわち、後燃えモードの燃焼条件とされることで未燃燃料が排気通路６０に排出されるとともにタービン４１で攪拌されることによりタービン下流で後燃えが発生することは冷間時と同様であるが、温間時には後燃えによる熱エネルギーが第２ターボ過給機５０のタービン５１に供給される。
【００７８】
そして、可変排気バルブ３０で独立排気通路１６ａ，１６ｂｃ，１６ｄの出口が適度に絞られて、エゼクタ効果により、タービン４１に供給される排気のエネルギーが高められることにより第１ターボ過給機４０の過給作用が高められるとともに、後燃えによる熱エネルギーで第２ターボ過給機５０の過給作用が高められることにより、過給機の出力および過渡レスポンス（加速時のトルク上昇の応答性）を向上させることができる。
【００７９】
また、エンジンの運転状態が高速運転領域Ｒ２にある場合は、通常運転での燃焼条件とされ、かつ、可変排気バルブ３０が開かれるとともに、排気流路切換バルブ６３，６４が図１３に示す状態に制御されることにより、同図に矢印で示すように、排気が第１ターボ過給機４０のタービン４１をバイパスし、第２ターボ過給機５０のタービン５１とを通るように排気流路が設定される。これにより、排気量が多い高速運転領域Ｒ２で効果的な過給が行われる。
【００８０】
すなわち、高速運転領域Ｒ２では排気量が多いため、大型の第２ターボ過給機５０だけでも充分な過給作用が得られる。この場合に、小型の第１ターボ過給機４０のタービン４１をバイパスすることにより、このタービン４１での排気抵抗による排圧上昇を抑制することができる。さらに、可変排気バルブ３０が開かれることにより、ここでの排気抵抗による排圧上昇も抑制することができる。また、オーバーラップ期間が小さくされることで未燃燃料の排出が抑えられる。
【００８１】
これらの作用により、第２ターボ過給機による過給作用が高められるとともに、排圧の上昇が抑制され、効果的にエンジン出力が高められる。
【００８２】
図１４は、エンジントルク特性を示すグラフである。横軸にエンジン回転速度（ｒｐｍ）、縦軸にエンジントルク（Ｎ・ｍ）を示す。実線で示す特性は本実施形態の特性、破線で示す特性は従来型の排気系と一般的な大型排気ターボ過給機を採用した場合の特性、一点鎖線で示す特性は従来型の排気系と一般的な小型排気ターボ過給機を採用した場合の特性である。
【００８３】
図示のように、破線の特性では大型排気ターボ過給機による高速域でのトルク増大作用が強く、一点鎖線の特性では小型排気ターボ過給機による低速域でのトルク増大作用が強い。それらに対して本実施形態のターボ過給機によれば、上述のように各運転領域Ｒ１，Ｒ２で過給性能が高められることにより、実線の特性のように、低速運転領域から高速運転領域にわたる広い範囲でエンジントルクの増大が達成される。
【００８４】
なお、本発明の過給機付きエンジンの具体的構造は上記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【００８５】
例えば、上記実施形態では第１，第２の２つのターボ過給機４０，５０を設けているが、３つ以上のターボ過給機を備えていてもよい。この場合、１つのターボ過給機を他のターボ過給機よりもタービン径が小さい小型過給機とし、動圧過給運転領域Ｒ１での冷間時には、排気が上記１つのターボ過給機と、それ以外のタービンをバイパスするタービンバイパス通路とを通り、動圧過給運転領域Ｒ１での温間時には、排気が各ターボ過給機のタービンを通るように、排気流路が切換えられるようにしておけばよい。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の一実施形態に係る過給機付きエンジンの概略構成図である。
【図２】図１のエンジンの部分断面図である。
【図３】図１の実施形態に係るタイミングチャートである。
【図４】要部を示す外観斜視図である。
【図５】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６】エンジン制御ユニットの機能的構成を示すブロック図である。
【図７】運転状態に応じた制御を行うための運転領域の設定を示す特性図である。
【図８】排気特性図であり、（Ａ）は独立排気絞りモード、（Ｂ）は通常の運転モードである。
【図９】エンジン制御ユニットによる制御の一例を示すフローチャートである。
【図１０】動圧過給運転領域で、冷間時である場合の、排気および吸気の流通状態を示す説明図である。
【図１１】本実施形態に係る過給機付きエンジンの後燃え現象による温度変化を示すための、複数個所の排気温度の測定値を示すグラフである。
【図１２】動圧過給運転領域で、温間時である場合の、排気および吸気の流通状態を示す説明図である。
【図１３】高速運転領域にある場合の、排気および吸気の流通状態を示す説明図である。
【図１４】エンジントルクの特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８７】
１  エンジン
３ａ〜３ｄ  気筒
８  排気ポート
１２  可変バルブタイミング機構
１６  排気マニホールド
１６ａ，１６ｂｃ，１６ｄ  独立排気通路
１７ａ  出口
２０  エンジン制御ユニット
２１  可変排気バルブ制御手段
２２  オーバーラップ制御手段
２３  温度状態判別手段
２４  流路選択手段
３０  可変排気バルブ
３１ｃ  集合部
４０，５０  ターボ過給機
４１，５１  タービン
４２，５２  コンプレッサ
６０  排気通路
６１，６２  タービンバイパス通路
６３，６４  排気流路切換バルブ
６５  触媒
【図１】
0005040747.tif 000002
【図２】
0005040747.tif 000003
【図３】
0005040747.tif 000004
【図４】
0005040747.tif 000005
【図５】
0005040747.tif 000006
【図６】
0005040747.tif 000007
【図７】
0005040747.tif 000008
【図８】
0005040747.tif 000009
【図９】
0005040747.tif 000010
【図１０】
0005040747.tif 000011
【図１１】
0005040747.tif 000012
【図１２】
0005040747.tif 000013
【図１３】
0005040747.tif 000014
【図１４】
0005040747.tif 000015