(57)【要約】【課題】比較的排気流量の低い運転領域でも、所期の過給能力を発揮すること。【解決手段】独立排気通路１６ａ〜１６ｄを有する排気マニホールド１６と、各独立排気通路１６ａ〜１６ｄの下流側が１つに集合した集合部３１ｃと、集合部３１ｃの下流側に接続された排気ターボ過給機５０とを備えている。好ましくは、所定の過給運転領域でエゼクタ効果を奏する可変排気バルブ３０を備えている。排気ターボ過給機５０は、可変排気バルブ３０から吐出された排気Ｗｅが流入するタービンケーシング５１ａと、タービンケーシング５１ａ内に配置され、当該タービンケーシング５１ａ内に流入した排気Ｗｅによって駆動されるタービンスクロール５４と、当該独立排気通路１６ａ〜１６ｄの出口１７ａ〜１７ｄから吐出された排気Ｗｅの主流をタービンスクロール５４の回転方向に倣う接線沿いに導く整流板５６とを含んでいる。【選択図】図７
2009144642.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、動圧過給機能を奏する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、
所定の過給運転領域で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変更可能に構成された可変排気バルブと
を備え、
前記排気ターボ過給機は、前記可変排気バルブから吐出された排気が流入するタービンケーシングと、前記タービンケーシング内に配置され、当該タービンケーシング内に流入した排気によって駆動されるタービンスクロールと、前記可変排気バルブが前記有効開口面積を低減したときに前記タービンケーシング内に流入された排気の主流を前記タービンスクロールの回転方向に倣う接線沿いに導く整流板とを含んでいる
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、
前記可変排気バルブは、前記有効開口面積を低減したときに前記タービンケーシング内に流入された排気の主流を前記整流板に導く導流板を含んでいる
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、
前記整流板の終端と前記タービンケーシングのスクロール下流端に対向する部位とは、当該タービンスクロールの周方向１８０°隔てたところで対向している
ことを特徴とする過給機付エンジンシステム。
【請求項４】
請求項１から３の何れか１項に記載の過給機付エンジンシステムにおいて、
前記タービンスクロールの外周部分は、前記タービンケーシングを前記可変排気バルブと接続する接合ダクトの下流端に臨むように、前記タービンケーシングに区画されるタービン室から前記接合ダクト内に突出している
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】
図１５は、タービン流量とタービン効率およびタービン駆動力（タービンスクロールのトルク）との関係を示すグラフである。
【０００５】
図１５に示すように、タービン流量Ｑｔが増加すると、タービン駆動力Ｆｔは、二次曲線的に増加するのであるが、タービンの効率は、タービン流量Ｑｔが最小値と最大値の中間部分が最も高く、その範囲から外れるにつれて下がる傾向がある。このため、タービン流量Ｑｔが少ない場合には、タービン駆動力Ｆｔも効率も低いため、理論的には、特許文献１のように、低速低負荷側のタービン流量Ｑｔが低い運転領域では排気ターボ過給機のノズル部を絞って、背圧を低減する方が合理的である。
【０００６】
しかし、ブローダウンによって動圧過給効果を高めるように構成されたターボエンジンでは、排気ターボ過給機の過給能力は、排気流量Ｑｔが低い低速低負荷側の運転領域で最もニーズが高いため、特許文献１のような制御では、所期のニーズに合致した過給性能を得ることができなくなるという問題があった。
【０００７】
本発明は上記不具合に鑑みてなされたものであり、比較的排気流量の低い運転領域でも、所期の過給能力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、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、動圧過給機能を奏する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、所定の過給運転領域で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変更可能に構成された可変排気バルブとを備え、前記排気ターボ過給機は、前記可変排気バルブから吐出された排気が流入するタービンケーシングと、前記タービンケーシング内に配置され、当該タービンケーシング内に流入した排気によって駆動されるタービンスクロールと、前記可変排気バルブが前記有効開口面積を低減したときに前記タービンケーシング内に流入された排気の主流を前記タービンスクロールの回転方向に倣う接線沿いに導く整流板とを含んで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、排気行程において生じるブローダウンによって動圧過給効果を奏することができるとともに、この動圧過給によって流速が高まった排気の主流が整流板によってタービンスクロールの回転方向に倣う接線沿いに導かれるので、タービンケーシング内の流速は、タービンスクロールを回転させるのに好適な接線近傍部位が最も速くなるように分布する。この結果、流量が比較的少ない運転領域においても、タービンスクロールの駆動力に寄与する流量が増加し、この流量分の増加がタービンスクロールの運転効率を高めるので、全体としては少ない流量であってもタービン駆動力が増加し、背圧を抑制しつつ高い過給性能を発揮することができる。また、排気マニホールドの独立排気通路と可変排気バルブとによって、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の一部を圧力エネルギに変換し、当該圧力エネルギ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、動圧過給効果をさらに促進することができる。加えて、エゼクタ効果によって高まったブローダウンピークが、整流板によって比較的高い流速を維持したままタービンスクロールに導かれるので、一層動圧過給効果を高め、部分負荷運転領域であっても、排気エネルギを有効利用し、背圧の上がることなく所期の過給性能を得ることが可能になる。
【０００９】
好ましい態様において、前記可変排気バルブは、前記有効開口面積を低減したときに前記タービンケーシング内に流入された排気の主流を前記整流板に導く導流板を含んでいる。この態様では、独立排気通路の出口から吐出された排気の主流が導流板から整流板を経てタービンスクロールに導かれるので、比較的流量の少ない部分負荷運転領域であっても、高い流速を維持することができる。この結果、単に部分負荷運転領域での過給性能を高めることができるばかりでなく、比較的大型の排気ターボ過給機を採用することも可能になる。
【００１０】
好ましい態様において、前記整流板の終端と前記タービンケーシングのスクロール下流端に対向する部位とは、当該タービンスクロールの周方向１８０°隔てたところで対向している。この態様では、整流板に沿って導かれた排気の流速が当該整流板の終端部分で最も高く分布するとともに、タービンケーシング内に導かれてタービンスクロールを駆動した排気もスクロール下流端で最速になる。ここで、整流板の終端とタービンケーシングのスクロール下流端に対向する部位とが、当該タービンスクロールの周方向１８０°隔てたところで対向しているため、整流板の終端でタービンスクロールに作用する排気と、スクロール下流端でタービンスクロールに作用する排気とによって、タービンスクロールには軸周りにタービンスクロールを回転させる偶力が作用し、タービンスクロールのトルクが向上する。また、タービンスクロールの外周に一方向からトルクを作用させる場合に比べて、タービンスクロールの軸に対する曲げモーメントを低減することができる。従って、比較的少ない流量であっても、高い駆動力でタービンをスムーズに回転させ、過給性能を高めることができる。
【００１１】
好ましい態様において、前記タービンスクロールの外周部分は、前記タービンケーシングを前記可変排気バルブと接続する接合ダクトの下流端に臨むように、前記タービンケーシングに区画されるタービン室から前記接合ダクト内に突出している。この態様では、比較的流量が低い運転領域でも、整流板に導かれた排気がタービンスクロールを駆動しやすくなる結果、より効果的にタービンスクロールのトルクを高めることができる。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように本発明は、整流板で排気の流速をタービンスクロールの接線部分で高めることができるので、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、図略の燃料供給手段（燃料噴射弁など）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ＳＷ１、エンジン水温センサＳＷ２、エアフローセンサＳＷ３、吸気温度センサＳＷ４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ＳＷ５、車速センサＳＷ６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】
2009144642.tif 000003
【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排気通路体積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排気通路体積Ｖｃとした場合、第２、第３排気通路体積Ｖｂ、Ｖｃは、それぞれ第１排気通路体積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。
【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に対し、当該触媒６３の上流端に設けたテーパ部６３ａと同心に開口するように接続されている。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。
【００４２】
図７は、本発明の実施形態に係る排気マニホールド及び可変排気バルブのハウジングの縦断面図であって、可変排気バルブが開弁状態にある状態を示す図である。
【００４３】
図７を参照して、ハウジング３１の上流側には仕切板３２が設けられている。仕切板３２はフラップ軸３７方向に離間して２枚設けられており、これら仕切板３２が、それぞれ排気Ｗｅを下流側に導く流路を形成している。これら２枚の仕切板３２は、各独立排気通路１６ａ、１６ｂｃ、１６ｄの独立状態及び並列状態を維持している。
【００４４】
各仕切板３２の後縁３２ａは、可変排気バルブ３０が閉弁状態にあるときのフラップ３５の扇状面３６に沿うように成形されている。従って、取付フレーム１７の下流側は、各仕切板３２によって独立状態及び並列状態が維持された状態で絞られる。
【００４５】
また集合部３１ｃは、仕切板３２の後縁３２ａより下流側に形成されている。
【００４６】
次に、可変排気バルブ３０のハウジング３１内には、ハウジング３１の曲げ方向に沿った導流板３３が設けられている。導流板３３は、仕切板３２を通過した排気Ｗｅを、ハウジング３１の曲がりに沿って円滑に流れるように導くように構成されている。特に、図７に示すように、可変排気バルブ３０が閉弁状態のとき、仕切板３２を通過した排気Ｗｅをハウジング３１と導流板３３とが囲むように配置されている。
【００４７】
また、ハウジング３１内の集合部３１ｃには、ハウジング３１の曲げ外側壁面から内側に立設するように整流ガイド３４が設けられている。整流ガイド３４は排気Ｗｅの流れに沿って（平行に）立設され、またフラップ軸３７方向に離間して２枚設けられている。整流ガイド３４の湾曲部分内周側は、導流板３３との間に隙間を隔てている。整流ガイド３４は、排気方向に交差する方向（図７の紙面に平行でない方向）の旋回流を規制するために設けられている。これら２枚の整流ガイド３４によって、排気Ｗｅの流れがより円滑となる。
【００４８】
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、図略の吸気通路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。
【００４９】
排気ターボ過給機５０のハウジング５１は、タービンスクロール５４を囲繞するタービンケーシング５１ａと、このタービンケーシング５１ａと連続し、可変排気バルブ３０のハウジング３１と接合される接合ダクト５１ｂとを一体に有している。
【００５０】
タービンケーシング５１ａは、タービンスクロール５４のシャフト５３回りに幾分偏心してタービンスクロール５４を囲繞し、タービン室５１ｃを区画する筒状の筐体である。タービンケーシング５１ａは、タービンスクロール５４の回転方向において、下流側に行くにつれて内壁部分が近接するようにタービンスクロール５４と偏心している。この結果、タービンスクロール５４の周囲に導入された排気Ｗｅの流速は、スクロール下流端に対向する部位５１ｄの近傍で最も高くなる。
【００５１】
接合ダクト５１ｂは、タービンスクロール５４の下流端からの距離を充分に確保できる周方向部位に排気Ｗｅを導くことができるように、タービンケーシング５１ａの一接線沿いに連続し、可変排気バルブ３０のハウジング３１と接合されている。本実施形態において、タービンスクロール５４の外周部分は、可変排気バルブ３０と接続する接合ダクト５１ｂの下流端に臨むように、タービンケーシング５１ａに区画されるタービン室５１ｃから接合ダクト５１ｂ内に突出している。
【００５２】
接合ダクト５１ｂには、導流板３３と連続して、タービン室５１ｃにまで延びる整流板５６が設けられている。整流板５６は、可変排気バルブ３０のフラップ３５が有効開口面積Ｓ２を図７に示すように全閉状態に低減したときに、当該独立排気通路１６ａ、１６ｂｃ、１６ｄの各出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄから吐出された排気Ｗｅの主流をタービンスクロール５４の回転方向に倣う接線沿いに導いて、流量の低い運転時に、タービンスクロール５４の駆動効率を高めるためのものである。本実施形態において、整流板５６の下流側は、下流側に行くに連れてタービンスクロール５４に近接するようにタービンスクロール５４の外周沿いに湾曲しており、整流板５６の終端５６ａとタービンケーシング５１ａのスクロール下流端に対向する部位５１ｄとは、当該タービンスクロール５４の周方向１８０°隔てたところで対向している。この結果、整流板５６に沿って導かれた排気Ｗｅの流速が当該整流板５６の終端５６ａで最も高く分布するとともに、タービンケーシング５１ａ内に導かれてタービンスクロール５４を駆動した排気Ｗｅもスクロール下流端で最速になる。ここで、整流板５６の終端５６ａとタービンケーシング５１ａのスクロール下流端に対向する部位５１ｄとが、当該タービンスクロール５４の周方向１８０°隔てたところで対向しているため、整流板５６の終端５６ａでタービンスクロール５４に作用する排気Ｗｅと、スクロール下流端でタービンスクロール５４に作用する排気Ｗｅとによって、タービンスクロール５４に配設されたベーン５５は、整流板５６の終端５６ａとタービンケーシング５１ａのスクロール下流端に対向する部位５１ｄのところで偶力Ｆｃを受けることになる。この偶力Ｆｃによって、タービンスクロール５４には、大きなモーメント（トルク）が作用するとともに、タービンスクロール５４を支持するシャフト５３に作用する曲げモーメントは、小さくなる。
【００５３】
導流板３３の下流部分は、排気ターボ過給機５０の整流板５６の上流端と滑らかに連続している。この結果、図７に示すように、可変排気バルブ３０のフラップ３５が有効開口面積Ｓ２を全閉状態に低減したときに、当該独立排気通路１６ａ、１６ｂｃ、１６ｄの各出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄから吐出された排気Ｗｅの主流は、導流板３３から滑らかに整流板５６に導かれ、タービンスクロール５４の接線沿いに導かれることになる。
【００５４】
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ＳＷ７が設けられている（図１参照）。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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ＳＷ１、エンジン水温センサＳＷ２、エアフローセンサＳＷ３、吸気温度センサＳＷ４、アクセル開度センサＳＷ５、車速センサＳＷ６、回転速度センサＳＷ７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、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等が接続されている。
【００５９】
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一般的な燃焼制御に加え、可変バルブタイミング機構１２の駆動制御を行う。さらに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。
【００６０】
図８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。
【００６１】
図８を参照して、同図に示す運転特性では、エンジン１の運転領域のうち、可変排気バルブ３０によって、排気マニホールド１６出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄの有効開口面積Ｓ２が絞られる過給運転領域Ｒ１と、出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄが全開で運転される運転領域Ｒ２とが図のように設定される。
【００６２】
過給運転領域Ｒ１では、独立排気絞り制御が実行されるように設定されている。独立排気絞り制御とは、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。
【００６３】
本実施形態では、エンジン制御ユニット２０は、各入力要素からエンジン１（ないし車両）の運転状態を検出し、その運転領域を判定する。次いで、エンジン制御ユニット２０は、各出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄの有効開口面積Ｓ２を決定し、決定された有効開口面積Ｓ２に基づいて、アクチュエータ３８を駆動し、フラップ３５を駆動して、出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄを適宜絞る。次いで、設定された有効開口面積Ｓ２に基づいて、排気バルブ９の開タイミングと吸気バルブ７の開閉タイミングとをＶＶＴ１２ｅ、１２ｉで制御する。
【００６４】
図９は、図１の実施の形態に係るバルブタイミング変更制御の説明図である。横軸にはクランク角度θ（ｄｅｇ：°ＣＡ）を示し、第１気筒３ａの上死点ＴＤＣを０°ＣＡとする。縦軸には吸排気バルブ７、９の模式的な開弁量を示す。なお上段には、点火順序の隣り合う気筒のうち後に点火する方の気筒を示し、下段には、先に点火する方の気筒を示す。その一例として、上段に第１気筒３ａ、下段に第２気筒３ｂを示す。そして、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）にあり、第２気筒３ｂが排気行程から吸気行程への移行期（上死点付近）にある状態を示している。これは図２に示す状態に相当する。
【００６５】
破線で示す排気バルブ開期間Ｐｅ１および吸気バルブ開期間Ｐｉ１は独立排気絞り制御を行わず、可変排気バルブ３０が全開状態である場合（本実施形態においては例えば自然吸気領域）の特性である。ここで、排気Ｗｅの掃気を充分に行い、且つ吸気Ｗｉをより多く吸入するため（或いは吸気Ｗｉで排気Ｗｅを押し出すため）に、第２気筒３ｂの上死点付近において排気バルブ開期間Ｐｅ１と吸気バルブ開期間Ｐｉ１とが重複するオーバラップＬ２が設定されている。このオーバラップＬ２は、一般的な可変バルブタイミング制御と同様に、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）。
【００６６】
一方、独立排気絞り制御の実行中では、実線で示す排気バルブ開期間Ｐｅ２および吸気バルブ開期間Ｐｉ２は、同じエンジン回転速度Ｎｅであっても図９のオーバラップＬ３で示すように、独立排気絞り制御を行わない場合のオーバラップＬ２よりも拡大されている。具体的には排気バルブ９の閉弁時期が遅らされ、吸気バルブ７の開弁時期が進められる。ここで、オーバラップＬ２が大きすぎると吸気負圧によって排気Ｗｅが逆流するおそれがある。しかし独立排気絞り制御では、エゼクタ効果によって排気Ｗｅが下流側に吸出されるので、そのような逆流が起こりにくい。すなわち、排気Ｗｅの逆流という弊害を抑制しつつオーバラップ量を増大させることができる。従って、本実施形態では、独立排気絞り制御中にオーバラップＬ２をオーバラップＬ３に拡大することにより、吸気量を増大させ、エンジントルクの増大をさらに促進するようにしているのである。
【００６７】
他方、オーバラップＬ２をオーバラップＬ３に拡大するに際し、排気バルブ閉弁時期を遅らせてオーバラップ量を増大しているので、独立排気絞り制御の実行時は、図９上段に示すように、排気バルブ開弁時期が期間Ｌ１だけ遅れることになる（開弁期間自体は平行移動圧に変更され、不変であるから）。このため、独立排気絞り制御の非実行時に比べ、ブローダウンガスを加勢し、顕著なエゼクタ効果を得ることができる。もっとも、排気バルブ９を排気下死点後に開くと排気抵抗が大きくなるので、排気バルブ開弁時期の遅延は、図示のように排気下死点直前までにとどめておくことが好ましい。
【００６８】
上述のような独立排気絞り制御によって、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。
【００６９】
図２、図７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。
【００７０】
このエゼクタ効果によって吸い出された排気Ｗｅは、図７に示すように、導流板３３から排気ターボ過給機５０の整流板５６に導かれ、タービンスクロール５４の外周に沿って周回する。この結果、排気Ｗｅの主流は、タービンスクロール５４のベーン５５を駆動しながら下流側に回動する。このように、流量が比較的少ない運転領域においても、エゼクタ効果によって排気Ｗｅの流速を高めることができるとともに、この流速が高まった排気Ｗｅの主流が整流板５６によってタービンスクロール５４の回転方向に倣う接線沿いに導かれるので、タービンケーシング５１ａ内の流速は、タービンスクロール５４を回転させるのに好適な接線近傍部位が最も速くなるように分布する。この結果、タービンスクロール５４の駆動力に寄与する流量が増加し、この流量分の増加がタービンスクロール５４の運転効率を高めるので、全体としては少ない流量であってもタービン駆動力が増加し、背圧を抑制しつつ高い過給性能を発揮することができる。
【００７１】
以上説明したように本実施形態では、排気行程において生じるブローダウンによって動圧過給効果を奏することができるとともに、この動圧過給によって流速が高まった排気Ｗｅの主流が整流板５６によってタービンスクロール５４の回転方向に倣う接線沿いに導かれるので、タービンケーシング５１ａ内の流速は、タービンスクロール５４を回転させるのに好適な接線近傍部位が最も速くなるように分布する。この結果、流量が比較的少ない運転領域においても、タービンスクロール５４の駆動力に寄与する流量が増加し、この流量分の増加がタービンスクロール５４の運転効率を高めるので、全体としては少ない流量であってもタービン駆動力が増加し、背圧を抑制しつつ高い過給性能を発揮することができる。
【００７２】
また、本実施形態では、所定の過給運転領域でエゼクタ効果を奏するべく、集合部３１ｂと排気マニホールド１６との間で当該独立排気通路１６ａ〜１６ｄの出口１７ａ〜１７ｄの有効開口面積Ｓ２を変更可能に構成された可変排気バルブ３０を備え、整流板５６は、可変排気バルブ３０が有効開口面積Ｓ２を低減したときの排気Ｗｅの主流を案内するものである。このため本実施形態では、排気マニホールド１６の独立排気通路１６ａ〜１６ｄと可変排気バルブ３０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、動圧過給効果をさらに促進することができる。加えて、エゼクタ効果によって高まったブローダウンピークが、整流板５６によって比較的高い流速を維持したままタービンスクロール５４に導かれるので、一層動圧過給効果を高め、部分負荷運転領域であっても、排気エネルギを有効利用し、背圧の上がることなく所期の過給性能を得ることが可能になる。
【００７３】
また本実施形態では、可変排気バルブ３０は、有効開口面積Ｓ２を低減したときに当該独立排気通路１６ａ〜１６ｄの出口１７ａ〜１７ｄから吐出された排気Ｗｅの主流を整流板５６に導く導流板３３を含んでいる。このため本実施形態では、独立排気通路１６ａ〜１６ｄの出口１７ａ〜１７ｄから吐出された排気Ｗｅの主流が導流板３３から整流板５６を経てタービンスクロール５４に導かれるので、比較的流量の少ない部分負荷運転領域であっても、高い流速を維持することができる。この結果、単に部分負荷運転領域での過給性能を高めることができるばかりでなく、比較的大型の排気ターボ過給機５０を採用することも可能になる。
【００７４】
さらに本実施形態においては、整流板５６の終端５６ａとタービンケーシング５１ａのスクロール下流端に対向する部位５１ｄとは、当該タービンスクロール５４の周方向１８０°隔てたところで対向していることから、タービンスクロール５４のベーン５５に作用する偶力Ｆｃによって、タービンスクロール５４のトルクが向上する。また、タービンスクロール５４の外周に一方向からトルクを作用させる場合に比べて、タービンスクロール５４の軸に対する曲げモーメントを低減することができる。従って、比較的少ない流量であっても、高い駆動力でタービンをスムーズに回転させ、過給性能を高めることができる。
【００７５】
また本実施形態では、タービンスクロール５４の外周部分は、可変排気バルブ３０と接続する接合ダクト５１ｂの下流端に臨むように、タービンケーシング５１ａに区画されるタービン室５１ｃから接合ダクト５１ｂ内に突出している。このため本実施形態では、比較的流量が低い運転領域でも、整流板５６に導かれた排気Ｗｅがタービンスクロール５４を駆動しやすくなる結果、より効果的にタービンスクロール５４のトルクを高めることができる。
【００７６】
他方、可変排気バルブ３０が全開状態のとき、フラップ３５がほぼ完全に膨出部３１ｂに格納されて、フラップ３５の一部が排気マニホールド１６から連続する排気通路の壁面を形成している。従って第１排気通路１６ａからの排気Ｗｅは取付フレーム１７を経てハウジング３１に円滑に流入し、集合部３１ｃから排気ターボ過給機５０のハウジング５１に導かれる。
【００７７】
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。
【００７８】
（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）が大きい程、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。
【００７９】
図１０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。図示の特性は、可変排気バルブ３０による絞り効果のない場合（可変排気バルブ３０が全開の場合）の特性である。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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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に示す）を、第１排気通路１６ａの開口面積と同じ円の開口径Ｄ１（図２に示す）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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
なお排気マニホールド容積を小さくすると上述のように動圧過給効果が高くなるが、その反面、高速運転領域において排気温度が高くなる傾向となる。従って、例えば排気マニホールド１６の材質として耐熱性の高い鋳鋼を用いたり、排気マニホールド１６を水冷化したりして耐熱性の向上を図ることが好ましい。
【００９０】
（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制御によって、大きなエゼクタ効果を得ることができる。
【００９１】
エゼクタ効果による利点は、主に次の３点が挙げられる。
【００９２】
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、整流板５６で排気Ｗｅの流速をタービンスクロール５４の接線部分で高速化させる作用と相俟って、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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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および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、さらには燃費の向上に寄与している。
【００９８】
図１１は、過給運転領域Ｒ１における充填効率ηｃを示すグラフである。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制御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制御とによる過給圧増大の効果である。
【００９９】
図１２は、過給運転領域Ｒ１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。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制御とが併用された本実施形態の特性（図１１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１１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制御とによって充填効率が増大（図１１）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。
【０１００】
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。
【０１０１】
図１３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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
図１３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。
【０１０４】
そして、動圧過給をエゼクト効果によって促進させた本実施形態において、整流板５６による流速分布の偏在を図り、流量の少ない運転領域でタービンスクロール５４に大きなトルクを作用させることにより、部分負荷運転領域において、背圧の上がることなく、過給性能を高めることができるのである。
【０１０５】
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。
【０１０６】
例えば、整流板５６として、図１４に示す構成を採用してもよい。図１４は、本発明の別の実施形態に係る排気マニホールド及び可変排気バルブのハウジングの縦断面図であって、可変排気バルブが開弁状態にある状態を示す図である。
【０１０７】
図１４に示すように、整流板５６は、可変排気バルブ３０が有効開口面積Ｓ２を低減したときに当該独立排気通路１６ａ〜１６ｄの出口１７ａ〜１７ｄから吐出された排気Ｗｅの主流をタービンスクロール５４の回転方向に倣う接線沿いに導くものであれば、終端５６ａがタービンスクロール５４の上流端に近接した構成であってもよい。図１４に示す構成では、整流板５６の全長を短く設定することができることから、既存の排気ターボ過給機に整流板５６を組み付けることが容易になる。
【０１０８】
また、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。
【０１０９】
また可変バルブタイミング機構によるバルブタイミング変更制御は、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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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】
【０１１２】
【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】本発明の実施の一形態に係る排気マニホールド及び可変排気バルブのハウジングの縦断面図であって、可変排気バルブが開弁状態にある状態を示す図である。
【図８】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９】図１の実施の形態に係るバルブタイミング変更制御の説明図である。
【図１０】排気ブローダウン特性図である。
【図１１】低速過給領域における充填効率を示すグラフである。
【図１２】低速過給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１３】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。
【図１４】本発明の別の実施形態に係る排気マニホールド及び可変排気バルブのハウジングの縦断面図であって、可変排気バルブが開弁状態にある状態を示す図である。
【図１５】タービン流量とタービン効率およびタービン駆動力（タービンスクロールのトルク）との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１１３】
１  過給機付エンジン
３  気筒
１６  排気マニホールド
１６ａ  独立排気通路
１６ｂ  独立排気通路
１６ｃ  独立排気通路
１６ｄ  独立排気通路
１６ｂｃ  補助集合排気通路
３３  導流板
５０  排気ターボ過給機
５１  ハウジング
５１ａ  タービンケーシング
５１ｂ  接合ダクト
５１ｄ  部位
５４  タービンスクロール
５６  整流板
５６ａ  終端
【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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