(57)【要約】【課題】バイパス時に排気干渉を十全に解消し、もって、背圧低減機能によって高い過給性能を維持しつつ、エンジントルクを広い運転領域にわたって維持すること。【解決手段】排気ターボ過給機５０と、排気ターボ過給機５０の下流側に接続された主排気通路６０に設けられる触媒６３と、排気ターボ過給機５０をバイパスして排気マニホールド１６からの排気Ｗｅを主排気通路６０の当該触媒６３よりも上流側に吐出するウエストゲート通路（ウエストゲート用開口３１ｅ、チェンバ３１ｆ、排出通路６１）と、所定のインターセプトポイントでウエストゲート通路を開くウエストゲートバルブ機構８０とを備える。ウエストゲート通路の下流端は、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。【選択図】図４
2009103042.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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た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、
前記排気ターボ過給機の下流側に接続された主排気通路に設けられる触媒と、
前記排気ターボ過給機をバイパスして前記排気マニホールドからの排気を前記主排気通路の当該触媒よりも上流側に吐出するウエストゲート通路と、
所定のインターセプトポイントで前記ウエストゲート通路を開くウエストゲートバルブ機構と
を備え、
前記ウエストゲート通路の下流端は、前記主排気通路に対し、当該触媒の上流端に設けたテーパ部と同心に開口するように接続されている
ことを特徴とする過給機付エンジン。
【請求項２】
請求項１記載の過給機付エンジンにおいて、
前記触媒は、前記排気ターボ過給機の直下に配置されており、
前記主排気通路は、前記排気ターボ過給機と前記触媒との間に湾曲した経路を形成する湾曲部を有し、
前記ウエストゲート通路の下流端は、当該主排気通路の湾曲部の外周側から接続されている
ことを特徴とする過給機付エンジン。
【請求項３】
請求項１または２記載の過給機付エンジンにおいて、
前記排気ウエストゲート通路は、前記排気ターボ過給機によって主排気通路に生成される旋回流と逆向きの旋回流を生成する排気流旋回手段を有している
ことを特徴とする過給機付エンジン。
【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において、
前記ウエストゲート通路は、排気を冷却するクーラを有している
ことを特徴とする過給機付エンジン。
【請求項５】
請求項１から４の何れか１項に記載の過給機付エンジンにおいて、
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、
前記可変排気バルブを駆動制御する可変排気バルブ制御手段と
を備え、
前記可変排気バルブ制御手段は、予め設定された運転状態で前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狭くするように前記可変排気バルブを駆動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。
【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に関し、特に低回転領域でのエンジントルクを増大させる過給装置を備えた過給機付エンジンに関する。
【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。排気ターボ過給機は、排気通路に設けられたタービンホイールと吸気通路に設けられたコンプレッサホイ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ホイールを回転させることによりコンプレッサホイールを駆動し、吸気圧を上昇させるように構成されている。
【０００３】
排気ターボ過給機には、過給圧を制御するためのウエストゲートバルブ機構が設けられている。特許文献１には、排気ターボ過給機をバイパスするウエストゲート通路を設け、このウエストゲート通路を、過給圧を機械的に駆動力に変換するアクチュエータで開閉駆動する過給機付エンジンが開示されている。
【特許文献１】特開平１０−８２３２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ウエストゲート通路を開いて排気ターボ過給機をバイパスさせたとしても、当該排気ターボ過給機からの排気とウエストゲート通路からの排気とが干渉しやすくなるため、排気効率が悪くなる。そのため、特に排気流速の高い高速運転領域では、充分なエンジントルクを得ることが困難になっていた。特許文献１に開示されている構成では、排気ターボ過給機からの排気を排出する第１の通路と、ウエストゲート通路を構成する第２の通路とを設け、第１の通路と第２の通路とを鋭角で交差するように接合している。しかし、単に流路が鋭角に交差しているだけでは、高速運転領域で排気干渉の防止を図ることができなかった。
【０００５】
本発明は上記不具合に鑑みてなされたものであり、バイパス時に排気干渉を十全に解消し、もって、背圧低減機能によって高い過給性能を維持しつつ、エンジントルクを広い運転領域にわたって維持することのできる過給機付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、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た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、前記排気ターボ過給機の下流側に接続された主排気通路に設けられる触媒と、前記排気ターボ過給機をバイパスして前記排気マニホールドからの排気を前記主排気通路の当該触媒よりも上流側に吐出するウエストゲート通路と、所定のインターセプトポイントで前記ウエストゲート通路を開くウエストゲートバルブ機構とを備え、前記ウエストゲート通路の下流端は、前記主排気通路に対し、当該触媒の上流端に設けたテーパ部と同心に開口するように接続されていることを特徴とする過給機付エンジンである。この態様では、排気マニホールドから排出された排気が排気ターボ過給機を過給し、充填効率を高めてエンジントルクの向上を図ることができるとともに、過給圧が高まった場合には、ウエストゲートバルブ機構がウエストゲート通路を開いて排気マニホールドから排出された排気が排気ターボ過給機をバイパスして主排気通路に導入される。このウエストゲート通路を通過した排気は、排気ターボ過給機の出口付近の排気に比べて流速が高く圧力が低くなっている。このため、ウエストゲート通路を通過した排気を駆動流体とし、排気ターボ過給機の出口付近の排気を被吸引流体とするエゼクタ効果によって、排気ターボ過給機の出口付近の排気が吸引され、触媒に導入されることになる。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、排気ターボ過給機の下流側の流速を高めることができるので、排気ターボ過給機の背圧を迅速に下げることができる結果、高い過給性能を維持してエンジントルクを広い運転領域にわたって維持することができる。特に、ウエストゲート通路の下流端が触媒のテーパ部と同心になるように接続されていることから、駆動流体としてのウエストゲート通路からの排出流の全周にわたってエゼクタ効果を奏し、主排気通路の外周側から内周側へ被吸引流体としての排気を吸引することができるので、単に主排気通路とウエストゲート通路とを鋭角に合流させた場合に比べて大きな背圧低減機能を奏するのである。
【０００７】
好ましい態様において、前記触媒は、前記排気ターボ過給機の直下に配置されており、前記主排気通路は、前記排気ターボ過給機と前記触媒との間に湾曲した経路を形成する湾曲部を有し、前記ウエストゲート通路の下流端は、当該主排気通路の湾曲部の外周側から接続されている。この態様では、ウエストゲート通路を通過する排気を触媒の中央側に吐出させることができるので、この排気を駆動流体とするエゼクタ効果を当該駆動流体の全周にわたって及ぼすことが可能となり、より効果的に背圧を低減することができる。
【０００８】
好ましい態様において、前記排気ウエストゲート通路は、前記排気ターボ過給機によって主排気通路に生成される旋回流と逆向きの旋回流を生成する排気流旋回手段を有している。この態様では、エゼクタ効果によって排気ターボ過給機の背圧を低減するに当たり、排気ターボ過給機によって主排気通路に生成される旋回流と逆向きの旋回流が排気流旋回手段によって生成されるので、触媒の上流側で排気の偏在が解消され、触媒への流入抵抗を低減することができる。
【０００９】
好ましい態様において、前記ウエストゲート通路は、排気を冷却するクーラを有している。この態様では、クーラによってウエストゲート通路を通過する排気を冷却し、その圧力を低減することができるので、流速を高め、より高いエゼクタ効果を奏することができる。また、冷却されて主排気通路に吐出された排気によって、この主排気通路の排気をも冷却することができるので、エゼクタ効果と相俟って、排気ターボ過給機の背圧を低減することができる。
【００１０】
好ましい態様において、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、前記可変排気バルブを駆動制御する可変排気バルブ制御手段とを備え、前記可変排気バルブ制御手段は、予め設定された運転状態で前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狭くするように前記可変排気バルブを駆動制御するものである。この態様では、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もエゼクタ効果を得ることができる。この結果、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）の増加や、掃気の促進、或いは動圧過給を行う場合に過給効果を促進する、といった効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、本発明では、ウエストゲートバルブ機構がウエストゲート通路を開いた際、ウエストゲート通路を通過した排気を駆動流体とし、排気ターボ過給機の出口付近の排気を被吸引流体とするエゼクタ効果によって、排気ターボ過給機の背圧を迅速に下げることができる結果、単に主排気通路とウエストゲート通路とを鋭角に合流させた場合に比べて大きな背圧低減機能を奏し、この背圧低減機能によって高い過給性能を維持しつつ、エンジントルクを広い運転領域にわたって維持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】
【００１２】
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。
【００１３】
図１は、図１の実施の形態に係る過給機付エンジン（以下エンジンと略称する）１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。
【００１４】
エンジン１は直列４気筒の４サイクルエンジンである。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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９０度（以下９０°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。
【００１８】
【表１】
2009103042.tif 000003
【００１９】
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９０°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。
【００２０】
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）。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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、１７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。
【００２９】
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。
【００３０】
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いう。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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）。
【００３７】
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。
【００３８】
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が排気Ｗｅを受けて各出口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。
【００３９】
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。
【００４０】
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チェンバ３１ｆに連通しており、このチェンバ３１ｆ内に配置されたウエストゲートバルブ機構８０によって開閉制御されるようになっている。
【００４１】
図７は、図１の実施形態に係る可変排気バルブ３０のハウジング３１の要部を示す斜視図であり、（Ａ）は閉弁状態、（Ｂ）は開弁状態を示すものである。また図８は、図７のウエストゲートバルブ機構８０に採用されている過給圧アクチュエータの構成図である。
【００４２】
図７を参照して、同図に示すウエストゲートバルブ機構８０は、ウエストゲート用開口３１ｅを閉じる弁体８１を有している。弁体８１は、図７、図８に示すように、片持ち状の取付部材８２の一端に固定され、この取付部材８２の他端がアーム８３の先端部分に回動自在に支持されている。アーム８３の基端部分は、リンク部材８４に固定されている。リンク部材８４は、リンク軸８５を介して過給圧アクチュエータ８６のロッド８７に連結されている。
【００４３】
図８に示すように、ロッド８７は、過給圧アクチュエータ８６の内部に収容されるフランジ状の基端部８７ａを有している。この基端部８７ａは、過給圧アクチュエータ８６のダイアフラム８６ａに対し、コイルばね８６ｂによって弾性的に付勢されている。ダイアフラム８６ａの基端部８７ａと反対側には、排気ターボ過給機５０の出口側と連通する連通路８６ｃが形成されており、ダイアフラム８６ａは、排気ターボ過給機５０の背圧を受けるようになっている。この結果、背圧が所定の値になったところで、ロッド８７がコイルばね８６ｂの付勢力に抗して前方に付勢され、その力でリンク部材８４が回動することによってアーム８３が取付部材８２を回動し、図７（Ａ）に示す閉弁状態から図７（Ａ）に示す開弁状態に弁体８１を駆動できるようになっている。かかる構成により、本実施形態では、ウエストゲート通路（３１ｅ、３１ｆ、６１）の上流端（ウエストゲート用開口３１ｅ）がハウジング３１に接続され、可変排気バルブ３０は、各出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄの有効開口面積Ｓ２が所定量絞られる運転領域では、ウエストゲート通路（３１ｅ、３１ｆ、６１）を塞ぎ、独立排気通路１６ａ、１６ｂｃ、１６ｄの各出口１７ａ、１７ｂｃ、１７ｄの有効開口面積Ｓ２を最大値に変更する位置では、ウエストゲート通路（３１ｅ、３１ｆ、６１）を開閉可能に開放するように構成されている。
【００４４】
図１、図２、図４に示すように、チェンバ３１ｆは、排出通路６１を介して、次に接続する排気ターボ過給機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。
【００４５】
本実施形態においては、ウエストゲート用開口３１ｅ、チェンバ３１ｆ、排出通路６１がウエストゲート通路を構成している。
【００４６】
図９は、図１の実施形態に係る排出通路６１の概略構成を示す斜視図である。
【００４７】
図９を参照して、主排気通路６０を流れる排気ターボ過給機５０からの排気Ｗｅは、排気ターボ過給機５０のタービンホイール５４に駆動されることによって、管内を図示のように（例えば反時計回りの）螺旋状に流れている。この旋回流によって排気Ｗｅは触媒６３に不均等に流れることになり、触媒６３を追加する排気流の抵抗が大きくなる場合がある。そこで、本実施形態では、排出通路６１の排気Ｗｅｂが、主排気通路６０内の旋回流を打ち消す方向の排出流を生成するように、排気流旋回手段としてのツイスト板６６を排出通路６１内に設けている。この結果、主排気通路６０内の旋回流は、排気Ｗｅｂの旋回流によって打ち消され、排気流の抵抗を低減するようにしているのである。
【００４８】
図１、図２、図４を参照して、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。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ホイール５４と、図略の吸気通路に設けられたコンプレッサホイール５２と、このコンプレッサホイール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でタービンホイール５４を回転させることによりコンプレッサホイール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。一般的に、Ａ／Ｒ（図２に示すタービンホイール部分のノズル面積Ａと、タービンホイール軸からノズル中心部までの距離Ｒとの比）が比較的大きく、またタービンホイール径Ｄも比較的大きいものを大型ターボという。本実施形態の排気ターボ過給機５０は、一般的な大型ターボと比較して、タービンホイール径Ｄが大きいことは同様であるがＡ／Ｒが比較的小さい設定となっている。
【００４９】
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。
【００５０】
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的に前後させる、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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
図１０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。
【００５６】
図１０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。
【００５７】
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。
【００５８】
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（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。
【００５９】
図１１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。
【００６０】
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）。
【００６１】
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１１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。
【００６２】
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１１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的に変更され、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。
【００６３】
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、タービンホイール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。
【００６４】
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、上記合流角度の条件を満たし、高いエゼクタ効果が得られる。
【００６５】
また、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。ここで、排気ターボ過給機５０の回転速度が高くなると、アクチュエータ８６の作動により、弁体８１がウエストゲート用開口３１ｅを開くので、排気Ｗｅは、ウエストゲート用開口３１ｅからチェンバ３１ｆを経て排出通路６１に流れ、クーラ６４で冷却された後、触媒６３に導かれる。さらに、排出通路６１が主排気通路６０に対し、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ので、排出通路６１から排出される排気Ｗｅｂが駆動流体として機能し、主排気通路６０の上流側にある気体を被吸出し流体として触媒６３に送出するエゼクタ効果を奏することが可能になる。このため、排気ターボ過給機５０の背圧を速やかに低減し、高い過給性能を維持することが可能になる。また、排出通路６１には、ツイスト板６６が設けられ、主排気通路６０内に生成される旋回流が排出通路６１から触媒６３に送出された排気Ｗｅｂによる旋回流によって乱され、排気が触媒６３をむらなく通り、高い排気流速を維持することが可能になる。
【００６６】
以上説明したように、本実施形態においては、排気マニホールド１６から排出された排気Ｗｅが排気ターボ過給機５０を過給し、充填効率ηｃを高めてエンジントルクの向上を図ることができるとともに、過給圧が高まった場合には、ウエストゲートバルブ機構８０がウエストゲート通路を構成するウエストゲート用開口３１ｅを開くので、排気マニホールド１６から排出された排気Ｗｅは、排気ターボ過給機５０をバイパスして主排気通路６０に導入される。このウエストゲート通路（ウエストゲート用開口３１ｅ、チェンバ３１ｆ、排出通路６１）を通過した排気Ｗｅは、排気ターボ過給機５０の出口付近の排気Ｗｅに比べて流速が高く圧力が低くなっている。このため、ウエストゲート通路を構成する排出通路６１を通過した排気Ｗｅを駆動流体とし、排気ターボ過給機５０の出口付近の排気Ｗｅを被吸引流体とするエゼクタ効果によって、排気ターボ過給機５０の出口付近の排気Ｗｅが吸引され、触媒６３に導入されることになる。このエゼクタ効果によって、排気ターボ過給機５０の下流側の流速を高めることができるので、排気ターボ過給機５０の背圧を迅速に下げることができる結果、高い過給性能を維持してエンジントルクを広い運転領域にわたって維持することができる。特に、ウエストゲート通路を構成する排出通路６１の下流端が触媒６３のテーパ部６３ａと同心になるように接続されていることから、駆動流体としてのウエストゲート通路（ウエストゲート用開口３１ｅ、チェンバ３１ｆ、排出通路６１）からの排出流の全周にわたってエゼクタ効果を奏し、主排気通路６０の外周側から内周側へ被吸引流体としての排気Ｗｅを吸引することができるので、単に主排気通路６０とウエストゲート通路（ウエストゲート用開口３１ｅ、チェンバ３１ｆ、排出通路６１）とを鋭角に合流させた場合に比べて大きな背圧低減機能を奏するのである。
【００６７】
また本実施形態では、触媒６３は、排気ターボ過給機５０の直下に配置されており、主排気通路６０は、排気ターボ過給機５０と触媒６３との間に湾曲した経路を形成する湾曲部６０ａを有し、ウエストゲート通路（ウエストゲート用開口３１ｅ、チェンバ３１ｆ、排出通路６１）の下流端は、当該主排気通路６０の湾曲部６０ａの外周側から接続されている。このため本実施形態では、ウエストゲート通路（ウエストゲート用開口３１ｅ、チェンバ３１ｆ、排出通路６１）を通過する排気Ｗｅを触媒６３の中央側に吐出させることができるので、この排気Ｗｅを駆動流体とするエゼクタ効果を当該駆動流体の全周にわたって及ぼすことが可能となり、より効果的に背圧を低減することができる。
【００６８】
また本実施形態では、排気Ｗｅウエストゲート通路（ウエストゲート用開口３１ｅ、チェンバ３１ｆ、排出通路６１）は、排気ターボ過給機５０によって主排気通路６０に生成される旋回流と逆向きの旋回流を生成する排気流旋回手段を有している。このため本実施形態では、エゼクタ効果によって排気ターボ過給機５０の背圧を低減するに当たり、排気ターボ過給機５０によって主排気通路６０に生成される旋回流と逆向きの旋回流が排気流旋回手段によって生成されるので、触媒６３の上流側で排気Ｗｅの偏在が解消され、触媒６３への流入抵抗を低減することができる。
【００６９】
また本実施形態では、ウエストゲート通路（ウエストゲート用開口３１ｅ、チェンバ３１ｆ、排出通路６１）は、排気Ｗｅを冷却するクーラ６４を有している。このため本実施形態では、クーラ６４によってウエストゲート通路（ウエストゲート用開口３１ｅ、チェンバ３１ｆ、排出通路６１）を通過する排気Ｗｅを冷却し、その圧力を低減することができるので、流速を高め、より高いエゼクタ効果を奏することができる。また、冷却されて主排気通路６０に吐出された排気Ｗｅによって、この主排気通路６０の排気Ｗｅをも冷却することができるので、エゼクタ効果と相俟って、排気ターボ過給機５０の背圧を低減することができる。
【００７０】
また本実施形態では、所定の過給運転領域Ｒ１でエゼクタ効果を奏するべく、集合部３１ｃと排気マニホールド１６との間で当該１６ａ、１６ｂｃ、１６ｄの出口の有効開口面積Ｓ２を変更可能に構成された可変排気バルブ３０と、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のエンジン制御ユニット２０とを備え、エンジン制御ユニット２０は、予め設定された運転状態で１６ａ、１６ｂｃ、１６ｄの出口の有効開口面積Ｓ２を最大開口時の開口面積よりも狭くするように可変排気バルブ３０を駆動制御するものである。このため本実施形態では、排気マニホールド１６の１６ａ、１６ｂｃ、１６ｄと可変排気バルブ３０とによって、排気マニホールド１６の出口においてもエゼクタ効果を得ることができる。この結果、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）の増加や、掃気の促進、或いは動圧過給を行う場合に過給効果を促進する、といった効果を得ることができる。
【００７１】
図１２は本発明と比較品との性能比較実験を行った結果を示す説明図であり、（Ａ１）、（Ｂ１）、（Ｃ１）は、それぞれ発明品の接続態様図、主排気通路断面の流量分布図、触媒入口断面付近の流量分布図である。また、（Ａ２）、（Ｂ２）、（Ｃ２）は、比較品の接続態様図、主排気通路断面の流量分布図、触媒入口断面付近の流量分布図である。各図において、排気流は、アルファベット順に示されていて、Ａが最も速く、Ｇが最も遅いことを示している。また、各図において、ＷＧは、ウエストゲート通路、ＣＡＴは、触媒を示す。
【００７２】
まず、図１２（Ａ１）、（Ｂ１）、（Ｃ１）を参照して、発明品としては、ウエストゲート通路ＷＧが触媒ＣＡＴと同心になるように配置されており、その排気の分布は、ウエストゲート通路ＷＧからの排気流によってウエストゲート通路ＷＧの外周全周にわたって大きなエゼクト効果が生じ、触媒ＣＡＴに対しても略均等に排気流が生じていることが分かる。なお、この実験結果は、図９で示したツイスト板６６がない状態での結果であり、ツイスト板６６を設けた場合には、さらなる効果が生じたことが予測される。
【００７３】
他方、（Ａ２）、（Ｂ２）、（Ｃ２）を参照して、比較品（特許文献１の構成に相当）の特性では、ウエストゲート通路ＷＧが単に主排気通路に対して軸線同士が鋭角に交差するように接続されているに過ぎないため、ウエストゲート通路ＷＧの吐出口付近では、若干排気流速が高まっているものの、主排気通路の出口側（触媒ＣＡＴ側）では、よどみが生じ、流速もまばらになっている。
【００７４】
これらの結果から、本発明品では、大幅な背圧低減効果を奏することが確認された。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
（１）動圧過給による過給能力の向上
まず動圧過給について説明する。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。
【００８１】
図１３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。
【００８２】
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。つまり特性Ｃ１２のものは特性Ｃ１０２のものに比べ、動圧過給効果が高い。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ホイール回転数が４３％増大した。
【００８３】
また強い動圧過給を行うことによって、ブローダウン期間が短縮されるので、ブローダウン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。
【００８４】
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直径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。
【００８５】
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、掃気性に依存するノッキング性能にも差が生じ、結果的に最も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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。上記表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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
（２）各独立排気通路と可変排気バルブとを用いた独立排気絞り制御
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。
【００９３】
エゼクタ効果による利点は、主に次の３点が挙げられる。
【００９４】
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、タービンホイール５４の駆動力が増大し、過給圧を向上させることができる。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
以上、本実施形態の主要な技術的特徴である動圧過給および独立排気絞り制御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ている。
【０１００】
図１４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。
【０１０１】
図１５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１４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１４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１４）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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
図１６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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
図１６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。
【０１０６】
次に、本実施形態の排気ターボ過給機５０の作用効果について説明する。
【０１０７】
図１７は排気ターボ過給機５０の効率を示すグラフである。横軸に排気流速Ｑｅ（ｋｇ／ｓ）、縦軸に効率ηｔ（％）を示す。実線で示す特性Ｃ２１は本実施形態の排気ターボ過給機５０の特性、破線で示す特性Ｃ１２１は一般的な大型排気ターボ過給機の特性である。一般的な特性Ｃ１２１では、排気流速Ｑｅの適用範囲の中央付近で効率ηｔがピークになるように設定されている。
【０１０８】
それに対して本実施形態の排気ターボ過給機５０は、上述のように大型排気ターボ過給機でありながら一般的な大型排気ターボ過給機に比べて相対的にＡ／Ｒが小さいので、図示のように特性Ｃ２１の効率ηｔのピークが特性Ｃ１２１に比べて高流量側にずれる。またそのピーク値も高くなる。排気流速Ｑｅが高いとタービンホイールの流速も高くなるから、このような設定はタービンホイールの流速の多い領域を積極的に用いる本実施形態の動圧過給にとって好適な設定となっている。
【０１０９】
図１８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Ｎｅ（ｒｐｍ）、縦軸にエンジントルクＴｅ（Ｎ・ｍ）を示す。実線で示す特性Ｃ２４は本実施形態の特性、破線で示す特性Ｃ１２４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、そして特性Ｃ１２５は従来型の排気系と一般的な小型排気ターボ過給機（タービンホイール径ＤおよびＡ／Ｒが相対的に小さい排気ターボ過給機）を採用した場合の特性である。
【０１１０】
図示のように、特性Ｃ１２４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、特性Ｃ１２５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。
【０１１１】
それらに対して本実施形態の特性Ｃ２４は、高速運転領域では大型の排気ターボ過給機５０の採用によってトルク増大作用が強く、低速運転領域では動圧過給、可変排気バルブ３０を用いた独立排気絞り制御、バルブタイミング変更制御および小Ａ／Ｒの排気ターボ過給機５０の採用等によってトルク増大作用が強い。その結果、１つの排気ターボ過給機５０を用いた簡潔な構成でありながら、低速運転領域から高速運転領域にわたる広い範囲で大きな過給効果を得てエンジントルクの増大が達成されている。
【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】本発明の実施の別の形態に係るウエストゲートバルブ機構を示す斜視図であり、（Ａ）が閉弁時、（Ｂ）が開弁時を示す。
【図８】図７のウエストゲートバルブ機構に採用されている過給圧アクチュエータの構成図である。
【図９】図１の実施形態に係る排出通路の概略構成を示す斜視図である。
【図１０】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１１】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１２】本発明と比較品との性能比較実験を行った結果を示す説明図であり、（Ａ１）、（Ｂ１）、（Ｃ１）は、それぞれ発明品の接続態様図、主排気通路断面の流量分布図、触媒入口断面付近の流量分布図である。また、（Ａ２）、（Ｂ２）、（Ｃ２）は、比較品の接続態様図、主排気通路断面の流量分布図、触媒入口断面付近の流量分布図である。
【図１３】排気ブローダウン特性図である。
【図１４】低速過給領域における充填効率を示すグラフである。
【図１５】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１６】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１７】排気ターボ過給機の効率を示すグラフである。
【図１８】エンジントルク特性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
１７  取付フレーム
２０  エンジン制御ユニット（可変排気バルブ制御手段の一例）
３０  可変排気バルブ
３１  ハウジング
３１ｃ  集合部
３１ｅ  ウエストゲート用開口
３５  フラップ
５０  排気ターボ過給機
６０  主排気通路
６１  排出通路
６３  触媒
６３ａ  テーパ部
８０  ウエストゲートバルブ機構
８６  過給圧アクチュエータ
【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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【図１８】
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