JP2009097335A

JP2009097335A - エンジンの過給装置

Info

Publication number: JP2009097335A
Application number: JP2007266533A
Authority: JP
Inventors: Naoyuki Yamagata; 直之山形; Motokimi Fujii; 幹公藤井
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2007-10-12
Filing date: 2007-10-12
Publication date: 2009-05-07
Anticipated expiration: 2027-10-12
Also published as: JP4807343B2

Abstract

【課題】簡単な構造でありながら、低回転領域でのエンジントルクを増大させることができるエンジンの過給装置を提供する。
【解決手段】各気筒３の排気ポート８に接続され、少なくとも２つ以上の独立した排気通路１６ａ，１６ｂｃ，１６ｄを有する排気マニホールド１６と、その下流側において全気筒の排気通路が１つに集合した集合部３１ｃと、その下流側に接続されたターボ過給機５０と、集合部３１ｃの上流位置で、独立排気通路１６ａ，１６ｂｃ，１６ｄの各通路断面積を変更可能な可変排気バルブ３０と、これを駆動制御する可変排気バルブ制御手段２０とを備え、可変排気バルブ制御手段２０は、過給領域の所定の低回転領域Ａ３において、可変排気バルブ３０によって上記各通路断面積を最大面積時よりも縮小させる独立排気絞り制御を実行する。
【選択図】図２

Description

本発明はエンジンの過給装置に関し、特に低回転領域でのエンジントルクを増大させるものに関する。

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（以下ターボ過給機と略称する）が良く知られている。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（以下タービンと略称する）と吸気通路に設けられたコンプレッサホイール（以下コンプレッサと略称する）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を回転させることによりコンプレッサを駆動し、吸気圧を上昇させる。

ターボ過給機は、効率良く高い過給圧が得られる反面、必ずしも低回転領域から高回転領域に亘る広い回転域でエンジントルクを増大させることができないという特徴がある。一般的に、小型のターボ過給機は低回転領域でのトルクを増大させ、大型のターボ過給機は高回転領域でのトルクを増大させる。従って、ターボ過給機を設ける場合には、エンジンに要求されるトルク特性に相応しいタイプのターボ過給機を選択する必要がある。

しかし多くの場合、低回転から高回転に亘る広い回転域でエンジントルクを増大させることが望まれる。そこで、例えば低回転用と高回転用の２つのターボ過給機を備えるもの（いわゆる２ステージターボ）、低回転用の電動過給機と高回転用のターボ過給機とを備えるもの、或いは特許文献１に示すように、タービンノズルに可動式のフラップを設け、低回転領域ではそのフラップ開度を低減して過給効率を高めたもの（いわゆる可変ジオメトリターボ）等が提案されている。

特許文献１に示されるような可変ジオメトリターボの場合、ベースとなるターボ過給機として大型ターボを採用するのが望ましい。そのようにすると、高回転領域においてはフラップ開度を増大することにより大型ターボの本来特性としてのエンジントルク増大を図り、低回転領域においてはフラップ開度を低減することにより排気流速を上昇させ、タービン駆動力を増大させてエンジントルク増大を図ることができる。結局、低回転から高回転に亘る広い回転域でエンジントルクを増大させることができる。
特開平９−１１２２８５号公報

しかしながら、特許文献１に示される可変ジオメトリターボを含め上記従来の各過給機は、何れも構造が複雑であったり大型化を招いたりするという問題点があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、簡単な構造でありながら、低回転領域でのエンジントルクを増大させることができるエンジンの過給装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するための請求項１に係る発明は、各気筒の排気ポートに接続され、複数の独立排気通路を有する排気マニホールドと、上記排気マニホールドないしはその下流側において上記独立排気通路が集合した集合部と、上記集合部の下流側に接続された排気ターボ過給機と、上記集合部の上流側で、上記独立排気通路の各通路断面積を変更可能な可変排気バルブと、上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、上記可変排気バルブ制御手段は、少なくとも過給領域の所定の低回転領域において、上記可変排気バルブによって上記独立排気通路の上記各通路断面積を最大面積時よりも縮小させる独立排気絞り制御を実行することを特徴とするエンジンの過給装置である。

請求項２に係る発明は、請求項１記載のエンジンの過給装置において、上記所定の低回転領域は、上記ターボ過給機のウエストゲートバルブが開き始めるエンジン回転数よりも低回転領域とされ、上記可変排気バルブ制御手段は、上記独立排気絞り制御において、エンジン回転数が低いほど上記各通路断面積の縮小度合を増大させることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１または２記載のエンジンの過給装置において、排気バルブの開閉弁時期を変更可能な排気バルブタイミング変更手段を備え、該排気バルブタイミング変更手段は、上記独立排気絞り制御の実行時に、上記排気バルブの開弁時期を非実行時に対して遅らせることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１乃至３の何れか１項に記載のエンジンの過給装置において、吸気バルブと排気バルブの少なくとも一方の開閉弁時期を変更することにより、上記吸気バルブと上記排気バルブとが両方とも開く期間であるオーバーラップの量を変更可能なバルブタイミング変更手段を備え、該バルブタイミング変更手段は、上記独立排気絞り制御の実行時、非実行時に対して上記オーバーラップ量を拡大することを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項４記載のエンジンの過給装置において、上記可変排気バルブ制御手段は、自然吸気領域においても上記独立排気絞り制御を実行し、上記バルブタイミング変更手段は、自然吸気領域における上記独立排気絞り制御の実行時、非実行時に対して上記オーバーラップ量を拡大することを特徴とする。

請求項１の発明によれば、以下説明するように、簡単な構造でありながら、低回転領域でのエンジントルクを増大させることができる。

まず本発明の構成によれば、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、排気のエゼクタ効果を得ることができる。エゼクタはジェットポンプとも呼ばれる従来知られた装置であって、高速の駆動流体による負圧で被吸出し流体を吸出す装置である。その吸出し作用を利用して例えば真空ポンプとして用いられる。本明細書では、このエゼクタと同じ原理によって得られる排気の吸出し作用をエゼクタ効果と称する。

エゼクタ効果を本発明の構成に即して説明すれば、排気マニホールド中のある独立排気通路を排気、特にブローダウンガス（排気バルブ開弁直後の勢いの強い排気）が流れ、それが可変排気バルブによって通路断面積の縮小された箇所を通ると、絞られて流速が増大し、圧力が低下する。この絞られた排気が駆動流体に相当する。

一方集合部では、この駆動流体相当の排気が流れる排気通路と他の排気通路とが連通している。従ってその集合部において、駆動流体としての排気は、他の排気通路内の排気（被吸出し流体）をエゼクタ効果によって吸出す。

なお、エゼクタ効果をより高めるには、駆動流体の排気と被吸出し流体の排気とを可及的に浅い角度（平行に近い角度）で合流させれば良い。

エゼクタ効果による利点は、主に次の３点が挙げられる。

第１に、ターボ過給機のタービン流量（ターボ過給機に供給される排気の量）の増量である。駆動流体の排気と被吸出し流体の排気とは集合部で合流し、その下流に設けられたターボ過給機のタービンに導入される。従ってタービン流量は、エゼクタ効果のない場合に比べ、吸出された排気の分だけ増大する。こうしてタービン駆動力を増大させ、過給圧を上昇させることができる。

第２に、排気の掃気促進である。エゼクタ効果によって被吸出し流体としての排気が吸出されるので、掃気が促進される。それにより排気抵抗が低減される。また、通常、排気行程から吸気行程に移行する際、吸気バルブと排気バルブとが両方開く期間（オーバーラップ期間）が設けられる。掃気の促進によってオーバーラップ期間での吸気も促進されるので、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。

この効果をより多く得るには、通常の４サイクル４気筒エンジンのように、ある気筒がブローダウン時（排気バルブ開弁直後）にあるときと、他の気筒でのオーバーラップ期間とが重なるようにするのが良い。但しその関係にある気筒同士の排気通路は可変排気バルブより上流側で互いに独立している必要がある。

第３に、動圧過給を行うものにおいて、その促進である。ここで、まず動圧過給について説明する。動圧過給は、排気の脈動を利用してターボ過給機の過給能力を高めるものである。詳細なメカニズムは後述するが、排気の脈動が大きいほど動圧過給が促進される。そして排気の脈動を大きくするには、排気通路容積を削減するのが最も簡単で効果的である。しかしレイアウト上、排気マニホールドの容積全体を削減して排気通路容積を削減するには限界がある。

エゼクタ効果がない通常の場合、排気は集合部において他の排気通路に回り込む（逆流する）。しかし本発明のようにエゼクタ効果があると、排気は駆動流体として他の排気通路から被駆動流体を吸出す。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。

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、エゼクタ効果を有する本発明の構成は、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。

なお本発明の構成においては、ターボ過給機として大型ターボを採用するのが望ましい。そうすると、高回転領域においては大型ターボの本来特性としてのトルク増大を図り、低回転領域においては上記エゼクタ効果等によりトルク増大を図ることができる。結局、低回転領域から高回転領域に亘る広い回転域でエンジントルクを増大させることができる。

請求項２の発明によれば、以下説明するように、必要充分かつ弊害の少ない運転領域で効果的なエゼクタ効果を得ることができる。

エゼクタ効果による過給圧の増大作用が実質的に有効なのは、ターボ過給機のウエストゲートバルブが開き始める回転数（いわゆるインターセプトポイント）よりも低回転領域である。それより高回転領域では、過給圧が過大となるのを防止するためにウエストゲートバルブを開く、つまり過給圧の増大を抑制する必要が生じるので、エゼクタ効果による過給圧の増大が不要となる。逆にインターセプトポイントよりも高回転領域で独立排気絞り制御を行うと、徒に排気抵抗の増大を招きかねない。

そこで本発明によれば、インターセプトポイントよりも低回転領域で独立排気絞り制御を実行することにより、必要充分かつ弊害の少ない運転領域で効果的なエゼクタ効果を得ることができる。

また独立排気絞り制御を実行する低回転領域のうちでも、回転数が低いほど過給圧増大要求が大きい。一方、エゼクタ効果は排気通路断面積を小さくするほど（絞るほど）大きくなる。そこで、過給圧増大要求が大きい低回転数ほど排気通路断面積を小さくすることにより、要求度合に応じた過給圧増大効果を得ることができる。

請求項３の発明によれば、以下説明するように、より顕著なエゼクタ効果を得ることができる。

独立排気絞り制御を実行しない通常の場合、排気バルブは排気行程下死点より前の比較的早期（例えば下死点前４０〜６０°ＣＡ。「°ＣＡ」はクランク角を示す）に開き始める。こうすることにより掃気が促進されるが、反面、ピストンの降下中に排気が開始するので、ブローダウンガスの勢いが弱められる。これはエゼクタ効果の駆動流体としてブローダウンガスを利用する独立排気絞り制御にとって不利である。

そこで本発明によれば、独立排気絞り制御の実行時に排気バルブの開弁時期を遅らせるので、ブローダウンガスの勢い低下を抑制することができる。また下死点後はピストンの上昇が排気を押し出す作用が加わるのでブローダウンガスを加勢することができる。つまりより顕著にエゼクタ効果を得ることができる。

但し、排気バルブを排気下死点後に開くと排気抵抗が大きくなるという弊害が出る。従って排気バルブの開弁時期を遅らせる場合でも、排気下死点直前には開くようにすることが望ましい。

請求項４の発明によれば、以下説明するように、より顕著なエゼクタ効果を得ることができる。

上述したように、本発明の独立排気絞り制御によれば、エゼクタ効果によって掃気が促進され、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。そこで本発明によれば、独立排気絞り制御の実行時に、バルブタイミング変更手段によってオーバーラップ量（オーバーラップ期間の長さ）を増大する拡大することにより、上記効果をより顕著に得ることができる。

なお通常は、不用意にオーバーラップ量を拡大すると吸気負圧によって排気が逆流する虞がある。しかし本発明の独立排気絞り制御では、エゼクタ効果によって排気が下流側に吸出されるので、そのような逆流が起こり難い。すなわち、排気の逆流という弊害を抑制しつつオーバーラップ期間を拡大することができる。

またオーバーラップ量を増大するバルブタイミング変更手段は、吸気バルブの開弁時期を早めるものであっても、排気バルブの閉弁時期を遅らせるものであっても、その両方であっても良い。バルブタイミング変更手段として、一般的なＶＶＴ（開弁期間は変えずに、開閉弁時期を平行移動的に前後させるもの）を用い、少なくとも排気バルブの閉弁時期を遅らせるような設定とすれば、自動的に排気バルブの開弁時期が遅らされる。つまりこれを請求項３の排気バルブタイミング変更手段として兼用することができる。

請求項５の発明によれば、以下説明するように、自然吸気領域から過給領域への移行時、オーバーラップ拡大の応答性を高めることができる。

一般的に、バルブタイミング変更手段を備えるものは、高負荷、高回転数であるほどオーバーラップ量が大きくなるように設定される。従って、例えば同じエンジン回転数であっても自然吸気領域（低負荷領域）では比較的オーバーラップが小さく、過給領域（高負荷領域）ではオーバーラップが大きくなる。

従って、例えば加速要求によって負荷が増え、低負荷領域から高負荷領域に急速に移行する場合、それに併せてバルブタイミング変更手段はオーバーラップ量を増大させる必要がある。そのオーバーラップ量の増大代が大きいと、バルブタイミングの変更に要する時間が長くなり、応答性の低下を招く懸念がある。

特に本発明では、過給領域の所定の低回転領域において独立排気絞り制御を実行し、そのときにオーバーラップ量を増大する制御を行っている（請求項４）。そのため上記オーバーラップ量の増大代がより大きくなる傾向にあり、応答性低下懸念が増大している。

そこで本発明によれば、自然吸気領域においても独立排気絞り制御を実行し、かつオーバーラップ量を増大する。こうすることにより、上記オーバーラップ量の増大代が削減されるので、上記応答遅れを抑制することができる。

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。

図１は、本発明の第１実施形態に係るエンジンの過給装置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。

本実施形態のエンジンの過給装置は、１つのターボ過給機５０を用いた簡単な構成でありながら、低回転領域から高回転領域に亘る広い範囲で高い過給性能を得、全域において高いトルクを発生することができることを最大の特徴とする。

その達成手段として、主として次の２つの技術的特徴を有する。
（１）動圧過給による過給能力の向上
（２）独立排気通路と可変排気バルブ３０を用いた独立排気絞り制御
これらについては後に詳述するが、まず本実施形態の構成、構造について説明する。

エンジン１は直列４気筒の４サイクルエンジンである。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）が一直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。そして吸気ポート６を開閉する吸気バルブ７と排気ポート８を開閉する排気バルブ９とが設けられている。さらに燃焼室４の頂部には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。

各気筒３の排気ポート８には、第１〜第４排気通路１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄが接続されている。図１に示すように、そのうちの第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。第１〜第４排気通路１６ａ〜１６ｄ及び補助集合排気通路１６ｂｃは全体として排気マニホールド１６を構成する。

つまり排気マニホールド１６は、上流側において４つの独立排気通路（第１〜第４気筒３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ）、下流側において３つの独立排気通路（第１，第４排気通路１６ａ，１６ｄ及び補助集合排気通路１６ｂｃ）で構成されている。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。

排気マニホールド１６の下流側にはハウジング３１が接続されている。ハウジング３１の内部上流側（排気マニホールド１６との接続部付近）には可変排気バルブ３０が設けられている。またハウジング３１は、可変排気バルブ３０より下流側において、上記３つの独立排気通路が集合する集合部３１ｃを形成する。

可変排気バルブ３０は、上記３つの独立排気通路１６ａ，１６ｂｃ，１６ｄの各通路断面積を、その独立状態を維持しつつ変更するバルブであって、フラップ３５やこれを駆動するアクチュエータ３８等を備える。詳細構造は図５等を参照して後述する。

図１に示すように、ハウジング３１（集合部３１ｃ）の下流側には、ターボ過給機５０（排気タービン過給機）のハウジング５１、詳しくはそのタービンノズルが接続されている。排気タービン過給機５０は周知の過給機であって、排気通路６０に設けられたタービン５４と吸気通路に設けられたコンプレッサ５２とをシャフト５３で連結したものであり、排気Ｗｅでタービン５４を回転させることによりコンプレッサ５２を駆動し、吸気Ｗｉを圧縮して吸気圧を上昇させる。

また排気通路６０には、タービン５４をバイパスするウエスト通路６１と、ウエスト通路６１を開閉するウエストゲートバルブ６２とが設けられている。

なお本実施形態のターボ過給機５０は、主に高回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に示すタービン部のノズル面積Ａと、タービン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。

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（バルブタイミング変更手段）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及び排気バルブ９の開弁期間を維持したまま、バルブタイミング（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良い。

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。

また図１に示すように、エンジン１の動作を電気的に制御するＥＣＵ（Engine Control Unit）２０が設けられている。ＥＣＵ２０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。ＥＣＵ２０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の駆動制御やウエストゲートバルブ６２の開閉制御を行う。

さらにＥＣＵ２０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。具体的にはＥＣＵ２０は、少なくとも過給領域の所定の低回転領域（ウエストゲートバルブ６２が開き始めるインターセプトポイントより低回転領域）において、可変排気バルブ３０によって独立排気通路１６ａ，１６ｂｃ，１６ｄの各通路断面積を最大面積時（可変排気バルブ３０が開弁状態）よりも縮小させる独立排気絞り制御を実行する。

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の行程の推移を示す。

表１において、各行は第１気筒３ａ〜第４気筒３ｄ、各列は９０°ＣＡ毎の行程の推移を示す。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。

なお図２に示す状態において、第１気筒３ａは膨張行程から排気行程への移行期（下死点付近）にある。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）。

また表１に示すように、そのとき第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。

図３は排気マニホールド１６とハウジング３１の外観斜視図である。また図４は排気マニホールド１６の下流側部分斜視図である。また図５は可変排気バルブ３０の要部斜視図である。また図６は排気マニホールド１６及びハウジング３１の縦断面図であって、可変排気バルブ３０が開弁状態にある状態を示す図である。また図７は図６と同様の断面図であって、可変排気バルブ３０が開弁状態にある状態を示す図である。また図８は図６のVIII−VIII線断面図である。以下これらの図を参照して排気マニホールド１６とハウジング３１、特にハウジング３１内の可変排気バルブ３０について説明する。

図３に示すように、排気マニホールド１６の上流端にはフランジ１６ｅが設けられ、エンジン１の図略のシリンダヘッドに固定されている。このフランジ１６ｅに４本の排気通路、すなわち第１，第２，第３，第４排気通路１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄが接続されている。フランジ１６ｅ部において、各排気通路はφ３６ｍｍの円形断面を有する。

第１排気通路１６ａは、１列に並ぶ気筒３の一端側に配置された第１気筒３ａの排気ポート８に接続される。第４排気通路１６ｄは他端側に配置された第４気筒３ｄの排気ポート８に接続される。第２排気通路１６ｂ及び第３排気通路１６ｃは、中央側の第２気筒３ｂ及び第３気筒３ｃの排気ポート８にそれぞれ接続される。

図４に示すように、第１排気通路１６ａ及び第４排気通路１６ｄは、その全長に亘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、その下流端直前で互いに集合され、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本の独立排気通路（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。これらは補助集合排気通路１６ｂｃを第１排気通路１６ａと第４排気通路１６ｄが両側から挟むように、浅い角度で（略平行が望ましい）並列配置されている。

排気マニホールド１６の下流端であるマニホールド出口１７において上記３本の独立排気通路が開口している。すなわち第１排気通路１６ａの第１開口部１７ａ、補助集合排気通路１６ｂｃの補助集合開口部１７ｂｃおよび第４排気通路１６ｄの第４開口部１７ｄが、この順に一直線上に配置されている。各開口部１７ａ，１７ｂｃ，１７ｄの開口面積は、約３８０〜６１６ｍｍ^２の範囲内で互いに略等しくなるように構成されている。この面積はφ２２〜φ２８ｍｍの円形断面積に相当する。またこれは、各排気通路１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄのマニホールド入口部の面積（φ３６ｍｍ相当）に対して面積比で３７〜６１％となっている。

第１排気通路１６ａと第４排気通路１６ｄ、及び第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とは略等しい。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とは略等しく、これらと補助集合通路容積Ｖｂｃ（第２排気通路１６ｂ単独の部分及び第３排気通路１６ｃ単独の部分を含む）とも略等しくなるように構成されている。

図６に示すように、排気マニホールド１６のマニホールド出口１７にハウジング３１が接続されている。ハウジング３１は、上流側においては可変排気バルブ３０のフラップ３５を支持し、収納するバルブハウジングとして機能し、それより下流側においては、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を形成する。

ここで図５を参照して可変排気バルブ３０の要部（動作部）について説明する。可変排気バルブ３０は、排気Ｗｅの流れに交差する方向に設けられ、ハウジング３１に支持されたフラップ軸３７と、フラップ軸３７まわりに旋回可能とされたフラップ３５と、ＥＣＵ２０からの制御信号（可変排気バルブ３０の開度指令）に基づいてフラップ軸３７を回転させるアクチュエータ３８（モータ等）と、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とを含む。

フラップ３５は、フラップ軸３７視でフラップ軸３７を扇の要とする扇形断面の扇状面３６を有する。扇状面３６の内側は空洞とされ、軽量化が図られている。

図６に示すように、ハウジング３１には上方に膨出する膨出部３１ｂが形成されており、膨出部３１ｂの内側にフラップ３５が格納された状態（図６に示す状態）が可変排気バルブ３０の開弁（全開）状態である。可変排気バルブ３０が全開のとき、図６に示すように、マニホールド出口１７からハウジング３１内に導入された排気Ｗｅはフラップ３５（可変排気バルブ３０）で絞られることなく集合部３１ｃに導かれる。

一方フラップ３５がフラップ軸３７を中心に回転駆動され、膨出部３１ｂよりも内側に最も侵入した状態（図７に示す状態）が可変排気バルブ３０の閉弁（全閉）状態である。フラップ３５は、アクチュエータ３８によって全閉状態と全開状態との間で適宜開度調節される。

可変排気バルブ３０が全閉のとき、図７に示すように、フラップ３５の扇状面３６が流路の一部を遮るので排気通路断面積が縮小される。従ってマニホールド出口１７からハウジング３１内に導入された排気Ｗｅは可変排気バルブ３０によって絞られた後、集合部３１ｃに導かれる。

なお図６、図７に示すように、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。２枚の仕切板３２のうち一方は、マニホールド出口１７との合わせ部において第１開口部１７ａと補助集合開口部１７ｂｃとを仕切る壁面から連続するように立設されてハウジング３１内を仕切り、他方は、補助集合開口部１７ｂｃと第４開口部１７ｄとを仕切る壁面から連続するように立設されてハウジング３１内を仕切る。すなわち、仕切板３２に沿って排気Ｗｅが流れる区間では、２枚の仕切板３２によって各独立排気通路１６ａ，１６ｂｃ，１６ｄの独立状態及び並列状態が維持されている。

そして各仕切板３２の各後縁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、排気Ｗｅがフラップ３５で絞られる際には、上記独立状態及び並列状態が維持された状態で絞られる。

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る。

ハウジング３１の下流端側にはフランジ３１ａが設けられ、ターボ過給機５０のハウジング５１と接合されている。なおターボ過給機５０のレイアウトの都合上、ハウジング３１は途中で下方に曲げられている。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良い。

図６〜図８に示すように、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。特に、図７に示すように、導流板３３は可変排気バルブ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。

また図６〜図８に示すように、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。また各整流ガイド３４は、各仕切板３２とそれぞれ略同一平面上に設けられている。整流ガイド３４の、ハウジング３１の曲げ方向内側には導流板３３との間に隙間が設けられている。後に詳述するが、整流ガイド３４は、排気方向に交差する方向（図６や図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。

以上、本実施形態の概略構成について説明したが、ここで可変排気バルブ３０のフラップ３５が扇状面３６を有する形状（以下扇形状という）であることの利点について説明する。

図９は、可変排気バルブのフラップに作用する流体力の説明図であり、（ａ）は本実施形態のように扇形状のフラップ３５を用いた場合、（ｂ）は一般的なフラップ板１３５を用いた場合であって、本実施形態と対比するために示すものである。

まず図９（ｂ）の可変排気バルブ１３０について説明する。可変排気バルブ１３０は板状のフラップ板１３５を有し、その一辺がフラップ軸１３７によって揺動可能に支持されている。これは、フラップを用いて流体通路を絞る場合の従来の一般的な構造である。

この場合、排気Ｗｅがフラップ板１３５に当たると、その流体力（排気圧力Ｐｅ）がフラップ板１３５の板面に垂直に作用する。その結果、フラップ板１３５にはフラップ軸１３７まわりの回転モーメントＭｅが発生する。回転モーメントＭｅは、排気Ｗｅの脈動が大きいと、その脈動に合わせて大きく変動する。特に本実施形態では、後述する動圧過給を行うために積極的に排気Ｗｅの脈動が大きくなるようにしているので、回転モーメントＭｅの変動量（脈動振幅）が特に大きくなる。

回転モーメントＭｅの変動量が大きいと、フラップ板１３５のバタツキが起こり易くなり、動作が不安定になるので、それを防止する手段が必要となる。例えばアクチュエータ３８を高負荷に耐えられるように大型化したり、リターンスプリング３９の設定荷重を高くするために大型化したりする必要が生じる。

これに対し図９（ａ）に示す本実施形態の可変排気バルブ３０について説明する。この場合も同様に、フラップ３５の扇状面３６に排気圧力Ｐｅが作用する。しかしこの排気圧力Ｐｅは扇状面３６に対して垂直に、つまりフラップ軸３７のラジアル方向に作用するため、理論上回転モーメントＭｅが発生しない（合力としてフラップ軸３７にラジアル荷重Ｆｅが作用する）。従って排気脈動が大きくてもフラップ３５のバタツキが起こり難く、それを防止するためのアクチュエータ３８の大型化やリターンスプリング３９の大型化も不要となる。その結果、可変排気バルブ３０を、確実な動作を図りつつ小型化することができる。

次に、冒頭で紹介した本実施形態の主要な技術的特徴について説明する。

（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、以下説明するように排気の脈動を利用してターボ過給機５０の過給能力を高めるものである。

図１０は、ターボ過給機５０のタービン特性図である。横軸にタービン流量Ｑｔ（ｋｇ／ｓ）、縦軸にタービン駆動力Ｆｔ（ｋＷ）を示す。通常、排気脈動によってタービン流量Ｑｔにも脈動が生じるが、ここで示すタービン流量Ｑｔやタービン駆動力Ｆｔは、脈動によって時々刻々と変化する瞬間流量及び瞬間駆動力である。以下図１０を参照して動圧過給の原理を説明する。

特性Ｃ１１に示すように、タービン駆動力Ｆｔはタービン流量Ｑｔが多くなるほど大きくなる。その増加率は一定（線形）ではなく、タービン流量Ｑｔが多いほど大きくなる。その結果、特性Ｃ１１は図示のように下に凸な湾曲した特性となる。但し図１０は、説明の都合上、その湾曲度合を実際よりも誇張して示している。

特性Ｃ１０１は、特性Ｃ１１と比較対照するために示した仮想的な特性であって、タービン流量Ｑｔとタービン駆動力Ｆｔとの関係が比例関係（線形）にある特性である。

ここでタービン流量Ｑｔの脈動が小さい場合（ピーク流量ｑ１）と大きい場合（ピーク流量ｑ２）とについて考える。この両者において、時間平均した（例えば１８０°ＣＡ当たりの）タービン流量は同じであるとする。その場合、タービン流量Ｑｔの脈動が大きいものは脈動の小さいものに比べ、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）が短くなる（図１１参照）。

まず線形な特性Ｃ１０１について説明する。タービン流量Ｑｔの脈動が小さく、そのピーク値が流量ｑ１のとき、タービン駆動力Ｆｔの脈動ピーク値は駆動力Ｆｔ１となる（ポイントＰ１１）。一方、タービン流量Ｑｔの脈動が大きく、そのピーク値が流量ｑ２のとき、タービン駆動力Ｆｔの脈動ピーク値は駆動力Ｆｔ２’となる（ポイントＰ１２’）。このことから、タービン流量Ｑｔの脈動が大きい方が小さい方に比べ、一見タービン駆動力Ｆｔの平均値が増大したかのように見える。しかし実際には、それを相殺するようにブローダウン期間が短くなるので、時間平均したタービン駆動力は理論上同じとなる（脈動がなく、定常流の場合も同じ）。

これに対して実際の特性Ｃ１１の場合、次のようになる。タービン流量Ｑｔの脈動が小さい場合は特性Ｃ１０１と同様である（ポイントＰ１１）。しかしタービン流量Ｑｔの脈動が大きく、そのピーク値が流量ｑ２のとき、タービン駆動力Ｆｔの脈動ピーク値は駆動力Ｆｔ２となる（ポイントＰ１２）。図１０に示すように駆動力Ｆｔ２＞駆動力Ｆｔ２’であるから、この場合、タービン流量Ｑｔの脈動が大きい方が小さい方に比べ、ブローダウン期間の短縮による目減り分を差引いても、時間平均したタービン駆動力が増大する。

以上説明したように、ターボ過給機５０が特性Ｃ１１のような下に凸なタービン駆動力特性を有するので、タービン流量Ｑｔの脈動が大きいほどタービン駆動力の時間平均値が増大し、過給圧の増大を図ることができる。これが動圧過給の原理である。

図１１は排気脈動特性図（実測値）である。横軸に第１気筒３ａのクランク角θ（ｄｅｇ：上死点を０°ＣＡとする）、縦軸に排気流量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。排気流量Ｑｅは、全ての気筒３の合計である。従ってブローダウンは１８０°ＣＡ周期で（何れかの気筒３において）発生する。図示の例は、１８０°ＣＡから３６０°ＣＡの間に第１気筒３ａにおいてブローダウンが発生している。なおウエストゲートバルブ６２が閉じている場合、排気流量Ｑｅはタービン流量Ｑｔ（図１０）と等しくなる。

特性Ｃ１２は本実施形態の特性であり、その脈動ピーク値が流量ｑ２（図１０の流量ｑ２に相当）であるもの、すなわち排気脈動の大きい特性である。一方特性Ｃ１０２は、特性Ｃ１２と比較対照するために示した特性であり、その脈動ピーク値が流量ｑ１（図１０の流量ｑ１に相当）であるもの、すなわち排気脈動の小さい特性である。特性Ｃ１２の方が特性Ｃ１０２に対して排気脈動が大きく、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。具体的には特性Ｃ１２のものは特性Ｃ１０２のものに対してタービン回転数（実測値）が４３％増大した。

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圧が低下し、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。

特性Ｃ１２のような大きな排気脈動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４に示す第１通路容積Ｖａ（≒第４通路容積Ｖｄ≒補助集合通路容積Ｖｂｃ）を小さくすれば良い。そして、通路断面積を小さくすると排気抵抗が増大して望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良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の排気マニホールド入口における通路径Ｄ１（図６に示す）の６倍以下とすることが望ましい。本実施形態では上述のように径Ｄ１＝φ３６ｍｍ、長さＬａ≦２００ｍｍであるから、この条件を満たしている。従って効果的な動圧過給が期待できる。

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及び補助集合通路容積Ｖｂｃの各通路容積は、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。

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及び補助集合通路容積Ｖｂｃの容積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。

ところで、一般的な直列４気筒エンジンにおいて、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望ましくない。

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とを集合して補助集合排気通路１６ｂｃとなしているので、この補助集合排気通路１６ｂｃの容積を容易に第１排気通路容積Ｖａや第４排気通路容積Ｖｄと略等しくすることができるのである。

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に示すように、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擬似的に第３排気通路１６ｃを第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擬似的に第２排気通路１６ｂを第３排気通路１６ｃの延長とみなすことができるのである。

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やターボ過給機５０との接続部を小型化することができる。

ところで、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、その反面高回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望ましい。

（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
次に、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ついて説明する。

具体的に図２を参照して説明する。上述のように図２の状態は、第１気筒３ａがブローダウン時、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に相当する。

一方集合部３１ｃでは、このブローダウンガスが流れる第１排気通路１６ａと補助集合排気通路１６ｂｃとが連通している。従って補助集合排気通路１６ｂｃ（及び第２排気通路１６ｂ）を流れる排気Ｗｅ（被吸出し流体）が、低圧となったブローダウンガス（駆動流体）に吸出され、集合部３１ｃに導入される（エゼクタ効果）。

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及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、他の場合も同様である。例えば第２気筒３ｂがブローダウン状態のときは、表１から明らかなように第４気筒３ｄがオーバーラップ状態となる。従って第２排気通路１６ｂ（補助集合排気通路１６ｂｃ）を流れる排気Ｗｅが駆動流体、第４排気通路１６ｄを流れる排気Ｗｅが被吸出し流体となる。また例えば第３気筒３ｃがブローダウン状態のときは、第１気筒３ａがオーバーラップ状態となる。従って第３排気通路１６ｃ（補助集合排気通路１６ｂｃ）を流れる排気Ｗｅが駆動流体、第１排気通路１６ａを流れる排気Ｗｅが被吸出し流体となる。また例えば第４気筒３ｄがブローダウン状態のときは、第３気筒３ｃがオーバーラップ状態となる。従って第４排気通路１６ｄを流れる排気Ｗｅが駆動流体、第３排気通路１６ｃ（補助集合排気通路１６ｂｃ）を流れる排気Ｗｅが被吸出し流体となる。

このように、点火順序の隣り合う気筒同士において、点火順序の後の気筒の排気Ｗｅが駆動流体、先の気筒の排気Ｗｅが被吸出し流体になるという関係がある。一方、エゼクタ効果を適正に得るには、可変排気バルブ３０の上流において駆動流体の排気通路と被吸出し流体の排気通路とが独立している必要がある。換言すれば、点火順序の隣り合う気筒同士において、その排気通路が互いに独立している必要がある。本実施形態の場合、第１排気通路１６ａ及び第４排気通路１６ｄは他の何れの排気通路に対しても明らかに独立しているから上記条件を満たす。また第２排気通路１６ｂと第３排気通路１６ｃとは可変排気バルブ３０より上流において集合され補助集合排気通路１６ｂｃとなっている。しかし上述のように第２気筒３ｂと第３気筒３ｃとは点火順序が隣り合う気筒ではないので、これらが独立していなくても上記条件の充足に問題はない。結局、本実施形態において、点火順序の隣り合う気筒同士において、その排気通路が互いに独立しているので、適正なエゼクタ効果を得ることができる。

なおエゼクタ効果をより高めるには、駆動流体相当の排気Ｗｅと被吸出し流体相当の排気Ｗｅとを可及的に浅い角度（平行に近い角度）で合流させれば良い。本実施形態では、３本の独立排気通路１６ａ，１６ｂｃ，１６ｄがそのマニホールド出口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に至るまでそ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す。すなわち高いエゼクタ効果が得られる。

エゼクタ効果による利点は、主に次の３点が挙げられる。

第１に、ターボ過給機５０のタービン流量（ターボ過給機５０に供給される排気Ｗｅの量）の増量である。ブローダウン時のタービン流量は、通常のブローダウンガス量に、エゼクタ効果によって吸出された排気Ｗｅの量が付加される。つまりその分タービン流量が増量される。その結果、タービン駆動力が増大し、過給圧を向上させることができる。

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。

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。

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。

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。

以上、エゼクタ効果の利点について説明したが、このエゼクタ効果は、駆動流体に相当する排気Ｗｅを強く絞るほど顕著となる。その絞り度合は可変排気バルブ３０の開度を調節することによって、すなわちフラップ３５をフラップ軸３７まわりに揺動させる（図２に矢印Ｚ１で示す）ことによって変動可能である。

可変排気バルブ３０及びその近傍の具体的形状における、可変排気バルブ３０が全開の場合の排気Ｗｅの流れを図６に示す。図６には第１気筒３ａからの排気Ｗｅが第１排気通路１６ａを通ってハウジング３１に流入する様子を示しているが、他の気筒からの排気Ｗｅも同様である。

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に格納されるとともに、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はマニホールド出口１７を経てハウジング３１に円滑に流入する。ハウジング３１の上流部には仕切板３２が設けられているので、その後縁３２ａまでの間は独立排気状態が維持される。そして後縁３２ａにおいてフラップ３５の扇状面３６に当面することなく、つまり絞られることなく集合部３１ｃに導かれる。排気Ｗｅはさらに集合部３１ｃからターボ過給機５０のハウジング５１に導かれる。

本実施形態ではターボ過給機５０のレイアウトの都合上、ハウジング３１が下方に曲げられている。ハウジング３１の曲がった流路に沿うよう設けられた導流板３３によって排気Ｗｅが円滑にターボ過給機５０に導かれる。

また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。図４に示すようにマニホールド出口１７において、補助集合排気通路１６ｂｃを中心として第１排気通路１６ａと第４排気通路１６ｄとがその両側に並列配置されている。ハウジング３１内でも集合部３１ｃに至るまではその位置関係が維持されている。従って、第１排気通路１６ａや第４排気通路１６ｄからの排気Ｗｅは集合部３１ｃの軸線に対して平面視でオフセットして流入することとなり、仮に整流ガイド３４がない場合、集合部３１ｃに旋回流（渦流）を発生させる。しかもその旋回方向は、第１排気通路１６ａからの排気と第４排気通路１６ｄからの排気とで逆向きとなるから、集合部３１ｃにおいて排気Ｗｅの流れが大きく乱される。このような排気の乱れはエゼクタ効果を低減させる虞がある。

この問題に対し本実施形態の整流ガイド３４は、仕切板３２の延長面上に設けられているので、第１排気通路１６ａから補助集合排気通路１６ｂｃ方向に向かう流れ、及び第４排気通路１６ｄから補助集合排気通路１６ｂｃ方向に向かう流れを規制する。それによって上記旋回が抑制され、集合部３１ｃにおける排気Ｗｅの流れがより円滑となる。従ってよりエゼクタ効果を高めることができる。

一方、可変排気バルブ３０が全閉の場合の排気Ｗｅの流れを図７に示す。可変排気バルブ３０が全閉状態のとき、フラップ３５が揺動してハウジング３１の内部に入り込み、扇状面３６が排気Ｗｅの流れを遮る。但し完全には遮蔽せず、導流板３３の曲げ内側部分の流路は確保されている。

第１排気通路１６ａからの排気Ｗｅはマニホールド出口１７を経てハウジング３１に流入する。ハウジング３１の上流部には仕切板３２が設けられているので、その後縁３２ａまでの間は独立排気状態が維持される。そして後縁３２ａにおいてフラップ３５の扇状面３６によって遮られ、絞られた排気Ｗｅは仕切板３２の後縁３２ａ（導流板３３の曲げ内側部分入口部）において集合部３１ｃに流入する。その際、絞られて高速、低圧となった排気Ｗｅは駆動流体として作用し、エゼクタ効果によって他の排気通路（主として補助集合排気通路１６ｂｃ）からの排気Ｗｅを吸出す。これらの排気Ｗｅは合流し、導流板３３によって円滑にターボ過給機５０のハウジング５１に導かれる。

可変排気バルブ３０は、全閉と全開との間の中間の開度をとり得る。その場合、全閉に近いほどブローダウン排気Ｗｅの絞り作用が強く、エゼクタ効果も高くなる。

次に独立排気絞り制御について説明する。上述のように、独立排気絞り制御はＥＣＵ２（可変排気バルブ制御手段）が可変排気バルブ３０によって独立排気通路１６ａ，１６ｂｃ，１６ｄの各通路断面積を最大面積時よりも縮小させる制御である。具体的にはＥＣＵ２０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。本実施形態では、独立排気絞り制御は過給領域の低回転領域Ａ３（図１８参照）において行われる。具体的には低回転過給領域Ａ３は、ウエストゲートバルブ６２が開き始めるインターセプトポイントより低回転領域、例えば２０００ｐｒｍ以下に設定される。インターセプトポイントより高回転域では、過給圧が高くなり過ぎることを抑制するためにウエストゲートバルブ６２が開くのであるから、その高回転領域においてエゼクタ効果による過給圧増大は不要である。そこで排気抵抗を抑制するためにも可変排気バルブ３０が全開とされるのである。

独立排気絞り制御では、低回転過給領域Ａ３において、エンジン回転数Ｎｅが低いほど可変排気バルブ３０が低開度とされる。

以上、本実施形態の主要な技術的特徴である動圧過給及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。

図１２は、低回転過給領域Ａ３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数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。

図１３は、低回転過給領域Ａ３におけるエンジンの平均有効圧ＢＭＥＰを示すグラフである。横軸はエンジン回転数Ｎｅ（ｒｐｍ）、縦軸は平均有効圧ＢＭＥＰ（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１２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１２の特性Ｃ１０３に対応する特性である。特性Ｃ１４の平均有効圧ＢＭＥＰ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１２）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。

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。

図１４は本実施形態における排気通路の絞り度合と体積効率ηｖとの関係を示すグラフである。横軸の上段は絞り径Ｄ２（ｍｍ）を示す。この絞り径Ｄ２とは、図７に示す可変排気バルブ３０全閉時の、仕切板３２の後縁３２ａにおける流路断面積Ｓ２に相当する円の直径である。なお第１排気通路１６ａの排気マニホールド１６の入口部はφＤ１（：元の径＝３６ｍｍ）の円形であり、当該箇所の通路断面積Ｓ１はφＤ１に相当する面積（約１０１８ｍｍ^２）である。

横軸の下段は断面積絞り率Ｒｄ（％）を示す。この断面積絞り率Ｒｄは、元の径Ｄ１に対する絞り径Ｄ２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。

図１４に示す特性Ｃ１５はエンジン回転数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、絞り径Ｄ２＝２２〜２８ｍｍの範囲（断面積絞り率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、絞り径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。

次に、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について説明する。

図１５は、上記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。

実線で示す排気バルブ開期間Ｐｅ１及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、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ーラップＬ２が設定されている。

一般的にオーバーラップは、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に設けられる。また吸気Ｗｉで排気Ｗｅを押し出す狙いもある。一般的な可変バルブタイミング制御と同様に、このオーバーラップＬ２はエンジン回転数Ｎｅが高いほど広くなるように変更される。具体的には排気ＶＶＴ１２ｅによって排気バルブ９の閉弁時期を遅らせ、吸気ＶＶＴ１２ｉによって吸気バルブ７の開弁時期を進めることによってオーバーラップＬ２が拡大される（排気ＶＶＴ１２ｅか吸気ＶＶＴ１２ｉの何れか一方で行っても良い）。

一方、破線で示す排気バルブ開期間Ｐｅ２及び吸気バルブ開期間Ｐｉ２は独立排気絞り制御を実行中、すなわち低回転過給領域Ａ３において可変排気バルブ３０が排気Ｗｅを絞っている場合の特性である。この場合のオーバーラップＬ３は、同じ負荷、同じエンジン回転数Ｎｅであっても独立排気絞り制御を行わない場合のオーバーラップＬ２よりも図示のように拡大されている。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。

本来、独立排気絞り制御によれば、上述のようにエゼクタ効果によって掃気が促進され、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効果がある。そこで図１５に示すように、可変バルブタイミング機構１２によってオーバーラップＬ２をオーバーラップＬ３に拡大することにより、上記効果をより顕著に得ることができる。

なお通常は、不用意にオーバーラップＬ２を拡大すると吸気負圧によって排気Ｗｅが逆流する虞がある。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難い。すなわち、排気Ｗｅの逆流という弊害を抑制しつつオーバーラップ量を増大させることができる。

ところで、図１５上段（第１気筒３ａ）の排気バルブ開期間Ｐｅ１に示すように、独立排気絞り制御の非実行時の排気バルブ９は排気行程下死点より前の比較的早期、例えば下死点前４０〜６０°ＣＡに開き始める。こうすることにより掃気が促進されるが、反面、ピストンの降下中に排気Ｗｅが開始するので、その分ブローダウンガスの勢いが弱められる。これはエゼクタ効果の駆動流体としてブローダウンガスを利用する本実施形態の独立排気絞り制御にとって不利である。

しかし本実施形態では、独立排気絞り制御の実行時には排気バルブ閉弁時期を遅らせてオーバーラップ量を増大している。これは同時に排気バルブ開弁時期を遅らせることでもある（開弁期間自体は平行移動的に変更され、不変であるから）。すなわち図１５上段に示すように、排気バルブ開弁時期が期間Ｌ１だけ遅らされている。これにより、上記ブローダウンガスの勢い低下が抑制される。そして下死点後はピストンの上昇が排気Ｗｅを押し出す作用が加わるのでブローダウンガスを加勢することができる。こうしてより顕著にエゼクタ効果を得ることができる。

但し、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という弊害が出る。従って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望ましい。

次に、本実施形態のターボ過給機５０の作用効果について説明する。図１６はターボ過給機５０の効率を示すグラフである。横軸に排気流量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は一般的な大型ターボ過給機の特性である。一般的な特性Ｃ１２１では、排気流量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。

それに対して本実施形態のターボ過給機５０は、上述のように大型ターボ過給機でありながら一般的な大型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。排気流量Ｑｅが多いとタービン流量Ｑｔも多くなるから、このような設定はタービン流量Ｑｔ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。

図１７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数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ターボ過給機（タービン径Ｄ及びＡ／Ｒが相対的に小さいターボ過給機）を採用した場合の特性である。

図示のように、特性Ｃ１２４では大型ターボ過給機による高回転域でのトルク増大作用が強く、特性Ｃ１２５では小型ターボ過給機による低回転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特性Ｃ２４は、高回転領域では大型のターボ過給機５０の採用によってトルク増大作用が強く、低回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つのターボ過給機５０を用いた簡潔な構成でありながら、低回転領域から高回転領域に亘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。

次に本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態は、図１〜図９に示す装置構成、及び動圧過給と独立排気絞り制御を実行する点、バルブタイミング変更制御を実行する点等については第１実施形態と同様である。第１実施形態との相違点は、第１実施形態が独立排気制御を低回転過給領域Ａ３のみで行っていたのに対し、本実施形態では自然吸気領域でも実行し、併せてオーバーラップ量を増大する制御を行う点である。これは、オーバーラップ量を増大してもエゼクタ効果によって排気の逆流が抑制されるという独立排気絞り制御の効果を利用したものである。その結果、加速要求時におけるオーバーラップ拡大応答性を向上することができる。

図１８は第２実施形態の特徴を説明するためのエンジントルク特性図である。横軸にエンジン回転数Ｎｅ（ｒｐｍ）、縦軸にエンジントルクＴｅ（Ｎ・ｍ）を示す。また特性Ｔｘは最大負荷トルク、特性ＲＬは走行抵抗（いわゆるロードロード）に相当するトルクを示す。また符号Ａ１は自然吸気領域（以下ＮＡ領域ともいう）、符号Ａ２は過給領域を示し、特性ＢはＮＡ領域Ａ１と過給領域Ａ２との境界を示す。なお低回転過給領域Ａ３は過給領域Ａ２に含まれる。

本実施形態では、ＮＡ領域Ａ１においても独立排気絞り制御を実行し、可変排気バルブ３０によって排気Ｗｅを絞る。併せて、可変バルブタイミング機構１２がオーバーラップＬ２（図１５）を通常の場合（独立排気絞り制御を実行しない場合）よりも拡大させる。

上述のように、不用意にオーバーラップＬ２を拡大すると排気が逆流する虞があるが、本実施形態では独立排気絞り制御によるエゼクタ効果で排気の逆流が抑制されるので、そのような弊害を伴うことなくオーバーラップＬ２を拡大させることができる。

例えば図１８において、ＮＡ領域Ａ１におけるロードロード相当の定常運転状態Ｐ２１から、加速要求によって低回転過給領域Ａ３の運転状態Ｐ２２に急速に移行する場合を想定する。通常の場合、運転状態Ｐ２１ではオーバーラップＬ２が例えば０〜１５°ＣＡに設定されている。これに対して運転状態Ｐ２２では、第１実施形態と同様に図１５に示すようにオーバーラップＬ３が拡大され、例えば６５°ＣＡ付近に設定されている。従って、運転状態Ｐ２１からＰ２２への移行時、可変バルブタイミング機構１２がオーバーラップ量を大きく変化させる必要が生じ、応答遅れが問題となる場合がある。

これに対し本実施形態では、運転状態Ｐ２１でのオーバーラップＬ２が通常よりも拡大され、例えば１０〜４０°ＣＡに設定されている。それによって運転状態Ｐ２２への移行時のオーバーラップ拡大代が低減されるので、その変化に要する時間を短縮することが出来る。すなわち応答性を向上させることができる。

なおエンジン回転数Ｎｅ＞２０００ｒｐｍの高回転領域においては、第１実施形態と同様、過給領域Ａ２において独立排気絞り制御が行われず、可変排気バルブ３０は全開とされる。一方、バルブタイミング変更制御は実行され、高回転、高ふかであるほどオーバーラップ量が増大される。そこで本実施形態では、そのような高回転領域のＮＡ領域Ａ１においても独立排気絞り制御を実行しつつ、通常の場合よりもオーバーラップＬ２を拡大する。これによって、高回転領域におけるオーバーラップ変更の応答性が向上される。なおオーバーラップ量の増大は、移行後の高負荷領域におけるオーバーラップ量を超えない範囲で行うのが妥当である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記各実施形態は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、エンジン１は必ずしも直列４気筒でなくても良く、直列６気筒或いはＶ型６気筒等のエンジンであっても良い。そしてそれに応じた排気マニホールドの形状とすれば良い。

また排気マニホールドは、必ずしも補助集合排気通路を有するものでなくても良く、各排気通路が可変排気バルブに至るまで完全に独立したものであっても良い。

可変排気バルブは、独立した排気通路の各通路断面積を変更可能なバルブであれば良く、必ずしも上記可変排気バルブ３０の構造に限定されない。例えば、独立した排気通路の各通路断面積をそれぞれ独立して変更可能なバルブであっても良い。またフラップ３５は必ずしも扇形状でなくても良く、例えば板状のフラップ板であっても良い。

本発明の第１実施形態に係るエンジンの過給装置の概略構成図である。図１の部分側断面図である。排気マニホールドと可変排気バルブのハウジングの外観斜視図である。排気マニホールドの下流側部分斜視図である。可変排気バルブの要部斜視図である。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６と同様の断面図であって、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６のVIII−VIII線断面図である。可変排気バルブのフラップに作用する流体力の説明図であり、（ａ）は扇形状のフラップを用いた場合、（ｂ）は一般的なフラップ板を用いた場合を示す。ターボ過給機のタービン特性図である。排気脈動特性図である。低回転過給領域における充填効率を示すグラフである。低回転過給領域におけるエンジンの平均有効圧を示すグラフである。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。バルブタイミング変更制御の説明図である。ターボ過給機の効率を示すグラフである。エンジントルク特性を示すグラフである。エンジントルク特性図であって、第２実施形態の説明図である。

符号の説明

１エンジン
３気筒
７吸気バルブ
８排気ポート
９排気バルブ
１２可変バルブタイミング機構（バルブタイミング変更手段）
１２ｅ排気ＶＶＴ（排気バルブタイミング変更手段）
１６排気マニホールド
１６ａ，１６ｄ第１，第４排気通路（独立排気通路）
１６ｂｃ補助集合排気通路（独立排気通路）
２０ＥＣＵ（可変排気バルブ制御手段）
３０可変排気バルブ
３１ｃ集合部
５０排気ターボ過給機
６２ウエストゲートバルブ
Ａ１自然吸気領域
Ａ２過給領域
Ａ３低回転過給領域（所定の低回転領域）
Ｌ２，Ｌ３オーバーラップ量

Claims

各気筒の排気ポートに接続され、複数の独立排気通路を有する排気マニホールドと、
上記排気マニホールドないしはその下流側において上記独立排気通路が集合した集合部と、
上記集合部の下流側に接続された排気ターボ過給機と、
上記集合部の上流側で、上記独立排気通路の各通路断面積を変更可能な可変排気バルブと、
上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、
上記可変排気バルブ制御手段は、少なくとも過給領域の所定の低回転領域において、上記可変排気バルブによって上記独立排気通路の上記各通路断面積を最大面積時よりも縮小させる独立排気絞り制御を実行することを特徴とするエンジンの過給装置。
上記所定の低回転領域は、上記ターボ過給機のウエストゲートバルブが開き始めるエンジン回転数よりも低回転領域とされ、
上記可変排気バルブ制御手段は、上記独立排気絞り制御において、エンジン回転数が低いほど上記各通路断面積の縮小度合を増大させることを特徴とする請求項１記載のエンジンの過給装置。
排気バルブの開閉弁時期を変更可能な排気バルブタイミング変更手段を備え、
該排気バルブタイミング変更手段は、上記独立排気絞り制御の実行時に、上記排気バルブの開弁時期を非実行時に対して遅らせることを特徴とする請求項１または２記載のエンジンの過給装置。
吸気バルブと排気バルブの少なくとも一方の開閉弁時期を変更することにより、上記吸気バルブと上記排気バルブとが両方とも開く期間であるオーバーラップの量を変更可能なバルブタイミング変更手段を備え、
該バルブタイミング変更手段は、上記独立排気絞り制御の実行時、非実行時に対して上記オーバーラップ量を拡大することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のエンジンの過給装置。
上記可変排気バルブ制御手段は、自然吸気領域においても上記独立排気絞り制御を実行し、
上記バルブタイミング変更手段は、自然吸気領域における上記独立排気絞り制御の実行時、非実行時に対して上記オーバーラップ量を拡大することを特徴とする請求項４記載のエンジンの過給装置。