JP5998900B2 - ターボ過給機付きエンジン - Google Patents

Description

本発明は、複数の気筒と、各気筒の吸気ポートに接続された吸気通路と、各気筒の排気ポートに接続された排気通路と、排気通路内の排気ガスにより駆動されるタービンと吸気通路内の吸気を加圧するコンプレッサとを含むターボ過給機と、を備えたエンジンに関する。

ターボ過給機は、エンジンからの排気ガスにより駆動されるタービンと、タービンにより駆動されて吸気を加圧するコンプレッサとを備えており、従来から各種エンジンに広く採用されている。

例えば、下記特許文献１には、タービンおよびコンプレッサを含むターボ過給機と、タービンよりも上流側の排気通路とコンプレッサよりも下流側の吸気通路とを連通するＥＧＲ通路と、ＥＧＲ通路に設けられた開閉可能なＥＧＲ弁とを備えたエンジンが開示されている。

具体的に、この特許文献１の過給機付きエンジンでは、低速低負荷から中速中負荷までの運転領域において、上記ＥＧＲ弁が開かれることにより、各気筒から排出された排気ガスの一部を吸気通路に戻す操作（ＥＧＲ）が実行される。一方、エンジンの低中速かつ高負荷域では、上記ＥＧＲ弁が閉じられてＥＧＲが停止されるとともに、エンジンの吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間とが重なるオーバーラップ期間が形成されるように、排気弁用の可変動弁機構が駆動される。

特開２０１０−２４９７４号公報

上記特許文献１の技術によれば、エンジンの部分負荷域でのポンピングロスをＥＧＲによって低減することができる。また、エンジンの低中速かつ高負荷域では、吸気の吹き抜け流（燃焼室を介して吸気ポートから排気ポートに流れる吸気の流れ）を生じさせることにより、気筒内の残留ガスを取り除く効果（掃気効果）を得ることができので、ノッキングを抑制し、点火時期の進角による燃費改善等を図ることができる。

ここで、エンジンの高負荷域で掃気のために吸気の吹き抜け流を形成しようとしても、この吹き抜け流は、コンプレッサ下流の吸気圧である過給圧が排気圧（タービン上流の排気ガスの圧力）以上に高くならなければ、つまり過給能力が充分に高められた状態でなければ、得ることができない。

しかしながら、特にエンジンの低速かつ高負荷域では、負荷は高くても回転速度が低いので、排気ガスの流量は充分に多くはなく、充分な過給能力を得ることは困難である。このため、エンジンの全負荷（最高負荷）の近傍にならないと有意な吹き抜け流が得られず、実質的な掃気効果が得られないという問題があった。このことは、ノッキングが抑制される（そのために点火時期の進角が可能になる）運転領域が狭くなり、充分な燃費改善効果が得られないことを意味する。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、掃気効果が得られる運転領域を拡大し、もって燃費を充分に改善することが可能なターボ過給機付きエンジンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するためのものとして、本発明は、複数の気筒と、各気筒の吸気ポートに接続された吸気通路と、各気筒の排気ポートに接続された排気通路と、排気通路内の排気ガスにより駆動されるタービンと吸気通路内の吸気を加圧するコンプレッサとを含むターボ過給機と、を備えたエンジンであって、上記タービンより下流側の排気通路とコンプレッサより上流側の吸気通路とを連通するＥＧＲ通路と、上記ＥＧＲ通路に設けられた開閉可能なＥＧＲ弁と、各気筒の吸気ポートを開閉する吸気弁と排気ポートを開閉する排気弁との少なくとも一方の開閉タイミングを変更可能なバルブ可変機構と、上記ＥＧＲ弁およびバルブ可変機構の動作を制御する制御手段とを備え、上記制御手段は、排気ガスの流量が所定値以下となる運転領域で上記ＥＧＲ弁を開くとともに、当該運転領域の中でも高負荷側に位置する特定過給領域では、上記ＥＧＲ弁の開弁を継続しつつ、上記吸気弁および排気弁の双方が開くオーバーラップ期間が各気筒の排気上死点の前後にわたって所定量以上確保されるように上記バルブ可変機構を駆動するバルブオーバーラップ制御を少なくとも実行することにより、各気筒の吸気ポートから排気ポートへ吸気が吹き抜ける吹き抜け流を発生させ、上記特定過給領域は、エンジンの全負荷ラインの一部を含む低速かつ高負荷の領域である、ことを特徴とするものである（請求項１）。

本発明によれば、排気ガスの流量が所定値以下となる運転領域でＥＧＲ弁が開かれ、タービンを通過した後の排気ガスの一部が、ＥＧＲガスとしてコンプレッサ上流の吸気通路に戻される。すると、コンプレッサには、ＥＧＲガスと新気との混合ガスが吸気として流入するので、コンプレッサが圧送する吸気の流量が増大する。このことは、コンプレッサの圧力比の上昇、つまり過給圧の上昇につながるので、ある程度まで負荷が高くなれば、過給圧を排気圧以上の値にまで上昇させることが可能になる。

そして、本発明では、このような条件が得られる高負荷側の運転領域（特定過給領域）で吸排気弁のオーバーラップ期間が拡大されるので、過給圧が排気圧以上に高まっていることとの相乗効果により、各気筒の吸気ポートから排気ポートへと吸気が吹き抜ける吹き抜け流が充分な強さで生成される。このような吹き抜け流は、各気筒内の残留ガスを取り除く掃気効果を発揮するので、各気筒では、高負荷域での運転であるにもかかわらず、ノッキングが起きにくい環境がつくり出される。このことは、点火時期を進角することを可能にするので、相対的に少ない燃料でも充分な出力が得られるようになり、燃費の改善につながる。

特に、本発明では、上述したとおり、タービン下流の排気ガスをコンプレッサ上流に還流するＥＧＲ（低圧ＥＧＲ）の実行により、少ない排気流量でも高い過給圧を得ることが可能であるので、エンジンの全負荷ラインから低負荷側に充分に離れた運転領域であっても、過給圧≧排気圧となる条件をつくり出すことができる。このことは、吸気の吹き抜け流を形成するためにバルブオーバーラップ期間を拡大する運転領域（特定過給領域）がより低負荷側まで拡大することを意味するので、より幅広い運転領域で残留ガスの掃気を図ることが可能になり、点火時期の進角による燃費改善効果をより高めることができる。

本発明において、好ましくは、上記排気通路は、１つの気筒もしくは排気順序が連続しない複数の気筒の各排気ポートに上流端部が接続された複数の独立排気通路と、各独立排気通路の下流端部どうしが１つに集合した排気集合部と、上記独立排気通路内を通る排気ガスの流通面積を変更するための開閉可能な排気絞り弁とを有し、上記制御手段は、上記特定過給領域での運転時、上記バルブオーバーラップ制御に加えて、上記排気絞り弁を閉方向に駆動して上記独立排気通路内の流通面積を減少させる独立排気絞り制御を実行する（請求項２）。

このように、吸排気弁のオーバーラップ期間を拡大するバルブオーバーラップ制御に加えて、独立排気通路内の流通面積を減少させる独立排気絞り制御を実行するようにした場合には、各気筒から排出されるブローダウンガス（排気弁の開弁直後に勢いよく排出される排気ガスの流れ）の流速がより速められるので、この高速のブローダウンガスが排気集合部に流入したときに、その周囲により強い負圧が発生するようになる（エゼクタ効果）。そして、このエゼクタ効果により、吸排気弁のオーバーラップ期間中に生じる吸気の吹き抜け流が強められるので、より確実に残留ガスの掃気を図ることができる。

別の好ましい例として、上記バルブ可変機構は、少なくとも排気弁の開閉タイミングを変更可能であり、上記制御手段は、上記バルブオーバーラップ制御に伴い、排気弁の開弁期間が１８０±１０°ＣＡになるように上記バルブ可変機構を制御するものであってもよい（請求項３）。

バルブオーバーラップ制御時の排気弁の開弁期間を１８０±１０°ＣＡに設定するということは、残留ガスの掃気を図りたい上記特定過給領域で、排気弁の開弁時期が膨張下死点の近傍もしくはそれ以降にまで遅らされることを意味する。このように、排気弁の開弁時期が遅く設定されると、各気筒から排出される排気ガスのブローダウンが下死点を過ぎたあたりからようやく立上ることになるので、各気筒間の排気干渉、つまり、ある気筒が排気上死点の近傍にあるときに当該気筒の排気ポートの圧力が後続気筒（排気順序が１つ後の気筒）のブローダウンの影響により上昇することが回避される。そして、特定過給領域では、上記のような排気開弁時期の遅角により排気干渉が回避されることと、吸排気弁のオーバーラップ期間が拡大されることとの相乗効果により、吸気ポートから排気ポートへと流れる吸気の吹き抜け流が強められて、残留ガスの掃気が促進される。

別の好ましい例として、上記ターボ過給機は、仕切壁で区画された２つのスクロール室を上記タービンの周囲に形成したタービンハウジングを有し、上記排気通路は、排気順序が連続しない第１の気筒群の各排気ポートから延びて下流側で合流する第１独立排気通路と、排気順序が連続しない第２の気筒群の各排気ポートから延びて下流側で合流する第２独立排気通路とを有し、上記タービンハウジングの２つのスクロール室の一方に上記第１独立排気通路の下流端部が接続されるとともに、他方のスクロール室に上記第２独立排気通路の下流端部が接続されるものであってもよい（請求項４）。

このように、タービンハウジングの内部を２つのスクロール室に分割したいわゆるツインエントリー式のターボ過給機を採用し、それぞれのスクロール室に排気順序が連続しない気筒群から延びる独立排気通路の下流端部を接続した場合には、排気順序が連続する気筒間で起こり得る排気干渉を構造的な面から抑制することができる。これにより、上記特定過給領域でバルブオーバーラップ制御を実行したときには、吸気の吹き抜け流が促進され、残留ガスの掃気が充分に図られる。

本発明において、好ましくは、上記制御手段は、排気ガスの流量が上記所定値を越える運転領域では上記ＥＧＲ弁を閉じる（請求項５）。

この構成によれば、高速かつ高負荷側の運転領域で各気筒への新気の導入量が増量されるので、要求に見合った充分なエンジントルクを確保することができる。

以上説明したように、本発明によれば、掃気効果が得られる運転領域を拡大し、もって燃費を充分に改善することが可能なターボ過給機付きエンジンを提供することができる。

本発明の第１実施形態にかかるターボ過給機付エンジンの全体構成を示す図である。 上記エンジンの排気通路内のガス流れを模式的に示す側面図である。 上記排気通路の一部（独立排気通路）を拡大して示す斜視図である。 上記エンジンの制御系を示すブロック図である。 上記エンジンの運転領域を制御の種類に応じて区分けした説明図である。 上記エンジンの排気圧のクランク角に応じた変化を示すグラフである。 上記エンジンの吸排気弁の開閉タイミングを気筒ごとに示すタイムチャートである。 上記ターボ過給機のコンプレッサの特性を示す性能曲線を模式化かして示す説明図である。 本発明の第２実施形態にかかるターボ過給機付エンジンを示す概略図である。 上記第２実施形態における吸排気弁の開閉タイミングと排気圧の変化とを示すグラフである。 本発明の第３実施形態にかかるターボ過給機付エンジンを示す概略図である。 上記第３実施形態における吸排気弁の開閉タイミングと排気圧の変化とを示すグラフである。

＜第１実施形態＞
（１）エンジンの全体構成
図１および図２は、本発明の第１実施形態にかかるターボ過給機付多気筒エンジンを示している。本図に示されるエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載される４サイクルの火花点火式多気筒エンジンである。具体的に、当実施形態のエンジンは、列状に並ぶ４つの気筒２Ａ〜２Ｄを有する直列４気筒型のエンジン本体１と、エンジン本体１に空気を導入するための吸気通路１０と、エンジン本体１で生成された排気ガスを排出するための排気通路３０と、排気ガスのエネルギーにより駆動されるターボ過給機２０とを備えている。

エンジン本体１の各気筒２Ａ〜２Ｄには、それぞれピストン（図示省略）が往復摺動可能に挿入されており、各ピストンの上方に燃焼室３が区画形成されている。燃焼室３では、後述するインジェクタ９から噴射される燃料と空気との混合気が燃焼し、その燃焼による膨張エネルギーがピストンを往復運動させる。そして、このピストンの往復運動が、図外のクランク機構を介してクランク軸（出力軸）の回転運動に変換される。クランク軸の一端側には、クランク軸の回転速度（つまりエンジン回転速度）を検出するためのエンジン速度センサＳＮ１が設けられている。

エンジン本体１の上部（シリンダヘッド）には、吸気通路１０から供給される空気を各気筒２Ａ〜２Ｄの燃焼室に導入するための吸気ポート４と、吸気ポート４を開閉する吸気弁６と、各気筒２Ａ〜２Ｄの燃焼室で生成された排気ガスを排気通路３０に導出するための排気ポート５と、排気ポート５を開閉する排気弁７とが設けられている。

吸気弁６および排気弁７は、それぞれ、カムシャフトやカム等を含む動弁機構（図示省略）により、エンジン本体１のクランク軸の回転に連動して開閉駆動される。吸気弁６および排気弁７用の各動弁機構には、それぞれバルブ可変機構１６が組み込まれており、これら両バルブ可変機構１６により、吸気弁６および排気弁７の双方の開閉タイミングが変更可能とされている。

ここで、バルブ（吸気弁または排気弁）の「開閉タイミングを変更する」とは、バルブの開弁時期と閉弁時期の少なくとも一方を変更することをいう。したがって、バルブ可変機構１６は、カムの位相を変化させることでバブルの開弁時期および閉弁時期の両方を同時に変更するタイプであってもよいし、開弁時期を固定したまま閉弁時期を変更する（そのためにバルブのリフト量を変更する）タイプであってもよいし、その逆の（閉弁時期を固定したまま開弁時期を変更する）タイプであってもよい。ただし、当実施形態では、後述するように、吸気弁６および排気弁７の双方が開くオーバーラップ期間を変更する制御が必須であるので、少なくともこのオーバーラップ期間を柔軟に変更し得るように、バルブ可変機構１６としては、吸気弁６の開弁時期および排気弁７の閉弁時期を少なくとも変更できるものが採用される。

さらに、本明細書において、バルブ（吸気弁または排気弁）の「開弁時期」とは、バルブのリフト量が１ｍｍまで上昇した時点をいい、バルブの「閉弁時期」とは、バルブのリフト量が１ｍｍまで減少した時点をいう。これは、バルブのリフトカーブのランプ部（バルブの挙動が乱れるのを防ぐために設けられた緩衝区間）を除く趣旨である。

エンジン本体１の上部（シリンダヘッド）には、燃焼室３に向けて燃料（ガソリンを含有する燃料）を噴射するインジェクタ９と、インジェクタ９から噴射された燃料と空気との混合気に火花放電による着火エネルギーを供給する点火プラグ８とが、各気筒２Ａ〜２Ｄにつきそれぞれ１組ずつ設けられている。

点火プラグ８は、図外の点火回路からの給電に応じて各気筒２Ａ〜２Ｄの混合気に対し順に着火エネルギーを供給する。当実施形態のような直列４気筒エンジンでは、第１気筒２Ａ→第３気筒２Ｃ→第４気筒２Ｄ→第２気筒２Ｂの順に、１８０°ＣＡずつずれたタイミングで点火が行われて、この順に排気行程等が実施される（後述する図７も参照）。なお、「°ＣＡ」とは、エンジン本体１のクランク軸の回転角（クランク角）を表す。

吸気通路１０は、各気筒２Ａ〜２Ｄの吸気ポート４と連通する４つの独立吸気通路１１と、各独立吸気通路１１の上流側（吸気の流れ方向の上流側）に共通に設けられたサージタンク１２と、サージタンク１２の上流側に設けられた単管状の吸気管１３とを有している。

吸気管１３には、その内部を通過する吸気の流量（吸気量）を調節するための開閉可能なスロットル弁１４と、ターボ過給機２０により圧縮された空気を冷却するためのインタークーラ１５とが設けられている。また、サージタンク１２には、上記吸気量を検出するためのエアフローセンサＳＮ２が設けられており、第４気筒２Ｄ用の独立吸気通路１１には、その内部を通過する吸気の圧力を検出するための吸気圧センサＳＮ３が設けられている。

排気通路３０は、図１〜図３に示すように、各気筒２Ａ〜２Ｄの排気ポート５と連通する複数の独立排気通路３１，３２，３３と、各独立排気通路３１，３２，３３の下流端部（排気ガスの流れ方向下流側の端部）が集合した排気集合部３４と、排気集合部３４の下流側に設けられた単管状の排気管３５とを有している。

排気管３５には、三元触媒等の触媒が内蔵された触媒コンバータ３６やサイレンサー（図示省略）等が設けられる。また、第４気筒２Ｄ用の独立排気通路３３には、その内部を通過する排気ガスの圧力（排気圧）を検出するための排気圧センサＳＮ４が設けられている。

上記のように、当実施形態では４つの気筒２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄに対し３つの独立排気通路３１，３２，３３が用意されているが、これは、中央の独立排気通路３２が、２番気筒２Ｂおよび３番気筒２Ｃに対し共通に使用可能なようにＹ字状に分岐した形状とされているからである。すなわち、独立排気通路３２は、２番気筒２Ｂおよび３番気筒２Ｃの各排気ポート５から延びる２つの分岐通路部３２ａ，３２ｂと、各分岐通路部３２ａ，３２ｂが合流することで形成された単一の共通通路部３２ｃとを有している。一方、１番気筒２Ａおよび４番気筒２Ｄの各排気ポート５に接続される独立排気通路３１，３３については、分岐のない単管状に形成されている。以下では、単管状の独立排気通路３１，３３を、それぞれ「第１独立排気通路３１」および「第３独立排気通路３３」といい、二股状に分岐した独立排気通路３２を「第２独立排気通路３２」ということがある。

ここで、当実施形態のような４サイクル４気筒エンジンでは、１番気筒２Ａ→３番気筒２Ｃ→４番気筒２Ｄ→２番気筒２Ｂの順に点火が行われるので、二股状に形成された第２独立排気通路３２の上流端部が接続される２番気筒２Ｂおよび３番気筒２Ｃは、排気順序（排気行程が実施される順序）が連続しない関係にある。このため、上記のように２番気筒２Ｂおよび３番気筒２Ｃに共通の独立排気通路３２を接続した場合でも、これら両気筒２Ｂ，２Ｃからの排気ガスが同時に第２独立排気通路３２に流れることはない。

単管状に形成された第１、第３独立排気通路３１，３３は、その間に位置する第２独立排気通路３２の共通通路部３２ｃに徐々に近接するように、気筒列方向の中央側を指向して延びている。そして、第１、第３独立排気通路３１，３３の各下流端部と第２独立排気通路３２の下流端部（共通通路部３２ｃの下流端部）とが、所定の角度（比較的浅い角度が望ましい）をもって合流することにより、各独立排気通路３１〜３３の下流側に上記排気集合部３４が形成されている。

図２および図３に示すように、第１、第３独立排気通路３１，３３の各下流部と、第２独立排気通路３２の下流部（共通通路部３２ｃ）とは、排気ガスの流れ方向に沿って延びる隔壁３７によってそれぞれ２分されている。すなわち、第１、第３独立排気通路３１，３３の下流部、および第２独立排気通路３２の共通通路部３２ｃは、それぞれ、隔壁３７によって区画された２つの流路３８，３９を有している。なお、上述した排気圧センサＳＮ４は、第３独立排気通路３３のうち隔壁３７の設置部（流路３８，３９に２分されている部分）よりも上流側に設けられている。

第１〜第３独立排気通路３１，３２，３３内の各隔壁３７は、独立排気通路３１，３２，３３の途中部から下流端部（排気集合部３４との接続部）までの範囲に亘って設けられている。言い換えると、各独立排気通路３１，３２，３３は、流路３８，３９に２分された状態のまま（途中でその分割状態が解消されることなく）、排気集合部３４に接続されている。

排気通路３０には、その第１〜第３独立排気通路３１，３２，３３内を通る排気ガスの流通面積を変更するための排気絞り弁４０が設けられている。この排気絞り弁４０は、第１〜第３独立排気通路３１，３２，３３の各下流部に備わる上記流路３８，３９のうちの一方（当実施形態では図３の下側に位置する流路３９）を開閉可能に遮断することにより、各独立排気通路３１，３２，３３内の流通面積を変更する。なお、以下では、排気絞り弁４０により開閉される流路３９を「可変流路３９」といい、もう一方の流路３８を「常用流路３８」という。

排気絞り弁４０は、その詳細な図示は省略するが、第１〜第３独立排気通路３１，３２，３３内のそれぞれの可変流路３９を遮断するように設けられた３つの弁体と、各弁体どうしを連結するシャフトと、シャフトを回転駆動する駆動源（例えば電気モータ）を有している。このような構造の排気絞り弁４０は、上記駆動源によるシャフトおよび弁体の回転駆動に伴って、各独立排気通路３１，３２，３３内の可変流路３９を同時に開閉することが可能である。

ターボ過給機２０は、エンジン本体１から排出される排気ガスのエネルギーにより駆動される過給機であり、排気通路３０の排気集合部３４の直下流（排気集合部３４と排気管３５との間）に設けられたタービンハウジング２１と、タービンハウジング２１内に配設されたタービン２２と、吸気管１３内に配設されたコンプレッサ２３と、これらタービン２２およびコンプレッサ２３を互いに連結する連結軸２４とを有している。エンジンの運転中、エンジン本体１の各気筒２Ａ〜２Ｄから排気ガスが排出されると、その排気ガスが排気通路３０を通じてターボ過給機２０のタービンハウジング２１に流入することにより、タービン２２が排気ガスのエネルギーを受けて高速で回転する。また、タービン２２と連結軸２４を介して連結されたコンプレッサ２３がタービン２２と同じ回転速度で駆動されることにより、吸気管１３を通過する吸気が加圧されて、エンジン本体１の各気筒２Ａ〜２Ｄへと圧送される。

排気管３５には、ターボ過給機２０のタービン２２をバイパスするためのバイパス通路４２が、タービンハウジング２１とその下流側の排気管３５とを互いに連結するように設けられており、このバイパス通路４２の途中部には、ウェストゲート弁４３が開閉可能に設けられている。ウェストゲート弁４３が開弁されると、排気通路３０から排出された排気ガスの少なくとも一部がバイパス通路４２を通過するので、タービン２２に流入する排気ガスの量が減り、タービン２２の駆動力が抑制される。

排気通路３０と吸気通路１０とは、ＥＧＲ通路４５を介して互いに連結されている。このＥＧＲ通路４５は、エンジン本体１から排出された排気ガスの一部を吸気系に戻す、いわゆる排気還流（Exhaust Gas Recirculation）を行うための通路である。ＥＧＲ通路４５の一端部は、タービン２２より下流側の排気通路３０、より具体的にはタービンハウジング２１と触媒コンバータ３６との間の排気管３５に接続され、ＥＧＲ通路４５の他端部は、コンプレッサ２３より上流側の吸気通路１０（吸気管１３）に接続されている。

ＥＧＲ通路４５には、ＥＧＲガス（吸気系に戻される排気ガス）を冷却するためのＥＧＲクーラ４６と、ＥＧＲ通路４５を通るＥＧＲガスの流量を制御するための開閉可能なＥＧＲ弁４７とが設けられている。

（２）制御系
次に、図４を用いて、エンジンの制御系について説明する。当実施形態のエンジンは、その各部がＥＣＵ（エンジン制御ユニット）５０によって統括的に制御される。ＥＣＵ５０は、周知のとおり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されるマイクロプロセッサであり、本発明にかかる制御手段に相当するものである。

ＥＣＵ５０には、各種センサからの情報が逐次入力される。具体的に、ＥＣＵ５０は、エンジンの各部に設けられた上記エンジン速度センサＳＮ１、エアフローセンサＳＮ２、吸気圧センサＳＮ３、および排気圧センサＳＮ４と電気的に接続されている。また、当実施形態の車両には、ドライバーにより操作される図外のアクセルペダルの開度（アクセル開度）を検出するためのアクセル開度センサＳＮ５が設けられており、ＥＣＵ５０は、このアクセル開度センサＳＮ５とも電気的に接続されている。ＥＣＵ５０は、これらセンサＳＮ１〜ＳＮ５からの入力信号に基づいて、エンジン回転速度、吸気量、過給圧（コンプレッサ２３下流の吸気の圧力）、排気圧（タービン２２上流の排気ガスの圧力）、アクセル開度といった種々の情報を取得する。

ＥＣＵ５０は、上記各センサ（ＳＮ１〜ＳＮ５等）からの入力信号に基づいて種々の演算等を実行しつつ、エンジンの各部を制御する。すなわち、ＥＣＵ５０は、点火プラグ８、インジェクタ９、バルブ可変機構１６、スロットル弁１４、排気絞り弁４０、ウェストゲート弁４３、およびＥＧＲ弁４７と電気的に接続されており、上記演算の結果等に基づいて、これらの機器にそれぞれ駆動用の制御信号を出力する。

（３）運転領域に応じた制御
次に、ＥＣＵ５０が行うエンジン制御の具体例について、図５のマップを参照しつつ説明する。

図５において、ＷＯＴは、エンジンの全負荷ライン（アクセル全開のときのエンジントルク）を表している。また、全負荷ラインＷＯＴ上に存在するポイントＩＣは、いわゆるインターセプトポイントである。このインターセプトポイントＩＣを含むライン、より具体的にはインターセプトポイントＩＣから高速かつ低負荷側に延びるラインＬ１は、ターボ過給機２０のコンプレッサ２３による過給圧が予め定められた上限値（エンジンおよびターボ過給機を保護するために設定された上限の圧力）に達するラインである。図５では、このラインＬ１よりも高速（または高負荷）側の領域を第３領域Ｒ３としている。

また、ラインＬ１と交差するように延びるラインＬ２は、コンプレッサ２３下流の吸気圧である過給圧が、タービン２２上流の排気圧と等しくなるラインである。図５では、このラインＬ２よりも低速（または高負荷）側の領域を第２領域Ｒ２としている。さらに、第２領域Ｒ２と上述した第３領域Ｒ３の除く残余の領域を第１領域Ｒ１としている。

第３領域Ｒ３は、最も高速かつ高負荷側の運転領域であり、各気筒２Ａ〜２Ｄから排出される排気ガスの流量が最も多くなる運転領域である。一方、第３領域Ｒ３より低速側または低負荷側に位置する第１領域Ｒ１および第２領域Ｒ２は、第３領域Ｒ３に比べれば排気ガスの流量が少ないといえる。当実施形態では、これら第１領域Ｒ１および第２領域Ｒ２が、本発明にかかる「排気ガスの流量が所定値以下となる運転領域」に相当し、当該領域の中でも高負荷側の第２領域Ｒ２が、本発明にかかる「特定過給領域」に相当する。

エンジンの運転中、ＥＣＵ５０は、エンジンが図５の制御マップにおけるどの領域で運転されているかを逐次判断し、その結果に応じて、それぞれ次のような制御を実行する。

（ｉ）第１領域Ｒ１
まず、第１領域Ｒ１でエンジンが運転されているときの制御について説明する。この第１領域Ｒ１では、過給圧が上限値よりも低く、かつ排気圧よりも低くなる。ＥＣＵ５０は、このことを、吸気圧センサＳＮ３および排気圧センサＳＮ４から入力される情報（過給圧および排気圧の実測値）に基づき検知する。そして、次のような制御を実行する。
・ＥＧＲ弁４７を開く。
・排気絞り弁４０を開く。
・ウェストゲート弁４３を閉じる。

すなわち、第１領域Ｒ１では、ＥＧＲ弁４７が開かれて、ＥＧＲ通路４５を通じた排気ガスの還流操作が実行される。すなわち、タービン２２を通過することで圧力が低下した排気ガスの一部が、ＥＧＲガスとして、コンプレッサ２３上流の吸気通路１０（吸気管１３）に戻される。吸気通路１０に戻されたＥＧＲガスは、吸気とともにコンプレッサ２３で加圧された後、エンジン本体１の各気筒２Ａ〜２Ｄへと導入されることになる。以下では、このようにタービン２２通過後の低圧の排気ガスをコンプレッサ２３上流の吸気通路１０に戻す操作を指して、特に「低圧ＥＧＲ」ということがある。

また、第１領域Ｒ１では、排気絞り弁４０が開かれて、第１〜第３独立排気通路３１，３２，３３内のそれぞれの可変流路３９が開放される。これにより、各独立排気通路３１，３２，３３内では、常用流路３８および可変流路３９の双方を排気ガスが流通し得るようになり、排気ガスの流通抵抗が低減される。

さらに、第１領域Ｒ１では、ウェストゲート弁４３が閉じられる。これにより、各気筒２Ａ〜２Ｄから排出された排気ガスは、全てターボ過給機２０のタービン２２に流入する。ただし、第１領域Ｒ１の中でも特に低負荷域では、過給を行う必要がないので、例外的にウェストゲート弁４３を開いてもよい。

（ii）第２領域Ｒ２
第２領域Ｒ２では、過給圧が排気圧以上でかつ上限値未満の値になる。ＥＣＵ５０は、このことを、吸気圧センサＳＮ３および排気圧センサＳＮ４から入力される情報（過給圧および排気圧の実測値）に基づき検知する。なお、過給圧が「排気圧以上の値」であるとは、ある気筒（２Ａ〜２Ｄのいずれか）の排気上死点（排気行程と吸気行程との間の上死点）近傍における特定の時点で、吸気圧センサＳＮ３により検出される吸気の圧力（過給圧）と、排気圧センサＳＮ４により検出される排気ガスの圧力とを比較し、前者の圧力が後者の圧力以上であることをいう。すなわち、第２領域Ｒ２では、後述するように、各気筒２Ａ〜２Ｄの吸気ポート４から排気ポート５に吸気が吹き抜ける吹き抜け流を排気上死点の前後につくり出したいので、それが可能な状況にあるか否かを、排気上死点の近傍での過給圧と排気圧との比較によって確認する。

上記のようにして、上限値＞過給圧≧排気圧であることが確認されると、ＥＣＵ５０は、次のような制御を実行する。
・ＥＧＲ弁４７を開く。
・排気絞り弁４０を閉じる（独立排気絞り制御）。
・吸排気弁６，７のオーバーラップ期間を拡大する（バルブオーバーラップ制御）。
・ウェストゲート弁４３を閉じる。

すなわち、第２領域Ｒ２では、第１領域Ｒ１のときと同様にＥＧＲ弁４７が開かれて、低圧ＥＧＲ（タービン２２通過後の排気ガスをコンプレッサ２３上流に戻す操作）が継続される。

さらに、このような低圧ＥＧＲに加えて、第２領域Ｒ２では、排気絞り弁４０を閉弁して可変流路３９を遮断する制御、つまり独立排気絞り制御が実行されて、第１〜第３独立排気通路３１，３２，３３内の流通面積が縮小される。これにより、エンジン本体１の各気筒２Ａ〜２Ｄから排出された排気ガスは、各独立排気通路３１，３２，３３内の常用流路３８のみを通って、高い流速を保ったままタービンハウジング２１へと流入するようになる。

また、第２領域Ｒ２では、ウェストゲート弁４３が閉じられる。これにより、各気筒２Ａ〜２Ｄから排出された排気ガスは、全てターボ過給機２０のタービン２２に流入し、コンプレッサ２３による過給が最大限行われる。

さらに、第２領域Ｒ２では、吸気弁６および排気弁７の双方が開くオーバーラップ期間を第１領域Ｒ１のときよりも拡大すべくバルブ可変機構１６を駆動する制御、つまりバルブオーバーラップ制御が実行される。すなわち、このバルブオーバーラップ制御では、図６および図７に示すように、各気筒２Ａ〜２Ｄの排気上死点の前後にわたる（排気行程の後半から吸気行程の前半にかけた）比較的長い期間ＯＬに亘って吸気弁６および排気弁７の双方が開くように、吸気弁６および排気弁７用の各バルブ可変機構１６が駆動される。なお、図７では、排気弁７のリフトカーブをＥＸ、吸気弁６のリフトカーブをＩＮとして表記している。

このように、過給圧が排気圧以上に高まる第２運転領域Ｒ２でバルブオーバーラップ制御が実行され、吸排気弁６，７のオーバーラップ期間が拡大されることにより、このオーバーラップ期間の間、燃焼室３を介して吸気ポート４から排気ポート５へと吹き抜ける吸気の流れ、つまり吸気の吹き抜け流が形成される（図２の矢印Ｗｉ，Ｗｅ参照）。この吹き抜け流は、燃焼室３に残っている既燃ガス（残留ガス）を排気ポート５へと押し出す、つまり掃気を促進する役割を果たす。

（iii）第３領域Ｒ３
第３領域Ｒ３では、過給圧が上限値以上になる。ＥＣＵ５０は、このことを、吸気圧センサＳＮ３から入力される情報（過給圧の実測値）に基づき検知する。そして、次のような制御を実行する。
・ＥＧＲ弁４７を閉じる。
・排気絞り弁４０を開く。
・ウェストゲート弁４３を開く。

第３領域Ｒ３は、排気ガスの流量が最も多くなる運転領域であり、過給圧が過大になり易い。そこで、第３領域Ｒ３では、ウェストゲート弁４３を開く過給圧制御が実行される。ウェストゲート弁４３が開かれることで、排気ガスの一部がバイパス通路４２を通り、タービン２２をバイパスするので、タービン２２の駆動に利用される排気ガスの量が減らされ、それによって過給圧が上限値を超えないように（上限値で一定になるように）制御される。

また、第３領域Ｒ３では、ＥＧＲ弁４７が閉じられる（つまり低圧ＥＧＲが停止される）。これにより、コンプレッサ２３の上流側に戻されるＥＧＲガスがなくなるので、コンプレッサ２３は新気のみを加圧することになる。

さらに、第３領域Ｒ３では、エンジン回転速度が比較的高く排気ガスの流量が多いため、これに対応すべく排気絞り弁４０が開かれて、第１〜第３独立排気通路３１，３２，３３内のそれぞれの可変流路３９が開放される。これにより、各気筒２Ａ〜２Ｄからの排気ガスは、各独立排気通路３１，３２，３３内の常用流路３８および可変流路３９の双方を通ってスムーズに下流側へと排出される。

（４）作用等
以上説明したように、本発明の第１実施形態のエンジンは、タービン２２およびコンプレッサ２３を含むターボ過給機２０と、タービン２２より下流側の排気通路３０（排気管３５）とコンプレッサ２３より上流側の吸気通路１０（吸気管１３）とを連通するＥＧＲ通路４５と、ＥＧＲ通路４５に設けられた開閉可能なＥＧＲ弁４７と、各気筒２Ａ〜２Ｄの吸気弁６および排気弁７の開閉タイミングを変更可能なバルブ可変機構１６と、ＥＧＲ弁４７およびバルブ可変機構１６を含むエンジンの各部を制御する制御手段としてのＥＣＵ５０を備えている。ＥＣＵ５０は、排気ガスの流量が所定値以下となる運転領域である第１領域Ｒ１および第２領域Ｒ２でＥＧＲ弁４７を開く制御を実行し、特に、当該運転領域の中でも高負荷側に位置する第２領域Ｒ２（特定過給領域）では、吸気弁６および排気弁７の双方が開くオーバーラップ期間が排気上死点の前後にわたって所定量以上確保されるようにバルブ可変機構１６を駆動するバルブオーバーラップ制御を実行する。

このような構成によれば、掃気効果が得られる運転領域を拡大してエンジンの燃費を充分に改善できる等の利点が得られる。

すなわち、本発明の第１実施形態では、排気ガスの流量が所定値以下となる運転領域（第１、第２領域Ｒ１，Ｒ２）でＥＧＲ弁４７が開かれ、タービン２２を通過した後の排気ガスの一部が、ＥＧＲガスとしてコンプレッサ２３上流の吸気通路１０に戻される。すると、コンプレッサ２３には、ＥＧＲガスと新気との混合ガスが吸気として流入するので、コンプレッサ２３が圧送する吸気の流量が増大する。このことは、コンプレッサ２３の圧力比の上昇、つまり過給圧の上昇につながるので、ある程度まで負荷が高くなれば、過給圧を排気圧以上の値にまで上昇させることが可能になる。

そして、上記第１実施形態では、このような条件が得られる高負荷側の運転領域（第２領域Ｒ２）で吸排気弁６，７のオーバーラップ期間が拡大されるので、過給圧が排気圧以上に高まっていることとの相乗効果により、各気筒２Ａ〜２Ｄの吸気ポート４から排気ポート５へと吸気が吹き抜ける吹き抜け流が充分な強さで生成される（図２の矢印Ｗｉ，Ｗｅ参照）。このような吹き抜け流は、各気筒２Ａ〜２Ｄ内の残留ガスを取り除く掃気効果を発揮するので、各気筒２Ａ〜２Ｄでは、高負荷域での運転であるにもかかわらず、ノッキングが起きにくい環境がつくり出される。このことは、点火時期を進角することを可能にするので、相対的に少ない燃料でも充分な出力が得られるようになり、燃費の改善につながる。

図８は、コンプレッサの特性を示す性能曲線を模式化したグラフであり、その縦軸はコンプレッサの圧力比、横軸はコンプレッサの吐出流量である。この図８のグラフにおいて、各ラインＳＬ、ＲＬ、ＣＬは、それぞれ、サージライン、回転限界ライン、チョークラインを表しており、これらのラインで囲まれた領域がコンプレッサの運転可能領域である。また、この運転可能領域内に図示された等高線のような曲線群は、コンプレッサの効率が等しい運転ポイントを結んだ等効率線であり、領域の中央側に位置する曲線ほど効率が高くなることを表している。

図８では、ある特定の条件でエンジンを運転したときのコンプレッサ２３の運転ポイントの変化を作動ラインＹとして表している。この作動ラインＹ上の折曲点Ｘｉは、過給圧が上限値に達するポイントに対応しており、このよりも流量の高い側では、ウェストゲート弁４３を開く過給圧制御が行われるので、コンプレッサ２３の圧力比が横ばいとなっている。また、上記折曲点Ｘｉより低流量側の作動ラインＹ上に設定されたポイントＸ１は、エンジンが第１領域Ｒ１で運転されているときに、仮に、上記第１実施形態で示したような低圧ＥＧＲ（タービン２２通過後の低圧の排気ガスをコンプレッサ２３の上流に戻す操作）を実行しなかった場合のコンプレッサ２３の運転ポイントを示している。

図８において、低圧ＥＧＲ非実行のポイントＸ１の状態から、低圧ＥＧＲを開始したとすると、コンプレッサ２３上流の吸気通路１０内にＥＧＲガスが導入されるので、コンプレッサ２３に流入するトータルの吸気量（新気およびＥＧＲガスの各流量の和）が増大し、コンプレッサ２３の運転ポイントＸ１が、高流量側のポイントＸ２へとスライドする。すると、このような運転ポイントのスライドにより、コンプレッサ２３の効率がアップし、より高い圧力比が得られるようになる。しかも、低圧ＥＧＲでは、タービン２２を通過した後の排気ガスがＥＧＲガスとして取り出される（つまりタービン２２に流入する排気ガスの流量は減らない）ので、タービン２２の駆動力が落ちることもない。以上のことから、過給圧が上限値に達しない（排気ガスの流量が比較的少ない）条件下においては、低圧ＥＧＲを実行した方が、より高い過給圧が得られるということが理解できる。

上記低圧ＥＧＲの実行により、少ない排気流量でも高い過給圧が得られるようになれば、全負荷ラインＷＯＴから低負荷側に充分に離れた運転領域であっても、過給圧≧排気圧となる条件がつくり出されるようになる。このことは、吸気の吹き抜け流を形成するためにバルブオーバーラップ期間を拡大する運転領域である図５の第２領域Ｒ２がより低負荷側まで拡大することを意味するので、より幅広い運転領域で残留ガスの掃気を図ることが可能になる。なお、図５では、仮に低圧ＥＧＲを実行しなかった場合における第２領域Ｒ２の仮想の下限ラインを破線で示している。第２領域Ｒ２の実際の下限ラインはこの破線のラインよりも下側（低負荷側）に存在していることから、低圧ＥＧＲを実行することで、第２領域Ｒ２が低負荷側に拡大していることが理解できる。

要するに、上記第１実施形態では、残留ガスの掃気を図ることのできる第２領域Ｒ２が低負荷側まで拡大するので、ノッキングが起きにくい環境をより幅広い運転領域でつくり出すことができ、点火時期の進角による燃費改善効果をより幅広い運転領域で得ることができる。

特に、上記第１実施形態では、エンジンの排気通路３０が、１つの気筒（２Ａまたは２Ｄ）の排気ポート５に上流端部が接続された第１、第３独立排気通路３１，３３と、排気順序が連続しない複数の気筒（２Ｂおよび２Ｃ）の各排気ポート５に上流端部が接続された第２独立排気通路３２と、これら各独立排気通路３１，３２，３３の下流端部どうしが１つに集合した排気集合部３４と、独立排気通路３１，３２，３３内を通る排気ガスの流通面積を変更するための開閉可能な排気絞り弁４０とを有している。そして、ＥＣＵ５０は、第２領域Ｒ２での運転時に、上述したバルブオーバーラップ制御（吸排気弁６，７のオーバーラップ期間を拡大する制御）に加えて、排気絞り弁４０を閉じて独立排気通路３１，３２，３３内の流通面積を減少させる独立排気絞り制御を実行する。このような構成によれば、排気ガスのブローダウン（排気弁７の開弁直後に生じる高圧・高速の排気流れ）に伴い生じるいわゆるエゼクタ効果により、より確実に残留ガスの掃気を図ることができる。なお、エゼクタ効果とは、高速の噴流の周囲に発生する負圧を利用して被駆動流体を吸引する作用のことである。

図６は、ある特定の気筒（ここでは第４気筒２Ｄ）のクランク角を横軸にとり、当該特定気筒の独立排気通路（ここでは第３独立排気通路３３）を通過する排気ガスの圧力（排気圧センサＳＮ４による測定値）を縦軸にとったグラフである。実線の波形は、上記特定気筒の独立排気通路内の排気圧を表しており、破線の波形は、他の気筒の独立排気通路内の排気圧を表している。このグラフにおいて、横軸のＢＤＣ，ＴＤＣ，ＢＤＣ‥は、それぞれ上記特定気筒の下死点および上死点を示しており、ＢＤＣからＴＤＣ、またはＴＤＣからＢＤＣまでの間隔はクランク角にして１８０°ＣＡである。当実施形態のエンジンは４気筒エンジンであり、気筒２Ａ〜２Ｄ間の点火間隔が１８０°ＣＡであるため、これに合わせて、各気筒２Ａ〜２Ｄの排気弁７を開いた直後に発生する排気ガスのブローダウンも１８０°ＣＡごとに発生する。このため、上記特定気筒のＢＤＣ，ＴＤＣ，ＢＤＣ‥と上記ブローダウンの発生位置とは、概ね一致している。

上記特定気筒が排気上死点（ＴＤＣ）の近傍にあるとき、この特定気筒の次に排気行程を迎える後続気筒からは、ブローダウンによって高速の排気ガスが噴出される（図２の矢印Ｗｅ０参照）。このブローダウンガスは、排気集合部３４に流入したときにその周囲に強い負圧を発生させる。特に、第２領域Ｒ２では、独立排気通路３１，３２，３３内の流通面積を減少させる独立排気絞り制御が実行されるので、各気筒２Ａ〜２Ｄから排出されるブローダウンガスの流速がより速められ、より強い負圧が生成される。この強い負圧は、独立排気通路（ここでは第３独立排気通路３３）を遡って上記特定気筒の排気ポート５に作用し、排気ポート５の圧力を低い値に維持するので（図６におけるＴＤＣ付近の実線波形を参照）、その排気ポート５を通じて排気ガスを吸い出そうとする（エゼクタ効果）。

上記第２領域Ｒ２では、このような強いエゼクタ効果が得られる上に、上述したバルブオーバーラップ制御によって吸排気弁６，７のオーバーラップ期間が拡大されているので、各気筒２Ａ〜２Ｄのオーバーラップ期間中、吸気ポート４の圧力（つまり過給圧）と排気ポート５の圧力との間には、図６に示すような大きな落差ΔＨ１が生まれる。この圧力差ΔＨ１は、吸気ポート４から排気ポート５へと吸気が吹き抜ける吹き抜け流（図２の矢印Ｗｉ，Ｗｅ参照）を強め、残留ガスの掃気をより一層促進させる。

さらに、上記第２領域Ｒ２では、独立排気絞り制御に伴い、ブローダウンによる排気圧のピーク値（ブローダウンピーク）がより高められる。これは、独立排気絞り制御を実行することで、各独立排気通通路３１，３２，３３内の可変流路３９が遮断されて排気ガスの流通面積が縮小し、排気ガスが短期間に集中的に流れるようになったからである。これにより、いわゆる動圧過給効果が発揮され、より高い過給圧が得られるようになる。

ここで、１回の排気行程当たりの有効な排気時間（ブローダウン期間）は、排気弁７の開弁直後に現れる排気圧のピーク値（ブローダウンピーク）が高いほど、短くなる。一方で、動圧過給による効果は、ブローダウンピークに対して二次曲線的な特性を有することが知られている。そのため、上記第１実施形態のように独立排気絞り制御によってブローダウンピークを高めた場合には、独立排気絞り制御を実行しなかった場合と比べて、ブローダウン期間の短縮による目減り分を差引いても、タービン２２が排気ガスから受け取る平均的な駆動力が増大することになる。上記第１実施形態では、このような動圧過給効果によってターボ過給機２０の過給能力をより高めることができるので、負荷の高い第２領域Ｒ２で低圧ＥＧＲを実行しながらも、高い過給圧により充分な新気量を確保して、エンジントルクを高めることができる。

また、上記第１実施形態では、排気ガスの流量が所定値を超える運転領域である第３領域Ｒ３で、ＥＧＲ弁４７が閉じられる（つまり低圧ＥＧＲが停止される）。このような構成によれば、排気流量が多くなる高速かつ高負荷側の運転領域で、低圧ＥＧＲが停止されて各気筒２Ａ〜２Ｄへの新気の導入量が増量されるので、要求に見合った充分なエンジントルクを確保することができる。

なお、上記第１実施形態では、２番気筒２Ｂおよび３番気筒２Ｃに二股状に分岐した第２独立排気通路３２を接続するとともに、１番気筒２Ａまたは４番気筒２Ｄに単管状の第１、第３独立排気通路３１，３３を接続することにより、４つの気筒２Ａ〜２Ｄに対し３つの独立排気通路３１，３２，３３を設けるようにしたが、第１、第３独立排気通路３１，３３と同様の単管状の排気通路を全ての気筒２Ａ〜２Ｄに接続することにより、気筒２Ａ〜２Ｄと同数の（４つの）独立排気通路を設けるようにしてもよい。

また、上記第１実施形態では、吸気弁６および排気弁７用の各動弁機構に、開閉タイミングを変更するためのバルブ可変機構１６をそれぞれ設けたが、バルブオーバーラップ期間を運転条件に応じて変更できればよく、吸気弁６および排気弁７のいずれか一方の動弁機構にのみバルブ可変機構１６を設けてもよい。

また、上記第１実施形態では、第４気筒２Ｄの独立吸気通路１１に吸気圧センサＳＮ３を設けるとともに、同じく第４気筒２Ｄの独立排気通路３３に排気圧センサＮＳ４を設けたが、これら各センサＳＮ３，ＳＮ４が設けられる対象は、同一気筒の独立吸気通路および独立排気通路であればよく、例えば、第１〜第３気筒のいずれかの独立吸気通路および独立排気通路に各センサＳＮ３，ＳＮ４を設けてもよい。

また、上記第１実施形態では、排気ガスの流量が所定値以下となる運転領域の中でも高負荷側に位置する特定過給領域、より具体的には、過給圧が排気圧以上の値にまで上昇する第２領域Ｒ２において、吸排気弁６，７のオーバーラップ期間を拡大する制御（バルブオーバーラップ制御）を実行することにより、吸気の吹き抜け流を生成して残留ガスの掃気を促進し、さらにその上で、掃気効果をより高めるべく、排気絞り弁４０を閉方向に駆動して独立排気通路３１，３２，３３内の流通面積を減少させる制御（独立排気絞り制御）を実行するようにした。しかしながら、掃気効果を高めるための方法は上記独立排気絞り制御に限られない。以下では、掃気効果を高めるために採用し得る他の形態を第２、第３実施形態として説明する。

＜第２実施形態＞
図９および図１０は、本発明の第２実施形態を示している。なお、図９に示すエンジンの構成例において、図示が省略されている部分は全て上述した第１実施形態と同一である。このため、以下では、第１実施形態と共通する構成要素については同一の符号を用いて説明を進めることとする。

本図に示されるエンジンは、４つの気筒２Ａ〜２Ｄを有するエンジン本体１と、各気筒２Ａ〜２Ｄの排気ポート５から延びる独立した４つの独立排気通路１３１〜１３４と、各独立排気通路１３１〜１３４から流入する排気ガスのエネルギーにより駆動されるターボ過給機１２０とを有している。

ターボ過給機１２０は、各独立排気通路１３１〜１３４の下流端部に共通に接続されたタービンハウジング１２１と、タービンハウジング１２１に収容されたタービン１２２と、吸気通路１０（より具体的には各気筒２Ａ〜２Ｄに共通の吸気管１３）に設けられたコンプレッサ１２３と、タービン１２２とコンプレッサ１２３とを連結する連結軸１２４とを有している。

エンジン本体１には、排気弁７の開閉タイミングを変更可能なバルブ可変機構１１６が設けられている。この第２実施形態のバルブ可変機構１１６は、図１０に示すように、排気弁７の開閉タイミング（リフト特性）を２段階に切り替えるタイプのものである。より具体的に、バルブ可変機構１１６は、図１０のリフトカーブＥＸが得られるように排気弁７を駆動するカムと、リフトカーブＥＸ’が得られるように排気弁７を駆動するカムとを備えており、これら２種類のカムを切り替えることで、排気弁７の開閉タイミングを２段階に変更する。

リフトカーブＥＸは、膨張行程と排気行程との間の下死点（膨張下死点）の近傍で開き始め、排気行程と吸気行程との間の上死点（排気上死点）より僅かに遅角側で閉じるようなリフトカーブである。このため、リフトカーブＥＸのときの排気弁７の開弁期間（開弁開始から閉弁までの期間）は、約１９０°ＣＡに設定されている。一方、リフトカーブＥＸ’は、膨張下死点よりもかなり進角側から開き始め、排気上死点の近傍で閉じるようなリフトカーブである。このリフトカーブＥＸ’のときの排気弁７の開弁期間は、リフトカーブＥＸのときよりも長く設定されている。バルブ可変機構１１６は、上述した２種類のカムを切り替えることにより、リフトカーブＥＸ，ＥＸ’のいずれかの態様で排気弁７を駆動する。なお、以下では、開弁期間が短いリフトカーブＥＸが得られるように排気弁７を駆動するカムを小カム、開弁期間が長いリフトカーブＥＸ’が得られるように排気弁７を駆動するカムを大カムという。

このように、第２実施形態のエンジンには、排気弁７用のバルブ可変機構１１６は設けられているが、吸気弁６用にはバルブ可変機構は設けられていない。このため、吸気弁６の開閉タイミングは常に同一とされる。吸気弁６のリフトカーブＩＮは、排気上死点よりも進角側で開き始め、吸気下死点（吸気行程と圧縮行程との間の下死点）よりも遅角側で閉じるようなリフトカーブとなっている。

図１０に示すように、排気弁７が上記小カムで駆動されているとき（つまりリフトカーブＥＸのとき）は、排気弁７の開閉タイミングが全体的に遅角側に移動するので、排気上死点の前後にわたって、吸気弁６および排気弁７の双方が開くオーバーラップ期間が比較的長く確保される（図１０に示す期間ＯＬ）。これに対し、排気弁７が上記大カムで駆動されているとき（つまりリフトカーブＥＸ’のとき）は、排気弁７の開閉タイミングが全体的に進角側に移動し、オーバーラップ期間は短縮される。

図５に示した第１領域Ｒ１でエンジンが運転されているとき、ＥＣＵ５０は、排気弁７を上記大カムで駆動するようにバルブ可変機構１１６を制御し、排気弁７のリフト特性をリフトカーブＥＸ’に設定する。

一方、エンジンの運転ポイントが第２領域Ｒ２（特定過給領域）に移行すると、ＥＣＵ５０は、排気弁７を駆動するカムが上記大カムから小カムに切り替わるようにバルブ可変機構１６を駆動することにより、排気弁７のリフト特性をリフトカーブＥＸに切り替える。これにより、吸排気弁６，７のオーバーラップ期間を拡大する制御（バルブオーバーラップ制御）が実現されるとともに、排気弁７の開弁期間が約１９０°ＣＡに短縮される。また、これに伴い、排気弁７の開弁時期が膨張下死点の近傍にまで遅らされる。

すると、図１０に示すように、各気筒２Ａ〜２Ｄからの排気ガスのブローダウンが下死点を過ぎたあたりからようやく立上ることになるので、各気筒間の排気干渉、つまり、ある気筒が排気上死点の近傍にあるときに当該気筒の排気ポート５の圧力が後続気筒（排気順序が１つ後の気筒）のブローダウンの影響により上昇することが回避される。なお、図１０に示す排気圧のグラフは、独立排気通路１３１〜１３４の各下流端部が集合した部分における排気圧を示している。

特に、上記第２実施形態では、図９に示したように、各気筒２Ａ〜２Ｄから延びる独立排気通路１３１〜１３４が比較的大きな交差角度をもって１箇所に集合しているので、先の第１実施形態で説明したようなエゼクタ効果が得られない。このため、仮に上記のようなバルブタイミングの変更を行わなかった場合には、必然的に排気干渉が起きることになる。

これに対し、上記第２実施形態のように、排気弁７の開弁時期が遅くなるように排気弁７の開閉タイミングを変更した場合には、排気干渉が有効に回避されるので、各気筒２Ａ〜２Ｄの排気上死点の前後にわたって、吸気ポート４の圧力（つまり過給圧）と排気ポート５の圧力との間に大きな落差ΔＨ２が生じるようになる。このような大きな圧力差ΔＨ２は、吸排気弁６，７のオーバーラップ期間が拡大されることと相俟って、吸気ポート４から排気ポート５へと流れる吸気の吹き抜け流を強める方向に作用するので、残留ガスの掃気効果をより高めることができる。

なお、上記第２実施形態では、第２領域Ｒ２において吸排気弁６，７のオーバーラップ期間が拡大されたときの排気弁７の開弁期間（つまりリフトカーブＥＸが選択されているときの排気弁７の開弁期間）が約１９０°ＣＡであるものとしたが、第２領域Ｒ２での排気弁７の開弁期間は、１９０°ＣＡに限られない。すなわち、排気弁７は、吸気弁６とのオーバーラップ期間が排気上死点の前後にわたって確保され、かつ、排気弁７の開弁時期が膨張下死点の近傍またはそれ以降になるような態様で開閉されればよく、これを実現するための排気弁７の開弁期間としては、１８０±１０°ＣＡが好適である。

＜第３実施形態＞
図１１および図１２は、本発明の第３実施形態を示している。なお、図１１に示すエンジンの構成例において、図示が省略されている部分は全て上述した第１実施形態と同一である。このため、以下では、第１実施形態と共通する構成要素については同一の符号を用いて説明を進めることとする。

本図に示されるエンジンは、４つの気筒２Ａ〜２Ｄを有するエンジン本体１と、各気筒２Ａ〜２Ｄの排気ポート５から延びる第１独立排気通路２３１および第２独立排気通路２３２と、各独立排気通路２３１，２３２から流入する排気ガスのエネルギーにより駆動されるターボ過給機２２０とを有している。

第１独立排気通路２３１は、排気順序が連続しない１番気筒２Ａおよび４番気筒２Ｄからそれぞれ延びる分岐通路部２３１ａ，２３１ｂと、各分岐通路部２３１ａ，２３１ｂが合流することで形成された単一の共通通路部２３１ｃとを有している。

第２独立排気通路２３２は、排気順序が連続しない２番気筒２Ｂおよび３番気筒２Ｃからそれぞれ延びる分岐通路部２３２ａ，２３２ｂと、各分岐通路部２３２ａ，２３２ｂが合流することで形成された単一の共通通路部２３２ｃとを有している。

なお、以下では、第１独立排気通路２３１が接続される１番気筒２Ａおよび４番気筒２Ｄを、特に「第１の気筒群」といい、第２独立排気通路２３２が接続される２番気筒２Ｂおよび３番気筒２Ｃを、特に「第２の気筒群」ということがある。

ターボ過給機１２０は、第１、第２独立排気通路２３１，２３２のそれぞれの共通通路部２３１ｃ，２３２ｃの下流端部に共通に接続されたタービンハウジング２２１と、タービンハウジング２２１に収容されたタービン２２２と、吸気通路１０（より具体的には各気筒２Ａ〜２Ｄに共通の吸気管１３）に設けられたコンプレッサ２２３と、タービン２２２とコンプレッサ２２３とを連結する連結軸２２４とを有している。

タービンハウジング２２１は、その内壁面に、タービン２２２の軸方向と直交する方向に張り出す仕切壁２２５を有しており、この仕切壁２２５によって、タービンハウジング２２１内の空間が第１スクロール室２２１Ａおよび第２スクロール室２２１Ｂに分割されている。そして、第１の気筒群２Ａ，２Ｄから延びる第１独立排気通路２３１の下流端部（共通通路部２３１ｃの下流端部）が第１スクロール室２２１Ａに接続されるとともに、第２の気筒群２Ｂ，２Ｃから延びる第２独立排気通路２３２の下流端部（共通通路部２３２ｃの下流端部）が第２スクロール室２２１Ｂに接続されている。

このように、当実施形態のターボ過給機２２０は、タービンハウジング２２１の内部を２つのスクロール室２２１Ａ，２２１Ｂに分割したいわゆるツインエントリー式のターボ過給機である。各スクロール室２２１Ａ，２２１Ｂには、排気順序が連続しない気筒（第１の気筒群２Ａ，２Ｄまたは第２の気筒群２Ｂ，２Ｃ）からの排気ガスが導入され、排気順序が連続する気筒からの排気ガスは別々のスクロール室に導入されるので、排気干渉が発生しにくい構造となっている。

図１２は、上記２つのスクロール室２２１Ａ，２２１Ｂのいずれかの圧力を示している。本図に示すように、ある１つのスクロール室（２２１Ａまたは２２１Ｂ）では、排気順序が連続しない気筒群からの排気ガスのブローダウンにより、３６０°ＣＡごとに高い圧力ピークが現れる。一方、各ブローダウンピークの間には、別のスクロール室に導入された排気ガスのブローダウンによる影響で、多少の圧力上昇が見られる。これは、２つのスクロール室２２１Ａ，２２１Ｂのいずれか一方に導入された排気ガスのブローダウンが、仕切壁２２５とタービン２２２との隙間を通じて他のスクロール室に影響し、当該他のスクロール室の圧力を上昇させているためである。

ただし、上記のような圧力上昇は、仕切壁２２５が存在しない場合（タービンハウジング２２１が２分割されていない場合）に比べれば小さいといえる。すなわち、ある気筒が排気上死点の近傍にあるとき、後続気筒（排気順序が１つ後の気筒）のブローダウンによる影響が仕切壁２２５により低減されるので、各気筒２Ａ〜２Ｄの吸気ポート４の圧力（つまり過給圧）と排気ポート５の圧力との間には、比較的大きな落差ΔＨ３が形成されるようになる。

図１１に示すように、エンジン本体１には、吸気弁６および排気弁７の双方の開閉タイミングを変更可能なバルブ可変機構２１６が設けられている。この第２実施形態のバルブ可変機構２１６は、先の第１実施形態と同様、吸気弁６および排気弁７の双方が開くオーバーラップ期間を変更するためのものであり、吸気弁６の開弁時期および排気弁７の閉弁時期を少なくとも変更可能なものである。

図５に示した第２領域Ｒ２（特定過給領域）でエンジンが運転されているとき、ＥＣＵ５０は、吸排気弁６，７のオーバーラップ量が拡大される（低負荷側の第１領域Ｒ１のときよりも拡大される）ように各バルブ可変機構２１６を駆動する。これにより、図１２に示すように、各気筒２Ａ〜２Ｄでは、排気上死点の前後の比較的長い期間ＯＬにわたって吸気弁６および排気弁７の双方が開弁する。このとき、上述したように、吸気ポート４の圧力と排気ポート５の圧力との間には、仕切壁２２５の作用により大きな落差ΔＨ３が生じているので、吸気ポート４から排気ポート５へと流れる吸気の吹き抜け流が比較的強く形成され、残留ガスの掃気が促進される。

１ エンジン本体
４ 吸気ポート
５ 排気ポート
６ 吸気弁
７ 排気弁
１０ 吸気通路
１６ バルブ可変機構
２０ ターボ過給機
２２ タービン
２３ コンプレッサ
３０ 排気通路
３１〜３３ 独立排気通路
３４ 排気集合部
４０ 排気絞り弁
４５ ＥＧＲ通路
４７ ＥＧＲ弁
５０ ＥＣＵ（制御手段）
Ｒ２ 第２領域（特定過給領域）
１１６ バルブ可変機構
１２０ ターボ過給機
１２２ タービン
１２３ コンプレッサ
２１６ バルブ可変機構
２２０ ターボ過給機
２２１ タービンハウジング
２２１Ａ スクロール室
２２１Ｂ スクロール室
２２２ タービン
２２３ コンプレッサ
２２５ 仕切壁
２３１ 第１独立排気通路
２３２ 第２独立排気通路

Claims (5)

1. 複数の気筒と、各気筒の吸気ポートに接続された吸気通路と、各気筒の排気ポートに接続された排気通路と、排気通路内の排気ガスにより駆動されるタービンと吸気通路内の吸気を加圧するコンプレッサとを含むターボ過給機と、を備えたエンジンであって、
   上記タービンより下流側の排気通路とコンプレッサより上流側の吸気通路とを連通するＥＧＲ通路と、
   上記ＥＧＲ通路に設けられた開閉可能なＥＧＲ弁と、
   各気筒の吸気ポートを開閉する吸気弁と排気ポートを開閉する排気弁との少なくとも一方の開閉タイミングを変更可能なバルブ可変機構と、
   上記ＥＧＲ弁およびバルブ可変機構の動作を制御する制御手段とを備え、
   上記制御手段は、排気ガスの流量が所定値以下となる運転領域で上記ＥＧＲ弁を開くとともに、当該運転領域の中でも高負荷側に位置する特定過給領域では、上記ＥＧＲ弁の開弁を継続しつつ、上記吸気弁および排気弁の双方が開くオーバーラップ期間が各気筒の排気上死点の前後にわたって所定量以上確保されるように上記バルブ可変機構を駆動するバルブオーバーラップ制御を少なくとも実行することにより、各気筒の吸気ポートから排気ポートへ吸気が吹き抜ける吹き抜け流を発生させ、
   上記特定過給領域は、エンジンの全負荷ラインの一部を含む低速かつ高負荷の領域である、ことを特徴とするターボ過給機付きエンジン。
2. 請求項１記載のターボ過給機付きエンジンにおいて、
   上記排気通路は、１つの気筒もしくは排気順序が連続しない複数の気筒の各排気ポートに上流端部が接続された複数の独立排気通路と、各独立排気通路の下流端部どうしが１つに集合した排気集合部と、上記独立排気通路内を通る排気ガスの流通面積を変更するための開閉可能な排気絞り弁とを有し、
   上記制御手段は、上記特定過給領域での運転時、上記バルブオーバーラップ制御に加えて、上記排気絞り弁を閉方向に駆動して上記独立排気通路内の流通面積を減少させる独立排気絞り制御を実行する、ことを特徴とするターボ過給機付きエンジン。
3. 請求項１記載のターボ過給機付きエンジンにおいて、
   上記バルブ可変機構は、少なくとも排気弁の開閉タイミングを変更可能であり、
   上記制御手段は、上記バルブオーバーラップ制御に伴い、排気弁の開弁期間が１８０±１０°ＣＡになるように上記バルブ可変機構を制御する、ことを特徴とするターボ過給機付きエンジン。
4. 請求項１記載のターボ過給機付きエンジンにおいて、
   上記ターボ過給機は、仕切壁で区画された２つのスクロール室を上記タービンの周囲に形成したタービンハウジングを有し、
   上記排気通路は、排気順序が連続しない第１の気筒群の各排気ポートから延びて下流側で合流する第１独立排気通路と、排気順序が連続しない第２の気筒群の各排気ポートから延びて下流側で合流する第２独立排気通路とを有し、
   上記タービンハウジングの２つのスクロール室の一方に上記第１独立排気通路の下流端部が接続されるとともに、他方のスクロール室に上記第２独立排気通路の下流端部が接続された、ことを特徴とするターボ過給機付きエンジン。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のターボ過給機付きエンジンにおいて、
   上記制御手段は、排気ガスの流量が上記所定値を越える運転領域では上記ＥＧＲ弁を閉じる、ことを特徴とするターボ過給機付きエンジン。
   

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