JP5974805B2

JP5974805B2 - ターボ過給機付多気筒エンジン

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Publication number: JP5974805B2
Application number: JP2012228555A
Authority: JP
Inventors: 直之山形; 周平辻田
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2012-10-16
Filing date: 2012-10-16
Publication date: 2016-08-23
Anticipated expiration: 2032-10-16
Also published as: JP2014080898A

Description

本発明は、複数の気筒と、各気筒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ターボ過給機とを備えたターボ過給機付多気筒エンジンに関する。

従来から、排気エネルギーを利用したエンジンの高出力化をより幅広い運転領域で達成するために、２機のターボ過給機を直列に接続したいわゆる２ステージ式の過給構造を採用することが提案されている（例えば下記特許文献１参照）。

具体的に、特許文献１に記載されたターボ過給システムは、高圧段ターボ過給機と低圧段ターボ過給機とを備えている。高圧段ターボ過給機は、エンジンの排気通路に設けられた高圧段タービンと、エンジンの吸気通路に設けられ且つ高圧段タービンにより駆動される高圧段コンプレッサとを有し、低圧段ターボ過給機は、上記高圧段タービンよりも下流側の排気通路に設けられた低圧段タービンと、上記高圧段コンプレッサよりも上流側の吸気通路に設けられ且つ低圧段タービンにより駆動される低圧段コンプレッサとを有している。

そして、特許文献１では、エンジン回転速度が低く排気エネルギーが小さい運転領域で、主に高圧段ターボ過給機を作動させる一方、エンジン回転速度が高く排気エネルギーが大きい運転領域では、高圧段タービンをバイパスするバイパス通路に設けられた弁（高圧段タービンバイパス弁）等を開くことにより、低圧段ターボ過給機のみを作動させるようにしている。

特開２０１２−９７６０６号公報

上記特許文献１のように、２種類のターボ過給機を運転領域に応じて使い分けるようにした場合には、低速域から高速域までの幅広い運転領域で充分な過給圧を得ることができ、高いエンジントルクを発生させることができる。

しかしながら、上記特許文献１の技術では、２種類のターボ過給機が必要であるため、当然ながら、製造コストが嵩む上に、エンジン全体の体積や重量が増加してしまうという問題がある。このため、特に、販売単価の高くないコンパクトカー等には、２機のターボ過給機を用いる上記のような構造を採用するのは困難である。

そこで、エンジンの扱い易さ（アクセルを踏んだときの応答性の良さ）をより重視する観点から、比較的小型のターボ過給機を１機だけ使用することが考えられる。しかしながら、このようにした場合には、エンジン高速域でのトルクが不足するだけでなく、タービンを通過する排気ガスの流通抵抗が特に大流量時に大きくなるので、高速域での燃費が悪化してしまうという問題が生じる。

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、エンジンの低速域から高速域までをカバーする幅広い運転領域でトルクを高めることができ、しかも燃費性能に優れたターボ過給機付多気筒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ターボ過給機とを備えたターボ過給機付多気筒エンジンであって、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を含む排気通路と、上記独立排気通路内を通る排気ガスの流通面積を可変的に設定する排気絞り弁と、各気筒に空気を導入するための吸気通路と、各気筒から上記排気通路に排出された排気ガスの一部を上記吸気通路に還流するためのＥＧＲ通路と、上記ＥＧＲ通路に開閉可能に設けられたＥＧＲ弁と、上記排気絞り弁およびＥＧＲ弁の開閉動作を制御する制御手段とを備え、上記ターボ過給機は、上記排気通路における排気集合部の下流側に設けられたタービンと、上記吸気通路に設けられ且つ上記タービンにより駆動されるコンプレッサとを有し、上記ＥＧＲ通路は、上記タービンよりも上流側の排気通路と上記コンプレッサよりも下流側の吸気通路とを接続するように設けられ、エンジン全負荷で上記コンプレッサの過給圧が予め定められた上限値に達するときのエンジン回転速度をインターセプト回転速度としたとき、このインターセプト回転速度がエンジンの定格回転速度の１／３以上になるように上記ターボ過給機の諸元が設定されており、上記制御手段は、上記インターセプト回転速度よりも低速側に設定された低速・高負荷運転領域で、上記排気絞り弁を閉じる独立排気絞り制御を実行するとともに、上記インターセプト回転速度よりも高速側に設定された高速・高負荷運転領域で、上記ＥＧＲ弁を開く制御を実行する、ことを特徴とするものである（請求項１）。

本発明によれば、インターセプト回転速度よりも回転速度の低い低速・高負荷運転領域で、排気絞り弁を閉じることにより各独立排気通路内の流通面積を縮小させる独立排気絞り制御が実行されるので、排気弁の開弁直後に高速で排出される排気ガス（ブローダウンガス）の圧力ピーク値を高めることができる。これにより、ターボ過給機のタービンに作用する駆動力を高められるとともに（動圧過給効果）、排気のブローダウンに伴い排気集合部に発生する負圧を強めて、気筒内の残留ガスの掃気を促進することができる（エゼクタ効果）。そして、これらの効果の結果、エンジン低速域での過給能力を改善して、エンジントルクを充分に高めることができる。

ここで、本発明では、インターセプト回転速度がエンジンの定格回転速度の１／３以上に設定されているが、このことは、ターボ過給機のタービンとして比較的大型のタービンが用いられていることを意味する。タービンが大型である場合、本来は、エンジン低速域での過給能力を充分に確保することが困難であり、低速域でのトルクが低くなりがちである。このような問題に対し、本発明では、上記独立排気絞り制御に基づき動圧過給効果およびエゼクタ効果を発揮させることにより、エンジン低速域での過給能力不足を充分に補うことができるため、上記のような問題を効果的に解消して、低速域でのトルクを高めることができる。

一方、インターセプト回転速度よりも高速側では、排気ガスの流量が多くなるので、上記のような独立排気絞り制御等を実行しなくても、タービンには大きな駆動力を作用させることができ、ターボ過給機の過給能力を充分に高めることができる。しかも、本発明では、タービンが大型であるので、エンジンの高速域での過給能力が本来的に高く、過給圧のピーク値を充分に高い値に設定することができる。

さらに、タービンが大型であれば、排気ガス流量の多いエンジンの高速域において、排気ガスの流通抵抗がそもそも増大しにくい。その上で、本発明では、インターセプト回転速度よりも高速側の高速・高負荷運転領域で、上記独立排気絞り制御の停止によって独立排気通路内の流通面積が拡大されるとともに、ＥＧＲ弁が開弁されるので、ポンピングロスを大幅に低減させることができ、上記高速・高負荷運転領域での燃費性能を効果的に向上させることができる。

以上のように、本発明のエンジンによれば、比較的大型のタービンを用いてエンジン高速域でのトルクおよび燃費を改善しながら、エンジンの低速域においては独立排気絞り制御等を実行することにより、動圧過給効果およびエゼクタ効果よるトルクの向上を図ることができる。これにより、エンジンの低速域から高速域までをカバーする幅広い運転領域で高いトルクを発生させることができ、しかも燃費性能を向上させることができる。

本発明において、好ましくは、上記各独立排気通路における少なくとも下流部が、排気ガスの流れ方向に沿って延びる隔壁によって２つの流路に区分されており、上記排気絞り弁は、上記２つの流路のうちの一方を開閉可能に遮断するように設けられている（請求項２）。

この構成によれば、隔壁で区画された２つの流路のうちの一方を排気絞り弁によって遮断または開放するという簡単な構成で、独立排気通路内の流通面積を変化させることができ、上記独立排気絞り制御の実行と停止とを迅速かつ確実に切り替えることができる。

本発明において、好ましくは、各気筒の吸気弁および排気弁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をさらに備え、上記制御手段は、少なくとも上記独立排気絞り制御を実行する低速・高負荷運転領域において、吸気弁および排気弁の双方が開くバルブオーバーラップ期間が所定量以上確保されるように上記バルブ可変機構を制御する（請求項３）。

この構成によれば、インターセプト回転速度よりも低速側の低速・高負荷運転領域で上記独立排気絞り制御を実行したときに、バルブオーバーラップ期間中の気筒にエゼクタ効果が及ぶことにより、吸気ポートから排気ポートへと吹き抜ける吸入空気の流れ（吹き抜け流）が生じる。これにより、掃気の促進がより一層図られるとともに、排気ガスの流量が増大してタービンの駆動力が高まるので、エンジン低速域でのトルクをより効果的に高めることができる。

本発明において、好ましくは、電気モータの駆動力によって吸入空気を加圧する電動過給機をさらに備え、上記制御手段は、上記低速・高負荷運転領域の中でも最も低速かつ高負荷側の一部に設定された特定の運転領域で、上記電動過給機を作動させる（請求項４）。

この構成によれば、ターボ過給機の過給能力が発揮されにくい極低速域において、電動過給機の作動により過給能力が補われるので、極低速域でのトルクを確実に高めることができる。なお、この場合の電動過給機の用い方は、あくまで補助的なものであるから、電動過給機の性能は高いものでなくてよく、電動過給機の追加によるコストアップや重量の増加を最小限に抑えることができる。

以上説明したように、本発明のターボ過給機付多気筒エンジンによれば、エンジンの低速域から高速域までをカバーする幅広い運転領域でトルクを高めることができ、しかも燃費性能を向上させることができる。

本発明の一実施形態にかかるターボ過給機付多気筒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マニホールド内のガス流れを模式的に示す側面図である。上記排気マニホールドの斜視図である。上記排気マニホールドの独立排気通路の出口部分を示す斜視図である。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のグラフである。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内容の種類ごとに複数の領域に区分けした制御マップである。上記エンジンの排気圧力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。コンプレッサの性能曲線を模式化したグラフの上に、アクセル全開時におけるコンプレッサの運転ポイントの変化を重ねて示した図である。

（１）エンジンの全体構成
図１および図２は、本発明の一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マニホールド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マニホールド３０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、その燃焼によって生成された排気ガスは、各気筒２Ａ〜２Ｄの排気行程において、燃焼室３から排気マニホールド３０へと排出される。

エンジン本体１の上部（シリンダヘッド）には、吸気マニホールド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マニホールド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ＶＶＴ１６が組み込まれている。ＶＶＴ１６は、可変バルブタイミング機構（Variable Valve Timing Mechanism）の略称であり、吸気弁６および排気弁７の開閉タイミングを可変的に設定するためのバルブ可変機構である。

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９も参照）。なお、「°ＣＡ」とは、エンジンの出力軸であるクランク軸の回転角（クランク角）を表す。

吸気マニホールド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（吸入空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とを有している。サージタンク１２のさらに上流側には、単一の上流側吸気通路１３が設けられており、この上流側吸気通路１３には、吸入空気量を調節するための開閉可能なスロットル弁１４と、後述するターボ過給機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。なお、吸気マニホールド１０（独立吸気通路１１およびサージタンク１２）と上流側吸気通路１３とは、それぞれ、本発明にかかる吸気通路を構成する要素である。

排気マニホールド３０は、図１〜図４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とを有している。排気集合部３４のさらに下流側には、単一の下流側排気通路３５が設けられており、この下流側排気通路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。なお、排気マニホールド３０（独立排気通路３１，３２，３３および排気集合部３４）と下流側排気通路３５とは、それぞれ、本発明にかかる排気通路を構成する要素である。

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。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。

単管状の第１独立排気通路３１および第３独立排気通路３３は、２番気筒２Ｂと３番気筒２Ｃとの間を通る中心線を挟んで対称の形状を有している。このため、第１独立排気通路３１および第３独立排気通路３３は、互いに同一の通路長および容積を有している。一方、二股状の第２独立排気通路３２は、その分岐通路部３２ａ，３２ｂおよび共通通路部３２ｃの各通路長の合計が、第１、第２独立排気通路３１，３２のそれぞれの通路長と同一となるように形成されており、第１、第２独立排気通路３１，３２と同一の容積を有している。

図２および図４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。

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。

排気マニホールド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４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（電気モータ等）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。

当実施形態のエンジンには、ターボ過給機２０および電動過給機２６が装備されている。

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、排気マニホールド３０の排気集合部３４の直下流（排気集合部３４と下流側排気通路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、上流側吸気通路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マニホールド３０を通じてターボ過給機２０のタービンハウジング２１内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、上流側吸気通路１３を通過する吸入空気が加圧されて、エンジン本体１の各気筒２Ａ〜２Ｄへと圧送される。

電動過給機２６は、上記ターボ過給機２０と異なり、電気モータ２７によって直接駆動されるコンプレッサ（図示省略）を有しており、電気モータ２７の駆動力によって（排気エネルギーによらずに）上流側吸気通路１３内の吸入空気を加圧するものである。

下流側排気通路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と下流側排気通路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、排気マニホールド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。

排気マニホールド３０の排気集合部３４と吸気マニホールド１０のサージタンク１２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）ターボ過給機の特性
当実施形態では、ターボ過給機２０として、比較的大型のタービン２２とコンプレッサ２３とを組み合わせたものが用いられる。それは、次のような理由による。

従来、特に低速域からの加速時にトルクの応答性を高める観点から、コンプレッサに対してタービンのサイズを小型化し、排気ガスの流量が少ない低速域でも高い圧力比が得られるようにすることが多かった。タービンは、ある程度の量の排気ガスがないと高速で回転できないが、小型のタービンであれば、排気ガスの流量が少なくても高速で回転できるので、低速域でのコンプレッサの圧力比を高める（つまり低速域での過給能力を高める）ことができる。

図５は、コンプレッサの特性を示す性能曲線のグラフであり、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５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。

従来から多用されてきたように、タービンとして比較的小型のものを用いた場合には、エンジンの低速域からの加速時に、すぐにタービンの回転速度が上昇し、これに伴いコンプレッサの圧力比も比較的鋭く上昇する。このように、少ない流量でも高い圧力比が得られるので、加速時のコンプレッサの特性としては、図５の曲線Ｌ２のような、傾きの大きい曲線が得られる。これにより、エンジンの低速域でも比較的高い過給圧が得られるので、低速域のエンジンのトルクが上昇し、低速域からの加速レスポンスが向上する。なお、曲線Ｌ２では、その途中から圧力比が頭打ちになっている（横向きの直線に移行している）が、これは、エンジンや過給機を保護する観点から設けられた上限値に過給圧が達したためにウェストゲート弁が開かれたことを示している。

上記のように、タービンを小型化することは、エンジンの低速域でのトルクを補強する上では有利であるが、その反面、エンジンの高速域では、タービンを通過するときの排気ガスの流通抵抗が高くなり易く、ポンピングロスが増大するという欠点がある。また、コンプレッサのサージラインＳＬの近傍が多用されることとなるため、コンプレッサ単体でみると、決して効率の良い使い方とはいえない。

これに対し、当実施形態では、タービン２２として比較的大型のものを用いている。このため、エンジンの低速域からの加速時には、図５の曲線Ｌ１に示すように、コンプレッサ２３の効率の高いところ（等高線の尾根の近傍）が多用されるようになり、コンプレッサ単独の使用条件としては好ましいといえる。

ただし、加速初期のような排気ガスの流量が少ない状況では、タービン２２の回転速度がなかなか上昇せず、コンプレッサ２３の圧力比は緩やかにしか上昇しない。このことは、エンジン低速域でのトルクが充分に増大せず、低速域からの加速レスポンスが悪くなることを意味する。

一方、エンジン回転速度がある程度上昇して以降は、タービン２２の回転上昇に応じて大きな圧力比が得られ、充分なトルクを確保することができる。しかも、排気ガスの流量が多いときの流通抵抗（排気ガスがタービン２２を通過するときの抵抗）はタービンが小型であるときよりも小さいので、エンジン高速域におけるポンピングロスを低減して燃費を向上させることができる。

以上のとおり、タービン２２を大型化した当実施形態の構成は、高速域でのトルクの確保や燃費の面で有利である一方、低速域でのトルクが充分に出せないという問題がある。そこで、このような問題に対処すべく、当実施形態では、排気絞り弁４０を閉弁して可変流路３９を遮断する独立排気絞り制御を低速域で実行することにより、低速域でのトルク不足を補うようにしている（その詳細は後述する）。

（３）制御系
次に、図６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入力される。例えば、エンジンもしくは車両には、エンジンの回転速度、つまりエンジン本体１のクランク軸の回転速度を検出するためのエンジン速度センサＳＮ１と、エンジンの冷却水の温度を検出するためのエンジン水温センサＳＮ２と、上流側吸気通路１３を通過する吸入空気の流量を検出するためのエアフローセンサＳＮ３と、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ＳＮ４とが設けられており、これらの各センサで検出された情報が電気信号としてＥＣＵ５０に逐次入力されるようになっている。

ＥＣＵ５０は、上記各センサ（ＳＮ１〜ＳＮ４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、吸排気弁用のＶＶＴ１６，１６、スロットル弁１４、排気絞り弁４０、ウェストゲート弁４３、ＥＧＲ弁４７、および電動過給機２６用の電気モータ２７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。

（４）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７の制御マップを参照しつつ説明する。

図７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。当実施形態では、ターボ過給機２０および電動過給機２６がエンジンに備わっているので、エンジンの全負荷ラインＷＯＴは、自然吸気のとき（過給なしのとき）のエンジントルクの上限である自然吸気ラインＮＡよりも高く設定されている。

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では、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に達するので、過給圧がそれ以上に上昇するのを防止するために、ウェストゲート弁４３を開いて排気ガスの一部をバイパス通路４２に流す（タービン２２をバイパスさせる）制御が実行される。なお、以下では、インターセプトポイントＩＣに対応するエンジン回転速度Ｎｉを、「インターセプト回転速度Ｎｉ」と称する。

インターセプトポイントＩＣよりも高速側の全負荷ラインＷＯＴ上に存在するポイントＸは、エンジンの出力が最大になる最高出力点である。なお、以下では、最高出力点Ｘに対応するエンジン回転速度Ｎｘを、「定格回転速度Ｎｘ」という。定格回転速度Ｎｘは、比較的高速側の値をとるが、エンジンの最高許容回転速度（いわゆるレッドゾーンに入る速度）とは必ずしも一致しない。

上述したように、当実施形態では、比較的大型のタービン２２が用いられているので、エンジン回転速度がある程度上昇しないと、コンプレッサ２３による過給圧は上限値に達しない。このため、インターセプトポイントＩＣに対応するエンジン回転速度、つまりインターセプト回転速度Ｎｉは、エンジンの定格回転速度Ｎｘの１／３以上の値となる。言い換えると、当実施形態のターボ過給機２０の諸元は、インターセプト回転速度Ｎｉがエンジンの定格回転速度Ｎｘの１／３以上になるように設定されている。

図７のマップによると、インターセプト回転速度Ｎｉよりも低回転側の速度域における高負荷側（トルクの高い側）に、第３領域Ｒ３が設定されているとともに、この第３領域Ｒ３よりもさらに高負荷側に、第４領域Ｒ４が設定されている。一方、インターセプト回転速度Ｎｉよりも高回転側の速度域における高負荷側には、第２領域Ｒ２が設定されている。また、これら第２、第３、第４領域Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を除いた残余の領域、つまりインターセプトポイントＩＣを頂点とした下拡がり状の領域および自然吸気ラインＮＡよりも低負荷側の領域には、第１領域Ｒ１が設定されている。なお、第２領域Ｒ２は、本発明にかかる高速・高負荷運転領域に相当し、第３領域Ｒ３および第４領域Ｒ４は、本発明にかかる低速・高負荷運転領域に相当し、この中でも特に低速かつ高負荷の第４領域Ｒ４は、本発明にかかる特定の運転領域に相当する。

エンジンの運転中、ＥＣＵ５０は、エンジン速度センサＳＮ１、エアフローセンサＳＮ３、およびアクセル開度センサＳＮ４等から得られる情報に基づいて、エンジンが図７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、その判断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。第１領域Ｒ１での運転時、ＥＣＵ５０は次のような制御を実行する。
・排気絞り弁４０を開く（独立排気絞り制御の非実行）。
・ウェストゲート弁４３を閉じる。
・電動過給機２６を停止させる。

すなわち、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。このため、特に第１領域Ｒ１内の高速域のように、各気筒２Ａ〜２Ｄから単位時間あたりに排出される排気ガスの量が多くなる運転条件であっても、排気ガスがスムーズに排出され、ポンピングロスが低減される。

また、第１領域Ｒ１では、各独立排気通路３１，３２，３３を通じて排出された排気ガスが全てターボ過給機２０のタービン２２に流入するように、ウェストゲート弁４３が閉じられる。これにより、排気ガスのエネルギーを受けてタービン２２が回転するとともに、このタービン２２によってコンプレッサ２３が駆動され、コンプレッサ２３による過給が行われる。

また、第１領域Ｒ１では、電動過給機２６の電気モータ２７が停止され、電動過給機２６による過給は行われない。

なお、ＥＧＲ弁４７については、少なくとも第１領域Ｒ１内の低負荷側で開かれる。これにより、ＥＧＲ通路４５を通じた排気ガスの還流操作が行われ、低負荷域でのポンピングロスの低減が図られる。

（ii）第２領域Ｒ２
第２領域Ｒ２での運転時、ＥＣＵ５０は次のような制御を実行する。
・排気絞り弁４０を開く（独立排気絞り制御の非実行）。
・ウェストゲート弁４３を開く。
・電動過給機２６を停止させる。

第２領域Ｒ２は、インターセプト回転速度Ｎｉよりも高速側の全負荷ラインＷＯＴを含む領域であり、ウェストゲート弁４３を開かないとターボ過給機２０のコンプレッサ２３による過給圧が過大になる領域である。そこで、第２領域Ｒ２では、エンジン本体１およびターボ過給機２０を保護するために、過給圧が上限値を超えないような開度までウェストゲート弁４３が開かれる。

なお、ウェストゲート弁４３が開かれる点を除けば、第２領域Ｒ２での制御は、上述した第１領域Ｒ１での制御と基本的に同じである。

ところで、過給圧の上昇は、ＥＧＲ弁４７を開くことによっても抑制することができる。このため、第２領域Ｒ２の一部において、ウェストゲート弁４３の開弁に代えて、あるいはウェストゲート弁４３の開弁と同時に、ＥＧＲ弁４７を開く制御を実行してもよい。

（iii）第３領域Ｒ３
第３領域Ｒ３での運転時、ＥＣＵ５０は次のような制御を実行する。
・排気絞り弁４０を閉じる（独立排気絞り制御の実行）。
・吸排気弁６，７のバルブオーバーラップ期間を拡大する。
・ウェストゲート弁４３を閉じる。
・電動過給機２６を停止させる。

すなわち、第３領域Ｒ３では、排気絞り弁４０を閉じる独立排気絞り制御が実行されることにより、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が遮断される。このことは、各独立排気通路３１，３２，３３内の流通面積が実質的に減少したことを意味する。すると、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排気集合部３４およびタービン２２へと流入する。

また、第３領域Ｒ３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３領域Ｒ３では、吸気弁６および排気弁７用の各ＶＶＴ１６が駆動されることにより、吸気弁６および排気弁７の双方が開くバルブオーバーラップ期間が、第１領域Ｒ１および第２領域Ｒ２のときよりも長くなるように設定される。すなわち、図８および図９に示すように、各気筒２Ａ〜２Ｄの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の双方が開かれるように、吸排気弁６，７の開閉タイミングが設定される。

なお、上記のような制御は、第３領域Ｒ３での定常運転時はもちろんのこと、エンジンの運転ポイントが低負荷域から第３領域Ｒ３に移行しようとする過渡期にも実行される。すなわち、エンジンの低速域での運転中に負荷（アクセル開度に基づく要求トルク）が増大し、これに伴ってエンジンの運転ポイントが第３領域Ｒ３に向かって図７の上方に移動しているときには、第３領域Ｒ３への実際の移行に先立って、排気絞り弁４０を閉じるとともにバルブオーバーラップ期間を拡大させる制御が実行される。

（iii）第４領域Ｒ４
第４領域Ｒ４での運転時、ＥＣＵ５０は次のような制御を実行する。
・排気絞り弁４０を閉じる（独立排気絞り制御の実行）。
・吸排気弁６，７のバルブオーバーラップ期間を拡大する。
・ウェストゲート弁４３を閉じる。
・電動過給機２６を作動させる。

第４領域Ｒ４は、最も低回転かつ高負荷の条件であるため、ターボ過給機２０に加えて電動過給機２６による過給を行い、低回転であるにもかかわらず充分なトルクが得られるようにする。すなわち、第４領域Ｒ４では、ウェストゲート弁４３が閉じられるとともに、電動過給機２６用の電気モータ２７が駆動される。

なお、電動過給機２６による過給（電気モータ２７の駆動）は、第４領域Ｒ４での定常運転時だけでなく、エンジンの運転ポイントが低負荷域から第４領域Ｒ４に移行しようとする過渡期にも実行される。すなわち、エンジンの低速域での運転中に負荷（アクセル開度に基づく要求トルク）が増大し、これに伴ってエンジンの運転ポイントが第４領域Ｒ４に向かって図７の上方に移動しているときには、第４領域Ｒ４への実際の移行に先立って、電動過給機２６用の電気モータ２７が駆動される。

上記のような電動過給機２６による過給が追加される点を除けば、第４領域Ｒ４での制御は、上述した第３領域Ｒ３での制御と基本的に同じである。

（５）作用等
以上説明したように、当実施形態のターボ過給機付多気筒エンジンでは、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可変的に設定する排気絞り弁４０とを備えたものが、排気マニホールド３０として用いられる。ターボ過給機２０は、排気集合部３４の下流側に設けられたタービン２２と、上流側吸気通路１３に設けられ且つタービン２２により駆動されるコンプレッサ２３とを有しており、このターボ過給機２０のインターセプト回転速度Ｎｉは、エンジンの定格回転速度Ｎｘの１／３以上に設定されている。エンジンには、排気絞り弁４０を含む各部を制御するＥＣＵ５０が備えられ、このＥＣＵ５０は、インターセプト回転速度Ｎｉよりも低速側に設定された所定の運転領域（図７の領域Ｒ３，Ｒ４）で、排気絞り弁４０を閉じる独立排気絞り制御を実行するとともに、吸気弁６および排気弁７の双方が開くバルブオーバーラップ期間を拡大させる制御を実行する。このような構成によれば、エンジンの低速域から高速域までをカバーする幅広い運転領域でトルクを高めることができ、しかも燃費性能を向上させることができる。

すなわち、上記実施形態では、インターセプト回転速度Ｎｉよりも回転速度の低い低速かつ高負荷の運転領域（第３領域Ｒ３および第４領域Ｒ４）で、排気絞り弁４０を閉じることにより各独立排気通路３１，３２，３３内の流通面積を縮小させる独立排気絞り制御が実行されるので、排気ガスのブローダウンを利用したいわゆる動圧過給効果により、ターボ過給機２０の過給能力をより高めることができる。

図８は、ある特定の気筒のクランク角を横軸にとり、各気筒２Ａ〜２Ｄから排出された排気ガスの圧力（排気集合部３４での測定値）を縦軸にとったグラフである。このグラフにおいて、横軸のＢＤＣ，ＴＤＣ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までの間隔はクランク角にして１８０°ＣＡである。また、図示の特性線Ａは、上記独立排気絞り制御を実行した場合の排気ガスの圧力を示しており、特性線Ｂは、上記独立排気絞り制御を実行しなかった場合の排気ガスの圧力を示している。

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、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（高圧・高速の排気流れ）も１８０°ＣＡごとに発生する。図８のグラフによれば、ブローダウンによる排気圧力のピーク値は、独立排気絞り制御を伴う特性線Ａの方が、独立排気絞り制御を伴わない特性線Ｂよりも高くなっている。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力のピーク値（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、特性線Ａに示したように、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、ブローダウンピークが低い特性線Ｂの場合（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（駆動力の時間平均値）が増大することになる。

また、独立排気絞り制御を伴う特性線Ａのように、ブローダウン期間が短縮されると、ブローダウンピーク後に発生する排気圧力のボトム値がより低い値（吸気側の圧力である過給圧を大きく下回る値）まで低下する。したがって、独立排気絞り制御を実行した場合には、排気圧力のピーク値からボトム値までの落差（図８にΔＨｐとして示す）がより大きくなる。このことは、排気ガスがよりスムーズに排出されて気筒２Ａ〜２Ｄ内の残留ガスが減少すること（掃気の促進）につながり、ひいてはエンジントルクの向上につながる。

加えて、上記実施形態では、独立排気絞り制御を実行する第３領域Ｒ３および第４領域Ｒ４での運転時に、図８にＯＬで示すバルブオーバーラップ期間が拡大され、排気上死点（排気行程と吸気行程との間の上死点；図８のＴＤＣ）の前後にかけた比較的長い期間に亘って吸気弁６および排気弁７の双方が開かれるので、いわゆるエゼクタ効果を効果的に発揮させて掃気をより促進することができる。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。

すなわち、ある気筒が排気上死点（ＴＤＣ）の近傍にあるとき（以下、この気筒のことを先行気筒という）、当該先行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が、この強い負圧は、排気マニホールド３０を遡って上記先行気筒の排気ポート５に作用し、当該先行気筒から排気ガスを吸い出そうとする（エゼクタ効果）。しかもこのとき、先行気筒では、図９に示すように、バルブオーバーラップ期間（ＯＬ）が形成されており、吸気弁６および排気弁７の双方が開いているので、吸気ポート４から気筒内に吸入された空気がそのまま排気ポート５へと吹き抜けるような流れが生じ（図２の矢印Ｗｉ，Ｗｅ参照）、この吸入空気の吹き抜けによってより一層掃気が促進される。

また、エゼクタ効果によって上記のような吹き抜け流（吸気ポート４から排気ポート５へと吹き抜ける吸入空気の流れ）が生じると、その吹き抜け流が既燃ガス（混合気の燃焼により生成されたガス）に付加されることにより、各気筒２Ａ〜２Ｄからの排気ガスの流量が増大する。タービン２２の駆動力は、排気ガスの流量に比例するので、エゼクタ効果によって排気ガスの流量が増大すると、これに比例してタービン２２の駆動力が増大し、ターボ過給機２０の過給能力が向上する。

さらに、エゼクタ効果が存在すると、各気筒２Ａ〜２Ｄから独立排気通路３１，３２，３３のいずれかを通って排気集合部３４に流入したブローダウンガスが他の独立排気通路に回り込む（逆流する）現象が防止されるので、動圧過給効果がより促進されるという利点もある。すなわち、ブローダウンガスの回り込みが生じると、排気マニホールド３０の見かけ上の容積が増大したのと同じことになるので、ブローダウンによる排気圧力のピーク値（ブローダウンピーク）が低下し、タービン２２の駆動力が減少してしまう。これに対し、上記実施形態のように、独立排気絞り制御を実行しつつバルブオーバーラップ期間を拡大することにより、エゼクタ効果を充分に発揮させるようにした場合には、先行気筒からの排気ガスの吸い出しが行われる結果、上記のようなブローダウンピークの低下が防止されるので、タービン２２の駆動力を充分に得ることができ、動圧過給効果をより促進することができる。

ここで、上記実施形態では、ターボ過給機２０のタービン２２として比較的大型のタービンを用いることにより、インターセプト回転速度Ｎｉがエンジンの定格回転速度Ｎｘの１／３以上となるように設定している。このため、排気ガス流量の少ない低速側の領域Ｒ３で、仮に、上記のような独立排気絞り制御（排気絞り弁４０を閉じて流路３９を遮断する制御）を実行しなかった場合には、タービン２２を高速で回転させるための駆動力が充分に得られず、第１領域Ｒ１と第３領域Ｒ３との境界である図７のラインＰのようなトルクしか得ることができない。これに対し、上記実施形態のように、独立排気絞り制御を実行しつつバルブオーバーラップ期間を拡大することにより、動圧過給効果およびエゼクタ効果を発揮させるようにした場合には、タービン２２に作用する平均的な駆動力が増大するので、大型のタービン２２であってもこれを充分に高速で回転させることができる。これにより、ターボ過給機２０による低速域での過給能力を充分に高めることができるので、上記ラインＰよりもトルクの高い上記領域Ｒ３を実現させることが可能となる。

上記のような過給能力の向上は、コンプレッサ２３の性能曲線を用いて、次のような理論で説明することもできる。図１０は、コンプレッサ２３の性能曲線を模式化したグラフの上に、アクセル全開時におけるコンプレッサの運転ポイントの変化（特性線Ｃ）を重ねて示したものである。本図の特性線Ｃのうち相対的に低流量側に位置する右上がりの立上り部に示すように、コンプレッサ２３の圧力比は、本来、ある程度流量が増大しないと（つまりエンジン回転速度が上昇しないと）高くならない。特に、上記実施形態のように、タービン２２として比較的大型のものを用いた場合には、この傾向は顕著になる。

しかしながら、上記実施形態では、動圧過給効果およびエゼクタ効果によって掃気を促進し、吸気ポート４から排気ポート５へと吹き抜ける吸入空気の流れをつくり出しているので、この吸入空気の吹き抜け分（言い換えれば気筒外に捨てる分）を差し引くと、コンプレッサ２３の運転ポイントは、より流量の低い図１０の左側に移動することになる。例えば、特性線Ｃの立上り部に設定したポイントＣ１を始点にすると、このポイントＣ１は、上記吸入空気の吹き抜け分を差し引くことで、相対的に左側のポイントＣ２に移動する。このポイントＣ２への移動は、流量が少なくても大きい圧力比を稼げることを意味するから、あたかもタービン２２およびコンプレッサ２３を小型化したのと同じ効果を生む。しかも、ポイントＣ１からＣ２への移動分の流量、つまり吸気ポート４から排気ポート５へと吹き抜けさせた吸入空気の流量は、タービン２２の駆動力を増大させるので、コンプレッサ２３は無駄な仕事をしているわけではない。このように、動圧過給効果およびエゼクタ効果を利用した上記実施形態の構成によれば、大型のタービン２２を用いているにもかかわらず、低速域でのコンプレッサ２３の運転ポイントを図１０の左側に移動させることができ、低速域での圧力比（過給圧）を効果的に向上させることができる。

以上のように、上記実施形態では、インターセプト回転速度Ｎｉよりも回転速度の低い低速・高負荷運転領域（第３領域Ｒ３および第４領域Ｒ４）で、排気絞り弁４０を閉じる独立排気絞り制御とバルブオーバーラップ期間の拡大制御とが合わせて実行されるため、動圧過給効果およびエゼクタ効果を発揮させてターボ過給機２０の過給能力を充分に高めることができ、低速域でのエンジントルクを効果的に向上させることができる。

一方、インターセプト回転速度Ｎｉよりも高速側では、排気ガスの流量が多くなるので、上記のような独立排気絞り制御等を実行しなくても、タービン２２には大きな駆動力を作用させることができ、ターボ過給機２０の過給能力を充分に高めることができる。しかも、上記実施形態では、インターセプト回転速度Ｎｉがエンジンの定格回転速度Ｎｘの１／３以上に設定されている（つまりタービン２２が大型である）ので、エンジンの高速域での過給能力が本来的に高く、過給圧のピーク値を充分に高い値に設定することができる。このことは、高速域での頭打ち感（加速の伸びが鈍ること）のない商品性に優れたエンジンが実現されることを意味する。

さらに、タービン２２が大型であれば、排気ガス流量の多いエンジンの高速域において、排気ガスの流通抵抗がそもそも増大しにくい。その上で、上記実施形態では、インターセプト回転速度Ｎｉよりも高速側の高速・高負荷運転領域（第２領域Ｒ２）で、上記独立排気絞り制御の停止によって独立排気通路３１，３２，３３内の流通面積が拡大されるので、ポンピングロスを大幅に低減させることができ、上記高速・高負荷運転領域での燃費性能を効果的に向上させることができる。

以上のように、上記実施形態のエンジンによれば、比較的大型のタービン２２を用いてエンジン高速域でのトルクおよび燃費を改善しながら、エンジンの低速域においては独立排気絞り制御等を実行することにより、動圧過給効果およびエゼクタ効果よるトルクの向上を図ることができる。これにより、エンジンの低速域から高速域までをカバーする幅広い運転領域で高いトルクを発生させることができ、しかも燃費性能を向上させることができる。

また、上記実施形態では、排気順序が連続しない２つの気筒（２番気筒２Ｂおよび３番気筒２Ｃ）の排気ポート５に、上流側が二股状に分岐した第２独立排気通路３２を接続し、他の気筒（１番気筒２Ａまたは４番気筒２Ｄ）の排気ポート５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を用意するとともに、これら各独立排気通路３１，３２，３３の容積を互いに同一に設定した。このような独立排気通路３１，３２，３３を含む排気マニホールド３０のレイアウトによれば、上述した動圧過給効果およびエゼクタ効果が気筒間でばらつくのを効果的に防止でき、各気筒２Ａ〜２Ｄでのトルクの向上代を均等に揃えることができる。

もちろん、独立排気通路の容積を揃えることは、上記のようなレイアウトでなくても実現可能である。例えば、各気筒２Ａ〜２Ｄの排気ポート５にそれぞれ単管状の（合計４本の）独立排気通路を接続し、その容積を全て同一にすることも当然に考えられる。しかしながら、このようにした場合には、気筒列方向中央側の２番気筒２Ｂおよび３番気筒２Ｃに接続される独立排気通路（その外側の気筒２Ａ，２Ｄ用の独立排気通路よりも小容積になり易い）を不自然に迂回させる等のレイアウトが必要となる。このことは、排気抵抗の増大を招く上に、排気マニホールドのコンパクト化を阻害するので、好ましくない。

これに対し、上記実施形態に示したような排気マニホールド３０のレイアウトを採用した場合（つまり２番気筒２Ｂおよび３番気筒２Ｃに対し共用の独立排気通路３２を設けた場合）には、上述したような問題が生じないので、排気マニホールド３０を効果的にコンパクト化しつつ、各独立排気通路３１，３２，３３の容積を容易に揃えることができる。

また、上記実施形態では、各独立排気通路３１，３２，３３の下流部が、排気ガスの流れ方向に沿って延びる隔壁３７によって常用流路３８と可変流路３９とに区分されており、排気絞り弁４０は、上記２つの流路３８，３９のうちの一方（可変流路３９）を開閉可能に遮断するように設けられている。このような構成によれば、隔壁３７で区画された２つの流路３８，３９のうちの一方を排気絞り弁４０によって遮断または開放するという簡単な構成で、独立排気通路３１，３２，３３内の流通面積を変化させることができ、上記独立排気絞り制御の実行と停止とを迅速かつ確実に切り替えることができる。

また、上記実施形態では、最も低速かつ高負荷側の領域に設定された特定の運転領域、つまり図７に示した第４領域Ｒ４で、電気モータ２７を作動させて電動過給機２６による過給を行うようにしたため、ターボ過給機２０の過給能力が発揮されにくい極低速域でのトルクを確実に高めることができる。

ところで、上記実施形態では、独立排気絞り制御等の実行によって低速域でのトルクが補強されるので、電動過給機２６によるトルクの向上代はそれほど大きくなくてもよい。このため、電動過給機２６として高性能の過給機を使用する必要がなく、電動過給機２６の追加によるコストアップや重量の増加を最小限に抑えることができる。

なお、上記実施形態では、第１〜第３独立排気通路３１，３２，３３とタービンハウジング２１との間に別体の排気集合部３４を設けたが、別体の排気集合部３４を省略して、各独立排気通路３１，３２，３３の下流端部をタービンハウジング２１に直接接続するようにしてもよい。この場合は、タービンハウジング２１の上流部（タービン２２よりも上流側に位置する部分）が、排気集合部として機能することになる。

また、上記実施形態では、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を接続し、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を接続したが、既に述べたとおり、全ての気筒２Ａ〜２Ｄに対し、第１、第３独立排気通路３１，３３と同様の単管状の通路を接続してもよい。

また、上記実施形態では、吸気弁６および排気弁７用の各動弁機構に、バルブ開閉タイミングを変更するためのＶＶＴ１６（バルブ可変機構）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ＶＶＴ１６を設けてもよい。

２Ａ〜２Ｄ気筒
４排気ポート
５吸気弁
６排気弁
９ＶＶＴ（バルブ可変機構）
１３吸気通路
２０ターボ過給機
２２タービン
２３コンプレッサ
２６電動過給機
２７電気モータ
３１第１独立排気通路
３２第２独立排気通路
３３第３独立排気通路
３４排気集合部
３７隔壁
３８常用流路（流路）
３９可変流路（流路）
４０排気絞り弁
４５ＥＧＲ通路
４７ＥＧＲ弁
５０ＥＣＵ（制御手段）
Ｎｉインターセプト回転速度
Ｎｘ（エンジンの）定格回転速度

Claims

複数の気筒と、各気筒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ターボ過給機とを備えたターボ過給機付多気筒エンジンであって、
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を含む排気通路と、
上記独立排気通路内を通る排気ガスの流通面積を可変的に設定する排気絞り弁と、
各気筒に空気を導入するための吸気通路と、
各気筒から上記排気通路に排出された排気ガスの一部を上記吸気通路に還流するためのＥＧＲ通路と、
上記ＥＧＲ通路に開閉可能に設けられたＥＧＲ弁と、
上記排気絞り弁およびＥＧＲ弁の開閉動作を制御する制御手段とを備え、
上記ターボ過給機は、上記排気通路における排気集合部の下流側に設けられたタービンと、上記吸気通路に設けられ且つ上記タービンにより駆動されるコンプレッサとを有し、
上記ＥＧＲ通路は、上記タービンよりも上流側の排気通路と上記コンプレッサよりも下流側の吸気通路とを接続するように設けられ、
エンジン全負荷で上記コンプレッサの過給圧が予め定められた上限値に達するときのエンジン回転速度をインターセプト回転速度としたとき、このインターセプト回転速度がエンジンの定格回転速度の１／３以上になるように上記ターボ過給機の諸元が設定されており、
上記制御手段は、上記インターセプト回転速度よりも低速側に設定された低速・高負荷運転領域で、上記排気絞り弁を閉じる独立排気絞り制御を実行するとともに、上記インターセプト回転速度よりも高速側に設定された高速・高負荷運転領域で、上記ＥＧＲ弁を開く制御を実行する、ことを特徴とするターボ過給機付多気筒エンジン。
請求項１記載のターボ過給機付多気筒エンジンにおいて、
上記各独立排気通路における少なくとも下流部が、排気ガスの流れ方向に沿って延びる隔壁によって２つの流路に区分されており、
上記排気絞り弁は、上記２つの流路のうちの一方を開閉可能に遮断するように設けられている、ことを特徴とするターボ過給機付多気筒エンジン。
請求項１または２記載のターボ過給機付多気筒エンジンにおいて、
各気筒の吸気弁および排気弁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をさらに備え、
上記制御手段は、少なくとも上記独立排気絞り制御を実行する低速・高負荷運転領域において、吸気弁および排気弁の双方が開くバルブオーバーラップ期間が所定量以上確保され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多気筒エンジン。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のターボ過給機付多気筒エンジンにおいて、
電気モータの駆動力によって吸入空気を加圧する電動過給機をさらに備え、
上記制御手段は、上記低速・高負荷運転領域の中でも最も低速かつ高負荷側の一部に設定された特定の運転領域で、上記電動過給機を作動させる、ことを特徴とするターボ過給機付多気筒エンジン。