JP2008019835A

JP2008019835A - 過給機付きエンジン

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Publication number: JP2008019835A
Application number: JP2006194518A
Authority: JP
Inventors: Naoyuki Yamagata; 直之山形
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2006-07-14
Filing date: 2006-07-14
Publication date: 2008-01-31
Also published as: EP1878895A2; EP1878895A3; US20080011278A1; US7644586B2; EP1878895B1

Abstract

【課題】エンジンの損失エネルギーを利用することができる排気ターボ過給機および電動過給機を用い、エンジンの低速域、中速域及び高速域の各領域にわたり高い過給性能を持たせることができるようにする。
【解決手段】高速型の排気ターボ過給機２０と、電動過給機３０とを備えるとともに、上記排気ターボ過給機の過給性能が低下する運転領域でタービンに供給する排気エネルギーを高めることが可能な排気エネルギー調節手段と、上記電動過給機及び上記排気エネルギー調節手段を制御するＥＣＵ５０とを備える。ＥＣＵ５０は、エンジンの低速域で電動過給機３０を駆動するとともに、エンジンの中速域で排気エネルギーを高めるように上記排気エネルギー調節手段を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気ターボ過給機と電動過給機とを備えた過給機付きエンジンに関するものである。

従来から、エンジントルクの増大を図る手段として、排気ガスのエネルギーを利用して吸気を過給する排気ターボ過給機は周知であるが、この排気ターボ過給機はエンジン回転数の影響を大きく受け、エンジンの低速域で過給圧が不足するという欠点がある。

これに対し、電気的に駆動される電動過給機は、エンジンの低速域で高い過給圧を発生させることができる。

このような電動過給機を備えたエンジンとして、例えば特許文献１には、電気モータによりインペラが回転駆動される電動式過給機が吸気通路に設けられるとともに、ＥＣＵ（エンジン制御ユニット）によりエンジンの運転状態及び電源装置の状態に応じて電動式過給機を制御するようにしたものが示されている。そして、この特許文献１では好ましい例として、エンジンを高速域で良好なトルクを与えるように調整された高速型エンジンとするとともに、エンジンの低速側の運転領域で電動過給機による過給を行わせるようにすることが示されている。
特開２００３−１６１１５７号公報

上記電動過給機によると、エンジンの低速域で過給圧を高めることができるが、高速域で充分に過給を行わせることが難しい。一方、排気ターボ過給機は、上述のように低速域で過給圧を高めることが難しいが、高速側の運転域では充分に過給を行わせることが可能である。

なお、過給機としてはエンジン出力軸で駆動される機械式過給機も知られているが、この機械式過給機ではエンジン出力の一部が過給機の駆動に使われるため燃費が悪化する。これに対し、排気ターボ過給機や電動過給機はエンジンの損失エネルギーを利用することができる（排気ターボ過給機はエンジンの排気エネルギーを利用し、また電動過給機はエンジン減速時の回生エネルギー等を利用することができる）ので、これらは機械式過給機と比べて燃費的に有利である。

そこで、電動過給機と排気ターボ過給機とを併用することが考えられるが、このようにしても、エンジンの全回転数域にわたって充分に過給性能を高めることが難しく、例えば、高速型（大型）の排気ターボ過給機を用いて高速域での過給性能を充分に高めるようにするとともに、低速域で電動過給機による過給を行わせるようにしたとしても、その間の中速域で過給性能の落ち込みが生じるという問題が残される。

また、過給によるトルク向上の要因には燃焼エネルギー増大の他にポンプ損失の低減があり、排圧（排気圧力）に対して過給圧が高い状態になれば、吸気行程時に過給圧によってピストンを押し下げる力が排気抵抗を上回ることによりポンプ損失が打ち消され、効率が向上する。従って、過給効率向上のためには過給圧が排圧よりも高くなる運転領域をできるだけ広くすることが望ましい。

本発明は上記の事情に鑑み、エンジンの損失エネルギーを利用することができる排気ターボ過給機および電動過給機を用い、エンジンの低速域、中速域及び高速域の各領域にわたり高い過給性能を持たせることができ、かつ、過給効率等の面でもすぐれた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、本発明は、排気ターボ過給機と電動過給機とを備えた過給機付きエンジンであって、排気ターボ過給機としてエンジンの高速域で高い過給性能を有する高速型の排気ターボ過給機を設けるとともに、上記排気ターボ過給機の過給性能が低下する運転領域でタービンに供給する排気エネルギーを高めることが可能な排気エネルギー調節手段と、上記電動過給機及び上記排気エネルギー調節手段を制御する制御手段とを備え、上記制御手段は、エンジンの低速域で上記電動過給機を駆動するとともに、エンジンの中速域で上記排気エネルギーを高めるように上記排気エネルギー調節手段を制御することを特徴とする。

この構成によると、高速型の排気ターボ過給機が設けられていることにより、エンジンの高速域で充分な過給性能が得られる。そして、タービンサイズの大きい高速型の過給機が用いられることで、排気流量が多い高速域においても排圧の上昇を抑制することができる。このため、ポンプロスを低減するとともに、ノッキングを防止し、有効に過給効率を向上することができる。

また、上記排気ターボ過給機が高速型であることによって過給性能が低下し易いエンジンの中速域では、排気エネルギー調節手段によって排気エネルギーが高められることにより、過給性能が高められる。

さらに、エンジンの低速域では、電動過給機の駆動により、充分な過給作用が得られる。

従って、エンジンの低速域、中速域および高速域の各領域で高い過給性能が得られる。

本発明のエンジンにおいて、上記排気エネルギー調節手段は、排気弁の開弁時期を変更可能にするバルブタイミング可変装置により構成され、エンジンの中速域で排気弁の開弁タイミングを遅らせるように上記バルブタイミング可変装置が制御されるようになっていることが好ましい。

このようにすると、エンジンの中速域では、排気弁の開弁タイミングが遅らされることによりブローダウンエネルギーが高められ、そのエネルギーがタービンに供給されることで過給性能が高められる。

さらに、上記バルブタイミング可変装置は、排気弁の開弁タイミングを遅らせるときに吸・排気弁の開弁オーバラップ期間を増大させるようになっていることが好ましい。

このようにすると、エンジンの中速域で、排気弁の開弁タイミングが遅らされることによりブローダウンエネルギーが高められることに加え、気筒内の排気ガスの掃気性が向上され、それによって新気の充填効率が高められる。従って、過給によるトルクアップがさらに向上される。

また、上記排気エネルギー調節手段は、上記タービンより上流の排気通路の容積を変更可能にする排気通路容積可変装置により構成され、エンジンの中速域で排気通路の容積を小さくするように上記排気通路容積可変装置が制御されることが好ましい。

このようにすると、タービンより上流の排気通路の容積が小さいほど排気ガスがタービンに達するまでの膨張による排気エネルギーの低下が抑制されるので、エンジンの中速域で、排気通路容積可変装置によって排気通路の容積が小さくされることにより、タービンに供給される排気エネルギーが高められる。

また、上記排気ターボ過給機のタービンが２つのスクロール部を有し、上記排気エネルギー調節手段は、多気筒エンジンの排気通路を点火時期が連続しない気筒の排気通路同士を同一の排気系とするようにグループ化して、それぞれ排気ガスを上記各スクロール部に導くようにした第１及び第２の排気系と、この第１及び第２の排気系を連通させる連通路と、この連通路を開閉する制御弁とで構成され、エンジンの中速域で上記連通路を閉じ、エンジンの高速域で上記連通路を開くように上記制御弁が制御されるようになっていることが好ましい。

このようにすると、エンジンの中速域では、第１の排気系と第２の排気系とが互いに独立した状態で、それぞれから排気ガスがタービンの各スクロール部に導かれることにより、第１の排気系と第２の排気系との干渉が防止されて、タービンに供給される排気エネルギーが高められる。一方、エンジンの高速域では、第１の排気系と第２の排気系とが連通されることにより、排気脈動が打ち消され、排気抵抗が低減される。

また、上記排気ターボ過給機がタービンの入り口側に可動ベーンを備えた可変容量型過給機で構成され、上記排気エネルギー調節手段は、上記可動ベーンの開度を変更する可動ベーン駆動装置により構成され、エンジンの中速域で上記可動ベーンの開度を小さくし、エンジンの高速域で上記可動ベーンの開度を大きくするように上記可動ベーン駆動装置が制御されるようになっていることが好ましい。

このようにすると、エンジンの中速域では、上記可動ベーンの開度が小さくされることにより、タービンに流入する排気ガスの流速が高められて、タービンに供給される排気エネルギーが高められる。一方、エンジンの高速域では、可動ベーンの開度が大きくされることにより、大流量を確保することができて、過給効率が高められるとともに、排圧の上昇が抑制される。

本発明の過給機付きエンジンによると、エンジンの低速域では電動過給機を用いて過給を行い、中速域および高速域では高速型のターボ過給機により過給を行うようにするとともに、中速域ではタービンに供給する排気エネルギーを高めるようにしているため、エンジンの低速域、中速域及び高速域の各領域で高い過給性能を持たせることができる。また、過給機としてエンジンの損失エネルギーを利用することができる排気ターボ過給機および電動過給機を用いているために燃費的にも有利である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の第１実施形態による過給機付きエンジンの全体構成を示している。この図に示すエンジンはガソリンエンジンであり、そのエンジン本体１には複数の気筒が設けられ、図示の例では４つの気筒１ａ〜１ｄが設けられている。各気筒１ａ〜１ｄには燃焼室２が形成され、各燃焼室２に吸気ポート及び排気ポートが開口し、これらのポートに吸気弁３および排気弁４が設けられている。さらに各燃焼室２に対して点火プラグ５及び燃料噴射弁６が装備されている。

上記エンジン本体１に対し、新気を供給する吸気通路１０と、排気ガスを導出する排気通路１５とが接続されている。

吸気通路１０は、各気筒１ａ〜１ｄの吸気ポートに接続される気筒別の吸気通路１１を有する吸気マニホールド１２と、その上流の共通吸気通路１３とを備え、共通吸気通路１３には、吸入空気量を調節するスロットル弁１４が設けられている。また、排気通路１５は、各気筒１ａ〜１ｄの排気ポートに接続される気筒別の排気通路１６を有する排気マニホールド１７と、その下流の共通排気通路１８とを備えている。

また、エンジンには、排気ターボ過給機２０と、電動過給機３０とが設けられている。

排気ターボ過給機２０は、排気ガスのエネルギーで駆動されて回転するタービン２１と、このタービン２１にシャフト２２を介して連結されたコンプレッサ２３とを備え、タービン２１の回転に連動したコンプレッサ２３の回転により吸気を過給するようになっている。この排気ターボ過給機２０としては、比較的大型であって、高速域で高い過給性能を有する高速型の過給機が用いられる。

上記タービン２１は共通排気通路１８に介設されている。なお、２４はタービンをバイパスするウエストゲート通路、２５はこの通路２４に設けられたウエストゲートバルブである。

上記コンプレッサ２３は、共通吸気通路１３に介設されている。共通吸気通路１３におけるコンプレッサ２３より下流には、過給された空気を冷却するためのインタークーラ２６が設けられている。

一方、電動過給機３０は、インタークーラ２６より下流の共通吸気通路１３に設けられており、この電動過給機３０より下流にスロットル弁１４が設けられている。この電動過給機３０は、電気モータにより直接駆動されるインペラ等で構成されている。

さらに吸気通路１０には、電動過給機３０をバイパスするバイパス通路３１が設けられている。このバイパス通路３１には、アクチュエータ３３により駆動されてこの通路３１の空気流通量を調節する吸気制御弁３２が設けられている。

また、エンジンには、排気ターボ過給機３０の過給性能が低下する運転領域でタービンに供給する排気エネルギーを高めることが可能な排気エネルギー調節手段が設けられている。当実施形態では排気エネルギー調節手段として、タービン２１より上流の排気通路１５の容積を変更可能にする排気通路容積可変装置４０と、排気弁４の開弁時期を変更可能にするバルブタイミング可変装置４８とが設けられている。

排気通路容積可変装置４０は、例えば図２及び図３に示すように、排気マニホールド１７の各排気通路１６に連通孔４１を介して連通するチャンバー４２と、各連通孔４１を開閉する容積可変バルブ４３とを備え、各容積可変バルブ４３が共通の軸体４４とギア４５等を介してモータ４６により駆動されるようになっている。そして、容積可変バルブ４３が閉じられたときには、排気通路１６とチャンバー４２との連通が遮断されることにより実質的にタービン２１より上流の排気通路１５の容積が小さくなり、容積可変バルブ４３が開かれたときにはチャンバー４２が排気通路１６に連通することで排気通路１５の容積が拡大されるようになっている。

上記バルブタイミング可変装置４８は、当実施形態では位相式のバルブタイミング可変機構により構成され、エンジンのクランク軸（エンジン出力軸）に対する排気弁駆動用のカム軸の位相を変更し得るようになっている。このバルブタイミング可変機構の構造は従来から種々知られているため具体的構造の図示及び説明は省略するが、例えばタイミングベルトを介してクランク軸の回転が伝動されるカムプーリとカム軸との間に、両者を相対回転可能とする位相変更用部材が組み込まれ、この部材が油圧もしくは電動で駆動されるようになっている。

そして、このようなバルブタイミング可変装置４８により、図４に示すように、排気弁開時期ＥＯ１が下死点（ＢＤＣ）よりも所定クランク角だけ早くて排気弁閉時期ＥＣ１が上死点（ＴＤＣ）付近となる通常タイミングＥＶＴ１（実線）と、この通常タイミングＥＶＴ１よりも遅く、排気弁開時期ＥＯ２が下死点（ＢＤＣ）付近とされる排気エネルギー上昇用のタイミングＥＶＴ２（破線）とに、排気弁開閉タイミングが変更可能とされる。なお、排気エネルギー上昇用のタイミングＥＶＴ２とされたときは、排気弁閉時期ＥＣ２が上死点（ＴＤＣ）よりも遅くなり、排気弁と吸気弁の開弁オーバラップ期間が長くなる。

図１に戻って、エンジンには、制御手段としてのＥＣＵ（エンジン制御ユニット）５０が装備されており、このＥＣＵ５０は、スロットル弁の開度を検出するスロットル開度センサ５１及びエンジン回転数を検出する回転数センサ５２等からの検出信号を受け、これらの検出信号によって調べられる運転状態に応じ、電動過給機３０、吸気制御弁３２のアクチュエータ３３、排気通路容積可変装置４０のモータ４６、バルブタイミング可変装置４８等を制御するようになっている。

図５は上記ＥＣＵ５０の制御によるエンジンの運転領域と過給の状態との関係を示す図である。この図において、Ａは電動過給機３０により過給が行われる領域、Ｂは電動過給機３０が停止されて、排気ターボ過給機２０により過給が行われる領域を示している。この図のように、エンジンの高負荷側の領域である過給領域のうちで、エンジンの低速域における過給領域Ａでは電動過給機３０が駆動され、この電動過給機３０による過給でエンジントルクが高められる。なお、この領域Ａのうちでも特に低速側の領域Ａ１ではターボ過給機２０による過給作用は殆ど得られずに専ら電動過給機３０による過給が行われ、領域Ａのうちの高速側の領域Ａ２では、ターボ過給機２０によっても多少は過給が行われるため、電動過給機３０とターボ過給機２０が併用される状態となる。

また、エンジンの中速域及び高速域における過給領域Ｂでは電動過給機３０が停止され、排気ターボ過給機２０による過給が行われる。この場合、排気ターボ過給機２０には高速型のものが用いられているため、排気エネルギー調節手段によって排気エネルギーが高められていなければ、高速側の領域（図５中の領域Ｂ２）では過給性能が高められることによりエンジントルクが高められるが、中速域では、トルクの落ち込みが生じる（図５中の破線参照）。これに対して当実施形態では、中速域で排気エネルギー調節手段によって排気エネルギーが高められることにより、排気ターボ過給機２０による過給作用が高められ、エンジントルクが高められる（図５中の領域Ｂ１）。具体的には、中速域で、排気通路容積可変装置４０の容積可変バルブ４３が開かれるとともに、排気弁開弁時期が遅角されるようにバルブタイミング可変装置４８が制御される。

上記ＥＣＵ５０による制御の具体例を、図６のフローチャートによって説明する。

このフローチャートに示す処理がスタートすると、ＥＣＵ５０は先ず各種信号を読み込み（ステップＳ１）、その信号に基づいて運転状態を調べ、運転状態が高負荷側の過給領域にあるか否かを判定する（ステップＳ２）。

過給領域にある場合は、エンジンの低速域か否かを調べ（ステップＳ３）、低速域であれば、電動過給機３０を駆動するとともに吸気制御弁３２を閉じるように制御する（ステップＳ４，Ｓ５）ことにより、電動過給機３０による過給を行わせる。

過給領域にある場合においてエンジンの低速域でない場合（ステップＳ３の判定がＮＯの場合）は、エンジンの中速域か否かを調べ（ステップＳ６）、中速域であれば、容積可変バルブ４３を閉じる（ステップＳ７）とともに、排気弁開閉タイミングを図４中に破線で示すタイミングＥＶＴ２にまで遅角させる（ステップＳ８）。さらに、電動過給機３０を停止させるとともに吸気制御弁３２を開くように制御する（ステップＳ９，Ｓ１０）。

過給領域にある場合においてエンジンの低速域でも中速域でもない場合（ステップＳ３，Ｓ６の判定がＮＯの場合）、つまりエンジンの高速域にある場合は、容積可変バルブ４３を開く（ステップＳ１１）とともに、排気弁開閉タイミングを図４中に実線で示す通常タイミングＥＶＴ１にまで進角させる（ステップＳ１２）。さらに、上記ステップＳ９，Ｓ１０の処理を行う。

以上のような当実施形態のエンジンによると、排気ターボ過給機２０による過給が充分に行われない低速域では、電動過給機３０が駆動され、この電動過給機２０による過給作用でエンジントルクを高めることができる。

また、エンジンの中速域及び高速域では、電動過給機３０の駆動が停止され、排気ターボ過給機２０による過給が行われる。この場合、吸気制御弁３２が開かれることにより、排気ターボ過給機３０により過給された空気はバイパス通路３１を通ってエンジン本体１に供給される。

そして、排気ターボ過給機２０としては高速型の過給機が用いられながら、中速域では、排気通路容積可変装置４０によりタービン２１より上流の排気通路１５の容積が小さくされることと、バルブタイミング可変装置４８によって排気弁４の開時期が遅らされることとにより、排気ターボ過給機２０のタービン２１に与えられる排気エネルギーが高められ、過給作用が高められる。

すなわち、タービン２１より上流の排気通路１５の容積が小さいほど、排気ガスがタービン２１に達するまでの膨張による排気エネルギーの低下が抑制される。従って、排気通路容積可変装置４０の容積可変バルブ４３が閉じられて、タービン２１より上流の排気通路１５の容積が実質的に小さくされることにより、タービン２１に供給される排気エネルギーが高められる。

また、排気弁４の開時期が過給作用に及ぼす影響としては、図７に示すように、排気弁４の開時期が遅くなるほどブローダウンエネルギーの増大により過給圧が高くなる。ただし、排気弁４の開時期が下死点（ＢＤＣ）よりも遅くなると、ピストンに加わる排圧よるポンプロスが増大してエンジントルクの低下を招く。従って、排気弁４の開時期を下死点（ＢＤＣ）付近まで遅角させることが、過給によるトルク上昇に最も効果的となる。

さらに、このように排気弁開閉タイミングを遅角させることにより、排気弁と吸気弁の開弁オーバラップ期間が長くなるため、気筒内の排気ガスの掃気性が向上され、それによって新気の充填効率が高められる。従って、過給によるトルクアップがさらに向上される。

エンジンの高速域では、排気通路容積可変装置４０の容積可変バルブ４３が開かれることにより、タービン２１より上流の排気通路１５の容積が実質的に大きくされるとともに、排気弁開閉タイミングが通常タイミングＥＶＴ１にまで進角されることにより、排圧の上昇が抑制される。従って、排気量の多い高速域で、排圧の上昇によるポンプロスの増大やノッキングの発生を防止することができる。そして、この状態でも、排気ターボ過給機２０が高速型の過給機であるため、高速域で充分な過給作用が得られ、エンジントルクが高められる。

とくに、高速域における排圧は主にタービンサイズで決まり、タービンサイズが大きいほど排圧が低くなる。従って、タービンサイズの大きい高速型過給機を用いることにより、高速域でも排圧の上昇を抑え、過給圧が排圧よりも高い状態を保つことができる。

また、高速域のうちでも特に高速側の領域Ｂ３（図５参照）ではウエストゲートバルブ２５が開かれ、排気ガスの一部がウエストゲート通路２４に逃がされる。これにより、排圧低減効果がさらに高められる。

このようにして、低速域、中速域、高速域の全領域にわたり、高い過給作用が得られてエンジントルクが向上されるとともに、広い運転領域にわたり、過給圧が排圧よりも高い状態が保たれて、過給効率が向上され、燃費的にも有利となる。

なお、上記実施形態では、排気エネルギー調節手段として排気通路容積可変装置４０とバルブタイミング可変装置４８とを設け、この両装置４０，４８の制御によって中速域で排気エネルギーを高めるようにしているが、いずれか一方の装置のみを設けるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、位相式のバルブタイミング可変機構（バルブタイミング可変装置４８）が排気弁４に対して設けられているが、図１中に二点鎖線で示すように吸気弁３に対しても位相式のバルブタイミング可変機構４９を設けてもよい。この場合、中速域では、上記のように排気弁４の開閉タイミングを遅角させることに加え、吸気弁３の開閉タイミングを進角させるようにすれば、吸・排気弁の開弁オーバラップ期間をより大きくして掃気性を高めるとともに、吸気弁閉時期が下死点に近づくことで吸気の吹き返しが抑制され、これらの作用で新気の充填効率がさらに高められる。

また、本発明でいう電動過給機は、前述の図１中に示すような、排気ターボ過給機２０とは別個の独立した電動過給機３０に限定されるものではなく、図８に示すような、排気ターボ過給機２０に電動モータ１００を組み込んだ電動アシスト式のものも含む。

すなわち、図８に示す変形例では、排気ターボ過給機２０のタービン２１とコンプレッサ２３とを連結する軸２２に電動モータ１００が組み込まれ、この電動モータ１００が駆動されたときにコンプレッサ２３の回転がアシストされるようになっている。この変形例では、電動モータ１００が駆動されたときに、この電動モータ１００およびコンプレッサ２３が電動過給機として機能する。

この変形例による場合も、低速域では電動モータ１００が駆動され、中速域および高速域では電動モータ１００が停止されて、排気ターボ過給機２０が電動アシスト無しで過給を行うように制御される。

図９は、本発明の第２実施形態による過給機付きエンジンの全体構成を示している。この第２実施形態において、排気ターボ過給機６０のタービン６１が第１、第２のスクロール部６１ａ，６１ｂを有している。これに対してエンジンの排気通路１５には、点火時期が連続しない気筒の排気通路同士を同一の排気系とするようにグループ化して、それぞれ排気ガスを上記各スクロール部６１ａ，６１ｂに導くようにした第１及び第２の排気系が設けられている。

すなわち、図示の４気筒エンジンの場合、第１気筒１ａおよび第４気筒１ｄの気筒別排気通路１６とこれらを集合させた第１集合排気通路６５ａとで第１の排気系が構成されるとともに、第２気筒１ｂおよび第３気筒１ｃの気筒別排気通路１６とこれらを集合させた第２集合排気通路６５ｂとで第２の排気系が構成されている。

上記第１集合排気通路６５ａと第２集合排気通路６５ｂとの間には、これらを連通する連通路６６が設けられ、この連通路６６に、ＥＣＵ５０により制御されてこの連通路６６を開閉する連通バルブ（制御弁）６７が設けられている。

これら第１，第２の排気系と連通路６６および連通バルブ６７により、排気エネルギー調節手段が構成されている。

エンジンのその他の構造は、図１に示した第１実施形態と同様である。なお、この第２実施形態でも、電動過給機は図９に実線で示すような、排気ターボ過給機６０と別個の独立した電動過給機３０であってもよいし、同図に二点鎖線で示すような、排気ターボ過給機６０に電動モータ１００を組み込んだ電動アシスト式のものであってもよい。

図１０は、第２実施形態のエンジンの制御の具体例をフローチャートで示している。

このフローチャートに示す処理がスタートすると、ＥＣＵ５０は先ず各種信号を読み込み（ステップＳ１０１）、その信号に基づいて運転状態を調べ、運転状態が高負荷側の過給領域にあるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。

過給領域にある場合は、エンジンの低速域か否かを調べ（ステップＳ１０３）、低速域であれば、電動過給機３０を駆動するとともに吸気制御弁３２を閉じるように制御する（ステップＳ１０４，Ｓ１０５）ことにより、電動過給機３０による過給を行わせる。

過給領域にある場合においてエンジンの低速域でない場合は中速域か否かを調べ（ステップＳ１０６）、中速域であれば、連通バルブ６７を閉じる（ステップＳ１０７）。さらに、電動過給機３０を停止させるとともに吸気制御弁３２を開くように制御する（ステップＳ１０８，Ｓ１０９）。

過給領域にある場合においてエンジンの高速域にある場合（ステップＳ１０３，Ｓ１０６の判定がＮＯの場合）は、連通バルブ６７を開く（ステップＳ１１０）。さらに、上記ステップＳ１０８，Ｓ１０９の処理を行う。

以上のような第２実施形態のエンジンによると、低速域では電動過給機３０が駆動され、また、中速域及び高速域では、電動過給機３０の駆動が停止されて、排気ターボ過給機２０による過給が行われる。

そして、中速域では、連通バルブ６７が閉じられ、第１集合排気通路６５ａと第２集合排気通路６５ｂとが互いに独立した状態で、夫々から排気ガスがタービン６１の第１，第２のスクロール部６１ａ，６１ｂに導かれる。これにより、第１の排気系と第２の排気系との干渉が防止されて、排気脈動が維持され、タービンに供給される排気エネルギーが高められるため、過給作用が高められ、エンジントルクが向上される。

また、エンジンの高速域では、連通バルブ６７が開かれることにより、排気脈動が打ち消され、排気抵抗が低減される。従って、排気量が多い高速域では、排気抵抗の上昇が抑えられて、ポンプロスが低減されつつ、効率良く過給が行われる。

このように、第２実施形態でも、第１実施形態と同様の効果が得られる。

図１１は、本発明の第３実施形態による過給機付きエンジンの全体構成を示している。この第３実施形態において、排気ターボ過給機７０は、排気通路に設けられたタービン７１と、吸気通路に設けられたコンプレッサ７３と、これらを連結する軸７２とを有するとともに、そのタービン７１の入り口側に可動ベーンを備えた可変容量式過給機（ＶＧＴ）で構成されている。

すなわち、図１２に示すように、タービン７１は、矢印方向に排気ガスが流れ込んでくるタービン室７４を有し、このタービン室７４の入り口側には、タービン翼７５を取り囲むように複数の可動ベーン７６が設けられている。これらの可動ベーン７６は、軸７７回りに回動可能であり、その回動により開度が変化するようになっている。

そして、図１２に実線で示すように、可動ベーン７６が相互に近接するように、つまり可動ベーン７６が円周方向に近い向きで延びるようにすれば、各可動ベーン７６で形成されるノズルの開度（可動ベーンの開度）が小さく絞られる。特にエンジンの回転数が低いときに開度が小さくされると、排気ガスの流速が高まり、かつ、排気ガスの流れがタービン翼７５の接線方向に向くので、過給効率が高まる。しかしながら、排圧が高まってしまう。

一方、図１２に二点鎖線で示すように、可動ベーン７６が相互に離反するように、つまり可動ベーン７６が半径方向に近い向きで延びるようにすれば、ノズルの開度が大きくなる。特に、エンジンの回転数が高いときに開度が大きくされると、大流量を確保することができるので、過給効率が高まる。

図１１中に示すように、可変容量式過給機（ＶＧＴ）からなる排気ターボ過給機７０に対し、そのタービン７１の可動ベーン７６の開度を変更する可動ベーン駆動装置８０が設けられ、この可動ベーン駆動装置８０により排気エネルギー調節手段が構成されている。

可動ベーン駆動装置８０は、可動ベーン７６を駆動する負圧押動式のアクチュエータ８１と、このアクチュエータ８１に対する負圧供給通路に介設された電磁弁８２と、負圧供給源としてのバキュームポンプ８３等で構成され、上記電磁弁８２がＥＣＵ５０により制御され、それによって可動ベーン７６の開度が変更されるようになっている。

エンジンのその他の構造は、図１に示した第１実施形態と同様である。なお、この第３実施形態でも、電動過給機は図１２に実線で示すような、排気ターボ過給機７０と別個の独立した電動過給機３０であってもよいし、同図に二点鎖線で示すような、排気ターボ過給機７０に電動モータ１００を組み込んだ電動アシスト式のものであってもよい。

この第２実施形態のエンジンによる場合、エンジンの低速域および中速域では、上記べ可動ベーン７６の開度を小さくする（ノズルを絞る）ことで過給性能が高められるが、絞りすぎて排圧が過給圧よりも高くなると、ポンプロスが増大するとともに、ノッキングが生じ易くなり、トルクアップを図ることができない。

そこで、エンジンの低速域では、排圧が所定の過給圧よりも低くなるように上記可動ベーン７６の開度が調節されるとともに、電動過給機３０が駆動されて、所定の過給圧が得られるように制御される。

またエンジンの中速域では、電動過給機３０が駆動が停止されるとともに、排圧が過給圧よりも高くならない範囲で適度にノズルを絞るように可動ベーン７６の開度が調節された状態で、排気ターボ過給機７０による過給が行われる。

さらにエンジンの高速域では、可動ベーン７６が全開とされた状態で、排気ターボ過給機７０による過給が行われる。

このようにして、第３実施形態でも、第１実施形態および第２実施形態と同様の効果が得られる。

本発明の第１実施形態による過給機付きエンジンの全体構成を示す概略図である。排気通路容積可変装置を組み込んだ排気マニフォールドを示す断面図である。排気通路容積可変装置の要部の拡大断面図である。排気弁および吸気弁のバルブリフト特性を示す説明図である。エンジンの運転領域と過給の状態との関係を示す図である。第１実施形態による過給の制御の一例を示すフローチャートである。排気弁の開時期と過給圧およびエンジントルクとの関係を示す図である。第１実施形態の変形例を示すエンジン全体の概略図である。本発明の第２実施形態による過給機付きエンジンの全体構成を示す概略図である。第２実施形態による過給の制御の一例を示すフローチャートである。本発明の第３実施形態による過給機付きエンジンの全体構成を示す概略図である。第３実施形態において用いられる可変容量式過給機のタービン室の概略拡大断面図である。

符号の説明

１エンジン本体
１０吸気通路
１５排気通路
２０，６０，７０排気ターボ過給機
３０電動過給機
４０排気通路容積可変装置
４８バルブタイミング可変装置
５０ＥＣＵ（制御手段）
６５ａ第１集合排気通路
６５ｂ第２集合排気通路
６６連通路
６７連通バルブ（制御弁）
８０可動ベーン駆動装置

Claims

排気ターボ過給機と電動過給機とを備えた過給機付きエンジンであって、
排気ターボ過給機としてエンジンの高速域で高い過給性能を有する高速型の排気ターボ過給機を設けるとともに、
上記排気ターボ過給機の過給性能が低下する運転領域でタービンに供給する排気エネルギーを高めることが可能な排気エネルギー調節手段と、
上記電動過給機及び上記排気エネルギー調節手段を制御する制御手段とを備え、
上記制御手段は、エンジンの低速域で上記電動過給機を駆動するとともに、エンジンの中速域で上記排気エネルギーを高めるように上記排気エネルギー調節手段を制御することを特徴とする過給機付きエンジン。
上記排気エネルギー調節手段は、排気弁の開弁時期を変更可能にするバルブタイミング可変装置により構成され、エンジンの中速域で排気弁の開弁タイミングを遅らせるように上記バルブタイミング可変装置が制御されることを特徴とする請求項１記載の過給機付きエンジン。
上記バルブタイミング可変装置は、排気弁の開弁タイミングを遅らせるときに吸・排気弁の開弁オーバラップ期間を増大させるようになっていることを特徴とする請求項２記載の過給機付きエンジン。
上記排気エネルギー調節手段は、上記タービンより上流の排気通路の容積を変更可能にする排気通路容積可変装置により構成され、エンジンの中速域で排気通路の容積を小さくするように上記排気通路容積可変装置が制御されることを特徴とする請求項１記載の過給機付きエンジン。
上記排気ターボ過給機のタービンが２つのスクロール部を有し、
上記排気エネルギー調節手段は、多気筒エンジンの排気通路を点火時期が連続しない気筒の排気通路同士を同一の排気系とするようにグループ化して、それぞれ排気ガスを上記各スクロール部に導くようにした第１及び第２の排気系と、この第１及び第２の排気系を連通させる連通路と、この連通路を開閉する制御弁とで構成され、エンジンの中速域で上記連通路を閉じ、エンジンの高速域で上記連通路を開くように上記制御弁が制御されることを特徴とする請求項１記載の過給機付きエンジン。
上記排気ターボ過給機がタービンの入り口側に可動ベーンを備えた可変容量型過給機で構成され、
上記排気エネルギー調節手段は、上記可動ベーンの開度を変更する可動ベーン駆動装置により構成され、エンジンの中速域で上記可動ベーンの開度を小さくし、エンジンの高速域で上記可動ベーンの開度を大きくするように上記可動ベーン駆動装置が制御されることを特徴とする請求項１記載の過給機付きエンジン。