JP5304149B2

JP5304149B2 - 多気筒エンジンの排気装置

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Publication number: JP5304149B2
Application number: JP2008252988A
Authority: JP
Inventors: 健一森実
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2008-09-30
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2028-09-30
Also published as: JP2010084578A

Description

本発明は、排気ターボ過給機を有する多気筒エンジンの排気装置に関するものである。

排気ターボ過給機付きの多気筒エンジンでは、各気筒毎の排気通路を集合させた排気マニホールドを介して排気ターボ過給機に排気を導くようにしている。しかし、全気筒の排気通路を１つに集合させると、排気マニホールド内で各気筒からの排気が干渉し合うことにより、排気エネルギの損失が大きくなり、排気ターボ過給機の仕事量が減少する。

そこで、互いに排気順序が隣り合わない気筒からなる２つの気筒グループ毎に、排気マニホールドを設け、２つの排気マニホールドから排気ターボ過給機に排気を導くように構成することが提案されている（特許文献１及び２）。この構成によれば、排気マニホールド内での各気筒からの排気の干渉を抑制することができると共に、個々の排気マニホールドの容積が小さくなるため、排気エネルギの損失を、より小さくすることができる。
特開２００７−２３１９０６号公報特開２００８−３１９４２号公報

排気ターボ過給機には、加速時の応答性が要求される。特許文献２には、２つの排気マニホールドの下流端を、タービンホイールの径方向に並べて排気ターボ過給機に接続し、かつ、タービンホイールの径方向外側に接続される排気マニホールドの容積を相対的に小さくしたものが開示されている。排気マニホールドの容量が小さければ、それだけ排気エネルギの損失が小さく、流速の低下が小さい。また、排気ターボ過給機のスクロール部の外周側においては、内周側よりも流速の低下が小さい。

特許文献２の構成では、相対的に容積が小さい排気マニホールドを流れる排気の流速低下が小さくなるため、排気の運動エネルギの損失が小さく、このため、この運動エネルギによりタービンホイールの回転上昇の立ち上がりを早くし、加速時の応答性を向上できる。特に、排気流速が速い、排気バルブの開弁直後の排気のエネルギ（ブローダウンエネルギ）をタービンホイールの回転上昇に効率よく利用できる。

しかし、特許文献２の構成においても、加速時の応答性の点で更なる改善の余地がある。また、排気ターボ過給機には、加速時の応答性の他、燃費改善の観点から背圧の上昇によるポンピングロスの低減も要求される。

本発明の目的は、排気ターボ過給機を備えた多気筒エンジンにおいて、ポンピングロスの増加を抑制しながら加速時の応答性を向上することにある。

本発明によれば、互いに排気順序が隣り合わない気筒からなる２つの気筒グループ毎に、各気筒の排気通路を下流側で集合して形成された第１及び第２集合排気通路と、前記第１及び第２集合排気通路の各下流端が接続されたタービン入口部と該タービン入口部に連通してタービンの内部空間を規定する蝸牛形状のタービンスクロール部とを有する排気ターボ過給機と、を備え、前記第１集合排気通路は前記第２集合排気通路よりも容積が小さく、前記第１集合排気通路の前記下流端が、前記第２集合排気通路の前記下流端よりも、前記排気ターボ過給機のタービンホイールの径方向外側で前記タービン入口部に接続された多気筒エンジンの排気装置において、前記排気ターボ過給機が、前記タービンホイールの周囲に該タービンホイールへの排気通路面積を変化させる複数の可変翼を備え、前記タービンホイール及び可変翼が前記タービンスクロール部で規定されるタービンの内部空間に設けられた可変容量式の排気ターボ過給機であり、前記タービン入口部は、前記第１集合排気通路の前記下流端に連通する、相対的に前記タービンホイールの径方向外側の第１区画室と、前記第２集合排気通路の前記下流端に連通する、相対的に前記タービンホイールの径方向内側の第２区画室と、に前記タービン入口部の内部空間を仕切る仕切り壁を有し、該仕切り壁は、前記タービンスクロール部で規定されるタービンの内部空間には延びていないこと、そして、前記多気筒エンジンの運転状態に応じて前記可変翼の開度を制御する開度制御手段と、前記多気筒エンジンの加速運転を開始するか否かを判定する加速開始判定手段と、を備え、前記開度制御手段は、前記加速開始判定手段が加速運転を開始すると判定した場合に、前記可変翼の開度を一時的に最小にすることを特徴とする多気筒エンジンの排気装置が提供される。

この構成によれば、前記第１集合排気通路を通過した排気は、その流速低下が小さい状態で、タービンホイールに導かれる。そして、加速運転の開始時に前記可変翼の開度を最小にして流速を高めることで、排気の運動エネルギによりタービンホイールの回転上昇の立ち上がりを早くすることができる。よって、加速時の応答性を向上できる。前記可変翼の開度を最小にすると背圧が増大するが、これを一時的に行うことにより、ポンピングロスの増加を抑制することができる。すなわち、加速初期においてのみ前記可変翼の開度を最小とすることで、加速時の応答性を向上しながら、背圧増加によるポンピングロスの増加を抑制できる。

本発明においては、前記タービン入口部は、前記第１集合排気通路の前記下流端に連通する、相対的に前記タービンホイールの径方向外側の第１区画室と、前記第２集合排気通路の前記下流端に連通する、相対的に前記タービンホイールの径方向内側の第２区画室と、に前記タービン入口部の内部空間を仕切る仕切り壁を有している。

この構成によれば、前記第１集合排気通路を通過した排気と、前記第２集合排気通路を通過した排気との、前記排気ターボ過給機内での干渉を遅らせ、当該干渉による前記第１集合排気通路を通過した排気の流速低下を小さくすることができ、加速時の応答性を更に向上できる。

また、本発明においては、前記第１及び第２集合排気通路の基本横断面積が略同一であり、前記第１集合排気通路を構成する前記排気通路の通路長が、前記第２集合排気通路を構成する前記排気通路の通路長よりも短くてもよい。この構成によれば、前記第１及び第２集合排気通路の容積の大小を、通路長の長短で実現することができる。

また、本発明においては、前記多気筒エンジンが直列４気筒エンジンであり、前記排気順序が、気筒列方向で１番気筒、３番気筒、４番気筒、２番気筒の順であり、前記第１集合排気通路が、前記２番気筒及び前記３番気筒の前記排気通路により、前記第２集合排気通路が、前記１番気筒及び前記４番気筒の前記排気通路により、それぞれ形成され、前記タービン入口部の気筒列方向の位置が、前記２番気筒と前記３番気筒との間であってもよい。この構成によれば、前記多気筒エンジンのコンパクト化が図れる。

また、前記開度制御手段は、前記加速開始判定手段が加速運転を開始すると判定した場合に、前記可変翼の開度を、予め定めた時間だけ最小にし、該時間の経過後、前記多気筒エンジンの運転状態に応じた開度に増大してもよい。この構成によれば、前記可変翼の開度を最小にする期間を時間で管理することで、より簡易な制御で、加速時の応答性を向上しながら、背圧増加によるポンピングロスの増加を抑制できる。

以上述べた通り、本発明によれば、排気ターボ過給機を備えた多気筒エンジンにおいて、ポンピングロスの増加を抑制しながら加速時の応答性を向上することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る排気装置を適用したエンジンＡのブロック図である。エンジンＡは、本実施形態の場合、直列４気筒の４サイクルディーゼルエンジンであるが、本発明はガソリンエンジンや、気筒数、気筒配置の異なる他の多気筒エンジンにも適用可能である。

エンジンＡは、シリンダヘッド及びシリンダブロック等からなるエンジン本体１を備える。エンジン本体１は、４つの気筒２（＃１乃至＃４）を備える。４つの気筒２（＃１乃至＃４）の排気順序は、本実施形態の場合、気筒２（＃１）→気筒２（＃３）→気筒２（＃４）→気筒２（＃２）である。各気筒２には、電子制御式の燃料噴射弁３と、吸気ポート４を開閉する２つの吸気バルブ、及び、排気ポート６を開閉する２つの排気バルブと、が設けられている。各吸気ポート４には、吸気マニホールド５が接続されている。また、各排気ポート６には、排気マニホールド１０、２０が接続されている。

排気マニホールド１０は、互いに排気順序が隣り合わない気筒（＃２）と気筒（＃３）のグループの集合排気通路を形成する。排気マニホールド１０は、気筒（＃２）と気筒（＃３）の各排気ポートにそれぞれ接続された分岐管部１１と、これら分岐管部１１の下流側を集合させた集合部１２と、を有する。排気マニホールド２０は、互いに排気順序が隣り合わない気筒（＃１）と気筒（＃４）のグループの集合排気通路を形成する。排気マニホールド２０は、気筒（＃１）と気筒（＃４）の各排気ポートにそれぞれ接続された分岐管部２１と、これら分岐管部２１の下流側を集合させた集合部２２と、を有する。

排気マニホールド１０は、その内部の通路の容積として、と排気マニホールド２０の内部の通路の容積よりも大きい容積を有する。本実施形態の場合、排気マニホールド１０及び２０の基本横断面積（分岐管部１１、２１の内部通路の横断面積）は略同一とする一方、排気マニホールド１０及び２０の通路長を排気マニホールド１０の方が短くすることにより、これらの内部の通路の容積に差を生じさせている。このように容積の大小を、通路長の長短で実現することで、より簡易に容積の大小を実現できる。

エンジンＡは、排気ターボ過給機（以下、単に過給機ともいう。）３０を備える。過給機３０はＶＧＴ（バリアブルジオメトリターボ））であり、可変容量式の排気ターボ過給機である。過給機３０は、タービン３１と、コンプレッサ３２と、を備え、これらの内部に設けられたタービンホイールとコンプレッサホイールとが軸３３で連結されている。

周知の通り、排気によりタービンホイールが回転し、その駆動力が軸３３を介してコンプレッサホイールに伝達され、吸気通路７ａからコンプレッサ３２に導入される吸気が過給されて吸気通路７ｂへ圧送される。吸気通路７ｂは吸気マニホールド５と接続されており、過給された吸気は、気筒２へ導入されることになる。本実施形態の場合、吸気通路７ｂと排気マニホールド２１とはＥＧＲガス通路９で接続されており、排気の一部が吸気に還流されるようにされている。ＥＧＲバルブ９ａはＥＧＲガス通路９を開閉する。

タービン３１はウエストゲート通路３４と、ウエストゲート通路３４を開閉するウエストゲートバルブ３４ａと、を備える。ウエストゲートバルブ３４ａは、タービン３１内の排気圧が規定値に達するとウエストゲート通路３４を開き、これにより、排気マニホールド１０及び２０からタービン３１へ導入される排気はタービン３１をバイパスして排気通路８へ流れることになる。なお、ウエストゲート通路３４の開閉は、過給圧に応じて開閉するバルブを用いて開閉する構成も採用可能である。

タービン３１には、また、アクチュエータ３５を備える。アクチュエータ３５は、不図示の開閉機構を介して後述する可変翼３１３を開閉する駆動源であり、例えば、ステッピングモータである。

次に、図２は、気筒２（＃１）側から見たタービン３１の側面図であり、図３はタービン３１の内部構成を示す断面図である。図３を参照して、タービン３１は、入口部３１ａと連通してタービン３１の内部空間を規定する蝸牛形状のタービンスクロール部３１１と、タービンホイール３１２と、を有する。タービンホイール３１２の周囲には、複数の可変翼３１３が配設されている。可変翼３１３は軸３１３ａ回りに回動可能に設けられており、タービンスクロール部３１１により形成されるタービンホイール３１２への排気通路の排気通路面積を変化させる。図３において、実線は中開度の可変翼３１３の位置を例示し、破線は最小開度の可変翼３１３の位置を例示している。なお、相対的に排気通路面積が小さい可変翼３１３の位置を開度が小さいといい、相対的に排気通路面積が大きい可変翼３１３の位置を開度が大きいという。

図２及び図３を参照して、排気マニホールド１０及び２０は、それらの集合部１２、２２が、内部空間が互いに隔離された状態で一体に結合されて、タービン３１の入口部３１ａに接続されている。排気マニホールド１０の下流端である集合部１２の端部は、排気マニホールド２０の下流端である集合部２２の端部よりも、タービンホイール３１２の径方向外側で入口部３１ａに接続されており、入口部３１ａにおいて、集合部１２と集合部２２とは、タービンホイール３１２の径方向に併設されて入口部３１ａに接続されている。

このような構成により、排気マニホールド１０を通過する排気は、図３において矢印ｄ１で示すように、タービンスクロール部３１１内において、タービンホイール３１２の径方向外側を流れ易くなり、排気マニホールド２０を通過する排気は、図３において矢印ｄ２で示すように、タービンスクロール部３１１内において、タービンホイール３１２の径方向内側を流れ易くなる。

排気マニホールド１０は排気マニホールド２０よりも容積が小さくしたがって、排気ポート６から排出される排気の排気流速を排気マニホールド２０を通過する場合よりも低下させずにタービン３１に導くことができる。しかも、排気マニホールド１０を通過した排気は、タービンスクロール部３１１内においてタービンホイール３１２の径方向外側を流れ易いので、タービン３１内部においても流速の低下が小さい状態で、タービンホイール３１２に導かれる。

一般に、排気バルブの開弁直後は、排気流速が早く、排気のエネルギ（ブローダウンエネルギ）が高いことが知られている。本実施形態では、排気マニホールド１０において、排気流速をできるだけ低下させずに、タービンホイール３１２に排気を導くことで、ブローダウンエネルギを最大限活用し、流速による運動エネルギでタービンホイール３１２の起動イナーシャを立ち上げ、その回転上昇に効率よく利用し、応答性を向上することができる。また、本実施形態では、後述するように、エンジンＡの加速運転の開始時に可変翼３１３の開度を最小にして流速を更に高め、タービンホイール３１２の回転上昇の立ち上がりを早くする。

また、本実施形態の場合、入口部３１ａは、排気マニホールド１０と連通する、相対的にタービンホイール３１２の径方向外側の第１区画室Ｃ１と、排気マニホールド２０と連通する、相対的にタービンホイール３１２の径方向内側の第２区画室Ｃ２と、に入口部３１ａの内部空間を仕切る仕切り壁３１ｂを有している。この構成により、排気マニホールド１０を通過した排気と、排気マニホールド２０を通過した排気との、タービン３１内での干渉を遅らせ、当該干渉による排気マニホールド１０を通過した排気の流速低下を小さくすることができ、加速時の応答性を更に向上できる。

なお、本実施形態では、図１に示すように、本実施形態の場合、入口部３１ａの気筒列方向の位置が、気筒２（＃２）と気筒３（＃３）との間にある。この構成によれば、排気マニホールド１０及び２０毎に、各気筒２から入口部３１ａまでの排気通路長を、より短い長さで略同一とすることができ、エンジンＡのコンパクト化が図れる。

図１に戻り、エンジンＡの制御部の構成について説明する。エンジンＡは、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）１００により制御される。ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ１０１と、ＲＯＭ１０２と、ＲＡＭ１０３と、Ｉ／Ｆ（インターフェース）１０４とを備える。ＣＰＵ１０１はＲＯＭ１０２に記憶された制御プログラムを実行する。ＲＡＭ１０３には一時的なデータが記憶される。なお、ＲＯＭ１０２及びＲＡＭ１０３としては他の記憶手段でもよい。

Ｉ／Ｆ１０４には、エンジンＡが搭載される車両のドライバによる、アクセルペダルの開度を検出するセンサ１１０が電気的に接続されている。Ｉ／Ｆ１０４には、また、エンジンＡの回転速度を検出するセンサ１１１が電気的に接続されている。センサ１１１は、例えば、エンジンＡのクランク軸の角度を検出するクランク角センサである。ＣＰＵ１０１は、これらのセンサ１１０、１１１の検出結果、及び、不図示の各種センサの検出結果に基づいて、燃料噴射弁３、ＥＧＲ弁９ａ、アクチュエータ３５等を制御する。

図４は、ＣＰＵ１０１が実行する制御の例を示すフローチャートであり、可変翼３１３の開度制御の例を示す。Ｓ１では、センサ１１０及び１１１の検出結果を取得する。Ｓ２では、計時カウンタのカウント値が０より大きいか否かを判定する。該当する場合はＳ７へ進み、該当しない場合はＳ３へ進む。計時カウンタは、可変翼３１３の開度を最小にする時間を計時するためのソフトウエアカウンタである。

Ｓ３では、Ｓ１で取得した検出結果に基づいて、エンジンＡが加速運転を開始するか否かを判定する。該当する場合は、Ｓ４へ進み、該当しない場合はＳ６へ進む。Ｓ３では、例えば、センサ１１０により検出された、アクセルペダルの開度の単位時間あたりの増加量が規定値以上である場合に加速運転を開始すると判定する。つまり、ドライバの加速指示があった場合に、エンジンＡの加速運転を開始すると判定する。

Ｓ４では計時カウンタに初期値をセットする。初期値は、図４の処理の実行周期と、可変翼３１３の開度を最小にする規定時間と、に基づいた値である。可変翼３１３の開度を最小とするのは、一時的なものとし、規定時間は、タービンホイール３１２の起動イナーシャを立ち上げるのに必要な時間として設定する。この規定時間は、例えば、コンピュータシミュレーションの結果により演算できる。規定時間はできるだけ短い方が好ましく、例えば、数秒程度である。

Ｓ５では、可変翼３１３の開度を最小にセットする。これにより、タービンホイール３１２へ導かれる排気の流速が増速する。Ｓ６では、可変翼３１３の開度をエンジンＡの運転状態に応じてセットする。図５（ａ）は、Ｓ６での可変翼３１３の開度設定の説明図であり、同図の場合、エンジンＡの運転状態として、回転数と、別ルーチンで演算される燃料噴射量とに基づいて可変翼３１３の開度を設定する場合を例示している。同図に示すように、相対的に高回転数、高燃料噴射量の場合は、可変翼３１３の開度を大とし、相対的に低回転数、低燃料噴射量の場合は、可変翼３１３の開度を小とする。

なお、背圧増加防止のため、Ｓ６で設定する可変翼３１３の開度は、最も小さい場合であってもＳ５で設定する最小開度よりも大きくし、可変翼３１３の開度を最小開度にする場合は、エンジンＡの加速開始時のみとすることが好ましい。また、エンジンＡとしてガソリンエンジンを採用する場合、可変翼３１３の開度は、図５（ａ）の図に代えて、吸気充填量と、エンジン回転数とを指標として設定することができる。

図４に戻り、Ｓ７では計時カウンタを１つ減算する。以上により一単位の処理が終了する。

図５（ｂ）はエンジンＡの加速運転時のエンジン回転数及び可変翼３１３の変化の例を示すタイミングチャートである。エンジンＡの加速運転開始時には、上述したＳ５の処理により一時的に可変翼３１３の開度が最小にセットされる。可変翼３１３の開度が最小とされるのは、規定時間中のみであり、エンジン回転数が増加中か否かに関わらず、最小開度期間を終了する。これは背圧増加によるポンピングロスの増加を抑制するためである。

規定時間経過後、上述したＳ６の処理により、可変翼３１３の開度がエンジンＡの運転状態に応じてセットされる。本実施形態の場合、可変翼３１３の開度が最小にセットされるのは、エンジンＡの加速運転開始時のみであるため、規定時間の経過後は、可変翼３１３の開度は常に増大される。

このように本実施形態では、排気マニホールド１０を通過した排気は、その流速低下が小さい状態で、タービンホイール３１２に導かれる。そして、加速運転の開始時に可変翼３１３の開度を最小にして流速を高めることで、排気の運動エネルギによりタービンホイール３１３の回転上昇の立ち上がりを早くすることができる。よって、加速時の応答性を向上できる。可変翼３１３の開度を最小にすると背圧が増大するが、これを一時的に行うことにより、ポンピングロスの増加を抑制することができる。すなわち、加速初期においてのみ可変翼３１３の開度を最小とすることで、加速時の応答性を向上しながら、背圧増加によるポンピングロスの増加を抑制できる。

なお、本実施形態では、可変翼３１３の開度を最小にする期間を時間（規定時間）で管理したが、例えば、過給圧を検出し、過給圧の単位時間当たりの変化量が規定値に達したら、開度を最小とするのを終了してもよい。尤も、時間で管理する方がより簡易な制御を実現できる。

本発明の一実施形態に係る排気装置を適用したエンジンＡのブロック図である。タービン３１の側面図である。タービン３１の断面図である。ＣＰＵ１０１が実行する制御の例を示すフローチャートである。（ａ）は、可変翼３１３の開度設定の説明図、（ｂ）はエンジンＡの加速運転時のエンジン回転数及び可変翼３１３の変化の例を示すタイミングチャートである。

Ａエンジン
２（＃１〜＃４）気筒
１０、２０排気マニホールド
３０排気ターボ過給機
３１ａ入口部
１００ＥＣＵ
３１２タービンホイール
３１３可変翼

Claims

互いに排気順序が隣り合わない気筒からなる２つの気筒グループ毎に、各気筒の排気通路を下流側で集合して形成された第１及び第２集合排気通路と、
前記第１及び第２集合排気通路の各下流端が接続されたタービン入口部と該タービン入口部に連通してタービンの内部空間を規定する蝸牛形状のタービンスクロール部とを有する排気ターボ過給機と、
を備え、
前記第１集合排気通路は前記第２集合排気通路よりも容積が小さく、
前記第１集合排気通路の前記下流端が、前記第２集合排気通路の前記下流端よりも、前記排気ターボ過給機のタービンホイールの径方向外側で前記タービン入口部に接続された多気筒エンジンの排気装置において、
前記排気ターボ過給機が、前記タービンホイールの周囲に該タービンホイールへの排気通路面積を変化させる複数の可変翼を備え、前記タービンホイール及び可変翼が前記タービンスクロール部で規定されるタービンの内部空間に設けられた可変容量式の排気ターボ過給機であり、
前記タービン入口部は、
前記第１集合排気通路の前記下流端に連通する、相対的に前記タービンホイールの径方向外側の第１区画室と、前記第２集合排気通路の前記下流端に連通する、相対的に前記タービンホイールの径方向内側の第２区画室と、に前記タービン入口部の内部空間を仕切る仕切り壁を有し、該仕切り壁は、前記タービンスクロール部で規定されるタービンの内部空間には延びていないこと、そして、
前記多気筒エンジンの運転状態に応じて前記可変翼の開度を制御する開度制御手段と、
前記多気筒エンジンの加速運転を開始するか否かを判定する加速開始判定手段と、
を備え、
前記開度制御手段は、
前記加速開始判定手段が加速運転を開始すると判定した場合に、前記可変翼の開度を一時的に最小にすることを特徴とする多気筒エンジンの排気装置。
前記第１及び第２集合排気通路の基本横断面積が略同一であり、前記第１集合排気通路を構成する前記排気通路の通路長が、前記第２集合排気通路を構成する前記排気通路の通路長よりも短いことを特徴とする請求項１に記載の多気筒エンジンの排気装置。
前記多気筒エンジンが直列４気筒エンジンであり、
前記排気順序が、気筒列方向で１番気筒、３番気筒、４番気筒、２番気筒の順であり、前記第１集合排気通路が、前記２番気筒及び前記３番気筒の前記排気通路により、前記第２集合排気通路が、前記１番気筒及び前記４番気筒の前記排気通路により、それぞれ形成され、
前記タービン入口部の気筒列方向の位置が、前記２番気筒と前記３番気筒との間であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の多気筒エンジンの排気装置。
前記開度制御手段は、前記加速開始判定手段が加速運転を開始すると判定した場合に、前記可変翼の開度を、予め定めた時間だけ最小にし、該時間の経過後、前記多気筒エンジンの運転状態に応じた開度に増大することを特徴とする請求項１に記載の多気筒エンジンの排気装置。