JPS6355326A - エンジンの排気装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はエンジンの排気装置に関するものである。

［従来技術］ エンジンの排気ガスが有するエネルギを利用して、エン
ノンの出力を向上させるため、エンノンの排気通路にタ
ービンを介設して、このタービンを排気ガスで駆動する
ようにするとともに、このタービンによって駆動される
ブロワを吸気通路に介設し、このブロワで加圧した吸気
を各気筒に充填するようにした排気ターボ過給機は、よ
く知られている。

ところで、自動車用エンジンのように、低速から高速に
至る広い運転範囲を有するエンジンでは、排気ガス量も
広い範囲で変動する。この１こめ、上記のような排気タ
ーボ過給機を備えたエンジンでは、高回転高負荷となる
に従って排気ガス量が増加すると、タービンが排気抵抗
となって、排圧が過度に上昇し、この上うな排圧の上昇
に伴って燃焼室内の残留ガスの増加および充填量の減少
か招来されるといった問題かあり、一般には、排気通路
にタービンをバイパスするウェストゲート通路を設け、
排圧が設定値まで上昇したときにウェストゲート通路を
開いてタービンをバイパスさせる方式が採用されている
。

しかしながら、このウェストゲート方式においても、タ
ービン効率を上げるためにはタービンに至る排気通路設
定の面積をある程度絞り込む必要があることから、排気
抵抗を必要十分に低域できない問題がある。

このため、夫々第１．第２排気弁によって開閉される第
１排気ポートと第２排気ポートとを設け、第１排気ポー
トから排出される排気ガスは、第１排気ポートに連通ず
る第１排気通路に介設されたタービンに導き、該タービ
ンにより吸気通路に介設されたブロワを駆動して過給を
行う一方、第２排気ポートに連通し、かつ上記タービン
をバイパスする第２排気通路を設け、排気ガスの一部を
上記第２排気ポートから直接にこの第２排気通路に排出
することにより排圧の上昇を抑制するようにしたエンジ
ンの排気装置が提案されている（例えば、特開昭５７−
１４６０２１号公報参照）。

ところで、エンジンの排気行程、特に高回転高貴りｉ運
転時においては、排気弁が開かれた際、燃焼室内に閉じ
込められていた圧力の高い燃焼ガスがブローダウンガス
と呼ばれる高温高圧の排気ガスとしてパルス状に一挙に
排気通路に排出される。

そして、上記のような過給機のタービンをバイパスする
第２排気通路を設けた従来の排気装置では、高回転高負
荷時の排圧の上昇は全体として抑制されるものの、排気
弁が開かれた際、上記のブローダウンガスがタービンに
直接に作用するため、タービンは急激な圧力変動を受け
るとともに温度が過上昇し、従ってタービンの耐久性や
効率が低　下するという問題があった。

［発明の目的］ 本発明は、エンジンの高回転高負荷時の排圧の上昇を有
効に抑制するとともに、タービンに流入するブローダウ
ンガスによる排気の圧力変動の平滑化を図り、かつター
ビン温度の過上昇を防止し、タービンの耐久性と効率を
高めるようにした排気ターボ過給機付エンジンの排気装
置を提供することを目的とする。

［発明の構成］ 本発明は、上記の目的を達するため、第１排気ポートと
第２排気ポートとを備え、第１排気ポートを介して排出
される排気ガスを第１排気通路に介設されたタービンに
導き、該タービンにより吸気通路に介設されたブロワを
駆動して過給を行う一方、第２排気ポートを介して排出
される排気ガスを、上記タービンをバイパスして設けら
れた第２排気通路を通して排出するようにしたエンジン
の排気装置において、 第２排気ポートの開時期を第１排気ポートの開時期より
早めるとともに、作動時に第２排気ポートからの排気ガ
スの流れを停止させる手段を設け、少なくとも高回転高
負荷時には該停止手段を不作動とするようにしたことを
特徴とする、エンジンの排気装置を提供する。

［発明の効果］ 本発明によれば、エンジンの高回転高負荷時には、停止
手段を不作動とすることにより高温高圧のパルス状のブ
ローダウンガスを開時期が早く設定された第２排気ポー
トから排気ターボ過給機のタービンをバイパスする第２
排気通路に排出されるようにしたので、タービンにパル
ス状の高圧波が直接に作用することがなく、タービンの
過度な温度上昇が防止され、かつ、タービンに流入する
排気ガスの圧力が平滑化され、タービンの耐久性と効率
が向上する。さらに、排圧の上昇が抑制され、燃費性が
向上する。

また、低回転時には、停止手段が作動されて第２排気通
路側が遮断されるのですべての排気ガスがタービンに導
入され、効果的な動圧過給が行えるのでエンジンの出力
を高めることができる。

［実施例］　　　　　″ 以下、本発明の実施例を風体的に説明する。

第１図に示すように、４気筒レシプロエンジンＥを構成
する各気筒＃１〜＃４には、夫々第１排気弁１によって
開閉される第１排気ポート２と、第２排気弁３によって
上記第１排気ポート２よりやや早い時期に開閉される第
２排気ポート４とが設けられている（第４図参照）。上
記第１、第２排気弁は、具体的に図示しないが、周知の
動弁機構により、エンジンの回転に同期した所定のタイ
ミングで開閉駆動されるようになっており、各第２排気
弁３はマイクロコンピュータで構成された制御回路５か
らの停止信号によって、所定の運転状態においては動弁
機構から切り離されるようになっており、開弁動作が停
止されるようになっている。

上記制御回路５は、図示していない回転数センサによっ
て検出されるエンジン回転数、図示していない圧力セン
サによって検出される過給圧等を入力情報として各第２
排気弁３の作動・停止の制御を実行するようになってい
る。

上記各第１排気ポート２は、夫々排気の動圧を確保する
ために比較的小径に形成された第１分岐排気通路６に接
続されている。これらの第１分岐排気通路６は第１集合
部７で単一の第１排気通路８に集合されている。この第
１排気通路８には、エアフローメータ９下流の吸気通路
１１に介設された、排気ターボ過給機１２のブロワ１２
ａをシャフト＋２ｂを介して駆動するためのタービン１
２ｃが介設されている。なお、タービン１２ｃ直前で第
１排気通路８は排気ガスの流速を大きくし動圧を確保す
るため絞り込まれている。そして、上記第１排気通路８
の第１集合部７下流でかつタービン＋２ｃの上流となる
位置と、タービン１２Ｃのやや下流となる位置との間に
は、タービン１２ｃをバイパスするバイパス通路１３が
設けられており、このバイパス通路１３には、タービン
１２ｃに流入する排気量を調節し、吸気通路ｌｉ内の過
給圧を最高過給圧以下に制御するために、バイパス通路
１３を開閉するウェストゲートパルブト１が介設されて
いる。

一方、各第２排気ポート４は、それぞれエンジンＥの排
圧の上昇を抑制するために比較的大径に形成された第２
分岐排気通路１５に接続されている。これらの各第２分
岐排気通路１５は第２集合部１６で単一の第２排気通路
１７に集合されており、この第２排気通路１７は、合流
部１８で、さらに前記第１排気通路８と集合されて共通
排気通路１９に接続されている。

次に、制御回路５による第２排気弁３の制御方法につい
て、第３図に示す制御フローチャートを参照しながら詳
しく説明する。

制御が開始されると、まずステップＳ１で、図示してい
ない回転数センサで検出されるエンジン回転ｆｆ１Ｎと
図示していない圧力センサで検出される吸気通路ｌｌ内
の過給圧Ｐがマイクロコンピュータで構成される制御回
路５に読み込まれる（第１図参照）。

続いて、制御はステップＳ２に進められ、このステップ
Ｓ２では、エンジン回転数Ｎが第２排気弁３の作動を停
止させるべき（閉じたままになる）低回転域にあるかど
うかを判定するために、上記エンジン回転数Ｎが予め定
めた設定回転数Ｎｍ１ｎと比較される。上記設定回転数
Ｎｍ１ｎは、エンジン回転数がこれより小さいと、エン
ジン負荷の大小にかかわらず第２排気弁３の作動を停止
させる限界を示す定数であり、予め制御回路５に記憶さ
れている。

上記の比較の結果、エンジンＥの運転状態が低回転域に
ある、すなわちＮ＜Ｎｍ１ｎとなる場合には、排圧の上
昇は小さいので、排気ガスを全量タービン＋２ｃに導入
し排気ガスの流速を高め動圧過給を効果的に行ない、も
ってエンジンの出力向上を図るために、制御はステップ
Ｓ６に分岐され、ステップＳ６で第２排気弁３の作動は
停止される。

但し、前回以萌の制御スキャンにおいてすてに第２排気
弁３の作動が停止トされているときは、停止状態が継続
される。

第２排気弁３の作動が停止されている（閉じたままにな
る）ときには、本実施例の排気装置は、単一の排気通路
に排気ターボ過給機のタービンを介設した従来の排気装
置と全く同様の作用をもたらす。続いて、ステップＳ７
でイグニッンヨンスイッヂがオンか否かか判定され、オ
ンであればエンジンＥは運転を継続しているので、制御
はステップＳｔに復帰・続行される。これに対して、イ
グニッションスイッヂがオフであれば、エンジンの運転
は停止されているので制御は終了する。

一方、ステップＳ２において、エンジンＥの運転状態が
高回転域にある、すなわちＮ≧Ｎｍ１ｎとなる場合には
、さらに、エンジンの負荷の大小によって第２排気弁３
の作動の要否を判定するために、制御はステップＳ３に
進められる。

ステップＳ３では、エンジンＥの負荷の大小に応じて夫
々第２排気弁３を作動又は停止させるために、第２排気
弁３を作動させるべき吸気通路１１内の過給圧の設定圧
Ｐｓを演算する。上記設牢圧Ｐｓは、例えばエンジンの
回転数Ｎの１次関数Ｐｓ（Ｎ）として表わされ、この関
数Ｐｓ（Ｎ）は制御回路５に予め記憶されている。従っ
て、ステップＳ３では、時々刻々のエンジン回転数Ｎに
対応する設定圧Ｐｓ（Ｎ）が演算される。

次に制御は、ステップＳ４に進められ、エンジン負荷の
状態が判定される。ステップＳ４では、ステップＳｌで
読み込まれた吸気通路！！内の過給圧ＰとステップＳ３
で演算された設定圧Ｐ　ｓ（Ｎ　）の比較が行なわれる
。

上記の比較の結果、エンジンＥの運転状態が低負荷域に
ある、すなわちＰ≦Ｐｓ（Ｎ）となる場合には、前記の
低回転時と同様排圧の上昇は小さいので、排気ガスを全
量タービン＋２ｃに導入し排気ガスの流速を高め動圧過
給を効果的に行い、もってエンジンの出力向上を図るた
めに、制御はステップＳ６に分岐され、前記のステップ
Ｓ２でＹＥＳ側に分岐されたときと全く同様にステップ
Ｓ６で第２排気弁３の作動は停止され、続いてステップ
Ｓ７でイグニッションスイッチのオン・オフに応じて、
夫々、制御が続行、又は停止される。

一方、ステップＳ４において、エンジンＥの運転状態が
高負荷域にある、すなわちＰ＞Ｐ９（Ｎ）となる場合に
は、制御はステップＳ５に進められる。ステップＳ５で
は、ブローダウン時のパルス状に高圧となる排気ガスを
タービン１２ｃをバイパスさせて、第２排気ポート４か
ら第２分岐排気通路１５及び第２排気通路！７を通して
排出し、排圧の上昇を防止するとともにブローダウンガ
スによる排圧変動を平滑化するために、第２排気弁３が
作動されるようになっている。以下、これを説明する。

第４図に示すように、上記第１排気弁ｌの開閉タイミン
グは、従来のエンジンの排気弁の開閉タイミングと同様
に、膨張行程終期の下死点ＢＤＣ直前で開き始め、吸気
行程初期の上死点ＴＤＣ直後に閉じろように設定されて
いる。これに対して、上記第２排気弁３の開弁タイミン
グは、第１排気弁ｌの開弁タイミングより早く設定され
ており、（例えば、クランク角で、第２排気弁３の開弁
タイミング３２０°に対して、第１排気弁ｌの開弁タイ
ミング３４０６）、一方第２排気弁３の閉弁タイミング
は排気行程下死点ＢＤＣより若干後のタイミング（例え
ば、下死点ＢＤＣよりクランク角で４００）に設定され
ている。このような第２排気弁３の開閉タイミングは、
実質的にブローダウン時の高温高圧の排気ガスがタービ
ン１２ｃをバイパスして第２分岐排気通路１５及び第２
排気通路１７を通して排出され、その後に第１排気弁１
が開かれると、燃焼室内のその他の排気ガスが第１分岐
排気通路６坐び第１排気通路８を通してタービン１２ｃ
に導かれるように設定されている。

従って、第５図に示すように、従来システムでは排圧特
性がクランク角に対して曲線Ｃ１で示されるような形状
となり、ブローダウン時にはパルス状に圧力が上昇する
変動の激しい特性となるが、本実施例によるシステムで
は第１排気弁ｌに先行して第２排気弁３が開かれ、燃焼
室内の高圧が第２排気ポート４から初期に逃がされるた
め、第１排気通９路８のタービン上流での排圧特性はク
ランク角に対して曲線Ｃ！で示されるような形状となり
、タービン１２ｃに作用する排圧は実質的に平滑化され
るようになっている。なお、点火タイミングの運転状態
に応じた変更等にともなって、制御回路５により設定す
る第２排気弁３の開閉タイミングをエンジンＥの運転状
態に応じて時間的に前後にずらせられるよ、うにして、
パルス状のブローダウンガスを確実にタービン１２ｃを
バイパスさせるようにすればより適格な排圧制御が行え
る。

以上のように、第２！＃気弁３を作動させることによっ
て、タービン１２ｃは過熱及び圧力変動から保護されタ
ービンの耐久性が向上するとともにタービン効率が向上
するようになる。また、排圧の上昇が抑制されるため、
燃費性が向上するようになる。

続いて、ステップＳ７でイグニッションスイッチがオン
か否かが判定され、オンであれば制御はステップＳｌに
復帰・続行され、オフであれば制御は終了する。

以上のような、第２排気弁３の制御が行なわれる結果、
第２排気弁３の開度、ウェストゲートバルブ１４の開度
、吸気通路ｌｌ内の過給圧及びエンジンＥの平均有効圧
力Ｐｅがエンジン回転数に対してどのように変化するか
の一例を第６図に示す。

第６図に示すように、エンジン回転数Ｎが次第に増加し
ていくと、過給圧Ｐは最初は直線的に増加するが、過給
圧が最高過給圧ＰＡに達する、エンジン回転数Ｎ＝Ｎ、
となる時点からは、ウェストゲートバルブ１４が開き始
め、ウェストゲートバルブ１４によって過給圧が最高過
給圧ＰＡで一定となるようにコントロールされる。さら
にエンジン回転数Ｎが増加すると、ウェストゲートバル
ブ１４が次第に開度を大きくしつつ、過給圧を最高過給
圧ＰＡに保っているが、エンジン回転数Ｎが前記の最低
回転数Ｎｍ１ｎに達した時点で、第２排気弁３が作動を
開始する。この例ではＮ＝Ｎｍｉｎとなった時点での過
給圧Ｐ＝ＰＡは前記の設定圧Ｐｓ（Ｎ）より大きいので
、ＰＡ＞ＰＳ（Ｎ）となっており、第３図の制御フロー
チャート（ステップＳ４）に従って、第２排気弁３が作
動を開始する。

このため、排圧が下がるので、過給圧を最高過給圧ＰＡ
で一定となるようにコントロールしているウェストゲー
トバルブ！４の開度は、階段状に下がる。さらにエンジ
ン回転数Ｎが増加すると、再びウェストゲートバルブ１
４が開度を大きくしつつ、過給圧を最高過給圧ＰＡで一
定となるようにコントロールする。

このとき、エンジンＥの平均有効圧力Ｐｅは、第２排気
弁３が全閉のまま保持された場合には、エンジン回転数
Ｎの増加に従って曲線Ｇ１で示されるように最初は増加
するが極大点Ｍに達した後はゆるやかに減少する。これ
に対して、第２排気弁３がエンジン回転数Ｎｍ１ｎ以上
で開閉駆動された場合には、平均有効圧力Ｐｅは曲線Ｇ
、で示されるように、第２排気弁３が作動する時点Ｎ＝
Ｎｍｉｎよりエンジン回転数Ｎが大きい領域ではブロー
ダウンガスがタービン１２ｃをバイパスして通されるの
でＰｅは急激に減少する。従って、第２排気弁３が作動
した場合、エンジンＥの平均有効圧Ｐｅは曲線ＧＩと曲
線Ｇ、の差だけ減少しく領域（Ｂ）で示されている）、
これに相当する無駄なピストン仕事が軽減され、燃費性
が向上するようになっている。

また、第７図に、エンジン回転数ＮをＮｍｌｎ以上で一
定にして、エンジン負荷を増加させた場合の、第２排気
弁３の開度とウェストゲートバルブ１４の開度の平均有
効圧力Ｐｅに対する変化の状態を示す。

第７図に示すように、エンジン回転数ＮがＮｍｌｎ以上
で一定のときは、平均有効圧力Ｐｅの増加に伴って吸気
通路ＩＩ内の過給圧Ｐも直線的に増加し、過給圧Ｐが、
そのエンジン回転数Ｎに対応する設定圧Ｐｇ（Ｎ）に達
した平均有効圧力Ｐｅ＝Ｐｅ１の時点で第２排気弁３が
作動するようになっている。

次に、本発明のもう一つの好ましい実施例を第２図に示
す。但し、第１図に示す実施例と同一の構成と作用を有
する部材には同一番号を付しており、その説明は重複を
避けるため省略する。

第２図に示す実施例では、ある気筒の排気行牒の初期に
排気ガスの吹き出しによって発生する正の圧力波が排気
行程の終期にある他の気筒の排気ポートに伝播し残留ガ
ス圧を高め体積効率を豫化させる、いわゆる排気干渉を
防止するために、第２排気通路を２系統に分離している
。すなわち、点火順序が連続しない＃　ｌ　、　；＃　
４気筒（以下第１気筒ｎＰという）の夫々の第２分岐排
気通路１５ａ１１５ｄは第２Ｐ排気通路２！に接続され
、この第２Ｐ排気通路２Ｉには、吸気通路ｌｌ内の過給
圧を制御するための第１ウエストゲートバルブ２２が介
設されている。

一方、点火順序が連続しない＃　２　、＃　３気筒（以
下第２気筒群Ｓという）の夫々の第２分岐吸気通路１５
ｂ１１５ｃは第２８排気通路２３に接続され、この第２
８排気通路２３には、吸気通路Ｉｔ内の過給圧を制御す
るための第２ウエストゲートバルブ２４が介設されてい
る。

そして、本実施例では過給圧制御は上記の第１ウエスト
ゲートバルブ２２と第２ウエストゲートバルブ２４のみ
で行なわれるため、第１排気通路８にはバイパス通路及
びウェストゲートバルブは設ける必要がない。また、第
２排気ポート４からの排気ガスの流れは上記の第１ウエ
ストゲートバルブ２２と第２ウエストゲートバルブ２４
で停止できるので、第２排気弁３に対しては停止手段を
設ける必要がない。従って部品点数を減らすことができ
、システムが簡素化されコストダウンを図ることができ
る。

上記第１気筒群Ｐの排気を通す第２Ｐ排気通路２１と第
２気筒ｎＳの排気を通す第２Ｓ排気通路２３は夫々、第
１排気通路８とタービン１２ｃ下流で集合され１本の共
通排気通路１９に接続されている。

ところで、第１排気通路８と第２Ｐ排気通路２１の合流
部下流の共通排気通路１９には、圧力波を利用して、気
筒内の残留ガスの吹き出し効果を高めるために、十分な
容積を有する容積部２５が設けられている。

以下、上記容積部２５の作用について、＃ｌ気筒につい
て代表的に説明するが、＃２〜＃４気筒についても同様
である。

＃１気筒の排気行程の初期にブローダウンガスによって
、第２排気ポート４近傍に発生した正の圧力波は、下流
に向かって略音速で順次第２分岐排気通路＋５ａ、第２
Ｐ排気通路２１．共通排気通路１９を伝播し、開放端と
なる容積部２５で負の圧力波となって反射され、再び、
略音速で上流に向かって共通排気通路１９、第２Ｐ排気
通路２１、第２分岐排気通路＋５ａを伝播して排気行程
の後段に第２排気ポート４に到達し、＃１気筒内の残留
ガスを吸い出すようになっている。上記容積部２５の位
置は、上記の圧力波が一連の排気通路内を往復伝播する
のに要する時間が、第２排気弁３の開閉タイミングとマ
ツチングするように設定されていることはもちろんであ
る。これによって、残留ガスの吹き出し効果を向上させ
ることができ燃費性を向上させることができる。

以上、第２図に示す実施例によれば、排圧の上昇の抑制
により燃費性が向上するとともに排圧の平滑化によりタ
ービン＋２ｃの効率が高まる。さらに、排気システムが
簡素化されコストが低減できるとともに、圧力波を利用
して排気効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例を示す排気ターボ過給機を備
えた４気筒レシプロエンジンのシステム′構成図である
。 第２図は、本発明のもう一つの好ましい実施例を示す排
気ターボ過給機を備えた４気筒レシプロエンジンのシス
テム構成図である。 第３図は、第２排気弁の作動と停止の制御方法を示すフ
ローチャートである。 第４図は、第！排気弁と第２排気弁の開閉タイミングを
示す図である。 第５図は、従来システムと本実施例の排圧特性を示す図
である。 第６図は、本実施例における排気装置のエンジン回転数
に対する作動状態を示す図である。 第７図は、本実施例における排気装置の平均ａ動圧力に
対する作動状態を示す図である。 ｌ・・・第１排気弁、　２・・・第１排気ポート、３・
・・第２排気弁、　４・・・第２排気ポート、８・・・
第１排気通路、１２・・・排気ターボ過給機、１２ａ・
・・ブロワ、　　１２Ｃ・・・タービン、１７・・・第
２排気通路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１排気ポートと第２排気ポートとを備え、第１
   排気ポートを介して排出される排気ガスを第１排気通路
   に介設されたタービンに導き、該タービンにより、吸気
   通路に介設されたブロワを駆動して過給を行う一方、第
   ２排気ポートを介して排出される排気ガスを、上記ター
   ビンをバイパスして設けられた第２排気通路を通して排
   出するようにしたエンジンの排気装置において、 第２排気ポートの開時期を第１排気ポートの開時期より
   早めるとともに、作動時に第２排気ポートからの排気ガ
   スの流れを停止させる手段を設け、少なくとも高回転高
   負荷時には該停止手段を不作動とするようにしたことを
   特徴とする、エンジンの排気装置。