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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2025149352
(43)【公開日】2025-10-08
(54)【発明の名称】排気システム
(51)【国際特許分類】
F01N 3/20 20060101AFI20251001BHJP
F01N 3/24 20060101ALI20251001BHJP
F02D 13/02 20060101ALI20251001BHJP
F02M 26/05 20160101ALI20251001BHJP
F02M 26/35 20160101ALI20251001BHJP
F01N 5/04 20060101ALI20251001BHJP
F02B 37/02 20060101ALI20251001BHJP
F02B 37/18 20060101ALI20251001BHJP
F02B 37/22 20060101ALI20251001BHJP
【ＦＩ】
F01N3/20 D
F01N3/24 C
F01N3/24 T
F01N3/24 S
F02D13/02 J
F02D13/02 B
F02M26/05
F02M26/35 C
F01N5/04 C
F02B37/02 H
F02B37/18 A
F02B37/22
F02D13/02 G
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2024049946
(22)【出願日】2024-03-26
(71)【出願人】
【識別番号】000003137
【氏名又は名称】マツダ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001427
【氏名又は名称】弁理士法人前田特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】山形 直之
【テーマコード（参考）】
3G005
3G062
3G091
3G092
【Ｆターム（参考）】
3G005EA04
3G005EA16
3G005FA22
3G005FA35
3G005FA36
3G005GA02
3G005GB27
3G005GD09
3G005HA08
3G005HA09
3G005HA12
3G005HA18
3G005JA16
3G005JA24
3G005JA35
3G005JA39
3G005JA45
3G005JA51
3G005JB02
3G062AA05
3G062BA02
3G062BA06
3G062BA09
3G062CA02
3G062ED01
3G062ED04
3G062ED09
3G062FA12
3G062GA01
3G062GA04
3G062GA06
3G062GA09
3G062GA14
3G062GA18
3G091AA02
3G091AA10
3G091AA11
3G091AA17
3G091AA28
3G091AB03
3G091BA02
3G091BA14
3G091CB07
3G091EA01
3G091EA05
3G091EA07
3G091EA17
3G091EA18
3G091EA34
3G091FA04
3G091FC05
3G091HA03
3G091HA08
3G091HA36
3G091HA37
3G091HA38
3G091HA42
3G091HB02
3G091HB05
3G091HB06
3G092AA01
3G092AA11
3G092AA17
3G092AA18
3G092BA01
3G092BA03
3G092BA04
3G092DA02
3G092DA03
3G092DB03
3G092DC08
3G092DF02
3G092FA16
3G092FA17
3G092GA02
3G092HA01Z
3G092HA16Z
3G092HD02Z
3G092HD06Z
3G092HD07Z
3G092HE01Z
3G092HE03Z
3G092HF08Z
(57)【要約】
【課題】排気触媒の暖機効率を向上させるとともに、ノッキングを抑制する。
【解決手段】排気通路５０は、第１排気バルブ２３により開閉される第１排気通路５１と、第１排気通路５１とは独立して排気ガスを流通させ、第２排気バルブ２４により開閉される第２排気通路５２と、第１排気通路５１と第２排気通路５２とが合流した第３排気通路５３と、を含み、排気触媒は、第３排気通路５３に設けられた主排気触媒６０と、第１排気通路５１に配置されかつ主排気触媒６０よりも容量が小さい副排気触媒６１と、を含み、ＥＧＲ通路５５は、第１排気通路５１における副排気触媒６１よりも下流側の部分に接続されている。
【選択図】図１
【解決手段】排気通路５０は、第１排気バルブ２３により開閉される第１排気通路５１と、第１排気通路５１とは独立して排気ガスを流通させ、第２排気バルブ２４により開閉される第２排気通路５２と、第１排気通路５１と第２排気通路５２とが合流した第３排気通路５３と、を含み、排気触媒は、第３排気通路５３に設けられた主排気触媒６０と、第１排気通路５１に配置されかつ主排気触媒６０よりも容量が小さい副排気触媒６１と、を含み、ＥＧＲ通路５５は、第１排気通路５１における副排気触媒６１よりも下流側の部分に接続されている。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
排気ガスが流通する排気通路と、
エンジンの燃焼室と前記排気通路との間を開閉する第１排気バルブ及び第２排気バルブと、
前記排気通路を流通する排気ガスの一部を吸気通路に還流させるＥＧＲ通路と、
前記排気通路に設けられ、排気ガスを浄化する複数の排気触媒と、を備え、
前記排気通路は、
前記第１排気バルブにより開閉される第１排気通路と、
前記第１排気通路とは独立して排気ガスを流通させ、前記第２排気バルブにより開閉される第２排気通路と、
前記第１排気通路と前記第２排気通路とが合流した第３排気通路と、
を含み、
前記排気触媒は、
前記第３排気通路に設けられた主排気触媒と、
前記第１排気通路に配置されかつ前記主排気触媒よりも容量が小さい副排気触媒と、
を含み、
前記ＥＧＲ通路は、前記第１排気通路における前記副排気触媒よりも下流側の部分に接続されている排気システム。
エンジンの燃焼室と前記排気通路との間を開閉する第１排気バルブ及び第２排気バルブと、
前記排気通路を流通する排気ガスの一部を吸気通路に還流させるＥＧＲ通路と、
前記排気通路に設けられ、排気ガスを浄化する複数の排気触媒と、を備え、
前記排気通路は、
前記第１排気バルブにより開閉される第１排気通路と、
前記第１排気通路とは独立して排気ガスを流通させ、前記第２排気バルブにより開閉される第２排気通路と、
前記第１排気通路と前記第２排気通路とが合流した第３排気通路と、
を含み、
前記排気触媒は、
前記第３排気通路に設けられた主排気触媒と、
前記第１排気通路に配置されかつ前記主排気触媒よりも容量が小さい副排気触媒と、
を含み、
前記ＥＧＲ通路は、前記第１排気通路における前記副排気触媒よりも下流側の部分に接続されている排気システム。
【請求項2】
請求項１に記載の排気システムにおいて、
前記第２排気通路は、エジェクタを有する排気システム。
前記第２排気通路は、エジェクタを有する排気システム。
【請求項3】
請求項１に記載の排気システムにおいて、
前記第１排気通路及び前記第２排気通路と、前記第３排気通路との間には、ツインスクロールターボチャージャのタービンが配置されるタービンハウジングが配置され、
前記第１排気通路と前記第２排気通路とは、前記タービンハウジングで結合される排気システム。
前記第１排気通路及び前記第２排気通路と、前記第３排気通路との間には、ツインスクロールターボチャージャのタービンが配置されるタービンハウジングが配置され、
前記第１排気通路と前記第２排気通路とは、前記タービンハウジングで結合される排気システム。
【請求項4】
請求項１に記載の排気システムにおいて、
前記第３排気通路における前記主排気触媒よりも上流側の部分には、ターボチャージャのタービンが配置されるタービンハウジングが配置され、
前記第１排気通路と前記第２排気通路とは、前記タービンハウジングよりも上流側で、互いに平行になるよう前記第３排気通路に結合される排気システム。
前記第３排気通路における前記主排気触媒よりも上流側の部分には、ターボチャージャのタービンが配置されるタービンハウジングが配置され、
前記第１排気通路と前記第２排気通路とは、前記タービンハウジングよりも上流側で、互いに平行になるよう前記第３排気通路に結合される排気システム。
【請求項5】
請求項１～４のいずれか１つに記載の排気システムにおいて、
前記第２排気通路から前記第３排気通路への排気ガスの流量を調整する流量調整部と、
前記流量調整部を作動させるコントローラと、を更に備え、
前記コントローラは、前記エンジンの運転状態が所定負荷未満でかつ所定回転数未満である第１運転領域に属するときには、前記第２排気通路から前記第３排気通路への排気ガスの流通を停止させるよう前記流量調整部を作動させる排気システム。
前記第２排気通路から前記第３排気通路への排気ガスの流量を調整する流量調整部と、
前記流量調整部を作動させるコントローラと、を更に備え、
前記コントローラは、前記エンジンの運転状態が所定負荷未満でかつ所定回転数未満である第１運転領域に属するときには、前記第２排気通路から前記第３排気通路への排気ガスの流通を停止させるよう前記流量調整部を作動させる排気システム。
【請求項6】
請求項１～４のいずれか１つに記載の排気システムにおいて、
前記第１排気バルブ及び前記第２排気バルブを作動させるコントローラを更に備え、
前記コントローラは、前記エンジンの運転状態が所定負荷以上でかつ所定回転数以上である第２運転領域に属するときには、前記第１排気バルブの開弁時期を前記第２排気バルブの開弁時期よりも遅角させる排気システム。
前記第１排気バルブ及び前記第２排気バルブを作動させるコントローラを更に備え、
前記コントローラは、前記エンジンの運転状態が所定負荷以上でかつ所定回転数以上である第２運転領域に属するときには、前記第１排気バルブの開弁時期を前記第２排気バルブの開弁時期よりも遅角させる排気システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
ここに開示された技術は、排気システムに関する技術分野に属する。
【背景技術】
【0002】
従来より、排気通路に排気触媒を複数配置した排気システムが知られている。
【0003】
特許文献１には、排気マニホルド集合部から排気ターボチャージャの排気タービンに至る排気通路内に酸化機能を有する第１の触媒（副排気触媒）を配置し、排気タービン下流の排気通路内に該第１の触媒よりも容量の大きい第２の触媒（主排気触媒）を配置した内燃機関の排気浄化装置が開示されている。特許文献１の排気浄化装置では、第１の触媒は、排気通路におけるＥＧＲ通路よりも下流側の部分に接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２００５－１１３８０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、特許文献１のように、排気通路における排気触媒よりも上流側の部分とＥＧＲ通路とを接続すると、高温の排気ガスがＥＧＲ通路に流れてしまい、排気触媒の暖気効率が低下してしまう。また、エンジンの温間時において、排気触媒を通過せずに排気ガスを還流させるため、ＮＯが燃焼室に侵入してしまいノッキングが生じるおそれがある。
【0006】
ここに開示された技術は斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、排気触媒の暖機効率を向上させるとともに、ノッキングを抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
前記課題を解決するために、ここに開示された技術の第１の態様は、排気システムを対象とする。排気システムは、排気ガスが排出される排気通路と、前記エンジンの燃焼室と前記排気通路との間を開閉する第１排気バルブ及び第２排気バルブと、前記排気通路を流通する排気ガスの一部を吸気通路に還流させるＥＧＲ通路と、前記排気通路に設けられ、排気ガスを浄化する複数の排気触媒と、を備え、前記排気通路は、前記第１排気バルブにより開閉される第１排気通路と、前記第１排気通路とは独立して排気ガスを流通させ、前記第２排気バルブにより開閉される第２排気通路と、前記第１排気通路と前記第２排気通路とが合流した第３排気通路と、を含み、前記排気触媒は、前記第３排気通路に設けられた主排気触媒と、前記第１排気通路に配置されかつ前記主排気触媒よりも容量が小さい副排気触媒と、を含み、前記ＥＧＲ通路は、前記第１排気通路における前記副排気触媒よりも下流側の部分に接続されている。
【0008】
第１の態様では、ＥＧＲ通路が第１排気通路における副排気触媒よりも下流側の部分と接続されているため、第１排気通路を通る排気ガスは、副排気触媒を通過してからＥＧＲ通路に導入される。これにより、排気システムは、副排気触媒を効率的に暖機できる。また、ＮＯが還流させることを抑制できるため、排気システムは、ノッキングを抑制できる。
【0009】
また、第２排気通路には、副排気触媒が設けられておらずかつＥＧＲ通路も接続されていない。このため、第２排気通路を通る排気ガスは、そのまま第３排気通路に導入されて、主排気触媒を通過する。排気ガス量が多いときには、第２排気通路に排気ガスを流通させることで、排気システムは、主排気触媒を効率良く暖機できる。
【0010】
したがって、排気システムは、ノッキングを抑制しつつ排気触媒の暖機効率を向上できる。
【0011】
第２の態様は、第１の態様において、前記第２排気通路は、エジェクタを有する。
【0012】
第２の態様では、第２排気通路の排気ガスをできる限り早期に流通させることができるため、第２排気通路での排気干渉を抑制できる。
【0013】
第３の態様は、第１の態様において、前記第１排気通路及び前記第２排気通路と、前記第３排気通路との間には、ツインスクロールターボチャージャのタービンが配置されるタービンハウジングが配置され、前記第１排気通路と前記第２排気通路とは、前記タービンハウジングで結合される。
【0014】
第３の態様では、ツインスクロールターボチャージャのタービンハウジングで第１排気通路と第２排気通路とが結合されるため、第２排気通路から第１排気通路への排気ガスの逆流を抑制できる。これにより、第２排気通路を通る排気ガスがＥＧＲ通路に流入するのを抑制できるため、排気システムは、ノッキングを効果的に抑制できる。
【0015】
第４の態様は、第１の態様において、前記第３排気通路における前記主排気触媒よりも上流側の部分には、ターボチャージャのタービンが配置されるタービンハウジングが配置され、前記第１排気通路と前記第２排気通路とは、前記タービンハウジングよりも上流側で、互いに平行になるよう前記第３排気通路に結合される。
【0016】
第４の態様では、第１排気通路と第２排気通路とが結合部で平行になっていることで、第２排気通路から第１排気通路への排気ガスの逆流を抑制できる。これにより、第２排気通路を通る排気ガスがＥＧＲ通路に流入するのを抑制できるため、排気システムは、ノッキングを効果的に抑制できる。
【0017】
第５の態様は、第１～第４の態様のいずれか１つにおいて、前記第２排気通路から前記第３排気通路への排気ガスの流量を調整する流量調整部と、前記流量調整部を作動させるコントローラと、を更に備え、前記コントローラは、前記エンジンの運転状態が所定負荷未満でかつ所定回転数未満である第１運転領域に属するときには、前記第２排気通路から前記第３排気通路への排気ガスの流通を停止させるよう前記流量調整部を作動させる。
【0018】
第５の態様では、副排気触媒を効率的に暖機できる。すなわち、エンジンの運転状態が第１運転領域にあるときには、排気ガス量が比較的少ないため、第１排気通路にのみ排気ガスを流通させる。これにより、排気システムは、排気ガス量が少なくても副排気触媒を効率的に暖機できる。
【0019】
また、エンジンの運転状態が第１運転領域にあるときには、エンジンが冷間状態にあることが多い。第５の態様の排気システムは、できる限り多くの排気ガスをＥＧＲ通路で還流できるため、エンジンを早期に暖機できる。
【0020】
第６の態様は、第１～第４の態様のいずれか１つにおいて、前記第１排気バルブ及び前記第２排気バルブを作動させるコントローラを更に備え、前記コントローラは、前記エンジンの運転状態が所定負荷以上でかつ所定回転数以上である第２運転領域に属するときには、前記第１排気バルブの開弁時期を前記第２排気バルブの開弁時期よりも遅角させる。
【0021】
第６の態様では、第１排気バルブよりも早く第２排気バルブを開くことで、第２排気通路には比較的高温の排気ガスが流入し、第１排気通路には比較的低温の排気ガスが流入する。これにより、排気システムは、主排気触媒を効率的に暖機できる。また、副排気触媒の熱劣化を抑制できる。
【発明の効果】
【0022】
以上説明したように、ここに開示された技術によると、排気システムは、排気触媒の暖機効率を向上できるとともに、ノッキングを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【発明を実施するための形態】
【0024】
以下、例示的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【0025】
（実施形態１）
（１）エンジンシステムの全体構成
図１に、エンジンシステムを概略的に示す。エンジンシステムは、エンジン１０と、吸気システム２と、排気システム１と、ターボチャージャ７０と、を有している。
（１）エンジンシステムの全体構成
図１に、エンジンシステムを概略的に示す。エンジンシステムは、エンジン１０と、吸気システム２と、排気システム１と、ターボチャージャ７０と、を有している。
【0026】
（１－１）エンジン
エンジン１０は、シリンダ１１を有している。シリンダ１１の中で、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程が繰り返されている。エンジン１０は、４ストロークエンジンである。エンジン１０は、四輪の自動車に搭載されている。エンジン１０が運転することによって、自動車が走行する。
エンジン１０は、シリンダ１１を有している。シリンダ１１の中で、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程が繰り返されている。エンジン１０は、４ストロークエンジンである。エンジン１０は、四輪の自動車に搭載されている。エンジン１０が運転することによって、自動車が走行する。
【0027】
エンジン１０は、複数（ここでは４つ）の気筒を有する多気筒エンジンである。図２に示すように、シリンダブロック１２と、シリンダヘッド１３とを備えている。シリンダヘッド１３は、シリンダブロック１２の上に載置される。シリンダブロック１２に、シリンダ１１が形成されている。４つのシリンダ１１は、直列に並んでいる。
【0028】
各シリンダ１１には、ピストン１４が内挿（収容）されている。ピストン１４は、コネクティングロッドを介してクランクシャフトに連結されている。ピストン１４は、シリンダ１１の内部を往復動する。ピストン１４、シリンダ１１及びシリンダヘッド１３は、燃焼室１７を形成する。
【0029】
エンジン１０には、シリンダ１１内へ燃料を噴射するインジェクタ１５が取り付けられている。インジェクタ１５は、シリンダ１１の中に燃料を直接噴射する。また。エンジン１０には、インジェクタ１５から噴射された燃料を含んだ混合気に点火する点火プラグ１６が取り付けられている。
【0030】
４つのシリンダ１１は、所定の順番で膨張行程が実行される。図１において、４つのシリンダ１１を紙面左側から順に第１シリンダ１１ａ、第２シリンダ１１ｂ、第３シリンダ１１ｃ、及び第４シリンダ１１ｄとしたとき、本実施形態１では、第１シリンダ１１ａ→第３シリンダ１１ｃ→第４シリンダ１１ｄ→第２シリンダ１１ｂの順で膨張行程が実行される。
【0031】
（１－２）吸気システム
吸気システム２は、エンジン１０に吸気を導入する。図１に示すように、吸気システムは、エンジン１０に設けられた吸気ポート１８と、吸気ポート１８と連通する吸気通路４０とを有する。
吸気システム２は、エンジン１０に吸気を導入する。図１に示すように、吸気システムは、エンジン１０に設けられた吸気ポート１８と、吸気ポート１８と連通する吸気通路４０とを有する。
【0032】
吸気ポート１８は、シリンダ１１毎に形成されている。吸気ポート１８は、燃焼室１７内に連通している。
【0033】
吸気ポート１８には、吸気バルブ１９が配設されている。吸気バルブ１９は、吸気ポート１８を開閉する。動弁装置は、吸気バルブ１９に接続されている。動弁装置は、吸気バルブ１９を所定のタイミングで開閉する。動弁装置は、バルブタイミング及びバルブリフトの少なくとも１つを可変にする可変動弁装置である。図３に示すように、動弁装置は、吸気Ｓ－ＶＴ（Sequential-Valve Timing）２３１を有している。吸気Ｓ－ＶＴ２３１は、油圧式又は電気式である。吸気Ｓ－ＶＴ２３１は、吸気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更する。
【0034】
吸気通路４０は、各シリンダ１１の吸気ポート１８に連通している。シリンダ１１に導入される空気は、吸気通路４０を流れる。吸気通路４０の上流端部には、エアクリーナ４１が配設されている。エアクリーナ４１は、空気を濾過する。吸気通路４０の下流端近傍には、サージタンク４２が配設されている。サージタンク４２よりも下流の吸気通路４０は、シリンダ１１毎に分岐する独立通路を構成している。独立通路の下流端が、各シリンダ１１の吸気ポート１８に接続されている。
【0035】
吸気通路４０におけるエアクリーナ４１とサージタンク４２との間には、スロットルバルブ４３が配置されている。吸気通路４０におけるエアクリーナ４１とスロットルバルブ４３との間には、ターボチャージャ７０のコンプレッサ７１が配置されるコンプレッサハウジング４４が設けられている。吸気通路４０におけるコンプレッサ７１とスロットルバルブ４３との間には、過給された空気を冷却するインタークーラ４５が配置されている。
【0036】
（１－３）排気システム
排気システム１は、燃焼室１７から排気ガスを排出する。排気システム１は、エンジン１０に設けられた第１排気ポート２１及び第２排気ポート２２と、第１排気ポート２１及び第２排気ポート２２から排出された排気ガスが流通する排気通路５０と、排気通路５０に設けたられた主排気触媒６０と、を有する。
排気システム１は、燃焼室１７から排気ガスを排出する。排気システム１は、エンジン１０に設けられた第１排気ポート２１及び第２排気ポート２２と、第１排気ポート２１及び第２排気ポート２２から排出された排気ガスが流通する排気通路５０と、排気通路５０に設けたられた主排気触媒６０と、を有する。
【0037】
第１排気ポート２１には、第１排気バルブ２３が配設されている。第１排気バルブ２３は、第１排気ポート２１を開閉することで、燃焼室１７と排気通路５０との間を開閉する。第２排気ポート２２には、第２排気バルブ２４が配設されている。第２排気バルブ２４は、第２排気ポート２２を開閉することで、燃焼室１７と排気通路５０との間を開閉する。第１排気ポート２１の燃焼室１７への開口面積と第２排気ポート２２の燃焼室１７への開口面積とは、同じ大きさである。このため、第１排気バルブ２３と第２排気バルブ２４とは、同じ大きさである。
【0038】
４つのシリンダ１１が並ぶ方向を直列方向としたとき、第１シリンダ１１ａの第１排気ポート２１と第２シリンダ１１ｂの第１排気ポート２１とは、直列方向に相隣接する。第３シリンダ１１ｃの第１排気ポート２１と第４シリンダ１１ｄの第１排気ポート２１とは、直列方向に隣接する。第２シリンダ１１ｂの第２排気ポート２２と第３シリンダ１１ｃの第２排気ポート２２とは、直列方向に相隣接する。
【0039】
動弁装置は、第１排気バルブ２３及び第２排気バルブ２４に接続されている。動弁装置は、第１排気バルブ２３及び第２排気バルブ２４を所定のタイミングで開閉する。動弁装置は、バルブタイミング及び／又はバルブリフトを可変にする可変動弁装置である。図３に示すように、動弁装置は、排気Ｓ－ＶＴ２４１を有している。排気Ｓ－ＶＴ２４１は、油圧式又は電気式である。排気Ｓ－ＶＴ２４１は、排気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更する。
【0040】
排気システム１は、第１排気バルブ２３の動作を停止させる弁停止機構を有する油圧ラッシュアジャスタ（Hydraulic Lash Adjuster：ＨＬＡ）２４２を有する。ＨＬＡ２４２は、各第１排気バルブ２３に対して設けられている。ＨＬＡ２４２の弁停止機構は、所定の作動油圧まで加圧されたオイルが供給されたときに作動して、停止させるシリンダ１１の第１排気バルブ２３を閉じ状態で停止させる。弁停止機構は、公知の構成（例えば、特開２０２３－３０７６３号公報）を採用できるため、詳細な説明を省略する。ＨＬＡ２４２は、流量調整部の一例である。
【0041】
排気通路５０は、第１排気ポート２１と連通する第１排気通路５１と、第２排気ポート２２と連通する第２排気通路５２と、第１排気通路５１と第２排気通路５２とが合流した第３排気通路５３と、を含む。
【0042】
第１排気通路５１は、第１結合通路５１ａと、第２結合通路５１ｂと、第１集合通路５１ｃと、を有する。
【0043】
第１結合通路５１ａは、第１シリンダ１１ａの第１排気ポート２１と第２シリンダ１１ｂの第１排気ポート２１とが結合した通路である。第２結合通路５１ｂは、第３シリンダ１１ｃの第１排気ポート２１と第４シリンダ１１ｄの第１排気ポート２１とが結合した通路である。第１集合通路５１ｃは、第１結合通路５１ａと第２結合通路５１ｂとが結合した通路である。
【0044】
第１シリンダ１１ａと第２シリンダ１１ｂ、及び第３シリンダ１１ｃと第４シリンダ１１ｄとは、排気行程が連続する。第１排気バルブ２３の開弁期間を工夫することにより、第１結合通路５１ａ及び第２結合通路５１ｂにおいて排気干渉が発生しないようにしている。第１排気バルブ２３の開弁期間については後述する。
【0045】
第１集合通路５１ｃには、副排気触媒６１が設けられている。副排気触媒６１は、主排気触媒６０よりも容量が小さい触媒である。副排気触媒６１は、三元触媒である。
【0046】
第１集合通路５１ｃには、ＥＧＲ通路５５が接続されている。ＥＧＲ通路５５は、第１排気通路５１を通る排気ガスの一部を吸気通路４０に還流させるための通路である。ＥＧＲ通路５５の上流端は、第１集合通路５１ｃにおける副排気触媒６１よりも下流側の部分に接続されている。ＥＧＲ通路５５の下流端は、吸気通路４０におけるスロットルバルブ４３とサージタンク４２との間に接続されている。
【0047】
ＥＧＲ通路５５には、ＥＧＲバルブ５６が配設されている。ＥＧＲバルブ５６は、ＥＧＲ通路５５を流れる排気ガスの流量を調節する。ＥＧＲバルブ５６の開度を調節することによって、排気ガスの還流量を調節できる。
【0048】
第２排気通路５２は、第１排気通路５１とは独立した排気通路である。第２排気通路５２には、排気触媒は設けられておらず、ＥＧＲ通路も接続されていない。
【0049】
第２排気通路５２は、第１独立通路５２ａと、第２独立通路５２ｂと、第３結合通路５２ｃと、第２集合通路５２ｄと、を有する。
【0050】
第１独立通路５２ａは、第１シリンダ１１ａの第２排気ポート２２から延びる通路である。第２独立通路５２ｂは、第４シリンダ１１ｄの第２排気ポート２２から延びる通路である。第３結合通路５２ｃは、第２シリンダ１１ｂの第２排気ポート２２と第３シリンダ１１ｃの第２排気ポート２２とが結合した通路である。第２シリンダ１１ｂと第３シリンダ１１ｃとは排気行程が連続しないため、第３結合通路５２ｃでは排気干渉は発生しない。
【0051】
第２集合通路５２ｄは、第１独立通路５２ａ、第２独立通路５２ｂ、及び第３結合通路５２ｃが集合した通路である。第２集合通路５２ｄは、第２集合通路５２ｄを流れる排気ガスの流れが、第１集合通路５１ｃを流れる排気ガスの流れと平行でかつ同じ方向になるように延びている。具体的には、第２集合通路５２ｄは、第１集合通路５１ｃと平行に延びている。
【0052】
第１独立通路５２ａ、第２独立通路５２ｂ、及び第３結合通路５２ｃと、第２集合通路５２ｄとの間には、エジェクタ５７が配置されている。エジェクタ５７は、相対的に流路断面積が狭いノズル部分と、相対的に流路断面積が広いディフューザ部分とを有する。ノズル部分は、第２集合通路５２ｄよりも流路断面積が小さい。ディフューザ部分は、第２集合通路５２ｄと同程度の流路断面積である。第１独立通路５２ａ、第２独立通路５２ｂ、及び第３結合通路５２ｃの各下流側端部は、高さ位置が揃うように並んでエジェクタ５７に接続されている。第１独立通路５２ａ、第２独立通路５２ｂ、及び第３結合通路５２ｃからエジェクタ５７に流入した排気ガスは、ノズル部分を通った後、ディフューザ部分を通過して、第２集合通路５２ｄに流入する。エジェクタ５７は、排気ガスを第２集合通路５２ｄにスムーズに流れるようにして、第１独立通路５２ａと、第２独立通路５２ｂと、第３結合通路５２ｃとの間の排気干渉を抑制する。
【0053】
第３排気通路５３は、第１集合通路５１ｃと第２集合通路５２ｄとが合流した通路である。
【0054】
第１集合通路５１ｃ及び第２集合通路５２ｄと、第３排気通路５３との間には、ターボチャージャ７０のタービン７２が配置されるタービンハウジング５８が配置される。第１集合通路５１ｃと第２集合通路５２ｄとは、タービンハウジング５８で結合される。つまり、第１排気通路５１と第２排気通路５２とは、タービンハウジング５８で結合される。
【0055】
第１排気通路５１の第１集合通路５１ｃと第３排気通路５３との間、及び第２排気通路５２の第２集合通路５２ｄと第３排気通路５３との間には、ウエイストゲートバルブ７４が接続されている。ウエイストゲートバルブ７４は、第１集合通路５１ｃ及び第２集合通路５２ｄを通る排気ガスを、タービンハウジング５８に流入させるか、タービンハウジング５８を迂回して、第３排気通路５３に流すかを調整するバルブである。ウエイストゲートバルブ７４が閉じ状態のときには、排気ガスは、タービンハウジング５８に流入する。ウエイストゲートバルブ７４が閉じ状態のときには、排気ガスによりタービン７２が回転する。一方で、ウエイストゲートバルブ７４が開き状態のときには、排気ガスは、タービンハウジング５８を迂回して、第３排気通路５３に流入する。ウエイストゲートバルブ７４が開き状態のときには、排気ガスによるタービン７２の回転が抑制される。
【0056】
主排気触媒６０は、第３排気通路５３に配置される。主排気触媒６０は、三元触媒である。主排気触媒６０を通過した排気ガスは、第３排気通路５３を通って、車外に排出される。
【0057】
（１－４）ターボチャージャ
図１に示すように、ターボチャージャ７０は、コンプレッサ７１と、タービン７２と、コンプレッサ７１とタービン７２とを接続するタービン軸７３と、を有する。排気ガスによりタービン７２が回転すると、タービン軸７３によりコンプレッサ７１に回転が伝達されて、コンプレッサ７１が回転する。
図１に示すように、ターボチャージャ７０は、コンプレッサ７１と、タービン７２と、コンプレッサ７１とタービン７２とを接続するタービン軸７３と、を有する。排気ガスによりタービン７２が回転すると、タービン軸７３によりコンプレッサ７１に回転が伝達されて、コンプレッサ７１が回転する。
【0058】
図１に示すように、ターボチャージャ７０は、ツインスクロールターボチャージャである。タービンハウジング５８は、互いに独立した第１スクロール部５８ａと、第２スクロール部５８ｂとを有する。第１スクロール部５８ａは第１排気通路５１に接続され、第２スクロール部は第２排気通路５２に接続されている。第１排気通路５１を流れる排気ガスと、第２排気通路５２を流れる排気ガスとは、互いに独立してタービン７２に供給される。
【0059】
（２）制御装置の構成
エンジンシステムの制御装置は、図３に示すように、エンジン１０を運転するためのＥＣＵ（Engine Control Unit）１００を備えている。ＥＣＵ１００は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラであって、中央演算処理装置（Central Processing Unit：ＣＰＵ）１００ａと、メモリ１００ｂと、Ｉ／Ｆ回路１００ｃと、を備えている。ＣＰＵ１００ａは、プログラムを実行する。メモリ１００ｂは、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）により構成されてプログラム及びデータを格納する。Ｉ／Ｆ回路１００ｃは、電気信号の入出力をする。ＥＣＵ１００は、コントローラの一例である。ＥＣＵ１００は、排気システム１のコントローラとしても構成されている。
エンジンシステムの制御装置は、図３に示すように、エンジン１０を運転するためのＥＣＵ（Engine Control Unit）１００を備えている。ＥＣＵ１００は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラであって、中央演算処理装置（Central Processing Unit：ＣＰＵ）１００ａと、メモリ１００ｂと、Ｉ／Ｆ回路１００ｃと、を備えている。ＣＰＵ１００ａは、プログラムを実行する。メモリ１００ｂは、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）により構成されてプログラム及びデータを格納する。Ｉ／Ｆ回路１００ｃは、電気信号の入出力をする。ＥＣＵ１００は、コントローラの一例である。ＥＣＵ１００は、排気システム１のコントローラとしても構成されている。
【0060】
ＥＣＵ１００は、例えばインジェクタ１５及び点火プラグ１６と電気的に接続されている。ＥＣＵ１００は、インジェクタ１５、点火プラグ１６の各々を制御する。
【0061】
ＥＣＵ１００には、図１及び図３に示すように、各種のセンサＳＷ１～ＳＷ８が接続されている。センサＳＷ１～ＳＷ８は、信号をＥＣＵ１００に出力する。センサには、以下のセンサが含まれる。
エアフローセンサＳＷ１：吸気通路４０におけるエアクリーナ４１の下流に配置されかつ、吸気通路４０を流れる空気の流量を計測する。
アクセル開度センサＳＷ２：アクセルペダル機構に取り付けられかつ、アクセルペダルの操作量に対応したアクセル開度を計測する。
過給圧センサＳＷ３：サージタンク４２に取り付けられかつ、ターボチャージャ７０により過給された空気の圧力を計測する。
クランク角センサＳＷ４：エンジン１０に取り付けられかつ、クランクシャフトの回転角を計測する。
第１Ａ／ＦセンサＳＷ５：第３排気通路５３における主排気触媒６０よりも上流に配置されかつ、排気ガス中の酸素濃度を検知する。
第２Ａ／ＦセンサＳＷ６：第３排気通路５３における主排気触媒６０の下流に配置されかつ、排気ガス中の酸素濃度を検知する。
主排気触媒温度センサＳＷ７：主排気触媒６０に配置され、主排気触媒６０の温度を計測する。
副排気触媒温度センサＳＷ８：副排気触媒６１に配置され、主排気触媒６０の温度を計測する。
エアフローセンサＳＷ１：吸気通路４０におけるエアクリーナ４１の下流に配置されかつ、吸気通路４０を流れる空気の流量を計測する。
アクセル開度センサＳＷ２：アクセルペダル機構に取り付けられかつ、アクセルペダルの操作量に対応したアクセル開度を計測する。
過給圧センサＳＷ３：サージタンク４２に取り付けられかつ、ターボチャージャ７０により過給された空気の圧力を計測する。
クランク角センサＳＷ４：エンジン１０に取り付けられかつ、クランクシャフトの回転角を計測する。
第１Ａ／ＦセンサＳＷ５：第３排気通路５３における主排気触媒６０よりも上流に配置されかつ、排気ガス中の酸素濃度を検知する。
第２Ａ／ＦセンサＳＷ６：第３排気通路５３における主排気触媒６０の下流に配置されかつ、排気ガス中の酸素濃度を検知する。
主排気触媒温度センサＳＷ７：主排気触媒６０に配置され、主排気触媒６０の温度を計測する。
副排気触媒温度センサＳＷ８：副排気触媒６１に配置され、主排気触媒６０の温度を計測する。
【0062】
ＥＣＵ１００は、これらのセンサＳＷ１～ＳＷ８の信号に基づいて、エンジン１０の運転状態を判断すると共に、予め定められている制御ロジックに従って、各デバイスの制御量を演算する。制御ロジックは、メモリ１００ｂに記憶されている。制御ロジックは、メモリ１００ｂに記憶しているマップを用いて、目標量及び／又は制御量を演算することを含む。
【0063】
ＥＣＵ１００は、演算をした制御量に係る電気信号を、インジェクタ１５、点火プラグ１６、スロットルバルブ４３、ＥＧＲバルブ５６、ウエイストゲートバルブ７４、吸気Ｓ－ＶＴ２３１、排気Ｓ－ＶＴ２４１、及びＨＬＡ２４２に出力する。
【0064】
（３）エンジンの運転制御マップ
図４及び図５は、エンジン１０の制御に係るベースマップを例示している。図４は、第１排気バルブ２３及び第２排気バルブ２４の制御に関する第１ベースマップ４０１であり、図５は、ＥＧＲバルブ５６の制御に関する第２ベースマップ５０１である。第１ベースマップ４０１及び第２ベースマップ５０１は、ＥＣＵ１０のメモリ１００ｂに記憶されている。
図４及び図５は、エンジン１０の制御に係るベースマップを例示している。図４は、第１排気バルブ２３及び第２排気バルブ２４の制御に関する第１ベースマップ４０１であり、図５は、ＥＧＲバルブ５６の制御に関する第２ベースマップ５０１である。第１ベースマップ４０１及び第２ベースマップ５０１は、ＥＣＵ１０のメモリ１００ｂに記憶されている。
【0065】
第１ベースマップ４０１は、エンジン負荷及びエンジン回転数によって規定されている。第１ベースマップ４０１は、全負荷ラインＭＬよりも低負荷の領域において、エンジン負荷の高低及びエンジン回転数の高低に対して大別して、第１運転領域４１１及び第２運転領域４１２の２つの領域に分かれている。境界線ＢＬのエンジン負荷は所定負荷に相当し、境界線ＢＬの回転数は所定回転数に相当する。境界線ＢＬは、エンジン回転数が高いほど低負荷側に位置する。
【0066】
第１運転領域４１１は、エンジン負荷が境界線ＢＬのエンジン負荷未満でかつエンジン回転数が境界線ＢＬのエンジン回転数未満の領域である。つまり、第１運転領域４１１は、所定負荷未満でかつ所定回転数未満の運転領域である。
【0067】
第２運転領域４１２は、エンジン負荷が境界線ＢＬのエンジン負荷以上でかつエンジン回転数が境界線ＢＬのエンジン回転数以上の領域である。つまり、第２運転領域４１２は、所定負荷以上でかつ所定回転数以上の運転領域である。境界線ＢＬは、第２運転領域４１２に属する。
【0068】
エンジン１０の運転状態が第１運転領域４１１に属するときには、ＥＣＵ１００は、第２排気通路５２から第３排気通路５３への排気ガスの流通を停止させる。具体的には、ＥＣＵ１００は、ＨＬＡ２４２により第２排気バルブ２４の開閉動作を閉じ状態で停止させる。一方で、ＥＣＵ１００は、第１排気バルブ２３については、ピストン１４の往復動作に伴い開閉させる。これにより、シリンダ１１で発生した排気ガスは、第２排気通路５２に流入することなく、第１排気通路５１にのみ流入する。
【0069】
ＥＣＵ１００は、エンジン１０の運転状態が第１運転領域４１１に属するときには、エンジン１０が冷間状態であるか温間状態であるかによって、第１排気バルブ２３の開弁時期を異ならせる。第１排気バルブ２３の開弁時期については後述する。なお、第１運転領域４１１自体は、エンジン１０が冷間状態であっても温間状態であっても、同じエンジン負荷かつ同じエンジン回転数の領域である。
【0070】
エンジン１０の運転状態が第２運転領域４１２に属するときには、ＥＣＵ１００は、第１排気通路５１と第２排気通路５２との両方から第３排気通路５３へ排気ガスを流通させる。ＥＣＵ１００は、第１排気バルブ２３の開弁時期と第２排気バルブ２４の開弁時期とを異ならせる。第１排気バルブ２３の開弁時期及び第２排気バルブ２４の開弁時期については後述する。なお、第２運転領域４１２は、エンジン１０が冷間状態であっても温間状態であっても、同じエンジン負荷かつ同じエンジン回転数の領域である。
【0071】
第２ベースマップ５０１は、第１運転領域４１１においてＥＧＲバルブ５６を開弁する第１ＥＧＲ領域５１１と、第２運転領域４１２においてＥＧＲバルブ５６を開弁する第２ＥＧＲ領域５１２と、を示す。第１ＥＧＲ領域５１１及び第２ＥＧＲ領域５１２以外の運転領域では、ＥＧＲバルブ５６は全閉状態である。
【0072】
第１ＥＧＲ領域５１１は、第１運転領域４１１における低負荷かつ低回転の領域に位置する。第１ＥＧＲ領域５１１のエンジン負荷の範囲は、第１運転領域４１１のエンジン負荷の範囲よりも狭く、第１ＥＧＲ領域５１１のエンジン回転数の範囲は、第１運転領域４１１のエンジン回転数の範囲よりも狭い。第１ＥＧＲ領域５１１のエンジン負荷の上限は、同一のエンジン回転数に対する第１運転領域４１１のエンジン負荷の上限よりも低い。第１ＥＧＲ領域５１１のエンジン負荷の下限は、同一のエンジン回転数に対する第１運転領域４１１のエンジン負荷の下限よりも高い。第１ＥＧＲ領域５１１のエンジン回転数の上限は、同一のエンジン負荷に対する第１運転領域４１１のエンジン回転数の上限よりも低い。第１ＥＧＲ領域５１１のエンジン回転数の下限は、同一のエンジン負荷に対する第１運転領域４１１のエンジン回転数の下限よりも高い。
【0073】
エンジン１０の運転状態が第１ＥＧＲ領域５１１にあるときに排気ガスを還流させることで、燃焼室１７に高温の排気ガスを還流させることができる。これにより、エンジン１０を早期に暖機させることができる。また、エンジン１０が冷間状態であるときには、排気ガスに含まれるＨＣの量が比較的多いため、排気ガスを還流させることで、ＨＣの放出を抑えることができる。
【0074】
第２ＥＧＲ領域５１２は、第２運転領域４１２における高負荷かつ高回転の領域に位置する。第２ＥＧＲ領域５１２は、境界線ＢＬよりも高負荷かつ高回転の領域に位置する。第２ＥＧＲ領域５１２のエンジン負荷の下限は、同一のエンジン回転数に対する第２運転領域４１２のエンジン負荷の下限よりも高い。第２ＥＧＲ領域５１２のエンジン回転数の下限は、同一のエンジン負荷に対する第２運転領域４１２のエンジン回転数の下限よりも高い。
【0075】
第２ＥＧＲ領域５１２は、主に低温の排気ガスを還流させることで、ノッキングを抑制するための領域である。また、第２ＥＧＲ領域５１２のような、高負荷かつ高回転の運転領域では、排気ガスの流量が多くなる。第２ＥＧＲ領域５１２において排気ガスを還流させることで、排気通路５０を通る排気ガスの流量が減るため、排気ガス音を低減させることができる。
【0076】
ＥＣＵ１００は、第１ＥＧＲ領域５１１及び第２ＥＧＲ領域５１２のいずれにおいても、エンジン負荷とエンジン回転数とに応じてＥＧＲバルブ５６の開度を変更する。具体的には、ＥＣＵ１００は、同一のエンジン回転数においてはエンジン負荷が高いほどＥＧＲバルブ５６の開度を狭くする一方、同一のエンジン負荷においてはエンジン回転数が高いほどＥＧＲバルブ５６の開度を広くする。
【0077】
（４）排気バルブの開閉制御
図６、図７、及び図８は、第１排気バルブ２３及び第２排気バルブ２４の開弁期間の一例を示す。図６は、エンジン１０が冷間状態でかつエンジン１０の運転状態が第１運転領域４１１に属するときの制御（以下、第１モードという）である。図７は、エンジン１０が温間状態でかつエンジン１０の運転状態が第１運転領域４１１に属するときの制御（以下、第２モードという）である。図８は、エンジン１０の運転状態が第２運転領域４１２に属するときの制御（以下、第３モードという）である。本実施形態１において、エンジン１０が冷間状態であるか温間状態であるかは、主排気触媒６０の温度（主排気触媒温度センサＳＷ７の検出結果）によって判定する。例えば、主排気触媒６０の温度が３００℃未満の状態を冷間とし、３００℃以上の状態を温間としてもよい。
図６、図７、及び図８は、第１排気バルブ２３及び第２排気バルブ２４の開弁期間の一例を示す。図６は、エンジン１０が冷間状態でかつエンジン１０の運転状態が第１運転領域４１１に属するときの制御（以下、第１モードという）である。図７は、エンジン１０が温間状態でかつエンジン１０の運転状態が第１運転領域４１１に属するときの制御（以下、第２モードという）である。図８は、エンジン１０の運転状態が第２運転領域４１２に属するときの制御（以下、第３モードという）である。本実施形態１において、エンジン１０が冷間状態であるか温間状態であるかは、主排気触媒６０の温度（主排気触媒温度センサＳＷ７の検出結果）によって判定する。例えば、主排気触媒６０の温度が３００℃未満の状態を冷間とし、３００℃以上の状態を温間としてもよい。
【0078】
図６、図７、及び図８において、上から第１シリンダ１１ａ、第２シリンダ１１ｂ、第３シリンダ１１ｃ、第４シリンダ１１ｄの第１排気バルブ２３及び第２排気バルブ２４の開弁期間を示す。図中の「Ｂ１」は吸気行程における下死点のタイミングであり、「Ｔ１」は圧縮行程における上死点のタイミングであり、「Ｂ２」は膨張行程における下死点のタイミングであり、「Ｔ２」は排気行程における上死点のタイミングである。以下の説明では、「Ｂ１」を吸気下死点といい、「Ｔ１」を圧縮上死点といい、「Ｂ２」を膨張下死点といい、「Ｔ２」を排気上死点という。
【0079】
図６に示すように、第１モードでは、第１排気バルブ２３のみが開閉する。第１排気バルブ２３は、膨張下死点Ｂ２よりも後かつ排気上死点Ｔ２よりも前のタイミングで開弁し、排気上死点Ｔ２よりも後かつ吸気下死点Ｂ１よりも前のタイミングで閉弁する。第１排気バルブ２３の開弁期間は、一の第１排気バルブ２３の開弁期間と他の第１排気バルブ２３の開弁期間とが重複しない期間に設定されている。開弁期間は、例えば、クランク角で１８０°である。
【0080】
第１モードにおいて、第１排気バルブ２３を膨張下死点Ｂ２よりも後のタイミングで開弁させることで、高温の排気ガスが第１排気通路５１に流入する。膨張下死点Ｂ２よりも後には、ピストン１４が上昇するため、シリンダ１１内で排気ガスが圧縮される。排気ガスが圧縮されることで、シリンダ１１内で排気ガスの温度が上昇する。その後、第１排気バルブ２３を開くことで、高温の排気ガスが第１排気通路５１に流入する。
【0081】
高温の排気ガスが第１排気通路５１に流入することで、副排気触媒６１を効率良く暖機できる。また、エンジン１０の運転状態が第１ＥＧＲ領域５１１に属するときには、高温の排気ガスを還流できるため、エンジン１０を効率良く暖機できる。
【0082】
第１モードにおいて、前述のように第１排気バルブ２３を設定することで、第１結合通路５１ａ及び第２結合通路５１ｂでの排気干渉が抑制される。例えば、第１結合通路５１ａでは、第１シリンダ１１ａの第１排気ポート２１と第２シリンダ１１ｂの第１排気ポート２１とが結合されている。図６に示すように、第２シリンダ１１ｂの第１排気バルブ２３が閉弁すると同時に、第１シリンダ１１ａの第１排気バルブ２３が開弁するため、排気ガスは、第１シリンダ１１ａ及び第２シリンダ１１ｂから同時に流出することはない。第２結合通路５１ｂにおいても同様である。
【0083】
図７に示すように、第２モードでは、第１排気バルブ２３のみが開閉する。第２モードでは、第１排気バルブ２３の開弁時期が第１モードと比較して進角されている。言い換えると、第１モードでは、第１排気バルブ２３の開弁時期が第２モードと比較して遅角されている。具体的には、第２モードでは、第１排気バルブ２３は、膨張下死点Ｂ２のタイミングで開弁し、排気上死点Ｔ２のタイミングで閉弁する。第１排気バルブ２３の開弁期間は、一の第１排気バルブ２３の開弁期間と他の第１排気バルブ２３の開弁期間とが重複しない期間に設定されている。開弁期間は、例えば、クランク角で１８０°である。なお、第１排気バルブ２３の開弁時期は、ピストン１４が下死点に位置するタイミングと厳密に一致している必要はなく、ピストン１４が下死点に位置するタイミングから僅かにずれていてもよい。
【0084】
第２モードにおいて、膨張下死点Ｂ２のタイミングで第１排気バルブ２３を開弁することで、第１モード時よりも温度の低い排気ガスが第１排気通路５１に流入する。第２モードのときには、エンジン１０は暖機を完了しているため、高温の排気ガスは特に必要ない。また、高温の排気ガスが第１排気通路５１に流入するのを抑制することで、副排気触媒６１の熱劣化を抑制できる。
【0085】
第２モードにおいても、前述のように第１排気バルブ２３を設定することで、第１モードのときと同様に、第１結合通路５１ａ及び第２結合通路５１ｂでの排気干渉が抑制される。
【0086】
図８に示すように、第３モードでは、第１排気バルブ２３及び第２排気バルブ２４の両方が開閉する。具体的には、第１排気バルブ２３は、膨張下死点Ｂ２のタイミングで開弁し、排気上死点Ｔ２のタイミングで閉弁する。第１排気バルブ２３の開弁期間は、一の第１排気バルブ２３の開弁期間と他の第１排気バルブ２３の開弁期間とが重複しない期間に設定されている。第１排気バルブ２３の開弁期間は、例えば、クランク角で１８０°である。なお、第１排気バルブ２３の開弁時期は、ピストン１４が下死点に位置するタイミングと厳密に一致している必要はなく、ピストン１４が下死点に位置するタイミングから僅かにずれていてもよい。
【0087】
一方で、第２排気バルブ２４の開弁時期は、第１排気バルブ２３の開弁時期よりも進角されている。言い換えると、第１排気バルブ２３の開弁時期は、第２排気バルブ２４の開弁時期よりも遅角されている。第２排気バルブ２４は、圧縮上死点Ｔ１よりも後かつ膨張下死点Ｂ２よりも前のタイミングで開弁し、排気上死点Ｔ２のタイミングで閉弁する。第２排気バルブ２４の開弁期間は、第１排気バルブ２３の開弁期間よりも長い。このため、一の第２排気バルブ２４の開弁期間と他の第２排気バルブ２４の開弁期間とは重複する。第３結合通路５２ｃは、排気行程が連続しないシリンダ１１の第１排気ポート２１を結合しているため、第２排気バルブ２４の開弁期間を前述のように設定したとしても、第３結合通路５２ｃで排気干渉が発生することはない。
【0088】
第３モードにおいて、第２排気バルブ２４を膨張下死点Ｂ２よりも前のタイミングで開弁させることで、高温の排気ガスが第２排気通路５２に流入する。膨張下死点Ｂ２よりも前のタイミングであれば、排気ガスは、膨張下死点Ｂ２よりも圧縮された状態であるとともに、エンジン１０への放熱量が少ない状態である。このため、第２排気バルブ２４を開くことで、高温の排気ガスが第２排気通路５２に流入する。
【0089】
高温の排気ガスが第２排気通路５２に流入することで、主排気触媒６０を効率良く暖機できる。
【0090】
第３モードにおいて、第１排気バルブ２３の開弁時期を第２排気バルブ２４の開弁時期よりも遅角することで、第１排気通路５１には、比較的低温の排気ガスが流入する。第２排気バルブ２４が開弁した後であれば、シリンダ１１内の圧力は低下している。また、排気ガスは、エンジン１０に対して放熱した状態である。このため、第１排気通路５１に流入する排気ガスの温度が低くなる。
【0091】
第１排気通路５１に比較的低温の排気ガスが流入することで、副排気触媒６１の熱劣化を抑制できる。また、エンジン１０の運転状態が第２ＥＧＲ領域５１２に属するときには、低温の排気ガスを吸気通路４０に還流できるため、ノッキングを抑制できる。特に、副排気触媒６１を通過した後の排気ガスが還流されるため、燃焼室１７へのＮＯの導入が抑制されて、ノッキングを効果的に抑制できる。
【0092】
次に図９を参照しながら、排気システム１を制御する際のＥＣＵ１００の処理を説明する。
【0093】
まず、ステップＳ１において、ＥＣＵ１００は、各センサＳＷ１～ＳＷ８の情報を取得する。
【0094】
次に、ステップＳ２において、ＥＣＵ１００は、エンジン１０の運転状態が第１運転領域４１１に属しているか否かを判定する。ＥＣＵ１００は、エンジン１０の運転状態が第１運転領域４１１に属するＹＥＳのときには、ステップＳ３に進む。一方、ＥＣＵ１００は、エンジン１０の運転状態が第２運転領域４１２に属するＮＯのときには、ステップＳ９に進む。
【0095】
前記ステップＳ３では、ＥＣＵ１００は、ＨＬＡ２４２の弁停止機構を作動させて、第２排気バルブ２４の開閉動作を停止させる。
【0096】
次のステップＳ４において、ＥＣＵ１００は、エンジン１０の運転状態が第１ＥＧＲ領域５１１に属しているか否かを判定する。ＥＣＵ１００は、エンジン１０の運転状態が第１ＥＧＲ領域５１１に属するＹＥＳのときには、ステップＳ３に進む。一方、ＥＣＵ１００は、エンジン１０の運転状態が第１ＥＧＲ領域５１１に属していないＮＯのときには、前記ステップＳ５を省略して、ステップＳ６に進む。
【0097】
前記ステップＳ５では、ＥＣＵ１００は、ＥＧＲバルブ５６を開弁する。ＥＣＵ１００は、エンジン負荷及びエンジン回転数に応じてＥＧＲバルブ５６の開度を調整する。
【0098】
前記ステップＳ６では、ＥＣＵ１００は、エンジン１０が冷間状態であるか否かを判定する。ＥＣＵ１００は、主排気触媒６０の温度に基づいてエンジン１０が冷間状態であるか否かを判定する。ＥＣＵ１００は、エンジン１０が冷間状態であるＹＥＳのときには、ステップＳ７に進む。一方、ＥＣＵ１００は、エンジン１０が温間状態であるＮＯのときには、ステップＳ８に進む。
【0099】
前記ステップＳ７では、ＥＣＵ１００は、第１モードで第１排気バルブ２３を制御する。ＥＣＵ１００は、第１排気バルブ２３を、膨張下死点よりも後かつ排気上死点よりも前に開弁し、排気上死点よりも後かつ吸気下死点よりも前に閉弁する。ステップＳ７の後は、リターンする。
【0100】
前記ステップＳ８では、ＥＣＵ１００は、第２モードで第１排気バルブ２３を制御する。ＥＣＵ１００は、第１排気バルブ２３を、膨張下死点で開弁し、排気上死点で閉弁する。ステップＳ８の後は、リターンする。
【0101】
前記ステップＳ９では、ＥＣＵ１００は、エンジン１０の運転状態が第２ＥＧＲ領域５１２に属しているか否かを判定する。ＥＣＵ１００は、エンジン１０の運転状態が第２ＥＧＲ領域５１２に属するＹＥＳのときには、ステップＳ１０に進む。一方、ＥＣＵ１００は、エンジン１０の運転状態が第２ＥＧＲ領域５１２に属していないＮＯのときには、前記ステップＳ１０を省略して、ステップＳ１１に進む。
【0102】
前記ステップＳ１０では、ＥＣＵ１００は、ＥＧＲバルブ５６を開弁する。ＥＣＵ１００は、エンジン負荷及びエンジン回転数に応じてＥＧＲバルブ５６の開度を調整する。
【0103】
前記ステップＳ１１では、ＥＣＵ１００は、第３モードで第１排気バルブ２３及び第２排気バルブ２４を制御する。ＥＣＵ１００は、第１排気バルブ２３を、膨張下死点で開弁し、排気上死点で閉弁する。また、ＥＣＵ１００は、第２排気バルブ２４を、圧縮上死点よりも後かつ膨張下死点よりも前に開弁し、排気上死点で閉弁する。ステップＳ１１の後は、リターンする。
【0104】
（５）実施形態１の効果
本実施形態１に係る排気システム１では、排気通路５０は、第１排気バルブ２３により開閉される第１排気通路５１と、第１排気通路５１とは独立して排気ガスを流通させ、第２排気バルブ２４により開閉される第２排気通路５２と、第１排気通路５１と第２排気通路５２とが合流した第３排気通路５３と、を含み、排気触媒は、第３排気通路５３に設けられた主排気触媒６０と、第１排気通路５１に配置されかつ主排気触媒６０よりも容量が小さい副排気触媒６１と、を含み、ＥＧＲ通路５５は、第１排気通路５１における副排気触媒６１よりも下流側の部分に接続されている。排気システム１では、第１排気通路５１を通る排気ガスは、副排気触媒６１を通過してからＥＧＲ通路５５に導入されるため、副排気触媒６１を効率的に暖機できる。また、排気システム１では、ＮＯが還流させることを抑制できるため、ノッキングを抑制できる。
本実施形態１に係る排気システム１では、排気通路５０は、第１排気バルブ２３により開閉される第１排気通路５１と、第１排気通路５１とは独立して排気ガスを流通させ、第２排気バルブ２４により開閉される第２排気通路５２と、第１排気通路５１と第２排気通路５２とが合流した第３排気通路５３と、を含み、排気触媒は、第３排気通路５３に設けられた主排気触媒６０と、第１排気通路５１に配置されかつ主排気触媒６０よりも容量が小さい副排気触媒６１と、を含み、ＥＧＲ通路５５は、第１排気通路５１における副排気触媒６１よりも下流側の部分に接続されている。排気システム１では、第１排気通路５１を通る排気ガスは、副排気触媒６１を通過してからＥＧＲ通路５５に導入されるため、副排気触媒６１を効率的に暖機できる。また、排気システム１では、ＮＯが還流させることを抑制できるため、ノッキングを抑制できる。
【0105】
また、第２排気通路５２は、副排気触媒６１を有しておらずかつＥＧＲ通路５５も接続されていない。このため、第２排気通路５２を通る排気ガスは、そのまま第３排気通路５３に導入されて、主排気触媒６０を通過する。排気システム１では、排気ガス量が多いときに、第２排気通路５２に排気ガスを流通させることで、主排気触媒６０を効率良く暖機できる。したがって、排気システム１は、ノッキングを抑制しつつ、主排気触媒６０及び副排気触媒６１の暖機効率を向上できる。
【0106】
本実施形態１では、第２排気通路５２は、エジェクタ５７を有する。排気システム１は、エジェクタ５７により、第２排気通路５２の排気ガスをできる限り早期に流通させることができるため、第２排気通路５２での排気干渉を抑制できる。
【0107】
本実施形態１では、第１排気通路５１及び第２排気通路５２と、第３排気通路５３との間には、ツインスクロールターボチャージャのタービン７２が配置されるタービンハウジング５８が配置され、第１排気通路５１と第２排気通路５２とは、タービンハウジング５８で結合される。これにより、排気システム１は、第２排気通路５２から第１排気通路５１への排気ガスの逆流を抑制できる。この結果、排気システム１は、第２排気通路５２を通る排気ガスがＥＧＲ通路５５に流入するのを抑制できるため、ノッキングを効果的に抑制できる。
【0108】
本実施形態１では、ＥＣＵ１００は、エンジン１０の運転状態が所定負荷未満でかつ所定回転数未満である第１運転領域４１１に属するときには、第２排気通路５２から第３排気通路５３への排気ガスの流通を停止させるようＨＬＡ２４２を作動させる。エンジン１０の運転状態が第１運転領域４１１にあるときには、排気ガス量が比較的少ないため、第１排気通路５１にのみ排気ガスを流通させる。これにより、排気システム１は、排気ガス量が少なくても副排気触媒６１を効率的に暖機できる。
【0109】
また、排気システム１では、第１排気通路５１にのみ排気ガスが流通するため、タービンハウジング５８の第１スクロール部５８ａにのみ排気ガスが供給される。これにより、第１スクロール部５８ａ内での排気圧が高くなって、タービン７２を効率的に回転させることができる。排気システム１は、エンジン１０の運転効率を向上できる。
【0110】
特に、本実施形態１では、ＥＣＵ１００は、エンジン１０の運転状態が第１運転領域４１１に属しかつエンジン１０が冷間状態であるときには、第１排気バルブ２３を、膨張下死点よりも後かつ排気下死点よりも前で開弁させる。これにより、燃焼室１７で圧縮された高温の排気ガスが第１排気通路５１に流入する。排気システム１は、高温の排気ガスを、副排気触媒６１を通過させるとともに、ＥＧＲ通路５５を介して吸気通路に還流できる。排気システム１は、副排気触媒６１を効率的に暖機できるとともに、エンジン１０自体も効率的に暖機できる。
【0111】
本実施形態１では、ＥＣＵ１００は、エンジン１０の運転状態が所定負荷以下でかつ所定回転数以下である第２運転領域４１２に属するときには、第１排気バルブ２３の開弁時期を第２排気バルブ２４の開弁時期よりも遅角させる。第１排気バルブ２３よりも早く第２排気バルブ２４を開くことで、第２排気通路５２には比較的高温の排気ガスが流入し、第１排気通路５１には比較的低温の排気ガスが流入する。これにより、排気システム１は、主排気触媒６０を効率的に暖機できるとともに、副排気触媒６１の熱劣化を抑制できる。
【0112】
また、エンジン１０の運転状態が第２ＥＧＲ領域５１２に属するときには、比較的低温の排気ガスを吸気通路４０に還流できる。また、副排気触媒６１を通過した後の排気ガスが還流されるため、燃焼室１７へのＮＯの導入が抑制される。したがって、排気システム１は、ノッキングを効果的に抑制できる。
【0113】
特に、本実施形態１では、ＥＣＵ１００は、エンジン１０の運転状態が第２運転領域４１２に属するときには、第２排気バルブ２４を、圧縮上死点よりも後かつ膨張下死点よりも前に開弁する一方、第１排気バルブ２３を、膨張下死点で開弁する。膨張下死点よりも前であれば、排気ガスは、膨張下死点より圧縮された状態であるとともに、エンジン１０への放熱量が少ない状態であるため、温度が高い。一方で、膨張下死点では、排気ガスは、膨張しきった状態でありかつエンジン１０への放熱量が多くなった状態である。排気システム１は、第２排気通路５２に高温の排気ガスを効率的に流入できるとともに、第１排気通路に低温の排気ガスを効率的に流入できる。
【0114】
本実施形態１では、第１排気通路５１は、シリンダ１１が並ぶ直列方向に隣接する一対の第１排気ポート２１同士を接続する第１結合通路５１ａ及び第２結合通路５１ｂと、第１結合通路５１ａと第２結合通路５１ｂとが結合した第１集合通路５１ｃと、を有する。これにより、排気システム１は、第１排気通路５１をシリンダ１１毎に独立した通路とする場合と比較して、第１排気通路５１の構成をコンパクトにできる。また、本実施形態では、ＥＣＵ１００は、第１排気バルブ２３の開弁期間を、一の第１排気バルブ２３の開弁期間と他の第１排気バルブ２３の開弁期間とが重複しない期間に設定している。このため、第１結合通路５１ａ及び第２結合通路５１ｂが、排気行程が連続するシリンダ１１同士を接続していたとしても、排気システム１は、第１結合通路５１ａ及び第２結合通路５１ｂでの排気干渉を抑制できる。
【0115】
本実施形態１では、第２排気通路５２は、シリンダ１１が並ぶ直列方向に隣接しかつ排気行程が連続しない第２排気ポート２２同士を接続する第３結合通路５２ｃを有する。これにより、排気システム１は、第２排気通路５２をシリンダ１１毎に独立した通路とする場合と比較して、第２排気通路５２の構成をコンパクトにできる。
【0116】
（実施形態２）
以下、実施形態２について、図面を参照しながら詳細に説明する。尚、以下の説明において前記実施形態１と共通の部分については、同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。
以下、実施形態２について、図面を参照しながら詳細に説明する。尚、以下の説明において前記実施形態１と共通の部分については、同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【0117】
本実施形態２は、排気通路５０及びターボチャージャ２７０の構成が実施形態１とは異なる。具体的には、本実施形態２では、ターボチャージャ２７０は、ツインスクロールターボチャージャではなく、スクロール部が１つのみのターボチャージャである。排気通路５０は、ターボチャージャ２７０のタービン２７２が配置されるタービンハウジング２５８周辺の構成が実施形態１とは異なる。
【0118】
（６）排気システム
図１０に示すように、排気システム２０１の排気通路２５０は、第１排気通路２５１と、第２排気通路２５２と、第３排気通路２５３とを備える。
図１０に示すように、排気システム２０１の排気通路２５０は、第１排気通路２５１と、第２排気通路２５２と、第３排気通路２５３とを備える。
【0119】
第１排気通路２５１は、第１結合通路２５１ａと、第２結合通路２５１ｂと、第１集合通路２５１ｃと、を有する。第１結合通路２５１ａ及び第２結合通路２５１ｂの構成は、実施形態１と同じであるため説明を省略する。
【0120】
第２排気通路２５２は、第１独立通路２５２ａと、第２独立通路２５２ｂと、第３結合通路２５２ｃと、第２集合通路２５２ｄと、を有する。第１独立通路２５２ａ、第２独立通路２５２ｂ、及び第３結合通路２５２ｃの構成は、実施形態１と同じであるため説明を省略する。
【0121】
第３排気通路２５３は、タービンハウジング２５８よりも上流側まで延びている。つまり、第３排気通路２５３の途中にタービンハウジング２５８が配置された状態となっている。ウエイストゲートバルブ７４は、第３排気通路２５３におけるタービンハウジング２５８よりも上流側の部分と、第３排気通路２５３におけるタービンハウジング２５８よりも下流側の部分とを接続する通路に設けられている。
【0122】
第１集合通路２５１ｃ及び第２集合通路２５２ｄは、タービンハウジング２５８よりも上流側で第３排気通路２５３に接続される。第１集合通路２５１ｃと第２集合通路２５２ｄとは、第３排気通路２５３への接続部分において、互いに平行に延びる。具体的には、第１集合通路２５１ｃと第２集合通路２５２ｄとは、第３排気通路２５３への接続部分において、第１集合通路２５１ｃを流れる排気ガスの流れと第２集合通路２５２ｄを流れる排気ガスの流れとが同じ方向になるように延びている。
【0123】
（７）実施形態２の効果
本実施形態２の排気システム２０１では、第１排気通路２５１と第２排気通路２５２とは、タービン２７２が配置されるタービンハウジング２５８よりも上流側で、互いに平行になるよう結合される。排気システム２０１は、第２排気通路２５２から第１排気通路２５１への排気ガスの逆流を抑制できる。これにより、第２排気通路２５２を通る排気ガスがＥＧＲ通路５５に流入するのを抑制できるため、排気システム２０１は、ノッキングを効果的に抑制できる。
本実施形態２の排気システム２０１では、第１排気通路２５１と第２排気通路２５２とは、タービン２７２が配置されるタービンハウジング２５８よりも上流側で、互いに平行になるよう結合される。排気システム２０１は、第２排気通路２５２から第１排気通路２５１への排気ガスの逆流を抑制できる。これにより、第２排気通路２５２を通る排気ガスがＥＧＲ通路５５に流入するのを抑制できるため、排気システム２０１は、ノッキングを効果的に抑制できる。
【0124】
（８）その他の実施形態
ここに開示された技術は、前述の実施形態に限られるものではなく、請求の範囲の主旨を逸脱しない範囲で代用が可能である。
ここに開示された技術は、前述の実施形態に限られるものではなく、請求の範囲の主旨を逸脱しない範囲で代用が可能である。
【0125】
例えば、実施形態１及び２では、エンジン１０の暖機は、主排気触媒６０の温度により判定していた。これに限らず、エンジン冷却水の水温を更に考慮してもよい。具体的には、ＥＣＵ１００は、主排気触媒６０の温度が所定温度以上であったとしても、エンジン冷却水の水温が閾値温度未満では冷間状態と判定する。これにより、エンジン冷却水の水温が高くなるまでは、第１排気バルブ２３は第１モードで制御される。この結果、高温の排気ガスを還流でき、エンジン１０自体の暖機効率を向上できる。また、エンジン１０自体が低温の状態では、ＨＣの量が比較的多い。エンジン冷却水の水温を更に考慮することで、ＨＣを含む高温の排気ガスを還流させることができる。したがって、エンジン１０の暖機効率の向上と相俟って、ＨＣの排出を抑制することができる。
【0126】
実施形態１及び２では、ターボチャージャ７０，２７０を備えていたが、ターボチャージャ７０，２７０は、必須の構成ではなく、省略してもよい。
【0127】
実施形態１及び２では、エンジン１０の運転状態が第１運転領域４１１に属するときには、ＨＬＡ２４２により第２排気バルブ２４の開閉動作を停止させることで、第２排気通路５２から第３排気通路５３への排気ガスの流通を停止させていた。これに限らず、第２集合通路５２ｄ，２５２ｄに排気シャッター弁を設けることで、第２排気通路５２から第３排気通路５３への排気ガスの流通を停止するようにしてもよい。すなわち、エンジン１０の運転状態が第１運転領域４１１に属するときには、排気シャッター弁を閉じるようにしてもよい。
【0128】
実施形態１及び２では、第１排気バルブ２３と第２排気バルブ２４とは同じ大きさであった。これに限らず、第１排気バルブ２３と第２排気バルブ２４とは異なる大きさであってもよい。例えば、第２運転領域４１２において、エンジン１０の出力を高くしたい場合には第２排気バルブ２４よりも第１排気バルブ２３を大きくしてもよい。また、第２運転領域４１２において、第１排気通路５１を流れる排気ガスの温度を積極的に低くしたい場合には、第１排気バルブ２３よりも第２排気バルブ２４を大きくしてもよい。
【0129】
前述の実施形態は単なる例示に過ぎず、本開示の範囲を限定的に解釈してはならない。本開示の範囲は請求の範囲によって定義され、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本開示の範囲内のものである。
【産業上の利用可能性】
【0130】
ここに開示された技術は、排気システムとして有用である。
【符号の説明】
【0131】
１ 排気システム
１０ エンジン
１７ 燃焼室
２３ 第１排気バルブ
２４ 第２排気バルブ
４０ 吸気通路
５０ 排気通路
５１ 第１排気通路
５２ 第２排気通路
５３ 第３排気通路
５５ ＥＧＲ通路
５７ エジェクタ
５８ タービンハウジング
６０ 主排気触媒
６１ 副排気触媒
７０ ターボチャージャ
７２ タービン
１００ ＥＣＵ（コントローラ）
２４２ 油圧ラッシュアジャスタ（流量調整部）
２５０ 排気通路
２５１ 第１排気通路
２５２ 第２排気通路
２５３ 第３排気通路
２５８ タービンハウジング
２７０ ターボチャージャ
２７２ タービン
４１１ 第１運転領域
４１２ 第２運転領域
１０ エンジン
１７ 燃焼室
２３ 第１排気バルブ
２４ 第２排気バルブ
４０ 吸気通路
５０ 排気通路
５１ 第１排気通路
５２ 第２排気通路
５３ 第３排気通路
５５ ＥＧＲ通路
５７ エジェクタ
５８ タービンハウジング
６０ 主排気触媒
６１ 副排気触媒
７０ ターボチャージャ
７２ タービン
１００ ＥＣＵ（コントローラ）
２４２ 油圧ラッシュアジャスタ（流量調整部）
２５０ 排気通路
２５１ 第１排気通路
２５２ 第２排気通路
２５３ 第３排気通路
２５８ タービンハウジング
２７０ ターボチャージャ
２７２ タービン
４１１ 第１運転領域
４１２ 第２運転領域
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
