JP2005133651A

JP2005133651A - 過給装置付きエンジン

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Publication number: JP2005133651A
Application number: JP2003371059A
Authority: JP
Inventors: Chika Kanba; 千佳神庭
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-10-30
Filing date: 2003-10-30
Publication date: 2005-05-26

Abstract

【課題】過給装置付きエンジンの小型化、当該装置の占めるスペースの狭小化、あるいは効率化を実現し、その構成・構造を簡易なものとする。
【解決手段】エンジン（１５０）から延びるエキゾーストマニホールド（５０２）と、これにそのタービンの入口が接続された高圧ターボ（４２）と、高圧ターボのタービンの出口にその一端が接続されたエルボ管（５０１）と、エルボ管の他端に接続されるとともに排気ガスを流通させるための排気流通口が形成され、かつ、エキゾーストマニホールドと一体的に形成された低圧ターボ載置部（５２０）と、そのタービンの入口が排気流通口に接続され低圧ターボ載置部に載置される低圧ターボ（４１）と、エキゾーストマニホールドから延びエルボ管に接続される高圧ターボバイパス管（１７４）と、高圧ターボバイパス管において排気ガスを流通させ又は該排気ガスの流通を阻止するバルブとを備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、過給装置付きエンジンの技術分野に属する。

過給装置付きエンジンとしては、従来、いわゆる２ステージターボシステムが知られている。これは、エンジンの吸排気管に低圧ターボ及び高圧ターボを備えた構成からなり、第１に低圧ターボによる過給、第２に高圧ターボによる過給という二段の過給が行えるようになっているものである。このような２ステージターボシステムとしては、種々の構成が提案されている。例えば、大型ターボ（前述の低圧ターボに該当する。）と小型ターボ（前述の高圧ターボに該当する。）のうち、後者を迂回する排気バイパス通路及び排気切替弁を設け、この排気切替弁の開閉に応じて燃料噴射装置のパイロット噴射の実施又は停止を制御するもの（特許文献１）、あるいは前記エンジンの回転数に応じて低圧ターボ及び高圧ターボを使い分けるもの、具体的には、エンジンの回転数が低い領域では小流量領域での作動に適した小型ターボで主に過給を行い、逆に回転数が高い領域では大流量領域での作動に適した大型ターボのみで過給を行うもの（特許文献２）、などである。後者の場合には、上述のような小型ターボ及び大型ターボの使い分けを実現するために、吸気側及び排気側の適宜の位置にバイパス弁及び切替弁を設ける（ちなみに、特許文献２の発明自体は、インタークーラバイパス制御装置に関する。）。

特許文献１では、パイロット噴射の有無を決定する制御回路の単純化が可能になるという効果が得られ、特許文献２では、エンジンの全負荷領域にわたって適切な過給を得ることが可能になるという効果が得られる。

特開平３−２９００２８号公報特開平４−１３６４２４号公報

しかしながら、上述のような２ステージターボシステムには次のような問題点ある。すなわち、かかる２ステージターボシステムでは、エンジンに加えて２台のターボを設ける必要がある以上、その配置方法ないしレイアウトが困難になるということである。例えば、これらエンジン及び２台のターボを特別な考慮を払うことなく配置（従来においては、２台のターボを単純に水平に配置したり、大型ターボをより下方に配置したりしていた。）するのでは、当該過給装置付きエンジンを設置するためのスペースが必要以上に大きくなってしまい、その結果、これを搭載する車両等の大型化を招くことになってしまう。といって、前記のような過給態様を実現するためには、２台のターボの配置関係には自ずと制約（高圧ターボが上流側で、低圧ターボが下流側に等）が伴い、小型化を達成するための自由なレイアウトが完全に許されるわけではない。このように、所望の性能を享受しつつ小型化を図るということは、いわばトレードオフの関係にあって、両要請を満足させるのは一般に困難であることになる。

また、過給装置付きエンジンを車両等に搭載する場合、当該過給装置付きエンジンの周囲には、その他の各種の要素（例えば、マニバータ等）を設置する必要があるが、上述した事情から、当該他の要素の設置場所の確保についても困難が伴うことになる。

これらの点につき、前記の特許文献１及び２、あるいは公知となっている多くの文献においても、特別な配慮がなされているわけではなく、この問題は有効に解消されるには至っていない。

また、前記の特許文献１及び２にも開示されているように、２ステージターボによる効果的な過給を行うためには、一般に切替バルブ（例えば、前記の排気切替弁）を設ける場合が多く、それに伴って当該過給装置付きエンジンの構成・構造が複雑になるという点も問題である。特に、コンプレッサ側及びタービン側の双方に切替バルブを設ける形態では、この問題点はより顕著になる。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、装置全体の小型化が達成される結果、当該装置の占めるスペースの狭小化、あるいは効率化が実現されるとともに、その構成・構造が簡易となる過給装置付きエンジンを提供することを課題とする。

〔１〕
本発明の過給装置付きエンジンは、上記課題を解決するため、エンジンと、該エンジンから延びる複数の配管部と該複数の配管部が集合された集合部とからなり該エンジンから排出される排気ガスが流通するエキゾーストマニホールドと、前記集合部にそのタービンの入口が接続された高圧ターボと、該高圧ターボのタービンの出口にその一端が接続されたエルボ管と、該エルボ管の他端に接続されるとともに前記排気ガスを流通させるための排気流通口が形成され、かつ、前記エキゾーストマニホールドと一体的に形成された低圧ターボ載置部と、そのタービンの入口が前記排気流通口に接続され前記低圧ターボ載置部に載置される低圧ターボと、前記エキゾーストマニホールドから延び前記エルボ管に接続される高圧ターボバイパス管と、該高圧ターボバイパス管において前記排気ガスを流通させ又は該排気ガスの流通を阻止するバルブとを備えている。

本発明の過給装置付きエンジンによれば、まず、エンジンから排出される排気ガスの流れが、エキゾーストマニホールド、高圧ターボ、エルボ管、低圧ターボ載置部の排気流通口及び低圧ターボというように実現されることになる。ここでエルボ管とは、その入口におけるガスの流通方向と出口におけるそれとが所定の角度（典型的には約９０度）をもつように屈曲した配管をいい、一体的に形成されていてもよいが、複数の配管を繋ぎ合わすことによって形成されていてもよい。したがって、本発明において、低圧ターボ及び高圧ターボは前記の所定の角度で規定される形で配置されることになる。また、本発明では、低圧ターボがエキゾーストマニホールドと一体的に形成された低圧ターボ載置部に載置されていることから、ステー等の特別な固定部材が必要ない。これは、本発明に係るエキゾーストマニホールド及び低圧ターボ載置部が当該低圧ターボを固定するための固定部材の役割を担い得るからである。したがって、本発明によれば、前記ステー等の特別な固定部材のためのコストを削減可能であるとともに、とりわけ当該特別な固定部材のための設置場所を確保する必要がない。以上により、本発明では、特にエルボ管及び低圧ターボ載置部の存在により、当該過給装置付きエンジンの小型化を達成することができ、当該装置の占めるスペースの狭小化、あるいは効率化が実現されることになる。特に、低圧ターボは低圧ターボ載置部に載置され、エンジンからみて相対的に上側に配置されていることから、当該エンジンの下側には空間をつくることができ、当該空間にはエンジン及び２台のターボ以外の他の要素（例えばマニバータ等）を配置することができる。このように、本発明によれば、各種要素のレイアウト自由度の向上、あるいは効率化も実現されることになる。

一方で、本発明に係る過給装置付きエンジンでは、エキゾーストマニホールド及びエルボ管間に高圧ターボバイパス管が設けられるとともに、そこにおける排気ガスの流通及びその阻止を支配するバルブが設けられていることから、例えば背圧の上昇の程度やエンジンの回転数等を考慮して、低圧ターボ及び高圧ターボの双方を利用した２ステージ過給や低圧ターボのみを利用した過給等といった過給態様の切替を行うことができるようになっている。

以上を要するに、本発明によれば、過給態様の切替を好適に実施できると同時に、それを実現するための高圧ターボバイパス管も、比較的近接配置され得るエキゾーストマニホールド及びエルボ管間に配置されることから、比較的短距離とすることが可能であることにより、前述の設置スペースの狭小化や効率化という効果が損われることなく当該効果の十二分な享受が可能になっているのである。しかも、本発明では前述の過給態様の切替に関して特に、バルブが開かれて高圧ターボバイパス管における排気ガスの流通が許容されたとしても、エキゾーストマニホールドから高圧ターボへの排気ガスの流れを遮断させないことが可能となっている。つまり、排気ガスの大部分は高圧ターボをバイパスして低圧ターボに流れ込むことになるが、その一部については高圧ターボへ依然流れ込ませることが可能である。そうすると、高圧ターボは若干ながら回転することとなるから、その吸気側において、吸入空気の流通が阻害されるようなことがない。すなわち、この場合、当該吸気側において、高圧ターボをバイパスするための配管、該配管に設けられるバルブ、及び該バルブを動作させるための各種の構成等を設ける必要がないのである。よって、本発明では、当該過給装置付きエンジンの構造を簡易化することが可能であるとともに、このような観点からしても、前述の設置スペースの狭小化、あるいは効率化をよりよく実現することができる。

なお、前述のバルブを開閉させるための動力源としては、過給圧やバキュームポンプにより生み出される負圧等を利用することができる。

〔２〕
本発明の過給装置付きエンジンの一態様では、前記バルブは前記排気ガスを動力源として動作する。

この態様によれば、バルブの開閉、あるいはその開度を背圧の上昇の程度に対応させることが容易であり、したがって該開度等を好適に定めることができるから、過給態様の切替をより適切かつ容易に行うことができる。

〔３〕
本発明の過給装置付きエンジンの他の態様では、前記バルブを動作させるアクチュエータと、当該過給装置付きエンジンの動作状態に応じて前記アクチュエータの動作を制御するアクチュエータ制御手段とを更に備えている。

この態様によれば、アクチュエータ制御手段が設けられていることにより、バルブの制御性を向上させることができる。すなわち、当該過給装置付きエンジンの動作状態、具体的には例えば、エンジンの回転数、冷却水温度、排気ガス圧力、過給圧力等の変移も考慮に入れて、バルブの開閉を実行することができるので、制御性が向上するという利点が得られるのである。

なお、アクチュエータ制御手段には、具体的には例えば、ＶＳＶ（Vacuum Switching Valve）が含まれ得る。

〔４〕
この態様では特に、前記アクチュエータに前記排気ガスを供給する排気ガス供給手段を更に備え、当該アクチュエータは当該排気ガスを動力源として動作するように構成してもよい。

このような構成によれば、前記バルブの開閉は、前述の当該過給装置付きエンジンの動作状態に加えて、背圧の上昇の程度にも応じて定めることができるから、過給態様の切替をより適切かつ容易行うことができる。

以上説明したように、本発明によれば、装置全体の小型化が達成される結果、当該装置の占めるスペースの狭小化が実現されるとともに、その構成・構造が簡易となる。

本発明のこのような作用及び効果その他の利得は次に説明する実施の形態から明らかにされる。

以下では、本発明の第１の実施の形態について図１乃至図４を参照しつつ説明する。ここに図１は、過給装置付きエンジンの概念的な構成例を示す図である。また、図２及び図３はいずれも本実施形態に係る過給装置付きエンジンの詳細かつ具体的な構成例を示す図であり、両者はそれぞれ同一の構成例を異なる視点から臨んだ場合を示している。なお、図２及び図３では、本実施形態に特に関係のある高圧ターボチャージャの配置態様を図示することを目的としており、それ以外の要素等については適宜省略して図示されている。また、これらの図において、エンジン１５０の全容は示されておらず、該エンジン１５０によって占められる概ねの設置範囲が破線でもって示されている。

図１において、過給装置付きエンジンは、制御装置１７０、エンジン１５０、エアクリーナ１０、触媒コンバータ８０、低圧ターボチャージャ４１及び高圧ターボチャージャ４２を備えている（以下、簡単のため、「ターボチャージャ」を「ＴＣ」と表記する。）。このうち制御装置１７０は、エンジン１５０に設けられる図示しない点火プラグの点火時期、あるいは燃料噴射量等を制御する。また、低圧ＴＣ４１及び高圧ＴＣ４２は、それぞれタービン４１１及び４２１並びにコンプレッサ４１２及び４２２を備えている。なお、これら低圧ＴＣ４１及び高圧ＴＣ４２は、例えば図示しない可変ノズル（Variable Nozzle）を備える等いわゆる可変容量方式とすることが可能である。このようにすれば、一般に、前記可変ノズルを絞れば過給圧を高めてエンジントルクを向上させることができ、該可変ノズルを開けばエンジン１５０の背圧を低めて燃費を向上させることができる、等といった利点が得られる。

前記のエンジン１５０、或いは低圧ＴＣ４１及び高圧ＴＣ４２等は、以下述べるような各種配管によって接続されている。

まず、吸気側において、エアクリーナ１０は、図１において太線で示される吸気管２０に接続されており、該吸気管２０は、低圧ＴＣ４１のコンプレッサ、低圧用インタークーラ２４、高圧ＴＣ４２のコンプレッサ４２１、高圧用インタークーラ２５及びエンジン１５０の図示しない吸気バルブのそれぞれに接続されている。他方、排気側において、エンジン１５０の図示しない排気バルブは、図１において太線で示される排気管３０に接続されており、該排気管３０は、高圧ＴＣ４２のタービン、低圧ＴＣ４１のタービン及び触媒コンバータ８０に接続されている。この排気管３０のうちには、エンジン１５０及び高圧ＴＣ４２間に配置される配管としてエキゾーストマニホールド５０２が含まれている。エキゾーストマニホールド５０２は、エンジン１５０が複数の気筒を有していることに対応して設けられており、これら複数の気筒それぞれの排気バルブからそれぞれ延びる各配管部と、これら各配管部を集合させた集合部とからなる配管である（図２及び図３参照）。また、排気管３０のうちには、低圧ＴＣ４１及び高圧ＴＣ４２間に配置される配管としてエルボ管５０１が含まれている。本実施形態では、このエルボ管５０１の採用等によって、低圧ＴＣ４１につき、以下に説明するような特別な配置態様が採られる。

すなわちまず、エルボ管５０１は、図２及び図３に示すように、その入口における排気ガスの流通方向と出口におけるそれとのなす角度が概ね９０度となるような屈曲した配管となっている。そして、このエルボ管５０１の入口には高圧ＴＣ４２のタービン４２１の出口が接続されており、該エルボ管５０１の出口には後述するように低圧ＴＣ載置部５２０に形成された排気流通口５２１が接続されている。なお、低圧ＴＣ４１のタービン４１１の入口には、エンジン１５０のエキゾーストマニホールド５０２の集合部５０２ａが接続されている。このような構成により、高圧ＴＣ４２のタービン４２１の出口から排出された排気ガスは、図２の矢印Ｘに示すように、図中右方向に流れた後その進路を図中上側に変更して流れ、排気流通口５２１に到達するようになっている。

一方で、本実施形態においては、エキゾーストマニホールド５０２の一部として、低圧ＴＣ載置部５２０が形成されている。この低圧ＴＣ載置部５２０には、排気流通口５２１及びネジ孔５２２が形成されている。低圧ＴＣ載置部５２０は、図３に示すようにエキゾーストマニホールド５０２の一部が、エンジン１５０からみてその側方に張り出したかの如き部分からなる。当該低圧ＴＣ載置部５２０は、エキゾーストマニホールド５０２と一体的に成形することが可能である。また、この低圧ＴＣ載置部５２０は、その形状が平面的にみて略三角形状の部分を有する略板状となっており、排気流通口５２１は、その中心が前記の略三角形状の重心にほぼ一致するように形成されている。ネジ孔５２２は、この排気流通口５２１の周囲を取り巻くように、かつ、前記の略三角形状の頂点に対応するように都合三つ形成されている。このネジ孔５２２は、図３において示されない反対側面（裏面）にも形成されている。

そして、かかる低圧ＴＣ載置部５２０の図３において示されない裏面には、該裏面に接するように前述のエルボ管５０１の出口が接続されており、図３において示されているもう一方の表面には、該表面に載置されるようにして、低圧ＴＣ４１のタービン４１１の入口が接続されている。これらエルボ管５０１の出口及びタービン４１１の入口のそれぞれは、前記のネジ孔５２２により低圧ＴＣ載置部５２０にネジ止めされている。

このように、本実施形態では、高圧ＴＣ４２のタービン４２１の出口と低圧ＴＣ４１のタービン４１１の入口とは、それらの間にエルボ管５０１、低圧ＴＣ載置部５２０の排気流通口５２１が介されることで相互に接続されるようになっている。そして特に、以上のような構造、即ち低圧ＴＣ４１がエキゾーストマニホールド５０１から側方に張り出した低圧ＴＣ用載置台５２０の上に載置され、また該低圧ＴＣ４１及び高圧ＴＣ４２が屈曲したエルボ管５０１で接続されている構造により、本実施形態において、低圧ＴＣ４１はエンジン１５０からみてその上側に配置されるようになっており、これに応じて、エンジン１５０の下方側には空間Ｖが形成されることになる。

さて、図１に戻り、排気側においては更に、上述の構成に加えて、高圧ＴＣバイパス管１７４及びバイパス管用バルブ１７Ｖが備えられている。高圧ＴＣバイパス管１７４は、エンジン１５０及び高圧ＴＣ４２間のエキゾーストマニホールド５０２から分枝し、高圧ＴＣ４２及び低圧ＴＣ４１間のエルボ管５０１の途中に接続されている（高圧ＴＣバイパス管１７４は、図２においても示されている。）。また、バイパス管用バルブ１７Ｖは、この高圧ＴＣバイパス管１７４の途中に設けられており、該バルブ１７Ｖの開閉に応じて、高圧ＴＣ４２を介さないエンジン１５０からの排気が低圧ＴＣ４１に供給されるかどうかが定められるようになっている。なお、上記では、高圧ＴＣバイパス管１７４はエルボ管５０１の途中に接続されていたが、それに代えて、エキゾーストマニホールド５０２と一体的に形成された低圧ＴＣ用載置部５２０その他の部分に接続することも可能である。

このバイパス管用バルブ１７Ｖの周りには、その動作を可能にするため、アクチュエータ１７５、対ＶＳＶ排気供給管１７２、アクチュエータ駆動用配管１７３及びＶＳＶ（Vacuum Switching Valve）１７１が備えられている。これらのうちまず、対ＶＳＶ排気供給管１７２は、前記エキゾーストマニホールド５０２から分枝しており、ＶＳＶ１７１に接続されている。

ＶＳＶ１７１は、図示しない電磁ソレノイドを備えており、該電磁ソレノイドに対する印加電圧の有無に応じてオン・オフ動作する。ＶＳＶ１７１は、前述の対ＶＳＶ排気供給管１７２から排気ガスの供給を受けるとともに、それとは別系統として大気の導入を受けるようになっており、これら排気ガス及び大気のいずれか一方を、前記の電磁ソレノイドのオン・オフ動作に応じてアクチュエータ駆動用配管１７３に選択的に送り出すようになっている。なお、ＶＳＶ１７１は、制御装置１７０に接続されており、前記の印加電圧の発生の有無は、当該制御装置１７０によって司られるようになっている。また、制御装置１７０には各種のセンサ、例えば吸入空気量をはかるための流量計、排気ガス圧力センサ、エンジン１５０に付設されるエンジン回転数センサ、温度センサ等が接続されており、これら各種のセンサから時々刻々検出結果が送られてくるようになっている。制御装置１７０は、これらの検出結果のいずれか一つ以上に基づいて、前記の印加電圧の発生の有無、ひいてはバイパス管用バルブ１７Ｖの開閉を決するようになっている（後述する図４及びその説明参照）。

アクチュエータ駆動用配管１７３はＶＳＶ１７１から延びアクチュエータ１７５に接続されている。アクチュエータ１７５は、例えばダイアフラム、該ダイアフラムを付勢するスプリング、及びダイアフラムを挟んで前記スプリングが設けられている場所と同じ側及び反対側に配置される二つの作動室（いずれも不図示）を備えている。かかる構成では更に、前記の二つの作動室のうちの一方又は双方の内に、アクチュエータ駆動用配管１７３を通じて排気ガス又は大気が送られてくるようにするとともに、その相違に応じてダイアフラムの動作又は不動作が定められるようにしておくとよい。

アクチュエータ１７５は、前記のバイパス管用バルブ１７Ｖに接続（該アクチュエータ１７５に前述のようにダイアフラムが設けられている場合には特に、該ダイアフラムに接続）されており、該アクチュエータ１７５の動作に応じて、バイパス管用バルブ１７の開動作又は閉動作が行われるようになっている（図中破線矢印、参照。）。

以上により結局、本実施形態においては、大きな流れとして、制御装置１７０から発せられる制御信号によってＶＳＶ１７１のオン・オフ動作が制御され、該ＶＳＶ１７１のオン・オフ動作に応じてアクチュエータ１７５の動作が制御され、該アクチュエータ１７５の動作の有無に応じて、バイパス管用バルブ１７Ｖの開閉が司られるようになっている。また、本実施形態の場合、ＶＳＶ１７１に排気ガスが導入され、これがアクチュエータ１７５の動力源となることから、バイパス管用バルブ１７Ｖの動力源もまた当該排気ガスであるということができる。

なお、図示はされないが、上述した高圧ＴＣバイパス管１７４、バイパス管用バルブ１７Ｖ、及び該バルブ１７Ｖを動作させるための各種の構成は、吸気側についても設けておくとよい。すなわち、吸気側においても、高圧ＴＣ４２をバイパスするための配管、該配管に設けられるバルブ、及び該バルブを動作させるための各種の構成（以下、便宜上、これらをまとめて「吸気側バイパス関連構成」とよぶ。）を備えておいてもよい（ただし、本実施形態においては、この「吸気側バイパス関連構成」を設けないことを前提とする。後述参照）。

以上のような構成を備える本実施形態の過給装置付きエンジンは、例えば図４に示すようにして運用され、その結果、以下に記すような作用効果が得られることになる。ここに図４は、２ステージ過給の過給特性の例を示す図である。

本実施形態において、高圧ＴＣ４２及び低圧ＴＣ４１は、条件に応じてその使用・不使用（特に、高圧ＴＣ４２の不使用）が決定されるようになっており、その決定は、より具体的には図４に示すような最大吸入空気量特性を得ることを目的として行われる。図において縦軸は吸入空気量Ｑをエンジン回転数Ｎｅで割った値（Ｑ／Ｎｅ）を示しており、横軸はエンジン回転数Ｎｅを示している。図中破線Ａで示されているのは、高圧ＴＣ４２の最大流量特性であり、排気ガス流量の少ないエンジン低回転領域で最大の（Ｑ／Ｎｅ）値を得るような特性を有している。また、同様に破線Ｂは低圧ＴＣ４１の最大流量特性を示し、エンジン１５０の高回転領域で最大のＱ／Ｎｅ値を得るような特性を有している。制御装置１７０は、高圧ＴＣ４２及び低圧ＴＣ４１の流量特性を組み合わせることによって、図４に実線で示すようにエンジン回転数Ｎｅの広い範囲にわたって最大Ｑ／Ｎｅ値の変動が少ない流量特性を得ている。

図４において、Ｉで示した領域（エンジン１５０の回転数が低い領域）は、低圧ＴＣ４１及び高圧ＴＣ４２の２ステージ過給領域を示し、過給は主に立ち上がりの早い小型の高圧ＴＣ４２によって行われる。この場合、制御装置１７０は、バイパス管用バルブ１７Ｖを閉じるように制御し、高圧ＴＣバイパス管１７４からエルボ管５０１には排気ガスが導入されないようにする。ちなみに、吸気側において前述の吸気側バイパス関連構成が備えられているのであれば、これについても、高圧ＴＣ４２のコンプレッサ４２２に吸気の流入が行われるようにするとともに、該コンプレッサ４２２における圧縮が行われるような状態が同様に実現されるに制御しておく。以上により、エンジン回転数Ｎｅが小さい領域でも、適切な過給圧を得ることができる。

次に、ＩＩで示した領域は、前記のＩで示した領域と同様、低圧ＴＣ４１及び高圧ＴＣ４２による２ステージ過給領域ではあるが、Ｑ／Ｎｅは一定に維持されるようになっている。これは、バイパス管用バルブ１７Ｖの開度が徐々に大きくなっていくような構成であるときに実現される。すなわち、エンジン１５０の回転数Ｎｅが徐々に増大していくと、排気ガス流量もまた増大していくことになるから、エキゾーストマニホールド５０２から排出され、対ＶＳＶ排気供給管１７２、ＶＳＶ１７１、アクチュエータ駆動用配管１７５及びアクチュエータ１７５に順次流れる排気ガスの圧力は次第に高まっていくことになる。ここでアクチュエータ１７５が前述のようにダイアフラム等を含む構成からなるとすると、この排気ガスの圧力の高まりに応じて、前記のダイアフラムの移動量を次第に大きくしていくことができ、更にこれに伴いバイパス管用バルブ１７Ｖの開度を次第に大きくしていくような作用を実現することが可能である。ＩＩで示した領域は、以上述べたようにバイパス管用バルブ１７Ｖの開度が「徐々」に大きくなっていくことに対応している。

最後に、ＩＩＩで示した領域（エンジン１５０の回転数が高い領域）は、低圧ＴＣ４１のみによる過給領域を示している。この場合、制御装置１７０は、バイパス管用バルブ１７Ｖを完全に開くように制御し、高圧ＴＣバイパス管１７４からエルボ管５０１に排気ガスが導入されるようにする。この場合、排気ガスの大部分は、エンジン１５０から直接的に低圧ＴＣ４１に至るように流れることになり、事実上、高圧ＴＣ４２は働かなくなる。つまり、高圧ＴＣ４２がバイパスされるのである。ちなみに、吸気側において前述の吸気側バイパス関連構成が備えられているのであれば、これについても、高圧ＴＣ４２のコンプレッサ４２２に吸気の流入が行われないような状態が同様に実現されるように制御しておく。以上により、領域ＩＩＩでは、エンジン高回転領域での作動特性に優れた低圧ＴＣ４１のみによって過給が行われることになり、適切な過給圧を得ることができる。

以上述べたように、本実施形態の過給装置付きエンジンによれば、エンジン回転数Ｎｅの広い範囲にわたって適切な過給圧を得ることが可能となっている。

ちなみに、上述においては、エンジン回転数Ｎｅのみに基づく制御が行われるような記述になっているが、本実施形態においては、バイパス管用バルブ１７Ｖの動力源には前述のように排気ガスが利用されているから、背圧の上昇の程度がバイパス管用バルブ１７Ｖの開度に反映されているということができる。

以上述べたような構成及び運用によって、本実施形態では次のような効果が得られる。まず、本実施形態の過給装置付きエンジンの構造によれば、低圧ＴＣ４１がエキゾーストマニホールド５０２から張り出した低圧ＴＣ載置部５２０に載置されるようになっており、エンジン１５０からみて相対的にその上方側に配置されるような形になっているから、当該過給装置付きエンジンを設置すべきスペースの狭小化、あるいは効率化が達成される。その上、低圧ＴＣ４１は、上述のようにエキゾーストマニホールド５０２と一体的とされた低圧ＴＣ載置部５２０に載置され、かつ、ネジ孔５２２によってネジ止めされていることから、本実施形態では、当該低圧ＴＣ４１を固定するためのステー等の特別な部材が必要でなく、該ステー等を設置する空間を特別に確保する必要がない。このことからも前述の効果は更に促進される。さらに、低圧ＴＣ４１がエンジン１５０の上方側に配置されるようになっていることにより、該エンジン１５０の下方側には空間Ｖ（図３参照）が形成されることになるが、これにより本実施形態によれば、当該空間Ｖに、例えばマニバータ（エンジン直下に配置される触媒コンバータ。図１中符号８０参照。）等の他の要素を配置することが可能となる等当該他の要素の設置場所の確保も容易になる。

また、本実施形態の過給装置付きエンジンの運用においては、バイパス管用バルブ１７Ｖを開閉するための動力源として、排気ガスが利用されていることから、当該バイパス管用バルブ１７Ｖの開度を背圧の上昇の程度に対応させることが容易であり、したがって該開度を好適に定めることができるから、過給態様の切替をより適切かつ容易に行うことができる。

さらに、本実施形態においては、バイパス管用バルブ１７Ｖが完全が開かれた場合でも、排気ガスの一部は高圧ＴＣ４２のタービン４２１に流れ込むようになっている（図１参照）。これによると、図４においてＩＩＩの領域内にある場合であっても、高圧ＴＣ４２のタービン４２１は若干ながらも回転することになり、したがって当該高圧ＴＣ４２のコンプレッサ４２２もまた若干ながら回転する（当該タービン４２１の回転に応じて連れ回る。）ことになる。したがって、この高圧ＴＣ４２のコンプレッサ４２２が吸入空気の流れにとって大きな邪魔になることがない。そうすると、本実施形態では、前述した、吸気側において高圧ＴＣ４２をバイパスするために必要な構成、即ち吸気側バイパス関連構成を設ける必要が必ずしもないことになるのである。これによると、本実施形態の過給装置付きエンジンの構造の簡易化をより促進させることができる。また、当該吸気側バイパス関連構成を設けなくても済むということは、前述の設置スペースの狭小化、あるいは効率化をよりよく実現することができることにもなる。

なお、本発明は、上述したような実施形態に限定されるわけではなく、その他種々のバリエーションをとることができる。以下では、そのいくつかについて説明しておく。

第１に、上記実施形態では、エンジン１５０の回転数Ｎｅに基づいてバイパス管用バルブ１７Ｖの開閉の態様を定めていたが、回転数Ｎｅを基準にするのに代えて又は加えて、前述した排気ガス圧力センサの検知結果と制御手段１７０及びＶＳＶ１７１とを利用することにより、背圧の上昇の程度に応じて、バイパス管用バルブ１７Ｖの開閉の制御を行うようにしてもよい（具体的には例えば、高圧ＴＣ４２が閉塞する程度に背圧が上昇したときに、バイパス管用バルブ１７Ｖを開く等。）。ちなみに、この場合、背圧の計測によって、間接的ながら、エンジン回転数Ｎｅもある程度は推測され得る。また、これに関連して、バイパス管用バルブ１７Ｖの開閉にあたってＶＳＶ１７を動作させるために参照するパラメータとしては、前記のエンジン回転数Ｎｅ、あるいは背圧の上昇の程度に代えて又は加えて、アクセル開度（ないしは負荷）等を参照するのでもよい。

第２に、上述した、バイパス管用バルブ１７Ｖの開度が、背圧の上昇の程度に影響を受けるということをより徹底すると、図１に示したＶＳＶ１７１を必ずしも設ける必要はなくなる。すなわち、バイパス管用バルブ１７Ｖの動力源として排気ガスを利用するということについては変更をせずに、図１に示されているＶＳＶ１７１を省略するとともに、同図のアクチュエータ１７５に代えて排気ガスの直接的な導入を受けて動作するアクチュエータを設けることで、当該アクチュエータの動作、ひいてはバイパス管用バルブ１７Ｖの開閉を制御することが可能である。この場合、過給装置付きエンジンの構造がより簡易化することはいうまでもない。ただし、上記実施形態のようにＶＳＶ１７１を利用する場合には、バイパス管用バルブ１７Ｖの開閉動作にあたって、上述のようにエンジン回転数Ｎｅ等の変移も考慮に入れることができるので制御性が向上するという利点が得られるが、先に述べたＶＳＶ１７１を省略する形態では、かかる利点は得られない。つまり、ＶＳＶ１７１を設けるか否かは、前述の二つの効果を比較考量し、どちらを重視するかによって定められ得る事項ということができる。

第３に、高圧ＴＣ４２につき、背圧の上昇の程度に応じて開閉するウエストゲートバルブを設けることで、高圧ＴＣバイパス管１７４に排気ガスを流通させるかどうかを制御するような形態としてもよい。

第４に、上述においては、アクチュエータ１７５の動力源として排気ガスが用いられていたが、本発明はこのような形態に限定されるわけではなく、排気ガス以外にも、過給圧、バキュームポンプによる負圧を用いることができる。過給圧、あるいは排気ガスを用いる場合には、その圧力を一定の値まで減圧するためにレギュレータを併せて用いてもよい。

第５に、上記実施形態においては、高圧ＴＣバイパス管１７４は、エキゾーストマニホールド５０２から分枝するようになっているが、本発明は、このような形態に限定されず、例えばエキゾーストマニホールド５０２に排出されたガスの一部を吸気系統に戻すＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation；排気ガス再循環）装置が設けられる場合においては、これを構成するＥＧＲパイプから高圧ＴＣバイパス管１７４が分枝するような形態を採用してもよい。なお、ＥＧＲ装置を設けることによれば、エンジン１５０内における燃焼室内の燃焼温度は下がり、窒素酸化物の生成と、吸入空気量の増加による排気微粒子の生成とを抑制することができる。

第６に、上記実施形態では、アクチュエータ１７５に排気ガスが直接的に供給されるようになっているが、当該排気ガスは通常極めて高温であるため、このままでは当該アクチュエータ１７５を破損するおそれがある。したがって、これを回避するため、アクチュエータ駆動用配管１７３に大径部（その周囲よりも当該配管の内径が大きい部分）を設け、ここを排気ガスが通り抜けることにより当該排気ガスが冷却される、という仕組みを設けておくとよい。また、前述のＥＧＲ装置が設けられるのであれば、これを構成するＥＧＲクーラからアクチュエータ駆動用の排気ガスを取り出すような構成を採用してもよい。これによっても同様な効果は得られる。

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨、あるいは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う過給装置付きエンジンもまた、本発明の技術的範囲に含まれるものである。

過給装置付きエンジンの概念的な構成例を示す図である。本実施形態に係る過給装置付きエンジンの詳細かつ具体的な構成例を示す図である。本実施形態に係る過給装置付きエンジンの詳細かつ具体的な構成例を示す図であり、図詳細図１とは異なる視点から臨んだ場合を示している。２ステージ過給の過給特性の例を示す図である。

符号の説明

１５０…エンジン
４１…低圧ターボチャージャ
４１１…タービン
４１２…コンプレッサ
４２…高圧ターボチャージャ
４２１…タービン
４２２…コンプレッサ
５０１…エルボ管
５０２…エキゾーストマニホールド
５０２ａ…集合部
５２０…低圧ターボチャージャ載置部
５２１…排気流通口
５２２…ネジ孔
１７０…制御装置
１７Ｖ…バイパス管用バルブ
１７１…ＶＳＶ
１７２…対ＶＳＶ排気供給管
１７３…アクチュエータ駆動用配管
１７４…高圧ターボチャージャバイパス管
１７５…アクチュエータ

Claims

エンジンと、
該エンジンから延びる複数の配管部と該複数の配管部が集合された集合部とからなり該エンジンから排出される排気ガスが流通するエキゾーストマニホールドと、
前記集合部にそのタービンの入口が接続された高圧ターボと、
該高圧ターボのタービンの出口にその一端が接続されたエルボ管と、
該エルボ管の他端に接続されるとともに前記排気ガスを流通させるための排気流通口が形成され、かつ、前記エキゾーストマニホールドと一体的に形成された低圧ターボ載置部と、
そのタービンの入口が前記排気流通口に接続され前記低圧ターボ載置部に載置される低圧ターボと、
前記エキゾーストマニホールドから延び前記エルボ管に接続される高圧ターボバイパス管と、
該高圧ターボバイパス管において前記排気ガスを流通させ又は該排気ガスの流通を阻止するバルブと
を備えたことを特徴とする過給装置付きエンジン。
前記バルブは前記排気ガスを動力源として動作することを特徴とする請求項１に記載の過給装置付きエンジン。
前記バルブを動作させるアクチュエータと、
当該過給装置付きエンジンの動作状態に応じて前記アクチュエータの動作を制御するアクチュエータ制御手段と、
を更に備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の過給装置付きエンジン。
前記アクチュエータに前記排気ガスを供給する排気ガス供給手段を更に備え、
当該アクチュエータは当該排気ガスを動力源として動作することを特徴とする請求項３に記載の過給装置付きエンジン。