JP2008274802A - ２段過給システム - Google Patents

Abstract

【課題】負荷が急変した際、エンジン排圧の過大なオーバーシュートを防止して排気ガス漏れを防止し、且つ、低圧段タービンに高圧段タービンで仕事をしていない排気ガスを導くことで低圧段タービンの応答性を上げる。
【解決手段】エンジン４の排気経路５、吸気経路６に直列に配設された高圧段ターボチャージャ２及び低圧段ターボチャージャ３と、排気経路５に高圧段タービンＨＴをバイパスして設けられた第１バイパス経路２０と、第１バイパス経路２０に設けられた流量制御弁２１と、排気経路５に高圧段タービンＨＴをバイパスして設けられた第２バイパス経路２２と、第２バイパス経路２２に設けられ、高圧段タービンＨＴの上流側の排気圧力によって作動され、その排気圧力が所定値以上に高まったときのみ開くリリーフ弁２３とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、２個のターボチャージャを直列に配設した２段過給システムに関する。

自動車用エンジンの２段過給システムとして、図３に示すものが知られている（特許文献１〜３参照）。

２段過給システム１ａは、高圧段ターボチャージャ２（高圧段タービンＨＴ及び高圧段コンプレッサＨＣ）と低圧段ターボチャージャ３（低圧段タービンＬＴ及び低圧段コンプレッサＬＣ）とを直列に配設したものであり、エンジン４の排気経路５に配設された高圧段タービンＨＴと、排気経路５の高圧段タービンＨＴの下流側に配設された低圧段タービンＬＴと、エンジン４の吸気経路６に配設され低圧段タービンＬＴにより駆動される低圧段コンプレッサＬＣと、吸気経路６の低圧段コンプレッサＬＣの下流側に配設され高圧段タービンＨＴにより駆動される高圧段コンプレッサＨＣとを備えている。低圧段タービンＬＴは高圧段タービンＨＴよりも容量が大きく、低圧段コンプレッサＬＣは高圧段コンプレッサＨＣよりも容量が大きい。

排気経路５には、一端が排気マニフォールド７に接続され他端が高圧段タービンＨＴをバイパスして高圧段タービンＨＴと低圧段タービンＬＴとの間に接続されたメインバイパス経路８と、一端が高圧段タービンＨＴの上流側に接続され他端が高圧段タービンＨＴの下流側に接続されたサブバイパス経路９とが設けられている。メインバイパス経路８には、その経路８を遮断するときに閉弁され、エンジン４の排気ガスを高圧段タービンＨＴを介さずに低圧段タービンＬＴに流すときには開弁される排気切替弁１０が配設されている。サブバイパス経路９には、その経路断面積を変化させてそこを通過する排気ガス流量を調節することで、高圧段タービンＨＴの仕事量を減らしつつ低圧段タービンＬＴの仕事量を増やし、高圧段タービンＨＴの仕事量を調節するための高圧段排気調整弁１１が配設されている。

吸気経路６には、一端が低圧段コンプレッサＬＣと高圧段コンプレッサＨＣとの間に接続され他端が高圧段コンプレッサＨＣをバイパスして高圧段コンプレッサＨＣの下流側に接続された吸気バイパス経路１２が設けられている。吸気バイパス経路１２と吸気経路６との合流点には、低圧段コンプレッサＬＣから吐出された吸気を、高圧段コンプレッサＨＣを介してエンジン４に導く２段過給ルート１３と、高圧段コンプレッサＨＣをバイパスし吸気バイパス経路１２を介してエンジン４に導くバイパスルート１４とに切り替える吸気切替弁１５が設けられている。

吸気切替弁１５、排気切替弁１０及び高圧段排気調整弁１１は、制御部１６（コンピュータ）からの指令に基づいて、開閉制御、開度制御がなされる。制御部１６には、エンジン回転速度、エンジン空気量及びエンジン燃料量（燃料噴射量）等のエンジン運転情報が入力されている。制御部１６は、上記情報に基づいて、現在エンジン４が低負荷域であるのか、中負荷域であるのか、高負荷域であるのかを判断し、各負荷域に応じて、吸気切替弁１５、排気切替弁１０及び高圧段排気調整弁１１を次のように制御する。

エンジン４の低負荷領域では、制御部１６は、排気切替弁１０及び高圧段排気調整弁１１を共に閉じ、吸気切替弁１５を２段過給ルート１３に制御する。これにより、図４に示すように、エンジン４の排気ガスは、高圧段タービンＨＴ、低圧段タービンＬＴの順に流れ、過給される空気は、低圧段コンプレッサＬＣ、高圧段コンプレッサＨＣ、エンジン４の順に流れ、２段過給がなされ、トータルの圧力比が高まる。

中負荷域では、制御部１６は、排気切替弁１０を閉じた状態で高圧段排気調整弁１１を負荷の高まりに応じて開き、吸気切替弁１５を２段過給ルート１３のままとする（図４参照）。これにより、図５に示すように、高圧段タービンＨＴの仕事が減ると共に低圧段タービンＬＴの仕事が増える。中負荷域では低負荷域よりも排気ガス流量が増えるため、負荷の高まりに応じてエンジン４の排気ガスを高圧段タービンＨＴをバイパスさせることで、高圧段タービンＨＴにおける排気ガスの詰まり現象（チョーク）を回避し、このチョークによるエンジン排圧の過大な高まりを回避し、排気マニフォールド７や高圧段タービンＨＴの結合部から高温の排気ガス漏れを回避している。高温の排気ガス漏れは、周辺の機器の熱劣化、熱損傷を招くので、絶対に回避しなければならない。

高負荷域では、制御部１６は、排気切替弁１０及び高圧段排気調整弁１１を共に全開にし、吸気切替弁１５をバイパスルート１４に制御する。これにより、エンジン４の排気ガスは、高圧段タービンＨＴをバイパスして、全て低圧段タービンＬＴに流れ、低圧段タービンＬＴのみが仕事をすることになり、他方、過給される空気は、低圧段コンプレッサＬＣから高圧段コンプレッサＨＣをバイパスして直接エンジン４に流れ、１段過給となる（図４参照）。この結果、高負荷域では中負荷域よりも更に排気ガス流量が増えるものの、高圧段タービンＨＴでのチョークが的確に防止され、そのチョークに基づく上述した種々の不具合が回避される。

特開昭５８−１９０５１９号公報 特開２００１−３２９８４９号公報 特開２００１−２８０１４７号公報

低負荷、中負荷、高負荷領域における、吸気切替弁１５、排気切替弁１０及び高圧段排気調整弁１１の開閉は、エンジン４の回転速度と燃料量（負荷）で夫々の弁開度を規定したマップに基づいて制御される。このマップを作成するに当たり、（１）定常条件から上記マップを決定する手法、（２）過渡条件から上記マップを決定する手法、の二通りの手法がある。各々についての問題点を述べる。

（１）の定常条件からマップを作成する手法の場合、エンジン４が低負荷から高負荷に急速に変化する過渡条件下では、バイパス経路９の高圧段圧力調整弁１１が開かれても、排気ガスの高圧段タービンＨＴのバイパスは、排気ガス流の慣性によって遅れるため、図６に実線で示すようにエンジン排圧がオーバーシュートＯＳとなって高まり、他方、過給圧（エンジン４への吸気圧）は応答遅れによって上がらない。エンジン排圧が所定値以上に高まると、排気マニフォールド７や高圧段タービンＨＴの結合部から高温の排気ガス漏れが生じ易い。

また、このとき、排気マニフォールド７からＥＧＲ経路１７を介して吸気マニフォールド１８にＥＧＲガスを導くＥＧＲ弁１９が開いていると、エンジン排圧がオーバシュートにより過剰に高まった状態となっている一方、過給圧は応答遅れにより高まっていないため、ＥＧＲ弁１９の開度が一定でも、上記オーバーシュート及び応答遅れが解消するまでは、ＥＧＲが過剰に掛かり、エンジン４の燃焼室に対して空気不足となって大量の煤が発生してしまう。

なお、一旦、エンジン排圧のオーバーシュートが発生すると、図６に示すように、その後の数サイクルはエンジン排圧がハンチングＨする。

（２）の過渡条件からマップを作成する手法の場合、過渡時におけるエンジン排圧のオーバーシュートＯＳを抑えるように、吸気切替弁１５、排気切替弁１０及び高圧段排気調整弁１１の開閉時期を決定し、それをマップに書き込むことになる。この場合、マップは、瞬間的なエンジン排圧のオーバーシュートＯＳを抑えるために、定常条件よりも低負荷側で高圧段排気調整弁１１、排気切替弁１０が開く設定となる。とすると、図６に破線で示すように、急激に負荷が増加するときの過大なエンジン排圧の発生（オーバーシュートＯＳ）は抑えることができるが、比較的安定した運転時の過給圧が実線のものよりも低くなる。このため、図６の実線のものと比べると、ＥＧＲ量を増やすことができず、ＮＯｘ低減が制限され、エンジン出力も低下してしまう。

上記（１）、（２）の両者の特性で好ましい部分を両立させることは現状では困難である。

ところで、エンジン排圧を圧力センサで感知し、エンジン排圧が所定値以上に高まった場合に、高圧段排気調整弁１１の開度を一気に大きくする制御を行い、過渡時のエンジン排圧のオーバーシュートＯＳを回避する対策も考えられる。しかし、この対策では、圧力センサを高圧段タービンＨＴの上流部分か排気マニフォールド７に直接付設する必要があり、排気ガスの温度は最大７００℃程度まで上昇するので、水冷式にでもしない限り圧力センサの信頼性を確保できない。よって、現実的な対策とはいえず、行うにしても非常にコストが掛かる。

更に、２段過給方式では、低負荷領域から高負荷領域まで急激に負荷変動を与える場合、低圧段タービンＬＴが得られる排気ガスのエネルギーは高圧段タービンＨＴで或る程度消費された後のものであるので、即ち低圧段タービンＬＴに流入する排気ガスは高圧段タービンＨＴで仕事をして温度が下がったものであるので、低圧段タービンＬＴの回転立ち上がりが極めて悪い。この結果、エンジン負荷が急激に増加する過渡時には小型の高圧段タービンＨＴは急速に立ち上がるが、低圧段タービンＬＴの応答遅れに阻害されて、２段過給にも拘わらず全体としての過給圧の立ち上がりが悪い。これを図７〜図９を用いて説明する。

図７に、１個のターボチャージャを用いたシングルターボ過給方式と、２個のターボチャージャを直列に用いた２段過給方式との、過渡時における過給圧の変化を示す。２段過給方式の方がシングルターボ過給方式よりも定常運転到達後の過給圧は高いが、過渡状態における圧力比の立ち上がりについては２段過給方式の方がシングルターボ過給方式よりも遅れている。これは、図８に示すように、低圧段ターボチャージャ３の立ち上がりが悪く、高圧段ターボチャージャ２の立ち上がりの良さを相殺しているためである。

実験やシミュレーションによれば、図７に示すように、シングルターボ過給方式では、過渡運転開始時ｔ０から４秒経過した時刻ｔＳで過給圧が安定する。２段過給方式では、過渡運転開始時ｔ０から６秒経過した時刻ｔＤで過給圧が安定する。この６秒のうち、図８に示すように、高圧段ターボチャージャ２の安定時間は３秒（ｔ０〜ｔＨ）、低圧段ターボチャージャ３の安定時間は６秒（ｔ０〜ｔＬ）となっており、低圧段ターボチャージャ３の応答性の悪さが２段過給方式の応答性の悪さの原因となっていることが分かる。

また、図９に示すように、高圧段タービンＨＴの膨張比は、過給圧が安定した時刻ｔＨを越えてもオーバーシュートして上がっている。よって、高圧段タービンＨＴの仕事を低圧段タービンＬＴに回す方が有利である。しかし、上述した（１）のマップ（定常条件から各弁の開度を決定したマップ）を用いた制御方式では、高圧段タービンＨＴのオーバーシュート分の仕事を低圧段タービンＬＴに回す制御に対応できない。このマップは、安定後すなわち図７の時刻ｔＤ（ｔＤ＞ｔＨ）以降の状態に基づいて高圧段排気調整弁１１の開弁時期が設定されているからである。

以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、負荷が急変した際、エンジン排圧の過大なオーバーシュートを防止して排気ガス漏れを防止でき、且つ、低圧段タービンに高圧段タービンで仕事をしていない排気ガス（エネルギー（エンタルピー）の高い排気ガス）を導くことで低圧段タービンの応答性を上げ、システム全体としての応答遅れを低減できる２段過給システムを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明に係る２段過給システムは、エンジンの排気経路に配設された高圧段タービンと、上記排気経路の上記高圧段タービン下流側に配設された低圧段タービンと、上記エンジンの吸気経路に配設され上記低圧段タービンにより駆動される低圧段コンプレッサと、上記吸気経路の上記低圧段コンプレッサ下流側に配設され上記高圧段タービンにより駆動される高圧段コンプレッサと、上記排気経路に設けられ、一端が上記高圧段タービンの上流側に接続され他端が上記高圧段タービンをバイパスして上記高圧段タービンと上記低圧段タービンとの間に接続された第１バイパス経路と、該第１バイパス経路に配設された流量制御弁と、上記排気経路に設けられ、一端が上記高圧段タービンの上流側に接続され他端が上記高圧段タービンをバイパスして上記高圧段タービンと上記低圧段タービンとの間に接続された第２バイパス経路と、該第２バイパス経路に配設され、上記高圧段タービンの上流側の排気圧力によって作動され、該排気圧力が所定値以上に高まったときのみ開くリリーフ弁とを備えたものである。

また、上記流量制御弁の開度を上記エンジンの低負荷時には閉じ高負荷時には開くように制御する制御部を備えてもよい。

また、上記排気経路の上記高圧段タービン上流側と上記吸気経路の上記高圧段コンプレッサ下流側とを接続するＥＧＲ経路と、該ＥＧＲ経路に配設されたＥＧＲ弁とを備え、上記第２バイパス経路の一端は、上記ＥＧＲ経路の上記ＥＧＲ弁上流側に接続されてもよい。

また、上記第１バイパス経路は、一端が上記エンジンと上記高圧段タービンとの間に接続され他端が上記高圧段タービンと上記低圧段タービンの間に接続されたメインバイパス経路と、一端が上記エンジンと上記高圧段タービンとの間に接続され他端が上記高圧段タービンと上記低圧段タービンの間に接続されたサブバイパス経路とを有し、上記流量制御弁は、上記メインバイパス経路に配設された排気切替弁と、上記サブバイパス経路に配設された高圧段排気調整弁とを有し、上記制御部は、上記エンジンの低負荷時には上記排気切替弁及び上記高圧段排気調整弁を共に閉じ、中負荷時には上記排気切替弁を閉じた状態で上記高圧段排気調整弁を負荷の高まりに応じて開き、高負荷時には上記排気切替弁及び上記高圧段排気調整弁を共に全開に制御するものであってもよい。

また、上記吸気経路に設けられ、一端が上記低圧段コンプレッサと上記高圧段コンプレッサとの間に接続され他端が上記高圧段コンプレッサをバイパスして上記高圧段コンプレッサ下流側に接続された吸気バイパス経路と、上記低圧段コンプレッサから吐出された吸気を、上記高圧段コンプレッサを介して上記エンジンに導く２段過給ルートと、上記高圧段コンプレッサをバイパスし上記吸気バイパス経路を介して上記エンジンに導くバイパスルートとに切り替える吸気切替弁とを備え、上記制御部は、上記エンジンの低負荷時には、上記排気切替弁及び上記高圧段排気調整弁を共に閉じ、上記吸気切替弁を上記２段過給ルートに制御し、中負荷時には上記排気切替弁を閉じた状態で上記高圧段排気調整弁を負荷の高まりに応じて開き、上記吸気切替弁を上記２段過給ルートに制御し、高負荷時には上記排気切替弁及び上記高圧段排気調整弁を共に全開にし、上記吸気切替弁を上記バイパスルートに制御するものであってもよい。

本発明に係る２段過給システムによれば、負荷が急変した際、エンジン排圧の過大なオーバーシュートを防止して排気ガス漏れを防止でき、且つ、低圧段タービンに高圧段タービンで仕事をしていない排気ガス（エネルギー（エンタルピー）の高い排気ガス）を導くことで低圧段タービンの応答性を上げ、システム全体としての応答遅れを低減できる。

本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る２段過給システム１は、エンジン４の排気経路５に配設された高圧段タービンＨＴと、排気経路５の高圧段タービンＨＴの下流側に配設された低圧段タービンＬＴと、エンジン４の吸気経路６に配設され低圧段タービンＬＴにより駆動される低圧段コンプレッサＬＣと、吸気経路６の低圧段コンプレッサＬＣの下流側に配設され高圧段タービンＨＴにより駆動される高圧段コンプレッサＨＣとを備えている。

高圧段タービンＨＴ及び高圧段コンプレッサＨＣは高圧段ターボチャージャ２を構成し、低圧段タービンＬＴ及び低圧段コンプレッサＬＣは低圧段ターボチャージャ３を構成する。低圧段タービンＬＴは高圧段タービンＨＴよりも容量が大きく、低圧段コンプレッサＬＣは高圧段コンプレッサＨＣよりも容量が大きい。

また、この２段過給システム１は、排気経路５に設けられ、一端が高圧段タービンＨＴの上流側に接続され他端が高圧段タービンＨＴをバイパスして高圧段タービンＨＴと低圧段タービンＬＴとの間に接続された第１バイパス経路２０と、第１バイパス経路２０に配設された流量制御弁２１と、流量制御弁２１の開度をエンジン４の低負荷時には閉じ高負荷時には開くように制御する制御部１６（コンピュータ）とを備えている。

第１バイパス経路２０は、一端がエンジン４と高圧段タービンＨＴとの間に接続され他端が高圧段タービンＨＴと低圧段タービンＬＴの間に接続されたメインバイパス経路８と、一端がエンジン４と高圧段タービンＨＴとの間に接続され他端が高圧段タービンＨＴと低圧段タービンＬＴの間に接続されたサブバイパス経路９とを有する。

メインバイパス経路８は、その一端が排気マニフォールド７と高圧段タービンＨＴとを繋ぐ第１排気配管５ａに接続され、他端が高圧段タービンＨＴと低圧段タービンＬＴとを繋ぐ第２排気配管５ｂに接続されている。サブバイパス経路９は、メインバイパス経路８よりも細く形成され、その一端が第１排気配管５ａにメインバイパス配管８の接続部よりも下流側に位置して接続され、他端が第２排気配管５ｂにメインバイパス配管８の接続部より上流側に位置して接続されている。

上記流量制御弁２１は、メインバイパス経路８に配設された排気切替弁１０（例えば図３に示す排気切替弁１０と同様の構造のもの）と、サブバイパス経路９に配設された高圧段排気調整弁１１（例えば図３に示す高圧段排気調整弁１１と同様の構造のもの）とを有する。排気切替弁１０は、排気マニフォールド７内の排気ガスの全てを、高圧段タービンＨＴをバイパス（迂回）して低圧段タービンＬＴに導くために、閉弁状態から開弁されるものである。高圧段排気調整弁１１は、排気マニフォールド７内の排気ガスの一部を、高圧段タービンＨＴをバイパスして低圧段タービンＬＴに導くために、弁開度が変化されるものである。

また、この２段過給システム１は、排気経路５の高圧段タービンＨＴの上流側と吸気経路６の高圧段コンプレッサＨＣの下流側とを接続するＥＧＲ経路１７と、ＥＧＲ経路１７に配設されたＥＧＲ弁１９とを備えている。ＥＧＲ弁１９は、エンジン４の運転状態に応じて、開閉制御、開度制御がされ、そのときのエンジン運転状態に応じた適切なＥＧＲ率（ＥＧＲ量）を達成するものである。

また、この２段過給システム１は、エンジン４の吸気経路６に設けられ、一端が低圧段コンプレッサＬＣと高圧段コンプレッサＨＣとの間に接続され他端が高圧段コンプレッサＨＣをバイパスして高圧段コンプレッサＨＣの下流側に接続された吸気バイパス経路１２と、低圧段コンプレッサＬＣから吐出された吸気を、高圧段コンプレッサＨＣを介してエンジン４に導く２段過給ルート１３と、高圧段コンプレッサＨＣをバイパスし吸気バイパス経路１２を介してエンジン４に導くバイパスルート１４とに切り替える吸気切替弁１５とを備えている。

吸気バイパス経路１２は、一端が低圧段コンプレッサＬＣと高圧段コンプレッサＨＣとを繋ぐ第１吸気配管６ａに接続され、他端が高圧段コンプレッサＨＣと吸気マニフォールド１８とを繋ぐ第２吸気配管６ｂに接続されている。吸気切替弁１５は、本実施形態では吸気バイパス経路１２と第２吸気配管６ｂとの接続部に配設されているが、これに限らず吸気バイパス経路１２と第１吸気配管６ａとの接続部に配設してもよい。

吸気切替弁１５、排気切替弁１０及び高圧段排気調整弁１１は、上記制御部１６によって、次のように開閉制御、開度制御がなされる。

すなわち、制御部１６は、エンジン４の低負荷時には、排気切替弁１０及び高圧段排気調整弁１１を共に閉じ（全閉）、吸気切替弁１５を２段過給ルート１３に制御し、中負荷時には、排気切替弁１０を閉じた状態で高圧段排気調整弁１１を負荷の高まりに応じて開き、吸気切替弁１５を２段過給ルート１３に制御し、高負荷時には、排気切替弁１０及び高圧段排気調整弁１１を共に全開に制御し、吸気切替弁１５をバイパスルート１４に制御する。

制御部１６には、エンジン回転速度（回転速度信号）、エンジン燃料量（燃料負荷信号）、エンジン空気量等のエンジン運転情報が入力されている。制御部１６は、上記情報に基づいて、現在エンジン４が低負荷域であるのか、中負荷域であるのか、高負荷域であるのかを判断し、各負荷域に応じて、吸気切替弁１５、排気切替弁１０及び高圧段排気調整弁１１を上述したように制御する。

低負荷、中負荷、高負荷領域における、吸気切替弁１５、排気切替弁１０及び高圧段排気調整弁１１の開閉は、エンジン４の回転速度と燃料量（負荷）等で夫々の弁開度を規定したマップに基づいて制御される。このマップは、制御部１６の記憶部に記憶されており、各パラメータの定常条件（エンジン定常運転）に基づいて、吸気切替弁１５、排気切替弁１０及び高圧段排気調整弁１１の開閉及び開度が定められている（「発明が解決しようとする課題」の欄の（１）参照）。

また、この２段過給システム１は、排気経路５に設けられ、一端が高圧段タービンＨＴの上流側に接続され他端が高圧段タービンＨＴをバイパスして高圧段タービンＨＴと低圧段タービンＬＴとの間に接続された第２バイパス経路２２と、第２バイパス経路２２に配設され、高圧段タービンＨＴの上流側の排気圧力によって作動され、その排気圧力が所定値以上に高まったときのみ開くリリーフ弁２３（レギュレータ）とを備えている。

第２バイパス経路２２は、その一端が排気マニフォールド７と高圧段タービンＨＴとを繋ぐ第１排気配管５ａに接続され、他端が高圧段タービンＨＴと低圧段タービンＬＴとを繋ぐ第２排気配管５ｂに接続されている。第２バイパス経路２２の一端（上流端）は、ＥＧＲ経路１７に配設されたＥＧＲ弁１９の上流側に接続されており、第２バイパス経路２２に配設されたリリーフ弁２３は、ＥＧＲ弁１９の上流側の排気ガスの圧力によって開弁され、逆止弁の機能を有している。

リリーフ弁２３のリリーフ圧である上記所定値は、ＥＧＲ弁１９の上流側で高圧段タービンＨＴの上流側の配管内の排気ガスが、排気マニフォールド７や高圧段タービンＨＴの結合部から漏れ出す圧力値（上限値）に、又は安全率を考慮してその上限値より多少低い圧力値に設定されている。

また、制御部１６のマップは、定常状態（エンジン定常運転）において、各弁（高圧段排気調整弁１１、排気切替弁１０、吸気切替弁１５）の開度を、高圧段タービンＨＴの上流側のエンジン排圧が上記所定値を越えないように設定している。

本実施形態の作用を述べる。

先ず、定常状態（エンジン定常運転）での作用を述べる。

エンジン４の低負荷領域では、制御部１６は、上記マップに基づいて、排気切替弁１０及び高圧段排気調整弁１１を共に閉じ（全閉）、吸気切替弁１５を２段過給ルート１３に制御する。これにより、図４に示すように、エンジン４の排気ガスは、高圧段タービンＨＴ、低圧段タービンＬＴの順に流れ、過給される空気は、低圧段コンプレッサＬＣ、高圧段コンプレッサＨＣ、エンジン４の順に流れ、２段過給がなされ、トータルの圧力比が高まる。

中負荷域では、制御部１６は、上記マップに基づいて、排気切替弁１０を閉じた状態で高圧段排気調整弁１１を負荷の高まりに応じて開き、吸気切替弁１５を２段過給ルート１３のままとする（図４参照）。これにより、図５に示すように、高圧段タービンＨＴの仕事が減ると共に低圧段タービンＬＴの仕事が増える。中負荷域では低負荷域よりも排気ガス流量が増えるため、負荷の高まりに応じてエンジン４の排気ガスを高圧段タービンＨＴをバイパスさせることで、高圧段タービンＨＴにおける排気ガスの詰まり現象（チョーク）を回避し、このチョークによるエンジン排圧の過大な高まりを回避し、排気マニフォールド７や高圧段タービンＨＴの結合部から高温の排気ガス漏れを回避している。高温の排気ガス漏れは、周辺の機器の熱劣化、熱損傷を招くので、絶対に回避しなければならない。

高負荷域では、制御部１６は、上記マップに基づいて、排気切替弁１０及び高圧段排気調整弁１１を共に全開にし、吸気切替弁１５をバイパスルート１４に制御する。これにより、エンジン４の排気ガスは、高圧段タービンＨＴをバイパスして、全て低圧段タービンＬＴに流れ、低圧段タービンＬＴのみが仕事をすることになり、他方、過給される空気は、低圧段コンプレッサＬＣから高圧段コンプレッサＨＣをバイパスして直接エンジン４に流れ、１段過給となる（図４参照）。この結果、高負荷域では中負荷域よりも更に排気ガス流量が増えるものの、高圧段タービンＨＴでのチョークが的確に防止され、そのチョークに基づく上述した種々の不具合が回避される。

次に、過渡状態（過渡時）での作用を述べる。

エンジン負荷が低負荷から中負荷さらには高負荷と急増する加速時には、制御部１６による上記マップの指示により、サブバイパス経路９の高圧段圧力調整弁１１が最初に開き出すが、高圧段タービンＨＴの入口側の排気ガスがサブバイパス経路９を通ることによる排気ガスの高圧段タービンＨＴのバイパス（迂回）は、実際には排気ガス流の慣性によって遅れるため、図２に一点鎖線で示すようにエンジン排圧がオーバーシュートＯＳとなって高まろうとする。

ここで、本実施形態では、高圧段タービンＨＴの上流側のエンジン排圧が所定値（排気ガスが排気マニフォールド７や高圧段タービンＨＴの結合部から漏れ出す圧力値又はそれより多少低い圧力値）にまで高まると、第２バイパス経路２２のリリーフ弁２３が開き、高圧段タービンＨＴの上流側のエンジン排圧が低圧段タービンＬＴ側に速やかに逃がされる。これにより、２段過給システム１の高圧段タービンＨＴにとって過剰となるエンジン排圧の圧力上昇が抑えられ、同時に、高圧段タービンＨＴにとって余剰な排気ガス圧が、高圧段タービンＨＴをバイパス（迂回）して低圧段タービンＬＴの入口側に導かれるので、低圧段タービンＬＴの回転の立ち上がりが向上することになる。

その後、図２にて、上記エンジン排圧がオーバーシュート域を抜け、定常運転域に近づくと、エンジン排圧は、上記所定値以下の、マップにより指示された各弁（高圧段排気調整弁１１、排気切替弁１０、吸気切替弁１５）の開度に応じた圧力に収束する。制御部１６のマップは、定常状態（定常運転）において、上記各弁１１、１０、１５の開度を、エンジン排圧が上記所定値を越えないように設定しているからである。なお、図２には、定常状態に収束したエンジン排圧が、上記所定値より僅かに低い圧力となっている状態を表しているが、マップにより指示される各弁１１、１０、１５の開度によっては、定常状態が上記所定値を大きく下回る圧力に収束するケースも有り得る。

エンジン排圧が上記所定値以下になると、リリーフ弁２３が閉じ、排気マニフォールド７内の排気ガスは高圧段タービンＨＴと低圧段タービンＬＴとを順に通過し、通常の２段過給状態に戻る。すなわち、エンジン排圧がオーバーシュート域を抜けた以降は、制御部１６の上記マップの指示による各弁１１、１０、１５の開度に応じ、設定された過給圧が的確に実現される。

以上述べたように、本実施形態によれば、負荷が急激に増加する場合、定常条件で設定したマップによる各弁（高圧段排気調整弁１１、排気切替弁１０、吸気切替弁１５）の開度制御では、エンジン排圧のオーバーシュートＯＳが発生しようとするところ、リリーフ弁２３が開くことでこのオーバーシュート領域をカットし、高圧段タービンＨＴにとって余剰の排気ガスを、高圧段タービンＨＴをバイパス（迂回）させて低圧段タービンＬＴの入口側に逃がす。

その後、定常運転に入ると、過渡時（突入時）にオーバーシュートＯＳが発生していないため、定常条件で設定したマップよる各弁１１、１０、１５の開度に応じた圧力に速やかに収束する。すなわち、上記過渡時に一旦オーバーシュートＯＳが発生すると、その後、数サイクルはエンジン排圧がハンチングＨしてしまうのであるが（図２の一点鎖線参照）、本実施形態では過渡時にオーバーシュートＯＳが生じないので、その後、ハンチングＨすることなく速やかに収束する。

本実施形態によれば、負荷が急増した際、高圧段タービンＨＴの上流側のエンジン排圧のオーバーシュートＯＳをリリーフ弁２３によって高圧段タービンＨＴをバイパス（迂回）させて低圧段タービンＬＴの入口側に逃がしているので、高温の排気ガスが排気マニフォールド７や高圧段タービンＨＴの結合部から漏れ出すことを防止できる。また、このときＥＧＲ弁１９が開いている場合に生じ得る過剰なＥＧＲを回避でき、これに伴って吸気不足による煤の排出（急加速時の黒煙排出）を回避できる。

また、負荷が急増した際、高圧段タービンＨＴの上流側の余剰な排気ガスを、高圧段タービンＨＴをバイパスして低圧段タービンＬＴに導いているので、低圧段タービンＬＴに高圧段タービンＨＴで仕事をしていない排気ガス（エネルギー（エンタルピー）の高い排気ガス）が導かれることになって（図９参照）、低圧段タービンＬＴの応答遅れを改善でき、これに伴って２段過給システム全体としての過給遅れ（図７参照）を改善できる。

制御部１６のマップは、定常状態（エンジン定常運転）において、各弁（高圧段排気調整弁１１、排気切替弁１０、吸気切替弁１５）の開度を、高圧段タービンＨＴの上流側のエンジン排圧が上記所定値を越えないように設定している。よって、過渡状態において各弁１１、１０、１５の開度を高圧段タービンＨＴの上流側のエンジン排圧が上記所定値を越えないように設定するものと比べると、定常運転時の過給圧を高めることができ、ＥＧＲ量を増やせるので、ＮＯｘ低減量を多くできる。

エンジン排圧のオーバーシュートＯＳを逃がすリリーフ弁２３は、ＥＧＲ弁１９の上流側のエンジン排圧が作用して開弁するようになっているので、ＥＧＲ弁１９によって絞られる前のエンジン排圧によって開弁されることになり、ＥＧＲ弁１９の開度（閉度）に拘わらず、安定して開弁作動される。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。

例えば、本実施形態では、第１バイパス経路２０をメインバイパス経路８とサブバイパス経路９との２経路から構成し、流量制御弁２１をメインバイパス経路８に設けた排気切替弁１０とサブバイパス経路９に設けた高圧段排気調整弁１１との２弁から構成したが、２経路のうち一方を省略して残った方を請求項１の第１バイパス経路２０とし、その第１バイパス経路２０に設けた弁を請求項１の流量制御弁２１としてもよい。この場合、流量制御弁２１は、制御部１６によって、エンジン４の低負荷時には閉じられ、高負荷時には開かれる。

加えて、ＥＧＲ経路１７、ＥＧＲ弁１９を省略してもよく、吸気バイパス経路１２、吸気切替弁１５を省略してもよい。これらを省略しても、本発明の効果「負荷が急変した際、エンジン排圧の過大なオーバーシュートを防止して排気ガス漏れを防止でき、且つ、低圧段タービンＬＴに高圧段タービンＨＴで仕事をしていない排気ガス（エネルギー（エンタルピー）の高い排気ガス）を導くことで低圧段タービンＬＴの応答性を上げ、システム全体としての応答遅れを低減できる」を達成できるからである。

本発明の一実施形態に係る２段過給システムの構成図である。 図１の２段過給システムの作用を示す説明図である。 本発明者が先に開発した２段過給システムの構成図である。 図１及び図３の２段過給システムの低負荷、中負荷、高負荷における排気ガスの流れと吸気の流れとを示す説明図である。 タービンの仕事量を示す説明図である。 図１の２段過給システムの作用を示す説明図である。 ２段過給システムとシングルターボシステムとの応答遅れ、最終圧力比を示す説明図である。 高圧段コンプレッサと低圧段コンプレッサとの応答遅れを示す説明図である。 高圧段タービンの立ち上がり時間、及び立ち上がり時間経過後のオーバーシュートを示す説明図である。

符号の説明

１ ２段過給システム
４ エンジン
５ 排気経路
６ 吸気経路
８ メインバイパス経路
９ サブバイパス経路
１０ 排気切替弁
１１ 高圧段排気調整弁
１２ 吸気バイパス経路
１３ ２段過給ルート
１４ バイパスルート
１５ 吸気切替弁
１６ 制御部
１７ ＥＧＲ経路
１９ ＥＧＲ弁
２０ 第１バイパス経路
２１ 流量制御弁
２２ 第２バイパス経路
２３ リリーフ弁
ＨＴ 高圧段タービン
ＬＴ 低圧段タービン
ＨＣ 高圧段コンプレッサ
ＬＣ 低圧段コンプレッサ

Claims (5)

1. エンジンの排気経路に配設された高圧段タービンと、
   上記排気経路の上記高圧段タービン下流側に配設された低圧段タービンと、
   上記エンジンの吸気経路に配設され上記低圧段タービンにより駆動される低圧段コンプレッサと、
   上記吸気経路の上記低圧段コンプレッサ下流側に配設され上記高圧段タービンにより駆動される高圧段コンプレッサと、
   上記排気経路に設けられ、一端が上記高圧段タービンの上流側に接続され他端が上記高圧段タービンをバイパスして上記高圧段タービンと上記低圧段タービンとの間に接続された第１バイパス経路と、
   該第１バイパス経路に配設された流量制御弁と、
   上記排気経路に設けられ、一端が上記高圧段タービンの上流側に接続され他端が上記高圧段タービンをバイパスして上記高圧段タービンと上記低圧段タービンとの間に接続された第２バイパス経路と、
   該第２バイパス経路に配設され、上記高圧段タービンの上流側の排気圧力によって作動され、該排気圧力が所定値以上に高まったときのみ開くリリーフ弁と
   を備えたことを特徴とする２段過給システム。
2. 上記流量制御弁の開度を上記エンジンの低負荷時には閉じ高負荷時には開くように制御する制御部を備えた請求項１に記載の２段過給システム。
3. 上記排気経路の上記高圧段タービン上流側と上記吸気経路の上記高圧段コンプレッサ下流側とを接続するＥＧＲ経路と、
   該ＥＧＲ経路に配設されたＥＧＲ弁とを備え、
   上記第２バイパス経路の一端は、上記ＥＧＲ経路の上記ＥＧＲ弁上流側に接続された請求項１又は２に記載の２段過給システム。
4. 上記第１バイパス経路は、一端が上記エンジンと上記高圧段タービンとの間に接続され他端が上記高圧段タービンと上記低圧段タービンの間に接続されたメインバイパス経路と、一端が上記エンジンと上記高圧段タービンとの間に接続され他端が上記高圧段タービンと上記低圧段タービンの間に接続されたサブバイパス経路とを有し、
   上記流量制御弁は、上記メインバイパス経路に配設された排気切替弁と、上記サブバイパス経路に配設された高圧段排気調整弁とを有し、
   上記制御部は、上記エンジンの低負荷時には上記排気切替弁及び上記高圧段排気調整弁を共に閉じ、中負荷時には上記排気切替弁を閉じた状態で上記高圧段排気調整弁を負荷の高まりに応じて開き、高負荷時には上記排気切替弁及び上記高圧段排気調整弁を共に全開に制御するものである請求項２又は３に記載の２段過給システム。
5. 上記吸気経路に設けられ、一端が上記低圧段コンプレッサと上記高圧段コンプレッサとの間に接続され他端が上記高圧段コンプレッサをバイパスして上記高圧段コンプレッサ下流側に接続された吸気バイパス経路と、
   上記低圧段コンプレッサから吐出された吸気を、上記高圧段コンプレッサを介して上記エンジンに導く２段過給ルートと、上記高圧段コンプレッサをバイパスし上記吸気バイパス経路を介して上記エンジンに導くバイパスルートとに切り替える吸気切替弁とを備え、 上記制御部は、
   上記エンジンの低負荷時には、上記排気切替弁及び上記高圧段排気調整弁を共に閉じ、上記吸気切替弁を上記２段過給ルートに制御し、
   中負荷時には上記排気切替弁を閉じた状態で上記高圧段排気調整弁を負荷の高まりに応じて開き、上記吸気切替弁を上記２段過給ルートに制御し、
   高負荷時には上記排気切替弁及び上記高圧段排気調整弁を共に全開にし、上記吸気切替弁を上記バイパスルートに制御するものである請求項４に記載の２段過給システム。

Images