JP2010059870A - 内燃機関の過給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の始動時、触媒の早期活性化を図りつつ、過給圧の応答性を確保することが可能であり、コストダウンを図ることが可能な内燃機関の過給装置を提供する。
【解決手段】過給装置１は、吸気通路２０および排気通路３０に並列に配置されたプライマリターボチャージャ４０およびセカンダリターボチャージャ５０を備え、エンジン１０の運転領域が低速域のときには、プライマリターボチャージャのみを駆動させ、高速域のときには、両ターボチャージャ４０，５０を駆動させるように構成されている。そして、各ターボチャージャ４０，５０のタービンハウジング４６，５６の容積Ｖ１，Ｖ２に対するタービンハウジング４６，５６の質量Ｍ１，Ｍ２の比が、プライマリターボチャージャ４０ではセカンダリターボチャージャ５０よりも小さく設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば自動車用エンジン等の内燃機関に搭載される過給装置に関する。

自動車用エンジンにおいて、排気ガスの流体エネルギーを利用して吸入空気を圧縮して空気密度を高め、これによってエンジン出力の増大を図る過給機（以下では、ターボチャージャとも言う）が知られている。過給機は、排気通路の途中に設けられタービンハウジング内に配設されたタービンホイールと、吸気通路の途中に設けられコンプレッサハウジング内に配設されたコンプレッサホイール（インペラとも呼ばれる）とを備えており、これらタービンホイールとコンプレッサホイールとがタービンシャフトによって連結されている。そして、排気ガスの圧力によってタービンホイールが回転すると、その回転力がタービンシャフトを介してコンプレッサホイールに伝達され、このコンプレッサホイールの回転によって吸入空気が燃焼室に向けて過給される。

従来では、エンジンへの過給を低速域から高速域までにわたって効率的に行うことを目的として、そのような過給機を２つ備えた過給装置（過給システム）が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。２つの過給機は、エンジンの吸気通路および排気通路に並列または直列に配置され、エンジンの運転状態に応じて各過給機による過給動作が制御される。例えば、２つの過給機が並列に配置されたパラレル型の過給装置（パラレルシーケンシャルターボチャージャ）では、エンジンの運転領域が低速域のときには、第１の過給機（プライマリターボチャージャ）のみが駆動され、高速域（中速域も含む）のときには、第１の過給機と第２の過給機（セカンダリターボチャージャ）の両方が駆動される。
特開２００５−２３９０３号公報 特開平５−２８８０６０号公報 特開２００７−２６３０３３号公報

ところで、自動車用エンジン等の排気系には、排気ガスの浄化を行うための触媒コンバータが備えられている。この触媒コンバータは、一般的には排気ガスの熱を利用して触媒（例えば三元触媒等）を加熱し、この触媒を所定の活性温度まで上昇させることで排気ガス浄化機能を発揮するようになっている。

しかしながら、上述したような２つの過給機を備えた内燃機関の過給装置においては、低速域で用いられる上記第１の過給機（上記のプライマリターボチャージャなど）が触媒コンバータの排気上流側に配置されることになるので、次のような点が懸念される。すなわち、低速域で用いられる上記第１の過給機のタービンハウジングによって排気ガスの熱が奪われる結果、触媒コンバータに送られる排気ガスの温度が低下することになる。このため、内燃機関の低温始動時（冷間始動時）においては、触媒温度が上記活性温度に達するまでに長時間を要してしまい、触媒を早期に活性化させることが困難となるという問題がある。

そのような問題への対策として、従来では、例えば、特許文献１に示されるように、内燃機関の低温始動時に、上記第１の過給機をバイパスさせて排気ガスを触媒へ送る構成が提案されているが、この構成では、バイパス用の排気通路や、開閉弁などが必要となる。さらに、バイパス用の開閉弁の制御を行わなければならないため、装置の大型化やコストアップを招くという問題がある。また、この構成では、内燃機関の始動時、バイパスさせる排気ガスの量に応じてタービン回転数が低下するため、上記第１の過給機の過給効率が低下し、加速時等の過給圧の応答性が悪化するという問題がある。

本発明は、上述のような点に着目して提案されたものであり、内燃機関の始動時、触媒の早期活性化を図りつつ、過給圧の応答性を確保することが可能であり、併せて、コストダウンを図ることが可能な内燃機関の過給装置を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題を解決するための手段を以下のように構成している。すなわち、本発明は、内燃機関の過給装置であって、吸気通路および排気通路に並列に配置された第１、第２の過給機を備え、内燃機関の運転領域が低速域のときには、上記第１の過給機のみを駆動させ、高速域のときには、上記第１、第２の過給機の両方を駆動させるように構成されている。そして、上記第１の過給機のタービンハウジングの熱容量が、上記第２の過給機のタービンハウジングの熱容量よりも小さく設定されていることを特徴としている。

より具体的には、第１の過給機の過給性能を維持しながら、タービンハウジングの低熱容量化を図るための構成として、第１、第２の過給機のタービンハウジングの容積に対するタービンハウジングの質量の比を、第１の過給機では第２の過給機よりも小さく設定する構成を採用している。

上記構成によれば、内燃機関の低温始動時に駆動する第１の過給機のタービンハウジングの熱容量が小さく抑えられるため、そのタービンハウジングによって奪われる排気ガスの熱量を小さく抑えることができ、第１の過給機の排気下流側に設けられる触媒へ送られる排気ガスの温度の低下を抑制することができる。これにより、内燃機関の始動時、触媒を所定の活性温度まで速やかに上昇させることができ、触媒の早期活性化を図ることができる。そして、その結果、内燃機関の始動時の排気エミッションの改善を図ることができる。

この場合、第１の過給機をバイパスさせて排気ガスを触媒へ送らなくても、触媒の活性化を促進できるので、バイパス用の排気通路や開閉弁が不要となり、さらに、バイパス用の開閉弁の制御を行う必要がなくなる。したがって、装置の小型化を実現でき、コストダウンを図ることができる。しかも、内燃機関の始動時、バイパスさせる排気ガスの量に応じて第１の過給機の過給効率が低下することも回避されるため、加速時等の過給圧の応答性を確保することができる。

ここで、上記の構成では、第１、第２の過給機を吸気通路および排気通路に並列に配置する構成としたが、この構成に替えて、第１、第２の過給機を吸気通路および排気通路に直列に配置する構成とすることも可能であり、この構成によっても、同様の効果が得られる。この場合、第１の過給機を低圧側に設け、第２の過給機を高圧側に設ける構成とし、第１、第２の過給機のタービンハウジングの容積に対するタービンハウジングの質量の比を、第１の過給機では第２の過給機よりも小さく設定すればよい。

本発明によれば、内燃機関の始動時、第１の過給機の排気下流側に設けられる触媒へ送られる排気ガスの温度の低下を抑制することができ、触媒の早期活性化を図ることができ、その結果、排気エミッションの改善を図ることができる。また、この場合、第１の過給機をバイパスさせて排気ガスを触媒へ送らなくても、触媒の活性化を促進できるので、バイパス用の排気通路や開閉弁が不要となり、さらに、バイパス用の開閉弁の制御を行う必要がなくなる。したがって、装置の小型化を実現でき、コストダウンを図ることができる。しかも、内燃機関の始動時、バイパスさせる排気ガスの量に応じて第１の過給機の過給効率が低下することも回避されるため、加速時等の過給圧の応答性を確保することができる。

本発明を実施するための最良の形態について添付図面を参照しながら説明する。

−第１実施形態−
この第１実施形態では、２つの過給機が並列に配置されたパラレル型の過給装置に本発明を適用した例について、図１〜図３を参照して説明する。

まず、第１実施形態に係る内燃機関の過給装置の概略構成について、図１を参照して説明する。図１に示す過給装置１は、エンジン１０の吸気通路２０および排気通路３０に並列に配置されたプライマリターボチャージャ（第１の過給機）４０およびセカンダリターボチャージャ（第２の過給機）５０と、エンジン１０および各ターボチャージャ４０，５０を制御するＥＣＵ８０（図３）とを備えている。

エンジン１０は、例えば、直列型４気筒ディーゼルエンジンとして構成されている。エンジン１０は、シリンダブロックとシリンダヘッドとを備え、シリンダブロックの内部には、４つの燃焼室＃１〜＃４が形成されている。シリンダヘッドには、燃焼室＃１〜＃４に吸気を供給するための吸気ポートおよび燃焼室＃１〜＃４内で発生した排気ガスを外部に排出するための排気ポートが形成されている。また、シリンダヘッドには、これら燃焼室＃１〜＃４に対し燃料を噴射供給するための燃料噴射弁が設けられている。なお、エンジンは、ガソリンエンジン等であってもよく、その形式や気筒数についても特に限定されない。

エンジン１０のシリンダヘッドに形成された吸気ポートには、吸気マニホールド１２を介して吸気通路２０が接続されている。吸気通路２０の途中には、２方に分岐した後に合流する第１吸気通路２０ａと第２吸気通路２０ｂとが並列に形成されている。第１吸気通路２０ａには、プライマリターボチャージャ４０のコンプレッサホイール４１が配設されており、このコンプレッサホイール４１は、コンプレッサハウジング４５内に収容されている。第２吸気通路２０ｂには、セカンダリターボチャージャ５０のコンプレッサホイール５１が配設されており、このコンプレッサホイール５１は、コンプレッサハウジング５５内に収容されている。

吸気通路２０の第１、第２吸気通路２０ａ，２０ｂよりも吸気上流側には、吸気を濾過するためのエアクリーナ２３が設けられている。吸気通路２０の第１、第２吸気通路２０ａ，２０ｂよりも吸気下流側には、ターボチャージャ４０，５０により圧縮された空気を冷却するインタークーラ２５が設けられている。

第２吸気通路２０ｂには、セカンダリターボチャージャ５０のコンプレッサホイール５１を迂回する吸気バイパス通路２０ｃが設けられている。この吸気バイパス通路２０ｃは、一端が吸気通路２０の第１、第２吸気通路２０ａ，２０ｂよりも吸気上流側に接続されており、他端が第２吸気通路２０ｂのコンプレッサホイール５１よりも吸気下流側（後述する吸気切替弁２２よりも吸気下流側）に接続されている。この吸気バイパス通路２０ｃには、リード弁２１が設けられている。このリード弁２１は、吸気バイパス通路２０ｃにおいてリード弁２１の上流側圧力が下流側圧力よりも所定値以上大きくなった場合に自動的に開かれる機械式の弁である。

また、第２吸気通路２０ｂには、コンプレッサホイール５１よりも吸気下流側に吸気切替弁２２が設けられている。吸気切替弁２２は、ＥＣＵ８０から送信される制御信号によって開閉が制御され、第２吸気通路２０ｂを通過する吸気の流量を調整可能に構成されている。例えば、吸気切替弁２２を開閉させることにより、第２吸気通路２０ｂにおける吸気の流通／遮断を切り替えることが可能となっている。

エンジン１０のシリンダヘッドに形成された排気ポートには、排気マニホールド１３を介して排気通路３０が接続されている。このエンジン１０には、排気通路３０に排出された排気ガスをＥＧＲガスとして吸気通路２０に再び戻すことで燃焼温度を低下させてＮＯｘの排出量を低減するための排気循環装置６０が設けられている。排気循環装置６０において、ＥＧＲガスは、排気通路３０と吸気通路２０とを接続する排気循環通路６１を通じて吸気通路２０へ戻されるようになっている。そして、この際、ＥＧＲガスは、排気循環通路６１の途中に設けられたＥＧＲクーラ６２によって冷却されるとともに、排気循環通路６１の出口付近に設けられたＥＧＲ弁６３の開度に応じて調量される。ＥＧＲ弁６３は、ＥＣＵ８０から送信される制御信号によって開度が制御される。

排気通路３０の途中には、２方に分岐した後に合流する第１排気通路３０ａと第２排気通路３０ｂとが並列に形成されている。第１排気通路３０ａには、プライマリターボチャージャ４０のタービンホイール４２が配設されており、このタービンホイール４２は、タービンハウジング４６内に収容されている。第２排気通路３０ｂには、セカンダリターボチャージャ５０のタービンホイール５２が配設されており、このタービンホイール５２は、タービンハウジング５６内に収容されている。

これらタービンホイール４２，５２は、タービンシャフト４３，５３によってコンプレッサホイール４１，５１と一体回転可能に連結されている。排気ガスのエネルギーによってタービンホイール４２，５２が回転駆動されると、タービンホイール４２，５２の回転力がタービンシャフト４３，５３を介してコンプレッサホイール４１，５１に伝達される。これにより、コンプレッサホイール４１，５１が回転されて、ターボチャージャ４０，５０による過給動作が行われるようになっている。

第２排気通路３０ｂには、タービンホイール５２よりも排気上流側に排気切替弁３１が設けられている。排気切替弁３１は、ＥＣＵ８０から送信される制御信号によって開閉が制御され、第２排気通路３０ｂを通過する排気ガスの流量を調整可能に構成されている。例えば、排気切替弁３１を開閉させることにより、第２排気通路３０ｂにおける排気ガスの流通／遮断を切り替えることが可能となっている。

そして、排気通路３０の第１、第２排気通路３０ａ，３０ｂよりも排気下流側には、触媒コンバータ７０が設けられている。この触媒コンバータ７０には、排気ガスに含まれるＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘを酸化して浄化するための触媒（酸化触媒など）と、排気ガスに含まれる粒子状物質、いわゆるＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）を捕集するためのＰＭフィルタとが設けられている。

この実施形態では、プライマリターボチャージャ４０のサイズ（内径）がセカンダリターボチャージャ５０のサイズ（内径）よりも若干小さくなっており、プライマリターボチャージャ４０の容量がセカンダリターボチャージャ５０の容量よりも若干小さくなっている。ここで、プライマリターボチャージャ４０およびセカンダリターボチャージャ５０の具体的な構造について、図２を参照して説明する。なお、プライマリターボチャージャ４０およびセカンダリターボチャージャ５０は、後述する点を除いてほぼ同様の構成となっているため、ここでは、プライマリターボチャージャ４０について代表して説明する。

プライマリターボチャージャ４０において、コンプレッサホイール４１は、外周面に多数のコンプレッサブレード４１ａ，４１ａ，…を備えている。このコンプレッサホイール４１は、ターボラグを抑えるために軽量なアルミニウム合金や合成樹脂により形成されている。コンプレッサホイール４１は、第１吸気通路２０ａに設けられたコンプレッサハウジング４５内に収容されている。

タービンホイール４２は、外周面に多数のタービンブレード４２ａ，４２ａ，…を備えている。このタービンホイール４２は、高温（例えば６００〜８００℃）の排気ガスに晒されるため耐熱性を有する鋼（炭素鋼）製となっている。タービンホイール４２は、第１排気通路３０ａに設けられたタービンハウジング４６内に収容されている。

これらコンプレッサホイール４１とタービンホイール４２とは、金属製（例えば鋳鉄）のタービンシャフト４３によって一体回転可能に連結されている。つまり、コンプレッサホイール４１、タービンホイール４２、タービンシャフト４３が同一軸心上に配置され、一体的に組み付けられてターボロータ４４が構成されている。

コンプレッサハウジング４５には、上記のコンプレッサホイール４１を取り囲むように、渦巻き状をなすディフューザ４５ａが形成されている。このディフューザ４５ａは、ターボロータ４４の軸線方向に開口する給気取入れ口４５ｂと、ターボロータ４４の接線方向に開口する過給気吐出口とを有している。給気取入れ口４５ｂは、第１吸気通路２０ａ、吸気通路２０を介してエアクリーナ２３に接続され、過給気吐出口は、第１吸気通路２０ａ、吸気通路２０を介して吸気マニホールド１２に接続されている。

タービンハウジング４６には、上記のタービンホイール４２を取り囲むように、渦巻き状をなすスクロール室４６ａが形成されている。このスクロール室４６ａは、ターボロータ４４の接線方向に開口する排気ガス取入れ口と、ターボロータ４４の軸線方向に開口する排気ガス排出口４６ｂとを有している。排気ガス取入れ口は、第１排気通路３０ａ、排気通路３０を介して排気マニホールド１３に接続され、排気ガス排出口４６ｂは、第１排気通路３０ａ、排気通路３０を介して触媒コンバータ７０側に接続されている。

タービンシャフト４３は、軸受ハウジング４８内に形成された軸受部材４７に挿通されている。軸受部材４７は、その内部に円筒形状の空間が形成されており、その内周面には、軸受である軸受メタル４７ａが遊嵌されている。この軸受メタル４７ａの内周面は、タービンシャフト４３に遊嵌されている。すなわち、軸受メタル４７ａは、タービンシャフト４３と軸受部材４７との間の摺動部に配設されている。

そして、軸受メタル４７ａには、軸受ハウジング４８内に形成された潤滑油供給路４８ａから潤滑油が供給されるようになっている。この潤滑油の供給によって、軸受部材４７の内周面と軸受メタル４７ａの外周面との間に油膜が形成される。一方、軸受メタル４７ａには、その外周面から内周面に亘って貫通する油供給孔４７ｂが複数箇所に形成されている。このため、軸受メタル４７ａの外周面に供給された潤滑油は、これら複数の油供給孔４７ｂを介して軸受メタル４７ａの内周面にも供給され、軸受メタル４７ａの内周面とタービンシャフト４３の外周面との間にも油膜が形成される。このように、タービンシャフト４３の軸受方式は、いわゆるフローティングベアリング方式とされており、軸受メタル４７ａはタービンシャフト４３と軸受部材４７との間で自由に回転することができるようになっている。なお、軸受メタル４７ａは、スナップリング４９，４９によって、軸心方向への移動が規制されている。このような構成の軸受け構造がタービンシャフト４３の長手方向の両端部（コンプレッサホイール４１に近接する箇所とタービンホイール４２に近接する箇所の２箇所）に設けられている。

ＥＣＵ８０は、図３に示すように、ＣＰＵ８１、ＲＯＭ８２、ＲＡＭ８３、バックアップＲＡＭ８４などを備えている。

ＲＯＭ８２には、各種制御プログラムや、それら各種制御プログラムを実行する際に参照されるマップ等が記憶されている。ＣＰＵ８１は、ＲＯＭ８２に記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて各種の演算処理を実行する。また、ＲＡＭ８３は、ＣＰＵ８１での演算結果や各種センサから入力されたデータ等を一時的に記憶するメモリであり、バックアップＲＡＭ８４は、例えばエンジン１０の停止時にその保存すべきデータ等を記憶する不揮発性のメモリである。そして、ＣＰＵ８１、ＲＯＭ８２、ＲＡＭ８３、およびバックアップＲＡＭ８４は、双方向バス８７を介して互いに接続されるとともに、入力インターフェース８５および出力インターフェース８６と接続されている。

入力インターフェース８５には、エンジン１０の運転状態を検出するための各種センサが接続されている。具体的には、過給された吸気の圧力（過給圧）を検出する過給圧センサ９１、エンジン１０の冷却水の温度を検出する水温センサ９２、吸入空気量を検出するエアフローメータ９３、吸入空気の温度を検出する吸気温センサ９４、エンジン１０の回転数を検出するエンジン回転数センサ９５、スロットル弁１６の開度を検出するスロットル開度センサ９６、アクセルペダル踏み込み量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ９７などが入力インターフェース８５に接続されている。

出力インターフェース８６には、上述の吸気切替弁２２、排気切替弁３１、ＥＧＲ弁６３、燃料噴射装置１５、スロットル弁（スロットルモータ）１６などが接続されている。

そして、ＥＣＵ８０は、上記した各種センサの出力に基づいて、燃料噴射制御などを含むエンジン１０の各種制御を実行する。また、ＥＣＵ８０は、過給装置の駆動切替制御を実行する。

ここで、この実施形態の過給装置の駆動切替制御について説明する。まず、ＥＣＵ８０は、各種センサの出力信号に基づいて、現在のエンジン１０の運転状態（例えばエンジン回転数、負荷など）を判断し、そのエンジン運転状態に基づいてマップ等を参照して、低速域または高速域のいずれの運転領域であるのかを判別する。その判別結果が低速域である場合、プライマリターボチャージャ４０のみを駆動する（シングルターボ駆動）。

具体的には、吸気切替弁２２および排気切替弁３１を閉状態として、エンジン１０の燃焼室＃１〜＃４から排気マニホールド１３を通じて排気通路３０に排出した排気ガスをプライマリターボチャージャ４０のタービンホイール４２のみに供給する。これにともない、過給装置１において、プライマリターボチャージャ４０のみが作動し、プライマリターボチャージャ４０のみによって過給動作が行われるようになる。

そして、このようなシングルターボ駆動中に、エンジン１０の運転状態が、低速域から高速域に変化した場合、ＥＣＵ８０は、プライマリターボチャージャ４０のみを駆動する駆動形態から、プライマリターボチャージャ４０およびセカンダリターボチャージャ５０の両方を駆動する駆動形態に切り替える（ツインターボ駆動）。この場合、ＥＣＵ８０は、吸気切替弁２２および排気切替弁３１を閉状態から開状態に制御する。

これにより、エンジン１０の燃焼室＃１〜＃４から排気マニホールド１３を通じて排気通路３０に排出した排気ガスを、プライマリターボチャージャ４０のタービンホイール４２およびセカンダリターボチャージャ５０のタービンホイール５２の両方に供給する。これにともない、過給装置１において、プライマリターボチャージャ４０およびセカンダリターボチャージャ５０の両方が作動するようになり、両ターボチャージャ４０，５０によって過給動作が行われるようになる。なお、ツインターボ駆動時には、プライマリターボチャージャ４０およびセカンダリターボチャージャ５０の両方の流量調整のために排気切替弁３１の開度がＥＣＵ８０によって制御される。

一方、ツインターボ駆動中に、エンジン１０の運転状態が、高速域から低速域に変化した場合、ＥＣＵ８０は、吸気切替弁２２および排気切替弁３１を開状態から閉状態に制御して、ツインターボ駆動からシングルターボ駆動に切り替える。なお、上述のような排気切替弁３１の開閉動作は、例えば、ＶＳＶ（バキュームスイッチング弁）により駆動されるアクチュエータによって制御することが可能である。

この実施形態では、上記構成の過給装置１において、プライマリターボチャージャ４０のタービンハウジング４６の熱容量が、セカンダリターボチャージャ５０のタービンハウジング５６の熱容量よりも小さく設定されていることを特徴としている。より詳細には、プライマリターボチャージャ４０のタービンハウジング４６の容積Ｖ１に対するタービンハウジング４６の質量Ｍ１の比［Ｍ１／Ｖ１］が、セカンダリターボチャージャ５０のタービンハウジング５６の容積Ｖ２に対するタービンハウジング５６の質量Ｍ２の比［Ｍ２／Ｖ２］よりも小さく設定されている。以下、この特徴構成について説明する。

まずここで、ターボチャージャのタービンハウジングの低熱容量化を図るには、タービンハウジングを小型化することが考えられる。しかし、タービンハウジングを単に小型化しただけでは、ターボチャージャの過給性能を損なう可能性がある。そこで、この実施形態では、タービンハウジングの容積に対する質量の比というパラメータを導入して、ターボチャージャの過給性能を維持しながら、タービンハウジングの低熱容量化を実現するようにしている。この場合、タービンハウジングの容積は、タービンホイールを収容する部分の空間の容積であり、タービンハウジングの質量は、タービンホイールを収容する部分の質量である。なお、タービンハウジングの容積に替えて、スクロール室の容積を用いてもよい。

詳しくは、ターボチャージャのタービンハウジングの容積Ｖに対する質量Ｍの比［Ｍ／Ｖ］を小さくすることで、タービンハウジングの熱容量を低下させることができる。この場合、タービンハウジングの容積Ｖを大きくしたり、質量Ｖを小さくしたりすることによって、上記の比［Ｍ／Ｖ］を小さくすることが可能である。具体的には、タービンハウジングの材質、肉厚、形状等を選択することで、上記の比［Ｍ／Ｖ］を小さくすることが可能になる。

上述したように、ターボチャージャの過給性能を維持するには、タービンハウジングの容積Ｖを変更することは好ましくないため、タービンハウジングの質量Ｍを小さくするほうが好ましい。つまり、タービンハウジングの軽量化を図ることで、上記の比［Ｍ／Ｖ］を小さくすることが好ましい。この場合、具体的な手段としては、タービンハウジングの材質、肉厚等を選択することが挙げられる。例えば、タービンハウジングをステンレス製の板材（板金など）で構成することが、タービンハウジングの質量Ｍを小さくするのに好適である。こうすれば、タービンハウジングを鋳鉄や鋳鋼で構成する場合に比べて、タービンハウジングの質量Ｍを小さくすることが可能となり、ターボチャージャの過給性能を維持しながら、上記の比［Ｍ／Ｖ］を小さくすることが可能となる。

そして、この実施形態では、低温始動時の触媒コンバータ７０の触媒の活性化の促進を図る観点から、プライマリターボチャージャ４０のタービンハウジング４６の容積Ｖ１に対するタービンハウジング４６の質量Ｍ１の比［Ｍ１／Ｖ１］を、セカンダリターボチャージャ５０のタービンハウジング５６の容積Ｖ２に対するタービンハウジング５６の質量Ｍ２の比［Ｍ２／Ｖ２］よりも小さくする構成を採用している。つまり、過給装置１においては、低温始動時、プライマリターボチャージャ４０のみが駆動されるため、そのプライマリターボチャージャ４０のタービンハウジング４６の上記の比［Ｍ１／Ｖ１］をできるだけ小さく抑えて、タービンハウジング４６の低熱容量化を図るようにしている。

この構成によれば、低温始動時に駆動するプライマリターボチャージャ４０のタービンハウジング４６の熱容量ができるだけ小さく抑えられるため、そのタービンハウジング４６によって奪われる排気ガスの熱量を小さく抑えることができ、触媒コンバータ７０へ送られる排気ガスの温度の低下を抑制することができる。これにより、エンジン始動時、触媒コンバータ７０の触媒を所定の活性温度まで速やかに上昇させることができ、触媒の早期活性化を図ることができる。そして、その結果、エンジン始動時の排気エミッションの改善を図ることができる。

この場合、プライマリターボチャージャ４０をバイパスさせて排気ガスを触媒コンバータ７０へ送らなくても、触媒の活性化を促進できるので、バイパス用の排気通路や開閉弁が不要となり、さらに、バイパス用の開閉弁の制御を行う必要がなくなる。したがって、装置の小型化を実現でき、コストダウンを図ることができる。しかも、エンジン始動時、バイパスさせる排気ガスの量に応じてプライマリターボチャージャ４０の過給効率が低下することも回避されるため、加速時等の過給圧の応答性を確保することができる。

−第２実施形態−
この第２実施形態では、２つの過給機が直列に配置されたシリーズ型の過給装置に本発明を適用した例について、図４、図５を参照して説明する。なお、上記第１実施形態と同じ構成の部分には、同じ符号を付して、その詳しい説明を省略する。

図４に示す過給装置１００は、エンジン１０の吸気通路１２０および排気通路１３０に直列に配置された低圧段ターボチャージャ（第１の過給機）１４０および高圧段ターボチャージャ（第２の過給機）１５０と、エンジン１０および各ターボチャージャを制御するＥＣＵ１８０（図５）とを備えている。

エンジン１０は、例えば直列型４気筒ディーゼルエンジンとして構成される。エンジン１０には、排気循環装置６０が設けられている。

エンジン１０のシリンダヘッドに形成された吸気ポートには、吸気マニホールド１２を介して吸気通路１２０が接続されている。吸気通路１２０には、吸気上流側から順に、エアクリーナ２３、低圧段ターボチャージャ１４０のコンプレッサホイール１４１、高圧段ターボチャージャ１５０のコンプレッサホイール１５１、インタークーラ２５がそれぞれ配設されている。コンプレッサホイール１４１，１５１は、吸気通路１２０の途中に設けられたコンプレッサハウジング１４５，１５５内に収容されている。

エンジン１０のシリンダヘッドに形成された排気ポートには、排気マニホールド１３を介して排気通路１３０が接続されている。排気通路１３０には、排気上流側から順に、高圧段ターボチャージャ１５０のタービンホイール１５２、低圧段ターボチャージャ１４０のタービンホイール１４２、触媒コンバータ７０がそれぞれ配設されている。タービンホイール１５２，１４２は、排気通路１３０の途中に設けられたタービンハウジング１５６，１４６内に収容されている。

タービンホイール１４２，１５２は、タービンシャフト１４３，１５３によってコンプレッサホイール１４１，１５１と一体回転可能に連結されている。排気ガスのエネルギーによってタービンホイール１４２，１５２が回転駆動されると、タービンホイール１４２，１５２の回転力がタービンシャフト１４３，１５３を介してコンプレッサホイール１４１，１５１に伝達される。これにより、コンプレッサホイール１４１，１５１が回転されて、ターボチャージャ１４０，１５０による過給動作が行われるようになっている。

排気通路１３０には、高圧段ターボチャージャ１５０のタービンホイール１５２を迂回するための排気バイパス通路１３０ａが設けられている。排気バイパス通路１３０ａの一端は、排気通路１３０のタービンホイール１５２よりも排気上流側に接続され、排気バイパス通路１３０ａの他端は、排気通路１３０の高圧段ターボチャージャ１５０のタービンホイール１５２と低圧段ターボチャージャ１４０のタービンホイール１４２との間に接続されている。

排気バイパス通路１３０ａの一端側には、排気切替弁１３１が設けられている。排気切替弁１３１は、ＥＣＵ１８０から送信される制御信号によって開閉が制御され、排気バイパス通路１３０ａを通過する排気ガスの流量を調整可能に構成されている。具体的には、排気切替弁１３１は、排気ガスの全量を高圧段ターボチャージャ１５０のタービンホイール１５２側に導いて排気バイパス通路１３０ａへの排気ガスの流入を遮断する全閉状態から高圧段ターボチャージャ１５０のタービンホイール１５２をバイパスする全開状態までその開度を連続的に調整することが可能となっている。

この実施形態では、低圧段ターボチャージャ１４０のサイズ（内径）が高圧段ターボチャージャ１５０のサイズ（内径）よりも大きくなっており、低圧段ターボチャージャ１４０の容量が高圧段ターボチャージャ１５０の容量よりも大きくなっている。なお、各ターボチャージャ１４０，１５０の具体的な構造については、上記第１実施形態のターボチャージャ４０，５０と同様であるため（図２参照）、ここではその説明を省略する。

ＥＣＵ１８０は、図５に示すように、ＣＰＵ１８１、ＲＯＭ１８２、ＲＡＭ１８３、バックアップＲＡＭ１８４などを備えている。これらＣＰＵ１８１、ＲＯＭ１８２、ＲＡＭ１８３、およびバックアップＲＡＭ１８４は、双方向バス１８７を介して互いに接続されるとともに、入力インターフェース１８５および出力インターフェース１８６と接続されている。

入力インターフェース１８５には、過給圧センサ９１、水温センサ９２、エアフローメータ９３、吸気温センサ９４、エンジン回転数センサ９５、スロットル開度センサ９６、アクセル開度センサ９７などの各種センサが接続されている。出力インターフェース１８６には、排気切替弁１３１、燃料噴射装置１５、スロットル弁（スロットルモータ）１６などが接続されている。

そして、ＥＣＵ１８０は、上記した各種センサの出力に基づいて、燃料噴射制御などを含むエンジン１０の各種制御を実行する。また、ＥＣＵ１８０は、過給装置の駆動切替制御を実行する。この実施形態の過給装置の駆動切替制御は、上記第１実施形態の場合とは異なっている。

まず、ＥＣＵ１８０は、各種センサの出力信号に基づいて、現在のエンジン１０の運転状態（例えばエンジン回転数、負荷など）を判断し、そのエンジン運転状態に基づいてマップ等を参照して、低速域または高速域のいずれの運転領域であるのかを判別する。その判別結果が低速域である場合、低圧段ターボチャージャ１４０および高圧段ターボチャージャ１５０の両方を駆動する。

具体的には、排気切替弁１３１を開き、エンジン１０の燃焼室＃１〜＃４から排気マニホールド１３を通じて排気通路１３０に排出した排気ガスを、低圧段ターボチャージャ１４０のタービンホイール１４２および高圧段ターボチャージャ１５０のタービンホイール１５２の両方に供給する。これにともない、過給装置１００において、低圧段ターボチャージャ１４０および高圧段ターボチャージャ１５０の両方が作動するようになり、両ターボチャージャ１４０，１５０によって過給動作が行われるようになる。

そして、両ターボチャージャ１４０，１５０の駆動中に、エンジン１０の運転状態が、低速域から高速域に変化した場合、ＥＣＵ１８０は、両ターボチャージャ１４０，１５０を駆動する駆動形態から、低圧段ターボチャージャ１４０のみを駆動する駆動形態に切り替える。この場合、ＥＣＵ１８０は、排気切替弁１３１を開状態から閉状態に制御する。これにより、エンジン１０の燃焼室＃１〜＃４から排気マニホールド１３を通じて排気通路１３０に排出した排気ガスを低圧段ターボチャージャ１４０のタービンホイール１４２のみに供給する。これにともない、過給装置１００において、低圧段ターボチャージャ１４０のみが作動し、低圧段ターボチャージャ１４０のみによって過給動作が行われるようになる。

この実施形態においても、上記第１実施形態と同様のパラメータ（タービンハウジングの容積に対する質量の比［Ｍ／Ｖ］）を導入している。そして、この実施形態では、上記構成の過給装置１００において、低圧段ターボチャージャ１４０のタービンハウジング１４６の容積Ｖ３に対するタービンハウジング１４６の質量Ｍ３の比［Ｍ３／Ｖ３］が、高圧段ターボチャージャ１５０のタービンハウジング１５６の容積Ｖ４に対するタービンハウジング１５６の質量Ｍ４の比［Ｍ４／Ｖ４］よりも小さく設定されていることを特徴としている。つまり、低温始動時の触媒コンバータ７０の触媒の活性化の促進を図る観点から、触媒コンバータ７０に近い側に配置される低圧段ターボチャージャ１４０のタービンハウジング１４６の上記の比［Ｍ３／Ｖ３］をできるだけ小さく抑えて、タービンハウジング１４６の低熱容量化を図るようにしている。

そして、この実施形態によれば、上記第１実施形態と同様の効果が得られる。具体的には、触媒コンバータ７０に近接して配置される低圧段ターボチャージャ１４０のタービンハウジング１４６の熱容量ができるだけ小さく抑えられるため、そのタービンハウジング１４６によって奪われる排気ガスの熱量を小さく抑えることができ、触媒コンバータ７０へ送られる排気ガスの温度の低下を抑制することができる。これにより、エンジン始動時、触媒コンバータ７０の触媒を所定の活性温度まで速やかに上昇させることができ、触媒の早期活性化を図ることができる。そして、その結果、エンジン始動時の排気エミッションの改善を図ることができる。

この場合、低圧段ターボチャージャ１４０をバイパスさせて排気ガスを触媒コンバータ７０へ送らなくても、触媒の活性化を促進できるので、バイパス用の排気通路や開閉弁が不要となり、さらに、バイパス用の開閉弁の制御を行う必要がなくなる。したがって、装置の小型化を実現でき、コストダウンを図ることができる。しかも、エンジン始動時、バイパスさせる排気ガスの量に応じて低圧段ターボチャージャ１４０の過給効率が低下することも回避されるため、加速時等の過給圧の応答性を確保することができる。

−他の実施形態−
上記第１、第２の実施形態において、第１、第２の過給機を、可変容量型の過給機として構成してもよい。この場合、両方の過給機を可変容量型としてもよいし、一方の過給機だけを可変容量型としてもよい。可変容量機構としては、開度を変更することによりタービンホイールに吹き付けられる排気ガスの流速を変更するノズルベーンを備える可変ノズルベーン機構などを用いることが可能である。

第１実施形態に係る内燃機関の過給装置の概略構成を示す図である。 図１の内燃機関の過給装置の第１の過給機の構造を示す断面図である。 ＥＣＵ等の制御系の構成を示すブロック図である。 第２実施形態に係る内燃機関の過給装置の概略構成を示す図である。 ＥＣＵ等の制御系の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 過給装置
１０ エンジン
２０ 吸気通路
３０ 排気通路
４０ プライマリターボチャージャ（第１の過給機）
４２ タービンホイール
４６ タービンハウジング
５０ セカンダリターボチャージャ（第２の過給機）
５２ タービンホイール
５６ タービンハウジング

Claims (3)

1. 内燃機関の吸気通路および排気通路に並列に配置された第１、第２の過給機を備え、内燃機関の運転領域が低速域のときには、上記第１の過給機のみを駆動させ、高速域のときには、上記第１、第２の過給機の両方を駆動させるように構成された内燃機関の過給装置において、
   上記第１の過給機のタービンハウジングの熱容量が、上記第２の過給機のタービンハウジングの熱容量よりも小さく設定されていることを特徴とする内燃機関の過給装置。
2. 内燃機関の吸気通路および排気通路に直列に配置された第１、第２の過給機を備え、上記第１の過給機が低圧側に設けられ、上記第２の過給機が高圧側に設けられた内燃機関の過給装置において、
   上記第１の過給機のタービンハウジングの熱容量が、上記第２の過給機のタービンハウジングの熱容量よりも小さく設定されていることを特徴とする内燃機関の過給装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の内燃機関の過給装置において、
   上記第１、第２の過給機のタービンハウジングの容積に対するタービンハウジングの質量の比が、上記第１の過給機では第２の過給機よりも小さく設定されていることを特徴とする内燃機関の過給装置。

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