JP2013253507A - 内燃機関の過給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気通路に直列に配置されたタービンを有する過給装置において、タービンでの排気エネルギのロスを低減する。
【解決手段】本発明の過給装置は、排気通路７内に配置された上流側タービン３２を備えた第一ターボチャージャ３０と、上流側タービンよりも排気下流側において排気通路内に配置された下流側タービン４２を備えた第二ターボチャージャ４０と、上流側タービンよりも排気上流側において排気通路から分岐すると共に上流側タービンと下流側タービンとの間とにおいて排気通路に合流して上流側タービンをバイパスするバイパス通路２０とを具備する。さらに、過給装置は、バイパス通路への分岐部とバイパス通路の合流部との間の排気通路とこの排気通路に連通する上流側タービンのタービン内通路とから成るメイン通路を遮断する遮断手段を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の過給装置に関する。

従来から、互いに容量の異なる高圧段ターボチャージャ及び低圧段ターボチャージャを具備し、高圧段ターボチャージャのタービンと低圧段ターボチャージャのタービンとを排気通路内に直列に配置した内燃機関の過給装置が知られている。斯かる過給装置としては、高圧段ターボチャージャと低圧段ターボチャージャとを機関負荷等に応じて適宜使い分けるため、高圧段ターボチャージャのタービンをバイパスするバイパス通路を設けると共に、バイパス通路への排気ガスの流量を調整するバイパス通路制御弁を設けたものが知られている。

例えば、特許文献１には、各ターボチャージャが可動ベーンを有し、過給圧を制御するにあたって、高圧段ターボチャージャの可動ベーンの開度、低圧段ターボチャージャの可動ベーンの開度、排気バイパスバルブの開度の優先順位でこれら開度を制御することが開示されている。

また、特許文献２には、高圧段ターボチャージャのタービンが配置された排気通路と、高圧段ターボチャージャのタービンをバイパスするバイパス通路とを一体的に設けたターボ過給器が開示されており、このうちバイパス通路のみにフラップ式バルブが設けられているターボ式過給器が開示されている。特許文献２では、このフラップ式バルブは、閉弁時にはバイパス通路の出口を覆い、開弁時にはバイパス通路の出口を開けてバイパス通路内を排気ガスが通過することができるようにしている。

特開２００５−３１５１６３号公報 特開２０１１−２３１７３０号公報 特開２０１０−２１６４５０号公報

ところで、特許文献１及び特許文献２のいずれの文献においても、バイパス通路制御弁やフラップ式バルブは、バイパス通路の開閉を行っている。したがって、バイパス通路制御弁やフラップ式バルブを全閉すれば、排気ガス全量が、バイパス通路を流れずに、高圧段ターボチャージャのタービンが配置された排気通路のみを流れるようにすることができる。

一方、バイパス通路制御弁やフラップ式バルブを全開にした場合には、タービンの流通抵抗のため、バイパス通路を流れる排気ガスの方が多くなる。これについて、特許文献２では、フラップ式バルブが開いている場合には、排気ガスは、上流側タービンの流通抵抗により、上流側タービンを通過せずにバイパス通路を通って流れるとされている。

しかしながら、バイパス通路制御弁やフラップ式バルブは、タービンが配置された排気通路の開閉を行っているわけではない。このため、バイパス通路制御弁やフラップ式バルブを全開にした場合であっても排気ガスの全量をバイパス通路に流すことはできず、或る程度の量の排気ガスはタービンに流入することになる。

ところが、このように低圧段ターボチャージャのタービンに排気ガス全量を流入させるべきときに、排気ガスの一部が高圧段ターボチャージャのタービンに流入してしまうと、排気エネルギの一部が高圧段ターボチャージャのタービンでロスしてしまうことになる。

そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、排気通路に直列に配置されたタービンを有する過給装置において、タービンでの排気エネルギのロスを低減することにある。

上記課題を解決するために、第１の発明では、内燃機関の排気通路内に配置された上流側タービンを備えた第一ターボチャージャと、前記上流側タービンよりも排気下流側において前記排気通路内に配置された下流側タービンを備えた第二ターボチャージャと、前記上流側タービンよりも排気上流側において前記排気通路から分岐すると共に前記上流側タービンと下流側タービンとの間において前記排気通路に合流して前記上流側タービンをバイパスするバイパス通路と、前記バイパス通路への分岐部と前記バイパス通路の合流部との間の前記排気通路と該排気通路に連通する上流側タービンのタービン内通路とから成るメイン通路を遮断する遮断手段と、を具備する、内燃機関の過給装置が提供される。

第２の発明では、第１の発明において、前記遮断手段は、前記タービン内通路を遮断する。

第３の発明では、第２の発明において、前記上流側タービンは、タービンインペラを収容すると共に前記タービン内通路を形成するハウジングと、前記タービンインペラの外周に沿って前記ハウジング内に設けられる回動可能な複数の可動ベーンとを具備し、前記可動ベーンは、これら可動ベーンによりタービンインペラの外周を包囲してタービン内通路を遮断することができるように構成され、前記遮断手段は前記可動ベーンである。

第４の発明では、第３の発明において、前記可動ベーンは、隣り合う可動ベーン間の隙間の大きさによって規定されるベーン開度を変更することによって前記タービンインペラに流入する排気ガスの流速を変更可能なように構成される。

第５の発明では、第１〜第４のいずれか一つの発明において、前記遮断手段は、機関運転状態が少なくとも第一ターボチャージャの過給効果を利用すべき第一機関運転領域にあるときには前記メイン通路の遮断を解除し、機関運転状態が第二ターボチャージャの過給効果のみを利用すべき第二機関運転領域にあるときには前記メイン通路を遮断する。

第６の発明では、第５の発明において、前記機関運転状態が、第二機関運転領域内にあるときであっても、予め定められた条件下では、前記遮断手段は前記メイン通路の遮断を解除する。

第７の発明では、第６の発明において、前記予め定められた条件は、機関運転状態が所定時間以内に第一機関運転領域内に変化すると予想されることである。

第８の発明では、第６又は第７の発明において、前記予め定められた条件は、上流側タービンの回転数が予め定められた許容回転数よりも低くなることである。

第９の発明では、第５〜第８の発明において、前記バイパス通路を開閉可能なバイパス通路制御弁をさらに具備し、該バイパス通路制御弁は、機関運転状態が第二機関運転領域内にあるときには全開又はほぼ全開とされる。

本発明によれば、排気通路に直列に配置されたタービンを有する過給装置において、タービンでの排気エネルギのロスを低減することができる。

図１は、本発明の過給装置を備えた内燃機関の全体を示す概略図である。 図２は、高圧段タービンの概略断面図である。 図３は、可動ベーンと駆動機構との組立体の上面図である。 図４は、可動ベーンと駆動機構との組立体の底面図である。 図５は、可動ベーンと駆動機構との組立体の上面図である。 図６は、機関回転数及び燃料噴射量と各運転領域との関係を示す図である。 図７は、各運転領域における各アクチュエータの制御内容を示す図である。 図８は、過給装置における過給制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図９は、特定の過給制御を行った場合の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１０は、機関運転状態が二つの運転領域間で変化するときの機関負荷等のタイムチャートである。 図１１は、特定の過給制御を行った場合の制御ルーチンを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の第一実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

図１は、本発明の過給装置を備えた内燃機関の全体を示す概略図である。図１を参照すると、機関本体１には４つの気筒２が直列に配置されている。各気筒２には、各気筒２内に燃料を噴射するための燃料噴射弁３が設けられている。各気筒２には、吸気ポートを介して吸気マニホルド４が連通すると共に、排気ポートを介して排気マニホルド５が連通している。吸気マニホルド４は吸気通路６に、排気マニホルド５は排気通路７にそれぞれ接続されている。

吸気通路６には、高圧段ターボチャージャ（第一ターボチャージャ）３０の高圧段コンプレッサ３１が設けられ、この高圧段コンプレッサ３１の吸気上流側において低圧段ターボチャージャ（第二ターボチャージャ）４０の低圧段コンプレッサ４１が設けられている。低圧段コンプレッサ４１の吸気上流側には吸気通路６内に流入する空気を清浄するエアクリーナ８が設けられる。一方、高圧段コンプレッサ３１の吸気下流側には高圧段コンプレッサ３１から流出した空気の温度を低下させるためのインタークーラ９が設けられており、インタークーラ９の下流には気筒２内に流入する空気の流量を制御するスロットル弁１０が設けられている。なお、吸気通路６には、低圧段コンプレッサ４１の吸気下流側であって高圧段コンプレッサ３１の吸気上流側に、低圧段コンプレッサ４１から流出した空気の温度を低下させるためのインタークーラが設けられてもよい。また、図示した例では、高圧段コンプレッサ３１及び低圧段コンプレッサ４１は吸気通路６に直列に設けられているが、これらコンプレッサ３１、４１は吸気通路６に並列に設けられてもよい。

一方、排気通路７には、高圧段ターボチャージャ３０の高圧段タービン（上流側タービン）３２が設けられ、この高圧段タービン３２の排気下流側において低圧段ターボチャージャ４０の低圧段タービン（下流側タービン）４２が設けられている。低圧段タービン４２の排気下流側には排気ガスを浄化するための排気浄化装置（例えば、三元触媒、ＮＯ_X吸蔵触媒等）１１が設けられている。

高圧段ターボチャージャ３０は、高圧段コンプレッサ３１及び高圧段タービン３２を具備する。高圧段コンプレッサ３１と高圧段タービン３２とは、タービンシャフト３３により同軸的且つ一体回転可能に連結されている。高圧段タービン３２は排気通路７内を流通する排気ガスにより回転駆動されるように形成されている。一方、高圧段コンプレッサ３１は、タービンシャフト３３を介して高圧段タービン３２により駆動せしめられ、吸気通路６内を流れる空気を加圧する。

一方、低圧段ターボチャージャ４０は、低圧段コンプレッサ４１及び低圧段タービン４２を具備する。低圧段コンプレッサ４１と低圧段タービン４２とは、タービンシャフト４３により同軸的且つ一体回転可能に連結されている。低圧段タービン４２は排気通路７内を流通する排気ガスにより回転駆動されるように形成されている。一方、低圧段コンプレッサ４１は、タービンシャフト４３を介して低圧段タービン４２により駆動せしめられ、吸気通路６内を流れる空気を加圧する。

本実施形態では、低圧段タービン４２の外径は、高圧段タービン３２に比べて大きい。すなわち、低圧段タービン４２は、高圧段タービン３２よりも大型であり、容量が大きい。同様に、低圧段コンプレッサ４１の外径は、高圧段コンプレッサ３１に比べて大きい。すなわち、低圧段コンプレッサ４１は、高圧段コンプレッサ３１よりも大型であり、容量が大きい。

また、本実施形態では、低圧段コンプレッサ４１と高圧段コンプレッサ３１との間において吸気通路６から分岐する吸気バイパス通路１５が設けられる。吸気バイパス通路１５は、高圧段コンプレッサ３１よりも吸気下流側であって、インタークーラ９の吸気上流側において吸気通路６に合流する。したがって、吸気バイパス通路１５は、高圧段コンプレッサ３１をバイパスしているといえる。

吸気バイパス通路１５には、吸気バイパス通路１５を開閉可能な吸気バイパス通路制御弁１６が設けられる。吸気バイパス通路制御弁１６は、吸気バイパス通路１５を通って流れる吸入空気の流量を制御することができる流量調整弁であってもよいし、開いた状態と閉じた状態との間で制御可能な開閉弁であってもよい。

一方、本実施形態では、高圧段タービン３２の排気上流側において排気通路７から分岐する排気バイパス通路２０が設けられる。排気バイパス通路２０は、高圧段タービン３２よりも排気下流側であって低圧段タービン４２の排気上流側において排気通路７に合流する。したがって、排気バイパス通路２０は、高圧段タービン３２をバイパスしているといえる。

排気バイパス通路２０には、排気バイパス通路２０を開閉可能な排気バイパス通路制御弁２１が設けられる。排気バイパス通路制御弁２１は、排気バイパス通路２０を通って流れる排気ガスの流量を制御することができる流量制御弁であるのが好ましい。

加えて、本実施形態では、高圧段タービン３２よりも排気下流側であって低圧段タービン４２の排気上流側において排気通路７から分岐する小バイパス通路２２が設けられる。小バイパス通路２２は、低圧段タービン４２の排気下流側であって排気浄化装置１１の排気上流側において排気通路７に合流する。したがって、小バイパス通路２２は、低圧段タービン４２をバイパスしているといえる。

小バイパス通路２２にも、小バイパス通路２２を開閉可能な小バイパス通路制御弁２３が設けられる。小バイパス通路制御弁２３は、小バイパス通路２２を通って流れる排気ガスの流量を制御することができる流量制御弁であるのが好ましい。また、本実施形態では、小バイパス通路２２の流路断面積は、排気バイパス通路２０の流量断面積よりも小さい。したがって、排気バイパス通路２０は、内燃機関の高負荷・高回転運転時であっても排気ガス全量を小さい流路抵抗で流通させることが可能であるが、小バイパス通路は、内燃機関の高負荷・高回転運転時においては流路抵抗が大きくなってしまう排気ガス全量を流通させるのは困難である。

また、本実施形態では、高圧段タービン３２は、可変容量式のタービンとなっている。図２は、高圧段タービン３２の概略断面図である。図２からわかるように、高圧段タービン３２は、タービンインペラ３９が配置された中央通路３４と、中央通路３４の周囲から排気ガスを半径内方向に中央通路３４へ導くための環状通路３５とを具備する。これら中央通路３４及び環状通路３５はハウジング３６により区画形成される。

中央通路３４と環状通路３５との境界には、すなわち、タービンインペラ３９の外周には、回動可能な複数の可動ベーン３７が配置されている。また、高圧段タービン３２は、全ての可動ベーン３７を作動させるための駆動機構３８を有する。なお、本明細書では、中央通路３４及び環状通路３５から成る通路をタービン内通路と称する。タービン内通路は、排気通路７に接続される。

図３は、可動ベーン３７と駆動機構３８との組立体の上面図であり、図４は、この組立体の底面図である。図１〜図３を参照すると、可動ベーン３７は、長さ方向に互いに隣接して部分的に重なり合うことを可能とするように、タービンインペラ３９の外周に沿って配置されている。また、各可動ベーン３７は、高さ方向に延在する回動軸３８ａに固定されている。回動軸３８ａは、本実施形態において、３０°の等角度間隔で位置しており、１２枚の可動ベーン３７が設けられている。回動軸３８ａはその軸線周りで回動可能であり、これに伴って回動軸３８ａに固定された可動ベーン３７も回動軸３８ａの軸線回りで回動可能である（図３中の矢印で示した方向）。

各回動軸３８ａは、支持板３８ｂを貫通してリンク３８ｃの末端部に固定されている。一方、支持板３８ｂのリンク３８ｃ側には回動環状部材３８ｄが配置されている。回動環状部材３８ｄには、回動軸３８ａと同様に３０°の等角度間隔で位置する１２個の円形断面を有する突起３８ｅが設けられている。

各リンク３８ｃの先端部は、Ｕ字形の切欠きを有し、この切欠きが回動環状部材３８ｄの突起３８ｅと係合している。それにより、回動環状部材３８ｄを、ダイヤフラム式、油圧式、又は、電磁式等の駆動手段によって図４中の矢印の方向に回動させれば、各リンク３８ｃを介して各回動軸３８ａと共に各可動ベーン３７が回動する。このように各可動ベーン３７が回動すると、ベーン開度、すなわち隣り合う可動ベーン３７間の隙間の大きさを変化させることができ、タービンインペラ３９へ流入する排気ガスの流速を変更、制御することができる。

特に、本実施形態によれば、可動ベーン３７は、図５に示したように、ベーン開度が零になるまで、すなわち隣り合う可動ベーン３７間の隙間が無くなるまで回動することができる。すなわち、可動ベーン３７は、その端部が別の可動ベーン３７の端部と密着するまで回動することができる。このようにベーン開度が零になると、タービンインペラ３９の外周は可動ベーン３７によって完全に包囲される。このため、中央通路３４及び環状通路３５の境界においてこれら通路、すなわちタービン内通路は遮断される。

なお、上記高圧段タービン３２の構成は一例であり、可動ベーン３７を用いてタービン内通路を遮断することができれば如何なる構成であってもよい。また、上記実施形態では、高圧段タービン３２のみに可動ベーン及び駆動機構が設けられているが、低圧段タービン４２にも可動ベーン及び駆動機構を設けてもよい。この場合、低圧段タービン４２の可動ベーンは必ずしもタービン内通路を遮断することができる必要はない。

再び図１を参照すると、各燃料噴射弁３は燃料リザーバ４５に連結される。この燃料リザーバ４５は燃料供給管４６を介して燃料タンク４７に接続される。燃料供給管４６には電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ４８が配置され、この燃料ポンプ４８によって燃料タンク４７内の燃料が燃料リザーバ４５に供給される。

ＥＣＵ５０は、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）等から構成される。ＥＣＵ５０は、吸気通路６に設けられた、エアフロメータ５１、圧力センサ５２、５３に接続されている。エアフロメータ５１は、低圧段コンプレッサ４１よりも吸気上流側において吸気通路６内を通過する吸入空気の流量（質量流量）を検出する。圧力センサ５２は、低圧段コンプレッサ４１よりも吸気上流側において吸気通路６内の圧力を検出し、圧力センサ５３は、高圧段コンプレッサ３１よりも吸気下流側において吸気通路６内の圧力を検出する。

また、ＥＣＵ５０は、アクセルペダル５４に接続された負荷センサ５５と、機関本体１に設けられたクランク角センサ５６に接続されている。負荷センサ５５は、アクセルペダル５４の踏込み量（すなわち、機関負荷）に比例した出力電圧を発生する。クランク角センサ５６は、クランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生し、このクランク角センサ５６の出力パルスに基づいて機関回転数が算出される。加えて、ＥＣＵ５０は、排気浄化装置１１に設けられた温度センサ５７に接続されている。温度センサ５７は、排気浄化装置１１の温度を検出する。

一方、ＥＣＵ５０は、燃料噴射弁３、スロットル弁１０、吸気バイパス通路制御弁１６、排気バイパス通路制御弁２１、小バイパス通路制御弁２３、駆動機構３８の駆動手段、燃料ポンプ４８に接続され、各機器に対して駆動信号を送出する。

次に、図６〜図８を参照して、このように構成された過給装置の制御について説明する。過給装置の制御は、ＥＣＵ５０によって行われる。

本実施形態では、機関運転領域に応じて、過給効果を利用するターボチャージャを切り替えている。特に、本実施形態では、図６に示したように、機関回転数ＮＥ及び燃料噴射量Ｑの二つのパラメータによって定義される運転領域に応じて過給効果を利用するターボチャージャの切替を行っている。なお、本実施形態では、運転領域は、機関回転数ＮＥ及び燃料噴射量Ｑによって定義されるものとしているが、これらパラメータに限らず、他のパラメータ、例えば、機関負荷、過給圧や吸入空気量等によって定義されたものであってもよい。

具体的には、本実施形態では、図６に示したように、機関回転数ＮＥ及び燃料噴射量Ｑの二つのパラメータによって定義される機関運転領域全体に対して、主に高圧段ターボチャージャ３０の過給効果を利用する運転領域（領域Ａ）と、高圧段ターボチャージャ３０及び低圧段ターボチャージャ４０の両方の過給効果を利用する運転領域（領域Ｂ）と、低圧段ターボチャージャ４０のみの過給効果を利用する運転領域（領域Ｃ）と、低圧段ターボチャージャ４０のみの過給効果を利用すると共にその過給効果の一部を制限する運転領域（領域Ｄ）との４つの領域が設定される。

なお、運転領域Ａ及び運転領域Ｂにおいては、低圧段ターボチャージャ４０の過給効果の利用の有無にかかわらず、少なくとも高圧段ターボチャージャ３０の過給効果を利用している。一方、運転領域Ｃ及び運転領域Ｄにおいては、高圧段ターボチャージャ３０の過給効果を利用することなく低圧段ターボチャージャ４０のみの過給効果を利用している。斯かる観点から、機関運転領域全体を、運転領域Ａ及び運転領域Ｂから成る第一運転領域と、運転領域Ｃ及び運転領域Ｄから成る第二運転領域とに分けることも可能である。

本実施形態では、図６に示したように、運転領域Ａは機関回転数ＮＥが低く且つ燃料噴射量Ｑも少ない運転領域であり、運転領域Ｂは運転領域Ａに比べて全体的に機関回転数ＮＥ及び燃料噴射量Ｑの多い領域である。また、運転領域Ｃは運転領域Ｂに比べて全体的に機関回転数ＮＥの高い領域であり、運転領域Ｄは運転領域Ｃに比べて全体的に機関回転数ＮＥ及び燃料噴射量Ｑの多い領域である。

図７は、機関運転状態が各運転領域にある場合における、可動ベーン３７のベーン開度ＶＮ、排気バイパス通路制御弁２１の開度ＥＣＶ、吸気バイパス通路制御弁１６の開度ＡＣＶ、及び小バイパス通路制御弁２３の開度ＥＢＶをそれぞれ示したものである。

まず、機関回転数ＮＥ及び燃料噴射量Ｑの組み合わせである機関運転状態が運転領域Ａ内にあるときには、主に高圧段ターボチャージャ３０の過給効果を利用すべく、排気バイパス通路制御弁２１が全閉され、その開度ＥＣＶが零とされる。これにより、機関本体１から排出された排気ガスは全て高圧段タービン３２を通過する。また、高圧段タービン３２の可動ベーン３７のベーン開度ＶＮは、機関本体１から排出される排気ガスのエネルギが低くても高圧段タービン３２を或る程度回転させることができるように、機関回転数ＮＥや燃料噴射量Ｑ等に基づいてフィードバック制御される。なお、このときベーン開度ＶＮは小さくなり過ぎないようにベーン開度ＶＮの下限値が設定される。これは、排気バイパス通路制御弁２１及び可動ベーン３７の両方が全閉になると排気経路が閉塞してしまうためである。

加えて、機関運転状態が運転領域Ａ内にあるときには、小バイパス通路制御弁２３が全閉され、その開度ＥＢＶが零とされる。これにより、機関本体１から排出されて高圧段タービン３２を通過した排気ガスは、全量、低圧段タービン４２に流入する。このため、低圧段ターボチャージャ４０によっても過給効果を得ることができる。さらに、このときには、吸気バイパス通路制御弁１６が全閉され、その開度ＡＣＶが零とされる。これにより、吸入空気はその全量が高圧段コンプレッサ３１を通過することになり、高圧段ターボチャージャ３０によって適切に吸入空気の過給を行うことができるようになる。

次に、機関運転状態が運転領域Ｂ内にあるときには、高圧段ターボチャージャ３０及び低圧段ターボチャージャ４０の両方の過給効果を利用すべく、排気バイパス通路制御弁２１の開度ＥＣＶが機関回転数ＮＥや燃料噴射量Ｑ等に基づいてフィードバック制御される。これにより、機関本体１から排出された排気ガスの一部は高圧段タービン３２に流入すると共に、残りは排気バイパス通路２０を通って低圧段タービン４２に直接流入する。フィードバック制御により、例えば高圧段ターボチャージャ３０及び低圧段ターボチャージャ４０による過給効果が最大となるように、排気バイパス通路制御弁２１が制御される。また、高圧段タービン３２の可動ベーン３７は、高圧段ターボチャージャ３０による排気抵抗をできるだけ下げるために全開又はほぼ全開とされ、よってその開度ＶＮは最大又はほぼ最大とされる。

加えて、機関運転状態が運転領域Ｂ内にあるときには、小バイパス通路制御弁２３が全閉され、その開度ＥＢＶが零とされる。これにより、機関本体１から排出されて高圧段タービン３２又は排気バイパス通路２０を通過した排気ガスは、全量、低圧段タービン４２に流入する。さらに、このときには、吸気バイパス通路制御弁１６が全閉され、その開度ＡＣＶが零とされる。これにより、吸入空気はその全量が低圧段コンプレッサ４１及び高圧段コンプレッサ３１を通過することになり、低圧段ターボチャージャ４０及び高圧段ターボチャージャ３０によって適切に吸入空気の過給を行うことができるようになる。

機関運転状態が運転領域Ｃ内にあるときには、低圧段ターボチャージャ４０のみの過給効果を利用すべく、排気バイパス通路制御弁２１が全開又はほぼ全開とされ、その開度ＥＣＶが最大又はほぼ最大とされる。また、高圧段タービン３２の可動ベーン３７は全閉とされ、その開度ＶＮは零とされる。これにより、機関本体１から排出された排気ガスの全量が排気バイパス通路２０を通って流れ、高圧段タービン３２には排気ガスが流入しなくなる。

加えて、機関運転状態が運転領域Ｃ内にあるときには、小バイパス通路制御弁２３が全閉され、その開度ＥＢＶが零とされる。これにより、機関本体１から排出されて高圧段タービン３２又は排気バイパス通路２０を通過した排気ガスは、全量、低圧段タービン４２に流入する。さらに、このときには、吸気バイパス通路制御弁１６が全開又はほぼ全開とされ、その開度ＡＣＶが最大又はほぼ最大とされる。これにより、吸入空気のほとんどは、高圧段コンプレッサ３１を通過することなく、吸気バイパス通路１５を通って、機関本体１に流入することになる。このため、駆動されていない高圧段コンプレッサ３１を通ることによる吸気抵抗を低減することができる。

機関運転状態が運転領域Ｄ内にあるときには、低圧段ターボチャージャ４０のみの過給効果を利用すると共にその過給効果の一部を制限すべく、まず、排気バイパス通路制御弁２１が全開又はほぼ全開とされ、その開度ＥＣＶが最大またはほぼ最大とされる。また、小バイパス通路制御弁２３が機関回転数、燃料噴射量、過給圧等に基づいてフィードバック制御される。すなわち、機関運転状態が運転領域Ｄ内にあるときには、排気ガス全量が低圧段タービン４２に流入するとタービンが回転しすぎて過給圧が高くなり過ぎてしまう。これに対して、小バイパス通路制御弁２３の開度をフィードバック制御することにより、排気ガスの一部が低圧段タービン４２に流入しないようにすることができ、よって過給圧の過度の上昇を防止することができる。

さらに、機関運転状態が運転領域Ｄ内にあるときには、高圧段タービン３２の可動ベーン３７は全閉とされ、その開度ＶＮは零とされる。さらに、このときには、機関運転状態が運転領域Ｄ内にあるときと同様に、吸気バイパス通路制御弁１６が全開又はほぼ全開とされ、その開度ＡＣＶが最大又はほぼ最大とされる。

加えて、排気浄化装置１１の温度が予め定められた温度（例えば、触媒の活性温度）よりも低いときには、その暖機のために高温の排気ガスを排気浄化装置に供給することが必要になる。このときには、図７に示すように、排気バイパス通路制御弁２１の開度ＥＣＶは、全開と全閉との間の任意の開度（全開及び全閉を含む）とされる。具体的には、機関運転状態に応じて排気浄化装置１１の暖機に適した排気バイパス通路制御弁２１の開度が予め求められてマップとしてＥＣＵ５０に保存され、機関運転状態に応じてこのマップに基づいて排気バイパス通路制御弁２１の開度が設定される。また、高圧段タービン３２の可動ベーン３７は全閉とされ、その開度ＶＮは零とされる。

さらに、排気浄化装置１１の温度が低いときには、小バイパス通路制御弁２３が機関回転数、燃料噴射量、過給圧、排気浄化装置１１の温度等に基づいてフィードバック制御される。加えて、このときには、吸気バイパス通路制御弁１６が全閉され、その開度ＡＣＶが零とされる。これは、排気浄化装置１１の暖機がアイドリング状態、すなわち運転領域Ａにおいて行われるため、これに合わせて吸気バイパス通路制御弁１６も全閉としたものである。

次に、上述した本発明の過給装置による作用・効果について説明する。
上述したように、上記過給装置によれば、機関運転状態が運転領域Ｃ、Ｄ（第二運転領域）内にあるとき、すなわち、低圧段ターボチャージャ４０のみの過給効果を利用する運転領域にあるときには、可動ベーン３７のベーン開度が零とされ、その結果、高圧段タービン３２のタービン内通路が遮断される。これにより、機関本体１から排出された排気ガス全量を、排気バイパス通路２０に流入させることができ、排気ガスが少量でも高圧段タービン３２を通過するのが防止される。このため、高圧段タービン３２において排気エネルギの一部をロスしてしまうことが防止される。

なお、上記実施形態では、可動ベーン３７を用いて高圧段タービン３２のタービン内通路を遮断するようにしている。しかしながら、排気バイパス通路２０への分岐部と排気バイパス通路２０の合流部との間の排気通路７と高圧段タービン３２のタービン内通路とから成る通路をメイン通路とすると、このメイン通路を遮断することができれば、可動ベーン３７の代わりに如何なる遮断手段を用いてもよい。斯かる遮断手段としては、例えば、排気バイパス通路２０への分岐部と排気バイパス通路２０の合流部との間の排気通路７に設けられたバタフライ弁等を用いることができる。

また、上述したように、上記過給装置によれば、排気浄化装置１１の温度が低いとき、すなわち、暖機のための高温の排気ガスを排気浄化装置１１に供給することが必要であるとき、可動ベーン３７のベーン開度が零とされ、その結果、高圧段タービン３２のタービン内通路が遮断される。これにより、排気ガスが少量でも高圧段タービン３２を通過するのが防止され、その結果、高圧段タービン３２において排気ガスの温度が低下してしまうことが防止される。

図８は、上記過給装置における過給制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。まず、ステップＳ１１において、ＥＣＵ５０によって、クランク角センサ５６の出力信号に基づいて機関回転数ＮＥが読み込まれ、燃料噴射弁３への駆動信号に基づいて燃料噴射量Ｑが読み込まれ、温度センサ５７の出力信号に基づいて排気浄化装置１１（例えば、三元触媒）の温度Ｔが読み込まれる。次いで、ステップＳ１２において、排気浄化装置１１が暖機中であるか否か、すなわち、ステップＳ１１で読み込まれた排気浄化装置１１の温度Ｔが予め定められた温度よりも低いか否かが判定される。

ステップＳ１２において、排気浄化装置１１が暖機中であると判定された場合には、ステップＳ１３へと進む。ステップＳ１３〜Ｓ１５では、排気バイパス通路制御弁２１の開度ＥＣＶが上述したように任意の開度とされると共に、吸気バイパス通路制御弁１６の開度ＡＣＶが零（全閉）とされ、小バイパス通路制御弁２３の開度ＥＢＶがフィードバック制御される。次いで、ステップＳ１６では、可動ベーン３７の開度ＶＮが零（全閉）とされ、制御ルーチンが終了する。

一方、ステップＳ１２において排気浄化装置１１の暖機が終了していると判定された場合、すなわち、排気浄化装置１１の温度Ｔが予め定められた温度以上であると判定された場合には、ステップＳ１７〜Ｓ１９へと進む。ステップＳ１７〜Ｓ１９では、ステップＳ１１で読み込まれた機関回転数ＮＥ及び燃料噴射量Ｑによって定まる機関運転状態が運転領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄのどの領域内にあるかが判定される。

ステップＳ１７〜Ｓ１９において、機関運転状態が運転領域Ａ内にあると判定された場合にはステップＳ２０へと進む。ステップＳ２０〜Ｓ２２では、排気バイパス通路制御弁２１の開度ＥＣＶ、吸気バイパス通路制御弁１６の開度ＡＣＶ及び小バイパス通路制御弁２３の開度ＥＢＶがいずれもが零（全閉）とされる。次いで、ステップＳ２３では、可動ベーン３７の開度ＶＮが上述したようにＦ／Ｂ制御され、制御ルーチンが終了する。

また、ステップＳ１７〜Ｓ１９において、機関運転状態が運転領域Ｂ内にあると判定された場合にはステップＳ２４へと進む。ステップＳ２４〜Ｓ２６では、排気バイパス通路制御弁２１の開度ＥＣＶがフィードバック制御されると共に、吸気バイパス通路制御弁１６の開度ＡＣＶ及び小バイパス通路制御弁２３の開度ＥＢＶがいずれもが零（全閉）とされる。ステップＳ２７では、可動ベーン３７の開度ＶＮが最大（全開）とされ、制御ルーチンが終了する。

また、ステップＳ１７〜Ｓ１９において、機関運転状態が運転領域Ｃ内にあると判定された場合にはステップＳ２８へと進む。ステップＳ２８〜Ｓ３０では、排気バイパス通路制御弁２１の開度ＥＣＶ及び吸気バイパス通路制御弁１６の開度ＡＣＶがいずれも最大（全開）とされると共に、小バイパス通路制御弁２３の開度ＥＢＶが零（全閉）とされる。ステップＳ３１では、可動ベーン３７の開度ＶＮが零（全閉）とされ、制御ルーチンが終了する。

また、ステップＳ１７〜Ｓ１９において、機関運転状態が運転領域Ｄ内にあると判定された場合にはステップＳ３２へと進む。ステップＳ３２〜Ｓ３４では、排気バイパス通路制御弁２１の開度ＥＣＶ及び吸気バイパス通路制御弁１６の開度ＡＣＶがいずれも最大（全開）とされると共に、小バイパス通路制御弁２３の開度ＥＢＶがフィードバック制御される。ステップＳ３５では、可動ベーン３７の開度ＶＮが零（全閉）とされ、制御ルーチンが終了する。

次に、図９〜図１１を参照して、本発明の第二実施形態について説明する。第二実施形態における過給装置の構成は基本的に第一実施形態における過給装置の構成と同様である。ただし、上記第一実施形態では、機関運転状態が第二運転領域（図６参照）内にあるときには可動ベーン３７が常に全閉とされていたのに対して、本実施形態では、機関運転状態が第二運転領域内にあるときであっても可動ベーン３７が予め定められた条件下で少なくとも部分的に開弁せしめられる（すなわち、メイン通路の遮断が解除される）。

まず、一つ目の予め定められた条件について説明する。本実施形態では、高圧段タービン３２の回転数（正確には、高圧段タービン３２のタービンインペラ３９の回転数）が予め定められた許容回転数よりも低くなった場合には、機関運転状態が第二運転領域（領域Ｃ、Ｄ）内にあるときであっても可動ベーン３７が開弁せしめられる。

ここで、上記第一実施形態のように、機関運転状態が第二運転領域内にあるときに可動ベーン３７を全閉すると、高圧段タービン３２の回転数はやがて極めて低下することになり、その結果、高圧段ターボチャージャ３０内の潤滑油が流動しなくなる。高圧段ターボチャージャ３０の高圧段タービン３２は特に高温に晒されているため、高圧段タービン３２の回転が極めて低くなると流動の低下した潤滑油が炭化する可能性がある。

これに対して、本実施形態では高圧段タービン３２の回転数が許容回転数よりも低くなった場合には、可動ベーン３７が開弁せしめられる。これにより、高圧段タービン３２には排気ガスが流入し、高圧段タービン３２の回転が促され、高圧段ターボチャージャ３０内の潤滑油の流動性が確保される。なお、上記許容回転数は、例えば、高圧段タービン３２の回転数がそれ以上低下すると高圧段ターボチャージャ３０内の潤滑油の炭化を招くような回転数とされる。

図９は、上述したような過給制御を行った場合の制御ルーチンを示すフローチャートである。図９に示したフローチャートは、図８のＸで示した部分に代わって用いられる。図９のステップＳ１９、Ｓ２８〜Ｓ３０は、図８のものと同様であるため説明を省略する。

図９に示したように、ステップＳ１７〜Ｓ１９において、機関運転状態が運転領域Ｃ内にあると判定されて、ステップＳ２８〜Ｓ３０の制御が実行されると、次いで、ステップＳ４０において現在の機関回転数ＮＥが許容回転数ＮＥｍｉｎ以上であるか否かが判定される。ステップＳ４０において、機関回転数ＮＥが許容回転数ＮＥｍｉｎ以上であると判定された場合には、ステップＳ４１へと進み、可動ベーン３７の開度ＶＮが零（全閉）とさる。一方、ステップＳ４０において、機関回転数ＮＥが許容回転数ＮＥｍｉｎよりも低いと判定された場合にはステップＳ４２へと進み、可動ベーン３７が開弁せしめられる。

次に、二つ目の予め定められた条件について説明する。本実施形態では、機関運転状態が第二運転領域（領域Ｃ、Ｄ）内にあるときであっても、所定時間以内に第一運転領域（領域Ａ、Ｂ）内に変化すると予想される場合には、可動ベーン３７が開弁せしめられる。

図１０は、機関運転状態が運転領域Ｃ内から運転領域Ｂ内へと変化するときの機関負荷等のタイムチャートである。図示した例では、機関回転数ＮＥがＮＥ₁以上であるときには運転領域Ｃと設定され、ＮＥ₁よりも小さいときには運転領域Ｂと設定されている。

図１０に示した例では、時刻ｔ₁からアクセルペダル５４の踏み込み量が徐々に小さくされ、それに伴って機関負荷が徐々に低下し、時刻ｔ₂において機関負荷が零となる。これに伴って、上昇していた機関回転数は低下し始める。機関回転数の低下が続くと、やがて時刻ｔ₄において機関回転数ＮＥがＮＥ₁となる。このため、時刻ｔ₄まで機関運転状態が運転領域Ｃ内であったのに対して、時刻ｔ₄以降には機関運転状態が運転領域Ｂ内となる。したがって、時刻ｔ₄においては、吸気バイパス通路制御弁１６の開度ＡＣＶが全開から全閉へと切り替えられると共に、それまで全開となっていた排気バイパス通路制御弁２１の開度ＥＣＶがフィードバック制御され始める。

一方、図示した例では、時刻ｔ₄よりも時間Δｔだけ前の時刻ｔ₃において、機関回転数ＮＥがＮＥ₁よりも所定回転数だけ大きいＮＥ₂まで低下している。このように、機関負荷が零であるか又は極めて小さくて機関回転数が低下している状態であって、且つ機関回転数がＮＥ₂以下となった場合には、所定時間以内に機関回転数がＮＥ₁にまで低下すると予想される。そこで、本実施形態では、時刻ｔ₄よりも前の時刻ｔ₃において、可動ベーン３７の開度ＶＮが全閉から全開へと変更せしめられる。

ここで、上記第一実施形態のように、機関運転状態が第二運転領域内にあるときに可動ベーン３７を全閉すると、高圧段タービン３２の回転数は低くなっている。このような状態で機関運転状態が第二運転領域内から第一運転領域内へと変化しても、高圧段タービン３２の回転数は直ぐには上昇せず、よって高圧段ターボチャージャ３０によっては直ぐには過給を開始できない場合がある。その結果、過給遅れが発生し、ドライバビリティの悪化を招く。

これに対して、本実施形態では、機関運転状態が第二運転領域内から第一運転領域内へと変化する場合には、予め可動ベーン３７を開いて高圧段タービン３２の回転数が上昇せしめられる。このため、機関運転状態が第二運転領域内から第一運転領域内へと変化した場合にも直ぐに高圧段ターボチャージャ３０によって過給を開始することができ、よってドライバビリティの悪化を抑制することができる。

図１１は、上述したような過給制御を行った場合の制御ルーチンを示すフローチャートである。図１１に示したフローチャートは、図８のＸで示した部分に代わって用いられる。図１１のステップＳ１９、Ｓ２８〜Ｓ３０は、図８のものと同様であるため説明を省略する。

図１１に示したように、ステップＳ１７〜Ｓ１９において、機関運転状態が運転領域Ｃ内にあると判定されて、ステップＳ２８〜Ｓ３０の制御が実行されると、ステップＳ４３において内燃機関が減速中であるか否か、すなわち機関回転数ＮＥが低下中であるか否かが判定され、ステップＳ４４において機関回転数ＮＥが運転領域Ｂと運転領域Ｃとの境界の回転数ＮＥｂｏに所定回転数αを加えた値（ＮＥｂｏ＋α）以下であるか否かが判定される。ステップＳ４３及びＳ４４において、内燃機関が減速中であり且つ機関回転数ＮＥが値ＮＥｂｏ＋α以下であると判定された場合には、ステップＳ４５へと進み、可動ベーン３７の開度ＶＮが最大（全開）とされる。一方、ステップＳ４３及びＳ４４において、内燃機関が減速中ではないと判定されるか或いは機関回転数ＮＥが値ＮＥｂｏ＋αよりも大きいと判定された場合には、ステップＳ４６へと進み、可動ベーン３７の開度ＶＮが零（全閉）とさる。

なお、上記実施形態では、機関回転数の低下中であって、機関回転数が第一機関運転領域と第二機関運転領域との境界となる機関回転数よりも所定回転数だけ高い判定回転数以下になったときを、機関運転状態が所定時間以内に第一機関運転領域内の状態に変化すると予想されるときとしている。しかしながら、機関運転状態が所定時間以内に第一機関運転領域内の状態に変化すると予想されるときは、必ずしもこの条件を満たしている場合に限られず、例えば低圧段タービン４２の回転数や、機関負荷等の他のパラメータに基づいて設定してもよい。

１ 機関本体
２ 気筒
３ 燃料噴射弁
６ 吸気通路
７ 排気通路
１０ スロットル弁
１５ 吸気バイパス通路
１６ 吸気バイパス通路制御弁
２０ 排気バイパス通路
２１ 排気バイパス通路制御弁
２２ 小バイパス通路
２３ 小バイパス通路制御弁
３０ 高圧段ターボチャージャ
３１ 高圧段コンプレッサ
３２ 高圧段タービン
３３ タービンシャフト
３７ 可動ベーン
３９ タービンインペラ
４０ 低圧段ターボチャージャ
４１ 低圧段コンプレッサ
４２ 低圧段タービン
４３ タービンシャフト

Claims (9)

1. 内燃機関の排気通路内に配置された上流側タービンを備えた第一ターボチャージャと、
   前記上流側タービンよりも排気下流側において前記排気通路内に配置された下流側タービンを備えた第二ターボチャージャと、
   前記上流側タービンよりも排気上流側において前記排気通路から分岐すると共に前記上流側タービンと下流側タービンとの間において前記排気通路に合流して前記上流側タービンをバイパスするバイパス通路と、
   前記バイパス通路への分岐部と前記バイパス通路の合流部との間の前記排気通路と該排気通路に連通する上流側タービンのタービン内通路とから成るメイン通路を遮断する遮断手段と、を具備する、内燃機関の過給装置。
2. 前記遮断手段は、前記タービン内通路を遮断する、請求項１に記載の内燃機関の過給装置。
3. 前記上流側タービンは、タービンインペラを収容すると共に前記タービン内通路を形成するハウジングと、前記タービンインペラの外周に沿って前記ハウジング内に設けられる回動可能な複数の可動ベーンとを具備し、
   前記可動ベーンは、これら可動ベーンによりタービンインペラの外周を包囲してタービン内通路を遮断することができるように構成され、前記遮断手段は前記可動ベーンである、請求項２に記載の過給装置。
4. 前記可動ベーンは、隣り合う可動ベーン間の隙間の大きさによって規定されるベーン開度を変更することによって前記タービンインペラに流入する排気ガスの流速を変更可能なように構成される、請求項３に記載の過給装置。
5. 前記遮断手段は、機関運転状態が少なくとも第一ターボチャージャの過給効果を利用すべき第一機関運転領域にあるときには前記メイン通路の遮断を解除し、機関運転状態が第二ターボチャージャの過給効果のみを利用すべき第二機関運転領域にあるときには前記メイン通路を遮断する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の過給装置。
6. 前記機関運転状態が、第二機関運転領域内にあるときであっても、予め定められた条件下では、前記遮断手段は前記メイン通路の遮断を解除する、請求項５に記載の過給装置。
7. 前記予め定められた条件は、機関運転状態が所定時間以内に第一機関運転領域内に変化すると予想されることである、請求項６に記載の過給装置。
8. 前記予め定められた条件は、上流側タービンの回転数が予め定められた許容回転数よりも低くなることである、請求項６又は７に記載の過給装置。
9. 前記バイパス通路を開閉可能なバイパス通路制御弁をさらに具備し、該バイパス通路制御弁は、機関運転状態が第二機関運転領域内にあるときには全開又はほぼ全開とされる、請求項５〜８のいずれか１項に記載の過給装置。

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