JP2017145747A - ターボ過給機付エンジンの排気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気のエネルギをより効果的に利用することができるターボ過給機付エンジンの排気装置を提供する。【解決手段】排気通路１３０にコンプレッサ６２を駆動する過給用タービン６４と発電機７２を駆動する発電用タービン７４とを設けるとともに、過給用タービン６４に流入する排気の流路面積を変更して当該排気の流速を変更可能な排気流速変更手段と、発電機７２の発電量を変更可能な発電量変更手段７５とを設け、過給用タービン６４を通過した排気の全量が発電用タービン７４に導入されるように構成して、エンジンに対する要求トルクが高いときは、発電機７２での発電量を減少させるとともに流路面積をその最大面積よりも小さくする。【選択図】図１

Description

本発明は、エンジン本体と、当該エンジン本体にそれぞれ接続される吸気通路および排気通路と、前記排気通路に設けられる過給用タービンおよび前記吸気通路に設けられるコンプレッサを含むターボ過給機とを備えたターボ過給機付エンジンの排気装置に関する。

従来より、エンジンシステムにおいて、エンジントルクを高めるために、排気通路に配置されるタービンと吸気通路に配置されるコンプレッサとを含み排気のエネルギを受けて吸気を過給するターボ過給機を設けることが行われている。

例えば、特許文献１には、ターボ過給機を備えたエンジンであって、排気通路のうちターボ過給機のタービンよりも下流側にさらに発電用のタービンを設けたものが開示されている。

特開２０１５−１０８３３０号公報

特許文献１のエンジンでは、過給用のタービンから流下した排気によって発電用のタービンを回転させることで発電を行わせることができ、排気のエネルギを効率よく利用することができる。

しかしながら、特許文献１のエンジンでは、過給用のタービンと発電用のタービンとの間に接続されて発電用タービンをバイパスする通路が設けられており、過給用タービンの背圧を小さくするためにこのバイパス通路が開放される場合があり、この場合には、過給用のタービンを流下した排気が発電用のタービンを通過せずに外部に排出されてしまうため、排気エネルギの利用が十分になされないという問題がある。

本発明は、前記のような事情に鑑みてなされたものであり、排気のエネルギをより効果的に利用することができるターボ過給機付エンジンの排気装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、エンジン本体と、当該エンジン本体にそれぞれ接続される吸気通路および排気通路と、前記排気通路に設けられる過給用タービンおよび前記吸気通路に設けられるコンプレッサを含むターボ過給機とを備えたターボ過給機付エンジンの排気装置であって、前記排気通路に設けられて排気のエネルギを受けて回転する発電用タービンと、前記発電用タービンにより回転駆動されて発電する発電機と、前記排気通路のうち前記過給用タービンに流入する排気の流路面積を変更して当該排気の流速を変更可能な排気流速変更手段と、前記発電機の発電量を変更可能な発電量変更手段と、前記排気流速変更手段と前記発電量変更手段とを含むエンジンの各部を制御する制御手段とを備え、前記発電用タービンは、前記排気通路のうち前記過給用タービンの下流側に、当該過給用タービンを通過した排気の全量が導入されるように配置されており、前記制御手段は、エンジンに対する要求トルクが高いときは、前記発電量変更手段によって前記発電機での発電量を減少させるとともに前記排気流速変更手段によって前記流路面積をその最大面積よりも小さくすることを特徴とするターボ過給機付エンジンの排気装置を提供する（請求項１）。

この装置によれば、過給圧を適切に確保しつつ排気のエネルギをより有効に利用することができる。

具体的には、この装置では、排気通路に、上流側から順に、コンプレッサを駆動する過給用タービンと発電機を駆動する発電用タービンとが配置されているとともに、過給用タービンを流下した排気の全量が発電用タービンに流入するよう構成されている。そのため、過給用タービンから導出された全ての排気のエネルギを常に発電用タービンで利用することができる。すなわち、過給用タービンで利用しなかった排気をそのまま外部に排出するのではなく、発電用タービンで発電に利用することができる。従って、排気のエネルギをより有効に利用することができる。

しかも、この装置では、発電機の発電量を変更可能な発電量変更手段と、過給用タービンに流入する排気の流速を変更可能な排気流速変更手段とが設けられている。そのため、排気のエネルギを有効に利用しつつ、これら変更手段によって過給圧を適切に制御することができる。

具体的には、この装置では、エンジンに対する要求トルクが高いときには、発電量が小さく抑えられて発電用タービンの駆動力が小さく抑えられて発電用タービンよりも上流側の圧力すなわち過給用タービンの背圧が低く抑えられるとともに、過給用タービンに流入する排気の流路面積が小さくされて過給用タービンに流入する排気の流速すなわち排気エネルギが大きくされる。そのため、過給用タービンの駆動力（コンプレッサを駆動する力）を高めて過給圧ひいてはエンジントルクをより適切に高めることができる。

本発明において、前記制御手段は、エンジンの運転領域が、エンジン回転数が基準回転数以下、かつ、エンジン負荷が基準負荷以上の低速高負荷領域に移行すると、前記発電量変更手段によって前記発電機での発電を停止させるとともに前記排気流速変更手段によって前記流路面積をその最小面積にするのが好ましい（請求項２）。

エンジン回転数が基準回転数以下の領域では排気の流量が小さいために過給用タービンの駆動力が小さくなりやすい。これに対して、この構成によれば、過給用タービンに流入する排気の流路面積を最小面積として過給用タービンに流入する排気の流速を最大速度に高めることができるとともに、発電用タービンによる発電機の駆動を停止することで過給用タービンの背圧を最小にすることができ、過給用タービンの駆動力を高くして、高いエンジン負荷に応じた高い過給圧をより確実に実現することができる。

前記構成において、前記制御手段は、前記排気流速変更手段によって前記流路面積が最小面積よりも大きくされている場合に、前記発電機での発電を許容するのが好ましい（請求項３）。

この構成では、過給用タービンに流入する排気の流路面積を最小面積としなくても過給圧を確保することができ、エンジン本体から排出される排気のエネルギが過給に必要なエネルギよりも高いときに発電機で発電が行われる。そのため、過給に利用する必要がない余剰の排気エネルギによって発電機により発電を行わせつつ、過給圧を適切に維持することができる。

前記構成において、前記制御手段は、前記発電機での発電に伴って過給圧が目標圧よりも低下した場合は、前記排気流速変更手段によって前記流路面積を小さくするのが好ましい（請求項４）。

このようにすれば、発電量を確保しつつ過給圧をより適切な圧力にすることができる。

本発明において、前記排気流速変更手段は、前記過給用タービンの周囲に角度変更可能に設けられた複数のノズルベーンを備えるのが好ましい（請求項５）。

すなわち、過給用タービンとして、ＶＧＴ（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｇｅｏｍｅｔｒｙ Ｔｕｒｂｉｎｅ）が用いられるのが好ましい。このようにすれば、各ノズルベーンの角度を変更することで過給用タービンの過給用タービン６４に流入する排気の流速を容易に変更することができる。

また、本発明において、前記排気通路のうち前記発電用タービンよりも下流側の部分に設けられる触媒装置と、前記排気通路のうち前記発電用タービンよりも下流側かつ前記触媒装置よりも上流側の部分と、前記排気通路のうち前記過給用タービンよりも上流側の部分とを接続する触媒用通路と、前記触媒用通路を開閉する排気開閉弁とを備え、前記制御手段は、前記触媒装置が活性状態にある場合は前記排気開閉弁により前記触媒用通路を閉鎖し、前記触媒装置が未活性状態にある場合は前記排気開閉弁により前記触媒用通路を開放するのが好ましい（請求項６）。

このようにすれば、触媒の未活性時において、エンジンから排出された排気のエネルギを過給用タービンおよび発電用タービンで消費することなく触媒装置に流入させることができる。すなわち、排気をより高温の状態で触媒装置に流入させることができる。そのため、触媒の活性化を促進することができる。

以上説明したように、本発明のターボ過給機付エンジンの排気装置によれば、排気のエネルギをより有効に利用することができる。

エンジンシステムの概略構成図である。 エンジン本体の概略断面図である。 ＶＧＴの概略断面図である。 制御ブロックを示した図である。 排気開閉弁、ＶＧＴ開度およびジェネレータに係る制御の手順を示したフローチャートである。 ジェネレータ等の制御に係る運転領域を示した図である。

（１）全体構成
図１は、本発明の一実施形態にかかるターボ過給機付エンジンの排気装置２が適用されるエンジンシステムの概略構成図である。図２は、エンジン本体１の概略断面図である。

ここでは、図１および図２に示すように、エンジン本体１が、４ストロークの直列４気筒エンジンであって、車両に駆動源として搭載される場合について説明する。すなわち、エンジン本体１は、所定の方向に並ぶ４つの気筒１０（図１における左側から順に、第１気筒、第２気筒、第３気筒、第４気筒）を有する。また、ここでは、エンジン本体１がガソリンを燃料とするガソリンエンジンの場合について説明する。

エンジン本体１には、エンジン本体１に吸気を導入するための吸気通路１２０と、エンジン本体１から排気を排出するための排気通路１３０とが接続されている。

エンジン本体１は、気筒１０が内部に形成されたシリンダブロック１０１と、シリンダブロック１０１の上面に設けられたシリンダヘッド１０２と、気筒１０に往復摺動可能に挿入されたピストン１０３とを有している。

ピストン１０３の上方には燃焼室５が形成されている。シリンダブロック１０１の側壁には、燃焼室５内を臨むようにインジェクタ１０５が取り付けられている。燃焼室５内には、インジェクタ１０５から燃料が噴射される。噴射された燃料と空気との混合気は燃焼室５で燃焼し、ピストン１０３はその燃焼による膨張力で押し下げられて上下に往復運動する。なお、インジェクタ１０５は、シリンダヘッド１０２に取り付けられていてもよい。

ピストン１０３はコネクティングロッドを介してクランクシャフト１０６と連結されており、ピストン１０３の往復運動に応じて、クランクシャフト１０６はその中心軸回りに回転する。

シリンダヘッド１０２には、インジェクタ１０５から噴射された燃料と空気との混合気に対し火花放電による点火を行う点火プラグ１８が、各気筒１０につき１組ずつ設けられている。本実施形態では、第１気筒→第３気筒→第４気筒→第２気筒の順で点火が行われる。

シリンダヘッド１０２には、各気筒１０にそれぞれ対応して、吸気通路１２０から供給される空気を各気筒１０の燃焼室５に導入するための吸気ポート１３と、吸気ポート１３を開閉する吸気弁１４と、各気筒１０の燃焼室５で生成された排気をエンジン本体１の外部に導出するための排気ポート１１と、排気ポート１１を開閉する排気弁１２とが設けられている。

吸気通路１２０には、上流側から順にコンプレッサ６２、インタークーラー１２１、スロットルバルブ１２２、サージタンク１２５が設けられている。サージタンク１２５からは、各吸気ポート１３とそれぞれ個別に連通する独立吸気通路が延びている。

このエンジンシステムは、ターボ過給機６０を備えたエンジンであって、排気通路１３０に設けられた過給用タービン６４を有し、過給用タービン６４が排気により回転駆動されることでコンプレッサ６２が回転し、これにより吸気通路１２０内の吸気が過給される。

排気通路１３０は、エンジン本体１の各排気ポート１１に繋がるように設けられている。

（２）排気系
排気通路１３０は、各気筒の排気ポート１１とそれぞれ連通する４本の独立通路４０と、各独立通路４０の下流端部（排気の流れ方向下流側の端部）が１箇所に集合した部分から下流側に延びる１本の排気管５０とを有している。

過給用タービン６４は、排気管５０に設けられている。

過給用タービン６４は、複数の翼を有しこれら翼に排気が衝突することで回転するものである。図３に示すように、本実施形態では、過給用タービン６４は、ＶＧＴ（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｇｅｏｍｅｔｒｙ Ｔｕｒｂｉｎｅ）であり、過給用タービン６４の周囲には、角度変更可能な複数のノズルベーン６４ｂが設けられているとともに、各ノズルベーン６４ｂと連携されたロッド６４ｃと、ロッド６４ｃを進退駆動することにより各ノズルベーン６４ｂの角度を変更するベーンアクチュエータ６４ｄとが設けられている。ベーンアクチュエータ６４ｄおよびロッド６４ｃによってノズルベーン６４ｂが閉方向（隣接するノズルベーン６４ｂどうしの距離を狭める方向）に駆動されると、過給用タービン６４に流入する排気の流路の面積は小さくなり、過給用タービン６４に流入する排気の流速が増大する。

このように、本実施形態では、各ノズルベーン６４ｂと、ロッド６４ｃと、ベーンアクチュエータ６４ｄとが、過給用タービン６４に流入する排気の流路面積を変更して、過給用タービン６４に流入する排気の流速を変更可能な排気流速変更手段として機能する。

図１に戻り、排気管５０のうち過給用タービン６４よりも下流側の部分には、排気のエネルギを受けて回転する発電用タービン７４が設けられている。この発電用タービン７４は、回転することで発電するジェネレータ（発電機）７２と連結されており、発電用タービン７４が排気のエネルギを受けて回転することで、ジェネレータ７２は回転して発電する。

ここで、本エンジンシステムでは、図１に示すように、排気管５０のうち過給用タービン６４と発電用タービン７４との間の連結通路５１（以下、単に、連結通路５１という場合がある）には、分岐通路等は設けられておらず、過給用タービン６４を流下した排気は全量、発電用タービン７４に流入する。

ジェネレータ７２は、バッテリ（不図示）や各種電気機器（不図示）と接続されており、ジェネレータ７２により生成された電力はこれらに供給される。ジェネレータ７２には、発電の実施／停止を切り替えるとともにその発電量を変更するためのジェネレータ制御装置（発電量変更手段）７５が設けられている。

排気管５０のうち発電用タービン７４よりも下流側の部分には、排気を浄化するための触媒装置９０が配置されている。

排気管５０には、発電用タービン７４と過給用タービン６４とをバイパスする触媒用バイパス通路（触媒用通路）５８が設けられている。すなわち、触媒用バイパス通路５８は、排気管５０のうち発電用タービン７４よりも上流側の部分と過給用タービン６４よりも下流側の部分とを接続しており、排気の少なくとも一部が、これらタービン６４，７４を通過せずに触媒装置９０に流入可能となっている。

触媒用バイパス通路５８には、これを開閉する排気開閉弁５９が設けられており、触媒用バイパス通路５８には、排気開閉弁５９が開弁した場合にのみ排気が流入する。

（３）制御系
図４を用いて、エンジンシステムの制御系について説明する。当実施形態のエンジンシステムは、車両に搭載されたＥＣＵ（エンジン制御ユニット、制御手段）５００によって制御される。ＥＣＵ５００は、周知のとおり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｆ等から構成されるマイクロプロセッサである。

ＥＣＵ５００には、各種センサからの情報が入力される。例えば、ＥＣＵ５００は、クランクシャフト１０６の回転数すなわちエンジンの回転数を検出するためのエンジン回転数センサＳＷ１、各気筒１０に導入される吸気量を検出するためのエアフローセンサＳＷ２、車両に設けられて運転者により操作されるアクセルペダル（不図示）の開度を検出するアクセル開度センサＳＷ３、過給圧（吸気通路１２０のうちコンプレッサ６２の下流側の圧力）を検出する過給圧センサＳＷ４等と電気的に接続されており、これらのセンサからの入力信号を受け付ける。また、ＥＣＵ５００には、バッテリの電圧や、各種電気機器の操作信号が入力される。

ＥＣＵ５００は、各センサＳＷ１〜ＳＷ４からの入力信号等に基づいて種々の演算等を実行し、過給用タービン６４、ジェネレータ制御装置７５、排気開閉弁５９およびその他のエンジンの各部（点火プラグ１８、インジェクタ１０５、スロットルバルブ１２２等）にそれぞれ制御信号を出力する。

具体的には、ＥＣＵ５００は、過給用タービン６４のベーンアクチュエータ６４ｄを制御して過給用タービン６４のノズルベーン６４ｂの角度（以下、適宜、ＶＧＴ開度という）を制御する。

ここで、ＶＧＴ開度は、その値が大きいほど過給用タービン６４の各翼に向かう排気の流通通路の流路面積が大きくなって各翼に衝突する排気の流速が低くなり、その値が小さいほどこの流路面積が小さく絞られて前記排気の流速が高くなるパラメータである。なお、本実施形態では、後述するように触媒装置９０が未活性状態のときを除き、エンジンの稼働中において、ＶＧＴ開度は全閉（流通通路を完全に閉鎖する状態）よりも開き側の所定の開度以上となるように制御されている。そして、ここでは、この所定の開度をＶＧＴ開度の最小開度という。すなわち、ＶＧＴ開度が最小開度とされた場合であっても過給用タービン６４には所定量の排気が流入することになる。

また、ＥＣＵ５００は、排気開閉弁５９を開閉するアクチュエータを駆動して、排気開閉弁５９を全開と全閉とに切り替える。

また、ＥＣＵ５００は、ジェネレータ制御装置７５に対して、ジェネレータ７２で発電を行うか否かの指令信号を送信するとともに、ジェネレータ７２での発電量の目標値を指示する。

ＥＣＵ５００による、過給用タービン６４、ジェネレータ制御装置７５、排気開閉弁５９に対する制御手順について図５のフローチャートを用いて説明する。

まず、ステップＳ１にて、エンジン回転数、アクセル開度、過給圧、触媒温度等を読み込む。触媒温度は、例えば、触媒装置９０に温度センサを取付けてこの温度センサで検出することや、エンジン回転数やエンジン負荷等から推定することで求められる。

ステップＳ２では、触媒温度が予め設定された触媒装置９０の活性温度以上か否かを判定する。

ステップＳ２での判定がＮＯであって触媒温度が活性温度未満の場合は、触媒装置９０が未活性状態であるとして、ステップＳ３に進む。なお、活性温度は、触媒装置９０の浄化率が所定値（例えば９０％）以上であって触媒装置９０が活性する温度の最低温度であり、予め設定されている。

ステップＳ３では、排気開閉弁５９を開弁（全開に）し（既に開弁しているときは、開弁を維持し）、その後処理を終了する（ステップＳ１に戻る）。

このように、本実施形態では、触媒装置９０の温度が活性温度未満であって触媒装置９０が未活性状態のときは、排気開閉弁５９が開弁されて触媒用バイパス通路５８が開放される。なお、本実施形態では、このとき、触媒装置９０に、より高温の排気を導入するべく、ＶＧＴ開度は全閉とされて、触媒用バイパス通路５８への排気の流入が促進されるとともに、各タービン６４，７４を通過する排気のこれらタービン６４，７４でのエネルギ消費が抑制される。

一方、ステップＳ２の判定がＹＥＳであって、触媒温度が活性温度以上の場合は、触媒装置９０が活性状態であるとして、ステップＳ８に進む。

ステップＳ８では、排気開閉弁５９を閉弁（全閉に）する（既に閉弁しているときは、閉弁を維持する）。

このように、本実施形態では、触媒装置９０の温度が活性温度以上であって触媒装置９０が活性状態にあるときは、排気開閉弁５９が閉弁されてエンジン本体１からの排気はすべて過給用タービン６４と発電用タービン７４とに供給される。

ステップＳ８の後は、ステップＳ２０に進む。ステップＳ２０では、運転領域が図６に示した低速高負荷領域Ａ１であるか否かを判定する。具体的には、本実施形態では、図６に示すように、ジェネレータ７２等の制御に係る運転領域として、エンジン回転数が基準回転数Ｎ１以下、かつ、エンジントルクが基準負荷Ｔ１以上であって、エンジン回転数が低くエンジン本体１に対する要求トルクが高い低速高負荷領域Ａ１と、残余の領域Ａ２とが設定されている。そして、ステップＳ２０では、エンジン回転数とエンジントルクとに応じて現在の運転領域が低速高負荷領域Ａ１であるか否かを判定する。なお、基準負荷Ｔ１は、エンジン回転数が高いほど大きい値に設定されている。

ステップＳ２０の判定がＮＯであって、領域Ａ２で運転がなされている場合は、ステップＳ３１に進む。

ステップＳ３１では、ＶＧＴ開度を基本開度にする。この基本開度は、過給圧をその目標値である目標過給圧であって予め設定された圧力にすることができるＶＧＴ開度であり、実験等により運転条件に応じて予め設定されている。例えば、エンジン回転数とエンジン負荷（要求エンジントルク）とに対して目標過給圧および基本開度がマップで設定、記憶されており、ＥＣＵ５００は、ステップＳ３１において、エンジン回転数とエンジン負荷とに応じてこのマップから基本開度を抽出する。

ここで、この基本開度すなわち領域Ａ２において目標過給圧が確保されるＶＧＴ開度は、最も閉じ側側の開度（最小開度）よりも大きい値に設定されている。すなわち、領域Ａ２では、ＶＧＴ開度を最小開度としなくても目標過給圧が確保されるようになっている。

ステップＳ３１の後は、ステップＳ３２に進む。ステップＳ３２では、ジェネレータ７２に対する発電要求が出されているか否かを判定する。本実施形態では、ＥＣＵ５００は、バッテリの残量が所定量以下になった場合や、バッテリに接続されている電気機器での負荷が増加した場合等に、ジェネレータ７２に対する発電要求が出されたと判定する。

ステップＳ３２の判定がＮＯであって、発電要求が出されていない場合は、そのまま処理を終了する（ステップＳ１に戻る）。

一方、ステップＳ３２の判定がＹＥＳであって、発電要求が出されている場合は、ステップＳ３３に進む。

ステップＳ３３では、ジェネレータ７２の発電を実施する（既に発電が行われているときは、それを維持する）。そして、ステップＳ３３の後に進むステップＳ３４において、過給圧が前記のように設定された目標過給圧未満か否かを判定する。

ステップＳ３４の判定がＮＯであって過給圧が目標過給圧以上の場合は、そのまま処理を終了する（ステップＳ１に戻る）。

一方、ステップＳ３４の判定がＹＥＳであって過給圧が目標過給圧未満の場合は、ステップＳ３５に進む。

ステップＳ３５では、ＶＧＴ開度を閉じ側に補正し、その後処理を終了する（ステップＳ１に戻る）。

このように、本実施形態では、領域Ａ２では、ＶＧＴ開度が最小開度よりも大きい基本開度にされるとともに、発電要求に応じてジェネレータ７２での発電が実施される。また、この場合において、発電の実施後において過給圧が目標過給圧未満になったときには、ＶＧＴ開度が閉じ側に補正される。

一方、ステップＳ２０の判定がＹＥＳであって低速高負荷領域Ａ１で運転がなされている場合は、ステップＳ２１に進む。

ステップＳ２１では、ＶＧＴ開度を最も閉じ側の開度（最小開度）とする。また、ステップＳ２１の後に進むステップＳ２２において、ジェネレータ７２での発電を停止して（既に発電が停止されているときは停止を維持する）、処理を終了する（ステップＳ１に戻る）。

このように、本実施形態では、低速高負荷領域Ａ１では、ＶＧＴ開度が最も閉じ側の開度とされるとともに、ジェネレータ７２での発電が停止される。

従って、エンジン回転数が基準回転数Ｎ１以下の状態での加速時であって運転領域が領域Ａ２から領域Ａ１に移行したときには、これに伴って、ジェネレータ７２での発電量は停止され、ＶＧＴ開度が閉じ側の開度に変更される。

（４）作用等
以上のように、本実施形態では、排気管５０に、上流側から順に、過給用タービン６４と発電用タービン７４とが配置されているとともに、過給用タービン６４を流下した排気の全量が発電用タービン７４に流入するようになっており、過給用タービン６４から導出された全ての排気のエネルギを常に発電用タービンで利用することができる。すなわち、過給用タービン６４で利用しなかった排気をそのまま外部に排出するのではなく、そのすべての排気のエネルギを発電用タービン７４で発電に利用することができる。従って、排気のエネルギをより有効に利用することができる。

特に、本実施形態では、排気開閉弁５９が閉弁された状態すなわち触媒装置９０が活性状態にある場合には、エンジン本体１から排出された排気の全量がこれらタービン６４，７４に流入する。そのため、排気のエネルギをより確実に有効利用することができる。

しかも、この装置では、ジェネレータ制御装置７５によってジェネレータ７２での発電量が変更可能であるとともに、ＶＧＴ開度の変更によって過給用タービン６４に流入する排気の流速が変更可能となっている。そのため、排気のエネルギを有効に利用しつつ、過給圧および発電量をそれぞれ適切な値に調整することができる。

特に、低速高負荷領域Ａ１での運転時は、発電が停止され、かつ、ＶＧＴ開度が最小開度とされる。そのため、例えば、車両が低速で運転されている状態からの加速に伴って低速高負荷領域Ａ１に移行した時において、発電用タービン７４よりも上流側の圧力すなわち過給用タービン６４の背圧を低く抑え、かつ、過給用タービン６４に流入する排気の流速を大きくすることができる。すなわち、過給用タービン６４の前後差圧（上流側の圧力と下流側の圧力との差）を大きくすることができる。従って、過給用タービン６４によるコンプレッサ６２の駆動力すなわち過給力を加速要求に応じてより適切に高めることができる。

そして、本実施形態では、領域Ａ２であって、ＶＧＴ開度が最小開度よりも大きい基本開度に制御されて過給用タービン６４に導入される排気の流路が最小面積よりも大きくされているときにのみ、発電が実施されるようになっている。すなわち、ＶＧＴ開度を最小開度としなくても過給圧を確保することができ、エンジン本体から排出される排気のエネルギが過給に必要なエネルギよりも高いときに、ジェネレータ７２での発電が行われるようになっている。そのため、過給に利用する必要がない余剰の排気エネルギによってジェネレータ７２により発電を行わせることができ、発電を行いつつ過給圧を適切な圧力にすることができる。

しかも、本実施形態では、ジェネレータ７２で発電が行われることに伴って過給圧が目標過給圧よりも低下した場合には、ＶＧＴ開度が閉じ側に補正されるようになっている。そのため、発電量を確保しつつ過給圧をより適切な圧力にすることができる。

また、本実施形態では、排気管５０に、過給用タービン６４および発電用タービン７４をバイパスする触媒用バイパス通路５８が設けられて、これらをバイパスした排気が触媒装置９０に流入できるようになっている。そして、触媒装置９０が未活性状態のときには、この触媒用バイパス通路５８が開放されて、エンジン本体１から排出された排気のほとんどが各タービン６４，７４を通過することなく触媒装置９０に流入するようになっている。そのため、触媒装置９０の未活性時において、エンジン本体１から排出された排気のエネルギを過給用タービン６４および発電用タービン７４で消費することなく触媒装置９０に流入させることができる。すなわち、排気をより高温の状態で触媒装置９０に流入させることができる。そのため、触媒の活性化を促進することができる。

（５）変形例
前記実施形態では、領域Ａ２においてのみ（発電要求がある場合において）、発電を実施する場合について説明したが、低速高負荷領域Ａ１においても、発電要求に応じて発電を行ってもよい。ただし、低速高負荷領域Ａ１は、排気の流量が少なく排気のエネルギが小さい一方高いエンジントルクひいては高い過給力が要求される領域である。そのため、低速高負荷領域Ａ１において発電を停止（禁止）すれば、より効果的に過給力を確保することができる。また、低速高負荷領域Ａ１において発電を行う場合であっても、この領域Ａ１よりもエンジン負荷が小さい領域に比べて、発電量は小さくする。

また、前記実施形態では、低速高負荷領域Ａ１において、ＶＧＴ開度を最小開度とする場合について説明したが、ＶＧＴ開度を最小開度よりも開き側にしてもよい。ただし、この場合であっても、ＶＧＴ開度は最大開度よりも小さくし、過給用タービン７４に流入する排気の流路面積をその最大面積よりも小さくする。

また、このように発電機の発電量を小さくする、すなわち、減少させるとともに、ＶＧＴ開度を最小開度または最大開度よりも小さい側の開度とする領域は、低速高負荷領域Ａ１に限らず、エンジンに対する要求トルクが高い領域であって目標の過給圧が高く設定される領域全体としてもよい。ただし、前記のように、低速高負荷領域Ａ１では、特に過給力が小さくなりやすいため、この領域Ａ１において発電量を小さくするとともにＶＧＴ開度を小さくすれば、効果的に過給力を高めることができる。

また、前記実施形態では、過給用タービン６４としてＶＧＴを用い、ノズルベーンの開度を変更することで過給用タービン６４に流入する排気が通過する通路の流路面積を変更した場合について説明したが、この流路面積を変更するための具体的構成はこれに限らない。例えば、過給用タービンとして、ＶＧＴに代えて、過給用タービン６４に排気を導入する通路が２つに分岐されたツインスクロールタービンを用い、一方の通路を開閉することで、前記流路面積を変更してもよい。この場合には、例えば、低速高負荷領域Ａ１において、一方の通路を閉鎖し、領域Ａ２において両方の通路を開放する。ただし、ＶＧＴを用いれば、ノズルベーンの角度を変更することで過給用タービン６４に流入する排気の流路面積および流速を容易に変更することができる。

また、前記実施形態では、エンジン本体１が４気筒のガソリンエンジンの場合について説明したが、エンジン本体１の種類はこれに限らない。例えば、ディーゼルエンジンや、その他の気筒数を有するエンジンであってもよい。

１ エンジン本体
５０ 排気管
５８ 触媒用バイパス通路（触媒用通路）
５９ 排気開閉弁
６４ 過給用タービン
６４ｂ ノズルベーン（排気流速変更手段）
６４ｃ ロッド（排気流速変更手段）
６４ｄ ベーンアクチュエータ（排気流速変更手段）
７２ ジェネレータ（発電機）
７４ 発電用タービン
７５ ジェネレータ制御装置（発電量変更手段）
１３０ 排気通路
５００ ＥＣＵ（制御手段）

Claims (6)

1. エンジン本体と、当該エンジン本体にそれぞれ接続される吸気通路および排気通路と、前記排気通路に設けられる過給用タービンおよび前記吸気通路に設けられるコンプレッサを含むターボ過給機とを備えたターボ過給機付エンジンの排気装置であって、
   前記排気通路に設けられて排気のエネルギを受けて回転する発電用タービンと、
   前記発電用タービンにより回転駆動されて発電する発電機と、
   前記排気通路のうち前記過給用タービンに流入する排気の流路面積を変更して当該排気の流速を変更可能な排気流速変更手段と、
   前記発電機の発電量を変更可能な発電量変更手段と、
   前記排気流速変更手段と前記発電量変更手段とを含むエンジンの各部を制御する制御手段とを備え、
   前記発電用タービンは、前記排気通路のうち前記過給用タービンの下流側に、当該過給用タービンを通過した排気の全量が導入されるように配置されており、
   前記制御手段は、エンジンに対する要求トルクが高いときは、前記発電量変更手段によって前記発電機での発電量を減少させるとともに前記排気流速変更手段によって前記流路面積をその最大面積よりも小さくすることを特徴とするターボ過給機付エンジンの排気装置。
2. 請求項１に記載のターボ過給機付エンジンの排気装置において、
   前記制御手段は、エンジンの運転領域が、エンジン回転数が基準回転数以下、かつ、エンジン負荷が基準負荷以上の低速高負荷領域に移行すると、前記発電量変更手段によって前記発電機での発電を停止させるとともに前記排気流速変更手段によって前記流路面積をその最小面積にすることを特徴とするターボ過給機付エンジンの排気装置。
3. 請求項２に記載のターボ過給機付エンジンの排気装置において、
   前記制御手段は、前記排気流速変更手段によって前記流路面積が最小面積よりも大きくされている場合に、前記発電機での発電を許容することを特徴とするターボ過給機付エンジンの排気装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のターボ過給機付エンジンの排気装置において、
   前記制御手段は、前記発電機での発電に伴って過給圧が目標圧よりも低下した場合は、前記排気流速変更手段によって前記流路面積を小さくすることを特徴とするターボ過給機付エンジンの排気装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のターボ過給機付エンジンの排気装置において、
   前記排気流速変更手段は、前記過給用タービンの周囲に角度変更可能に設けられた複数のノズルベーンを備えることを特徴とするターボ過給機付エンジンの排気装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載のターボ過給機付エンジンの排気装置において、
   前記排気通路のうち前記発電用タービンよりも下流側の部分に設けられる触媒装置と、
   前記排気通路のうち前記発電用タービンよりも下流側かつ前記触媒装置よりも上流側の部分と、前記排気通路のうち前記過給用タービンよりも上流側の部分とを接続する触媒用通路と、
   前記触媒用通路を開閉する排気開閉弁とを備え、
   前記制御手段は、前記触媒装置が活性状態にある場合は前記排気開閉弁により前記触媒用通路を閉鎖し、前記触媒装置が未活性状態にある場合は前記排気開閉弁により前記触媒用通路を開放することを特徴とするターボ過給機付エンジンの排気装置。

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