JP2017145748A

JP2017145748A - ターボ過給機付エンジンの排気装置

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Publication number: JP2017145748A
Application number: JP2016027860A
Authority: JP
Inventors: 直之山形; Naoyuki Yamagata
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2016-02-17
Filing date: 2016-02-17
Publication date: 2017-08-24
Anticipated expiration: 2036-02-17
Also published as: JP6344407B2

Abstract

【課題】電力をより確実に確保することの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５０に、コンプレッサ６２を回転駆動させる過給用タービン６４と、発電機７２を回転駆動する発電用タービンとを設け、発電用タービン７４を、軸流式のタービンとして、これを、排気通路５０のうち過給用タービン６４の下流側に、過給用タービン６４を通過した排気の全量が導入されるように、かつ、前記過給用タービンと対向して前記発電用タービンの回転軸と前記過給用タービンの回転軸とが同軸となるように配置する。
【選択図】図４

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、車両に設けられるターボ過給機付エンジンの排気装置に関する。

従来より、排気通路にタービンを配置して排気のエネルギを過給等に利用することが行われている。

例えば、特許文献１には、吸気通路に設けられたコンプレッサを回転駆動するための過給用のタービンと、発電機を回転駆動するための発電用のタービンとを有し、これらが排気通路に上流側から順に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の装置では、エンジン本体から排出された排気のエネルギを過給用タービンと発電用タービンとに供給することができ、過給圧を高めつつ発電を行うことができる。しかしながら、この装置では、発電用タービンには過給用タービンでエネルギが消費された後の排気が流入する。そのため、例えば、排気の流量が小さくそのエネルギが小さい場合等において、発電用タービンで十分に発電を行うことができず、適切な電力が確保されないおそれがある。

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、電力をより確実に確保することの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、車両に設けられる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と連結されて、当該発電用タービンによって回転駆動されることで発電する発電機とを備え、前記発電用タービンは、軸流式のタービンであって、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、かつ、前記過給用タービンと対向して前記発電用タービンの回転軸と前記過給用タービンの回転軸とが同軸となるように配置されてい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、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、発電用タービンでの発電量すなわち電力をより多く確保することができる。

しかも、この装置では、下流側に設けられる発電用タービンが軸流式であって、この軸流式の発電用タービンが、過給用タービンと対向し、かつ、これらタービンの回転軸どうしが同軸となるように配置されている。そのため、過給用タービンから流出した排気の旋回流を発電用タービンの各翼に効果的に衝突させて発電用タービンひいては発電機を効果的に回転駆動することができ、発電機での発電量をより多く確保することができる。特に、これら２つのタービンの回転数差が大きいほど、具体的には、過給用タービンの回転数に対して発電用タービンの回転数が小さいほど、発電用タービンの軸トルクは大きくなるため、発電用タービンにおいて低回転で高い軸トルクを得ることができ、発電機において効率よく発電を行うことができる。

本発明において、前記過給用タービンに流入する排気の流路面積を変更することにより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制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、エンジン回転数が基準回転数よりも低く、かつ、エンジン負荷が基準負荷よりも高い低速高負荷領域では、前記排気流速変更手段によって前記流路面積を最小面積にするとともに前記発電量変更手段によって前記発電機による発電を停止させるのが好ましい（請求項２）。

このようにすれば、発電量変更手段によって発電機での発電量を変更しつつ、排気流速変更手段によって過給用タービンに過給用タービンに流入する排気の流速すなわち排気のエネルギを変更することができ、過給圧と発電量とを適切な値にすることができる。そして、この構成では、低速高負荷領域において、排気流速変更手段によって前記流路面積を最小面積にするとともに発電量変更手段によって発電機による発電を停止させている。そのため、エンジン本体から排出される排気の流量が小さい一方高い過給圧が要求されるこの低速高負荷領域において、過給圧を適切に高めることができる。

また、前記構成において、前記過給用タービンは、周流式のタービンであり、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３）。

すなわち、過給用タービンとして、ＶＧＴ（ＶａｒｉａｂｌｅＧｅｏｍｅｔｒｙＴｕｒｂｉｎｅ）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、前記構成において、前記制御手段は、前記低速高負荷領域を除く運転領域において前記発電機に対して発電の要求があった場合には、前記発電量変更手段によって前記発電機に発電を行わせるとともに、当該発電機の発電に伴って過給圧が低下すると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、要求に応じて発電を行いつつ過給圧をより確実に適切な値にすることができる。

また、前記構成において、前記発電機は、モータ・ジェネレータであり、前記モータ・ジェネレータをモータとして回転駆動させるモータ駆動装置を備え、前記制御手段は、前記低速高負荷領域において、前記モータ駆動装置によって、前記排気通路のうち前記発電用タービンと前記過給用タービンとの間の部分の圧力が低下する方向に前記モータ・ジェネレータおよび前記発電用タービンを回転させるのが好ましい（請求項５）。

このようにすれば、低速高負荷領域において、排気通路のうち発電用タービンと過給用タービンとの間の部分の圧力すなわち過給用タービンの背圧を低くすることができる。そのため、過給用タービンの前後圧を大きくして、過給圧をより一層確実に高くすることができる。

また、本発明において、前記発電用タービンの最大回転数は、前記過給用タービンの最大回転数よりも小さいのが好ましい（請求項６）。

このようにすれば、発電機での回転数を小さく抑えて発電効率を高くすることができる。すなわち、発電機の回転数が、十数万回転するターボ過給機のように高い回転数では発電効率が低下するため、発電用タービンの最大回転数ひいては発電機の最大回転数を過給用タービンの最大回転数よりも小さくすることで、発電効率が低下するのを抑制することができる。

また、本発明において、前記車両は、車両の駆動源として前記エンジン本体と駆動用モータとを備えるハイブリッド車であるのが好ましい（請求項７）。

前記のように、本発明では、発電用タービンに効率よく発電を行わせてより高い電力を確保することができる。従って、消費電力の大きいハイブリッド車に適用されれば、効果的である。

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、より確実に高い電力を確保することができる。

車両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。過給用タービンおよび発電用タービン周辺を拡大して示した概略構成図である。軸流式タービンの動翼に対する排気の作用を説明するための図である。過給用タービンの回転数を一定とした状態での発電用タービンの回転数とその軸トルクとの関係を示した図である。制御ブロックを示した図である。排気開閉弁、ＶＧＴ開度および発電に係る制御の手順を示したフローチャートである。制御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係るターボ過給機付エンジンの排気装置２が適用されるハイブリッド車３の概略システム図である。このハイブリッド車３は、エンジン本体１とモータ（以下、駆動用モータという）５とをそれぞれ車輪４，４を駆動する駆動源として有し、モータ５がエンジン本体１による車輪４，４の駆動をアシストするように構成されている。具体的には、車輪４，４には、駆動軸等を介してエンジン本体１の出力と駆動用モータ５の出力とがそれぞれ入力されるようになっており、運転条件に応じて、エンジン本体１のみで車輪４，４が駆動される場合と、エンジン本体１と駆動用モータ５とによって車輪４，４が駆動される場合とに切り替えられる。

図１に示すように、ここでは、エンジン本体１が、４ストロークの直列４気筒の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がディーゼル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。

図２は、エンジン本体１の概略断面図である。

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１５が形成されている。燃焼室１５内には、インジェクタ１８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１５において圧縮されることで燃焼し、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。

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、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１５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１５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。

図１に戻り、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。

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。本実施形態では、図３に示すように、過給用タービン６４は、ＶＧＴ（ＶａｒｉａｂｌｅＧｅｏｍｅｔｒｙＴｕｒｂｉｎｅ）であり、その周囲には、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。

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。

図４は、過給用タービンおよび発電用タービン周辺を拡大して示した概略構成図である。

発電用タービン７４は、軸流式のタービンであって、周方向に並ぶ複数の動翼を有し、排気が回転軸７４ｃに沿ってこれら動翼７４ａに流入することで回転する。

発電用タービン７４は、過給用タービン６４と比較的近接した位置にこれと対向して配置されている。また、本実施形態では、これらタービン７４、６４は、その各回転中心軸が一致するように、すなわち、互いに同軸上に配置されている。そのため、過給用タービン６４から排出された排気は発電用タービン７４の各翼７４ａに均等に、かつ、高いエネルギを維持したまま流入する。また、図４等に示すように、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。

本実施形態では、発電用タービン７４は、静翼を有しない１段式の軸流式タービンであって、発電用タービン７４は、過給用タービン６４と反対向きに回転する。

このように構成されることで、発電用タービン７４の回転軸７４ｃには、発電用タービン７４と過給用タービン６４との間で回転数差が生じるとトルクすなわち軸トルクが発生する。

図５を用いて簡単に説明する。図５は、発電用タービン７４の動翼７４ａの概略断面図である。この図５の破線で示すように、軸流式である発電用タービン７４では、過給用タービン６４から旋回しながら流下した排気が動翼７４ａに衝突してその向きを変えつつ流下することで、動翼７４ａに排気から衝動力と反力が加えられるようになっている。

従って、発電用タービン７４と過給用タービン６４との回転数が一致していると、排気は発電用タービン７４の動翼７４ａに沿って流下するだけとなり前記衝動力は得られない。一方、前記回転数に差がある場合、具体的には、発電用タービン７４の回転数が過給用タービン６４の回転数よりも小さい場合は、排気が発電用タービン７４の動翼７４ａに衝突し、動翼７４ａには衝動力が加えられる。そして、これにより発電用タービン７４に軸トルクが発生する。また、前記衝動力は、過給用タービン６４と発電用タービンの回転数差が大きいほど大きくなり、図６に示すように、過給用タービンの回転数に対する発電用タービンの回転数の割合が小さいほど、発電用タービンに生成される軸トルクは大きくなる。なお、図６は、入力軸回転数すなわち過給用タービンの回転数を一定とした状態での、出力軸回転数すなわち発電用タービンの回転数と出力軸トルクすなわち発電用タービンに生成される軸トルクとの関係を示したものである。

このように、過給用タービン６４との回転数差が大きいほど発電用タービン７４で生成される軸トルクは高くなるため、本実施形態では、軸トルクを確保しながら発電用タービン７４の回転数を小さくすることができる。そこで、本実施形態では、発電用タービン７４の最大回転数は、過給用タービン６４の最大回転数よりも小さく設定されている。例えば、過給用タービン６４の最大回転数の１／２０〜１／１０程度に設定されている。具体的には、過給用タービン６４の最大回転数が２万回転程度とされ、発電用タービン７４の最大回転数が１万以下の値とされている。そして、これにより、発電用タービン７４と一体に回転する後述するモータ・ジェネレータ７２の発電効率が高くされている。

図１に示すように、発電用タービン７４は、モータ・ジェネレータ７２と連結されている。モータ・ジェネレータ７２は発電機としての機能を有しており、発電用タービン７４が排気のエネルギを受けて回転すると、これにより回転駆動されて発電する。

ここで、モータ・ジェネレータ７２は、電気エネルギを受けてモータとしても回転駆動可能であり、このようにモータとして作動する場合には、モータ・ジェネレータ７２は、発電時とは反対向きに回転する。そして、モータ・ジェネレータ７２は、発電用タービン７４を、排気のエネルギを受けて回転するときとは反対の方向に強制的に回転させる。そして、このように強制的に回転させられると、発電用タービン７４は、その上流側から下流側に向かって排気を吸い出す。

モータ・ジェネレータ７２は、コンバータ８１とＭＧ制御装置（発電量変更手段、モータ駆動装置）７５とを介してバッテリ８２に接続されている。バッテリ８２は、インバータ８３を介して駆動用モータ５に接続されている。従って、モータ・ジェネレータ７２により生成された電力は、バッテリ８２を介して駆動用モータ５の駆動に利用される。また、駆動用モータ５の駆動が停止している場合には、この電力はバッテリ８２に蓄電される。なお、本実施形態では、駆動用モータ５以外の各種電気機器もバッテリ８２に接続されており、前記電力は、バッテリ８２を介してこれら電気機器の駆動にも利用される。

ここで、駆動用モータ５が駆動している状態でモータ・ジェネレータ７２が発電を行っている場合、バッテリ８２は、モータ・ジェネレータ７２からの電力を受けつつ駆動用モータ５に電力を供給することになる。そのため、これらの一部が相殺されてバッテリ８２の最終的な入力電力あるいは出力電力は小さくなり、高い効率（送電効率）で駆動用モータ５を駆動することが可能になる。

モータ・ジェネレータ７２の駆動は、ＭＧ制御装置７５により制御される。具体的には、ＭＧ制御装置は、モータ・ジェネレータ７２がジェネレータ７２として発電するときの発電量、および、モータ・ジェネレータ７２がモータとして駆動するときの回転数等を変更する。

なお、駆動用モータ５の出力は、インバータ８３等により変更される。

また、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、排気を浄化するための触媒装置９０が配置されている。

また、本実施形態では、排気管５０に、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のうち過給用タービン６４よりも上流側の部分と発電用タービン７４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。

（２）制御系
次に、図７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〜Ｓ４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およびＭＧ制御装置７５を制御するとともに、排気開閉弁５９およびその他のエンジンの各部（インジェクタ１８、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り、その値が小さいほどこの流路面積が絞られるように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。

ＥＣＵ５００による、過給用タービン６４、ＭＧ制御装置７５、排気開閉弁５９に対する制御手順について図８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。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。

ステップＳ３では、排気開閉弁５９を開弁（全開に）する（既に開弁しているときは、開弁を維持する）。そして、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開度は最大開度よりも小さい開度（最も小さい開度等）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Ｓ１０に進む。ステップＳ１０では、運転領域が図９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９に示すように、モータ・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以上の低速高負荷領域Ａ１と、残余の領域Ａ２とが設定されており、ステップＳ１０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。

一方、ステップＳ１０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Ｓ２１に進む。

ステップＳ２１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、ＥＣＵ５００は、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をマップで設定、記憶しており、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。

ステップＳ２１の後は、ステップＳ２２に進む。ステップＳ２２では、モータ・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、駆動用モータ５の駆動時、すなわち、モータアシスト時や、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。ここで、本実施形態では、図９に示すように、領域Ａ２のうちエンジン回転数が高くエンジン負荷が高い高速高負荷領域Ａ２＿ｂにおいて、駆動用モータ５が駆動される。

ステップＳ２２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Ｓ２２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Ｓ２３に進む。

ステップＳ２３では、モータ・ジェネレータ７２での発電を実施する（既に発電が行われているときは、それを維持する）。

ステップＳ２３の後は、ステップＳ２４に進み、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Ｓ２４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Ｓ２４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Ｓ２５に進む。

ステップＳ２５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開度は、目標過給圧が実現されるようにＶＧＴ開度が変更され、発電要求に応じてモータ・ジェネレータ７２において発電が実施される。

一方、ステップＳ１０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Ｓ１１に進む。

ステップＳ１１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Ｓ１１の後に進むステップＳ１２では、モータ・ジェネレータ７２をモータとして駆動し（既にモータとして駆動されているときはそれを維持する）、処理を終了する（ステップＳ１に戻る）。すなわち、モータ・ジェネレータ７２による発電は停止され、モータ・ジェネレータ７２はモータとして駆動される。

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、モータ・ジェネレータ７２がモータとして駆動される。

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、モータ・ジェネレータ７２のモータとしての駆動が開始され、ＶＧＴ開度が閉じ側の開度に変更される。

（３）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、コンプレッサ６２を駆動する過給用タービン６４と、モータ・ジェネレータ７２を回転駆動して発電させることが可能な発電用タービン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に流入するよう構成されている。そのため、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発電用タービン７４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、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、発電用タービン７４での発電量すなわち電力をより多く確保することができる。

しかも、本実施形態では、発電用タービン７４が軸流式であって、この軸流式の発電用タービン７４が、過給用タービン６４と対向し、かつ、これらタービン６４，７４の回転軸どうしが同軸となるように配置されている。そのため、過給用タービン６４から流出した排気の旋回流を発電用タービン７４の各動翼７４ａに効果的に衝突させてこれら動翼７４ａに高い衝動力を加えることができる。従って、発電用タービン７４およびモータ・ジェネレータ７２を効果的に回転駆動することができ、モータ・ジェネレータ７２での発電量をより多く確保することができる。特に、前記のように、これら２つのタービン６４，７４の回転数差が大きいほど、具体的には、過給用タービン６４の回転数に対して発電用タービン７４の回転数が小さいほど、発電用タービン７４の軸トルクは大きくなる。従って、発電用タービン７４において低回転で高い軸トルクを発生させ、これを、モータ・ジェネレータ７２に付与することができ、モータ・ジェネレータ７２において効率よく発電を行うことができる。

また、本実施形態では、過給用タービン６４がＶＧＴとされて、過給用タービン６４に流入する排気の流速ひいては過給用タービン６４の回転駆動力および過給能力が変更可能となっている。そのため、モータ・ジェネレータ７２において適切に発電を行いつつＶＧＴ開度の調整によって過給圧を目標過給圧に制御することができる。

また、本実施形態では、モータ・ジェネレータ７２をモータとして駆動してこれにより発電用タービン７４を強制的に回転駆動させ、排気を発電用タービン７４の上流側から下流側に向かって吸い出すことが可能となっている。そのため、発電用タービン７４の上流側の圧力すなわち過給用タービン６４の背圧を小さくして過給用タービン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、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より適切に高めることができる。

特に、本実施形態では、低速高負荷領域Ａ１であってエンジン本体から排出される排気の流量が小さい一方高い過給圧が要求される領域Ａ１において、ＶＧＴ開度を最小開度（最も閉じ側の開度）にするとともに、モータ・ジェネレータ７２をモータとして駆動して発電用タービン７４を強制的に回転させている。そのため、この領域Ａ１において、過給用タービンの前後差圧をより一層大きくすることができ、過給圧を確実に高くすることができる。

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。

（４）変形例
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、各ノズルベーン６４ｂ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速を容易に変更することができる。

また、過給用タービン６４を軸流式としてもよい。ただし、前記のように、過給用タービン６４を周流式とし、さらにこれをＶＧＴとすれば、過給用タービン６４に流入する排気の流速を容易に変更して過給圧を容易に適切な値に変更することができる。

また、前記モータ・ジェネレータ７２に代えて、モータ機能を有さないジェネレータ７２が用いられてもよい。ただし、前記のように、モータ・ジェネレータ７２を用い、これにより、発電用タービン７４において排気を下流側に吸い出すようにすれば、過給圧をより一層高めることができる。

また、前記実施形態では、発電用タービン７４の最大回転数が、過給用タービン６４の最大回転数よりも小さい場合について説明したが、これら最大回転数の関係はこれに限らない。ただし、前記のように、本実施形態では、発電用タービン７４において低回転で高い軸トルクを得ることができるため、発電用タービンとしてその最大回転数を小さくすることができ、これにより、発電機の回転数を小さくして発電効率を高めることができる。

また、前記実施形態では、領域Ａ２においてのみ（エンジン本体１に対する加速要求がなく、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、この領域Ａ１での発電を停止（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、前記実施形態では、車両がエンジン本体１と駆動用モータ５とを備えるハイブリッド車である場合について説明したが、エンジン本体１のみを駆動源とする車両に適用されてもよい。ただし、前記のように、本実施形態では、発電用タービン７４に効率よく発電を行わせてより高い電力を確保することができるため、消費電力の大きいハイブリッド車に適用されれば、効果的である。

また、前記実施形態では、エンジン本体１が４気筒のディーゼル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、ガソリンエンジンや、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
６４過給用タービン
６４ｂノズルベーン
７２モータ・ジェネレータ（発電機）
７４発電用タービン
７５ＭＧ制御装置（発電量変更手段、モータ駆動装置）
１３０排気通路
５００ＥＣＵ（制御手段）

Claims

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、車両に設けられる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と連結されて、当該発電用タービンによって回転駆動されることで発電する発電機とを備え、
前記発電用タービンは、軸流式のタービンであって、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、かつ、前記過給用タービンと対向して前記発電用タービンの回転軸と前記過給用タービンの回転軸とが同軸となるように配置されてい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。
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、
前記過給用タービンに流入する排気の流路面積を変更することにより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制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、エンジン回転数が基準回転数よりも低く、かつ、エンジン負荷が基準負荷よりも高い低速高負荷領域では、前記排気流速変更手段によって前記流路面積を最小面積にするとともに前記発電量変更手段によって前記発電機による発電を停止させ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。
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、
前記過給用タービンは、周流式のタービンであり、
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。
請求項２または３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、前記低速高負荷領域を除く運転領域において前記発電機に対して発電の要求があった場合には、前記発電量変更手段によって前記発電機に発電を行わせるとともに、当該発電機の発電に伴って過給圧が低下すると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。
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、
前記発電機は、モータ・ジェネレータであり、
前記モータ・ジェネレータをモータとして回転駆動させるモータ駆動装置を備え、
前記制御手段は、前記低速高負荷領域において、前記モータ駆動装置によって、前記排気通路のうち前記発電用タービンと前記過給用タービンとの間の部分の圧力が低下する方向に前記モータ・ジェネレータおよび前記発電用タービンを回転させ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。
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、
前記発電用タービンの最大回転数は、前記過給用タービンの最大回転数よりも小さいことを特徴とするターボ過給機付エンジンの排気装置。
請求項１〜６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、
前記車両は、車両の駆動源として前記エンジン本体と駆動用モータとを備えるハイブリッド車であ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。