JP2017145749A - ターボ過給機付エンジンの排気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で過給圧をより確実に早期に増大させ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】排気のエネルギーを受けて回転してコンプレッサ６２を回転駆動する過給用タービン６４と、排気のエネルギーを受けて回転する下流側タービン７４と、下流側タービン７４が排気のエネルギーを受けて回転する方向とは反対の吸出し方向に当該下流側タービン７４を回転駆動可能なモータ７２とを設け、加速時の少なくとも初期において、下流側タービン７４を吸出し方向に回転駆動させる。【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、エンジントルクを高めるために、ターボ過給機を用いることが行われている。すなわち、排気通路にタービンを配置するとともに吸気通路にコンプレッサを配置し、排気のエネルギーによってタービンを回転させ、タービンによりコンプレッサを回転駆動して、過給圧を高めることが行われている。

ここで、前記のような排気のエネルギーを利用して過給を行うターボ過給機では、いわゆるターボラグが生じるため、加速時において十分に過給圧を高めることができないという問題がある。

これに対して、例えば、特許文献１には、前記のように、排気のエネルギーによってタービンを回転させるターボ過給機に加えて、吸気通路に電動ターボ過給機を設け、加速時に電動ターボ過給機で過給を行う装置が開示されている。

特開２００８−２８０９２３号公報

前記特許文献１の装置では、比較的応答性が高い電動ターボ過給機によって吸気を過給するため、ターボラグを小さく抑えて過給圧を早期に高めることができる。しかしながら、この装置では、電動ターボ過給機を排気ターボ過給機とは別に設ける必要がある。また、この電動ターボ過給機を駆動するために電力が必要となり、システム全体のエネルギー効率が悪くなるという問題がある。

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、簡単な構成で過給圧をより確実に早期に増大させ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、前記排気通路のうち前記過給用タービンよりも下流側に設けられて排気のエネルギーを受けて回転する下流側タービンと、前記下流側タービンが排気のエネルギーを受けて回転する方向とは反対の吸出し方向に当該下流側タービンを回転駆動可能なモータと、前記モータを制御して当該モータの駆動と停止とを切替可能な制御手段とを備え、前記制御手段は、加速時の少なくとも初期において、前記下流側タービンを前記吸出し方向に回転駆動するように前記モータを制御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、加速時の少なくとも初期において過給圧をより早期に高めることができる。従って、加速性能を良好にすることができる。

具体的には、この装置では、排気通路に過給用タービンと下流側タービンとが上流側から順に設けられて、加速時の少なくとも初期において、下流側タービンが排気のエネルギーを受けて回転する方向とは反対の吸出し方向に回転駆動するように構成されている。そのため、この下流側タービンの吸出し方向の回転によって、下流側タービンの上流側から下流側に排気を吸い出すことができ、過給用タービンの下流側の圧力すなわち過給用タービンの背圧を小さくすることができる。従って、加速時の少なくとも初期において、過給用タービンの駆動力を高めることができ、過給圧をより早期に高めることができる。

本発明において、前記制御手段は、エンジン回転数が基準回転数以下の低速領域における加速時において、その少なくとも初期に、前記下流側タービンを前記吸出し方向に回転駆動するように前記モータを制御するのが好ましい（請求項２）。

エンジン回転数が低い低速領域では、排気の流量が少なく排気からタービンに加えられる駆動力が小さいため、加速時において過給圧が上昇するのに要する時間が長くなりやすい。従って、この構成のように、低速領域での加速時において下流側タービンを吸出し方向に回転駆動させれば、効果的に過給圧を高めることができる。

また、本発明において、前記制御手段は、前記エンジン本体の気筒内への燃料供給が停止された後における加速時において、その少なくとも初期に、前記下流側タービンを前記吸出し方向に回転駆動するように前記モータを制御するのが好ましい（請求項３）。

燃料供給が停止される燃料カット後の加速時は、排気の温度が低いこと等に伴って排気のエネルギーが小さく、過給圧が上昇するのに要する時間が長くなりやすい。従って、この構成のように、燃料カット後の加速時において下流側タービンを吸出し方向に回転駆動させれば、効果的に過給圧を高めることができる。

また、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を備え、前記制御手段は、前記下流側タービンを前記吸出し方向に回転駆動するのと同時に前記排気流速変更手段によって前記流路面積を加速前よりも小さくするのが好ましい（請求項４）。

このようにすれば、下流側タービンによる過給用タービンの背圧低下に加えて、過給用タービンに流入する排気の流速を高めるという効果を得ることができ、より一層早期に過給圧を高めることができる。

また、前記構成において、前記排気流速変更手段は、過給用タービンの周囲に設けられて、当該過給用タービンに流入する排気の流路面積を変更する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、前記モータは、前記下流側タービンによって回転駆動されることで発電可能なモータ・ジェネレータであるのが好ましい（請求項６）。

このようにすれば、排気のエネルギーを過給だけでなく発電にも利用することができ、エンジンシステム全体のエネルギー効率を高めることができる。

また、本発明において、前記下流側タービンは、軸流式のタービンであるのが好ましい（請求項７）。

このようにすれば、下流側タービンがモータにより前記吸出し方向に回転駆動された場合において、この下流側タービンによってより効果的に排気を下流側へ吸い出すことができる。具体的には、仮に、下流側タービンを周流式とした場合には、下流側タービンを吸出し方向に回転駆動させた際に排気に遠心力が作用し、これによって排気がエンジン本体側に戻るおそれがある。これに対して、軸流式タービンではこれを回避することができ、より効果的に排気を下流側に吸い出すことができる。

以上説明したように、本発明のエンジンの排気制御装置によれば、より確実に高い電力を確保することができる。

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。 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。 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。

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。

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。

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インペラである。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（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｇｅｏｍｅｔｒｙ Ｔｕｒｂｉｎｅ）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、排気のエネルギーを受けて回転する発電用タービン（下流側タービン）７４が設けられている。

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、排気が回転軸に沿ってこれら動翼７４ａに流入することで回転する。

図４に示すように、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、高いエネルギー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との間の通路５１には、分岐通路等は設けられておらず、発電用タービン７４を流下した排気は全量、過給用タービン６４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から排出された排気の流入を受けることで過給用タービン６４の回転方向と反対の過給方向に回転する。

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、過給用タービンとの回転数差が大きいほど発電用タービン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が排気のエネルギー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。すなわち、発電用タービン７４の軸トルクによりモータ・ジェネレータ７２は回転駆動される。

ここで、モータ・ジェネレータ７２は、電気エネルギー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、前記過給方向とは反対の吸出し方向に回転させる。このように吸出し方向に回転されると、発電用タービン７４は、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。

モータ・ジェネレータ７２は、ＭＧ制御装置７５を介してバッテリ（不図示）に接続されており、モータ・ジェネレータ７２により生成された電力は、バッテリに供給される。

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。

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。

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。

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〜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６４ａ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。なお、エンジン負荷は、アクセル開度等から算出される。

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でのエネルギー消費が抑制される。

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Ｓ４に進む。

ステップＳ４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Ｓ４の後は、ステップＳ５に進む。ステップＳ５では、燃料供給停止（燃料カット）後の加速中であるか否かが判定される。

本実施形態では、アクセル開度が単位時間あたり所定量以上増加すると加速が開始されたとし、エンジントルクが要求されるトルクに到達すると加速が終了したとし、この開始から終了時までの間を加速中であるとする。なお、要求されるトルクはエンジン回転数とエンジン負荷等に基づいて設定される。

ステップＳ５の判定がＹＥＳであって燃料カット後の加速中である場合は、ステップＳ６に進む。

ステップＳ６では、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を吸出し方向に回転駆動する。

ステップＳ６の後はステップＳ７に進む。ステップＳ７では、ＶＧＴ開度を加速直前の開度よりも小さい開度（閉じ側の開度）に変更し、処理を終了する（ステップＳ１に戻る）。本実施形態では、このＶＧＴ開度の加速前の開度からの変更量（低減量）は、目標過給圧（過給圧の目標値）と実際の過給圧との差に基づいて決定される。具体的には、この差が大きく、目標過給圧に対する過給圧の不足量が大きいほど、前記変更量は大きくされ、ＶＧＴ開度はより大きく閉じ側に変更される。なお、目標過給圧は、例えば、エンジン回転数とエンジン負荷とに対してマップで設定、記憶されており、エンジン回転数とエンジン負荷とに基づいてこのマップから抽出される。

一方、ステップＳ５の判定がＮＯであって燃料カット後の加速中でない場合は、ステップＳ９に進む。ステップＳ９では、低速領域Ａ１での運転中であるか否かが判定される。すなわち、本実施形態では、モータ・ジェネレータ７２等の制御領域として、図１０に示すように、エンジン回転数が基準回転数Ｎ１以下の領域が、低速領域Ａ１として設定され、エンジン回転数が基準回転数Ｎ１より高い領域が、高速領域Ａ２として設定されている。また、低速領域Ａ１は、高負荷側と低負荷側とに分けられており、低速領域Ａ１においてエンジン負荷が基準負荷Ｔ１以上の領域は低速高負荷領域Ａ１＿ｂとして設定され、エンジン負荷が基準負荷Ｔ１未満の領域は低速低負荷領域Ａ１＿ａとして設定されている。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Ｓ９の判定がＹＥＳであって低速領域Ａ１での運転中である場合は、ステップＳ１０に進む。ステップＳ１０では、加速中か否かが判定される。

ステップＳ１０の判定がＹＥＳであって加速中（低速領域Ａ１での加速中）である場合は、ステップＳ６に進む。そして、燃料カット後の加速中と同様に、ステップＳ６において、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を吸出し方向に回転駆動させるとともに、ステップＳ７において、ＶＧＴ開度を加速直前の開度よりも小さい開度（閉じ側の開度）に変更し、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、燃料カット後の加速中、あるいは、低速領域Ａ１での加速中は、ＶＧＴ開度が加速開始直前の開度よりも閉じ側の開度に変更されるとともに、モータ・ジェネレータ７２がモータとして駆動されて発電用タービン７４が吸出し方向に回転する。

一方、ステップＳ９の判定がＮＯであって低速領域Ａ１で運転していない場合、すなわち、高速領域Ａ２での運転中である場合は、ステップＳ２１に進む。

また、ステップＳ１０の判定がＮＯの場合は、ステップＳ１１に進む。そして、ステップＳ１１において、低速高負荷領域Ａ１＿ｂでの運転中であるか否かを判定する。そして、このステップＳ１１の判定がＮＯであって低速低負荷領域Ａ１＿ａでの運転中である場合は、ステップＳ２１に進む。

すなわち、本実施形態では、燃料カット後の加速中でない場合において、高速領域Ａ２での運転中である場合、および、低速低負荷領域Ａ１＿ａでの運転中であって、かつ、加速中でない場合（定常運転中である場合）は、ステップＳ２１に進む。ステップＳ２１以降の処理は後述する。

一方、ステップＳ１１の判定がＹＥＳであって低速高負荷領域Ａ１＿ｂでの運転中である場合は、ステップＳ１２に進む。すなわち、燃料カット後の加速中ではなく、低速高負荷領域Ａ１＿ｂにおいて加速以外の運転を行っている場合（定常運転を行っている場合）は、ステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２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Ｓ１２の後に進むステップＳ１３において、モータ・ジェネレータ７２での発電を停止し、処理を終了する（ステップＳ１に戻る）。ここで、ステップＳ１３では、モータ・ジェネレータ７２のモータとしての駆動も停止され、モータ・ジェネレータ７２の駆動自体が停止される。

このように、本実施形態では、低速高負荷領域Ａ１＿ｂにおいて加速中でない場合は、ＶＧＴ開度が最も閉じ側の開度（最小開度）とされるとともに、モータ・ジェネレータ７２の駆動が停止される。

ステップＳ２１以降の処理について図９を用いて説明する。ステップＳ２１では、ＶＧＴ開度を基本開度にする。基本開度は、定常運転において過給圧を目標過給圧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、基本開度は、エンジン回転数とエンジン負荷とに対してマップで設定、記憶されており、エンジン回転数とエンジン負荷とに基づいてこのマップから抽出される。

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、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、モータ・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、加速中でない低速低負荷領域Ａ１＿ａでの運転中および高速領域Ａ２での運転中は、ＶＧＴ開度は基本開度をベースとして目標過給圧が実現される開度にされ、モータ・ジェネレータ７２は発電要求に応じてジェネレータ７２として駆動されて発電する。

（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、排気のエネルギーを受けて回転する過給用タービン６４と発電用タービン７４とが設けられるとともに、発電用タービン７４を排気のエネルギーを受けて回転する過給方向とは反対の吸出し方向に回転駆動させることのできるモータ・ジェネレータ７２が設けられている。そして、低速領域Ａ１での加速中および燃料カットからの加速中に、このモータ・ジェネレータ７２によって発電用タービン７４が吸出し方向に回転駆動されるようになっている。

そのため、これらの加速時において、発電用タービン７４によって発電用タービン７４の上流側から下流側に排気を吸い出すことができ、過給用タービン６４の下流側の圧力すなわち過給用タービン６４の背圧を小さくすることができる。従って、過給用タービンの駆動力を高めて、過給圧をより早期に高めること、すなわち、加速性能を良好にすることができる。

しかも、本実施形態では、過給用タービン７４がＶＧＴとされて、過給用タービン６４に流入する排気の流路面積を変更することでこの排気の流速を変更することができる。そして、発電用タービン７４を吸出し方向に回転駆動するのと同時にＶＧＴ開度が加速前よりも小さくされて前記流路面積が加速前よりも小さくされるようになっている。そのため、発電用タービン７４を吸出し方向に回転駆動して過給用タービン６４の背圧を低減しつつ過給用タービンに流入する排気の流速を高めることができ、より一層早期に過給圧を高めることができる。

また、本実施形態では、発電用タービン７４に軸流式のタービンが用いられている。そのため、発電用タービン７４によってより効果的に排気を下流側へ吸い出すことができる。具体的には、仮に、下流側タービンを周流式とした場合には、下流側タービンを吸出し方向に回転駆動させた際に排気に遠心力が作用し、これによって排気がエンジン本体側に戻るおそれがある。これに対して、軸流式タービンではこれを回避することができ、より効果的に排気を下流側に吸い出すことができる。

また、本実施形態では、このように排気を吸い出して過給用タービン６４の背圧を低減するためのタービンとして、発電用のタービン７４が用いられ、排気のエネルギーを受けて発電用タービン７４が過給方向に回転することでモータ・ジェネレータ７２にて発電が行えるようになっている。そのため、この発電用タービン７４によって、排気のエネルギーを過給に加えて発電に利用しつつターボラグを低減することができ、簡単な構成で、エンジンシステム全体のエネルギー効率を高めつつ加速性能を高めることができる。

（４）変形例
前記実施形態では、低速領域Ａ１での運転中という条件および燃料カット後という条件下での加速中にのみ発電用タービン７４を吸出し方向に回転駆動させた場合について説明したが、発電用タービン７４を吸出し方向に回転駆動させる条件はこれに限らない。例えば、前記条件に代えて他の条件での加速中にこの発電用タービン７４の制御を実施してもよい。また、前記条件に加えて他の運転条件における加速中に前記制御を実施してもよい。また、低速領域Ａ１における加速中と燃料カット後の加速中の一方でのみ前記制御を行ってもよい。

ただし、低速領域Ａ１では、特に、排気の流量が少なく過給用タービン６４に加えられる駆動力が小さいことに伴いターボラグ（過給圧の遅れ時間）が長くなりやすい。従って、低速領域Ａ１での加速中に前記制御を実施すれば、効果的に過給圧を高めることができる。また、同様に、燃料カット後の加速時も、排気の温度が低いこと等に伴って排気のエネルギーが小さく、ターボラグ（過給圧の遅れ時間）が長くなりやすい。従って、燃料カット後の加速中に前記制御を実施すれば、効果的に過給圧を高めることができる。

また、前記実施形態では、加速開始から加速終了までの間継続して前記制御（発電用タービン７４を吸出し方向に回転駆動させる制御）を実施する場合について説明したが、特に加速性能が求められる加速時の初期、すなわち、加速直後の所定期間においてのみこの制御を実施してもよい。

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、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（排気流速変更手段）
７２ モータ・ジェネレータ（モータ）
７４ 発電用タービン（下流側タービン）
７５ ＭＧ制御装置（モータ制御装置）
５００ ＥＣＵ（制御手段）

Claims (7)

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、
   前記排気通路のうち前記過給用タービンよりも下流側に設けられて排気のエネルギーを受けて回転する下流側タービンと、
   前記下流側タービンが排気のエネルギーを受けて回転する方向とは反対の吸出し方向に当該下流側タービンを回転駆動可能なモータと、
   前記モータを制御して当該モータの駆動と停止とを切替え可能な制御手段とを備え、
   前記制御手段は、加速時の少なくとも初期において、前記下流側タービンを前記吸出し方向に回転駆動するように前記モータを制御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であって、
   前記制御手段は、エンジン回転数が基準回転数以下の低速領域における加速時において、その少なくとも初期に、前記下流側タービンを前記吸出し方向に回転駆動するように前記モータを制御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１または２に記載のターボ過給機付エンジンの排気装置であって、
   前記制御手段は、前記エンジン本体の気筒内への燃料供給が停止された後における加速時において、その少なくとも初期に、前記下流側タービンを前記吸出し方向に回転駆動するように前記モータを制御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であって、
   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を備え、
   前記制御手段は、前記下流側タービンを前記吸出し方向に回転駆動するのと同時に前記排気流速変更手段によって前記流路面積を加速前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。
5. 請求項４に記載のターボ過給機付エンジンの排気装置であって、
   前記排気流速変更手段は、過給用タービンの周囲に設けられて、当該過給用タービンに流入する排気の流路面積を変更する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であって、
   前記モータは、前記下流側タービンによって回転駆動されることで発電可能なモータ・ジェネレータ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。
7. 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であって、
   前記下流側タービンは、軸流式のタービン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。

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