JP2018096219A - 弁装置、二段過給式排気ターボ過給機及びエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】高圧段過給機の排気バイパス弁のバルブ開度を適切に制御すること。【解決手段】高圧段過給機と低圧段過給機とを有する二段過給式排気ターボ過給機の高圧段過給機へ供給する排気ガスをバイパスする排気バイパス流路を開閉する排気バイパス弁６であって、排気バイパス流路を開閉する弁体６１と、排気バイパス弁６の開度であるバルブ開度を全閉状態と全開状態との間で段階的に調節する開口部６２とを備え、開口部６２は、排気バイパス弁６が全閉状態から全開状態になるにつれて、弁装置の操作量に対するバルブ開度の変化量が段階的に大きくなるように調節する。【選択図】図３

Description

本発明は、高圧段過給機へ供給する排気ガスをバイパスする排気バイパス流路を開閉する弁装置、二段過給式排気ターボ過給機及びエンジンに関する。

高圧段過給機と低圧段過給機とを組み合わせた二段過給式排気ターボ過給機について、高圧段過給機への排気ガス量を制御することが知られている。さらに、微量な排気ガス量の調整を可能とするため、高圧段過給機と低圧段過給機とにバイパス流路と弁装置とを配置し高圧段過給機への排気ガス量と低圧段過給機への排気ガス量を制御する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

米国特許第８０３３１０８号明細書

ところが、高圧段過給機と低圧段過給機とにバイパス流路と弁装置とを配置するためには、複雑な排気流れを考慮して設計、配置をしなくてはならない。しかも、流量を精度良く調整するために複数の排気バイパス流路と弁装置とを配置すると、二段過給式排気ターボ過給機が大型化しコストが増加する。二段過給式排気ターボ過給機が大型化すると、例えば、自動車のエンジンルームのような限られたスペースに配置することは困難である。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、高圧段過給機の排気バイパス弁のバルブ開度を適切に制御することができる弁装置、二段過給式排気ターボ過給機及びエンジンを提供することを目的とする。

本発明の弁装置は、高圧段過給機と低圧段過給機とを有する二段過給式排気ターボ過給機の前記高圧段過給機へ供給する排気ガスをバイパスする排気バイパス流路を開閉する弁装置であって、前記排気バイパス流路を開閉する弁体と、前記弁装置の開度であるバルブ開度を全閉状態と全開状態との間で段階的に調節する開度調節部とを備え、前記開度調節部は、前記弁装置が全閉状態から全開状態になるにつれて、前記弁装置の操作量に対する前記バルブ開度の変化量が段階的に大きくなるように調節することを特徴とする。

この構成によれば、バルブ開度を適切に制御することができる。

本発明の弁装置における、前記開度調節部は、前記弁体に設けられ、前記排気バイパス流路を開放する開口であり、前記バルブ開度が全閉状態から全開状態になるにつれて、前記弁装置の操作量に対する前記排気バイパス流路を開放する面積が段階的に広くなる形状であることを特徴とする。この構成によれば、バルブ開度が全閉状態から全開状態になるにつれて、排気バイパス流路を通過する排気ガス量を段階的に多くし、バルブ開度を適切に制御することができる。

本発明の弁装置における、前記開度調節部は、エンジンの回転数と、エンジントルクまたはスロットル開度または燃料噴射量ごとに前記バルブ開度をマッピングしたマップに示される前記バルブ開度を変化させる勾配で開口面積が変化する形状であることを特徴とする。この構成によれば、前記弁装置が全閉状態から全開状態になるにつれて、バルブ開度を変化させる勾配に合わせて、排気バイパス流路を通過する排気ガス量を段階的に多くし、バルブ開度を適切に制御することができる。

本発明の弁装置における、前記開度調節部は、前記バルブ開度を全閉状態から第一開度に変化させる第一勾配で開口面積が変化する形状の第一調節部と、前記バルブ開度を前記第一開度から全開状態に変化させ、前記第一勾配より大きい第二勾配で開口面積が変化する形状の第二調節部とが連続して配置され連通していることを特徴とする。この構成によれば、バルブ開度を適切に制御することができる。

本発明の二段過給式排気ターボ過給機は、上記の弁装置と、高圧段タービンと高圧段コンプレッサとを有する高圧段過給機と、低圧段タービンと低圧段コンプレッサとを有する低圧段過給機と、エンジンの運転状態が低負荷状態の場合、前記弁装置を制御し開弁させ、前記エンジンの運転状態が高負荷状態の場合、前記弁装置を制御し閉弁させる制御部とを備えることを特徴とする。

この構成によれば、バルブ開度を適切に制御することができる。

本発明のエンジンは、上記の二段過給式排気ターボ過給機と、前記二段過給式排気ターボ過給機と接続されたエンジン本体とを備えることを特徴とする。

この構成によれば、バルブ開度を適切に制御することができる。

本発明によれば、バルブ開度を適切に制御することができる。

図１は、実施形態に係る二段過給式排気ターボ過給機を示す構成図である。 図２は、実施形態に係る二段過給式排気ターボ過給機の概略ブロック図である。 図３は、実施形態に係る二段過給式排気ターボ過給機の排気バイパス弁を示す正面図である。 図４は、バブル開度の一例を示すマップである。 図５は、バルブ開度の一例を示すグラフである。 図６は、実施形態に係る二段過給式排気ターボ過給機の排気バイパス弁の他の例を示す正面図である。 図７は、実施形態に係る二段過給式排気ターボ過給機の排気バイパス弁の他の例を示す平面図である。 図８は、実施形態に係る二段過給式排気ターボ過給機の排気バイパス弁の他の例を示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。

図１を用いて、二段過給式排気ターボ過給機１が適用されるエンジン１００について説明する。図１は、実施形態に係る二段過給式排気ターボ過給機を示す構成図である。エンジン１００は、例えば、乗用車のような自動車のエンジンルームを含む狭小スペースに配置される。エンジン１００は、エンジン本体１０１と、電力変換装置１０２と、二段過給式排気ターボ過給機１とを備える。

エンジン本体１０１は、回転軸１０３を介して電力変換装置１０２に動力を伝達する。エンジン本体１０１には、吸気ガスをエンジン本体１０１に供給する吸気流路１１４と、エンジン本体１０１から排気ガスを排出する排気流路１２１とが接続されている。ＥＧＲ弁１０４は、開閉可能なバルブである。ＥＧＲ弁１０４は、エンジン本体１０１に供給する吸気ガスの流量を調整し運転条件に適したＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ、排気再循環）を実施する。ＥＧＲ弁１０４は、ＥＧＲ流路１０４１とＥＧＲ流路１０４２との間に配置されている。ＥＧＲ弁１０４が開状態のとき、ＥＧＲ流路１０４１とＥＧＲ流路１０４２とを吸気ガスが通過する。

ＥＧＲ流路１０４１とＥＧＲ流路１０４２とは、エンジン本体１０１をバイパスする。ＥＧＲ流路１０４１とＥＧＲ流路１０４２とは、吸気流路１１４と排気流路１２１とを接続する。ＥＧＲ流路１０４１は、上流側が吸気流路１１４に接続され、下流側がＥＧＲ弁１０４に接続されている。ＥＧＲ流路１０４２は、上流側がＥＧＲ弁１０４に接続され、下流側が排気流路１２１に接続されている。

図１、図２を用いて、二段過給式排気ターボ過給機１について説明する。図２は、実施形態に係る二段過給式排気ターボ過給機の概略ブロック図である。二段過給式排気ターボ過給機１は、低圧段過給機２と、低圧段過給機２と直列に接続された高圧段過給機３と、インタークーラ４と、吸気バイパス弁５と、排気バイパス弁（弁装置）６と、制御部１０とを備える。

低圧段過給機２は、低圧段タービン２１と低圧段コンプレッサ２２と回転軸２３とを備える小型の過給機である。低圧段タービン２１は、エンジン１００の運転状態が高負荷状態で、排気ガスの流量が多いときに単段で作動する。低圧段タービン２１と低圧段コンプレッサ２２とは、回転軸２３を介して連結されている。低圧段タービン２１と低圧段コンプレッサ２２とは、回転軸２３回りに一体に回転する。低圧段タービン２１は、上流側が排気流路１２２に接続され、下流側が排気流路１２３に接続されている。低圧段コンプレッサ２２は、上流側が吸気流路１１１に接続され、下流側が吸気流路１１２に接続されている。

高圧段過給機３は、高圧段タービン３１と高圧段コンプレッサ３２と回転軸３３とを備える大型の過給機である。高圧段タービン３１は、エンジン１００の運転状態が低負荷状態で、排気ガスの流量が少ないときに作動する。高圧段タービン３１と高圧段コンプレッサ３２とは、回転軸３３を介して連結されている。高圧段タービン３１と高圧段コンプレッサ３２とは、回転軸３３回りに一体に回転する。高圧段タービン３１は、上流側が排気流路１２１に接続され、下流側が排気流路１２２に接続されている。高圧段タービン３１には、排気ガスのバイパス流路である排気バイパス流路３１１と排気バイパス流路３１２とが接続されている。

排気バイパス流路３１１と排気バイパス流路３１２とは、高圧段タービン３１をバイパスする。排気バイパス流路３１１と排気バイパス流路３１２とは、排気流路１２１と排気流路１２２とを接続する。排気バイパス流路３１１は、上流側が排気流路１２１に接続され、下流側が排気バイパス弁６に接続されている。排気バイパス流路３１２は、上流側が排気バイパス弁６に接続され、下流側が排気流路１２２に接続されている。

高圧段コンプレッサ３２は、上流側が吸気流路１１２に接続され、下流側が吸気流路１１３に接続されている。高圧段コンプレッサ３２には、吸気ガスのバイパス流路である吸気バイパス流路３２１と吸気バイパス流路３２２とが接続されている。

吸気バイパス流路３２１と吸気バイパス流路３２２とは、高圧段コンプレッサ３２をバイパスする。吸気バイパス流路３２１と吸気バイパス流路３２２とは、吸気流路１１２と吸気流路１１３とを接続する。吸気バイパス流路３２１は、上流側が吸気流路１１２に接続され、下流側が吸気バイパス弁５に接続されている。吸気バイパス流路３２２は、上流側が吸気バイパス弁５に接続され、下流側が吸気流路１１３に接続されている。

インタークーラ４は、吸気ガスを冷却する。より詳しくは、インタークーラ４は、低圧段コンプレッサ２２または高圧段コンプレッサ３２で圧縮され高温となった吸気ガスと冷却水とを熱交換する。インタークーラ４は、上流側が吸気流路１１３に接続され、下流側が吸気流路１１４に接続されている。

吸気バイパス弁５は、吸気バイパス流路３２１と吸気バイパス流路３２２とを通過する吸気ガス量を調整する。吸気バイパス弁５は、制御部１０からの制御信号で作動する、図示しないアクチュエータで開閉されるバルブである。吸気バイパス弁５は、吸気バイパス流路３２１と吸気バイパス流路３２２との間に配置されている。吸気バイパス弁５は、開閉することで、吸気バイパス流路３２１と吸気バイパス流路３２２とを流れる吸気ガスの流量を調節する。吸気バイパス弁５が開状態のとき、吸気バイパス流路３２１と吸気バイパス流路３２２とを吸気ガスが通過し、高圧段コンプレッサ３２をバイパスする。

排気バイパス弁６は、排気バイパス流路３１１と排気バイパス流路３１２とを通過する排気ガス量を調整する。排気バイパス弁６は、制御部１０からの制御信号で作動するアクチュエータで開閉されるバルブである。排気バイパス弁６は、排気バイパス流路３１１と排気バイパス流路３１２との間に配置されている。排気バイパス弁６は、開閉することで、排気バイパス流路３１１と排気バイパス流路３１２とを流れる排気ガスの流量を調節する。排気バイパス弁６が開状態のとき、排気バイパス流路３１１と排気バイパス流路３１２とを排気ガスが通過し、高圧段タービン３１をバイパスする。

図３を用いて、排気バイパス弁６について説明する。図３は、実施形態に係る二段過給式排気ターボ過給機の排気バイパス弁を示す正面図である。排気バイパス弁６は、ボール弁である。排気バイパス弁６は、弁体６１と、開口部（開度調節部）６２とを有する。弁体６１は、球状に形成されている。弁体６１は、排気バイパス流路３１１と排気バイパス流路３１２との間に配置されている。弁体６１は、排気バイパス流路３１１と排気バイパス流路３１２との流路を開閉可能である。弁体６１は、制御部１０からの制御信号で回転軸回りに回転可能である。開口部６２は、弁体６１の一部を切り欠いて形成されている。開口部６２は、排気バイパス流路３１１と排気バイパス流路３１２とを開放する。開口部６２は、排気バイパス弁６の開度であるバルブ開度を全閉状態と全開状態との間で段階的に調節する。開口部６２は、排気バイパス弁６が全閉状態から全開状態になるにつれて、排気バイパス弁６の操作量に対するバルブ開度の変化量が段階的に大きくなるように調節する。開口部６２は、バルブ開度が全閉状態から全開状態になるにつれて、排気バイパス弁６の操作量に対する排気バイパス流路３１１と排気バイパス流路３１２とを開放する面積が段階的に広くなる形状である。

図４、図５を用いて、開口部６２の形状について説明する。図４は、バブル開度の一例を示すマップである。図５は、バブル開度の一例を示すグラフである。

図４は、エンジン１００について、シミュレーションまたはエンジン試験を行い、横軸をエンジン回転数とし、縦軸をエンジントルク・負荷率として、所定条件を満たすバルブ開度をマッピングしたマップである。所定条件を満たすバルブ開度とは、最も燃費効率の優れたバルブ開度としてもよい。所定条件を満たすバルブ開度とは、ＥＧＲが最も多くエンジン本体１０１に供給されるバルブ開度としてもよい。所定条件を満たすバルブ開度とは、サージに入らないようにするバルブ開度としてもよい。所定条件を満たすバルブ開度とは、高圧段過給機３が過回転とならないようにするバルブ開度としてもよい。このようにしてマッピングしたマップには、バルブ開度を変化させる勾配が描かれる。

図５は、図４に基づいて作成される。より詳しくは、図５は、横軸をエンジン回転数とし、縦軸をバルブ開度とし、バルブ開度の変化が勾配で示されている。図４のマップにおいて、負荷によってバルブ開度の勾配は変化する。本実施形態では、最もバルブ開度の変化が大きい領域を代表領域として採用し、図５に示すようなバルブ開度の勾配を図示する。バルブ開度は、エンジン回転数と負荷とに応じた運転点ごとに定める。本実施形態では、エンジン１００の運転状態が低負荷状態であるＭＯＤＥ１と、エンジン１００の運転状態が低負荷状態から高負荷状態へ移行する途中の負荷状態（以下、「中負荷状態」という。）であるＭＯＤＥ２と、エンジン１００の運転状態が高負荷状態であるＭＯＤＥ３との３つの運転点のバルブ開度を定める。エンジン１００の運転状態が中負荷状態では、排気バイパス弁６が微開状態で、最も燃費効率がよくなるエンジン回転数、負荷領域があることが知られている。グラフに示されるように、ＭＯＤＥ１では、バルブ開度が０％で全閉状態である。ＭＯＤＥ２では、バルブ開度が全閉状態から１０％程度以下（第一開度）の微小開度まで増加する。ＭＯＤＥ２のバルブ開度の勾配は第一勾配Ｓ１である。ＭＯＤＥ３では、バルブ開度が１０％程度から１００％まで増加して全開状態となる。ＭＯＤＥ３のバルブ開度の増加領域の勾配は第二勾配Ｓ２である。第二勾配Ｓ２は、第一勾配Ｓ１より大きい。各ＭＯＤＥでバルブ開度を上記の値に調節することで、排気バイパス流路３１１と排気バイパス流路３１２とを通過する排気ガス量が適切な流量となる。

図３に戻って、開口部６２は、図５に示すバルブ開度の勾配で開口面積が変化する形状に形成されている。言い換えると、開口部６２は、弁体６１を回転させると、弁体６１の全閉状態の位置に対する回転角度に対して、図５に示すバルブ開度の勾配で開口面積が変化する形状である。開口部６２は、図５に示すバルブ開度の勾配に所定係数を乗じた形状としてもよい。

本実施形態では、開口部６２は、連続して配置された、第一開口部（第一調節部）６２１と、第二開口部（第二調節部）６２２と、第三開口部６２３とで構成されている。第一開口部６２１と、第二開口部６２２と、第三開口部６２３とは、一体に形成され、連通している。開口部６２は、弁体６１が回転するにつれて、第一開口部６２１または第二開口部６２２または第三開口部６２３が流路の流れ方向の上流側に露出して流路を開放する。

第一開口部６２１は、第一勾配Ｓ１で開口面積が変化する形状の切り欠きである。第一開口部６２１は、中負荷状態において、弁体６１が全閉状態から回転すると、流路の流れ方向の上流側に露出して流路を開放する。第一開口部６２１は、排気バイパス流路３１１と排気バイパス流路３１２とを通過する排気ガス量を、中負荷状態に適した量に調整する。第一開口部６２１の全体が流路の流れ方向の上流側に露出して流路を開放している状態で、バルブ開度は１０％程度である。

第二開口部６２２は、第二勾配Ｓ２で開口面積が変化する形状の切り欠きである。第二開口部６２２は、第一開口部６２１より大きい勾配を有する。第二開口部６２２は、高負荷状態において、弁体６１が中負荷状態の位置から回転すると、流路の流れ方向の上流側に露出して流路を開放する。第三開口部６２３は、高負荷状態において、弁体６１がさらに回転すると、流路の流れ方向の上流側に露出して流路を開放する。第二開口部６２２と第三開口部６２３とは、排気バイパス流路３１１と排気バイパス流路３１２とを通過する排気ガス量を高負荷状態に適した量に調整する。第三開口部６２３の全体が流路の流れ方向の上流側に露出して流路を開放している状態で、バルブ開度が１００％である。

図２に戻って、制御部１０は、メモリ及びＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：中央演算装置）により構成される。制御部１０は、専用のハードウェアにより実現されるものであっても、制御部１０の機能を実現するためのプログラムをメモリにロードして実行することによりその機能を実現させるものであってもよい。

制御部１０は、エンジン１００の運転状態に応じて、吸気バイパス弁５と排気バイパス弁６とを制御する。より詳しくは、制御部１０は、エンジン１００の運転状態が低負荷状態の場合、アクチュエータを制御し排気バイパス弁６を閉弁させ、エンジン１００の運転状態が高負荷状態の場合、アクチュエータを制御し排気バイパス弁６を開弁させる。

次に、エンジン１００における吸気ガスが流れる流路について説明する。吸気ガスが流れる流路は、上流側から順に、吸気流路１１１と、吸気流路１１２と、吸気流路１１３と、吸気流路１１４とが接続され構成されている。吸気流路１１１は、外部から空気を吸気する。吸気流路１１１は、上流側が外部に開放され、下流側が低圧段コンプレッサ２２に接続されている。吸気流路１１２は、上流側が低圧段コンプレッサ２２に接続され、下流側が高圧段コンプレッサ３２に接続されている。吸気流路１１３は、上流側が高圧段コンプレッサ３２に接続され、下流側がインタークーラ４に接続されている。吸気流路１１４は、上流側がインタークーラ４に接続され、下流側がエンジン本体１０１に接続されている。このように構成された流路を通過して、吸気ガスがエンジン本体１０１に供給される。

次に、エンジン１００における排気ガスが流れる流路について説明する。排気ガスが流れる流路は、上流側から順に、排気流路１２１と、排気流路１２２と、排気流路１２３とが接続され構成されている。排気流路１２１は、エンジン本体１０１から排気ガスを排出する。排気流路１２１は、上流側がエンジン本体１０１に接続され、下流側が高圧段タービン３１に接続されている。排気流路１２２は、上流側が高圧段タービン３１に接続され、下流側が低圧段タービン２１に接続されている。排気流路１２３は、上流側が低圧段タービン２１に接続されている。このように構成された流路を通過して、エンジン本体１０１から排気ガスが排出される。

このように構成された二段過給式排気ターボ過給機１は、エンジン１００の運転状態が高負荷状態のとき、エンジン本体１０１から排出された排気ガスで低圧段タービン２１が回転する。そして、低圧段タービン２１の回転が回転軸２３を介して伝達されて低圧段コンプレッサ２２が回転する。そして、低圧段コンプレッサ２２が吸気ガスを圧縮して吸気流路１１２を介してエンジン本体１１に供給する。二段過給式排気ターボ過給機１は、エンジン１００の運転状態が低負荷状態のとき、エンジン本体１０１から排気流路１２１を介して排出された排気ガスで高圧段タービン３１が回転する。そして、高圧段タービン３１の回転が回転軸３３を介して伝達されて高圧段コンプレッサ３２が回転する。そして、高圧段コンプレッサ３２が吸気ガスを圧縮して吸気流路１１３を介してエンジン本体１１に供給する。

次に、二段過給式排気ターボ過給機１の作用について説明する。

制御部１０は、エンジン１００の運転状態が低負荷状態、言い換えると、エンジン１００の排気ガスの流量が少ない状態では、高圧段タービン３１を単段で作動させる。より詳しくは、制御部１０は、アクチュエータを制御して、排気バイパス弁６を全閉状態とする。これにより、排気ガスは、高圧段過給機３の高圧段タービン３１に流入する。

制御部１０は、エンジン１００の運転状態が高負荷状態、言い換えると、エンジン１００の排気ガスの流量が多い状態では、低圧段タービン２１を単段で作動させる。より詳しくは、制御部１０は、アクチュエータを制御して、排気バイパス弁６を全開状態とする。これにより、排気ガスは、排気バイパス流路３１１と排気バイパス流路３１２とを通過し、高圧段過給機３の高圧段タービン３１をバイパスする。

制御部１０は、エンジン１００の運転状態が中負荷状態では、排気バイパス弁６を微開状態とする。

弁体６１が全閉状態の位置から回転して微開状態の位置になると、第一開口部６２１が流路の流れ方向の上流側に露出して流路を開放する。排気バイパス流路３１１と排気バイパス流路３１２とを通過する排気ガス量が、第一開口部６２１を通過する排気ガス量になる。バルブ開度は、１０％程度以下の微小開度である。

さらに、弁体６１が微開状態の位置から回転し全開状態の位置になるにつれて、まず、第二開口部６２２が流路の流れ方向の上流側に露出して流路を開放し、つづいて、第三開口部６２３が流路の流れ方向の上流側に露出して流路を開放をする。まず、排気バイパス流路３１１と排気バイパス流路３１２とを通過する排気ガス量が、第二開口部６２２を通過する排気ガス量になり、つづいて、第三開口部６２３を通過する排気ガス量になる。バルブ開度は、第二開口部６２２が流路を開放している間は１０％程度から増加し、第三開口部６２３が流路を開放をすると１００％の全開状態になる。

第二開口部６２２の勾配は、第一開口部６２１の勾配より大きい。これにより、弁体６１の操作量に対するバルブ開度の変化量は、エンジン１００の運転状態が中負荷状態より高負荷状態の方が大きい。例えば、弁体６１を回転軸回りに３０°回転させたとき、エンジン１００の運転状態が中負荷状態でのバルブ開度の変化量より、高負荷状態でのバルブ開度の変化量が大きい。

このように、エンジン１００の運転状態が中負荷状態では、弁体６１を回転させ、バルブ開度を変化させる勾配で開口面積が変化する形状の開口部６２で流路を開放することで、排気バイパス弁６のバルブ開度が微開状態を含んで適切に制御される。

以上説明したように、本実施形態によれば、排気バイパス弁６の弁体６１に、バルブ開度を変化させる勾配で開口面積が変化する形状の開口部６２が形成されている。そして、エンジン１００の運転状態が中負荷状態では、弁体６１を回転させ、第一開口部６２１または第二開口部６２２または第三開口部６２３で流路を開放する。本実施形態は、排気バイパス弁６の開閉時に、第一開口部６２１と第二開口部６２２と第三開口部６２３とで、排気バイパス弁６のバルブ開度の微小開度を含む制御を容易にすることができる。このように、本実施形態は、開口部６２で、排気バイパス弁６のバルブ開度の分解能を調整することができる。

例えば、本実施形態によれば、排気バイパス弁６を全閉状態の位置から微開状態の位置に回転させると、バルブ開度は１０％程度以下の微開状態になる。このように、本実施形態では、排気バイパス流路３１１と排気バイパス流路３１２とを通過する排気ガス量を微小な流量に制御することができる。

これに対して、従来のボール弁で構成された排気バイパス弁を使用した場合について説明する。従来のボール弁は、球状の本体部に円筒状の穴が形成されている。これにより、ボール弁を全閉状態からわずかに回転させても、排気バイパス弁６に比べて流路が大きく開放され、バルブ開度は大きくなってしまう。このため、排気バイパス流路３１１と排気バイパス流路３１２とを流れる排気ガス量を、微小な流量に制御することができなかった。

このように、本実施形態によれば、従来と同じ角度刻みのアクチュエータで排気バイパス弁６の弁体６１を回転させたとしても、排気バイパス弁６のバルブ開度を微小に制御をすることができる。このため、本実施形態によれば、従来のアクチュエータより角度分解能が高いものを使用しなくてよい。

本実施形態によれば、アクチュエータで排気バイパス弁６の弁体６１が回転するので、従来の排気バイパス弁と同等の速度でバルブ開度を全閉状態から全開状態にすることができる。

本実施形態によれば、排気バイパス弁６のバルブ開度を微小開度に制御するために、より小型のバイパス弁を設けることなく、従来と同じバイパス弁で、排気バイパス流路３１１と排気バイパス流路３１２とを通過する排気ガス量を微小な流量に制御することができる。これにより、本実施形態は、例えば、乗用車のような自動車のエンジンルームを含む狭小スペースに配置することもできる。

排気バイパス弁６は、ボール弁であるとして説明したが、これに限定されるものではなく、他の構成であってもよい。図６、図７を用いて、他の排気バイパス弁の一例を説明する。図６は、二段過給式排気ターボ過給機の排気バイパス弁の他の例を示す正面図である。図７は、二段過給式排気ターボ過給機の排気バイパス弁の他の例を示す平面図である。排気バイパス弁７は、斜め開きの弁である。排気バイパス弁７は、基台７０と、弁体７１と、開口部７２と、ハンドル７３とを有する。開口部７２は、第一開口部７２１と、第二開口部７２２と、第三開口部７２３とで構成されている。ハンドル７３は、基台７０に対して開閉可能である。ハンドル７３は、開口部７２を開閉する。ハンドル７３を基台７０に対して閉じて基台７０に接触させた状態では、開口部７２は露出せず流路が塞がれる。ハンドル７３を基台７０に対して開いて基台７０から離した状態では、開口部７２が大きく開放され流路が大きく開放される。ハンドル７３が全閉状態から全開状態になるにつれて、まず、第一開口部７２１が流路を開放し、つづいて、第二開口部７２２が流路を開放をする。このようにして、第一開口部７２１が流路を開放している間はバルブ開度が０％から１０％程度に増加し、第二開口部７２２が流路を開放をするとバルブ開度が１０％程度から増加し、第三開口部７２３が流路を開放をするとバルブ開度が１００％の全開状態になる。

図８を用いて、他の排気バイパス弁の一例を説明する。図８は、第三実施形態に係る二段過給式排気ターボ過給機の排気バイパス弁を示す正面図である。排気バイパス弁８は、スライド式の弁である。排気バイパス弁８は、基台８０と、弁体８１と、開口部８２と、スライド体８３とを有する。開口部８２は、第一開口部８２１と、第二開口部８２２と、第三開口部８２３で構成されている。スライド体８３は、基台８０に対してスライド可能である。スライド体８３は、開口部８２を開閉する。スライド体８３が全閉状態から全開状態になるにつれて、まず、第一開口部８２１が流路を開放し、つづいて、第二開口部８２２が流路を開放をする。このようにして、第一開口部８２１が流路を開放している間はバルブ開度が０％から１０％程度に増加し、第二開口部８２２が流路を開放をするとバルブ開度が１０％程度から増加し、第三開口部８２３が流路を開放をするとバルブ開度が１００％の全開状態になる。

開度調節部を、排気バイパス弁６に設けた開口部６２としたが、排気バイパス弁６と排気バイパス弁６を回転させるアクチュエータとの間に、カム機構やリンク機構などを配置して、弁体６１の操作量に対する排気バイパス弁６のバルブ開度の変化量を段階的に調節できるようにしてもよい。

図５では、横軸をエンジン回転数とし、縦軸をエンジントルクとしてマッピングしたが、縦軸をスロットル開度または燃料噴射量としてマッピングしてもよい。

開口部６２は、第一開口部６２１と第二開口部６２２と第三開口部６２３とで構成されているものとしたが、これに限定されるものではない。バルブ開度のマップのバルブ開度を変化させる勾配で開口面積が変化する形状であればよい。

１ 二段過給式排気ターボ過給機
２ 低圧段過給機
２１ 低圧段タービン
２２ 低圧段コンプレッサ
３ 高圧段過給機
３１ 高圧段タービン
３１１ 排気バイパス流路
３１２ 排気バイパス流路
３２ 高圧段コンプレッサ
５ 吸気バイパス弁
６ 排気バイパス弁（弁装置）
６１ 弁体
６２ 開口部（開度調節部）
６２１ 第一開口部（第一調節部）
６２２ 第二開口部（第二調節部）
６２３ 第三開口部
１０ 制御部
１００ エンジン
１０１ エンジン本体
１０４ ＥＧＲ弁
Ｓ１ 第一勾配
Ｓ２ 第二勾配

Claims (6)

1. 高圧段過給機と低圧段過給機とを有する二段過給式排気ターボ過給機の前記高圧段過給機へ供給する排気ガスをバイパスする排気バイパス流路を開閉する弁装置であって、
   前記排気バイパス流路を開閉する弁体と、
   前記弁装置の開度であるバルブ開度を全閉状態と全開状態との間で段階的に調節する開度調節部と
   を備え、
   前記開度調節部は、前記弁装置が全閉状態から全開状態になるにつれて、前記弁装置の操作量に対する前記バルブ開度の変化量が段階的に大きくなるように調節することを特徴とする弁装置。
2. 前記開度調節部は、前記弁体に設けられ、前記排気バイパス流路を開放する開口であり、前記バルブ開度が全閉状態から全開状態になるにつれて、前記弁装置の操作量に対する前記排気バイパス流路を開放する面積が段階的に広くなる形状であることを特徴とする請求項１に記載の弁装置。
3. 前記開度調節部は、エンジンの回転数と、エンジントルクまたはスロットル開度または燃料噴射量ごとに前記バルブ開度をマッピングしたマップに示される前記バルブ開度を変化させる勾配で開口面積が変化する形状であることを特徴とする請求項２に記載の弁装置。
4. 前記開度調節部は、前記バルブ開度を全閉状態から第一開度に変化させる第一勾配で開口面積が変化する形状の第一調節部と、前記バルブ開度を前記第一開度から全開状態に変化させ、前記第一勾配より大きい第二勾配で開口面積が変化する形状の第二調節部とが連続して配置され連通していることを特徴とする請求項３に記載の弁装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の弁装置と、
   高圧段タービンと高圧段コンプレッサとを有する高圧段過給機と、
   低圧段タービンと低圧段コンプレッサとを有する低圧段過給機と、
   エンジンの運転状態が低負荷状態の場合、前記弁装置を制御し開弁させ、前記エンジンの運転状態が高負荷状態の場合、前記弁装置を制御し閉弁させる制御部と
   を備えることを特徴とする二段過給式排気ターボ過給機。
6. 請求項５に記載の二段過給式排気ターボ過給機と、
   前記二段過給式排気ターボ過給機と接続されたエンジン本体と
   を備えることを特徴とするエンジン。

Images