JP5504771B2 - 車両搭載用のターボ過給機付エンジン - Google Patents

Description

本発明は、過給容量が相対的に大きい大型ターボ過給機と、過給容量が相対的に小さい小型ターボ過給機とを備え、上記大型ターボ過給機のコンプレッサが上記小型ターボ過給機のコンプレッサに対し吸気通路の上流側に配置されるとともに、上記大型ターボ過給機のタービンが上記小型ターボ過給機のタービンに対し排気通路の下流側に配置された車両搭載用のターボ過給機付エンジンに関する。

従来から、排気エネルギーを利用したエンジンの高出力化をより効率よく達成するために、２機のターボ過給機を用いて過給を行ういわゆるツインターボ式の過給構造を採用することが行われている（例えば下記特許文献１参照）。

具体的に、下記特許文献１では、吸気通路に配置された第１コンプレッサと、排気通路に配置された第１タービンとを連結して第１ターボ過給機を構成するとともに、上記第１コンプレッサよりも吸気通路の上流側に配置された第２コンプレッサと、上記第１タービンよりも排気通路の下流側に配置された第２タービンとを連結して第２ターボ過給機を構成し、各ターボ過給機のコンプレッサおよびタービンの間に、両者と一体に回転する回転電機を設けるようにしている。

上記回転電機としては、上記第１コンプレッサおよび第１タービンと一体に回転する第１回転電機と、上記第２コンプレッサおよび第２タービンと一体に回転する第２回転電機とが設けられ、これら各回転電機が、エンジンの運転状態に応じて電動機または発電機として作動するようになっている。

例えば、エンジンの減速運転時には、第１および第２回転電機の両方が発電機として作動して発電が行われる一方、エンジンの低速域からの加速運転時には、第１回転電機が電動機として作動して第１ターボ過給機の駆動がアシストされるようになっている。

特開２００５−９３１５号公報

ところで、上記のように第１および第２ターボ過給機の少なくとも一方を回転電機によりアシスト駆動するようにした場合には、回転電機の容量を大きくしてそのアシスト力を増大させることで、より高い過給圧を得ることができるものの、回転電機の容量を大きくし過ぎると、回転電機で消費される電力が増大して燃費性能の悪化を招くという問題がある。これを回避するには、回転電機の消費電力をできるだけ低く抑えながら、より高い過給圧が得られるようにするための改善が必要である。しかしながら、上記特許文献１に開示された技術では、第１および第２ターボ過給機に備わる２つの回転電機を用いて発電することによる排気エネルギーの回収に主眼が置かれており、上記回転電機を用いてターボ過給機の駆動をアシストする際に、そのアシスト力を低減しつつ過給圧を高めるという上記のような点に着目した提案がなされているわけではなかった。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、２機のターボ過給機を用いて過給を行う際に、付与されるアシスト力をできるだけ低く抑えながら十分な過給圧を得ることが可能なターボ過給機付エンジンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するためのものとして、本発明は、過給容量が相対的に大きい大型ターボ過給機と、過給容量が相対的に小さい小型ターボ過給機とを備え、上記小型ターボ過給機のタービンが上記大型ターボ過給機のタービンに対し排気通路の上流側に配置されるとともに、上記小型ターボ過給機のコンプレッサが上記大型ターボ過給機のコンプレッサに対し吸気通路の下流側に配置された車両搭載用のターボ過給機付エンジンであって、上記大型ターボ過給機のコンプレッサの回転をアシストするアシスト駆動手段と、上記大型ターボ過給機のタービンをバイパスするための開閉可能なタービンバイパス通路と、上記アシスト駆動手段の駆動および上記タービンバイパス通路の開閉を含む各種制御を行う制御手段とを備え、上記制御手段は、エンジンの低回転・高負荷寄りに設定された２段ターボ領域で、上記タービンバイパス通路を開放しつつ上記アシスト駆動手段を作動させて上記大型ターボ過給機のコンプレッサを回転駆動するとともに、ここで加圧された吸気を上記小型ターボ過給機のコンプレッサに導入することにより、上記大型および小型ターボ過給機の両方に過給を行わせることを特徴とするものである（請求項１）。

本発明によれば、回転速度が低いにもかかわらず比較的多量の過給が必要な低回転・高負荷寄りの運転領域（２段ターボ領域）で、大型ターボ過給機のコンプレッサをアシスト駆動手段により回転駆動して吸気を加圧し、加圧された吸気をさらに小型ターボ過給機のコンプレッサに導入してさらに加圧するようにしたため、例えば小型ターボ過給機にアシスト駆動手段を設けた場合と比較して、上記大型・小型ターボ過給機の両方で分担しながら効率的に過給を行うことができ、上記アシスト駆動手段によるアシスト力をそれほど大きく設定しなくても、トータルとして高い過給圧を得ることができる。このため、上記アシスト駆動手段による消費エネルギーを少なくし、燃費の悪化を最小限に抑えながらも、高い過給圧により十分なエンジン出力を確保できるという利点がある。

また、上記アシスト駆動手段の作動中、上記大型ターボ過給機のタービンをバイパスするためのタービンバイパス通路が開放されるので、排気ガスの流通が上記大型ターボ過給機のタービンにより阻害されず、エンジンの排圧（タービン前の一次排圧）の上昇が抑制され、小型ターボ過給機のタービンによるタービン効率が向上する。これにより、小型ターボ過給機のタービンを介して排気ガスのエネルギーをより効率よく回収でき、上記２段ターボ領域での過給圧をさらに高めることができる。

上記構成において、より好ましくは、上記大型ターボ過給機のタービンとコンプレッサとの間に、両者の連結を断続するためのクラッチが設けられるとともに、当該クラッチよりもコンプレッサ側に上記アシスト駆動手段が設けられ、上記制御手段は、上記２段ターボ領域で上記アシスト駆動手段を作動させる間、上記クラッチを解放して上記大型ターボ過給機のタービンとコンプレッサとの連結を分離する（請求項２）。

この構成によれば、上記２段ターボ領域でアシスト駆動手段が作動した際に、大型ターボ過給機のコンプレッサのみが上記アシスト駆動手段により駆動され、比較的重量の大きいタービンは駆動されないため、上記アシスト駆動手段による消費エネルギーをより効果的に削減できるという利点がある。

上記構成において、より好ましくは、上記制御手段は、上記２段ターボ領域よりも低負荷側に設定された小型ターボ領域で、上記大型ターボ過給機のアシスト駆動手段を停止させることにより、小型ターボ過給機のみに過給を行わせる（請求項３）。

この構成によれば、回転速度および負荷が比較的小さく、それほど大きい過給圧が必要でない状況で、大型ターボ過給機の駆動を停止させ、小型ターボ過給機のみによって過給を行うことにより、運転状態に応じた適正な過給圧を無駄なく得ることができるという利点がある。

本発明において、好ましくは、上記制御手段は、上記２段ターボ領域および小型ターボ領域を少なくとも含む所定の運転領域で、理論空燃比に対する空気過剰率λをλ＝２以上の所定値に設定する（請求項４）。

この構成によれば、空気過剰率λ＝２以上という大幅にリーンな燃焼条件で運転することにより、燃焼温度を低く抑えて熱効率を高め、燃費性能を大幅に向上させることができる。しかも、大型ターボ過給機と小型ターボ過給機という２機の過給機を備えた本発明のエンジンでは、必要に応じて多量の空気を過給できるため、λ＝２以上の熱効率の高い運転領域をより高回転・高負荷側まで拡大しながらも、多量の過給により十分なエンジン出力を確保できるという利点がある。

上記構成において、より好ましくは、上記制御手段は、上記２段ターボ領域および小型ターボ領域よりも高回転側に設定された運転領域で、上記大型ターボ過給機のみに過給を行わせるとともに、この大型ターボ過給機のみを用いる運転領域のうち少なくとも高負荷側の一部に設定されたリッチ領域では、空気過剰率λを上記所定値よりも小さい値に設定する（請求項５）。

このように、相対的に空燃比をリッチ化して大型ターボ過給機のみで過給する運転領域を高回転側に設けた場合には、空燃比のリッチ化と大型ターボ過給機による高圧過給とにより、高回転域でのトルクを十分に確保できるという利点がある。

上記構成において、より好ましくは、上記制御手段は、上記リッチ領域を除く運転領域における空気過剰率λを、λ＝２を超える所定値に設定するとともに、上記リッチ領域での空気過剰率λを、１以下か、または２以上かつ上記所定値未満に設定する（請求項６）。

この構成によれば、空気過剰率λが１超２未満の範囲に設定されないため、通常のエンジンに用いられる三元触媒以外に、ＮＯｘ浄化用の特別な装置（例えばＮＯｘ触媒）を排気通路に設けなくても、ＮＯｘの排出量を十分小さいレベルに抑えられるという利点がある。

以上説明したように、本発明の車両搭載用のターボ過給機付エンジンによれば、２機のターボ過給機を用いて過給を行う際に、付与されるアシスト力をできるだけ低く抑えながら十分な過給圧を得ることができるという利点がある。

本発明の一実施例にかかるターボ過給機付エンジンの全体構成を示す図である。 エンジン本体の構成を示す断面図である。 エンジンの制御系を示すブロック図である。 エンジンを制御するために参照される制御マップの一例を示す図である。 上記制御マップ上の第１運転領域において行われるエンジン制御の内容を説明するための図である。 上記制御マップ上の第２運転領域において行われるエンジン制御の内容を説明するための図である。 上記制御マップ上の第３運転領域において行われるエンジン制御の内容を説明するための図である。 上記制御マップ上の第４運転領域において行われるエンジン制御の内容を説明するための図である。 上記制御マップ上の第５運転領域において行われるエンジン制御の内容を説明するための図である。 上記制御マップ上の第６運転領域において行われるエンジン制御の内容を説明するための図である。 上記制御マップ上の第７運転領域において行われるエンジン制御の内容を説明するための図である。 複数の異なる過給条件下でエンジンを運転した場合に、エンジン回転速度に応じて図示平均有効圧力がどのように変化するかを説明するためのグラフである。 上記第２運領域から第３運転領域への移行時に行われる制御の内容を示す図である。 上記第３運領域から第４運転領域への移行時に行われる制御の内容を示す図である。 小型ターボ過給機におけるコンプレッサの体積流量、圧力比、およびコンプレッサ効率を、２種類の過給条件について解析したグラフである。

（１）エンジンの全体構成
図１は、本発明の一実施例にかかるターボ過給機付エンジンの全体構成を示す図であり、図２は、そのエンジン本体１の構成を示す断面図である。これらの図に示されるエンジンは直列多気筒エンジンであり、そのエンジン本体１には複数の気筒（図示の例では４つの気筒１Ａ〜１Ｄ）が設けられ、各気筒１Ａ〜１Ｄにはそれぞれピストン２（図２）が嵌挿されている。ピストン２はコネクティングロッド４を介してクランク軸３と連結されており、上記ピストン２の往復運動に応じて上記クランク軸３が軸回りに回転するようになっている。

上記ピストン２の上方には燃焼室５が形成され、燃焼室５に吸気ポート６および排気ポート７が開口し、各ポート６，７を開閉する吸気弁８および排気弁９がエンジン本体１の上部に設けられている。なお、図例のエンジンはいわゆるダブルオーバーヘッドカムシャフト式（ＤＯＨＣ）エンジンであり、各気筒につき上記吸気弁８および排気弁９がそれぞれ２つずつ設けられている。そして、吸気弁８および排気弁９の上方に、クランク軸３と連動して回転する一対のカムシャフト５２，５３（図２）等を含む動弁機構５０，５１が設けられ、各動弁機構５０，５１により上記吸排気弁８，９が個別に開閉駆動されるようになっている。

上記吸気弁８用の動弁機構５０には、可変バルブリフト機構（Variable Valve Lift Mechanism）としてのＶＶＬ５４（図２）が組み込まれている。ＶＶＬ５４は、上記吸気弁８のリフト量（開弁量）をエンジンの運転状態に応じて変更するものである。なお、ＶＶＬ５４は、既に様々な形式のものが実用化されて公知であるため、その詳細な構造についての説明は省略する。

図１および図２に示すように、上記エンジン本体１には、燃焼室５に直接燃料を噴射するインジェクタ１０と、燃焼室５に点火用の火花を放電する点火プラグ１１とが、各気筒につきそれぞれ１つずつ設けられている。なお、図示の例では、燃焼室５を吸気側の側方から臨むようにインジェクタ１０が設けられるとともに、燃焼室５を上方から臨むように点火プラグ１１が設けられている。

上記点火プラグ１１は、火花放電用の電力を生成する点火回路装置１２と電気的に接続されており、この点火回路装置１２からの給電に応じて、上記点火プラグ１１から所定のタイミングで火花が放電されるようになっている。

また、図２に示すように、上記エンジン本体１には、そのクランク軸３の回転速度を検出するエンジン回転速度センサ７１と、エンジンの冷却水の温度を検出する水温センサ７２とが設けられている。

上記エンジン本体１の吸気ポート６および排気ポート７には、吸気通路１３および排気通路１９がそれぞれ接続されている。

上記吸気通路１３は、燃焼用の空気を燃焼室５に供給するための通路であり、図１に示すように、気筒別に分岐した複数の分岐通路部１４と、その上流側に共通に設けられた共通通路部１５とを有している。

上記排気通路１９は、上記燃焼室５で生成された既燃ガス（排気ガス）を排出するための通路であり、上記吸気通路１３と同様、気筒別に分岐した複数の分岐通路部２０と、その下流側に共通に設けられた共通通路部２１とを備えている。

上記吸気通路１３の共通通路部１５のうち、後述するコンプレッサ２７よりも上流側には、上記共通通路部１５を通過する吸入空気の流量を検出するエアフローセンサ７０が設けられている。

また、上記共通通路部１５には、吸入空気量を調節するスロットル弁１６が設けられている。なお、上述したように、当実施形態のエンジンでは、ＶＶＬ５４の制御により吸気弁８のリフト量が可変的に設定されるため、上記スロットル弁１６を開閉させなくても、燃焼室５への吸気充填量を調整してエンジン出力を制御することが可能である。このことから、上記スロットル弁１６の開度は、エンジンの緊急停止時等を除いて、常に全開もしくは全開から少し絞った値に設定される。このように、スロットル弁２２の開度を常に全開付近とすることで、ポンピングロスの低減を図ることができる。

図１に示すように、当実施形態のエンジンには、相対的に過給容量の大きい大型ターボ過給機２５と、相対的に過給容量の小さい小型ターボ過給機３５とからなる２つの過給機が設けられている。

上記大型ターボ過給機２５は、排気通路１９の共通通路部２１に設けられたタービン２６と、吸気通路１３の共通通路部１５に設けられたコンプレッサ２７と、これらタービン２６およびコンプレッサ２７どうしを連結する連結軸２８とを有している。

上記連結軸２８にはクラッチ２９が介設されており、このクラッチ２９の締結・解放に応じて上記タービン２６とコンプレッサ２７との連結が断続されるようになっている。そして、上記クラッチ２９が締結されている状態で、上記タービン２６が排気ガスのエネルギーを受けて回転すると、これと連動してコンプレッサ２７が高速回転することにより、上記吸気通路１３を通過する空気（吸入空気）が加圧されて燃焼室５へと圧送されるようになっている。

なお、上記大型ターボ過給機２５のタービン２６およびコンプレッサ２７としては、後述する小型ターボ過給機３５のタービン３６およびコンプレッサ３７よりも大型のものが使用されている。このため、上記大型ターボ過給機２５は、小型ターボ過給機３５と比較して、より高い多量の空気を圧送することが可能である一方、相対的に大きな駆動エネルギーを必要とする。

上記クラッチ２９とコンプレッサ２７との間には、上記大型ターボ過給機２５のコンプレッサ２７を補助的に駆動するための電動モータ３０（本発明にかかるアシスト駆動手段に相当）が設けられている。この電動モータ３０は、上記連結軸２８と一体に回転するロータと、電磁コイルを含むステータとを有しており、図外のバッテリから上記コイルに交流電流が印加されることにより、上記ロータおよび連結軸２８に所定の回転力が付与され、連結軸２８の回転がアシストされるようになっている。そして、このような電動モータ３０による連結軸２８の回転アシストにより、上記コンプレッサ２７の回転速度が、上記タービン２６の受ける排気エネルギーに相当する速度以上に増速されるようになっている。

また、上記大型ターボ過給機２５の連結軸２８（電動モータ３０とコンプレッサ２７との間の部位）には、コンプレッサ２７の回転速度を検出するためのコンプレッサ回転速度センサ７４が設けられている。

上記小型ターボ過給機３５は、排気通路１９の共通通路部２１に設けられたタービン３６と、吸気通路１３の共通通路部１５に設けられたコンプレッサ３７と、これらタービン３６およびコンプレッサ３７どうしを連結する連結軸３８とを有している。なお、上記小型ターボ過給機３５のタービン３６およびコンプレッサ３７としては、上記大型ターボ過給機２５のタービン２６およびコンプレッサ２７よりも小型のものが使用されている。また、上記小型ターボ過給機３５では、大型ターボ過給機２５と異なり、回転アシスト用の電動モータや、連結軸３８を断続するクラッチは設けられていない。

また、上記小型ターボ過給機３５と上記大型ターボ過給機２５との位置関係としては、小型ターボ過給機３５の方が大型ターボ過給機２５よりもエンジン本体１に近い側に配設されている。すなわち、上記小型ターボ過給機３５のタービン３６が上記大型ターボ過給機２５のタービン２６に対し排気通路１９の上流側に配置されるとともに、上記小型ターボ過給機３５のコンプレッサ３７が上記大型ターボ過給機２５のコンプレッサ２７に対し吸気通路１３の下流側に配置されている。

上記排気通路１９の共通通路部２１には、上記大型ターボ過給機２５のタービン２６をバイパスするためのタービンバイパス通路４０が設けられている。このタービンバイパス通路４０にはバイパス弁４４が設けられており、当該弁４４の開閉に応じて上記タービン２６前後の排気ガスの流れが切り替わるようになっている。すなわち、上記バイパス弁４４が閉弁されると、排気ガスがタービン２６に流入してタービン２６が回転駆動される一方、上記バイパス弁４４が開弁されると、排気ガスが主にタービンバイパス通路４０を通過する（つまりタービン２６をバイパスする）ことにより、上記タービン２６の回転が停止されるようになっている。

また、上記タービンバイパス通路４０よりも排気通路１９の上流側には、上記小型ターボ過給機３５のタービン３６をバイパスするためのタービンバイパス通路４２が設けられている。このタービンバイパス通路４２にはバイパス弁４６が設けられており、当該弁４６の開閉に応じて上記タービン３６の駆動・停止が切り替わるようになっている。

一方、上記吸気通路１３の共通通路部１５には、上記大型ターボ過給機２５のコンプレッサ２７をバイパスするためのコンプレッサバイパス通路４１が設けられている。このコンプレッサバイパス通路４１にはバイパス弁４５が設けられており、当該弁４５の開閉に応じて上記コンプレッサ２７前後の吸入空気の流れが切り替わるようになっている。すなわち、上記バイパス弁４５が閉弁されると、吸入空気が上記コンプレッサ２７に流入して圧縮される一方、上記バイパス弁４５が開弁されると、吸入空気が主にコンプレッサバイパス通路４１を通過する（つまりコンプレッサ２７をバイパスする）ことにより、上記コンプレッサ２７による吸気の圧縮が停止されるようになっている。

また、上記コンプレッサバイパス通路４１よりも吸気通路１３の下流側には、上記小型ターボ過給機３５のコンプレッサ３７をバイパスするためのコンプレッサバイパス通路４３が設けられている。このコンプレッサバイパス通路４３にはバイパス弁４７が設けられており、当該弁４７の開閉に応じて上記コンプレッサ３７による圧縮動作の有無が切り替わるようになっている。

上記吸気通路１３の共通通路部１５のうち、上記小型ターボ過給機３５のコンプレッサ３７よりも下流側に位置する部位には、過給により温度上昇した空気を冷却するためのインタークーラ１８が設けられている。

以上のように構成されたエンジンは、車両を駆動するための動力源として用いられる車両搭載用のエンジンである。このため、当該車両の車室内には図１に示されるアクセルペダル２３が設けられ、このアクセルペダル２３が運転者により踏み込み操作されるのに応じて、エンジン出力が制御されるようになっている。すなわち、運転者がアクセルペダル２３を踏み込み操作すると、その開度がアクセル開度センサ７３（図３）により検出され、その検出開度に応じた出力が得られるように、上記インジェクタ１０からの燃料の噴射量、上記ＶＶＬ５４による吸気弁８のリフト量、および上記大型・小型ターボ過給機２５，３５による過給量等がそれぞれ制御されるようになっている。

図３は、エンジンの制御系を示すブロック図である。本図に示されるＥＣＵ６０は、エンジンの各部を統括的に制御するための制御装置であり、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されている。

上記ＥＣＵ６０には、各種センサ類からの検出信号が入力される。すなわち、ＥＣＵ６０は、上述したエアフローセンサ７０、エンジン回転速度センサ７１、水温センサ７２、アクセル開度センサ７３、およびコンプレッサ回転速度センサ７４と電気的に接続されており、これら各種センサ類からの検出信号が上記ＥＣＵ６０に逐次入力されるようになっている。

また、上記ＥＣＵ６０は、上記インジェクタ１０、点火回路装置１２、スロットル弁１６、クラッチ２９、電動モータ３０、バイパス弁４４〜４７、およびＶＶＬ５４とも電気的に接続されており、これらの装置にそれぞれ制御用の電気信号を出力するように構成されている。

上記ＥＣＵ６０が有するより具体的な機能について説明すると、上記ＥＣＵ６０は、その主な機能要素として、記憶手段６１、運転状態判定手段６２、過給制御手段６３、インジェクタ制御手段６４、およびＶＶＬ制御手段６５を有している。

上記記憶手段６１は、エンジンの制御に必要な各種データを記憶するものであり、そのデータの１つとして、上記記憶手段６１には、図４に示される制御マップが記憶されている。図４の制御マップは、横軸をエンジン回転速度、縦軸をエンジン負荷（アクセル開度に基づく要求トルク）としたときの２次元領域を、特に大型・小型ターボ過給機２５，３５の過給動作に関する制御態様に応じて複数の領域Ａ１〜Ａ７に設定し分けたものである。なお、図４では、縦軸のエンジン負荷を、筒内の図示平均有効圧力；ＢＭＥＰ［ｂａｒ］で示している。

上記運転状態判定手段６２は、上記エンジン回転速度センサ７１の検出値に基づくエンジンの回転速度、および上記アクセル開度センサ７３の検出値に基づくエンジン負荷（要求トルク）から、各時点でのエンジンの運転状態を特定し、その特定された運転状態が図４の制御マップにおけるどの領域に対応するのかを判定するものである。

上記過給制御手段６３は、上記大型・小型ターボ過給機２５，３５の過給動作に関する制御として、上記バイパス弁４４〜４７の駆動に基づくバイパス通路４０〜４３の開閉や、上記大型ターボ過給機２５用の電動モータ３０およびクラッチ２９の駆動を制御するものである。より具体的に、上記過給制御手段６３は、上記運転状態判定手段６２による判定結果、つまり、エンジンの運転状態が図４に示した制御マップにおける領域Ａ１〜Ａ７のいずれにあるかに応じて、上記各バイパス通路４０〜４３の開閉、上記電動モータ３０のＯＮ／ＯＦＦ、および上記クラッチ２９の締結・解放を適宜切り替えるように構成されている（図５〜図１１等参照；詳細は後述する）。

上記インジェクタ制御手段６４は、上記インジェクタ１０から燃焼室５に噴射される燃料の噴射時期や噴射量（噴射時間）を制御するものである。より具体的に、上記インジェクタ制御手段６４は、上記エアフローセンサ７０から得られる吸気流量等の情報に基づいて、所定の空燃比を得るための燃料の目標噴射量を演算し、その目標噴射量に応じた時間だけ上記インジェクタ１０を開弁させることにより、筒内の空燃比を制御する機能を有している。

上記ＶＶＬ制御手段６５は、上記ＶＶＬ５４の動作を制御することにより、上記吸気弁８のリフト量をエンジンの運転状態に応じて調節するものである。

（２）エンジン制御の具体例
（２−１）各運転領域での制御の内容
次に、図４に示した制御マップの領域Ａ１〜Ａ７においてそれぞれ実行される制御の具体的な内容について、図５〜図１１の模式図を用いて説明する。なお、以下では、上記各領域Ａ１〜Ａ７のことを、順に、第１運転領域Ａ１、第２運転領域Ａ２、……第７運転領域Ａ７と称する。

（ｉ）第１運転領域Ａ１
第１運転領域Ａ１は、エンジン回転速度の全域において負荷の比較的低い領域（ＢＭＥＰ≦約３ｂａｒの領域）に設定される。この第１運転領域Ａ１では、上記大型ターボ過給機２５および小型ターボ過給機３５がいずれも使用されない、自然吸気（ノンターボ）による運転が行われる。すなわち、上記第１運転領域Ａ１では、全てのバイパス弁４４〜４６が開弁されることにより、大型・小型ターボ過給機２５，３５の各タービンバイパス通路４０，４２、および各コンプレッサバイパス通路４１，４３が全て開放される。これにより、図５に示すように、大型・小型ターボ過給機２５，３５の各コンプレッサ２７，３７をともにバイパスした経路を通って空気が吸入されるとともに、大型・小型ターボ過給機２５，３５の各タービン２６，３６をともにバイパスした経路を通って排気ガスが排出されることになる。

また、上記第１運転領域Ａ１では、筒内に形成される混合気の空燃比に関し、理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７）に対する空気過剰率λが、λ≒２．４（Ａ／Ｆ＝３５）という大幅にリーンな値となるように、上記インジェクタ１０からの燃料噴射量が制御される。このことは、後述する第７運転領域Ａ７を除く他の領域でも同じことである。すなわち、第７運転領域Ａ７を除いて、他の全ての運転領域（第１運転領域Ａ１〜第６運転領域Ａ６）では、空気過剰率λが一律にλ≒２．４に設定され、大幅にリーンな空燃比下での燃焼が行われる。

（ii）第２運転領域Ａ２
第２運転領域Ａ２は、上記第１運転領域Ａ１よりも高負荷側で、かつ低速〜中速回転にわたる範囲に設定される。この第２運転領域Ａ２では、図６に示すように、バイパス弁４６，４７が閉弁されて、小型ターボ過給機３５のタービンバイパス通路４２およびコンプレッサバイパス通路４３がともに遮断されることにより、小型ターボ過給機３５のみによって過給が行われる。すなわち、上記両バイパス通路４２，４３が遮断されることにより、小型ターボ過給機３５のタービン３６に排気ガスが導入されてタービン３６が回転駆動され、これに連動してコンプレッサ３７が回転することにより、吸入空気が加圧される。

一方、大型ターボ過給機２５のタービンバイパス通路４０およびコンプレッサバイパス通路４１は開放状態に維持されるため、大型ターボ過給機２５による過給は行われない。このとき、大型ターボ過給機２５の電動モータ３０はＯＦＦとされ、かつクラッチ２９は解放されてコンプレッサ２７とタービン２６との連結が分離される。

なお、上記（ｉ）でも述べた通り、上記第２運転領域Ａ２での空気過剰率λは、λ≒２．４に設定される。

（iii）第３運転領域Ａ３
第３運転領域Ａ３は、上記第２運転領域Ａ２よりも高負荷側で、かつ回転速度が比較的低い領域に設定される。この第３運転領域Ａ３では、図７に示すように、大型ターボ過給機２５および小型ターボ過給機３５の両方により過給が行われる。すなわち、上記小型ターボ過給機３５のタービンバイパス通路４２およびコンプレッサバイパス通路４３が遮断されるとともに、上記大型ターボ過給機２５のコンプレッサバイパス通路４１が遮断され、かつ大型ターボ過給機２５のコンプレッサ２７が電動モータ３０により回転駆動されることにより、上記小型ターボ過給機３５に加えて、大型ターボ過給機２５によっても過給が行われる。このとき、大型ターボ過給機２５のタービンバイパス通路４０は開かれており、また、コンプレッサ２７とタービン２６との間のクラッチ２９は解放される。このため、上記大型ターボ過給機２５のコンプレッサ２７は、タービン２６から駆動力を得ることなく、電動モータ３０の駆動力のみによって回転する。

なお、上記第３運転領域Ａ３での空気過剰率λは、λ≒２．４である。

（iv）第４運転領域Ａ４
第４運転領域Ａ４は、上記第２・第３運転領域Ａ２，Ａ３よりも高回転側の比較的狭い範囲に設定される。この第４運転領域Ａ４でも、上記大型ターボ過給機２５および小型ターボ過給機３５を用いた２段過給が行われるが、上記第３運転領域Ａ３の場合（図７）と異なる点として、図８に示すように、大型ターボ過給機２５のタービンバイパス通路４０が遮断されるとともに、大型ターボ過給機２５のクラッチ２９が締結される。これにより、大型ターボ過給機２５のタービン２６に排気ガスが導入されてタービン２６が回転駆動し、その駆動力がクラッチ２９を介してコンプレッサ２７に伝達される。

さらに、上記第４運転領域Ａ４では、小型ターボ過給機３５のタービンバイパス通路４２が、エンジン回転速度に応じて徐々に開放される。すなわち、上記第４運転領域Ａ４における最も低回転側の部分（第３運転領域Ａ３との隣接部）では、上記タービンバイパス通路４２を開閉するバイパス弁４６が全閉とされるが、そこからエンジン回転速度が上昇した場合には、回転速度の上昇に応じて上記バイパス弁４６が徐々に開弁され、その結果、上記タービンバイパス通路４２を通過する排気ガスの量（つまりタービン３６をバイパスする排気ガスの量）が徐々に増やされるようになっている。

また、上記第４運転領域Ａ４において、大型ターボ過給機２５の電動モータ３０については、負荷に応じてＯＮ／ＯＦＦが使い分けられる。すなわち、上記第４運転領域Ａ４のうち、より多量の過給が必要な高負荷側では、タービン２６を介した排気ガスのエネルギーだけでは十分な過給が行えないため、電動モータ３０でコンプレッサ２７の回転をアシストすべく電動モータ３０がＯＮされる一方、それほど多くの過給量が必要ない低負荷側では、電動モータ３０によるアシストは必要ないため、電動モータ３０はＯＦＦされる。

なお、上記第４運転領域Ａ４での空気過剰率λは、λ≒２．４である。

（ｖ）第５運転領域Ａ５
第５運転領域Ａ５は、上記第４運転領域Ａ４よりも高回転側の比較的広い領域に設定される。この第５運転領域Ａ５では、図９に示すように、大型ターボ過給機２５のみによって過給が行われる。すなわち、上記大型ターボ過給機２５のタービンバイパス通路４０およびコンプレッサバイパス通路４１が遮断される一方、上記小型ターボ過給機３５のタービンバイパス通路４２およびコンプレッサバイパス通路４３が開放されることにより、上記小型ターボ過給機３５による過給が停止され、大型ターボ過給機２５のみによって過給が行われる。このとき、大型ターボ過給機２５の電動モータ３０はＯＦＦとされ、大型ターボ過給機２５は、タービン２６に流入する排気ガスのエネルギーによってのみ駆動される。

なお、上記第５運転領域Ａ５での空気過剰率λは、λ≒２．４である。

（vi）第６運転領域Ａ６
第６運転領域Ａ６は、上記第４運転領域Ａ４よりも高回転側で、かつ上記第５運転領域Ａ５よりも高負荷側の領域に設定される。この第６運転領域Ａ６でも、大型ターボ過給機２５のみによって過給が行われるが、上記第５運転領域Ａ５の場合（図９）と異なる点として、図１０に示すように、大型ターボ過給機２５の電動モータ３０がＯＮされる。すなわち、電動モータ３０がＯＮされることにより、大型ターボ過給機２５は、タービン２６に流入する排気ガスのエネルギーと、電動モータ３０の駆動力との両方によって駆動されることになる。

なお、上記第６運転領域Ａ６での空気過剰率λは、λ≒２．４である。

（vii）第７運転領域Ａ７
第７運転領域Ａ７は、上記第４運転領域Ａ４および第６運転領域Ａ６よりも高負荷側に設定される。この第７運転領域Ａ７では、上述の第１運転領域Ａ１〜第６運転領域Ａ６と異なり、図１１に示すように、混合気の空気過剰率λが、λ＝２．０か、またはλ＝１．０に設定される。すなわち、第１運転領域Ａ１〜第６運転領域Ａ６での空気過剰率λが一律にλ≒２．４に設定されるのに対し、上記第７運転領域Ａ７では、これよりもリッチな値として、λ≒２．０または１．０に設定される。

なお、上記第７運転領域Ａ７での２種類の空気過剰率λの値（２．０または１．０）は、エンジンの負荷に応じて使い分けられる。すなわち、第７運転領域Ａ７のうち、負荷が比較的低い範囲では、空気過剰率λがλ≒２．０に設定され、これよりも高負荷側になると、より大きなトルクを得るために、空気過剰率λがλ≒１．０にまで低減される。

また、上記第７運転領域Ａ７での過給制御としては、上記第５・第６運転領域Ａ５，Ａ６のときと同じく、大型ターボ過給機２５のみを用いて過給が行われる。このとき、電動モータ３０については、空気過剰率λの値によってＯＮ／ＯＦＦが使い分けられる。すなわち、空気過剰率λ≒２．０のときには、電動モータ３０がＯＮされて大型ターボ過給機２５の駆動がアシストされ、空気過剰率λ≒１．０のときには、電動モータ３０によるアシストがなくても十分に高いトルクが得られるため、電動モータ３０はＯＦＦされる。

なお、以上のような各運転領域Ａ１〜Ａ７（図４）と、本願の請求項に記載の発明との対応関係としては、第２運転領域Ａ２が、本発明にかかる小型ターボ領域に相当し、第３運転領域Ａ３が、本発明にかかる２段ターボ領域に相当し、第７運転領域Ａ７が、本発明にかかるリッチ領域に相当する。

（２−２）領域設定の根拠
次に、図４に示したような領域設定を行う根拠となった本願発明者による解析の結果について説明する。図１２は、複数の異なる過給条件下でエンジンを運転した場合に、エンジン回転速度［ｒｐｍ］に応じて図示平均有効圧力ＢＭＥＰ［ｂａｒ］がどのように変化するかを演算し、その結果をグラフにまとめたものである。具体的に、図１２では、ラインＬ１〜Ｌ５で示す５種類の過給条件を設定し、各条件での図示平均有効圧力（トルク）の変化を演算した。なお、全ての条件において、空気過剰率λはλ≒２．４（Ａ／Ｆ＝３５）、スロットル開度は全開（１００％）とした。

上記５種類のラインＬ１〜Ｌ５は、それぞれ以下のような過給条件下でのトルクの変化を示している。

・ラインＬ１（小型ターボ）：小型ターボ過給機３５のみを用いて過給を行った場合
・ラインＬ２（大型ターボ）：大型ターボ過給機２５のみを用いて過給を行った場合
・ラインＬ３（電動アシスト小型ターボ）：小型ターボ過給機３５に、大型ターボ過給機２５用の電動モータ３０と同様の電動モータを設け、この電動モータにより駆動力がアシストされた小型ターボ過給機３５のみを用いて過給を行った場合
・ラインＬ４（電動アシスト大型ターボ）：電動モータ３０により駆動力がアシストされた大型ターボ過給機２５のみを用いて過給を行った場合
・ラインＬ５（電動アシスト大型ターボ＋小型ターボ）：電動モータ３０により駆動力がアシストされた大型ターボ過給機２５と、アシスト無しの小型ターボ過給機３５とを用いて過給を行った場合
なお、以下では、「電動モータにより駆動力がアシストされた大型ターボ過給機（または小型ターボ過給機）」のことを、単に「電動アシストされた大型ターボ過給機（または小型ターボ過給機）」と言うことがある。

図１２のグラフによれば、例えばエンジン回転速度が１０００〜２０００ｒｐｍの回転域において最も高いトルクが出るのは、電動アシストされた大型ターボ過給機２５と、アシスト無しの小型ターボ過給機３５とによる２段過給を行った場合である（ラインＬ５参照）。このことを受けて、図４の制御マップでは、上記のような低速寄りの回転域における最も高負荷側の領域に、過給条件が上記ラインＬ５と同じである第３運転領域Ａ３を設定している。したがって、上記第３運転領域Ａ３の上限ライン（太線の部分）は、図１２におけるラインＬ５（より具体的には１０００〜２０００ｒｐｍの範囲のラインＬ５）と一致する。

上記第３運転領域Ａ３よりも低負荷側には、図４に示したように、小型ターボ過給機３５のみを用いて過給を行う第２運転領域Ａ２が設定されているが、この第２運転領域Ａ２での過給条件には、図１２中のラインＬ１が対応する。したがって、上記第２運転領域Ａ２の上限ライン（第２運転領域Ａ２と第３運転領域Ａ３との境界線）は、上記ラインＬ１と一致する。

また、図１２によると、エンジン回転速度が３０００ｒｐｍ以上の回転域において最もトルクが出るのは、電動アシストされた大型ターボ過給機２５のみを用いて過給した場合である（ラインＬ４参照）。このことを受けて、図４の制御マップにおける高速寄りの回転域では、第７運転領域Ａ７（リッチ領域）を除く最も高負荷側の領域に、過給条件が上記ラインＬ４と同じである第６運転領域Ａ６を設定している。したがって、上記第６運転領域Ａ６の上限ライン（太線の部分）は、図１２におけるラインＬ４と一致する。

上記第６運転領域Ａ６よりも低負荷側には、図４に示したように、アシスト無しの大型ターボ過給機２５のみで過給を行う第５運転領域Ａ５が設定されているが、この第５運転領域Ａ５での過給条件には、図１２中のラインＬ２が対応する。したがって、上記第５運転領域Ａ５の上限ライン（第５運転領域Ａ５と第６運転領域Ａ６との境界線）は、上記ラインＬ２と一致する。

ここで、図１２の結果だけに基づいて、エンジンの回転域ごとに最も高いトルクが得られる過給条件を選択しようとすれば、エンジン回転速度が１０００〜３０００ｒｐｍの回転域では、電動アシストされた大型ターボ過給機２５と小型ターボ過給機３５とによる２段過給（ラインＬ５）を選択すればよく、エンジン回転速度が３０００ｒｐｍ以上の回転域では、電動アシストされた大型ターボ過給機２５のみによる過給（ラインＬ４）を選択すればよい。しかしながら、図１２のグラフから理解できるように、３０００ｒｐｍの前後で過給条件をラインＬ５の条件からラインＬ４の条件へと切り替えたとしても、その切り替えの前後で、図中のＳ部に示すようなトルクの落ち込みが生じてしまう。

そこで、本願発明者は、上記のような３０００ｒｐｍ前後でのトルクの落ち込み（Ｓ部）を低減するには、どのような過給制御を行えばよいかを検討すべく、図１２のラインＬ１〜Ｌ５以外の過給条件についても解析を行った。その結果、電動アシストされた大型ターボ過給機２５と小型ターボ過給機３５とによる２段過給を行いつつ、小型ターボ過給機３５のタービンバイパス通路４２をエンジン回転速度に応じて徐々に開放すれば、上記のようなトルクの落ち込みを低減でき、比較的安定したトルクが得られることを発見した（そのしくみについては後で説明する）。図４の制御マップにおいて、第２・第３運転領域Ａ２，Ａ３と第５・第６運転領域Ａ５，Ａ６との間の中間速度域に、上記のような条件で過給を行う第４運転領域Ａ４が設定されているのはこのためである。

（２−３）領域移行時の制御
次に、図４の制御マップに示した各運転領域Ａ１〜Ａ７の間での領域移行時の制御について説明する。特にここでは、エンジンの運転状態が、図４の矢印Ｑに示すように、領域Ａ１→Ａ２→Ａ３→Ａ４→Ａ６へと変化した場合を想定し、このうち、領域Ａ２からＡ３への移行時（点Ｐ１）と、領域Ａ３からＡ４への移行時（点Ｐ２）とを取り上げ、各時点で実行される制御の手順についてそれぞれ説明する。なお、上記矢印Ｑのようにエンジンの運転状態が変化するような状況としては、例えば、車両が低速かつ定常走行している状態で、運転者によりアクセルペダル２３（図１）が深く踏み込まれ、これによって車両が急加速するような状況が挙げられる。

（ｉ）運転領域Ａ２→Ａ３への移行時
まず、エンジンの運転状態が、第２運転領域Ａ２から、これよりも高負荷側の第３運転領域Ａ３に移行するとき（図４の点Ｐ１の時点）に行われる制御の内容を、図１３（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。第２運転領域Ａ２では、図１３（ａ）に示すように、小型ターボ過給機３５のみによって過給が行われている。そして、この状態から第３運転領域Ａ３への移行が始まると、図１３（ｂ）に示すように、まず大型ターボ過給機２５の電動モータ３０がＯＮされる。すると、この電動モータ３０の駆動力を受けて、上記大型ターボ過給機２５のコンプレッサ２７が回転を始める。このとき、大型ターボ過給機２５のクラッチ２９は解放されているため、上記コンプレッサ２７のみが回転し、タービン２６が回転することはない。

上記電動モータ３０の駆動によりコンプレッサ２７の回転速度が上昇し、上記コンプレッサ回転速度センサ７４による検出回転速度が所定値以上に達すると、図１３（ｃ）に示すように、上記大型ターボ過給機２５のコンプレッサバイパス通路４１が遮断され、吸入空気がコンプレッサ２７に導入されるようになる。すなわち、上記大型ターボ過給機２５のコンプレッサ２７に導入されて加圧された空気が、上記小型ターボ過給機３５のコンプレッサ３７に導入されてさらに加圧されることにより、上記大型ターボ過給機２５と小型ターボ過給機３５とによる２段過給が開始される。

（ii）運転領域Ａ３→Ａ４への移行時
次に、エンジンの運転状態が、第３運転領域Ａ３から、これよりも高負荷側の第４運転領域Ａ４に移行するとき（図４の点Ｐ２の時点）に行われる制御の内容を、図１４（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。第３運転領域Ａ２では、図１４（ａ）に示すように、大型ターボ過給機２５と小型ターボ過給機３５とによる２段過給が行われている。そして、この状態から第４運転領域Ａ４への移行が始まると、図１４（ｂ）に示すように、まず大型ターボ過給機２５のコンプレッサバイパス通路４１が開放される。

次いで、図１４（ｃ）に示すように、大型ターボ過給機２５のクラッチ２９が締結されることにより、大型ターボ過給機２５のタービン２６とコンプレッサ２７とが連結され、両者の回転が同期される。そして、上記コンプレッサ回転速度センサ７４の検出値に基づくタービン２６およびコンプレッサ２７の回転速度が所定値以上に達した時点で、図１４（ｄ）に示すように、大型ターボ過給機２５のコンプレッサバイパス通路４１が遮断され、吸入空気がコンプレッサ２７に導入される。さらにその後、図１４（ｅ）に示すように、大型ターボ過給機２５のタービンバイパス通路４０が遮断されることにより、タービン２６に排気ガスが導入される。これにより、排気ガスのエネルギーを受けてタービン２６およびコンプレッサ２７が回転駆動され、上記大型ターボ過給機２５と小型ターボ過給機３５とによる２段過給が開始される。

このとき、上記大型ターボ過給機２５の電動モータ３０については、エンジン負荷の大きさに応じてＯＮまたはＯＦＦされるが、図４の矢印Ｑに示すように、エンジンの運転状態が上記第４運転領域Ａ４における比較的負荷の高い部分に移行したような場合には、図１４（ｅ）に示すように、電動モータ３０はＯＮされ、この電動モータ３０の駆動力と、上記タービン２６に流入する排気ガスのエネルギーとの両方により、大型ターボ過給機２５が駆動される。

（３）まとめ
次に、以上説明した本発明の実施形態における特徴的構成およびその効果についてまとめて説明する。

上記実施形態のターボ過給機付エンジンには、過給容量が相対的に大きい大型ターボ過給機２５と、過給容量が相対的に小さい小型ターボ過給機３５とが設けられており、上記小型ターボ過給機３５のタービン３６が上記大型ターボ過給機２５のタービン２６に対し排気通路１９の上流側に配置されるとともに、上記小型ターボ過給機３５のコンプレッサ３７が上記大型ターボ過給機２５のコンプレッサ２７に対し吸気通路１３の下流側に配置されている。また、上記大型ターボ過給機２５には、そのコンプレッサ２７の回転をアシストする電動モータ３０（アシスト駆動手段）が設けられ、この電動モータ３０を含むエンジンの各部がＥＣＵ６０（制御手段）によって制御される。上記ＥＣＵ６０には、過給条件の異なる複数の運転領域Ａ１〜Ａ７が設定された制御マップ（図４）が記憶されており、この制御マップのうち、エンジンの低回転・高負荷寄りに設定された第３運転領域Ａ３では、図７に示したように、上記電動モータ３０の作動により上記大型ターボ過給機２５のコンプレッサ２７が回転駆動されるとともに、ここで加圧された吸気が上記小型ターボ過給機３５のコンプレッサ３７に導入されることにより、上記大型・小型ターボ過給機２５，３５の両方によって過給が行われる。このような構成によれば、回転速度が低いにもかかわらず比較的多量の過給が必要な上記第３運転領域Ａ３において、電動モータ３０によるアシスト力をそれほど大きく設定しなくても、十分に高い過給圧が得られるという利点がある。

すなわち、上記実施形態では、大型ターボ過給機２５のコンプレッサ２７を電動モータ３０により回転駆動して吸気を加圧し、加圧された吸気をさらに小型ターボ過給機３５のコンプレッサ３７に導入してさらに加圧するようにしたため、これら大型・小型ターボ過給機２５，３５の両方で分担しながら効率的に過給を行うことができ、上記電動モータ３０によるアシスト力をそれほど大きく設定しなくても、トータルとして高い過給圧を得ることができる。このため、上記電動モータ３０による消費エネルギーを少なくし、燃費の悪化を最小限に抑えながらも、高い過給圧により十分なエンジン出力を確保できるという利点がある。

例えば、上記実施形態とは異なる態様として、小型ターボ過給機３５を電動モータでアシスト駆動することも考えられるが、このようにすると、上記小型ターボ過給機３５のコンプレッサ３７前後の圧力比が高くなり過ぎて、コンプレッサ効率が低下するため、電動モータによるアシスト駆動力が同じであれば、トータルとして得られる過給圧は低下してしまう。すなわち、大型ターボ過給機２５ではなく小型ターボ過給機３５に電動モータを設けた場合、上記第３運転領域Ａ３のような低回転域では、上記大型ターボ過給機２５の過給能力はほとんど発揮されず、専ら小型ターボ過給機３５により過給が行われることになる。このことは、アシスト無しの大型ターボ過給機２５の過給特性を示す図１２のラインＬ２が、低回転域（特に１０００〜２０００ｒｐｍ）でほとんど立ち上がっていないことからも理解できる。したがって、上記第３運転領域Ａ３での過給は、実質的に小型ターボ過給機３５のみが担うことになり、その結果、小型ターボ過給機３５のコンプレッサ３７前後の圧力比が高くなり過ぎて、コンプレッサ効率が低下してしまう。

図１５は、上記実施形態の電動モータ３０と同じ容量の電動モータを小型ターボ過給機３５に設け、このモータでアシスト駆動した小型ターボ過給機３５により過給を行った場合（ラインＹ）と、上記実施形態のように、電動モータ３０でアシスト駆動された大型ターボ過給機２５と小型ターボ過給機３５とにより２段過給を行った場合（ラインＸ）とについて、小型ターボ過給機３５の過給性能を比較したグラフである。なお、同グラフにおいて、縦軸はコンプレッサ前後の圧力比（＝コンプレッサ下流圧／コンプレッサ上流圧）、横軸はコンプレッサから吐出される体積流量であり、グラフ内の線群の数値（％値）はコンプレッサ効率（＝コンプレッサの圧縮仕事量／タービンの仕事量）を表わしている。

図１５において、例えばラインＸの最も低回転側（エンジン回転速度＝１０００ｒｐｍ）の点Ｘ１と、ラインＹの同回転速度での点Ｙ１とを比較すると、点Ｘ１の方がＹ１に比べてコンプレッサ前後の圧力比が小さく、コンプレッサ効率が高いことが分かる。これは、点Ｘ１の場合、大型ターボ過給機２５のコンプレッサ２７がまず吸気を加圧し、その加圧空気が小型ターボ過給機３５のコンプレッサ３７でさらに加圧されるため、点Ｙ１のときと比較して、小型ターボ過給機３５のコンプレッサ３７の負担が軽減され（つまり圧力比が低下して）、そのコンプレッサ効率が向上したものと考えられる。この結果、上記小型ターボ過給機３５のコンプレッサ３７と、その上流側に位置する上記大型ターボ過給機２５のコンプレッサ２７とにより、トータルとして十分な過給能力が発揮され、電動モータによるアシスト力が同じでも、より高い過給圧が得られるようになる。以上のことからも、大型ターボ過給機２５に電動モータ３０を設けた方が、小型ターボ過給機３５に同様の電動モータを設けるよりも、効率よく過給を行うことができ、少ない消費エネルギーで高い過給圧が得られることが分かる。

また、上記実施形態では、大型ターボ過給機２５のタービン２６をバイパスするための開閉可能なタービンバイパス通路４０が排気通路１９に設けられ、上記第３運転領域Ａ３で電動モータ３０が作動している間、上記タービンバイパス通路４０が開放されるようになっている（図７参照）。このような構成によれば、排気ガスの流通が上記大型ターボ過給機２５のタービン２６により阻害されないため、エンジンの排圧（タービン前の一次排圧）の上昇が抑制され、小型ターボ過給機３５のタービン３６によるタービン効率（＝タービンの仕事量／タービンで使われた排気エネルギー）が向上する。これにより、小型ターボ過給機３５のタービン３６を介して排気ガスのエネルギーをより効率よく回収でき、上記第３運転領域Ａ３での過給圧をさらに高めることができる。

さらに、上記実施形態では、大型ターボ過給機２５のタービン２６とコンプレッサ２７との間に、両者の連結を断続するためのクラッチ２９が設けられるとともに、当該クラッチ２９よりもコンプレッサ２７側に上記電動モータ３０が設けられ、かつ、上記第３運転領域Ａ３で電動モータ３０が作動している間、上記クラッチ２９が解放されて上記大型ターボ過給機２５のタービンとの連結が分離されるようになっている。このような構成によれば、上記第３運転領域Ａ３で電動モータ３０が作動した際に、大型ターボ過給機２５のコンプレッサ２７のみが上記電動モータ３０により駆動され、比較的重量の大きいタービン２６は駆動されないため、電動モータ３０による消費エネルギーをより効果的に削減できるという利点がある。

例えば、排気通路１９に設けられるタービン２６は、かなりの高温に晒されるため、耐熱鋼等の材質から構成されるが、高温に晒されないコンプレッサ２７は、アルミや樹脂等から構成される。このことから、タービン２６は、一般に、コンプレッサ２７よりも大幅に重量が大きい。しかも、上記第３運転領域Ａ３では、排気ガスがタービン２６をバイパスするため、排気ガスのエネルギーがタービン２６に付与されることはない。したがって、上記第３運転領域Ａ３で、タービン２６とコンプレッサ２７とを分離することなく、両者を一体に電動モータ３０で回転駆動してしまうと、慣性の大きいタービン２６を強制回転させるために比較的大きなエネルギーが消費され、電動モータ３０による消費エネルギーが無駄に増大するおそれがある。これに対し、上記実施形態では、第３運転領域Ａ３での電動モータ３０の作動を、タービン２６とコンプレッサ２７とを分離した状態で行うようにしたため、上記のような事態を回避して電動モータ３０による消費エネルギーを効果的に削減できるという利点がある。

また、上記実施形態では、大型ターボ過給機２５のコンプレッサ２７をバイパスするための開閉可能なコンプレッサバイパス通路４１が吸気通路１３に設けられ、上記第３運転領域Ａ３よりも低負荷側に設定された第２運転領域Ａ２では、上記大型ターボ過給機２５のコンプレッサバイパス通路４１が開放されかつ上記電動モータ３０の作動が停止されることにより、小型ターボ過給機３５のみよる過給が行われるようになっている（図６参照）。このような構成によれば、回転速度および負荷が比較的小さく、それほど大きい過給圧が必要でない状況で、大型ターボ過給機２５の駆動を停止させ、小型ターボ過給機３５のみによって過給を行うことにより、運転状態に応じた適正な過給圧を無駄なく得ることができるという利点がある。

また、上記実施形態では、図１３（ａ）〜（ｃ）に示したように、上記第２運転領域Ａ２から第３運転領域Ａ３への移行時に、まず、大型ターボ過給機２５のタービンバイパス通路４０およびコンプレッサバイパス通路４１を開放した状態で、電動モータ３０をＯＮし、この電動モータ３０により大型ターボ過給機２５のコンプレッサ２７を回転駆動させ（同図（ｂ））、その後、コンプレッサ２７の回転速度が所定値以上に上昇した時点で、上記大型ターボ過給機２５のコンプレッサバイパス通路４１を遮断するようにした（同図（ｃ））。このような構成によれば、上記第２運転領域Ａ２から第３運転領域Ａ３への移行時に、優れた応答性で過給圧を高めることができるとともに、エンジントルクの低下を効果的に防止できるという利点がある。

例えば、上記実施形態とは異なる態様として、電動モータ３０を作動させるのと同時またはそれよりも以前に大型ターボ過給機２５のコンプレッサバイパス通路４１を遮断することも可能であるが、このようにすると、未だ回転上昇していない大型ターボ過給機２５のコンプレッサ２７によって吸気の流入が阻害されることにより、一時的に過給圧が下がってエンジントルクの低下（トルクダウン）を招くとともに、コンプレッサ２７が十分に回転上昇するのに要する時間（ターボラグ）が増大するおそれがある。これに対し、上記実施形態では、電動モータ３０により大型ターボ過給機２５のコンプレッサ２７の回転速度を十分に上昇させてからコンプレッサバイパス通路４１を遮断する（つまりコンプレッサ２７に吸気を導入する）ようにしたため、上記第２運転領域Ａ２から第３運転領域Ａ３への移行時に、ターボラグの少ない優れた応答性で過給圧を高めることができ、上記のようなトルクダウンの発生を効果的に防止することができる。

しかも、上記第３運転領域Ａ３への移行時に行われる上記手順の制御（図１３（ａ）→（ｂ）→（ｃ）の制御）を、大型ターボ過給機２５のクラッチを解放した状態（つまり重量の重いタービン２６をコンプレッサ２７から切り離した状態）で行うようにしたため、上記電動モータ３０によりコンプレッサ２７の回転速度を素早く上昇させることができ、上記第３運転領域Ａ３への移行を迅速に完了させることが可能である。

一方、上記実施形態において、上記第３運転領域Ａ３よりも高回転側には、大型ターボ過給機２５のみで過給を行う第６運転領域Ａ６が設定されており、さらに、この第６運転領域Ａ６と上記第３運転領域Ａ３との間には、大型ターボ過給機２５のクラッチ２９を締結した状態で２段過給を行う第４運転領域Ａ４が設定されている。より具体的に、この第４運転領域Ａ４では、図８に示したように、上記クラッチ２９が締結されて大型ターボ過給機２５のタービン２６とコンプレッサ２７とが連結され、かつ上記大型ターボ過給機２５のタービンバイパス通路４０およびコンプレッサバイパス通路４１が閉じられた状態で、上記小型ターボ過給機３５のタービンバイパス通路４２がエンジン回転速度の上昇に応じて徐々に開放される。このような構成によれば、例えば第３運転領域Ａ３よりも高回転側でいきなり大型ターボ過給機２５のみによる過給に切り替えた場合（第３運転領域Ａ３と第６運転領域Ａ６との間に第４運転領域Ａ４が存在しない場合）と比べて、切替前後のエンジントルクの低下を効果的に防止できるという利点がある。

すなわち、図１２のグラフでも説明したように、電動モータ３０によりアシスト駆動された大型ターボ過給機２５と小型ターボ過給機３５とによる２段過給（ラインＬ５）から、大型ターボ過給機２５のみによる過給（ラインＬ４）にいきなり切り替えた場合には、その切替の前後でエンジントルクが一時的に落ち込み（図１２のＳ部参照）、途切れのないスムーズな加速感が得られなくおそれがある。これに対し、上記実施形態のように、上記ラインＬ５の過給条件に相当する第３運転領域Ａ３と、上記ラインＬ４の過給条件に相当する第６運転領域Ａ６との間に、第４運転領域Ａ４を設定し、この第４運転領域Ａ４で、大型ターボ過給機２５と小型ターボ過給機３５とによる２段過給を行いつつ、上記小型ターボ過給機３５のタービンバイパス通路４２をエンジン回転速度に応じて徐々に開放するようにした場合には、小型ターボ過給機３５のコンプレッサ効率が改善され、小型ターボ過給機３５による過給圧が高まるため、上記のようなトルクの低下を効果的に低減できるという利点がある。なお、このような効果は、より詳しくは、以下のようなしくみによるものと考えられる。

上記第４運転領域Ａ４で、小型ターボ過給機３５のタービンバイパス通路４２を半開状態にすると、小型ターボ過給機３５のタービン３６が受ける排気エネルギーは減少するものの、大型ターボ過給機２５のタービン２６が受ける排気エネルギーが増大する。すると、上記クラッチ２９を介して大型ターボ過給機２５のタービン２６と連結されたコンプレッサ２７の圧縮力が高まり、その下流側の小型ターボ過給機３５のコンプレッサ３７に導入される吸気圧力が上昇する結果、小型ターボ過給機３５のコンプレッサ効率が高まる。以上により、上記大型ターボ過給機２５および小型ターボ過給機３５によるトータルの過給圧が高まって、エンジントルクが上昇すると考えられる。さらに、上記小型ターボ過給機３５のタービンバイパス通路４２の開度（バイパス弁４６の開度）が、エンジン回転速度の上昇に応じて大きく設定されるため、エンジン回転速度が上昇して排気流量が増大するほど、高流量下で高い過給能力を発揮する大型ターボ過給機２５で主に過給が行われるようになり、エンジン回転速度が変化しても高い過給圧を維持できるという利点がある。

さらに、上記実施形態では、図１４（ａ）〜（ｅ）に示したように、上記第３運転領域Ａ３から第４運転領域Ａ４への移行時に、大型ターボ過給機２５に関する制御として、コンプレッサバイパス通路４１の開放（同図（ｂ））→クラッチ２９の締結（同図（ｃ））→コンプレッサバイパス通路４１の遮断（同図（ｄ））→タービンバイパス通路４０の遮断（同図（ｅ））という手順の制御を行うようにした。このような構成によれば、第３運転領域Ａ３から第４運転領域Ａ４への移行時に、大型ターボ過給機２５の回転落ちによるトルクダウンを防止でき、より円滑な領域移行を図ることができる。

すなわち、上記実施形態では、大型ターボ過給機２５のコンプレッサバイパス通路４１を開放した状態でクラッチ２９を締結することにより、クラッチ２９の締結後、タービン２６の慣性の影響でコンプレッサ２７の回転が急低下しても、その影響で吸気量が急減することがない。そして、電動モータ３０の駆動力によりタービン２６およびコンプレッサ２７の回転速度が十分に上昇した時点で、大型ターボ過給機２５のコンプレッサバイパス通路４１を遮断することにより、高速回転するコンプレッサ２７に吸気を導入して十分に圧縮することができる。しかも、上記大型ターボ過給機２５のコンプレッサバイパス通路４１を遮断してから、その後でタービンバイパス通路４０を遮断するため、上記コンプレッサ２７の圧縮作用が実質的に始まる前に排圧が上昇するということがなく、排気ガスの滞留によるタービン効率の低下を防止することができる。以上により、第３運転領域Ａ３から第４運転領域Ａ４への移行時に、大型ターボ過給機２５の回転落ちによるトルクダウンを効果的に防止でき、より円滑な領域移行を図ることができる。

また、上記実施形態では、高回転・高負荷側の一部に設定された第７運転領域Ａ７を除く運転領域Ａ１〜Ａ６で、理論空燃比に対する空気過剰率λを一律にλ≒２．４に設定した。このような構成によれば、空気過剰率λ≒２．４という大幅にリーンな燃焼条件で運転することにより、燃焼温度を低く抑えて熱効率を高め、燃費性能を大幅に向上させることができる。しかも、大型ターボ過給機２５と小型ターボ過給機３５という２機の過給機を備えた上記実施形態のエンジンでは、必要に応じて多量の空気を過給できるため、λ≒２．４の熱効率に優れた運転領域をより高回転・高負荷側まで拡大しながらも、多量の過給により十分なエンジン出力を確保できるという利点がある。

一方、高回転・高負荷側の上記第７運転領域Ａ７では、大型ターボ過給機２５のみによって過給が行われるとともに、空気過剰率λがλ≒２．４よりも小さい値（２．０または１．０）に設定される。このように、空気過剰率λ≒２．４で運転する領域Ａ１〜Ａ６以外に、相対的に空燃比をリッチ化して大型ターボ過給機２５のみで過給する運転領域Ａ７を設けた場合には、空燃比のリッチ化と大型ターボ過給機２５による高圧過給とにより、高回転域でのトルクを十分に確保できるという利点がある。

しかも、上記第７運転領域Ａ７では、空気過剰率λがλ≒２．０または１．０に設定されるため、通常のエンジンに用いられる三元触媒以外に、ＮＯｘ浄化用の特別な装置（例えばＮＯｘ触媒）を排気通路１９に設けなくても、ＮＯｘの排出量を十分小さいレベルに抑えることが可能である。

すなわち、上記実施形態では、第１運転領域Ａ１〜第６運転領域Ａ６で空気過剰率λがλ≒２．４に設定されるとともに、これ以外の第７運転領域Ａ７で空気過剰率λ≒２．０または１．０に設定されるため、空気過剰率λがλ＝１〜２（１超２未満）の範囲に設定されることがない。空気過剰率λ＝１とした場合（理論空燃比で燃焼させた場合）には、三元触媒によりＮＯｘが高い浄化率で浄化されるため、排気通路１９を通じて外部に排出されるＮＯｘ濃度は十分に小さい値に抑えられる。一方、空気過剰率λ＝２以上の大幅にリーンな領域では、混合気の燃焼温度がかなりの低温になることから、燃焼により生じる生のＮＯｘの量が大幅に減少し、その結果、三元触媒の浄化能力がほとんど発揮されなくても、外部に排出されるＮＯｘ濃度を十分に低減することができる。このように、空気過剰率λを１超２未満の範囲を除いた値に設定することにより、貴金属を多く含んだ高価なＮＯｘ触媒を用いなくても、ＮＯｘ濃度を十分に低減することが可能である。

なお、上記実施形態では、第７運転領域Ａ７（リッチ領域）を除く領域Ａ１〜Ａ６で、空気過剰率λをλ≒２．４に設定する一方、上記第７運転領域Ａ７では、空気過剰率λをλ≒２．０または１．０に設定するようにしたが、空気過剰率λの設定例はこのような値に限られない。例えば、第７運転領域Ａ７を除く領域Ａ１〜Ａ６での空気過剰率λは、λ＝２を超えていればよく、また、λ＝２を超える範囲で変動する値であってもよい。また、第７運転領域Ａ７での空気過剰率λは、他の領域Ａ１〜Ａ６での空気過剰率よりも小さい値で、かつ、λ＝１超２未満の範囲を除外した値であればよい。すなわち、上記領域Ａ１〜Ａ６での空気過剰率λ（＞２）をλ₁とすると、第７運転領域Ａ７での空気過剰率λは、上記λ₁未満かつ２以上か、１以下であればよい。

２５ 大型ターボ過給機
２６ （大型ターボ過給機の）タービン
２７ （大型ターボ過給機の）コンプレッサ
２９ クラッチ
３０ 電動モータ（アシスト駆動手段）
３５ 小型ターボ過給機
３６ （小型ターボ過給機の）タービン
３７ （小型ターボ過給機の）コンプレッサ
４０ （大型ターボ過給機の）タービンバイパス通路
６０ ＥＣＵ（制御手段）
Ａ２ 第２運転領域（小型ターボ領域）
Ａ３ 第３運転領域（２段ターボ領域）
Ａ７ 第７運転領域（リッチ領域）

Claims (6)

1. 過給容量が相対的に大きい大型ターボ過給機と、過給容量が相対的に小さい小型ターボ過給機とを備え、上記小型ターボ過給機のタービンが上記大型ターボ過給機のタービンに対し排気通路の上流側に配置されるとともに、上記小型ターボ過給機のコンプレッサが上記大型ターボ過給機のコンプレッサに対し吸気通路の下流側に配置された車両搭載用のターボ過給機付エンジンであって、
   上記大型ターボ過給機のコンプレッサの回転をアシストするアシスト駆動手段と、
   上記大型ターボ過給機のタービンをバイパスするための開閉可能なタービンバイパス通路と、
   上記アシスト駆動手段の駆動および上記タービンバイパス通路の開閉を含む各種制御を行う制御手段とを備え、
   上記制御手段は、エンジンの低回転・高負荷寄りに設定された２段ターボ領域で、上記タービンバイパス通路を開放しつつ上記アシスト駆動手段を作動させて上記大型ターボ過給機のコンプレッサを回転駆動するとともに、ここで加圧された吸気を上記小型ターボ過給機のコンプレッサに導入することにより、上記大型および小型ターボ過給機の両方に過給を行わせることを特徴とする車両搭載用のターボ過給機付エンジン。
2. 請求項１記載の車両搭載用のターボ過給機付エンジンにおいて、
   上記大型ターボ過給機のタービンとコンプレッサとの間に、両者の連結を断続するためのクラッチが設けられるとともに、当該クラッチよりもコンプレッサ側に上記アシスト駆動手段が設けられ、
   上記制御手段は、上記２段ターボ領域で上記アシスト駆動手段を作動させる間、上記クラッチを解放して上記大型ターボ過給機のタービンとコンプレッサとの連結を分離することを特徴とする車両搭載用のターボ過給機付エンジン。
3. 請求項１または２記載の車両搭載用のターボ過給機付エンジンにおいて、
   上記制御手段は、上記２段ターボ領域よりも低負荷側に設定された小型ターボ領域で、上記大型ターボ過給機のアシスト駆動手段を停止させることにより、小型ターボ過給機のみに過給を行わせることを特徴とする車両搭載用のターボ過給機付エンジン。
4. 請求項３記載の車両搭載用のターボ過給機付エンジンにおいて、
   上記制御手段は、上記２段ターボ領域および小型ターボ領域を少なくとも含む所定の運転領域で、理論空燃比に対する空気過剰率λをλ＝２以上の所定値に設定することを特徴とする車両搭載用のターボ過給機付エンジン。
5. 請求項４記載の車両搭載用のターボ過給機付エンジンにおいて、
   上記制御手段は、上記２段ターボ領域および小型ターボ領域よりも高回転側に設定された運転領域で、上記大型ターボ過給機のみに過給を行わせるとともに、この大型ターボ過給機のみを用いる運転領域のうち少なくとも高負荷側の一部に設定されたリッチ領域では、空気過剰率λを上記所定値よりも小さい値に設定することを特徴とする車両搭載用のターボ過給機付エンジン。
6. 請求項５記載の車両搭載用のターボ過給機付エンジンにおいて、
   上記制御手段は、上記リッチ領域を除く運転領域における空気過剰率λを、λ＝２を超える所定値に設定するとともに、上記リッチ領域での空気過剰率λを、１以下か、または２以上かつ上記所定値未満に設定することを特徴とする車両搭載用のターボ過給機付エン
   ジン。
   

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