JP6399032B2 - ターボ過給機付エンジン - Google Patents

Description

本発明は、エンジン本体に、当該エンジン本体の回転域に応じて動作する２つの独立したターボ部を有するターボ過給機が付設されたターボ過給機付エンジンに関する。

ターボ過給機付エンジンでは、エンジンの排気エネルギーを利用して吸気を過給するターボ過給機が、エンジン本体の一側壁に隣接して取り付けられる。ターボ過給機のハウジング内には排気通路が備えられ、この排気通路に対して、エンジン本体から排気が供給される。前記排気通路は、エンジン本体から排気を受け入れる導入通路、タービンを収容するタービン室、及び前記導入通路から前記タービン室へ排気を導くスクロール通路を含む。導入された排気によって前記タービンはタービン軸回りに回転し、前記タービン軸に連結されたコンプレッサのブロワー扇車を回転させ、吸気を過給する。

前記導入通路、前記タービン室及び前記スクロール通路を形成するハウジング（タービンケース）は、鉄系の鋳造品（鋳鉄）にて形成される場合が多い。これは、前記スクロール通路などの形状が複雑化する傾向があり機械加工が困難なこと、高い強度を必要とすること等による。このような鋳鉄製のタービンケースの軽量化及び熱容量の抑制を目的として、特許文献１には、当該タービンケースの一部を板金材にて構成することが開示されている。

特開２００４−１４３９３７号公報

ターボ過給機として、２つの独立したターボ部を、タービンケース内の排気経路に沿って直列に配置してなる２ステージ型のターボ過給機が知られている。例えば、主としてエンジンの中速から高速回転域で動作する大型ターボ部と、主として低速回転域で動作する小型ターボ部とを備えた２ステージ型のターボ過給機が知られている。このような２ステージ型のターボ過給機において、軽量化や加工性を考慮して前記タービンケースを如何なる部材によって形成するかが問題となる。この場合、吸気の過給特性を良好に保つことは勿論、ターボ過給機の下流側に配置される排気ガス浄化用の触媒装置への影響も考慮せねばならない。

本発明の目的は、２つの独立したターボ部を有するターボ過給機のタービンケースの構造を、吸気の過給特性及び触媒装置への影響等を考慮して最適化してなるターボ過給機付エンジンを提供することにある。

本発明の一局面に係るターボ過給機付エンジンは、エンジン本体と、前記エンジン本体に隣接して配置され、前記エンジン本体から排気が供給される排気通路を有し、前記エンジン本体へ導入される吸気を過給するターボ過給機と、前記ターボ過給機を通過した排気を浄化する触媒装置と、を備え、前記ターボ過給機は、第１タービン及び該第１タービンを収容する第１タービンケースを含み、前記エンジン本体の中速から高速回転域で主に動作する大型ターボ部と、第２タービン及び該第２タービンを収容する第２タービンケースを含み、前記エンジン本体の低速回転域で主に動作する小型ターボ部と、を含み、前記第２タービンケースは鋳鉄製のケースである一方、前記第１タービンケースはアルミニウム合金板を用いた板金製のケースであり、前記小型ターボ部は、前記排気通路において前記大型ターボ部の上流に配置され、前記排気通路は、前記エンジン本体側から排気を受け入れる導入通路と、前記第１タービンへ向けて排気を導く第１スクロール通路と、前記第２タービンへ向けて排気を導く第２スクロール通路と、前記第２タービンと前記第１スクロール通路の上流部とを繋ぐターボ間通路と、前記第２スクロール通路及び前記ターボ間通路をバイパスして、前記導入通路と前記第１スクロール通路の上流部とを繋ぐバイパス通路と、を含み、前記バイパス通路に配置され、該バイパス通路を開閉するバイパス弁を備え、少なくとも前記第１スクロール通路及び前記バイパス通路下流付近が、前記第１タービンケースによって形成され、前記バイパス弁が開とされたとき、排気は前記導入通路、前記バイパス通路及び前記第１スクロール通路の順に通過し、前記バイパス弁が閉とされたとき、排気は前記導入通路、前記第２スクロール通路、前記ターボ間通路及び前記第１スクロール通路の順に通過し、前記大型ターボ部は、前記第１タービンの周囲に設けられた角度変更可能な複数のノズルベーンを含むとともに当該ノズルベーンにより前記第１タービンに流入する排気の流路面積を変更してこの排気の流速を変更する流速変更手段を備える一方、前記小型ターボ部は当該流速変更手段を備えないことを特徴とする。

本発明によれば、小型ターボ部が大型ターボ部の上流に配置される２ステージターボ過給機において、第１タービンケースがアルミニウム合金板を用いた板金製のケースとされるので、当該第１タービンケースの熱容量を小さくすることができる。大型ターボ部の第１タービンケースは、自ずとそのサイズが大きくなるが、このような大サイズのケースを熱容量が小さい部材によって形成することで、排気の熱を奪い難くすることができる。従って、ターボ過給機の下流側に配置される触媒装置に向かう排気の熱損を小さくすることができ、当該触媒装置の活性化温度の維持に寄与することができる。
特に、本発明では、バイパス弁が開とされたとき、前記排気は導入通路、バイパス通路及び第１スクロール通路の順に通過する。つまり、前記排気は、前記導入通路を通過した後は、殆ど板金製のケースからなる第１タービンケースを通過し、触媒装置に至る。従って、中速から高速回転域において、ターボ過給機を通過する排気の熱損を小さくすることができる。
しかも、大型ターボ部には流速変更手段が備わるので、第１タービンの翼車の先端と第１タービンケースの内面との間のチップクリアランスは、さほど精度が求められなくなる。つまり、第１タービンケースを板金製のケースとすることによって加工精度が低下しても、タービン効率に大きな影響を与えることがない。

一方、小型ターボ部の第２タービンケースについては鋳鉄製のケースとされるので、微細な精度でケースの成型可能となる。このため、第２タービンの翼車の先端と第２タービンケースの内面との間のチップクリアランスを、タービン効率を高めることができる狭い幅に、精度良く設定することが可能となる。従って、小型ターボ部が主に動作する低速回転域において過給特性を良好なものとすることができ、例えば低速回転域で加速が行われる際の要求トルクにエンジンが十分に応えるようにすることができる。なお、第２タービンケースは小サイズとなるので、これを鋳鉄製のケースとしてもさほど排気の熱を奪うことはない。

上記のターボ過給機付エンジンにおいて、前記第１タービンケースが、少なくとも前記第１スクロール通路を区画するインナーシェルと、前記インナーシェルの外側を覆うアウターシェルとで構成される二重構造を有することが望ましい。

一般に、板金製のケースは、継ぎ目や他の部材との接合部分においてガス漏れの懸念が生じる。しかし、上記のターボ過給機付エンジンによれば、板金製の第１タービンケースが二重構造とされるので、インナーシェルから排気の漏れが生じたとしても、アウターシェルがガスシールの役目を果たす。従って、高温の排気がターボ過給機の周辺に漏れ出し、周辺部品を熱劣化させる等の問題を回避することができる。

上記のターボ過給機付エンジンにおいて、前記エンジン本体は、少なくとも低負荷時において、燃焼時の空燃比が理論空燃比よりも大きいリーンの状態で運転される圧縮自己着火エンジンであることは、好ましい一態様である。

理論空燃比よりも低い混合気で運転されるリーン運転では、排気の温度が比較的低くなる。従って、第１タービンケースを板金製のケースとして熱損を小さくした上記ターボ過給機付エンジンは、このリーン運転に好適である。また、排気温度が比較的低いことは、第１タービンケースの熱変形による板金部分のクラックやフランジ合わせ面の変形による排気ガス漏れを抑制することにも貢献するので好ましい。

本発明によれば、２つの独立したターボ部を有するターボ過給機のタービンケースの構造を、吸気の過給特性及び触媒装置への影響に対して配慮されたターボ過給機付エンジンを提供することができる。

図１は、本発明の実施形態に係るターボ過給機付エンジンの斜視図である。 図２は、上記エンジンのターボ過給機部分を一部破断して示す斜視図である。 図３は、ターボ過給機付エンジン及びその周辺部品の構成と、吸気及び排気のフローとを模式的に示す図である。 図４は、本実施形態に係るターボ過給機の概略断面図である。 図５は、大タービンに対して組み付けられたＶＧＴを概略的に示す断面図である。 図６は、大型ターボハウジングの構造を示す断面図である。 図７は、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。 図８は、エンジン本体の低速回転域における、ターボ過給機内の排気のフローを示す断面図である。 図９は、エンジン本体の中速及び高速回転域における、ターボ過給機内の排気のフローを示す断面図である。

［エンジンの概略構成］
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態に係るターボ過給機付エンジンを詳細に説明する。先ずは、当該エンジンの概略構成について説明する。図１は、本発明の実施形態に係るターボ過給機付エンジン１の斜視図、図２は、エンジン１のターボ過給機３の部分を一部破断して示す斜視図である。図１、図２及び他の図面において、前後、左右、上下の方向表示を付している。これは説明の便宜のためであり、実際の方向を必ずしも示すものではない。

ターボ過給機付エンジン１は、多気筒型のエンジン本体１０と、エンジン本体１０の左側面に連結された排気マニホールド１４と、図略の吸気マニホールドと、エンジン本体１０の左方に隣接して配置されたターボ過給機３とを含む。図１では除去した状態を示しているが、排気マニホールド１４の周囲はマニホールドインシュレータ１５で囲まれ、エンジン本体１０の左側面はエンジン本体インシュレータ１６で覆われ、ターボ過給機３の周囲はターボインシュレータ１７で覆われている。

エンジン本体１０は、直列四気筒のディーゼルエンジンであり、シリンダブロック１１と、シリンダブロック１１の上面に取り付けられたシリンダヘッド１２と、シリンダヘッド１２の上方に配置されたシリンダヘッドカバー１３とを備えている。シリンダブロック１１は、燃料の燃焼室を形成する４つの気筒２（後出の図３、図４にその一つが示されている）を備えている。

排気マニホールド１４は、各気筒２の排気ポート２５から排出される排気ガスを一つの流路に集合させるマニホールド通路１４１（図４）を内部に備えている。排気マニホールド１４の入気側はシリンダヘッド１２に連結され、出気側はターボ過給機３に接続されている。

ターボ過給機３は、エンジン本体１０から排出される排気エネルギーを利用して、エンジン本体１０へ導入される吸気を過給する装置である。ターボ過給機３は、エンジン本体１０の全回転域で動作して吸気を過給するものであって、排気流量が所定流量以上となるエンジンの中速から高速回転域において大きな過給能力を発揮する大型ターボ部３Ａと、排気流量が上記所定流量未満の少ない流量となるエンジン低速回転域で動作して吸気を過給する小型ターボ部３Ｂとを備えている。本実施形態では、大型ターボ部３Ａの下方に小型ターボ部３Ｂが連設されている。大型ターボ部３Ａ及び小型ターボ部３Ｂは各々、前方側に配置されるタービン室と、後方側に配置されるコンプレッサ室とを備える。ターボ過給機３内には、前記各タービン室を経由し、エンジン本体１０から排気が供給される排気通路と、前記各コンプレッサ室を経由し、エンジン本体１０へ導入される吸気が流通する吸気通路とが備えられている。つまり、前記各タービン室はエンジン本体１０の排気経路に、前記各コンプレッサ室はエンジン本体１０の吸気経路に、各々組み込まれている。

図２には、大型ターボ部３Ａの大タービン室３３（図３）を区画する大型ターボハウジング３１（第１タービンケース）と、小型ターボ部３Ｂの小タービン室３５（図３）を区画する小型ターボハウジング３２（第２タービンケース）とが示されている。大型ターボハウジング３１は、後記で説明する大スクロール通路５５他を区画する二重の板金製のケースからなる板金ハウジング３１１と、板金ハウジング３１１の下端を支持する上フランジ部３１２とを備えている。

一方、小型ターボハウジング３２は、鋳鉄性のケースからなるハウジングであり、排気通路の上流側には導入フランジ部３２１が、下流側には下フランジ部３２２が一体的に備えられている。導入フランジ部３２１は、排気マニホールド１４との連結を行うためのフランジ部であり、ターボ過給機３への排気の入口となる部分である。下フランジ部３２２は、大型ターボハウジング３１との連結を行うためのフランジ部である。下フランジ部３２２の上に上フランジ部３１２が載置され、両者がボルト締結されることによって、大型ターボハウジング３１と小型ターボハウジング３２とが一体化されている。ターボ過給機３からの排気の出口となる部分には、排気側フランジ部３２３が備えられている。排気側フランジ部３２３には、排気通路の下流側配管が接続される。

マニホールドインシュレータ１５は、高温の排気が流通する排気マニホールド１４から発せられる熱によって周辺部品が熱害を受けないよう遮熱するインシュレータである。エンジン本体インシュレータ１６は、排気マニホールド１４及びターボ過給機３から発せられる熱から、シリンダヘッドカバー１３、ハーネス、センサ類を保護する。ターボインシュレータ１７は、同じく高温の排気が流通する大型、小型ターボハウジング３１、３２の周囲を覆い、周辺部品の熱害を抑止するインシュレータである。

［エンジンの内部的構成］
図３は、ターボ過給機付エンジン１及びその周辺部品の構成と、吸気及び排気のフローとを模式的に示す図である。エンジン１は、エンジン本体１０と、エンジン本体１０に燃焼用の空気を導入するための吸気通路Ｐ１と、エンジン本体１０で生成された燃焼ガス（排気）を排出するための排気通路Ｐ２と、これら吸気通路Ｐ１及び排気通路Ｐ２の一部を各々構成する通路を備えたターボ過給機３と、排気通路Ｐ２の下流端付近に配置された排気浄化装置７０と、吸気通路Ｐ１と排気通路Ｐ２との間に配置されたＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）装置８０とを備えている。

エンジン本体１０の各気筒２には、ピストン２１、燃焼室２２、クランク軸２３、吸気ポート２４、排気ポート２５、吸気弁２６及び排気弁２７が備えられている。図３では、１つの気筒２が示されている。ピストン２１は、気筒２内に往復運動可能に収容されている。燃焼室２２は、気筒２内においてピストン２１の上方に形成されている。燃焼室２２には、図略のインジェクタからディーゼル燃料が噴射される。前記インジェクタから噴射された燃料は、吸気通路Ｐ１から供給される空気と混合して燃焼室２２内で自着火する。ピストン２１は、この燃焼による膨張力で押し下げられて上下方向に往復運動する。

クランク軸２３は、エンジン本体１０の出力軸であり、ピストン２１の下方に配設されている。ピストン２１とクランク軸２３とは、コネクティングロッドを介して互いに連結されている。クランク軸２３は、ピストン２１の往復運動に応じて、その中心軸回りに回転する。吸気ポート２４は、吸気通路Ｐ１から供給される空気（吸気）を気筒２に導入する開口である。排気ポート２５は、気筒２内での燃料の燃焼によって生成された排気を排気通路Ｐ２に導出するための開口である。吸気弁２６は、吸気ポート２４を開閉する弁であり、排気弁２７は排気ポート２５を開閉する弁である。

エンジン本体１０は図略の制御装置によって、少なくとも低負荷時において、燃焼時の空燃比が理論空燃比よりも大きいリーンの状態で運転される、圧縮自己着火燃焼が行われるよう制御される。すなわち、低負荷時においては、燃料の供給量に対して過剰な空気を燃焼室２２に導入し、リーンな空燃比下で燃焼が行われる。これにより、理論空燃比下での燃焼と比べて燃焼温度を低下させ、エンジンの排気損失及び冷却損失を低減して熱効率を向上させる。また、低負荷時には火花点火燃焼ではなく圧縮自己着火燃焼を実行することで、熱効率を向上させる。なお、前記リーン運転及び前記圧縮自己着火燃焼が実行されることで、排気の温度が比較的低くなる傾向がある。

吸気通路Ｐ１には、吸気のフローの上流側から順に、エアクリーナ４１、ターボ過給機３のコンプレッサ部（大コンプレッサ室３４及び小コンプレッサ室３６）、インタークーラ４２及びスロットルバルブ４３が設けられている。吸気通路Ｐ１の下流端は、吸気マニホールド（図示せず）を介して吸気ポート２４に接続されている。エアクリーナ４１は、吸気通路Ｐ１に取り入れる空気を浄化する。インタークーラ４２は、吸気ポート２４を通して燃焼室２２に送る吸気を冷却する。スロットルバルブ４３は、燃焼室２２に送る吸気の量を調整するバルブである。なお、吸気通路Ｐ１においてターボ過給機３の上流側には、ブローバイガスを燃焼室２２に送るブローバイ還流路４１１が接続されている。吸気は、後記で詳述するターボ過給機３の前記コンプレッサ部を通過する際に過給される。

排気通路Ｐ２の上流端は、排気マニホールド１４を介して、排気ポート２５に接続されている。排気通路Ｐ２には、排気のフローの上流側から順に、ターボ過給機３のタービン部（小タービン室３５及び大タービン室３３）、排気浄化装置７０が設けられている。排気浄化装置７０は、ターボ過給機３を通過した排気を浄化する装置であって、排気中のＮＯｘを一時的に吸蔵し後に還元するＮＯｘ吸蔵還元触媒を含む触媒装置７１と、排気中の粒子状物質を捕集するＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）７２とからなる。排気が有する運動エネルギーは、当該排気がターボ過給機３の前記タービン部を通過する際に回収される。

ＥＧＲ装置８０は、エンジン本体１０から排出された排気の一部（ＥＧＲガス）を吸気に還流させるための装置である。ＥＧＲ装置８０は、排気通路Ｐ２と吸気通路Ｐ１とをそれぞれ連通させる第１ＥＧＲ通路８１及び第２ＥＧＲ通路８４と、これら通路８１、８４をそ各々開閉する第１ＥＧＲバルブ８２及び第２ＥＧＲバルブ８５とを有する。第１ＥＧＲ通路８１には、ＥＧＲクーラ８３が設けられている。ＥＧＲガスは、第１ＥＧＲ通路８１の通過途中にＥＧＲクーラ８３により冷却されて、その後、吸気通路Ｐ１に流入する。一方、第２ＥＧＲ通路８４にはＥＧＲクーラは設けられておらず、ＥＧＲガスは高温のまま吸気通路Ｐ１に流入可能である。第１、第２ＥＧＲ通路８１、８４は、排気通路Ｐ２のターボ過給機３よりも上流側の部分と、吸気通路Ｐ１のスロットルバルブ４３よりも下流側の部分とを連通している。従って、ターボ過給機３の前記タービン部へ導入される前の排気が、吸気と共に吸気ポート２４に供給される。

［ターボ過給機の詳細］
続いて、本実施形態に係るターボ過給機３の内部構造について、上掲の図３と、ターボ過給機３の概略断面を示す図４とを参照して説明する。既述の通りターボ過給機３は、中速〜高速回転域動作用の大型ターボ部３Ａと低速回転域動作用の小型ターボ部３Ｂとを備える。大型ターボ部３Ａは、大タービン室３３及び大コンプレッサ室３４を備える。同様に、小型ターボ部３Ｂは、小タービン室３５及び小コンプレッサ室３６を備える。大タービン室３３及び小タービン室３５は排気通路Ｐ２に連通しており、大コンプレッサ室３４及び小コンプレッサ室３６は吸気通路Ｐ１に連通している。

本実施形態では、大タービン室３３は、図４に示す大型ターボハウジング３１の板金ハウジング３１１で区画されている。板金ハウジング３１１は、板金製のケースであって、インナーシェル３１Ａと、このインナーシェル３１Ａの外側を覆うアウターシェル３１Ｂとで構成される二重構造を有している。インナーシェル３１Ａとアウターシェル３１Ｂとの間には空間が存在し、該空間は断熱空間Ｈとして作用する。板金ハウジング３１１として用いられる板金としては、例えば、冷間圧延鋼鈑、熱圧延鋼鈑などの各種の鋼鈑、ステンレス鋼鈑、アルミニウム合金板、銅合金板等を例示することができる。大型ターボハウジング３１は、大部分が板金にて形成されていることから熱容量は小さく、排気の熱を奪いにくい特性を有している。

一方、小タービン室３５は、小型ターボハウジング３２で区画されている。小型ターボハウジング３２は、鋳鉄製のケースであって、鉄系の材料を鋳型に注型して形成された部材である。鋳鉄としては、鉄に炭素及びケイ素などを含有させた合金からなる各種の鋳鉄を用いることができ、例えば普通鋳鉄、白鋳鉄、まだら鋳鉄等を用いることができる。小型ターボハウジング３２は、鋳鉄製であるため、比較的熱容量が大きい特性を有する。

大タービン室３３には大タービン３３Ｔ（第１タービン）が、大コンプレッサ室３４には大ブロワー３４Ｂが、各々収容されている。大タービン３３Ｔと大ブロワー３４Ｂとは、大タービン軸３７で連結されている。すなわち、大タービン軸３７の一端に大タービン３３Ｔが取り付けられ、他端に大ブロワー３４Ｂが取り付けられている。大タービン３３Ｔは、排気のフロー（運動エネルギー）を受け取り、大タービン軸３７の軸回り回転する。大ブロワー３４Ｂは、同じく大タービン軸３７の軸回りに回転して吸気を圧縮（過給）する。大タービン３３Ｔが排気の運動エネルギーを受けて回転すると、大ブロワー３４Ｂも大タービン軸３７の軸回りに一体回転する。

大タービン３３Ｔとしては、複数の翼を有しこれら翼に排気が衝突することで大タービン軸３７の軸回りに回転するインペラを用いることができる。この大タービン３３Ｔには、排気の流速（タービン容量）を変更するＶＧＴ（Variable Geometry Turbine）３９（流速変更手段）が付設されている。図５は、大タービン３３Ｔに対して組み付けられたＶＧＴ３９を概略的に示す断面図である。なお、図４ではＶＧＴ３９の記載は省かれており、図５では板金ハウジング３１１のうちインナーシェル３１Ａだけが描かれている。

ＶＧＴ３９は、大タービン３３Ｔの外周部に配置され、角度変更が可能な複数のノズルベーン３９１を含む。ノズルベーン３９１の角度が調整されることによって、大タービン３３Ｔに流入する排気の流路面積が変更され、これにより排気の流速が調整される。ノズルベーン３９１の角度は、ＶＧＴアクチュエータ３９Ａによって調整される。ＶＧＴ３９については、大型ターボハウジング３１の構造と共に、図７に基づいて後記でさらに詳述する。

小タービン室３５には小タービン３５Ｔ（第２タービン）が、小コンプレッサ室３６には小ブロワー３６Ｂが、各々収容されている。小タービン３５Ｔと小ブロワー３６Ｂとは、小タービン軸３８で連結されている。すなわち、小タービン軸３８の一端に小タービン３５Ｔが取り付けられ、他端に小ブロワー３６Ｂが取り付けられている。小タービン３５Ｔは、排気の運動エネルギーを受け取り、小タービン軸３８の軸回り回転する。小ブロワー３６Ｂは、同じく小タービン軸３８の軸回りに回転して吸気を圧縮（過給）する。小タービン３５Ｔが排気の運動エネルギーを受けて回転すると、小ブロワー３６Ｂも小タービン軸３８の軸回りに一体回転する。本実施形態では、小タービン３５Ｔとして、流入する排気の流速を変更不能な、いわゆるＦＧＴ（Fixed Geometry Turbine）が用いられている。

大タービン３３Ｔの容量は小タービン３５Ｔの容量よりも大きく、また、大ブロワー３４Ｂの容量は小ブロワー３６Ｂの容量よりも大きく設定されている。これにより、大型ターボ部３Ａは、小型ターボ部３Ｂよりも大きな流量の排気によって大タービン３３Ｔを回転させ、大ブロワー３４Ｂの回転によってより大きな流量の吸気を過給することが可能である。

ターボ過給機３には、その機内において吸気通路Ｐ１の一部を担う通路として、過給機内吸気通路４４が備えられている。過給機内吸気通路４４は、吸気導入通路４５、第１主通路４６、第２主通路４７、出口通路４８及び吸気バイパス通路４９を含む。吸気導入通路４５は、ターボ過給機３内において最も上流側の吸気通路であり、大タービン軸３７の軸方向から大コンプレッサ室３４内の大ブロワー３４Ｂに向かう通路である。第１主通路４６は、大ブロワー３４Ｂの外周部から、小コンプレッサ室３６内の小ブロワー３６Ｂの軸心へ向けて吸気を案内する通路である。第２主通路４７は、小ブロワー３６Ｂの外周部から、出口通路４８に向かう通路である。出口通路４８は、ターボ過給機３内において最も下流の吸気通路であり、インタークーラ４２に接続される通路である。このように、吸気のフローにおいて、大ブロワー３４Ｂが小ブロワー３６Ｂの上流側に配置されている。

吸気バイパス通路４９は、小コンプレッサ室３６をバイパスする通路、すなわち、小ブロワー３６Ｂに吸気を与えることなく、吸気を下流に導く通路である。具体的には吸気バイパス通路４９は、大コンプレッサ室３４と小コンプレッサ室３６とを繋ぐ第１主通路４６の途中から分岐し、第２主通路４７と共に出口通路４８に合流している。吸気バイパス通路４９には、該通路４９を開閉する吸気バイパス弁４９１が配置されている。

吸気バイパス弁４９１が全閉となり吸気バイパス通路４９を閉鎖している状態では、吸気の全量が小コンプレッサ室３６に流入する。一方、吸気バイパス弁４９１が開弁している状態では、吸気の多くは小コンプレッサ室３６をバイパスし、吸気バイパス通路４９を通して下流側に流れる。すなわち、小コンプレッサ室３６に収容されている小ブロワー３６Ｂは、吸気のフローに対して抵抗となるため、吸気バイパス弁４９１が開弁している状態では、吸気の多くはより抵抗の小さい吸気バイパス通路４９に流入する。吸気バイパス弁４９１は、負圧式のバルブアクチュエータ４９２により開閉される。

ターボ過給機３には、その機内において排気通路Ｐ２の一部を担う通路として、過給機内排気通路５０が備えられている。過給機内排気通路５０は、排気導入通路５１（導入通路）、連絡通路５２、小スクロール通路５３（第２スクロール通路）、ターボ間通路５４、大スクロール通路５５（第１スクロール通路）、排出通路５６及び排気バイパス通路５７（バイパス通路）を含む。図４から明らかな通り、排気導入通路５１、連絡通路５２及び小スクロール通路５３は小型ターボハウジング３２内に形成される通路、大スクロール通路５５及び排出通路５６は大型ターボハウジング３１内に形成される通路、ターボ間通路５４及び排気バイパス通路５７は両ハウジング３１、３２に跨って形成される通路である。本実施形態では、小タービン３５Ｔ（即ち小型ターボ部３Ｂ）が、排気通路Ｐ２において大タービン３３Ｔ（即ち大型ターボ部３Ａ）の上流側に配置されている。

排気導入通路５１は、ターボ過給機３内において最も上流側の排気通路であり、エンジン本体１０側から排気を受け入れる通路である。連絡通路５２は、排気導入通路５１の下流に連なり、排気を小タービン室３５に向けて導く通路である。小スクロール通路５３は、小タービン室３５の一部を形成しており、小タービン３５Ｔへ向けて排気を導く通路である。連絡通路５２の下流端は、小スクロール通路５３の上流部５３Ｕに連なっている。小スクロール通路５３は、小タービン３５Ｔの外周を周回するように配置された渦巻き状の通路であり、下流に向けて流路幅が徐々に狭くなっている。排気は、小スクロール通路５３から小タービン３５Ｔの径方向中心に向けて流入し、小タービン３５Ｔを小タービン軸３８の軸回りに回転させる。

ターボ間通路５４は、小タービン３５Ｔと大スクロール通路５５の上流部５５Ｕとを繋ぐ通路である。ターボ間通路５４の上流部分は、小タービン室３５から小タービン３５Ｔの軸方向に延び出す部分であり、下流部分は、上流部５５Ｕに連なる部分である。小タービン３５Ｔの外周から径方向内側に流入し小タービン３５Ｔに対して膨張仕事を為した排気は、ターボ間通路５４から取り出され、大タービン３３Ｔに向かうことになる。

大スクロール通路５５は、大タービン室３３の一部を形成しており、大タービン３３Ｔへ向けて排気を導く通路である。大スクロール通路５５は、大タービン３３Ｔの外周を周回するように配置された渦巻き状の通路であり、下流に向けて流路幅が徐々に狭くなっている。排気は、大スクロール通路５５から大タービン３３Ｔの径方向中心に向けて流入し、大タービン３３Ｔを大タービン軸３７の軸回りに回転させる。排出通路５６は、ターボ過給機３内において最も下流の排気通路であり、大タービン室３３から大タービン３３Ｔの軸方向に延び出している。大タービン３３Ｔの外周から径方向内側に流入し大タービン３３Ｔに対して膨張仕事を為した排気は、排出通路５６から取り出される。排出通路５６の下流端は、排気側フランジ部３２３に設けられた開口であり、下流の排気浄化装置７０に至る排気通路に接続される。

排気バイパス通路５７は、小タービン室３５をバイパスする通路、すなわち、小タービン３５Ｔに排気を作用させることなく、排気を下流（大タービン３３Ｔ）に導く通路である。具体的には排気バイパス通路５７は、排気導入通路５１と連絡通路５２との間から分岐し、大スクロール通路５５の上流部５５Ｕに合流しており、小スクロール通路５３及びターボ間通路５４をバイパスしている。排気バイパス通路５７には、該通路４７を開閉する排気バイパス弁６（バイパス弁）が配置されている。排気バイパス弁６は、実際に排気バイパス通路５７を開閉する弁本体６１と、弁本体６１を動作させるバルブアクチュエータ６Ａとを含む。

排気バイパス弁６（弁本体６１）が全閉となり排気バイパス通路５７を閉鎖している状態では、排気の全量が小タービン室３５に流入する。なお、ＥＧＲ装置８０が作動して、ＥＧＲガスの還流が実施されている場合は、エンジン本体１０から排出された排気から前記ＥＧＲガスを除いたガスの全量が、小タービン室３５に流入する。一方、排気バイパス弁６が開弁している状態では、排気の多くは小タービン室３５をバイパスして下流側の大タービン室３３（大スクロール通路５５）に流れ込む。すなわち、小タービン室３５に収容されている小タービン３５Ｔは、排気のフローに対して抵抗となるため、排気バイパス弁６が開弁している状態では、排気の多くはより抵抗の小さい排気バイパス通路５７に流入する。つまり、排気は、小タービン３５Ｔを通過せずに（小型ターボ部３Ｂが動作せずに）下流側に流れる。

換言すると、排気バイパス弁６が如何に動作しようとも、排気は必ず大タービン室３３の大タービン３３Ｔを通過する。つまり、常に大型ターボ部３Ａが動作して吸気の過給を行わせることができるので、ターボ過給機３による吸気の過給圧を高くし、エンジンシステム全体でのエネルギー効率を高めることができる。

基本動作として、排気バイパス弁６は、エンジン本体１０が低速回転域で動作している場合には全閉とされ、連絡通路５２及び小スクロール通路５３を通して小タービン３５Ｔに排気が供給される。小タービン３５Ｔはイナーシャが小さいため、たとえ排気流量が小さくても早期に回転数が上昇し、小ブロワー３６Ｂによる過給力を高めることができる。その後、排気は、ターボ間通路５４及び大スクロール通路５５を通過し、大タービン３３Ｔに供給される。すなわち、低速回転域では大タービン３３Ｔ及び小タービン３５Ｔの双方が回転し、これに伴い大ブロワー３４Ｂ及び小ブロワー３６Ｂも回転する。従って、大型ターボ部３Ａ及び小型ターボ部３Ｂの双方が動作して、吸気を過給することができる。

この際、大タービン３３Ｔに付設されているＶＧＴ３９の開度は小さく設定される。すなわち、図略の制御装置は、ＶＧＴアクチュエータ３９Ａがノズルベーン３９１を所定角度だけ回動させ、排気の流路面積が小さくなるように制御する。これにより、大タービン３３Ｔに流入する排気の流速が高められ、低速回転域における大ブロワー３４Ｂによる過給力を高めることができる。

一方、エンジン本体１０が中速〜高速回転域で動作している場合に、排気バイパス弁６は全開とされ、排気は排気バイパス通路５７を通して専ら大タービン３３Ｔに供給され、大型ターボ部３Ａのみが動作して、吸気を過給するようになる。つまり、排気のフロー抵抗を極力抑えて、大タービン３３Ｔに排気を供給することができるので、エネルギー効率を高めることができる。この際、ＶＧＴ３９の開度は、予め設定された所定の過給圧を得るための基本ＶＧＴ開度とされる。

バルブアクチュエータ６Ａは、電動式のアクチュエータ装置からなり、弁本体６１を単純に開閉させるだけでなく、全閉から全開の間で弁本体６１の開度を調整することが可能である。弁本体６１の開度は、運転条件毎に、過給圧が目標の圧力になるように設定される。目標の過給圧及び弁本体６１の開度は、エンジン回転数とエンジン負荷とによって予め設定されている。バルブアクチュエータ６Ａは、その設定に従い、弁本体６１の開度を制御する。

［ターボ過給機内の排気通路の詳細］
続いて、主に図４を参照して、ターボ過給機３内における過給機内排気通路５０の具体的な配置関係、通路の形状等について詳述する。まず、排気導入通路５１は、上述の導入フランジ部３２１の端面に開口を有し、左方に延びる通路である。この排気導入通路５１は、大型ターボ部３Ａと小型ターボ部３Ｂとの間に配置されている。詳しくは、大型ターボ部３Ａと小型ターボ部３Ｂとは上下方向に配置され、排気導入通路５１はこれらターボ部３Ａ、３Ｂの間の中間の高さ位置に配置されている。

エンジン本体１０（シリンダヘッド１２）の左側面には、排気ポート２５の出気開口が設けられている。排気マニホールド１４は、右端側に入気側フランジ部１４２を、左端側に出気側フランジ部１４３を有しており、これらフランジ部１４２、１４３にはマニホールド通路１４１の左右端部開口が設けられている。入気側フランジ部１４２は、排気ポート２５の出気開口に位置合わせしてシリンダヘッド１２に結合される。出気側フランジ部１４３は、導入フランジ部３２１と結合される。これにより、排気ポート２５と排気導入通路５１（過給機内排気通路５０）とがマニホールド通路１４１を介して連通状態となり、図４において矢印Ｆで示すように、エンジン本体１０側からの排気をターボ過給機３内へ取り入れ可能とされている。

排気導入通路５１と、小スクロール通路５３の上流部５３Ｕと大スクロール通路５５の上流部５５Ｕとの間には、これらを繋ぐＹ字型の分岐通路５０Ｂが配置されている。なお、上流部５３Ｕ、５５Ｕとは、スクロール通路５３、５５が各タービン３３Ｔ、３５Ｔの軸心に向けて渦を巻始めるスクロール始点部分である。この分岐通路５０Ｂのうち、排気導入通路５１の下流端より下方へ向かい上流部５３Ｕに繋がる通路が連絡通路５２であり、同下流端より上方へ向かい上流部５５Ｕに繋がる通路が排気バイパス通路５７である。

小スクロール通路５３は、図４において反時計方向にスクロールする通路である一方、大スクロール通路５５は時計方向にスクロールする通路である。つまり、両スクロール通路５３、５５が渦を巻く方向は互いに反対方向に設定されている。これは、スクロール通路５３、５５の上流部５３Ｕ、５５Ｕを次の通りに配置したことによる。

小スクロール通路５３は、上流部５３Ｕがエンジン本体１０の左側面に対して小タービン軸３８よりも遠い側（左側）に配置され、上流部５３Ｕから下流側に向けて渦を巻く部分が小タービン軸３８よりもエンジン本体１０に近い側（右側）に向かうようにスクロールした通路である。小スクロール通路５３の上流部５３Ｕは、上向きに開口している。小スクロール通路５３は、この上流部５３Ｕから右下方向に向かい、小タービン軸３８の下方側を通過し、その後に小タービン軸３８の右方側を抜けて上方に向かっている。もちろん、小タービン３５Ｔの周囲を周回した小スクロール通路５３の下流端は、小タービン軸３８よりも左側に位置している。

大スクロール通路５５も同様に、上流部５５Ｕがエンジン本体１０の左側面に対して大タービン軸３７よりも遠い側（左側）に配置され、上流部５５Ｕから下流側に向けて渦を巻く部分が大タービン軸３７よりもエンジン本体１０に近い側（右側）に向かうようにスクロールした通路である。大スクロール通路５５の上流部５５Ｕは、下向きに開口している。大スクロール通路５５は、この上流部５５Ｕから右上方向に向かい、第１タービン軸３７の上方側を通過し、その後に大タービン軸３７の右方側を抜けて下方に向かっている。もちろん、大タービン３３Ｔの周囲を周回した大スクロール通路５５の下流端は、大タービン軸３７よりも左側に位置している。

このように小スクロール通路５３と大スクロール通路５５とは、それぞれの上流部５３Ｕ、５５Ｕが概ね上下方向において向き合うように配置されている。また、排気導入通路５１は、上流部５３Ｕ、５５Ｕの中間に位置している。それゆえ、上述のＹ字型のコンパクトな分岐通路５０Ｂにて、両スクロール通路５３、５５を排気導入通路５１に繋ぐことが可能である。

また、両スクロール通路５３、５５が渦を巻く方向が互いに反対方向であることから、小タービン３５Ｔの回転方向と大タービン３３Ｔの回転方向も反対である。すなわち、小タービン３５Ｔは、小スクロール通路５３のスクロール方向に沿って、図４に示す断面では、小タービン軸３８の軸回りに反時計方向へ回転する。一方、大タービン３３Ｔは、大スクロール通路５５のスクロール方向に沿って、大タービン軸３７の軸回りに時計方向へ回転する。

さらに、このような大、小スクロール通路５３、５５の配置は、それぞれの上流部５３Ｕ、５５Ｕに連なる上流側通路を、直線状乃至は緩やかな湾曲状の排気通路とすることを可能としている。図４に示されている通り、連絡通路５２の少なくとも上流部５３Ｕから上流側に延びる部分である上流側通路５３ＵＡは、概ね直線状に下方に延びる通路である。また、ターボ間通路５４の少なくとも上流部５５Ｕから上流側に延びる部分である上流側通路５５ＵＡも、概ね直線状に上方に延びる通路である。従って、排気は、大、小スクロール通路５３、５５の上流部５３Ｕ、５５Ｕに、それぞれ直線的なルートに沿ってフロー抵抗が少ない状態で進入することができる。

ターボ間通路５４は、小タービン３５Ｔの配置位置から当該小タービン３５Ｔの軸方向に延び出し、左上方向に経路を変え、上述の略直線状の上流側通路５５ＵＡ（ターボ間通路５４の下流付近の通路）を通して大スクロール通路５５の上流部５３Ｕへ繋がっている。既述の通り、排気バイパス通路５７も、上流部５３Ｕへ繋がる排気通路である。両者の配置関係は、ターボ間通路５４が排気バイパス通路５７よりもエンジン本体１０の左側面に対して遠い側に配置される関係にある。

上述の通り、上流部５３Ｕはエンジン本体１０の左側面に対して大タービン軸３７よりも遠い側に配置されている。この上流部５３Ｕに、ターボ間通路５４の下流端５４Ｅ及び排気バイパス通路５７の下流端５７Ｅが合流しているのであるが、両者の位置関係は、下流端５７Ｅの方が下流端５４Ｅよりもエンジン本体１０に対して近い側において上流部５３Ｕに対向する関係にある。

このように、排気バイパス通路５７及びその下流端５７Ｅが、ターボ間通路５４及びその下流端５４Ｅよりも、排気を吐出するエンジン本体１０により近い側に配置されることから、排気導入通路５１と上流部５３Ｕとを短絡的に繋ぐ排気バイパス通路５７を、短く且つ湾曲度合いが小さい排気通路として設定し易くなる。

他方、このような配置関係は、ターボ間通路５４における、上流部５３Ｕの上流側通路５５ＵＡを直線状乃至は緩やかな湾曲状に設定し易いレイアウトである。つまり、排気バイパス通路５７をエンジン本体１０に近い側に配置することで、下向きに開口する上流部５３Ｕの下方にスペースを取り易くなる。さらに本実施形態では、小タービン軸３８の方が大タービン軸３７よりもエンジン本体１０の左側により近い位置に配置されており、小タービン３５Ｔの径も小さいことから、小型ターボ部３Ｂの左側方に空きスペースを作り易い。従って、上流部５３Ｕの下方スペースを利用して、ターボ間通路５４の下流部分である上流側通路５５ＵＡを略直線状に設定し易いものである。

なお、小タービン軸３８をエンジン本体１０により近く配置することは、連絡通路５２を略直線状に設定することにも寄与している。小タービン軸３８を大タービン軸３７よりも右方に配置することで、小スクロール通路５３の左方にスペースを取り易くなる。上流部５３Ｕが小タービン軸３８よりも左方に位置し、小スクロール通路５３の径が大スクロール通路５５の径よりも小さいことも相俟って、前記左方スペースは相応の広さを確保できる。従って、この左方スペースを利用して、左方に延びる排気導入通路５１から下方に分岐する連絡通路５２について、その上流側通路５３ＵＡを略直線状にして上流部５３Ｕに合流させることができる。

［大型ターボハウジングの詳細］
続いて、大型ターボハウジング３１について詳述する。図６は、大型ターボハウジング３１の構造を示す断面図（大タービン軸３７の延在方向と直交する方向の断面図）、図７は、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。既述の通り、大型ターボハウジング３１の板金ハウジング３１１は、板金製のインナーシェル３１Ａと、その外側を覆う板金製のアウターシェル３１Ｂとの二重構造体からなる。インナーシェル３１Ａは、上方側に配置されるスクロールハウジング３１３と、下方側に配置された導入ハウジング３１４との組合せ体からなる。

スクロールハウジング３１３は、上述の大スクロール通路５５を区画するためのハウジングであり、大タービン３３Ｔの周囲に時計方向に渦を巻く空間を形成している。スクロールハウジング３１３の左下には、下方に向けた開口であるスクロール入口３１３Ａが備えられている。このスクロール入口３１３Ａは、上述した大スクロール通路５５の上流部５５Ｕに相当する。スクロールハウジング３１３の内面と大タービン３３Ｔの外周との間の断面積は、スクロール入口３１３Ａから時計方向にスクロールするに連れて、徐々に小さくなっている。

導入ハウジング３１４は、上フランジ部３１２に取り付けられる上流端３１４Ａ（下端部）と、スクロール入口３１３Ａに入り込む下流端３１４Ｂ（上端部）との２つの開口を備えたハウジングである。上流端３１４Ａは、図６に示されている通り、ターボ間通路５４の下流端５４Ｅ及び排気バイパス通路５７の下流端５７Ｅに跨る左右幅を有している。導入ハウジング３１４の左方部分３１４Ｌは、概ね鉛直方向に延びており、その下端部は上フランジ部３１２の左端側の内壁面３１２Ｃに固着されている。導入ハウジング３１４の右方部分３１４Ｒは、下流端３１４Ｂから右斜め下方向に延び、右上方向に膨らみを持った曲面を有している。右方部分３１４Ｒの下端部は、上フランジ部３１２の右端側に設けられた固定溝部３１２Ｂに嵌め込まれ、固定されている。

下流端５４Ｅ、５７Ｅに連なる導入ハウジング３１４は、それぞれターボ間通路５４及び排気バイパス通路５７の下流部分を構成しているとも言える。ターボ間通路５４の下流端５４Ｅから供給される排気は、導入ハウジング３１４の左方部分３１４Ｌにて鉛直上方にガイドされて、スクロール入口３１３Ａに入る。排気バイパス通路５７の下流端５７Ｅから供給される排気は、右方部分３１４Ｒの曲面にガイドされて、同じくスクロール入口３１３Ａに入る。このように、大スクロール通路５５及び排気バイパス通路５７の下流付近が、板金製のインナーシェル３１Ａで形成されている。このため、弁本体６１が開姿勢であるときは、ターボ過給機３に導入された排気は、経路の大部分が板金によって形成された排気通路を通過することになる。

アウターシェル３１Ｂは、左右方向の断面において、下向きに開口するＵ字型の形状を有している。インナーシェル３１Ａは、アウターシェル３１Ｂのキャビティに完全に収容されており、インナーシェル３１Ａから排気の漏れが発生した場合でも、これを外部に漏らさないようガスシールの役目を果たしている。さらに、アウターシェル３１Ｂは、高温の排気が通過するインナーシェル３１Ａの外周部に、断熱空間Ｈを形成する役目も果たし、ターボインシュレータ１７と共に周辺部品への熱害を防止している。アウターシェル３１Ｂの下端部は、上フランジ部３１２の上面に突設された固定リング部３１２Ａに固着されている。

図７を参照して、インナーシェル３１Ａ及びアウターシェル３１Ｂの後端部は、大タービン３３Ｔと大ブロワー３４Ｂとの間に配置されているベース板３３Ａに取り付けられている。ベース板３３Ａは、大タービン軸３７を回転自在に支持する軸受け部を備える。一方、インナーシェル３１Ａ及びアウターシェル３１Ｂの前端部は、排出通路５６を形成する排出円筒管５６１の外周面に固着されている。図７に示すように、インナーシェル３１Ａとアウターシェル３１Ｂとの間には、径方向だけでなく、軸方向（前後方向）にも断熱空間Ｈが設けられている。

インナーシェル３１Ａの内部には、大タービン３３Ｔだけでなく、ＶＧＴ３９も収容されている。大タービン３３Ｔへ流入する排気の流速を調整するノズルベーン３９１は、大タービン３３Ｔの外周に配置されている（図５も参照）。ノズルベーン３９１は、前後方向に延びる支軸３９１ａに固定され、該支軸３９１ａの軸回りに、所定の回転角の範囲で揺動自在である。ＶＧＴ３９は、前後方向に間隔をおいて配置されたマウントリング３９２とフロントリング３９３とを含み、両者間にノズルベーン３９１が介在されている。マウントリング３９２は、大タービン軸３７を前後方向に貫通させる中心開口を備えた円板部材であり、ベース板３３Ａに固定されている。フロントリング３９３は、ノズルベーン３９１と対向するフランジ部を後端に備えた円筒部材であり、前端部分が排出円筒管５６１に内挿されている。

マウントリング３９２の後方にはドライブリング３９４が配置されている。支軸３９１ａの前端はフロントリング３９３の前記フランジ部で軸支され、後端はマウントリング３９２を貫通してドライブリング３９４にて軸支されている。このドライブリング３９４は、大タービン軸３７を軸中心として回動可能である。ドライブリング３９４にはクランク部３９５が接続されており、クランク部３９５の後端からはピン３９５Ａが突設されている。ピン３９５Ａには、ＶＧＴアクチュエータ３９Ａによって進退移動されるロッド３９６（図５）がヒンジ結合されている。

ＶＧＴアクチュエータ３９Ａがロッド３９６を進退移動させると、ドライブリング３９４が軸回りに回転し、これに連動してノズルベーン３９１も支軸３９１ａに回転し、その角度が変更される。例えば、ＶＧＴアクチュエータ３９Ａ及びロッド３９６によって、ノズルベーン３９１が閉方向（隣接するノズルベーン３９１同士の間隔を狭める方向）に駆動されると、大タービン３３Ｔに流入する排気の流路の面積が小さくなる。これにより、大タービン３３Ｔに流入する排気の流速が増大する。この動作は、既述の通り、エンジン本体１０が低速回転域で動作し、排気バイパス弁６が閉とされている場合に実行される。

［排気のフローについて］
次に、図４、図８及び図９を参照して、ターボ過給機３内における排気のフローを、排気バイパス弁６の動作状態と関連付けて説明する。排気バイパス弁６は、弁本体６１、保持片６２及び回動軸６３を備えている。弁本体６１は、排気バイパス通路５７を開閉する。保持片６２は、弁本体６１の背面に配置され、その一端側で弁本体６１を保持している。回動軸６３は、大タービン軸３７と略平行な方向（前後方向）に延び、保持片６２の他端側に結合されている。回動軸６３は、バルブアクチュエータ６Ａによって、その軸回りに回動可能である。

回動軸６３は、保持片６２を介して弁本体６１を片持ち支持している。従って、回動軸６３が軸回りに回動することで、弁本体６１も回動軸６３を軸心として回動する。バルブアクチュエータ６Ａが回動軸６３を軸回りに回動させることで、弁本体６１は排気バイパス通路５７を閉じる姿勢（図８）と、排気バイパス通路５７を開放する姿勢（図９）との間で姿勢変更する。

図８は、エンジン本体１０の低速回転域における、ターボ過給機３内の排気のフローを示す断面図である。低速回転域では、バルブアクチュエータ６Ａは弁本体６１を閉姿勢とし、排気バイパス通路５７が閉じられる。この場合、エンジン本体１０側から吐出されてくる排気（矢印Ｆ）は、ターボ過給機３の小型ターボハウジング３２に備えられている排気導入通路５１に進入する。排気は、連絡通路５２によって下方に導かれ、小スクロール通路５３の上流部５３Ｕに至る（矢印Ｆ１）。そして排気は、小タービン３５Ｔに作用すべく、小タービン３５Ｔの外周部の小スクロール通路５３から小タービン軸３８に向かう方向に流入し、小タービン３５Ｔを反時計方向Ｒ２に回転させる。

その後、排気は、小タービン３５Ｔの軸方向から導出され、ターボ間通路５４に進入する。排気は、ターボ間通路５４に沿って上方へ導かれ、上流側通路５５ＵＡを経て大スクロール通路５５の上流部５５Ｕに至る（矢印Ｆ２）。このとき、排気は小型ターボハウジング３２から大型ターボハウジング３１内へ流入することにもなる。そして排気は、大タービン３３Ｔに作用すべく、大タービン３３Ｔの外周部の大スクロール通路５５から大タービン軸３７に向かう方向に流入し、大タービン３３Ｔを時計方向Ｒ１に回転させる。しかる後、排気は大タービン３３Ｔの軸方向から導出され、排出通路５６（図７）を通してターボ過給機３の機外へ排出され、排気浄化装置７０へ向かう。

図９は、エンジン本体１０の中速及び高速回転域における、ターボ過給機３内の排気のフローを示す断面図である。中速〜高速回転域では、バルブアクチュエータ６Ａは弁本体６１を開姿勢とし、排気バイパス通路５７が開かれる。この場合、エンジン本体１０側から吐出されてくる排気（矢印Ｆ）は、排気導入通路５１を経て、フロー抵抗が小さい排気バイパス通路５７へ専ら流入する。そして排気は、排気バイパス通路５７に沿って左上方へ導かれ、大スクロール通路５５の上流部５５Ｕへ、右寄りの部分から流入する（矢印Ｆ３）。このとき、排気は小型ターボハウジング３２から大型ターボハウジング３１内へ流入することにもなる。以下同様に、排気は、大スクロール通路５５から大タービン３３Ｔに対して流入し、大タービン３３Ｔの軸方向から導出されて排出通路５６へ向かう。

［作用効果］
以上説明した本実施形態に係るターボ過給機付エンジン１によれば、次のような作用効果を奏する。ターボ過給機３は、大タービン３３Ｔを収容する大型ターボハウジング３１を含み、エンジン本体１０の中速から高速回転域で主に動作する大型ターボ部３Ａと、小タービン３５Ｔを収容する小型ターボハウジング３２を含み、エンジン本体１０の低速回転域で主に動作する小型ターボ部３Ｂとを備える。そして、小型ターボハウジング３２は鋳鉄製のケースである一方、大型ターボハウジング３１は板金製のケースである。

大型ターボハウジング３１が板金製のケースとされるので、当該大型ターボハウジング３１の熱容量を小さくすることができる。大型ターボハウジング３１は、大タービン３３Ｔを収容するので、自ずとそのサイズが大きくなる。とりわけ、本実施形態ではＶＧＴ３９が大タービン３３Ｔに付設されているので、前記サイズはより大型化する。このような大サイズの大型ターボハウジング３１を、熱容量が小さい部材によって形成することで、排気の熱を奪い難くすることができる。従って、ターボ過給機３の下流側に配置される排気浄化装置７０（触媒装置７１）に向かう排気の熱損を小さくすることができ、当該触媒装置７１の活性化温度の維持に寄与することができる。

一方、小型ターボ部３Ｂの小型ターボハウジング３２については鋳鉄製のケースとされるので、微細な精度でケースの成型可能となる。このため、小タービン３５Ｔの翼車の先端と小型ターボハウジング３２の内面との間のチップクリアランスを、タービン効率を高めることができる狭い幅に、精度良く設定することが可能となる。従って、小型ターボ部３Ｂが主に動作する低速回転域において過給特性を良好なものとすることができ、例えば低速回転域で加速が行われる際の要求トルクにエンジン１が十分に応えるようにすることができる。なお、小型ターボハウジング３２は小サイズとなるので、これを鋳鉄製のケースとしてもさほど排気の熱を奪うことはない。

また、ターボ過給機３は、小型ターボ部３Ｂが過給機内排気通路５０において大型ターボ部３Ａの上流に配置される２ステージターボ過給機である。過給機内排気通路５０は、上流側から順に並ぶ排気導入通路５１、連絡通路５２、小スクロール通路５３、ターボ間通路５４及び大スクロール通路５５と、排気導入通路５１と大スクロール通路５５とを短絡する排気バイパス通路５７とを含む。排気バイパス通路５７には排気バイパス弁６が配置され、該バイパス弁６が開とされたとき、排気は排気バイパス通路５７から大スクロール通路５５に至る。このように、排気が専ら大型ターボ部３Ａに導入される場合には、排気は、排気導入通路５１を通過した後は、殆ど板金製のケースからなる大型ターボハウジング３１を通過し、触媒装置７１に至る。従って、中速から高速回転域において、ターボ過給機３を通過する排気の熱損を小さくすることができる。

大型ターボハウジング３１が、大スクロール通路５５を区画するインナーシェル３１Ａと、このインナーシェル３１Ａの外側を覆うアウターシェル３１Ｂとで構成される板金製ケースの二重構造体からなる。一般に、板金製のケースは、継ぎ目や他の部材との接合部分においてガス漏れの懸念が生じる。しかし、大型ターボハウジング３１は二重構造とされているので、インナーシェル３１Ａから排気の漏れが生じたとしても、アウターシェル３１Ｂがガスシールの役目を果たす。また、両シェル間の断熱空間Ｈが、断熱作用を果たす。従って、ターボ過給機３の周辺部品の熱劣化を抑止することができる。

大型ターボ部３Ａは、大タービン３３Ｔに流入する排気の流路面積を変更してこの排気の流速を変更するＶＧＴ３９を備えている。ＶＧＴ３９を具備させることで、大タービン３３Ｔの翼車の先端と大型ターボハウジング３１の内面との間のチップクリアランスは、さほど精度が求められなくなる。つまり、大型ターボハウジング３１を板金製のケースとすることによって加工精度が低下しても、タービン効率に大きな影響を与えない。従って、ＶＧＴ３９を具備させる構成は、本実施形態のターボ過給機付エンジン１に好適である。

また、エンジン本体１０は、低負荷時にリーン運転が実行される、圧縮自己着火エンジンである。理論空燃比よりも低い混合気で運転されるリーン運転では、排気の温度が比較的低くなる。従って、大型ターボハウジング３１を板金製のケースとして熱損を小さくした本実施形態のターボ過給機付エンジン１は、触媒装置７１の活性化温度の維持という観点で、リーン運転に好適である。また、排気温度が比較的低いことは、大型ターボハウジング３１の熱変形による板金部分のクラックやフランジ合わせ面の変形による排気ガス漏れを抑制することにも貢献するので好ましい。

［変形実施形態の説明］
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば上記実施形態では、板金製の大型ターボハウジング３１が、インナーシェル３１Ａとアウターシェル３１Ｂとの二重構造とされた例を示した。これに代えて、大型ターボハウジング３１を単層の構造としても良く、或いは三重構造としても良い。また、上記実施形態では、排気通路において小型ターボ部３Ｂの下流に大型ターボ部３Ａが直列に配置される例を示した。第１、第２ターボ部は、排気導入通路５１にパラレルに接続されるものであっても良い。

上記実施形態では、小型ターボ部３Ｂの上に大型ターボ部３Ａが配置される態様を例示した。大型ターボ部３Ａ及び小型ターボ部３Ｂは、上下方向に並ぶ態様に限らず、水平方向、斜め方向に並ぶ態様としても良い。また、大型ターボ部３Ａ及び小型ターボ部３Ｂが本発明の条件を満たす限りにおいて、さらに他のターボ部が備えられていても良い。

１ ターボ過給機付エンジン
１０ エンジン本体
３ ターボ過給機
３Ａ 大型ターボ部
３Ｂ 小型ターボ部
３１ 大型ターボハウジング（第１タービンケース）
３１Ａ インナーシェル
３１Ｂ アウターシェル
３２ 小型ターボハウジング（第２タービンケース）
３３Ｔ 大タービン（第１タービン）
３５Ｔ 小タービン（第２タービン）
３９ ＶＧＴ（流速変更手段）
５０ 過給機内排気通路（排気通路）
５１ 排気導入通路（導入通路）
５２ 連絡通路
５３ 小スクロール通路（第２スクロール通路）
５４ ターボ間通路
５５ 大スクロール通路（第１スクロール通路）
５６ 排出通路
５７ 排気バイパス通路（バイパス通路）
６ 排気バイパス弁
７０ 排気浄化装置
７１ 触媒装置
Ｐ１ 吸気通路
Ｐ２ 排気通路

Claims (3)

1. エンジン本体と、
   前記エンジン本体に隣接して配置され、前記エンジン本体から排気が供給される排気通路を有し、前記エンジン本体へ導入される吸気を過給するターボ過給機と、
   前記ターボ過給機を通過した排気を浄化する触媒装置と、を備え、
   前記ターボ過給機は、
   第１タービン及び該第１タービンを収容する第１タービンケースを含み、前記エンジン本体の中速から高速回転域で主に動作する大型ターボ部と、
   第２タービン及び該第２タービンを収容する第２タービンケースを含み、前記エンジン本体の低速回転域で主に動作する小型ターボ部と、を含み、
   前記第２タービンケースは鋳鉄製のケースである一方、前記第１タービンケースはアルミニウム合金板を用いた板金製のケースであり、
   前記小型ターボ部は、前記排気通路において前記大型ターボ部の上流に配置され、
   前記排気通路は、
   前記エンジン本体側から排気を受け入れる導入通路と、
   前記第１タービンへ向けて排気を導く第１スクロール通路と、
   前記第２タービンへ向けて排気を導く第２スクロール通路と、
   前記第２タービンと前記第１スクロール通路の上流部とを繋ぐターボ間通路と、
   前記第２スクロール通路及び前記ターボ間通路をバイパスして、前記導入通路と前記第１スクロール通路の上流部とを繋ぐバイパス通路と、を含み、
   前記バイパス通路に配置され、該バイパス通路を開閉するバイパス弁を備え、
   少なくとも前記第１スクロール通路及び前記バイパス通路下流付近が、前記第１タービンケースによって形成され、
   前記バイパス弁が開とされたとき、排気は前記導入通路、前記バイパス通路及び前記第１スクロール通路の順に通過し、
   前記バイパス弁が閉とされたとき、排気は前記導入通路、前記第２スクロール通路、前記ターボ間通路及び前記第１スクロール通路の順に通過し、
   前記大型ターボ部は、前記第１タービンの周囲に設けられた角度変更可能な複数のノズルベーンを含むとともに当該ノズルベーンにより前記第１タービンに流入する排気の流路面積を変更してこの排気の流速を変更する流速変更手段を備える一方、前記小型ターボ部は当該流速変更手段を備えない、ターボ過給機付エンジン。
2. 請求項１に記載のターボ過給機付エンジンにおいて、
   前記第１タービンケースが、少なくとも前記第１スクロール通路を区画するインナーシェルと、前記インナーシェルの外側を覆うアウターシェルとで構成される二重構造を有する、ターボ過給機付エンジン。
3. 請求項１又は２に記載のターボ過給機付エンジンにおいて、
   前記エンジン本体は、少なくとも低負荷時において、燃焼時の空燃比が理論空燃比よりも大きいリーンの状態で運転される圧縮自己着火エンジンである、ターボ過給機付エンジン。
   

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