JP7056596B2

JP7056596B2 - 過給システム

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Publication number: JP7056596B2
Application number: JP2019016055A
Authority: JP
Inventors: 知史小関
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2019-01-31
Filing date: 2019-01-31
Publication date: 2022-04-19
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Description

この開示は、過給システムに関し、特に、並列に接続された複数の過給機を有する過給システムに関する。

従来、並列に接続された２つの過給機を有する過給システムがあった（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１の過給システムでは、エンジンの負荷に応じて、１つの過給機でエンジンの吸気を過給するシングル過給モードと、２つの過給機でエンジンの吸気を過給するツイン過給モードとを切替える。

低速域では、プライマリ過給機のみ駆動するシングル過給モードとする。排気エネルギが小さい速度域では、１つの過給機で過給圧の応答性を向上させるためである。高速域では、プライマリ過給機およびセカンダリ過給機を駆動するツイン過給モードとする。排気エネルギが大きい速度域では、２つの過給機で高過給圧を実現するためである。

特開２００９－２５０１９１号公報

特許文献１においては、シングル過給モードからツイン過給モードへの切替えにおける特徴的な技術が開示されている。しかし、特許文献１においては、ツイン過給モードからシングル過給モードへの切替えの特徴的な技術については開示されていない。このように、従来は、ツイン過給モードからシングル過給モードへの切替えにおいて特徴的な技術はあまり考えられていなかった。よく用いられる技術では、エンジンの回転速度と負荷（燃料の噴射量）とに応じて、ツイン過給モードからシングル過給モードへ切替えられていた。

図１４は、従来のツイン過給モードからシングル過給モードへの切替えを説明するための図である。図１４（Ａ）は、エンジンの回転速度の変化を示す。図１４（Ｂ）は、燃料の噴射量の変化を示す。図１４（Ｃ）は、過給圧の変化を示す。時刻Ｔ1において、アクセルのオフ等によって、エンジンの回転速度が徐々に減速し始め、燃料の噴射量は、一気にカットされる。このため、エンジンの回転速度および燃料の噴射量で決まる目標過給圧も一気に下がる。しかし、実過給圧の減少には遅れがあり、実過給圧は徐々に減少するため、エンジンの回転速度および燃料の噴射量で決定された目標過給圧と実過給圧とに乖離が生じる。このため、エンジンの回転速度および燃料の噴射量に応じたツイン過給モードからシングル過給モードへの切替は、エンジンの回転速度や燃料の噴射量が変化している過渡的な状態には対応できない。

この開示は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、過渡的な状況であっても適切にツイン過給モードからシングル過給モードに切替えることが可能な過給システムを提供することである。

この開示による過給システムは、エンジンから排出される排気によって駆動される第１タービンと、第１タービンへ流入する排気の流速を開度によって調整する第１可変ノズル機構と、エンジンへの吸気を過給する第１コンプレッサとを含む第１過給機と、エンジンから排出される排気によって駆動される第２タービンと、第２タービンへ流入する排気の流速を開度によって調整する第２可変ノズル機構とを含み、エンジンへの吸気を過給する第２過給機と、第１過給機において過給された空気がエンジンに供給されるシングル過給モードと、第１過給機において過給された空気と第２過給機において過給された空気とがエンジンに供給されるツイン過給モードとのうちのいずれか一方から他方に過給モードを切替える制御装置と、第１コンプレッサの特性を示すコンプレッサマップを示すデータを記憶する記憶部とを備える。コンプレッサマップは、第１過給機の第１コンプレッサに吸入される空気量の第１軸と、第１コンプレッサの吸入圧力に対する吐出圧力の圧力比の第２軸とを含む。

制御装置は、ツイン過給モードに切替えられているときに、記憶部に記憶されたコンプレッサマップにおいて圧力比と空気量とによって特定される動作点が、コンプレッサマップ上の所定ラインを下回ったことが示される場合、過給モードをシングル過給モードに切替える。

好ましくは、所定ラインは、エンジンで燃料の噴射が再開されたときに、シングル過給モードよりもツイン過給モードの方が圧力比の上昇が速い領域と、ツイン過給モードよりもシングル過給モードの方が圧力比の上昇が速い領域との境界線である。好ましくは、所定ラインは、第１過給機の定常走行時の等回転速度のラインである。

好ましくは、制御装置は、ツイン過給モードに切替えられているときに、動作点が所定ラインを下回っていない場合、第１過給機および第２過給機が目標過給圧を得るために必要な第１可変ノズル機構および第２可変ノズル機構の目標開度を、吸気経路および排気経路の状態量から算出し、算出した目標開度が制御可能な範囲外である場合、過給モードをシングル過給モードに切替える。

この開示に従えば、過渡的な状況であっても適切にツイン過給モードからシングル過給モードに切替えることが可能な過給システムを提供することができる。

この実施の形態におけるエンジンの概略構成の一例を示す図である。シングル過給モード時の過給システムの動作を説明するための図である。助走モード時の過給システムの動作を説明するための図である。ツイン過給モード時の過給システムの動作を説明するための図である。この実施の形態におけるシングル過給モードへの切替処理の流れの一例を示すフローチャートである。過給機の物理式を説明するための第１の図である。過給機の物理式を説明するための第２の図である。物理式で算出される目標ＶＮ開度の変化の例を説明するための図である。プライマリ過給機のコンプレッサの吸入空気量とコンプレッサの前後の圧力比との関係を示すコンプレッサ動作マップの一例を示す図である。コンプレッサ動作マップの動作点が切替ラインＬ１に達した場合と達していない場合との再加速での過給圧の変化を説明するための図である。コンプレッサ動作マップ上の定常時のアクセル開度による動作点の違いを説明するための図である。減速後のアクセル開度ごとの再加速での過給圧の違いを説明するための図である。変形例における目標ＶＮ開度の算出を説明するための図である。従来のツイン過給モードからシングル過給モードへの切替えを説明するための図である。

以下、図面を参照しつつ、この開示の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号が付されている。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返されない。

［過給システムの構成について］
図１は、この実施の形態におけるエンジン１の概略構成の一例を示す図である。図１を参照して、このエンジン１は、たとえば、走行のための駆動源として車両に搭載される。この実施の形態においては、エンジン１は、ディーゼルエンジンである場合を一例として説明するが、たとえば、ガソリンエンジンであってもよい。

エンジン１は、バンク１０Ａ，１０Ｂと、エアクリーナ２０と、インタークーラ２５と、吸気マニホールド２８Ａ，２８Ｂと、プライマリ過給機３０と、セカンダリ過給機４０と、排気マニホールド５０Ａ，５０Ｂ（以下「エキマニ」ともいう）と、排気処理装置８１と、制御装置２００とを備える。

バンク１０Ａには、複数の気筒１２Ａが形成される。バンク１０Ｂには、複数の気筒１２Ｂが形成される。各気筒１２Ａ，１２Ｂ内にはピストン（図示せず）が収納されており、ピストンの頂部と気筒の内壁とによって燃焼室（燃料が燃焼する空間）が形成されている。各気筒１２Ａ，１２Ｂ内をピストンが摺動することによって燃焼室の容積が変化される。各気筒１２Ａ，１２Ｂには、インジェクタ（図示せず）が設けられており、エンジン１の動作中においては、制御装置２００によって設定されたタイミングおよび量の燃料を各気筒１２Ａ，１２Ｂ内に噴射する。なお、各インジェクタから噴射する燃料の噴射量およびタイミングは、たとえば、エンジン回転数ＮＥ、吸入空気量Ｑｉｎ、アクセルペダルの踏み込み量あるいは車両の速度等から制御装置２００によって設定される。

各気筒１２Ａ，１２Ｂのピストンは、コネクティングロッドを介して共通のクランクシャフト（図示せず）に連結される。各気筒１２Ａ，１２Ｂ内において所定の順序で燃料が燃焼することによってピストンが各気筒１２Ａ，１２Ｂ内を摺動し、ピストンの上下運動がコネクティングロッドを経由してクランクシャフトの回転運動に変換される。

プライマリ過給機３０は、コンプレッサ３１とタービン３２とを含むターボチャージャである。プライマリ過給機３０のコンプレッサ３１は、エンジン１の吸気通路（すなわち、エアクリーナ２０から吸気マニホールド２８Ａ，２８Ｂまでの通路）に設けられる。プライマリ過給機３０のタービン３２は、エンジン１の排気通路（すなわち、排気マニホールド５０Ａ，５０Ｂから排気処理装置８１までの通路）に設けられる。

コンプレッサ３１内には、コンプレッサホイール３３が回転自在に収納される。タービン３２内には、タービンホイール３４と可変ノズル機構３５とが設けられる。タービンホイール３４は、回転自在にタービン３２内に収納される。コンプレッサホイール３３と、タービンホイール３４とは、回転軸３６によって連結されており、一体的に回転する。コンプレッサホイール３３は、タービンホイール３４に供給される排気のエネルギ（排気エネルギ）によって回転駆動される。

可変ノズル機構３５は、タービン３２を作動させる排気の流速を変化させる。可変ノズル機構３５は、タービンホイール３４の外周側に配置され、排気流入口から供給される排気をタービンホイール３４に導く複数のノズルベーン（図示せず）と、複数のノズルベーンの各々を回転させることによって隣接するノズルベーン間の隙間（以下の説明においてこの隙間をＶＮ開度と記載する）を変化させる駆動装置（図示せず）とを含む。可変ノズル機構３５は、たとえば、制御装置２００からの制御信号ＶＮ１に応じて駆動装置を用いてノズルベーンを回転させることによってＶＮ開度を変化させる。

セカンダリ過給機４０は、コンプレッサ４１とタービン４２とを含むターボチャージャである。この実施の形態においては、セカンダリ過給機４０は、プライマリ過給機３０と同じ構造およびサイズであることとする。セカンダリ過給機４０のコンプレッサ４１は、エンジン１の吸気通路において、コンプレッサ３１に並列して設けられ、エンジン１の吸気を過給する。セカンダリ過給機４０のタービン４２は、エンジン１の排気通路において、タービン３２に並列して設けられる。

コンプレッサ４１内には、コンプレッサホイール４３が回転自在に収納される。タービン４２内には、タービンホイール４４と可変ノズル機構４５とが設けられる。タービンホイール４４は、回転自在にタービン４２内に収納される。コンプレッサホイール４３と、タービンホイール４４とは、回転軸４６によって連結されており、一体的に回転する。コンプレッサホイール４３は、タービンホイール４４に供給される排気エネルギによって回転駆動される。

なお、可変ノズル機構４５は、可変ノズル機構３５と同様の構成を有するため、その詳細な説明は繰り返さない。可変ノズル機構４５は、たとえば、制御装置２００からの制御信号ＶＮ２に応じて駆動装置を用いてノズルベーンを回転させることによってＶＮ開度を変化させる。

エアクリーナ２０は、吸気口（図示せず）から吸入された空気から異物を除去する。エアクリーナ２０には、吸気管２３の一方端が接続される。吸気管２３の他方端は、分岐して吸気管２１の一方端および吸気管２２の一方端に接続される。

吸気管２１の他方端は、プライマリ過給機３０のコンプレッサ３１の吸気流入口に接続される。プライマリ過給機３０のコンプレッサ３１の吸気流出口には、吸気管３７の一方端が接続される。吸気管３７の他方端は、インタークーラ２５に接続される。コンプレッサ３１は、コンプレッサホイール３３の回転によって吸気管２１を通じて吸入される空気を過給して吸気管３７に供給する。

吸気管２２の他方端は、セカンダリ過給機４０のコンプレッサ４１の吸気流入口に接続される。セカンダリ過給機４０のコンプレッサ４１の吸気流出口には、吸気管４７の一方端が接続される。吸気管４７の他方端は、吸気管３７の途中の接続部Ｃ３に接続される。コンプレッサ４１は、コンプレッサホイール４３の回転によって吸気管２２を通じて吸入される空気を過給して吸気管４７に供給する。

吸気管４７の途中には第１制御弁６２が設けられている。第１制御弁６２は、たとえば、制御装置２００からの制御信号ＣＶ１に応じてＯＮ（開）／ＯＦＦ（閉）制御されるノーマリオフのＶＳＶ（負圧切替弁）である。

また、吸気管４７において第１制御弁６２よりも上流側（コンプレッサ４１側）に位置する接続部Ｃ４に、還流管４８の一方端が接続されている。また、還流管４８の他方端は吸気管２１に接続されている。還流管４８は、吸気管４７を流れる空気の少なくとも一部をプライマリ過給機３０のコンプレッサ３１よりも上流側に還流させるための通路である。還流管４８を通じて吸気管２１に還流した空気は、コンプレッサ３１に供給される。

還流管４８の途中には第２制御弁６４が設けられている。第２制御弁６４は、たとえば、制御装置２００からの制御信号ＣＶ２に応じてＯＮ（開）／ＯＦＦ（閉）制御されるノーマリオフの電磁弁（ソレノイドバルブ）である。

接続部Ｃ３には、コンプレッサ３１によって過給された空気と、コンプレッサ４１によって過給され、第１制御弁６２を通過した空気とが供給される。これらの空気は、接続部Ｃ３で合流してインタークーラ２５に流入する。

インタークーラ２５は、流入した空気を冷却するように構成される。インタークーラ２５は、たとえば空冷式又は水冷式の熱交換器である。インタークーラ２５の吸気流出口には、ディーゼルスロットル６８を介して、吸気管２７Ａの一方端および吸気管２７Ｂの一方端が接続される。ディーゼルスロットル６８は、電動アクチュエータを用いて開度が調整可能に構成され、制御装置２００からの制御信号に応じて吸気の流量を調整する。吸気管２７Ａの他方端は、吸気マニホールド２８Ａに接続される。吸気管２７Ｂの他方端は、吸気マニホールド２８Ｂに接続される。

吸気マニホールド２８Ａ、２８Ｂは、それぞれバンク１０Ａ、１０Ｂにおける気筒１２Ａ、１２Ｂの吸気ポート（図示せず）に連結される。一方、排気マニホールド５０Ａ，５０Ｂは、それぞれバンク１０Ａ，１０Ｂにおける気筒１２Ａ，１２Ｂの排気ポート（図示せず）に連結される。

各気筒１２Ａ，１２Ｂの燃焼室から排気ポートを通じて気筒外に排出された排気（燃焼後のガス）は、エンジン１の排気通路を経由して外に排出される。上記の排気通路は、排気マニホールド５０Ａ，５０Ｂ、排気管５１Ａ，５１Ｂと、接続部Ｃ１と、排気管５２Ａ，５２Ｂ，５３Ａ，５３Ｂと、接続部Ｃ２とを含む。排気管５１Ａの一方端は、排気マニホールド５０Ａに接続される。排気管５１Ｂの一方端は、排気マニホールド５０Ｂに接続される。排気管５１Ａの他方端と、排気管５１Ｂの他方端とは、接続部Ｃ１において一旦合流した後に、分岐して排気管５２Ａの一方端および排気管５２Ｂの一方端に接続される。

排気管５２Ａの他方端は、タービン３２の排気流入口に接続される。タービン３２の排気流出口には、排気管５３Ａの一方端が接続される。排気管５２Ｂの他方端は、タービン４２の排気流入口に接続される。タービン４２の排気流出口には、排気管５３Ｂの一方端が接続される。

排気管５２Ｂの途中には第３制御弁６６が設けられる。第３制御弁６６は、たとえば、制御装置２００からの制御信号ＣＶ３に応じてＯＮ（開）／ＯＦＦ（閉）制御されるノーマリオンのＶＳＶ（負圧切替弁）である。

排気管５３Ａの他方端と排気管５３Ｂの他方端とは、接続部Ｃ２において合流し、排気処理装置８１に接続される。排気処理装置８１は、たとえば、ＳＣＲ触媒、酸化触媒、あるいは、ＰＭ除去フィルタ等によって構成され、排気管５３Ａおよび排気管５３Ｂから流通する排気を浄化する。

エンジン１の動作は、制御装置２００によって制御される。制御装置２００は、各種処理を行なうＣＰＵ（Central Processing Unit）と、プログラムおよびデータを記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）およびＣＰＵの処理結果等を記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）等を含むメモリと、外部との情報のやり取りを行なうための入出力ポート（いずれも図示せず）とを含む。入力ポートには、各種センサ類（たとえば、エアフローメータ１０２、第１圧力センサ１０６および第２圧力センサ１０８等）が接続される。出力ポートには、制御対象となる機器（たとえば、複数のインジェクタ、可変ノズル機構３５，４５、第１制御弁６２、第２制御弁６４、第３制御弁６６等）が接続される。

制御装置２００は、各センサおよび機器からの信号、ならびにメモリに格納されたマップおよびプログラムに基づいて、エンジン１が所望の運転状態となるように各種機器を制御する。なお、各種制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）により処理することも可能である。また、制御装置２００には、時間の計測を行うためのタイマ回路（図示せず）が内蔵されている。

エアフローメータ１０２は、吸入空気量Ｑｉｎを検出する。エアフローメータ１０２は、検出した吸入空気量Ｑｉｎを示す信号を制御装置２００に送信する。

エンジン回転数センサ１０４は、エンジン回転数ＮＥを検出する。エンジン回転数センサ１０４は、検出したエンジン回転数ＮＥを示す信号を制御装置２００に送信する。

第１圧力センサ１０６は、吸気管３７の接続部Ｃ３における圧力（以下、第１過給圧と記載する）Ｐｐを検出する。第１圧力センサ１０６は、検出した第１過給圧Ｐｐを示す信号を制御装置２００に送信する。

第２圧力センサ１０８は、吸気管４７の接続部Ｃ４における圧力（以下、第２過給圧Ｐｓと記載する）を検出する。第２圧力センサ１０８は、第２過給圧Ｐｓを示す信号を制御装置２００に送信する。

この実施の形態において、プライマリ過給機３０とセカンダリ過給機４０と制御装置２００とによって「過給システム」が構成される。

制御装置２００は、第１制御弁６２、第２制御弁６４および第３制御弁６６を制御することにより、プライマリ過給機３０（プライマリターボ）のみで過給を行なうシングル過給モードと、プライマリ過給機３０（プライマリターボ）およびセカンダリ過給機４０（セカンダリターボ）の両方で過給を行なうツイン過給モードとのうちのいずれか一方から他方に切替える切替制御を実行可能に構成される。また、制御装置２００は、シングル過給モードからツイン過給モードに切替える場合には、シングル過給モードから、セカンダリ過給機４０による過給圧を一定以上に上昇させる助走モードでの運転を実行した後に、過給モードをツイン過給モードに切替える。

以下、シングル過給モード、助走モードおよびツイン過給モードの各々における過給システムの動作について図２、図３および図４を参照しつつ説明する。

＜シングル過給モードについて＞
制御装置２００は、所定の実行条件が成立する場合に、シングル過給モードで過給システムを動作させる。所定の実行条件とは、たとえば、エンジン回転数ＮＥおよび吸入空気量Ｑｉｎに基づくエンジン１の運転状態が低負荷運転状態であるという条件を含む。制御装置２００は、過給モードがシングル過給モードである場合には、第１制御弁６２、第２制御弁６４および第３制御弁６６をいずれも閉状態（オフ状態）にする。

図２は、シングル過給モード時の過給システムの動作を説明するための図である。図２の矢印に示すように、排気マニホールド５０Ａ，５０Ｂを流通する排気は、排気管５２Ａを経由してプライマリ過給機３０のタービン３２に流れ、排気管５３Ａを経由して排気処理装置８１に流れる。タービン３２に供給された排気によって、タービンホイール３４が回転し、タービンホイール３４の回転にともなってコンプレッサホイール３３が回転する。

エアクリーナ２０から吸入される空気は、吸気管２３および吸気管２１を経由してコンプレッサ３１に流れる。コンプレッサ３１から吐出された吸気は、吸気管３７を経由してインタークーラ２５に流れる。インタークーラ２５に流れた吸気は、吸気管２７Ａ，２７Ｂに分岐して吸気マニホールド２８Ａ，２８Ｂの各々に流れる。

＜助走モードについて＞
制御装置２００は、たとえば、過給モードがシングル過給モードであって、かつ、プライマリ過給機３０の回転数がしきい値を超える場合に、シングル過給モードからツイン過給モードへの切替要求があると判定する。

制御装置２００は、シングル過給モードからツイン過給モードへの切替要求がある場合には、ツイン過給モードに切替える前に助走モードを実行する。すなわち、制御装置２００は、第２制御弁６４および第３制御弁６６の両方を開状態（オン状態）にし、第１制御弁６２を閉状態（オフ状態）にする。

図３は、助走モード時の過給システムの動作を説明するための図である。図３の矢印に示すように、排気マニホールド５０Ａ，５０Ｂを流通する排気は、接続部Ｃ１で一旦合流した後に排気管５２Ａ，５２Ｂに分岐し、プライマリ過給機３０，セカンダリ過給機４０のタービン３２，４２の両方に流れ、排気管５３Ａ，５３Ｂを経由して排気処理装置８１に流通する。

タービン３２に供給された排気によって、タービンホイール３４が回転し、タービンホイール３４の回転にともなってコンプレッサホイール３３が回転する。タービン４２に供給された排気によって、タービンホイール４４が回転し、タービンホイール４４の回転にともなってコンプレッサホイール４３が回転する。

エアクリーナ２０から吸入される空気は、吸気管２３から吸気管２１，２２に分岐してコンプレッサ３１，４１の両方に流れる。コンプレッサ３１から吐出された吸気は、吸気管３７を経由してインタークーラ２５に流れる。コンプレッサ４１から吐出された吸気は、吸気管４７から接続部Ｃ４を経由して還流管４８に流れ、還流管４８から吸気管２１を経由してコンプレッサ３１に流れる。

インタークーラ２５に流れた吸気は、吸気管２７Ａ，２７Ｂに分岐して吸気マニホールド２８Ａ，２８Ｂの各々に流れる。助走モードにおいては、プライマリ過給機３０によってインタークーラ２５に流れる吸気を過給しつつ、セカンダリ過給機４０の回転数が上昇される。セカンダリ過給機４０の回転数が上昇するにつれてセカンダリ過給機４０のコンプレッサ４１から吐出される吸気の圧力が上昇していく。

＜ツイン過給モードについて＞
制御装置２００は、助走モード中におけるセカンダリ過給機４０の過給能力が十分高くなったタイミングで、ツイン過給モードで過給システムを動作させる。制御装置２００は、過給モードがツイン過給モードである場合には、第１制御弁６２を開状態（オン状態）にするとともに、第２制御弁６４を閉状態（オフ状態）にする。

図４は、ツイン過給モード時の過給システムの動作を説明するための図である。助走モード時においては、セカンダリ過給機４０のコンプレッサ４１から吐出された吸気が吸気管４７の途中から還流管４８を経由して吸気管２１に流れていたのに対して、ツイン過給モード時においては、図４の矢印に示すように、セカンダリ過給機４０のコンプレッサ４１から吐出された吸気が吸気管４７から吸気管３７を経由してインタークーラ２５に流れる。

なお、上述以外の排気および吸気の流れは助走モード時の排気および吸気の流れと同様である。そのため、その詳細な説明は繰り返さない。

［従来の課題について］
従来よく用いられる技術では、エンジンの回転速度と負荷（燃料の噴射量）とに応じて、ツイン過給モードからシングル過給モードへ切替えられていた。前述の図１４で説明したように、エンジンの回転速度および燃料の噴射量に応じたツイン過給モードからシングル過給モードへの切替は、エンジンの回転速度や燃料の噴射量が変化している過渡的な状態には対応できない。

［この実施の形態での制御について］
そこで、この実施の形態においては、制御装置２００は、ツイン過給モードに切替えられているときに、プライマリ過給機３０およびセカンダリ過給機４０が目標過給圧を得るために必要な可変ノズル機構３５および可変ノズル機構４５の目標開度を、吸気経路および排気経路の状態量から算出し、算出した目標開度が制御可能な範囲外である場合、過給モードをシングル過給モードに切替える。これにより、過渡的な状況であっても適切にツイン過給モードからシングル過給モードに切替えることができる。

また、この実施の形態においては、制御装置２００のメモリは、第１コンプレッサの特性を示すコンプレッサマップを示すデータを記憶する。コンプレッサマップは、第１過給機の第１コンプレッサに吸入される空気量の第１軸と、第１コンプレッサの吸入圧力に対する吐出圧力の圧力比の第２軸とを含む。制御装置２００は、ツイン過給モードに切替えられているときに、メモリに記憶されたコンプレッサマップにおいて圧力比と空気量とによって特定される動作点が、コンプレッサマップ上の所定ラインを下回ったことが示される場合、過給モードをシングル過給モードに切替える。これにより、過渡的な状況であっても適切にツイン過給モードからシングル過給モードに切替えることができる。

このような制御を実行するために、具体的には以下の処理が実行される。図５は、この実施の形態におけるシングル過給モードへの切替処理の流れの一例を示すフローチャートである。図５を参照して、制御装置２００は、過給モードフラグがツイン過給モードを示す値であるか否かを判断する（ステップＳ１０１）。過給モードフラグは、現在制御されている過給モードを示すフラグであって、制御されている過給モードとして、シングル過給モード、ツイン過給モード、および、助走モードのいずれかを示す値を取り得る。

過給モードフラグがツイン過給モードであることを示さない（ステップＳ１０１でＮＯ）と判断した場合、制御装置２００は、実行する処理を、この処理の呼出元の処理に戻す。

過給モードフラグがツイン過給モードであることを示す（ステップＳ１０１でＹＥＳ）と判断した場合、制御装置２００は、過給機の物理式を用いて各部の状態量から目標ＶＮ開度を算出する（ステップＳ１１２）。目標ＶＮ開度を算出するときの吸気経路および排気経路の状態量としては、それぞれ、プライマリ過給機３０およびセカンダリ過給機４０への分岐前の吸気経路の状態量、および、プライマリ過給機３０およびセカンダリ過給機４０からの合流後の排気経路の状態量を用いる。

図６は、過給機の物理式を説明するための第１の図である。図６を参照して、過給機の物理式においては、まず、目標ディーゼルスロットル前圧と、インタークーラ圧力損失とから目標コンプレッサ後圧力Ｐ3を算出する。目標ディーゼルスロットル前圧は、ディーゼルスロットル６８とインタークーラ２５との間の目標の圧力である。インタークーラ圧力損失は、インタークーラ２５による圧力損失である。目標ディーゼルスロットル前圧（以下「目標Ｄスロ前圧」という）にインタークーラ圧力損失を加算することで、目標コンプレッサ後圧力Ｐ3を算出する。

次に、目標コンプレッサ後圧力Ｐ3と、新気量Ｇａと、吸気温度Ｔｈａと、コンプレッサ前圧力Ｐ2とから、数式（１）を用いて目標コンプレッサ仕事を算出する。なお、Ｃｐａ：定温比熱（０．２４）、ｋ：空気の比熱比（１．４）である。吸入空気量Ｇａは、エアフローメータ１０２からの検出信号に応じて特定される。

次に、目標コンプレッサ仕事と、ターボ総合効率ηｔｏｔとから、数式（２）を用いて目標タービン仕事を算出する。なお、ターボ総合効率ηｔｏｔは、制御装置２００により状態量から公知の計算式を用いて算出される。

次に、目標タービン仕事と、エキマニガス温度Ｔ4と、ターボ後圧力Ｐ6と、タービン通過ガス量Ｇａ＋Ｇｆとから、数式（３）を用いて目標エキマニ圧力を算出する。なお、Ｃｐｇ：定圧比熱（０．２６）、Ｋ：排気ガスの比熱比（１．３３）である。噴射燃料の質量流量Ｇｆは、燃料の噴射のために制御装置２００により算出される燃料噴射量から算出される。

図７は、過給機の物理式を説明するための第２の図である。図７を参照して、目標エキマニ圧力Ｐ4に制約ガードを掛ける。この制約ガードでは、目標エキマニ圧力Ｐ4が制限エキマニ圧力より高い場合は、Ｐ4は制限エキマニ圧力とされる。制限エキマニ圧力は、排気バルブのバルブステムのオイルシールが吹き抜けたり、排気バルブが開弁したりしない値として予め定められる。

そして、目標エキマニ圧力Ｐ4と、エキマニガス温度Ｔ4と、ターボ後圧力Ｐ6と、タービン通過ガス量Ｇａ＋Ｇｆとから、数式（４）のノズル式を用いて目標有効開口面積μＡを算出する。なお、Ａ：実開口面積、μＡ：目標有効開口面積、Ｒ：気体定数（２８７）、ａ，ｂ：Ｐ６／Ｐ４の値ごとに予め定められた定数である。

次に、ＶＮ開度と有効開口面積との関係を示す開度特性マップを用いて、算出された目標有効開口面積μＡから目標ＶＮ開度を算出する。

図５に戻って、制御装置２００は、算出された目標ＶＮ開度が制御可能範囲外か否かを判断する（ステップＳ１１３）。ＶＮ開度は、ノズルベーンの構造上、完全に閉じた状態（１００％）や完全に開いた状態（０％）には制御できない。このため、ＶＮ開度の制御可能範囲は、たとえば、１０％から９６％の範囲である。算出された目標ＶＮ開度がこの制御可能範囲外である（ステップＳ１１３でＹＥＳ）と判断した場合、制御装置２００は、目標ＶＮ開度が制御可能範囲外である状態が、所定期間、継続したか否かを判断する（ステップＳ１１４）。

所定期間、継続した（ステップＳ１１４でＹＥＳ）と判断されると、制御装置２００は、過給モードフラグをシングル過給モードを示す値に変更し（ステップＳ１１７）、実行する処理を、この処理の呼出元の処理に戻す。これにより、シングル過給モードに切替えられる。

図８は、物理式で算出される目標ＶＮ開度の変化の例を説明するための図である。図８を参照して、図８（Ｂ）で示されるように、アクセルがオフとされたりして、燃料の噴射量が急激に下げられると、図８（Ａ）で示されるように、エンジン１の回転速度が徐々に減少する。これにより、エンジン１の回転速度および燃料の噴射量で決定される目標Ｄスロ前圧も急激に下がり、目標過給圧（＝目標コンプレッサ後圧力Ｐ3）も急激に下がる。これに伴い、上述の物理式で算出される判定用の目標ＶＮ開度も減少するが、時刻Ｔ1で、目標過給圧が実過給圧を上回ると、判定用の目標ＶＮ開度は上昇に転じる。その後、目標ＶＮ開度が制御可能範囲の閉め側の上限の所定値を上回った状態で所定期間、継続した時刻Ｔ２で、過給モードが、ツイン過給モードからシングル過給モードに切替えられる。

図５に戻って、算出された目標ＶＮ開度が制御可能範囲外でない（ステップＳ１１３でＮＯ）と判断した場合、または、算出された目標ＶＮ開度が制御可能範囲外である状態が、所定期間、継続していない（ステップＳ１１４でＮＯ）と判断した場合、制御装置２００は、プライマリ過給機３０の吸入空気量Ｇａが、プライマリ過給機３０のコンプレッサ前圧力Ｐ2に対するコンプレッサ後圧力Ｐ3の圧力比から算出される閾値以下となったか否かを判断する（ステップＳ１１５）。

図９は、プライマリ過給機３０のコンプレッサ３１の吸入空気量とコンプレッサ３１の前後の圧力比との関係を示すコンプレッサ動作マップの一例を示す図である。図９を参照して、コンプレッサ動作マップは、プライマリ過給機３０のコンプレッサ３１の吸入空気量と圧力比とをパラメータとして、コンプレッサ３１の動作領域を示すマップである。このマップの横軸および縦軸は、それぞれコンプレッサ３１の吸入空気量および圧力比を示す。なお、コンプレッサ３１の吸入空気量は、たとえばエアフローメータ１０２で検出される吸入空気量から推定することができる。

「サージライン」（二点鎖線）は、プライマリ過給機３０においてサージングが発生しやすいサージ領域との境界線を示す。「等回転速度ライン」（細実線）は、コンプレッサ３１の回転速度が等しい動作点を繋ぎ合わせた線を、コンプレッサ３１の回転速度ごとに示した線群である。なお、コンプレッサ３１の回転速度は、コンプレッサ３１の吸入空気量が多いほど、また圧力比が大きいほど、高い値となる。また、コンプレッサ３１の回転速度は、シングル過給モード中において、エンジン回転速度が高いほど、高い値となる。

「切替ラインＬ２」（太実線）は、シングル過給モードからツイン過給モードへの切替が行われるラインである。加速時に、コンプレッサ３１の動作点が、図９で示す動作線に沿って移動し、切替ラインＬ２に達すると、シングル過給モードからツイン過給モードに切替える準備段階の助走モードに切替えられ、その後、ツイン過給モードに切替えられる。

「切替ラインＬ１」（太実線）は、ツイン過給モードからシングル過給モードへの切替が行われるラインである。減速時に、コンプレッサ３１の動作点が、図９で示す動作線に沿って移動し、切替ラインＬ１に達すると、ツイン過給モードからシングル過給モードに切替えられる。

図５に戻って、動作点が切替ラインＬ１に達したときに、プライマリ過給機３０の吸入空気量Ｇａが、プライマリ過給機３０の圧力比から算出される閾値以下となった（ステップＳ１１５でＹＥＳ）と判断し、制御装置２００は、過給モードフラグをシングル過給モードを示す値に変更し（ステップＳ１１７）、実行する処理を、この処理の呼出元の処理に戻す。これにより、シングル過給モードに切替えられる。

一方、動作点が切替ラインＬ１に達しておらず、吸入空気量Ｇａがプライマリ過給機３０の圧力比から算出される閾値以下となっていない（ステップＳ１１５でＮＯ）と判断した場合、制御装置２００は、過給モードフラグをツイン過給モードを示す値のままとし（ステップＳ１１６）実行する処理を、この処理の呼出元の処理に戻す。

図１０は、コンプレッサ動作マップの動作点が切替ラインＬ１に達した場合と達していない場合との再加速での過給圧の変化を説明するための図である。図１０を参照して、図１０（Ａ）で示されるように、アクセル開度が１００％から２０％に減少されると、図１０（Ｂ）で示されるように、目標過給圧が急激に下げられる。しかし、図１０（Ｂ）で示されるように、実過給圧は、徐々に減少する。

従来のように、エンジン１の回転速度および燃料の噴射量に応じてツイン過給モードからシングル過給モードへの切替を判定する場合、目標過給圧が急激に下げられた時刻Ｔ1において、シングル過給モードに切替えられる。切替え後、すぐに再加速する場合、目標過給圧が実過給圧と乖離しているため過給圧の応答性が悪い。

一方、この実施の形態においては、コンプレッサ動作マップの動作点が切替ラインＬ１を下回ったとき（図１０で時刻Ｔ3）にツイン過給モードからシングル過給モードへ切替える。図１０の（Ｉ）の太破線で示すように、時刻Ｔ3の直前の時刻Ｔ2で、アクセル開度を１００％として再加速した場合、動作点が切替ラインＬ１に達する前であるので、ツイン過給モードのままであっても、過給圧の応答性が良い。

また、図１０の（ＩＩ）の太実線で示すように、時刻Ｔ3でシングル過給モードに切替えられた後の時刻Ｔ4で、アクセル開度を１００％として再加速した場合、動作点が切替ラインＬ１を下回った後であるので、シングル過給モードで再加速が開始されるため、過給圧の応答性が良い。その後、時刻Ｔ5で、シングル過給モードである程度、コンプレッサ３１の回転速度が上がり、吸入空気量が増えたときに、ツイン過給モードへの切替えのための助走モードへ切替えられるため、過給圧を上昇させることができる。

図１１は、コンプレッサ動作マップ上の定常時のアクセル開度による動作点の違いを説明するための図である。図１１を参照して、アクセル開度は、Ａ１％～Ａ５％で示され、Ａ１＞Ａ２＞Ａ３＞Ａ４＞Ａ５である。コンプレッサ動作マップにおいて、定常時にはアクセル開度が大きい程、動作点が吸入空気量および圧力比Ｐ3／Ｐ2が高い右上の方向に移動する。アクセル開度Ａ３％の動作点は、切替ラインＬ１上となる。アクセル開度Ａ４％の動作点は、切替ラインＬ１を下回った位置となる。

図１２は、減速後のアクセル開度ごとの再加速での過給圧の違いを説明するための図である。図１２を参照して、図１２（Ａ）で示されるように、ツイン過給モードのまま、時刻Ｔ1でアクセル開度Ａ４％から再加速した場合、太実線で示されるようにコンプレッサ後圧力Ｐ3が上昇する。シングル過給モードに切替えられた後に、時刻Ｔ1でアクセル開度Ａ４％から再加速した場合、太破線で示されるようにコンプレッサ後圧力Ｐ3が上昇する。図１２（Ａ）で示されるように、アクセル開度Ａ４％から再加速する場合は、シングル過給モードに切替えた後の方が、ツイン過給モードのままよりも、過給圧の応答性が良い。

図１２（Ｂ）で示されるように、ツイン過給モードのまま、時刻Ｔ1でアクセル開度Ａ３％から再加速した場合、太実線で示されるようにコンプレッサ後圧力Ｐ3が上昇する。シングル過給モードに切替えられた後に、時刻Ｔ1でアクセル開度Ａ３％から再加速した場合、太破線で示されるようにコンプレッサ後圧力Ｐ3が上昇する。図１２（Ｂ）で示されるように、アクセル開度Ａ３％から再加速する場合は、シングル過給モードに切替えた後と、ツイン過給モードのままとで、過給圧の応答性がほぼ等しい。

なお、図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）で示されるように、アクセル開度Ａ３％およびＡ４％のいずれの場合も、シングル過給モードで再加速される場合は、コンプレッサ後圧力Ｐ3が、ある程度、上昇した後、第２制御弁６４が開状態に切替えられ、助走モードとされた後に、第１制御弁６２が開状態に切替えられることで、ツイン過給モードに切替えられる。

図１２の結果より、定常時のアクセル開度Ａ３％の動作点を通る等回転速度ラインを下回った場合は、シングル過給モードに切替えた方が過給圧の応答性が良くなるため、この等回転速度ラインを切替ラインＬ１と定めることができる。

［変形例］
（１）前述した実施の形態においては、図６および図７で説明したように、Ｄスロ前圧力から算出したコンプレッサ後圧力Ｐ3をそのまま用いて目標ＶＮ開度を算出するようにした。図１３は、変形例における目標ＶＮ開度の算出を説明するための図である。図１３を参照して、この場合、図１３（Ａ）で示されるように、アクセル開度が増加されたときに、図１２（Ｂ）で示されるように、実過給圧は徐々に上昇するが、目標過給圧は、急激に上昇させられる。これにより、図１３（Ｃ）で示されるように、図６および図７で説明した物理式で目標ＶＮ開度を算出すると、目標ＶＮ開度が急激に閉め側の値として算出されてしまう。その結果、図５のステップＳ１１３の目標ＶＮ開度の判定が不安定となってしまう。

このような状況に対処するために、図１３（Ｄ）で示されるように、目標過給圧になまし処理を施したものを目標ＶＮ開度の算出に用いるようにしてもよい。これにより、目標ＶＮ開度の判定を安定化させることができる。

（２）前述した実施の形態では、エンジン１の吸気通路には、プライマリ過給機３０およびセカンダリ過給機４０が設けられるものとして説明したが、エンジン１の吸気通路には、プライマリ過給機３０およびセカンダリ過給機４０に加えて、たとえば、吸気絞り弁や排気再循環装置のＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガス流入口が設けられてもよい。

（３）前述した実施の形態では、エンジン１は、Ｖ型６気筒のエンジンを一例として説明したが、たとえば、その他の気筒レイアウト（たとえば、直列型あるいは水平型）のエンジンであってもよい。

（４）前述した実施の形態では、過給システムとして２つの過給機を備えるものとして説明したが、３つ以上の過給機を有するものであってもよい。

（５）前述した実施の形態を、プライマリ過給機３０とセカンダリ過給機４０と制御装置２００とによって構成される過給システムの開示、エンジン１等の内燃機関の開示、エンジン１等の内燃機関のＥＣＵ１００等の制御装置の開示、このような制御装置による制御方法の開示、または、このような内燃機関と制御装置とを含む内燃機関システムの開示として捉えることができる。

［効果］
（１－１）図１から図４で示したように、過給システムは、エンジン１から排出される排気によって駆動されるタービン３２と、タービン３２へ流入する排気の流速を開度によって調整する可変ノズル機構３５とを含み、エンジン１への吸気を過給するプライマリ過給機３０と、エンジン１から排出される排気によって駆動されるタービン４２と、タービン４２へ流入する排気の流速を開度によって調整する可変ノズル機構４５とを含み、エンジン１への吸気を過給するセカンダリ過給機４０と、プライマリ過給機３０において過給された空気がエンジン１に供給されるシングル過給モードと、プライマリ過給機３０において過給された空気とセカンダリ過給機４０において過給された空気とがエンジン１に供給されるツイン過給モードとのうちのいずれか一方から他方に過給モードを切替える制御装置２００とを備える。

図５のステップＳ１１２，ステップＳ１１３，ステップＳ１１７、図６および図７で示したように、制御装置２００は、ツイン過給モードに切替えられているときに、プライマリ過給機３０およびセカンダリ過給機４０が目標過給圧を得るために必要な可変ノズル機構３５および可変ノズル機構４５の目標ＶＮ開度を、吸気経路および排気経路の状態量から算出し、算出した目標ＶＮ開度が制御可能な範囲外である場合、過給モードをシングル過給モードに切替える。

これにより、過渡的な状況であっても適切にツイン過給モードからシングル過給モードに切替えることができる。また、従来のエンジンの回転速度および噴射量を用いた制御では環境変化に対して補正マップを用いていたが、この開示では、判定に用いる目標ＶＮ開度を物理式で算出しているので、環境補正の必要を無くすることができる。また、補正マップを作成する手間を削減することができる。

（１－２）図６および図７で示したように、制御装置２００は、目標ＶＮ開度を算出する計算式として、エンジン１の吸気経路および排気経路の物理法則に基づくシミュレーションの計算式を用いる。これにより、適切に判定用の目標ＶＮ開度を算出することができる。

（１－３）制御装置２００は、目標ＶＮ開度を算出するときの吸気経路および排気経路の状態量としては、それぞれ、プライマリ過給機３０およびセカンダリ過給機４０への分岐前の吸気経路の状態量、および、プライマリ過給機３０およびセカンダリ過給機４０からの合流後の排気経路の状態量を用いる。これにより、適切に判定用の目標ＶＮ開度を算出することができる。

（１－４）図１から図４で示したように、プライマリ過給機３０およびセカンダリ過給機４０は、同じ型式である。制御装置２００は、プライマリ過給機３０およびセカンダリ過給機４０を１つの過給機と見なし、１つの目標ＶＮ開度を算出し、算出した１つの目標ＶＮ開度を、可変ノズル機構３５，４５の目標ＶＮ開度として判定する。これにより、目標ＶＮ開度の算出および過給モードの制御を簡略化できる。

（１－５）図５のステップＳ１１４で示したように、制御装置２００は、算出した目標ＶＮ開度が制御可能な範囲外である状態が所定期間、継続した場合、過給モードをシングル過給モードに切換える。これにより、過給モードの切替のハンチングを防止することができる。

（２－１）図１から図４で示したように、過給システムは、エンジン１から排出される排気によって駆動されるタービン３２と、タービン３２へ流入する排気の流速を開度によって調整する可変ノズル機構３５と、エンジン１への吸気を過給するコンプレッサ３１とを含むプライマリ過給機３０と、エンジン１から排出される排気によって駆動されるタービン４２と、タービン４２へ流入する排気の流速を開度によって調整する可変ノズル機構４５とを含み、エンジン１への吸気を過給するセカンダリ過給機４０と、プライマリ過給機３０において過給された空気がエンジン１に供給されるシングル過給モードと、プライマリ過給機３０において過給された空気とセカンダリ過給機４０において過給された空気とがエンジン１に供給されるツイン過給モードとのうちのいずれか一方から他方に過給モードを切替える制御装置２００と、コンプレッサ３１の特性を示すコンプレッサ動作マップを示すデータを記憶するメモリとを備える。図９で示したように、コンプレッサ動作マップは、プライマリ過給機３０のコンプレッサ３１に吸入される吸入空気量の第１軸と、コンプレッサ３１の吸入圧力に対する吐出圧力の圧力比Ｐ3／Ｐ2の第２軸とを含む。

図５のステップＳ１１５，ステップＳ１１７で示したように、制御装置２００は、ツイン過給モードに切替えられているときに、メモリに記憶されたコンプレッサ動作マップにおいて圧力比Ｐ3／Ｐ2と吸入空気量とによって特定される動作点が、コンプレッサ動作マップ上の切替ラインＬ１を下回ったことが示される場合、過給モードをシングル過給モードに切替える。

これにより、過渡的な状況であっても適切にツイン過給モードからシングル過給モードに切替えることができる。また、従来のエンジンの回転速度および噴射量を用いた制御では環境変化に対して補正マップを用いていたが、この開示では、コンプレッサ動作マップを用いて判定しているので、環境補正の必要を無くすることができる。また、補正マップを作成する手間を削減することができる。

（２－２）図１１および図１２で示したように、切替ラインＬ１は、エンジン１で燃料の噴射が再開されたときに、シングル過給モードよりもツイン過給モードの方が圧力比の上昇が速い領域と、ツイン過給モードよりもシングル過給モードの方が圧力比の上昇が速い領域との境界線である。これにより、切替ラインＬ１を適切に設定することができる。

（２－３）図９で示したように、切替ラインＬ１は、プライマリ過給機３０の定常走行時の等回転速度のラインである。

今回開示された各実施の形態は、適宜組合わせて実施することも予定されている。そして、今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１エンジン、１０Ａ，１０Ｂバンク、１２Ａ，１２Ｂ気筒、２０エアクリーナ、２１，２２，２３，２７Ａ，２７Ｂ，３７，４７吸気管、２５インタークーラ、２８Ａ，２８Ｂ吸気マニホールド、３０プライマリ過給機、３１，４１コンプレッサ、３２，４２タービン、３３，４３コンプレッサホイール、３４，４４タービンホイール、３５，４５可変ノズル機構、３６，４６回転軸、４０セカンダリ過給機、４８還流管、５０Ａ，５０Ｂ排気マニホールド、５１Ａ，５１Ｂ，５２Ａ，５２Ｂ，５３Ａ，５３Ｂ排気管、６２第１制御弁、６４第２制御弁、６６第３制御弁、６８ディーゼルスロットル、８１排気処理装置、１０２エアフローメータ、１０４エンジン回転数センサ、１０６第１圧力センサ、１０８第２圧力センサ、２００制御装置。

Claims

エンジンから排出される排気によって駆動される第１タービンと、前記第１タービンへ流入する排気の流速を開度によって調整する第１可変ノズル機構と、前記エンジンへの吸気を過給する第１コンプレッサとを含む第１過給機と、
前記エンジンから排出される排気によって駆動される第２タービンと、前記第２タービンへ流入する排気の流速を開度によって調整する第２可変ノズル機構とを含み、前記エンジンへの吸気を過給する第２過給機と、
前記第１過給機において過給された空気が前記エンジンに供給されるシングル過給モードと、前記第１過給機において過給された空気と前記第２過給機において過給された空気とが前記エンジンに供給されるツイン過給モードとのうちのいずれか一方から他方に過給モードを切替える制御装置と、
前記第１コンプレッサの特性を示すコンプレッサマップを示すデータを記憶する記憶部とを備え、
前記コンプレッサマップは、前記第１過給機の前記第１コンプレッサに吸入される空気量の第１軸と、前記第１コンプレッサの吸入圧力に対する吐出圧力の圧力比の第２軸とを含み、
前記制御装置は、前記ツイン過給モードに切替えられているときに、前記記憶部に記憶された前記コンプレッサマップにおいて前記圧力比と前記空気量とによって特定される動作点が、前記コンプレッサマップ上の所定ラインを下回ったことが示される場合、過給モードを前記シングル過給モードに切替える、過給システム。
前記所定ラインは、前記エンジンで燃料の噴射が再開されたときに、シングル過給モードよりもツイン過給モードの方が前記圧力比の上昇が速い領域と、ツイン過給モードよりもシングル過給モードの方が前記圧力比の上昇が速い領域との境界線である、請求項１に記載の過給システム。
前記所定ラインは、前記第１過給機の定常走行時の等回転速度のラインである、請求項１に記載の過給システム。
前記制御装置は、前記ツイン過給モードに切替えられているときに、前記動作点が前記所定ラインを下回っていない場合、前記第１過給機および前記第２過給機が目標過給圧を得るために必要な前記第１可変ノズル機構および第２可変ノズル機構の目標開度を、吸気経路および排気経路の状態量から算出し、算出した目標開度が制御可能な範囲外である場合、過給モードを前記シングル過給モードに切替える、請求項１に記載の過給システム。