JPH0214531B2 - - Google Patents

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JPH0214531B2
JPH0214531B2 JP59032677A JP3267784A JPH0214531B2 JP H0214531 B2 JPH0214531 B2 JP H0214531B2 JP 59032677 A JP59032677 A JP 59032677A JP 3267784 A JP3267784 A JP 3267784A JP H0214531 B2 JPH0214531 B2 JP H0214531B2
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control device
pressure
flow rate
bypass
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Yoshio Iwasa
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/12—Control of the pumps
    • F02B37/18—Control of the pumps by bypassing exhaust from the inlet to the outlet of turbine or to the atmosphere
    • F02B37/183—Arrangements of bypass valves or actuators therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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    • F02B37/12—Control of the pumps
    • F02B37/22—Control of the pumps by varying cross-section of exhaust passages or air passages, e.g. by throttling turbine inlets or outlets or by varying effective number of guide conduits
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Supercharger (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 ＜技術分野＞ 本発明は内燃機関の排気エネルギにより排気タ
ービンを回転駆動し、該排気タービンで回転され
るコンプレツサにより内燃機関に吸気を過給する
ようにした排気ターボチヤージヤの過給圧制御装
置に関する。
＜背景技術＞ 排気ターボチヤージヤ付内燃機関は排気エネル
ギを利用して吸気を内燃機関に過給するものであ
るため、吸気充填効率が向上し、この分燃料噴射
量も増量できるため出力向上に大いに寄与するこ
とが知られている。しかし過給圧が過大になると
内燃機関及びその吸・排気系に過大な応力が作用
し、損傷若しくは破損に至る危険性が生じる。従
つて従来からかかる過給圧の過昇を防止する種々
の手段が講じられている。
その防止手段の１つに例えば米国特許第
2944786号明細書にみられる排気流速制御装置が
ある。このものは排気ターボチヤージヤの排気入
口部に制御弁を設け、該制御弁の開度を調整する
ことにより排気タービンへ向かう排気入口流速を
制御して排気タービン過回転を防止し、もつてタ
ービンと直結したコンプレツサによる過給圧力の
過昇を防止すると共に低負荷時の排気流速を高め
て当該領域の過給圧を高め、出力向上を図つてい
る。
また、一方では排気タービンの上流と下流を接
続するバイパス通路を設け、該バイパス通路にコ
ンプレツサ下流の過給圧が設定値以上になると開
弁するバイパス制御弁装置を設け、コンプレツサ
下流の過給圧が所定値以上に上昇しようとしたと
きに、バイパス制御弁装置を開弁して排気エネル
ギを排気タービン回転用に使用することなくバイ
パス通路を介して外部に放出し、もつて排気ター
ビンの過回転を防止して過給圧の過昇を防止する
ものも知られる。
これら夫々に存在する排気流速制御装置及びバ
イパス制御弁装置は、上記効果的な過給圧制御を
行うものとして有効であるが、次のような不都合
は依然として存在した。
即ち前者の排気流速制御装置にあつては、過給
圧が設定値より増大すると排気入口開口面積を増
大して排気タービンに導かれる排気流速を低減す
るが、排気はバイパスされることなく排気タービ
ンに全量導かれるものであるから、排気エネルギ
が更に増大すると排気タービンの回転を抑制する
ことができなくなつて過給圧が増大してしまうこ
ととなる。従つてこのような過給圧増大が許容値
以下になるように設計当初から排気ターボチヤー
ジヤの仕様を決定しておかなければならず、その
ためには機関低負荷時をも含めて全体のトルク特
性を低過給圧側に設定しておく必要がある。しか
しこれは排気ターボチヤージヤの場合の問題領域
である低負荷領域の過給圧をも低下させることと
なつて、当該運転領域の出力特性を向上させるこ
とが難しい。
また後者のバイパス制御弁装置によれば、過給
圧が設定値以上になろうとするときに排気をバイ
パス通路に導いて排気タービンの回転領域から除
外してしまうから、過給圧の過昇防止としては有
効に機能する。しかし排気ターボチヤージヤの仕
様によつて定まるトルク特性は不変であつて、単
の過大過給圧をカツトするように作用するから、
低負荷領域の低過給圧は依然として解消されない
ものであつた。更に付言すれば、かかるバイパス
制御装置では、バイパス制御弁装置直後において
それまで回転していた排気タービンが慣性によつ
て過回転して過給圧低下が追いつかずノツキング
の発生をもたらすし、背圧が急激に低下して排気
系の触媒装置を破損したりするおそれが生じ易
い。
また前記両装置単独では、一旦故障、焼付等に
より作動不能となつた時に排気タービン及びコン
プレツサが異常に高回転し過給圧が過昇してノツ
キングの発生或いは機関の損傷を招くおそれがあ
る。
なお、これら排気流速制御装置及びバイパス制
御弁装置を併設し、相互に所定の関係を持たせた
ものも従来ないわけでもない。例えば特開昭58−
131319号公報記載のものがそれである。
このものは、まず低速低負荷で排気流速制御装
置及びバイパス制御弁装置を共に全開して排気タ
ーボチヤージヤとしての特性を全く無いようにす
ることにより通常エンジンとして用い、次いで加
速等の中速中負荷ではじめて排気流速制御装置を
絞ることにより出力を上げ、徐々にこの絞りを用
いて行き、最大許容負荷付近でバイパス制御弁装
置を用いている。そして排気流速制御弁の開度は
低負荷時を最大許容負荷時よりも大きく開くもの
である。
しかしこのものは、機関の回転速度または負荷
に応じて排気流速制御装置及びバイパス制御弁装
置の開閉を制御するもので必ずしも機関の要求特
性を満足するものではなく、かつ制御の正確さに
欠けるものであり、また基本的には低速低負荷に
おける排気ターボチヤージヤは負の仕事とすると
いう認識のもとに、排気ターボチヤージヤの使用
を放棄するという立場をとつており、排気流速制
御装置は、排気ターボチヤージヤの性能が充分上
昇した機関中速中負荷時、例えば加速時に出力向
上のために閉じるようにして利用する技術思想で
あつた。
従つて機関の低速低負荷時には排気ターボチヤ
ージヤは不作動で相も変わらず出力特性が全く改
善されておらず、排気流速制御装置は排気ターボ
チヤージヤが有効に機能する領域のみを採用し
て、そ開度を絞つて出力を取り出すものであるか
ら、機関低速低負荷及び中負荷運転領域の出力特
性は排気ターボチヤージヤの利用を避けて逃げる
ものであるし、排気流速制御装置により制御され
る過給圧を全体的に高めようとする思想もなかつ
た。
＜発明の目的＞ 本発明は上記従来装置の不都合に鑑み、排気流
速制御装置とバイパス制御弁装置とを併用し、こ
れらの機関要求特性に適合した過給圧により関連
付けて制御の正確性を確保し、また排気ターボチ
ヤージヤが不得意とする機関低速低負荷時にも排
気流速制御装置を駆動して有効に出力特性を上
げ、更に過大な過給圧を防止してノツキング等の
発生を防止することを目的とする。
＜発明の構成＞ そのために本発明では、従来知られた前記排気
流速制御装置とバイパス制御弁装置とを併用する
と共に、これらの装置の開弁設定値を排気流速制
御装置の方がバイパス制御弁装置よりも小さくな
るよう設定する。これによりバイパス制御弁装置
の開弁作動前に排気流速制御装置を作動させて、
機関低速低負荷時であつても排気ターボチヤージ
ヤを作動させることにより、可及的に過給圧を目
標過給圧に昇圧すべき制御し、その後当該排気流
速制御装置による過給圧抑制を超えて過給圧が過
昇しようとしたときにバイパス制御弁装置を作動
させてこれを防止するのである。従つて排気流速
制御装置からみれば、機関低速低負荷領域の排気
ターボチヤージヤとして不得意な領域でも出力を
向上させることができ、排気ターボチヤージヤが
その特性を発揮する中途中負荷時には、バイパス
制御弁装置が控えていてこれが過給圧過昇の防止
を行うから、排気流速制御装置単独のみによる過
給圧増大の心配をすることなく目標過給圧を十分
に高めて全体運転領域の過給圧を増大させ、これ
により低負荷領域の過給圧増大化を図ることがで
き、当該領域のトルク特性を向上することになる
一方、バイパス制御弁装置からみれば、該装置作
動前に排気流速制御装置が作動して排気タービン
の過回転を防止するからその作動頻度が少なくな
り、開弁初期の慣性による排気タービン過回転の
機会が少なくなつてノツキング或いは機関損傷の
不都合を可及的に抑制することができるのであ
る。
＜実施例＞ 以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明す
る。
第１図に示す実施例において、内燃機関１の燃
焼排気は、排気通路２に介装した排気タービン３
を回転駆動して大気に放出される。排気タービン
３はコンプレツサ４と軸５により同軸に連結され
て排気ターボチヤージヤ１０を構成し、コンプレ
ツサ４が排気タービン３と共に回転駆動される。
そのため吸気はコンプレツサ４により加圧圧送
（過給）され、吸気通路６を介して噴射弁７から
噴射される燃料と共に内燃機関１に吸入され、こ
こで燃焼する。尚、吸気通路６にはコンプレツサ
４の上流側にエアフローメータ１１が設けてあ
り、コンプレツサ４と噴射弁７との間に吸気絞弁
１２Ａ，１２Ｂが配設されて、吸入空気量の制御
を行い、該吸気絞弁１２Ａとコンプレツサ４の間
には過給圧力を検出する圧力センサ１３が配設さ
れ、吸気絞弁１２Ａの下流には吸気絞弁１２Ａ下
流の圧力が許容値以上に上昇したときに開弁して
該過大な圧力をリリーフするリリーフバルブ１４
が設けてある。該リリーフバルブ１４の開弁圧は
後述するバイパス制御弁装置２２の開弁設定圧よ
り大きく設定してある。また排気通路２の排気タ
ービン３下流側には、排気中の酸素濃度を検出す
るO2センサ１５及び排気中の未燃成分等を除去
する触媒装置１６が設けてある。
ここにおいて本発明では排気タービン３をバイ
パスして排気を導くバイパス通路２１にバイパス
制御弁装置２２を設けると共に、排気タービン３
の入口部に排気流速制御装置３１を設ける。
このうちバイパス制御弁装置２２は、第２図、
第３図及び第４図に示すように、バイパス通路２
１を開閉するバイパス弁２３と、コンプレツサ４
の下流側で吸気絞弁１２Ａの上流側の過給圧力を
圧力通路２４で導かれるダイヤフラム装置２５の
ダイヤフラム２５Ａと、がリンク２６により連結
されて、前記過給圧が設定値Pb以上になろうと
したときに、過給圧に応じてダイヤフラム２５Ａ
がスプリング２５Ｂの閉弁方向の力に抗してバイ
パス弁２３を開弁するように構成される。
一方、排気流速制御装置３１は同じく第２図、
第３図及び第４図を示すように、排気タービン３
の入口部３Ａ即ち排気スクロール入口部に設けら
れた絞弁３２を有する。該絞弁３２はその上流端
を排気タービン入口部のケーシングに揺動自由に
軸支され、その下流端が入口部３Ａの開口面積を
せばめるように（図示実線）変位すると排気流速
を増大する一方、点線で示すように、入口部３Ａ
の開口面積を増大するように変位すると、排気流
速を減少するようになつている。
絞弁３２はダイヤフラム装置３３のダイヤフラ
ム３３Ａとロツド３３Ｂにより連結され、圧力通
路３４を介してコンプレツサ４の下流で吸気絞弁
１２Ａの上流の過給圧が導入されて、該開弁が設
定値（目標過給圧）Pa以上になろうとしたとき
に、第２図に示すように過給圧に応じてダイヤフ
ラム３３Ａがスプリング３３Ｃの弾性力に抗して
排気タービン入口部３Ａの開口面積を増大する方
向、即ち排気流速を減少する方向に変位されるよ
うになつている。
ここにおいて重要なことは、排気流速制御装置
３１の開弁設定値（目標過給圧）Pa（例えば約
350mmHg）を前記バイパス制御弁装置２２の開弁
設定値（目標過給圧）Pb（例えば約400mmHg）よ
り小さく設定するようにしている。
かかる装置の作用を次に述べる。
定常運転状態においては、吸気はコンプレツサ
４より加圧圧送され吸気絞弁１２Ａ，１２Ｂの調
量作用を受けた後、噴射弁７から燃料が噴射供給
されて混合ガスとなり、内燃機関１の燃焼室１Ａ
に導入されて、ここで点火栓８により点火燃焼さ
れる。燃焼ガスは排気通路２内に排出され排気流
速制御装置３１により流速を制御されて、排気タ
ービン３を回転駆動し、これと同軸のコンプレツ
サ４を回転駆動して大気に放出される。ここにお
いて排気流速制御装置３１は、排気ターボチヤー
ジヤが出力特性上、不得意とする機関低速低負荷
時において排気流速を増大するように絞るので、
排気タービン３の回転駆動エネルギが比較的大き
く当該領域の過給圧力低下を防止している。
ここで機関回転速度が上昇し、排気が多量に排
出されるようになると、その排気エネルギにより
排気タービン３の回転が上昇し、これに伴つてコ
ンプレツサ４も高回転するのでその下流側の過給
圧力が上昇する。
この過給圧力が排気流速制御装置３１の開弁設
定値Pa以上に上昇したときは、第２図に示すよ
うに該過給圧がダイヤフラム装置３３に導入され
て絞弁３２をスプリング３３Ｃの弾性力に抗して
開弁する。その結果、絞弁３２は第２図実線位置
から破線位置に変位されて入口部３Ａの開口面積
が増大され、排気流速が軽減される。このため排
気タービン３の回転速度の上昇が制限され、コン
プレツサ４による過大な吸気過給を回避する。ま
たこれと同時に排気タービン３上流の排気通路２
内の圧力（背圧）が低減し、内燃機関１のポンピ
ングロスを減少して出力低下を防止する。
更に内燃機関１が高速高負荷回転した場合、機
関から排出される排出量は多量のため排気流速制
御装置が全開状態であつても排気の全量が排気タ
ービン３を回転するために使用されて、排気ター
ビン３が高速回転し、これにつれてコンプレツサ
４も高速回転するので、過給圧力は前記過給圧の
開弁設定値Paを超して過昇する。このとき過給
圧力がバイパス制御弁装置２２の設定値Pb以上
にまで上昇しようとすると、該過給圧力がダイヤ
フラム装置２５に導入され、ダイヤフラム２５Ａ
をスプリング２５Ｂの弾性力に抗して押圧し、リ
ンク２６を介してバイパス弁２３を開弁する。そ
のため排気タービン３の上流側排気通路の排気を
バイパス通路２１を介してタービン下流側に導
き、その結果排気タービン３及びコンプレツサ４
の高速回転を低減して過大な過給圧力となること
を防止し、軸５の耐久性を向上させるようにし、
また内燃機関にあつてはノツキングの発生を予防
すると共に、機関本体及びその吸・排気系の損傷
を防止する。このようにして排気ターボチヤージ
ヤの持つ過給作用を最大限に利用して機関の出力
特性を向上させるのである。
機関が更に高速高負荷回転されると前記過給圧
過昇防止機能を跳び超えて、更に過給圧が上昇す
る危険を生じるが、その場合にはバイパス制御弁
がその防止を行う。従つて排気流速制御装置は、
その設定値以上に過給圧が増大するための不都合
を心配することなく、機関低速低負荷領域を含む
運転領域全域にわたつて過給圧を増大するように
排気ターボチヤージヤを設計でき、もつて低負荷
領域の過給圧を増大してトルク特性を向上させる
ことが可能となる。
ところで、もしバイパス制御弁装置と排気流速
制御装置の開弁設定値を等しく設定した場合、或
いはバイパス制御弁装置単独のみを装着した場合
には、バイパス制御弁開弁装置においてそれまで
回転していた排気タービンが慣性によつて過回転
して過給圧低下の応答性が悪くなり、そのために
ノツキングの発生をもたらしあるいは背圧が急激
に低下して排気系の触媒装置を破損したりするお
それが生じる。しかし本発明ではバイパス制御弁
の開弁以前に排気流速制御弁が開弁するから、バ
イパス制御弁の使用頻度が少なくなつて上記不都
合の発生を少なくすることができ、同時にバイパ
ス制御弁の耐久性が向上してその開弁圧設定を安
定させ機関の保護を良好に図ることができるよう
になる。
またバイパス制御弁装置２２のバイパス通路２
１入口は排気流速制御装置３１の絞弁３２よりも
排気上流側に設ける。このようにすることにより
排気流速制御装置にこれが全開となる以前に故障
や焼付が生じた場合には、バイパス制御弁がその
補完を行つて開弁し、バイパス制御弁上流側で排
気をバイパス通路２１に流すから、過給圧の過昇
を防止し、機関の保護を図ることができる。
また、排気流速制御装置３１の絞弁３２に作用
する排気脈動圧力により絞弁３２が振動し易い
が、これを防止するためダイヤフラム３３Ａの受
圧面積を十分大きくして絞弁３２が排気圧力脈動
によつて振動しようとしてもダイヤフラム３３Ａ
によつてこれを所定位置に保持するようにしてお
く。尚、第４図では排気流速制御装置はバイパス
制御弁装置の開弁時には全開状態となつている
が、バイパス制御弁の制御領域と排気流速制御装
置の制御領域とは多少オーバーラツプしてもよ
い。
要するに、排気流速制御弁の開弁及び全開時期
の各々が、バイパス制御弁のそれら各々より以前
であればよい。
上記実施例に加え、排気流速制御装置３１及び
バイパス制御弁装置２２を噴射弁７の燃料噴射量
制御と共にコントローラ４１により電子制御して
もよい。即ち排気流速制御装置３１に圧力通路３
４に三方電磁弁４２を介装すると共に、バイパス
制御弁装置２２の圧力通路２４に同様な三方電磁
弁４３を介装する。これら三方電磁弁４２，４３
は導入される過給圧を大気希釈して夫々のダイヤ
フラム装置３３，２５に導入するもので、所定周
波数のパルスに基づいて電流値又は通電時間（デ
ユーテイ）により前記大気の希釈量を変えて排気
流速制御装置３１及びバイパス制御弁装置２２の
開弁量を制御する。
このように三方電磁弁４２，４３を制御するコ
ントローラ４１は例えばマイクロコンピユータか
ら成り、圧力センサ１３から出力される過給圧
力、詳記しないが内燃機関１の回転速度を検出す
る回転センサ４４から出力される回転速度信号、
エアフローメータ１１から出力される吸入空気流
量信号、O2センサ１５から出力される酸素濃度
信号に基づいた空燃比と密接な関係にある信号等
が入力され、そのときの運転状態におけるもつと
も適した値を予めメモリに記憶した制御目標値か
ら読みとつて演算処理し噴射弁７に最適量の噴射
量を噴射すべく前記噴射弁７に指令制御するとと
もに、前記三方電磁弁４２，４３に排気流速制御
装置３１及びバイパス制御弁装置２２の最適開度
を得るべく指令信号を出力する。これによつて排
気流速制御装置３１による過給圧制御並びにバイ
パス制御弁装置２２による過給圧制御を電子的に
フイードバツク制御することが可能となる。
＜発明の効果＞ 以上述べたように本発明によると、排気流速制
御装置とバイパス弁制御装置とを使用し、これら
の開弁設定値を前者の方が後者よりも小さくなる
ようにしたので、排気流速制御装置の単独設置に
比べ、バイパス制御弁装置による過給圧の過昇防
止機能に依存できるから、排気流速制御装置によ
る過給圧力制御が機関低速低負荷領域を含めて比
較的高過給圧側で行うことができる。このため全
運転領域にわたり高過給圧化を図ることができ
る。特に低負荷領域における過給圧力の増大を行
つて排気ターボチヤージヤの問題領域とされる当
該領域の出力向上を図ることができる。またバイ
パス制御弁装置の開弁設定圧より低過給圧側で排
気流速が制御されるから、バイパス制御弁装置の
作動頻度が少なくなり、バイパス制御弁装置の耐
久性が向上して過給圧制御の安全性が高まると共
にバイパス制御弁装置の開弁直後の排気タービン
の慣性による過回転の機会を少なくしてノツキン
グ発生を抑制しかつ背圧変動の機会も少なくして
排気系等の保護を図ることができる。更に排気流
速制御装置の作動不良又は作動不能時にバイパス
制御弁装置が安全装置として機能するから機関等
の保護を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の１実施例を示す構成図、第２
図は同上における排気タービン部の側面図、第３
図は同上の縦断面図、第４図は同上における作動
領域を示す特性図である。 １……内燃機関、２……排気通路、３……排気
タービン、３Ａ……入口部、４……コンプレツ
サ、６……吸気通路、１０……排気ターボチヤー
ジヤ、１２Ａ，１２Ｂ……吸気絞弁、１３……圧
力センサ、２１……バイパス通路、２２……バイ
パス制御弁装置、２３……バイパス弁、２４……
圧力通路、２５……ダイヤフラム装置、２５Ｂ…
…スプリング、３１……排気流速制御装置、３２
……絞弁、３３……ダイヤフラム装置、３３Ｃ…
…スプリング。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 内燃機関の排気エネルギにより排気タービン
    を回転駆動し、該排気タービンで回転されるコン
    プレツサにより内燃機関に吸気を過給するように
    した排気ターボチヤージヤにおいて、 前記コンプレツサ下流の吸気通路に過給圧を検
    出する圧力センサを設け、前記排気タービンをバ
    イパスして排気を導くバイパス通路に前記コンプ
    レツサ下流の過給圧が設定値以上になると開弁す
    るバイパス制御弁装置を設ける一方、前記コンプ
    レツサ下流の過給圧が設定値以上になると弁開度
    を増大して排気流速を低減する排気流速制御装置
    を排気タービン入口に設け、該排気流速制御装置
    を該圧力センサの信号に基づいて目標過給圧にな
    るように制御する一方、前記排気流速制御装置の
    開弁圧を前記バイパス制御弁装置の開弁過給圧以
    下に設定したことを特徴とする排気ターボチヤー
    ジヤの過給圧制御装置。 ２ 排気流速制御装置は、バイパス制御弁装置に
    比べて最大開口面積を大にしたことを特徴とする
    特許請求の範囲第１項に記載の排気ターボチヤー
    ジヤの過給圧制御装置。 ３ バイパス制御弁装置は、そのバイパス通路入
    口が排気流速制御装置の弁部よりも排気上流側に
    あるように構成したことを特徴とする特許請求の
    範囲第１項又は第２項に記載の排気ターボチヤー
    ジヤの過給圧制御装置。
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