JPH04241732A - 過給機付エンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、主ターボチャージャと
副ターボチャージャを有し、低吸入空気量域では主ター
ボチャージャのみで過給し、高吸入空気量域では両ター
ボチャージャを作動させて両ターボチャージャで過給す
る過給機付エンジン、いわゆる２ステージツインターボ
エンジンに関する。

【０００２】

【従来の技術】エンジン本体に対し、主、副二つのター
ボチャージャを並列に配置し、低吸入空気量域では主タ
ーボチャージャのみ作動させて１個ターボチャージャと
し、高吸入空気量域では両ターボチャージャを作動させ
るようにした、いわゆる２ステージターボシステムを採
用した過給機付エンジンが知られている。この種の過給
機付エンジンの構成は、たとえば図５に示すようになっ
ている。エンジン本体９１に対し、主ターボチャージャ
（Ｔ／Ｃ−１）９２と副ターボチャージャ（Ｔ／Ｃ−２
）９３が並列に設けられている。副ターボチャージャ９
３に接続される吸、排気系には、それぞれ吸気切替弁９
４、排気切替弁９５が設けられ、副ターボチャージャ９
３のコンプレッサをバイパスする吸気バイパス通路９７
には、吸気バイパス弁９６が設けられている。低吸入空
気量域では吸気切替弁９４、排気切替弁９５をともに全
閉とすることにより、主ターボチャージャ９２のみを過
給作動させ、高吸入空気量域では両切替弁９４、９５を
ともに全開とし、吸気バイパス弁９６を閉じることによ
り、副ターボチャージャ９３にも過給作動を行わせ、２
個ターボチャージャ作動とすることができる。低吸入空
気量域から高吸入空気量域に移行するときには、吸気切
替弁９５および排気切替弁９４が閉じられているときに
排気バイパス弁９８を小開制御し、さらに吸気バイパス
弁９６を閉じることにより副ターボチャージャ９３の助
走回転数を高め、ターボチャージャの切替をより円滑に
（切替時のショックを小さく）行うことが可能になって
いる。

【０００３】なお、２ステージツインターボに関連する
先行技術として、１個ターボチャージャ時には排気バイ
パス弁を、２個ターボチャージャ時にはウェストゲート
バルブをそれぞれ制御し、所定の過給圧を維持するよう
にしたものが知られている（特開昭６３−２５３１９号
公報）。通常、排気バイパス弁を駆動するアクチュエー
タのダイヤフラム室には過給圧が導かれ、この過給圧に
よってアクチュエータが作動し、排気バイパス弁が開弁
するようになっている。同様に、ウェストゲートバルブ
を駆動するアクチュエータのダイヤフラム室には過給圧
が導かれ、この過給圧によってアクチュエータが作動し
、ウェストゲートバルブが開弁するようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、排気バ
イパス弁およびウェストゲートバルブは、アクチュエー
タに作用するコンプレッサ圧（過給圧）による力と、バ
ルブの弁体自体に作用する排圧（排気ガスの圧力）によ
る力との和によって開弁するので、排気バイパス弁とウ
ェストゲートバルブのアクチュエータの制御圧がほぼ同
一の場合は、１個ターボチャージャ域でウェストゲート
バルブが開くことがある。そのため、図４の回転特性Ｎ
３　、Ｎ４　のうち、とくに副ターボチャージャの助走
回転数が低下し、１個ターボチャージャから２個ターボ
チャージャへの切替時には、図４の特性Ｐ２　に示すよ
うに、過給圧の低下が大きくなってしまう。この過給圧
の低下は出力トルクに影響するため、切替時にトルクシ
ョックが大となるという問題が生じる。

【０００５】本発明は、上記の問題に着目し、排気バイ
パス弁をウェストゲートバルブよりも先に開弁させ、１
個ターボチャージャから２個ターボチャージャへの切替
時の過給圧の低下を抑制させることが可能な過給機付エ
ンジンを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この目的に沿う本発明に
係る過給機付エンジンは、主ターボチャージャと、副タ
ーボチャージャとを備え、前記主ターボチャージャのみ
の過給作動域における過給圧の制御を、前記副ターボチ
ャージャのタービン下流に設けられた排気切替弁をバイ
パスする通路に設けた排気バイパス弁で行なうとともに
、該排気バイパス弁の開弁によって副ターボチャージャ
の助走回転を行ない、前記両方のターボチャージャによ
る過給作動域における過給圧の制御を、主ターボチャー
ジャのタービンをバイパスするウェストゲートバルブで
行ない、前記排気バイパス弁と前記ウェストゲートバル
ブとを、それぞれ排気下流側に開くスイングアーム弁か
ら構成し、前記排気バイパス弁と前記ウェストゲートバ
ルブにそれぞれ連結される各アクチュエータにほぼ同一
の過給圧を導いて該各弁を開弁させるようにした過給機
付エンジンであって、該エンジンの排気系を、前記主タ
ーボチャージャ下流の排気系路と副ターボチャージャ下
流の排気系路とに完全に独立させたデュアル排気系から
構成したものから成る。

【０００７】

【作用】このように構成された過給機付エンジンにおい
ては、１個ターボチャージャ域で排気切替弁は閉じてお
り、この状態ではエンジンからの排気ガスは主ターボチ
ャージャのみに流入される。主ターボチャージャに流入
した排気ガスは、独立した排気系路を介して排出される
。この場合、排気系路が独立しているため、排気切替弁
が閉じている状態では、排気切替弁の下流に排気ガスが
回り込むこともななくなる。そのため、排気バイパス弁
が配置されるバイパス通路にも排気ガスは流入せず、従
来装置のように、排気バイパス弁の弁体に排気バイパス
弁を閉弁させようとする圧力は作用しない。また、この
状態では、エンジンから排出された排気ガスの圧力は、
副ターボチャージャを介して排気切替弁の上流側に作用
し、この圧力は排気バイパス弁を閉弁させる方向に働く
。一方、主ターボチャージャのタービンに流入した排気
ガスの一部は、ウェストゲートバルブの下流側に回り込
み、この回り込んだ排気ガスの圧力は、ウェストゲート
バルブを閉弁させる方向に働く。

【０００８】このように、１個ターボチャージャ域では
、排気バイパス弁はウェストゲートバルブよりも開きや
すい状態となる。したがって、１個ターボチャージャか
ら２個ターボチャージャへの切替過程においては、ウェ
ストゲートバルブよりも先に排気バイパス弁を開かせる
ことができ、切替時における副ターボチャージャの助走
回転数を十分に高めることができる。これによって、１
個ターボチャージャから２個ターボチャージャへの切替
時のトルクショックが低減される。

【０００９】

【実施例】以下に、本発明に係る過給機付エンジンの望
ましい実施例を、図面を参照して説明する。図１ないし
図４は、本発明の一実施例を示しており、とくに車両に
搭載される６気筒エンジンに適用した場合を示している
。図３において、１はエンジン、２はサージタンク、３
は排気マニホールドを示す。排気マニホールド３は排気
干渉を伴わない＃１〜＃３気筒群と＃４〜＃６気筒群の
２つに集合され、その集合部が連通路３ａによって連通
されている。７、８は互いに並列に配置された主ターボ
チャージャ、副ターボチャージャである。ターボチャー
ジャ７、８のそれぞれのタービン７ａ、８ａは排気マニ
ホールド３の集合部に接続され、それぞれのコンプレッ
サ７ｂ、８ｂは、インタクーラ６、スロットル弁４を介
してサージタンク２に接続されている。

【００１０】主ターボチャージャ７は、低吸入空気量域
から高吸入空気量域まで作動され、副ターボチャージャ
８は低吸入空気量域で停止される。双方のターボチャー
ジャ７、８の作動、停止を可能ならしめるために、副タ
ーボチャージャ８のタービン８ａの下流に排気切替弁１
７が、コンプレッサ８ｂの下流に吸気切替弁１８が設け
られる。吸、排気切替弁１８、１７の両方とも開弁のと
きは、両方のターボチャージャ７、８が作動される。排
気切替弁１７の上流側と、この排気切替弁１７の下流側
は、排気バイパス通路４０を介して連通可能となってい
る。排気バイパス通路４０には、この排気バイパス通路
４０を開閉する排気バイパス弁４１が設けられている。 排気バイパス弁４１は、ダイヤフラム式アクチュエータ
４２によって開閉されるようになっている。排気バイパ
ス弁４１は、図２に示すように、弁体４１ａが支点４１
ｂよりも下流に位置し弁体４１ａが排気下流側に開くス
イングアーム弁から構成されている。排気バイパス弁４
１は、アクチュエータ４２のダイヤフラム室４２ａに導
かれる過給圧によって開弁され、閉弁はアクチュエータ
４２内のスプリング４２ｂのばね力によって行なわれる
。

【００１１】低吸入空気量域で停止される副ターボチャ
ージャ８の吸気通路には、１個ターボチャージャから２
個ターボチャージャへの切替を円滑にするために、コン
プレッサ７ｂの上流とコンプレッサ８ｂの下流とを連通
する吸気バイパス通路１３と、吸気バイパス通路１３の
途中に配設される吸気バイパス弁３３が設けられる。吸
気バイパス弁３３はダイヤフラム式のアクチュエータ１
０によって開閉される。吸気切替弁１８の上流と下流と
を連通するバイパス通路には、逆止弁１２を設けられて
おり、吸気切替弁１８の閉時において副ターボチャージ
ャ８側のコンプレッサ出口圧力が主ターボチャージャ７
側より大になったとき、空気が上流側から下流側に流れ
ることができるようにしてある。なお、図中、１４はコ
ンプレッサ出口側の吸気通路、１５はコンプレッサ入口
側の吸気通路を示す。吸気通路１５はエアフローメータ
２４を介してエアクリーナ２３に接続される吸気切替弁
１８はアクチュエータ１１によって開閉され、排気切替
弁１７はダイヤフラム式アクチュエータ１６によって開
閉されるようになっている。ウエストゲートバルブ３１
は、アクチュエータ９によって開閉されるようになって
いる。ウェストゲートバルブ３１は、図１に示すように
、弁体３１ａが支点３１ｂよりも下流に位置し弁体３１
ａが排気下流側に開くスイングアーム弁から構成されて
いる。ウェストゲートバルブ３１は、アクチュエータ９
のダイヤフラム室９ａに導かれる過給圧によって開弁さ
れ、閉弁はアクチュエータ９内のスプリング９ｂのばね
力によって行なわれる。

【００１２】アクチュエータ９、１０、１１、１６、４
２は、過給圧または負圧の導入によって作動するように
なっている。各アクチュエータ９、１０、１１、１６、
４２には、正圧タンク５１からの過給圧または負圧とエ
アフローメータ２４の下流からの大気圧とを選択的に切
り替えるために、第１、第２、第３、第４、第５、第６
の電磁弁２５、２６、２７、２８、３２、４４が接続さ
れている。各電磁弁２５、２６、２７、２８、３２、４
４の切替は、エンジンコントロールコンピュータ２９か
らの指令に従って行なわれる。なお、第２の電磁弁２６
へ負圧を導入する通路には、負圧の一方の流れのみを許
すチェック弁４５が介装されている。

【００１３】第１の電磁弁２５のＯＮは、吸気切替弁１
８を弁開とするようにアクチュエータ１１を作動させ、
ＯＦＦは吸気切替弁１８を全閉とするようにアクチュエ
ータ１１を作動させる。第４の電磁弁２８のＯＮは、排
気切替弁１７を全開とするようにアクチュエータ１６を
作動させ、ＯＦＦは排気切替弁１７を全閉するようにア
クチュエータ１０を作動させ、ＯＦＦは吸気バイパス弁
３３を全開するようにアクチュエータ１０を作動させる
。

【００１４】排気バイパス弁４１を作動させるアクチュ
エータ４２に大気圧を導入する第５の電磁弁３２は、Ｏ
Ｎ、ＯＦＦ制御でなく、デューティ制御される。同様に
、ウエストゲートバルブ３１を作動させるアクチュエー
タ９に負圧を導く第６の電磁弁４４は、ＯＮ、ＯＦＦ制
御でなく、デューティ制御される。デューティ制御は、
周知の通り、デューティ比により通電時間を制御するこ
とであり、デジタル的に通電、非通電の割合を変えるこ
とにより、アナログ的に平均電流が可変制御される。な
お、デューティ比は、１サイクルの時間に対する通電時
間の割合であり、１サイクル中の通電時間をＡ、非通電
時間をＢとすると、デューティ比＝Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１
００（％）で表わされる。本実施例では、第５の電磁弁
３２と第６の電磁弁４４をデューティ制御することによ
り、これらの電磁弁の開口量を可変させることが可能と
なっている。

【００１５】排気バイパス弁４１の開度は、アクチュエ
ータ４２のダイヤフラム室４２ａに導入される過給気の
大気へのブリード量（リーク量）を第５の電磁弁３２の
デューティ制御によって可変させることにより可変可能
となっている。ウェストゲートバルブ３１の開度は、ア
クチュエータ９のダイヤフラム室９ｂに導入される過給
気の大気へのブリード量（リーク量）を第６の電磁弁４
４のデューティ制御によって可変させることにより可変
可能となっている。

【００１６】エンジンコントロールコンピュータ２９は
、エンジンの各種運転条件検出センサと電気的に接続さ
れ、各種センサからの信号が入力される。エンジン運転
条件検出センサには、吸気管圧力センサ３０、スロット
ル開度センサ５、吸入空気量測定センサとしてのエアフ
ローメータ２４、エンジン回転数センサ５０、および酸
素センサ１９ａ，１９ｂが含まれる。エンジンコントロ
ールコンピュータ２９は、演算をするためのセントラル
プロセッサユニット（ＣＰＵ）、読み出し専用のメモリ
であるリードオンリメモリ（ＲＯＭ）、一時記憶用のラ
ンダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、入出力インターフェ
イス（Ｉ／Ｏインターフェイス）、各種センサからのア
ナログ信号をディジタル量に変換するＡ／Ｄコンバータ
を備えている。

【００１７】図１および図３に示すように、主ターボチ
ャージャ７の下流の排気系路６１と副ターボチャージャ
８の下流の排気系路６５は、完全に独立している。主タ
ーボチャージャ７側の排気系路６１には、排気ガス浄化
用の排気ガス触媒（スタートキャットおよびメインキャ
ット）６２、６３が介装されており、排気系路６１の下
流端近傍にマフラ６４が設けられている。副ターボチャ
ージャ８側の排気系路６５には、同様に排気ガス浄化用
の排気ガス触媒（スタートキャットおよびメインキャッ
ト）６６、６７が介装されており、排気系路６５の下流
端近傍にマフラ６８が設けられている。このように、本
実施例では、エンジン１の排気系が独立した排気系路６
１、６５からなるデュアル排気系に構成されている。

【００１８】つぎに、上記の過給機付エンジンにおける
作用について説明する。高吸入空気量域では、吸気切替
弁１８と排気切替弁１７がともに開かれ、吸気バイパス
弁１０が閉じられる。これによって２個ターボチャージ
ャ７、８が駆動され、十分な過給空気量が得られ、出力
が向上される。低速域でかつ高負荷時には、吸気切替弁
１８と排気切替弁１７がともに閉じられ、吸気バイパス
弁３３が開かれる。これによって１個のターボチャージ
ャ７のみが駆動される。低吸入空気量域で１個ターボチ
ャージャとする理由は、低吸入空気量域では１個ターボ
チャージャ過給特性が２個ターボチャージャ過給特性よ
り優れているからである。１個ターボチャージャとする
ことにより、過給圧、トルクの立上りが早くなり、レス
ポンスが迅速となる。低吸入空気量域から高吸入空気量
域に移行するとき、つまり１個ターボチャージャから２
個ターボチャージャ作動へ切り替えるときには、吸気切
替弁１８および排気切替弁１７が閉じられているときに
排気バイパス弁４１をデューティ制御により小開制御し
、さらに吸気バイパス弁３３を閉じることにより副ター
ボチャージャ８の助走回転数を高め、ターボチャージャ
の切替をより円滑（切替時のショックを小さく）に行う
ことが可能になる。

【００１９】１個ターボチャージャから２個ターボチャ
ージャへの切替え過程においては、排気バイパス弁４１
がまず開弁され、つぎにウェストゲートバルブ３１が開
弁され、このウェストゲートバルブ３１の開度制御によ
って高吸入空気量域における過給圧制御が行なわれる。 排気バイパス弁４１とウェストゲートバルブ３１は、各
アクチュエータ４２、９に作用するコンプレッサ圧（過
給圧）による力と、弁体４１ａ、９ａ自体に作用する排
圧による力との和によって開弁するので、アクチュエー
タ４２、９の大きさが同じで、かつ各アクチュエータ４
２、９へ導かれる制御圧が同一の場合は、１個ターボチ
ャージャ域でウェストゲートバルブ３１が先に開いたり
、双方のバルブが開くという問題が生じる。しかし、本
実施例では、エンジン１の排気系を独立した排気系路６
１、６５からなるデュアル排気系に構成しているので、
１個ターボチャージャ域において、排気バイパス弁４１
よりも先にウェストゲートバルブ３１が開くという問題
は解消される。これはつぎのように説明することができ
る。

【００２０】まず、１個ターボチャージャ域では排気切
替弁１７は閉じており、この状態ではエンジンからの排
気ガスは、主ターボチャージャ７のみに流入される。そ
して、主ターボチャージャ７のタービン７ａに流入した
排気ガスは、独立した排気系路６１を介して排出される
。ここで、排気系路６１は副ターボチャージャ側の他方
の排気系路６５と完全に分離されているため、排気切替
弁１７が閉じている状態では、排気切替弁１７の下流に
排気ガスが回り込むことはなくなる。そのため、排気バ
イパス弁４１が配置される排気バイパス通路４０には排
気ガスは流入することはなくなり、排気バイパス弁４１
の弁体４１ａにこの排気バイパス弁４１を閉弁させよう
とする排圧（排気ガスの圧力）は生じない。逆に、副タ
ーボチャージャ８を介して排気切替弁１７の上流側に作
用する圧力Ｐａは排気バイパス弁４１を開弁させる方向
に働く。一方、主ターボチャージャ７のタービン７ａに
流入した排気ガスの一部はウェストゲートバルブ３１側
に回り込み、この回り込んだ排気ガスの圧力Ｐｂは、ウ
ェストゲートバルブ３１を閉弁させる方向に働く。した
がって、排気切替弁１７が開弁している１個ターボチャ
ージャ域においては、排気バイパス弁４１を閉弁させよ
うとする下流側の排圧Ｐａ（実質的には大気圧に近い）
とウェストゲートバルブ３１を閉弁させようとする下流
側の排圧Ｐｂとが著しく異なる。また、１個ターボチャ
ージャ域においては、副ターボチャージャ８のタービン
８ａを介して排気切替弁１７の上流側に流入した排気ガ
スの圧力が排気バイパス弁４１を開弁させるように作用
するため、ウェストゲートバルブ３１に比べて排気バイ
パス弁４１は著しく開弁しやすくなる。

【００２１】図２に示すように、排気バイパス弁４１の
開弁力Ｖは、アクチュエータ４２の推力をＦ、排気バイ
パス弁の上流側の排圧をＰｃ、排圧Ｐｃが作用する弁体
の面積をＳ１　、排気バイパス弁の下流側の排圧をＰａ
、排圧Ｐａが作用する弁体の面積をＳ２　とすると、Ｖ
＝（Ｆ＋Ｐｃ×Ｓ１）−Ｐａ×Ｓ２　となる。この式か
らもわかるように、排圧Ｐａが低ければ排気バイパス弁
４１を容易に開弁させることができる。このような構成
とすることにより、排気バイパス弁４１を図４の特性Ｋ
１　に示すように、確実にウェストゲートバルブ３１よ
りも先に開弁させることが可能となる。その後、図４の
特性Ｋ４　に示すように、ウェストゲートバルブ３１が
開弁される。したがって、副ターボチャージャ８の助走
回転数を十分に高めることができ、図４の特性Ｐ１　に
示すように、１個ターボチャージャから２個ターボチャ
ージャへの切替時における過給圧の低下は抑制される。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る過給
機付エンジンによるときは、エンジンの排気系を、主タ
ーボチャージャ下流の排気系路と副ターボチャージャ下
流の排気系路とに完全に独立させたデュアル排気系から
構成したので、排気切替弁が閉じている状態では排気ガ
スの排気切替弁下流側への回り込みが阻止され、１個タ
ーボチャージャ域での排気バイパス弁には、この排気バ
イパス弁を閉弁させるような排気ガス圧力は作用しない
。これに対して、１個ターボチャージャ域では、主ター
ボチャージャに流入した排気ガスの圧力はウェストゲー
トバルブの下流側に作用し、ウェストゲートバルブはこ
の回り込みによる排気ガス圧力によって閉弁する方向に
付勢され、開弁しにくくなる。したがって、排気バイパ
ス弁をウェストゲートバルブよりも先に開弁させること
ができ、１個ターボチャージャから２個ターボチャージ
ャへの切替過程における副ターボチャージャの助走回転
数を高めることができる。その結果、１個ターボチャー
ジャから２個ターボチャージャへの切替時の過給圧の著
しい低下を抑制することができ、切替時のトルクショッ
クを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る過給機付エンジンの部
分拡大系統図である。

【図２】図１における排気バイパス弁近傍の拡大断面図
である。

【図３】図１の過給機付エンジンの全体系統図である。

【図４】本発明および従来装置における排気バイパス弁
とウェストゲートバルブの開弁作動に対する過給圧の変
化を示す特性図である。

【図５】従来の過給機付エンジンの系統図である。

【符号の説明】

１　　エンジン ７　　主ターボチャージャ ８　　副ターボチャージャ ３１　　ウェストゲートバルブ ４１　　排気バイパス弁

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　主ターボチャージャと、副ターボチャ
   ージャとを備え、前記主ターボチャージャのみの過給作
   動域における過給圧の制御を、前記副ターボチャージャ
   のタービン下流に設けられた排気切替弁をバイパスする
   通路に設けた排気バイパス弁で行なうとともに、該排気
   バイパス弁の開弁によって副ターボチャージャの助走回
   転を行ない、前記両方のターボチャージャによる過給作
   動域における過給圧の制御を、主ターボチャージャのタ
   ービンをバイパスするウェストゲートバルブで行ない、
   前記排気バイパス弁と前記ウェストゲートバルブとを、
   それぞれ排気下流側に開くスイングアーム弁から構成し
   、前記排気バイパス弁と前記ウェストゲートバルブにそ
   れぞれ連結される各アクチュエータにほぼ同一の過給圧
   を導いて該各弁を開弁させるようにした過給機付エンジ
   ンであって、該エンジンの排気系を、前記主ターボチャ
   ージャ下流の排気系路と副ターボチャージャ下流の排気
   系路とに完全に独立させたデュアル排気系から構成した
   ことを特徴とする過給機付エンジン。