WO2017169515A1 - ２ステージターボシステムおよび２ステージターボシステムの制御方法 - Google Patents

２ステージターボシステムおよび２ステージターボシステムの制御方法 Download PDF

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pressure stage
low
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pressure
exhaust gas
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豊隆 吉田
邦弘 冨川
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三菱重工業株式会社
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • This disclosure relates to a two-stage turbo system that is an engine supercharging system.
  • a two-stage turbo system is known as a supercharging system applicable to an engine such as a diesel engine.
  • the two-stage turbo system can be applied to existing diesel engines without significant improvement. It is a supercharging system that achieves both high torque and low output at a low speed and has excellent response (transient response). Promising. More specifically, in the two-stage turbo system, the openings of various valves installed in the exhaust passage are arranged in series by two turbochargers (turbo), a high-pressure turbocharger and a low-pressure turbocharger. This is a supercharging system capable of switching the supercharging stage through switching of the flow path of the exhaust passage by control.
  • the exhaust gas has a small flow rate when the engine is running at a low speed, and the exhaust passage has a flow path so that two-stage supercharging is performed by flowing the exhaust gas in the order of the high-pressure supercharger and the low-pressure supercharger. Can be switched.
  • the above two-stage supercharging is performed even at medium engine speed, but the exhaust passage is switched so that a part of the exhaust gas flows directly to the low-pressure supercharger without passing through the high-pressure supercharger. Is done.
  • the flow path of the exhaust passage is switched so that one stage supercharging is performed by directly flowing all of the exhaust gas having a large flow rate to the low pressure supercharger.
  • a small turbocharger is attached to the high-pressure stage side of the two-stage turbo system, and a large supercharger is attached to the low-pressure stage side.
  • the operating range of the compressor is expanded by utilizing the range and the range on the large flow rate side of the low-pressure turbocharger.
  • the turbine of the large-sized low-pressure turbocharger is heavier than a small one, and the rotational speed of the turbine is difficult to increase at a low engine speed. That is, the response performance of the turbine of the low-pressure stage turbocharger is inferior when the engine speed is low, so that the supercharging pressure required when the engine is low-speed is mainly provided by the high-pressure stage turbocharger.
  • Patent Document 1 proposes that the low-pressure supercharger be a VG turbo.
  • Patent Document 2 proposes to apply a twin scroll to the scroll portion of the low-pressure supercharger.
  • the twin scroll the scroll portion formed along the circumferential direction of the rotating shaft of the turbine has a structure in which two passages are arranged in the axial direction of the rotating shaft.
  • the VG turbo requires a complicated link mechanism for opening and closing the nozzle vanes, and there is a problem that the structure is complicated (Patent Document 1).
  • the U / C0 characteristics of a turbocharger that uses twin scrolls are the same as the characteristics of a turbocharger that uses single scrolls, and a significant improvement in response at low engine speeds is expected. It is difficult (Patent Document 2).
  • the U / C0 characteristic is a characteristic representing the relationship between the turbine operating speed ratio (U / C0) and the turbine efficiency.
  • U is the peripheral speed of the turbine T
  • C0 is the pressure ratio of the inlet and outlet of the turbine. The theoretical speed is defined by the inlet temperature.
  • At least one embodiment of the present invention provides a two-stage turbo system with improved supercharging response while generating the necessary supercharging pressure over a wide operating range of the engine. Objective.
  • a two-stage turbo system includes: A high-pressure turbocharger having a high-pressure turbine installed in the exhaust passage of the engine; A two-stage turbo system comprising a low-pressure stage turbocharger having a low-pressure stage turbine installed downstream of the high-pressure stage turbine in the exhaust passage, and having a larger pressure than the high-pressure stage supercharger,
  • the low-pressure stage turbine is: A scroll portion for introducing exhaust gas into the nozzle flow path of the low-pressure stage turbine, the scroll section having at least two scroll passages of a first scroll passage and a second scroll passage; A first range of the nozzle flow path into which the exhaust gas passing through the first scroll passage is introduced, and a second range of the nozzle flow path into which the exhaust gas passing through the second scroll passage is introduced.
  • the nozzle channel is configured not to overlap in the circumferential direction.
  • each of the first scroll passage and the second scroll passage of the low-pressure turbine is partially exhausted from different directions with respect to the nozzle passage formed around the turbine wheel.
  • Configured to introduce the scroll portion of the low-pressure turbine has a nozzle channel that introduces exhaust gas by flowing exhaust gas discharged from the engine only in a part of the plurality of scroll passages (for example, the first scroll passage).
  • the range is configured to be limited to a part thereof. For this reason, when exhaust gas is introduced into a part of the nozzle flow path by limiting to a part of the plurality of scroll passages, the exhaust gas is introduced into the entire range of the nozzle flow path.
  • each of the plurality of scroll passages is configured not to overlap in the circumferential direction of the nozzle flow path, the U / C0 is configured more than in the case where each scroll passage such as a twin scroll is configured to overlap in the circumferential direction.
  • the highest point of turbine efficiency in the characteristics can be shifted to the low U / C0 side. For this reason, it is possible to rotate the low-pressure stage turbine more efficiently on the low rotation side of the engine.
  • the large-scale low-pressure stage turbine of the two-stage turbo system can be driven more quickly and efficiently, and the response of supercharging (supercharging effect) can be achieved. Can be improved.
  • the exhaust passage is A high-pressure stage introduction passage connecting the engine and an inlet of the high-pressure stage turbine; A first low pressure stage introduction passage connecting the outlet of the high pressure stage turbine and the first scroll passage of the low pressure stage turbine; A second low-pressure stage introduction passage that bypasses the high-pressure turbine and connects the engine and the second scroll passage of the low-pressure turbine.
  • the two-stage turbo system introduces the exhaust gas that has passed through the high-pressure turbine into the first scroll passage of the low-pressure turbine, and passes the high-pressure turbine through the second scroll passage. It is possible to introduce the exhaust gas directly into the low-pressure stage turbine without doing so.
  • the exhaust passage is A high pressure stage bypass passage that bypasses the high pressure stage turbine and connects the engine and the first scroll passage of the low pressure stage turbine; A low-pressure stage bypass passage that bypasses the low-pressure stage turbine and communicates the upstream side and the downstream side of the low-pressure stage turbine, And a valve device capable of adjusting a ratio of the flow rate of the exhaust gas passing through each of the high pressure stage introduction passage, the second low pressure stage introduction passage, the high pressure stage bypass passage, and the low pressure stage bypass passage.
  • the ratio of the flow rate of exhaust gas that passes through each passage (the high pressure stage introduction passage, the first low pressure stage introduction passage, the second low pressure stage introduction passage, and the high pressure stage bypass passage) that forms the exhaust passage Can be adjusted by means of a valve device.
  • This makes it possible to switch between the high-pressure supercharger and the low-pressure supercharger and the scroll passage in the scroll section of the low-pressure supercharger, and to provide the necessary supercharging pressure over a wide engine operating range. It is possible to provide a two-stage turbo system that is excellent in supercharging response while being generated.
  • the valve device is A first valve installed in the high-pressure stage introduction passage; A second valve installed in the second low-pressure stage introduction passage; A third valve installed in the high-pressure stage bypass passage; And a fourth valve installed in the low pressure stage bypass passage.
  • the ratio of the flow rate of the exhaust gas that passes through each of the high pressure stage introduction passage, the first low pressure stage introduction passage, the second low pressure stage introduction passage, the high pressure stage bypass passage, and the low pressure stage bypass passage Can be adjusted by a plurality of valves provided in the respective passages.
  • the fourth valve can adjust the pressure (boost pressure) on the outlet side of the low-pressure compressor of the low-pressure turbocharger, and abnormal operation of the low-pressure turbocharger such as surging can be prevented.
  • the valve device is one valve capable of adjusting a flow rate of exhaust gas that passes through each of the high-pressure stage introduction passage, the second low-pressure stage introduction passage, the high-pressure stage bypass passage, and the low-pressure stage bypass passage.
  • the ratio of the exhaust gas passing through each passage forming the exhaust passage can be adjusted by one valve, and the pressure on the outlet side of the low-pressure compressor of the low-pressure supercharger ( Boost pressure) can be adjusted, and abnormal operation of the low-pressure supercharger such as surging can be prevented.
  • a control device is further provided for controlling the valve device in accordance with the rotational speed of the engine.
  • the control device passes through each of the first low pressure stage introduction passage, the second low pressure stage introduction passage, the high pressure stage bypass passage, and the low pressure stage bypass passage by controlling the valve device.
  • the ratio of the flow rate of the exhaust gas to be adjusted can be appropriately adjusted according to the engine speed, and the operation mode of the two-stage turbo system can be realized.
  • the control device enables the exhaust gas to pass through the high-pressure stage introduction passage when the engine speed is in a low rotation range, and includes the second low-pressure stage introduction passage, the high-pressure stage bypass passage,
  • the valve device is controlled so that the exhaust gas cannot pass through each of the low-pressure stage bypass passages.
  • the configuration of (7) above when the engine speed is in the low speed range, no exhaust gas is allowed to flow through the second scroll passage of the low-pressure turbine, and the high-pressure turbine is fed into the first scroll passage. It is configured to flow exhaust gas via Thereby, in the low-pressure supercharger, it is possible to improve the supercharging response while ensuring an appropriate capacity corresponding to the flow rate of the exhaust gas in the low rotation range.
  • the control device enables the exhaust gas to pass through each of the high-pressure stage introduction passage and the second low-pressure stage introduction passage when the engine speed is in a middle rotation range, and the high-pressure stage bypass.
  • the valve device is controlled so that the exhaust gas cannot pass through each of the passage and the low-pressure stage bypass passage.
  • the control device enables the exhaust gas to pass through each of the second low-pressure stage introduction passage and the high-pressure stage bypass passage when the rotational speed of the engine is in a high speed region, and introduces the high-pressure stage introduction
  • the valve device is controlled so that the exhaust gas cannot pass through each of the passage and the low-pressure stage bypass passage.
  • the control device causes each of the second low pressure stage introduction passage, the high pressure stage bypass passage, and the low pressure stage bypass passage to pass through the exhaust gas.
  • the valve device is controlled so that the exhaust gas can pass through and the exhaust gas cannot pass through the high-pressure stage introduction passage.
  • a control method for a two-stage turbo system includes: A high-pressure stage turbocharger having a high-pressure stage turbine installed in the exhaust passage of the engine, and a low-pressure stage turbine installed downstream of the high-pressure stage turbine in the exhaust passage, larger than the high-pressure stage turbocharger
  • a low-rotation control step for controlling the valve device so that the exhaust gas does not flow.
  • the middle speed for controlling the valve device so that the exhaust gas passes through both the first scroll passage and the second scroll passage of the low-pressure supercharger.
  • a time control step is further provided. According to the configuration of (12) above, it is possible to improve the supercharging response when the engine speed is in the middle rotation range.
  • a two-stage turbo system with improved supercharging response while generating necessary supercharging pressure over a wide operating range of the engine is provided.
  • FIG. 2 It is a mimetic diagram showing the 2 stage turbo system applied to the engine concerning one embodiment of the present invention.
  • an expression indicating that things such as “identical”, “equal”, and “homogeneous” are in an equal state not only represents an exactly equal state, but also has a tolerance or a difference that can provide the same function. It also represents the existing state.
  • expressions representing shapes such as quadrangular shapes and cylindrical shapes represent not only geometrically strict shapes such as quadrangular shapes and cylindrical shapes, but also irregularities and chamfers as long as the same effects can be obtained. A shape including a part or the like is also expressed.
  • the expressions “comprising”, “comprising”, “comprising”, “including”, or “having” one constituent element are not exclusive expressions for excluding the existence of the other constituent elements.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a two-stage turbo system 1 applied to an engine 7 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic view of the scroll part 3S of the low-pressure stage turbine 3T of the low-pressure stage turbocharger 3 according to the embodiment of the present invention.
  • the scroll part 3S has a double scroll structure including two scroll passages P.
  • 3 is a cross-sectional view of the scroll portion 3S of the low-pressure turbine 3T of the low-pressure turbocharger 3 according to the embodiment of the present invention cut along the circumferential direction, and a part of the scroll portion 3S of FIG. It is the figure seen from A direction.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a two-stage turbo system 1 applied to an engine 7 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic view of the scroll part 3S of the low-pressure stage turbine 3T of the low-pressure stage turbocharger 3 according to the embodiment of the present invention.
  • the scroll part 3S has a
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the U / C0 characteristic of a low-pressure supercharger including a scroll unit 3S having a double scroll structure according to an embodiment of the present invention.
  • 5A to 5D are schematic views schematically showing the exhaust passage 9 side of the two-stage turbo system 1 according to one embodiment of the present invention.
  • 6A to 6D are schematic diagrams for explaining the operation mode of the two-stage turbo system 1 corresponding to FIG. 5A.
  • 7A to 7D are schematic diagrams for explaining the operation mode of the two-stage turbo system 1 corresponding to FIG. 5B.
  • the two-stage turbo system 1 is a supercharging system applied to the engine 7.
  • the engine 7 is a diesel engine or a gasoline engine having one or more cylinders (four cylinders in FIG. 1).
  • the two-stage turbo system 1 can be applied to engines 7 in various fields such as automobiles, trucks, buses, ships, and industrial engines.
  • the two-stage turbo system 1 includes two superchargers (turbo), a high-pressure stage supercharger 2 and a low-pressure stage supercharger 3.
  • These turbochargers are both a compressor C (2C, 3C) installed in the intake passage 8 of the engine 7 and an exhaust passage 9 of the engine 7.
  • a turbine T (2T, 3T) installed in the vehicle.
  • the turbine T includes a turbine housing and a turbine wheel (reference numeral 31 in FIG. 3), and the compressor C includes a compressor housing and a compressor wheel.
  • the compressor wheel of the compressor C and the turbine wheel of the turbine T are coupled by a shaft m (2 m, 3 m).
  • the exhaust gas discharged from the combustion chamber (not shown) of the engine 7 rotates the turbine wheel when passing through the exhaust passage 9 to the outside.
  • the compressor wheel that is coaxially coupled to the turbine wheel 31 by the shaft m is rotationally driven, and the intake air that passes through the intake passage 8 is compressed.
  • the rotational drive of the turbine T is performed by blowing the exhaust gas that has passed through the scroll portion S of the supercharger from the nozzle flow path E to the turbine wheel (see FIG. 3).
  • high-pressure stage supercharger 2 and low-pressure stage supercharger 3 are connected in series in the two-stage turbo system 1. Specifically, as shown in FIGS. 1 and 5A to 7D, in the exhaust passage 9, the turbine T (high pressure stage turbine 2T) of the high pressure supercharger 2 is relatively moved in the exhaust gas flow direction.
  • the turbine T (low-pressure stage turbine 3T) of the low-pressure supercharger 3 that is installed on the upstream side of the exhaust passage 9 that is closer to the engine 7 is relatively engineered in the exhaust gas flow direction than the high-pressure stage turbine 2T. 7 on the downstream side of the exhaust passage 9, which is on the side far from 7.
  • the compressor C (low pressure stage compressor 3C) of the low pressure supercharger 3 is installed upstream of the intake passage 8, and the compressor C (high pressure stage compressor 2C) of the high pressure supercharger 2 is These are installed in the intake passage 8 on the downstream side of the low pressure compressor 3C (see FIG. 1).
  • the two superchargers are installed in series in the intake passage 8 and the exhaust passage 9.
  • the low pressure supercharger 3 is larger than the high pressure supercharger 2.
  • the larger the turbocharger the weight increases, and the inertial force increases as the weight increases. For this reason, as the turbocharger becomes larger, the rotational speed of the turbine T at the low speed of the engine 7 is less likely to increase, and the response performance is inferior.
  • a large turbocharger is superior in turbine efficiency in a region where the flow rate of exhaust gas is larger than that of a small supercharger.
  • the small turbocharger is superior in turbine efficiency in the region where the exhaust gas flow rate is small compared to the large supercharger, and the turbine T is efficiently driven to rotate with a small exhaust gas flow rate.
  • the two-stage turbo system 1 covers the flow range on the small flow rate side with a relatively small high-pressure stage turbocharger 2, and a relatively large low-pressure stage turbocharger.
  • the feeder 3 is configured to cover the flow rate range on the large flow rate side.
  • the two-stage turbo system 1 controls the valve device 5 installed in the exhaust passage 9 by the control device 6, for example, so that the flow path of the exhaust passage 9 ( By switching exhaust gas passages I to IV, which will be described later, the operation mode (supercharger to be used) is switched between one-stage supercharging and two-stage supercharging. This improves the response of the engine 7 at low speed while generating the necessary supercharging pressure over a wide operating range of the engine 7.
  • the above-described one-stage supercharging means an operation mode in which supercharging to the engine 7 is performed using only the low-pressure stage supercharger 3, and the two-stage supercharging is the high-pressure stage supercharger 2 and the low-pressure stage supercharger. This means an operation mode in which supercharging is performed using both of the feeders 3.
  • the scroll portion 3S of the low pressure turbine 3T of the low pressure turbocharger 3 of the present embodiment will be described with reference to FIGS.
  • the scroll portion 3S constitutes a part of the turbine housing.
  • the scroll portion 3S of the low-pressure turbine 3T of the present embodiment has at least two scroll passages P, that is, a first scroll passage Pa and a second scroll passage Pb.
  • the second range Rb of the flow path E is configured not to overlap in the circumferential direction of the nozzle flow path E.
  • the nozzle flow path E is located at a boundary where the wheel housing chamber 31r in which the turbine wheel 31 is housed and the scroll portion 3S are connected, and is surrounded by the inner wall of the turbine housing around the turbine wheel 31 of the low-pressure turbine 3T. (See FIG. 3).
  • the gas flows from the inlet 32 (see FIG. 2) of the scroll portion S (low pressure turbine 3T) and passes through the first scroll passage Pa.
  • the exhaust gas is blown to the turbine wheel 31 through the first range Ra of the nozzle flow path E, and the exhaust gas that has passed through the second scroll passage Pa is blown to the turbine wheel 31 through the second range Rb of the nozzle flow path E. It is configured as follows.
  • the exhaust gas is blown from the nozzle flow path E to the turbine wheel 31 and then passes through the low pressure stage downstream passage 97 from the outlet 33 of the low pressure stage turbine 3T provided along the axial direction of the rotation axis L of the shaft m. .
  • the scroll portion 3S of the low-pressure turbine 3T has the first scroll passage Pa and the second scroll. It has a double scroll structure constituted by two scroll passages P of the passage Pb. More specifically, in the double scroll structure, the first scroll passage Pa and the second scroll passage Pb are arranged side by side in the circumferential direction.
  • the nozzle flow path E is formed in an annular shape around the entire outer periphery of the turbine wheel 31 shown in a circular shape.
  • the turbine housing has a tongue portion (first tongue portion 34a) on the side to which a radially inner road wall of the first scroll passage Pa is connected, and a radially outer side of the first scroll passage Pa.
  • Two tongue portions 34 of the tongue portion (second tongue portion 34b) on the side to which the road wall is connected are formed.
  • the tongue portion on the side to which the outer circumferential road wall of the second scroll passage Pa is connected is the first tongue portion 34a, and the inner road wall of the second scroll passage Pa is connected.
  • the side tongue is the second tongue 34b.
  • the boundary line RL Is the boundary line RL
  • the first range Ra of the nozzle flow path E is formed on one side (half-circumferential portion) across the boundary line RL
  • the second range Rb of the nozzle flow path E is the boundary line RL. It is formed on the other side (half-circumferential portion) sandwiching.
  • the scroll portion 3S is formed so that the first range Ra and the second range Rb do not have a range (portion) overlapping each other.
  • the road wall of the first scroll passage Pa and the road wall of the second scroll passage Pb are connected to different portions of the turbine housing forming the nozzle flow path E (see FIG. 2).
  • the size of the nozzle flow path E when the entire flow rate of the exhaust gas is introduced is smaller than that introduced separately in both of the two scroll passages P (Pa, Pb).
  • the first range Ra and the second range Rb have the same angular range (same size), and the nozzle flow path can introduce exhaust gas from one scroll path.
  • the range of E is about half of the entire circumference of the nozzle flow path E.
  • the low-pressure turbine 3T can be driven more quickly when the engine 7 is at a low speed.
  • each of the two passages of the twin scroll is The exhaust gas is configured to be introduced uniformly over the entire circumference of the turbine wheel 31. That is, the range of the nozzle flow path E into which the exhaust gas flowing through each of the two passages of the twin scroll is introduced coincides with each other, and the range of the nozzle flow path E through which each of the two scroll passages communicates is the nozzle flow path. E have overlapping portions in the circumferential direction.
  • the turbine efficiency with respect to the speed ratio (U / C0) between the peripheral speed and the theoretical speed of the turbine T is obtained.
  • U / C0 characteristic the highest point of the turbine efficiency of the low-pressure turbine 3T can be shifted to the lower speed ratio side than the highest point of the turbine efficiency when the twin scroll is provided.
  • the U / C0 characteristic indicates the relationship between the turbine operating speed ratio (U / C0), which is the speed ratio between the peripheral speed (U) of the turbine T and the theoretical speed (C0), and the turbine efficiency.
  • (U / C0) is represented on the horizontal axis and turbine efficiency is represented on the vertical axis.
  • the peripheral speed (U) of the turbine T is the rotational speed obtained from the rotational speed of the turbine T
  • the theoretical speed (C0) of the turbine T is defined from the pressure ratio between the inlet and outlet of the turbine T and the inlet temperature. Is the speed to be.
  • the fact that the highest point of the turbine efficiency in the U / C0 characteristic shifts to the low speed ratio side starts the rotation of the turbine T where the peripheral speed (U) of the turbine T is smaller than the theoretical speed (C0). This means that the engine is efficient at low speeds. For this reason, when the flow rate of the exhaust gas is small, such as when the engine 7 is at a low speed, the low-pressure turbine 3T can be efficiently rotated.
  • the U / C0 characteristics of two superchargers differing only in the scroll part structure such as a twin scroll structure or a double scroll structure are shown.
  • the turbine operating speed ratio of the highest turbine efficiency ( ⁇ t) of the turbocharger having a twin scroll is Vt
  • the turbine of the highest turbine efficiency ( ⁇ d) of the turbocharger having a double scroll structure is used.
  • the operating speed ratio is Vd.
  • the U / C0 characteristics of both have a mountain shape with respect to the horizontal axis, with the speed ratio corresponding to the highest point ( ⁇ t, ⁇ d) as a boundary.
  • each of the first scroll passage Pa and the second scroll passage Pb partially introduces exhaust gas from different directions with respect to the nozzle passage E formed around the turbine wheel 31.
  • the scroll portion 3S of the low-pressure stage turbine 3T allows exhaust gas discharged from the engine 7 to flow only in a part of the plurality of scroll passages P (the first scroll passage Pa in FIGS. 1 to 4).
  • the range of the nozzle flow path E for introducing the exhaust gas can be limited to a part thereof.
  • the exhaust gas is introduced into the entire range of the nozzle flow path E.
  • the flow velocity and pressure of the exhaust gas when passing through the turbine wheel 31 can be increased, and the low-pressure stage turbine 3T can be driven more quickly.
  • each of the plurality of scroll passages P is configured not to overlap in the circumferential direction of the nozzle flow path E, the scroll passages P such as twin scrolls are configured to overlap in the circumferential direction.
  • the highest point of turbine efficiency in the U / C0 characteristic can be shifted to the low U / C0 side.
  • the low-pressure stage turbine 3T can be more efficiently rotated on the low rotation side of the engine 7.
  • the scroll portion 3S having such a feature in the low-pressure turbine 3T the large-sized low-pressure turbine 3T of the two-stage turbo system 1 can be driven more quickly and efficiently, and the supercharging response is improved. can do.
  • the supercharging pressure required at the low speed of the engine 7 is mainly provided by the high-pressure stage turbocharger.
  • the contribution by the low-pressure stage supercharger 3 can be increased, and the supercharging response is improved.
  • the entire circumference of the nozzle flow path E is divided into two by the first range Ra and the second range Rb that do not overlap each other across the boundary line RL.
  • the present invention is not limited to this embodiment, and the entire range including the first range Ra and the second range Rb may not be the entire circumference of the nozzle flow path E.
  • the exhaust gas that has passed through the scroll passage P may not be directly introduced into a part of the annular nozzle flow path E. 1 to 7D
  • the angle range of the first range Ra and the angle range of the second range Rb are the same, but in some other embodiments, the first range Ra is the same.
  • the angle range of the second range Rb may be different.
  • the scroll portion 3S of the low-pressure stage turbine 3T has a double scroll structure as described above.
  • the scroll portion 3S of the low-pressure stage turbine 3T is used. May be provided with two or more scroll passages P.
  • the scroll portion 3S is formed so that the ranges of the nozzle flow paths E corresponding to each of the at least two scroll paths P (the first scroll path Pa and the second scroll path Pb) do not overlap.
  • FIGS. 1 and 5A to 7D the overall configuration of the engine 7 to which the two-stage turbo system 1 is applied will be described with reference to FIGS. 1 and 5A to 7D.
  • the intake passage 8 of the engine 7 is omitted in FIGS. 5A to 7D, it is assumed that the intake passage 8 shown in FIG.
  • the intake passage 8 of the engine 7 is provided with two flow paths. Specifically, the intake passage 8 of the engine 7 flows through the main intake passage 81 for supplying intake air (air) taken from an intake duct (not shown) toward the engine 7 and the main intake passage 81.
  • the intake manifold 82 for distributing the intake air to each of the plurality of cylinders of the engine 7 and a high-pressure compressor bypass passage 83 are provided.
  • a compressor bypass valve 85 is installed in the high-pressure stage compressor bypass passage 83. And the flow path on the intake passage 8 through which intake air passes is determined by controlling the opening degree of the compressor bypass valve 85 by a control device 6 (described later) or the like.
  • the first flow path is a flow path constituted by the main intake passage 81 and the intake manifold 82.
  • a low-pressure compressor 3C of the low-pressure supercharger 3 in order from the upstream side, a low-pressure compressor 3C of the low-pressure supercharger 3, a high-pressure compressor 2C of the high-pressure supercharger 2, and an intercooler 84 for increasing the intake air density by cooling, Is installed.
  • the intake air sequentially passes through the main intake passage 81 in this order and then passes through the intake manifold 82, so that the intake air is supplied to the engine 7 from the intake duct without passing through the high-pressure compressor bypass passage 83.
  • the second flow path is composed of a main intake passage 81, a high-pressure compressor bypass passage 83, and an intake manifold 82, and is a flow passage through which intake air can pass only when the compressor bypass valve 85 is opened.
  • Both ends of the high pressure compressor bypass passage 83 are connected to the vicinity of the outlet of the low pressure compressor 3C (downstream side) and the vicinity of the inlet of the intercooler 84 (upstream side) in the main intake passage 81, respectively.
  • the intake air is supplied to the engine 7 from the intake duct by sequentially passing through the low-pressure compressor 3C, the high-pressure compressor bypass passage 83, the intercooler 84, and the intake manifold 82 of the low-pressure supercharger 3.
  • the two-stage turbo system 1 is configured to perform only one-stage supercharging of the low-pressure stage supercharger 3 when the engine 7 is at a high speed. It is possible to prevent a decrease in pressure loss due to the passage of the high-pressure compressor 2C of the supercharger 3.
  • the exhaust passage 9 of the engine 7 has an exhaust manifold 91 that collects exhaust gas (combustion gas) discharged from each of the plurality of cylinders of the engine 7, and each of the four flow paths described above includes This is common in that it is connected to the engine 7 via the exhaust manifold 91.
  • Each of the above four flow paths will be described (see FIGS. 5A to 7D).
  • the first channel is a channel for supplying the exhaust gas discharged from the engine 7 to the first scroll passage Pa of the low-pressure turbine 3T via the high-pressure turbine 2T.
  • the exhaust passage 9 includes a high-pressure stage introduction passage 92 that connects the engine 7 and the inlet (scroll portion 2S) of the high-pressure turbine 2T, an outlet of the high-pressure turbine 2T, and a low pressure And a first low-pressure stage introduction passage 93 that connects the first scroll passage Pa of the stage turbine 3T.
  • the exhaust gas discharged from the engine 7 passes through the high-pressure stage introduction passage 92 and flows into the first low-pressure stage introduction passage 93, thereby passing through the high-pressure stage turbine 2 T and the first scroll passage of the low-pressure stage turbine 3 T. Pa is supplied.
  • the second flow path (exhaust gas flow path II) is a flow path for supplying the exhaust gas discharged from the engine 7 to the second scroll passage Pb of the low pressure stage turbine 3T while bypassing the high pressure stage turbine 2T.
  • the exhaust passage 9 bypasses the high-pressure stage turbine 2T, and connects the engine 7 and the second scroll passage Pb of the low-pressure stage turbine 3T to the second low-pressure stage introduction passage. 94. That is, the exhaust gas discharged from the engine 7 passes through the second low-pressure stage introduction passage 94 and is directly supplied to the second scroll passage Pb of the low-pressure stage turbine 3T while bypassing the high-pressure stage turbine 2T.
  • the two-stage turbo system 1 introduces the exhaust gas that has passed through the high-pressure turbine 2T into the first scroll passage Pa of the low-pressure turbine 3T, and the high-pressure turbine into the second scroll passage Pb.
  • the exhaust gas can be directly introduced into the low-pressure turbine 3T without passing through 2T.
  • the two-stage turbo system 1 performs supercharging using the high-pressure supercharger 3 in order to improve the supercharging response when the rotational speed of the engine 7 is below the middle rotation range. To do.
  • the exhaust gas from the first scroll passage Pa into the nozzle passage E the flow rate of the exhaust gas after driving the high-pressure turbine 2T is increased when the nozzle passage E is introduced.
  • the large-sized low-pressure turbine 3T of the two-stage turbo system 1 can be rotated more quickly and efficiently to improve the supercharging response.
  • the third flow path is a flow path for supplying exhaust gas discharged from the engine 7 to the first scroll passage Pa of the low-pressure stage turbine 3T without passing through the high-pressure stage turbine 2T. It is.
  • the exhaust passage 9 bypasses the high-pressure turbine 2T, and connects the engine 7 and the first scroll passage Pa of the low-pressure turbine 3T with a high-pressure bypass passage 95.
  • the high-pressure stage bypass passage 95 connects the high-pressure stage introduction passage 92 and the first low-pressure stage introduction passage 93 described above, thereby bypassing the high-pressure stage turbine 2T and the first stage of the engine 7 and the low-pressure stage turbine 3T.
  • the scroll passage Pa is connected.
  • the high-pressure stage bypass passage 95 may connect the exhaust manifold 91 and the first low-pressure stage introduction passage 93. That is, the exhaust gas discharged from the engine 7 passes through the high-pressure stage bypass passage 95, bypasses the high-pressure turbine 2T, and is supplied to the first scroll passage Pa of the low-pressure turbine 3T.
  • the fourth flow path passes the exhaust gas discharged from the engine 7 to the exhaust passage 9 downstream of the low pressure turbine 3T without passing through both the high pressure turbine 2T and the low pressure turbine 3T. It is a flow path to supply.
  • the exhaust passage 9 has a low-pressure stage bypass passage 96 that bypasses the low-pressure stage turbine 3T and communicates the upstream side and the downstream side of the low-pressure stage turbine 3T.
  • the low pressure stage bypass passage 96 connects the exhaust manifold 91 and a low pressure stage downstream passage 97 connected to the outlet of the low pressure turbine 3T.
  • the second low-pressure stage introduction passage 94 and the low-pressure stage downstream passage 97 may be connected. As a result, the flow rate of the exhaust gas passing through the first scroll passage Pa and the second scroll passage Pb of the low-pressure turbine 3T can be simultaneously reduced.
  • a valve device 5 capable of adjusting the flow rate of the exhaust gas passing through the four flow paths described above is installed.
  • the valve device 5 passes through each of the high pressure stage introduction passage 92, the second low pressure stage introduction passage 94, the high pressure stage bypass passage 95, and the low pressure stage bypass passage 96 described above.
  • the ratio of the flow rate of the exhaust gas is adjustable.
  • the high pressure supercharger 2 and the low pressure supercharger 3 can be switched, and the scroll passage P can be switched in the scroll portion 3S of the low pressure supercharger 3. It is possible to provide the two-stage turbo system 1 that is excellent in the supercharging response while generating the necessary supercharging pressure.
  • the valve device 5 includes a first valve 51 installed in the high-pressure stage introduction passage 92, a second valve It has a second valve 52 installed in the low-pressure stage introduction passage 94, a third valve 53 installed in the high-pressure stage bypass passage 95, and a fourth valve 54 installed in the low-pressure stage bypass passage 96.
  • At least one of the above valves (51 to 54) may be a valve whose opening degree can be adjusted between the fully open position and the fully closed position (linear control is possible), and the remaining valves are fully open. It may be possible to selectively switch between full closure.
  • the flow rate ratio of the exhaust gas passing through the first scroll passage Pa and the second scroll passage Pb of the low-pressure turbine 3T is adjusted. It becomes possible to do. Accordingly, as will be described later, the exhaust gas passing through each of the high pressure stage introduction passage 92, the first low pressure stage introduction passage 93, the second low pressure stage introduction passage 94, the high pressure stage bypass passage 95, and the low pressure stage bypass passage 96 is supplied.
  • the ratio of the flow rate can be adjusted by a plurality of valves (51 to 54) provided in each passage.
  • the pressure (boost pressure) on the outlet side of the low-pressure stage compressor 3C of the low-pressure supercharger 3 can be adjusted by the fourth valve 54, and abnormal operation of the low-pressure supercharger 3 such as surging can be prevented. be able to.
  • the valve device 5 includes a high pressure stage introduction passage 92, a second low pressure stage introduction passage 94, a high pressure stage bypass passage 95, and a low pressure stage.
  • This is a single valve capable of adjusting the flow rate of the exhaust gas passing through each of the bypass passages 96.
  • the ratio of the exhaust gas passing through each flow path forming the exhaust passage 9 can be adjusted by one valve, and the pressure (boost pressure) on the outlet side of the low-pressure compressor 3C of the low-pressure supercharger 3 is adjusted.
  • the two-stage turbo system 1 has been described above according to the rotational speed of the engine 7 (hereinafter, the engine rotational speed N as appropriate).
  • a control device 6 for controlling the valve device 5 is further provided.
  • the control device 6 is configured by a computer such as an ECU (electronic control device), and includes a CPU (processor) (not shown) and a memory (storage device) such as a ROM and a RAM. Then, the CPU operates (data calculation, etc.) according to the instructions of the program loaded in the main storage device, thereby realizing a functional unit necessary for controlling the valve device 5.
  • the ratio of the flow rate of the exhaust gas passing through each of the first low pressure stage introduction passage 93, the second low pressure stage introduction passage, the high pressure stage bypass passage 95, and the low pressure stage bypass passage 96 is determined according to the rotational speed of the engine 7. Therefore, the operation mode of the two-stage turbo system 1 as described below can be realized.
  • the operation mode is switched depending on whether the engine 7 is in the low speed area, the middle speed area, or the high speed area in which the engine speed N is arranged in order from the smaller engine speed N.
  • a region where the engine speed N is equal to or less than the first threshold is a low rotation region (N ⁇ first threshold)
  • a region where the engine speed N is equal to or less than the second threshold greater than the first threshold is a medium rotation region ( The first threshold value ⁇ N ⁇ second threshold value)
  • the region above the second threshold value is the high rotation region (second threshold value ⁇ N).
  • the two-stage turbo system 1 has an operation principle that performs supercharging by switching between two-stage supercharging and one-stage supercharging according to the rotational speed of the engine 7.
  • an output of a rotational speed sensor capable of detecting the rotational speed of the engine 7 is configured to be input to the control device 6.
  • the engine speed (hereinafter referred to as “engine speed N” as appropriate) is input.
  • an output of a flow sensor (not shown) that can detect the flow rate of exhaust gas discharged from the engine 7 may be input to the control device 6.
  • the rotational speed of the engine 7 (hereinafter referred to as “engine rotational speed” as appropriate) may be obtained from the correspondence between the detected value in FIG.
  • the operation modes in the two-stage turbo system 1 in the embodiment shown in FIGS. 1 to 7D are as follows.
  • FIGS. 6A and 7A are diagrams showing the first operation mode M1 when the engine speed N is in the low speed range (when the engine 7 is at a low speed).
  • the control device 6 sends the exhaust gas discharged from the engine 7 via the high-pressure stage turbine 2T to the first scroll passage Pa of the low-pressure stage turbine 3T.
  • the valve device 5 is controlled so that the exhaust gas flows only through the supply channel (exhaust gas channel I described above). That is, in the embodiment shown in FIGS. 1 to 7D, as shown in FIGS. 6A and 7A, the control device 6 allows the exhaust gas to pass through the high-pressure stage introduction passage 92 in the low rotation region of the engine 7.
  • the valve device 5 is controlled so that the exhaust gas cannot pass through each of the second low pressure stage introduction passage 94, the high pressure stage bypass passage 95, and the low pressure stage bypass passage 96. For this reason, the exhaust gas is not supplied to the second scroll passage Pb of the low-pressure supercharger 3 but is supplied only to the first scroll passage Pa. As a result, in the low-pressure supercharger 3, it is possible to improve the supercharging response while ensuring an appropriate capacity corresponding to the flow rate of the exhaust gas when the rotational speed of the engine 7 is in the low speed region.
  • FIGS. 6B and 7B are diagrams showing the second operation mode M2 when the engine speed N is in the middle speed range (at the middle speed of the engine 7).
  • the control device 6 passes the exhaust gas discharged from the engine 7 via the high-pressure stage turbine 2T into the first scroll passage Pa of the low-pressure stage turbine 3T.
  • the valve device 5 is controlled so that the exhaust gas flows through the two passages, the exhaust gas passage II). That is, in the embodiment shown in FIGS. 1 to 7D, as shown in FIGS.
  • the control device 6 is configured to introduce the high-pressure stage introduction passage 92 and the second low-pressure stage introduction in the middle rotation region of the engine 7.
  • the valve device 5 is controlled so that the exhaust gas can pass through each of the passages 94 and the exhaust gas cannot pass through each of the high-pressure stage bypass passage 95 and the low-pressure stage bypass passage 96. For this reason, exhaust gas is supplied to both the first scroll passage Pa and the second scroll passage Pb of the low-pressure supercharger 3.
  • the response of supercharging by the high-pressure supercharger 2 and the low-pressure supercharger 3 can be improved while ensuring an appropriate capacity according to the flow rate of the exhaust gas in the middle rotation region.
  • FIGS. 6C and 7C are diagrams showing the third operation mode M3 when the engine speed N is in the high speed region (when the engine 7 is at high speed).
  • a flow path for supplying the exhaust gas discharged from the engine 7 to the second scroll passage Pb of the low-pressure turbine 3T while bypassing the high-pressure turbine 2T Exhaust gas flow path II) described above and a flow path for supplying the exhaust gas discharged from the engine 7 to the first scroll passage Pa of the low pressure turbine 3T without passing through the high pressure turbine 2T (exhaust gas flow path III described above)
  • the valve device 5 is controlled so that the exhaust gas flows through the two flow paths. That is, in the embodiment shown in FIGS.
  • the control device 6 operates in the high-speed region of the engine 7 in the second low-pressure stage introduction passage 94 and the high-pressure stage bypass.
  • the valve device 5 is controlled so that the exhaust gas can pass through each of the passages 95 and the exhaust gas cannot pass through each of the high-pressure stage introduction passage 92 and the low-pressure stage bypass passage 96. Therefore, the small high-pressure turbine 2T is in an idling state because no exhaust gas is supplied, and one-stage supercharging by the large low-pressure turbocharger 3 is executed.
  • the rotational speed of the engine 7 is in the high rotation region, it is possible to perform appropriate supercharging according to the large amount of exhaust gas by the low-pressure stage supercharger 3.
  • 6D and 7D are diagrams showing a fourth operation mode M4 when the engine speed N is on the high rotation side in the high rotation region.
  • Exhaust gas flow path II described above and a flow path for supplying the exhaust gas discharged from the engine 7 to the first scroll passage Pa of the low pressure turbine 3T without passing through the high pressure turbine 2T (exhaust gas flow path III described above) ) And a flow path for supplying the exhaust gas discharged from the engine 7 to the exhaust passage 9 downstream of the low pressure stage turbine 3T without passing through both the high pressure stage turbine 2T and the low pressure stage turbine 3T (exhaust gas path IV described above)
  • the valve device 5 is controlled so that the exhaust gas flows through the three flow paths. That is, in the embodiment shown in FIGS. 1 to 7D, as shown in FIGS.
  • FIG. 8 is a flowchart showing a control method of the two-stage turbo system 1 according to the embodiment of the present invention.
  • the control method of the two-stage turbo system 1 includes a rotation speed acquisition step (S1) for acquiring the rotation speed of the engine 7, and an area determination step for determining a rotation speed area of the rotation speed of the engine 7. (S2, S4, S6, S7) and a low-rotation control step (S3) executed when the rotational speed of the engine 7 is in the low-rotation region.
  • the present control method may further include a control step during middle rotation (S5), a control step during first high rotation (S8), and a control step during second high rotation (S9).
  • a control step during middle rotation (S5) a control step during first high rotation (S8)
  • a control step during second high rotation (S9) a control step during second high rotation
  • the control device 6 acquires the engine speed N (rotation speed acquisition step).
  • the control device 6 determines the rotational speed at which the rotational speed of the engine 7 is located by comparing the acquired engine rotational speed N with a threshold value of the rotational speed (the first threshold value to the second threshold value described above). The region is determined and the operation mode described above is executed based on the determination result.
  • step S2 the control device 6 determines whether or not the engine speed N is in the low rotation region (region determination step).
  • step S3 the control device 6 controls the valve device 5 to execute the first operation mode M1 (low speed control step). That is, the exhaust passage 9 has a single passage (exhaust gas passage I described above) that can supply the exhaust gas discharged from the engine 7 to the first scroll passage Pa of the low-pressure turbine 3T via the high-pressure turbine 2T. ) Is formed (see FIGS. 6A and 7A). Thereafter, the process proceeds to the next step S4.
  • step S2 the process proceeds to step S4 also when the engine speed N is not in the low speed range.
  • step S4 the control device 6 determines whether or not the engine speed N is in the middle rotation region (region determination step).
  • the control device 6 executes the second operation mode M2 by controlling the valve device 5 in step S5 (control step during medium rotation). That is, the exhaust passage 9 is a passage through which the exhaust gas discharged from the engine 7 can be supplied to the second scroll passage Pb of the low-pressure turbine 3T while bypassing the above-described exhaust gas passage I and the high-pressure turbine 2T. Two flow paths (see the exhaust gas flow path II described above) are formed (see FIGS. 6B and 7B). Thereafter, the process proceeds to the next step S6. In step S4, the process proceeds to step S6 also when the engine speed N is not in the middle rotation range.
  • step S6 the control device 6 determines whether or not the engine speed N is in the high rotation region (region determination step). If the engine speed N is in the high speed region, in step S7, the control device 6 determines whether or not the engine speed N is equal to or higher than a predetermined speed (region determination step). In step S7, when the engine speed N is smaller than the predetermined speed, in step S8, the control device 6 controls the valve device 5 to execute the third operation mode M3 (first high speed). Control step during rotation). That is, the exhaust passage 9 is a flow capable of supplying the exhaust gas discharged from the engine 7 to the first scroll passage Pa of the low-pressure turbine 3T without passing through the exhaust gas passage II and the high-pressure turbine 2T. Two passages are formed with the passage (exhaust gas passage III described above) (see FIGS. 6C and 7C). Thereafter, the flow of FIG. 8 ends.
  • step S9 the control device 6 controls the valve device 5 in step S9 to execute the fourth operation mode M4 described above (step S9).
  • Second high-speed control step That is, the exhaust passage 9 passes through both the high-pressure turbine 2T and the low-pressure turbine 3T through the passages (the exhaust gas passage II and the exhaust gas passage III) that are formed when it is determined as the high rotation region.
  • a flow path exhaust gas flow path IV described above
  • a flow path capable of supplying the exhaust gas discharged from the engine 7 to the low pressure stage downstream path 97 of the low pressure stage turbine 3T is added, so that a total of three flow paths are formed. (See FIGS. 6D and 7D). Thereafter, the flow of FIG. 8 ends.
  • step S3 and step S5 are executed.
  • the present invention is not limited to this, and the flow of FIG. May be.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes forms obtained by modifying the above-described embodiments and forms obtained by appropriately combining these forms.

Landscapes

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Abstract

２ステージターボシステムは、エンジンの排気通路に設置される高圧段タービンを有する高圧段過給機と、排気通路において高圧段タービンの下流側に設置される低圧段タービンを有する、高圧段過給機より大型の低圧段過給機と、を備える２ステージターボシステムにおいて、低圧段タービンは、低圧段タービンのノズル流路に排ガスを導入するためのスクロール部であって、第１のスクロール通路および第２のスクロール通路の少なくとも２つスクロール通路を有しており、第１のスクロール通路を通過する排ガスが導入されるノズル流路の第１範囲と、第２のスクロール通路を通過する排ガスが導入されるノズル流路の第２範囲とが、ノズル流路の周方向において重複しないように構成される。

Description

２ステージターボシステムおよび２ステージターボシステムの制御方法
　本開示は、エンジンの過給システムである２ステージターボシステムに関する。
　ディーゼルエンジンなどのエンジンに適用可能な過給システムとして、２ステージターボシステムが知られている。２ステージターボシステムは、既存のディーゼルエンジンに対して大幅な改良を加えることなく適用可能であり、低速でのトルクアップと高出力を両立させ、レスポンス（過渡応答性）にも優れる過給システムとして有望視される。より詳細には、２ステージターボシステムは、高圧段過給機と低圧段過給機の２つの過給機（ターボ）を直列に配置することで、排気通路に設置された各種バルブの開度制御による排気通路の流路の切り替えを通して、過給のステージの切り替えが可能な過給システムである。そして、エンジンの作動条件に応じて１ステージ過給と２ステージ過給とを切り替えることによって、エンジンの広範な作動範囲にわたって必要な過給圧を発生させつつ、低速でのレスポンスを向上させることを可能とする。一般的には、エンジンの低速時では排ガスは小流量であり、高圧段過給機、低圧段過給機の順に排ガスを流すことで２ステージ過給が行われるように排気通路の流路が切り替えられる。また、エンジンの中速時でも上記の２ステージ過給が行われるが、排ガスの一部は、高圧段過給機を通過することなく、低圧段過給機に直接流すように排気通路の切り替えが行われる。そして、エンジンの高速時には、大流量となる排ガスの全てを低圧段過給機に直接流すことで１ステージ過給が行われるように排気通路の流路が切り替えられる。
　また、２ステージターボシステムの高圧段側には小型の過給機が取り付けられ、低圧段側には大型の過給機が取り付けられており、これによって、高圧段過給機の小流量側のレンジと低圧段過給機の大流量側のレンジとを活用することで、コンプレッサの作動範囲を拡大する。しかし、大型となる低圧段過給機のタービンは小型の物に比べて重さがあり、エンジンの低速時においてタービンの回転数は上昇しにくい。つまり、低圧段過給機のタービンのレスポンス性能はエンジンの低速時に劣ることから、エンジンの低速時において要求される過給圧は主に高圧段過給機によってまかなわれることになる。そこで、低圧段過給機の流量レンジを維持した上で、エンジンの低速時での低圧段過給機のレスポンスを改善する方法が提案されている。例えば特許文献１には、低圧段過給機をＶＧターボとすることが提案されている。また、特許文献２には、低圧段過給機のスクロール部にツインスクロールを適用することが提案されている。ツインスクロールでは、タービンの回転軸の周方向に沿って形成されたスクロール部において、回転軸の軸方向に２つの通路が並ぶような構造を有するが、排ガスの流量を２つの通路に分けてタービンに導くことで、排ガスの圧力がなまされることなくタービンを駆動することが可能となる。
米国特許第８６７１６８２号明細書 米国特許出願公開第２００７／００７９６１２号明細書
　しかし、ＶＧターボでは、ノズルベーンを開閉するための複雑なリンク機構が必要であり、構造が複雑となる課題がある（特許文献１）。また、ツインスクロールを採用した過給機のＵ／Ｃ０特性（後述の図４参照）はシングルスクロールを採用した過給機の特性と同様であり、エンジンの低速時におけるレスポンスの大幅な改善は見込みにくい（特許文献２）。なお、Ｕ／Ｃ０特性とは、タービン作動速度比（Ｕ／Ｃ０）とタービン効率との関係を表す特性であり、ＵはタービンＴの周速度、Ｃ０は、タービンの入口、出口の圧力比と、入口温度から定義される理論速度となる。
　上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、エンジンの広範な作動範囲にわたって必要な過給圧を発生させつつ、過給のレスポンスが向上された２ステージターボシステムを提供することを目的とする。
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る２ステージターボシステムは、
　エンジンの排気通路に設置される高圧段タービンを有する高圧段過給機と、
　前記排気通路において前記高圧段タービンの下流側に設置される低圧段タービンを有する、前記高圧段過給機より大型の低圧段過給機と、を備える２ステージターボシステムにおいて、
　前記低圧段タービンは、
　前記低圧段タービンのノズル流路に排ガスを導入するためのスクロール部であって、第１のスクロール通路および第２のスクロール通路の少なくとも２つスクロール通路を有しており、
　前記第１のスクロール通路を通過する前記排ガスが導入される前記ノズル流路の第１範囲と、前記第２のスクロール通路を通過する前記排ガスが導入される前記ノズル流路の第２範囲とが、前記ノズル流路の周方向において重複しないように構成される。
　上記（１）の構成によれば、低圧段タービンの第１のスクロール通路および第２のスクロール通路の各々は、タービンホイールの周囲に形成されるノズル流路に対して異なる方向から部分的に排ガスを導入するよう構成される。つまり、低圧段タービンのスクロール部は、複数のスクロール通路のうちの一部（例えば第１のスクロール通路）に限定してエンジンから排出された排ガスを流すことで、排ガスを導入するノズル流路の範囲をその一部に限定することが可能に構成される。このため、複数のスクロール通路のうちの一部に限定することによりノズル流路の一部の範囲に排ガスを導入する場合には、ノズル流路の全範囲に対して排ガスを導入する場合よりも、タービンホイールを通過する際の排ガスの流速や圧力を高めることができ、低圧段タービンをより迅速に駆動することができる。また、複数のスクロール通路の各々がノズル流路の周方向において重複しないように構成されることで、ツインスクロールといった各々のスクロール通路が周方向において重複するよう構成される場合よりも、Ｕ／Ｃ０特性におけるタービン効率の最高点を、低Ｕ／Ｃ０側にシフトすることができる。このため、エンジンの低回転側においてより効率よく低圧段タービンを回転させることができる。このような特徴を備えるスクロール部を低圧段タービンに採用することで、２ステージターボシステムの大型の低圧段タービンをより迅速に効率良く駆動することができ、過給（過給効果）のレスポンスを向上することができる。
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
　前記排気通路は、
　前記エンジンと前記高圧段タービンの入口とを接続する高圧段導入通路と、
　前記高圧段タービンの出口と前記低圧段タービンの前記第１のスクロール通路とを接続する第１低圧段導入通路と、
　前記高圧段タービンを迂回して、前記エンジンと前記低圧段タービンの前記第２のスクロール通路とを接続する第２低圧段導入通路と、を含む。
　上記（２）の構成によれば、２ステージターボシステムは、低圧段タービンの第１のスクロール通路には高圧段タービンを通過した排ガスを導入し、第２のスクロール通路には高圧段タービンを通過することなく、低圧段タービンに排ガスを直接導入することが可能に構成される。通常、２ステージターボシステムは、エンジンの回転数が中回転領域以下にある場合には過給のレスポンスの向上のために高圧段過給機を使用して過給を実行する。このような場合など、第１のスクロール通路からノズル流路に排ガスを導入することによって、高圧段タービンを駆動した後の排ガスの流速等をノズル流路に導入する際に高めることができ、２ステージターボシステムの大型の低圧段タービンをより迅速に効率良く回転させることができる。
（３）幾つかの実施形態では、上記（２）の構成において、
　前記排気通路は、
　前記高圧段タービンを迂回して、前記エンジンと前記低圧段タービンの前記第１のスクロール通路とを接続する高圧段バイパス通路と、
　前記低圧段タービンを迂回して前記低圧段タービンの上流側と下流側とを連通する低圧段バイパス通路と、をさらに含み、
　前記高圧段導入通路、前記第２低圧段導入通路、前記高圧段バイパス通路、および、前記低圧段バイパス通路の各々を通過する前記排ガスの流量の割合を調整可能なバルブ装置と、をさらに含む。
　上記（３）の構成によれば、排気通路を形成する各通路（高圧段導入通路、第１低圧段導入通路、第２低圧段導入通路、高圧段バイパス通路）を通過する排ガスの流量の割合をバルブ装置によって調整することができる。これによって、高圧段過給機や低圧段過給機の切り替えや、低圧段過給機のスクロール部におけるスクロール通路の切り替えを行うことができ、エンジンの広範な作動範囲にわたって必要な過給圧を発生させつつ、過給のレスポンスに優れた２ステージターボシステムを提供することができる。
（４）幾つかの実施形態では、上記（３）の構成において、
　前記バルブ装置は、
　前記高圧段導入通路に設置される第１バルブと、
　前記第２低圧段導入通路に設置される第２バルブと、
　前記高圧段バイパス通路に設置される第３バルブと、
　前記低圧段バイパス通路に設置される第４バルブと、を有する。
　上記（４）の構成によれば、高圧段導入通路、第１低圧段導入通路、第２低圧段導入通路、高圧段バイパス通路、および、低圧段バイパス通路の各々を通過する排ガスの流量の割合を、それぞれの通路に設けられる複数のバルブによって調整することができる。また、第４バルブによって、低圧段過給機の低圧段コンプレッサの出口側の圧力（ブースト圧）を調整することができ、サージングなどの低圧段過給機の異常運転を防止することができる。
（５）幾つかの実施形態では、上記（３）の構成において、
　前記バルブ装置は、前記高圧段導入通路、前記第２低圧段導入通路、前記高圧段バイパス通路および前記低圧段バイパス通路の各々を通過する排ガスの流量を調整可能な１つのバルブである。
　上記（５）の構成によれば、排気通路を形成する各通路を通過する排ガスの割合を１つのバルブによって調整することができると共に、低圧段過給機の低圧段コンプレッサの出口側の圧力（ブースト圧）を調整することができ、サージングなどの低圧段過給機の異常運転を防止することができる。
（６）幾つかの実施形態では、上記（３）～（５）の構成において、
　前記エンジンの回転数に応じて前記バルブ装置を制御する制御装置をさらに備える。
　上記（６）の構成によれば、制御装置がバルブ装置を制御することにより、第１低圧段導入通路、第２低圧段導入通路、高圧段バイパス通路、および、低圧段バイパス通路の各々を通過する排ガスの流量の割合を、エンジンの回転数に応じて適切に調整することができ、２ステージターボシステムの作動モードを実現することができる。
（７）幾つかの実施形態では、上記（６）の構成において、
　前記制御装置は、前記エンジンの回転数が低回転領域にある場合においては、前記高圧段導入通路を前記排ガスが通過するのを可能とし、前記第２低圧段導入通路、前記高圧段バイパス通路および前記低圧段バイパス通路の各々を前記排ガスが通過するのを不可とするように、前記バルブ装置を制御する。
　上記（７）の構成によれば、エンジンの回転数が低回転数領域にある場合には、低圧段タービンの第２のスクロール通路には排ガスを流さず、第１のスクロール通路に高圧段タービンを経由した排ガスを流すよう構成される。これによって、低圧段過給機において、低回転領域における排ガスの流量に応じた適切な容量を確保しつつ、過給のレスポンスを向上することができる。
（８）幾つかの実施形態では、上記（６）または（７）の構成において、
　前記制御装置は、前記エンジンの回転数が中回転領域にある場合においては、前記高圧段導入通路および前記第２低圧段導入通路の各々を前記排ガスが通過するのを可能とし、前記高圧段バイパス通路および前記低圧段バイパス通路の各々を前記排ガスが通過するのを不可とするように、前記バルブ装置を制御する。
　上記（８）の構成によれば、エンジンの回転数が中回転数領域にある場合には、低圧段タービンの第１のスクロール通路に高圧段タービンを経由した排ガスを流すと共に、第１のスクロール通路および第２のスクロール通路の両方に排ガスを流すよう構成される。これによって、中回転領域における排ガスの流量に応じた適切な容量を確保しつつ、高圧段過給機および低圧段過給機による過給のレスポンスを向上することができる。
（９）幾つかの実施形態では、上記（６）～（８）の構成において、
　前記制御装置は、前記エンジンの回転数が高回転領域にある場合においては、前記第２低圧段導入通路および前記高圧段バイパス通路の各々を前記排ガスが通過するのを可能とし、前記高圧段導入通路および前記低圧段バイパス通路の各々を前記排ガスが通過するのを不可とするように、前記バルブ装置を制御する。
　上記（９）の構成によれば、エンジンの回転数が高回転数領域にある場合には、高圧段タービンに排ガスを流すことなく、低圧段タービンの第１のスクロール通路および第２のスクロール通路の両方に排ガスを流すよう構成される。つまり、高回転領域における排ガスの流量に対して効率の優れた低圧段過給機のみを利用して過給を行う。これによって、低圧段過給機によって大流量の排ガスに応じた適切な過給を行うことができる。
（１０）幾つかの実施形態では、上記（９）の構成において、
　前記制御装置は、前記エンジンの回転数が高回転領域における所定の回転数以上にある場合には、前記第２低圧段導入通路、前記高圧段バイパス通路および前記低圧段バイパス通路の各々を前記排ガスが通過するのを可能とし、前記高圧段導入通路を前記排ガスが通過するのを不可とするように、前記バルブ装置を制御する。
　上記（１０）の構成によれば、高回転数領域の高回転側にエンジンの回転数がある場合においてブースト圧を適切に調整することができる。
（１１）本発明の少なくとも一実施形態に係る２ステージターボシステムの制御方法は、
　エンジンの排気通路に設置される高圧段タービンを有する高圧段過給機と、前記排気通路において前記高圧段タービンの下流側に設置される低圧段タービンを有する、前記高圧段過給機より大型の低圧段過給機と、を備える上記（６）に記載の２ステージターボシステムの制御方法であって、
　前記エンジンの回転数を取得する回転数取得ステップと、
　前記エンジンの回転数の回転数領域を判定する領域判定ステップと、
　前記エンジンの回転数が低回転領域にある場合においては、前記低圧段過給機の第１のスクロール通路に排ガスが通過するのを可能とし、前記低圧段過給機の第２のスクロール通路に排ガスが流れないようにバルブ装置を制御する低回転時制御ステップと、を備える。
　上記（１１）の構成によれば、エンジンの回転数が低回転領域にある場合の低圧段タービンのレスポンスを向上することができる。また、上記（１）～（５）と同様に、２ステージターボシステムの大型の低圧段タービンをより迅速に効率良く駆動することができ、過給のレスポンスを向上することができる。
（１２）幾つかの実施形態では、上記（１１）の構成において、
　前記エンジンの回転数が中回転領域にある場合においては、低圧段過給機の第１のスクロール通路および前記第２のスクロール通路の両方に排ガスが通過するように前記バルブ装置を制御する中回転時制御ステップを、さらに備える。
　上記（１２）の構成によれば、エンジンの回転数が中回転領域にある場合の過給のレスポンスを向上することができる。
　本発明の少なくとも一実施形態によれば、エンジンの広範な作動範囲にわたって必要な過給圧を発生させつつ、過給のレスポンスが向上された２ステージターボシステムが提供される。
本発明の一実施形態に係るエンジンに適用された２ステージターボシステムを示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る低圧段過給機の低圧段タービンのスクロール部の模式図であり、スクロール部は２つのスクロール通路を備えるダブルスクロール構造を有する。 本発明の一実施形態に係る低圧段過給機の低圧段タービンのスクロール部を周方向に沿って切断した断面図であり、図２のスクロール部の一部をＡ方向から見た図である。 本発明の一実施形態に係るダブルスクロール構造を有するスクロール部を備える低圧段過給機のＵ／Ｃ０特性を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る２ステージターボシステムの排気通路側を簡略化して示した模式図であり、バルブ装置は複数のバルブで構成される。 本発明の一実施形態に係る２ステージターボシステムの排気通路側を簡略化して示した模式図であり、バルブ装置は１つのバルブで構成される。 図５Ａに対応した２ステージターボシステムの作動モードを説明するための模式図であり、エンジンの回転数が低回転領域にある場合の作動モードを示す図である。 図５Ａに対応した２ステージターボシステムの作動モードを説明するための模式図であり、エンジンの回転数が中回転領域にある場合の作動モードを示す図である。 図５Ａに対応した２ステージターボシステムの作動モードを説明するための模式図であり、エンジンの回転数が高回転領域にある場合の作動モードを示す図である。 図５Ａに対応した２ステージターボシステムの作動モードを説明するための模式図であり、エンジンの回転数が高回転領域における高回転側にある場合の作動モードを示す図である。 図５Ｂに対応した２ステージターボシステムの作動モードを説明するための模式図であり、エンジンの回転数が低回転領域にある場合の作動モードを示す図である。 図５Ｂに対応した２ステージターボシステムの作動モードを説明するための模式図であり、エンジンの回転数が中回転領域にある場合の作動モードを示す図である。 図５Ｂに対応した２ステージターボシステムの作動モードを説明するための模式図であり、エンジンの回転数が高回転領域にある場合の作動モードを示す図である。 図５Ｂに対応した２ステージターボシステムの作動モードを説明するための模式図であり、エンジンの回転数が高回転領域における高回転側にある場合の作動モードを示す図である。 本発明の一実施形態に係る２ステージターボシステムの制御方法を示すフロー図である。
　以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的設置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
　例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な設置を表す表現は、厳密にそのような設置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
　例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
　例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
　一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
　図１は、本発明の一実施形態に係るエンジン７に適用された２ステージターボシステム１を示す模式図である。図２は、本発明の一実施形態に係る低圧段過給機３の低圧段タービン３Ｔのスクロール部３Ｓの模式図であり、スクロール部３Ｓは２つのスクロール通路Ｐを備えるダブルスクロール構造を有する。図３は、本発明の一実施形態に係る低圧段過給機３の低圧段タービン３Ｔのスクロール部３Ｓを周方向に沿って切断した断面図であり、図２のスクロール部３Ｓの一部をＡ方向から見た図である。図４は、本発明の一実施形態に係るダブルスクロール構造を有するスクロール部３Ｓを備える低圧段過給機のＵ／Ｃ０特性を説明するための図である。図５Ａ～図５Ｄは、本発明の一実施形態に係る２ステージターボシステム１の排気通路９側を簡略化して示した模式図である。図６Ａ～図６Ｄは、図５Ａに対応した２ステージターボシステム１の作動モードを説明するための模式図である。また、図７Ａ～図７Ｄは、図５Ｂに対応した２ステージターボシステム１の作動モードを説明するための模式図である。
　図１～図７Ｄに示されるように、２ステージターボシステム１はエンジン７に適用される過給システムである。エンジン７は１以上の気筒（図１では４気筒）を備えたディーゼルエンジンやガソリンエンジンなどである。また、２ステージターボシステム１は、自動車、トラック、バス、船舶、産業用エンジン等の様々な分野のエンジン７に適用可能である。
　図１～図７Ｄに示されるように、２ステージターボシステム１は、高圧段過給機２と低圧段過給機３の２つの過給機（ターボ）を備える。これらの過給機（高圧段過給機２や低圧段過給機３）は、いずれも、エンジン７の吸気通路８に設置されるコンプレッサＣ（２Ｃ、３Ｃ）と、エンジン７の排気通路９に設置されるタービンＴ（２Ｔ、３Ｔ）とを備える。タービンＴはタービンハウジングとタービンホイール（図３の符号３１）とで構成され、コンプレッサＣはコンプレッサハウジングとコンプレッサホイールとで構成される。また、コンプレッサＣのコンプレッサホイールとタービンＴのタービンホイールとがシャフトｍ（２ｍ、３ｍ）で結合される。そして、エンジン７の燃焼室（不図示）から排出される排ガスは、排気通路９を通って外部に向けて通過する際にタービンホイールを回転駆動する。これにより、タービンホイール３１にシャフトｍで同軸に結合されたコンプレッサホイールが回転駆動され、吸気通路８を通過する吸気が圧縮される。より詳細には、タービンＴの回転駆動は、過給機のスクロール部Ｓを通過した排ガスがノズル流路Ｅからタービンホイールに吹き付けられること行われる（図３参照）。
　これらの高圧段過給機２と低圧段過給機３とは、２ステージターボシステム１において直列に接続される。具体的には、図１、図５Ａ～図７Ｄに示されるように、排気通路９においては、高圧段過給機２のタービンＴ（高圧段タービン２Ｔ）は、排ガスの流れ方向において相対的にエンジン７に近い側となる排気通路９の上流側に設置され、低圧段過給機３のタービンＴ（低圧段タービン３Ｔ）は、この高圧段タービン２Ｔよりも排ガスの流れ方向において相対的にエンジン７から遠い側となる排気通路９の下流側に設置される。他方、吸気通路８においては、低圧段過給機３のコンプレッサＣ（低圧段コンプレッサ３Ｃ）は吸気通路８の上流側に設置され、高圧段過給機２のコンプレッサＣ（高圧段コンプレッサ２Ｃ）は、この低圧段コンプレッサ３Ｃの下流側の吸気通路８に設置される（図１参照）。このように、上記の２つの過給機は吸気通路８および排気通路９において直列に設置される。
　また、低圧段過給機３は高圧段過給機２よりも大型である。通常、過給機は大型になるほど重量が増し、重量の増加に伴って慣性力が大きくなる。このため、過給機が大型になるほど、エンジン７の低速時におけるタービンＴの回転数は上昇しにくく、レスポンス性能が劣る。その一方で、大型の過給機は、小型の過給機よりも排ガスの流量が大きい領域でのタービン効率に優れる。逆に、小型の過給機は、大型の過給機に比べて、排ガスの流量が少ない領域におけるタービン効率が優れており、少ない排ガスの流量でタービンＴが効率よく回転駆動される。このような過給機の特性を利用して、２ステージターボシステム１は、相対的に小型の高圧段過給機２で小流量側の流量レンジをカバーし、相対的に大型の低圧段過給機３で大流量側の流量レンジをカバーするよう構成される。
　そして、２ステージターボシステム１は、後述するように、例えば制御装置６により排気通路９に設置されるバルブ装置５を制御することにより、エンジン７の作動条件に応じて排気通路９の流路（後述する排ガス流路I～IV）を切り替えることで、１ステージ過給と２ステージ過給とで作動モード（使用する過給機）を切り替えるよう構成される。これによって、エンジン７の広範な作動範囲にわたって必要な過給圧を発生させつつ、エンジン７の低速時のレスポンスの向上を図っている。なお、上記の１ステージ過給は、低圧段過給機３のみを用いてエンジン７への過給を行う作動モードを意味し、２ステージ過給は、高圧段過給機２および低圧段過給機３の両方を用いて過給を行う作動モードを意味する。
　ここで、本実施形態の低圧段過給機３の低圧段タービン３Ｔのスクロール部３Ｓについて、図２～図３を用いて説明する。なお、スクロール部３Ｓはタービンハウジングの一部を構成する。図２～図３に示されるように、本実施形態の低圧段タービン３Ｔのスクロール部３Ｓは、第１のスクロール通路Ｐａおよび第２のスクロール通路Ｐｂの少なくとも２つスクロール通路Ｐを有する。そして、図３に示されるように、第１のスクロール通路Ｐａを通過する排ガスが導入されるノズル流路Ｅの第１範囲Ｒａと、第２のスクロール通路Ｐｂを通過する排ガスが導入されるノズル流路Ｅの第２範囲Ｒｂとが、ノズル流路Ｅの周方向において重複しないように構成される。上記のノズル流路Ｅは、タービンホイール３１が収容されるホイール収容室３１ｒと、スクロール部３Ｓとが接続される境界に位置し、タービンハウジングの内壁によって、低圧段タービン３Ｔのタービンホイール３１の周囲に形成された空間（流路）である（図３参照）。図１～図７Ｄに示される実施形態では、図３に示されるように、スクロール部Ｓ（低圧段タービン３Ｔ）の入口３２（図２参照）から流入し、第１のスクロール通路Ｐａを通過した排ガスはノズル流路Ｅの第１範囲Ｒａを経てタービンホイール３１に吹きつけられ、第２のスクロール通路Ｐａを通過した排ガスはノズル流路Ｅの第２範囲Ｒｂを経てタービンホイール３１に吹きつけられよう構成されている。また、排ガスは、ノズル流路Ｅからタービンホイール３１に吹きつけられ後、シャフトｍの回転軸線Ｌの軸方向に沿って設けられた低圧段タービン３Ｔの出口３３から低圧段下流通路９７を通過する。
　また、図１～図７Ｄに示される実施形態では、図２～図３に示されるように、低圧段タービン３Ｔのスクロール部３Ｓは、上記の第１のスクロール通路Ｐａおよび上記の第２のスクロール通路Ｐｂの２つスクロール通路Ｐから構成されたダブルスクロール構造となっている。より詳細には、ダブルスクロール構造においては、第１のスクロール通路Ｐａおよび第２のスクロール通路Ｐｂは周方向に並んで配置されている。
　また、図１～図７Ｄに示される実施形態では、図３に示されるように、ノズル流路Ｅは、円形状で示されるタービンホイール３１の外周の全周に環状に形成されている。ここで、タービンハウジングには、第１のスクロール通路Ｐａの径方向の内側の路壁が接続される側の舌部（第１舌部３４ａ）と、第１のスクロール通路Ｐａの径方向の外側の路壁が接続される側の舌部（第２舌部３４ｂ）の２つの舌部３４が形成されている。換言すれば、第２のスクロール通路Ｐａの周方向の外側の路壁が接続される側の舌部が第１舌部３４ａであり、第２のスクロール通路Ｐａの内側の路壁が接続される側の舌部が第２舌部３４ｂとなる。そして、タービンホイール３１の回転軸線Ｌの周方向に沿って切断した示される断面（図３）において、第１舌部３４ａと、第２舌部３４ｂと、タービンホイール３１の回転軸線Ｌを通る線を境界線ＲＬとした場合、ノズル流路Ｅの第１範囲Ｒａは境界線ＲＬを挟んだ一方の側（半周部分）に形成されており、ノズル流路Ｅの第２範囲Ｒｂは境界線ＲＬを挟んだ他方の側（半周部分）に形成されている。このように、第１範囲Ｒａと第２範囲Ｒｂとは互いに重なる範囲（部分）を有しないようにスクロール部３Ｓは形成されている。換言すれば、第１のスクロール通路Ｐａの路壁および第２のスクロール通路Ｐｂの路壁は、ノズル流路Ｅを形成するタービンハウジングの異なる部分に接続される（図２参照）。
　そして、後述するように、第１のスクロール通路Ｐａおよび第２のスクロール通路Ｐｂの２のスクロール通路Ｐの一方にのみエンジン７から排出された排ガスの全流量を流すように構成した場合には、この排ガスの全流量が導入される際のノズル流路Ｅのサイズは、２のスクロール通路Ｐ（Ｐａ、Ｐｂ）の両方に分けて導入するよりも小さくなる。図１～図７Ｄに示される実施形態では、第１範囲Ｒａと第２範囲Ｒｂとは同じ角度範囲（同じ大きさ）を有しており、一方のスクロール通路から排ガスを導入可能なノズル流路Ｅの範囲はノズル流路Ｅの全周の半分程度になる。このため、ノズル流路Ｅに導入される際の排ガスの圧力がノズル流路Ｅの全範囲に分散されることなく（なまされることなく）、低圧段タービン３Ｔに排ガスを導入することが可能とり、エンジン７の低速時において低圧段タービン３Ｔをより迅速に駆動することができる。
　これに対して、例えば、低圧段タービン３Ｔのスクロール部３Ｓにツインスクロールを採用した場合にも、ツインスクロールによる２つの通路がスクロール部３Ｓに形成されるが、ツインスクロールの２つの通路の各々は、タービンホイール３１の全周に亘って均一に排ガスを導入するように構成される。つまり、ツインスクロールの２つの通路の各々を流れる排ガスがそれぞれ導入されるノズル流路Ｅの範囲は互いに一致しており、２つのスクロール通路の各々が連通するノズル流路Ｅの範囲はノズル流路Ｅの周方向において互いに重複する部分を有する。そして、２つのスクロール通路の一方にのみ排ガスの全流量を導入すると、タービンホイール３１の全周にわたって排ガスは導入されることになる。このため、例えば、排ガスの流量に対してタービンＴのサイズ（重量）が大きい場合には、排ガスの圧力がノズル流路Ｅの全範囲に対して分散される結果、特にエンジン７の低速時などの排ガスの流量が少ない作動点では十分な圧力比（各々のブレードおける圧力面と負圧面の圧力差）を得ることができず、大型の低圧段タービン３Ｔを迅速に回転駆動するのが困難になってしまう。
　また、低圧段タービン３Ｔのスクロール部３Ｓを上述したダブルスクロール構造とすることにより、図４に示されるように、タービンＴの周速度と理論速度との速度比（Ｕ／Ｃ０）に対するタービン効率であるＵ／Ｃ０特性において、低圧段タービン３Ｔのタービン効率の最高点を、ツインスクロールを備える場合のタービン効率の最高点よりも、低速度比側にシフトすることができる。Ｕ／Ｃ０特性は、タービンＴの周速度（Ｕ）と理論速度（Ｃ０）との速度比となるタービン作動速度比（Ｕ／Ｃ０）とタービン効率の関係を示すものであり、タービン作動速度比（Ｕ／Ｃ０）を横軸に、タービン効率を縦軸として表される。ここで、タービンＴの周速度（Ｕ）はタービンＴの回転数から得られる回転速度であり、タービンＴの理論速度（Ｃ０）は、タービンＴの入口と出口との圧力比および入口温度から定義される速度である。そして、Ｕ／Ｃ０特性におけるタービン効率の最高点が低速度比側にシフトすることは、理論速度（Ｃ０）に対してタービンＴの周速度（Ｕ）が小さい状況となるタービンＴの回転し始めなどのエンジンの低速時における効率が良いことを意味する。このため、エンジン７の低速時などの排ガスの流量が少ない場合において、効率よく低圧段タービン３Ｔを回転させることが可能となる。
　図４の例示では、ツインスクロールあるいはダブルスクロール構造といったスクロール部の構造のみが異なる２つの過給機のＵ／Ｃ０特性が示されている。具体的には、ツインスクロールを備える過給機のタービン効率の最高点（ηｔ）のタービン作動速度比はＶｔであり、ダブルスクロール構造を備える過給機のタービン効率の最高点（ηｄ）のタービン作動速度比はＶｄとなっている。また、両者のＵ／Ｃ０特性は、それぞれの最高点（ηｔ、ηｄ）に対応する速度比を境に横軸に対して山なりの形状となっている。そして、ηｄはηｔよりも小さく、タービン効率は小さくなるものの、ＶｄはＶｔよりも小さくなっており、ツインスクロールを備える過給機の山なり形状のＵ／Ｃ０特性に対して、ダブルスクロール構造を備える過給機の山なり形状のＵ／Ｃ０特性は、全体的に、低速度比側にシフトしたようになっている。このため、両者のＵ／Ｃ０特性を低速度比側における同一の速度比で比べると、例えば速度比がＶｄでは、タービン効率はダブルスクロール構造を備える過給機の方がツインスクロールを備える過給機よりも大きく、エンジン７の低速側での効率が良いことが分かる。
　上記の構成によれば、第１のスクロール通路Ｐａおよび第２のスクロール通路Ｐｂの各々は、タービンホイール３１の周囲に形成されるノズル流路Ｅに対して異なる方向から部分的に排ガスを導入するよう構成される。つまり、低圧段タービン３Ｔのスクロール部３Ｓは、複数のスクロール通路Ｐのうちの一部（図１～図４では、第１のスクロール通路Ｐａ）に限定してエンジン７から排出された排ガスを流すことで、排ガスを導入するノズル流路Ｅの範囲をその一部に限定することが可能に構成される。このため、複数のスクロール通路Ｐのうちの一部に限定することによりノズル流路Ｅの一部の範囲に排ガスを導入する場合には、ノズル流路Ｅの全範囲に対して排ガスを導入する場合よりも、タービンホイール３１を通過する際の排ガスの流速や圧力を高めることができ、低圧段タービン３Ｔをより迅速に駆動することができる。
　また、複数のスクロール通路Ｐの各々がノズル流路Ｅの周方向において重複しないように構成されることで、ツインスクロールといった各々のスクロール通路Ｐが周方向において重複するよう構成される場合よりも、Ｕ／Ｃ０特性におけるタービン効率の最高点を、低Ｕ／Ｃ０側にシフトすることができる。このため、エンジン７の低回転側においてより効率よく低圧段タービン３Ｔを回転させることができる。このような特徴を備えるスクロール部３Ｓを低圧段タービン３Ｔに採用することで、２ステージターボシステム１の大型の低圧段タービン３Ｔをより迅速に効率良く駆動することができ、過給のレスポンスを向上することができる。この点、従来の低圧段過給機のレスポンス性能は上述したようにエンジンの低速時で劣ることから、エンジン７の低速時において要求される過給圧は主に高圧段過給機によってまかなわれていたが、本実施形態では低圧段過給機３による寄与分を増大することができ、過給のレスポンスが向上される。
　なお、図１～図７Ｄに示される実施形態では、境界線ＲＬを挟んで互いに重複していない第１範囲Ｒａと第２範囲Ｒｂとでノズル流路Ｅの全周を二分しているが、この実施形態には限定されず、上記の第１範囲Ｒａおよび第２範囲Ｒｂからなる全範囲は、ノズル流路Ｅの全周にならなくても良い。換言すれば、環状のノズル流路Ｅの一部の範囲には、スクロール通路Ｐを通過した排ガスが直接導入されないようになっていても良い。また、図１～図７Ｄに示される実施形態では、第１範囲Ｒａの角度範囲と第２範囲Ｒｂの角度範囲は同じとなっているが、他の幾つかの実施形態では、第１範囲Ｒａの角度範囲と第２範囲Ｒｂの角度範囲が異なっていても良い。第１低圧段導入通路９３が接続される第１範囲Ｒａの角度範囲に応じた排ガスによるタービンホイールの回転トルクの向上が図れる。また、図１～図７Ｄに示される実施形態では、低圧段タービン３Ｔのスクロール部３Ｓは上述したようにダブルスクロール構造となっているが、他の実施形態では、低圧段タービン３Ｔのスクロール部３Ｓは２以上のスクロール通路Ｐを備えても良い。この場合、少なくとも２つスクロール通路Ｐ（第１のスクロール通路Ｐａおよび第２のスクロール通路Ｐｂ）の各々に対応するノズル流路Ｅの範囲は重複しないようにスクロール部３Ｓが形成される。
　次に、２ステージターボシステム１が適用されたエンジン７の全体構成を、図１、図５Ａ～図７Ｄを用いて説明する。なお、図５Ａ～図７Ｄではエンジン７の吸気通路８が省略されているが、図１に示される吸気通路８がエンジン７に接続されているものとする。
　図１～図７Ｄに示される実施形態では、図１に示されるように、エンジン７の吸気通路８には２通りの流路が設けられる。詳述すると、エンジン７の吸気通路８は、不図示の吸気ダクトから取り入れた吸気（空気）をエンジン７に向けて供給するための主吸気通路８１と、主吸気通路８１を通過して流れてきた吸気をエンジン７の複数気筒の各々に分配する吸気マニホールド８２と、高圧段コンプレッサ迂回通路８３とを有する。また、高圧段コンプレッサ迂回通路８３にはコンプレッサバイパスバルブ８５が設置されている。そして、コンプレッサバイパスバルブ８５の開度を制御装置６（後述）などが制御することにより、吸気が経由する吸気通路８上の流路が決定されるように構成される。
　上述した構成を備える吸気通路８構成において、１つ目の流路は主吸気通路８１と吸気マニホールド８２とで構成される流路である。主吸気通路８１には、上流側から順に、低圧段過給機３の低圧段コンプレッサ３Ｃと、高圧段過給機２の高圧段コンプレッサ２Ｃと、冷却により吸気密度を高めるためのインタークーラ８４とが設置されている。そして、吸気は、この順番で主吸気通路８１を順次通過した後吸気マニホールド８２を通過することで、高圧段コンプレッサ迂回通路８３を経由することなく、吸気ダクトからエンジン７に供給される。
　２つ目の流路は、主吸気通路８１と、高圧段コンプレッサ迂回通路８３と、吸気マニホールド８２とで構成され、コンプレッサバイパスバルブ８５の開弁時にのみ吸気が経由可能な流路である。高圧段コンプレッサ迂回通路８３の両端は、主吸気通路８１における低圧段コンプレッサ３Ｃの出口付近（下流側）とインタークーラ８４の入口付近（上流側）とにそれぞれ接続されている。そして、吸気は、低圧段過給機３の低圧段コンプレッサ３Ｃ、高圧段コンプレッサ迂回通路８３、インタークーラ８４、吸気マニホールド８２を順番に通過することで、吸気ダクトからエンジン７に供給される。後述するように、２ステージターボシステム１は、エンジン７の高速時には、低圧段過給機３のみの１ステージ過給を行うように構成されており、コンプレッサバイパスバルブ８５を開くことで、高圧段過給機３の高圧段コンプレッサ２Ｃの通過による圧力損失の低下の防止が可能となっている。
　他方、エンジン７の排気通路９には、図１、図５Ａ～図７Ｄに示されるように、排気通路９に設置された高圧段タービン２Ｔや低圧段タービン３Ｔを通るか否か、低圧段タービン３Ｔの通過態様かが互いに異なる４通りの流路が設けられている。なお、エンジン７の排気通路９は、エンジン７の複数気筒の各々から排出される排ガス（燃焼ガス）をまとめる排気マニホールド９１を有しており、上記の４通りの流路の各々は、上記の排気マニホールド９１を介してエンジン７に接続される点で共通する。上記の４通りの流路について、それぞれ説明する（図５Ａ～図７Ｄ参照）。
　１つ目の流路（排ガス流路I）は、高圧段タービン２Ｔを経由して、エンジン７から排出された排ガスを低圧段タービン３Ｔの第１のスクロール通路Ｐａに供給する流路である。図１～図７Ｄに示される実施形態では、排気通路９は、エンジン７と高圧段タービン２Ｔの入口（スクロール部２Ｓ）とを接続する高圧段導入通路９２と、高圧段タービン２Ｔの出口と低圧段タービン３Ｔの第１のスクロール通路Ｐａとを接続する第１低圧段導入通路９３と、有している。つまり、エンジン７から排出された排ガスは、高圧段導入通路９２を通過して第１低圧段導入通路９３に流入することで高圧段タービン２Ｔを経由し、低圧段タービン３Ｔの第１のスクロール通路Ｐａに供給される。
　２つ目の流路（排ガス流路II）は、高圧段タービン２Ｔを迂回しつつ、エンジン７から排出された排ガスを低圧段タービン３Ｔの第２のスクロール通路Ｐｂに供給する流路である。図１～図７Ｄに示される実施形態では、排気通路９は、高圧段タービン２Ｔを迂回しつつ、エンジン７と低圧段タービン３Ｔの第２のスクロール通路Ｐｂとを接続する第２低圧段導入通路９４を有している。つまり、エンジン７から排出された排ガスは、第２低圧段導入通路９４を通過することで、高圧段タービン２Ｔを迂回しつつ、低圧段タービン３Ｔの第２のスクロール通路Ｐｂに直接供給される。
　上記の構成によれば、２ステージターボシステム１は、低圧段タービン３Ｔの第１のスクロール通路Ｐａには高圧段タービン２Ｔを通過した排ガスを導入し、第２のスクロール通路Ｐｂには高圧段タービン２Ｔを通過することなく、低圧段タービン３Ｔに排ガスを直接導入することが可能に構成される。後述するように、２ステージターボシステム１は、エンジン７の回転数が中回転領域以下にある場合には過給のレスポンスの向上のために高圧段過給機３を使用して過給を実行する。このような場合など、第１のスクロール通路Ｐａからノズル流路Ｅに排ガスを導入することによって、高圧段タービン２Ｔを駆動した後の排ガスの流速等をノズル流路Ｅに導入する際に高めることができ、２ステージターボシステム１の大型の低圧段タービン３Ｔをより迅速に効率良く回転させることで、過給のレスポンスを向上することができる。
　また、３つ目の流路（排ガス流路III）は、高圧段タービン２Ｔを経由することなく、エンジン７から排出された排ガスを低圧段タービン３Ｔの第１のスクロール通路Ｐａに供給する流路である。図１～図７Ｄに示される実施形態では、排気通路９は、高圧段タービン２Ｔを迂回して、エンジン７と低圧段タービン３Ｔの第１のスクロール通路Ｐａとを接続する高圧段バイパス通路９５を有している。この高圧段バイパス通路９５は、上述した高圧段導入通路９２と第１低圧段導入通路９３とを接続することで、高圧段タービン２Ｔを迂回しつつ、エンジン７と低圧段タービン３Ｔの第１のスクロール通路Ｐａとを接続している。なお、他の幾つかの実施形態では、高圧段バイパス通路９５は、排気マニホールド９１と第１低圧段導入通路９３とを接続しても良い。つまり、エンジン７から排出された排ガスは、高圧段バイパス通路９５を通過することで高圧段タービン２Ｔを迂回し、低圧段タービン３Ｔの第１のスクロール通路Ｐａに供給される。
　４つ目の流路（排ガス流路IV）は、高圧段タービン２Ｔおよび低圧段タービン３Ｔの両方を経由することなく、エンジン７から排出された排ガスを低圧段タービン３Ｔの下流の排気通路９に供給する流路である。図１～図７Ｄに示される実施形態では、排気通路９は、低圧段タービン３Ｔを迂回して低圧段タービン３Ｔの上流側と下流側とを連通する低圧段バイパス通路９６を有する。この低圧段バイパス通路９６は、排気マニホールド９１と、低圧段タービン３Ｔの出口に接続される低圧段下流通路９７とを接続している。なお、他の幾つかの実施形態では、第２低圧段導入通路９４と低圧段下流通路９７とを接続しても良い。これによって、低圧段タービン３Ｔの第１のスクロール通路Ｐａと第２のスクロール通路Ｐｂを通過する排ガスの流量を同時に減じることができる。
　また、エンジン７の排気通路９には、図１、図５Ａ～図７Ｄに示されるように、上述した４通りの流路を通過する排ガスの流量を調整可能なバルブ装置５が設置される。図１～図７Ｄに示される実施形態では、バルブ装置５は、上述した高圧段導入通路９２、第２低圧段導入通路９４、高圧段バイパス通路９５、および、低圧段バイパス通路９６の各々を通過する排ガスの流量の割合を調整可能に構成される。これによって、高圧段過給機２や低圧段過給機３の切り替えや、低圧段過給機３のスクロール部３Ｓにおけるスクロール通路Ｐの切り替えを行うことができ、エンジン７の広範な作動範囲にわたって必要な過給圧を発生させつつ、過給のレスポンスに優れた２ステージターボシステム１を提供することができる。
　また、上記のバルブ装置５の構成を説明すると、図５Ａ、図６Ａ～図６Ｄに示される実施形態では、バルブ装置５は、高圧段導入通路９２に設置される第１バルブ５１と、第２低圧段導入通路９４に設置される第２バルブ５２と、高圧段バイパス通路９５に設置される第３バルブ５３と、低圧段バイパス通路９６に設置される第４バルブ５４と、を有する。上記の各バルブ（５１～５４）の少なくとも１つは、全開位置と全閉位置との間で開度が調整可能（リニア制御可能）なバルブであっても良く、残のバルブは、全開か全閉かを択一的に切り替えることが可能であっても良い。例えば、少なくとも第１バルブ５１あるいは第２バルブ５２をリニア制御可能なバルブとすることで、低圧段タービン３Ｔの第１のスクロール通路Ｐａと第２のスクロール通路Ｐｂを通過する排ガスの流量比を調整することが可能となる。これによって、後述するように、高圧段導入通路９２、第１低圧段導入通路９３、第２低圧段導入通路９４、高圧段バイパス通路９５、および、低圧段バイパス通路９６の各々を通過する排ガスの流量の割合を、それぞれの通路に設けられる複数のバルブ（５１～５４）によって調整することができる。また、第４バルブ５４によって、低圧段過給機３の低圧段コンプレッサ３Ｃの出口側の圧力（ブースト圧）を調整することができ、サージングなどの低圧段過給機３の異常運転を防止することができる。
　他の幾つかの実施形態では、図５Ｂ、図７Ａ～図７Ｄに示されるように、バルブ装置５は、高圧段導入通路９２、第２低圧段導入通路９４、高圧段バイパス通路９５および低圧段バイパス通路９６の各々を通過する排ガスの流量を調整可能な１つのバルブとなっている。これによって、排気通路９を形成する各流路を通過する排ガスの割合を１つのバルブによって調整することができると共に、低圧段過給機３の低圧段コンプレッサ３Ｃの出口側の圧力（ブースト圧）を調整することができ、サージングなどの低圧段過給機３の異常運転を防止することができる。
　また、幾つかの実施形態では、図１、図５Ａ～図７Ｄに示されるように、２ステージターボシステム１は、エンジン７の回転数（以下、適宜、エンジン回転数Ｎ）に応じて上述したバルブ装置５を制御する制御装置６をさらに備える。制御装置６は、ＥＣＵ（電子制御装置）などのコンピュータで構成されており、図示しないＣＰＵ（プロセッサ）や、ＲＯＭやＲＡＭといったメモリ（記憶装置）を備えている。そして、主記憶装置にロードされたプログラムの命令に従ってＣＰＵが動作（データの演算など）することで、バルブ装置５の制御に必要な機能部を実現する。これによって、第１低圧段導入通路９３、第２低圧段導入通路、高圧段バイパス通路９５、および、低圧段バイパス通路９６の各々を通過する排ガスの流量の割合を、エンジン７の回転数に応じて適切に調整することができ、下記に説明するような２ステージターボシステム１の作動モードを実現することができる。
　エンジン７の回転数が、エンジン回転数Ｎの小さい方から大きい方に順に並ぶ低回転領域、中回転領域、高回転領域のいずれの回転数領域にあるかで作動モードを切り替える。ここで、エンジン回転数Ｎが第１閾値以下となる領域が低回転領域（Ｎ≦第１閾値）であり、第１閾値から第１閾値よりも大きい第２閾値以下の領域が中回転領域（第１閾値＜Ｎ≦第２閾値）であり、第２閾値以上の領域が高回転領域（第２閾値＜Ｎ）である。そして、２ステージターボシステム１では、低回転領域にある場合には、高圧段過給機２と低圧段過給機３の２つで過給を行う（２ステージ過給）。エンジン７の回転数が中回転領域にある場合には、エンジン７の回転数の上昇に応じて、バルブ装置５の制御を通して排ガスの流路切替や流量調整を行い、高圧段過給機２による過給の割合を減らしていく。そして、エンジン７の回転数が高回転領域にある場合には、低圧段過給機３のみで過給する（１ステージ過給）。このように、２ステージターボシステム１は、エンジン７の回転数に応じて２ステージ過給と１ステージ過給を切り替えて過給を行うような作動原理を有する。
　このような作動原理は、制御装置６が、エンジン７の回転数領域に応じてバルブ装置５を制御することにより実現される。このため、図１～図７Ｄに示される実施形態では、エンジン７の回転数を検出可能な回転数センサ（不図示）の出力が制御装置６に入力されるよう構成されており、エンジン７の回転数（以下、適宜、エンジン回転数Ｎ）が入力される。他の幾つかの実施形態では、エンジン７から排出される排ガスの流量を検出可能な流量センサ（不図示）の出力が制御装置６に入力されるよう構成されていても良く、流量センサ（不図示）の検出値とエンジン回転数Ｎとの対応関係からエンジン７の回転数（以下、適宜、エンジン回転数）を得ても良い。そして、図１～図７Ｄに示される実施形態における２ステージターボシステム１における作動モードは下記の通りとなる。
　図６Ａ、図７Ａは、エンジン回転数Ｎが低回転領域にある場合（エンジン７の低速時）の第１作動モードＭ１を示す図である。この場合には、図６Ａ、図７Ａに示されるように、制御装置６は、高圧段タービン２Ｔを経由して、エンジン７から排出された排ガスを低圧段タービン３Ｔの第１のスクロール通路Ｐａに供給する流路（上述した排ガス流路I）にのみ排ガスを流すように、バルブ装置５を制御する。すなわち、図１～図７Ｄに示される実施形態では、図６Ａ、図７Ａに示されるように、制御装置６は、エンジン７の低回転領域においては、高圧段導入通路９２を排ガスが通過するのを可能とし、第２低圧段導入通路９４、高圧段バイパス通路９５および低圧段バイパス通路９６の各々を排ガスが通過するのを不可とするように、バルブ装置５を制御する。このため、排ガスは、低圧段過給機３の第２のスクロール通路Ｐｂに供給されずに、第１のスクロール通路Ｐａにのみに供給される。これによって、低圧段過給機３において、エンジン７の回転数が低回転領域にある場合における排ガスの流量に応じた適切な容量を確保しつつ、過給のレスポンスを向上することができる。
　図６Ｂ、図７Ｂは、エンジン回転数Ｎが中回転領域にある場合（エンジン７の中速時）の第２作動モードＭ２を示す図である。この場合には、図６Ｂ、図７Ｂに示されるように、制御装置６は、高圧段タービン２Ｔを経由して、エンジン７から排出された排ガスを低圧段タービン３Ｔの第１のスクロール通路Ｐａに供給する流路（上述した排ガス流路I）と、高圧段タービン２Ｔを迂回しつつ、エンジン７から排出された排ガスを低圧段タービン３Ｔの第２のスクロール通路Ｐｂに供給する流路（上述した排ガス流路II）との２つの流路に排ガスを流すように、バルブ装置５を制御する。すなわち、図１～図７Ｄに示される実施形態では、図６Ｂ、図７Ｂに示されるように、制御装置６は、エンジン７の中回転領域においては、高圧段導入通路９２および第２低圧段導入通路９４の各々を排ガスが通過するのを可能とし、高圧段バイパス通路９５および低圧段バイパス通路９６の各々を排ガスが通過するのを不可とするように、バルブ装置５を制御する。このため、排ガスは、低圧段過給機３の第１のスクロール通路Ｐａおよび第２のスクロール通路Ｐｂの両方に供給される。これによって、これによって、中回転領域における排ガスの流量に応じた適切な容量を確保しつつ、高圧段過給機２および低圧段過給機３による過給のレスポンスを向上することができる。
　図６Ｃ、図７Ｃは、エンジン回転数Ｎが高回転領域にある場合（エンジン７の高速時）の第３作動モードＭ３を示す図である。この場合には、図６Ｃ、図７Ｃに示されるように、高圧段タービン２Ｔを迂回しつつ、エンジン７から排出された排ガスを低圧段タービン３Ｔの第２のスクロール通路Ｐｂに供給する流路（上述した排ガス流路II）と、高圧段タービン２Ｔを経由することなく、エンジン７から排出された排ガスを低圧段タービン３Ｔの第１のスクロール通路Ｐａに供給する流路（上述した排ガス流路III）との２つの流路に排ガスを流すように、バルブ装置５を制御する。すなわち、図１～図７Ｄに示される実施形態では、図６Ｃ、図７Ｃに示されるように、制御装置６は、エンジン７の高回転領域においては、第２低圧段導入通路９４および高圧段バイパス通路９５の各々を排ガスが通過するのを可能とし、高圧段導入通路９２および低圧段バイパス通路９６の各々を排ガスが通過するのを不可とするように、バルブ装置５を制御する。このため、小型の高圧段タービン２Ｔは、排ガスが供給されないためアイドリング状態等となっており、大型の低圧段過給機３による１ステージ過給が実行される。これによって、エンジン７の回転数が高回転領域にある場合において、低圧段過給機３によって大流量の排ガスに応じた適切な過給を行うことができる。
　また、図６Ｄ、図７Ｄは、エンジン回転数Ｎが高回転領域における高回転側にある場合の第４作動モードＭ４を示す図である。この場合には、図６Ｄ、図７Ｄに示されるように、高圧段タービン２Ｔを迂回しつつ、エンジン７から排出された排ガスを低圧段タービン３Ｔの第２のスクロール通路Ｐｂに供給する流路（上述した排ガス流路II）と、高圧段タービン２Ｔを経由することなく、エンジン７から排出された排ガスを低圧段タービン３Ｔの第１のスクロール通路Ｐａに供給する流路（上述した排ガス流路III）と、高圧段タービン２Ｔおよび低圧段タービン３Ｔの両方を経由することなく、エンジン７から排出された排ガスを低圧段タービン３Ｔの下流の排気通路９に供給する流路（上述した排ガス流路IV）との３つの流路に排ガスを流すように、バルブ装置５を制御する。すなわち、図１～図７Ｄに示される実施形態では、図６Ｄ、図７Ｄに示されるように、制御装置６は、エンジン７の高回転領域における所定の回転数以上の高回転側にある場合には、第２低圧段導入通路９４、高圧段バイパス通路９５および低圧段バイパス通路９６の各々を排ガスが通過するのを可能とし、高圧段導入通路９２を前記排ガスが通過するのを不可とするように、バルブ装置５を制御する。エンジン回転数Ｎが高回転領域にある場合には、高圧段過給機２による過給は行われておらず、この第４作動モードＭ４では低圧段過給機３によるブースト圧の調整ができない場合に移行するモードとなる。これによって、高回転数領域の高回転側にエンジンの回転数がある場合においてブースト圧（低圧段コンプレッサ３Ｃの下流の圧力）を適切に調整することができる。
　上述したように、２ステージターボシステム１の作動モードはエンジン回転数Ｎに応じて遷移する。この２ステージターボシステム１の制御方法を、図８を用いて説明する。図８は、本発明の一実施形態に係る２ステージターボシステム１の制御方法を示すフロー図である。２ステージターボシステム１の制御方法は、図８に示されるように、エンジン７の回転数を取得する回転数取得ステップ（Ｓ１）と、エンジン７の回転数の回転数領域を判定する領域判定ステップ（Ｓ２、Ｓ４、Ｓ６、Ｓ７）と、エンジン７の回転数が低回転領域にある場合に実行される低回転時制御ステップ（Ｓ３）と、を備える。また、本制御方法は、中回転時制御ステップ（Ｓ５）や、第１高回転時制御ステップ（Ｓ８）、第２高回転時制御ステップ（Ｓ９）をさらに備えても良い。
　以下、図１～図７Ｄに示される実施形態において制御装置６がバルブ装置５を制御することにより、図８の２ステージターボシステム１の制御方法が実行される場合を例に説明する。このため、制御装置６は、上記の各ステップを実行するための機能部を備える。
　図８のステップＳ１において、制御装置６はエンジン回転数Ｎを取得する（回転数取得ステップ）。そして、このステップＳ１以降では、制御装置６は、取得したエンジン回転数Ｎと回転数の閾値（上述した第１閾値～第２閾値）との比較などを通してエンジン７の回転数が位置する回転数領域を判定すると共に、判定結果に基づいて上述した作動モードを実行する。
　ステップＳ２において、制御装置６は、エンジン回転数Ｎは低回転領域にあるか否かを判定する（領域判定ステップ）。そして、エンジン回転数Ｎが低回転領域にある場合には、ステップＳ３において、制御装置６はバルブ装置５を制御することで上記の第１作動モードＭ１を実行する（低回転時制御ステップ）。すなわち、排気通路９には、エンジン７から排出された排ガスを高圧段タービン２Ｔを経由して低圧段タービン３Ｔの第１のスクロール通路Ｐａに供給可能な１つの流路（上述した排ガス流路I）が形成される（図６Ａ、図７Ａ参照）。その後、次のステップＳ４に移る。また、ステップＳ２において、エンジン回転数Ｎが低回転領域にない場合にもステップＳ４に移る。
　ステップＳ４において、制御装置６は、エンジン回転数Ｎは中回転領域にあるか否かを判定する（領域判定ステップ）。そして、エンジン回転数Ｎが中回転領域にある場合には、ステップＳ５において、制御装置６はバルブ装置５を制御することで上記の第２作動モードＭ２を実行する（中回転時制御ステップ）。すなわち、排気通路９には、上述した排ガス流路Iと、高圧段タービン２Ｔを迂回しつつ、エンジン７から排出された排ガスを低圧段タービン３Ｔの第２のスクロール通路Ｐｂに供給可能な流路（上述した排ガス流路II）との２つの流路が形成される（図６Ｂ、図７Ｂ参照）。その後、次のステップＳ６に移る。また、ステップＳ４において、エンジン回転数Ｎが中回転領域にない場合にもステップＳ６に移る。
　ステップＳ６において、制御装置６は、エンジン回転数Ｎは高回転領域にあるか否かを判定する（領域判定ステップ）。そして、エンジン回転数Ｎが高回転領域にある場合には、ステップＳ７において、制御装置６は、エンジン回転数Ｎは所定の回転数以上であるか否かを判定する（領域判定ステップ）。ステップＳ７において、エンジン回転数Ｎが所定の回転数よりも小さい場合には、ステップＳ８において、制御装置６はバルブ装置５を制御することで上記の第３作動モードＭ３を実行する（第１高回転時制御ステップ）。すなわち、排気通路９には、上述した排ガス流路IIと、高圧段タービン２Ｔを経由することなく、エンジン７から排出された排ガスを低圧段タービン３Ｔの第１のスクロール通路Ｐａに供給可能な流路（上述した排ガス流路III）との２つの流路が形成される（図６Ｃ、図７Ｃ参照）。その後、図８のフローを終了する。
　逆に、ステップＳ７において、エンジン回転数Ｎが所定の回転数以上である場合には、ステップＳ９において、制御装置６はバルブ装置５を制御することで上記の第４作動モードＭ４を実行する（第２高回転時制御ステップ）。すなわち、排気通路９には、高回転領域と判定された際に形成される流路（排ガス流路IIおよび排ガス流路III）に、高圧段タービン２Ｔおよび低圧段タービン３Ｔの両方を経由することなく、エンジン７から排出された排ガスを低圧段タービン３Ｔの低圧段下流通路９７に供給可能な流路（上述した排ガス流路IV）が追加されることで、合計で３つの流路が形成される（図６Ｄ、図７Ｄ参照）。その後、図８のフローを終了する。
　なお、図８に示される実施形態では、ステップＳ３およびステップＳ５の実行後にも以降のステップを実行するよう記載されているが、これには限定されず、実行後には図８のフローを終了しても良い。
　本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
１　　　　２ステージターボシステム
２　　　　高圧段過給機
２Ｃ　　　高圧段コンプレッサ
２Ｔ　　　高圧段タービン
２ｍ　　　高圧段過給機のシャフト
２Ｓ　　　高圧段過給機のスクロール部
３　　　　低圧段過給機
３Ｃ　　　低圧段コンプレッサ
３Ｔ　　　低圧段タービン
３Ｓ　　　低圧段過給機のスクロール部
３ｍ　　　低圧段過給機のシャフト
３１　　　タービンホイール
３１ｒ　　ホイール収容室
３２　　　低圧段タービンの入口
３３　　　低圧段タービンの出口
３４ａ　　第１舌部
３４ｂ　　第２舌部
Ｐａ　　　第１のスクロール通路
Ｐｂ　　　第２のスクロール通路
５　　　　バルブ装置
５１　　　第１バルブ
５２　　　第２バルブ
５３　　　第３バルブ
５４　　　第４バルブ
６　　　　制御装置
７　　　　エンジン
８　　　　吸気通路
８１　　　吸気管
８２　　　吸気マニホールド
８３　　　高圧段コンプレッサ迂回通路
８４　　　インタークーラ
８５　　　コンプレッサバイパスバルブ
９　　　　排気通路
９１　　　排気マニホールド
９２　　　高圧段導入通路
９３　　　第１低圧段導入通路
９４　　　第２低圧段導入通路
９５　　　高圧段バイパス通路
９６　　　低圧段バイパス通路
９７　　　低圧段下流通路
Ｍ１　　　第１作動モード（エンジンの低回転領域）
Ｍ２　　　第２作動モード（エンジンの中回転領域）
Ｍ３　　　第３作動モード（エンジンの高回転領域）
Ｍ４　　　第４作動モード（エンジンの高回転領域）
Ｅ　　　　ノズル流路
Ｒａ　　　第１範囲
Ｒｂ　　　第２範囲
ＲＬ　　　境界線
Ｃ　　　　過給機のコンプレッサ
Ｔ　　　　過給機のタービン
ｍ　　　　過給機のシャフト（回転軸）
Ｌ　　　　低圧段タービンの回転軸線
Ｎ　　　　エンジン回転数

Claims (12)

  1. 　エンジンの排気通路に設置される高圧段タービンを有する高圧段過給機と、
    　前記排気通路において前記高圧段タービンの下流側に設置される低圧段タービンを有する、前記高圧段過給機より大型の低圧段過給機と、を備える２ステージターボシステムにおいて、
    　前記低圧段タービンは、
    　前記低圧段タービンのノズル流路に排ガスを導入するためのスクロール部であって、第１のスクロール通路および第２のスクロール通路の少なくとも２つスクロール通路を有しており、
    　前記第１のスクロール通路を通過する前記排ガスが導入される前記ノズル流路の第１範囲と、前記第２のスクロール通路を通過する前記排ガスが導入される前記ノズル流路の第２範囲とが、前記ノズル流路の周方向において重複しないように構成されることを特徴とする２ステージターボシステム。
  2. 　前記排気通路は、
    　前記エンジンと前記高圧段タービンの入口とを接続する高圧段導入通路と、
    　前記高圧段タービンの出口と前記低圧段タービンの前記第１のスクロール通路とを接続する第１低圧段導入通路と、
    　前記高圧段タービンを迂回して、前記エンジンと前記低圧段タービンの前記第２のスクロール通路とを接続する第２低圧段導入通路と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の２ステージターボシステム。
  3. 　前記排気通路は、
    　前記高圧段タービンを迂回して、前記エンジンと前記低圧段タービンの前記第１のスクロール通路とを接続する高圧段バイパス通路と、
    　前記低圧段タービンを迂回して前記低圧段タービンの上流側と下流側とを連通する低圧段バイパス通路と、をさらに含み、
    　前記高圧段導入通路、前記第２低圧段導入通路、前記高圧段バイパス通路、および、前記低圧段バイパス通路の各々を通過する前記排ガスの流量の割合を調整可能なバルブ装置と、をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の２ステージターボシステム。
  4. 　前記バルブ装置は、
    　前記高圧段導入通路に設置される第１バルブと、
    　前記第２低圧段導入通路に設置される第２バルブと、
    　前記高圧段バイパス通路に設置される第３バルブと、
    　前記低圧段バイパス通路に設置される第４バルブと、を有することを特徴とする請求項３に記載の２ステージターボシステム。
  5. 　前記バルブ装置は、前記高圧段導入通路、前記第２低圧段導入通路、前記高圧段バイパス通路および前記低圧段バイパス通路の各々を通過する排ガスの流量を調整可能な１つのバルブであることを特徴とする請求項３に記載の２ステージターボシステム。
  6. 　前記エンジンの回転数に応じて前記バルブ装置を制御する制御装置をさらに備えることを特徴とする請求項３～５のいずれか１項に記載の２ステージターボシステム。
  7. 　前記制御装置は、前記エンジンの回転数が低回転領域にある場合においては、前記高圧段導入通路を前記排ガスが通過するのを可能とし、前記第２低圧段導入通路、前記高圧段バイパス通路および前記低圧段バイパス通路の各々を前記排ガスが通過するのを不可とするように、前記バルブ装置を制御することを特徴とする請求項６に記載の２ステージターボシステム。
  8. 　前記制御装置は、前記エンジンの回転数が中回転領域にある場合においては、前記高圧段導入通路および前記第２低圧段導入通路の各々を前記排ガスが通過するのを可能とし、前記高圧段バイパス通路および前記低圧段バイパス通路の各々を前記排ガスが通過するのを不可とするように、前記バルブ装置を制御することを特徴とする請求項６または７に記載の２ステージターボシステム。
  9. 　前記制御装置は、前記エンジンの回転数が高回転領域にある場合においては、前記第２低圧段導入通路および前記高圧段バイパス通路の各々を前記排ガスが通過するのを可能とし、前記高圧段導入通路および前記低圧段バイパス通路の各々を前記排ガスが通過するのを不可とするように、前記バルブ装置を制御することを特徴とする請求項６～８のいずれか１項に記載の２ステージターボシステム。
  10. 　前記制御装置は、前記エンジンの回転数が高回転領域における所定の回転数以上にある場合には、前記第２低圧段導入通路、前記高圧段バイパス通路および前記低圧段バイパス通路の各々を前記排ガスが通過するのを可能とし、前記高圧段導入通路を前記排ガスが通過するのを不可とするように、前記バルブ装置を制御することを特徴とする請求項９に記載の２ステージターボシステム。
  11. 　エンジンの排気通路に設置される高圧段タービンを有する高圧段過給機と、前記排気通路において前記高圧段タービンの下流側に設置される低圧段タービンを有する、前記高圧段過給機より大型の低圧段過給機と、を備える請求項６に記載の２ステージターボシステムの制御方法であって、
    　前記エンジンの回転数を取得する回転数取得ステップと、
    　前記エンジンの回転数の回転数領域を判定する領域判定ステップと、
    　前記エンジンの回転数が低回転領域にある場合においては、前記低圧段過給機の第１のスクロール通路に排ガスが通過するのを可能とし、前記低圧段過給機の第２のスクロール通路に排ガスが流れないようにバルブ装置を制御する低回転時制御ステップと、を備えることを特徴とする２ステージターボシステムの制御方法。
  12. 　前記エンジンの回転数が中回転領域にある場合においては、低圧段過給機の第１のスクロール通路および前記第２のスクロール通路の両方に排ガスが通過するように前記バルブ装置を制御する中回転時制御ステップを、さらに備えることを特徴とする請求項１１に記載の２ステージターボシステムの制御方法。
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