(57)【要約】【課題】過給機全体としての体格を小さなものとしつつ、過給機全体としての過給特性を向上させる。【解決手段】過給機は、第１コンプレッサホイール１２、第１タービンホイール１４、及びこれらを連結する中空状の第１軸１５からなる第１過給機１０と、第１軸１５に挿通されて同軸１５と同軸状に設けられる第２軸２５、吸気通路３０にて第１コンプレッサホイール１２の吸気上流側に設けられるとともに第２軸２５に連結される第２コンプレッサホイール２２、及び排気通路４０にて第１タービンホイール１４の排気下流側に設けられるとともに第２軸２５に連結される第２タービンホイール２４からなる第２過給機２０とを備える。また、排気通路４０にて第１タービンホイール１４を迂回する第１迂回通路４４、同通路４４に設けられて第２タービンホイール２４へ流入する排気の流量を可変とする第１可変流量弁５１を備える。【選択図】図１
2010127106.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気通路に設けられる第１コンプレッサホイール、排気通路に設けられる第１タービンホイール、並びにこれら第１コンプレッサホイール及び第１タービンホイールを連結する中空状の第１軸からなる第１過給機と、前記第１軸に挿通されて同第１軸と同軸状に設けられる第２軸、前記吸気通路において前記第１コンプレッサホイールに対して直列に設けられるとともに前記第２軸に連結される第２コンプレッサホイール、及び前記排気通路において前記第１タービンホイールと直列に設けられるとともに前記第２軸に連結される第２タービンホイールからなる第２過給機とを備える内燃機関の排気駆動式過給機であって、
前記排気通路において前記第１タービンホイール及び前記第２タービンホイールのうち排気上流側に設けられる方のタービンホイールを迂回する迂回通路と、
前記排気通路に設けられて前記第１タービンホイール及び第２タービンホイールへ流入する排気の流量をそれぞれ可変とする可変流量弁とを備える
ことを特徴とする内燃機関の排気駆動式過給機。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関の排気駆動式過給機において、
前記第１タービンホイール及び前記第２タービンホイールのうち一方のタービンホイールは他方のタービンホイールに比べて膨張比が小さく設定され、
内燃機関の燃焼室から排出される排気の流量が大きいときには小さいときに比べて、前記可変流量弁を通じて、前記膨張比の大きい方のタービンホイールへ流入する排気の流量を大きくする
ことを特徴とする内燃機関の排気駆動式過給機。
【請求項３】
請求項２に記載の内燃機関の排気駆動式過給機において、
前記第１タービンホイール及び第２タービンホイールのうち膨張比の小さい方のタービンホイールは膨張比の大きい方のタービンホイールよりも排気上流側に設けられてなる
ことを特徴とする内燃機関の排気駆動式過給機。
【請求項４】
請求項２又は請求項３に記載の内燃機関の排気駆動式過給機において、
前記第１タービンホイール及び前記第２タービンホイールのうち、膨張比の小さい方のタービンホイールは軸流式のタービンホイールであり、膨張比の大きい方のタービンホイールは半径流式のタービンホイールである
ことを特徴とする内燃機関の排気駆動式過給機。
【請求項５】
請求項４に記載の内燃機関の排気駆動式過給機において、
前記第１タービンホイール及び前記第２タービンホイールのうち膨張比の小さい方のタービンホイールの出口部と膨張比の大きい方のタービンホイールの入口部とは前記第１軸及び前記第２軸の軸方向において隣接して設けられてなる
ことを特徴とする内燃機関の排気駆動式過給機。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の内燃機関の排気駆動式過給機において、
前記吸気通路において前記第１コンプレッサホイール及び前記第２コンプレッサホイールのうち吸気下流側に設けられる方のコンプレッサホイールを迂回する吸気側迂回通路と、
前記吸気側迂回通路へ流入する吸気の流量を可変とする吸気側可変流量弁とを備え、
前記可変流量弁の開度制御に応じて前記吸気側可変流量弁を開度制御する
ことを特徴とする内燃機関の排気駆動式過給機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気駆動式過給機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の排気駆動式過給機としては、例えば特許文献１に記載のものがある。この特許文献１に記載の過給機は、吸気通路に設けられる第１コンプレッサホイール、排気通路に設けられる第１タービンホイール、並びにこれら第１コンプレッサホイール及び第１タービンホイールを連結する中空状の第１軸からなる第１過給機を備えている。また、第１軸に挿通されて同第１軸と同軸状に設けられる第２軸と、吸気通路において第１コンプレッサホイールの吸気上流側に設けられるとともに第２軸に連結される第２コンプレッサホイール、及び排気通路において第１タービンホイールの排気下流側に設けられるとともに第２軸に連結される第２タービンホイールからなる第２過給機を備えている。こうした構成により、過給機全体としての体格を小さなものとすることができる。また、第１タービンホイールは半径流式のタービンホイールとして構成される一方、第２タービンホイールは軸流式のタービンホイールとして構成されており、第２タービンホイールは第１タービンホイールよりも膨張比が小さく設定されている。こうした構成により、燃焼室から排出される排気の流量が小さいときには排気上流側の第１タービンホイールの回転速度はそれほど上昇しない一方、排気下流側の第２タービンホイールの回転速度は速やかに上昇するようになる。また、燃焼室から排出される排気の流量が大きいときには排気上流側の第１タービンホイールの回転速度が速やかに上昇するようになる。このようにして燃焼室から排出される排気の流量に応じて、すなわち内燃機関の運転状態に応じて過給態様を可変とすることができる。
【特許文献１】特開昭６２―１６５５３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、こうした従来の過給機にあっては、燃焼室から排出される排気が、まずは２つのタービンホイールのうち膨張比の大きい方のタービンホイールに流入する構造となっている。そのため、膨張比の大きい方のタービンホイールにおいて排気の圧力エネルギの一部が消費されることとなり、特に燃焼室から排出される排気の流量が小さいときには、排気下流側に設けられる膨張比の小さい方のタービンホイールにおける排気の圧力エネルギが小さなものとなり、同タービンホイールにおいて回収される回転エネルギも小さなものとなる。従って、過給機全体としての過給特性を向上させる上では、尚、課題を残すものとなっている。
【０００４】
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、過給機全体としての体格を小さなものとしつつ、過給機全体としての過給特性を向上させることのできる内燃機関の排気駆動式過給機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
（１）請求項１に記載の発明は、吸気通路に設けられる第１コンプレッサホイール、排気通路に設けられる第１タービンホイール、並びにこれら第１コンプレッサホイール及び第１タービンホイールを連結する中空状の第１軸からなる第１過給機と、前記第１軸に挿通されて同第１軸と同軸状に設けられる第２軸、前記吸気通路において前記第１コンプレッサホイールに対して直列に設けられるとともに前記第２軸に連結される第２コンプレッサホイール、及び前記排気通路において前記第１タービンホイールと直列に設けられるとともに前記第２軸に連結される第２タービンホイールからなる第２過給機とを備える内燃機関の排気駆動式過給機であって、前記排気通路において前記第１タービンホイール及び前記第２タービンホイールのうち排気上流側に設けられる方のタービンホイールを迂回する迂回通路と、前記排気通路に設けられて前記第１タービンホイール及び第２タービンホイールへ流入する排気の流量をそれぞれ可変とする可変流量弁とを備えることをその要旨としている。
【０００６】
同構成によれば、第１過給機と第２過給機とが同軸状に配設されていることから、これら過給機が同軸状に配設されない構成に比べて、過給機全体としての体格を小さなものとすることができる。また例えば、排気通路において第１タービンホイールが第２タービンホイールよりも排気上流側に設けられる場合に、可変流量弁を通じて、第２タービンホイールへの排気の流入を許容するようにすれば、排気は第１タービンホイールを迂回して迂回通路を流れるようになり、第１タービンホイールにおいて排気の圧力エネルギが消費されなくなる分だけ、第２タービンホイールにおいて回収することのできる排気の圧力エネルギを大きなものとすることができる。一方、こうした状態から、可変流量弁を通じて、第２タービンホイールへの排気の流入を禁止するとともに第１タービンホイールへの排気の流入を許容するようにすれば、第２タービンホイールに加えて又は第２タービンホイールに代えて、第１タービンホイールが駆動されるようになる。このようにして、第１タービンホイール及び第２タービンホイールへ流入する排気の流量を適宜変更することにより、第１タービンホイール及び第２タービンホイールの駆動態様、ひいては第１過給機及び第２過給機の過給態様をそれぞれ好適に制御することができるようになる。従って、過給機全体としての体格を小さなものとしつつ、過給機全体としての過給特性を向上させることができるようになる。
【０００７】
（２）請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の排気駆動式過給機において、前記第１タービンホイール及び前記第２タービンホイールのうち一方のタービンホイールは他方のタービンホイールに比べて膨張比が小さく設定され、内燃機関の燃焼室から排出される排気の流量が大きいときには小さいときに比べて、前記可変流量弁を通じて、前記膨張比の大きい方のタービンホイールへ流入する排気の流量を大きくすることをその要旨としている。
【０００８】
同構成によれば、燃焼室から排出される排気の流量が大きいときには、膨張比の大きい方のタービンホイールが駆動されるようになることで、過給機全体を的確に駆動することができるようになる。ちなみにこの場合、第１コンプレッサホイール及び第２コンプレッサホイールのうち、膨張比が大きい方のタービンホイールに対応するコンプレッサホイールの圧縮比を、他方のコンプレッサホイールの圧縮比よりも大きく設定することが望ましい。
【０００９】
（３）請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の内燃機関の排気駆動式過給機において、前記第１タービンホイール及び第２タービンホイールのうち膨張比の小さい方のタービンホイールは膨張比の大きい方のタービンホイールよりも排気上流側に設けられてなることをその要旨としている。
【００１０】
第１タービンホイール及び第２タービンホイールのうち一方のタービンホイールの膨張比が他方のタービンホイールの膨張比に比べて小さく設定されるものにあって、燃焼室から膨張比の小さい方のタービンホイールまでの排気の流路長が過度に大きい場合には、このことに起因して、膨張比の小さい方のタービンホイールに排気が流入するまでの間に同排気の圧力が過度に低下することがある。そしてこの場合には、膨張比の小さい方のタービンホイールを安定して駆動することができないおそれがある。
【００１１】
この点、上記構成によれば、膨張比の小さい方のタービンホイールが、膨張比の大きい方のタービンホイールよりも排気上流側に設けられることから、膨張比の大きい方のタービンホイールよりも排気下流側に設けられる場合に比べて、燃焼室から膨張比の小さい方のタービンホイールまでの排気の流路長を短くすることができ、膨張比の小さい方のタービンホイールに排気が流入するまでの間に排気の圧力が過度に低下することを抑制することができるようになる。これにより、膨張比の小さい方のタービンホイールを安定して駆動することができるようになる。
【００１２】
（４）請求項２又は請求項３に記載の発明は、請求項４に記載の発明によるように、前記第１タービンホイール及び前記第２タービンホイールのうち、膨張比の小さい方のタービンホイールは軸流式のタービンホイールであり、膨張比の大きい方のタービンホイールは半径流式のタービンホイールであるといった態様をもって具体化することができる。一般に、軸流式のタービンホイールは、半径流式のタービンホイールに比べて、径方向における体格が同程度であれば、単段当たりの膨張比が小さく、軸方向における体格が小さいものとなる。従って、第１タービンホイール及び第２タービンホイールのうち一方のタービンホイールは他方のタービンホイールに比べて膨張比が小さく設定されるといった請求項２に記載の発明の構成を実現する上で、過給機全体としての軸方向における体格を小さなものとすることができる。
【００１３】
（５）請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の内燃機関の排気駆動式過給機において、前記第１タービンホイール及び前記第２タービンホイールのうち膨張比の小さい方のタービンホイールの出口部と膨張比の大きい方のタービンホイールの入口部とは前記第１軸及び前記第２軸の軸方向において隣接して設けられてなることをその要旨としている。
【００１４】
同構成によれば、軸流式のタービンホイールの出口部と、その排気下流側に設けられる遠心式のタービンホイールの入口部とは、第１軸及び第２軸の軸方向において隣接して設けられることから、これら入口部と出口部との間の流路を短くすることができる。従って、過給機全体としての体格をより一層小さなものとすることができる。
【００１５】
（６）請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の内燃機関の排気駆動式過給機において、前記吸気通路において前記第１コンプレッサホイール及び前記第２コンプレッサホイールのうち吸気下流側に設けられる方のコンプレッサホイールを迂回する吸気側迂回通路と、前記吸気側迂回通路へ流入する吸気の流量を可変とする吸気側可変流量弁とを備え、前記可変流量弁の開度制御に応じて前記吸気側可変流量弁を開度制御することをその要旨としている。
【００１６】
同構成によれば、例えば、排気通路において第１タービンホイールが第２タービンホイールよりも排気上流側に設けられるとともに、第１コンプレッサホイールが第２コンプレッサホイールよりも吸気下流側に設けられる場合に、可変流量弁を通じて、第２タービンホイールへの排気の流入を許容するようにすれば、排気は第１タービンホイールを迂回して迂回通路を流れるようになり、第１タービンホイールにおいて排気の圧力エネルギが消費されなくなる分だけ、第２タービンホイールにおいて回収することのできる排気の圧力エネルギを大きなものとすることができる。そしてこのとき、吸気側可変流量弁を通じて、第２コンプレッサホイールへの吸気の流入を許容するようにすれば、第２コンプレッサホイールにて圧縮された吸気は第１コンプレッサホイールを迂回して吸気側迂回通路を流れるようになり、第１コンプレッサホイールにおける圧力低下が生じなくなる分だけ、大きく圧縮された状態で燃焼室に供給されるようになる。一方、こうした状態から、可変流量弁を通じて、第２タービンホイールへの排気の流入を禁止するとともに第１タービンホイールへの排気の流入を許容するようにすれば、第２タービンホイールに加えて又は第２タービンホイールに代えて、第１タービンホイールが駆動されるようになる。そしてこのとき、吸気側可変流量弁を通じて、第２コンプレッサホイールへの吸気の流入を禁止するようにすれば、第１コンプレッサホイールにて圧縮された吸気が燃焼室に供給されるようになる。このようにして、可変流量弁を通じて、第１タービンホイール及び第２タービンホイールへ流入する排気の流量を適宜変更するとともに、吸気側可変流量弁を通じて、第１コンプレッサホイール及び第２コンプレッサホイールへ流入する吸気の流量を適宜変更することにより、第１過給機及び第２過給機の過給態様をそれぞれ好適に制御することができるようになる。従って、過給機全体としての過給特性を的確に向上させることができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図１〜図３を参照して、本発明に係る内燃機関の排気駆動式過給機を、車載内燃機関（以下、内燃機関）に適用されて、２つの排気駆動式過給機（以下、「第１過給機１０」、「第２過給機２０」）からなるものとして具体化した一実施形態について説明する。
【００１８】
図１に、第１過給機１０及び第２過給機２０を中心とした内燃機関の概略構成を示す。
内燃機関の吸気通路３０には、吸気上流側から順に、第１吸気管３１、第２吸気管３２、及び第３吸気管３３が設けられている。ここで、第１吸気管３１と第２吸気管３２との間には、第２コンプレッサホイール２２を囲繞するコンプレッサハウジング２１が設けられている。また、第２吸気管３２と第３吸気管３３との間には、第１コンプレッサホイール１２を囲繞するコンプレッサハウジング１１が設けられている。即ち、吸気通路３０において第２コンプレッサホイール２２は第１コンプレッサホイール１２の吸気上流側に設けられている。また、吸気通路３０には、第２吸気管３２の途中と第３吸気管３３の途中とを接続して第１コンプレッサホイール１２を迂回する吸気側迂回通路３４が設けられている。また、吸気側迂回通路３４には、吸気側迂回通路３４へ流入する吸気の流量を可変とする、換言すれば第１コンプレッサホイール１２へ流入する吸気の流量を可変とする吸気側可変流量弁５２が設けられている。吸気側可変流量弁５２は、電子制御装置７０により開閉駆動される電磁弁である。そして、同弁５２の開閉状態により、第２コンプレッサホイール２２を通過した吸気の吸気側迂回通路３４への流入を禁止する状態、及び第２コンプレッサホイール２２を通過した吸気の吸気側迂回通路３４及び第１コンプレッサホイール１２の双方への流入を許容する状態の２つの状態のいずれか一方の状態を実現する。
【００１９】
一方、内燃機関の排気通路４０には、排気上流側から順に、第１排気管４１及び第２排気管４２が設けられている。ここで、第１排気管４１と第２排気管４２との間には、排気上流側から順に、第１タービンホイール１４を囲繞するタービンハウジング１３、及び第２タービンホイール２４を囲繞するタービンハウジング２３がそれぞれ設けられている。即ち、排気通路４０において第２タービンホイール２４は第１タービンホイール１４の排気下流側に設けられている。また、排気通路４０には、第１排気管４１の途中とタービンハウジング２３において第２タービンホイール２４の第１入口部２３Ａとを接続して第１タービンホイール１４を迂回する第１迂回通路４４が設けられている。また、第１迂回通路４４には、第１タービンホイール１４へ流入する排気の流量を可変とする、換言すれば第１迂回通路４４へ流入する排気の流量を可変とする第１可変流量弁５１が設けられている。第１可変流量弁５１は、電子制御装置７０により開閉駆動される電磁弁である。そして、同弁５１が開弁されると、燃焼室から排出された排気の第２タービンホイール２４への流入が許容され、同弁５１が閉弁されると、燃焼室から排出された排気の第２タービンホイール２４への流入が禁止される。
【００２０】
更に、排気通路４０には、第１迂回通路４４の途中と第２排気管４２の途中とを接続して第２タービンホイール２４を迂回する第２迂回通路４５が設けられている。また、第２迂回通路には、第２迂回通路４５へ流入する排気の流量を可変とする第２可変流量弁５３が設けられている。第２可変流量弁５３は、電子制御装置７０により開閉駆動される電磁弁である。
【００２１】
次に、第１過給機１０及び第２過給機２０の具体的な構成について詳細に説明する。
第１過給機１０は、中空状の第１軸１５、同第１軸１５の一端に連結される第１コンプレッサホイール１２、及び同第１軸１５の他端に連結される第１タービンホイール１４を備えている。第１軸１５は、軸方向において第１コンプレッサホイール１２側の部位が第１タービンホイール１４側の部位に比べて縮径されている。
【００２２】
第２過給機２０は、第１軸１５に挿通されて同第１軸１５と同軸状に設けられる第２軸２５、第２軸２５の一端に連結される第２コンプレッサホイール２２、及び第２軸２５の他端に連結される第２タービンホイール２４を備えている。
【００２３】
ここで、第１タービンホイール１４は、軸流式のタービンホイールとして構成され、第２タービンホイール２４は、半径流式のタービンホイールとして構成されている。また、第１タービンホイール１４及び第２タービンホイール２４は径方向における体格が同程度とされており、第１タービンホイール１４を囲繞するタービンハウジング１３の出口部１３Ａと第２タービンホイール２４を囲繞するタービンハウジング２３の第２入口部２３Ｂとは第１軸１５及び第２軸２５の軸方向において隣接して設けられている。また一般に、軸流式のタービンホイールは、半径流式のタービンホイールに比べて、径方向における体格が同程度であれば、単段当たりの膨張比が小さく、軸方向における体格が小さいものとなることから、第１タービンホイール１４は第２タービンホイールに比べて膨張比が小さいものとなっている。
【００２４】
一方、第１コンプレッサホイール１２及び第２コンプレッサホイール２２は共に、遠心式のコンプレッサホイールとしてそれぞれ構成されている。また、第１コンプレッサホイール１２及び第２コンプレッサホイール２２は、第１軸１５及び第２軸２５の軸方向においてこれらの大径部１２Ａ，２２Ａが隣接するようにそれぞれ設けられている。また、第１コンプレッサホイール１２は、第２コンプレッサホイール２２に比べて、径方向及び軸方向における体格がそれぞれ小さく、圧縮比が小さいものとなっている。尚、第１コンプレッサホイール１２の大径部１２Ａと第２コンプレッサホイール２２の大径部２２Ａとの間には、第１カラー６１が設けられている。
【００２５】
第１コンプレッサホイール１２の内周面であって第１軸１５の端部よりも外側（図中左側）の部位と第２軸２５の外周面との間には、第１コンプレッサホイール１２に対してその軸方向及び径方向にそれぞれ作用する力を受けとめるための第２ベアリング６４が設けられている。また、第１タービンホイール１４の内周面であって第１軸１５の端部よりも外側（図中右側）の部位と第２軸２５の外周面との間には、第１タービンホイール１４に対してその軸方向及び径方向にそれぞれ作用する力を受けとめるための第３ベアリング６５が設けられている。
【００２６】
第１軸１５の縮径された部位には、第１コンプレッサホイール１２から近い順に、第２カラー６２及び第１ベアリング６３がそれぞれ設けられている。第１ベアリング６３は、第２カラー６２及び第１軸１５に対してそれらの軸方向にそれぞれ作用する力を受けとめるものである。
【００２７】
第１軸１５の縮径されていない部位の外周には、第４ベアリング６６及び第５ベアリング６７が軸方向において所定の距離を隔てて設けられている。これら第４ベアリング６６及び第５ベアリング６７は、第１軸１５に対してその径方向に作用する力を受けとめるものである。
【００２８】
車両には、内燃機関及び車両駆動系をはじめとする各種装置を統括的に制御する電子制御装置７０が設けられている。電子制御装置７０には、機関回転速度を検出する機関回転速度センサの出力信号、アクセルペダル開度を検出するアクセル開度センサの出力信号、吸入空気量を検出する吸入空気量センサの出力信号をはじめとして、各種センサの出力信号が入力される。電子制御装置７０は、各種センサの出力信号に基づいて機関運転状態及び車両走行状態を把握し、これらに応じて内燃機関及び車両駆動系等の制御を行う。ここでは例えば、吸入空気量センサの出力信号に基づいて燃焼室から排出される排気の流量を把握するようにしている。そして、電子制御装置７０を通じて第１可変流量弁５１、吸気側可変流量弁５２、及び第２可変流量弁５３の開度制御が行われることにより、第１過給機１０及び第２過給機２０による過給態様が変更される。具体的には、燃焼室から排出される排気の流量が所定量未満であるときには、第１可変流量弁５１が閉弁されるとともに吸気側可変流量弁５２が閉弁される。また、燃焼室から排出される排気の流量が所定量以上であるときには、第１可変流量弁５１が開弁されるとともに吸気側可変流量弁５２が開弁される。更に、これら可変流量弁５１，５２の開度制御に併せて、過給機全体としての過給圧を安定したものとするために第２可変流量弁５３の開閉制御が行われる。尚、本実施形態では、上記所定量を実験等に基づき予め設定されている固定値としているが、これを機関運転状態に応じて可変設定するようにしてもよい。
【００２９】
次に、本実施形態の排気駆動式過給機の作用について図２及び図３を参照して説明する。
燃焼室から排出される排気の流量が所定量未満であるときには、図２に示すように、排気通路４０側では、第１可変流量弁５１が閉弁されて、第２タービンホイール２４への排気の流入が禁止されることにより、排気は第１タービンホイール１４へ流入することとなる（図中に示す破線矢印）。そしてこのとき、吸気通路３０側では、吸気側可変流量弁５２が閉弁されて、吸気側迂回通路３４への吸気の流入が禁止されることにより、吸気は第１コンプレッサホイール１２へ流入して（図中に示す実線矢印）、第１コンプレッサホイール１２にて圧縮された吸気が燃焼室に供給されるようになる。
【００３０】
一方、燃焼室から排出される排気の流量が所定量以上であるときには、図３に示すように、排気通路４０側では、第１可変流量弁５１が開弁されて、第２タービンホイール２４への排気の流入が許容される。これにより、排気は第１タービンホイール１４を迂回して第１迂回通路４４を流れるようになり（図中に示す破線矢印）、第１タービンホイール１４において排気の圧力エネルギが消費されなくなる分だけ、第２タービンホイール２４において回収することのできる排気の圧力エネルギが大きなものとなる。そしてこのとき、吸気通路３０側では、吸気側可変流量弁５２が開弁されて、吸気側迂回通路３４への吸気の流入が許容される（図中に示す実線矢印）。これにより、第２コンプレッサホイール２２にて圧縮された吸気は、第１コンプレッサホイール１２を迂回して吸気側迂回通路３４を流れるようになり、第１コンプレッサホイール１２における圧力低下が生じなくなる分だけ、大きく圧縮された状態で燃焼室に供給されるようになる。
【００３１】
以上説明した本実施形態にかかる内燃機関の排気駆動式過給機によれば、以下に示す作用効果が得られるようになる。
（１）排気駆動式過給機は、吸気通路３０に設けられる第１コンプレッサホイール１２、排気通路４０に設けられる第１タービンホイール１４、並びにこれら第１コンプレッサホイール１２及び第１タービンホイール１４を連結する中空状の第１軸１５からなる第１過給機１０を備えることとした。また、第１軸１５に挿通されて同第１軸１５と同軸状に設けられる第２軸２５、吸気通路３０において第１コンプレッサホイール１２の吸気上流側に設けられるとともに第２軸２５に連結される第２コンプレッサホイール２２、及び排気通路４０において第１タービンホイール１４の排気下流側に設けられるとともに第２軸２５に連結される第２タービンホイール２４からなる第２過給機２０を備えることとした。そして、排気通路４０において第１タービンホイール１４を迂回する第１迂回通路４４と、排気通路４０に設けられて第１タービンホイール１４及び第２タービンホイール２４へ流入する排気の流量をそれぞれ可変とする第１可変流量弁５１とを備えることとした。これにより、２つの過給機１０，２０が同軸状に配設されない構成に比べて、過給機全体としての体格を小さなものとすることができる。また、第１タービンホイール１４及び第２タービンホイール２４へ流入する排気の流量を適宜変更することにより、第１タービンホイール１４及び第２タービンホイール２４の駆動態様、ひいては第１過給機１０及び第２過給機２０の過給態様をそれぞれ好適に制御することができるようになる。従って、過給機全体としての体格を小さなものとしつつ、過給機全体としての過給特性を向上させることができるようになる。
【００３２】
（２）第１タービンホイール１４は第２タービンホイール２４に比べて膨張比が小さく設定され、内燃機関の燃焼室から排出される排気の流量が大きいときには小さいときに比べて、第１可変流量弁５１を通じて、第２タービンホイール２４へ流入する排気の流量を大きくすることとした。これにより、燃焼室から排出される排気の流量が大きいときには、膨張比の大きい方のタービンホイールである第２タービンホイール２４が駆動されるようになることで、過給機全体を的確に駆動することができるようになる。
【００３３】
（３）燃焼室から膨張比の小さい方のタービンホイールである第１タービンホイール１４までの排気の流路長が過度に大きい場合には、このことに起因して、第１タービンホイール１４に排気が流入するまでの間に同排気の圧力が過度に低下することがある。そしてこの場合には、第１タービンホイール１４を安定して駆動することができないおそれがある。
【００３４】
この点、上記実施形態では、第１タービンホイール及び第２タービンホイールのうち膨張比の小さい方のタービンホイールである第１タービンホイール１４は膨張比の大きい方のタービンホイールである第２タービンホイール２４よりも排気上流側に設けられることとした。これにより、膨張比の小さい方のタービンホイールである第１タービンホイール１４が第２タービンホイール２４よりも排気下流側に設けられる場合に比べて、燃焼室から第１タービンホイール１４までの排気の流路長を短くすることができ、第１タービンホイール１４に排気が流入するまでの間に排気の圧力が過度に低下することを抑制することができるようになる。従って、第１タービンホイール１４を安定して駆動することができるようになる。尚、膨張比の大きい方のタービンである第２タービンホイール２４は排気の流量が比較的大きいときに駆動されるものであり、上記排気の圧力の低下が第２タービンホイール２４の安定した駆動に対して与える影響が軽微であることから、上述した問題については無視することができる。
【００３５】
（４）第１タービンホイール及び第２タービンホイールのうち、膨張比の小さい方のタービンホイールである第１タービンホイール１４は軸流式のタービンホイールであり、膨張比の大きい方のタービンホイールである第２タービンホイール２４は半径流式のタービンホイールであることとした。これにより、第１タービンホイール１４は第２タービンホイール２４に比べて膨張比が小さく設定されるといった上記（２）の構成を実現する上で、過給機全体としての軸方向における体格を小さなものとすることができる。
【００３６】
（５）第１タービンホイール１４及び第２タービンホイール２４のうち膨張比の小さい方のタービンホイールである第１タービンホイール１４を囲繞するタービンハウジング１３の出口部１３Ａと、膨張比の大きい方のタービンホイールである第２タービンホイール２４を囲繞するタービンハウジング２３の入口部２３Ｂとは第１軸１５及び第２軸２５の軸方向において隣接して設けられることとした。これにより、これら出口部１３Ａと入口部２３Ｂとの間の流路を短くすることができる。従って、過給機全体としての体格を小さなものとすることができる。
【００３７】
（６）吸気通路３０において第２コンプレッサホイール２２の吸気下流側に設けられる第１コンプレッサホイール１２を迂回する吸気側迂回通路３４と、同通路３４へ流入する吸気の流量を可変とする吸気側可変流量弁５２とを備え、第１可変流量弁５１の開度制御に応じて吸気側可変流量弁５２を開度制御することとした。こうした構成により、第１可変流量弁５１を通じて、第１タービンホイール１４及び第２タービンホイール２４へ流入する排気の流量を適宜変更するとともに、吸気側可変流量弁５２を通じて、第１コンプレッサホイール１２及び第２コンプレッサホイール２２へ流入する吸気の流量を適宜変更することにより、第１過給機１０及び第２過給機２０の過給態様をそれぞれ好適に制御することができるようになる。従って、過給機全体としての過給特性を的確に向上させることができるようになる。
【００３８】
尚、本発明に係る内燃機関の排気駆動式過給機は、上記実施形態にて例示した構成に限定されるものではなく、これを適宜変更した例えば次のような形態として実施することもできる。
【００３９】
・上記実施形態では、第１可変流量弁５１、吸気側可変流量弁５２、及び第２可変流量弁５３をいずれも電磁弁としているが、これらの一部、あるいは全てを負圧式の弁としてもよいし、油圧式の弁としてもよい。
【００４０】
・上記実施形態では、第１可変流量弁５１により、燃焼室から排出された排気の第２タービンホイール２４への流入を許容する状態と、燃焼室から排出された排気の第２タービンホイール２４への流入を禁止する状態との２つの状態のみを実現するようにしているが、第１可変流量弁５１の開度を連続的或いは段階的に変更するようにしてもよい。この場合、燃焼室から排出された排気の第１タービンホイール１４及び第２タービンホイール２４への流入量を連続的或いは段階的に調節することができ、第１タービンホイール１４及び第２タービンホイール２４の駆動態様を連続的或いは段階的に変更することができるようになる。
【００４１】
・上記実施形態では、吸気側可変流量弁５２により、第２コンプレッサホイール２２を通過した吸気の吸気側迂回通路３４への流入を禁止する状態、及び第２コンプレッサホイール２２を通過した吸気の吸気側迂回通路３４及び第１コンプレッサホイール１２の双方への吸気の流入を許容する状態の２つの状態のいずれか一方の状態を実現するようにしている。しかしながら、本発明に係る吸気側可変流量弁５２はこれに限られるものではなく、第２コンプレッサホイール２２を通過した吸気の吸気側迂回通路３４への流入量を連続的或いは段階的に調節するものとしてもよい。この場合、第１過給機１０及び第２過給機２０の過給態様を連続的或いは段階的に変更することができるようになる。また、第２コンプレッサホイール２２にて圧縮された吸気が第１コンプレッサホイール１２を通過する際に、その圧力の低下が問題にならないのであれば、こうした吸気側迂回通路３４及び吸気側可変流量弁５２を割愛することもできる。
【００４２】
・上記実施形態では、第１タービンホイール１４を軸流式のタービンホイールとしているが、これを半径流式のタービンホイールとしてもよい。
・上記実施形態では、第２タービンホイール２４を半径流式のタービンホイールとしているが、これを軸流式のタービンホイールとしてもよい。尚この場合、第１タービンホイールに比べて膨張比を大きくするために、軸流式のタービンホイールを多段化するようにしてもよい。
【００４３】
・上記実施形態によるように、膨張比の小さい方のタービンホイールである第１タービンホイール１４を、膨張比の大きい方のタービンホイールである第２タービンホイール２４よりも排気上流側に設けることが、第１タービンホイール１４に排気が流入するまでの間に排気の圧力が過度に低下することを抑制して、第１タービンホイール１４を安定して駆動させる上では望ましい。しかしながら、こうした問題が無視できる場合であれば、第１タービンホイール及び第２タービンホイールのうち膨張比の小さい方のタービンホイールを、膨張比の大きい方のタービンホイールよりも排気下流側に設けることもできる。
【００４４】
・上記実施形態では、第１タービンホイール１４の膨張比を第２タービンホイール２４の膨張比に比べて小さく設定しているが、本発明にかかる第１タービンホイールの第２タービンホイールの膨張比の関係はこれに限られるものではなく、第１タービンホイールの膨張比を第２タービンホイールの膨張比に比べて大きく設定してもよい。また、これら第１タービンホイールの膨張比と第２タービンホイールの膨張比を同一としてもよい。
【００４５】
・上記実施形態では、排気通路において排気上流側から順に、第１タービンホイール１４及び第２タービンホイール２４を設けるようにしているが、これに変えて、排気通路において排気上流側から順に、第２タービンホイール及び第２タービンホイールを設けるようにしてもよい。またこれに併せて、吸気通路において吸気上流側から順に、第１コンプレッサホイール及び第２コンプレッサホイールを設けるようにしてもよい。
【００４６】
・上記実施形態では、２つの過給機１０，２０を備えるものについて例示しているが、本発明にかかる内燃機関の排気駆動式過給機を構成する過給機の個数はこれに限られるものではない。他に例えば、第１過給機、第２過給機に加えて、第３過給機を備えるものとすることもできる。この場合には、第２軸についても第１軸と同様に中空状として、第２軸の内部に第３軸を挿通することで、第１軸、第２軸、第３軸を同軸状とし、同第３軸により第３タービンホイール及び第３コンプレッサホイールをそれぞれ連結するようにすればよい。更にこの場合には、第１タービン及び第２タービンを迂回するための迂回通路を設け、同迂回通路へ流入する排気の流量を可変とする可変流量弁を設けるようにすればよい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気駆動式過給機について、第１過給機及び第２過給機を中心とした内燃機関の概略構成を示す概略図。
【図２】同実施形態における吸気及び排気の流れの一例を説明するための説明図。
【図３】同実施形態における吸気及び排気の流れの他の例を説明するための説明図。
【符号の説明】
【００４８】
１０…第１過給機、１１…コンプレッサハウジング、１２…コンプレッサホイール、１３…タービンハウジング、１３Ａ…出口部、１４…タービンホイール、１５…第１軸、２０…第２過給機、２１…コンプレッサハウジング、２２…コンプレッサホイール、２３…タービンハウジング、２３Ａ…第１入口部、２３Ｂ…第２入口部、２４…タービンホイール、２５…第２軸、３１…第１吸気管、３２…第２吸気管、３３…第３吸気管、３４…吸気側迂回通路、４１…第１排気管、４２…第２排気管、４４…第１迂回通路、４５…第２迂回通路、５１…第１可変流量弁、５２…吸気側可変流量弁、５３…第２可変流量弁、６１…第１カラー、６２…第２カラー、６３…第１ベアリング、６４…第２ベアリング、６５…第３ベアリング、６６…第４ベアリング、６７…第５ベアリング、７０…電子制御装置。
【図１】
2010127106.tif 000003
【図２】
2010127106.tif 000004
【図３】
2010127106.tif 000005