(57)【要約】【課題】２つの過給機を有する過給機付内燃機関において、シングルモード時に第２のターボのタービン側からのオイル漏れを防止する。【解決手段】過給機付内燃機関は、第１及び第２のターボと、第１のターボの下流の排気通路に配置された触媒と、第１のターボのタービンと当該触媒との間の排気通路と、第２のターボのタービンの上流の排気通路とに連通する排気バイパス通路と、排気バイパス通路に設けられた排気バイパス弁とを備える。排気バイパス弁は、シングルターボモード時に、第１のターボのタービンの出口と第２のターボのタービンの入口との排圧の差が所定以上の場合に開く。これにより、第１のターボのタービン下流の排圧の高くなった排気ガスの一部を、排気バイパス通路を通じて第２のターボのタービンに導入できる。その結果、シングルターボモード時に第２のターボ過給機の回転が促され、第２のターボのタービン側からのオイル漏れを防止できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２のターボと、
前記第１のターボの下流に配置された触媒と、
前記第１のターボと前記触媒との間と、前記第２のターボの上流側とに連通する連通路と、を備え、
前記連通路には、所定以上の圧力で開く開閉弁が設けられていることを特徴とする過給機付内燃機関。
【請求項２】
前記開閉弁は、前記連通路が前記所定以上の圧力になった場合に開く機械駆動方式の開閉弁である請求項１に記載の過給機付内燃機関。
【請求項３】
前記開閉弁の開閉を制御する制御手段を更に備え、
前記制御手段は、前記連通路が前記所定以上の圧力になった場合に、前記開閉弁を開く請求項１に記載の過給機付内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、過給機付内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、過給容量の異なる２つのターボ過給機をエンジンの吸気系及び排気系に並列に配置して構成される過給機付きエンジンが知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
かかる過給機付きエンジンでは、エンジン運転領域が低速域等の場合にプライマリーターボ過給機のみを作動させて過給を行い（以下、「シングルターボモード」とも称する）、エンジン運転領域が高速域等の場合にプライマリーターボ過給機及びセカンダリーターボ過給機の両方を作動させて過給を行う（以下、「ツインターボモード」とも称する）。これにより、低速域から高速域に亘りエンジンの出力性能を向上させることができる。
【０００４】
ところで、かかる過給機付きエンジンでは、その運転中に各ターボ過給機の軸受け部に対し、オイル通路を通じて潤滑及び冷却を行うためのオイルが供給される。その軸受け部におけるオイルのシール性は、ターボ過給機が回転することにより確保されている。しかし、シングルターボモード時には、セカンダリーターボ過給機の回転が停止するので、セカンダリーターボ過給機の軸受け部におけるオイルのシール性が低下してしまい、セカンダリーターボ過給機のタービン側からオイルが漏れ易くなってしまう。
【０００５】
また、かかる過給機付きエンジンでは、アイドル回転数付近におけるクランクケースの内圧が低い運転領域では、セカンダリーターボ過給機の回転を停止させるので、吸気負圧によりそのコンプレッサ側より吸気通路側へオイルが吸いだされてしまう。
【０００６】
上記の点に関連し、例えば、特許文献２には、セカンダリーターボ過給機のタービン側からのオイル漏れを防止することが可能な過給機付きエンジンが記載されている。
【０００７】
この過給機付きエンジンには、セカンダリーターボ過給機への排気を遮断するための排気遮断弁にリーク孔が設けられており、運転領域がシングルモードの場合に、そのリーク孔を通じた排気によりセカンダリーターボ過給機を微速で回転させる。これにより、セカンダリーターボ過給機のタービン側からのオイル漏れを防止することができるとされている。
【０００８】
なお、特許文献１に記載の過給機付きエンジンでは、排気ガス浄化の効果を向上させるべく、触媒装置としてのプリキャタリストが、プライマリーターボ過給機のタービン下流の排気通路部分に配置されている。
【０００９】
【特許文献１】特開平４−１２１３２号公報
【特許文献２】実開平７−２５２４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記した特許文献２に記載の過給機付きエンジンでは、プライマリーターボ過給機のタービンの上流側の排気ガスを、セカンダリーターボ過給機のタービンへ導入するようにしているので、その分、プライマリーターボ過給機を作動させるための排気エネルギーが低下してしまうといった課題がある。
【００１１】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、プライマリーターボ過給機を作動させるための排気エネルギーを低下させることなく、プライマリーターボ過給機のタービン側からのオイル漏れを防止することが可能な過給機付内燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の１つの観点では、過給機付内燃機関は、第１及び第２のターボと、前記第１のターボの下流に配置された触媒と、前記第１のターボと前記触媒との間と、前記第２のターボの上流側とに連通する連通路と、を備え、前記連通路には、所定以上の圧力で開く開閉弁が設けられている。
【００１３】
上記の過給機付内燃機関によれば、第１のターボのみによる運転領域のとき、第１のターボの下流に設けた触媒により排気圧力（排圧）が高くなる。そして、連通路の排圧が所定以上の圧力になると連通路に設けられた開閉弁が開く。これにより、第１のターボの下流の排気ガスの一部が、第２のターボの上流に流れ込む。これにより、第２のターボの回転が促され、その軸受け部のオイルのシール性が高められる。その結果、第２のターボ側の軸受け部からオイル漏れが生じることを防止できる。
【００１４】
上記の過給機付内燃機関の一態様では、前記連通路が前記所定以上の圧力になった場合に開く機械駆動方式の開閉弁とすることができる。
【００１５】
上記の過給機付内燃機関の他の態様では、前記開閉弁の開閉を制御する制御手段を更に備え、前記制御手段は、前記連通路が前記所定以上の圧力になった場合に、前記開閉弁を開くものであることが望ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。
【００１７】
［過給機付内燃機関の構成］
図１は、本発明の実施形態に係る過給機付内燃機関１００の構成を示す概略図である。図１では、実線矢印がガスの流れを示し、破線矢印が信号の入出力を示している。なお、図１においては、過給モードをシングルターボモードに設定した場合のガスの流れを示している。
【００１８】
過給機付内燃機関１００は、主に、エアクリーナ２と、吸気通路３と、吸気バイパス通路３１と、吸気バイパス弁３２と、ターボ過給機４、５と、吸気切替弁６と、リード弁７と、内燃機関８と、過給圧センサ９と、排気通路１０と、ＥＧＲ通路１１と、ＥＧＲ弁１４と、排気切替弁１５と、排気バイパス通路１６と、排気バイパス弁１７と、触媒１８、１９と、ＥＣＵ（Engine Control Unit）５０と、を備える。
【００１９】
エアクリーナ２は、外部から取得された空気（吸気）を浄化して、吸気通路３に供給する。吸気通路３は、途中で吸気通路３ａ、３ｂに分岐している。吸気通路３ａにはターボ過給機４のコンプレッサ４ａが配設されており、吸気通路３ｂにはターボ過給機５のコンプレッサ５ａが配設されている。コンプレッサ４ａ、５ａは、それぞれ、吸気通路３ａ、３ｂを通過する吸気を圧縮する。
【００２０】
また、吸気通路３ｂには、吸気切替弁６、及びリード弁７が設けられている。吸気切替弁６は、ＥＣＵ５０から供給される制御信号Ｓ６によって開閉が制御され、吸気通路３ｂを通過する吸気の流量を調整可能に構成されている。例えば、吸気切替弁６を開閉させることにより、吸気通路３ｂにおける吸気の流通／遮断を切り替えることができる。リード弁７は、通路中の圧力が所定以上となった際に開弁するように構成されている。更に、コンプレッサ４ａ、５ａの下流側の吸気通路３には、過給圧センサ９が設けられている。過給圧センサ９は、過給された吸気の圧力（以下、「実過給圧」とも呼ぶ。）を検出し、この実過給圧に対応する検出信号Ｓ９をＥＣＵ５０に供給する。
【００２１】
吸気バイパス通路３１は、一端がエアクリーナ２とコンプレッサ４ａとの間で吸気通路３に接続されていると共に、他端がコンプレッサ５ａと吸気切替弁６との間で吸気通路３に接続されている。吸気バイパス通路３１は、エアクリーナ２側より導入される吸気を、コンプレッサ４ａ、５ａをバイパスして、コンプレッサ５ａの下流側に導く。吸気バイパス通路３１の途中には吸気バイパス弁３２が設けられている。吸気バイパス弁３２は、通路中の圧力が所定以上となった際に開弁するように構成されている。
【００２２】
内燃機関８は、左右のバンク（気筒群）８Ｌ、８Ｒにそれぞれ４つずつの気筒（シリンダ）８Ｌａ、８Ｒａが設けられたＶ型８気筒のエンジンとして構成されている。内燃機関８は、吸気通路３より供給される吸気と燃料との混合気を燃焼することによって、動力を発生する装置である。内燃機関８は、例えばガソリンエンジンやデーゼルエンジンなどによって構成される。内燃機関８内における燃焼により発生した排気ガスは、排気通路１０に排出される。なお、内燃機関８を、８気筒で構成することに限定はされない。
【００２３】
排気通路１０には、ＥＧＲ通路１１が接続されている。ＥＧＲ通路１１は、一端が排気通路１０に接続されており、他端が吸気通路３に接続されている。ＥＧＲ通路１１は、排気ガス（ＥＧＲガス）を吸気系に還流するための通路である。具体的には、ＥＧＲ通路１１には、ＥＧＲクーラ１２と、ＥＧＲ弁１４と、バイパス通路１１ａと、バイパス弁１３とが設けられている。ＥＧＲクーラ１２はＥＧＲガスを冷却する装置であり、ＥＧＲ弁１４はＥＧＲ通路１１を通過するＥＧＲガスの流量を調節する弁、言い換えると吸気系に還流させるＥＧＲガスの量を調節する（即ちＥＧＲ率を調節する）弁である。この場合、ＥＧＲ弁１４は、ＥＣＵ５０から供給される制御信号Ｓ１４によって開度が制御される。また、バイパス通路１１ａは、ＥＧＲクーラ１２をバイパスする通路であり、通路上にはバイパス弁１３が設けられている。このバイパス弁１３によって、バイパス通路１１ａを通過するＥＧＲガスの流量が調節される。この場合、バイパス弁１３は、ＥＣＵ５０から供給される制御信号Ｓ１３によって開度が制御される。なお、図１においては、ＥＧＲ弁１４が閉に設定されているため、ＥＧＲガスは還流されない。
【００２４】
排気通路１０は、途中で排気通路１０ａ、１０ｂに分岐している。排気通路１０ａにはターボ過給機４のタービン４ｂが配設されており、排気通路１０ｂにはターボ過給機５のタービン５ｂが配設されている。タービン４ｂ、５ｂは、それぞれ、排気通路１０ａ、１０ｂを通過する排気ガスによって回転される。このようなタービン４ｂ、５ｂの回転トルクが、ターボ過給機４内のコンプレッサ４ａ及びターボ過給機５内のコンプレッサ５ａに伝達されて回転することによって、吸気が圧縮される（即ち過給される）こととなる。なお、ターボ過給機４は、本発明の第１のターボに相当し、低中速域で過給能力の大きい小容量の低速型の過給機として構成される。一方、ターボ過給機５は、本発明の第２のターボに相当し、中高速域で過給能力の大きい大容量の高速型の過給機として構成される。
【００２５】
更に、排気通路１０ｂには、排気切替弁１５と、触媒１８、１９とが夫々設けられている。
【００２６】
排気切替弁１５は、ＥＣＵ５０から供給される制御信号Ｓ１５によって開閉が制御され、排気通路１０ｂを通過する排気ガスの流量を調整可能に構成されている。例えば、排気切替弁１５を開閉させることにより、排気通路１０ｂにおける排気ガスの流通／遮断を切り替えることができる。触媒１８は、タービン４ｂの下流で排気通路１０に接続されている。触媒１８は、主に、タービン４ｂ側より排出される排気ガス中に含まれる大気汚染物質を浄化してエミッションを低減する役割と、排気ガスの温度を上げる役割とを有する。触媒１９は、触媒１８及びタービン５ｂの下流で排気通路１０に接続されている。触媒１９は、主に、触媒１８及びタービン５ｂ側より排出される排気ガス中に含まれる大気汚染物質を浄化してエミッションを低減する役割を有する。
【００２７】
排気バイパス通路１６は、本発明の連通路に相当し、一端がタービン４ｂと触媒１８との間で排気通路１０に接続されていると共に、他端がタービン５ｂの入口の上流と排気切替弁１５との間で排気通路１０に接続されている。排気バイパス通路１６は、タービン４ｂ側より排出された排気ガスを、触媒１８をバイパスしてタービン５ｂの入口の上流の排気通路１０に導く。排気バイパス通路１６には、排気バイパス弁１７が設けられている。排気バイパス弁１７は、通路中の圧力が所定以上となった際に開弁するように構成されている。
【００２８】
ＥＣＵ５０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及びＡ／Ｄ変換器などを含んで構成される。ＥＣＵ５０は、車両内の各種センサから供給される出力等に基づいて、内燃機関８等に対する各種制御を行う。
【００２９】
（過給モードの切替制御）
次に、図２（ａ）を参照して、過給モードの切替制御方法について述べる。
【００３０】
図２（ａ）は、エンジン回転数Ｎｅとエンジントルクに基づいて規定される３つの過給モードに係る動作領域マップの一例を概略的に示す。図２（ａ）において、横軸はエンジン回転数Ｎｅを示し、縦軸はエンジントルクを示す。
【００３１】
ＥＣＵ５０は、エンジン回転数Ｎｅとエンジントルク等に基づいて、吸気切替弁６、吸気バイパス弁３２、ＥＧＲ弁１４、排気切替弁１５、及び排気バイパス弁１７などに対する開閉制御を行うことで、３つの過給モードのうち何れかの過給モードに切り替える。ここで、３つの過給モードとしては、シングルターボモード（助走無し）と、シングルターボモード（助走有り）と、ツインターボモードとが含まれる。
【００３２】
「シングルターボモード（助走無し）」は、低中速域の運転モードであり、図２（ａ）の領域Ａ１に対応している。この運転モードでは、ＥＣＵ５０は、吸気切替弁６、排気切替弁１５、及び排気バイパス弁１７等を全て閉とする制御を行う。これにより、ターボ過給機４、５のうち、ターボ過給機４にのみ吸気及び排気ガスが供給され、ターボ過給機４のみ作動する。
【００３３】
「シングルターボモード（助走有り）」は、中速域の運転モードであり、図２（ａ）の領域Ａ２に対応している。ここで、助走とは、シングルターボモードからツインターボモードに切り替える際に生じる実過給圧の段差を無くすために、ターボ過給機５に予め回転を与えておく運転状態を指す。この運転モードでは、ＥＣＵ５０は、シングルターボモードからツインターボモードに切り替える時に、排気切替弁１５を少し開く制御を行う。これにより、比較的小流量の排気ガスがターボ過給機５に供給され、ターボ過給機５を徐々に作動（即ち、助走）させることができる。なお、図２（ａ）において、「グラフｇ１」は、シングルターボモード領域（助走無し）とシングルターボモード領域（助走有り）との切り替え線を示している。
【００３４】
「ツインターボモード」は、中高速域の運転モードであり、図２（ａ）の領域Ａ３に対応している。この運転モードでは、ＥＣＵ５０は、吸気切替弁６及び排気切替弁１５等を開とする制御を行う。これにより、ターボ過給機４、５の両方に吸気及び排気ガスが供給され、ターボ過給機４、５の両方が作動する。なお、図２（ａ）において、「グラフｇ２」は、シングルターボモード領域（助走有り）とツインターボモード領域との切り替え線を示している。
【００３５】
（ターボ過給機のオイル漏れ防止制御）
過給機付内燃機関では、その運転中にターボ過給機の軸受け部に対し、オイル通路を通じて潤滑・冷却用のオイルが供給される。その軸受け部におけるオイルのシール性は、ターボ過給機が回転することで確保されている。しかしながら、シングルターボモードの場合には、ターボ過給機５は回転しないので、ターボ過給機５の軸受け部等におけるオイルのシール性が低下し、ターボ過給機５のタービン５ｂ側からオイル漏れが発生してしまうことが懸念される。
【００３６】
このような不具合の発生を防止するためには、シングルターボモード時に、ターボ過給機５の回転を促すような制御を行うことが有効である。そこで、本実施形態では、ターボ過給機４のタービン４ｂの下流に触媒１８を設けて、タービン４ｂの出口の排気圧力（以下、「排圧」とも称する）を高め、シングルターボモード時に、タービン４ｂ下流の排圧の高くなった排気ガスの一部を、ターボ過給機５のタービン５ｂに導入する。これにより、シングルターボモード時にターボ過給機５の回転を促して、ターボ過給機５の軸受け部におけるオイルのシール性を高め、ターボ過給機５のタービン５ｂ側からのオイル漏れを防止する。
【００３７】
以下、図２（ｂ）等を参照して、その具体的な制御方法について述べる。
【００３８】
図２（ｂ）は、ターボ過給機４のタービン４ｂの下流に対して、触媒１８を設けた場合と設けない場合とで、シングルターボモード時に、ターボ過給機４、５のタービン４ｂ、５ｂの出口の排圧がどのように変化するかについて例示するグラフである。図２（ｂ）において、横軸は燃料噴射量を示し、縦軸はターボ過給機のタービンの出口の排圧を示す。なお、図２（ｂ）では、排気切替弁１５及び排気バイパス弁１７は共に閉状態である。
【００３９】
図２（ｂ）において、「グラフｇ１１」は、燃料噴射量と、本実施形態に係るターボ過給機４のタービン４ｂの出口の排圧との関係を示すグラフである。「グラフｇ１２」は、燃料噴射量と、本実施形態に係るターボ過給機５のタービン５ｂの出口の排圧との関係を示すグラフである。「グラフｇ１３」は、燃料噴射量と、比較例に係るターボ過給機４、５のタービン４ｂ、５ｂの各出口の排圧との関係を示すグラフである。ここで、比較例は、本実施形態と比較して、ターボ過給機４のタービン４ｂの下流に触媒１８が設けられていない点のみが異なり、それ以外は同様である。
【００４０】
本実施形態では、図２（ｂ）のグラフｇ１１、ｇ１２に示すように、シングルターボモード時に、ターボ過給機４のタービン４ｂの出口の排圧が、ターボ過給機５のタービン５ｂの出口（＝入口）の排圧と比べて高くなっており、ターボ過給機４のタービン４ｂの出口と、ターボ過給機５のタービン５ｂの出口とで排圧に差が生じている。これは、ターボ過給機４のタービン４ｂの下流にのみ触媒１８を設けているためである。一方、比較例では、ターボ過給機４のタービン４ｂの下流に触媒１８が設けられていないので、シングルターボモード時に、ターボ過給機４のタービン４ｂの出口と、ターボ過給機５のタービン５ｂの出口とで排圧に差が生じていない。
【００４１】
このように、本実施形態では、シングルターボモード時に、ターボ過給機４のタービン４ｂの出口と、ターボ過給機５のタービン５ｂの入口とで排圧に差が生じる。このため、ターボ過給機４のタービン４ｂの出口からターボ過給機５のタービン５ｂの入口へ連通する連通路を設ければ、タービン４ｂ下流の排圧の高くなった排気ガスの一部を、その連通路を通じてターボ過給機５のタービン５ｂに導入することができ、これによってターボ過給機５のタービン５ｂの回転を促すことができる。
【００４２】
そこで、本実施形態では、ターボ過給機４のタービン４ｂと触媒１８との間における排気通路１０と、ターボ過給機５のタービン５ｂの入口の上流と排気切替弁１５との間における排気通路１０とを連通させる排気バイパス通路１６と、排気バイパス通路１６に設けられ、ターボ過給機４のタービン４ｂの出口と、ターボ過給機５のタービン５ｂの入口との排圧の差が所定以上になると開く機械駆動方式の排気バイパス弁１７と、を設ける。
【００４３】
これによれば、シングルターボモード時に、ターボ過給機４のタービン４ｂの下流に設けた触媒１８により排圧が高くなり、排気バイパス通路１６の排圧が所定以上の圧力になると排気バイパス弁１７が開く。これにより、タービン４ｂ下流の排気ガスの一部が、排気バイパス通路１６を通じてターボ過給機５のタービン５ｂの入口の上流に流れ込む。これにより、ターボ過給機５のタービン５ｂの回転が促され、その軸受け部のオイルのシール性を高めることができる。その結果、ターボ過給機５のタービン５ｂ側の軸受け部からオイル漏れが発生することを防止できる。
【００４４】
また、この構成によれば、シングルターボモード時にターボ過給機５の回転が促されることで、吸気負圧によってターボ過給機５のコンプレッサ５ａ側より吸気通路３側へオイルが吸いだされてしまうといったことも防止できる。
【００４５】
さらに、この構成によれば、ターボ過給機４のタービン４ｂの上流側の排気ガスの一部を、ターボ過給機５のタービン５ｂへ導入させることとしていないので、ターボ過給機５のタービン５ｂを作動させるための排気エネルギーが低下してしまうことも防止できる。
【００４６】
［変形例］
上記の実施形態では、排気バイパス弁１７は、シングルターボモード時に、ターボ過給機４のタービン４ｂの出口と、ターボ過給機５のタービン５ｂの入口とで排圧の差が所定以上の圧力になった場合に開弁する機械駆動方式の開閉弁であった。この構成に限られず、本発明では、排気バイパス弁１７は、ＥＣＵ５０から供給される制御信号によって開閉が制御されるものであってもよい。この場合、排気バイパス弁１７は、シングルターボモード時に排気バイパス通路１６の排圧が所定以上の圧力になった場合に、ＥＣＵ５０により開弁するように制御される。
【００４７】
なお、本発明では、ＥＣＵ５０は、内燃機関８の運転領域が、次の運転領域の少なくとも何れかである場合に、排気バイパス弁１７を開に制御するようにしてもよい。ここで、排気バイパス弁１７の開弁させる運転領域としては、触媒１８及び／又は触媒１９の冷間時以外の運転領域（第１の態様）、シングルターボモードの全域（図２（ａ）の領域Ａ１、第２の態様）、及びターボ過給機５のサージに入らない低回転低負荷領域（図２（ａ）のハッチング領域Ａ４、第３の態様）が挙げられる。
【００４８】
ここで、第１の態様の場合に、排気バイパス弁１７を開弁させる理由は、ターボ過給機５のタービン５ｂ側の軸受け部からのオイル漏れを防止するよりも、触媒１８及び／又は触媒１９を早急に昇温して、大気中への有毒物質を含む排気ガスの排出防止を優先するためである。また、第２の態様の場合に、排気バイパス弁１７を開弁させる理由は、ターボ過給機５のタービン５ｂは回転していないので、その軸受け部からのオイル漏れを完全に防止するためである。また、第３の態様の場合に、排気バイパス弁１７を開弁させる理由は、シングルモード時における、上記した各開閉弁の状態でターボ過給機５を回転させ過ぎると、サージを引き起こしてしまう虞があるためである。なお、サージとは、一般的に、内燃機関８の低回転時に吸気の圧力、流量が周期的に変動して運転が不安定となる現象をいう。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施形態に係る過給機付内燃機関の構成図を示す。
【図２】排気バイパス弁の作動マップ、及びターボ過給機のタービンの出口の排圧変化を示すグラフを示す。
【符号の説明】
【００５０】
４  第１のターボ
５  第２のターボ
４ｂ、５ｂ  タービン
８  内燃機関
１０  排気通路
１６  排気バイパス通路（連通路）
１７  排気バイパス弁（開閉弁）
１８  触媒
５０  ＥＣＵ（制御手段）
１００  過給機付内燃機関
【図１】
2010151101.tif 000003
【図２】
2010151101.tif 000004