(57)【特許請求の範囲】
【請求項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とともに、
前記第１範囲および前記第２範囲は、前記ノズル流路の前記周方向において同じ角度範囲を有しており、
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、
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、を含み、
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、
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、
２ステージターボシステム。
【請求項２】
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１に記載の２ステージターボシステム。
【請求項３】
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１に記載の２ステージターボシステム。
【請求項４】
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１乃至３のいずれか１項に載の２ステージターボシステム。
【請求項５】
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１乃至４のいずれか１項に記載の２ステージターボシステム。
【請求項６】
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１乃至５のいずれか１項に記載の２ステージターボシステム。
【請求項７】
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１乃至６のいずれか１項に記載の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。
【請求項８】
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７に記載の２ステージターボシステムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第８６７１６８２号
【特許文献２】ＵＳ２００７／００７９６１２  Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（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。
【０００８】
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。
【０００９】
（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。
【００１０】
（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。
【００１１】
（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。
【００１２】
（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。
【００１３】
（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。
【００１４】
（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。
【００１５】
（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。
【００１６】
（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。
【００１７】
（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。
【００１８】
（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。
【００１９】
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。
【００２０】
（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。
【発明の効果】
【００２１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５Ａ】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。
【図５Ｂ】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６Ａ】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６Ｂ】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６Ｃ】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６Ｄ】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７Ａ】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７Ｂ】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７Ｃ】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７Ｄ】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。
【図８】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。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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）。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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）。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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）。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【符号の説明】
【００６８】
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
【図１】
0006754596.tif 000002
【図２】
0006754596.tif 000003
【図３】
0006754596.tif 000004
【図４】
0006754596.tif 000005
【図５Ａ】
0006754596.tif 000006
【図５Ｂ】
0006754596.tif 000007
【図６Ａ】
0006754596.tif 000008
【図６Ｂ】
0006754596.tif 000009
【図６Ｃ】
0006754596.tif 000010
【図６Ｄ】
0006754596.tif 000011
【図７Ａ】
0006754596.tif 000012
【図７Ｂ】
0006754596.tif 000013
【図７Ｃ】
0006754596.tif 000014
【図７Ｄ】
0006754596.tif 000015
【図８】
0006754596.tif 000016