(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン本体と、エンジン本体に導入される吸気が流通する吸気通路と、エンジン本体から排出される排気が流通する排気通路と、前記排気通路に設けられてタービンホイールとこれを収容するタービンケースとを有する小型タービンおよび前記吸気通路に設けられてコンプレッサホイールとこれを収容するコンプレッサケースとを有する小型コンプレッサを含む小型ターボ過給機と、前記排気通路のうち前記小型タービンよりも下流側に設けられてタービンホイールとこれを収容するタービンケースとを有する大型タービンおよび前記吸気通路のうち前記小型コンプレッサよりも上流側に設けられてコンプレッサホイールとこれを収容するコンプレッサケースとを有する大型コンプレッサを含む大型ターボ過給機と、エンジンの各部を制御可能な制御手段とを備えたターボ過給機付エンジンであって、
前記排気通路は、前記小型タービンに流入する前の排気を、当該小型タービンを迂回して下流に流す排気側バイパス通路と、当該排気側バイパス通路を開閉可能な排気側バイパス弁と、前記大型タービンの前記タービンホイールに流入する排気の流路面積を変更してこの排気の流速を変更可能な排気流速変更手段とを有し、
前記大型タービンおよび大型コンプレッサの各容量は、前記小型タービンおよび小型コンプレッサの各容量よりも大きく設定されており、
前記大型タービンは、排気の全量が常に導入されるように前記排気通路に配置されており、
前記排気流速変更手段は、前記大型タービンのタービンホイールの周囲に角度変更可能に設けられた複数のノズルベーンを含み、
前記制御手段は、排気流量が所定値よりも小さくなる低速低負荷領域において、前記排気側バイパス弁を全閉にするとともに、前記ノズルベーンの開度が最小開度になるように前記排気流速変更手段を制御することを特徴とするターボ過給機付エンジン。
【請求項２】
請求項１に記載のターボ過給機付エンジンにおいて、
前記吸気通路は、前記小型コンプレッサに流入する前の吸気を、当該小型コンプレッサを迂回して下流に流す吸気側バイパス通路と、当該吸気側バイパス通路を開閉可能な吸気側バイパス弁とを有し、
前記制御手段は、
エンジン回転数が第１基準回転数以上の高速領域のうち少なくともエンジン負荷が第１基準負荷以上の高速高負荷領域では、前記排気側バイパス弁および前記吸気側バイパス弁を全開にする一方、エンジン回転数が前記第１基準回転数以下に設定された第２基準回転数未満の低速領域のうち少なくともエンジン負荷が第２基準負荷未満の前記低速低負荷領域では、前記排気側バイパス弁および前記吸気側バイパス弁を全閉にするとともに、
前記低速低負荷領域以外の運転領域では、エンジン回転数が低い方が高い方に対して前記ノズルベーンの開度が小さくなるように前記排気流速変更手段を制御することを特徴とするターボ過給機付エンジン。
【請求項３】
請求項２に記載のターボ過給機付エンジンにおいて、
前記制御手段は、前記高速高負荷領域における過給圧の目標値の最大値を、前記低速領域における過給圧の目標値の最大値以上に設定することを特徴とするターボ過給機付エンジン。
【請求項４】
請求項２または３に記載のターボ過給機付エンジンにおいて、
前記排気通路のうち前記排気側バイパス通路の上流端よりも上流側の部分と、前記吸気通路のうち前記吸気側バイパス通路の下流端よりも下流側の部分とを連通して、排気の一部を吸気通路に還流させることが可能なＥＧＲ通路を有することを特徴とするターボ過給機付エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジン本体と、エンジン本体に導入される吸気が流通する吸気通路と、エンジン本体から排出される排気が流通する排気通路と、前記排気通路に設けられてタービンホイールとこれを収容するタービンケースとを有する小型タービンおよび前記吸気通路に設けられてコンプレッサホイールとこれを収容するコンプレッサケースとを有する小型コンプレッサを含む小型ターボ過給機と、前記排気通路のうち前記小型タービンよりも下流側に設けられてタービンホイールとこれを収容するタービンケースとを有する大型タービンおよび前記吸気通路のうち前記小型コンプレッサよりも上流側に設けられてコンプレッサホイールとこれを収容するコンプレッサケースとを有する大型コンプレッサとを含む大型ターボ過給機とを備えたターボ過給機付エンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、エンジンにおいてその出力を高めるべくターボ過給機を設けることが行われている。また、エンジン出力をより一層高めるために、２つのターボ過給機をエンジンに設けることも検討されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、小型のターボ過給機と大型のターボ過給機とを設けたエンジンが開示されている。この特許文献１のエンジンでは、排気通路に、大型ターボ過給機のタービンと、小型ターボ過給機の小型タービンとが設けられるとともに、小型タービンをバイパスするバイパス通路および大型タービンをバイパスするウエストゲート通路と、これら通路を開閉するバイパス弁およびウエストゲートバルブとが設けられており、運転条件に応じてこれら排気バイパス弁およびウエストゲート弁が開閉されるようになっている。具体的には、エンジン回転数が所定値以上になると、排気バイパス弁が開弁され、エンジン回転数がさらに高くなると、排気バイパス弁に加えてウエストゲート弁が開弁されるようになっている。
【０００４】
このエンジンによれば、各タービンに流入する排気の量ひいては各タービンの過給力をエンジン回転数に応じて細かく調整することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６２−１１３８２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１のエンジンでは、上記のように、下流側に設けられた大型タービンを迂回するウエストゲート通路が設けられて、一部の運転領域（エンジン回転数が高い領域）において前記排気バイパス弁に加えてこのウエストゲート弁が開弁されるようになっている。そのため、排気のエネルギーがいずれのタービンをも通過せずに外部に排出されてしまい、排気の持つエネルギーの回収効率が悪いという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、過給圧を適切に高めつつ、排気の持つエネルギーの回収効率を高めることのできるターボ過給機付エンジン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】
【０００８】
前記課題を解決するためのものとして、本発明は、エンジン本体と、エンジン本体に導
入される吸気が流通する吸気通路と、エンジン本体から排出される排気が流通する排気通路と、前記排気通路に設けられてタービンホイールとこれを収容するタービンケースとを有する小型タービンおよび前記吸気通路に設けられてコンプレッサホイールとこれを収容するコンプレッサケースとを有する小型コンプレッサを含む小型ターボ過給機と、前記排気通路のうち前記小型タービンよりも下流側に設けられてタービンホイールとこれを収容するタービンケースとを有する大型タービンおよび前記吸気通路のうち前記小型コンプレッサよりも上流側に設けられてコンプレッサホイールとこれを収容するコンプレッサケースとを有する大型コンプレッサを含む大型ターボ過給機と、エンジンの各部を制御可能な制御手段とを備えたターボ過給機付エンジンであって、前記排気通路は、前記小型タービンに流入する前の排気を、当該小型タービンを迂回して下流に流す排気側バイパス通路と、当該排気側バイパス通路を開閉可能な排気側バイパス弁と、前記大型タービンの前記タービンホイールに流入する排気の流路面積を変更してこの排気の流速を変更可能な排気流速変更手段とを有し、前記大型タービンおよび大型コンプレッサの各容量は、前記小型タービンおよび小型コンプレッサの各容量よりも大きく設定されており、前記大型タービンは、排気の全量が常に導入されるように前記排気通路に配置されており、前記排気流速変更手段は、前記大型タービンのタービンホイールの周囲に角度変更可能に設けられた複数のノズルベーンを含み、前記制御手段は、排気流量が所定値よりも小さくなる低速低負荷領域において、前記排気側バイパス弁を全閉にするとともに、前記ノズルベーンの開度が最小開度になるように前記排気流速変更手段を制御することを特徴とする（請求項１）。
【０００９】
本発明によれば、排気の全量が常に大型タービンに流入するように構成されているため、排気のエネルギーを確実に大型タービンによる吸気の過給に利用することができる。従って、タービンを通さずに排気を外部に排出する場合に比べて、排気の持つエネルギーの回収効率を高めることができる。また、排気の流量が大きく排気のエネルギーが高い場合において、この高いエネルギーを有効に過給に利用して過給圧をより一層高めることができる。
【００１０】
しかしながら、このように、大型タービンに常に排気の全量を導入した場合には、高排気流量下でのタービン効率を確保するためにタービンの容量を大きくする必要がある。しかしながら、単純にタービンの容量を大きくしただけでは、排気流量が小さい条件でエンジンが運転されている場合に大型タービンのタービンホイールへの排気の流入速度が低くなるために、過給性能が悪化するおそれがある。
【００１１】
これに対して、本発明では、大型タービンを大容量としながら、大型タービンのタービンホイールに流入する排気の流速を変更可能なノズルベーンを含む排気流速変更手段を設けるとともに、大型タービンよりも排気上流側に容量が小さくイナーシャの小さい小型タービン（小型タービンホイール）を設けている。そして、排気流量が小さい場合には、前記排気側バイパス弁を全閉にするとともに、前記ノズルベーンの開度が最小開度になるように前記排気流速変更手段を制御している。
【００１２】
そのため、排気流量が小さくなる低速低負荷域での運転時に、この小さい流量の排気によって小型タービンのタービンホイールを効率よく回転させて過給圧を高めることができるとともに、大型タービンのタービンホイールに流入する排気の流速を高めて大型タービンによる過給力も高めることができる。従って、排気の持つエネルギーの回収効率を高めつつ、排気流量の大きい場合と小さい場合とのいずれにおいても過給圧を適切に高めることができる。
【００１３】
本発明において、前記吸気通路は、前記小型コンプレッサに流入する前の吸気を、当該小型コンプレッサを迂回して下流に流す吸気側バイパス通路と、当該吸気側バイパス通路を開閉可能な吸気側バイパス弁とを有し、前記制御手段は、エンジン回転数が第１基準回転数以上の高速領域のうち少なくともエンジン負荷が第１基準負荷以上の高速高負荷領域では、前記排気側バイパス弁および前記吸気側バイパス弁を全開にする一方、エンジン回転数が前記第１基準回転数以下に設定された第２基準回転数未満の低速領域のうち少なくともエンジン負荷が第２基準負荷未満の前記低速低負荷領域では、前記排気側バイパス弁および前記吸気側バイパス弁を全閉にするとともに、前記低速低負荷領域以外の運転領域では、エンジン回転数が低い方が高い方に対して前記ノズルベーンの開度が小さくなるように前記排気流速変更手段を制御するのが好ましい（請求項２）。
【００１４】
このようにすれば、排気流量が高い高速高負荷領域において、高流量の排気を大容量の大型タービンに導入して大型ターボ過給機による過給圧をより一層高めることができる。さらに、排気流量が低い低速低負荷領域において、この低流量の排気を小型タービンに導入して小型ターボ過給機にて効率よく過給を行うことができる。しかも、前記低速低負荷領域以外の運転領域では、エンジン回転数が低く排気流量が低い場合に、ノズルベーンの開度が小さくされて大型タービンのタービンホイールに流入する排気の流速が高められ、これによって大型タービンによる過給力も高められるようになっている。そのため、より確実に広い運転領域において過給圧を適切に高めることができる。
【００１５】
本発明において、前記制御手段は、前記高速高負荷領域における過給圧の目標値の最大値を、前記低速領域における過給圧の目標値の最大値以上に設定するのが好ましい（請求項３）。
【００１６】
前記のように、本発明では、高速高負荷領域において過給圧をより一層高めることができる。従って、この構成のように、高速高負荷領域における過給圧の目標値の最大値を、前記低速領域における過給圧の目標値の最大値以上の高い値としても、これを実現することができる。そして、これを実現することでエンジンの最大出力をより一層高くすることができる。
【００１７】
前記構成において、前記排気通路のうち前記排気側バイパス通路の上流端よりも上流側の部分と、前記吸気通路のうち前記吸気側バイパス通路の下流端よりも下流側の部分とを連通して、排気の一部を吸気通路に還流させることが可能なＥＧＲ通路を有するのが好ましい（請求項４）。
【００１８】
この構成によれば、ＥＧＲ量を適切に確保して排気性能等を良好にしつつ、過給圧を適切に高めることができる。すなわち、ＥＧＲ通路を、排気通路のうち小型タービンよりも上流側の部分であって排気圧力の高い部分と吸気通路とを連通するように構成すれば、ＥＧＲ通路の入口と出口の圧力差を大きくしＥＧＲガス量すなわち吸気に還流する排気の量を多くすることができる。そして、これにより、気筒内の不活性ガスの量を多くしてＮＯｘの低減等を促進することができる。ただし、このように構成した場合には、加速時等において、大型タービンおよび小型タービンに流入する排気の量が少なくなるおそれがある。これに対して、本発明では、前記のように、大型タービンに流入する排気の量を多く確保して効率よく排気のエネルギーを過給に利用することができるため、過給圧を適切に高めることができる。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように、本発明のターボ過給機付エンジンによれば、排気の持つエネルギーの回収効率を高くしながら過給圧を適切に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態にかかるターボ過給機付エンジンの全体構成を概略的に示す平面図である。
【図２】ＶＧＴの概略断面図である。
【図３】エンジンの制御ブロックを示した図である。
【図４】排気バイパス弁、吸気バイパス弁およびＶＧＴの制御手順を示したフローチャートである。
【図５】排気バイパス弁、吸気バイパス弁およびＶＧＴの運転領域を示した図である。
【図６】吸気バイパス弁の運転領域を示した図である。
【図７】排気バイパス弁の運転領域を示した図である。
【図８】ＶＧＴの運転領域を示した図である。
【図９】全負荷での過給圧の目標値を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
（１）エンジンの全体構成
図１は、本発明の一実施形態にかかるターボ過給付エンジンの全体構成を概略的に示した図である。本図に示されるエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載された４サイクルエンジンであり、紙面に直交する方向に並ぶ複数（例えば４つ）の気筒２を有する直列多気筒型のエンジン本体１と、エンジン本体１に燃焼用の空気を導入するための吸気通路２０と、エンジン本体１で生成された燃焼ガス（排気）を排出するための排気通路３０と、排気通路３０を流通する排気によりそれぞれ駆動される小型ターボ過給機５０および大型ターボ過給機６０と、ＥＧＲ装置８０とを備えている。
【００２２】
各気筒２には、それぞれピストン５が往復動可能に挿入されている。
【００２３】
ピストン５の上方には燃焼室６が画成されており、この燃焼室６には、インジェクタ（不図示）から燃料が噴射される。本実施形態に係るエンジン本体１はディーゼルエンジンであり、インジェクタから噴射された燃料は空気と混合して燃焼室６内で自着火する。ピストン５は、この燃焼による膨張力で押し下げられて上下方向に往復運動する。
【００２４】
ピストン５の下方には、エンジン本体１の出力軸であるクランク軸１５が配設されている。クランク軸１５は、ピストン５とコネクティングロッドを介して連結されており、ピストン５の往復運動に応じてその中心軸回りに回転する。
【００２５】
エンジン本体１、詳細には、シリンダヘッドには、各気筒２に対応して、吸気通路２０から供給される空気（吸気）を各気筒２に導入するための吸気ポート７と、各気筒２で生成された排気を排気通路３０に導出するための排気ポート８と、吸気ポート７を開閉可能に閉鎖する吸気弁９と、排気ポート８を開閉可能に閉鎖する排気弁１０とがそれぞれ設けられている。
【００２６】
吸気通路２０は、各吸気ポート７に繋がるように設けられている。吸気通路２０には、上流側から順に、エアクリーナ２１、大型コンプレッサ６２、小型コンプレッサ５２、インタークーラ２２、スロットルバルブ２３が設けられている。
【００２７】
大型コンプレッサ６２は、大型ターボ過給機６０の構成部品である。すなわち、大型ターボ過給機６０は、排気通路３０に設けられて排気により回転駆動される大型タービンホイール（翼車）６４１およびこれを収容する大型タービンケース６４２を備える大型タービン６４と、吸気通路２０に設けられて大型タービンホイール６４１により回転駆動される大型コンプレッサホイール（翼車）６２１およびこれを収容する大型コンプレッサケース６２２を備える大型コンプレッサ６２とを有しており、大型タービン６４に排気が導入されて大型タービンホイール６４１が回転することで大型コンプレッサホイール６２１が回転して吸気を過給する。
【００２８】
同様に、小型コンプレッサ５２は、小型ターボ過給機５０の構成部品である。すなわち、小型ターボ過給機５０は、排気通路３０に設けられて排気により回転駆動される小型タービンホイール（翼車）５４１およびこれを収容する小型タービンケース５４２を備える小型タービン５４と、吸気通路２０に設けられて小型タービンホイール５４１により回転駆動される小型コンプレッサホイール（翼車）５２１およびこれを収容する小型コンプレッサケース５２２を備える小型コンプレッサ５２とを有しており、小型タービン５４に排気が導入されて小型タービンホイール５４１が回転することで小型コンプレッサホイール５２１が回転して吸気を過給する。
【００２９】
ここで、大型ターボ過給機６０は小型ターボ過給機５０よりも大型であり、大型タービン６４の容量は小型タービン５４の容量よりも大きく、大型コンプレッサ６２の容量は小型コンプレッサ５２の容量よりも大きく設定されている。これに伴って、大型ターボ過給機６０では、より大きな流量の排気を大型タービン６４に導入して、より大きな流量の吸気を大型コンプレッサ６２によって高い効率で過給できるようになっている。そして、小型ターボ過給機５０のイナーシャは、大型ターボ過給機６０よりも小さくなっている。
【００３０】
吸気通路２０には、小型コンプレッサ５２をバイパスする吸気側バイパス通路１２２、すなわち、小型コンプレッサ５２を迂回して吸気を下流側に流す吸気側バイパス通路１２２が設けられている。具体的には、吸気側バイパス通路１２２は、吸気通路２０のうち小型コンプレッサ５２と大型コンプレッサ６２との間の部分と、小型コンプレッサ５２よりも下流側の部分とを連通している。
【００３１】
吸気側バイパス通路１２２には、これを開閉する吸気側バイパス弁４１ａが設けられている。吸気側バイパス弁４１ａが全閉の状態（吸気側バイパス通路１２２を閉鎖している状態）では、吸気の全量は小型コンプレッサ５２に流入する。一方、吸気側バイパス弁４１ａが開弁している状態では、吸気の多くは小型コンプレッサ５２をバイパスして下流側に流れる。すなわち、小型コンプレッサ５２は吸気の流通に対して抵抗となるため、吸気側バイパス弁４１ａが開弁している状態では、吸気の多くはより抵抗の小さい吸気側バイパス通路１２２に流入する。吸気側バイパス弁４１ａは、負圧式のバルブアクチュエータ４１ｂにより開閉される。
【００３２】
排気通路３０は、エンジン本体１の各排気ポート８に繋がるように設けられている。排気通路３０には、上流側から順に、小型タービン５４、大型タービン６４、触媒装置９０が設けられている。
【００３３】
前記のように、小型タービンホイール５４１は、排気のエネルギーを受けて小型コンプレッサホイール５２１を回転駆動する。また、大型タービンホイール６４１は、排気のエネルギーを受けて大型コンプレッサホイール６２１を回転駆動する。
【００３４】
大型タービンホイール６４１は、複数の翼を有しこれら翼に排気が衝突することで回転するインペラである。また、大型タービン６４は、図２に示すように、ＶＧＴ（Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｇｅｏｍｅｔｒｙ  Ｔｕｒｂｉｎｅ）であり、大型タービンホイール６４１の周囲には、角度変更可能な複数のノズルベーン６４ｂが設けられているとともに、各ノズルベーン６４ｂと連携されたロッド６４ｃと、ロッド６４ｃを進退駆動することにより各ノズルベーン６４ｂの角度を変更するベーンアクチュエータ６４ｄとが設けられている。ベーンアクチュエータ６４ｄおよびロッド６４ｃによってノズルベーン６４ｂが閉方向（隣接するノズルベーン６４ｂどうしの距離を狭める方向）に駆動されると、大型タービンホイール６４１に流入する排気の流路の面積は小さくなり大型タービンホイール６４１に流入する排気の流速が増大する。
【００３５】
このように、本実施形態では、各ノズルベーン６４ｂと、ロッド６４ｃと、ベーンアクチュエータ６４ｄとが、大型タービンホイール６４１に流入する排気の流路面積を変更してこの排気の流速を変更可能な排気流速変更手段として機能する。
【００３６】
一方、小型タービン５４には、前記のようなベーンは設けられておらず、流入する排気の流速を変更不能な、いわゆる、ＦＧＴ（Ｆｉｘｅｄ  Ｇｅｏｍｅｏｒｙ  Ｔｕｒｂｉｎｅ）である。
【００３７】
排気通路３０には、小型タービン５４をバイパスする排気側バイパス通路１３２、すなわち、小型タービン５４を迂回して排気を下流側に流す排気側バイパス通路１３２が設けられている。具体的には、排気側バイパス通路１３２は、小型タービン５４よりも上流側の部分と、排気通路３０のうち小型タービン５４と大型タービン６４との間の部分とを連通している。
【００３８】
排気側バイパス通路１３２には、これを開閉する排気バイパス弁４４ａが設けられている。排気バイパス弁４４ａが全閉の状態（排気側バイパス通路１３２を閉鎖している状態）では、排気の全量（後述するようにＥＧＲガスの還流が実施されている場合は、エンジン本体１から排出された排気からこのＥＧＲガスを除いたガスの全量）が、小型タービン５４に流入する。一方、排気バイパス弁４４ａが開弁している状態では、排気の多くは小型タービン５４をバイパスして下流側に流れる。すなわち、小型タービン５４は排気の流通に対して抵抗となるため、排気バイパス弁４４ａが開弁している状態では、排気の多くはより抵抗の小さい排気側バイパス通路１３２を通り、小型タービン５４を通過せずに下流側に流れる。
【００３９】
排気バイパス弁４４ａは、電動式のバルブアクチュエータ４４ｂによって開閉される。後述するように、排気バイパス弁４４ａは、運転条件に応じて全閉から全開の間でその開度が変更されるようになっており、電動式のバルブアクチュエータ４４ｂにより駆動されることで、その開度が適切に制御される。
【００４０】
ここで、特許文献１のような従来の装置では、タービンを通過させずに排気を外部に排出するためのウエストゲート用通路と、これを開閉するウエストゲートバルブが設けられているが、本実施形態では、これら通路およびバルブは設けられておらず、排気の全量が常に大型タービン６４に流入する。すなわち、本実施形態に係るエンジンシステムでは、エンジン本体１から排出された排気は必ず大型タービン６４を通って外部に排出されるようになっている。
【００４１】
ＥＧＲ装置８０は、エンジン本体１から排出された排気の一部（ＥＧＲガス）を吸気に還流させるための装置である。
【００４２】
ＥＧＲ装置８０は、排気通路３０と吸気通路２０とをそれぞれ連通する第１ＥＧＲ通路８１および第２ＥＧＲ通路８４と、これらをそれぞれ開閉する第１ＥＧＲバルブ８２および第２ＥＧＲバルブ８５とを有する。第１ＥＧＲ通路８１には、ＥＧＲクーラ８３が設けられており、ＥＧＲガスは第１ＥＧＲ通路８１の通過途中にＥＧＲクーラ８３により冷却されて、その後、吸気通路２０に流入する。一方、第２ＥＧＲ通路８４にはＥＧＲクーラは設けられておらず、第２ＥＧＲ通路８４の通過時は、ＥＧＲガスは高温のまま吸気通路２０に流入する。
【００４３】
第１ＥＧＲ通路８１および第２ＥＧＲ通路８４は、排気通路３０のうち排気側バイパス通路１３２の上流端よりも上流側の部分と、吸気通路２０のうちスロットルバルブ２３よりも下流側の部分とを連通しており、各ＥＧＲ通路８１，８４には、各タービン５４，６４に流入する前の排気が導入される。
【００４４】
（２）制御内容
次に、図３を用いて、エンジンの制御系について説明する。本実施形態のエンジンシステムは、車両に搭載されたＥＣＵ（エンジン制御ユニット、制御手段）５００によって制御される。ＥＣＵ５００は、周知のとおり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｆ等から構成されるマイクロプロセッサである。
【００４５】
ＥＣＵ５００には、各種センサからの情報が入力される。例えば、ＥＣＵ５００は、クランクシャフト１５の回転数すなわちエンジンの回転数を検出するためのエンジン回転数センサＳＮ１、各気筒２に導入される吸気量を検出するためのエアフローセンサＳＮ２、車両に設けられて運転者により操作されるアクセルペダル（不図示）の開度を検出するアクセル開度センサＳＮ３等と電気的に接続されており、これらのセンサからの入力信号を受け付ける。
【００４６】
ＥＣＵ５００は、各センサＳＮ１〜ＳＮ３からの入力信号等に基づいて種々の演算等を実行し、吸気バイパス弁４１ａ、排気バイパス弁４４ａ、ＶＧＴのノズルベーン６４ｂすなわち大型タービン６４の周囲に設けられたノズルベーン６４ｂ、およびその他のエンジンの各部（第１ＥＧＲ弁８２、第２ＥＧＲ弁８５、スロットルバルブ２３等）にそれぞれ制御信号を出力する。
【００４７】
具体的には、ＥＣＵ５００は、各バイパス弁４１ａ，４４ａを駆動するバルブアクチュエータ４１ｂ，４４ｂにそれぞれ指令を出してこれら弁４１ａ，４４ａを開閉させる。本実施形態では、吸気バイパス弁４１ａは、全閉と全開とに切り替えられる。一方、排気バイパス弁４４ａの開度は、全閉から全開までの間の各開度に変更される。
【００４８】
また、ＥＣＵ５００は、ノズルベーン６４ｂを駆動するベーンアクチュエータ６４ｄに指令を出して、ノズルベーン６４ｂの開度であるＶＧＴ開度を変更する。
【００４９】
ここで、ＶＧＴ開度は、その値が大きいほど大型タービンホイール６４１の各翼に向かう排気の流路面積が大きくなり、その値が小さいほどこの流路面積が小さく絞られるようになるパラメータである。なお、エンジン本体２の稼働中において、ＶＧＴ開度は全閉とされることはなく、全閉よりも開き側に設定された最小開度と全開との間で変更される。
【００５０】
また、ＥＣＵ５００は、各ＥＧＲ弁８２，８５をそれぞれ駆動するアクチュエータ（不図示）にそれぞれ指令を出して、これらＥＧＲ弁８２，８５の開度を変更させる。同様に、ＥＣＵ５００は、スロットルバルブ２３を駆動するアクチュエータ（不図示）に指令を出して、スロットルバルブ２３の開度を変更させる。
【００５１】
ＥＣＵ５００による、各バイパス弁４１ａ、４４ａ、ＶＧＴ開度の制御内容について図４のフローチャート、および図５を用いて説明する。図５は、横軸をエンジン回転数、縦軸をエンジン負荷として、バイパス弁４１ａ、４４ａ等の制御領域を示したものである。
【００５２】
図４に示すように、ＥＣＵ５００は、ステップＳ１にて、エンジン回転数、アクセル開度等を読み込む。そして、その後、ステップＳ２に進む。
【００５３】
ステップＳ２では、エンジン回転数が予め設定された第２基準回転数Ｎ２未満か否かを判定する。図５に示すように、第２基準回転数Ｎ２は、比較的低い値であり、ステップＳ２では、エンジン回転数が第２基準回転数Ｎ２未満の低回転数領域Ａ１か否かを判定する。本実施形態では、第２基準回転数Ｎ２は、エンジン負荷が高くなるほど小さい値になるように設定されている。
【００５４】
ステップＳ２の判定がＹＥＳであって、エンジン回転数が第２基準回転数Ｎ２未満であって低回転数領域Ａ１で運転がなされている場合は、ステップＳ３に進む。そして、ステップＳ３にて、ＶＧＴ開度を最小開度にする。
【００５５】
ステップＳ３の後はステップＳ４に進む。ステップＳ４では、エンジン負荷が予め設定された第２基準負荷Ｔ２未満か否かを判定する。すなわち、ステップＳ４では、図５に示すように、エンジン回転数が第２基準回転数Ｎ２未満かつエンジン負荷が第２基準負荷Ｔ２未満の低速低負荷領域Ａ１＿ａであって排気流量が所定値より小さい領域であるか否かを判定する。本実施形態では、第２基準負荷Ｔ２は、比較的低い値であってエンジン回転数によらず一定の値に設定されている。
【００５６】
ステップＳ４の判定がＹＥＳであって、エンジン負荷が第２基準負荷Ｔ２未満であり低速低負荷領域Ａ１＿ａで運転がなされている場合は、ステップＳ５に進む。ステップＳ５では、吸気バイパス弁４１ａを全閉にする。また、ステップＳ５の後はステップＳ６に進み、排気バイパス弁４４ａを全閉にして、処理を終了する（ステップＳ１に戻る）。
【００５７】
このように、低速低負荷領域Ａ１＿ａでは、ＶＧＴ開度が最小開度とされる。そして、これにより、大型タービンホイール６４１に流入する排気の流速が最大とされて大型コンプレッサ６２の過給力が高められる。また、低速低負荷領域Ａ１＿ａでは、吸気バイパス弁４１ａが全閉にされる。これにより、吸気の全量が小型コンプレッサ５２を通過するようになり、この吸気は大型コンプレッサ６２に加えて小型コンプレッサ５２によっても過給された後、エンジン本体１に流入する。また、低速低負荷領域Ａ１＿ａでは、排気バイパス弁４４ａが全閉にされる。これに伴って、エンジン本体１から排出された排気の全量（ＥＧＲガスとして吸気通路２０に還流する量を除く）が小型タービン５４に流入し、これによって小型タービンホイール５４１ひいては小型コンプレッサホイール５２１が回転駆動される。
【００５８】
一方、ステップＳ４の判定がＮＯであって、エンジン負荷が第２基準負荷Ｔ２以上の場合、すなわち、エンジン回転数が第２基準回転数Ｎ２未満かつエンジン負荷が第２基準負荷Ｔ２以上の低速高負荷領域Ａ１＿ｂで運転がなされている場合は、ステップＳ１２に進む。
【００５９】
ステップＳ１２では、吸気バイパス弁４１ａを全閉にする。ステップＳ１２の後は、ステップＳ１３に進む。
【００６０】
ステップＳ１３では、排気バイパス弁４４ａの開度を基本ＲＶ開度にする。基本ＲＶ開度は、運転条件毎に、過給圧が目標の圧力になるように設定された開度であり、この目標の過給圧および基本ＲＶ開度は、エンジン回転数とエンジン負荷とによって予め設定されている。従って、ステップＳ１３では、現在のエンジン回転数とエンジン負荷とに応じて基本ＲＶ開度を決定し、排気バイパス弁４４ａの開度をこの決定した基本ＲＶ開度にして処理を終了する（ステップＳ１）。
【００６１】
このように、本実施形態では、低速高負荷領域Ａ１＿ｂでは、低速低負荷領域Ａ１＿ａと同様に、ＶＧＴ開度が最小開度とされて大型タービンホイール６４１に流入する排気の流速が最大に高められ、かつ、吸気バイパス弁４１ａが全閉とされて吸気の全量が小型コンプレッサ５２に流入してこれにより過給される一方、排気バイパス弁４４ｂは基本ＲＶ開度に設定される。
【００６２】
ステップＳ２に戻り、このステップＳ２での判定がＮＯの場合、すなわち、エンジン回転数が第２基準回転数Ｎ２以上の場合は、ステップＳ１０に進む。そして、ステップＳ１０にて、ＶＧＴ開度を基本ＶＧＴ開度に設定する。基本ＶＧＴ開度は、運転条件毎に、過給圧が目標の圧力になるように設定された開度であり、基本ＶＧＴ開度は、エンジン回転数とエンジン負荷とによって予め設定されている。従って、ステップＳ１０では、現在のエンジン回転数とエンジン負荷とに応じて基本ＶＧＴ開度を決定し、ＶＧＴ開度をこの基本ＶＧＴ開度にする。
【００６３】
ステップＳ１０の後は、ステップＳ１１に進む。ステップＳ１１では、エンジン回転数が第２基準回転数Ｎ２よりも高い値に設定された第１基準回転数Ｎ１未満か否かを判定する。すなわち、ステップＳ１１では、エンジン回転数が第２基準回転数Ｎ２以上かつ第１基準回転数Ｎ１未満の中速領域Ａ２であるか否かを判定する。本実施形態では、図５に示すように、第１基準回転数Ｎ１は、エンジン負荷が高くなるほど小さい値になるように設定されている。
【００６４】
ステップＳ１１の判定がＹＥＳの場合であって中速領域Ａ２で運転がなされている場合は、ステップＳ１２に進む。そして、前記のように、ステップＳ１２にて吸気バイパス弁４１ａを全閉として、その後に進むステップＳ１３にて排気バイパス弁４４ａを基本ＲＶ開度にして、処理を終了する（ステップＳ１に戻る）。
【００６５】
このように、中速領域Ａ２では、吸気バイパス弁４１ａが全閉とされ、これにより、吸気の全量が小型コンプレッサ５２に導入されて、大型コンプレッサ６２と小型コンプレッサ５２とによって過給される。また、過給圧が目標値となるように、ＶＧＴ開度が基本ＶＧＴ開度とされ、かつ、排気バイパス弁４４ｂが基本ＲＶ開度とされる。
【００６６】
一方、ステップＳ１１の判定がＮＯであってエンジン回転数が第１基準回転数Ｎ１以上の場合、すなわち、図５に示すように、エンジン回転数が第１基準回転数Ｎ１以上の高速領域Ａ３で運転がなされている場合は、ステップＳ２１に進む。
【００６７】
ステップＳ２１では、吸気バイパス弁４１ａを全開にする。そして、ステップＳ２１の後に進むステップＳ２２において、排気バイパス弁４４ｂを全開にして、処理を終了する（ステップＳ１に戻る）。
【００６８】
このように、本実施形態では、高速領域Ａ３では、吸気バイパス弁４１ａが全開とされて、吸気のほぼ全量は小型コンプレッサ５２を通らずにエンジン本体１に導入される。また、排気バイパス弁４４ａが全開とされて、排気の全量（ＥＧＲガスを除く量）が、小型タービン５４を通らずに大型タービン６４に直接導入される。これに伴って、吸気は大型コンプレッサ６２によってのみ過給される。また、高速領域Ａ３では、ＶＧＴ開度が基本ＶＧＴ開度とされ、これにより、過給圧が目標の圧力に制御される。
【００６９】
以上のように、本実施形態では、図６に示すように、エンジン回転数が第１基準回転数Ｎ１未満の領域（低速領域Ａ１、中速領域Ａ２）では、吸気バイパス弁４１ａは全閉とされる。一方、高速領域Ａ３では、吸気バイパス弁４１ａは全開とされる。
【００７０】
また、図７に示すように、低速低負荷領域Ａ１＿ａでは、排気バイパス弁４４ａは全閉とされる。一方、高速領域Ａ３では、排気バイパス弁４４ａは全開とされる。また、その他の領域Ａ１０では、排気バイパス弁４４ａは基本ＲＶ開度とされる。
【００７１】
ここで、基本ＲＶ開度は、例えば、エンジン負荷およびエンジン回転数が高くなるほど大きくなるように設定されている。
【００７２】
なお、基本ＲＶ開度は、低速低負荷領域Ａ１＿ａおよび高速領域Ａ３を除く領域Ａ１０のうち第１基準回転数Ｎ１近傍の領域において全開とされてもよい。
【００７３】
また、図８に示すように、低速領域Ａ１では、ＶＧＴ開度は最小開度とされる。一方、中速領域Ａ２および高速領域Ａ３では、ＶＧＴ開度は基本ＶＧＴ開度とされる。ここで、基本ＶＧＴ開度は、例えば、エンジン負荷およびエンジン回転数が高くなるほど大きい値（開き側の値）とされる。
【００７４】
なお、過給圧の目標値である目標過給圧は、各エンジン回転数でエンジン負荷が高くなるほど高い値に設定される。そして、本実施形態では、図９に示すように、全負荷領域Ｃ（図５参照）付近において、目標過給圧は、エンジン回転数が高いほど高くされる。より詳細には、低速領域Ａ１および中速領域Ａ２では、エンジン回転数が高くなるほど目標過給圧は高くされ、高速領域Ａ３では、目標過給圧はエンジン回転数によらず一定であって中速領域Ａ２における目標過給圧の最大値と同じ値とされる。
【００７５】
（３）作用等
以上のように、本実施形態では、下流側に位置する大型タービン６４をバイパスする通路が設けられず、大型タービン６４には、エンジン本体１から排出された排気の全量（ＥＧＲガスを除く量）が常に大型タービン６４に流入して、大型タービンホイール６４１を駆動するようになっている。
【００７６】
従って、排気のエネルギーによって常に大型ターボ過給機６０に過給を行わせることができ、大型タービン６４をバイパスして排気を外部に排出する場合に比べて、過給圧をより一層高くし、かつ、排気の持つエネルギーの回収効率を高めて、エンジンシステム全体でのエネルギー効率を高めることができる。
【００７７】
ここで、このように大型タービン６４に常に排気の全量を導入するよう構成した場合には、高排気流量下での大型タービン６４の効率を確保するために大型タービン６４の容量および大型ターボ過給機６０の容量を十分に大きくする必要がある。しかしながら、単純にタービン容量を大きくしただけでは、同時に大型タービンホイール６４１のイナーシャが大きくなるため、また、排気流量が小さい低速低負荷領域Ａ１＿ａにおいて大型タービンホイール６４１に流入する排気の流速が低くなるため、大型タービンホイール６４１の回転数の上昇が遅くなって過給性能が悪化するおそれがある。
【００７８】
これに対して、本実施形態では、大型タービン６４がＶＧＴとされている。そして、低速低負荷領域Ａ１＿ａでは、ＶＧＴ開度が小さくされて大型タービンホイール６４１に流入する排気の流速が高められるようになっている。そのため、低速低負荷領域Ａ１＿ａにおいても大型ターボ過給機６０による過給力を高くすることができる。
【００７９】
しかも、本実施形態では、大型ターボ過給機６０に加えて小型ターボ過給機５０が設けられるとともに、小型コンプレッサ５２および小型タービン６２をそれぞれバイパスする通路（吸気側バイパス通路１２２、排気側バイパス通路１３２）が設けられている。そして、低速低負荷領域Ａ１＿ａにおいて、排気バイパス弁４４ａおよび吸気バイパス弁４１ａが閉弁されて、これにより小型ターボ過給機５０によっても過給が行われるようになっている。そのため、低速低負荷領域Ａ１＿ａにおいて過給圧をより確実に高くすることができる。すなわち、小型タービンホイール５４１はイナーシャが小さいため、排気流量が小さくても早期に回転が上昇し過給圧を高めることができる。従って、前記のように低速低負荷領域Ａ１＿ａにおいて小型ターボ過給機５０によっても過給を行うことで過給圧をより一層確実に高めることができる。
【００８０】
また、本実施形態では、前記のように大型ターボ過給機６０の容量を大きくすることで、排気流量が大きい領域、具体的には、高速領域Ａ３のうちエンジン負荷の高い領域において、大型ターボ過給機６０によってこの高い流量の排気を効率よく利用して吸気を過給することができる。そのため、この領域の過給圧を高めることができる。すなわち、図９に示すように、高速領域Ａ３の過給圧の目標値の最大値を低速領域Ａ１における過給圧の目標値の最大値以上に設定して、これを実現することが可能となる。従って、エンジンの最大出力を高くすることができる。
【００８１】
また、本実施形態では、前記のように排気の持つエネルギーの回収効率を高め、かつ、過給圧を高めながら、ＥＧＲガス量を確保することができる。
【００８２】
すなわち、前記のように、ＥＧＲ通路８１，８４を、排気通路３０のうち小型タービン５２よりも上流側の部分であって排気圧力の高い部分と吸気通路２０とを連通するように構成すれば、ＥＧＲ通路８１，８４の入口と出口の圧力差を大きくしＥＧＲガス量を多くすることができる。ただし、このように構成した場合には、加速時等において、大型タービン６４および小型タービン５４に流入する排気の量が少なくなるおそれがある。
【００８３】
これに対して、本実施形態では、前記のように、各タービン５４，６４に流入する排気の流量が小さい場合であっても、効率よく排気のエネルギーを過給に利用して過給圧を適切に高めることができる。従って、ＥＧＲガス量を確保して排気性能を高めながら（例えば、ＮＯｘ排出量を低減しながら）、過給圧を高めることができる。
【００８４】
（４）変形例
前記実施形態では、エンジン本体がディーゼルエンジンの場合について説明したが、エンジン本体は他のエンジンであってもよい。
【００８５】
また、過給圧の目標値の設定は、図９に示した例に限らない。
【００８６】
また、前記実施形態では、高速領域Ａ３の全域で、吸気バイパス弁４１ａおよび排気バイパス弁４４ａを全開にした場合について説明したが、高速領域Ａ３のうち、エンジン負荷が予め設定された第１基準負荷Ｔ１（図５参照）以上の高速高負荷領域においてのみ、これらバイパス弁４１ａ，４４ａを全開にするようにしてもよい。
【００８７】
また、前記実施形態では、高速領域Ａ３において、バイパス弁４１ａ，４４ａを全開にした場合について説明したが、具体的な開度はこれに限らず、吸気側バイパス通路１２２および排気側バイパス通路１４２に、吸気および排気のほぼ全量が流通するような開度であればよい。また、同様に、前記実施形態においてこれらバイパス弁４１ａ，４４ａを全閉とした場合において、これに代えてこれらバイパス弁４１ａ，４４ａの開度を所定量開いた開度としてもよい。すなわち、吸気側バイパス通路１２２および排気側バイパス通路１４２を吸気および排気が実質的に流通しない開度であればよい。
【００８８】
また、基本ＲＶ開度、基本ＶＧＴ開度、過給圧の目標値の具体的な設定は前記に限らない。例えば、前記実施形態では、低速領域Ａ１にてＶＧＴ開度を最小開度とした場合について説明したが、低速領域Ａ１でのＶＧＴ開度は全開よりも小さい開度であればよく、最小開度よりも大きい開度であってもよい。また、低速高負荷領域Ａ１＿ｂにおいて、排気バイパス弁４４ｂを全閉にしてもよい。
【符号の説明】
【００８９】
１  エンジン本体
２０  吸気通路
３０  排気通路
４１ａ  吸気バイパス弁
４４ａ  排気バイパス弁
５０  小型ターボ過給機
５２  小型コンプレッサ
５４  小型タービン
６０  大型ターボ過給機
６２  大型コンプレッサ
６４  大型タービン
１２２  吸気側バイパス通路
１３２  排気側バイパス通路
５２１  小型コンプレッサホイール
５２２  小型コンプレッサケース
５４１  小型タービンホイール
５４２  小型タービンケース
６２１  大型コンプレッサホイール
６２２  大型コンプレッサケース
６４１  大型タービンホイール
６４２  大型タービンケース
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0006439731.tif 000008
【図８】
0006439731.tif 000009
【図９】
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