(57)【要約】    【課題】高圧段ターボチャージャと低圧段ターボチャージャを備えたシーケンシャルタイプの２段式過給システムにおいて、中速・中負荷運転時において、きめ細かなＥＧＲ率制御や空燃比制御を行うことができる内燃機関の２段式過給システムを提供する。    【解決手段】高圧段タービン６ｔをバイパスする高圧段排気バイパス通路６ｄ、６ｅを小径バルブ６ｆを備えた第１バイパス通路６ｄと前記小径バルブ６ｆよりも径の大きい大径バルブ６ｇを備えた第２バイパス通路６ｅで形成した内燃機関の２段過給システム１において、前記小径バルブ６ｆの弁有効面積を、排気ガスが最大総流量の時における必要通路断面積に対して９．５％〜２６．５％とする。    【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の吸気通路の上流側から順に低圧段ターボチャージャの低圧段コンプレッサと高圧段ターボチャージャの高圧段コンプレッサを設けると共に、排気通路の上流側から順に前記高圧段ターボチャージャの高圧段タービンと前記低圧段ターボチャージャの低圧段タービンを設け、前記高圧段コンプレッサをバイパスする高段圧吸気バイパス通路と、前記高圧段タービンをバイパスする高段圧排気バイパス通路とを設け、該高段圧排気バイパス通路を小径バルブを備えた第１バイパス通路と前記小径バルブよりも径の大きい大径バルブを備えた第２バイパス通路で形成した内燃機関の２段過給システムにおいて、前記小径バルブの弁有効面積を、排気ガスが最大総流量の時における必要通路断面積に対して９．５％〜２６．５％とすることを特徴とする内燃機関の２段過給システム。
【請求項２】
前記高段圧排気バイパス通路の前記小径バルブを、アーム付スイング型開閉弁で形成し、ＥＧＲ率を最小とするときのアームの角度である弁開度を１５度〜２０度とすることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の２段過給システム。
【請求項３】
前記小径バルブの前記アームの弁開度が１５度〜２０度でバルブ全開状態に至ることを特徴とする請求項２記載の内燃機関の２段過給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＥＧＲ率も空燃比をきめ細かく制御できる高圧段ターボチャージャと低圧段ターボチャージャを備えた内燃機関の２段過給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の過給に関しては、排気ターボチャージャの作動領域を拡大することを目的に、ウェストゲートターボチャージャ、可変容量ターボチャージャ等が開発されてきている。しかし、一つの過給器で内燃機関の広範囲の回転域における高圧力比（高過給圧）を得ようとする場合には、ターボチャージャの特性上から作動効率が低下するため、また、サージが起こり易くなり作動流量の範囲が減少するため、この高圧力比化には限界があった。
【０００３】
そのため、多段昇圧および過給器作動効率改善による高過給圧化を目的にした２段過給システムが使用されている。この２段過給システムでは、２個の過給器を直列２段配置とし、吸気を低圧段と高圧段の２段階に分けて昇圧して、各単段階での上昇圧力比を減少させることにより、作動効率の改善を図っている。
【０００４】
この２段過給システムの一つは、シリーズタイプの２段過給システムであるが、このシステムでは、基本的には低圧段と高圧段の両段を同時使用することが前提であり、高圧段排気タービンについて、排気ガスの流量調整による作動制御を行う必要がない。
【０００５】
このシステムで、運転範囲が広いレシプロタイプの内燃機関に、作動範囲の狭い排気ターボ過給器を組み合わせる場合には、この両者の特性から特定の運転領域でしか効果的な過給を行うことができないため、内燃機関の出力点に合わせて排気タービンのマッチングをしている。
【０００６】
しかしながら、内燃機関の運転状態が低速・低負荷領域にある場合には、排気圧や排気流量が不足するという問題や、ターボチャージャの容量が大き過ぎるために、ターボチャージャが十分に作動せずに、高過給圧（高ブースト）が得られなかったり、応答遅れが大きくなったりするという問題がある。
【０００７】
もう一つの２段過給システムは、シーケンシャルタイプの２段過給システムである。このシステムは、容量が大きく異なる２つのターボチャージャを直列に配置すると共に、内燃機関の運転状態に応じて適切な過給器を選択できるようにバイパスを設けて、過給システムとしての作動領域の拡大を図っている。
【０００８】
このシステムは、シリーズタイプの２段過給システムとは異なり、高速回転・高負荷領域にある時に、この運転領域に適合した大容量の低圧段ターボチャージャを使用して、従来技術の単段過給システムと同等以上の過給を行い、一方、低速回転〜中速回転においては、低圧段ターボチャージャを使用せずに小容量の高圧段ターボチャージャを使用して過給を行う。
【０００９】
このシステムでは、低圧段ターボチャージャと高圧段ターボチャージャの容量に大きな差を持たせることで、シリーズタイプの２段過給システムでは、過給困難となるような運転領域でも、過給を行うことができる。
【００１０】
このシステムにおいては、全負荷運転状態において、容量の小さい高圧段タービンを作動させると排圧の上昇を招くため、運転状態によっては排気ガスの全量を、高圧段タービンをバイパスさせて低圧段タービンに流す必要がある。そのため、運転状態に応じて低圧段ターボチャージャと高圧段ターボチャージャを切り替えて使用する。
【００１１】
このシステムでは、低速・低負荷運転では、小流量の高圧段のターボを用いることにより、高過給及び高ＥＧＲ率を実現し、低ＮＯｘ及び低煤燃焼を実現し、また、小慣性のタービンとなることにより、高レスポンスとなるため加速時のターボラグが無くなり、ドライバビリティも向上する。また、高速・高負荷運転では、シーケンシャルタイプと同等サイズの低圧段のターボに切り替えて使用することにより、エンジンの性能が悪化するのを回避する。
【００１２】
しかしながら、内燃機関の運転状態が、低速回転領域にある場合は、必要な過給圧を得るために排気ガスの全量を高圧段タービンに送る必要があり、また、中速回転領域にある場合は、低圧段ターボチャージャ及び高圧段ターボチャージャの両段を使用して過給を行うため、高圧段と低圧段の両タービンに送る排気ガスの流量を正確に制御する必要がある。
【００１３】
そのため、このシステムでは、高段圧排気バイパス通路とこのバイパス通路に流量制御用のバイパス弁を設ける。このバイパス弁には、排気ガスの流量が大流量となる運転状態において、排圧の上昇を招かずに排気ガスの全量を流せる流量特性を持ちつつ、一方、排気ガスの流量が小流量〜中流量となる運転状態において、高圧段タービンの排気ガスの流れを制御できることが要求される。
【００１４】
しかし、高段圧排気バイパス通路には、８００℃にもなる高温の排気ガスが流れるため、高速・高負荷運転時の大流量の排気ガスの流通を確保しながら、同時に低速・低負荷運転時の微小のガス量を制御できる流量制御用のバイパス弁は技術的に非常に難しく、シーケンシャルタイプの２段過給システムにおいて、内燃機関の運転状態に応じて、高圧段タービンに流れる排気ガスの流量を精度良く制御して、各運転状態において適切な過給を行うことが難しいという問題がある。
【００１５】
この対策として、２段ターボ過給エンジンにおいて、高圧段ターボチャージャの排気タービンを迂回する排気バイパス通路に弁径が大小異なる主副２個のバイパス弁を並設し、小径の副バイパス弁は、エンジンの低中速域において高圧段コンプレッサの出口側圧力の変化に応じて弁開度が調整されてその圧力を目標値に制御すると共に、大径の主バイパス弁は、エンジンの高速域において低圧段コンプレッサの出口側圧力が目標値に達したのち一気に全開して低圧段ターボチャージャによる一段過給に切り替える二段ターボ過給エンジンの過給圧制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【００１６】
この構成により、次のような効果を奏するとしている。副バイパス弁の微細な開閉作動によって圧力を目標値に正確に合わせることができ、大径の主バイパス弁による調圧作用のように、ハンチングなどによる圧力変動を防止できる。低圧段コンプレッサの出力側圧力が目標値に達したときは、主バイパス弁を一気に全開位置に移動させて一段過給に切換えるというように、主副のバイパス弁に、それぞれふさわしい役割を分担させてあるので、調圧や切換えの作動が円滑・確実に行われる。
【００１７】
しかしながら、二段ターボ過給エンジンの過給圧制御装置においては、大径の主バイパス弁と小径の副バイパス弁との好適な寸法などが示されておらず、これらの情報だけでは、実用的な排気ガスの流量制御を行うことができない。
【００１８】
例えば、２段ターボ過給エンジンにおいて、ＥＧＲを行う場合には、空燃比（Ａ／Ｆ）は、０．１以下の範囲で、ＥＧＲ率は１％以下の小さい範囲で制御される。そのため、全負荷時の最大排気ガス流量を問題なくバイパスさせるのみ必要なバルブ開口有効面積を、大小適当な比率で構成すると、微小角度域での制御の精度が悪くなり、きめ細かなＥＧＲ率制御や空燃比制御を行うことができないという問題がある。
【特許文献１】特開昭６１−２７７８１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、高圧段ターボチャージャと低圧段ターボチャージャを備えたシーケンシャルタイプの２段式過給システムにおいて、中速・中負荷運転時において、高圧段ターボチャージャと低圧段ターボチャジャの両方を使用すると共に、高圧段ターボチャージャをバイパスする排気ガスの流量を精度良く調整制御できて、きめ細かなＥＧＲ率制御や空燃比制御を行うことができる内燃機関の２段式過給システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記のような目的を達成するための２段式過給システムは、内燃機関の吸気通路の上流側から順に低圧段ターボチャージャの低圧段コンプレッサと高圧段ターボチャージャの高圧段コンプレッサを設けると共に、排気通路の上流側から順に前記高圧段ターボチャージャの高圧段タービンと前記低圧段ターボチャージャの低圧段タービンを設け、前記高圧段コンプレッサをバイパスする高段圧吸気バイパス通路と、前記高圧段タービンをバイパスする高段圧排気バイパス通路とを設け、該高段圧排気バイパス通路を小径バルブを備えた第１バイパス通路と前記小径バルブよりも径の大きい大径バルブを備えた第２バイパス通路で形成した内燃機関の２段過給システムにおいて、前記小径バルブの弁有効面積を、排気ガスが最大総流量の時における必要通路断面積に対して９．５％〜２６．５％とするように構成される。
【００２１】
この９．５％〜２６．５％の値は、図２から導かれたものである。この図２では、バルブ直径を横軸に、この時の、ＥＧＲ率と空燃比の変化量をそれぞれの最大変化量で割って規格化した値（◇：菱形）を示し、また、ＥＧＲ率と空燃比がそれぞれ最小になる弁開度（□：四角）を示している。この図２より、ＥＧＲ率と空燃比の両方を決め細かく制御できる、バルブ直径の範囲を求めると、１３ｍｍφ〜２２ｍｍφとなるが、この範囲の小径バルブ６ｆの弁有効面積は、排気ガスが最大総流量の時における必要通路断面積に対して９．５％〜２６．５％となる。なお、この図２の導入に関しては後述する。
【００２２】
この構成によれば、小径バルブの弁有効面積を９．５％〜２６．５％にすることにより、空燃比制御とＥＧＲ率制御を共に細かく制御できるようになる。この小径バルブの弁有効面積が、９．５％より小さいと、弁開度に対する空燃比（Ａ／Ｆ）の変化量が減少して、空燃比の制御範囲が狭くなり、なお、且つ、空燃比が最小となる弁開度が減少するので制御性が悪くなる。また、２６．５％より大きいとＥＧＲが最小となる弁開度が減少して、バルブ開度に対する制御性が少なくなり、制御性が悪化する。
【００２３】
更に、上記の内燃機関の２段過給システムにおいて、前記高段圧排気バイパス通路の前記小径バルブを、アーム付スイング型開閉弁で形成し、ＥＧＲ率を最小とするときのアームの角度である弁開度を１５度〜２０度とするように構成される。
【００２４】
このアーム付スイング型開閉弁で形成することにより、高温ガスに対する耐久性を高めることができる。それと共に、バイパス弁の大きさを小さくすることができるので、エンジン内のバルブの配置がし易くなる。
【００２５】
また、上記の内燃機関の２段過給システムにおいて、前記小径バルブの前記アームの弁開度が１５度〜２０度でバルブ全開状態に至るように構成される。この構成により、小径バルブにおける排気ガス流量をきめ細かく精度良く行うことができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明に係る２段式過給システムによれば、高段圧排気バイパス通路を小径バルブを備えた第１バイパス通路と小径バルブよりも径の大きい大径バルブを備えた他の一つ以上のバイパス通路との複数のバイパス通路で形成し、小径バルブの弁有効面積を、排気ガスが最大総流量の時における必要通路断面積に対して９．５％〜２６．５％としているので、この構成により、バイパスバルブを閉めると高圧段タービン入口の圧力が上がりＥＧＲ率が高くなり、バイパスバルブを開けるとＥＧＲ率が低くなるので、空燃比制御とＥＧＲ率制御を共に細かく制御できるようになる。
【００２７】
従って、高圧段ターボチャージャと低圧段ターボチャージャを備えた２段式過給システムにおいて、内燃機関の運転状態に応じて、高圧段タービンに流れる排気ガスの流量を精度良く制御して、各運転状態において適切な過給を行うことが容易にできる。
【００２８】
これにより、高速・高負荷運転時には、排気ガスの全流量を高圧段タービンをバイパスして低圧段タービンに流して、ポンピング損失を増やすことなく過給できると共に、中速・中負荷運転時には、高圧段ターボチャージャと低圧段ターボチャジャを共に使用して、バイパス弁の制御によりＥＧＲ率と空燃比をきめ細かく制御しながら過給でき、また、低速・低負荷運転時には高圧段タービンに流れる排気ガスの流量をきめ細かく制御して過給できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関の２段過給システムについて、図面を参照しながら説明する。
【００３０】
図１に示すように、この２段過給システム１０では、エンジン（内燃機関）１の吸気通路３の上流側から順に低圧段ターボチャージャ５の低圧段コンプレッサ５ｃと高圧段ターボチャージャ６の高圧段コンプレッサ６ｃを設けると共に、排気通路４の上流側から順に高圧段ターボチャージャ６の高圧段タービン６ｔと低圧段ターボチャージャ５の低圧段タービン５ｔを設ける。
【００３１】
また、低圧段ターボチャージャ５には、低圧段タービン５ｔをバイパスするための低圧段排気バイパス通路５ａを設け、この低圧段排気バイパス通路５ａには、流れるガス量を制御するためのウェストゲートバルブ５ｂを取り付ける。
【００３２】
また、高圧段ターボチャージャ６には、吸気系においては、高圧段コンプレッサ６ｃをバイパスさせる高圧段吸気バイパス通路６ａを設け、この高圧段吸気バイパス通路６ａには、流れるガス量を制御するための高圧段吸気バイパス弁６ｂを取り付ける。
【００３３】
更に、排気系においては、高圧段タービン６ｔをバイパスさせる高圧段排気バイパス通路６ｄ，６ｅを設け、この高圧段排気バイパス通路６ｄ，６ｅには、流れるガス量を制御するための高圧段排気バイパス弁６ｆ，６ｇを取り付ける。
【００３４】
即ち、高段圧排気バイパス通路６ｆ，６ｇを小径バルブ６ｆを備えた第１バイパス通路６ｄと小径バルブ６ｆよりも径の大きい大径バルブ６ｇを備えた第２バイパス通路６ｅとで形成する。
【００３５】
そして、ＥＧＲに関して、ＥＧＲ弁１２とＥＧＲクーラ１３を備えたＥＧＲ通路１１を、高圧段タービン６ｔとエンジン本体２との間の排気通路４と、高圧段コンプレッサ６ｃとエンジン本体２との間の吸気通路３とを接続して設ける。このＥＧＲ通路１１により、高圧段タービン６ｔ上流の排気通路４から、高圧段コンプレッサ６ｃ下流の吸気通路３へ、ＥＧＲ弁１２とＥＧＲクーラを経由してＥＧＲガスＧｅを導入する。
【００３６】
そして、本発明においては、高圧段排気バイパス通路の第１バイパス通路６ｄの小径バルブ６ｆの弁有効面積を、排気ガスが最大総流量の時における必要通路断面積に対して９．５％〜２６．５％とするように構成する。つまり、第１バイパス通路６ｄの小径バルブ６ｆの弁有効面積を、小径バルブ６ｆの弁有効面積と大径バルブ６ｇの弁有効面積との９．５％〜２６．５％とするように構成する。この構成により、空燃比制御とＥＧＲ率制御を共に細かく制御できるようになる。
【００３７】
また、これらの小径バルブ６ｆと大径バルブ６ｇをアーム付スイング型開閉弁で形成し、ＥＧＲ率が最小となる時のアームの角度を１５度〜２０度とするように構成する。この構成により、バイパス弁を耐熱性に優れたものとすることができ、しかも、バイパス弁の大きさを小さくすることができるので、エンジン内のバルブの配置がし易くなる。
【００３８】
また、小径バルブ６ｆのアームの開度が１５度〜２０度でバルブ全開状態に至るように構成される。この構成により、小径バルブにおける排気ガス流量をきめ細かく精度良く行うことができる。なお、大径バルブ６ｇはきめ細かい流量制御を行わないので、全閉から全開に移行できればよい。
【００３９】
そして、エンジン１０の運転状態が低速・低負荷時の予混合燃焼には高段圧排気バイパス通路６ｄ，６ｅの全てのバルブ６ｆ，６ｇを閉弁し、中速・中負荷時は小径バルブ６ｆ以外の大径バルブ６ｇを閉弁して小径バルブ６ｆを徐々に開弁し、高速・高負荷時の通常燃焼（拡散燃焼）時は全てのバルブ６ｆ、６ｇを開弁する制御を行う。
【００４０】
図３〜図５にエンジンの運転状態を示すエンジン回転数とトルクに対する排気ガスの流量を模式的に示す。図３に示すように、低速・低負荷時で排気ガスの流量が少ないときは高圧段ターボチャージャの作動領域となり、高速・高負荷時で排気ガスの流量が多いときは低圧段ターボチャージャの作動領域となる。
【００４１】
そして、図４及び図５に示すように、この高圧作動領域から低圧段作動領域に移行する部分に、中速・中負荷時のバイパス弁開度制御領域（ハッチング部分）が設けられる。このバイパス弁開度制御領域では、大径バルブ６ｇを閉弁して第２バイパス通路６ｅを閉鎖し、小径バルブ６ｆを排気ガス量の増加に伴って徐々に開弁し、第１バイパス通路６ｄを使用して高圧段ターボチャージャの作動領域から徐々に低圧段ターボチャジャの作動領域に移行する。
【００４２】
なお、図４は、乗用車、小型乗用車等の低圧段と高圧段のタービンの容量比が４０％〜６０％である場合の作動領域を示し、図５は大型トラック等の低圧段と高圧段のタービンの容量比が８０％である場合の作動領域を示す。
【００４３】
一方、エンジンの運転条件が低速・低負荷〜中速・中負荷運転領域にある場合は、高圧段吸気バイパス弁６ｂを閉弁し、吸気を高圧段コンプレッサ６ｃに流して、低圧段コンプレッサ５ｃと２段で過給を行う。
【００４４】
また、エンジンの運転条件が高速・高負荷運転領域にある場合は、高圧段吸気バイパス弁６ｂを開弁し、吸気を高圧段吸気バイパス通路６ａに流して、高圧段コンプレッサ６ｃをバイパスさせる。この場合には、低圧段コンプレッサ５ｃのみで過給を行う。
【００４５】
また、ＥＧＲ制御では、ＥＧＲ通路１１のＥＧＲ弁１２を制御してそれぞれの運転条件に最適なＥＧＲを行う。このエンジン１の運転条件がＥＧＲの運転領域にあるか否かは、検出されたエンジン回転数やエンジン負荷に基づいて、予め用意した制御用のマップデータを参照して判定し、ＥＧＲを行う場合のＥＧＲ率も、検出されたエンジン回転数やエンジン負荷に基づいて、予め用意した制御用のマップデータを参照して算出し、このＥＧＲ率になるように、過給システム１０の各弁５ｂ，６ｂ，６ｆ，６ｇやＥＧＲ弁１２を制御する。
【００４６】
従って、上記の２段過給システム１０によれば、小径バルブの弁有効面積を、排気ガスが最大総流量の時における必要通路断面積に対して９．５％〜２６．５％としているので、この構成により、空燃比制御とＥＧＲ率制御を共に細かく制御できるようになる。
【００４７】
従って、高圧段ターボチャージャ６と低圧段ターボチャージャ５を備えた２段式過給システム１０において、エンジン１の運転状態に応じて、高圧段タービン６ｔに流れる排気ガスの流量を精度良く制御して、各運転状態において適切な過給を行うことが容易にできる。
【００４８】
これにより、高速・高負荷運転時には、排気ガスの全流量を高圧段タービン６ｔをバイパスして低圧段タービン５ｔに流して、ポンピング損失を増やすことなく過給することができる。また、中速・中負荷運転時には、高圧段ターボチャージャ６と低圧段ターボチャジャ５を共に使用して、小径バルブ６ｆの制御によりＥＧＲ率と空燃比をきめ細かく制御しながら過給できる。更に、低速・低負荷運転時には高圧段タービン６ｔに流れる排気ガスの流量をきめ細かく制御して過給できる。
【００４９】
次に、小径バルブの弁有効面積を、排気ガスが最大総流量の時における必要通路断面積に対して９．５％〜２６．５％とするのが最適であることについて説明する。
【００５０】
図６は、高段圧ターボチャージャの容量（Ｒ１）と低圧段ターボチャジャの容量（Ｒｔ）と、高段圧排気バイパス通路６ｄ、６ｅにおける排気ガスの流量調整（Ｒ２）の関係を示す図である。図６の左側に示すように、実用的な範囲では、高段圧ターボチャージャの容量（Ｒ１）が低圧段ターボチャジャの容量（Ｒｔ）の４０％〜８０％の範囲となる。また、図６の中央に、高圧段ターボチャージャの容量（Ｒ１）が低圧段ターボチャジャの容量（Ｒｔ）の４０％の場合を示し、図６の右側に高圧段ターボチャージャの容量（Ｒ１）を低圧段ターボチャジャの容量（Ｒｔ）の８０％の場合を示す。
【００５１】
これらの状態において、シミュレーション計算を行った結果、単一通路で単一バルブで調整すると小流量の時の流量調整制御が困難になること、また、小流量の時の流量調整を行い易いようにバルブ径を小さくすると、流量調整の制御範囲が限定されるため、バルブ径には最適値が存在することが分かった。また、高圧段ターボチャージャの容量（Ｒ１）を超えた排気ガスの流量範囲（Ｒ２＋Ｒ３）における制御性を考慮すると、ターボ容積の差分（Ｒ２＋Ｒ３）に対して半分の容量（Ｒ２＝Ｒ３）を制御範囲（ハッチング）とするのが良いことが分かった。これらを考慮し、流量範囲だけから考えると小径バルブ６ｆの面積割合は１０〜３０％とするのが好ましいことが分かった。
【００５２】
図７に、これを考慮した制御の様子を示す。排気ガス流量が高圧段ターボチャージャの容量（Ｒ１）内の低速・低負荷運転領域にある場合には、バイパス弁６ｆ，６ｇの開閉制御で空燃比（Ａ／Ｆ）とＥＧＲ率を制御することもできるが、高空燃比かつ高ＥＧＲ率としたいので、バイパス弁６ｆ，６ｇは閉じた制御を行うことが好ましい。
【００５３】
一方、排気ガス流量が高圧段ターボチャージャの容量（Ｒ１）を超える中速・中負荷運転領域にある場合では、高圧段ターボチャージャの効率悪化により排圧上昇が起こり、燃費が悪化するので、バイパス弁６ｆ，６ｇの開閉制御で空燃比（Ａ／Ｆ）とＥＧＲ率を制御する。このバイパス弁６ｆ，６ｇによる流量制御範囲（Ｒ２）は１０％〜３０％の範囲となる。
【００５４】
次に、バイパス弁の弁開度と排気ガス流量との関係について考える。この関係は、模式的には図８に示すようになり、排気ガス流量がＲ１にある間は小径バルブ６ｆも大径バルブ６ｇも０％とされ、排気ガス流量がＲ１〜（Ｒ１＋Ｒ２）にある間は大径バルブ６ｇは０％で閉弁したままであるが、小径バルブ６ｆを０％〜１００％の間で調整し、Ｒ２の
範囲における流量調整をする。また、排気ガス流量が（Ｒ１＋Ｒ２）を超えると小径バルブ６ｆも大径バルブ６ｇも弁開度１００％とされ、第１及び第２の両バイパス通路６ｄ、６ｅを開通する。
【００５５】
次に、図９にバイパス弁開度と弁有効面積（流量）を示す。これは、バイパス弁６ｆ，６ｇに、図１４に模式的に示すようなアーム付スイング型開閉弁を用いた場合におけるバイパス弁の有効面積に関しての幾何学的計算における小径バルブ６ｆの夫々の径についての弁開度と弁有効面積のグラフである。
【００５６】
図１４のアーム付スイング型開閉弁２０では、一点鎖線で示す開口部（弁座）３０に対して、アクチュエータ２１が伸縮すると、第１アーム２２と第２アーム２３とが回転軸２４回りに弁解度θ分回転し、第２アーム２３の先端側の弁体２５が開口部３０に出入りして、弁有効面積が変化して排気ガスの流量調整が行われる。なお、第１アーム２２の先端にはストッパ４０と当接する当接部２６が設けられている。
【００５７】
ケース１（Ｃ１）は、４２ｍｍφ単独のバイパス弁とした場合、即ち、大径バルブ６ｇの弁有効面積を必要流路面積の１００％とする場合、ケース２（Ｃ２）は、３０ｍｍφ２個のバイパス弁とした場合、即ち、小径バルブ６ｆと大径バルブ６ｇの弁有効面積をそれぞれ必要流路面積の５０％とする場合、ケース３（Ｃ３）は、２０ｍｍφと３７ｍｍφのバイパス弁とした場合、即ち、小径バルブ６ｆと大径バルブ６ｇの弁有効面積をそれぞれ必要流路面積の２０％、８０％とする場合を示す。
【００５８】
ケース１（Ｃ１）のように１個のバイパス弁で流量制御をする場合には、排気ガスの全流量（Ｖｔ）に対して、バイパス弁の流量調整が必要な流量Ｖｃが小さいため、弁開度約４度の範囲Ｔ１で流量調整をする必要がある。
【００５９】
これに対して、ケース２（Ｃ２）のように同径の両バルブを使用する場合は、弁開度約７度の範囲Ｔ２を使用して流量調整でき、ケース３（Ｃ３）のように、最適径のバイパス弁を選定すると弁開度約２０度の範囲Ｔ３を使用して流量調整の制御を行うことができる。
【００６０】
また、小径バルブ６ｆがケース３（Ｃ３）よりも小さい場合（Ｃ４）は、排気ガス流量の調整できる最大流量が小さくなり、バイパス弁の流量調整が必要な流量Ｖｃの全範囲を調整制御できなくなる。
【００６１】
図１０に、バルブ直径を１０、１３、１４、１８、２０、２２、２５、３０ｍｍφとした時の面積（弁有効面積）とＥＧＲ率、空燃比との関係を示す。この図１０のＥＧＲ率と空燃比の矢印の部分を抜き出して、図２に、バルブ直径を横軸に、この時の、弁開度０からのＥＧＲ率と空燃比の変化量をそれぞれの最大変化量で割って規格化した値（◇：菱形）を示す。また、ＥＧＲ率と空燃比がそれぞれ最小になる弁開度（□：四角）を示す。
【００６２】
この図２より、ＥＧＲ率と空燃比の両方を決め細かく制御できるバルブ直径の範囲を求めると、１３ｍｍφより小さいと、空燃比の制御範囲が減少するとともに制御性が悪化し、２２ｍｍφより大きいとＥＧＲ率に関して、弁開度の角度分解能が低くなり制御性が悪化するので、１３ｍｍφ〜２２ｍｍφとなる。この範囲の小径バルブ６ｆの弁有効面積は、排気ガスが最大総流量の時における必要通路断面積に対して９．５％〜２６．５％となる。この範囲がバルブ直径の好適な範囲となる。
【００６３】
また、図１１〜図１３に、ＥＧＲ率と空燃比に対して、制御可能な範囲を示す。図１１は、小径バルブ６ｆが１０ｍｍφで制御可能なＥＧＲ率と空燃比の範囲（ハッチング部分）を示すが、図１３に示す小径バルブ６ｆと大径バルブ６ｇが共に３０ｍｍφで制御可能な範囲（ハッチング部分）の半分以下となってしまう。一方、図１２は小径バルブ６ｆが２０ｍｍφで制御可能なＥＧＲ率と空燃比の範囲（ハッチング部分）を示すが、図１３に示す小径バルブ６ｆと大径バルブ６ｇが共に３０ｍｍφで制御可能な範囲（ハッチング部分）を略網羅することができる。
【００６４】
したがって、上記の結果から、ＥＧＲ率と空燃比をきめ細かく制御でき、しかも、制御可能なＥＧＲ率と空燃比の範囲を広くするものとして、小径バルブ６ｆの弁有効面積を、排気ガスが最大総流量の時における必要通路断面積に対して９．５％〜２６．５％となるように構成することが最適となる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明に係る実施の形態の内燃機関の２段過給システムの構成を示す図である。
【図２】小径バルブのバルブ直径と、ＥＧＲ率の変化量と空燃比の変化量と弁開度との関係を示す図である。
【図３】２段過給システムにおけるエンジン回転数とトルクに対する排気ガスの流量、高圧段作動領域、低圧段作動領域の関係を示す図である。
【図４】乗用車、小型乗用車等の低圧段と高圧段のタービンの容量比が４０％〜６０％である場合における、エンジン回転数とトルクに対する排気ガスの流量、高圧段作動領域、低圧段作動領域の関係を示す図である。
【図５】大型トラック等の低圧段と高圧段のタービンの容量比が８０％である場合における、エンジン回転数とトルクに対する排気ガスの流量、高圧段作動領域、低圧段作動領域の関係を示す図である。
【図６】高段圧ターボチャージャの容量と低圧段ターボチャジャの容量と、高段圧排気バイパス通路における排気ガスの流量の関係を示す図である。
【図７】排気ガス流量とバイパス弁の開閉制御の範囲を示す図である。
【図８】バイパス弁の弁開度と排気ガス流量の関係を示す図である。
【図９】バイパス弁の弁開度と弁有効面積の関係を示す図である。
【図１０】バルブ直径を変化させたときの面積（弁有効面積）とＥＧＲ率、空燃比との関係を示す図である。
【図１１】小径バルブの直径が１０ｍｍφの場合に制御可能なＥＧＲ率と空燃比の制御可能な範囲を示す図である。
【図１２】小径バルブの直径が２０ｍｍφの場合に制御可能なＥＧＲ率と空燃比の制御可能な範囲を示す図である。
【図１３】小径バルブと大径バルブの直径が共に３０ｍｍφの場合に制御可能なＥＧＲ率と空燃比の制御可能な範囲を示す図である。
【図１４】アーム付スイング型開閉弁の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００６６】
１    エンジン（内燃機関）
２    エンジン本体（内燃機関本体）
３    吸気通路
４    排気通路
５    低圧段ターボチャージャ
５ａ  低圧段排気バイパス通路
５ｂ  ウェストゲートバルブ
５ｃ  低圧段コンプレッサ
５ｔ  低圧段タービン
６    高圧段ターボチャージャ
６ａ  高圧段吸気バイパス通路
６ｂ  高圧段吸気バイパス弁
６ｃ  高圧段コンプレッサ
６ｄ  第１バイパス通路（高圧段排気バイパス通路）
６ｅ  第２バイパス通路（高圧段排気バイパス通路）
６ｆ  小径バルブ
６ｇ  大径バルブ
６ｔ  高圧段タービン
１０    ２段過給システム
１１    ＥＧＲ通路
１２    ＥＧＲ弁
１３    ＥＧＲクーラ
Ａ    吸気
Ｇ    排気ガス
Ｇｅ  ＥＧＲガス
【図１】
2007138845.tif 000003
【図２】
2007138845.tif 000004
【図３】
2007138845.tif 000005
【図４】
2007138845.tif 000006
【図５】
2007138845.tif 000007
【図６】
2007138845.tif 000008
【図７】
2007138845.tif 000009
【図８】
2007138845.tif 000010
【図９】
2007138845.tif 000011
【図１０】
2007138845.tif 000012
【図１１】
2007138845.tif 000013
【図１２】
2007138845.tif 000014
【図１３】
2007138845.tif 000015
【図１４】
2007138845.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成18年10月2日(2006.10.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の吸気通路の上流側から順に低圧段ターボチャージャの低圧段コンプレッサと高圧段ターボチャージャの高圧段コンプレッサを設けると共に、排気通路の上流側から順に前記高圧段ターボチャージャの高圧段タービンと前記低圧段ターボチャージャの低圧段タービンを設け、前記高圧段コンプレッサをバイパスする高圧段吸気バイパス通路と、前記高圧段タービンをバイパスする高圧段排気バイパス通路とを設け、該高圧段排気バイパス通路を小径バルブを備えた第１バイパス通路と前記小径バルブよりも径の大きい大径バルブを備えた第２バイパス通路で形成した内燃機関の２段過給システムにおいて、前記小径バルブの弁有効面積を、排気ガスが最大総流量の時における必要通路断面積に対して９．５％〜２６．５％とすることを特徴とする内燃機関の２段過給システム。
【請求項２】
前記高圧段排気バイパス通路の前記小径バルブを、アーム付スイング型開閉弁で形成し、ＥＧＲ率を最小とするときのアームの角度である弁開度を１５度〜２０度とすることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の２段過給システム。
【請求項３】
前記小径バルブの前記アームの弁開度が１５度〜２０度でバルブ全開状態に至ることを特徴とする請求項２記載の内燃機関の２段過給システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
そのため、このシステムでは、高圧段排気バイパス通路とこのバイパス通路に流量制御用のバイパス弁を設ける。このバイパス弁には、排気ガスの流量が大流量となる運転状態において、排圧の上昇を招かずに排気ガスの全量を流せる流量特性を持ちつつ、一方、排気ガスの流量が小流量〜中流量となる運転状態において、高圧段タービンの排気ガスの流れを制御できることが要求される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
しかし、高圧段排気バイパス通路には、８００℃にもなる高温の排気ガスが流れるため、高速・高負荷運転時の大流量の排気ガスの流通を確保しながら、同時に低速・低負荷運転時の微小のガス量を制御できる流量制御用のバイパス弁は技術的に非常に難しく、シーケンシャルタイプの２段過給システムにおいて、内燃機関の運転状態に応じて、高圧段タービンに流れる排気ガスの流量を精度良く制御して、各運転状態において適切な過給を行うことが難しいという問題がある。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
上記のような目的を達成するための２段式過給システムは、内燃機関の吸気通路の上流側から順に低圧段ターボチャージャの低圧段コンプレッサと高圧段ターボチャージャの高圧段コンプレッサを設けると共に、排気通路の上流側から順に前記高圧段ターボチャージャの高圧段タービンと前記低圧段ターボチャージャの低圧段タービンを設け、前記高圧段コンプレッサをバイパスする高圧段吸気バイパス通路と、前記高圧段タービンをバイパスする高圧段排気バイパス通路とを設け、該高圧段排気バイパス通路を小径バルブを備えた第１バイパス通路と前記小径バルブよりも径の大きい大径バルブを備えた第２バイパス通路で形成した内燃機関の２段過給システムにおいて、前記小径バルブの弁有効面積を、排気ガスが最大総流量の時における必要通路断面積に対して９．５％〜２６．５％とするように構成される。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
更に、上記の内燃機関の２段過給システムにおいて、前記高圧段排気バイパス通路の前記小径バルブを、アーム付スイング型開閉弁で形成し、ＥＧＲ率を最小とするときのアームの角度である弁開度を１５度〜２０度とするように構成される。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
本発明に係る２段式過給システムによれば、高圧段排気バイパス通路を小径バルブを備えた第１バイパス通路と小径バルブよりも径の大きい大径バルブを備えた他の一つ以上のバイパス通路との複数のバイパス通路で形成し、小径バルブの弁有効面積を、排気ガスが最大総流量の時における必要通路断面積に対して９．５％〜２６．５％としているので、この構成により、バイパスバルブを閉めると高圧段タービン入口の圧力が上がりＥＧＲ率が高くなり、バイパスバルブを開けるとＥＧＲ率が低くなるので、空燃比制御とＥＧＲ率制御を共に細かく制御できるようになる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
即ち、高圧段排気バイパス通路６ｄ，６ｅを小径バルブ６ｆを備えた第１バイパス通路６ｄと小径バルブ６ｆよりも径の大きい大径バルブ６ｇを備えた第２バイパス通路６ｅとで形成する。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３９】
そして、エンジン１０の運転状態が低速・低負荷時の予混合燃焼には高圧段排気バイパス通路６ｄ，６ｅの全てのバルブ６ｆ，６ｇを閉弁し、中速・中負荷時は小径バルブ６ｆ以外の大径バルブ６ｇを閉弁して小径バルブ６ｆを徐々に開弁し、高速・高負荷時の通常燃焼（拡散燃焼）時は全てのバルブ６ｆ、６ｇを開弁する制御を行う。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５０】
図６は、高圧段ターボチャージャの容量（Ｒ１）と低圧段ターボチャジャの容量（Ｒｔ）と、高圧段排気バイパス通路６ｄ、６ｅにおける排気ガスの流量調整（Ｒ２）の関係を示す図である。図６の左側に示すように、実用的な範囲では、高圧段ターボチャージャの容量（Ｒ１）が低圧段ターボチャジャの容量（Ｒｔ）の４０％〜８０％の範囲となる。また、図６の中央に、高圧段ターボチャージャの容量（Ｒ１）が低圧段ターボチャジャの容量（Ｒｔ）の４０％の場合を示し、図６の右側に高圧段ターボチャージャの容量（Ｒ１）を低圧段ターボチャジャの容量（Ｒｔ）の８０％の場合を示す。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６５】
【図１】本発明に係る実施の形態の内燃機関の２段過給システムの構成を示す図である。
【図２】小径バルブのバルブ直径と、ＥＧＲ率の変化量と空燃比の変化量と弁開度との関係を示す図である。
【図３】２段過給システムにおけるエンジン回転数とトルクに対する排気ガスの流量、高圧段作動領域、低圧段作動領域の関係を示す図である。
【図４】乗用車、小型乗用車等の低圧段と高圧段のタービンの容量比が４０％〜６０％である場合における、エンジン回転数とトルクに対する排気ガスの流量、高圧段作動領域、低圧段作動領域の関係を示す図である。
【図５】大型トラック等の低圧段と高圧段のタービンの容量比が８０％である場合における、エンジン回転数とトルクに対する排気ガスの流量、高圧段作動領域、低圧段作動領域の関係を示す図である。
【図６】高圧段ターボチャージャの容量と低圧段ターボチャジャの容量と、高圧段排気バイパス通路における排気ガスの流量の関係を示す図である。
【図７】排気ガス流量とバイパス弁の開閉制御の範囲を示す図である。
【図８】バイパス弁の弁開度と排気ガス流量の関係を示す図である。
【図９】バイパス弁の弁開度と弁有効面積の関係を示す図である。
【図１０】バルブ直径を変化させたときの面積（弁有効面積）とＥＧＲ率、空燃比との関係を示す図である。
【図１１】小径バルブの直径が１０ｍｍφの場合に制御可能なＥＧＲ率と空燃比の制御可能な範囲を示す図である。
【図１２】小径バルブの直径が２０ｍｍφの場合に制御可能なＥＧＲ率と空燃比の制御可能な範囲を示す図である。
【図１３】小径バルブと大径バルブの直径が共に３０ｍｍφの場合に制御可能なＥＧＲ率と空燃比の制御可能な範囲を示す図である。
【図１４】アーム付スイング型開閉弁の構成を示す図である。
【手続補正書】
【提出日】平成18年12月1日(2006.12.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の吸気通路の上流側から順に低圧段ターボチャージャの低圧段コンプレッサと高圧段ターボチャージャの高圧段コンプレッサを設けると共に、排気通路の上流側から順に前記高圧段ターボチャージャの高圧段タービンと前記低圧段ターボチャージャの低圧段タービンを設け、前記高圧段コンプレッサをバイパスする高圧段吸気バイパス通路と、前記高圧段タービンをバイパスする高圧段排気バイパス通路とを設け、該高圧段排気バイパス通路を小径バルブを備えた第１バイパス通路と前記小径バルブよりも径の大きい大径バルブを備えた第２バイパス通路で形成した内燃機関の２段過給システムにおいて、前記排気通路と前記吸気通路を連絡するＥＧＲ通路を設け、前記高圧段ターボチャージャの容量を前記低圧段ターボチャージャの４０％〜８０％とすると共に、前記小径バルブの弁有効面積を、排気ガスが最大総流量の時における必要通路断面積に対して９．５％〜２６．５％とし、前記ＥＧＲ通路に設けたＥＧＲ弁を制御すると共に、エンジンの運転状態が低速・低負荷時は前記高圧段排気バイパス通路の前記小径バルブと前記大径バルブを閉弁し、中速・中負荷時は前記大径バルブを閉弁して前記小径バルブを開弁し、該小径バルブの弁開度を制御し、高速・高負荷時は前記小径バルブと前記大径バルブを開弁して、ＥＧＲ率と空燃比を制御することを特徴とする内燃機関の２段過給システム。
【請求項２】
前記高圧段排気バイパス通路の前記小径バルブを、アーム付スイング型開閉弁で形成し、ＥＧＲ率を最小とするときのアームの角度である弁開度を１５度〜２０度とすることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の２段過給システム。
【請求項３】
前記小径バルブの前記アームの弁開度が１５度〜２０度でバルブ全開状態に至ることを特徴とする請求項２記載の内燃機関の２段過給システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
上記の目的を達成するための内燃機関の２段過給システムは、内燃機関の吸気通路の上流側から順に低圧段ターボチャージャの低圧段コンプレッサと高圧段ターボチャージャの高圧段コンプレッサを設けると共に、排気通路の上流側から順に前記高圧段ターボチャージャの高圧段タービンと前記低圧段ターボチャージャの低圧段タービンを設け、前記高圧段コンプレッサをバイパスする高圧段吸気バイパス通路と、前記高圧段タービンをバイパスする高圧段排気バイパス通路とを設け、該高圧段排気バイパス通路を小径バルブを備えた第１バイパス通路と前記小径バルブよりも径の大きい大径バルブを備えた第２バイパス通路で形成した内燃機関の２段過給システムにおいて、前記排気通路と前記吸気通路を連絡するＥＧＲ通路を設け、前記高圧段ターボチャージャの容量を前記低圧段ターボチャージャの４０％〜８０％とすると共に、前記小径バルブの弁有効面積を、排気ガスが最大総流量の時における必要通路断面積に対して９．５％〜２６．５％とし、前記ＥＧＲ通路に設けたＥＧＲ弁を制御すると共に、エンジンの運転状態が低速・低負荷時は前記高圧段排気バイパス通路の前記小径バルブと前記大径バルブを閉弁し、中速・中負荷時は前記大径バルブを閉弁して前記小径バルブを開弁し、該小径バルブの弁開度を制御し、高速・高負荷時は前記小径バルブと前記大径バルブを開弁して、ＥＧＲ率と空燃比を制御するように構成される。