(57)【要約】【課題】内燃機関における燃料添加弁からの燃料添加による煤の発生を抑制し第２タービンの信頼性を確保しつつ第２過給機の出力を向上させることができる内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】内燃機関の制御装置（８０）は、内燃機関の燃料添加弁（７０）を制御する制御部を備え、制御部は、第１タービン（５１）と第２タービン（６１）との間の排気通路（１００）における酸素濃度に基づいて、燃料添加弁から添加される燃料添加量である第１燃料添加量を算出し、第１タービンと第２タービンとの間の排気通路における排気温度に基づいて、燃料添加弁から添加された燃料の燃焼によって第２タービンの入口温度が所定の温度になる燃料添加量である第２燃料添加量を算出し、算出された第１燃料添加量と第２燃料添加量とのうち小さい方の燃料添加量で燃料が添加されるように燃料添加弁を制御する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路に配置された第１タービンを有する第１過給機と、前記排気通路の前記第１タービンよりも下流側に配置された第２タービンを有する第２過給機と、前記第１タービンと前記第２タービンとの間の前記排気通路に燃料を添加する燃料添加弁と、を有する内燃機関の前記燃料添加弁を制御する制御部を備え、
前記制御部は、前記第１タービンと前記第２タービンとの間の前記排気通路における酸素濃度に基づいて、前記燃料添加弁から添加される燃料添加量である第１燃料添加量を算出し、前記第１タービンと前記第２タービンとの間の前記排気通路における排気温度に基づいて、前記燃料添加弁から添加された燃料の燃焼によって第２タービンの入口温度が所定の温度になる燃料添加量である第２燃料添加量を算出し、算出された前記第１燃料添加量と前記第２燃料添加量とのうち小さい方の燃料添加量で前記燃料が添加されるように前記燃料添加弁を制御する内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記第１タービンと前記第２タービンとの間の前記排気通路における前記酸素濃度、前記排気温度および排気圧に基づいて、前記燃料添加弁から添加された前記燃料が着火するまでの着火時間をさらに算出し、前記第１タービンと前記第２タービンとの間の前記排気通路における前記排気温度および前記排気圧に基づいて、前記燃料添加弁から添加された前記燃料が前記第２タービンに到達するまでの到達時間をさらに算出し、前記着火時間が前記到達時間よりも大きい場合には前記燃料添加弁からの前記燃料の添加を禁止し、前記着火時間が前記到達時間以下の場合に、前記燃料添加弁から前記燃料が添加されるように前記燃料添加弁を制御する請求項１記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記第１燃料添加量は、前記燃料添加弁から添加された燃料によって前記第１タービンと前記第２タービンとの間の前記排気通路における排気が理論空燃比となる燃料添加量である請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記内燃機関の回転速度が第１基準値以上、第２基準値以下の場合に、前記燃料が添加されるように前記燃料添加弁を制御するとともに、前記回転速度が前記第１基準値以上、前記第２基準値より小さい間は前記第１過給機および前記第２過給機の両方による過給が行われた状態となり、前記回転速度が前記第２基準値になった場合に前記第１過給機による過給が停止し前記第２過給機による過給のみが行われた状態となるように前記第１過給機および前記第２過給機の作動状態をさらに制御する請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記第１過給機は前記第２過給機よりも小型の過給機である請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の制御装置、特に直列に配置された２つの過給機を有する内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、直列に配置された２つの過給機を有する内燃機関が知られている。例えば特許文献１には、第１タービンを有する第１過給機および第２タービンを有する第２過給機が、第２タービンが第１タービンよりも排気通路の排気流動方向下流側に位置するように直列に配置された内燃機関が開示されている。
【０００３】
また特許文献１には、第１過給機と第２過給機との間の排気通路に燃料添加弁を配置し、燃料添加弁から添加された燃料によって、第２過給機よりも下流側の排気通路に配置された排気浄化装置に捕集されたパティキュレートの燃焼を促進させる発明が開示されている。特許文献１に係る発明によれば、燃料添加弁から添加された燃料が第１過給機に付着して第１過給機の出力が低下することが抑制されている。その結果、特許文献１に係る発明によれば、燃料添加弁から添加された燃料に起因する第１過給機の出力低下を抑制しつつ、パティキュレートの燃焼を促進させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１１２３１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１に示すような直列に配置された２つの過給機を有する内燃機関において、排気通路の第１タービンと第２タービンとの間に燃料添加弁から燃料を添加した場合、排気浄化装置のパティキュレートの燃焼を促進させることができるのみならず、第２過給機の出力も向上できることが分った。
【０００６】
具体的には、第１タービンと第２タービンとの間の排気通路に燃料添加弁から燃料を添加した場合、添加された燃料の燃焼によって第２タービンに供給される排気のエネルギを上昇させて、第２過給機の出力を向上できることが分った。しかしながら、仮に燃料添加弁から添加される燃料の燃料添加量が過度に多い場合、煤が発生するおそれがある。また、仮に添加された燃料の燃焼によって第２タービンの入口温度が上昇し過ぎてしまい所定の温度を超えた場合、第２タービンの信頼性が損なわれるおそれがある。
【０００７】
本発明は、排気通路に配置された第１タービンを有する第１過給機と、排気通路の第１タービンよりも下流側に配置された第２タービンを有する第２過給機と、第１タービンと第２タービンとの間の排気通路に燃料を添加する燃料添加弁と、を有する内燃機関における燃料添加弁からの燃料添加による煤の発生を抑制し第２タービンの信頼性を確保しつつ第２過給機の出力を向上させることができる内燃機関の制御装置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】
本発明に係る内燃機関の制御装置は、排気通路に配置された第１タービンを有する第１過給機と、前記排気通路の前記第１タービンよりも下流側に配置された第２タービンを有する第２過給機と、前記第１タービンと前記第２タービンとの間の前記排気通路に燃料を添加する燃料添加弁と、を有する内燃機関の前記燃料添加弁を制御する制御部を備え、前記制御部は、前記第１タービンと前記第２タービンとの間の前記排気通路における酸素濃度に基づいて、前記燃料添加弁から添加される燃料添加量である第１燃料添加量を算出し、前記第１タービンと前記第２タービンとの間の前記排気通路における排気温度に基づいて、前記燃料添加弁から添加された燃料の燃焼によって第２タービンの入口温度が所定の温度になる燃料添加量である第２燃料添加量を算出し、算出された前記第１燃料添加量と前記第２燃料添加量とのうち小さい方の燃料添加量で前記燃料が添加されるように前記燃料添加弁を制御する。
【０００９】
本発明に係る内燃機関の制御装置によれば、第１タービンと第２タービンとの間の排気通路に燃料添加弁から燃料が添加されることから、添加された燃料の燃焼によって第２タービンに供給される排気のエネルギを上昇させて、第２過給機の出力を向上させることができる。また本発明に係る内燃機関の制御装置によれば、第１燃料添加量の方が第２燃料添加量よりも小さい場合には、第１燃料添加量の燃料を燃料添加弁から添加することができる。この場合、第１燃料添加量は、第１タービンと第２タービンとの間の排気通路における酸素濃度に基づいて算出された燃料添加量であるため、第１燃料添加量の燃料が添加されても煤の発生は抑制される。また、第１燃料添加量は第２燃料添加量よりも小さいため、この第１燃料添加量の燃料が燃料添加弁から添加されても、第２タービンの入口温度は所定の温度を超えることはない。そのため、この場合、燃料添加弁からの燃料添加による煤の発生を抑制し第２タービンの信頼性を確保しつつ第２過給機の出力を上昇させることができる。
【００１０】
また、第２燃料添加量の方が第１燃料添加量よりも小さい場合には、第２燃料添加量の燃料を燃料添加弁から添加することができる。この場合、燃料添加弁から添加された第２燃料添加量の燃料の燃焼によって第２タービンの入口温度を所定の温度にできるとともに、第２燃料添加量は第１燃料添加量よりも小さいことから、この第２燃料添加量の燃料が燃料添加弁から添加されても、煤の発生は抑制される。そのため、この場合にも、燃料添加弁からの燃料添加による煤の発生を抑制し第２タービンの信頼性を確保しつつ第２過給機の出力を上昇させることができる。したがって、本発明に係る制御装置によれば、燃料添加弁からの燃料添加による煤の発生を抑制し第２タービンの信頼性を確保しつつ第２過給機の出力を向上させることができる。
【００１１】
上記構成において、前記制御部は、前記第１タービンと前記第２タービンとの間の前記排気通路における前記酸素濃度、前記排気温度および排気圧に基づいて、前記燃料添加弁から添加された前記燃料が着火するまでの着火時間をさらに算出し、前記第１タービンと前記第２タービンとの間の前記排気通路における前記排気温度および前記排気圧に基づいて、前記燃料添加弁から添加された前記燃料が前記第２タービンに到達するまでの到達時間をさらに算出し、前記着火時間が前記到達時間よりも大きい場合には前記燃料添加弁からの前記燃料の添加を禁止し、前記着火時間が前記到達時間以下の場合に、前記燃料添加弁から前記燃料が添加されるように前記燃料添加弁を制御してもよい。
【００１２】
この構成によれば、第２タービンの入口温度の上昇に寄与せずに無駄に消費される燃料添加を抑制することができる。
【００１３】
上記構成において、前記第１燃料添加量は、前記燃料添加弁から添加された燃料によって前記第１タービンと前記第２タービンとの間の前記排気通路における排気が理論空燃比となる燃料添加量である構成としてもよい。
【００１４】
この構成によれば、例えば算出された第１燃料添加量の方が算出された第２燃料添加量よりも小さい結果、第１燃料添加量の燃料が燃料添加弁から添加された場合、第２タービンの信頼性を確保しつつ第２過給機の出力を燃料添加による煤の発生を抑制可能な最大限度まで上昇させることができる。
【００１５】
上記構成において、前記制御部は、前記内燃機関の回転速度が第１基準値以上、第２基準値以下の場合に、前記燃料が添加されるように前記燃料添加弁を制御するとともに、前記回転速度が前記第１基準値以上、前記第２基準値より小さい間は前記第１過給機および前記第２過給機の両方による過給が行われた状態となり、前記回転速度が前記第２基準値になった場合に前記第１過給機による過給が停止し前記第２過給機による過給のみが行われた状態となるように前記第１過給機および前記第２過給機の作動状態をさらに制御してもよい。
【００１６】
この構成によれば、回転速度が第２基準値になって第１過給機による過給が停止した場合に生じる内燃機関のトルク段差を、燃料添加弁からの燃料による第２過給機の出力上昇による内燃機関のトルク上昇によって小さくすることができる。その結果、燃料添加弁からの燃料添加による煤の発生を抑制し第２タービンの信頼性を確保しつつ、第１過給機による過給が停止することに伴う内燃機関のドライバビリティの悪化を抑制することができる。
【００１７】
上記構成において、前記第１過給機は前記第２過給機よりも小型の過給機である構成としてもよい。この構成によれば、第１過給機および第２過給機が同型の場合に比較して内燃機関の出力特性を効果的に向上させることができる。また、第１過給機が第２過給機よりも大型の場合に比較して、過給効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、排気通路に配置された第１タービンを有する第１過給機と、排気通路の第１タービンよりも下流側に配置された第２タービンを有する第２過給機と、第１タービンと第２タービンとの間の排気通路に燃料を添加する燃料添加弁と、を有する内燃機関における燃料添加弁からの燃料添加による煤の発生を抑制し第２タービンの信頼性を確保しつつ第２過給機の出力を向上させることができる内燃機関の制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、実施例１に係る制御装置が適用される内燃機関を示す模式図である。
【図２】図２（ａ）は、実施例１に係る制御装置による燃料添加弁、第１過給機および第２過給機の制御を説明するための図である。図２（ｂ）は、燃料添加によってトルクが上昇した後の内燃機関のトルク特性を模式的に示した図である。
【図３】図３は、実施例１に係る制御装置の燃料添加弁の制御のフローチャートの一例を示す図である。
【図４】図４は、実施例２に係る制御装置の燃料添加弁の制御のフローチャートの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための形態を説明する。
【実施例１】
【００２１】
本発明の実施例１に係る内燃機関の制御装置８０（以下、制御装置８０と略称する）について説明する。まず制御装置８０が適用される内燃機関５の全体構成について説明し、次いで制御装置８０の詳細について説明する。図１は内燃機関５を示す模式図である。内燃機関５は、内燃機関本体１０と、インタークーラ２０と、エアクリーナ３０と、排気浄化装置４０と、過給機（第１過給機５０および第２過給機６０）と、燃料添加弁７０と、制御装置８０と、制御装置８０の制御に必要な各種情報を検出するための各種センサ（クランクポジションセンサ９０、エアフロメータ９１等）とを備えている。
【００２２】
また内燃機関５は、内燃機関本体１０からの排気が通過する排気通路１００と、内燃機関本体１０に供給される吸気が通過する吸気通路１０１と、排気通路１００の排気を第１過給機５０をバイパスさせる第１排気バイパス通路１０２と、排気通路１００の排気を第２過給機６０をバイパスさせる第２排気バイパス通路１０３と、吸気通路１０１の吸気を第１過給機５０をバイパスさせる吸気バイパス通路１０４とを備えている。また内燃機関５は、第１排気バイパス通路１０２に配置された開閉弁１１０ａと、吸気バイパス通路１０４に配置された開閉弁１１０ｂと、第２排気バイパス通路１０３に配置されたウエイストゲート弁１１１とを備えている。
【００２３】
本実施例に係る内燃機関５は、一例としてガソリンエンジンを用いる。但し内燃機関５の種類は、これに限定されるものではない。例えば本実施例に係る制御装置８０は、ディーゼルエンジンその他のエンジンにも適用することができる。内燃機関本体１０は、シリンダブロック１１と、シリンダヘッド１２と、ピストン１３と、吸気弁１４と、排気弁１５とを備えている。シリンダブロック１１には気筒が形成されている。本実施例において、気筒の数は一つである。但し、気筒の数はこれに限定されるものではない。シリンダブロック１１は、複数の気筒を有していてもよい。
【００２４】
シリンダヘッド１２は、シリンダブロック１１の上方に配置されている。ピストン１３は、気筒に配置されている。シリンダブロック１１とシリンダヘッド１２とピストン１３とによって囲まれた領域に、燃焼室１６が形成されている。燃焼室１６は、空気と、内燃機関本体１０が有する燃料噴射弁（図示せず）から噴射された燃料とが混合した混合気が燃焼するための空間である。ピストン１３は、クランクシャフトにコンロッドを介して接続されている。ピストン１３が気筒内を上下動することで、クランクシャフトは回転する。なお、本実施例において上方および下方は、必ずしも重力方向における上方および下方と一致している必要はない。例えば、本実施例における上方および下方は水平方向であってもよい。
【００２５】
シリンダヘッド１２には、燃焼室１６に導入される吸気が通過する穴である吸気ポート１７と、燃焼室１６から排出される排気が通過する穴である排気ポート１８とが形成されている。吸気弁１４は、吸気ポート１７の燃焼室１６への接続口を開閉する弁である。排気弁１５は、排気ポート１８の燃焼室１６への接続口を開閉する弁である。
【００２６】
インタークーラ２０は、内燃機関本体１０に供給される吸気を冷却するための冷却装置である。本実施例に係るインタークーラ２０は、吸気通路１０１のうち第１過給機５０よりも吸気の流動方向下流側の部分に配置されている。エアクリーナ３０は、内燃機関本体１０に供給される吸気に含まれる不純物を除去するための装置である。本実施例に係るエアクリーナ３０は、吸気通路１０１の第２過給機６０よりも吸気の流動方向上流側に配置されている。但し、インタークーラ２０およびエアクリーナ３０の配置箇所は、図１に係る配置箇所に限定されるものではない。
【００２７】
排気浄化装置４０は、排気を浄化するための装置である。排気浄化装置４０の具体的な構成は排気を浄化可能なものであれば、特に限定されるものではない。本実施例に係る排気浄化装置４０は、一例として、排気浄化用の触媒と、この触媒が配置されたフィルタとを備えている。この場合、排気浄化装置４０は、排気中のパティキュレートをフィルターで捕捉し、捕捉されたパティキュレートを排気の熱によって加熱することで燃焼させるとともに、この燃焼を触媒によって促進させることができる。
【００２８】
第１過給機５０および第２過給機６０は、排気通路１００の排気のエネルギを利用して吸気を圧縮することで、内燃機関本体１０に供給される吸気を過給する装置である。本実施例において第１過給機５０および第２過給機６０は、第２過給機６０が第１過給機５０よりも排気の流動方向下流側に位置し、且つ第２過給機６０が第１過給機５０よりも吸気の流動方向上流側に位置するように、排気通路１００および吸気通路１０１に直列に配置されている。この場合、第１過給機５０および第２過給機６０は、第１過給機５０を通過した排気が第２過給機６０を通過可能なように排気通路１００に配置されていることになる。また第１過給機５０および第２過給機６０は、第２過給機６０を通過した吸気が第１過給機５０を通過可能なように吸気通路１０１に配置されていることになる。
【００２９】
第１過給機５０は、排気を受けて回転する第１タービン５１と、第１タービン５１によって駆動されて吸気を圧縮する第１コンプレッサ５２と、第１タービン５１と第１コンプレッサ５２とを連結する第１連結軸５３とを備えている。第２過給機６０は、排気を受けて回転する第２タービン６１と、第２タービン６１によって駆動されて吸気を圧縮する第２コンプレッサ６２と、第２タービン６１と第２コンプレッサ６２とを連結する第２連結軸６３とを備えている。第２タービン６１は、第１タービン５１よりも排気通路１００の排気流動方向下流側に配置されている。また第２コンプレッサ６２は、第１コンプレッサ５２よりも吸気通路１０１の吸気流動方向上流側に配置されている。
【００３０】
排気通路１００の第１タービン５１と排気ポート１８との間の部分と、排気通路１００の第１タービン５１と第２タービン６１との間の部分とは、第１排気バイパス通路１０２によって連通されている。第１排気バイパス通路１０２に配置された開閉弁１１０ａは、制御装置８０によって制御されて開閉する。また、吸気通路１０１の第１コンプレッサ５２と吸気ポート１７との間の部分（より具体的には、吸気通路１０１の第１コンプレッサ５２とインタークーラ２０との間の部分）と、吸気通路１０１の第１コンプレッサ５２と第２コンプレッサ６２との間の部分とは、吸気バイパス通路１０４によって連通されている。吸気バイパス通路１０４に配置された開閉弁１１０ｂは、制御装置８０によって制御されて開閉する。内燃機関５がこのような構成を備えることにより、制御装置８０は、開閉弁１１０ａおよび開閉弁１１０ｂを制御することで、第１過給機５０による過給状態を制御することができる。
【００３１】
具体的には制御装置８０は、開閉弁１１０ａを閉に制御することで第１排気バイパス通路１０２を閉にして、排気を第１タービン５１に流入させることができる。それにより、第１タービン５１を回転させることができる。さらに制御装置８０は、開閉弁１１０ｂを閉にすることで吸気バイパス通路１０４を閉にして、第１コンプレッサ５２による吸気の圧縮を開始させることができる。一方、制御装置８０は、開閉弁１１０ａを開に制御することで第１排気バイパス通路１０２を開にして、排気通路１００の第１タービン５１よりも上流側の排気を第１排気バイパス通路１０２を優先的に通過させることができる。また制御装置８０は、開閉弁１１０ｂを開に制御することで吸気バイパス通路１０４を開にして、吸気通路１０１の第１コンプレッサ５２よりも上流側の吸気を吸気バイパス通路１０４を優先的に通過させることができる。このように開閉弁１１０ａおよび開閉弁１１０ｂを制御することで、制御装置８０は第１過給機５０による吸気の過給を停止させることができる。
【００３２】
以上のように本実施例に係る内燃機関５によれば、制御装置８０は、開閉弁１１０ａおよび開閉弁１１０ｂを開に制御することで第１過給機５０による吸気の過給を停止させることができ、開閉弁１１０ａおよび開閉弁１１０ｂを閉に制御することで、第１過給機５０による吸気の過給を開始させることができる。
【００３３】
また、排気通路１００の第１タービン５１と第２タービン６１との間の部分（より具体的には、排気通路１００の第１排気バイパス通路１０２の排気通路１００への下流側の接続点ａと第２タービン６１との間の部分）と、排気通路１００の第２タービン６１よりも下流側の部分とは、第２排気バイパス通路１０３によって連通されている。第２排気バイパス通路１０３に配置されたウエイストゲート弁１１１は、制御装置８０によって制御されることでその開度を調整する。それにより、第２排気バイパス通路１０３の流量を調整することができる。具体的にはウエイストゲート弁１１１の開度が上昇するほど、第２排気バイパス通路１０３の流量も上昇する。その結果、第２タービン６１に供給される排気の流量は減少する。制御装置８０は、第１タービン５１と第２タービン６１との間の排気通路１００の排気圧に基づいてウエイストゲート弁１１１を制御することで、第２タービン６１の回転数が過度に上昇して第２タービン６１が損傷することを抑制している。
【００３４】
なお、本実施例において第１過給機５０は第２過給機６０よりも小型（小容量型）の過給機である。この場合、第１過給機５０は低中速域で過給能力が高く、第２過給機６０は高速域で過給能力が高いという特性を有している。但し、本実施例に係る制御装置８０は、第１過給機５０および第２過給機６０が同型の過給機の場合にも適用可能であり、また第１過給機５０の方が第２過給機６０よりも大型の場合にも適用可能である。しかしながら第１過給機５０が小型で第２過給機６０が大型の場合の方が、そうでない場合に比較して、以下の観点において好ましい。
【００３５】
まず、吸気通路１０１の吸気はコンプレッサを通過する度に圧縮されてその流速が遅くなるため、仮に第１過給機５０および第２過給機６０が同型の場合、第２過給機６０の第２コンプレッサ６２の最大流量以上に過給することは困難と考えられる。これに対して、本実施例のように第１過給機５０が小型で第２過給機６０が大型である場合、内燃機関５の回転速度が高速になるまでの間は少なくとも第１過給機５０を使用し、内燃機関５の回転速度が高速になった場合には第２過給機６０のみを使用することができる。その結果、過給機の特性を活用して、内燃機関５の出力特性を効果的に向上させることができる。また、排気通路１００の排気はタービンを通過する度に膨張して流速が速くなるため、本実施例のように排気の流速の相対的に遅い排気流動方向上流側に小型の過給機が配置された場合の方が、排気の流速の相対的に遅い排気流動方向上流側に大型の過給機が配置される場合に比較して、過給効率を向上させることができる。また、２段過給領域も広く確保することができる。さらに、第１排気バイパス通路１０２の断面積を小さくすることもできる。以上の観点から、第１過給機５０が小型で第２過給機６０が大型の方が好ましい。
【００３６】
また本実施例において、第１過給機５０および第２過給機６０は、可変容量型の過給機である。具体的には、本実施例に係る第１過給機５０および第２過給機６０は、可変ノズルベーン型の過給機である。この場合、第１過給機５０の第１タービン５１は第１可変ノズルベーンを備え、第２過給機６０の第２タービン６１は第２可変ノズルベーンを備えている（以下、両者を可変ノズルベーンと総称する場合がある）。
【００３７】
可変ノズルベーンは、制御装置８０によってその開度が制御される。可変ノズルベーンの開度が小さくなるほど、可変ノズルベーンの上流側の圧力は上昇し、タービンホイールに導入される排気の流速は速くなる。その結果、過給機の出力は上昇する。その結果、過給機の過給圧は上昇する。一方、可変ノズルベーンの開度が大きくなるほど、タービンホイールに導入される排気の流速は小さくなり、過給圧は低下する。このように可変ノズルベーン型の過給機は、複数のベーンの角度（ＶＮ開度）が可変であるため、過給機内部に形成される流路の有効面積を可変することができ、以って出力を可変することができる。但し、第１過給機５０および第２過給機６０は、可変ノズルベーン型の過給機に限定されるものではない。また、本実施例に係る制御装置８０は、第１過給機５０および第２過給機６０が制御装置８０によって出力を変更不能な固定容量型の過給機の場合であっても適用することができる。
【００３８】
燃料添加弁７０は、燃料を添加する弁である。燃料添加弁７０の動作は、制御装置８０が制御する。燃料添加弁７０は、排気通路１００のうち第１タービン５１と第２タービン６１との間の部分に燃料を添加できるように、排気通路１００に配置されている。図１に係る燃料添加弁７０は、排気通路１００のうち第１排気バイパス通路１０２の排気通路１００への下流側の接続点ａよりもさらに下流側の部分と、排気通路１００のうち第２排気バイパス通路１０３の排気通路１００への上流側の接続点ｂよりもさらに上流側の部分と、の間に燃料を添加するように排気通路１００に配置されている。
【００３９】
但し、燃料添加弁７０の排気通路１００への配置箇所は、排気通路１００のうち第１タービン５１と第２タービン６１との間の部分に燃料を添加できる箇所であれば、図１の構成に限定されるものではない。例えば、燃料添加弁７０は、排気通路１００のうち第１排気バイパス通路１０２の排気通路１００への接続点ａよりもさらに上流側の部分と、第１タービン５１との間に燃料を添加するように排気通路１００に配置されていてもよく、排気通路１００のうち第２排気バイパス通路１０３の排気通路１００への接続点ｂよりもさらに下流側の部分と、第２タービン６１との間に燃料を添加するように排気通路１００に配置されていてもよい。
【００４０】
燃料添加弁７０の具体的な構造は、燃料を添加できるものであれば、特に限定されるものではない。燃料添加弁７０の一例として、ディーゼルエンジンのポスト噴射用として用いられている公知の燃料添加弁を用いることができる。この場合、燃料添加弁７０は、噴孔から燃料を噴射することで、排気通路１００に燃料を添加する。なお、燃料としては、燃焼可能な液体であれば、特に限定されるものではない。例えば燃料として、ガソリン、軽油等を用いることができる。本実施例においては、燃料の一例としてガソリンを用いる。燃料添加弁７０には、内燃機関５が有する燃料タンクからガソリンが供給される。
【００４１】
各種センサは、制御装置８０の動作に必要な情報を検出するセンサである。図１においては各種センサの一例として、クランクポジションセンサ９０およびエアフロメータ９１が図示されている。クランクポジションセンサ９０は、内燃機関本体１０のクランクシャフトの位置を検出し、検出結果を制御装置８０に伝える。制御装置８０は、クランクポジションセンサ９０の検出結果に基づいて内燃機関５のクランク角を取得する。また制御装置８０は、クランクポジションセンサ９０の検出結果に基づいて内燃機関５の回転数、回転速度等を取得する。エアフロメータ９１は、内燃機関本体１０に供給される吸気の流量を検出し、検出結果を制御装置８０に伝える。
【００４２】
制御装置８０は、各種センサの検出結果に基づいて内燃機関本体１０、燃料添加弁７０、第１過給機５０および第２過給機６０を制御する制御部と、制御部の動作に必要な情報を記憶する記憶部とを備えている。制御装置８０として、電子制御装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）を用いることができる。本実施例においては、制御装置８０の一例として、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）８１、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）８２およびＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）８３を備える電子制御装置を用いる。制御部の機能は、ＣＰＵ８１によって実現される。記憶部の機能は、ＲＯＭ８２およびＲＡＭ８３によって実現される。
【００４３】
続いて制御装置８０の詳細について説明する。具体的には制御装置８０による燃料添加弁７０、第１過給機５０および第２過給機６０の制御について説明する。図２（ａ）は、制御装置８０による燃料添加弁７０、第１過給機５０および第２過給機６０の制御を説明するための図である。図２（ａ）の縦軸は、内燃機関本体１０のクランクシャフトのトルク（以下、内燃機関５のトルクと称する場合がある）を示している。横軸は、内燃機関５のクランクシャフトの回転速度（以下、内燃機関５の回転速度と称する場合がある）を示している。
【００４４】
曲線２００は、第１過給機５０および第２過給機６０の両方によって吸気が過給された場合の内燃機関５のトルク特性を示す曲線である。曲線２０１は、第２過給機６０のみによる過給が行われた場合における内燃機関５のトルク特性を示す曲線である。曲線２００および曲線２０１は、それぞれ上に凸の曲線となっている。曲線２００は曲線２０１よりも左側（回転速度が小さい側）に位置している。曲線２００のトルクの極大値は、曲線２０１のトルクの極大値よりも高くなっている。
【００４５】
図２（ａ）に示すように、内燃機関５の回転速度が高速になるまでの間、第１過給機５０および第２過給機６０の両方による過給が行われ、内燃機関５の回転速度が高速になった場合に第２過給機６０のみによる過給が行われた場合、このような制御が行われない場合に比較して、より広い範囲の回転速度に亘って吸気を過給することができる。このように広い範囲の回転速度に亘って吸気を過給することで、内燃機関５のトルク特性を向上させることができる。
【００４６】
そこで、本実施例に係る制御装置８０の制御部は、内燃機関５の回転速度に応じて、第１過給機５０および第２過給機６０の両方による過給が行われた状態（以下、２段過給状態と称する場合がある）と、第１過給機５０による過給が停止し第２過給機６０による過給のみが行われた状態（以下、低圧段過給状態と称する場合がある）とが得られるように第１過給機５０および第２過給機６０の作動状態を制御する。
【００４７】
ここで、制御部が内燃機関５の回転速度が曲線２００と曲線２０１との交点に相当する回転速度で２段過給状態を低圧段過給状態に切り替えたと仮定する。また燃料添加弁７０による燃料添加が行われないと仮定する。このような制御が行われた内燃機関５のドライバビリティは、良好であるとはいえない。
【００４８】
具体的には、例えば曲線２００と曲線２０１とが交差する回転速度で、両方の過給機による過給を第２過給機６０のみによる過給に切り替えた場合、内燃機関５のトルク特性は、大きな負の傾きを有する曲線２００から、大きな正の傾きを有する曲線２０１へと急激に変化することになる。この場合、内燃機関５のユーザは大きなトルク段差を感じることになる。その結果、内燃機関５のドライバビリティは悪化してしまう。また、内燃機関５のトルクは曲線２００の極大値から大きく減少して、曲線２００と曲線２０１との交点におけるトルクになった後に、曲線２０１の極大値に向かって上昇することになる。この場合、内燃機関５の回転速度の上昇に伴って、内燃機関５のトルクは一旦大きく減少した後に上昇することになる。この場合にも内燃機関５のユーザは大きなトルク段差を感じることになる。この点においても、内燃機関５のドライバビリティは良好とはいえない。
【００４９】
そこで、本実施例に係る制御装置８０の制御部は、所定の燃料添加開始条件が満たされた場合に燃料が所定量添加されるように燃料添加弁７０を制御する（この燃料添加量の詳細は後述する）。この場合、燃料添加弁７０から第１タービン５１と第２タービン６１との間の排気通路１００に所定量の燃料が添加されることによって、添加された燃料の燃焼によって第２タービン６１に供給される排気の温度を上昇させて、第２タービン６１に供給される排気のエネルギを上昇させることができる。その結果、第２過給機６０の出力を上昇させることができる。第２過給機６０の出力が上昇することで第２過給機６０による過給圧が上昇する結果、内燃機関５のトルクも上昇、トルク段差を抑制することができる。
【００５０】
図２（ａ）において領域２１０で表示されている部分は、燃料添加によるトルクの上昇部分を模式的に図示している。図２（ｂ）は、燃料添加によってトルクが上昇した後の内燃機関５のトルク特性を模式的に示している。図２（ｂ）を図２（ａ）と比較すると分るように、燃料添加によってトルクが上昇することによって、トルク段差を少なくして内燃機関５のドライバビリティを向上させることができる。
【００５１】
燃料添加開始条件は、特に限定されるものではないが、本実施例においては一例として、内燃機関５の回転速度が第１基準値以上、第２基準値以下の場合であるとの条件を用いる。第１基準値としては、図２（ａ）において曲線２００と曲線２０１とが交差する回転速度より低い値を用いることができ、第２基準としては、図２（ａ）において曲線２００と曲線２０１とが交差する回転速度より高い値を用いることができる。本実施例では、第１基準値として、図２（ａ）において曲線２００と曲線２０１とが交差する回転速度より低く且つ曲線２００の極大値に相当する回転速度より所定の値だけ高い回転速度を用い、第２基準値として、図２（ａ）において曲線２００と曲線２０１とが交差する回転速度より高く且つ曲線２０１の極大値に相当する回転速度より所定の値だけ低い回転速度を用いる（これらの基準値は図２（ｂ）に図示されている）。
【００５２】
燃料添加開始条件が上記のように設定された結果、制御部は、内燃機関５の回転速度が少なくとも第１基準値以上、第２基準値より小さい場合は開閉弁１１０ａおよび開閉弁１１０ｂを閉に制御することで、第１過給機５０および第２過給機６０の作動状態を２段過給状態にし、内燃機関５の回転速度が第２基準値になった場合に、開閉弁１１０ａおよび開閉弁１１０ｂを開に制御することで、第１過給機５０および第２過給機６０の作動状態を低圧段過給状態にする。なお、本実施例に係る制御部は、図２（ｂ）に示すように、内燃機関５の回転速度が第１基準値よりも小さい場合にも、第１過給機５０および第２過給機６０の作動状態を２段過給状態に制御している。
【００５３】
続いて、燃料添加弁７０の燃料添加量について説明する。ここで、燃料添加弁７０の燃料添加量が多いほど、第２タービン６１に供給される排気のエネルギをより上昇させて第２過給機６０の出力をより上昇できると考えられるが、燃料添加量を適切に制御しないと、以下のような問題が生じるおそれがある。具体的には、仮に燃料添加弁７０の燃料添加量が過度に多い場合、燃料添加弁７０から添加された燃料を起因とする煤が発生するおそれがある。また、添加された燃料の燃焼によって第２タービン６１の入口温度が上昇し過ぎてしまい所定の温度（例えば設計段階で設定された上限温度）を超えた場合、第２タービン６１の信頼性が損なわれるおそれがある。したがって燃料添加量は適切に制御されることが好ましい。
【００５４】
そこで制御部は、以下に説明する手法によって燃料添加量を制御している。まず、制御部は、燃料添加弁７０から添加された燃料が煤になることを抑制可能な燃料添加量（以下、第１燃料添加量と称する）を算出する。また制御部は、燃料添加弁７０から添加された燃料の燃焼によって第２タービン６１の入口温度が所定の温度になる燃料添加量（以下、第２燃料添加量と称する）を算出する。そして制御部は、算出された第１燃料添加量と第２燃料添加量とのうち小さい方の燃料添加量（以下、第３燃料添加量と称する）で燃料が添加されるように燃料添加弁７０を制御する。
【００５５】
ここで、燃料添加弁７０から添加された燃料が煤になるか否かは、第１タービン５１と第２タービン６１との間の排気通路１００における酸素濃度と相関関係を有している。酸素濃度が高いほど、燃料添加弁７０から添加された燃料は煤になり難いからである。そこで、制御部は、少なくとも第１タービン５１と第２タービン６１との間の排気通路１００における酸素濃度に基づいて、第１燃料添加量を算出する。
【００５６】
また、燃料添加弁７０から添加された燃料が煤になるか否かは、第１タービン５１と第２タービン６１との間の排気通路１００における排気流量とも相関関係を有している。排気流量が多いほど、燃料添加弁７０から添加された燃料は煤になり難いからである。したがって第１燃料添加量を高い精度で算出するためには、排気流量をも考慮して第１燃料添加量を算出することが好ましいといえる。そこで、本実施例に係る制御部は、第１タービン５１と第２タービン６１との間の排気通路１００における酸素濃度および排気流量に基づいて、第１燃料添加量を算出する。
【００５７】
また、燃料添加弁７０から添加された燃料の燃焼によって第２タービン６１の入口温度が所定の温度まで上昇する燃料添加量は、第１タービン５１と第２タービン６１との間の排気通路１００における排気温度と相関関係を有している。具体的には第１タービン５１と第２タービン６１との間の排気通路１００における排気温度が低いほど、燃料添加弁７０から添加された燃料の燃焼によって第２タービン６１の入口温度が所定の温度まで上昇する燃料添加量を多くすることができる。そこで制御部は、少なくとも第１タービン５１と第２タービン６１との間の排気通路１００における排気温度に基づいて、第２燃料添加量を算出する。
【００５８】
また、燃料添加弁７０から添加された燃料の燃焼によって第２タービン６１の入口温度が所定の温度まで上昇する燃料添加量は、第１タービン５１と第２タービン６１との間の排気通路１００における排気流量とも相関関係を有している。この排気流量が多いほど、燃料添加弁７０から添加された燃料の燃焼によって第２タービン６１の入口温度が所定の温度まで上昇する燃料添加量は少なくなると考えられるからである。したがって、第２燃料添加量を高い精度で算出するためには、排気流量をも考慮して第２燃料添加量を算出することが好ましいといえる。そこで、本実施例に係る制御部は、第１タービン５１と第２タービン６１との間の排気通路１００における排気温度および排気流量に基づいて、第２燃料添加量を算出する。
【００５９】
第１燃料添加量および第２燃料添加量の算出にあたり、制御部は、具体的には下記式（１）を用いて第１燃料添加量（Ｑｏ）を算出し、下記式（２）を用いて第２燃料添加量（Ｑｔ）を算出する。
Ｑｏ＝Ｃｏ×Ｇ４÷（１＋Ｈ／Ｃ÷４）×（１２＋Ｈ／Ｃ）÷３２・・・（１）
Ｑｔ＝Ｃｐ×（Ｔｔｒｇ−Ｔ４）÷Ｇ４÷ＬＨＶ×１０００・・・・・・（２）
【００６０】
上記式において、第１燃料添加量Ｑｏおよび第２燃料添加量Ｑｔの単位は（ｇ／ｓ）であり、単位時間当たりの燃料添加量をグラムで表した値である。またＣｏは、第１タービン５１と第２タービン６１との間の排気通路１００の酸素濃度（ｗｔ％）であり、第２タービン６１に供給される排気に含まれる酸素濃度でもある。Ｇ４は、第１タービン５１と第２タービン６１との間の排気通路１００の排気流量（ｇ／ｓ）であり、第２タービン６１に供給される排気の流量でもある。Ｈ／Ｃは、燃料添加弁７０から添加される燃料の炭素水素比（水素量を炭素量で割った値）である。Ｃｐは、第１タービン５１と第２タービン６１との間の排気通路１００の排気の定圧比熱（Ｊ／ｋｇ・Ｋ）である。Ｔｔｒｇは、第２タービン６１の入口温度の所定の温度（Ｋ）である。本実施例ではＴｔｒｇの一例して、第２タービン６１の入口温度の上限温度、具体的には設計段階において想定した入口温度の上限温度の設計値を用いる。Ｔ４は、第１タービン５１と第２タービン６１との間の排気通路１００における排気温度（Ｋ）であり、第２タービン６１に供給される排気の排気温度でもある。ＬＨＶは、燃料添加弁７０から添加される燃料の低位発熱量（Ｊ／ｋｇ）である。
【００６１】
なお、式（１）において、Ｃｏ×Ｇ４は第１タービン５１と第２タービン６１との間の排気通路１００における排気中の酸素の質量流量（ｇ／ｓ）を示している。また、（１＋Ｈ／Ｃ÷４）はモル当量を示し、（１２＋Ｈ／Ｃ）÷３２は分子量比を示している。すなわち、本実施例に係る第１燃料添加量は、第１タービン５１と第２タービン６１との間の排気通路１００における排気中の酸素の質量流量をモル当量で除した値に分子量比を掛けた値でもある。この式（１）で算出される第１燃料添加量は、燃料添加弁７０から添加された燃料によって第１タービン５１と第２タービン６１との間の排気通路１００における排気が理論空燃比となるときの燃料添加量に相当している。
【００６２】
したがって、本実施例に係る制御部は、第１燃料添加量として、燃料添加弁７０から添加された燃料によって第１タービン５１と第２タービン６１との間の排気通路１００における排気が理論空燃比となる燃料添加量を用いている。また、この第１燃料添加量は、燃料添加弁７０から添加された燃料が煤にならない燃料添加量の最大値に相当している。すなわち、本実施例に係る第１燃料添加量は、燃料添加弁７０から添加された燃料が煤にならない燃料添加量の最大値である。なお、式（２）から分るように第２燃料添加量は、温度がＴｔｒｇに達するのに必要なエネルギを単位質量当たりの燃料の発熱量で除することによって算出される値でもある。
【００６３】
なお、制御部による上記酸素濃度Ｃｏ、排気流量Ｇ４および排気温度Ｔ４の具体的な取得手法は、特に限定されるものではないが、本実施例に係る制御部はこれらの値を演算によって取得する。具体的には、酸素濃度Ｃｏ、排気流量Ｇ４および排気温度Ｔ４は、内燃機関本体１０に吸入される吸気流量、内燃機関本体１０における燃料噴射量（内燃機関本体１０の稼動に供される燃料を供給する燃料噴射弁からの燃料噴射量）、第１過給機５０の出力と相関関係を有している。そこで、本実施例に係る制御部は、酸素濃度Ｃｏ、排気流量Ｇ４および排気温度Ｔ４それぞれを、これら内燃機関本体１０に吸入される吸気流量、内燃機関本体１０における燃料噴射量および第１過給機５０の出力に基づいて算出することで、取得する。
【００６４】
この場合、記憶部は、酸素濃度Ｃｏ、排気流量Ｇ４および排気温度Ｔ４のそれぞれについて、内燃機関本体１０に吸入される吸気流量、内燃機関本体１０における燃料噴射量および第１過給機５０の出力との関係を規定したマップを記憶しておく。制御部は内燃機関本体１０に吸入される吸気流量、内燃機関本体１０における燃料噴射量および第１過給機５０の出力を取得し、取得されたこれらの値に対応する酸素濃度Ｃｏ、排気流量Ｇ４および排気温度Ｔ４を各マップから抽出することで、酸素濃度Ｃｏ、排気流量Ｇ４および排気温度Ｔ４を取得する。なお制御部は、エアフロメータ９１の検出結果に基づいて内燃機関本体１０に吸入される吸気流量を取得することができる。また制御部は、第１過給機５０の出力を取得するにあたり、例えば第１タービン５１の可変ノズルベーンの開度に基づいて第１過給機５０の出力を取得することができる。
【００６５】
また、式（１）および式（２）は、あらかじめ記憶部が記憶しておく。式（１）および式（２）に用いられる、酸素濃度Ｃｏ、排気流量Ｇ４および排気温度Ｔ４以外の値（Ｈ／Ｃ，Ｃｐ，Ｔｔｒｇ，ＬＨＶ）は、定数であるため、記憶部があらかじめ記憶しておく。制御部は、上述した手法で取得した酸素濃度Ｃｏ、排気流量Ｇ４および排気温度Ｔ４と、記憶部に記憶されたＨ／Ｃ，Ｃｐ，Ｔｔｒｇ，ＬＨＶと、を用いて、式（１）および式（２）からそれぞれ第１燃料添加量および第２燃料添加量を算出する。
【００６６】
なお制御部による酸素濃度Ｃｏ、排気流量Ｇ４および排気温度Ｔ４の取得手法は、上述したような演算によって取得する手法に限定されるものではなく、例えば制御部は、センサによる検出値としてこれらの値を取得してもよい。この場合、内燃機関５は、例えば酸素濃度Ｃｏを検出するためのセンサ（例えば酸素センサ）、排気流量Ｇ４を検出するためのセンサ（例えば流量センサ）および排気温度Ｔ４を検出するためのセンサ（例えば温度センサ）を排気通路１００の第１タービン５１と第２タービン６１との間に備え、制御部は、これらセンサの検出結果に基づいて酸素濃度Ｃｏ、排気流量Ｇ４および排気温度Ｔ４を取得してもよい。あるいは制御部は、酸素濃度Ｃｏ、排気流量Ｇ４および排気温度Ｔ４の一部は、演算によって取得し、残りはセンサによる検出値として取得してもよい。
【００６７】
なお、制御部が仮に第１燃料添加量を第１タービン５１と第２タービン６１との間の排気通路１００における酸素濃度に基づいて算出し、第２燃料添加量を第１タービン５１と第２タービン６１との間の排気通路１００における排気温度に基づいて算出する場合、式（１）および式（２）において排気流量Ｇ４として、所定の定数を用いればよい。但し前述したように、本実施例のように制御部が第１燃料添加量および第２燃料添加量の算出にあたり排気流量Ｇ４を考慮に入れる場合の方が、そうでない場合に比較して高い精度で第１燃料添加量および第２燃料添加量を算出できる点で好ましい。
【００６８】
図３は、制御装置８０の燃料添加弁７０の制御のフローチャートの一例を示す図である。制御装置８０は、図３のフローチャートを所定の周期で繰り返し実行する。まず制御装置８０の制御部は、燃料添加開始条件が満たされたか否かを判定する（ステップＳ１０）。前述したように本実施例に係る制御装置８０は、燃料添加開始条件として内燃機関５の回転速度が第１基準値以上であり、第２基準値以下の値であるとの条件を用いている。
【００６９】
すなわち本実施例に係る制御部は、ステップＳ１０において、クランクポジションセンサ９０の検出結果に基づいて取得した内燃機関５の回転速度が第１基準値以上、第２基準値以下の値にあるか否かを判定している。第１基準値および第２基準値は、あらかじめ記憶部が記憶しておく。制御部はクランクポジションセンサ９０の検出結果に基づいて取得した内燃機関５の回転速度と記憶部に記憶された第１基準値および第２基準値とを比較することで、ステップＳ１０を実行する。
【００７０】
ステップＳ１０において、内燃機関本体１０の回転速度が、第１基準値以上、第２基準値以下の値であると判定されなかった場合、制御部は燃料添加開始条件が満たされていないとしてフローチャートの実行を終了する。一方、ステップＳ１０において内燃機関本体１０の回転速度が、第１基準値以上、第２基準値以下の値であると判定された場合、制御部は燃料添加開始条件が満たされたとしてステップＳ２０を実行する。
【００７１】
ステップＳ２０において制御部は、第１燃料添加量（Ｑｏ）を算出する。具体的には制御部は、前述した式（１）を用いて第１燃料添加量を算出する。次いで制御部は、第２燃料添加量（Ｑｔ）を算出する（ステップＳ３０）。具体的には制御部は、前述した式（２）を用いて第２燃料添加量を算出する。
【００７２】
次いで制御部は、第３燃料添加量（Ｑ）を算出する（ステップＳ４０）。具体的には制御部は、ステップＳ２０で算出された第１燃料添加量とステップＳ３０で算出された第２燃料添加量とを比較し、小さい値の燃料添加量を第３燃料添加量（Ｑ）として取得する。なお、ステップＳ２０で算出された第１燃料添加量とステップＳ３０で算出された第２燃料添加量とを比較した結果、両者が同じ値の場合には、制御部は、いずれか一方の燃料添加量を第３燃料添加量（Ｑ）として取得する。次いで制御部は、第３燃料添加量の燃料が添加されるように燃料添加弁７０を制御する（ステップＳ５０）。次いで制御部は、フローチャートの実行を終了する。
【００７３】
なお、本実施例に係る制御装置８０による燃料添加弁７０、第１過給機５０および第２過給機６０の制御全体を総括すると以下のようになる。すなわち、制御装置８０の制御部は、内燃機関５の回転速度が第１基準値以上、第２基準値以下の場合に、第３燃料添加量の燃料が添加されるように燃料添加弁７０を制御するとともに、内燃機関５の回転速度が少なくとも第１基準値以上、第２基準値より小さい間は第１過給機５０および第２過給機６０が２段過給状態となり、内燃機関５の回転速度が第２基準値になった場合に第１過給機５０および第２過給機６０が低圧段過給状態となるように第１過給機５０および第２過給機６０の作動状態を制御する。
【００７４】
本実施例に係る制御装置８０によれば、第１タービン５１と第２タービン６１との間の排気通路１００に燃料添加弁７０から燃料が添加されることから、添加された燃料の燃焼によって第２タービン６１に供給される排気のエネルギを上昇させて、第２過給機６０の出力を向上させることができる。
【００７５】
ここで、内燃機関５の運転状態および第１過給機５０の運転状態が変化した場合、第１タービン５１と第２タービン６１との間の排気通路１００における酸素濃度Ｃｏ、排気流量Ｇ４および排気温度Ｔ４も変化するため、算出される第１燃料添加量および第２燃料添加量の大小関係も変化すると考えられる。この場合、本実施例に係る制御装置８０によれば、例えば算出された第１燃料添加量の方が算出された第２燃料添加量よりも小さい場合には、第１燃料添加量の燃料を燃料添加弁７０から添加することができる。この場合、第１燃料添加量は、第１タービン５１と第２タービン６１との間の排気通路１００における酸素濃度に基づいて算出された燃料添加量であるため、第１燃料添加量の燃料が添加されても煤の発生は抑制される。また、第１燃料添加量は第２燃料添加量よりも小さいため、この第１燃料添加量の燃料が燃料添加弁７０から添加されても、第２タービン６１の入口温度は所定の温度（Ｔｔｒｇ）を超えることはない。そのため、この場合、燃料添加弁７０からの燃料添加による煤の発生を抑制し第２タービン６１の信頼性を確保しつつ第２過給機６０の出力を上昇させることができる。
【００７６】
また、制御装置８０によれば、仮に算出された第２燃料添加量の方が算出された第１燃料添加量よりも小さい場合には、第２燃料添加量の燃料を燃料添加弁７０から添加することができる。この場合、燃料添加弁７０から添加された第２燃料添加量の燃料の燃焼によって第２タービン６１の入口温度を所定の温度にできるとともに、第２燃料添加量は第１燃料添加量よりも小さいことから、この第２燃料添加量の燃料が燃料添加弁７０から添加されても、煤の発生は抑制される。そのため、この場合にも、燃料添加弁７０からの燃料添加による煤の発生を抑制し第２タービン６１の信頼性を確保しつつ第２過給機６０の出力を最大限度まで上昇させることができる。
【００７７】
以上のように本実施例に係る制御装置８０によれば、燃料添加弁７０からの燃料添加による煤の発生を抑制し第２タービン６１の信頼性を確保しつつ第２過給機６０の出力を向上させることができる。
【００７８】
また、式（１）の説明において前述したように、本実施例に係る制御部は、第１燃料添加量として、燃料添加弁７０から添加された燃料によって第１タービン５１と第２タービン６１との間の排気通路１００における排気が理論空燃比となる燃料添加量を用いていることから、第１燃料添加量は、燃料添加弁７０から添加された燃料が煤にならない燃料添加量の最大値に相当している。したがって、本実施例に係る制御装置８０によれば、算出された第１燃料添加量の方が算出された第２燃料添加量よりも小さい結果、第１燃料添加量の燃料が燃料添加弁７０から添加された場合、第２タービン６１の信頼性を確保しつつ第２過給機６０の出力を燃料添加による煤の発生を抑制可能な最大限度まで上昇させることができる。
【００７９】
また、制御装置８０が適用される内燃機関５において、燃料添加弁７０は排気通路１００のうち第１タービン５１と第２タービン６１との間の部分に燃料を添加していることから、燃料添加弁７０からの燃料が第１タービン５１に付着することが抑制されている。それにより、制御装置８０によれば、燃料添加弁７０からの燃料の付着による第１過給機５０の出力の低下が抑制されている。また、制御装置８０によれば、燃料添加弁７０から添加された燃料によって排気温度が上昇することにより、排気浄化装置４０のパティキュレートの燃焼も促進させることができる。
【００８０】
また制御装置８０によれば、内燃機関５の回転速度が第２基準値になって第１過給機５０による過給が停止した場合に生じる内燃機関５のトルク段差を、燃料添加弁７０からの燃料による第２過給機６０の出力上昇による内燃機関５のトルク上昇によって小さくすることができる。その結果、燃料添加弁７０からの燃料添加による煤の発生を抑制し第２タービン６１の信頼性を確保しつつ、第１過給機５０および第２過給機６０の両方による過給が行われた２段過給状態から第１過給機５０による過給が停止して低圧段過給状態に移行したときにおける内燃機関５のドライバビリティの悪化を抑制することができる。
【００８１】
また制御装置８０によれば、制御装置８０が適用される内燃機関５の第１過給機５０は第２過給機６０よりも小型であることから、第１過給機５０および第２過給機６０が同型の場合に比較して内燃機関５の出力特性を効果的に向上させることができる。また、第１過給機５０が第２過給機６０よりも大型の場合に比較して、過給効率を向上させることができ、２段過給領域を広く確保することができ、第１排気バイパス通路１０２の断面積を小さくすることができる。
【実施例２】
【００８２】
続いて実施例２に係る内燃機関の制御装置８０ａ（以下、制御装置８０ａと略称する）について説明する。本実施例に係る制御装置８０ａが適用される内燃機関５のハードウエア構成は、実施例１に係る内燃機関５と同じである。制御装置８０ａは、制御部による燃料添加弁７０の制御内容が実施例１に係る制御内容と異なっている点において、実施例１に係る制御装置８０と異なっている。
【００８３】
具体的には制御装置８０ａの制御部は、燃料添加開始条件が満たされた場合であっても、さらに所定の燃料添加禁止条件が満たされた場合には燃料添加弁７０による燃料添加を禁止する点において、主として実施例１に係る制御部と異なっている。制御装置８０ａの他の構成は、実施例１に係る制御装置８０と同様である。
【００８４】
本実施例においては、上記燃料添加禁止条件の一例として、燃料添加弁７０から添加された燃料が着火するまでの時間である着火時間（τｄ）が燃料添加弁７０から添加された燃料が第２タービン６１に到達するまでの時間である到達時間（τｔ）よりも大きい場合を用いる。この燃料添加禁止条件が満たされた場合、制御部は燃料添加弁７０からの燃料添加を禁止する。一方、燃料添加禁止条件が満たされない場合（すなわち、着火時間が到達時間以下の場合）、制御部は燃料添加弁７０からの燃料の添加を実行する。
【００８５】
制御部は、着火時間（τｄ）を、第１タービン５１と第２タービン６１との間の排気通路１００における酸素濃度Ｃｏ、排気温度Ｔ４および排気圧Ｐ４に基づいて算出する。また制御部は、到達時間（τｔ）を、第１タービン５１と第２タービン６１との間の排気通路１００における排気温度Ｔ４、排気圧Ｐ４および排気流量Ｇ４に基づいて算出する。
【００８６】
具体的には制御部は、下記式（３）を用いて着火時間τｄを算出し、下記式（４）を用いて到達時間τｔを算出する。
τｄ＝τｉｎｊ（Ｑ）＋Ｃｄ×（Ｃｏ）ａ×（Ｐ４）ｂ×ｅｘｐ（Ｅ／（Ｒ×Ｔ４））・・・（３）
τｔ＝Ｖ÷（２２．４×１０−３×Ｇ４÷Ｍ÷Ｐ４×Ｔ４÷２７３）・・・（４）
【００８７】
上記式において、着火時間τｄおよび到達時間τｔの単位は（ｓ）である。また、τｉｎｊ（Ｑ）は、燃料添加弁７０が燃料を添加している期間（ｓ）である。本実施例に係るτｉｎｊ（Ｑ）は、予め設定された値（すなわち設計値）である。Ｃｄは係数（時間遅れ係数）であり、予め実験、シミュレーション等によって決めておく。（Ｃｏ）ａのａは、酸素濃度次数であり、予め実験、シミュレーション等によって決めておく。（Ｐ４）ｂのｂは、圧力次数であり、予め実験、シミュレーション等によって決めておく。Ｅは排気の活性化エネルギ（Ｊ／ｋｇ）である。Ｒは排気の気体定数（Ｊ／ｋｇ・Ｋ）である。Ｖは燃料添加弁７０の噴孔（燃料が添加される孔）から第２タービン６１までの排気通路１００の容積（ｍ３）である。Ｍは排気の分子量である。
【００８８】
なお、式（３）においてＣｄ×（Ｃｏ）ａ×（Ｐ４）ｂ×ｅｘｐ（Ｅ／（Ｒ×Ｔ４））は、燃料添加弁７０から添加された燃料が着火されるまでの時間（着火遅れ時間）を化学的見地から推測した値を示している。したがって、本実施例に係る着火時間τｄは、燃料添加弁７０が燃料を添加している期間と、燃料添加弁７０から添加された燃料が着火されるまでの時間を化学的見地から推測した値とを足すことによって算出される値でもある。また、式（４）において（２２．４×１０−３×Ｇ４÷Ｍ÷Ｐ４×Ｔ４÷２７３）は、第１タービン５１と第２タービン６１との間の排気通路１００における排気の体積流量を示している。したがって、本実施例に係る到達時間τｔは、燃料添加弁７０の噴孔から第２タービン６１までの排気通路１００の容積を排気の体積流量で除することによって算出される値でもある。
【００８９】
なお、制御部は到達時間τｔを算出するにあたり、排気流量Ｇ４に代えて所定の定数を用いてもよい。この場合、制御部は到達時間τｔを、第１タービン５１と第２タービン６１との間の排気通路１００における排気温度Ｔ４および排気圧Ｐ４に基づいて算出することになる。但し、到達時間τｔは排気流量Ｇ４と相関関係を有することから、本実施例のように到達時間τｔを排気温度Ｔ４、排気圧Ｐ４および排気流量Ｇ４に基づいて算出した方が高い精度で到達時間τｔを算出できる点で好ましい。
【００９０】
また、制御部による酸素濃度Ｃｏ、排気流量Ｇ４、排気温度Ｔ４および排気圧Ｐ４の具体的な取得手法は、特に限定されるものではないが、本実施例に係る制御部はこれらの値を演算によって取得する。このうち酸素濃度Ｃｏ、排気流量Ｇ４および排気温度Ｔ４については、制御部は実施例１と同様の手法で取得する。排気圧Ｐ４については、制御部は、内燃機関本体１０に吸入される吸気流量、内燃機関本体１０における燃料噴射量および第１過給機５０の出力に基づいて算出する。
【００９１】
この場合、記憶部は、内燃機関本体１０に吸入される吸気流量、内燃機関本体１０における燃料噴射量および第１過給機５０の出力と、排気圧Ｐ４と、を関連付けるマップを記憶しておく。制御部は、内燃機関本体１０に吸入される吸気流量、内燃機関本体１０における燃料噴射量および第１過給機５０の出力を取得し、取得されたこれらの値に対応する排気圧Ｐ４をマップから抽出することで、排気圧Ｐ４を取得する。但し排気圧Ｐ４の取得手法は、これに限定されるものではなく、例えば内燃機関５は、排気圧Ｐ４を検出するためのセンサ（例えば圧力センサ）を排気通路１００の第１タービン５１と第２タービン６１との間に備え、制御部は圧力センサの検出結果に基づいて排気圧Ｐ４を取得してもよい。
【００９２】
また、式（３）および式（４）は、あらかじめ記憶部が記憶しておく。式（３）および式（４）に用いられる、酸素濃度Ｃｏ、排気流量Ｇ４、排気温度Ｔ４および排気圧Ｐ４以外の値（τｉｎｊ（Ｑ），Ｃｄ，ａ，ｂ，Ｅ，Ｒ、Ｖ，Ｍ）も、あらかじめ記憶部が記憶しておく。制御部は、上述した手法で取得した酸素濃度Ｃｏ、排気流量Ｇ４、排気温度Ｔ４および排気圧Ｐ４と、記憶部に記憶されたτｉｎｊ（Ｑ），Ｃｄ，ａ，ｂ，Ｅ，Ｒ、Ｖ，Ｍと、を用いて、式（３）および式（４）からそれぞれ着火時間τｄおよび到達時間τｔを算出する。
【００９３】
図４は、制御装置８０ａの燃料添加弁７０の制御のフローチャートの一例を示す図である。制御装置８０ａは、図４のフローチャートを所定の周期で繰り返し実行する。図４のフローチャートは、ステップＳ４０とステップＳ５０との間に、ステップＳ４１、ステップＳ４２およびステップＳ４３をさらに備えている点において、実施例１に係る図３のフローチャートと異なっている。図４におけるステップＳ１０〜ステップＳ４０およびステップＳ５０は、図３のフローチャートと同様のため説明を省略する。
【００９４】
図４のステップＳ４１において、制御装置８０ａの制御部は、燃料添加弁７０から添加された燃料が着火するまでの着火時間τｄを算出する。具体的には制御部は、前述した式（３）に基づいて着火時間τｄを算出する。次いで制御部は、ステップＳ４２を実行する。ステップＳ４２において制御部は、燃料添加弁７０から添加された燃料が第２タービン６１に到達するまでの到達時間τｔを算出する。具体的には制御部は、前述した式（４）に基づいて到達時間τｔを算出する。
【００９５】
次いで制御部は、ステップＳ４３を実行する。ステップＳ４３において制御部は、燃料添加禁止条件が満たされたか否かを判定する。具体的には制御部は、ステップＳ４１で算出された着火時間τｄがステップＳ４２で算出された到達時間τｔより大きいか否かを判定する。ステップＳ４３において着火時間τｄが到達時間τｔより大きいと判定された場合、制御部は燃料添加禁止条件が満たされたとして、フローチャートの実行を終了する。この場合、燃料添加弁７０による燃料添加は行われない。ステップＳ４３において着火時間τｄが到達時間τｔより大きいと判定されなかった場合、制御部はステップＳ５０を実行する。この場合、ステップＳ４０で算出された第３燃料添加量（Ｑ）の燃料が添加される。
【００９６】
本実施例に係る制御装置８０ａにおいても、着火時間τｄが到達時間τｔ以下の場合に、燃料添加弁７０から第３燃料添加量の燃料が添加されるように燃料添加弁７０が制御されることから、実施例１と同様の効果を奏することができる。すなわち、制御装置８０ａによれば、燃料添加弁７０からの燃料添加による煤の発生を抑制し第２タービン６１の信頼性を確保しつつ第２過給機６０の出力を向上させることができる。また、燃料添加弁７０からの燃料添加による煤の発生を抑制し第２タービン６１の信頼性を確保しつつ、内燃機関５のドライバビリティの悪化を抑制することができる。また第１燃料添加量として、燃料添加弁７０から添加された燃料によって第１タービン５１と第２タービン６１との間の排気通路１００における排気が理論空燃比となる燃料添加量を用いていることから、第１燃料添加量の燃料が燃料添加弁７０から添加された場合、第２タービン６１の信頼性を確保しつつ第２過給機６０の出力を燃料添加による煤の発生を抑制可能な最大限度まで上昇させることができる。また制御装置８０ａが適用される内燃機関５の第１過給機５０が第２過給機６０よりも小型であることから、第１過給機５０および第２過給機６０が同型の場合に比較して内燃機関５の出力特性を効果的に向上させることができる。また第１過給機５０が第２過給機６０よりも大型の場合に比較して、過給効率を向上させることができ、２段過給領域を広く確保することができ、第１排気バイパス通路１０２の断面積を小さくすることができる。
【００９７】
また制御装置８０ａによれば、着火時間τｄが到達時間τｔよりも大きい場合には燃料添加弁７０からの燃料の添加が禁止されることから、第２タービン６１の入口温度の上昇に寄与せずに無駄に消費される燃料添加を抑制することができる。また、この構成によれば、無駄に消費される燃料によって排気浄化装置４０の触媒が過度に温度上昇することも抑制できる。
【００９８】
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００９９】
５  内燃機関
１０  内燃機関本体
４０  排気浄化装置
５０  第１過給機
５１  第１タービン
６０  第２過給機
６１  第２タービン
７０  燃料添加弁
８０  制御装置
９０  クランクポジションセンサ
９１  エアフロメータ
１００  排気通路
１０１  吸気通路
【図１】
2013130168.tif 000003
【図２】
2013130168.tif 000004
【図３】
2013130168.tif 000005
【図４】
2013130168.tif 000006