(57)【要約】【課題】重量の増加やコストの増加を抑えつつ、大小のターボ過給機を２台使用した場合と同様の効果を得ることの可能な、新規かつ改良されたターボ過給装置及びこれを搭載したエンジンを提供する。【解決手段】ターボ過給装置１００は高圧段モノローター１１０を備えており、高圧段モノローター１１０は、高圧段排気タービン１１１と高圧段圧縮機インペラ１１２とが背中合わせに配置され結合ピン１１３によって組み付けられていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧段モノローターを備えたターボ過給装置であって、
前記高圧段モノローターは、高圧段排気タービンと高圧段圧縮機インペラとが背中合わせに配置され結合部材によって組み付けられていることを特徴とする、ターボ過給装置。
【請求項２】
前記高圧段排気タービン及び前記高圧段圧縮機インペラの軸心を、モノローターガイド筒が貫通しており、
前記高圧段モノローターは、前記高圧段排気タービン及び前記高圧段圧縮機インペラが軸受を介して前記モノローターガイド筒に支持され、シールされてユニット化されていることを特徴とする、請求項１に記載のターボ過給装置。
【請求項３】
さらに、低圧段排気タービンと低圧段圧縮機インペラとを有する低圧段ローターを備え、
前記高圧段モノローターは、前記低圧段排気タービンと前記低圧段圧縮機インペラとの間に配置され、
排気側には排気ガス流量調整弁と排気ガスバイパス弁とが設けられ、
前記排気ガス流量調整弁で前記高圧段排気タービンへの排気ガス流入量を制御し、
前記排気ガスバイパス弁で前記低圧段排気タービンへの排気ガス流入量を調整し、
吸気側には前記高圧段圧縮機インペラの吸気量を切り替える吸気切替弁が設けられ、
前記吸気切替弁で、前記低圧段圧縮機インペラの過給新気を前記高圧段圧縮機インペラ側へ流入させることと流入させないこととを切り替え、
前記排気ガス流量調整弁、前記排気ガスバイパス弁、及び前記吸気切替弁で過給圧の制御が行われることを特徴とする、請求項１又は２に記載のターボ過給装置。
【請求項４】
前記過給圧の制御は、
極低回転領域において完全に前記低圧段ローターと前記高圧段モノローターとで２段に過給する第１のモードと、
低・中回転領域において前記排気ガス流量調整弁を制御して可変に前記低圧段ローターと前記高圧段モノローターとで２段に過給する第２のモードと、
高回転領域において前記低圧段ローターのみで１段に過給する第３のモードと、
高回転領域において過給圧が設定値をオーバーしたときに前記排気ガスバイパス弁を開きガス量を調整する第４のモードと、
を切り替えることにより行われることを特徴とする、請求項３に記載のターボ過給装置。
【請求項５】
前記過給圧の制御は、
エンジン回転数に対応する前記高圧段モノローターの圧力比と、
エンジン回転数に対応する前記低圧段ローターの圧力比と、
前記エンジン回転数に対応する前記高圧段モノローターの圧力比と、前記エンジン回転数に対応する前記低圧段ローターの圧力比とを加えたトータル圧力比と、
に基づいて、電子回路で演算しながら行われることを特徴とする、請求項３に記載のターボ過給装置。
【請求項６】
ターボ過給装置を搭載したエンジンであって、
３つの気筒を有する第１の気筒グループと３つの気筒を有する第２の気筒グループとを備え、
前記第１の気筒グループに対応して、請求項１〜４のいずれかに記載の第１のターボ過給装置と、前記第１のターボ過給装置から前記第１の気筒グループへの給気を冷却する第１の給気冷却器と、を備え、
前記第２の気筒グループに対応して、請求項１〜４のいずれかに記載の第２のターボ過給装置と、前記第２のターボ過給装置から前記第２の気筒グループへの給気を冷却する第２の給気冷却器と、を備えたことを特徴とする、エンジン。
【請求項７】
前記第１のターボ過給装置を通過する前の排気ガスは第１の高圧ＥＧＲ弁、第１の高圧ＥＧＲ冷却器、及び第１の高圧ＥＧＲ逆止リード弁を順次介して、前記第１の気筒グループに還流し、
前記第２のターボ過給装置を通過する前の排気ガスは第２の高圧ＥＧＲ弁、第２の高圧ＥＧＲ冷却器、及び第２の高圧ＥＧＲ逆止リード弁を順次介して、前記第２の気筒グループに還流することを特徴とする、請求項６に記載のエンジン。
【請求項８】
前記第１の気筒グループと前記第２の気筒グループとにそれぞれ対応して排気ガス後処理装置を備え、
前記排気ガス後処理装置によって処理された排気ガスが前記ターボ過給装置に還流することを特徴とする、請求項６又は７に記載のエンジン。
【請求項９】
負荷が約０〜約５０パーセントのときには、前記第１の気筒グループは燃焼運転し、前記第２の気筒グループは燃料カットされ、
負荷が５０〜約１００パーセントのときには、前記第１の気筒グループ及び前記第２の気筒グループは燃焼運転し、前記２つの気筒グループのうちの先に燃焼運転が行われる前記第１の気筒グループは負荷が１００パーセントであり、後に燃焼運転が行われる前記第２の気筒グループは負荷が０〜１００パーセントであることを特徴とする、請求項６〜８のいずれかに記載のエンジン。
【請求項１０】
第１のパワータービンと第２のパワータービンとを有するターボコンパウンド装置をさらに備え、
前記第１の気筒グループに備えられた前記ターボ過給装置の排気は、前記ターボコンパウンド装置の前記第１のパワータービンに供給され、
前記第２の気筒グループに備えられた前記ターボ過給装置の排気は、前記ターボコンパウンド装置の前記第２のパワータービンに供給されることを特徴とする、請求項６〜９のいずれかに記載のエンジン。
【請求項１１】
ターボ過給装置を搭載したエンジンであって、
３つの気筒を有する第１の気筒グループと、１つの気筒を有する第２の気筒グループと、を備え、
前記第１の気筒グループと前記第２の気筒グループの給気は共通し、
前記第１の気筒グループと前記第２の気筒グループの排気は２Ｇ排気逆止リード弁を介して連通し、
前記第１の気筒グループと前記第２の気筒グループに共通の請求項１〜４のいずれかに記載のターボ過給装置と、
前記第１の気筒グループと前記第２の気筒グループに共通の前記気筒への給気を冷却する給気冷却器と、
を備えたことを特徴とする、エンジン。
【請求項１２】
前記ターボ過給装置を通過する前の排気ガスは高圧ＥＧＲ弁、高圧ＥＧＲ冷却器、及び高圧ＥＧＲ逆止リード弁を順次介して、前記第１の気筒グループと前記第２の気筒グループに還流することを特徴とする、請求項１１に記載のエンジン。
【請求項１３】
前記第１の気筒グループと前記第２の気筒グループには共通の排気ガス後処理装置を備え、
前記排気ガス後処理装置によって処理された排気ガスが前記ターボ過給装置に還流することを特徴とする、請求項１１又は１２に記載のエンジン。
【請求項１４】
負荷が約０〜約７５パーセントのときには、前記第１の気筒グループは燃焼運転し、前記第２の気筒グループは燃料カットされ、
負荷が７５〜約１００パーセントのときには、前記第１の気筒グループ及び前記第２の気筒グループは燃焼運転し、前記第１の気筒グループ及び前記第２の気筒グループの負荷は１００パーセントであることを特徴とする、請求項１１〜１３のいずれかに記載のエンジン。
【請求項１５】
１つのパワータービンを有するターボコンパウンド装置をさらに備え、
前記ターボ過給装置の排気は、前記ターボコンパウンド装置の前記パワータービンに供給されることを特徴とする、請求項１１〜１４のいずれかに記載のエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボ過給装置及びこれを搭載したエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関のターボ過給装置においては、過給機が１台の場合、その１台の過給機の圧縮機の特性は、エンジンの使用領域によって決まる。したがって、エンジン使用領域に合わせて最適な効率となるように圧縮機特性を設定することが一般的である。ところが、エンジンの回転数が低い場合は、排気ガス量が十分でないため、排気ガスタービンの軸回転数が低く、圧縮機の圧縮圧力は低い。したがって、エンジン低回転時は、空気量不足によって燃料が十分燃えないため、煤が多量に生成され、これが黒鉛となって大気へ放出されるうえ、燃費が悪化する。
【０００３】
従来、上記問題に対処するため、大小のターボ過給機を２台使用することが行われていた。すなわち、既存の特性の異なる大小２台のターボ過給機を配管で組み合わせ、排気ガス調整弁を用いた制御により過給圧を調整することが行われていた。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】三菱重工技報Ｖｏｌ．４７Ｎｏ．４（２０１０）自動車関連技術特集  乗用ディーゼルエンジン用可変２ステージターボの開発  ７頁〜１１頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の大小のターボ過給機を２台使用する方法では、次のような問題があった。まず、２台の過給機の配管で構成するため、重量の増加、コストが高騰する。また、エンジン搭載時に２台分の過給機取り付けスペースを必要とし、車両によっては搭載できない。また、エンジン搭載時、過給装置の重量の増加で、エンジン重心が偏り、重心調整のためのコスト増加や、複雑な配管構造による整備作業性の悪化や整備コストの高騰が避けられない。
【０００６】
そこで本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、重量の増加やコストの増加を抑えつつ、大小のターボ過給機を２台使用した場合と同様の効果を得ることの可能な、新規かつ改良されたターボ過給装置及びこれを搭載したエンジンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の第１の観点によれば、高圧段モノローターを備えたターボ過給装置であって、前記高圧段モノローターは、高圧段排気タービンと高圧段圧縮機インペラとが背中合わせに配置され結合部材によって組み付けられていることを特徴とする、ターボ過給装置が提供される。
【０００８】
かかる構成によれば、高圧段と低圧段のターボ過給装置を有する２段圧縮方式のターボ過給装置において、高圧段排気タービンと高圧段圧縮機インペラは、お互いに背中合わせに結合部材によって組み付けられ、コンパクトな高圧段モノローターを構成することができる。これにより、１台のターボ過給装置で従来の２台使用と同様の機能と性能を有し、小型で軽量、低コストなターボ過給装置を提供することができる。
【０００９】
本発明はさまざまな応用が可能である。例えば、前記高圧段排気タービン及び前記高圧段圧縮機インペラの軸心を、モノローターガイド筒が貫通しており、前記高圧段モノローターは、前記高圧段排気タービン及び前記高圧段圧縮機インペラが軸受を介して前記モノローターガイド筒に支持され、シールされてユニット化されるようにしてもよい。かかる構成によれば、高圧段モノローターは、モノローターガイド筒に、高圧段排気タービン及び高圧段圧縮機インペラが軸受を介してシールされることによってユニット化されるため、容易にユニット化することができる。
【００１０】
また、さらに、低圧段排気タービンと低圧段圧縮機インペラとを有する低圧段ローターを備え、前記高圧段モノローターは、前記低圧段排気タービンと前記低圧段圧縮機インペラとの間に配置され、排気側には排気ガス流量調整弁と排気ガスバイパス弁とが設けられ、前記排気ガス流量調整弁で前記高圧段排気タービンへの排気ガス流入量を制御し、前記排気ガスバイパス弁で前記低圧段排気タービンへの排気ガス流入量を調整し、吸気側には前記高圧段圧縮機インペラの吸気量を切り替える吸気切替弁が設けられ、前記吸気切替弁で、前記低圧段圧縮機インペラの過給新気を前記高圧段圧縮機インペラ側へ流入させることと流入させないこととを切り替え、前記排気ガス流量調整弁、前記排気ガスバイパス弁、及び前記吸気切替弁で過給圧の制御が行われるようにしてもよい。このように、排気ガス流量調整弁、排気ガスバイパス弁、及び吸気切替弁の３つの弁を制御することにより、過給圧を適切に制御できる。
【００１１】
また、前記過給圧の制御は、極低回転領域において完全に前記低圧段ローターと前記高圧段モノローターとで２段に過給する第１のモードと、低・中回転領域において前記排気ガス流量調整弁を制御して可変に前記低圧段ローターと前記高圧段モノローターとで２段に過給する第２のモードと、高回転領域において前記低圧段ローターのみで１段に過給する第３のモードと、高回転領域において過給圧が設定値をオーバーしたときに前記排気ガスバイパス弁を開きガス量を調整する第４のモードと、を切り替えることにより行われるようにしてもよい。排気ガス流量調整弁、排気ガスバイパス弁、及び吸気切替弁の３つの弁を制御して、第１のモードから第４のモードの過給圧の制御を行うことで、過給圧マッチングの自由度を高めることが可能である。
【００１２】
また、前記過給圧の制御は、（あらかじめ設定されている）エンジン回転数に対応する前記高圧段モノローターの圧力比と、（あらかじめ設定されている）エンジン回転数に対応する前記低圧段ローターの圧力比と、前記エンジン回転数に対応する前記高圧段モノローターの圧力比と、前記エンジン回転数に対応する前記低圧段ローターの圧力比とを加えたトータル圧力比と、に基づいて、電子回路で演算しながら行われるようにしてもよい。このように、過給圧の制御において、エンジン回転数に対応する前記高圧段モノローターの圧力比と、エンジン回転数に対応する前記低圧段ローターの圧力比と、トータル圧力比とに基づいて、電子回路により演算しながら制御を行うことで、容易かつ正確に制御を行うことができる。
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明の第２の観点によれば、ターボ過給装置を搭載したエンジンであって、３つの気筒を有する第１の気筒グループと３つの気筒を有する第２の気筒グループとを備え、前記第１の気筒グループに対応して、第１のターボ過給装置と、前記第１のターボ過給装置から前記第１の気筒グループへの給気を冷却する第１の給気冷却器と、を備え、前記第２の気筒グループに対応して、第２のターボ過給装置と、前記第２のターボ過給装置から前記第２の気筒グループへの給気を冷却する第２の給気冷却器と、を備えたことを特徴とする、エンジンが提供される。ここで、第１のターボ過給装置及び第２のターボ過給装置には、上記本発明の第１の観点のターボ過給装置が採用される。
【００１４】
かかる構成によれば、エンジンは低回転側でも高いトルクを得ることができる。また、一方の気筒グループの燃料をカットする領域が増えるため、燃費を向上させることができる。
【００１５】
本発明はさまざまな応用が可能である。例えば、前記第１のターボ過給装置を通過する前の排気ガスは第１の高圧ＥＧＲ弁、第１の高圧ＥＧＲ冷却器、及び第１の高圧ＥＧＲ逆止リード弁を順次介して、前記第１の気筒グループに還流し、前記第２のターボ過給装置を通過する前の排気ガスは第２の高圧ＥＧＲ弁、第２の高圧ＥＧＲ冷却器、及び第２の高圧ＥＧＲ逆止リード弁を順次介して、前記第２の気筒グループに還流するようにしてもよい。このような構成により、燃焼後の排気ガスの一部を取り出し、再度吸気させることができるため、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減することができ、燃費を向上させることができる。また、過給圧が排気ガス圧よりも高い場合でも、高圧ＥＧＲ逆止リード弁によって、排気ガス脈流の合間を縫って還流できる。
【００１６】
また、前記第１の気筒グループと前記第２の気筒グループとにそれぞれ対応して排気ガス後処理装置を備え、前記排気ガス後処理装置によって処理された排気ガスが前記ターボ過給装置に還流するようにしてもよい。このような構成により、排気ガスは過給圧の影響を受けずに用意に還流することができる。
【００１７】
また、負荷が約０〜約５０パーセントのときには、前記第１の気筒グループは燃焼運転し、前記第２の気筒グループは燃料カットされ、負荷が５０〜約１００パーセントのときには、前記第１の気筒グループ及び前記第２の気筒グループは燃焼運転し、前記２つの気筒グループのうちの先に燃焼運転が行われる前記第１の気筒グループは負荷が１００パーセントであり、後に燃焼運転が行われる前記第２の気筒グループは負荷が０〜１００パーセントであるようにしてもよい。エンジンの負荷が０〜５０パーセントのときには、ターボ過給装置によって部分負荷での高トルク発生回転数領域を従来ターボより低くできる。このため、第２の気筒グループが燃料カットされる回転数領域が拡大して、燃費が大幅に向上する。また、エンジンの負荷が５０〜１００パーセントのときには、ターボ過給装置によって第１の気筒グループの負荷を１００パーセントにすることにより、排気ガスの温度を高くすることができる。排気ガス後処理装置の作動温度を満たすためには、排気ガス後処理装置の入り口の温度は高温である必要がある。仮に排気ガスの温度が低いと、排ガスの温度を上げるために自動車の走行に無関係な燃料を投入しなければならない。しかし、第１の気筒グループの負荷を１００パーセントにすることによって、排気ガスの温度を高くすることができるため、無駄な燃料の投入がなくなる。
【００１８】
また、第１のパワータービンと第２のパワータービンとを有するターボコンパウンド装置をさらに備え、前記第１の気筒グループに備えられた前記ターボ過給装置の排気は、前記ターボコンパウンド装置の前記第１のパワータービンに供給され、前記第２の気筒グループに備えられた前記ターボ過給装置の排気は、前記ターボコンパウンド装置の前記第２のパワータービンに供給されるようにしてもよい。このような構成により、第１のターボ過給装置と第２のターボ過給装置で回収しきれなかった残りの排気ガスのエネルギーをターボコンパウンド装置で回収することができる。よって、エンジンの熱効率を向上させることができる。
【００１９】
上記課題を解決するため、本発明の第３の観点によれば、ターボ過給装置を搭載したエンジンであって、３つの気筒を有する第１の気筒グループと、１つの気筒を有する第２の気筒グループと、を備え、前記第１の気筒グループと前記第２の気筒グループの給気は共通し、前記第１の気筒グループと前記第２の気筒グループの排気は２Ｇ排気逆止リード弁を介して連通し、前記第１の気筒グループと前記第２の気筒グループに共通のターボ過給装置と、前記第１の気筒グループと前記第２の気筒グループに共通の前記気筒への給気を冷却する給気冷却器と、を備えたことを特徴とする、エンジンが提供される。ここで、ターボ過給装置には、上記本発明の第１の観点のターボ過給装置が採用される。
【００２０】
かかる構成によれば、エンジンは低回転側でも高いトルクを得ることができる。また、一方の気筒グループの燃料をカットする領域が増えるため、燃費を向上させることができる。
【００２１】
本発明はさまざまな応用が可能である。例えば、前記ターボ過給装置を通過する前の排気ガスは高圧ＥＧＲ弁、高圧ＥＧＲ冷却器、及び高圧ＥＧＲ逆止リード弁を順次介して、前記第１の気筒グループと前記第２の気筒グループに還流するようにしてもよい。このような構成により、燃焼後の排気ガスの一部を取り出し、再度吸気させることができるため、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減することができ、燃費を向上させることができる。また、過給圧が排気ガス圧よりも高い場合でも、高圧ＥＧＲ逆止リード弁によって、排気ガス脈流の合間を縫って還流できる。
【００２２】
また、前記第１の気筒グループと前記第２の気筒グループには共通の排気ガス後処理装置を備え、前記排気ガス後処理装置によって処理された排気ガスが前記ターボ過給装置に還流するようにしてもよい。このような構成により、排気ガスは過給圧の影響を受けずに用意に還流することができる。
【００２３】
また、負荷が約０〜約７５パーセントのときには、前記第１の気筒グループは燃焼運転し、前記第２の気筒グループは燃料カットされ、負荷が７５〜約１００パーセントのときには、前記第１の気筒グループ及び前記第２の気筒グループは燃焼運転し、前記第１の気筒グループ及び前記第２の気筒グループの負荷は１００パーセントであるようにしてもよい。エンジンの負荷が０〜７５パーセントのときには、ターボ過給装置によって部分負荷での高トルク発生回転数領域を従来ターボより低くできる。このため、第２の気筒グループが燃料カットされる回転数領域が拡大して、燃費が大幅に向上する。また、エンジンの負荷が７５〜１００パーセントのときには、ターボ過給装置によって第１の気筒グループの負荷を１００パーセントにすることにより、排気ガスの温度を高くすることができる。排気ガス後処理装置の作動温度を満たすためには、排気ガス後処理装置の入り口の温度は高温である必要がある。仮に排気ガスの温度が低いと、排ガスの温度を上げるために自動車の走行に無関係な燃料を投入しなければならない。しかし、第１の気筒グループの負荷を１００パーセントにすることによって、排気ガスの温度を高くすることができるため、無駄な燃料の投入がなくなる。
【００２４】
また、１つのパワータービンを有するターボコンパウンド装置をさらに備え、前記ターボ過給装置の排気は、前記ターボコンパウンド装置の前記パワータービンに供給されるようにしてもよい。このような構成により、ターボ過給装置で回収しきれなかった残りの排気ガスのエネルギーをターボコンパウンド装置で回収することができる。よって、エンジンの熱効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、重量の増加やコストの増加を抑えつつ、大小のターボ過給機を２台使用した場合と同様の効果を得ることの可能な、新規かつ改良されたターボ過給装置が提供される。本発明のその他の効果については、後述する発明を実施するための形態においても説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】第１の実施形態のターボ過給装置１００の全体構成を概略的に示した図である。
【図２】高圧段モノローターの構成を説明するための図である。
【図３】高圧段モノローターをユニット化した状態を示す図であり、（ａ）はモノローターガイド筒を示し、（ｂ）は高圧段モノローターをユニット化した状態を示す。
【図４】低圧段ローターを示す図である。
【図５】高圧段モノローターと低圧段ローター組み合わせた図である。
【図６】ターボ過給装置の空気流量と圧力比との関係を示す図である。
【図７】各モードと過給圧及びエンジントルクとの関係を示す図である。
【図８】モード１を説明するための図である。
【図９】モード２を説明するための図である。
【図１０】モード３を説明するための図である。
【図１１】第４のモードを説明するための図である。
【図１２】第２の実施形態にかかるエンジンの全体の構成を説明するための図である。
【図１３】ターボコンパウンド装置を説明するための図である。
【図１４】エンジントルクとエンジン回転数との関係を説明するための図である。
【図１５】エンジン負荷と回転数比との関係を説明するための図である。
【図１６】第３の実施形態にかかるエンジンの全体の構成を説明するための図である。
【図１７】ターボコンパウンド装置を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２８】
本実施形態のターボ過給装置１００の全体の構成について、図１を参照しながら説明する。図１は、ターボ過給装置１００の全体構成を概略的に示した図である。ターボ過給装置１００は、図１に示したように、高圧段モノローター１１０を備えており、高圧段モノローター１１０は、高圧段排気タービン１１１と高圧段圧縮機インペラ１１２とが背中合わせに配置され結合ピン（結合部材）１１３によって組み付けられている。
【００２９】
ターボ過給装置１００は、図１に示したように、高圧段モノローター１１０の他に、主に、低圧段ローター１２０、高圧段タービンハウジング１３０、高圧段インペラハウジング１４０、低圧段タービンハウジング１５０、低圧段インペラハウジング１６０を備えて構成されている。
【００３０】
以下、本実施形態のターボ過給装置１００の各構成要素について、図１〜図４を参照しながら説明する。
【００３１】
（高圧段モノローター１１０）
高圧段モノローター１１０は、エンジン３００の低回転域の排気ガス量が少ない領域で、空気を高い圧力で圧縮できる特性を持ったターボである。高圧段モノローター１１０は、図２に示したように、高圧段排気タービン１１１と高圧段圧縮機インペラ１１２とが、お互いに背中合わせに配置されて結合ピン１１３を介して組み付けられて構成されている。
【００３２】
高圧段排気タービン１１１と高圧段圧縮機インペラ１１２は、図２に示したように、背面側の径寸法が同じであり、径寸法が小さい。高圧段排気タービン１１１と高圧段圧縮機インペラ１１２の背面側の周面には、結合ピン１１３が挿入される挿入穴１１１ａ、１１２ａが等間隔に４つ形成されている。高圧段排気タービン１１１と挿入穴１１１ａと高圧段圧縮機インペラ１１２の挿入穴１１２ａに結合ピン１１３の両端がそれぞれ挿入されて、高圧段排気タービン１１１と高圧段圧縮機インペラ１１２が組み付けられる。
【００３３】
高圧段圧縮機インペラ１１２の周部にはラビリンスシール１１４が設けられる。高圧段モノローター１１０の高圧段排気タービン１１１と高圧段圧縮機インペラ１１２の断面形状は中をくり貫いた丁度お碗の様な形状である。このため、高圧段モノローター１１０を軽量化できる。従って、高圧段ターボの回転遅れ応答が改善できてターボラグを小さく出来る。
【００３４】
高圧段モノローター１１０は、図３に示したように、高圧段排気タービン１１１及び高圧段圧縮機インペラ１１２の軸心をモノローターガイド筒１１５が貫通している。モノローターガイド筒１１５は、両端が開放された筒状に構成されており、内部に後述の低圧段排気タービン軸１２２が貫通する。高圧段モノローター１１０は、高圧段排気タービン１１１及び高圧段圧縮機インペラ１１２の端部がモノローター軸受１１６を介してモノローターガイド筒１１５に支持されている。さらに、高圧段モノローター１１０は、モノローター軸受１１６とモノローター軸シール１１７とが高圧段排気タービン１１１及び高圧段圧縮機インペラ１１２を挟むようにモノローター軸受ナット１１８で組み付けられて、ユニット化される。
【００３５】
（低圧段ローター１２０）
低圧段ローター１２０は、エンジン３００の中高回転域の排気ガス量が多い領域で、空気を高い圧力で圧縮できる特性を持ったターボである。低圧段ローター１２０は、高圧段モノローター１１０に比べて径寸法が大きい。低圧段ローター１２０は、図４に示したように、低圧段排気タービン１２１の低圧段排気タービン軸１２２にローター軸受１２３とローター軸シール１２４とがローター軸受ナット１２５で組み付けられる。また、低圧段ローター１２０は、低圧段圧縮機インペラ１２６がインペラ組付ナット１２７で組み付けられて構成する。
【００３６】
（高圧段モノローター１１０と低圧段ローター１２０との組合構成）
高圧段モノローター１１０は、図５に示したように、高圧段排気タービン１１１と高圧段タービンハウジング１３０とが取り付けられ、高圧段圧縮機インペラ１１２と高圧段インペラハウジング１４０とが取り付けられる。
【００３７】
低圧段ローター１２０は、低圧段排気タービン軸１２２にローター軸受１２３とローター軸シール１２４とが組み込まれる。低圧段排気タービン軸１２２はモノローターガイド筒１１５の中を貫通して低圧段圧縮機インペラ１２６側に突出する。低圧段排気タービン軸１２２は、低圧段圧縮機インペラ１２６側において、ローター軸受１２３とローター軸シール１２４とが組み込まれて低圧段圧縮機インペラ１２６にインペラ組付ナット１２７で締結固定される。
【００３８】
高圧段モノローター１１０の高圧段排気タービン１１１と高圧段圧縮機インペラ１１２との間には、互いの室内からのガス漏れを防止するために、ラビリンスシール１１４が構成される。ラビリンスシール１１４は、非接触構造により回転部と固定部の固体同士の摩擦が行らない機構を有する。回転部と固定部の間に凹凸の隙間を何段にも組み合わせて、各段ごとに徐々に漏れ圧を下げて行く。
【００３９】
高圧段モノローター１１０は、エンジン３００の低回転域で高圧生成するため、コンプレッサー特性はサージング線に非常に近い領域で使用することになる。このため、排気ガスの量が増えてくると高圧段排気タービン１１１が高回転になる。よって、直ぐにサージングの領域に入るため、コンプレッサーの圧力生成機能が失墜（ストール）する。
【００４０】
一方、低圧段ローター１２０は、エンジン３００の低回転域の排気ガスの量が少ないでは高圧を生成する機能がほとんどなく、エンジン３００の低回転域では低圧段排気タービン１２１が回らないため、空気を高圧で圧縮することはできない。しかし、低圧段ローター１２０は、前述のように、エンジン３００の中高回転域の排気ガス量が多い領域で、空気を高い圧力で圧縮できる。
【００４１】
よって、ターボ過給装置１００は、高圧段モノローター１１０と低圧段ローター１２０を組み合わせることによって、エンジン３００としては低回転から高回転までの全域で、高い空気圧力を得ることが可能となる。
【００４２】
再び図１に示したように、ターボ過給装置１００には、排気ガス流入部に排気ガスマニホルド１７０が組み付けられており、吸気流入部に吸気マニホルド１８０が組み付けられる。排気ガスマニホルド１７０には、排気ガス流量調整弁１９０と排気ガスバイパス弁２００の２つのバルブが設けられる。ターボ過給装置１００は、排気ガス流量調整弁１９０で高圧段排気タービン１１１への排気ガス流入量を制御し、排気ガスバイパス弁２００で低圧段排気タービン１２１への排気ガス流入量を調整する。
【００４３】
また、ターボ過給装置１００には、吸気マニホルド１８０に高圧段圧縮機インペラの吸気量を切り替える吸気切替弁２１０が設けられる。吸気切替弁２１０で、低圧段圧縮機インペラ１２６の過給新気を高圧段圧縮機インペラ１１２側へ流入させることと流入させないこととを切り替える。ターボ過給装置１００は、排気ガス流量調整弁１９０、排気ガスバイパス弁２００、及び吸気切替弁２１０で過給圧の制御を行う。
【００４４】
ターボ過給装置１００の過給圧の制御は、図６に示したエンジン回転数に対応する高圧段モノローター１１０の圧力比ＨＰとエンジン回転数に対応する低圧段ローター１２０の圧力比ＬＰと、高圧段モノローター１１０の圧力比ＨＰと低圧段ローター１２０の圧力比ＬＰとを加えたトータル圧力比ＴＰに基づき、電子回路により演算しながら行われる。
【００４５】
以上、本実施形態のターボ過給装置１００の全体構成について説明した。次に、本実施形態のターボ過給装置１００の動作について、図７〜図１１を参照しながら説明する。図７は、第１のモードから第４のモードに切り替える過給圧とエンジントルクの状態を示す図であり、図８は第１のモードの状態であり、図９は第２のモードの状態、図１０は第３のモードの状態であり、図１１は第４のモードの状態である。
【００４６】
図７において、Ｐ１は本実施形態のターボ過給装置１００を用いた場合のエンジン３００の過給圧であり、Ｐ２は従来のターボ過給装置を用いた場合のエンジンの過給圧である。また、Ｔ１は本実施形態のターボ過給装置１００を用いた場合の部分負荷回転領域でのエンジン３００の最高トルクを示し、第４のモードにおいて、エンジン最高回転となる。さらに、Ｔ２は従来のターボ過給装置を用いた場合の部分負荷領域でのエンジンの最高トルクＨＴである。第１のモードから第４のモードまでの切り替えは、図７におけるエンジン３００の過給圧とエンジン３００の最大トルクに基づいて行われる。
【００４７】
（第１のモード）
第１のモードは、極低回転領域において完全に２段に圧縮する状態である。このときのターボ過給装置１００の各部の状態は、図８に示したように、以下のようである。
エンジン回転状態：極低回転の領域
高圧段モノローター１１０の動作：全域作動
排気ガス流量調整弁１９０：高圧段排気タービン１１１の入り口側へ開く
排気ガスバイパス弁２００：閉じ位置
吸気切替弁２１０：高圧段圧縮機インペラ１１２の入り口側へ開く
【００４８】
（第２のモード）
第２のモードは、低・中回転領域において排気ガス流量調整弁１９０を制御して可変に２段に圧縮する状態である。このときのターボ過給装置１００の各部の状態は、図９に示したように、以下のようである。
エンジン回転状態：低速から中速回転の領域
高圧段モノローター１１０の動作：サージング限界域まで作動
排気ガス流量調整弁１９０：高圧段排気タービン１１１の入り口と低圧段排気タービン１２１の入り口への流量を制御する
排気ガスバイパス弁２００：閉じ位置
吸気切替弁２１０：高圧段圧縮機インペラ１１２の入り口側へ開く
【００４９】
（第３のモード）
第３のモードは、高回転領域において低圧段のみの１段に圧縮する状態である。このときのターボ過給装置１００の各部の状態は、図１０に示したように、以下のようである。
エンジン回転状態：高速回転の領域
高圧段モノローター１１０の動作：アイドリング状態（完全停止ではない）
排気ガス流量調整弁１９０：低圧段排気タービン１２１の入り口へ開く
ただし、高圧段排気タービン１１１の入り口側へ僅かに開いてごく少量の排気ガスを導入する。
排気ガスバイパス弁２００：閉じ位置
吸気切替弁２１０：低圧段圧縮機インペラ１２６の入り口側へ開く
ただし、高圧段圧縮機インペラ１１２の入り口側へ僅かに開いてごく少量の吸気を導入する。
【００５０】
（第４のモード）
第４のモードは、高回転領域において過給圧が設定値をオーバーしたときに排気ガスバイパス弁２００を開きガス量を調整する状態である。このときのターボ過給装置１００の各部の状態は、図１１に示したように、以下のようである。
エンジン回転状態：高速回転の領域
高圧段モノローター１１０の動作：アイドリング状態（完全停止ではない）
排気ガス流量調整弁１９０：低圧段排気タービン１２１の入り口へ開く
ただし、高圧段排気タービン１１１の入り口側へ僅かに開いてごく少量の排気ガスを導入する。
排気ガスバイパス弁２００：開き位置
ただし、吸気圧が開弁設定値を超えると、その吸気圧を利用して弁開度を制御する。
吸気切替弁２１０：低圧段圧縮機インペラ１２６の入り口側へ開く
ただし、高圧段圧縮機インペラ１１２の入り口側へ僅かに開いてごく少量の吸気を導入する。
【００５１】
（第１の実施形態の効果）
以上説明したように、本実施形態によれば、高圧段と低圧段のターボを有する２段圧縮方式のターボ過給装置１００において、高圧段排気タービン１１１と高圧段圧縮機インペラ１１２は、お互いに背中合わせに結合ピン１１３を介して組み付けられ、コンパクトな高圧段モノローター１１０を構成することができる。これにより、１台のターボ過給装置１００で従来の２台使用と同様の機能と性能を有し、小型で軽量、低コストなターボ過給装置１００を提供することができる。
【００５２】
また、高圧段モノローター１１０は、モノローターガイド筒１１５に、高圧段排気タービン１１１及び高圧段圧縮機インペラ１１２がモノローター軸受１１６を介してモノローター軸シール１１７でシールされることによってユニット化されるため、容易にユニット化することができる。
【００５３】
また、排気ガス流量調整弁１９０、排気ガスバイパス弁２００、及び吸気切替弁２１０の３つの弁を制御して、第１のモードから第４のモードの過給圧の制御を行うことで、過給圧マッチングの自由度を高めることが可能である。
【００５４】
さらに、過給圧の制御において、エンジン回転数に対応する高圧段モノローター１１０の圧力比とエンジン回転数に対応する低圧段ローター１２０の圧力比と、高圧段モノローター１１０の圧力比と低圧段ローター１２０の圧力比とを加えたトータル圧力比に基づいた、高圧段モノローターと低圧段モノローターとの特性マップにより電子回路により演算しながら制御を行うことで、容易かつ正確に制御を行うことができる。
【００５５】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態ついて図１２を参照しながら説明する。本実施形態は、第１の実施形態のターボ過給装置１００を搭載したエンジン３００である。
【００５６】
エンジン３００は、図１２に示したように、６気筒のエンジンブロック３１０を、前３気筒と後ろ３気筒との２つの第１の気筒グループ３１１Ａと第２の気筒グループ３１１Ｂとし、各気筒グループ３１１Ａ、３１１Ｂに、第１のターボ過給装置１００Ａと、第２のターボ過給装置１００Ｂと、第１の排気マニホルド３２０Ａと、第２の排気マニホルド３２０Ｂと、第１の吸気マニホルド３３０Ａと、第２の吸気マニホルド３３０Ｂと、第１の給気冷却器３４０Ａと、第２の給気冷却器３４０Ｂとを設けたことを特徴とする。なお、第１の実施形態と同様の構成は同一の符号を付し、重複説明を省略する。
【００５７】
以下、本実施形態のエンジン３００の各構成要素について、図１２を参照しながら詳述する。
【００５８】
（エンジンブロック３１０）
エンジンブロック３１０は、６気筒であり、前側に配置される３気筒の第１の気筒グループ３１１Ａと後ろ側に配置される３気筒の第２の気筒グループ３１１Ｂとから構成される。
【００５９】
（第１の排気マニホルド３２０Ａ、第２の排気マニホルド３２０Ｂ）
第１の排気マニホルド３２０Ａは第１の気筒グループ３１１Ａに設けられ、第２の排気マニホルド３２０Ｂは第２の気筒グループ３１１Ｂに設けられる。第１の排気マニホルド３２０Ａは第1の気筒グループ３１１Ａの排気を第1のターボ過給装置１００Ａに送る。第２の排気マニホルド３２０Ｂは第２の気筒グループ３１１Ｂの排気を第２のターボ過給装置１００Ｂに送る。
【００６０】
（第１の吸気マニホルド３３０Ａ、第２の吸気マニホルド３３０Ｂ）
第１の吸気マニホルド３３０Ａは第１の気筒グループ３１１Ａに設けられ、第２の吸気マニホルド３３０Ｂは第２の気筒グループ３１１Ｂに設けられる。第１の吸気マニホルド３３０Ａは第1の気筒グループ３１１Ａに吸気する。第２の吸気マニホルド３３０Ｂは第２の気筒グループ３１１Ｂに吸気する。
【００６１】
（第１のターボ過給装置１００Ａ、第２のターボ過給装置１００Ｂ）
第１のターボ過給装置１００Ａと第２のターボ過給装置１００Ｂは第1の実施形態のターボ過給装置１００と同様の構成であるため、詳細な説明は省略する。第１のターボ過給装置１００Ａは、図１２に示したように、第１の排気マニホルド３２０Ａの下流側の端部に設けられ、第１の排気マニホルド３２０Ａからの排気が供給される。また、第２のターボ過給装置１００Ｂは、図１２に示したように、第２の排気マニホルド３２０Ｂの下流側の端部に設けられる。第２の排気マニホルド３３０Ａからの排気が供給される。
【００６２】
第１のターボ過給装置１００Ａと第２のターボ過給装置１００Ｂの下流には、ターボコンパウンド装置４１０が設けられる。第１のターボ過給装置１００Ａと第２のターボ過給装置１００Ｂは高圧段と低圧段が一体のコンパクトなターボのため、図１２に示したように、あたかも従来のターボが１個の場合と同様に配置することができる。
【００６３】
また、第１のターボ過給装置１００Ａ、第２のターボ過給装置１００Ｂは、可変２段圧縮ターボのため、エンジン３００の低回転域から高い圧力比が得られるので、高いトルクが得られ、ターボ応答遅れの回避と加速性能を向上させることができる。よって、燃費を向上することができる。
【００６４】
（第１の給気冷却器３４０Ａ、第２の給気冷却器３４０Ｂ）
第１の給気冷却器３４０Ａは、第１のターボ過給装置１００Ａと第１の吸気マニホルド３３０Ａとを連通する管路３４１に設けられ、第１の気筒グループ３１１Ａに供給される吸気を冷却する。また、第２の給気冷却器３４０Ｂは、第２のターボ過給装置１００Ｂと第２の吸気マニホルド３３０Ｂとを連通する管路３４２に設けられ、第２の気筒グループ３１１Ｂに供給される吸気を冷却する。
【００６５】
また、エンジン３００は、第１のターボ過給装置１００Ａを通過する前の排気ガスを第１の吸気マニホルド３３０Ａに還流する管路３４３に第１の高圧ＥＧＲ弁３５０Ａ、第１の高圧ＥＧＲ冷却器３６０Ａ、及び第１の高圧ＥＧＲ逆止リード弁３７０Ａが設けられる。また、第２のターボ過給装置１００Ｂを通過する前の排気ガスを第２の吸気マニホルド３３０Ｂに還流する管路３４４に第２の高圧ＥＧＲ弁３５０Ｂ、第２の高圧ＥＧＲ冷却器３６０Ｂ、及び第２の高圧ＥＧＲ逆止リード弁３７０Ｂが設けられる。
【００６６】
このような構成により、第１及び第２のターボ過給装置１００Ａ、１００Ｂを通過する前の排気ガスは、第１及び第２の高圧ＥＧＲ弁３５０Ａ、３５０Ｂ、第１及び第２の高圧ＥＧＲ冷却器３６０Ａ、３６０Ｂ、及び第１及び第２の高圧ＥＧＲ逆止リード弁３７０Ａ、３７０Ｂを介して第１及び第２の吸気マニホルド３３０Ａ、３３０Ｂにそれぞれ還流する。
【００６７】
ターボコンパウンド装置４１０の排気側は２つの流路を介して１つの排気マフラー３８０に連通している。ターボコンパウンド装置４１０から排気マフラー３８０までの２つの流路のうちの一方には第１の排気ガス後処理装置３９０Ａが設けられ、他方の流路には第２の排気ガス後処理装置３９０Ｂが設けられる。第１の排気ガス後処理装置３９０Ａによって処理された排気ガスは、第１のターボ過給装置１００Ａのターボ吸い込み口４００Ａに還流する。また、第２の排気ガス後処理装置３９０Ｂによって処理された排気ガスは、第２のターボ過給装置１００Ｂのターボ吸い込み口４００Ｂに還流する。
【００６８】
ターボコンパウンド装置４１０は、第１のターボ過給装置１００Ａと第２のターボ過給装置１００Ｂで取り切れなかった残りの排気ガスのエネルギーを回収するものである。ターボコンパウンド装置４１０は、図１３に示したように、パワータービン装置４２０と、高速発電機４３０と、電力制御装置４４０と、クランク軸加勢装置４５０と、を備えて構成される。
【００６９】
パワータービン装置４２０は、第１のパワータービン４２１と、第２のパワータービン４２２と、第１のタービンハウジング４２３と、第２のタービンハウジング４２４と、軸受４２５と、軸受ケース４２６と、軸シール４２７と、タービン組み付けナット４２８と、タービン軸４２９と、より構成される。他に、図示はしていないが、ケーシング、ケース組み付け金具、シール、ボルト、ナットなどが設けられる。
【００７０】
パワータービン装置４２０の第１のガス入り口４２０ａには、図１２に示したように、第１のターボ過給装置１００Ａからの第１の排気管４６０が接続される。第１のターボ過給装置１００Ａからの排気は第１のガス入り口４２０ａを介して第１のパワータービン４２１に供給される。第２のガス入り口４２０ｂには、第２のターボ過給装置１００Ｂの第２の排気管４７０が接続される。第２のターボ過給装置１００Ｂからの排気は第２のガス入り口４２０ｂを介して第２のパワータービン４２２に供給される。
【００７１】
タービン軸４２９には、穴加工が施され、穴の内側にスプライン溝加工が行われる。この穴に、後述する高速発電機４３０の発電機駆動軸４３１の外周に加工したスプライン溝を合わせて結合される。
【００７２】
パワータービン装置４２０は、３気筒の第１の気筒グループ３１１Ａと３気筒の第２の気筒グループ３１１Ｂのグループ毎の排ガス量に合った最適効率のものが用いられる。したがって、第１のパワータービン４２１及び第２のパワータービン４２２の直径を小さくできるため、狭いスペースに配置することができ、搭載効率を向上させることができる。特に、２台のターボ過給装置１００Ａ、１００Ｂを搭載するので、長手方向に余裕があり、搭載に有利となる。
【００７３】
高速発電機４３０は、図１３に示したように、永久磁石を埋め込んだ発電機駆動軸４３１がタービン軸４２９に直結で結合される。高速発電機４３０は、タービン軸４２９を介して発電機駆動軸４３１が回転することにより、同期発電し、交流電流・電圧を電力制御装置４４０に送り込む。
【００７４】
電力制御装置４４０は、図１３に示したように、バッテリー４４１とパワーコントロールユニット４４２と、を備えて構成される。
【００７５】
動力制御装置４４０は、以下の特徴を備える。
（１）タービン発生電力がクランク軸加勢装置４５０の伝動モータ４５５に必要な電力を上回る場合
余剰な電力をバッテリー４４１に充電する。
（２）タービン発生電力がクランク軸加勢装置４５０の伝動モータ４５５に必要な電力を下回る場合
バッテリー４４１から電量を補填する。
（３）バッテリー４４１が満充電の場合
余剰な電力が発電カットされる。
（４）バッテリー４４１が蓄電不足の場合
（ａ）ターボ発電量に余剰がある場合
余剰な電力はバッテリー４４１に充電される。
（ｂ）ターボ発電量に余剰がない場合
他の発電手段によりバッテリー４４１を充電する。
【００７６】
クランク軸加勢装置４５０は、図１３に示したように、クランク軸４５１と、クランク軸受４５２と、弾性継手４５３と、弾性継手組み付けボルト４５４と、電動モータ４５５と、電動モータ固定ブラケット４５６と、ブラケット組み付けボルト４５７と、電動モータ固定ボルト４５８と、を備えて構成される。
【００７７】
クランク軸加勢装置４５０は、図１３に示したように、クランク軸４５１の先端で弾性継手４５３を介して電動モータ４５５によりクランク軸４５１の回転を加勢する。電動モータ４５５の回転は、直接クランク軸４５１の先端から加勢する構造である。
【００７８】
以上、本実施形態のエンジン３００の全体構成について説明した。次に、本実施形態のエンジン３００の動作について図１４を参照しながら説明する。
【００７９】
（１）エンジン３００の負荷が０〜５０パーセントのとき
図１４に示したように、第１の気筒グループ３１１Ａは燃料が０〜１００パーセント投入されて燃焼運転する。一方、第２の気筒グループ３１１Ｂは燃料カットされる。よって、エンジン３００の負荷が５０パーセントのとき、第１の気筒グループ３１１Ａの負荷は０〜１００パーセントになり、第２のエンジン気筒グループ３１１Ｂの負荷は０パーセントになる。また、第１の気筒グループ３１１Ａの排ガスで第１のパワータービン４２１が作動する。
【００８０】
よって、１００パーセント近傍で燃焼効率の良い領域を多用できるので、熱効率が向上する。また、２段圧縮により高圧比が得られるので、低速域のトルクが向上して燃費が良くなる。また、ターボコンパウンド装置パワータービン装置４２０の動力回生効率は、１００パーセント近傍の排ガス量に合った高効率領域が多用される。このため、排ガスエネルギーを高効率に回収することができるので、熱効率が向上する。なお、燃焼運転するグループと燃料カットするグループとは固定せず、適宜変更するようにしてもよい。
【００８１】
（２）エンジン３００の負荷が５０〜１００パーセントのとき
図１４に示したように、第１の気筒グループ３１１Ａは燃料が１００パーセント投入されて燃焼運転する。一方、第２の気筒グループ３１１Ｂは燃料カットが止められて、燃料が０〜１００パーセント投入される。よって、第１の気筒グループ３１１Ａと第２の気筒グループ３１１Ｂの両方が燃焼運転する全気筒燃焼運転を行う。このとき、第１の気筒グループ３１１Ａの負荷は１００パーセントである。一方、第２の気筒グループ３１１Ｂの負荷は０〜１００パーセントである。
【００８２】
第１のパワータービン４２１はガス量１００パーセントで高効率に動力回生する。同時に、第２のパワータービン４２２はガス量０〜１００パーセントで高効率に動力回生する。第１のパワータービン４２１及び第２のパワータービン４２２は、効率が最も良い領域を常時使用できるので、熱効率が向上する。なお、燃焼運転するグループと燃料カットするグループとは固定せず、そのときの排ガスの温度条件に応じて、走行中に切り替える。
【００８３】
ここで、エンジン３００の負荷に対する回転領域の使用頻度を図１５を参照しながら説明する。図１５に示したように、３０〜７０パーセントの回転領域では、エンジン３００の負荷は全域においてほぼ定量的に多用されている。また、７０〜１００パーセントの回転領域では、エンジン３００の負荷は発進時や登坂などの車両に大きな力が必要な時に使用され、使用頻度は交通事情、運転技量に左右される。
【００８４】
（第２の実施形態の効果）
以上説明したように、本実施形態によれば、エンジン３００は低回転側でも高いトルクを得ることができる。また、一方の気筒グループ３１１Ａ、３１１Ｂの燃料をカットする領域が増えるため、燃費を向上させることができる。
【００８５】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態ついて図１６を参照しながら説明する。本実施形態は、第１の実施形態のターボ過給装置１００を搭載したエンジン５００である。
【００８６】
エンジン５００は、図１６に示したように、４気筒のエンジンブロック５１０を、３気筒と１気筒との２つのグループ（第1のグループ５１１Ａと第２のグループ５１１Ｂ）とし、各グループ５１１Ａ、５１１Ｂに、排気マニホルド５２０Ａ、５２０Ｂを設け、エンジン５００全体に、ターボ過給装置１００と、吸気マニホルド５３０と、給気冷却器５４０を各１つ設けたことを特徴とする。なお、第１の実施形態と同様の構成は同一の符号を付し、重複説明を省略する。
【００８７】
以下、本実施形態のエンジン５００の構成について、図１６を参照しながら詳述する。
（エンジンブロック５１０）
エンジンブロック５１０は、４気筒であり、３気筒の第１のグループ５１１Ａと１気筒の第２のグループ５１１Ｂとから構成される。
【００８８】
（第１の排気マニホルド５２０Ａ、第２の排気マニホルド５２０Ｂ）
第１の排気マニホルド５２０Ａは第1のグループ５１１Ａに設けられ、第２の排気マニホルド５２０Ｂは第２のグループ５１１Ｂに設けられる。第１の排気マニホルド５２０Ａは第1のグループ５１１Ａの排気をターボ過給装置１００に送る。第２の排気マニホルド５２０Ｂは第２のグループ５１１Ｂの排気をターボ過給装置１００に送る。第１の排気マニホルド５２０Ａと第２の排気マニホルド５２０Ｂとは、ターボ過給装置１００の直前で合流する。
【００８９】
（吸気マニホルド５３０）
吸気マニホルド５３０はエンジンブロック５１０の全体で１つ設けられ、第１のグループ５１１Ａと第２のグループ５１１Ｂに同時に均等に吸気する。
【００９０】
（ターボ過給装置１００）
ターボ過給装置１００は第1の実施形態のターボ過給装置１００と同様の構成であるため、詳細な説明は省略する。ターボ過給装置１００は第１の排気マニホルド５２０Ａ及び第２の排気マニホルド５２０Ｂの下流側の端部に設けられ、第１の排気マニホルド５２０Ａと第２の排気マニホルド５２０Ｂからの合流した排気が供給される。ターボ過給装置１００の下流には、ターボコンパウンド装置６１０が設けられる。
【００９１】
（給気冷却器５４０）
給気冷却器５４０は、ターボ過給装置１００と吸気マニホルド５３０とを連通する管路５４１に設けられ、第１のグループ５１１Ａ及び第２のグループ５１１Ｂに供給される吸気を冷却する。
【００９２】
また、エンジン５００は、ターボ過給装置１００を通過する前の排気ガスを吸気マニホルド５３０に還流する管路５４３に高圧ＥＧＲ弁５５０、高圧ＥＧＲ冷却器５６０、及び高圧ＥＧＲ逆止リード弁５７０が設けられる。このような構成により、ターボ過給装置１００を通過する前の排気ガスは、高圧ＥＧＲ弁５５０、高圧ＥＧＲ冷却器５６０、及び高圧ＥＧＲ逆止リード弁５７０を介して吸気マニホルド５３０に還流する。
【００９３】
ターボコンパウンド装置６１０の排気側は排気マフラー５８０に連通している。ターボコンパウンド装置６１０から排気マフラー５８０までの流路には排気ガス後処理装置５９０が設けられる。排気ガス後処理装置５９０によって処理された排気ガスは、管路５４４を介してターボ過給装置１００のターボ吸い込み口６００に還流する。
【００９４】
ターボコンパウンド装置６１０は、図１７に示したように、パワータービン装置６２０と、高速発電機６３０と、電力制御装置６４０と、クランク軸加勢装置６５０と、を備えて構成される。なお、本実施形態では、パワータービン装置６２０が１つパワータービン６２１で構成されている以外の構成は第２実施形態とは同様である。よって、以下、第２の実施形態相違する構成について説明し、同様の構成については説明を省略する。
【００９５】
パワータービン装置６２０は、１つのパワータービン６２１と、１つのタービンハウジング６２３が設けられる。また、パワータービン装置６２０には、１つのガス入り口６２０ａが設けられている。ガス入り口６２０ａにはターボ過給装置１００からの排気管６６０が接続される。
【００９６】
以上、本実施形態のエンジン５００の全体構成について説明した。次に、本実施形態のエンジン５００の動作について説明する。
【００９７】
（１）エンジン５００の負荷が０〜７５パーセントのとき
第１のグループ５１１Ａは燃焼運転し、第２のグループ５１１Ｂを燃料カットする。第１のグループ５１１Ａの負荷は０〜１００パーセントである。
【００９８】
（２）エンジン５００の負荷が７５〜１００パーセントのとき
第２のグループ５１１Ｂへの燃料カットを止め、第１のグループ５１１Ａと第２のグループ５１１Ｂの両方が燃焼運転する全気筒燃焼運転を行う。このとき、第１のグループ５１１Ａの負荷は１００パーセントである。一方、第２のグループ５１１Ｂの負荷は７５〜１００パーセントである。
【００９９】
（第３の実施形態の効果）
以上説明したように、本実施形態によれば、エンジン５００は低回転側でも高いトルクを得ることができる。また、一方の気筒グループ５１１Ａ、５１１Ｂの燃料をカットする領域が増えるため、燃費を向上させることができる。
【０１００】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【０１０１】
例えば、上記実施形態では、高圧段排気タービン１１１及び高圧段圧縮機インペラ１１２の軸心を、モノローターガイド筒１１５が貫通しており、高圧段モノローター１１０は、高圧段排気タービン１１１及び高圧段圧縮機インペラ１１２がモノローター軸受１１６を介してモノローターガイド筒１１５に支持され、モノローター軸シール１１７でシールされてユニット化されている構成としたが、本発明はこの例に限定されない。
【０１０２】
また、例えば、上記実施形態では、さらに、低圧段排気タービン１２１と低圧段圧縮機インペラ１２６とを有する低圧段ローター１２０を備え、高圧段モノローター１１０は、低圧段排気タービン１２１と低圧段圧縮機インペラ１２６との間に配置され、排気側には排気ガス流量調整弁１９０と排気ガスバイパス弁２００とが設けられ、排気ガス流量調整弁１９０で高圧段排気タービン１１１への排気ガス流入量を制御し、排気ガスバイパス弁２００で低圧段排気タービン１２１への排気ガス流入量を調整し、吸気側には高圧段圧縮機インペラ１１２の吸気量を切り替える吸気切替弁２１０が設けられ、吸気切替弁２１０で、低圧段圧縮機インペラ１２６の過給新気を高圧段圧縮機インペラ１１２側へ流入させることと流入させないこととを切り替え、排気ガス流量調整弁１９０、排気ガスバイパス弁２００、及び吸気切替弁２１０で過給圧の制御が行われる構成としたが、本発明はこの例に限定されない。
【０１０３】
また、例えば、上記実施形態では、過給圧の制御は、極低回転領域において完全に低圧段ローター１２０と高圧段モノローター１１０とで２段に過給する第１のモードと、低・中回転領域において排気ガス流量調整弁１９０を制御して可変に低圧段ローター１２０と高圧段モノローター１１０とで２段に過給する第２のモードと、高回転領域において低圧段ローター１２０のみで１段に過給する第３のモードと、高回転領域において過給圧が設定値をオーバーしたときに排気ガスバイパス弁２００を開きガス量を調整する第４のモードと、を切り替えることにより行われる構成としたが、本発明はこの例に限定されない。
【０１０４】
また、例えば、上記実施形態では、過給圧の制御は、エンジン回転数に対応する高圧段モノローター１１０の圧力比と、エンジン回転数に対応する低圧段ローター１２０の圧力比と、前記エンジン回転数に対応する前記高圧段モノローター１１０の圧力比と、前記エンジン回転数に対応する前記低圧段ローター１２０の圧力比とを加えたトータル圧力比と、に基づいて、電子回路で演算しながら行われる構成としたが、本発明はこの例に限定されない。
【０１０５】
また、例えば、上記第２の実施形態では、エンジンブロック３１０は、６気筒であり、前側に配置される３気筒の第１の気筒グループ３１１Ａと後ろ側に配置される３気筒の第２の気筒グループ３１１Ｂとから構成されるものとし、第３の実施形態では、エンジンブロック５１０は、４気筒であり、３気筒の第１のグループ５１１Ａと１気筒の第２のグループ５１１Ｂとから構成されるものとしたが、本発明はこの例に限定されない。例えば、エンジンブロックの気筒の数は適宜数とすることができる。また、各気筒グループの気筒の数も適宜数とすることができる。さらに、気筒グループの数も３つ以上とするなど適宜数とすることができる。
【０１０６】
また、例えば、上記第２の実施形態及び上記第３の実施形態では、ターボ過給装置１００、１００Ａ、１００Ｂを通過する前の排気ガスは高圧ＥＧＲ弁３５０Ａ、３５０Ｂ、５５０、高圧ＥＧＲ冷却器３６０Ａ、３６０Ｂ、５６０、及び高圧ＥＧＲ逆止リード弁３７０Ａ、３７０Ｂ、５７０を順次介して、第１の気筒グループ３１１Ａと第２の気筒グループ３１１Ｂとに還流する構成としたが、本発明はこの例に限定されない。例えば、ターボ過給装置１００、１００Ａ、１００Ｂを通過する前の排気ガスが、第１の気筒グループ３１１Ａと第２の気筒グループ３１１Ｂとに還流しない構成としてもよい。
【０１０７】
また、例えば、上記第２の実施形態では、第１の気筒グループ３１１Ａと第２の気筒グループ３１１Ｂとにそれぞれ対応して排気ガス後処理装置３９０Ａ、３９０Ｂを備え、排気ガス後処理装置３９０Ａ、３９０Ｂによって処理された排気ガスがターボ過給装置１００Ａ、１００Ｂに還流する構成としたが、本発明はこの例に限定されない。例えば、排気ガス後処理装置３９０Ａ、３９０Ｂによって処理された排気ガスがターボ過給装置１００Ａ、１００Ｂに還流しない構成としてもよい。
【０１０８】
また、例えば、上記第２の実施形態では、負荷が約０〜約５０パーセントのときには、第１の気筒グループ３１１Ａは燃焼運転し、第２の気筒グループ３１１Ｂは燃料カットされ、負荷が５０〜約１００パーセントのときには、第１の気筒グループ３１１Ａ及び第２の気筒グループ３１１Ｂは燃焼運転し、２つの気筒グループのうちの先に燃焼運転が行われる第１の気筒グループ３１１Ａは負荷が１００パーセントであり、後に燃焼運転が行われる第２の気筒グループ３１１Ｂは負荷が０〜１００パーセントである構成としたが、本発明はこの例に限定されない。例えば、負荷が約０〜約５０パーセントのときに燃焼運転するグループと燃料カットされるグループは、適宜設計することができる。また、負荷が５０〜約１００パーセントのときの各グループの負荷も適宜設計することができる。
【０１０９】
また、例えば、上記第３の実施形態では、第１の気筒グループ５１１Ａと第２の気筒グループ５１１Ｂには共通の排気ガス後処理装置５９０を備え、排気ガス後処理装置５９０によって処理された排気ガスがターボ過給装置１００に還流する構成としたが、本発明はこの例に限定されない。例えば、排気ガス後処理装置３９０Ａ、３９０Ｂによって処理された排気ガスがターボ過給装置１００Ａ、１００Ｂに還流しない構成としてもよい。また、第１の気筒グループ５１１Ａと第２の気筒グループ５１１Ｂはそれぞれ別々の排気ガス後処理装置を備えてもよい。
【０１１０】
また、例えば、上記第３の実施形態では、負荷が約０〜約７５パーセントのときには、第１の気筒グループ５１１Ａは燃焼運転し、第２の気筒グループ５１１Ｂは燃料カットされ、負荷が７５〜約１００パーセントのときには、第１の気筒グループ５１１Ａ及び第２の気筒グループ５１１Ｂは燃焼運転し、第１の気筒グループ５１１Ａ及び第２の気筒グループ５１１Ｂの負荷は１００パーセントである構成としたが、本発明はこの例に限定されない。例えば、負荷が約０〜約７０パーセントのときに燃焼運転するグループと燃料カットされるグループは、適宜設計することができる。また、負荷が７０〜約１００パーセントのときの各グループの負荷も適宜設計することができる。
【符号の説明】
【０１１１】
１００  ターボ過給装置
１００Ａ  第１のターボ過給装置
１００Ｂ  第２のターボ過給装置
１１０  高圧段モノローター
１１１  高圧段排気タービン
１１２  高圧段圧縮機インペラ
１１１ａ、１１２ａ  挿入穴
１１３  結合ピン（結合部材）
１１４  ラビリンスシール
１１５  モノローターガイド筒
１１６  モノローター軸受
１１７  モノローター軸シール
１１８  モノローター軸受ナット
１２０  低圧段ローター
１２１  低圧段排気タービン
１２２  低圧段排気タービン軸
１２３  ローター軸受
１２４  ローター軸シール
１２５  ローター軸受ナット
１２６  低圧段圧縮機インペラ
１２７  インペラ組付ナット
１３０  高圧段タービンハウジング
１４０  高圧段インペラハウジング
１５０  低圧段タービンハウジング
１６０  低圧段インペラハウジング
１７０  排気ガスマニホルド
１８０  吸気マニホルド
１９０  排気ガス流量調整弁
２００  排気ガスバイパス弁
２１０  吸気切替弁
３００  エンジン
３１０  エンジンブロック
３１１Ａ  第１の気筒グループ
３１１Ｂ  第２の気筒グループ
３２０Ａ、３２０Ｂ  排気マニホルド
３３０Ａ、３３０Ｂ  吸気マニホルド
３４０Ａ  第１の給気冷却器
３４０Ｂ  第２の給気冷却器
３５０Ａ、３５０Ｂ  高圧ＥＧＲ弁
３６０Ａ、３６０Ｂ  高圧ＥＧＲ冷却器
３７０Ａ、３７０Ｂ  高圧ＥＧＲ逆止リード弁
３８０  排気マフラー
３９０Ａ、３９０Ｂ  排気ガス後処理装置
４００Ａ、４００Ｂ  ターボ吸い込み口
４１０  ターボコンパウンド装置
４２０  パワータービン装置
４２０ａ  第１のガス入り口
４２０ｂ  第２のガス入り口
４２１  第１のパワータービン
４２２  第２のパワータービン
４２３  第１のタービンハウジング
４２４  第２のタービンハウジング
４２５  軸受
４２６  軸受ケース
４２７  軸シール
４２８  タービン組み付けナット
４２９  タービン軸
４３０  高速発電機
４４０  電力制御装置
４４１  バッテリー
４４２  パワーコントロールユニット
４５０  クランク軸加勢装置
４５１  クランク軸
４５２  クランク軸受
４５３  弾性継手
４５４  弾性継手組み付けボルト
４５５  電動モータ
４５６  電動モータ固定ブラケット
４５７  ブラケット組み付けボルト
４５８  電動モータ固定ボルト
４６０  第１の排気管
４７０  第２の排気管
５００  エンジン
５１０  エンジンブロック
５１１Ａ  第１の気筒グループ
５１１Ｂ  第２の気筒グループ
５２０Ａ  第１の排気マニホルド
５２０Ｂ  第２の排気マニホルド
５３０  吸気マニホルド
５４０  給気冷却器
５５０  高圧ＥＧＲ弁
５６０  高圧ＥＧＲ冷却器
５７０  高圧ＥＧＲ逆止リード弁
５８０  排気マフラー
５９０  排気ガス後処理装置
６００  ターボ吸い込み口
６１０  ターボコンパウンド装置
６２０  パワータービン装置
６２１  パワータービン
６２３  タービンハウジング
６２０ａ  ガス入り口
６３０  高速発電機
６４０  電力制御装置
６５０  クランク軸加勢装置
６６０  排気管
【図１】
2017160815.tif 000003
【図２】
2017160815.tif 000004
【図３】
2017160815.tif 000005
【図４】
2017160815.tif 000006
【図５】
2017160815.tif 000007
【図６】
2017160815.tif 000008
【図７】
2017160815.tif 000009
【図８】
2017160815.tif 000010
【図９】
2017160815.tif 000011
【図１０】
2017160815.tif 000012
【図１１】
2017160815.tif 000013
【図１２】
2017160815.tif 000014
【図１３】
2017160815.tif 000015
【図１４】
2017160815.tif 000016
【図１５】
2017160815.tif 000017
【図１６】
2017160815.tif 000018
【図１７】
2017160815.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成29年3月17日(2017.3.17)
【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】
高圧段モノローターと、
低圧段排気タービンと低圧段圧縮機インペラとを有する低圧段ローターと、
を備えたターボ過給装置であって、
前記高圧段モノローターは、前記低圧段排気タービンと前記低圧段圧縮機インペラとの間に配置されており、
前記高圧段モノローターは、高圧段排気タービンと高圧段タービンハウジングと、高圧段圧縮機インペラと高圧段インペラハウジングとが取り付けられ、
前記高圧段モノローターは、前記高圧段排気タービンと前記高圧段圧縮機インペラとが背中合わせに配置され結合部材によって組み付けられており、
前記高圧段排気タービン及び前記高圧段圧縮機インペラの軸心を、モノローターガイド筒が貫通しており、
前記高圧段モノローターは、前記高圧段排気タービン及び前記高圧段圧縮機インペラがモノローター軸受を介して前記モノローターガイド筒に支持され、シールされてユニット化されており、
低圧段排気タービン軸が、前記モノローターガイド筒の内部に貫通しており、
前記低圧段排気タービン軸は、ローター軸受を介して前記高圧段タービンハウジング及び前記高圧段インペラハウジングに支持されることを特徴とする、ターボ過給装置。
【請求項２】
排気側には排気ガス流量調整弁と排気ガスバイパス弁とが設けられ、
前記排気ガス流量調整弁で前記高圧段排気タービンへの排気ガス流入量を制御し、
前記排気ガスバイパス弁で前記低圧段排気タービンへの排気ガス流入量を調整し、
吸気側には前記高圧段圧縮機インペラの吸気量を切り替える吸気切替弁が設けられ、
前記吸気切替弁で、前記低圧段圧縮機インペラの過給新気を前記高圧段圧縮機インペラ側へ流入させることと流入させないこととを切り替え、
前記排気ガス流量調整弁、前記排気ガスバイパス弁、及び前記吸気切替弁で過給圧の制御が行われることを特徴とする、請求項１に記載のターボ過給装置。
【請求項３】
前記過給圧の制御は、
極低回転領域において完全に前記低圧段ローターと前記高圧段モノローターとで２段に過給する第１のモードと、
低・中回転領域において前記排気ガス流量調整弁を制御して可変に前記低圧段ローターと前記高圧段モノローターとで２段に過給する第２のモードと、
高回転領域において前記低圧段ローターのみで１段に過給する第３のモードと、
高回転領域において過給圧が設定値をオーバーしたときに前記排気ガスバイパス弁を開きガス量を調整する第４のモードと、
を切り替えることにより行われることを特徴とする、請求項２に記載のターボ過給装置。
【請求項４】
前記過給圧の制御は、
エンジン回転数に対応する前記高圧段モノローターの圧力比と、
エンジン回転数に対応する前記低圧段ローターの圧力比と、
前記エンジン回転数に対応する前記高圧段モノローターの圧力比と、前記エンジン回転数に対応する前記低圧段ローターの圧力比とを加えたトータル圧力比と、
に基づいて、電子回路で演算しながら行われることを特徴とする、請求項２に記載のターボ過給装置。
【請求項５】
ターボ過給装置を搭載したエンジンであって、
３つの気筒を有する第１の気筒グループと３つの気筒を有する第２の気筒グループとを備え、
前記第１の気筒グループに対応して、請求項１〜３のいずれかに記載の第１のターボ過給装置と、前記第１のターボ過給装置から前記第１の気筒グループへの給気を冷却する第１の給気冷却器と、を備え、
前記第２の気筒グループに対応して、請求項１〜３のいずれかに記載の第２のターボ過給装置と、前記第２のターボ過給装置から前記第２の気筒グループへの給気を冷却する第２の給気冷却器と、を備えたことを特徴とする、エンジン。
【請求項６】
前記第１のターボ過給装置を通過する前の排気ガスは第１の高圧ＥＧＲ弁、第１の高圧ＥＧＲ冷却器、及び第１の高圧ＥＧＲ逆止リード弁を順次介して、前記第１の気筒グループに還流し、
前記第２のターボ過給装置を通過する前の排気ガスは第２の高圧ＥＧＲ弁、第２の高圧ＥＧＲ冷却器、及び第２の高圧ＥＧＲ逆止リード弁を順次介して、前記第２の気筒グループに還流することを特徴とする、請求項５に記載のエンジン。
【請求項７】
前記第１の気筒グループと前記第２の気筒グループとにそれぞれ対応して排気ガス後処理装置を備え、
前記排気ガス後処理装置によって処理された排気ガスが前記ターボ過給装置に還流することを特徴とする、請求項５又は６に記載のエンジン。
【請求項８】
負荷が約０〜約５０パーセントのときには、前記第１の気筒グループは燃焼運転し、前記第２の気筒グループは燃料カットされ、
負荷が５０〜約１００パーセントのときには、前記第１の気筒グループ及び前記第２の気筒グループは燃焼運転し、前記２つの気筒グループのうちの先に燃焼運転が行われる前記第１の気筒グループは負荷が１００パーセントであり、後に燃焼運転が行われる前記第２の気筒グループは負荷が０〜１００パーセントであることを特徴とする、請求項５〜７のいずれかに記載のエンジン。
【請求項９】
第１のパワータービンと第２のパワータービンとを有するターボコンパウンド装置をさらに備え、
前記第１の気筒グループに備えられた前記ターボ過給装置の排気は、前記ターボコンパウンド装置の前記第１のパワータービンに供給され、
前記第２の気筒グループに備えられた前記ターボ過給装置の排気は、前記ターボコンパウンド装置の前記第２のパワータービンに供給されることを特徴とする、請求項５〜８のいずれかに記載のエンジン。
【請求項１０】
ターボ過給装置を搭載したエンジンであって、
３つの気筒を有する第１の気筒グループと、１つの気筒を有する第２の気筒グループと、を備え、
前記第１の気筒グループと前記第２の気筒グループの給気は共通し、
前記第１の気筒グループと前記第２の気筒グループの排気は連通し、
前記第１の気筒グループと前記第２の気筒グループに共通の請求項１〜３のいずれかに記載のターボ過給装置と、
前記第１の気筒グループと前記第２の気筒グループに共通の前記気筒への給気を冷却する給気冷却器と、
を備えたことを特徴とする、エンジン。
【請求項１１】
前記ターボ過給装置を通過する前の排気ガスは高圧ＥＧＲ弁、高圧ＥＧＲ冷却器、及び高圧ＥＧＲ逆止リード弁を順次介して、前記第１の気筒グループと前記第２の気筒グループに還流することを特徴とする、請求項１０に記載のエンジン。
【請求項１２】
前記第１の気筒グループと前記第２の気筒グループには共通の排気ガス後処理装置を備え、
前記排気ガス後処理装置によって処理された排気ガスが前記ターボ過給装置に還流することを特徴とする、請求項１０又は１１に記載のエンジン。
【請求項１３】
負荷が約０〜約７５パーセントのときには、前記第１の気筒グループは燃焼運転し、前記第２の気筒グループは燃料カットされ、
負荷が７５〜約１００パーセントのときには、前記第１の気筒グループ及び前記第２の気筒グループは燃焼運転し、前記第１の気筒グループ及び前記第２の気筒グループの負荷は１００パーセントであることを特徴とする、請求項１０〜１２のいずれかに記載のエンジン。
【請求項１４】
１つのパワータービンを有するターボコンパウンド装置をさらに備え、
前記ターボ過給装置の排気は、前記ターボコンパウンド装置の前記パワータービンに供給されることを特徴とする、請求項１０〜１３のいずれかに記載のエンジン。