(57)【要約】【課題】低圧段ターボチャージャー及び高圧段ターボチャージャーを備える過給装置において、低圧段ターボチャージャーの容量の増大を招くことなくエンジンを高出力化する。【解決手段】内燃機関１０の回転数Ｎｅ及びトルクＴｅが排気エネルギーの多い高速・高負荷領域内にある場合は、低圧段排気制御弁２４を半開状態、高圧段排気制御弁４４を半開状態、且つ吸気制御弁３４を閉状態に制御する。内燃機関１０からの排気の一部は、高圧段タービン４２をバイパスし且つ低圧段タービン２２を通って流れ、内燃機関１０からの排気の残りは、高圧段タービン４２を通り且つ低圧段タービン２２をバイパスして流れる。これによって、低圧段コンプレッサ２１で加圧され且つ高圧段コンプレッサ４１をバイパスした吸気と、低圧段コンプレッサ２１をバイパスし且つ高圧段コンプレッサ４１で加圧された吸気とが内燃機関１０へ導入される。【選択図】図６
2009191668.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気エネルギーを利用してエンジンへの吸気を加圧する過給装置であって、
エンジンへの吸気を加圧する低圧段コンプレッサと、
低圧段コンプレッサの出口からの吸気を加圧してエンジンへ供給する高圧段コンプレッサと、
エンジンの排気エネルギーを利用して高圧段コンプレッサを駆動する高圧段タービンと、
高圧段タービンの出口からの排気エネルギーを利用して低圧段コンプレッサを駆動する低圧段タービンと、
エンジンからの排気の少なくとも一部を高圧段タービンをバイパスさせて低圧段タービンの入口へ導入することが可能な高圧段タービンバイパス手段と、
高圧段タービンの出口からの排気を低圧段タービンをバイパスさせて低圧段タービンの出口へ導入することが可能な低圧段タービンバイパス手段と、
エンジンからの排気が高圧段タービン及び低圧段タービンをバイパスしない場合は、高圧段タービンの出口から低圧段タービンの入口への排気の流れを許容し、エンジンからの排気の少なくとも一部が高圧段タービンをバイパスする場合は、低圧段タービンの入口から高圧段タービンの出口への排気の流れを遮断する排気調整弁と、
高圧段タービンの出口からの排気が低圧段タービンをバイパスする場合に、低圧段コンプレッサの入口への吸気の少なくとも一部を低圧段コンプレッサをバイパスさせて高圧段コンプレッサの入口へ導入する低圧段コンプレッサバイパス手段と、
エンジンからの排気の少なくとも一部が高圧段タービンをバイパスする場合に、低圧段コンプレッサの出口からの吸気を高圧段コンプレッサをバイパスさせてエンジンへ導入する高圧段コンプレッサバイパス手段と、
低圧段コンプレッサの出口と高圧段コンプレッサの入口との間における吸気の流れを許容する開状態と、当該吸気の流れを遮断する閉状態と、に選択的に切り替わることが可能な吸気制御弁と、
を備え、
吸気制御弁が開状態にあり、エンジンからの排気が高圧段タービン及び低圧段タービンをバイパスしない場合は、低圧段コンプレッサ及び高圧段コンプレッサで加圧された吸気をエンジンへ導入し、
吸気制御弁が閉状態にあり、エンジンからの排気の一部が高圧段タービンをバイパスし且つ高圧段タービンの出口からの排気が低圧段タービンをバイパスする場合は、低圧段コンプレッサで加圧され且つ高圧段コンプレッサをバイパスした吸気と、低圧段コンプレッサをバイパスし且つ高圧段コンプレッサで加圧された吸気とをエンジンへ導入する、過給装置。
【請求項２】
請求項１に記載の過給装置であって、
排気調整弁は一方向弁である、過給装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の過給装置であって、
低圧段コンプレッサバイパス手段は、
低圧段コンプレッサをバイパスさせて低圧段コンプレッサの入口と高圧段コンプレッサの入口とを繋ぐ低圧段コンプレッサバイパス流路と、
低圧段コンプレッサバイパス流路における吸気のバイパス流れを調整する低圧段吸気調整弁と、
を含み、
低圧段吸気調整弁は、
高圧段タービンの出口からの排気が低圧段タービンをバイパスする場合は、低圧段コンプレッサの入口から高圧段コンプレッサの入口への吸気のバイパス流れを許容し、
高圧段タービンの出口からの排気が低圧段タービンをバイパスしない場合は、高圧段コンプレッサの入口から低圧段コンプレッサの入口への吸気のバイパス流れを遮断する、過給装置。
【請求項４】
請求項３に記載の過給装置であって、
低圧段吸気調整弁は一方向弁である、過給装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１に記載の過給装置であって、
高圧段コンプレッサバイパス手段は、
高圧段コンプレッサをバイパスさせて低圧段コンプレッサの出口と高圧段コンプレッサの出口とを繋ぐ高圧段コンプレッサバイパス流路と、
高圧段コンプレッサバイパス流路における吸気のバイパス流れを調整する高圧段吸気調整弁と、
を含み、
高圧段吸気調整弁は、
エンジンからの排気の少なくとも一部が高圧段タービンをバイパスする場合は、低圧段コンプレッサの出口から高圧段コンプレッサの出口への吸気のバイパス流れを許容し、
エンジンからの排気が高圧段タービンをバイパスしない場合は、高圧段コンプレッサの出口から低圧段コンプレッサの出口への吸気のバイパス流れを遮断する、過給装置。
【請求項６】
請求項５に記載の過給装置であって、
高圧段吸気調整弁は一方向弁である、過給装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１に記載の過給装置であって、
エンジンからの排気の一部が高圧段タービンをバイパスし且つ高圧段タービンの出口からの排気が低圧段タービンをバイパスする場合におけるエンジンの回転数及びトルクの少なくとも一方が、エンジンからの排気が高圧段タービン及び低圧段タービンをバイパスしない場合よりも高くなるように、エンジンからの排気を流す、過給装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１に記載の過給装置であって、
前記エンジンが、燃料を筒内に噴射する筒内噴射式内燃機関である、過給装置。
【請求項９】
エンジンと、
エンジンの排気エネルギーを利用してエンジンへの吸気を加圧する過給装置と、
を備える過給エンジンシステムであって、
前記過給装置が、請求項１〜８のいずれか１に記載の過給装置である、過給エンジンシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの排気エネルギーを利用してエンジンへの吸気を加圧する過給装置、及び過給エンジンシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンへの吸気を加圧する過給装置として、ターボチャージャー（ターボ過給機）が用いられている。ターボチャージャーは、エンジンの排気エネルギーを利用してタービンに動力を発生させ、タービンの動力を利用してコンプレッサを駆動することで、エンジンへの吸気を加圧する。
【０００３】
さらに、大容量の低圧段ターボチャージャーと小容量の高圧段ターボチャージャーを直列に設けた直列２段式のターボチャージャーも提案されている。この直列２段式のターボチャージャーでは、低圧段ターボチャージャー及び高圧段ターボチャージャーで２段階に加圧された吸気がエンジンへ導入される。ただし、この直列２段式のターボチャージャーにおいて、エンジンの運転状態が排気エネルギーの多い高速・高負荷運転状態にある場合には、高圧段ターボチャージャーの容量が不足するため、作動ガスの全量を高圧段ターボチャージャーに流すことができなくなる。そこで、高圧段ターボチャージャーについては、タービンをバイパスさせるタービンバイパス流路と、コンプレッサをバイパスさせるコンプレッサバイパス流路とを設け、エンジンの高速・高負荷運転時には、高圧段ターボチャージャーのタービンをバイパスさせて排気を流すことで、低圧段ターボチャージャーで加圧され且つ高圧段ターボチャージャーをバイパスした吸気がエンジンへ導入されるようにしている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１５４６８４号公報
【特許文献２】特開２００１−３２９８４９号公報
【特許文献３】特開２００５−２５６７５５号公報
【特許文献４】特開２００６−５７５７０号公報
【非特許文献１】Christoph他,"BMW High Precision Fuel Injection in Conjunction With Twin -Turbo Technology:A Combination for Maximum Dynamic and High Fuel Efficiency",SAE Paper 2007-01-1560,Society of Automotive Engineers,2007
【非特許文献２】Robert C.他,"Series Turbocharging for the Caterpillar(登録商標) Heavy-Duty, On-Highway Truck Engines with ACERT(登録商標) Technology",SAE Paper 2007-01-1561,Society of Automotive Engineers,2007
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の直列２段式のターボチャージャーにおいては、エンジンの排気エネルギーの多い場合に、小容量の高圧段ターボチャージャーのタービンをバイパスさせて、大容量の低圧段ターボチャージャーのタービンのみに排気を流すようにしている。その場合において、エンジンの最高出力を増大させるためには、低圧段ターボチャージャーの容量を増大させる必要があるが、低圧段ターボチャージャーの容量を増大させると、低圧段ターボチャージャーの応答性が低下する。さらに、高圧段ターボチャージャーのタービンをバイパスさせて排気を流す場合に、大容量の低圧段ターボチャージャーを駆動するための排気エネルギーが不足して、十分な過給圧が得られなくなる。
【０００６】
本発明は、低圧段ターボチャージャー及び高圧段ターボチャージャーを備える過給装置において、低圧段ターボチャージャーの容量の増大を招くことなくエンジンの高出力化を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る過給装置及び過給エンジンシステムは、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。
【０００８】
本発明に係る過給装置は、エンジンの排気エネルギーを利用してエンジンへの吸気を加圧する過給装置であって、エンジンへの吸気を加圧する低圧段コンプレッサと、低圧段コンプレッサの出口からの吸気を加圧してエンジンへ供給する高圧段コンプレッサと、エンジンの排気エネルギーを利用して高圧段コンプレッサを駆動する高圧段タービンと、高圧段タービンの出口からの排気エネルギーを利用して低圧段コンプレッサを駆動する低圧段タービンと、エンジンからの排気の少なくとも一部を高圧段タービンをバイパスさせて低圧段タービンの入口へ導入することが可能な高圧段タービンバイパス手段と、高圧段タービンの出口からの排気を低圧段タービンをバイパスさせて低圧段タービンの出口へ導入することが可能な低圧段タービンバイパス手段と、エンジンからの排気が高圧段タービン及び低圧段タービンをバイパスしない場合は、高圧段タービンの出口から低圧段タービンの入口への排気の流れを許容し、エンジンからの排気の少なくとも一部が高圧段タービンをバイパスする場合は、低圧段タービンの入口から高圧段タービンの出口への排気の流れを遮断する排気調整弁と、高圧段タービンの出口からの排気が低圧段タービンをバイパスする場合に、低圧段コンプレッサの入口への吸気の少なくとも一部を低圧段コンプレッサをバイパスさせて高圧段コンプレッサの入口へ導入する低圧段コンプレッサバイパス手段と、エンジンからの排気の少なくとも一部が高圧段タービンをバイパスする場合に、低圧段コンプレッサの出口からの吸気を高圧段コンプレッサをバイパスさせてエンジンへ導入する高圧段コンプレッサバイパス手段と、低圧段コンプレッサの出口と高圧段コンプレッサの入口との間における吸気の流れを許容する開状態と、当該吸気の流れを遮断する閉状態と、に選択的に切り替わることが可能な吸気制御弁と、を備え、吸気制御弁が開状態にあり、エンジンからの排気が高圧段タービン及び低圧段タービンをバイパスしない場合は、低圧段コンプレッサ及び高圧段コンプレッサで加圧された吸気をエンジンへ導入し、吸気制御弁が閉状態にあり、エンジンからの排気の一部が高圧段タービンをバイパスし且つ高圧段タービンの出口からの排気が低圧段タービンをバイパスする場合は、低圧段コンプレッサで加圧され且つ高圧段コンプレッサをバイパスした吸気と、低圧段コンプレッサをバイパスし且つ高圧段コンプレッサで加圧された吸気とをエンジンへ導入することを要旨とする。
【０００９】
本発明の一態様では、排気調整弁は一方向弁であることが好適である。
【００１０】
本発明の一態様では、低圧段コンプレッサバイパス手段は、低圧段コンプレッサをバイパスさせて低圧段コンプレッサの入口と高圧段コンプレッサの入口とを繋ぐ低圧段コンプレッサバイパス流路と、低圧段コンプレッサバイパス流路における吸気のバイパス流れを調整する低圧段吸気調整弁と、を含み、低圧段吸気調整弁は、高圧段タービンの出口からの排気が低圧段タービンをバイパスする場合は、低圧段コンプレッサの入口から高圧段コンプレッサの入口への吸気のバイパス流れを許容し、高圧段タービンの出口からの排気が低圧段タービンをバイパスしない場合は、高圧段コンプレッサの入口から低圧段コンプレッサの入口への吸気のバイパス流れを遮断することが好適である。この態様では、低圧段吸気調整弁は一方向弁であることが好適である。
【００１１】
本発明の一態様では、高圧段コンプレッサバイパス手段は、高圧段コンプレッサをバイパスさせて低圧段コンプレッサの出口と高圧段コンプレッサの出口とを繋ぐ高圧段コンプレッサバイパス流路と、高圧段コンプレッサバイパス流路における吸気のバイパス流れを調整する高圧段吸気調整弁と、を含み、高圧段吸気調整弁は、エンジンからの排気の少なくとも一部が高圧段タービンをバイパスする場合は、低圧段コンプレッサの出口から高圧段コンプレッサの出口への吸気のバイパス流れを許容し、エンジンからの排気が高圧段タービンをバイパスしない場合は、高圧段コンプレッサの出口から低圧段コンプレッサの出口への吸気のバイパス流れを遮断することが好適である。この態様では、高圧段吸気調整弁は一方向弁であることが好適である。
【００１２】
本発明の一態様では、エンジンからの排気の一部が高圧段タービンをバイパスし且つ高圧段タービンの出口からの排気が低圧段タービンをバイパスする場合におけるエンジンの回転数及びトルクの少なくとも一方が、エンジンからの排気が高圧段タービン及び低圧段タービンをバイパスしない場合よりも高くなるように、エンジンからの排気を流すことが好適である。
【００１３】
本発明の一態様では、前記エンジンが、燃料を筒内に噴射する筒内噴射式内燃機関であることが好適である。
【００１４】
また、本発明に係る過給エンジンシステムは、エンジンと、エンジンの排気エネルギーを利用してエンジンへの吸気を加圧する過給装置と、を備える過給エンジンシステムであって、前記過給装置が、本発明に係る過給装置であることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、吸気制御弁が閉状態にあり、エンジンからの排気の一部が高圧段タービンをバイパスし且つ高圧段タービンの出口からの排気が低圧段タービンをバイパスする場合は、低圧段コンプレッサで加圧され且つ高圧段コンプレッサをバイパスした吸気と、低圧段コンプレッサをバイパスし且つ高圧段コンプレッサで加圧された吸気とをエンジンへ導入することで、エンジンの排気エネルギーの多いときに、低圧段ターボチャージャーの容量を増大させることなく、エンジンへ供給する吸気量を増大させることができる。その結果、低圧段ターボチャージャーの容量の増大を招くことなくエンジンの高出力化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。
【００１７】
図１は、本発明の実施形態に係る過給装置１２を備える過給エンジンシステムの概略構成を示す図である。本実施形態に係る過給装置１２は、内燃機関１０の排気エネルギーを利用して内燃機関１０への吸気を加圧するものであり、大容量の低圧段ターボチャージャー２０と小容量の高圧段ターボチャージャー４０とを備える。
【００１８】
内燃機関１０は、例えばディーゼルエンジンや直噴ガソリンエンジン等、燃料を筒内に直接噴射する筒内噴射式内燃機関により構成することができる。内燃機関１０が筒内噴射式内燃機関である場合は、本実施形態に係る過給装置１２で加圧される吸気（新気）は空気である。内燃機関１０においては、燃焼後の排気の一部が吸気側へＥＧＲガスとして供給される排気再循環（ＥＧＲ）が行われる。ＥＧＲを行うことで、燃焼の際に生成される窒素酸化物（ＮＯｘ）の抑制を図ることができる。ただし、内燃機関１０への吸気における空気量が低下すると、燃焼の際に煤（スモーク）が発生しやすくなる。本実施形態では、内燃機関１０への吸気（空気）を過給装置１２により加圧することで、内燃機関１０へ供給する空気量を増大させることができ、燃焼の際に生成される煤の抑制を図ることができる。
【００１９】
低圧段ターボチャージャー２０は、内燃機関１０への吸気を加圧する大容量の低圧段コンプレッサ２１と、内燃機関１０の排気エネルギーを利用して低圧段コンプレッサ２１を回転駆動する大容量の低圧段タービン２２と、を備える。低圧段ターボチャージャー２０は、大流量で高効率となる特性を有する。高圧段ターボチャージャー４０は、低圧段コンプレッサ２１の出口２１ｂからの吸気を加圧して内燃機関１０へ供給する小容量の高圧段コンプレッサ４１と、内燃機関１０の排気エネルギーを利用して高圧段コンプレッサ４１を回転駆動する小容量の高圧段タービン４２と、を備える。高圧段ターボチャージャー４０は、小流量で高効率となる特性を有する。低圧段コンプレッサ２１と高圧段コンプレッサ４１は、内燃機関１０の吸気通路に直列に設けられている。図１は、高圧段タービン４２と低圧段タービン２２が内燃機関１０の排気通路に直列に設けられた例を示しており、低圧段タービン２２は、高圧段タービン４２の出口４２ｂからの排気エネルギーを利用して低圧段コンプレッサ２１を回転駆動する。
【００２０】
内燃機関１０からの排気（高圧段タービン４２の入口４２ａへの排気）の少なくとも一部を高圧段タービン４２をバイパスさせて流すために、高圧段タービン４２の入口４２ａと出口４２ｂ（低圧段タービン２２の入口２２ａ）とを高圧段タービン４２をバイパスさせて繋ぐ高圧段タービンバイパス流路４３が設けられている。高圧段タービンバイパス流路４３には、高圧段タービンバイパス流路４３における排気のバイパス流れを制御する高圧段排気制御弁４４が設けられている。高圧段排気制御弁４４は、高圧段タービンバイパス流路４３における排気のバイパス流れを許容する開状態（全開状態）と、高圧段タービンバイパス流路４３における排気のバイパス流れを遮断する閉状態（全閉状態）と、に選択的に切り替わることが可能である。さらに、高圧段排気制御弁４４を半開状態にして高圧段排気制御弁４４の開度を制御することで、高圧段タービンバイパス流路４３を流れる排気の流量を制御することも可能である。ここでは、内燃機関１０からの排気の全流量を高圧段排気制御弁４４を介して流すことができるように高圧段排気制御弁４４の容量が設定されている。
【００２１】
そして、低圧段コンプレッサ２１の出口２１ｂからの吸気（高圧段コンプレッサ４１の入口４１ａへの吸気）を高圧段コンプレッサ４１をバイパスさせて流すために、高圧段コンプレッサ４１の入口４１ａ（低圧段コンプレッサ２１の出口２１ｂ）と出口４１ｂとを高圧段コンプレッサ４１をバイパスさせて繋ぐ高圧段コンプレッサバイパス流路４５が設けられている。高圧段コンプレッサバイパス流路４５には、高圧段コンプレッサバイパス流路４５における吸気のバイパス流れを調整する高圧段吸気調整弁として一方向弁（逆止弁）４６が設けられている。ここでの一方向弁４６は、低圧段コンプレッサ２１の出口２１ｂから高圧段コンプレッサ４１の出口４１ｂへの吸気のバイパス流れ（高圧段コンプレッサバイパス流路４５の流れ）を許容するとともに、高圧段コンプレッサ４１の出口４１ｂから低圧段コンプレッサ２１の出口２１ｂへの吸気のバイパス流れ（高圧段コンプレッサバイパス流路４５の流れ）を遮断するために設けられている。
【００２２】
さらに、内燃機関１０（高圧段タービン４２の出口４２ｂ）からの排気を低圧段タービン２２をバイパスさせて流すために、低圧段タービン２２の入口２２ａ（高圧段タービン４２の出口４２ｂ）と出口２２ｂとを低圧段タービン２２をバイパスさせて繋ぐ低圧段タービンバイパス流路２３が設けられている。低圧段タービンバイパス流路２３には、低圧段タービンバイパス流路２３における排気のバイパス流れを制御する低圧段排気制御弁２４が設けられている。低圧段排気制御弁２４は、低圧段タービンバイパス流路２３における排気のバイパス流れを許容する開状態（全開状態）と、低圧段タービンバイパス流路２３における排気のバイパス流れを遮断する閉状態（全閉状態）と、に選択的に切り替わることが可能である。さらに、低圧段排気制御弁２４を半開状態にして低圧段排気制御弁２４の開度を制御することで、低圧段タービンバイパス流路２３を流れる排気の流量を制御することも可能である。ここでは、内燃機関１０からの排気の全流量を低圧段排気制御弁２４を介して流すことができるように低圧段排気制御弁２４の容量が設定されている。
【００２３】
そして、低圧段コンプレッサ２１の入口２１ａへの吸気の少なくとも一部を低圧段コンプレッサ２１をバイパスさせて流すために、低圧段コンプレッサ２１の入口２１ａと出口２１ｂ（高圧段コンプレッサ４１の入口４１ａ）とを低圧段コンプレッサ２１をバイパスさせて繋ぐ低圧段コンプレッサバイパス流路２５が設けられている。低圧段コンプレッサバイパス流路２５には、低圧段コンプレッサバイパス流路２５における吸気のバイパス流れを調整する低圧段吸気調整弁として一方向弁（逆止弁）２６が設けられている。ここでの一方向弁２６は、低圧段コンプレッサ２１の入口２１ａから高圧段コンプレッサ４１の入口４１ａへの吸気のバイパス流れ（低圧段コンプレッサバイパス流路２５の流れ）を許容するとともに、高圧段コンプレッサ４１の入口４１ａから低圧段コンプレッサ２１の入口２１ａへの吸気のバイパス流れ（低圧段コンプレッサバイパス流路２５の流れ）を遮断するために設けられている。
【００２４】
さらに、高圧段タービン４２の出口４２ｂと低圧段タービン２２の入口２２ａとを接続するタービン接続流路３３には、タービン接続流路３３（高圧段タービン４２の出口４２ｂと低圧段タービン２２の入口２２ａとの間）における排気の流れを調整する排気調整弁として一方向弁（逆止弁）３６が設けられている。ここでの一方向弁３６は、高圧段タービン４２の出口４２ｂから低圧段タービン２２の入口２２ａへの排気の流れを許容するとともに、低圧段タービン２２の入口２２ａから高圧段タービン４２の出口４２ｂへの排気の流れを遮断するために設けられている。
【００２５】
そして、低圧段コンプレッサ２１の出口２１ｂと高圧段コンプレッサ４１の入口４１ａとを接続するコンプレッサ接続流路３５には、コンプレッサ接続流路３５（低圧段コンプレッサ２１の出口２１ｂと高圧段コンプレッサ４１の入口４１ａとの間）における吸気の流れを制御する吸気制御弁３４が設けられている。吸気制御弁３４は、低圧段コンプレッサ２１の出口２１ｂと高圧段コンプレッサ４１の入口４１ａとの間における吸気の流れを許容する開状態と、低圧段コンプレッサ２１の出口２１ｂと高圧段コンプレッサ４１の入口４１ａとの間における吸気の流れを遮断する閉状態と、に選択的に切り替わることが可能である。ここでは、内燃機関１０への吸気の全流量を吸気制御弁３４を介して流すことができるように吸気制御弁３４の容量が設定されている。
【００２６】
電子制御ユニット５０は、内燃機関１０の運転状態に基づいて、低圧段排気制御弁２４の開閉状態、高圧段排気制御弁４４の開閉状態、及び吸気制御弁３４の開閉状態をそれぞれ制御することで、過給装置１２の動作状態を制御する。以下、本実施形態に係る過給装置１２の動作について、図２〜７を用いて説明する。
【００２７】
電子制御ユニット５０は、内燃機関１０の回転数Ｎｅ及びトルクＴｅが図２に示す特性線Ａを超えない領域である低速・低負荷領域内にある場合は、図３，７に示すように、低圧段排気制御弁２４を開状態（全開状態）且つ高圧段排気制御弁４４を閉状態（全閉状態）に制御する。図３では、吸気制御弁３４を開状態に制御しているが、吸気制御弁３４を閉状態に制御してもよい。ここでの特性線Ａは、図２に示すように、内燃機関１０の回転数Ｎｅが高くなるにつれてトルクＴｅが低くなる特性線である。ここでは、特性線Ａ上での内燃機関１０の出力が所定の一定値ＷＡとなるように特性線Ａを設定することもできる。高圧段排気制御弁４４を閉状態に制御することで、図３に示すように、内燃機関１０からの排気は、高圧段タービン４２をバイパスしないで高圧段タービン４２を通って流れる。そして、低圧段排気制御弁２４を開状態に制御することで、高圧段タービン４２の出口４２ｂからの排気は、低圧段タービンバイパス流路２３を通って一方向弁３６及び低圧段タービン２２をバイパスして流れてから、低圧段タービン２２の出口２２ｂへ導入される。
【００２８】
図３に示すように、高圧段タービン４２の出口４２ｂからの排気が低圧段タービン２２を通らずに低圧段タービン２２をバイパスして流れる場合は、低圧段コンプレッサ２１が吸気を加圧することなく、一方向弁２６が開いて、低圧段コンプレッサバイパス流路２５における低圧段コンプレッサ２１の入口２１ａから高圧段コンプレッサ４１の入口４１ａへの吸気の流れが許容される。そのため、低圧段コンプレッサ２１の入口２１ａへの吸気は、低圧段コンプレッサバイパス流路２５を通って低圧段コンプレッサ２１及び吸気制御弁３４をバイパスしてから、高圧段コンプレッサ４１の入口４１ａへ導入される。そして、内燃機関１０からの排気が高圧段タービン４２をバイパスしないで高圧段タービン４２を通って流れる場合は、高圧段コンプレッサ４１の入口４１ａへの吸気（低圧段コンプレッサバイパス流路２５からの吸気）は、高圧段コンプレッサ４１をバイパスしないで高圧段コンプレッサ４１で加圧されてから、内燃機関１０へ導入される。その際には、高圧段コンプレッサ４１の出口４１ｂの圧力が低圧段コンプレッサ２１の出口２１ｂの圧力よりも高くなるため、一方向弁４６が閉じて、高圧段コンプレッサバイパス流路４５における高圧段コンプレッサ４１の出口４１ｂから低圧段コンプレッサ２１の出口２１ｂへの吸気の流れが遮断される。したがって、内燃機関１０からの排気が高圧段タービン４２をバイパスせず且つ低圧段タービン２２をバイパスして流れる場合は、低圧段ターボチャージャー２０が作動しないで高圧段ターボチャージャー４０のみが作動し、低圧段コンプレッサ２１をバイパスし且つ高圧段コンプレッサ４１で加圧された吸気が内燃機関１０へ導入される。以下、この過給装置１２の動作モードを高圧段単独作動モードとする。なお、内燃機関１０の回転数Ｎｅについては、例えば図示しないセンサにより検出することができ、内燃機関１０のトルクＴｅ（負荷）については、例えば燃料噴射量から演算することができる。
【００２９】
また、電子制御ユニット５０は、内燃機関１０の回転数Ｎｅ及びトルクＴｅが図２に示す特性線Ａを超え且つ特性線Ｂを超えない領域である低中速・低中負荷領域内にある場合は、図４，７に示すように、低圧段排気制御弁２４を閉状態（全閉状態）、高圧段排気制御弁４４を閉状態（全閉状態）、且つ吸気制御弁３４を開状態に制御する。ここでの特性線Ｂは、図２に示すように、特性線Ａよりも高速・高トルク側に設定されており、内燃機関１０の回転数Ｎｅが高くなるにつれてトルクＴｅが低くなる特性線である。ここでは、特性線Ｂ上での内燃機関１０の出力が所定の一定値ＷＢ（ＷＢ＞ＷＡ）となるように特性線Ｂを設定することもできる。高圧段排気制御弁４４を閉状態に制御することで、図４に示すように、内燃機関１０からの排気は、高圧段タービン４２をバイパスしないで高圧段タービン４２を通って流れる。そして、低圧段排気制御弁２４を閉状態に制御することで、高圧段タービン４２の出口４２ｂからの排気は、低圧段タービン２２をバイパスしないで低圧段タービン２２を通って流れてから、低圧段タービン２２の出口２２ｂへ導入される。その際には、一方向弁３６が開いて、タービン接続流路３３における高圧段タービン４２の出口４２ｂから低圧段タービン２２の入口２２ａへの排気の流れが許容される。
【００３０】
図４に示すように、高圧段タービン４２の出口４２ｂからの排気が低圧段タービン２２をバイパスしないで低圧段タービン２２を通って流れる場合は、低圧段コンプレッサ２１の入口２１ａへの吸気は、低圧段コンプレッサ２１をバイパスしないで低圧段コンプレッサ２１で加圧されてから、高圧段コンプレッサ４１の入口４１ａへ導入される。その際には、高圧段コンプレッサ４１の入口４１ａの圧力が低圧段コンプレッサ２１の入口２１ａの圧力よりも高くなるため、一方向弁２６が閉じて、低圧段コンプレッサバイパス流路２５における高圧段コンプレッサ４１の入口４１ａから低圧段コンプレッサ２１の入口２１ａへの吸気の流れが遮断される。そして、内燃機関１０からの排気が高圧段タービン４２をバイパスしないで高圧段タービン４２を通って流れる場合は、高圧段コンプレッサ４１の入口４１ａへの吸気（低圧段コンプレッサ２１の出口２１ｂからの吸気）は、高圧段コンプレッサ４１をバイパスしないで高圧段コンプレッサ４１で加圧されてから、内燃機関１０へ導入される。その際には、一方向弁４６が閉じて、高圧段コンプレッサバイパス流路４５における高圧段コンプレッサ４１の出口４１ｂから低圧段コンプレッサ２１の出口２１ｂへの吸気の流れが遮断される。したがって、吸気制御弁３４が開状態にあり、内燃機関１０からの排気が高圧段タービン４２及び低圧段タービン２２をバイパスしない場合は、低圧段ターボチャージャー２０及び高圧段ターボチャージャー４０の両方が直列に作動し、低圧段コンプレッサ２１及び高圧段コンプレッサ４１で二段階に加圧された吸気が内燃機関１０へ導入される。以下、この過給装置１２の動作モードを直列作動モードとする。なお、図２に示すように、低速・低負荷領域においては、内燃機関１０の回転数Ｎｅ及びトルクＴｅの少なくとも一方が低中速・低中負荷領域よりも低くなる。そのため、低圧段排気制御弁２４は、高圧段単独作動モード（低圧段タービン２２をバイパスして排気が流れる状態）における内燃機関１０の回転数Ｎｅ及びトルクＴｅの少なくとも一方が直列作動モード（低圧段タービン２２を通って排気が流れる状態）よりも低くなるように、低圧段タービン２２をバイパスさせて排気を流す。
【００３１】
また、電子制御ユニット５０は、内燃機関１０の回転数Ｎｅ及びトルクＴｅが図２に示す特性線Ｂを超え且つ特性線Ｃを超えない領域である中高速・中高負荷領域内にある場合は、図５，７に示すように、低圧段排気制御弁２４を閉状態（全閉状態）且つ高圧段排気制御弁４４を開状態（全開状態）に制御する。図５では、吸気制御弁３４を開状態に制御しているが、吸気制御弁３４を閉状態に制御してもよい。ここでの特性線Ｃは、図２に示すように、特性線Ｂよりも高速・高トルク側に設定されており、内燃機関１０の回転数Ｎｅが高くなるにつれてトルクＴｅが低くなる特性線である。ここでは、特性線Ｃ上での内燃機関１０の出力が所定の一定値ＷＣ（ＷＣ＞ＷＢ）となるように特性線Ｃを設定することもできる。高圧段排気制御弁４４を開状態に制御することで、図５に示すように、内燃機関１０からの排気は、高圧段タービンバイパス流路４３を通って高圧段タービン４２及び一方向弁３６をバイパスして流れてから、低圧段タービン２２の入口２２ａへ導入される。そして、低圧段排気制御弁２４を閉状態に制御することで、低圧段タービン２２の入口２２ａへの排気（高圧段タービンバイパス流路４３からの排気）は、低圧段タービン２２をバイパスしないで低圧段タービン２２を通って流れてから、低圧段タービン２２の出口２２ｂへ導入される。その際には、一方向弁３６が閉じて、タービン接続流路３３における低圧段タービン２２の入口２２ａから高圧段タービン４２の出口４２ｂへの排気の流れが遮断される。
【００３２】
図５に示すように、低圧段タービン２２の入口２２ａへの排気が低圧段タービン２２をバイパスしないで低圧段タービン２２を通って流れる場合は、低圧段コンプレッサ２１の入口２１ａへの吸気は、低圧段コンプレッサ２１をバイパスしないで低圧段コンプレッサ２１で加圧される。その際には、一方向弁２６が閉じて、低圧段コンプレッサバイパス流路２５における高圧段コンプレッサ４１の入口４１ａから低圧段コンプレッサ２１の入口２１ａへの吸気の流れが遮断される。そして、内燃機関１０からの排気が高圧段タービン４２を通らずに高圧段タービン４２をバイパスして流れる場合は、高圧段コンプレッサ４１が吸気を加圧することなく、一方向弁４６が開いて、高圧段コンプレッサバイパス流路４５における低圧段コンプレッサ２１の出口２１ｂから高圧段コンプレッサ４１の出口４１ｂへの吸気の流れが許容される。そのため、低圧段コンプレッサ２１の出口２１ｂからの吸気は、高圧段コンプレッサバイパス流路４５を通って吸気制御弁３４及び高圧段コンプレッサ４１をバイパスしてから、内燃機関１０へ導入される。したがって、内燃機関１０からの排気が高圧段タービン４２をバイパスし且つ低圧段タービン２２をバイパスしないで流れる場合は、高圧段ターボチャージャー４０が作動しないで低圧段ターボチャージャー２０のみが作動し、低圧段コンプレッサ２１で加圧され且つ高圧段コンプレッサ４１をバイパスした吸気が内燃機関１０へ導入される。以下、この過給装置１２の動作モードを低圧段単独作動モードとする。なお、図２に示すように、中高速・中高負荷領域においては、内燃機関１０の回転数Ｎｅ及びトルクＴｅの少なくとも一方が低中速・低中負荷領域よりも高くなる。そのため、高圧段排気制御弁４４は、低圧段単独作動モード（高圧段タービン４２をバイパスして排気が流れる状態）における内燃機関１０の回転数Ｎｅ及びトルクＴｅの少なくとも一方が直列作動モード（高圧段タービン４２を通って排気が流れる状態）よりも高くなるように、高圧段タービン４２をバイパスさせて排気を流す。
【００３３】
また、電子制御ユニット５０は、内燃機関１０の回転数Ｎｅ及びトルクＴｅが図２に示す特性線Ｃを超える領域である高速・高負荷領域内にある場合は、図６，７に示すように、低圧段排気制御弁２４を半開状態、高圧段排気制御弁４４を半開状態、且つ吸気制御弁３４を閉状態に制御する。高圧段排気制御弁４４を半開状態に制御することで、図６に示すように、内燃機関１０からの排気の一部は、高圧段タービンバイパス流路４３を通って高圧段タービン４２及び一方向弁３６をバイパスして流れてから、低圧段タービン２２の入口２２ａへ導入される。そして、低圧段タービン２２の入口２２ａへの排気（高圧段タービンバイパス流路４３からの排気）は、低圧段タービン２２を通って流れてから、低圧段タービン２２の出口２２ｂへ導入される。一方、内燃機関１０からの排気の残りは、高圧段タービン４２を通って流れる。そして、低圧段排気制御弁２４を半開状態に制御することで、高圧段タービン４２の出口４２ｂからの排気は、低圧段タービンバイパス流路２３を通って一方向弁３６及び低圧段タービン２２をバイパスして流れてから、低圧段タービン２２の出口２２ｂへ導入される。その際には、低圧段タービン２２の入口２２ａの圧力が高圧段タービン４２の出口４２ｂの圧力よりも高くなるため、一方向弁３６が閉じて、タービン接続流路３３における低圧段タービン２２の入口２２ａから高圧段タービン４２の出口４２ｂへの排気の流れが遮断される。
【００３４】
図６に示すように、吸気制御弁３４が閉状態にあり、内燃機関１０からの排気の一部が高圧段タービン４２をバイパスしてから低圧段タービン２２を通り、且つ高圧段タービン４２の出口４２ｂからの排気が低圧段タービン２２をバイパスする場合は、一方向弁２６が開いて、低圧段コンプレッサバイパス流路２５における低圧段コンプレッサ２１の入口２１ａから高圧段コンプレッサ４１の入口４１ａへの吸気の流れが許容される。そのため、低圧段コンプレッサ２１の入口２１ａへの吸気の一部は、低圧段コンプレッサバイパス流路２５を通って低圧段コンプレッサ２１及び吸気制御弁３４をバイパスしてから、高圧段コンプレッサ４１の入口４１ａへ導入される。そして、高圧段コンプレッサ４１の入口４１ａへの吸気（低圧段コンプレッサバイパス流路２５からの吸気）は、高圧段コンプレッサ４１で加圧されてから、内燃機関１０へ導入される。一方、低圧段コンプレッサ２１の入口２１ａへの吸気の残りは、低圧段コンプレッサ２１で加圧される。そして、一方向弁４６が開いて、高圧段コンプレッサバイパス流路４５における低圧段コンプレッサ２１の出口２１ｂから高圧段コンプレッサ４１の出口４１ｂへの吸気の流れが許容されることで、低圧段コンプレッサ２１の出口２１ｂからの吸気は、高圧段コンプレッサバイパス流路４５を通って吸気制御弁３４及び高圧段コンプレッサ４１をバイパスしてから、内燃機関１０へ導入される。したがって、吸気制御弁３４が閉状態にあり、内燃機関１０からの排気の一部が高圧段タービン４２をバイパスし且つ高圧段タービン４２の出口４２ｂからの排気が低圧段タービン２２をバイパスする場合は、低圧段ターボチャージャー２０及び高圧段ターボチャージャー４０の両方が並列に作動し、低圧段コンプレッサ２１で加圧され且つ高圧段コンプレッサ４１をバイパスした吸気と、低圧段コンプレッサ２１をバイパスし且つ高圧段コンプレッサ４１で加圧された吸気とが内燃機関１０へ導入される。以下、この過給装置１２の動作モードを並列作動モードとする。なお、図２に示すように、高速・高負荷領域においては、内燃機関１０の回転数Ｎｅ及びトルクＴｅの少なくとも一方が低中速・低中負荷領域及び中高速・中高負荷領域よりも高くなる。そのため、低圧段排気制御弁２４及び高圧段排気制御弁４４は、並列作動モード（内燃機関１０からの排気の一部が高圧段タービン４２をバイパスし且つ高圧段タービン４２の出口４２ｂからの排気が低圧段タービン２２をバイパスする状態）における内燃機関１０の回転数Ｎｅ及びトルクＴｅの少なくとも一方が直列作動モード（内燃機関１０からの排気が高圧段タービン４２及び低圧段タービン２２をバイパスしない状態）及び低圧段単独作動モードよりも高くなるように、内燃機関１０からの排気を流す。
【００３５】
並列作動モードにおいては、低圧段排気制御弁２４及び高圧段排気制御弁４４の開度をそれぞれ制御することで、高圧段タービン４２をバイパスし且つ低圧段タービン２２を通る排気量と、高圧段タービン４２を通り且つ低圧段タービン２２をバイパスする排気量との配分を制御することができる。これによって、低圧段コンプレッサ２１で加圧され且つ高圧段コンプレッサ４１をバイパスする吸気量と、低圧段コンプレッサ２１をバイパスし且つ高圧段コンプレッサ４１で加圧される吸気量との配分を制御することができる。例えば、低圧段排気制御弁２４の開度を増大させるとともに高圧段排気制御弁４４の開度を減少させることで、高圧段タービン４２をバイパスし且つ低圧段タービン２２を通る排気量が減少するとともに、高圧段タービン４２を通り且つ低圧段タービン２２をバイパスする排気量が増大する。これによって、低圧段コンプレッサ２１で加圧され且つ高圧段コンプレッサ４１をバイパスする吸気量が減少するとともに、低圧段コンプレッサ２１をバイパスし且つ高圧段コンプレッサ４１で加圧される吸気量が増大する。一方、低圧段排気制御弁２４の開度を減少させるとともに高圧段排気制御弁４４の開度を増大させることで、高圧段タービン４２をバイパスし且つ低圧段タービン２２を通る排気量が増大するとともに、高圧段タービン４２を通り且つ低圧段タービン２２をバイパスする排気量が減少する。これによって、低圧段コンプレッサ２１で加圧され且つ高圧段コンプレッサ４１をバイパスする吸気量が増大するとともに、低圧段コンプレッサ２１をバイパスし且つ高圧段コンプレッサ４１で加圧される吸気量が減少する。
【００３６】
そして、並列作動モードにおいては、低圧段コンプレッサ２１及び高圧段コンプレッサ４１の効率がそれぞれ高くなるように、低圧段排気制御弁２４及び高圧段排気制御弁４４の開度をそれぞれ制御することもできる。低圧段コンプレッサ２１の効率については、低圧段コンプレッサ２１の流量、圧力比、及び回転数の少なくとも２つから算出することが可能である。同様に、高圧段コンプレッサ４１の効率についても、高圧段コンプレッサ４１の流量、圧力比、及び回転数の少なくとも２つから算出することが可能である。
【００３７】
上記に説明したように、過給装置１２の動作モードが直列作動モードにある場合、つまり、内燃機関１０からの排気が高圧段タービン４２及び低圧段タービン２２をバイパスしない場合は、一方向弁３６は、高圧段タービン４２の出口４２ｂから低圧段タービン２２の入口２２ａへの排気の流れを許容する。一方、過給装置１２の動作モードが低圧段単独作動モードまたは並列作動モードにある場合、つまり、内燃機関１０からの排気の少なくとも一部が高圧段タービン４２をバイパスする場合は、一方向弁３６は、低圧段タービン２２の入口２２ａから高圧段タービン４２の出口４２ｂへの排気の流れを遮断する。また、過給装置１２の動作モードが高圧段単独作動モードまたは並列作動モードにある場合、つまり、高圧段タービン４２の出口４２ｂからの排気が低圧段タービン２２をバイパスする場合は、一方向弁２６は、低圧段コンプレッサ２１の入口２１ａから高圧段コンプレッサ４１の入口４１ａへの吸気の流れを許容し、低圧段コンプレッサ２１の入口２１ａへの吸気の少なくとも一部が低圧段コンプレッサ２１をバイパスして高圧段コンプレッサ４１の入口４１ａへ導入される。一方、過給装置１２の動作モードが直列作動モードまたは低圧段単独作動モードにある場合、つまり、高圧段タービン４２の出口４２ｂからの排気が低圧段タービン２２をバイパスしない場合は、一方向弁２６は、高圧段コンプレッサ４１の入口４１ａから低圧段コンプレッサ２１の入口２１ａへの吸気の流れを遮断する。また、過給装置１２の動作モードが低圧段単独作動モードまたは並列作動モードにある場合、つまり、内燃機関１０からの排気の少なくとも一部が高圧段タービン４２をバイパスする場合は、一方向弁４６は、低圧段コンプレッサ２１の出口２１ｂから高圧段コンプレッサ４１の出口４１ｂへの吸気の流れを許容し、低圧段コンプレッサ２１の出口２１ｂからの吸気が高圧段コンプレッサ４１をバイパスして内燃機関１０へ導入される。一方、過給装置１２の動作モードが高圧段単独作動モードまたは直列作動モードにある場合、つまり、内燃機関１０からの排気が高圧段タービン４２をバイパスしない場合は、一方向弁４６は、高圧段コンプレッサ４１の出口４１ｂから低圧段コンプレッサ２１の出口２１ｂへの吸気の流れを遮断する。
【００３８】
高圧段単独作動モードから直列作動モードへの切り替えについては、低圧段排気制御弁２４を全開状態から全閉状態へ切り替えることで行うことができ、直列作動モードから高圧段単独作動モードへの切り替えについては、低圧段排気制御弁２４を全閉状態から全開状態へ切り替えることで行うことができる。低圧段排気制御弁２４の切り替え動作の際には、低圧段排気制御弁２４の開度を徐々に変化させることも可能である。また、高圧段単独作動モードから直列作動モードへの切り替え判定に用いる特性線Ａと、直列作動モードから高圧段単独作動モードへの切り替え判定に用いる特性線Ａとの間に、ヒステリシスを設けることもできる。例えば、図８に示すように、直列作動モードから高圧段単独作動モードへの切り替え判定に用いる特性線Ａ２を、高圧段単独作動モードから直列作動モードへの切り替え判定に用いる特性線Ａ１よりも低速・低トルク側に設定することができる。これによって、高圧段単独作動モードと直列作動モードとの間の切り替えが短時間で繰り返されるのが防止される。
【００３９】
また、直列作動モードから低圧段単独作動モードへの切り替えについては、高圧段排気制御弁４４を全閉状態から全開状態へ切り替えることで行うことができ、低圧段単独作動モードから直列作動モードへの切り替えについては、高圧段排気制御弁４４を全開状態から全閉状態へ切り替えることで行うことができる。高圧段排気制御弁４４の切り替え動作の際には、高圧段排気制御弁４４の開度を徐々に変化させることも可能である。また、直列作動モードから低圧段単独作動モードへの切り替え判定に用いる特性線Ｂと、低圧段単独作動モードから直列作動モードへの切り替え判定に用いる特性線Ｂとの間に、ヒステリシスを設けることもできる。例えば、図８に示すように、低圧段単独作動モードから直列作動モードへの切り替え判定に用いる特性線Ｂ２を、直列作動モードから低圧段単独作動モードへの切り替え判定に用いる特性線Ｂ１よりも低速・低トルク側に設定することができる。これによって、直列作動モードと低圧段単独作動モードとの間の切り替えが短時間で繰り返されるのが防止される。
【００４０】
また、低圧段単独作動モードから並列作動モードへの切り替えについては、低圧段排気制御弁２４を全閉状態から半開状態へ、高圧段排気制御弁４４を全開状態から半開状態へ、且つ吸気制御弁３４を閉状態へ切り替えることで行うことができる。一方、並列作動モードから低圧段単独作動モードへの切り替えについては、低圧段排気制御弁２４を半開状態から全閉状態へ、高圧段排気制御弁４４を半開状態から全開状態へ切り替えることで行うことができる。低圧段排気制御弁２４、高圧段排気制御弁４４、及び吸気制御弁３４の切り替え動作の際には、各制御弁２４，３４，４４の開度を徐々に変化させることも可能である。また、低圧段単独作動モードから並列作動モードへの切り替え判定に用いる特性線Ｃと、並列作動モードから低圧段単独作動モードへの切り替え判定に用いる特性線Ｃとの間に、ヒステリシスを設けることもできる。例えば、図８に示すように、並列作動モードから低圧段単独作動モードへの切り替え判定に用いる特性線Ｃ２を、低圧段単独作動モードから並列作動モードへの切り替え判定に用いる特性線Ｃ１よりも低速・低トルク側に設定することができる。これによって、低圧段単独作動モードと並列作動モードとの間の切り替えが短時間で繰り返されるのが防止される。
【００４１】
直列作動モードにおいては、内燃機関１０への吸気を低圧段コンプレッサ２１及び高圧段コンプレッサ４１で２段階に加圧するため、過給装置１２全体の効率は、低圧段ターボチャージャー２０の効率と高圧段ターボチャージャー４０の効率とを掛け合わせたものとなる。特に小流量領域では、低圧段ターボチャージャー２０の効率及び高圧段ターボチャージャー４０の効率が低下して、過給装置１２全体の効率が低下する。内燃機関１０の回転数Ｎｅ及びトルクＴｅが排気エネルギーの少ない低速・低負荷領域内にある場合に、過給装置１２の動作モードが直列作動モードにあると、大容量の低圧段ターボチャージャー２０を駆動するのに十分な排気エネルギーがないにもかかわらず、低圧段ターボチャージャー２０及び高圧段ターボチャージャー４０の両方を駆動することになるため、低圧段ターボチャージャー２０の駆動がロスとなる。その結果、内燃機関１０への吸気を効率よく加圧することが困難となり、十分な過給圧を得ることが困難となる。
【００４２】
これに対して本実施形態では、内燃機関１０の回転数Ｎｅ及びトルクＴｅが排気エネルギーの少ない低速・低負荷領域内にある場合は、過給装置１２の動作モードを高圧段単独作動モードに制御することで、大容量の低圧段ターボチャージャー２０（低圧段タービン２２）の駆動によるロスが生じるのを抑制して、内燃機関１０からの排気エネルギーのすべてを小容量の高圧段ターボチャージャー４０（高圧段タービン４２）の駆動に使用することができる。そのため、少ない排気エネルギーであっても、高圧段ターボチャージャー４０の作動状態を高圧段コンプレッサ４１の効率が高くなる作動領域へ速やかに移行させることができる。したがって、過給装置１２全体の効率を速やかに高めて内燃機関１０への吸気を効率よく加圧することができ、十分な過給圧を速やかに得ることができる。その結果、低速・低負荷領域であっても、燃費の低下を招くことなく内燃機関１０の充填効率を高めることができ、煤の抑制等、低エミッション化を図ることができる。
【００４３】
そして、内燃機関１０の回転数Ｎｅ及びトルクＴｅが低中速・低中負荷領域内にある場合は、過給装置１２の動作モードを直列作動モードに制御することで、十分な排気エネルギーで低圧段ターボチャージャー２０及び高圧段ターボチャージャー４０を直列に駆動することができ、低圧段ターボチャージャー２０及び高圧段ターボチャージャー４０の作動状態を低圧段コンプレッサ２１の効率及び高圧段コンプレッサ４１の効率がそれぞれ高くなる作動領域へ速やかに移行させることができる。その結果、過給装置１２全体の効率を高めて内燃機関１０への吸気を効率よく加圧することができるとともに、吸気を２段階に加圧して過給圧を高めることができる。
【００４４】
また、内燃機関１０の回転数Ｎｅ及びトルクＴｅが排気エネルギーの多い中高速・中高負荷領域内にある場合は、高圧段ターボチャージャー４０の容量が不足するため、作動ガスの全量を高圧段ターボチャージャー４０に流すことができなくなる。その場合は、過給装置１２の動作モードを低圧段単独作動モードに制御することで、十分な排気エネルギーで大容量の低圧段ターボチャージャー２０を駆動することができ、低圧段ターボチャージャー２０の作動状態を低圧段コンプレッサ２１の効率が高くなる作動領域へ移行させることができる。その結果、過給装置１２全体の効率を高めて内燃機関１０への吸気を効率よく加圧することができるとともに、十分な過給圧を得ることができる。
【００４５】
また、内燃機関１０の回転数Ｎｅ及びトルクＴｅが排気エネルギーのさらに多い高速・高負荷領域内にある場合に、過給装置１２の動作モードが低圧段単独作動モードにあると、内燃機関１０の最高出力を増大させるためには、低圧段ターボチャージャー２０の容量を増大させる必要がある。しかし、低圧段ターボチャージャー２０の容量を増大させると、低圧段ターボチャージャー２０の応答性が低下する。さらに、低圧段単独作動モードにおいて、大容量の低圧段ターボチャージャー２０を駆動するための排気エネルギーが不足して、十分な過給圧が得られなくなる。さらに、低圧段ターボチャージャー２０と高圧段ターボチャージャー４０との容量差が増大するため、過給装置１２の動作モードの切り替えを速やかに行うことが困難となる。
【００４６】
これに対して本実施形態では、内燃機関１０の回転数Ｎｅ及びトルクＴｅが排気エネルギーのさらに多い高速・高負荷領域内にある場合は、過給装置１２の動作モードを並列作動モードに制御することで、低圧段コンプレッサ２１で加圧され且つ高圧段コンプレッサ４１をバイパスした吸気だけでなく、低圧段コンプレッサ２１をバイパスし且つ高圧段コンプレッサ４１で加圧された吸気も内燃機関１０へ供給することができる。そのため、低圧段ターボチャージャー２０の容量を増大させることなく、内燃機関１０へ供給する吸気量を増大させることができ、内燃機関１０の出力を増大させることができる。そして、低圧段ターボチャージャー２０の容量を増大させる必要がないため、低圧段ターボチャージャー２０の応答性の低下を抑えることができるとともに、低圧段ターボチャージャー２０と高圧段ターボチャージャー４０との容量差が増大するのを抑えて、過給装置１２の動作モードの切り替えを速やかに行うことができる。さらに、十分な排気エネルギーで低圧段ターボチャージャー２０及び高圧段ターボチャージャー４０を並列に駆動することができ、低圧段ターボチャージャー２０及び高圧段ターボチャージャー４０の作動状態を低圧段コンプレッサ２１の効率及び高圧段コンプレッサ４１の効率がそれぞれ高くなる作動領域へ速やかに移行させることができる。その結果、過給装置１２全体の効率を高めて内燃機関１０への吸気を効率よく加圧することができるとともに、十分な過給圧を得ることができる。
【００４７】
したがって、本実施形態によれば、高い効率の得られる過給装置１２の作動範囲を広げることができるとともに、広い作動範囲で十分な過給圧を得ることができる。その結果、広い作動範囲で内燃機関１０の充填効率を高めることができ、煤の抑制等、低エミッション化を図ることができる。
【００４８】
本実施形態に係る過給装置１２の動作を排気量２．２Ｌのディーゼルエンジンを対象としてシミュレーション（計算）により確認した結果を図９〜１２に示す。図９は、高圧段単独作動モードにおける低圧段コンプレッサ２１及び高圧段コンプレッサ４１の動作状態（修正流量及び圧力比）を示し、図１０は、直列作動モードにおける低圧段コンプレッサ２１及び高圧段コンプレッサ４１の動作状態（修正流量及び圧力比）を示し、図１１は、低圧段単独作動モードにおける低圧段コンプレッサ２１及び高圧段コンプレッサ４１の動作状態（修正流量及び圧力比）を示し、図１２は、並列作動モードにおける低圧段コンプレッサ２１及び高圧段コンプレッサ４１の動作状態（修正流量及び圧力比）を示す。計算の際には、高圧段単独作動モードにおける内燃機関１０の回転数を２０００ｒｐｍ、トルク（出力）を１２６Ｎｍ（２６ｋＷ）、燃料噴射量を３０ｍｍ3／ｓｔとしており、直列作動モードにおける内燃機関１０の回転数を２０００ｒｐｍ、トルク（出力）を１６５Ｎｍ（３５ｋＷ）、燃料噴射量を４２ｍｍ3／ｓｔとしており、低圧段単独作動モードにおける内燃機関１０の回転数を３０００ｒｐｍ、トルク（出力）を２４０Ｎｍ（７５ｋＷ）、燃料噴射量を５４ｍｍ3／ｓｔとしており、並列作動モードにおける内燃機関１０の回転数を３８００ｒｐｍ、トルク（出力）を２９０Ｎｍ（１１６ｋＷ）、燃料噴射量を６６ｍｍ3／ｓｔとしている。また、修正流量は、流量×(入口温度／基準温度)0.5／(入口圧力／基準圧力)により表され、計算の際には、基準温度を２８８．１５Ｋ、基準圧力を絶対圧で１００ｋＰａとしている。本実施形態に係る過給装置１２において、図９〜１２に示すように高圧段単独作動モードと直列作動モードと低圧段単独作動モードと並列作動モードのそれぞれを実行できること、及び各モード間の切り替えを円滑に行えることがシミュレーションにより確認された。
【００４９】
本実施形態では、電子制御ユニット５０は、内燃機関１０の回転数Ｎｅに基づいて過給装置１２の動作モードを切り替えることもできる。例えば、電子制御ユニット５０は、内燃機関１０の回転数Ｎｅが設定値Ｎｅ１よりも低い低速領域内にある場合に過給装置１２の動作モードを高圧段単独作動モードに制御し、内燃機関１０の回転数Ｎｅが設定値Ｎｅ１以上で且つ設定値Ｎｅ２（Ｎｅ２＞Ｎｅ１）よりも低い低中速領域内にある場合に過給装置１２の動作モードを直列作動モードに制御し、内燃機関１０の回転数Ｎｅが設定値Ｎｅ２以上で且つ設定値Ｎｅ３（Ｎｅ３＞Ｎｅ２）よりも低い中高速領域内にある場合に過給装置１２の動作モードを低圧段単独作動モードに制御し、内燃機関１０の回転数Ｎｅが設定値Ｎｅ３以上の高速領域内にある場合に過給装置１２の動作モードを並列作動モードに制御することもできる。この例では、低圧段排気制御弁２４は、高圧段単独作動モード（低圧段タービン２２をバイパスして排気が流れる状態）における内燃機関１０の回転数Ｎｅが直列作動モード（低圧段タービン２２を通って排気が流れる状態）よりも低くなるように、低圧段タービン２２をバイパスさせて排気を流す。そして、高圧段排気制御弁４４は、低圧段単独作動モード（高圧段タービン４２をバイパスして排気が流れる状態）における内燃機関１０の回転数Ｎｅが直列作動モード（高圧段タービン４２を通って排気が流れる状態）よりも高くなるように、高圧段タービン４２をバイパスさせて排気を流す。そして、低圧段排気制御弁２４及び高圧段排気制御弁４４は、並列作動モード（内燃機関１０からの排気の一部が高圧段タービン４２をバイパスし且つ高圧段タービン４２の出口４２ｂからの排気が低圧段タービン２２をバイパスする状態）における内燃機関１０の回転数Ｎｅが直列作動モード（内燃機関１０からの排気が高圧段タービン４２及び低圧段タービン２２をバイパスしない状態）及び低圧段単独作動モードよりも高くなるように、内燃機関１０からの排気を流す。
【００５０】
また、本実施形態では、電子制御ユニット５０は、内燃機関１０の出力Ｐｅ（＝Ｔｅ×Ｎｅ）に基づいて過給装置１２の動作モードを切り替えることもできる。例えば、電子制御ユニット５０は、内燃機関１０の出力Ｐｅが設定値Ｐｅ１よりも低い低出力領域内にある場合に過給装置１２の動作モードを高圧段単独作動モードに制御し、内燃機関１０の出力Ｐｅが設定値Ｐｅ１以上で且つ設定値Ｐｅ２（Ｐｅ２＞Ｐｅ１）よりも低い低中出力領域内にある場合に過給装置１２の動作モードを直列作動モードに制御し、内燃機関１０の出力Ｐｅが設定値Ｐｅ２以上で且つ設定値Ｐｅ３（Ｐｅ３＞Ｐｅ２）よりも低い中高出力領域内にある場合に過給装置１２の動作モードを低圧段単独作動モードに制御し、内燃機関１０の出力Ｐｅが設定値Ｐｅ３以上の高速領域内にある場合に過給装置１２の動作モードを並列作動モードに制御することもできる。この例では、低圧段排気制御弁２４は、高圧段単独作動モードにおける内燃機関１０の出力Ｐｅが直列作動モードよりも低くなるように、低圧段タービン２２をバイパスさせて排気を流す。そして、高圧段排気制御弁４４は、低圧段単独作動モードにおける内燃機関１０の出力Ｐｅが直列作動モードよりも高くなるように、高圧段タービン４２をバイパスさせて排気を流す。そして、低圧段排気制御弁２４及び高圧段排気制御弁４４は、並列作動モードにおける内燃機関１０の出力Ｐｅが直列作動モード及び低圧段単独作動モードよりも高くなるように、内燃機関１０からの排気を流す。
【００５１】
また、本実施形態では、電子制御ユニット５０は、内燃機関１０に供給される吸気量Ａｅに基づいて過給装置１２の動作モードを切り替えることもできる。例えば、電子制御ユニット５０は、内燃機関１０への吸気量Ａｅが設定値Ａｅ１よりも少ない場合に過給装置１２の動作モードを高圧段単独作動モードに制御し、内燃機関１０への吸気量Ａｅが設定値Ａｅ１以上で且つ設定値Ａｅ２（Ａｅ２＞Ａｅ１）よりも少ない場合に過給装置１２の動作モードを直列作動モードに制御し、内燃機関１０への吸気量Ａｅが設定値Ａｅ２以上で且つ設定値Ａｅ３（Ａｅ３＞Ａｅ２）よりも少ない場合に過給装置１２の動作モードを低圧段単独作動モードに制御し、内燃機関１０への吸気量Ａｅが設定値Ａｅ３以上の場合に過給装置１２の動作モードを並列作動モードに制御することもできる。この例では、低圧段排気制御弁２４は、高圧段単独作動モードにおける内燃機関１０への吸気量Ａｅが直列作動モードよりも低くなるように、低圧段タービン２２をバイパスさせて排気を流す。そして、高圧段排気制御弁４４は、低圧段単独作動モードにおける内燃機関１０への吸気量Ａｅが直列作動モードよりも高くなるように、高圧段タービン４２をバイパスさせて排気を流す。そして、低圧段排気制御弁２４及び高圧段排気制御弁４４は、並列作動モードにおける内燃機関１０への吸気量Ａｅが直列作動モード及び低圧段単独作動モードよりも高くなるように、内燃機関１０からの排気を流す。なお、内燃機関１０に供給される吸気量Ａｅについては、例えば図示しないセンサにより検出することができる。
【００５２】
上記に説明した例においても、直列作動モードから高圧段単独作動モードへの切り替え判定に用いる設定値Ｎｅ１（あるいは設定値Ｐｅ１や設定値Ａｅ１）を、高圧段単独作動モードから直列作動モードへの切り替え判定に用いる設定値Ｎｅ１（あるいは設定値Ｐｅ１や設定値Ａｅ１）よりも小さく設定してヒステリシスを設けることもできる。同様に、低圧段単独作動モードから直列作動モードへの切り替え判定に用いる設定値Ｎｅ２（あるいは設定値Ｐｅ２や設定値Ａｅ２）を、直列作動モードから低圧段単独作動モードへの切り替え判定に用いる設定値Ｎｅ２（あるいは設定値Ｐｅ２や設定値Ａｅ２）よりも小さく設定してヒステリシスを設けることもできる。同様に、並列作動モードから低圧段単独作動モードへの切り替え判定に用いる設定値Ｎｅ３（あるいは設定値Ｐｅ３や設定値Ａｅ３）を、低圧段単独作動モードから並列作動モードへの切り替え判定に用いる設定値Ｎｅ３（あるいは設定値Ｐｅ３や設定値Ａｅ３）よりも小さく設定してヒステリシスを設けることもできる。
【００５３】
また、本実施形態では、低圧段コンプレッサバイパス流路２５における吸気のバイパス流れを調整する低圧段吸気調整弁として、一方向弁２６の代わりに、低圧段コンプレッサバイパス流路２５における吸気のバイパス流れを許容する開状態と、低圧段コンプレッサバイパス流路２５における吸気のバイパス流れを遮断する閉状態と、に選択的に切り替わることが可能な低圧段吸気制御弁を用いることも可能である。その際には、内燃機関１０への吸気の全流量を低圧段吸気制御弁を介して流すことができるように低圧段吸気制御弁の容量を設定する。同様に、高圧段コンプレッサバイパス流路４５における吸気のバイパス流れを調整する高圧段吸気調整弁として、一方向弁４６の代わりに、高圧段コンプレッサバイパス流路４５における吸気のバイパス流れを許容する開状態と、高圧段コンプレッサバイパス流路４５における吸気のバイパス流れを遮断する閉状態と、に選択的に切り替わることが可能な高圧段吸気制御弁を用いることも可能である。その際には、内燃機関１０への吸気の全流量を高圧段吸気制御弁を介して流すことができるように高圧段吸気制御弁の容量を設定する。同様に、タービン接続流路３３における排気の流れを調整する排気調整弁として、一方向弁３６の代わりに、タービン接続流路３３における排気の流れを許容する開状態と、タービン接続流路３３における排気の流れを遮断する閉状態と、に選択的に切り替わることが可能な排気制御弁を用いることも可能である。その際には、内燃機関１０からの排気の全流量をタービン接続流路３３の排気制御弁を介して流すことができるように排気制御弁の容量を設定する。電子制御ユニット５０は、低圧段排気制御弁２４を開状態、高圧段排気制御弁４４を閉状態、低圧段吸気制御弁を開状態、且つ高圧段吸気制御弁を閉状態に制御することで、過給装置１２の動作モードを高圧段単独作動モードに制御することができる。また、電子制御ユニット５０は、低圧段排気制御弁２４を閉状態、高圧段排気制御弁４４を閉状態、吸気制御弁３４を開状態、低圧段吸気制御弁を閉状態、高圧段吸気制御弁を閉状態、且つタービン接続流路３３の排気制御弁を開状態に制御することで、過給装置１２の動作モードを直列作動モードに制御することができる。また、電子制御ユニット５０は、低圧段排気制御弁２４を閉状態、高圧段排気制御弁４４を開状態、低圧段吸気制御弁を閉状態、且つ高圧段吸気制御弁を開状態に制御することで、過給装置１２の動作モードを低圧段単独作動モードに制御することができる。また、電子制御ユニット５０は、低圧段排気制御弁２４を半開状態、高圧段排気制御弁４４を半開状態、吸気制御弁３４を閉状態、低圧段吸気制御弁を開状態、高圧段吸気制御弁を開状態、且つタービン接続流路３３の排気制御弁を閉状態に制御することで、過給装置１２の動作モードを並列作動モードに制御することができる。一方向弁２６，３６，４６を低圧段吸気制御弁、排気制御弁、及び高圧段吸気制御弁にする場合は、高圧段排気制御弁４４、高圧段吸気制御弁４６、低圧段排気制御弁２４、低圧段吸気制御弁２６、吸気制御弁３４、及び排気制御弁３６の中間開度位置を用いて、より連続的に過給装置１２の各動作モードを移行させることができる。
【００５４】
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施形態に係る過給装置を備える過給エンジンシステムの概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る過給装置の動作状態を切り替える条件の一例を説明する図である。
【図３】本発明の実施形態に係る過給装置の動作を説明する図である。
【図４】本発明の実施形態に係る過給装置の動作を説明する図である。
【図５】本発明の実施形態に係る過給装置の動作を説明する図である。
【図６】本発明の実施形態に係る過給装置の動作を説明する図である。
【図７】本発明の実施形態に係る過給装置の動作を説明する図である。
【図８】本発明の実施形態に係る過給装置の動作状態を切り替える条件の一例を説明する図である。
【図９】本発明の実施形態に係る過給装置の動作をシミュレーションにより確認した結果を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る過給装置の動作をシミュレーションにより確認した結果を示す図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る過給装置の動作をシミュレーションにより確認した結果を示す図である。
【図１２】本発明の実施形態に係る過給装置の動作をシミュレーションにより確認した結果を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０  内燃機関、１２  過給装置、２０  低圧段ターボチャージャー、２１  低圧段コンプレッサ、２２  低圧段タービン、２３  低圧段タービンバイパス流路、２４  低圧段排気制御弁、２５  低圧段コンプレッサバイパス流路、２６，３６，４６  一方向弁、３３  タービン接続流路、３４  吸気制御弁、３５  コンプレッサ接続流路、４０  高圧段ターボチャージャー、４１  高圧段コンプレッサ、４２  高圧段タービン、４３  高圧段タービンバイパス流路、４４  高圧段排気制御弁、４５  高圧段コンプレッサバイパス流路、５０  電子制御ユニット。
【図１】
2009191668.tif 000003
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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