(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、高い効率の得られる作動範囲を広げる。【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少ない低速・低負荷領域内にある場合は、低圧段排気制御弁２４を開状態且つ高圧段排気制御弁４４を閉状態に制御する。内燃機関１０からの排気は高圧段タービン４２を通り且つ低圧段タービン２２をバイパスして流れるため、低圧段コンプレッサ２１への吸気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へ導入される。そして、低圧段コンプレッサバイパス流路２５からの吸気が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。【選択図】図３
2009191667.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、
エンジンからの排気を低圧段タービンをバイパスさせて流すことが可能な低圧段タービンバイパス手段と、
低圧段タービンバイパス手段が低圧段タービンをバイパスさせて排気を流す場合に、低圧段コンプレッサへの吸気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へ導入する低圧段コンプレッサバイパス手段と、
を備え、
低圧段タービンを通って排気が流れる場合は、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がエンジンへ導入され、
低圧段タービンをバイパスして排気が流れる場合は、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がエンジンへ導入される、過給装置。
【請求項２】
請求項１に記載の過給装置であって、
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出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、
低圧段タービンをバイパスして排気が流れる場合は、低圧段コンプレッサの入口から出口への吸気のバイパス流れを許容し、
低圧段タービンを通って排気が流れる場合は、低圧段コンプレッサの出口から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３】
請求項２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４】
請求項１〜３のいずれか１に記載の過給装置であって、
低圧段タービンバイパス手段は、低圧段タービンをバイパスして排気が流れ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、低圧段タービンを通って排気が流れる場合よりも低くなるように、低圧段タービンをバイパスさせて排気を流す、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、
エンジンからの排気を高圧段タービンをバイパスさせて流すことが可能な高圧段タービンバイパス手段と、
高圧段タービンバイパス手段が高圧段タービンをバイパスさせて排気を流す場合に、低圧段コンプレッサ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、
をさらに備え、
高圧段タービンをバイパスして排気が流れる場合は、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がエンジンへ導入される、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高圧段コンプレッサの入口と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、
高圧段タービンをバイパスして排気が流れる場合は、高圧段コンプレッサの入口から出口への吸気のバイパス流れを許容し、
高圧段タービンを通って排気が流れる場合は、高圧段コンプレッサの出口から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７】
請求項６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８】
請求項５〜７のいずれか１に記載の過給装置であって、
高圧段タービンバイパス手段は、高圧段タービンをバイパスして排気が流れ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、高圧段タービンを通って排気が流れる場合よりも高くなるように、高圧段タービンをバイパスさせて排気を流す、過給装置。
【請求項９】
請求項１〜８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１０】
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１〜９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、エンジンへの吸気を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段階に加圧するため、直列２段式のターボチャージャー全体の効率は、低圧段ターボチャージャーの効率と高圧段ターボチャージャー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の効率及び高圧段ターボチャージャーの効率が低下して、全体の効率が低下する。エンジンへの吸気を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効率よく加圧するためには、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効率の高い作動領域で作動させることが望ましいが、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の両方を広い作動範囲で効率よく作動させることは基本的に難しい。特に、エンジンの運転状態が排気エネルギーの少ない低速・低負荷運転状態にある場合には、大容量の低圧段ターボチャージャー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及び高圧段ターボチャージャーの両方を駆動するため、低圧段ターボチャージャーの駆動がロスとなってエンジンへの吸気を効率よく加圧することが困難となる。
【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、高い効率の得られる作動範囲を広げ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、エンジンからの排気を低圧段タービンをバイパスさせて流すことが可能な低圧段タービンバイパス手段と、低圧段タービンバイパス手段が低圧段タービンをバイパスさせて排気を流す場合に、低圧段コンプレッサへの吸気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へ導入する低圧段コンプレッサバイパス手段と、を備え、低圧段タービンを通って排気が流れる場合は、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がエンジンへ導入され、低圧段タービンをバイパスして排気が流れる場合は、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がエンジンへ導入されることを要旨とする。
【０００９】
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出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、低圧段タービンをバイパスして排気が流れる場合は、低圧段コンプレッサの入口から出口への吸気のバイパス流れを許容し、低圧段タービンを通って排気が流れる場合は、低圧段コンプレッサの出口から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。
【００１０】
本発明の一態様では、低圧段タービンバイパス手段は、低圧段タービンをバイパスして排気が流れ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、低圧段タービンを通って排気が流れる場合よりも低くなるように、低圧段タービンをバイパスさせて排気を流すことが好適である。
【００１１】
本発明の一態様では、エンジンからの排気を高圧段タービンをバイパスさせて流すことが可能な高圧段タービンバイパス手段と、高圧段タービンバイパス手段が高圧段タービンをバイパスさせて排気を流す場合に、低圧段コンプレッサ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、をさらに備え、高圧段タービンをバイパスして排気が流れる場合は、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がエンジンへ導入されることが好適である。
【００１２】
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高圧段コンプレッサの入口と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、高圧段タービンをバイパスして排気が流れる場合は、高圧段コンプレッサの入口から出口への吸気のバイパス流れを許容し、高圧段タービンを通って排気が流れる場合は、高圧段コンプレッサの出口から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、高圧段吸気調整弁は一方向弁であることが好適である。
【００１３】
本発明の一態様では、高圧段タービンバイパス手段は、高圧段タービンをバイパスして排気が流れ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、高圧段タービンを通って排気が流れる場合よりも高くなるように、高圧段タービンをバイパスさせて排気を流すことが好適である。
【００１４】
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。
【００１５】
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】
【００１６】
本発明によれば、低圧段タービンをバイパスして排気が流れる場合は、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がエンジンへ導入されることで、エンジンの排気エネルギーの少ないときに、低圧段タービンの駆動によるロスが生じるのを抑制して、排気エネルギーのすべてを高圧段タービン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、高圧段コンプレッサの作動状態を効率の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、高い効率の得られる過給装置の作動範囲を広げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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）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。
【００２２】
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、高圧段コンプレッサ４１の入口４１ａから出口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から入口４１ａ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。高圧段タービン４２をバイパスして排気が流れ、高圧段コンプレッサ４１が吸気を加圧していないときは、一方向弁４６が開いて、高圧段コンプレッサ４１の入口４１ａから出口４１ｂへの吸気のバイパス流れが許容される。一方、高圧段タービン４２を通って排気が流れ、高圧段コンプレッサ４１が吸気を加圧することで出口４１ｂの圧力が入口４１ａの圧力よりも高くなると、一方向弁４６が閉じて、高圧段コンプレッサ４１の出口４１ｂから入口４１ａへの吸気のバイパス流れが遮断される。
【００２３】
高圧段排気制御弁４４が閉状態にある場合は、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を通って流れてから、低圧段タービン２２の入口２２ａへ導入される。その場合は、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、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から入口４１ａへの吸気の流れが一方向弁４６により遮断される。一方、高圧段排気制御弁４４が開状態にある場合は、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。その場合は、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の入口４１ａから出口４１ｂへの吸気の流れが一方向弁４６により許容され、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で加圧されずに高圧段コンプレッサバイパス流路４５を通って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。
【００２４】
さらに、内燃機関１０からの排気（低圧段タービン２２の入口２２ａへの排気）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。
【００２５】
そして、低圧段コンプレッサ２１の入口２１ａへの吸気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から出口２１ｂ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、低圧段コンプレッサ２１の出口２１ｂから入口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。低圧段タービン２２をバイパスして排気が流れ、低圧段コンプレッサ２１が吸気を加圧していないときは、一方向弁２６が開いて、低圧段コンプレッサ２１の入口２１ａから出口２１ｂへの吸気のバイパス流れが許容される。一方、低圧段タービン２２を通って排気が流れ、低圧段コンプレッサ２１が吸気を加圧することで出口２１ｂの圧力が入口２１ａの圧力よりも高くなると、一方向弁２６が閉じて、低圧段コンプレッサ２１の出口２１ｂから入口２１ａへの吸気のバイパス流れが遮断される。
【００２６】
低圧段排気制御弁２４が閉状態にある場合は、内燃機関１０（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、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の出口２１ｂから入口２１ａへの吸気の流れが一方向弁２６により遮断される。一方、低圧段排気制御弁２４が開状態にある場合は、内燃機関１０（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。その場合は、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から出口２１ｂへの吸気の流れが一方向弁２６により許容され、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で加圧されずに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。
【００２７】
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の開閉状態及び高圧段排気制御弁４４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２〜６を用いて説明する。
【００２８】
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３，６に示すように、低圧段排気制御弁２４を開状態且つ高圧段排気制御弁４４を閉状態に制御する。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。低圧段排気制御弁２４を開状態に制御することで、図３に示すように、低圧段タービンバイパス流路２３を通って（低圧段タービン２２をバイパスして）排気が流れるため、低圧段コンプレッサ２１の入口２１ａへの吸気が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。そして、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、高圧段タービン４２を通って排気が流れるため、低圧段コンプレッサバイパス流路２５からの吸気が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。したがって、この場合は、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中速・中負荷領域内にある場合は、図４，６に示すように、低圧段排気制御弁２４を閉状態且つ高圧段排気制御弁４４を閉状態に制御する。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。低圧段排気制御弁２４を閉状態に制御することで、図４に示すように、低圧段タービン２２を通って排気が流れるため、低圧段コンプレッサ２１の入口２１ａへの吸気が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。そして、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、高圧段タービン４２を通って排気が流れるため、低圧段コンプレッサ２１で加圧された吸気が高圧段コンプレッサ４１でさらに加圧されてから内燃機関１０へ導入される。したがって、この場合は、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中速・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。
【００３０】
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を超える領域である高速・高負荷領域内にある場合は、図５，６に示すように、低圧段排気制御弁２４を閉状態且つ高圧段排気制御弁４４を開状態に制御する。低圧段排気制御弁２４を閉状態に制御することで、図５に示すように、低圧段タービン２２を通って排気が流れるため、低圧段コンプレッサ２１の入口２１ａへの吸気が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。そして、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、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をバイパスして）排気が流れるため、低圧段コンプレッサ２１で加圧された吸気が高圧段コンプレッサバイパス流路４５を通って（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。したがって、この場合は、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、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中速・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。
【００３１】
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を開状態から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を閉状態から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７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。
【００３２】
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を閉状態から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を開状態から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７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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
そして、内燃機関１０の回転数Ｎｅ及びトルクＴｅが中速・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。
【００３６】
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高速・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。
【００３７】
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。
【００３８】
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以上の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。
【００３９】
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以上の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。
【００４０】
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以上の場合に過給装置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。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。
【００４１】
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。
【００４２】
また、本実施形態では、例えば図８に示すように、低圧段タービン２２及び高圧段タービン４２を内燃機関１０の排気通路に並列に設けることもできる。図８に示す構成例では、高圧段タービンバイパス流路４３は、高圧段タービン４２の入口４２ａと低圧段タービン２２の入口２２ａとを高圧段タービン４２をバイパスさせて接続し、低圧段タービンバイパス流路２３は、高圧段タービンバイパス流路４３（低圧段タービン２２の入口２２ａ）と低圧段タービン２２の出口２２ｂとを低圧段タービン２２をバイパスさせて接続する。低圧段タービン２２は、高圧段タービンバイパス流路４３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。図８に示す構成例の動作も、図１に示す構成例と同様である。
【００４３】
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。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、低圧段吸気制御弁を閉状態、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。一方向弁２６，４６を低圧段吸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、及び低圧段吸気制御弁２６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。
【００４４】
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】
【００４５】
【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状態を切り替える条件の一例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を備える過給エンジンシステムの他の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
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、２６，４６  一方向弁、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】
2009191667.tif 000003
【図２】
2009191667.tif 000004
【図３】
2009191667.tif 000005
【図４】
2009191667.tif 000006
【図５】
2009191667.tif 000007
【図６】
2009191667.tif 000008
【図７】
2009191667.tif 000009
【図８】
2009191667.tif 000010