(57)【要約】【課題】動圧過給を効果的に行うことができる過給機を提供する。【解決手段】スクロール部３５を複数の導入口に対応して複数のスクロール３５ａ、３５ｂに分割する分割壁３７と、タービンホイール３１の外周に沿って設けられる複数のベーン４４の開度を調整することで、タービンホイール３１に流入する排気ガスの流速を可変とする可変ノズル３６とを有する過給機１において、負荷率検出手段１１２が検出した負荷率が予め設定される負荷率閾値以上で、かつ、回転速度検出手段１１１が検出した回転速度が予め設定される回転速度閾値以下である場合に、可変ノズル３６の複数のベーン４４の開度を制御して各ベーン４４間の合計開度面積を１つの排気枝通路の通路面積と同等に設定する制御手段１１０とを備える。【選択図】図１
2009013873.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の複数の燃焼室から排出される排気ガスを各燃焼室と各々連通する複数の排気枝通路を介して複数の導入口から導入しタービンのホイールを回転駆動することでコンプレッサのインペラを回転駆動し前記内燃機関への吸入空気を過給すると共に、前記タービンは、前記複数の導入口と前記排気ガスを排気する排出口とを連通し前記排気ガスを前記ホイールに導く渦巻き状のスクロール部と、前記スクロール部を前記複数の導入口に対応して複数のスクロールに分割する分割壁と、前記ホイールの外周に沿って設けられる複数のベーンの開度を調整することで、該ホイールに流入する排気ガスの流速を可変とする可変ノズルとを有する過給機において、
前記内燃機関の負荷率を検出する負荷率検出手段と、
前記内燃機関の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
前記負荷率検出手段が検出した前記負荷率が予め設定される負荷率閾値以上で、かつ、前記回転速度検出手段が検出した前記回転速度が予め設定される回転速度閾値以下である場合に、前記可変ノズルの前記複数のベーンの開度を制御して各ベーン間の合計開度面積を１つの前記排気枝通路の通路面積と同等に設定する制御手段とを備えることを特徴とする、
過給機。
【請求項２】
前記内燃機関は、前記各燃焼室の吸気弁及び排気弁の開弁期間のオーバーラップ期間と、排気行程における排気弁の開弁時期とが重なることのない前記燃焼室の前記排気枝通路同士を各々連通する第１集合通路及び前記第２集合通路を備え、
前記タービンの前記複数の導入口は、前記第１集合通路及び前記第２集合通路に各々連通した第１導入口及び第２導入口を有することを特徴とする、
請求項１に記載の過給機。
【請求項３】
前記分割壁は、前記スクロール部を径方向に内側スクロールと外側スクロールとに分割することを特徴とする、
請求項１又は請求項２に記載の過給機。
【請求項４】
前記回転速度閾値は、前記複数の燃焼室の排気行程における排気弁の開弁時に発生するブローダウンガスの流れが定常流とみなせるようになる回転速度に応じた値に設定されることを特徴とする、
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の過給機。
【請求項５】
前記吸入空気の過給圧を検出する圧力検出手段を備え、
前記制御手段は、前記負荷率に応じて、前記負荷率検出手段が検出した前記負荷率と前記回転速度検出手段が検出した前記回転速度とに基づいたマップ制御と、前記圧力検出手段が検出した前記過給圧に基づいたフィードバック制御とによって前記可変ノズルの前記複数のベーンの開度を制御し、
前記負荷率閾値は、前記マップ制御による運転領域と前記フィードバック制御による運転領域との境界の負荷率に応じた値に設定されることを特徴とする、
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の過給機。
【請求項６】
前記複数の導入口、前記排出口及び前記スクロール部が設けられると共に、筒形状に形成され内側に前記導入口を形成する導入ノズルを有するタービンハウジングと、
前記排気ガスの流動方向における前記分割壁の下流側端部から前記ベーンの近傍で、かつ、該ベーンの作動範囲外まで延設される内側ガイド壁と、前記排気ガスの流動方向における前記導入ノズルの下流側端部から前記ベーンの近傍で、かつ、該ベーンの作動範囲外まで延設される外側ガイド壁を有するガイド部とを備えることを特徴とする、
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の過給機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、過給機に関し、特に、複数の導入口から排気ガスが導入される過給機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、自動車用の内燃機関において、その出力向上のためには燃焼室へ充填される空気の量を増やすことが好ましい。そこで従来は、ピストンの移動に伴って燃焼室内に発生する負圧により空気を燃焼室に吸入するだけでなく、排気ガスのエネルギーで駆動する排気タービンによりコンプレッサを駆動して吸入空気を内燃機関に過給、すなわち、圧縮して供給することで、空気を強制的に燃焼室へ送り込んで、同燃焼室への空気の充填効率を高める過給機が提案され、実用化されている。
【０００３】
このような従来の過給機として、例えば、特許文献１に記載の過給式多気筒内燃機関は、排気行程が相互にずれた気筒からの排気が並列の排気通路を経て導入されるツインエントリターボ過給装置を備えている。このツインエントリターボ過給装置は、例えば、作動位相が第１気筒、第３気筒、第４気筒、第２気筒の順になっている直列配列の４気筒内燃機関では、第１気筒と第４気筒からの排気ガスを一つにまとめて一つの集合排気通路とし、第２気筒と第３気筒からの排気ガスを一つにまとめて他の一つの集合排気通路とし、これらを独立した系統として当該ツインエントリターボ過給装置の導入口に各々接続して排気ガスをタービンに導入することで、位相の異なる気筒間の排気干渉を防止している。ここで、内燃機関の排気は、機関の爆発行程に於ける燃料の爆燃の余波を伴って機関の排気ポートより勢いよく噴出されてくる。そして、燃焼室の排気行程における排気弁の開弁時に発生する、いわゆるブローダウンガスの運動エネルギーを有効に利用する動圧過給を実現するには、上記のように排気行程が相互にずれた気筒からの排気を独立した系統の排気通路を経て導入する構成とすることが好ましいことが知られている。この場合、タービンの作動効率を高め、高い過給効果を得て機関出力を高めることが可能となる。
【０００４】
一方、他の従来の過給機として、例えば、特許文献２に記載のターボ過給機は、タービンのタービンホイールの外周に沿って設けられる複数の可動ベーンからなる可変ノズルを備えている。このターボ過給機は、エンジンの運転状態に応じて各可動ベーンの角度を調整することで、タービンホイールに流入する排気ガスの流量を調整して流速を可変とすることができ、この結果、内燃機関の燃焼室に導入される吸入空気の圧力を調整することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３３０８３６号公報
【特許文献２】特開２００６−３７８１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記のような特許文献１に記載された位相の異なる気筒間の排気干渉を防止するため複数の導入口から排気ガスを導入する過給機と、特許文献２に記載された複数の可動ベーンからなる可変ノズルを備えた過給機とを組み合わせた場合、過給機の運転領域によっては十分な動圧効果を得られないおそれがある。例えば、通常、低回転高負荷域においては、過給圧に応じたフィードバック制御により所定の過給圧に到達するまで複数の可動ベーンをできる限り小さな開度に制御するが、上記のように動圧過給を行う場合、可動ベーンの開度を小さくしすぎると動圧損失につながるおそれがある。また、可動ベーンの開度を小さくしすぎることで可動ベーンにてブローダウンガスの反射波が生成され、結果的に気筒間の排気干渉を起こすおそれもある。このため、十分な動圧過給効果が得られないおそれがあった。
【０００７】
そこで本発明は、動圧過給を効果的に行うことができる過給機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】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明による過給機は、内燃機関の複数の燃焼室から排出される排気ガスを各燃焼室と各々連通する複数の排気枝通路を介して複数の導入口から導入しタービンのホイールを回転駆動することでコンプレッサのインペラを回転駆動し前記内燃機関への吸入空気を過給すると共に、前記タービンは、前記複数の導入口と前記排気ガスを排気する排出口とを連通し前記排気ガスを前記ホイールに導く渦巻き状のスクロール部と、前記スクロール部を前記複数の導入口に対応して複数のスクロールに分割する分割壁と、前記ホイールの外周に沿って設けられる複数のベーンの開度を調整することで、該ホイールに流入する排気ガスの流速を可変とする可変ノズルとを有する過給機において、前記内燃機関の負荷率を検出する負荷率検出手段と、前記内燃機関の回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記負荷率検出手段が検出した前記負荷率が予め設定される負荷率閾値以上で、かつ、前記回転速度検出手段が検出した前記回転速度が予め設定される回転速度閾値以下である場合に、前記可変ノズルの前記複数のベーンの開度を制御して各ベーン間の合計開度面積を１つの前記排気枝通路の通路面積と同等に設定する制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係る発明による過給機では、前記内燃機関は、前記各燃焼室の吸気弁及び排気弁の開弁期間のオーバーラップ期間と、排気行程における排気弁の開弁時期とが重なることのない前記燃焼室の前記排気枝通路同士を各々連通する第１集合通路及び前記第２集合通路を備え、前記タービンの前記複数の導入口は、前記第１集合通路及び前記第２集合通路に各々連通した第１導入口及び第２導入口を有することを特徴とする。
【００１０】
請求項３に係る発明による過給機では、前記分割壁は、前記スクロール部を径方向に内側スクロールと外側スクロールとに分割することを特徴とする。
【００１１】
請求項４に係る発明による過給機では、前記回転速度閾値は、前記複数の燃焼室の排気行程における排気弁の開弁時に発生するブローダウンガスの流れが定常流とみなせるようになる回転速度に応じた値に設定されることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に係る発明による過給機では、前記吸入空気の過給圧を検出する圧力検出手段を備え、前記制御手段は、前記負荷率に応じて、前記負荷率検出手段が検出した前記負荷率と前記回転速度検出手段が検出した前記回転速度とに基づいたマップ制御と、前記圧力検出手段が検出した前記過給圧に基づいたフィードバック制御とによって前記可変ノズルの前記複数のベーンの開度を制御し、前記負荷率閾値は、前記マップ制御による運転領域と前記フィードバック制御による運転領域との境界の負荷率に応じた値に設定されることを特徴とする。
【００１３】
請求項６に係る発明による過給機では、前記複数の導入口、前記排出口及び前記スクロール部が設けられると共に、筒形状に形成され内側に前記導入口を形成する導入ノズルを有するタービンハウジングと、前記排気ガスの流動方向における前記分割壁の下流側端部から前記ベーンの近傍で、かつ、該ベーンの作動範囲外まで延設される内側ガイド壁と、前記排気ガスの流動方向における前記導入ノズルの下流側端部から前記ベーンの近傍で、かつ、該ベーンの作動範囲外まで延設される外側ガイド壁を有するガイド部とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る過給機によれば、負荷率が負荷率閾値以上で、かつ、回転速度が回転速度閾値以下である場合に、複数のベーン間の合計開度面積を１つの排気枝通路の通路面積と同等に設定するので、動圧過給を効果的に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明に係る過給機の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例】
【００１６】
図１は、本発明の実施例に係るターボチャージャのタービン側の部分断面図、図２は、本発明の実施例に係るターボチャージャのタービンの径方向断面図、図３は、本発明の実施例に係るターボチャージャにおけるノズルプレートの可変ノズル全閉時の正面図、図４は、本発明の実施例に係るターボチャージャにおけるノズルプレートの可変ノズル全開時の正面図、図５は、本発明の実施例に係るターボチャージャの負荷率閾値及び回転数閾値を説明する概略図、図６は、本発明の実施例に係るターボチャージャのベーン開度固定制御を説明するフローチャート、図７は、本発明の実施例に係るターボチャージャが適用されたエンジンを示す概略構成図である。
【００１７】
本実施例に係る過給機としてのターボチャージャ１は、自動車用の内燃機関において、その出力や燃費の向上のために燃焼室へ充填される空気を圧縮してから燃焼室に送り込んで、同燃焼室への空気の充填効率を高めるものであり、ここでは、図７に示すように、内燃機関としての直列４気筒式のエンジン１００に適用した場合で説明する。このエンジン１００は、乗用車、トラックなどの車両に搭載されるエンジンであり、シリンダボア内に往復運動可能に設けられるピストンが２往復する間に、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程からなる一連の４行程を行う、いわゆる４サイクルエンジンであるが、ターボチャージャ１は、この形式の内燃機関に限らず、種々の内燃機関に適用することができる。
【００１８】
このエンジン１００は、エンジン本体１０１と、エアクリーナ１０２と、インタークーラ１０３と、電子スロットル装置１０４と、サージタンク１０５と、触媒装置１０６を備えると共に、エンジン１００のエンジン本体１０１から排出される排気ガスにより駆動するタービン３によって圧縮機としてのコンプレッサ２を駆動して、エンジン本体１０１への吸入空気を過給、すなわち、圧縮して供給するターボチャージャ１を備える。
【００１９】
エンジン本体１０１は、空気と燃料との混合気が燃焼可能な複数の燃焼室１５０と、混合気の燃焼によりシリンダボアを往復移動可能なピストンと、ピストンの往復運動に連動して回転可能なクランクシャフトを収容するクランク室と、燃料を噴射するインジェクタと、混合気に点火する点火プラグとをそれぞれ複数備える。エンジン本体１０１は、燃焼室１５０に連通する吸気ポート１５１及び排気ポート１５２を備え、この吸気ポート１５１には吸気マニホールド１０７ａを含む吸気管（吸気通路）１０７が、排気ポート１５２には排気マニホールド１０８ａを含む排気管（排気通路）１０８がそれぞれ接続されている。また、吸気ポート１５１及び排気ポート１５２の開口には、それぞれ吸気弁１５１ａ及び排気弁１５２ａが設けられる。この吸気弁１５１ａ及び排気弁１５２ａは、吸気ポート１５１及び排気ポート１５２をそれぞれ開閉可能とし、吸気ポート１５１と燃焼室１５０、燃焼室１５０と排気ポート１５２とをそれぞれ連通することができる。
【００２０】
なお、図示しないが、クランクシャフトに固結されたクランクシャフトスプロケットと、吸気カムシャフト及び排気カムシャフトにそれぞれ固結された各カムシャフトスプロケットとは、無端のタイミングチェーンが掛け回されており、クランクシャフトと吸気カムシャフトと排気カムシャフトが連動可能となっている。従って、クランクシャフトに同期して吸気カムシャフト及び排気カムシャフトが回転すると、吸気カム及び排気カムが吸気弁１５１ａ及び排気弁１５２ａを所定のタイミングで上下移動することで、吸気ポート１５１及び排気ポート１５２を開閉し、吸気ポート１５１と燃焼室１５０、燃焼室１５０と排気ポート１５２とをそれぞれ連通することができる。また、この吸気弁１５１ａ及び排気弁１５２ａは、その開閉タイミングがＶＶＴ（可変動弁機構：Variable Valve Timing-intelligent）により、運転状態に応じた最適な開閉タイミングに制御されている。
【００２１】
ここで、ターボチャージャ１は、過給によりエンジン１００の高出力化（あるいは低燃費化）を実現するものである。このターボチャージャ１は、吸気管１０７上に配置されるコンプレッサ２と、排気管１０８上に配置されるタービン３と、コンプレッサ２が備えるコンプレッサインペラ２１とタービン３が備えるタービンホイール３１とを連結するロータシャフト４とを有する。つまり、ロータシャフト４は、一端側にタービンホイール３１が設けられる一方、他端側にコンプレッサインペラ２１が設けられ、タービンホイール３１とコンプレッサインペラ２１とは、このロータシャフト４の回転軸線４ａ（図１参照）を回転中心として一体で回転可能である。このターボチャージャ１では、排気管１０８を通る排気ガスによりタービン３のタービンホイール３１が回転駆動され、その動力がロータシャフト４を介してコンプレッサインペラ２１に伝達されてこのコンプレッサインペラ２１が回転駆動される。そして、コンプレッサ２のコンプレッサインペラ２１が回転駆動することで吸気管１０７内の空気が圧縮されてエンジン本体１０１に供給（過給）されることにより、エンジン１００の出力が高められる。
なお、このターボチャージャ１については、図１乃至図４を参照して後で詳細に説明する。
【００２２】
さらに、吸気管１０７は、吸入空気の吸入方向に対して上流側から順に上述のエアクリーナ１０２と、インタークーラ１０３と、電子スロットル装置１０４と、サージタンク１０５が設置される。ターボチャージャ１のコンプレッサ２は、この吸気管１０７上のエアクリーナ１０２とインタークーラ１０３との間に設けられる。エアクリーナ１０２は、吸気管１０７の入口部に配置されて吸入空気中のゴミや塵などを除去するフィルタである。インタークーラ１０３は、ターボチャージャ１のコンプレッサ２にて圧縮され昇温した空気を冷却する装置である。電子スロットル装置１０４は、エンジン本体１０１に供給される空気量（吸入空気量）を調整する流量調整弁を有し、例えば、アクセルペダル（図示省略）の操作により駆動される。サージタンク１０５は、吸入空気を一時的に溜めて吸気脈動を抑制するタンクである。
【００２３】
排気管１０８は、排気ガスの排気方向に対してタービン３の下流側に上述した触媒装置１０６が配置される。この触媒装置１０６は、所定の活性化温度以上になることで触媒が活性化し、これにより、排気ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘなどの有害物質を酸化、還元させて浄化処理するものであり、理論空燃比付近で有害物質の十分な浄化効率を得られる。
【００２４】
また、エンジン１００は、マイクロコンピュータを中心として構成される電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１１０により運転状態に応じてインジェクタや点火プラグなどの各部の駆動が制御されている。このＥＣＵ１１０には、回転速度検出手段としてのクランク角センサ１１１、負荷率検出手段としてのアクセル開度センサ１１２、圧力検出手段としての過給圧センサ１１３などの種々のセンサが電気的に接続されており、ＥＣＵ１１０は、種々のセンサが検出する吸入空気量、吸気温度、吸気圧、スロットル開度、アクセル開度、エンジン回転数、エンジン冷却水温などのエンジン運転状態に基づいて燃料噴射量（燃料噴射時間）、噴射時期、点火時期などを決定し、インジェクタ及び点火プラグを駆動して燃料噴射及び点火を実行する。
【００２５】
クランク角センサ１１１は、検出した各気筒のクランク角度をＥＣＵ１１０に出力し、このＥＣＵ１１０は検出したクランク角度に基づいて各気筒における吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程を判別すると共に、エンジン回転数を算出している。なおここで、エンジン回転数は、言い換えれば、エンジン本体１０１のクランクシャフトの回転速度に対応し、このクランクシャフトの回転速度が高くなれば、クランクシャフトの回転数、すなわち、エンジン１００のエンジン回転数も高くなる。アクセル開度センサ１１２は、現在のアクセル開度を検出し、検出したアクセル角度をＥＣＵ１１０に出力する。ここで、エンジン１００の負荷率は、気筒内にどれだけの吸入空気が入ってきているかを示す値であり、アクセル開度に基づいて推定することができる。過給圧センサ１１３は、サージタンク１０５に設けられており、吸気管１０７から各吸気ポート１５１を通して各燃焼室１５０に吸入される吸気圧、ターボチャージャ１の稼動時には過給圧を検出し、検出した吸気圧（過給圧）をＥＣＵ１１０に出力している。
【００２６】
ここで、本実施例のエンジン１００では、燃焼室１５０と連通して排気ガスを排出する排気管１０８の排気マニホールド１０８ａは、複数の燃焼室１５０の一部と連通して排気ガスを排出する第１集合通路１０８ｂと、前記一部の燃焼室１５０以外の燃焼室１５０と連通して排気ガスを排出する第２集合通路１０８ｃにより構成される。そして、このエンジン１００が備えるターボチャージャ１は、図１乃至図４に示すように、複数の導入口３３ａ、３３ｂを介してこの独立した２系統の第１集合通路１０８ｂ、第２集合通路１０８ｃから排気ガスが導入されると共に、導入された排気ガスが径方向に分割された内側スクロール３５ａ及び外側スクロール３５ｂを介してタービンホイール３１に流入する、いわゆる、ダブルエントリ方式の過給機である。すなわち、このターボチャージャ１は、排気行程が相互にずれた燃焼室１５０（気筒）からの排気が並列の第１集合通路１０８ｂ、第２集合通路１０８ｃを経て導入される。なお、図７では、ターボチャージャ１の複数の導入口３３ａ、３３ｂは、図示を分かり易くするため便宜的にロータシャフト４の回転軸線方向に沿って並べて模式的に図示しているが、本実施例のタービン３のスクロール部３５は、後述するように、分割壁３７によりロータシャフト４の回転軸線４ａ方向に交差する方向、すなわち、タービン３の径方向に内側スクロール３５ａと外側スクロール３５ｂとに分割されている。
【００２７】
第１集合通路１０８ｂ及び第２集合通路１０８ｃは、図７に示すように、複数、本実施例では４つの燃焼室１５０と各々連通する排気枝通路としての４つの排気ポート１５２が２組ずつ集合することで構成される。第１集合通路１０８ｂと第２集合通路１０８ｃとは、第１集合通路１０８ｂが複数の排気ポート１５２の一部と連通し第２集合通路１０８ｃがそれ以外の排気ポート１５２と連通する。さらに、具体的には、第１集合通路１０８ｂ及び第２集合通路１０８ｃは、各気筒の排気脈動の影響による排気干渉を避けるため、一方の燃焼室１５０（気筒）の排気弁１５２ａの開弁期間と吸気弁１５１ａの開弁期間とがオーバーラップする期間（オーバーラップ期間）が他方の気筒の排気行程における排気弁１５２ａの開弁時期と重なることのない燃焼室１５０（気筒）同士を連通している。本実施例では燃焼室１５０ａ（第１気筒）、燃焼室１５０ｃ（第３気筒）、燃焼室１５０ｄ（第４気筒）、燃焼室１５０ｂ（第２気筒）の順序で点火が行われることから、各気筒の排気脈動の影響による排気干渉を避けるため、燃焼室１５０ａと燃焼室１５０ｄとが第１集合通路１０８ｂに連通し、燃焼室１５０ｂと燃焼室１５０ｃとが第２集合通路１０８ｃに連通する。すなわち、燃焼室１５０ａの排気ポート１５２と燃焼室１５０ｄの排気ポート１５２とが第１集合通路１０８ｂにて集合し、燃焼室１５０ｂの排気ポート１５２と燃焼室１５０ｃの排気ポート１５２とが第２集合通路１０８ｃにて集合する。なお、以下の説明では、燃焼室１５０ａ、燃焼室１５０ｂ、燃焼室１５０ｃ及び燃焼室１５０ｄを特に区別する必要がない場合、単に「燃焼室１５０」と略記する。
【００２８】
これにより、例えば、燃焼室１５０ａ（第１気筒）、燃焼室１５０ｄ（第４気筒）における排気弁１５２ａと吸気弁１５１ａとのオーバーラップ期間に燃焼室１５０ｂ（第２気筒）、燃焼室１５０ｃ（第３気筒）の排気行程（排気弁１５２ａの開弁時期）が重なっても、混合気の爆発の余波を伴って排気ポート１５２から勢いよく噴出される排気ガス、いわゆる、ブローダウンガスの圧力波がオーバーラップ期間中の気筒に到達することがなく、燃焼室１５０ａ（第１気筒）、燃焼室１５０ｂ（第２気筒）、燃焼室１５０ｃ（第３気筒）、燃焼室１５０ｄ（第４気筒）において排気脈動の相違による排気干渉が発生することを防止することができる。すなわち、位相の異なる気筒間での排気干渉を防止することができる。
【００２９】
ここで、エンジン１００の排気は、機関の爆発行程に於ける燃料の爆燃の余波を伴って機関の排気ポートより勢いよく噴出されてくる。そして、各燃焼室１５０の排気行程における排気弁１５２ａの開弁時に発生するブローダウンガスの運動エネルギーを有効に利用した動圧過給を効果的に実現するため、このターボチャージャ１は、図１乃至図４に示すように、タービン３のスクロール部３５を分割壁３７により複数の導入口３３ａ、３３ｂに対応して内側スクロール３５ａと外側スクロール３５ｂに分割している。また、このターボチャージャ１は、タービンホイール３１の外周に沿って設けられる複数のベーン４４の開度を調整することで、このタービンホイール３１に流入する排気ガスの流速を可変とする可変ノズル３６を有しており、これにより排気ガスの流速を調節して最適な過給を図っている。
【００３０】
具体的には、ターボチャージャ１は、図１乃至図４に示すように、軸受部５を介して互いに連結されたタービン３とコンプレッサ２（図７参照）にて構成される。軸受部５は、センタハウジング６と、センタハウジング６内にてロータシャフト４を回転可能に支持する軸受（不図示）を備える。このロータシャフト４は、左右の各端部がセンタハウジング６から突出している。そして、ロータシャフト４は、上述したように、一端部にタービン３を構成するタービンホイール３１が一体回転可能に接合され、このタービンホイール３１はタービンハウジング３２に収容される。一方、ロータシャフト４は、他端部にコンプレッサ２（図７参照）を構成するコンプレッサインペラ２１（図７参照）が一体回転可能に接合され、このコンプレッサインペラ２１はコンプレッサハウジング（不図示）に収容される。
【００３１】
そして、ターボチャージャ１のタービン３は、タービンホイール３１と、タービンハウジング３２と、上述の可変ノズル３６と、分割壁３７と、ガイド部４０を備える。タービンハウジング３２は、排気導入口３３、排気排出口３４及びこの排気導入口３３とこの排気排出口３４とを連通するスクロール部３５を有する。タービンホイール３１は、スクロール部３５に回転自在に収容される。可変ノズル３６は、上述したように複数のベーン４４の開度を調整することでタービンホイール３１に流入する排気ガスの流速を可変とする。分割壁３７は、スクロール部３５を径方向に対して内側スクロール３５ａと外側スクロール３５ｂとに分割する。ガイド部４０は、内側ガイド壁３８及び外側ガイド壁３９を有する。
【００３２】
タービンハウジング３２は、スクロール壁４１と、導入ノズル４２と、排出ノズル４３が一体となって形成される。スクロール壁４１は、内部に通路面積が漸次減少する渦巻き状の排気流路としてのスクロール部３５を形成する。導入ノズル４２は、略円筒形状に形成され、内側に排気導入口３３を形成する。排出ノズル４３は、略円筒形状に形成され、内側に排気排出口３４を形成する。導入ノズル４２は、渦巻き状のスクロール部３５の接線方向に排気ガスを導入するように形成され、一方、排出ノズル４３は、円筒形の軸線がスクロール部３５の渦巻きのほぼ中央に位置するように形成される。排出ノズル４３の軸線は、円筒形の導入ノズル４２の軸線に対してほぼ垂直となる。また、導入ノズル４２と排出ノズル４３は、各々がスクロール壁４１から外側に突出するように形成される。導入ノズル４２の中空部分としての排気導入口３３と、排出ノズル４３の中空部分としての排気排出口３４とは、上述したように、スクロール部３５を介して連通される。導入ノズル４２にはエンジン本体１０１から排気通路が接続され、エンジン本体１０１の排気ガスは、この排気導入口３３から導入され、スクロール部３５を介して排気排出口３４の方向（図１中矢印で示す方向）に流動し排出される。この排気導入口３３は、上述したように、複数の第１導入口３３ａ、第２導入口３３ｂからなり、ここでは、第１導入口３３ａは、第１集合通路１０８ｂ（図７参照）が接続、連通される一方、第２導入口３３ｂは、第２集合通路１０８ｃ（図７参照）が接続、連通される。
【００３３】
タービンホイール３１は、図２に示すように、タービンハウジング３２内に形成されるスクロール部３５の渦巻きのほぼ中央に位置するようにロータシャフト４の一端に固定される。タービンホイール３１は、複数の羽根状のブレード３１ａを有している。複数のブレード３１ａは、タービンホイール３１の外周面に、それぞれ周方向に均等に間隔をあけて設けられ、排気ガスが流入する流路を複数の空間に仕切る。タービンホイール３１が固定されているロータシャフト４は、回転軸線４ａを回転中心として回転可能にセンタハウジング６（図１参照）に支持され、該回転軸線４ａは、タービンホイール３１の軸線、排出ノズル４３の円筒形状の軸線とほぼ一致する。タービンホイール３１は、この回転軸線４ａを回転中心として回転する。
【００３４】
分割壁３７は、スクロール部３５を径方向に内側スクロール３５ａと外側スクロール３５ｂとに分割する。この分割壁３７は、スクロール部３５において排気導入口３３側からほぼ半周分に形成される。ここで、スクロール部３５の径方向とは、スクロール部３５に収容されているタービンホイール３１の回転中心としての回転軸線４ａに直交する方向である。すなわち、分割壁３７は、スクロール壁４１の内面に上述の回転軸線４ａとほぼ平行となるように設けられ、スクロール部３５を内側スクロール３５ａと外側スクロール３５ｂとに分割する。また、分割壁３７は、長手方向に対する両側部においてスクロール壁４１の内面と一体に形成される。このように、スクロール壁４１と分割壁３７とを一体に形成することで、内側スクロール３５ａの空間と外側スクロール３５ｂの空間とをより確実に分割することが可能となる。また、内側スクロール３５ａは、第１導入口３３ａに連続して設けられる一方、外側スクロール３５ｂは、第２導入口３３ｂに連続して設けられる。
【００３５】
可変ノズル３６は、複数のベーン４４を有し、該ベーン４４を回動して開度を調整することでタービンホイール３１に流入する排気ガスの流速を可変とする。ベーン４４は、タービンハウジング３２とセンタハウジング６との間に設けられるノズルプレート４５にピン４４ａを介して回動可能に支持される。ノズルプレート４５は、円盤状に形成され、さらに、タービンホイール３１が挿入される円形孔４５ａが形成される。各ベーン４４は、ノズルプレート４５のタービンハウジング３２側の面、すなわち、排気流路としてのスクロール部３５中に設けられ、ノズルプレート４５の円形孔４５ａに沿って、すなわち、タービンホイール３１の外周面に沿ってそれぞれ周方向に均等に間隔をあけて環状に設けられる。
【００３６】
各ベーン４４は、ノズルプレート４５とセンタハウジング６と間に設けられるベーン駆動機構４６により前記ピン４４ａの軸線を回動軸線４４ｂとして回動する。この回動軸線４４ｂは、上述したタービンホイール３１の回転軸線４ａと平行である。ベーン駆動機構４６は、ピン４４ａの他端部（ベーン４４とは反対側の端部）に取り付けられる開閉レバー４６ａと、ノズルプレート４５に対して相対的に回動するリングプレート４６ｂを有する。リングプレート４６ｂは、ノズルプレート４５のセンタハウジング６側の面に設けられ、内周部に開閉レバー４６ａが連結される。開閉レバー４６ａは、このリングプレート４６ｂの回動に基づいてピン４４ａを回動させ、そのピン４４ａの回動によってベーン４４が開閉動作するようになる。また、ベーン駆動機構４６は、ノズルプレート４５のセンタハウジング６側の面に設けられるストッパローラ４６ｃを有する。リングプレート４６ｂの回動に基づいて回動される開閉レバー４６ａは、このストッパローラ４６ｃと当接することによって、その回動範囲が規制される。つまり、隣り合うベーン４４間の通路面積の大きさが制御される。また、各ベーン４４は、図３に示すように、開度がほぼ全閉側である際に、隣接するベーン４４と部分的に重なるように配置される。各ベーン４４は、排気ガスの流動方向に対して下流に行くにしたがって先細となるように形成され、上流側端部、つまり、厚い側の端部がリーディングエッジ４４ｄ（図３、図４参照）をなす。また、ベーン駆動機構４６は、リングプレート４６ｂを回動させる駆動源として駆動部４６ｄと、複数のベーン４４の開度、言い換えれば、隣接するベーン４４間の通路面積を検出する開度センサ４６ｅを有する。駆動部４６ｄは、ＥＣＵ１１０に電気的に接続されており、このＥＣＵ１１０に駆動が制御されている。また、開度センサ４６ｅは、ＥＣＵ１１０に電気的に接続されており、検出したベーン４４の開度をＥＣＵ１１０に出力する。
【００３７】
可変ノズル３６が取り付けられたノズルプレート４５は、その外周面４５ｂがタービンハウジング３２に形成される円形孔４７の内側に挿入される。そして、このノズルプレート４５は、複数のスペーサボルト４８及びナット４９等を介して、タービンハウジング３２に固定されると共に、背面側（センタハウジング６側）がセンタハウジング６と当接し、このセンタハウジング６を取付プレート５０、取付プレート５１等を介してタービンハウジング３２に連結することで、タービンハウジング３２に組み付けられる。
【００３８】
ノズルプレート４５と該ノズルプレート４５と対向するタービンハウジング３２の内面は、上述の複数のスペーサボルト４８により所定の間隔が保持される。このノズルプレート４５とタービンハウジング３２の内面との間の空間は、タービンホイール３１に排気ガスを導く排気流路としてのスクロール部３５の一部を構成する。上述した可変ノズル３６のベーン４４は、このノズルプレート４５とタービンハウジング３２の内面との間の空間に位置する。また、スペーサボルト４８は、このタービンハウジング３２の内面と当接して、このタービンハウジング３２の内面とベーン４４との間に隙間をあけ、ノズルサイドクリアランスを形成する。このように、タービンハウジング３２の内面とベーン４４との間にノズルサイドクリアランスを形成することで、各ベーン４４の作動がスムーズになる。ノズルサイドクリアランスは、この隙間からの排気ガスの漏洩を最小限に抑えるため、タービンハウジング３２の内面とベーン４４が当接しない範囲で最小に形成する。
【００３９】
ガイド部４０は、上述したように、内側ガイド壁３８と外側ガイド壁３９とを有する。内側ガイド壁３８は、分割壁３７の端部、さらに具体的には排気ガスの流動方向に対する下流側端部からベーン４４の近傍で、かつ、該ベーン４４の作動範囲外まで延設される。外側ガイド壁３９は、導入ノズル４２の下流側端部からベーン４４の近傍、かつ、該ベーン４４の作動範囲外まで延設される。内側ガイド壁３８は、ベーン４４の回動軸線４４ｂと平行となるように立設される。すなわち、内側ガイド壁３８は、上述した分割壁３７が立設される方向とほぼ平行なるように形成され、この分割壁３７の端面との隙間を最小限にして連続的に設けられる。外側ガイド壁３９も同様に、分割壁３７が立設される方向とほぼ平行なるように形成され、導入ノズル４２の端面との隙間を最小限にして連続的に設けられる。また、この内側ガイド壁３８及び外側ガイド壁３９は共に、図３、図４に示すように、上述したノズルプレート４５の縁部に、このノズルプレート４５と一体に形成される。また、内側ガイド壁３８と外側ガイド壁３９とは、ノズルプレート４５の中心に向かって対向する位置に形成される。すなわち、内側ガイド壁３８は、ノズルプレート４５上の外側ガイド壁３９とほぼ１８０°反対側に位置する。
【００４０】
内側ガイド壁３８及び外側ガイド壁３９のベーン４４側の端部は、図３に示すように、各々複数のベーン４４のうちの１つのベーン４４と対向するベーン側対向部４０ａが形成される。各ベーン側対向部４０ａは、ベーン４４が最小開度に位置する際に、向かい合うベーン４４のリーディングエッジ４４ｄと対向する。各ベーン側対向部４０ａは、この対向するベーン４４の回動軸線４４ｂを中心とする円弧状に形成される。つまり、各ベーン側対向部４０ａの円弧とリーディングエッジ４４ｄの軌道は、回動軸線４４ｂ上の中心４４ｃを共有する同心円となる。これにより、内側ガイド壁３８及び外側ガイド壁３９をベーン４４の作動範囲外で、かつ、できる限り近い位置まで延設することができ、内側ガイド壁３８及び外側ガイド壁３９と各ベーン４４との間隔をリーディングエッジ４４ｄと接触しない範囲で最小限とすることができる。
【００４１】
また、各ベーン側対向部４０ａは、図４に示すように、対向するベーン４４の最小開度から開放側に所定の範囲、具体的にはベーン４４の作動範囲の半分程度の範囲で形成される。言い換えれば、各ベーン側対向部４０ａは、ベーン４４の回動範囲の中心角θ１が各ベーン側対向部４０ａの円弧の中心角θ２とベーン４４の閉位置側で重なり、開位置側では重ならないように形成される。これにより、ベーン４４が上記の開度以上に開側に回動すると、ベーン側対向部４０ａとリーディングエッジ４４ｄとが対向する部分がなくなり、内側ガイド壁３８及び外側ガイド壁３９がベーン４４間の流路を塞がずに、排気ガスが通過可能な流路として開放することができる。
【００４２】
上記のように構成されるエンジン１００では、ピストンがシリンダボア内を下降することで、吸気管１０７、吸気ポート１５１を介して燃焼室１５０内に空気が吸入され（吸気行程）、この空気とインジェクタから燃焼室１５０内へ噴射される燃料とが混合して混合気を形成する。そして、このピストンが吸気行程下死点を経てシリンダボア内を上昇することで混合気が圧縮され（圧縮行程）、ピストンが圧縮行程上死点付近に近づくと点火プラグにより混合気に点火され、該混合気が燃焼し、その燃焼圧力によりピストンを下降させる（膨張行程）。燃焼後の混合気は、ピストンが膨張行程下死点を経て吸気行程上死点に向かって再び上昇することで燃焼室に連通する排気ポート１５２、排気管１０８を介して排気ガスとして放出される（排気行程）。このピストンのシリンダボア内での往復運動は、コネクティングロッドを介してクランクシャフトに伝えられ、ここで回転運動に変換され、出力として取り出されると共に、このピストンは、クランクシャフトが慣性力によりさらに回転することで、このクランクシャフトの回転に伴ってシリンダボア内を往復する。このクランクシャフトが２回転することで、ピストンはシリンダボアを２往復し、この間に吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程からなる一連の４行程を行い、燃焼室内で１回の爆発が行われる。
【００４３】
この間、このターボチャージャ１のタービン３が備えるタービンホイール３１が排気管１０８を通る排気ガスにより回転駆動され、ロータシャフト４を介してコンプレッサインペラ２１に回転動力が伝達されて、このコンプレッサインペラ２１が回転駆動される。この結果、吸気管１０７内の吸入空気が圧縮されてエンジン本体１０１に過給される。このため、燃焼室１５０への空気の充填効率を高めることができ、エンジン１００の出力を高めることができる。
【００４４】
このとき、燃焼室１５０ａ（第１気筒）の排気ポート１５２と燃焼室１５０ｄ（第４気筒）の排気ポート１５２とが第１集合通路１０８ｂにて集合し、燃焼室１５０ｂ（第２気筒）の排気ポート１５２と燃焼室１５０ｃ（第３気筒）の排気ポート１５２とが第２集合通路１０８ｃにて集合することから、混合気の爆発の余波を伴って排気ポート１５２から勢いよく噴出される排気ガス（ブローダウンガス）の圧力波がオーバーラップ期間中の気筒に到達することがなく、燃焼室１５０ａ（第１気筒）、燃焼室１５０ｂ（第２気筒）、燃焼室１５０ｃ（第３気筒）、燃焼室１５０ｄ（第４気筒）において排気脈動の相違による排気干渉が発生することを防止することができる。
【００４５】
そして、第１集合通路１０８ｂ及び第２集合通路１０８ｃを介して燃焼室１５０から排出された排気ガスは、タービン３の２つの第１導入口３３ａ及び第２導入口３３ｂから各々導入され、内側スクロール３５ａ、外側スクロール３５ｂをそれぞれ通過する間に加速され、可変ノズル３６を通過し、各々独立してタービンホイール３１に流入することにより、複数のブレード３１ａにあたり、タービンホイール３１を回転駆動させる。そして、タービンホイール３１が回転することで、このタービンホイール３１に固定されるロータシャフト４も一体となって回転し、ロータシャフト４の他端に固定されているコンプレッサインペラ２１も一体となって回転する。
【００４６】
そして、内側スクロール３５ａと外側スクロール３５ｂとは、分割壁３７と、内側ガイド壁３８及び外側ガイド壁３９により確実に分割されていることから、内側スクロール３５ａ側から外側スクロール３５ｂ側に排気ガスが流入したり外側スクロール３５ｂ側から内側スクロール３５ａ側に排気ガスが流入したりすることが抑制される。つまり、内側スクロール３５ａ内を流れる排気ガスは、内側ガイド壁３８によりこの内側ガイド壁３８に沿ってベーン４４側へ案内され、外側スクロール３５ｂ内を流れる排気ガスは、外側ガイド壁３９によりこの外側ガイド壁３９に沿ってベーン４４側へ案内される。この結果、内側スクロール３５ａ内を流れる排気ガスと外側スクロール３５ｂ内を流れる排気ガスとが互いに干渉することを確実に抑制することができる。
【００４７】
また、可変ノズル３６の各ベーン４４は、ベーン駆動機構４６により回動軸線４４ｂを中心として回動することで、回転軸線４ａと直交する方向に開閉し、隣接するベーン４４同士の隙間としての通路面積が可変となり、タービンホイール３１に流入する排気ガスの流速を変化させることができる。可変ノズル３６のベーン４４の開度を調整することで、タービンホイール３１へ流入する排気ガスの流量を増減して流速を調節することになり、タービンホイール３１、ロータシャフト４及びコンプレッサインペラ２１の回転速度が適宜に調節され、結果的に、吸気通路における空気の圧力が調節されることで充填効率が調整される。こうした燃焼室１５０への吸入空気量の調整を行うことにより、エンジン１００の出力向上と共に燃焼室１５０内の異常燃焼防止も可能となる。
【００４８】
すなわち、エンジン１００の回転数が低い低速域では、排気ガス量は比較的少ない。このとき、ターボチャージャ１において、可変ノズル３６のベーン４４の開度を閉側に調整する。これにより、スクロール部３５を流れる排気ガスは可変ノズル３６を通過する際に流速が速められた上でタービンホイール３１を回転させる。その後、排気ガスは、排気排出口３４を経て外部へ排出される。またこのとき、可変ノズル３６のベーン４４の開度が閉側に設定されることから、排気系（排気マニホールド１０８ａ、排気管１０８）における排気行程時の背圧が上昇し、これに応じて排気行程より吸気行程に移る際、排気の一部を燃焼室１５０内に残留させて新気に混入させる内部排気ガス再循環量、いわゆる、内部ＥＧＲ量が増大する。この結果、排ガス浄化効率を向上し、ＮＯｘ排出量を抑制させることができ、エミッション性を向上することができる。
【００４９】
一方、エンジン１００の回転数が高い高速域では、排気ガス量は多い。このとき、ターボチャージャ１において、可変ノズル３６のベーン４４の開度を開側に調整する。これにより、排気ガスは可変ノズル３６を通過する際に流速がほとんど上昇せずにタービンホイール３１を回転させる。これにより、コンプレッサインペラ２１の必要以上の回転を防止するように、タービンホイール３１の回転が制御されて、エンジン１００の運転領域において排気量が多い領域でも設定された過給圧に制御することができる。
【００５０】
なおここでは、ＥＣＵ１１０は、エンジン１００のエンジン負荷率に応じて、マップ制御とフィードバック制御とを使い分けて、可変ノズル３６の複数のベーン４４の開度を制御している。ここでマップ制御は、アクセル開度センサ１１２が検出したアクセル開度に基づいたエンジン負荷率とクランク角センサ１１１が検出したエンジン回転数とに関連付けられた複数のベーン４４の開度マップに基づいてベーン４４の開度を変更する制御である。ベーン４４の開度は、エンジン負荷率とエンジン回転数とに関連付けてマップ化し、ＥＣＵ１１０の記憶部等に予め記憶させておき、負荷率とエンジン回転数とに基づいて当該マップから読み出すようにすればよい。一方、フィードバック制御は、過給圧センサ１１３が検出した過給圧に基づいて、吸気圧が所定の過給圧になるように複数のベーンの開度を変更する制御である。ＥＣＵ１１０は、比較的軽負荷率な運転領域では、マップ制御により可変ノズル３６の複数のベーン４４の開度を制御する一方、比較的高負荷率な運転領域（フルトルク近傍）ではフィードバック制御により可変ノズル３６の複数のベーン４４の開度を制御する。
【００５１】
ところで、上記のターボチャージャ１のように、スクロール部３５が内側スクロール３５ａと外側スクロール３５ｂとに分割されたダブルエントリ方式のターボチャージャ１に可変ノズル３６を適用した場合、ターボチャージャ１の運転領域によっては、ブローダウンガスによる十分な動圧効果を得られないおそれがある。例えば、通常、低回転高負荷域においては、過給圧に応じたフィードバック制御により所定の過給圧に到達するまで複数のベーン４４をできる限り小さな開度に制御するが、上記のように動圧過給を行う場合、ベーン４４の開度を小さくしすぎると動圧損失につながるおそれがある。また、ベーン４４の開度を小さくしすぎることでベーン４４にてブローダウンガスの反射波が生成され、結果的に気筒間の排気干渉を起こすおそれもある。このため、十分な動圧過給効果が得られないおそれがある。
【００５２】
そこで、本実施例のターボチャージャ１は、低回転高負荷域（フルトルク近傍）にて、通常のフィードバック制御はせずに、複数のベーン４４間の開度を所定の開度に固定することで、効果的な動圧過給を実現し、低速トルクの改善を図っている。
【００５３】
具体的には、制御手段としてのＥＣＵ１１０は、図５に示すように、中・高回転域、軽負荷（低負荷）域、すなわち、エンジン負荷率ｑｖが予め設定される負荷率閾値Ｔｈｑｖより小さい場合にマップ制御により複数のベーン４４の開度を制御し、エンジン負荷率ｑｖが負荷率閾値Ｔｈｑｖ以上で、かつ、エンジン回転数Ｎｅが予め設定される回転速度閾値としての回転数閾値ＴｈＮｅより大きい場合にフィードバック制御により複数のベーン４４の開度を制御する。一方で、ＥＣＵ１１０は、低回転高負荷域、すなわち、エンジン負荷率ｑｖが予め設定される負荷率閾値Ｔｈｑｖ以上で、かつ、エンジン回転数Ｎｅが回転数閾値ＴｈＮｅ以下である場合に、複数のベーン４４の開度を予め設定される固定のベーン開度（以下、「固定ＶＮ開度％」と略記する）に制御する。すなわち、本実施例のターボチャージャ１は、従来ではベーン４４の開度を運転状態に応じて可変制御していた低回転高負荷域において、ベーン４４の開度を所定の開度（固定ＶＮ開度％）に固定することで、上記のような動圧過給を効果的に行うことができる。
【００５４】
この固定ＶＮ開度％は、各ベーン４４間の合計開度面積が１つの排気ポート１５２の通路面積と同等になるような開度として設定される。すなわち、ＥＣＵ１１０は、エンジン負荷率ｑｖが予め設定される負荷率閾値Ｔｈｑｖ以上で、かつ、エンジン回転数Ｎｅが回転数閾値ＴｈＮｅ以下である場合には、可変ノズル３６の複数のベーン４４の開度を制御して各ベーン４４間の合計開度面積を１つの排気ポート１５２の通路面積、つまり、１つの燃焼室１５０に対する１本分の排気分岐通路面積と同等に設定する。これにより、ベーン４４間の合計開度面積を１つ排気ポート１５２の通路面積と同等に設定することで、可変ノズル３６のベーン４４におけるブローダウンガスの圧力波の動圧損失を抑制することができるので、例えば、ブローダウンガスがベーン４４で減速せずに効率的にタービンホイール３１のブレード３１ａにあたることから、動圧過給を効果的に行うことができる。また、ベーン４４にてブローダウンガスの反射波が生成されることも防止でき、気筒間の排気干渉も防止することができる。この結果、低回転高負荷域でも十分な動圧過給効果を得ることができる。また、このときにベーン４４の開度を可変とすると流れの中での流速の増減はエントロピーの増加を伴い、結果的にエネルギーの有効利用を阻害するおそれもあるが、本実施例では低回転高負荷域にてベーン４４の開度を固定としていることから、エントロピーの増加も防止することができ、結果的にエネルギーを有効に利用することができる。一方、ベーン４４の開度を大きくしすぎてしまうと、今度はこのベーン４４にて通路面積が大きくなることで排気ガスの流速が下がることからこれもまた効率的ではないが、ここでは、ベーン４４間の合計開度面積が１つの排気ポート１５２の通路面積と同等になるような開度として設定されることから、ベーン４４における排気ガスの流速の低下も防止することができる。
【００５５】
ここで、負荷率閾値Ｔｈｑｖは、上記のマップ制御による運転領域とフィードバック制御による運転領域との境界の負荷率に応じた値に設定される。すなわち、負荷率閾値Ｔｈｑｖは、上記のフィードバック制御とマップ制御とを切り換える境界の負荷率に応じた値として設定され、例えば、８０から９０％以上の値に設定される。また、回転数閾値ＴｈＮｅは、排気弁１５２ａが開弁しブローダウンガスが排出され、このブローダウンガスがベーン４４に到達する前に、次の気筒の排気弁１５２ａが開弁し次のブローダウンガスが放出さてしまうような回転数であり、複数の燃焼室１５０の排気行程における排気弁１５２ａの開弁時に発生するブローダウンガスの流れが定常流とみなせるようになるエンジン回転数に応じた値に設定される。すなわち、エンジン回転数が所定よりも高くなり排気弁１５２ａの開弁周期がある程度短くなるとブローダウンガスの圧力波がほぼ定常的な波になり動圧効果が望めなくなる。よって、このターボチャージャ１のＥＣＵ１１０は、エンジン負荷率ｑｖが予め設定される負荷率閾値Ｔｈｑｖ以上で、かつ、エンジン回転数Ｎｅが回転数閾値ＴｈＮｅ以下である場合に、ベーン開度固定制御により複数のベーン４４の開度を制御し、エンジン負荷率ｑｖが負荷率閾値Ｔｈｑｖ以上で、かつ、エンジン回転数Ｎｅが回転数閾値ＴｈＮｅより大きい場合にフィードバック制御により複数のベーン４４の開度を制御する。
【００５６】
次に図６を参照してターボチャージャ１のベーン開度固定制御について説明する。以下の動作は、主としてＥＣＵ１１０により実行される。まず、ＥＣＵ１１０は、エンジン回転数Ｎｅ及びエンジン負荷率ｑｖを読み込み（Ｓ１００）、ＶＮ（ベーン）固定作動域パラメータとして、回転数閾値ＴｈＮｅ、負荷率閾値Ｔｈｑｖ及び固定ＶＮ開度％を参照する（Ｓ１０２）。そして、ＥＣＵ１１０は、読み込んだエンジン負荷率ｑｖが負荷率閾値Ｔｈｑｖ以上で、かつ、エンジン回転数Ｎｅが回転数閾値ＴｈＮｅ以下である否かを判定する（Ｓ１０４）。エンジン負荷率ｑｖが負荷率閾値Ｔｈｑｖ以上で、かつ、エンジン回転数Ｎｅが回転数閾値ＴｈＮｅ以下ではない場合（Ｓ１０４：Ｎｏ）、従来のＶＮ（ベーン）開度制御でベーン４４の開度を設定し（Ｓ１０６）、ベーン駆動機構４６の駆動部４６ｄを駆動し、ベーン４４を所定の開度まで回動させ（Ｓ１１０）、上記の処理を繰り返し実行する。すなわち、エンジン負荷率ｑｖが負荷率閾値Ｔｈｑｖより小さい場合には、マップ制御により複数のベーン４４の開度を設定し、エンジン負荷率ｑｖが負荷率閾値Ｔｈｑｖ以上で、かつ、エンジン回転数Ｎｅが回転数閾値ＴｈＮｅより大きい場合にフィードバック制御により複数のベーン４４の開度を設定する。
【００５７】
エンジン負荷率ｑｖが負荷率閾値Ｔｈｑｖ以上で、かつ、エンジン回転数Ｎｅが回転数閾値ＴｈＮｅ以下である場合（Ｓ１０４：Ｙｅｓ）、複数のベーン４４の開度を固定ＶＮ開度％に設定し（Ｓ１０８）、ベーン駆動機構４６の駆動部４６ｄを駆動し、ベーン４４の開度が固定ＶＮ開度％となるようにベーン４４を回動させ（Ｓ１１０）、上記の処理を繰り返し実行する。なお、ベーン４４の開度が予め固定ＶＮ開度％であった場合には、そのまま固定ＶＮ開度％を維持すればよい。これにより、低回転高負荷域において動圧過給を効果的に行うことが可能となる。
【００５８】
以上で説明した本発明の実施例に係るターボチャージャ１によれば、エンジン１００の複数の燃焼室１５０から排出される排気ガスを各燃焼室１５０と各々連通する複数の排気ポート１５２を介して複数の排気導入口３３から導入しタービン３のタービンホイール３１を回転駆動することでコンプレッサ２のコンプレッサインペラ２１を回転駆動しエンジン１００への吸入空気を過給すると共に、タービン３は、複数の排気導入口３３と排気ガスを排気する排気排出口３４とを連通し排気ガスをタービンホイール３１に導く渦巻き状のスクロール部３５と、スクロール部３５を複数の排気導入口３３に対応して複数のスクロールに分割する分割壁３７と、タービンホイール３１の外周に沿って設けられる複数のベーン４４の開度を調整することで、このタービンホイール３１に流入する排気ガスの流速を可変とする可変ノズル３６とを有するターボチャージャ１において、エンジン１００のエンジン負荷率ｑｖを検出するアクセル開度センサ１１２と、エンジン１００のエンジン回転数Ｎｅを検出するクランク角センサ１１１と、アクセル開度センサ１１２が検出したエンジン負荷率ｑｖが予め設定される負荷率閾値Ｔｈｑｖ以上で、かつ、クランク角センサ１１１が検出したエンジン回転数Ｎｅが予め設定される回転数閾値ＴｈＮｅ以下である場合に、可変ノズル３６の複数のベーン４４の開度を制御して各ベーン４４間の合計開度面積を１つの排気ポート１５２の通路面積と同等に設定するＥＣＵ１１０とを備える。
【００５９】
したがって、エンジン負荷率ｑｖが負荷率閾値Ｔｈｑｖ以上で、かつ、エンジン回転数Ｎｅが回転数閾値ＴｈＮｅ以下である場合に、複数のベーン４４間の合計開度面積を１つの排気ポート１５２の通路面積と同等に固定することから、低回転高負荷域にて、可変ノズル３６のベーン４４におけるブローダウンガスの圧力波の動圧損失を抑制することができ、また、ベーン４４にてブローダウンガスの反射波が生成されることも防止でき、気筒間の排気干渉も防止することができるので、動圧過給を効果的に行うことができる。
【００６０】
さらに、以上で説明した本発明の実施例に係るターボチャージャ１によれば、エンジン１００は、各燃焼室１５０の吸気弁１５１ａ及び排気弁１５２ａの開弁期間のオーバーラップ期間と、排気行程における排気弁１５２ａの開弁時期とが重なることのない燃焼室１５０の排気ポート１５２同士を各々連通する第１集合通路１０８ｂ及び第２集合通路１０８ｃを備え、タービン３の複数の排気導入口３３は、第１集合通路１０８ｂ及び第２集合通路１０８ｃに各々連通した第１導入口３３ａ及び第２導入口３３ｂを有する。したがって、特定の燃焼室１５０の排気ポート１５２同士を、各々、第１集合通路１０８ｂ及び第２集合通路１０８ｃにより連通し、タービン３の第１導入口３３ａ及び第２導入口３３ｂにてこの第１集合通路１０８ｂ及び第２集合通路１０８ｃにそれぞれ連通することから、特定の燃焼室１５０における排気弁１５２ａと吸気弁１５１ａとのオーバーラップ期間に他の燃焼室１５０の排気行程（排気弁１５２ａの開弁時期）が重なっても、混合気の爆発の余波を伴って排気ポート１５２から勢いよく噴出される排気ガス、いわゆる、ブローダウンガスの圧力波がオーバーラップ期間中の気筒に到達することを防止することができる。この結果、各燃焼室１５０において排気脈動の相違による排気干渉が発生することを防止することができ、すなわち、位相の異なる気筒間での排気干渉を防止することができる。
【００６１】
さらに、以上で説明した本発明の実施例に係るターボチャージャ１によれば、分割壁３７は、スクロール部３５を径方向に内側スクロール３５ａと外側スクロール３５ｂとに分割する。したがって、スクロール部３５が分割壁３７により径方向に内側スクロール３５ａと外側スクロール３５ｂとに分割されることから、例えば、スクロール部３５を軸線方向に複数のスクロールに分割する場合と比較して、簡易な構成で分割壁３７の端部をベーン４４に近接させることができ、この結果、内側スクロール３５ａを流れる排気ガスと外側スクロール３５ｂを流れる排気ガスとの排気干渉をより簡易な構成で防止することができる。
【００６２】
さらに、以上で説明した本発明の実施例に係るターボチャージャ１によれば、回転数閾値ＴｈＮｅは、複数の燃焼室１５０の排気行程における排気弁１５２ａの開弁時に発生するブローダウンガスの流れが定常流とみなせるようになるエンジン回転数に応じた値に設定される。したがって、エンジン回転数が所定よりも高くなり排気弁１５２ａの開弁周期がある程度短くなりブローダウンガスの圧力波がほぼ定常的な波になり動圧効果が望めなくなる運転領域では、可変ノズル３６の複数のベーン４４の開度を通常の可変制御とすることができる。言い換えれば、動圧効果が望める運転領域にて、複数のベーン４４間の合計開度面積を１つの排気ポート１５２の通路面積と同等に固定することから、より効果的に動圧過給を行うことができる。
【００６３】
さらに、以上で説明した本発明の実施例に係るターボチャージャ１によれば、吸入空気の過給圧を検出する過給圧センサ１１３を備え、ＥＣＵ１１０は、エンジン負荷率ｑｖに応じて、アクセル開度センサ１１２が検出したエンジン負荷率ｑｖとクランク角センサ１１１が検出したエンジン回転数Ｎｅとに基づいたマップ制御と、過給圧センサ１１３が検出した過給圧に基づいたフィードバック制御とによって可変ノズル３６の複数のベーン４４の開度を制御し、負荷率閾値Ｔｈｑｖは、マップ制御による運転領域とフィードバック制御による運転領域との境界の負荷率に応じた値に設定される。したがって、例えば、中・高回転域、軽負荷域にて、エンジン負荷率ｑｖが負荷率閾値Ｔｈｑｖより小さい場合にマップ制御により複数のベーン４４の開度を制御し、エンジン負荷率ｑｖが負荷率閾値Ｔｈｑｖ以上で、かつ、エンジン回転数Ｎｅが回転数閾値ＴｈＮｅより大きい場合にフィードバック制御により複数のベーン４４の開度を制御すると共に、低回転高負荷域にて、エンジン負荷率ｑｖが予め設定される負荷率閾値Ｔｈｑｖ以上で、かつ、エンジン回転数Ｎｅが回転数閾値ＴｈＮｅ以下である場合に、複数のベーン４４の開度を固定ＶＮ開度％に制御することができることから、ベーン４４の開度を運転状態に応じた適正な開度に設定することができるので、タービン効率を効果的に向上することができる。
【００６４】
さらに、以上で説明した本発明の実施例に係るターボチャージャ１によれば、複数の導入口、排気排出口及びスクロール部が設けられると共に、筒形状に形成され内側に排気導入口３３を形成する導入ノズル４２を有するタービンハウジング３２と、排気ガスの流動方向における分割壁３７の下流側端部からベーン４４の近傍で、かつ、該ベーン４４の作動範囲外まで延設される内側ガイド壁３８と、排気ガスの流動方向における導入ノズル４２の下流側端部からベーン４４の近傍で、かつ、該ベーン４４の作動範囲外まで延設される外側ガイド壁３９を有するガイド部４０とを備える。したがって、内側スクロール３５ａと外側スクロール３５ｂとが内側ガイド壁３８及び外側ガイド壁３９により確実に分割されていることから、内側スクロール３５ａ側から外側スクロール３５ｂ側に排気ガスが流入したり外側スクロール３５ｂ側から内側スクロール３５ａ側に排気ガスが流入したりすることが抑制される。この結果、内側スクロール３５ａ内を流れる排気ガスと外側スクロール３５ｂ内を流れる排気ガスとが互いに干渉することを確実に抑制することができる。
【００６５】
また、以上で説明した本発明の実施例に係るターボチャージャ１によれば、タービンホイール３１が挿入される円形孔４５ａが形成され、この円形孔４５ａに沿って可変ノズル３６が設けられるノズルプレート４５を備え、ガイド部４０をなす内側ガイド壁３８及び外側ガイド壁３９は、ノズルプレート４５に設けられる。したがって、内側ガイド壁３８及び外側ガイド壁３９をノズルプレート４５と一体に形成し、可変ノズル３６をノズルプレート４５に設置してからこのノズルプレート４５をタービンハウジング３２に組み付けることで、ガイド部４０と可変ノズル３６とを一緒にタービンハウジング３２内に設けることができるので製作が容易となる。
【００６６】
なお、上述した本発明の実施例に係るターボチャージャ１は、上述した実施例に限定されず、特許請求の範囲に記載された範囲で種々の変更が可能である。以上の説明では、ターボチャージャ１は、スクロール部を径方向に複数のスクロールに分割した、いわゆる、ダブルエントリ方式のターボチャージャであるものとして説明したが、スクロール部を回転軸線方向に複数のスクロールに分割する、いわゆる、ツインエントリ型のターボチャージャとしてもよい。また、以上の説明では、エンジン負荷率ｑｖは、アクセル開度センサ１１２が検出したアクセル開度に基づいて推定するものとして説明したが、これに限らず、スロットル開度や吸入空気量、機関回転数等に基づいて計算するようにしてもよい。また、以上の説明では、ターボチャージャ１を直列４気筒式のエンジン１００に適用した場合で説明したが、これに限らず、種々の内燃機関に適用することができ、例えば、Ｖ型６気筒エンジンに適用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
以上のように、本発明に係る過給機は、動圧過給を効果的に行うものであり、複数の導入口から排気ガスが導入される種々の過給機に適用して好適である。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の実施例に係るターボチャージャのタービン側の部分断面図である。
【図２】本発明の実施例に係るターボチャージャのタービンの径方向断面図である。
【図３】本発明の実施例に係るターボチャージャにおけるノズルプレートの可変ノズル全閉時の正面図である。
【図４】本発明の実施例に係るターボチャージャにおけるノズルプレートの可変ノズル全開時の正面図である。
【図５】本発明の実施例に係るターボチャージャの負荷率閾値及び回転数閾値を説明する概略図である。
【図６】本発明の実施例に係るターボチャージャのベーン開度固定制御を説明するフローチャートである。
【図７】本発明の実施例に係るターボチャージャが適用されたエンジンを示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００６９】
１    ターボチャージャ（過給機）
２    コンプレッサ
３    タービン
４    ロータシャフト
４ａ    回転軸線
２１    コンプレッサインペラ（インペラ）
３１    タービンホイール（ホイール）
３２    タービンハウジング
３３    排気導入口（導入口）
３３ａ    第１導入口
３３ｂ    第２導入口
３４    排気排出口（排出口）
３５    スクロール部
３５ａ    内側スクロール
３５ｂ    外側スクロール
３６    可変ノズル
３７    分割壁
３８    内側ガイド壁
３９    外側ガイド壁
４０    ガイド部
４１    スクロール壁
４２    導入ノズル
４３    排出ノズル
４４    ベーン
４５    ノズルプレート
４６    ベーン駆動機構
１００    エンジン（内燃機関）
１０１    エンジン本体
１０２    エアクリーナ
１０３    インタークーラ
１０４    電子スロットル装置
１０５    サージタンク
１０６    触媒装置
１０７    吸気管
１０７ａ    吸気マニホールド
１０８    排気管
１０８ａ    排気マニホールド
１０８ｂ    第１集合通路
１０８ｃ    第２集合通路
１１０    ＥＣＵ（制御手段）
１１１    クランク角センサ（回転速度検出手段）
１１２    アクセル開度センサ（負荷率検出手段）
１１３    過給圧センサ（圧力検出手段）
１５０、１５０ａ、１５０ｂ、１５０ｃ、１５０ｄ    燃焼室
１５１    吸気ポート
１５１ａ    吸気弁
１５２    排気ポート（排気枝通路）
１５２ａ    排気弁
【図１】
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【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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