JP2017155657A

JP2017155657A - ターボ過給機付エンジン

Info

Publication number: JP2017155657A
Application number: JP2016039902A
Authority: JP
Inventors: 直之山形; Naoyuki Yamagata; 荒木　啓二; Keiji Araki; 啓二荒木
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2016-03-02
Filing date: 2016-03-02
Publication date: 2017-09-07
Anticipated expiration: 2036-03-02
Also published as: JP6394624B2

Abstract

【課題】小型タービンと大型タービンとを用いて効率よく吸気を過給しながら、高い加速性能を実現する。【解決手段】小型タービ５４ンをバイパスする排気バイパス通路１３２とこれを開閉する排気バイパス弁４４と、小型コンプレッサ５２をバイパスする第１バイパス通路１２１とこれを開閉する第１バイパス弁４１と大型コンプレッサ６２をバイパスする第２バイパス通路１２２とこれを開閉する第２バイパス弁４２と、大型コンプレッサ６２の上流側の通路の流路面積を変更する絞り弁４３とを設け、低流量領域Ａ１から高流量領域Ａ２への移行時の少なくとも初期に、排気バイパス弁４４および第１バイパス弁４１をそれぞれ閉じるとともに第２バイパス弁４２を開き、かつ、絞り弁４３の開度を低流量領域Ａ１および高流量領域Ａ２のときよりも小さい開度にする。【選択図】図１

Description

本発明は、エンジン本体に導入される吸気が流通する吸気通路と、エンジン本体から排出される排気が流通する排気通路と、小型ターボ過給機と、大型ターボ過給機とを備えたターボ過給機付エンジンに関する。

前記ターボ過給機付エンジンの一例として、下記特許文献１のものが知られている。この特許文献１のターボ過給機付エンジンは、小型のターボ過給機と大型のターボ過給機とを有し、過給を行う過給機の種類が運転条件に応じて変更されるようになっている。具体的には、このターボ過給機付エンジンでは、排気通路に、上流側から順に容量が小さい小型のタービンと容量が大きい大型のタービンとが配設されるとともに、吸気通路に、各タービンによってそれぞれ駆動されるコンプレッサが配設されている。また、小型のタービンおよび小型のコンプレッサをそれぞれバイパスする通路およびこれを開閉する弁が設けられている。そして、エンジン負荷が低くかつエンジン回転数が低い領域では、各バイパス通路が閉鎖されることで小型ターボと大型ターボとにより過給が行われ、それ以外の領域では各バイパス通路が開放されることで大型ターボ過給機のみにより過給が行われる。

このように構成された特許文献１のターボ過給機付エンジンによれば、エンジン負荷が低くかつエンジン回転数が低くこれに伴いエンジンから排出される排気の流量が少ない領域では、両ターボ過給機を過給に利用することによって少ない排気エネルギーで吸気を適切に過給することができるとともに、それ以外の領域であって排気の流量が多い高流量領域では、容量が大きい大型のタービンによって効率よく吸気を過給することができる。

特許第５１３０９３３号公報

しかしながら、特許文献１のターボ過給機付エンジンでは、低流量領域から高流量領域への移行時に大型コンプレッサの回転上昇が遅れ、加速性能が十分に確保できないおそれがある。具体的には、このターボ過給機付エンジンでは、加速時に運転領域が低流量領域から高流量領域に移行するのに伴って大型ターボ過給機のみによる過給に切り替えられるが、大型タービンはイナーシャが大きいため加速に伴って排気の流量が増大してもその回転数はすぐには上昇しない。そのため、大型コンプレッサの回転数および過給圧が早期に上昇せず十分な加速性能が得られないおそれがある。

本発明は、前記のような事情に鑑みてなされたものであり、小型タービンと大型タービンとを用いて効率よく吸気を過給しながら、高い加速性能を得ることのできるターボ過給機付エンジンを提供することを目的とする。

前記課題を解決するためのものとして、本発明は、エンジン本体と、エンジン本体に導入される吸気が流通する吸気通路と、エンジン本体から排出される排気が流通する排気通路と、小型ターボ過給機および大型ターボ過給機と、各過給機の過給動作を制御可能な制御手段とを備えたターボ過給機エンジンであって、前記小型ターボ過給機は、前記排気通路に設けられる小型タービンと、前記吸気通路に設けられる小型コンプレッサとを有し、前記大型ターボ過給機は、前記排気通路のうち前記小型タービンよりも下流側に設けられて当該小型タービンよりも大型の大型タービンと、前記吸気通路のうち前記小型コンプレッサよりも上流側に設けられて当該小型コンプレッサよりも大型の大型コンプレッサとを有し、前記排気通路は、前記小型タービンよりも上流側の部分と下流側の部分とを連通して当該小型タービンをバイパスする排気バイパス通路と、当該排気バイパス通路を開閉する排気バイパス弁とを有し、前記吸気通路は、前記小型コンプレッサよりも上流側の部分と下流側の部分とを連通して当該小型コンプレッサをバイパスする第１バイパス通路と、当該第１バイパス通路を開閉する第１バイパス弁と、前記大型コンプレッサよりも上流側の部分と下流側の部分とを連通して当該大型コンプレッサをバイパスする第２バイパス通路と、当該第２バイパス通路を開閉する第２バイパス弁と、前記第２バイパス通路の上流端が接続される部分と前記大型コンプレッサとの間の通路の流路面積を変更する絞り弁とを有し、前記制御手段は、エンジン本体から排出される排気の流量が所定量よりも低い低流量領域では、前記排気バイパス弁、前記第１バイパス弁および前記第２バイパス弁を閉じ、かつ、前記絞り弁を開く一方、前記排気の流量が前記所定量以上の高流量領域では、前記排気バイパス弁および前記第１バイパス弁を開き、前記第２バイパス弁を閉じ、かつ、前記絞り弁を開くとともに、前記低流量領域から前記高流量領域への移行時の少なくとも初期は、前記排気バイパス弁および前記第１バイパス弁をそれぞれ閉じるとともに前記第２バイパス弁を開き、かつ、前記絞り弁の開度を前記低流量および高流量領域のときよりも小さい開度にすることを特徴とするものである（請求項１）。

本発明によれば、低流量領域において両方のターボ過給機によって少ない量の排気で効果的に吸気を過給することができるとともに、高流量領域において大型ターボ過給機によって効率よく吸気を過給することができる。

しかも、低流量領域から高流量領域への移行時（少なくとも初期）には、排気バイパス弁および第１バイパス弁がそれぞれ閉じられ、第２バイパス弁が開かれ、かつ、絞り弁が絞り制御される（絞り弁の開度が低流量および高流量領域の開度よりも小さい開度とされる）ため、小型ターボ過給機による過給力を高めつつ大型ターボ過給機の回転数を上昇させることができ、過給圧をより早期に高くして加速性能を高めることができる。

具体的には、前記移行時において、排気バイパス弁が閉じられることでエンジン本体から排出された排気の全量が小型タービンに導入される。そのため、イナーシャが小さいこの小型タービンに効果的に多量の排気を導入することができ、小型タービンの回転数をより早期に高めることができる。さらに、このとき、第１バイパス弁が閉じられるとともに、第２バイパス弁が開かれて、小型コンプレッサに向かう吸気の流路抵抗が小さくされる。そのため、小型コンプレッサに流入する吸気の量を多くすることができ、この多量の吸気を回転数の上昇が促進された小型タービンによって効果的に過給することができ過給圧をより早期に高めることができる。しかも、このとき、絞り弁が絞り制御されて、大型コンプレッサに流入する吸気の量すなわち大型コンプレッサの作動流体の量が低減される。そのため、大型コンプレッサの回転数を高めてこれによる過給能力を高めることができる。従って、前記移行時において過給圧をより早期に高くすることができる。また、前記移行時の後半あるいは移行後に高流量領域の制御に切り替えて、主として大型ターボ過給機によって過給を行うときに、高い回転数で回転している大型ターボ過給機によって吸気を適切に過給することができる。

なお、本発明において「弁を閉じる」とは、ガスの流通を規制することであり、実質的にこのガスの流通が規制されていればよく、弁を全閉にすることに限定されない。同様に、「弁を開く」とは、ガスの流通が規制されないようにすることであり、実質的にガスの流通が規制されない状態になっていればよく、弁を全開にすることに限定されない。

本発明において、前記制御手段は、前記低流量領域から前記高流量領域への移行時において、前記大型コンプレッサの回転数が予め設定された基準回転数以上になると、前記排気バイパス弁および前記第１バイパス弁をそれぞれ開き、前記第２バイパス弁を閉じ、かつ、前記絞り弁の開度を開くのが好ましい（請求項２）。

この構成によれば、大型コンプレッサの回転数が基準回転数以上に高められた状態で大型ターボ過給機を主とした過給に切り替えられるため、この切替時において過給圧をより確実に高い値に維持することができる。

また、本発明において、前記排気通路のうち前記小型タービンと前記大型タービンの少なくとも一方のタービンに流入する排気の流路面積を変更して当該タービンに流入する排気の流速を変更可能な排気流速変更手段を備えるのが好ましい（請求項３）。

このようにすれば、タービンに流入する排気の流速を変更することで過給圧をより精度よく適切な値にすることができる。

また、本発明において、前記制御手段は、前記低流量領域から前記高流量領域への移行が開始すると前記排気流速変更手段によって前記排気の流路面積を小さくするのが好ましい（請求項４）。

このようにすれば、低流量領域から高流量領域への移行開始時であって前記のようにより多くの吸気が小型コンプレッサに流入している状態で、小型タービンに流入する排気の流速が高められるため、小型ターボ過給機による過給量をより一層高めて加速性能をより確実に高めることができる。ただし、このように構成した場合には、小型タービンの背圧すなわち大型タービンの上流側の圧力が高くなり、大型タービンの回転数の上昇が抑制されるおそれがある。これに対して、本発明では、前記のように、前記移行時において大型タービンの回転数を高めることができるように構成されている。従って、前記移行初期において過給圧を早期に高めつつ、大型タービンおよび大型コンプレッサの回転数を適切に上昇させることができる。

以上説明したように、本発明のターボ過給付エンジンによれば、小型タービンと大型タービンとを用いて効率よく吸気を過給しながら、高い加速性能を得ることができる。

本発明の一実施形態にかかるターボ過給付エンジンの全体構成を概略的に示す図である。ＶＧＴの概略断面図である。エンジンの制御系を示すブロック図である。低流量領域から高流量領域への移行時の制御手順を示したフローチャートである。運転領域を示した図である。低流量領域から高流量領域への移行時の各パラメータの時間変化を示した図である。コンプレッサの特性を説明するための図である。

（１）エンジンの全体構成
図１は、本発明の一実施形態にかかるターボ過給付エンジンの全体構成を概略的に示す平面図である。本図に示されるエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載された４サイクルのガソリンエンジンであり、紙面に直交する方向に並ぶ複数（例えば４つ）の気筒２を有する直列多気筒型のエンジン本体１と、エンジン本体１に燃焼用の空気を導入するための吸気通路２０と、エンジン本体１で生成された燃焼ガス（排気）を排出するための排気通路３０と、排気通路３０を流通する排気によりそれぞれ駆動される小型ターボ過給機５０および大型ターボ過給機６０とを備えている。

エンジン本体１は、円筒状の気筒２が内部に形成されたシリンダブロック３と、気筒２の上面を塞ぐようにシリンダブロック３に取り付けられたシリンダヘッド４と、各気筒２にそれぞれ往復動可能に挿入されたピストン５とを有している。

ピストン５の上方には燃焼室６が画成されており、この燃焼室６には、インジェクタ１１から噴射されるガソリンを主成分とする燃料が供給される。供給された燃料は燃焼室６で燃焼し、その燃焼による膨張力で押し下げられることでピストン５は上下方向に往復運動する。

ピストン５の下方には、エンジン本体１の出力軸であるクランク軸１５が配設されている。クランク軸１５は、ピストン５とコネクティングロッド１４を介して連結され、ピストン５の往復運動に応じて中心軸回りに回転する。

シリンダヘッド４には、前記のように燃焼室６に向けて燃料（ガソリン）を噴射するインジェクタ１１と、インジェクタ１１から噴射された燃料と空気との混合気に点火する点火プラグ１２とが、各気筒２につき１組ずつ設けられている。

また、シリンダヘッド４には、各気筒２に対応して、吸気通路２０から供給される空気（吸気）を各気筒２に導入するための吸気ポート７と、各気筒２で生成された排気を排気通路３０に導出するための排気ポート８と、吸気ポート７を開閉可能に閉鎖する吸気弁９と、排気ポート８を開閉可能に閉鎖する排気弁１０とがそれぞれ設けられている。

吸気通路２０は、各吸気ポート７に繋がるように設けられている。吸気通路２０には、上流側から順に、エアクリーナ２１、大型コンプレッサ６２、小型コンプレッサ５２、インタークーラ２２、スロットルバルブ２３が設けられている。

大型コンプレッサ６２は、大型ターボ過給機６０の構成部品である。すなわち、大型ターボ過給機６０は、排気通路３０に設けられて排気により回転駆動される大型タービン６４と、吸気通路２０に設けられて大型タービン６４により回転駆動される大型コンプレッサ６２とを有しており、大型タービン６４に排気が導入されて回転することで大型コンプレッサ６２が回転して吸気を過給する。

同様に、小型コンプレッサ５２は、小型ターボ過給機５０の構成部品である。すなわち、小型ターボ過給機５０は、排気通路３０に設けられて排気により回転駆動される小型タービン５４と、気通路２０に設けられて小型タービン５４により回転駆動される小型コンプレッサ５２とを有しており、小型タービン５４に排気が導入されて回転することで小型コンプレッサ５２が回転して吸気を過給する。

ここで、小型ターボ過給機５０すなわち小型タービン５４および小型コンプレッサ５２は、大型コンプレッサ６２すなわち大型タービン５４および大型コンプレッサ５２よりも容量が小さく、これに伴って、小型ターボ過給機５０のイナーシャは大型ターボ過給機６０よりも小さくなっている。

吸気通路２０には、小型コンプレッサ５２をバイパスする第１バイパス通路１２１と、大型コンプレッサ６２をバイパスする第２バイパス通路１２２とが設けられている。

具体的には、第１バイパス通路１２１は、吸気通路２０のうち小型コンプレッサ５２と大型コンプレッサ６２との間に位置する分岐部１２１ａと、小型コンプレッサ５２よりも下流側の部分１２１ｂとを連通している。また、第２バイパス通路１２２は、分岐部１２１ａと大型コンプレッサ６２との間の部分１２２ｂと、大型コンプレッサ６２よりも上流側の部分１２２ａとを連通している。

第１バイパス通路１２１には、これを開閉する第１バイパス弁４１が設けられている。第１バイパス弁４１が全閉の状態（第１バイパス通路１２１を封鎖している状態）では、吸気の全量は小型コンプレッサ５２に流入する。一方、第１バイパス弁４１が開弁している状態では、吸気の多くは小型コンプレッサ５２をバイパスして流下する。すなわち、小型コンプレッサ５２は吸気の流通に対して抵抗となるため、第１バイパス弁４１が開弁している状態では、吸気の多くはより抵抗の小さい第１バイパス通路１２１に流入する。

同様に、第２バイパス通路１２２には、これを開閉する第２バイパス弁４２が設けられている。第２バイパス弁４２が全閉の状態（第２バイパス通路１２２を封鎖している状態）では、吸気の全量は大型コンプレッサ６２に流入する。一方、第２バイパス弁４２が開弁している状態では、吸気の多くは大型コンプレッサ６２をバイパスして流下する。すなわち、大型コンプレッサ６２は吸気の流通に対して抵抗となるため、第２バイパス弁４２が開弁している状態では、吸気の多くはより抵抗の小さい第２バイパス通路１２２に流入する。

さらに、吸気通路２０には、吸気通路２０のうち第２バイパス通路１２２の上流端が接続される部分１２２ａと大型コンプレッサ６２との間の通路２０ａに、この通路２０ａの流路面積を変更する絞り弁４３が設けられている。これに伴い、第２バイパス弁４２が開弁している状態において、絞り弁４３の開度が全開よりも閉じ側とされると、大型コンプレッサ６２に流入する吸気の量は低減され、より多くの吸気が第２バイパス通路１２２に流入して小型コンプレッサ５２に向かうことになる。

排気通路３０は、エンジン本体１の各排気ポート１１に繋がるように設けられている。排気通路３０には、上流側から順に、小型タービン５４、大型タービン６４、触媒装置９０が設けられている。

前記のように、小型タービン５４は、排気のエネルギーを受けて小型コンプレッサ５２を回転駆動する。また、大型タービン６４は、排気のエネルギーを受けて大型コンプレッサ５２を回転駆動する。

小型タービン５４は、複数の翼を有しこれら翼に排気が衝突することで回転するインペラである。また、本実施形態では、小型タービン５４は、図２に示すように、ＶＧＴ（ＶａｒｉａｂｌｅＧｅｏｍｅｔｒｙＴｕｒｂｉｎｅ）であり、この小型タービン５４の周囲には、角度変更可能な複数のノズルベーン５４ｂが設けられているとともに、各ノズルベーン５４ｂと連携されたロッド５４ｃと、ロッド５４ｃを進退駆動することにより各ノズルベーン５４ｂの角度を変更するベーンアクチュエータ５４ｄとが設けられている。ベーンアクチュエータ５４ｄおよびロッド５４ｃによってノズルベーン５４ｂが閉方向（隣接するノズルベーン５４ｂどうしの距離を狭める方向）に駆動されると、小型タービン５４に流入する排気の流路の面積は小さくなり、小型タービン５４に流入する排気の流速が増大する。

このように、本実施形態では、各ノズルベーン５４ｂと、ロッド５４ｃと、ベーンアクチュエータ５４ｄとが、小型タービン５４に流入する排気の流路面積を変更してこの排気の流速を変更可能な排気流速変更手段として機能する。

排気通路３０には、小型タービン５４をバイパスする排気バイパス通路１３２が設けられている。

具体的には、排気バイパス通路１３２は、排気通路３０のうち小型タービン５４と大型タービン６４との間の部分１３２ｂと、小型タービン５４よりも上流側の部分１３２ａとを連通している。

排気バイパス通路１３２には、これを開閉する排気バイパス弁４４が設けられている。排気バイパス弁４４が全閉の状態（排気バイパス通路１３２を封鎖している状態）では、排気の全量は小型タービン５４に流入する。一方、排気バイパス弁４４が開弁している状態では、排気の多くは小型タービン５４をバイパスして流下する。すなわち、小型タービン５４は排気の流通に対して抵抗となるため、排気バイパス弁４４が開弁している状態では、排気の多くはより抵抗の小さい排気バイパス通路１３２を通り、小型タービン５４を通過せずに流下する。

また、本実施形態では、排気通路３０に、大型タービン６４をバイパスするウエストゲート用通路１３３が設けられているとともに、これを開閉するウエストゲートバルブ４５が設けられている。

具体的には、ウエストゲート用通路１３３は、排気通路３０のうち排気バイパス通路１３２の下流端１３２ｂよりも下流側の部分と１３３ａ、大型タービン６４よりも下流側の部分１３３ｂとを連通している。ウエストゲートバルブ４５が全閉の状態では、排気の全量が大型タービン６４に流入する一方、ウエストゲートバルブ４５が開弁している状態では、排気の多くが大型タービン６４をバイパスして流下する。

また、本実施形態のエンジンは、排気の一部を吸気に還流させるＥＧＲ装置８０を有しており、エンジンには、排気通路３０のうち小型タービン５４よりも上流側の部分と、吸気通路２０のうちスロットルバルブ２３よりも下流側の部分とを連通するＥＧＲ通路８１と、これを開閉するＥＧＲバルブ８２と、ＥＧＲ通路８１内のガスを冷却するＥＧＲクーラ８３とが設けられている。

（２）制御系統
次に、図３を用いて、エンジンの制御系について説明する。本実施形態のエンジンシステムは、車両に搭載されたＥＣＵ（エンジン制御ユニット、制御手段）５００によって制御される。ＥＣＵ５００は、周知のとおり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｆ等から構成されるマイクロプロセッサである。

ＥＣＵ５００には、各種センサからの情報が入力される。例えば、ＥＣＵ５００は、エキセントリックシャフト２３の回転数すなわちエンジンの回転数を検出するためのエンジン回転数センサＳＮ１、各気筒２に導入される吸気量を検出するためのエアフローセンサＳＮ２、車両に設けられて運転者により操作されるアクセルペダル（不図示）の開度を検出するアクセル開度センサＳＮ３、過給圧（吸気通路２０のうち小型コンプレッサ５２の下流側の圧力）を検出する過給圧センサＳＮ４、大型コンプレッサ６２の回転数を検出する大型コンプレッサ回転数センサＳＮ５等と電気的に接続されており、これらのセンサからの入力信号を受け付ける。

ＥＣＵ５００は、各センサＳＮ１〜ＳＮ５からの入力信号等に基づいて種々の演算等を実行し、各バイパス弁４１，４２，４４、絞り弁４３、ウエストゲートバルブ４５、小型タービン５４、およびその他のエンジンの各部（点火プラグ１２、インジェクタ１１、スロットルバルブ２３等）にそれぞれ制御信号を出力する。

具体的には、ＥＣＵ５００は、各弁およびバルブを駆動するアクチュエータに指令を出して、これら弁およびバルブを開閉させる。

また、ＥＣＵ５００は、小型タービン５４の制御として、ベーンアクチュエータ６４ｄに駆動信号を出力して小型タービン５４のノズルベーン５４ｂの角度（以下、適宜、ＶＧＴ開度という）を制御する。ここで、ＶＧＴ開度は、その値が大きいほど小型タービン５４の各翼に向かう排気の流通通路の流路面積が大きくなり、その値が小さいほどこの流路面積が小さく絞られるようになるパラメータである。

ＥＣＵ５００による、各バイパス弁４１，４２，４４、絞り弁４３、小型タービン５４（ＶＧＴ開度）の制御内容について図４のフローチャートを用いて説明する。

まず、ＥＣＵ５００は、ステップＳ２にて、低流量領域から高流量領域への移行時であるか否かを判定する。すなわち、本実施形態では、エンジンの運転領域が図５のように区画されており、エンジン回転数およびエンジン負荷が図５のラインＬ１よりも小さくこれに伴ってエンジン本体１から排出される排気の流量が所定値よりも低い領域に低流量領域Ａ１が設定され、それ以外の領域であってエンジン回転数あるいはエンジン負荷が高くこれに伴って排気の流量が所定値以上の領域に高流量領域Ａ２が設定されている。ＥＣＵ５００は、エンジン回転数とエンジン負荷（要求されるエンジントルク）とに応じて現在の運転領域がこれら領域Ａ１，Ａ２のいずれであるかを常時判定しており、ステップＳ２では、図５の矢印で示すように、現在の運転領域が高流量領域Ａ２であり、かつ、直前の運転領域が低流量領域Ａ１である場合に、低流量領域Ａ１から高流量領域Ａ２への移行時であると判定する。

ステップＳ２の判定がＮＯの場合は、ステップＳ１０に進む。ステップＳ１０では、
現在の運転領域が高流量領域Ａ２であるか否かを判定する。この判定がＹＥＳであって、高流量領域Ａ２であて、かつ、前記移行時でない場合は、ステップＳ１１に進む。

ステップＳ１１では、排気バイパス弁４４および第１バイパス弁４１をそれぞれ全開にする（既に全開の場合は全開を維持する）。

ステップＳ１１の後はステップＳ１２に進み、第２バイパス弁４２を全閉にする（既に全開の場合は全閉を維持する）。また、ステップＳ１２の後に進むステップＳ１３において、絞り弁４３を全開にして（既に全開の場合は全開を維持する）処理を終了する（ステップＳ１に戻る）。

このように、本実施形態では、高流量領域Ａ２で運転がなされている場合（前記移行時を除く）は、排気バイパス弁４４および第１バイパス弁４１がそれぞれ全開とされる。従って、排気の多くは小型タービン５４を通過せずに直接大型タービン６４に流入し、吸気の多くは小型コンプレッサ５２を通過せずに流下する。また、第２バイパス弁４２が全閉とされることで、吸気の全量が大型コンプレッサ６２に流入する。これに伴い、高流量領域Ａ２では、主として大型ターボ過給機６０によって過給が行われる。また、絞り弁４３が全開とされることで、吸気はより抵抗の少ない状態で効率よく大型コンプレッサ６２に流入する。

一方、ステップＳ１０の判定がＮＯであって低流量領域Ａ１で運転されている場合は、ステップＳ２１に進む。ステップＳ２１では、排気バイパス弁４４および第１バイパス弁４１をそれぞれ全閉にする（既に全開の場合は全閉を維持する）。ステップＳ２１の後は、ステップＳ１２およびステップＳ１３に進み、前記のように、第２バイパス弁４２を全閉にするとともに絞り弁４３を全開にして処理を終了する（ステップＳ２に戻る）。

このように、本実施形態では、低流量領域Ａ１で運転がなされている場合は、排気バイパス弁４４、第１バイパス弁４１および第２バイパス弁４２がそれぞれ全閉とされる。従って、吸気の全量が大型コンプレッサ６２を通過するとともに、その後小型コンプレッサ５２に流入する。また、排気の全量が小型タービン５４に流入し、その後大型タービン６４に流入する。なお、第２バイパス弁４２が全閉とされ、絞り弁４３が全開とされることで、前記のように、吸気は効率よく大型コンプレッサ６２に流入する。

一方、ステップＳ２の判定がＹＥＳであって低流量領域Ａ１から高流量領域Ａ２への移行が行われたと判定されると、ステップＳ３１に進む。ステップＳ３１では、ＶＧＴ開度を閉じ側にする。

ステップＳ３１の後は、ステップＳ３２に進み、排気バイパス弁４４および第１バイパス弁４１をそれぞれ全閉にする。

ステップＳ３２の後は、ステップＳ３３に進み、第２バイパス弁４２を全開にする。

ステップＳ３３の後は、ステップＳ３４に進み、絞り弁４３を全開よりも閉じ側にする。具体的には、絞り弁４３の開度を全閉よりも開き側でかつ全開よりも閉じ側の所定の開度にする。この開度は、例えば、予め設定されている。

ステップＳ３４の後は、ステップＳ３５に進む。ステップＳ３５では、大型コンプレッサ回転数センサＳＮ５により検出された大型コンプレッサ６２の回転数である大型コンプレッサ回転数が基準回転数以上か否かが判定される。基準回転数は予め設定されている。

ステップＳ３５の判定がＹＥＳであって、大型コンプレッサ回転数が基準回転数以上に高められている場合は、ステップＳ１１に進む。そして、ステップＳ１１〜Ｓ１３を実施して、処理を終了する（ステップＳ２に戻る）。すなわち、大型コンプレッサ回転数が基準回転数以上になると、通常の高流量領域Ａ２と同様の制御が行われ、排気バイパス弁４４および第１バイパス弁４１がそれぞれ全開にされ、第２バイパス弁４２が全閉にされるとともに、絞り弁４３が全開にされる。

一方、ステップＳ３５の判定がＮＯであって、大型コンプレッサ回転数が基準回転数にまだ到達していない場合は、ステップＳ３２に戻る。そして、ステップＳ３２〜Ｓ３５を繰り返す。

このように、本実施形態では、低流量領域Ａ１から高流量領域Ａ２へ移行すると、大型コンプレッサ回転数が基準回転数に到達するまでの間、排気バイパス弁４４および第１バイパス弁４１がそれぞれ全閉にされ、第２バイパス弁４２が全開にされるとともに、絞り弁４３が全開よりも閉じ側とされる。従って、この期間中、排気の全量が小型タービン５４に流入し、その後大型タービン６４に流入する。また、大型コンプレッサ６２に流入する吸気の量は低減され、吸気の全量が小型コンプレッサ５２に流入する。

そして、大型コンプレッサ回転数が基準回転数に到達すると、排気バイパス弁４４、第１バイパス弁４１および絞り弁がそれぞれ全開とされ、第２バイパス弁４２が全閉とされて、通常の高流量領域Ａ２と同様の制御が行われて主として大型ターボ過給機６０によって吸気が過給される。

なお、本実施形態では、ウエストゲートバルブ４５は、基本的に全閉とされており、過給圧が所定の限界圧力を超えると開弁するようになっている。

（３）作用等
図６は、低流量領域Ａ１から高流量領域Ａ２への移行時における各パラメータの変化を模式的に示したものである。なお、図６において、破線は、比較例として、移行時に、第２バイパス弁４２を全開にし且つ絞り弁４３を全閉にする制御を実施せず、移行前後で第２バイパス弁４２を全閉、絞り弁４３を全開に維持したときの各変化を示している。

この図６に示すように、本実施形態では、時刻ｔ１にて、鎖線で示すようにエンジン負荷（要求されるエンジントルクである要求トルク）が増大して運転領域が低流量領域Ａ１から高流量領域Ａ２に移行しても、排気バイパス弁４４が全閉に維持される。そのため、排気の全量が小型タービン５４に導入されることになり、時刻ｔ１直後において小型タービン５４および小型コンプレッサ５２の回転数をより早期に高めることができる。

具体的には、時刻ｔ１後、エンジン負荷が増大するのに伴ってエンジン本体２から排出される排気の量は増大するが、このとき、前記のように排気バイパス弁４４が全閉に維持されていることで、前記増量した排気の全量をイナーシャが小さく回転上昇しやすい小型タービン５４に導入することができる。従って、小型タービン５４および小型コンプレッサ５２の回転数を高めることができる。なお、本実施形態では、前記のように、移行直後にＶＧＴの開度が閉じ側にされるようになっている。そのため、小型タービン５４および小型コンプレッサ５２の回転数はより一層高められる。

しかも、このとき、第１バイパス弁４１が全閉にされ、第２バイパス弁４２が全開にされ、かつ、絞り弁４３が閉じ側とされて、より多くの吸気が大型コンプレッサ６２を通過せずに小型コンプレッサ５２に流入するようになっている。そのため、前記のように回転数が高められた小型タービン５４および小型コンプレッサ５２によってこの増大した吸気を効果的に過給することができる。従って、過給圧をより確実に高くすることができる。すなわち、比較例であって、移行前後において、第２バイパス弁４２が全閉に維持され、かつ、絞り弁４３が全開に維持される場合には、小型コンプレッサ５２には、大型コンプレッサ６２を通過した後の吸気しか流入せず、大型コンプレッサ６２が抵抗となって小型コンプレッサ５２に流入する吸気の流量は小さく抑えられる。そのため、小型タービン５４および小型コンプレッサ５２の回転を効果的に吸気に付与することができず、過給圧の上昇が低く抑えられる。これに対して、本実施形態では、小型コンプレッサ５２に流入する吸気の流量を増大させて小型コンプレッサ５２によって効果的に吸気を過給することができる。

さらに、本実施形態では、時刻ｔ１において、絞り弁４３が閉じ側とされて、大型コンプレッサ６２に流入する吸気の量が低減される。すなわち、大型コンプレッサ６２が駆動する作動流体の量が低減される。そのため、大型コンプレッサ６２の回転数も高めることができる。

図７を用いて詳細に説明する。図７は、コンプレッサの特性を示した図であり、横軸をコンプレッサに流入する作動流体の流量、縦軸をコンプレッサの前後の圧力比（上流側の圧力を下流側の圧力で割ったもの）として、コンプレッサの回転数と、コンプレッサの駆動力（コンプレッサを駆動するのに必要な力）を示した図である。具体的には、図７において、各実線はそれぞれコンプレッサの駆動力が互いに同じとなる点をつないだ線であり、各破線Ｎｃ１〜Ｎｃ５はそれぞれコンプレッサの回転数が同じとなる点をつないだ線である。ここで、回転数は、Ｎｃ１からＮｃ５に向けて高くなっている。また、図７には、合わせて、鎖線でコンプレッサの効率も示している（各鎖線は、それぞれ効率が同じとなる点をつないだ線）。

この図７に示されるように、駆動力が同じ場合において、コンプレッサに流入する作動流体の流量が小さくなると、コンプレッサの回転数は高くなる。例えば、点Ａと点Ｂとでは、駆動力は同じであるが、点Ｂの方がコンプレッサの回転数は高くなる。

従って、前記のように絞り弁４３を閉じ側とされて大型コンプレッサ６２に流入する吸気の量すなわち作動流体の流量が低減すると、大型コンプレッサ６２および大型タービン６４の回転数は高くなる。すなわち、大型タービン６４に流入する排気のエネルギーであって大型コンプレッサ６２の駆動力は絞り弁４３の開閉によって変化しないため、絞り弁４３が閉じ側とされて前記流量が低減すると、大型コンプレッサ６２および大型タービン６４の回転数は高くなる。また、図７から明らかなように、このように作動流体の流量が低減されて回転数が高められるとコンプレッサの圧力比も増大する。そのため、絞り弁４３を閉じ側とされることによって大型コンプレッサ６２による過給も促進され、過給圧はより一層高められる。

このように、本実施形態では、時刻ｔ１であって低流量領域Ａ１から高流量領域Ａ２への移行が行われた直後において過給圧を早期に高めることができ、これに伴ってエンジントルクを高めて加速性能を高くすることができる。

また、本実施形態では、時刻ｔ２において大型コンプレッサの回転数が基準回転数に到達すると、排気バイパス弁４４、第１バイパス弁４１および絞り弁４３が全開にされ、且つ、第２バイパス弁４２が全閉にされて、前記のように、主として大型ターボ過給機６０によって吸気が過給されるようになるが、このとき大型コンプレッサ６２の回転数が十分に高められているため、時刻ｔ２後においても、過給圧を適切に高めること、あるいは、適切な値に維持することが可能になる。なお、図７に示すように、時刻ｔ２後は、小型タービン５４に流入する排気の量が低減することに伴い小型コンプレッサ５２の回転数は低下する。

（４）変形例
前記実施形態では、第２バイパス弁４２を開弁し、かつ、絞り弁４３を閉じ側にする制御を実施する期間を、低流量領域Ａ１から高流量領域Ａ２への移行が開始されてから、大型コンプレッサの回転数が基準回転数に到達するまでの間とした場合について説明したが、前記制御は、前記移行時の少なくとも初期に行われればよい。なお、ここでは、前記移行時とは、エンジン回転数およびエンジントルクの要求値が低流量領域Ａ１の値から高流量領域Ａ２の値に切り替わってから、これらの実際の値が高流量領域Ａ２の値となるまでの期間をいう。例えば、前記制御をこの移行時の全期間にわたって実施してもよい。また、前記移行が開始されてから予め設定された所定の時間経過するまでの間、前記制御を実施するようにしてもよい。

また、前記実施形態では、大型コンプレッサ６２の回転数が基準回転数に到達すると、排気バイパス弁４４および第１バイパス弁４１を全閉から全開にし、第２バイパス弁４２を全開から全閉にし、絞り弁４３を全開にする場合について説明したが、これらの開度を徐々に変更するようにしてもよい。例えば、大型コンプレッサ６２の回転数が前記基準回転数よりも小さい所定の回転数に到達すると、各弁４１〜４３の開度を全閉あるいは全開に向けて徐々に変化させるようにしてもよい。

また、前記実施形態では、小型タービン５４をＶＧＴとした場合について説明したが、小型タービン５４を、ノズルベーン５４ｂを有しない通常のタービンとしてもよい。ただし、小型タービン５４をＶＧＴとして、前記のように前記移行時にＶＧＴ開度を閉じ側にすれば、小型タービン５４の回転数をより早期に高めて加速性能をより確実に高めることができる。

ただし、このように小型タービン５４をＶＧＴとし、前記移行時にＶＧＴ開度を閉じ側に変更すると、小型タービン５４の背圧が上昇し大型タービン６４の上流側の圧力が増大して大型タービン６４の回転数の上昇が抑制されるおそれがある。しかしながら、本実施形態では、前記のように、前記移行時において大型コンプレッサ６２に流入する吸気の量を低減することによって大型コンプレッサ６２および大型タービン６４の回転数を高めることができる。従って、小型タービン５４をＶＧＴとすることで、加速性能をより確実に高めることができる。

また、大型タービン６４をＶＧＴとしてもよい。この場合であっても、大型タービン６４のＶＧＴ開度の調整によって、過給圧をより適切な値にすることができる。すなわち、前記移行時において、大型タービン６４のＶＧＴ開度を閉じ側にすれば、大型タービン６４の回転数をより一層高くして過給圧を高めることができる。ただし、移行時において大型タービン６４のＶＧＴ開度を閉じ側にすると、大型タービン６４の上流側の圧力すなわち小型タービン５４の背圧が上昇するので、ＶＧＴ開度の閉じ量は少なく抑えるのが好ましい。なお、本実施形態では、前記のように、前記移行時において大型コンプレッサ６２に流入する吸気の量を低減することによって大型コンプレッサ６２および大型タービン６４の回転数を高めることができる。そのため、ＶＧＴ開度の閉じ量を少なく抑えても、これらの回転数を十分に高めることができる。

また、前記実施形態では、各バイパス弁４１，４２，４４を全閉と全開とに切り替える場合について説明したが、必ずしも全閉と全開とに切り替える必要はない。すなわち、各弁４１，４２，４４が所定量開いていても、実質的に全閉にしたときと同様に各弁４１，４２，４４によってガスの流通が規制される場合（ほとんどガスが流れない場合）には、前記実施形態における各バイパス弁４１，４２，４４を全閉にするという制御に代えて各バイパス弁４１，４２，４４の開度を前記の所定量以下にするという制御を行ってもよい。

同様に、各弁４１，４２，４４が全開から所定量閉じていても、実質的に全開にしたときと同様に各弁４１，４２，４４によってガスの流通がほとんど規制されない場合には、前記実施形態における各バイパス弁４１，４２，４４を全開にするという制御に代えて各バイパス弁４１，４２，４４の開度を前記の所定量以上にするという制御を行ってもよい。また、絞り弁４８においても、絞り弁４８を全開にする制御に代えて、絞り弁４８の開度を所定量以上にするという制御を行ってもよい。

１エンジン本体
２０吸気通路
３０排気通路
４１第１バイパス弁
４２第２バイパス弁
４３絞り弁
４４排気バイパス弁
５０小型ターボ過給機
５２小型コンプレッサ
５４小型タービン
６０大型ターボ過給機
６２大型コンプレッサ
６４大型タービン
１２１ａ分岐部
１２１第１バイパス通路
１２２第２バイパス通路
１３２排気バイパス通路

Claims

エンジン本体と、エンジン本体に導入される吸気が流通する吸気通路と、エンジン本体から排出される排気が流通する排気通路と、小型ターボ過給機および大型ターボ過給機と、各過給機の過給動作を制御可能な制御手段とを備えたターボ過給機エンジンであって、
前記小型ターボ過給機は、前記排気通路に設けられる小型タービンと、前記吸気通路に設けられる小型コンプレッサとを有し、
前記大型ターボ過給機は、前記排気通路のうち前記小型タービンよりも下流側に設けられて当該小型タービンよりも大型の大型タービンと、前記吸気通路のうち前記小型コンプレッサよりも上流側に設けられて当該小型コンプレッサよりも大型の大型コンプレッサとを有し、
前記排気通路は、前記小型タービンよりも上流側の部分と下流側の部分とを連通して当該小型タービンをバイパスする排気バイパス通路と、当該排気バイパス通路を開閉する排気バイパス弁とを有し、
前記吸気通路は、前記小型コンプレッサよりも上流側の部分と下流側の部分とを連通して当該小型コンプレッサをバイパスする第１バイパス通路と、当該第１バイパス通路を開閉する第１バイパス弁と、前記大型コンプレッサよりも上流側の部分と下流側の部分とを連通して当該大型コンプレッサをバイパスする第２バイパス通路と、当該第２バイパス通路を開閉する第２バイパス弁と、前記第２バイパス通路の上流端が接続される部分と前記大型コンプレッサとの間の通路の流路面積を変更する絞り弁とを有し、
前記制御手段は、
エンジン本体から排出される排気の流量が所定量よりも低い低流量領域では、前記排気バイパス弁、前記第１バイパス弁および前記第２バイパス弁を閉じ、かつ、前記絞り弁を開く一方、
前記排気の流量が前記所定量以上の高流量領域では、前記排気バイパス弁および前記第１バイパス弁を開き、前記第２バイパス弁を閉じ、かつ、前記絞り弁を開くとともに、
前記低流量領域から前記高流量領域への移行時の少なくとも初期は、前記排気バイパス弁および前記第１バイパス弁をそれぞれ閉じるとともに前記第２バイパス弁を開き、かつ、前記絞り弁の開度を前記低流量領域および前記高流量領域のときよりも小さい開度にすることを特徴とするターボ過給機付エンジン。
請求項１に記載のターボ過給機付エンジンにおいて、
前記制御手段は、前記低流量領域から前記高流量領域への移行時において、前記大型コンプレッサの回転数が予め設定された基準回転数以上になると、前記排気バイパス弁および前記第１バイパス弁をそれぞれ開き、前記第２バイパス弁を閉じ、かつ、前記絞り弁を開くことを特徴とするターボ過給機付エンジン。
請求項１または２に記載のターボ過給機付エンジンにおいて、
前記排気通路のうち前記小型タービンと前記大型タービンの少なくとも一方のタービンに流入する排気の流路面積を変更して当該タービンに流入する排気の流速を変更可能な排気流速変更手段を備えることを特徴とするターボ過給機付エンジン。
請求項２または３に記載のターボ過給機付エンジンにおいて、
前記制御手段は、前記低流量領域から前記高流量領域への移行が開始すると前記排気流速変更手段によって前記排気の流路面積を小さくすることを特徴とするターボ過給機付エンジン。