JP4337489B2 - 過給装置 - Google Patents

Description

本発明は、過給装置の技術分野に属する。

過給装置付きエンジンとしては、従来、いわゆる２ステージターボシステムが知られている。これは、エンジンの吸排気管に低圧ターボ及び高圧ターボを備えた構成からなり、第１に低圧ターボによる過給、第２に高圧ターボによる過給という二段の過給が行えるようになっているものである。また、このような２ステージターボシステムでは、前記エンジンの回転数に応じて低圧ターボ及び高圧ターボを使い分けるものが知られている。具体的には、エンジンの回転数が低い領域では、小流量領域での作動に適した小型ターボで主に過給を行い、逆に回転数が高い領域では、大流量領域での作動に適した大型ターボのみで過給を行うというようである。これにより、エンジンの全負荷領域にわたって適切な過給を得ることができる。このような２ステージターボシステムとしては、例えば特許文献１に開示されているようなものが知られている。

特開平４−１３６４２４号公報

しかしながら、従来におけるシステムにおいては次のような問題点がある。すなわち、２ステージターボシステムでは一般に、上述したような二段の過給を実現するため、エンジンからの排気は、まず高圧ターボに流入し、その後、低圧ターボに流入するというようになっている。このことは、排気の流れが高圧ターボ及び低圧ターボ（の各々のタービン）の二段の抵抗を受けることを意味する（とりわけ低圧ターボ側の抵抗が大きく寄与する）から、排気管中の背圧を高めることになり、その結果、エンジンの効率をおとしめるという問題点があったのである。

この点、前記の特許文献１の２ステージターボシステムでは、エンジンの回転数が高い領域では、低圧ターボのみで過給が行われるように、高圧ターボを回避した排気の流れが実現されるようになっている。しかしながら、この場合でも、高圧ターボ下流側の排気は、低圧ターボを通過する構成が採用されており（特許文献１の第１図参照）、前記のようなタービン側の流通抵抗を十分に抑制できるものではない。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、タービン側の流通抵抗を抑制して過給装置を作動させる流体のスムースな流れを実現し得る過給装置を提供することを課題とする。

〔１〕
本発明の過給装置は、上記課題を解決するため、一のコンプレッサ及び一のタービンを有する低圧ターボ及び他のコンプレッサ及び他のタービンを有する高圧ターボと、前記他のタービンの出口と前記一のタービンの入口との連通を遮断する遮断弁と、前記他のタービンと前記遮断弁とをバイパスして前記一のタービンに過給装置を作動させる流体を導入する高圧側バイパス路と、該高圧側バイパス路に設けられる高圧側バイパス路開閉弁と、前記遮断弁と前記一のタービンとをバイパスして前記一のタービンの下流側に過給装置を作動させる流体を導入する低圧側バイパス路と、該低圧側バイパス路に設けられる低圧側バイパス路開閉弁と、前記一のコンプレッサの出口と前記他のコンプレッサの入口との連通を遮断する過給流体遮断弁と、前記一のコンプレッサと前記過給流体遮断弁とをバイパスして前記他のコンプレッサに過給流体を導入する低圧側過給流体バイパス路と、該低圧側過給流体バイパス通路に設けられる低圧側過給流体バイパス路開閉弁と、前記過給流体遮断弁と前記他のコンプレッサとをバイパスして当該他のコンプレッサの下流側に過給流体を導入する高圧側過給流体バイパス路と、該高圧側過給流体バイパス路に設けられる高圧側過給流体バイパス路開閉弁とを備えている。

本発明の過給装置によれば、前記遮断弁を開くとともに、前記高圧側バイパス路開閉弁及び前記低圧側バイパス路開閉弁を閉じれば、低圧ターボ及び高圧ターボ間が連通される。この場合、遮断弁は、高圧ターボのタービンの出口と低圧ターボのタービンの入口との連通の有無を支配するのであるから、過給装置を作動させる流体は、まず高圧ターボを通過し、次いで低圧ターボを通過するというように流れる（以下、「第１流通態様」という。）。

一方、前記遮断弁を閉じるとともに、前記高圧側バイパス路開閉弁及び前記低圧側バイパス路開閉弁を開けば、低圧ターボ及び高圧ターボ間の連通が遮断される。この場合、過給装置を作動させる流体の一部は、高圧側バイパス路を通って低圧タービンに至り、過給装置を作動させる流体のその他の一部は、高圧ターボに至る。そして、このうちの後者は更に、低圧ターボをバイパスする（以下、「第２流通態様」という。）。

このように、本発明では、第１流通態様と第２流通態様という二つの過給態様を実現することが可能となっている。これにより、例えば第１流通態様を行っている際に背圧の上昇が懸念される場合においては、これを第２流通態様に変更する、等とするとよい。第２流通態様では、前述のように、排気が低圧ターボ及び高圧ターボにいわば並列的に流入することになって、当該流体の流路面積が増大し、流通抵抗の増大を抑制することができるからである。以上により結局、本発明によれば、流通抵抗の増大を抑制して、過給装置を作動させる流体のスムースな流れを実現することができる。

この態様によれば、まず、過給流体側の構成が好適となって、いわゆる２ステージ過給及びツイン過給を好適に実現することができる。すなわち、２ステージ過給を実現するためには、過給流体遮断弁を開き、高圧側過給流体バイパス路開閉弁及び低圧側過給流体バイパス路開閉弁を閉じればよい。これにより、過給流体は、まず低圧ターボに流入し、次いで高圧ターボに流入するということになる。なお、このとき、高圧側過給流体バイパス路開閉弁及び低圧側過給流体バイパス路開閉弁は閉じられているのであるから、高圧側過給流体バイパス路及び低圧側過給流体バイパス路には吸気は流通しない。他方、ツイン過給を実現するためには、過給流体遮断弁を閉じ、高圧側過給流体バイパス路開閉弁及び低圧側過給流体バイパス路開閉弁を開けばよい。これにより、過給流体は、低圧ターボ及び高圧ターボにいわば並列的に流入することになる。

そして、この態様では特に、例えば過給流体の流量が大きくなったときに前記ツイン過給を行えば、その過給流体の流れは低圧ターボ及び高圧ターボの二段階に連なる抵抗を受けずに済むから、圧力損失を抑制することができる、という利点が得られることになる。

なお、本態様においては、前記の構成に併せて、「前記過給流体遮断弁の上流側、且つ、前記高圧側過給流体バイパス路と前記過給流体遮断弁が設けられる過給流体管との分岐点の上流側に設けられる第１インタークーラと、高圧ターボのコンプレッサの出口から延びる過給流体管と前記記高圧側過給流体バイパス路との分岐点の下流側に設けられる第２インタークーラとを更に備えた」構成としてもよい。これによれば、第１インタークーラ及び第２インタークーラの配置が好適になるから、低圧ターボ及び高圧ターボのコンプレッサから出てくる空気のいずれをも好適に冷却することができる。

〔２〕
この態様では、前記低圧ターボ及び前記高圧ターボから過給を受けるエンジンを更に備えてなり、該エンジンの回転数が所定回転数以上の場合に、前記遮断弁及び前記過給流体遮断弁の遮断と前記高圧側バイパス路開閉弁、前記低圧側バイパス路開閉弁、前記高圧側過給流体バイパス路開閉弁及び前記低圧側過給流体バイパス路開閉弁の開弁とを実行するように構成してもよい。

このような構成によれば、エンジンの回転数が所定回転数以上となったとき、即ち当該エンジンが比較的高回転域にあるときには、前記の第２流通態様ないしはツイン過給が行われることになる。エンジンが高回転域にあるときには、背圧が高まり、吸気流量が大きくなる傾向があるから、ツイン過給がこのとき行われるのであれば、前述したように背圧の上昇を抑制することができ、また吸気における圧力損失の発生を抑制することができる。

〔３〕
この態様では特に、前記所定回転数は、前記エンジンに対する負荷の軽重に応じて定められているように構成してもよい。

このような構成によれば、例えば、エンジンに対する負荷が比較的小さいときには、該エンジンが比較的低回転域にあってもツイン過給を行う、等といったことが可能になる。これによれば、当該負荷が比較的小さいとき、即ちそもそも過給があまり必要とされていないと考えられるときには、２ステージ過給を行うよりはツイン過給を行っても特に問題はなく、また、それによって過給装置を作動させる流体側の圧力損失を低減することができる（なぜなら、前述のように過給装置を作動させる流体の流路面積が増大するから）という利点も得られることになる。

〔４〕
本発明の過給装置の他の態様では、前記高圧ターボは、前記低圧ターボに比して小容量であって、当該高圧ターボへの過給流体量と当該低圧ターボへの過給流体量との比が、これら高圧ターボと低圧ターボそれぞれの圧縮効率が極大となる過給流体量の比を保つように、これら高圧ターボと低圧ターボの過給圧を調整する制御手段を更に備えている。

この態様によれば、まず、高圧ターボが低圧ターボよりも小容量であることから、前記の２ステージ過給を好適に行うことができる。また、本態様では、高圧ターボ及び低圧ターボそれぞれの過給圧を調整する制御手段が備えられていることから、例えば両ターボの過給圧をほぼ等しくする等といった調整を行うことができ、これによれば、前記のツイン過給を好適に行うことができる。要するに、本態様によれば、２ステージ過給及びツイン過給の双方を好適に行うことができる。

これに加えて本態様では特に、前記の過給圧の調整を、高圧ターボ及び低圧ターボそれぞれの過給流体量の比が、これら高圧ターボと低圧ターボそれぞれの圧縮効率が極大となる過給流体量の比を保つように行うようになっている。これによれば、前記のように低圧ターボ及び高圧ターボそれぞれの過給圧をほぼ等しくなるように調整する制御において、一方は高効率で運転されるが他方は低効率で運転されるなどといった事態を招くことなく、これら双方とも同程度の効率が達成されるところで運転することができる。

〔５〕
この態様では、前記制御手段は、前記高圧ターボへの過給流体量が上限所定量に達した後過給が更に要求される場合に、当該高圧ターボへの過給流体量が前記上限所定量に固定されるように、前記高圧ターボ及び前記低圧ターボそれぞれの過給圧を調整するように構成してもよい。

このような構成によれば、次のような作用効果が得られる。すなわち、いま、ある達成すべき目標値（この場合、より直接的には過給圧の値、あるいは間接的には当該過給圧の値を一義的に決定し得る、ターボへの過給流体の流量、該ターボを構成する可変ノズルの開度等々が該当する。）があるとすると、当該目標値は、本構成の前提となる前記態様に関して述べたように、本来であれば低圧ターボ及び高圧ターボの双方に対する制御によって達成されることが望ましい。しかしながら、この場合、高圧ターボは低圧ターボに比べてより小容量であるから、前記態様の制御を行っている最中に高圧ターボへの過給流体量が上限に達してしまう場合がある。そうすると、高圧ターボに対する制御は困難な状況となり、このままでは前記目標値の実現は望めないことになってしまう。

しかるに、本態様では、かかる状況においても、過給圧調整を好適に実施することができるのである。これは、高圧ターボへの過給流体量を前記上限に固定したまま低圧ターボに対する制御を行うことによって、本来高圧ターボによって実現されるべきところのもの（つまり、前記目標値の実現にあたって高圧ターボが寄与すべき負担分）を、当該低圧ターボが代わって、あるいはこれを補うことが可能となっているからである。

要するに、本態様によれば、より小容量である高圧ターボへの過給流体量が上限所定量に至り当該高圧ターボに対する制御がもはや困難な状況に至った後であっても、前述したような過給圧の調整を好適に実施することができるのである。

以上説明したように、本発明によれば、タービン側の流通抵抗を抑制して過給装置を作動させる流体のスムースな流れを実現し得る。

本発明のこのような作用及び効果その他の利得は次に説明する実施の形態から明らかにされる。

（第１実施形態）
以下では、本発明の第１の実施の形態について図１を参照しつつ説明する。ここに図１は第１実施形態に係る過給装置の構成例を示す図である。

図１において、過給装置は、エンジン１５０、エアクリーナ１０、触媒コンバータ８０、低圧ターボチャージャ４１及び高圧ターボチャージャ４２を備えている（以下、簡単のため、「ターボチャージャ」を「ＴＣ」と表記する。）。このち低圧ＴＣ４１及び高圧ＴＣ４２は、それぞれタービン及びコンプレッサを備えている。これら低圧ＴＣ４１及び高圧ＴＣ４２は、例えば図示しない可変ノズル（Variable Nozzle）を備える等いわゆる可変容量方式をとっている。これにより、一般に、前記可変ノズルを絞れば過給圧を高めてエンジントルクを向上させることができ、該可変ノズルを開けばエンジン１５０の背圧を低めて燃費を向上させることができる、等といった利点が得られる。

前記のエンジン１５０、或いは低圧ＴＣ４１及び高圧ＴＣ４２等は、以下述べるような各種配管によって接続されている。

まず、吸気側について説明する。エアクリーナ１０は、図１において太線で示される主吸気管２０に接続されており、該主吸気管２０は、低圧ＴＣ４１のコンプレッサ、低圧用インタークーラ２４、高圧ＴＣ４２のコンプレッサ、高圧用インタークーラ２５及びエンジン１５０の図示しない吸気バルブのそれぞれに接続されている。この主吸気管２０には、低圧用インタークーラ２４と高圧ＴＣ４２のコンプレッサの入口との間に、第１開閉弁５１（本発明にいう「過給流体遮断弁」の一例に該当する。）が設けられている。

主吸気管２０には、低圧側吸気バイパス路２１及び高圧側吸気バイパス路２２が接続されている。このうち低圧側吸気バイパス路２１は、エアクリーナ１０と低圧ＴＣ４１のコンプレッサの入口との間における主吸気管２０から分岐し、第１開閉弁５１と高圧ＴＣ４２のコンプレッサの入口との間における主吸気管２０に接続されている。この低圧側吸気バイパス路２１には、第２開閉弁５２（本発明にいう「低圧側過給流体バイパス路開閉弁」の一例に該当する。）が設けられている。一方、高圧側吸気バイパス路２２は、前記低圧用インタークーラ２４と第１開閉弁５１との間における主吸気管２０から分岐し、高圧ＴＣ４２のコンプレッサの出口と高圧用インタークーラ２５との間における主吸気管２０に接続されている。この高圧側吸気バイパス路２２には、第３開閉弁５３（本発明にいう「高圧側過給流体バイパス路開閉弁」の一例に該当する。）が設けられている。

なお、低圧用インタークーラ２４及び高圧用インタークーラ２５を、図１のように配置することにより、低圧ＴＣ４１及び高圧ＴＣ４２のコンプレッサから出てくる空気のいずれをも好適に冷却することができる。

次に、排気側について説明する。エンジン１５０の図示しない排気バルブは、図１において太線で示される主排気管３０に接続されており、該主排気管３０は、高圧ＴＣ４２のタービン、低圧ＴＣ４１のタービン及び触媒コンバータ８０に接続されている。この主排気管３０には、高圧ＴＣ４２のタービンの出口と低圧ＴＣ４１のタービンの入口との間に、第４開閉弁６１（本発明にいう「遮断弁」の一例に該当する。）が設けられている。

主排気管３０には、高圧側排気バイパス路３１及び低圧側排気バイパス路３２が接続されている。このうち高圧側排気バイパス路３１は、エンジン１５０と高圧ＴＣ４２のタービンの入口との間における主排気管３０から分岐し、前記第４開閉弁６１と低圧ＴＣ４１のタービンの入口との間における主排気管３０に接続されている。この高圧側排気バイパス路３１には、第５開閉弁６２（本発明にいう「高圧側バイパス路開閉弁」の一例に該当する。）が設けられている。一方、低圧側排気バイパス路３２は、高圧ＴＣ４２のタービンの出口と第４開閉弁６１との間における主排気管３０から分岐し、高圧ＴＣ４２のタービンの出口と触媒コンバータ８０との間の主排気管３０に接続されている。この低圧側排気バイパス路３２には、第６開閉弁６３（本発明にいう「低圧側バイパス路開閉弁」の一例に該当する。）が設けられている。

以上述べた各構成のうち、エンジン１５０及び第１乃至第６開閉弁５１、５２、５３、６１、６２及び６３は、制御装置１７０に接続されている。また、制御装置１７０は、エンジン１５０に付設され当該エンジン１５０の回転数を検知する図示しない回転数センサ、図示しないアクセルペダルに付設され当該アクセルペダルの開度を検知する図示しないアクセル開度センサ、更には主吸気管２０に流れる吸入空気量を検知する図示しないエアフローメータ等に接続されている。接続装置１７０は、これら各センサから送られてくる検知信号に基づき、エンジン１５０における燃料の燃焼態様、バルブ開閉タイミング等を制御することが可能である他、後述するように第１乃至第６開閉弁５１、５２、５３、６１、６２及び６３それぞれの開閉態様を制御する。

以上のような構成となる過給装置は、例えば図２及び図３に示すような運用がなされ、それにより以下に述べる作用効果を得ることができる。ここに図２は、図１に示した過給装置で２ステージ過給とツイン過給の切り替えをどのような基準で行うかを説明するための説明図であり、図３は、図１に示した過給装置で実現される過給態様を示す説明図であって、（ａ）は２ステージ過給を、（ｂ）はツイン過給をそれぞれ示すものである。

まず、第１実施形態に係る過給装置は、基本的に、図２に示すように２ステージ過給域及びツイン過給域という二つの領域に対応した運転がなされる。ここで「２ステージ過給」とは、図１において各バイパス管２１，２２，３１及び３２を用いず、主吸気管２０及び主排気管３０を用いた空気の流れによって実現される過給を意味し、より具体的には、図１に示した各開閉弁５１乃至５３及び６１乃至６３の開閉状態を以下の表１の「２ステージ過給」の行に示すようにする。これにより、当該過給装置における空気の流れは、図３（ａ）でハッチングをかけた部分のようなものとなる。一方、「ツイン過給」とは、図１において各バイパス管２１，２２，３１及び３２を用いた空気の流れによって実現される過給を意味し、より具体的には、図１に示した各開閉弁５１乃至５３及び６１乃至６３の開閉状態を以下の表１の「ツイン過給」の行に示すようにする。これにより、当該過給装置における空気の流れは、図３（ｂ）でハッチングをかけた部分のようなものとなる。

これら２ステージ過給とツイン過給とは、いずれも低圧ＴＣ４１及び高圧ＴＣ４２の双方による過給が行われるという共通点を持つが、両者の間には次のような相違がある。すなわち、２ステージ過給では、低圧ＴＣ４１のタービンに、高圧ＴＣ４２のタービンを回した後の排気が、主排気管３０及び第４開閉弁６１を通じて流れ込んでくるようになっているのに対して、ツイン過給では、当該低圧ＴＣ４１のタービンには、エンジン１５０から高圧側排気バイパス路３１及び第５開閉弁６２を通じた排気が、直接に流れ込んでくるようようになっている。

そして、図２では、これら二つの領域のどちらで過給装置を運転するかが、アクセル開度Ａ及びエンジン回転数Ｎｅに基づいて決定されることが示されている。

すなわち図２において、まず大まかには、エンジン回転数Ｎｅが大きい領域、即ちエンジン１５０が高速回転している場合には、当該過給装置ではツイン過給が行われる一方、エンジン回転数Ｎｅが小さい領域、即ちエンジン１５０が低速回転している場合には、当該過給装置では２ステージ過給が行われる。この場合、アクセル開度Ａは、当該過給装置がどちらの領域に所属することになるかについて基本的に関係しない（図中符号ＷＳ１を付した直線部分参照）。

このように、エンジン回転数Ｎｅの大小に応じて２ステージ過給又はツイン過給を使い分ける方法によれば、このような使い分けを実施しない方法に比べて、エンジンの効率を高めることができる。これは、エンジン回転数Ｎｅが大きい領域では、排気流路が拡大することで、背圧を低減することができるからである。また、吸気側についても、エンジン回転数Ｎｅが大きい領域では、吸気の流れは低圧ＴＣ４１及び高圧ＴＣ４２の二段階に連なる抵抗を受けずに済むから、圧力損失を抑制することができるという利点が得られる。

また、第１実施形態においては特に、アクセル開度Ａが比較的小さい場合、前記の直線部分ＷＳ１に接続される、図２の折れ曲がり部分ＷＳ２に示すように、当該アクセル開度Ａの大きさが前記二つの領域の選択に効いてくるようになっている。すなわち、図２では、例えばエンジン回転数が“Ｎｅ１”であるときアクセル開度が“Ａ１”であるなら、ツイン過給が行われるが、同じエンジン回転数“Ｎｅ１”でもアクセル開度が“Ａ２”（＞Ａ１）であるなら、２ステージ過給が行われるようになっている。

このように、図２に示す折れ曲がり部分ＷＳ２によって、前記二つの領域の選択が行われるようになっていれば、次のような作用効果が得られる。すなわち、当該折れ曲がり部分ＷＳ２が描かれているのは、アクセル開度Ａが比較的小さい部分、即ち負荷が比較的小さい部分であるから、当該部分では、そもそも過給があまり必要とされていないと考えることができる。この観点からすると、当該部分では、より強力な２ステージ過給を行う必要性はあまり高くなく、ツイン過給を行っても特に問題は生じない。また、ツイン過給を行うことで、排気流路の面積が拡大するから、圧力損失が低減することになり、むしろその点で２ステージ過給を行うよりも好ましいということができるのである。

以上を要するに、第１実施形態によれば、エンジン回転数が小さいときには過給がよく効き、大きいときには損失が小さいという効果を得ることが可能ということができる。

（第２実施形態）
以下では、本発明の第２の実施の形態について図４乃至図８を参照しつつ説明する。ここに図４は第２実施形態に係る過給圧の調整処理の流れを示すフローチャートであり、図５は図４のステップＳ１００に該当する処理、即ち低圧ＴＣ４１の可変ノズルの開度ＶＮ１を決定するための処理の流れを示すフローチャートである。また、図６は可変ノズル開度の変化に応じてタービン流量がどのように変化するかを示すグラフであり、図７は可変ノズル開度の変化に応じてターボ総合効率がどのように変化するかを示すグラフであり、図８はコンプレッサ流量の変化に応じてコンプレッサ効率がどのように変化するかを示すグラフである。なお、図６乃至図８は、そのいずれについても前記の低圧ＴＣ４１及び高圧ＴＣ４２それぞれに対応した曲線が描かれている。また、これらの特性図は、本来、ある特定の低圧ＴＣ４１及び高圧ＴＣ４２に固有に定まるものであって、機種、構成等が変わればそれに応じて各図上の曲線のかたちも変わる。図６乃至図８は、このように本来個別・具体的な複数の特性図に共通してみられる特徴を描いた抽象的・一般的性質をもつものである。

なお、以下の説明においては、上記第１実施形態で説明した過給装置に関する構成及び基本的作用は同様であるので、その説明は簡略化、或いは省略することとし、第２実施形態において特長的な構成についてのみ説明を加えることとする。また、上記第１実施形態で参照した図面において使用した符号については、第２実施形態で参照する図面においても同一の対象を指し示す場合には、同一の符号を用いることとする。

さて、第２実施形態では、前記の低圧ＴＣ４１及び高圧ＴＣ４２の過給圧を調整することに特徴がある。すなわち、本実施形態に係る過給装置では、上述のように２ステージ過給とツイン過給の双方が実現可能となっている。ここで特に、２ステージ過給を実現するためには、低圧ＴＣ４１と高圧ＴＣ４２というように大型（大容量）・小型（小容量）の区別を設けておく必要がある。本実施形態においては、より小容量であるのが高圧ＴＣ４２であり、より大容量であるのが低圧ＴＣ４１となっている。しかしながら、これと同時に、ツイン過給では低圧ＴＣ４１及び高圧ＴＣ４２の過給圧が等しくなっていることが好ましい。第２実施形態では、このような二つの要求に応えるべく、ツイン過給が行われているときに、より小容量である低圧ＴＣ４１とより高容量である高圧ＴＣ４２を構成する前記可変バルブの調整を通じて、それらの過給圧を等しくする制御に関連するものである。

まず、図４において、エンジン１５０の運転状況、即ち要求過給圧に応じて、低圧ＴＣ４１の可変ノズルの開度ＶＮ１を決定する（図４のステップＳ１００）。

このＶＮ１の決定は、例えば図５に示すように行いうる。まず、アクセル開度Ａが所定値αを越えているかどうかを判断する（図５のステップＳ１０）。ここで、アクセル開度Ａが所定値αを越えている場合には続いて、要求過給圧が、実過給圧に比べて大きいか小さいかが判断される（図５のステップＳ１２）。ここで、要求過給圧が実過給圧よりも大きい場合には、可変ノズルをより絞る（即ち、その開度を小さくする）べく、現時点における可変ノズルの開度ＶＮ１から所定値ａを引き（図５のステップＳ１２１；ＶＮ１←ＶＮ１−ａ）、要求過給圧が実過給圧を下回る場合には、可変ノズルをより開く（即ち、その開度を大きくする）べく、現時点における可変ノズルの開度ＶＮ１に所定の値ａを足す（図５のステップＳ１２２；ＶＮ１←ＶＮ１＋ａ）。このように、アクセル開度Ａが所定値αを越えているとき（典型的には、アクセル開度Ａが最大値に近づいているとき）に、ＶＮ１を前記所定値ａの加減算により求める制御（過給圧のフィードバック制御）を行えば、最終的に、より好適な過給圧を定めることができる。一方、前記の図５のステップＳ１２において、アクセル開度Ａが所定値α以下となる場合には、各種のＶＮ１についてアクセル開度Ａ及びエンジン回転数Ｎｅの各値に応じて予め定められた適当なマップ（不図示）に従って、可変ノズルの開度ＶＮ１を求める（図５のステップＳ１４）。

このようにして、低圧ＴＣ４１の可変ノズルの開度ＶＮ１が決定したら、図４に戻り、続いて図６から低圧ＴＣ４１のタービン流量Ｑ１を決定する（図４のステップＳ１０２；図６においては、矢印Ｉ及び矢印ＩＩを参照。）。

次に、図１のエアクリーナ１０近傍において計測される全体の吸入空気量Ｇａ ｔｏｔａｌを、例えばエアフローメータ等から求める（図４のステップＳ１０４）。続いて、この吸入空気量Ｇａ ｔｏｔａｌが、以下に述べる意義を有するＧａ ｔｏｔａｌ ｍａｘに等しいかどうかが判断される（図４のステップＳ１０６）。

ここで、“Ｇａ ｔｏｔａｌ ｍａｘ”とは次のような意義を有する。まず、高圧ＴＣ４２は、低圧ＴＣ４１に比べてより小容量であるから、当該高圧ＴＣ４２で実現し得るコンプレッサ流量の最大値は、低圧ＴＣ４１で実現しうるコンプレッサ流量の最大値よりも小さい（図８参照）。したがって、図１に示す過給装置では、吸入空気量Ｇａがある所定値以上となるのに応じて、高圧ＴＣ４２のコンプレッサ流量がその最大値Ｇａ_２ｍａｘに到達する可能性がある。そして、ここでいう所定値、即ち図１の高圧ＴＣ４２のコンプレッサ流量が最大値Ｇａ_２ｍａｘとなるときの吸入空気量は、予め“Ｇａ ｔｏｔａｌ ｍａｘ”として算出しておくことができる。

例えば、このＧａ ｔｏｔａｌ ｍａｘは次のようにして求めておくことができる。まず、一般に、吸入空気量Ｇａ ｔｏｔａｌと、低圧ＴＣ４１における流量Ｇａ_１と高圧ＴＣ４２における流量Ｇａ_２とは、

と表すことができる。そして、この式におけるＧａ_２が前記のＧａ_２ｍａｘとなったとき（Ｇａ_２＝Ｇａ_２ｍａｘ）には、前述のようにＧａ ｔｏｔａｌ＝Ｇａ ｔｏｔａｌ ｍａｘであるから、このときのＧａ_１をＧａ_１ｍａｘと表せば、前記の（ｔ０）式は、

と書き換えられる。

ここで、（ｔ１）式の右辺の二項の間には、以下の関係が成立する（その根拠についてはすぐ後で述べる。）。

ここで、Ｇ１及びＧ２は、図８において、低圧ＴＣ４１及び高圧ＴＣ４２それぞれのコンプレッサ効率を表す曲線の極大値を含む縦軸に平行な直線として表される。すなわち、Ｇ１及びＧ２は、低圧ＴＣ４１及び高圧ＴＣ４２それぞれにおいて、コンプレッサ効率が最大値をとるときのコンプレッサ流量に該当する。

この（ｔ２）式を前記の（ｔ１）式に代入すれば、

となる。ここで、この（ｔ３）式のＧａ_２ｍａｘの具体値を、シミュレーションや理論計算、あるいは実験等を通じて取得すれば、それに基づいてＧａ ｔｏｔａｌ ｍａｘの具体値を予め定めておくことができる。

なお、前記の（ｔ２）式が成立するのは、図１の過給装置において、後述する「一般処理」が実施されていることが前提とされるためである。すなわち、後に詳しく述べるように、第２実施形態では、高圧ＴＣ４２のタービン流量Ｑ２、ないしは可変ノズルの開度ＶＮ２を求めるために、当該高圧ＴＣ４２のコンプレッサ流量が最大値Ｇａ_２ｍａｘになっているかどうかに応じて、一般処理及び特別処理という二つの異なる処理を実施するようになっている。このうち特別処理とは、当該高圧ＴＣ４２のコンプレッサ流量が最大値Ｇａ_２ｍａｘになっているときに実施される処理に該当するが、かかる状況は、まさに特別に、あるいは例外的に実施される処理であるということができる。逆にいうと、第２実施形態に係る調整処理を例えば所定時間間隔で定期的に実施する（例えば、数〔μｓ〕から数百〔μｓ〕毎に実施する）等の場合には、実施回数全体のうち高圧ＴＣ４２のコンプレッサ流量が最大値Ｇａ_２ｍａｘに至っていない状況が圧倒的に多いと考えられるのである。そして、かかる状況では後述する（ｖ１）式に基づく制御が実施されることになるから、低圧ＴＣ４１及び高圧ＴＣ４２それぞれの吸入空気量Ｇａ_１及びＧａ_２間には、一般に（Ｇ１／Ｇ２）＝（Ｇａ_１／Ｇａ_２）が成立し、したがって（Ｇ１／Ｇ２）＝（Ｇａ_１ｍａｘ／Ｇａ_２ｍａｘ）が成立すると考えることができるのである。このように、（ｔ２）式は、既に第２実施形態に係る調整処理が開始されており、後述する「一般処理」が行われているということが前提とされていることに基づいて導き出されるのである。

さて、前記の図４のステップＳ１０６では、このように定められるＧａ ｔｏｔａｌ ｍａｘに、実際に計測した吸入空気量Ｇａ ｔｏｔａｌが等しく（Ｇａ ｔｏｔａｌ＝Ｇａ ｔｏｔａｌ ｍａｘ）なったかどうかを判断することから、それは結局、高圧ＴＣ４２のコンプレッサ流量が、その最大値Ｇａ_２ｍａｘになったかどうかを判断しているのに実質的に等しい。そして、Ｇａ ｔｏｔａｌ＜Ｇａ ｔｏｔａｌ ｍａｘである場合、即ち高圧ＴＣ４２のコンプレッサ流量が未だ最大値Ｇａ_２ｍａｘに至っていない場合には、「一般処理」へと移り（図４のステップＳ１０６から図４のステップＳ１０８へ）、そうでない場合、即ち高圧ＴＣ４２のコンプレッサ流量が最大値Ｇａ_２ｍａｘに至っている場合には、「特別処理」へと移る（図４のステップＳ１０６から図４のステップＳ１０９へ）、というように、それぞれ異なる過給圧の調整処理を行うようになっているのである。

まず、図４のステップＳ１０８の一般処理から説明する。この一般処理とは、前記のステップＳ１０４で求めた低圧ＴＣ４１のタービン流量Ｑ１から、高圧ＴＣ４２で実現すべきタービン流量Ｑ２を求めるための一手順を意味する。すなわち、高圧ＴＣ４２のタービン流量Ｑ２は、前記タービン流量Ｑ１と、図７及び図８それぞれの特性図から求められる（図４のステップＳ１０８）。この際、以下の式（ｖ１）を用いる。

ここで、η１及びη２は、図７において、低圧ＴＣ４１及び高圧ＴＣ４２それぞれのターボ総合効率を表す曲線の極大値を含む横軸に平行な直線として表される。すなわち、η１及びη２は、低圧ＴＣ４１及び高圧ＴＣ４２それぞれにおいて達成し得る最大ターボ総合効率に該当する。ここでターボ総合効率とは、過給圧増加分を排気エネルギで除した値に比例する。一方、Ｇ１及びＧ２は、Ｇａ ｔｏｔａｌ ｍａｘの算出方法のところで既に述べたように、図８から求められる。

このような一般処理によれば、タービン流量Ｑ２が前記の（ｖ１）式により求められるようになっていることから、より一般的に表現すると、低圧ＴＣ４１のタービン流量Ｑ１と高圧ＴＣ４２のタービン流量Ｑ２との比が、これら低圧ＴＣ４１及び高圧ＴＣ４２の圧縮効率が極大となる吸入空気量の比（即ち、Ｇ２／Ｇ１）を保つように定められているということができる。これにより、低圧ＴＣ４１及び高圧ＴＣ４２の双方とも同程度の効率が達成されるところで運転することができる（換言すると、一方は高効率で運転されるが他方が低効率で運転されるということがない。）。なお、かかる一般処理は、前述したように、可変ノズルの開度ＶＮ１及びＶＮ２の調整を通じて過給圧を調整する処理において、まさに「一般的に」、あるいは頻度高く実施される処理ということができる。

次に、図４のステップＳ１０９の特別処理について説明する。この特別処理は、低圧ＴＣ４１のタービン流量Ｑ１から高圧ＴＣ４２のタービン流量Ｑ２を求めるための一手順であることについては、前記の一般処理と変わらない。しかし、この特別処理は、Ｇａ ｔｏｔａｌ≧Ｇａ ｔｏｔａｌ ｍａｘとなるときであって（図４のステップＳ１０６参照）、高圧ＴＣ４２のコンプレッサ流量が最大値Ｇａ_２ｍａｘに至っているとき、即ちもはや高圧ＴＣ４２の側の調整を行うことが困難な状況において実施される点で、前記の一般処理とは異なっている。

特別処理では、タービン流量Ｑ２を求めるのに、前記の（ｖ１）式に代えて、以下の（ｖ２）式を用いる。

この（ｖ２）式は、以下の根拠に基づく。まず、高圧ＴＣ４２のコンプレッサ流量が最大値Ｇａ_２ｍａｘに至ったときは、Ｇａ_２＝Ｇａ_２ｍａｘを維持するようにする。すなわち、

を実現するように、タービン流量Ｑ２を求めるのである。したがって、上記（ｖ２）式では、（ｖ１）式における（Ｇ２／Ｇ１）の分子Ｇ２が、Ｇａ_２ｍａｘに置き換えられ、分母Ｇ１が、（ｖ３）式を変形（移項）することにより得られるＧａ_１＝Ｇａ ｔｏｔａｌ−Ｇａ_２ｍａｘに置き換えられているのである。

このような特別処理によれば、高圧ＴＣ４２のコンプレッサ流量が最大値Ｇａ_２ｍａｘとなった結果、その制御が困難な状況になったときでも、本来高圧ＴＣ４２の可変ノズルの開度ＶＮ２の制御により達成すべきところを、低圧ＴＣ４１が代わって実現することができる。つまり、高圧ＴＣ４２が制御困難となっても要求過給圧に忠実な制御を行うことができるのである。なお、かかる特別処理は、前述したように、可変ノズルの開度ＶＮ１及びＶＮ２の調整を通じて過給圧を調整する処理において、まさに「特別に」、あるいは頻度少なく例外的に実施される処理ということができる（なぜなら、Ｇａ ｔｏｔａｌ≧Ｇａ ｔｏｔａｌ ｍａｘなる事態はそうそう頻繁には起こらないと考えられるからである。）。

以上述べたような一般処理、あるいは特別処理を経ることで、高圧ＴＣ４２における、望ましいタービン流量Ｑ２が定まったら、図６から当該高圧ＴＣ４２の可変ノズルの開度ＶＮ２を求める（図４のステップＳ１１０；図６においては、矢印ＩＩＩ及び矢印ＩＶを参照。）。

最後に、求められた可変ノズルの開度ＶＮ１及びＶＮ２に基づいて、低圧ＴＣ４１及び高圧ＴＣ４２それぞれを構成する実際の可変ノズルを制御すれば、これら低圧ＴＣ４１及び高圧ＴＣ４２それぞれのコンプレッサの出口における過給圧をほぼ等しくすることができる。

なお、上述においては、図４のステップＳ１０６においては、吸入空気量Ｇａ ｔｏｔａｌをモニタリングすることによって、高圧ＴＣ４２のコンプレッサ流量が最大値Ｇａ_２ｍａｘになったか否かを判断するようになっているが、本発明は、このような形態に限定されない。第１に、高圧ＴＣ４２の回転数を検出し、該回転数が所定値を越えたかどうかで、コンプレッサ流量が最大値Ｇａ_２ｍａｘに達したかどうかを判定する方法を採用することができる。また第２に、高圧ＴＣ４２のみの流路に流量計を増設し、その流量計から得られる計測値が所定値を超えたかどうかで、コンプレッサ流量が最大値Ｇａ_２ｍａｘに達したかどうかを判定する方法を採用することもできる。

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨、あるいは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う過給装置もまた、本発明の技術的範囲に含まれるものである。

第１実施形態に係る過給装置の構成例を示す図である。 図１に示した過給装置で２ステージ過給とツイン過給の切り替えをどのような基準で行うかを説明するための説明図である。 図１に示した過給装置で実現される過給態様を示す説明図であって、（ａ）は２ステージ過給を、（ｂ）はツイン過給をそれぞれ示すものである。 第２実施形態に係る過給圧の調整処理の流れを示すフローチャートである。 図４のステップＳ１０に該当する処理、即ち低圧ＴＣの可変ノズルの開度ＶＮ１を決定するための処理の流れを示すフローチャートである。 可変ノズル開度の変化に応じてタービン流量がどのように変化するかを示すグラフである。 可変ノズル開度の変化に応じてターボ総合効率がどのように変化するかを示すグラフである。 コンプレッサ流量の変化に応じてコンプレッサ効率がどのように変化するかを示すグラフである。

符号の説明

１５０…エンジン
１７０…制御装置
４１…低圧ターボチャージャ
４２…高圧ターボチャージャ
２０…主吸気管
２１…低圧側吸気バイパス路
２２…高圧側吸気バイパス路
５１、５２及び５３…第１、第２及び第３開閉弁
３０…主排気管
３１…高圧側排気バイパス路
３２…低圧側排気バイパス路
６１、６２及び６３…第４、第５及び第６開閉弁

Claims (5)

1. 一のコンプレッサ及び一のタービンを有する低圧ターボ及び他のコンプレッサ及び他のタービンを有する高圧ターボと、
   前記他のタービンの出口と前記一のタービンの入口との連通を遮断する遮断弁と、
   前記他のタービンと前記遮断弁とをバイパスして前記一のタービンに過給装置を作動させる流体を導入する高圧側バイパス路と、
   該高圧側バイパス路に設けられる高圧側バイパス路開閉弁と、
   前記遮断弁と前記一のタービンとをバイパスして前記一のタービンの下流側に過給装置を作動させる流体を導入する低圧側バイパス路と、
   該低圧側バイパス路に設けられる低圧側バイパス路開閉弁と、
   前記一のコンプレッサの出口と前記他のコンプレッサの入口との連通を遮断する過給流体遮断弁と、
   前記一のコンプレッサと前記過給流体遮断弁とをバイパスして前記他のコンプレッサに過給流体を導入する低圧側過給流体バイパス路と、
   該低圧側過給流体バイパス通路に設けられる低圧側過給流体バイパス路開閉弁と、
   前記過給流体遮断弁と前記他のコンプレッサとをバイパスして当該他のコンプレッサの下流側に過給流体を導入する高圧側過給流体バイパス路と、
   該高圧側過給流体バイパス路に設けられる高圧側過給流体バイパス路開閉弁と
   を備えたことを特徴とする過給装置。
2. 前記低圧ターボ及び前記高圧ターボから過給を受けるエンジンを更に備えてなり、
   該エンジンの回転数が所定回転数以上の場合に、前記遮断弁及び前記過給流体遮断弁の遮断と前記高圧側バイパス路開閉弁、前記低圧側バイパス路開閉弁、前記高圧側過給流体バイパス路開閉弁及び前記低圧側過給流体バイパス路開閉弁の開弁とを実行することを特徴とする請求項１に記載の過給装置。
3. 前記所定回転数は、前記エンジンに対する負荷の軽重に応じて定められていることを特徴とする請求項２に記載の過給装置。
4. 前記高圧ターボは、前記低圧ターボに比して小容量であって、
   当該高圧ターボへの過給流体量と当該低圧ターボへの過給流体量との比が、これら高圧ターボと低圧ターボそれぞれの圧縮効率が極大となる過給流体量の比を保つように、これら高圧ターボと低圧ターボの過給圧を調整する制御手段を更に備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の過給装置。
5. 前記制御手段は、
   前記高圧ターボへの過給流体量が上限所定量に達した後過給が更に要求される場合に、当該高圧ターボへの過給流体量が前記上限所定量に固定されるように、前記高圧ターボ及び前記低圧ターボそれぞれの過給圧を調整することを特徴とする請求項４に記載の過給装置。

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