内燃機関の２段式過給システムおよびこれを用いた内燃機関
【課題】高圧段過給機から低圧段過給機への切り替えを円滑に行うことができる内燃機関の２段式過給システムを提供する。
【解決手段】２段直列に接続された高圧段過給機８および低圧段過給機９を有する内燃機関の２段式過給システム５において、高圧段過給機８の高圧段タービン８ａの入口と、低圧段過給機９の低圧段タービン９ａの入口とを、並列配置された２つのバイパス排気管１２ａ，１２ｂを通じて接続し、その各々に第１、第２ウェイストゲートバルブ部１４ａ，１４ｂを配置した。そして、第１ウェイストゲートバルブ部１４ａの開状態が予め決められた状態以上になると、第２ウェイストゲートバルブ部１４ｂが連動して開くようにした。
【解決手段】２段直列に接続された高圧段過給機８および低圧段過給機９を有する内燃機関の２段式過給システム５において、高圧段過給機８の高圧段タービン８ａの入口と、低圧段過給機９の低圧段タービン９ａの入口とを、並列配置された２つのバイパス排気管１２ａ，１２ｂを通じて接続し、その各々に第１、第２ウェイストゲートバルブ部１４ａ，１４ｂを配置した。そして、第１ウェイストゲートバルブ部１４ａの開状態が予め決められた状態以上になると、第２ウェイストゲートバルブ部１４ｂが連動して開くようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の２段式過給システムおよびこれを用いた内燃機関に関し、更に詳しくは、高圧段過給機から低圧段過給機への切り替えをスムーズに行うことが可能な２段式過給システムおよびこれを用いた内燃機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の２段式過給システムにおいては、高圧段および低圧段の容量差のある２つの過給機を直列に設けるとともに、内燃機関の運転状態に応じて適切な過給機を選択できるようにバイパスを設け、過給システムの作動領域の拡大を図っている。すなわち、高速回転・高負荷運転時には低圧段過給機を使用する一方、低速回転・低負荷運転時には高圧段過給機を使用するというように、内燃機関の運転状態に応じて、２段式過給システムの高圧段過給機と低圧段過給機とを切り替えて使用している。
【０００３】
ところで、内燃機関の２段式過給システムにおいては、高圧段過給機から低圧段過給機に切り替える際、排気切り替えバルブを使用する前段階として、高圧段過給機の圧縮機の出口圧を用いた正圧駆動方式により高圧段過給機のタービン側のウェイストゲートバルブの開閉を制御している。このため、過渡運転時において、高圧段過給機から低圧段過給機に仕事が円滑に移行する。
【０００４】
この正圧駆動方式によりウェイストゲートバルブを制御する際、高圧段過給機の圧縮機の出口圧が予め設定しておいた圧力に達するとウェイストゲートバルブが開き、高圧段過給機から低圧段過給機へと使用領域が切り替わってゆく。
【０００５】
高圧段過給機の圧縮機の出口圧は、エンジンの回転速度、負荷（燃料噴射量）が高くなると、それに比例して上昇するため、さらにウェイストゲートバルブを開く必要がある。しかし、ウェイストゲートバルブの有効開口面積に対して高圧段過給機のタービンの入口圧が高くなる（すなわち、排気ガス流量が多くなる）と、ウェイストゲートバルブの前後の圧力が臨界圧力比に達し、ウェイストゲートバルブを通過する排気ガス流量はウェイストゲートバルブの開度とは関係なく一定となる（以下、この状態をチョーク状態という）。このチョーク状態からさらにエンジンの回転、負荷が高くなると、ウェイストゲートバルブが配置されるバイパスを通じて低圧段過給機のタービンへと逃がしきれなくなった排気ガスが高圧段過給機のタービンへと流れるため、排気マニホールドの内圧の上昇等が起こる。また、高圧段過給機から低圧段過給機への切り替えが円滑に行われなくなるため、必要な空気量を確保できない。このため、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガス流量を多くすることができないので、排気ガスにおける窒素酸化物（ＮＯｘ）の排気性能が低下する。また、高圧段過給機のタービンの入口圧も増加することから、排気マニホールド内圧が上昇し、燃費等にも悪影響を及ぼす。
【０００６】
さらに、エンジンの回転速度、負荷が高くなる条件では、排気切り替えバルブを開くことで、低圧段過給機単体で過給する形態へと切り換えるが、その切り替えに際しても、ウェイストゲートバルブがチョークしていると排気ガス流路および低圧段過給機へと流れる排気ガス流量が大きく変わるため、過渡運転時においては、排気ガスにおけるＮＯｘの排気性能や燃費等に悪影響を及ぼす。
【０００７】
一方で、排気切り替えバルブのように電磁可変調整弁（ＥＶＲＶ：Electronic Vacuum Regulation Valve）を使用してウェイストゲートバルブを制御する方法もあるが、この方法では、過渡運転時において応答性が追従していない、ターボラグに対する制御が難しい等の問題がある。
【０００８】
これらのことからも、高圧段過給機の圧縮機の出口圧を用いた正圧駆動方式によりウェイストゲートバルブを制御するのが最も良いと考えられるが、この方式では、前述のようにウェイストゲートバルブでチョークが生じる可能性があるため、その改善が必要となる。
【０００９】
このチョークの対策として、有効開口面積を大きくすれば良いので、ウェイストゲートバルブの直径を大きくして、ガスの流路を大きくする方法が考えられるが、その方法では、ウェイストゲートバルブにかかる力（排気ガスがウェイストゲートバルブを押す力）がバルブ径に比例して大きくなるため、開弁力の増加が必要となり、アクチュエータのサイズを大きくする必要が生じる等の問題がある。
【００１０】
なお、例えば特許文献１には、高圧段過給機の入口側と低圧段過給機の入口側とを大小径の異なる２つのバイパス排気管で接続し、その各々のバイパス排気管に配置される主副のバイパス弁（上記のウェイストゲートバルブに相当）の開閉を制御することにより、高圧段過給機のタービンに流れる排気ガスの流量を精度良く制御して内燃機関の運転状態に応じて高圧段過給機と低圧段過給機との切り替えを行う技術が開示されている。しかし、この技術では上記したチョーク状態に関する問題が考慮されておらず、その対策のために２つのウェイストゲートバルブを連動して動作することについて考慮がなされていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００７−１３８８４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、高圧段過給機から低圧段過給機への切り替えを円滑に行うことが可能な内燃機関の２段式過給システムを提供することにある。
【００１３】
また、本発明の他の目的は、燃費を向上させることが可能な内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の目的を達成するための本発明の内燃機関の２段式過給システムは、２段直列に接続された高圧段過給機のタービンおよび低圧段過給機のタービンを内燃機関本体から排気された排気ガスにより駆動させ、その駆動力により前記高圧段過給機の圧縮機および前記低圧段過給機の圧縮機を連動することにより圧縮した空気を前記内燃機関本体に送り込む２段式過給システムにおいて、前記内燃機関本体からの排気ガスを前記高圧段過給機のタービンに送り込む第１排気管と、前記高圧段過給機のタービンから前記低圧段過給機のタービンに排気ガスを送り込む第２排気管と、前記低圧段過給機のタービンからの排気ガスを外部側に流す第３排気管と、前記第１排気管と前記第２排気管とをウェイストゲートバルブ装置を介して接続するバイパス排気管と、前記低圧段過給機の圧縮機に空気を流す第１吸気管と、前記低圧段過給機の圧縮機から前記高圧段過給機の圧縮機に空気を送り込む第２吸気管と、前記高圧段過給機の圧縮機から前記内燃機関本体に空気を送り込む第３吸気管とを備え、前記バイパス排気管は、並列に接続された第１バイパス排気管および第２バイパス排気管を有しており、前記ウェイストゲートバルブ装置は、前記第１バイパス排気管の開閉を行う第１ウェイストゲートバルブ部と、前記第２バイパス排気管の開閉を行う第２ウェイストゲートバルブ部とを有しており、前記第１ウェイストゲートバルブ部の開状態が予め決められた状態以上になると、前記第２ウェイストゲートバルブ部が連動して開くものである。
【００１５】
また、上記の内燃機関の２段式過給システムにおいて、前記ウェイストゲートバルブ装置は、前記第１ウェイストゲートバルブ部の開閉動作を行うアクチュエータを有しており、前記アクチュエータは、前記高圧段過給機の圧縮機における出口側の圧力に応じて駆動するものである。
【００１６】
これにより、高圧段過給機の圧縮機の出口側の圧力に応じて第１ウェイストゲートバルブの開弁状態を制御することができるので、過渡運転時の制御性を向上させることができる。
【００１７】
また、上記の内燃機関の２段式過給システムにおいて、前記第１ウェイストゲートバルブ部は、前記第１バイパス排気管の開口部に配置される第１バルブ本体と、前記第１バルブ本体を支持し、前記アクチュエータの駆動力を伝えるロッドが接続される第１支持部とを有し、前記第２ウェイストゲートバルブ部は、前記第２バイパス排気管の開口部に配置される第２バルブ本体と、前記第２バルブ本体を支持する第２支持部と、前記第２支持部に接続され、前記第１ウェイストゲートバルブの前記第１支持部側に延びる第３支持部とを有し、前記第１ウェイストゲートバルブ部と前記第２ウェイストゲートバルブ部とは、前記第２ウェイストゲートバルブ部の前記第３支持部が、前記第１ウェイストゲートバルブ部の前記第１支持部に重なる状態で隣接して配置され、前記ウェイストゲートバルブ装置は、前記第３支持部を介して前記第１支持部を押さえるように配置された付勢手段を有しており、前記アクチュエータからの駆動力により前記第１ウェイストゲートバルブ部の前記第１支持部が前記付勢手段の方向に移動すると、前記第１ウェイストゲートバルブ部が開くとともに前記第３支持部が連動し、前記第１支持部の前記付勢手段の方向への移動量が予め決められた移動量を過ぎると前記第２ウェイストゲートバルブ部が開くものである。
【００１８】
また、上記の目的を達成するための本発明の内燃機関は、前記内燃機関の２段式過給システムを有するものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の内燃機関の２段式過給システムによれば、第１バイパス排気管の開口部でチョーク状態になると、第２バイパス排気管の第２ウェイストゲートバルブ部が連動して開くことにより、バイパス排気管の有効開口面積を増加できるので、チョーク状態を回避することができる。このため、高圧段過給機側からバイパス排気管を通じて低圧段過給機に流れる排気ガスの流路を確保することができるので、高圧段過給機から低圧段過給機への切り替えを円滑に行うことができる。
【００２０】
また、第１、第２ウェイストゲートバルブ部の開弁力を増加させないで済むので、第１、第２ウェイストゲートバルブ部を駆動するアクチュエータのサイズを増大させることもない。また、第１ウェイストゲートバルブ部の動作に第２ウェイストゲートバルブ部が連動するので、第１、第２ウェイストゲートバルブ部を駆動するアクチュエータを増やす必要もない。したがって、重量の増大を招くこともない。
【００２１】
また、本発明の内燃機関の２段式過給システムを用いた内燃機関によれば、高圧段過給機から低圧段過給機への切り替えを円滑に行うことができるので、必要な空気量を確保することができる。その結果、ＥＧＲ率を増加させることができる。
【００２２】
また、高圧段過給機から低圧段過給機への切り替えを円滑に行うことができるので、排気ガスの圧力の上昇を抑制または防止することができる。その結果、燃費を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態の内燃機関の２段式過給システムを用いたエンジンの構成図である。
【図２】本発明の実施の形態の内燃機関の２段式過給システムにおけるウェイストゲートバルブ装置の構成図である。
【図３】図２のウェイストゲートバルブ装置の動作時の状態を示した構成図である。
【図４】図２のウェイストゲートバルブ装置のバルブ本体と排気管との関係を例示した断面図である。
【図５】図２のウェイストゲートバルブ装置の閉弁時の構成図である。
【図６】図５に続くウェイストゲートバルブ装置の開弁動作工程時の構成図である。
【図７】図６に続くウェイストゲートバルブ装置の開弁動作工程時の構成図である。
【図８】図７のウェイストゲートバルブ装置のバルブ本体と排気管との関係を例示した断面図である。
【図９】図７に続くウェイストゲートバルブ装置の開弁動作工程時の構成図である。
【図１０】図９のウェイストゲートバルブ装置のバルブ本体と排気管との関係を例示した断面図である。
【図１１】図９に続くウェイストゲートバルブ装置の開弁動作工程時の構成図である。
【図１２】図１１のウェイストゲートバルブ装置のバルブ本体と排気管との関係を例示した断面図である。
【図１３】図１の内燃機関の２段式過給システムにおける低圧段過給機の燃料噴射量に対する吸入空気量の測定結果を示したグラフ図である。
【図１４】図１の内燃機関の２段式過給システムにおける低圧段過給機および高圧段過給機の燃料噴射量に対するコンプレッサ仕事の測定結果を示したグラフ図である。
【図１５】図１の内燃機関の２段式過給システムにおける低圧段過給機および高圧段過給機の燃料噴射量に対する圧力比の測定結果を示したグラフ図である。
【図１６】図１の内燃機関の２段式過給システムにおける低圧段過給機および高圧段過給機の燃料噴射量に対する膨張比の測定結果を示したグラフ図である。
【図１７】従来のウェイストゲートバルブ装置の閉弁時の構成図である。
【図１８】従来のウェイストゲートバルブ装置の開弁時の構成図である。
【図１９】従来のウェイストゲートバルブ装置の動作状態を示した構成図である。
【図２０】図１７のウェイストゲートバルブ装置を用いた従来の２段式過給システムにおける低圧段過給機の燃料噴射量に対する吸入空気量の測定結果を示したグラフ図である。
【図２１】図１７のウェイストゲートバルブ装置を用いた従来の２段式過給システムにおける低圧段過給機および高圧段過給機の燃料噴射量に対するコンプレッサ仕事の測定結果を示したグラフ図である。
【図２２】図１７のウェイストゲートバルブ装置を用いた従来の２段式過給システムにおける低圧段過給機および高圧段過給機の燃料噴射量に対する圧力比の測定結果を示したグラフ図である。
【図２３】図１７のウェイストゲートバルブ装置を用いた従来の２段式過給システムにおける低圧段過給機および高圧段過給機の燃料噴射量に対する膨張比の測定結果を示したグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態の内燃機関の２段式過給システムおよびこれを用いたエンジンについて添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２５】
図１は本実施の形態の内燃機関の２段式過給システムを用いたエンジンの構成図を示している。なお、図中の矢印は空気の流れを示している。
【００２６】
本実施の形態のエンジン（内燃機関）１は、エンジン本体２と、排気マニホールド３と、吸気マニホールド４と、内燃機関の２段式過給システム５と、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）システム６と、エアクリーナー７とを有している。
【００２７】
内燃機関の２段式過給システム５は、２段直列に配置された高圧段過給機８と低圧段過給機９とを有しているとともに、エンジン１の運転状態に応じて適切な過給機を選択できるように後述のバイパスを設け、過給システムの作動領域の拡大を図っている。すなわち、低速回転・低負荷運転時には高圧段過給機８を使用する一方、高速回転・高負荷運転時には低圧段過給機９を使用するというように、エンジン１の運転状態に応じて高圧段過給機８と低圧段過給機９とを切り替えて使用している。
【００２８】
高圧段過給機８は、高圧段タービン８ａと高圧段コンプレッサ（圧縮機）８ｂとを有している。高圧段タービン８ａおよび高圧段コンプレッサ８ｂは、一本の軸の両端に複数枚の羽根が設けられることで形成されており、高圧段タービン８ａがエンジン本体２から排気された排気ガスの力を受けて回転駆動すると、その駆動力により高圧段コンプレッサ８ｂが連動することにより圧縮した空気をエンジン本体２に送り込む。
【００２９】
低圧段過給機９は、低圧段タービン９ａと低圧段コンプレッサ（圧縮機）９ｂとを有している。低圧段タービン９ａおよび低圧段コンプレッサ９ｂは、高圧段過給機８と同様に、一本の軸の両端に複数枚の羽根が設けられることで形成されており、低圧段タービン９ａがエンジン本体２から排気された排気ガスの力を受けて回転駆動すると、その駆動力により低圧段コンプレッサ９ｂが連動することにより圧縮した空気をエンジン本体２に送り込む。低圧段タービン９ａの容量は、高圧段タービン８ａの容量よりも大きく、低圧段コンプレッサ９ｂの容量は、高圧段コンプレッサ８ｂの容量よりも大きい。
【００３０】
内燃機関の２段過給システム５の排気系は、第１排気管１０ａと、第２排気管１０ｂと、第３排気管１０ｃと、メインバイパス排気管１１と、サブバイパス排気管（バイパス排気管）１２と、排気切替バルブ装置１３と、ウェイストゲートバルブ装置１４とを有している。
【００３１】
第１排気管１０ａは、排気マニホールド３と高圧段タービン８ａの入口とを接続し、エンジン本体２からの排気ガスを高圧段タービン８ａに送り込む配管である。第２排気管１０ｂは、高圧段タービン８ａの出口と低圧段タービン９ａの入口とを接続し、高圧段タービン８ａからの排気ガスを低圧段タービン９ａに送り込む配管である。この第２排気管１０ｂの途中位置には排気切替バルブ装置１３が設けられている。第３排気管１０ｃは、低圧段タービン９ａの出口からの排気ガスを外部側に流す配管である。
【００３２】
メインバイパス排気管１１は、排気マニホールド３と第２排気管１０ｂ（低圧段タービン９ａの入口）とを高圧段タービン８ａを介さずに接続する配管であり、その途中位置には、排気切替バルブ装置１３が設けられている。
【００３３】
排気切替バルブ装置１３は、エンジン本体２から排出された排気ガスを、メインバイパス排気管１１を通じて低圧段タービン９ａに流す時は開き、メインバイパス排気管１１の流路を遮断する時は閉じるようになっている。排気切替バルブ装置１３のバルブ本体は、空気圧（または真空圧）を用いたアクチュエータにより開閉動作する。
【００３４】
サブバイパス排気管１２は、第１排気管１０ａと第２排気管１０ｂとを接続する配管である。すなわち、高圧段タービン８ａの上流（入口）側と下流（出口）側とを高圧段タービン８ａを介さずに接続する配管である。サブバイパス排気管１２の途中位置には、ウェイストゲートバルブ装置１４が設けられている。このウェイストゲートバルブ装置１４は、高圧段タービン８ａの上流（入口）側の圧力が高くなった場合に、ウェイストゲートバルブ装置１４のバルブ本体を開いて、排気ガスを、サブバイパス排気管１２を通じて高圧段タービンの上流（入口）側から下流（出口）側に直接逃がし、高圧段タービン８ａおよび高圧段コンプレッサ８ｂの過剰な回転を防ぐ機能を有している。
【００３５】
このウェイストゲートバルブ装置１４のバルブ本体の開閉は、高圧段コンプレッサ８ｂの出口圧を用いた正圧駆動方式により制御される。すなわち、ウェイストゲートバルブ装置１４のバルブ本体を駆動するアクチュエータの入力は、配管１５を通じて高圧段コンプレッサ８ｂの出口と接続されており、その出口圧に応じてアクチュエータは、バルブ本体の開閉駆動を制御する。これにより、高圧段タービン８ａおよび高圧段コンプレッサ８ｂの過剰な回転を防ぐことができる。なお、低圧段タービン９ａの入口と出口とを繋ぐサブバイパス排気管を設け、その途中にウェイストゲートバルブ装置を設けても良い。
【００３６】
高圧段ターボ８ａと低圧段ターボ９ａとの作動の切り替えは、排気切替バルブ装置１３およびウェイストゲートバルブ装置１４等により行われる。例えば排気切替バルブ１３を開くと、高圧段過給機８は、タービン８ａの出入り口の圧力差が無くなるため作動せず、低圧段過給機９のみが作動する。また、排気切替バルブ装置１３とウェイストゲートバルブ装置１４とを全閉すると、排気マニホールド３から排出される排気ガスは全て高圧段タービン８ａに流れて高圧段過給機８が作動する。このとき、低圧段過給機９側にウェイストゲートバルブ装置がある場合、それを全開にすることで、排気ガスが低圧段タービン９ａをバイパスするので、低圧段過給機９は作動しない。また、排気切替バルブ装置１３を僅かに開き、低圧段過給機側のウェイストゲートバルブ装置を全閉にすると、高圧段過給機８と低圧段過給機とが同時に作動する。
【００３７】
内燃機関の２段過給システム５の吸気系は、第１吸気管２０ａと、第２吸気管２０ｂと、第３吸気管２０ｃと、バイパス吸気管２１と、吸気切替バルブ装置２２とを有している。
【００３８】
第１吸気管２０ａは、エアクリーナー７と低圧段コンプレッサ９ｂの入口とを接続し、エアクリーナー７により清浄にされた空気を低圧段コンプレッサ９ｂに流す配管である。第２吸気管２０ｂは、低圧段コンプレッサ９ｂの出口と高圧段コンプレッサ８ｂの入口とを接続し、低圧段コンプレッサ９ｂから高圧段コンプレッサ８ｂに空気を送り込む配管である。第３吸気管２０ｃは、高圧段コンプレッサ８ｂの出口と吸気マニホールド４とを接続し、高圧段コンプレッサ８ｂから吸気マニホールド４を通じてエンジン本体２に空気を送り込む配管である。
【００３９】
バイパス吸気管２１は、第２吸気管２０ｂ（低圧段コンプレッサ９ｂの出口）と、第３吸気管２０ｃ（吸気マニホールド４）とを高圧段コンプレッサ８ｂを介さずに接続する配管である。
【００４０】
吸気切替バルブ装置２２は、第２吸気管２０ｂと第３吸気管２０ｃとの交点部分に配置されている。吸気切替バルブ装置２２は、高圧段過給機８が作動するときに低圧段過給機９側の流路が閉じ、低圧段過給機９が作動するときに高圧段過給機８側の流路が閉じる。
【００４１】
上記したＥＧＲシステム６は、燃焼後の排気ガスの一部を取り出し吸気側へ導き再度吸気させるシステムであり、排気マニホールド３と吸気マニホールド４とを接続する配管６ａの途中に排気マニホールド３側から順に、ＥＧＲクーラ６ｂとＥＧＲバルブ６ｃとが介在されている。
【００４２】
次に、本実施の形態の内燃機関の２段式過給システム５における高圧段過給機８側のウェイストゲートバルブ装置１４について図２〜図４を参照しながら説明する。
【００４３】
図２は本実施の形態の内燃機関の２段式過給システム５のウェイストゲートバルブ装置１４の構成図、図３は図２のウェイストゲートバルブ装置１４の動作時の状態を示した構成図、図４は図２のウェイストゲートバルブ装置１４のバルブ本体と排気管との関係を例示した断面図である。なお、図２および図４の矢印Ａ１は排気ガスの流れを示し、図３の矢印Ｂ１〜Ｂ４は開弁時のウェイストゲートバルブ装置の各部の動作方向を示している。
【００４４】
まず、図２および図４に示すように、本実施の形態の内燃機関の２段式過給システム５においては、高圧段過給機８側のサブバイパス排気管１２が、第１サブバイパス排気管（第１バイパス排気管）１２ａと第２サブバイパス排気管（第２バイパス排気管）１２ｂとの２つの排気管を有している。この第１、第２サブバイパス排気管１２ａ，１２ｂは、第１排気管１０ａと第２排気管１０ｂとの間に並列に接続されている。第１、第２サブバイパス排気管１２ａ，１２ｂの開口面積は同じである。この開口面積を同じとすることにより、部品の共通化ができ、コストを低減することができる。ただし、第１、第２サブバイパス排気管１２ａ，１２ｂの開口面積を変えても良い。第１サブバイパス排気管１２ａの開口面積の方が第２サブバイパス排気管１２ｂの開口面積よりも大きい場合、運転条件等により排気ガス流量が多くなり、圧力が高くなる場合がある。この場合、開口部分にかかる力が大きくなり、ウェイストゲートバルブ部の開閉がスムーズに行えない可能性がある。このため、第１、第２サブバイパス排気管１２ａ，１２ｂの開口面積を変える場合には、第２サブバイパス排気管１２ｂの開口面積を第１サブバイパス排気管１２ａの開口面積よりも大きくすることが好ましい。
【００４５】
次に、図２および図３に示すように、本実施の形態の内燃機関の２段式過給システム５のウェイストゲートバルブ装置１４は、配管１５、アクチュエータ２５、ロッド２６およびスプリング部（付勢手段）２７を有する他に、第１サブバイパス排気管１２ａおよび第２サブバイパス排気管１２ｂの開閉を行うため、第１ウェイストゲートバルブ部１４ａおよび第２ウェイストゲートバルブ部１４ｂの２つのウェイストゲートバルブ部を有している。
【００４６】
第１ウェイストゲートバルブ部１４ａは、第１サブバイパス排気管１２ａの開閉を行う部分であり、第１バルブ本体１４ａ１と、第１支持部１４ａ２とを有している。第１バルブ本体１４ａ１は、第１サブバイパス排気管１２ａの開口部に配置され、その開閉を行う部分である。この第１バルブ本体１４ａ１は第１支持部１４ａ２に支持されている。
【００４７】
第１支持部１４ａ２はロッド２６を介してアクチュエータ２５に接続されている。アクチュエータ２５の駆動は、高圧段コンプレッサ８ｂの出口圧に応じて駆動する正圧駆動方式により制御されている。これにより、高圧段コンプレッサ８ｂの出口側の圧力に応じて第１ウェイストゲートバルブ部１４ａの開弁状態を制御することができるので、過渡運転時の制御性を向上させることができる。
【００４８】
このアクチュエータ２５の内部には、ダイアフラムが図２および図３の左右方向に移動可能な状態で設けられている。このダイアフラムはスプリングにより図２および図３の左方向に付勢されている。一方、アクチュエータ２５の入力には、配管１５を通じて高圧段コンプレッサ８ｂの出口が接続されており、高圧段コンプレッサ８ｂの出口から配管１５を通じてアクチュエータ２５内に図２および図３の右方向に付勢されるような加圧吸気が導入されるようになっている。その加圧吸気の過給圧がスプリングのセット力を超えると、ダイアフラムが図２および図３の右方向に動き、ダイアフラムに接続されたロッド２６が右方向に駆動する。このアクチュエータ２５の駆動力は、ロッド２６を通じて第１ウェイストゲートバルブ部１４ａの第１支持部１４ａ２に伝えられ、これに支持された第１バルブ本体１４ａ１が第１サブバイパス排気管１２ａを開閉する。
【００４９】
第２ウェイストゲートバルブ部１４ｂは、第２サブバイパス排気管１２ｂの開閉を行う部分であり、第２バルブ本体１４ｂ１と、第２支持部１４ｂ２と、第３支持部１４ｂ３とを有している。第２バルブ本体１４ｂ１は、第２サブバイパス排気管１２ｂの開口部に配置され、その開閉を行う部分である。この第２バルブ本体１４ｂ１は第２支持部１４ｂ２の一端側に支持されている。また、第２支持部１４ｂ２の他端側には第３支持部１４ｂ３が接続されている。この第３支持部１４ｂ３は、第２支持部１４ｂ２の他端側角部から第１ウェイストゲートバルブ部１４ａの第１支持部１４ａ２に重なる位置まで延びている。
【００５０】
このような第１ウェイストゲートバルブ部１４ａと、第２ウェイストゲートバルブ部１４ｂとは、第２ウェイストゲートバルブ部１４ｂの第３支持部１４ｂ３が、第１ウェイストゲートバルブ部１４ａの第１支持部１４ａ２に重なる状態で図２および図３の上下方向に隣接して配置されている。
【００５１】
また、上記したスプリング部２７は、第３支持部１４ｂ３と第１支持部１４ａ２とが重なる部分に対向する位置に設置されている。スプリング部２７は、スプリング２７ａと付勢軸２７ｂとを有している。付勢軸２７ｂは、第３支持部１４ｂ３に接続されている。
【００５２】
このスプリング２７ａは、付勢軸２７ｂおよび第３支持部１４ｂ３を第１支持部１４ａ２に押しつける方向に付勢力を与えている。すなわち、スプリング部２７は、第２ウェイストゲートバルブ部１４ｂの第３支持部１４ｂ３を介して、第１ウェイストゲートバルブ部１４ａの第１支持部１４ａ２を押さえるように配置されている。
【００５３】
このようなウェイストゲートバルブ装置１４においては、第１ウェイストゲートバルブ部１４ａの第１バルブ本体１４ａ１の開状態が予め決められた状態以上になると、第２ウェイストゲートバルブ部１４ｂの第２バルブ本体１４ｂ１が連動して開くようになっている。
【００５４】
すなわち、図３に示すように、アクチュエータ２５からの駆動力により第１ウェイストゲートバルブ部１４ａの第１支持部１４ａ１の上端が矢印Ｂ１に示すように移動すると、第１支持部１４ａ１の下端がスプリング部２７の方向に移動する。これにより、第１ウェイストゲートバルブ部１４ａの第１バルブ本体１４ａ１の体勢が傾斜するようになり第１サブバイパス排気管１２ａが開く。これとともに、第１支持部１４ａ２の下端部に押された第３支持部１４ｂ３が矢印Ｂ２に示すように連動する。これにより、スプリング２７ａが、その付勢力とは反対の矢印Ｂ３に示す方向に押されるとともに、第３支持部１４ｂ３に接続された第２支持部１４ｂ２も矢印Ｂ４に示すように連動する。その後、第１ウェイストゲートバルブ部１４ａの第１支持部１４ａ２の下端部がスプリング部２７の方向へさらに移動し、その移動量が予め決められた移動量を過ぎると第２ウェイストゲートバルブ部１４ｂの第２バルブ本体１４ｂ１の傾斜角度が大きくなり第２サブバイパス排気管１２ｂが開く。
【００５５】
このウェイストゲートバルブ装置１４においては、第１サブバイパス排気管１２ａで上記したチョーク状態が起きる時またはその直前あるいはその直後に、第２サブバイパス排気管１２ｂが開き始めるように設定されている。
【００５６】
次に、本実施の形態の内燃機関の２段式過給システム５のウェイストゲートバルブ装置１４の開閉動作について図５〜図１２を参照しながら説明する。
【００５７】
まず、図５は、高圧段コンプレッサ８ｂの出口圧がウェイストゲートバルブ装置１４の予め設定された開弁圧よりも低く、第１、第２ウェイストゲートバルブ部１４ａ，１４ｂの第１、第２バルブ本体１４ａ１，１４ａ２が閉じており第１、第２バイパス排気管１２ａ，１２ｂを完全に塞いでいる状態を示している。バイパス経路は、排気ガスの圧力を利用してバイパス経路を閉じ、漏れの無い構造とされている。
【００５８】
続いて、図６に示すように、高圧段コンプレッサ８ｂの出口圧がウェイストゲートバルブ装置１４の予め設定された開弁圧よりも高くなり始め、第１ウェイストゲートバルブ部１４ａの第１バルブ本体１４ａ１が徐々に開き始める。これにより、第１ウェイストゲートバルブ部１４ａの第１支持部１４ａ２の下端が、第２ウェイストゲートバルブ部１４ｂの第３支持部１４ｂ３をスプリング部２７側に押し始める。
【００５９】
続いて、図７および図８に示すように、高圧段コンプレッサ８ｂの出口圧がさらに高くなり、第１ウェイストゲートバルブ部１４ａの第１バルブ本体１４ａ１の開度がさらに大きくなる。これにより、第１ウェイストゲートバルブ部１４ａの第１支持部１４ａ２の下端は、第２ウェイストゲートバルブ部１４ｂの第３支持部１４ｂ３をスプリング部２７側に押しつける。
【００６０】
続いて、図９および図１０に示すように、エンジン１の回転速度および負荷が高くなり高圧段コンプレッサ８ｂが仕事を行うと高圧段コンプレッサ８ｂの出口圧がさらに高くなり、第１ウェイストゲートバルブ部１４ａの第１バルブ本体１４ａ１の開度がさらに大きくなり、第１サブバイパス排気管１２ａでチョーク状態が起き始める。
【００６１】
この時、ウェイストゲートバルブ装置１４においては、第１支持部１４ａ２の下端が、さらにスプリング部２７の方向に移動するので、スプリング部２７により押さえられていた第２バルブ本体１４ｂ１のリンクが作動し、第２バルブ本体１４ｂ１が次第に開き始める。
【００６２】
続いて、図１１および図１２に示すように、チョーク状態からさらにエンジンの回転、負荷が高くなり、高圧段コンプレッサ８ｂの出口圧がさらに高くなると、第１ウェイストゲートバルブ部１４ａの第１バルブ本体１４ａ１の開度がさらに大きくなる。これと同時に第１支持部１４ａ２の下端がスプリング部２７の方向にさらに移動するので、第３支持部１４ｂ３がさらにスプリング部２７側に押しつけられることになり、第２バルブ本体１４ｂ１の開度も大きくなる。したがって、本実施の形態の内燃機関の２段式過給システム５においては、第１サブバイパス排気管１２ａの開口部でチョーク状態になっても、第２サブバイパス排気管１２ｂが開くことで、排気ガスが低圧段タービン９ａへと円滑に流れる。
【００６３】
ここで、ウェイストゲートバルブ装置１４では、図１２に示すように、第１サブバイパス排気管１２ａ側の第１バルブ本体１４ａ１と、第２バイパス排気管１２ｂ側の第２バルブ本体１２ｂ１とで、バルブ接続位置関係が第１排気管１０ａを中央として上下対称（開口面積は非対称）となっており、開口方向が異なっている（ここでは真逆になっている）。これは、バイパス経路が、排気ガスの圧力を利用してバイパス経路を閉じることで漏れの無い構造を達成しているためで、上記の構成にすることにより、バルブの開閉状態を良好にできる。
【００６４】
次に、比較のため従来の高圧段過給機側のウェイストゲートバルブ装置について図１７〜図１９を参照しながら説明する。
【００６５】
図１７〜図１９は、従来の正圧駆動方式のウェイストゲートバルブ装置７０の構成図である。図１７はバルブが閉じている状態、図１８はバルブが開いている状態、図１９はバルブの開閉動作の状態をそれぞれ示している。矢印Ａ７は排気ガスの流れを示し、矢印Ｂ７はバルブの動作方向を示している。
【００６６】
従来の高圧段過給機側のサブバイパス排気管は１つである。このため、ウェイストゲートバルブ装置のバルブ本体も１つである。バルブ本体７０ａは、サブバイパス排気管を開閉する部分であり、バルブ支持体７０ｂに支持されている。バルブ支持部７０ｂは、ロッド７０ｃを通じてアクチュエータ７０ｄと接続されている。アクチュエータ７０ｄの入力側には、配管７０ｅを通じて高圧段コンプレッサ７１の出口が接続されている。アクチュエータ７０ｄは、高圧段コンプレッサの出口圧に応じてロッド７０ｃを往復駆動することでバルブ本体７０ａの開閉動作を行う。
【００６７】
次に、図１７で示した従来のウェイストゲートバルブ装置の開閉動作による圧力、仕事等の推移を図２０〜図２３に示す。矢印Ｄはウェイストゲートバルブ装置７０の開弁開始を示し、矢印Ｅは高圧段タービン側のサブバイパス排気管でのチョーク状態の発生を示している。また、符号Ｌ０は低圧段過給機側の測定結果を示し、符号Ｈ０は高圧段過給機側の測定結果を示している。
【００６８】
従来方式では、高圧段タービン側のサブバイパス排気管でチョーク状態が起き、高圧段コンプレッサから低圧段コンプレッサへと仕事が切り替わらない。また、高負荷、高回転条件で高圧段過給機を使用することは、高圧段過給機を効率の悪い条件で使用していることを示している。このため、エンジン本体２に必要な空気を導入できなくなり、排気ガス中におけるＮＯｘ等の排気性能が低下する。また、高圧段タービンの入口圧も増加するため、排気マニホールドの内圧が上昇し、燃費に対しても悪影響を及ぼす。
【００６９】
これに対して、本実施の形態の内燃機関の２段式過給システム５で用いるウェイストゲートバルブ装置１４の開閉動作による圧力、仕事等の推移を図１３〜図１６に示す。矢印Ｆは高圧段タービン側の第１サブバイパス排気管１２ａでのチョーク状態の発生と、第２ウェイストゲートバルブ部１４ｂの開弁開始とを示している。また、符号Ｌ１は本実施の形態の２段式過給システム５の低圧段過給機９側の測定結果を示し、符号Ｈ１は本実施の形態の２段式過給システム５の高圧段過給機８側の測定結果を示している。
【００７０】
このウェイストゲートバルブ装置１４では、チョーク状態を回避できるので、符号Ｌ１，Ｈ１で示すように、高圧段コンプレッサ８ｂから低圧段コンプレッサ９ｂへと仕事を円滑に切り替えることができる。また、高負荷、高回転条件における高圧段過給機８の使用を回避でき、低圧段過給機９を効率の良い条件で過給できる。
【００７１】
このように本実施の形態の内燃機関の２段式過給システム５によれば、第１バイパス排気管１２ａの開口部でチョーク状態になると、第２ウェイストゲートバルブ部１４ｂが連動して第２バイパス排気管１２ｂが開くことにより、サブバイパス排気管１２の有効開口面積を増加させることができるので、チョーク状態を回避することができる。このため、高圧段過給機８側からサブバイパス排気管１２を通じて低圧段過給機８に流れる排気ガスの流路を充分に確保することができるので、高圧段過給機８から低圧段過給機９への切り替えを円滑に行うことができる。また、排気切替バルブ装置１３のバルブを開くことにより、低圧段過給機９への切り替えも円滑に行うことができる。
【００７２】
また、１つのサブバイパス排気管の開口面積を大きくするわけではないので、ウェイストゲートバルブ装置１４の開弁力を増加させる必要もない。このため、ウェイストゲートバルブ装置１４を駆動するアクチュエータ２５のサイズを増大させる必要もない。また、第１ウェイストゲートバルブ部１４ａの動作に第２ウェイストゲートバルブ部１４ｂが連動するので、サブバイパス排気管を増やし、ウェイストゲートバルブ部を増やしたからといって、第１、第２ウェイストゲートバルブ部１４ａ，１４ｂを駆動するアクチュエータ２５の数を増やす必要もない。したがって、車両の重量増大を招くこともない。また、アクチュエータ２５の制御が難しくなることもない。
【００７３】
したがって、このような内燃機関の２段式過給システム５を用いたエンジン１によれば、高圧段過給機８から低圧段過給機９への切り替えを円滑に行うことができるので、エンジン本体２内に効率的に空気を導入することができ、より多くの空気をエンジン本体２内に導入することができる（すなわち、必要な空気量を確保することができる）。ここで、同じ量の燃料を噴射すると燃料と空気との割合が変わり、必要以上の空気がエンジン本体２内へと導入されるので、その多くなった空気の代わりにＥＧＲガスを導入する。その結果、ＥＧＲ率を増加させることができる。これにより、エンジン本体２内の新気中の酸素量を減らさずに、ＥＧＲガス量を多くでき（ＥＧＲ率を増加させることができ）、結果としてＮＯｘを低減することができる。
【００７４】
また、高圧段過給機８から低圧段過給機９への切り替えを円滑に行うことができるので、排気ガスの圧力の上昇を抑制または防止することができる。その結果、車両の燃費を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明の内燃機関の２段式過給システムおよびこれを用いた内燃機関は、第１ウェイストゲートバルブ部の開状態が予め決められた状態以上になると、第２ウェイストゲートバルブ部が連動して開くことで、高圧段過給機から低圧段過給機への切り替えを円滑に行うことができるので、自動車搭載の内燃機関の２段式過給システムおよび内燃機関に利用できる。
【符号の説明】
【００７６】
１ エンジン（内燃機関）
２ エンジン本体
３ 排気マニホールド
４ 吸気マニホールド
５ 内燃機関の２段式過給システム
８ 高圧段過給機
８ａ 高圧段タービン
８ｂ 高圧段コンプレッサ（高圧段圧縮機）
９ 低圧段過給機
９ａ 低圧段タービン
９ｂ 低圧段コンプレッサ（低圧段圧縮機）
１０ａ 第１排気管
１０ｂ 第２排気管
１０ｃ 第３排気管
１２ サブバイパス排気管（バイパス排気管）
１２ａ 第１サブバイパス排気管（第１バイパス排気管）
１２ｂ 第２サブバイパス排気管（第２バイパス排気管）
１３ 排気切替バルブ装置
１４ ウェイストゲートバルブ装置
１４ａ 第１ウェイストゲートバルブ部
１４ｂ 第２ウェイストゲートバルブ部
１５ 配管
２０ａ 第１吸気管
２０ｂ 第２吸気管
２０ｃ 第３吸気管
２５ アクチュエータ
２６ ロッド
２７ スプリング部（付勢手段）
２７ａ スプリング
２７ｂ 付勢軸
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の２段式過給システムおよびこれを用いた内燃機関に関し、更に詳しくは、高圧段過給機から低圧段過給機への切り替えをスムーズに行うことが可能な２段式過給システムおよびこれを用いた内燃機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の２段式過給システムにおいては、高圧段および低圧段の容量差のある２つの過給機を直列に設けるとともに、内燃機関の運転状態に応じて適切な過給機を選択できるようにバイパスを設け、過給システムの作動領域の拡大を図っている。すなわち、高速回転・高負荷運転時には低圧段過給機を使用する一方、低速回転・低負荷運転時には高圧段過給機を使用するというように、内燃機関の運転状態に応じて、２段式過給システムの高圧段過給機と低圧段過給機とを切り替えて使用している。
【０００３】
ところで、内燃機関の２段式過給システムにおいては、高圧段過給機から低圧段過給機に切り替える際、排気切り替えバルブを使用する前段階として、高圧段過給機の圧縮機の出口圧を用いた正圧駆動方式により高圧段過給機のタービン側のウェイストゲートバルブの開閉を制御している。このため、過渡運転時において、高圧段過給機から低圧段過給機に仕事が円滑に移行する。
【０００４】
この正圧駆動方式によりウェイストゲートバルブを制御する際、高圧段過給機の圧縮機の出口圧が予め設定しておいた圧力に達するとウェイストゲートバルブが開き、高圧段過給機から低圧段過給機へと使用領域が切り替わってゆく。
【０００５】
高圧段過給機の圧縮機の出口圧は、エンジンの回転速度、負荷（燃料噴射量）が高くなると、それに比例して上昇するため、さらにウェイストゲートバルブを開く必要がある。しかし、ウェイストゲートバルブの有効開口面積に対して高圧段過給機のタービンの入口圧が高くなる（すなわち、排気ガス流量が多くなる）と、ウェイストゲートバルブの前後の圧力が臨界圧力比に達し、ウェイストゲートバルブを通過する排気ガス流量はウェイストゲートバルブの開度とは関係なく一定となる（以下、この状態をチョーク状態という）。このチョーク状態からさらにエンジンの回転、負荷が高くなると、ウェイストゲートバルブが配置されるバイパスを通じて低圧段過給機のタービンへと逃がしきれなくなった排気ガスが高圧段過給機のタービンへと流れるため、排気マニホールドの内圧の上昇等が起こる。また、高圧段過給機から低圧段過給機への切り替えが円滑に行われなくなるため、必要な空気量を確保できない。このため、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガス流量を多くすることができないので、排気ガスにおける窒素酸化物（ＮＯｘ）の排気性能が低下する。また、高圧段過給機のタービンの入口圧も増加することから、排気マニホールド内圧が上昇し、燃費等にも悪影響を及ぼす。
【０００６】
さらに、エンジンの回転速度、負荷が高くなる条件では、排気切り替えバルブを開くことで、低圧段過給機単体で過給する形態へと切り換えるが、その切り替えに際しても、ウェイストゲートバルブがチョークしていると排気ガス流路および低圧段過給機へと流れる排気ガス流量が大きく変わるため、過渡運転時においては、排気ガスにおけるＮＯｘの排気性能や燃費等に悪影響を及ぼす。
【０００７】
一方で、排気切り替えバルブのように電磁可変調整弁（ＥＶＲＶ：Electronic Vacuum Regulation Valve）を使用してウェイストゲートバルブを制御する方法もあるが、この方法では、過渡運転時において応答性が追従していない、ターボラグに対する制御が難しい等の問題がある。
【０００８】
これらのことからも、高圧段過給機の圧縮機の出口圧を用いた正圧駆動方式によりウェイストゲートバルブを制御するのが最も良いと考えられるが、この方式では、前述のようにウェイストゲートバルブでチョークが生じる可能性があるため、その改善が必要となる。
【０００９】
このチョークの対策として、有効開口面積を大きくすれば良いので、ウェイストゲートバルブの直径を大きくして、ガスの流路を大きくする方法が考えられるが、その方法では、ウェイストゲートバルブにかかる力（排気ガスがウェイストゲートバルブを押す力）がバルブ径に比例して大きくなるため、開弁力の増加が必要となり、アクチュエータのサイズを大きくする必要が生じる等の問題がある。
【００１０】
なお、例えば特許文献１には、高圧段過給機の入口側と低圧段過給機の入口側とを大小径の異なる２つのバイパス排気管で接続し、その各々のバイパス排気管に配置される主副のバイパス弁（上記のウェイストゲートバルブに相当）の開閉を制御することにより、高圧段過給機のタービンに流れる排気ガスの流量を精度良く制御して内燃機関の運転状態に応じて高圧段過給機と低圧段過給機との切り替えを行う技術が開示されている。しかし、この技術では上記したチョーク状態に関する問題が考慮されておらず、その対策のために２つのウェイストゲートバルブを連動して動作することについて考慮がなされていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００７−１３８８４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、高圧段過給機から低圧段過給機への切り替えを円滑に行うことが可能な内燃機関の２段式過給システムを提供することにある。
【００１３】
また、本発明の他の目的は、燃費を向上させることが可能な内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の目的を達成するための本発明の内燃機関の２段式過給システムは、２段直列に接続された高圧段過給機のタービンおよび低圧段過給機のタービンを内燃機関本体から排気された排気ガスにより駆動させ、その駆動力により前記高圧段過給機の圧縮機および前記低圧段過給機の圧縮機を連動することにより圧縮した空気を前記内燃機関本体に送り込む２段式過給システムにおいて、前記内燃機関本体からの排気ガスを前記高圧段過給機のタービンに送り込む第１排気管と、前記高圧段過給機のタービンから前記低圧段過給機のタービンに排気ガスを送り込む第２排気管と、前記低圧段過給機のタービンからの排気ガスを外部側に流す第３排気管と、前記第１排気管と前記第２排気管とをウェイストゲートバルブ装置を介して接続するバイパス排気管と、前記低圧段過給機の圧縮機に空気を流す第１吸気管と、前記低圧段過給機の圧縮機から前記高圧段過給機の圧縮機に空気を送り込む第２吸気管と、前記高圧段過給機の圧縮機から前記内燃機関本体に空気を送り込む第３吸気管とを備え、前記バイパス排気管は、並列に接続された第１バイパス排気管および第２バイパス排気管を有しており、前記ウェイストゲートバルブ装置は、前記第１バイパス排気管の開閉を行う第１ウェイストゲートバルブ部と、前記第２バイパス排気管の開閉を行う第２ウェイストゲートバルブ部とを有しており、前記第１ウェイストゲートバルブ部の開状態が予め決められた状態以上になると、前記第２ウェイストゲートバルブ部が連動して開くものである。
【００１５】
また、上記の内燃機関の２段式過給システムにおいて、前記ウェイストゲートバルブ装置は、前記第１ウェイストゲートバルブ部の開閉動作を行うアクチュエータを有しており、前記アクチュエータは、前記高圧段過給機の圧縮機における出口側の圧力に応じて駆動するものである。
【００１６】
これにより、高圧段過給機の圧縮機の出口側の圧力に応じて第１ウェイストゲートバルブの開弁状態を制御することができるので、過渡運転時の制御性を向上させることができる。
【００１７】
また、上記の内燃機関の２段式過給システムにおいて、前記第１ウェイストゲートバルブ部は、前記第１バイパス排気管の開口部に配置される第１バルブ本体と、前記第１バルブ本体を支持し、前記アクチュエータの駆動力を伝えるロッドが接続される第１支持部とを有し、前記第２ウェイストゲートバルブ部は、前記第２バイパス排気管の開口部に配置される第２バルブ本体と、前記第２バルブ本体を支持する第２支持部と、前記第２支持部に接続され、前記第１ウェイストゲートバルブの前記第１支持部側に延びる第３支持部とを有し、前記第１ウェイストゲートバルブ部と前記第２ウェイストゲートバルブ部とは、前記第２ウェイストゲートバルブ部の前記第３支持部が、前記第１ウェイストゲートバルブ部の前記第１支持部に重なる状態で隣接して配置され、前記ウェイストゲートバルブ装置は、前記第３支持部を介して前記第１支持部を押さえるように配置された付勢手段を有しており、前記アクチュエータからの駆動力により前記第１ウェイストゲートバルブ部の前記第１支持部が前記付勢手段の方向に移動すると、前記第１ウェイストゲートバルブ部が開くとともに前記第３支持部が連動し、前記第１支持部の前記付勢手段の方向への移動量が予め決められた移動量を過ぎると前記第２ウェイストゲートバルブ部が開くものである。
【００１８】
また、上記の目的を達成するための本発明の内燃機関は、前記内燃機関の２段式過給システムを有するものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の内燃機関の２段式過給システムによれば、第１バイパス排気管の開口部でチョーク状態になると、第２バイパス排気管の第２ウェイストゲートバルブ部が連動して開くことにより、バイパス排気管の有効開口面積を増加できるので、チョーク状態を回避することができる。このため、高圧段過給機側からバイパス排気管を通じて低圧段過給機に流れる排気ガスの流路を確保することができるので、高圧段過給機から低圧段過給機への切り替えを円滑に行うことができる。
【００２０】
また、第１、第２ウェイストゲートバルブ部の開弁力を増加させないで済むので、第１、第２ウェイストゲートバルブ部を駆動するアクチュエータのサイズを増大させることもない。また、第１ウェイストゲートバルブ部の動作に第２ウェイストゲートバルブ部が連動するので、第１、第２ウェイストゲートバルブ部を駆動するアクチュエータを増やす必要もない。したがって、重量の増大を招くこともない。
【００２１】
また、本発明の内燃機関の２段式過給システムを用いた内燃機関によれば、高圧段過給機から低圧段過給機への切り替えを円滑に行うことができるので、必要な空気量を確保することができる。その結果、ＥＧＲ率を増加させることができる。
【００２２】
また、高圧段過給機から低圧段過給機への切り替えを円滑に行うことができるので、排気ガスの圧力の上昇を抑制または防止することができる。その結果、燃費を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態の内燃機関の２段式過給システムを用いたエンジンの構成図である。
【図２】本発明の実施の形態の内燃機関の２段式過給システムにおけるウェイストゲートバルブ装置の構成図である。
【図３】図２のウェイストゲートバルブ装置の動作時の状態を示した構成図である。
【図４】図２のウェイストゲートバルブ装置のバルブ本体と排気管との関係を例示した断面図である。
【図５】図２のウェイストゲートバルブ装置の閉弁時の構成図である。
【図６】図５に続くウェイストゲートバルブ装置の開弁動作工程時の構成図である。
【図７】図６に続くウェイストゲートバルブ装置の開弁動作工程時の構成図である。
【図８】図７のウェイストゲートバルブ装置のバルブ本体と排気管との関係を例示した断面図である。
【図９】図７に続くウェイストゲートバルブ装置の開弁動作工程時の構成図である。
【図１０】図９のウェイストゲートバルブ装置のバルブ本体と排気管との関係を例示した断面図である。
【図１１】図９に続くウェイストゲートバルブ装置の開弁動作工程時の構成図である。
【図１２】図１１のウェイストゲートバルブ装置のバルブ本体と排気管との関係を例示した断面図である。
【図１３】図１の内燃機関の２段式過給システムにおける低圧段過給機の燃料噴射量に対する吸入空気量の測定結果を示したグラフ図である。
【図１４】図１の内燃機関の２段式過給システムにおける低圧段過給機および高圧段過給機の燃料噴射量に対するコンプレッサ仕事の測定結果を示したグラフ図である。
【図１５】図１の内燃機関の２段式過給システムにおける低圧段過給機および高圧段過給機の燃料噴射量に対する圧力比の測定結果を示したグラフ図である。
【図１６】図１の内燃機関の２段式過給システムにおける低圧段過給機および高圧段過給機の燃料噴射量に対する膨張比の測定結果を示したグラフ図である。
【図１７】従来のウェイストゲートバルブ装置の閉弁時の構成図である。
【図１８】従来のウェイストゲートバルブ装置の開弁時の構成図である。
【図１９】従来のウェイストゲートバルブ装置の動作状態を示した構成図である。
【図２０】図１７のウェイストゲートバルブ装置を用いた従来の２段式過給システムにおける低圧段過給機の燃料噴射量に対する吸入空気量の測定結果を示したグラフ図である。
【図２１】図１７のウェイストゲートバルブ装置を用いた従来の２段式過給システムにおける低圧段過給機および高圧段過給機の燃料噴射量に対するコンプレッサ仕事の測定結果を示したグラフ図である。
【図２２】図１７のウェイストゲートバルブ装置を用いた従来の２段式過給システムにおける低圧段過給機および高圧段過給機の燃料噴射量に対する圧力比の測定結果を示したグラフ図である。
【図２３】図１７のウェイストゲートバルブ装置を用いた従来の２段式過給システムにおける低圧段過給機および高圧段過給機の燃料噴射量に対する膨張比の測定結果を示したグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態の内燃機関の２段式過給システムおよびこれを用いたエンジンについて添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２５】
図１は本実施の形態の内燃機関の２段式過給システムを用いたエンジンの構成図を示している。なお、図中の矢印は空気の流れを示している。
【００２６】
本実施の形態のエンジン（内燃機関）１は、エンジン本体２と、排気マニホールド３と、吸気マニホールド４と、内燃機関の２段式過給システム５と、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）システム６と、エアクリーナー７とを有している。
【００２７】
内燃機関の２段式過給システム５は、２段直列に配置された高圧段過給機８と低圧段過給機９とを有しているとともに、エンジン１の運転状態に応じて適切な過給機を選択できるように後述のバイパスを設け、過給システムの作動領域の拡大を図っている。すなわち、低速回転・低負荷運転時には高圧段過給機８を使用する一方、高速回転・高負荷運転時には低圧段過給機９を使用するというように、エンジン１の運転状態に応じて高圧段過給機８と低圧段過給機９とを切り替えて使用している。
【００２８】
高圧段過給機８は、高圧段タービン８ａと高圧段コンプレッサ（圧縮機）８ｂとを有している。高圧段タービン８ａおよび高圧段コンプレッサ８ｂは、一本の軸の両端に複数枚の羽根が設けられることで形成されており、高圧段タービン８ａがエンジン本体２から排気された排気ガスの力を受けて回転駆動すると、その駆動力により高圧段コンプレッサ８ｂが連動することにより圧縮した空気をエンジン本体２に送り込む。
【００２９】
低圧段過給機９は、低圧段タービン９ａと低圧段コンプレッサ（圧縮機）９ｂとを有している。低圧段タービン９ａおよび低圧段コンプレッサ９ｂは、高圧段過給機８と同様に、一本の軸の両端に複数枚の羽根が設けられることで形成されており、低圧段タービン９ａがエンジン本体２から排気された排気ガスの力を受けて回転駆動すると、その駆動力により低圧段コンプレッサ９ｂが連動することにより圧縮した空気をエンジン本体２に送り込む。低圧段タービン９ａの容量は、高圧段タービン８ａの容量よりも大きく、低圧段コンプレッサ９ｂの容量は、高圧段コンプレッサ８ｂの容量よりも大きい。
【００３０】
内燃機関の２段過給システム５の排気系は、第１排気管１０ａと、第２排気管１０ｂと、第３排気管１０ｃと、メインバイパス排気管１１と、サブバイパス排気管（バイパス排気管）１２と、排気切替バルブ装置１３と、ウェイストゲートバルブ装置１４とを有している。
【００３１】
第１排気管１０ａは、排気マニホールド３と高圧段タービン８ａの入口とを接続し、エンジン本体２からの排気ガスを高圧段タービン８ａに送り込む配管である。第２排気管１０ｂは、高圧段タービン８ａの出口と低圧段タービン９ａの入口とを接続し、高圧段タービン８ａからの排気ガスを低圧段タービン９ａに送り込む配管である。この第２排気管１０ｂの途中位置には排気切替バルブ装置１３が設けられている。第３排気管１０ｃは、低圧段タービン９ａの出口からの排気ガスを外部側に流す配管である。
【００３２】
メインバイパス排気管１１は、排気マニホールド３と第２排気管１０ｂ（低圧段タービン９ａの入口）とを高圧段タービン８ａを介さずに接続する配管であり、その途中位置には、排気切替バルブ装置１３が設けられている。
【００３３】
排気切替バルブ装置１３は、エンジン本体２から排出された排気ガスを、メインバイパス排気管１１を通じて低圧段タービン９ａに流す時は開き、メインバイパス排気管１１の流路を遮断する時は閉じるようになっている。排気切替バルブ装置１３のバルブ本体は、空気圧（または真空圧）を用いたアクチュエータにより開閉動作する。
【００３４】
サブバイパス排気管１２は、第１排気管１０ａと第２排気管１０ｂとを接続する配管である。すなわち、高圧段タービン８ａの上流（入口）側と下流（出口）側とを高圧段タービン８ａを介さずに接続する配管である。サブバイパス排気管１２の途中位置には、ウェイストゲートバルブ装置１４が設けられている。このウェイストゲートバルブ装置１４は、高圧段タービン８ａの上流（入口）側の圧力が高くなった場合に、ウェイストゲートバルブ装置１４のバルブ本体を開いて、排気ガスを、サブバイパス排気管１２を通じて高圧段タービンの上流（入口）側から下流（出口）側に直接逃がし、高圧段タービン８ａおよび高圧段コンプレッサ８ｂの過剰な回転を防ぐ機能を有している。
【００３５】
このウェイストゲートバルブ装置１４のバルブ本体の開閉は、高圧段コンプレッサ８ｂの出口圧を用いた正圧駆動方式により制御される。すなわち、ウェイストゲートバルブ装置１４のバルブ本体を駆動するアクチュエータの入力は、配管１５を通じて高圧段コンプレッサ８ｂの出口と接続されており、その出口圧に応じてアクチュエータは、バルブ本体の開閉駆動を制御する。これにより、高圧段タービン８ａおよび高圧段コンプレッサ８ｂの過剰な回転を防ぐことができる。なお、低圧段タービン９ａの入口と出口とを繋ぐサブバイパス排気管を設け、その途中にウェイストゲートバルブ装置を設けても良い。
【００３６】
高圧段ターボ８ａと低圧段ターボ９ａとの作動の切り替えは、排気切替バルブ装置１３およびウェイストゲートバルブ装置１４等により行われる。例えば排気切替バルブ１３を開くと、高圧段過給機８は、タービン８ａの出入り口の圧力差が無くなるため作動せず、低圧段過給機９のみが作動する。また、排気切替バルブ装置１３とウェイストゲートバルブ装置１４とを全閉すると、排気マニホールド３から排出される排気ガスは全て高圧段タービン８ａに流れて高圧段過給機８が作動する。このとき、低圧段過給機９側にウェイストゲートバルブ装置がある場合、それを全開にすることで、排気ガスが低圧段タービン９ａをバイパスするので、低圧段過給機９は作動しない。また、排気切替バルブ装置１３を僅かに開き、低圧段過給機側のウェイストゲートバルブ装置を全閉にすると、高圧段過給機８と低圧段過給機とが同時に作動する。
【００３７】
内燃機関の２段過給システム５の吸気系は、第１吸気管２０ａと、第２吸気管２０ｂと、第３吸気管２０ｃと、バイパス吸気管２１と、吸気切替バルブ装置２２とを有している。
【００３８】
第１吸気管２０ａは、エアクリーナー７と低圧段コンプレッサ９ｂの入口とを接続し、エアクリーナー７により清浄にされた空気を低圧段コンプレッサ９ｂに流す配管である。第２吸気管２０ｂは、低圧段コンプレッサ９ｂの出口と高圧段コンプレッサ８ｂの入口とを接続し、低圧段コンプレッサ９ｂから高圧段コンプレッサ８ｂに空気を送り込む配管である。第３吸気管２０ｃは、高圧段コンプレッサ８ｂの出口と吸気マニホールド４とを接続し、高圧段コンプレッサ８ｂから吸気マニホールド４を通じてエンジン本体２に空気を送り込む配管である。
【００３９】
バイパス吸気管２１は、第２吸気管２０ｂ（低圧段コンプレッサ９ｂの出口）と、第３吸気管２０ｃ（吸気マニホールド４）とを高圧段コンプレッサ８ｂを介さずに接続する配管である。
【００４０】
吸気切替バルブ装置２２は、第２吸気管２０ｂと第３吸気管２０ｃとの交点部分に配置されている。吸気切替バルブ装置２２は、高圧段過給機８が作動するときに低圧段過給機９側の流路が閉じ、低圧段過給機９が作動するときに高圧段過給機８側の流路が閉じる。
【００４１】
上記したＥＧＲシステム６は、燃焼後の排気ガスの一部を取り出し吸気側へ導き再度吸気させるシステムであり、排気マニホールド３と吸気マニホールド４とを接続する配管６ａの途中に排気マニホールド３側から順に、ＥＧＲクーラ６ｂとＥＧＲバルブ６ｃとが介在されている。
【００４２】
次に、本実施の形態の内燃機関の２段式過給システム５における高圧段過給機８側のウェイストゲートバルブ装置１４について図２〜図４を参照しながら説明する。
【００４３】
図２は本実施の形態の内燃機関の２段式過給システム５のウェイストゲートバルブ装置１４の構成図、図３は図２のウェイストゲートバルブ装置１４の動作時の状態を示した構成図、図４は図２のウェイストゲートバルブ装置１４のバルブ本体と排気管との関係を例示した断面図である。なお、図２および図４の矢印Ａ１は排気ガスの流れを示し、図３の矢印Ｂ１〜Ｂ４は開弁時のウェイストゲートバルブ装置の各部の動作方向を示している。
【００４４】
まず、図２および図４に示すように、本実施の形態の内燃機関の２段式過給システム５においては、高圧段過給機８側のサブバイパス排気管１２が、第１サブバイパス排気管（第１バイパス排気管）１２ａと第２サブバイパス排気管（第２バイパス排気管）１２ｂとの２つの排気管を有している。この第１、第２サブバイパス排気管１２ａ，１２ｂは、第１排気管１０ａと第２排気管１０ｂとの間に並列に接続されている。第１、第２サブバイパス排気管１２ａ，１２ｂの開口面積は同じである。この開口面積を同じとすることにより、部品の共通化ができ、コストを低減することができる。ただし、第１、第２サブバイパス排気管１２ａ，１２ｂの開口面積を変えても良い。第１サブバイパス排気管１２ａの開口面積の方が第２サブバイパス排気管１２ｂの開口面積よりも大きい場合、運転条件等により排気ガス流量が多くなり、圧力が高くなる場合がある。この場合、開口部分にかかる力が大きくなり、ウェイストゲートバルブ部の開閉がスムーズに行えない可能性がある。このため、第１、第２サブバイパス排気管１２ａ，１２ｂの開口面積を変える場合には、第２サブバイパス排気管１２ｂの開口面積を第１サブバイパス排気管１２ａの開口面積よりも大きくすることが好ましい。
【００４５】
次に、図２および図３に示すように、本実施の形態の内燃機関の２段式過給システム５のウェイストゲートバルブ装置１４は、配管１５、アクチュエータ２５、ロッド２６およびスプリング部（付勢手段）２７を有する他に、第１サブバイパス排気管１２ａおよび第２サブバイパス排気管１２ｂの開閉を行うため、第１ウェイストゲートバルブ部１４ａおよび第２ウェイストゲートバルブ部１４ｂの２つのウェイストゲートバルブ部を有している。
【００４６】
第１ウェイストゲートバルブ部１４ａは、第１サブバイパス排気管１２ａの開閉を行う部分であり、第１バルブ本体１４ａ１と、第１支持部１４ａ２とを有している。第１バルブ本体１４ａ１は、第１サブバイパス排気管１２ａの開口部に配置され、その開閉を行う部分である。この第１バルブ本体１４ａ１は第１支持部１４ａ２に支持されている。
【００４７】
第１支持部１４ａ２はロッド２６を介してアクチュエータ２５に接続されている。アクチュエータ２５の駆動は、高圧段コンプレッサ８ｂの出口圧に応じて駆動する正圧駆動方式により制御されている。これにより、高圧段コンプレッサ８ｂの出口側の圧力に応じて第１ウェイストゲートバルブ部１４ａの開弁状態を制御することができるので、過渡運転時の制御性を向上させることができる。
【００４８】
このアクチュエータ２５の内部には、ダイアフラムが図２および図３の左右方向に移動可能な状態で設けられている。このダイアフラムはスプリングにより図２および図３の左方向に付勢されている。一方、アクチュエータ２５の入力には、配管１５を通じて高圧段コンプレッサ８ｂの出口が接続されており、高圧段コンプレッサ８ｂの出口から配管１５を通じてアクチュエータ２５内に図２および図３の右方向に付勢されるような加圧吸気が導入されるようになっている。その加圧吸気の過給圧がスプリングのセット力を超えると、ダイアフラムが図２および図３の右方向に動き、ダイアフラムに接続されたロッド２６が右方向に駆動する。このアクチュエータ２５の駆動力は、ロッド２６を通じて第１ウェイストゲートバルブ部１４ａの第１支持部１４ａ２に伝えられ、これに支持された第１バルブ本体１４ａ１が第１サブバイパス排気管１２ａを開閉する。
【００４９】
第２ウェイストゲートバルブ部１４ｂは、第２サブバイパス排気管１２ｂの開閉を行う部分であり、第２バルブ本体１４ｂ１と、第２支持部１４ｂ２と、第３支持部１４ｂ３とを有している。第２バルブ本体１４ｂ１は、第２サブバイパス排気管１２ｂの開口部に配置され、その開閉を行う部分である。この第２バルブ本体１４ｂ１は第２支持部１４ｂ２の一端側に支持されている。また、第２支持部１４ｂ２の他端側には第３支持部１４ｂ３が接続されている。この第３支持部１４ｂ３は、第２支持部１４ｂ２の他端側角部から第１ウェイストゲートバルブ部１４ａの第１支持部１４ａ２に重なる位置まで延びている。
【００５０】
このような第１ウェイストゲートバルブ部１４ａと、第２ウェイストゲートバルブ部１４ｂとは、第２ウェイストゲートバルブ部１４ｂの第３支持部１４ｂ３が、第１ウェイストゲートバルブ部１４ａの第１支持部１４ａ２に重なる状態で図２および図３の上下方向に隣接して配置されている。
【００５１】
また、上記したスプリング部２７は、第３支持部１４ｂ３と第１支持部１４ａ２とが重なる部分に対向する位置に設置されている。スプリング部２７は、スプリング２７ａと付勢軸２７ｂとを有している。付勢軸２７ｂは、第３支持部１４ｂ３に接続されている。
【００５２】
このスプリング２７ａは、付勢軸２７ｂおよび第３支持部１４ｂ３を第１支持部１４ａ２に押しつける方向に付勢力を与えている。すなわち、スプリング部２７は、第２ウェイストゲートバルブ部１４ｂの第３支持部１４ｂ３を介して、第１ウェイストゲートバルブ部１４ａの第１支持部１４ａ２を押さえるように配置されている。
【００５３】
このようなウェイストゲートバルブ装置１４においては、第１ウェイストゲートバルブ部１４ａの第１バルブ本体１４ａ１の開状態が予め決められた状態以上になると、第２ウェイストゲートバルブ部１４ｂの第２バルブ本体１４ｂ１が連動して開くようになっている。
【００５４】
すなわち、図３に示すように、アクチュエータ２５からの駆動力により第１ウェイストゲートバルブ部１４ａの第１支持部１４ａ１の上端が矢印Ｂ１に示すように移動すると、第１支持部１４ａ１の下端がスプリング部２７の方向に移動する。これにより、第１ウェイストゲートバルブ部１４ａの第１バルブ本体１４ａ１の体勢が傾斜するようになり第１サブバイパス排気管１２ａが開く。これとともに、第１支持部１４ａ２の下端部に押された第３支持部１４ｂ３が矢印Ｂ２に示すように連動する。これにより、スプリング２７ａが、その付勢力とは反対の矢印Ｂ３に示す方向に押されるとともに、第３支持部１４ｂ３に接続された第２支持部１４ｂ２も矢印Ｂ４に示すように連動する。その後、第１ウェイストゲートバルブ部１４ａの第１支持部１４ａ２の下端部がスプリング部２７の方向へさらに移動し、その移動量が予め決められた移動量を過ぎると第２ウェイストゲートバルブ部１４ｂの第２バルブ本体１４ｂ１の傾斜角度が大きくなり第２サブバイパス排気管１２ｂが開く。
【００５５】
このウェイストゲートバルブ装置１４においては、第１サブバイパス排気管１２ａで上記したチョーク状態が起きる時またはその直前あるいはその直後に、第２サブバイパス排気管１２ｂが開き始めるように設定されている。
【００５６】
次に、本実施の形態の内燃機関の２段式過給システム５のウェイストゲートバルブ装置１４の開閉動作について図５〜図１２を参照しながら説明する。
【００５７】
まず、図５は、高圧段コンプレッサ８ｂの出口圧がウェイストゲートバルブ装置１４の予め設定された開弁圧よりも低く、第１、第２ウェイストゲートバルブ部１４ａ，１４ｂの第１、第２バルブ本体１４ａ１，１４ａ２が閉じており第１、第２バイパス排気管１２ａ，１２ｂを完全に塞いでいる状態を示している。バイパス経路は、排気ガスの圧力を利用してバイパス経路を閉じ、漏れの無い構造とされている。
【００５８】
続いて、図６に示すように、高圧段コンプレッサ８ｂの出口圧がウェイストゲートバルブ装置１４の予め設定された開弁圧よりも高くなり始め、第１ウェイストゲートバルブ部１４ａの第１バルブ本体１４ａ１が徐々に開き始める。これにより、第１ウェイストゲートバルブ部１４ａの第１支持部１４ａ２の下端が、第２ウェイストゲートバルブ部１４ｂの第３支持部１４ｂ３をスプリング部２７側に押し始める。
【００５９】
続いて、図７および図８に示すように、高圧段コンプレッサ８ｂの出口圧がさらに高くなり、第１ウェイストゲートバルブ部１４ａの第１バルブ本体１４ａ１の開度がさらに大きくなる。これにより、第１ウェイストゲートバルブ部１４ａの第１支持部１４ａ２の下端は、第２ウェイストゲートバルブ部１４ｂの第３支持部１４ｂ３をスプリング部２７側に押しつける。
【００６０】
続いて、図９および図１０に示すように、エンジン１の回転速度および負荷が高くなり高圧段コンプレッサ８ｂが仕事を行うと高圧段コンプレッサ８ｂの出口圧がさらに高くなり、第１ウェイストゲートバルブ部１４ａの第１バルブ本体１４ａ１の開度がさらに大きくなり、第１サブバイパス排気管１２ａでチョーク状態が起き始める。
【００６１】
この時、ウェイストゲートバルブ装置１４においては、第１支持部１４ａ２の下端が、さらにスプリング部２７の方向に移動するので、スプリング部２７により押さえられていた第２バルブ本体１４ｂ１のリンクが作動し、第２バルブ本体１４ｂ１が次第に開き始める。
【００６２】
続いて、図１１および図１２に示すように、チョーク状態からさらにエンジンの回転、負荷が高くなり、高圧段コンプレッサ８ｂの出口圧がさらに高くなると、第１ウェイストゲートバルブ部１４ａの第１バルブ本体１４ａ１の開度がさらに大きくなる。これと同時に第１支持部１４ａ２の下端がスプリング部２７の方向にさらに移動するので、第３支持部１４ｂ３がさらにスプリング部２７側に押しつけられることになり、第２バルブ本体１４ｂ１の開度も大きくなる。したがって、本実施の形態の内燃機関の２段式過給システム５においては、第１サブバイパス排気管１２ａの開口部でチョーク状態になっても、第２サブバイパス排気管１２ｂが開くことで、排気ガスが低圧段タービン９ａへと円滑に流れる。
【００６３】
ここで、ウェイストゲートバルブ装置１４では、図１２に示すように、第１サブバイパス排気管１２ａ側の第１バルブ本体１４ａ１と、第２バイパス排気管１２ｂ側の第２バルブ本体１２ｂ１とで、バルブ接続位置関係が第１排気管１０ａを中央として上下対称（開口面積は非対称）となっており、開口方向が異なっている（ここでは真逆になっている）。これは、バイパス経路が、排気ガスの圧力を利用してバイパス経路を閉じることで漏れの無い構造を達成しているためで、上記の構成にすることにより、バルブの開閉状態を良好にできる。
【００６４】
次に、比較のため従来の高圧段過給機側のウェイストゲートバルブ装置について図１７〜図１９を参照しながら説明する。
【００６５】
図１７〜図１９は、従来の正圧駆動方式のウェイストゲートバルブ装置７０の構成図である。図１７はバルブが閉じている状態、図１８はバルブが開いている状態、図１９はバルブの開閉動作の状態をそれぞれ示している。矢印Ａ７は排気ガスの流れを示し、矢印Ｂ７はバルブの動作方向を示している。
【００６６】
従来の高圧段過給機側のサブバイパス排気管は１つである。このため、ウェイストゲートバルブ装置のバルブ本体も１つである。バルブ本体７０ａは、サブバイパス排気管を開閉する部分であり、バルブ支持体７０ｂに支持されている。バルブ支持部７０ｂは、ロッド７０ｃを通じてアクチュエータ７０ｄと接続されている。アクチュエータ７０ｄの入力側には、配管７０ｅを通じて高圧段コンプレッサ７１の出口が接続されている。アクチュエータ７０ｄは、高圧段コンプレッサの出口圧に応じてロッド７０ｃを往復駆動することでバルブ本体７０ａの開閉動作を行う。
【００６７】
次に、図１７で示した従来のウェイストゲートバルブ装置の開閉動作による圧力、仕事等の推移を図２０〜図２３に示す。矢印Ｄはウェイストゲートバルブ装置７０の開弁開始を示し、矢印Ｅは高圧段タービン側のサブバイパス排気管でのチョーク状態の発生を示している。また、符号Ｌ０は低圧段過給機側の測定結果を示し、符号Ｈ０は高圧段過給機側の測定結果を示している。
【００６８】
従来方式では、高圧段タービン側のサブバイパス排気管でチョーク状態が起き、高圧段コンプレッサから低圧段コンプレッサへと仕事が切り替わらない。また、高負荷、高回転条件で高圧段過給機を使用することは、高圧段過給機を効率の悪い条件で使用していることを示している。このため、エンジン本体２に必要な空気を導入できなくなり、排気ガス中におけるＮＯｘ等の排気性能が低下する。また、高圧段タービンの入口圧も増加するため、排気マニホールドの内圧が上昇し、燃費に対しても悪影響を及ぼす。
【００６９】
これに対して、本実施の形態の内燃機関の２段式過給システム５で用いるウェイストゲートバルブ装置１４の開閉動作による圧力、仕事等の推移を図１３〜図１６に示す。矢印Ｆは高圧段タービン側の第１サブバイパス排気管１２ａでのチョーク状態の発生と、第２ウェイストゲートバルブ部１４ｂの開弁開始とを示している。また、符号Ｌ１は本実施の形態の２段式過給システム５の低圧段過給機９側の測定結果を示し、符号Ｈ１は本実施の形態の２段式過給システム５の高圧段過給機８側の測定結果を示している。
【００７０】
このウェイストゲートバルブ装置１４では、チョーク状態を回避できるので、符号Ｌ１，Ｈ１で示すように、高圧段コンプレッサ８ｂから低圧段コンプレッサ９ｂへと仕事を円滑に切り替えることができる。また、高負荷、高回転条件における高圧段過給機８の使用を回避でき、低圧段過給機９を効率の良い条件で過給できる。
【００７１】
このように本実施の形態の内燃機関の２段式過給システム５によれば、第１バイパス排気管１２ａの開口部でチョーク状態になると、第２ウェイストゲートバルブ部１４ｂが連動して第２バイパス排気管１２ｂが開くことにより、サブバイパス排気管１２の有効開口面積を増加させることができるので、チョーク状態を回避することができる。このため、高圧段過給機８側からサブバイパス排気管１２を通じて低圧段過給機８に流れる排気ガスの流路を充分に確保することができるので、高圧段過給機８から低圧段過給機９への切り替えを円滑に行うことができる。また、排気切替バルブ装置１３のバルブを開くことにより、低圧段過給機９への切り替えも円滑に行うことができる。
【００７２】
また、１つのサブバイパス排気管の開口面積を大きくするわけではないので、ウェイストゲートバルブ装置１４の開弁力を増加させる必要もない。このため、ウェイストゲートバルブ装置１４を駆動するアクチュエータ２５のサイズを増大させる必要もない。また、第１ウェイストゲートバルブ部１４ａの動作に第２ウェイストゲートバルブ部１４ｂが連動するので、サブバイパス排気管を増やし、ウェイストゲートバルブ部を増やしたからといって、第１、第２ウェイストゲートバルブ部１４ａ，１４ｂを駆動するアクチュエータ２５の数を増やす必要もない。したがって、車両の重量増大を招くこともない。また、アクチュエータ２５の制御が難しくなることもない。
【００７３】
したがって、このような内燃機関の２段式過給システム５を用いたエンジン１によれば、高圧段過給機８から低圧段過給機９への切り替えを円滑に行うことができるので、エンジン本体２内に効率的に空気を導入することができ、より多くの空気をエンジン本体２内に導入することができる（すなわち、必要な空気量を確保することができる）。ここで、同じ量の燃料を噴射すると燃料と空気との割合が変わり、必要以上の空気がエンジン本体２内へと導入されるので、その多くなった空気の代わりにＥＧＲガスを導入する。その結果、ＥＧＲ率を増加させることができる。これにより、エンジン本体２内の新気中の酸素量を減らさずに、ＥＧＲガス量を多くでき（ＥＧＲ率を増加させることができ）、結果としてＮＯｘを低減することができる。
【００７４】
また、高圧段過給機８から低圧段過給機９への切り替えを円滑に行うことができるので、排気ガスの圧力の上昇を抑制または防止することができる。その結果、車両の燃費を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明の内燃機関の２段式過給システムおよびこれを用いた内燃機関は、第１ウェイストゲートバルブ部の開状態が予め決められた状態以上になると、第２ウェイストゲートバルブ部が連動して開くことで、高圧段過給機から低圧段過給機への切り替えを円滑に行うことができるので、自動車搭載の内燃機関の２段式過給システムおよび内燃機関に利用できる。
【符号の説明】
【００７６】
１ エンジン（内燃機関）
２ エンジン本体
３ 排気マニホールド
４ 吸気マニホールド
５ 内燃機関の２段式過給システム
８ 高圧段過給機
８ａ 高圧段タービン
８ｂ 高圧段コンプレッサ（高圧段圧縮機）
９ 低圧段過給機
９ａ 低圧段タービン
９ｂ 低圧段コンプレッサ（低圧段圧縮機）
１０ａ 第１排気管
１０ｂ 第２排気管
１０ｃ 第３排気管
１２ サブバイパス排気管（バイパス排気管）
１２ａ 第１サブバイパス排気管（第１バイパス排気管）
１２ｂ 第２サブバイパス排気管（第２バイパス排気管）
１３ 排気切替バルブ装置
１４ ウェイストゲートバルブ装置
１４ａ 第１ウェイストゲートバルブ部
１４ｂ 第２ウェイストゲートバルブ部
１５ 配管
２０ａ 第１吸気管
２０ｂ 第２吸気管
２０ｃ 第３吸気管
２５ アクチュエータ
２６ ロッド
２７ スプリング部（付勢手段）
２７ａ スプリング
２７ｂ 付勢軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２段直列に接続された高圧段過給機のタービンおよび低圧段過給機のタービンを内燃機関本体から排気された排気ガスにより駆動させ、その駆動力により前記高圧段過給機の圧縮機および前記低圧段過給機の圧縮機を連動することにより圧縮した空気を前記内燃機関本体に送り込む内燃機関の２段式過給システムにおいて、
前記内燃機関本体からの排気ガスを前記高圧段過給機のタービンに送り込む第１排気管と、
前記高圧段過給機のタービンから前記低圧段過給機のタービンに排気ガスを送り込む第２排気管と、
前記低圧段過給機のタービンからの排気ガスを外部に流す第３排気管と、
前記第１排気管と前記第２排気管とをウェイストゲートバルブ装置を介して接続するバイパス排気管と、
前記低圧段過給機の圧縮機に空気を流す第１吸気管と、
前記低圧段過給機の圧縮機から前記高圧段過給機の圧縮機に空気を送り込む第２吸気管と、
前記高圧段過給機の圧縮機から前記内燃機関本体に空気を送り込む第３吸気管とを備え、
前記バイパス排気管は、並列に接続された第１バイパス排気管および第２バイパス排気管を有しており、
前記ウェイストゲートバルブ装置は、前記第１バイパス排気管の開閉を行う第１ウェイストゲートバルブ部と、前記第２バイパス排気管の開閉を行う第２ウェイストゲートバルブ部とを有しており、
前記第１ウェイストゲートバルブ部の開状態が予め決められた状態以上になると、前記第２ウェイストゲートバルブ部が連動して開く内燃機関の２段式過給システム。
【請求項２】
前記ウェイストゲートバルブ装置は、前記第１ウェイストゲートバルブ部の開閉動作を行うアクチュエータを有しており、前記アクチュエータは、前記高圧段過給機の圧縮機における出口側の圧力に応じて駆動する請求項１記載の内燃機関の２段式過給システム。
【請求項３】
前記第１ウェイストゲートバルブ部は、
前記第１バイパス排気管の開口部に配置される第１バルブ本体と、
前記第１バルブ本体を支持し、前記アクチュエータの駆動力を伝えるロッドが接続される第１支持部とを有し、
前記第２ウェイストゲートバルブ部は、
前記第２バイパス排気管の開口部に配置される第２バルブ本体と、
前記第２バルブ本体を支持する第２支持部と、
前記第２支持部に接続され、前記第１ウェイストゲートバルブの前記第１支持部側に延びる第３支持部とを有し、
前記第１ウェイストゲートバルブ部と前記第２ウェイストゲートバルブ部とは、前記第２ウェイストゲートバルブ部の前記第３支持部が、前記第１ウェイストゲートバルブ部の前記第１支持部に重なる状態で隣接して配置され、
前記ウェイストゲートバルブ装置は、前記第３支持部を介して前記第１支持部を押さえるように配置された付勢手段を有しており、
前記アクチュエータからの駆動力により前記第１ウェイストゲートバルブ部の前記第１支持部が前記付勢手段の方向に移動すると、前記第１ウェイストゲートバルブ部が開くとともに前記第３支持部が連動し、前記第１支持部の前記付勢手段の方向への移動量が予め決められた移動量を過ぎると前記第２ウェイストゲートバルブ部が開く請求項２記載の内燃機関の２段式過給システム。
【請求項４】
請求項１，２または３記載の内燃機関の２段式過給システムを有する内燃機関。
【請求項１】
２段直列に接続された高圧段過給機のタービンおよび低圧段過給機のタービンを内燃機関本体から排気された排気ガスにより駆動させ、その駆動力により前記高圧段過給機の圧縮機および前記低圧段過給機の圧縮機を連動することにより圧縮した空気を前記内燃機関本体に送り込む内燃機関の２段式過給システムにおいて、
前記内燃機関本体からの排気ガスを前記高圧段過給機のタービンに送り込む第１排気管と、
前記高圧段過給機のタービンから前記低圧段過給機のタービンに排気ガスを送り込む第２排気管と、
前記低圧段過給機のタービンからの排気ガスを外部に流す第３排気管と、
前記第１排気管と前記第２排気管とをウェイストゲートバルブ装置を介して接続するバイパス排気管と、
前記低圧段過給機の圧縮機に空気を流す第１吸気管と、
前記低圧段過給機の圧縮機から前記高圧段過給機の圧縮機に空気を送り込む第２吸気管と、
前記高圧段過給機の圧縮機から前記内燃機関本体に空気を送り込む第３吸気管とを備え、
前記バイパス排気管は、並列に接続された第１バイパス排気管および第２バイパス排気管を有しており、
前記ウェイストゲートバルブ装置は、前記第１バイパス排気管の開閉を行う第１ウェイストゲートバルブ部と、前記第２バイパス排気管の開閉を行う第２ウェイストゲートバルブ部とを有しており、
前記第１ウェイストゲートバルブ部の開状態が予め決められた状態以上になると、前記第２ウェイストゲートバルブ部が連動して開く内燃機関の２段式過給システム。
【請求項２】
前記ウェイストゲートバルブ装置は、前記第１ウェイストゲートバルブ部の開閉動作を行うアクチュエータを有しており、前記アクチュエータは、前記高圧段過給機の圧縮機における出口側の圧力に応じて駆動する請求項１記載の内燃機関の２段式過給システム。
【請求項３】
前記第１ウェイストゲートバルブ部は、
前記第１バイパス排気管の開口部に配置される第１バルブ本体と、
前記第１バルブ本体を支持し、前記アクチュエータの駆動力を伝えるロッドが接続される第１支持部とを有し、
前記第２ウェイストゲートバルブ部は、
前記第２バイパス排気管の開口部に配置される第２バルブ本体と、
前記第２バルブ本体を支持する第２支持部と、
前記第２支持部に接続され、前記第１ウェイストゲートバルブの前記第１支持部側に延びる第３支持部とを有し、
前記第１ウェイストゲートバルブ部と前記第２ウェイストゲートバルブ部とは、前記第２ウェイストゲートバルブ部の前記第３支持部が、前記第１ウェイストゲートバルブ部の前記第１支持部に重なる状態で隣接して配置され、
前記ウェイストゲートバルブ装置は、前記第３支持部を介して前記第１支持部を押さえるように配置された付勢手段を有しており、
前記アクチュエータからの駆動力により前記第１ウェイストゲートバルブ部の前記第１支持部が前記付勢手段の方向に移動すると、前記第１ウェイストゲートバルブ部が開くとともに前記第３支持部が連動し、前記第１支持部の前記付勢手段の方向への移動量が予め決められた移動量を過ぎると前記第２ウェイストゲートバルブ部が開く請求項２記載の内燃機関の２段式過給システム。
【請求項４】
請求項１，２または３記載の内燃機関の２段式過給システムを有する内燃機関。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【公開番号】特開２０１０−２４９０２３（Ｐ２０１０−２４９０２３Ａ）
【公開日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−９９２８１（Ｐ２００９−９９２８１）
【出願日】平成２１年４月１５日（２００９．４．１５）
【出願人】（００００００１７０）いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月１５日（２００９．４．１５）
【出願人】（００００００１７０）いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Ｆターム（参考）】
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