２段式過給機付き内燃機関
【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２段式過給機付き内燃機関を提供する。
【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を有するディーゼルエンジン１において、高圧段過給機８の高圧段タービン８ａの入口と出口とを、並列配置された第１、第２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バルブ１４ａ１，１４ｂ１を配置した。そして、その第１、第２バルブ１４ａ１，１４ｂ１と、これを開閉するアクチュエータ２５のロッド２５ａとをリンク機構２６を介して接続し、第１バルブ１４ａ１の弁開度が予め設定された弁開度以上になると、リンク機構２６により第２バルブ１４ｂ１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を有するディーゼルエンジン１において、高圧段過給機８の高圧段タービン８ａの入口と出口とを、並列配置された第１、第２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バルブ１４ａ１，１４ｂ１を配置した。そして、その第１、第２バルブ１４ａ１，１４ｂ１と、これを開閉するアクチュエータ２５のロッド２５ａとをリンク機構２６を介して接続し、第１バルブ１４ａ１の弁開度が予め設定された弁開度以上になると、リンク機構２６により第２バルブ１４ｂ１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、２段式過給機付き内燃機関に関し、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円滑に行うことが可能な２段式過給機付き内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
２段式過給機付き内燃機関においては、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可能な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、低速回転・低負荷運転時には高圧段過給機を使用し、高速回転・高負荷運転時には低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、２段式過給機付き内燃機関においては、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または負荷（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速度または負荷が高くなると、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、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）に関する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または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が追従しないという、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、この方法では、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２段式過給機付き内燃機関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２段式過給機付き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２段式過給機付き内燃機関は、内燃機関本体側から順に高圧段過給機および低圧段過給機を２段直列に接続した構成を有する２段式過給機付き内燃機関において、前記高圧段過給機の高圧段タービンの入口と出口とを接続するバイパス排気管と、前記バイパス排気管の開閉を行うウェイストゲートバルブ装置とを備え、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バイパス排気管に配置された第１バルブと、前記第２バイパス排気管に配置された第２バルブと、前記第１、第２バルブの開閉を行うアクチュエータと、前記アクチュエータの駆動力伝達体を前記第１バルブおよび前記第２バルブの両方に接続するリンク機構とを備え、前記第１バルブの弁開度が予め設定された弁開度以上になると、前記リンク機構により前記第２バルブが連動して開く制御を行うものである。
【００１５】
また、上記の２段式過給機付き内燃機関において、前記リンク機構は、前記アクチュエータの駆動力伝達体の第１方向の運動を、これに交差する第２方向の運動に変換する機構を有するものである。
【００１６】
これにより、ウェイストゲートバルブ装置の配置の自由度を向上させることができ、また、ウェイストゲートバルブ装置を全体的にコンパクトに収めることができるので、限られたスペースの中でもウェイストゲートバルブ装置を配置することができ、ウェイストゲートバルブ装置の汎用性を高めることができる。
【００１７】
また、上記の２段式過給機付き内燃機関において、前記リンク機構は、前記第１、第２バルブを閉弁する方向に付勢する弾性部材を有する付勢手段と、前記第１バルブを前記付勢手段の第１部材に接続する第１接続体と、前記第１部材を前記アクチュエータの駆動力伝達体に接続する第２接続体と、前記第２バルブを前記付勢手段の第２部材に接続する第３接続体とを備え、前記付勢手段は、前記弾性部材が配置された主軸と、前記主軸に沿って移動可能な状態で配置された前記第１部材と、前記主軸に沿って移動可能な状態で前記第１部材と前記弾性部材との間に配置された前記第２部材とを備え、前記アクチュエータの駆動力が前記第２接続体を通じて前記第１部材に伝えられ、前記第１部材が前記弾性部材の付勢力に抗する方向に移動すると、前記第１部材に接続された前記第１接続体が連動して前記第１バルブが開き、前記第１バルブの弁開度が予め設定された弁開度以上になると、前記第１部材の移動により前記第２部材が前記弾性部材の付勢力に抗する方向に移動し、前記第２部材に接続された前記第３接続体が連動して前記第２バルブが開く制御を行うものである。
【００１８】
また、上記の２段式過給機付き内燃機関において、前記アクチュエータは、前記高圧段過給機の高圧段圧縮機の出口側の圧力に応じて駆動されるものである。
【００１９】
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、第２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。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の２段式過給機付き内燃機関によれば、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バルブ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。
【００２１】
また、第１、第２バルブの開弁力を増加させないで済むので、第１、第２バルブ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バルブの動作に第２バルブが連動するので、第１、第２バルブ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。
【００２２】
また、本発明の２段式過給機付き内燃機関によれば、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。
【００２３】
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】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態の２段式過給機付き内燃機関の構成図である。
【図２】図１の２段式過給機付き内燃機関における２段式過給システムの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開閉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と排気管との関係を模式的に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と排気管との関係を模式的に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と排気管との関係を模式的に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と排気管との関係を模式的に示した断面図である。
【図１３】図１の２段式過給機付き内燃機関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２段式過給機付き内燃機関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２段式過給機付き内燃機関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２段式過給機付き内燃機関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開閉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段式過給機付き内燃機関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段式過給機付き内燃機関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段式過給機付き内燃機関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段式過給機付き内燃機関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】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態の２段式過給機付き内燃機関について添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２６】
図１は本実施の形態の２段式過給機付き内燃機関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。
【００２７】
本実施の形態の２段式過給機付き内燃機関は、例えばシリンダ内（燃焼室内）において圧縮されて高温になった空気に燃料を供給した時に起こる自己着火をもとにした膨張でシリンダ内のピストンを押し出す構成を有するディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１である。なお、本発明はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジン等にも適用することもできる。
【００２８】
エンジン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、２段式過給システム５と、ＥＧＲ（排気再循環：Exhaust Gas Recirculation）システム６と、エアクリーナー７とを有している。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
高圧段タービン８ａと低圧段タービン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、高圧段タービン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９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９とが同時に作動する。
【００３９】
一方、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。
【００４０】
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に空気を流す配管である。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に空気を流す配管である。
【００４１】
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。
【００４２】
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おり、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。
【００４３】
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の途中位置には排気マニホールド３側から順にＥＧＲクーラ６ｂおよびＥＧＲバルブ６ｃが接続されている。
【００４４】
次に、図２は上記した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の開閉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のバルブと排気管との関係を模式的に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はバルブ開閉時のウェイストゲートバルブ装置１４の各部の動作方向を示している。
【００４５】
本実施の形態のエンジン１の２段式過給システム５においては、図２および図４に示すように、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。
【００４６】
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。
【００４７】
また、ウェイストゲートバルブ装置１４は、図２および図３に示すように、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、アクチュエータ２５と、リンク機構２６とを有している。
【００４８】
第１ウェイストゲートバルブ部１４ａは、第１バルブ１４ａ１と、これを支持する第１支持部１４ａ２とを有し、第２ウェイストゲートバルブ部１４ｂは、第２バルブ１４ｂ１と、これを支持する第２支持部１４ｂ２とを有している。第１バルブ１４ａ１は、第１サブバイパス排気管１２ａの開口部に配置され、第２バルブ１４ｂ１は、第２サブバイパス排気管１２ｂの開口部に配置されており、各々の開口部の開閉を行う。第１、第２ウェイストゲートバルブ部１４ａ，１４ｂの構成（寸法、形状、材料など）は全く同じである。
【００４９】
アクチュエータ２５は、第１バルブ１４ａ１および第２バルブ１４ｂ１を開閉するための駆動源である。図２および図３では、アクチュエータ２５が、第１、第２ウェイストゲートバルブ部１４ａ，１４ｂが並ぶ方向（図２および図３の上下方向）に沿うように縦長に配置されている場合が例示されている。
【００５０】
アクチュエータ２５は、正圧駆動方式により制御される。すなわち、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１５の出口が接続されており、アクチュエータ２５は、その高圧段コンプレッサ８ｂの出口の空気圧に応じて駆動する。これにより、高圧段コンプレッサ８ｂの出口の空気圧に応じて第１バルブ１４ａ１および第２バルブ１４ｂ１の開弁状態を制御できるので、過渡運転時の制御性を向上させることができる。
【００５１】
また、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の上下方向に移動可能な状態で設置されている。このダイアフラムはスプリングにより図２および図３の上方向に付勢されている。一方、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に入力された空気圧がアクチュエータ２５の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の下方向に動き、ダイアフラムに接続されたロッド２５ａが図２および図３の下方向に駆動する。
【００５２】
このようなアクチュエータ２５のロッド２５ａは、リンク機構２６を介して第１、第２ウェイストゲートバルブ部１４ａ，１４ｂの両方に接続されており、アクチュエータ２５の駆動力は、ロッド２５ａからリンク機構２６を介して第１バルブ１４ａ１および第２バルブ１４ｂ１に伝えられる。
【００５３】
リンク機構２６は、アクチュエータ２５と第１、第２ウェイストゲートバルブ部１４ａ，１４ｂとの間に配置され、アクチュエータ２５のロッド２５ａの第１方向（図２および図３の上下方向）の運動を、これに交差する第２方向（図２および図３の左右方向）の運動に変換する機構を有している。アクチュエータ２５と第１、第２ウェイストゲートバルブ部１４ａ，１４ｂとの間にリンク機構２６を介在させずアクチュエータ２５と第１、第２ウェイストゲートバルブ部１４ａ，１４ｂとを直接接続する場合は、アクチュエータ２５を第１、第２ウェイストゲートバルブ部１４ａ，１４ｂの配置方向に対して交差するように横長に配置することになる。しかし、この場合、車両のスペースの関係でウェイストゲートバルブ装置１４を配置することができない場合が生じる。これに対してウェイストゲートバルブ装置１４では、リンク機構２６を設けたことにより、車両内でのウェイストゲートバルブ装置１４の配置の自由度を向上させることができる。また、アクチュエータ２５のロッド２５ａとリンク機構２６の第１〜第３リンク２６ａ〜２６ｃとを交差するように配置することができるので、ウェイストゲートバルブ装置１４を全体的にコンパクトに収めることができる。したがって、車両内の限られたスペースの中でもウェイストゲートバルブ装置１４を配置することができ、ウェイストゲートバルブ装置１４の汎用性を高めることができる。
【００５４】
リンク機構２６は、上記した第１リンク（第１接続体）２６ａ、第２リンク（第２接続体）２６ｂおよび第３リンク（第３接続体）２６ｃを有している他、スプリング部（付勢手段）２６ｄを有している。
【００５５】
スプリング部２６ｄは、アクチュエータ２５と第１、第２ウェイストゲートバルブ部１４ａ，１４ｂとの間であって、第１、第２ウェイストゲートバルブ部１４ａ，１４ｂの隣接間中央に対応する位置に設置されている。第１、第２ウェイストゲートバルブ部１４ａ，１４ｂは、このスプリング部２６ｄを境に対称になるように配置されている。これにより、第１、第２バルブ１４ａ１，１４ｂ１の開閉制御を容易にすることができる。
【００５６】
このスプリング部２６ｄは、付勢軸（主軸）２６ｄ１と、スプリング（弾性部材）２６ｄ２と、第１部材２６ｄ３と、第２部材２６ｄ４とを有している。
【００５７】
スプリング２６ｄ２は、例えばコイルばねからなり、その内径内に付勢軸２６ｄ１が挿入された状態で付勢軸２６ｄ１に設置されている。
【００５８】
第１、第２部材２６ｄ３，２６ｄ４は、それぞれ中空状に形成されており、その中空内に付勢軸２６ｄ１が挿入された状態で、かつ、付勢軸２６ｄ１に沿って移動可能な状態で付勢軸２６ｄ１に設置されている。
【００５９】
第１部材２６ｄ３には、第１リンク２６ａおよび第２リンク２６ｂの各々の一端が回動可能な状態で接続されている。第１リンク２６ａの他端は、第１ウェイストゲートバルブ部１４ａの第１支持部１４ａ２において、第２支持部１４ｂ２の向かい側端部に回動可能な状態で接続されている。一方、第２リンク２６ｂの他端は、アクチュエータ２５のロッド２５ａの先端に回動可能な状態で接続されている。
【００６０】
第２部材２６ｄ４は、第１部材２６ｄ３とスプリング２６ｄ２との間に設置されている。この第２部材２６ｄ４には、第３リンク２６ｃの一端が回動可能な状態で連結されている。この第３リンク２６ｃは、第１、第２リンク２６ａ，２６ｂに対して交差するように配置されている。第３リンク２６ｃの他端は、第２ウェイストゲートバルブ部１４ｂの第２支持部１４ｂ２において、第１支持部１４ａ２の向かい側端部に回動可能な状態で接続されている。
【００６１】
このようなウェイストゲートバルブ装置１４の第１、第２バルブ１４ａ１，１４ｂ１はスプリング２６ｄ２の付勢力により押さえつけられ図２に示すように閉弁している。この状態から図３に示すように、アクチュエータ２５のロッド２５ａが矢印Ｂ１に示すように図３の下方向に移動すると、これに接続された第２リンク２６ｂの一端が下方に引っ張られる結果、第２リンク２６ｂの他端に接続された第１部材２６ｄ３が矢印Ｂ２に示す左方向に移動する。これにより、第１部材２６ｄ３に接続された第１リンク２６ａが矢印Ｂ２に示す左方向に引っ張られるので、これに接続された第１バルブ１４ａ１の端部が矢印Ｂ３に示す回転方向に移動する結果、第１バルブ１４ａ１が開く。そして、第１バルブ１４ａ１の弁開度が予め設定された弁開度以上になると、リンク機構２６によって第２バルブ１４ｂ１が連動して開く。すなわち、第２部材２６ｄ４が第１部材２６ｄ３により矢印Ｂ２の方向に押されて移動することにより、第２部材２６ｄ４に接続された第３リンク２６ｃが矢印Ｂ２に示す左方向に引っ張られるので、これに接続された第２バルブ１４ｂ１の端部が矢印Ｂ４に示す回転方向に移動する結果、第２バルブ１４ｂ１が開く。ここでは、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。これにより、サブバイパス排気管１２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８の高圧段タービン８ａからサブバイパス排気管１２を通じて低圧段過給機９の低圧段タービン９ａ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。
【００６２】
次に、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。
【００６３】
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バルブ１４ａ１，１４ａ２が閉じており第１、第２サブバイパス排気管１２ａ，１２ｂを完全に塞いでいる状態を示している。サブバイパス経路は、排気ガスの圧力を利用して閉じられており、漏れの無い構造とされている。
【００６４】
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、ロッド２５ａが図６の矢印Ｂ１に示す下方に移動し始める。これにより、ロッド２５ａに接続された第２リンク２６ｂの一端も下方に引っ張られるので第２リンク２６ｂの他端に接続された第１部材２６ｄ３が付勢軸２６ｄ１に沿って図６の矢印Ｂ２に示す左方向に移動し始める。このため、第１部材２６ｄ３に接続された第１リンク２６ａの一端が図６の左方向に引っ張られるので第１バルブ１４ａ１が矢印Ｂ３に示すように動き始め、第１バルブ１４ａ１が徐々に開き始める。この時、第２バルブ１４ｂ１は静止しており閉じている。
【００６５】
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、ロッド２５ａが図６の矢印Ｂ１に示す下方にさらに移動することにより、第２リンク２６ｂの一端がさらに下方に引っ張られ、第１部材２６ｄ３が図６の矢印Ｂ２に示す左方向にさらに移動するため、第１バルブ１４ａ１の開度が大きくなる。この時も第２バルブ１４ｂ１は静止しており閉じている。
【００６６】
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バルブ１４ａ１の開度が一定値以上に大きくなる。そして、第１サブバイパス排気管１２ａでチョーク状態も起き始める。すると、第１バルブ１４ａ１の移動が第１リンク２６ａを介して第１部材２６ｄ３に伝えられ、第１部材２６ｄ３が図９の矢印Ｂ２に示す左方向に移動して第２部材２６ｄ４を矢印Ｂ２に示す左方向に押す。これにより、第２部材２６ｄ４に接続された第３リンク２６ｃが左側に引っ張られるので、スプリング２６ｄ１により押さえられていた第２バルブ１４ｂ１が、図９の矢印Ｂ４に示すように次第に動き始め、図１０に示すように開き始める。
【００６７】
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バルブ１４ａ１の開度がさらに大きくなり、第１部材２６ｄ３と第２部材２６ｄ４とが一体となって動作する。すなわち、第１、第２部材２６ｄ３，２６ｄ４が一体となって図１１の矢印Ｂ２に示す左方向に移動することにより、第１、第２バルブ１４ａ１，１４ｂ１が、図１１の矢印Ｂ３，Ｂ４に示す回転方向に同時に作動し、図１２に示すように開く。
【００６８】
このように本実施の形態のエンジン１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。
【００６９】
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。
【００７０】
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はバルブ閉弁時の状態、図１８はバルブ開弁時の状態、図１９はバルブ開閉動作時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。
【００７１】
従来は、高圧段過給機側のサブバイパス排気管が１つなので、ウェイストゲートバルブ装置７０のバルブ７０ａも１つである。バルブ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に直接接続され、これ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７１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７０ａを開閉する。
【００７２】
次に、図１７で示した従来のウェイストゲートバルブ装置７０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。
【００７３】
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、高負荷または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。
【００７４】
これに対して、本実施の形態のエンジン１におけ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は本実施の形態のエンジン１の低圧段過給機９側の測定結果を示し、符号Ｈ１は本実施の形態のエンジン１の高圧段過給機８側の測定結果を示している。
【００７５】
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、高負荷または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。
【００７６】
このように本実施の形態のエンジン１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バルブ１４ｂ１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。
【００７７】
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バルブ１４ａ１の動作に第２バルブ部１４ｂ１が連動するので、サブバイパス排気管を増やしバルブを増やしたからといって、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。
【００７８】
したがって、このようなエンジン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。
【００７９】
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】
【００８０】
本発明の２段式過給機付き内燃機関は、ウェイストゲートバルブ装置の第１バルブの弁開度が予め設定された弁開度以上になると、ウェイストゲートバルブ装置の第２バルブ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、自動車搭載用等の２段式過給機付き内燃機関に利用できる。
【符号の説明】
【００８１】
１ ディーゼルエンジン（２段式過給機付き内燃機関）
２ エンジン本体
５ 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
１４ａ１ 第１バルブ
１４ｂ 第２ウェイストゲートバルブ部
１４ｂ１ 第２バルブ
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
２５ａ ロッド（駆動力伝達体）
２６ リンク機構
２６ａ 第１リンク（第１接続体）
２６ｂ 第２リンク（第２接続体）
２６ｃ 第３リンク（第３接続体）
２６ｄ スプリング部（付勢手段）
２６ｄ１ 付勢軸（主軸）
２６ｄ２ スプリング（弾性部材）
２６ｄ３ 第１部材
２６ｄ４ 第２部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２段式過給機付き内燃機関に関し、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円滑に行うことが可能な２段式過給機付き内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
２段式過給機付き内燃機関においては、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可能な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、低速回転・低負荷運転時には高圧段過給機を使用し、高速回転・高負荷運転時には低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、２段式過給機付き内燃機関においては、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または負荷（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速度または負荷が高くなると、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、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）に関する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または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が追従しないという、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、この方法では、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２段式過給機付き内燃機関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２段式過給機付き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２段式過給機付き内燃機関は、内燃機関本体側から順に高圧段過給機および低圧段過給機を２段直列に接続した構成を有する２段式過給機付き内燃機関において、前記高圧段過給機の高圧段タービンの入口と出口とを接続するバイパス排気管と、前記バイパス排気管の開閉を行うウェイストゲートバルブ装置とを備え、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バイパス排気管に配置された第１バルブと、前記第２バイパス排気管に配置された第２バルブと、前記第１、第２バルブの開閉を行うアクチュエータと、前記アクチュエータの駆動力伝達体を前記第１バルブおよび前記第２バルブの両方に接続するリンク機構とを備え、前記第１バルブの弁開度が予め設定された弁開度以上になると、前記リンク機構により前記第２バルブが連動して開く制御を行うものである。
【００１５】
また、上記の２段式過給機付き内燃機関において、前記リンク機構は、前記アクチュエータの駆動力伝達体の第１方向の運動を、これに交差する第２方向の運動に変換する機構を有するものである。
【００１６】
これにより、ウェイストゲートバルブ装置の配置の自由度を向上させることができ、また、ウェイストゲートバルブ装置を全体的にコンパクトに収めることができるので、限られたスペースの中でもウェイストゲートバルブ装置を配置することができ、ウェイストゲートバルブ装置の汎用性を高めることができる。
【００１７】
また、上記の２段式過給機付き内燃機関において、前記リンク機構は、前記第１、第２バルブを閉弁する方向に付勢する弾性部材を有する付勢手段と、前記第１バルブを前記付勢手段の第１部材に接続する第１接続体と、前記第１部材を前記アクチュエータの駆動力伝達体に接続する第２接続体と、前記第２バルブを前記付勢手段の第２部材に接続する第３接続体とを備え、前記付勢手段は、前記弾性部材が配置された主軸と、前記主軸に沿って移動可能な状態で配置された前記第１部材と、前記主軸に沿って移動可能な状態で前記第１部材と前記弾性部材との間に配置された前記第２部材とを備え、前記アクチュエータの駆動力が前記第２接続体を通じて前記第１部材に伝えられ、前記第１部材が前記弾性部材の付勢力に抗する方向に移動すると、前記第１部材に接続された前記第１接続体が連動して前記第１バルブが開き、前記第１バルブの弁開度が予め設定された弁開度以上になると、前記第１部材の移動により前記第２部材が前記弾性部材の付勢力に抗する方向に移動し、前記第２部材に接続された前記第３接続体が連動して前記第２バルブが開く制御を行うものである。
【００１８】
また、上記の２段式過給機付き内燃機関において、前記アクチュエータは、前記高圧段過給機の高圧段圧縮機の出口側の圧力に応じて駆動されるものである。
【００１９】
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、第２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。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の２段式過給機付き内燃機関によれば、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バルブ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。
【００２１】
また、第１、第２バルブの開弁力を増加させないで済むので、第１、第２バルブ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バルブの動作に第２バルブが連動するので、第１、第２バルブ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。
【００２２】
また、本発明の２段式過給機付き内燃機関によれば、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。
【００２３】
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】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態の２段式過給機付き内燃機関の構成図である。
【図２】図１の２段式過給機付き内燃機関における２段式過給システムの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開閉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と排気管との関係を模式的に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と排気管との関係を模式的に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と排気管との関係を模式的に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と排気管との関係を模式的に示した断面図である。
【図１３】図１の２段式過給機付き内燃機関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２段式過給機付き内燃機関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２段式過給機付き内燃機関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２段式過給機付き内燃機関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開閉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段式過給機付き内燃機関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段式過給機付き内燃機関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段式過給機付き内燃機関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段式過給機付き内燃機関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】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態の２段式過給機付き内燃機関について添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２６】
図１は本実施の形態の２段式過給機付き内燃機関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。
【００２７】
本実施の形態の２段式過給機付き内燃機関は、例えばシリンダ内（燃焼室内）において圧縮されて高温になった空気に燃料を供給した時に起こる自己着火をもとにした膨張でシリンダ内のピストンを押し出す構成を有するディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１である。なお、本発明はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジン等にも適用することもできる。
【００２８】
エンジン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、２段式過給システム５と、ＥＧＲ（排気再循環：Exhaust Gas Recirculation）システム６と、エアクリーナー７とを有している。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
高圧段タービン８ａと低圧段タービン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、高圧段タービン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９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９とが同時に作動する。
【００３９】
一方、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。
【００４０】
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に空気を流す配管である。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に空気を流す配管である。
【００４１】
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。
【００４２】
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おり、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。
【００４３】
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の途中位置には排気マニホールド３側から順にＥＧＲクーラ６ｂおよびＥＧＲバルブ６ｃが接続されている。
【００４４】
次に、図２は上記した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の開閉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のバルブと排気管との関係を模式的に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はバルブ開閉時のウェイストゲートバルブ装置１４の各部の動作方向を示している。
【００４５】
本実施の形態のエンジン１の２段式過給システム５においては、図２および図４に示すように、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。
【００４６】
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。
【００４７】
また、ウェイストゲートバルブ装置１４は、図２および図３に示すように、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、アクチュエータ２５と、リンク機構２６とを有している。
【００４８】
第１ウェイストゲートバルブ部１４ａは、第１バルブ１４ａ１と、これを支持する第１支持部１４ａ２とを有し、第２ウェイストゲートバルブ部１４ｂは、第２バルブ１４ｂ１と、これを支持する第２支持部１４ｂ２とを有している。第１バルブ１４ａ１は、第１サブバイパス排気管１２ａの開口部に配置され、第２バルブ１４ｂ１は、第２サブバイパス排気管１２ｂの開口部に配置されており、各々の開口部の開閉を行う。第１、第２ウェイストゲートバルブ部１４ａ，１４ｂの構成（寸法、形状、材料など）は全く同じである。
【００４９】
アクチュエータ２５は、第１バルブ１４ａ１および第２バルブ１４ｂ１を開閉するための駆動源である。図２および図３では、アクチュエータ２５が、第１、第２ウェイストゲートバルブ部１４ａ，１４ｂが並ぶ方向（図２および図３の上下方向）に沿うように縦長に配置されている場合が例示されている。
【００５０】
アクチュエータ２５は、正圧駆動方式により制御される。すなわち、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１５の出口が接続されており、アクチュエータ２５は、その高圧段コンプレッサ８ｂの出口の空気圧に応じて駆動する。これにより、高圧段コンプレッサ８ｂの出口の空気圧に応じて第１バルブ１４ａ１および第２バルブ１４ｂ１の開弁状態を制御できるので、過渡運転時の制御性を向上させることができる。
【００５１】
また、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の上下方向に移動可能な状態で設置されている。このダイアフラムはスプリングにより図２および図３の上方向に付勢されている。一方、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に入力された空気圧がアクチュエータ２５の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の下方向に動き、ダイアフラムに接続されたロッド２５ａが図２および図３の下方向に駆動する。
【００５２】
このようなアクチュエータ２５のロッド２５ａは、リンク機構２６を介して第１、第２ウェイストゲートバルブ部１４ａ，１４ｂの両方に接続されており、アクチュエータ２５の駆動力は、ロッド２５ａからリンク機構２６を介して第１バルブ１４ａ１および第２バルブ１４ｂ１に伝えられる。
【００５３】
リンク機構２６は、アクチュエータ２５と第１、第２ウェイストゲートバルブ部１４ａ，１４ｂとの間に配置され、アクチュエータ２５のロッド２５ａの第１方向（図２および図３の上下方向）の運動を、これに交差する第２方向（図２および図３の左右方向）の運動に変換する機構を有している。アクチュエータ２５と第１、第２ウェイストゲートバルブ部１４ａ，１４ｂとの間にリンク機構２６を介在させずアクチュエータ２５と第１、第２ウェイストゲートバルブ部１４ａ，１４ｂとを直接接続する場合は、アクチュエータ２５を第１、第２ウェイストゲートバルブ部１４ａ，１４ｂの配置方向に対して交差するように横長に配置することになる。しかし、この場合、車両のスペースの関係でウェイストゲートバルブ装置１４を配置することができない場合が生じる。これに対してウェイストゲートバルブ装置１４では、リンク機構２６を設けたことにより、車両内でのウェイストゲートバルブ装置１４の配置の自由度を向上させることができる。また、アクチュエータ２５のロッド２５ａとリンク機構２６の第１〜第３リンク２６ａ〜２６ｃとを交差するように配置することができるので、ウェイストゲートバルブ装置１４を全体的にコンパクトに収めることができる。したがって、車両内の限られたスペースの中でもウェイストゲートバルブ装置１４を配置することができ、ウェイストゲートバルブ装置１４の汎用性を高めることができる。
【００５４】
リンク機構２６は、上記した第１リンク（第１接続体）２６ａ、第２リンク（第２接続体）２６ｂおよび第３リンク（第３接続体）２６ｃを有している他、スプリング部（付勢手段）２６ｄを有している。
【００５５】
スプリング部２６ｄは、アクチュエータ２５と第１、第２ウェイストゲートバルブ部１４ａ，１４ｂとの間であって、第１、第２ウェイストゲートバルブ部１４ａ，１４ｂの隣接間中央に対応する位置に設置されている。第１、第２ウェイストゲートバルブ部１４ａ，１４ｂは、このスプリング部２６ｄを境に対称になるように配置されている。これにより、第１、第２バルブ１４ａ１，１４ｂ１の開閉制御を容易にすることができる。
【００５６】
このスプリング部２６ｄは、付勢軸（主軸）２６ｄ１と、スプリング（弾性部材）２６ｄ２と、第１部材２６ｄ３と、第２部材２６ｄ４とを有している。
【００５７】
スプリング２６ｄ２は、例えばコイルばねからなり、その内径内に付勢軸２６ｄ１が挿入された状態で付勢軸２６ｄ１に設置されている。
【００５８】
第１、第２部材２６ｄ３，２６ｄ４は、それぞれ中空状に形成されており、その中空内に付勢軸２６ｄ１が挿入された状態で、かつ、付勢軸２６ｄ１に沿って移動可能な状態で付勢軸２６ｄ１に設置されている。
【００５９】
第１部材２６ｄ３には、第１リンク２６ａおよび第２リンク２６ｂの各々の一端が回動可能な状態で接続されている。第１リンク２６ａの他端は、第１ウェイストゲートバルブ部１４ａの第１支持部１４ａ２において、第２支持部１４ｂ２の向かい側端部に回動可能な状態で接続されている。一方、第２リンク２６ｂの他端は、アクチュエータ２５のロッド２５ａの先端に回動可能な状態で接続されている。
【００６０】
第２部材２６ｄ４は、第１部材２６ｄ３とスプリング２６ｄ２との間に設置されている。この第２部材２６ｄ４には、第３リンク２６ｃの一端が回動可能な状態で連結されている。この第３リンク２６ｃは、第１、第２リンク２６ａ，２６ｂに対して交差するように配置されている。第３リンク２６ｃの他端は、第２ウェイストゲートバルブ部１４ｂの第２支持部１４ｂ２において、第１支持部１４ａ２の向かい側端部に回動可能な状態で接続されている。
【００６１】
このようなウェイストゲートバルブ装置１４の第１、第２バルブ１４ａ１，１４ｂ１はスプリング２６ｄ２の付勢力により押さえつけられ図２に示すように閉弁している。この状態から図３に示すように、アクチュエータ２５のロッド２５ａが矢印Ｂ１に示すように図３の下方向に移動すると、これに接続された第２リンク２６ｂの一端が下方に引っ張られる結果、第２リンク２６ｂの他端に接続された第１部材２６ｄ３が矢印Ｂ２に示す左方向に移動する。これにより、第１部材２６ｄ３に接続された第１リンク２６ａが矢印Ｂ２に示す左方向に引っ張られるので、これに接続された第１バルブ１４ａ１の端部が矢印Ｂ３に示す回転方向に移動する結果、第１バルブ１４ａ１が開く。そして、第１バルブ１４ａ１の弁開度が予め設定された弁開度以上になると、リンク機構２６によって第２バルブ１４ｂ１が連動して開く。すなわち、第２部材２６ｄ４が第１部材２６ｄ３により矢印Ｂ２の方向に押されて移動することにより、第２部材２６ｄ４に接続された第３リンク２６ｃが矢印Ｂ２に示す左方向に引っ張られるので、これに接続された第２バルブ１４ｂ１の端部が矢印Ｂ４に示す回転方向に移動する結果、第２バルブ１４ｂ１が開く。ここでは、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。これにより、サブバイパス排気管１２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８の高圧段タービン８ａからサブバイパス排気管１２を通じて低圧段過給機９の低圧段タービン９ａ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。
【００６２】
次に、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。
【００６３】
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バルブ１４ａ１，１４ａ２が閉じており第１、第２サブバイパス排気管１２ａ，１２ｂを完全に塞いでいる状態を示している。サブバイパス経路は、排気ガスの圧力を利用して閉じられており、漏れの無い構造とされている。
【００６４】
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、ロッド２５ａが図６の矢印Ｂ１に示す下方に移動し始める。これにより、ロッド２５ａに接続された第２リンク２６ｂの一端も下方に引っ張られるので第２リンク２６ｂの他端に接続された第１部材２６ｄ３が付勢軸２６ｄ１に沿って図６の矢印Ｂ２に示す左方向に移動し始める。このため、第１部材２６ｄ３に接続された第１リンク２６ａの一端が図６の左方向に引っ張られるので第１バルブ１４ａ１が矢印Ｂ３に示すように動き始め、第１バルブ１４ａ１が徐々に開き始める。この時、第２バルブ１４ｂ１は静止しており閉じている。
【００６５】
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、ロッド２５ａが図６の矢印Ｂ１に示す下方にさらに移動することにより、第２リンク２６ｂの一端がさらに下方に引っ張られ、第１部材２６ｄ３が図６の矢印Ｂ２に示す左方向にさらに移動するため、第１バルブ１４ａ１の開度が大きくなる。この時も第２バルブ１４ｂ１は静止しており閉じている。
【００６６】
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バルブ１４ａ１の開度が一定値以上に大きくなる。そして、第１サブバイパス排気管１２ａでチョーク状態も起き始める。すると、第１バルブ１４ａ１の移動が第１リンク２６ａを介して第１部材２６ｄ３に伝えられ、第１部材２６ｄ３が図９の矢印Ｂ２に示す左方向に移動して第２部材２６ｄ４を矢印Ｂ２に示す左方向に押す。これにより、第２部材２６ｄ４に接続された第３リンク２６ｃが左側に引っ張られるので、スプリング２６ｄ１により押さえられていた第２バルブ１４ｂ１が、図９の矢印Ｂ４に示すように次第に動き始め、図１０に示すように開き始める。
【００６７】
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バルブ１４ａ１の開度がさらに大きくなり、第１部材２６ｄ３と第２部材２６ｄ４とが一体となって動作する。すなわち、第１、第２部材２６ｄ３，２６ｄ４が一体となって図１１の矢印Ｂ２に示す左方向に移動することにより、第１、第２バルブ１４ａ１，１４ｂ１が、図１１の矢印Ｂ３，Ｂ４に示す回転方向に同時に作動し、図１２に示すように開く。
【００６８】
このように本実施の形態のエンジン１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。
【００６９】
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。
【００７０】
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はバルブ閉弁時の状態、図１８はバルブ開弁時の状態、図１９はバルブ開閉動作時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。
【００７１】
従来は、高圧段過給機側のサブバイパス排気管が１つなので、ウェイストゲートバルブ装置７０のバルブ７０ａも１つである。バルブ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に直接接続され、これ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７１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７０ａを開閉する。
【００７２】
次に、図１７で示した従来のウェイストゲートバルブ装置７０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。
【００７３】
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、高負荷または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。
【００７４】
これに対して、本実施の形態のエンジン１におけ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は本実施の形態のエンジン１の低圧段過給機９側の測定結果を示し、符号Ｈ１は本実施の形態のエンジン１の高圧段過給機８側の測定結果を示している。
【００７５】
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、高負荷または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。
【００７６】
このように本実施の形態のエンジン１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バルブ１４ｂ１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。
【００７７】
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バルブ１４ａ１の動作に第２バルブ部１４ｂ１が連動するので、サブバイパス排気管を増やしバルブを増やしたからといって、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。
【００７８】
したがって、このようなエンジン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。
【００７９】
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】
【００８０】
本発明の２段式過給機付き内燃機関は、ウェイストゲートバルブ装置の第１バルブの弁開度が予め設定された弁開度以上になると、ウェイストゲートバルブ装置の第２バルブ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、自動車搭載用等の２段式過給機付き内燃機関に利用できる。
【符号の説明】
【００８１】
１ ディーゼルエンジン（２段式過給機付き内燃機関）
２ エンジン本体
５ 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
１４ａ１ 第１バルブ
１４ｂ 第２ウェイストゲートバルブ部
１４ｂ１ 第２バルブ
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
２５ａ ロッド（駆動力伝達体）
２６ リンク機構
２６ａ 第１リンク（第１接続体）
２６ｂ 第２リンク（第２接続体）
２６ｃ 第３リンク（第３接続体）
２６ｄ スプリング部（付勢手段）
２６ｄ１ 付勢軸（主軸）
２６ｄ２ スプリング（弾性部材）
２６ｄ３ 第１部材
２６ｄ４ 第２部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関本体側から順に高圧段過給機および低圧段過給機を２段直列に接続した構成を有する２段式過給機付き内燃機関において、
前記高圧段過給機の高圧段タービンの入口と出口とを接続するバイパス排気管と、
前記バイパス排気管の開閉を行うウェイストゲートバルブ装置とを備え、
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バイパス排気管に配置された第１バルブと、
前記第２バイパス排気管に配置された第２バルブと、
前記第１、第２バルブの開閉を行うアクチュエータと、
前記アクチュエータの駆動力伝達体を前記第１バルブおよび前記第２バルブの両方に接続するリンク機構とを備え、
前記第１バルブの弁開度が予め設定された弁開度以上になると、前記リンク機構により前記第２バルブが連動して開く制御を行う２段式過給機付き内燃機関。
【請求項２】
前記リンク機構は、前記アクチュエータの駆動力伝達体の第１方向の運動を、これに交差する第２方向の運動に変換する機構を有する請求項１記載の２段式過給機付き内燃機関。
【請求項３】
前記リンク機構は、
前記第１、第２バルブを閉弁する方向に付勢する弾性部材を有する付勢手段と、
前記第１バルブを前記付勢手段の第１部材に接続する第１接続体と、
前記第１部材を前記アクチュエータの駆動力伝達体に接続する第２接続体と、
前記第２バルブを前記付勢手段の第２部材に接続する第３接続体とを備え、
前記付勢手段は、
前記弾性部材が配置された主軸と、
前記主軸に沿って移動可能な状態で配置された前記第１部材と、
前記主軸に沿って移動可能な状態で前記第１部材と前記弾性部材との間に配置された前記第２部材とを備え、
前記アクチュエータの駆動力が前記第２接続体を通じて前記第１部材に伝えられ、前記第１部材が前記弾性部材の付勢力に抗する方向に移動すると、前記第１部材に接続された前記第１接続体が連動して前記第１バルブが開き、前記第１バルブの弁開度が予め設定された弁開度以上になると、前記第１部材の移動により前記第２部材が前記弾性部材の付勢力に抗する方向に移動し、前記第２部材に接続された前記第３接続体が連動して前記第２バルブが開く制御を行う請求項１または２記載の２段式過給機付き内燃機関。
【請求項４】
前記アクチュエータは、前記高圧段過給機の高圧段圧縮機の出口側の圧力に応じて駆動される請求項１〜３のいずれか１項に記載の２段式過給機付き内燃機関。
【請求項１】
内燃機関本体側から順に高圧段過給機および低圧段過給機を２段直列に接続した構成を有する２段式過給機付き内燃機関において、
前記高圧段過給機の高圧段タービンの入口と出口とを接続するバイパス排気管と、
前記バイパス排気管の開閉を行うウェイストゲートバルブ装置とを備え、
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バイパス排気管に配置された第１バルブと、
前記第２バイパス排気管に配置された第２バルブと、
前記第１、第２バルブの開閉を行うアクチュエータと、
前記アクチュエータの駆動力伝達体を前記第１バルブおよび前記第２バルブの両方に接続するリンク機構とを備え、
前記第１バルブの弁開度が予め設定された弁開度以上になると、前記リンク機構により前記第２バルブが連動して開く制御を行う２段式過給機付き内燃機関。
【請求項２】
前記リンク機構は、前記アクチュエータの駆動力伝達体の第１方向の運動を、これに交差する第２方向の運動に変換する機構を有する請求項１記載の２段式過給機付き内燃機関。
【請求項３】
前記リンク機構は、
前記第１、第２バルブを閉弁する方向に付勢する弾性部材を有する付勢手段と、
前記第１バルブを前記付勢手段の第１部材に接続する第１接続体と、
前記第１部材を前記アクチュエータの駆動力伝達体に接続する第２接続体と、
前記第２バルブを前記付勢手段の第２部材に接続する第３接続体とを備え、
前記付勢手段は、
前記弾性部材が配置された主軸と、
前記主軸に沿って移動可能な状態で配置された前記第１部材と、
前記主軸に沿って移動可能な状態で前記第１部材と前記弾性部材との間に配置された前記第２部材とを備え、
前記アクチュエータの駆動力が前記第２接続体を通じて前記第１部材に伝えられ、前記第１部材が前記弾性部材の付勢力に抗する方向に移動すると、前記第１部材に接続された前記第１接続体が連動して前記第１バルブが開き、前記第１バルブの弁開度が予め設定された弁開度以上になると、前記第１部材の移動により前記第２部材が前記弾性部材の付勢力に抗する方向に移動し、前記第２部材に接続された前記第３接続体が連動して前記第２バルブが開く制御を行う請求項１または２記載の２段式過給機付き内燃機関。
【請求項４】
前記アクチュエータは、前記高圧段過給機の高圧段圧縮機の出口側の圧力に応じて駆動される請求項１〜３のいずれか１項に記載の２段式過給機付き内燃機関。
【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２０１０−２８１２７１（Ｐ２０１０−２８１２７１Ａ）
【公開日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１３５７９２（Ｐ２００９−１３５７９２）
【出願日】平成２１年６月５日（２００９．６．５）
【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１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月５日（２００９．６．５）
【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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