JP2010024878A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２ステージターボシステムにおいて、高圧ターボの回転数が低い運転モードから、高圧ターボの回転数が高い運転モードへ切り替える際の、高圧ターボの応答性を良くする装置を提供する。
【解決手段】内燃機関１の制御装置は、低圧ターボ１３を備える。低圧ターボ１３と直列に接続された高圧ターボ１４を備える。低圧ターボ１３の低圧タービン１３ａをバイパスする低圧タービンバイパス通路７５上に設けられた排気バイパスバルブ３２を備える。高圧ターボ１４の回転数が低い低回転運転モードから、低回転運転モードに比べて高圧ターボ１４の回転数が高い高回転運転モードへ切り替える前の中間運転モードで、排気バイパスバルブ３２は高圧ターボ１４の高圧タービン１４ａの入口圧力と出口圧力との圧力差を大きくするための開閉状態にされる。
【選択図】図６

Description

本発明は、直列に接続された低圧ターボと高圧ターボとを有する内燃機関に関し、特に高圧ターボの回転数が低い運転モードから高圧ターボの回転数が高い運転モードへ切り替える時の高圧ターボの応答性を良くする装置に関する。

特許文献１のように、直列に接続された低圧ターボと高圧ターボとを有し、２ステージターボシステムを構成する内燃機関が提案されている。２ステージターボシステムでは、内燃機関の運転状態に応じて、運転モードが切り替えられ、過給に使用するターボの使い分けが行われる。例えば、排気流量が少ない場合には、高圧ターボの回転数が高い運転モードで、高圧ターボが主ターボとして使用され、排気流量が多い場合には、高圧ターボの回転数が低い運転モードで、低圧ターボが主ターボとして使用される。
特開２００７−７７９００号公報

運転モードを切り替えた時、すなわちターボの立ち上がり時の応答性を良くする必要がある。例えば、高圧ターボの回転数が低い運転モードから、高圧ターボの回転数が高い運転モードへ切り替える際の、高圧ターボの回転数を切り替え後の運転モードに対応する過給に必要な回転数にまで上げるための時間を短くすることが望ましいが、特許文献１など従来の２ステージターボシステムでは、時間の短縮が十分でなく、高い応答性が確保されていない。

したがって本発明の目的は、２ステージターボシステムにおいて、高圧ターボの回転数が低い運転モードから、高圧ターボの回転数が高い運転モードへ切り替える際の、高圧ターボの応答性を良くする装置を提供することである。

本発明に係る内燃機関の制御装置は、低圧ターボと、低圧ターボと直列に接続された高圧ターボと、低圧ターボの低圧タービンをバイパスする低圧タービンバイパス通路上に設けられた排気バイパスバルブとを備え、高圧ターボの回転数が低い低回転運転モードから、低回転運転モードに比べて高圧ターボの回転数が高い高回転運転モードへ切り替える前の中間運転モードで、排気バイパスバルブは高圧ターボの高圧タービンの入口圧力と出口圧力との圧力差を大きくするための開閉状態にされる。

排気バイパスバルブを通常の運転モードと異なる開閉状態にして、高圧タービンの入口圧力と出口圧力との圧力差を大きくして、高圧ターボを回転しやすい状態にすることにより、高圧ターボの回転数を、高回転運転モードに対応した過給に必要な回転数にまで上げるのに必要な時間を短くすることが可能になり、高圧ターボの立ち上がり時の応答性を良くすることが可能になる。

好ましくは、中間運転モードでは、排気バイパスバルブは低回転運転モードにおける開度の小さい状態から開度の大きい状態にされ、高回転運転モードでは、排気バイパスバルブは中間運転モードにおける開度の大きい状態から開度の小さい状態にされる。

排気バイパスバルブが開弁する、すなわち排気バイパスバルブの開度が大きい状態になることにより、低圧タービンバイパス通路を介して、排気ガスが排出されやすくなるため、排気バイパスバルブが閉弁状態にある場合に比べて高圧タービンの出口圧力が低くなる。このため、かかる開閉制御を行わない場合に比べて、高い圧力状態にある高圧タービンの入口圧力との圧力差が大きくなり、高圧タービンが回転しやすい状態にされる。また、排気ガスが低圧タービンにより運動エネルギーに変換されないため、温度が高い状態で排気ガス浄化触媒に排気ガスを供給することが可能になる。

さらに好ましくは、高圧タービンをバイパスする高圧タービンバイパス通路上に設けられた排気制御バルブをさらに備え、中間運転モード、及び高回転運転モードでは、排気制御バルブは低回転運転モードにおける開度の大きい状態から開度の小さい状態にされる。

排気制御バルブが閉弁する、すなわち排気制御バルブの開度が小さい状態になることにより、排気ガスが高圧タービンの入口側に集中するため、排気制御バルブが開弁状態にあって排気ガスが高圧タービンバイパス通路を流れやすい場合に比べて高圧タービンの入口圧力が高くなる。このため、かかる開閉制御を行わない場合に比べて、低い圧力状態にある高圧タービンの出口圧力との圧力差が大きくなり、高圧タービンが回転しやすい状態にされる。

また、好ましくは、高圧ターボの高圧コンプレッサをバイパスする高圧コンプレッサバイパス通路上に設けられた吸気バイパスバルブをさらに備え、中間運転モード、及び高回転運転モードでは、吸気バイパスバルブは低回転運転モードにおける開度の大きい状態から開度の小さい状態にされる。

吸気バイパスバルブが閉弁する、すなわち吸気バイパスバルブの開度が小さい状態になることにより、吸入空気が高圧コンプレッサの入口側に集中するため、吸気バイパスバルブが開弁状態にあって吸入空気が高圧コンプレッサバイパス通路を流れやすい場合に比べて、高圧コンプレッサに空気が流れやすい状態、すなわち高圧ターボが回転しやすい状態になる。

また、好ましくは、高圧ターボのタービン側は、運転状態に応じて開度が調整される可変ベーンを有し、中間運転モードでは、可変ベーンの開度が低回転運転モードにおけるものよりも小さく設定される。

高圧タービンのハウジングに設けられた可変ベーンの開度を小さくすることにより、かかる開閉制御を行わない場合に比べて、高圧タービンが高速回転する。

また、好ましくは、排気ガスの一部を吸気側に帰還するＥＧＲ通路上に設けられたＥＧＲバルブをさらに備え、中間運転モードでは、ＥＧＲバルブの開度が低回転運転モードにおけるものよりも小さく設定される。

ＥＧＲバルブの開度を小さくすることにより、ＥＧＲ通路に排気ガスが流れにくくなり、排気ガスが高圧タービンの入口側に集中するため、高圧タービンの入口圧力が高くなる。このため、かかる開閉制御を行わない場合に比べて、低い圧力状態にある高圧タービンの出口圧力との圧力差が大きくなり、高圧タービンが回転しやすい状態にされる。

また、好ましくは、低圧ターボのタービン側は、運転状態に応じて開度が調整される可変ベーンを有し、中間運転モードでは、可変ベーンの開度が低回転運転モードにおけるものよりも大きく設定される。

低圧タービンのハウジングに設けられた可変ベーンの開度を大きくすることにより、低圧タービンに排気ガスが流れやすくなり、排気ガスが排出されやすくなり、排気上流にある高圧タービンの出口圧力を低くなる。このため、かかる開閉制御を行わない場合に比べて、高い圧力状態にある高圧タービンの入口圧力との圧力差が大きくなり、高圧タービンが回転しやすい状態にされる。

以上のように本発明によれば、２ステージターボシステムにおいて、高圧ターボの回転数が低い運転モードから、高圧ターボの回転数が高い運転モードへ切り替える際の、高圧ターボの応答性を良くする装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について、図を用いて説明する。内燃機関１は、制御部５、低圧ターボ１３、高圧ターボ１４、エンジン本体３０、低圧コンプレッサ入口側吸気通路５１、低圧コンプレッサ出口側吸気通路（高圧コンプレッサ入口側吸気通路）５２、高圧コンプレッサ出口側吸気通路５３、高圧コンプレッサバイパス通路５４、高圧タービン入口側排気通路７１、高圧タービン出口側排気通路（低圧タービン入口側排気通路）７２、低圧タービン出口側排気通路７３、高圧タービンバイパス通路７４、低圧タービンバイパス通路７５、ＥＧＲ通路７６を備える。

制御部５は、ＣＰＵ、制御プログラムを格納したＲＯＭ、及び各種データを格納するＲＡＭ等を有し、各種センサからの信号が入力され、また、排気バイパスバルブ３２等に制御信号を出力して内燃機関１を含む車両の各部を制御する。特に、本実施形態では、制御部５は、運転モードに対応した排気バイパスバルブ３２等の開閉制御に加え、高圧ターボ１４の回転数が高い運転モードに切り替わる時に、高圧ターボ１４の応答性を良くするため、すなわち、高圧タービン１４ａの回転数が切り替え後の運転モードに対応した過給に必要な回転数にまで達する時間を短くするために、中間運転モードを設け、高圧タービン１４ａの入口圧力と出口圧力との圧力差を大きくし、高圧ターボ１４が回転しやすくなるように排気バイパスバルブ３２等の開閉状態を制御する。

内燃機関１の運転中、エンジン本体３０の各シリンダーの燃焼室には、低圧コンプレッサ入口側吸気通路５１などを介して、空気が吸入される（図１〜図４の点線矢印参照）。インジェクタから噴射された燃料は、吸入された空気と共に混合気を形成する。混合気の燃焼による爆発力に応じたピストンの往復運動により、クランクシャフト（不図示）が回転する。燃焼により発生した排気ガスは、高圧タービン入口側排気通路７１などを介して排出される（図１〜図４の破線矢印参照）。但し、排気ガスの一部は、ＥＧＲ通路７６を介して吸気側に帰還する。

次に、低圧ターボ１３、高圧ターボ１４を中心に、内燃機関１の各部の構成を説明する。低圧ターボ１３、高圧ターボ１４は、直列に接続され、すなわち高圧ターボ１４が排気経路において低圧ターボ１３よりも上流に設置された、２ステージターボシステムを構成する。

低圧ターボ１３は、低圧タービン１３ａ、及び低圧コンプレッサ１３ｂを有し、高圧ターボ１４は、高圧タービン１４ａ、及び高圧コンプレッサ１４ｂを有する。高圧ターボ１４は、タービン側が可変ベーンを有する可変ノズルターボであり、内燃機関１の運転状態に応じて可変ベーンの開度が調整される。

低圧コンプレッサ１３ｂの入口側は、低圧コンプレッサ入口側吸気通路５１と接続される。低圧コンプレッサ入口側吸気通路５１には、エアクリーナ、及びエアフローメータ（いずれも不図示）が設けられる。低圧コンプレッサ１３ｂの出口側は、低圧コンプレッサ出口側吸気通路５２と接続される。高圧コンプレッサ１４ｂの入口側は、低圧コンプレッサ出口側吸気通路５２と接続される。高圧コンプレッサ１４ｂの出口側は、エンジン本体３０の吸気マニホールド（不図示）に連通する高圧コンプレッサ出口側吸気通路５３と接続される。

また、低圧コンプレッサ出口側吸気通路５２と、高圧タービン出口側吸気通路５３とを連通し、高圧コンプレッサ１４ｂをバイパスする高圧コンプレッサバイパス通路５４が設けられる。高圧コンプレッサバイパス通路５４には、吸気バイパスバルブ１７が設けられる。吸気バイパスバルブ１７が開弁状態である場合には、低圧コンプレッサ１３ｂからの空気の多くは、高圧コンプレッサバイパス通路５４を経由してエンジン本体３０に流れ、一部が高圧コンプレッサ１４ｂを経由してエンジン本体３０に流れる。吸気バイパスバルブ１７の開度に応じて、高圧コンプレッサ１４ｂに流入する空気の量が調整される。高圧コンプレッサ出口側吸気通路５３の、高圧コンプレッサバイパス通路５４との接続点よりも下流には、インタークーラ（不図示）、及びスロットルバルブ（電子制御スロットル）２５が設けられる。

高圧タービン１４ａの入口側は、エンジン本体３０の排気マニホールド（不図示）に連通する高圧タービン入口側排気通路７１と接続される。高圧タービン１４ａの出口側は、高圧タービン出口側排気通路７２と接続される。低圧タービン１３ａの入口側は、高圧タービン出口側排気通路７２と接続される。低圧タービン１３ａの出口側は、排気ガス浄化触媒（不図示）に連通する低圧タービン出口側排気通路７３と接続される。

また、高圧タービン入口側排気通路７１と、高圧タービン出口側排気通路７２とを連通し、高圧タービン１４ａをバイパスする高圧タービンバイパス通路７４が設けられ、高圧タービン出口側排気通路７２と、低圧タービン出口側排気通路７３とを連通し、低圧タービン１３ａをバイパスする低圧タービンバイパス通路７５が設けられる。高圧タービンバイパス通路７４の高圧タービン出口側排気通路７２上の接続点は、低圧タービンバイパス通路７５の高圧タービン出口側排気通路７２上の接続点よりも上流に配置される。高圧タービンバイパス通路７４には、排気制御バルブ３１が設けられ、低圧タービンバイパス通路７５には、排気バイパスバルブ３２が設けられる。

排気制御バルブ３１が開弁状態である場合には、エンジン本体３０からの排気ガスの多くは、高圧タービンバイパス通路７４を経由して高圧タービン出口側排気通路７２に流れ、一部が高圧タービン１４ａを経由して高圧タービン出口側排気通路７２に流れる。排気制御バルブ３１の開度に応じて、高圧タービン１４ａに流入する排気ガスの量が調整される。排気バイパスバルブ３２が開弁状態である場合には、高圧タービン出口側排気通路７２からの排気ガスの多くは、低圧タービンバイパス通路７５を経由して低圧タービン出口側排気通路７３に流れ、一部が低圧タービン１３ａを経由して低圧タービン出口側排気通路７３に流れる。排気バイパスバルブ３２の開度に応じて、低圧タービン１３ａに流入する排気ガスの量が調整される。

また、高圧タービン入口側排気通路７１と、高圧コンプレッサ出口側吸気通路５３とを連通し、エンジン本体３０から排出された排気ガスの一部を吸気側に帰還するＥＧＲ通路７６が設けられる。ＥＧＲ通路７６には、帰還排気ガスの量を調整するＥＧＲバルブ３９が設けられる。ＥＧＲバルブ３９の開度は、内燃機関１の運転状態に応じて調整される。

次に、エンジン回転数などから導き出される内燃機関１の運転状態に応じて設定された第１〜第４運転モードにおける各バルブの開閉状態について説明する。

本実施形態における２ステージターボシステムでは、エンジン回転数などから導き出される内燃機関１の運転状態に応じた第１〜第４運転モードで、過給に使用するターボの使い分けが行われる。エンジン本体３０からの排気流量が極めて少ない場合は、高圧ターボ１４の回転数が極めて高い状態で、低圧ターボ１３、及び高圧ターボ１４によって過給が行われる（第１運転モード、図１参照）。この場合、高圧ターボ１４が主ターボとなって過給が行われる。エンジン本体３０からの排気流量が少ない場合は、高圧ターボ１４の回転数が高い状態で、低圧ターボ１３、及び高圧ターボ１４によって過給が行われる（第２運転モード、図２参照）。この場合、高圧ターボ１４の回転数は第１運転モードに比べて低く、低圧ターボ１３が主ターボとなって過給が行われる。エンジン本体３０からの排気流量が多い場合は、低圧ターボ１３によって過給が行われる（第３運転モード、図３参照）。この場合、高圧ターボ１４の回転数は第２運転モードに比べて低く、高圧ターボ１４による過給は殆ど行われない。エンジン本体３０からの排気流量が極めて多い場合は、一部の排気ガスが低圧ターボ１３をバイパスした状態で、低圧ターボ１３によって過給が行われる（第４運転モード、図４参照）。この場合も、高圧ターボ１４の回転数は第３運転モードと同様に低く、高圧ターボ１４による過給は殆ど行われない。図５は、全負荷性能グラフで第１〜第４運転モードとエンジン回転数とトルクの関係を示す。

第１運転モードで運転される場合は、吸気バイパスバルブ１７、排気制御バルブ３１、及び排気バイパスバルブ３２は閉弁状態にされる（図１参照）。エアクリーナを介して吸入された空気は、低圧コンプレッサ入口側吸気通路５１、低圧コンプレッサ１３ｂ、低圧コンプレッサ出口側吸気通路５２、高圧コンプレッサ１４ｂ、及び高圧コンプレッサ出口側吸気通路５３を介して、エンジン本体３０に供給される（図１の太点線参照）。エンジン本体３０からの排気ガスは、高圧タービン入口側排気通路７１、高圧タービン１４ａ、高圧タービン出口側排気通路７２、低圧タービン１３ａ、及び低圧タービン出口側排気通路７３を介して、排気ガス浄化触媒へ排出される（図１の太破線参照）。この場合、低圧コンプレッサ１３ｂからの空気はバイパスせずに高圧コンプレッサ１４ｂに流入し、エンジン本体３０からの排気ガスはバイパスせずに高圧タービン１４ａに流入することにより、高圧コンプレッサ１４ｂでは、第２運転モードに比べて高い圧力比で過給が行われる。一方、排気流量が極めて少ないため、低圧タービン１３ａは高速回転しておらず、低圧コンプレッサ１３ｂでは、第２運転モードに比べて低い圧力比で過給が行われる。

第２運転モードで運転される場合は、排気制御バルブ３１は開弁状態にされ、吸気バイパスバルブ１７と排気バイパスバルブ３２は閉弁状態にされる（図２参照）。排気制御バルブ３１の開度は、内燃機関１の運転状態に応じて調整される。エアクリーナを介して吸入された空気は、低圧コンプレッサ入口側吸気通路５１、低圧コンプレッサ１３ｂ、低圧コンプレッサ出口側吸気通路５２、高圧コンプレッサ１４ｂ、及び高圧コンプレッサ出口側吸気通路５３を介して、エンジン本体３０に供給される（図２の太点線参照）。エンジン本体３０からの排気ガスは、高圧タービン入口側排気通路７１、高圧タービンバイパス通路７４、高圧タービン出口側排気通路７２、低圧タービン１３ａ、及び低圧タービン出口側排気通路７３を介して、排気ガス浄化触媒へ排出される（図２の太破線参照）。また、排気ガスの一部は、高圧タービン１３ａを通る経路で排出される（図２の細破線参照）。この場合、低圧コンプレッサ１３ｂからの空気はバイパスせずに高圧コンプレッサ１４ｂに流入し、エンジン本体３０からの排気ガスの一部がバイパスせずに高圧タービン１４ａに流入することにより、高圧ターボ１４による過給が行われる。但し、エンジン本体３０からの排気ガスの多くが高圧タービン１４ａをバイパスするため、第１運転モードと比べて高圧ターボ１４の回転数が低く、高圧コンプレッサ１４ｂでは、第１運転モードと比べて低い圧力比で過給が行われる。一方、第１運転モードに比べて多くの排気ガスが低圧タービン１３ａに流入するため、低圧コンプレッサ１３ｂでは、第１運転モードに比べて高い圧力比で過給が行われる。

第３運転モードで運転される場合は、吸気バイパスバルブ１７と排気制御バルブ３１は開弁状態にされ、排気バイパスバルブ３２は閉弁状態にされる（図３参照）。吸気バイパスバルブ１７と排気制御バルブ３１の開度は、内燃機関１の運転状態に応じて調整される。エアクリーナを介して吸入された空気は、低圧コンプレッサ入口側吸気通路５１、低圧コンプレッサ１３ｂ、低圧コンプレッサ出口側吸気通路５２、高圧コンプレッサバイパス通路５４、及び高圧コンプレッサ出口側吸気通路５３を介して、エンジン本体３０に供給される（図３の太点線参照）。また、吸入空気の一部は、高圧コンプレッサ１４ｂを通る経路でエンジン本体３０に供給される（図３の細点線参照）。エンジン本体３０からの排気ガスは、高圧タービン入口側排気通路７１、高圧タービンバイパス通路７４、高圧タービン出口側排気通路７２、低圧タービン１３ａ、及び低圧タービン出口側排気通路７３を介して、排気ガス浄化触媒へ排出される（図３の太破線参照）。また、排気ガスの一部は、高圧タービン１３ａを通る経路で排出される（図３の細破線参照）。この場合、排気ガスの多くが高圧タービン１４ａをバイパスし、低圧コンプレッサ１３ｂからの空気の多くが高圧コンプレッサ１４ｂをバイパスするため、高圧ターボ１４による過給は殆ど行われない。一方、排気流量が多く、第２運転モードに比べて多くの排気ガスが低圧タービン１３ａに流入するため、低圧コンプレッサ１３ｂでは、第２運転モードに比べて高い圧力比で過給が行われる。

第４運転モードで運転される場合は、吸気バイパスバルブ１７、排気制御バルブ３１、及び排気バイパスバルブ３２は開弁状態にされる（図４参照）。吸気バイパスバルブ１７、排気制御バルブ３１、及び排気バイパスバルブ３２の開度は、内燃機関１の運転状態に応じて調整される。エアクリーナを介して吸入された空気は、低圧コンプレッサ入口側吸気通路５１、低圧コンプレッサ１３ｂ、低圧コンプレッサ出口側吸気通路５２、高圧コンプレッサバイパス通路５４、及び高圧コンプレッサ出口側吸気通路５３を介して、エンジン本体３０に供給される（図４の太点線参照）。また、吸入空気の一部は、高圧コンプレッサ１４ｂを通る経路でエンジン本体３０に供給される（図４の細点線参照）。エンジン本体３０からの排気ガスは、高圧タービン入口側排気通路７１、高圧タービンバイパス通路７４、高圧タービン出口側排気通路７２、低圧タービンバイパス通路７５、及び低圧タービン出口側排気通路７３を介して、排気ガス浄化触媒へ排出される（図４の太破線参照）。また、排気ガスの一部は、高圧タービン１３ａを通る経路で排出される（図４の細破線参照）。また、排気ガスの一部は、低圧タービン１３ａを通る経路で排出される（図４の細破線参照）。この場合、排気ガスの多くが高圧タービン１４ａをバイパスし、低圧コンプレッサ１３ｂからの空気の多くが高圧コンプレッサ１４ｂをバイパスするため、高圧ターボ１４による過給は殆ど行われない。一方、排気ガスの多くは低圧タービン１３ａをバイパスするものの、排気流量が極めて多く、第２運転モードに比べて多くの排気ガスが低圧タービン１３ａに流入するため、低圧コンプレッサ１３ｂでは、第２運転モードに比べて高い圧力比で過給が行われる。

本実施形態では、高圧ターボ１４の回転数が低い運転モードから高い運転モードへ切り替える時であって、排気バイパスバルブ３２などが高い回転数の運転モードに対応した開閉状態にされる前に、中間運転モードが設けられ、排気バイパスバルブ３２などは、高圧タービン１４ａの入口圧力と出口圧力との圧力差を大きくし、高圧ターボ１４を回転しやすい状態にして高圧ターボ１４の応答性を良くするための開閉状態にされる。具体的には、第２運転モードから第１運転モードに切り替える時は、排気バイパスバルブ３２などは、第１運転モードに対応した開閉状態にされる前に、第１中間運転モード（図６参照）に対応した開閉状態にされ、その後、第１運転モードに対応した開閉状態にされる。第３運転モードから第２運転モードに切り替える時は、排気バイパスバルブ３２などは、第２運転モードに対応した開閉状態にされる前に、第２中間運転モード（図７参照）に対応した開閉状態にされ、その後、第２運転モードに対応した開閉状態にされる。第３運転モードから第１運転モードに切り替える時は、排気バイパスバルブ３２などは、第１運転モードに対応した開閉状態にされる前に、第３中間運転モード（図８参照）に対応した開閉状態にされ、その後、第１運転モードに対応した開閉状態にされる。

第１中間運転モードでは、吸気バイパスバルブ１７は閉弁状態に維持され、排気制御バルブ３１は開弁状態から閉弁状態にされ、排気バイパスバルブ３２が閉弁状態から開弁状態にされる。排気制御バルブ３１が閉弁することにより、エンジン本体３０からの排気ガスがＥＧＲ通路７６に流れる分を除いて高圧タービン１４ａの入口側に集中するため、排気制御バルブ３１が開弁状態にある場合に比べて高圧タービン１４ａの入口圧力が高くなる。また、排気バイパスバルブ３２が開弁することにより、高圧タービン出口側排気通路７２の排気ガスが低圧タービン出口側排気通路７３に排出されやすくなるため、排気バイパスバルブ３２が閉弁状態にある場合に比べて高圧タービン１４ａの出口圧力が低くなる。従って、かかる開閉制御を行わない場合に比べて、高圧タービン１４ａの入口圧力と出口圧力との圧力差が大きくなり、高圧タービン１４ａが回転しやすい状態にされる。回転しやすいと、高圧ターボ１４が第１運転モードに対応した過給を行うのに十分な高速回転状態になるまでの時間を短くすることが可能になり、高圧ターボ１４の立ち上がり時の応答性を良くすることが可能になる。高圧ターボ１４が第１運転モードに対応した過給を行うのに十分な高速回転状態になった後、第１運転モードにされる。すなわち、吸気バイパスバルブ１７は閉弁状態に維持され、排気制御バルブ３１は閉弁状態に維持され、排気バイパスバルブ３２が開弁状態から閉弁状態にされる。

第２中間運転モードでは、吸気バイパスバルブ１７は開弁状態から閉弁状態にされ、排気制御バルブ３１は開弁状態に維持され、排気バイパスバルブ３２が閉弁状態から開弁状態にされる。吸気バイパスバルブ１７が閉弁することにより、低圧コンプレッサ１３ｂからの空気が高圧コンプレッサ１４ｂの入口側に集中するため、吸気バイパスバルブ１７が開弁状態にある場合に比べて、高圧コンプレッサ１４ｂに空気が流れやすい状態、すなわち高圧ターボ１４が回転しやすい状態になる。また、排気バイパスバルブ３２が開弁することにより、高圧タービン出口側排気通路７２の排気ガスが低圧タービン出口側排気通路７３に排出されやすくなるため、排気バイパスバルブ３２が閉弁状態にある場合に比べて高圧タービン１４ａの出口圧力が低くなる。従って、かかる開閉制御を行わない場合に比べて、高圧タービン１４ａの入口圧力と出口圧力との圧力差が大きくなり、高圧タービン１４ａが回転しやすい状態にされる。回転しやすいと、高圧ターボ１４が第２運転モードに対応した過給を行うのに十分な高速回転状態になるまでの時間を短くすることが可能になり、高圧ターボ１４の立ち上がり時の応答性を良くすることが可能になる。高圧ターボ１４が第２運転モードに対応した過給を行うのに十分な高速回転状態になった後、第２運転モードにされる。すなわち、吸気バイパスバルブ１７は閉弁状態に維持され、排気制御バルブ３１は開弁状態に維持され、排気バイパスバルブ３２が開弁状態から閉弁状態にされる。

第３中間運転モードでは、吸気バイパスバルブ１７は開弁状態から閉弁状態にされ、排気制御バルブ３１は開弁状態から閉弁状態にされ、排気バイパスバルブ３２が閉弁状態から開弁状態にされる。吸気バイパスバルブ１７が閉弁することにより、低圧コンプレッサ１３ｂからの空気が高圧コンプレッサ１４ｂの入口側に集中するため、吸気バイパスバルブ１７が開弁状態にある場合に比べて、高圧コンプレッサ１４ｂに空気が流れやすい状態、すなわち高圧ターボ１４が回転しやすい状態になる。また、排気制御バルブ３１が閉弁することにより、エンジン本体３０からの排気ガスがＥＧＲ通路７６に流れる分を除いて高圧タービン１４ａの入口側に集中するため、排気制御バルブ３１が開弁状態にある場合に比べて高圧タービン１４ａの入口圧力が高くなる。また、排気バイパスバルブ３２が開弁することにより、高圧タービン出口側排気通路７２の排気ガスが低圧タービン出口側排気通路７３に排出されやすくなるため、排気バイパスバルブ３２が閉弁状態にある場合に比べて高圧タービン１４ａの出口圧力が低くなる。従って、かかる開閉制御を行わない場合に比べて、高圧タービン１４ａの入口圧力と出口圧力との圧力差が大きくなり、高圧タービン１４ａが回転しやすい状態にされる。回転しやすいと、高圧ターボ１４が第１運転モードに対応した過給を行うのに十分な高速回転状態になるまでの時間を短くすることが可能になり、高圧ターボ１４の立ち上がり時の応答性を良くすることが可能になる。高圧ターボ１４が第１運転モードに対応した過給を行うのに十分な高速回転状態になった後、第１運転モードにされる。すなわち、吸気バイパスバルブ１７は閉弁状態に維持され、排気制御バルブ３１は閉弁状態に維持され、排気バイパスバルブ３２が開弁状態から閉弁状態にされる。

第１〜第３中間運転モードにおける、高圧ターボ１４が切り替え後の運転モードに対応した過給を行うのに十分な高速回転状態になったか否かの判断は、第１〜第３中間運転モードに対応する排気バイパスバルブ３２などの開閉制御が開始された時点からの経過時間と、実験などにより予め算出された時間閾値（１〜２秒程度）との比較に基づいて行われる。または、別途センサを設け、高圧ターボ１４の回転数と回転数閾値との比較や高圧コンプレッサ１４ｂの出口圧力と圧力閾値との比較に基づいて行われても良い。

第１〜第３中間運転モードでは、排気バイパスバルブ３２が開弁状態にされるため、排気ガスの多くが低圧タービン１３ａにより運動エネルギーに変換されない状態で排出される。このため、温度が高い状態で下流に配置された排気ガス浄化触媒に排気ガスを供給することが可能になる。これにより、排気ガス浄化触媒の温度が高い状態、すなわち排気ガス浄化作用が可能な温度状態を維持しやすくなる。

なお、排気バイパスバルブ３２などが第１〜第３中間運転モードに対応する開閉状態にされる時間は１〜２秒程度の短い時間（一時的な時間）である。そのため、通常の運転モード（第１〜第４運転モード）に対応する排気バイパスバルブ３２などの開閉状態と異なるが、かかる排気バイパスバルブ３２などの開閉制御が内燃機関１に与える悪影響は少ない。

また、排気バイパスバルブ３２などが第１〜第３中間運転モードに対応する開閉状態にされる間、高圧タービン１４ａの回転をさらに早くするために、ＥＧＲバルブ３９や、高圧タービン１４ａのハウジングに設けられた可変ベーンの開度調整を加えても良い。具体的には、ＥＧＲバルブ３９の開度を小さくすることにより、ＥＧＲ通路７６に排気ガスが流れにくくし、エンジン本体３０からの排気ガスを高圧タービン１４ａの入口側に集中させて、高圧タービン１４ａの入口圧力を高くする。また、高圧タービン１４ａのハウジングに設けられた可変ベーンの開度を小さくする。

また、低圧ターボ１３のタービン側が可変ベーンを有する可変ノズルターボである場合には、排気バイパスバルブ３２などが第１〜第３中間運転モードに対応する開閉状態にされる時に、高圧タービン１４ａをさらに回転しやすくするために、低圧タービン１３ａのハウジングに設けられた可変ベーンの開度調整を加えても良い。具体的には、低圧タービン１３ａの可変ベーンの開度を大きくすることにより、低圧タービン１３ａに排気ガスが流れやすくし、高圧タービン出口側排気通路７２の排気ガスが低圧タービン出口側排気通路７３に排出されやすくして、排気上流にある高圧タービン１４ａの出口圧力を低くする。

本実施形態における排気制御バルブなどが第１運転モードに対応した開閉状態にある内燃機関の構成図である。 排気制御バルブなどが第２運転モードに対応した開閉状態にある内燃機関の構成図である。 排気制御バルブなどが第３運転モードに対応した開閉状態にある内燃機関の構成図である。 排気制御バルブなどが第４運転モードに対応した開閉状態にある内燃機関の構成図である。 エンジン全負荷性能を示すグラフである。 排気制御バルブなどが第１中間運転モードに対応したに開閉状態ある内燃機関の構成図である。 排気制御バルブなどが第２中間運転モードに対応したに開閉状態ある内燃機関の構成図である。 排気制御バルブなどが第３中間運転モードに対応したに開閉状態ある内燃機関の構成図である。

符号の説明

１ 内燃機関
５ 制御部
１３ 低圧ターボ
１３ａ 低圧タービン
１３ｂ 低圧コンプレッサ
１４ 高圧ターボ
１４ａ 高圧タービン
１４ｂ 高圧コンプレッサ
１７ 吸気バイパスバルブ
２５ スロットルバルブ
３０ エンジン本体
３１ 排気制御バルブ
３２ 排気バイパスバルブ
３９ ＥＧＲバルブ
５１ 低圧コンプレッサ入口側吸気通路
５２ 低圧コンプレッサ出口側吸気通路
５３ 高圧コンプレッサ出口側吸気通路
５４ 高圧コンプレッサバイパス通路
７１ 高圧タービン入口側排気通路
７２ 高圧タービン出口側排気通路
７３ 低圧タービン出口側排気通路
７４ 高圧タービンバイパス通路
７５ 低圧タービンバイパス通路
７６ ＥＧＲ通路

Claims (7)

1. 低圧ターボと、
   前記低圧ターボと直列に接続された高圧ターボと、
   前記低圧ターボの低圧タービンをバイパスする低圧タービンバイパス通路上に設けられた排気バイパスバルブとを備え、
   前記高圧ターボの回転数が低い低回転運転モードから、前記低回転運転モードに比べて前記高圧ターボの回転数が高い高回転運転モードへ切り替える前の中間運転モードで、前記排気バイパスバルブは前記高圧ターボの高圧タービンの入口圧力と出口圧力との圧力差を大きくするための開閉状態にされることを特徴とする過給機付き内燃機関の制御装置。
2. 前記中間運転モードでは、前記排気バイパスバルブは前記低回転運転モードにおける開度の小さい状態から開度の大きい状態にされ、
   前記高回転運転モードでは、前記排気バイパスバルブは前記中間運転モードにおける開度の大きい状態から開度の小さい状態にされることを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
3. 前記高圧タービンをバイパスする高圧タービンバイパス通路上に設けられた排気制御バルブをさらに備え、
   前記中間運転モード、及び前記高回転運転モードでは、前記排気制御バルブは前記低回転運転モードにおける開度の大きい状態から開度の小さい状態にされることを特徴とする請求項２に記載の制御装置。
4. 前記高圧ターボの高圧コンプレッサをバイパスする高圧コンプレッサバイパス通路上に設けられた吸気バイパスバルブをさらに備え、
   前記中間運転モード、及び前記高回転運転モードでは、前記吸気バイパスバルブは前記低回転運転モードにおける開度の大きい状態から開度の小さい状態にされることを特徴とする請求項２に記載の制御装置。
5. 前記高圧ターボのタービン側は、運転状態に応じて開度が調整される可変ベーンを有し、
   前記中間運転モードでは、前記可変ベーンの開度が前記低回転運転モードにおけるものよりも小さく設定されることを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
6. 排気ガスの一部を吸気側に帰還するＥＧＲ通路上に設けられたＥＧＲバルブをさらに備え、
   前記中間運転モードでは、前記ＥＧＲバルブの開度が前記低回転運転モードにおけるものよりも小さく設定されることを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
7. 前記低圧ターボのタービン側は、運転状態に応じて開度が調整される可変ベーンを有し、
   前記中間運転モードでは、前記可変ベーンの開度が前記低回転運転モードにおけるものよりも大きく設定されることを特徴とする請求項１に記載の制御装置。

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