JP2017101607A - 内燃機関及びその制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パワータービン装置とターボチャージャ装置を備えた場合において、排気効率及び商品性をいずれも向上させることができる内燃機関及びその制御装置を提供する。
【解決手段】主排気通路１１と、これとは別個の副排気通路１２と、ターボチャージャ装置６と、パワータービン装置８とを備えた内燃機関３の制御装置１は、ＥＣＵ２を備える。ＥＣＵ２は、内燃機関３の運転域が所定の並列運転域にあるとき（ステップ８がＹＥＳのとき）には、排気マニホールド１０からの排ガスが主排気通路１１及び副排気通路１２の双方に流入するように、第１通路切換弁３１を制御し、排ガスが連通路１３内を通過することなく、過給用タービン６ｂ及びパワータービン８ｂを通過するように、第２及び第３通路切換弁３２，３３を制御する並列運転制御処理を実行する（ステップ９）。
【選択図】図７

Description

本発明は、パワータービン装置及びターボチャージャ装置を排気系に備えた内燃機関及びその制御装置に関する。

従来、パワータービン装置及びターボチャージャ装置を備えた内燃機関及びその制御装置として、特許文献１に記載されたものが知られている。この内燃機関の排気系には、排気通路、バイパス通路及び短絡通路が設けられており、この排気通路の途中には、ターボチャージャ装置の過給用タービンが設けられている。また、バイパス通路は、排気通路の過給用タービンをバイパスするためのものであり、排気通路の過給用タービンよりも上流側の部位から分岐した後、排気通路の過給用タービンよりも下流側の部位で合流している。

このバイパス通路が分岐する部位には、上流側フラップが設けられており、この上流側フラップは、過給用タービン側の排気通路の入口を閉鎖する状態と、バイパス通路の入口を閉鎖する状態と、両方の入口を開放する状態とに切り換え可能に構成されている。

さらに、パワータービン装置は、回転機と、その回転軸に連結され、バイパス通路の途中に設けられたパワータービンとを備えている。短絡通路は、バイパス通路のパワータービンよりも上流側の部位から分岐した後、排気通路の過給用タービンよりも若干、下流側の部位に合流している。この短絡通路が合流する部位には、下流側フラップが設けられており、この下流側フラップは、過給用タービンよりも下流側の排気通路を閉鎖しながら短絡通路の出口を開放する状態と、短絡通路の出口を閉鎖しながら排気通路を開放する状態とに切り換え可能に構成されている。

この制御装置では、内燃機関が高負荷・高回転運転中であるときには、同文献の図２に示すように、過給用タービン側の排気通路の入口及びバイパス通路の入口の双方を開放するように、上流側フラップが駆動されるとともに、短絡通路の出口を閉鎖しながら排気通路を開放するように、下流側フラップが駆動される。それにより、排気マニホールドからの排ガスは、過給用タービン側及びパワータービン側の双方に案内され、双方を通過した後、バイパス通路と排気通路との合流部において合流しながら、排気通路をさらに流下する。

その際、排ガスの熱エネルギは、過給用タービンを通過するときに運動エネルギに変換されることで、ターボチャージャ装置の過給動作に利用されるとともに、バッテリへの充電が可能である場合には、パワータービンを通過するときに運動エネルギに変換され、この運動エネルギが回転機の回生制御によって電力に変換されることで、バッテリに充電される。

さらに、内燃機関の冷間始動時は、同文献の図３に示すように、過給用タービン側の排気通路の入口を閉鎖しながらバイパス通路の入口を開放するように、上流側フラップが駆動されるとともに、排気通路を閉鎖するように、下流側フラップが駆動される。それにより、排気マニホールドからの排ガスは、パワータービンのみに案内される。そして、２次空気を排気マニホールド内に吸引するために、回転機を力行制御することによって、負圧を排気マニホールドの下流側の排気通路内に発生させている。

特許第４８９２０５４号公報

上記特許文献１の内燃機関及びその制御装置によれば、バイパス通路が排気通路に合流する構造である関係上、同文献の図２に示すように、排ガスが過給用タービン及びパワータービンの双方を通過する場合には、各タービンを通過した排ガスの熱エネルギの影響を互いに受けることで、各タービンにおいて利用可能な熱落差（各タービンの上下流間での温度差すなわち熱エネルギ）が減少し、各タービンの仕事が低下する。その結果、燃費性能の悪化などを招き、商品性が低下してしまう。

また、内燃機関の場合、ターボチャージャ装置による過給を必要としない自然吸気運転域（以下「ＮＡ運転域」という）が存在するのが一般的である。特許文献１のように、ターボチャージャ装置及びパワータービン装置を備えた内燃機関の場合、内燃機関がそのようなＮＡ運転域にあるときには、排気効率の観点から、排ガスを過給用タービン側及びパワータービン側に全く流すことなく排出するのが最適である。

しかしながら、特許文献１の内燃機関の場合、上流側フラップによって、過給用タービン側の排気通路の入口を閉鎖しながらバイパス通路の入口を開放するとともに、下流側フラップによって、短絡通路の出口及び排気通路の双方を開放したとしても、排気マニホールドからの排ガスは、短絡通路側のみでなく、バイパス通路のパワータービン側にも若干、流れて、パワータービンを通過する関係上、その分、排気抵抗が増大してしまう。これに加えて、排気通路を流れた排ガスとバイパス通路を流れた排ガスが、バイパス通路の出口付近で合流する際に互いに干渉し合うことになり、それに起因して、排気抵抗がさらに増大することになってしまう。その結果、排気効率がさらに低下することで、燃費性能がさらに悪化し、商品性がさらに低下してしまう。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、パワータービン装置とターボチャージャ装置を備えた場合において、排気効率及び商品性をいずれも向上させることができる内燃機関及びその制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る内燃機関３，３Ａ〜３Ｃは、排気マニホールド１０と、排気マニホールド１０からの排ガスが流入する主排気通路１１と、排気マニホールド１０からの排ガスが流入するように設けられ、主排気通路１１とは別個の副排気通路１２と、主排気通路１１の途中に設けられた過給用タービン６ｂを有するターボチャージャ装置６と、副排気通路１２の途中に設けられたパワータービン８ｂ及びパワータービン８ｂが連結された回転機（タービンモータ８ａ）を有するパワータービン装置８と、一端部が主排気通路１１の過給用タービン６ｂよりも下流側の部位に接続され、他端部が副排気通路１２のパワータービン８ｂよりも上流側の部位に接続されるとともに、主排気通路１１及び副排気通路１２に連通する連通路１３と、排気マニホールド１０の連通状態を、排気マニホールド１０が主排気通路１１側のみに連通する状態と、排気マニホールド１０が副排気通路１２側のみに連通する状態と、排気マニホールド１０が主排気通路１１側及び副排気通路１２側の双方に連通する状態とに切り換え可能な第１切換手段（第１通路切換弁３１、第１及び第４通路弁５１，５４）と、連通路１３の主排気通路１１との連通状態を、連通路１３が主排気通路１１の連通路１３との接続部よりも上流側のみに連通する状態と、連通路１３が主排気通路１１の連通路１３との接続部よりも上流側及び下流側の双方に連通する状態と、連通路１３が主排気通路１１に連通しない状態とに切り換え可能な第２切換手段（第２通路切換弁３２、第２及び第３通路弁５２，５３）と、を備えることを特徴とする。

この内燃機関によれば、第１切換手段によって、排気マニホールドの連通状態が、排気マニホールドが主排気通路側のみに連通する状態と、排気マニホールドが副排気通路側のみに連通する状態と、排気マニホールドが主排気通路側及び副排気通路側の双方に連通する状態とに切り換え可能になっており、第２切換手段によって、連通路の主排気通路との連通状態が、連通路が主排気通路の連通路との接続部よりも上流側のみに連通する状態と、連通路が主排気通路の連通路との接続部よりも上流側及び下流側の双方に連通する状態と、連通路が主排気通路に連通しない状態とに切り換え可能になっている。

したがって、例えば内燃機関がターボチャージャ装置による過給動作とパワータービン装置による回生制御／力行制御が必要な運転域にある場合、第１切換手段によって、排気マニホールドが主排気通路側及び副排気通路側の双方に連通する状態に切り換えるとともに、第２切換手段によって、連通路が主排気通路に連通しない状態に切り換えることによって、排気マニホールドからの排ガスを、過給用タービン側及びパワータービン側の双方に流入させた後、過給用タービンを通過した排ガスを主排気通路内に流下させると同時に、パワータービンを通過した排ガスを副排気通路内に流下させることができる。その際、副排気通路は、主排気通路とは別個のものであり、副排気通路及び主排気通路内を流下する排ガスは互いに合流することがないので、特許文献１の内燃機関のような、２つの通路を流下した排ガスが合流する場合と比べて、２つのタービンで利用可能な熱落差を増大させることができ、２つのタービンの仕事を向上させることができる。その結果、燃費性能及び商品性を向上させることができる。

また、例えば内燃機関がＮＡ運転域にある場合、第１切換手段によって、排気マニホールドが副排気通路側のみに連通する状態に切り換えるとともに、第２切換手段によって、連通路が主排気通路の連通路との接続部よりも上流側及び下流側の双方に連通する状態に切り換えることによって、排気マニホールドからの排ガスの大部分を、ターボチャージャ装置の過給用タービンを通過させることなく、副排気通路に流入させた後、連通路から主排気通路内に流下させると同時に、残りの少量の排ガスを副排気通路内に流入させ、パワータービンを流下させた後、副排気通路内に流下させることができる。その際、前述したように、副排気通路及び主排気通路内を流下する排ガスは互いに合流することがないので、２つの通路を流下した排ガスが合流する特許文献１の場合と異なり、合流による排ガス同士の干渉を回避することができ、その分、排気抵抗を減少させることができる。その結果、燃費性能及び商品性を向上させることができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関３，３Ｂにおいて、副排気通路１２は、主排気通路１１の過給用タービン６ｂの上流側の部位から分岐して延びており、第１切換手段は、副排気通路１２と主排気通路１１との分岐部の付近に配置された第１通路切換弁３１で構成されており、第２切換手段は、主排気通路１１と連通路１３との接続部の付近に配置された第２通路切換弁３２で構成されていることを特徴とする。

この内燃機関によれば、２つの切換手段を、２つの通路の分岐部及び接続部の付近にそれぞれ配置された２つの通路切換弁という比較的、簡易な構成によって実現することができる。それにより、製造コストを削減することができる。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の内燃機関３，３Ａにおいて、連通路１３の副排気通路１２との連通状態を、連通路１３が副排気通路１２の連通路１３との接続部よりも上流側のみに連通する状態と、連通路１３が副排気通路１２の連通路１３との接続部よりも上流側及び下流側の双方に連通する状態と、連通路１３が副排気通路１２に連通しない状態とに切り換え可能な第３切換手段（第３通路切換弁３３、第３及び第５通路弁５３，５５）をさらに備えることを特徴とする。

この内燃機関によれば、例えば内燃機関がＮＡ運転域にある場合、第１切換手段によって、排気マニホールドが副排気通路側のみに連通する状態に切り換え、第２切換手段によって、連通路が主排気通路の連通路との接続部よりも上流側及び下流側の双方に連通する状態に切り換えるとともに、第３切換手段によって、連通路が副排気通路の連通路との接続部よりも上流側のみに連通する状態に切り換えることによって、排気マニホールドからの排ガスを過給用タービン及びパワータービンの双方を通過させることなく、副排気通路、連通路及び主排気通路の順に流下させることができる。それにより、請求項１又は２の内燃機関と比べて、排気抵抗をさらに減少させることができ、燃費性能及び商品性をいずれもさらに向上させることができる。

請求項４に係る発明は、請求項３に記載の内燃機関３において、第３切換手段は、副排気通路１２と連通路１３との接続部の付近に配置された第３通路切換弁３３で構成されていることを特徴とする。

この内燃機関によれば、第３切換手段を、２つの通路の接続部の付近に配置された１つの通路切換弁という比較的、簡易な構成によって実現することができる。それにより、製造コストをさらに削減することができる。

請求項５に係る発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の内燃機関３，３Ａ〜３Ｃにおいて、パワータービン装置８は、パワータービン８ｂとして、１つの回転軸上に同心に配置された一対のパワータービン８ｂ，８ｂを有しており、一対のパワータービン８ｂ，８ｂを通過した排ガスが回転軸線に沿って互いに逆向きに排出されるように構成されていることを特徴とする。

この内燃機関によれば、パワータービン装置は、パワータービンとして１つの回転軸上に同心に配置された一対のパワータービンを有しており、一対のパワータービンを通過した排ガスが回転軸線に沿って互いに逆向きに排出されるように構成されているので、副排気通路内を流れる排ガスによって回転駆動された際、一対のパワータービンで発生するスラスト力は、一方のパワータービンのスラスト力が他方のパワータービン側に向かって作用し、結果的に互いに打ち消し合うことになる。その結果、特許文献１のように１つのパワータービンしか備えていない場合と異なり、一対のパワータービンの回転に伴ってスラスト力が発生したときでも、それに起因する回転抵抗の増大を回避することができ、エネルギ効率を向上させることができる。

請求項６に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関３，３Ａ〜３Ｃの制御装置１，１Ａ〜１Ｃであって、内燃機関３，３Ａ〜３Ｃの運転域がターボチャージャ装置６による過給動作を停止すべき所定のＮＡ運転域にあるか否かを判定するＮＡ運転域判定手段（ＥＣＵ２、ステップ２）と、ＮＡ運転域判定手段によって内燃機関３，３Ａ〜３Ｃの運転域が所定のＮＡ運転域にあると判定されているとき（ステップ２の判別結果がＹＥＳのとき）には、排気マニホールド１０が副排気通路１２側のみに連通する状態となるように、第１切換手段（第１通路切換弁３１、第１及び第４通路弁５１，５４）を制御するとともに、連通路１３が主排気通路１１の連通路１３との接続部よりも上流側及び下流側の双方に連通する状態となるように、第２切換手段（第２通路切換弁３２、第２及び第３通路弁５２，５３）を制御するＮＡ運転制御手段（ＥＣＵ２、ステップ３）と、を備えることを特徴とする。

この内燃機関の制御装置によれば、内燃機関の運転域がターボチャージャ装置による過給動作を停止すべき所定のＮＡ運転域にあるか否かが判定される。そして、内燃機関の運転域が所定のＮＡ運転域にあると判定されているときには、排気マニホールドが副排気通路側のみに連通する状態となるように、第１切換手段が制御され、連通路が主排気通路の連通路との接続部よりも上流側及び下流側の双方に連通する状態になるように、第２切換手段が制御される。それにより、内燃機関が所定のＮＡ運転域にある場合には、排気マニホールドからの排ガスの大部分を、過給用タービンを通過させることなく、副排気通路に流入させた後、連通路から主排気通路内に流下させると同時に、残りの少量の排ガスを、連通路から副排気通路のパワータービンを流下させた後、副排気通路内をさらに流下させることができる。その際、前述したように、副排気通路及び主排気通路内を流下する排ガスは互いに合流することがないので、２つの通路を流下した排ガスが合流する特許文献１の場合と異なり、合流による排ガス同士の干渉を回避することができ、その分、排気抵抗を減少させることができる。その結果、内燃機関の運転域が所定のＮＡ運転域にある場合において、燃費性能及び商品性を向上させることができる。

請求項７に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関３，３Ａ〜３Ｃの制御装置１，１Ａ〜１Ｃであって、内燃機関３，３Ａ〜３Ｃの運転域が、ターボチャージャ装置６による過給動作と、回転機（タービンモータ８ａ）の回生制御とを実施すべき所定の並列運転域にあるか否かを判定する並列運転域判定手段（ＥＣＵ２、ステップ８）と、並列運転域判定手段によって内燃機関３，３Ａ〜３Ｃの運転域が所定の並列運転域にあると判定されているとき（ステップ８の判別結果がＹＥＳのとき）には、排気マニホールド１０が主排気通路１１側及び副排気通路１２側の双方に連通する状態となるように、第１切換手段を制御するとともに、連通路１３が主排気通路１１に連通しない状態となるように、第２切換手段（第２通路切換弁３２、第２及び第３通路弁５２，５３）を制御する並列運転制御手段（ＥＣＵ２、ステップ９）と、を備えることを特徴とする。

この内燃機関の制御装置によれば、内燃機関の運転域が、ターボチャージャ装置による過給動作と、回転機の回生制御とを実施すべき所定の並列運転域にあるか否かが判定される。そして、内燃機関の運転域が所定の並列運転域にあると判定されているときには、排気マニホールドが主排気通路側及び副排気通路側の双方に連通する状態となるように、第１切換手段が制御されるとともに、連通路が主排気通路に連通しない状態となるように、第２切換手段が制御される。それにより、内燃機関が所定の並列運転域にある場合には、排気マニホールドからの排ガスを、過給用タービン側及びパワータービン側の双方に流入させた後、過給用タービンを通過した排ガスを主排気通路内に流下させると同時に、パワータービンを通過した排ガスを副排気通路内に流下させることができる。その際、前述したように、副排気通路及び主排気通路内を流下する排ガスは互いに合流することがないので、特許文献１の内燃機関のような、２つの通路を流下した排ガスが合流する場合と比べて、２つのタービンで利用可能な熱落差を増大させることができ、２つのタービンの仕事を向上させることができる。その結果、内燃機関の運転域が所定の並列運転域にある場合において、燃費性能及び商品性を向上させることができる。

請求項８に係る発明は、請求項３に記載の内燃機関３，３Ａの制御装置１，１Ａであって、内燃機関３，３Ａの運転域がターボチャージャ装置６による過給動作を停止すべき所定のＮＡ運転域にあるか否かを判定するＮＡ運転域判定手段（ＥＣＵ２、ステップ２）と、ＮＡ運転域判定手段によって内燃機関３，３Ａの運転域が所定のＮＡ運転域にあると判定されているとき（ステップ２の判別結果がＹＥＳのとき）には、排気マニホールド１０が副排気通路１２側のみに連通する状態となるように、第１切換手段（第１通路切換弁３１、第１及び第４通路弁５１，５４）を制御し、連通路１３が主排気通路１１の連通路１３との接続部よりも上流側及び下流側の双方に連通する状態となるように、第２切換手段（第２通路切換弁３２、第２及び第３通路弁５２，５３）を制御するとともに、連通路１３が副排気通路１２の連通路１３との接続部よりも上流側のみに連通する状態となるように、第３切換手段（第３通路切換弁３３、第３及び第５通路弁５３，５５）を制御するＮＡ運転制御手段（ＥＣＵ２、ステップ３）と、を備えることを特徴とする。

この内燃機関の制御装置によれば、内燃機関の運転域がターボチャージャ装置による過給動作を停止すべき所定のＮＡ運転域にあるか否かが判定される。そして、内燃機関の運転域が所定のＮＡ運転域にあると判定されているときには、排気マニホールドが副排気通路側のみに連通する状態となるように、第１切換手段が制御され、連通路が主排気通路の連通路との接続部よりも上流側及び下流側の双方に連通する状態となるように、第２切換手段が制御されるとともに、連通路が副排気通路の連通路との接続部よりも上流側のみに連通する状態となるように、第３切換手段が制御される。それにより、内燃機関が所定のＮＡ運転域にある場合には、排気マニホールドからの排ガスを、過給用タービン及びパワータービンの双方を通過させることなく、副排気通路、連通路及び主排気通路の順に流下させることができる。その結果、内燃機関の運転域が所定のＮＡ運転域にある場合において、請求項６の内燃機関の制御装置と比べて、排気抵抗をさらに減少させることができ、燃費性能及び商品性をいずれもさらに向上させることができる。

請求項９に係る発明は、請求項３に記載の内燃機関３，３Ａの制御装置１，１Ａであって、内燃機関３，３Ａの運転域が、ターボチャージャ装置６による過給動作と、回転機（タービンモータ８ａ）の回生制御とを実施すべき所定の並列運転域にあるか否かを判定する並列運転域判定手段（ＥＣＵ２、ステップ８）と、並列運転域判定手段によって内燃機関３，３Ａの運転域が所定の並列運転域にあると判定されているとき（ステップ８の判別結果がＹＥＳのとき）には、排気マニホールド１０が主排気通路１１側及び副排気通路１２側の双方に連通する状態となるように、第１切換手段を制御し、連通路１３が主排気通路１１に連通しない状態となるように、第２切換手段（第２通路切換弁３２、第２及び第３通路弁５２，５３）を制御するとともに、連通路１３が副排気通路１２に連通しない状態となるように、第３切換手段（第３通路切換弁３３、第３及び第５通路弁５３，５５）を制御する並列運転制御手段（ＥＣＵ２、ステップ９）と、を備えることを特徴とする。

この内燃機関の制御装置によれば、内燃機関の運転域が、ターボチャージャ装置による過給動作と、回転機の回生制御とを実施すべき所定の並列運転域にあるか否かが判定される。そして、内燃機関の運転域が所定の並列運転域にあると判定されているときには、排気マニホールドが主排気通路側及び副排気通路側の双方に連通する状態となるように、第１切換手段が制御され、連通路が主排気通路に連通しない状態となるように、第２切換手段が制御されるとともに、連通路が副排気通路に連通しない状態となるように、第３切換手段が制御される。それにより、内燃機関が所定の並列運転域にある場合には、排気マニホールドからの排ガスを、過給用タービン側及びパワータービン側の双方に流入させた後、過給用タービンを通過した排ガスを主排気通路内に流下させると同時に、パワータービンを通過した排ガスを副排気通路内に流下させることができる。その結果、請求項７の内燃機関の制御装置と同じ作用効果を得ることができる。

本発明の第１実施形態に係る内燃機関及びその制御装置の構成を模式的に示す図である。 制御装置の電気的な構成を示すブロック図である。 過給制御処理を示すフローチャートである。 ＮＡ運転制御処理の実行中における吸気及び排ガスの流れを示す図である。 過給運転制御処理の実行中における吸気及び排ガスの流れを示す図である。 直列運転制御処理の実行中における吸気及び排ガスの流れを示す図である。 並列運転制御処理の実行中における吸気及び排ガスの流れを示す図である。 ＮＡ回生運転制御処理の実行中における吸気及び排ガスの流れを示す図である。 第２実施形態に係る内燃機関及びその制御装置の構成を模式的に示す図である。 第３実施形態に係る内燃機関及びその制御装置の構成を模式的に示す図である。 第３実施形態のＮＡ運転制御処理の実行中における排ガスの流れを示す図である。 第３実施形態の過給運転制御処理の実行中における排ガスの流れを示す図である。 第３実施形態の直列運転制御処理の実行中における排ガスの流れを示す図である。 第３実施形態の並列運転制御処理の実行中における排ガスの流れを示す図である。 第３実施形態のＮＡ回生運転制御処理の実行中における排ガスの流れを示す図である。 第４実施形態に係る内燃機関及びその制御装置の構成を模式的に示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の第１実施形態に係る内燃機関及びその制御装置について説明する。図２に示すように、第１実施形態の制御装置１は、ＥＣＵ２を備えており、このＥＣＵ２は、図１に示す内燃機関３の過給制御処理などを実行する。

この内燃機関（以下「エンジン」という）３は、ディーゼルエンジンタイプのものであり、図示しない車両に動力源として搭載されている。このエンジン３は、４つの気筒３ａと、気筒３ａごとに設けられた燃料噴射弁４（図２に１つのみ図示）などを備えている。これらの燃料噴射弁４は、ＥＣＵ２に電気的に接続されており、ＥＣＵ２によってその開閉タイミングが制御され、燃料噴射弁４による燃料噴射量及び燃料噴射時期が制御される。すなわち、燃料噴射制御処理が実行される。

このエンジン３には、ターボチャージャ装置６が設けられている。このターボチャージャ装置６は、可変容量式のものであり、吸気通路５の途中に設けられたコンプレッサ６ａと、後述する主排気通路１１の途中に設けられ、コンプレッサ６ａと一体に回転する過給用タービン６ｂと、複数の可変ベーン（図示せず）と、これらの可変ベーンを駆動するベーンアクチュエータ６ｃ（図２参照）などを備えている。

このターボチャージャ装置６では、主排気通路１１内の排ガスによって過給用タービン６ｂが回転駆動されると、これと一体のコンプレッサ６ａも同時に回転することにより、吸気通路５内の空気が加圧される。すなわち、過給動作が実行される。また、可変ベーンは、ターボチャージャ装置６が発生する過給圧を変化させるためのものであり、ハウジングの過給用タービン６ｂを収容する部分の壁に回動自在に取り付けられているとともに、ベーンアクチュエータ６ｃに機械的に連結されている。

ＥＣＵ２は、ベーンアクチュエータ６ｃを介して可変ベーンの開度を変化させ、過給用タービン６ｂに吹き付けられる排ガス量を変化させることによって、過給用タービン６ｂの回転速度すなわちコンプレッサ６ａの回転速度を変化させる。それにより、過給圧を制御する。

一方、吸気通路５には、コンプレッサ６ａをバイパスするコンプレッサ・バイパス通路５ａが設けられており、このコンプレッサ・バイパス通路５ａの途中には、コンプレッサ・バイパス弁（以下「ＣＢＶ」という）７が設けられている。このＣＢＶ７は、電動アクチュエータと、これによって駆動される弁体（いずれも図示せず）とを組み合わせたものであり、ＥＣＵ２に電気的に接続されているとともに、ＥＣＵ２からの制御入力信号によって全閉／全開状態に制御される。

この場合、ＣＢＶ７が全開状態に制御されているときには、コンプレッサ・バイパス通路５ａが開放される。それに伴い、吸気通路５内の空気は、コンプレッサ６ａが流路抵抗となることに起因して、コンプレッサ６ａ側にほとんど流れることなく、コンプレッサ・バイパス通路５ａ側に主に流れる状態となる（図４，８参照）。

一方、ＣＢＶ７が全閉状態に制御されているときには、コンプレッサ・バイパス通路５ａが閉鎖される。それに伴い、吸気通路５内の空気は、コンプレッサ６ａ側のみに流れる状態となり、ターボチャージャ装置６による過給動作が可能な状態となる（図５〜７参照）。

さらに、このエンジン３の排気系は、排ガスが気筒３ａから流入する排気マニホールド１０と、排気マニホールド１０から延びる主排気通路１１と、主排気通路１１から分岐して延びる副排気通路１２と、主排気通路１１と副排気通路１２との間に延びる連通路１３などで構成されている。

この主排気通路１１には、上流側から順に、第１通路切換弁３１、前述した過給用タービン６ｂ及び第２通路切換弁３２が設けられている。この第１通路切換弁３１は、ＥＣＵ２に電気的に接続された電動弁タイプのものであり、副排気通路１２が主排気通路１１から分岐する部位に配置されている。この第１通路切換弁３１は、ＥＣＵ２からの制御入力信号によって、図１に示す原点位置と、図４に示す非過給位置と、図５に示す過給位置との間で駆動される。

その場合、第１通路切換弁３１が原点位置にあるときには、排気マニホールド１０が主排気通路１１及び副排気通路１２の双方に連通した状態になり、第１通路切換弁３１が非過給位置にあるときには、排気マニホールド１０が副排気通路１２のみに連通した状態になるとともに、第１通路切換弁３１が過給位置にあるときには、排気マニホールド１０が主排気通路１１のみに連通した状態になる。

また、第２通路切換弁３２は、第１通路切換弁３１と同様の、ＥＣＵ２に電気的に接続された電動弁タイプのものであり、連通路１３の主排気通路１１との接続部分に配置されている。この第２通路切換弁３２は、ＥＣＵ２からの制御入力信号によって、図１に示す原点位置と、図５に示す非連通位置と、図６に示す通路閉鎖位置との間で駆動される。

その場合、第２通路切換弁３２が原点位置にあるときには、連通路１３が主排気通路１１との接続部から主排気通路１１の上流側の部分及び下流側の部分の双方に連通する状態になり、第２通路切換弁３２が非連通位置にあるときには、連通路１３が主排気通路１１に連通しない状態となるとともに、第２通路切換弁３２が通路閉鎖位置にあるときには、連通路１３が主排気通路１１との接続部から主排気通路１１の上流側の部分のみに連通した状態になる。

一方、副排気通路１２は、主排気通路１１の過給用タービン６ｂよりも上流側の部位から分岐して延びており、連通路１３との接続部よりも下流側で２つに分岐した分岐通路部１２ａ，１２ａと、これらの分岐通路部１２ａ，１２ａが下流側で１つに合流した合流通路部１２ｂとを備えている。この副排気通路１２には、上流側から順に、第３通路切換弁３３及びパワータービン装置８が設けられている。

この第３通路切換弁３３は、前述した２つの通路切換弁３１，３２と同様の、ＥＣＵ２に電気的に接続された電動弁タイプのものであり、副排気通路１２の連通路１３との接続部分に配置されている。この第３通路切換弁３３は、ＥＣＵ２からの制御入力信号によって、図１に示す原点位置と、図４に示す通路閉鎖位置と、図７に示す非連通位置との間で駆動される。

その場合、第３通路切換弁３３が原点位置にあるときには、連通路１３が副排気通路１２との接続部から副排気通路１２の上流側の部分及び下流側の部分の双方に連通した状態になり、第３通路切換弁３３が通路閉鎖位置にあるときには、連通路１３が副排気通路１２との接続部から副排気通路１２の上流側の部分のみに連通した状態になるとともに、第３通路切換弁３３が非連通位置にあるときには、連通路１３が副排気通路１２に連通しない状態となる。

以上の３つの通路切換弁３１〜３３はいずれも、ＥＣＵ２からの制御入力信号が供給されていないときには原点位置に保持される。なお、本実施形態では、第１通路切換弁３１が第１切換手段に相当し、第２通路切換弁３２が第２切換手段に相当し、第３通路切換弁３３が第３切換手段に相当する。

また、前述したパワータービン装置８は、回転機としてのタービンモータ８ａと、このタービンモータ８ａの回転軸の両端に同心に固定された一対のパワータービン８ｂ，８ｂとを備えている。これらのパワータービン８ｂ，８ｂは、上述した分岐通路部１２ａ，１２ａの途中に配置されている。

このタービンモータ８ａは、例えばブラシレスＤＣモータで構成されており、図２に示すように、ＰＤＵ４０を介して、ＥＣＵ２及びバッテリ４１に電気的に接続されている。このＰＤＵ４０は、インバータなどを含む電気回路で構成されており、ＥＣＵ２は、ＰＤＵ４０を介して、タービンモータ８ａとバッテリ４１との間の電力の授受を制御する。すなわち、タービンモータ８ａの回生制御及び力行制御などを実行する。

さらに、このパワータービン装置８では、一対のパワータービン８ｂ，８ｂは、互いに同じサイズ及び形状を有しており、これらのパワータービン８ｂ，８ｂを通過した排ガスがタービンモータ８ａの回転軸線に沿って互いに逆向きに排出されるように構成されている。それにより、副排気通路１２内を流れる排ガスによって回転駆動された際、パワータービン８ｂ，８ｂの双方で発生するスラスト力は、一方のパワータービン８ｂのスラスト力が他方のパワータービン８ｂ側に向かって作用し、結果的に互いに打ち消し合うことになる。

したがって、このパワータービン装置８の場合、特許文献１のように１つのパワータービンしか備えていない場合と異なり、パワータービン８ｂ，８ｂの回転に伴ってスラスト力が発生したときでも、それに起因する回転抵抗の増大を回避できる構成となっている。

一方、図２に示すように、ＥＣＵ２には、クランク角センサ２０、過給圧センサ２１、アクセル開度センサ２２及び電流電圧センサ２３が電気的に接続されている。

クランク角センサ２０は、図示しないクランクシャフトの回転に伴い、パルス信号であるＣＲＫ信号をＥＣＵ２に出力する。このＣＲＫ信号は、所定クランク角（例えば２゜）毎に１パルスが出力され、ＥＣＵ２は、このＣＲＫ信号に基づき、エンジン３の回転数（以下「エンジン回転数」という）ＮＥを算出する。

また、過給圧センサ２１は、吸気通路５のコンプレッサ６ａよりも下流側の圧力である過給圧ＰＢを検出して、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。さらに、アクセル開度センサ２２は、車両の図示しないアクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセル開度」という）ＡＰを検出して、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。

一方、電流電圧センサ２３は、バッテリ４１に入出力される電流・電圧値を表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。ＥＣＵ２は、この電流電圧センサ２３の検出信号に基づき、バッテリ４１における電力の蓄積割合すなわち充電率ＳＯＣを算出する。

また、ＥＣＵ２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ及びＩ／Ｏインターフェース（いずれも図示せず）などからなるマイクロコンピュータで構成されており、前述した各種のセンサ２０〜２３の検出信号などに応じて、以下に述べるように、過給制御処理などの各種の制御処理を実行する。なお、本実施形態では、ＥＣＵ２が、ＮＡ運転域判定手段、ＮＡ運転制御手段、並列運転域判定手段及び並列運転制御手段に相当する。

次に、図３を参照しながら、過給制御処理について説明する。この過給制御処理は、前述したターボチャージャ装置６、ＣＢＶ７、パワータービン装置８及び３つの通路切換弁３１〜３３の動作状態を制御することで、過給圧ＰＢを制御するものであり、ＥＣＵ２によって所定の制御周期（例えば１０ｍｓｅｃ）で実行される。

同図に示すように、まず、ステップ１（図では「Ｓ１」と略す。以下同じ）で、運転域判定処理を実行する。この運転域判定処理では、アクセル開度ＡＰ及びエンジン回転数ＮＥに応じて、図示しないマップを検索することにより、要求トルクＴＲＱを算出し、電流電圧センサ２３の検出信号に応じて、充電率ＳＯＣを算出する。なお、これらの要求トルクＴＲＱ、エンジン回転数ＮＥ及び充電率ＳＯＣは、エンジン３などの運転域を表すパラメータであるので、以下の説明では、３つの値ＴＲＱ，ＮＥ，ＳＯＣをまとめて「運転域パラメータ」という。

次いで、上述した運転域パラメータに応じて、図示しないマップを検索することにより、運転域判定値ＯＰ＿ＡＲＥＡを設定する。具体的には、運転域判定値ＯＰ＿ＡＲＥＡは、運転域パラメータがＮＡ運転域にあるときには値１に、運転域パラメータが過給運転域にあるときには値２に、運転域パラメータが直列運転域にあるときには値３に、運転域パラメータが並列運転域にあるときには値４に、運転域パラメータがＮＡ回生運転域にあるときには値５にそれぞれ設定される。

この場合、ＮＡ運転域は、排気マニホールド１０からの排ガスを過給用タービン６ｂ及びパワータービン８ｂの双方に流入させないことで、エンジン３の自然吸気運転を実行すべき領域であり、過給運転域は、排気マニホールド１０からの排ガスを過給用タービン６ｂのみに流入させることで、エンジン３の過給運転を実行すべき領域である。また、直列運転域は、排気マニホールド１０からの排ガスを過給用タービン６ｂ及びパワータービン８ｂの順に流入させることによって、エンジン３の過給運転を実行しながら、タービンモータ８ａの回生制御又は力行制御を実行すべき領域である。

さらに、並列運転域は、排気マニホールド１０からの排ガスを過給用タービン６ｂ及びパワータービン８ｂの双方に分割して流入させることで、エンジン３の過給運転を実行しながら、タービンモータ８ａの回生制御を実行すべき領域であり、ＮＡ回生運転域は、排気マニホールド１０からの排ガスをパワータービン８ｂのみに流入させることで、エンジン３の自然吸気運転を実行しながら、タービンモータ８ａの回生制御を実行すべき領域である。

ステップ１で、以上のように運転域判定処理を実行した後、ステップ２に進み、上述した運転域判定値ＯＰ＿ＡＲＥＡが値１であるか否かを判別する。この判別結果がＹＥＳで、運転域パラメータがＮＡ運転域にあるときには、エンジン３の自然吸気運転を実行すべきであると判定して、ステップ３に進み、以下に述べるように、ＮＡ運転制御処理を実行する。

このＮＡ運転制御処理では、ＣＢＶ７が全開状態に制御される。それにより、吸気通路５内の空気（以下「吸入空気」という）は、図４中に矢印Ｙ１で示すように流れる。すなわち、吸入空気は、コンプレッサ６ａが通路抵抗となることに起因して、コンプレッサ６ａ側にほとんど流れることなく、その大部分がコンプレッサ・バイパス通路５ａ側に流れた後、吸気マニホールド５ｂに流入する。

また、図４に示すように、第１通路切換弁３１が非過給位置に、第２通路切換弁３２が原点位置に、第３通路切換弁３３が通路閉鎖位置にそれぞれ制御される。それにより、気筒３ａ内から排気マニホールド１０に排出された排ガスは、図４中に矢印Ｙ２で示すように流れる。

すなわち、排ガスは、排気マニホールド１０から主排気通路１１、副排気通路１２、連通路１３の順に流入した後、主排気通路１１に再度、流入し、主排気通路１１をさらに流下する。以上のように、このＮＡ運転制御処理の実行中、排ガスが過給用タービン６ｂ側及びパワータービン８ｂ側に流入することなく各通路を流下するので、排気抵抗が最も小さい状態となる。そのため、このＮＡ運転制御処理は、エンジン始動時などの低負荷・低回転時に実行される。

ステップ３で、以上のようにＮＡ運転制御処理を実行した後、本処理を終了する。

一方、前述したステップ２の判別結果がＮＯで、運転域パラメータがＮＡ運転域にないときには、ステップ４に進み、運転域判定値ＯＰ＿ＡＲＥＡが値２であるか否かを判別する。この判別結果がＹＥＳで、運転域パラメータが過給運転域にあるときには、エンジン３の過給運転を実行すべきであると判定して、ステップ５に進み、以下に述べるように、過給運転制御処理を実行する。

この過給運転制御処理では、ＣＢＶ７が全閉状態に制御される。それにより、吸入空気は、図５中に矢印Ｙ１で示すように、コンプレッサ６ａ側にすべて流入する。そして、吸入空気は、後述するように、過給動作中のコンプレッサ６ａによって加圧されながら、吸気マニホールド５ｂに流入する。

また、図５に示すように、第１通路切換弁３１が過給位置に、第２通路切換弁３２が非連通位置にそれぞれ制御される。それにより、気筒３ａ内から排気マニホールド１０に排出された排ガスは、図５中に矢印Ｙ２で示すように流れる。すなわち、排ガスは、排気マニホールド１０から主排気通路１１に流入し、過給用タービン６ｂを通過した後、主排気通路１１をさらに流下する。

さらに、ターボチャージャ装置６によって過給動作が実行される。具体的には、要求トルクＴＲＱ及びエンジン回転数ＮＥに応じて、可変ベーンの目標開度を算出し、ベーンアクチュエータ６ｃを駆動することにより、可変ベーンの実際の開度をこの目標開度になるように制御する。その結果、吸入空気がコンプレッサ６ａによって加圧されることで、過給圧ＰＢが目標開度に対応する値になるように制御される。以上のように、この過給運転制御処理の実行中、ターボチャージャ装置６による過給動作が実行されるので、この過給運転制御処理は、中高負荷運転時などに実行される。

ステップ５で、以上のように過給運転制御処理を実行した後、本処理を終了する。

一方、前述したステップ４の判別結果がＮＯで、運転域パラメータが過給運転域にないときには、ステップ６に進み、運転域判定値ＯＰ＿ＡＲＥＡが値３であるか否かを判別する。この判別結果がＹＥＳで、運転域パラメータが直列運転域にあるときには、ステップ７に進み、以下に述べるように、直列運転制御処理を実行する。

この直列運転制御処理では、ＣＢＶ７が全閉状態に制御される。それにより、吸入空気は、図６中に矢印Ｙ１で示すように、コンプレッサ６ａ側にすべて流入する。そして、吸入空気は、後述するように、過給動作中のコンプレッサ６ａによって加圧されながら、吸気マニホールド５ｂに流入する。

また、図６に示すように、第１通路切換弁３１が過給位置に、第２通路切換弁３２が通路閉鎖位置に、第３通路切換弁３３が原点位置にそれぞれ制御される。それにより、気筒３ａ内から排気マニホールド１０に排出された排ガスは、図６中に矢印Ｙ２で示すように流れる。すなわち、排ガスは、排気マニホールド１０から主排気通路１１に流入し、過給用タービン６ｂを通過した後、主排気通路１１から連通路１３に流入する。そして、連通路１３から副排気通路１２に流入する。次いで、分岐通路部１２ａ，１２ａに流入し、パワータービン８ｂ，８ｂを通過した後、合流して合流通路部１２ｂをさらに流下する。

さらに、ターボチャージャ装置６によって過給動作が実行される。具体的には、前述した過給運転制御処理と同じ手法によって、目標開度を算出し、可変ベーンの実際の開度を目標開度になるように制御する。その結果、吸入空気がコンプレッサ６ａによって加圧されることで、過給圧ＰＢが目標開度に対応する値になるように制御される。

これに加えて、運転域パラメータに応じて、パワータービン装置８のタービンモータ８ａの回生制御又は力行制御が実行される。以上のように、この直列運転制御処理の実行中、ターボチャージャ装置６による過給動作と、タービンモータ８ａの回生制御又は力行制御とが実行される。したがって、アクセル開度ＡＰが急増し、要求トルクＴＲＱが急増することで、高い応答性が要求されている運転状態において、この直列運転制御処理が実行されるときには、ターボチャージャ装置６による過給動作と、タービンモータ８ａの力行制御が実行される。一方、高負荷運転中で充電率ＳＯＣが所定値よりも低い場合などにおいて、この直列運転制御処理が実行されるときには、ターボチャージャ装置６による過給動作と、タービンモータ８ａの回生制御が実行される。

ステップ７で、以上のように直列運転制御処理を実行した後、本処理を終了する。

一方、前述したステップ６の判別結果がＮＯで、運転域パラメータが直列運転域にないときには、ステップ８に進み、運転域判定値ＯＰ＿ＡＲＥＡが値４であるか否かを判別する。この判別結果がＹＥＳで、運転域パラメータが並列運転域にあるときには、ステップ９に進み、以下に述べるように、並列運転制御処理を実行する。

この並列運転制御処理では、ＣＢＶ７が全閉状態に制御される。それにより、吸入空気は、図７中に矢印Ｙ１で示すように、コンプレッサ６ａ側にすべて流入する。そして、吸入空気は、後述する過給動作中のコンプレッサ６ａによって加圧されながら、吸気マニホールド５ｂに流入する。

一方、図７に示すように、第１通路切換弁３１が原点位置に、第２通路切換弁３２が非連通位置に、第３通路切換弁３３が非連通位置にそれぞれ制御される。それにより、気筒３ａ内から排気マニホールド１０に排出された排ガスは、図７中に矢印Ｙ２，Ｙ３で示すように流れる。すなわち、排ガスは、排気マニホールド１０から主排気通路１１に流入した後、分岐して主排気通路１１及び副排気通路１２の双方に流入する。その際、主排気通路１１側に流入した排ガスは、矢印Ｙ２で示すように、過給用タービン６ｂを通過した後、主排気通路１１を流下する。一方、副排気通路１２に流入した排ガスは、矢印Ｙ３で示すように、分岐して分岐通路部１２ａ，１２ａに流入し、パワータービン８ｂ，８ｂを通過した後、合流して合流通路部１２ｂをさらに流下する。

さらに、ターボチャージャ装置６によって過給動作が実行される。具体的には、前述した過給運転制御処理と同じ手法によって、目標開度を算出し、可変ベーンの実際の開度を目標開度になるように制御する。その結果、過給圧ＰＢが目標開度に対応する値になるように制御される。

これに加えて、運転域パラメータに応じて、パワータービン装置８のタービンモータ８ａの回生制御が実行される。以上のように、この並列運転制御処理の実行中、ターボチャージャ装置６による過給動作と、タービンモータ８ａの回生制御とが実行される。したがって、この並列運転制御処理は、高負荷運転で高速巡航中のような、ターボチャージャ装置６による過給を実行した場合でも、余剰の排気エネルギが生じるときに実行される。

ステップ９で、以上のように並列運転制御処理を実行した後、本処理を終了する。

一方、前述したステップ８の判別結果がＮＯで、運転域判定値ＯＰ＿ＡＲＥＡ＝５が成立しているときには、ステップ１０に進み、以下に述べるように、ＮＡ回生運転制御処理を実行する。

このＮＡ回生運転制御処理では、ＣＢＶ７が全開状態に制御される。それにより、吸入空気は、前述した理由により、図８中に矢印Ｙ１で示すように、コンプレッサ６ａ側にほとんど流れることなく、その大部分がコンプレッサ・バイパス通路５ａ側に流れた後、吸気マニホールド５ｂに流入する。

また、図８に示すように、第１通路切換弁３１が非過給位置に、第３通路切換弁３３が非連通位置にそれぞれ制御される。それにより、気筒３ａ内から排気マニホールド１０に排出された排ガスは、図８中に矢印Ｙ２で示すように流れる。すなわち、排ガスは、排気マニホールド１０から主排気通路１１に流入した後、副排気通路１２側のみに流入する。そして、副排気通路１２に流入した排ガスは、分岐して分岐通路部１２ａ，１２ａに流入し、パワータービン８ｂ，８ｂを通過した後、合流して合流通路部１２ｂ内を流下する。

さらに、運転域パラメータに応じて、パワータービン装置８のタービンモータ８ａの回生制御が実行される。以上のように、このＮＡ回生運転制御処理の実行中、ターボチャージャ装置６による過給が停止された状態で、タービンモータ８ａの回生制御が実行される。したがって、このＮＡ回生運転制御処理は、低負荷運転で高速巡航中のような、エンジン３の自然吸気運転を実行した場合でも、余剰の排気エネルギが生じるときに実行される。

ステップ１０で、以上のようにＮＡ回生運転制御処理を実行した後、本処理を終了する。

以上のように、第１実施形態の制御装置１によれば、図３の過給制御処理において、ステップ２の判別結果がＹＥＳで、運転域パラメータが所定のＮＡ運転域にあるとき、すなわちエンジン３の運転域が所定のＮＡ運転域にあるときには、ステップ３で、ＮＡ運転制御処理が実行される。このＮＡ運転制御処理では、排気マニホールド１０からの排ガスが主排気通路１１の過給用タービン６ｂの上流側に流入することなく、副排気通路１２側のみに流入するように、第１通路切換弁３１が制御され、排ガスが副排気通路１２のパワータービン８ｂ側に流入することなく、連通路１３側のみに流入するように、第３通路切換弁３３が制御されるとともに、排ガスが連通路１３から主排気通路１１の連通路１３との接続部よりも下流側に流下するように、第２通路切換弁３２が制御される。

それにより、エンジン３の運転域が所定のＮＡ運転域にある場合には、排気マニホールド１０からの排ガスを、過給用タービン６ｂ及びパワータービン８ｂの双方を通過させることなく、副排気通路１２、連通路１３及び主排気通路１１の順に流下させることができる。その結果、運転域パラメータが所定のＮＡ運転域にある場合には、排気マニホールドからの排ガスがバイパス通路のパワータービンを通過する特許文献１の場合と比べて、排気抵抗を減少させることができる。これに加えて、排ガスが分岐も合流することなく、１つの流路内のみを流れるので、２つに分岐した排ガスが合流する特許文献１の場合と異なり、合流に起因する排ガスの干渉を回避することができ、排気抵抗をさらに減少させることができる。その結果、排気効率を向上させることができ、燃費性能及び商品性を向上させることができる。

また、ステップ４の判別結果がＹＥＳで、運転域パラメータが所定の並列運転域にあるとき、すなわちエンジン３の運転域が所定の並列運転域にあるときには、ステップ５で、並列運転制御処理が実行される。この並列運転制御処理では、排気マニホールド１０からの排ガスが、主排気通路１１の過給用タービン６ｂの上流側と、副排気通路１２と主排気通路１１の接続部から副排気通路１２側とに流入するように、第１通路切換弁３１が制御され、過給用タービン６ｂを通過した排ガスが連通路１３内に流入することなく、主排気通路１１内を流れるように、第２通路切換弁３２が制御されるとともに、主排気通路１１から副排気通路１２内に流入した排ガスが、連通路１３内に流入することなく、パワータービン８ｂ側に流入するように、第３通路切換弁３３が制御される。

それにより、エンジン３の運転域が所定の並列運転域にある場合には、排気マニホールド１０からの排ガスを、過給用タービン６ｂ側及びパワータービン８ｂ側の双方に流入させた後、過給用タービン６ｂを通過した排ガスを主排気通路１１内に流下させると同時に、パワータービン８ｂを通過した排ガスを副排気通路１２内に流下させることができる。すなわち、２つのタービンを通過した排ガスを合流させることなく、流下させることができるので、２つの通路を流下した排ガスが合流する特許文献１の場合と比べて、２つのタービンで利用可能な熱落差を増大させることができ、２つのタービンの仕事を向上させることができる。その結果、燃費性能を向上させることができる。

なお、第１実施形態の副排気通路１２の場合、２つの分岐通路部１２ａ，１２ａに分岐した後、パワータービン８ｂ，８ｂの下流側で合流通路部１２ｂとして合流するように構成した例であるが、２つの分岐通路部１２ａ，１２ａがパワータービン８ｂ，８ｂの下流側で合流することなく、２つの通路部としてそのまま延びる構成としてもよい。このように構成した場合、副排気通路１２における排気抵抗をさらに低減できることで、パワータービン装置８における発電効率などをさらに向上させることができる。

次に、図９を参照しながら、本発明の第２実施形態に係るエンジン３Ａ及びその制御装置１Ａについて説明する。このエンジン３Ａの場合、一部を除いて第１実施形態のエンジン３と同一に構成されているので、以下、エンジン３と同じ構成については、同じ符号を付し、その説明は省略するとともに、異なる点についてのみ説明する。また、この制御装置１Ａの場合、図示しないが、ＥＣＵ２などの電気的な構成は、前述した制御装置１と同一である。

図９に示すように、このエンジン３Ａの場合、副排気通路１２は、排気マニホールド１０から主排気通路１１とは別体に延びているとともに、前述した３つの通路切換弁３１〜３３に代えて、５つの第１〜第５通路弁５１〜５５が設けられている。

この第１通路弁５１は、主排気通路１１の過給用タービン６ｂよりも上流側に配置されており、第２通路弁５２は、主排気通路１１の連通路１３との接続部よりも下流側に配置されている。

また、第３通路弁５３は、連通路１３の途中に配置されており、第４通路弁５４は、副排気通路１２の連通路１３との接続部の上流側に配置されている。さらに、第５通路弁５５は、副排気通路１２の連通路１３との接続部と、連通路１３が２つの分岐通路部１２ａ，１２ａに分岐する部位との間に配置されている。

以上の第１〜第５通路弁５１〜５５の各々は、前述したＣＢＶ７と同様に構成されており、図示しないＥＣＵ２に電気的に接続されているとともに、ＥＣＵ２からの制御入力信号によって全閉／全開状態に制御されることにより、各通路弁が設けられている通路を開閉する。

なお、本実施形態では、ＥＣＵ２が、ＮＡ運転域判定手段、ＮＡ運転制御手段、並列運転域判定手段及び並列運転制御手段に相当し、第１及び第４通路弁５１，５４が第１切換手段に相当し、第２及び第３通路弁５２，５３が第２切換手段に相当し、第３及び第５通路弁５３，５５が第３切換手段に相当する。

以上のように構成されたエンジン３Ａの制御装置１Ａでは、過給制御処理が前述した図３と同様に実行される。その際、ターボチャージャ装置６、ＣＢＶ７及びパワータービン装置８は、前述した図３と同じ手法で制御されるとともに、第１〜第５通路弁５１〜５５は、排ガスが前述した図４〜８と同じ方向に流れるように、それらの全開／全閉状態が制御される。その結果、第１実施形態の制御装置１と同様の作用効果を得ることができる。

なお、この第２実施形態のエンジン３Ａは、副排気通路１２を排気マニホールド１０から主排気通路１１とは別体に延びるように構成した例であるが、第１実施形態のエンジン３と同様に、副排気通路１２を主排気通路１１の途中から分岐する構成としてもよい。その場合には、第１通路弁５１を、主排気通路１１の副排気通路１２が分岐する部位よりも下流側に配置し、第４通路弁５４を、副排気通路１２の主排気通路１１から分岐する部位よりも下流側に配置すればよい。

次に、図１０を参照しながら、本発明の第３実施形態に係るエンジン３Ｂ及びその制御装置１Ｂについて説明する。この図１０と前述した図１を比較すると明らかなように、このエンジン３Ｂの構成は、第１実施形態のエンジン３における第３通路切換弁３３を省略したものに相当する。また、この制御装置１Ｂの場合、図示しないが、ＥＣＵ２などの電気的な構成は、前述した制御装置１と同一である。

なお、本実施形態では、ＥＣＵ２が、ＮＡ運転域判定手段、ＮＡ運転制御手段、並列運転域判定手段及び並列運転制御手段に相当し、第１通路切換弁３１が第１切換手段に相当し、第２通路切換弁３２が第２切換手段に相当する。

このように構成されたエンジン３Ｂの制御装置１Ｂの場合、過給制御処理が前述した図３と同様に実行される。その際、ターボチャージャ装置６、ＣＢＶ７、パワータービン装置８及び２つの通路切換弁３１，３２は、前述した図３と同じ手法で制御され、それに伴って、排ガスは、図１１〜図１５に示すように流れる。

これらの図１１〜図１５を前述した第１実施形態の図４〜図８と比較すると明らかなように、図１２〜図１５に示す排ガスの流れは、前述した図５〜図８の場合と同一であり、図１１に示すＮＡ運転制御処理を実行した場合の排ガスの流れのみが図４の場合と異なっているので、以下、この図１１の内容についてのみ説明する。

同図１１に示すように、ＮＡ運転制御処理の実行中、第１通路切換弁３１が非過給位置に、第２通路切換弁３２が原点位置にそれぞれ制御される。それにより、気筒３ａ内から排気マニホールド１０に排出された排ガスは、その大部分が図１１中に矢印Ｙ２で示すように流れ、残りの少量の排ガスが図１１中に矢印Ｙ４で示すように流れる。

すなわち、大部分の排ガスは、矢印Ｙ２で示すように、排気マニホールド１０から主排気通路１１、副排気通路１２及び連通路１３の順に流入した後、連通路１３から主排気通路１１内に再度、流入する。一方、残りの少量の排ガスは、矢印Ｙ４で示すように、副排気通路１２に流入した後、分岐して分岐通路部１２ａ，１２ａに流入する。次いで、パワータービン８ｂ，８ｂを通過した後、合流して合流通路部１２ｂ内を流下する。

以上のように、本実施形態の制御装置１Ｂの場合、ＮＡ運転制御処理の実行中、大部分の排ガスは、過給用タービン６ｂをバイパスして主排気通路１１に流下するとともに、残りの少量の排ガスは、副排気通路１２内のパワータービン８ｂ，８ｂを通過して流下する。その際、このエンジン３Ｂでは、副排気通路１２が主排気通路１１と別個に延びているので、ＮＡ運転の実行中、２つの通路を流れた排ガスが合流する特許文献１の場合と異なり、合流による排ガス同士の干渉を回避することができ、その分、排気抵抗を低減することができる。その結果、排気効率を向上させることができ、燃費性能及び商品性を向上させることができる。

また、エンジン３の運転域が所定の並列運転域にある場合、排ガスが第１実施形態の制御装置１の場合と同様に流れるので、第１実施形態の制御装置１と同様の作用効果を得ることができる。

次に、図１６を参照しながら、本発明の第４実施形態に係るエンジン３Ｃ及びその制御装置１Ｃについて説明する。この図１６と前述した図９を比較すると明らかなように、このエンジン３Ｃの構成は、第２実施形態のエンジン３Ａにおける第５通路弁５５を省略したものに相当する。また、この制御装置１Ｃの場合、図示しないが、ＥＣＵ２などの電気的な構成は、前述した制御装置１と同一である。

なお、本実施形態では、ＥＣＵ２が、ＮＡ運転域判定手段、ＮＡ運転制御手段、並列運転域判定手段及び並列運転制御手段に相当し、第１及び第４通路弁５１，５４が第１切換手段に相当し、第２及び第３通路弁５２，５３が第２切換手段に相当に相当する。

以上のように構成されたエンジン３Ｃの制御装置１Ｃでは、過給制御処理が前述した図３と同様に実行される。その際、ターボチャージャ装置６、ＣＢＶ７及びパワータービン装置８は、前述した図３と同じ手法で制御されるとともに、第１〜第４通路弁５１〜５４の各々は、排ガスが前述した図１１〜図１５と同じ方向に流れるように、各通路弁の全開／全閉状態が制御される。その結果、第３実施形態の制御装置１Ｂと同様の作用効果を得ることができる。

なお、各実施形態は、内燃機関として、ディーゼルエンジンタイプのものを用いた例であるが、本発明の内燃機関はこれに限らず、ガソリンや混合燃料などを燃料とする内燃機関を用いてもよく、本発明の制御装置は、そのような内燃機関にも適用可能である。

また、実施形態は、本発明の内燃機関を車両用の内燃機関に適用した例であるが、本発明の内燃機関は、船舶用の内燃機関や、他の産業機器用の内燃機関にも適用可能であり、本発明の制御装置は、そのような内燃機関にも適用可能である。

さらに、各実施形態は、本発明の制御装置を内燃機関のみを動力源とする車両の内燃機関に適用した例であるが、本発明の制御装置はこれに限らず、内燃機関及び電動機を動力源とするハイブリッド車両の内燃機関に適用してもよい。その場合、以下に述べる作用効果を得ることができる。

すなわち、一般的なハイブリッド車両の場合、高速巡航中などの減速が頻発しない走行条件では、電動機による電力回生をほとんど実行できず、走行エネルギをほとんど回収できないことによって、車両全体としてのエネルギ効率を向上させることができない状態となる。これに対して、本発明の制御装置によれば、高速巡航状態などの減速が頻発しない走行状態のときでも、パワータービン装置の回転機による電力回生を実行できることによって、車両全体としてのエネルギ効率を向上させることができ、燃費性能及び商品性の双方を向上させることができる。

また、各実施形態は、回転機として、ＤＣモータタイプのタービンモータ８ａを用いた例であるが、本発明の回転機はこれに限らず、回生制御及び力行制御可能なものであればよい。例えば、回転機として、ＡＣモータやブラシレスＤＣモータなどを用いてもよい。

また、第１〜第５切換装置として、第１実施形態は第１〜第３通路切換弁３１〜３３を、第２実施形態は第１〜第５通路弁５１〜５５をそれぞれ用いた例であるが、本発明の第１〜第５切換装置はこれらに限らず、排ガスを流入可能（又は通過可能）な状態と流入不能（又は通過不能）な状態との間で切り換え可能なものであればよい。

１ 制御装置
１Ａ 制御装置
１Ｂ 制御装置
１Ｃ 制御装置
２ ＥＣＵ（ＮＡ運転域判定手段、ＮＡ運転制御手段、並列運転域判定手段、並列運 転制御手段）
３ 内燃機関
３Ａ 内燃機関
３Ｂ 内燃機関
３Ｃ 内燃機関
６ ターボチャージャ装置
６ｂ 過給用タービン
８ パワータービン装置
８ａ タービンモータ
８ｂ パワータービン
１０ 排気マニホールド
１１ 主排気通路
１２ 副排気通路
１３ 連通路
３１ 第１通路切換弁（第１切換手段）
３２ 第２通路切換弁（第２切換手段）
３３ 第３通路切換弁（第３切換手段）
５１ 第１通路弁（第１切換手段）
５２ 第２通路弁（第２切換手段）
５３ 第３通路弁（第２切換手段、第３切換手段）
５４ 第４通路弁（第１切換手段）
５５ 第５通路弁（第３切換手段）

Claims (9)

1. 排気マニホールドと、
   当該排気マニホールドからの排ガスが流入する主排気通路と、
   前記排気マニホールドからの排ガスが流入するように設けられ、前記主排気通路とは別個の副排気通路と、
   前記主排気通路の途中に設けられた過給用タービンを有するターボチャージャ装置と、
   前記副排気通路の途中に設けられたパワータービン及び当該パワータービンに連結された回転機を有するパワータービン装置と、
   一端部が前記主排気通路の前記過給用タービンよりも下流側の部位に接続され、他端部が前記副排気通路の前記パワータービンよりも上流側の部位に接続されるとともに、前記主排気通路及び前記副排気通路に連通する連通路と、
   前記排気マニホールドの連通状態を、前記排気マニホールドが前記主排気通路側のみに連通する状態と、前記排気マニホールドが前記副排気通路側のみに連通する状態と、前記排気マニホールドが前記主排気通路側及び前記副排気通路側の双方に連通する状態とに切り換え可能な第１切換手段と、
   前記連通路の前記主排気通路との連通状態を、前記連通路が前記主排気通路の前記連通路との接続部よりも上流側のみに連通する状態と、前記連通路が前記主排気通路の前記連通路との接続部よりも上流側及び下流側の双方に連通する状態と、前記連通路が前記主排気通路に連通しない状態とに切り換え可能な第２切換手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関。
2. 前記副排気通路は、前記主排気通路の前記過給用タービンの上流側の部位から分岐して延びており、
   前記第１切換手段は、前記副排気通路と前記主排気通路との分岐部の付近に配置された第１通路切換弁で構成されており、
   前記第２切換手段は、前記主排気通路と前記連通路との接続部の付近に配置された第２通路切換弁で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記連通路の前記副排気通路との連通状態を、前記連通路が前記副排気通路の前記連通路との接続部よりも上流側のみに連通する状態と、前記連通路が前記副排気通路の前記連通路との接続部よりも上流側及び下流側の双方に連通する状態と、前記連通路が前記副排気通路に連通しない状態とに切り換え可能な第３切換手段をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。
4. 前記第３切換手段は、前記副排気通路と前記連通路との接続部の付近に配置された第３通路切換弁で構成されていることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。
5. 前記パワータービン装置は、前記パワータービンとして、１つの回転軸上に同心に配置された一対のパワータービンを有しており、当該一対のパワータービンを通過した排ガスが当該回転軸線に沿って互いに逆向きに排出されるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の内燃機関。
6. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関の運転域が前記ターボチャージャ装置による過給動作を停止すべき所定のＮＡ運転域にあるか否かを判定するＮＡ運転域判定手段と、
   当該ＮＡ運転域判定手段によって前記内燃機関の運転域が前記所定のＮＡ運転域にあると判定されているときには、前記排気マニホールドが前記副排気通路側のみに連通する状態となるように、前記第１切換手段を制御するとともに、前記連通路が前記主排気通路の前記連通路との接続部よりも上流側及び下流側の双方に連通する状態となるように、前記第２切換手段を制御するＮＡ運転制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
7. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関の運転域が、前記ターボチャージャ装置による過給動作と、前記回転機の回生制御とを実施すべき所定の並列運転域にあるか否かを判定する並列運転域判定手段と、
   当該並列運転域判定手段によって前記内燃機関の運転域が前記所定の並列運転域にあると判定されているときには、前記排気マニホールドが前記主排気通路側及び前記副排気通路側の双方に連通する状態となるように、前記第１切換手段を制御するとともに、前記連通路が前記主排気通路に連通しない状態となるように、前記第２切換手段を制御する並列運転制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
8. 請求項３に記載の内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関の運転域が前記ターボチャージャ装置による過給動作を停止すべき所定のＮＡ運転域にあるか否かを判定するＮＡ運転域判定手段と、
   当該ＮＡ運転域判定手段によって前記内燃機関の運転域が前記所定のＮＡ運転域にあると判定されているときには、前記排気マニホールドが前記副排気通路側のみに連通する状態となるように、前記第１切換手段を制御し、前記連通路が前記主排気通路の前記連通路との接続部よりも上流側及び下流側の双方に連通する状態となるように、前記第２切換手段を制御するとともに、前記連通路が前記副排気通路の前記連通路との接続部よりも上流側のみに連通する状態となるように、前記第３切換手段を制御するＮＡ運転制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
9. 請求項３に記載の内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関の運転域が、前記ターボチャージャ装置による過給動作と、前記回転機の回生制御とを実施すべき所定の並列運転域にあるか否かを判定する並列運転域判定手段と、
   当該並列運転域判定手段によって前記内燃機関の運転域が前記所定の並列運転域にあると判定されているときには、前記排気マニホールドが前記主排気通路側及び前記副排気通路側の双方に連通する状態となるように、前記第１切換手段を制御し、前記連通路が前記主排気通路に連通しない状態となるように、前記第２切換手段を制御するとともに、前記連通路が前記副排気通路に連通しない状態となるように、前記第３切換手段を制御する並列運転制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。

Images