JP2021161984A - 過給機付きエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】過給機付きエンジンにおいて、排気の浄化性能の向上と、ターボ過給機の過給効率の向上とを両立させる。【解決手段】過給機付きエンジン２は第１コンプレッサ４１と、第１タービン４２とを有する第１ターボ過給機４と、第２コンプレッサ５１と、第２タービン５２とを有する第２ターボ過給機５と、第１排気浄化装置６１及び第２排気浄化装置６２と、を備える。エンジンは、第１開弁時期に開く第１排気ポート２３と、第１開弁時期よりも遅い第２開弁時期に開く第２排気ポート２４と、を有し、排気通路は、第１排気ポートにつながる第１排気通路３２１と、第２排気ポートにつながる第２排気通路３２２とを有する。第１排気通路には、第１タービンと第１排気浄化装置とが、上流から下流に向かって順に配設され、第２排気通路には、第２排気浄化装置と第２タービンとが、上流から下流に向かって順に配設されている。【選択図】図１

Description

ここに開示する技術は、過給機付きエンジンに関する。

特許文献１には、過給機付きエンジンが記載されている。このエンジンの排気通路には、ターボ過給機のタービンが設けられている。また、排気通路における、タービンよりも上流には、酸化触媒とＤＰＦとが配設されている。エンジンの吸気通路には、ターボ過給機のコンプレッサが設けられている。

このエンジンにはまた、高圧ＥＧＲ管と、低圧ＥＧＲ管とが設けられている。高圧ＥＧＲ管は、吸気通路におけるコンプレッサの下流と排気通路におけるＤＰＦの上流とを互いにつないでいる。低圧ＥＧＲ管は、吸気通路におけるコンプレッサの上流と排気通路におけるタービンの下流とを互いにつないでいる。

特開２０１３−１８９９００号公報

特許文献１に記載された過給機付きエンジンは、酸化触媒が、タービンよりもエンジンに近い位置に設けられている。このため、酸化触媒の温度は高くなる。この構成は、排気の浄化性能の向上に有利である。

一方、タービンは、酸化触媒及びＤＰＦよりも下流に設けられているため、タービン上流の容積が大きい。タービン上流の容積が大きいと、排気が膨張するため、タービンに供給される排気のエネルギが減少する。これは、ターボ過給機の過給効率を低下させる。

ここに開示する技術は、過給機付きエンジンにおいて、排気の浄化性能の向上と、ターボ過給機の過給効率の向上とを両立させる。

ここに開示する技術は、過給機付きエンジンに関する。この過給機付きエンジンは、
エンジンの吸気通路に設けられた第１コンプレッサと、前記エンジンの排気通路に設けられた第１タービンとを有する第１ターボ過給機と、
前記吸気通路に設けられた第２コンプレッサと、前記排気通路に設けられた第２タービンとを有する第２ターボ過給機と、
前記排気通路に設けられかつ、前記エンジンの気筒から排出された排気を浄化するよう構成された第１排気浄化装置及び第２排気浄化装置と、を備え、
前記エンジンは、前記気筒に接続されると共に、第１開弁時期に開く第１排気ポートと、前記第１排気ポートに並列に設けられて前記気筒に接続されると共に、前記第１開弁時期よりも遅い第２開弁時期に開く第２排気ポートと、を有し、
前記排気通路は、前記第１排気ポートにつながる第１排気通路と、前記第２排気ポートにつながる第２排気通路とを有し、
前記第１排気通路には、前記第１タービンと前記第１排気浄化装置とが、上流から下流に向かって順に配設され、
前記第２排気通路には、前記第２排気浄化装置と前記第２タービンとが、上流から下流に向かって順に配設されている。

この構成によると、エンジンは、第１ターボ過給機及び第２ターボ過給機の二つのターボ過給機と、第１排気浄化装置及び第２排気浄化装置の二つの排気浄化装置と、を備えている。

二つのターボ過給機の内、第１ターボ過給機の第１タービンは、第１排気通路において、第１排気浄化装置よりも上流に設けられている。また、第１排気通路は、第１排気ポートを介して気筒に接続されており、第１排気ポートは、第２排気ポートよりも早い第１開弁時期に開く。

気筒内において燃焼が終了した後、排気ポートが開いて気筒内のガスの排出が開始された直後には、いわゆるブローダウンが発生する。つまり、勢いの強い排気ガスが気筒から排出され、排気ポートの圧力が、一時的に大きく上昇する。第１タービンは、このブローダウンガスの供給を受ける。ここで、第１排気通路においては、第１タービンが、第１排気浄化装置よりも上流に配設されているため、気筒から排出されたブローダウンガスが膨張することなく、第１タービンに供給される。第１タービンには、ブローダウンのエネルギが、ロスなく供給されるから、第１ターボ過給機の過給効率が向上する。

また、ブローダウンは、排気行程の初期においてエンジンの排気ポートの圧力を高くするが、排気行程の初期の期間は、ピストンの上昇速度が遅いため、排気ポートの圧力が高くても、ポンプ損失は増大しない、又は、ほとんど増大しない。二つの排気ポートのうちの第１排気ポートのみを開けることにより、ブローダウンによる排気ポートの圧力は、従来のエンジンよりも大幅に高くなるものの、ポンプ損失の増大は招かない。

排気行程の中期から終期の期間は、排気ポートの圧力が下がる。ブローダウンによる排気ポートの圧力が従来のエンジンよりも大幅に高くなることに対し、排気行程の中期から終期における排気ポートの圧力は、従来のエンジンよりも低下する。これは、ピストンの上昇速度が速い排気行程の中期から終期において、ポンプ損失を低減する。

第２ターボ過給機の第２タービンは、第２排気通路において、第２排気浄化装置よりも下流に設けられている。換言すると、第２排気通路においては、第２排気浄化装置は、エンジンの近くに配置される。第２排気浄化装置はエンジンに近いため、第２排気浄化装置の温度が高く保たれる。

特に、燃費性能の向上を目的としてエンジンの熱効率を高めると、排気の温度は低下する。排気の温度が低いと第１及び第２排気浄化装置の温度は低くなりがちになる。前記の構成は、エンジンと第２排気浄化装置との間に、熱容量の大きいタービンが介在しないため、排気の温度が低い場合でも、第２排気浄化装置の温度を高くできる。第２排気浄化装置が活性温度に維持されることにより、第２排気浄化装置は、排気を浄化できる。エンジンの燃費性能の向上と共に、エンジンの排出ガス性能が良好になる。

従って、第１及び第２ターボ過給機と、第１及び第２排気浄化装置とによって、このエンジンは、排気の浄化性能の向上と、過給効率の向上とが両立する。

前記第１コンプレッサと前記第２コンプレッサとは、前記吸気通路において、直列に配設されている、としてもよい。

直列配置された第１コンプレッサと第２コンプレッサとによって、エンジンに供給する吸気を効率良く過給できる。

前記第１ターボ過給機は、前記エンジンの全運転領域において作動し、
前記第２ターボ過給機は、前記エンジンの高回転領域において作動する、としてもよい。

例えば、第１ターボ過給機を相対的に小容量とし、第２ターボ過給機を相対的に大容量とすれば、第１ターボ過給機は、排気の流量が所定流量よりも低い低回転領域において、高効率に作動が可能であり、第２ターボ過給機は、排気の流量が所定流量以上の高回転領域において、高効率に作動が可能である。第１ターボ過給機及び第２ターボ過給機は協働して、広い運転領域に亘り、吸気を過給できる。

前記過給機付きエンジンは、
前記第２排気浄化装置と前記第２タービンとの間における排気通路と、前記第１及び第２コンプレッサの下流における吸気通路とを接続する第１ＥＧＲ通路と、
前記第１排気浄化装置の下流における排気通路と、前記第１及び第２コンプレッサの上流における吸気通路とを接続する第２ＥＧＲ通路と、を備えている、としてもよい。

第１ＥＧＲ通路と第２ＥＧＲ通路との二つのＥＧＲ通路を備えることにより、過給機付きエンジンは、広い運転領域に亘り、ＥＧＲガスを気筒に導入できる。

前記第１ＥＧＲ通路は、前記エンジンの高回転領域において開き、
前記第２ＥＧＲ通路は、前記高回転領域よりもエンジン回転数の低い低回転領域において開く、としてもよい。

エンジンの高回転領域においては、エンジンの排気側の圧力が高まる。第１ＥＧＲ通路を通じて、吸気通路における第１及び第２コンプレッサの下流にＥＧＲガスを導入できる。

エンジンの低回転領域においては、エンジンの排気側の圧力が低い。第１ＥＧＲ通路を通じて第１及び第２コンプレッサの下流にＥＧＲガスを導入しようとしても、排気側の圧力が低いため、ＥＧＲガスを導入できない。これに対し、第２ＥＧＲ通路は、吸気通路における第１及び第２コンプレッサの上流にＥＧＲガスを導入するため、エンジンの排気側の圧力が低くても、ＥＧＲガスを導入できる。

以上説明したように、前記の過給機付きエンジンは、過給機付きエンジンにおいて、排気の浄化性能の向上と、ターボ過給機の過給効率の向上とを両立できる。

図１は、エンジンシステムの構成を例示する概略図である。 図２は、エンジンの制御構成を例示するブロック図である。 図３の上図は、第１排気弁のリフトカーブと第２排気弁のリフトカーブとを例示する図であり、下図は、排気行程における排気ポートの圧力変動を例示する図である。 図４は、エンジン回転数に対する可動ベーンの開度変化を例示するマップである。 図５は、本エンジンシステムにおける排気の圧力変動と、従来のエンジンシステムにおける排気の圧力変動と比較する図である。

以下、過給機付きエンジンの実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、実施形態に係るエンジンシステム１を示す。このエンジンシステム１は、車両に搭載される。エンジンシステム１のエンジン２は、軽油を主成分とした燃料が供給されるディーゼルエンジンである。エンジン２は、複数の気筒を有している。図１の構成例において、エンジン２は四つの気筒２０を有している。エンジン２が有する気筒２０の数に、特に制限はない。各気筒２０は、エンジン２の燃焼室を形成する。気筒２０内に供給された燃料は、圧縮自着火により燃焼する。

（エンジンシステムの構成）
エンジン２には、燃料噴射弁、つまりインジェクタ２９が取り付けられている（図２参照）。インジェクタ２９は、エンジン２に燃料を供給する。より詳細に、インジェクタ２９は、気筒２０毎に設けられ、気筒２０内へ燃料を直接噴射する。インジェクタ２９は、後述するＥＣＵ１００からの制御信号を受ける。インジェクタ２９は、エンジン２の運転状態に応じて設定された噴射タイミングでかつ、エンジン２の運転状態に応じた量の燃料を、気筒２０内に噴射する。エンジン２は、運転者が要求したトルクを発生する。

エンジン２には、吸気通路３１が接続されている。吸気通路３１は、各気筒２０に吸気を供給する。吸気は、空気、又は、空気及びＥＧＲガスを含む。エンジン２にはまた、排気通路３２が接続されている。排気通路３２は、各気筒２０からの排気を排出する。

各気筒２０には、第１吸気ポート２１及び第２吸気ポート２２の二つの吸気ポートと、第１排気ポート２３及び第２排気ポート２４の二つの排気ポートが接続されている。

吸気通路３１は、第１吸気ポート２１及び第２吸気ポート２２に分岐して接続されている。

排気通路３２は、第１排気ポート２３に接続される第１排気通路３２１と、第２排気ポート２４に接続される第２排気通路３２２とを有している。第１排気通路３２１と、第２排気通路３２２とは、エンジン２に対して並列に設けられている。第１排気通路３２１と第２排気通路３２２とは、その下流において合流している。

エンジン２には、図示は省略するが、気筒２０毎に、吸気弁と排気弁とが取り付けられている。吸気弁は、第１吸気ポート２１及び第２吸気ポート２２のそれぞれに設けられ、気筒２０と第１吸気ポート２１及び第２吸気ポート２２との間を開閉する。図３の上図３０１は、二つの吸気弁２５のリフトカーブを例示している。二つの吸気弁２５は、同じタイミングで開閉する。

排気弁は、第１排気ポート２３及び第２排気ポート２４のそれぞれに設けられ、気筒２０と第１排気ポート２３及び第２排気ポート２４との間を開閉する。図３の上図３０１は、第１排気ポート２３に設けられた第１排気弁２６のリフトカーブと、第２排気ポート２４に設けられた第２排気弁２７のリフトカーブとを例示している。二つの排気弁２６、２７は、開弁時期が相違する。図示は省略するが、カムシャフトに設けられた第１排気弁２６を駆動するカムと、第２排気弁２７を駆動するカムとは、そのカムプロフィールが互いに異なる。

第１排気ポート２３に設けられた第１排気弁２６は、相対的に早い第１開弁時期で開く。第１開弁時期は、ピストンが下死点近くに位置している時期であり、例えば排気下死点前３０°ＣＡである。第２排気ポート２４に設けられた第２排気弁２７は、第１開弁時期よりも遅い第２開弁時期に開く。第２開弁時期は、例えば排気下死点後である。第２排気弁２７は、第１排気弁２６よりも開弁時期が遅れる。

第１排気弁２６の閉弁時期は、排気上死点付近である。第２排気弁２７の閉弁時期も、排気上死点付近である。二つの排気弁２６、２７の閉弁時期は、ほぼ同じである。また、二つの排気弁２６、２７の最大リフト量も、ほぼ同じである。

吸気通路３１には、上流側から下流側へ向かって順に、第２ターボ過給機５の第２コンプレッサ５１と、第１ターボ過給機４の第１コンプレッサ４１と、インタークーラ４３とが配設されている。第２コンプレッサ５１は、吸気を昇圧する。第１コンプレッサ４１も、吸気を昇圧する。インタークーラ４３は、昇圧された吸気を冷却する。インタークーラ４３は、例えば水冷式の熱交換器である。インタークーラ４３は、図示は省略するが、例えばエンジン２の冷却水の循環回路に接続されている。

第１ターボ過給機４の容量は、第２ターボ過給機５の容量よりも小さい。第１ターボ過給機４は、後述するように、エンジン２が低回転領域で運転している場合に作動できる。第１ターボ過給機４は、低回転領域、及び、低回転領域よりもエンジン回転数の高い高回転領域の両方を含む全運転領域において作動する。第２ターボ過給機５は、エンジン２が高回転領域で運転している場合に作動する。

大容量の第２ターボ過給機５の第２コンプレッサ５１と、小容量の第１ターボ過給機４の第１コンプレッサ４１とを直列に設け、第１ターボ過給機４の第１コンプレッサ４１のみの駆動、及び、第１ターボ過給機４の第１コンプレッサ４１と第２ターボ過給機５の第２コンプレッサ５１との両方の駆動を切り替えることにより、このエンジン２は、広い運転領域に亘って、吸気を過給できる。

第１排気通路３２１には、第１ターボ過給機４の第１タービン４２と、第１排気浄化装置６１とが配設されている。第１タービン４２と、第１排気浄化装置６１とは、上流側から下流側へ向かってこの順番に配設されている。

第１排気浄化装置６１は、触媒装置としての酸化触媒（Diesel Oxidation Catalyst: ＤＯＣ）と、フィルタ装置としてのＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）とを含んでいる。詳細な図示は省略するが、第１排気浄化装置６１において、ＤＯＣは、ＤＰＦの上流に配置されている。

ＤＯＣは、排気中のＣＯ及びＨＣが酸化されてＣＯ_２及びＨ_２Ｏを生成する反応を促す。また、ＤＰＦは、エンジン２の排気中に含まれる煤等の粒子状物質を捕集する。

第２排気通路３２２には、第２ターボ過給機５の第２タービン５２と、第２排気浄化装置６２とが配設されている。第２タービン５２と、第２排気浄化装置６２とは、上流側から下流側へ向かって、第２排気浄化装置６２、第２タービン５２の順番に配設されている。第１排気通路３２１と第２排気通路３２２とにおいて、タービンと排気浄化装置の配設順は相違する。

第２排気浄化装置６２は、第１排気浄化装置６１と同様に、ＤＯＣと、ＤＰＦとを含んでいる。

このエンジンシステム１は、排気中のＮＯｘを浄化する触媒を備えていない。但し、ここに開示する技術は、ＮＯｘを浄化する触媒を備えたエンジンに適用することを排除しない。

第１ターボ過給機４の第１タービン４２は、排気のエネルギによって回転する。図示を省略する第１連結シャフトは、第１タービン４２と第１コンプレッサ４１とを互いに連結する。排気通路３２１において第１タービン４２が回転すると、吸気通路３１において第１コンプレッサ４１が回転し、吸気を昇圧する。

同様に、第２ターボ過給機５の第２タービン５２は、図示を省略する第２連結シャフトを介して、第２コンプレッサ５１に連結されている。排気通路３２２において第２タービン５２が回転すると、吸気通路３１において第２コンプレッサ５１が回転し、吸気を昇圧する。

第２ターボ過給機５は、詳細な図示は省略するが、第１ターボ過給機４とは異なり、可変容量式のターボ過給機である。タービンケース内には、可動ベーンが配設されている。可動ベーンの開度を調整することによって、第２ターボ過給機５における通路面積が変わる。

第２ターボ過給機５の可動ベーンは、第２ターボ過給機５の容量を変更する他に、第１排気通路３２１と第２排気通路３２２との間の流量調整にも利用される。

図４は、エンジン回転数の変化に対する可動ベーンの開度変化を例示している。後述するＥＣＵ１００は、エンジン回転数が所定回転数よりも低い、換言すればエンジン２の排気の流量が所定流量よりも低い低回転領域においては、可動ベーンの開度を最小にする。これにより、エンジン２から排出された排気は、第２排気通路３２２を流れにくくなるため、第１排気通路３２１を流れる排気の流量が増える。つまり、エンジン２の排気の流量が低い低回転領域においては、実質的に、第１排気通路３２１のみを使う。

エンジン回転数が所定回転数以上となる高回転領域においては、エンジン２から排出される排気の流量が増えるため、可動ベーンの開度を大きくする。図例では、エンジン２の回転数が高くなるほど、可動ベーンの開度が大きくなる。これにより、第２排気通路３２２を流れる排気の流量が増える。前述したように、第２ターボ過給機５は、エンジン２の回転数が高い高回転領域において、吸気の過給を行うことができる。

エンジンシステム１はまた、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）システム７を備えている。ＥＧＲシステム７は、排気の一部を、ＥＧＲガスとして吸気通路３１に還流する。ＥＧＲシステム７は、第１ＥＧＲ通路７１と、第２ＥＧＲ通路７２とを有している。

第１ＥＧＲ通路７１は、吸気通路３１における第２コンプレッサ５１及び第１コンプレッサ４１の下流の部位、より正確には、インタークーラ４３の下流の部位と、第２排気通路３２２における第２排気浄化装置６２と第２タービン５２との間の部位とを互いに接続している。第１ＥＧＲ通路７１には、第１ＥＧＲ弁７３が設けられている。第１ＥＧＲ弁７３は、例えば電磁式の開度調整弁である。第１ＥＧＲ弁７３は、第１ＥＧＲ通路７１を通って吸気通路３１に還流されるＥＧＲガスの流量を調整する。

第１ＥＧＲ通路７１にはまた、第１ＥＧＲクーラ７４が設けられている。第１ＥＧＲクーラ７４は、第１ＥＧＲ通路７１を流れるＥＧＲガスを冷却する。第１ＥＧＲクーラ７４は、例えば水冷式の熱交換器である。第１ＥＧＲクーラ７４は、例えば冷却水の循環回路に接続されている。第１ＥＧＲクーラ７４は、ＥＧＲガスと冷却水との間で熱交換させる。

第２ＥＧＲ通路７２は、吸気通路３１における第２コンプレッサ５１及び第１コンプレッサ４１の上流の部位と、排気通路３２における第１排気浄化装置６１及び第２タービン５２の下流の部位とを互いに接続している。第２ＥＧＲ通路７２には、第２ＥＧＲ弁７６が設けられている。第２ＥＧＲ弁７６も、例えば電磁式の開度調整弁である。第２ＥＧＲ弁７６は、第２ＥＧＲ通路７２を通って吸気通路３１に還流されるＥＧＲガスの流量を調整する。

第２ＥＧＲ通路７２にはまた、第２ＥＧＲクーラ７７が設けられている。第２ＥＧＲクーラ７７は、第２ＥＧＲ通路７２を流れるＥＧＲガスを冷却する。第２ＥＧＲクーラ７７は、例えば水冷式の熱交換器である。第２ＥＧＲクーラ７７は、第１ＥＧＲクーラ７４と同様に、冷却水の循環回路に接続してもよい。第２ＥＧＲクーラ７７は、ＥＧＲガスと冷却水との間で熱交換させる。

図２は、エンジンシステム１の制御構成を例示するブロック図である。エンジンシステム１は、エンジン・コントロール・ユニット（以下、ＥＣＵという）１００を備えている。ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ１０１、メモリ１０２、カウンタタイマ群１０３、インターフェース１０４及びこれらのユニットを接続するバス１０５を有するマイクロプロセッサで構成されている。ＥＣＵ１００は、エンジン２を制御する。ＥＣＵ１００は、制御ユニットの一例である。

ＥＣＵ１００は、水温センサＳＷ１、過給圧センサＳＷ２、排気温度センサＳＷ３、クランク角センサＳＷ４、アクセル開度センサＳＷ５、車速センサＳＷ６、ＤＰＦ差圧センサＳＷ７、及び、触媒温度センサＳＷ８からの信号を受ける。

水温センサＳＷ１は、循環回路８に設けられかつ、エンジン２の冷却水の温度に対応する信号を出力する。過給圧センサＳＷ２は、吸気通路３１に設けられかつ、過給圧に対応する信号を出力する。排気温度センサＳＷ３は、排気通路３２に設けられかつ、排気温度に対応する信号を出力する。クランク角センサＳＷ４は、エンジン２に取り付けられかつ、エンジン２のクランクシャフトの回転角に対応する信号を出力する。アクセル開度センサＳＷ５は、アクセルペダル（図示省略）に連結されかつ、運転者によるアクセルペダルの操作量に対応する信号を出力する。車速センサＳＷ６は、例えば図示省略の車軸に設けられかつ、車両の車速に対応する信号を出力する。ＤＰＦ差圧センサＳＷ７は、排気浄化装置６に取り付けられかつ、ＤＰＦの入口圧と出口圧との圧力差に対応する信号を出力する。触媒温度センサＳＷ８は、排気浄化装置６に取り付けられかつ、ＤＯＣ及びＤＰＦの温度に対応する信号を出力する。

ＥＣＵ１００は、クランク角センサＳＷ４の信号に基づいてエンジン回転数を算出し、アクセル開度センサＳＷ５の信号に基づいてエンジン負荷を算出する。また、ＥＣＵ１００は、水温センサＳＷ１の信号に基づいて、エンジン２の冷間状態及び温間状態を判断する。ＥＣＵ１００は、アクセル開度センサＳＷ５の信号に基づいて、車両の運転者の加速要求の有無、及び、その加速要求の度合いを判定する。

ＥＣＵ１００はまた、ＤＰＦ差圧センサＳＷ７の信号に基づいて、ＤＰＦの再生の要否を判定する。ＤＰＦの再生は、ＤＰＦに堆積した粒子状物質を燃焼させることである。ＥＣＵ１００は、ＤＰＦの再生が必要と判断すれば、ＤＰＦの再生制御を行う。

ＥＣＵ１００は、入力された信号に基づいてエンジン２の運転状態を判断し、判断した運転状態に対応するよう、インジェクタ２９、ベーンアクチュエータ４４、第１ＥＧＲ弁７３、第２ＥＧＲ弁７６へ制御信号を出力する。尚、ベーンアクチュエータ４４は、第２ターボ過給機５の可動ベーンを動かすアクチュエータである。

エンジン２の気筒２０内には、エンジン２の運転状態に応じた量の空気及びＥＧＲガスが導入されると共に、燃料が供給される。気筒２０内に供給された燃料は、適切なタイミングで圧縮自己着火により燃焼する。

（エンジンシステム１の特徴）
このエンジン２は、熱効率が向上するよう、空気が過剰な状態で燃料を燃焼させる。また、ＥＧＲガスを気筒２０に導入することにより、気筒２０内の空気量の調整も行われる。このエンジンシステム１を搭載した車両は、燃費性能が高い。

その一方で、エンジン２の熱効率が高いため、気筒２０から排出される排気の温度は低い。排気の温度が低いと、ＤＯＣの活性化には不利になる。従来のエンジンは、ターボ過給機のタービンの下流に排気浄化装置を設けることが一般的である。この従来構成はタービンの熱容量が大きいため、排気の温度が低いと、排気浄化装置の温度が、より一層上がりにくいという問題がある。

これに対し、このエンジンシステム１は、第１排気浄化装置６１と第２排気浄化装置６２とを備えている。この内、第２排気浄化装置６２は、第２排気通路３２２において、第２ターボ過給機５の第２タービン５２の上流に設けている。エンジン２と第２排気浄化装置６２との間にタービンが存在しないため、第２排気浄化装置６２は、排気によって温度が上がりやすくかつ、エンジン２の運転中は、高温に保たれる。このエンジンシステム１は、排気の温度が低くても、エンジン２の運転中にＤＯＣの活性状態が維持できるから、排出ガス性能が向上する。

その一方で、第２ターボ過給機５の第２タービン５２よりも上流に、第２排気浄化装置６２が配設されていると、第２タービン５２よりも上流の容積が大きいため、運転者が車両の加速を要求した場合に、第２ターボ過給機５は過給レスポンスが低い。

そこで、このエンジンシステム１は、第２排気通路３２２に並列な第１排気通路３２１において、第１ターボ過給機４の第１タービン４２を、第１排気浄化装置６１よりも上流に配設している。このため、第１排気通路３２１においては、気筒２０からの排気が、排気浄化装置において膨張することなく、第１タービン４２に供給される。その結果、エンジン２の過給レスポンスが向上する。

このエンジンシステム１はさらに、第１排気通路３２１を第１排気ポート２３に接続し、第２排気通路３２２を第２排気ポート２４に接続していて、第１排気通路３２１と第２排気通路３２２とを分離していると共に、図３の上図３０１に示すように、第１排気ポート２３の排気弁２６は、第２排気ポート２４の排気弁２７よりも開弁時期を早めている。

ここで、図３の下図３０２は、排気弁２６及び排気弁２７が開弁する排気行程における、エンジン２の排気の圧力変動を例示している。第１排気ポート２３の排気弁２６が開弁すると、ブローダウンによって、排気の圧力が急上昇する。その後、排気の圧力が低下すると共に、第２排気ポート２４の排気弁２７が開弁する。

前述したように、第１排気ポート２３には、第１排気通路３２１が接続されているため、ブローダウンによる排気エネルギは、第１排気通路３２１に設けられた第１ターボ過給機４の第１タービン４２に供給される。第１タービン４２が相対的に上流側に配設されていることと相俟って、第１ターボ過給機４は、過給効率が高まる。第１ターボ過給機４により、エンジン２の過給レスポンスが向上する。

これは特に、エンジン２の排気エネルギが低くなって、ターボ過給機の過給効率が低下しやすい低回転領域において有効である。つまり、第１ターボ過給機４は、相対的に小容量で、低回転領域において効率的に作動をする。また、ＶＧＴの可動ベーンの開度は、低回転領域において最小であり、第１排気通路３２１を流れる排気の流量は、相対的に多い。第１タービン４２が上流に配置されていること、ブローダウンを利用できること、及び、第１排気通路３２１を流れる排気の流量が多いこと、によって、エンジンシステム１は、低回転領域における過給効率が向上する。低回転領域におけるエンジン２の過給レスポンスが向上する。その結果、車両の加速過渡時等における過給レスポンスが向上する。

ここで、図５は、本エンジンシステム１における排気の圧力変動（実線）と、従来のエンジンシステムにおける排気の圧力変動（破線）とを比較している。従来のエンジンシステムは、気筒２０に連通する二つの排気ポートが同時に開くシステムである。

本エンジンシステム１は、前述したように、二つの排気ポートの内の一方の排気ポートを相対的に早いタイミングで開弁する。そのため、従来のエンジンシステムよりも、ブローダウンが強くなり、排気行程の初期における排気の圧力（つまり、動圧）が高くなる。ここで、排気行程の初期、中期、及び、終期はそれぞれ、排気行程の期間を、初期、中期、及び、終期に三等分した場合の、初期、中期、及び、終期に相当する。

本エンジンシステム１は、排気行程の初期に排気の圧力が高くなるものの、排気行程の初期は、ピストンの上昇速度が低いため、ポンプ損失の増大を招かない。その一方で、排気行程の初期における圧力が高いため、本エンジンシステム１は、前述したように、第１ターボ過給機４の過給効率が向上する。

排気行程の中期及び終期にかけて、排気の圧力は低くなる。本エンジンシステム１は、ブローダウンが相対的に強い分、図５に白抜きの矢印で示すように、排気行程の中期及び終期における排気の圧力は、従来のエンジンシステムよりも低下する。排気行程の中期及び終期は、ピストンの上昇速度が高いため、エンジン２の排気側の圧力の影響を受ける。本エンジンシステム１は、排気行程の中期及び終期における排気の圧力が低いため、ポンプ損失が低下する。

つまり、本エンジンシステム１は、従来のエンジンシステムと比較して、第１ターボ過給機４の過給効率の向上と、ポンプ損失の低減とを図ることができる。そして、第１及び第２ターボ過給機４、５と、第１及び第２排気浄化装置６１、６２とによって、このエンジンシステム１は、排気の浄化性能の向上と、過給効率の向上とが両立する。

（ＥＣＵによるＥＧＲシステムの制御）
ＥＣＵ１００は、エンジン２の全運転領域において、ＥＧＲガスを吸気通路３１に還流させる。つまり、ＥＣＵ１００は、第１ＥＧＲ弁７３、及び／又は、第２ＥＧＲ弁７６を開弁する。エンジン２が全負荷（つまり、フルスロットル）で運転している場合に、ＥＧＲガスを吸気通路３１に還流することにより、気筒２０内の酸素濃度が低下して、燃焼温度が下がる。燃焼温度が下がると、ＮＯｘの生成を抑制できる。

エンジン２の回転数が高い高回転領域においてエンジン２が運転している場合、エンジン２の排気流量が高いため、排気の圧力は、吸気の圧力に比べて高まる。ＥＣＵ１００は、第１ＥＧＲ通路７１の第１ＥＧＲ弁７３を開弁し、第１ＥＧＲ通路７１を通じてＥＧＲガスを吸気通路３１の、第１コンプレッサ４１及び第２コンプレッサ５１の下流の部位に還流させる。

一方、エンジン２が、高回転領域よりも回転数が低い低回転領域において運転している場合、エンジン２の排気流量が低いため、排気の圧力が低くなる。第１ＥＧＲ通路７１を通じてＥＧＲガスを還流させようとしても、吸気通路３１の、第１コンプレッサ４１及び第２コンプレッサ５１の下流の部位の方が、排気通路３２の圧力よりも高くなるから、ＥＧＲガスを吸気通路３１に還流させることができない。

そこで、ＥＣＵ１００は、エンジン２が低回転領域において運転している場合、第２ＥＧＲ通路７２の第２ＥＧＲ弁７６を開弁し、第２ＥＧＲ通路７２を通じてＥＧＲガスを吸気通路３１の、第１コンプレッサ４１及び第２コンプレッサ５１の上流の部位に還流させる。第２ＥＧＲ通路７２は、第１コンプレッサ４１及び第２コンプレッサ５１の上流に接続されているため、吸気通路３１における低圧の部位に、ＥＧＲガスを導入できる。

こうして、ＥＧＲシステム７は、エンジン２の全運転領域に亘って、ＥＧＲガスを吸気通路３１へ還流できる。

また、第１ＥＧＲ通路７１及び第２ＥＧＲ通路７２のそれぞれに、第１ＥＧＲクーラ７４及び第２ＥＧＲクーラ７７が介設されている。各ＥＧＲクーラ７４、７７は、ＥＧＲガスを冷却する。エンジン２の負荷が高い場合に、ＥＧＲシステム７は、冷却したＥＧＲガスを吸気通路３１に還流できる。ＥＧＲガスが導入される気筒２０内の温度が、過剰に高くなることが抑制される。エンジン２において異常燃焼の発生が抑制される。

また、第１ＥＧＲ通路７１は、第２排気通路３２２における第２排気浄化装置６２の下流に接続されている。ＥＧＲシステム７は、第２排気浄化装置６２が浄化したクリーンな排気を、ＥＧＲガスとして吸気通路３１に還流できる。吸気系の構成部材が、例えば粒子状物質に汚染されることが抑制される。

本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、請求の範囲の主旨を逸脱しない範囲で代用が可能である。

前記の構成では、吸気通路３１に、大容量の第２ターボ過給機５の第２コンプレッサ５１と、小容量の第１ターボ過給機４の第１コンプレッサ４１とを直列に設けているが、第１ターボ過給機の第１コンプレッサと、第２ターボ過給機の第２コンプレッサとの組み合わせ及び配置は、この組み合わせ及び配置に限定されない。第１ターボ過給機の第１コンプレッサと、第２ターボ過給機の第２コンプレッサとの組み合わせは、様々な組み合わせが可能であると共に、それらの配置も、様々な配置が可能である。

例えばここに開示する技術は、ディーゼルエンジンに適用することに限定されず、ガソリンや、ナフサを含む燃料を用いるエンジンに、適用することも可能である。

上述の実施形態は単なる例示に過ぎず、本発明の範囲を限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は請求の範囲によって定義され、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

１ エンジンシステム
２ エンジン
２０ 気筒
２３ 第１排気ポート
２４ 第２排気ポート
３１ 吸気通路
３２ 排気通路
３２１ 第１排気通路
３２２ 第２排気通路
４ 第１ターボ過給機
４１ 第１コンプレッサ
４２ 第１タービン
５ 第２ターボ過給機
５１ 第２コンプレッサ
５２ 第２タービン
６１ 第１排気浄化装置
６２ 第２排気浄化装置
７１ 第１ＥＧＲ通路
７２ 第２ＥＧＲ通路

Claims (5)

1. エンジンの吸気通路に設けられた第１コンプレッサと、前記エンジンの排気通路に設けられた第１タービンとを有する第１ターボ過給機と、
   前記吸気通路に設けられた第２コンプレッサと、前記排気通路に設けられた第２タービンとを有する第２ターボ過給機と、
   前記排気通路に設けられかつ、前記エンジンの気筒から排出された排気を浄化するよう構成された第１排気浄化装置及び第２排気浄化装置と、を備え、
   前記エンジンは、前記気筒に接続されると共に、第１開弁時期に開く第１排気ポートと、前記第１排気ポートに並列に設けられて前記気筒に接続されると共に、前記第１開弁時期よりも遅い第２開弁時期に開く第２排気ポートと、を有し、
   前記排気通路は、前記第１排気ポートにつながる第１排気通路と、前記第２排気ポートにつながる第２排気通路とを有し、
   前記第１排気通路には、前記第１タービンと前記第１排気浄化装置とが、上流から下流に向かって順に配設され、
   前記第２排気通路には、前記第２排気浄化装置と前記第２タービンとが、上流から下流に向かって順に配設されている
   過給機付きエンジン。
2. 請求項１に記載の過給機付きエンジンにおいて、
   前記第１コンプレッサと前記第２コンプレッサとは、前記吸気通路において、直列に配設されている
   過給機付きエンジン。
3. 請求項１又は２に記載の過給機付きエンジンにおいて、
   前記第１ターボ過給機は、前記エンジンの全運転領域において作動し、
   前記第２ターボ過給機は、前記エンジンの高回転領域において作動する
   過給機付きエンジン。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の過給機付きエンジンにおいて、
   前記第２排気浄化装置と前記第２タービンとの間における排気通路と、前記第１及び第２コンプレッサの下流における吸気通路とを接続する第１ＥＧＲ通路と、
   前記第１排気浄化装置の下流における排気通路と、前記第１及び第２コンプレッサの上流における吸気通路とを接続する第２ＥＧＲ通路と、を備えている
   過給機付きエンジン。
5. 請求項４に記載の過給機付きエンジンにおいて、
   前記第１ＥＧＲ通路は、前記エンジンの高回転領域において開き、
   前記第２ＥＧＲ通路は、前記高回転領域よりもエンジン回転数の低い低回転領域において開く
   過給機付きエンジン。
   

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