CN107448276A - 带涡轮增压器的发动机 - Google Patents

Abstract

本发明的带涡轮增压器的发动机包括发动机主体和涡轮增压器。涡轮增压器具有：大型涡轮部，包含大透平机室、大压缩机室、以及在大透平机室与大压缩机室之间延伸的大透平机轴；小型涡轮部，包含小透平机室、小压缩机室、以及在小透平机室与小压缩机室之间延伸的小透平机轴。大压缩机室设置在进气通道上的比小压缩机室更靠上游侧的位置，大涡轮轴及小涡轮轴以在与发动机输出轴同方向上延伸的方式设置。大型涡轮部以如下的方式设置：在俯视下，大涡轮轴相对于发动机输出轴为非平行，大涡轮轴的大压缩机室侧比大透平机室侧更靠近发动机输出轴。由此，在涡轮增压器具备大型及小型的涡轮部的情况下，能够降低进气阻力提高增压效率。

Description

带涡轮增压器的发动机

技术领域

本发明涉及带涡轮增压器的发动机，该发动机在发动机主体上附设有涡轮增压器，该涡轮增压器具备两个独立的涡轮部。

背景技术

在带涡轮增压器的发动机中，涡轮增压器利用发动机的排气能而对进气进行增压，该涡轮增压器以与发动机主体的一侧壁相邻的方式而被安装。涡轮增压器的壳体内具备排气通道及进气通道，收容透平机的透平机室与所述排气通道连通，收容压缩机叶轮的压缩机室与所述进气通道连通。排气从发动机主体供应到所述排气通道，供应给发动机主体的进气在所述进气通道中流通。基于排气的作用，所述透平机以透平机轴为中心转动，从而使连结于所述透平机轴的压缩机室侧的压缩机叶轮转动，对进气进行增压。

以往已知有将两个独立的涡轮部沿着排气路径呈直列状布置而成的涡轮增压器。例如欧洲专利EP2261481号公报中公开了一种两级型涡轮增压器，该两级型涡轮增压器包括主要在发动机的中速至高速转动区域中工作的大型涡轮部和主要在低速转动区域中工作的小型涡轮部。这些大型及小型涡轮部分别具备透平机室和压缩机室以及在透平机室与压缩机室之间延伸设置的透平机轴。

对于涡轮增压器，为了提高增压效率而要求以尽量不对进气的气流产生阻力(进气阻力)的方式来对压缩机室供应进气。然而，在发动机具备两级型涡轮增压器的情况下，由于进气通道的路径变得复杂，另一方面还要求装置实现紧凑化，因此有时难以降低进气阻力。此外，涡轮增压器通常以其的透平机轴与发动机主体的曲轴(输出轴)平行的方式被组装于发动机主体。这便成为本发明人所认识到的限制进气通道的布局自由度的一个原因。

发明内容

本发明的目的在于提供一种如下的带涡轮增压器的发动机：在涡轮增压器具备大型及小型的涡轮部的情况下，能够降低进气阻力提高增压效率。

为实现上述目的，本发明所涉及的带涡轮增压器的发动机包括：发动机主体，具备气缸及发动机输出轴；涡轮增压器，以与所述发动机主体相邻的方式而被设置，具有接受来自所述发动机主体的排气的排气通道和将进气供应给所述发动机主体的进气通道，而且对所述进气进行增压；其中，所述涡轮增压器包括：大型涡轮部，包含与所述排气通道连通并且内置有大透平机的大透平机室、与所述进气通道连通并且内置有大压缩机的大压缩机室、以及在所述大透平机室与所述大压缩机室之间延伸并且将所述大透平机与所述大压缩机连结的大透平机轴，主要在所述发动机主体的中速至高速转动区域中工作；小型涡轮部，包含与所述排气通道连通并且内置有小透平机的小透平机室、与所述进气通道连通并且内置有小压缩机的小压缩机室、以及在所述小透平机室与所述小压缩机室之间延伸并且将所述小透平机与所述小压缩机连结的小透平机轴，主要在所述发动机主体的低速转动区域中工作；其中，所述大压缩机室设置在所述进气通道上的比所述小压缩机室更靠上游侧的位置，所述大透平机轴的轴线亦即大涡轮轴及所述小透平机轴的轴线亦即小涡轮轴以在与所述发动机输出轴同方向上延伸的方式而被设置，所述大型涡轮部以如下的方式相对于所述发动机主体而被设置：在所述气缸的轴向的俯视下，所述大涡轮轴相对于所述发动机输出轴为非平行，所述大涡轮轴的大压缩机室侧比该大涡轮轴的大透平机室侧更靠近所述发动机输出轴。

根据本发明，在涡轮增压器具备大型及小型的涡轮部的情况下，能够降低进气阻力提高增压效率。

附图说明

图1是本发明的实施方式所涉及的带涡轮增压器的发动机的立体图。

图2是表示所述发动机的涡轮增压器部分的局部立体图。

图3是所述涡轮增压器的立体图。

图4是所述涡轮增压器的侧视图。

图5是模式地表示带涡轮增压器的发动机及其周边构件的构成和进气及排气的气流的图。

图6是涡轮增压器的侧视图，表示发动机主体的低速转动区域中的涡轮增压器内的进气气流。

图7是涡轮增压器的侧视图，表示发动机主体的中速及高速转动区域中的涡轮增压器内的进气气流。

图8是所述发动机的俯视图。

图9是所述发动机的侧视图。

图10是图9的X-X线剖视图。

图11是图9的XI-XI线剖视图。

图12是表示比较例所涉及的涡轮增压器的布置的模式图。

图13是表示实施方式所涉及的涡轮增压器的布置的模式图。

图14是实施方式所涉及的涡轮增压器的从压缩机侧观察时的侧视图。

具体实施方式

[发动机的简略结构]

以下，根据附图来说明本发明的实施方式所涉及的带涡轮增压器的发动机。首先，说明该发动机的简略结构。图1是本发明的实施方式所涉及的带涡轮增压器的发动机1的立体图；图2是表示发动机1的涡轮增压器3的部分的局部立体图。在图1、图2及其它的图中，标示了前后、左右、上下的方向指示。这些都是为了方便说明而作出的，并不一定表示实际的方向。

带涡轮增压器的发动机1包含：多缸型的发动机主体10；与发动机主体10的左侧面连结的排气歧管14；进气歧管18(参照图8)；在发动机主体10的左方与该发动机主体10相邻地设置的涡轮增压器3。排气歧管14的周围被歧管隔热件15所包围，发动机主体10的左侧面被发动机主体隔热件16所覆盖，涡轮增压器3的周围被涡轮隔热件17所覆盖，不过，这些隔热件在图1中均未被示出。

发动机主体10为直列四缸的柴油机，其包括：气缸体11；安装在气缸体11的上表面上的气缸盖12；设置在气缸盖12上方的缸盖罩13。气缸体11具备形成燃料的燃烧室的四个气缸2(参照图5、图11)。

排气歧管14在内部具备使从各气缸2的排气道25排出的排气气体汇合为一条流路的歧管通道。排气歧管14的进入侧与气缸盖12连结，排出侧与涡轮增压器3连接。进气歧管18在内部具备将进气从一个进气通道供应到各气缸2的进气道24的歧管通道。

涡轮增压器3以与发动机主体10的左后方的侧部相邻的方式被设置，并且利用从发动机主体10排出的排气能而对导往发动机主体10的进气进行增压。涡轮增压器3具备：大型涡轮部3A，在发动机主体10的整个转动区域中工作而对进气进行增压；小型涡轮部3B，主要在低速转动区域中工作而对进气进行增压。本实施方式中，在大型涡轮部3A的下方连续地设置有小型涡轮部3B。大型涡轮部3A和小型涡轮部3B分别具备设置在前侧的透平机室和设置在后侧的压缩机室。涡轮增压器3内具备：排气通道，经由各所述透平机室而接受从发动机主体10供应的排气；进气通道，经由各所述压缩机室而让供应给发动机主体10的进气流通。即，各所述透平机室被设置在发动机主体10的排气路径上，各所述压缩机室被设置在发动机主体10的进气路径上。

歧管隔热件15是进行隔热的隔热件，以使周边构件不会受到基于高温排气流通后的排气歧管14所发出的热而导致的热危害。发动机主体隔热件16保护缸盖罩13、线束、传感器类，以使它们不会受排气歧管14及涡轮增压器3发出的热的影响。涡轮隔热件17覆盖同样让高温排气流通的涡轮增压器3的透平机室的周围，以抑制对周边构件的热危害。

[涡轮增压器的外观结构]

图3是涡轮增压器3的立体图，图4是涡轮增压器3的侧视图。大型涡轮部3A具备设置在前侧的大型透平机壳体31T和设置在后侧的大型压缩机壳体31C。同样地小型涡轮部3B具备设置在前侧的小型透平机壳体32T和设置在后侧的小型压缩机壳体32C。小型透平机壳体32T设置在大型透平机壳体31T的下方，小型压缩机壳体32C设置在大型压缩机壳体31C的下方。

大型透平机壳体31T划分与排气通道连通的大透平机室33(图5)。大型透平机壳体31T包含：由金属板的壳体构成的钣金壳体311；支撑钣金壳体311下端的上凸缘部312；具备成为来自涡轮增压器3的排气的出口的排气口的排气侧凸缘部313。排气侧凸缘部313与排气通道的下游侧配管连接。

小型透平机壳体32T划分与排气通道连通的小透平机室35(图5)。小型透平机壳体32T是由铸铁质的壳体构成的壳体，其一体地具备：位于排气通道的上游侧的排气导入凸缘部321；位于下游侧的下凸缘部322。排气导入凸缘部321是用于进行与排气歧管14之间的连结的凸缘部，形成有成为往涡轮增压器3的排气的入口的排气导入口51A。下凸缘部322是用于进行与大型透平机壳体31T之间的连结的凸缘部。

从大型透平机壳体31T的上凸缘部312的下表面朝下方突出地设置有凸缘螺柱312A。另一方面，在小型透平机壳体32T的下凸缘部322中设置有接受凸缘螺柱312A的通孔。上凸缘部312载置在下凸缘部322上，两者利用凸缘螺柱312A而被螺栓紧固，从而大型透平机壳体31T和小型透平机壳体32T(大型涡轮部3A和小型涡轮部3B)被一体化。

大型压缩机壳体31C划分与进气通道连通的大压缩机室34(图5)。大型压缩机壳体31C由例如铝制的壳体构成，其包含进气导入凸缘部314、大涡旋部315及第一耦合部316。进气导入凸缘部314是形成有成为往涡轮增压器3的进气的入口的进气导入口45A的凸缘部。大涡旋部315形成大压缩机室34的局部且是在大压缩机34B(图5)周边形成旋涡状的进气通道的部分。第一耦合部316是位于大涡旋部315的下游端且内径比大涡旋部315的上游部分的直径更大的圆筒型的部分。第一耦合部316朝着下方开口，成为来自大型压缩机壳体31C的进气的出口。

小型压缩机壳体32C划分与进气通道连通的小压缩机室36(图5)。上述的大压缩机室34在进气通道上设置在比该小压缩机室36更上游侧的位置。小型压缩机壳体32C由例如铝制的壳体构成，其包含第二耦合部323、小涡旋部324、下游壳体325及进气排出凸缘部326。

第二耦合部323是成为往小型压缩机壳体32C的进气的入口的圆筒型的部分，朝着上方开口。第二耦合部323是具有与第一耦合部316相同内径的圆筒体，两耦合部316、323以两者的开口在上下方向正对着的方式设置。第二耦合部323的下游侧与小压缩机室36的入口连通。

两耦合部316、323间介设有由圆筒管构成的耦合管317。耦合管317是在具有挠性的圆筒管的外周面上具有氟橡胶等密封层的耦合管。耦合管317的上端部分气密地被内插于第一耦合部316，下端部分气密地被内插于第二耦合部323，中间部分露出于外部。

小涡旋部324形成小压缩机室36的局部且是在小压缩机36B(图5)的周边形成旋涡状的进气通道的部分。下游壳体325形成小涡旋部324的下游侧的进气通道和绕过小压缩机室36的进气通道(进气旁通道49)。进气排出凸缘部326形成成为往涡轮增压器3的进气的出口的进气排出口48A的凸缘部。

下面，对涡轮增压器3的组装方法进行说明。首先，大型涡轮部3A和小型涡轮部3B个别地被组装。即，大型透平机壳体31T和大型压缩机壳体31C被一体化而制成大型涡轮部3A，小型透平机壳体32T和小型压缩机壳体32C被一体化而制成小型涡轮部3B。接着，大型涡轮部3A从小型涡轮部3B上面被组装。此时，耦合管317被预先嵌入于第二耦合部323。而且，让突出地设置于上凸缘部312的凸缘螺柱312A穿通下凸缘部322的所述通孔，并且以让第一耦合部316嵌入于耦合管317的方式来使大型涡轮部3A载置在小型涡轮部3B上，而且进行螺栓紧固等，由此，两者被组装。

上述般的组装方式作业效率良好。于是，如何在确保该组装性的情况下降低在进气通道中流通的进气气流的阻力便成为课题。即，在同时地进行凸缘螺柱312A及耦合管317的嵌入这样的组装上的限制下，较为理想的是以能够尽量地降低进气阻力(压力损失)的方式来设定涡轮增压器3内的进气通道。如在后面所详述，本实施方式的涡轮增压器3能够满足这样的要求。

[发动机内部的结构]

图5是模式地表示带涡轮增压器的发动机1及其周边构件的结构和进气及排气的气流的图。发动机1包括：发动机主体10；用于将燃烧用的空气导入发动机主体10的进气通道P1；用于排出由发动机主体10生成的已燃气体(排气)的排气通道P2；具备分别构成上述进气通道P1及排气通道P2的一部分的通道的涡轮增压器3；设置在排气通道P2的下游端附近的排气净化装置70；设置在进气通道P1和排气通道P2之间的EGR(Exhaust GasRecirculation(排气再循环))装置80。

发动机主体10的各气缸2具备活塞21、燃烧室22、曲轴23、进气道24、排气道25、进气门26及排气门27。图5中仅示出了一个气缸2。活塞21能够往返运动地被收容在气缸2内。燃烧室22在气缸2内形成在活塞21的上方。柴油燃料从省略了图示的喷射器喷射到燃烧室22。从所述喷射器喷射出来的燃料与从进气通道P1供应来的空气混合而在燃烧室22内自点火。活塞21基于该燃烧产生的膨胀力而被下推从而在上下方向往返运动。

曲轴23是发动机主体10的输出轴，被设置在活塞21的下方。活塞21与曲轴23通过连杆而彼此连结。曲轴23对应于活塞21的往返运动而相应地绕中心轴转动。进气道24是用于将从进气通道P1供应的空气(进气)导入到气缸2的开口。排气道25是用于将气缸2内的燃料的燃烧所生成的排气导出到排气通道P2的开口。进气门26是开闭进气道24的气门，排气门27是开闭排气道25的气门。

在进气通道P1上从进气的气流的上游侧依次设置有空气滤清器41、涡轮增压器3的压缩机部(大压缩机室34及小压缩机室36)、中间冷却器42及节流阀43。进气通道P1的下游端经由进气歧管18(图8)而连接于进气道24。空气滤清器41净化吸入到进气通道P1的空气。中间冷却器42冷却经由进气道24而送给燃烧室22的进气。节流阀43是调整送到燃烧室22的进气的量的阀。此外，在进气通道P1上且在涡轮增压器3的上游侧连接有将窜气气体送往燃烧室22的窜气回流路411。进气在通过后面详述的涡轮增压器3的所述压缩机部之际被增压。

排气通道P2的上游端经由排气歧管14而与排气道25连接。在排气通道P2上从排气的气流的上游侧依次设置有涡轮增压器3的透平机部(小透平机室35及大透平机室33)、排气净化装置70。排气净化装置70包括：催化装置71，包含将排气中的NOx暂时吸附后进行还原的NOx吸附还原催化剂；DPF(Diesel Particulate Filter(柴油机微粒滤清器))72，捕集排气中的微粒状物质。排气自身所具有的动能在该排气通过涡轮增压器3的所述透平机部之际被回收。

EGR装置80是用于使从发动机主体10排出来的排气的一部分(EGR气体)回流到进气中的装置。EGR装置80具有：使排气通道P2与进气通道P1连通的第一EGR通道81及第二EGR通道84；分别使这些通道81、84开闭的第一EGR阀82及第二EGR阀85。第一EGR通道81中设置有EGR冷却器83。EGR气体在经过第一EGR通道81的途中被EGR冷却器83冷却，之后流入到进气通道P1。另一方面，第二EGR通道84中未设置有EGR冷却器，EGR气体能够以高温的状态流入到进气通道P1。第一、第二EGR通道81、84将排气通道P2的比涡轮增压器3更上游侧的部分和进气通道P1的比节流阀43更下游侧的部分连通。因此，被导往涡轮增压器3的所述透平机部前的排气可以与进气一起被供应到进气道24。

[涡轮增压器的详细结构]

接着，参照图3至图5对本实施方式所涉及的涡轮增压器3的详细结构进行说明。如上所述，涡轮增压器3具备用于在中速至高速转动区域中工作的大型涡轮部3A和用于在低速转动区域中工作的小型涡轮部3B。大型涡轮部3A具备大透平机室33及大压缩机室34。同样地小型涡轮部3B具备小透平机室35及小压缩机室36。大透平机室33和小透平机室35在排气通道P2上连通，大压缩机室34和小压缩机室36在进气通道P1上连通。

大透平机室33中内置有大透平机33T，大压缩机室34中内置有大压缩机34B。大透平机33T与大压缩机34B通过大透平机轴37而被连结。大透平机轴37在大透平机室33与大压缩机室34之间延伸，大透平机33T安装于大透平机轴37的一端，大压缩机34B安装于另一端。大透平机33T接受排气的气流(动能)而绕大透平机轴37的轴心转动。大压缩机34B同样地绕大透平机轴37的轴心转动从而对进气进行压缩(增压)。大透平机33T接受排气的动能而转动时，大压缩机34B也绕大透平机轴37的轴心而一体地转动。

作为大透平机33T可以使用叶轮，该叶轮具有多个叶片且基于排气冲击这些叶片而绕大透平机轴37的轴心转动。该大透平机33T被设为VGT(Variable GeometryTurbocharger(可变几何形状涡轮增压器))规格，其附设有能够变更排气的流速(透平机容量)的可变叶片机构39。可变叶片机构39设置在大透平机33T的外周部，包含能够被变更角度的多个喷嘴叶片。通过调整所述喷嘴叶片的角度，流入到大透平机33T的排气的流路面积被变更，由此，排气的流速被调整。所述喷嘴叶片的角度被VGT致动器39A调整。由于搭载了该可变叶片机构39而相应地使大透平机室33(大型透平机壳体31T)大型化。

小透平机室35中内置有小透平机35T，小压缩机室36中内置有小压缩机36B。小透平机35T与小压缩机36B通过小透平机轴38而被连结。小透平机轴38在小透平机室35与小压缩机室36之间延伸，小透平机35T安装于小透平机轴38的一端，小压缩机36B安装于另一端。小透平机35T接受排气的动能而绕小透平机轴38的轴心转动。小压缩机36B同样地绕小透平机轴38的轴心转动从而对进气进行压缩(增压)。小透平机35T接受排气的动能而转动时，小压缩机36B也绕小透平机轴38轴的轴心而一体地转动。本实施方式中，作为小透平机35T而采用不能变更流入的排气的流速的所谓的FGT(Fixed Geometry Turbocharger(固定几何形状涡轮增压器))。

大透平机33T的容量设定得比小透平机35T的容量大，而且大压缩机34B的容量也设定得比小压缩机36B的容量大。由此，大型涡轮部3A能够基于比小型涡轮部3B更大的流量的排气而使大透平机33T转动，能够基于大压缩机34B的转动而对更大流量的进气进行增压。

涡轮增压器3中具备增压器内进气通道44，以作为在该增压器内的进气通道P1的一部分的通道。增压器内进气通道44包含进气导入通道45、压缩机间通道46、下游通道47、出口通道48及进气旁通道49。进气导入通道45是在涡轮增压器3内最靠上游侧的进气通道，是从大透平机轴37的轴向往大压缩机室34内的大压缩机34B的通道。压缩机间通道46是引导进气从大压缩机34B的外周的涡旋部(大涡旋部315)往小压缩机室36内的小压缩机36B的轴心的通道。上述的第一耦合部316、第二耦合部323及耦合管317形成压缩机间通道46的一部分。

下游通道47是从小压缩机36B的外周的涡旋部(小涡旋部324)往出口通道48的通道。出口通道48是在涡轮增压器3内最靠下游的进气通道，是与中间冷却器42连接的通道。这样，大压缩机34B被设置在进气的气流中的小压缩机36B的上游侧。

进气旁通道49是绕过小压缩机室36的通道，亦即，其是不将进气供应给小压缩机36B而将进气引导到下游的通道。具体而言，进气旁通道49从连接大压缩机室34与小压缩机室36的压缩机间通道46的中途分支，与下游通道47一起在出口通道48处汇合。进气旁通道49中设置有开闭该通道49的进气旁通阀491。上述的下游壳体325是主要划分下游通道47及进气旁通道49的壳体。

在进气旁通阀491为全闭从而进气旁通道49处于关闭着的状态下，全进气量流入小压缩机室36。另一方面，在进气旁通阀491处于打开着的状态下，进气的大部分绕过小压缩机室36，并通过进气旁通道49而流到下游侧。即，由于收容于小压缩机室36的小压缩机36B会成为进气气流的阻力，因此，在进气旁通阀491处于打开着的状态下，进气的大部分流入到阻力更小的进气旁通道49。进气旁通阀491基于负压式的阀致动器492而被开闭。

涡轮增压器3中具备增压器内排气通道50，以作为在该增压器内的排气通道P2的一部分的通道。增压器内排气通道50包含排气导入通道51、连通道52、小涡旋通道53、透平机间通道54、大涡旋通道55、排出通道56及排气旁通道57。排气导入通道51、连通道52及小涡旋通道53是在小型透平机壳体32T内形成的通道，大涡旋通道55及排出通道56是在大型透平机壳体31T内形成的通道，透平机间通道54及排气旁通道57是跨设于两壳体31T、32T而形成的通道。本实施方式中，小透平机35T(即小透平机室35)被设置在排气通道P2上的大透平机33T(即大透平机室33)的上游侧。

排气导入通道51是在涡轮增压器3内最靠上游侧的排气通道，是从发动机主体10侧接受排气的通道。连通道52与排气导入通道51的下游相连，是向小透平机室35引导排气的通道。小涡旋通道53形成小透平机室35的一部分，是向小透平机35T引导排气的通道。连通道52的下游端与小涡旋通道53的上游部相连。小涡旋通道53是以环绕小透平机35T外周的方式设置的旋涡状的通道，随着向下游延伸而其流路宽度逐渐变窄。排气从小涡旋通道53向小透平机35T的径向中心流入，使小透平机35T绕小透平机轴38的轴心转动。

透平机间通道54是将小透平机35T与大涡旋通道55的上游部相连接的通道。透平机间通道54的上游部分是从小透平机室35向小透平机35T的轴向延出的部分，下游部分是与大涡旋通道55的上游部相连的部分。从小透平机35T的外周向径向内侧流入并且对小透平机35T进行膨胀工作的排气从透平机间通道54排出而流往大透平机33T。

大涡旋通道55形成大透平机室33的局部，是向大透平机33T引导排气的通道。大涡旋通道55是以环绕大透平机33T外周的方式设置的旋涡状的通道，随着向下游延伸而其流路宽度逐渐变窄。排气从大涡旋通道55向大透平机33T的径向中心流入，使大透平机33T绕大透平机轴37的轴心转动。排出通道56是在涡轮增压器3内位于最下游的排气通道，其从大透平机室33向大透平机33T的轴向延出。从大透平机33T的外周向径向内侧流入并且对大透平机33T进行膨胀工作的排气从排出通道56排出。排出通道56的下游端为排气侧凸缘部313中所设的开口，其与延伸到下游的排气净化装置70处的排气通道连接。

排气旁通道57是绕过小透平机室35的通道，亦即是使排气不作用于小透平机35T而将排气引导到下游(大透平机33T)的通道。具体而言，排气旁通道57从排气导入通道51与连通道52之间分支，与大涡旋通道55的上游部汇合，绕过小涡旋通道53及透平机间通道54。排气旁通道57中设置有开闭该通道57的排气旁通阀6。排气旁通阀6包含实际上使排气旁通道57开闭的阀主体61和使阀主体61工作的阀致动器6A。

在排气旁通阀6(阀主体61)为全闭而排气旁通道57处于关闭着的状态下，全排气量流入小透平机室35。此外，当EGR装置80工作而实施EGR气体的回流时，从发动机主体10排出的排气中的除了所述EGR气体以外的气体全量流入小透平机室35。另一方面，在排气旁通阀6处于打开着的状态下，排气的大部分绕过小透平机室35而流入到下游侧的大透平机室33(大涡旋通道55)。即，由于收容于小透平机室35的小透平机35T会成为排气气流的阻力，因此，在排气旁通阀6处于打开的状态下，排气的大部分流入到阻力更小的排气旁通道57。即，排气不通过小透平机35T而流到下游侧。

换言之，不管排气旁通阀6的工作状态如何，排气必定通过大透平机室33的大透平机33T。即，由于始终能够使大型涡轮部3A工作来进行进气的增压，因此，能够提高涡轮增压器3的对进气进行的增压的压力，能够提高发动机系统整体的能源效率。

[涡轮增压器的工作]

涡轮增压器3在发动机主体10的低速转动区域中以小型涡轮部3B和大型涡轮部3A一起工作的方式来对进气进行增压，在发动机主体10的中速至高速转动区域中由大型涡轮部3A对进气进行增压。

当发动机主体10在低速转动区域中工作时，排气旁通阀6为全闭从而排气通过连通道52及小涡旋通道53而供应到小透平机35T。由于小透平机35T的惯性小，因此，即使排气流量小，转速也能够尽早上升，能够提高基于小压缩机36B实现的增压力。此后，排气通过透平机间通道54及大涡旋通道55而被供应到大透平机33T。即，在低速转动区域中，大透平机33T及小透平机35T双方均转动，随此，大压缩机34B及小压缩机36B也转动。因此，大型涡轮部3A及小型涡轮部3B双方均工作，均能够对进气进行增压。

此时，附设于大透平机33T的可变叶片机构39的开度被设定得较小。即，未图示的控制装置以由VGT致动器39A使未图示的喷嘴叶片转动指定角度从而使排气的流路面积变小的方式来进行控制。由此，能够提高流入大透平机33T的排气的流速，能够提高低速转动区域中的基于大压缩机34B实现的增压力。

另一方面，当发动机主体10在中速至高速转动区域中工作时，排气旁通阀6为全开从而排气通过排气旁通道57而专力供应给大透平机33T。即，能够极力抑制排气的气流阻力来供应排气给大透平机33T，因此，能够提高能源效率。此时，可变叶片机构39的喷嘴叶片开度被设定为能够获得预设的指定增压压力的基本叶片开度。

阀致动器6A由电动式的致动器装置构成，不仅能够单纯地使阀主体61开闭，而且能够在全闭至全开之间调整阀主体61的开度。阀主体61的开度以根据每一运转条件而使增压压力达到目标的压力的方式而被设定。目标的增压压力及阀主体61的开度根据发动机转速和发动机负荷而被预先设定。阀致动器6A依照该设定来控制阀主体61的开度。

下面，说明进气的气流。图6及图7是涡轮增压器3的侧视图，其中，图6表示低速转动区域中的涡轮增压器3内的进气气流，图7表示中速至高速转动区域中的涡轮增压器3内的进气气流。在低速转动区域中，如图6中以箭头F0所示般，进气通过进气导入口45A而进入到大型压缩机壳体31C(大压缩机室34)内。此时的进气的气流方向为朝着大压缩机34B的转动轴(大透平机轴37)的方向。

当大压缩机34B与大透平机33T连动而绕轴心转动时，进气被增压。进气如箭头F1所示般，在大涡旋部315中在大压缩机34B的外周涡旋后往下方流动，并通过耦合管317而流入到小型压缩机壳体32C。此后，如箭头F21所示般，进气以流往小压缩机36B的转动轴(小透平机轴38)的方式进入到小压缩机室36，并且被小压缩机36B增压。接着，进气经过小压缩机36B的外周的小涡旋部324而流往下游壳体325。而且，如箭头F3所示般，进气通过进气排出凸缘部326的进气排出口48A而被排出到涡轮增压器3的外部。

在中速至高速转动区域中，进气旁通阀491为全闭而进气旁通道49被关闭，因此，进气的气流路径中的进入小压缩机室36之后的路径与低速转动区域时相比有所不同。即，在图7中，箭头F0及箭头F1的路径与图6相同。然而，进入小型压缩机壳体32C之后，如箭头F22所示般，进气不流往小压缩机室36而通过下游壳体325内的进气旁通道49。于是，如箭头F3所示般，进气通过进气排出口48A而被排出到涡轮增压器8的外部。

[有关涡轮轴的设置的说明]

图8是带涡轮增压器的发动机1的俯视图，图9是该发动机1的侧视图，图10是图9的X-X线剖视图，图11是图9的XI-XI线剖视图。如图8所示，进气导入管40连接于涡轮增压器3的大型压缩机壳体31C。进气导入管40是将空气滤清器41(图5)与大型压缩机壳体31C的后端上所设置的进气导入口45A(图3、图4)予以连接的管构件。进气导入管40沿着发动机主体10的后侧面附近而从右方向左方延伸，其的下游部分向前方弯曲，最下游端结合于进气导入口45A。如图中以箭头F0所示般，被空气滤清器41净化后的进气通过该进气导入管40而被供应给大型压缩机壳体31C。

如图11所示，发动机主体10中直列地布置的四个气缸2的排列方向为发动机主体10的前后方向(气缸列方向)，发动机输出轴(曲轴23)也沿前后方向延伸。图10、图11中表示了与所述发动机输出轴的延伸设置方向相当的直线L1(以下有时称作发动机输出轴L1)。发动机主体10具有在俯视(沿气缸2的轴向的俯视)下大致呈前后方向较长的矩形形状，在后侧具有后侧面10B(发动机主体10中的气缸列方向上的侧面)，在左侧具有左侧面10L。

涡轮增压器3的设置位置为如下的位置：与发动机主体10的左侧面10L相邻，接近后侧面10B且位于发动机主体10的上端(缸盖罩13)附近。由此，具有大压缩机室34的大型压缩机壳体31C便被设置在左侧面10L的上端近傍处的后侧面10B附近。如前所述，涡轮增压器3中，大型涡轮部3A设置在上方，小型涡轮部3B设置在下方。图9的X-X线为在前后方向上通过大型涡轮部3A的线段(图10为该线段上的剖视图)，图9的XI-XI线为在前后方向上通过小型涡轮部3B的线段(图11为该线段上的剖视图)。

图10、图11中分别描画了与大透平机轴37的延伸设置方向相当的直线L2(大透平机轴的轴线，以下有时称作大涡轮轴L2)和与小透平机轴38的延伸设置方向相当的直线L3(小透平机轴的轴线，以下有时称作小涡轮轴L3)。大涡轮轴L2及小涡轮轴L3不完全平行于发动机输出轴L1，但与发动机输出轴L1大致同样地在前后方向上延伸。

大涡轮轴L2在俯视下相对于发动机输出轴L1为非平行，其以该大涡轮轴L2的后端侧相对地接近于发动机主体10的左侧面10L的方式而被设置。即，大涡轮轴L2以大型压缩机壳体31C(大压缩机室34)侧比大型透平机壳体31T(大透平机室33)侧更接近于发动机输出轴L1的方式而被设置。大型涡轮部3A以具有这样的大涡轮轴L2的设置关系的方式相对于发动机主体10而被设置。

小涡轮轴L3在俯视下相对于发动机输出轴L1为非平行，其以该小涡轮轴L3的前端侧相对地接近于发动机主体10的左侧面10L的方式而被设置。即，小涡轮轴L3以小型透平机壳体32T(小透平机室35)侧比小型压缩机壳体32C(小压缩机室36)侧更接近于发动机输出轴L1的方式而被设置。小型涡轮部3B以具有这样的小涡轮轴L3的设置关系的方式相对于发动机主体10而被设置。

如图11所示，小涡轮轴L3在俯视下位于大涡轮轴L2与发动机输出轴L1之间。即，小涡轮轴L3被设置在比大涡轮轴L2更接近于发动机输出轴L1的这一侧。此外，大涡轮轴L2和小涡轮轴L3的相对于发动机输出轴L1的倾斜为彼此相反的方向。因此，若延长大涡轮轴L2和小涡轮轴L3，两者便会在后侧相交。在实际的涡轮增压器3中，在俯视下，小型涡轮部3B以小透平机轴38的小型压缩机壳体32C侧的端部比小型透平机壳体32T更接近于大透平机轴37的方式相对于大型涡轮部3A而被设置。

[作用效果]

根据以上所说明的本实施方式所涉及的带涡轮增压器的发动机1，能够获得如下般的作用效果。即，带涡轮增压器的发动机1的涡轮增压器3为具备在中速至高速转动区域工作用的大型涡轮部3A和在低速转动区域工作用的小型涡轮部3B的两级型的涡轮增压器。在增压器内进气通道44中，大型涡轮部3A的大压缩机室34被设置在比小型涡轮部3B的小压缩机室36更上游侧。而且，大型涡轮部3A及小型涡轮部3B以大涡轮轴L2及小涡轮轴L3与发动机输出轴L1大致同样地在前后方向上延伸的方式相对于发动机主体10设置。

在这样的带涡轮增压器的发动机1中，大型涡轮部3A以大涡轮轴L2的大型压缩机壳体31C侧的端部相对地接近于发动机输出轴L1的方式，并且在大涡轮轴L2相对于发动机输出轴L1具有倾斜的状态下相对于发动机主体10而被设置。此处，构成大压缩机室34的上游侧的进气通道的进气导入管40(上游进气配管)沿着发动机主体10的后侧面10B绕设。在采用这样的进气导入路径的情况下，基于大涡轮轴L2的所述倾斜的倾斜量而能够相应地将进气导入管40的弯曲程度设定为钝角形弯曲程度。因此，能够降低流往大压缩机室34的进气的进气阻力。

有关这一点，根据图12及图13来进行说明。图12是模式地表示了比较例所涉及的涡轮增压器30的设置的俯视图，图13是模式地表示了实施方式所涉及的涡轮增压器3的设置的俯视图。图12的比较例中，涡轮增压器30以大涡轮轴L20及小涡轮轴L30与发动机输出轴L1平行的方式相对于发动机主体10而被组装。在以往的一般的两级型的涡轮增压器中，通常采用这样的涡轮轴的设置。

根据图12的比较例，供应进气给涡轮增压器30的进气导入管400的下游部分的弯曲程度便不得不被设定为锐角形弯曲程度。即，在比较例中，与进气的进入方向相当的大涡轮轴L20相对于发动机输出轴L1不具有倾斜度。因此，若沿着发动机主体10的后侧面10B绕设进气导入管400来将其下游端连接到大型涡轮部3A的大型压缩机壳体31C时，必须将进气导入管400的下游部分弯曲为大致直角。因此，在进气导入管400内流动的进气便如图中的箭头F01所示般会经由较大地弯曲的路径而流入到大型涡轮部3A，导致进气阻力变大。

对此，在采用图13所示的按本实施方式来设置的涡轮增压器3的情况下，能够将进气导入管40的弯曲程度设定得较平缓。即，本实施方式中，大涡轮轴L2相对于发动机输出轴L1具有倾斜度。该倾斜度为如下般的倾斜：作为进气的进入侧的大涡轮轴L2的后端侧相对地接近于发动机输出轴L1而大涡轮轴L2的前端侧相对地远离发动机输出轴L1。因此，若沿着发动机主体10的后侧面10B绕设进气导入管40来将其下游端连接到大型涡轮部3A的大型压缩机壳体31C时，基于大涡轮轴L2的倾斜的倾斜量而能够相应地将进气导入管40的下游部分的弯曲程度设定得较平缓。这样做，如图中的箭头F0所示，能够将在进气导入管40内流动的进气气流的路径的弯曲设定得比较小，有助于抑制进气阻力。因此，能够提高基于大型涡轮部3A实现的进气的增压效率。

此外，如图13所示，小型涡轮部3B以小涡轮轴L3位于大涡轮轴L2与发动机输出轴L1之间的方式而被设置。而且，小型涡轮部3B以小涡轮轴L3的后端侧最接近于大涡轮轴L2的方式而被设置。有关这样的设置关系的优点，根据图14来进行说明。

图14是实施方式所涉及的涡轮增压器3的从压缩机侧观察时的侧视图。在图14中，与之前的图6中的说明同样地以箭头F21来表示从大型压缩机壳体31C流往小型压缩机壳体32C的进气。图5中所说明的压缩机间通道46包括从大涡旋部315的下游依次设置的第一耦合部316、耦合管317、第二耦合部323、以及与小压缩机室36相连的压缩机导入通道327，是在上下方向呈大致直线状延伸的进气通道。这样的结构的压缩机间通道46基于所述的大、小涡轮轴L2、L3的设置关系而得以实现。

由于小涡轮轴L3位于大涡轮轴L2与发动机输出轴L1之间，因此，导入到小压缩机室36的进气的开口(与小压缩机36B相向的压缩机导入通道327的下游开口)便自然地位于大压缩机室34的轴心(大涡轮轴L2)与发动机主体10的左侧面10L之间。因此，能够将通过图14中绕逆时针方向涡旋的大涡旋部315而往小型压缩机壳体32C的压缩机间通道46构成为尽量地短而且弯曲少的进气通道。这样做，如箭头F21所示，能够降低在压缩机间通道46内流动的进气的阻力。

此外，由于采用了使小涡轮轴L3的后端侧接近于大涡轮轴L2的后端侧的设置，因此，能够容易地将压缩机间通道46构成为更短且弯曲更少的进气通道。本实施方式中，大透平机室33内设置有可变叶片机构39，因此，大型透平机壳体31T会成为比较大型的壳体。另一方面，小透平机室35的小透平机35T为FGT，因此，不会变得那么大型。因此，若大涡轮轴L2与小涡轮轴L3为彼此平行，则会成为如下的布局：在涡轮增压器3的后端侧，大涡轮轴L2和小涡轮轴L3在左右方向上较大地幅度地相离开。此情况下，压缩机间通道46便会成为带有弯曲的较长的通道。对此，本实施方式中，由于大涡轮轴L2和小涡轮轴L3在后端彼此接近，因此，能够设置具有从大涡旋部315的下游端向大致垂直下方延伸的结构的压缩机间通道46。

通过设定这样的压缩机间通道46，能够采用如下般的效率良好的制造方式：如根据图4所说明的那样，使凸缘螺柱312A穿通于下凸缘部322的所述通孔，并且以使第一耦合部316嵌入于耦合管317中的方式而将大型涡轮部3A与小型涡轮部3B组装。

此外，划分大压缩机室34的大型压缩机壳体31C被设置在发动机主体10的后侧面10B附近。采用这样的布局，能够使进气导入管40的弯曲程度易于成为锐角形弯曲。特别是本实施方式中，进气导入管40沿着后侧面10B绕设，进气导入管40的下游部分在向前方弯曲后必须马上与大型压缩机壳体31C连接。因此，上述的布局适合于大涡轮轴L2以相对地接近于发动机输出轴L1的方式而具有倾斜度的本发明所涉及的带涡轮增压器的发动机1。

如上所述，根据本发明，在附设有具备大型、小型的涡轮部3A、3B的两级型涡轮增压器3的发动机1中，能够降低涡轮增压器3的增压器内进气通道44中的进气气流的阻力。由此，抑制进气的压力损失，从而能够提高涡轮增压器3的增压效率。

[变形实施方式的说明]

以上，说明了本发明的一实施方式，不过本发明并不限定于此。例如在图11中，示出了小涡轮轴L3以该小涡轮轴L3的前端侧相对地接近于发动机输出轴L1的方式而相对于发动机输出轴L1倾斜的例子。也可以取代该结构而以小涡轮轴L3与发动机输出轴L1平行的方式来设定小型涡轮部3B的相对于发动机主体10的位置。此外，在上述的实施方式中，还示出了在大透平机室33内设置可变叶片机构39的例子，不过，大透平机33T也可以是FGT。

上述的具体的实施方式中公开了具有以下结构的带涡轮增压器的发动机。

本发明所涉及的带涡轮增压器的发动机包括：发动机主体，具备气缸及发动机输出轴；涡轮增压器，以与所述发动机主体相邻的方式而被设置，具有接受来自所述发动机主体的排气的排气通道和将进气供应给所述发动机主体的进气通道，而且对所述进气进行增压；其中，所述涡轮增压器包括：大型涡轮部，包含与所述排气通道连通并且内置有大透平机的大透平机室、与所述进气通道连通并且内置有大压缩机的大压缩机室、以及在所述大透平机室与所述大压缩机室之间延伸并且将所述大透平机与所述大压缩机连结的大透平机轴，主要在所述发动机主体的中速至高速转动区域中工作；小型涡轮部，包含与所述排气通道连通并且内置有小透平机的小透平机室、与所述进气通道连通并且内置有小压缩机的小压缩机室、以及在所述小透平机室与所述小压缩机室之间延伸并且将所述小透平机与所述小压缩机连结的小透平机轴，主要在所述发动机主体的低速转动区域中工作；其中，所述大压缩机室设置在所述进气通道上的比所述小压缩机室更靠上游侧的位置，所述大透平机轴的轴线亦即大涡轮轴及所述小透平机轴的轴线亦即小涡轮轴以在与所述发动机输出轴同方向上延伸的方式而被设置，所述大型涡轮部以如下的方式相对于所述发动机主体而被设置：在俯视下(也就是，沿着所述气缸的轴向方向从上方看时)，所述大涡轮轴相对于所述发动机输出轴为非平行，所述大涡轮轴的大压缩机室侧比该大涡轮轴的大透平机室侧更靠近所述发动机输出轴。

根据该带涡轮增压器的发动机，以大涡轮轴的大压缩机室侧相对地接近于发动机输出轴的方式，以大涡轮轴具有倾斜度的状态来设置大型涡轮部。因此，在构成大压缩机室的上游侧的进气通道的上游进气配管从发动机主体侧被绕设那样的情况下，基于所述倾斜度，能够相应地将所述上游进气配管的弯曲程度设定为较平缓的钝角形弯曲。因此，能够降低流往大压缩机室的进气的进气阻力。本说明书中，“大涡轮轴及小涡轮轴在与发动机输出轴同方向上延伸”中的“同方向”不仅指严格定义下的“同方向”，而且还包含指向大致相同方向的含意下的“同方向”。例如，大涡轮轴及或小涡轮轴相对于发动机输出轴具有10°至20°左右的倾斜度的情形也包含在该“同方向”中。

上述带涡轮增压器的发动机中较为理想的是，所述小型涡轮部以在所述俯视下使所述小涡轮轴位于所述大涡轮轴与所述发动机输出轴之间的方式而被设置。

根据该带涡轮增压器的发动机，将进气导往小压缩机室的开口(沿着小涡轮轴的开口)在所述俯视下便自然地位于大压缩机室的轴心与发动机主体的侧面之间。因此，能够容易地将从进气通道上的上游侧的大压缩机室往下游侧的小压缩机室的压缩机间进气通道构成为尽量地短而且弯曲少的进气通道。因此，能够降低压缩机间进气通道中的进气阻力。

此情况下较为理想的是，所述小型涡轮部以在所述俯视下使所述小涡轮轴的小压缩机室侧比该小涡轮轴的小透平机室侧更接近于所述大涡轮轴的方式而被设置。由此，能够容易地将所述压缩机间进气通道构成为更短而且弯曲更少的进气通道。

上述带涡轮增压器的发动机中较为理想的是，所述发动机主体具备直列地设置的多个气缸，所述大压缩机室设置在所述发动机主体的气缸列方向上的侧面附近。

在采用大压缩机室被设置在发动机主体的气缸列方向上的侧面附近的布局的情况下，所述上游进气配管的弯曲程度易于成为锐角形弯曲。特别是在所述上游进气配管沿着发动机主体的气缸列方向上的侧面绕设的情况下，所述上游进气配管在呈锐角弯曲后必须马上与大压缩机室连接。因此，上述的布局适合于大涡轮轴以相对地接近于发动机输出轴的方式而具有倾斜度的本发明所涉及的带涡轮增压器的发动机。

如上所述，根据本发明，能够提供一种如下的带涡轮增压器的发动机：在涡轮增压器具有大型及小型的涡轮部的情况下，能够降低进气阻力提高增压效率。

Claims (4)

1.一种带涡轮增压器的发动机，其特征在于包括：

发动机主体，具备气缸及发动机输出轴；

涡轮增压器，以与所述发动机主体相邻的方式而被设置，具有接受来自所述发动机主体的排气的排气通道和将进气供应给所述发动机主体的进气通道，而且对所述进气进行增压；其中，

所述涡轮增压器包括：

大型涡轮部，包含与所述排气通道连通并且内置有大透平机的大透平机室、与所述进气通道连通并且内置有大压缩机的大压缩机室、以及在所述大透平机室与所述大压缩机室之间延伸并且将所述大透平机与所述大压缩机连结的大透平机轴，主要在所述发动机主体的中速至高速转动区域中工作；

小型涡轮部，包含与所述排气通道连通并且内置有小透平机的小透平机室、与所述进气通道连通并且内置有小压缩机的小压缩机室、以及在所述小透平机室与所述小压缩机室之间延伸并且将所述小透平机与所述小压缩机连结的小透平机轴，主要在所述发动机主体的低速转动区域中工作；其中，

所述大压缩机室设置在所述进气通道上的比所述小压缩机室更靠上游侧的位置，所述大透平机轴的轴线亦即大涡轮轴及所述小透平机轴的轴线亦即小涡轮轴以在与所述发动机输出轴同方向上延伸的方式而被设置，

所述大型涡轮部以如下的方式相对于所述发动机主体而被设置：在所述气缸的轴向的俯视下，所述大涡轮轴相对于所述发动机输出轴为非平行，所述大涡轮轴的大压缩机室侧比该大涡轮轴的大透平机室侧更靠近所述发动机输出轴。

2.根据权利要求1所述的带涡轮增压器的发动机，其特征在于：

所述小型涡轮部以在所述俯视下使所述小涡轮轴位于所述大涡轮轴与所述发动机输出轴之间的方式而被设置。

3.根据权利要求2所述的带涡轮增压器的发动机，其特征在于：

所述小型涡轮部以在所述俯视下使所述小涡轮轴的小压缩机室侧比该小涡轮轴的小透平机室侧更接近于所述大涡轮轴的方式而被设置。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的带涡轮增压器的发动机，其特征在于：

所述发动机主体具备直列地设置的多个气缸，

所述大压缩机室设置在所述发动机主体的气缸列方向上的侧面附近。