JP2010084579A - エンジンの排気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ウエストゲートバルブの開放時にエンジンの出力トルクが一時的に低下することを防止すること。
【解決手段】排気ターボ過給機のタービン内に設けたタービンホイールにより排出される排気の排気出口通路と、前記タービンホイールよりも上流の排気通路と、前記排気出口通路とを接続し、前記タービンホイールを迂回する排気通路を形成するバイパス通路と、前記バイパス通路を開閉するウエストゲートバルブと、を備えたエンジンの排気装置において、前記排気出口通路の前記タービンホイール側端部から、前記排気出口通路と前記バイパス通路との接続部までの区間の距離が、前記排気出口通路の前記タービンホイール側端部の直径の２倍以上であることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、排気ターボ過給機を有するエンジンの排気装置に関するものである。

排気ターボ過給機付きのエンジンでは、一般に、過給圧が一定以上に上がらないようにするため、バイパス通路に設けたウエストゲートバルブの開閉により、排気がタービンを迂回するようにしている（例えば、特許文献１）。

特開２００３−５８８３９号公報

ここで、加速時等において過給圧が高まり、ウエストゲートバルブが開放した場合、一時的にエンジンの出力トルクが低下する場合がある。出力トルクが低下すると車両のスムーズな加速が妨げられることになる。その原因は、タービンホイールにより排出される排気主流にバイパス通路を通過した排気が干渉して、排気主流の流れが悪化し、タービンの仕事量が一時的に悪化して過給圧が落ち込むことにあると考えた。詳細には、タービンホイールによる排出直後の排気主流は旋回流を生じている。この旋回流を、バイパス通路を通過した、タービン上流側のより高圧な排気が押しつぶすように干渉することで、排気主流の流れが悪化すると考えた。

本発明の目的は、ウエストゲートバルブの開放時にエンジンの出力トルクが一時的に低下することを防止することにある。

本発明によれば、排気ターボ過給機のタービン内に設けたタービンホイールにより排出される排気の排気出口通路と、前記タービンホイールよりも上流の排気通路と、前記排気出口通路とを接続し、前記タービンホイールを迂回する排気通路を形成するバイパス通路と、前記バイパス通路を開閉するウエストゲートバルブと、を備えたエンジンの排気装置において、前記排気出口通路の前記タービンホイール側端部から、前記排気出口通路と前記バイパス通路との接続部までの区間の距離が、前記排気出口通路の前記タービンホイール側端部の直径の２倍以上であることを特徴とするエンジンの排気装置が提供される。

一般に、管路に導入された乱流は、管路径の２倍以上の管路長分流れると、ある程度整流されることが知られている。本発明は、前記区間の距離を、前記排気出口通路の前記タービンホイール側端部の直径の２倍以上とすることで、前記排気出口通路を流れる排気主流の旋回流状態が、ある程度減衰した位置で、前記バイパス通路を通過した排気を合流させることで、排気主流の流れが悪化することを抑制することができる。これにより、ウエストゲートバルブの開放時にエンジンの出力トルクが一時的に低下することを防止することができる。

本発明においては、前記排気出口通路が湾曲部を有し、前記排気出口通路を形成する壁部が、前記湾曲部の外周側を形成する外周側湾曲壁部と、前記湾曲部の内周側を形成する内周側湾曲壁部と、前記タービンホイール側端部と前記外周側湾曲壁部との間の直線状の壁部と、を有し、前記接続部が前記直線状の壁部に形成されてもよい。

エンジンのレイアウト上、前記排気出口通路は、その配設スペース確保のため、湾曲させる場合が多い。排気主流は脈動するため、湾曲部が存在すると、排気主流の流れが悪化し易く、そこにバイパス通路を経由した排気が合流すると更に排気主流の流れが悪化する虞がある。この構成によれば、前記タービンホイール側端部と前記外周側湾曲壁部との間に前記直線状の壁部を設け、前記接続部を前記直線状の壁部に形成したことにより、前記湾曲部を設けた構成において、排気主流の流れの悪化を抑制することができる。

また、本発明においては、前記内周側湾曲壁部が、前記区間の途中から形成され、前記排気出口通路の前記接続部における通路断面積が、前記排気出口通路の前記タービンホイール側端部の通路断面積よりも大きくてもよい。

この構成によれば、前記湾曲部において前記排気出口通路の容積を拡大することで、排気主流の旋回流状態の減衰を促進することができる。

また、本発明においては、前記エンジンが多気筒エンジンであり、互いに排気順序が隣り合わない気筒からなる２つの気筒グループ毎に、各気筒の排気通路を下流側で集合して形成された第１及び第２集合排気通路を備え、前記排気ターボ過給機が、前記第１及び第２集合排気通路の各下流端が接続されたタービン入口部を有していてもよい。この構成によれば、気筒間の排気干渉を抑制して、排気エネルギをより効率よくタービンに利用しながら、前記排気出口通路を流れる排気主流の流れの悪化を抑制できる。

また、本発明においては、前記第１集合排気通路は前記第２集合排気通路よりも容積が小さく、前記第１集合排気通路の前記下流端が、前記第２集合排気通路の前記下流端よりも、前記タービンホイールの径方向外側で前記タービン入口部に接続されてもよい。この構成によれば、前記第１集合排気通路を通過した排気は、その流速低下が小さい状態で、タービンホイールに導かれ、排気の運動エネルギによりタービンホイールの回転上昇の立ち上がりを早くすることができる。一方、前記第１集合排気通路を通過した排気は相対的に流速が速く、前記第２集合排気通路を通過した排気は相対的に流速が遅くなり、前記排気出口通路を流れる排気主流が、高速、低速の繰り返しとなり、前記バイパス通路を通過した排気との合流により、排気主流の流れの悪化が生じ易くなるが、上記構成により、これを抑制できる。

また、本発明においては、前記バイパス通路を、前記タービンのハウジング内に形成してもよい。この構成によれば、前記バイパス通路を形成するにあたり、部品点数をより少なくすることができる。

以上述べた通り、本発明によれば、ウエストゲートバルブの開放時にエンジンの出力トルクが一時的に低下することを防止することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る排気装置を適用したエンジンＡのブロック図である。エンジンＡは、本実施形態の場合、直列４気筒の４サイクルディーゼルエンジンであるが、本発明はガソリンエンジンや、気筒数、気筒配置の異なる他の多気筒エンジンにも適用可能である。

エンジンＡは、シリンダヘッド及びシリンダブロック等からなるエンジン本体１を備える。エンジン本体１は、４つの気筒２（＃１乃至＃４）を備える。４つの気筒２（＃１乃至＃４）の排気順序は、本実施形態の場合、気筒２（＃１）→気筒２（＃３）→気筒２（＃４）→気筒２（＃２）である。各気筒２には、電子制御式の燃料噴射弁３と、吸気ポート４を開閉する２つの吸気バルブ、及び、排気ポート６を開閉する２つの排気バルブと、が設けられている。各吸気ポート４には、吸気マニホールド５が接続されている。また、本実施形態の場合、各排気ポート６には、排気マニホールド１０、２０が接続されている。

排気マニホールド１０は、互いに排気順序が隣り合わない気筒（＃２）と気筒（＃３）のグループの集合排気通路を形成する。排気マニホールド１０は、気筒（＃２）と気筒（＃３）の各排気ポートにそれぞれ接続された分岐管部１１と、これら分岐管部１１の下流側を集合させた集合部１２と、を有する。排気マニホールド２０は、互いに排気順序が隣り合わない気筒（＃１）と気筒（＃４）のグループの集合排気通路を形成する。排気マニホールド２０は、気筒（＃１）と気筒（＃４）の各排気ポートにそれぞれ接続された分岐管部２１と、これら分岐管部２１の下流側を集合させた集合部２２と、を有する。

排気マニホールド１０は、その内部の通路の容積として、と排気マニホールド２０の内部の通路の容積よりも大きい容積を有する。本実施形態の場合、排気マニホールド１０及び２０の基本横断面積（分岐管部１１、２１の内部通路の横断面積）は略同一とする一方、排気マニホールド１０及び２０の通路長を排気マニホールド１０の方が短くすることにより、これらの内部の通路の容積に差を生じさせている。このように容積の大小を、通路長の長短で実現することで、より簡易に容積の大小を実現できる。

エンジンＡは、排気ターボ過給機（以下、単に過給機ともいう。）３０を備える。過給機３０は、タービン３１と、コンプレッサ３２と、を備え、これらの内部に設けられたタービンホイールとコンプレッサホイールとが軸３３で連結されている。周知の通り、排気によりタービンホイールが回転し、その駆動力が軸３３を介してコンプレッサホイールに伝達され、吸気通路７ａからコンプレッサ３２に導入される吸気が過給されて吸気通路７ｂへ圧送される。

吸気通路７ｂは吸気マニホールド５と接続されており、過給された吸気は、気筒２へ導入されることになる。本実施形態の場合、吸気通路７ｂと排気マニホールド２１とはＥＧＲガス通路９で接続されており、排気の一部が吸気に還流されるようにされている。ＥＧＲバルブ９ａはＥＧＲガス通路９を開閉する。

排気出口通路８は、タービン３１内に設けたタービンホイールにより排出される排気の通路を構成する。本実施形態の場合、排気出口通路８は、タービン３１の一部と、排気管４０と、により形成され、エンジンＡのレイアウトの都合上、排気出口通路８の配設スペース確保のため、その一部に湾曲部８ａを有している。

バイパス通路（ウエストゲート通路）３４は、タービン３１内に設けたタービンホイールよりも上流の排気通路と、排気出口通路８とを接続し、タービンホイールを迂回する排気通路を形成する。バイパス通路３４には、バイパス通路３４を開閉するウエストゲートバルブ３５が設けられている。ウエストゲートバルブ３５は弁部材３５ａとアクチュエータ３５ｂとを備え、アクチュエータ３５ｂの作動により弁部材３５ａを開閉することで、バイパス通路３４を開閉する。

触媒５０は、排気を浄化するものであって、本実施形態の場合、バイパス通路３４及び湾曲部８ａよりも下流側に配置されている。

ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）１００は、エンジンＡを制御する。ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ１０１と、ＲＯＭ１０２と、ＲＡＭ１０３と、Ｉ／Ｆ（インターフェース）１０４とを備える。ＣＰＵ１０１はＲＯＭ１０２に記憶された制御プログラムを実行する。ＲＡＭ１０３には一時的なデータが記憶される。なお、ＲＯＭ１０２及びＲＡＭ１０３としては他の記憶手段でもよい。Ｉ／Ｆ１０４には、吸気通路７ｂに設けた吸気圧センサ１１０を含む各種センサ、及び、アクチュエータ３５ｂを含む各種アクチュエータが電気的に接続され、ＣＰＵ１０１は、各種センサの検出結果に基づいて、各種アクチュエータを制御する。

本実施形態の場合、ＣＰＵ１０１は、吸気圧センサ１１０により検出される吸気圧（過給圧）が規定値に達するとアクチュエータ３５ｂに弁部材３５ａを開放させる制御信号を出力する。これにより、バイパス通路３４が開通することになる。なお、本実施形態では、ウエストゲートバルブ３５を、過給圧を基準として開閉する形式としたが、排気圧を基準として開閉する形式としてもよく、この場合は、ＣＰＵ１０１の介在が不要なリリーフ弁等を採用できる。

次に、タービン３１周辺の構成について詳述する。図２は、タービン３１及び排気管４０の断面図である。図３は、図２の線Ｘ−Ｘに沿うタービンハウジング３１０の断面図である。図３において、２点鎖線は、図２の線Ｙ−Ｙに沿うタービンハウジング３１０の断面図である。

本実施形態の場合、過給機３０は、軸３３の軸方向が気筒列方向と平行となるように配設されている。また、湾曲部８ａは弧状に湾曲していると共に、排気出口通路８をエンジンＡの上下方向下側へ湾曲させている。

タービン３１は、タービンハウジング３１０と、タービン３１の内部空間を規定する蝸牛形状のタービンスクロール部３１１と、タービンホイール３１２と、を有する。タービンスクロール部３１１の上流端は、排気マニホールド１０及び２０と接続される入口部３１ａと連通している。

バイパス通路３４は、本実施形態の場合、連通孔３１ａ’においてタービンスクロール部３１１から分岐して、タービンハウジング３１０内に形成されている。弁部材３５ａは連通孔３１ａ’を開閉するように配置されている。なお、本実施形態では、バイパス通路３４をタービンハウジング３１０内に形成したが、外部配管でもよい。尤も、タービンハウジング３１０内に形成することで、部品点数をより少なくすることができる。

タービン３１は、排気出口通路８の一部を形成する管状部３１３を備える。管状部３１３は、タービンホイール３１２近傍から軸３３の軸方向に延びる円筒状をなし、タービンスクロール部３１１と連通している。管状部３１３は、本実施形態の場合、そのタービンホイール３１２側の端部からＰ点までは直径が同じであり、その後、拡径したラッパ状をなしている。

バイパス通路３４と管状部３１３の内部空間とは、連通孔３４ａを接続部として連通しており、弁部材３５ａ開放時には、入口部３１ａに導入された排気が、タービンホイール３１２を経由せずにバイパス通路３４を通って排気出口通路８へ導かれることになる。

ここで、管状部３１３内において、タービンホイール３１２から流れる排気主流は、軸３３の軸方向回りの旋回流を生じている。一方、バイパス通路３４を通過する排気は、タービンホイール３１２の上流側であり、より高圧である。弁部材３５ａの開放時に、この高圧な排気が旋回流を押しつぶすように旋回流と干渉することで、排気主流の流れが悪化し、タービン３１の仕事量が一時的に悪化する。

そこで、排気出口通路８のタービンホイール３１２側端部から、連通孔３４ａまでの区間Ｓの距離は、排気出口通路８のタービンホイール３１２側端部の直径Ｄ０の２倍以上に設定されている。一般に、管路に導入された乱流は、管路径の２倍以上の管路長分流れると、ある程度整流されることが知られている。区間Ｓの距離を直径Ｄ０の２倍以上とすることで、排気出口通路８を流れる排気主流の旋回流状態が、ある程度減衰した位置で、バイパス通路３４を通過した排気を合流させることで、排気主流の流れが悪化することを抑制することができる。これにより、ウエストゲートバルブ３５の開放時にエンジンＡの出力トルクが一時的に低下することを防止することができる。なお、区間Ｓのいずれの部位においても、排気出口通路８の直径（つまり、管状部３１３の内部空間の直径）は、Ｄ０以上であることが望ましい。

次に、排気管４０は、湾曲部８ａの外周側を形成する外周側湾曲壁部４１と、内周側を形成する内周側湾曲壁部４２と、を有する。一方、管状部３１３は、外周側湾曲壁部４１と管状部３１３のタービンホイール３１２側端部との間の直線状の壁部３１３ａと、内周側湾曲壁部４２と管状部３１３のタービンホイール３１２側端部との間の、湾曲壁部３１３ｂ及び直線状の壁部３１３ｃと、を有する。これらの壁部及びその形状は、排気出口通路８の中心軸線を含む仮想平面で、排気出口通路８を構成する部材（つまり、管状部３１３及び排気管４０）を切断すること（つまり、図２）で特定される。

そして、連通孔３４ａは、直線状の壁部３１３ａに形成されている。排気主流は脈動するため、湾曲部８ａが存在すると、排気主流の流れが悪化し易く、そこにバイパス通路３４を経由した排気が合流すると更に排気主流の流れが悪化する虞がある。本実施形態の構成によれば、連通孔３４ａを直線状の壁部３１３ａに形成したので、排気主流の流れの悪化を抑制することができる。

湾曲壁部３１３ｂは、内周側湾曲壁部４２と共に、湾曲部８ａの内周側の壁部を形成しており、しかも、区間Ｓの途中から形成されている。このため、排気出口通路８の連通孔３４ａにおける直径Ｄ１は、Ｄ１＞Ｄ０の関係にあり、排気出口通路８の連通孔３４ａにおける通路断面積が、排気出口通路８のタービンホイール３１２側端部の通路断面積よりも大きくなっている。このように湾曲部８ａにおいて排気出口通路８の容積が拡大され、しかも、区間Ｓの途中から容積が拡大されることで、排気圧が開放されて、排気主流の旋回流状態の減衰を促進することができる。

次に、図３を参照して、排気マニホールド１０及び２０は、それらの集合部１２、２２が、内部空間が互いに隔離された状態で一体に結合されて、タービン３１の入口部３１ａに接続されている。排気マニホールド１０の下流端である集合部１２の端部は、排気マニホールド２０の下流端である集合部２２の端部よりも、タービンホイール３１２の径方向外側で入口部３１ａに接続されており、入口部３１ａにおいて、集合部１２と集合部２２とは、タービンホイール３１２の径方向に併設されて入口部３１ａに接続されている。

このような構成により、排気マニホールド１０を通過する排気は、図３において矢印ｄ１で示すように、タービンスクロール部３１１内において、タービンホイール３１２の径方向外側を流れ易くなり、排気マニホールド２０を通過する排気は、図３において矢印ｄ２で示すように、タービンスクロール部３１１内において、タービンホイール３１２の径方向内側を流れ易くなる。

排気マニホールド１０は排気マニホールド２０よりも容積が小さくしたがって、排気ポート６から排出される排気の排気流速を排気マニホールド２０を通過する場合よりも低下させずにタービン３１に導くことができる。しかも、排気マニホールド１０を通過した排気は、タービンスクロール部３１１内においてタービンホイール３１２の径方向外側を流れ易いので、タービン３１内部においても流速の低下が小さい状態で、タービンホイール３１２に導かれる。

一般に、排気バルブの開弁直後は、排気流速が早く、排気のエネルギ（ブローダウンエネルギ）が高いことが知られている。本実施形態では、排気マニホールド１０において、排気流速をできるだけ低下させずに、タービンホイール３１２に排気を導くことで、ブローダウンエネルギを最大限活用し、流速による運動エネルギでタービンホイール３１２の起動イナーシャを立ち上げ、その回転上昇に効率よく利用し、応答性を向上することができる。

また、本実施形態の場合、入口部３１ａは、排気マニホールド１０と連通する、相対的にタービンホイール３１２の径方向外側の第１区画室Ｃ１と、排気マニホールド２０と連通する、相対的にタービンホイール３１２の径方向内側の第２区画室Ｃ２と、に入口部３１ａの内部空間を仕切る仕切り壁３１ｂを有している。この構成により、排気マニホールド１０を通過した排気と、排気マニホールド２０を通過した排気との、タービン３１内での干渉を遅らせ、当該干渉による排気マニホールド１０を通過した排気の流速低下を小さくすることができ、加速時の応答性を更に向上できる。

本実施形態では、互いに排気順序が隣り合わない気筒からなる２つの気筒グループ毎に、各気筒の排気通路を下流側で集合して形成された排気マニホールド１０及び２０を入口部３１ａに接続したが、各気筒に連通した排気マニホールドを１つのみとしてもよい。しかし、本実施形態の構成によれば、気筒間の排気干渉を抑制して、排気エネルギをより効率よくタービン３１に利用できる。この構成の場合、各気筒に連通した排気マニホールドを１つのみとした場合よりも排気脈動が大きくなる場合があるが、ウエストゲートバルブ３５開放時に排気出口通路８を流れる排気主流の流れの悪化は、上記構成により抑制できる。

また、本実施形態では、排気マニホールド１０及び２０を、タービンホイール３１２の径方向に並べて入口部３１ａに接続する構成としたが、軸方向に並べて接続する構成としてもよい。しかし、本実施形態の構成によれば、排気マニホールド１０を通過した排気は、その流速低下が小さい状態で、タービンホイール３１２に導かれる。そして、加速運転の開始時に可変翼３１３の開度を最小にして流速を高めることで、排気の運動エネルギによりタービンホイール３１３の回転上昇の立ち上がりを早くすることができる。この構成の場合、排気マニホールド１０を通過した排気は相対的に流速が速く、排気マニホールド２０を通過した排気は相対的に流速が遅くなり、排気出口通路８を流れる排気主流が、高速、低速の繰り返しとなり、バイパス通路３４を通過した排気との合流により、排気主流の流れの悪化が生じ易くなるが、ウエストゲートバルブ３５開放時に排気出口通路８を流れる排気主流の流れの悪化は、上記構成により抑制できる。

本発明の一実施形態に係る排気装置を適用したエンジンＡのブロック図である。 タービン３１及び排気管４０の断面図である。 図２の線Ｘ−Ｘに沿うタービンハウジング３１０の断面図である。

符号の説明

Ａ エンジン
２（＃１〜＃４） 気筒
８ 排気出口通路
１０、２０ 排気マニホールド
３０ 排気ターボ過給機
３１ タービン
３４ バイパス通路
３５ ウエストゲートバルブ

Claims (6)

1. 排気ターボ過給機のタービン内に設けたタービンホイールにより排出される排気の排気出口通路と、
   前記タービンホイールよりも上流の排気通路と、前記排気出口通路とを接続し、前記タービンホイールを迂回する排気通路を形成するバイパス通路と、
   前記バイパス通路を開閉するウエストゲートバルブと、
   を備えたエンジンの排気装置において、
   前記排気出口通路の前記タービンホイール側端部から、前記排気出口通路と前記バイパス通路との接続部までの区間の距離が、前記排気出口通路の前記タービンホイール側端部の直径の２倍以上であることを特徴とするエンジンの排気装置。
2. 前記排気出口通路が湾曲部を有し、
   前記排気出口通路を形成する壁部が、前記湾曲部の外周側を形成する外周側湾曲壁部と、前記湾曲部の内周側を形成する内周側湾曲壁部と、前記タービンホイール側端部と前記外周側湾曲壁部との間の直線状の壁部と、を有し、
   前記接続部が前記直線状の壁部に形成されたことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気装置。
3. 前記内周側湾曲壁部が、前記区間の途中から形成され、
   前記排気出口通路の前記接続部における通路断面積が、前記排気出口通路の前記タービンホイール側端部の通路断面積よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載のエンジンの排気装置。
4. 前記エンジンが多気筒エンジンであり、
   互いに排気順序が隣り合わない気筒からなる２つの気筒グループ毎に、各気筒の排気通路を下流側で集合して形成された第１及び第２集合排気通路を備え、
   前記排気ターボ過給機が、前記第１及び第２集合排気通路の各下流端が接続されたタービン入口部を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のエンジンの排気装置。
5. 前記第１集合排気通路は前記第２集合排気通路よりも容積が小さく、
   前記第１集合排気通路の前記下流端が、前記第２集合排気通路の前記下流端よりも、前記タービンホイールの径方向外側で前記タービン入口部に接続されたことを特徴とする請求項４に記載のエンジンの排気装置。
6. 前記バイパス通路を、前記タービンのハウジング内に形成したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のエンジンの排気装置。

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