JP2016070273A - ターボ過給エンジン及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のターボ過給機の使用に伴う問題を最小化したターボ過給エンジンを提供する。【解決手段】ターボ過給エンジン１のターボ過給機が、コンプレッサ１０と、タービン２０と、コンプレッサ１０をタービン２０に駆動接続するドライブシャフト１５と、を備え、コンプレッサ１０が、エンジン本体を構成する主構成要素の長手方向に延びる側面に、タービン２０に対して離れて別個に配置され、ドライブシャフト１５が、該ドライブシャフト１５の両端部で、軸受１６，１７によって回転可能に支持され、少なくとも１つの上記軸受が、上記エンジン本体の上記主構成要素に保持されている。【選択図】図１

Description

本発明は、ターボ過給エンジン及びその製造方法に関し、特にエンジン本体に対するターボ過給機の配置の改良に関する。

従来より、出力トルク、エミッション及び燃焼効率の観点でエンジン性能を向上させるために、エンジン本体に取り込まれる空気を圧縮するターボ過給機を備えたターボ過給エンジンがよく知られている。

従来のターボ過給機は、例えば特許文献１に示されているように、一端部のチャンバに回転可能に支持された回転式コンプレッサと他端部のチャンバに回転可能に支持されたタービンとを有するハウジングを備えている。タービンとコンプレッサとは、そのハウジングにおける中央部の軸受部によって支持されたドライブシャフトを介して駆動可能に接続されている。

タービンは、エンジン本体からの排気ガスを受けて、該排気ガスの運動エネルギーを回転駆動トルクに変換するために配置されており、該回転駆動トルクはコンプレッサに供給される。コンプレッサは、吸入空気（外気、外気と再循環排気ガスとの混合ガス等を含む）が供給されて、該供給された空気を圧縮して、エンジン本体のシリンダに該圧縮空気を供給する。

特開平５−３２１６８７号公報

しかしながら、従来のターボ過給機における構成部品の配置では、自動車のエンジンルーム内にターボ過給機を収容するときに、いくつかの問題が生じる。

第１の問題は、ターボ過給機をエンジン本体に接続するために使用されるダクトの長さと該ダクトの複雑さとを妥協せざるを得ないということである。例えば、従来のターボ過給機がエンジンルーム内に配置されたとき、吸気ダクト及び排気ダクトのうちの一方の長さが優先されることになる。

ターボ過給機は、通常、エンジン本体の排気側の近傍に位置している。この構成では、空気が入るエアボックスにコンプレッサの入口を接続し、かつ、クロスフローエンジンの場合におけるエンジン本体のターボ過給機とは反対側に位置する吸気マニホールドにコンプレッサの出口を接続するために、長い吸気ダクトが要求される。このような長さのダクトは、材料費の増加、質量の増加、複雑さの増加、各種装置等の搭載領域の減少、衝突性能の低下、圧力低下による効率の低下、及びターボラグと呼ばれるトルク反応時間の増加等といった、様々な不都合を招く。

第２に、従来のターボ過給機は、支持すべき質量が比較的大きいということである。ターボ過給機の完全な組立体は、エンジン本体の主構成要素に、ブラケットを介して、又は直接に、強固に支持される必要がある。

第３に、比較的堅いターボ過給機の搭載により、衝突性能が低くなってしまういうことである。すなわち、ターボ過給機のユニットが、車両衝突の際に他の構成要素によって衝撃力を受けるスペースを占有してしまうことから、衝突性能が低くなってしまう。上記スペースに堅いターボ過給機が存在することで、自動車の前面から車室に向かって衝撃エネルギーが伝達しやすくなるおそれがある。

第４に、エンジン本体からターボ過給機のコンプレッサ側の構成要素へ放射熱が伝達するとともに、ターボ過給機の発熱したタービン部分が、ターボ過給機のコンプレッサ部分と近接しかつ接触するせいで、タービンからコンプレッサに熱が伝わる。そのため、ターボ過給機のコンプレッサ側の構成要素にはより耐熱性の良好な材料を使う必要があるために材料費が増加すること、熱効果のためにコンプレッサの出力からの過給温度がより高くなることで、過給される空気の温度がより高くなるためにエンジン効率の低下を招いてしまうこと、コンプレッサ下流側での過給気の冷却（インタークーラでの冷却）を増加させる必要があるために効率が低下すること、ターボ過給機の高温側と低温側との間で温度が異なるために熱疲労が増加すること等といった不利益を招いてしまう。

本発明の目的は、従来のターボ過給機の使用に伴う問題を最小化したターボ過給エンジンを提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の態様では、クランクシャフトを有するエンジン本体とターボ過給機とを備えたターボ過給エンジンが提供される。このターボ過給エンジンの上記ターボ過給機は、エンジン本体の少なくとも１つの吸気口に過給気を供給するコンプレッサと、上記エンジン本体の少なくとも１つの排気口に接続されたタービンと、上記コンプレッサを上記タービンに駆動接続するドライブシャフトと、を備え、上記コンプレッサは、上記エンジン本体を構成する主構成要素の長手方向に延びる側面に、上記タービンに対して離れて別個に配置され、上記ドライブシャフトは、該ドライブシャフトの両端部で、軸受によって回転可能にそれぞれ支持され、少なくとも１つの上記軸受が、上記エンジン本体の上記主構成要素に保持されている。

上記エンジン本体の上記主構成要素は、シリンダブロック、クランクケース、シリンダヘッド、及びシリンダバンクのうちの１つを含んでいてもよい。

上記コンプレッサは、作動室を規定するコンプレッサハウジングと、該作動室内に配置されたコンプレッサロータと、を有し、上記コンプレッサハウジングは、上記エンジン本体の上記主構成要素の長手方向に延びる側面に取り付けられていてもよい。

上記タービンは、作動室を規定するタービンハウジングと、該作動室内に配置されたタービンロータと、を有し、上記タービンハウジングは、上記エンジン本体の上記主構成要素の長手方向に延びる側面に取り付けられていてもよい。

上記コンプレッサハウジング及び上記タービンハウジングは、上記エンジン本体の上記主構成要素の長手方向に延びる、相対向する２つの側面にそれぞれ取り付けられ、上記コンプレッサロータは、上記ドライブシャフトの一端部に取り付けられ、上記タービンロータは、上記ドライブシャフトの他端部に取り付けられていてもよい。

上記ドライブシャフトは、上記エンジン本体の上記クランクシャフトの回転軸に対して、実質的に９０度の角度をなして延びるように配置されていることが好ましい。

上記エンジン本体の上記主構成要素は、少なくとも１つのシリンダを規定するシリンダブロックであり、上記ターボ過給機の上記ドライブシャフトは、上記シリンダブロックの長手方向に延びる、相対向する２つの側面のうちの一方の側面から他方の側面まで延びていてもよい。

上記ターボ過給機の上記ドライブシャフトは、上記エンジン本体の、上記クランクシャフトと上記少なくとも１つのシリンダの下端との間の領域において、上記シリンダブロックを横切っていてもよい。

上記エンジン本体は、シリンダヘッドを有し、上記シリンダヘッドは、該シリンダヘッドの長手方向に延びる、相対向する２つの側面のうちの一方の側面に、１つ又は複数の吸気口を有し、他方の側面に、１つ又は複数の排気口を有し、上記コンプレッサは、上記エンジン本体において上記吸気口と同じ側の側面に配置され、上記タービンは、上記エンジン本体において上記排気口と同じ側の側面に配置されていてもよい。

上記ターボ過給エンジンは、直列４気筒型のターボ過給エンジンであり、上記ドライブシャフトは、上記エンジン本体の長手方向において、シリンダ列の両端に位置するシリンダを除く２つのシリンダの間に位置していて、シリンダ列方向に延びる上記クランクシャフトの回転軸に対して実質的に９０度の角度をなして延びていてもよい。

本発明の第２の態様は、クランクシャフトを有するエンジン本体に対して、コンプレッサハウジングとコンプレッサロータとを含むコンプレッサ、タービンハウジングとタービンロータとを含むタービン、及びドライブシャフトを有するターボ過給機を組み付けてターボ過給エンジンを製造する、ターボ過給エンジンの製造方法の発明であり、この発明では、上記エンジン本体に、上記ドライブシャフトを支持するための少なくとも２つの軸受を設ける工程と、少なくとも１つの上記軸受を、上記エンジン本体を構成する主構成要素に保持する工程と、上記ドライブシャフトの一端部に、上記タービンロータ及び上記コンプレッサロータのうちの一方を取り付ける工程と、上記一端部に上記タービンロータ及び上記コンプレッサロータのうちの一方を取り付けた状態の上記ドライブシャフトを、該ドライブシャフトが上記クランクシャフトの回転軸に対して実質的に９０度の角度をなして延びるように、上記少なくとも２つの軸受に係合させる工程と、上記少なくとも２つの軸受に係合した上記ドライブシャフトの他端部に、上記タービンロータ及び上記コンプレッサロータのうちの他方を取り付ける工程と、上記エンジン本体の上記主構成要素の長手方向に延びる、相対向する２つの側面のうち上記コンプレッサロータが位置する側面に、上記コンプレッサハウジングを固定するとともに、上記２つの側面のうち上記タービンロータが位置する側面に、上記タービンハウジングを固定する工程と、を備える。

上記エンジン本体の上記主構成要素は、シリンダブロック、クランクケース、シリンダヘッド及びシリンダバンクのうちの１つを含んでいてもよい。

上記ターボ過給エンジンの製造方法は、上記エンジン本体の少なくとも１つの吸気口に、上記コンプレッサハウジングと上記コンプレッサロータとで構成されたコンプレッサを接続する工程と、上記エンジン本体の少なくとも１つの排気口に、上記タービンハウジングと上記タービンロータとで構成されたタービンを接続する工程と、を更に備えていてもよい。

上記ターボ過給エンジンの製造方法は、上記コンプレッサロータ、上記ドライブシャフト及び上記タービンロータを、上記エンジン本体に取り付ける前にサブアセンブリして、該サブアセンブリ状態での上記コンプレッサロータ、上記ドライブシャフト及び上記タービンロータをバランシングさせる工程を更に備えていてもよい。

本発明の第３の態様は、クランクシャフトを有するエンジン本体に対して、コンプレッサハウジングとコンプレッサロータとを含むコンプレッサ、タービンハウジングとタービンロータとを含むタービン、及びドライブシャフトを有するターボ過給機を組み付けてターボ過給エンジンを製造する、ターボ過給エンジンの製造方法の発明であり、この発明では、上記エンジン本体を構成する主構成要素に、上記ドライブシャフトを支持するための少なくとも２つの軸受を保持する工程と、上記ドライブシャフトの一端部に、上記タービンロータ及び上記コンプレッサロータのうちの一方を取り付け、該ドライブシャフトの他端部に、上記タービンロータ及び上記コンプレッサロータのうちの他方を取り付けてサブアセンブリとする工程と、上記サブアセンブリをバランシングさせる工程と、上記バランシング後に、上記ドライブシャフトから上記コンプレッサロータを取り外す工程と、
上記コンプレッサロータを取り外した上記ドライブシャフトを、該ドライブシャフトが上記クランクシャフトの回転軸に対して実質的に９０度の角度をなして延びるように、上記少なくとも２つの軸受に係合させる工程と、上記少なくとも２つの軸受に係合した上記ドライブシャフトに、上記取り外したコンプレッサロータを再度取り付ける工程と、上記エンジン本体の上記主構成要素の長手方向に延びる、相対向する２つの側面のうち上記コンプレッサロータが位置する側面に、上記コンプレッサハウジングを固定するとともに、上記２つの側面のうち上記タービンロータが位置する側面に、上記タービンハウジングを固定する工程と、上記エンジン本体の少なくとも１つの吸気口に、上記コンプレッサハウジングと上記コンプレッサロータとで構成されたコンプレッサを接続するとともに、上記エンジン本体の少なくとも１つの排気口に、上記タービンハウジングと上記タービンロータとで構成されたタービンを接続する工程と、を備える。

本発明は、以下において、添付の図面を引用しながら、例示によって説明される。

本発明の実施形態に係るターボ過給エンジンの模式図である。 シリンダヘッドを取り除いた、図１に記載のターボ過給エンジンの概略平面図である。 図２の矢印III方向から見た、図１及び図２に記載のターボ過給エンジンの概略端面図である。 図２の矢印IV方向から見た、図１〜図３に記載のターボ過給エンジンの概略側面図である。 本発明の実施形態に係る、エンジン本体にターボ過給機を組み付ける方法を示す工程図である。

図１〜図４に、直列４気筒型のターボ過給エンジン１（以下、エンジン１という）を示す。このエンジン１は、クランクシャフト１２を有するエンジン本体とターボ過給機とを備えている。エンジン１は、往復ピストンエンジンでかつクロスフローエンジンであり、上記エンジン本体の長手方向（後述のシリンダ列方向）に垂直な幅方向の一方側（図１の左側）が排気側であり、他方側（図１の右側）が排気側である。

上記エンジン本体は、シリンダヘッド３と、該シリンダヘッド３が取り付けられたエンジンブロック２とを有する。このエンジンブロック２は、シリンダブロック２Ｚ及びクランクケースを有する。シリンダブロック２Ｚ及びクランクケースは、単一構成要素として形成されたものであるか、又は、分割されたシリンダブロック２Ｚ及びクランクケースを互いに締結固定したものである。いずれの場合であっても、シリンダブロック２Ｚは１つ又は複数の気筒を構成し、本実施形態では、４つのシリンダ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄが１列状に列をなして設けられ、各シリンダ２ａ〜２ｄは、それぞれ、ピストン（図示せず）をスライド可能に支持する。クランクシャフト１２（回転軸Ｘ−Ｘ）は、シリンダ列方向に延びている（図２参照）。

上記ターボ過給機は、コンプレッサ１０と、タービン２０と、コンプレッサ１０をタービン２０に駆動接続するドライブシャフト１５とを備える。

吸入空気（外気、外気と再循環排気ガスとの混合ガス等を含む）が、矢印ＡＩで示すように、吸気ダクト４を介して各シリンダ２ａ〜２ｄに吸入される。吸気ダクト４に導入された吸入空気は、上記ターボ過給機のコンプレッサ１０に取り込まれて、該コンプレッサ１０によって圧縮され、この圧縮された空気（過給気）が、ダクト５を介して吸気マニホールド６へと流れる。この吸気マニホールド６は、エンジン１（エンジン本体）の吸気口を構成する、シリンダヘッド３の複数の吸気ポート（図示せず）に接続されている。上記過給気は、シリンダ２ａ〜２ｄに取り込まれて、燃料と共に燃焼され、こうして、クランクシャフト１２を駆動するために、シリンダ２ａ〜２ｄ内に位置するピストンを往復運動させる。その後、エンジン１（エンジン本体）の排気口を構成する、シリンダヘッド３の複数の排気ポート（図示せず）、及び、該排気ポートに接続された排気マニホールド７から排気ガスが排出される。この排気ガスは、ダクト８を介して上記ターボ過給機のタービン２０へと流れて、一端部がタービン２０に駆動接続されかつ他端部がコンプレッサ１０に駆動接続されたドライブシャフト１５に、駆動トルクを供給するように作用する。その後、上記排気ガスは、タービン２０から排出されて、ノイズやエミッションを低減する種々の後処理装置を備えた排気システム９へと流れて、矢印ＥＯで示すように、外気に排出される。

本実施形態では、従来のターボ過給機とは異なり、コンプレッサ１０とタービン２０とが、上記エンジン本体を構成する主構成要素の長手方向に延びる２つの側面（該主構成要素の長手方向に垂直な幅方向に相対向する２つの側面）にそれぞれ設けられていて、互いに離れて別個に配置されている。これにより、高温の排気ガスが、コンプレッサ１０の性能を悪化させないようにして、ターボ過給機の吸気側（コンプレッサ１０側）の構成要素に使用される材料のコストを低減できるようにしている。本実施形態では、上記エンジン本体の上記主構成要素は、シリンダブロック２Ｚであるが、これの代わりに、クランクケース、シリンダヘッド、又は、シリンダバンクと呼ばれるＶ型エンジンのシリンダブロックであってもよい。コンプレッサ１０は、シリンダブロック２Ｚにおいてシリンダヘッド３の吸気ポート（吸気マニホールド６）と同じ側の側面に配置され、タービン２０は、シリンダブロック２Ｚにおいてシリンダヘッド３の排気ポート（排気マニホールド７）と同じ側の側面に配置されている。クロスフローエンジンにおいて、コンプレッサ１０とタービン２０とを上記のように設けることによって、コンプレッサ１０を吸気マニホールド６の近傍に配置することができ、この結果、ダクト５の長さが大きく減少するため、コンプレッサ１０と上記吸気ポートとの間の距離が、エンジン本体の排気側に設けられていた従来のターボ過給機と比較して、著しく減少する。従来のターボ過給機の場合は、コンプレッサからエンジン本体の吸気側までのダクトは、エンジン本体の長手方向の一端側を通すか、又は、エンジン本体の上方を跨ぐようにする必要があった。どちらの場合でも、各種装置等の搭載空間を占有してしまい、この長いダクトによって、空気の摩擦損失が増加するとともに、コンプレッサの効率が低下してしまう。

ドライブシャフト１５は、上記エンジン本体のシリンダブロック２Ｚを横切るように延びているとともに、ドライブシャフト１５の両端部（後述のコンプレッサロータ１０ｒ及びタービンロータ２０ｒの各近傍）において、シリンダブロック２Ｚに軸受１６，１７を介して支持されている。本実施形態では、軸受１６，１７は共に、エンジン本体のシリンダブロック２Ｚ（上記主構成要素）に保持されている。コンプレッサ１０用の作動室が、コンプレッサハウジング１０ｈによって形成され、タービン２０用の作動室が、タービンハウジング２０ｈによって形成されている。これらハウジング１０ｈ，２０ｈは、ブラケットや他の支持構造を用いることなく、シリンダブロック２Ｚの長手方向に延びる、シリンダブロック２Ｚの幅方向に相対向する２つの側面に直接にそれぞれ取付固定されている。

ドライブシャフト１５は、エンジンブロック２のシリンダブロック２Ｚ内において、シリンダ２ａ〜２ｄの下端よりも下方でかつクランクシャフト１２よりも上方（つまり、エンジン本体の、クランクシャフト１２とシリンダ２ａ〜２ｄの下端との間の領域）に位置していて、シリンダブロック２Ｚの長手方向に延びる、幅方向に相対向する２つの側面のうちの一方の側面から他方の側面までシリンダブロック２Ｚを横切るように延びている。

ドライブシャフト１５の長さは、エンジンブロック２内での該ドライブシャフト１５の位置と相俟って、タービン２０からコンプレッサ１０への熱の移動を十分に低減可能な長さである。

尚、ドライブシャフト１５は、クランクケース内であってエンジン本体の長手方向において相隣接する任意の２つのシリンダ間、又は、シリンダヘッド３内のような別の場所に位置していてもよい。

図２〜図４によると、４つのシリンダ２ａ〜２ｄは、エンジンブロック２の上部（シリンダブロック２Ｚ）に一列に並んで配置されている。特に図示はしていないが、シリンダブロック２Ｚは、エンジン本体を冷却しかつエンジン本体の可動部にオイルを供給するための冷却路及び油路を複数有している。

既に公知ではあるが、シリンダブロック２Ｚは、その長手方向に延びる上記２つの側面に加えて、実質的に平坦な上端面を有している。この上端面に、シリンダヘッド３が固定されている。

シリンダブロック２Ｚの下端には、クランクシャフト１２を回転可能に支持するために使用される複数の主軸受（ここでは、５つの主軸受）を支持するために、複数の支持サドル（図示せず）が形成されている。尚、クランクシャフト１２は、３つの主軸受によって支持されてもよい。例えば、米国特許出願公開第２０１４／００４１６１８号明細書では、３つの主軸受を有する４気筒エンジンが開示されている。

クランクシャフト１２は、４つのシリンダ２ａ〜２ｄにそれぞれ対応した４つのスロー１２ｔを有する。公知ではあるが、各スロー１２ｔは、コネクティングロッド（図示せず）の大端部を支持する支持面、又は、コネクティングロッドをクランクシャフト１２に回転可能に接続するためのクランクピン１２ｂを有している。

クランクシャフト１２は、上記複数の主軸受によって規定された回転軸Ｘ−Ｘの周りに回転する。クランクシャフト１２には、上記主軸受に支持されるジャーナル１２ｍが部分的に形成されている。クランクシャフト１２の回転軸Ｘ−Ｘは、エンジンブロック２を横切る平面Ｐ−Ｐ上に位置している。クランクシャフト１２は、エンジンブロック２の長さ方向又は長手方向（つまり、シリンダ列方向）に延びている。

コンプレッサ１０は、シリンダブロック２Ｚの長手方向に延びる一側面に取り付けられたコンプレッサハウジング１０ｈを有する。このコンプレッサハウジング１０ｈは、コンプレッサロータ１０ｒが回転可能に設けられる作動室を規定する。

タービン２０は、シリンダブロック２Ｚの長手方向に延びる、コンプレッサハウジング１０ｈとは反対側の側面（コンプレッサハウジング１０ｈが取り付けられた側面と対向する側面）に取り付けられたタービンハウジング２０ｈを有する。このタービンハウジング２０ｈは、タービンロータ２０ｒが回転可能に設けられる作動室を規定する。

コンプレッサロータ１０ｒは、ドライブシャフト１５の一端部に駆動可能に接続され、タービンロータ２０ｒは、ドライブシャフト１５の他端部に駆動可能に接続されている。尚、ドライブシャフト１５とタービンロータ２０ｒとを一構成要素として形成してもよい。

ドライブシャフト１５は、その一端部（コンプレッサロータ１０ｒの近傍）にてコンプレッサ軸受１６によって支持され、他端部（タービンロータ２０ｒの近傍）にてタービン軸受１７によって支持されている。必要であれば、シリンダブロック２Ｚに、ドライブシャフト１５の中間部を支持する中間軸受が更に取付固定されていてもよい。

コンプレッサ軸受１６は、コンプレッサロータ１０ｒの近傍におけるドライブシャフト１５を回転可能に支持し、タービン軸受１７は、タービンロータ２０ｒの近傍におけるドライブシャフト１５を回転可能に支持する。コンプレッサ軸受１６及びタービン軸受１７は、シリンダブロック２Ｚの構造の一部によって支持されている。本実施形態では、コンプレッサ軸受１６及びタービン軸受１７は、シリンダブロック２Ｚを横断するように形成された孔に圧入されている。すなわち、コンプレッサ軸受１６用及びタービン軸受１７用の台座が、シリンダブロック２Ｚの構造の一部として形成されている。尚、２つの軸受１６，１７が共にシリンダブロック２Ｚ（つまり、エンジン本体の主構成要素）に保持されている必要はなく、一方の軸受のみがエンジン本体の主構成要素に保持され、他方の軸受が、エンジン本体の主構成要素以外の部材に保持されてもよい。

ドライブシャフト１５は、平面Ｐ−Ｐによって下端が規定されかつシリンダ２ａ〜２ｄの下端（図４参照）に位置する平面Ｃ−Ｃによって上端が規定された領域内で、シリンダブロック２Ｚの幅方向に延びている。

ドライブシャフト１５は、タービン２０から上記排気ポートまでの距離を最小化するために平面Ｃ−Ｃの近傍に位置していることが有利である。その厳密な位置は、タービン２０のサイズやエンジンルーム内の許容スペースを含む（但し、これらに制限されない）種々のファクターに依存する。

本実施形態では、ドライブシャフト１５は、エンジン本体の長手方向において、上記複数の主軸受のうちの中央の主軸受と同じ位置に配置されている。ドライブシャフト１５の位置は、いかなる場合でも、該ドライブシャフト１５が、エンジン１のピストンに対してクランクシャフト１２を接続するためのコネクティングロッド（図示せず）と干渉しないように、エンジン本体の長手方向において、クランクシャフト１２のスロー１２ｔからずれていなければならない。

ここでは、ドライブシャフト１５は、エンジン本体の長手方向において、シリンダ列の両端に位置するシリンダ２ａ，２ｂ以外の２つのシリンダ２ｂ，２ｃの間に位置するように図示しているが、これに代えて、シリンダ２ａとシリンダ２ｂとの間、シリンダ２ｃとシリンダ２ｄとの間、又は、エンジン本体の長手方向の端部に位置していてもよい。クロスフローエンジンの場合、コンプレッサ１０と吸気マニホールド６との間の距離及び排気マニホールド７とタービン２０との間の距離が最小となるように、ドライブシャフト１５（つまり、コンプレッサ１０及びタービン２０）は、エンジン本体の長手方向の中央に配置されていることが有利である。

ドライブシャフト１５の回転軸Ｒ−Ｒ（図２参照）は、ドライブシャフト１５がシリンダブロック２Ｚの幅方向一方の側面から他方の側面までエンジンブロック２を横断して延びるように、クランクシャフト１２の回転軸Ｘ−Ｘに対して実質的に９０度の角度をなして延びている。また、ドライブシャフト１５の回転軸Ｒ−Ｒは、クランクシャフト１２の回転軸Ｘ−Ｘを含んで鉛直方向に延びる垂直面Ｖ−Ｖ（図３参照）に対して、実質的に９０度の角度をなしている。シリンダブロック２Ｚは、使用時には鉛直方向に真っ直ぐに立っている必要はなく、シリンダブロック２Ｚが鉛直方向から回転していれば、上記垂直面Ｖ−Ｖの向きは鉛直方向ではなくなるということは認識されよう。

したがって、本発明は、エンジン本体のクランクシャフトの長手方向の軸（回転軸）に対して実質的に９０度の角度をなして延びるように、エンジン本体を横断して延びるドライブシャフトによって駆動接続されたコンプレッサ及びタービンのユニットを有する分割型のターボ過給機を提供する。このターボ過給機は、特にクロスフローエンジンにおいて有用であるが、エンジン本体の同じ側に吸気ポートと排気ポートとを有する他のタイプのエンジンにも使用することができる。

シリンダブロック、クランクケース及びシリンダヘッドを有する単気筒エンジンの場合、コンプレッサとタービンとは、エンジン本体のシリンダブロック、シリンダヘッド及びクランクケースのうちの１つである主構成要素の相対向する２つの側面にそれぞれ配置される。この場合、コンプレッサをタービンに接続するドライブシャフトは、クランクシャフトの回転軸に対して実質的に９０度の角度をなして配置されるように、エンジン本体を横断して延びる。

シリンダブロック、クランクケース及びシリンダヘッドを有する直列多気筒エンジンの場合、コンプレッサとタービンとは、エンジン本体のシリンダブロック、シリンダヘッド及びクランクケースのうちの１つである主構成要素の相対向する２つの側面にそれぞれ配置される。この場合、コンプレッサをタービンに接続するドライブシャフトは、クランクシャフトの回転軸に対して実質的に９０度の角度をなして配置されるように、エンジン本体を横断して延びる。

１つ以上のシリンダバンク、共通の１つのクランクケース及び各シリンダバンク用のシリンダヘッドを有する多気筒エンジンの場合、コンプレッサとタービンとは、エンジン本体の各シリンダバンク、各シリンダヘッド及び共通のクランクケースのうちの１つである主構成要素の相対向する２つの側面にそれぞれ配置される。この場合、コンプレッサをタービンに接続するドライブシャフトは、クランクシャフトの回転軸に対して実質的に９０度の角度をなして配置されるように、エンジン本体を横断して延びる。

エンジン本体に、１つ又は複数の分割型のターボ過給機を固定することも可能であることは認識されよう。

ここで、図５に、図１〜図４に示すエンジン１に分割型のターボ過給機を組み付ける方法の基本工程を示す。

この方法は、ステップ１００からスタートし、該ステップ１００ではターボ過給機の全構成要素を作製する。ステップ１１０では、コンプレッサロータ１０ｒ、タービンロータ２０ｒ及びドライブシャフト１５を、サブアセンブリを形成するために組み付ける。すなわち、ドライブシャフト１５の一端部に、コンプレッサロータ１０ｒ及びタービンロータ２０ｒのうちの一方を取り付け、該ドライブシャフト１５の他端部に、コンプレッサロータ１０ｒ及びタービンロータ２０ｒのうちの他方を取り付けてサブアセンブリとする。

そして、ドライブシャフト１５、コンプレッサロータ１０ｒ及びタービンロータ２０ｒからなる上記サブアセンブリをバランス測定器に入れて、該サブアセンブリを、バランシングさせるための速度で回転して、バランシングさせる。このバランシング後、ステップ１２０で、ドライブシャフト１５からコンプレッサロータ１０ｒを取り外す。

ステップ１３０では、シリンダブロック２Ｚにコンプレッサ軸受１６及びタービン軸受１７を設ける。本実施形態では、シリンダブロック２Ｚに予め形成した孔に、２つの軸受１６，１７を圧入することによって、該２つの軸受１６，１７をシリンダブロック２Ｚに取り付て保持する。この工程は、ステップ１００の後でかつステップ１１０の前、又は、ステップ１１０若しくはステップ１２０と同時に実行するのが好ましいが、ステップ１２０の後に実行してもよい。

次に、ステップ１４０で、シリンダブロック２Ｚの正しい位置にドライブシャフト１５が配置されるように（ドライブシャフト１５がクランクシャフト１２の回転軸に対して実質的に９０度の角度をなして延びるように）、該ドライブシャフト１５におけるコンプレッサ側の端部を、先ずタービン軸受１７に挿入し、次にコンプレッサ軸受１６に挿入する。こうして、ドライブシャフト１５と軸受１６，１７とを係合する。

次に、ステップ１５０で、タービンハウジング２０ｈを、シリンダブロック２Ｚの長手方向に延びる、相対向する２つの側面のうちタービンロータ２０ｒが位置する側面に、タービンロータ２０ｒを覆うように締結固定する。これに続いて、ステップ１６０で、コンプレッサロータ１０ｒを、サブアセンブリでバランシングさせたときのバランシング完了位置で、ドライブシャフト１５に再度取り付ける。尚、上記ステップ１５０におけるタービンハウジング２０ｈの固定は、ステップ１６０の後でかつ後述のステップ１７０の前に行ってもよく、ステップ１７０と同時又は後に行ってもよい。

それから、ステップ１７０で、コンプレッサハウジング１０ｈを、シリンダブロック２Ｚの長手方向に延びる、上記タービンロータ２０ｒ側とは反対側の側面（コンプレッサロータ１０ｒが位置する側面）に位置させて、該位置に、コンプレッサロータ１０ｒを覆うように締結固定する。

次いで、ステップ１８０で、コンプレッサ１０を吸気マニホールド６（つまり、シリンダヘッドの吸気ポート（エンジン本体の吸気口））に接続しかつタービン２０を排気マニホールド７（つまり、シリンダヘッドの排気ポート（エンジン本体の排気口））に接続する。この結果、ステップ１９０に示すように、エンジン本体への分割型のターボ過給機の組付が完了する。

上述の方法は、直列多気筒エンジンに分割型のターボ過給機を組み付ける方法と関連しており、このターボ過給機のドライブシャフトは、エンジン本体のシリンダブロックを通って延びている。ドライブシャフトがそれ以外の場所に位置している場合は、例えば、上述の方法における「シリンダブロック」の言葉を、「シリンダヘッド」や「クランクケース」等といった、ドライブシャフトの配置に対応した言葉に置き換えて、上記方法を変更すればよい。

また、上記方法のステップ１２０及び１４０では、ドライブシャフト１５からコンプレッサロータ１０ｒが分離されて、ドライブシャフト１５におけるコンプレッサ側の端部が軸受１６，１７に挿入されるようにしているが、タービンロータ２０ｒが分離されて、ドライブシャフト１５のタービン側の端部が軸受１６，１７に挿入されるようにしてもよい。この場合、ステップ１５０〜１７０では、先ず、コンプレッサハウジング１０ｈをシリンダブロック２Ｚのコンプレッサロータ１０ｒ側の側面に締結固定し、その後、ドライブシャフト１５にタービンロータ２０ｒを再度取り付け、最後にタービンハウジング２０ｈをシリンダブロック２Ｚのタービンロータ２０ｒ側の側面に締結固定する、という表現になる。但し、タービンロータ２０ｒは、ドライブシャフト１５に、例えば溶接（これに限定されない）によって恒久的に固定しておくことが望ましいため、図５に示す方法の方が好ましい。

「クロスフローエンジン」という用語は、ここでは、吸気口及び排気口がエンジン本体の互いに反対側に位置するエンジンを意味する。エンジンが１つ以上のシリンダバンクを有する場合は、吸気口及び排気口が各シリンダバンクの互いに反対側に位置するエンジンを意味する。このようなクロスフローエンジンでは、エンジン本体又は各シリンダバンクの一方の側面から、エンジン本体又は各シリンダバンクを通って、エンジン本体又は各シリンダバンクの他方の側面へとガスが流れる。例えばＶ４、Ｖ６、Ｖ８、Ｖ１０又はＶ１２のように‘Ｖ’字状に配置された２つのシリンダバンクを有するクロスフローエンジンの場合、シリンダバンク用の吸気口は、「Ｖ」を形成する２つのシリンダバンクの内側で、「Ｖ」の中に位置しており、排気口は、「Ｖ」を形成する２つのシリンダバンクの外側に位置している。そして、このような配置を有するエンジンには、２つの分割型のターボ過給機を取り付けることができ、この場合、両方のターボ過給機のコンプレッサが、シリンダバンクの「Ｖ」の内側の側面にそれぞれ位置し、両方のターボ過給機のタービンがシリンダバンクの長手方向に延びる外側の側面にそれぞれ位置する。

本発明は、１つ又は複数の実施形態を引用して例示することで説明されているが、本発明は、開示された実施形態に制限されず、代替の実施形態が、特許請求の範囲によって定義される本発明の本質から乖離することなく、構成され得る。

１ ターボ過給エンジン
２ａ〜２ｄ シリンダ
２Ｚ シリンダブロック（エンジン本体の主構成要素）
３ シリンダヘッド（エンジン本体の主構成要素）
１０ コンプレッサ
１０ｒ コンプレッサロータ
１０ｈ コンプレッサハウジング
１２ クランクシャフト
１５ ドライブシャフト
２０ タービン
２０ｒ タービンロータ
２０ｈ タービンハウジング

Claims (15)

1. クランクシャフトを有するエンジン本体とターボ過給機とを備えたターボ過給エンジンであって、
   上記ターボ過給機は、上記エンジン本体の少なくとも１つの吸気口に過給気を供給するコンプレッサと、上記エンジン本体の少なくとも１つの排気口に接続されたタービンと、上記コンプレッサを上記タービンに駆動接続するドライブシャフトと、を備え、
   上記コンプレッサは、上記エンジン本体を構成する主構成要素の長手方向に延びる側面に、上記タービンに対して離れて別個に配置され、
   上記ドライブシャフトは、該ドライブシャフトの両端部で、軸受によって回転可能に支持され、
   少なくとも１つの上記軸受が、上記エンジン本体の上記主構成要素に保持されていることを特徴とするターボ過給エンジン。
2. 請求項１記載のターボ過給エンジンにおいて、
   上記エンジン本体の上記主構成要素は、シリンダブロック、クランクケース、シリンダヘッド及びシリンダバンクのうちの１つを含むことを特徴とするターボ過給エンジン。
3. 請求項２記載のターボ過給エンジンにおいて、
   上記コンプレッサは、作動室を規定するコンプレッサハウジングと、該作動室内に配置されたコンプレッサロータと、を有し、
   上記コンプレッサハウジングは、上記エンジン本体の上記主構成要素の長手方向に延びる側面に取り付けられていることを特徴とするターボ過給エンジン。
4. 請求項２又は３記載のターボ過給エンジンにおいて、
   上記タービンは、作動室を規定するタービンハウジングと、該作動室内に配置されたタービンロータと、を有し、
   上記タービンハウジングは、上記エンジン本体の上記主構成要素の長手方向に延びる側面に取り付けられていることを特徴とするターボ過給エンジン。
5. 請求項２記載のターボ過給エンジンにおいて、
   上記コンプレッサは、作動室を規定するコンプレッサハウジングと、該作動室内に配置されたコンプレッサロータと、を有し、
   上記タービンは、作動室を規定するタービンハウジングと、該作動室内に配置されたタービンロータと、を有し、
   上記コンプレッサハウジング及び上記タービンハウジングは、上記エンジン本体の上記主構成要素の長手方向に延びる、相対向する２つの側面にそれぞれ取り付けられ、
   上記コンプレッサロータは、上記ドライブシャフトの一端部に取り付けられ、
   上記タービンロータは、上記ドライブシャフトの他端部に取り付けられていることを特徴とするターボ過給エンジン。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載のターボ過給エンジンにおいて、
   上記ドライブシャフトは、上記エンジン本体の上記クランクシャフトの回転軸に対して、実質的に９０度の角度をなして延びるように配置されていることを特徴とするターボ過給エンジン。
7. 請求項１〜６のいずれか１つに記載のターボ過給エンジンにおいて、
   上記エンジン本体の上記主構成要素は、少なくとも１つのシリンダを規定するシリンダブロックであり、
   上記ターボ過給機の上記ドライブシャフトは、上記シリンダブロックの長手方向に延びる、相対向する２つの側面のうちの一方の側面から他方の側面まで延びていることを特徴とするターボ過給エンジン。
8. 請求項７記載のターボ過給エンジンにおいて、
   上記ターボ過給機の上記ドライブシャフトは、上記エンジン本体の、上記クランクシャフトと上記少なくとも１つのシリンダの下端との間の領域において、上記シリンダブロックを横切っていることを特徴とするターボ過給エンジン。
9. 請求項１〜８のいずれか１つに記載のターボ過給エンジンにおいて、
   上記エンジン本体は、シリンダヘッドを有し、
   上記シリンダヘッドは、該シリンダヘッドの長手方向に延びる、相対向する２つの側面のうちの一方の側面に、１つ又は複数の吸気口を有し、他方の側面に、１つ又は複数の排気口を有し、
   上記コンプレッサは、上記エンジン本体において上記吸気口と同じ側の側面に配置され、
   上記タービンは、上記エンジン本体において上記排気口と同じ側の側面に配置されていることを特徴とするターボ過給エンジン。
10. クランクシャフトを有するエンジン本体に対して、コンプレッサハウジングとコンプレッサロータとを含むコンプレッサ、タービンハウジングとタービンロータとを含むタービン、及びドライブシャフトを有するターボ過給機を組み付けてターボ過給エンジンを製造する、ターボ過給エンジンの製造方法であって、
    上記エンジン本体に、上記ドライブシャフトを支持するための少なくとも２つの軸受を設ける工程と、
    少なくとも１つの上記軸受を、上記エンジン本体を構成する主構成要素に保持する工程と、
    上記ドライブシャフトの一端部に、上記タービンロータ及び上記コンプレッサロータのうちの一方を取り付ける工程と、
    上記一端部に上記タービンロータ及び上記コンプレッサロータのうちの一方を取り付けた状態の上記ドライブシャフトを、該ドライブシャフトが上記クランクシャフトの回転軸に対して実質的に９０度の角度をなして延びるように、上記少なくとも２つの軸受に係合させる工程と、
    上記少なくとも２つの軸受に係合した上記ドライブシャフトの他端部に、上記タービンロータ及び上記コンプレッサロータのうちの他方を取り付ける工程と、
    上記エンジン本体の上記主構成要素の長手方向に延びる、相対向する２つの側面のうち上記コンプレッサロータが位置する側面に、上記コンプレッサハウジングを固定するとともに、上記２つの側面のうち上記タービンロータが位置する側面に、上記タービンハウジングを固定する工程と、を備えることを特徴とするターボ過給エンジンの製造方法。
11. 請求項１０記載のターボ過給エンジンの製造方法において、
    上記エンジン本体の上記主構成要素は、シリンダブロック、クランクケース、シリンダヘッド及びシリンダバンクのうちの１つを含むことを特徴とするターボ過給エンジンの製造方法。
12. 請求項１０又は１１記載のターボ過給エンジンの製造方法において、
    上記エンジン本体の少なくとも１つの吸気口に、上記コンプレッサハウジングと上記コンプレッサロータとで構成されたコンプレッサを接続する工程と、
    上記エンジン本体の少なくとも１つの排気口に、上記タービンハウジングと上記タービンロータとで構成されたタービンを接続する工程と、を更に備えることを特徴とするターボ過給エンジンの製造方法。
13. 請求項１０〜１２のいずれか１つに記載のターボ過給エンジンの製造方法において、
    上記ドライブシャフトの一端部に、上記タービンロータ及び上記コンプレッサロータのうちの一方を取り付ける工程の後でかつ上記ドライブシャフトを上記少なくとも２つの軸受に係合させる工程の前に、上記コンプレッサロータ、上記ドライブシャフト及び上記タービンロータをサブアセンブリして、該サブアセンブリ状態での上記コンプレッサロータ、上記ドライブシャフト及び上記タービンロータをバランシングさせる工程を更に備えることを特徴とするターボ過給エンジンの製造方法。
14. 請求項１〜９のいずれか１つに記載のターボ過給エンジンにおいて、
    上記ターボ過給エンジンは、直列４気筒型のターボ過給エンジンであり、
    上記ドライブシャフトは、上記エンジン本体の長手方向において、シリンダ列の両端に位置するシリンダを除く２つのシリンダの間に位置していて、シリンダ列方向に延びる上記クランクシャフトの回転軸に対して実質的に９０度の角度をなして延びていることを特徴とするターボ過給エンジン。
15. クランクシャフトを有するエンジン本体に対して、コンプレッサハウジングとコンプレッサロータとを含むコンプレッサ、タービンハウジングとタービンロータとを含むタービン、及びドライブシャフトを有するターボ過給機を組み付けてターボ過給エンジンを製造する、ターボ過給エンジンの製造方法であって、
    上記エンジン本体を構成する主構成要素に、上記ドライブシャフトを支持するための少なくとも２つの軸受を保持する工程と、
    上記ドライブシャフトの一端部に、上記タービンロータ及び上記コンプレッサロータのうちの一方を取り付け、該ドライブシャフトの他端部に、上記タービンロータ及び上記コンプレッサロータのうちの他方を取り付けてサブアセンブリとする工程と、
    上記サブアセンブリをバランシングさせる工程と、
    上記バランシング後に、上記ドライブシャフトから上記コンプレッサロータを取り外す工程と、
    上記コンプレッサロータを取り外した上記ドライブシャフトを、該ドライブシャフトが上記クランクシャフトの回転軸に対して実質的に９０度の角度をなして延びるように、上記少なくとも２つの軸受に係合させる工程と、
    上記少なくとも２つの軸受に係合した上記ドライブシャフトに、上記取り外したコンプレッサロータを再度取り付ける工程と、
    上記エンジン本体の上記主構成要素の長手方向に延びる、相対向する２つの側面のうち上記コンプレッサロータが位置する側面に、上記コンプレッサハウジングを固定するとともに、上記２つの側面のうち上記タービンロータが位置する側面に、上記タービンハウジングを固定する工程と、
    上記エンジン本体の少なくとも１つの吸気口に、上記コンプレッサハウジングと上記コンプレッサロータとで構成されたコンプレッサを接続するとともに、上記エンジン本体の少なくとも１つの排気口に、上記タービンハウジングと上記タービンロータとで構成されたタービンを接続する工程と、を備えることを特徴とするターボ過給エンジンの製造方法。