JP2017145719A - エンジンの過給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンスクロールに排気ガスを円滑に導入できるコンパクトなエンジンの過給装置を提供する。
【解決手段】タービン５ａは、排気ガスを導入するタービン導入路５１に連なって排気ガスを旋回させるタービンスクロール５２と、回転軸Ａを中心に回転されるタービンホイール６０と、タービン導出路５３と、タービンスクロール５２を迂回して排気ガスを流すウェストゲート通路７０と、ウェストゲートバルブ７３とを有している。タービン導入路５１は下流側が窄まるように形成されたスロート部５１２を有しており、ウェストゲート通路７０が、そのスロート部５１２から分岐している。
【選択図】図７

Description

本発明は、自動車に搭載されるエンジンの過給装置に関する。

エンジンの出力を高めるために、エンジンにターボ過給機を搭載し、排気ガスのエネルギーを利用して吸気を過給することが行われている。

一般に、ターボ過給機は、タービンやコンプレッサなどで構成されており、エンジンから排出される排気ガスでタービンを回転させ、その動力でコンプレッサを駆動することによって吸気圧を増大させている。

自動車の場合、走行状態によってエンジンの回転数は大きく変化する。そのため、自動車に搭載されるターボ過給機は、排気ガスが少ない低速運転領域から、排気ガスが多い高速運転領域まで、幅広く変化する排気ガス量に対して安定した過給性能を確保することが求められる。

ターボ過給機には、通常、排気圧が過剰にタービンに作用しないようにするため、タービンをバイパスするウェストゲートが設けられており、ターボ過給機は、タービンを迂回して排気できるように構成されている。

例えば、特許文献１のエンジン１の排気通路６には、タービンハウジング３４に回転可能に収容されたタービン３１が設けられている。そのタービン３１の上流側に入口部６２１を有するとともに、タービン３１の下流側に出口部６２２を有するウェストゲート６２が設けられていて、出口部６２２に配置されたウェストゲートバルブ６３の開度を制御することで、そのエンジン１では、タービン３１への排気ガスの供給量を調整している。ウェストゲート６２は、タービンハウジング３４に一体成形されている。

また、特許文献２には、タービンハウジング４が組み付けられるシリンダヘッド２にウェストゲート１０を形成したエンジンが開示されている。詳しくは、そのシリンダヘッド２には、複数の燃焼室に連通する複数の排気ポート６が形成されている。これら排気ポート６は、排気ポート集合部７で合流し、排気ポート出口流路８を通じて、タービンハウジング４の内部に形成された排気入口通路２６に接続されている。

ウェストゲート１０は、排気ポート出口流路８と並列するように形成されていて、排気ポート集合部７と、タービンハウジング４の内部に形成された排気出口通路２８とに連通している。ウェストゲート１０を開閉するウェストゲートバルブも、シリンダヘッド２の内部に設けられている。

特開２００７−２４７５６０号公報 特開２０１２−１０７５６０号公報

ウェストゲートは、一般に、タービンが大型化するのを回避するため、バイパスするタービンの近くに配置されることから、特許文献１のように、タービンハウジングに形成されている場合が多い。

ところが、そうした場合、タービンスクロールの近傍部位からウェストゲート通路が分岐することになるため、分岐部で排気ガスの乱流が発生してしまい、タービンの駆動力が低下するおそれがある。

すなわち、ターボ過給機では、タービンスクロールに導入されて旋回する排気ガスによってタービンホイールが回転する。そのタービンホイールの回転力でコンプレッサが駆動され、吸気の過給が行われる。従って、タービンスクロールへの排気ガスの導入は、排気ガスが効率よくタービンホイールに作用するよう、円滑に行うのが好ましい。

それに対し、タービンスクロールの近傍部位でウェストゲート通路が分岐していると、ウェストゲートバルブが閉じられた状態では、ウェストゲート通路に排気ガスが滞留し、その分岐部分の周辺で排気ガスの乱流が形成され易い。タービンスクロールの直ぐ上流で乱流が形成されると、タービンスクロールへの排気ガスの導入が円滑に行えないことから、排気ガスが効率よくタービンホイールに作用せず、タービンの駆動力が低下する。

例えば、特許文献１のエンジン１の場合、ウェストゲートバルブ６３が閉じられるとウェストゲート６２に排気ガスが滞留し、その分岐部分の周辺で排気ガスの乱流が形成されるため、タービン３１に排気ガスを効率よく作用させることができない。

その点、特許文献２のエンジンであれば、シリンダヘッドにウェストゲートが設けられているので、タービンの大型化を回避しながら、ウェストゲート通路の入口を、タービンスクロールから十分離れた位置に配置できる。従って、分岐部位の周辺で排気ガスの乱流が形成されても、その影響をほとんど受けずに、タービンスクロールに排気ガスを円滑に導入することができる。

しかし、シリンダヘッドにウェストゲート通路を設けることは、シリンダヘッドの強度低下や内部構造の複雑化を招くなど、新たな課題を伴うため、タービンハウジングに設ける場合に比べてデメリットが大きく、採用するのは難しい。

そこで、本発明の目的は、タービンスクロールに排気ガスを円滑に導入できるコンパクトなエンジンの過給装置を提供することにある。

開示する技術は、タービンを備えたエンジンの過給装置に関する。

前記タービンは、前記エンジンの各気筒から排出される排気ガスを導入するタービン導入路と、前記タービン導入路の下流側に連なって排気ガスを旋回させるタービンスクロールと、前記タービンスクロールに収容されていて、排気ガスによって回転軸を中心に回転されるタービンホイールと、前記タービンスクロールに連通し、当該タービンスクロールから排出される排気ガスが流れるタービン導出路と、前記タービン導入路から分岐して前記タービン導出路に連通し、前記タービンスクロールを迂回して排気ガスを流すウェストゲート通路と、前記エンジンの作動状態に応じて前記ウェストゲート通路の流路を開閉するウェストゲートバルブと、を有している。

前記タービン導入路は、上流側に配置されて排気ガスが集合するガス集合部と、前記ガス集合部に連なって下流側が窄まるように形成されたスロート部と、を有している。そして、前記ウェストゲート通路が、前記スロート部から分岐している。

すなわち、この過給装置によれば、まず、ウェストゲート通路が、バイパスするタービンの近くに配置されているため、タービンが大型化するのを回避することができる。

そして、タービンスクロールの近傍部位でウェストゲート通路が分岐していると、ウェストゲートバルブが閉じられた状態では、タービンスクロールの直ぐ上流で排気ガスの乱流が形成され易くなり、タービンスクロールへの排気ガスの導入が円滑に行えないおそれがあるが、この過給装置では、ウェストゲート通路が下流側が窄まるように形成されたスロート部から分岐しているので、その分岐部分の周辺で排気ガスの乱流が形成されても、分岐部分からタービンスクロールに導入されるまでに整流させるための整流通路を確保することができ、乱流の発生に伴うタービン駆動力の低下を抑制できる。従って、ウェストゲート通路がタービンスクロールの近傍部位で分岐していても、排気ガスをタービンスクロールへ円滑に導入できる。

具体的には、前記タービン導入路が更に、前記スロート部と前記タービンスクロールの入口との間に連なる、流路断面積が略一定のストレート部を有しているようにしてもよい。

そうすれば、スロート部で絞られた排気ガス流をストレート部で更に整流させることができるので、よりいっそう排気ガスをタービンスクロールへ円滑に導入できる。

この場合、前記ウェストゲート通路が、前記スロート部の下流側から分岐しているようにするのが好ましい。

そうすれば、各気筒から異なるタイミングで排出された排気ガスを、ガス集合部で充分に合流させしてからウェストゲート通路の分岐部位に至らせることができるので、タービン駆動力の気筒間ばらつきを抑制することができ、タービンを安定して駆動させることができる。

更に、前記ウェストゲート通路が、前記ストレート部と平行に配設されるようにするのが好ましい。

そうすれば、ウェストゲートバルブが開かれた場合においても、ウェストゲート通路及びストレート部の双方に排気ガスを円滑に流すことができる。

また、前記ウェストゲート通路は、前記タービンスクロールの入口の近傍で前記タービン導出路に連通し、前記ウェストゲート通路の出口に前記ウェストゲートバルブが設置されているようにしてもよい。

そうすれば、ウェストゲート通路の全長が短くなり、ウェストゲートバルブをタービン導出路に設置できるので、タービンハウジングを、よりいっそうコンパクトにできる。

また更に、前記タービン導入路は、仕切壁部により、前記タービンスクロールに内周側から排気ガスを導入する第１導入路と、前記タービンスクロールに外周側から排気ガスを導入する第２導入路と、に区画され、前記第２導入路の上流側には、流路断面積を変化させることによって当該第２導入路への排気ガスの導入量を変化させる排気可変バルブが設けられている場合には、前記ウェストゲート通路は、前記第２導入路に設けるようにするとよい。

そうすれば、ウェストゲート通路によって第１導入路を流れる排気ガス流に悪影響が及ぶのを防止しながら、過剰な排気ガスを効率的に迂回させることができる。

本発明によれば、タービンスクロールに排気ガスを円滑に導入できるコンパクトな過給装置が実現できる。

本実施形態のターボ過給機を搭載したエンジンを示す概略図である。 本実施形態のターボ過給機を搭載したエンジンの縦断面を示す概略図である。 排気弁装置をタービン側から見た斜視図である。 図３のＩ−Ｉ断面図である。 本実施形態のターボ過給機を搭載したエンジンの性能特性図である。 タービンハウジングの斜視図である。 タービンの主な構造を示す概略断面図である。 タービンハウジングの中子の形状を示す概略斜視図である。 タービンハウジングをエンジン側から見た斜視図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。ただし、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物あるいはその用途を制限するものではない。

なお、以下の説明では、図１や図２に示すように、方向関係はエンジンを基準とする。すなわち、エンジン本体１における気筒Ｃの配列方向を「左右方向」、これに直交する方向（図１の上下方向）を「前後方向」とし、ターボ過給機５の側をエンジンの「前側」とする。また、各気筒Ｃの中心線が延びる方向（図２に示す）を「上下方向」とする。更に、「上流や下流」は、排気ガスが流れる方向を基準とする。

（エンジン）
図１及び図２に、本発明を適用したターボ過給機５（過給装置）を搭載したエンジンの一例を示す。このエンジンは、自動車に搭載される直列４気筒の４サイクルエンジンであり、シリンダブロック１ａや、その上に組み付けられたシリンダヘッド１ｂなどで構成されたエンジン本体１を備えている。シリンダヘッド１ｂには、排気弁装置２と、ターボ過給機５とが一体に組み付けられている。

シリンダブロック１ａの上部とシリンダヘッド１ｂとの双方にわたる部分に、列状に並ぶ４つの気筒Ｃ（１番気筒Ｃ１、２番気筒Ｃ２、３番気筒Ｃ３、４番気筒Ｃ４）が設けられている。本実施形態では、１番気筒Ｃ１、３番気筒Ｃ３、４番気筒Ｃ４、２番気筒Ｃ２の順に燃焼が行なわれる。各気筒Ｃの内部には、コンロッド６を介して図外のクランクシャフトに連結されたピストン７がスライド自在に収容されている。ピストン７の頂面と気筒Ｃの上部とにより、燃焼室８が区画されている。

燃焼室８の上部には、各々がバルブＶで開閉制御される、２つの排気口９，９と２つの吸気口１０，１０とが開口している。各排気口９は、前側に向かって斜め上方に延びるようにシリンダヘッド１ｂに形成された排気ポート１１に連通しており、各吸気口１０は、後側に向かって斜め上方に延びるようにシリンダヘッド１ｂに形成された吸気ポート１２に連通している。なお、図示しないが、シリンダヘッド１ｂには、燃焼室８に燃料を噴射するインジェクタや、燃焼室８で火花を点火する点火プラグ、バルブ制御機構なども、気筒Ｃごとに設けられている。

シリンダヘッド１ｂには、４つの気筒Ｃ１〜Ｃ４に対して３つの独立排気通路が形成されている。具体的には、１番気筒Ｃ１の排気に使用される２つの排気ポート１１，１１が合流した第１独立排気通路１４と、排気順序が互いに連続しない２番気筒Ｃ２及び３番気筒Ｃ３の排気に共通して使用される４つの排気ポート１１，１１，１１，１１が合流した第２独立排気通路１５と、４番気筒Ｃ４の排気に使用される２つの排気ポート１１，１１が合流した第３独立排気通路１６とが形成されている。

第２独立排気通路１５は、２番気筒Ｃ２及び３番気筒Ｃ３に対して共通に使用可能なように上流側がＹ字状に分岐した形状とされている。これら独立排気通路１４，１５，１６は、その下流側端部がシリンダヘッド１ｂの左右方向略中央に集約されるように形成され、互いに近接して左右方向に一列に並んだ状態でシリンダヘッド１ｂの前面に開口している。

また、シリンダヘッド１ｂには、ＥＧＲ下流側通路１８が形成されている。このＥＧＲ下流側通路１８は、図１に示すように、シリンダヘッド１ｂのうち、１番気筒Ｃ１の左側を前後方向に横断するように形成されている。このＥＧＲ下流側通路１８の上流側端部は、シリンダヘッド１ｂの前面における独立排気通路１４の左側に開口している。一方、ＥＧＲ下流側通路１８の下流側端部は、シリンダヘッド１ｂの後面の、１番気筒Ｃ１の吸気ポート１２の左側に開口している。

このエンジンには、排気マニホールド（気筒Ｃ１〜Ｃ４に連なる複数の排気通路を１つに統合する排気通路を構成するもの）として独立した部品は備えられておらず、シリンダヘッド１ｂの第１〜第３の独立排気通路１４，１５，１６、排気弁装置２の第１〜第３の上流側排気通路２４，２５，２６、及びターボ過給機５のタービン導入路５１が協働して排気マニホールドを構成している。

このエンジンは、排気マニホールドを通じて排出される排気ガスを利用してターボ過給機５を作動させることで、各気筒Ｃ１〜Ｃ４へと導入される吸気の吸気圧を上昇させるように構成されている。そして、自動車の運転状態に応じ、ターボ過給機５に導入される排気ガスの流速や動圧が、エンジン本体１とターボ過給機５との間に介設される排気弁装置２によって制御されることで、ターボ過給機５によるエンジントルクの上昇効果が、エンジン回転数の低速回転領域から高速回転領域の広範囲にわたって得られるように構成されている。

（排気弁装置２）
図３は、タービン５ａの側から見た排気弁装置２を示している。排気弁装置２は、エンジン本体１から排出される排気ガスの流路の断面積を変更することにより、ターボ過給機５に導入される排気ガスの流速や動圧を変更させるものであり、シリンダヘッド１ｂの前面にボルトにより固定されている。

この排気弁装置２は、金属鋳造体である装置本体２１と、排気可変バルブ２２と、負圧式アクチュエータ２３とを備えている。装置本体２１には、シリンダヘッド１ｂの独立排気通路１４，１５，１６のそれぞれに連通する３つの独立した上流側排気通路２４，２５，２６（第１上流側排気通路２４、第２上流側排気通路２５、第３上流側排気通路２６）と、シリンダヘッド１ｂのＥＧＲ下流側通路１８に連通するＥＧＲ中間通路２８と、が形成されている。

各上流側排気通路２４，２５，２６の各々は、下流側がＹ字状に分岐した形状とされている。すなわち、図２、図３、図４に示すように、第１上流側排気通路２４は、シリンダヘッド１ｂの側の第１独立排気通路１４に連通する共通通路２４ａと、この共通通路２４ａから上下二股状に分岐する高速用通路２４ｂ及び低速用通路２４ｃとを有している。

図示は省略するが、第２上流側排気通路２５及び第３上流側排気通路２６も同様に、シリンダヘッド１ｂ側の独立排気通路１５，１６にそれぞれ連通する共通通路２５ａ，２６ａと、この共通通路２５ａ，２６ａから二股状に上下に分岐する高速用通路２５ｂ，２６ｂ及び低速用通路２５ｃ，２６ｃとを有している。

低速用通路２４ｃ，２５ｃ，２６ｃは、高速用通路２４ｂ，２５ｂ，２６ｂよりも流路断面積が小さく形成されている。

各高速用通路２４ｂ，２５ｂ，２６ｂは、断面形状が略矩形であり、図３に示すように、左右方向に一列に並ぶように形成されている。各低速用通路２４ｃ，２５ｃ，２６ｃも断面形状が略矩形であり、前記各高速用通路２４ｂ，２５ｂ，２６ｂの上方の位置において、左右方向に一例に並ぶように形成されている。

一方、ＥＧＲ中間通路２８は、図１及び図３に示すように、装置本体２１の左端に形成されている。このＥＧＲ中間通路２８は、断面形状が略矩形であり、第１上流側排気通路２４のうち高速用通路２４ｂの左下に位置している。

排気可変バルブ２２は、上流側排気通路２４，２５，２６のうち、各高速用通路２４ｂ，２５ｂ，２６ｂの流路を開閉する。排気可変バルブ２２は、各高速用通路２４ｂ，２５ｂ，２６ｂの各々に配置されるバタフライバルブからなり、左右方向に並んだ３つの排気可変バルブ２２，２２，２２を互いに連結してバルブ本体３１が構成されている。

バルブ本体３１は、高速用通路２４ｂ，２５ｂ，２６ｂの横断面の中心部分を横切った状態で装置本体２１に配設されている。バルブ本体３１は、その両端の支持部３１１を介して装置本体２１に回転可能に支持されている。

各排気可変バルブ２２は、図３及び図４に示すように、各高速用通路２４ｂ，２５ｂ，２６ｂの断面形状に対応した矩形のプレート状に形成されており、下流側に面した状態で、これら通路２４ｂ，２５ｂ，２６ｂを塞ぐ遮断面２２ａを有している。

各排気可変バルブ２２は、図４に実線で示す、高速用通路２４ｂ，２５ｂ，２６ｂを全閉した状態（全閉状態）か、図４に二点鎖線で示す、高速用通路２４ｂ，２５ｂ，２６ｂを全開した状態（全開状態）の、いずれかの状態に切り替わる。

全閉状態において、各排気可変バルブ２２の遮断面２２ａは、傾斜するように設計されている。詳しくは、各高速用通路２４ｂ，２５ｂ，２６ｂを塞いだ各遮断面２２ａの上部が下流側に傾いて、遮断面２２ａに衝突した排気ガスが、低速用通路２４ｃ，２５ｃ，２６ｃに円滑に誘導されるように設計されている。なお、各排気可変バルブ２２は、ノーマルオープンに構成されている。

駆動軸３２は、バルブ本体３１の左端部に連結されて、上流側排気通路２４，２５，２６の左側の外にまで延びている。駆動軸３２の延出部分は、装置本体２１に一体に設けられた補助軸受部２１ａに回転可能に支持されており、その先端部に、駆動軸３２の回転を規制するレバー部材３３が取り付けられている。レバー部材３３は、ピンを介して負圧式アクチュエータ２３の出力軸２３ａに連結されている。

負圧式アクチュエータ２３は、図３に示すようにタービン５ａの側に位置しており、ブラケットを介して装置本体２１に固定されている。負圧式アクチュエータ２３は、突き合わせて接合された第１ケーシング２３ｂ及び第２ケーシング２３ｃを有しており、その内部の空間は、出力軸２３ａが接続されたダイヤフラム（図示せず）によって第１ケーシング２３ｂの側の負圧室と、第２ケーシング２３ｃの側の正圧室とに区画されている。

第１ケーシング２３ｂの底部には、負圧管２３ｄが接続されている。負圧室には、負圧管２３ｄを通じて、吸気負圧が供給及び排出される。それによってダイヤフラムが変位し、そのダイヤフラムの変位に伴って出力軸２３ａが進退することで駆動軸３２が回転する。

すなわち、負圧式アクチュエータ２３が、駆動軸３２を介して各排気可変バルブ２２を回転駆動することで、各高速用通路２４ｂ，２５ｂ，２６ｂは、同時に開閉される。

図５に示すように、このエンジンの各排気可変バルブ２２は、エンジンの回転数が設定回転数Ｒ以下になると全閉状態となり、設定回転数Ｒ以上になると全開状態となるように開閉制御される。すなわち、このエンジンには、実験等によって得られた回転数Ｒ（例えば１６００ｒｐｍ）が制御データとして設定されており、その設定回転数Ｒを境に、各排気可変バルブ２２が開閉される。また、低速用通路２４ｃ，２５ｃ，２６ｃと、高速用通路２４ｂ，２５ｂ，２６bとの流路断面積の比率は、設定回転数Ｒ、すなわち、通過し得る引きガス流量に基づいて設定される。

それにより、エンジンの回転数が設定回転数Ｒ以下の、排気ガスの少ない低速運転領域になると、高速用通路２４ｂ，２５ｂ，２６ｂに排気ガスが流入できなくなり、共通通路２４ａ，２５ａ，２６ａを流れる排気ガスは全て、低速用通路２４ｃ，２５ｃ，２６ｃに流入する。

そして、エンジンの回転数が設定回転数Ｒ以上の、排気ガスの多い高速運転領域になると、共通通路２４ａ，２５ａ，２６ａを流れる排気ガスは、低速用通路２４ｃ，２５ｃ，２６ｃ，及び高速用通路２４ｂ，２５ｂ，２６ｂの各々に流入する。

また、排気ガスの多い高速運転領域では、エンジンの作動状態に応じて、後述するウェストゲートバルブ７３が開かれてその開度調整が行われる。具体的には、排気圧が過剰にタービン５ａに作用しないように、所定の上限設定値以上になると、ウェストゲートバルブ７３が開かれ、排気ガス量に応じてその開度が調整される。

（ターボ過給機５）
ターボ過給機５は、タービン５ａや図外のコンプレッサ（吸気通路内に配設）などで構成されている。図１、図２に示すように、タービン５ａは、排気弁装置２を介してシリンダヘッド１ｂに組み付けられており、タービンハウジング５０、タービンホイール６０などで構成されている。

図６に示すように、タービンハウジング５０は、装置本体２１の取付面２１ｂ（図３参照）に突き合わせて固定されるフランジ５０１を有しており、図７に示すように、タービンハウジング５０には、タービン導入路５１、タービンスクロール５２、ウェストゲート通路７０、タービン導出スペース７１などが形成されている。

図１に示すように、タービン導入路５１の左側部には、排気弁装置２のＥＧＲ中間通路２８に連通するＥＧＲ上流側通路５０ａが形成されている。タービン５ａに流入する排気ガスの一部は、ＥＧＲガスとして、ＥＧＲ上流側通路５０ａ、ＥＧＲ中間通路２８、及びＥＧＲ下流側通路１８を通じて吸気通路に導入される。つまり、このエンジンでは、ＥＧＲ下流側通路１８、ＥＧＲ中間通路２８、及びＥＧＲ上流側通路５０ａによってＥＧＲ通路が構成されている。

図２に示すように、タービンスクロール５２は、排気ガスを旋回させる、タービン導入路５１の下流側に連なる渦巻き状の空間であり、その周壁部５２ａは、左右方向に延びる回転軸Ａの周りを囲むように形成されている。

タービンスクロール５２の周壁部５２ａの渦の巻き始め側の端部（舌部５４）は、回転軸Ａの下方に位置している。周壁部５２ａは、その舌部５４からエンジン側（後側）に向かって曲がりながら延出され、回転軸Ａからの距離を次第に大きくしながら、回転軸Ａの周りをほぼ一周する少し手前まで延びている。周壁部５２ａの渦の巻き終わり側の端部（終端部）と舌部５４との間に、タービンスクロール５２に排気ガスを取り入れる開口（タービンスクロール５２の入口５５）が形成されている。

タービンスクロール５２は、上下方向において、エンジンの各気筒Ｃ１〜Ｃ４及びタービン導入路５１よりも上方に位置している。タービンホイール６０は、複数のフィンが放射状に設けられている表側を通路に向けた状態で、タービンスクロール５２に収容されている。

タービンホイール６０の裏側には、タービンハウジング５０の左側部を貫通して延びる連結軸６１が固定されている。タービンホイール６０は、この連結軸６１を介して図外のコンプレッサと連結されていて、回転軸Ａを中心に回転自在となっている。タービンホイール６０は、タービンスクロール５２を旋回する排気ガスによって回転され、その回転力が連結軸６１を介してコンプレッサに伝わることで、コンプレッサが駆動する。

タービンホイール６０は、その外周縁が舌部５４に近接するように設計されている。それにより、タービンスクロール５２を旋回する排気ガスの流れは、舌部５４の部位で遮断され、タービン導出路５３に導出される。その結果、排気ガスは、タービンスクロール５２に滞留せず、タービンスクロール５２を円滑に通過するので、タービンスクロール５２に導入する排気ガスの流速や動圧により、タービンホイール６０を効率よく回転させることができる。

図６に示すように、タービンホイール６０の表側と対向している、タービンハウジング５０の右側部には、回転軸Ａと直交する方向に拡がるタービン導出スペース７１が凹み形成されている。そのタービン導出スペース７１に、タービンスクロール５２に連通するスクロール出口７１ａと、ウェストゲート通路７０に連通するウェストゲート出口７１ｂとが隣接して開口している。

図７に示すように、タービンハウジング５０にサイドハウジング７２が組み付けられることにより、タービンハウジング５０の右側部にはタービン導出路５３が設けられている。タービン導出路５３の上流側端部は、タービン導出スペース７１で構成されていて、タービンスクロール５２で旋回された排気ガスは、スクロール出口７１ａからタービン導出スペース７１に排出され、タービン導出路５３を通じて図外の排気経路に排出される。

また、詳細は後述するが、タービン導入路５１に導入された排気ガスは、ウェストゲート通路７０を経由して、ウェストゲート出口７１ｂからタービン導出スペース７１に排出される場合がある。すなわち、排気ガスは、タービンスクロール５２をバイパスして、タービン導入路５１から直にタービン導出路５３に排出され得る。

（タービン導入路５１）
タービン導入路５１は、独立排気通路１４，１５，１６、及び上流側排気通路２４，２５，２６を通じて、気筒Ｃ１〜Ｃ４から排出される排気ガスをタービンスクロール５２に導入する通路である。タービン導入路５１の下流側の端部は、タービンスクロール５２の入口５５に接続されており、タービン導入路５１の上流側の端部は、取付面２１ｂに開口する低速用通路２４ｃ，２５ｃ，２６ｃ及び高速用通路２４ｂ，２５ｂ，２６ｂと接続されている。

図２に示すように、排気ガスの通路は、排気ポート１１からタービン導入路５１の下流側の端部に至るまで、前方に向かって斜め上方に傾斜した各排気ポート１１が真っ直ぐ延長されるように形成されている。

図６にも示すように、斜め上方に延びるタービン導入路５１の内部には、上下に通路を仕切る仕切壁部５６が設けられている。この仕切壁部５６により、タービン導入路５１は、タービンスクロール５２に内周側から排気ガスを導入する第１導入路５７と、タービンスクロール５２に外周側から排気ガスを導入する第２導入路５８と、に区画されている。

第１導入路５７は、低速用通路２４ｃ，２５ｃ，２６ｃの各々と連通し、これら３つの流路２４ｃ，２５ｃ，２６ｃが第１導入路５７で合流するようになっている。同様に、第２導入路５８は、高速用通路２４ｂ，２５ｂ，２６ｂの各々と連通し、これら３つの流路２４ｂ，２５ｂ，２６ｂが第２導入路５８で合流するようになっている。

第１導入路５７には、エンジンの回転数に関係無く、排気ガスが導入される。対して、第２導入路５８には、その上流側に排気可変バルブ２２が設けられているため、エンジンの回転数が設定回転数Ｒ以上の時にのみ、排気ガスが導入される。

仕切壁部５６は、厚み幅は略一定な壁体からなり、タービン導入路５１の上側に偏って配置され、タービン導入路５１の傾斜に対応して斜め上方に延びている。タービン導入路５１の上部に相当し、第１導入路５７における仕切壁部５６と対向している内周側壁部５７ａは、仕切壁部５６と平行に、下流側に向かって斜め上方に直線状に延びており、その下流側の端部は舌部５４に連なっている。

更に、内周側壁部５７ａの上流側の端部は、独立排気通路１４，１５，１６の上部や上流側排気通路２４，２５，２６の上部に連なっており、排気通路の上部全体として、断面が直線状になるように設計されている。それにより、気筒Ｃ１〜Ｃ４の中心側から排出される排気ガスは、円滑に第１導入路５７を通じてタービンスクロール５２に導入されることから、第１導入路５７を通じてタービンスクロール５２に導入される排気ガスは、その流速や動圧を効率的にタービン５ａに作用させることができる。

一方、タービン導入路５１の下部に相当し、第２導入路５８における仕切壁部５６と対向している外周側壁部５８ａは、下方に膨らむように回転軸Ａの側に向かって湾曲した曲面形状となっており、その下流側の端部の指向する方向が、タービンホイール６０の側に偏った状態となっている。それにより、第２導入路５８を通じてタービンスクロール５２に導入される排気ガスは、外周側壁部５８ａに沿って上向きに流れが誘導され、タービンホイール６０の側に向かうように、タービンスクロール５２に導入されることから、第２導入路５８を通じてタービンスクロール５２に導入される排気ガスもまた、その流速や動圧を効率的にタービン５ａに作用させることができる。

第１導入路５７及び第２導入路５８の縦幅（上下方向の幅）は、低速用通路２４ｃ，２５ｃ，２６ｃ及び高速用通路２４ｂ，２５ｂ，２６ｂの縦幅に対応しており、第１導入路５７の縦幅が第２導入路５８の縦幅よりも小さくなっている。

そして、図７，図８に詳しく示すように、タービン導入路５１は、上流側から下流側に向かって横幅（エンジン左右方向の幅）が次第に小さくなる、先窄まり形状に形成されている。すなわち、気筒Ｃ１〜Ｃ４から排出される排気ガスは、絞られた流路を通った後に、タービンスクロール５２に導入されるようになっている。

具体的には、タービン導入路５１は、ガス集合部５１１、スロート部５１２、ストレート部５１３を有している。ガス集合部５１１は、タービン導入路５１の上流側の端部を構成する部分であり、横幅が最も大きく形成されている。気筒Ｃ１〜Ｃ４から排出される排気ガスは、全てこのガス集合部５１１に集められる。

詳しくは、図７に示すように、第２導入路５８のガス集合部５１１（第２ガス集合部５１１）は、高速用通路２４ｂ，２５ｂ，２６ｂの各々と連通し、これら３つの流路２４ｂ，２５ｂ，２６ｂを流れる排気ガスは、第２ガス集合部５１１に集合する。同様に、第１導入路５７のガス集合部５１１も、低速用通路２４ｃ，２５ｃ，２６ｃの各々と連通し、これら３つの流路２４ｃ，２５ｃ，２６ｃを流れる排気ガスは、第１導入路５７のガス集合部５１１に集合する。

スロート部５１２は、ガス集合部５１１の下流側に円滑に連なる先窄まり形状をした部分であり、図７に示すように、第２導入路５８のスロート部５１２（第２スロート部５１２）は、特に、ウェストゲート通路７０との関係で、その形状が工夫されている。

具体的には、第２スロート部５１２は、回転軸Ａが延びる左右方向に対向する一対の対称的な内側面５１２ａ，５１２ａを有している。これら内側面５１２ａの上流側端部は、第２ガス集合部５１１の各内側面５１２ａに連なって外側に湾曲して下流側が窄まるように形成されており、これら上流側端部と円滑に連なる各内側面５１２ａの下流側は、内側に湾曲して下流側が窄まるように形成されている。

ストレート部５１３は、スロート部５１２とタービンスクロール５２の入口５５との間に連なる部分であり、その流路の断面形状は略矩形で、流路断面積が略一定に形成されている。スロート部５１２を通って絞られる排気ガス流は、このストレート部５１３で整流され、タービンスクロール５２に最適な状態で導入されるように構成されている。

第１導入路５７や第２導入路５８の各ストレート部５１３の流路断面積は、各気筒Ｃに連通している２つの排気ポート１１，１１の総流路断面積よりも小さく設定されている。これらストレート部５１３の流路断面積を、各気筒Ｃに連通している２つの排気ポート１１，１１の総流路断面積よりも小さく設定することでベンチュリ−効果が得られる。その結果、筒内の掃気を促進し、かつ、排気ガスの流速を高めてタービンスクロール５２に導入させることができるので、より効率的に排気ガスをタービンホイール６０に作用させることができる。

タービン導入路５１の下流側の端部には、第１導入路５７及び第２導入路５８の各ストレート部５１３が合流する合流部５９が設けられている。排気可変バルブ２２が全開状態となる高速運転領域では、第１導入路５７及び第２導入路５８を通った排気ガスは、この合流部５９で合流してタービンスクロール５２に導入される。

第１導入路５７のみから排気ガスが導入される場合（低速運転領域）と、第１導入路５７と第２導入路５８の双方から排ガスが導入される場合（高速運転領域）とで、安定的かつ効率的に排気ガスをタービンスクロール５２に導入できるように、合流部５９を規定する仕切壁部５６の下流端の位置は、実験等により詳細に設定されている。具体的には、回転軸Ａが延びる方向から見た図２に示すように、仕切壁部５６の下流端５６ａが、回転軸Ａ及び舌部５４と直列状に並ぶように配置されている。

（ウェストゲート通路７０、ウェストゲートバルブ７３）
ウェストゲート通路７０は、排気圧が過剰にタービン５ａに作用しないように、また、排気ガスの通路抵抗の異常な増大による掃気性の悪化を防止するために、タービンスクロール５２を迂回して排気ガスを流すバイパス通路である。ウェストゲート通路７０は、排気ガスの多い高速運転領域において、排気ガス量が所定の上限設定値以上になった場合に使用される。

ウェストゲート通路７０が使用されるのは、排気ガスが第２導入路５８を流れる場合であるため、図１、図７〜図９に示すように、ウェストゲート通路７０は第２導入路５８に設けられている。それにより、ウェストゲート通路７０が、第１導入路５７を流れる排気ガス流に影響が及ぶのを防止しながら、過剰な排気ガスを効率的に迂回できるようにしている。また、ウェストゲート通路７０は、エンジン左右方向に分岐するように配設している。このようにすることで、ウェストゲート通路使用時（ウェストゲートバルブ開状態）においても、ウェストゲート通路７０に導入される排気ガスは大きく流れの方向を変えることなくスムーズに導入される。

ウェストゲート通路７０は、第２スロート部５１２の内側面５１２ａの下流側から分岐し、ストレート部５１３に並列して斜め上方に延びている。ウェストゲート通路７０の下流側端部は、タービンスクロール５２の入口５５の近傍（ウェストゲート通路７０の側の近傍）に配置されており、その下流側端部に、回転軸Ａが延びる方向に開口するウェストゲート出口７１ｂが設けられている。

図６、図７に示すように、ウェストゲート出口７１ｂに、ウェストゲートバルブ７３が設置されている。ウェストゲートバルブ７３は、タービン導出スペース７１に配置されており、ウェストゲート出口７１ｂを閉じた状態（図７に実線で示す）と、ウェストゲート出口７１ｂを開いてその開度調整が行われる状態（図７に仮想線で示す）とに、揺動して連続的に制御できるように構成されている。

排気ガスの多い高速運転領域では、各排気可変バルブ２２が全開され、第２導入路５８に排気ガスが導入される。そして、エンジンの作動状態に応じて、ウェストゲートバルブ７３が開閉されるが、ウェストゲートバルブ７３が閉じられた状態では、ウェストゲート通路７０に排気ガスが滞留し、その分岐部分の周辺で排気ガスの乱流が形成されて、タービンスクロール５２への排気ガスの導入が円滑に行えないおそれがある。

それに対し、このタービン５ａでは、ウエストゲート通路７０の分岐部分が、タービンスクロール５２の入口５５から上流側に離れたスロート部５１２に位置しているため、その分岐部分の周辺で排気ガスの乱流が形成されても、流路が絞られていくことから、タービンスクロール５２に導入される前に整流させることができる。

しかも、このタービン５ａでは、ウェストゲート通路７０が、内側に湾曲している第２スロート部５１２の内側面５１２ａの下流側から分岐しているため、第２導入路５８を流れる排気ガス流は、その分岐部分を超えてストレート部５１３に誘導され易くなっている。

詳しくは、図７に示すように、ウェストゲート通路７０の下流側の分岐部分７０ａは、ウェストゲート通路７０より上流側の内側面５１２ａに対して下流側に一段下がった状態、換言すれば、ウェストゲート通路７０より上流側の内側面５１２ａの突出部位に接する接線Ｓよりも、ウェストゲート通路７０の下流側の分岐部分７０ａが下流側に位置している状態となっている。その結果、内側面５１２ａに沿って流れる排気ガスのウェストゲート通路７０への流入や排気ガス流の分岐部分との干渉が起き難くなり、乱流の形成が抑制されるので、第２導入路５８を流れる排気ガス流は、ストレート部５１３に誘導され易くなっている。

従って、ウェストゲート通路７０がタービンスクロール５２の近傍部位で分岐していても、排気ガスをタービンスクロール５２へ円滑に導入できる。

特に、このエンジンの場合、設定回転数Ｒを境に排気可変バルブ２２が開閉されるため、その際に排気ガスの流れが大きく変化する。特に、低速運転領域から高速運転領域への移行時には、排気ガス量が比較的少ないにも係わらず、排気可変バルブ２２が全開されて排気ガスの流路断面積が増加し、第２導入路５８に排気ガスが一気に流入する。

その際、ウェストゲートバルブ７３は閉じた状態であるため、ウェストゲート通路７０に起因した乱流の影響により、タービン５ａの駆動が不安定になり易いが、このタービン５ａでは、構造的に乱流が形成され難くなっているので、排気ガスをタービンスクロール５２へ円滑に導入でき、タービン５ａを安定して駆動させることができる。

更に、スロート部５１２の下流側には絞られた排気ガス流を整流させるストレート部５１３が設けられているので、よりいっそう排気ガスをタービンスクロール５２へ円滑に導入できる。

また、ウェストゲート通路７０は、第２スロート部５１２のうち、その下流側から分岐しているので、各気筒Ｃから異なるタイミングで排出された排気ガスを、ガス集合部５１１で充分に合流させてからウェストゲート通路７０の分岐部位に至らせることができ、タービンを安定して駆動させることができる。

また、ウェストゲート通路７０は、ストレート部５１３に並列した状態で斜め上方に延びているので、図９に示すように、ウェストゲート通路７０と、ストレート部５１３とが、排気ガスの流れに対向して並んだ状態となっており、ウェストゲートバルブ７３が開かれた場合においても、ウェストゲート通路７０及びストレート部５１３の双方に排気ガスを円滑に流すことができる。

また、ウェストゲート通路７０は、タービンスクロール５２の入口５５の近傍でタービン導出路５３に連通しているので、ウェストゲート通路７０の全長が短くなり、タービンハウジング５０をコンパクトにできる。しかも、ウェストゲートバルブ７３が、タービン導出スペース７１に臨んだウェストゲート出口７１ｂに設置されているので、よりいっそうコンパクトにできる。

なお、本発明にかかる過給装置は、上述した実施形態に限定されず、それ以外の種々の構成をも包含する。例えば、実施形態では、直列４気筒の４サイクルエンジンに適用した例について説明したが、その他のエンジンについても適用可能である。例示の排気弁装置２やターボ過給機５、タービンハウジング５０の細部の構成についても、逸脱しない限り、仕様に応じて適宜変更可能である。

１ エンジン本体
２ 排気弁装置
５ ターボ過給機
５ａ タービン
１１ 排気ポート
１４ 第１独立排気通路
１５ 第２独立排気通路
１６ 第３独立排気通路
１８ ＥＧＲ下流側通路
２２ 排気可変バルブ
２４ 第１上流側排気通路
２４ａ 共通通路
２４ｂ 高速用通路
２４ｃ 低速用通路
２５ 第２上流側排気通路
２５ａ 共通通路
２５ｂ 高速用通路
２５ｃ 低速用通路
２６ 第３上流側排気通路
２６ａ 共通通路
２６ｂ 高速用通路
２６ｃ 低速用通路
２８ ＥＧＲ中間通路
５０ タービンハウジング
５０ａ ＥＧＲ上流側通路
５１ タービン導入路
５２ タービンスクロール
５３ タービン導出路
５６ 仕切壁部
５７ 第１導入路
５８ 第２導入路
５９ 合流部
６０ タービンホイール
６１ 連結軸
７０ ウェストゲート通路
７１ タービン導出スペース
７３ ウェストゲートバルブ
５１１ ガス集合部
５１２ スロート部
５１２ａ 内側面
５１３ ストレート部
Ａ 回転軸
Ｃ１〜Ｃ４ 気筒
Ｒ 設定回転数
Ｓ 接線

Claims (6)

1. タービンを備えたエンジンの過給装置であって、
   前記タービンは、
   前記エンジンの各気筒から排出される排気ガスを導入するタービン導入路と、
   前記タービン導入路の下流側に連なって排気ガスを旋回させるタービンスクロールと、
   前記タービンスクロールに収容されていて、排気ガスによって回転軸を中心に回転されるタービンホイールと、
   前記タービンスクロールに連通し、当該タービンスクロールから排出される排気ガスが流れるタービン導出路と、
   前記タービン導入路から分岐して前記タービン導出路に連通し、前記タービンスクロールを迂回して排気ガスを流すウェストゲート通路と、
   前記エンジンの作動状態に応じて前記ウェストゲート通路の流路を開閉するウェストゲートバルブと、
   を有し、
   前記タービン導入路は、
   上流側に配置されて排気ガスが集合するガス集合部と、
   前記ガス集合部に連なって下流側が窄まるように形成されたスロート部と、
   を有し、
   前記ウェストゲート通路が、前記スロート部から分岐している過給装置。
2. 請求項１に記載の過給装置において、
   前記タービン導入路が更に、前記スロート部と前記タービンスクロールの入口との間に連なる、流路断面積が略一定のストレート部を有している過給装置。
3. 請求項２に記載の過給装置において、
   前記ウェストゲート通路が、前記スロート部の下流側から分岐している過給装置。
4. 請求項２又は請求項３に記載の過給装置において、
   前記ウェストゲート通路が、前記ストレート部と平行に配設されている過給装置。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか一つに記載の過給装置において、
   前記ウェストゲート通路は、前記タービンスクロールの入口の近傍で前記タービン導出路に連通し、
   前記ウェストゲート通路の出口に前記ウェストゲートバルブが設置されている過給装置。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか一つに記載の過給装置において、
   前記タービン導入路は、仕切壁部により、前記タービンスクロールに内周側から排気ガスを導入する第１導入路と、前記タービンスクロールに外周側から排気ガスを導入する第２導入路と、に区画され、
   前記第２導入路の上流側には、流路断面積を変化させることによって当該第２導入路への排気ガスの導入量を変化させる排気可変バルブが設けられ、
   前記ウェストゲート通路が、前記第２導入路に設けられている過給装置。

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