JP2017186954A - 内燃機関 - Google Patents
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Abstract
【課題】ツインエントリー型のターボチャージャを備える内燃機関において、タービンハウジングに過度の熱応力が発生することを抑制する。
【解決手段】ツインエントリー型のターボチャージャのタービンハウジングには、第１排気マニホールドと連通する第１スクロール室と、第２排気マニホールドと連通する第２スクロール室とが設けられている。第１排気マニホールドの表面積は、第２排気マニホールドの表面積よりも大きく構成され、これらの排気マニホールドは冷却機構によって冷却されている。タービンハウジングには、第１，第２スクロール室をそれぞれ覆うように第１，第２冷却水流路が設けられている。内燃機関は、第１，第２冷却水流路に冷却水を流通させる冷却装置を有し、冷却装置は、第２冷却水流路に導入する冷却水の温度が第１冷却水流路に導入する冷却水の温度よりも低くなるように構成されている。
【選択図】図３
【解決手段】ツインエントリー型のターボチャージャのタービンハウジングには、第１排気マニホールドと連通する第１スクロール室と、第２排気マニホールドと連通する第２スクロール室とが設けられている。第１排気マニホールドの表面積は、第２排気マニホールドの表面積よりも大きく構成され、これらの排気マニホールドは冷却機構によって冷却されている。タービンハウジングには、第１，第２スクロール室をそれぞれ覆うように第１，第２冷却水流路が設けられている。内燃機関は、第１，第２冷却水流路に冷却水を流通させる冷却装置を有し、冷却装置は、第２冷却水流路に導入する冷却水の温度が第１冷却水流路に導入する冷却水の温度よりも低くなるように構成されている。
【選択図】図３
Description
本発明は、内燃機関に係り、特に、ツインエントリー型のターボチャージャのタービンハウジングを冷却する機構を備えた内燃機関に関する。
従来、例えば特許文献１には、ツインエントリー型のターボチャージャを備える内燃機関に関する技術が開示されている。ツインエントリー型のターボチャージャは、タービンに２つの排気ガスの導入口を備えており、複数気筒のうちの第１の気筒群の排気ガスがタービンの一方の導入口に流入され、第２の気筒群の排気ガスがタービンの他方の導入口に流入されるように排気通路が構成されている。
また、上記特許文献１のシステムは、排気ポートを流れる排気ガスを冷却するための２つの異なる冷却系を備えている。具体的には、第１の気筒群の排気ポートを流れる排気ガスは低水温の冷却系で冷却され、第２の気筒群の排気ポートを流れる排気ガスは高水温の冷却系で冷却される。
上記特許文献１のシステムでは、ＥＧＲガスとして還流させる排気ガスを、第１の気筒群の排気ガスと第２の気筒群の排気ガスの間で切り替えることができるので、内燃機関の運転状態に応じてＥＧＲガスの温度を変化させることができる。しかしながら、上記特許文献１のシステムでは、異なる温度の排気ガスがツインエントリー型のターボチャージャにそれぞれ導入される。導入された排気ガスは、タービンハウジング内に設けられた各スクロール室を流通する。このため、各スクロール室を流通する排気ガスの温度差が大きい場合には、タービンハウジングに過度の熱応力が発生するおそれがある。
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、ツインエントリー型のターボチャージャを備える内燃機関において、タービンハウジングに過度の熱応力が発生することを抑制することが可能な内燃機関を提供することを目的とする。
本発明は、上記の目的を達成するため、
内燃機関の第１気筒群から排気されるガスが流通する第１排気マニホールドと、
前記第１気筒群とは異なる第２気筒群から排気されるガスが流通する第２排気マニホールドと、
前記第１排気マニホールドに連通する第１スクロール室及び前記第２排気マニホールドに連通する第２スクロール室を有するターボチャージャと、を備え、
前記第１排気マニホールドの壁面の表面積が、前記第２排気マニホールドの壁面の表面積よりも大きい内燃機関において、
前記ターボチャージャは、
タービンホイールの軸線方向において互いに仕切壁で区画された前記第１スクロール室及び前記第２スクロール室を備えるタービンハウジングと、
前記第１スクロール室を覆うように前記タービンハウジングに設けられた第１冷却水流路と、
前記第２スクロール室を覆うように前記タービンハウジングに設けられた第２冷却水流路と、を有し、
前記内燃機関は、前記第１冷却水流路及び前記第２冷却水流路に冷却水を流通させる冷却装置を有し、
前記冷却装置は、前記第２冷却水流路に導入する冷却水の温度が前記第１冷却水流路に導入する冷却水の温度よりも低くなるように構成されていることを特徴としている。
内燃機関の第１気筒群から排気されるガスが流通する第１排気マニホールドと、
前記第１気筒群とは異なる第２気筒群から排気されるガスが流通する第２排気マニホールドと、
前記第１排気マニホールドに連通する第１スクロール室及び前記第２排気マニホールドに連通する第２スクロール室を有するターボチャージャと、を備え、
前記第１排気マニホールドの壁面の表面積が、前記第２排気マニホールドの壁面の表面積よりも大きい内燃機関において、
前記ターボチャージャは、
タービンホイールの軸線方向において互いに仕切壁で区画された前記第１スクロール室及び前記第２スクロール室を備えるタービンハウジングと、
前記第１スクロール室を覆うように前記タービンハウジングに設けられた第１冷却水流路と、
前記第２スクロール室を覆うように前記タービンハウジングに設けられた第２冷却水流路と、を有し、
前記内燃機関は、前記第１冷却水流路及び前記第２冷却水流路に冷却水を流通させる冷却装置を有し、
前記冷却装置は、前記第２冷却水流路に導入する冷却水の温度が前記第１冷却水流路に導入する冷却水の温度よりも低くなるように構成されていることを特徴としている。
第２の発明は、第１の発明において、
前記第１排気マニホールド及び前記第２排気マニホールドは、シリンダヘッドの内部に形成され、
前記シリンダヘッドの内部において前記第１排気マニホールド及び前記第２排気マニホールドの周囲に設けられたウォータジャケットに冷却水を流通させるように構成された冷却機構を備えることを特徴としている。
前記第１排気マニホールド及び前記第２排気マニホールドは、シリンダヘッドの内部に形成され、
前記シリンダヘッドの内部において前記第１排気マニホールド及び前記第２排気マニホールドの周囲に設けられたウォータジャケットに冷却水を流通させるように構成された冷却機構を備えることを特徴としている。
第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記第１冷却水流路と前記第２冷却水流路は直列に接続され、
前記冷却装置は、前記第２冷却水流路から前記第１冷却水流路へと冷却水を流通させるウォータポンプを含んで構成されていることを特徴としている。
前記第１冷却水流路と前記第２冷却水流路は直列に接続され、
前記冷却装置は、前記第２冷却水流路から前記第１冷却水流路へと冷却水を流通させるウォータポンプを含んで構成されていることを特徴としている。
第４の発明は、第１又は第２の発明において、
前記冷却装置は、
第１冷却水を前記第１冷却水流路に流通させる第１ウォータポンプと、
前記第１冷却水よりも低温の第２冷却水を前記第２冷却水流路に流通させる第２ウォータポンプと、
を含んで構成されていることを特徴としている。
前記冷却装置は、
第１冷却水を前記第１冷却水流路に流通させる第１ウォータポンプと、
前記第１冷却水よりも低温の第２冷却水を前記第２冷却水流路に流通させる第２ウォータポンプと、
を含んで構成されていることを特徴としている。
第５の発明は、第４の発明において、
前記第１冷却水は前記内燃機関の本体を通過したエンジン冷却水であり、前記第２冷却水は水冷式のインタークーラを通過した冷却水であることを特徴としている。
前記第１冷却水は前記内燃機関の本体を通過したエンジン冷却水であり、前記第２冷却水は水冷式のインタークーラを通過した冷却水であることを特徴としている。
第１排気マニホールドを流通する排気は、第２排気マニホールドを流通する排気よりも冷却されるため、タービンハウジング内の第１スクロール室と第２スクロール室には、異なる温度の排気ガスが導入される。第１の発明によれば、第２冷却水流路に導入される冷却水の温度が第１冷却水流路に導入される冷却水の温度よりも低くなるように冷却装置が構成されている。このような構成によれば、第２冷却水流路の側のタービンハウジングの領域が第１冷却水流路の側のタービンハウジングの領域よりも冷却される。これにより、タービンハウジングにおける第２スクロール室の側の領域と第１スクロール室の側の領域との温度差を縮小するようにタービンハウジングが冷却されるので、タービンハウジングに過度の熱応力が発生することを抑制することが可能となる。
第２の発明によれば、第１排気マニホールド及び第２排気マニホールドは、シリンダヘッドの内部に形成され、冷却機構は、第１排気マニホールド及び第２排気マニホールドの周囲に設けられたウォータジャケットに冷却水を流通させるように構成されている。このような構成によれば、シリンダヘッドの内部において排気マニホールド内の排気ガスを冷却することができる。
第３の発明によれば、冷却水は、第２スクロール室を覆う第２冷却水流路から第１スクロール室を覆う第１冷却水流路へと流通される。このような構成によれば、第２冷却水流路において第２スクロール室を流れる排気ガスとの間で熱交換された後の冷却水が第１冷却水流路に導入される。これにより、第２冷却水流路に導入される冷却水の温度を第１冷却水流路に導入される冷却水の温度よりも相対的に低くすることができるので、タービンハウジングに過度の熱応力が発生することを抑制することが可能となる。
第４の発明によれば、第１冷却水流路には第１冷却水が流通され、第２冷却水流路には第１冷却水よりも低温の第２冷却水が流通される。このため、本発明によれば、タービンハウジングにおける第２スクロール室の側の領域と第１スクロール室の側の領域との温度差を縮小するようにタービンハウジングが冷却されるので、タービンハウジングに過度の熱応力が発生することを抑制することが可能となる。
第５の発明によれば、第１冷却水流路には内燃機関の本体を通過した冷却水が流通され、第２冷却水流路にはインタークーラを通過した冷却水が流通される。このため、本発明によれば、既存の冷却水を利用して第１冷却水流路及び第２冷却水流路に温度の異なる冷却水を流通させることができる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
実施の形態１．
１−１.実施の形態１の内燃機関の構成
図１は、本発明の実施の形態１として内燃機関の構成を説明するための簡易図である。図１に示すように、本実施の形態の内燃機関１０は、＃１→＃３→＃４→＃２の順に爆発を繰り返す直列４気筒エンジンとして構成されている。内燃機関１０のエンジン本体２には、吸気マニホールド１２を介して、吸気通路１４が接続されており、吸気通路１４の途中には、インタークーラ１６、スロットルバルブ１８等が設けられている。
１−１.実施の形態１の内燃機関の構成
図１は、本発明の実施の形態１として内燃機関の構成を説明するための簡易図である。図１に示すように、本実施の形態の内燃機関１０は、＃１→＃３→＃４→＃２の順に爆発を繰り返す直列４気筒エンジンとして構成されている。内燃機関１０のエンジン本体２には、吸気マニホールド１２を介して、吸気通路１４が接続されており、吸気通路１４の途中には、インタークーラ１６、スロットルバルブ１８等が設けられている。
内燃機関１０には、ターボチャージャ２０が備えられている。ターボチャージャ２０は、内燃機関１０の排気ガスのエネルギによって作動するタービン２０１と、このタービン２０１によって駆動されるコンプレッサ２０２と、を有している。コンプレッサ２０２には、上述した吸気通路１４が接続されている。コンプレッサ２０２により、吸入空気を圧縮することができる。
タービン２０１は、二つの入口を有している。すなわち、このターボチャージャ２０は、ツインエントリー型のターボチャージャとして構成されている。なお、ターボチャージャ２０の内部構成については詳細を後述する。タービン２０１の一方の入口には、第１排気マニホールド３０が接続されており、他方の入口には、第２排気マニホールド３２が接続されている。第１排気マニホールド３０及び第２排気マニホールド３２の構成については詳細を後述する。タービン２０１の出口には、排気通路３４が接続されている。排気通路３４の途中には、排気ガスを浄化する触媒３８等が設置されている。このようなツインエントリー型のターボチャージャ２０によれば、気筒間の排気脈動の干渉を抑制することができ、優れた過給特性が得られる。
１−２．排気マニホールドの構成
第１排気マニホールド３０と第２排気マニホールド３２は、内燃機関１０のシリンダヘッド４の内部に形成されたシリンダヘッド一体型の排気マニホールドとして構成されている。図２は、シリンダヘッド内に設けられた排気マニホールドの構成を説明するための図である。図１及び図２に示すように、第１排気マニホールド３０は、＃１気筒および＃４気筒に接続されている。すなわち、＃１気筒から排出される排気ガスと、＃４気筒から排出される排気ガスとは、第１排気マニホールド３０において合流し、タービン２０１の一方の入口に流入する。以下、＃１気筒および＃４気筒で構成される気筒群を「第１気筒群」と称する。
第１排気マニホールド３０と第２排気マニホールド３２は、内燃機関１０のシリンダヘッド４の内部に形成されたシリンダヘッド一体型の排気マニホールドとして構成されている。図２は、シリンダヘッド内に設けられた排気マニホールドの構成を説明するための図である。図１及び図２に示すように、第１排気マニホールド３０は、＃１気筒および＃４気筒に接続されている。すなわち、＃１気筒から排出される排気ガスと、＃４気筒から排出される排気ガスとは、第１排気マニホールド３０において合流し、タービン２０１の一方の入口に流入する。以下、＃１気筒および＃４気筒で構成される気筒群を「第１気筒群」と称する。
一方、第２排気マニホールド３２は、＃２気筒および＃３気筒に接続されている。すなわち、＃２気筒から排出される排気ガスと、＃３気筒から排出される排気ガスとは、第２排気マニホールド３２において合流し、タービン２０１の他方の入口に流入する。以下、＃２気筒および＃３気筒で構成される気筒群を「第２気筒群」と称する。
また、シリンダヘッド４には、第１排気マニホールド３０を流通する排気ガス及び第２排気マニホールド３２を流通する排気ガスを冷却するためのヘッド内水冷部６を備えている。ヘッド内水冷部６は、第１排気マニホールド３０及び第２排気マニホールド３２の周囲に設けられたウォータジャケットに冷却水を流通させるように構成されている。
なお、図２に示すように、第１排気マニホールド３０の経路長は、第２排気マニホールド３２の経路長よりも長く構成されている。このような構成では、第１排気マニホールド３０の壁面の表面積が第２排気マニホールド３２の壁面の表面積よりも大きい。このため、第１排気マニホールド３０を通過した排気ガスの温度は、第２排気マニホールド３２を通過した排気ガスの温度よりも低くなる。
１−３．ターボチャージャの構成
本実施の形態のツインエントリー型のターボチャージャ２０は、タービンハウジング内に冷却水を流通させてタービンハウジングの過熱を防ぐための構造を備えている。図３は、実施の形態１のターボチャージャのタービン側の構成を説明するための図である。また、図４は、図３におけるタービンを回転軸Ｌ１を通る鉛直面で切断した場合の切断面の一部を示す図である。
本実施の形態のツインエントリー型のターボチャージャ２０は、タービンハウジング内に冷却水を流通させてタービンハウジングの過熱を防ぐための構造を備えている。図３は、実施の形態１のターボチャージャのタービン側の構成を説明するための図である。また、図４は、図３におけるタービンを回転軸Ｌ１を通る鉛直面で切断した場合の切断面の一部を示す図である。
ターボチャージャ２０は、排気通路３４に配置されたタービンホイール２０３、吸気通路１４に配置されたコンプレッサインペラ（図示省略）、及び、これらタービンホイール２０３とコンプレッサインペラとを回転一体に連結する連結シャフト（図示省略）などを備えており、排気通路３４に配置されたタービンホイール２０３が排気のエネルギによって回転し、これに伴って吸気通路１４に配置されたコンプレッサインペラが回転する。そして、コンプレッサインペラの回転により吸入空気が過給され、内燃機関１０の各気筒＃１〜＃４の燃焼室に過給空気が強制的に送り込まれる。
タービンホイール２０３は、タービンハウジング２０４内に収容されている。ターボチャージャ２０のスクロール室は、仕切壁２０５によって回転軸Ｌ１の軸線方向に並んだ第１スクロール室２０６と第２スクロール室２０７に区画されている。第１スクロール室２０６及び第２スクロール室２０７は、それぞれ排気ガスの入口（図示省略）が設けられている。第１スクロール室２０６の入口には上述した第１排気マニホールド３０が接続され、第２スクロール室２０７の入口には第２排気マニホールド３２が接続されている。つまり、第１スクロール室２０６は第１排気マニホールド３０に連通し、第２スクロール室２０７は第２排気マニホールド３２に連通している。これにより、第１気筒群の排気ガスは第１排気マニホールド３０を流通する過程でヘッド内水冷部６により冷却された後、連通先である第１スクロール室２０６へと導入される。一方、第２気筒群の排気ガスは第２排気マニホールド３２を流通する過程でヘッド内水冷部６により冷却された後、連通先である第２スクロール室２０７へと導入される。
また、タービンハウジング２０４には、冷却水流路が形成されている。より詳しくは、タービンハウジング２０４には、第１スクロール室２０６及び第２スクロール室２０７の外周側をそれぞれ覆うように、第１冷却水流路２０８及び第２冷却水流路２０９が形成されている。第２冷却水流路２０９の一端には冷却水の入口２１０が設けられている。また、第２冷却水流路２０９の他端には、接続流路２１１を介して第１冷却水流路２０８の一端が接続されている。また、第１冷却水流路２０８の他端には、冷却水の出口２１２が設けられている。つまり、第１冷却水流路２０８と第２冷却水流路２０９は直列に接続されている。これにより、タービンハウジング２０４には、入口２１０から第２冷却水流路２０９、接続流路２１１及び第１冷却水流路２０８を介して出口２１２へと至るタービン冷却経路２１３が形成される。
１−４．冷却装置の構成
内燃機関１０は、タービンハウジング２０４に形成されているタービン冷却経路２１３に冷却水を流通させるための冷却装置４０を備えている。図５は、冷却装置４０のシステム構成を説明するための図である。この図に示すように、冷却装置４０は、エンジン冷却水をタービン冷却経路２１３へと流通させる装置として構成されている。より詳しくは、エンジン本体２のエンジン冷却水の吐出口は、冷却水配管４２を介してタービン冷却経路２１３の入口２１０に接続されている。また、タービン冷却経路２１３の出口２１２は、冷却水配管４４を介してエンジン本体２のエンジン冷却水の導入口に接続されている。そして、冷却水配管４４には、エンジン冷却水を冷却するためのラジエータ４６と、エンジン冷却水をエンジン本体２へと送水するためウォータポンプ４８が設けられている。
内燃機関１０は、タービンハウジング２０４に形成されているタービン冷却経路２１３に冷却水を流通させるための冷却装置４０を備えている。図５は、冷却装置４０のシステム構成を説明するための図である。この図に示すように、冷却装置４０は、エンジン冷却水をタービン冷却経路２１３へと流通させる装置として構成されている。より詳しくは、エンジン本体２のエンジン冷却水の吐出口は、冷却水配管４２を介してタービン冷却経路２１３の入口２１０に接続されている。また、タービン冷却経路２１３の出口２１２は、冷却水配管４４を介してエンジン本体２のエンジン冷却水の導入口に接続されている。そして、冷却水配管４４には、エンジン冷却水を冷却するためのラジエータ４６と、エンジン冷却水をエンジン本体２へと送水するためウォータポンプ４８が設けられている。
ウォータポンプ４８が駆動されると、ラジエータ４６において冷却されたエンジン冷却水がエンジン本体２へ導入される。エンジン本体２へ導入されたエンジン冷却水は、エンジン本体２との熱交換の後にタービン冷却経路２１３へと導入される。タービン冷却経路２１３に導入されたエンジン冷却水は、タービンハウジング２０４の冷却に利用される。タービン冷却経路２１３から吐出されたエンジン冷却水は、ラジエータ４６に送られて冷却された後、再びエンジン本体２へと送られる。
１−５．実施の形態１の内燃機関の特徴
次に、実施の形態１の内燃機関の特徴について説明する。内燃機関１０が駆動されると、第１気筒群から排気された排気ガスが第１排気マニホールド３０へと流通し、また、第２気筒群から排気された排気ガスが第２排気マニホールド３２へと流通する。排気ガスは、各排気マニホールドを流通する過程でヘッド内水冷部６によって冷却される。上述したように、第１排気マニホールド３０の壁面の表面積は第２排気マニホールド３２の壁面の表面積よりも大きいため、第１排気マニホールド３０を通過した排気ガスの温度は、第２排気マニホールド３２を通過した排気ガスの温度よりも低くなる。
次に、実施の形態１の内燃機関の特徴について説明する。内燃機関１０が駆動されると、第１気筒群から排気された排気ガスが第１排気マニホールド３０へと流通し、また、第２気筒群から排気された排気ガスが第２排気マニホールド３２へと流通する。排気ガスは、各排気マニホールドを流通する過程でヘッド内水冷部６によって冷却される。上述したように、第１排気マニホールド３０の壁面の表面積は第２排気マニホールド３２の壁面の表面積よりも大きいため、第１排気マニホールド３０を通過した排気ガスの温度は、第２排気マニホールド３２を通過した排気ガスの温度よりも低くなる。
第１排気マニホールド３０を通過した低温の排気ガスはタービン２０１の第１スクロール室２０６へと導入される。一方、第２排気マニホールド３２を通過した高温の排気ガスは、タービン２０１の第２スクロール室２０７へと導入される。
第１スクロール室２０６を流通する排気ガスと第２スクロール室２０７を流通する排気ガスの温度差が大きいと、タービンハウジング２０４における第２スクロール室２０７の側の領域が第１スクロール室２０６の側の領域よりも相対的に高温となり、過度の熱応力が発生するおそれがある。
そこで、本実施の形態１の内燃機関１０では、第２冷却水流路２０９から第１冷却水流路２０８へとエンジン冷却水が流通するようにタービン冷却経路２１３が構成されている。エンジン冷却水は、第２冷却水流路２０９及び第１冷却水流路２０８を流通する過程で受熱を行うため、第２冷却水流路２０９を流通するエンジン冷却水の温度は、第１冷却水流路２０８を流通するエンジン冷却水の温度よりも相対的に低温となる。このような構成によれば、第２スクロール室２０７の側のタービンハウジング２０４の領域が第１スクロール室２０６の側のタービンハウジング２０４の領域よりも優先的に冷却される。これにより、タービンハウジング２０４における第２スクロール室２０７の側の領域と第１スクロール室２０６の側の領域との温度差を縮小するようにタービンハウジング２０４を冷却することができるので、タービンハウジング２０４に過度の熱応力が発生することを抑制することが可能となる。
ところで、上述した実施の形態１の内燃機関１０では、第１排気マニホールド３０及び第２排気マニホールド３２が、シリンダヘッド一体型の排気マニホールドである場合を例に説明したが、シリンダヘッド４と別体として構成された排気マニホールド及びこの排気マニホールドを冷却する冷却機構を用いることとしてもよい。このことは、後述する実施の形態２の内燃機関１０についても同様である。
また、上述した実施の形態１の内燃機関１０では、エンジン冷却水をタービン冷却経路２１３へ導入する冷却装置４０について説明したが、他の冷却水（例えば、インタークーラを冷却するインタークーラ冷却水）をタービン冷却経路２１３へ導入する構成でもよい。
また、上述した実施の形態１の内燃機関１０では、直列４気筒エンジンを例に説明したが、本発明を適用可能なエンジンはこれに限られない。すなわち、第１気筒群から排気されるガスが流通する第１排気マニホールドと、気筒数が第１気筒群と同数である第２気筒群から排気されるガスが流通する第２排気マニホールドと、ツインエントリー型のターボチャージャに接続されるこれら２つの排気マニホールドを冷却するための水冷部と、を備え、これら２つの排気マニホールドの表面積（経路長）が異なることにより各排気マニホールドから排気される排気ガスの温度に差が生じるエンジンであれば、直列６気筒エンジンやＶ型８気筒エンジン、Ｖ型１２気筒エンジン等、種々のエンジンに適用することができる。なお、このことは、後述する実施の形態２の内燃機関１０についても同様である。
なお、上述した実施の形態１の内燃機関１０では、ヘッド内水冷部６が第２の発明の「冷却機構」に相当し、第１冷却水流路２０８が第３発明の第１冷却水流路に相当し、第２冷却水流路２０９が第３発明の第２冷却水流路に相当している。
実施の形態２．
２−１.実施の形態２の内燃機関
実施の形態２の内燃機関は、ターボチャージャ２０におけるタービン冷却経路の構成及びターボチャージャ２０におけるタービンハウジング２０４を冷却するための冷却装置の構成が異なる点を除き、上述した実施の形態１の内燃機関１０と同様の構成を有している。
２−１.実施の形態２の内燃機関
実施の形態２の内燃機関は、ターボチャージャ２０におけるタービン冷却経路の構成及びターボチャージャ２０におけるタービンハウジング２０４を冷却するための冷却装置の構成が異なる点を除き、上述した実施の形態１の内燃機関１０と同様の構成を有している。
２−２．ターボチャージャの構成
図６は、実施の形態２のターボチャージャ５０のタービン側の構成を説明するための図である。また、図７は、図６におけるタービンを回転軸Ｌ１を通る鉛直面で切断した場合の切断面の一部を示す図である。なお、図６及び図７に示すターボチャージャ５０において、図３及び図４に示すターボチャージャ２０と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略又は簡略化する。
図６は、実施の形態２のターボチャージャ５０のタービン側の構成を説明するための図である。また、図７は、図６におけるタービンを回転軸Ｌ１を通る鉛直面で切断した場合の切断面の一部を示す図である。なお、図６及び図７に示すターボチャージャ５０において、図３及び図４に示すターボチャージャ２０と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略又は簡略化する。
ターボチャージャ５０のタービンハウジング２０４には、冷却水流路が形成されている。より詳しくは、タービンハウジング２０４には、第１スクロール室２０６及び第２スクロール室２０７の外周側をそれぞれ覆うように、第１冷却水流路５０１及び第２冷却水流路５０４が形成されている。第１冷却水流路５０１の一端には冷却水の入口５０２が設けられ、他端には冷却水の出口５０３が設けられている。また、第２冷却水流路５０４の一端には冷却水の入口５０５が設けられ、他端には冷却水の出口５０６が設けられている。これにより、タービンハウジング２０４には２系統タービン冷却経路として、入口５０２から第１冷却水流路５０１を介して出口５０３へと至る第１タービン冷却経路５０７と、入口５０５から第２冷却水流路５０４を介して出口５０６へと至る第２タービン冷却経路５０８とが形成される。
２−３．冷却装置の構成
内燃機関１０は、タービンハウジング２０４に形成されている第１タービン冷却経路５０７と第２タービン冷却経路５０８にそれぞれ冷却水を流通させるための冷却装置６０を備えている。図８は、冷却装置６０のシステム構成を説明するための図である。この図に示すように、冷却装置６０は、２系統の冷却水循環経路として、エンジン冷却水（以下、ＨＴ冷却水）を用いてエンジン本体２を冷却するためのＨＴ冷却水循環経路６２と、ＨＴ冷却水よりも低温の冷却水（以下、ＬＴ冷却水）を用いてインタークーラ１６を冷却するためのＬＴ冷却水循環経路６４とを備えている。
内燃機関１０は、タービンハウジング２０４に形成されている第１タービン冷却経路５０７と第２タービン冷却経路５０８にそれぞれ冷却水を流通させるための冷却装置６０を備えている。図８は、冷却装置６０のシステム構成を説明するための図である。この図に示すように、冷却装置６０は、２系統の冷却水循環経路として、エンジン冷却水（以下、ＨＴ冷却水）を用いてエンジン本体２を冷却するためのＨＴ冷却水循環経路６２と、ＨＴ冷却水よりも低温の冷却水（以下、ＬＴ冷却水）を用いてインタークーラ１６を冷却するためのＬＴ冷却水循環経路６４とを備えている。
第１タービン冷却経路５０７はＨＴ冷却水循環経路６２の途中に設けられている。より詳しくは、エンジン本体２のＨＴ冷却水の吐出口は、冷却水配管６６を介して第１タービン冷却経路５０７の入口５０２に接続されている。また、第１タービン冷却経路５０７の出口５０３は、冷却水配管６８を介してエンジン本体２のＨＴ冷却水の導入口に接続されている。そして、冷却水配管６８には、ＨＴ冷却水を冷却するためのＨＴラジエータ７０と、ＨＴ冷却水をエンジン本体２へと送水するためウォータポンプ７２が設けられている。
ウォータポンプ７２が駆動されると、ＨＴラジエータ７０において冷却されたＨＴ冷却水がエンジン本体２へ導入される。エンジン本体２へ導入されたＨＴ冷却水は、エンジン本体２との熱交換の後に第１タービン冷却経路５０７へと導入される。第１タービン冷却経路５０７に導入されたＨＴ冷却水は、第１冷却水流路５０１を流通する過程でタービンハウジング２０４の冷却に利用される。第１タービン冷却経路５０７から吐出されたＨＴ冷却水は、ＨＴラジエータ７０に送られて冷却された後、再びエンジン本体２へと送られる。
一方、第２タービン冷却経路５０８はＬＴ冷却水循環経路６４の途中に設けられている。より詳しくは、インタークーラ１６のＬＴ冷却水の吐出口は、冷却水配管７４を介して第２タービン冷却経路５０８の入口５０５に接続されている。また、第２タービン冷却経路５０８の出口５０６は、冷却水配管７６を介してインタークーラ１６のＬＴ冷却水の導入口に接続されている。そして、冷却水配管７６には、ＬＴ冷却水を冷却するためのＬＴラジエータ７８と、ＬＴ冷却水をインタークーラ１６へと送水するためウォータポンプ８０が設けられている。
ウォータポンプ８０が駆動されると、ＬＴラジエータ７８において冷却されたＬＴ冷却水がインタークーラ１６へ導入される。インタークーラ１６へ導入されたＬＴ冷却水は、インタークーラ１６との熱交換の後に第２タービン冷却経路５０８へと導入される。第２タービン冷却経路５０８に導入されたＬＴ冷却水は、第２冷却水流路５０４を流通する過程でタービンハウジング２０４の冷却に利用される。第２タービン冷却経路５０８から吐出されたＬＴ冷却水は、ＬＴラジエータ７８に送られて冷却された後、再びインタークーラ１６へと送られる。
２−４．実施の形態２の内燃機関の特徴
本実施の形態２の内燃機関１０では、第１冷却水流路５０１へＨＴ冷却水が流通するように第１タービン冷却経路５０７が構成され、第２冷却水流路５０４へＬＴ冷却水が流通するように第２タービン冷却経路５０８が構成されている。このような構成によれば、第２スクロール室２０７の側のタービンハウジング２０４の領域が第１スクロール室２０６の側のタービンハウジング２０４の領域よりも冷却される。これにより、タービンハウジング２０４における第２スクロール室２０７の側の領域と第１スクロール室２０６の側の領域との温度差を縮小するようにタービンハウジング２０４を冷却することができるので、タービンハウジング２０４に過度の熱応力が発生することを抑制することが可能となる。
本実施の形態２の内燃機関１０では、第１冷却水流路５０１へＨＴ冷却水が流通するように第１タービン冷却経路５０７が構成され、第２冷却水流路５０４へＬＴ冷却水が流通するように第２タービン冷却経路５０８が構成されている。このような構成によれば、第２スクロール室２０７の側のタービンハウジング２０４の領域が第１スクロール室２０６の側のタービンハウジング２０４の領域よりも冷却される。これにより、タービンハウジング２０４における第２スクロール室２０７の側の領域と第１スクロール室２０６の側の領域との温度差を縮小するようにタービンハウジング２０４を冷却することができるので、タービンハウジング２０４に過度の熱応力が発生することを抑制することが可能となる。
ところで、上述した実施の形態２の内燃機関１０では、エンジン本体２の冷却に用いるエンジン冷却水をＨＴ冷却水として利用し、インタークーラ１６の冷却に用いるインタークーラ冷却水をＬＴ冷却水として利用する冷却装置４０について説明した。しかしながら、実施の形態２の内燃機関１０でＨＴ冷却水及びＬＴ冷却水として使用可能な冷却水はこれらに限られず、温度の異なる２種の冷却水を広く用いることができる。
なお、上述した実施の形態２の内燃機関１０では、ヘッド内水冷部６が第２の発明の「冷却機構」に相当し、ＨＴ冷却水が第４の発明の「第１冷却水」に相当し、第１冷却水流路５０１が第４発明の「第１冷却水流路」に相当し、ウォータポンプ７２が第４の発明の「第１ウォータポンプ」に相当し、第２冷却水流路５０４が第４発明の「第２冷却水流路」に相当し、ＬＴ冷却水が第４の発明の「第２冷却水」に相当し、ウォータポンプ８０が第４の発明の「第２ウォータポンプ」に相当している。
２ エンジン本体
４ シリンダヘッド
６ ヘッド内水冷部
１０ 内燃機関
１２ 吸気マニホールド
１４ 吸気通路
１６ インタークーラ
１８ スロットルバルブ
２０ ターボチャージャ
２０１ タービン
２０２ コンプレッサ
２０３ タービンホイール
２０４ タービンハウジング
２０５ 仕切壁
２０６ 第１スクロール室
２０７ 第２スクロール室
２０８ 第１冷却水流路
２０９ 第２冷却水流路
２１０ 入口
２１１ 接続流路
２１２ 出口
２１３ タービン冷却経路
３０ 第１排気マニホールド
３２ 第２排気マニホールド
３４ 排気通路
３８ 触媒
４０ 冷却装置
４２，４４ 冷却水配管
４６ ラジエータ
４８ ウォータポンプ
５０ ターボチャージャ
６０ 冷却装置
６２ ＨＴ冷却水循環経路
６４ ＬＴ冷却水循環経路
６６，６８ 冷却水配管
７０ ＨＴラジエータ
７２ ウォータポンプ
７４，７６ 冷却水配管
７８ ＬＴラジエータ
８０ ウォータポンプ
４ シリンダヘッド
６ ヘッド内水冷部
１０ 内燃機関
１２ 吸気マニホールド
１４ 吸気通路
１６ インタークーラ
１８ スロットルバルブ
２０ ターボチャージャ
２０１ タービン
２０２ コンプレッサ
２０３ タービンホイール
２０４ タービンハウジング
２０５ 仕切壁
２０６ 第１スクロール室
２０７ 第２スクロール室
２０８ 第１冷却水流路
２０９ 第２冷却水流路
２１０ 入口
２１１ 接続流路
２１２ 出口
２１３ タービン冷却経路
３０ 第１排気マニホールド
３２ 第２排気マニホールド
３４ 排気通路
３８ 触媒
４０ 冷却装置
４２，４４ 冷却水配管
４６ ラジエータ
４８ ウォータポンプ
５０ ターボチャージャ
６０ 冷却装置
６２ ＨＴ冷却水循環経路
６４ ＬＴ冷却水循環経路
６６，６８ 冷却水配管
７０ ＨＴラジエータ
７２ ウォータポンプ
７４，７６ 冷却水配管
７８ ＬＴラジエータ
８０ ウォータポンプ
ところで、上述した実施の形態２の内燃機関１０では、エンジン本体２の冷却に用いるエンジン冷却水をＨＴ冷却水として利用し、インタークーラ１６の冷却に用いるインタークーラ冷却水をＬＴ冷却水として利用する冷却装置６０について説明した。しかしながら、実施の形態２の内燃機関１０でＨＴ冷却水及びＬＴ冷却水として使用可能な冷却水はこれらに限られず、温度の異なる２種の冷却水を広く用いることができる。
Claims (5)
- 内燃機関の第１気筒群から排気されるガスが流通する第１排気マニホールドと、
前記第１気筒群とは異なる第２気筒群から排気されるガスが流通する第２排気マニホールドと、
前記第１排気マニホールドに連通する第１スクロール室及び前記第２排気マニホールドに連通する第２スクロール室を有するターボチャージャと、を備え、
前記第１排気マニホールドの壁面の表面積が、前記第２排気マニホールドの壁面の表面積よりも大きい内燃機関において、
前記ターボチャージャは、
タービンホイールの軸線方向において互いに仕切壁で区画された前記第１スクロール室及び前記第２スクロール室を備えるタービンハウジングと、
前記第１スクロール室を覆うように前記タービンハウジングに設けられた第１冷却水流路と、
前記第２スクロール室を覆うように前記タービンハウジングに設けられた第２冷却水流路と、を有し、
前記内燃機関は、前記第１冷却水流路及び前記第２冷却水流路に冷却水を流通させる冷却装置を有し、
前記冷却装置は、前記第２冷却水流路に導入する冷却水の温度が前記第１冷却水流路に導入する冷却水の温度よりも低くなるように構成されていることを特徴とする内燃機関。 - 前記第１排気マニホールド及び前記第２排気マニホールドは、シリンダヘッドの内部に形成され、
前記シリンダヘッドの内部において前記第１排気マニホールド及び前記第２排気マニホールドの周囲に設けられたウォータジャケットに冷却水を流通させるように構成された冷却機構を備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。 - 前記第１冷却水流路と前記第２冷却水流路は直列に接続され、
前記冷却装置は、前記第２冷却水流路から前記第１冷却水流路へと冷却水を流通させるウォータポンプを含んで構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。 - 前記冷却装置は、
第１冷却水を前記第１冷却水流路に流通させる第１ウォータポンプと、
前記第１冷却水よりも低温の第２冷却水を前記第２冷却水流路に流通させる第２ウォータポンプと、
を含んで構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。 - 前記第１冷却水は前記内燃機関の本体を通過したエンジン冷却水であり、前記第２冷却水は水冷式のインタークーラを通過した冷却水であることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関。
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