JP2019065795A - 内燃機関 - Google Patents

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Abstract

【課題】 ターボチャージャを備えた内燃機関において、排気管からタービンの流路を制御するアクチュエータへの熱伝達を低減する。【解決手段】 タービン４０及びコンプレッサ２７を含むターボチャージャ５を備えた内燃機関１であって、タービンの出口６１からタービンの径方向外方に延びる排気管４１と、コンプレッサに設けられ、ターボチャージャの流路を制御するためのアクチュエータ９０と、排気管とアクチュエータとの間を通ってターボチャージャに延びる管７５、７９とを有する。【選択図】 図２

Description

本発明は、ターボチャージャを備えた内燃機関に関する。
回転軸線がシリンダ列方向と平行となるように配置されたターボチャージャと、タービンの出口からコンプレッサ側に傾斜して延びる触媒コンバータとを有する内燃機関が公知である（例えば、特許文献１）。この内燃機関では、ターボチャージャの下方の空間を利用して触媒コンバータを内燃機関の側方に効率良く配置することができると共に、触媒コンバータの出口を比較的高い位置に配置することができる。
特開２００７−８５２９２号公報
タービンの流路を制御するためのアクチュエータは、タービンからの受熱を低減するために、コンプレッサの周囲に設けられることがある。そのため、触媒コンバータをコンプレッサの下方に配置した場合、触媒コンバータとアクチュエータとの距離が近くなる。その結果、アクチュエータが触媒コンバータを含む排気管からの熱放射を受けやすくなるという問題が生じる。
本発明は、以上の背景を鑑み、ターボチャージャを備えた内燃機関において、排気管からタービンの流路を制御するアクチュエータへの熱伝達を低減することを課題とする。
上記課題を解決するために本発明の一態様は、タービン（４０）及びコンプレッサ（２７）を含むターボチャージャ（５）を備えた内燃機関（１）であって、前記タービンの出口（６１）から前記タービンの径方向外方に延びる排気管（４１）と、前記コンプレッサに設けられ、前記ターボチャージャの流路を制御するためのアクチュエータ（９０）と、前記排気管と前記アクチュエータとの間を通って前記ターボチャージャに延びる管（７５、７９）とを有することを特徴とする。ここで、排気管とアクチュエータとの間を通るとは、排気管及びアクチュエータの中心軸を通る直線に沿った方向から見た場合に、排気管及びアクチュエータの両方と重なる位置を通過することをいう。
この態様によれば、排気管とアクチュエータとの間に管が配置されているため、排気管からアクチュエータに放射される熱の少なくとも一部が管によって遮られる。これにより、アクチュエータの加熱を抑制することができる。
上記の態様において、前記管は、前記コンプレッサの外周部に設けられた出口（７５）に接続された吸気管（７５、７９）であるとよい。
この態様によれば、吸気管は内部を流れる空気と熱交換するため、吸気管の温度上昇を抑制することができる。これにより、アクチュエータの加熱を抑制することができる。
上記の態様において、前記排気管は、前記タービンの出口から前記コンプレッサ側に傾斜して延び、前記コンプレッサの下方を通過し、前記吸気管は、前記コンプレッサの出口から下方に延びる上流部（７６）と、前記上流部の下端から前記ターボチャージャの軸線方向において前記タービンと相反する方向に延びた下流部（７９）とを有し、前記アクチュエータは、前記上流部の前記タービンと相反する側かつ前記下流部の上方に配置されているとよい。
この態様によれば、アクチュエータにおいて排気管側を向く部分に吸気管が配置されるため、排気管からアクチュエータへの熱伝達を抑制することができる。
上記の態様において、前記上流部は、前記コンプレッサの外殻をなすコンプレッサハウジング（５２）と一体に形成され、その下端に前記タービンと相反する側に開口した接続端（７８）を有し、前記下流部は、前記接続端に接続され、前記コンプレッサハウジングには、前記アクチュエータを支持する支持部（８５）が一体に形成され、前記接続端は、前記支持部の下方に、前記支持部に対して隙間を介して配置されているとよい。
この態様によれば、支持部を介してアクチュエータをコンプレッサハウジングに安定性良く支持させることができる。また、支持部によって排気管からアクチュエータへの熱伝達を抑制することができる。また、排気管側に配置された吸気管の上流部と支持部との間に隙間が形成され、互いに接続していないため、上流部から支持部への熱伝達を抑制することができ、支持部の温度上昇を抑制することができる。
上記の態様において、前記アクチュエータは、進退する出力軸（９２）と、前記出力軸を進退させる駆動部（９３）とを有し、前記駆動部は、前記支持部の前記タービンと相反する側に配置され、前記出力軸は、前記駆動部から前記タービン側に延びているとよい。
この態様によれば、支持部によって排気管から駆動部への熱伝達を抑制することができる。
上記の態様において、前記排気管は、前記タービン及び前記コンプレッサの下方において触媒コンバータ（４１）を有するとよい。
この態様によれば、ターボチャージャの下方に形成される空間に触媒コンバータを配置することができ、内燃機関をコンパクトにすることができる。
上記の態様において、前記アクチュエータは、前記タービンに設けられたウエイストゲートバルブを駆動するとよい。
この態様によれば、コンプレッサの周辺に配置されたアクチュエータによって、高温部に配置されたウエイストゲートバルブを駆動することができる。
以上の構成によれば、ターボチャージャを備えた内燃機関において、排気管からタービンの流路を制御するアクチュエータへの熱伝達を低減することができる。
実施形態に係る内燃機関の構成図 内燃機関を左後から見た斜視図 ターボチャージャを拡大して示す内燃機関の背面図 内燃機関の左側面図 接続管及びダクトを省略して、ターボチャージャ、触媒コンバータ及びアクチュエータの位置関係を示す内燃機関の左側面図 ターボチャージャの斜視図
以下、図面を参照して、本発明を適用した自動車用の内燃機関の実施形態について説明する。以下の説明では内燃機関が搭載される車両を基準として前後左右を定める。上下は、鉛直方向を基準とする。
図１及び図２に示すように、内燃機関１は、機関本体２と、機関本体２に空気を供給する吸気装置３と、機関本体２から排気を排出する排気装置４と、吸気装置３及び排気装置４に設けられたターボチャージャ５とを有する。機関本体２は、複数のシリンダ１１が直列に形成されたシリンダブロック１２と、シリンダブロック１２の上部に設けられ、各シリンダ１１に対応する燃焼室凹部１３を備えたシリンダヘッド１４と、シリンダヘッド１４の上部に設けられたヘッドカバー１５と、シリンダブロック１２の下部に結合されたオイルパン１６とを有する。機関本体２は、シリンダ列方向が左右方向（車幅方向）と平行になるように、横置きに車体に配置されている。
図１に示すように、シリンダヘッド１４には、各燃焼室凹部１３から延びる複数の吸気ポート１８及び排気ポート１９が形成されている。各吸気ポート１８はシリンダヘッド１４の前側面２１に開口している。排気ポート１９は、各燃焼室凹部１３に接続した複数の分岐部と、各分岐部に接続した１つの集合部とを有し、集合部においてシリンダヘッド１４の後側面２２に開口している。
吸気装置３は、内燃機関１のシリンダ１１に空気を供給する一連の通路を形成し、上流側からエアインレット２５、エアクリーナ２６、ターボチャージャ５のコンプレッサ２７、インタークーラー２８、スロットルバルブ２９、及び吸気マニホールド３０を順に有する。吸気マニホールド３０がシリンダヘッド１４の前側面２１に結合することによって、吸気装置３は各吸気ポート１８に接続している。
排気装置４は、シリンダ１１で発生した排気を排出する一連の通路を形成し、上流側から順に、ターボチャージャ５のタービン４０、触媒コンバータ４１、消音器４２、及び排気出口４３を有する。タービン４０がシリンダヘッド１４の後側面２２に結合することによって、排気装置４は各排気ポート１９に接続している。
ターボチャージャ５は、タービン４０の外殻を構成するタービンハウジング５１と、コンプレッサ２７の外殻を構成するコンプレッサハウジング５２と、タービンハウジング５１とコンプレッサハウジング５２とを連結するベアリングハウジング５３とを有する。タービンハウジング５１、コンプレッサハウジング５２、及びベアリングハウジング５３は、それぞれ円筒形に形成され、互いに同軸に配置されている。ベアリングハウジング５３には、シャフト５５が回転可能に支持されている。シャフト５５の一端はタービンハウジング５１内に設けられたタービンブレード５６に結合され、シャフト５５の他端はコンプレッサハウジング５２内に設けられたコンプレッサブレード５７に結合されている。シャフト５５に沿った軸線をターボチャージャ５の軸線Ａとする（図６参照）。図２に示すように、ターボチャージャ５は、機関本体２の後方に、その軸線Ａが左右方向と平行になるように配置されている。本実施形態では、タービン４０がコンプレッサ２７の右方に配置されている。
図５及び図６に示すように、タービンハウジング５１の外周部の下部には、排気入口部５９が形成されている。排気入口部５９は、管状に形成され、タービンハウジング５１の接線方向に沿って前方に延びている。排気入口部５９の前端は、シリンダヘッド１４の後側面２２に結合され、排気ポート１９に接続している。
図３及び図６に示すように、タービンハウジング５１のコンプレッサハウジング５２側と相反する側の中央部には、排気出口部６１が設けられている。排気出口部６１は、管状に形成され、コンプレッサハウジング５２側と相反する側（右方）に開口している。図１に示すように、タービンハウジング５１には、タービンブレード５６が配置された内室を迂回して、排気入口部５９から排気出口部６１に直接に延びるバイパス通路６２が形成されている。バイパス通路６２には、バイパス通路６２を開閉するウエイストゲートバルブ６３が設けられている。ウエイストゲートバルブ６３は、フラップ弁であり、その回動軸６４はタービンハウジング５１を貫通して後方に突出している（図６参照）。
図２及び図３に示すように、排気出口部６１には、排気管の一部を構成する触媒コンバータ４１が接続されている。触媒コンバータ４１は、入口管部６６、本体部６７、及び出口管部６８を上流側から順に有する。触媒コンバータ４１は、機関本体２の後方において、排気出口部６１から下方に向けてコンプレッサ２７側（左方）に傾斜して延びている。詳細には、入口管部６６は、排気出口部６１から下方に向けて湾曲して延びている。本体部６７の外形は、円筒形に形成され、入口管部６６の下端から下方に向けてコンプレッサ２７側に傾斜して直線状に延びている。出口管部６８は、本体部６７の下端から湾曲しつつ左方かつ後方に延びている。
本体部６７の直径は、入口管部６６及び出口管部６８のそれぞれの直径よりも大きく形成されている。本体部６７の内部には、排気中の炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物を除去する三元触媒が設けられている。図３に示すように、後方から見て本体部６７の上流端（右端）はタービンハウジング５１よりも右方に配置され、本体部６７の下流端（左端）はコンプレッサハウジング５２の下方に配置されている。図２に示すように、左方から見てコンプレッサ２７の前端は本体部６７の前端よりも後方に配置され、コンプレッサ２７の後端は本体部６７の後端よりも前方に配置されている。すなわち、上方から見た場合に、本体部６７とターボチャージャ５とは互いに重なる部分を有する。すなわち、本体部６７は、タービンハウジング５１、ベアリングハウジング５３、及びコンプレッサハウジング５２の下方に位置する部分を有する。
図２及び図３に示すように、コンプレッサハウジング５２のタービンハウジング５１側と相反する側の中央部には、吸気入口部７１が設けられている。吸気入口部７１は、管状に形成され、タービン４０側と相反する側（左方）に開口している。吸気入口部７１は、第１及び第２ダクト７２、７３を介してエアクリーナ２６に接続されている。エアクリーナ２６は、ヘッドカバー１５の上方かつ前側に配置され、その左端に出口を有する。第１ダクト７２は、エアクリーナ２６の出口に接続された上流端から左方に延び、その後シリンダヘッドの左方を後方に延びている。第２ダクト７３は、第１ダクト７２の後端からシリンダヘッドの左方を後方に延び、その後シリンダヘッドの後方を右方に延び、下流端において吸気入口部７１に接続している。
図２及び図６に示すように、コンプレッサハウジング５２の外周部の下部、すなわち触媒コンバータ４１に近い部分には、吸気出口部７５が形成されている。吸気出口部７５には、コンプレッサハウジング５２の外周下部からコンプレッサハウジング５２の接線方向かつ下方に延びる延長管部７６が接続されている。延長管部７６は、コンプレッサハウジング５２と一体に形成されている。
延長管部７６の下流端をなす接続端７７は、タービン４０と相反する側（左方）に向けて湾曲し、左方に向けて開口している。接続端７７の外周には、径方向外方に突出した環状の締結フランジ７８が形成されている。延長管部７６は、吸気が通過する吸気管の一部をなす。図３に示すように、後方から見て、延長管部７６は、コンプレッサハウジング５２の下方、かつ触媒コンバータ４１の出口管部６８の上方に配置されている。また、図５に示すように、左方から見て、延長管部７６は、コンプレッサハウジング５２の下方、かつ触媒コンバータ４１の出口管部６８の上方に配置されている。また、延長管部７６の接続端７７は、上下方向において、コンプレッサハウジング５２と出口管部６８との間、詳細には本体部６７の上流端（上端）と下流端（下端）との間に配置されている。また、延長管部７６は、上方から見た場合に、延長管部７６は、コンプレッサハウジング５２及び出口管部６８のそれぞれと重なる位置に配置されている。
図２に示すように、延長管部７６の接続端７７には、吸気管の一部を構成する接続管７９が接続されている。接続管７９は、金属から形成され、上流端において締結フランジ７８に締結されている。接続管７９は、延長管部７６の下端部から左右方向においてタービン４０側と相反する側（左方）かつ上方に延びている。延長管部７６はコンプレッサ２７の下流側の高圧側吸気管の上流部をなし、接続管７９は高圧側吸気管の下流部をなす。接続管７９の上流端（右端）は、出口管部６８の上方に配置されている。接続管７９の下流端（左端）は、出口管部６８よりも左方に配置されている。
接続管７９の下流端は、第３ダクト８１を介してインタークーラー２８の入口と接続されている。インタークーラー２８は、水冷式であり、シリンダヘッド１４の左方かつ第１ダクト７２の下方に配置されている。第３ダクト８１は、第２ダクト７３及び第１ダクト７２の下方に配置され、接続管７９の下流端からシリンダヘッドの左方を前方に延びている。
インタークーラー２８の出口は、第４ダクト８３を介してスロットルバルブ２９に接続されている。スロットルバルブ２９は、吸気マニホールド３０の上流端に接続されている。
図２及び図６に示すように、支持部８５はターボチャージャ５の軸線Ａに対して垂直な板状に形成され、上縁及び前縁においてコンプレッサハウジング５２に結合されている。接続端７７の締結フランジ７８は、支持部８５の下方に、支持部８５に対して隙間を介して配置されている。コンプレッサハウジング５２、延長管部７６、締結フランジ７８、及び支持部８５は、鋳造等によって一体に形成されている。支持部８５の上端は、ターボチャージャ５の軸線よりも下方に配置されている。支持部８５の前後幅は、延長管部７６の外径（直径）よりも大きく形成されている。
支持部８５に形成された貫通孔９５には、ウエイストゲートバルブ６３を開閉させるアクチュエータ９０が取り付けられている。アクチュエータ９０は、円筒形のケース９１と、ケース９１の一端から突出し、その軸線方向に進退可能に設けられた出力軸９２と、ケース９１の内部に設けられ、出力軸９２を進退させる駆動部９３とを有する。本実施形態では、駆動部９３は電力の供給、停止によって出力軸９２を進退させるソレノイドによって形成されている。他の実施形態では、駆動部９３は、圧縮空気の供給、停止によって出力軸９２を進退させるダイヤフラムによって形成されてもよい。駆動部９３の大部分は、ケース９１の内部において、支持部８５のタービン４０側を相反する側に配置されている。
アクチュエータ９０の出力軸９２は、リンク９６及びレバー９７を介してウエイストゲートバルブ６３の回動軸６４に連結されている。レバー９７は、ウエイストゲートバルブ６３の回動軸６４の突出端に結合され、回動軸６４に対して径方向に延びている。リンク９６は、レバー９７の先端と出力軸９２とを連結している。これにより、駆動部９３の駆動によって出力軸９２が進退すると、レバー９７が回動し、レバー９７に結合されたウエイストゲートバルブ６３が一体に回動する。すなわち、アクチュエータ９０は、ウエイストゲートバルブ６３を開閉制御することによって、ターボチャージャ５の流路を制御する。
図３に示すように、アクチュエータ９０は、上下方向において、コンプレッサハウジング５２と、延長管部７６の接続端７７及び接続管７９との間に配置されている。アクチュエータ９０は、延長管部７６のタービン４０と相反する側（左方）かつ接続管７９の上方に配置されている。図４及び図５に示すように、アクチュエータ９０は、上方から見た場合に延長管部７６の接続端７７及び接続管７９と重なりを有するように配置されている。すなわち、延長管部７６及び接続管７９は、触媒コンバータ４１からアクチュエータ９０に放射される熱の少なくとも一部を遮るように、触媒コンバータ４１とアクチュエータ９０との間を通って延びている。ここで、延長管部７６及び接続管７９が触媒コンバータ４１とアクチュエータ９０との間を通って延びるとは、触媒コンバータ４１及びアクチュエータ９０の中心軸を通る直線に沿った方向から見た場合に、延長管部７６及び接続管７９のそれぞれが触媒コンバータ４１及びアクチュエータ９０の両方と重なる位置を通過することをいう。アクチュエータ９０のケース９１の前縁が延長管部７６及び接続管７９の前縁よりも後方に位置し、かつアクチュエータ９０のケース９１の後縁が延長管部７６及び接続管７９の後縁よりも前方に位置することが好ましい。
タービンハウジング５１の上部には、カバー９９が設けられている。カバー９９は、金属板から形成され、左右方向から見て上方に凸となる半円筒形に形成されている。カバー９９は、ボルトによってタービンハウジング５１に締結されている。互いの締結部を除き、カバー９９とタービンハウジング５１との間には隙間が形成されている。
上記の実施形態に係る内燃機関１によれば、排気管の一部をなす触媒コンバータ４１とアクチュエータ９０との間に、延長管部７６及び接続管７９が配置されているため、触媒コンバータ４１からアクチュエータ９０に放射される熱の少なくとも一部が延長管部７６及び接続管７９によって遮られる。これにより、アクチュエータ９０の加熱を抑制することができる。
延長管部７６及び接続管７９は内部を流れる空気と熱交換するため、延長管部７６及び接続管７９の温度上昇を抑制することができる。延長管部７６及び接続管７９を流れる空気は、コンプレッサ２７で圧縮され、比較的高温となっている。延長管部７６及び接続管７９を流れる空気は、下流側のインタークーラー２８で冷却される。
アクチュエータ９０が延長管部７６のタービン４０と相反する側（左方）かつ接続管７９の上方に配置されているため、アクチュエータ９０において触媒コンバータ４１側を向く部分に延長管部７６及び接続管７９が配置される。そのため、触媒コンバータ４１から放射される熱の大部分は、延長管部７６及び接続管７９によって遮られ、アクチュエータ９０への伝達量を低減させることができる。
アクチュエータ９０の大部分が支持部８５のタービン４０と相反する側（左方）に配置されているため、触媒コンバータ４１から放射される熱は支持部８５によって遮られる。これにより、アクチュエータ９０の温度上昇を抑制することができる。アクチュエータ９０において最も熱を避ける必要がある駆動部９３が、支持部８５の左方に配置されているため、駆動部９３が触媒コンバータ４１からの熱を受けにくくなる。
支持部８５がコンプレッサハウジング５２と一体に形成されているため、支持部８５が受けた熱をコンプレッサハウジング５２に伝達されることができ、支持部８５の温度上昇を抑制することができる。また、触媒コンバータ４１側に配置された延長管部７６と支持部８５との間に隙間が形成され、互いに接続していないため、延長管部７６から支持部８５への熱伝達を抑制することができ、支持部８５及びアクチュエータ９０の温度上昇を抑制することができる。
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、アクチュエータ９０は、ウエイストゲートバルブ６３に代えて、他のバイパス通路６２を開閉するバルブを駆動するためのアクチュエータであってもよい。また、アクチュエータ９０は、可変容量型ターボチャージャにおいて通路面積を変化させるためのベーンを駆動するためのアクチュエータであってもよい。すなわち、アクチュエータ９０は、ターボチャージャ５の流路を制御するものであれば、その対象は限定されない。
また、アクチュエータ９０と触媒コンバータ４１を含む排気管との間に配置される遮熱部材は、延長管部７６及び接続管７９に限らず、他の管であってもよい。遮熱部材は、例えば、コンプレッサ２７の吸気入口部７１に接続された低圧側吸気管であってもよい。また、遮熱部材は、内部を空気が流通する吸気管に限らず、内部を水が流通する管であってもよい。遮熱部材は、例えば、機関本体２のウォータジャケットとベアリングハウジング５３に形成されたウォータジャケットを接続する水管や、機関本体２のウォータジャケットとラジエータとを接続する水管であってもよい。
１ ：内燃機関
２ ：機関本体
５ ：ターボチャージャ
２７ ：コンプレッサ
４０ ：タービン
４１ ：触媒コンバータ
５１ ：タービンハウジング
５２ ：コンプレッサハウジング
５９ ：排気入口部
６１ ：排気出口部
６３ ：ウエイストゲートバルブ
７１ ：吸気入口部
７５ ：吸気出口部
７６ ：延長管部
７７ ：接続端
７８ ：締結フランジ
７９ ：接続管
８５ ：支持部
９０ ：アクチュエータ
９１ ：ケース
９２ ：出力軸
９３ ：駆動部

Claims (7)

  1. タービン及びコンプレッサを含むターボチャージャを備えた内燃機関であって、
    前記タービンの出口から前記タービンの径方向外方に延びる排気管と、
    前記コンプレッサに設けられ、前記ターボチャージャの流路を制御するためのアクチュエータと、
    前記排気管と前記アクチュエータとの間を通って前記ターボチャージャに延びる管とを有することを特徴とする内燃機関。
  2. 前記管は、前記コンプレッサの外周部に設けられた出口に接続された吸気管であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
  3. 前記排気管は、前記タービンの出口から前記コンプレッサ側に傾斜して延び、前記コンプレッサの下方を通過し、
    前記吸気管は、前記コンプレッサの出口から下方に延びる上流部と、前記上流部の下端から前記ターボチャージャの軸線方向において前記タービンと相反する方向に延びた下流部とを有し、
    前記アクチュエータは、前記上流部の前記タービンと相反する側かつ前記下流部の上方に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
  4. 前記上流部は、前記コンプレッサの外殻をなすコンプレッサハウジングと一体に形成され、その下端に前記タービンと相反する側に開口した接続端を有し、
    前記下流部は、前記接続端に接続され、
    前記コンプレッサハウジングには、前記アクチュエータを支持する支持部が一体に形成され、
    前記接続端は、前記支持部の下方に、前記支持部に対して隙間を介して配置されていることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。
  5. 前記アクチュエータは、進退する出力軸と、前記出力軸を進退させる駆動部とを有し、
    前記駆動部は、前記支持部の前記タービンと相反する側に配置され、
    前記出力軸は、前記駆動部から前記タービン側に延びていることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関。
  6. 前記排気管は、前記タービン及び前記コンプレッサの下方において触媒コンバータを有することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つの項に記載の内燃機関。
  7. 前記アクチュエータは、前記タービンに設けられたウエイストゲートバルブを駆動することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つの項に記載の内燃機関。
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