JP2021134718A

JP2021134718A - 排気ターボ過給機搭載の内燃機関

Info

Publication number: JP2021134718A
Application number: JP2020031285A
Authority: JP
Inventors: 真人澤下; Masato Sawashita
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2020-02-27
Filing date: 2020-02-27
Publication date: 2021-09-13
Anticipated expiration: 2040-02-27
Also published as: JP7376384B2

Abstract

【課題】排気ターボ過給機をシリンダヘッドの後面に取り付けている内燃機関において、実機対応性を向上させつつ過給応答性を向上させる。【解決手段】排気ターボ過給機１０は、タービンハウジング１１とコンプレッサハウジング１２とを備えており、タービンハウジング１１の入口側フランジ１７がシリンダヘッド１の後面１ｃに固定されている。シリンダヘッド１に形成した排気集合通路９と排気ターボ過給機１０の排気ガス導入通路１６とが連通している。シリンダヘッド１の吸気側面１ａにはインタークーラ３０を備えた吸気マニホールド３１が固定されており、インタークーラ３０に設けたスロットルバルブ３７と排気ターボ過給機１０の吸気出口２０とが過給通路３８によって接続されている。吸気マニホールド３１も過給通路３８も外付けであるため、融通性が高くて現実性に優れている。【選択図】図１

Description

本願発明は、排気ターボ過給機を搭載した内燃機関（多気筒内燃機関）に関するものである。

自動車用等の内燃機関において、出力向上等のために排気ターボ過給機を設けることは広く行われている。この排気ターボ過給機は、タービンハウジングとコンプレッサハウジングと軸受ハウジングとを備えており、タービンハウジングの排気ガス出口通路とコンプレッサハウジングの吸気入口とが、回転軸の軸心方向に向いて逆向きに開口している。

シリンダヘッドには各気筒に対応した排気ポートが形成されており、シリンダヘッドの排気側面には、排気出口が各気筒に対応して個別に開口しているか、又は、各排気ポートに連通した集合通路の１つの排気出口が開口しており、排気ターボ過給機は、一般に、排気出口が個別に開口している場合は排気マニホールドに固定されて、排気出口が１つに集約されている場合はシリンダヘッドの排気側面に直付けされている。

さて、排気ターボ過給機は主として出力向上を目的に搭載されるが、排気ターボ過給機が排気側面の側に配置されていると、加圧された吸気はシリンダヘッドの上を跨ぐなどして吸気側に送られることになるため、加圧吸気の通路が長くなって加速・減速の応答性が遅れやすいという問題がある。

この点について、特許文献１には、シリンダヘッドに、排気マニホールド部と吸気マニホールド部とを内蔵して、これら排気マニホールド部の集合通路と吸気マニホールド部の集合通路とをシリンダヘッドの短手一側面に開口させ、排気ターボ過給機を、タービンハウジングの排気ガス導入通路が排気集合通路に連通して、吸気集合通路がコンプレッサハウジングの吸気出口に連通するように配置・固定することが開示されている。

特開２００６−１９４２２７号公報

特許文献１の構成では、加圧された吸気は吸気マニホールド部にダイレクトに入るため、加速・減速の応答性は極めて高いと云えるが、問題点も見られる。

例えば、排気マニホールド部の集合通路と吸気マニホールド部の集合通路との間には相当の間隔が空くため、排気ターボ過給機は、軸受けハウジングの長さを長くして対応せねばならず、すると、排気ターボ過給機が必要以上に大型化するという問題がある。

また、吸気量はスロットルバルブで制御されるが、コンプレッサハウジングをシリンダヘッドに直付けすると、スロットルバルブをどこに配置するかも問題になる。更に、吸気系には吸気脈動を消去するサージタンクが必要であるが、特許文献１のように吸気マニホールド部をシリンダヘッドに内蔵するとサージタンクを配置できないため、脈動が各気筒にダイレクトに伝わってしまうという問題もある。

従って、特許文献１の構成は、加速・減速の応答性荷は優れているものの、実機に適用するには問題が多く、現実性が低いと言わざるを得ない。

本願発明はこのような現状に鑑み成されたものであり、排気ターボ過給機をシリンダヘッドの短手一側面に取り付けることは特許文献１と共通しつつ、現実性に優れた態様で提供しようとするものである。

本願発明の内燃機関は、
「シリンダヘッドのうち吸気側面及び排気側面と直交した短手一側面に、排気ターボ過給機が、タービンハウジングが前記排気側面の側に位置してコンプレッサハウジングが前記吸気側面の側に位置するようにして配置されている」
という基本構成になっている。

そして、上記基本構成において、
「前記シリンダヘッドの前記短手一側面に排気集合通路が開口しており、前記排気ターボ過給機のタービンハウジングが、前記排気集合通路に連通した状態で前記シリンダヘッドの短手一側面に固定されている一方、
前記シリンダヘッドの吸気側面には、インタークーラを備えた吸気マニホールドが固定されており、前記排気ターボ過給機におけるコンプレッサハウジングの吸気出口が、前記シリンダヘッドの外側に配置された過給通路を介して前記インタークーラに接続されている」
という特徴を有している。

吸気マニホールドはインタークーラとは別にサージタンクを備えていてもよいし、インタークーラをサージタンクに兼用させることも可能である。いずれにしても、スロットルバブルはインタークーラの入口に配置することになる。

本願発明では、排気ターボ過給機はシリンダヘッドの短手一側面に取り付けられているため、コンプレッサハウジングの吸気出口と吸気マニホールドとの間隔をできるだけ短くして、加速・減速の応答性を向上できる。

そして、コンプレッサハウジングの吸気出口とインタークーラとは、シリンダヘッドの外側に配置された過給通路によって接続されていると共に、インタークーラ及び吸気マニホールドもシリンダヘッドに外付けされているため、排気ターボ過給機を必要以上に大型化することなく、過給通路の長さを調整することによって過給吸気を吸気マニホールドに供給できる。また、スロットルバブルの取り付けも問題なく行える。従って、実機への適用が容易で現実性に優れている。

実施形態について一部を模式化した平面図である。図１のII-II 視図である。図１のIII-III 視図である。別例の平面図である。

(1).基本構造
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、自動車用の３気筒内燃機関に適用している。以下では、方向を特定するため前後・左右の方向を使用するが、前後方向はクランク軸線方向であり、タイミングチェーンが配置される側を前、ミッションケンースが配置される側を後ろとしている。左右方向はクランク軸線及びシリンタボア軸線と直交した方向である。

図１はヘッドカバーを省略してシリンダヘッド１を表示した平面図であり、シリンダヘッド１には、軸心のみを示す吸気用カム軸２と排気用カム軸３とが平行に配置されており、これらは図示しないカムキャップで回転自在に保持されている。カム軸２，３の前端には、ＶＶＴ装置（図示ぜ）を介してスプロケット４が取り付けられており、スプロケット４やチェーンはフロントカバー５で覆われている。

また、シリンダヘッド１には、点火プラグやイグニッションコイルなどを配置するプラグホール６や、バルブ保持穴７の群が形成されている。敢えて述べるまでもないが、シリンダヘッド１及びフロントカバー５には、図示しないヘッドカバーが上から重なっている。

シリンダヘッド１の長手一側面は吸気ポート８が開口した吸気側面１ａになって、シリンダヘッド１の長手他側面は排気側面１ｂになっている。シリンダヘッド１の内部には、排気ポートが連通した前後長手の排気集合通路９が排気側面１ｂに近接した状態で形成されており、排気集合通路９はシリンダヘッド１の後面１ｃに開口している。

本実施形態の内燃機関は、クランク軸を車幅方向に長い姿勢に配置すると共に、排気側面１ｂが車両の前進方向に向くように配置している。従って、前排気・後ろ吸気の横置きタイプになっている。

シリンダヘッド１の前面１ｄと後面１ｃは短手側面であるが、このうちの後面１ｃを請求項に記載した短手一側面と成して、後面１ｃに排気ターボ過給機１０を取り付けている。排気ターボ過給機１０は、タービン翼（図示せず）が回転自在に配置されたタービンハウジング１１と、コンプレッサ翼（図示せず）が回転自在に保持されたコンプレッサハウジング１２と、両者の間に位置した軸受ハウジング１３とを備えている。

そして、排気ターボ過給機１０は、タービンハウジング１１が排気側面１ｂの側に位置し、コンプレッサハウジング１２が吸気側面１ａの側に位置する姿勢で配置されている。従って、タービン翼とコンプレッサ翼とが固定された回転軸は、左右方向に長い姿勢になっており、タービンハウジング１１の排気ガス出口１４は排気側面１ｂの側に向いて、後面１ｃの吸気入り口１５は吸気側面１ａの側に開口している。

図３に明示するように、タービンハウジング１１は排気ガス導入通路１６が開口した入口側フランジ１７を備えており、入口側フランジ１７は、排気ガス導入通路１６を排気集合通路９と連通させた状態でシリンダヘッド１の後面１ｃにボルトで固定されている。タービンハウジング１１の排気ガス出口１４は出口側フランジ１８に開口しており、出口側フランジ１８には触媒ケース１９が継手部１９ａを介して接続されている。敢えて述べるまでもないが、触媒ケース１９には触媒が内蔵されており、下端のコーン部に排気管（図示せず）が接続されている。

コンプレッサハウジング１２では、吸気は、コンプレッサ翼の回転軸心方向から流入して、コンプレッサ翼の回転接線方向に排出される。従って、吸気出口２０はコンプレッサハウジング１２の外周方向に開口している。

本実施形態の排気ターボ過給機１０は水冷式であり、タービンハウジング１１の下部に冷却水入口ポート２１を設けて、タービンハウジング１１の上端部に冷却水入口ポート２２を設けている。なお、図１に符号２３で示すのはオイル注入口、図２に符号２４で示すのはオイル排出ポートである。

図３から推測できるように、本実施形態では、排気ガス導入通路１６に流入した排気ガスは上方に流れてタービン翼を駆動する。従って、タービン翼を囲うタービンスクロール室は排気ガス導入通路１６よりも上に位置している。従って、本実施形態の排気ターボ過給機１０は上巻き方式になっている。

タービンハウジング１１には、過給圧を制御するためのウェイストゲートバルブ（図示せず）が内蔵されており、ウェイストゲートバルブは、図２，３に示すアクチュエータ２６で駆動される。アクチュエータ２６はダイヤフラム式であり、その弁体に図３に示すロッド２７が連結されており、ロッド２７がその長手方向に進退動してリンク２８を回動させることにより、ウェイストゲートバルブの開度を調節できる。

(2).吸気系との関係
図１に模式的に示すように、シリンダヘッド１の吸気側面１ａには、インタークーラ３０を一体化した吸気マニホールド３１が固定されている。すなわち、吸気マニホールド３１は、各気筒に対応した枝通路３２を有しており、枝通路３２が形成されたフランジ３３を吸気側面１ａに固定している。

インタークーラ３０は水冷式であり（空冷式でもよい）、送水管３４と排出管３５とが接続されている。本実施形態では、インタークーラ３０はサージタンクを兼用しており、インタークーラ３０に流入した吸気は枝通路３２から分岐して各気筒に送られる。

インタークーラ３０のうち前寄り部位に吸気入口となるスロットルボデーを設けており、このスロットルボデーにスロットルバルブ３７を取り付けて、スロットルバルブ３７と排気ターボ過給機１０の吸気出口２０とを過給通路３８で接続している。過給通路３８はダクト又はホースで構成されている。スロットルバルブ３７はインタークーラ３０の後部上面に配置しているが、インタークーラ３０の後面に配置することも可能である。

排気ターボ過給機１０は、吸気出口２０がシリンダヘッド１の吸気側面１ａの近くに位置ように配置されている一方、スロットルバルブ３７はインタークーラ３０の後端部に配置されて後ろ向きに開口している（スロットルバルブ３７における弁体の回転軸は、図１において紙面と直交した鉛直方向に向いている。）。そこで、過給通路３８は，概ねクランク状の形態を成してスロットルバルブ３７の入り口に接続されている。

図１に一点鎖線Ｘ１で示すように、スロットルバルブ３７の入り口を吸気出口２０の方向に向けて平面視で傾斜した姿勢に開口させると共に、吸気出口２０をスロットルバルブ３７の方向に向けることにより、過給通路３８を直線状に形成することも可能である。或いは、図1に点線X２で示すように、排気ターホ過給機１０の吸気出口２０をスロットルバルブ３７の真後ろに位置させて、過給通路３８を前後長手の姿勢で一直線状に配置することも可能である。

図３に一点鎖線で示すように、側面視での過給通路３８の姿勢（水平に対する姿勢）は任意に設定できる。従って、インタークーラ３０の高さやスロットルバルブ３７の高さに対応して、過給通路３８の終端の高さ位置を調節できる。

本実施形態の内燃機関は、ＥＧＲ装置を備えている。ＥＧＲ装置はＥＧＲパイプ３９を備えており、ＥＧＲパイプ３９の始端は、例えば触媒ケース１９の下コーン部に接続されて、ＥＧＲパイプ３９の終端は、エアクリーナ４０と排気ターボ過給機１０とを繋ぐ吸気通路４１の中途部に接続されている。また、ＥＧＲパイプ３９の中途部にＥＧＲバルブ４２を介在させている。

図１では、ＥＧＲパイプ３９やＥＧＲバルブ４２を排気ターボ過給機１０の後ろに配置した状態に描いているが、これは作図上の便宜的なものであり、実際には、ＥＧＲパイプ３９はシリンダヘッド１に近づけて配置している。ＥＧＲバルブ４２はシリンダヘッド１に固定してもよい。ＥＧＲパイプ３９には水冷式のＥＧＲクーラ４３を介在させているが、ＥＧＲクーラ４３は排気ターボ過給機１０の下方に配置することも可能である。

本実施形態は以上の構成であり、排気ターボ過給機１０はシリンダヘッド１の後面に配置されていると共に、排気ターボ過給機１０の吸気出口２０はシリンダヘッド１の吸気側面１ａの近くに位置しているため、排気ターボ過給機をシリンダヘッドの排気側面に接続した場合に比べて、吸気出口２０とスロットルバルブ３７との間隔（すなわち過給通路３８の長さ）を格段に縮小できる。従って、自動車の加速・減速（或いはトルクの増減）の応答性を向上できる。

また、吸気マニホールド３１やスロットルバルブ３７はシリンダヘッド１の外に配置されているため、吸気マニホールド３１やスロットルバルブ３７を配置するに当たってスペースの制約はなく、現実性に優れている。

さて、自動車用内燃機関では排気ガスの浄化性能基準が高くなっており、これに伴って触媒ケース１９も大型化しているが、自動車用内燃機関の場合、エンジンルームの高さの制約から触媒ケース１９を低くすることに限度があるため、触媒ケース１９は高さを高くすることによって大型化に対応せざるを得ない場合がある。この点、排気ターボ過給機１０を上巻き方式にすると、触媒ケース１９の大型化に対応できる。

他方、吸気マニホールド３１にインタークーラ３０を設けてその上部にスロットルバルブ３７を設けると、スロットルバルブ３７の高さはかなり高くなる。そこで、排気ターボ過給機１０が上巻き方式になっていて吸気出口２０の高さが高いことを利用して、スロットルバルブ３７と吸気出口２０との高低差をできるだけ小さくし、過給通路３８の配置態様を簡単化できる。

図４に示す例では、スロットルバルブ３７はインタークーラ３０の後面に配置されており、その入り口は排気ターホ過給機１０の方向に開口している。そこで、過給通路３８を直線状に形成しているが、この実施形態では、過給通路３８の長さは非常に短くなるため、過給の応答性を更に向上できる。

以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は他にも様々に具体化できる。

本願発明は、排気ターボ過給機を備えた内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１シリンダヘッド
１ａ吸気側面
１ｂ排気側面
１ｃ後面（短手一側面）
９排気集合通路
１０排気ターボ過給機
１１タービンハウジング
１２コンプレッサハウジング
１４排気ガス出口
１５吸気入り口
１６排気ガス導入通路
１９触媒ケース
２０吸気出口
３０インタークーラ
３１吸気マニホールド
３７スロットルバルブ
３８過給通路
３９ＥＧＲパイプ
４０エアクリーナ
４１吸気通路

Claims

シリンダヘッドのうち吸気側面及び排気側面と直交した短手一側面に、排気ターボ過給機が、タービンハウジングが前記排気側面の側に位置してコンプレッサハウジングが前記吸気側面の側に位置するようにして配置されている構成であって、
前記シリンダヘッドの前記短手一側面に排気集合通路が開口しており、前記排気ターボ過給機のタービンハウジングが、前記排気集合通路に連通した状態で前記シリンダヘッドの短手一側面に固定されている一方、
前記シリンダヘッドの吸気側面には、インタークーラを備えた吸気マニホールドが固定されており、前記排気ターボ過給機におけるコンプレッサハウジングの吸気出口が、前記シリンダヘッドの外側に配置された過給通路を介して前記インタークーラに接続されている、
排気ターボ過給機搭載の内燃機関。