JP2503645Y2

JP2503645Y2 - 過給機付エンジン

Info

Publication number: JP2503645Y2
Application number: JP1156290U
Authority: JP
Inventors: 敏久杉山; 衛吉岡; 徹木所
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1990-02-09
Filing date: 1990-02-09
Publication date: 1996-07-03
Anticipated expiration: 2005-02-09
Also published as: JPH03104130U

Description

【考案の詳細な説明】［産業上の利用分野］本考案は、主、副ターボチャージャが並列に配設され
た過給機付エンジンに関し、とくに両ターボチャージャ
のタービン出口通路の配置構造、切替弁の配置構造に関
する。

［従来の技術］エンジン本体に対し、主、副二つのターボチャージャ
を並列に配置し、低速域では副ターボチャージャの過給
作動を停止して主ターボチャージャのみで過給し、高速
域では両ターボチャージャを作動させるようにした、い
わゆる２ステージツインターボシステムの過給機付エン
ジンが知られている。この種の過給機付エンジンの構成
は、たとえば第６図に示すようになっている。エンジン
本体91に対し、主ターボチャージャ（T/C-1）92と副タ
ーボチャージャ（T/C-2）93が並列に設けられている。
副ターボチャージャ93に接続される吸、排気系には、そ
れぞれ吸気切替弁94、排気切替弁95が設けられ、吸気切
替弁94、排気切替弁95をともに全閉とすることにより、
主ターボチャージャ92のみを過給作動させ、ともに全開
とすることにより、副ターボチャージャ93にも過給作動
を行わせ、２個ターボチャージャ作動とすることができ
る。

このような過給機付エンジンに関し、先に本出願人に
より、第７図に示すように、エンジン長手方向を車両前
後方向とする縦置式エンジンにおいて、エンジン本体91
に対し、常時作動する主ターボチャージャ92を車両前方
側に、高速域で作動する副ターボチャージャ93を車両後
方側に配置し、常時作動の主ターボチャージャ92に走行
風を当て主ターボチャージャ92を効率よく冷却できるよ
うにした構造が開示されている（実願平1-35595号）。

［考案が解決しようとする課題］この先の提案構造においては、両ターボチャージャ9
2、93のタービンからの出口通路が、第８図、第９図に
も示すように、両タービン下流に接続される曲管96a、9
6bからなるタービンアウトレット曲管96と、その下流側
に接続され排気切替弁95が組み込まれた排気切替弁アセ
ンブリ97と、その下流側に接続され両排気通路を合流さ
せる合流管98によって形成されており、排気切替弁95は
車両後方側に位置するタービン出口通路内に配置されて
いる。このため、排気切替弁95が設けられた部位には走
行風が十分に当たらず、排気切替弁95が高温となって、
その耐久性の低下を招いたり、作動の信頼性の低下を招
いたりするおそれがある。

また、タービンアウトレット曲管の構造上、とくに副
ターボチャージャ93のタービン下流の通路の曲がり（曲
率半径）が小さく、両ターボチャージャ作動時の排圧増
加の原因となっている。

本考案は、このような問題点に着目し、両ターボチャ
ージャタービン出口通路構造の改善により、常時作動の
主ターボチャージャの効率のよい冷却状態を確保しつ
つ、排気切替弁も効果的に冷却するとともに、排圧を低
減することを目的とする。

［課題を解決するための手段］この目的に沿う本考案の過給機付エンジンは、エンジ
ン長手方向を車両前後方向とした縦置式エンジンのエン
ジン本体に対し並列に設けられた主ターボチャージャお
よび副ターボチャージャと、副ターボチャージャに接続
されたエンジンの吸、排気系にそれぞれ設けられた吸気
切替弁および排気切替弁とを備え、該吸気切替弁および
排気切替弁を開閉することによりターボチャージャの作
動個数を切り替える過給機付エンジンにおいて、常時作
動する主ターボチャージャを車両前方に、高速域で作動
する副ターボチャージャを車両後方に配置し、両ターボ
チャージャのタービン下流に接続されるタービンアウト
レット曲管を、主ターボチャージャ側からのタービン出
口通路が車両後方に、副ターボチャージャ側からのター
ビン出口通路が車両前方に位置するように交差させると
ともに、副ターボチャージャ側からのタービン出口通路
の位置が主ターボチャージャ側からのタービン出口通路
の位置よりもエンジン本体側面から離れる方向にオフセ
ットする形状に構成し、該副ターボチャージャからのタ
ービン出口通路に前記排気切替弁を配置したものから成
る。

［作用］このような過給機付エンジンにおいては、縦置式のエ
ンジンにおいて主ターボチャージャが車両前方側に設け
られるので、主ターボチャージャには十分に走行風が当
たり、常時作動の主ターボチャージャが効率よく冷却さ
れる。

そして、両ターボチャージャからのタービンアウトレ
ット曲管が交差するように形成されて副ターボチャージ
ャ側からのタービン出口通路が車両前方側に位置され、
かつこのタービン出口通路が他方のタービン出口通路よ
りもエンジン本体側面から離れる方向にオフセットされ
（つまりエンジン本体側面から遠い方に位置され）、こ
のタービン出口通路に排気切替弁が設けられる。したが
って、排気切替弁が設けられた部位にも、前方や側方か
ら遮蔽されることなく、走行風が十分に当たり、排気切
替弁およびその周辺部が効率よく冷却される。その結
果、排気切替弁の耐久性が向上され、作動の信頼性も向
上される。

また、上記互に交差するタービンアウトレット曲管形
状により、副ターボチャージャタービンからの曲管の曲
がり（曲率半径）を大きくとることができ、通路圧損を
低減して排圧を低減することができる。

［実施例］以下に、本考案の望ましい実施例を、図面を参照して
説明する。

第１図ないし第５図は、本考案の一実施例に過給機付
エンジンを示しており、６気筒エンジンに本考案を適用
した場合を示している。

第１図はエンジン本体と両ターボチャージャの位置関
係および両ターボチャージャ周辺の通路構造を示してお
り、第１図の右側が車両前方側、左側が車両後方側を示
している。第２図は各切替弁を含むシステム全体、第３
図は各切替弁の制御フロー、第４図は、第１図の装置に
おいて両ターボチャージャ周りの通路を取り出して示し
たもの、第５図は第４図のＡ矢視図を示している。

第２図において、１はエンジン、２はサージタンク、
３は排気マニホルドを示す。排気マニホルド３は排気干
渉を伴わない＃１〜＃３気筒群と＃４〜＃６気筒群の２
つに集合され、その集合部が連通路3aによって互いに連
通されている。７、８は互いに並列に配置された主ター
ボチャージャ、副ターボチャージャである。ターボチャ
ージャ７、８のそれぞれのタービン7a、8aは排気マニホ
ルド３の集合部に接続され、それぞれのコンプレッサ7
b、8bは、インタクーラ６、スロットル弁４を介してサ
ージタンク２に接続されている。主ターボチャージャ７
はエンジン低速域から高速域まで作動され、副ターボチ
ャージャ８はエンジン低速域で停止される。

双方のターボチャージャ７、８の作動、停止を可能な
らしめるために、副ターボチャージャ８のタービン8aの
下流に排気切替弁17が、コンプレッサ8bの下流に吸気切
替弁18が設けられる。吸、排気切替弁18、17の両方とも
全開のときは、両方のターボチャージャ７、８が作動さ
れる。

低速域で停止される副ターボチャージャ８の吸気通路
には、１個ターボチャージャから２個ターボチャージャ
への切替を円滑にするために、コンプレッサ8bの上流と
下流とを連通する吸気バイパス通路13と、吸気バイパス
通路13途中に配設される吸気バイパス弁33が設けられ
る。吸気バイパス弁33はアクチュエータ10によって開閉
される。また、吸気切替弁18の上流と下流とを連通する
バイパス通路に逆止弁12を設けて、吸気切替弁18閉時に
おいても、副ターボチャージャ８側のコンプレッサ出口
圧力が主ターボチャージャ７側より大になったとき、空
気が上流側から下流側に流れることができるようにして
ある。なお、第２図中、14はコンプレッサ出口側の吸気
通路、15はコンプレッサ入口側の吸気通路を示す。

吸気通路15は、吸入空気量を検出するセンサとしての
エアフロメータ24を介してエアクリーナ23に接続され
る。排気通路を形成するフロントパイプ20は、排気ガス
触媒21を介して排気マフラー22に接続される。

吸気切替弁18はアクチュエータ11によって開閉され、
排気切替弁17は、本実施例では、２段ダイヤフラム式ア
クチュエータ16によって開閉される。なお、９はウエス
トゲートバルブ31を開閉するアクチュエータを示す。ア
クチュエータ10、11、16を作動する過給圧または負圧を
ON-OFFする（過給圧または負圧と大気圧とを選択的に切
り替える）ために、第１、第２、第３、第４の三方電磁
弁25、26、27、28が設けられている。三方電磁弁25、2
6、27、28の切替は、エンジンコントロールコンピュー
タ29からの指令に従って行う。三方電磁弁25、28のONは
吸、排気切替弁18、17を全開とするようにアクチュエー
タ11、16を作動させ、OFFは吸、排気切替弁18、17を全
閉とするようにアクチュエータ11、16を作動させる。32
は排気切替弁17小開制御用の第５の三方電磁弁である。
16a、16bはアクチュエータ16のダイヤフラム室、16cは
小開の開度調整ネジ、10aはアクチュエータ10のダイヤ
フラム室、11a、11bはアクチュエータ11のダイヤフラム
室を、それぞれ示している。

エンジンコントロールコンピュータ29は、エンジンの
各種運転条件検出センサと電気的に接続され、各種セン
サからの信号が入力される。エンジン運転条件検出セン
サには、吸気管圧力センサ30、スロットル開度センサ
５、吸入空気量測定センサとしてのエアフローメータ2
4、O₂センサ19等が含まれる。

エンジンコントロールコンピュータ29は、演算をする
ためのセントラルプロセッサユニット（CPU）、読み出
し専用のメモリであるリードオンリメモリ（ROM）、一
時記憶用のランダムアクセスメモリ（RAM）、入出力イ
ンターフェイス（I/Dインターフェイス）、各種センサ
からのアナログ信号をディジタル量に変換するA/Dコン
バータを備えている。第３図は切替弁開閉用の制御プロ
グラムであり、ROMに記憶され、CPUに読み出されて、弁
開閉の演算を実行するプログラムである。

第１図、第４図、第５図に示すように、常時作動する
主ターボチャージャ７は、縦置式のエンジン本体１に対
し、車両前方側（フロント側）に配置され、副ターボチ
ャージャ８は、車両後方側（リヤ側）に配置される。両
ターボチャージャ７、８のタービン下流に接続されるタ
ービンアウトレット曲管41は、主ターボチャージャ７側
からのタービン出口通路42aの一部を形成する曲管41a
と、副ターボチャージャ８側からのタービン出口通路42
bの一部を形成する曲管41bとから成っている。このター
ビン出口通路42a、42bが互に交差するように、曲管41
a、41bが交差されており、交差した後のタービン出口通
路42bは、タービン出口通路42aに対して車両前方に位置
し、交差した後のタービン出口通路42aは、タービン出
口通路42bに対して車両後方に位置している。さらにタ
ービンアウトレット曲管41は、副ターボチャージャ８か
らのタービン出口通路42bが主ターボチャージャ７から
のタービン出口通路42aよりもエンジン本体側から離れ
る方向にオフセットする形状に構成される。このタービ
ンアウトレット曲管41の下流側に、排気切替弁17を備え
た排気切替弁アセンブリ43が接続され、その下流側に合
流管44が接続されている。排気切替弁アセンブリ43に
も、主ターボチャージャ７からのタービン出口通路42a
の一部を形成する排気通路43aと、副ターボチャージャ
８からのタービン出口通路42bの一部を形成する排気通
路43bが設けられており、排気通路43b内に排気切替弁17
が設けられている。なお、45はパワーステアリング用ポ
ンプ、46はオルタネータをそれぞれ示している。

上記のように構成された実施例装置の作動、作用につ
いて説明する。

まず、排気切替弁17の役目を説明するために、第３図
に示したフローにより、各切替弁の制御について説明す
る。なお、第３図においては第１〜第５の三方電磁弁を
それぞれVSVNo.1〜VSVNo.5、ターボチャージャをT/Cと
表わしてある。

第３図において、ステップ100でバルブ制御ルーチン
に入り、ステップ101でエンジンの吸入空気量Ｑを読み
込む。吸入空気量はエアフローメータ24からの信号であ
る。次にステップ102に進み、吸入空気量Ｑが所定量よ
り大きいか否か（高速域か低速域か）、すなわち２個タ
ーボチャージャ作動域か１個ターボタージャ作動域かを
判定する。図示例では、たとえばＱが5500l/minより大
きい場合は２個ターボチャージャ作動に切替えるべきと
判断し、5500l/min以下のときは１個ターボチャージャ
作動域と判断している。ただし、後述の如く、実際に２
個ターボチャージャ作動に切り替わるには、時間遅れが
あるので、6000l/min近辺で切り替わることになる。

ステップ102で２個ターボチャージャ作動に切り替え
るべきと判断された場合はステップ103に進み、それま
での１個ターボチャージャ時に吸気切替弁18が開（パー
シャル域開）になっている場合には、第２の三方電磁弁
26をOFFとして吸気切替弁18を閉じる。続いてステップ1
04で第３の三方電磁弁27をONとし、アクチュエータ10の
ダイヤフラム室10aにコンプレッサ下流の吸気管圧力
（過給圧力）を導いて吸気バイパス弁33を閉じる。ただ
し、このとき、後述の如く、１個ターボチャージャ作動
域において、排気切替弁17は既に小開制御されており、
副ターボチャージャ８は助走回転されている。

次に、上記第３の三方電磁弁27ON後、作動停止側のタ
ーボチャージャ、つまり副ターボチャージャ８の助走回
転数をアップするのに必要な所定時間、例えば１秒の時
間遅れをもたせ、１秒経過後にステップ105で第４の三
方電磁弁28をONとし、アクチュエータ16のダイヤフラム
室16aにコンプレッサ下流の吸気管圧力（過給圧力）を
導いて排気切替弁17を全開にする。もし、副ターボチャ
ージャ８のコンプレッサ圧力が主ターボチャージャ７の
コンプレッサ圧力より大きくなると、副ターボチャージ
ャ８の過給空気が逆止弁12を介してエンジンに供給され
る。続いて、上記第４の三方電磁弁28ON後、所定時間、
例えば0.5秒経過後にステップ106で第１の三方電磁弁25
をONとし、アクチュエータ11のダイヤフラム室11aにコ
ンプレッサ下流の吸気管圧力（過給圧力）を導いて吸気
切替弁18を全開にする。この状態では２個のターボチャ
ージャが作動する（なお、上記所定時間経過後に２個タ
ーボチャージャに切り替えられる際には、吸入空気量は
タービン効率の良い目標のほぼ6000l/minとなってい
る）。続いてステップ117に進んでリターンする。

ステップ102で１個ターボチャージャ作動域と判断さ
れた場合はステップ107に進み、第１の三方電磁弁25をO
FFとして吸気切替弁18を全閉とし、ステップ108で第４
の三方電磁弁28をOFFとして排気切替弁17を全閉とし、
ステップ109で第３の三方電磁弁27をOFFとして吸気バイ
パス弁33を全開とする。続いてステップ110で吸気管圧
力PMを読み込む。ステップ111で吸気管圧力が所定値よ
り大きいか小さいかが判定される。吸気管圧力PMが例え
ば＋500mmHgよりも小さい場合はステップ112に進み、第
５の三方電磁弁32をOFFとし、アクチュエータ16のダイ
ヤフラム室16bに大気圧力を導く。この状態でステップ1
13に進み、軽負荷か高負荷かを判断する。図は負荷信号
として吸気管圧力を例にとった場合を示しているが、吸
気管圧力の代わりにスロットル開度、吸入空気量／エン
ジン回転数で代替えされてもよい。例えば吸気管圧力PM
が−100mmHgより小さい場合は軽負荷と判断し、−100mm
Hg以上の場合は高負荷と判断する。

ステップ113で高負荷と判断された場合はステップ116
に進み、第２の三方電磁弁26をOFFとし、吸気切替弁18
は閉じられる。続いてステップ117に進みリターンす
る。この状態では吸気切替弁18が全閉、排気切替弁17が
全閉、吸気バイパス弁33が全開だから、吸入空気量の少
ない状態にて１個ターボチャージャ作動となり、過給圧
力、トルクレスポンスが良好となる。

ステップ113で軽負荷と判断された場合は、ステップ1
14に進み第２の三方電磁弁26をONとし、アクチュエータ
11のダイヤフラム11bにサージタンク２内の負圧を導い
て吸気切替弁18を開く。この状態では、排気切替弁17が
閉であるから副ターボチャージャ８は作動せず、主ター
ボチャージャ７のみの作動となる。しかし、吸気通路14
は吸気切替弁18が開いているため、２個ターボチャージ
ャ分の吸気通路が開の状態である。つまり、両方のター
ボチャージャのコンプレッサ7b、8bを通して空気が吸入
される。この結果、多量の過給空気量をエンジン１に供
給でき、低負荷からの加速特性が改善される。続いて、
ステップ117に進みリターンする。

ステップ111で吸気管圧力PMが＋500mmHg以上と判断さ
れた場合は、第５の三方電磁弁32をONとし、アクチュエ
ータ16のダイヤフラム室16bに主ターボチャージャ７の
コンプレッサ下流の吸気管圧力（過給圧力）を導く。次
に、ステップ116に進んで前述と同様に第２の三方電磁
弁26をOFFとし、吸気切替弁18を全閉とする。この場
合、予め二段式アクチュエータ16のダイヤフラム室16b
に主ターボチャージャ７のコンプレッサ下流の吸気管圧
力（過給圧力）が導入されているため、排気切替弁17は
小開制御される。この小開制御は、吸気管圧力が＋500m
mHgよりも大きくならないように排気切替弁17を部分的
に開いて制御するものである。換言すれば、１個ターボ
チャージャ作動域において、過給圧が＋500mmHgに保た
れるように、排気切替弁17の開度が制御される。通常タ
ーボチャージャの過給圧制御は、設定圧（たとえば＋50
0mmHg）より大きくなった場合にウエストゲートバルブ3
1を開き、主ターボチャージャ７の回転数を制御する
が、本実施例の作動個数可変並列ターボチャージャで
は、ウエストゲードバルブ31を開く代わりに排気切替弁
17を小開制御して主ターボチャージャ７の回転数、つま
り主ターボチャージャ７による過給圧を制御する。そし
て、その排気切替弁17を部分的に開いて排気ガスの一部
を作動停止側の副ターボチャージャ８のタービン8aに導
くことにより、副ターボチャージャ８の助走回転させ
る。副ターボチャージャ８の助走回転数が高い程、１個
ターボチャージャから２個ターボチャージャへの切替時
のトルク低下（トルクショック）が軽減され、滑らかに
切替えられるものである。続いて、ステップ117に進ん
でリターンする。

上記のように、排気切替弁17は、ターボチャージャの
作動個数を切り替える場合、および切替前の制御におい
て、極めて重要な役割を果たす。

この排気切替弁17は、副ターボチャージャ８からのタ
ービン出口通路42bに設けられるが、タービンアウトレ
ット曲管41の曲管41a、41bが互に交差され、かつ曲管41
bがエンジン本体側面から離れる方向にオフセットされ
ているので、排気切替弁アセンブリ43の排気切替弁17が
設けられる排気通路43bの位置も、車両前方側でかつエ
ンジン本体側面から遠い側の位置に位置する。その結
果、第４図、第５図から明らかなように、排気切替弁17
が設けられる配管部位には、周辺の機器や配管に遮蔽さ
れることなく、走行風が直接効率よく当たるようにな
る。したがって、排気切替弁17およびその周囲が走行風
によって効率よく冷却され、排気切替弁17のシャフト弁
体が確実に許容温度以下に抑えられ、排気切替弁17の耐
久性不安が解消される。また、排気切替弁17が高温にな
った場合に生じるおそれのあるスティック等が防止さ
れ、作動の信頼性（確実性）が向上される。

また、タービンアウトレット曲管41の曲管41a、41bを
互に交差させるようにしたので、とくに副ターボチャー
ジャ８からのタービン出口通路42bの曲がり部の曲率半
径を大きくとることができる。その結果、排気通路の圧
損が低減され、排圧が低減される。

さらに、主ターボチャージャ７は車両前方側、副ター
ボチャージャ８は車両後方側に配置したままであるか
ら、常時作動の主ターボチャージャ７に走行風を効率よ
く当てることができ、主ターボチャージャ７の効果的な
冷却性能はそのまま維持される。したがって、吸気温度
の上昇が防止され、エンジンの出力が向上される。

［考案の効果］以上説明したように、本考案の過給機付エンジンによ
るときは、縦置式２ステージターボシステムエンジンに
おいて、副ターボチャージャからのタービン出口通路が
車両前方側にくるように両ターボチャージャからのター
ビン出口通路を交差させるとともに、副ターボチャージ
ャからのタービン出口通路がエンジン本体側面から離れ
る方向の位置にオフセットするようにタービンアウトレ
ット曲管を構成し、この副ターボチャージャ側からのタ
ービン出口通路に排気切替弁を設けたので、排気切替弁
を設けた部位に直接効果的に走行風を当てることができ
るようになり、効率のよい冷却により排気切替弁の耐久
性、作動の信頼性を大幅に向上することができる。

また、タービンアウトレット曲管の曲率半径を大きく
することができるので、排気通路の圧損を低減して排圧
を小さく保ち、その分出力の向上をはかることができ
る。

さらに、常時作動の主ターボチャージャは車両前方側
に配置されるから、走行風を当てて効率よく冷却し、吸
気温度の上昇を抑えて出力の向上をはかることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例に係る過給機付エンジンの部
分斜視図、第２図は第１図の装置の全体系統図、第３図は第２図の装置の制御フロー図、第４図は第１図の装置の部分正面図、第５図は第４図のＡ矢視図、第６図は従来の２ステージターボシステムの概略系統
図、第７図は実願平1-35595号で提案した過給機付エンジン
の斜視図、第８図は第７図の装置の部分透視正面図、第９図は第８図の装置の側面図、である。１……エンジン２……サージタンク３……排気マニホルド４……スロットル弁５……スロットル開度センサ６……インタクーラ７……主ターボチャージャ８……副ターボチャージャ 10……吸気バイパス弁のアクチュエータ 11……吸気切替弁のアクチュエータ 13……吸気バイパス通路 14……吸気通路（コンプレッサ下流） 15……吸気通路（コンプレッサ上流） 16……排気切替弁のアクチュエータ 17……排気切替弁 18……吸気切替弁 24……エアフローメータ 25……第１の三方電磁弁 26……第２の三方電磁弁 27……第３の三方電磁弁 28……第４の三方電磁弁 29……エンジンコントロールコンピュータ 30……吸気管圧力センサ 31……ウエストゲートバルブ 32……第５の三方電磁弁 33……吸気バイパス弁 41……タービンアウトレット曲管 41a、41b……曲管 42a、42b……タービン出口通路 43……排気切替弁アセンブリ 43a、43b……排気通路 44……合流管 45……パワーステアリング用ポンプ 46……オルタネータ

Claims

(57)【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】エンジン長手方向を車両前後方向とした縦
置式エンジンのエンジン本体に対し並列に設けられた主
ターボチャージャおよび副ターボチャージャと、副ター
ボチャージャに接続されたエンジンの吸、排気系にそれ
ぞれ設けられた吸気切替弁および排気切替弁とを備え、
該吸気切替弁および排気切替弁を開閉することによりタ
ーボチャージャの作動個数を切り替える過給機付エンジ
ンにおいて、常時作動する主ターボチャージャを車両前
方に、高速域で作動する副ターボチャージャを車両後方
に配置し、両ターボチャージャのタービン下流に接続さ
れるタービンアウトレット曲管を、主ターボチャージャ
側からのタービン出口通路が車両後方に、副ターボチャ
ージャ側からのタービン出口通路が車両前方に位置する
ように交差させるとともに、副ターボチャージャ側から
のタービン出口通路の位置が主ターボチャージャ側から
のタービン出口通路の位置よりもエンジン本体側面から
離れる方向にオフセットする形状に構成し、該副ターボ
チャージャからのタービン出口通路に前記排気切替弁を
配置したことを特徴とする過給機付エンジン。