JP2539656B2 - ツインタ―ボ式内燃機関 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、複数気筒を２群に分割し、それぞれの気筒
群に排気ターボ過給機を備えたツインターボ式内燃機関
に関するものである。

（従来技術及びその問題点） この種のツインターボ式内燃機関では、従来から２本
の排気通路の途中を連絡管で連通するようにした先行技
術が実開昭60−178329号で知られている。

しかしながら、この先行技術では２本の排気通路を流
れる排気ガスの脈動パルスが相互に干渉し合い、脈動パ
ルスが低下して過給効率の面で改善の余地がある。ま
た、特に低速時には排気ガス量が少なく過給効率の低下
が著しい。

複数気筒を２群に分割して排気ターボ過給機へ排気を
流す技術が特公昭38−1154号に開示してある。

（発明の目的） 本発明は、第１にツインターボ式内燃機関において、
排気干渉による過給効率の低下を防止できるツインター
ボ式内燃機関を提供することを目的としている。

（発明の構成） （１）技術的手段 本発明は、複数気筒を２群に分割し、それぞれの気筒
群に排気ターボ過給機を備えたツインターボ式内燃機関
において、各気筒群と各排気ターボ過給機を繋ぐ排気通
路を連通する連絡管を設け、一方の排気ターボ過給機に
ツインスクロールタービンを設け、このツインスクロー
ルタービンに繋がる第１排気通路の前記連絡管より下流
側に第１排気通路の断面積を２分割する隔壁を形成し、
前記第１排気通路と連絡管との接続部に閉弁時には連絡
管開口を閉塞し、開弁時には連絡管を第１排気通路の一
方の分割通路に連通するように切換える第１切換弁を設
け、第１切換弁の支点を第１排気通路の連絡管開口の上
流側の位置に設け、他方のターボ過給機に繋がる第２排
気通路と連絡管の接続部に、閉弁時には連絡管開口を閉
塞し、開弁時には第２排気通通路の排気ガスの全量を連
絡管へ導くように切換える第２切換弁を設け、第２切換
弁の支点を連絡管開口の下流側位置に設けたことを特徴
とするツインターボ式内燃機関である。

（２）作用 両切換弁の開弁時には、隔壁およびツインスクロール
タービンで排気干渉を防止しながら排気ガスをツインス
クロールタービンへ流し、高効率で過給する。

両切換弁の閉弁時には、両排気通路と連絡管とを遮断
して連絡管の影響を無くし、過給効率を向上する。

（実施例） 本発明を採用したツインターボ式ディーゼル機関を示
す第１図で、10は機関本体である。この機関本体10は６
気筒のシリンダ11を有しており、シリンダ11の排気マニ
ホールド12は３気筒分ずつ集合して第１排気通路13と第
２排気通路14に繋がっている。

第１排気通路13は排気ターボ過給機15に接続し、排気
ターボ過給機15はツインスクロールタービン16に２室の
渦巻き室を有している。第２排気通路14は排気ターボ過
給機17に接続し、排気ターボ過給機17はシングルスクロ
ールタービン18に単一の渦巻き室を有している。排気タ
ーボ過給機15、17のブロワ19、20は給気管21、22で機関
本体10の給気マニホールド23に連通し、給気マニホール
ド23にはインタークーラ24が設けられている。給気管21
には逆止弁25を介装してある。

前記第１排気通路13と第２排気通路14の間には連結管
30を架設してあり、連絡管30で第１排気通路13と第２排
気通路14を連通している。連結管30の両端と第１排気通
路13、第２排気通路14との接続部には、第１切換弁31、
第２切換弁32が設けられており、第１切換弁31、第２切
換弁32で連絡管30を詳しくは後述するように開閉制御す
る機能を果たしている。連絡管30の中央部には伸縮継手
33が設けられている。

前記第１排気通路13の連絡管30より下流側には隔壁34
が形成されており、隔壁34で第１排気通路13の断面積を
略２等分するように分割している。したがって、第１排
気通路13を流れる排気ガスは隔壁34で区画された分割通
路35、36を通ってツインスクロールタービン16の渦巻き
室にそれぞれ独立して流れ込むようになっている。

第１切換弁31は支点37で軸支されており、支点37は連
絡管30の開口の上流側近傍位置に配置してある。また、
第２切換弁32の支点38は連絡管30の開口の下流側近傍位
置に配置してある。

前記第１切換弁31、第２切換弁32は第１図で図示する
中低速、高負荷時には、第１切換弁31の先端部が隔壁34
に一致するように半開状態で開弁し、第２切換弁32は第
２排気通路14の排気ガスの全量を連絡管30へ流すように
全開状態で開弁している。次に、高速、高負荷時には第
２図に示すように連絡管30の両端開口を閉塞するように
閉弁している。

以上の構成では、第１排気通路13、第２排気通路14の
排気ガス量が減って排気ターボ過給機15、ツインスクロ
ールタービン16の過給効率が低下する場合に、第１図の
ように第１切換弁31、第２切換弁32を切換えて、第１排
気通路13を流れる排気ガスを第１切換弁31で分割通路35
に案内し、第２排気通路14を流れる排気ガスを第２切換
弁32で連絡管30に通し、連絡管30から第１切換弁31で分
割通路36に案内する。

したがって、２群に分割したシリンダ11の排気ガスを
ツインスクロールタービン16の渦巻き室に分割して供給
し、排気ターボ過給機15に対しては相対的に排気ズ量が
増えることになり、所謂可変入口ノズル（VGS）と同様
の働きをして、少ない排気ガス量でも排気ターボ過給機
15は高い過給効率を発揮する。

また、２群に分割したシリンダ11の排気ガスを隔壁34
でツインスクロールタービン16の渦巻き室にそれぞれ独
立した状態で供給し、分割通路35、36を流れる排気ガス
の脈動パルスが相互に干渉せず、高い脈動パルスで排気
ターボ過給機15の過給効果を上げる。

この第１図の運転状態では、回転数Ｎに対するトルク
Ｔのグラフである第３図の特性X1のように機関回転数R1
の範囲で、従来の第１切換弁31,第２切換弁32および連
絡管30を備えていない場合の特性XpよりトルクＴが大き
くなり、出力が増大する。

第２図の高速、高負荷時には第１切換弁31、第２切換
弁32が連絡管30の両端開口を閉塞するように閉弁し、連
絡管30は第１排気通路13、第２排気通路14から完全に遮
断され、第１排気通路13、第２排気通路14の排気ガスは
直接に排気ターボ過給機15、17へ流れる。

この高速、高負荷時には第１排気通路13、第２排気通
路14の排気ガス量が十分に増えているので、排気ターボ
過給機15、17は高い過給効率を発揮する。また、連絡管
30は第１切換弁31、第２切換弁32で遮断されているの
で、連絡管30の容積が第１排気通路13、第２排気通路14
を流れる排気ガスの脈動パルスを減衰することも無く、
この面でも過給効率が向上する。

第２図の運転状態は第３図のR2の範囲で実行する。

次に、第４図で第１切換弁31、第２切換弁32の切換機
構を説明する。第４図中で、第１切換弁31、第２切換弁
32の基端部にはアーム40、41を第１切換弁31、第２切換
弁32に連続して一体に支点37、38回りに回動自在に形成
してある。アーム40、41は第１排気通路13、第２排気通
路14の外方に突出している。

アーム40、41の先端部にはリンク42がピン43、44で回
動自在に連結しており、リンク42で第１切換弁31、第２
切換弁32の開閉動作を連動するようになっている。アー
ム40の中間部には、エアシリンダ45（アクチュエータ
ー）のロッド46が回動自在に連結しており、ロッド46の
伸縮ストロークで第１切換弁31、第２切換弁32を開閉す
る機能を発揮する。エアシリンダ45は比較的小型で、１
個だけ設けられている。

第４図の状態ではエアシリンダ45のロッド46は最も短
縮した位置にある。また、アーム40、41の長さは、この
状態からストロークｓだけ伸びて最も伸長した位置で、
第１切換弁31をθ１だけ回動し、同時に第２切換弁32を
θ２だけ回動して、第１切換弁31、第２切換弁32を同時
に閉弁し得るようにL1:L2の比を設定してある。

なお、エアシリンダ45の代わりに真空ポンプまたはス
テップモータ等の他のアクチュエーターを使用すること
もでき、リンク42、アーム40の途中に任意の長さで固定
可能な長さ調整機構48、49を設けることも可能である。

エアシリンダ45には配管47、47aを通って圧縮空気供
給機構50からの圧縮空気が流通しており、圧縮空気供給
機構50は制御装置51で制御される。更に制御装置51には
機関本体10（第１図）の回転計（図示せず）からの回転
数信号53や第１排気通路13、第２排気通路14の圧力計54
からの圧力信号55が入力しており、制御装置51は両信号
53、55に基づいて機関の運転状態を判別し、中低速、高
負荷時には第１図のように第１切換弁31、第２切換弁32
を開弁し、高速、高負荷時には第１切換弁31、第２切換
弁32を閉弁するようになっている。

以上の構成では、第１切換弁31、第２切換弁32をリン
ク42で連結してエアシリンダ45を設けたので、２箇所の
第１切換弁31、第２切換弁32は１個のエアシリンダ45だ
けで開閉動作する。

また、第１切換弁31、第２切換弁32はリンク42で連結
し、第１切換弁31が開弁している時には第２切換弁32も
開弁し、第１切換弁31が閉弁している時には第２切換弁
32も閉弁する。したがって、第２切換弁32が開弁してい
る時に第１切換弁31が閉弁して第２排気通路14の排気ガ
スの流通が阻害されることが無く、第２排気通路14の排
気ガス流通に抵抗が発生しない。

（別の実施例） （１） 本発明は以上の実施例に限定されず、例えば機
関の表面温度に制約がある汎用機関の場合には第５図に
示すように、連絡通路30′を有する集合形排気マニホー
ルド60を設けて、連絡通路30′や第１排気通路13、第２
排気通路14の周囲に第６図、第７図に示すように水室62
を形成して、集合排気マニホールド60の表面温度を低く
するようにしてもよい。

（発明の効果） 以上説明したように本発明によるツインターボ式内燃
機関では、各気筒群と各排気ターボ過給機15、17を繋ぐ
排気通路13、14を連通路する連絡管30を設け、一方の排
気ターボ過給機15にツインスクロールタービン16を設
け、このツインスクロールタービン16に繋がる第１排気
通路13の前記連絡管30より下流側に第１排気通路13の断
面積を２分割する隔壁34を形成し、前記第１排気通路13
と連絡管30との接続部に閉弁時には連絡管開口を閉塞
し、開弁時には連絡管30を第１排気通路13の一方の分割
通路36に連通するように切換える第１切換弁31を設け、
第１切換弁31の支点37を第１排気通路13の連絡管開口の
上流側の位置に設け、他方のターボ過給機17に繋がる第
２排気通路14と連絡管30の接続部に、閉弁時には連絡管
開口を閉塞し、開弁時には第２排気通路14の排気ガスの
全量を連絡管30へ導くように切換える第２切換弁32を設
け、第２切換弁32の支点38を連絡管開口の下流側位置に
設けたので、次の効果を奏する。

２群に分割したシリンダ11の排気ガスをツインスクロ
ールタービン16の渦巻き室に分割して供給し、排気ター
ボ過給機15に対しては相対的に排気ガス量を増やすこと
ができ、少ない排気ガス量でも排気ターボ過給機15の過
給効率を向上できる。

また、２群に分割したシリンダ11の排気ガスを隔壁34
でツインスクロールタービン16の渦巻き室にそれぞれ独
立した状態で供給できるので、分割通路35、36を流れる
排気ガスの脈動パルスが相互に干渉せず、強い脈動パル
スで排気ターボ過給機15の過給効果を上げることができ
る。

したがって、第３図のR1で低速トルクを増大すること
ができる。

第２図の高速、高負荷時に連絡管30は第１切換弁31、
第２切換弁32で遮断できるので、連絡管30の容積で第１
排気通路13、第２排気通路14を流れる排気ガスの脈動パ
ルスを減衰することを防止でき、高速、高負荷時の過給
効率が向上する。

特に、前記両切換弁31、32に支点回りに回動するアー
ム40、41を形成し、両アーム40、41の端部に回動自在に
連結し、且つ両アーム40、41を繋ぐ１本のリンク42を設
け、両切換弁31、32を開閉動作する１個のエアシリンダ
45（アクチュエーター）を設け、エアシリンダ45の動作
で、開弁時には第１切換弁31が連絡管30と一方の分割通
路36とを連通するように開弁し、且つ第２切換弁32が第
２排気通路14と連絡管30を連通するように全開し、閉弁
時には両切換弁31、32が連絡管開口を全閉するように前
記両アーム40、41の長さの比を設定した場合には、第１
切換弁31、第２切換弁32の切換動作力が約1/2になり、
２箇所の第１切換弁31、第２切換弁32を１個のエアシリ
ンダ45だけで開閉動作することができる。

また、第１切換弁31が開弁している時には第２切換弁
32も開弁し、第１切換弁31が閉弁している時には第２切
換弁32も閉弁するように連動できるので、第２切換弁32
が開弁している時に第１切換弁31が閉弁して第２排気通
路14の排気ガスの流通が阻害されることが無く、第２排
気通路14の排気ガス流通に抵抗が発生することを防止で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を採用したツインターボ式ディーゼル機
関の構造略図、第２図は閉弁状態を示す第１図の要部略
図、第３図は回転数とトルクのグラフ、第４図は切換弁
の切換機構を示す構造略図、第５図は別の実施例を示す
構造略図、第６図は第５図のVI−VI断面図、第７図は第
５図のVII−VII断面図である。 10……機関本体、11……シリンダ、13……第１排気通
路、15、17……排気ターボ過給機、23……給気マニホー
ルド、30……連絡管、31……第１切換弁、32……第２切
換弁、37、38……支点、40、41……アーム、42……リン
ク、45……エアシリンダ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−155222（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−200130（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭57−3831（ＪＰ，Ｕ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数気筒を２群に分割し、それぞれの気筒
   群に排気ターボ過給機を備えたツインターボ式内燃機関
   において、各気筒群と各排気ターボ過給機を繋ぐ排気通
   路を連通する連絡管を設け、一方の排気ターボ過給機に
   ツインスクロールタービンを設け、このツインスクロー
   ルタービンに繋がる第１排気通路の前記連絡管より下流
   側に第１排気通路の断面積を２分割する隔壁を形成し、
   前記第１排気通路と連絡管との接続部に閉弁時には連絡
   管開口を閉塞し、開弁時には連絡管を第１排気通路の一
   方の分割通路に連通するように切換える第１切換弁を設
   け、第１切換弁の支点を第１排気通路の連絡管開口の上
   流側の位置に設け、他方のターボ過給機に繋がる第２排
   気通路と連絡管の接続部に、閉弁時には連絡管開口を閉
   塞し、開弁時には第２排気通路の排気ガスの全量を連絡
   管へ導くように切換える第２切換弁を設け、第２切換弁
   の支点を連絡管開口の下流側位置に設けたことを特徴と
   するツインターボ式内燃機関。
2. 【請求項２】前記両切換弁と一体に支点回りに回動する
   アームを形成し、両アームの端部に回動自在に連結し、
   且つ両アームを繋ぐ１本のリンクを設け、両切換弁を開
   閉動作する１個のアクチュエーターを設け、アクチュエ
   ーターの動作で、開弁時には第１切換弁が連絡管と一方
   の分割通路とを連通するように半開し、且つ第２切換弁
   が第２排気通路と連絡管を連通するように全開し、閉弁
   時には両切換弁が連絡管開口を全閉するように前記両ア
   ームの長さの比を設定してある特許請求の範囲第１項記
   載のツインターボ式内燃機関。