JP2708780B2 - ターボ過給機付エンジンの排気系構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、複数のターボ過給機のうちの一部のターボ
過給機を常時作動させ、他のターボ過給機を特定運転域
でのみ作動させるようにしたターボ過給機付エンジンの
排気系構造に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、例えば特開昭62−10422号公報もしくは実開昭6
0−178329号公報に示されるように、多気筒エンジンに
複数のターボ過給機を装備し、例えば２つのターボ過給
機を装備するとともに、一方のターボ過給機はエンジン
の全運転域で常時作動させ、他方のターボ過給機は高速
側の特定運転域でのみ作動させてそれ以外の運転域では
停止させるようにしたターボ過給機付エンジンは知られ
ている。すなわち、この種のターボ過給機付エンジンで
は、各気筒の排気通路を２つのグループに分けて、吸気
および排気の流量が比較的少ない低速域では各グループ
からの排気を第１ターボ過給機のタービンに集中的に供
給することにより第１ターボ過給機のみを作動させ、上
記流量が多い高速域では各グループの排気を両ターボ過
給機のタービンに分散供給することにより両ターボ過給
機を作動させるようにしている。このような構造による
と、低速域での過給効率および応答性を高めるととも
に、高速域での過給量を確保することができる。

とくに上記実開昭60−17839号公報に記載されたター
ボ過給機付エンジンでは、各気筒の排気通路をグループ
毎に各々集合させて、このグループ毎に集合された排気
通路を独立的にそれぞれ各ターボ過給機のタービンに接
続するとともに、上記各グループの間に、それぞれの排
気の流れと直交する方向に連通路を設け、かつ、上記他
方のタービン過給機のタービンに接続される排気通路
に、この通路を開通させる第１位置と、この通路を閉じ
て排気を連通路に導く第２位置とに切替えられる排気遮
断弁を設けている。このような構造によると、排気遮断
弁を上記第１位置として両ターボ過給機を作動させると
き、各グループの排気がそれぞれ各タービンにスムーズ
に供給されるとともに排気干渉が抑制される等の利点が
ある。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記実開昭60−178329号公報に記載されているように
各タービンにそれぞれ接続される各グループの排気通路
間に、排気通路と直交する方向に連通路を設けておく
と、排気を一方のターボ過給機に集中的に送ってこのタ
ーボ過給機のみを作動させる状態とする場合に、排気遮
断弁が上記第２位置とされることによって排気が連通路
へ導かれるが、この排気の流れは、排気遮断弁が設けら
れた排気通路から連通路に入る際および連通路を経て上
記一方のターボ過給機側の排気通路へ達する際に、曲が
りが大きくなる個所が増えるため、排気の流速が低下し
て排気エネルギーが減衰し、常用ターボ過給機の作動効
率が低下するという問題が残されていた。

本発明は上記の事情に鑑み、各ターボ過給機を作動さ
せるときの各タービンへの排気の供給が良好に行なわれ
るようにしつつ、一部のターボ過給機のみ作動させるよ
うに他のターボ過給機への排気の流通を遮断してその排
気を上記一部のターボ過給機側に導くときに、その排気
の流速低下を抑制して排気エネルギーを高め、ターボ過
給機作動効率を高めることができるターボ過給機付エン
ジンの排気系構造を提供するものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記のような目的を達成するため、複数のタ
ーボ過給機を並設し、一部のターボ過給機をエンジンの
全運転域で作動する常用ターボ過給機として、他のター
ボ過給機をエンジンの特定運転域でのみ作動する特定運
転域用ターボ過給機としたターボ過給機付エンジンにお
いて、常用ターボ過給機を特定運転域用ターボ過給機よ
りも大型に形成し、複数の気筒を備えたエンジンの排気
通路を通路数の異なる２系統に分けて、通路数の多い方
を大型の常用ターボ過給機に接続する一方、通路数の少
ない方を小型の特定運転域用ターボ過給機に接続し、特
定運転域用ターボ過給機側の排気通路に上記特定運転域
で開く排気遮断弁を設けるとともに、この排気通路の排
気遮断弁上流を常用ターボ過給機側の排気通路に連通す
る連通路を、常用ターボ過給機方向に傾けて形成したも
のである。

〔作用〕

上記構成によると、特定運転域用ターボ過給機のター
ビンへの排気の流通を遮断する状態に排気遮断弁が作動
されて、この特定運転域用ターボ過給機側の排気通路の
排気が連通路を通って常用ターボ過給機側の排気通路に
導かれる状態となったとき、その排気が大きく屈曲する
ことなくスムーズに流れ、流速の低下が抑えられること
となる。

また、エンジンの全運転域で作動する常用ターボ過給
機を、エンジンの特定運転域でのみ作動する特定運転域
用ターボ過給機よりも大型に形成していることにより、
上記特定運転域用ターボ過給機の作動、停止の切り換え
が頻繁に行われることが防止され、さらに、２系統に分
けられた排気通路のうち通路数の多い方を大型の常用タ
ーボ過給機に接続する一方、通路数の少ない方を小型の
特定運転域用ターボ過給機に接続していることにより、
上記両ターボ過給機が作動されるとき両ターボ過給機に
バランスよく排気エネルギが与えられて過給効率が高め
られる。つまり、このように両ターボ過給機構成が作動
されるときの過給効率が高められるとともに、上記のよ
うに特定運転域用ターボ過給機側の排気通路の排気が連
通路を通って常用ターボ過給機側に導かれる状態となっ
たときにその流速の低下が効果的に抑えられて、常用タ
ーボ過給機のみが作動されるときの過給効率も高められ
る。

〔実施例〕

本発明の実施例を図面に基づいて説明する。第１図は
複数のターボ過給機を備えたエンジンの排気系および吸
気系を概略的に示している。この図では複数気筒のロー
タリピストンエンジンに２つのターボ過給機を装備した
場合の一例を示し、かつ、基本的な全体構成をわかり易
くするため便宜的にエンジンEn及び排気系は２気筒のも
のに簡略化して示しており、排気系の具体的構造は第３
図以降に示す。

この図において、１は常時作動される第１ターボ過給
機（常用ターボ過給機）、２は特定運転域でのみ作動さ
れる第２ターボ過給機（特定運転域用ターボ過給機）で
あり、これらはそれぞれ、排気ガスにより駆動されるタ
ービン1a,2aと、このタービン1a,2aに連動して回転する
ことにより吸気を過給するコンプレッサ1b,2bとを備え
ている。

これらターボ過給機1,2の各タービン1a,2aが組込まれ
るエンジンEnの排気系は、各気筒の排気通路が各ターボ
過給機1,2に対応する２系統に分けられてそれぞれ各タ
ービン1a,2aに接続され、つまり一部の気筒の排気通路
３が第１ターボ過給機１のタービン1aに接続されるとと
もに、他の気筒の排気通路４が第２ターボ過給機２のタ
ービン2aに接続されている。

上記排気通路４には、第２ターボ過給機２のタービン
2aに対する排気の遮断、流通を行なう排気遮断弁５が設
けられている。この排気遮断弁５は、ダイヤフラム装置
等のアクチュエータ６により開閉作動され、高流量高回
転側の特定運転域でのみ開かれるようになっている。

この排気通路４の排気遮断弁上流と排気通路３との間
には両者を連通する連通路７が設けられている。この連
通路７は、排気通路3,4の排気流通方向と直行する方向
よりも第１ターボ過給機１方向に傾けて形成され、つま
り上記排気遮断弁５が設置された排気通路４の上流部と
上記連通路７との接続角度を鈍角に形成するとともに、
この連通路７と上記第１ターボ過給機１側の排気通路３
の上流部との接続角度を鋭角に形成することにより、上
記連通管７が排気通路４の上流寄りの位置から排気通路
３の第１ターボ過給機１寄りの位置に至るように斜めに
設置されている。

また、第２ターボ過給機２のタービン2aに対し、排気
遮断弁５が開かれる前に排気の一部をタービン2aに送っ
て予回転させるようにするため、例えば上記連通路７と
タービン2aの入口側との間に排気遮断弁５をバイパスす
る排気漏らし通路８が設けられ、この排気漏らし通路８
に、アクチュエータ10により開閉作動される排気漏らし
弁９からなる予回転制御手段が設けられている。

各タービン1a,2aより下流側では、各タービン1a,2aの
出口側に通じる通路11a,11bが集合されて、共通の下流
側排気通路11が形成されている。また、各タービン1a,2
aより上流側の部分と下流側の部分との間には、各ター
ビン1a,2aをバイパスするウエストゲート通路12が設け
られ、このウエストゲート通路12には、過給圧等に応じ
て働くアクチュエータ14により開閉作動されるウエスト
ゲートバルブ13が介設されている。上記ウエストゲート
通路12は、例えば図示のように上記連通路７の途中と下
流側排気通路11との間に設けられる。あるいは、各ター
ボ過給機41,2の入口側部分と出口側部分との間にそれぞ
れウエストゲート通路を設けておいてもよい。

一方、エンジンEnの吸気系は、第１ターボ過給機１の
コンプレッサ1bが配置された第１吸気通路21と、第２タ
ーボ過給機２のコンプレッサ2bが配置された第２吸気通
路22とを備えている。上記第１吸気通路21と第２吸気通
路22とは、上流側吸気通路20から互いに分岐し、それぞ
れコンプレッサ1b,2bを経て、各コンプレッサ1b,2bより
下流側で合流している。この合流部より下流の吸気通路
23にはインタクーラ24、スロットル弁25等が配設され、
さらにその下流側に図外の吸気マニホールドが接続され
て、エンジンEnの各気筒に吸気が供給されるようになっ
ている。

上記第２吸気通路22には、第１吸気通路21との合流箇
所の近傍において第２吸気通路22を遮断する吸気遮断弁
26が設けられており、この吸気遮断弁26はアクチュエー
タ27により開閉作動される。さらに第２吸気通路22に
は、吸気遮断弁26より上流でコンプレッサ2bの下流とコ
ンプレッサ2bの上流とを連通する吸気リリーフ通路28が
設けられ、この吸気リリーフ通路28には、アクチュエー
タ30により開閉作動されるリリーフ弁29が設けられてい
る。

上記排気遮断弁５、排気漏らし弁９、ウエストゲート
バルブ13、吸気遮断弁26およびリリーフ弁29の各アクチ
ュエータ6,10,14,27,30に対する駆動、制御系統は次の
ようになっている。

排気遮断弁５のアクチュエータ６は、コントロールユ
ニット45からの信号に応じて作動する三方電磁弁31を介
し、スロットル弁25下流の吸気通路23等の負圧源からチ
ェックバルブ32を通して負圧を導く負圧通路33と、大気
側とに対して選択的に連通される。そして、連通状態の
切替わりに応じて上記アクチュエータ６が作動すること
により、排気遮断弁５が閉状態と開状態とに切替えられ
る。

排気漏らし弁９のアクチュエータ10は、コントロール
ユニット45からの信号に応じて作動する三方電磁弁34を
介し、大気側と、第１ターボ過給機１のコンプレッサ1b
の下流の第１吸気通路21から過給圧を導く過給圧通路35
とに対して選択的に連通される。そして、連通状態の切
替わりに応じた上記アクチュエータ10の作動により、排
気漏らし弁９が閉状態と開状態とに切替えられる。この
場合、アクチュエータ10が過給圧通路35に連通する状態
となれば比較的低い過給圧でも排気漏らし弁９が開作動
されるように、アクチュエータ10のスプリング荷重等が
設定されている。

ウエストゲートバルブ13のアクチュエータ14は上記過
給圧通路35に直接接続されている。そして、上記アクチ
ュエータ14に導入される過給圧が所定の許容最高過給圧
となったときにウエストゲートバルブ13が開作動するよ
うに、上記アクチュエータ14のスプリング荷重等が設定
されている。

吸気遮断弁26のアクチュエータ27は、コントロールユ
ニット45からの信号に応じて作動する三方電磁弁36を介
し、負圧通路37と、圧力応動式の切替弁39に通じる通路
38とに対して選択的に連通される。上記切替弁39は、コ
ンプレッサ1bより下流の第１吸気通路21内の圧力とコン
プレッサ2bより下流の第２吸気通路22内の圧力とを受
け、両者の差圧が所定値以上のときは通路38を大気側に
対して遮断するが、上記差圧が所定値より小さくなった
ときは通路38を大気側に連通するようになっている。そ
して、上記アクチュエータ27が負圧通路37に連通してい
るときはアクチュエータ27に導入される負圧により吸気
遮断弁26が閉じられ、またアクチュエータ27が通路38に
連通したときにもこの通路38が上記切替弁39で遮断され
ているときはアクチュエータ27に負圧が封じこめらて吸
気遮断弁26が閉状態に保たれ、アクチュエータ27が通路
38に連通するとともに通路38が大気側に連通したときに
のみ吸気遮断弁26が開作動されるようになっている。

リリーフ弁29のアクチュエータ30は、コントロールユ
ニット45からの信号に応じて作動する三方電磁弁40を介
し、大気側と、チェックバルブ41を通して負圧を導く負
圧通路42とに対して選択的に連通される。そして、連通
状態の切替わりに応じて上記アクチュエータ30が作動す
ることにより、リリーフ弁29が閉状態と開状態とに切替
えられる。

このような駆動、制御系統により作動される各弁5,9,
13,26,29の作動特性は、第２図のように設定されてい
る。すなわち、上記排気遮断弁５の作動はコントロール
ユニット45により吸気流量の検出信号46およびエンジン
回転数の検出信号47に応じて制御され、所定の吸気流量
および所定のエンジン回転数をもって線Ａで示すように
設定された排気遮断弁開ラインを境として、このライン
Ａより低流量低回転側の領域で閉じられ、ラインＡより
高流量高回転側の領域で開かれる。また、排気漏らし弁
９も排気漏らし弁開ラインＢを境に閉状態と開状態とに
切替えられるが、排気遮断弁５が開かれるよりある程度
前に排気漏らし弁９が開かれるように排気漏らし弁開ラ
インＢが設定されている。このようにしているのは、排
気遮断弁５が開かれる前に排気の一部を第２ターボ過給
機２のタービン2aに送って予回転させることにより、排
気遮断弁５が開かれたときの第２ターボ過給機２の作動
の応答性を高めるためである。

吸気リリーフ弁29は、排気遮断弁開ラインＡよりも多
少低流量低回転側に設定された吸気リリーフ弁閉ライン
Ｃを境として、これより低流量低回転側の領域で開か
れ、高流量高回転側の領域で閉じられるようになってい
る。このようにしているのは、第２ターボ過給機２の予
回転中や減速時に第２ターボ過給機２が慣性で回転して
いるような場合には第２吸気通路22内の圧力が過度に上
昇することを避けるようにリリーフする必要がある一
方、第２ターボ過給機２からの過給を行なうときにはリ
リーフを停止する必要があり、また、排気遮断弁５が開
かれたときにリリーフされていると２番気筒側の排圧変
動によるダイリューションガスのばらつき等が生じ易く
なるからである。

また、吸気遮断弁26は、排気遮断弁５が開かれて第２
ターボ過給機２が作動状態となった後に、第１吸気通路
21内の圧力と第２吸気通路22内の圧力との差圧が所定値
以下となった時点（破線Ｄ）で開かれる。つまり、コン
トロールユニット45でエンジン回転数に応じて三方電磁
弁38が制御されることにより、第２ターボ過給機２が作
動されることのない低回転域では不必要に吸気遮断弁26
が開くことのないようにアクチュエータ27が負圧通路37
に連通される一方、少なくとも排気遮断弁５が開状態と
される領域を含む高回転側の領域でアクチュエータ27が
通路38に連通され、かつ、この状態で第２ターボ過給機
２の作動により第２吸気通路22内の圧力が上昇して上記
差圧が小さくなったときに吸気遮断弁26が開かれる。上
記差圧が所定値以下になるまで吸気遮断弁26が開かれな
いようにしているのは、第２吸気通路22への吸気の逆流
防止のためである。

なお、ウエストゲートバルブ13は許容最高過給圧に達
する状態（破線Ｅ）となったときに開かれる。

第３図は排気系構造の具体例を示し、また第４図乃至
第６図は排気系のうちの排気マニホールド部分の具体構
造の一例を示しており、これらの図では３気筒ロータリ
ピストンエンジンに適用した場合を示している。

第３図において、エンジンEnに連結される排気マニホ
ールド50には、エンジンの各気筒に対応する３つの排気
通路51,52,53が設けられ、これらのうちの１番気筒およ
び２番気筒の各排気通路51,52が集合されて、この集合
部分に第１ターボ過給機１のタービンハウジング1cが連
結される一方、３番気筒の排気通路53の下流端側に第２
ターボ過給機２のタービンハウジング2cが連結されてい
る。また、第１ターボ過給機１は比較的大型とされ、第
２ターボ過給機２は第１ターボ過給機と比べて小型とさ
れている。このように３気筒ロータリピストンエンジン
では比較的大型の第１ターボ過給機１に２つの排気通路
51,52を接続し、小型の第２ターボ過給機２に１つの排
気通路53を接続することにより、両ターボ過給機1,2が
作動されるときに排気エネルギーを各ターボ過給機1,2
にバランス良く与えて過給効率を高めることができ、ま
た、第１ターボ過給機１を比較的大型とすることにより
第１ターボ過給機１のみ作動される領域が拡大し、第２
ターボ過給機２の作動、停止の切替え頻度が少なくなっ
て信頼性を高めることができる。

そしてこのような通路構成による場合も、第２ターボ
過給機２側の排気通路53に排気遮断弁５が設けられると
ともに、排気通路53の排気遮断弁５上流と第１ターボ過
給機１側の排気通路51,52との間に連通路７が設けら
れ、かつこの連通路７は第１ターボ過給機１側に傾けて
形成されている。

第４図乃至第６図において、排気マニホールド50は、
エンジンEnの各気筒に対応する位置にエンジンEnへの連
結部54,55,56を備え、この連結部54,55,56に各排気通路
51,52,53の排気入口部分51a,52a,53aが開口している。
連結部54,55に連なる管状部分により構成される２つの
排気通路51,52は、両者の間での排気干渉を避けるため
できるだけ第１ターボ過給機１（この図では示さない）
近い下流端側で集合され、その集合部分に第１ターボ過
給機１に対する連結部57が形成されている。

３番気筒に対応する位置の連結部56には、排気通路53
を構成する中空状部分58が連なり、この中空状部分58の
排気入口部分53a近傍から第１ターボ過給機方向に傾斜
した連通路７を構成する管状部分が延び、その先端が上
記排気通路51,52の集合部分に連なっている。また、上
記中空状部分58の先端側には第２ターボ過給機２（この
図では示さない）に対する連結部59が設けられ、この連
結部59に、排気通路53の排気出口部分53bと排気漏らし
通路８とが、上記中空状部分58の内部に連通するように
形成されており、上記排気出口部分53bに排気遮断弁５
が取付けられ、排気漏らし通路８に排気漏らし弁９が取
付けられている。

以上のような構造のターボ過給機付エンジンによる
と、低流量低回転側の運転域では、排気遮断弁５が閉じ
られることにより、第２ターボ過給機２側の排気通路４
（または53）の排気は、連通路７を通って第１ターボ過
給機１側の排気通路へ送られる。従って、全気筒の排気
が集中的に第１ターボ過給機１のタービン1aに供給され
て、第１ターボ過給機１のみが作動される。

この場合、連通路７が第１ターボ過給機１方向に傾斜
して形成されていることにより、連通路７を通る排気の
流れの屈曲が小さくなり、排気がスムーズに流れて流速
の低下が抑制される。また、このように連通路７を第１
ターボ過給機１方向に傾斜させることにより、第１ター
ボ過給機１側の排気通路との合流位置がタービン1aに近
くなり、このため排気干渉も抑制される。これらの作用
によりタービン1aに与えられる排気エネルギーが高めら
れる。

一方、加速等によって高流量高回転側に運転状態が移
行すると、まず排気漏らし弁９が開かれて第２ターボ過
給機２のタービン2aが予回転されてから、排気遮断弁開
ラインＡを越えたときに排気遮断弁５が開かれ、さらに
第２吸気通路22内の圧力が上昇して第１吸気通路21内の
圧力との差圧が小さくなったときに吸気遮断弁26が開か
れる。この状態では、各ターボ過給機1,2のタービン1a,
2aにそれぞれ排気が送られて両ターボ過給機1,2が作動
される。

この場合、排気通路３（または51,52）と排気通路４
（または53）とが独立的にそれぞれ各タービン1a,2aに
接続されているので、例えば各排気通路をいったん集合
させてから各タービンに分流させるような構造とした場
合と比べ、各タービン1a,2aへの排気の流れがスムーズ
になるとともに排気干渉が防止される。従って、両ター
ボ過給機1,2が作動されるときの排気供給も良好に行な
われて作動効率が高められる。

〔発明の効果〕

以上のように本発明は、常用ターボ過給機のタービン
に対する排気通路と特定運転域用のターボ過給機に対す
る排気通路とをそれぞれ設けるとともに、特定運転域用
ターボ過給機側の排気通路の排気遮断弁上流と常用ター
ボ過給機側の排気通路とを連通する連通路を、常用ター
ボ過給機方向に傾けて形成することにより、連通路を通
る排気の流れの屈曲を小さくしている。このため、上記
排気遮断弁が開かれたときは上記各排気通路からそれぞ
れ各タービンに送られる排気により効率良く各ターボ過
給機が作動されるようにしつつ、排気遮断弁が閉じられ
たときに連通路を通って常用ターボ過給機側に送られる
排気と流速を高め、常用ターボ過給機の作動効率を高め
ることができる。

また、常用ターボ過給機を特定運転域用ターボ過給機
よりも大型に形成し、複数の気筒を備えたエンジンの排
気通路を通路数の異なる２系統に分けて、通路数の多い
方を大型の常用ターボ過給機に接続する一方、通路数の
少ない方を小型の特定運転域用ターボ過給機に接続して
いるため、上記両ターボ過給機が作動されるとき両ター
ボ過給機にバランスよく排気エネルギを与えることがで
きる。従って、常用ターボ過給機のみが作動されるとき
と両過給機が作動されるときとにおいてそれぞれ過給効
率を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すターボ過給機付エンジ
ンの排気系および吸気系の全体構造概略図、第２図は上
記排気系および吸気系の配設される各弁の作動特性を示
す特性図、第３図は排気系構造の具体例を示す部分断面
図、第４図は排気マニホールド部分の具体構造の一例を
示す一部断面正面図、第５図は同底面図、第６図は第４
図のVI−VI線に沿った断面図である。 En……エンジン、１……第１ターボ過給機（常用ターボ
過給機）、２……第２ターボ過給機（特定運転域用ター
ボ過給機）、3,4,51,52,53……排気通路、５……排気遮
断弁、７……連通路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 丹羽 靖 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツ ダ株式会社内 (56)参考文献 特開 昭56−41418（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−201926（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−145328（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−70623（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−200130（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数のターボ過給機を並設し、一部のター
   ボ過給機をエンジンの全運転域で作動する常用ターボ過
   給機とし、他のターボ過給機をエンジンの特定運転域で
   のみ作動する特定運転域用ターボ過給機としたターボ過
   給機付エンジンにおいて、常用ターボ過給機を特定運転
   域用ターボ過給機よりも大型に形成し、複数の気筒を備
   えたエンジンの排気通路を通路数の異なる２系統に分け
   て、通路数の多い方を大型の常用ターボ過給機に接続す
   る一方、通路数の少ない方を小型の特定運転域用ターボ
   過給機に接続し、特定運転域用ターボ過給機側の排気通
   路に上記特定運転域で開く排気遮断弁を設けるととも
   に、この排気通路の排気遮断弁上流を常用ターボ過給機
   側の排気通路に連通する連通路を、常用ターボ過給機方
   向に傾けて形成したことを特徴とするターボ過給機付エ
   ンジンの排気系構造。