JP4894877B2 - 過給機付きエンジン - Google Patents

Description

本発明は、ターボ過給機付きエンジンに関し、特にマニホールドを用いない動圧過給を行うものに関する。

前記ターボ過給機付きエンジンでは、複数の気筒からの排気を前記マニホールドで集約し、タービンホイールに噴射する静圧過給から、近年、各気筒からの排気を直接前記タービンホイールに噴射することで、該タービンホイールの駆動力を高めるようにした前記動圧過給が主流となっている。

たとえば、本件出願人による特許文献１では、相互に隣接し、点火時期が連続しない気筒の排気ポートを互いに接続することで２系統に分け、過給機に対して、相対的に近く排気系の容量が小さい方を該過給機のタービンホイールの外側に、相対的に遠く排気系の容量が大きい方を内側に接続することで、流速の速い排気がタービンホイールの外方に当り、低速域で高い過給性能を得るようにした過給機付きエンジンが提案されている。

特開２００８−３１９４２号公報

上述の従来技術では、１つの過給機へ全気筒の排気を集めているので、混合気を薄く（リーン）すると、排気温度が下がり、特に低回転域で前記タービンホイールが回り難く、すなわち充分な過給圧を得ることができないという問題がある。

本発明の目的は、低回転域で充分な過給圧を得ることができる過給機付きエンジンを提供することである。

本発明の過給機付きエンジンは、１つのシリンダーヘッドに４つの気筒および排気ポートが列状に配列されて成り、前記排気ポートからの燃焼排ガスをターボ過給機に導くようにし、排気行程途中から吸気行程途中にかけて排気弁および吸気弁が共に開いているオーバーラップ期間となるバルブタイミングを有するエンジンにおいて、前記４つの気筒は、それぞれ２つの気筒からなる２つのグループに分割されており、各グループは、それぞれ、列方向の一端あるいは他端に位置する端部気筒と、当該各端部気筒に隣接し、かつ、当該各端部気筒と点火順序が連続する気筒とからなり、前記ターボ過給機は、各グループにそれぞれ設けられており、前記各ターボ過給機におけるタービン側は、各気筒の排気ポートからの気筒配管にそれぞれ独立して接続されるタービンスクロールと、前記タービンスクロール内に配置され、各気筒配管から吐出される燃焼排ガスによって駆動されるタービンホイールとを有し、前記点火順序が早い方の気筒からの気筒配管が前記タービンホイールの外周側に、前記点火順序が遅い方の気筒からの気筒配管が前記タービンホイールの内周側に、それぞれ接続されていることで、前記点火順序が早い方の気筒配管を流れる排気流れのうち流速が最速となる位置である排気主流中心から前記タービンホイールの回転中心までの距離が、前記点火順序が遅い方の気筒からの気筒配管を流れる排気流れのうち流速が最速となる位置である排気主流中心から前記タービンホイールの回転中心までの距離よりも長くされたことを特徴とする。

上記の構成によれば、１（直列）のシリンダーヘッドに複数の気筒の排気ポートが直線上に配列されて成り、前記排気ポートからの燃焼排ガスをターボ過給機に導き、排気行程途中から吸気行程途中にかけて排気弁および吸気弁が共に開いているオーバーラップ期間となるバルブタイミングを有するようにしたエンジンにおいて、前記ターボ過給機を２つ設け、これに対応して各気筒の排気ポートの接続も、２つの過給機に対応するグループに分けて行う。そのグループ分けは、先ず同一位相に配置される端部気筒をそれぞれ異なるグループとし、さらにその端部気筒から点火順序が連続するものを同一のグループとする。

したがって、希薄（リーン）燃焼で排気温度が下がっても、小さいターボ過給機を２つ用いて、エンジンの低回転域で効率良くタービンを回転させる、すなわち充分な過給圧を得ることができる。また、点火順序が連続するものを同一のターボ過給機に接続しているので、後に点火する気筒からの排気による吸出し効果によって、先に点火して吸気行程にある気筒の掃気を促進することができるとともに、先に点火した気筒からの排気によってタービンの回転が立上がった段階で、後に点火する気筒からの排気が与えられ、タービンの回転速度をより高めることができる。

ここで、シリンダーヘッドが１つであり、かつそのシリンダーヘッドの気筒数が４である場合、前記点火順序は、♯１−♯３−♯４−♯２や♯１−♯２−♯４−♯３の順（以降、♯は、気筒番号を表すものとする）であり、前記点火順序が連続し、かつ相互に隣接している気筒は、♯３−♯４と♯１−♯２とになる。

したがって、前記点火順序が連続する２つの気筒同士を最短経路で結ぶことができ、前記ターボ過給機までの排気通路の容量を小さくすることができる。これによって、排気損失を低減し、過給効果を一層向上することができる。
また、上記の構成によれば、同一径の気筒配管（排気通路）でも、タービンホイールに近い側に接続する気筒配管はＡ／Ｒ（通路面積Ａに対する中心からの距離Ｒ）が大きく設定されているため、排気時の動圧が上がる。
したがって、この気筒を後から点火する気筒にすることで、タービンでの合成動圧が上昇し、すなわち先に点火した気筒で回転が立上がった後にこの後から点火する気筒で回転が一層上昇し、タービン駆動力を上昇することができる。

さらにまた、本発明の過給機付きエンジンでは、前記２つのターボ過給機は、前記各ターボ過給機の各タービンと各コンプレッサとが、前記気筒の配列方向と平行な方向に沿って配列され、かつ、この配列方向において各コンプレッサの間に各タービンが位置するとともに、前記各ターボ過給機のタービン軸が前記気筒の配列方向と略平行な同一の特定の軸線上で延びる姿勢で、前記シリンダーヘッドの側方に配置されており、前記各タービンは、接続される前記グループに含まれる２つの気筒の側方に配置されているとともに、前記特定の軸線と平行な方向において、前記接続されるグループに含まれる２つの気筒のうち前記端部気筒寄りの位置に配置され、前記各タービンからの排気通路は、２つのタービンの間の略中央で合流され前記特定の軸線とは略直交方向に引出されることを特徴とする。

上記の構成によれば、前記２つのターボ過給機を設けるにあたって、その配置は、前記シリンダーヘッドの側方で、それぞれのタービン軸が気筒列方向に延びる前記直線と略平行となる同一軸線上となるようにし、さらにタービンを内方に、コンプレッサを外方に、すなわちタービン同士が近接し、コンプレッサ同士は離反するとともに、前記タービンが前記端部気筒に近接するように配置する。すると、前記タービンからの排気通路は、２つのタービンの間の略中央で合流することになり、前記軸線とは略直交方向に引出される。

したがって、２つのターボ過給機を並列に配置するにあたって、両過給機の間に集合部を設ける場合、前記集合部が過給機に近すぎると排気詰まりを起こす可能性があり、また集合部から略９０°曲げて排気通路を引出すにあたっても、曲率が急になって通路断面を大きくする必要があるのに対して、上記のようにタービンが端部気筒付近となるように、すなわちエンジンが縦置きの場合で、フロント側はフロント方向に、リア側はリア方向にターボ過給機をオフセット配置することで、両過給機の間にある程度間隔をあけることができる。これによって、排気通路の通路容積を小さくしてターボ過給機に接続することが可能となり、排気損失を一層低減し、過給効果を上げることができる。

本発明の過給機付きエンジンは、以上のように、ターボ過給機を２つ設け、同一位相に配置される端部気筒をそれぞれ異なるグループとし、さらにその端部気筒から点火順序が連続するものを同一のグループとして、それぞれのグループの気筒の排気ポートをターボ過給機に接続する。

それゆえ、希薄（リーン）燃焼で排気温度が下がっても、小さいターボ過給機を２つ用いて、エンジンの低回転域で効率良くタービンを回転させる、すなわち充分な過給圧を得ることができる。また、点火順序が連続するものを同一のターボ過給機に接続しているので、後に点火する気筒からの排気による吸出し効果によって、先に点火して吸気行程にある気筒の掃気を促進することができるとともに、先に点火した気筒からの排気によってタービンの回転が立上がった段階で、後に点火する気筒からの排気が与えられ、タービンの回転速度をより高めることができる。

本発明の実施の一形態に係る過給機付きエンジンの要部の断面図である。 ターボ過給機におけるタービン内での燃焼排ガスの流れを説明するための模式的な断面図である。 図２のようにタービンスクロールに気筒を接続した場合のタービン内での圧力変化の違いを説明するためのグラフである。 直列４気筒４サイクルのエンジンの点火順序を説明するための図である。 直列４気筒４サイクルのエンジンの他の点火順序を説明するための図である。 図４の点火順序での各気筒の行程を説明するための図である。

図１は、本発明の実施の一形態に係る過給機付きエンジン１の要部の断面図である。この図１では、エンジン１は、シリンダーヘッド２に４つの気筒Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４（総称するときは、以下参照符号Ｃで示す）の排気ポートＥ１１，Ｅ１２；Ｅ２１，Ｅ２２；Ｅ３１，Ｅ３２；Ｅ４１，Ｅ４２（総称するときは、以下参照符号Ｅで示す）が直線上に配列されて成る直列４気筒４バルブのエンジンを例示しているが、偶数のさらに多気筒であってもよく、或いはそれぞれのバンクに偶数の気筒を備えるＶ型等であってもよく、また気筒当り２，３，５バルブなどであってもよい。

注目すべきは、このエンジン１では、ターボ過給機を設けるにあたって、前記４つの気筒を、先ず同一位相に配置される端部気筒Ｃ１，Ｃ４をそれぞれ異なるグループに分割し、さらにその端部気筒Ｃ１，Ｃ４に点火順序が連続する気筒Ｃ２，Ｃ３でグループを構成し、それぞれのグループに対応した小型のターボ過給機ＣＨ１，ＣＨ２を用いるツインターボ構成としたことである。なお、この４気筒のエンジン１は、４サイクルで、前記点火順序を、図４で示す♯１−♯３−♯４−♯２または図５で示す♯１−♯２−♯４−♯３の順とする。すなわち、前記のように端部気筒Ｃ１，Ｃ４が互いに異なるグループに含まれ、♯１−♯３−♯４−♯２の場合で、それらの気筒Ｃ１，Ｃ４よりもそれぞれ点火順序が１つ前の気筒Ｃ２，Ｃ３とグループを構成している。

そして、グループの気筒Ｃ１，Ｃ２およびＣ４，Ｃ３の排気ポートＥ１１，Ｅ１２；Ｅ２１，Ｅ２２およびＥ４１，Ｅ４２；Ｅ３１，Ｅ３２は、気筒配管Ｌ１，Ｌ２およびＬ４，Ｌ３から、前記ターボ過給機ＣＨ１，ＣＨ２のタービンＴ１，Ｔ２へ導かれ、その燃焼排ガスで駆動されるコンプレッサＣＰ１，ＣＰ２によって、吸気通路ＩＮ１，ＩＮ２から取込まれた吸入空気が圧縮されて前記各気筒Ｃ１，Ｃ２；Ｃ３，Ｃ４の図示しない吸気バルブへ供給される。なお、コンプレッサＣＰ１，ＣＰ２から吸気バルブの間に、インタークーラーなどが適宜設けられてもよい。

このように構成することで、希薄（リーン）燃焼で排気温度が下がっても、小さいターボ過給機ＣＨ１，ＣＨ２を２つ用いて、エンジン１の低回転域で効率良くタービンを回転させる、すなわち充分な過給圧を得ることができる。また、点火順序が連続する気筒Ｃ１，Ｃ２；Ｃ３，Ｃ４を同一のターボ過給機ＣＨ１，ＣＨ２にそれぞれ接続しているので、後に点火する気筒Ｃ１，Ｃ４からの排気による吸出し効果によって、先に点火して吸気行程にある気筒Ｃ２，Ｃ３の掃気を促進することができるとともに、先に点火した気筒Ｃ２，Ｃ３からの排気によってタービンＴ１，Ｔ２の回転が立上がった段階で、後に点火する気筒Ｃ１，Ｃ４からの排気が与えられ、タービンＴ１，Ｔ２の回転速度をより高めることができる。

また、上述の例において、直列４気筒で、点火順序が、♯１−♯３−♯４−♯２または♯１−♯２−♯４−♯３の場合、♯１−♯３および♯４−♯２も点火順序が連続しているけれども、注目すべきは、相互に隣接している気筒♯３−♯４および♯１−♯２でそれぞれグループを構成していることである。これによって、前記点火順序が連続する２つの気筒♯３−♯４および♯１−♯２同士を最短経路で結ぶことができ、ターボ過給機ＣＨ１，ＣＨ２までの気筒配管Ｌ３，Ｌ４およびＬ１，Ｌ２の容量を小さくすることができ、排気損失を低減し、過給効果を一層向上することができる。

そして、エンジン１は、排気行程途中から吸気行程途中にかけて、排気弁および吸気弁が共に開いているオーバーラップ期間を有しており、点火順序が、前記図４で示す♯１−♯３−♯４−♯２の場合の各気筒での行程は、図６で示すようになっている。そこで、上述のように気筒毎に独立している前記気筒配管Ｌ１〜Ｌ４に排気、特にブローダウンガス（排気弁の開弁直後の勢いの強い排気ガス）が流れると、それらの気筒配管Ｌ１，Ｌ２；Ｌ３，Ｌ４が集合しているタービンＴ１，Ｔ２では、排気が流れる気筒配管と他の気筒配管とが連通しているので、前述のように後に点火する気筒Ｃ１，Ｃ４からの排気による吸出し効果によって、先に点火して吸気行程にある気筒Ｃ２，Ｃ３の掃気を促進することができる。この効果をより多く得るためには、後に点火する気筒Ｃ１，Ｃ４のブローダウン時（排気弁の開弁直後）に、先に点火して吸気行程にある気筒Ｃ２，Ｃ３の排気弁と吸気弁とが共に開いているオーバーラップ期間が重なるようにして、前記吸気行程にある気筒Ｃ２，Ｃ３内の残留ガスを掃気することが好ましい。ただし、その関係にある気筒Ｃ３，Ｃ４：Ｃ２，Ｃ１同士の排気通路は、集合部（本実施の形態では、前記タービンＴ１，Ｔ２が該当）より上流側では互いに独立している必要がある。つまり１番気筒♯１（排気行程）と２番気筒♯２（吸気行程）、３番気筒♯３（排気行程）と１番気筒♯１（吸気行程）、４番気筒♯４（排気行程）と３番気筒♯３（吸気行程）および２番気筒♯２（排気行程）と４番気筒♯４（吸気行程）が、それぞれ掃気効果をより多く得られる関係となる。換言すると、点火順序が連続している気筒同士を独立して集合部まで接続することで、前記効果を得ることができる。

したがって、本実施の形態のエンジン１では、１番気筒♯１と２番気筒♯２、および３番気筒♯３（排気行程）と４番気筒♯４の排気がそれぞれタービンＴ１，Ｔ２で集合してターボ過給機ＣＨ１，ＣＨ２に供給されるので、４番気筒♯４（排気行程）と３番気筒♯３（吸気行程）および１番気筒♯１（排気行程）と２番気筒♯２（吸気行程）がこの関係となり、掃気をより一層促進することができる。

さらにまた、注目すべきは、前記２つのターボ過給機ＣＨ１，ＣＨ２を設けるにあたって、その配置を、前記シリンダーヘッド２の側方で、それぞれのタービン軸α１，α２が気筒列方向に延びる直線α０と略平行となる同一軸線上となるようにし、さらにタービンＴ１，Ｔ２を内方に、コンプレッサＣＰ１，ＣＰ２を外方に、すなわちタービンＴ１，Ｔ２同士を近接させ、コンプレッサＣＰ１，ＣＰ２同士は離反させるとともに、前記タービンＴ１，Ｔ２が前記端部気筒Ｃ１，Ｃ４にそれぞれ近接するように配置することである。これによって、前記タービンＴ１，Ｔ２からの排気通路Ｅ１，Ｅ２は、２つのタービンＴ１，Ｔ２の間の略中央で合流することになり、合流した排気通路Ｅ０は、前記軸線α１，α２とは略直交方向に引出される。

このように構成することで、２つのターボ過給機ＣＨ１，ＣＨ２を並列に配置するにあたって、両過給機ＣＨ１，ＣＨ２の間に集合部を設ける場合、前記集合部が過給機に近すぎると排気詰まりを起こす可能性があり、また集合部から略９０°曲げて排気通路Ｅ０を引出すにあたっても、曲率が急になって通路断面を大きくする必要があるのに対して、上記のようにタービンＴ１，Ｔ２が端部気筒Ｃ１，Ｃ２付近となるように、すなわちエンジン１が縦置きの場合で、フロント側のターボ過給機、たとえばＣＨ１はフロント方向に、リア側のターボ過給機、すなわちＣＨ２はリア方向にオフセット配置することで、両過給機ＣＨ１，ＣＨ２の間にある程度間隔をあけることができる。これによって、排気通路Ｅ１，Ｅ２の通路容積を小さくしてターボ過給機ＣＨ１，ＣＨ２に接続することが可能となり、排気損失を一層低減し、過給効果を上げることができる。

一方、図２は、前記ターボ過給機ＣＨ１，ＣＨ２におけるタービンＴ１，Ｔ２内での燃焼排ガスの流れを説明するための模式的な断面図である。このターボ過給機ＣＨ１，ＣＨ２のタービンＴ１，Ｔ２側は、２つのタービンスクロールＶ１，Ｖ２と、前記タービンスクロールＶ１，Ｖ２内に配置される図示しないタービンホイールとを備えて構成される。この図２では、前記タービンホイールは、ブレードＢのみを示している。前記タービンスクロールＶ１は、その排気主流中心から前記タービンホイールの回転中心までの距離が短く、すなわち内周側に設けられ、もう１つのタービンスクロールＶ２は、その排気主流中心から前記タービンホイールの回転中心までの距離が長く、すなわち外周側に設けられている。

そして、図２の例では、内周側のタービンスクロールＶ１には点火順序が遅い方の気筒Ｃ１，Ｃ４からの気筒配管Ｌ１，Ｌ４が接続され、外周側のタービンスクロールＶ２には点火順序が早い方の気筒Ｃ２，Ｃ３からの気筒配管Ｌ２，Ｌ３が接続される。

図３は、図２に対応したグラフである。横軸はタイミング（クランク角）であり、縦軸は排気圧力である。この図３は、気筒Ｃ２，Ｃ１間の関係、すなわちターボ過給機ＣＨ１での圧力変化を示し、各気筒Ｃ１，Ｃ２の内、実線は気筒Ｃ１を内周側のタービンスクロールＶ１に接続した場合の圧力変化を示し、破線は気筒Ｃ２を内周側のタービンスクロールＶ１に接続した場合の圧力変化を示す。このように、同一径の気筒配管（排気通路）Ｌ１〜Ｌ４を用いても、タービンホイールに近い側のタービンスクロールＶ１に接続される気筒配管はＡ／Ｒが大きくなるとともに、タービン入口までの該タービンスクロールＶ１の容積が小さく、かつ管内摩擦も小さくなり、該タービンスクロールＶ１側の動圧は外周側のタービンスクロールＶ２よりも大きくなることが理解される。

そして、点火順序が連続する場合に、図２で示すように、動圧の高くなる気筒Ｃ１，Ｃ４を後から点火する気筒にすることで、タービンＴ１，Ｔ２での合成動圧が上昇し、すなわち先に点火した気筒Ｃ２，Ｃ３で回転が立上がった後にこの後から点火する気筒Ｃ１，Ｃ４で回転が一層上昇し、タービン駆動力を上昇することができる。また、遅れて点火する気筒Ｃ１，Ｃ４からの気筒配管Ｌ１，Ｌ４のＡ／Ｒが相対的に大きいことで、先に点火した気筒Ｃ２，Ｃ３からの排気の圧力脈動に打ち勝つエネルギーを得ることができ、タービン駆動力を安定させることができる。

１ エンジン
２ シリンダーヘッド
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４ 気筒
ＣＨ１，ＣＨ２ ターボ過給機
ＣＰ１，ＣＰ２ コンプレッサ
Ｅ０，Ｅ１，Ｅ２ 排気通路
Ｅ１１，Ｅ１２；Ｅ２１，Ｅ２２；Ｅ３１，Ｅ３２；Ｅ４１，Ｅ４２ 排気ポート
ＩＮ１，ＩＮ２ 吸気通路
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４ 気筒配管
Ｔ１，Ｔ２ タービン
Ｖ１，Ｖ２ タービンスクロール

Claims (2)

1. １つのシリンダーヘッドに４つの気筒および排気ポートが列状に配列されて成り、前記排気ポートからの燃焼排ガスをターボ過給機に導くようにし、
   排気行程途中から吸気行程途中にかけて排気弁および吸気弁が共に開いているオーバーラップ期間となるバルブタイミングを有するエンジンにおいて、
   前記４つの気筒は、それぞれ２つの気筒からなる２つのグループに分割されており、各グループは、それぞれ、列方向の一端あるいは他端に位置する端部気筒と、当該各端部気筒に隣接し、かつ、当該各端部気筒と点火順序が連続する気筒とからなり、
   前記ターボ過給機は、各グループにそれぞれ設けられており、
   前記各ターボ過給機におけるタービン側は、各気筒の排気ポートからの気筒配管にそれぞれ独立して接続されるタービンスクロールと、前記タービンスクロール内に配置され、各気筒配管から吐出される燃焼排ガスによって駆動されるタービンホイールとを有し、
   前記点火順序が早い方の気筒からの気筒配管が前記タービンホイールの外周側に、前記点火順序が遅い方の気筒からの気筒配管が前記タービンホイールの内周側に、それぞれ接続されていることで、前記点火順序が早い方の気筒配管を流れる排気流れのうち流速が最速となる位置である排気主流中心から前記タービンホイールの回転中心までの距離が、前記点火順序が遅い方の気筒からの気筒配管を流れる排気流れのうち流速が最速となる位置である排気主流中心から前記タービンホイールの回転中心までの距離よりも長くされたことを特徴とする過給機付きエンジン。
2. 前記２つのターボ過給機は、前記各ターボ過給機の各タービンと各コンプレッサとが、前記気筒の配列方向と平行な方向に沿って配列され、かつ、この配列方向において各コンプレッサの間に各タービンが位置するとともに、前記各ターボ過給機のタービン軸が前記気筒の配列方向と略平行な同一の特定の軸線上で延びる姿勢で、前記シリンダーヘッドの側方に配置されており、
   前記各タービンは、接続される前記グループに含まれる２つの気筒の側方に配置されているとともに、前記特定の軸線と平行な方向において、前記接続されるグループに含まれる２つの気筒のうち前記端部気筒寄りの位置に配置され、
   前記各タービンからの排気通路は、２つのタービンの間の略中央で合流され前記特定の軸線とは略直交方向に引出されることを特徴とする請求項１に記載の過給機付きエンジン。

Images