JP6156437B2

JP6156437B2 - ターボ過給機付エンジンの排気装置

Info

Publication number: JP6156437B2
Application number: JP2015083336A
Authority: JP
Inventors: 直之山形; 孝之桑原
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2015-04-15
Filing date: 2015-04-15
Publication date: 2017-07-05
Anticipated expiration: 2035-04-15
Also published as: JP2016205140A

Description

本発明は、複数の気筒を有するエンジン本体と、当該エンジン本体から排出された排気により駆動されるタービンを含む過給機とを備えたターボ過給機付エンジンの排気装置に関する。

従来、エンジン本体の吸気効率を高めるために、エンジンシステムに排気により駆動されるタービンを含む過給機を設けることが行われている。

ここで、従来知られているタービンとしては、シングルスクロールタービンや、ツインスクロールタービンがある。例えば、特許文献１には、ツインスクロールタービンが適用されたエンジンシステムが開示されている。

シングルスクロールタービンは、吸入口が１つの通路で構成されたものである。従って、シングルスクロールタービンが例えば複数の気筒を有するエンジンに適用された場合には、各気筒から排出された排気が全てこの吸入口を通ってタービン本体に流入することになる。そのため、このシングルスクロールタービンでは、例え各気筒の排気通路が個別にタービンに接続されていても、吸入口において所定の排気通路から流入した排気が他の排気通路に回り込んでしまい排気干渉が大きくなるという問題がある。

これに対して、ツインスクロールタービンは、タービン本体を収納するタービンハウジングの内側がタービン本体の回転軸方向に２分割されて、回転軸方向一方側と他方側とからタービン本体にそれぞれ排気が流入するよう構成されたものである。このツインスクロールタービンでは、タービン本体に流入する直前まで通路が区画されるため、シングルスクロールタービンに比べて排気干渉を抑制することができるというメリットがある。

特開２０１２−２４１５４５号公報

しかしながら、ツインスクロールタービンでは、タービン本体に対してその回転軸方向一方側あるいは他方側というように片側にのみ排気が衝突することから、シングルスクロールタービンよりもタービン効率が悪い。そして、これに伴い、過給力を確保するために排気が衝突する面積を大きくするべくタービンを大型化（大重量化）する必要があることから、タービンのイナーシャ増大により、過給レスポンス（加速時の過給圧上昇の応答性）が低下するという問題がある。また、ツインスクロールタービンでは、上記のようにシングルスクロールタービンよりは排気干渉を抑制できるものの、その抑制効果が十分ではないという問題がある。具体的には、ツインスクロールタービンでは、排気が通る通路がタービン本体の直前まで区画されていることに伴って、一方の通路からタービン本体に向かって噴出した排気の一部がタービン本体に跳ね返されて他方の通路に回り込む場合がある。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、タービン効率を高くしつつ排気干渉をより確実に抑制することのできるターボ過給機付エンジンの排気装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、複数の気筒を有するエンジン本体と、当該エンジン本体から排出された排気により駆動されるタービンを含む過給機とを備えたターボ過給機付エンジンの排気装置において、複数の気筒の排気ポートにそれぞれ接続される複数の独立排気通路を備え、上記タービンは、外周に複数の羽根が設けられたタービン本体と、当該タービン本体を内側に収容するタービンハウジングとを備え、上記タービンハウジングは、上記タービン本体の外周縁と対向して当該タービン本体に排気を導入するタービンノズル部と、当該タービンハウジングの上流端と上記タービンノズル部から上流側に離間した位置との間で上下流方向に延びて上記各独立排気通路とそれぞれ個別に連通する吸入通路と、当該吸入通路の下流端から上記タービンノズル部までの部分に設けられ、上記各吸入通路と連通する共通の空間を内側に形成するタービンスクロール部とを有し、上記各吸入通路は、上記排気ポートが開口する期間の一部が重複する少なくとも２つの気筒の各々の排気ポートに対して個別に接続された状態で、上記タービン本体の周方向及び軸方向の何れか一方においてのみ並設されており、上記各吸入通路は、その下流端の流路面積が、当該吸入通路の流路面積のうち最も小さくなるような形状を呈し、且つ、その下流端の開口形状が、略同一であり、上記各吸入通路の下流端の流路面積は、互いに同一の面積であって、上記タービンノズル部の流路面積の０．２倍以上かつ０．４倍以下の面積に設定されていることを特徴とする（請求項１）。

本発明によれば、排気干渉をより確実に抑制しつつタービン効率を高めることができる。

具体的には、本発明では、タービンハウジングの上流端とタービンノズル部から上流側に離間した位置との間に、各独立排気通路に個別に連通する吸入通路が設けられて、タービンハウジングの上流側部分が２つの吸入通路に区画されつつ、下流側部分（タービンスクロール部）においてこれら吸入通路が共通の空間に連通するように構成されている。従って、排気がタービン本体で反射して他の独立排気通路に回り込むのを抑制することができるとともに、タービンスクロール部において排気を拡散させてタービン本体の回転軸方向全体にわたって衝突させることができ、タービン効率を高めることができる。ここで、上記のように各吸入通路とタービンノズル部との間に各吸入通路と連通する共通の空間を設けた場合には、一方の吸入通路からこの空間に流入した排気が他方の吸入通路に回り込むおそれがあるが、本発明では、各吸入通路の流路面積が下流端において最も小さくされるとともに、この下流端の流路面積がタービンノズル部の流路面積の０．２倍以上かつ０．４倍以下の小さい面積に設定されている。そのため、これら下流端から排気を高速で下流側に噴出させることができ、一方の吸入通路から上記空間に排出された排気が逆流して他方の吸入通路に回り込むのを抑制することができる。従って、排気干渉をより確実に抑制することができる。
本発明において、上記各吸入通路は、上記タービン本体の周方向においてのみ並設されているとともに、当該各吸入通路の中心軸線が上記タービン本体の外周縁と接する方向に延びていることが好ましい（請求項２）。

本発明において、上記各吸入通路は、下流側ほど流路面積が小さくなる形状を有するのが好ましい（請求項３）。

この構成によれば、排気を各吸入通路内において円滑に流下させることができ、流通抵抗を抑制しながら排気を各吸入通路の下流端からより確実に高速で流下させることができる。

また、上記構成において、上記エンジン本体は、ロータを内側に収容する気筒を少なくとも２つ備えるロータリエンジンであるのが好ましい（請求項４）。

ロータリエンジンは、レシプロエンジンに比べて排気干渉が大きい。そのため、本発明をロータリエンジンに適用すれば、より効果的に排気干渉を抑制することができる。

以上説明したように、本発明のターボ過給機エンジンの排気装置によれば、排気干渉を抑制しつつタービン効率を高めることができる。

ターボ過給機付きロータリエンジンの排気装置の構成を示した図である。ロータリエンジンの構成を示す概略断面図である。図１に示す装置のタービン周辺を示した概略断面図である。図３と同じく図１に示す装置のタービン周辺を示した概略断面図である。図３に対応する部分を図３の断面と直交する面で切断した状態を示した概略断面図である。図３に対応する従来のシングルスクロールタービンの概略断面図である。図３に対応する従来のツインスクロールタービンの概略断面図である。ロータリエンジンの排気ポートの圧力変化を示した図である。シングルスクロールタービンとツインスクロールタービンとにおける排気干渉の違いを説明するための図である。他の実施形態に係るロータリエンジンの排気装置のタービン周辺を示した概略断面図である。他の実施形態に係るロータリエンジンの排気装置を示した図である。

以下、図面を参照しながら本発明の一実施形態にかかるターボ過給機付きエンジンの排気装置について説明する。以下では、エンジン本体がロータリエンジンの場合について説明する。

（１）全体構成
図１は、ターボ過給機付きエンジンの排気装置が適用されたエンジンシステムの概略構成図である。図２は、ロータリエンジン１の概略断面図である。

当実施形態に係るロータリエンジン１は、内側に２つのロータ収容室（気筒）３１が形成され、これらロータ収容室３１にそれぞれ回転軸Ｘ回りに回転するロータ２が１つずつ収容された２ロータタイプである。以下、ロータ２の配列方向を前後方向といい、図１の左側を前側、図１の右側を後側という。

ロータリエンジン１は、ロータ収容室３１を区画する、２つのロータハウジング３、３と、インターミディエイトハウジング４と、サイドハウジング４１，４１とを有する。ロータハウジング３，３は、ロータ２の外周をそれぞれ囲む部材である。インターミディエイトハウジング４は、ロータ２の間に位置してロータ２を前後に隔てる隔壁である。サイドハウジング４１，４１は、ロータ収容室３１を前後外側から塞ぐ部材である。

ロータハウジング３，３の内周面は、平行トロコイド曲線に沿って延びている。以下、この内周面を、トロコイド内周面３ａという。これに伴い、ロータ収容室３１は、ロータ２の回転軸Ｘの一方側から回転軸Ｘに沿う方向にロータリエンジン１を見たときに、繭のような略楕円形状となっている。

なお、各ロータ収容室３１は、インターミディエイトハウジング４に対して対称に配置されており、ロータ２の位置及び位相が異なっている点を除けば構成は同じである。

ロータ２は、回転軸Ｘの方向から見て各辺の中央部が膨出する略三角形状を有し、前後方向に所定の厚みを有するブロック体である。ロータ２は、各頂部間に３つのフランク面２ａ，２ａ，２ａを備えている。これらフランク面２ａは、ロータ２の外周側からみて略長方形を有している。

ロータ２は、各頂部に図示しないアペックスシールを有する。これらアペックスシールは、ロータハウジング３のトロコイド内周面３ａに摺接しており、トロコイド内周面３ａと、インターミディエイトハウジング４の内側面４ａと、サイドハウジング４１の内側面と、ロータ２のフランク面２ａとによって、ロータ収容室３１の内部には、３つの作動室８，８，８がそれぞれ区画形成されている。

ロータリエンジン１は、出力軸Ｘを構成するエキセントリックシャフト６を有している。エキセントリックシャフト６は、インターミディエイトハウジング４及びサイドハウジング４１を貫通して前後に延びている。

ロータ２は、エキセントリックシャフト６に対して遊星回転運動するように支持されている。ロータ２は、３つのシール部がそれぞれトロコイド内周面３ａに摺接しつつ、エキセントリックシャフト６の偏心輪（偏心軸）６ａの周りを自転しながら、回転軸Ｘの周りに自転と同方向に公転する（この自転及び公転を含め、広い意味で単にロータの回転という）。エキセントリックシャフト６が３回転する間にロータ２は１回する。ロータ２の回転に伴い３つの作動室８，８，８は周方向に移動し、各作動室８，８，８にて吸気、圧縮、膨張（燃焼）及び排気の各行程が行われて、これにより発生する回転力がロータ２を介してエキセントリックシャフト６から出力される。

当実施形態では、ロータ２は、図２において、矢印で示すように時計回りに回転し、回転軸Ｘを通るロータ収容室３１の長軸Ｙを境に分けられるロータ収容室３１の右側が概ね吸気及び排気行程の領域となり、左側が概ね圧縮及び膨張行程の領域となるように構成されている。

なお、従来構成のロータリエンジンは、長軸Ｙを境に分けられるロータ収容室３１の左側が概ね吸気及び排気行程の領域となり、右側が概ね圧縮及び膨張行程の領域となっている。つまり、本構成のロータリエンジンは、従来構成のロータリエンジンを、回転軸Ｘを中心として１８０°回転させたような状態で車両に搭載されている。

作動室８の位置と各行程について具体的に説明する。図２における右下の作動室８では、導入された吸気と噴射された燃料とによって混合気が形成される吸気行程が実施される。この作動室８がロータ２の回転に伴って左側に移行すると、混合気は圧縮され圧縮行程が実施される。その後、作動室８が図２の左側に示す位置にある状態において（圧縮行程の終盤から膨張行程にかけて所定のタイミングにて）、点火プラグ８２，８３により点火が行われ、これにより燃焼・膨張行程が実施される。そして、最後に作動室８が図２の右上の位置にある状態で、燃焼ガスが排気ポート１０から排気されて排気行程が実施される。その後は、再び吸気行程に戻って各行程が繰り返される。

ロータ収容室３１には、吸気行程にある作動室８と連通して、作動室８に吸気（空気）を導入するための吸気ポート１１が連通している。なお、詳細な図示は省略するが、当実施形態では、インターミディエイトハウジング４と、サイドハウジング４１とにそれぞれ吸気ポート１１が形成されている。また、１つのロータ収容室３１に２つの吸気ポート１１が連通されており、前側のロータ収容室３１に対応する吸気ポート１１は、前側のサイドハウジング４１とインターミディエイトハウジング４とに形成されている。そして、後側のロータ収容室３１に対応する吸気ポート１１は、後側のサイドハウジング４１とインターミディエイトハウジング４とに形成されており、インターミディエイトハウジング４には、２つの吸気ポート１１が形成されている。

インターミディエイトハウジング４に形成された吸気ポート１１は、インターミディエイトハウジング４の内側面４ａのうち吸気行程が実施される位置（図２の右下の位置）に開口している。当実施形態では、吸気ポート１１は、インターミディエイトハウジング４の内側面４ａのうち、ロータ収容室３１の外周側の部分であって、回転軸Ｘを通るロータ収容室３１の短軸Ｚ寄りの部分に開口している。吸気ポート１１は、この開口部分から、インターミディエイトハウジング４内を、前後方向（ほぼ水平方向）に延びて、ロータリエンジン１の側面に開口している。

サイドハウジング４１に形成された吸気ポート１１は、図示は省略するが、インターミディエイトハウジング４に形成された吸気ポート１１に対向する位置に形成されており、ロータ収容室３１の開口部分から、サイドハウジング４１内を、ほぼ水平方向に延びて、エンジン１の側面に開口している。

ロータリエンジン１の側面には、各吸気ポート１１に連通して吸気通路１２の一部を構成する吸気マニホールド１２ａが取り付けられている。

ロータ収容室３１には、排気行程にある作動室８と連通して、作動室８から燃焼ガスを排出するための排気ポート１０が連通している。当実施形態では、インターミディエイトハウジング４と、サイドハウジング４１とにそれぞれ排気ポート１０が形成されている。なお、吸気ポート１１と同様に、１つのロータ収容室３１に２つの排気ポート１０が連通されており、前側のロータ収容室３１に対応する排気ポート１０は、前側のサイドハウジング４１とインターミディエイトハウジング４とに形成されている。そして、後側のロータ収容室３１に対応する排気ポート１０は、後側のサイドハウジング４１とインターミディエイトハウジング４とに形成されており、インターミディエイトハウジング４には、２つの排気ポート１０が形成されている。

インターミディエイトハウジング４に形成された排気ポート１０は、インターミディエイトハウジング４の内側面４ａのうち排気行程が実施される位置（図２の右上の位置）に開口している。当実施形態では、排気ポート１０は、インターミディエイトハウジング４の内側面４ａのうち、ロータ収容室３１の外周側の部分であって、回転軸Ｘを通るロータ収容室３１の短軸Ｚ寄りの部分に開口している。排気ポート１０は、この開口部分から、インターミディエイトハウジング４内を、斜め上方に向かって延びて、ロータリエンジン１の上面と側面との角部付近に開口している。

図１に示すように、サイドハウジング４１に形成された排気ポート１０は、インターミディエイトハウジング４に形成された排気ポート１０に対向する位置に形成されている。このサイドハウジング４１に形成された排気ポート１０も、サイドハウジング４１内を斜め上方に向かって延びて、エンジン１の上面と側面との角部付近に開口している。

サイドハウジング４１に形成された排気ポート１０の開口部分と、インターミディエイトハウジング４に形成された排気ポート１０の開口部分とは、互いに同じ位置に同じ形状で形成されており、両排気ポート１０が開くタイミングおよび閉じるタイミングは互いに同じとなっている。また、当実施形態では、いわゆるサイド排気方式が採用されており、排気ポート１０の開口位置及び開口形状は、吸気のオープンタイミング（吸気ポート１１が開口するタイミング）と排気のオープンタイミング（排気ポート１０が開口するタイミング）とがオーバーラップしないように設定されている。これは、次行程に持ち込まれる残留排ガスを低減するためである。

以下では、サイドハウジング４１に形成された排気ポート１０を、プライマリポート１０ａと呼び、インターミディエイトハウジング４に形成された排気ポートを、セカンダリポート１０ｂと呼び、それらの排気ポートを総称するときには、単に排気ポート１０と呼ぶ場合がある。

各排気ポート１０は、エンジン１の側面に接続された排気通路１３０に接続されている。

具体的には、前側のロータ収容室３１ａ（以下、第１ロータ収容室３１ａという場合がある）のプライマリポート１０ａとセカンダリポート１０ｂとは、共通の第１独立排気通路１３１に連通している。詳細には、第１ロータ収容室３１ａのプライマリポート１０ａは前側のサイドハウジング４１に連結された排気通路１３１ａに接続され、第１ロータ収容室３１ａのセカンダリポート１０ｂはインターミディエイトハウジング４に連結された排気通路１３１ｂに接続されている。そして、これら排気通路１３１ａ，１３１ｂがともに第１独立排気通路１３１に接続されており、第１ロータ収容室３１ａから排出された排気はすべて第１独立排気通路１３１に流入するようになっている。

同様に、後側のロータ収容室３１ｂ（以下、第２ロータ収容室３１ｂという場合がある）のプライマリポート１０ａとセカンダリポート１０ｂとは、共通の第２独立排気通路１３２と連通している。詳細には、第２ロータ収容室３１ｂのプライマリポート１０ａは後側のサイドハウジング４１に連結された排気通路１３２ａに接続され、第２ロータ収容室３１ｂのセカンダリポート１０ｂはインターミディエイトハウジング４に連結された排気通路１３２ｂに接続されている。そして、これら排気通路１３２ａ，１３２ｂがともに第２独立排気通路１３２に接続されており、第２ロータ収容室３１ｂから排出された排気はすべて第２独立排気通路１３２に流入するようになっている。

第１独立排気通路１３１および第２独立排気通路１３２の下流側にはタービン５０が設けられている。すなわち、当実施形態に係るエンジンシステムは、過給機（ターボ過給機）５ａを備えており、排気通路１３０に設けられたタービン５０と、吸気通路１２に設けられてシャフト５２を介してタービン５０と連結されたコンプレッサ６０とを有する。そして、排気によりタービン５０が駆動されることでコンプレッサ６０が吸気を過給し、これにより吸気効率が高められるようになっている。第１独立排気通路１３１と第２独立排気通路１３２とは、個別にタービン５０に接続されている。タービン５０の詳細については後述する。

当実施形態に係るエンジンシステムは、排気の一部を吸気に還流するＥＧＲ装置９を備えている。ＥＧＲ装置９は、排気通路１３０と吸気通路１２とを連通するＥＧＲ通路９１と、ＥＧＲ通路９１を流通する排気を冷却するＥＧＲクーラ９２と、ＥＧＲ通路９１を開閉するＥＧＲバルブ９３とを備えている。後述するように、当実施形態では、ＥＧＲ通路９１は、タービン５０のタービンハウジング１５０に接続されている。

作動室８内に燃料を供給するためのインジェクタ８１は、インターミディエイトハウジング４に取り付けられており、このインターミディエイトハウジング４に設けた吸気ポート１１内に燃料を噴射する。

ロータハウジング３の側部における、短軸Ｚを挟んだロータ回転方向のトレーリング側（遅れ側）位置と、リーディング側（進み側）位置とにはそれぞれ、Ｔ側点火プラグ８２とＬ側点火プラグ８３とが取り付けられている。これら２つの点火プラグ８２，８３は、ロータ収容室３１（作動室８）のうち圧縮・膨張行程が実施される部分に臨んでおり、作動室８内の混合気に、同時に点火、又は位相差を持って順に点火をする。

なお、図２の符号２１は、ロータ２の側面に設けられたオイルシールであり、余分な潤滑オイルが作動室８内に流入することを防止するためのものである。また、図２の符号１０３は、排気通路１３内に二次エアを供給するための二次エア通路である。

（２）タービン
タービン５０の構成について、図３〜図５を用いて説明する。図３および図４は、タービン５０の周辺部分をシャフト５２の軸方向と直交する面で切断したときの概略図である。図５は、タービン５０の周辺部分を、シャフト５２の軸方向に沿う面で切断したときの概略図である。

タービン５０は、いわゆるラジアルタービンであり、外周に複数の羽根５１ａを有しこれら羽根５１ａに排気が衝突することで回転するタービン本体（いわゆるタービンインペラ）５１と、タービン本体５１を内側に収容するタービンハウジング１５０とを有している。以下、適宜、タービン本体５１の周方向を単に周方向といい、タービン本体５１の径方向を単に径方向といい、タービン本体５１の回転軸方向（シャフト５２の軸方向）を単に軸方向という場合がある。

タービンハウジング１５０は、排気を内側に導入するための吸入部１５１と、吸入部１５１の下流端１５１ａからタービン本体５１の外周に沿って延びてタービン本体５１を囲むタービンスクロール部１５５と、タービン本体５１で膨張した後の排気を外側（排気通路１３０のうちタービン５０よりも下流側の部分）に導出するための導出部１５９とを有する。

タービンスクロール部１５５は、図３に示すように、タービン本体５１の外周全体にわたっており、その下流端には、吸入部１５１とタービンスクロール部１５５の下流側部分とを仕切る舌部１５５ａが設けられている。タービンスクロール部１５５の流路面積は舌部１５５ａ（下流端）に向かって下流側ほど小さくなっており、タービンスクロール部１５５は渦巻状を有している。

図５に示すように、タービンスクロール部１５５は、その径方向中央部分が軸方向外側に膨出する形状を有しており、タービンスクロール部１５５の周方向に沿う断面積は、径方向中央において最も大きくなり径方向内側に向かって徐々に小さくなっている。これに伴い、タービンスクロール部１５５の径方向内側端、すなわち、タービン本体５１の外周縁と対向する部分には、タービン本体５１に排気を高速で流入させるために流路面積が絞られたタービンノズル部１５６が形成されている。タービンノズル部１５６は、タービン本体５１の全周と対向して形成されている。

図３に示すように、タービンスクロール部１５５のうち径方向外側に位置する部分には、ＥＧＲ通路９１と連通するＥＧＲ用開口部１５５ｂが開口しており、タービンスクロール部１５５のうち径方向外側部分を通過する排気の一部がＥＧＲ通路９１に流入するようになっている。当実施形態では、タービンスクロール部１５５の径方向外側端において軸方向に延びる壁に、当該壁を径方向に貫通する貫通孔であるＥＧＲ用開口部１５５ｂが形成されて、このＥＧＲ開口部１５５ｂにＥＧＲ通路９１が接続されている。

吸入部１５１には、各独立排気通路１３１，１３２にそれぞれ個別に連通する２つの吸入通路１５２，１５３が形成されている。具体的には、第１独立排気通路１３１と連通する第１吸入通路１５２と、第２独立排気通路１３２と連通する第２吸入通路１５３とが形成されている。当実施形態では、各吸入通路１５２，１５３は、吸入部１５１の上流端から、下流端（舌部１５５ａ）よりも上流側の部分まで上下流方向に延びており、吸入部１５１のうちこれら吸入通路１５２，１５３よりもタービン本体５１までの部分は、これら吸入通路１５２，１５３と連通する共通の空間、すなわち、吸入通路１５２，１５３を通過したガスが集合する１つの通路となっている。

第１吸入通路１５２と、第２吸入通路１５３とは、それぞれ、下流側ほど流路面積が小さくなり、各下流端１５２ａ，１５３ａ（図４参照）において流路面積が最も小さくなるような形状を有している。当実施形態では、第１吸入通路１５２および第２吸入通路１５３の流路面積は、下流に向かうに従って徐々に小さくされている。第１吸入通路１５２と、第２吸入通路とは、ほぼ同様の形状を有し、その下流端１５２ａ，１５３ａの流路面積は同じに設定されている。

第１吸入通路１５２と第２吸入通路１５３の各下流端１５２ａ，１５３ａの流路面積は、タービンノズル部１５６の流路面積の０．２倍以上０．４倍以下の面積に設定されている。例えば、下流端１５２ａ，１５３ａの流路面積は、タービンノズル部１５６の流路面積の０．４倍に設定されている。

ここで、タービンノズル部１５６の流路面積とは、タービンノズル部１５６全体の流路面積であり、図３に破線で示す円周Ｑ（タービン本体５１の外周縁の円周とほぼ同じ）と、図５に示すタービンノズル部１５６の軸方向長さｔとの積で算出される面積である。

当実施形態では、吸入部１５１の下流端部分すなわち吸入部１５１のうち各吸入通路１５２，１５３よりも下流側の部分も、下流側ほど流路面積が小さくなるような形状を有している。ただし、吸入部１５１の下流端部分の流路面積は、各吸入通路１５２，１５３の下流端１５２ａ，１５３ａの各流路面積よりも十分に大きくなっている。

第１吸入通路１５２と、第２吸入通路１５３とは、周方向に並んでいる。当実施形態では、第１吸入通路１５２が径方向外側（タービン本体５１よりも遠い側）に設けられ、第２吸入通路１５３が径方向内側（タービン本体５１に近い側）に設けられている。そして、これら吸入通路１５２，１５３は、図４に示すように、それぞれが、その軸線Ｌ１，Ｌ２が、タービン本体５１の外周縁と接するように延びている。具体的には、径方向内側の第２吸入通路１５３の軸線Ｌ２は、図４においてタービン本体５１の上端付近に位置する部分Ｐ１の接線と一致しており、径方向外側の第１吸入通路１５３の軸線Ｌ１は、この接点Ｐ１よりも下流側の点Ｐ２におけるタービン本体５１の外周面の接線と一致している。そして、これに伴い、当実施形態では、径方向内側の第１吸入通路１５２の下流端を延長した領域とタービン本体５１の一部とが重複している。すなわち、タービン本体５１は、舌部１５５ａから上流側に延びる吸入部１５１の内側面を延長した線Ｌ０よりも径方向外側に飛び出るように配置されている。

なお、図５に示すように、各吸入通路１５２，１５３には、タービン本体５１をバイパスさせて排気を流下させるためのウエストゲート１６０が設けられている（図５には、第１吸入通路１５１に設けられたウエストゲート１６０のみを示している）。また、各吸入通路１５２，１５３に連通する各独立排気通路１３１，１３２の流路面積は上下流方向についてほぼ一定とされている。

（３）作用等
以上のように、当実施形態に係るタービン５０では、吸入部１５１に、各独立排気通路１３１，１３２とそれぞれ個別に連通する吸入通路１５２，１５３であって、下流端１５２ａ，１５３ａの流路面積が最小とされるとともにこの下流端１５２ａ，１５３ａの流路面積がタービンノズル部１５６の流路面積の０．２〜０．４倍とされた吸入通路１５２，１５３が設けられ、かつ、これら吸入通路１５２，１５３の下流端１５２ａ，１５３ａからタービン本体５１までが単一の通路とされている。そのため、タービン効率を高めつつ排気干渉を抑制することができる。より詳細には、同サイズのシングルスクロールタービンと同程度のタービン効率を得つつ、ツインスクロールタービンよりも排気干渉を抑制することができる。

図６および図７を用いて具体的に説明する。図６は、従来のシングルスクロールタービン２５０の概略構成図である、図７は、従来のツインスクロールタービン３５０の概略構成図である。

図６に示すように、シングルスクロールタービン２５０では、吸入口２５１が単一の通路で構成されており、タービン本体２６０を収容するタービンハウジング２５９の内側全体が単一の通路で構成されており、各独立排気通路１３１，１３２を流下した排気はタービンハウジング２５９の上流端において集合する。そのため、タービンハウジング２５９の上流端において、一方の独立排気通路１３１，１３２からタービンハウジング２５９に流入した排気の一部が他の独立排気通路に回り込んでしまい排気干渉が大きくなる。従って、シングルスクロールタービン２５０では、掃気性能が悪くなり高いエンジントルクを得ることができない。また、高い排気性能を得ることができない。

特に、ロータリエンジンでは、一方のロータ２の排気ポート１０が開口しているタイミングと他方のロータ２の排気ポート１０が開口しているタイミングとが重複する期間が長いため、シングルスクロールタービン２５０をロータリエンジンに適用した場合には、排気干渉によるエンジントルクの低下量が大きくなる。図８を用いて具体的に説明する。図８は、横軸をエキセントリックシャフトの角度（以下、適宜、エキセン角という）として各ロータ収容室３１の排気ポート１０の圧力変化を示したものである。図８において、実線と破線とはそれぞれ異なるロータ収容室３１の排気ポート１０の圧力変化を示している。この図８に示されるように、ロータリエンジンでは、各ロータ収容室３１でそれぞれ２７０°ＥＡ（°ＥＡは、エキセントリックシャフトの角度を表す）毎に排気ポート１０が開口を開始して、およそ２１０°ＥＡ間排気ポート１０が開口するとともに、所定のロータ２の排気ポート１０が開口を開始してから１３５°ＥＡ後に他のロータ２の排気ポート１０が開口を開始する。そのため、２１０°ＥＡの開口期間のうちおよそ１５０°ＥＡ間、重複して２つのロータ２の排気ポート１０が開口することなり、排気干渉が大きくなる。

一方、図７に示すように、ツインスクロールタービン３５０では、吸入部３５１およびタービンスクロール部３５５が２つの通路３５２，３５３に区画されている。すなわち、タービンハウジング３５９のうちその上流端からタービン本体３６０直前まで（タービンノズル部３５６まで）の空間が２つに区画されており、各空間にそれぞれ個別に独立排気通路１３１，１３２が連通している。これに伴い、ツインスクロールタービン３５０では、各独立排気通路１３１，１３２を流下した排気はそれぞれ軸方向一方側と他方側とに分かれてタービン本体３６０に向かう。そのため、ツインスクロールタービン３５０では、シングルスクロールタービン２５０に比べて一方の独立排気通路から排出された排気が他方の独立排気通路に回り込むのが抑制されて、排気干渉が小さく抑えられる。

図９は、ロータリエンジンにおいて、シングルスクロールタービン２５０を適用した場合とツインスクロールタービン３５０を適用した場合とにおけるロータ収容室３１内の圧力（筒内圧Ｐ）とロータ収容室３１の作動室８の容積（容積Ｖ）との変化を示したＰＶ線図の一部を拡大して示した図である。この図９において、実線はシングルスクロールタービン２５０の線であり、破線はツインスクロールタービン３５０の線である。この図９の斜線部分のように、シングルスクロールタービン２５０が適用された場合では、他のロータから排出された排気が他のロータに回り込む結果、排気行程においてロータ収容室３１（筒内）の圧力が大きくなり、ツインスクロールタービン３５０に比べて掃気性能が悪化しポンピングロスが増大する。

しかしながら、ツインスクロールタービン３５０では、タービン本体３６０の各羽根３６０ａに対して軸方向一方側と他方側のいずれか片側にのみ排気が衝突する。そのため、タービン効率がシングルスクロールタービン２５０に比べて悪い。これは、タービン本体３６０の各羽根３６０ａの軸方向下流側に排気が衝突した際に渦が発生して排気のエネルギーが各羽根３６０ａに適切に付与されないためと考えられる。また、ツインスクロールタービン３５０では、このように排気のエネルギーが各羽根３６０ａに適切に付与されず過給力が低くなることに伴って過給力を確保するべくタービン本体３６０の軸方向の長さを大きくする必要があり、タービン本体３６０の重量を大きくせざるを得ない。そのため、ツインスクロールタービン３５０では、タービン本体３６０のイナーシャ増大により、過給レスポンス（加速時の過給圧上昇の応答性）が低下する。

また、本発明者らは、鋭意研究の結果、ツインスクロールタービン３５０では、上記のようにシングルスクロールタービン２５０よりは排気干渉は小さく抑えられるものの、その抑制効果が十分ではないことを突き止めた。具体的には、ツインスクロールタービン３５０では、タービン本体３６０の直前まで空間が区画されていることで、一方の通路からタービン本体３６０に向かって噴出した排気がタービン本体３６０で反射し、この反射した排気の一部が他方の通路に回り込んでしまうことを突き止めた。

これに対して、当実施形態では、タービンハウジング１５０の吸入部１５１に、各独立排気通路１３１，１３２と個別に連通する吸入通路１５２，１５３が設けられるとともに、これら吸入通路１５２，１５３がタービン本体５１から上流側に離間した位置（当実施形態では、タービンスクロール部１５５の上流端よりも上流側の位置）でとまり、各吸入通路１５２，１５３とタービン本体との間に各吸入通路１５２，１５３と連通する所定の空間が確保されている。そのため、一方の独立排気通路を流下した排気が、タービン本体５１の各羽根５１ａで反射して他の独立排気通路に回り込むのを抑制することができる。

ここで、このように各独立排気通路１３１，１３２と個別に連通する吸入通路１５２，１５３と、タービン本体５１との間に、各吸入通路１５２，１５３と連通する空間が区画されている場合、一方の独立排気通路および吸入通路を流下した排気が他の吸入通路および他の独立排気通路に回り込むおそれがある。これに対して、当実施形態では、各吸入通路１５２，１５３の流路面積が下流端において最も小さくされている。具体的には、上記のように吸入通路１５２，１５３の下流端１５２ａ，１５３ａの流路面積がタービンノズル部の流路面積の０．２〜０．４倍と小さい値に設定されている。そのため、各吸入通路１５２，１５３の下流端から排気を高速で噴出させることができ、一方の吸入通路から排出された排気が他の吸入通路に回り込むのを回避して、排気干渉をより確実に抑制することができる。

しかも、当実施形態では、各吸入通路１５２，１５３とタービン本体５１との間の所定の空間が確保されていることで、各吸入通路１５２，１５３から排出された排気をタービン本体５１に流入する前に拡散させることができ、排気をタービン本体５１の羽根５１ａの軸方向全体に衝突させることができる。そのため、上記のように排気干渉を抑制しつつタービン効率を高めることができる。

特に、吸入通路１５２，１５３の下流端１５２ａ，１５３ａの流路面積をタービンノズル部の流路面積の０．２〜０．４倍とすることで、タービンノズル部１５６の流路面積を、同程度の過給力を得ることのできるシングルスクロールタービン２５０のタービンノズル部２５６の流路面積とほぼ同じとして、タービン本体５１を大型化することなく、かつ、吸入通路１５２，１５３の下流端１５２ａ，１５３ａの流路面積を同程度の過給力を得ることのできるツインスクロールタービン３５０の２つの通路のうち吸入部３５１の下流端に対応する部分３５２ａ，３５３ａの流路面積（タービンスクロール部３５５の上流端における各通路３５２，３５３の流路面積）とほぼ同じとして、タービン効率をシングルロールタービンと同程度まで高めつつツインスクロールタービンと同程度あるいはそれ以上の排気干渉の抑制効果を得ることができる。

詳細には、シングルスクロールタービン２５０では、タービンノズル部２５６の流路面積をＡとすると吸入部２５１の下流端２５１ａの流路面積はＡのおよそ０．３〜０．５倍に設定される。そして、これと同程度の過給力を得ることのできるツインスクロールタービン３５０では、タービンノズル部３５６の流路面積がおよそＡの１．４倍とされ、２つの通路３５２，３５３のうち吸入部３５１の下流端に対応する部分３５２ａ，３５３ａの流路面積がそれぞれＡのおよそ０．２〜０．４倍とされる。従って、当実施形態では、タービンノズル部１５６の流路面積をＡとして、吸入通路１５２、１５３の下流端１５２ａ、１５３ａの流路面積をＡの０．２〜０．４倍とすることで、上記各タービンと同程度の過給力を得つつ排気干渉を抑制しながらタービン効率をシングルスクロールタービン２５０と同程度にすることができる。

また、当実施形態では、各吸入通路１５２，１５３が、タービン本体５１の周方向に沿って並んでいる。そのため、各吸入通路１５２，１５３から排出された排気をタービン本体５１の羽根５１ａの軸方向全体により均一に衝突させることができる。

しかも、当実施形態では、上記のように、各吸入通路１５２，１５３を周方向に沿って並設しながら、各吸入通路１５２，１５３の軸線がそれぞれタービン本体５１の外周縁における接線と一致するように構成されている。そのため、各吸入通路１５２，１５３から排出された排気をタービン本体５１の各羽根５１ａに対してより垂直に近い角度で衝突させることができ、各羽根５１ａにより高いモーメントを加えることができる。従って、タービン５０の駆動力すなわち過給力を高めることができる。特に、排気流量が少ない場合において、効果的に過給力を高めることができる。

ここで、このように各吸入通路１５２，１５３の軸線がそれぞれタービン本体５１の外周縁における接線と一致するように配置し、各吸入通路１５２，５３から排出された排気がタービン本体５１の外周縁に向かうように構成した場合、排気がタービンスクロール部１５５の径方向内側部分を高速で流通することになる。そのため、タービンスクロール部１５５の径方向内側部分では排気脈動が比較的大きくなる。これに対して、当実施形態では、ＥＧＲ通路９１と連通するＥＧＲ用開口部１５５ｂがタービンスクロール部１５５の径方向外側部分であって排気脈動が比較的小さくなる部分に形成されている。従って、ＥＧＲ通路９１に流入する排気の脈動を小さく抑えてＥＧＲガスの流量を安定させることができる。そして、吸気通路１２に還流されるＥＧＲガス量の変動を抑制して、ＥＧＲガス量を高い精度で吸気通路１２に供給すること、ひいては、燃焼安定性を高めることができる。

（４）変形例
上記実施形態では、各吸入通路１５２，１５３の下流端１５２ａ，１５３ａの位置が、吸入部１５１の下流端すなわちタービンスクロール部１５５の上流端の舌部１５５ａよりも上流側の位置とされた場合について説明したが、これら下流端１５２ａ，１５３ａの位置は、タービンノズル部１５６から上流側に離間した位置であればよく、これに限らない。例えば、これら下流端１５２ａ，１５３ａの位置が、舌部１５５ａ付近とされてもよい。また、舌部１５５ａよりも下流側とされてもよい。

また、上記実施形態では、各吸入通路１５２，１５３がタービン本体５１の周方向に沿って並設された場合について説明したが、図１０に示すように、各吸入通路５５２，５５３をタービン本体５１の軸方向に並べてもよい。ただし、上記のように、各吸入通路１５２，１５３を径方向に配列すれば各吸入通路１５２，１５３から排出された排気をタービン本体５１の各羽根５１ａの軸方向全体により均一に衝突させることができる。

また、上記実施形態では、第１ロータ収容室３１ａのプライマリポート１０ａとセカンダリポート１０ｂとを共通の第１独立排気通路１３１に連通させ、第２ロータ収容室３１ａのプライマリポート１０ａとセカンダリポート１０ｂとを共通の第２独立排気通路１３２に連通させた場合について説明したが、排気通路と排気ポートの接続構成はこれに限らない。例えば、図１１に示すように、第１ロータ収容室３１ａのプライマリポート１０ａのみを第１独立排気通路１３１に連通させ、第２ロータ収容室３１ａのプライマリポート１０ａのみを第２独立排気通路１３２に連通させてこれら通路１３１，１３２をタービン５０に接続し、第１ロータ収容室３１ａおよび第２ロータ収容室３１ａの各セカンダリポート１０ｂはタービン５０をバイパスするようにしてもよい。例えば、第１ロータ収容室３１ａおよび第２ロータ収容室３１ａの各セカンダリポート１０ｂを一つの通路６３０にまとめてタービン５０を通過することなくタービン５０の下流側に設けられた触媒装置１００に接続してもよい。

また、上記実施形態では、エンジン本体がロータリエンジンの場合について説明したが、複数の気筒を有する多気筒のレシプロエンジンに当実施形態に係る装置を適用してもよい。ただし、上記のように、ロータリエンジンでは排気干渉が特に大きくなるため、当実施形態に係る装置をロータリエンジンに適用すれば効果的に排気干渉を抑制することができる。

また、ロータリエンジンに適用した場合においても、ロータ収容室の数（気筒数）は上記に限らない。

１ロータリエンジン（エンジン本体）
２ロータ
５過給機（ターボ過給機）
１０排気ポート
３１ロータ収容室（気筒）
５０タービン
５１タービン本体
１３１第１独立排気通路（独立排気通路）
１３２第２独立排気通路（独立排気通路）
１５０タービンハウジング
１５２第１吸入通路（吸入通路）
１５３第２吸入通路（吸入通路）
１５５タービンスクロール部
１５６タービンノズル部
１５５ｂＥＧＲ用開口部

Claims

複数の気筒を有するエンジン本体と、当該エンジン本体から排出された排気により駆動されるタービンを含む過給機とを備えたターボ過給機付エンジンの排気装置において、
複数の気筒の排気ポートにそれぞれ接続される複数の独立排気通路を備え、
上記タービンは、外周に複数の羽根が設けられたタービン本体と、当該タービン本体を内側に収容するタービンハウジングとを備え、
上記タービンハウジングは、上記タービン本体の外周縁と対向して当該タービン本体に排気を導入するタービンノズル部と、当該タービンハウジングの上流端と上記タービンノズル部から上流側に離間した位置との間で上下流方向に延びて上記各独立排気通路とそれぞれ個別に連通する吸入通路と、当該吸入通路の下流端から上記タービンノズル部までの部分に設けられ、上記各吸入通路と連通する共通の空間を内側に形成するタービンスクロール部とを有し、
上記各吸入通路は、上記排気ポートが開口する期間の一部が重複する少なくとも２つの気筒の各々の排気ポートに対して個別に接続された状態で、上記タービン本体の周方向及び軸方向の何れか一方においてのみ並設されており、
上記各吸入通路は、その下流端の流路面積が、当該吸入通路の流路面積のうち最も小さくなるような形状を呈し、且つ、その下流端の開口形状が、略同一であり、
上記各吸入通路の下流端の流路面積は、互いに同一の面積であって、上記タービンノズル部の流路面積の０．２倍以上かつ０．４倍以下の面積に設定されていることを特徴とするターボ過給機付エンジンの排気装置。
請求項１に記載のターボ過給機付エンジンの排気装置において、
上記各吸入通路は、上記タービン本体の周方向においてのみ並設されているとともに、当該各吸入通路の中心軸線が上記タービン本体の外周縁と接する方向に延びていることを特徴とするターボ過給機付エンジンの排気装置。
請求項１または２に記載のターボ過給機付エンジンの排気装置において、
上記各吸入通路は、下流側ほど流路面積が小さくなる形状を有することを特徴とするターボ過給機付エンジンの排気装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のターボ過給機付エンジンの排気装置において、
上記エンジン本体は、ロータを内側に収容する気筒を少なくとも２つ備えるロータリエンジンであることを特徴とするターボ過給機付エンジンの排気装置。