JP7227242B2 - ウェイストゲート統合排気流制御 - Google Patents

Description

本発明は、内燃エンジンの分野、特にターボチャージ内燃エンジンの排気システムに関する。本発明は、このようなシステムのための排気流量制御バルブであり、バルブは排気流を制御し、統合されたウェイストゲートを含む。

ターボチャージングは、内燃エンジンに関連して長年使用されてきた。比較的近年、ツインらせん（ツインスクロールとしても知られる）ターボチャージャが導入され、ブースト応答性の向上、パワーバンド全体での出力増加、同時に燃費向上が図られている。これらのツインらせんターボチャージャは、タービンをハウジング内に配置し、これにより、別個のらせんを介してエンジン内の別個のバンクのシリンダから順番に排気流を受け取る。排気流のこの交互のシーケンスは、遅れを減少させ、上述した向上をもたらすのに役立つ。

ツインらせんターボチャージャの性能をさらに向上させるために、エンジンの状態および性能要件に応じて排気流を任意の時点に一方または両方のらせんに選択的分流できる分流バルブをターボチャージャのハウジングに設けることも知られている。ターボチャージャの過昇圧または過速度の事象を回避するために、ターボチャージャのハウジングにもウェイストゲート、すなわち排気バイパスが設けられており、これを開いて排気流が必要なときにターボチャージャをバイパスできるようにすることができる。ターボチャージャにおけるこのような配置の例は、EP1440222B1に見られる。

分流バルブとウェイストゲートの両方を別々の部品として提供することは、ターボチャージャの複雑さとそれに付随するコストを増加させる。さらに、EP´222および他の先行技術では、ターボチャージャのツインらせんが単一の入口通路またはタービンスロートからの排気流を受け取ることが開示されているため、シリンダの別個のバンクからの排気流がスロート内で互いに干渉する可能性があり、従ってツインらせんターボチャージャの性能上の利益が減少する。

本発明の目的は、これらの1つ以上の欠点を回避または緩和することである。

本発明の第１の態様によれば、内燃エンジン用の排気マニホールドが提供され、前記排気マニホールドは、前記内燃エンジンのシリンダの第１のバンクに接続可能な少なくとも１つの第１の排気ガス入口と、前記内燃エンジンのシリンダの第２のバンクに接続可能な少なくとも1つの第２の排気ガス入口と、ツインらせんターボチャージャのそれぞれの第１及び第２らせんに接続可能な第１及び第２の排気ガス出口と、前記ターボチャージャをバイパスするバイパス通路に接続可能な少なくとも1つのウェイストゲート出口と、前記マニホールド内に配置された分流バルブであって、前記第１及び第２の排気ガス入口からの排気ガスを前記第１及び第２の排ガス出口及び前記ウェイストゲート出口の内の少なくとも１つに選択的に導くように構成されている分流バルブと、を備える。

本発明の第２の態様によれば、本発明の第１の態様による第１及び第２のバンクのシリンダと、ツインらせんターボチャージャと、排気マニホールドとを備える内燃エンジンが提供される。

本発明の第３の態様によれば、内燃エンジン用のツインらせんターボチャージャが提供され、該ターボチャージャは、排気マニホールドの第１の排気ガス出口に接続可能な第１の排気ガス入口と、該第１の排気ガス入口から分離し、前記排気マニホールドの第２の排気ガス出口に接続可能な第２の排気ガス入口と、それぞれの前記第１及び第２の排気ガス入口と流体連通する第１及び第２のらせんと、前記第１及び第２のらせんをバイパスするバイパス通路に接続可能な少なくとも１つのウェイストゲート出口と、前記排気ガス入口と前記らせんとの間に位置する分流バルブであって、該分流バルブが前記第１及び第２の入口から前記第１及び第２のらせん並びに前記ウェイストゲート出口の内の少なくとも１つに排気ガスを選択的に導くように構成される、分流バルブと、を備える。

本発明の第４の態様によれば、本発明の第３の態様による、排気マニホールドと、ツインらせんターボチャージャとを備える、内燃エンジンが提供される。

本発明の第５の態様によれば、本発明の第２または第４の態様のいずれかによる内燃エンジンを有する車両が提供される。

ここで、本発明の好ましい実施の形態を、以下の図面を参照して、単なる例として説明する。
第１の状態にある場合の排気マニホールドの第１の実施形態による概略断面図である。 第２の状態にある場合の排気マニホールドの第１の実施形態による概略断面図である。 第３の状態にある場合の排気マニホールドの第１の実施形態による概略断面図である。 第１の状態にあるときの排気マニホールドの第２の実施形態による概略断面図である。 第１の状態にある排気マニホールドの第３の実施形態による概略断面図である。 第２の状態にある排気マニホールドの第３の実施形態による概略断面図である。 第３の状態にある排気マニホールドの第３の実施形態による概略断面図である。 第１の状態にあるツインらせんターボチャージャの第１の実施形態による概略断面図である。 第２の状態にあるツインらせんターボチャージャの第１の実施形態による概略断面図である。 第３の状態にあるツインらせんターボチャージャの第１の実施形態による概略断面図である。 第１の状態にあるツインらせんターボチャージャの第２の実施形態による概略断面図である。

内燃エンジン排気システム用の排気マニホールドの第１の実施形態が、図１～３の概略断面図で示されている。これらの図は、マニホールドの様々な状態を例示する。図１は、マニホールドを使用する際に、エンジンのシリンダバンクとツインらせんターボチャージャ、つまりツインスクロールターボチャージャとの間にどのように接続するかを示している。しかし、それらの要素は明瞭化のために他の図から省略されている。

図１を参照すると、マニホールドは一般に１０で示されており、内燃エンジン１５の第１のシリンダバンク１３に公知の方法で接続可能な第１の排気ガス入口１２を備えている。マニホールド１０はまた、内燃エンジン１５の第２のシリンダバンク１７に同様に接続可能な第２の排気ガス入口１４を備える。これにより、第１及び第２の排気ガス入口１２，１４は、それぞれ第１及び第２のシリンダバンクから放射される排気ガスを受ける。エンジンは、６又は１２シリンダエンジンであってもよく、各バンクは、３又は６のシリンダを備える。

また、マニホールド１０は、使用時にツインらせんターボチャージャ２３の第１および第２らせん１９，２１のそれぞれに接続可能な別個の第１及び第２の排気ガス出口１６，１８を備える。ツインらせんターボチャージャは、シリンダ間の排気パルス干渉を防ぐように排気事象を分離する。

排気ガス入口１２、１４及び排気ガス出口１６、１８の間に配置され、これらと流体連通しているのは、ターボチャージャ２３をバイパスする通路に接続可能な少なくとも１つのウェイストゲート出口を有する排気チャンバ２０である。図示の実施形態では、チャンバ２０は、一対のウェイストゲート出口２２、２４を有する。

また、チャンバ２０内には、第１及び第２の排気ガス入口１２、１４から第１及び第２の排気ガス出口１６、１８およびウェイスゲート出口２２、２４の少なくとも一方への排気ガスの流れを制御するようになっている分流バルブ３０が配置されている。分流バルブ３０は、円のセグメントとして形作られたベース３２を有する回転可能なバルブ本体を備え、ここで、ベース３２は、既知のアクチュエータ機構（例えば、ソレノイド）の力の下で、回転軸Ｒを中心に回転することができる。上方に突出する分流板３４は、回転可能なベース３２上に取り付けられ、排気ガス流を分流するこの分流板である。
また、ベース３２には、少なくとも１つのウェイストゲート開口が設けられ、その形状は、チャンバ２０内の少なくとも１つのウェイストゲート出口の形状に好ましく対応する。この実施形態では２つのウェイストゲート出口２２、２４が存在するので、ベース３２には対応する一対のウェイストゲート開口３６、３８が存在する。ウェイストゲート開口３６、３８は、好ましくは、分流プレート３４のいずれかの側に位置する。

分流バルブ３０の位置によって指示される、図１～３に示されるマニホールド１０の３つの状態について、以下に詳細に説明する。

排気マニホールドの代替実施形態が図４に示され、一般に１１０で示される。第１の実施形態と同様に、このマニホールド１１０は、内燃エンジンの第１のシリンダバンクに公知の方法で接続可能な第１の排気ガス入口１１２を備える。

また、マニホールド１１０は、使用時にツインらせんターボチャージャのそれぞれの第１及び第２らせんに接続可能な別個の第１及び第２の排気ガス出口１１６、１１８を備える。排気ガス入口１１２、１１４および排気ガス出口１１６、１１８は、ターボチャージャをバイパスする通路に接続可能な少なくとも１つのウェイストゲート出口を有する排気チャンバ１２０の間に位置し、これと流体連通している。図示の実施形成態では、チャンバ２０は、一対のウェイストゲート出口１２２、１２４を有し、これら出口は、開いているときに、排気チャンバ１２０の外側の周りにジャケットの形状で配置されているほぼ環状のウェイストゲートチャンバ１４０と流体連通している。ウェイストゲート出口１２２、１２４が開いているとき、排気がバイパス通路に流れるであろうことは、ウェイストゲートチャンバ１４０からである。

また、チャンバ１２０内には、第１及び第２の排気ガス入口１１２、１１４から第１及び第２の排気ガス出口１１６、１１８およびウェイストゲート出口１２２、１２４のうちの少なくとも１つへの排気ガスの流れを制御するようになっている分流バルブ１３０が配置されている。分流バルブ１３０は、略円筒形状を有する回転可能なバルブ本体１３２を備え、ここで、本体１３２は、回転軸Ｒ’を中心として既知のアクチュエータ機構（例えばソレノイド）の力の下で回転することができる。本体１３２および回転軸Ｒ’は、マニホールドを通る排気ガスの流れの方向に対してほぼ垂直に存在する。バルブ本体１３２の内部は、バルブ本体の長さを走行する分流板１３４によって２つの部分に分かれており、排気ガスの流れを分流するのはこの分流板である。本体１３２の円筒壁は、一対の排気入口開口１３３、１３５と一対の排気出口開口１３７、１３９とを有し、これらの開口は、排気ガスがその回転位置に応じてバルブ本体132を通って流れることを可能にする。１つの排気入口開口および１つの排気出口開口が、分流板１３４のいずれかの側に設けられる。また、本体１３２は、少なくとも１つのウェイストゲート開口を有し、その形状およびサイズは、チャンバ１２０内の少なくとも１つのウェイストゲート出口の形状およびサイズに好ましくは対応する。この実施形態では２つのウェイストゲート出口１２２、１２４が存在するので、ベース３２には対応する一対のウェイストゲート開口１３６、１３８が存在する。

内燃エンジン排気システム用の排気マニホールドの第３の実施形態が、図５～７の概略断面図で示されている。これらの図は、マニホールドの第１の実施形態に関連して上述したものと同等であるマニホールドの種々の状態を図示する。

図５を参照すると、マニホールドは一般に２１０で示されており、内燃エンジン（図示せず）の第１のシリンダバンクに公知の方法で接続可能な第１及び第２の排気ガス注入口２１２、２１３を備えている。また、マニホールド２１０は、エンジンの第２のシリンダバンク（図示せず）に同様に接続可能な第３及び第４の排気ガス入口２１４、２１５を備える。

また、マニホールド２１０は、使用時にツインらせんターボチャージャ（図示せず）の第１及び第２らせんそれぞれに接続可能な別個の第１及び第２排ガス出口２１６、２１８を備える。排気入口２１２、２１３、２１４、２１５及び排気出口２１６、２１８間に位置し、これらと流体連通しているのは、ターボチャージャをバイパスする通路に接続可能な少なくとも１つのウェイストゲート出口を有する排気チャンバ２２０である。図示の実施形態では、チャンバ２２０は、４つのウェイストゲート出口２２２を有する。

また、チャンバ２２０内には、排気ガス入口２１２～２１５から第１及び第２の排気ガス出口２１６、２１８およびウェイストゲート出口２２２の少なくとも一方への排気ガスの流れを制御するようになっている分流バルブが配置されている。
分流バルブは、外壁２３２を有する回転可能な円筒形バルブ本体２３０を備え、ここで、本体は、マニホールドを通る排気流の直接に対して略垂直な回転軸を中心として、既知のアクチュエータ機構（例えば、ソレノイド）の力の下で回転することができる。
本体は、主に中空であり、外壁２３２は、本体２３０を通って排気ガスが流れることを可能にする多数の入口開口および出口開口（図示せず）を含む。また、本体２３０は、図５～図７の真横図に示すように、外壁２３２によって画定される体積の約３分の１を充填する中実の分流部分２３４を含む。この分流部分２３４はバルブ本体２３０の回転位置に応じて排気ガスの流れを分流する。また、本体２３０には、少なくとも１つのウェイストゲート開口が設けられ、その形状は、チャンバ２２０内の少なくとも１つのウェイストゲート出口の形状に好ましく対応する。この実施形態では４つのウェイストゲート出口２２２が存在するので、本体２３０には４つの対応するウェイストゲート開口２３６が存在する。分流部分２３４はまた、バルブが図７に示す第３の状態にあるときに、第３及び第４の排気ガス入口２１４、２１５およびウェイストゲート出口２２２と流体連通している、クロスドリル加工されたウェイストゲート通路２３８を含む。以下にさらに詳細に説明するように、このウェイストゲート通路２３８は、分流部分２３４が第１の一対の入口２１２、２１３および第２の一対の入口２１４、２１５からの排気が別個に流れ続けているときに、第３及び第４の入口２１４、２１５からの排気ガスをウェイストゲート出口２２２に流すことを可能にする。

ツインらせんターボチャージャの第１の実施形態が、図８～１０の概略断面図で示されている。分かりやすくするために、図にはターボチャージャへの入口のみが示されている。ターボチャージャの残部は既知の設計であると仮定することができる。

図８を参照すると、ターボチャージャは一般に３１０と示され、排気マニホールド（図示せず）の第１の排気ガス出口に公知の方法で接続可能な第１の排気ガス入口３１２を備える。ターボチャージャ３１０は、また、排気マニホールドの第２の排気ガス出口に同様に接続可能な第２の排気ガス入口３１４を備える。また、ターボチャージャ３１０は、排気ガスが流れるタービンを収容する別個の第１及び第２らせん３１６，３１８を備える。

排気入口３１２、３１４及びらせん３１６、３１８の間に位置し、これと流体連通しているのは、らせんをバイパスする通路に接続可能な少なくとも１つのウェイストゲート出口を有する排気チャンバ３２０である。図示の実施形態では、チャンバ３２０は、一対のウェイストゲート出口３２２、３２４を有する。

また、チャンバ３２０内には、第１及び第２の排気ガス入口３１２、３１４から第１および第２のらせん３１６、３１８およびウェイストゲート出口３２２、３２４のうちの少なくとも１つへの排気ガスの流れを制御するようになっている分流バルブ３３０が配置されている。分流バルブ３３０は、円のセグメントとして形作られたベース３３２を有する回転可能なバルブ本体を備え、ここで、ベース３３２は、既知のアクチュエータ機構（例えば、ソレノイド）の力の下で、回転軸Ｒを中心に回転することができる。上方に突出する分流板３３４は、回転可能なベース３３２上にとりつけられ、排気ガス流を分流させるこの分流板である。また、ベース３３２には、少なくとも１つのウェイストゲート開口が設けられ、その形状は、チャンバ３２０内の少なくとも1つのウェイストゲート出口の形状に好ましくは対応する。この実施形態では、２つのウェイストゲート出口３２２、３２４が存在するので、ベース３３２には対応する一対のウェイストゲート開口３３６、３３８が存在する。ウェイストゲート開口３３６、３３８は、好ましくは、分流板３３４のいずれかの側に存在する。

ツインらせんターボチャージャの代替実施形態が図１１に示され、一般に４１０で示されている。ここでも、ターボチャージャの入口のみが示されており、ターボチャージャの残部は既知の設計のものである。図８～図１０の第１の実施形態と同様に、このターボチャージャ４１０は、排気マニホールド（図示せず）の第１の排気ガス出口に公知の方法で接続可能な第１の排気ガス入口４１２を備える。ターボチャージャ４１０は、また、マニホールドの第２の排気ガス出口に同様に接続可能な第２の排気ガス入口４１４を備える。

また、ターボチャージャ４１０は、別個の第１及び第２のらせん４１６、４１８を備える。排気入口４１２、４１４及びらせん４１６、４１８の間に位置し、これと流体連通しているのは、らせん４１６、４１８をバイパスする通路に接続可能な少なくとも１つのウェイストゲート出口を有する排気チャンバ４２０である。図示の実施形態では、チャンバ４２０は、一対のウェイストゲート出口４２２、４２４を有し、これら出口は、開放されると、排気チャンバ４２０の外側の周りにジャケットの形態で配置されているほぼ環状のウェイストゲートチャンバ４４０と流体連通している。ウェイストゲート出口４２２、４２４が開いているとき、排気がバイパス通路に流れるであろうことは、ウェイストゲートチャンバ４４０からである。

また、チャンバ４２０内には、第１及び第２の排ガス注入口４１２、４１４から第１及び第２のらせん４１６、４１８およびウェイストゲート出口４２２、４２４の内の少なくとも１つへの排気ガスの流れを制御するように構成された分流バルブ４３０が配置される。
分流バルブ４３０は、略円筒形状を有する回転可能なバルブ本体４３２を備え、ここで、本体４３２は、回転軸Ｒ’を中心として既知のアクチュエータ機構（例えばソレノイド）の力の下で回転することができる。本体４３２及び回転軸Ｒ’は、マニホールドを通る排気ガスの流れの方向にほぼ垂直に存在する。バルブ本体４３２の内部は、バルブ本体の内部の長さを走行する分流板４３４によって２つの部分に分割されており、排気ガスの流れを分流させるこの分流板である。本体４３２の円筒壁は、一対の排気入口開口４３３、４３５および一対の排気出口開口４３７、４３９を有し、これらの開口は、排気ガスがその回転位置に応じてバルブ本体４３２を通って流れることを可能にする。１つの排気入口開口および１つの排気出口開口が、分流板４３４のいずれかの側に設けられる。また、本体４３２は、少なくとも１つのウェイストゲート開口を有し、その形状および大きさは、チャンバ４２０内の少なくとも１つのウェイストゲート出口の形状および大きさに好ましくは対応する。この実施形態では、２つのウェイストゲート出口４２２、４２４が存在するので、ベース４３２内には、対応する一対のウェイストゲート開口４３６、４３８が存在する。

ここで、本発明のマニホールド及びターボチャージャの作動方法について説明する。図４に示すマニホールドの第２の実施形態は、図１と同じ位置にバルブを有し、また、図１～図３に示すものと同じである第１、第２、及び第３の位置の間を移動することができることに留意されたい。同様に、ターボチャージャの作動は、図８～１０に示す第１の実施形態によって取り上げられた位置を特に参照して説明されるが、図１１に示す第２の実施形態は、同じ第１、第２、及び第３の位置の間を移動することもできることに留意されたい。

マニホールドの第１及び第２の実施形態の両方における分流バルブが取り得る位置は、エンジンの性能要求およびターボチャージャのブースト圧力に応じて、３つある。分流バルブは、排気流がバルブによって分割されたままで、ウェイストゲートが閉じた状態または少なくとも部分的に開いた状態で、図２又は図３のいずれかに示された状態にデフォルトであってもよい。最も好ましくは、バルブは、ターボチャージャの過回転または過昇圧を防止するために、完全に開放されたウェイストゲート出口によって提供される完全なウェイストゲート付きで、図３に示す状態にデフォルトになる。使用時には、分流バルブ本体を操作するアクチュエータは、エンジンの主電子制御ユニット（ＥＣＵ）またはそれ以外の主ＥＣＵと通信している専用のマニホールド制御部であってもよい制御部と通信しているであろう。主ＥＣＵは、例えば、車両のアクセルペダル上の位置センサを介して行うことができる、車両運転者によるエンジンへの加速要求をモニタリングする。主ＥＣＵは、ターボチャージャからエンジンに供給されているブースト圧力も監視する。この目的のための感知配置は周知であり、ここではさらに詳しく説明しないであろう。

操作者が車両のアクセルペダルを介して加速要求を出す場合、加速要求を満たすために必要なエンジン出力の増加を達成するために、ターボチャージャの急速なスプーリングアップが必要である。これを達成するために、制御部はバルブアクチュエータに図１（及び図４）に示す位置に移動するように指示する。この第１の位置では、バルブ３０、１３０の分流板３４、１３４は、第２排気入口１４、１１４と第２排気出口１８、１１８との間に位置し、「収束」機能を果たすようになっている。これは、シリンダの両バンクからの排気ガス流が第１の出口１６，１１６に収束し、ターボチャージャの第１のらせん１９に流入することを意味する。この第１の位置では、ウェイストゲート出口２２、２４、１２２、１２４は、バルブ３０、１３０によって閉じられる。このように排気流のすべてを1 つのらせんに向けることで、タービンの流量容量を効果的に半分にすることで、ターボチャージャの応答性が向上する。

エンジンに加速要求が出されず、ターボチャージャのブースト圧力が予め決定された限度未満であるとき、制御部は、図２に示す第２の「定常状態」位置にバルブ３０を移動させるようにアクチュエータに指示する。第２の位置では、バルブベース３２が回転軸Ｒを中心として時計回りに回転し、今度は、分流板３４が第１及び第２の入口１２，１４からの排気流を別個に保つように作用する。したがって、シリンダの第１のバンクからの排気流は、第１の入口１２に入り、第１の出口１６を通ってターボチャージャの第１のらせんに入る。同様に、シリンダの第２のバンクからの排気流は、第２の入口１４に入り、第２の出口１８を通ってターボチャージャの第２のらせんに入る。第１の位置と同様に、ウェイストゲート出口２２、２４は、第２の位置にあるバルブ３０によって依然として閉じられている。

エンジンの作動中の任意の時点において、制御部は、ターボチャージャのブースト圧力、すなわち速度が予め定められた制限値に達したか、またはそれを超えたと判断することができる。圧力を下げるために、および／または速度を低下させるために、制御部は、アクチュエータに、バルブ３０を、軸Ｒを中心として、図３に示される第３の位置にさらに時計回りに動かすように指示する。この第３の位置では、分流板３４は、依然として、シリンダのバンクからの２つの排気流を、マニホールド１０を通過して、ターボチャージャのそれぞれのらせんの中へと、分離させる。しかしながら、ここで、バルブベース３２内のウェイストゲート開口３６、３８は、チャンバ２０内のウェイストゲート出口２２、２４と位置合わせされ、これにより、マニホールド１０の両側の排気流の少なくとも一部が、今度はウェイストゲート通路に入り、ターボチャージャをバイパスする。従って、ターボチャージャのブースト圧力または速度は、あらかじめ決められた圧力制限値で低下および／または維持される。

疑問を避けるために、図４に示されるマニホールドの第２の実施形態においても、同じ位置が達成される。第２の実施形態における唯一の相違は、ウェイストゲート出口１２２、１２４及びウェイストゲート開口１３６、１３８が、それぞれ、チャンバ１２０及びバルブ１３０の円周上に位置することである。

マニホールドの第１の２つの実施形態と同様に、マニホールドの第３の実施形態における分流バルブが占めることができる位置は３つある。分流バルブは、図６又は図７のいずれかに示される状態にデフォルトであってもよく、排気流はバルブによって分割されたままであり、ウェイストゲートは閉じられているか、または少なくとも部分的に開いている。最も好ましくは、バルブは、ターボチャージャの過回転または過昇圧を防止するために、完全に開放されたウェイストゲート出口によって提供される完全なウェイストゲート付きで、図７に示す状態にデフォルトになる。使用時には、分流バルブ本体を操作するアクチュエータは、エンジンの主電子制御ユニット（ＥＣＵ）またはそれ以外の主ＥＣＵと通信している専用のマニホールド制御部であってもよい制御部と通信しているであろう。主ＥＣＵは、例えば、車両のアクセルペダル上の位置センサを介して行うことができる、車両運転者によるエンジンへの加速要求をモニタリングする。主ＥＣＵは、ターボチャージャからエンジンに供給されているブースト圧力も監視する。

操作者が車両のアクセルペダルを介して加速要求を出す場合、加速要求を満たすために必要なエンジン出力の増加を達成するために、ターボチャージャの急速なスプーリングアップが必要である。これを達成するために、制御部は、バルブアクチュエータに図５に示される位置に移動するように指示する。この第１の位置において、バルブ本体２３２の分流器部分２３４は、第１及び第２の入口２１２、２１３から流入する排気ガスが第１の出口２１６を通って流出するのを防止する。代わりに、シリンダの両バンクからの排気ガス流は、第２の出口２１８に収束し、ターボチャージャのそれぞれのらせんに流入する。この第１の位置では、ウェイストゲート開口２３６がウェイストゲート出口２２２と部分的に整列されていないので、ウェイストゲート出口２２２はバルブ２３２によって閉じられる。

エンジンに加速要求がなく、ターボチャージャのブースト圧力が予め決定された限界の下にあるとき、制御部は、アクチュエータに、図６に示す第２の「定常状態」位置にバルブ本体２３２を移動させるように指示する。第２の位置において、バルブ本体２３２は、その回転軸を中心に時計回りに回転し、分流部２３４は、今度は、第１及び第２の入口２１２、２１３からの排気流を第３及び第４の入口２１４、２１５のそれから分離した状態に保つように作用する。したがって、第１及び第２の入口２１２、２１３からの排気流は、バルブ２３０を通って第１の出口２１６に入り、ターボチャージャの第１のらせんに入る。同様に、第３及び第４の入口２１４、２１５からの排気流は、バルブ２３０を通って第２の出口２１８に入り、ターボチャージャの第２のらせんに入る。第１の位置と同様に、バルブ本体２３２内のウェイストゲート開口２３６がウェイストゲート出口２２２との回転整列から外れたままであるため、ウェイストゲート出口２２２は依然として閉じられている。

前述の実施形態と同様に、制御部は、ターボチャージャのブースト圧力、つまり速度が予め定められた制限値に達した、またはそれを超えたと判断することができる。圧力を下げるために、および／または速度を低下させるために、制御部は、アクチュエータに、バルブ本体２３２をさらに回転軸を中心として時計回りに回転させて、図７に示される第３の位置にするように指示する。この第３の位置において、本体２３２内の分流部分２３４は、マニホールド２１０を通過してターボチャージャのそれぞれのらせんに入る際に、排気入口一対からの２つの排気流を別々に維持する。しかしながら、ここで、バルブ本体２３２内のウェイストゲート開口２３６は、チャンバ２２０内のウェイストゲート出口２２２と整列され、第１及び第２の排気入口２１２、２１３からの排気流の少なくとも一部が、今度は、ウェイストゲートに入り、ターボチャージャをバイパスするようになる。さらに、ウェイストゲート通路２３８の入口は、今や、その入口流の一部が分流器部分２３４内のウェイストゲート通路２３８を通ってウェイストゲート出口を介しても通過するように、第３及び第４の排気入口２１４、２１５と流体連通している。従って、ターボチャージャのブースト圧力または速度は、あらかじめ決められた圧力制限値で低下および／または維持される。

マニホールドの実施形態と同様に、ターボチャージャの第１及び第２の実施形態の両方において、エンジンの性能要求およびターボチャージャの昇圧圧力に応じて、分流バルブが占めることができる３つの位置がある。分流バルブは、図９又は図１０のいずれかに示される状態にデフォルトであってもよく、排気流はバルブによって分割されたままであり、ウェイストゲートは閉じられているか、または少なくとも部分的に開いている。最も好ましくは、バルブは、ターボチャージャの過回転または過昇圧を防止するために、完全に開放されたウェイストゲート出口によって提供される完全なウェイストゲート付きで、図１０に示す状態にデフォルトになる。使用時に、分流バルブ本体を作動させるアクチュエータは、エンジンの主電子制御ユニット（ＥＣＵ）またはそれ以外の主ＥＣＵと通信している専用のターボチャージャ制御部であってもよい制御部と通信しているであろう。主ＥＣＵは、例えば、車両のアクセルペダル上の位置センサを介して行うことができる、車両運転者によるエンジンへの加速要求をモニタリングする。主ＥＣＵは、ターボチャージャからエンジンに供給されているブースト圧力も監視する。

操作者が車両のアクセルペダルを介して加速要求を出す場合、加速要求を満たすために必要なエンジン出力の増加を達成するために、ターボチャージャの急速なスプーリングアップが必要である。これを達成するために、制御部はバルブアクチュエータに図８（及び図１１）に示す位置に移動するように指示する。この第１の位置では、バルブ３３０、４３０の分流板３３４、４３４は、「収束」機能を果たすように第２排気入口３１４、４１４と第２排気出口３１８、４１８との間に位置する。したがって、両方の入口３１２、４１２、３１４、４１４からの排気ガスの流れは、第１の出口３１６、４１６に収束し、ターボチャージャ３１０の関連する第１のらせんに流れ込む。この第１の位置では、ウェイストゲート出口３２２、３２４、４２２、４２４は、バルブ３３０、４３０によって閉鎖される。

エンジンに加速要求が出されず、ターボチャージャのブースト圧力が予め決定された限界の下にあるとき、制御部は、バルブ３３０を図９に示す第２の「定常状態」位置に移動させるようにアクチュエータに指示する。第２の位置において、バルブベース３３２は、回転軸Ｒを中心に時計回りに回転し、分流板３３４は、今度は、第１及び第２の入口３１２、３１４からの排気流を別個に保つように作用する。こうして、第１の入口３１２からの排気流は、第１の出口３１６を通過してターボチャージャの第１のらせんに入る。
同様に、第２の入口３１４からの排気流は、第２の出口３１８を通ってターボチャージャの第２のらせんに入る。第１の位置と同様に、ウェイストゲート出口３２２、３２４は、第２の位置にあるバルブ３３０によって依然として閉じられている。

エンジンの作動中の任意の時点において、制御部は、ターボチャージャのブースト圧力、すなわち速度が予め定められた制限値に達したか、またはそれを超えたと判断することができる。圧力を下げるために、および／または速度を低下させるために、制御部は、アクチュエータに、バルブ３３０を、軸Ｒを中心として、図１０に示される第３の位置にさらに時計回りに移動させるように指示する。この第３の位置では、分流板３３４は、チャンバ３２０を通過してターボチャージャ３１０のそれぞれのらせん３１６、３１８に入るときに、２つの排気入口流を分離したままにする。しかしながら、ここで、バルブベース３３２内のウェイストゲート開口３３６、３３８は、チャンバ３２０内のウェイストゲート出口３２２、３２４と整列され、その結果、チャンバ３２０の両側の排気流の少なくとも一部が、今度は、ウェイストゲート通路に入り、ターボチャージャらせん３１６、３１８をバイパスする。従って、ターボチャージャのブースト圧力または速度は、あらかじめ決められた圧力制限値で低下および／または維持される。

疑わしいことを避けるために、図１１に示すターボチャージャの第２の実施例においても同じ位置が達成される。第２の実施形態における唯一の違いは、ウェイストゲート出口４２２、４２４およびウェイストゲート開口４３６、４３８がそれぞれチャンバ４２０及びバルブ４３０の周囲に位置することである。

本発明は、過昇圧が検出されたときに統合されたウェイストゲート機能を提供するとともに、加速要求がエンジンに出されたときに収束機能を実行することができる排気マニホールド及びターボチャージャを提供する。単一のバルブ配置を使用して収束器機能とウェイストゲート機能の両方を実行するマニホールドまたはターボチャージャーを提供することで、マニホールドまたはターボチャージャーにこの機能性を追加する複雑さとコストを軽減する。さらに、本発明のマニホールドおよびターボチャージャの両方は、第１の「収束器」位置にあるとき以外は、シリンダのバンクからの排気流を別個に保つ。これは、他方からのどちらの流れにも干渉がないことを意味し、それによってターボチャージャのツインらせんへの最適なガス流を維持する。

上述した３つの特定の位置の間を移動するだけでなく、制御部とアクチュエータとが組み合わさって、図示の３つの中間である他の位置にバルブを移動させてもよい。例えば、定常運転を維持しながらターボチャージャの部分的なウェイストゲーティングを達成するために、バルブ本体を回転させて、バルブ本体のウェイストゲート出口およびウェイストゲート開口を完全に整列させるのとは対照的に部分的に整列させることができる。

本発明のマニホールドまたはターボチャージャは、１つまたは２つ以上のウェイストゲート出口およびそれぞれのウェイストゲート開口を有していてもよい。例えば、４つのウェイストゲート出口およびそれぞれのウェイストゲート開口が存在し得る。さらに、分流バルブのウェイストゲート開口は、プレートの両側に配置されるのではなく、すべて分流板の同じ側に配置されてもよい。

図示されていないが、図５～７に示されているマニホールドのバルブ配置を利用するターボチャージャもまた、本発明の一部を形成する。マニホールドではなく、ターボチャージャでそのバルブ配置を利用する場合の唯一の大きな違いは、４つの入口ではなく、２つの入口しかないことである。例えば、入口２１２及び２１５は、その代わりに、入口２１３及び２１４によって表される一対のタービン入口のみを備えることはないであろう。出口２１６、２１８は、ターボチャージャの２つのらせんに直接接続される。

添付の特許請求の範囲によって規定される発明の範囲から逸脱することなく、他の修正及び改良を組み込むことができる。

Claims (13)

1. 内燃エンジン用の排気マニホールドであって、前記排気マニホールドは、
   前記内燃エンジンのシリンダの第１のバンクからのみ排気ガスを受けるように、前記内燃エンジンのシリンダの前記第１のバンクに接続可能な少なくとも１つの第１の排気ガス入口と、
   前記内燃エンジンのシリンダの第２のバンクからのみ排気ガスを受けるように、前記内燃エンジンのシリンダの前記第２のバンクに接続可能な少なくとも1つの第２の排気ガス入口と、
   ツインらせんターボチャージャのそれぞれの第１及び第２らせんに接続可能な第１及び第２の排気ガス出口と、
   前記ターボチャージャをバイパスするバイパス通路に接続可能な少なくとも1つのウェイストゲート出口と、
   前記マニホールド内に配置された分流バルブであって、前記第１及び第２の排気ガス入口からの排気ガスを前記第１及び第２の排気ガス出口及び前記ウェイストゲート出口の内の少なくとも1つに選択的に導くように構成されている分流バルブと、を備え、
   前記分流バルブは、
   前記分流バルブが前記排気ガスの全てを各排気ガス入口から第１の排気ガス出口へ分流させ、少なくとも1つのウェイストゲート出口を通る排気ガスの流れを阻止する第１の位置と、
   前記分流バルブが各排気ガス入口から前記第１及び第２の排気ガス出口への前記排気ガスの別々の流れをそれぞれ維持し、前記少なくとも1つのウェイストゲート出口を通る排気ガスの流れを阻止する第２の位置と、
   前記分流バルブが前記第２の位置の前記排気ガスの別々の流れを維持し、前記少なくとも1つのウェイストゲート出口を通る排気ガスの流れを許容する第３の位置と、の間を選択的に移動するように構成される、排気マニホールド。
2. 前記分流バルブは、前記排気ガス入口及び前記排気ガス出口の中間にある排気チャンバ内に配置され、前記少なくとも1つのウェイストゲート出口は、前記排気チャンバと流体連通しており、前記分流バルブは、少なくとも1つのウェイストゲート開口を有するバルブ本体を含み、前記少なくとも1つのウェイストゲート出口と少なくとも部分的に整列させて、排気ガスが前記ウェイストゲート出口に導かれるようにしなければならない、請求項１に記載の排気マニホールド。
3. 前記バルブ本体は、回転可能なベース上に取り付けられた分流板を備える回転バルブ本体であり、前記分流板は、前記排気ガスの流れを分流させ、前記少なくとも１つのウェイストゲート開口は、前記回転可能なベース内に設けられている、請求項２に記載の排気マニホールド。
4. 前記排気マニホールドは、一対のウェイストゲート出口を有し、前記回転可能なベースは、対応する一対のウェイストゲート開口を有し、前記ウェイストゲート開口は、前記分流板のいずれかの側に位置し、前記回転可能なベースに設けられている、請求項３に記載の排気マニホールド。
5. 前記バルブ本体は、外壁を有し、かつ、前記バルブ本体を２つの部分に分割する分流板を収容する回転可能な円筒形本体であり、前記バルブ本体の前記外壁は、入口及び出口排気ガス開口と、前記少なくとも1つのウェイストゲート開口とを含む、請求項２に記載の排気マニホールド。
6. 前記排気チャンバの外部の周囲に配置され、前記バイパス通路と流体連通するウェイストゲートチャンバをさらに備え、前記少なくとも1つのウェイストゲート出口が前記排気チャンバ及び前記ウェイストゲートチャンバを接続する、請求項５に記載の排気マニホールド。
7. 前記バルブ本体は、外壁を有し、かつ、排気流を導く分流部分を収容する回転可能な円筒形本体であり、前記バルブ本体の前記外壁は、入口および出口排気ガス開口と、前記少なくとも１つのウェイストゲート開口とを含む、請求項２に記載の排気マニホールド。
8. 内燃エンジン用のツインらせんターボチャージャであって、前記ターボチャージャは、
   排気マニホールドの第１の排気ガス出口からのみ排気ガスを受けるように、前記排気マニホールドの前記第１の排気ガス出口に接続可能な第１の排気ガス入口と、
   前記排気マニホールドの第２の排気ガス出口からのみ排気ガスを受けるように、前記第１の排気ガス入口から分離し、前記排気マニホールドの前記第２の排気ガス出口に接続可能な第２の排気ガス入口と、
   それぞれの前記第１及び第２の排気ガス入口と流体連通する第１及び第２のらせんと、
   前記第１及び第２のらせんをバイパスするバイパス通路に接続可能な少なくとも１つのウェイストゲート出口と、
   前記排気ガス入口と前記らせんとの間に位置する分流バルブであって、該分流バルブが前記第１及び第２の排気ガス入口から前記第１及び第２のらせん並びに前記ウェイストゲート出口の内の少なくとも１つに排気ガスを選択的に導くように構成される、分流バルブと、を備え、
   前記分流バルブは、
   前記分流バルブが前記排気ガスの全てを両方の前記排気ガス入口から前記第１のらせんに分流させ、前記少なくとも1つのウェイストゲート出口を通る排気ガスの流れを阻止する第１の位置と、
   前記分流バルブが前記第１及び第２の排気ガス入口から前記第１及び第２のらせんへの前記排気ガスの別々の流れをそれぞれ維持し、前記少なくとも１つのウェイストゲート出口を通る排気ガスの流れを阻止する第２の位置と、
   前記分流バルブが前記第２の位置の前記別々の流れを維持し、前記少なくとも１つのウェイストゲート出口を通る排気ガスの流れを許容する第３の位置と、の間を選択的に移動するように構成される、ターボチャージャ。
9. 前記分流バルブは、前記排気ガス入口及び前記らせんの中間にある排気チャンバ内に配置され、前記少なくとも１つのウェイストゲート出口は、前記排気チャンバと流体連通しており、前記分流バルブは、少なくとも１つのウェイストゲート開口を有するバルブ本体を含み、前記少なくとも１つのウェイストゲート出口と少なくとも部分的に整列させて、排気ガスが前記ウェイストゲート出口に導かれるようにしなければならない、請求項８に記載のターボチャージャ。
10. 前記バルブ本体は、回転可能なベース上に取り付けられた分流板を備える回転バルブ本体であり、前記分流板は、前記排気ガスの流れを分流させ、前記少なくとも１つのウェイストゲート開口は、前記回転可能なベース内に設けられている、請求項９に記載のターボチャージャ。
11. 前記ターボチャージャは、一対のウェイストゲート出口を有し、前記回転可能なベースは、対応する一対のウェイストゲート開口を有し、前記ウェイストゲート開口は、前記分流板のいずれかの側に位置し、前記回転可能なベースに設けられている、請求項１０に記載のターボチャージャ。
12. 前記バルブ本体は、前記バルブ本体を２つの部分に分割する分流板を収容する回転可能な円筒形本体であり、前記バルブ本体の壁は、入口および出口排気ガス開口と、前記少なくとも１つのウェイストゲート開口とを含む、請求項９に記載のターボチャージャ。
13. 前記排気チャンバの外部の周囲に配置され、前記バイパス通路と流体連通するウェイストゲートチャンバをさらに備え、前記少なくとも1つのウェイストゲート出口が前記排気チャンバ及び前記ウェイストゲートチャンバを接続する、請求項１２に記載のターボチャージャ。

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