JP7376384B2 - Internal combustion engine with exhaust turbocharger - Google Patents
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Description
本願発明は、排気ターボ過給機を搭載した内燃機関(多気筒内燃機関)に関するものである。 The present invention relates to an internal combustion engine (multi-cylinder internal combustion engine) equipped with an exhaust turbocharger.
自動車用等の内燃機関において、出力向上等のために排気ターボ過給機を設けることは広く行われている。この排気ターボ過給機は、タービンハウジングとコンプレッサハウジングと軸受ハウジングとを備えており、タービンハウジングの排気ガス出口通路とコンプレッサハウジングの吸気入口とが、回転軸の軸心方向に向いて逆向きに開口している。 BACKGROUND ART In internal combustion engines for automobiles and the like, it is widely practiced to provide an exhaust turbo supercharger in order to improve output and the like. This exhaust turbo supercharger includes a turbine housing, a compressor housing, and a bearing housing, and the exhaust gas outlet passage of the turbine housing and the intake inlet of the compressor housing are oriented in opposite directions in the axial direction of the rotating shaft. It's open.
シリンダヘッドには各気筒に対応した排気ポートが形成されており、シリンダヘッドの排気側面には、排気出口が各気筒に対応して個別に開口しているか、又は、各排気ポートに連通した集合通路の1つの排気出口が開口しており、排気ターボ過給機は、一般に、排気出口が個別に開口している場合は排気マニホールドに固定されて、排気出口が1つに集約されている場合はシリンダヘッドの排気側面に直付けされている。 The cylinder head is formed with an exhaust port corresponding to each cylinder, and on the exhaust side of the cylinder head, either exhaust ports are opened individually corresponding to each cylinder, or there are a set of exhaust ports that communicate with each exhaust port. One exhaust outlet of the passage is open, and the exhaust turbocharger is generally fixed to the exhaust manifold if the exhaust outlets are individually open, or if the exhaust outlets are consolidated into one. is attached directly to the exhaust side of the cylinder head.
さて、排気ターボ過給機は主として出力向上を目的に搭載されるが、排気ターボ過給機が排気側面の側に配置されていると、加圧された吸気はシリンダヘッドの上を跨ぐなどして吸気側に送られることになるため、加圧吸気の通路が長くなって加速・減速の応答性が遅れやすいという問題がある。 Now, an exhaust turbo supercharger is installed mainly to improve output, but if the exhaust turbo supercharger is placed on the side of the exhaust, the pressurized intake air may straddle the top of the cylinder head. Since the compressed air is sent to the intake side, there is a problem that the passage for the pressurized intake air becomes long and the responsiveness of acceleration and deceleration tends to be delayed.
この点について、特許文献1には、シリンダヘッドに、排気マニホールド部と吸気マニホールド部とを内蔵して、これら排気マニホールド部の集合通路と吸気マニホールド部の集合通路とをシリンダヘッドの短手一側面に開口させ、排気ターボ過給機を、タービンハウジングの排気ガス導入通路が排気集合通路に連通して、吸気集合通路がコンプレッサハウジングの吸気出口に連通するように配置・固定することが開示されている。
Regarding this point,
特許文献1の構成では、加圧された吸気は吸気マニホールド部にダイレクトに入るため、加速・減速の応答性は極めて高いと云えるが、問題点も見られる。
In the configuration of
例えば、排気マニホールド部の集合通路と吸気マニホールド部の集合通路との間には相当の間隔が空くため、排気ターボ過給機は、軸受けハウジングの長さを長くして対応せねばならず、すると、排気ターボ過給機が必要以上に大型化するという問題がある。 For example, since there is a considerable gap between the collective passage in the exhaust manifold section and the collective passage in the intake manifold section, the exhaust turbo supercharger must accommodate this by increasing the length of the bearing housing. , there is a problem that the exhaust turbo supercharger becomes larger than necessary.
また、吸気量はスロットルバルブで制御されるが、コンプレッサハウジングをシリンダヘッドに直付けすると、スロットルバルブをどこに配置するかも問題になる。更に、吸気系には吸気脈動を消去するサージタンクが必要であるが、特許文献1のように吸気マニホールド部をシリンダヘッドに内蔵するとサージタンクを配置できないため、脈動が各気筒にダイレクトに伝わってしまうという問題もある。
Furthermore, the amount of intake air is controlled by a throttle valve, but if the compressor housing is attached directly to the cylinder head, it becomes a problem where to place the throttle valve. Furthermore, the intake system requires a surge tank to eliminate intake pulsation, but if the intake manifold is built into the cylinder head as in
従って、特許文献1の構成は、加速・減速の応答性荷は優れているものの、実機に適用するには問題が多く、現実性が低いと言わざるを得ない。
Therefore, although the configuration of
本願発明はこのような現状に鑑み成されたものであり、排気ターボ過給機をシリンダヘッドの短手一側面に取り付けることは特許文献1と共通しつつ、現実性に優れた態様で提供しようとするものである。
The present invention has been made in view of the current situation, and while it is common to
本願発明の内燃機関は、
「シリンダヘッドのうち吸気側面及び排気側面と直交した短手一側面に、排気ターボ過給機が、タービンハウジングが前記排気側面の側に位置してコンプレッサハウジングが前記吸気側面の側に位置するようにして配置されている」
という基本構成になっている。
The internal combustion engine of the present invention is
``The exhaust turbo supercharger is placed on one short side of the cylinder head that is orthogonal to the intake side and exhaust side, and the turbine housing is located on the side of the exhaust side and the compressor housing is placed on the side of the intake side. It is arranged as follows.
This is the basic configuration.
そして、上記基本構成において、
「前記シリンダヘッドの前記短手一側面に排気集合通路が開口しており、前記排気ターボ過給機のタービンハウジングが、前記排気集合通路に連通した状態で前記シリンダヘッドの短手一側面に固定されて、前記排気ターボ過給機のコンプレッサハウジングが吸気出口を前記シリンダヘッドの側に向けた姿勢で配置されている一方、
前記シリンダヘッドの吸気側面には、インタークーラを備えて吸気が前記インタークーラから枝通路に分岐して流れる吸気マニホールドが固定されており、前記排気ターボ過給機におけるコンプレッサハウジングの吸気出口が、前記インタークーラの側に向くようにして前記シリンダヘッドの外側に配置された過給通路及びスロットルバルブを介して前記インタークーラに接続されている」
という特徴を有している。
In the above basic configuration,
"An exhaust gas collecting passage is open on one short side of the cylinder head, and the turbine housing of the exhaust turbo supercharger is fixed to one short side of the cylinder head while communicating with the exhaust gas collecting passage. and the compressor housing of the exhaust turbo supercharger is arranged with the intake outlet facing the cylinder head side ,
An intake manifold including an intercooler and through which intake air branches from the intercooler into branch passages is fixed to the intake side of the cylinder head , and the intake outlet of the compressor housing of the exhaust turbocharger is connected to the intake manifold . It is connected to the intercooler via a supercharging passage and a throttle valve that are arranged on the outside of the cylinder head so as to face the intercooler.
It has the following characteristics.
吸気マニホールドはインタークーラとは別にサージタンクを備えていてもよいし、インタークーラをサージタンクに兼用させることも可能である。いずれにしても、スロットルバブルはインタークーラの入口に配置することになる。 The intake manifold may be provided with a surge tank separate from the intercooler, or the intercooler may also be used as the surge tank. In any case, the throttle bubble will be located at the inlet of the intercooler.
本願発明では、排気ターボ過給機はシリンダヘッドの短手一側面に取り付けられているため、コンプレッサハウジングの吸気出口と吸気マニホールドとの間隔をできるだけ短くして、加速・減速の応答性を向上できる。 In the present invention, since the exhaust turbo supercharger is attached to one short side of the cylinder head, the distance between the intake outlet of the compressor housing and the intake manifold can be made as short as possible, and the response of acceleration and deceleration can be improved. .
そして、コンプレッサハウジングの吸気出口とインタークーラとは、シリンダヘッドの外側に配置された過給通路によって接続されていると共に、インタークーラ及び吸気マニホールドもシリンダヘッドに外付けされているため、排気ターボ過給機を必要以上に大型化することなく、過給通路の長さを調整することによって過給吸気を吸気マニホールドに供給できる。また、スロットルバブルの取り付けも問題なく行える。従って、実機への適用が容易で現実性に優れている。 The intake outlet of the compressor housing and the intercooler are connected by a supercharging passage located outside the cylinder head, and since the intercooler and intake manifold are also externally attached to the cylinder head, the exhaust turbo Supercharged intake air can be supplied to the intake manifold by adjusting the length of the supercharging passage without increasing the size of the charger more than necessary. Also, the throttle bubble can be installed without any problems. Therefore, it is easy to apply to actual machines and has excellent practicality.
(1).基本構造
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、自動車用の3気筒内燃機関に適用している。以下では、方向を特定するため前後・左右の方向を使用するが、前後方向はクランク軸線方向であり、タイミングチェーンが配置される側を前、ミッションケンースが配置される側を後ろとしている。左右方向はクランク軸線及びシリンタボア軸線と直交した方向である。
(1).Basic Structure Next, embodiments of the present invention will be described based on the drawings. This embodiment is applied to a three-cylinder internal combustion engine for automobiles. In the following, front and rear and left and right directions are used to specify the direction, but the front and rear direction is the direction of the crank axis, and the side where the timing chain is placed is the front, and the side where the transmission chain is placed is the back. . The left-right direction is a direction perpendicular to the crank axis and the cylinder bore axis.
図1はヘッドカバーを省略してシリンダヘッド1を表示した平面図であり、シリンダヘッド1には、軸心のみを示す吸気用カム軸2と排気用カム軸3とが平行に配置されており、これらは図示しないカムキャップで回転自在に保持されている。カム軸2,3の前端には、VVT装置(図示ぜ)を介してスプロケット4が取り付けられており、スプロケット4やチェーンはフロントカバー5で覆われている。
FIG. 1 is a plan view showing the
また、シリンダヘッド1には、点火プラグやイグニッションコイルなどを配置するプラグホール6や、バルブ保持穴7の群が形成されている。敢えて述べるまでもないが、シリンダヘッド1及びフロントカバー5には、図示しないヘッドカバーが上から重なっている。
Further, the
シリンダヘッド1の長手一側面は吸気ポート8が開口した吸気側面1aになって、シリンダヘッド1の長手他側面は排気側面1bになっている。シリンダヘッド1の内部には、排気ポートが連通した前後長手の排気集合通路9が排気側面1bに近接した状態で形成されており、排気集合通路9はシリンダヘッド1の後面1cに開口している。
One longitudinal side of the
本実施形態の内燃機関は、クランク軸を車幅方向に長い姿勢に配置すると共に、排気側面1bが車両の前進方向に向くように配置している。従って、前排気・後ろ吸気の横置きタイプになっている。
In the internal combustion engine of this embodiment, the crankshaft is arranged in a long position in the vehicle width direction, and the
シリンダヘッド1の前面1dと後面1cは短手側面であるが、このうちの後面1cを請求項に記載した短手一側面と成して、後面1cに排気ターボ過給機10を取り付けている。排気ターボ過給機10は、タービン翼(図示せず)が回転自在に配置されたタービンハウジング11と、コンプレッサ翼(図示せず)が回転自在に保持されたコンプレッサハウジング12と、両者の間に位置した軸受ハウジング13とを備えている。
The
そして、排気ターボ過給機10は、タービンハウジング11が排気側面1bの側に位置し、コンプレッサハウジング12が吸気側面1aの側に位置する姿勢で配置されている。 従って、タービン翼とコンプレッサ翼とが固定された回転軸は、左右方向に長い姿勢になっており、タービンハウジング11の排気ガス出口14は排気側面1bの側に位置して排気側面1bと直交した方向に開口し、後面1cの吸気入り口15は吸気側面1aの側に位置して吸気側面1aと直交した方向に開口している。
The
図3に明示するように、タービンハウジング11は排気ガス導入通路16が開口した入口側フランジ17を備えており、入口側フランジ17は、排気ガス導入通路16を排気集合通路9と連通させた状態でシリンダヘッド1の後面1cにボルトで固定されている。タービンハウジング11の排気ガス出口14は出口側フランジ18に開口しており、出口側フランジ18には触媒ケース19が継手部19aを介して接続されている。敢えて述べるまでもないが、触媒ケース19には触媒が内蔵されており、下端のコーン部に排気管(図示せず)が接続されている。
As clearly shown in FIG. 3, the
コンプレッサハウジング12では、吸気は、コンプレッサ翼の回転軸心方向から流入して、コンプレッサ翼の回転接線方向に排出される。従って、吸気出口20はコンプレッサハウジング12の外周方向に開口しているが、本実施形態では、例えば図1に明示するように、吸気出口20はシリンダヘッド1の側に向いている。すなわち、吸気出口20は機関の前側に開口している。
In the
本実施形態の排気ターボ過給機10は水冷式であり、タービンハウジング11の下部に冷却水入口ポート21を設けて、タービンハウジング11の上端部に冷却水出口ポート22を設けている。なお、図1に符号23で示すのはオイル注入口、図2に符号24で示すのはオイル排出ポートである。
The
図3から推測できるように、本実施形態では、排気ガス導入通路16に流入した排気ガスは上方に流れてタービン翼を駆動する。従って、タービン翼を囲うタービンスクロール室は排気ガス導入通路16よりも上に位置している。従って、本実施形態の排気ターボ過給機10は上巻き方式になっている。
As can be inferred from FIG. 3, in this embodiment, the exhaust gas that has entered the exhaust
タービンハウジング11には、過給圧を制御するためのウェイストゲートバルブ(図示せず)が内蔵されており、ウェイストゲートバルブは、図2,3に示すアクチュエータ26で駆動される。アクチュエータ26はダイヤフラム式であり、その弁体に図3に示すロッド27が連結されており、ロッド27がその長手方向に進退動してリンク28を回動させることにより、ウェイストゲートバルブの開度を調節できる。
A wastegate valve (not shown) for controlling boost pressure is built into the
(2).吸気系との関係
図1に模式的に示すように、シリンダヘッド1の吸気側面1aには、インタークーラ30を一体化した吸気マニホールド31が固定されている。すなわち、吸気マニホールド31は、各気筒に対応した枝通路32を有しており、枝通路32が形成されたフランジ33を吸気側面1aに固定している。
(2).Relationship with the intake system As schematically shown in FIG. 1, an
インタークーラ30は水冷式であり(空冷式でもよい)、送水管34と排出管35とが接続されている。本実施形態では、インタークーラ30はサージタンクを兼用しており、インタークーラ30に流入した吸気は枝通路32から分岐して各気筒に送られる。
The
インタークーラ30のうち後ろ寄り部位に吸気入口となるスロットルボデー37を設けており、このスロットルボデー37にスロットルバルブを内蔵して、スロットルボデー37の入り口と排気ターボ過給機10の吸気出口20とを過給通路38で接続している。過給通路38はダクト又はホースで構成されている。スロットルボデー37はインタークーラ30の後部上面に配置しているが、インタークーラ30の後面に配置することも可能である。
A
排気ターボ過給機10は、吸気出口20がシリンダヘッド1の吸気側面1aの近くに位置ように配置されている一方、スロットルボデー37はインタークーラ30の後端部に配置されて後ろ向きに開口している(スロットルバルブにおける弁体の回転軸は、図1において紙面と直交した鉛直方向に向いている。)。そこで、過給通路38は、概ねクランク状の形態を成してスロットルボデー37の入り口に接続されている。
The
図1に一点鎖線X1で示すように、スロットルボデー37の入り口を吸気出口20の方向に向けて平面視で傾斜した姿勢に開口させると共に、吸気出口20をスロットルボデー37の方向に向けることにより、過給通路38を直線状に形成することも可能である。或いは、図1 に点線X2で示すように、排気ターホ過給機10の吸気出口20をスロットルボデー37の真後ろに位置させて、過給通路38を前後長手の姿勢で一直線状に配置することも可能である。
As shown by the dashed line X1 in FIG . It is also possible to form the supercharging
図3に一点鎖線で示すように、側面視での過給通路38の姿勢(水平に対する姿勢)は任意に設定できる。従って、インタークーラ30の高さやスロットルボデー37の高さに対応して、過給通路38の終端の高さ位置を調節できる。
As shown by the dashed line in FIG. 3, the attitude of the supercharging
本実施形態の内燃機関は、EGR装置を備えている。EGR装置はEGRパイプ39を備えており、EGRパイプ39の始端は、例えば触媒ケース19の下コーン部に接続されて、EGRパイプ39の終端は、エアクリーナ40と排気ターボ過給機10とを繋ぐ吸気通路41の中途部に接続されている。また、EGRパイプ39の中途部にEGRバルブ42を介在させている。
The internal combustion engine of this embodiment includes an EGR device. The EGR device includes an
図1では、EGRパイプ39やEGRバルブ42を排気ターボ過給機10の後ろに配置した状態に描いているが、これは作図上の便宜的なものであり、実際には、EGRパイプ39はシリンダヘッド1に近づけて配置している。EGRバルブ42はシリンダヘッド1に固定してもよい。EGRパイプ39には水冷式のEGRクーラ43を介在させているが、EGRクーラ43は排気ターボ過給機10の下方に配置することも可能である。
In FIG. 1, the
本実施形態は以上の構成であり、排気ターボ過給機10はシリンダヘッド1の後面に配置されていると共に、排気ターボ過給機10の吸気出口20はシリンダヘッド1の吸気側面1aの近くに位置しているため、排気ターボ過給機をシリンダヘッドの排気側面に接続した場合に比べて、吸気出口20とスロットルボデー37との間隔(すなわち過給通路38の長さ)を格段に縮小できる。従って、自動車の加速・減速(或いはトルクの増減)の応答性を向上できる。
The present embodiment has the above configuration, and the
また、吸気マニホールド31やスロットルボデー37はシリンダヘッド1の外に配置されているため、吸気マニホールド31やスロットルボデー37を配置するに当たってスペースの制約はなく、現実性に優れている。
Furthermore, since the
さて、自動車用内燃機関では排気ガスの浄化性能基準が高くなっており、これに伴って触媒ケース19も大型化しているが、自動車用内燃機関の場合、エンジンルームの高さの制約から触媒ケース19を低くすることに限度があるため、触媒ケース19は高さを高くすることによって大型化に対応せざるを得ない場合がある。この点、排気ターボ過給機10を上巻き方式にすると、触媒ケース19の大型化に対応できる。
Now, the exhaust gas purification performance standards for automobile internal combustion engines have become higher, and the
他方、吸気マニホールド31にインタークーラ30を設けてその上部にスロットルボデー37を設けると、スロットルボデー37の高さはかなり高くなる。そこで、排気ターボ過給機10が上巻き方式になっていて吸気出口20の高さが高いことを利用して、スロットルボデー37と吸気出口20との高低差をできるだけ小さくし、過給通路38の配置態様を簡単化できる。
On the other hand, if the
図4に示す例では、スロットルボデー37はインタークーラ30の後面に配置されており、その入り口は排気ターホ過給機10の方向に開口している。そこで、過給通路38を直線状に形成しているが、この実施形態では、過給通路38の長さは非常に短くなるため、過給の応答性を更に向上できる。
In the example shown in FIG. 4, the
以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は他にも様々に具体化できる。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention can be embodied in various other ways.
本願発明は、排気ターボ過給機を備えた内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。 The present invention can be embodied in an internal combustion engine equipped with an exhaust turbocharger. Therefore, it can be used industrially.
1 シリンダヘッド
1a 吸気側面
1b 排気側面
1c 後面(短手一側面)
9 排気集合通路
10 排気ターボ過給機
11 タービンハウジング
12 コンプレッサハウジング
14 排気ガス出口
15 吸気入り口
16 排気ガス導入通路
19 触媒ケース
20 吸気出口
30 インタークーラ(サージタンク)
31 吸気マニホールド
37 スロットルボデー
38 過給通路
39 EGRパイプ
40 エアクリーナ
41 吸気通路
1
9 Exhaust
31
38
Claims (1)
前記シリンダヘッドの前記短手一側面に排気集合通路が開口しており、前記排気ターボ過給機のタービンハウジングが、前記排気集合通路に連通した状態で前記シリンダヘッドの短手一側面に固定されて、前記排気ターボ過給機のコンプレッサハウジングが吸気出口を前記シリンダヘッドの側に向けた姿勢で配置されている一方、
前記シリンダヘッドの吸気側面には、インタークーラを備えて吸気が前記インタークーラから枝通路に分岐して流れる吸気マニホールドが固定されており、前記排気ターボ過給機におけるコンプレッサハウジングの吸気出口が、前記インタークーラの側に向くようにして前記シリンダヘッドの外側に配置された過給通路及びスロットルバルブを介して前記インタークーラに接続されている、
排気ターボ過給機搭載の内燃機関。 The exhaust turbo supercharger is arranged on one short side of the cylinder head perpendicular to the intake side and the exhaust side, with the turbine housing located on the exhaust side and the compressor housing positioned on the intake side. The configuration is arranged such that
An exhaust gas collecting passage is open on one short side of the cylinder head, and a turbine housing of the exhaust turbo supercharger is fixed to one short side of the cylinder head while communicating with the exhaust gas collecting passage. The compressor housing of the exhaust turbo supercharger is arranged with the intake outlet facing the cylinder head side ,
An intake manifold including an intercooler and through which intake air branches from the intercooler into branch passages is fixed to the intake side of the cylinder head , and the intake outlet of the compressor housing of the exhaust turbocharger is connected to the intake manifold . connected to the intercooler via a supercharging passage and a throttle valve arranged on the outside of the cylinder head so as to face the intercooler;
Internal combustion engine equipped with an exhaust turbo supercharger.
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