JPH03138420A - ターボチャージャ付内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、互いに並列な主ターボチャージャと副ターボ
チャージャを有し、低速域では主ターボチャージャのみ
で過給し、高速域では両ターボチャージャを作動させて
両ターボチャージャで過給するターボチャージャ付内燃
機関、Ｉ／）わゆる２ステージツインターボエンジンに
関する。

〔従来の技術〕

２ステージツインターボエンジンは、たとえｔｆ。

特開昭６１−１１２７３４号公報、特開昭５９−１４５
３２８号公報、実間＠６２−１６７２９号公報等により
知られており、また本出願人により実願平１−３５５９
５号等で改良カベ提案されている。

さらに詳しくは、従来提案の２ステージツインターボエ
ンジン１は、第７図に示す如く、互ｌ／）に並列な主タ
ーボチャージャ２、副ターボチャージャ３を有する。２
ａ、２ｂはそれぞれ主ターボチャージャ２のタービン、
コンプレ・ノサを示し、３ａ、３ｂはそれぞれ副ターボ
チャージャ３のタービン、コンプレッサを示す。副ター
ボチャージャ３のタービン３ａ下流には排気切替弁６が
設番すられ、また、副ターボチャージャ３のコンブレツ
サ３ｂ下流には吸気切替弁４が、吸気バイパス通路７に
は吸気バイパス弁５が、それぞれ設けられる。

弁４．５．６の開閉は第８図に示す如（行われ、低速、
中速域（たとえば３４００ｒｐｍ以下）では、排気切替
弁６が閉じられるか（低速域）または小開制御（中速域
）による１個ターボチャージャ時の過給圧制御が行われ
、高速域（たとえば３４００ｒｐｍ以上）では、排気切
替弁６が全開とされて、主、副の両ターボチャージャに
より過給が行われる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、従来技術では、エンジン排気側で見た場合、単
一の排気切替弁６にて、１個ターボチャージャ時の過給
圧制御（小開制御、すなわち第８図のＡの制御）と１個
ターボチャージャから２個ターボチャージャへの切替（
第８図のＢの切替）を行っているため、つぎのような問
題を生じる。

（イ）１個ターボチャージャ時の過給圧制御（主ターボ
チャージャ２は全エンジン回転域で駆動、副ターボチャ
ージャ３は排気切替弁６を中速域で小開にして制御）で
は、排気切替弁のボア径が大き（（約５０φ、高速時出
力性能確保上必要な径）過給圧の制御性が悪い。バタフ
ライ弁は、ある小さな開度までの範囲では流れを大小に
制御するが、ある開度を越えるとほとんど流量が変化し
ないという特性を有しており、これが大径ボアに適用さ
れた場合過給圧の制御が難しくなる。したがって、１個
ターボチャージャから２個ターボチャージャへの切替（
第８図のＢ）において切替ショックが生じ、制御性が悪
い。

（ロ）排気切替弁６は、１個ターボチャージャ時過給圧
制御用ダイヤフラムと１個から２個ターボチャージャ切
替用ダイヤフラムとの２段ダイヤフラムを有しているた
め、大型となり、搭載上も不利である。

本発明は、２ステージツインターボエンジンの１個ター
ボチャージャ時の制御性を、搭載性も考慮して、向上さ
せることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、本発明によれば、つぎのターボチャージャ
付内燃機関によって達成される。すなわち、 互いに並列な主ターボチャージャと副ターボチャージャ
を有し、低速域では副ターボチャージャのタービン下流
に設けた排気切替弁を全開にして主ターボチャージャの
みで過給し、高速域では排気切替弁を全開にして主、副
側ターボチャージャで過給するターボチャージャ付内燃
機関において、副ターボチャージャのタービン出口下流
から排気切替弁をバイパスして排気切替弁の下流部また
は該下流部に常時連通する部位まで延びる小径の排気バ
イパス通路を設け、該排気バイパス通路に排気切替弁開
弁前に開くバイパス通路開閉弁を設けたことを特徴とす
るターボチャージャ付内燃機関。

〔作用〕

上記ターボチャージャ付内燃機関においては、中速時に
、高速時の２個ターボチャージャへの切替前に、排気切
替弁を全開にしたままで、バイパス通路開閉弁を開閉制
御することにより１個ターボチャージャから２個ターボ
チャージャ切替のための副ターボチャージャの予備回転
が行われる。

排気バイパス通路は予備回転用通路のため小径で済み、
従来のように大径ボアに設けた排気切替弁で制御するよ
り、予備回転制御の精度が高い。この場合、バイパス通
路開閉弁は排気切替弁開弁前に開き、排気ガスの脈動の
動圧を利用できるので、副ターボチャージャの予備回転
数を従来より大幅に上昇でき、排気切替弁を開弁して１
個ターボチャージャから２個ターボチャージャへの切替
えを行うときの切替ショックが従来より大幅に低減され
る。

さらに、１個から２個ターボチャージャへの切替制御専
用のバイパス通路開閉弁を設けたために排気切替弁のア
クチュエータは全閉−全開作動さえすればよいオン、オ
フ作動の単段ダイヤフラム弁式アクチュエータとされ、
小型となり、搭載上有利である。この場合、排気バイパ
ス通路、バイパス通路開閉弁およびそのアクチュエータ
が従来にくらべて増えるが、排気バイパス通路は副ター
ボチャージャのタービン下流側配管に沿設されることが
でき、かつバイパス通路開閉弁のアクチュエータも小型
で済み、かつ従来のウニイスゲートバルブと同様な位置
に配設可能であるから、配設がコンパクトに納り、大型
の２段ダイヤフラム式アクチュエータを設けていた従来
にくらべて搭載上有利である。

〔実施例〕

以下に、本発明に係るターボチャージャ付内燃機関の望
ましい実施例を、第１図から第６図までの図面を参照し
て説明する。ここで、第１図から第３図までは本発明の
第１実施例を、第４図は本発明の第２実施例を、第５図
は本発明の第３実施例を示し、第６図は何れの実施例に
も適用可能な答弁の開閉タイミングを示す。

はじめに、各実施例に共通な構成を説明する。

第３図に示すように、エンジン１１に対して、主ターボ
チャージャ１２、副ターボチャージャ１３が互いに並列
に設けられている。主ターボチャージャ１２は低速域か
ら高速域の全域にわたって駆動されるターボチャージャ
で、副ターボチャージャ１３は高速域および中速域から
高速域への切替用の予備回転時に駆動されるターボチャ
ージャである。

主ターボチャージャ１２はタービン１２ａ１コンプレツ
サ１２ｂを有し、副ターボチャージャ１３はタービン１
３ａ１コンプレツサ１３ｂを有する。主ターボチャージ
ャのコンプレッサ１２ｂからエンジン１１への吸気通路
１７と副ターボチャージャのコンプレッサ１３ｂからエ
ンジン１１への吸気通路１８とは途中で合流され、合流
部より下流の合流通路にインタークーラ１９、絞り弁２
０、サージタンク２１がこの順で設けられる。吸気通路
１８には合流通路より上流側に吸気切替弁１４が設けら
れる。

主ターボチャージャのタービン１２ａと副ターボチャー
ジャのタービン１３ａは、エキゾーストマニホルド２２
を介してエンジン１１に接続される。タービン１２ａか
らの排気通路２３とタービン１３ａからの排気通路２４
とは、途中部２７で合流され、触媒コンバータ２５、マ
フラ２６を介して大気に連通している。

副ターボチャージャのタービン１３ａの排気通路２４に
は、合流部２７より上流側に排気切替弁１６が設けられ
ている。

副ターボチャージャのタービン１３ａに接続される排気
通路２４には、副ターボチャージャのタービン１３ａの
出口下流から排気切替弁１６をバイパスして排気切替弁
１６の下流部または該下流部に常時連通する部位まで延
びる排気バイパス通路２８が設けられる。ここで常時連
通とは弁等を介さないで連通の意味である。この排気バ
イパス通路２８には、排気切替弁１６が開弁する前に開
くバイパス通路開閉弁２９が設けられている。バイパス
通路開閉弁２９は、スイングアーム型のものが示されて
いるが、バタフライ型、ポペット型等のものであっても
よ（、通路を開閉できるものであればよい。

排気切替弁１６、バイパス通路開閉弁２９、および吸気
切替弁１４の開閉の関係は、エンジンの低速〜高速に応
じて第６図に示すように定められているすなわち、排気
切替弁１６と吸気切替弁１４とは低中速域（たとえば３
４００ｒｐｍ以下）で全閉、高速域（たとえば３４００
ｒｐｍ以上）で全開とされ、バイパス通路開閉弁２９は
低速域で全閉とされ、中速域で排気切替弁１６開弁前に
開き、高速域では全開とされる。

主、副ターボチャージャのタービン１２ａ、１３ａおよ
びそれより下流側の構造はつぎのようになっている。た
とえば第１図に示すように、それぞれのタービンハウジ
ング３０．３１の出口は対向しており、タービンハウジ
ング３０．３１には、それぞれタービンアウトレットエ
ルボ３２．３３が接続される。

該タービンアウトレットエルボ３２．３３は適度のＲで
曲った後同方向に延び、互いに独立な通路３４．３５を
有する排気切替弁ハウジング３６に接続されている。通
路３４．３５は、フロントエキゾーストパイプ３７に接
続されかつフロントエキゾーストパイプ２７部位で合流
される。

排気切替弁１６は排気切替弁ハウジング３６内の副ター
ボチャージャ側通路３５に開閉可能に納められアクチュ
エータ３８によってロッド３９を介して開閉される。ア
クチュエータ３８は単４段ダイヤスフラム３８ａを有し
、従来の２段ダイヤフラム式アクチュエータにくらべて
小型とされている。

排気バイパス通路２８への入口２８ａは、たとえば０ 第２図に示すように、副ターボチャージャのタービンハ
ウジング３１のタービン翼近傍の下流部に設けられ、バ
イパス通路開閉弁２９は副ターボチャージャのタービン
ハウジング３１壁中に形成されたバイパス通路部分２８
ｂ内に前記入口２８ａを開閉可能に納められている。バ
イパス通路開閉弁２９は、小型な単段ダイヤフラム式ア
クチュエータ４ｏによってロッド４１を介して駆動され
る。アクチュエータの圧力室４２には過給圧が導かれ、
ダイヤフラム４４により圧力室から隔てられた室にはス
プリングが収納されている。アクチュエータ４ｏはウェ
イストゲートパルプと同様な位置に配置される。このよ
うなアクチュエータ４０の配設位置およびバイパス通路
開閉弁２９のタービンハウジング壁内配設は、バイパス
通路開閉弁アッセンブリの配設スペースを小さなものと
している。

つぎに第１から第３の実施例の各実施例特有の構成につ
いて説明する。

第１実施例では、第１図に示すように、排気バイパス通
路２日の・うち、副ターボチャージャのタービンハウジ
ング３１壁中に形成された通路２８ｂに接続される部分
が、タービンアウトレットエルボ３３壁中に形成された
部分２８ｃ、排気切替弁ハウジング３６壁中に形成され
た部分２８ｄ、フロントエキゾーストパイプ３７壁中に
形成された部分２８ｅがら成っ”’Ｃおり、これらの通
路部分２８ｂ　、　２８ｃ　、　２８ｄ　。

２８ｅは、排気通路２４に沿って延びており、排気通路
２３．２４の合流部２７に開口している。このような排
気バイパス通路２８の排気通路２４に沿う形成は、排気
バイパス通路２８の配設をコンパクトならしめ、他機器
との干渉を防止している。

第２実施例では、第４図に示すように、排気バイパス通
路２８は、タービンアウトレットエルボ３３、排気切替
弁ハウジング３６の壁とは別体に形成されて排気通路２
４に沿って延びるパイプ４５から成っており、パイプ４
５は途中に熱膨張吸収用のフレキシブルパイプ４５ａを
有している。パイプ４５はタービンハウジング３１壁中
に形成された通路２８ｂに接続されるとともに、フロン
トエキゾーストバイブ３７の合流部２７から延びてくる
パイプ４６に接続されて１ ２ いる。バイパス通路２８をパイプ４５で排気通路２４の
壁と別体に形成することにより、排気バイパス通路２８
の壁の熱容量が小となり、暖機時に壁昇温に多（の熱を
とられないため、触媒を早く暖機することが可能になる
。

第３実施例では、第５図に示すように、バイパス通路２
８が、タービンアウトレットエルボ３３とは別体に形成
されたパイプ４７又はエルボ３３．３２と一体化された
通路２８を有する鋳物により、主ターボチャージャ側の
タービンアウトレットエルボ３２に向って延び、タービ
ンアウトレットエルボ３２部位で主ターボチャージャ側
の排気通路２３に開口している。第１、第２実施例では
、排気バイパス通路２８は、排気通路２３．２４の合流
部２７に開口していたが、第３実施例では、合流部２７
に常時連通ずる、主ターボチャージャ１２の排気通路２
３に開口している。パイプ４７の上流側端は副ターボチ
ャージャのタービンハウジング３１壁中に形成された通
路２８ｂに接続される。排気バイパス通路２８をバイブ
４フカら形成して主ターボチャージャ１２のタービンア
ウトレットエルボ３２に接続することにより、配設パイ
プのコンパクト化をはかることができ、他機器との干渉
防止、触媒の暖機性の向上をはかることができる。

つぎに作用について説明する。

エンジンが低中速（たとえば３４００ｒｐｍ以下）でか
つバイパス通路開閉弁２９が全閉のときは、第６図に示
すように、排気切替弁１６は全閉、吸気切替弁１４は全
閉で、主ターボチャージャ１２のみが駆動され、主ター
ボチャージャ１２のみで過給される。

エンジンが低中速でかつバイパス通路開閉弁２９が開弁
されたときは、第６図に示すように、排気切替弁１６は
全閉、吸気切替弁１４は全閉であるから排気バイパス通
路２８を流れる流れ分だけ副ターボチャージャ１３は駆
動され、中速から高速への切替えのために予備回転され
る。排気バイパス通路２８は副ターボチャージャ予備回
転用で小径で済むため、従来の大型な排気切替弁の小開
制御による過給圧制御にくらべて、予備回転駆動用の流
量制御の精度がはるかに高く、制御性が極めて良好であ
３ ４ る。

エンジンが高速（たとえば３４００ｒｐｍ以上）のとき
は、第６図に示すように、排気切替弁１６は全開、バイ
パス通路切替弁２９は全開、吸気切替弁１４は全開とさ
れ、主、副詞ターボチャージャ１２．１３による過給が
行われる。

また、スペースの観点からしても、排気切替弁１６のア
クチュエータ３８が単段ダイヤフラム式アクチュエータ
となっているので、配設上極めて有利である。排気バイ
パス通路２８のタービン１３ａへの開口部およびバイパ
ス通路開閉弁２９は副ターボチャージャのタービンハウ
ジング３１壁中に形成または組付けられ、排気バイパス
通路２８も小径なものでよく、またバイパス通路開閉弁
２９駆動用のアクチュエータ４０も小型でウェイストゲ
ートバルブ配設部位と同様な部位に配設されるため、排
気バイパス通路２８、バイパス通路開閉弁２９、アクチ
ュエータ４０の設置は、配設上とくに問題を生じない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、次の効果を得る。

（イ）１個ターボチャージャから２個ターボチャージャ
切替制御専用の排気バイパス通路およびバイパス通路開
閉弁を設けたので、１個から２個ターボチャージャ切替
のための副ターボチャージャの予備回転をバイパス通路
開閉弁の開閉制御によって行なうことができ、従来のよ
うな排気切替弁の小開制御によ、る必要がないから、高
精度な、１個から２個ターボチャージャ切替えのための
副ターボチャージャ予備回転制御を行なうことができる
。この結果、副ターボチャージャを十分高速に予備回転
させることができ、１個ターボチャージャから２個ター
ボチャージャへの切替えを行うときの切替えショックを
従来にくらべて大幅に低減させることができる。

（ロ）１個から２個ターボチャージャへの切替制御専用
のバイパス通路開閉弁を設けたので、排気切替弁は小開
制御による１個ターボチャージャ時の過給圧制御をする
必要がなくなり、全開か全閉かのオンオフ制御さえすれ
ばよく、排気切替弁のアクチュエータを単段ダイヤフラ
ム式とすること５ ６ ができる。これによって、排気切替弁アクチュエータを
従来の２段ダイヤフラム式にくらべて大幅に小型なもの
にすることができ、搭載性を有利にすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に係るターボチャージャ付
内燃機関の、主、副ターボチャージャのタービン下流側
構造の正面図、 第２図は第１図のうち副ターボチャージャのタービン出
口近傍の拡大断面図、 第３図は本発明の第１実施例に係るターボチャージャ付
内燃機関の全体系統図、 第４図は本発明の第２実施例に係るターボチャージャ付
内燃機関の、主、副ターボチャージャのタービン下流側
構造の正面図、 第５図は本発明の第３実施例に係るターボチャージャ付
内燃機関の、主、副ターボチャージャのタービン下流側
構造の正面図、 第６図は本発明の第１、第２、第３実施例に共通に適用
可能な、排気切替弁、バイパス通路開閉弁、吸気切替弁
の開閉タイミング関係図、第７図は従来の２ステージツ
インターボエンジンの全体系統図、 第８図は従来の２ステージツインターボエンジンの排気
切替弁、吸気切替弁、吸気バイパス弁の開閉タイミング
関係図、 である。 １１・・・・・・エンジン １２・・・・・・主ターボチャージャ １２ａ・・・・・・主ターボチャージャのタービン１３
・・・・・・副ターボチャージャ １３ａ・・・・・・副ターボチャージャのタービン１４
・・・・・・吸気切替弁 １６・・・・・・排気切替弁 ２３．２４・・・・・・排気通路 ２８・・・・・・排気バイパス通路 ２８ａ・・・・・・バイパス通路のタービン出口開口２
９・・・・・・バイパス通路開閉弁 ３８・・・・・・排気切替弁開閉用のアクチュエータ４
０・・・・・・バイパス通路開閉弁開閉用のアクチュ７ ８ エータ 特 許 出 願 人 代 理 人 トヨタ自動車株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、互いに並列な主ターボチャージャと副ターボチャー
   ジャを有し、低速域では副ターボチャージャのタービン
   下流に設けた排気切替弁を全閉にして主ターボチャージ
   ャのみで過給し、高速域では排気切替弁を全開にして主
   、副両ターボチャージャで過給するターボチャージャ付
   内燃機関において、副ターボチャージャのタービン出口
   下流から排気切替弁をバイパスして排気切替弁の下流部
   または該下流部に常時連通する部位まで延びる小径の排
   気バイパス通路を設け、該排気バイパス通路に排気切替
   弁開弁前に開くバイパス通路開閉弁を設けたことを特徴
   とするターボチャージャ付内燃機関。