JPH04134119A - 過給機付エンジンの排気マニホールド - Google Patents

過給機付エンジンの排気マニホールド

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JPH04134119A
JPH04134119A JP2409838A JP40983890A JPH04134119A JP H04134119 A JPH04134119 A JP H04134119A JP 2409838 A JP2409838 A JP 2409838A JP 40983890 A JP40983890 A JP 40983890A JP H04134119 A JPH04134119 A JP H04134119A
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JP
Japan
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exhaust manifold
exhaust
inner pipe
turbocharger
sub
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Pending
Application number
JP2409838A
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English (en)
Inventor
Yuji Kanto
関東 勇二
Toshihisa Sugiyama
敏久 杉山
Mamoru Yoshioka
衛 吉岡
Toru Kidokoro
徹 木所
Kunihiko Nakada
邦彦 中田
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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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】
[0001]
【産業上の利用分野】
本発明は、主ターボチャージャと副ターボチャージャを
有し、低吸入空気量域では主ターボチャージャのみで過
給し、高吸入空気量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過給機付エンジン、
いわゆる2ステ−ジツインターボエンジンに関する。 [0002]
【従来の技術】
エンジン本体に対し、主、開−つのターボチャージャを
並列に配置し、低吸入空気量域では主ターボチャージャ
のみ作動させて1個ターボチャージャとし、高吸入空気
量域では両ターボチャージャを作動させるようにした、
いわゆる2ステージターボシステムを採用した過給機付
エンジンが知られている。 この種の過給機付エンジンの構成は、たとえば図10に
示すようになっている。エンジン本体91に対し、主タ
ーボチャージャ(T/C−1)92と副ターボチャージ
ャ(T/C−2)93が並列に設けられている。副ター
ボチャージャ93に接続される吸、排気系には、それぞ
れ吸気切替弁94、排気切替弁95が設けられ、副ター
ボチャージャ93のコンプレッサをバイパスする吸気バ
イパス通路97には、吸気バイパス弁96が設けられて
いる。吸気切替弁94、排気切替弁95をともに全閉と
することにより、主ターボチャージャ92のみを過給作
動させ、両切替弁94.95をともに全開とし、吸気バ
イパス弁96も閉じることにより、副ターボチャージャ
93にも過給作動を行わせ、2個ターボチャージャ作動
とすることができる。 [0003] 2ステージツインターボエンジンでは、上述したように
、主ターボチャージャのみが作動する1個ターボチャー
ジャ時には、他の気筒群からの排気ガスを一方の気筒群
側に流して合流させ、両方の気筒群の排気ガスを主ター
ボチャージャに流すようになっている。したがって、エ
ンジンの排気マニホールドは、排気干渉を伴なわない一
方の気筒群と他方の気筒群の双方の排気集合部を連通さ
せている排気マニホールドは、気筒配列方向に延びてい
るため、気筒数に比例してその長さは長くなり、排気マ
ニホールドの熱歪を吸収する機構が必要となる。実開昭
60−178329号公報に開示されている排気系構造
においては、一方の気筒群と他方の気筒群とを連通させ
る連通路をフレキシブルパイプで構成し、熱歪を吸収さ
せ熱変形が防止されるようになっている。 フレキシブルパイプは、蛇腹状の屈曲可能なパイプであ
り、これをそのまま連通路として利用すると、流路抵抗
が犬となって排気ガスの流れが悪くなり、圧力損失が大
きくなる。また1、フレキシブルパイプは、屈曲可能に
するために薄板で構成されており、高温ガスが直接多量
に触れると熱劣化により破損してしまう。 したがって、圧力損失を低減するためおよび高温ガスが
直接触れないためには、フレキシブルパイプの内側に排
気ガスを円滑に導く円筒状のインナパイプを配設するこ
とが考えられる。 [0004]
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、インナパイプの両端部を排気マニホール
ドに溶接等によって固定すると、排気ガスのシール性の
向上ははかれるが、排気マニホールドの熱変形が十分に
吸収できないという問題がある。また、インナパイプの
両端部を排気マニホールドに対してスライド可能とする
と、排気マニホールドとインナパイプ間で排気ガスの漏
れが生じ、熱劣化によって板厚の薄いフレキシブルパイ
プが破損するおそれがある。 本発明は、上記の問題に着目し、排気マニホールドとイ
ンナパイプとの間における排気ガスの漏れを有効に防止
するとともに、排気マニホールドの熱変形を十分に吸収
することが可能な、過給機付エンジンの排気マニホール
ドを提供することを目的とする。 [0005]
【課題を解決するための手段】 この目的に沿う本発明に係る過給機付エンジンの排気マ
ニホールドは、主ターボチャージャと副ターボチャージ
ャとを備え、排気干渉を伴わない一方の気筒群と他方の
気筒群の双方の排気集合部を連通させた排気マニホール
ドを有する過給機付エンジンにおいて、つぎのような手
段を有している。 (1) 排気マニホールドを主ターボチャージャ側と副
ターボチャージャ側とに分割し、分割された双方の排気
マニホールドをインナパイプと該インナパイプを覆う屈
曲可能なフレキシブルパイプを介して連結し、インナパ
イプの副ターボチャージャ側の端部を一方の排気マニホ
ールドに圧入固定するとともに、インナパイプの主ター
ボチャージャ側の端部を他方の排気マニホールドにスラ
イド可能に嵌合したものから成る。 (2) 排気マニホールドを主ターボチャージャ側と副
ターボチャージャ側とに分割し、分割された双方の排気
マニホールドをインナパイプと該インナパイプを覆う屈
曲可能なフレキシブルパイプを介して連結し、インナパ
イプの副ターボチャージャ側の端部を一方の排気マニホ
ールドに圧入固定するとともに、インナパイプの主ター
ボチャージャ側の端部を他方の排気マニホールドにスラ
イド可能に嵌合し、インナパイプの排気マニホールドと
の嵌合部を半径方向外方に膨出する球面状に形成したも
のから成る。 [0006]
【作用】
このように構成された過給機付エンジンの排気マニホー
ルドにおいては、排気ガスが流入しやすいインナパイプ
の副ターボチャージャ側の端部が一方の排気マニホール
ドに圧入固定されるので、この圧入固定される部分から
の排気ガスの漏れは防止される。つまり、インナパイプ
の副ターボチャージャ側の端部は、主ターボチャージャ
側の端部よりも上流側に位置し、排気ガスが流入しやす
いが、圧入によってその嵌合部分にはほとんど隙間が生
じなくなるので、排気ガスの漏れは確実に防止される。 また、インナパイプの主ターボチャージャ側の端部は、
副ターボチャージャ側の端部に対して下流に位置するた
め排気ガスが流入しにくく、他方の排気マニホールドに
対してスライド可能な構造としても、排気ガスの漏れは
ほとんど生じない。 インナパイプの副ターボチャージャ側の端部は、排気マ
ニホールドにスライド可能に嵌合されていることから、
分割された双方の排気マニホールドが熱変形した場合で
も、インナパイプと他方の排気マニホールドとの摺接に
よってその熱変形は吸収される。この場合、フレキシブ
ルパイプは屈曲可能であるので、双方の排気マニホール
ドを連結しても、熱変形は確実に吸収される。 なお、インナパイプの排気マニホールドとの嵌合部を半
径方向外方に膨出する球面状とすることにより、排気マ
ニホールドがインナパイプの軸方向以外に熱変形した場
合でも、インナパイプに大きな曲げ力が作用することは
なくなり、曲げ力によるインナパイプの破損が防止され
る。 [0007]
【実施例】
以下に、本発明に係る過給機付エンジンの排気マニホー
ルドの望ましい実施例を、図面を参照して説明する。 [0008] 第1実施例 図1ないし図2は、本発明の第1実施例を示している。 図4において、1はエンジン、2はサージタンク、3は
排気マニホールドを示す。排気マニホールド3は排気干
渉を伴わない#1〜#3気筒群と#4〜#6気筒群の2
つに集合され、その集合部が連通路41によって互いに
連通されている。7.8は互いに並列に配置された主タ
ーボチャージャ、副ターボチャージャである。ターボチ
ャージャ7.8のそれぞれのタービン7a、8aは排気
マニホールド3の集合部に接続され、それぞれのコンプ
レッサ7b、8bは、インククーラ6、スロットル弁4
を介してサージタンク2に接続されている。主ターボチ
ャージャ7は低吸入空気量域から高吸入空気量域まで作
動され、副ターボチャージャ8は低吸入空気量域で停止
される。 双方のターボチャージャ7.8の作動、停止を可能なら
しめるために、副ターボチャージャ8のタービン8aの
下流にはアクチュエータ16によって開閉作動する排気
切替弁17が、コンプレッサ8bの下流には、アクチュ
エータ11によって開閉作動する吸気切替弁18が設け
られる。吸、排気切替弁18.17の両方とも全開のと
きは、両方のターボチャージャ7.8が作動される。 低吸入空気量域で停止される副ターボチャージャ8の吸
気通路には、コンプレッサ8bの上流と下流とを連通ず
る吸気バイパス通路13と、吸気バイパス通路13途中
に配設される吸気バイパス弁33が設けられる。吸気バ
イパス弁33はアクチュエータ10によって開閉される
。 なお、図4中、14はコンプレッサ出口側の吸気通路、
15はコンプレッサ入口側の吸気通路を示す。吸気通路
15はエアフローメータ24を介してエアクリ−ナ23
に接続される。排気通路を形成するフロントパイプ20
は、排気ガス触媒21を介して排気マフラー22に接続
される。 [0009] この過給機付エンジンにおいては、低速域でカリ高負荷
時には、吸気切替弁18き排気切替弁17がともに閉じ
られ、吸気バイパス弁33は開かれる。これによって、
1個のターボチャージャ7のみが駆動される。低吸入空
気量域で1個ターボチャージャとするのは、低吸入空気
量域では1個ターボチャージャ過給特性が2個ターボチ
ャージャ過給特性より優れているからである。1個ター
ボチャージャとすることにより、過給圧、トルクの立上
りが早くなり、レスポンスが迅速となる。 高吸入空気量域では、吸気切替弁18と排気切替弁17
がともに開かれ、吸気バイパス弁33が閉じられる。こ
れによって2個ターボチャージャ7.8が過給作動し、
充分な過給空気量が得られ、出力が向上される。このと
き過給圧は、設定圧を越えないように、ウェストゲート
バルブ31で制御される。 低速域でカリ軽負荷時には、排気切替弁17を閉じたま
ま吸気切替弁18を開弁する。これによって、1個ター
ボチャージャ駆動のまま、吸気通路2個ターボチャージ
ャ分が開となり、1個ターボチャージャによる吸気抵抗
の増加を除去できる。したがって、低負荷からの加速初
期における過給圧立上り特性、レスポンスをさらに改善
できる。 低吸入空気量域から高吸入空気量域に移行するとき、つ
まり1個ターボチャージャから2個ターボチャージャ作
動へ切り替えるときには、排気切替弁17の小開制御に
より副ターボチャージャ8の助走回転が高められるので
、2個ターボチャージャへの切替時の切替ショックが緩
和される。 [0010] 図1および図2は、排気マニホールド3を示している。 排気マニホールド3の一方の気筒群(#1〜#3気筒)
の集合部と、他方の気筒群(#4〜#6)の集合部は、
連通路41によって連通されている。連通路41には、
可撓連結手段42が介装されている。すなわち、本実施
例では、排気マニホールド3は、一方の気筒群(#1〜
#3)側の第1の排気マニホールド3aと他方の気筒群
(#4〜特開平4−13411″、9(8) #6気筒)側の第2の排気マニホールド3bとに2分割
されており、分割された各排気マニホールド3a、3b
は、可撓連結手段42によって連結されている。 可撓連結手段42は、排気マニホールド3の熱変形を吸
収するものであり、フレキシブルパイプ43、インナパ
イプ44、締結リング45とから構成されている。フレ
キシブルパイプ43は、すべての方向に弾性変形可能と
なっている。フレキシブルパイプ43の内側には、イン
ナパイプ44が配置されている。フレキシブルパイプ4
3の端面は、締結リング45によって2分割された各排
気マニホールド3a、3bのフランジ端面と密着されて
いる。 インナパイプ44は、排気ガスが円滑に流れるように円
筒状に構成されている。インナパイプ44の副ターボチ
ャージャ8側の端部は、第2の排気マニホールド3bの
フランジ端面側に形成された機械加工済の接続穴41b
に圧入によって固定されている。インナパイプ44の副
ターボチャージャ8側の端部の内径はD2に設定されて
いる。このインナパイプ44の副ターボチャージャ8側
の端部の内径D は、第2の排気マニホールド3bの連
通路41の内径D1よりも犬に設定されている。 インナパイプ44の主ターボチャージャ7側の端部は、
第1の排気マニホールド3aのフランジ端面側に形成さ
れた機械加工済の接続穴41aにスライド可能に嵌合さ
れている。インナパイプ44の主ターボチャージャ7側
の端部の内径は上述と同様にD2に設定されている。第
1の排気マニホールド3aの連通路41の内径D3は、
インナパイプ44の主ターボチャージャ7側の端部の内
径D2よりも犬に設定されている。なお、インナパイプ
44のターボチャージャ側端面と第、1の排気マニホー
ルド3aの接続穴段付面との間には、スライドを許容す
るために、所定のクリアランスが設定されている。 連通路41の副ターボチャージャ8側の接続部46は、
#4気筒の排気上流側に突した湾曲形状となっている。 接続部46の一方の内壁面46aは、2個ターボチャー
ジャ時に、#4気筒からの排気ガスをスムーズに副ター
ボチャージャ8に流すような傾斜面となっている。接続
部46の他方の内壁面46bは、1個ターボチャージャ
時に、#4気筒からの排気ガスをスムーズに連通路41
側に流すような湾曲面に形成されている。連通路41の
主ターボチャージャ7側の接続部iis− 47は、はぼストレート状に形成されている。接続部4
7の内壁面47aの下流端は、1個ターボチャージャ時
に、他方の気筒群(#4〜#6気筒)からの排気ガスを
、#3気筒からの排気ガスと干渉させることなく合流さ
せるように形成されている。
【001月 つぎに、第1実施例における作用について説明する。 主ターボチャージャ7のみが作動する1個ターボチャー
ジャ時には、#4〜#6気筒からの排気ガスは連通路4
1を介して主ターボチャージャ7に向けて流れる。ここ
で、インナパイプ44の副ターボチャージャ8側の端部
は、第2の排気マニホールド3bの接続穴41bに圧入
によって固定されているので、このインナパイプ44が
上流側に位置していても、接続穴41bとインナパイプ
44との間からの排気ガス漏れは防止される。また、イ
ンナパイプ44の内径D2は、第2の排気マニホールド
3b側の連通路41の内径D1よりも犬に設定されてい
るので、排気ガスがインナパイプ44の圧入部分に流入
しにくくなり、この圧入部分からの排気ガス漏れは確実
に防止される。 また、インナパイプ44の主ターボチャージャ7側の端
部は、第1の排気マニホールド3aの接続穴41aにス
ライド可能に嵌合されているので、各排気マニホールド
3a、3bが熱変形した場合でも、その熱変形量は、第
1の排気マニホールド3aとインナパイプ44との摺接
により確実に吸収される。 また、第1の排気マニホールド3a連通通路内径D3は
、インナパイプ44の内径D2よりも犬に設定されてい
るので、排気ガスが第1の排気マニホールドの接続穴4
1aの段付部に当ってスライド部分にまわり込むことな
くスムーズに流れる。これにより、第1の排気マニホー
ルド3aとインナパイプ44との間からの排気ガスの漏
れを有効に防止できる。 [0012] 第2実施例 図5は、本発明の第2実施例を示している。第2実施例
が第1実施例と異なるところは、連通路41の内壁構造
のみであり、その他の部分は第1実施例に準じるので、
準じる第1実施例と同一の符号を付すことにより準じる
部分の説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する
。後述する他の実施例も同様とする。 図5において、連通路41の内壁面のうち第1の排気マ
ニホールド3aの接続穴41aの近傍L と、第2の排
気マニホールド3bの接続穴41bの近傍L2は、機械
加工面41c、41dに形成されている。各機械加工面
41c、41dは、たとえば中ぐり盤による機械加工に
よって滑らかに加工されており、連通路41の面粗度が
高められている。各排気マニホールド3a、3bは、通
常、砂型鋳物を用いて鋳造される鋳鋼から構成されるの
で、その表面の面粗度は低く排気流れ抵抗が比較的太と
なるが、本実施例のように連通路41の内壁面を機械加
工することにより、連通路41の流路抵抗が小さくでき
、主ターボチャージャ7側への排気の流れを円滑化する
ことができる。 [0013] 第3実施例 図6ないし図8は、本発明の第3実施例を示している。 図中、44はインナパイプを示し、インナパイプ44の
第2の排気マニホールド3bとの嵌合部44dは、半径
方向外方に膨出する球面状に形成されている。嵌合部4
4dは、図6に示すように、断面形状が円弧状となって
おり、その曲率半径はR2となっている。嵌合部44d
は接続穴41bに圧入されており、嵌合部44dの端面
44eは、接続穴41bの端面と密着されている。 インナパイプ44の第1の排気マニホールド3aとの嵌
合部44aは、半径方向外方に膨出する球面状に形成さ
れている。嵌合部44aは、図6に示すように、断面形
状が円弧状となっており、その曲率半径はR1となって
いる。嵌合部44aは接続穴41aにスライド可能に嵌
合されており、嵌合部44aの端面44bは接続穴41
aの端面との間には、排気マニホールド3の熱歪を吸収
するスライド化が形成されている。接続穴41bの上流
端面外周部は、面取加工されており、面取り部41cの
外径はD4となっている。インナパイプ44の上流側の
嵌合部44dの内径はD となっている。嵌合部44d
の内径D5は、面取り部41Cの外径D4よりも大とな
っている。これは、嵌合部44aに排気ガスが直接当る
のを解消し、局部加熱によってインナパイプ44が破損
するのを防止するなめである。 嵌合部44dの曲率半径R2は、嵌合部44aの曲率R
1よりも犬となっている。嵌合部44dを球面状とした
理由の一つは、半径方向に対する強度を増大させ圧入時
の座屈変形を防止するためである。また、嵌合部44a
を球面状とした理由の一つは、第1の排気マニホールド
3aとの接触面積を小とするとともにスライドを円滑に
し、かつスライド代を短かくするためである。 [0014] このように構成された第3実施例においては、インナパ
イプ44の嵌合部44a、44dが球面状に形成されて
いるので、双方の排気マニホールド3a、3bがインナ
パイプ44の軸方向以外に熱変形した場合でも、インナ
パイプ44に大きな曲げ力が作用することがなくなり、
インナパイプ44の破損が防止される。 すなわち、インナパイプ44の嵌合部44a、44dを
球面状に形成することにより、第1の排気マニホールド
3aと第2の排気マニホールド3bは、インナパイプ4
4に対して首振り可能となり、この首振り作用によって
インナパイプ44には曲げ力は生じなくなる。 また、嵌合部44aを球面状にしたことにより、球面部
分のみでの摺接が可能となり、インナパイプ44の端面
のエッチ部分によって接続穴41aの内壁面が削られる
こともなくなる。したがって、削り取りによる金属異物
の発生が防止でき、これに起因するセラミック等からな
るタービンホイールの破損を防止することも可能となる
。 なお、嵌合部44aの球面状化による接触面積の縮小に
より、接続穴41aのスライド代が短かくすることがで
きるため、接続穴41aの機械加工長を第1実施例より
も短かくでき、製造コストの低減が可能となる。 [0015] 図9は、第3実施例の変形例を示している。第3実施例
では、嵌合部4.4dの全部が球面状に形成されていた
が、本変形例では端面部は中間部分と同様に円筒状に形
成されている。 [0016] 【発明の効果】 以上説明したように、本発明に係る過給機付エンジンの
排気マニホールドにょるときは、排気マニホールドを主
ターボチャージャ側と副ターボチャージャ側とに分割し
、分割された双方の排気マニホールドをインナパイプと
このインナパイプを覆う屈曲可能なフレキシブルパイプ
を介して連結し、インナパイプの副ターボチャージャ側
の端部を一方の排気マニホールドに正大固定するととも
に、インナパイプの主ターボチャージャ側の端部を他方
の排気マニホールドにスライド可能に嵌合するようにし
たので、以下の効果が得られる。 (イ)排気マニホールドとインナパイプとの間からの排
気ガスの漏れを有効に防止でき、しかも排気マニホール
ドの熱変形を十分に吸収することができる。 (ロ)インナパイプの排気マニホールドとの嵌合部を半
径方向に膨出する球面状に形成したので、排気マニホー
ルドがインナパイプの軸方向以外に熱変形した場合でも
、インナパイプに大きな曲げ力が作用することを解消す
ることができ、曲げ力によるインナパイプの破損を防止
することができる。 (ハ)インナパイプのスライド部分が球面状に形成され
ることにより、インナパイプの端面のエツジ部分によっ
て排気マニホールドの嵌合面が削り取られるおそれもな
くなり、この削り取られた金属異物に起因するタービン
ホイールの破損も防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1実施例に係る過給機付エンジンの排気マニ
ホールドの部分拡大断面図である。
【図2】 図1の排気マニホールドの要部平面図である。
【図3】 図2の正面図である。
【図4】 図1の排気マニホールドを備えた過給機付エンジンの系
統図である。
【図5】 本発明の第2実施例に係る過給機付エンジンの排気マニ
ホールドの部分拡大断面図である。
【図6】 本発明の第3実施例に係る過給機付エンジンの排気マニ
ホールド図である。
【図7】 図6の排気マニホールドの要部平面図である。
【図8】 図6の部分拡大断面図である。
【図9】 図8の変形例を示す断面図である。
【図101 従来の過給機付エンジンの系統図である。 【符号の説明】 1 エンジン 3 排気マニホールド 3a 第1の排気マニホールド 3b・第2の排気マニホールド 4 スロットル弁 7 主ターボチャージャ 8 副ターボチャージャ 13 吸気バイパス通路 17 排気切替弁 18 吸気切替弁 41 連通路 41c、41d  機械加工面 43 フレキシブルパイプ 44 インナパイプ 44a、44d  球面状の嵌合部 ドの部分拡大断
【書類名】
【図1】 図面
【図2】
【図3】
【図4】 + ヤ ! °へ ゛へ セ セ
【図5】
【図8】
【図9】
【図7】 【図101

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】主ターボチャージャと副ターボチャージャ
    とを備え、排気干渉を伴わない一方の気筒群と他方の気
    筒群の双方の排気集合部を連通させた排気マニホールド
    を有する過給機付エンジンにおいて、前記排気マニホー
    ルドを主ターボチャージャ側と副ターボチャージャ側と
    に分割し、分割された双方の排気マニホールドをインナ
    パイプと該インナパイプを覆う屈曲可能なフレキシブル
    パイプを介して連結し、前記インナパイプの副ターボチ
    ャージャ側の端部を一方の排気マニホールドに圧入固定
    するとともに、前記インナパイプの主ターボチャージャ
    側の端部を他方の排気マニホールドにスライド可能に嵌
    合したことを特徴とする過給機付エンジンの排気マニホ
    ールド。
  2. 【請求項2】主ターボチャージャと副ターボチャージャ
    とを備え、排気干渉を伴わない一方の気筒群と他方の気
    筒群の双方の排気集合部を連通させた排気マニホールド
    を有する過給機付エンジンにおいて、前記排気マニホー
    ルドを主ターボチャージャ側と副ターボチャージャ側と
    に分割し、分割された双方の排気マニホールドをインナ
    パイプと該インナパイプを覆う屈曲可能なフレキシブル
    パイプを介して連結し、前記インナパイプの副ターボチ
    ャージャ側の端部を一方の排気マニホールドに圧入固定
    するとともに、前記インナパイプの主ターボチャージャ
    側の端部を他方の排気マニホールドにスライド可能に嵌
    合し、該インナパイプの排気マニホールドとの嵌合部を
    半径方向外方に膨出する球面状に形成したことを特徴と
    する過給機付エンジンの排気マニホールド。
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