JPH05222947A - 過給機付エンジンの排気装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 長時間にわたり過酷な高速運転が行なわれた
場合でも、主ターボチャージャのタービンハウジングの
排気ガスによる熱歪を小に抑える。 【構成】 主ターボチャージャ７および副ターボチャー
ジャ８へ排気ガスを流入させる排気マニホールド３と、
副ターボチャージャ７側に設けられる排気バイパス弁４
１の下流に位置する排気バイパス通路４０の途中とを、
ウェストゲートバルブ３１が配置されるウェストゲート
バルブ通路５５を介して連通可能に接続する。

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ステージツインターボ
エンジンに関する。

【０００２】

【従来の技術】エンジン本体に対し、主、副二つのター
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。

【０００３】この種の過給機付エンジンの構成は、たと
えば図５に示すようになっている。エンジン本体１０１
に対し、主ターボチャージャ（Ｔ／Ｃ−１）１０２と副
ターボチャージャ（Ｔ／Ｃ−２）１０３が並列に設けら
れている。副ターボチャージャ１０３に接続される吸、
排気系には、それぞれ吸気切替弁１０４、排気切替弁１
０５が設けられ、副ターボチャージャ１０３のコンプレ
ッサをバイパスする吸気バイパス通路１０７には、吸気
バイパス弁１０６が設けられている。低吸入空気量域で
は吸気切替弁１０４、排気切替弁１０５をともに全閉と
することにより、主ターボチャージャ１０２のみを過給
作動させ、高吸入空気量域では両切替弁１０４、１０５
をともに全開とし、吸気バイパス弁１０６を閉じること
により、副ターボチャージャ１０３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。

【０００４】低吸入空気量域から高吸入空気量域に移行
するときには、吸気切替弁１０４および排気切替弁１０
５が閉じられているときに排気バイパス弁１０８を小開
制御し、さらに吸気バイパス弁１０６を閉じることによ
り副ターボチャージャ１０３の助走回転数を高め、ター
ボチャージャの切替をより円滑に（切替時のショックを
小さく）行うことが可能になっている。

【０００５】図５の過給機付エンジンでは、過給装置の
コンパクト化を図るために、ウェストゲートバルブおよ
び排気バイパス弁を各タービンハウジングに組込む構成
を採用している。図６は、主ターボチャージャ１０２の
タービンハウジング１１１を示している。タービンハウ
ジング１１１内には、翼車１１２が配置されており、翼
車１１２の外周にはスクロール部１１３が位置してい
る。タービンハウジング１１１には、スクロール部１１
３の内壁面に開口するポート１１４が形成されている。
ポート１１４の弁座部には、ウェストゲートバルブ１１
５の弁体が着座するようになっている。

【０００６】図７は、副ターボチャージャ１０３のター
ビンハウジング１１６を示している。タービンハウジン
グ１１６内には、インペラ１１７が配置されており、イ
ンペラ１１７の外周にはスクロール部１１８が位置して
いる。タービンハウジング１１６には、タービン出口排
気通路とほぼ直交する方向に排気バイパス通路１１９が
形成されている。タービンハウジング１１６に形成され
た排気バイパス通路１１９には、弁座部１１９ａが設け
られており、弁座部１１９ａに排気バイパス弁１０８の
弁体が着座するようになっている。排気バイパス通路１
１９の下流端は、主ターボチャージャ１０２のタービン
ハウジング下流側と合流するようになっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図５の
ような過給機付エンジンでは、つぎのような問題があっ
た。

【０００８】（１）長時間にわたる過酷な高速運転が行
なわれると、高温の排気ガスがウェストゲートバルブ１
１５が配置されるタービンハウジング１１１のポート１
１４を集中して流れることになり、タービンハウジング
１１１に大きな熱歪が生じる。熱歪の発生は主ターボチ
ャージャの耐久信頼性を低下させるとともに、ウェスト
ゲートバルブからの排気ガスの漏れを生じさせる。

【０００９】（２）また、２個ターボチャージャ時に
は、図５に示すように、排気バイパス通路１１９には排
気ガスが流れないので、主ターボチャージャ１０２のタ
ービンハウジング１１１と排気バイパス通路１１９との
温度差が大となる。したがって、２個ターボチャージャ
時には、排気バイパス通路１１９はスポット的に冷えた
箇所となり、排気バイパス通路１１９の主ターボチャー
ジャ１０２の下流側との合流部には大きな熱応力が作用
することになる。

【００１０】

【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装置は、排気マニホールド
に接続される主ターボチャージャと副ターボチャージャ
とをそれぞれ備え、低吸入空気量域では主ターボチャー
ジャのみを過給作動させ、高吸入空気量域では主ターボ
チャージャおよび副ターボチャージャの双方を過給作動
させ、主ターボチャージャのみの過給時には副ターボチ
ャージャ側に設けられた排気バイパス弁の開弁制御によ
り過給圧制御を行ない、主ターボチャージャおよび副タ
ーボチャージャの双方による過給時には各ターボチャー
ジャのタービンをバイパスするウェストゲートバルブの
開弁制御により過給圧制御を行なうようにした過給機付
エンジンにおいて、前記排気マニホールドと前記排気バ
イパス弁の下流に位置する排気バイパス通路の途中と
を、前記ウェストゲートバルブが配置されるウェストゲ
ートバルブ通路を介して連通可能に接続したものから成
る。

【００１１】

【作用】このように構成された過給機付エンジンの排気
装置においては、主ターボチャージャおよび副ターボチ
ャージャの双方による過給作動時には、過給圧が目標値
を超えるとウェストゲートバルブが開き、高温の排気ガ
スがウェストゲートバルブ通路から排気バイパス通路の
途中に逃がされる。ここで、ウェストゲートバルブ通路
は、排気マニホールドと排気バイパス通路を連通するも
のであるので、ウェストゲートバルブを介してバイパス
される排気ガスによって主ターボチャージャのタービン
ハウジングは過熱されなくなる。したがって、ウェスト
ゲートバルブ通路を介して流れる排気ガス量の分だけ主
ターボチャージャの過熱度が低くなり、長時間にわたり
過酷な高速運転が行なわれた場合でも、主ターボチャー
ジャのタービンハウジングの熱歪は小に抑えられる。

【００１２】また、排気バイパス通路には、１個ターボ
チャージャおよび２個ターボチャージャのいずれの場合
でも排気ガスが流れることになるので、主ターボチャー
ジャのタービンハウジングと排気バイパス通路との温度
差が小さくなり、排気バイパス通路の主ターボチャージ
ャ下流との合流部における熱応力の発生を小とすること
が可能となる。

【００１３】

【実施例】以下に、本発明に係る過給機付エンジンの排
気装置の望ましい実施例を、図面を参照して説明する。

【００１４】第１実施例 図１および図３は、本発明の第１実施例を示しており、
とくに車両に搭載される６気筒エンジンに適用した場合
を示している。図２において、１はエンジン本体、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
３ａによって連通されている。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７
ａ、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、インタクーラ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。

【００１５】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の下流に排気切替弁１
７が、コンプレッサ８ｂの下流に吸気切替弁１８が設け
られる。吸、排気切替弁１８、１７の両方とも開弁のと
きは、両方のターボチャージャ７、８が作動される。

【００１６】副ターボチャージャ８のタービン８ａの下
流と主ターボチャージャ７のタービン７ａの下流とは、
排気バイパス通路４０を介して連通可能となっている。
排気バイパス通路４０には、この排気バイパス通路４０
を開閉する排気バイパス弁４１が設けられている。排気
バイパス通路４０の上流部は、副ターボチャージャ８の
タービンハウジング８ｃに形成されている。排気バイパ
ス弁４１は、従来技術の図７に示したのと同様に、ター
ビンハウジング８ｃ内に配置されている。排気バイパス
弁４１は、ダイヤフラム式アクチュエータ４２によって
開閉されるようになっている。

【００１７】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、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を円滑にするために、コン
プレッサ７ｂの上流とコンプレッサ８ｂの下流とを連通
する吸気バイパス通路１３と、吸気バイパス通路１３の
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はダイヤフラム式のアクチュエータ１
０によって開閉される。吸気切替弁１８の上流と下流と
を連通するバイパス通路には、逆止弁１２が設けられて
おり、吸気切替弁１８の閉時において副ターボチャージ
ャ８側のコンプレッサ出口圧力が主ターボチャージャ７
側より大になったとき、空気が上流側から下流側に流れ
ることができるようにしてある。なお、図中、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。

【００１８】吸気通路１５はエアフローメータ２４を介
してエアクリーナ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
気マフラーに接続される。吸気切替弁１８はアクチュエ
ータ１１によって開閉され、排気切替弁１７はダイヤフ
ラム式アクチュエータ１６によって開閉されるようにな
っている。ウエストゲートバルブ３１は、アクチュエー
タ９によって開閉されるようになっている。

【００１９】排気マニホールド３の主ターボチャージャ
７側と排気バイパス通路４０の途中に位置する下流部４
０ａとは、ウェストゲート通路５５を介して連通可能と
なっている。ウェストゲート通路５５の上流部には、ウ
ェストゲートバルブ３１が配置されている。これによ
り、ウェストゲートバルブ３１から流出する排気ガスは
全て排気バイパス通路４０の途中に流入するようになっ
ている。

【００２０】両ターボチャージャ７、８のコンプレッサ
下流とインタクーラ６との間の吸気通路には、蓄圧タン
ク（正圧タンク）５１が接続されている。蓄圧タンク５
１には、正圧のみを蓄えるためのチェック弁が設けられ
ている。蓄圧タンク５１の容積は、たとえば３００ｃｃ
となっている。

【００２１】アクチュエータ９、１０、１１、１６、４
２は、過給圧の導入によって作動するようになってい
る。各アクチュエータ９、１０、１１、１６、４２に
は、蓄圧タンク５１からの過給圧とたとえばエアフロー
メータ２４の下流からの大気圧とを選択的に切り替える
ために、第１、第３、第４、第５、第６の電磁弁２５、
２７、２８、３２、４４が接続されている。各電磁弁２
５、２７、２８、３２、４４の切替は、エンジンコント
ロールコンピュータ２９からの指令に従って行なわれ
る。

【００２２】第１の電磁弁２５のＯＮは、吸気切替弁１
８を全開とするようにアクチュエータ１１を作動させ、
ＯＦＦは吸気切替弁１８を全閉とするようにアクチュエ
ータ１１を作動させる。第４の電磁弁２８のＯＮは、排
気切替弁１７を全開とするようにアクチュエータ１６を
作動させ、ＯＦＦは排気切替弁１７を全閉するようにア
クチュエータ１６を作動させる。第２の電磁弁２７のＯ
Ｎは、吸気バイパス弁３３を全閉するようにアクチュエ
ータ１０を作動させ、ＯＦＦは吸気バイパス弁３３を全
開するようにアクチュエータ１０を作動させる。

【００２３】排気バイパス弁４１を作動させるアクチュ
エータ４２に大気圧を導入する第５の電磁弁３２は、Ｏ
Ｎ、ＯＦＦ制御でなく、デューティ制御される。同様
に、ウエストゲートバルブ３１を作動させるアクチュエ
ータ９に負圧を導く第６の電磁弁４４は、ＯＮ、ＯＦＦ
制御でなく、デューティ制御される。デューティ制御
は、周知の通り、デューティ値により通電時間を制御す
ることであり、デジタル的に通電、非通電の割合を変え
ることにより、アナログ的に平均電流が可変制御され
る。なお、デューティ値は、１サイクルの時間に対する
通電時間の割合であり、１サイクル中の通電時間をＡ、
非通電時間をＢとすると、デューティ値＝Ａ／（Ａ＋
Ｂ）×１００（％）で表わされる。

【００２４】１個ターボチャージャ駆動時には、排気バ
イパス弁４１の開度は、アクチュエータ４２のダイヤフ
ラム室に導入される過給気の大気へのブリード量（リー
ク量）を第５の電磁弁３２のデューティ制御によって可
変させることにより可変可能となっている。２個ターボ
チャージャ駆動時には、ウエストゲートバルブ３１の開
度は、アクチュエータ９のダイヤフラム室に導入される
過給気の大気へのブリード量（リーク量）を第６の電磁
弁４４のデューティ制御によって可変させることにより
可変可能となっている。これにより、２個ターボチャー
ジャ駆動時の過給圧が所定値に維持されるようになって
いる。

【００２５】つぎに、第１実施例における作用について
説明する。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１０が閉じ
られる。これによって２個ターボチャージャ７、８が駆
動され、十分な過給空気量が得られ、出力が向上され
る。低速域でかつ高負荷時には、吸気切替弁１８と排気
切替弁１７がともに閉じられ、吸気バイパス弁３３が開
かれる。これによって主ターボチャージャ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
理由は、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。

【００２６】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、吸気切替弁１８
および排気切替弁１７が閉じられているときに排気バイ
パス弁４１をデューティ制御により小開制御し、さらに
吸気バイパス弁３３を閉じることにより副ターボチャー
ジャ８の助走回転数を高め、ターボチャージャの切替を
より円滑（切替時のショックを小さく）に行うことが可
能になる。

【００２７】１個ターボチャージャ駆動時および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時に
は、排気バイパス弁４１の開弁によって排気バイパス通
路４０には排気ガスが流れ、排気バイパス通路４０から
の排気ガスは、主ターボチャージャ７のタービンハウジ
ング７ｃ下流に流出される。２個ターボチャージャで
は、過給圧が目標値を超えるとウェストゲートバルブ３
１が開弁される。ウェストゲートバルブ３１が開弁され
ると、エンジン本体１から排気マニホールド３に排出さ
れた排気ガスは、ウェストゲート通路５５を介して排気
バイパス通路４０の途中に流出される。

【００２８】ウェストゲート通路５５は、排気マニホー
ルド３と排気バイパス通路４０を連通するものであるの
で、ウェストゲートバルブ３１を介してバイパスされる
排気ガスによって主ターボチャージャ７のタービンハウ
ジングは過熱されない。これにより、ウェストゲート通
路５５を介して流れる排気ガス量の分だけ主ターボチャ
ージャ７の過熱度は低くなる。したがって、長時間にわ
たり過酷な高速運転が行なわれた場合でも、主ターボチ
ャージャ７のタービンハウジング７ｃの熱歪は小に抑え
られ、耐久信頼性が高められる。

【００２９】また、排気バイパス通路４０には、１個タ
ーボチャージャおよび２個ターボチャージャのいずれの
場合でも排気ガスが流れるので、主ターボチャージャ７
のタービンハウジングと排気バイパス通路４０との温度
差が小さくなる。そのため、排気バイパス通路４０はス
ポット的に冷えることはなく、排気バイパス通路４０の
主ターボチャージャ７下流との合流部における熱応力の
発生を小とすることが可能となる。

【００３０】第２実施例 図３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、ウェストゲート通路の
接続位置のみであり、その他の部分は第１実施例に準じ
るので、準じる部分に第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。

【００３１】第１実施例では、ウェストゲート通路５５
の上流端は排気マニホールド３の主ターボチャージャ７
側と接続されていたが、本実施例ではウェストゲート通
路５５の上流端は、排気マニホールド３の副ターボチャ
ージャ７側と接続されている。ウェストゲートバルブ３
１は、第１実施例と同様にウェストゲート通路５５の上
端部に配置されている。

【００３２】このように構成された第２実施例において
は、ウェストゲート通路５５の上流側が副ターボチャー
ジャ７側に位置しているので、２個ターボチャージャ時
には排気マニホールド３からの排気ガスが副ターボチャ
ージャ８側に多く流れ、ウェストゲート通路５５を流れ
る排気ガスによって副ターボチャージャの温度が高めら
れる。その分、常時過給作動している主ターボチャージ
ャ７の熱負荷が減少され、主ターボチャージャ７と副タ
ーボチャージャ８の熱負荷バランスが改善される。した
がって、主ターボチャージャ７と副ターボチャージャ８
の熱歪の発生も小に抑えられターボチャージャの耐久信
頼性が高められる。

【００３３】図４は、第２実施例の変形例を示してい
る。第１実施例および第２実施例では、ウェストゲート
バルブ３１はウェストゲート通路５５の上流部に配置さ
れていたが、図４に示すように、ウェストゲートバルブ
３１をウェストゲート通路５５の下流部に配置すること
も可能である。図４では、ウェストゲート通路５５の排
気バイパス通路４０との合流部近傍に、ウェストゲート
バルブ３１が配置されている。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、つぎのような効果が得
られる。

【００３５】（１）排気マニホールドと排気バイパス弁
の下流に位置する排気バイパス通路の途中とを、ウェス
トゲートバルブが配置されるウェストゲート通路を介し
て連通可能に接続したので、ウェストゲート通路を流れ
る排気ガス量の分だけ主ターボチャージャの過熱度を低
くすることが可能となる。したがって、長時間にわたり
過酷な高速運転が行なわれた場合でも、主ターボチャー
ジャのタービンハウジングの熱歪を小に抑えることがで
き、主ターボチャージャの耐久信頼性を高めることがで
きる。

【００３６】（２）ウェストゲート通路の下流端が排気
バイパス通路の途中に接続されるので、ウェストゲート
の通路長を短かくすることができる。したがって、過給
装置のコンパクト化を図ることができ、過給機付エンジ
ンの車両への搭載性も向上される。

【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
排気装置の要部拡大平面図である。

【図２】図１の装置を有する過給機付エンジンの制御系
統図である。

【図３】本発明の第２実施例に係る過給機付エンジンの
排気装置の要部拡大平面図である。

【図４】図３の装置の変形例を示す要部拡大平面図であ
る。

【図５】従来の過給機付エンジンの系統図である。

【図６】図５における主ターボチャージャの断面図であ
る。

【図７】図５における副ターボチャージャの断面図であ
る。

【符号の説明】

３ 排気マニホールド ７ 主ターボチャージャ ８ 副ターボチャージャ ３１ ウェストゲートバルブ ４０ 排気バイパス通路 ４１ 排気バイパス弁 ５５ ウェストゲート通路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 排気マニホールドに接続される主ターボ
   チャージャと副ターボチャージャとをそれぞれ備え、低
   吸入空気量域では主ターボチャージャのみを過給作動さ
   せ、高吸入空気量域では主ターボチャージャおよび副タ
   ーボチャージャの双方を過給作動させ、主ターボチャー
   ジャのみの過給時には副ターボチャージャ側に設けられ
   た排気バイパス弁の開弁制御により過給圧制御を行な
   い、主ターボチャージャおよび副ターボチャージャの双
   方による過給時には各ターボチャージャのタービンをバ
   イパスするウェストゲートバルブの開弁制御により過給
   圧制御を行なうようにした過給機付エンジンにおいて、
   前記排気マニホールドと前記排気バイパス弁の下流に位
   置する排気バイパス通路の途中とを、前記ウェストゲー
   トバルブが配置されるウェストゲート通路を介して連通
   可能に接続したことを特徴とする過給機付エンジンの排
   気装置。