JPH065022B2 - 排気タ−ボ過給機付エンジン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はエンジンの低速域での排気ガスエネルギーを有
効に利用し得る排気ターボ過給機付エンジンに関する。

（従来技術） 従来から排気ターボ過給機付エンジンとして、例えば特
開昭５８−１３８２２２号公報に示されるように、過給
機のタービンスクロール室を隔壁により複数の室に区切
り、コンプレッサ過給圧に応じてスクロール室への排ガ
スの流入をバルブで制御し、以ってエンジンの低速から
高速まで高範囲に亘って効率良く高い過給圧力を得て出
力の向上を図ろうとしたものがある。

ところが、高速で高出力を要求されるようなエンジンの
過給機は、上記のように複数のスクロール室を有する構
成であっても低速の排ガス量の少ない領域では、排気ポ
ートからタービンまでの間でのエネルギーロスのため、
ほとんど過給効果が得られない。すなわち従来構成では
排気ポートから過給機のタービンまでの容量が大きいた
めに、排気ポートから流出した排ガスはタービンに入る
前に排気通路内にて膨張してしまいタービンへの仕事と
して有効に利用できない。

また、上記排気ポートからタービン間の容量を小さくす
るために、排気ポートからタービンまでの距離を短くす
ることも現実のエンジンのレイアウトから限界があり、
また、吸気通路径の縮小をすることは、排圧が増大し、
高速域での排気抵抗が大きくなり、出力低下につなが
る。

（発明の目的） 本発明は上記従来の問題点に鑑みてなされたもので、２
つの分割されたスクロール室をもつターボ過給機を備え
たエンジンにおいて、それぞれ独立した排気通路を設け
て高速域から低速域に至るまで排ガスエネルギーを十分
かつ有効に利用でき出力の向上を図ることができる排気
ターボ過給機付エンジンを提供するものである。

（発明の構成） 本発明は吸気通路中に介設されるコンプレッサと排気通
路中に介設されるタービンとを同一軸上に有し、タービ
ンケース内を隔壁により２つのスクロール室に分割した
ターボ過給機を備えたエンジンにおいて、エンジン各気
筒の排気ポートを、排気バルブ開弁角が比較的大きい高
速用排気ポートとこの高速用排気ポートよりも排気バル
ブ開弁角が小さい低速用排気ポートとからなる２ポート
とし、各々のポートに接続される排気通路を独立させる
とともに、各排気通路を上記各スクロール室に連結し、
かつ高速用排気ポートもしくはこれに連なる気筒別の排
気通路に、各気筒毎に低速域で通路を閉じる通路遮断機
構を設けたものである。

この構成により、エンジンの運転状態に応じて排気通路
が切替られることになり、排ガス流量が少なく流速の遅
い低速、低負荷時においても、排ガスエネルギーを有効
にタービンに伝達し得るものである。

（実施例） 以下本発明を図面に示す実施例に基いて詳細に説明す
る。

第１図は本発明の実施例の全体構成を示し、１はエンジ
ンで、気筒１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄを有し、各気筒には
それぞれ２個の吸気ポート２、排気ポート３が設けら
れ、各気筒における吸気ポート２および排気ポート３に
おいて一方は低速用、他方は高速用とされている。４は
上記吸気ポート２に連結された吸気通路、５は上記排気
ポート３に連通された排気通路で、この排気通路５は各
気筒における低速用排気ポート３Ｐに通じる気筒別の排
気通路を集合させた低速用排気通路５Ｐと、各気筒にお
ける高速用排気ポート３Ｓに通じる気筒別の排気通路を
集合させた高速用排気通路５Ｓとにそれぞれ独立して設
けられている。

６はターボ過給機で、吸気通路４中に介設されたコンプ
レッサ７と、排気通路５中に介設されたタービン８とが
同一軸上に設けられ、タービンケース９内は隔壁１０に
より２つのスクロール室１１Ｐ，１１Ｓに分割されてい
る。そして一方のスクロール室１１Ｐには上記低速用排
気通路５Ｐが連結され、他方のスクロール室１１Ｓには
上記高速用排気通路５Ｓが連結されている。また一方の
スクロール室１１Ｐは他方のスクロール室１１Ｓよりも
流量面積が小さく形成されており、この流量面積の小さ
いスクロール室１１Ｐに低速用排気通路５Ｐが連結さ
れ、流路面積の大きいスクロール室１１Ｓに高速用排気
通路５Ｓが連結されている。

また、吸気通路４にはコンプレッサ７よりも上流側にエ
アクリーナ１３およびエアフローメータ１４が設けら
れ、また、コンプレッサ７よりも下流側にスロットル弁
１５が設けられ、また、排気通路５にはタービン８の下
流側にサイレンサ１６が設けられている。

上記吸気ポート２、排気ポート３にはそれぞれ吸気バル
ブ、排気バルブが設けられ、かつ低速用排気ポート３Ｐ
に設けられる排気バルブと、高速用排気ポート３Ｓに設
けられる排気バルブとはバルブの開閉タイミングを変え
ている。すなわち、第２図(a)(b)はそれぞれ低速時およ
び高速時におけるバルブのリフト特性を示し、曲線Ｉは
低速用排気ポート３Ｐのバルブのリフト特性、曲線IIは
高速用排気ポート３Ｓのバルブのリフト特性を示す。こ
のように高速用排気ポート３Ｓに設けられたバルブは開
弁角が広く設定されるとともに、通路遮蔽機構としての
バルブ作動停止機構（後述する）を備え、低速時にはこ
のバルブを作動停止させるようにしている。

第３図は吸排気バルブの作動機構、特に高速用排気バル
ブのバルブ作動停止機構お実施例を示す。

同図において、２１はシリンダブロック、２２はシリン
ダヘッド、２３はピストンで、これらにより形成された
燃焼室２４に吸気ポート２および排気ポート３（図面で
は高速用排気ポート３Ｓ）が開口し、それぞれに吸気バ
ルブ２５および排気バルブ２６Ｓ（図面では高速用排気
バルブ）が設けられている。なお、図面では高速用の吸
排気バルブを示しているが、同一の燃焼室２４に対し低
速用の吸排気バルブも備えている。２７はエンジン出力
軸に連結されたカムシャフト、２８はカムシャフト２７
に設けられたカム、２９，３０は上記カム２８に係合す
るロッカーアームで、このロッカーアーム２９，３０が
吸気バルブ２５のバルブステム３１および排気バルブ２
６Ｓのバルブステム３２のそれぞれの上端部が係合する
ことによって各バルブが所定のリフト特性でもって開閉
動作させられるようになっている。３３，３４は各バル
ブを閉弁方向に付勢するバルブスプリングである。

３５は上記ロッカーアーム３０とバルブステム３２の上
端との間に介装されたリフトアジャスタ機構で、このリ
フトアジャスタ機構３５は、シリンダヘッド２２に形成
した摺動孔３６内に摺動自在に嵌挿され、下面がバルブ
ステム３２の上端に当接し、かつ上部が開放されたシリ
ンダ部材３７と、このシリンダ部材３７との間で油圧室
３８を形成するようにシリンダ部材３７内に上方から摺
動可能に嵌挿され、上面がロッカーアーム３０に当接
し、かつ内部に上記油圧室３８に連通孔３９を介して連
通する油供給室４０を有するピストン部材４１と、シリ
ンダ部材３７とピストン部材４１との間で油圧室３８内
に縮小され、これらシリンダ部材３７、ピストン部材４
１を反対方向に付勢するスプリング４２と、上記油圧室
３８内に配設され、上記連通孔３９を油供給室４０内の
圧力が油圧室３８内の圧力よりも高い時には開き、低い
時には閉じるように開閉作動するボール弁４３とからな
る。

４４は上記リフトアジャスタ機構３５を作動させること
により排気バルブ２６Ｓの作動を停止させるためのバル
ブ作動停止機構で、このバルブ作動停止機構４４は、上
記油供給室４０に油供給通路４５を介して吐出側が接続
されたオイルポンプ４６と、上記油圧室３８に一端が連
通するとともに他端が上記オイルポンプ４６の吸入側に
連通した油圧通路４７に介在させた圧力コントロールバ
ルブ４８と、上記圧力コントロールバルブ４８を駆動制
御する制御回路４９とからなる。また、上記制御回路４
９には回転数センサ５０からのエンジン回転数信号およ
び吸気通路４の吸気ポート２直上流に設けた吸気圧セン
サ５１による吸気圧信号が入力されている。

そして上記圧力コントロールバルブ４８の開閉作動によ
ってリフトアジャスタ機構３５の油圧室３８内の圧力を
所定圧に調整することにより、ロッカーアーム３０の押
圧力をピストン部材４１、油圧室３８内のオイルおよび
シリンダ部材３７を介して排気バルブ２６Ｓに伝達しう
るようにしている。そしてエンジンの運転状態を検出す
る各センサ５０，５１の検出信号を受けて制御回路４９
が圧力コントロールバルブ４８を開作動させ、このバル
ブ４８の開作動によりリフトアジャスタ機構３５の油圧
室３８内の圧力を小さくしてロッカーアーム３０の押圧
力をこのリフトアジャスタ機構３５で吸収して排気バル
ブ２６Ｓに伝達しないようにすることにより、排気バル
ブ２６Ｓを閉じたままに保持して作動停止させ得るよう
になっている。

なお、上記リフトアジャスタ機構３５およびバルブ作動
停止機構４４は排気バルブのうち高速用の排気バルブ２
６Ｓ側および図示していないが吸気バルブ２のうち高速
用のものに設けられている。これらの高速用の吸気バル
ブおよび排気バルブ２６Ｓの作動を停止させる領域はエ
ンジン運転状態が低速、低負荷域に設定しており、この
領域の判定は制御回路４９に予めメモリーさせたマップ
等に基づいて行なえばよい。

次に上記構成の作用を説明する。

エンジン回転数が低速域においては、いま排気側に着目
すると、上記バルブ作動停止機構４４およびリフトアジ
ャスタ機構３５の作動により高速用排気バルブ２６Ｓは
作動が停止し、閉弁した状態となり、各気筒における低
速用排気ポート３Ｐに設けられた排気バルブのみが第２
図(a)の曲線Ｉのごとく開閉し、したがって第１図に斜
線で示すごとく低速用の排気通路５Ｐのみが活き、この
排気通路５Ｐに連結された一方のスクロール室１１Ｐが
タービンとして用いられる。したがって仮に低速用排気
通路５Ｐと高速用排気通路５Ｓとが等しい容量であると
した場合、低速域においては排気マニホールド容量が実
質的に２分の１になったことになり、排ガスの膨張が抑
制され、排ガスエネルギーが動圧として有効にタービン
に伝達され、ターボ過給機６の機能を有効に活用するこ
とができる。すなわち、排気通路の径の縮小をすること
なく、容量縮小を達成することができ、したがって径を
縮小した場合に高速域で排気通路抵抗が増大して出力が
低下するといった問題を生じることなく、排ガスの膨張
エネルギーを効果的にタービンへの仕事として活用する
ことができる。

この場合、低速域において高速用排気バルブ２６Ｓの作
動が停止されている状態では、気筒同志が高速用排気ポ
ート３Ｓを介して連通することがなく、かつ、低速用排
気ポート３Ｐの排気バルブ開弁角は小さくて各気筒の低
速用排気ポート３Ｐの開弁オーバラップも避けられるこ
とにより、一つの気筒からの排気ガスの一部が他の気筒
に逃げることがなくて、低速用排気ポート３Ｐの排気バ
ルブ開弁期間に排出される排気ガスが効率良くタービン
側に送られ、効果的に排気エネルギーがタービンに与え
られる。

さらに、この低速域におけるバルブ開弁期間を狭めるこ
とにより、開弁期間中の排ガス平均流量が増すため、排
気マニホールド容量の縮小効果をより一層高めることが
できる。

また高速域においては、バルブ作動停止機構４４および
リフトアジャスタ機構３５の作動により、高速用の排気
バルブ２６Ｓも他方の低速用排気バルブと同様に作動状
態とされ、第２図(b)の曲線Ｉ，IIに示すごとくそれぞ
れの低速用および高速用の排気バルブが開閉する。した
がって、この高速域においては、両排気通路５Ｐ，５Ｓ
が活き、タービン８の両スクロール室１１Ｐ，１１Ｓが
利用され、ターボ過給機６は最大限の過給作用を奏す
る。

第４図は高速用排気バルブの作動停止領域と上記作用に
よる本発明の効果を示し、(a)はエンジン回転数に対す
るトルク特性図、(b)はエンジン回転数に対する過給圧
特性を示す。これらの図において、斜線部Ａは高速用排
気バルブの作動停止領域であって、このように低速、低
負荷域で一方の排気ポートのバルブ作動を停止させるこ
とにより、低速域において破線イで示すごとく過給圧が
高まり、その結果、破線ロで示すごとくトルク特性が高
まる。

なお、上記実施例は、タービン８におけるスクロール室
１１Ｐ，１１Ｓの流路面積が異なり、流路面積の小さい
方へ低速用の排気通路５Ｐを連結したものであって、低
速域における排ガスエネルギーの有効利用が一段と高ま
るものであるが、本発明は必ずしもこのようにスクロー
ル室の流路面積が異なるものでなくてもよい。また上記
ではエンジン運転状態を回転速度と吸気圧によりバルブ
作動停止領域の判定を行なう実施例について示したが、
これに限られずエアフローメータ１４により検出した吸
入空気量あるいは回転速度と上記吸入空気量とで以って
切替領域の判定を行なうようにしてもよい。また、バル
ブ作動停止機構４４およびリフトアジャスタ機構３５に
ついては上記実施例では油圧系統を用いたものを示した
が、これに限られず電気式のものであってもよい。

また、上記実施例では図示していないが、水温センサ等
によりエンジンの冷間時を検出し、この冷間時には高速
用排気バルブの作動停止を止め、低速用、高速用とも排
気バルブを作動させ、その後、エンジン暖機後におい
て、上述した如き作動に戻すようにしたものであっても
よい。冷間時、一方だけの排気マニホールドに排ガスを
流すと、低速用排気通路５Ｐと高速用排気通路５Ｓの温
度差が急激に大きくなるため、排気マニホールドに歪み
やクラックの発生する原因となるのに対し、上述のごと
く冷間時に高速用排気バルブの作動停止を止めることに
より、このような問題を未然に防止することができる。

また、低速時に排ガスの流れていない高速用排気通路５
Ｓ側に２次エアを導入することにより、２次エア供給が
円滑となり、また、タービン内でのミキシング効果も得
られる。

（発明の効果） 以上のように本発明によれば、２つのスクロール室を有
するターボ過給機を備えたエンジンにおいて、エンジン
の排気ポートを、排気バルブ開弁角が比較的大きい高速
用排気ポートとこの高速用排気ポートよりも排気バルブ
開弁角が小さい低速用排気ポートとからなる２ポートと
し、各々のポートを独立排気通路を介してタービンの各
スクロール室に連結し、かつ低速域で、高速用排気ポー
トもしくはこれに連なる気筒別の排気通路を個別に閉じ
るようにしたものであって、排気ポートからタービンま
での容量が切替られて、排気通路でのエネルギーロスが
減少し、特に排ガス流量の減る低速低負荷域での排ガス
エネルギーを動圧として有効にタービンに伝達すること
ができ、出力の向上が図れるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による排気ターボ過給機付エ
ンジンの全体構成図、第２図(a)(b)は同エンジンにおけ
る排気バルブのリフト特性図、第３図は同エンジンにお
ける吸排気バルブの動弁機構部分の断面図、第４図(a)
(b)は本発明の効果を説明するためのエンジン回転数に
対するトルクと過給圧の特性図である。 １…エンジン、４…吸気通路、５…排気通路、６…ター
ボ過給機、７…コンプレッサ、８…タービン、９…ター
ビンケース、１０…隔壁、１１Ｐ，１１Ｓ…スクロール
室、２６Ｓ…排気バルブ、３５…リフトアジャスタ機
構、４４…バルブ作動停止機構。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 梅園 和明 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツダ 株式会社内 (56)参考文献 特開 昭60−19918（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−167933（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】吸気通路中に介設されるコンプレッサと排
   気通路中に介設されるタービンとを同一軸上に有し、タ
   ービンケース内を隔壁により２つのスクロール室に分割
   したターボ過給機を備えたエンジンにおいて、エンジン
   各気筒の排気ポートを、排気バルブ開弁角が比較的大き
   い高速用排気ポートとこの高速用排気ポートよりも排気
   バルブ開弁角が小さい低速用排気ポートとからなる２ポ
   ートとし、各々のポートに接続される排気通路を独立さ
   せるとともに、各排気通路を上記各スクロール室に連結
   し、かつ高速用排気ポートもしくはこれに連なる気筒別
   の排気通路に、各気筒毎に低速域で通路を閉じる通路遮
   断機構を設けたことを特徴とする排気ターボ過給機付エ
   ンジン。