JPH07301122A

JPH07301122A - ターボチャージャ付き内燃機関

Info

Publication number: JPH07301122A
Application number: JP6094254A
Authority: JP
Inventors: Hideo Nakai; 英夫中井; Noriyuki Miyamura; 紀行宮村
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 1994-05-06
Filing date: 1994-05-06
Publication date: 1995-11-14

Abstract

(57)【要約】【目的】排気ガス洩れを低減できるともに、コンパク
トでコストを抑えたターボチャージャ付き内燃機関を提
供すること。【構成】内燃機関１の排気通路１１に介装されるター
ビン翼２５、３５及び吸気通路９に介装されるコンプレ
ッサ翼２８、３８をそれぞれ支持する回転軸２４、３４
が略平行に配置される複数のターボチャージャ２０、３
０の少なくともタービン翼を収容するハウジング１８、
ハウジング１８に開口されると共に排気マニホールド１
０Ａ、１０Ｂの下流端部１０Ｃ、１０Ｄに接続されてタ
ービン翼２５、３５にそれぞれ排気ガスを導く排気ガス
導入口部１７、ハウジング１８の側面１８ｂの略同一平
面内に開口されると共に、タービン翼２５、３５よりも
排気下流側に位置する排気管１５に接続される排気ガス
排出口部２２ａ、３２ａとを備えたことを特徴とするタ
ーボチャージャ付き内燃機関１。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複数のターボチャージ
ャを備える内燃機関に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の出力アップを図る手段とし
て、排気ガスエネルギーを利用してコンプレッサーを回
転し吸気効率を向上させて出力アップを図るターボチャ
ージャは有効であり、既に種々の内燃機関に装着されて
いる。ターボーチャージャの特性としては、排気ガスを
タービン翼に当てて、吸気側に位置するコンプレッサ翼
を高速で回転させて吸入空気を圧縮してシリンダー内に
導入しているので、エンジンの回転上昇に伴い高出力と
なる傾向にある。このような特性から高回転時における
燃焼室温度が過度に上昇し易く、通常は圧縮比を予め低
く設定しているので、低回転時における出力の低下を招
き易い。特に大容量のターボーチャージャを装着した場
合、高回転時における吸気効率は良くなるが、反面、エ
ンジン低回転域での応答性が優れず、所謂ターボラグの
発生を招いてしまい、いたずらにタービン容量を大きく
できないという問題がある。しかし、タービンを小さく
すると排気路が絞られ、燃焼室の掃気効果が十分に得ら
れず、ノッキングが発生したり、ポンピング損失の増大
を招き易くなってしまう。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】そこで、容量の小さい
複数のターボチャージャや、容量の異なる複数のターボ
チャージャを排気系に配設するツインターボやシーケン
シャルターボが提案されている。例えば、複数のターボ
チャージャを６気筒の内燃機関の排気系に装着する場
合、３気筒を１グループとした排気マニホールドに、そ
れぞれ独立してターボチャージャを装着し、各ターボチ
ャージャの排気側をエキゾーストフィッチングと称す排
気結合管で連通させて、ターボチャージャからの排気ガ
スを触媒やマフラーの配置された排気管に導入してい
る。また、複数のターボチャージャを使用するに当た
り、最近では、エンジンの運転状況に応じて一方のター
ボチャージャだけを使用したり、両方のターボチャージ
ャを使用できるように切換弁を設けているものもある。
しかし、このような構成の場合、各ターボチャージャが
独立しているため、排気マニホールド及び排気管との接
合部がそれぞれ形成されることになるので、その接合面
の加工や位置精度の向上等が必要となり、コストの上昇
が否めないという問題点がある。また、ターボチャージ
ャは、高温の排気ガスにさらされるので、一方のターボ
チャージャのみを使用する場合、使用していないターボ
チャージャとの接合部における熱膨張差が大きくなり、
同接合部における排気ガス洩れが発生し易くなるという
問題もある。本発明の目的は、排気ガス洩れを低減でき
るともに、コンパクトでコストを抑えたターボチャージ
ャ付き内燃機関を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】そこで、請求項１記載の
発明では、内燃機関の排気通路に介装されるタービン翼
及び吸気通路に介装されるコンプレッサ翼をそれぞれ支
持する複数の回転軸が、略平行に配置される複数のター
ボチャージャの少なくともタービン翼側を収容するハウ
ジングと、同ハウジングに開口されると共に排気マニホ
ールドの下流端部接続されて上記複数のタービン翼にそ
れぞれ排気ガスを導く排気ガス導入口部と、上記ハウジ
ングの側面の略同一平面内に開口されると共に上記ター
ビン翼よりも排気下流側に設けられる排気管に接続され
る複数の排気ガス排出口部とを備えたことを特徴とす
る。請求項２記載の発明では、複数の回転軸が、内燃機
関に近接し、かつ、同内燃機関のシリンダーの延出方向
に向かって並設されたことを特徴とし、請求項３記載の
発明では、複数の回転軸が、同一方向に回転するか、あ
るいは、互いに異なる方向に回転するように配設された
ことを特徴とする。請求項４記載の発明では、排気ガス
導入口部が、複数のタービン翼にそれぞれ排気ガスを導
く複数の排気流路に分岐部を介して接続されると共に、
上記分岐部に上記複数の排気流路への排気ガスを選択的
に切り換える切換弁が設けられたことを特徴としてい
る。

【０００５】

【作用】請求項１記載の発明によると、複数のターボチ
ャージャの少なくともタービン翼側を収容するハウジン
グは、排気マニホールドの下流端部に接続されて複数の
タービン翼にそれぞれ排気ガスを導く排気ガス導入口部
を開口し、かつ、ハウジングの側面に、タービン翼より
も排気下流側に設けられる排気管と接続する複数の排気
ガス排出口部を略同一平面内に開口したので、ハウジン
グと排気マニホールド及びハウジングと排気管との接続
部がそれぞれ１ヶ所となる。請求項２記載の発明による
と、タービン翼及びコンプレッサ翼を支持する複数の回
転軸が、内燃機関に近接し、かつ、同内燃機関のシリン
ダーの延出方向に向かって並設されているので、同シリ
ンダーの幅方向に対する内燃機関の広がりが抑えられ
る。請求項３記載の発明によると、複数の回転軸が、同
一方向に回転するか、あるいは、互いに異なる方向に回
転するように配設されているので、回転軸を有するター
ボチャージャの配置設計に自由度が与えられる。

【０００６】請求項４記載の発明によると、排気ガス導
入口部が、複数のタービン翼にそれぞれ排気ガスを導く
複数の排気流路に分岐部を介して接続されると共に、同
分岐部に複数の排気流路への排気ガスを選択的に切り換
える切換弁を設けたので、切替弁の位置により排気導入
部から排気流路へ導かれる排気ガスの流量が変化する。

【０００７】

【実施例】図１、図３において、符号１は内燃機関とし
ての直列４気筒４サイクルエンジン（以下、「エンジ
ン」と記す）を示す。エンジン１は、その本体内に複数
のシリンダ２を収容し、＃１、＃３、＃４、＃２で示す
各気筒の順で点火が行なわれる。各シリンダ２の燃焼室
７には、吸排気バルブ３、４を介して吸気ポート５と排
気ポート６がそれぞれ連通可能に形成されている。この
エンジン１には、２つのターボチャージャ２０、３０が
装着されている。各シリンダの吸気ポート５は、吸気マ
ニホールド８を介して吸気通路９に連通している。＃
１、＃４気筒の排気ポート６は排気マニホールド１０Ａ
に、＃２、＃３気筒の排気ポート６は排気マニホールド
１０Ｂを介して排気通路１１にそれぞれ連通している。

【０００８】吸気通路９は、各ターボチャージャ２０、
３０のコンプレッサ部２１、３１からそれぞれインタク
ーラ１２につながる吸気管１３Ａ、１３Ｂと同インター
クーラ１２から吸気マニホールド８まで延びる吸気管１
３Ｃ、コンプレッサ部２１、３１の吸入口２１ａ、３１
ａにつながる吸気管１３Ｄの先端に配置されるエアクリ
ーナ１４とで構成される。排気通路１１は、排気マニホ
ールド１０Ａ、１０Ｂに直結されるターボチャージャ２
０、３０のタービン部２２、３２、同タービン部２２、
３２に形成される排気ガス排出口部（以下、「排気出
口」と記す）２２ａ、３２ａに接合する排気管１５、及
び排気管１５の後端に設けられたマフラー１６で構成さ
れる。インタクーラ１２は、ターボチャージャ２０、３
０のコンプレッサ部２１、３１からの加圧エアを空気冷
却して吸気ポート側に送る周知の構成を採る。

【０００９】ターボチャージャ２０、３０は、図１、図
２に示すように、排気ガスを導入するタービン部２２、
３２と吸入空気を圧縮するコンプレッサ部２１、３１及
び本体２３、３３から主に構成されている。タービン部
２２、３２は、本体２３、３３に回転自在に支持された
回転軸２４、３４に固定されたタービン翼２５、３５、
同タービン収納すると共に、排気マニホールド１０Ａ、
１０Ｂの下流端部１０Ｃ、１０Ｄが集合して一体的に構
成するフランジ部１０Ｅと接続するフランジ部１８ａを
有するタービンハウジング（以下「Ｔハウジング」と記
す）１８とから主に構成されている。このフランジ部１
８ａ近傍のＴハウジング１８内には、フランジ部１０Ｅ
とフランジ部１８ａとをボルト１９Ａ、１９Ｂで締結す
ることで下流端部１０Ｃ、１０Ｄと連通する排気ガス導
入口部（以下、「排気導入部」）１７が形成されてい
る。

【００１０】排気出口２２ａ、３２ａは、タービン翼２
５、３５の軸方向に延出して形成されるＴハウジング１
８の側面を形成するフランジ面１８ｂと同一平面に開口
されている。フランジ面１８ｂには、２つの排気出口２
２ａ、３２ａと連通する排気管１５がシール部材Ｓを介
装してボルト締結される。Ｔハウジング１８内には、図
３に示すように、一端が排気導入部１７につながる排気
通路１１の一部を構成するスクロール状の排気流路２
６、３６を構成する突出部１８ｃが形成されている。こ
の排気流路２６、３６の他端は、排気出口２２ａ、３２
ａにそれぞれ連通している。

【００１１】コンプレッサ部２１、３１は、それぞれ独
立してスクロール状に形成されたコンプレッサハウジン
グ（以下、「Ｃハウジング」と記す）２７、３７内に、
回転軸２４、３４に固定されたコンプレッサ翼２８、３
８を収納しており、タービン翼２５、３５により回転軸
２４、３４が回転すると、コンプレッサ翼２８、３８が
回転され、同翼２８、３８の軸方向に向かって開口する
吸気口２１ａ、３１ａから吸入する空気をＣハウジング
２７、３７内で圧縮して吸気通路９を構成する吸気管１
３Ａ、１３Ｂに供給するようになっている。

【００１２】回転軸２４、３４は、エンジン１の長手方
向に向かって延出しており、図３に示すシリンダ２の延
出方向である紙面上下方向に向い、回転軸２４が上で回
転軸３４が下に位置して互いに平行になるように並設さ
れている。つまり、ターボチャージャ２０、３０は、排
気マニホールド１０Ａ、１０Ｂよりも下方に配置されて
いて、タービン翼２５、３５が同一方向に回転するよう
に並設されている。

【００１３】突出部１８ｃにより排気導入部１７内に形
成される分岐部１７Ａには、下流端部１０Ｃ、１０Ｄか
ら導入される排気ガスの流れを規制する切替弁３９が配
置されている。切替弁３９は、薄い耐熱金属で形成され
ていて、図２、図４に示すように、Ｔハウジング１８に
回動自在に支持された回動軸４０に固定されている。回
動軸４０は、Ｔハウジング１８の外部に延出しており、
駆動手段を構成する外側レバー４１に一体結合されてい
る。この外側レバー４１の自由端は、駆動手段を構成す
る電磁アクチュエータ４２の可動ロッド４３にリンク結
合している。ここでの電磁アクチュエータ４２として
は、電磁ソレノイドが用いられる。

【００１４】電磁アクチュエータ４２は、図１に示すコ
ントロールユニット４４の制御下に置かれてい。コント
ロールユニット４４は、エンジン１からの排気ガス流量
が少ない運転領域の時には、切替弁３９を図３、図４に
実線で示す排気流路３６と排気導入口１７との連通を塞
ぐ閉位置に置き、エンジン１からの排気ガス流量が多い
運転領域の時には、切替弁３９を図３、図４に２点鎖線
で示す排気導入口１７を２分する開位置に置くように可
動ロッド４３を摺動させる。切替弁３９が２点鎖線で示
す開位置は、排気流路２６と下流端部１０Ｃとが２分さ
れた一方の排気導入口１７Ｂを介して連通し、排気流路
３６と下流端部１０Ｄが今一つの排気導入口１７Ｃを介
して連通する位置である。

【００１５】また、Ｔハウジング１８には、図２に示す
ように、排気導入口１７の排気ガスを排気出口２２ａに
バイパスさせるウエストゲート４５が形成されている。
このゲート４５は、常閉付勢されるウエストゲートバル
ブ４６で閉じられていて、吸気圧力が上昇するとウエス
トゲートバルブ４６とリンク結合するロッド４７を、破
線矢印方向に移動させるダイヤフラム型のアクチュエー
タ４８によってバルブの開閉が行なわれる。但し、ウエ
ストゲートバルブ４６の開時期は、切替弁３９を開動作
させる電磁アクチュエータ４２の動作よりも遅く設定す
る。

【００１６】図１に示すコントロールユニット４４は、
マイクロコンピュータで要部がなり、図示しない双方向
性バスにより相互に接続されたＲＯＭ（リードオンメモ
リ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＣＰＵ（マ
イクロプロセッサ）、入力ポート及び出力ポートを備え
るという周知のハード構成を採る。入力ポートには、運
転状態検出手段としてのエンジン１の回転数Ｎｅ信号を
出力する回転数センサ４９、エンジン１の負荷Ｌ信号を
出力する負荷センサ５０等が図示しないＡＤ変換器を介
してそれぞれ接続されている。他方、出力ポートには、
対応する図示しない駆動回路を介して電磁アクチュエー
タ４２が接続されている。ＲＯＭ（リードオンメモリ）
には、図５に示す制御プログラムや、図６に示すターボ
運転状態設定マップ等が記憶処理される。図６に示すタ
ーボ運転状態設定マップにおいて、で示す領域は切替
弁３９を閉状態とする低流量域を、で示す領域は切替
弁３９を開状態とする大流量域をそれぞれ示している。

【００１７】このように構成されたターボチャージャ付
き内燃機関の動作を図５に示す過給圧制御ルーチンに沿
って説明する。図示しないメインスイッチのオン処理に
よってコントロールユニット４４は、燃料噴射制御等を
含む図示しない周知のメインルーチンを実行し、その途
中で図５の過給圧制御ルーチンに達する。コントロール
ユニット４４は各センサよりエンジンの回転数Ｎｅ、負
荷Ｌ等の検出信号を取り込み、得られたデータを所定の
エリアにストア（ステップｓ１）してステップｓ２に進
む。ステップｓ２では、図６に示すターボ運転状態設定
マップに沿って現在の回転数Ｎｅ及び負荷Ｌに応じた２
つの運転領域、の何れか一つに設定され、ステップ
ｓ３でその設定結果に応じて電磁アクチュエータ４２を
駆動してリターンする。

【００１８】ステップｓ２での設定モードがの低流量
域であると、アクチュエータ４２は駆動されず、切替弁
３９は図３、図４に示す閉位置のままであるので、エン
ジン１から排出され、各排気マニホールド１０Ａ，１０
Ｂを流れる流量の少ない排気ガスは、下流端部１０Ｃ、
１０Ｄから排気導入部１７にそれぞれ導入される。この
時、切替弁３９により排気流路３６は閉じられているの
で、排気導入部１７に導入された排気ガスは、排気流路
２６からタービン翼２５に案内されてターボチャージャ
２０のみが作動される。

【００１９】一方、ステップｓ２での設定モードがの
大流領域であると、アクチュエータ４２が通電されて駆
動され、ロッド４３が図２において矢印ａ方向に摺動し
て、閉位置にあった切替弁３９が２点鎖線で示す開位置
まで回動する。すると、排気導入部１７が２つの排気導
入部１７Ｂ、１７Ｃとに分割されて下流端部１０Ｃと排
気流路２６が連通し、下流端部１０Ｄと排気流路３６が
連通状態となる。従って、点火順序の連続しないである
＃１、＃４気筒から排気マニホールド１０Ａに排出され
る排気ガスは、排気流路２６を通ってタービン翼２５に
案内されてターボチャージャ２０を作動し、＃２、＃３
気筒から排気マニホールド１０Ｂに排出される排気ガス
は、排気流路３６を通ってタービン翼３５に案内されて
ターボチャージャ３０を作動させる。

【００２０】つまり、排気ガス流量の少ない時には、一
方のターボチャージャ２０だけを作動させるので、エン
ジン低回転時における少ない排気ガスでタービン翼２５
を効率良く回転させることができ、ターボラグの低減に
つながる。また、排気ガス流量の多い時には、両方のタ
ーボチャージャ２０、３０を作動させるので、多量の圧
縮空気をシリンダ２内に供給でき、出力の向上を図るこ
とができる。

【００２１】このような、２つのターボチャージ２０、
３０のタービン側のハウジング１８を一体に形成し、ま
た、排気管１５との接合部と排気マニホールド１０Ａ、
１０Ｂとの接合部をそれぞれ１か所としたので、従来用
いてい排気集合管が不用となって接合箇所を低減でき、
ターボチャージャ２０、３０毎に接合部を設ける従来の
ものに比べて、熱膨張差による接合部からの排気洩れが
抑えられる。さらに、各ターボチャージャ２０、３０の
回転軸２４、３４をシリンダ２の延出方向、すなわち、
シリンダ２にそって並設して設けたので、ターボチャー
ジャ２０、３０のシリンダ２の幅方向への幅が抑えられ
る。

【００２２】本実施例では、図３に示すように、ターボ
チャージ２０、３０を排気マニホールド１０Ａ、１０Ｂ
の下方に設け、タービン翼２５、３５を同一方向に回転
するように配置したが、これに限定されるものではな
い。例えば、図７に示すように、排気マニホールド１０
Ａ、１０Ｂを挾んで、ターボチャージャ２０、３０をそ
れぞれ上下に配置し、ターボチャージャ２０のタービン
翼２５の回転方向に対して、ターボチャージャ３０のタ
ービン翼３５を反対方向に回転するように配置する構成
であっても構わない。この場合であっても、タービン２
５、３５を収納するＴハウジング１８は一体で形成し、
排気流路２６と排気流路３６とに排気ガスの流れを切替
る切替弁３９を設けることが重要である。

【００２３】ところで、不用意なアクセルの開動作等に
より排気ガス流量がさらに増えて、吸気圧が過剰に高く
なる過過給状態となると、図２に示すアクチュエータ４
８が作動してウエストゲートバルブ４６が開き、排気導
入部１７の排気ガスが排気出口２２ａにバイバスされ
て、排気ガスによるタービン翼２５、３５の回転が抑制
される。よって、過給圧が減少して過過給によるタービ
ン翼２５、３５のオーバーランが防止される。また、こ
こでは、ウエストゲートバルブ４６をダイヤフラム型の
アクチュエータ４８により開閉しているが、電磁ソレノ
イドで開閉する構成とすることも可能である。その場
合、図５に示した過給圧制御ルーチンに２点鎖線で囲っ
たステップｓ４、ｓ５を追加し、図６に示すマップに
の領域よりも大きいの領域を設定しておき、その領域
を回転数Ｎｅ及び負荷Ｌに応じて選択した場合、過過給
状態と判断して電磁ソレノイドを駆動してウエストゲー
トバルブ４６を開状態とするようにしても良い。なお、
切替弁３９の切替動作により、過過給を回避できる場
合、特にウエストゲート４５やウエストゲートバルブ４
６を設置する必要はない。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、２つのターボチャージ
ャの少なくともタービン側のハウジングを一体に形成す
ることで、従来の排気集合管が不用となって排気マニホ
ールド及び排気管との接合部が低減するので、接合面の
加工や位置精度の向上の必要がなくなりコスト上昇が抑
えられる。また、ハウジングを一体にすることで一方の
ターボチャージャのみ使用する場合であっても、使用し
ていないターボチャージャとの熱膨張差が少なくなり、
接合部における熱膨張差によって生じる排気ガス洩れの
発生を極めて少なくできる。さらに、各ターボチャージ
ャのタービン翼をそれぞれ支持する回転軸をシリンダの
延出方向に向かって並設することで、ターボチャージャ
のシリンダ幅方向への広がりを抑えられ、ターボチャー
ジャの省スペース化につながる。従って、排気ガス洩れ
を低減できると共に、コンパクトでコストを抑えたター
ボチャージャ付き内燃機関を提供するという本発明の目
的を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のターボチャージャ付き内燃機関の一実
施例を示す概略構成図である。

【図２】本発明の要部であるターボチャージの構成を示
す一部破断拡大図である。

【図３】ターボチャージャ付き内燃機関の構成を示す一
部破断側面図である。

【図４】切替弁の構成とその動作位置を示す拡大図であ
る。

【図５】制御手段が行なう過給圧制御ルーチンのフロー
チャートである。

【図６】制御手段に記憶されたターボチャージャの運転
領域設定マップの特性線図である。

【図７】本発明の変形例の概略構成を示す一部破断側面
図である。

【符号の説明】

１内燃機関９吸気通路１０Ａ、１０Ｂ排気マニホールド１０Ｃ、１０Ｄ下流端部１１排気通路１５排気管１７排気ガス導入口部１７Ａ分岐部１８タービンハウジング１８ｂハウジングの側面２０、３０ターボチャージャ２２ａ、３２ａ排気ガス排出口部２４、３４回転軸２５、３５タービン翼２６、３６排気通路２８、３８コンプレッサ翼３９切換弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｆ０２Ｂ 37/02 ＦＨ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の排気通路に介装されるタービン
翼及び吸気通路に介装されるコンプレッサ翼をそれぞれ
支持する複数の回転軸が略平行に配置される複数のター
ボチャージャの少なくともタービン翼側を収容するハウ
ジングと、上記ハウジングに開口されると共に排気マニホールドの
下流端部に接続されて上記複数のタービン翼にそれぞれ
排気ガスを導く排気ガス導入口部と、上記ハウジングの側面の略同一平面内に開口されると共
に、上記タービン翼よりも排気下流側に位置する排気管
に接続される複数の排気ガス排出口部とを備えたことを
特徴とするターボチャージャ付き内燃機関。
【請求項２】上記複数の回転軸が、内燃機関に近接し、
かつ、同内燃機関のシリンダの延出方向に向かって並設
されたことを特徴とする請求項１記載のターボチャージ
ャ付き内燃機関。
【請求項３】上記複数の回転軸が、同一方向あるいは、
異なる方向に回転するように配置されたことを特徴とす
る請求項１記載のターボチャージャ付き内燃機関。
【請求項４】上記排気ガス導入口部が、上記複数のター
ビン翼にそれぞれ排気ガスを導く複数の排気流路に分岐
部を介して接続されると共に、上記分岐部に上記複数の
排気流路への排気ガスを選択的に切り換える切換弁が設
けられたことを特徴とする請求項１、２または３記載の
ターボチャージャ付き内燃機関。