JPS6344936B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はターボチヤージヤ付エンジンの改良に
関する。

エンジン効率を高めて燃費を改善する見地か
ら、過給機は有効な装置であり、特に外部に捨て
去る排気のエネルギでコンプレツサを駆動するタ
ーボチヤージヤはエンジンの駆動力を損わないた
め有望視されている。

このようなターボチヤージヤを備えたエンジン
の概要を第１図に示す。（自動車工学全書、ガソ
リンエンジン、山海堂、昭和55年７月20日発行）。

これを説明すると、１がエンジン（本体）、２
が気筒、３が吸気通路、４が排気通路、５が吸気
弁、６が排気弁、そして７がターボチヤージヤを
表わしている。

排気通路４の途中にターボチヤージヤ７のター
ビン７Ａが、吸気通路３の途中に同じくコンプレ
ツサ７Ｂが介装されており、排気の圧力で作動す
るタービン７Ａの回転力でコンプレツサ７Ｂを駆
動し、吸気を加圧して各気筒２へと供給するわけ
である。なお、８はこの過給圧に応動する排気バ
イパス弁装置であり、過給圧が所定値を超えると
タービン７Ａ上流側の排気を下流側へとバイパス
してタービン７Ａの回転を抑えることにより過給
圧がそれ以上高まらないようにするものである。

このように、ターボチヤージヤ７は、過給のた
めの動力源として排気エネルギを利用するので、
すでに述べたようにエンジン出力を損わないとい
う好ましい性格を持つている。

しかしながら、その反面、このような従来のタ
ーボチヤージヤ付エンジン１の実用上の問題点の
一つとして、排気流量が増加する高速回転域にお
いてタービン７Ａ上流側の排気圧力が著増する傾
向を生じ、この結果排気抵抗が増加した分だけポ
ンピングロスが増したり充填効率が低下して出力
低下を招きやすいということが挙げられる。

この問題は、タービン７Ａに至るまでの排気通
路４の通路断面積を大きくすることによつてある
程度解決できるが、そうすると低〜中速域での排
気圧力を有効に利用できず、この常用回転域での
出力特性が低下してしまうのである。

本発明はこのような問題点に着目してなされた
もので、ターボチヤージヤのタービンを迂回する
第２の排気通路と、この通路を開閉する第３弁お
よび弁駆動装置を設け、排気行程後期にエンンジ
ン回転数及び負荷状態に応じた適切なタイミング
で第３弁を開いて排気の一部をタービンを流通さ
せることなしに排出することにより上記従来の問
題点を解消することを目的とする。

以下、本発明を図面に示した実施例に基づいて
説明する。なお、各図につき実質的に同一の部分
には同一の符号を付して示すことにする。

第２図において、１１はエンジン（本体）、１
２ａ，１２ｂは各々第１、第２の排気通路、１３
は第３弁である。

第１の排気通路１２ａは、図示したようにエン
ジン１１（気筒２）とタービン７Ａとを連通す
る。この場合、排気圧力を効果的にタービン７Ａ
へと付与するために、排気通路１２ａの通路断面
積を、例えば排気ポート部１４と同程度に設定す
る。この第１の排気通路１２ａは、排気弁６を介
して従来と同様または閉弁時期をやや早めたタイ
ミングで開閉する（第３図参照）。

これに対して、第２の排気通路１２ｂは、ター
ビン７Ａを迂回して気筒２とタービン７Ａ下流側
の排気通路４とを直接的に連通する。この第２の
排気通路１２ｂは、気筒２（シリンダヘツド）に
設けた第３弁１３を介して開閉する。

第３弁１３は、図示しない動弁装置を介して、
第３図に示したように排気行程の後期から吸気行
程の初期にかけて開閉するようにタイミングを設
定する。また、第３弁１３の開弁時期はエンジン
の回転数もしくは負荷が上昇するほど早めるよう
に進角制御する。このための動弁装置の具体的な
構成例については後述する。

次に作用を説明する。

排気行程では、まず排気弁６が開いて気筒２の
燃焼ガスが排出されるが、このときのガス圧力は
極めて大きいため、第３図に示したように排気弁
６が開弁した直後の第１の排気通路１２ａの圧力
は急激に上昇する。排気行程前期でのこの高圧の
圧力パルスは、まだ第３弁１３が閉じた状態にあ
るので、専ら排気通路１２ａを介して動圧として
タービン７Ａに作用する。

排気行程の後期になると第３弁１３が開き、気
筒２と第２の排気通路１２ｂとを連通する。第２
の排気通路１２ｂは、その途中にタービン７Ａを
介装していないこと及び必要に応じて通路径が第
１排気通路１２ａよりも大径に形成してあるので
第１の排気通路１２ａよりも通路抵抗が少なく、
従つて排気行程後期では燃焼ガスは殆ど第２の排
気通路１２ｂへと流れる。この結果、第１の排気
通路１２ａ及び気筒２の圧力は第３弁１３の開弁
と同時に急速に低下する。

このように、排気行程前期ではタービン７Ａを
駆動するのに有効な高圧の排気（圧力パルス）の
みを第１の排気通路１２ａへと導入する一方、余
剰な排気は排気行程の後期で第２の排気通路１２
ｂへと流して排圧の過上昇を回避するので、ター
ビン７Ａへの高圧が減衰しないように第１の排気
通路１２ａを排気ポート部１４径と同程度の細径
にするとともにタービン７Ａの入口部を絞つて低
速域での効率向上を図ることができ、また高速域
まで排圧の上昇が抑えられるので、排気仕事分の
ポンピングロスが低減し、さらに残留ガスやバル
ブオーバラツプ時の吸気系への吹き戻しが減つて
充填効率が向上することから、燃費、出力などエ
ンジン性能の大巾な向上が望める。

また、第４図に示したように、排気流量が増加
する高速域ほど、抵抗の少ない第２の排気通路１
２ｂへと流れる排気流量が増加して、相対的に第
１の排気通路１２ａへの排気流量が減少するの
で、排気バイパス弁装置８（第１図）など過給圧
を制御するための手段を設けなくても好ましい特
性が得られる。もちろん、エンジン１１の仕様や
ターボチヤージヤ７とのマツチングの関係で最大
過給圧を抑える必要がある場合は過給圧を制御す
る手段を設けても差支えない。

さらに、本発明では上述したように第３弁１３
の開弁時期を排気流量の増大するエンジン高速回
転時もしくは高負荷運転時ほど進めるようにした
ので、高速または高負荷運転域での排圧上昇を確
実に回避するとともに、低速運転域でのタービン
７Ａへの排気流量を十分に確保できる。このた
め、高速・高負荷運転時の吸排気効率の向上やポ
ンピング損失の低減をさらに進めて燃費・出力を
大幅に向上でき、なおかつ低速域での運転性能を
も一層改善できるのである。

第５図は本発明の第２の実施例で、第２の排気
通路１２ｂの途中に絞り弁１５を介装し、この絞
り弁１５を低速域ほど閉じるようにした例であ
る。こうすることにより、排気の絶対量が少ない
低速域で第１の排気通路１２ａへの排気流量割合
を上記第３弁１３の開閉タイミング制御では及ば
ない排気流量域にまで強制的に増やして、低速域
での出力特性をさらに改善できる。なお、本図に
おいては、絞り弁１５を開閉するための装置とし
てサーボ機構、例えばダイアフラムアクチユエー
タ１５ａを設け、その駆動信号は、クランク軸回
転数を検出するセンサ１５ｂを介してとり出すよ
うにしている。また、前記サーボ機構を駆動する
圧力としては、例えばタービン７Ａ出口圧、ター
ビン７Ａ出口圧と第１の排気通路１２ａの内圧と
の差圧、コンプレツサ７Ｂ出口圧、コンプレツサ
７Ｂ出口圧と第２の排気通路１２ｂの内圧との差
圧などである。

第６図は本発明の第３の実施例で、ロータリ型
の第３弁１３で各気筒２と排気通路１２ａ，１２
ｂとを選択的に接続するようにした例である。な
お、３４は第２の排気通路１２ｂに介装したクー
ラ、３５は該クーラ３４に循環させる冷却水を貯
蔵するためのラジエータである。

前記ロータリ型の第３弁１３には、各気筒あて
に第７図、第８図に示したように２つのポート１
６ａ，１６ｂを形成する。第９図に示したよう
に、第１のポート１６ａは排気行程の前期にエン
ジン排気ポート部１７と第１の排気通路１２ａと
を連通するように、第２のポート１６ｂは排気行
程の後期に排気ポート部１７と第２の排気通路１
２ｂとを連通するように形成するのである。な
お、第３弁１３の動弁装置としては、例えば第１
０図に示したように、エンジン１１のクランクプ
ーリ１８、第３弁１３に固設したタイミングプー
リ１９、クランクプーリ１８の回転をタイミング
プーリ１９に伝導するコグドベルト２０などで形
成し、エンジン回転の1/2で第３弁１３が回転す
るようにする。

この実施例によれば、ロータリ型第３弁１３の
回転に従つて、排気行程前期の高圧排気は排気ポ
ート部１７から第１のポート１６ａを介して第１
の排気通路１２ａへ、排気行程後期の比較的低圧
の排気は同じく第２のポート１６ｂを介して第２
の排気通路１２ｂへと、それぞれ流入するので、
第１の実施例（第２図）と全く同様にしてエンジ
ン性能の向上を図れる。なお、本実施例において
は第６図に示すように第２の排気通路１２ｂには
クーラ３４が介装されているから、ラジエータ３
５から冷却水を導いて該通路１２ｂ内を流通する
排気を積極的に冷却した後タービン７Ａの下流排
気通路４に導出している。したがつてタービン７
Ａの背圧（もしくはエンタルピ）が減少してター
ビン効率の低下を来たすことを未然に防止しうる
のである。

第１１図に、上記第３弁１３の開閉時期をエン
ジン運転状態に応じて変化させる進角手段の実施
例を示す。この進角装置２１は、ロータリ型第３
弁１３に適用したもので、高速または高負荷域ほ
ど第２のポート１６ｂの開時期を進めるようにな
つている。

進角装置２１は、第１２図に示したように、第
３弁１３の回転軸２２にはストレートスプライン
２３を介して、またタイミングプーリ１９にはヘ
リカルスプライン２４を介して、それぞれに対し
て摺動自由に嵌合したスリーブ２５と、このスリ
ーブ２５と第３弁１３との間に位置してスリーブ
２５を常時軸端方向に付勢するコイルバネ２６、
及びコイルバネ２６の弾力に抗してスリーブ２５
を第３弁１３の側へ引き寄せるフライウエイト２
７などからなる。

スリーブ２５とタイミングプーリ１９とはヘリ
カルスプライン２４を介して係合しているから、
タイミングプーリ１９に対するスリーブ２５の位
置が変化すると、タイミングプーリ１９に対する
第３弁１３の位相が変化する。この場合、ヘリカ
ルスプライン２４は、スリーブ２５が第３弁１３
に接近するほど第３弁１３の開時期が進む方向に
形成しておく。

こうすることにより、高速時ほどフライウエイ
ト２７に強い遠心力が作用し、コイルバネ２６に
抗してスリーブ２５を引き寄せるので、第３弁１
３の開弁タイミングが早くなる。

これにより、エンジン回転数上昇に伴い第１３
図に→→の状態で示したように、高速域ほ
ど第２のポート１６ｂを介しての排気流量割合が
増加するので、高速域での排圧上昇を抑える一
方、低速域での第１の排気通路１２ａつまりター
ビン７Ａ（第６図参照）への排気流量を充分に確
保して低速特性をさらに向上できる。

第１４図は進角装置２１の他の実施例で、前記
スプール２５をタービン７入口圧で駆動するよう
にしたものである。

スプール２５は第３弁１３との間に同軸的に形
成されたダイアフラム装置２８と軸端側に設けら
れたコイルバネ２６との作用力の釣合に応じて回
転軸２２とタイミングプーリ１９との間で摺動す
る。ダイアフラム装置２８へのタービン７入口圧
は、第３弁１３の周面から回転軸２２の中心部に
かけて形成した通路２９を介して供給する。な
お、この場合は、スプール２５のヘリカルスプラ
イン２４をスプール２５が第３弁１３から遠去か
るほど第３弁１３の開時期が進む方向に形成す
る。

この装置によれば、エンジン回転数または負荷
の上昇につれてタービン７の入口圧が高まるほど
第３弁１３の開閉タイミングが早くなる。従つて
第１２図の装置と同様にエンジン低速域での特性
を向上できる。

なお、第２図の実施例において第３弁１３を駆
動する専用のカム軸を設け、このカム軸に上記進
角装置２１を適用することにより同実施例のもの
についても上記と全く同様にして第３弁の開閉タ
イミングの制御を行うことができる。

第１５図、第１６図は各々第３弁１３の他の実
施例である。

第１５図の第３弁１３は、エンジン排気ポート
部１７と連通する入口通路部３０と、この入口通
路部３０から二又に分岐して一方は第１の排気通
路１２ａへと、他方は第２の排気通路１２ｂへと
接続する２つの出口通路部３１ａ，３１ｂとの間
を切換弁３２で交互に開閉するようにしたもので
ある。切換弁３２は入口通路部３０と第１の出口
通路部３１ａとの間を開閉する弁体３２ａと、同
じく第２の出口通路部３１ｂとの間を開閉する弁
体３２ｂとが弁軸３２ｃに同軸的に設けられ、こ
の切換弁３２をカム３３、ロツカアーム３４、弁
バネ３５などからなる動弁機構を介して往復駆動
することにより、排気行程前期の排気を第１の排
気通路１２ａへ、後期の排気を第２の排気通路１
２ｂへと導入する。

第１６図の第３弁１３は、入口通路部３０と第
１の出口通路部３１ａとを連通する第１のポート
３６ａと同じく第２の出口通路部３１ｂとを連通
する第２のポート３６ｂとを設けたスプール弁３
７を、第１５図と同様にして往復駆動することに
より排気流路を切り換えるようにしたものであ
る。

以上要するに本発明によれば、エンジンとター
ボチヤージヤのタービンとを連通する第１の排気
通路に加え、タービンを迂回する第２の排気通路
と、この通路を排気行程後期に開閉する第３弁お
よび弁駆動装置を設け、排気行程前期の高圧の排
気圧力パルスのみをタービンに導入するとともに
排気行程後期の低圧排気をタービンを介さずに排
出することにより、エンジン高回転域での排圧上
昇を抑えるようにしたので、高回転域での排圧増
大に伴うエンジン充填効率の低下やポンピングロ
スの増大を回避する一方で低回転域でのタービン
の効率を高めてエンジン効率を著しく向上できる
という効果を生じる。

特に本発明では、第３弁の開弁時期を排気流量
の増大するエンジン高速回転時もしくは高負荷運
転時ほど進めるようにしたので、高速または高負
荷運転域での排圧上昇を確実に回避するととも
に、低速運転域でのタービンへの排気流量を十分
に確保できる。このため、高速・高負荷運転時の
吸排気効率の向上やポンピング損失の低減を促進
して燃費・出力を大幅に向上でき、なおかつ低速
域での運転性能をも著しく改善できるという優れ
た効果が得られるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例の概略構成図である。第２図は
本発明の第１の実施例の概略構成図である。第３
図は第１の実施例における吸排気弁と第３弁の弁
リフト及び第１、第２の排気通路と吸気通路の圧
力をクランク角度との関係で表わした特性図であ
る。第４図は同じく各通路の圧力及び第１、第２
の排気通路の排気流量をエンジン回転速度との関
係で表わした特性図である。第５図は本発明の第
２の実施例の概略構成図である。第６図は同じく
第３の実施例の概略構成図である。第７図は第３
の実施例におけるロータリ型第３弁の横断面図で
ある。第８図は第７図のＸ−Ｘ線による断面図で
ある。第９図は同じくロータリ型第３弁の開度を
クランク角度との関係で表わした特性図である。
第１０図は同じくロータリ型第３弁の弁駆動装置
の概要を表わした正面図である。第１１図は本発
明の進角装置に関する実施例を示すためのエンジ
ンの概略図である。第１２図は前記実施例の進角
装置の半断面図である。第１３図は同じく第１、
第２の排気通路の排気流量をエンジン回転速度及
びある回転速度での第３弁の開閉タイミングとの
関係で表わした特性図である。第１４図は同じく
進角装置の他の実施例の半断面図である。第１５
図、第１６図は各々第３弁の他の実施例の縦断面
図である。 ３……吸気通路、４……排気通路、５……吸気
弁、６……排気弁、７……ターボチヤージヤ、７
Ａ……タービン、７Ｂ……コンプレツサ、１１…
…エンジン（本体）、１２ａ……第１の排気通路、
１２ｂ……第２の排気通路、１３……第３弁、１
６ａ……ロータリ型第３弁の第１のポート、１６
ｂ……ロータリ型第３弁の第２のポート、２１…
…進角装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ エンジン排気通路の途中にターボチヤージヤ
   のタービンを、吸気通路の途中に同じくコンプレ
   ツサを介装したエンジンにおいて、エンジンとタ
   ービンとを連通する第１の排気通路に加えてター
   ビンを迂回する第２の排気通路を形成するととも
   に、第２の排気通路を開閉する第３弁と、この第
   ３弁を排気行程の後期に開くように駆動する動弁
   装置とを設け、かつ前記動弁装置には、エンジン
   運転状態に応じて第３弁の開閉時期を遅進する進
   角装置を備え、高速もしくは高負荷運転時ほど第
   ３弁の開時期を進める設定としたことを特徴とす
   るターボチヤージヤ付エンジン。 ２ 第３弁は、エンジンの排気ポートと第１の排
   気通路とを連通する第１のポートと、排気ポート
   と第２の排気通路とを連通する第２のポートとを
   形成したロータリ弁であることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載のターボチヤージヤ付エ
   ンジン。