(57)【要約】【課題】多気筒内燃機関において、排気ターボ過給機の効率を向上させる。【解決手段】排気ターボ過給機は、複数の排気出口４に対応した複数のタービン室６を備えており、各タービン室６に排気タービン９が内蔵されている。各排気タービン９は共通の回転軸１１で連結されており、コンプレッサ翼１０は回転軸１０で駆動される。各タービン室６に連通した排気ガス排出通路１３は１つの出口１４に集合しており、このため、排気ターボ過給機のハウジングが排気マニホールドを兼用している。排気タービン６に排気ガスの動圧がダイレクトに作用することと、排気ガスは排気マニホールドで熱を奪われずに高温高圧のままでタービン室６に入ることとにより、エネルギの回収効率が高い。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一側面に複数の排気出口が開口したシリンダヘッドと、排気ガスで駆動される排気ターボ過給機とを備えており、
前記排気ターボ過給機は、前記シリンダヘッドにおける複数の排気出口のうちの全部又は一部に対応して配置された複数の排気タービンと、これら排気タービンの群で駆動されるコンプレッサとを備えており、前記各排気タービンが収納されたタービン室の入口を前記排気出口に開口していると共に、前記各排気タービンをその回転軸心が一致するように同軸上に配置している、
多気筒内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、排気ターボ過給機を備えた多気筒内燃機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
車両用等の内燃機関において、排気ガスで駆動される排気ターボ過給機を設けることは広く行われている。この排気ターボ過給機は、一般に１つの排気タービンと１つのコンプレッサ（ブロワー）とがセットになっており、１台の内燃機関の排気系に複数台の排気ターボ過給機を並列状又は直列状に配置することも多く提案されている（例えば特許文献１) 。
【０００３】
また、多気筒内燃機関のシリンダヘッドには枝部を有する排気マニホールドが固定されており、排気ターボ過給機を設けるに当たっては、タービン室を排気マニホールドの出口部に固定したり、タービン室を排気管の中途部に固定したりしている。特許文献１では、２つの排気ターボ過給機のタービン室はそれぞれ吸気マニホールドの集合部に固定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開昭６２−１５０５３８号のマイクロフィルム
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
さて、排気ガスの動圧はシリンダヘッドの排気出口において最大になっており、排気出口からの移動距離が長くなるほど動圧は低下していく。特に、排気マニホールドや排気管の曲がり部を通過すると、抵抗によって動圧は著しく低下する。従って、排気ガスのエネルギを有効利用する点では、排気ターボ過給機の排気タービンはできるだけシリンダヘッドに近付けるのが好ましい。
【０００６】
しかし、特許文献１においては、排気出口を出た排気ガスは排気マニホールドの内部で方向変換して排気ターボ過給機の排気タービンに至っているため、排気ガスは排気タービンに入る前に、流れ抵抗によって運動エネルギが低下している。このため、エネルギ回収効率においてまだ改良の余地があった。また、排気ガスは排気ターボ過給機の排気タービン室に入る前に排気マニホールドよって熱が奪われるため、温度低下による圧力損失も生じており、この面からもエネルギ回収効率に改善の余地があった。
【０００７】
また、特許文献１において複数の排気ターボ過給機を設けているのは、気筒数に応じた過給量を確保するためであるが、特許文献１では、排気ターボ過給機の台数を増やすに過ぎないことや、排気マニホールドとは別に排気ターボ過給機を設けねばならないことから、コストが嵩むおそれもあった。
【０００８】
更に、多気筒内燃機関においては各気筒の爆発が順番に行われるが、各排気出口が排気マニホールドで集合しているため、１つの排気出口から排出される排気ガスの動圧が他の排気出口に波及して、排気ガスの排出（掃気）に悪影響を及ぼすおそれもあった。
【０００９】
本願発明は、このような現状を改善すべくなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願発明は、一側面に複数の排気出口が開口したシリンダヘッドと、排気ガスで駆動される排気ターボ過給機とを備えた内燃機関において、前記排気ターボ過給機は、前記シリンダヘッドにおける複数の排気出口のうちの全部又は一部に対応して配置された複数の排気タービンと、これら排気タービンの群で駆動されるコンプレッサとを備えており、前記各排気タービンが収納されたタービン室の入口を前記排気出口に開口していると共に、前記各排気タービンをその回転軸心が一致するように同軸上に配置している。
【発明の効果】
【００１１】
本願発明では、排気出口から排出された排気ガスはそのまま直進して排気タービンに当たるため、排気タービンの動圧を最大に利用することができる。また、排気ガスは排気出口を出てからダイレクトに排気タービンに当たるため、高温・高圧のままで排気タービンに当たることになる。このように、排気ガスが動圧と高い圧力とを保持して排気タービンに当たるため、排気ガスのエネルギの回収効率を向上させることができる。
【００１２】
また、本願発明における各排気タービンは同軸に配置されているため、複数の排気タービンで１つのコンプレッサを駆動することも容易であり、このため、排気ターボ過給機の全体としての構成を簡単化することが可能になる。
【００１３】
また、排気ターボ過給機のハウジングに排気マニホールドの機能を持たせることができるか、或いは、排気マニホールドを排気ターボ過給機のハンジングに兼用することができ、従来の排気マニホールドと排気ターボ過給機とを一体化した構造にすることができるため、全体として軽量化やコンパクト化にも貢献可能である。この点も本願発明の利点の一つである。
【００１４】
更に、１つの排気タービンが１つの排気出口に対応して配置されており、各排気出口は互いに絶縁された状態になるため、１つの排気出口から排出された排気ガスの動圧が他の排気出口の排気ガスの動きに影響するようなことはない。その結果、各排気出口の排気ガスが干渉して掃気に悪影響を及ぼすことを防止できる。むしろ、爆発行程や圧縮行程でも排気タービンは回転しているため、排気行程の掃気性能を向上できると云える。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施形態の概略平面図である。
【図２】図１のII-II 視断面図である。
【図３】第２実施形態の概略平面図である。
【図４】第３実施形態の概略平面図である。
【図５】第４実施形態の模式図（平面図）である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
(1).第１実施形態
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図１，２に示す第１実施形態を説明する。本実施形態は３気筒の内燃機関に適用しており、このため、シリンダヘッド１には、クランク軸の軸線２に沿って３つの燃焼室３が形成されており、燃焼室３に連通した排気出口４がシリンダヘッド１の長手一側面１ａに開口している。図示してないが、シリンダヘッド１の長手他側面１ｂには吸気入口が開口しており、長手他側面１ｂには吸気マニホールドが固定されている。
【００１７】
シリンダヘッド１の長手一側面１ａには、排気マニホールド機能を有する排気ターボ過給機５がボルトで固定されている。なお、排気マニホールド機能付きの排気ターボ過給機５は、排気ターボ過給機能付き排気マニホールドと呼ぶことも可能である。
【００１８】
排気ターボ過給機５は、排気出口４の並び方向に並列配置された３つのタービン室６と、これらタービン室６と並列に並んだ１つのコンプレッサ室７とを有しており、これらは連結部８を介して一体に連続している（図では全体を一体構造に表示しているが、実際には、複数の部材を締結した構造になることが多い。）。
【００１９】
各タービン室６の内部には、排気タービン９がその回転軸心をクランク軸の軸心２と平行にした姿勢で内蔵されている一方、コンプレッサ室９には、コンプレッサ翼１０がその回転軸心をクランク軸の軸心２と平行にした姿勢で内蔵されており、各排気タービン９とコンプレッサ翼１０とは回転軸１１を共通にしている。従って、排気タービン９は３連式になっており、各排気タービン９とコンプレッサ翼１０とは一緒に回転する。なお、回転軸１１は１本でなくともよいのであり、複数本を同心に配置して、互いが一緒に一体回転するように連結されていてもよい。
【００２０】
３つのタービン室６は３つの排気出口４に対応して１対１の関係になっており、各タービン室６の排気ガス入口１２を排気出口４に開口させている。すなわち、排気出口４とタービン室６とは連通しており、排気出口４から排出された排気ガスはタービン室６にダイレクトに流入する。
【００２１】
各タービン室６に流入した排気ガスは、周方向に流れてから軸方向に排出される。従って、排気ターボ過給機５には、各タービン室６から排気ガスを逃がすための排気ガス排出通路１３を一体に設けており、各排気ガス排出通路１３は１つの出口１４に集合している。本実施形態では、出口１４は排気ターボ過給機５の端部に設けているが、左右中間部などに設けることも可能である。
【００２２】
排気ターボ過給機５の出口１４には、排気ガス浄化のための触媒コンバータ１５を接続している。触媒コンバータ１５の下端には排気管が接続されている。
【００２３】
各タービン室６の入口１２と排気タービン９との間の部分は、平面視でクランク軸の軸線２と直交した方向（前後方向）に長い延長通路１６になっており、この延長通路１６と排気ガス排出通路１３とが、平面視及び正面視で屈曲したバイパス通路１７で接続されている。そして、延長通路１６とバイパス通路１７との接続部か、又はバイパス通路１７に、排気タービン９に向かう排気ガスの量を調節するためのウエストゲートバルブ（図示せず）を設けている。敢えて述べるまでもないが、ウエストゲートバルブは電動モータ等のアクチェータで駆動される。延長通路１６の先端にはフランジを設けて、フランジをシリンダヘッド１に固定している。
【００２４】
コンプレッサ室７には、軸方向に開口した吸気入口１８と、コンプレッサ翼１０の回転軌跡の外周に接する接線の方向に開口した吸気出口１９とが設けられている。敢えて述べるまでもないが、吸気入口１８と吸気出口１９とには吸気管が接続されている。
【００２５】
以上の構成において、各排気タービン９には排気出口４から排出された排気ガスが直進性を持って衝突するため、排気ガスの動圧を有効利用して排気タービン９を回転させることができる。また、排気出口４から排出された排気ガスは吸熱されることなく高温のままで排気タービン９に当たるため、温度低下による圧力損失は殆どなく、この面からも排気ガスのエネルギを有効利用できる。
【００２６】
また、各排気出口４にタービン室６が接続されていることにより、互いの排気出口４から排出された排気ガスの圧力が他の排気出口４に及ぶことはないため、排気が干渉して掃気が不完全になる不具合も的確に防止できる。特に、本実施形態のように各排気出口４に対応してそれぞれ排気タービン９を設けると、各排気出口４同士の干渉を完全に解消できるため、特に好適である。
【００２７】
更に、各排気出口４から排出された排気ガスは各排気タービン９で攪拌されて流速が一定化するため、排気に脈動が生じることを的確に防止できる。この点も本願発明の利点の１つである。特に、本実施形態のように各排気出口４にタービン室６を接続すると、好適である。また、本願発明のように排気マニホールドと排気ターボ過給機とを一体化すると、全体としての軽量化やコストダウンに貢献し得る。なお、図面では明瞭化のために排気ターボ過給機５は大きめに描いており、実際には、左右の全長を除いて相当にコンパクト化することができる。
【００２８】
(2).他の実施形態
次に、図３以下に示す他の実施形態を説明する。図３に示す第２実施形態では、第１実施形態のようなバイパス通路やウエストゲートバルブは設けておらず、このため、排気ターボ過給機５は非常にコンパクトになっている。
【００２９】
そして、この実施形態では、各排気タービン９に固定された駆動軸２２とコンプレッサ翼１０の回転軸２３との間に可変クラッチ２４を介在させることにより、駆動軸２２のトルクをコンプレッサ翼１０に対して無段階で伝達できるようになっている。
【００３０】
図４に示す第３実施形態では、左右に隣り合ったタービン室６の間にコンプレッサ室７を配置している。この実施形態でも、全体としてかなりコンパクト化できる。特に、第２実施形態を組み合わせてウエストゲートバルブを廃止すると、相当のコンパクト化・軽量化を図ることができる。
【００３１】
図４に一点鎖線で示すように、１台の排気ターボ過給機５に複数（２台）のコンプレッサ室７を設けることも可能である。この場合、２つのコンプレッサ室７はその両方を過給に使用してもよいし、一方のコンプレッサ室７は過給に使用して、他方のコンプレッサ室７は別の用途（例えばブレーキブースターの駆動原）に使用することも可能である。
【００３２】
図５に示す第４実施形態では、吸気通路２５に、コンプレッサ室７の上流部と下流部とのに連通するバイパス通路２６を設けて、バイパス通路２６と吸気通路２５との接続部に無段階に調節できる三方弁２７を介在させている。吸気はスロットルバルブ２８からサージタンク２９を経て吸気マニホールド３０に送られる。
【００３３】
この実施形態では、三方弁２７の開度を制御することにより、コンプレッサ室７を通る吸気量とコンプレッサ室７を通らずにスロットルバルブ２８に向かう吸気量との割合を無段階に調節できる。従って、排気ターボ過給機５にはウエストゲートバルブは不要であり、それだけ排気ターボ過給機５をコンパクト化できる。
【００３４】
本願発明は、上記の実施形態の他にも様々に具体化できる。例えば、３気筒の内燃機関の場合、排気ターボ過給機は２つの排気出口に対応した排気タービンを有する２連式とするというように、排気出口の個数と排気タービンの個数とを異ならせることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本願発明は、内燃機関に実際に具体化できる。従って、産業上利用できる。
【符号の説明】
【００３６】
１  シリンダヘッド
１ａ  一側面
４  排気出口
５  排気ターボ過給機
６  タービン室
７  コンプレッサ
９  排気タービン
１０  コンプレッサ翼
１１  回転軸
１２  タービン室の入口
１３  排気ガス排出通路
１４  出口
１６  延長通路
１７  バイパス通路
１８  コンプレッサ室の吸気入口
１９  コンプレッサ室の吸気出口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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