(57)【要約】【課題】  ターボチャージャが搭載されたエンジンの体格の縮小化を図ることを可能にするターボチャージャ組み込み型シリンダヘッドを提供することを課題とする。【解決手段】  第一シリンダヘッド部材１Ｘと第二シリンダヘッド部材１Ｙとを分割面Ａで組み合わせることで形成されるシリンダヘッド本体１の排気ポート１３にタービンホイール２１を配設すると共に、タービンホイール２１とコンプレッサホイール２３との連結部材２２を気筒の配列方向βと平行に配設し、第一シリンダヘッド部材１Ｘと第二シリンダヘッド部材１Ｙとを分割面Ａで接合して構成したことを特徴とする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一シリンダヘッド部材と第二シリンダヘッド部材とを分割面で組み合わせることで形成されるシリンダヘッド本体の排気ポートにタービンホイールを配設すると共に、該タービンホイールとコンプレッサホイールとの連結部材を気筒の配列方向と平行に配設し、前記第一シリンダヘッド部材と前記第二シリンダヘッド部材とを前記分割面で接合して構成したことを特徴とするターボチャージャ組み込み型シリンダヘッド。
【請求項２】
複数の前記排気ポートを合流させる合流部の下流側に前記タービンホイールを配設し、且つ前記タービンホイールへの流入排気ガスの排出方向が前記タービンホイールの軸線方向になるように前記排気ポートを形成したことを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャ組み込み型シリンダヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボチャージャをエンジンのシリンダヘッドに組み込んだターボチャージャ組み込み型シリンダヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ターボチャージャでは、タービンハウジングに収容されるタービンホイールとコンプレッサハウジングに収容されるコンプレッサホイールとが、連結部材としてのシャフトによって連結されて一体となって回転するように構成されている。そして、エンジンの排気ガスによるタービンホイールの回転エネルギを、シャフトを通じてコンプレッサホイールに伝達してコンプレッサホイールを回転させることで吸気を圧縮し、この圧縮した吸気をエンジンの燃焼室へと強制的に送り込むようにしている。ターボチャージャでは、こうして排気ガスの持つエネルギを利用して吸気を過給することで、エンジンの出力の向上を図っている。
【０００３】
このようなターボチャージャを備えたエンジンは、例えば特許文献１に開示されている。これは、各気筒の排気ポートに排気マニホールドが接続され、そして排気マニホールドに接続された排気管の途中にターボチャージャのタービンが配置されると共に、吸気ポートに吸気マニホールドが接続され、そして吸気マニホールドに接続された吸気管の途中にターボチャージャのコンプレッサが配置されている、いわゆるターボチャージャ外付けのエンジンである。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２６４２０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記特許文献１に記載されたようなターボチャージャ外付けのエンジンにあっては、タービンハウジングは、その排気ガスの入口側の端部が排気マニホールドにおけるその排気ガスの出口側の端部に、必要に応じて他の排気管を経由して接続されている。すなわち、燃焼室から排出された排気ガスは、シリンダヘッドの排気ポート及び排気マニホールドなどの排気流路を通過してタービンハウジング内に流入する。そのため、エンジンの燃焼室からタービンハウジングまでの排気流路の長さや容積が大きいことに起因して、ターボチャージャが搭載されるとエンジン全体としての体格が大きくならざるを得ないという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、上記問題を解消し、ターボチャージャが搭載されたエンジンの体格の縮小化を図ることを可能にするターボチャージャ組み込み型シリンダヘッドを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の一形態に係るターボチャージャ組み込み型シリンダヘッドは、第一シリンダヘッド部材と第二シリンダヘッド部材とを分割面で組み合わせることで形成されるシリンダヘッド本体の排気ポートにタービンホイールを配設すると共に、タービンホイールとコンプレッサホイールとの連結部材を気筒の配列方向と平行に配設し、第一シリンダヘッド部材と第二シリンダヘッド部材とを分割面で接合して構成したことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の他の形態は、上記一形態において、複数の排気ポートを合流させる合流部の下流側にタービンホイールを配設し、且つタービンホイールへの流入排気ガスの排出方向がタービンホイールの軸線方向になるように排気ポートを形成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一形態によれば、シリンダヘッド本体そのものをタービンハウジングとしてシリンダヘッドにターボチャージャが組み込まれるので、燃焼室からタービンホイールまでの排気流路の長さや容積が小さくなり、ターボチャージャが搭載されても、エンジンの体格の縮小化を図ることが可能になる。
【００１０】
また、本発明の他の形態によれば、複数の排気ポートを合流させる合流部の下流側にタービンホイールが配設されるので、複数の排気ポートからの排気ガスが一のタービンホイールへ流れるようにされて部品点数の削減を図ることが出来ると共に、排気ポートへの排気のタイミングの影響を無視することが可能になる。さらに、タービンホイールへの流入排気ガスの排出方向が、タービンホイールの軸線方向にされるので、従来から用いられているタービンホイールの翼形状を適用して排気ガスを効率よく受け流すことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照して本発明に係るターボチャージャ組み込み型シリンダヘッドの好ましい実施形態について詳細に説明する。
【００１２】
まず、本発明に係るターボチャージャ組み込み型シリンダヘッドを直列３気筒の４バルブエンジンに適用した第一の実施形態を図１および図２に基づいて説明する。ここで、図１は本発明に係る第一の実施形態のターボチャージャ組み込み型シリンダヘッド１００の透視的概念図であり、図２はそのシリンダヘッド１００の一の気筒に関する横断面図である。但し、図１および図２共に、理解の容易化のために吸気バルブや排気バルブを省略して簡略化して示している。尚、本発明は気筒の数およびバルブの数を限定するものではない。
【００１３】
本第一の実施形態のターボチャージャ組み込み型シリンダヘッド１００は、シリンダヘッド本体１を有し、後述する如く、その内部にタービンホイール２１と、タービン軸２２と、コンプレッサホイール２３とが配設されて構成される。以下、これらを配設する構成およびその方法に関して説明するが、各気筒に対応する吸排気ポートはそれぞれ同じ構成であるので、共通する構成については一の気筒に関する吸排気ポートについて代表して説明する。
【００１４】
シリンダヘッド本体１には、不図示の吸気バルブおよび排気バルブの数に対応してそれぞれ二股に分かれて燃焼室１２に連通されるべく吸気ポート１１と排気ポート１３とが形成されている。一の気筒の吸気ポート１１には、燃焼室１２とは反対側の端部に吸気マニホールド３が接続され、一方、排気ポート１３には燃焼室１２とは反対側の端部に不図示の排気マニホールドが接続可能にされている。
【００１５】
排気ポート１３において、燃焼室１２に連通されて二股に分岐されている流路が合流される合流部１３ａのすぐ下流側において、排気ポート１３は連通路１３ｂによって互いに連通され、この連通路１３ｂはさらにシリンダヘッド本体１の長手方向端部に形成されたウエストゲートポート１４に連通されている。このウエストゲートポート１４は、ウエストゲートバルブ１４ａを有し、直列に配設されている三つの気筒の内、長手方向の一の端部に位置する気筒の排気ポート１３に平行に隣接し、連通路１３ｂに直交するように形成されている。また、合流部１３ａよりも下流側には、後で詳述するように、タービンホイール２１が配設されるタービン収容部１３ｃが形成されている。一方、シリンダヘッド本体１のウエストゲートポート１４が形成された一の端部と長手方向に逆の端部には、コンプレッサホイール２３が配設されるコンプレッサ収容部１６ａを有するコンプレッサハウジング部１６がシリンダヘッド本体１に一体に形成されている。なお、本実施形態においては、各気筒の排気ポート１３毎にタービンホイール２１が配設され、タービンホイール２１の数と気筒の数が１対１で対応するようにされている。
【００１６】
ここで、上述したタービン収容部１３ｃの構成およびそれに関連するタービン軸収容部１５およびコンプレッサ収容部１６ａの構成について、図２をも参照して説明する。なお、図２は一の気筒に関するシリンダヘッド本体１の断面図であり、これは図１における一点鎖線Ｂ―Ｂによりシリンダヘッド本体１を切断した断面図である。各タービンホイール２１を各タービン収容部１３ｃに、また各タービン軸２２を各タービン軸収容部１５に、さらにコンプレッサホイール２３をコンプレッサ収容部１６ａに収容するべく、シリンダヘッド本体１は第一シリンダヘッド部材１Ｘと第二シリンダヘッド部材１Ｙとから分割形成されている。
【００１７】
図２に示すように、これら第一シリンダヘッド部材１Ｘと第二シリンダヘッド部材１Ｙは、排気ポート１３の中心軸より下方であって、排気ポート１３の内部である中空部分を長手方向に縦断して、この排気ポート１３の軸線方向にシリンダヘッド本体１を分割する分割面Ａ（図２中点線で示されている。）を有している。また、この分割面Ａは排気ポート１３の内壁面がそれぞれ第一シリンダヘッド部材１Ｘと第二シリンダヘッド部材１Ｙの表面になるようにシリンダヘッド本体１を分割する面でもあり、分割面Ａは排気ポート１３内に仮想の面の部分を含むものである。すなわち、分割面Ａを当接させて第一シリンダヘッド部材１Ｘと第二シリンダヘッド部材１Ｙを組み合わせることによりシリンダヘッド本体１に排気ポート１３が形成されるようにされている。排気ポート１３のタービン収容部１３ｃは、タービンホイール２１の略上半分が排気ポート１３の流路内に位置し、略下半分が第一シリンダヘッド部材１Ｘに回動可能に埋没されるように断面が半円形状の凹部とされて、形成されている。
【００１８】
これに対して、タービン軸収容部１５は、図２には示されていないが、第一シリンダヘッド部材１Ｘと第二シリンダヘッド部材１Ｙの分割面Ａ沿いに、共に断面が半円形状の凹部として形成されている。換言すると、これらを組み合わせることにより断面円形の中空部となるように分割形成されている。さらに、コンプレッサホイール２３が配設されるコンプレッサ収容部１６ａを有するコンプレッサハウジング部１６も分割面Ａを境界として上下等しく分割形成されていて、コンプレッサホイール２３がコンプレッサ収容部１６ａ内で吸気を圧縮すべく回動可能に収められる形状とされている。
【００１９】
これらのタービン収容部１３ｃ、タービン軸収容部１５およびコンプレッサ収容部１６ａは連続して設けられていて、このタービン軸収容部１５は三つのタービンホイール２１とコンプレッサホイール２３とをタービン軸２２を介して一体として回転可能にすべく、三つ設けられている。これらタービン軸収容部１５は、タービンホイール２１とコンプレッサホイール２３とを連結する連結部材であるタービン軸２２が気筒の配列方向βと平行な関係になるように、すなわちその軸線方向αが気筒の配列方向βと平行な関係になるように位置付けられている。
【００２０】
加えて、詳細な図示は省略するが、シリンダヘッド本体１の上記タービン軸収容部１５の両端にはタービン軸２２を軸支するブッシング１５ｃが配設されている。そして、それらへの潤滑油の供給を可能とすべく、潤滑油供給口１５ａと潤滑油排出口１５ｂが形成されている。この潤滑油供給口１５ａにはカムシャフト等の潤滑のために供給された潤滑油が供給されるように、シリンダヘッド本体１内に不図示の潤滑油通路が形成されている。一方、潤滑油排出口１５ｂは、シリンダブロックに形成された潤滑油通路に連通される。なお、潤滑油の排気ポート１３やタービン収容部１３ｃなどへの漏出の防止は、タービン軸２２を軸支するブッシング１５ｃにより可能であるが、さらにパッキンを設けることにより封止しても良い。
【００２１】
また、図２に示すように、排気ポート１３は、燃焼室１２との接続箇所である上流部１３Ｘで大きな径とされていて、タービン収容部１３ｃが設けられている中流部１３Ｙで最も径が小さくなるように、排気ポート１３の内径は上流部１３Ｘから中流部１３Ｙに至るに従って小さくなるようにされている。これに対して、中流部１３Ｙから下流部１３Ｚに至るに従っては、排気ポート１３の内径は大きくなるようにされている。
【００２２】
さらに、上記構成であるシリンダヘッド本体１、すなわち第一シリンダヘッド部材１Ｘおよび第二シリンダヘッド部材１Ｙは、熱伝導性、すなわち放熱性の観点から、アルミニウム合金により作製される。また、タービンホイール２１、タービン軸２２、コンプレッサホイール２３もアルミニウム合金で作製される。尚、これは、タービンホイール２１、タービン軸２２、コンプレッサホイール２３が、アルミニウム合金により作製されずに、鋳鉄などにより作製されることを排除するものではない。また、さらにシリンダヘッド１００の冷却を十分に行うべく、ヘッドウォータージャケット（不図示）によりシリンダヘッド１００は冷却可能にされている。
【００２３】
次に、シリンダヘッド本体１へのターボチャージャ２の組み込みを含めた製造方法について時間の流れに従って説明する。まず、上述の第一シリンダヘッド部材１Ｘおよび第二シリンダヘッド部材１Ｙがそれぞれ通常の鋳込み成形により作製される。そして、上記の第一シリンダヘッド部材１Ｘの排気ポート１３の各タービン収容部１３ｃにそれぞれタービンホイール２１が、また各タービン軸収容部１５の両端にブッシング１５ｃを伴ってそれぞれタービン軸２２が、さらにコンプレッサ収容部１６ａにコンプレッサホイール２３が、タービン軸２２の回転軸線αが気筒の配列方向βに対して平行となるように配設される。その状態のもと、第一シリンダヘッド部材１Ｘに第二シリンダヘッド部材１Ｙを組み合わせる、すなわち第一シリンダヘッド部材１Ｘと第二シリンダヘッド部材１Ｙを分割面Ａで当接させる。そして、この当接している分割面Ａで第一シリンダヘッド部材１Ｘと第二シリンダヘッド部材１Ｙとを接合することが行われる。具体的には、拡散接合が行われる。これによりシリンダヘッド本体１をハウジングとして、シリンダヘッド本体１にターボチャージャ２が組み込まれることになる。
【００２４】
このような構成のシリンダヘッド１００を備えたエンジンでは、各気筒の燃焼室１２から排気ポート１３へ排気ガスが排出されると、その排気ガスはこの排気ポート１３の合流部１３ａを通過してタービン収容部１３ｃを経由して排気マニホールドへ排出される。そして、排気ガスが各タービン収容部１３ｃを通過する際に各タービンホイール２１がそれぞれ回転される。このようにタービンホイール２１が回転されると、その回転がタービン軸２２を介してコンプレッサホイール２３にも伝達され、このコンプレッサホイール２３が回転されるようになる。一方、こうしてコンプレッサホイール２３が回転されると、コンプレッサ収容部１６ａに流入した吸気が加圧されて吸気管４および吸気マニホールド３を介して各気筒の燃焼室１２へ過給される。なお、吸気量は、不図示のアクチュエータを制御して、シリンダヘッド本体１と吸気マニホールド３を連通させるように接続された吸気管４のスロットルバルブ４１の開度をコントロールすることなどにより調節可能にされている。また、ウエストゲートバルブ１４ａの開閉を不図示のアクチュエータなどにより制御し、排気ガスをバイパスさせてタービンホイール２１の回転速度を制御することによりコンプレッサホイール２３の吐出圧力が制御可能にされている。
【００２５】
上記したようにシリンダヘッド本体１にターボチャージャ２を組み込んでシリンダヘッド１００とすることで、次の効果が生じる。まず、ターボチャージャ２がシリンダヘッド本体１に組み込まれることにより、従来技術のようにターボチャージャを外付けにしてシリンダヘッドの排気ポート及び排気マニホールドなどを通過してタービンハウジング内に排気ガスが流入する場合に比して、燃焼室１２からタービンホイール２１までの排気流路の長さや容積が小さくなり、ターボチャージャ２を含めたエンジンの体格の縮小化が図られることになる。また、外付けのターボチャージャを備える場合に比して、排気ポート１３の大きさに適した大きさまでタービンホイール２１が縮小されてその慣性質量が低減されるので、排気ガスを受けてこのタービンホイール２１が回転するその応答性の向上を図ることが可能である。さらに、シリンダヘッド本体１がアルミニウム合金により作製されることはタービンハウジングがアルミニウム合金で作製されることであり、これにより従来タービンハウジングが鋳鉄により製造されていた場合に比して、タービンハウジングの質量（熱容量）軽減が可能となり、これによって例えばさらに下流のＮＯｘ除去などのために設けられる触媒に、より大きな熱量を供給することが可能であり、触媒暖機が効率よく行われるようになる。さらに、例えば排気ポート１３内の合流部１３ａで排気ガスが流れる流路が狭まることに加えて、排気ポート１３をタービンホイール２１手前で絞ってタービンホイール２１出口で広がる形状にすることにより、各排気ポート１３を流れる排気ガスからターボチャージャ２は効率的にエネルギを取り出すことが可能になる。さらに、シリンダヘッド本体１がターボチャージャ２のハウジングとされることにより、部品点数の削減を図ることが可能になる。
【００２６】
次に、本発明に係るターボチャージャ組み込み型シリンダヘッド１００の第二の実施形態について、図３に基づいて説明する。なお、この第二の実施形態が上記第一の実施形態と異なる点は、主として二点ある。第一に、タービンホイール２１が一つのみであり、全ての排気ポート１３の合流部１３ｐの下流側に当該タービンホイール２１が配設されることである。また第二に、一のタービンホイール２１に流入する排気ガスが、タービンホイール２１の軸線方向に流出することである。以下、上記第一の実施形態と同一箇所の重複説明は避けて、これらの相違点を説明する。なお、この合流部１３ｐは複数の排気ポートを一の排気ポートとするために形成するものであり、前述の二股を一つにする合流部１３ａとは異なる合流部であるので、第二の実施形態では合流部１３ｐを第二合流部と、そして前述の第一の実施形態の合流部１３ａを第一合流部と称する。
【００２７】
３つの排気ポート１３は各第一合流部１３ａの下流側の第二合流部１３ｐで一つにまとまるようにされていて、その第二合流部１３ｐで排気ガスが合流して流れるようにされている。一のタービンホイール２１は、第二合流部１３ｐ端部の送出口１３ｑの下流側に形成されるタービン収容部１３ｃに配設されている。なお、この送出口１３ｑはシリンダヘッド本体１の端部に配置される燃焼室１２の下流に位置されている。換言すると、このタービンホイール２１は、３つの気筒の内、最もコンプレッサホイール２３に近接され且つ端部にある気筒の排気ポート１３の下流側に配設されている。そして、各気筒の各排気ポート１３からの排気ガスが第二合流部１３ｐで合流されてタービンホイール２１の軸線方向と直交する方向γからタービンホイール２１に流入し、タービンホイール２１の軸線方向に平行な方向δへ流出するべく、排気ポート１３がタービン収容部１３ｃで９０度折れ曲がるように形成されている。また、ウエストゲートポート１４は、合流部１３ｐからそれに直交するように設けられていて、３つの気筒の内、中央の気筒の排気ポート１３に真っ直ぐに連通するようにされている。なお、シリンダヘッド本体１の排気ポート１３にあればタービンホイール２１はいずれにあっても良い。
【００２８】
以上、第二の実施形態によれば、上記第一の実施形態と同じく、ターボチャージャ２がシリンダヘッド本体１に組み込まれるのでターボチャージャ２を搭載したエンジンの体格の縮小化を図ることが可能になる。排気ポート１３の合流部１３ｐの下流側にタービンホイール２１が配設されるので、複数の排気ポート１３からの排気ガスが一のタービンホイール２１へ流れるようにされて部品点数の削減を図ることが出来ると共に、排気ポート１３への排気のタイミングの影響を無視することが可能になる。タービンホイール２１への流入排気ガスの排出方向δが、タービンホイール２１の軸線方向にされるので、従来から用いられているタービンホイール２１の翼形状を適用して排気ガスを効率よく受け流すことが可能になる。
【００２９】
以上、本発明に係るターボチャージャ組み込み型シリンダヘッドを、上記第一の実施形態および上記第二の実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。具体的には、エンジンの気筒の数を３つとしたが、４つでも、６つでも、８つでもその他いくつであっても良い。また、気筒の数に関わらず、タービンホイールの数を設定することとしても良い。また、上記シリンダヘッド本体は、第一シリンダヘッド部材と第二シリンダヘッド部材とから分割形成されるとしたが、排気ポートにタービンホイールを備えてターボチャージャをシリンダヘッドに組み込むことが出来るように排気ポートに分割面を有するのであれば、さらに複数の部材に分割されても良い。さらに、その分割面は、タービンホイールを備える箇所が排気ポートに位置するようにされていればよく、そのような箇所以外の分割面は排気ポートを通らなくても良い。また、そのような少なくとも排気ポートの一部をその軸線方向に分割する分割面には、排気ポートの中心軸が含まれても良い。さらに、コンプレッサホイールをシリンダヘッド本体の端部から露出するように配設するようにしても良い。この場合には、コンプレッサホイールのコンプレッサハウジングが、シリンダヘッド本体にコンプレッサホイールを覆うように直接固定され、実質的にシリンダヘッド本体にターボチャージャの全てが組み込まれるのが良い。また、上記第一および第二の実施形態では、シリンダヘッド本体を介在する吸気マニホールドおよび吸気管をシリンダヘッドと別個独立したものとして述べたが、シリンダヘッド本体にそれらを組み込んで一体としても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る第一の実施形態のターボチャージャ組み込み型シリンダヘッドの透視的概念図である。
【図２】図１に示したシリンダヘッドの一の気筒に関する横断面図である。
【図３】本発明に係る第二の実施形態のターボチャージャ組み込み型シリンダヘッドの透視的概念図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  シリンダヘッド本体
１Ｘ  第一シリンダヘッド部材
１Ｙ  第二シリンダヘッド部材
１３  排気ポート
２  ターボチャージャ
２１  タービンホイール
２２  タービン軸
２３  コンプレッサホイール
α  タービン軸の回転軸線
β  気筒の配列方向
【図１】
2006063851.tif 000003
【図２】
2006063851.tif 000004
【図３】
2006063851.tif 000005