(57)【要約】【課題】排気ターボ過給機を備えた内燃機関において、簡単な構造で低回転域から高回転域まで効率良く過給することを実現する。【解決手段】排気マニホールド５の集合部は第１単位連通路１７と第２単位連通路１８とが分離しており、第１単位連通路１７には小型排気ターボ過給機を接続して、第２単位連通路１８には大型排気ターボ過給機を接続している。第１単位連通路１７と第２単位連通路１８とは排気連通路１６に開口しており、第２単位連通路１８はバタフライ式の弁体２５で開閉される。第１単位連通路１７はシリンダヘッド３の端に位置した第１排気ポート１０と対向しており、弁体２５が全開状態では、第１排気ポート１０の排気ガスの一部が第２単位連通路１８に流入する。このため、小型排気ターボ過給機に過大な熱負荷がかかることを防止できる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒に連通した複数の排気ポートと、これら各排気ポートの出口を繋ぐ排気連通路と、前記排気連通路を挟んで排気ポートの群と反対側に位置した排気出口通路とを有しており、前記排気出口通路は、前記排気連通路に向いて隣り合った状態で開口した第１及び第２の単位連通路で構成されており、前記単位連通路のうち少なくとも第１単位連通路には排気ターボ過給機が接続されている構成であって、
前記第１単位連通路は１つの排気ポートに向けて開口しており、第２単位連通路と排気連通路との接続部に、第２単位連通路を開閉する回動式の弁体が、第２単位連通路を閉じると、排気連通路が第１単位連通路に連通して、第２単位連通路が開くと、前記１つの排気ポートからも排気ガスが第２単位連通路に流入し得る姿勢に変わるように配置されている、
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内燃機関に関するもので、特に、車両用内燃機関を好適な対象にしている。
【背景技術】
【０００２】
排気ターボ過給機を備えた内燃機関は広く普及しているが、排気ターボ過給機には排気ガスの流量や流速との関係で効率良く仕事をする使用域があり、低速域から高速域まで高い効率で過給できる排気ターボ過給機はまだ出現していない。
【０００３】
従って、排気ガス量が少なくて流速も遅い低回転域に適合させた仕様であると、排気ガスの量が多くて流速も早い中高速回転域では能力を越えてしまう現象が発生し、逆に、中高速回転域に適合させた仕様では、低回転域において排気ガスがタービン室を通過するだけで排気ガスの運動エネルギを回転軸のトルクに適切に変換できず、所望の過給ができない（車両用の場合は低速時の加速応答性が悪い）という現象が生じる。
【０００４】
そこで、複数の排気ターボ過給機を搭載することにより、全ての回転域において高い過給性能を得ることが提案されている。その例として特許文献１には、第１及び第２の２つの排気ターボ過給機を併設して、メイン排気通路は第１排気ターボ過給機に向かって、メイン通路から分岐したバイパス通路を第２排気ターボ過給機に接続し、分岐部に、排気ガスの流れ方向を変える切り替え弁を設けた構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１−２０８５１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の構成は、全回転域において高い過給性能を確保することは可能であるが、問題点も見受けられる。例えば、バイパス通路は第１排気ターボ過給機に向かうメイン通路から直角に分岐しているため、排気ガスがバイパス通路に流れるに際して抵抗が大きく、このため、圧損が増大して過給効率が低下するおそれがある。
【０００７】
また、排気通路はメイン通路の他にバイパス通路が必要になるため、全体の配管構造が複雑化してコストが嵩むのみならず、スペースの増大による内燃機関の大型化や重量増大をもたらして、燃費の悪化を招来するおそれも懸念される。
【０００８】
また、特許文献１では、第１排気ターボ過給機におけるタービン室の出口に接続された出口管とバイパス通路とが合流しており、従って、第１排気ターボ過給機のタービン室を通過して仕事をした排気ガスが再び第２排気ターボ過給機のタービン室に向かうため、第１排気ターボ過給機のみを駆動して過給するにおいて、第１排気ターボ過給機を通過した排気ガスが第２排気ターボ過給機を通過するときに抵抗が生じることになり、このため、低回転域で第１排気ターボ過給機のみを使用するときに、排気ガスのエネルギの利用効率が低下するおそれも懸念される。
【０００９】
更に、メイン通路を流れる排気ガスには直進性が付与されているため、中高回転域でもメイン通路から第１排気ターボ過給機に向けて流れる傾向を呈しており、このため、中高回転域で、大量の排気ガスの動圧が第１排気ターボ過給機に作用して、第１排気ターボ過給機のタービン室及び排気タービンに過大な熱負荷がかかるおそれもある。つまり、２つの排気ターボ過給機を設けたことの意義が低下してしまうおそれもある。
【００１０】
本願発明は、このような現状を改善することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願発明の内燃機関は、気筒に連通した複数の排気ポートと、これら各排気ポートの出口を繋ぐ排気連通路と、前記連通路を挟んで排気ポートの群と反対側に位置した排気出口通路とを有しており、前記排気出口通路は、前記排気連通路に向いて隣り合った状態で開口した第１及び第２の単位連通路で構成されており、前記単位連通路のうち少なくとも第１単位連通路には排気ターボ過給機が接続されている。
【００１２】
そして、前記第１単位連通路は１つの排気ポートに向けて開口しており、第２単位連通路と排気連通路との接続部に、第２単位連通路を開閉する回動式の弁体が、第２単位連通路を閉じると、排気連通路が第１単位連通路に連通して、第２単位連通路が開くと、前記１つの排気ポートからも排気ガスが第２単位連通路に流入し得る姿勢に変わるように配置されている。
【００１３】
排気連通路は排気マニホールドに形成してもよいし、シリンダヘッドに形成してもよい。すなわち、排気ガスの合流システムは、排気マニホールドを使用した構造でもよいし、シリンダヘッドに内蔵した方式でもよい。板状やブロック状の蓋部材をシリンダヘッド３一側面に固定して、蓋部材とシリンダヘッドとの合わせ面に排気連通路を形成することも可能である。
【発明の効果】
【００１４】
本願発明では、低回転域では、弁体で第２単位連通路を閉じることにより、全ての排気ポートの排気ガスを第１単位連通路に流すことができるため、低回転域において、第１単位連通路に接続された排気ターボ過給機（低回転仕様の排気ターボ過給機が好ましい）に排気ガスを集中的に流すことができる。これにより、低回転域での排気ターボ過給機の効率を高めて、高い過給性能（加速応答性）を確保することができる。
【００１５】
他方、中高回転域では、弁体を回動させて第２単位連通路を全開にしたり半開きにしたりして、第１単位連通路と第２単位連通路との両方に排気ガスを流すことにより、第１単位連通路に接続した排気ターボ過給機に過大な熱負荷が掛かったり、ポンピングロスが大きくなったりすることを防止しつつ、排気ガスを適切に排出できる。第２単位連通路に排気ターボ過給機（大容量に対応した大型が好ましい）を接続しておくと、中高回転域での過給性能を格段に向上できる。
【００１６】
また、特許文献１のようなパイパス通路は不要であるため、構造を簡単化してスペースの増大や重量の増大を防止できる。その結果、燃費の向上に貢献できる。
【００１７】
更に、本願発明の特徴の一つは、第２単位連通路を開いた状態で、第１単位連通路と対向した一つの排気ポートから排気ガスが第２単位連通路にも排出されることである。すなわち、第２単位連通路が開くと、一つの排気ポートから排出される排気ガスは、第１単位連通路と第２単位連通路との両方に分かれて排出される。このため、中高速回転域において、一つの排気ポートから排気ガスが第１単位連通路のみに大量に流れることを防止して、第１単位連通路に接続した排気ターボ過給機に過大な熱負荷がかかったりポンピングロスが生じたりすることを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施形態の模式図である。
【図２】図１の要部の断面図であり、（Ａ）は全閉状態の図、（Ｂ）は全開状態の図である。
【図３】変形例を示す図で、図２（Ａ）と同様の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は自動車用内燃機関に適用している。内燃機関は、クランク軸線方向に並んだ第１〜第３の３つの気筒（シリンダボア）１ａ〜１ｃを有するシリンダブロック２と、その上面に重ね固定されたシリンダヘッド３とを備えており、シリンダヘッド３の長手他側面３ａに吸気マニホールド４が固定されて、シリンダヘッド３の長手一側面３ｂには排気マニホールド５が接続されている。
【００２０】
吸気マニホールド４の集合部にはサージタンク６が接続されており、サージタンク６にスロットルバルブ７を設けている。スロットルバルブ７には、エアクリーナ８を始端とする吸気通路９が接続されている。
【００２１】
シリンダヘッド３には、各気筒１ａ〜１ｃに対応した第１〜第３の排気ポート１０，１１，１２が形成されており、これらはシリンダヘッド３の長手一側面３ｂに開口している。他方、排気マニホールド５は、第１排気ポート１０に連通した第１枝管１３と、第２排気ポート１１に連通した第２枝管１４と、第３排気ポート１２に連通した第２枝管１５とを備えている。
【００２２】
これら各枝管１３，１４，１５は、クランク軸線方向に長く延びる姿勢の排気連通路１６によって連通しており、排気連通路１５に、断面積が小さい第１単位連通路１７と断面積が大きい第２単位連通路１８とが接続されている。両単位連通路１７，１８は、平面視で排気連通路１３から略直交した姿勢になっている。第１単位連通路１７と第２単位連通路１８とで排気出口通路が構成されている。
【００２３】
また、両単位連通路１７，１８はクランク軸線方向に隔壁１９を介して隣り合っており、第１単位連通路１７の平断面視での横幅は、各排気ポート１０〜１２の開口部の横幅よりもかなり小さくなっている一方、第２単位連通路１８の横幅は、各排気ポート１０〜１２の開口部の横幅と同じ程度になっている。なお、排気連通路１６は、第３枝管１５から第１枝管１３の側に向けてシリンダヘッド３から離れるように平面視で傾斜させてもよい。
【００２４】
第１単位連通路１７は、第１排気ポート１０と対向するように配置されている。すなわち、第１単位連通路１７は、排気ポート１０，１１，１２の並び方向の端に位置している（図示では左端であるが、右端でもよい。）。従って、第１排気ポート１０から排出された排気ガスは、直進性を持って第１単位連通路１７に流入する。また、第１単位連通路１７の軸心２１は、第１排気ポート１０の軸心２２よりも僅かに第２，３枝管１４，１５の側（図２で紙面の右側）に寄っている。
【００２５】
他方、第２単位連通路１５の軸心２３は、第１枝管１３と第２枝管１４との間の第１股部（境界部）２０の箇所に位置しており、かつ、第２単位連通路１５の一部は第２排気ポート１１と対向している。従って、第２排気ポート１１から排出された排気ガスの一部は直進性を持って第２単位連通路１５に流入し得る。従って、第１排気ポート１０が請求項に記載した「一つの排気ポート」に相当する。
【００２６】
第２単位連通路１８と排気連通路１６との接続部（或いは第２単位連通路１８の始端部）には、第２単位連通路１８を開閉するバタフライ式の弁体（制御弁）２５が配置されている。弁体２５は上下方向に長い支軸２６に固定されており、支軸２６は、図示しないモータ等のアクチェータで回転駆動される。
【００２７】
弁体２５は、第２単位連通路１８を全閉させた姿勢と、第２単位連通路１８を全開させた姿勢とに略９０度回動させることができる。図２（Ａ）のとおり、第２単位連通路１８を全開させた姿勢では、弁体２５の一端は第１股部２０に近接している。従って、第２，３排気ポート１１，１２から排出された排気ガスは、その全量が第２単位連通路１８に流入する。また、弁体２５を開くと、第１排気ポート１０から排出された排気ガスの一部は第２単位連通路１８に流入し得る。
【００２８】
弁体２５は円形又は楕円形でもよいし、四角形（正方形又は長方形）であってもよい。排気連通路１６と第２単位連通路１８は交叉しているのであり、排気連通路１６と第２単位連通路１８とを少なくも弁体２５が回動する範囲では断面角形として、弁体２５も角形（方形）又は小判形（或いは横向きＵ形）とするのが合理的であるといえる。
【００２９】
第２単位連通路１８は、高さを変えずにシリンダヘッド３から遠ざかる姿勢（すなわち全体が略水平状の姿勢）になっているが、第１単位連通路１７は、水平状の始端部から下方に曲がって終端部は再び水平状の姿勢になっている（側面視で略クランク状に曲がっている。）。従って、第１単位連通路１７の終端と第２単位連通路１８の終端とは高さが相違している。
【００３０】
第１単位連通路１７の終端には、第１排気ターボ過給機（小型排気ターボ過給機）２７のタービン室２８が接続されて、第２単位連通路１８の終端には、第２排気ターボ過給機（大型排気ターボ過給機）２９のタービン室３０が接続されている（いずれもフランジ接続しているが、図示は省略している。）。両排気ターボ過給機２７，２９はコンプレッサ室３１を有しており、タービン室２８，３０に配置した排気タービン３２とコンプレッサ室３１に配置した圧縮インペラ３３とが、回転軸３４で連結されている。
【００３１】
両排気ターボ過給機２７，２９のコンプレッサ室３１は、吸気通路９と過給通路３５で接続されている。敢えて述べるまでもないが、コンプレッサ室３１では、吸気は軸方向から流入して周方向に排出される。タービン室２８，３０では、排気ガスは周方向から流入して軸方向に抜ける。
【００３２】
両排気ターボ過給機２７，２９とも、排気ガスをタービン室２８，３０の上流側から排気出口３６，３７にリークさせるバイパス通路３８，３９を設けており、バイパス通路３８，３９にウエストゲートバルブ４０，４１を設けている。
【００３３】
(2).第１実施形態のまとめ・ほか
以上の構成において、排気ガスの排出量が少ないアイドリング域からそれに近い低回転域では、弁体２５を全閉姿勢にすることにより、排気ガスの全量が小型の第１排気ターボ過給機２６に流入する。このため、第１排気ターボ過給機２７の性能をフルに発揮させて、高い過給効率（加速応答性）を得ることができる。
【００３４】
他方、排気ガスの排出量が多い高回転域では、弁体２５を全開姿勢にする。すると、第２，３排気ポート１１，１２から排出される排気ガスの全量が第２単位連通路１８を介して第２排気ターボ過給機２８に流入すると共に、第１排気ポート１０から排出される排気ガスの一部も第２単位連通路１８に流入する。このため、排気ターボ過給機２８に多くの排気ガスを送って仕様とおりの高い過給性能を発揮できる。かつ、第１単位連通路１７に過剰な排気ガスが流入することを防止して、第１排気ターボ過給機２７に過大な熱負荷がかかったり、ポンピングロスが増大したりすることを防止できる。
【００３５】
弁体２５が全閉姿勢と全開姿勢との間の半開き状態のときには、各排気ポート１０，１１，１２の排気ガスは第２単位連通路１８と第１単位連通路１７との両方に流入する。従って、弁体２５の開度を調整することにより、機関の回転数（排気ガスの排出量）に応じて、２つの排気ターボ過給機２７，２８の性能を効率よく使用できる。また、過給量は、ウエストゲートバルブ４０，４１によっても調節される。
【００３６】
このように、回転数に応じて大小２つの排気ターボ過給機２７，２９を適切に使い分けることができるため、全回転域にわたって高い過給効率を確保することができる。また、排気マニホールド５に弁体２５を付加する程度の構造であるため、特許文献１のようにバイパス通路を備えたものに比べて構造も簡単化できる。
【００３７】
なお、各排気ポート１０，１１，１２からは間欠的に排気ガスが排出されるので（回転数が高くなるほど間隔は短くなるが）、第１排気ポート１０から排出された排気ガスが、第２及び第３の排気ポート１１，１２から排出された排気ガスで押し戻されるという現象は殆ど発生しないと推測される。従って、第１排気ポート１０から排出された排気ガスの一部は第２単位連通路１８に流入するといえる。
【００３８】
上記の実施形態では、排気連通路１６はその全長がクランク軸線方向に沿って長く延びているが、図３に示す変形例では、隔壁１９をシリンダヘッド３から少し離すと共に、第１股部２０をシリンダヘッド３から離れる方向に突出させることにより、排気連通路１６の終端部１６ａをシリンダヘッド３から遠ざかる傾斜状に形成している。第２股部２０は、正確に述べると、第１枝管１３によって部分が最もシリンダヘッド３から離れるように設定しており、これにより、第１股部２０に、排気連通路１６の終端部１６ａを傾斜させるための傾斜面２０ａを形成している。
【００３９】
この変形例では、第２及び第３の排気ポート１１，１２から排出された排気ガスが第１単位連通路１７にスムースに流れるため、圧損を抑制できる利点がある。
【００４０】
本願発明は、上記の実施形態の他にも多々具体化できる。例えば、第２単位連通路には排気ターボ過給機を接続せずに、排気ガスをそのまま排気管に排出させることも可能である。また、２つの排気ターボ過給機を設ける場合、同じ仕様のものを使用することも可能である。実施形態は３気筒内燃機関に適用しているが、２気筒や４気筒以上の内燃機関にも適用できることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本願発明は、実際に内燃機関に適用できる。従って、産業上利用できる。
【符号の説明】
【００４２】
１ａ〜１ｂ  気筒
３  シリンダヘッド
５  排気マニホールド
１０〜１２  排気ポート
１３〜１５  枝管
１６  排気連通路
１７  第１単位連通路（排気出口通路）
１８  第２単位連通路（排気出口通路）
１９  隔壁
２０  第１股部
２５  弁体
２６  支軸
２７  第１（小型）排気ターボ過給機
２９  第２（大型）排気ターボ過給機
２８，３０  タービン室
【図１】
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【図２】
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【図３】
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