(57)【要約】【課題】大小２つの排気ターボ過給機備えた内燃機関において、両排気ターボ過給機への排気ガスの流入をスムース化して、全回転域での効率的な過給を実現する。【解決手段】２つの排気ターボ過給機１０，１１は背中合わせ状に配置されており、流入口１８，１９は共通通路２５に向けて開口している。共通通路２５には、回動式の弁体２８を配置している。排気マニホールド５の集合部５ｂから排出された排気ガスは、いずれの排気ターボ過給機１０，１１の流入口１８，１９に対しても、直進性をもって流入する。このため、圧損を著しく低減して、高い過給効率を実現できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスが周方向から流入して軸方向に抜けるタービン室を有する排気ターボ過給機が複数台並列状に配置されており、前記各排気ターボ過給機におけるタービン室の排気ガス流入口には１本の排気通路が接続されて、制御弁により、前記排気通路から各排気ターボ過給機のタービン室に流れる排気ガスが制御される構成であって、
前記各排気ターボ過給機を、タービン室の流入口が排気通路を流れる排気ガスの流れ方向と略対向する姿勢で配置しており、かつ、前記制御弁は板状の弁体が回動する方式であって、回動軸心は前記両排気ターボ過給機の回転軸と略平行になっている、
内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、複数の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、低回転域から高回転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熱負荷が過大になると共に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】
本願発明はこのような現状に鑑み成されたものであり、複数の排気ターボ過給機を併設した内燃機関において、構造の簡素化や効率向上等を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願発明の内燃機関は、排気ガスが周方向から流入して軸方向に抜けるタービン室を有する排気ターボ過給機が複数台並列状に配置されており、前記各排気ターボ過給機におけるタービン室の排気ガス流入口には１本の排気通路が接続されて、制御弁により、前記排気通路から各排気ターボ過給機のタービン室に流れる排気ガスが制御される、という基本構成である。
【００１１】
そして、上記基本構成において、前記各排気ターボ過給機を、タービン室の流入口が排気通路を流れる排気ガスの流れ方向と略対向する姿勢で配置しており、かつ、前記制御弁は板状の弁体が回動する方式であって、回動軸心は前記両排気ターボ過給機の回転軸と略平行になっている。
【００１２】
本願発明では、排気ターボ過給機は３つ以上設けることも可能であるが、一般的には２個で足りる。また、例えば排気ターボ過給機を２個併設する場合、両者が同じ仕様でもよいが、タービン室における排気ガスの流れ通路の断面積が異なる小型排気ターボ過給機と大型排気ターボ過給機とを併設することが可能（好適）である。
【００１３】
本願発明は、排気通路の軸心を挟んだ両側に２つの排気ターボ過給機が近接して背中合わせ状に配置された構成を含んでおり、この場合、２つの排気ターボ過給機における流入口は境界の隔壁を挟んだ両側に位置しており、従って、制御弁の弁体は、境界の先端の近くに回動軸心が位置するように配置することになり、弁体の姿勢が変わることで、排気ガスは、一方の排気ターボ過給機のみに流れたり、他方の排気ターボ過給機のみに流れたり、両方の排気ターボ過給機に流れたりと、流れ方向が制御される。そして、弁体は排気通路の軸心に対して傾斜することになるため、弁体が排気ガスの流れを誘導するガイド部材として機能する。
【００１４】
更に、２つの排気ターボ過給機を背中合わせ状に配置した場合において、２つの排気ターボ過給機を小型排気ターボ過給機と大型排気ターボ過給機とに構成すると、２つの排気ターボ過給機におけるタービン室の流入口の断面積が異なるため、２つの排気ターボ過給機の流入口の境界の隔壁は、排気通路の軸心に対して小型排気ターボ過給機の側にずれることになり、排気通路の軸心に対する弁体の傾斜角は、排気ガスが大型排気ターボ過給機のみに流れる状態では小さくなる。従って、排気ガスの流量が多くて流速も早い状態のとき、排気ガスが大型排気ターボ過給機のタービン室にスムースに流れるように的確にガイドされる。
【発明の効果】
【００１５】
本願発明では、複数の排気ターボ過給機におけるタービン室の流入口の開口方向が、排気通路における排気ガスの流れ方向と略対向しているが、これは、排気通路での排気ガスの流れ方向と、各排気ターボ過給機におけるタービン室の始端部での排気ガスの流れ方向とが概ね一致していることを意味する。従って、排気ガスは、排気通路から各排気ターボ過給機のタービン室に直進性を持ってスムースに流入する。これにより、圧損を著しく抑制して、高いエネルギ変換効率を実現できる。
【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】
また、各排気ターボ過給機のタービン室から排出された排気ガスは他の排気ターボ過給機のタービン室又はウエストゲート通路に流入しないため、いずれの排気ターボ過給機も、運動エネルギが大きい状態で排気ガスを排気タービンの駆動に仕様できる。このため、排気ガスの運動エネルギを排気タービンのトルクに効率良く変換することができる。その結果、過給の効率を向上して、車両用の場合は加速性能を向上させることができる。
【００１８】
上記のとおり、小型排気ターボ過給機と大型の排気ターボ過給機との２個の排気ターボ過給機を併設すると、小型排気ターボ過給機のみを使用する状態と、大型排気ターボ過給機のみを使用する状態、及び、両方の排気ターボ過給機を使用する状態とを選択できて、全回転域においてきめ細かい過給を実現できるため、特に好適である。なお、同じ大きさ（仕様）の排気ターボ過給機を併設した場合でも、２つの排気ターボ過給機を個別に又は併せて仕様することによって、全回転域にわたってきめ細かい過給を実現できる。
【００１９】
更に、小型排気ターボ過給機と大型排気ターボ過給機とを併設した場合において、両者を背中合わせに配置すると、上記のとおり、両排気ターボ過給機におけるタービン室の流入口の断面積の違いに起因して、大型排気ターボ過給機に流入する排気ガスの流れを弁体でガイドできるため、大型排気ターボ過給機の使用効率を向上できて好適である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１実施形態の縦断側面図であり、図２のII-II 視断面図である。
【図２】（Ａ）は内燃機関の模式的な平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ視図である。
【図３】図１の変形例である。
【図４】第２実施形態を示す縦断側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
(1).第１実施形態の概要
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。まず、図１，２に示す第１実施形態の概要を説明する。図２に示すように、内燃機関は、３つのシリンダボア（気筒）１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の長手一側面に吸気マニホールド４が固定されて、シリンダヘッド３の長手他側面には排気マニホールド５が固定されている。
【００２２】
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。
【００２３】
他方、排気マニホールド５は、３つの枝管５ａとこれらが集まった１つの集合部５ｂとを有しており、集合部５ｂの先端部の箇所に、大型排気ターボ過給機１０と小型排気ターボ過給機２２との２つの排気ターボ過給機が、上下に高さを変えて配置されており、両排気ターボ過給機１０，１１のタービン室１２，１３に排気マニホールド５の集合部５ｂが接続されている。
【００２４】
両排気ターボ過給機１０，１１のタービン室１２，１３には排気タービン１４，１５が配置されており、排気タービン１４，１５は、コンプレッサ室１６，１７に配置された圧縮インペラ１６′，１７′と回転軸２０，２１によって接続されている。コンプレッサ室１６，１７には吸気導入口が軸方向に開口しており、圧縮された吸気は周方向に向いた出口から排出される。コンプレッサ室１６，１７と吸気通路８とは、過給通路９′で接続されている。
【００２５】
他方、図２に示すように、タービン室１２，１３には、周方向に向いた流入口１８，１９が開口しており、両流入口１８，１９に、排気マニホールド５の集合部５ｂが接続されている。また、タービン室１２，１３には軸方向に向いて排気出口（図示せず）が開口しており、２つの排気出口は排気管（図示せず）に接続されている。
【００２６】
なお、排気ターボ過給機１０，１１の下流側には、排気ガス浄化のための触媒ケース（図示せず）が配置されている。両排気ターボ過給機１０，１１とも、排気ガスをタービン室１２，１３の上流側から排気出口にリークさせるバイパス通路を設けており、バイパス通路にウエストゲートバルブを設けているが、本願発明との関連は薄いため、これらの図示は省略している。
【００２７】
(2).両排気ターボ過給機の要部の詳細
図２のとおり、２つの排気ターボ過給機１０，１１は、回転軸２０，２１を平行かつ略水平姿勢にして上下背中併せ状に配置されており、ハウジング２２を共有した一体構造になっている（勿論、別体の構造でもよい。）。そして、タービン室１２，１３の排気ガス流路２３，２４は、排気ガスの流れ方向に向かって断面積が小さくなる渦巻き形になっているが、渦巻きの方向を逆にして、流入口１８，１９が上下に隣り合う姿勢になっている。
【００２８】
従って、２つの排気ターボ過給機１０，１１の流入口１８，１９は、いずれも同じ方向に向いて開口しており（すなわち、排気ガス流路２３，２４の始端部は平行に並んでおり）、流入口１８，１９の上流側は共通通路２５になっている。そして、共通通路２５の始端に排気マニホールド５の集合部５ｂをフランジ接合によって固定している。排気マニホールド５の集合部５ｂと両排気ターボ過給機１０，１１の共通通路２５とは、請求項に記載した排気通路を構成している（なお、既述のパイパス通路は共通通路２５から分岐している。）。
【００２９】
図２の実施形態では、２つの排気ターボ過給機１０，１１の回転軸２０，２１は、共通通路２５の始端から同じだけ離れた位置に配置している。すなわち、両回転軸２０，２１は、平面視で同じ位置に配置されている。
【００３０】
上下の排気ターボ過給機１０，１１の流入口１８，１９が上下隣り合わさっているため、上下の排気ガス流路２３，２４の始端部を隔てる隔壁２６が存在している。そして、共通通路２５に、排気ガスの流れ方向を制御する回動式の制御弁２７を設けている。制御弁２７は板状の弁体２８を有しており、弁体２８は、隔壁２６の先端近傍を中心にして回動するように支軸２９で共通通路２５に連結されており、支軸２９はモータ等のアクチェータ３０で駆動される。
【００３１】
支軸２９は、両排気ターボ過給機１０，１１の回転軸２０，２１と平行に配置されている。また、弁体２８は四角形になっており、従って、共通通路２５のうち少なくとも弁体２８が動く部分は断面四角形になっている。バタフライ方式の弁体を使用する場合は、共通通路２５は断面円形や楕円形になる。
【００３２】
以上のとおり、両排気ターボ過給機１０，１１の流入口１８，１９が、共通通路２５を流れる排気ガスの流れ方向と対向しているため（つまり、両排気ガス流路２３，２４の始端部と共通通路２５とが殆ど直線状に繋がっているため）、排気マニホールド５のタービン室１２，１３から両排気ターボ過給機１０，１１の共通通路２５に至った排気ガスは、両方の排気ターボ過給機１０，１１のタービン室１２，１３に直進姓をもって流入する。これにより、圧損を殆ど生じさせることなく、排気ガスの運動エネルギを排気タービン１４，１５のトルクに変換して、高い過給性能を確保できる。
【００３３】
また、低回転域では小型排気ターボ過給機１１のみを使用することにより、排気ガスの量が少なくて流速が遅くても、排気ガスの運動エネルギを排気タービン１５の回転トルクに効率良く変換して、高い加速性能を得ることができる。機関の回転数に応じて弁体２８の姿勢を制御して、大型排気ターボ過給機１０に流入する排気ガスの量と、小型排気ターボ過給機１１に流入する排気ガスの量とを制御することにより、全回転域にわたって高い効率で過給することができる。
【００３４】
さて、大型排気ターボ過給機１０と小型排気ターボ過給機１とでは流入口１８，１９の断面積が異なるので、隔壁２６は、共通通路２５及び集合部５ｂの軸心に対して、小型排気ターボ過給機１の側にずれている。従って、弁体２６が共通通路２５の軸心と平行になっている状態を基準状態として、大型排気ターボ過給機１０の流入口１８を全閉するための回動角度θ１は、小型排気ターボ過給機１１を全閉するための回動角度θ２よりも大きくなっている。
【００３５】
換言すると、大型排気ターボ過給機１０の流入口１８の全開時の弁体２６の回動角度θ２が、小型排気ターボ過給機１１の流入口１９の全開時の弁体２６の回動角度θ１よりも小さい。従って、大量の排気ガスを大型排気ターボ過給機１０のタービン室１２にスムースに流入させることができる。
【００３６】
(3).変形例・他の実施形態
図１の実施形態では、両排気ターボ過給機１０，１１の回転軸を平面視で同じ位置に配置しているが、図３の変形例では、小型排気ターボ過給機１１の回転軸２１を大型排気ターボ過給機１０の回転軸２０よりも共通通路２５の側にずらしている。このように構成すると、小型排気ターボ過給機１１のみを使用している状態で、排気ガスが、弁体２８により、タービン室１３の外周に沿うようにガイドされる。このため、圧損の低減をより一層図ることができる。
【００３７】
つまり、排気ガスの流れ方向が、流入口１９の箇所において排気タービン１５の接線方向に向くため、排気タービン１５の駆動効率が向上する。
【００３８】
図４に示す第２実施形態では、大小２つの排気ターボ過給機１０，１１は、排気マニホールド５における集合部５ｂの開口方向に向かって離れた状態に配置している。すなわち、集合部５ｂから流れる排気ガスの流れ方向に向かった片側に２つの排気ターボ過給機１０，１１を配置している。
【００３９】
そして、集合部５ｂから見て手前側に小型排気ターボ過給機１１を配置して、共通通路２５に弁体２８を回動自在に配置している。作用は図１の場合と同じである。この実施形態では、２つの排気ターボ過給機１０，１１は同じ高さ位置に並列に配置することができる。
【００４０】
本願発明は、上記の各実施形態の他にも様々に具体化できる。例えば、２つの排気ターボ過給機を設ける場合、同じ大きさ（容量・仕様）のものを併設してもよい。或いは、３つ以上の排気ターボ過給機を設けることも可能である。
【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】
３  シリンダヘッド
４  吸気マニホールド
５  排気マニホールド
５ａ  排気マニホールドの集合部
１０  大型排気ターボ過給機
１１  小型排気ターボ過給機
１２，１３  タービン室
１４，１５  排気タービン
１６，１７  コンプレッサ室
１８，１９  流入口
２０，２１  回転軸
２３，２４  排気通路
２５  共通通路
２６  隔壁
２７  制御弁
２８  弁体
２９  支軸
３０  アクチェータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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