(57)【要約】      （修正有）【課題】第１及び第２の２台の排気ターボ過給機を直列に配置した内燃機関において、排気ガスの量が少なくても第２排気ターボ過給機で効率よく過給できる構成を提供する。【解決手段】タービン１１が配置されているタービン室に、第１入口穴１７に連通した第１スクロール通路２９と、第２入口穴１８に連通した第２スクロール通路３０とが軸方向に分かれて形成されている。第１スクロール通路２９の断面積は第２スクロール通路３０の断面積よりも小さい。かつ、第１スクロール通路２９の始端部２９ａは、第２スクロール通路３０の始端部３０ａよりも回転軸心Ｏの側に大きくずれている。第１スクロール通路２９から、排気ガスをタービン１１に対して高速かつ集中的に当てることができる。その結果、少なく量の排気ガスで第２排気ターボ過給機を効率よく駆動できる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路に、第１排気ターボ過給機とその下流側に位置した第２排気ターボ過給機とが配置されており、
前記第２排気ターボ過給機におけるタービン室の外周外側に、前記第１排気ターボ過給機を通過した排気ガスが流入する第１スクロール通路と、前記第１排気ターボ過給機をバイパスした排気ガスが流入する第２スクロール通路とが、第１スクロール通路がコンプレッサ室の側に位置して第２スクロール通路が排気ガス出口の側に位置するようにして形成されている構成であって、
前記第１スクロール通路の断面積は第２スクロール通路の断面積より遥かに小さくて、第１スクロール通路の始端部が前記第２スクロール通路の始端部よりも回転軸心側に大きくずれている、
内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、複数台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（自動車用）の内燃機関を好適な対象にしている。
【背景技術】
【０００２】
四輪の車両に搭載される内燃機関に排気ターボ過給機を搭載することは多く行われている。この場合、低負荷域から高負荷域まで効率良く過給することを主目的として、２台の排気ターボ過給機を直列に配置することがある。その例として特許文献１には、下流側に位置した排気ターボ過給機のタービン室に、軸心方向に分離した内外２つのスクロール通路を設けて、内側のスクロール通路には上流側の排気ターボ過給機を通過したが排気ガスを流入させ、外側のスクロール通路には、上流側の排気ターボ過給機をバイパスした排気ガスを流入させる構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００８−５１４８４２号公報（例えば図９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
排気ターボ過給機では、タービン室に配置したタービンとコンプレッサ室に配置したコンプレッサ翼とが回転軸で連結されており、回転軸は、その両端部が軸受けで回転自在に支持されている。そして、軸受けの熱負荷はできるだけ小さくすべきであるが、特許文献１では、軸受けに近い内側のスクロール通路に上流側の排気ターボ過給機を通過して温度が低下した排気ガスが流入するため、軸受けの熱負荷を抑制できる利点がある。
【０００５】
他方、排気ターボ過給機による過給効率を高めるには、排気ガスの運動エネルギと熱エネルギをタービンの運動エネルギにできるだけ効率良く変化することが必要であるが、特許文献１では、この点が不十分ではないかと懸念される。
【０００６】
すなわち、タービンにできるだけ大きな運動エネルギを発生させるためには、タービンに排気ガスの強い流れを当てることが重要であるが、特許文献１では、まず、内外２つのスクロール通路の断面積が殆ど同じであるため、低回転域において排気ガスの量が少ないと、内側のスクロール通路を通る排気ガスの流速が低くなって、タービンに対する動圧が小さくなってしまうと懸念される。
【０００７】
また、タービンに大きなトルクを発生させるには、タービンに対してできるだけ近くから（理想的には外周の接線方向から）排気ガスを当てて、タービンに大きな回転モーメントを発生させるべきであるが、特許文献１では、タービンの回転軸心から内側のスクロール通路までの距離と、タービンの回転軸心から外側のスクロール通路までの距離とは殆ど同じであるため、いわば、排気ガスを遠くからタービンに吹きつけるような状態になっており、このため、内側のスクロール通路を通る排気ガスの仕事効率がよくないおそれがあった。
【０００８】
本願発明は、このような現状を改善しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願発明では、排気通路に、第１排気ターボ過給機とその下流側に位置した第２排気ターボ過給機とが配置されており、
前記第２排気ターボ過給機におけるタービン室の外周外側に、前記第１排気ターボ過給機を通過した排気ガスが流入する第１スクロール通路と、前記第１排気ターボ過給機をバイパスした排気ガスが流入する第２スクロール通路とが、第１スクロール通路がコンプレッサ室の側に位置して第２スクロール通路が排気ガス出口の側に位置するようにして形成されている構成であって、
前記第１スクロール通路の断面積は第２スクロール通路の断面積より遥かに小さくて、第１スクロール通路の始端部が前記第２スクロール通路の始端部よりも回転軸心側に大きくずれている。
【００１０】
なお、本願発明は第１及び第２の排気ターボ過給機を有するが、このように第１排気ターボ過給機と第２排気ターボ過給機との文言を使用したのは排気ガスの流れを明確化するためであり、３台以上の排気ターボ過給機を排除するものではない。つまり、請求項の関係になっている少なくとも２台の排気ターボ過給機を備えていたらよい。
【００１１】
また、前記第１スクロール通路の断面積は第２スクロール通路の断面積より遥かに小さいとは、断面積の違いが明瞭に視認できるような状態を言い、例えば、第１スクロール通路の断面積が第２スクロール通路の断面積の半分程度かそれに近い状態であれば該当する。また、第１スクロール通路の始端部が前記第２スクロール通路の始端部よりも回転軸心側に大きくずれている点も同様であり、例えば、第１スクロール通路の始端部の全体か大部分が、第２スクロール通路の始端部よりも軸心側にずれている状態であれば該当する。
【発明の効果】
【００１２】
さて、排気ターボ過給機の性能は、タービンに当たる排気ガスの運動エネルギに依存しており、更に、運動エネルギの大きさは、排気ガスの流速・流量と、排気ガスがタービンに当たる位置（観点軸心からの距離）に大きく依存している。
【００１３】
そして、排気ターボ過給機は排気ガスの流量との関係で効率が高い領域があるため、１台のみであると、高負荷域に適合したものを使用すると低過負荷域での効率が悪く、逆に、低負荷域に適合したものを使用すると高負荷荷域での効率が悪いという問題があることから、低負荷用の排気ターボ過給機と高負荷用の排気ターボ過給機とを併設している。
【００１４】
従って、第１排気ターボ過給機のみを使用している状態では排気ガスの量は少ないが、２つのスクロール通路を設けることで、第１排気ターボ過給機を通過した排気ガスの膨張を抑制して流速の低下を抑制できる。これにより、第１排気ターボ過給機を通過した排気ガスにできるだけ大きな流速を付与できる。
【００１５】
そして、２つのスクロール通路を設けたことの基本的機能は特許文献１も同様であるが、本願では、第１スクロール通路のスクロール通路の断面積が第２スクロール通路のスクロール通路より遥かに小さいため、第１スクロール通路を通過する排気ガスに特許文献１よりも高い流速を付与できる。その結果、少ない量の排気ガスであってもタービン１１に大きな運動エネルギを付与できる。
【００１６】
更に、タービンに効率良く仕事をさせるには、タービンに排気ガスの強い流れを当てて回転モーメントをできるだけ大きくすることが重要であるが、本願発明では、第１スクロール通路の始端部が第２スクロール通路の始端部よりも軸心側に大きくずれているため、排気ガスの流れをタービンにできるだけ近づけて、タービンに大きな回転モーメントを付与できる。
【００１７】
このように、本願発明では、第１スクロール通路に流入した排気ガスにできるだけ高い流速を付与できることと、タービンに対して大きな回転モーメントを付与できることとが相まって、第２排気ターボ過給機のタービンに大きな運動エネルギを付与することができ、延いては、機関全体の過給効率を向上できる。特に、排気ガスが第１スクロール通路のみに流入しているだけの低過負・低回転域において有益である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施形態に係る内燃機関の模式図である。
【図２】図１のII-II 視断面図である。
【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、車両用の３気筒内燃機関に適用している。内燃機関は機関本体を構成するシリンダヘッド１を備えており、シリンダヘッド１の長手一側面１ａに吸気マニホールド２が固定されて、シリンダヘッド１の長手他側面２ｂに排気マニホールド３が固定されている。
【００２０】
吸気マニホールド２には、エアクリーナ４を始端とする吸気通路５が接続されており、吸気通路５には、スロットルバルブ６とサージタンク７とが介挿されており、吸気マニホールド２はサージタンク７に接続されている。
【００２１】
排気マニホールド３にはメイン排気通路８が接続されており、メイン排気通路８に、第１排気ターボ過給機３と第２排気ターボ過給機１０とが直列に接続されている。両排気ターボ過給機９，１０は、タービン１１が配置されたタービン室１２と、コンプレッサ翼１３が配置されたコンプレッサ室１４とを有しており、タービン１１とコンプレッサ翼１３とは回転軸１５で一体的に連結されている。
【００２２】
両排気ターボ過給機９，１０において、タービン室１２に入る排気ガスの入口は周方向（接線方向）に向いており、排気ガスの出口は軸線方向に向いている。他方、コンプレッサ室１４への吸気の入口は軸線方向に開口して、吸気の出口は周方向（接線方向）に開口している。
【００２３】
そして、第１排気ターボ過給機９のタービン室１２から排出された排気ガスは、メイン排気通路８を通って第２排気ターボ過給機１０のタービン室１２に流入し、第２排気ターボ過給機１０のタービン室１２から排出された排気ガスは、メイン排気通路８を通って下流に排出される。
【００２４】
メイン排気通路８には、排気ガスを第１排気ターボ過給機９を経由せずに第２排気ターボ過給機１０のタービン室１２に導くバイパス通路１６が接続されている。従って、第２排気ターボ過給機１０のタービン室１２には、メイン排気通路８が接続された第１入口穴１７と、バイパス通路１６が接続された第２入口穴１８とが開口している。バイパス通路１６にはバルブを設けているが、図では省略している（バイパス通路１６にバルブを設けずに、第１排気ターボ過給機９をオーバーフローした排気ガスがバイパス通路１６を流れる構成であってもよい。）。
【００２５】
第１排気ターボ過給機９及び第２排気ターボ過給機１０は、排気ガスをタービン室１２に流さずにメイン排気通路８に逃がすリーク通路１９が形成されており、リーク通路１９に逃げる排気ガスの量はウエストゲートバルブ（図示ぜ）で調節される。
【００２６】
吸気通路５のうちスロットルバルブ６よりも上流側に、過給送り通路２１と過給戻り通路２２とが接続されており、過給送り通路２１の終端は、第２排気ターボ過給機１０におけるコンプレッサ室１４の入口に接続されており、過給戻り通路２２の始端は、第２排気ターボ過給機１０におけるコンプレッサ室１４の出口に接続されている。また、第１排気ターボ過給機９のコンプレッサ室１４は、過給戻り通路２２にバイパス過給通路２３で接続されている。従って、吸気は、第２排気ターボ過給機１０と第１排気ターボ過給機９とで二段圧縮される。
【００２７】
排気ガスの量が少ない低回転・低負荷域では、排気ガスは第１排気ターボ過給機９のみに流入し、排気ガスの量がある程度まで増える中・高負荷領域では、排気ガスは、第１排気ターボ過給機９に流入すると共に、バイパス通路１６を通って第２排気ターボ過給機１０のタービン室１２にも流入する。従って、第２排気ターボ過給機１０は容量が大きいものを使用し、第１排気ターボ過給機９は容量が小さいものを使用している。このように、第１排気ターボ過給機９として容量が小さいものを使用することにより、低回転・低負荷域での過給を効率よく行うことができる。
【００２８】
図２では、第２排気ターボ過給機１０の具体的な構造を示している。第２排気ターボ過給機１０は、タービンハウジング２４とコンプレッサハウジング２５とでセンターハウジング２６を挟んだ外観を呈しており、タービン室１２は、タービンハウジング２４とコンプレッサハウジング２５との間に形成されている。回転軸１５の両端部は、センターハウジング２６に設けた軸受け部２７で回転自在に支持されているが、図２では、タービン１１に近い側の軸受け部２７のみを明示している。
【００２９】
タービン１１は複数枚のインペラーを備えており、センターハウジング２６の側が大径で、排気ガス出口２８の側が小径になっている。従って、タービン１１の回転軌跡で囲われた空間は台錘状の形態を成している。
【００３０】
タービン室１２を囲う状態では、第１入口穴１７に連通した第１スクロール通路２９と、第２入口穴１８に連通した第２スクロール通路３０とが形成されている。両スクロール通路２９，３０は、始端から終端に向けて半径を縮めながら周方向に延びており、両スクロール通路２９，３０の終端は１つの第２スクロール通路３１に収束している。但し、両スクロール通路２９，３０は、収束させずに終端まで独立させてもよい。
【００３１】
第１入口穴１７の断面積は、第２入口穴１８の断面積よりも小さくなっている。従って、第１スクロール通路２９の断面積も、第２スクロール通路３０の断面積より遥かに小さくなっている。
【００３２】
両入口穴１７，１８はスクロール通路２９，３０に連続しており、従って、両入口穴１７，１８の終端がスクロール通路２９，３０の始端部になる。図２では、両スクロール通路２９，３０の始端部を、それぞれ符号２９ａ，３０ａで示している。
【００３３】
そして、図２から明らかなとおり、両スクロール通路２９，３０の断面積は、始端部２９ａ，３０ａの対比で見ても、第１スクロール通路２０の断面積が第２スクロール通路３０の断面積の半分程度かそれ以下になっている。
【００３４】
また、第１スクロール通路２９の始端部２９ａは、第２スクロール通路３０の始端部３０ａよりも、回転軸心Ｏの側に大きくずれている。具体的には、線３２から判るように、第１スクロール通路２９の始端部２９ａのほぼ全体が、第２スクロール通路３０の始端部３０ａよりも軸心Ｏの側にずれている。但し、始端部２９ａ，３０ａは、回転軸５の軸心方向から見て多少は重複していてもよい。
【００３５】
第２排気ターボ過給機１０は、高負荷域において大量の排気ガスが発生した場合に効率よく過給をできスペックになっている。従って、基本的には、流入する排気ガスの量が少ないと効率が悪くなる。しかし、本実施形態では、第１入口穴１７及び第１スクロール通路２９の断面積が小さくて排気ガスの流速低下を抑制できることと、第１スクロール通路２９の始端部２９ａがタービン１１に寄っていて排気ガスをタービン１１に強く当て得ることとにより、排気ガスの運動エネルギをタービン１１の回転トルクに効率よく変換できる。このため、低回転・低負荷域でも高い過給性能を維持できる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本願発明は、実際に排気ターボ過給機付き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】
【００３７】
１  シリンダヘッド
３  排気マニホールド
５  吸気通路
８  メイン排気通路
９  第１排気ターボ過給機
１０  第２排気ターボ過給機
１１  タービン
１２  タービン室
１４  コンプレッサ室
１６  バイパス通路
１７  第１入口穴
１８  第２入口穴
２１  過給送り通路
２２  過給戻り通路
２４  タービンハウジング
２７  軸受け部
２９  第１スクロール通路
３０  第２スクロール通路
【図１】
2016173066.tif 000003
【図２】
2016173066.tif 000004