JP2010106810A - Ｖ型内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 Ｖ型内燃機関にシーケンシャルターボをコンパクトに配置する。
【解決手段】 クランクケース２１の上部に所定の角度間隔をもって一対のシリンダバンク２２が形成されたＶ型内燃機関１であって、排気通路３に介装された第１タービン４１と、吸気通路４に介装された第１コンプレッサ４２とを有し、一対のシリンダバンク間に設置された第１ターボチャージャ４０と、排気通路における第１タービンの下流に介装された第２タービン５１と、吸気通路に介装された第２コンプレッサ５２とを有し、一対のシリンダバンクの外に当該シリンダバンクに近接して配置された第２ターボチャージャ５０とを備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明はＶ型内燃機関に係り、特にシーケンシャルターボを搭載したＶ型内燃機関のターボチャージャのレイアウトに関する。

従来、過給機は自動車等の内燃機関において一般的に使用されている。過給機は空気を圧縮して気筒内に送り込む装置であり、気筒内に送り込む空気量を増加させ、１サイクル当たりの出力を増大させる。過給機には、排気ガスのエネルギーを利用する排気ターボチャージャや、クランクシャフトの回転力を利用するスーパーチャージャ等がある。ターボチャージャおよびスーパーチャージャは、それぞれが単体で使用される場合や、複数が組み合わされて使用される場合がある。例えば、所定の気筒に対してはターボチャージャを使用し、その他の気筒に対してはスーパーチャージャを使用するようにしたものがある（例えば、特許文献１）。
特許第３０６２９４８号明細書

ターボチャージャはエンジンルーム内において比較的大きな空間を占める装置であり、さらに吸気系配管および排気系配管が連結されるため、エンジンルーム内におけるレイアウトが重要となる。特に、シーケンシャルターボのように複数のターボチャージャが設けられる場合や、内燃機関がＶ型エンジンである場合にはレイアウトの重要性は顕著になる。また、ターボチャージャのレイアウトによっては各気筒とターボチャージャとを連結する排気管（排気マニホールド等）が長くなり、排気エネルギーの損失が大きくなると同時にターボラグが生じるという問題が発生する。

本発明は以上の観点や問題を鑑みなされたものであって、過給機をＶ型エンジンの周囲に効率よく配置して内燃機関ユニットを小型化するとともに、過給機による排気エネルギーの利用効率の向上を図ることが可能なＶ型内燃機関を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の発明は、クランクケース（２１）の上部に所定の角度間隔をもって一対のシリンダバンク（２２）が形成されたＶ型内燃機関（１）であって、排気通路（排気系３）に介装された第１タービン（４１）と、吸気通路（吸気系４）に介装された第１コンプレッサ（４２）とを有し、前記一対のシリンダバンク間に設置された第１ターボチャージャ（４０）と、前記排気通路における前記第１タービンの下流に介装された第２タービン（５１）と、前記吸気通路に介装された第２コンプレッサ（５２）とを有し、前記一対のシリンダバンクの外に当該シリンダバンクに近接して配置された第２ターボチャージャ（５０）とを備えたことを特徴とする。なお、「上流」および「下流」の語は、吸気通路から気筒を通過して排気通路へと流れる空気の流れ方向に対して用いている。

この構成によれば、第１ターボチャージャがバンク間に収容されるため、第１ターボチャージャおよび第２ターボチャージャを含むＶ型内燃機関ユニットの外形を小型化することができる。

第２の発明は第１の発明において、前記一対のシリンダバンク間に排気マニホールド（３１）が配置され、前記第１ターボチャージャは、前記排気マニホールドの上方に当該排気マニホールドに近接して設置されたことを特徴とする。

この構成によれば、排気マニホールドと第１ターボチャージャとをバンク間に効率よく収容することができ、Ｖ型内燃機関ユニットの外形を小型化することができる。また、気筒から第１ターボチャージャまでの排気通路の経路を短くすることができるため、第１ターボチャージャの排気エネルギー損失を最小限にでき、応答性を向上させ、ターボラグを小さくすることができる。

第３の発明は第１または第２の発明において、前記第１ターボチャージャは、その回転軸（第１シャフト４８）が前記シリンダバンクの長手方向と略平行となるように配置されたことを特徴とする。

この構成によれば、第１ターボチャージャの回転軸方向に開口する第１タービンの出口の向きが、シリンダバンクの長手方向と一致するようになるため、第１タービンの出口から第２タービンの入口までの経路を短くすることができ、第２ターボチャージャが受ける排気エネルギーを大きくすることができるとともに、ターボラグを小さくすることができる。

第４の発明は第３の発明において、前記クランクケースの一端にトランスミッション（６）が設けられ、前記第１ターボチャージャは、前記シリンダバンク間における前記トランスミッション側に配置されるとともに、前記第１タービンの出口（第１排気出口孔４４ｂ）が前記トランスミッション側に向き、前記第２ターボチャージャは、前記トランスミッションの上方に配置され、前記第２タービンの回転軸（第２シャフト５８）が前記シリンダバンクの長手方向と略直交するとともに、当該第２タービンの入口（第２排気入口孔５４ａ）が前記第１タービンの出口側を向くことを特徴とする。

この構成によれば、第１タービンと第２タービンのとの間の排気通路の長さを短縮とすることができ、第２ターボチャージャが受ける排気エネルギーを大きくすることができる。また、第２ターボチャージャがトランスミッションの上方の空間に配置されるため、トランスミッションを含めたＶ型内燃機関ユニットの外形の大きさを小型化することができる。さらに、第２ターボチャージャの回転軸が平面視においてシリンダバンクの長手方向と直交するようになるため、第２タービンの出口が平面視においてシリンダバンクの長手方向と直交する方向を向き、第２タービンの出口に連通する排気通路をＶ型内燃機関の側面に沿うように配置することが可能となり、Ｖ型内燃機関ユニットの大きさを小型化することができる。

以上のように構成することによって、Ｖ型内燃機関ユニットの小型化が図れるとともに、ターボチャージャによる排気エネルギーの利用効率の向上が図れる。

以下、図面を参照して、本発明をシーケンシャルターボ（２ステージターボ）を有する自動車用Ｖ型エンジンに適用した一実施形態について詳細に説明する。図１は実施形態に係るＶ型エンジン１の平面図であり、図２は実施形態に係るＶ型エンジン１の排気系３および吸気系４を模式的に示す説明図である。本実施形態に係るＶ型エンジン１は、図１の紙面の上方側が車両の前方側となるように自動車のエンジンルームに配置されている。本実施形態に係るＶ型エンジン１はＶ型６気筒のディーゼルエンジンであるが、ガソリンエンジンやＨＣＣＩエンジン等の公知のＶ型エンジンであってよく、気筒数は適宜変更が可能である。

図１に示すように、Ｖ型エンジン１は、エンジン本体２と、排気系３および吸気系４とを備え、エンジン本体２の前部には各種補機類５が設けられ、エンジン本体２の後部にはトランスミッション６が設けられている。エンジン本体２は、クランクケース２１と、クランクケース２１の上部に所定の角度間隔を有してＶ型に配置された２つのシリンダバンク２２とを備えている。

各シリンダバンク２２は、クランクケース２１に軸支されたクランクシャフト（図示しない）の軸線Ａと平行に延設されており、クランクケース２１の上部に形成されたシリンダブロック２３と、シリンダブロック２３の上部に締結されたシリンダヘッド２４と、シリンダヘッド２４の上部に取り付けられたヘッドカバー２５とを備えている。各シリンダブロックの内部には、直列に配置された３つの気筒２６（図３参照）が形成されており、各気筒２６内にはピストン（図示しない）が摺動自在に収容されている。シリンダヘッド２４には、各気筒２６の上端部を構成する燃焼室（図示しない）が形成されている。

排気系３および吸気系４は、排気マニホールド３１、吸気マニホールド３２、第１ターボチャージャ４０、第２ターボチャージャ５０、スロットルバルブ３３、インタークーラ３４、ディーゼル酸化触媒３５、吸気管６５，６６，６８，６９、排気管６１，６４の他いずれも図示しないエアインレット、エアクリーナ、ディーゼルパティキュレートフィルタ、リーンＮＯｘ触媒、マフラー等を備えている。

排気マニホールド３１は、上流側の通路が６つに分岐された集合管であり、その上流端は各シリンダバンク２２のシリンダヘッド２４の車幅方向内方側の側面２４ａ、すなわち両シリンダバンクにより形成される谷部７側を向く側面２４ａにそれぞれ３つずつの通路が連結されている。排気マニホールド３１の上流端のそれぞれはシリンダヘッド２４内に形成された排気孔２８を介して気筒２６に連通している。排気マニホールド３１はシリンダバンク２２間の谷部７の底部に沿うように設けられ、その下流端は谷部７の後端付近に配置されている。

吸気マニホールド３２は、下流側の通路が６つに分岐された集合管であり、その下流端はシリンダヘッド２４の車幅方向外方側の側面に連結されている。吸気マニホールド３２はシリンダヘッド２４内に形成された吸気孔２７を介して気筒２６に連通している。

第１ターボチャージャ４０は、第２ターボチャージャ５０に比較して容量が小さい低圧用のターボチャージャであって、排気系３において第２ターボチャージャ５０の上流側に配置される。第１ターボチャージャ４０は、第１タービン４１と、第１タービン４１と同軸に配置された第１コンプレッサ４２と、第１タービン４１と第１コンプレッサ４２とを連結する円筒形状の第１センタハウジング４３を備えている。第１タービン４１は、中空円盤状の第１タービンハウジング４４と、第１タービンハウジング４４内に回転自在に収容された第１タービンブレード４５とを備えている。第１コンプレッサ４２は、中空円盤状の第１コンプレッサハウジング４６と、第１コンプレッサハウジング４６内に回転自在に収容された第１コンプレッサブレード４７とを備えている。第１タービンブレード４５と第１コンプレッサブレード４７とは第１センタハウジング４３の内部にベアリングを介して軸支された第１シャフト４８によって同軸に連結され、第１シャフト４８を回転軸として伴に回転する。

第１タービンハウジング４４の円周部分には、略接線方向を向いて開口する第１排気入口孔４４ａが形成されている。また、第１タービンハウジング４４の中心部分であって、第１コンプレッサ４２と相対する側と異なる側の部分には、第１シャフト４８の軸線方向を向いて開口する第１排気出口孔４４ｂが形成されている。

第１コンプレッサハウジング４６の円周部分には、略接線方向を向いて開口する第１吸気出口孔４６ｂが形成されている。また、第１コンプレッサハウジング４６の中心部分であって、第１タービン４１と相対する側と異なる側の部分には、第１シャフト４８の軸線方向を向いて開口する第１吸気入口孔４６ａが形成されている。

第２ターボチャージャ５０は高圧用のターボチャージャであって、第１ターボチャージャ４０と同様に、第２タービンハウジング５４および第２タービンブレード５５を備えた第２タービン５１と、第２コンプレッサハウジング５６および第２コンプレッサブレード５７を備えた第２コンプレッサ５２と、第２シャフト５８を備えた第２センタハウジング５３とから構成されている。第２タービンハウジング５４の円周部分には、略接線方向を向いて開口する第２排気入口孔５４ａが形成され、第２タービンハウジング５４の中心部分であって、第２コンプレッサ５２と相対する側と異なる側の部分には、第２シャフト５８の軸線方向を向いて開口する第２排気出口孔５４ｂが形成されている。第２コンプレッサハウジング５６の円周部分には、略接線方向を向いて開口する第２吸気出口孔５６ｂが形成され、第２コンプレッサハウジング５６の中心部分であって、第２タービン５１と相対する側と異なる側の部分には、第２シャフト５８の軸線方向を向いて開口する第２吸気入口孔５６ａが形成されている。

図１に示すように、第１ターボチャージャ４０は、谷部７内の後方端付近であって、排気マニホールド３１の上方に、第１シャフト４８がクランクシャフトの軸線Ａと平行になるように、すなわち各シリンダバンク２２の長手方向と平行に配置されている。第１ターボチャージャ４０は、その上端が各シリンダバンク２２のヘッドカバー２５の上端より突出しないように、各シリンダバンク２２間に収められていることが好ましい。

第１ターボチャージャ４０は、連結される排気マニホールド３１に支持されてその位置を維持している。なお、他の実施形態においては、第１ターボチャージャ４０はブラケットを介してクランクケース２１に固定されてもよい。

第２ターボチャージャ５０は、トランスミッション６の上方であって谷部７の後方端に隣接する位置に、第２シャフト５８が平面視においてクランクシャフトの軸線Ａと直交するように、すなわち各シリンダバンク２２の長手方向と直交するように配置されている。また、第２ターボチャージャ５０は、その第２排気入口孔５４ａが第１ターボチャージャ４０の第１排気出口孔４４ｂと相対する位置に配置されている。第２ターボチャージャ５０はクランクケース２１に固定されたブラケット５９により支持されている。なお、他の実施形態においては、第２ターボチャージャ５０は、ブラケット５９を設けずに、結合される排気管６１，６４、吸気管６６，６９に支持されてもよい。

排気系３の構成について説明する。排気マニホールド３１の下流側の端部は、第１ターボチャージャ４０の第１タービン４１の第１排気入口孔４４ａに連結されている。第１タービン４１の第１排気出口孔４４ｂは第１排気管６１の一端に連結され、第１排気管６１の他端は第２ターボチャージャ５０の第２タービン５１の第２排気入口孔５４ａに連結されている。また、図１には現れていないが図２に示すように、排気マニホールド３１と第１排気管６１とは開閉弁６２を備えた排気バイパス６３により連結されており、第１タービン４１を経由せずに排気マニホールド３１から第１排気管６１へと直接に排気を流すことが可能となっている。

第２タービンの第２排気出口孔５４ｂは第２排気管６４の一端に連結されている。第２排気管６４の他端側には、ディーゼル酸化触媒３５が連結され、その下流にはいずれも図示しないディーゼルパティキュレートフィルタ、リーンＮＯｘ触媒、マフラー等が直列に連結されている。

吸気系４の構成について説明する。吸気系の最上流部はエアインレットにより構成され、その下流にはエアクリーナが直列に連結されている。エアクリーナの下流には、第１吸気管６５が連結され、第１吸気管６５の下流端には第１コンプレッサ４２の第１吸気入口孔４６ａが連結されている。第１コンプレッサ４２の第１吸気出口孔４６ｂには、他端が第２コンプレッサ５２の第２吸気入口孔５６ａに連結される第２吸気管６６の一端が連結されている。また、第１吸気管６５と第２吸気管６６とは開閉弁６７を備えた吸気バイパス６８により連結されており、第１コンプレッサ４２を経由せずに第１吸気管６５から第２吸気管６６へと直接に吸気を流すことが可能となっている。

第２コンプレッサ５２の第２吸気出口孔５６ｂの下流には第３吸気管６９の一端が連結され、インタークーラ３４、第４吸気管７１、スロットルバルブ３３、吸気マニホールド３２が直列に連結されている。

以上のように構成したＶ型エンジンの作用効果について説明する。このように排気系３および吸気系４を構成することにより、第１ターボチャージャ４０および第２ターボチャージャ５０における２段階の過給が可能となる。排気マニホールド３１をシリンダバンク２２間の谷部７に配置し、第１ターボチャージャ４０を同じく谷部７に配置したため、第１タービン４１と気筒２６との排気経路の長さを最小化することが可能となる。これにより、第１タービン４１に加えられる排気エネルギーの損失を小さくすることができるとともに、第１ターボチャージャ４０の応答性を高めることができる。

また、第１タービン４１の第１排気出口孔４４ｂと、第２タービン５１の第２排気入口孔５４ａとが相対するように配置されているため、第１排気出口孔４４ｂと第２排気入口孔５４ａとの間の距離が短縮され、第２タービン５１に加えられる排気エネルギーの損失を小さくすることができる。なお、第１排気管６１の長さを短縮し、または第１排気管６１を省略することによって第１排気出口孔４４ｂと第２排気入口孔５４ａとの間の距離をさらに短縮することができる。

第１ターボチャージャ４０は、シーケンシャルターボにおける低圧用ターボチャージャであるため、第２ターボチャージャ５０に対して小型であり、シリンダバンク２２間の谷部７への適合性がよい。そのため、第１ターボチャージャ４０を配置してもＶ型エンジンユニットの外形が大型化されることはない。また、第２ターボチャージャ５０をトランスミッション６の上方に形成される空間を埋めるように配置されるため、Ｖ型エンジンユニットの外形の大型化を最小限に止めることができる。このように、ターボチャージャを２つ設けてもＶ型エンジンユニットをコンパクトに維持することができる。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、実施形態では吸気系において第１コンプレッサ４２を第２コンプレッサ５２の上流に配置したが、第１コンプレッサ４２が第２コンプレッサ５２の下流に配置されるように吸気系を構成してもよい。また、実施形態における吸排気系３，４の配管の配置は例示であり、適宜変更可能である。その他装置の構成は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

実施形態に係るＶ型エンジンの平面図である。 実施形態に係るＶ型エンジンの吸排気系を模式的に示す説明図である。

符号の説明

１：Ｖ型エンジン、３：排気系、４：吸気系、６：トランスミッション、７：谷部、２２：シリンダバンク、２４：シリンダヘッド、２６：気筒、３１：排気マニホールド、３２：吸気マニホールド、４０：第１ターボチャージャ、４１：第１タービン、４４ｂ：第１排気出口孔、４２：第１コンプレッサ、４８：第１シャフト、５０：第２ターボチャージャ、５１：第２タービン、５２：第２コンプレッサ、５４ａ：第２排気入口孔、５８：第２シャフト、Ａ：軸線、

Claims (4)

1. クランクケースの上部に所定の角度間隔をもって一対のシリンダバンクが形成されたＶ型内燃機関であって、
   排気通路に介装された第１タービンと、吸気通路に介装された第１コンプレッサとを有し、前記一対のシリンダバンク間に設置された第１ターボチャージャと、
   前記排気通路における前記第１タービンの下流に介装された第２タービンと、前記吸気通路に介装された第２コンプレッサとを有し、前記一対のシリンダバンクの外に当該シリンダバンクに近接して配置された第２ターボチャージャと
   を備えたことを特徴とするＶ型内燃機関。
2. 前記一対のシリンダバンク間に排気マニホールドが配置され、
   前記第１ターボチャージャは、前記排気マニホールドの上方に当該排気マニホールドに近接して設置されたことを特徴とする、請求項１に記載されたＶ型内燃機関。
3. 前記第１ターボチャージャは、その回転軸が前記シリンダバンクの長手方向と略平行となるように配置されたことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載されたＶ型内燃機関。
4. 前記クランクケースの一端にトランスミッションが設けられ、
   前記第１ターボチャージャは、前記シリンダバンク間における前記トランスミッション側に配置されるとともに、前記第１タービンの出口が前記トランスミッション側に向き、
   前記第２ターボチャージャは、前記トランスミッションの上方に配置され、前記第２タービンの回転軸が前記シリンダバンクの長手方向と略直交するとともに、当該第２タービンの入口が前記第１タービンの出口側を向くことを特徴とする、請求項１〜請求項３に記載されたＶ型内燃機関。

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