JP2020020323A - 過給式エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】複数のターボチャージャが互いに隣り合って共通の固定面に固定されている場合の排気系の騒音を低減する。【解決手段】互いに隣り合ってエンジン本体の共通の固定面１４ａに固定されている複数のターボチャージャ２０のベアリングハウジング２７同士を、固定面１４ａと反対側の端部において連結する連結部材４１を設ける。【選択図】図５

Description

本発明は、複数のターボチャージャが設けられた過給式エンジンに関する。

従来より、自動車等に用いられるエンジンとして、エンジンからの排気エネルギーを利用して過給を行うターボチャージャを備えた過給式エンジンが知られている。例えば、特許文献１に記載の過給式エンジンでは、ターボチャージャがブラケットを介してシリンダブロックに取り付けられている。エンジン本体は、一対のシリンダ列がＶ字状に配置されたＶ型エンジンとして構成されており、シリンダ列間のシリンダブロックの上面にブラケットが締結されている。また、特許文献２では、Ｖ型エンジンに２つのターボチャージャ（第１ターボチャージャ及び第２ターボチャージャ）が搭載されている。第１ターボチャージャはシリンダ列間に配置されており、第２ターボチャージャはトランスミッションの上方に配置されている。

特開２０１０−１０６６９９号公報 特開２０１０−１０６８１０号公報

特許文献１のようにターボチャージャが１つの場合や、特許文献２のように複数のターボチャージャが異なる部材に固定される場合には、ターボチャージャの振動が大きな問題となることは特になかった。しかしながら、例えばＶ型エンジンのシリンダ列間に複数のターボチャージャを配置する場合など、複数のターボチャージャを互いに隣り合わせて共通の固定面に固定させると、各ターボチャージャが互いに影響を及ぼし合いながら大きく振動し、ターボチャージャに接続されている排気系（排気管や触媒）で生じる騒音が大きくなるという問題があった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、複数のターボチャージャが互いに隣り合って共通の固定面に固定されている場合の排気系の騒音を低減することを目的とする。

本発明は、複数のターボチャージャが設けられた過給式エンジンであって、前記複数のターボチャージャは、互いに隣り合ってエンジン本体の共通の固定面に固定されており、前記複数のターボチャージャの、タービンインペラとコンプレッサインペラとを連結するシャフトを回転自在に支持するベアリングが収容されたベアリングハウジング同士を、前記固定面と反対側の端部において連結する連結部材が設けられていることを特徴とする。

本発明では、複数のターボチャージャのベアリングハウジング同士が、固定面と反対側の端部において連結部材によって連結されている。固定面に固定された複数のターボチャージャは、固定面と反対側の端部が自由端となり変位が大きくなりやすいが、当該端部を連結することによって変位が制限され、複数のターボチャージャの振動を効果的に抑えることが可能となる。したがって、ターボチャージャに接続されている排気系の騒音を低減することができる。

なお、連結部材をターボチャージャのベアリングハウジングではなく、タービンハウジング又はコンプレッサハウジングに締結することも考えられる。しかしながら、タービンハウジングは高温の排気により熱膨張しやすいため、タービンハウジングを連結部材の締結先とすると、締結部位での熱応力が過大となり、その対策のために重量やコストが増加するおそれがある。一方、コンプレッサハウジングは高温対策が不要のため、もともとそれほどの強度は持たないものとなっている。このため、コンプレッサハウジングを連結部材の締結先とすると、強度アップのための対策が必要となり、やはり重量やコストの増加につながるおそれがある。こういった観点から、本発明では、連結部材によってベアリングハウジング同士を連結するものとしている。

本発明において、前記複数のターボチャージャの前記ベアリングハウジングが、前記固定面に固定されているとよい。

ベアリングハウジングでなく、タービンハウジング又はコンプレッサハウジングを固定面に固定することも可能である。しかしながら、上述のように、タービンハウジング又はコンプレッサハウジングに締結部位を設けると、重量やコストの増加を招くおそれがある。そこで、ターボチャージャを固定面に固定する部位もベアリングハウジングとすることで、軽量化やコスト削減の効果を高めることができる。

本発明において、前記複数のターボチャージャは共通の支持部材を介して前記固定面に固定されているとよい。

このように、複数のターボチャージャを共通の支持部材を介して固定面に固定すれば、複数のターボチャージャがそれぞれ個別に固定面に固定されている場合と比べて、ターボチャージャの振動をより抑えることができる。

本発明において、前記複数のターボチャージャから排気を排出するための排気排出管は、前記各ターボチャージャに接続された管が途中で合流して１本の管になっているとよい。

このような構成によれば、排気排出管を構成する部品点数を削減することができるが、後で詳細に説明するように、複数のターボチャージャが反対方向に交互に振動する振動モードが生じ、振動が大きくなりやすい。したがって、ターボチャージャの振動を効果的に抑えることができる本発明が、特に有利となる。

本発明において、前記複数のターボチャージャに吸気を導入するための吸気導入管は、１本の管が途中で分岐して前記各ターボチャージャに接続されているとよい。

このような構成によれば、吸気導入管を構成する部品点数を削減することができるが、後で詳細に説明するように、複数のターボチャージャが反対方向に交互に振動する振動モードが生じ、振動が大きくなりやすい。したがって、ターボチャージャの振動を効果的に抑えることができる本発明が、特に有利となる。

本発明において、前記エンジン本体は、Ｖ字状に配置された一対のシリンダ列を有するＶ型エンジンとして構成されており、前記固定面は、前記一対のシリンダ列の側方に配置されたチェーンケースに設けられているとよい。

このように、シリンダ列の側方に設けられたチェーンケースにターボチャージャを固定するようにすれば、ターボチャージャと各シリンダとを接続する配管（排気マニホールド及び吸気マニホールド）の取り回しが容易となる。

本実施形態に係る過給式エンジンを模式的に示す正面図である。 本実施形態に係る過給式エンジンを模式的に示す側面図である。 ２つのターボチャージャの上面図である。 ターボチャージャの構成を示す断面図である。 ２つのターボチャージャの連結部位の正面図である。 連結部材の有無による排気系の騒音の差を示すグラフである。 変形例に係る２つのターボチャージャの連結部位の正面図である。 変形例に係る２つのターボチャージャの連結部位の正面図である。

（過給式エンジンの概略構成）
以下、本実施形態に係る過給式エンジンについて、図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態に係る過給式エンジンを模式的に示す正面図であり、図２は、本実施形態に係る過給式エンジンを模式的に示す側面図であり、図３は、２つのターボチャージャの上面図である。なお、各図では本発明に関わる主要な部材のみを図示しており、他の部材の図示は適宜省略している。

本実施形態の過給式エンジン１は、エンジン本体１０と、エンジン本体１０に搭載された２つのターボチャージャ２０とを備える。エンジン本体１０は、シリンダブロック１１、シリンダヘッド１２、オイルパン１３、及び、チェーンケース１４を有している。エンジン本体１０は、シリンダブロック１１内のクランクシャフト（図示省略）が前後方向に平行になるように配置されている。

シリンダブロック１１の上部は、前後方向から見てＶ字状に分岐している。そして、シリンダブロック１１のＶ字状に分岐した部分のそれぞれの上端部にシリンダヘッド１２が取り付けられることで、左右一対のシリンダ列１５が形成されている。このように、エンジン本体１０は、Ｖ字状に配置された一対のシリンダ列１５を有するＶ型エンジンとして構成されている。本実施形態では、各シリンダヘッド１２の内側（Ｖ状空間側）に排気ポート１２ａが設けられており、各シリンダヘッド１２の外側に吸気ポート１２ｂが設けられている。

オイルパン１３は、エンジンオイルを貯留する容器であり、シリンダブロック１１の下側に配置されている。チェーンケース１４は、不図示のタイミングチェーン等を収容するケースであり、シリンダブロック１１及びシリンダヘッド１２の前端面に取り付けられている。チェーンケース１４は、左右方向に離れている一対のシリンダ列１５を跨ぐように配置されている。図１に示すように、前方から見ると、一対のシリンダ列１５の間のＶ状空間の下部は、チェーンケース１４によって覆われている。

２つのターボチャージャ２０は、一対のシリンダ列１５の間のＶ状空間の上方に、左右方向に並んで配置されている。２つのターボチャージャ２０は、共通の支持部材１６を介して、チェーンケース１４の上面１４ａに固定されている。後で詳細に説明するように、ターボチャージャ２０は、エンジン本体１０からの排気エネルギーを利用して、吸気を圧縮してエンジン本体１０に供給するものである。

図２では、ターボチャージャ２０に接続される各配管を一点鎖線又は二点鎖線で模式的に図示している。エンジン本体１０の各排気ポート１２ａから排出された排気は、排気マニホールド３１を経由して、ターボチャージャ２０に供給される。そして、ターボチャージャ２０で使用された排気は、排気排出管３２を経由して排出される。一方、外部から取り込まれた吸気は、吸気導入管３３を経由して、ターボチャージャ２０に導入される。そして、ターボチャージャ２０で圧縮された吸気は、吸気マニホールド３４を経由して、各吸気ポート１２ｂに供給される。

図３に示すように、排気排出管３２は、各ターボチャージャ２０に接続された管が途中で合流して１本の管となっている。排気排出管３２の合流地点よりも下流側には、排気を浄化するための触媒３５が設けられている。吸気導入管３３は、１本の管が途中で分岐して各ターボチャージャ２０に接続されている。なお、図３では、排気マニホールド３１や吸気マニホールド３４の図示は省略している。

（ターボチャージャ）
次に、ターボチャージャ２０の詳細について説明する。図４は、ターボチャージャ２０の構成を示す断面図である。ターボチャージャ２０は、エンジン本体１０からの排気で回転駆動するタービンインペラ２１と、吸気を圧縮するコンプレッサインペラ２２と、タービンインペラ２１とコンプレッサインペラ２２とを連結するシャフト２３と、シャフト２３を回転自在に支持するベアリング２４と、これらの機械要素２１〜２４を収容するハウジング２５〜２７と、を有する。以下、シャフト２３が延びている方向を軸方向と言う。本実施形態では、各ターボチャージャ２０の軸方向が前後方向と平行になるように、２つのターボチャージャ２０が互いに左右方向に隣り合って配置されている。

タービンハウジング２５は、タービンインペラ２１を収容するハウジングである。タービンハウジング２５には、エンジン本体１０からの排気をタービンインペラ２１に供給するための渦巻き状の排気供給路２５ａが、タービンインペラ２１の径方向外側に形成されるとともに、タービンインペラ２１の駆動に供した排気を排出するための円筒状の排気排出路２５ｂが、タービンインペラ２１の軸方向外側に形成されている。排気供給路２５ａには排気マニホールド３１が接続されており、排気排出路２５ｂには排気排出管３２が接続されている。

コンプレッサハウジング２６は、コンプレッサインペラ２２を収容するハウジングである。コンプレッサハウジング２６には、吸気をコンプレッサインペラ２２に供給するための円筒状の吸気供給路２６ａが、コンプレッサインペラ２２の軸方向外側に形成されるとともに、コンプレッサインペラ２２により圧縮された吸気を排出するための渦巻き状の吸気排出路２６ｂが、コンプレッサインペラ２２の径方向外側に形成されている。吸気供給路２６ａには吸気導入管３３が接続されており、吸気排出路２６ｂには吸気マニホールド３４が接続されている。

ベアリングハウジング２７は、シャフト２３及びベアリング２４を収容するハウジングである。ベアリングハウジング２７は、ターボチャージャ２０の軸方向の中央部に位置しており、両側に配置されたタービンハウジング２５及びコンプレッサハウジング２６とそれぞれ結合されている。本実施形態では、２つのターボチャージャ２０のベアリングハウジング２７が、支持部材１６を介してチェーンケース１４の上面１４ａに固定されている（図１及び図２参照）。

このようなターボチャージャ２０によれば、エンジン本体１０から排出された排気によってタービンインペラ２１が回転駆動される。そして、タービンインペラ２１の回転動作が、シャフト２３を介してコンプレッサインペラ２２に伝達され、コンプレッサインペラ２２が回転する。その結果、吸気供給路２６ａに供給された吸気が、コンプレッサインペラ２２の回転動作によって圧縮され、最終的にエンジン本体１０に供給される。

（排気系の騒音）
以上のように構成された過給式エンジン１では、ターボチャージャ２０に接続された排気排出管３２や触媒３５等の排気系において騒音が大きくなるという問題があった。その原因を本願発明者らが鋭意検討したところ、排気系の騒音はターボチャージャ２０の振動に起因しており、ターボチャージャ２０の振動が大きいために排気系の騒音が大きくなっていることが分かった。以下、詳細に説明する。

ターボチャージャ２０では、シャフト２３の回転振動や自励振動が生じることで、ターボチャージャ２０の全体が振動することがある。このとき、本実施形態のように、２つのターボチャージャ２０が共通の固定面（チェーンケース１４の上面１４ａ）に固定されていると、慣性の法則に従って、固定面１４ａが節となって各ターボチャージャ２０が挙動する。具体的には、２つのターボチャージャ２０が交互に前後方向に振動したり、交互に左右方向に振動したりする（互いに近づいたり離れたりするように振動する）振動モードが生じる。このような振動モードが生じることで、ターボチャージャ２０で生じる振動が大きくなりやすく、その振動が伝達される排気系において騒音が大きくなると考えられる。特に２つのターボチャージャ２０が排気排出管３２及び吸気導入管３３によってつながっていると、互いに振動に及ぼす影響が顕著となり、上記の振動モードが現れやすくなると考えられる。

そこで、本実施形態では、ターボチャージャ２０の振動を効果的に抑えるべく、２つのターボチャージャ２０を連結部材４１で連結している。図５は、２つのターボチャージャ２０の連結部位の正面図であり、具体的には、図３のＶ−Ｖ面からベアリングハウジング２７を見たときの図である。

既に説明したように、２つのターボチャージャ２０のベアリングハウジング２７は、共通の支持部材１６を介して、チェーンケース１４の上面１４ａ（固定面１４ａ）に固定されている。ベアリングハウジング２７及び支持部材１６は、本実施形態では複数のボルト２８によってチェーンケース１４に固定されているが、具体的な固定方法はこれに限定されるものではない。

連結部材４１は、例えば、厚さ数ミリのスチールからなる板状の部材である。連結部材４１は、２つのターボチャージャ２０のベアリングハウジング２７の上面にボルト４２によって締結されている。換言すると、連結部材４１は、共通の固定面１４ａに固定される２つのターボチャージャ２０を、当該固定面１４ａと反対側の端部（上部）において連結している。こうすることで、従来自由端であったターボチャージャ２０の上端の変位を抑えることができ、複数のターボチャージャ２０が反対方向に交互に振動する振動モードを効果的に抑えることができる。

図６は、連結部材４１の有無による排気系の騒音の差を示すグラフである。図６から明らかなように、連結部材４１によって２つのターボチャージャ２０を連結した場合には、概ね全周波数域にわたって騒音が低減した。特に、連結部材４１を設けない場合に騒音が際立っていた９６０Ｈｚ付近では、騒音レベルが１０ｄＢ以上も下がっており、騒音の低減効果が非常に大きいことが示された。

なお、ターボチャージャ２０を固定面１４ａに固定する部位や、２つのターボチャージャ２０同士を連結部材４１によって連結する部位を、ベアリングハウジング２７ではなく、タービンハウジング２５又はコンプレッサハウジング２６とすることも考えられる。しかしながら、タービンハウジング２５は高温の排気により熱膨張しやすいため、タービンハウジング２５を固定部位や連結部位とすると、熱応力が過大となり、その対策のために重量やコストが増加するおそれがある。

また、コンプレッサハウジング２６も固定部位や連結部位としてあまり好ましくはない。というのも、タービンハウジング２５及びタービンハウジング２５に接するベアリングハウジング２７では、熱応力に耐えられるように比較的強度の高い鋳物によって作製されているが、コンプレッサハウジング２６は高温対策が不要なため、アルミニウムやアルミニウム合金などによって作製されており、それほど強度は高くないからである。このため、コンプレッサハウジング２６を固定部位や連結部位とすると、強度アップのための対策が必要となり、やはり重量やコストの増加につながるおそれがある。こういった観点から、本実施形態では、ベアリングハウジング２７を固定面１４ａに固定したり、連結部材４１によって連結したりする部位として利用している。

（効果）
本実施形態に係る過給式エンジン１では、互いに隣り合ってエンジン本体１０の共通の固定面１４ａに固定された複数のターボチャージャ２０のベアリングハウジング２７同士を、固定面１４ａと反端側の端部において連結する連結部材４１が設けられている。固定面１４ａに固定された複数のターボチャージャ２０は、固定面１４ａと反対側の端部が自由端となり変位が大きくなりやすいが、当該端部を連結することによって変位が制限され、複数のターボチャージャ２０の振動を効果的に抑えることが可能となる。したがって、ターボチャージャ２０に接続されている排気系の騒音を低減することができる。

本実施形態では、複数のターボチャージャ２０のベアリングハウジング２７が、固定面１４ａに固定されている。上述のように、ターボチャージャ２０を固定面１４ａに固定する部位をベアリングハウジング２７とすることで、軽量化やコスト削減の効果を高めることができる。

本実施形態では、複数のターボチャージャ２０は共通の支持部材１６を介して固定面１４ａに固定されている。このように、複数のターボチャージャ２０を共通の支持部材１６を介して固定面１４ａに固定すれば、複数のターボチャージャ２０がそれぞれ個別に固定面１４ａに固定されている場合と比べて、ターボチャージャ２０の振動をより抑えることができる。

本実施形態では、複数のターボチャージャ２０から排気を排出するための排気排出管３２は、各ターボチャージャ２０に接続された管が途中で合流して１本の管になっている。このような構成によれば、排気排出管３２を構成する部品点数を削減することができるが、上述のように、複数のターボチャージャ２０が反対方向に交互に振動する振動モードが生じ、振動が大きくなりやすい。したがって、ターボチャージャ２０の振動を効果的に抑えることができる本発明が、特に有利となる。

本実施形態では、複数のターボチャージャ２０に吸気を導入するための吸気導入管３３は、１本の管が途中で分岐して各ターボチャージャ２０に接続されている。このような構成によれば、吸気導入管３３を構成する部品点数を削減することができるが、上述のように、複数のターボチャージャ２０が反対方向に交互に振動する振動モードが生じ、振動が大きくなりやすい。したがって、ターボチャージャ２０の振動を効果的に抑えることができる本発明が、特に有利となる。

本実施形態では、エンジン本体１０は、Ｖ字状に配置された一対のシリンダ列１５を有するＶ型エンジンとして構成されており、固定面１４ａは、一対のシリンダ列１５の側方に配置されたチェーンケース１４に設けられている。このように、シリンダ列１５の側方に設けられたチェーンケース１４にターボチャージャ２０を固定するようにすれば、ターボチャージャ２０と各シリンダとを接続する排気マニホールド３１及び吸気マニホールド３４の取り回しが容易となる。

（他の実施形態）
上記実施形態に種々の変更を加えた変形例について説明する。

上記実施形態では、エンジン本体１０がＶ型エンジンであるものとしたが、エンジン本体１０がＶ型エンジンであることは必須ではない。

上記実施形態では、エンジン本体１０のクランクシャフトが前後方向に平行になるように、エンジン本体１０を配置するものとした。しかしながら、エンジン本体１０を配置する向きは変更可能である。

上記実施形態では、２つのターボチャージャ２０が左右方向に隣り合って並んだ状態で、Ｖ型エンジンのシリンダ列１５間に配置されるものとした。しかしながら、２つのターボチャージャ２０の配置はこれに限定されるものではない。また、ターボチャージャ２０のシャフト２３がクランクシャフトと平行であることは必須ではない。

上記実施形態では、ターボチャージャ２０がチェーンケース１４に固定されるものとした。しかしながら、ターボチャージャ２０をエンジン本体１０の他の部位に固定することも可能である。

上記実施形態では、ターボチャージャ２０が支持部材１６を介して固定面１４ａに固定されるものとした。しかしながら、支持部材１６を設けることは必須ではなく、ターボチャージャ２０を直接的に固定面１４ａに固定するようにしてもよい。

上記実施形態では、各ターボチャージャ２０に接続されている排気排出管３２及び吸気導入管３３が一部共通となっており、各ターボチャージャ２０が排気排出管３２及び吸気導入管３３を介して構造的につながっている構成とした。しかしながら、排気排出管及び吸気導入管を、各ターボチャージャ２０ごとに独立に構成してもよい。

上記実施形態では、連結部材４１をベアリングハウジング２７の上面にボルト４２で固定するものとした。しかしながら、連結部材の配置や取付態様はこれに限定されるものではない。例えば、図７に示すように、連結部材４３をベアリングハウジング２７の上面に固定するためのボルト４４を、ベアリングハウジング２７をチェーンケース１４に固定するためのボルトと兼用するようにしてもよい。また、図８に示すように、連結部材４５をベアリングハウジング２７の前面（後面でもよい）の上端部に、ボルト４６によって締結するようにしてもよい。さらには、連結部材４１の固定方法はボルトを用いる方法に限定されず、リベット等を用いて固定してもよい。

１：過給式エンジン
１０：エンジン本体
１５：シリンダ列
１４：チェーンケース
１４ａ：固定面
２０：ターボチャージャ
２１：タービンインペラ
２２：コンプレッサインペラ
２３：シャフト
２４：ベアリング
２７：ベアリングハウジング
３２：排気排出管
３３：吸気導入管
４１、４３、４５：連結部材

Claims (6)

1. 複数のターボチャージャが設けられた過給式エンジンであって、
   前記複数のターボチャージャは、互いに隣り合ってエンジン本体の共通の固定面に固定されており、
   前記複数のターボチャージャの、タービンインペラとコンプレッサインペラとを連結するシャフトを回転自在に支持するベアリングが収容されたベアリングハウジング同士を、前記固定面と反対側の端部において連結する連結部材が設けられていることを特徴とする過給式エンジン。
2. 前記複数のターボチャージャの前記ベアリングハウジングが、前記固定面に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の過給式エンジン。
3. 前記複数のターボチャージャは共通の支持部材を介して前記固定面に固定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の過給式エンジン。
4. 前記複数のターボチャージャから排気を排出するための排気排出管は、前記各ターボチャージャに接続された管が途中で合流して１本の管になっていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の過給式エンジン。
5. 前記複数のターボチャージャに吸気を導入するための吸気導入管は、１本の管が途中で分岐して前記各ターボチャージャに接続されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の過給式エンジン。
6. 前記エンジン本体は、Ｖ字状に配置された一対のシリンダ列を有するＶ型エンジンとして構成されており、
   前記固定面は、前記一対のシリンダ列の側方に配置されたチェーンケースに設けられていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の過給式エンジン。