JP2501655Y2 - 二段タ―ボエンジンのタ―ボチャ―ジャ配設構造 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は、二段ターボエンジンのターボチャージャ配
設構造に関する。

〔従来の技術〕

２基のターボチャージャを直列に接続して低圧段及び
高圧段の二段に亘って過給することにより高過給を得よ
うとする技術がある（特公昭45-9084号公報等）。

しかしながら、２基のターボチャージャを実際に車両
に搭載する上で次のような問題がある。

すなわち、これらが搭載されるべき車両のエンジンル
ームは、ボデーのデザインなどから当初から寸法的に大
きく制限されることが多く、また、エンジンルームの略
中央には大きなエンジン本体が鎮座し、そのまわりに補
機類が所狭しと配置されるため、空きスペースは極小で
ある。

また、排気ガスの動的エネルギを無駄なく有効に活用
するには両ターボチャージャを排気マニホルドに近接配
置し、これらを結ぶ流路の長さ（距離）をそれぞれ出来
る限り短くすることが望ましい。

しかしながら、限られたスペースの中で排気マニホル
ド近傍に配置するという条件を満たしながら２基のター
ボチャージャを車両に搭載するということは決して容易
なことではない。

このような問題に対して、例えば実開昭59-86316号公
報には２基のターボチャージャの軸心の方向をエンジン
のクランク軸心方向と同一方向とし、且つ両軸心が同一
直線上にあるようにし両排気タービンを向い合せて配置
したターボチャージャ配設構造が開示されている。この
公報の記載によれば、低圧段及び高圧段の両排気タービ
ンが向かい合うため、これを結ぶ排気管を短く且つ屈曲
部の数を最小にでき、従って流路抵抗を最小にできるた
めエンジン性能が向上する。

〔考案が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記公報の技術は、単に２基のターボ
チャージャを直列に接続する場合に適用され得るが、運
転状態に応じてターボチャージャを適切に使い分けるた
めに必要な過給切替え用の排気バイパス通路や排気制御
弁について全く考慮されていないため、高圧段及び低圧
段ターボチャージャの過給切替えを行うタイプの二段タ
ーボエンジンに直ちに適用できない。

また、一般にターボチャージャの排気ガス流入方向と
流出方向とは直交し排気ガス流出方向とターボチャージ
ャ軸心方向とは一致するため、この公報のターボチャー
ジャ配設構造のように両ターボヂャージャの軸心が同一
直線上にあるように２基のターボチャージャを配置する
場合、両者を結ぶ排気導管は必ずしも短くならず、また
屈曲部の数も必ずしも最小にはならない。

以上の点に鑑み本考案においては、排気マニホルドか
ら各タービンへの流路長さが最短になるように両ターボ
チャージャを排気マニホルド近傍に配設でき、且つ両タ
ーボチャージャを結ぶ排気導管の長さを極めて短くで
き、過給切替え前後のいずれのターボチャージャの使用
時においても全般的に過給効率の向上を図ることができ
る、二段ターボエンジンのターボチャージャ配設構造を
提供することを課題とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために本考案に係る二段ターボエ
ンジンのターボチャージャ配設構造は、吸入空気を過給
する大容量の低圧段ターボチャージャと、該低圧段ター
ボチャージャで過給された空気を更に過給してエンジン
に送る小容量の高圧段ターボチャージャとを有する二段
ターボエンジンにおいて、両ターボチャージャの軸心の
方向をエンジンのクランク軸心方向と同一方向とし且つ
両軸心を上下方向に相互にオフセットし両ターボチャー
ジャの排気タービンを向かい合わせて配置すると共に、
排気マニホルドに該排気マニホルド側方に開口する少な
くとも２つの排気ガス集合開口部を形成し、上記排気マ
ニホルドの第１の集合開口部には上記高圧段ターボチャ
ージャの排気タービンを連結し、上記第２の集合開口部
には、上記高圧段ターボチャージャの排気タービンから
の排気ガスが合流する排気合流部と排気制御弁とを有す
る排気制御導管を介して、上記低圧段ターボチャージャ
の排気タービンを連結し、高圧段ターボチャージャのコ
ンプレッサを迂回する吸気バイパス通路と該吸気バイパ
ス通路を開閉し得る吸気バイパス弁とを設け、排気制御
弁及び吸気バイパス弁による過給切替え後に、排気マニ
ホルドから排気ガスが低圧段ターボチャージャの排気タ
ービンに最短距離的に直接流入することを構成上の特徴
とする。

〔作用〕

両ターボチャージャの軸心方向を一致させ且つ上下方
向に相互にオフセットしたので両者を結ぶ排気導管の長
さを極めて短くできる。また、排気マニホルドに対して
両ターボチャージャを近接配置でき、排気マニホルドと
両者をそれぞれ結ぶ流路長さを最短にできる。これによ
り、いずれのターボチャージャの使用時においても排気
ガスの流路圧損等を最小限に抑えることができ、排気ガ
スのエネルギを有効に活用できる結果、出力性能が向上
する。

〔実施例〕

以下図示実施例に基づき本考案を説明する。

第１図は本考案に係る二段ターボエンジンのターボチ
ャージャ配設構造の一実施例の全体斜視図、第２図は第
１図のII-II線に沿い矢印方向から見た、要部を断面し
た図である。

車体（図示せず）に対しいわゆる縦置きに配置される
エンジン１の側部には、排気ポートから排出される排気
ガスを一ヶ所に集める排気マニホルド２が設けられる。
この排気マニホルド２のエンジン後方側には、排気マニ
ホルド側方に開口した第１の集合開口部が設けられ、こ
の部分には小容量の高圧段ターボチャージャ３の高圧段
排気タービン４が直接取り付けられる。５は、この高圧
段排気タービン４によって駆動される高圧段コンプレッ
サである。

一方、排気マニホルド２のエンジン前方側には、同様
に排気マニホルド側方に開口した第２の集合開口部が設
けられ、この部分には大容量の低圧段ターボチャージャ
６の低圧段排気タービン７が後述する排気制御導管10を
介して取り付けられる。８は、この低圧段排気タービン
７によって駆動される低圧段コンプレッサである。

高圧段排気タービン４からの排気ガスは、この高圧段
排気タービン４の吐出口から高圧段ターボチャージャ３
の軸心に沿って僅かに延びて排気制御導管10に取り付く
排気導管９を介して、低圧段排気タービン７に流入し得
るようになっている。さらに、低圧段排気タービン７か
らの排気ガスは、排気管11及び図示しない排気ガス浄化
装置等を介して大気開放される。

図示しないエアクリーナ等を介して低圧段コンプレッ
サ８に流入する大気は、ここで過給された後、吸気導管
15を介して高圧段コンプレッサ５に流入し、さらに過給
された後、吸気導管16及び17並びにインタクーラ（図示
せず）等を介して、エンジン１の吸気ポートに送り込ま
れる。

吸気導管15から分岐して高圧段コンプレッサ５を迂回
するように吸気バイパス通路18が形成され、この吸気バ
イパス通路18内には吸気バイパス弁19（内部を詳細に図
示せず）が設けられる。この吸気バイパス弁19は、全閉
時に漏れを完全に止めることができ構造が簡単であると
いう特徴を有する、ポペットと呼ばれる円錐形の弁体と
弁座で制御オリフィスを形成したいわゆるポペット弁と
して構成される。20は、この吸気バイパス弁19を開閉駆
動する圧力作動式のアクチュエータであり、このアクチ
ュエータ20により吸気バイパス弁19は、後述するように
過給切替え時に全開するように制御され、この全開前に
おいては漏れ等がない全閉状態に保持される。

ここで先に触れた排気制御導管10について説明する
と、この排気制御導管10は排気マニホルド２から直接低
圧段排気タービン７に流入する排気ガスの流れを遮断、
制限あるいは開放する排気制御弁30（第２図参照）を有
する。この排気制御弁30も前述した吸気バイパス弁19と
同様の形式のポペット弁として構成される。34は、この
排気制御弁30を開閉駆動する排気制御弁駆動装置であ
り、この駆動装置34は過給圧などの正圧、バキュームタ
ンクなどからの負圧、あるいは両方を利用する圧力作動
式のアクチュエータで構成される。また、排気制御導管
10は高圧段排気タービン４からの排気ガスが合流する排
気合流部を有する。

以上の構成を有する本実施例装置の作用・効果につい
てエンジン運転状況に即して説明する。エンジン低速域
においては排気ガス量が全体的に少なく、この少ない量
の排気ガスのエネルギを有効に利用するには容量の小さ
い高圧段排気タービン４を回転させこれと一体回転する
高圧段コンプレッサ５により過給を行うのが最も効果的
である。このため、排気制御弁30は全閉状態に維持され
る。従って、排気マニホルド２内の排気ガスはその全量
が第１の集合開口部を通り、高圧段排気タービン４を駆
動した後、排気導管９及び排気制御導管10内を通って低
圧段排気タービン７に流入する。このとき、両ターボチ
ャージャの軸心方向を一致させ且つ高圧段ターボチャー
ジャ３を上方側、低圧段ターボチャージャ６を下方側に
相互にオフセットさせているために、両ターボチャージ
ャ3,6を近接配置することができ、しかも排気導管９と
排気制御導管10とから形成される屈曲部１ヶ所のみ（ク
ランク軸心方向の配管の曲がりがない）で高圧段排気タ
ービン４の排気流出口と低圧段排気タービン７の排気流
入口とを最短に連結することができ、この結果排気ガス
のエネルギを無駄なく極めて有効に利用することができ
る。

なお、このとき同様に吸気バイパス弁19が全閉状態に
維持される。従って、低圧段コンプレッサ８内に吸入さ
れた大気はここで過給された後、吸気導管15を通って高
圧段コンプレッサ５内に流入し、ここでさらに過給され
た後に吸気導管16及び17を通ってエンジンの吸気ポート
に送り込まれる。

次いで低速域から中・高速域にかけては、排気ガス量
が増加し低圧段ターボチャージャ６が本来の過給を徐々
に行い始めるため、高圧段ターボチャージャ３による過
給圧が目標過給圧となったらその過給圧を維持し得るよ
うに排気制御弁30が徐々に開弁される。従って、排気マ
ニホルド２の第１の集合開口部を通って流出する排気ガ
スの流れに加えて、排気マニホルド２の第２の集合開口
部を通り直接的に低圧段排気タービン７に流入する排気
ガスの流れが生ずる。なお、この時点においても吸気バ
イパス弁19は全閉状態に維持されるため、吸気の流れに
は特に変化はない。

そして低圧段ターボチャージャ６による過給圧がこの
目標過給圧に達したときに、排気制御弁30を一気に全開
とし実質的な過給機能を高圧段ターボチャージャ３から
低圧段ターボチャージャ６に移行させる。すなわち、排
気バイパス弁30が全開になると、排気マニホルド２内の
排気ガスは高圧段排気タービン４を迂回し、より流れ易
い第２の集合開口部及び排気制御弁30を介して低圧段排
気タービン７に直接その略全量が流入することになる。
従って、高圧段ターボチャージャ３は非作動状態とな
る。このとき、高圧段ターボチャージャ３の高圧段コン
プレッサ５を迂回する吸気バイパス通路18に設けた吸気
バイパス弁19を全開にすることにより、高圧段ターボチ
ャージャ３は完全に非過給状態となり二段過給から一段
過給への切替えが確実に行われる。すなわち、低圧段コ
ンプレッサ８によって過給された過給気は高圧段コンプ
レッサ５を迂回し、より流れ易い吸気バイパス通路18及
び吸気バイパス弁19そして吸気導管17を介してエンジン
に送り込まれることになる。

このように過給切替え後は、排気マニホルド２の排気
ガスはその全量が排気制御弁30を介して低圧段排気ター
ビン７に直接流入するようになるため、本実施例のよう
に排気マニホルド２から低圧段排気タービン７までの流
路（排気制御導管10）を最短にできることはその圧力損
失等の観点から過給効率上極めて好ましいことといえ
る。

なお、過給切替え後において、エンジン及びターボチ
ャージャ等の耐久性上、図示しないウエイストゲートバ
ルブにより過給圧が所定に維持される。

ここで排気制御弁駆動装置34について詳細に説明する
と、本実施例においては一般的な単動のアクチュエータ
を用いこれをいわゆるデューティ制御することにより排
気制御弁30を多段階的に開弁制御する。すなわち、アク
チュエータ（排気制御弁駆動装置）34の第１圧力作動室
34aを通路41を介して正圧源、例えば高圧段コンプレッ
サ５出口側に連通し、この通路41内に三方弁49を介装
し、非励磁時には白抜きのポート位置、励磁時には黒塗
りのポート位置をとるように設定する。耐熱性のあるベ
ローズ34cにより第１圧力作動室34aから気密的に隔離さ
れたアクチュエータ34の第２圧力作動室34bは大気開放
され、その内部には圧縮ばね34eが配置される。従っ
て、三方弁49の非励磁時にはばね34eの付勢力によりア
クチュエータ34のロッド34dを介してポペット（弁体）3
0aが仕切板（弁座）30bに押圧され排気制御弁30が全閉
状態にされる。一方励磁時にはこのばね34eの付勢力と
アクチュエータ34の第１圧力作動室34aに作用する高圧
段コンプレッサ５出口側の過給圧の大小に基づく駆動力
とに応じて排気制御弁30が開弁される。この励磁を断続
的に行い弁開度を所望に制御することを一般にデューテ
ィ制御と呼んでおり、三方弁49には矩形状の駆動パルス
が供給される（ここで、パルス幅／周期、をデューティ
比と呼ぶ）。駆動パルスが発生すると三方弁49の切換作
用によりアクチュエータ34の第１圧力作動室34aは高圧
段コンプレッサ５出口側に連通され、駆動パルスの発生
が停止すると今度は大気に開放される。従って駆動パル
スの発生している時間が長くなるほど、即ちデューティ
比が大きくなるほど第１圧力作動室34aが高圧段コンプ
レッサ５出口側に接続されている時間が長くなるために
第１圧力作動室34a内に作用する正圧（過給圧）は大き
くなり、従って排気制御弁30の開度が大きくなる。これ
に対してデューティ比が小さくなると第１圧力作動室34
aが大気に開放されている時間が長くなるために第１圧
力作動室34a内の正圧は小さくなり、従って排気制御弁3
0の開度が小さくなる。なお、排気制御弁30を急速に全
開させる必要上、ばね34eを（ばね定数の小さい）弱め
に設定しておく。

従って、前述の如く高圧段ターボチャージャ３による
過給圧が所定値以下のときは排気制御弁30を全閉状態に
維持（デューティ比略ゼロ）し、この過給圧が所定値と
なると排気制御弁30を徐々に開き（デューティ比−排気
バイパス弁開度−過給圧の関係を例えば制御コンピュー
タ（図示せず）内に予めマップとして記憶させておくこ
とにより過給圧を略一定に維持するように排気制御弁30
を開くことができる）、低圧段ターボチャージャ６によ
る過給圧が所定値に達した過給切替え時には排気制御弁
30を急速に全開状態にする（デューティ比最大又は無限
大）、というように排気制御弁駆動装置34を介して排気
制御弁30を多段に開閉制御することができる。

以上のように、本実施例のターボチャージャ配設構造
によれば、排気制御弁30の全閉時（エンジン低速時）に
あっては、前述の如く排気ガスが高圧段排気タービン４
を駆動後、短くかつ単一の屈曲部から成る排気導管９及
び排気制御導管10を通り直ちに低圧段排気タービン７に
流入してこれを駆動するため、過給効率を向上させるこ
とができる。

他方、排気制御弁30の全開時（エンジン中・高速時）
にあっては排気マニホルド２から排気制御導管10内の極
めて短い流路を通って排気ガスが直ちに低圧段排気ター
ビン７に流入してこれを駆動することになるため、同様
に過給効率を向上させることができる。

また、前述したようにエンジンルーム内はエンジン１
や補機類が所狭しと配置され空きスペースは極小である
が、排気マニホルド２下方側はエンジン１からの放熱や
エンジン１の振動などの理由から元来空間的余裕が多少
ある場所である。従って排気マニホルド２下方側に大型
の低圧段ターボチャージャ６を配設することは、エンジ
ンルーム内の空きスペースを巧みに利用したものと言う
ことができ、しかも排気マニホルド２から低圧段ターボ
チャージャ最下端までの全体長を極めてコンパクトにま
とめることができる。これにより、２基のターボチャー
ジャの車両への搭載性を一段と向上させることができ、
エンジンマウント（図示せず）等との干渉や下方（路面
等）からの水跳ね、水漏れによるターボハウジング割れ
という事態を回避することもできる。

なお、大型の低圧段ターボチャージャ６を車両前方側
（エンジン前方側）に配置したため、走行風によりター
ボチャージャを有効に冷却できるため、排気マニホルド
２から低圧段排気タービン７までを曲がりが単一で緩や
かな短い流路にすることができることと相俟って、特に
高速域の出力向上を企図するような場合には極めて有効
にこれを達成することができる。

〔考案の効果〕

排気マニホルド及び両ターボチャージャをそれぞれ結
ぶ配管を長さが極めて短く、且つ圧損が少なくなるよう
にできる結果、排気ガスが持つエネルギを極めて有効に
活用でき、運転領域全般に亘って出力性能を改善するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案に係る二段ターボエンジンのターボチャ
ージャ配設構造の一実施例の全体斜視図、 第２図は第１図のII-II線に沿い矢印方向から見た、要
部を断面した図である。 １……エンジン、２……排気マニホルド、３……高圧段
ターボチャージャ、４……高圧段排気タービン、５……
高圧段コンプレッサ、６……低圧段ターボチャージャ、
７……低圧段排気タービン、８……低圧段コンプレッ
サ、10……排気制御導管、30……排気制御弁。

Claims (1)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】吸入空気を過給する大容量の低圧段ターボ
   チャージャと、該低圧段ターボチャージャで過給された
   空気を更に過給してエンジンに送る小容量の高圧段ター
   ボチャージャとを有する二段ターボエンジンにおいて、 両ターボチャージャの軸心の方向をエンジンのクランク
   軸心方向と同一方向とし且つ両軸心を上下方向に相互に
   オフセットし両ターボチャージャの排気タービンを向か
   い合わせて配置すると共に、排気マニホルドに該排気マ
   ニホルド側方に開口する少なくとも２つの排気ガス集合
   開口部を形成し、上記排気マニホルドの第１の集合開口
   部には上記高圧段ターボチャージャの排気タービンを連
   結し、上記第２の集合開口部には、上記高圧段ターボチ
   ャージャの排気タービンからの排気ガスが合流する排気
   合流部と排気制御弁とを有する排気制御導管を介して、
   上記低圧段ターボチャージャの排気タービンを連結し、 高圧段ターボチャージャのコンプレッサを迂回する吸気
   バイパス通路と該吸気バイパス通路を開閉し得る吸気バ
   イパス弁とを設け、 排気制御弁及び吸気バイパス弁による過給切替え後に、
   排気マニホルドから排気ガスが低圧段ターボチャージャ
   の排気タービンに最短距離的に直接流入することを特徴
   とする二段ターボエンジンのターボチャージャ配設構
   造。