JP2787157B2 - ターボ過給機付エンジンの吸排気装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は排気エネルギーによって作動するターボ過給
機を備えたエンジンの吸排気装置に関する。

（従来技術） 排気エネルギーを利用してエンジンの過給を行うター
ボ過給機を備えたエンジンにおいては、一般に、低回転
域ではタービン駆動力が小さいために吸気充填効率を十
分に高めることが難しい。また、低回転域からの加速時
には、ターボラグによって過給圧の上昇が遅れるため
に、十分な加速レスポンスが得られない。

ところで、従来から、エンジンの吸気充填効率、特に
低回転，低負荷での充填効率を高める技術として、上記
排気ターボ過給機を用いたもの以外に、例えば特公昭60
−14169号公報に開示されているように、吸気弁開時期
が互いにオーバーラップしない気筒（換言すれば、点火
時期の連続しない気筒）の吸気通路を集合し吸気系を二
つにグループ化することによって、吸気の慣性によって
過給効果を高め、特に、その慣性効果の同調点を低回転
側に設定して低回転域での吸気充填効率を高めるように
したものが知られている。また、ターボ過給機の場合に
限らず機械式過給機の場合でも同様であるが、エンジン
低回転時には過給機があるためにむしろ出力性能が低下
するということがある。そこで、例えば特開昭62−9673
5公報に記載されているように、吸気通路を二つに分け
て、一方の吸気通路は過給機を配さない自然吸気通路と
し、他方の吸気通路には過給機を配して、低負荷時には
過給機によらずに自然吸気によって充填効率を確保する
ようにしたものも提案されている。さらにまた、ターボ
過給機付エンジンでは、特開昭63−140822号公報に記載
されているように、排気系を複数のグループに分けて、
それぞれを独立にタービンに接続することで、排気量の
少ない領域で排気脈動を強めその動圧によって大きなタ
ービン駆動力を得ようというものも知られている。しか
しながら、吸気充填効率向上のための上記従来の各技術
は、あるものは吸気系に関するものであり、また、ある
ものは排気系に関するものであるというように、いずれ
も、吸気系あるいは排気系のいずれか一方に係る技術手
段であって、これら従来の技術によっては、吸気系およ
び排気系の双方を効率的に活用して総合的にエンジン低
回転域での過給効果を高める手段を得ることはできなか
った。

（発明の目的） 本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、
吸気系および排気系の動的効果を総合的に活用してター
ボ過給機付エンジンの特に低回転域における充填効率お
よび加速時過給レスポンスを向上させることを目的とす
る。

（発明の構成） 本発明は、ウエストゲートバルブの開作動によって過
給圧制御が開始されるいわゆるインターセプト点近傍の
エンジン回転数域に吸気の慣性効果もしくは共鳴効果の
同調点がくるよう吸気系を設定することによって、低回
転域での充填量を補うことができ、しかも、それによる
排気エネルギーの増大を効率的に活用することで低回転
域での過給機自体の能力を向上させることができること
に着目したものであって、その構成は、排気エネルギー
によってタービンを回し該タービンに連結されたブロア
を駆動してエンジンの過給を行うようにしたターボ過給
機付エンジンにおいて、吸気通路系における連通路に該
連通路を開閉することにより吸気通路系の固有振動数を
変化させる開閉弁を設けて、開閉弁の開閉により、エン
ジン回転数に吸気通路系の固有振動数が同調してエンジ
ンの体積効率が高まる慣性効果もしくは共鳴効果の同調
点が低回転側および高回転側の複数のエンジン回転数に
て得られるよう構成し、かつ、低回転側のエンジン回転
数に吸気通路系の固有振動数を同調させる開閉弁の開も
しくは閉の形態における、過給機のインターセプト点と
低回転側の同調点との関係が、同調点が過給機のインタ
ーセプト点近傍でインターセプト点より高回転側のエン
ジン回転数となるよう構成したことを特徴とするもので
ある。

そして、上記構成は、低回転側のエンジン回転数に吸
気通路系の固有振動数を同調させる開閉弁の開もしくは
閉の第１の形態と、第１の形態から変更して吸気通路系
の固有振動数を高回転側のエンジン回転数に同調させる
開閉弁の閉もしくは開の第２の形態のそれぞれにおける
過給機のインターセプト点間に低回転側の同調点が設定
され、かつ、第２の形態において得られる高回転側の同
調点が、第２の形態における過給機のインターセプト点
より高回転側のエンジン回転数に設定されるよう構成し
たものとするのが好ましく、更に、第１の形態と第２の
形態とに切り替えるエンジン回転数を、第２の形態にお
ける過給機のインターセプト点より高回転側に設定する
のが好ましい。

また、慣性もしくは共鳴の動的効果をより有効なもの
とするため、吸気系は、点火順序の連続しない気筒の吸
気通路を集合することによって二つのグループに分ける
のが良い。

また、排気系は、タービンに至る排気通路を点火順序
の連続しない気筒毎に集合した排気通路群からなる二つ
のグループに分けるのが良い。

（作用） 中高速の定常領域においては、慣性効果もしくは共鳴
効果に加えて、ターボ過給機の過給能力が上がることに
より、エンジンの吸気充填効率が高いレベルに維持され
る。そして、ターボ過給機による過給圧上昇が十分でな
いエンジン低回転域においては、インターセプト点近傍
のエンジン回転数において同調する慣性効果もしくは共
鳴効果により吸気充填量が高められ、それにより、排気
エネルギーが増大し過給圧が上昇して、吸気充填量が一
層高められ、高い充填効率と優れた加速レスポンスが得
られる。また、こうして低回転側の過給圧が上昇する
と、ウエストゲート弁を開いて過給圧を一定とする制御
の開始点（インターセプト点）が低回転側にずれること
になるが、この低回転側にずれたインターセプト点より
高回転側に慣性効果もしくは共鳴効果の同調点がある設
定であるため、慣性効果もしくは共鳴効果による吸気充
填量の増大により、インターセプト点より高回転側での
エンジン出力の低下が解消される。つまり、インターセ
プト点より高回転側では、回転数が上昇すると、排気エ
ネルギーの増大によって排気抵抗が増大し、過給圧は一
定でこのように排気抵抗が増大することが、エンジン出
力の低下につながる。このエンジン出力の低下が、慣性
効果もしくは共鳴効果による吸気充填量の増大によって
解消されるのである。こうして、エンジン低回転域での
充填効率が高まり、回転上昇に際しても高い吸気充填効
率が確保されることで、加速レスポンスが一層向上す
る。

そして、低回転側のエンジン回転数に吸気通路系の固
有振動数を同調させる開閉弁の開もしくは閉の第１の形
態と、第１の形態から変更して吸気通路系の固有振動数
を高回転側のエンジン回転数に同調させる開閉弁の閉も
しくは開の第２の形態のそれぞれにおける過給機のイン
ターセプト点間に低回転側の同調点を設定し、かつ、第
２の形態において得られる高回転側の同調点を、第２の
形態における過給機のインターセプト点より高回転側の
エンジン回転数に設定することにより、高回転側での吸
気充填効率を高めつつ、エンジン低回転域での充填効率
を高め、加速レスポンスを向上させるようにできる。

また、更に、第１の形態と第２の形態とに切り替える
エンジン回転数を、第２の形態における過給機のインタ
ーセプト点より高回転側に設定することにより、第１の
形態から第２の形態へ切り替わる時のエンジン出力の低
下を抑制できる。つまり、第１の形態と第２の形態とに
切り替えるエンジン回転数が第２の形態における過給機
のインターセプト点より低回転側であると、第１の形態
から第２の形態へ切り替わった時に過給圧が低下し、エ
ンジン出力の低下（息つき）が生ずる。第１の形態と第
２の形態とに切り替えるエンジン回転数が第２の形態に
おける過給機のインターセプト点より高回転側である
と、第１の形態から第２の形態へ切り替わった時には既
に過給圧一定制御の状態にあるため、そういったエンジ
ン出力の低下が抑制されるのである。

そして、点火順序の連続しない気筒の吸気通路を集合
することにより吸気系を二つのグループに分けること
で、吸気の動的効果を強化し、一層、充填効率を向上さ
せ、加速レスポンスを向上させることができる。

また、タービンに至る排気通路を点火順序の連続しな
い気筒毎に集合した排気通路群からなる二つのグループ
に分けることにより、排気脈動を強化しその動圧が効率
的に作用するようにして、低回転域の充填効率を一層向
上させることができる。

（実施例） 以下、実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の一実施例に係るターボ過給機付エン
ジンの平面図、第２図は同正面図である。

この実施例において、エンジン１は直列４気筒であっ
て、フェンダライン2aで区画されるエンジンルーム内に
横置きで搭載されている。第１図で上方がエンジンのフ
ロント側である。なお、第２図で2bはボンネットライン
を示す。

エンジン１には、第１気筒，第２気筒，第３気筒，第
４気筒（以下、それぞれ＃1,＃2,＃3,＃４で表す）の各
気筒に対応する独立吸気管3a,3b,3c,3dを備えた吸気マ
ニホールド３が、リヤ側に連結され、一方、各気筒に対
応する排気分岐管4a,4b,4c,4dを備えた排気マニホール
ド４がフロント側に連結されている。吸気マニホールド
３のエンジン１側連結部上方にはエンジン１の長手方向
に燃料用のディストリビューションパイプ５が配設され
ている。このディストリビューションパイプ５からは各
気筒のインジェクタ（図示しない）に燃料が供給され
る。

排気マニホールド４の下方には、ターボ過給機６が配
設されている。排気マニホールド４内には、＃１と＃２
に対応する排気分岐管4a,4b内の二つの排気通路7a,7b
と、＃３と＃４に対応する排気分岐管4c,4d内の二つの
排気通路7c,7dとをそれぞれのグループとして区画する
隔壁８が設けられ、排気通路7a〜7dはこれらグループ毎
に独立して過給機６のタービン９に接続されている。タ
ービン９にはブロア10が連結され、ブロア10の軸方向に
開口する入口部には、図示しないエアクリーナおよびエ
アフローメータに連通する吸気管11が、また、ブロア10
の周縁部下方に位置する出口部には、インタークーラ12
の入口12aとの間を接続する吸気管13が連結されてい
る。

インタークーラ12はエンジンルームフロント側の一側
方に配置されている。そして、その入口12aは、第２図
から判るように上部側壁に開口して、上記のように吸気
管13によってターボ過給機６のブロア10出口と接続さ
れ、また、インタークーラ12の出口12bは上記入口12aの
略真下に設けられ、この出口12bに上流側集合吸気管14
の上流端が接続されている。該集合吸気管14は途中第１
と第２の二つの集合管部14a,14bに分岐し、それらの下
流端は水平に並んで２バレルのスロットルボディー15に
接続されている。また、スロットルボディー15の出口に
は、吸気マニホールド３を取り囲むように延設された第
１および第２の下流側集合吸気管16a,16bが連結されて
いる。

第３図は、スロットルボディー15,下流側集合吸気管1
6a,16bおよび吸気マニホールド３の部分の拡大平面図で
あり、また、第４図は同部分の右側面図、第５図は同正
面図である。これらの図が示すように、２本の下流側集
合吸気管16a,16bは、平行のまま一旦吸気マニホールド
３の上方を左側（＃１側）から右側（＃４側）に延び、
＃４の独立吸気管3dに沿って180゜湾曲した後、吸気マ
ニホールド３の下方から＃２の＃３の両独立吸気管3b,3
cの間を上方に立ち上がって吸気マニホールド３に連結
されている。

吸気マニホールド３は、第６図（第５図のＡ−Ａ断面
図）に示すように、＃１と＃４の各独立吸気管3a,3d内
の吸気通路（独立吸気通路）17a,17dを集合する第１の
集合部18と、＃２と＃３の各独立吸気管3b,3c内の吸気
通路（独立吸気通路）17b,17cを集合する第２の集合部1
9を有する。これら二つの集合部18,19は、第１の集合部
18を内側（エンジン側）にし、第２の集合部19を外側に
して、水平に並ぶ形で配設され、第１の集合部18に前記
第１の下流側集合吸気管16aが、また、第２の集合部19
に第２の下流側集合吸気管16bが接続されている。ま
た、これら両集合部18,19を連通する連通路20がエンジ
ン長手方向に対し直角に設けられている。該連通路20は
断面略矩形であって、バタフライ型の開閉弁21を備えて
いる。また、この開閉弁21を駆動するダイアフラム式の
アクチュエータ22が、弁軸23の一端側に配設されてい
る。

吸気マニホールド３は鋳鉄製であり、一方、これに連
結される上記下流側吸気集合管16a,16bはアルミ製の管
であってその連結部にはアルミもしくは鋳鉄製のフラン
ジ24が結合されている。そして、上記フランジ24が吸気
マニホールド３側のフランジ部25とガスケットを介し連
結されている。

第７図はこの実施例の排気系を模式的に示すものであ
る。この図のように、＃１と＃２の排気通路7a,7bを一
つに集合した第１の排気集合部26と、＃３と＃４の排気
通路7c,7dを一つに集合した第２の排気集合部27とは、
独立してタービン９に連通する。そして、各排気集合部
26,27とタービン９下流の排気通路28とを連通する各バ
イパス通路29,30がタービン９を迂回して設けられ、そ
れぞれのバイパス通路29,30には共通のアクチュエータ3
1によって開閉されるウエストゲート弁32,33がそれぞれ
設けられている。

４気筒の場合、点火は＃1,＃3,＃4,＃２の順に行わ
れ、上記第１の吸気集合部18によって集合される＃１と
＃４、第２の吸気集合部19によって集合される＃２と＃
３は、いずれも点火順序が連続していない。そして、各
気筒の独立吸気通路17a〜17dと、これら集合部18,19に
接続された各下流側集合吸気管16a,16bと、スロットル
ボディー15を介しそれぞれに連結された上流側の各集合
管部14a,14bとは、上記開閉弁21が閉じた状態において
は、それらが構成する各吸気通路における慣性効果の同
調点すなわちエンジン回転による加振周波数と各吸気通
路系の固有振動数とが同調する同調回転数が、連通路20
を開いた状態での第８図に示すインターセプト点のエン
ジン回転数（例えば2500rpm）以下となるように設定さ
れている。なお、連通路20を閉じた状態でのインターセ
プト点は同図に示すように低回転側に移行する（例えば
1500rpm）。また、開閉弁21が開き両集合部18,19が連通
した状態では、慣性効果の同調点は高回転側に移行し高
速同調吸気系が構成される。上記開閉弁21は、連通路20
が開いたときのこの高速同調吸気系のインターセプト点
の回転数よりも高い所定のエンジン回転数（例えば2720
rpm）を境に、それ以下の低回転域では閉じられ、それ
より高回転側では開かれる。この結果、連通路20を閉じ
たエンジン低回転域において、体積効率（充填効率）は
第８図に示す連通路閉時の特性に基づいて増大する。ま
た、過給圧の立ち上がりが大きくなって加速レスポンス
が向上する。また、高回転域では連通路20を開くことで
高い充填効率を得ることができる。

なお、この実施例において、排気系は上記のように隣
接した気筒の排気通路を集合しており、それぞれ排気行
程が連続するものとなっているが、このように隣接した
排気通路を集合することで排気系のデッドボリュームが
小さくなるため、それによって排気の動的効果を強めタ
ービン駆動力を強化することができる。また、低速同調
吸気系の同調回転数は、インターセプト近傍において適
宜設定することが可能である。

また、この排気系は第９図にその変形例を示すよう
に、吸気系と同様＃１と＃４、＃２と＃３を集合するも
のとすることも可能である。

第10図は、６気筒のエンジンに適用した実施例を示す
ものである。図中＃１〜＃６は各気筒を表す。この実施
例では、点火順序の連続しない＃1,＃2,＃３の三つの気
筒と、＃4,＃5,＃６の三つの気筒について、独立吸気通
路17a〜17fを集合し、また、同様に排気通路7a〜7fを集
合している。その他は先の４気筒の場合と同様である。
図中、先の実施例に対応する部分には同一の符号を付し
ている。

本発明は、共鳴効果を利用した手段を用いるなど、他
のいろいろな態様で実施することができる。

（発明の効果） 本発明は以上のように構成されているので、低回転域
において慣性もしくは共鳴によって充填量を増大させる
とともに、それによって増大した排気動圧をタービンに
効率良く作用させることで、低回転域での充填効率を一
層高め、また、回転上昇に際しても高い吸気充填効率を
確保して加速レスポンスを一層向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係るターボ過給機付エンジ
ンの平面図、第２図は同正面図、第３図は同実施例にお
ける吸気系の拡大平面図、第４図は同吸気系の右側面
図、第５図は同正面図、第６図は第５図のＡ−Ａ断面
図、第７図は同実施例の要部構造を示す模式図、第８図
は同実施例の特性図、第９図は同実施例の変形例を示す
模式図、第10図は本発明の他の実施例の構造を示す模式
図である。 1:エンジン、3:吸気マニホールド、3a〜3d:独立吸気
管、4:排気マニホールド、4a〜4d:排気分岐管、6:ター
ボ過給機、7a〜7f:排気通路、8:隔壁、9:タービン、10:
ブロア、14:上流側集合吸気管、16a,16b:下流側集合吸
気管、17a〜17f:独立吸気通路、18,19:集合部、20:連通
路、21:開閉弁、26,27:排気集合部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山形 直之 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツ ダ株式会社内 (56)参考文献 実開 昭63−40531（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F02B 27/02

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】排気エネルギーによってタービンを回し該
   タービンに連結されたブロアを駆動してエンジンの過給
   を行うようにしたターボ過給機付エンジンにおいて、 吸気通路系における連通路に該連通路を開閉することに
   より前記吸気通路系の固有振動数を変化させる開閉弁を
   設けて、該開閉弁の開閉により、エンジン回転数に前記
   吸気通路系の固有振動数が同調してエンジンの体積効率
   が高まる慣性効果もしくは共鳴効果の同調点が低回転側
   および高回転側の複数のエンジン回転数にて得られるよ
   う構成し、 かつ、前記低回転側のエンジン回転数に前記吸気通路系
   の固有振動数を同調させる前記開閉弁の開もしくは閉の
   形態における、過給機のインターセプト点と前記低回転
   側の同調点との関係が、該同調点が前記過給機のインタ
   ーセプト点近傍で該インターセプト点より高回転側のエ
   ンジン回転数となるよう構成したことを特徴とするター
   ボ過給機付エンジンの吸排気装置。
2. 【請求項２】前記低回転側のエンジン回転数に前記吸気
   通路系の固有振動数を同調させる前記開閉弁の開もしく
   は閉の第１の形態と、該第１の形態から変更して前記吸
   気通路系の固有振動数を前記高回転側のエンジン回転数
   に同調させる前記開閉弁の閉もしくは開の第２の形態の
   それぞれにおける前記過給機のインターセプト点間に前
   記低回転側の同調点が設定され、 かつ、前記第２の形態において得られる高回転側の同調
   点が、該第２の形態における前記過給機のインターセプ
   ト点より高回転側のエンジン回転数に設定されるよう構
   成した請求項１記載のターボ過給機付エンジンの吸排気
   装置。
3. 【請求項３】前記第１の形態と前記第２の形態とに切り
   替えるエンジン回転数を、前記第２の形態における前記
   過給機のインターセプト点より高回転側に設定した請求
   項２記載のターボ過給機付エンジンの吸排気装置。
4. 【請求項４】点火順序の連続しない気筒の吸気通路を集
   合することによって吸気系を二つのグループに分けたこ
   とを特徴とする請求項１記載のターボ過給機付エンジン
   の吸排気装置。
5. 【請求項５】前記タービンに至る各気筒の排気通路を、
   点火順序の連続しない気筒毎に集合した排気通路群から
   なる二つのグループに分けたことを特徴とする請求項１
   記載のターボ過給機付エンジンの吸排気装置。