JPH04194319A - 過給機付エンジンの排気装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、低吸入空気量域では主ターボチャージャのみ
で過給し、高吸入空気量域では主、副の両ターボチャー
ジャを作動させて過給する過給機付エンジン、いわゆる
２ステージツインターボエンジンの排気集合管の構造に
関する。

〔従来の技術〕

エンジン本体に対し、主、副二つのターボチャージャを
並列に配置し、低吸入空気量域では主ターボチャージャ
のみ作動させて１個ターボチャージャとし、高吸入空気
量域では両ターボチャージャを作動させるようにした、
いわゆる２ステージターボシステムを採用した過給機付
エンジンが知られている。

この種の過給機付エンジンの構成は、たとえば第９図に
示すようになっている。エン、ジン本体９１に対し、主
ターボチャージャ（Ｔ／Ｃ−１）９２と副ターボチャー
ジャ（Ｔ／Ｃ−２）９３が並列に設けられている。副タ
ーボチャージャ９３に接続される吸、排気系には、それ
ぞれ吸気切替弁９４、排気切替弁９５が設けられ、副タ
ーボチャージャ９３のコンプレッサをバイパスする吸気
バイパス通路９７には、吸気バイパス弁９６が設けられ
ている。低吸入空気量域では吸気切替弁９４、排気切替
弁９５をともに全閉とすることにより、主ターボチャー
ジャ９２のみを過給作動させ、高吸入空気量域では両切
替弁９４．９５をともに全開とし、吸気バイパス弁９６
を閉じることにより、副ターボチャージャ９３にも過給
作動を行わせ、２個ターボチャージャ作動とすることが
できる。

低吸入空気量域から高吸入空気量域に移行するときには
、吸気切替弁９５および排気切替弁９４が閉じられてい
るときに排気バイパス弁９８を小開制御し、さらに吸気
バイパス弁９６を閉しることにより副ターボチャージャ
９３の助走回転数を高め、ターボチャージャの切替をよ
り円滑に（切替時のショックを小さく）行うことが可能
になっている。

第１０図は、主、副ターボチャージャ９２．９３からの
排気ガスを合流させるための排気集合管の一例を示して
いる。排気集合管８０は、主ターボチャージャ９２から
の排気ガスＧ１が流入する管路８０ａと、副ターボチャ
ージャ９３からの排気ガスＧ！が流入する管路８０ｂと
、排気バイパス弁９８を経由して流れてきた排気ガスＧ
、が流入する管路８０Ｃとを有している。各管路８０ａ
　、８０ｂ　、８０ｃは連らなって形成されている。

〔発明が解決しようとするｆｆ１題〕 しかしながら、第１０図に示すような排気集合管８０の
場合は、管路８０ａと管路８０ｂとが連らなっているの
で、熱変形に対する問題が生じる。つまり、１個ターボ
チャージャ時には主ターボチャージャのタービン側にの
み排気ガスが流れるので、排気ガスが流れる管路８０ａ
と排気ガスが流れない管路８０ｂとの温度差が大となり
、各管路の膨張量の差によって熱変形が大となり、歪が
生しる。

排気通路構造に関連する先行技術として、特開平２−１
２５９２６号公報が知られている０本公報の装置では、
主ターボチャージャ側と副ターボチャージャ側の温度差
によるタービンエルボの変形を防止するために、排気入
口部を湾曲させるようにしている。しかし、この場合は
、主ターボチャージャ側と副ターボチャージャ側の排気
通路を分離する仕切壁が共用されているため、温度差に
よる変形を防止するには不十分である。したがって、過
大な熱歪が生じ、これに起因する変形、破損のおそれが
ある。

本発明は、上記の問題に着目し、主ターボチャージャか
らの排気ガスが流れる管路と、副ターボチャージャから
排気ガスが流れる管路との間に著しい温度差が生じても
、熱変形を十分に吸収することが可能な排気集合管を有
する過給機付エンジンの排気装置を提供することを目的
とする。

〔課題を解決するための手段〕

この目的に沿う本発明に係る過給機付エンジンの排気装
置は、エンジン本体に対し主ターボチャージャと副ター
ボチャージャとを配設し、低吸入空気量域では主ターボ
チャージャのみを過給作動させ、高吸入空気量域では主
、副ターボチャージャの両方を過給作動させ、該量ター
ボチャージャからの排気ガスを排気集合管で集合させる
ようにした過給機付エンジンの排気装置において、前記
排気集合管の主ターボチャージャからの排気ガスが流れ
る管路と副ターボチャージャからの排気ガスが流れる管
路との間に、空隙部を設けたものから成る。

〔作用〕

このように構成された過給機付エンジンの排気装置にお
いては、主ターボチャージャのみが過給作動する１個タ
ーボチャージャ時には排気切替弁が閉じているため、主
ターボチャージャからの排気ガスが流す管路のみに排気
ガスが流れ、副ターボチャージャからの排気ガスを流す
管路には排気ガスは流れない。そのため、主ターボチャ
ージャ用の管路の温度が排気ガスによって上界し、両管
路には著しい温度が生しる。ここで、主ターボチャージ
ャからの排気ガスが流れる管路と副ターボチャージャか
らの排気ガスが流れる管路の間には、空隙部が設けられ
ているので、熱変形はこの空隙部によって吸収される。

〔実施例〕

以下に、本発明に係る過給機付エンジンの排気！ａ　Ｎ
の望ましい実施例を、図面を参照して説明する。

第１図ないし第８図は、本発明の一実施例に係ろ過給機
付エンジンを示しており、２個のターボチャージャがエ
ンジン本体に対し並列に配置され、吸、排気切替弁の開
閉によりターボチャージャの作動個数を変更可能な、い
わゆる２ステージツインターボシステムの過給機付エン
ジンに本発明を適用したものを示している。

まず、第８図を参照し、全体のシステムについて説明す
る。図において、１は６気筒のエンジン・　本体を示し
ており、該エンジン本体に対し、常時作動の主ターボチ
ャージャ７と高吸入空気量域で作動され低吸入空気量域
で停止される副ターボチャージャ８とが並列に配置され
ている。７ａ、８ａは各ターボチャージャのタービン、
７ｂ、８ｂはコンプレフサを示している。

エアクリーナ２３、エアフローメータ２４を介して吸気
通路１５から各ターボチャージャ７．８のコンプレフサ
７ｂ、８ｂ側に空気が吸入され、加圧された後、吸気通
路１４、インタークーラ６、サージタンク２を介してエ
ンジン１に過給空気が送られる。排気マニホールド３は
、各集合部が連通管３ａにより互に連通されており、各
集合部から排気ガスが各ターボチャージャ７．８のター
ビン７ａ。

８ａに送ら糺る。各タービン７ａ、８ａからの排気通路
は排気集合管５１で集合しており、排気ガスＧ　Ｉ、　
Ｇ　ｘ　は、排気管としてのフロントバイブ２゜を通し
て排出される。第７図に示すように、排気ガスの合流部
上流側に、バルブボデー６３、該バルブボデー６３内の
、副ターボチャージャ８側からの排気通路内に設けられ
た排気切替弁１７を備えた排気切替弁アセンブリ６５が
設けられている。排気切替弁１７は、アクチュエータ１
６によって開閉される。

排気切替弁１７と、吸気通路側に設けられた吸気切替弁
１８の両方を閉じることにより副ターボチャージャ８の
過給作動が停止され、主ターボチャージャ７のみが作動
される。吸、排気切替弁１８．１７を開くことにより、
両ターボチャージャ７．８が作動される。１個ターボチ
ャージャと２個ターボチャージャ作動との切替は、吸入
空気量に応じて行われ、高吸入空気量域で両ターボチャ
ージャが作動し、低吸入空気量域で１個ターボチャージ
ャとされる。

なお、本実施例では、吸気切替弁１８の閉時に副ターボ
チャージャ８コンプレッサ出口側圧力が上がりすぎない
よう、加圧空気をターボチャージャ上流側に戻すための
吸気バイパス通路１３が設けられている。吸気バイパス
通路１３には、吸気バイパス弁３３が設けられている。

また、１個ターボチャージャから２個ターボチャージャ
への切替前に、排気ガスの一部を副ターボチャージャ８
側に流して副ターボチャージャ８の助走回転数を高める
ために、排気バイパス通路４０が設けられており、該排
気バイパス通路４０には排気バイパス４１が設けられて
いる。１１．１０．４２は、吸気切替弁１８、吸気バイ
パス弁３３、排気バイパス弁４１開閉用のアクチュエー
タをそれぞれ示しており、３１はウェストゲートバルブ
、９はウェストゲートバルブ用のアクチュエータ、４は
スロットル弁、３０は吸気管圧力センサをそれぞれ示し
ている。排気通路を形成するフロントパイプ２０は、排
気ガス触媒２１を介して排気マフラーに接続されている
。

第７図において、１はエンジン本体、７１はシリンダヘ
ッド、７２はシリンダブロック、７３はオイルパンを示
しており、７４はオイルリターンパイプ、７５はエンジ
ンマウントをそれぞれ示している。主ターボチャージャ
７、副ターボチャージャ８のタービンハウジング７ｃ、
８ｃの排気ガス流入側は排気マニホールド３に接続され
ている。

主ターボチャージャ７のタービンハウジング７Ｃの排気
ガス流出側は、排気集合管５１の管路としての曲管５１
ａに接続されている。副ターボチャージャ８のタービン
ハウジング８ｃの排気ガス流出側は、排気集合部５１の
管路としての曲管５１ｂに接続されている０曲管５１　
ａ　、５１　ｂは、排気切替弁アセンブリ６５のバルブ
ボデー６３に接続され、バルブボデー６３は排気合流管
６６に接続されている。排気合流管６６は、排気管とし
てのフロントバイブ２ｏに接続されている。

曲管５１ａは主ターボチャージャ７からの排気ガスＧ、
を流すためのものであり、曲管５１ａの上流端には、接
続用のフランジ部５１ｃが形成されてぃる１曲管５１ａ
の下流端には、接続用のフランジ部５１ｄが形成されて
いる０曲管５１ｂは、副ターボチャージャ８からの排気
ガスＧ！を流すためのものである０曲管５１ｂの上流端
には、接続用のフラジ部５Ｌｅが形成されており、曲管
５１ｂの下流端には、フランジ部５１ｄが位置している
。つまり、フランジ５１ｄは各曲管５１ａ、５１ｂの下
流端をバルブボデー６３に接続する機能を有する。

なお、本実施例では副ターボチャージャ８を助走させる
ために設けられた排気バイパス通路４０は、排気集合部
５１に形成された曲管５１ｆによって構成されている０
曲管５１ｆの上流端には上述したフランジ５１ｅが位置
している０曲管５１ｆの下流端は、曲管５１ａの途中と
接続されており、曲管５１ａ内の排気バイパス通路４０
を通過した排気ガスＧｔ　は、曲管５１ａ内に流入−す
るようになっている、したがって、フランジｓｔｅは、
曲管５１ｂ、５１ｆの上流端を副ターボチャージャ８の
タービンハウジング８Ｃに接続する機能を有する。

排気集合部５１の曲管５１ａと曲管５１ｂとの間には、
空隙部６８が設けられている。空隙部６日は、曲管５１
ｂの全長にわたって設けられている。すなわち、曲管５
１ａ、５１ｆと曲管５１ｂは、フランジ部分を除き空隙
部６８によって完全に区画されている。空隙部６８は、
各管５１ａ　、５１ｂ　、５１　ｒの熱変形を吸収する
とともに、断熱手段としての機能を有する。

つぎに、上記の過給機付エンジンの制御装置における作
用を説明する。

上述したように、本過給機付エンジンの高吸入空気量域
では、吸気切替弁１８と排気切替弁１７がともに開かれ
、吸気バイパス弁３３が閉しられる。これによって２個
ターボチャージャ７．８が過給作動し、十分な過給空気
量が得られ、出力が向上される。このとき過給圧は、＋
ｓｏｏ　ｆｉｌｌｇを越えないように、デユーティ制御
されるウェストゲートバルブ３１により制御される。

低速域でかつ高負荷時には、吸気切替弁１８と排気切替
弁１７がともに閉しられ、吸気バイパス弁３３は開かれ
る。これによって１個のターボチャージャ７のみが駆動
される。低吸入空気量域で１個ターボチャージャとする
理由は、低吸入空気量域では１個ターボチャージャ過給
特性が２個ターボチャージャ過給特性より優れているか
らである。１個ターボチャージャとすることにより、過
給圧、トルクの立上りが早くなり、レスポンスが迅速と
なる。

低速域でかつ軽負荷時には、排気切替弁１７を閉じたま
ま吸気切替弁１８を開にする。これによって、１個ター
ボチャージャ駆動のまま、吸気通路２個ターボチャージ
ャ分が開となり、１個ターボチャージャによる吸気抵抗
の増加を除去できる。したがって、低負荷からの加速初
期における過給圧立上り特性、レスポンスをさらに改善
できる。

低吸入空気量域から高吸入空気量域に移行するとき、つ
まり１個ターボチャージャから２個ターボチャージャ作
動へ切り替えるときには、吸気切替弁１８および排気切
替弁１７が閉じられているときに排気バイパス弁４１を
デエーティ＠御により小間制御し、さらに吸気バイパス
弁３３を閉じることにより副ターボチャージャ８の助走
回転数を高め、ターボチャージャの切替をより円滑（切
替時のショックを小さく）行うことが可能になる。

低吸入空気量域では、排気切替弁１７が閉じているため
、主ターボチャージャ７のタービン７ａのみに排気ガス
が流入する。タービン７ａから流出した排気ガスは、排
気集合管５１の曲管５１ａに流入し、排気ガスからの受
熱により曲管５１ａが加熱される。この状態では、排気
集合管５１の曲管５１ｂには排気ガスは流れていないの
で、曲管５１ａと曲管５１ｂとの温度差が大になり、曲
管５１ａが熱変形を生しる。しかし、曲管５１ａと曲管
５１ｂとの間には、空隙部６８が設けられているので、
曲管５１ａの熱変形は空隙部６８によって十分吸収され
る。したがって、曲管５１ａの熱変形によって曲管５１
ｂに過大な熱応力が作用することもなくなり、熱歪は小
に抑えられる。

また、空隙部６８は断熱機能を有するので、１個ターボ
チャージャ時には、曲管５１ａから曲管５１ｂへの熱伝
導量が空隙部６８によって抑制される。そのため、１個
ターボチャージャ時における排気集台管５１の熱容量を
実質的に小とすることが可能となり、その分、排気ガス
触媒２１の暖機性の向上がはかれる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明に係る過給機付エンジンの
排気装置によるときは、排気集合管の主ターボチャージ
ャからの排気ガスが流れる管路と副ターボチャージャか
らの排気ガスが流れる管路・　との間に、空隙部を設け
るようにしたので、主ターボチャージャのみが過給作動
する領域において主ターボチャージャからの排気ガスが
流れる管路と副ターボチャージャからの排気ガスが流れ
る管路との温度に著しい差が生じた場合でも、その温度
差による管路の熱変形を確実に吸収することができる。

これにより、排気集合管の熱歪を小にすることができる
。

また、各管路の間に空隙部を設けたことにより、主ター
ボチャージャのみが過給作動する領域においては主ター
ボチャージャからの排気ガスが流れる管路から副ターボ
チャージャからの排気ガスが流れる管路への熱伝導量を
抑刷することができる。

したがって、この過給領域における排気集合部の熱容量
を実質的に小とすることができ、その分、排気ガス触媒
の暖機性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る過給機付エンジンの排気装置にお
ける排気集合管の斜視図、 第２図は第１図の平面図、 第３図は第３図の側面図、 第４図は第３図のＮ−ＩＶ線に沿う断面図、第５図は第
３図のＶ−Ｖ線に沿う断面図、第６図は第３図のＶｌ−
Ｖｌ線に沿う断面図、　　゛第７図は第１図の排気集合
管が設けられる排気装置の要部正面図、 第８図は本発明に係る過給機付エンジンの系統図、 第９図は従来の過給機付エンジンの概略系統図、第１０
図は従来の排気集合管の一例を示す平面図、である。 ｌ・・・・・・エンジン ７・・・・・・主ターボチャージャ ７ａ・・・・・・主ターボチャージャのタービン８・・
・・・・副ターボチャージャ ８ｂ・・・・・・副ターボチャージャのタービン１３・
・・・・・吸気バイパス通路 １７・・・・・・排気切替弁 １８・・・・・・吸気切替弁 ２１・・・・・・排気ガス触媒 ５１・・・・・・排気集合管 ５１ａ・・・・・・主ターボチャージャからの排気ガス
が流れる管路 ５１ｂ・・・・・・副ターボチャージャからの排気ガス
が流れる管路 ６８・・・・・・空隙部 特　許　出　願　人　　　トヨタ自動車株式会社第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、エンジン本体に対し主ターボチャージャと副ターボ
   チャージャとを配設し、低吸入空気量域では主ターボチ
   ャージャのみを過給作動させ、高吸入空気量域では主、
   副ターボチャージャの両方を過給作動させ、該両ターボ
   チャージャからの排気ガスを排気集合管で集合させるよ
   うにした過給機付エンジンの排気装置において、前記排
   気集合管の主ターボチャージャからの排気ガスが流れる
   管路と副ターボチャージャからの排気ガスが流れる管路
   との間に、空隙部を設けたことを特徴とする過給機付エ
   ンジンの排気装置。