JPH0640907Y2 - 内燃機関の２段過給装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は内燃機関の２段過給装置に関し、特に両ターボ
チャージャの回転軸受部の冷却システムに関する。

〔従来の技術〕

従来、単一のターボチャージャを備えた内燃機関に関し
ては、ターボチャージャの回転軸受部を冷却する技術が
種々提案されている（特開昭53-68309号、実公昭62-400
95号公報参照）。

〔考案が解決しようとする課題〕

しかしながら、２基のターボチャージャを直列に接続し
た２段過給装置にあっては、より高い過給圧が要求され
ることから低圧段ターボチャージャが従来の１段過給装
置のターボチャージャの作動範囲を遥かに越えた作動範
囲で運転される傾向にあるため、従来のターボチャージ
ャ回転軸受部の冷却技術のみではこの低圧段ターボチャ
ージャの冷却は不充分と言える。特に、例えば長時間の
高負荷運転後に直ちにエンジン停止したようなデッドソ
ーク時にあっては冷却が不充分となりがちであるためよ
り効果的な冷却について考慮する必要がある。

以上の点に鑑み、本考案においては、両ターボチャージ
ャを冷却する上でこれらを最適に配置することによりよ
り優れた冷却性能を得ることができる内燃機関の２段過
給装置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よれば、小容量の高
圧段ターボチャージャと大容量の低圧段ターボチャージ
ャとを直列に接続した内燃機関の２段過給装置におい
て、上記低圧段ターボチャージャを上記高圧段ターボチ
ャージャより下方に、且つターボチャージャの回転軸受
部冷却用のウォータアウトレット近傍に配置し、上記低
圧段ターボチャージャが上記高圧段ターボチャージャに
比較してより大きな水落差を有するように両ターボチャ
ージャの回転軸受部冷却用ウォータジャケットと上記ウ
ォータアウトレットとを接続したことを構成上の特徴と
する。

〔作用〕

高圧段ターボチャージャに比して、低圧段ターボチャー
ジャをより下方に配置し、ウォータアウトレットにより
近づけ、低圧段ターボチャージャがより大きな水落差を
有するように両ターボチャージャのウォータジャケット
とウォータアウトレットとをそれぞれ接続したため、低
圧段ターボチャージャの回転軸受部を冷却するための冷
却水の流れが極めて円滑になると共に例えばデッドソー
ク時にあっては高熱により発生した蒸気が下流側に抜け
易い。これにより冷却水の自然対流が効果的に起き特に
低圧段ターボチャージャの良好なる冷却効果が得られ
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図は本考案に係る内燃機関の２段過給装置の一実施
例の全体斜視図である。

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
られる。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。

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を有する。この排気制御弁30
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。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る。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一般的な圧力作動式のアク
チュエータで構成され、これを例えばデューティ制御す
ることにより排気制御弁30が多段階的に開弁制御され
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。

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ターボチャー
ジャ６の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内には吸気制御弁19が設けられる。この吸気
制御弁19は、前述した排気制御弁30と同様の形式のポペ
ット弁として構成される。20は、この吸気制御弁19を開
閉駆動する一般的な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により吸気制御弁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、以上説明した構成を有する２段過給装置の作動
について先ず説明する。そして本考案の特徴をなすター
ボチャージャの軸受部の冷却関係については後述する。

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制御弁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制御
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
制御弁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に設けた吸気制御弁
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及び吸気制御
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。

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。

以上のように、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、過給効率が向上す
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
過給効率が向上する。

このように２基のターボチャージャを直列に接続した２
段過給装置においては、従来の１段過給装置のターボチ
ャージャとは比較にならない程の高い過給が得られるよ
うになった。しかしながら、このことは他面から見れば
ターボチャージャの過酷な使用に他ならず、特に低圧段
ターボチャージャは高速域まで高回転駆動される傾向に
あるためそれ自体の発熱が極めて大きく、従来よりもさ
らに積極的にこの熱害からターボチャージャを保護する
必要がある。

以下、これを解決するための本考案の特徴部分であるタ
ーボチャージャ軸受部の冷却関係について説明する。

第１図を参照すると、101はエンジンが過熱するのを防
止するために設けたラジエータであり、ここで冷却され
た水はポンプ（図示せず）によりエンジン１のシリンダ
ブロック側に送られ、エンジンの熱を吸収しながらシリ
ンダヘッドに入る。そしてここで熱を吸収した水は、エ
ンジン側部に取り付けられたウォータアウトレット102
を介してラジエータ101のアッパタンク（図示せず）に
戻る。

前述の如く、ターボチャージャは高温排気ガス等の影響
も加わり極めて高温になるため、その回転軸受部を効率
良く冷却する必要があり、とりわけ低圧段ターボチャー
ジャ６を冷却する必要がある。

そこで、低圧段ターボチャージャ６のセンタハウジング
6a内の回転軸受部を冷却するために、給水管103からパ
イプ104を介してセンタハウジング6aの給水口に冷却水
が供給され、このセンタハウジング6a内に形成されたウ
ォータジャケット（図示せず）で熱を吸収した水はセン
タハウジング6aの排水口からパイプ105を介してウォー
タアウトレット102に送り出される。

他方、高圧段ターボチャージャ３のセンタハウジング3a
内の回転軸受部を冷却するために同様に、給水管103か
らパイプ106を介してセンタハウジング3aの給水口に冷
却水が供給され、このセンタハウジング3a内に形成され
たウォータジャケット（図示せず）で熱を吸収した水は
センタハウジング3aの排水口からパイプ107を介してウ
ォータアウトレット102に送り出される。

低圧段ターボチャージャ６は、前述の如くより効率良く
冷却されるべきことから、図示の如く高圧段ターボチャ
ージャ３より下方側に配置され且つウォータアウトレッ
ト102近傍に配置される。すなわち、ウォータアウトレ
ット102と両ターボチャージャの給・排水口との位置関
係において、低圧段ターボチャージャ６は高圧段ターボ
チャージャ３に比較して、より大きな落差Ａ（Ａ＞Ｂ）
を有すると共に、ウォータアウトレット102により近い
距離Ａ′（Ａ′＜Ｂ′）にあるように配置される。

従って、例えば高負荷運転後、直ちにエンジンを止めた
ような場合（デッドソーク時）、ウォータポンプが止ま
ってしまうために冷却水の強制循環が止まり、冷却効果
が期待できない結果、軸受部の潤滑油が熱のため炭化し
て軸受性能が極端に悪化しかねないが、本実施例の如く
両ターボチャージャを配設したことにより、このような
デッドソーク時にあっても、冷却水の自然対流効果によ
る冷却が行える。すなわち、デッドソーク時にはターボ
チャージャの発する熱により蒸気が発生し、これが極め
て円滑にウォータアウトレット102側に抜けるため、冷
却水の自然対流が起きる。この流れの向きは、エンジン
運転状態の冷却水流れ方向と反対の向きであり、低圧段
ターボチャージャ６にあっては、パイプ105からセンタ
ハウジング6a、そしてパイプ104へ冷却水が逆流して流
れることになる。高圧段ターボチャージャ３にあっても
同様である。これにより、特に熱的に厳しい状態となる
低圧段ターボチャージャ６にあってはこの自然対流効果
により極めて効果的に冷却が行われることになる。

なお、エンジンルーム内はエンジン１や補機類が所狭し
と配置され一般的に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
であり、図示の如く排気マニホルド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
ができる。

また、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。

〔考案の効果〕

以上の如く本考案によれば、２基のターボチャージャを
冷却上、最適配置したことにより、極めて優れたターボ
チャージャの冷却性能を得ることができ、ターボチャー
ジャの耐久性等の向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案に係る内燃機関の２段過給装置の一実施
例の全体斜視図である。 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、 ６……低圧段ターボチャージャ、 19……吸気制御弁、20……アクチュエータ、 30……排気制御弁、 34……排気制御弁駆動装置、 101……ラジエータ、 102……ウォータアウトレット、 103……給水管、104,105……パイプ、 106,107……パイプ、3a……センタハウジング、 6a……センタハウジング。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−224939（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−86316（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭59−7231（ＪＰ，Ｕ) 実開 平２−85830（ＪＰ，Ｕ) 実開 平２−78731（ＪＰ，Ｕ) 実公 昭62−14346（ＪＰ，Ｙ２)

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】小容量の高圧段ターボチャージャと大容量
   の低圧段ターボチャージャとを直列に接続した内燃機関
   の２段過給装置において、上記低圧段ターボチャージャ
   を上記高圧段ターボチャージャより下方に、且つウォー
   タアウトレット近傍に配置し、上記低圧段ターボチャー
   ジャが上記高圧段ターボチャージャに比較してより大き
   な水落差を有するように両ターボチャージャの回転軸受
   部冷却用ウォータジャケットと上記ウォータアウトレッ
   トとを接続したことを特徴とする内燃機関の２段過給装
   置。