JP2008150968A - ターボチャージャ付きエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】ターボチャージャ付きエンジンにおいて、車両の加速時に吸気音の爆発次数成分のレベルを増加してエンジン音色を向上する。
【解決手段】エンジン１のインテークマニホールド１１（またはエキゾーストマニホールド１２）に一端が接続され、他端がターボチャージャ４の上流側のエアクリーナホース２２（吸気通路）に接続された脈動取出用管路５１を設け、その脈動取出用管路５１にバルブ５２と振動板５３を配置する。そして、車両が定常走行のときには脈動取出用管路５１のバルブ５２を閉じて静粛性を保ち、車両の加速時にはバルブ５２を開き、エキゾーストマニホールド１２内の圧力脈動（爆発次数成分を含んだ脈動）によって振動板５３を振動させ、圧力脈動をエアクリーナホース２２に伝達することで、吸気音の爆発次数成分を増加して加速時に強い吸気音を出す。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両に搭載されるターボチャージャ付きエンジンに関する。

車両に搭載されるエンジン（内燃機関）の出力を向上させるには、燃焼室に充填される混合気の量を増やすことが好ましい。そこで、ピストンの移動に伴って発生する負圧によって混合気を燃焼室に供給するだけでなく、混合気を強制的に燃焼室に供給する過給システムが実用化されている。この過給システムの１つに、排気ガス流のエネルギによって空気を燃焼室に強制的に送り込むターボチャージャがある。

エンジンに搭載されるターボチャージャは、一般に、エンジンの排気通路を流れる排気ガスによって回転するタービンホイールと、吸気通路内の空気を強制的に燃焼室へと送り込むコンプレッサインペラと、これらタービンホイールとコンプレッサインペラとを連結するタービンシャフトとを備えている。このような構造のターボチャージャにおいて、タービンホイールに排気ガスが吹き付けられて、タービンホイールが回転すると、その回転がタービンシャフトを介してコンプレッサホイールに伝達される。こうしてコンプレッサホイールが回転することによって、吸気通路内の空気が強制的に燃焼室に送り込まれる。

また、エンジンに搭載されるターボチャージャとして、タービンホイールに吹き付けられる排気ガスの流量・流速等を可変制御することによって、エンジンの運転状態に応じて過給圧を設定する可変容量型ターボチャージャがある。このような可変容量型ターボチャージャとしては、タービンホイールへの排気ガス流入部に複数のバリアブルノズルを設け、排気ガスの流入流速を制御してタービン効率を向上させるバリアブルノズルターボチャージャがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−１５２９４８号公報 特開２００５−２０１２０５号公報

まず、例えば４気筒のエンジンを起動すると、図４に示すように、爆発１次成分（回転２次成分）、爆発２次成分（回転４次成分）、爆発３次成分（回転６次成分）、及び、爆発４次成分（回転８次成分）を含む吸気音（排気音）が発生する。そして、エンジンで発生した吸気音は、インテークマニホールド及びエアクリーナホースなどを介してエアクリーナに到達し、エアクリーナからクールエアダクトを介して放射される。

ここで、エンジンを搭載した車両においては、エンジン音色の向上を図るために、吸気音・排気音の爆発次数成分を強調したい。しかし、ターボチャージャ付きエンジンでは、タービンホイールやコンプレッサインペラの回転、及び、タービン・コンプレッサハウジングの絞り形状などによって、吸気・排気の脈動成分が減衰するため、爆発次数成分のレベルが低くなる。このため、運転者がアクセルペダルを踏み込んで車両を加速しているのにもかかわらず、エンジン音色があまり変化せず、運転者が期待する加速感が得られないことがある。

特に、バリアブルノズルターボチャージャでは、過給時のタービンホイール及びコンプレッサインペラの回転数が高く設定されており、吸気・排気の脈動成分の減衰が大きいため、上記した加速時のエンジン音色の問題は顕著となる。

本発明はそのような実情を考慮してなされたもので、ターボチャージャ付きエンジンにおいて、車両の加速時に吸気音の爆発次数成分のレベルを増加することができ、車両加速時のエンジン音色を向上させることが可能な吸気系構造の提供を目的とする。

本発明は、エンジンの排気通路に配置されたタービンホイールと、エンジンの吸気通路に配置されたコンプレッサインペラと、前記タービンホイールとコンプレッサインペラとを連結するシャフトとを有するターボチャージャが搭載されたターボチャージャ付きエンジンにおいて、当該エンジンのインテークマニホールドまたはエキゾーストマニホールドに一端が接続され、他端が前記ターボチャージャ上流側の吸気通路に接続された脈動取出用管路と、前記脈動取出用管路を開閉するバルブと、前記脈動取出用管路の内部に配設された振動板とを備えていることを特徴としている。

本発明において、車両の加速時（エンジンの出力トルクが大きい場合）には、脈動取出用管路のバルブを開く。このように車両加速時にバルブを開くと、エキゾーストマニホールド（またはインテークマニホールド）内の圧力脈動（爆発次数成分を含んだ脈動）が脈動取出用管路を通じて振動板に作用して、振動板が振動する。この振動板の振動によってターボチャージャ上流側の吸気通路に圧力脈動が伝達されるので、吸気音の爆発次数成分を増加させることができる。これによって加速時に強い吸気音を出すことが可能となり、運転者が期待する加速感を得ることができる。

また、車両が定常走行のときには、脈動取出用管路のバルブを閉じることで、エキゾーストマニホールド（またはインテークマニホールド）内の圧力脈動がターボチャージャ上流側の吸気通路に伝達されないので、吸気音を低く抑えることができ、定常走行時の静粛性を保つことができる。

本発明において、エンジンに搭載されるターボチャージャが、タービンホイールへの排気ガス流入部に設けられた複数のバリアブルノズルと、そのバリアブルノズルを開閉するアクチュエータとを備えたバリアブルノズルターボチャージャである場合、上記した脈動取出用管路のバルブがバリアブルノズルのアクチュエータに連動して開閉するように構成する。

このようなバリアブルターボチャージャを搭載したエンジンにおいて、車両の加速時（エンジンの出力トルクが大きい場合）には、アクチュエータによるバリアブルノズルの作動によって過給圧が上昇する。このとき、脈動取出用管路のバルブをバリアブルノズルのアクチュエータに連動して開くことで、ターボチャージャ上流側の吸気通路に圧力脈動（爆発次数成分を含んだ脈動）が伝達されるので、吸気音の爆発次数成分を増加させることができる。

また、バリアブルノズルのアクチュエータに連動して脈動取出用管路のバルブを開閉するという構成を採用することで、バリアブルノズルのアクチュエータをバルブの開閉に兼用することが可能となり、バルブ開閉用のアクチュエータを別途設ける必要がなくなる。

本発明によれば、車両の加速時には、エキゾーストマニホールドまたはインテークマニホールド内の圧力脈動（爆発次数成分を含んだ脈動）をターボチャージャ上流側の吸気通路に伝達しているので、吸気音の爆発次数成分を増加させることができる。これによって車両加速時のエンジン音色を向上させることができ、運転者が期待する加速感を得ることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

まず、本発明を適用するターボチャージャ付きエンジン（内燃機関）の概略構成を、図１を参照しながら説明する。

この例のエンジン１は、車両に搭載される４気筒ディーゼルエンジンである。エンジン１には、インテークマニホールド１１とエキゾーストマニホールド１２とが接続されている。インテークマニホールド１１には吸気通路２が接続されており、エキゾーストマニホールド１２には排気通路３が接続されている。

吸気通路２は、インテークマニホールド１１に接続される高圧側ホース２１（ターボチャージャ４の下流側の吸気通路）、ターボチャージャ４の上流側のエアクリーナホース２２、エアクリーナホース２２の上流側端部に配置されたエアクリーナ２３、及び、吸気口２４ａを有するクールエアダクト（吸気ダクト）２４などによって構成されている。エアクリーナ２３内にはエアクリーナエレメント２３ａが収容されている。

エンジン１には、排気圧を利用して吸入空気を過給するターボチャージャ４が設けられている。ターボチャージャ４は、排気通路３に配置されたタービンホイール４１、吸気通路２に配置されたコンプレッサインペラ４２、これらタービンホイール４１とコンプレッサインペラ４２とを連結するタービンシャフト４３、タービンホイール４１を収容するタービンハウジング４４、及び、コンプレッサインペラ４２を収容するコンプレッサハウジング４５などを備えている。

そして、この例のターボチャージャ４においては、排気通路３に配置のタービンホイール４１が排気のエネルギによって回転する。これに伴って吸気通路２に配置のコンプレッサインペラ４２が回転し、このコンプレッサインペラ４２の回転により吸入空気が過給され、エンジン１の各気筒の燃焼室に過給空気が強制的に送り込まれる。

また、この例のターボチャージャ４はバリアブルターボチャージャであって、タービンホイール４１への排気ガス流入部に設けられた複数のバリアブルノズル４６と、バリアブルノズル４６を開閉するアクチュエータ４７とを備えており、そのアクチュエータ４７によってバリアブルノズル４６の開度を調整することにより、タービンホイール４１の回転数が変化してエンジン１の過給圧を調整することができる。具体的には、例えば、車両が定常走行であるときには、タービンホイール４１が低回転で回転するように、バリアブルノズル４６の開度が調整される。また、車両加速時には、バリアブルノズル４６の開度が排気ガスの流速を上げる方向に調整され、これによってタービンホイール４１が高回転で回転して過給圧が上昇する。

そして、この例では、図１及び図２に示すように、エキゾーストマニホールド１２と、吸気通路２の一部を構成するエアクリーナホース２２（ターボチャージャ４の上流側の吸気通路）との間に脈動伝達装置５を設けている点に特徴がある。

脈動伝達装置５は、エキゾーストマニホールド１２から圧力脈動を取り出す脈動取出用管路５１と、この脈動取出用管路５１を開閉するバルブ５２と、脈動取出用管路５１の内部に配置された振動板（ダイアフラム）５３とを備えている。脈動取出用管路５１は、一端がエキゾーストマニホールド１２に接続され、他端がターボチャージャ４の上流側のエアクリーナホース２２に接続されている。

バルブ５２は、図２に示すように、脈動取出用管路５１に直交して配置された回転軸５２ａと、その回転軸５２ａに取り付けられた弁体５２ｂとを備え、回転軸５２ａを回転駆動することにより弁体５２ｂを開閉するバタフライバルブである。このバルブ５２は、バリアブルノズル４６のアクチュエータ４７に連動して開閉する。

振動板５３は、例えばステンレス板であって、バルブ５２とエアクリーナホース２２との間に配置されており、バルブ５２が開いている状態のときに、エキゾーストマニホールド１２内の圧力脈動（爆発次数成分を含んだ脈動）によって振動する。振動板５３には、圧力脈動で振動しやすように、外周部に波状の屈曲部５３ａが周方向に沿って形成されている。

次に、バリアブルノズル４６及び脈動伝達装置５の動作について説明する。

まず、車両を加速する場合（エンジン１の出力トルクが大きい場合）、ターボチャージャ４のバリアブルノズル４６は、アクチュエータ４７によって排気ガスの流速を上げる方向に作動され、タービンホイール４１が高回転で回転して過給圧が上昇する。

このとき（ターボチャージャ４の過給圧が上昇したとき）、バリアブルノズル４６を作動しているアクチュエータ４７に連動して脈動取出用管路５１のバルブ５２が開く。こうしてバルブ５２が開くと、エキゾーストマニホールド１２内の圧力脈動（爆発次数成分を含んだ脈動）が脈動取出用管路５１を通じて振動板５３に作用して、振動板５３が振動する。この振動板５３の振動によってエアクリーナホース２２側に圧力脈動が伝達され、クールエアダクト２４の吸気口２４ａから爆発次数成分を含んだ吸気音が放射される。

一方、車両が定常走行時であるときには、ターボチャージャ４のバリアブルノズル４６は、アクチュエータ４７によって排気ガスの流速を下げる方向に作動され、タービンホイール４１が低回転で回転する。この定常走行時には、脈動取出用管路５１のバルブ５２は閉じるように設定されており、エキゾーストマニホールド１２内の圧力脈動はエアクリーナホース２２側に伝達されない。

以上のように、この例のターボチャージャ付きエンジン１によれば、車両加速時には、脈動取出用管路５１のバルブ５２が開かれる。これによってエキゾーストマニホールド１２内の圧力脈動（爆発次数成分を含んだ脈動）がエアクリーナホース２２側に伝達され、吸気音の爆発次数成分が増加するので、車両加速時に強い吸気音を出すことが可能となり、車両加速時のエンジン音色を向上させることができる。

一方、車両が定常走行のときには、脈動取出用管路５１のバルブ５２が閉じられる。従って、定常走行時にはエキゾーストマニホールド１２内の圧力脈動がエアクリーナホース２２側に伝達されないので、吸気音を低く抑えることができ、定常走行時の静粛性を保つことができる。

ここで、以上の例において、クールエアダクト２４の吸気口２４ａにおける吸気音のレベルは、例えば図３に示すように、エンジン回転数の上昇に伴って一定勾配で変化するのではなく山と谷とが存在する。このため車内に伝播する音にうねりが生じることがある。この点を考慮し、車内音が略直線状に変化（例えば図３の二点鎖線で示す変化）するように、吸気系の音響特性やボディ感度特性（吸気口２４ａの吸気音〜車内音）を、実験・計算等によって適合するという音色創りを行ってもよい。このような適合を行うことで、車両加速時の車内音のリニア感を向上させることができる。

−他の実施形態−
以上の例において、車両の加速時に開くバルブ５２の開度は、運転者が操作するアクセルペダルのアクセル開度に応じて、アクセル開度が大きいほどバルブ５２を大きく開くように調整してもよい。また、車両の加速時に、バリアブルノズルが作動して過給圧が上昇したときに、バルブ５２を一定量だけ開くようにしてもよい（バルブ５２のＯＮ／ＯＦＦ制御）。

以上の例において、脈動取出用管路５１のバルブ５２をバリアブルノズルターボチャージャのアクチュエータ４７によって開閉しているが、本発明はこれに限られることなく、バルブ５２の回転軸５２ａを回転駆動する専用のアクチュエータを設けてもよい。

以上の例では、エキゾーストマニホールド１２内の圧力脈動を脈動取出用管路５１を通じて吸気通路２（ターボチャージャ４の上流側）に伝達するように構成しているが、本発明はこれに限られることなく、インテークマニホールド１１内の圧力脈動を脈動取出用管路を通じて吸気通路２に伝達するようにしてもよい。

以上の例では、バリアブルノズルターボチャージャが搭載されたエンジンについて説明したが、本発明はこれに限られることなく、バリアブルノズル機構を備えていないターボチャージャが搭載されたエンジンにも適用できる。

以上の例では、ターボチャージャが搭載された４気筒ディーゼルエンジンに本発明を適用した例を示したが、本発明はこれに限られることなく、例えば６気筒ディーゼルエンジンなどの他の任意の気筒数の多気筒ディーゼルエンジンにも適用できる。

さらに、ディーゼルエンジンに限られることなく、ターボチャージャ付きガソリンエンジンにも本発明を適用することができる。また、ターボチャージャ付き筒内直噴型エンジンに限られることなく、ターボチャージャ付きポート噴射型エンジンにも本発明を適用することができる。

本発明の実施形態の概略構成図である。 図１のＡ部詳細図である。 エンジン回転数に対する吸気音レベルの関係を示す図である。 吸気音の爆発次数成分とレベルとの関係を示す図である。

符号の説明

１ エンジン
１１ インテークマニホールド
１２ エキゾーストマニホールド
２ 吸気通路
２１ 高圧側ホース
２２ エアクリーナホース
２４ クールエアダクト
２４ａ 吸気口
３ 排気通路
４ ターボチャージャ（バリアブルターボチャージャ）
４１ タービンホイール
４２ コンプレッサインペラ
４３ タービンシャフト
４６ バリアブルノズル
４７ アクチュエータ
５ 脈動伝達装置
５１ 脈動取出用管路
５２ バルブ
５３ 振動板

Claims (3)

1. エンジンの排気通路に配置されたタービンホイールと、エンジンの吸気通路に配置されたコンプレッサインペラと、前記タービンホイールとコンプレッサインペラとを連結するシャフトとを有するターボチャージャが搭載されたターボチャージャ付きエンジンにおいて、
   当該エンジンのインテークマニホールドまたはエキゾーストマニホールドに一端が接続され、他端が前記ターボチャージャ上流側の吸気通路に接続された脈動取出用管路と、前記脈動取出用管路を開閉するバルブと、前記脈動取出用管路の内部に配設された振動板とを備えていることを特徴とするターボチャージャ付きエンジン。
2. 請求項１記載のターボチャージャ付きエンジンにおいて、
   当該エンジンが搭載される車両の加速時に、前記脈動取出用管路のバルブを開くことを特徴とするターボチャージャ付きエンジン。
3. 請求項１または２記載のターボチャージャ付きエンジンにおいて、
   前記ターボチャージャが、前記タービンホイールへの排気ガス流入部に設けられた複数のバリアブルノズルと、前記バリアブルノズルを開閉するアクチュエータとを備えたバリアブルノズルターボチャージャであって、前記脈動取出用管路のバルブが、前記アクチュエータに連動して開閉するように構成されていることを特徴とするターボチャージャ付きエンジン。

Images