JP2005076463A - ターボチャージャの軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】潤滑油の必要供給量を少なくしつつ、構造を簡略化し、メカニカル損失の低減によってターボチャージャとしての総合効率の向上を図ると同時に、製造コストの削減を実現できるターボチャージャの軸受装置を提供する。
【解決手段】
ハウジングと、このハウジングに回転自在に支承されるターボチャージャのロータ軸６とを備え、このロータ軸６のコンプレッサ側とタービン側にそれぞれフローティング軸受９、１０を設けたターボチャージャの軸受装置において、ロータ軸６の外周に軸受ブッシュ８を配設し、この軸受ブッシュ８によって前記フローティング軸受９、１０を所定位置に保持することで、スラスト力を受ける機能をフローティング軸受９、１０に付与した。スラストベアリングの廃止によって、ターボチャージャの軸受装置の構造が簡略化され、メカニカル損失が減少するので、ターボチャージャ全体の総合効率が向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関等で用いられるターボチャージャの軸受装置に関する。

一端にタービンホイールが、他端にインペラがそれぞれ固定され、タービンホイールからインペラに回転力を伝えるターボチャージャのロータ軸に対しては、エンジンオイル等の潤滑油を送り、その冷却と潤滑をすることが要求される。

このようなターボチャージャのロータ軸の軸受構造として、すべり軸受を用いる場合には、通常、ラジアル軸受とスラストベアリングが設けられる。この場合は、ロータ軸を回転自在に支持するジャーナル軸受をタービン側とコンプレッサ側とに配置し、また温度の低いコンプレッサ側に、さらにスラストベアリングを設けるのが一般的である。

ターボチャージャの通常運転においては、スラストベアリングに正スラスト（ロータ軸がコンプレッサ側に移動しようとする方向のスラスト）力が作用する。したがって、スラストベアリングに潤滑油を供給するための油路では、抵抗の少ない反スラスト（ロータ軸がタービン側に移動しようとする方向のスラスト）側に潤滑油が多く流れる傾向となる。

上記の場合に、過給圧に対するスラストベアリングの負荷能力を維持するためには、荷重側（コンプレッサ側）に大量の油量が供給されることが求められる（例えば、全体給油量の８０％を供給）。そのため、反スラスト側に流れる油量を考慮し、結果として大量の潤滑油をスラストベアリングに供給しなければならず、これに伴いオイルシール構造の複雑化を招き、またメカニカル損失が増加して、ターボチャージャの総合効率が悪化する。

このような問題を解決するため、例えば特許文献１では、スラストブッシュを介してスラストベアリングを正スラストベアリングと反スラストベアリングに分割し、スラストブッシュの一側面に対向させて正スラストベアリングのパッド面に潤滑油を供給する専用油路を正スラストベアリングに形成したものが開示されている。このようにすれば、少ない潤滑油で負荷に対する能力を高めることができ、コンプレッサ側への油洩れの可能性を少なくできる。
実用新案登録第２５１９５９５号公報 特開２００１−３０３９７６４号公報

しかしながら、上記の従来の軸受構造では、正スラストベアリングと反スラストベアリングに分割されたスラストベアリングの形状が複雑であるので、製造上、特に反スラストベアリングについて厳しい寸法精度が求められる結果、その製造や組立が容易ではない問題がある。その結果、全体の精度維持のため組立時の管理項目が多くなり、かつ製品のばらつきが大きくなる傾向があるので、組立作業の熟練度が要求されることになる。

また、一旦組立が終了すると分解が困難で、組立後に発生した問題に対処することが難しい。

そこで、本発明者は、少なくとも、問題を生じさせる要因であるスラストベアリング（特にタービン側のスラストベアリング）を廃止することが可能か否かに着目し、種々検討を行い、スラストベアリングを設けなくてもロータ軸の支持が可能な軸受構造を得るに至った。

本発明は上記のような事情に基づいてされたものであり、その課題は、潤滑油の必要供給量を少なくしつつ、構造を簡略化し、メカニカル損失の低減によってターボチャージャとしての総合効率の向上を図ると同時に、製造コストの削減を実現できるターボチャージャの軸受構造を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、以下のような発明の特定事項を備えている。

本発明の特徴は、フローティング軸受と軸受ブッシュを組み合わせてフローティング軸受に正反スラスト力を受ける機能を付与し、スラストベアリングを設けなくてもスラスト力を受け止められるようにしたことである。すなわち、ハウジングと、このハウジングに回転自在に支承されるターボチャージャのロータ軸とを備え、このロータ軸のコンプレッサ側とタービン側にそれぞれフローティング軸受を設けたターボチャージャの軸受装置において、
前記フローティング軸受をロータ軸の外周に配設した軸受ブッシュによって所定位置に保持することで、スラスト力を受ける機能をフローティング軸受に付与したことを特徴とする。

本発明では、構造が複雑化する要因であるコンプレッサ側とタービン側の両方のスラストベアリングを廃止することで、軸受構造をきわめて簡略なものとした。この場合にフローティング軸受が正反スラスト力を受けるが、フローティング軸受はロータ軸の回転に伴って、それ自体もロータ軸の回転数の１／２から１／４程度の速度で回転するため、スラスト受面の相対速度が低下する。このような相対速度の低下によってスラスト負荷能力が向上することになる。

一般に、正反スラスト力を受けるために、従来のようなスラストベアリングを設けた場合には、スラスト力が最も大きく作用するのは周速の早い外周部である。

一方、フローティング軸受が正反スラスト力を受けた場合には、フローティング軸受自体の回転によるスラスト受面の相対速度が遅くなることによって、これに作用するスラスト力が低下する。換言すれば、スラスト受部の滑り速度が負荷能力に影響を及ぼし、スラスト力が低ければ負荷能力が向上するので、スラストベアリングを廃止しても、フローティング軸受とこれらを保持する軸受ブッシュを設けるのみで、正反のスラスト力に耐え得る。このようにして、フローティング軸受は、軸受ブッシュに接触して回転することで、正反スラスト力を受け止めることができる。

また、本発明ではスラストベアリングを廃止したので、大量の潤滑油をスラストベアリングに対して供給することが不必要となるだけでなく、全体の潤滑油供給量の低減によって、外部へのオイルシール性能が向上する。

なお、タービン側へのスラスト力を受ける機能をコンプレッサ側に設けたフローティング軸受に付与し、コンプレッサ側へのスラスト力を受ける機能をタービン側に設けたフローティング軸受に付与することが可能である。

本発明によれば、ターボチャージャの軸受構造全体の簡略化が実現され、これによってメカニカル損失が減少するので、ターボチャージャ全体の総合効率が向上する大きな利点がある。

また、本発明は、ハウジングと、このハウジングに回転自在に支承されるターボチャージャのロータ軸とを備え、このロータ軸のコンプレッサ側とタービン側にそれぞれフローティング軸受を設けたターボチャージャの軸受装置において、
コンプレッサ側にのみスラストベアリングを設けると共に、
前記フローティング軸受をロータ軸の外周に配設した軸受ブッシュによって所定位置に保持することで、スラスト力を受ける機能をフローティング軸受に付与したことを特徴とする。

この発明では、コンプレッサ側ののみスラストベアリングを設けることで、より確実に正スラスト力を受けられるものとした。この場合、反スラスト力はコンプレッサ側のフローティング軸受が受けることになる。

なお、コンプレッサ側にのみスラストベアリングを設ける場合には、従来のように潤滑油の供給量が増大することがないので、潤滑油の大量給油の確保や、オイルシール性を高めるための特別な考慮の必要がなくなる。

また、フローティング軸受を、ロータ軸の外周に配設した軸受ブッシュによって所定位置に保持することで、コンプレッサ側に設けたフローティング軸受に反スラスト力を受ける機能が付与されるので、スラストベアリングがタービン側に存在しなくてもよい。、 本発明では、前記軸受ブッシュの一部にフローティング軸受の収納部を設け、フローティング軸受を軸受ブッシュに対して摺動可能に当接させて前記収納部に収納することができる。このような収納部としては、その内周面の周方向に連続的に形成した凹部や切欠き部が例示できる。

このとき、フローティング軸受を軸受ブッシュに対して摺動可能に接触させて、反スラストを軸受ブッシュに伝達することができる。

なお、コンプレッサ側にスラストベアリングを設ける場合に、反スラストはフローティング軸受とスラストベアリングが分担して受けるようにしてもよい。

本発明のターボチャージャの軸受装置は、通常のターボチャージャに幅広く適用することができる。

本発明によれば、ターボチャージャの軸受装置の構造を簡略化できること、及び潤滑油供給量の大幅低減により、メカニカル損失を減少させて、ターボチャージャ全体の総合効率を向上させることが可能である。

以下、本発明に図面を参照して詳細に説明する。
（実施の態様１）
このターボチャージャは、タービンハウジング１とコンプレッサハウジング２内とがハウジング３を介して一体に連結されている。また、タービンハウジング１内のタービンホイール４と、コンプレッサハウジング２内のインペラ５とを、左右に配設したフローティング軸受９、１０により回転自在に支持されたロータ軸６によって連結したものである。

このようなターボチャージャの軸受装置は、エンジン（図示せず）の排気によってタービンホイール４を回転させることにより、ロータ軸６を介してインペラ５を回転させ、吸気を圧縮してエンジンに給気する。

上記ターボチャージャのタービン軸６は、高速で回転するため、フローティング軸受９、１０を潤滑させる必要があり、ベアリングハウジング３のロータ軸６の外周部に、周方向及び径方向に給油路７を有する軸受ブッシュ８を組み込み、この軸受ブッシュ８内の軸方向両端部に、径方向に給油孔１１を有するフローティング軸受９、１０を回転自在に嵌入し、給油口１２から供給される潤滑油がフローティン軸受９、１０の内外周面に導かれるようになっている。

図１及び２において、軸受ブッシュ８にはフローティング軸受９、１０の収容部２３、２４が左右両側に形成されている。そして、ハウジング３に固設された軸受ブッシュ８のこの収容部２３、２４内に、フローティング軸受９、１０がその軸方向に僅かな隙間をもって係合している。

以上のような実施形態１の構成要素及びその作用について、説明する。

＜過給圧向上＞
タービンハウジング１に図示しないエンジン排気管が接続され、その内部に排気ガスが流入すると、排気ガスの持つ運動エネルギーによりタービン４が回転し、ロータ軸６を介してインペラ５を回転駆動する。すると、コンプレッサハウジング２に流入した新気（空気）が過給されてエンジンに供給される。

この時のコンプレッサ効率は、コンプレッサハウジング２とインペラ５のクリアランス（チップクリアランス）により決まる。通常チップクリアランスは、ロータ軸６を静的に動かした場合にコンプレッサハウジング２とインペラ５が干渉しないように決定される。
＜フローティング軸受＞
ロータ軸６の左右両側には、それぞれフローティング軸受９、１０が配設されているが、これらはフルフロートタイプであり、フローティング軸受はロータ軸（回転軸）６の回転につれて回転する。このようなフローティング軸受９、１０は、図３に示すようなロータ軸との間の円筒型の浮動体として構成されており、内周から外周へ貫通する給油孔１１が設けられる。

このようなフローティング軸受９、１０では、図３のようにロータ軸６との間には、内周側油膜２１が形成され、他方、軸受ブッシュの間には外周側油膜２２が形成される。一般に、軸受の損失は回転数の二乗に比例するため、内周側油膜の損失と外周側油膜の損失を加えても、フローティング軸受ではない通常の軸受より、損失度合いが低くなる。
＜軸受ブッシュ＞
図２に示すように、全体は円筒状に形成されロータ軸６が回転自在に挿通し、また、左右両端の内周面には凹部２３、２４が形成されている。この凹部２３、２４にはフローティング軸受９、１０がそれぞれ収納されている。フローティング軸受９、１０に潤滑油を供給する給油通路７が左右の凹部に連通して設けられている。
＜正スラストと反スラストの受け止め＞
ロータ軸６がコンプレッサ側に移動しようとする方向のスラストが正スラスト（図１中、矢印Ａで示す）であり、反対に、ロータ軸６がタービン側に移動しようとする方向のスラストが反スラストである（図中、矢印Ｂで示す）。この実施の形態１の軸受装置では、正スラストは、タービン側のフローティング軸受９が受け止めることになる。この
フローティング軸受９の端部はロータ軸６の径大部６ａに接しており、フローティング軸受９には正スラストが作用する。このフローティング軸受９はロータ軸６の回転に伴って、それ自体もロータ軸６の回転数の１／２から１／４程度の速度で回転するため、スラスト受面（ロータ軸の径大部６ａとフローティング軸受９、及びフローティング軸受９と軸受ブッシュの接触面）の相対速度が低下する。このような相対速度の低下によって正反スラストを充分に受け止めることができる。

また、フローティング軸受９は、スラストベアリングに比べて最外径を小さくすることで、最大周速が低くなるのでスラスト負荷能力が大幅に向上する。

このようにフローティング軸受９のスラスト受面には潤滑油が介在し、正スラスト力が作用すると、軸受ブッシュ８とフローティング軸受９は互いに接触して回転し、スラスト力がフローティング軸受９から軸受ブッシュ８へ、軸受ブッシュ８からハウジング３へ伝達され受け止められる。

一方、反スラストは、上記の正スラストの場合と同様の作用によって、コンプレッサ側のフローティング軸受１０が受け止める。

この場合、コンプレッサ側のフローティング軸受１０の端部は、ロータ軸６に嵌合するスラストカラー１６が設けられ、フローティング軸受１０の端部を押さえているので、反スラストがスラストカラー１６を介してフローティング軸受１０に作用する。この反スラストは、正スラストの場合と同様にフローティング軸受８から軸受ブッシュ８に伝達される。

前記スラストカラー１６に接してロータ軸６の外周には油切り１５が設けられており、油切り１５の端部では、シールプレート３０との間でオイルシール３１が施されている。

ターボチャージャは、一般に、高速回転時は正スラストが大きくロータ軸に作用するため、コンプレッサ側のスラストベアリングを設けていたが、本発明ではこれを廃止することで、大量の潤滑油をスラストベアリングに供給することが不必要になることに加え、全体の潤滑油供給量の低減によって、外部へのオイルシール性能が向上する。

また、コンプレッサ側のスラストベアリングへの給油が不要であるので、コンプレッサ側のスラストベアリング部の攪拌ロスがなくなり、その分、メカニカル損失が低減される。

このように本発明によれば、ターボチャージャの軸受構造全体の簡略化が実現され、これによってメカニカル損失が大きく減少するので、ターボチャージャ全体の総合効率が向上する利点がある。
（実施の態様２）
この実施の形態では、タービン側のスラストベアリングを廃止して、コンプレッサ側にのみスラストベアリングを設けている点において、実施の形態１のものと異なる。

他の部分は実施の形態１と同様であるので、同一の符号を付して説明を省略する。

図４に示すように、コンプレッサハウジング２内において、インペラ５が取り付けられたロータ軸６の外側には、コンプレッサ側のスラストベアリング１８が設けられている。この構成では、正スラストをスラストベアリング１８によって受け止めることになるが、タービン側にもスラストベアリングを設ける場合と異なり、多量の潤滑油をスラストベアリング１８に供給する必要がなく、またこれに伴ってオイルシールの構造が複雑化することもない。すなわち、抵抗の少ない反スラスト側（タービン側のスラストベアリング）に潤滑油が多く流れる傾向が生じないので、荷重側（コンプレッサ側のスラストベアリング）に大量の潤滑油を供給する必要はない。

図５に示すように、コンプレッサ側のフローティング軸受１０の端部は、ロータ軸６に嵌合するスラストカラー１６が設けられ、フローティング軸受１０の端部を押さえている。このスラストカラー１６に接してロータ軸６の外周には油切り１５が設けられ、この油切り１５の外周には、スラストベアリング１８を配置している。このスラストベアリング１８には、ハウジング３の給油路に連通する専用給油路１９が備えられ、潤滑油が供給されている。

このように、スラストベアリング１８がコンプレッサ側に設けられているときは、フローティング軸受１０と正反スラストを分担して受けるようにしてもよい。

以上のように、大量給油が求められる原因となるタービン側のスラストベアリングを廃止することでターボチャージャの軸受構造全体の簡略化が実現され、ターボチャージャ全体の総合効率が向上する。

本発明の実施の形態１に係る軸受装置を備えたターボチャージャの全体を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る軸受装置を示す図ある。 フローティング軸受を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る軸受装置を備えたターボチャージャの全体を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る軸受装置を示す図ある。

符号の説明

１ タービンハウジング
２ コンプレッサハウジング
３ ハウジング
４ タービン
５ インペラ
６ ロータ軸
８ 軸受ブッシュ
９ タービン側のフローティング軸受
１０ コンプレッサ側のフローティング軸受
１８ スラストベアリング

Claims (6)

1. ハウジングと、このハウジングに回転自在に支承されるターボチャージャのロータ軸とを備え、このロータ軸のコンプレッサ側とタービン側にそれぞれフローティング軸受を設けたターボチャージャの軸受装置において、
   ロータ軸の外周に軸受ブッシュを配設し、この軸受ブッシュによって前記フローティング軸受を所定位置に保持することで、スラスト力を受ける機能をフローティング軸受に付与したことを特徴とするターボチャージャの軸受装置。
2. タービン側へのスラスト力を受ける機能をコンプレッサ側に設けたフローティング軸受に付与する一方、コンプレッサ側へのスラスト力を受ける機能をタービン側に設けたフローティング軸受に付与したことを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャの軸受装置。
3. ハウジングと、このハウジングに回転自在に支承されるターボチャージャのロータ軸とを備え、このロータ軸のコンプレッサ側とタービン側にそれぞれフローティング軸受を設けたターボチャージャの軸受装置において、
   コンプレッサ側にのみスラストベアリングを設けると共に、
   ロータ軸の外周に軸受ブッシュを配設し、この軸受ブッシュによって前記フローティング軸受を所定位置に保持することで、スラスト力を受ける機能をフローティング軸受に付与したことを特徴とするターボチャージャの軸受装置。
4. コンプレッサ側にのみスラストベアリングを設け、
   前記軸受ブッシュによってコンプレッサ側に設けたフローティング軸受を所定位置に保持することで、前記フローティング軸受にタービン側へのスラスト力を受ける機能を付与したことを特徴とする請求項３に記載のターボチャージャの軸受装置。
5. 前記軸受ブッシュの一部にフローティング軸受の収納部を設け、フローティング軸受をブッシュに対して摺動可能に接触させて前記収納部に収納したことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のターボチャージャの軸受装置。
6. 請求項１から５のいずれかに記載のターボチャージャの軸受装置を備えたターボチャージャ。
   

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