JP2005163656A

JP2005163656A - ターボチャージャ

Info

Publication number: JP2005163656A
Application number: JP2003404198A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Takahashi; 高橋　　毅; Shinji Matsue; 慎二松榮; Takashi Okumura; 剛史奥村
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 2003-12-03
Filing date: 2003-12-03
Publication date: 2005-06-23

Abstract

【課題】タービン軸を支えるタービン側及びコンプレッサ側の２つの転がり軸受のうち、タービン側の転がり軸受を動圧軸受に変更することにより、ターボチャージャの運転再開時に転がり軸受や動圧軸受が無理な力を受けることを防いでその耐用寿命を改善する。
【解決手段】タービン羽根２の回転をコンプレッサ羽根３に伝達するタービン軸１を支えている軸受４，５が、タービン側とコンプレッサ側との２箇所に配備されているターボチャージャにおいて、タービン側に配備された軸受を動圧軸受４とし、コンプレッサ側に配備された軸受を転がり軸受５とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ターボチャージャ、特に、タービン羽根の回転をコンプレッサ羽根に伝達するタービン軸を支えている軸受が、タービン側とコンプレッサ側との２箇所に配備されているターボチャージャに関する。

従来、ターボチャージャのタービン軸をタービン側とコンプレッサ側との２箇所で支える軸受には、フローティングメタルを用いた滑り軸受や転がり軸受が用いられていた。

図５は従来のターボチャージャを概略で示した断面図であり、このターボチャージャでは、タービン羽根２の回転をコンプレッサ羽根３に伝達するタービン軸１を２箇所で支えているタービン側の軸受４とコンプレッサ側の軸受５との両方に転がり軸受が用いられている。また、このターボチャージャにおいて、タービン羽根２は、内燃機関から排出された高温（たとえば８００℃程度）の排気ガスＧ１が流通するタービンハウジング６に収容されていて、そのタービンハウジング６内に流入してきた排気ガスＧ１がタービン羽根２を回転させて出口６１より排出される。これに対し、コンプレッサ羽根３はコンプレッサハウジング７に収容されている。このコンプレッサ羽根３には、タービン軸１によってタービン羽根２の回転が伝達され、このコンプレッサ羽根３の回転により、入口７１からコンプレッサハウジング７内に吸い込まれたエアＡ１が圧縮されて、たとえばエンジンの燃焼室などに過給される。なお、タービン羽根２はタービン軸１の一端部に取り付けられ、コンプレッサ羽根３はタービン軸１の他端部に取り付けられている。

図５で説明した従来のターボチャージャにおいて、タービン側の軸受４の転動体４１にセラミック製の転動体を用いたものは、比重が小さいために遠心力が小さく抑えられ、耐熱性にも優れるために、タービン軸１の回転の高速化を可能にし得るものとしてタービン側でタービン軸１を支える軸受として採用されている。

他方、従来では、ターボチャージャにおいて、タービンシャフトを支える転がり軸受の内輪とタービンロータとの間に断熱部材や放熱フィンを介在させることが知られていた（特許文献１参照）。また、過給器の軸受装置として、軸受ハウジング内に浮動状態に設けられたオイルフィルムダンパーによって、タービン軸に取り付けられたタービン側玉軸受とコンプレッサ側玉軸受とを支持させる技術が知られていた（特許文献２参照）。さらに、排気駆動式過給機の回転軸の両端の２箇所を浮動ブッシュで支え、それらの浮動ブッシュと回転軸との隙間を潤滑油によって潤滑するという技術も知られていた（特許文献３参照）。

実開昭６３−９４３０号公報実開昭６１−４７４３４号公報特開２０００−８７７５３号公報

ところで、図５で説明した従来のターボチャージャでは、内燃機関から排出された高温の排気ガスＧ１によってタービン羽根２が加熱され、その熱がタービン軸１を経てタービン側の軸受４に伝達される。そこで、このタービン側の軸受４の転動体４１にセラミック製転動体が採用されていると、セラミック製転動体の熱伝導率が小さいために、軸受４の内輪４２に伝わった熱を外輪４３に速やかに逃がして内輪４２の温度上昇を抑えるという作用（内輪放熱作用）が発揮されにくい。また、ターボチャージャの運転を停止させることによりタービン軸１の回転を停止させた直後では、軸受４の潤滑・冷却用オイルが流動せず、しかも、上記内輪放熱作用が円滑に行われない環境の下で、タービン羽根２に伝達される排気ガスＧ１の熱やタービン軸１の余熱が軸受４の内輪４２に伝わるために内輪４２の温度が運転中よりもさらに高くなってその内輪４２がさらに熱膨張するので、軸受４の軸受隙間が極端に狭くなるという現象の起こることがある。そして、このような現象によって軸受隙間が狭くなり過ぎている時点で、ターボチャージャの運転が再開されると、タービン軸１の回転によって軸受４に無理な力が加わり、それが原因の１つになって軸受４の耐用寿命が低下するという問題がある。ターボチャージャの運転停止後、軸受４の内輪４２が高熱により熱膨張して軸受隙間が狭くなり過ぎるという状況は、たとえばターボチャージャに電動アシスト機能を付与して転がり軸受をグリース潤滑するような場合に起こりやすいので、電動アシスト機能を備えたターボチャージャにおいては特に上記問題を解決することが要望されている。

そこで、タービン側の軸受４の内輪４２の熱膨張に起因して軸受隙間が狭くなり過ぎるという点を解決するには、軸受隙間の初期値を広くした転がり軸受をタービン側の軸受４に採用することが一策ではあるけれども、そのようにすると、タービン軸１の回転初期の振れに起因する転動体４１の肩乗り上げという現象が起こり、その肩乗り上げという現象が軸受４の耐用寿命を改善することの障害になるということが知見された。

本発明は、以上の問題や状況に鑑みてなされたものであり、タービン軸を支えるタービン側及びコンプレッサ側の２つの軸受のうち、タービン側の軸受を動圧軸受に変更することによって、ターボチャージャの運転停止後にタービン軸などの余熱が速やかに放熱されるようにし、ターボチャージャの運転停止後の一定の短時間内での運転再開時にタービン側の軸受に無理な力が加わらないようにして軸受の耐用寿命を改善することのできるターボチャージャを提供することを目的とする。

また、本発明は、ターボチャージャの運転停止後の一定の短時間内の運転の再開時に、上記のようにタービン側の軸受に無理な力が加わらないような対策を講じたとしても、タービン軸の回転初期にタービン軸の振れに伴う軸受での肩乗り上げという現象が起こらなくなるようにして、軸受の耐用寿命を改善することのできるターボチャージャを提供することを目的とする。

本発明に係るターボチャージャは、タービン羽根の回転をコンプレッサ羽根に伝達するタービン軸を支えている軸受が、タービン側とコンプレッサ側との２箇所に配備されているターボチャージャにおいて、タービン側に配備された軸受を動圧軸受とし、コンプレッサ側に配備された軸受を転がり軸受としたことを特徴とする（請求項１）。

この構成のターボチャージャにおいて、タービン側の軸受に採用される動圧軸受は、転がり軸受の内輪に相当する部材を必要とせず、しかも、動圧軸受によって支えられるタービン軸は一般に熱膨張率の極めて小さな材料によって製作されている。そのため、タービン側の軸受に動圧軸受を採用すると、熱膨張によって軸受隙間が小さくなり過ぎるという現象をそれほど考慮することなく、その軸受隙間の初期値を転がり軸受のそれに比べて小さく抑えることが可能である。そして、タービン側の動圧軸受の軸受隙間の初期値を小さくしてタービン軸の回転初期時の振れを小さく抑えておくと、コンプレッサ側の軸受として採用されている転がり軸受での肩乗り上げという現象の起こることが回避されるようになる。

また、タービン側の軸受として採用されている動圧軸受では、タービン軸の回転に伴って作動流体が動圧を発生し、その動圧の作用によってタービン軸の周囲に作動流体膜が介在されてタービン軸が動圧軸受の軸受本体（スリーブなどによって形成される）に接触せずに回転するようになる。その一方で、タービン軸の回転が停止している状態では、タービン軸がその重量によって作動流体に沈み込んで動圧軸受の軸受本体に接触するようになり、そのようにタービン軸が軸受本体に接触している状態では、タービン軸から軸受本体への伝熱が速やかに効率よく行われる。

以上より、タービン側の軸受として動圧軸受を採用したこの発明によると、動圧軸受の軸受隙間の初期値を転がり軸受のそれよりも小さく定めてタービン軸の回転初期の振れによるコンプレッサ側の軸受である転がり軸受に肩乗り上げという現象が起こることを防ぐことが可能でありながら、ターボチャージャの運転停止時には、タービン軸に動圧軸受の軸受本体が接触してタービン軸の余熱を速やかに放熱するという作用が発揮されるようになり、併せて、もともと動圧軸受では熱膨張による軸受隙間の変化が起こりにくいので、コンプレッサ側の転がり軸受での肩乗り上げによる耐用性の低下が生じず、運転停止後の一定の短時間内の運転の再開時に、タービン側の軸受としての動圧軸受に無理な力が加わることによる採用性の低下が生じなくなり、転がり軸受と動圧軸受との両方の耐用寿命を改善することが可能になる。

本発明では、タービン羽根による駆動流体の押出しの反力でタービン軸がスラスト方向に変位することを上記転がり軸受によって阻止している、という構成を採用することが望ましい（請求項２）。この構成は、転がり軸受としてアンギュラ玉軸受を用いることによって得られる。

以上のように、本発明によれば、タービン軸を支えるタービン側及びコンプレッサ側の２つの転がり軸受のうち、タービン側の軸受を動圧軸受に変更するだけで、ターボチャージャの運転停止後にタービン軸などの余熱が速やかに放熱されるようになった。そのため、ターボチャージャの運転停止後の一定の短時間内での運転再開時にタービン側の軸受に無理な力が加わらないようにして軸受の耐用寿命を改善することのできるターボチャージャを提供することが可能になる。したがって、本発明は、ターボチャージャの運転停止後の一定の短時間内にその運転が再開される頻度の高い電動アシスト機能を付与して転がり軸受をグリース潤滑したターボチャージャに好適に適用することができるものである。

図１は本発明の実施形態に係るターボチャージャを概略で示した断面図、図２は図１のＰ部拡大図であって、タービン側の動圧軸受の概略拡大断面図である。図３（Ａ）（Ｂ）はタービン側の軸受に採用されている動圧軸受の動作説明図、図４はコンプレッサ側の転がり軸受の概略拡大部分断面図である。

この実施形態のターボチャージャでは、タービン羽根２の回転をコンプレッサ羽根３に伝達するタービン軸１の２箇所が軸受４，５でそれぞれ支えられている点で、図５で説明したものと同様であるけれども、そのうちのタービン側の軸受に動圧軸受４を用いている点で図５で説明したものと異なっている。

タービン側の軸受として用いられている動圧軸受４は、図２のように、タービン軸１の周囲に、該タービン軸１の回転時に動圧を発生させるための作動流体を保持する隙間Ｓを形成するスリーブ４４を備えていると共に、タービン軸１の外周面に形成されたラジアル動圧溝４５を備えている。該ラジアル動圧溝４５は、たとえばＶ字状又はヘリングボーン状に形成されている。なお、ラジアル動圧溝４５はスリーブ４４の内周面に形成されていてもよい。このスリーブ４４とハウジング１０との間には、スリーブ４４を固定するためのスペーサ８が設けてあり、該スペーサ８とタービン軸１との間にはラビリンス用の隙間が設けてある。更に、スリーブ４４の外周面とスペーサ８との間には耐熱性のシールリング９が配置されている。

この動圧軸受４では、タービン軸１の回転が停止しているときには図３（Ａ）のようにタービン軸１がその重量によって作動流体に沈み込み、そのタービン軸１が動圧軸受４のスリーブ４４に線接触又は面接触している。これに対し、タービン軸１が回転しているときには、図３（Ｂ）のようにラジアル動圧溝４５（図２参照）の作用で作動流体が動圧を発生してタービン軸１とスリーブ４４との間に作動流体膜が保持されるようになり、そのためにタービン軸１がスリーブ４４に接触せずに回転する。

これに対し、コンプレッサ側の軸受として用いられている転がり軸受５は、図４のように、タービン軸１に固着された内輪５２と外輪５３との間に転動体５１を保持させた構成を備えていて、外輪５３の軌道溝５５に嵌まり込むことによって軸線方向で位置決めされている転動体５１に、内輪５２の軌道溝５４を形成している肩部５６が係合することによって、タービン軸１が矢印ａで示した軸線方向に変位することを防いでいる。

図１に示したターボチャージャにおいて、タービン羽根２が、内燃機関から排出された高温（たとえば８００℃程度）の排気ガスＧ１が流通するタービンハウジング６に収容されていて、そのタービンハウジング６内に流入してきた排気ガスＧ１がタービン羽根２を回転させて出口６１より排出される点、コンプレッサ羽根３がコンプレッサハウジング７に収容されていて、このコンプレッサ羽根３にタービン軸１によってタービン羽根２の回転が伝達され、このコンプレッサ羽根３の回転により、入口７１からコンプレッサハウジング７内に吸い込まれたエアＡ１が圧縮されて、たとえばエンジンの燃焼室などに過給される点、タービン羽根２がタービン軸１の一端部に取り付けられ、コンプレッサ羽根３がタービン軸１の他端部に取り付けられている点は、図５で説明したところと同様である。

このターボチャージャでは、タービン側に内燃機関から排出された高温の排気ガスＧ１が流通しても、その熱影響がコンプレッサ側の転がり軸受にはそれほど及ばない。そのため、コンプレッサ側の軸受が転がり軸受５であるとしても、内輪５２の熱膨張による軸受隙間の変化が許容範囲を越えて起こることはない。したがって、ターボチャージャの運転停止後の一定の短時間内に運転が再開されたようなときに、コンプレッサ側の転がり軸受５に無理な力が加わってその耐用寿命が低下するという事態も起こりにくい。なお、この転がり軸受の転動体にセラミック製転動体５１を用いると、コンプレッサ側の軸受の高速回転性能が向上する。

一方、タービン側の軸受に採用されている動圧軸受４には、転がり軸受の内輪に相当する部材が存在しておらず、しかも、動圧軸受４によって支えられるタービン軸１は熱膨張率の極めて小さな材料によって製作されている。そのため、タービン側の軸受に動圧軸受４を採用すると、熱膨張によって軸受隙間が小さくなり過ぎるという現象をそれほど考慮することなく、その軸受隙間の初期値を転がり軸受のそれに比べて小さく抑えることが可能である。したがって、この実施形態では、タービン側の動圧軸受４の軸受隙間の初期値を小さくしてタービン軸１の回転初期時の振れを小さく抑えられるようにしてある。そして、このように動圧軸受４によってタービン軸１の回転初期時の振れを小さく抑えておくことによって、コンプレッサ側の軸受として採用されている転がり軸受５に肩乗り上げという現象の起こることを防いでいる。

また、タービン側の動圧軸受４では、図３を参照して説明したように、タービン軸１が回転しているときには、タービン軸１が動圧軸受４のスリーブ４４に接触せずに回転するけれども（図３（Ｂ）参照）、タービン軸１の回転が停止している状態では、タービン軸１がその重量によって作動流体に沈み込んで動圧軸受４のスリーブ４４に点接触又は面接触し（図３（Ａ）参照）、タービン軸１からスリーブ４４への伝熱が速やかに効率よく行われる。このため、ターボチャージャの運転を停止すると、タービン軸１が図３（Ａ）のように動圧軸受のスリーブ４４に点接触又は面接触し、タービン軸１からスリーブ４４への伝熱が速やかに効率よく行われてタービン軸１などの余熱が速やかに放熱され、併せて、もともと動圧軸受４では熱膨張による軸受隙間の変化が起こりにくいので、ターボチャージャの運転停止後の一定の短時間内での運転再開時には、タービン側の動圧軸受４が無理な力を受けなくなり、タービン軸１の回転が円滑に再開される。

一方、コンプレッサ側の軸受に転がり軸受５を用いていることにより、タービン羽根２が駆動流体である排気ガスＧ１を出口６１から押し出すときの反力でタービン軸１が図４の矢印ａで示したスラスト方向に変位することが阻止される。なお、転がり軸受５には、アンギュラ玉軸受を好適に用いることができる。

本発明の実施形態に係るターボチャージャを概略で示した断面図である。タービン側の軸受（動圧軸受）の概略拡大断面図である。（Ａ）はタービン軸が回転しているときの動圧軸受の動作説明図、（Ｂ）はタービン軸の回転が停止しているときの動圧軸受の動作説明図である。コンプレッサ側の軸受（転がり軸受）の概略拡大部分断面図である。従来のターボチャージャを概略で示した断面図である。

符号の説明

１タービン軸
２タービン羽根
３コンプレッサ羽根
４タービン側の軸受（動圧軸受）
５コンプレッサ側の軸受（転がり軸受）

Claims

タービン羽根の回転をコンプレッサ羽根に伝達するタービン軸を支えている軸受が、タービン側とコンプレッサ側との２箇所に配備されているターボチャージャにおいて、
タービン側に配備された軸受を動圧軸受とし、コンプレッサ側に配備された軸受を転がり軸受としたことを特徴とするターボチャージャ。
タービン羽根による駆動流体の押出しの反力でタービン軸がスラスト方向に変位することを上記転がり軸受によって阻止している請求項１に記載したターボチャージャ。