JP2007009702A - ターボチャージャー用軸受装置およびターボチャージャー - Google Patents

ターボチャージャー用軸受装置およびターボチャージャー Download PDF

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Abstract

【課題】 軸受の抵抗を小さくするとともに、エンジンオイル潤滑に起因する種々の問題を解消し、応答性および信頼性に優れたターボチャージャー用転がり軸受装置およびターボチャージャーを提供する。
【解決手段】 ハウジング2に保持されて回転軸3を支持する１対の転がり軸受6,7を備えている。ハウジング2、回転軸3および左右シール部材8,9によって密閉された軸受配置空間S1が形成されている。同空間S1内に保持された潤滑剤によって転がり軸受6,7の潤滑が行われる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、高温の排気ガスによって回転させられるタービンを有しているターボチャージャー用の軸受装置およびターボチャージャーに関する。
ターボチャージャーの回転軸は、高速回転でかつ高温環境という条件から、フローティングメタルからなる軸受で支持されているものが一般的であった（特許文献１）。
しかしながら、省エネや環境保護の点から、軸受の抵抗を小さくすることが課題となっており、軸受として転がり軸受を使用することが要望されている。特に、ターボチャージャーを採用することが一般的なディーゼルエンジンの乗用車においては、この要望がより高いものとなっている。
転がり軸受を使用したターボチャージャーとしては、図５に示すように、ハウジング(51)と、タービン羽根車(53)を一端に、コンプレッサ羽根車(54)を他端に有している回転軸(52)と、回転軸(52)を保持している１対の転がり軸受(55)(56)とを備えているものが提案されている（特許文献２）。転がり軸受(55)(56)の潤滑は、エンジンオイルによって行われており、ハウジング(51)には、軸受配置空間(P)に通じる分岐通路(58)(59)を有しているオイル流入通路(57)、および軸受配置空間(P)に設けられたオイル排出口(60)に通じるオイル流出通路(61)が設けられている。ハウジング(51)には、また、オイル通路(57)(58)(59)(61)を避けかつタービン羽根車(53)に近い位置に冷却ジャケット(62)が設けられている。
特開平５−１４１２５９号公報 特開平１０−１９０４５号公報
上記特許文献２のターボチャージャーによると、特許文献１のフローティングメタルを用いる場合に比べて、軸受の抵抗が小さくなり回転安定性に優れているという利点を有しているが、軸受配置空間が高温となるために潤滑不良が起こりやすいという問題や、潤滑剤として使用しているエンジンオイルが劣化して炭化物が生成され、これが軸受の寿命に悪影響を与えるなど、エンジンオイル潤滑に起因する種々の問題があった。
この発明の目的は、上記実情に鑑み、軸受の抵抗を小さくするとともに、エンジンオイル潤滑に起因する種々の問題を解消し、応答性および信頼性に優れたターボチャージャー用転がり軸受装置およびターボチャージャーを提供することにある。
この発明によるターボチャージャー用軸受装置は、排気ガスによって回転させられるタービンが回転軸の一端に設けられているターボチャージャー用の軸受装置であって、ハウジングに保持されて回転軸を支持する１対の転がり軸受を備えており、ハウジングと回転軸とによって密閉された軸受配置空間が形成され、同空間内に保持された潤滑剤によって転がり軸受の潤滑が行われることを特徴とするものである。
ターボチャージャーは、通常、回転軸の一端にタービン（タービン羽根車）が設けられ、他端にコンプレッサ（コンプレッサ羽根車）が設けられたもので、タービンに高温の排気ガス（例えば６００℃程度）が供給される。一般的なターボチャージャーでは、過給圧不足によるターボラグ（低速回転域のタイムラグが長い）という問題があり、この問題を解消するために、排気ガスの流路面積を変更する可変ノズルの使用によりタービンホイールに吹き付けられる排気ガスの流速を可変とし、これを電子制御することにより低速回転域をカバーする可変ノズルタイプや、小型ターボと大型ターボとを併用して低速回転域をカバーする２ステージタイプなどのターボチャージャーが提案されている。この軸受装置は、一般的なターボチャージャーのほか、可変ノズルタイプや２ステージタイプなどの改良型ターボチャージャーに対しても適用できる。また、ターボチャージャは、ディーゼルエンジン用であってもよく、ガソリンエンジン用であってもよい。
従来、エンジンオイルを使用して軸受の潤滑を行うために、軸受配置空間にオイル通路が通じていたが、このオイル通路が形成されていないことによって、ハウジングと回転軸とによって形成された軸受配置空間が密閉された空間とされている。ここで、「密閉された空間」とは、軸受配置空間内に封入された潤滑剤が容易に外部に流出しない空間を意味し、ラビリンスによってシールされている空間を含むものとする。シールのためのシール部材は、ハウジングに設けられてもよく、転がり軸受に設けられてもよい。
転がり軸受は、例えば、アンギュラ玉軸受とされるが、これに限られるものではなく、深溝玉軸受やその他の転がり軸受としてもよい。転がり軸受の外輪は、圧入などによりハウジングに取り付けられ、内輪は、圧入などにより回転軸に固定される。軸受の材質としては、セラミックまたは金属（軸受鋼など）のいずれでもよく、特に限定されるものではない。
潤滑剤としては、グリース、オイルなど種々のものが使用される。潤滑剤は、転がり軸受内だけに封入されていてももちろんよいが、軸受配置空間内に適当量の潤滑剤が封入されているようにしてもよい。
各転がり軸受の軸方向外側端部にそれぞれシール部材が設けられており、潤滑剤は両シール部材間に封入されていることがあり、各転がり軸受は、軸方向各端部にそれぞれシール部材を有しており、潤滑剤は各転がり軸受の内部に封入されていることがある。
シール部材は、接触シールであってもよく、非接触シールであってもよい。また、シール部材は、外輪だけに設けられてもよく、外輪に設けられた固定側シール部材と内輪に設けられた回転側シール部材とが組み合わされたものとされてもよい。
この発明によるターボチャージャーは、ハウジングと、排気ガスによって回転させられるタービンを一端に有しハウジング内に配置された回転軸と、回転軸を保持している１対の転がり軸受とを備えているターボチャージャーにおいて、ハウジングと回転軸とによって密閉された軸受配置空間が形成され、同空間内に保持された潤滑剤によって転がり軸受の潤滑が行われることを特徴とするものである。
ハウジングには、軸受潤滑用のオイル通路が不要であり、その分、ハウジングの設計の自由度が増し、ハウジングの小型軽量化および軸受配置空間の低温化のために、従来のものとは大きく相違したハウジング形状が採用される。
ハウジングに、軸受配置空間を冷却するための冷却ジャケットが設けられていることが好ましい。ハウジングには、軸受潤滑用のオイル通路が形成されていないことから、冷却用ジャケットは、オイル通路に影響されることなく設けることができ、冷却効果を適正にするために軸受配置空間の近傍に設けられる。冷却通路は、例えば、軸受配置空間と同心の円筒状とされ、軸受配置空間の少なくともタービン側半分を覆うものとされる。冷却ジャケットに供給される冷却水は、エンジン冷却水（ロングライフクーラント）とされる。
ハウジングの外周に、冷却フィンが設けられていることが好ましい。ハウジングが薄肉化されることによって、ターボチャージャーのハウジングと自動車本体との間には空間ができることになり、この部分に冷却フィンを配置することで、軸受配置空間の冷却効率をより高めることができる。これにより、潤滑剤の選択の自由度が増し、より高速回転に適したターボチャージャーとすることができる。
なお、ターボチャージャーの回転数やタービン側の温度は、車の排気量などによって異なっており、どのような転がり軸受を使用するか、どのような潤滑剤を選択するかは、車の仕様に応じて適宜変更される。
この発明のターボチャージャー用軸受装置によると、軸受として転がり軸受が使用されているので、軸受の抵抗を小さくすることができる。また、転がり軸受の潤滑が密閉された軸受配置空間内に保持された潤滑剤によって行われるので、ハウジングにオイル通路などを形成する必要がなくなってハウジングの設計の自由度が大幅に向上するとともに、潤滑剤としてエンジンオイルを使用した場合に問題となるエンジンオイルの劣化による軸受の寿命低下、焼き付き、頻繁なメンテナンスの必要性、オイル循環のための配管の設置など、エンジンオイル潤滑に起因する種々の問題を解消することができる。そして、ハウジング設計の自由度が増した分、ハウジングの薄肉化や冷却効率に優れた冷却ジャケットの形成が容易となり、ハウジングの小型軽量化および軸受配置空間の低温化が可能となる。また、軸受配置空間が低温化されることにより、潤滑剤の寿命が向上するとともに、潤滑剤の選択に際して、耐熱性を考慮せずに低撹拌抵抗を重視した潤滑剤（低トルク仕様のグリース、オイルなど）を採用することが可能となり、ターボチャージャーを２０万ｒｐｍから２５万ｒｐｍというような高速回転が可能でかつ応答性にも優れたものとすることができる。こうして、この軸受装置を使用することにより、応答性および信頼性に極めて優れており、しかもコストが大幅に低減されたターボチャージャーを得ることができる。
この発明のターボチャージャーによると、軸受として転がり軸受が使用されているので、軸受の抵抗を小さくすることができる。また、転がり軸受の潤滑が密閉された軸受配置空間内に保持された潤滑剤によって行われるので、ハウジングにオイル通路などを形成する必要がなくなってハウジングの設計の自由度が大幅に向上するとともに、潤滑剤としてエンジンオイルを使用した場合に問題となるエンジンオイルの劣化による軸受の寿命低下、焼き付き、頻繁なメンテナンスの必要性、オイル循環のための配管の設置など、エンジンオイル潤滑に起因する種々の問題を解消することができる。そして、ハウジング設計の自由度が増した分、ハウジングの薄肉化や冷却効率に優れた冷却ジャケットの形成が容易となり、ハウジングの小型軽量化および軸受配置空間の低温化が可能となる。また、軸受配置空間が低温化されることにより、潤滑剤の寿命が向上するとともに、潤滑剤の選択に際して、耐熱性を考慮せずに低撹拌抵抗を重視した潤滑剤（低トルク仕様のグリース、オイルなど）を採用することが可能となり、ターボチャージャーを２０万ｒｐｍから２５万ｒｐｍというような高速回転が可能でかつ応答性にも優れたものとすることができる。こうして、応答性および信頼性に極めて優れており、しかもコストが大幅に低減されたターボチャージャーを得ることができる。
また、ターボチャージャー採用車では、タービンに供給する排気ガスの温度を下げるために、インタークーラーが使用されているが、冷却ジャケットが設けられているものでは、冷却効果を大きいものとすることができるので、インタークーラーを省略することができる。
この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。以下の説明において、図１の左右を左右というものとする。
図１は、この発明によるターボチャージャー用軸受装置およびターボチャージャーの第１実施形態を示すもので、ターボチャージャー(1)は、ハウジング(2)と、タービン羽根車（タービン）(4)を左端に、コンプレッサ羽根車(5)を右端にそれぞれ有しかつハウジング(2)内に配置された回転軸(3)と、ハウジング(2)内周に設けられて回転軸(3)を支持している１対の転がり軸受(6)(7)とを備えている。
タービン(4)は、高温の排気ガスによって回転させられるため、その温度は非常に高いものとなっている。
各転がり軸受(6)(7)は、両側ともにシールされていないアンギュラ玉軸受とされている。
各転がり軸受(6)(7)の左右方向外側において、ハウジング(2)内周には、左右のシール部材(8)(9)が設けられており、これにより、ハウジング(2)内周面、回転軸(3)外周面および左右シール部材(8)(9)によって密閉された軸受配置空間(S1)が形成されている。そして、同空間(S1)内に保持された潤滑剤によって転がり軸受(6)(7)の潤滑が行われている。
ハウジング(2)には、軸受配置空間(S1)と同心でその軸方向長さもほぼ同じ円筒状とされた冷却ジャケット(10)が設けられている。この冷却ジャケット(10)には、エンジン冷却水（ロングライフクーラント）が供給されている。エンジン冷却水の温度は、最高で１２０℃程度であり、この冷却水で冷却されることにより、軸受配置空間(S1)の温度は１５０℃以下に抑えられる。
図２は、この発明によるターボチャージャー用軸受装置およびターボチャージャーの第２実施形態を示すもので、ターボチャージャー(11)は、ハウジング(2)と、タービン羽根車（タービン）(4)を左端に、コンプレッサ羽根車(5)を右端にそれぞれ有しかつハウジング(2)内に配置された回転軸(3)と、ハウジング(2)内周に設けられて回転軸(3)を支持している１対の転がり軸受(16)(17)とを備えている。
各転がり軸受(16)(17)は、軸方向外側にシール部材(18)(19)が設けられているアンギュラ玉軸受とされている。これにより、ハウジング(2)内周面、回転軸(3)外周面および各転がり軸受(16)(17)のシール部材(18)(19)によって密閉された軸受配置空間(S2)が形成されている。そして、同空間(S2)内に保持された潤滑剤によって転がり軸受(16)(17)の潤滑が行われている。
ハウジング(2)には、軸受配置空間(S2)と同心でその軸方向長さもほぼ同じ円筒状とされた冷却ジャケット(10)が設けられている。この冷却ジャケット(10)には、エンジン冷却水（ロングライフクーラント）が供給されている。エンジン冷却水の温度は、最高で１２０℃程度であり、この冷却水で冷却されることにより、軸受配置空間(S1)の温度は１５０℃以下に抑えられる。
図３は、この発明によるターボチャージャー用軸受装置およびターボチャージャーの第３実施形態を示すもので、ターボチャージャー(21)は、ハウジング(2)と、タービン羽根車（タービン）(4)を左端に、コンプレッサ羽根車(5)を右端にそれぞれ有しかつハウジング(2)内に配置された回転軸(3)と、ハウジング(2)内周に設けられて回転軸(3)を支持している１対の転がり軸受(26)(27)とを備えている。
各転がり軸受(26)(27)は、軸方向両側にそれぞれシール部材(28)(29)が設けられているアンギュラ玉軸受とされている。これにより、ハウジング(2)内周面、回転軸(3)外周面および各転がり軸受(26)(27)の軸方向外側のシール部材(28)(29)によって密閉された軸受配置空間(S3)が形成されている。そして、同空間(S3)内に配置された各転がり軸受(26)(27)内に封入された潤滑剤によって転がり軸受(26)(27)の潤滑が行われている。
ハウジング(2)には、軸受配置空間(S3)と同心でその軸方向長さもほぼ同じ円筒状とされた冷却ジャケット(10)が設けられている。この冷却ジャケット(10)には、エンジン冷却水（ロングライフクーラント）が供給されている。エンジン冷却水の温度は、最高で１２０℃程度であり、この冷却水で冷却されることにより、軸受配置空間(S1)の温度は１５０℃以下に抑えられる。
図４は、この発明によるターボチャージャー用軸受装置およびターボチャージャーの第４実施形態を示すもので、このターボチャージャー(31)は、第１実施形態のもの(1)に冷却フィン(40)が付加されたものである。以下の説明において、第１実施形態と同じ構成には同じ符号を付してその説明を省略する。
冷却フィン(40)は、略円筒状でその横断面形状が波形とされたもので、ハウジング(2)の外周面に取り付けられている。これにより、冷却ジャケット(10)の冷却作用に冷却フィン(40)の冷却作用が加えられ、冷却効率がより一層向上させられている。なお、図示省略したが、図２に示した第２実施形態および図３に示した第３実施形態のものにこの冷却フィン(40)が付加可能であることはもちろんである。
上記各実施形態のターボチャージャー(1)(11)(21)(31)によると、図５に示した従来のターボチャージャとの比較から明らかなように、ハウジング(2)には、オイル通路が設けられておらず、この分、ハウジング(2)は、厚みが薄くしかも極めて簡単な形状とされているとともに、冷却ジャケット(10)が軸受配置空間(S1)(S2)(S3)全体を冷却可能なように設けられている。したがって、軸受配置空間(S1)(S2)(S3)の冷却効率が極めて高いものとなっており、高温の排気ガスをタービン(4)に供給しているにもかかわらず、各転がり軸受(6)(7)(16)(17)(26)(27)の使用環境が低温に保たれている。また、冷却フィン(40)を設ける空間が十分確保できるので、より一層の低温化が可能となる。
したがって、耐熱性の優れたグリースを潤滑剤として使用する場合には、回転軸の回転数が８万ｒｐｍ程度と限度とされるのに対し、軸受配置空間(S1)(S2)(S3)が効率よく冷却されていることから、グリースを使用する場合に、その耐熱性を気にせずに低トルク仕様のグリースが使用可能となり、高速回転を重視したグリースを選択することができる。また、潤滑剤としてオイルを使用することにより、より一層の低トルク化が図れ、この場合には、さらなる回転損失の低減と応答性の向上とが得られる。潤滑剤の寿命については、使用温度が下がることで、その熱劣化寿命が向上し、２０万ｋｍ程度の寿命を確保することができる。
なお、各転がり軸受(6)(7)(16)(17)(26)(27)の構成および転がり軸受(6)(7)(16)(17)(26)(27)間に配置されるバネや間座などの構成については、その説明を省略するが、公知の種々の構成をそのままあるいは適宜変更して使用することができる。
図１は、この発明によるターボチャージャー用軸受装置およびターボチャージャーの第１実施形態を概略的に示す縦断面図である。 図２は、この発明によるターボチャージャー用軸受装置およびターボチャージャーの第２実施形態を概略的に示す縦断面図である。 図３は、この発明によるターボチャージャー用軸受装置およびターボチャージャーの第３実施形態を概略的に示す縦断面図である。 図４は、この発明によるターボチャージャー用軸受装置およびターボチャージャーの第４実施形態を概略的に示す縦断面図である。 図５は、従来のターボチャージャー用軸受装置およびターボチャージャーを概略的に示す縦断面図である。
符号の説明
(1)(11)(21)(31) ターボチャージャー
(2) ハウジング
(3) 回転軸
(4) タービン
(6)(7)(16)(17)(26)(27) 転がり軸受
(8)(9)(18)(19)(28)(29) シール部材
(S1)(S2)(S3) 軸受配置空間

Claims (6)

  1. 排気ガスによって回転させられるタービンが回転軸の一端に設けられているターボチャージャー用の軸受装置であって、ハウジングに保持されて回転軸を支持する１対の転がり軸受を備えており、ハウジングと回転軸とによって密閉された軸受配置空間が形成され、同空間内に保持された潤滑剤によって転がり軸受の潤滑が行われることを特徴とするターボチャージャー用軸受装置。
  2. 各転がり軸受の軸方向外側端部にそれぞれシール部材が設けられており、潤滑剤は両シール部材間に封入されている請求項１のターボチャージャー用軸受装置。
  3. 各転がり軸受は、軸方向各端部にそれぞれシール部材を有しており、潤滑剤は各転がり軸受の内部に封入されている請求項１のターボチャージャー用軸受装置。
  4. ハウジングと、排気ガスによって回転させられるタービンを一端に有しハウジング内に配置された回転軸と、回転軸を保持している１対の転がり軸受とを備えているターボチャージャーにおいて、ハウジングと回転軸とによって密閉された軸受配置空間が形成され、同空間内に保持された潤滑剤によって転がり軸受の潤滑が行われることを特徴とするターボチャージャー。
  5. ハウジングに、軸受配置空間を冷却するための冷却ジャケットが設けられている請求項４のターボチャージャー。
  6. ハウジングの外周に、冷却フィンが設けられている請求項５のターボチャージャー。
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