JP2009167803A - 過給機 - Google Patents

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Abstract

【課題】排気通路とハウジングの軸孔との間での流体流通が効果的に抑制された過給機を提供する。
【解決手段】過給機のシール構造として、タービン軸４１のタービンホイール４２側端部外周とハウジング４０との間に形成されたラビリンスシール９と、タービン軸４１のラビリンスシール９形成部位より軸方向中心側に設けられたピストンリングシール４４ａと、を備える。更に、ラビリンスシール９の途中部に排気通路６０から侵入した排気ガスの流れを方向転換させる環状溝９１をハウジング４０の周方向に沿って形成している。
【選択図】図２

Description

本発明は、自動車等に用いられる過給機に関する。
圧縮して密度を高めた空気を内燃機関内に吹き込み、内燃機関の出力を高める過給機としては、例えば、スーパーチャージャ、ターボチャージャ等がある。ターボチャージャでは、自動車のエンジン等の内燃機関の排気通路中にタービンホイールを配置するとともに、吸気通路中にコンプレッサホイールを配置している。これらのホイールは、ハウジングの軸孔内に収容されたタービン軸の両端部に夫々設けられている。前記ハウジングの軸孔内では、転がり軸受が前記タービン軸を回転自在に支持している。排気通路を通過する排ガスによって前記タービンホイールが回転すると、前記タービン軸及び前記コンプレッサホイールが回転し、前記内燃機関に供給する吸気通路内の空気を圧縮する。
更に、前記過給機は、前記転がり軸受を潤滑するためにハウジングの軸孔に存在する潤滑剤が、前記排気通路と前記吸気通路とに漏れないように、又、前記排気通路及び前記吸気通路からハウジング内に排気ガス及び空気等の気体が夫々流入しないように、前記軸孔と前記排気通路及び前記吸気通路の夫々とをシールするシール構造を備えている。例えば、ピストンリングシールを前記タービン軸の軸方向両端外周に夫々配設してシール構造を形成し、前記ハウジングの軸孔と前記排気通路及び前記吸気通路との間をシールしている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−１０１１２８号公報
従来の過給機では、前記ハウジングの軸孔から前記排気通路への潤滑剤の漏れ、並びに、前記吸気通路及び前記排気通路から前記ハウジングの軸孔への気体の流入を完全に遮断することは困難であった。しかしながら、環境への配慮から、排ガスへの潤滑剤の混入を低減することが求められているので、特に、前記排気通路と前記ハウジングの軸孔との間での流体流通を可及的に遮断する必要がある。
従って、本発明の目的は、前記排気通路と前記ハウジングの軸孔との間での流体流通が効果的に抑制された過給機を提供することにある。
本発明は、内燃機関の排気通路中に配置されるタービンホイールと吸気通路中に配置されるコンプレッサホイールとを両端部に夫々設けたタービン軸と、ハウジングの軸孔内で前記タービン軸を回転自在に支持する転がり軸受と、前記軸孔と前記排気通路との間をシールするシール構造と、を備えた過給機において、
前記シール構造として、前記タービン軸のタービンホイール側端部外周と前記ハウジングとの間に形成されたラビリンスシールと、前記タービン軸の前記ラビリンスシール形成部位より軸方向中心側に設けられたピストンリングシールと、を備え、前記ラビリングシールの途中部に前記排気通路から侵入した排気ガスの流れを方向転換させる環状溝を前記ハウジングの周方向に沿って形成したことを特徴とする。
これによれば、タービン軸のタービンホイール側端部外周と前記ハウジングとの間に形成されたラビリンスシールは、前記タービン軸と前記ハウジングとに対して非接触なので、前記転がり軸受の回転を妨げずに排気通路側から排気ガスが流入するのを抑制することができる。更に、前記タービン軸の前記ラビリンスシール形成部位より軸方向中心側に設けられたピストンリングシールによって、潤滑剤が排気通路側に漏れるのを防ぐことができる。そして、これら内外２重のシール構造を備えることによって、前記排気通路と前記ハウジングの軸孔との間での流体流通を更に抑制することができる。
又、前記ラビリングシールの途中部に前記排気通路から侵入した排気ガスの流れを方向転換させる環状溝を前記ハウジングの周方向に沿って形成したことによって、前記排気通路からの排気ガス流入をより効果的に防ぐことができる。
更に、前記ハウジングの前記ラビリンスシール形成部位に対して前記タービン軸の径方向外方に、前記タービン軸を冷却する冷却水が流通する冷却水ジャケットを形成すると、タービン軸の軸方向幅を延長することなく、前記ハウジングの排気通路側を効率よく冷却することができる。これによって、排気通路を流通する排気ガスの熱が前記ハウジングの軸孔に伝播するのを抑制することができる。
本発明によれば、過給機の前記排気通路と前記ハウジングの軸孔との間での流体流通を効果的に抑制することができる。
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る過給機の断面図であり、図２は、図１の要部を拡大した図である。この過給機は自動車エンジン用ターボチャージャであって、ハウジング４０と、このハウジング４０内で軸線Ｃ方向に離間して設けられている一対の転がり軸受１０ａ，１０ｂに外嵌されて前記軸線Ｃと同軸に当該ハウジング４０内に収容されているタービン軸４１とを備える。更に、排気通路６０内において、前記タービン軸４１の一端部にタービンホイール４２が設けられ、吸気通路６１内において、前記タービン軸４１の他端部にコンプレッサホイール６２が設けられている。
前記ハウジング４０は、本体部４０ａを有している。この本体部４０ａは、中心部に、軸線Ｃを中心として略円形孔からなる軸孔４３を有する。この軸孔４３には、円筒状の軸受固定部材１５が本体部４０ａの内周４０ｄに隙間を有して嵌入されている。そして、前記一対の転がり軸受１０ａ，１０ｂが、軸受固定部材１５に内嵌され、この軸孔４３内に収容されたタービン軸４１を軸線Ｃ回りに回転自在に支持している。
同じ構造を有する一対の転がり軸受１０ａ，１０ｂ（以下、「転がり軸受１０」とも言う）は、図１における左右方向に対称に前記軸孔４３に配置されており、これらの転がり軸受１０ａ，１０ｂの間に位置する付勢部材８１が、転がり軸受１０ａ，１０ｂを軸方向外方に向けて付勢することによって、転がり軸受１０ａ，１０ｂに軸方向の予圧を付与している。
前記転がり軸受１０は、内輪１と外輪３との間に中間輪２を備え、この中間輪２と内輪１及び外輪３との間に、第１転動体列４及び第２転動体列５を夫々備えている。第一転動体列４及び第二転動体列５はそれぞれ複数の玉４ａ，５ａからなる。
図１において、この転がり軸受１０は、内輪１の内周面がタービン軸４１との嵌合面となってタービン軸４１に外嵌し、内輪１の外周面に第一転動体列４の玉４ａが接触する第一の軌道１１が形成されている。前記転がり軸受１０の外輪３の外周面は軸受固定部材１５の内周に固定され、外輪３の内周面には第二転動体列５の玉５ａが接触する第二の軌道３１が形成されている。中間輪２は転がり軸受１０の軸方向断面において折れ曲がり形状を有し、その内周面の一部に第一転動体列４の玉４ａと接触する第三の軌道２１が形成され、その外周面の一部に第二転動体列５の玉５ａと接触する第四の軌道２２が形成されている。
第一転動体列４の複数の玉４ａは保持器８によって軸線Ｃを中心とする一つの円上に沿って保持され、第二転動体列５の複数の玉５ａは保持器９によって軸線Ｃを中心とする他の円上に沿って保持されている。第一転動体列４の玉４ａと第二転動体列５の５ａとは同径であり、第一転動体列４の玉４ａは、一対の対向している第一の軌道１１及び第三の軌道２１に対して斜接（アンギュラコンタクト）しており、第二転動体列５の玉５ａは、一対の対向している第四の軌道２２及び第二の軌道３１に対して斜接している。夫々の接触角は同じであり、例えば、図１において１５°とされている。これにより、この転がり軸受１０は軸線Ｃ方向からの荷重（軸方向荷重）を受けることができる。更に、この転がり軸受１０は軸線Ｃ方向に延びた軸線方向配置とされていることから、軸方向のダンパ性能を有した構造となっている。
軸受固定部材１５の軸線Ｃ方向における両端外周面には、タービン軸４１の回転に伴い発生する振動を低減するダンパ部材７が設けられている。このダンパ部材７は金属製ワイヤを編み上げてなるものであって、断面略４角形状のリング形状に形成されている。ダンパ部材７の外周面は、本体部４０ａの内周４０ｄに当接している。ダンパ部材７を構成する金属製ワイヤの相互間には、全体的に又は部分的に隙間（空孔）が形成されている。ダンパ部材７は、当該金属製ワイヤが隙間の範囲で弾性変形したり、隣合うワイヤ同士が長手方向に位置ズレしたりすることによって、全体的に径方向及び軸心Ｃ方向に弾性変形（収縮）可能となっている。そして、ダンパ部材７は、軸孔４３の内径よりもやや大きな外径に形成され、軸受固定部材１５と軸孔４３との間に、径方向に所定の締め代で圧縮された状態で取り付けられている。
ダンパ部材７内の金属製ワイヤ間の隙間には、潤滑剤が充填されている。潤滑剤としては、例えば、フッ素系グリースを用いることができる。
このようなダンパ部材７を備えることによって、当該ターボチャージャでは、タービン軸４１から軸受１０を介して軸受固定部材１５に伝わる振動は、ダンパ部材７によって減衰され、ハウジング４０に伝達される。この際、ダンパ部材７は、径方向及び軸心Ｃ方向に弾性変形可能であるため、３次元的、全方位的に振動を減衰することができ、高いダンピング性能を発揮することができる。また、金属製ワイヤ自体の弾性変形だけでなく、その編み込み構造からもたらされるフリクションや、金属製ワイヤの絡み合い等の状態により、全方位の振動エネルギーを単純な粘弾性を超える性能で受け止めて、緩和することが可能である。
又、ダンパ部材７は、金属製のワイヤを用いて成形しているので、高い耐熱性をもたせることができる。したがって、非常に高温となるターボチャージャ用のダンパ手段として好適である。
又、ダンパ部材７内のワイヤの隙間には、グリースが充填されているので、弾性変形に伴う擦り合いでワイヤが摩耗することもほとんどない。
又、上記のようなダンパ部材７を軸受固定部材１５とハウジング４０との間に備えることによって、このターボチャージャは、従来のようなオイルフィルムダンパが不要である。したがって、ハウジング４０の構造の簡素化、コスト低減を図ることができる。
このターボチャージャにおいて、前記転がり軸受１０の潤滑は、ハウジング４０内に形成された潤滑剤を溜めるタンク部（図示せず）にその一端部が浸され、他端部が軸孔４３内の転がり軸受１０に配置されている紐部材３６を用いて、毛細管現象を利用して前記潤滑剤が前記タンク部から軸孔４３に供給されることによって行われる。この紐部材３６によれば、動力を使用しないため、タービン軸４１の回転が停止している状態であっても、軸孔４３にある転がり軸受１０に潤滑剤を供給できる。ここで、タンク部に溜められた潤滑剤として、転がり軸受１０の潤滑に通常使用されるものであって紐部材３６に浸透することが可能な粘度のものを使用することができる。その中でもエンジンオイルよりも耐焼き付き性に優れた、例えば、ポリオールエステル油、ジエステル油、芳香族エステル油、合成炭化水素油、エーテル油、シリコン油、フッ素油等の化学合成油が好ましく用いられる。
ハウジング４０の本体部４０ａの内部には、冷却水が流通する冷却水ジャケット２６が形成されている。前記冷却水ジャケット２６は、本体部４０ａの排気通路６０側の一端部４９から吸気通路６１側の他端部５０に亘って、前記一対の転がり軸受１０の径方向外方に、前記タービン軸４１を囲むように、即ち、軸孔４３をタービン軸４１の周方向に包囲するように形成されている。
更に、この冷却水ジャケット２６には、本体部４０ａの一端部４９側に、軸孔４３の内周面４３ａよりもタービン軸４１の径方向内方へ凹入している環状の凹部３３を有する。このように、タービンホイール４２と転がり軸受１０ａとの軸方向の間に環状の凹部３３を介在させていると、排気通路６０から伝わる熱とこの環状の凹部３３に存在する冷却水との間の熱交換を効果的に行わせることができるので、タービンホイール４２側からの熱を軸孔４３側に伝わりにくくすることができる。従って、軸孔４３内に存在する転がり軸受１０や潤滑剤の熱劣化を抑制することができる。
更に、本実施形態に係るターボチャージャは、軸孔４３と前記排気通路６０との間における流体流通を抑制するためのシール構造として、前記転がり軸受１０とタービンホイール４２との間に、ピストンリングシール４４ａとラビリンスシール９とを軸線Ｃに沿って並設している。
図２に示すように、前記ピストンリングシール４４ａは、前記転がり軸受１０ａに対して軸線Ｃ方向に隣接して設けられている。このピストンリングシール４４ａは、前記タービン軸４１に外嵌され前記タービン軸４１と共に回転するスリーブ４５ａの外周面に形成された環状溝４６と、軸孔４３側に突出した前記ハウジング４０の円筒部４０ｂとの間に、ピストンリング４７ａを配置したものである。環状溝４６とピストンリング４７ａとの間は微小隙間になっていて、スリーブ４５ａと円筒部４０ｂとの間の隙間を塞ぐ。このようにすると、軸孔４３内に存在する潤滑剤がタービンホイール４２側に移動するのを抑制できるとともに、排気通路６０側から排ガスが軸孔４３内に流入するのを抑制できる。
図２に示すように、前記ラビリンスシール９は、前記ピストンリングシール４４ａよりもタービンホイール４２側に設けられている。このラビリンスシール９は、ハウジング本体４０ａの排気通路６０側の側壁１７の中心部に設けられた略円筒状のスリーブ９０に、前記タービン軸４１を、僅かな所定の隙間を設けて嵌合させることによって形成される。
前記ラビリンスシールを形成する前記スリーブ９０の軸線Ｃ方向中間部には、隣り合う２つの環状溝９１がそれぞれ径方向に凹入形成されている。また、前記ラビリンスシールを形成する前記タービン軸４１側にも、環状溝４１ａが径方向に凹入形成されている。また、スリーブ９０の内周面には、それぞれの環状溝９１の排気通路６０側に、先端部面をタービンホイール４２側から軸孔４３側に向けて拡径するテーパー面とした凸部９２が形成されている。これによって、前記タービンホイール４２側から軸孔４３側に向かう排気ガスが軸孔４３側に直進せず、更に環状溝９１に流入しやすくなる。前記ラビリンスシール９によると、前記タービンホイール４２側から軸孔４３側に向かう排気ガスが、前記環状溝９１及び凸部９２とタービン軸４１の外周とで形成される空間に達すると、圧力変化（段階的な減圧）や通路の形状変化等によって乱流が生じて、当該排気ガスが軸孔４３側に進み難くなり、単に前記僅かな所定の隙間だけを設ける場合に比べてシール性が向上する。
このようにラビリンスシール９を形成すると、排気通路６０側から排ガスが軸孔４３内に流入するのを更に抑制できる。又、軸孔４３内の潤滑剤が前記ピストンリングシール４７ａを通過しても、このラビリンスシール９でタービンホイール４２側に移動するのを抑制できる。しかも、前記ラビリンスシール９は非接触であるため、摩擦が発生しない。従って、タービン軸４１の回転を阻害しないで、シール構造の性能を向上させることができる。
当該実施形態においては、ラビリンスシール９によって軸孔４３内にある転がり軸受１０と潤滑剤とを排気通路６０から遠ざけることができ、排気通路６０側からの熱が軸孔４３内にある転がり軸受１０ａと潤滑剤とに伝播しにくいので、これらの熱劣化を抑制することができる。又、ラビリンスシール９を設けることによってその径方向外方に生じるハウジング４０の余剰部を利用して、冷却水ジャケット２６の環状の凹部３３を設けているので、ターボチャージャが必要以上に大型化するのを抑制することができる。
図１に示すように、本実施形態に係るターボチャージャは、前記ハウジング４０の軸孔４３と吸気通路６１との間をシールするシール構造として、排気通路６０側に設けられたピストンリングシール４４ａと基本的に同様の構造を有するピストンリングシール４４ｂを備える。前記ピストンリングシール４４ｂは、前記転がり軸受１０ｂに対して軸線Ｃ方向に隣接して設けられている。このピストンリングシール４４ｂは、前記タービン軸４１に外嵌され前記タービン軸４１と共に回転するスリーブ４５ｂの外周面に形成された２列の環状溝４８と、前記ハウジング４０の側壁１８中央部に形成された開口部４０ｃの内周面との間に、２個のピストンリング４７ｂを配置したものである。夫々の環状溝４８とピストンリング４７ｂとの間は微小隙間になっていて、スリーブ４５ｂと開口部４０ｃの内周面との間の隙間を塞ぐ。このようにすると、軸孔４３内に存在する潤滑剤がコンプレッサホイール６２側に移動するのを抑制するとともに、吸気通路６１側から排ガスが軸孔４３内に流入するのを抑制する。
尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、前記ラビリンスシール９の形状は、本発明の目的が阻害されない範囲で特に制限されない。図３〜８は、上記実施形態と異なる形状のラビリンスシール９が形成された本発明の過給機の別実施形態を示す。
図３に示す別実施形態の過給機は、図１及び図２に示すラビリンスシール９に対して、同じ形状の環状溝９１と凸部９２とを１組追加した形状のラビリンスシール９を有する。
図４及び図５に示す別実施形態の過給機は、それぞれ、タービン軸４１に環状溝４１ａ及び先端が平坦な凸部４１ｂを形成したラビリンスシール９を有する。図４に示す別実施形態の過給機では、前記スリーブ９０のタービンホイール４２側の内周面にハウジング４０の軸心Ｃ側に突出する凸部９２が形成されており、この凸部９２の先端部とタービン軸４１の外周面との間に形成される隙間は非常に小さく設定されている。これに対して、図５に示す別実施形態の過給機では、前記スリーブ９０の軸孔４３側の内周面に凸部９２が形成されており、この凸部９２とタービン軸４１の外周面との間に形成される隙間は非常に小さく設定されている。
図６及び図７に示す別実施形態の過給機は、それぞれ、タービン軸４１に環状溝４１ａを形成したラビリンスシール９を有する。
図８に示す別実施形態の過給機は、先端が平坦な凸部９２と環状溝９１とが形成されたラビリンスシール９を有する。ここで、環状溝９１の側面であり前記凸部９２の側面でもある面はテーパーである。
又、前記ハウジング４０の軸孔４３と前記吸気通路６１との間における流体流通を更に抑制するために、前記タービン軸４１の前記ピストンリングシール４４ｂの軸方向外側に、同軸にてラビリンスシール９を設けてもよい。この場合、例えば、前記タービン軸４１のコンプレッサホイール６２側端部外周に対向する前記ハウジング４０又は前記タービン軸４１のコンプレッサホイール６２側端部外周に、前記タービン軸４１の周方向に沿って環状溝を形成してラビリンスシール９を構成する。
又、前記転がり軸受１０の潤滑方法は、一般的に使用されるフルフロート方式、即ち、前記転がり軸受１０が収容されている軸孔４３内に、潤滑剤（例えば、エンジンオイルを共用する）を充満させる方式であってもよい。
本発明の実施形態に係る過給機の断面図である。 図１の要部を拡大した図である。 本発明の別実施形態に係る過給機のラビリンスシール部分を拡大した断面図である。 本発明の別実施形態に係る過給機のラビリンスシール部分を拡大した断面図である。 本発明の別実施形態に係る過給機のラビリンスシール部分を拡大した断面図である。 本発明の別実施形態に係る過給機のラビリンスシール部分を拡大した断面図である。 本発明の別実施形態に係る過給機のラビリンスシール部分を拡大した断面図である。 本発明の別実施形態に係る過給機のラビリンスシール部分を拡大した断面図である。
符号の説明
１０（１０ａ，１０ｂ） 転がり軸受
２６ 冷却水ジャケット
４０ ハウジング
４０ａ 本体部
４１ タービン軸
４２ タービンホイール
４３ 軸孔
４４ａ，４４ｂ ピストンリングシール
４９ 本体部の一端部
５０ 本体部の他端部
６０ 排気通路
６１ 吸気通路
６２ コンプレッサホイール
９ ラビリンスシール
９１ 環状溝

Claims (2)

  1. 内燃機関の排気通路中に配置されるタービンホイールと吸気通路中に配置されるコンプレッサホイールとを両端部に夫々設けたタービン軸と、ハウジングの軸孔内で前記タービン軸を回転自在に支持する転がり軸受と、前記軸孔と前記排気通路との間をシールするシール構造と、を備えた過給機において、
    前記シール構造として、前記タービン軸のタービンホイール側端部外周と前記ハウジングとの間に形成されたラビリンスシールと、前記タービン軸の前記ラビリンスシール形成部位より軸方向中心側に設けられたピストンリングシールと、を備え、前記ラビリングシールの途中部に前記排気通路から侵入した排気ガスの流れを方向転換させる環状溝を前記ハウジングの周方向に沿って形成したことを特徴とする過給機。
  2. 前記ハウジングの前記ラビリンスシール形成部位に対して前記タービン軸の径方向外方に、前記タービン軸を冷却する冷却水が流通する冷却水ジャケットを形成した請求項１に記載の過給機。
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