JP2009243365A - ターボチャージャシステム - Google Patents

Abstract

【課題】使用する潤滑油の特性（油圧、温度、粘度）が変動する場合でも、所定のダンピング機能を維持して過大な軸振動を防止し、メカロスを一定に保持してターボチャージャの圧縮性能のバラツキを防止し、熱変動に応じた潤滑油冷却を行ないラジアル軸受の焼き付きを防止することができるターボチャージャシステムを提供する。
【解決手段】連結シャフト１２で互いに連結されたコンプレッサインペラ１４およびタービンインペラ１６と、連結シャフトに作用するラジアル力を回転可能に支持するラジアル軸受１９と、ラジアル軸受を支持する軸受ハウジング２０とを有するターボチャージャ１０と、ラジアル軸受の温度を検出する温度センサ３０と、連結シャフトに発生する軸振動を検出する振動センサ３２と、ターボチャージャと組み合わせて用いられるエンジンのブースト圧力を検出するブースト圧センサ３４と、ラジアル軸受に供給される潤滑油の油量、油圧、油温の少なくとも１つを制御する潤滑油制御装置４０とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンの排気エネルギによりエンジンに供給する空気を加圧（過給）するターボチャージャシステムに関する。

圧縮機により密度を高めた空気を機関（エンジン）に供給することを過給（ｓｕｐｅｒｃｈａｒｇｉｎｇ）といい、このうち排気エネルギにより圧縮機の駆動仕事をまかなうものを排気タービン過給機（ｅｘｈａｕｓｔ‐ｇａｓ ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ）と呼ぶ。本発明において、この排気タービン過給機を単に「ターボチャージャ」と呼ぶ。

ターボチャージャは、一般的に、軸受ユニットを挟んで配置されたコンプレッサインペラとタービンインペラからなる。コンプレッサインペラとタービンインペラは、軸受ユニットで支持された連結軸（シャフト）で互いに連結されており、エンジンの排ガスでタービンインペラを回転駆動し、この回転力をシャフトを介してコンプレッサインペラに伝達し、コンプレッサインペラで空気を圧縮してエンジンに過給するようになっている。

ターボチャージャは、エンジンよりも高速（例えば数万ｒｐｍ〜数十万ｒｐｍ）で回転し、かつエンジンの運転状態により、ターボチャージャの回転速度は常時変動する。そのため、ターボチャージャの潤滑には、種々の特性が要求され、これを満たすために、従来から種々の潤滑装置が提案されている（例えば、特許文献１〜４）。

特許文献１の「ターボチャージャの給油装置」は、ターボチャージャへ供給する潤滑油を、その摺動条件に充分適合したものとし、かつその潤滑特性を長期にわたって維持することのできる、コンパクトな給油装置を目的とする。
そのため、この給油装置は、図５に示すように、油を貯溜するタンクと、このタンク内の油を圧送するポンプと、このポンプにより圧送された油をエンジンおよびターボチャージャへ供給する給油路とを備え、この油によりエンジンの摺動部分およびターボチャージャの軸受を潤滑するようにした給油装置において、給油路をエンジン用の第１の給油路とターボチャージャ用の第２の給油路５３とに独立設置するとともに、上記タンクおよびポンプとは別個の第２のタンク５３およびポンプ５１を設け、この第２のタンク内の潤滑油を、第２のポンプにより第２の給油路５３内を圧送してターボチャージャに供給するものである。

特許文献２の「ターボチャージャ搭載車のオイル冷却装置」は、エンジン本体各部に供給されるオイルを不必要に過冷せずターボチャージャに供給されるオイルを選択的に冷却することを目的とする。
そのため、このオイル冷却装置は、図６に示すように、オイルパン６１、オイルポンプ６２、オイルフイルタ６３、分岐部５４、オイルクーラ６６、ターボチャージャ６５、オイルパン６１の順に接続された第１のオイル経路５６と、オイルパン６１、オイルポンプ６２、オイルフイルタ６３、分岐部５４、エンジン本体各部６４、オイルパン６１の順に接続され、オイルパンから分岐部までは第１のオイル経路５６と共用された第２のオイル経路５８と、から成り、第１のオイル経路５６は、分岐部５４とターボチヤージヤ６５との間に、油温が低いときにオイルが流される低油温側オイル通路６９と、油温が高いときにオイルが流される高油温側オイル通路６８とを有していて、オイルクーラ６６は高油温側オイル通路６８に設けられており、低油温側オイル通路６９と高油温側オイル通路６８との分岐部に油温に応じて制御される流量制御バルブ６７が設けられており、流量制御バルブ６７には油温を感知して流量制御バルブ６７を作動する油温センサが付設されているものである。

特許文献３の「ターボチャージャの潤滑装置」は、ターボチャージャに軸受損失の増加及び耐久性の減少を生じない最適量の潤滑油を供給することを目的としている。
そのため、この潤滑装置は、図７に示すように、ターボチャージャ７１の回転速度を検出する回転速度検出器７２と、ターボチャージャ７１に供給する潤滑油量を調整供給する潤滑油供給手段７３と、検出器７２の信号を受けて潤滑油供給手段３１の作動を制御する制御手段７４とを有するものである。

特許文献４の「「過給機付エンジンの潤滑装置」は、エンジンの低回転領域で過給機要求油圧を確保しつつ、エンジンの摺動部に対して過給機要求油圧よりも低圧の潤滑油を供給することができ、同領域において摺動抵抗の低減を図ることを目的とする。
そのため、この潤滑装置は、図８に示すように、吸入空気を圧縮加圧する過給機８１を備えたエンジンにおいて、少なくともエンジンの摺動部８２，８３に対して潤滑油を供給する第１潤滑経路８４と、第１潤滑経路１２の上流に設けられ、エンジンの低回転領域で第１潤滑経路８４の油圧を過給機８１への供給油圧より低圧に設定することのできる供給油圧可変手段８５と、第１潤滑経路８４に対して独立して設けられ、オイルクーラ８６を介して過給機８１の摺動部に潤滑油を供給する第２潤滑経路８７とを有するものである。

特開昭５８‐１５７２１号公報、「ターボチャージャの給油装置」 特公平４‐３７２４２号公報、「ターボチャージャ搭載車のオイル冷却装置」 特開昭６１‐１７１８２８号公報、「ターボチャージャの潤滑装置」 特開平５−２３１１２０号公報、「過給機付エンジンの潤滑装置」

上述したように、ターボチャージャは、エンジンよりも高速（例えば数万ｒｐｍ〜数十万ｒｐｍ）で回転し、かつエンジンの運転状態により、ターボチャージャの回転速度は常時変動する。
そのため、ターボチャージャのラジアル軸受には油潤滑によるフローティングメタルが通常用いられる。潤滑油は、ターボチャージャに設けられた共通の給油口から供給され、ターボチャージャの内部で分岐して、フローティングメタルとスラスト軸受とに潤滑油を導入している。

ターボチャージャの軸受を潤滑するための潤滑油には、通常、ターボチャージャと組み合わせて用いられるエンジン用の潤滑油が用いられる。この場合、ターボチャージャに供給される潤滑油の特性（油圧、温度、粘度）は、エンジンの運転状態により変動する。また、エンジン用の燃料（ガソリン、軽油）がエンジン用の潤滑油に混入して希釈され、ターボチャージャに供給される潤滑油の粘度が大きく変動する場合もある。

一方、ターボチャージャのラジアル軸受には、潤滑油によるダンピング機能（減衰機能）が要求される。しかしこのダンピング機能は、潤滑油の特性（油圧、温度、粘度）により変化し、減衰能力が低下すると軸振動が過大となり、所定の設計性能が得られない問題点があった。
ターボチャージャのラジアル軸受のメカロス（機械的ロス）は小さく、安定していることが要求される。しかしこのメカロスは、潤滑油の特性（油圧、温度、粘度）により変化し、メカロスが増大するとターボチャージャの圧縮性能が低下する問題点があった。
ターボチャージャのラジアル軸受は許容温度を超えると焼き付きが発生する。特に、エンジン停止時（ヒートソークバック時）が高温となるが、潤滑油の特性（油圧、温度、粘度）によっては潤滑油の冷却能力が不足し、ラジアル軸受が焼き付くおそれがあった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、使用する潤滑油の特性（油圧、温度、粘度）が変動し、或いは希釈により粘度が大幅に低下する場合でも、所定のダンピング機能を維持して過大な軸振動を防止し、メカロス（機械的ロス）を一定に保持してターボチャージャの圧縮性能のバラツキを防止し、熱変動に応じた潤滑油冷却を行ないラジアル軸受の焼き付きを防止することができるターボチャージャシステムを提供することにある。

本発明によれば、連結シャフトで互いに連結されたコンプレッサインペラおよびタービンインペラと、前記連結シャフトに作用するラジアル力を回転可能に支持するラジアル軸受と、該ラジアル軸受を支持する軸受ハウジングとを有するターボチャージャと、
前記ラジアル軸受の温度を検出する温度センサと、
前記連結シャフトに発生する軸振動を検出する振動センサと、
前記ラジアル軸受に供給される潤滑油の油量、油圧、油温の少なくとも１つを制御する潤滑油制御装置と、を備えたことを特徴とするターボチャージャシステムが提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記ラジアル軸受は、フローティングメタルであり、
前記軸受ハウジングは、ラジアル軸受に潤滑油を供給する専用の潤滑油流路を有する。

前記潤滑油制御装置は、潤滑油の油量を制御する流量制御弁、潤滑油の油圧を制御する圧力制御弁、潤滑油の油温を制御する温度制御器の少なくとも１つを有する。

前記潤滑油制御装置は、流量制御弁、圧力制御弁、及び／又は、温度制御器を制御する制御演算部を有し、
該制御演算部により、検出した温度が所定の閾値を超える場合、検出した軸振動が所定の閾値を超える場合、及び／又は、エンジンのブースト圧力が所定の閾値を超える場合に、油量、油圧、及び／又は、油温を制御する。

前記制御は、フィードバック制御及び／又はフィードフォワード制御による、ことが好ましい。

上記本発明の構成によれば、ターボチャージャのラジアル軸受の温度を検出する温度センサと、連結シャフトに発生する軸振動を検出する振動センサと、ラジアル軸受に供給される潤滑油の油量、油圧、油温の少なくとも１つを制御する潤滑油制御装置とを備えるので、各センサで検出した温度、軸振動、およびエンジン側からのブースト圧力信号に基づき、ラジアル軸受に供給される潤滑油の油量、油圧、油温を制御することができる。

特に、軸受ハウジングが、ラジアル軸受に潤滑油を供給する専用の潤滑油流路を有することにより、振動センサで検出した軸振動を潤滑油の油量、油圧、又は油温にフィードバック制御して軸受のダンピング機能を変化させ、一定の振動レベルに安定化させることができる。

また、エンジン側から受信したブースト圧力（過給圧）を潤滑油の油量、油圧、又は油温にフィードバック制御してメカロスを変化させ、一定のターボ性能に安定化させることができる。

さらに、温度センサで検出したラジアル軸受の温度を潤滑油の油量、油圧、又は油温にフィードバック制御して軸受部の油温を変化させ、一定の温度に安定化させることができる。なおダンピング機能、メカロス、油温には相関があり、いづれか１つを安定化させるとそれ以外も安定化する。

従って、本発明のシステムにより、所定のダンピング機能を維持して過大な軸振動を防止し、メカロス（機械的ロス）を一定に保持してターボチャージャの圧縮性能のバラツキを防止し、熱変動に応じた潤滑油冷却を行ないラジアル軸受の焼き付きを防止することができる。

以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

図１は、本発明のターボチャージャシステムの全体構成図である。
この図において、本発明のターボチャージャシステムは、ターボチャージャ１０を備える。

ターボチャージャ１０は、連結シャフト１２で互いに連結されたコンプレッサインペラ１４およびタービンインペラ１６と、連結シャフト１２に作用するスラスト力を回転可能に支持するスラスト軸受１８と、連結シャフト１２に作用するラジアル力を回転可能に支持するラジアル軸受１９と、スラスト軸受１８とラジアル軸受１９を支持する軸受ハウジング２０とを有する。

ターボチャージャ１０は、軸受ユニット２２を挟んで配置されたコンプレッサ１３とタービン１５からなり、コンプレッサ１３はコンプレッサインペラ１４を、タービン１５はタービンインペラ１６をそれぞれ内蔵する。
コンプレッサインペラ１４とタービンインペラ１６は、軸受ユニット２２で支持された連結シャフト１２で互いに連結されており、エンジンの排ガスでタービンインペラ１６を回転駆動し、この回転力を連結シャフト１２を介してコンプレッサインペラ１４に伝達し、コンプレッサインペラ１４で空気を圧縮してエンジンに過給するようになっている。

図２は、図１の主要部の構成図である。
この図において、スラスト軸受１８は、スラストカラー１８ａ、タービン側スラスト軸受１８ｂ、およびコンプレッサ側スラスト軸受１８ｃからなる。

スラストカラー１８ａは、連結シャフト１２に取り付けられ、連結シャフト１２と共に回転する小径円板状の部材である。

タービン側スラスト軸受１８ｂは、軸受ハウジング２０に固定された板状部材であり、スラストカラー１８ａのタービン側に近接して位置し、スラストカラー１８ａのタービン側への軸方向移動を阻止する。
タービン側スラスト軸受１８ｂは、潤滑油流路２０ａ（後述する）を介してスラストカラー１８ａのタービン側に潤滑油を通す潤滑油流路を有する。

コンプレッサ側スラスト軸受１８ｃは、軸受ハウジング２０に固定された板状部材であり、スラストカラー１８ａのコンプレッサ側に近接して位置し、スラストカラー１８ａのコンプレッサ側への軸方向移動を阻止する。
コンプレッサ側スラスト軸受１８ｃ潤滑油流路２０ｂ（後述する）を介してスラストカラー１８ａのコンプレッサ側に潤滑油を通す潤滑油流路を有する。

ラジアル軸受１９は、フローティングメタルであり、この図ではフルフローティングメタルであるが、セミフローティングメタルであってもよい。

軸受ハウジング２０は、ラジアル軸受１９に潤滑油を供給する専用の潤滑油流路２０ｃを有する。なお、この図において、２０ａ，２０ｂは、タービン側スラスト軸受１９ｂおよびコンプレッサ側スラスト軸受１９ｃに潤滑油を独立に供給する潤滑油流路である。

図１と図２において、本発明のターボチャージャシステムは、さらに温度センサ３０、振動センサ３２、および潤滑油制御装置４０を備える。

温度センサ３０は、この例では、熱電対であり、軸受ハウジング２０内のラジアル軸受１９に近接する位置に取り付けられ、ラジアル軸受１９の温度を検出し、潤滑油制御装置４０へ出力する。

振動センサ３２は、この例では、コンプレッサ１３のハウジング内に取付けられ、連結シャフト１２に発生する軸振動を検出し、潤滑油制御装置４０へ出力する。振動センサ３２の取付け位置は、軸受ハウジング２０内であってもよい。

ブースト圧センサ３４は、ターボチャージャ１０と組み合わせて用いられるエンジン（図示せず）に取付けられ、エンジンのブースト圧力を検出し、ブースト圧力信号を潤滑油制御装置４０へ出力する。

潤滑油制御装置４０は、この例では、操作器４４、および制御演算部４６を有する。
操作器４４は、制御演算部からの出力値に応じた油条件の油を供給する。流量制御弁、圧力制御弁、温度制御器はこれにあたる。
制御演算部４６は、設定値（目標値）と測定値の差に応じて供給すべき油の条件を計算し、操作器に操作量を出力して制御する。
なお、潤滑油制御装置４０は、操作器４４、および制御演算部４６のすべてを備える必要はなく、ターボチャージャに供給される潤滑油の油量、油圧、油温の少なくとも１つをできればよい。

図３は、本発明の制御演算部による制御を示すフロー図である。
この図に示すように、制御演算部４６は、ステップＳ１において温度センサ３０から温度、および振動センサ３２から軸振動の入力を受け、同時にエンジン側からブースト圧センサ３４によるブースト圧力信号を受信する。
次いで、入力された温度が所定の閾値を超える場合（Ｓ２）、入力された軸振動が所定の閾値を超える場合（Ｓ３）、及び／又は、エンジン側から入力されたブースト圧力信号が所定の閾値を超える場合（Ｓ４）に、操作器４４へ操作量を出力して油量、油圧、及び／又は、油温を制御する（Ｓ５）。
この制御は、フィードバック制御によるのが好ましいが、フィードフォワード制御でもよく、両者を組み合わせてもよい。図４に、フィードバック制御と併用したフィードフォワード制御の適用例を示す。

上述した本発明の構成によれば、ターボチャージャ１０のラジアル軸受１９の温度を検出する温度センサ３０と、連結シャフト１２に発生する軸振動を検出する振動センサ３２と、ラジアル軸受１９に供給される潤滑油の油量、油圧、油温の少なくとも１つを制御する潤滑油制御装置４０とを備えるので、各センサで検出した温度、軸振動、およびエンジン側からのブースト圧力信号に基づき、ラジアル軸受に供給される潤滑油の油量、油圧、油温を制御することができる。

特に、軸受ハウジング２０が、ラジアル軸受１９に潤滑油を供給する専用の潤滑油流路２０ｃを有することにより、振動センサ３２で検出した軸振動を潤滑油の油量、油圧、又は油温にフィードバック制御して軸受のダンピング機能を変化させ、一定の振動レベルに安定化させることができる。

また、エンジン側から受信したブースト圧力（過給圧）を潤滑油の油量、油圧、又は油温にフィードバック制御してメカロスを変化させ、一定のターボ性能に安定させることができる。

さらに、温度センサ３０で検出したラジアル軸受１９の温度を潤滑油の油量、油圧、又は油温にフィードバック制御して軸受部の油温を変化させ、一定の温度に安定化させることができる。なおダンピング機能、メカロス、油温には相関があり、いづれか１つを安定化させるとそれ以外も安定化する。

従って、本発明のシステムにより、所定のダンピング機能を維持して過大な軸振動を防止し、メカロス（機械的ロス）を一定に保持してターボチャージャの圧縮性能のバラツキを防止し、熱変動に応じた潤滑油冷却を行ないラジアル軸受の焼き付きを防止することができる。
また、エンジン停止時（ヒートソークバック時）にラジアル軸受が高温となり、ラジアル軸受が焼き付くおそれがある場合に、異常時の故障回避システムとして警報等を発することもできる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。例えば、排油量を制御する機構を設けて同様の効果を得てもよい。

本発明のターボチャージャシステムの全体構成図である。 図１の主要部の構成図である。 本発明の制御演算部による制御を示すフロー図である。 フィードバック制御と併用したフィードフォワード制御の適用例を示す図である。 特許文献１の給油装置の模式図である。 特許文献２のオイル冷却装置の模式図である。 特許文献３の潤滑装置の模式図である。 特許文献４の潤滑装置の模式図である。

符号の説明

１０ ターボチャージャ、１２ 連結シャフト、
１３ コンプレッサ、１４ コンプレッサインペラ、
１５ タービン、１６ タービンインペラ、
１８ スラスト軸受、１８ａ スラストカラー、
１８ｂ タービン側スラスト軸受、１８ｃ コンプレッサ側スラスト軸受、
１９ ラジアル軸受（フローティングメタル）、
２０ 軸受ハウジング、２０ａ，２０ｂ，２０ｃ 潤滑油流路、
２２ 軸受ユニット、３０ 温度センサ、
３２ 振動センサ、３４ ブースト圧センサ、
４０ 潤滑油制御装置、
４４ 操作器、４６ 制御演算部、

Claims (5)

1. 連結シャフトで互いに連結されたコンプレッサインペラおよびタービンインペラと、前記連結シャフトに作用するラジアル力を回転可能に支持するラジアル軸受と、該ラジアル軸受を支持する軸受ハウジングとを有するターボチャージャと、
   前記ラジアル軸受の温度を検出する温度センサと、
   前記連結シャフトに発生する軸振動を検出する振動センサと、
   前記ラジアル軸受に供給される潤滑油の油量、油圧、油温の少なくとも１つを制御する潤滑油制御装置と、を備えたことを特徴とするターボチャージャシステム。
2. 前記ラジアル軸受は、フローティングメタルであり、
   前記軸受ハウジングは、ラジアル軸受に潤滑油を供給する専用の潤滑油流路を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャシステム。
3. 前記潤滑油制御装置は、潤滑油の油量を制御する流量制御弁、潤滑油の油圧を制御する圧力制御弁、潤滑油の油温を制御する温度制御器の少なくとも１つを有する、ことを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャシステム。
4. 前記潤滑油制御装置は、流量制御弁、圧力制御弁、及び／又は、温度制御器を制御する制御演算部を有し、
   該制御演算部により、検出した温度が所定の閾値を超える場合、検出した軸振動が所定の閾値を超える場合、及び／又は、エンジンのブースト圧力が所定の閾値を超える場合に、油量、油圧、及び／又は、油温を制御する、ことを特徴とする請求項３に記載のターボチャージャシステム。
5. 前記制御は、フィードバック制御及び／又はフィードフォワード制御による、ことを特徴とする請求項４に記載のターボチャージャシステム。

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