JP2010096055A - 内燃機関の２段過給システム、内燃機関及びその潤滑オイル漏れ防止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
複数のターボチャージャを直列で使用する場合においても、吸気通路の上流側の低圧段コンプレッサーの軸受け部における潤滑オイルの漏出を防止できる、内燃機関の２段過給システム、内燃機関とその潤滑オイル漏れ防止方法を提供する。
【解決手段】
高圧段ターボチャージャ４０と低圧段ターボチャージャ２０とを直列に接続した２段過給システム１を備えると共に、エンジンの潤滑オイルＬを前記高圧段ターボチャージャ４０及び前記低圧段ターボチャージャ２０のそれぞれのセンターハウジング３６の部分の軸受け部３７に供給する潤滑オイルライン３０を備えた内燃機関の２段過給システム１において、低圧段ターボチャージャ２０の低圧段コンプレッサー２１の背面２８と、この低圧段コンプレッサー側の軸受け部３７のシールリング３５との間の空間２９に、加圧されたエアーＡｃを供給するためのエアー供給ライン１０を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の２段過給システムにおいて、過給装置の潤滑オイルの漏れを防止する構造及びその方法に関するものである。

ターボチャージャ等の過給装置を用いて、幅広い運転域で最適な過給を行う手段として、２段過給システム（２ステージターボ過給）が用いられている。これは排気マニホールド出口の排気通路に、容量の異なるターボチャージャを配置し、低速低負荷域では容量の小さいターボ（高圧段ターボ）を用いて高過給を行い、高速高負荷域では容量の大きいターボ（低圧段ターボ）を用いて高過給を行う。また、それぞれのターボの領域のオーバーラップする領域においては、高圧段ターボと低圧段ターボを直列に使用し、２段過給を行う。

それぞれのターボ領域の切換えは、排気マニホールドに取り付けられた排気切換えバルブと、吸気側に取り付けられた吸気切換えバルブにより、それぞれで排気ガスと吸入空気の流れをコントロールし、ターボシステムを最適な条件で運転できるようにコントロールしている。

これらのターボチャージャのシャフトの潤滑、及びオイル漏れ防止構造は、エンジンからのオイルをセンターハウジング上部より供給し、ベアリング部を潤滑してセンターハウジングのオイル溜りよりエンジン側にオイルを戻す構造になっている（例えば、特許文献１参照）。このオイル漏れ防止機構により、シャフトの軸受け部に設けられたシールリング構造などにより、ターボチャージャのコンプレッサー側へのオイル漏れを防止している。

従来技術のシングルターボによる過給や、並列活用によるツイン過給ターボにおいて、コンプレッサー出口側は、過給状態では基本的に正圧状態になり、コンプレッサー背面にも正圧が作用するため、軸受け部からコンプレッサー背面へのオイル漏れは、シールリング等のシール構造で防止することが可能であった。

しかし、複数のターボチャージャを直列で使用する可能性のある２段過給システムでは、例えば、高圧段ターボ運転領域において、上流の低圧段ターボのコンプレッサー出口と高圧段コンプレッサー入口の間の吸気通路が負圧となるため、低圧段コンプレッサーブレードとセンターハウジング部の間も負圧状態になり、低圧段ターボの軸受け部を潤滑しているオイルがシールリングを通過して、コンプレッサー出口より吸気通路に漏出する可能性があり、このオイル漏れが発生すると、エンジンオイルの消費が多くなるという問題がある。
実開平２−８５８３０号公報

本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、
複数のターボチャージャを直列で使用する場合においても、吸気通路の上流側の低圧段コンプレッサーの軸受け部における潤滑オイルの漏出を防止できる、内燃機関の２段過給システム、内燃機関及びその潤滑オイル漏れ防止方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明に係る内燃機関の２段過給システムは、高圧段ターボチャージャと低圧段ターボチャージャとを直列に接続した２段過給システムを備えると共に、エンジンの潤滑オイルを前記高圧段ターボチャージャ及び前記低圧段ターボチャージャのそれぞれのセンターハウジングの部分の軸受け部に供給する潤滑オイルラインを備えた内燃機関の２段過給システムにおいて、前記低圧段ターボチャージャの低圧段コンプレッサー背面と、この低圧段コンプレッサー側の軸受け部のシールリングとの間に、加圧された気体を供給するための気体供給ラインを設けることを特徴とする。

この構成により、低圧段コンプレッサーの背面と、この低圧段コンプレッサー側の軸受け部のシールリングとの間に供給された気体により、低圧段コンプレッサー側の軸受け部のシールリングに対して、低圧段コンプレッサーの背面側の圧力を高めて、低圧段ターボチャージャの軸受け部に供給される潤滑オイルがコンプレッサー背面側から吸気通路側へ漏出するのを防止することが可能となる。なお、この気体としてはエアー（空気）やその他のガスを使用することができる。

上記の内燃機関の２段過給システムにおいて、前記高圧段ターボチャージャによる過給時に、前記気体供給ラインに設けた気体制御弁を開弁し、前記加圧された気体を前記低圧段コンプレッサー側の軸受け部に供給することを特徴とする。

この構成により、低圧段コンプレッサー側の軸受け部における圧力バランスが大きく崩れる高圧段ターボチャージャの過給時に、加圧された気体を供給するので、このときの低圧段コンプレッサー側の軸受け部における圧力バランスを回復して、加圧気体を効率よく使用して潤滑オイルの吸気通路側への漏れを防止することが可能となる。

上記の目的を達成するための本発明に係る内燃機関（エンジン）は、前記の２段階供給システムを用いたことを特徴とする。この構成により、２段過給システムを有し、かつ、潤滑オイルが漏れ出ることにより消費することを防止したエンジンを提供することが可能となる。

上記の目的を達成するための本発明に係る内燃機関の２段過給システムの潤滑オイル漏れ防止方法は、高圧段ターボチャージャと低圧段ターボチャージャとを直列に接続した２段過給システムを備えると共に、エンジンの潤滑オイルを前記高圧段ターボチャージャ及び前記低圧段ターボチャージャのそれぞれのセンターハウジングの部分の軸受け部に供給する潤滑オイルラインを備えた内燃機関の２段過給システムの潤滑オイル漏れ防止方法において、前記低圧段ターボチャージャの低圧段コンプレッサーの背面と、この低圧段コンプレッサー側の軸受け部のシールリングとの間に、加圧された気体を供給して、この加圧された気体により、低圧段コンプレッサー側の軸受け部のシールリングに対して、低圧段コンプレッサーの背面側の圧力を高めて、低圧段ターボチャージャの軸受けに供給される潤滑オイルがコンプレッサー背面側から吸気通路側へ漏出するのを防止することを特徴とする。この構成により、前述した内燃機関の２段過給システムと同様の作用効果を得ることができる。

上記の潤滑オイル漏れ防止方法において、前記高圧段ターボチャージャによる過給時に、前記加圧された気体を前記低圧段コンプレッサー側の軸受け部に供給することを特徴とする。この構成により、前述した内燃機関の２段過給システムと同様の作用効果を得ることができる。

また、前記気体制御弁を圧力調整弁（レギュレーター）とすることにより、低圧段コンプレッサー側の軸受け部に供給する加圧気体の圧力が制御可能となり、そのため、軸受け部のシャフトに過度のスラスト方向（軸方向）への荷重がかかることを防止することが可
能となる。

さらに、前記加圧気体の供給源として、エアーブレーキ用加圧エアーを用いることで、気体の加圧装置を新たに設置する等の大幅な改造を施すことなく、従来の内燃機関に本発明を適用することが可能となる。

本発明に係る内燃機関の２段過給システム及びその潤滑オイル漏れ防止方法によれば、高圧段ターボの運転領域において低圧段ターボのコンプレッサー出口圧力が低い状態となり、低圧段ターボのセンターハウジングにおける軸受け部の潤滑オイルが、コンプレッサー側に流入する可能性が生じる状態となった際に、シールリング部とコンプレッサー背面に加圧された気体を供給することにより、コンプレッサー側の軸受け部の圧力を高めることができ、コンプレッサー側への潤滑オイルの漏出を防止することが可能となる。

以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関の２段過給システム及びその潤滑オイル漏れ防止方法について、図面を参照しながら説明する。図１に、本発明に係る実施の形態の内燃機関の２段過給システム１の構成を示す。

この内燃機関の２段過給システム１は、過給容量の小さいターボ即ち高圧段ターボチャージャ４０と、容量の大きいターボ即ち低圧段ターボチャージャ２０などの、エンジン回転数及びエンジン負荷に応じて仕様の異なる複数のターボチャージャを使用するエンジンの過給システムである。

この内燃機関の２段過給システム１では、内燃機関２の排気マニホールド３に接続する排気通路４に、上流側から高圧段ターボ４０の高圧段タービンと低圧段ターボ２０の低圧段タービン２３とが設けられている。また、吸気通路５において、インタークーラー６の下流側に、上流側から低圧段ターボ２０の低圧段コンプレッサー２１と、高圧段ターボ４０の高圧段コンプレッサーが設けられている。また、低圧段タービン２３には、ウエストゲート５５が設けられている。

これらの高圧段ターボ４０と低圧段ターボ２０は、それぞれ排気側の排気切換えバルブ５４と、吸気側の吸気切換えバルブ５３の開閉弁操作により、高圧段ターボ４０のみによる過給状態と、高圧段ターボ４０と低圧段ターボ２０による２段過給状態、及び、低圧段ターボ２０のみによる過給状態と、切換えられて、それぞれの状態で、内燃機関２の運転状態に最適な過給を行うものである。

吸気通路５には、低圧段コンプレッサー出口６１と吸気切換えバルブ５３の間に第１の圧力センサー（低圧段コンプレッサー出口の圧力センサー）５１を、吸気切換えバルブ５３とインタークーラー６の入口までの間に、第２の圧力センサー（インタークーラー入口の圧力センサー）５２を設置する。これらの圧力センサー５１、５２の出力信号はエンジン制御装置（図示しない）に送られる。また、吸気切換えバルブ５３、及び排気切換えバルブ５４のバルブポジション信号もエンジン制御装置に送られる。また、排気マニホールド３に排気メイン圧力センサー５０を設置し、出力信号はエンジン制御装置に送られるように構成している。

次に、高圧段ターボ４０、及び低圧段ターボ２０の２つを使用した際の、吸入空気Ａ及び排気ガスＧの流れについて説明する。

図１の白抜きの矢印は吸入空気Ａの流れを示しており、吸気通路５から供給された吸入
空気Ａは、低圧段ターボ２０の低圧段コンプレッサー２１を通過し、高圧段ターボ４０のコンプレッサーを通過してインタークーラー６に供給される。このインタークーラー６に供給された吸入空気Ａは、エンジンの燃焼室（図示しない）で燃焼して排気ガスＧとなり、排気マニホールド３から排気され、塗りつぶした矢印で示した排気ガスＧは、高圧段ターボ４０のタービン、低圧段ターボ２０の低圧段タービン２３を通過し、排気通路４から排出される。

なお、高圧段ターボ４０を使用しない場合は、吸気切換えバルブ５３及び排気切換えバルブ５４の弁操作により、高圧段ターボ４０をバイパスして吸入空気Ａは流れるようになる。

図１に示す、２段過給システム１により、低速低負荷域では容量の小さいターボ（高圧段ターボ）を用いて高過給を行い、高速高負荷域では容量の大きいターボ（低圧段ターボ）を用いて高過給を行う。また、それぞれのターボの領域のオーバーラップする領域においては、高圧段ターボと低圧段ターボを直列に使用し、２段過給を行う。これにより幅広い運転域で最適な過給を行うことが可能となっている。

次に、ターボチャージャ２０、４０の軸受け部の潤滑について説明する。図２は２段過給システム１における低圧段ターボチャージャ２０の軸受け部の拡大図を示している。高圧段ターボ４０、及び低圧段ターボ２０は、それぞれセンターハウジング３６の上部にオイル供給部３１を有しており、このオイル供給部３１から、エンジンより供給されるエンジンオイルを潤滑オイルＬとしてベアリング部３３、軸受け部３７等に供給している。この軸受け部３７に供給されたオイルＬはそれぞれのベアリング部３３を通過し、センターハウジング３６内のオイル溜り３２で集められ、エンジンオイルのオイルパン（図示しない）に戻る構造となっている。

また、軸受け部３７の外側のシャフト部２７には、それぞれ潤滑オイルＬが低圧段タービン２３及び低圧段コンプレッサー２１のタービンブレード２４や、コンプレッサーブレード２２などの翼部に漏れ出ないような構造、例えば、シールリング構造３５やラビリンス構造を設ける。さらに、コンプレッサー側のシャフト部２７には、スラスト方向の動きを抑制するためのスラストベアリング３４を配置する。

なお図２は、低圧段ターボ２０の部分断面図を示しているが、高圧段ターボ４０の軸受け部の潤滑も、図２に示す低圧段ターボ２０の軸受け部とほぼ同様に行われる。

本発明では、低圧段ターボ２０の軸受け部３７については、潤滑オイルライン３０とは別に、コンプレッサー側の軸受け部３７において、エアー供給ライン（気体供給ライン）１０を設ける。このエアー供給ライン１０の一端側は、シールリング３５とコンプレッサーブレード２２の間に設けた連通孔１２に接続される。この連通孔１２は、軸受け部３７の外側よりシャフト部２７に至る。

このエアー供給ライン１０により、低圧段ターボ２０の外部からエンジン制御と連動された気体制御弁１１によりコントロールされた加圧エアーＡｃを、軸受け部３７に供給する。ここでは加圧エアーＡｃとして、エンジンに搭載されたエアーブレーキ用のコンプレッサーエアーを利用する。

図３にエアー供給ライン１０の部分の更なる拡大図を示す。エアー供給ライン１０からの加圧エアーＡｃの供給は、排気切換えバルブ５４、及び吸気切換えバルブ５３のバルブポジションをエンジン制御装置より感知して行う。高圧段ターボ４０の運転領域において、低圧段コンプレッサー２１の出口の第１の圧力センサー５１の検出圧力Ｐ１と、インタ
ークーラー６の入口の第２の圧力センサー５２の検出圧力Ｐ２をエンジン制御装置にて判定し、Ｐ１＜Ｐ２となる状態、即ち、高圧段ターボチャージャ４０が作動している状態では、気体制御弁１１を開弁して、低圧段ターボ２０のセンターハウジング３６の軸受け部３７に加圧エアーＡｃを供給する。一方、Ｐ１≧Ｐ２状態、即ち、高圧段ターボチャージャ４０が作動していない状態では、気体制御弁１１を閉弁とし、軸受け部３７には加圧エアーＡｃを供給しない。

上記のように、連通孔１２に加圧エアーＡｃを図３に示す矢印のように供給することで、シールリング３５とコンプレッサーブレード２２の背面２８との間の空間２９を加圧する制御を行う。

これにより、高圧段ターボ４０の作動によって、コンプレッサーブレード２２周辺の空気が吸われて、負圧が発生する状態においても、その負圧状態を加圧エアーＡｃの供給により解消することで、ベアリング部３３を介して供給される潤滑オイルＬがシールリング３５を乗り越え、漏れ出すことを防止することができる。

従って、上記の構成の内燃機関及び内燃機関の２段過給システムによれば、複数のターボチャージャを直列で使用する場合においても、吸気通路５の上流側の低圧段コンプレッサー２１の軸受け部３７における潤滑オイルＬの漏出を防止できる。

本発明に係る実施の形態の内燃機関及びその２段過給システムの構成を示す図である。 ２段過給システムの低圧段ターボチャージャの軸受け部の構成を示す断面図である。 図２の気体供給ラインの周辺の構成を示す部分拡大図である。

符号の説明

１ ２段過給システム
２ エンジン
３ 排気マニホールド
６ インタークーラー
１０ 気体供給ライン
１１ 気体制御弁
１２ 連通孔
２０ 低圧段ターボチャージャ
２１ 低圧段コンプレッサー
２８ 低圧段コンプレッサーの背面
２９ 空間
３０ 潤滑オイルライン
３５ シールリング
３６ センターハウジング
３７ 軸受け部
４０ 高圧段ターボチャージャ
Ｐ１ 低圧段コンプレッサー出口圧力
Ｐ２ インタークーラー入口圧力
Ａ 吸入空気
Ａｃ 加圧エアー
Ｇ 排気ガス
Ｌ 潤滑オイル

Claims (5)

1. 高圧段ターボチャージャと低圧段ターボチャージャとを直列に接続した２段過給システムを備えると共に、エンジンの潤滑オイルを前記高圧段ターボチャージャ及び前記低圧段ターボチャージャのそれぞれのセンターハウジングの部分の軸受け部に供給する潤滑オイルラインを備えた内燃機関の２段過給システムにおいて、
   前記低圧段ターボチャージャの低圧段コンプレッサー背面と、この低圧段コンプレッサー側の軸受け部のシールリングとの間に、加圧された気体を供給するための気体供給ラインを設けたことを特徴とする内燃機関の２段過給システム。
2. 前記高圧段ターボチャージャによる過給時に、前記気体供給ラインに設けた気体制御弁を開弁し、前記加圧された気体を前記低圧段コンプレッサー側の軸受け部に供給することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の２段過給システム。
3. 請求項１又は２に記載の２段過給システムを用いたことを特徴とする内燃機関。
4. 高圧段ターボチャージャと低圧段ターボチャージャとを直列に接続した２段過給システムを備えると共に、エンジンの潤滑オイルを前記高圧段ターボチャージャ及び前記低圧段ターボチャージャのそれぞれのセンターハウジングの部分の軸受け部に供給する潤滑オイルラインを備えた内燃機関の２段過給システムの潤滑オイル漏れ防止方法において、
   前記低圧段ターボチャージャの低圧段コンプレッサーの背面と、この低圧段コンプレッサー側の軸受け部のシールリングとの間に、加圧された気体を供給して、この加圧された気体により、低圧段コンプレッサー側の軸受け部のシールリングに対して、低圧段コンプレッサーの背面側の圧力を高めて、低圧段ターボチャージャの軸受けに供給される潤滑オイルがコンプレッサー背面側から吸気通路側へ漏出するのを防止することを特徴とする内燃機関の２段過給システムの潤滑オイル漏れ防止方法。
5. 前記高圧段ターボチャージャによる過給時に、前記加圧された気体を前記低圧段コンプレッサー側の軸受け部に供給することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の２段過給システムの潤滑オイル漏れ防止方法。

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