JP2017082688A - エンジンの過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの過給機に関し、振動負荷に対する耐性を向上させつつ、軸受の潤滑性及び回転安定性を高める。
【解決手段】過給機１０を縦置きレイアウトとし、タービン２とコンプレッサ３との間をシャフト１が上下方向に接続するように配置する。また、上方側に頂点を持った錐形状の傾斜面を有するスラストカラー５をシャフト１に一体固定する。シャフト１の上下方向の荷重は、スラストカラー５の底面９で支える。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンの排気圧でタービンとコンプレッサとを回転させて過給を行う過給機に関する。

従来、過給機のタービンとコンプレッサとを接続する回転軸の軸受構造として、潤滑油の油膜で回転軸を浮かせた状態で支承するフローティングメタル式の滑り軸受が知られている。このような軸受は、高温かつ高回転数となるターボチャージャやスーパーチャージャなどの軸受として広く使用されている。一方、滑り軸受は、回転軸の軸方向に作用するスラスト荷重を支えることができない。そこで、スラスト荷重を支えるためのスラスト軸受（スラストカラー）を設けて、回転軸の摺動性や回転安定性を確保する技術が提案されている（特許文献１参照）。

特開2007-023858号公報

ところで近年、回転軸がほぼ鉛直となる姿勢で過給機をエンジンに取り付けた、いわゆる「縦置きレイアウト」が検討されている。すなわち、エンジンの排気通路と吸気通路とを鉛直上下方向に並設し、これらの間に過給機を介装させるレイアウトである。過給機を縦置きにすることで、車両の上下方向に作用する振動やエンジン搬送時の振動をスラスト軸受で支えることができ、振動負荷に対する耐性が向上するものと期待されている。

しかしながら、縦置きレイアウトの過給機では、スラスト荷重を受けるスラストカラーの上面がほぼ水平となるため、潤滑油がスラストカラーの上面にとどまりやすくなり、円滑なオイル流れが阻害されるおそれがある。特に、低温環境では潤滑油の粘度が上昇することから、潤滑性の低下が課題となりうる。一方、潤滑油の流動性を確保すべくスラストカラーの上面側の隙間寸法を広めに設定した場合には、スラスト軸受で許容される上下方向の変位が増大し、ガタつきが生じやすくなるとともに、軸受の回転安定性が低下しうる。

本件の目的の一つは、上記のような課題に鑑みて創案されたものであり、振動負荷に対する耐性を向上させつつ、軸受の潤滑性及び回転安定性を高めることのできるエンジンの過給機を提供することである。なお、この目的に限らず、後述する「発明を実施するための形態」に示す各構成から導き出される作用効果であって、従来の技術では得られない作用効果を奏することも、本件の他の目的として位置付けることができる。

（１）ここで開示するエンジンの過給機は、タービンとコンプレッサとの間を上下方向に接続するシャフトを備える。また、上方側に頂点を持った錐形状の傾斜面を有し、前記シャフトに一体固定されるとともに、前記シャフトの上下方向の荷重を底面で支えるスラストカラーを備える。

この過給機は、回転軸の向きが上下方向となるように前記エンジンに組み付けられる縦置き型の過給機である。ここでいう「上下方向」とは「ほぼ鉛直な方向」を意味する。例えば、「上下方向」には、前記回転軸と鉛直線とのなす角度が所定角度（例えば、数度〜十数度）以下となるような方向が含まれる。すなわち、厳密な鉛直方向以外の方向を排除する意図はない。

（２）前記スラストカラーの下方周縁からハウジングの外側に向かって穿孔され、前記ハウジングと前記シャフトとの間に供給された潤滑油を前記シャフトの放射方向へと排出するオイル排出路をさらに備えることが好ましい。
（３）前記スラストカラーが、前記シャフトの上下方向の中心よりも下方に設けられることが好ましい。
（４）前記シャフトが、前記スラストカラーと固定される大径部と、前記大径部よりも上方で前記大径部よりも細く形成されてラジアル方向の荷重を支えるフローティングメタルが遊嵌される小径部と、を有することが好ましい。

（５）前記フローティングメタルが、外側ほど下方に傾斜した下端面を有することが好ましい。
（６）前記フローティングメタルが、前記大径部と同一の外径を有することが好ましい。
（７）前記タービンが、前記コンプレッサよりも上方に配置されることが好ましい。

縦置き型過給機の回転軸にスラストカラーを設けることで、上下方向の荷重をスラストカラーの底面で支えることができ、振動負荷に対する耐性を向上させることができる。また、スラストカラーの上面を傾斜面にすることで、潤滑油を流れやすくすることができ、軸受の潤滑性や回転安定性を確保することができる。

実施形態の過給機を搭載するエンジンの斜視図である。 過給機のシャフトを例示する縦断面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は過給機のオイル排出路を例示する水平断面図である。 （Ａ），（Ｂ）は過給機の変形例を例示する縦断面図である。

図面を参照して、実施形態としてのエンジンの過給機について説明する。なお、以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることができる。

［１．構成］
本実施形態の過給機１０は縦置きレイアウトでエンジン２０に組み付けられる。この過給機１０は、図１に示すように、エンジン２０の排気通路２２に介装されたタービン２と、吸気通路２１に介装されたコンプレッサ３とを備える。タービン２及びコンプレッサ３のそれぞれは、トーラス状の流路を形成するハウジングを有し、各ハウジングの内部に羽根車を内蔵する。これらの羽根車の回転軸Ｃは一体に連結されている。

タービン２は、コンプレッサ３よりも上方に配置され、好ましくはコンプレッサ３の直上方に配置される。タービン２をコンプレッサ３よりも上方に配置することの意味は二つある。第一の意味は、比重差を利用して排気の流れを円滑にすることにある。第二の意味は、潤滑油がタービン２側へ流入しにくくすることで白煙の発生を防止することにある。なお、図１中の白抜き矢印は吸気の流れを示し、黒矢印は排気の流れを示す。

タービンハウジング１３の内部には、図２に示すように、タービンホイール１７が設けられる。同様に、コンプレッサハウジング１４の内部には、コンプレッサホイール１８が設けられる。タービンホイール１７とコンプレッサホイール１８との間は、それぞれの回転中心軸が一致するように、シャフト１で一体的に連結される。タービンホイール１７は、側面方向から流入する排気ガスの圧力を受けて回転し、その排気ガスをタービンホイール１７の回転中心軸方向へと流出させる機能を持つ。また、コンプレッサホイール１８は、タービンホイール１７の回転力で駆動され、吸入空気を回転中心軸方向から吸引しつつ側面方向へと圧送する機能を持つ。

シャフト１の回転軸Ｃは、その向きが上下方向となるように設けられる。ここでいう「上下方向」とは、車両搭載時において、あるいは過給機１０が組み付けられたエンジン２０の搬送時において、ほぼ鉛直な方向を意味する。ただし、厳密な鉛直方向以外の方向を排除する意図はなく、過給機１０の重心を通る鉛直線と回転軸Ｃとのなす角度が所定角度（例えば、数度〜十数度）以下となる方向を含むものとする。車両搭載時を基準として回転軸Ｃを鉛直にすることで、車両走行中の振動負荷に対する耐性が向上する。また、搬送時を基準として回転軸Ｃを鉛直にすることで、搬送中の振動負荷に対する耐性が向上する。したがって、車両搭載時と搬送時とで過給機１０の姿勢をほぼ同一にすることで、車両走行中，搬送中の双方で振動負荷に対する耐性が向上する。

タービンハウジング１３とコンプレッサハウジング１４との間には、シャフト１を回転自在に支持する軸受ハウジング１５が設けられる。軸受ハウジング１５には、シャフト１の外径に応じた大きさの軸孔４が穿孔され、その内側にシャフト１が遊嵌状態で挿通される。また、軸受ハウジング１５の内部には、スラスト荷重を支えるスラストカラー５と、ラジアル荷重を支えるフローティングメタル８とが設けられる。

スラストカラー５は、シャフト１に一体固定された部材であり、シャフト１の上下方向の荷重をその底面６で支える機能を持つ。スラストカラー５の形状は、上方側に頂点を持った錐形状の傾斜面を有する形状とされる。また、スラストカラー５の底面６は、ほぼ平坦な平面状とされる。図２に示すスラストカラー５は、回転軸Ｃと共通の中心軸を持つ円錐形状の部材をシャフト１に一体化させたものである。スラストカラー５は、例えばシャフト１と同一素材の一体物として製造される。あるいは、シャフト１とスラストカラー５とを別体物として製造し、溶接，溶着，圧入などの手法を用いてこれらを一体に固定してもよい。

スラストカラー５は、図２に示すように、シャフト１の上下方向の中心（図２中の一点鎖線Ｍ）よりも下方に設けられる。これにより、シャフト１の重心位置が一点鎖線Ｍよりも低い位置となり、シャフト１の姿勢が安定しやすくなる。一方、フローティングメタル８は、一点鎖線Ｍよりも上方に設けられる。フローティングメタル８は、軸受ハウジング１５の軸孔４の内部において、最上部に配置される。

本実施形態のシャフト１は、図２に示すように、下方側と上方側とで軸の直径が異なる段付き形状に形成される。以下、下方側の太い部位を大径部１１と呼び、その上方側の細い部位を小径部１２と呼ぶ。大径部１１は、スラストカラー５が固定される部位であり、その直径は軸孔４の内周面に対して所定の隙間が確保される大きさとされる。一方、小径部１２は、フローティングメタル８が遊嵌（回転可能に装着）される部位であり、フローティングメタル８の厚みに相当する分だけ大径部１１よりも寸法が小さく形成される。また、フローティングメタル８の外径は、大径部１１の外径と同一又はほぼ同一とされる。これにより、フローティングメタル８の外表面と大径部１１の外表面とがほぼ面一となる。

フローティングメタル８の下端面９は、シャフト１の外側に向かって下り勾配に傾斜した形状に形成される。また、大径部１１と小径部１２との間には、下端面９の勾配に合わせて徐々に直径が変化するように形成された傾斜部１９が設けられる。下端面９と傾斜部１９との間には、所定の隙間が確保される。同様に、フローティングメタル８の内周面と小径部１２の外周面との間にも、所定の隙間が確保される。

軸受ハウジング１５には、軸孔４の内部（シャフト１の周り）に潤滑油を供給するためのオイル供給路１６と、軸孔４から潤滑油を排出するためのオイル排出路７とが設けられる。オイル供給路１６は、軸受ハウジング１５の最上部近傍に配置され、軸孔４の最上部近傍から潤滑油を流入させるように機能する。一方、オイル排出路７は、スラストカラー５の下方周縁から軸受ハウジング１５の外側に向かって穿孔され、錐形状の傾斜面を流れてきた潤滑油をシャフト１の放射方向へと排出するように機能する。

オイル排出路７の具体的な形状を図３（Ａ）〜（Ｃ）に例示する。図３（Ａ）は、スラストカラー５の下方周縁と軸受ハウジング１５の外表面との間を直線状に接続する通路である。図３（Ｂ）は、スラストカラー５の下方周縁から外側に向かう複数の通路を設けるとともに、各々の通路が軸受ハウジング１５の外表面に到達するように管状通路を追加したものである。これにより、図３（Ａ）に示すものと比較して、潤滑油が効率的に排出されやすくなり、潤滑油の流動性が向上する。図３（Ｃ）は、図３（Ｂ）における管状通路よりも内側の通路のレイアウトを渦巻き模様状にしたものである。渦巻きの方向をシャフト１の回転方向に対応させることで、潤滑油の流動性がさらに向上する。

なお、図２中では記載を省略しているが、軸受ハウジング１５の内部には、エンジン冷却水を利用してシャフト１を冷却する水冷構造が適用される。エンジン冷却水の流路は、軸孔４の外周を囲むように配置される。この水冷構造は、シャフト１，スラストカラー５，フローティングメタル８などを冷却するとともに、タービン２，コンプレッサ３を冷却する機能を持つ。

［２．作用，効果］
（１）上記の過給機１０は、エンジン２０に対して縦置きレイアウトで組み付けられ、タービン２とコンプレッサ３とを接続するシャフト１の延在方向が上下方向に設定される。また、シャフト１には、上方側に頂点を持った円錐状のスラストカラー５が一体固定される。このような構造を採用することで、シャフト１や軸受ハウジング１５に作用する上下方向の荷重をスラストカラー５の底面６で支えることができ、振動負荷に対する耐性を向上させることができる。また、スラストカラー５の上面を傾斜面にすることで、潤滑油を流れやすくすることができ、軸受の潤滑性や回転安定性を確保することができる。

（２）上記の過給機１０では、オイル排出路７がスラストカラー５の下方周縁から軸受ハウジング１５の外側に向かって穿孔される。これにより、スラストカラー５の傾斜面（錐形状の傾斜面）を流れてきた潤滑油をスムーズに排出することができ、潤滑油の流動性や潤滑性を向上させることができる。また、図３（Ｂ）に示すように、シャフト１の放射方向へと潤滑油を排出する複数の通路を設けることで、潤滑油の流動性を高めることができる。さらに、図３（Ｃ）に示すように、潤滑油が流通しやすい方向に沿って形成された渦巻き模様状の通路とした場合には、潤滑油の流動性をさらに改善することができる。

（３）上記のスラストカラー５は、シャフト１の上下方向の中心よりも下方に設けられる。これにより、シャフト１の重心位置が低くなり、過給機１０の作動時におけるシャフト１の回転運動が安定化しやすくなる。また、エンジン２０の搬送時においても、シャフト１の姿勢が安定化しやすくなる。したがって、振動負荷に対する耐性や回転安定性をさらに向上させることができる。

（４）上記のシャフト１には大径部１１と小径部１２とが設けられ、大径部１１にスラストカラー５が固定されるとともに、小径部１２にフローティングメタル８が回転可能に装着される。このように、シャフト１を段付き形状とし、上側を細く下側を太くすることで、重心位置をさらに低くすることができ、振動負荷に対する耐性や回転安定性を向上させることができる。また、小径部１２にフローティングメタル８をはめ込むことで、フローティングメタル８を含むシャフト１の全体を、出っ張りのないスリムな形状にすることができる。

（５）上記のフローティングメタル８の下端面９は、図２に示すように、シャフト１の外側に向かうほど下方に傾斜した形状に形成される。これにより、フローティングメタル８と小径部１２との間の隙間を流通する潤滑油を下方に流れやすくすることができる。したがって、潤滑油の流動性や潤滑性を向上させることができる。
（６）また、上記のフローティングメタル８は、シャフト１の大径部１１とほぼ同一の外径を有するように形成される。これにより、フローティングメタル８の外表面と大径部１１の外表面とをほぼ面一にすることができ、軸孔４の孔径を一定にすることができる。したがって、潤滑油の流動性や潤滑性を向上させることができる。

（７）上記の過給機１０では、タービン２がコンプレッサ３よりも上方に配置される。これにより、高温の排気と外気との比重差を利用して排気ガスを上方へ向かって流れやすくすることができ、排圧損失を削減することができる。また、タービン２が軸受ハウジング１５よりも上方に位置することから、タービンハウジング１３とシャフト１との隙間から潤滑油がタービン２の内部へ進入することがないため、オイル焼けによる白煙の発生や排気エミッションの低下を確実に防止することができる。

［３．変形例］
上述の実施形態では円錐型のスラストカラー５を例示したが、スラストカラー５の具体的な形状はこれに限定されない。例えば、底面６に近づくほど傾斜面の外径の増加率が上昇するような傾斜面をスラストカラー５に設けてもよい。この場合、図４（Ａ）に示すように、回転軸Ｃを通る縦断面におけるスラストカラー５の輪郭形状が曲線状となり、スラストカラー５の全体形状がラッパ状となる。反対に、底面６に近づくほど傾斜面の外径の増加率が低下するような傾斜面をスラストカラー５に設けてもよい。この場合、図４（Ｂ）に示すように、スラストカラー５の全体形状が釣り鐘状となる。何れにしても、少なくとも上方側に頂点を持った錐形状の傾斜面をスラストカラー５に設けることで、上述の実施形態と同様の効果を奏するものとなる。なお、錘形状の高さを小さくすると、底面６側の縁部が薄くなり剛性，強度が確保しにくくなりうるため、図４（Ａ）に示すように、スラストカラー５の底面６側の縁部を切り落としたような形状としてもよい。

フローティングメタル８の具体的な形状に関しても同様である。フローティングメタル８と小径部１２との間の隙間寸法の設定によっては、この隙間を流通する潤滑油量がわずかであり、潤滑油の流動性に大きな影響を与えない場合がある。そこで、図４（Ｂ）に示すように、下端面９及び傾斜部１９をほぼ水平に形成することで、部品の構成を簡素化してもよい。これにより、既存のフローティングメタル８を利用することが可能となり、製品コストや整備コストを削減することができる。

１ シャフト
２ タービン
３ コンプレッサ
４ 軸孔
５ スラストカラー
６ 底面
７ オイル排出路
８ フローティングメタル
９ 下端面
１０ 過給機
１１ 大径部
１２ 小径部
１３ タービンハウジング
１４ コンプレッサハウジング
１５ 軸受ハウジング（ハウジング）
１６ オイル供給路
１７ タービンホイール
１８ コンプレッサホイール
１９ 傾斜部
２０ エンジン
２１ 吸気通路
２２ 排気通路
Ｃ 回転軸

Claims (7)

1. タービンとコンプレッサとの間を上下方向に接続するシャフトと、
   上方側に頂点を持った錐形状の傾斜面を有し、前記シャフトに一体固定されるとともに、前記シャフトの上下方向の荷重を底面で支えるスラストカラーと、
   を備えたことを特徴とする、エンジンの過給機。
2. 前記スラストカラーの下方周縁からハウジングの外側に向かって穿孔され、前記ハウジングと前記シャフトとの間に供給された潤滑油を前記シャフトの放射方向へと排出するオイル排出路をさらに備える
   ことを特徴とする、請求項１記載のエンジンの過給機。
3. 前記スラストカラーが、前記シャフトの上下方向の中心よりも下方に設けられる
   ことを特徴とする、請求項１又は２記載のエンジンの過給機。
4. 前記シャフトが、
   前記スラストカラーと固定される大径部と、
   前記大径部よりも上方で前記大径部よりも細く形成されてラジアル方向の荷重を支えるフローティングメタルが遊嵌される小径部と、を有する
   ことを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載のエンジンの過給機。
5. 前記フローティングメタルが、外側ほど下方に傾斜した下端面を有する
   ことを特徴とする、請求項４記載のエンジンの過給機。
6. 前記フローティングメタルが、前記大径部と同一の外径を有する
   ことを特徴とする、請求項４又は５記載のエンジンの過給機。
7. 前記タービンが、前記コンプレッサよりも上方に配置される
   ことを特徴とする、請求項１〜６の何れか１項に記載のエンジンの過給機。

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