JP2017110552A - ターボ過給機の潤滑構造 - Google Patents

Abstract

【課題】２ステージ・ターボシステムの高圧段のターボ過給機において、その逆回転による信頼性の低下を軽減する。【解決手段】ＨＰターボのタービンシャフト８が挿通される円筒状のベアリング１０にオイルを供給するための油路（オイル供給路９２）が、ベアリングハウジング９に形成されて、ベアリング１０の外周面に臨んで開口している。タービンシャフト８の軸心Ｘの方向に見て、オイル供給路９２の下流側の部分が、その端部の開口からタービンシャフト８の径方向外方に向かいつつ、タービンシャフト８の回転する向きと反対側に所定角度θ以上、傾斜して延びている。【選択図】図４

Description

本発明は、エンジンなどに装備されるターボ過給機の潤滑構造に関し、特に、吸気通路において吸気の流れの上流側に低圧段のターボ過給機を配設し、その下流側には高圧段のターボ過給機を配設する場合に好適なものに係る。

従来より、車両などに搭載されるエンジンにおいて、排気エネルギを利用して吸気を過給するターボ過給機が用いられることがある。一般にターボ過給機は、排気の流れを受けて回転するタービンホイールと、このタービンホイールにタービンシャフト（回転シャフト）により連結されて一体に回転し、吸気を圧縮して過給するコンプレッサインペラと、を備えている。

そして、例えば１分間に１０万回転以上という高速で回転するタービンシャフトのベアリングには、潤滑油としてエンジンオイル（単にオイルともいう）が供給されるようになっている。一例として特許文献１に記載のターボ過給機では、ベアリングに潤滑油を供給するオイル供給管（油路）が、ベアリングハウジングを貫通してタービンシャフトの径方向外方に延びている。

このオイル供給管が、タービンシャフトが挿通される円筒状のベアリングホルダの外周面と、これを取り囲むベアリングハウジングの内周面との隙間にオイルを供給して、油膜を形成する。また、その隙間からベアリングホルダの小孔を通じて、当該ベアリングホルダの内周面とタービンシャフトの外周面との隙間にもオイルが供給される。

特開２０１５−１６１１７９号公報

ところで、近年、２つのターボ過給機を切り替えて動作させる、いわゆる２ステージ・ターボシステムが実用化されており、吸気通路には吸気の流れの上流側に位置する低圧段のターボ過給機と、その下流側に位置する高圧段のターボ過給機とが配設される。この場合に２つのターボ過給機のレイアウトの制約によって、両者の回転する向きが逆になることが、即ち、吸気の流れに沿って上流側から下流側に見た場合に、一方が右回り（時計回り）になり、他方が左回り（反時計回り）になることがある。

この場合には、例えば低圧段のターボ過給機が右回りに回転するようになっていると、これにより圧縮された吸気の流れには右回りの旋回成分が含まれることになり、この吸気の流れが、停止状態またはアイドリング状態になっている高圧段のターボ過給機に流入すると、これを受けてコンプレッサインペラが右回りに回転しようとすることが分かった。つまり、本来、左回りに回転するはずの高圧段のターボ過給機が逆向きに回転することになり、信頼性の低下を招くおそれがある。

かかる新規な知見に基づいて本発明の目的は、例えば２ステージ・ターボシステムの高圧段として用いられるターボ過給機において、その逆回転による信頼性の低下を抑制することにある。

前記の目的を達成するために本発明は、ターボ過給機の回転シャフト（タービンシャフト）のベアリングに供給する潤滑油の流れの向きを、回転シャフトの回転を助勢するように設定し、その流れによって回転シャフトの逆回転を抑制するようにしている。すなわち、本発明は、ターボ過給機の回転シャフトのベアリングに潤滑油を供給するための油路がベアリングハウジングに形成されている潤滑構造を対象とする。

そして、前記ベアリングが前記回転シャフトの挿通される円筒状とされ、その外周面に臨んで前記油路の下流側の端部が開口している場合に、当該回転シャフトの軸心の方向に見て、前記油路の下流側の部分が、その端部の開口から前記回転シャフトの径方向外方に向かいつつ、この回転シャフトの回転する向きと反対側に所定角度以上、傾斜して延びるように形成した。

前記の潤滑構造によれば、ターボ過給機のベアリングに潤滑油を供給する油路の下流側の部分が、回転シャフトの軸心の方向に見ると、ベアリングの外周から径方向外方に向かいつつ、回転シャフトの回転する向きと反対側に傾斜して延びている。このため、その下流側の部分を流通して、油路の下流端部の開口からベアリングの外周面に向かって供給される潤滑油の流れは、回転シャフトの周方向についてその回転する向きとなる。

よって、その潤滑油の流れを受けてベアリングの外周および内周の油膜が回転シャフトの回転する向きに流れるようになり、これにより回転シャフトの回転が助勢され、逆向きの回転は抑制される。したがって、例えばターボ過給機が２ステージ・ターボシステムの下流側のターボ過給機であって、上流側のターボ過給機からの吸気の流れに逆回転の向きの旋回成分が含まれていても、これによる回転シャフトの逆回転を抑えて、信頼性の低下を抑制できる。

そのようにしてベアリングに供給する潤滑油の流れによって、回転シャフトの回転を効果的に助勢するために好ましいのは、その潤滑油の流れの向きを、回転シャフトの径方向および周方向の中間よりも周方向に向けることである。すなわち、前記のようにベアリングに潤滑油を供給する油路の下流側の部分を、回転シャフトの軸心に沿って見て、その径方向に対し４５°以上、傾斜させることが好ましい。

また、ベアリングとしては、前記のような潤滑油の流れを受けて、回転シャフトの回転する向きに回転可能なフルフローティング・タイプとすることが好ましいが、ベアリング自体の回転は規制されていても、その内外周に形成される油膜の流動によって回転シャフトの回転を助勢できるので、いわゆるセミフローティング・タイプのベアリングであってもよい。

さらに、前記のようにベアリングに潤滑油を供給する油路の下流側の部分は、回転シャフトの軸心と直交する方向から見た場合は、その軸心とほぼ直交することが好ましいが、或る程度傾斜していてもよい。また、その油路の下流側の部分は１本であってもよいが、複数本であってもよい。複数本、設ける場合は、それらを回転シャフトの軸心の方向に離間させるのが好ましく、その上さらに回転シャフトの軸心の回り、即ち周方向にも離間させるのが好ましい。

本発明に係るターボ過給機の潤滑構造によると、ターボ過給機のベアリングに供給する潤滑油の流れを利用して、回転シャフトの逆回転を抑制することができるので、例えば２ステージ・ターボシステムの下流側のターボ過給機などに適用した場合に、上流側のターボ過給機からの吸気の流れを受けても、コンプレッサインペラが逆向きに回転し難くなり、信頼性の低下を抑制できる。

本発明の実施の形態に係るターボ過給機を備えたエンジンの２ステージ・ターボシステムの概略構成図である。 ＨＰターボ（高圧段のターボ過給機）の構造を示す縦断面図である。 ＬＰターボからの吸気の流れを受けて、ＨＰターボのコンプレッサインペラが逆向きに回転することを示す模式図である。 オイル供給路の下流側の第２の分岐路を示す、図２のIV-IV線における断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施の形態は一例として、自動車に搭載されたエンジン１に、本発明に係るターボ過給機を装備した場合について説明する。なお、エンジン１としては例えば、筒内直接噴射式のディーゼルエンジン、筒内直接噴射式または吸気ポート噴射式のガソリンエンジンなどが挙げられる。

−エンジンの２ステージ・ターボシステム−
図１は、本実施の形態に係るエンジン１に設けられた２ステージ・ターボシステムを概略的に示しており、このシステムは、低圧段および高圧段の２つのターボ過給機２，３を直列に配置し、エンジン１の運転状態に応じて切り替えて動作させるようにしたものである。すなわち、まず、エンジン１の吸気通路１１には、吸気の流れの上流側に低圧段のターボ過給機２（以下、ＬＰターボ２ともいう）のコンプレッサインペラ２１が配設され、吸気通路１１を流通する吸気を圧縮するようになっている。

このＬＰターボ２は、中高速域で過給能力が高くなる大容量の高速型ターボ過給機であり、その下流側には比較的小容量の高圧段のターボ過給機３（以下、ＨＰターボ３ともいう）のコンプレッサインペラ４が配設されている。ＨＰターボ３は、エンジン１の低中速域で過給能力が高くなる低速型のターボ過給機であり、前記ＬＰターボ２によって圧縮された吸気をさらに圧縮する。こうして圧縮されて温度の上昇した吸気を冷却するために、ＨＰターボ３の下流側にはインタークーラ１２が配設されている。

さらに、吸気通路１１には、前記ＨＰターボ３のコンプレッサインペラ４をバイパスして、その上流側から下流側に吸気を流通させる吸気バイパス通路１３と、この吸気バイパス通路１３を流れる吸気の流量を調整可能な吸気切替弁１４とが設けられている。吸気切替弁１４の開度を増加させるほど、コンプレッサインペラ４をバイパスする吸気の流量が増大し、開度を減少させるほど、バイパスする吸気の流量は減少する。

一方、エンジン１の排気通路１５には、図示しない排気マニホルドよりも排気の流れの下流側に前記ＨＰターボ３のタービンホイール５が配設されており、排気の流れを受けて回転する。また、このタービンホイール５よりも下流側の排気通路１５には、ＬＰターボ２のタービンホイール２２が配設されており、前記ＨＰターボ３を通過した排気を受けて回転し、タービンシャフト２３を介してコンプレッサインペラ２１を回転させる。

さらに、排気通路１５には、前記ＨＰターボ３のタービンホイール５をバイパスして、その上流側から下流側に排気を流通させる排気バイパス通路１６と、この排気バイパス通路１６を流れる排気の流量を調整可能な排気切替弁１７とが設けられている。排気切替弁１７の開度を増加させるほど、ＨＰターボ３をバイパスする排気の流量が増大し、開度を減少させるほど、バイパスする排気の流量は減少する。なお、排気通路１５には、ＬＰターボ２のタービンホイール２２をバイパスする排気バイパス通路１８も設けられており、ここにはウエストゲート弁１９が設けられている。

そして、エンジン１のコントローラであるＥＣＵ１００からの指令信号に応じて、前記の吸気切替弁１４および排気切替弁１７の開度がエンジン１の運転状態に基づいて制御され、ＬＰターボ２およびＨＰターボ３の動作が切り替えられるようになっている。例えば、エンジン回転数が特に低い運転領域では吸気切替弁１４および排気切替弁１７が全閉とされ、ＬＰターボ２およびＨＰターボ３の双方が吸気を過給する。なお、このときにはウエストゲート弁１９も閉じられている。

そして、エンジン回転数の上昇に連れて排気切替弁１７が開かれ、徐々にＨＰターボ３による過給の度合いが低下するとともに、ＬＰターボ２による過給の度合いが高くなってゆく。さらにエンジン回転数またはエンジン負荷が上昇して中高回転の運転領域になると、吸気切替弁１４も開かれて主にＬＰターボ２による過給状態に切り替わり、ＨＰターボ３は実質、過給を行わないアイドリング状態になる。そして、高負荷高回転の所定運転領域ではウエストゲート弁１９が開かれる。

−ＨＰターボの構造−
以下、図２を参照してＨＰターボ３の構造を詳細に説明する。なお、詳しい説明は省略するが、ＬＰターボ２についても概ね同じような構造である。図の左側に示すようにＨＰターボ３のコンプレッサインペラ４は、吸気通路１１（図２には示さず）に介設されるコンプレッサハウジング６に収容されており、反対の右側に示すようにタービンホイール５は、排気通路１５（図２には示さず）に介設されたタービンハウジング７に収容されている。

前記コンプレッサインペラ４は、その中心部をタービンシャフト８の一端側が貫通し、このタービンシャフト８の一端部に螺合するナット８ａによって締結されている。一方、タービンシャフト８の他端部は溶接などによってタービンホイール５に固定されており、このタービンホイール５が回転するとコンプレッサインペラ４も回転し、吸気を圧縮してエンジン１に供給するようになっている（過給）。

すなわち、タービンハウジング７には、タービンホイール５の収容室７１の外周を囲んで排気の導入路７２（スクロール７２）が形成されて、排気通路１５からの排気の流れをタービンホイール５に導入するようになっている。この排気の流れを受けてタービンホイール５が回転し、そのブレードの間を通過する際に膨張した排気の流れは、収容室７１に連通する排気口７３から排出される。

一方、コンプレッサハウジング６には、収容室６１に収容されたコンプレッサインペラ４と対向するように吸気の吸入口６２が形成され、ここから吸い込まれた空気がコンプレッサインペラ４の回転によって、その外周側に送り出されるようになっている。コンプレッサハウジング６の外周側には導出路６３（スクロール６３）が形成されており、前記のようにコンプレッサインペラ４から送り出される空気は圧縮され、スクロール６３に沿って送り出される。

それらコンプレッサハウジング６およびタービンハウジング７の間にはベアリングハウジング９が配設されて、両者を連結一体化するとともに、ラジアルベアリング１０（以下、単にベアリングともいう）によってタービンシャフト８を回転自在に支持している。そして、ベアリングハウジング９には、エンジン１の冷却水が流れるウォータジャケット９１、ベアリング１０を潤滑するエンジンオイルの供給路（オイル供給路９２）およびそのドレン空間９３などが形成されている。

−ベアリングの潤滑構造−
前記ベアリング１０は、タービンシャフト８の挿通される円筒状のすべり軸受けであり、ベアリングハウジング９の概略中央に形成されたベアリング収容空間９４に収容されている。一例としてベアリング１０は、タービンシャフト８の周りを自由に回転可能なフルフローティング・タイプのものであり、その内周面とタービンシャフト８の外周面との間に形成される油膜に浮かせたような状態で、タービンシャフト８を回転可能に支持している。

また、ベアリング１０のコンプレッサインペラ４に近い側（図２の左側）に隣接して、スラストカラー９５が配設され、その外周の溝部にスラストディスク９６を挟みこんで、いわゆるスラストベアリングを構成している。スラストベアリングは、ＨＰターボ３の動作中にタービンシャフト８に作用するスラスト荷重を支持するもので、スラストディスク９６は、例えば自己潤滑性を有する合成樹脂材や金属材などで形成されている。

そして、前記ベアリング１０には潤滑油としてエンジンオイル（以下、単にオイルという）が供給されるようになっている。すなわち、図示はしないが、エンジン１のオイルパンから汲み上げられたオイルが、オイル供給配管を介してベアリングハウジング９のオイル供給路９２（ベアリング１０に潤滑油を供給するための油路）に供給される。このオイル供給路９２は、ベアリングハウジング９の外周部に開口する上流側の油路９２ａと、その下流端（図の下端）が連通するオイル溜まり９２ｂと、を備えている。

また、オイル供給路９２には、前記オイル溜まり９２ｂのコンプレッサインペラ４寄りの端（図２の左端）からスラストカラー９５に向かって延びる第１の分岐路９２ｃと、オイル溜まり９２ｂのタービンホイール５寄りの端（図２の右端）からベアリング１０に向かって延びる第２の分岐路９２ｄ（オイル供給路９２の下流側の部分）とが設けられ、それぞれスラストカラー９５およびベアリング１０にオイルを供給するようになっている。

前記第２の分岐路９２ｄは、以下に図４を参照して説明するように上下方向に延びていて、その下端部（下流側の端部）がベアリング収容空間９４の内周面に開口し、ベアリング１０の外周面に臨んでいる。この第２の分岐路９２ｄから供給されるオイルによって、ベアリング収容空間９４の内周面とベアリング１０の外周面との間に油膜が形成される。また、ベアリング１０にはその径方向に貫通するオイル孔１０ａが複数、設けられており、これによりベアリング１０の内周面とタービンシャフト８の外周面との間にもオイルが供給される。

こうして供給されるオイルによってベアリング１０およびタービンシャフト８を効果的に冷却することができるとともに、ベアリング１０の内外周の油膜が保持されて、タービンシャフト８の振動を抑制するダンピング効果が得られる。一方、ベアリング１０から排出されるオイルは、タービンシャフト８の軸心Ｘの方向に流れて、ベアリング１０の両端部からそれぞれドレン空間９３へと落下するようになる。

−オイル供給路の第２の分岐路−
ところで、本実施の形態の２ステージ・ターボシステムでは、上述したようにエンジン１の吸気通路１１において上流側にＬＰターボ２が配設され、その下流側にＨＰターボ３が配設されている。そして、それらのレイアウトの制約によってＬＰターボ２およびＨＰターボ３の回転する向きが逆になっている。即ち、吸気の流れに沿って上流側から下流側に見た場合に、例えばＬＰターボ２が右回り（時計回り）に回転し、一方、ＨＰターボ３は左回り（反時計回り）に回転する。

こうしてＬＰターボ２のコンプレッサインペラ２１が右回りに回転すると、図３には模式的に示すように、これにより圧縮されて送り出される吸気の流れＦには右回りの旋回成分Ｓが含まれるようになる。そして、その吸気の流れＦがＨＰターボ３のコンプレッサハウジング６に流入すると、これを受けてコンプレッサインペラ４が右回りに回転しようとすることが分かった。

例えば、上述したようにエンジン１が中高回転の運転領域に移行し、吸気切替弁１４が開かれて主にＬＰターボ２による過給状態に切り替わるとき、アイドリング状態になるＨＰターボ３のコンプレッサハウジング６には、前記のように右回りの旋回成分Ｓを含んだ吸気の流れＦが流入する。そして、この吸気の流れＦを受けたコンプレッサインペラ４は、本来の左回りとは逆向きの右回りに回転しようとする。

このようにコンプレッサインペラ４が逆回転すると、これと一体にタービンシャフト８も逆回転することになり、この場合はスラストカラー９５およびスラストディスク９６によってスラスト荷重を十分に支持できないことから、信頼性の低下を招くおそれがあった。そこで、本実施の形態では、以下に説明するようにＨＰターボ３のタービンシャフト８のベアリング１０にオイル供給路９２から供給するオイルの流れを利用して、タービンシャフト８の逆回転を抑制するようにしている。

具体的には図４にベアリングハウジング９を断面で示すように、タービンシャフト８の軸心Ｘの方向に見ると、オイル供給路９２の第２の分岐路９２ｄは、ベアリング１０の外周面に臨む下端部（開口）からタービンシャフト８の径方向外方（図示の矢印Ｒの方向）に向かいながら、タービンシャフト８の回転する（図４では時計回りの）向きと反対側に所定角度θ（図示の例では４５°）以上、傾斜して延びている。

このようにタービンシャフト８の径方向（Ｒ）に対して傾斜した第２の分岐路９２ｄから流出し、ベアリング１０の外周面に向かって供給されるオイルは、図４に矢印Ｏとして示すように、ベアリング１０の周りをタービンシャフト８の回転する向きに流れるようになる。これによりベアリング１０には、タービンシャフト８と同じ向きに回転させるような力が作用し、その内周面とタービンシャフト８の外周面との間の油膜を介してタービンシャフト８にも、その回転を助勢するような力が作用する。

特に本実施の形態では、前記第２の分岐路９２ｄが、タービンシャフト８の径方向（Ｒ）に対して約４５°以上、傾斜しているので、その下端部から流出するオイルの向きは、タービンシャフト８の径方向（Ｒ）および周方向の中間（θ＝４５°）から周方向寄りになる。このため、このオイルの流れによってベアリング１０およびタービンシャフト８の回転を効果的に助勢することができる。

なお、図２に表れているように第２の分岐路９２ｄは、タービンシャフト８の軸心Ｘと直交する横方向から見ると、その軸心Ｘとほぼ直交するように設けられている。つまり、第２の分岐路９２ｄは、タービンシャフト８の軸心Ｘと直交する仮想平面上を延びており、ここから供給されるオイルの流れは、タービンシャフト８の軸心Ｘの方向の速度成分を有さない。このことは、オイルの流れによってベアリング１０およびタービンシャフト８の回転を助勢する上で有利になる。

したがって、本実施の形態に係るターボ過給機の潤滑構造によると、２ステージ・ターボシステムを装備するエンジン１の吸気通路１１の下流側に配置されたＨＰターボ３において、ベアリング１０に供給するオイルの流れがタービンシャフト８の正回転を助勢するようにしたので、図３を参照して上述したように、上流側のＬＰターボ２からの吸気の流れＦに逆向きの旋回成分Ｓが含まれていても、タービンシャフト８の逆回転を抑制でき、その信頼性の低下を抑制できる。

しかも、本実施の形態ではフルフローティング・タイプのベアリング１０を用いており、前記のように外周面に向かって供給されるオイルの流れを受けてベアリング１０自体が回転し、その内周面とタービンシャフト８の外周面との間の油膜を介して、当該タービンシャフト８の回転を助勢するようになる。このため、ベアリング１０の外周面に供給するオイルの流れによって、タービンシャフト８の回転を効果的に助勢することができる。

−他の実施形態−
本発明の構成は、上述した実施の形態に限定されることなく、その他の種々の形態を包含している。すなわち、前記実施の形態ではベアリング１０をフルフローティング・タイプのものとしているが、これに限らず、いわゆるセミフローティング・タイプのものとしてもよい。これは、ベアリング１０自体の回転は規制されていても、その内外周に形成される油膜を介してタービンシャフト８の逆回転を抑制できるからである。

また、図４を参照して上述したように、前記実施の形態ではオイル供給路９２の第２の分岐路９２ｄを径方向（Ｒ）から所定角度θ（４５°）以上、傾斜させているが、これは４５°未満であってもよい。但し、θ≦９０であれば、θが大きいほど、オイルの流れがタービンシャフト８の回転を助勢する効果が高いので、好ましくはθ≧３０°、少なくともθ≧１５°とするのが好ましい。

さらに、前記実施の形態ではタービンシャフト８の軸心Ｘと直交する方向から見ると、第２の分岐路９２ｄが軸心Ｘとほぼ直交しているが、第２の分岐路９２ｄを軸心Ｘの方向に或る程度、傾斜させてもよい。また、第２の分岐路９２ｄは１本でなく、複数本であってもよい。この場合はそれらをタービンシャフト８の軸心Ｘの方向に離間させるのが好ましく、その上さらにタービンシャフト８の周方向にも離間させるのが好ましい。

さらにまた、前記実施の形態ではエンジン１の吸気通路１１に低圧段のＬＰターボ２と高圧段のＨＰターボ３とを配設し、それらを切り替えて動作させる２ステージ・ターボシステムを例示しているが、これにも限定されず、本発明は、例えば３ステージ・ターボシステムにも適用できる。また、ターボ過給機よりも吸気の上流側にターボ過給機以外の過給機、即ち電動式或いは機械駆動式の過給機が設けられている場合にも、その下流側のターボ過給機の潤滑構造として本発明を適用することができる。

本発明は、エンジンなどに装備されるターボ過給機に適用可能であり、いわゆる２ステージ・ターボシステムの高圧段のターボ過給機に適用して、その信頼性を高める効果が高い。

１ エンジン
３ 高圧段のターボ過給機（ＨＰターボ）
８ タービンシャフト（回転シャフト）
９ ベアリングハウジング
９２ オイル供給路（ベアリングに潤滑油を供給するための油路）
９２ｄ 第２の分岐路（油路の下流側の部分）
１０ ベアリング
Ｘ タービンシャフトの軸心

Claims (1)

1. ターボ過給機の回転シャフトのベアリングに潤滑油を供給するための油路がベアリングハウジングに形成されている潤滑構造であって、
   前記ベアリングが前記回転シャフトの挿通される円筒状とされ、その外周面に臨んで前記油路の下流側の端部が開口しており、
   前記回転シャフトの軸心の方向に見て、前記油路の下流側の部分は、その端部の開口から当該回転シャフトの径方向外方に向かいつつ、この回転シャフトの回転する向きと反対側に所定角度以上、傾斜して延びていることを特徴とするターボ過給機の潤滑構造。

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