JP2020101173A - ターボ過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】セミフローティング式軸受手段を備えたターボ過給機において、始動時のオイル立ち上がり前に騒音・振動が発生することを防止する。【解決手段】オイルが供給される軸受部１４に、フローティングメタル１５が配置されて、フローティングメタル１５を介して回転軸３が回転自在に保持されている。フローティングメタル１５の内外にオイル溜まり部２７，２９が形成されている。フローティングメタル１５は、Ｏリング２６を介してセンター軸受部１４にて支持されている。始動時のオイル立ち上がり前に回転軸３が回転しても、フローティングメタル１５の軸受部１４に直接当たることはないため、振動や騒音、磨耗を防止できる。【選択図】図２

Description

本願発明は、内燃機関に使用されるターボ過給機に関するものである。

内燃機関に使用されるターボ過給機は、排気ガスで回転駆動されるタービン翼と、吸気を加圧するコンプレッサ翼とを備えており、回転軸の一端部にタービン翼を固定して、回転軸の他端部にコンプレッサ翼を固定している。そして、回転軸の軸受け手段として、耐久性や回転の滑らかさ、或いは冷却性等の点から、軸受部内で若干振れ動くフローティングメタルが使用されている。

すなわち、フローティングメタルは、軸受部の内部に若干の遊びを持った状態で回転不能に保持されている一方、回転軸も若干の遊びを持った状態でフローティングメタルの内部に貫通しており、軸受部にオイルを連続的に供給することにより、回転軸の高速回転を許容している（例えば特許文献１）。

特開２０１４−５１９３９号公報

セミフローティング方式の軸受手段では、回転軸の内外両側がオイルで満たされている状態では、回転軸の回転に伴う振動や機関の振動がオイル層で吸収されて、回転軸は高い耐久性を保持できる。

しかし、ターボ過給機はエンジンの始動とほぼ同時に駆動されるのに対して、オイルはエンジンで駆動されるオイルポンプによって圧送されるため、エンジンを始動してからオイルがターボ過給機に到達するまでにはタイムラグがあり、このため、始動時に、軸受部にオイルが存在しない状態で回転軸が回転する現象が生じて、回転軸と一緒にフローティングメタルがその軸心と直交した方向に振れ動き、これに起因して振動や騒音が発生したり、磨耗が発生したりするおそれがあった。

また、オイルはフローティングメタルの振動を吸収する効果を持っているが、回転軸が高速回転してフローティングメタルの振動エネルギが大きくなると、オイルが供給されている状態であっても、フローティングメタルが軸受部の内周面に当たることは有り得るため、始動後においても、フローティングメタルの振れ動きに起因して騒音や振動が発生するおそれがあった。

本願発明は、このような現状を改善すべく成されたものである。

本願発明は、
「ハウジングに、オイルが充満する軸受部を設けて、前記軸受部に、円筒状のフローティングメタルが遊びを持った状態で配置されており、前記フローティングメタルにより、一端部にタービン翼を設けて他端部にコンプレッサ翼を設けた回転軸が回転自在に保持されている」
という基本構成において、
「前記フローティングメタルと軸受部との間に、Ｏリング又は他の弾性リングが配置されている」
という特徴を持っている。

本願発明において、Ｏリング等の弾性リングは、フローティングメタルに設ける場合と軸受部に設ける場合、及び両方に設ける場合があるが、弾性リングは環状溝に保持する必要があるため、環状溝の加工性の点からは、弾性リングをフローティングメタルの外周に嵌め込むのが合理的である。

また、弾性リングは、フローティングメタル及び軸受部に常に当接している場合と、弾性リングと軸受部又はフローティングメタルとの間に若干の遊び（クリアランス）がある場合との両方を含んでいる。弾性リングがフローティングメタルと軸受部との両方に常に当接している状態であっても、弾性リングは弾性変形（圧縮変形）するため、フローティングメタルが軸心と直交した方向に振れ動くことは許容されている。従って、フローティング軸受の機能が失われることはない。

本願発明では、フローティングメタルは弾性リングを介して軸受部に支持されるため、エンジンの始動時にオイルが存在しない状態でターボ過給機が駆動されても、フローティングメタルが軸受部に小刻みに当たる現象を防止できる。従って、始動時の騒音・振動を防止又は著しく抑制できる。

また、始動後においてオイルが供給されている状態でも、フローティングメタルが軸受部の内面に直接当たることはないため、始動後におけるフローティングメタルの振れ動きに起因した騒音・振動を防止できるし、フローティングメタル又は軸受部の磨耗も防止できる。

また、本願発明では、フローティングメタルの吸振機能は弾性リングが担っているため、オイルは、回転軸の円滑な回転を保持する量で足りる。従って、オイルの供給量を抑制して燃費向上に貢献できる。

また、本願発明では、弾性リングが堰の役割を果たして、オイルが軸受部の端部から排出されることを防止又は著しく抑制できる。これにより、軸受部の両側においてオイルが回転軸の放射方向に飛散してオイルミスト化する現象を抑制できる。その結果、オイルがコンプレッサスクロール室に吸引されることを防止又は著しく抑制して、オイルの消費量抑制及び排気ガスの成分悪化防止に貢献できる。

実施形態に係る排気ターボ過給機の縦断正面図である。 図１の要部拡大図である。 別例の要部縦断正面図である。

(1).全体構成
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、ターボ過給機の全体構成を説明する。本実施形態は、自動車用内燃機関に搭載される排気ターボ過給機に適用したものであり、ターボ過給機は、排気ガスで駆動されるタービン翼１と、エアクリーナから送られた吸気を加圧するコンプレッサ翼２と、これが固定された回転軸３とを有している。タービン翼１は、回転軸３の一端部３ａに圧入によって固定されており、コンプレッサ翼２は、回転軸３の他端部３ｂにナット４で固定されている。回転軸３は略水平姿勢に配置されている。

ターボ過給機は、更に、タービン翼１を囲うタービンハウジング５と、コンプレッサ翼２を囲うコンプレッサハウジング６と、これらタービンハウジング５とコンプレッサハウジング６との間に配置されたセンターハウジング（軸受ハウジング）７とを有している。

タービンハウジング５には、環状のタービンスクロール室８とこれに連通した排気ガス出口通路９とが形成されて、コンプレッサハウジング６には、吸気が入る入口通路１０と、これに連通した環状のコンプレッサスクロール室１１とが形成されている（正確には、コンプレッサスクロール室１１は、コンプレッサハウジング６とセンターハウジング７とで構成されている。）。

図１に黒抜き矢印で示すように、タービンスクロール室８を通過した排気ガスは、回転軸３の軸心方向に開口した出口通路９から排出される。他方、吸気は、回転軸３と同心の入口通路１０から流入して、コンプレッサスクロール室１１に連通した大径の流出口から排出される。なお、タービンハウジング５とセンターハウジング７とはかしめ方式のホルダー１２で一体に締結されており、コンプレッサハウジング６とセンターハウジング７とは、ボルト１３で締結されている。

なお、タービンハウジング５には、タービンスクロール室８と連通した排気ガス入口通路が形成されており、排気ガス入口通路から、出力調節のためのウエストゲート通路が分岐し、ウエストゲート通路は排気ガス出口通路９に開口している。敢えて述べるまでもないが、ウエストゲート通路にはウエストゲートバルブを設けている。

センターハウジング７には、回転軸３と同心の中空穴を有するセンター軸受部１４が形成されており、センター軸受部１４の内部に配置した円筒状のフローティングメタル１５により、回転軸３が回転自在に保持されている。センター軸受部１４が請求項に記載した軸受部に該当する。フローティングメタル１５は、センター軸受部１４に下方から取り付けたストッパーピン１６によって、回転不能に保持されている。従って、フローティングメタル１５の下部には、ストッパーピン１６が若干のクリアランスを持って嵌入するストッパー穴１７が空いている。

回転軸３のうちタービン翼１が取り付けられている一端部３ａは大径になっており、この一端部３ａは、センターハウジング７の一端部に設けた第１サイド軸受部１８に回転自在に保持されている。回転軸３の一端部３ａには環状溝１９が形成されており、この環状溝１９にオイルシール２０を装着している。

回転軸３のうち、センター軸受部１４を挟んでコンプレッサハウジング６の側に寄った部位は、インナーブッシュ２１及びオイルシール２２を介して、センターハウジング７の他端部に装着した第２サイド軸受部２３に回転自在に保持されている。インナーブッシュ２１は回転軸３に固着されており、インナーブッシュ２１と第２サイド軸受部２３との間にオイルシール２２が配置されている。

(2).軸受手段の詳細
図２に示すように、センター軸受部１４の内周面とフローティングメタル１５の外周面との間には若干の間隔が空いており、回転軸３のうちセンター軸受部１４に入っている部分の一端部と他端部とに環状溝２５を形成し、環状溝２５に、弾性リングの一例としてのＯリング２６を嵌め込み装着している。

Ｏリング２６の外周は、センター軸受部１４の内周面に軽く当接している。従って、フローティングメタル１５とセンター軸受部１４との間の空間はＯリング２６によって仕切られているが、Ｏリング２６は弾性に抗して圧縮変形できるため、フローティングメタル１５がその軸心と直交した方向に振れ動くことは許容されている。

２つのＯリング２６で挟まれた部位には、回転軸３を若干小径化することによってアウターオイル溜まり部２７が形成されており、このアウターオイル溜まり部２７に、センターハウジング７に形成したオイル供給通路２８が上方から開口している。オイル供給通路２８には図示しないパイプが接続されており、例えば、シリンダブロックに設けたオイルギャラリーからオイルが供給される。なお、アウターオイル溜まり部２７は、センター軸受部１４の内周面に環状凹所を設けることによって形成してもよい。

回転軸３は、フローティングメタル１５の内部で若干の振れ動きが可能となるように、フローティングメタル１５の内径よりも少し小径の基準径になっている。そして、Ｏリング２６が配置されている両端部は基準径のままとして、その間の部位に、インナーオイル溜まり部２９を形成している。インナーオイル溜まり部２９は、回転軸３を小径化すると共にフローティングメタル１５の内周に凹所を形成することによって形成されている。

フローティングメタル１５の上部には、アウターオイル溜まり部２７とインナーオイル溜まり部２９とに開口した連通穴３０が空いている。実施形態では、オイル供給通路２８と連通穴３０とはほぼ同心になっているが、両者は、軸方向又は周方向にずらして形成することも可能である。

回転軸３のうちタービン翼１の側に位置した部位には、フローティングメタル１５の一端面に当接し得るフランジ３１が形成されている。他方、インナーブッシュ２１には、フローティングメタル１５がコンプレッサ翼２の方向に移動することを規制するフランジ２１ａを形成している。フローティングメタル１５の長さは、回転軸３のフランジ３１とインナーブッシュ２１のフランジ２１ａとの間隔寸法より若干短くなっている。このため、フローティングメタル１５は軸方向にも若干は移動し得る。

センターハウジング７のうちセンター軸受部１４を設けた部位は下向きに開口した空洞部３２になっており、潤滑の仕事をしたオイルは、空洞部３２の下端に接続したドレンパイプ（図示せず）によって、シリンダブロック又はオイルパンに戻される。空洞部３２は、センター軸受部１４の一端部を囲う第１環状空間３２ａと、他端部を囲う第２環状空間３２ｂとを有している。従って、センター軸受部１４は、空洞部３２の内部に吊り下げられたような状態で配置されている。

(3).まとめ
本実施形態では、フローティングメタル１５は、Ｏリング２６を介してセンター軸受部１４で支持されているため、エンジンの始動時にオイルが供給される前に回転軸３が回転開始しても、フローティングメタル１５がセンター軸受部１４の内面に小刻みに当たるようなことはない。従って、オイルの立ち上がり前の状態で騒音や振動が発生することを、防止又は著しく抑制できる。

また、始動時及び始動後を問わず、フローティングメタル１５がセンター軸受部１４の内面に直接当たることはないため、フローティングメタル１５及びセンター軸受部１４の磨耗も防止できる。実施形態のようにアウターオイル溜まり部２７を形成すると、フローティングメタル１５がオイルを介して全周に亙って軸心側に押されるため、フローティングメタル１５を回転軸３と同心に保持する機能に優れている。

さて、オイルのうち本来の潤滑機能を発揮するのは、フローティングメタル１５と回転軸３と間に流入した部分であるが、従来は、オイルはセンター軸受部１４とフローティングメタル１５との間の空間からも環状空間３２ａ，３２ｂに流出していた。従って、潤滑機能を保持するために必要な量よりも多い量のオイルが使用されていたと云える。

これに対して本実施形態では、アウターオイル溜まり部２７の両端はＯリング２６によって閉じられているため、オイルは、専ら連通穴３０からインナーオイル溜まり部２９に流れ込む。従って、回転軸３の潤滑に必要なだけのオイル量であれば足りる。これにより、ターボ過給機に供給するオイル量を低減して、それだけオイルポンプの負担を軽減して燃費の向上に貢献できる。

他方、センター軸受部１４とフローティングメタル１５との間の空間から両側にオイルが流出していると、特に、インナーブッシュ２１の回転によってオイルが放射方向に振り飛ばされてミスト化し、このミスト化したオイルが、第２サイド軸受部２３とセンターハウジング７との間の微細な隙間を経由してコンプレッサスクロール室１１に吸引されることが懸念される。

これに対して本実施形態では、センター軸受部１４の両端部から流出するオイルの量を大幅に低減できることにより、オイルミストの発生量を格段に低減できるため、コンプレッサスクロール室１１に吸引されるオイルの量も著しく低減できる。従って、オイルの消費を抑制できると共に、排気ガスの悪化も防止できる。

本実施形態のように、Ｏリング２６をセンター軸受部１４の内周面に当接させていると、センター軸受部１４が軸方向に動くことが抑制されるため、フローティングメタル１５が軸方向に振動することに起因した振動や騒音、磨耗も防止できる。

以上の実施形態は、フローティングメタル１５にＯリング２６を装着した場合であったが、図３に別例として示すように、センター軸受部１４の内周面に環状溝２５を形成して、これにＯリング２６を装着することも可能である。

以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は他にも様々に具体化できる。例えば、弾性リングとしては、Ｏリングに代えて断面角形のものも使用できる。弾性リングは、押し広げ可能な非ループ状であってもよい。

本願発明は、内燃機関のターボ過給機に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ タービン翼
２ コンプレッサ翼
３ 回転軸
３ａ 一端部
３ｂ 他端部
５ タービンハウジング
６ コンプレッサハウジング
７ センターハウジング（軸受ハウジング）
１４ センター軸受部（請求項の軸受部）
１５ フローティングメタル
１９ インナーブッシュ
２５ 環状溝
２６ 弾性リングの一例としてのＯリング
２７ アウターオイル溜まり部
２９ インナーオイル溜まり部

Claims (1)

1. ハウジングに、オイルが充満する軸受部を設けて、前記軸受部に、円筒状のフローティングメタルが遊びを持った状態で配置されており、前記フローティングメタルにより、一端部にタービン翼を設けて他端部にコンプレッサ翼を設けた回転軸が回転自在に保持されている構成であって、
   前記フローティングメタルと軸受部との間に、Ｏリング又は他の弾性リングが配置されている、
   ターボ過給機。

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