JP2020139438A

JP2020139438A - ターボ過給機

Info

Publication number: JP2020139438A
Application number: JP2019034490A
Authority: JP
Inventors: 和成渡邉; Kazunari Watanabe
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2019-02-27
Filing date: 2019-02-27
Publication date: 2020-09-03

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、オイル流れによる抵抗のために回転軸の高速回転が抑制される現象を防止する。【解決手段】オイルがオイル流入通路２７から供給される軸受部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２６，３０が形成されており、フローティングメタル１５にはオイル導入穴３１が形成されている。オイル導入穴３１は、回転軸３の外周と接するような姿勢であると共に、オイルが回転軸３の回転を助長する方向に吐出する向きとなるように形成されている。オイルによって回転軸３の回転が助長されるため、高速回転域でも高い過給応答性を実現できる。【選択図】図３

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又は回転可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挿通されており、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。

正確に述べると、フローティングメタルにはその内外に開口したオイル導入穴が空いており、軸受部に供給されたオイルを、オイル導入穴からフローティングメタルの内部に流入させることにより、回転軸とフローティングメタルとの間の潤滑を行っている。

そして、特許文献１には、回転式のフローティングメタルに関して、フローティングメタルの内部でのオイル量増大を目的として、オイル導入穴を、オイルの吐出方向が回転軸の回転方向と対向するように形成すると共に、オイル導入穴のうちオイルが流入する入口部を、オイルが流入しやすいように部分的に削ることが開示されている。

特開２０１３−６４５１０号公報

さて、オイルは粘性を有するため、回転軸が高速回転すると、オイル流れが回転に対する抵抗として作用するようになる。特に、フローティングメタルが回転はせずに振れ動くタイプである場合は、オイルが回転軸の高速回転に対する抵抗として作用しやすいため、排気ガスの量に比例してターボ過給機の出力が増大しない現象を生じて、高速回転域において過給応答性（加速応答性）が低下する現象が生じやすい。

そこで特許文献１について検討するに、特許文献１のフローティングメタルは、回転軸と一緒に連れ回転するタイプであり、オイル導入穴へのオイルの流入性を高めるべく、オイル導入穴の入口を削って広げているが、オイル導入穴から排出されたオイルは回転軸の回転方向と対向する方向に吐出されるため、オイルの流れが回転軸の回転に対して強い抵抗として作用するおそれがあり、結果として、高速回転域において十分な過給性能を得ることができなくなったり、メカロスが増大したりする不具合が懸念される。

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おり、
かつ、前記フローティングメタルには、オイルが外周から内周に向けて流れるオイル導入穴を空けている」
という構成において、
「前記オイル導入穴は、前記回転軸の外周と略接するような姿勢で、且つ、オイルが前記回転軸の回転を助長する方向に吐出されるように形成されている」
という特徴を有している。

本願発明では、フローティングメタルのオイル導入穴を通過してフローティングメタルの内部に流入したオイルによって回転軸の回転が助長されるため、回転軸を高速回転させることができる。このため、高速回転域でも高い過給応答性を確保して加速応答性を向上できる。また、メカロスを低減して燃費の向上にも貢献できる。

更に、フローティングメタルと回転軸との間の空間には、回転軸と同じ方向に旋回するオイルの旋回流が形成されるが、回転軸の回転がオイルによって加速されると、オイルの旋回流の流速も速くなるため、回転軸とフローティングメタルとの間の油膜の厚さが均一化して、回転軸は、コマが高速回転すると振れが止まるのと同様の原理により、軸心と直交した方向に振れ動くことが大幅に抑制される。その結果、軸受機能を向上させて、回転軸やオイルシール、或いはタービンなどの磨耗を抑制して耐久性の向上に貢献できる。

本願発明は、フローティングメタルが回転するタイプにも適用できるが、フローティングメタルが回転せずに揺動するタイプに適用すると、オイル導入穴へのオイルの流入が確実化されるため、特に好適である（なお、フローティングメタルが回転しないタイプでは、フローティングメタルの回転に対するオイルの抵抗は生じないため、メカロス抑制の点では有利である。）。

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。（Ａ）は図２のIIIA-IIIA 視断面図：（Ｂ）〜（Ｄ）は別例を示す図である。

(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、これら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。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（図２参照）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、フローティングメタル１５の外周には、その両端部を除いて外径を少し縮径することによってアウター環状凹所２５が形成されており、これにより、フローティングメタル１５とセンター軸受部１４との間にアウターオイル溜まり部２６を形成している。そして、センター軸受部１４の上部に、アウターオイル溜まり部２６と連通したオイル流入通路２７を形成している。なお、アウターオイル溜まり部２６は、センター軸受部１４に凹所を形成することによって形成してもよい。

また、フローティングメタル１５の内周には、その両端部を除いて大径化することによってインナー凹所２８を形成している一方、回転軸３の外周に、インナー凹所２８に対応した小径部２９を形成しており、これらインナー凹所２８と小径部２９との間の空間をインナーオイル溜まり部３０と成している。

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。他方、フローティングメタル１５は、センター軸受部１４の内部に僅かに振れ動き得る基準径になっている。

フローティングメタル１５には、アウターオイル溜まり部２６とインナーオイル溜まり部３０とに開口したオイル導入穴３１が空いている。実施形態では、オイル導入穴３１はオイル流入通路２７よりもコンプレッサ翼２の側にずらして形成しているが、オイル流入通路２７とオイル導入穴３１とを同じ位置に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３２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３２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３３になっており、潤滑の仕事をしたオイルは、空洞部３３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３３は、センター軸受部１４の一端部を囲う第１環状空間３３ａと、他端部を囲う第２環状空間３３ｂとを有している。従って、センター軸受部１４は、空洞部３３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
図３（Ａ）に示すように、オイル導入穴３１は、回転軸３の外周と接するような姿勢になっており、かつ、回転軸３と接する箇所において、回転軸３の回転方向とオイルの流れ方向とが一致している。このため、回転軸３は、オイルの流れによって回転が助長される。従って、回転軸３の高速回転を許容して、高速回転域においても高い過給応答性を確保できる。その結果、高速域でも高い加速性能を確保できる。

また、インナーオイル溜まり部３０には、オイルが方向性を持って流入することと、回転軸３の回転によってオイルが引かれることとの相乗作用により、オイルの旋回流が生じるが、回転軸３が高速回転するとオイルの旋回流の流速も速くなるため、オイル層の厚さが均一化されて、回転軸３の振れが抑制される。このため、軸受機能が向上して、部材の磨耗を大幅に抑制できる。

実施形態のように、オイル導入穴３１を、回転軸３及びフローティングメタル１５の軸心を挟んだ両側に形成すると、回転軸３は、その軸心を挟んだ両側から回転方向に押されるため、回転の高速化と安定化とを更に助長できる。なお、インナーオイル溜まり部３０に流入したオイルは、フローティングメタル１５の両端部から空洞部３３に溢れ出る。

図３（Ｂ）に示す例では、４本のオイル導入穴３１を９０°間隔で形成している。この例では、回転軸３の回転は更に助長できる。図示していないが、３本のオイル導入穴３１を１２０°間隔で形成することも可能である。

図３（Ｃ）に示す例では、オイル導入穴３１は、軸心方向に離れた２か所に一対ずつ形成されている。従って、合計で４本のオイル導入穴３１が存在している。実施形態では、軸心方向から見て、４本のオイル導入穴３１が周方向に９０°間隔で形成されているが、一対ずつのオイル導入穴３１を同じ姿勢に形成することも可能である。

図３（Ａ）〜（Ｃ）では、オイル導入穴３１は上下方向（鉛直方向）又は左右方向（水平方向）に向いた姿勢になっていたが、図３（Ｄ）に示す例では、オイル導入穴３１は、鉛直方向及び水平方向に対して傾斜した姿勢になっている。

なお、フローティングメタル１５が回転軸３に連れ回転すると、オイルがフローティングメタル１５の回転に対する抵抗として作用するが、フローティングメタル１５の外周の面積は回転軸３の外周の面積に比べて遥かに大きいため、フローティングメタル１５が回転しないタイプに比べて、メカロスが相当に大きくなる。従って、実施形態のようにフローティングメタル１５が回転しないタイプに適用すると、メカロスを大幅に低減しつつ回転軸３の高速回転を実現できる利点がある。

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。

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
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
２６アウターオイル溜まり部
２７オイル流入通路
３０インナーオイル溜まり部
３１オイル導入穴

Claims

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おり、
かつ、前記フローティングメタルには、オイルが外周から内周に向けて流れるオイル導入穴を空けている構成であって、
前記オイル導入穴は、前記回転軸の外周と略接するような姿勢で、且つ、オイルが前記回転軸の回転を助長する方向に吐出されるように形成されている、
ターボ過給機。