JP2021071095A - ターボチャージャ - Google Patents

Abstract

【課題】タービンハウジング内が負圧になると、連結シャフトとベアリングハウジングとの間に供給されたオイルが吸われて、タービンハウジング内に漏れる虞がある。【解決手段】ベアリングハウジング５０には、連通シャフト８０が挿通されている。ベアリングハウジング５０の連通シャフト８０の回転軸線ＲＡにおける一方側には、タービンハウジング４０が固定されている。タービンハウジング４０には、連通シャフト８０の回転軸線ＲＡにおける一方側に接続されるタービンホイール７０が収容されている。ベアリングハウジング５０の第１対向面５４とタービンホイール７０の第２対向面７３との間には、タービンホイール７０とベアリングハウジング５０との隙間を小さくするための第１アブレーダブルシール１３０が配置されている。【選択図】図２

Description

本発明は、ターボチャージャに関する。

特許文献１のターボチャージャにおいては、タービンハウジングとコンプレッサハウジングとがベアリングハウジングによって連結されたような構造になっている。タービンハウジング内には、タービンホイールが収容されている。タービンホイールは、連結シャフトによってコンプレッサホイールに連結されている。連結シャフトは、ベアリングハウジングに挿入されている。また、コンプレッサホイールは、コンプレッサハウジング内に収容されている。そして、連結シャフトとベアリングハウジングとの間には、オイルが供給されている。

特開２０１４−４７７３２号公報

特許文献１に記載のようなターボチャージャにおいて、ガスがタービンハウジング内を流れる際に、当該タービンハウジング内が負圧になる。この負圧によって、連結シャフトとベアリングハウジングとの間に供給されたオイルが吸われて、タービンハウジング内に漏れる虞がある。同様に、ガスがコンプレッサハウジング内を流れる際に、当該コンプレッサハウジング内が負圧になるため、連結シャフトとベアリングハウジングとの間に供給されたオイルがコンプレッサハウジング内に漏れる虞がある。

上記課題を解決するため、本発明は、ベアリングハウジングと、前記ベアリングハウジングに取り付けられるシールプレートと、前記シールプレートに固定され、前記シールプレートと共にコンプレッサホイールの収容空間を区画するコンプレッサハウジングと、前記ベアリングハウジングに固定され、前記ベアリングハウジングと共にタービンホイールの収容空間を区画するタービンハウジングと、前記タービンハウジングに収容された前記タービンホイールと、前記コンプレッサハウジングに収容された前記コンプレッサホイールと、前記タービンホイール及び前記コンプレッサホイールを連結するとともに、前記ベアリングハウジングに挿入される連結シャフトと、を備えているターボチャージャであって、前記タービンホイールと前記ベアリングハウジングとが対向している箇所、及びコンプレッサホイールと前記シールプレートとが対向している箇所の少なくともいずれか一方には、前記対向している箇所の隙間を小さくするためのホイールシール部が配置されている。

上記構成によれば、ホイールシール部によって、タービンホイールとベアリングハウジングとの隙間、及びコンプレッサホイールとシールプレートとの隙間の少なくともいずれか一方は、ホイールシール部がない場合と比べて小さくなる。タービンハウジング内やコンプレッサ内が負圧になっても、隙間が小さくなる分だけ、これらハウジング内へと向かうオイルの流れを堰き止めることができる。その結果、連結シャフトとベアリングハウジングとの間からオイルが吸われにくく、当該オイルがタービンハウジングやコンプレッサハウジング内へ漏れ出すことを抑制できる。

内燃機関の概略図。 ターボチャージャの断面図。

以下、ターボチャージャの一実施形態について、図面を参照して説明する。まず、車両の内燃機関１０の概略構成について説明する。
図１に示すように、内燃機関１０は、当該内燃機関１０の外部からの吸気が流通する吸気通路１１を備えている。吸気通路１１には、燃料を吸気と混合して燃焼させる気筒１２が接続されている。気筒１２には、当該気筒１２から排気を排出するための排気通路１３が接続されている。

内燃機関１０は、排気の流れを利用して吸気を圧縮するためのターボチャージャ２０を備えている。ターボチャージャ２０のコンプレッサハウジング３０は、吸気通路１１に取り付けられている。また、ターボチャージャ２０のタービンハウジング４０は、排気通路１３に取り付けられている。

コンプレッサハウジング３０及びタービンハウジング４０は、ターボチャージャ２０におけるベアリングハウジング５０を介して接続されている。また、コンプレッサハウジング３０とベアリングハウジング５０との間には、シールプレート６０が介在されている。

タービンハウジング４０の内部には、排気の流れによって回転するタービンホイール７０が収容されている。タービンホイール７０には、連結シャフト８０の一端部が接続されている。連結シャフト８０の回転軸線ＲＡ方向における中央部分は、ベアリングハウジング５０の内部に収容されており、回転可能に支持されている。

連結シャフト８０の他端部には、コンプレッサホイール９０が接続されている。コンプレッサホイール９０は、コンプレッサハウジング３０とシールプレート６０とによって区画された収容空間内に配置されている。

次に、ターボチャージャ２０の内部構造について、詳述する。
図２に示すように、ベアリングハウジング５０は、全体として、回転軸線ＲＡ方向に延びる円柱状となっている。ベアリングハウジング５０の径方向の中央部には、略円柱形状の支持孔５１が区画されている。なお、支持孔５１には、図示しないオイル導入路を介しいてオイルが導入される。

また、ベアリングハウジング５０には、支持孔５１の周りに、オイル排出路５２が区画されており、オイル排出路５２は、支持孔５１と連通している。さらに、ベアリングハウジング５０には、冷却水が流通する冷却水通路５３が区画されている。冷却水通路５３は、ベアリングハウジング５０における回転軸線ＲＡ方向の大部分の範囲に亘っている。冷却水通路５３には、図示しないウォータポンプから圧送された冷却水が流通し、冷却水通路５３を流通する冷却水との熱交換によってベアリングハウジング５０が冷却される。

ベアリングハウジング５０の回転軸線ＲＡ方向の一方側の外面には、タービンハウジング４０が取り付けられている。ベアリングハウジング５０とタービンハウジング４０との隙間には、タービンハウジング４０の内部を流通する排気の熱がベアリングハウジング５０に伝達されることを抑制する遮熱板１２０が配置されている。遮熱板１２０は、全体として円環状となっており、支持孔５１を囲うように配置されている。遮熱板１２０の内径は、ベアリングハウジング５０の支持孔５１の径よりも大きくなっている。そのため、回転軸線ＲＡ方向から視たときに、遮熱板１２０の内縁よりも内側であるとともに、支持孔５１よりも外側の部分には、ベアリングハウジング５０の外面の一部である第１対向面５４が遮熱板１２０から露出している。

タービンハウジング４０内には、タービン室４１が区画されている。タービン室４１は、略円柱形状となっており、回転軸線ＲＡ方向のベアリングハウジング５０側は、開口している。すなわち、タービン室４１は、タービンハウジング４０とベアリングハウジング５０とによって区画されている。

タービンハウジング４０においてタービン室４１の周囲には、タービン室４１に流入させる排ガスが流れる排ガス流入路４２が区画されている。排ガス流入路４２は、連通路４３を介して、タービン室４１と連通している。連通路４３は、タービン室４１の周囲を環状に延びている。また、タービン室４１の軸線方向の一方側は、タービン室４１から排出される排ガスが流れる排ガス流出路４４が連通されている。

ベアリングハウジング５０の回転軸線ＲＡ方向の他方側の面である他端面５５においては、凹部５６が、回転軸線ＲＡ方向のタービンハウジング４０側に向かって凹んでいる。凹部５６の底面では、上述した支持孔５１が開口している。円柱状の凹部５６の内径は、支持孔５１の径よりも大きくなっている。回転軸線ＲＡ方向から視たときに、凹部５６の円中心と支持孔５１の円中心とは一致している。

ベアリングハウジング５０の他端面５５には、凹部５６を覆うように、全体として板状のシールプレート６０が接続されている。シールプレート６０には、連結シャフト８０が挿通される挿通孔６１が貫通している。挿通孔６１の軸線とベアリングハウジング５０の支持孔５１の軸線とは一致している。

シールプレート６０の回転軸線ＲＡ方向のタービンハウジング４０とは反対側には、コンプレッサハウジング３０が取り付けられている。コンプレッサハウジング３０には、コンプレッサ収容部３１が区画されている。コンプレッサ収容部３１は、全体として円柱状であり、回転軸線ＲＡ方向のシールプレート６０側に開口している。すなわち、コンプレッサ収容部３１は、コンプレッサハウジング３０とシールプレート６０とによって区画されている。コンプレッサ収容部３１の回転軸線ＲＡ方向のシールプレート６０とは反対側には、コンプレッサ流入路３２が連通している。コンプレッサ流入路３２からは、コンプレッサ収容部３１に吸気が流れ込む。コンプレッサハウジング３０とシールプレート６０との間には、コンプレッサ収容部３１で圧縮された空気が流れるコンプレッサ流出路３３が区画されている。

次に、上記の各ハウジングの内部の構造について説明する。
ベアリングハウジング５０の支持孔５１には、略円筒形状のフロートベアリング１００が挿入されている。回転軸線ＲＡ方向におけるフロートベアリング１００の寸法は回転軸線ＲＡ方向におけるベアリングハウジング５０の寸法よりも小さくなっている。フロートベアリング１００は、支持孔５１の回転軸線ＲＡ方向における中央部に配置されている。フロートベアリング１００の回転軸線ＲＡ方向の一端部には、フロートベアリング１００の内部空間と、オイル排出路５２とを連通させる貫通路１０１が区画されている。

ベアリングハウジング５０の凹部５６には、スラストベアリング１４０が収容されている。スラストベアリング１４０は、全体として円環状となっており、スラストベアリング１４０の外径は、凹部５６の内径よりも小さくなっている。スラストベアリング１４０は凹部５６の底に嵌め込まれている。

スラストベアリング１４０の径方向内側には、全体として環状のスラストカラー１１１が嵌め込まれている。スラストカラー１１１の回転軸線ＲＡ方向におけるタービンハウジング４０側の端面は、フロートベアリング１００の回転軸線ＲＡ方向におけるコンプレッサハウジング３０側の端面に接している。

スラストカラー１１１の回転軸線ＲＡ方向におけるコンプレッサハウジング３０側には、ブッシュ６２が接続されている。ブッシュ６２は、シールプレート６０の挿通孔６１に嵌め込まれている。ブッシュ６２は全体として円筒状となっている。

ブッシュ６２の外周面においては、溝６２ａが窪んでいる。溝６２ａは、ブッシュ６２の周方向の全周に亘って環状に延びている。溝６２ａには、ブッシュ６２の外周面とベアリングハウジング５０の凹部５６の内周面との間の隙間をシールするブッシュシール１５０が取り付けられている。ブッシュシール１５０は、円環状となっている。ブッシュシール１５０の材質は合成樹脂となっている。

ベアリングハウジング５０の支持孔５１には、連結シャフト８０が挿入されている。連結シャフト８０は、回転軸線ＲＡ方向のタービンハウジング４０側からコンプレッサハウジング３０側に向けて、大径部８１と、中径部８２と、小径部８３と、を備えている。大径部８１は、全体として円柱状となっている。大径部８１の外径は、支持孔５１の内径よりも僅かに小さくなっている。

連結シャフト８０の大径部８１は、支持孔５１におけるタービンホイール７０側の端に配置されている。大径部８１の外周面においては、溝８１ａが窪んでいる。溝８１ａは、大径部８１の周方向について、全周に亘って環状に延びている。溝８１ａには、大径部８１と支持孔５１との間の隙間をシールするシャフトシール１１０が取り付けられている。シャフトシール１１０は、円環状となっている。シャフトシール１１０の材質は合成樹脂となっている。

大径部８１には、タービンホイール７０が固定されている。タービンホイール７０は、タービンハウジング４０のタービン室４１に収容されている。タービンホイール７０の材質は、ニッケルが添加された合金鋼となっている。タービンホイール７０は、略円板状の底板部７４を備えている。底板部７４の外径は、ベアリングハウジング５０の支持孔５１の径よりも大きくなっている。したがって、底板部７４のベアリングハウジング５０側の面の一部は、上述したベアリングハウジング５０の第１対向面５４に対向する第２対向面７３になっている。底板部７４の中央部からは、回転軸線ＲＡ方向のタービンハウジング４０側に向けて全体として円柱形状の軸部７１が延びている。軸部７１の外径は、連結シャフト８０の大径部８１と略同じ大きさとなっている。

軸部７１の外周面からは、軸部７１の径方向外側に向かって複数の翼部７２が突出している。翼部７２は軸部７１における回転軸線ＲＡ方向の略全域に亘って延びている。各翼部７２は、軸部７１の周方向において等間隔となるように配置されている。なお、各翼部７２のベアリングハウジング５０側の端は、底板部７４にまで至っている。

タービンホイール７０の第２対向面７３と、その第２対向面７３と対向するベアリングハウジング５０の第１対向面５４との間には、これらの隙間を小さくするための第１アブレーダブルシール１３０が取り付けられている。第１アブレーダブルシール１３０は、円環状となっており、回転軸線ＲＡを囲うように配置されている。また、第１アブレーダブルシール１３０の材質は、タービンホイール７０よりも軟質な合成樹脂である。なお、本実施形態において、第１アブレーダブルシール１３０は、ベアリングハウジング５０とタービンホイール７０との隙間を小さくするためのホイールシール部として機能している。

連結シャフト８０の中径部８２は、大径部８１の回転軸線ＲＡ方向のコンプレッサハウジング３０側に接続されている。中径部８２は、大径部８１よりも外径の小さい円柱状となっており、中径部８２の外径は、フロートベアリング１００の内径よりも僅かに小さくなっている。中径部８２の回転軸線ＲＡ方向の寸法は、フロートベアリング１００の回転軸線ＲＡ方向の寸法と略同じになっている。

連結シャフト８０の中径部８２は、フロートベアリング１００に挿入されている。中径部８２の外周面とフロートベアリング１００の内周面との間には、図示しないオイル導入通路を介してオイルが供給される。したがって、連結シャフト８０は、中径部８２の外周面とフロートベアリング１００の内周面との間に供給されたオイルを介して回転可能に支持されている。なお、中径部８２と大径部８１との間の段差には、フロートベアリング１００の端面が当接している。

小径部８３は、中径部８２の回転軸線ＲＡ方向のコンプレッサハウジング３０側に接続されている。小径部８３は、中径部８２よりも外径の小さい円柱状となっている。小径部８３は、スラストカラー１１１及びブッシュ６２を貫通して、コンプレッサハウジング３０の内部まで延びている。

小径部８３の回転軸線ＲＡ方向のコンプレッサハウジング３０の端部には、コンプレッサホイール９０が固定されている。コンプレッサホイール９０は、コンプレッサ収容部３１に収容されている。コンプレッサホイール９０の材質は、ニッケルが添加された合金鋼となっている。コンプレッサホイール９０は、略円板状の底板部９４を備えている。底板部９４の外径は、シールプレート６０の挿通孔６１の径よりも大きくなっている。したがって、底板部９４のシールプレート６０側の面は、シールプレート６０におけるコンプレッサハウジング３０側の面である第３対向面６３に対向する第４対向面９５になっている。底板部９４の中央部からは、回転軸線ＲＡ方向におけるコンプレッサハウジング３０側に向けて全体として円柱状の軸部９１が延びている。軸部９１の外径は、連結シャフト８０の大径部８１と略同じ大きさとなっている。軸部９１には取り付け穴９２が区画されており、取り付け穴９２の径は、連結シャフト８０の小径部８３と略同じ大きさである。

軸部９１の外周面からは、複数の翼部９３が、軸部９１の径方向外側に向かって突出している。翼部９３は、軸部９１における回転軸線ＲＡ方向の略全域に亘って延びている。各翼部９３は、軸部９１の周方向において等間隔となるように配置されている。なお、各翼部９３のシールプレート６０側の端は、底板部９４にまで至っている。

コンプレッサホイール９０の取り付け穴９２には、連結シャフト８０の小径部８３が挿入されている。そして、小径部８３の先端に圧入された栓体８４によって、コンプレッサホイール９０が小径部８３から脱落しないように固定されている。

コンプレッサホイール９０の第４対向面９５と、その第４対向面９５と対向するシールプレート６０の第３対向面６３との間には、これらの隙間を防ぐための第２アブレーダブルシール１６０が取り付けられている。第２アブレーダブルシール１６０は、円環状となっており、回転軸線ＲＡを囲うように配置されている。第２アブレーダブルシール１６０の材質はコンプレッサホイール９０よりも軟質な合成樹脂である。なお、本実施形態において、第２アブレーダブルシール１６０は、ベアリングハウジング５０とコンプレッサホイール９０との隙間を小さくするためのホイールシール部として機能している。

次に、本実施形態の作用について説明する。
内燃機関１０において、気筒１２から排出された排気ガスは、排ガス流入路４２に供給され、連通路４３を介してタービン室４１に流れ込む。タービン室４１に排気ガスが流れ込むと、タービンホイール７０は、タービン室４１に流れ込んだ排気ガスによって回転する。そして、タービンホイール７０の回転に伴って、コンプレッサホイール９０が、連結シャフト８０を介してタービンホイール７０と一体的に回転する。コンプレッサホイール９０が回転すると、コンプレッサ流入路３２からコンプレッサ収容部３１に流れ込んだ吸気が、コンプレッサホイール９０の回転によって圧縮され、高圧となった吸気がコンプレッサ流出路３３から気筒１２へ流れ込む。

ターボチャージャ２０において、連結シャフト８０の中径部８２とフロートベアリング１００との間に供給されたオイルは、連結シャフト８０の回転に伴う遠心力によって連通路４３からオイル排出路５２へと排出される。

次に、本実施形態の効果について説明する。
（１）連結シャフト８０の回転速度が遅い場合には、連結シャフト８０の回転に伴う遠心力が比較的に小さい。そのため、連結シャフト８０の中径部８２とフロートベアリング１００との間に供給されたオイルが、オイル排出路５２から排出されず、貫通路１０１及びオイル排出路５２を塞いでしまう場合がある。その結果、大径部８１と支持孔５１の間を伝って、シャフトシール１１０と支持孔５１との間から漏出する虞がある。

本実施形態によれば、タービンホイール７０の第２対向面７３と、ベアリングハウジング５０の第１対向面５４との間には、第１アブレーダブルシール１３０が配置されている。そのため、本実施形態では、第１アブレーダブルシール１３０がない場合と比べて、タービンホイール７０とベアリングハウジング５０との隙間が小さくなっている。よって、上述したように、タービン室４１に比較的に大きな負圧が発生しても、第１アブレーダブルシール１３０の分だけ隙間が小さくなり、空気の流れを堰き止めることができ、連結シャフト８０とベアリングハウジング５０との間に供給されたオイルが吸われにくい。この点、コンプレッサホイール９０とシールプレート６０との隙間における第２アブレーダブルシール１６０についても同様である。

（２）本実施形態においては、第１アブレーダブルシール１３０の材質が、タービンホイール７０よりも軟質な樹脂となっている。そのため、タービンホイール７０が第１アブレーダブルシール１３０に接触しても、タービンホイール７０は損傷せずに、第１アブレーダブルシール１３０が削られるだけである。むしろ、第１アブレーダブルシール１３０の寸法を、タービンホイール７０によって多少削られることを前提として設計すれば、第１アブレーダブルシール１３０は、タービンホイール７０に接するか接しないかのところまで削られる。そのため、第１アブレーダブルシール１３０とタービンホイール７０との隙間を最小限にできる。この点、第２アブレーダブルシール１６０についても同様である。

（３）上記実施形態によれば、第１アブレーダブルシール１３０は、回転軸線ＲＡを囲うように環状となっている。そのため、周方向全域に亘って、タービンホイール７０とベアリングハウジング５０との隙間を小さくできる。この点、第２アブレーダブルシール１６０についても同様である。

上記実施形態は以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で組み合わせて実施することができる。
・上記実施形態において、第１アブレーダブルシール１３０及び第２アブレーダブルシール１６０は、少なくとも一方が備わっていればよい。例えば、連結シャフト８０の形状等により、シャフトシール１１０によって充分にタービンハウジング４０へのオイル漏出が防げている場合には、第１アブレーダブルシール１３０を省略して、第２アブレーダブルシール１６０のみが備わっていてもよい。

・上記実施形態において、ホイールシール部は、アブレーダブルシールでなくてもよい。例えば、樹脂製のオーリングであってもよい。ホイールシール部は、第１対向面５４と第２対向面７３との間に配置されていれば材質は問わず、隙間を全て埋めていてもよいし、隙間の一部を埋めていてもよい。

・上記実施形態において、第１アブレーダブルシール１３０及び第２アブレーダブルシール１６０の形状は、環状でなくてもよい。例えば、シャフトシール１１０の周方向の一部分からのオイルの漏出が他の部分からのオイルの漏出よりも多いのであれば、そのオイルの漏出が多い部分に合わせて第１アブレーダブルシール１３０の延設範囲を設定してもよい。

・上記実施形態において、タービンホイール７０及びコンプレッサホイール９０の材質は、上記実施形態の例に限られない。例えば、ニッケルが添加されていない合金鋼であってもよい。

・上記実施形態において、タービンホイール７０の第２対向面７３において、第１アブレーダブルシール１３０と接触する箇所に、例えば突起や翼が設けられており、第１アブレーダブルシール１３０を削りやすい形状となっていてもよい。この点、コンプレッサホイール９０の第４対向面９５についても同様である。

・上記実施形態において、第１アブレーダブルシール１３０の位置は、タービンホイール７０やベアリングハウジング５０の形状に併せて適宜変更されてもよい。この場合、少なくとも、タービンホイール７０の外面とベアリングハウジング５０とが対向する箇所に配置されればよい。例えば、第１アブレーダブルシール１３０は、ベアリングハウジング５０ではなく、タービンホイール７０の第２対向面７３に取り付けられていてもよい。

・上記実施形態において、タービンホイール７０の形状は、上記実施形態の例に限られない。タービンホイール７０は、ベアリングハウジング５０と対向する第２対向面７３を備えていればよく、例えば、翼部７２の形状は、適宜変更すればよい。

・上記実施形態において、コンプレッサホイール９０の形状は、上記実施形態の例に限られない。コンプレッサホイール９０は、シールプレート６０と対向する第４対向面９５を備えていればよく、例えば、翼部９３の形状は、適宜変更すればよい。

１０…内燃機関、１１…吸気通路、１２…気筒、１３…排気通路、２０…ターボチャージャ、３０…コンプレッサハウジング、３１…コンプレッサ収容部、３２…コンプレッサ流入部、３３…コンプレッサ流出路、４０…タービンハウジング、４１…タービン室、４２…排ガス流入路、４３…連通路、４４…排ガス流出路、５０…ベアリングハウジング、５１…支持孔、５２…オイル排出路、５３…冷却水通路、５４…第１対向面、５５…他端面、５６…凹部、６０…シールプレート、６１…挿通孔、６２…ブッシュ、６２ａ…溝、６３…第３対向面、７０…タービンホイール、７１…軸部、７２…翼部、７３…第２対向面、７４…底板部、８０…連結シャフト、８１…大径部、８１ａ…溝、８２…中径部、８３…小径部、８４…栓体、９０…コンプレッサホイール、９１…軸部、９２…取り付け穴、９３…翼部、９４…底板部、９５…第４対向面、１００…フロートベアリング、１０１…貫通路、１１０…シャフトシール、１１１…スラストカラー、１２０…遮熱板、１３０…第１アブレーダブルシール、１４０…スラストベアリング、１５０…ブッシュシール、１６０…第２アブレーダブルシール、ＲＡ…回転軸線。

Claims (1)

1. ベアリングハウジングと、
   前記ベアリングハウジングに取り付けられるシールプレートと、
   前記シールプレートに固定され、前記シールプレートと共にコンプレッサホイールの収容空間を区画するコンプレッサハウジングと、
   前記ベアリングハウジングに固定され、前記ベアリングハウジングと共にタービンホイールの収容空間を区画するタービンハウジングと、
   前記タービンハウジングに収容された前記タービンホイールと、
   前記コンプレッサハウジングに収容された前記コンプレッサホイールと、
   前記タービンホイール及び前記コンプレッサホイールを連結するとともに、前記ベアリングハウジングに挿入される連結シャフトと、
   を備えているターボチャージャであって、
   前記タービンホイールと前記ベアリングハウジングとが対向している箇所、及びコンプレッサホイールと前記シールプレートとが対向している箇所の少なくともいずれか一方には、前記対向している箇所の隙間を小さくするためのホイールシール部が配置されている
   ターボチャージャ。

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