JP2023087816A - 過給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】過給機の効率向上とスラスト軸受の信頼性とを両立しつつスラスト軸受と過給機の大型化を抑制することができる過給装置を提供する。【解決手段】過給機を備える過給装置であって、過給機は、コンプレッサディスクを含むコンプレッサインペラと、タービンディスクと、コンプレッサインペラとタービンディスクとを連結する回転軸と、回転軸の軸方向の移動を規制するスラスト軸受と、を含み、過給装置は、コンプレッサディスクの背面又はタービンディスクの背面に圧縮空気を供給するように構成された圧縮空気供給ラインと、圧縮空気供給ラインに設けられたバルブと、回転軸からスラスト軸受へのスラスト荷重に基づいてバルブの開度を制御するように構成された制御装置と、を備える。【選択図】 図１

Description

本開示は、過給装置に関する。

過給機では、エンジンから供給される排ガスの圧力によってスラスト軸受にかかるスラスト荷重が大きくなると、スラスト軸受で生じる機械損失の増大による過給機の効率低下や、スラスト軸受の信頼性の低下（スラスト軸受の損傷リスクの増大）を招く。

特許文献１には、過給機のコンプレッサの圧縮空気をタービンの背面に供給することで、スラスト荷重を低減する旨が記載されている。

特許文献２には、過給機において、タービンの入口圧力及び出口圧力並びにコンプレッサの入口圧力及び出口圧力に基づいてスラスト荷重を算出し、スラスト荷重に応じて電磁石に付与する電流値を制御することによってスラスト荷重を低減する旨が記載されている。

特開平１１－１１７７５３号公報 特開２０１８－１５９３００号公報

特許文献１に記載の構成では、タービンの背面に供給する圧縮空気の量は、過給機の設計時の仕様によって定まる量であり、エンジンの負荷変動によってスラスト荷重が増減した場合にスラスト荷重を適切に低減することができないため、過給機の効率及びスラスト軸受の信頼性の観点で改善の余地がある。

特許文献２に記載の構成では、エンジンの負荷が変動しても電磁石に付与する電流値の制御によってスラスト荷重を低減することができるが、電磁石及びその設置スペース等を過給機の内部に設ける必要があり、過給機の大型化及びそれに伴う重量増大を招きやすい。

上述の事情に鑑みて、本開示の少なくとも一実施形態は、過給機の効率向上とスラスト軸受の信頼性とを両立しつつスラスト軸受と過給機の大型化を抑制することができる過給装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本開示の少なくとも一実施形態に係る過給装置は、
過給機を備える過給装置であって、
前記過給機は、
コンプレッサディスクを含むコンプレッサインペラと、
タービンディスクと、
前記コンプレッサインペラと前記タービンディスクとを連結する回転軸と、
前記回転軸の軸方向の移動を規制するスラスト軸受と、
を含み、
前記過給装置は、
前記コンプレッサディスクの背面又は前記タービンディスクの背面に圧縮空気を供給するように構成された圧縮空気供給ラインと、
前記圧縮空気供給ラインに設けられたバルブと、
前記回転軸から前記スラスト軸受へのスラスト荷重に基づいて前記バルブの開度を制御するように構成された制御装置と、
を備える。

本開示の少なくとも一実施形態によれば、過給機の効率向上とスラスト軸受の信頼性とを両立しつつスラスト軸受と過給機の大型化を抑制することができる過給装置が提供される。

一実施形態に係る過給装置２の概略構成図である。 制御装置３４のハードウェア構成の一例を示す図である。 制御装置３４の機能的な構成の一例を示すブロック図である。 図３に示した制御装置３４を用いた電動バルブ３２の開度制御の一例を示すフロー図である。 スラスト荷重相関情報Ｒ１の一例を示す図である。 スラスト荷重相関情報Ｒ１の他の一例を示す図である。 閾値Ｌｔｈの設定方法を説明するための図である。 背面圧力相関情報Ｒ２の一例を示す図である。 他の実施形態に係る過給装置２の概略構成図である。 比較形態に係る過給装置０２の概略構成図である。 図９に示す実施形態と図１０に示す比較形態について、過給機の作動条件に応じたスラスト荷重等の比較を示す図である。 図１１に示した２つの作動条件を説明するための図である。

以下、添付図面を参照して本開示の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は、一実施形態に係る過給装置２の概略構成図である。
図１に示すように、過給装置２は、過給機３を備える。過給機３は、コンプレッサ４と、タービン５と、コンプレッサ４とタービン５とを連結する回転軸６と、回転軸６を支持する軸受装置７とを含む。図示する例では、コンプレッサ４は遠心コンプレッサであり、タービン５は軸流タービンである。以下、回転軸６の径方向を単に「径方向」と記載し、回転軸６の軸方向を単に「軸方向」と記載し、回転軸６の周方向を単に「周方向」と記載する。

コンプレッサ４は、コンプレッサインペラ８を備えており、コンプレッサインペラ８は、略円錐台状のコンプレッサディスク１０と、コンプレッサディスク１０の外周面に周方向に間隔を空けて設けられた複数のコンプレッサ翼１２とを含む。

タービン５は、略円板状のタービンディスク１８と、タービンディスク１８の外周面に周方向に間隔を空けて設けられた複数のタービン翼２０を含む。コンプレッサインペラ８とタービンディスク１８とは回転軸６によって連結されて同軸上に配置される。

軸受装置７は、回転軸６を回転可能に支持する一対のジャーナル軸受２２と、回転軸６の軸方向の移動を規制するスラスト軸受２４とを含む。一対のジャーナル軸受２２及びスラスト軸受２４は、過給機３の不図示のケーシング（静止壁）に支持される。

一対のジャーナル軸受２２は、軸方向に間隔を空けて配置される。図示する例示的形態では、スラスト軸受２４は、回転軸６の外周面に固定された円環状のスラストカラー２６を介して回転軸６から軸方向のスラスト荷重Ｌを受けるように構成されており、スラストカラー２６を挟むように配置された一対の静止ディスク２８（スラスト軸受）を含む。一対の静止ディスク２８の一方は、スラストカラー２６に対して軸方向における一方側に配置され、一対の静止ディスク２８の他方は、スラストカラー２６に対して軸方向における他方側に配置される。

また、図１に示すように、過給装置２は、タービンディスク１８の背面１８ａに圧縮空気を供給するように構成された圧縮空気供給ライン３０と、圧縮空気供給ライン３０に設けられた電動バルブ３２と、回転軸６からスラスト軸受２４へのスラスト荷重Ｌに基づいて電動バルブ３２の開度を制御するように構成された制御装置３４とを備える。図示する例示的形態では、過給装置２は、過給機３の外部に設けられた圧縮空気供給源３６を備えており、圧縮空気供給ライン３０は圧縮空気供給源３６からタービンディスク１８の背面１８ａに圧縮空気を供給するように、圧縮空気供給源３６からタービンディスク１８の背面１８ａまで延在する外部圧縮空気供給路３０Ａを含む。この場合、外部圧縮空気供給路３０Ａの一部を過給機３の不図示のケーシングの外部に設けられた管路により構成し、外部圧縮空気供給路３０Ａの残部を過給機３のケーシングの内部に形成された内部流路により構成してもよい。なお、図示する例では、電動バルブ３２は外部圧縮空気供給路３０Ａに設けられており、外部圧縮空気供給路３０Ａにおける電動バルブ３２の下流側に逆流防止のための逆止弁３３が設けられている。電動バルブ３２は、圧縮空気供給ライン３０からタービンディスク１８の背面１８ａに供給する圧縮空気の流量を調整可能に構成されており、例えば流量制御弁であってもよい。

また、図１に示すように、過給装置２は、スラスト軸受２４が回転軸６から受けるスラスト荷重Ｌに関する第１パラメータＡ１を計測する第１計測装置３５と、タービンディスク１８の背面圧力Ｐｂ０に関する第２パラメータＡ２を計測する第２計測装置３７とを備える。以下、「スラスト荷重」とは、回転軸６からスラスト軸受２４へのスラスト荷重（スラスト軸受２４が回転軸６から受けるスラスト荷重）を意味し、タービンディスク１８の「背面圧力」とは、タービンディスク１８の背面１８ａ（タービンディスク１８におけるコンプレッサ４側を向く端面）に作用する気体の圧力を意味する。

第１パラメータＡ１は、例えば、スラスト軸受２４の温度であってもよいし、過給機３の潤滑油入口温度（スラスト軸受２４に供給される潤滑油における過給機３の入口の温度）と過給機３の潤滑油出口温度（スラスト軸受２４に供給された潤滑油における過給機３の出口の温度）との温度差、すなわち過給機３の潤滑油出口温度から過給機３の潤滑油入口温度を減じた値であってもよい。第１パラメータＡ１がスラスト軸受２４の軸受温度である場合には、第１計測装置３５は、スラスト軸受２４の温度を計測する温度センサであってもよい。第１パラメータＡ１が過給機３の潤滑油入口温度と潤滑油出口温度との温度差である場合には、第１計測装置３５は、該温度差を計測する温度センサ（例えば熱電対等）であってもよい。

第２パラメータＡ２は、例えば過給機３におけるタービ入口圧力（タービン５における排ガスの入口の圧力）であってもよい。この場合、第２計測装置３７は、タービンの入口圧力を計測する圧力センサであってもよい。

次に、制御装置３４による電動バルブ３２の制御方法について説明する。
図２は、制御装置３４のハードウェア構成の一例を示す図である。図３は、制御装置３４の機能的な構成の一例を示すブロック図である。図４は、図３に示した制御装置３４を用いた電動バルブ３２の開度制御の一例を示すフロー図である。

図２に示すように、制御装置３４は、例えばプロセッサ７２、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）７４、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）７６、ＨＤＤ （Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）７８、入力Ｉ／Ｆ８０、及び出力Ｉ／Ｆ８２を含み、これらがバス８４を介して互いに接続されたコンピュータを用いて構成される。なお、制御装置３４のハードウェア構成は上記に限定されず、制御回路と記憶装置との組み合わせにより構成されてもよい。また制御装置３４は、制御装置３４の各機能を実現するプログラムをコンピュータが実行することにより構成される。以下で説明する制御装置３４における各部の機能は、例えばＲＯＭ７６に保持されるプログラムをＲＡＭ７４にロードしてプロセッサ７２で実行するとともに、ＲＡＭ７４やＲＯＭ７６におけるデータの読み出し及び書き込みを行うことで実現される。

図３に示すように、制御装置３４は、スラスト荷重推定部４０、スラスト荷重低減量算出部４２、背面圧力推定部４４、目標背面圧力算出部４６、供給空気量算出部４８及びバルブ開度制御部５０及び記憶部５２を含む。

図４に示すように、S101において、スラスト荷重推定部４０は、第１計測装置３５によって計測した第１パラメータＡ１の計測値と、第１パラメータＡ１とスラスト荷重Ｌとの相関を示すスラスト荷重相関情報Ｒ１（図５及び図６参照）と、に基づいて、スラスト荷重Ｌを推定する。スラスト荷重相関情報Ｒ１は、記憶部５２に記憶されており、Ｓ１０１でスラスト荷重Ｌを推定する際に記憶部５２から読み出されて参照される。図５に示す例では、スラスト荷重相関情報Ｒ１は、第１パラメータＡ１がスラスト軸受２４の温度である場合について、スラスト軸受２４の温度とスラスト荷重Ｌとの相関を示しており、スラスト軸受２４の温度とスラスト荷重Ｌとは正の相関を有している。図６に示す例では、スラスト荷重相関情報Ｒ１は、第１パラメータＡ１が過給機３の潤滑油入口温度と潤滑油出口温度との温度差である場合について、該温度差とスラスト荷重Ｌとの相関を示しており、該温度差とスラスト荷重Ｌとは正の相関を有している。

Ｓ１０２において、スラスト荷重低減量算出部４２は、スラスト荷重推定部４０によって推定されたスラスト荷重Ｌに基づいて、スラスト荷重Ｌを低減する量の目標値であるスラスト荷重低減量ΔＬを算出する。例えば、スラスト荷重低減量算出部４２は、スラスト荷重推定部４０によって推定されたスラスト荷重Ｌが予め定められた閾値Ｌｔｈを超えた場合に、スラスト荷重推定部４０によって推定したスラスト荷重Ｌからスラスト荷重の閾値Ｌｔｈを減じることによってスラスト荷重低減量ΔＬを算出する（ΔＬ＝Ｌ－Ｌｔｈを算出する。）。ここで、閾値Ｌｔｈは、スラスト軸受２４の温度がスラスト軸受２４の許容温度ＴＬ以下となるような値に予め設定される。例えば図７に示すように、過給機３の効率はスラスト荷重Ｌが小さくなるほど高くなり、スラスト軸受２４の温度はスラスト荷重Ｌが小さくなるほど低くなる。このため、スラスト軸受２４の温度がスラスト軸受２４の信頼性の観点（スラスト軸受２４の損傷リスクの観点）から許容される許容温度ＴＬ以下となるように、許容温度ＴＬに対してマージンを考慮して設定される基準温度Ｔｔｈに対応するスラスト荷重を閾値Ｌｔｈに設定してもよい。

Ｓ１０３において、背面圧力推定部４４は、第２計測装置３７によって計測した第２パラメータＡ２の計測値と、第２パラメータＡ２とタービンディスク１８の背面圧力Ｐｂ０との相関を示す背面圧力相関情報Ｒ２（図８参照）と、に基づいて、タービンディスク１８の背面圧力Ｐｂ０を推定する。背面圧力相関情報Ｒ２は、記憶部５２に記憶されており、Ｓ１０３でタービンディスク１８の背面圧力Ｐｂ０を推定する際に記憶部５２から読み出されて参照される。図８に示す例では、背面圧力相関情報Ｒ２は、第２パラメータＡ２がタービン入口圧力である場合について、タービン入口圧力とタービンディスク１８の背面圧力Ｐｂ０との相関を示しており、タービン入口圧力とタービンディスク１８の背面圧力Ｐｂ０とは正の相関を有している。なお、図８に示す背面圧力相関情報Ｒ２において、縦軸のタービン背面圧力に代えてタービン背面圧力とタービン入口圧力との比率が用いられてもよい。

Ｓ１０４において、目標背面圧力算出部４６は、スラスト荷重低減量算出部４２によって算出したスラスト荷重低減量ΔＬと、背面圧力推定部４４によって推定したタービンディスク１８の背面圧力Ｐｂ０とに基づいて、スラスト荷重低減量ΔＬを実現するためのタービンディスク１８の背面圧力の目標値である目標背面圧力Ｐｂ１を算出する。

Ｓ１０５において、供給空気量算出部４８は、目標背面圧力算出部４６によって算出した目標背面圧力Ｐｂ１と、背面圧力推定部４４によって推定したタービンディスク１８の背面圧力Ｐｂ０との差圧（Ｐｂ１－Ｐｂ０）に基づいて、圧縮空気供給ライン３０からタービンディスク１８の背面１８ａに供給する圧縮空気の流量（圧縮空気供給ライン３０の流量）である供給空気量Ｑを算出する。ここで算出される供給空気量Ｑは、上記差圧（Ｐｂ１－Ｐｂ０）に比例する値であってもよい。そして、バルブ開度制御部５０が、供給空気量算出部によって算出した供給空気量Ｑを実現するように電動バルブ３２の開度を制御する。

ここで、上記過給装置２が奏する効果について説明する。
上記過給装置２では、回転軸６からスラスト軸受２４へのスラスト荷重に基づいて電動バルブ３２の開度が制御されるため、圧縮空気供給ライン３０からタービンディスク１８の背面１８ａに供給する圧縮空気の流量をスラスト荷重に応じて調節することができる。これにより、スラスト荷重に応じてタービンディスク１８の背面圧力を調節して、スラスト荷重を低減することができるため、過給機３の効率向上とスラスト軸受２４の信頼性（スラスト軸受２４の損傷リスクの低下又は損傷リスクの増大抑制）とを両立することができる。また、特許文献２に記載される構成と比較して、過給機３の内部に電磁石及びその設置スペース等を設ける必要がないため、スラスト軸受２４と過給機３の大型化を抑制することができる。また、過給機の内部に永久磁石と電磁石を設ける必要がある特許文献２の構成と比較して、過給機３の構成の複雑化を抑制することができる。

また、上記過給装置２では、過給機３の外部に設けられた圧縮空気供給源３６からの圧縮空気を利用してタービンディスク１８の背面圧力を調節するため、コンプレッサ４から不図示のエンジンに供給する圧縮空気量を減らさずにすみ、過給機３の効率向上とスラスト軸受２４の信頼性とを両立することができる。

また、上記過給装置２では、過給機３のタービン５が軸流タービンであるため、回転軸６からスラスト軸受２４に作用するスラスト荷重は、タービン５側からコンプレッサ４側に向かう方向となる。このため、上記のように、圧縮空気供給ライン３０からタービンディスク１８の背面１８ａに圧縮空気を供給することにより、タービン５側からコンプレッサ４側に向かう方向を有するスラスト荷重を低減することができる。

また、上記過給装置２では、スラスト荷重を計測する荷重センサを過給機３に設けなくても、スラスト荷重に関する第１パラメータＡ１の計測値とスラスト荷重相関情報Ｒ１とに基づいてスラスト荷重を推定することができる。このため、上記荷重センサを過給機３に設けなくても、スラスト荷重推定部４０によって推定したスラスト荷重に基づいて電動バルブ３２の開度を制御することにより、過給機３の効率向上とスラスト軸受２４の信頼性とを両立することができる。

また、上記過給装置２では、スラスト荷重が大きくなるにつれて、スラスト軸受２４の温度は高くなるとともに上記潤滑油の入口の温度と出口の温度との温度差は大きくなる。このため、上記のように、スラスト軸受２４の温度、又は、過給機３におけるスラスト軸受２４に供給する潤滑油の入口の温度と出口の温度との温度差、を第１パラメータＡ１として用いることにより、第１パラメータＡ１の計測値とスラスト荷重相関情報Ｒ１とに基づいてスラスト荷重を精度良く推定することができる。したがって、上記荷重センサを過給機３に設けなくても、過給機３の効率向上とスラスト軸受２４の信頼性とを両立することができる。

また、上記過給装置２では、スラスト軸受２４の温度が許容温度（スラスト軸受２４の温度の上限値）を超えないようにスラスト荷重の上記閾値Ｌｔｈを設定しているため、スラスト軸受２４の信頼性を確保することができる。

また、上記過給装置２では、制御装置３４は、スラスト荷重低減量算出部４２によって算出したスラスト荷重低減量ΔＬと、背面圧力推定部４４によって推定したタービンディスク１８の背面圧力Ｐｂ１と、に基づいて電動バルブ３２の開度を制御する。このため、スラスト荷重低減量ΔＬを実現するための電動バルブ３２の開度をタービンディスク１８の背面圧力Ｐｂ１を考慮して設定することができるため、過給機３の効率向上とスラスト軸受２４の信頼性とを両立することができる。

また、上記過給装置２では、タービンディスク１８の背面圧力を計測する圧力センサを過給機３に設けなくても、タービンディスク１８の背面圧力に関する第２パラメータＡ２の計測値と背面圧力相関情報Ｒ２とに基づいてタービンディスク１８の背面圧力を推定することができる。このため、タービンディスク１８の背面圧力を計測する圧力センサを過給機に設けなくても、スラスト荷重低減量ΔＬを実現するための電動バルブ３２の開度を背面圧力推定部４４によって推定した背面圧力を考慮して設定することにより、過給機３の効率向上とスラスト軸受２４の信頼性とを両立することができる。なお、仮にタービンディスクの背面圧力を直接計測する圧力センサを過給機に設ける場合、過給機に圧力センサを挿す孔をあける必要があり、その加工は困難である。また、タービンディスクの背面は比較的高温の箇所のため、その高温に耐えるセンサが必要であり、コストの増加を招いてしまう。このような理由から、タービンディスクの背面圧力を直接計測する圧力センサを設けることは容易ではない。

また、上記過給装置２では、タービン入口圧力が大きくなるにつれてタービンディスク１８の背面圧力は大きくなる。このため、上記に記載のように、タービン入口圧力を第２パラメータＡ２として用いることにより、第２パラメータＡ２の計測値と背面圧力相関情報Ｒ２とに基づいてタービンディスク１８の背面圧力を精度良く推定することができる。したがって、上記圧力センサを過給機に設けなくても、過給機３の効率向上とスラスト軸受２４の信頼性とを両立することができる。

また、上記過給装置２では、スラスト荷重低減量ΔＬを実現するための目標背面圧力Ｐｂ１を現在の背面圧力Ｐｂ０を考慮して算出し、目標背面圧力Ｐｂ１と現在の背面圧力Ｐｂ０との差圧に応じた供給空気量Ｑを算出することができる。したがって、算出した供給空気量Ｑを実現するように電動バルブ３２の開度を制御することにより、スラストフォース低減量ΔＬを実現することができ、過給機３の効率向上とスラスト軸受２４の信頼性とを両立することができる。

図９は、他の実施形態に係る過給装置２の概略構成図である。
図９に示す過給装置２において、図１～図８を用いて説明した過給装置２の各構成と共通の符号は、特記しない限り図１～図８を用いて説明した過給装置２の各構成と同様の構成を示すものとし、説明を省略する。

図９に示す過給装置２は、上述した圧縮空気供給源３６の圧縮空気の代わりに、コンプレッサ４で生成された圧縮空気（コンプレッサインペラ８を通過して生成された圧縮空気）がタービンディスク１８の背面１８ａに供給される点が、図１に示した過給装置２とは異なる。図９に示す過給装置２における圧縮空気供給ライン３０は、上記外部圧縮空気供給路３０Ａの代わりに、コンプレッサ４で生成された圧縮空気をタービンディスク１８の背面１８ａに供給するように構成されたコンプレッサ圧縮空気供給路３０Ｂを含む。

図９に示す例示的形態では、コンプレッサ圧縮空気供給路３０Ｂは、コンプレッサ４におけるコンプレッサインペラ８の外周側に形成されるスクロール流路１９（渦室）から圧縮空気を抽気してタービンディスク１８の背面１８ａに供給するように、スクロール流路１９からタービンディスク１８の背面１８ａまで延在する。この場合、コンプレッサ圧縮空気供給路３０Ｂの全部が過給機３の不図示のケーシングの内部に形成された内部流路であってもよいし、コンプレッサ圧縮空気供給路３０Ｂの一部を過給機３のケーシングの外部に設けられた管路により構成し、コンプレッサ圧縮空気供給路３０Ｂの残部を過給機３のケーシングの内部に形成された内部流路により構成してもよい。なお、図示する例では、電動バルブ３２はコンプレッサ圧縮空気供給路３０Ｂ（圧縮空気供給ライン３０）に設けられており、コンプレッサ圧縮空気供給路３０Ｂにおける電動バルブ３２の下流側に逆流防止のための逆止弁３３が設けられている。

なお、図９に示す過給装置２において、制御装置３４による電動バルブ３２の制御の方法は、図１～図８を用いて説明した過給装置２における制御装置３４による電動バルブ３２の制御の方法と同一であるため、説明を省略する。

図９に示した過給装置２によれば、コンプレッサインペラ８を通過して生成された圧縮空気を利用してタービンディスク１８の背面圧力を調節し、過給機３の効率向上とスラスト軸受２４の信頼性とを両立することができる。このため、図１等に示した過給装置２の構成と比較して、過給機３の外部に設ける圧縮空気供給源３６の容量を低減し、又は圧縮空気供給源３６を不要とすることができる。

ここで、図９に示す実施形態と図１０に示す比較形態について、過給機３の作動条件に応じたスラスト荷重等の比較を図１１に示す。図１０に示す比較形態における過給装置０２は、電動バルブ３２及び電動バルブ３２を制御するための制御装置３４等を備えていない点が図９に示す過給装置２とは異なる。

図１１における条件１及び条件２は、図１２に示すように、コンプレッサ４の作動線上の互いに異なる作動点を示している。条件１は、条件２よりも低負荷の条件であり、条件１におけるコンプレッサ４の流量は条件２におけるコンプレッサ４の流量よりも小さく、条件１におけるコンプレッサ４の圧力比は条件２におけるコンプレッサ４の圧力比よりも小さい。

図１１に示すように、比較形態では、条件１よりも条件２の方がスラスト荷重が大きくなるのに対して、実施形態では、条件１よりも条件２の方が電動バルブ３２の開度を大きくすることにより、タービンディスク１８の背面１８ａへの供給空気量Ｑも相対的に多くなり、スラスト荷重は相対的に低くなる。このように、過給機３の低負荷時には電動バルブ３２の開度を比較的小さくしてコンプレッサ圧縮空気供給路３０Ｂの抽気量を減らすことによって過給機３の効率向上を図ることができる。また過給機３の低負荷時にはスラスト荷重の絶対値が小さいため、タービンディスク１８の背面への供給空気量Ｑを減らしてもスラスト荷重が許容値を超えることはなく、スラスト軸受２４の損傷リスクは低い。一方、過給機３の高負荷時にはスラスト荷重が大きくなるため、電動バルブ３２の開度を過給機３の低負荷時よりも大きくして供給空気量Ｑを増やすことでスラスト荷重を低減し、スラスト軸受２４の損傷リスクを低減することができる。したがって、過給機３の効率向上とスラスト軸受２４の信頼性とを両立することができる。また、特許文献２に記載される構成と比較して、過給機３の内部に電磁石及びその設置スペース等を設ける必要がないため、過給機３の大型化を抑制することができる。

本開示は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

例えば、上述した実施形態では、圧縮空気供給ラインは、タービンディスクの背面に圧縮空気を供給するように構成されていたが、過給機のタービンがラジアルタービンである場合には、コンプレッサからタービンに向かう方向のスラスト荷重がスラスト軸受に作用する場合があるため、圧縮空気供給ライン（外部圧縮空気供給路又はコンプレッサ圧縮空気供給路）は、コンプレッサディスクの背面に圧縮空気を供給するように構成されていてもよい。
また、過給機のタービンがラジアルタービンである場合には、タービンからコンプレッサに向かう方向のスラスト荷重が作用する場合もあるため、その場合には、圧縮空気供給ライン（外部圧縮空気供給路又はコンプレッサ圧縮空気供給路）は、タービンディスクの背面に圧縮空気を供給するように構成されていてもよい。

また、幾つかの実施形態では、タービンディスクの背面に圧縮空気を供給するための圧縮空気供給ラインは、図１を用いて説明した外部圧縮空気供給路と、図９を用いて説明したコンプレッサ圧縮空気供給路３０Ｂとの両方を備えていてもよい。

また、上述した実施形態では、電動バルブは、圧縮空気供給ラインからタービンディスクの背面に供給する圧縮空気の流量を調整可能な流量制御弁（可変バルブ）により構成されたが、電動バルブはオンオフバルブであってもよい。

また、図９に示した実施形態では、スクロール流路（渦室）から圧縮空気を抽気してタービンディスクの背面に供給するコンプレッサ圧縮空気供給路を例示したが、コンプレッサ圧縮空気供給路は、スクロール流路の下流（例えばスクロール流路と不図示のエアクーラとの間や、エアクーラと不図示のエンジンとの間）から圧縮空気を抽気してタービンディスクの背面に供給するように構成されてもよい。

上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。

（１）本開示の少なくとも一実施形態に係る過給装置は、
過給機（例えば上述の過給機３）を備える過給装置（例えば上述の過給装置２）であって、
前記過給機は、
コンプレッサディスク（例えば上述のコンプレッサディスク１０）を含むコンプレッサインペラ（例えば上述のコンプレッサインペラ８）と、
タービンディスク（例えば上述のタービンディスク１８）と、
前記コンプレッサインペラと前記タービンディスクとを連結する回転軸（例えば上述の回転軸６）と、
前記回転軸の軸方向の移動を規制するスラスト軸受（例えば上述のスラスト軸受２４）と、
を含み、
前記過給装置は、
前記コンプレッサディスクの背面又は前記タービンディスクの背面に圧縮空気を供給するように構成された圧縮空気供給ライン（例えば上述の圧縮空気供給ライン３０）と、
前記圧縮空気供給ラインに設けられたバルブ（例えば上述のバルブ３２）と、
前記回転軸から前記スラスト軸受へのスラスト荷重に基づいて前記バルブの開度を制御するように構成された制御装置（例えば上述の制御装置３４）と、
を備える。

上記（１）に記載の過給装置によれば、回転軸からスラスト軸受へのスラスト荷重に基づいてバルブの開度が制御されるため、圧縮空気供給ラインからタービンディスクの背面に供給する圧縮空気の流量をスラスト荷重に応じて調節することができる。これにより、スラスト荷重に応じてタービンディスクの背面圧力を調節して、スラスト荷重を低減することができるため、過給機の効率向上とスラスト軸受の信頼性とを両立することができる。また、特許文献２に記載される構成と比較して、過給機の内部に電磁石及びその設置スペース等を設ける必要がないため、スラスト軸受と過給機の大型化を抑制することができる。また、過給機の内部に永久磁石と電磁石を設ける必要がある特許文献２の構成と比較して、過給機の構成の複雑化を抑制することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載の過給装置において、
前記圧縮空気供給ラインは、前記過給機の外部に設けられた圧縮空気の供給源から圧縮空気を前記コンプレッサディスクの背面又は前記タービンディスクの背面に供給するように構成された外部圧縮空気供給路（例えば上述の外部圧縮空気供給路３０Ａ）を含む。

上記（２）に記載の過給装置によれば、過給機の外部に設けられた圧縮空気の供給源からの圧縮空気を利用してコンプレッサディスクの背面圧力又はタービンディスクの背面圧力を調節するため、下記（３）の構成と比較して、コンプレッサからエンジンに供給する圧縮空気量を減らさずにすむ。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）に記載の過給装置において、
前記圧縮空気供給ラインは、前記コンプレッサインペラを通過して生成された圧縮空気を前記コンプレッサディスクの背面又は前記タービンディスクの背面に供給するように構成されたコンプレッサ圧縮空気供給路（例えば上述のコンプレッサ圧縮空気供給路３０Ｂ）を含む。

上記（３）に記載の過給装置によれば、コンプレッサインペラを通過して生成された圧縮空気を利用してコンプレッサディスクの背面圧又はタービンディスクの背面圧力を調節するため、上記（２）の構成と比較して、過給機の外部に設ける圧縮空気の供給源の容量を低減し、又は該供給源を不要とすることができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れか１項に記載の過給装置において、
前記過給機のタービン（例えば上述のタービン５）は軸流タービンであり、
前記圧縮空気供給ラインは、前記タービンディスクの背面に圧縮空気を供給するように構成される。

上記（４）に記載の過給装置では、過給機のタービンが軸流タービンであるため、回転軸からスラスト軸受に作用するスラスト力は、タービン側からコンプレッサ側に向かう方向となる。このため、上記（４）に記載のように、圧縮空気供給ラインからタービンディスクの背面に圧縮空気を供給することにより、タービン側からコンプレッサ側に向かう方向を有するスラスト荷重を低減することができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（４）に記載の過給装置において、
前記制御装置は、前記スラスト荷重に関する第１パラメータ（例えば上述の第１パラメータＡ１）の計測値と、前記第１パラメータと前記スラスト荷重との相関を示すスラスト荷重相関情報（例えば上述のスラスト荷重相関情報Ｒ１）と、に基づいて、前記スラスト荷重（例えば上述のスラスト荷重Ｌ）を推定するように構成されたスラスト荷重推定部（例えば上述のスラスト荷重推定部４０）を含み、前記スラスト荷重推定部によって推定した前記スラスト荷重に基づいて前記バルブの開度を制御するように構成される。

上記（５）に記載の過給装置によれば、スラスト荷重を計測する荷重センサを過給機に設けなくても、スラスト荷重に関する第１パラメータの計測値とスラスト荷重相関情報とに基づいてスラスト荷重を推定することができる。このため、上記荷重センサを過給機に設けなくても、スラスト荷重推定部によって推定したスラスト荷重に基づいてバルブの開度を制御することにより、過給機の効率向上とスラスト軸受の信頼性とを両立することができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（５）に記載の過給装置において、
前記第１パラメータは、前記スラスト軸受の温度、又は、前記過給機の潤滑油入口温度と潤滑油出口温度との温度差である。

スラスト荷重が大きくなるにつれて、スラスト軸受の温度は高くなるとともに上記潤滑油の入口の温度と出口の温度との温度差は大きくなる。このため、上記（６）に記載の過給装置によれば、これらの何れかを第１パラメータとして用いることにより、第１パラメータの計測値とスラスト荷重相関情報とに基づいてスラスト荷重を精度良く推定することができる。したがって、上記荷重センサを過給機に設けなくても、過給機の効率向上とスラスト軸受の信頼性とを両立することができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（５）又は（６）に記載の過給装置において、
前記制御装置は、前記スラスト荷重が閾値（例えば上述の閾値Ｌｔｈ）を超えた場合に、前記バルブの開度を大きくするように構成される。

スラスト軸受の温度が過度に高くなるとスラスト軸受の損傷リスクが増大するため、上記（７）に記載の過給装置では、スラスト軸受の温度が許容温度（スラスト軸受の温度の上限値）を超えないようにスラスト荷重の上記閾値を設定することにより、スラスト軸受の信頼性を確保することができる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（５）乃至（７）の何れかに記載の過給装置において、
前記制御装置は、前記スラスト荷重を低減する量の目標値であるスラスト荷重低減量（例えば上述のスラスト荷重低減量ΔＬ）を前記スラスト荷重に基づいて算出するスラスト荷重低減量算出部（例えば上述のスラスト荷重低減量算出部４２）を含み、前記スラスト荷重低減量算出部によって算出した前記スラスト荷重低減量と、前記タービンディスクの背面圧力（例えば上述の背面圧力Ｐｂ０）と、に基づいて前記バルブの開度を制御するように構成される。

上記（８）に記載の過給装置によれば、スラスト荷重低減量を実現するためのバルブの開度をタービンディスクの背面圧力を考慮して設定することができるため、過給機の効率向上とスラスト軸受の信頼性とをより効果的に両立することができる。

（９）幾つかの実施形態では、上記（８）に記載の過給装置において、
前記スラスト荷重低減量算出部は、前記スラスト軸受の温度が許容温度（例えば上述の許容温度ＴＬ）以下となるように前記スラスト荷重低減量を算出する。

上記（９）に記載の過給装置によれば、スラスト軸受の損傷リスクを考慮してスラスト軸受の温度が過度に高くならないようにスラスト荷重低減量が決定されるため、スラスト軸受の信頼性を効果的に高めることができる。

（１０）幾つかの実施形態では、上記（８）又は（９）に記載の過給装置において、
前記スラスト荷重低減量算出部は、前記スラスト荷重が閾値（例えば上述の閾値Ｌｔｈ）を超えた場合に、前記スラスト荷重推定部によって推定した前記スラスト荷重から前記スラスト荷重の前記閾値を減じることによって前記スラスト荷重低減量を算出するように構成される。

上記（１０）に記載の過給装置によれば、スラスト軸受の損傷リスクを考慮して閾値を設定することにより、スラスト荷重が過度に大きくならないようにスラスト荷重低減量が決定されるため、スラスト軸受の信頼性を効果的に高めることができる。

（１１）幾つかの実施形態では、上記（８）乃至（１０）の何れかに記載の過給装置において、
前記制御装置は、前記背面圧力に関する第２パラメータ（例えば上述の第２パラメータＡ２）の計測値と、前記第２パラメータと前記背面圧力との相関を示す背面圧力相関情報（例えば上述の背面圧力相関情報Ｒ２）と、に基づいて、前記背面圧力を推定するように構成された背面圧力推定部（例えば上述の背面圧力推定部４４）を含み、前記スラスト荷重低減量算出部によって算出した前記スラスト荷重低減量と、前記背面圧力推定部によって推定した前記背面圧力とに基づいて前記バルブの開度を制御するように構成される。

上記（１１）に記載の過給装置によれば、タービンディスクの背面圧力を計測する圧力センサを過給機に設けなくても、背面圧力に関する第２パラメータの計測値と背面圧力相関情報とに基づいて背面圧力を推定することができる。このため、背面圧力を計測する圧力センサを過給機に設けなくても、スラスト荷重低減量を実現するためのバルブの開度を背面圧力推定部によって推定した背面圧力を考慮して設定することにより、過給機の効率向上とスラスト軸受の信頼性とをより効果的に両立することができる。

（１２）幾つかの実施形態では、上記（１１）に記載の過給装置において、
前記第２パラメータは、前記過給機におけるタービン入口圧力である。

タービン入口圧力が大きくなるにつれてタービンディスクの背面圧力は大きくなる。このため、上記（１２）に記載のように、タービン入口圧力を第２パラメータとして用いることにより、第２パラメータの計測値と背面圧力相関情報とに基づいてタービンディスクの背面圧力を精度良く推定することができる。したがって、上記圧力センサを過給機に設けなくても、過給機の効率向上とスラスト軸受の信頼性とを両立することができる。

（１３）幾つかの実施形態では、上記（８）乃至（１２）の何れかに記載の過給装置において、
前記制御装置は、
前記スラスト荷重低減量算出部によって算出した前記スラスト荷重低減量と、前記背面圧力とに基づいて、前記スラスト荷重低減量を実現するための前記背面圧力の目標値である目標背面圧力（例えば上述の目標背面圧力Ｐｂ１）を算出するように構成された目標背面圧力算出部（例えば上述の目標背面圧力算出部４６）と、
前記目標背面圧力算出部によって算出した前記目標背面圧力に基づいて、前記圧縮空気供給ラインから前記タービンディスクの背面に供給する前記圧縮空気の流量である供給空気量（例えば上述の供給空気量Ｑ）を算出する供給空気量算出部（例えば上述の供給空気量算出部４８）と、
を備え、前記供給空気量算出部によって算出した前記供給空気量を実現するように前記バルブの開度を制御するように構成される。

上記（１３）に記載の過給装置によれば、スラスト荷重低減量を実現するための目標背面圧力を現在の背面圧力を考慮して算出し、目標背面圧力に基づいて算出した供給空気量を実現するようにバルブの開度を制御することにより、スラスト荷重を効果的に低減することができ、過給機の効率向上とスラスト軸受の信頼性とを両立することができる。

２，０２ 過給装置
３ 過給機
４ コンプレッサ
５ タービン
６ 回転軸
７ 軸受装置
８ コンプレッサインペラ
１０ コンプレッサディスク
１２ コンプレッサ翼
１８ タービンディスク
１８ａ 背面
１９ スクロール流路
２０ タービン翼
２２ ジャーナル軸受
２４ スラスト軸受
２６ スラストカラー
２８ 静止ディスク
３０ 圧縮空気供給ライン
３０Ａ 外部圧縮空気供給路
３０Ｂ コンプレッサ圧縮空気供給路
３２ 電動バルブ
３３ 逆止弁
３４ 制御装置
３５ 第１計測装置
３６ 圧縮空気供給源
３７ 第２計測装置
４０ スラスト荷重推定部
４２ スラスト荷重低減量算出部
４４ 背面圧力推定部
４６ 目標背面圧力算出部
４８ 供給空気量算出部
５０ バルブ開度制御部
５２ 記憶部
７２ プロセッサ
７４ ＲＡＭ
７６ ＲＯＭ
７８ ＨＤＤ
８０ 入力Ｉ／Ｆ
８２ 出力Ｉ／Ｆ
８４ バス
Ａ１ 第１パラメータ
Ａ２ 第２パラメータ
Ｌ スラスト荷重
Ｌｔｈ 閾値
Ｐｂ０ 背面圧力
Ｐｂ１ 目標背面圧力
Ｑ 供給空気量
Ｒ１ スラスト荷重相関情報
Ｒ２ 背面圧力相関情報
ＴＬ 許容温度
Ｔｔｈ 基準温度

Claims (13)

1. 過給機を備える過給装置であって、
   前記過給機は、
   コンプレッサディスクを含むコンプレッサインペラと、
   タービンディスクと、
   前記コンプレッサインペラと前記タービンディスクとを連結する回転軸と、
   前記回転軸の軸方向の移動を規制するスラスト軸受と、
   を含み、
   前記過給装置は、
   前記コンプレッサディスクの背面又は前記タービンディスクの背面に圧縮空気を供給するように構成された圧縮空気供給ラインと、
   前記圧縮空気供給ラインに設けられたバルブと、
   前記回転軸から前記スラスト軸受へのスラスト荷重に基づいて前記バルブの開度を制御するように構成された制御装置と、
   を備える、過給装置。
2. 前記圧縮空気供給ラインは、前記過給機の外部に設けられた圧縮空気の供給源から圧縮空気を前記コンプレッサディスクの背面又は前記タービンディスクの背面に供給するように構成された外部圧縮空気供給路を含む、請求項１に記載の過給装置。
3. 前記圧縮空気供給ラインは、前記コンプレッサインペラを通過して生成された圧縮空気を前記コンプレッサディスクの背面又は前記タービンディスクの背面に供給するように構成されたコンプレッサ圧縮空気供給路を含む、請求項１に記載の過給装置。
4. 前記過給機のタービンは軸流タービンであり、
   前記圧縮空気供給ラインは、前記タービンディスクの背面に圧縮空気を供給するように構成された、請求項１に記載の過給装置。
5. 前記制御装置は、前記スラスト荷重に関する第１パラメータの計測値と、前記第１パラメータと前記スラスト荷重との相関を示すスラスト荷重相関情報と、に基づいて、前記スラスト荷重を推定するように構成されたスラスト荷重推定部を含み、前記スラスト荷重推定部によって推定した前記スラスト荷重に基づいて前記バルブの開度を制御するように構成された、請求項４に記載の過給装置。
6. 前記第１パラメータは、前記スラスト軸受の温度、又は、前記過給機の潤滑油入口温度と潤滑油出口温度との温度差である、請求項５に記載の過給装置。
7. 前記制御装置は、前記スラスト荷重が閾値を超えた場合に、前記バルブの開度を大きくするように構成された、請求項５に記載の過給装置。
8. 前記制御装置は、前記スラスト荷重を低減する量の目標値であるスラスト荷重低減量を前記スラスト荷重に基づいて算出するスラスト荷重低減量算出部を含み、前記スラスト荷重低減量算出部によって算出した前記スラスト荷重低減量と、前記タービンディスクの背面圧力と、に基づいて前記バルブの開度を制御するように構成された、請求項５に記載の過給装置。
9. 前記スラスト荷重低減量算出部は、前記スラスト軸受の温度が許容温度以下となるように前記スラスト荷重低減量を算出する、請求項８に記載の過給装置。
10. 前記スラスト荷重低減量算出部は、前記スラスト荷重が閾値を超えた場合に、前記スラスト荷重推定部によって推定した前記スラスト荷重から前記スラスト荷重の前記閾値を減じることによって前記スラスト荷重低減量を算出するように構成された、請求項８に記載の過給装置。
11. 前記制御装置は、前記背面圧力に関する第２パラメータの計測値と、前記第２パラメータと前記背面圧力との相関を示す背面圧力相関情報と、に基づいて、前記背面圧力を推定するように構成された背面圧力推定部を含み、前記スラスト荷重低減量算出部によって算出した前記スラスト荷重低減量と、前記背面圧力推定部によって推定した前記背面圧力とに基づいて前記バルブの開度を制御するように構成された、請求項８に記載の過給装置。
12. 前記第２パラメータは、前記過給機におけるタービン入口圧力である、請求項１１に記載の過給装置。
13. 前記制御装置は、
    前記スラスト荷重低減量算出部によって算出した前記スラスト荷重低減量と、前記背面圧力とに基づいて、前記スラスト荷重低減量を実現するための前記背面圧力の目標値である目標背面圧力を算出するように構成された目標背面圧力算出部と、
    前記目標背面圧力算出部によって算出した前記目標背面圧力に基づいて、前記圧縮空気供給ラインから前記タービンディスクの背面に供給する前記圧縮空気の流量である供給空気量を算出する供給空気量算出部と、
    を備え、前記供給空気量算出部によって算出した前記供給空気量を実現するように前記バルブの開度を制御するように構成された、請求項８に記載の過給装置。

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