JP4830922B2

JP4830922B2 - ターボ過給機への潤滑液供給システム

Info

Publication number: JP4830922B2
Application number: JP2007063697A
Authority: JP
Inventors: 孝佳北田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-03-13
Filing date: 2007-03-13
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2027-03-13
Also published as: JP2008223626A

Description

本発明は、ターボ過給機に潤滑液の供給を行なうための潤滑液供給システムに関する。

ターボ過給機への潤滑油（潤滑液）の供給は、一般には内燃機関のクランクシャフトに連動されたオイルポンプによって行われる。そのためターボ過給機には、内燃機関が始動されてから停止されるまでの間のみ潤滑油の供給が行われる。このような構成に対し、ターボアシスト用の電動機を備えたターボ過給機において、内燃機関始動時（特に冷間始動時）に電動機により高速回転されるターボ過給機の軸受けに、内燃機関の始動に先立って潤滑油を供給し、ターボ回転軸の焼き付きを防止するものが提案されている（特許文献１参照）。

また、電動機付きターボ過給機において、内燃機関停止後の排気ガスの熱によるターボ回転軸の焼き付き防止のために、内燃機関停止後も所定温度以下となるまで電動機によりターボ回転軸を回転させ、軸受け上方に設けられたオイル溜まりから潤滑油を自然落下により軸受けに供給し、自己潤滑するものが知られている（特許文献２参照）。
特開２００３−２３９７５６号公報特開昭６４−４５９２２号公報

上記特許文献１、２の装置は、内燃機関始動時、あるいは内燃機関停止時におけるターボ回転軸／軸受けの焼き付きの防止を目的としたものである。しかし、内燃機関停止によりターボ過給機への潤滑油の供給が停止されると、この他にも騒音の問題が発生する。すなわち、内燃機関停止後においてもターボ回転軸は、その慣性モーメントにより一定時間惰性で回転を続ける。内燃機関停止によりオイルポンプからの潤滑油の供給が停止されると、軸受けホルダと軸受けハウジングとの間など、過給機の構成要素で相対的に回転数の差が認められ当接される他の部位相互間に油膜ダンパを用いた構成では、軸受けホルダと軸受けハウジングとの間に接触が生じ、惰性による回転が所定の回転数に達すると異音が発生する。特に、電動機付きターボ過給機のように、ターボ回転軸に一体化された組立体（ターボ回転軸、タービン、コンプレッサ、電動機回転子など）の質量および慣性モーメントが大きい場合、この問題は顕著である。

本発明は、内燃機関停止動作時、ターボ過給機において異音が発生するのを防止することを目的としている。

本発明のターボ過給機への第１の潤滑液供給システムは、内燃機関に設けられたターボ過給機に潤滑液を供給する潤滑液供給手段を備え、前記潤滑液供給手段が、前記内燃機関の駆動力により駆動される第１潤滑液供給手段と、前記内燃機関とは独立して駆動される第２潤滑液供給手段と、ターボ回転数を検出するターボ回転数検出手段と、前記潤滑液の圧力を検出する圧力検出手段と、内燃機関の停止動作判断及び、前記第１潤滑液供給手段及び前記第２潤滑液供給手段の駆動制御を行う制御手段とを有し、前記制御手段は、前記内燃機関の停止後または内燃機関に対する停止指示後に、前記ターボ回転数検出手段により検出された前記ターボ回転数が所定のターボ回転数以上であるかどうかを判定し、前記検出されたターボ回転数が前記所定のターボ回転数以上である場合に、前記圧力検出手段により検出された前記潤滑液の圧力が前記潤滑液の液膜による油膜ダンパを維持するのに必要な所定値よりも小さいかどうかを判定し、前記検出された潤滑液の圧力が前記所定値よりも小さい場合に、前記第２潤滑液供給手段の駆動を開始させることを特徴としている。また、前記制御手段は、駆動を開始した前記第２潤滑液供給手段を、前記ターボ回転数検出手段により検出された前記ターボ回転数が前記所定のターボ回転数以下になったことを判定した時に停止させることが好ましい。

本発明のターボ過給機への第２の潤滑液供給システムは、内燃機関に設けられたターボ過給機に潤滑液を供給する潤滑液供給手段を備え、前記潤滑液供給手段が、前記内燃機関の駆動力により駆動される第１潤滑液供給手段と、前記内燃機関とは独立して駆動される第２潤滑液供給手段と、前記内燃機関停止後または内燃機関に対する停止指示後からの経過時間を取得する経過時間取得手段と、前記潤滑液の圧力を検出する圧力検出手段と、内燃機関の停止動作判断及び、前記第１潤滑液供給手段及び前記第2潤滑液供給手段の駆動制御を行う制御手段とを有し、前記制御手段は、前記内燃機関の停止後または内燃機関に対する停止指示後、前記経過時間取得手段により取得された、前記内燃機関停止後または内燃機関停止に対する停止指示後からの経過時間が、前記内燃機関の停止後または内燃機関に対する停止指示後から前記ターボ回転数が所定のターボ回転数以下となるのに必要な所定時間を超過したかどうかを判定するとともに、前記圧力検出手段により検出された前記潤滑液の圧力が前記潤滑液の液膜による油膜ダンパを維持するのに必要な所定値よりも小さいかどうかを判定し、前記取得された経過時間が前記所定時間を超過しておらず、かつ、前記検出された潤滑液の圧力が前記所定値よりも小さい場合に、前記第２潤滑液供給手段の駆動を開始させることを特徴としている。

また、前記制御手段は、駆動を開始した前記第２潤滑液供給手段を、前記経過時間取得手段により取得された、前記内燃機関の停止後または内燃機関に対する停止指示後からの経過時間が、前記所定時間を超過したことを判定した時に停止させることが好ましい。

例えば、第１潤滑液供給手段は、前記内燃機関に連動される第１ポンプとチェックバルブとを備えるとともに、前記第２潤滑液供給手段が第２ポンプを備え、前記第２ポンプが前記第１ポンプおよび前記チェックバルブと並列に設けられる。

前記所定のターボ回転数とは、例えば、異音が発生する限界回転数とすればよい。

前記ターボ過給機に電動機が備えられている場合には、前記第２潤滑液供給手段は前記電動機の回生エネルギーにより駆動されることが好ましい。

以上のように、本発明によれば、内燃機関停止動作時、ターボ過給機において異音が発生するのを防止できる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施形態であるターボ過給機への潤滑油（油以外の潤滑液であってもよい）の供給を行なう潤滑油（潤滑液）供給システムの模式的な構成を示すブロック図である。

内燃機関１０は、吸気マニホルド１０Ａ、排気マニホルド１０Ｂ、オイルパン１０Ｃを備えるとともに、内燃機関１０のクランクシャフト（図示せず）に連動される第１オイルポンプ１１と第１オイルフィルタ１２を備える。本実施形態において、吸気マニホルド１０Ａには、インタークーラ１３を介して電動機付きターボ過給機１４のコンプレッサ１４Ａが接続され、エアクリーナ１５を通して吸入された外気がコンプレッサ１４Ａにより加圧され供給される。

ターボ過給機１４のターボ回転軸１４０には、従来周知のようにタービン１４Ｂとターボの回転をアシストするための電動機（モータ）１４Ｃが設けられる。タービン１４Ｂには排気マニホルド１０Ｂから排気ガスが供給され、排気ガスはタービン１４Ｂを回転させたのち触媒１６を介して外部へと排出される。また、電動機１４Ｃはインバータ／コントローラ１７により駆動制御されるとともに、その回転数が検知され電子制御ユニット（ＥＣＵ）１９へ入力される。なお、電動機１４Ｃにはバッテリ１８からインバータ／コントローラ１７を介して電力が供給され、インバータ／コントローラ１７は電子制御ユニット（ＥＣＵ）１９によって制御される。

第１実施形態において、オイルパン１０Ｃからの潤滑油は、第１および第２潤滑油供給経路を介してターボ過給機１４のターボ回転軸１４０の軸受け部に供給される。第１潤滑油供給経路は、内燃機関１０を動力源とする第１オイルポンプ１１を用いたもので、内燃機関１０が運転中、潤滑油はこの供給経路を用いてターボ過給機１４に供給される。

第１潤滑油供給経路において、オイルパン１０Ｃは第１オイルポンプ１１に接続され、第１オイルポンプ１１から吐出された潤滑油は、第１オイルフィルタ１２、チェックバルブ２０、第２オイルフィルタ２１を介してターボ過給機１４に供給される。なお、第２オイルフィルタ２１の手前（上流側）、チェックバルブ２０の下流側の配管には、例えば油圧センサ２２が設けられ、ターボ入口における油圧が検出され、電子制御ユニット（ＥＣＵ）１９に入力される。なお、第１オイルポンプ１１から吐出され第１オイルフィルタ１２を介した潤滑油の一部は、上述のようにチェックバルブ２０を通してターボ過給機１４にも供給されるが、潤滑油の主なものは再度内燃機関１０の各部へと供給され循環される。

一方、第２潤滑油供給経路は、イグニッションＩＧがＯＮ状態からＯＦＦ状態とされて内燃機関１０が停止され、第１オイルポンプ１１の駆動が停止された際に用いられる潤滑油の供給経路であり、その動力源には、内燃機関１０の駆動とは独立した第２オイルポンプ２３が用いられる。第２オイルポンプ２３は、例えば電動機を用いた電動オイルポンプであり、電力はバッテリ１８から供給され、その制御は電子制御ユニット（ＥＣＵ）１９によって行われる。すなわち第２オイルポンプ２３はイグニッションＩＧがオフされた状態において駆動される。

第２潤滑油供給経路において、オイルパン１０Ｃは第２オイルポンプ２３に接続される。第２オイルポンプ２３から吐出された潤滑油は、その後第１潤滑油供給経路と同様に、圧力センサ２２が設けられた配管を通過した後、第２オイルフィルタ２１を介してターボ過給機１４に供給される。すなわち、第２オイルポンプ２３は、第１オイルポンプ１１、第１オイルフィルタ１２、チェックバルブ２０と並列に接続される。

ここで、チェックバルブ２０は、内燃機関１０の運転が停止されることにより第１オイルポンプ１１が停止され、更に第２オイルポンプ２３が駆動された際、チェックバルブ２０が設けられた経路を介して、潤滑油が第２オイルポンプ２３の吐出圧により内燃機関１０側に逆流するのを防止するものである。また第２オイルフィルタ２１は、主に第２潤滑油供給経路を介した潤滑油を濾過するものであるが、本実施形態では第１潤滑油供給経路を介した潤滑油の濾過も行われる。なお、第１オイルフィルタ１２は、内燃機関１０の各部へと潤滑油が戻される側の配管（チェックバルブ２０側の配管から分岐した配管）に配置されてもよい。この場合、第２オイルポンプ２３は、第１オイルポンプ１１およびチェックバルブ２０とのみ並列に接続される。

次に図２、図３を参照して、潤滑油が供給されるターボ過給機１４における軸受け部の周辺の構成について説明し、本実施形態における油膜（液膜）ダンパの役割につてい説明する。図２は、本実施形態の電動機付きターボ過給機１４のターボ回転軸１４０に沿った断面図であり、図３は、図２の断面図における軸受け部の拡大図である。

電動機付きターボ過給機１４のターボ回転軸１４０は、その一端にタービンブレード１４３が一体的に設けられ、他端にはコンプレッサ１４Ａのインペラ１４４が装着される。またタービン回転軸１４０には、電動機１４Ｃのモータ回転子１４５が取り付けられ、その周囲にはコイル１４６が巻かれたステータ１４７が配置される。

ターボ回転軸１４０には、一対の軸受け（ボールベアリング）１４１、１４２が装着される。軸受け１４１、１４２は、円筒状の軸受けホルダ１４８内に組み付けられ、ボールベアリング１４１、１４２はターボ回転軸１４０に装着されたスペーサ１４９によりその内輪が軸方向に所定距離離れて固定される。また、ボールベアリング１４１、１４２の外輪は、それぞれ一対のリング１５０、１５１に当接し、リング１５０、１５１の間に介挿されるコイルスプリング１５２によりその位置が保持される。

軸受けホルダ１４８は、軸受けホルダ１４８よりも一回り大きい円筒状の軸受けハウジング１５３内に装置される。これにより軸受けホルダ１４８と軸受けハウジング１５３の間には、円筒状の僅かな隙間１５４が形成され、ここに潤滑油が所定の圧力以上で供給されると、油膜が形成され軸受けホルダ１４８と軸受けハウジング１５３の間において油膜ダンピングとして機能する。なお軸受けハウジング１５３はタービン過給機１４の本体と一体的であり、軸受けハウジング１５３内の構成を本実施形態では軸受け部と呼ぶ。

また、軸受けホルダ１４８には、円筒軸方向に垂直な穴１４８Ａが形成されており、軸受けハウジング１５３に装着されたピン１５５の先端が嵌入され、軸受けホルダ１４８の円筒軸周りの回転が規制される。なお、ピン１５５の先端と穴１４８Ａとの間には適度な隙間が形成され、軸受けホルダ１４８は、ピン１５５の軸方向にそって移動可能である。すなわち、油圧が低いときには、ターボ回転軸１４０および軸受けホルダ１４８を含む組立体は、重力により一方へ偏り、軸受けハウジング１５３の内周面と接触する。一方、油圧が一定値を越え隙間１５４に油膜が形成されると、軸受けホルダ１４８は、ピン１５５に沿って移動し、軸受けホルダ１４８の外周面は軸受けハウジング１５３の内周面と一定の距離隔てて同軸的に保持される。

ピン１５５の中心には軸に沿ってオイル供給通路１５５Ａが形成され、オイル供給通路１５５Ａ内には、第２オイルフィルタ２１（図１参照）が装着される。オイル供給通路１５５Ａは、ピン１５５の先端近くでＴ字形に横方向に分岐し、軸受けホルダ１４８の外周面に周方向に沿って設けられた溝１４８Ｂにオイル供給通路１５５Ａを介した潤滑油を供給する。溝１４８Ｂに供給された潤滑油は、その後隙間１５４に供給され軸受けホルダ１４８と軸受けハウジング１５３との間で油膜ダンパを形成する。なお、ボールベアリング１４１、１４２には、リング１５０、１５１にそれぞれ設けられたジェット給油穴１５０Ａ、１５１Ａを通して潤滑油が供給され冷却される。

次に図４のフローチャートを参照して、第１実施形態における潤滑油供給システムの制御手順について説明する。なお、図４に示される制御処理は、各センサからの信号に基づいて電子制御ユニット（ＥＣＵ）１９が、第２オイルポンプである電動オイルポンプ２３を駆動制御することにより実行される。

ステップＳ１１０において、イグニッションＩＧがオフ状態（内燃機関１０停止状態；第１オイルポンプ１１停止状態）とされたことを電子制御ユニット（ＥＣＵ）１９が検知すると、ステップＳ１１２においてインバータ／コントローラ１７からターボ回転数Ｎｔが読み込まれ、検出されたターボ回転数Ｎｔが所定値よりも大きいか否かが判定される。ここで所定値は、潤滑が不十分で油膜ダンパが機能しないときに、ターボ過給機１４の軸受け部が異音を発生する回転数、あるいはそれ以下の回転数である。なお、例えば所定値＝０、すなわち回転が完全に止まった状態を判定条件とすることも可能である。

また例えば、潤滑油（潤滑液）の供給を停止したときに、車内環境での異音レベルが所定値以下となる最大のターボ回転数を限界回転数として予めもとめ、この限界回転数を所定値として、上記ステップＳ１１２における判定を行ってもよい。

ターボ回転数Ｎｔが所定値よりも大きいと判定されたときには、すなわち、未だ十分にターボ回転数Ｎｔが下がっていないときには、ステップＳ１１４において油圧センサ２２において検出されたターボ入口油圧が所定値以下であるか否かが判定される。ここで所定値は、油膜ダンパが形成されるのに最低限必要な油圧値である。ステップＳ１１４において、検出された油圧が所定値以下でないと判定された場合、ターボ回転数Ｎｔは未だ十分に下がっていないが、まだ油圧（残圧）は油膜ダンパを維持するのに十分あるので、ステップＳ１１２に戻り同様の判定を繰り返す。

一方、ステップＳ１１４において、検出された油圧が所定値以下であると判定された場合、残圧は油膜ダンパを維持するのに既に十分でないので、その後、回転数が低下し所定回転数に達すると異音が発生する。したがって、ステップＳ１１６において、第２オイルポンプである電動オイルポンプ２３が駆動され、ターボ過給機１４への潤滑油の供給が開始され、ステップＳ１１２以下の判定が繰り返される。

また、ステップＳ１１２において、ターボ回転数Ｎｔが所定値以下である（Ｎｔよりも大きくない）と判定された場合には、ターボ回転数Ｎｔは既に異音を発生することのない回転数まで下がっているので、油膜ダンパを維持する必要がなくステップＳ１１８において第２オイルポンプである電動オイルポンプ２３の駆動が停止され、この潤滑油供給システムの制御処理は終了する。

以上のように、第１実施形態によれば、内燃機関の停止動作において機関停止後も、ターボ回転数が異音が発生する所定の回転数よりも低い回転数（ターボ回転数が０のときも含む）となるまで、内燃機関とは独立した第２オイルポンプを駆動して油膜ダンパを維持することができる。これにより、ターボ過給機の軸受け部における異音の発生を防止できる。また、第１実施形態では、油圧をモニタすることにより、残圧が油膜ダンパ維持に十分なときには第２オイルポンプを駆動させないことにより、より効率的に潤滑維持のための制御を行なうことができる。

なお、本実施形態では、例えば、ターボ過給機に設けられた電動機の回生エネルギーを第２オイルポンプの駆動に用いることにより、潤滑油供給システムの駆動を更に効率化することができる。回生エネルギーは一旦バッテリに蓄積されてもよいし、直接第２オイルポンプに用いられてもよい。また、このとき電動機の回生によりターボ回転数の低下を早めることができる。

また、本実施形態では、第２オイルフィルタを用いているため、第２オイルフィルタを第１オイルフィルタよりも目の細かいものにすることにより、軸受けにボールベアリングなどを用いるときにも異物の除去を十分に行なうことができる。また、内燃機関停止後も潤滑油がターボ過給機に供給されることから、デッドソーク時にターボ軸受けを潤滑油で冷却することができるためタービンからの熱による温度上昇を抑えることができ、軸受けの信頼性が向上する。

なお、第１〜第３実施形態においては、特にその効果が顕著である電動機付きターボ過給機を例に説明を行ったため、ターボ回転数を直接検出して潤滑油供給システムの駆動を制御したが、本発明は電動機によるアシスト機能を持たないターボ過給機にも適用できる。ターボ回転数を検出するセンサを備えていないシステムでは、例えば、イグニッションをオフした後（内燃機関停止後）、あるいはイグニッションをオフする指示を受けた後（内燃機関停止指示後）、エンジン回転数に対応してターボ回転数が所定値よりも低くなるまでの時間を予め求めておき、ターボ回転数が所定値よりも低くなる時間が経過した時点で潤滑油供給システムの駆動を停止する構成とすることも可能である。なおこのような構成は、第１〜第３実施形態のように電動機付きターボ過給機にも適用することができる。

本発明の第１実施形態におけるターボ過給機のための潤滑油供給システムの構成を示すブロック図である。本実施形態に用いられる電動機付きターボ過給機の断面図である。図２に示された電動機付きターボ過給機の軸受け部近傍における部分拡大断面図である。第１実施形態における潤滑油供給システム制御処理のフローチャートである。第２実施形態における潤滑油供給システムの構成を示すブロック図である。第３実施形態における潤滑油供給システムの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０内燃機関
１０Ｃオイルパン
１１第１オイルポンプ
１４ターボ過給機
１４Ａコンプレッサ
１４Ｂタービン
１４Ｃ電動機
１７インバータ／コントローラ
１８バッテリ
１９電子制御ユニット（ＥＣＵ）
２０チェックバルブ
２２油圧センサ
２３第２オイルポンプ
１４０ターボ回転軸
１４１、１４２軸受け

Claims

内燃機関に設けられたターボ過給機に潤滑液を供給する潤滑液供給手段を備え、
前記潤滑液供給手段が、前記内燃機関の駆動力により駆動される第１潤滑液供給手段と、前記内燃機関とは独立して駆動される第２潤滑液供給手段と、ターボ回転数を検出するターボ回転数検出手段と、前記潤滑液の圧力を検出する圧力検出手段と、内燃機関の停止動作判断及び、前記第１潤滑液供給手段及び前記第２潤滑液供給手段の駆動制御を行う制御手段とを有し、
前記制御手段は、
前記内燃機関の停止後または内燃機関に対する停止指示後に、前記ターボ回転数検出手段により検出された前記ターボ回転数が所定のターボ回転数以上であるかどうかを判定し、
前記検出されたターボ回転数が前記所定のターボ回転数以上である場合に、前記圧力検出手段により検出された前記潤滑液の圧力が前記潤滑液の液膜による油膜ダンパを維持するのに必要な所定値よりも小さいかどうかを判定し、
前記検出された潤滑液の圧力が前記所定値よりも小さい場合に、前記第２潤滑液供給手段の駆動を開始させることを特徴とするターボ過給機への潤滑液供給システム。
内燃機関に設けられたターボ過給機に潤滑液を供給する潤滑液供給手段を備え、前記潤滑液供給手段が、前記内燃機関の駆動力により駆動される第１潤滑液供給手段と、前記内燃機関とは独立して駆動される第２潤滑液供給手段と、前記内燃機関停止または内燃機関に対する停止指示からの経過時間を取得する経過時間取得手段と、前記潤滑液の圧力を検出する圧力検出手段と、内燃機関の停止動作判断及び、前記第１潤滑液供給手段及び前記第2潤滑液供給手段の駆動制御を行う制御手段とを有し、
前記制御手段は、
前記内燃機関の停止後または内燃機関に対する停止指示後に、前記経過時間取得手段により取得された、前記内燃機関停止後または内燃機関に対する停止指示後からの経過時間が、前記内燃機関の停止後または内燃機関に対する停止指示後から前記ターボ回転数が所定のターボ回転数以下となるのに必要な所定時間を超過したかどうかを判定するとともに、前記圧力検出手段により検出された前記潤滑液の圧力が前記潤滑液の液膜による油膜ダンパを維持するのに必要な所定値よりも小さいかどうかを判定し、
前記取得された経過時間が前記所定時間を超過しておらず、かつ、前記検出された潤滑液の圧力が前記所定値よりも小さい場合に、前記第２潤滑液供給手段の駆動を開始させることを特徴とするターボ過給機への潤滑液供給システム。
前記制御手段は、駆動を開始した前記第２潤滑液供給手段を、前記ターボ回転数検出手段により検出された前記ターボ回転数が前記所定のターボ回転数以下になったことを判定した時に停止させることを特徴とする請求項１に記載のターボ過給機への潤滑液供給システム。
前記制御手段は、駆動を開始した前記第２潤滑液供給手段を、前記経過時間取得手段により取得された、前記内燃機関の停止後または内燃機関に対する停止指示後からの経過時間が、前記所定時間を超過したことを判定した時に停止させることを特徴とする請求項２に記載のターボ過給機への潤滑液供給システム。
前記第１潤滑液供給手段が、前記内燃機関に連動される第１ポンプとチェックバルブとを備えるとともに、前記第２潤滑液供給手段が第２ポンプを備え、前記第２ポンプが前記第１ポンプおよび前記チェックバルブと並列に設けられることを特徴とする請求項１ないし4のいずれかに記載の潤滑液供給システム。
前記所定のターボ回転数は異音が発生する限界回転数であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の潤滑液供給システム。
前記ターボ過給機が電動機を備えており、前記第２潤滑液供給手段が前記電動
機の回生エネルギーにより駆動されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の潤滑液供給システム。