JP5105304B2 - ターボチャージャシステム - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの排気エネルギによりエンジンに供給する空気を加圧（過給）するターボチャージャシステムに関する。

圧縮機により密度を高めた空気を機関（エンジン）に供給することを過給（ｓｕｐｅｒｃｈａｒｇｉｎｇ）といい、このうち排気エネルギにより圧縮機の駆動仕事をまかなうものを排気タービン過給機（ｅｘｈａｕｓｔ‐ｇａｓ ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ）と呼ぶ。本発明において、この排気タービン過給機を単に「ターボチャージャ」と呼ぶ。

ターボチャージャは、一般的に、軸受ユニットを挟んで配置されたコンプレッサインペラとタービンインペラからなる。コンプレッサインペラとタービンインペラは、軸受ユニットで支持された連結軸（シャフト）で互いに連結されており、エンジンの排ガスでタービンインペラを回転駆動し、この回転力をシャフトを介してコンプレッサインペラに伝達し、コンプレッサインペラで空気を圧縮してエンジンに過給するようになっている。

エンジンの運転状態により、ターボチャージャの回転速度は常に変動し、シャフトに発生するスラスト力も大きく変動する。そのため、軸受ユニットには、シャフトに発生するスラスト力を支持するスラスト軸受が不可欠となる。
かかるスラスト軸受の構造は、例えば、特許文献１〜３に開示されている。

特許文献１の「ターボチャージャのスラスト軸受構造」は、図５に示すように、スラスト部が、タービンシャフト５１に取り付けられ正スラスト軸受５２のパッド面と反スラスト軸受５３のパッド面との間に回転自在に挟み込まれた環状板５４からなり、油切り５５が、正スラスト軸受５２の径方向内側に所定の隙間を隔てて挿入され環状板５４に一端が突き当てられた円筒部５５ａと、その円筒部の他端側に連続して形成されシールプレート５６に挿通する傘部５５ｂとからなり、円筒部５５ａに、正スラスト軸受５２の内周面に摺接して、その正スラスト軸受５２と円筒部５５ａとの隙間をシールするシールリング５７を設けたものである。

特許文献２の「ターボチャージャ」は、スラスト軸受に供給される潤滑油の供給圧力を低圧に維持したままでスラスト軸受のスラスト方向におけるシャフト側との接触面に潤滑油を十分供給させるようにすることを目的とする。
そのため、この発明のターボチャージャにおいて、図６に示すように、スラスト軸受６０内には給油口がシャフト６１の外周面に面した主給油通路６２と、主給油通路６２とは独立した第１及び第２の副給油通路６３，６４を形成する。第１の副給油通路６３の給油口をスラスト軸受６０のタービンホイール側に偏倚した位置に開口させ、第２の副給油通路６４の給油口をコンプレッサホイール側に偏倚した位置に開口させるようにする。更に第１及び第２の副給油通路６３，６４をシャフト６１のスラスト方向への移動に伴って開放したり閉鎖したりするものである。

特許文献３の「電動過給機」は、過給機回転軸の回転を支援する回転電機を有し、該回転軸に作用するスラスト荷重が低減された電動過給機を目的とする。
そのため、この発明の電動過給機は、図７に示すように、過給機回転軸の回転を支援する「回転電機」としての表面磁石型電動機を備える。表面磁石型電動機は、ロータ７１とステータ７２とを有し、ロータ７１は磁石を含む。そして、ロータ７１とステータ７２とが軸方向にオフセットされた位置に設けられている。換言すると、ロータ７１とステータ７２との間における磁束密度の分布がロータ７１の軸方向中心Ｚ_０に関して非対称になるようにロータ７１とステータ７２とが設けられているものである。

特許第３９２４８４４号公報、「ターボチャージャのスラスト軸受構造」 特開２００６−１２５３４３号公報、「ターボチャージャ」 特開２００７−１９２１１０号公報、「電動過給機」

上述したように、ターボチャージャの軸受ユニットには、スラスト軸受が設けられ、シャフトに発生するスラスト力を支持するようになっている。特に、近年、ターボチャージャの高圧力比化が求められており、スラスト力に対する耐力を従来よりも高める必要がある。

スラスト軸受を潤滑するための潤滑油には、通常、ターボチャージャと組み合わせて用いられるエンジン用の潤滑油が用いられる。この場合、ターボチャージャに供給される潤滑油の特性（油圧、温度、粘度）は、エンジンの運転状態により変動する。また、エンジン用の燃料（ガソリン、軽油）がエンジン用の潤滑油に混入して希釈され、ターボチャージャに供給される潤滑油の粘度が大きく変動する場合もある。

このような、潤滑油の特性（油圧、温度、粘度）の変動や、希釈により、特に高圧力比化に伴い、ターボチャージャのスラスト軸受が金属接触を起こし、部材の耐熱温度を超え、焼き付きが発生するおそれがあった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、使用する潤滑油の特性（油圧、温度、粘度）が変動し、或いは希釈により粘度が大幅に低下する場合でも、スラスト軸受の金属接触を防止し、部材温度を低く抑え、焼き付きを防止することができ、これにより、高圧力比化が可能であるターボチャージャシステムを提供することにある。

本発明によれば、連結シャフトで互いに連結されたコンプレッサインペラおよびタービンインペラと、前記連結シャフトに作用するスラスト力を回転可能に支持するスラスト軸受と、該スラスト軸受を支持する軸受ハウジングとを有するターボチャージャと、
前記スラスト軸受の温度、スラスト軸受に作用するスラスト力、スラスト軸受の位置変位の少なくとも１つを検出するセンサと、
前記スラスト軸受に供給される潤滑油の油量、油圧、油温の少なくとも１つを制御する潤滑油制御装置と、を備えたことを特徴とするターボチャージャシステムが提供される。
ただし、本発明では、前記センサは、スラスト軸受に作用するスラスト力と、スラスト軸受の位置変位の一方または両方を検出する。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記スラスト軸受は、連結シャフトと共に回転する小径円板状のスラストカラーと、該スラストカラーの軸方向移動を阻止するタービン側スラスト軸受およびコンプレッサ側スラスト軸受とからなり、
前記軸受ハウジングは、タービン側スラスト軸受およびコンプレッサ側スラスト軸受に潤滑油を独立に供給する潤滑油流路をそれぞれ有する。

前記センサは、温度を検出する熱電対、スラスト力を検出する歪みゲージ、及び／又は、位置変位を検出する変位センサである。

前記潤滑油制御装置は、潤滑油の油量を制御する流量制御弁、潤滑油の油圧を制御する圧力制御弁、潤滑油の油温を制御する温度制御器の少なくとも１つを有する。

前記潤滑油制御装置は、流量制御弁、圧力制御弁、及び／又は、温度制御器を制御する制御演算部を有し、
該制御演算部により、検出した温度が所定の閾値を超える場合、検出したスラスト力が所定の閾値を超える場合、及び／又は、検出した位置変位が所定の閾値を超える場合に、油量増加、油圧上昇、及び／又は、油温低下が生じるように制御する。

前記制御は、フィードバック制御及び／又はフィードフォワード制御による、ことが好ましい。

上記本発明の構成によれば、ターボチャージャのスラスト軸受に作用するスラスト力と、スラスト軸受の位置変位の一方または両方を検出するセンサと、スラスト軸受に供給される潤滑油の油量、油圧、油温の少なくとも１つを制御する潤滑油制御装置とを備えるので、センサで検出したスラスト力、位置変位に基づき、スラスト軸受に供給される潤滑油の油量、油圧、油温を制御することができる。

従って、本発明のシステムにより、スラスト軸受に供給される潤滑油の特性（油圧、温度、粘度）を安定化させることができ、特に高圧力比化に伴い、油圧を意図的に高めたり、冷却効果を高めることが可能となる。

以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

図１は、本発明のターボチャージャシステムの全体構成図である。
この図において、本発明のターボチャージャシステムは、ターボチャージャ１０を備える。

ターボチャージャ１０は、連結シャフト１２で互いに連結されたコンプレッサインペラ１４およびタービンインペラ１６と、連結シャフト１２に作用するスラスト力を回転可能に支持するスラスト軸受１８と、スラスト軸受１８を支持する軸受ハウジング２０とを有する。

ターボチャージャ１０は、軸受ユニット２２を挟んで配置されたコンプレッサ１３とタービン１５からなり、コンプレッサ１３はコンプレッサインペラ１４を、タービン１５はタービンインペラ１６をそれぞれ内蔵する。
コンプレッサインペラ１４とタービンインペラ１６は、軸受ユニット２２で支持された連結シャフト１２で互いに連結されており、エンジンの排ガスでタービンインペラ１６を回転駆動し、この回転力を連結シャフト１２を介してコンプレッサインペラ１４に伝達し、コンプレッサインペラ１４で空気を圧縮してエンジンに過給するようになっている。

図２は、図１の主要部の構成図である。
この図において、スラスト軸受１８は、スラストカラー１９ａ、タービン側スラスト軸受１９ｂ、およびコンプレッサ側スラスト軸受１９ｃからなる。

スラストカラー１９ａは、連結シャフト１２に取り付けられ、連結シャフト１２と共に回転する小径円板状の部材である。スラストカラー１９ａは、耐熱性・耐磨耗性を有する金属部材であるのがよい。

タービン側スラスト軸受１９ｂは、軸受ハウジング２０に固定された板状部材であり、スラストカラー１９ａのタービン側に近接して位置し、スラストカラー１９ａのタービン側への軸方向移動を阻止する。
タービン側スラスト軸受１９ｂは、潤滑油流路２０ａ（後述する）を介してスラストカラー１９ａのタービン側に潤滑油を通す潤滑油流路を有する。

コンプレッサ側スラスト軸受１９ｃは、軸受ハウジング２０に固定された板状部材であり、スラストカラー１９ａのコンプレッサ側に近接して位置し、スラストカラー１９ａのコンプレッサ側への軸方向移動を阻止する。
コンプレッサ側スラスト軸受１９ｃ潤滑油流路２０ｂ（後述する）を介してスラストカラー１９ａのコンプレッサ側に潤滑油を通す潤滑油流路を有する。

スラスト軸受１９ｂ，１９ｃは、例えば鉛青銅鋳物（Ｃｕ−Ｓｎ−Ｐｂ系）からなり、２５０〜３００℃の高温に耐える耐熱性と、耐磨耗性を有する。

軸受ハウジング２０は、タービン側スラスト軸受１９ｂおよびコンプレッサ側スラスト軸受１９ｃに潤滑油を独立に供給する潤滑油流路２０ａ，２０ｂをそれぞれ有する。なおこの図で２０ｃは、ラジアル軸受２３に潤滑油を独立に供給する潤滑油流路である。

図２において、本発明のターボチャージャシステムは、さらにセンサ３０と潤滑油制御装置４０を備える。

センサ３０は、この例では、熱電対３２、歪みゲージ３４、および変位センサ３６からなる。
熱電対３２は、この例ではコンプレッサ側スラスト軸受１９ｃの背面（図で右側）に取り付けられ、その温度を検出し、潤滑油制御装置４０へ出力する。なお、熱電対３２をタービン側スラスト軸受１９ｂに取り付けてもよく、或いは両方に取り付けてもよい。
歪みゲージ３４は、この例ではコンプレッサ側スラスト軸受１９ｃの背面（図で右側）に取り付けられ、コンプレッサ側スラスト軸受１９ｃに作用するスラスト力を検出し、潤滑油制御装置４０へ出力する。なお、歪みゲージ３４をタービン側スラスト軸受１９ｂに取り付けてもよく、或いは両方に取り付けてもよい。

変位センサ３６は、スラストカラー１９ａに対峙して軸受ハウジング２０に固定され、スラストカラー１９ａの軸方向の位置変位を検出し、潤滑油制御装置４０へ出力する。この変位センサ３６は、例えばレーザセンサであり、１台でコンプレッサ側、タービン側への変位を検出できるのが好ましいが、コンプレッサ側、タービン側への変位を別個に検出してもよい。
なお、スラストカラー１９ａの軸方向の位置変位から、コンプレッサ側、タービン側における油膜の厚さを幾何学的に算出することができる。

センサ３０は、熱電対３２、歪みゲージ３４、および変位センサ３６のすべてを備える必要はなく、そのうち少なくとも１つを備え、スラスト軸受１８の温度、スラスト軸受１８に作用するスラスト力、スラスト軸受１８の位置変位の少なくとも１つを検出し、潤滑油制御装置４０へ出力する。
ただし、本発明では、センサ３０は、歪みゲージ３４および変位センサ３６の一方または両方を有する。

潤滑油制御装置４０は、この例では、操作器４４、および制御演算部４６を有する。
操作器４４は、制御演算部からの出力値に応じた油条件の油を供給する。流量制御弁、圧力制御弁、温度制御器はこれにあたる。
制御演算部４６は、設定値（目標値）と測定値の差に応じて供給すべき油の条件を計算し、操作器に操作量を出力して制御する。
なお、潤滑油制御装置４０は、操作器４４、および制御演算部４６のすべてを備える必要はなく、ターボチャージャに供給される潤滑油の油量、油圧、油温の少なくとも１つをできればよい。

図３は、本発明の制御演算部による制御を示すフロー図である。
この図に示すように、制御演算部４６は、ステップＳ１においてセンサ３０から温度、スラスト力、変位の入力値を受ける。位置変位からはスラスト軸受１９ｂ，１９ｃにおける膜厚を求めることができる。
次いで、入力された温度が所定の閾値を超える場合（Ｓ２）、入力されたスラスト力が所定の閾値を超える場合（Ｓ３）、及び／又は、入力された位置変位が所定の閾値を超える場合（Ｓ４）に、油量増加、油圧上昇、及び／又は、油温低下が生じるように、操作器４４へ操作量を出力して制御する（Ｓ５）。
この制御は、フィードバック制御によるのが好ましいが、フィードフォワード制御でもよく、両者を組み合わせてもよい。図４に、フィードバック制御と併用したフィードフォワード制御の適用例を示す。

上述した本発明の構成によれば、ターボチャージャ１０のスラスト軸受１８に作用するスラスト力と、スラスト軸受１８の位置変位の一方または両方を検出するセンサ３０と、スラスト軸受１８に供給される潤滑油の油量、油圧、油温の少なくとも１つを制御する潤滑油制御装置４０とを備えるので、センサ３０で検出したスラスト力、位置変位に基づき、スラスト軸受１８に供給される潤滑油の油量、油圧、油温を制御することができる。

従って、本発明のシステムにより、スラスト軸受に供給される潤滑油の特性（油圧、温度、粘度）を安定化させることができ、特に高圧力比化に伴い、油量を意図的に増やして、冷却効果を上げたりすることが可能となる。
また、エンジン停止時（ヒートソークバック時）にラジアル軸受が高温となり、ラジアル軸受が焼き付くおそれがある場合に、異常時の故障回避システムとして警報等を発することもできる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。

本発明のターボチャージャシステムの全体構成図である。 図１の主要部の構成図である。 本発明の制御演算部による制御を示すフロー図である。 フィードバック制御と併用したフィードフォワード制御の適用例を示す図である。 特許文献１のスラスト軸受構造の模式図である。 特許文献２のスラスト軸受構造の模式図である。 特許文献３のスラスト軸受構造の模式図である。

符号の説明

１０ ターボチャージャ、１２ 連結シャフト、
１３ コンプレッサ、１４ コンプレッサインペラ、
１５ タービン、１６ タービンインペラ、
１８ スラスト軸受、１９ａ スラストカラー、
１９ｂ タービン側スラスト軸受、１９ｃ コンプレッサ側スラスト軸受、
２０ 軸受ハウジング、２０ａ，２０ｂ，２０ｃ 潤滑油流路、
２２ 軸受ユニット、３０ センサ、３２ 熱電対、
３４ 歪みゲージ、３６ 変位センサ、
４０ 潤滑油制御装置、
４４ 操作器、４６ 制御演算部、

Claims (6)

1. 連結シャフトで互いに連結されたコンプレッサインペラおよびタービンインペラと、前記連結シャフトに作用するスラスト力を回転可能に支持するスラスト軸受と、該スラスト軸受を支持する軸受ハウジングとを有するターボチャージャと、
   スラスト軸受に作用するスラスト力と、スラスト軸受の位置変位の一方または両方を検出するセンサと、
   該センサによる検出に基づいて、前記スラスト軸受に供給される潤滑油の油量、油圧、油温の少なくとも１つを制御する潤滑油制御装置と、を備えたことを特徴とするターボチャージャシステム。
2. 前記スラスト軸受は、連結シャフトと共に回転する小径円板状のスラストカラーと、該スラストカラーの軸方向移動を阻止するタービン側スラスト軸受およびコンプレッサ側スラスト軸受とからなり、
   前記軸受ハウジングは、タービン側スラスト軸受およびコンプレッサ側スラスト軸受に潤滑油をそれぞれ独立に供給する潤滑油流路を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャシステム。
3. 前記センサは、スラスト力を検出する歪みゲージと、位置変位を検出する変位センサの一方または両方からなる、ことを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャシステム。
4. 前記潤滑油制御装置は、潤滑油の油量を制御する流量制御弁、潤滑油の油圧を制御する圧力制御弁、潤滑油の油温を制御する温度制御器の少なくとも１つを有する、ことを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャシステム。
5. 前記潤滑油制御装置は、流量制御弁、圧力制御弁、及び、温度制御器の少なくとも１つを制御する制御演算部を有し、
   該制御演算部により、検出したスラスト力が所定の閾値を超えること、及び、検出した位置変位が所定の閾値を超えることの一方または両方を満たす場合に、油量増加、油圧上昇、又は、油温低下が生じるように制御する、ことを特徴とする請求項４に記載のターボチャージャシステム。
6. 前記制御は、フィードバック制御及びフィードフォワード制御の一方または両方による、ことを特徴とする請求項５に記載のターボチャージャシステム。

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