JP5761170B2

JP5761170B2 - ターボチャージャ

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Publication number: JP5761170B2
Application number: JP2012286308A
Authority: JP
Inventors: 治前田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2015-08-12
Anticipated expiration: 2032-12-27
Also published as: JP2014129724A; DE112013006279T5; US9828873B2; WO2014103570A1; CN104884762B; US20150300202A1; CN104884762A

Description

本発明は、タービンハウジング、コンプレッサハウジング、及びベアリングハウジングを備えた内燃機関のターボチャージャに関する。

特許文献１に記載されるターボチャージャの冷却構造では、コンプレッサハウジング、ベアリングハウジング、タービンハウジングの内部に水路をそれぞれ形成するとともに、コンプレッサハウジングの水路、ベアリングハウジングの水路、タービンハウジングの水路に対してこの順で冷却水を流すことでターボチャージャ全体を冷却するようにしている。

実開昭６３−６１５４８号公報

ここで、特許文献１に記載の冷却構造では、ベアリングハウジングの温度が低いときに同ベアリングハウジングが更に冷却水により冷却されると、ベアリングハウジングの温度上昇が遅れ、ホイールシャフトを潤滑する潤滑油の温度上昇も遅れるようになる。その結果、ホイールシャフトが回転する際のフリクションが高い状態のまま維持されてターボチャージャの過給効率の低下を招くこととなる。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ベアリングハウジングの温度が低いときであっても、ホイールシャフトが回転する際のフリクションを低減することのできるターボチャージャを提供することにある。

上記課題を解決するターボチャージャは、タービンハウジング、コンプレッサハウジング、及びベアリングハウジングの内部に冷却用の水路がそれぞれ形成された内燃機関のターボチャージャにおいて、タービンハウジングの水路からベアリングハウジングの水路に冷却水が供給されるように各水路での冷却水の流通状態を切り替える切替弁と、切替弁の弁位置を切り替える制御部とを備え、制御部は、機関始動時から所定期間が経過するまでは、タービンハウジングの水路からベアリングハウジングの水路に冷却水が供給されるように切替弁の弁位置を切り替えるようにした。

上記構成によれば、制御部が切替弁の弁位置を切り替えることで、タービンハウジングの熱により温度上昇した冷却水をベアリングハウジングの水路に供給することができる。そして、機関始動時から所定期間が経過するまで、ベアリングハウジングの水路には、タービンハウジングの熱により温度上昇した冷却水が供給される。したがって、機関始動時のベアリングハウジングの温度が低いときであっても、ホイールシャフトの潤滑に供される潤滑油の温度上昇を促進することができ、ホイールシャフトが回転する際のフリクションを低減することができるようになる。

さらに、こうしたターボチャージャにおいて、制御部は、機関始動時から所定期間が経過した後は、コンプレッサハウジングの水路から前記ベアリングハウジングの水路に冷却水が供給されるように切替弁の弁位置を切り替える。

上記構成によれば、機関始動時から所定期間が経過した後は、タービンハウジングと比較して温度が低いコンプレッサハウジングの水路からベアリングハウジングの水路に冷却水が供給されるようになるため、ホイールシャフトを効果的に冷却することができ、ホイールシャフトの焼き付きを抑制することができるようになる。

また、ターボチャージャにおいて、タービンハウジングの水路には冷却水を供給するタービン供給水路及び冷却水を排出するタービン排出水路がそれぞれ接続され、前記コンプレッサハウジングの水路には冷却水を供給するコンプレッサ供給水路及び冷却水を排出するコンプレッサ排出水路がそれぞれ接続され、前記ベアリングハウジングの水路には冷却水を供給するベアリング供給水路及び冷却水を排出するベアリング排出水路がそれぞれ接続された構成を採用する。そして、切替弁には、タービン排出水路及びコンプレッサ排出水路並びに内燃機関の冷却系に冷却水を戻す戻し水路及びベアリング供給水路がそれぞれ接続される。さらに切替弁は、機関始動時から所定期間が経過するまでは、タービン排出水路とベアリング供給水路とを連通するとともにコンプレッサ排出水路と戻し水路とを連通する一方、機関始動時から所定期間が経過した後は、タービン排出水路と戻し水路とを連通するとともに、コンプレッサ排出水路とベアリング供給水路とを連通する。上述したターボチャージャは、例えばこうした構成をもって具現化することができる。

なお、上述した各構成は、タービンハウジングと、コンプレッサハウジングと、ベアリングハウジングとが一体形成されるターボチャージャにおいても適用することができる。

本発明によれば、ベアリングハウジングの温度が低いときであっても、ホイールシャフトが回転する際のフリクションを低減することができる。

ターボチャージャの側断面図。始動時の冷却水の流通状態を示す模式図。始動時の冷却水の流通状態を示す模式図。定常時の冷却水の流通状態を示す模式図。定常時の冷却水の流通状態を示す模式図。（ａ）〜（ｃ）は別例における冷却水の流通状態を示す模式図。

以下、ターボチャージャの一実施形態を図１〜図５を参照して説明する。
図１に示すように、ターボチャージャは、コンプレッサハウジング１０、タービンハウジング２０、及びベアリングハウジング３０を備えている。これらコンプレッサハウジング１０、タービンハウジング２０、及びベアリングハウジング３０は、アルミニウム合金によって一体形成されている。コンプレッサハウジング１０の内部は内燃機関４０の吸気通路４１と連通されており、タービンハウジング２０の内部は内燃機関４０の排気通路４２に連通されている。

また、ベアリングハウジング３０に形成された孔３２を貫通するホイールシャフト３３が、その孔３２内に取り付けられたベアリング３４によって回転可能に支持されている。この孔３２には、ベアリング３４との間のホイールシャフト３３の潤滑に供される潤滑油が供給される。このホイールシャフト３３の一端部にはコンプレッサホイール１２が固定される一方、ホイールシャフト３３の他端部には、タービンホイール２２が固定されている。

また、各ハウジング１０，２０，３０の内部には、ターボチャージャを冷却するための冷却水が通過するコンプレッサ水路１１、タービン水路２１、ベアリング水路３１がそれぞれ形成されている。なお、これら水路１１、２１、３１には、ターボチャージャの外部に配される冷却系５０の冷却水が循環する。こうした冷却水の循環態様は切替弁６０の弁位置によって切り替えられる。

そして、冷却系５０の供給水路５１はその下流で分岐し、一方がコンプレッサ水路１１と連通して同コンプレッサ水路１１に冷却水を供給するコンプレッサ供給水路５２とされ、他方がタービン水路２１と連通して同タービン水路２１に冷却水を供給するタービン供給水路５３とされている。したがって、冷却系５０の冷却水は、供給水路５１を通じてコンプレッサ水路１１及びタービン水路２１に供給される。

また、このコンプレッサ水路１１から冷却水を排出するコンプレッサ排出水路５４及びタービン水路２１から冷却水を排出するタービン排出水路５５はいずれも切替弁６０に接続されている。切替弁６０には、これら排出水路５４，５５の他、ベアリング水路３１に冷却水を供給するベアリング供給水路５６が接続されている。また、排出水路５７はその上流側で分岐し、その一方が冷却系に冷却水を戻す戻し水路５９として切替弁６０に接続されている。これに対して、排出水路５７の分岐した他方はベアリング水路３１と連通して同ベアリング水路３１から冷却水を排出するベアリング排出水路５８に接続されている。そして、こうした各水路１１，２１．３１，５１〜５９における冷却水の流通状態は、切替弁６０を通じて第１の流通状態と第２の流通状態とに切り替えられる。なお、この切り替えに際して、切替弁６０の弁位置は制御部７０によって制御される。

図２及び図３に示すように、第１の流通状態では、切替弁６０によってタービン排出水路５５及びベアリング供給水路５６が連通される。その結果、冷却系５０の冷却水は、タービン供給水路５３、タービン水路２１、タービン排出水路５５、切替弁６０、ベアリング供給水路５６、ベアリング水路３１、そしてベアリング排出水路５８の順に流通し、冷却系５０に戻される。また、第１の流通状態では、切替弁６０によってコンプレッサ排出水路５４及び戻し水路５９が連通される。その結果、冷却系５０の冷却水は、コンプレッサ供給水路５２、コンプレッサ水路１１、コンプレッサ排出水路５４、切替弁６０、そして戻し水路５９の順に流通し、冷却系５０に戻される。

このように、第１の流通状態では、タービンハウジング２０内に供給された冷却水がベアリングハウジング３０内に供給された後、冷却系５０へと排出されるとともに、コンプレッサハウジング１０内に供給された冷却水がそのまま冷却系５０へと排出される。

図４及び図５に示すように、第２の流通状態では、切替弁６０によってコンプレッサ排出水路５４及びベアリング供給水路５６が連通される。その結果、冷却系５０の冷却水は、コンプレッサ供給水路５２、コンプレッサ水路１１、コンプレッサ排出水路５４、切替弁６０、ベアリング供給水路５６、ベアリング水路３１、そしてベアリング排出水路５８の順に流通し、冷却系５０に戻される。また、第２の流通状態では、切替弁６０によってタービン排出水路５５及び戻し水路５９が連通される。その結果、冷却系５０の冷却水は、タービン供給水路５３、タービン水路２１、タービン排出水路５５、切替弁６０、そして戻し水路５９の順に流通し、冷却系５０に戻される。

このように、第２の流通状態では、コンプレッサハウジング１０内に供給された冷却水がベアリングハウジング３０内に供給された後、冷却系５０へと排出されるとともに、タービンハウジング２０内に供給された冷却水がそのまま冷却系５０へと排出される。

そして、内燃機関４０の機関始動時から所定時間が経過するまで（以下、「始動時」という）は、制御部７０による切替弁６０の制御を通じて、冷却水の流通状態が第１の流通状態に切り替えられる。その結果、始動時には、ベアリング水路３１に対してタービン水路２１から冷却水が供給されることとなる。

一方、内燃機関４０の機関始動時から所定時間が経過した後（以下、「定常時」という）は、制御部７０による切替弁６０の制御を通じて、冷却水の流通状態が第２の流通状態に切り替えられる。その結果、定常時には、ベアリング水路３１に対してコンプレッサ水路１１から冷却水が供給されることとなる。

次に、こうした本実施形態のターボチャージャの作用を説明する。
上述したように、始動時には、タービン水路２１からベアリング水路３１に冷却水が供給される。そして、タービン水路２１に供給された冷却水は、同タービン水路２１を流通することで、タービンハウジング２０の熱により温度上昇する。ここで、タービンハウジング２０は、排気の熱により温度上昇するため、コンプレッサハウジング１０に比べて温度が高くなる。したがって、タービン水路２１から排出される冷却水の温度は、コンプレッサ水路１１から排出される冷却水の温度よりも高くなる。このため、コンプレッサ水路１１からベアリング水路３１に冷却水が供給される場合と比較して、タービン水路２１からベアリング水路３１に冷却水が供給される場合には、ベアリングハウジング３０のホイールシャフト３３やベアリングハウジング３０が速やかに温度上昇するようになる。したがって、始動時のベアリングハウジング３０の温度が低いときであっても、ホイールシャフト３３の潤滑に供される潤滑油の温度上昇を促進することができるようになる。

一方、図４及び図５に示すように、定常時には、コンプレッサ水路１１からベアリング水路３１に冷却水が供給される。ここで、コンプレッサ水路１１から排出される冷却水は、タービン水路２１から排出される冷却水よりもその温度が低い。したがって、定常時のベアリングハウジング３０の温度が高いときであっても、ホイールシャフト３３やその潤滑に供される潤滑油の温度上昇を抑制することができるようになる。

以上説明したように、本実施形態によれば、以下に示す効果を奏することができる。
（１）始動時において、ベアリングハウジング３０のベアリング水路３１には、タービンハウジング２０の熱により温度上昇した冷却水が供給される。したがって、始動時のベアリングハウジング３０の温度が低いときであっても、潤滑油の温度上昇を促進することにより、ホイールシャフト３３が回転する際のフリクションを低減することができ、ターボチャージャの過給効率を高めることができる。

（２）定常時において、ベアリング水路３１には、タービンハウジング２０と比較して温度が低いコンプレッサハウジング１０のコンプレッサ水路１１から冷却水が供給される。したがって、定常時においてはホイールシャフト３３を効果的に冷却することができ、ホイールシャフト３３の焼き付きを抑制することができるようになる。

（３）また、タービンハウジング２０と、コンプレッサハウジング１０と、ベアリングハウジング３０とが一体形成されるターボチャージャにおいては、タービンハウジング２０の熱がベアリングハウジング３０に伝達されやすい。このため、同ベアリングハウジング３０の温度、特にそのホイールシャフト３３やベアリング３４の温度を適切に管理することが要求される。この点、始動時にはタービン水路２１からベアリング水路３１に冷却水を供給する一方、定常時にはコンプレッサ水路１１からベアリング水路３１に冷却水を供給するようにしている。このため、こうした一体形成型のターボチャージャにおいても、ホイールシャフト３３等の温度に即したかたちで冷却水を流すことができ、これらの温度を適切に管理して良好な作動状態を維持することができるようになる。

なお、上述した実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することもできる。
・始動時の他、潤滑油の温度が低いとき、冷却水の温度が低いとき、排気流量が少ない状態が所定期間継続したとき等々、ベアリングハウジング３０の温度が低くなるときに冷却水の流通状態を第１の状態に切り替えるようにしてもよい。

・始動時であっても、潤滑油の温度が高いとき、冷却水の温度が高いとき等々、ベアリングハウジング３０の温度が高くなるときに冷却水の流通状態を第２の流通状態に切り替えるようにしてもよい。

・定常時において、ベアリング水路３１には冷却系５０から冷却水が直接供給されるようにしてもよい。例えば、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、状況に応じてベアリング水路３１に冷却系５０から冷却水が直接供給されるようにする。これにはまず、ベアリング水路３１に冷却系５０から冷却水を直接供給されるように別の冷却系ベアリング供給水路を新たに形成する。そして、図６（ａ），（ｂ）に示すように始動時及び定常時では制御部７０による切替弁６０の制御を通じて、上記冷却系ベアリング供給水路及びベアリング水路３１が連通しないように冷却水の流通状態が切り替えられるようにする。一方、図６（ｃ）の定常時の中でもベアリングハウジング３０の温度が特に高くなる特別状態時では、コンプレッサ水路１１及びベアリング水路３１がベアリング水路３１に連通しないように切替弁６０が切り替えられるとともに、上記冷却系ベアリング供給水路及びベアリング水路３１が連通するように切替弁６０が切り替えられる。このような特別状態として、内燃機関４０の高負荷運転が継続された場合等、定常時の中でもベアリングハウジング３０を集中的に冷却する必要がある状況等を挙げることができる。

・始動時にタービン水路２１からベアリング水路３１に冷却水が供給される構成であれば、定常時においてはコンプレッサ水路１１、タービン水路２１、ベアリング水路３１のそれぞれに直接冷却水が供給されるようにしてもよい。

・各ハウジング水路１１、２１、３１を相互に接続する各水路５４〜５６等の連通状態を変更してもよく、このような変更に合わせて切替弁６０を複数設けるようにしてもよい。

・ベアリング水路３１には、コンプレッサ水路１１及びタービン水路２１の何れからも冷却水を供給できるようにし、それらコンプレッサ水路１１及びタービン水路２１からベアリング水路３１に供給される冷却水の量を調節することにより、ベアリング水路３１を流通する冷却水の温度を調節するようにしてもよい。

・第１の流通状態では、タービン水路２１、ベアリング水路３１、コンプレッサ水路１１の順に冷却水が供給されるようにしてもよい。この構成であっても、コンプレッサ水路１１、ベアリング水路３１、タービン水路２１の順にしか冷却水が供給されない場合に比べて始動時の潤滑油の温度上昇を促進することはできる。

・ターボチャージャは、各ハウジング１０、２０、３０が一体形成されていなくてもよく、例えば、コンプレッサハウジング１０及びベアリングハウジング３０のみ一体形成されていてもよい。また、ターボチャージャは、各ハウジング１０、２０、３０がそれぞれ独立して形成され、それらが組み付けられるものであってよい。

・冷却水の流通状態を、機関始動時から所定時間が経過するまでは第１の流通状態とする一方、機関始動時から所定時間が経過した後は第２の流通状態とするようにしたが、こうした冷却水の流通状態の切り替えタイミングは、例えば機関始動時からの総燃料噴射量等、ベアリングハウジング３０の温度と相関を有するパラメータに基づいて行ってもよい。なお、ベアリングハウジング３０の温度と相関を有するパラメータとしては、その他にも機関始動時からの総吸入空気量を挙げることができる。

１０…コンプレッサハウジング、１１…コンプレッサ水路、１２…コンプレッサホイール、２０…タービンハウジング、２１…タービン水路、２２…タービンホイール、３０…ベアリングハウジング、３１…ベアリング水路、４０…内燃機関、５２…コンプレッサ供給水路、５３…タービン供給水路、５４…コンプレッサ排出水路、５５…タービン排出水路、５６…ベアリング供給水路、５８…ベアリング排出水路、５９…戻し水路、６０…切替弁、７０…制御部。

Claims

タービンハウジング、コンプレッサハウジング、及びベアリングハウジングの内部に冷却用の水路がそれぞれ形成された内燃機関のターボチャージャにおいて、
前記タービンハウジングの水路から前記ベアリングハウジングの水路に冷却水が供給されるように前記各水路での冷却水の流通状態を切り替える切替弁と、
前記切替弁の弁位置を切り替える制御部と、を備え、
前記制御部は、機関始動時から所定期間が経過するまでは、前記タービンハウジングの水路から前記ベアリングハウジングの水路に冷却水が供給されるように前記切替弁の弁位置を切り替える
ことを特徴とするターボチャージャ。
前記制御部は、機関始動時から所定期間が経過した後は、前記コンプレッサハウジングの水路から前記ベアリングハウジングの水路に冷却水が供給されるように前記切替弁の弁位置を切り替える
請求項１に記載のターボチャージャ。
前記タービンハウジングの水路には冷却水を供給するタービン供給水路及び冷却水を排出するタービン排出水路がそれぞれ接続され、前記コンプレッサハウジングの水路には冷却水を供給するコンプレッサ供給水路及び冷却水を排出するコンプレッサ排出水路がそれぞれ接続され、前記ベアリングハウジングの水路には冷却水を供給するベアリング供給水路及び冷却水を排出するベアリング排出水路がそれぞれ接続され、
前記切替弁には、前記タービン排出水路及び前記コンプレッサ排出水路並びに前記内燃機関の冷却系に冷却水を戻す戻し水路及び前記ベアリング供給水路がそれぞれ接続され、機関始動時から所定期間が経過するまでは、前記タービン排出水路と前記ベアリング供給水路とを連通するとともに前記コンプレッサ排出水路と前記戻し水路とを連通する一方、機関始動時から所定期間が経過した後は、前記タービン排出水路と前記戻し水路とを連通するとともに、前記コンプレッサ排出水路と前記ベアリング供給水路とを連通する
請求項２に記載のターボチャージャ。
前記タービンハウジングと、前記コンプレッサハウジングと、前記ベアリングハウジングとが一体形成されてなる
請求項１〜３のうちいずれか一項に記載のターボチャージャ。