JP6322608B2

JP6322608B2 - エンジンの過給装置

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Publication number: JP6322608B2
Application number: JP2015179302A
Authority: JP
Inventors: 剛樹杉; 幸一米澤
Original assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-09-11
Filing date: 2015-09-11
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2035-09-11
Also published as: JP2017053300A; CN106523133A; CN106523133B; US10107188B2; US20170074159A1; EP3141723B1; EP3141723A1

Description

本発明は、複数の過給機が上下方向に並んで配置されたエンジンの過給装置に関する。

例えば、特許文献１に記載されている多段過給装置のように、複数の過給機が設けられたエンジンの過給装置が知られている。複数の過給機の配置については種々の形態が考えられるが、設置面積を小さくすることを重視する場合には、複数の過給機を上下方向に並べるのが一般的である。

特開２０１２−１４０８９０号公報

ここで、過給機にはシャフトを回転自在に支持する軸受が設けられており、潤滑や冷却のために軸受にオイルが供給される。軸受に供給されたオイルは、過給機の下方に設けられたドレンパイプを介してオイルパンに戻され、ポンプによりオイルパンから過給機へと再びオイルが供給されることで、オイルの循環経路が構成される。

ところが、上述のように複数の過給機を上下方向に並べていると、上側の過給機と下側の過給機との間のスペースが狭いため、ドレンパイプの形状、寸法および配置等が制限され、上側の過給機のオイルを円滑に排出させる（オイル排出性を向上させる）ことが困難となる場合がある。一方、ドレンパイプを好適に設けるために上側の過給機と下側の過給機との間のスペースを広げると、過給装置の配置に必要な容積が大きくなり、搭載性が悪化するという問題が生じる。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、第１過給機の下方に第２過給機が配置されたエンジンの過給装置において、過給装置の搭載性を悪化させることなく、第１過給機のオイル排出性を向上させることを目的とする。

本発明は、第１軸受を経由する第１オイル通路が内部に形成された第１過給機と、第２軸受を経由する第２オイル通路が内部に形成された第２過給機と、を備え、前記第２過給機が前記第１過給機の下方に配置されたエンジンの過給装置において、前記第２過給機の内部に、前記第１オイル通路と連通するドレン通路がさらに形成されており、前記第１オイル通路から排出されたオイルは、前記ドレン通路を経由して前記第２過給機から排出されることを特徴とする。

本発明では、第１過給機の下方に配置された第２過給機の内部に、第１過給機の内部に形成された第１オイル通路と連通するドレン通路が形成されている。ドレン通路は第１オイル通路よりも下方に位置するため、第１過給機から排出されたオイルは、ドレン通路を経由して円滑に第２過給機より排出される。また、ドレン通路が第２過給機の内部に形成されているので、第１過給機と第２過給機との間に広いスペースを確保する必要がない。以上のように、本発明によれば、過給装置の搭載性を悪化させることなく、第１過給機のオイル排出性を向上させることができる。

本実施形態にかかる過給装置の構成を模式的に示す部分断面図である。低速用ターボチャージャの部分拡大図である。

以下、本実施形態にかかる過給装置について、図面を参照しつつ説明する。図１に示す過給装置１は、複数の過給機１０、２０が直列的（シーケンシャル）に配置された多段過給装置として構成されている。しかしながら、本発明は、複数の過給機が直列的に配置された多段過給装置に限定されず、複数の過給機が並列的（パラレル）に配置された過給装置に適用することも可能である。

＜過給装置の構成＞
過給装置１は、車両に搭載されるエンジン１００に対して設けられるものであり、主に高速運転時に機能する大容量の高速用ターボチャージャ１０と、主に低速運転時に機能する小容量の低速用ターボチャージャ２０とを有する。高速用ターボチャージャ１０および低速用ターボチャージャ２０は鉛直方向（上下方向）に並べられており、高速用ターボチャージャ１０の鉛直下方に低速用ターボチャージャ２０が配置されている。つまり、高速用ターボチャージャ１０が本発明の「第１過給機」に相当し、低速用ターボチャージャ２０が本発明の「第２過給機」に相当する。

高速用ターボチャージャ１０は、排気で回転駆動するタービン１１と、吸気を圧縮するコンプレッサ１２と、タービン１１とコンプレッサ１２とを連結するシャフト１３と、シャフト１３を回転自在に支持する軸受１４と、これらの機械要素１１〜１４を収容するハウジング１５とを有する。

ハウジング１５は、タービン１１を収容するタービンハウジング部１６と、コンプレッサ１２を収容するコンプレッサハウジング部１７と、軸受１４を収容する円筒状の軸受ハウジング部１８とからなる。軸受ハウジング部１８は、ハウジング１５の中央部分に位置し、一端側（図１の右側）にタービンハウジング部１６が取り付けられ、他端側（図１の左側）にコンプレッサハウジング部１７が取り付けられている。

タービンハウジング部１６には、タービン１１の径方向外側に、排気をタービン１１に供給するための環状の供給部１６ａが形成されるとともに、タービン１１の軸方向外側に、タービン１１の駆動に供した排気を排出するための円筒状の排出部１６ｂが形成されている。また、コンプレッサハウジング部１７には、コンプレッサ１２の軸方向外側に、吸気をコンプレッサ１２に供給するための円筒状の供給部１７ａが形成されるとともに、コンプレッサ１２の径方向外側に、コンプレッサ１２により圧縮された吸気を排出するための環状の排出部１７ｂが形成されている。

低速用ターボチャージャ２０も、概ね高速用ターボチャージャ１０と同様の構成となっている。低速用ターボチャージャ２０は、排気で回転駆動するタービン２１と、吸気を圧縮するコンプレッサ２２と、タービン２１とコンプレッサ２２とを連結するシャフト２３と、シャフト２３を回転自在に支持する軸受２４と、これらの機械要素２１〜２４を収容するハウジング２５とを有する。

ハウジング２５は、タービン２１を収容するタービンハウジング部２６と、コンプレッサ２２を収容するコンプレッサハウジング部２７と、軸受２４を収容する円筒状の軸受ハウジング部２８とからなる。軸受ハウジング部２８は、ハウジング２５の中央部分に位置し、一端側（図１の右側）にタービンハウジング部２６が取り付けられ、他端側（図１の左側）にコンプレッサハウジング部２７が取り付けられている。

タービンハウジング部２６には、タービン２１の径方向外側に、排気をタービン２１に供給するための環状の供給部２６ａが形成されるとともに、タービン２１の軸方向外側に、タービン２１の駆動に供した排気を排出するための円筒状の排出部２６ｂが形成されている。また、コンプレッサハウジング部２７には、コンプレッサ２２の軸方向外側に、吸気をコンプレッサ２２に供給するための円筒状の供給部２７ａが形成されるとともに、コンプレッサ２２の径方向外側に、コンプレッサ２２により圧縮された吸気を排出するための環状の排出部２７ｂが形成されている。

エンジン１００の吸気側と高速用ターボチャージャ１０および低速用ターボチャージャ２０とは、吸気径路３０によって接続されている。また、エンジン１００の排気側と高速用ターボチャージャ１０および低速用ターボチャージャ２０とは、排気経路４０によって接続されている。

吸気経路３０は、第１吸気経路３１（図１で太い破線で図示）、第２吸気経路３２（図１で太い破線で図示）およびバイパス吸気経路３３（図１で細い破線で図示）を有して構成される。第１吸気経路３１は、高速用ターボチャージャ１０の排出部１７ｂと、低速用ターボチャージャ２０の供給部２７ａとを接続する経路である。第２吸気経路３２は、低速用ターボチャージャ２０の排出部２７ｂと、エンジン１００の吸気側とを接続する経路である。バイパス吸気経路３３は、第１吸気経路３１から分岐して第２吸気経路３２に合流し、低速用ターボチャージャ２０をバイパスする経路である。バイパス吸気経路３３には、吸気の流通・非流通を切り換える吸気切換バルブ３４が設けられている。また、第２吸気経路３２のうちバイパス吸気経路３３との合流点よりも下流側には、吸気を冷却するインタークーラ３５が設けられている。

排気経路４０は、第１排気経路４１（図１で太い破線で図示）、第２排気経路４２（図１で太い破線で図示）およびバイパス排気経路４３（図１で細い破線で図示）を有して構成される。第１排気経路４１は、エンジン１００の排気側と、低速用ターボチャージャ２０の供給部２６ａとを接続する経路である。第２排気経路４２は、低速用ターボチャージャ２０の排出部２６ｂと、高速用ターボチャージャ１０の供給部１６ａとを接続する経路である。バイパス排気経路４３は、第１排気経路４１から分岐して第２排気経路４２に合流し、低速用ターボチャージャ２０をバイパスする経路である。バイパス排気経路４３には、排気の流通・非流通を切り換える排気切換バルブ４４が設けられている。

＜過給装置の動作＞
以上のように構成された過給装置１では、低速運転時に、吸気切換バルブ３４が閉状態にされるとともに、排気切換バルブ４４が閉状態にされる。その結果、エンジン１００からの排気は、バイパス排気経路４３を通らず、低速用ターボチャージャ２０に流入するため、排気エネルギーによりまず低速用ターボチャージャ２０が駆動され、続いて高速用ターボチャージャ１０が駆動される。また、バイパス吸気経路３３が閉塞されているため、高速用ターボチャージャ１０で加圧された吸気は、低速用ターボチャージャ２０で再度加圧される。しかしながら、高速用ターボチャージャ１０は大容量のため、低速運転時に高速用ターボチャージャ１０で吸気が加圧される程度はわずかであり、主に低速用ターボチャージャ２０で吸気の加圧が行われる。

一方、高速運転時には、吸気切換バルブ３４が開状態にされるとともに、排気切換バルブ４４が開状態にされる。その結果、エンジン１００からの排気の大部分は、バイパス排気経路４３を通り、直接高速用ターボチャージャ１０に流入するため、排気エネルギーは主に高速用ターボチャージャ１０の駆動に消費される。また、バイパス吸気経路３３が開放されているため、高速用ターボチャージャ１０で加圧された吸気の大部分は、バイパス吸気経路３３を流れ、直接エンジン１００に供給される。これによって、高速用ターボチャージャ１０で加圧された吸気が、小容量の低速用ターボチャージャ２０に流入して圧力損失により圧力が低下してしまうことを抑制できる。

＜オイル通路の構成＞
各ターボチャージャ１０、２０に設けられた軸受１４、２４には、潤滑および冷却のためにオイルを供給する必要がある。このため、各ターボチャージャ１０、２０のハウジング１５、２５（詳細には軸受ハウジング部１８、２８）には、軸受１４、２４を経由するようにオイル通路１９、２９がそれぞれ形成されている。

高速用ターボチャージャ１０の軸受ハウジング部１８に形成されたオイル通路１９は、不図示のオイルパンからポンプによって吸い上げられた大気圧より高圧なオイルを軸受１４に供給するオイル供給通路１９ａと、軸受１４から高速用ターボチャージャ１０の外部にオイルを排出するオイル排出通路１９ｂとを有して構成される。ポンプによって吸い上げられた大気圧より高圧なオイルは軸受１４を通り抜ける際に大気圧に近い圧力まで低下する。同様に、低速用ターボチャージャ２０の軸受ハウジング部２８に形成されたオイル通路２９は、不図示のオイルパンからポンプによって吸い上げられた大気圧より高圧なオイルを軸受２４に供給するオイル供給通路２９ａと、軸受２４から低速用ターボチャージャ２０の外部にオイルを排出するオイル排出通路２９ｂとを有して構成される。ポンプによって吸い上げられた大気圧より高圧なオイルは軸受２４を通り抜ける際に大気圧に近い圧力まで低下する。

ここで、２つのターボチャージャ１０、２０のうち下側に配置された低速用ターボチャージャ２０については、オイル通路２９（オイル排出通路２９ｂ）から排出されたオイルが、オイル通路２９の出口に接続された不図示のドレンパイプを経由して、最終的にオイルパンへ戻るよう構成されている。しかしながら、上側に配置された高速用ターボチャージャ１０に対して同様の構成を採用すると、高速用ターボチャージャ１０と低速用ターボチャージャ２０との間に十分なスペースがないため、オイル排出性を考慮してドレンパイプを好適に配置することが困難となる。

そこで、本実施形態では、高速用ターボチャージャ１０に形成されたオイル通路１９の出口を、連通路５０を介して、低速用ターボチャージャ２０に形成されたドレン通路５１の入口に連通させる構成を採用している。こうすれば、高速用ターボチャージャ１０と低速用ターボチャージャ２０との間に、連通路５０さえ確保すればドレンパイプを配置する必要がなくなり、高速用ターボチャージャ１０と低速用ターボチャージャ２０との間のスペースが狭くとも、高速用ターボチャージャ１０のオイル排出性を向上させることができる。本実施形態の連通路５０は、主に鉛直方向に延びるパイプ等によって構成されており、その上端部がオイル通路１９の出口に接続され、その下端部がドレン通路５１の入口に接続されている。なお、本実施形態の連通路５０は、鉛直方向に限らず下方に延在していればよい。

ドレン通路５１の詳細について説明する。ドレン通路５１は、低速用ターボチャージャ２０のハウジング２５（軸受ハウジング部２８）に形成されている。ドレン通路５１は、連通路５０が接続される流入通路５１ａと、流入通路５１ａに連通し、軸受２４の周りを囲むように概ね環状に形成された環状通路５１ｂと、環状通路５１ｂの下部とオイル通路２９（オイル排出通路２９ｂ）とを接続する接続通路５１ｃ（図２参照）とを有して構成される。つまり、ドレン通路５１は、オイル通路２９とは別に低速用ターボチャージャ２０の内部に形成されているが、オイルの流れ方向において軸受２４よりも下流側でオイル通路２９（オイル排出通路２９ｂ）と合流している。なお、環状通路５１ｂ内およびオイル排出通路２９ｂ内のオイルの圧力は大気圧に近い圧力となっている。

図２の部分拡大図に示すように、ドレン通路５１の環状通路５１ｂの下部には、略水平方向に形成された接続通路５１ｃが接続されているが、この接続通路５１ｃは環状通路５１ｂの下端よりも高い位置に形成されている。これによって、環状通路５１ｂのうち接続通路５１ｃよりも下側の空間（図２で太線で囲んだ部分）は貯留部５２として機能し、エンジン１００が停止状態でオイルの循環が行われていないときでも、貯留部５２にオイルを貯留することが可能となっている。なお、接続通路５１ｃは、環状通路５１ｂとオイル排出通路２９ｂとを連通していれば、略水平方向に限らず上下方向に傾斜して形成されていてもよい。

（効果）
本実施形態の過給装置１では、高速用ターボチャージャ１０（第１過給機）の下方に配置された低速用ターボチャージャ２０（第２過給機）の内部に、高速用ターボチャージャ１０の内部に形成されたオイル通路１９（第１オイル通路）と連通するドレン通路５１が形成されている。ドレン通路５１はオイル通路１９よりも下方に位置するため、高速用ターボチャージャ１０から排出されたオイルは、ドレン通路５１を経由して円滑に低速用ターボチャージャ２０より排出される。また、ドレン通路５１が低速用ターボチャージャ２０の内部に形成されているので、高速用ターボチャージャ１０と低速用ターボチャージャ２０との間に広いスペースを確保する必要がない。したがって、過給装置１の搭載性を悪化させることなく、高速用ターボチャージャ１０のオイル排出性を向上させることができる。

また、低速用ターボチャージャ２０の内部に形成したドレン通路５１に、高速用ターボチャージャ１０から排出されたオイルを流通させることによって、このオイルを冷却媒体として利用することができるという効果もある。特に、本実施形態のように、比較的負荷の小さい低速用ターボチャージャ２０を下側に配置することで、オイルによる冷却効果を相対的に高めることができる。オイルによる冷却効果が十分に高い場合には、従来冷却のために供給されていた冷却水を低速用ターボチャージャ２０に供給しなくとも済むようになる。この場合には、従来冷却水の供給経路として使われていた通路をドレン通路５１として利用することができる。

また、本実施形態では、ドレン通路５１が、オイルの流れ方向において軸受２４（第２軸受）よりも下流側でオイル通路２９（第２オイル通路）と合流するよう構成されている。このため、高速用ターボチャージャ１０から排出されたオイルは、ドレン通路５１を経由してオイル通路２９から低速用ターボチャージャ２０の外部に排出されるため、ドレン通路５１に接続されるドレンパイプを別に設ける必要がない。このため、構成部品を削減できるとともに、過給装置１の搭載性を向上させることができる。

また、本実施形態では、ドレン通路５１に、オイルを貯留可能な貯留部５２が設けられている。エンジン１００の停止後のデッドソーク時には、排気系が有している熱によって軸受２４等が熱ダメージを受けるおそれがあるが、貯留部５２にオイルが貯留されていると、その分だけ排気系の熱容量を大きくすることができ、軸受２４等に及ぶ熱の影響を低減することができる。

［他の実施形態］
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上記実施形態の要素を適宜組み合わせまたは種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記実施形態では、第１過給機として高速用ターボチャージャ１０、第２過給機として低速用ターボチャージャ２０を設けるものとしたが、第１過給機を低速用ターボチャージャ、第２過給機を高速用ターボチャージャとしてもよい。

また、上記実施形態では、ドレン通路５１をオイルの流れ方向において軸受２４より下流側でオイル通路２９と合流させる、すなわちオイル排出通路２９ｂに合流させるようにしたが、ドレン通路５１を軸受２４の配設空間でオイル通路２９と合流させるように構成することも可能である。ただし、そうすると、ドレン通路５１を流れてきた大気圧に近いオイルがシャフト２３の回転によって飛散しやすく、タービン２１やコンプレッサ２２に付着して悪影響を及ぼすおそれがある。したがって、上記実施形態のように、ドレン通路５１を軸受２４より下流側でオイル通路２９と合流させるのが好ましい。なお、ドレン通路５１を軸受２４より上流側でオイル通路２９と合流させる、すなわちオイル供給通路２９ａに合流させると、高圧のオイル供給通路２９ａのオイルがドレン通路５１に流出し、軸受２４に供給されるオイルの油圧が低くなってしまうので、このように構成することはできない。

また、そもそも、ドレン通路５１をオイル通路２９と合流させることは必須ではない。ドレン通路５１に接続されるドレンパイプと、オイル通路２９に接続されるドレンパイプを別々に設け、それぞれ別経路でオイルパンに至るようにしてもよい。あるいは、低速用ターボチャージャ２０の外部において、ドレン通路５１に接続されるドレンパイプと、オイル通路２９に接続されるドレンパイプとを合流させるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、高速用ターボチャージャ１０に形成されたオイル通路１９と低速用ターボチャージャ２０に形成されたドレン通路５１とを、連通路５０を介して連通させるようにした。この代わりに、オイル通路１９の出口とドレン通路５１の入口とを直接接続するようにしてもよい。

１：過給装置
１０：高速用ターボチャージャ（第１過給機）
１４：軸受（第１軸受）
１９：オイル通路（第１オイル通路）
２０：低速用ターボチャージャ（第２過給機）
２４：軸受（第２軸受）
２９：オイル通路（第２オイル通路）
５１：ドレン通路
５２：貯留部

Claims

第１軸受を経由する第１オイル通路が内部に形成された第１過給機と、
第２軸受を経由する第２オイル通路が内部に形成された第２過給機と、
を備え、前記第２過給機が前記第１過給機の下方に配置されたエンジンの過給装置において、
前記第２過給機の内部に、前記第１オイル通路と連通するドレン通路がさらに形成されており、前記第１オイル通路から排出されたオイルは、前記ドレン通路を経由して前記第２過給機から排出され、
前記ドレン通路に、オイルを貯留可能な貯留部が設けられていることを特徴とするエンジンの過給装置。
前記ドレン通路が、オイルの流れ方向において前記第２軸受よりも下流側で前記第２オイル通路と合流する請求項１に記載のエンジンの過給装置。