JP6821656B2 - ターボチャージャー - Google Patents

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Description

この発明は、ターボチャージャーに関する。
ターボチャージャーにおいては、効率向上を図るために、ベアリングハウジング内の損失を低減することが行われている。また、このようなターボチャージャーは、コンプレッサーホイールで圧縮した空気の一部が、コンプレッサーホイールの背面側に漏れる事象が確認されている。
このようにコンプレッサーホイールの背面側に圧縮空気が漏れると、コンプレッサーホイールが回転軸の中心軸方向(スラスト方向)に押圧され、回転軸のスラスト方向の荷重(スラスト荷重)を支持するスラスト軸受において、抵抗が増加し、ターボチャージャーの過給効率向上の妨げとなる。
特許文献1には、低回転時のスラスト荷重を低減するために、インペラの背面空気室の2カ所にラビリンスシールを設けるとともに、この背面空気室に大気と通じる抽気口を設けて、背面空気室の圧力を低下させる技術が開示されている。
特開昭61−112737号公報
特許文献1は、低回転時のスラスト荷重を低減できるが、全ての作動点でスラスト荷重を低減できる訳ではない。ターボチャージャーが高回転域で作動しているときにも、コンプレッサーホイールの背圧によってコンプレッサーホイールをスラスト方向に押圧するスラスト荷重が大きくなる。
一方で、ターボチャージャーにおいては、ワイドレンジ化等の高性能化を図るために、コンプレッサーホイールの外径がタービンホイールの外径よりも大きくなる場合がある。例えば、タービンホイールの外径よりもコンプレッサーホイールの外径を大きくすると、コンプレッサーホイールの背面に漏れた空気による圧力(背圧)によってコンプレッサーホイールをスラスト方向に押圧するスラスト荷重もより大きくなる。
このようにして、ターボチャージャーの高性能化にともなって、コンプレッサーホイールの背圧に起因するスラスト軸受の抵抗増加の影響は、より顕著なものとなっている。
この発明は、コンプレッサーホイールの背圧に起因するスラスト荷重を低減し、過給効率を高めることのできるターボチャージャーを提供することを目的とする。
この発明に係る第一態様によれば、ターボチャージャーは、中心軸に沿って延びる回転軸と、前記回転軸の第一端部側に設けられたタービンホイールと、前記回転軸の第二端部側に設けられたコンプレッサーホイールと、を備える。ターボチャージャーは、前記回転軸を回転可能に支持するラジアル軸受、及び前記回転軸を前記中心軸方向に支持するスラスト軸受を備えた軸受ハウジングと、前記タービンホイールを収容するタービンハウジングと、をさらに備える。ターボチャージャーは、前記タービンハウジング内で、前記タービンホイールを前記第一端部側に向かって押圧する流体を前記タービンホイールに供給する流体供給部をさらに備える。前記流体供給部は、前記潤滑油供給路内の潤滑油を加熱するべく前記タービンホイールに供給されるガスの流れ方向において、前記タービンホイールよりも上流側から前記ガスを抽気し、前記タービンホイールの前記第二端部側の背面に前記ガスを供給する。
このように構成することで、流体供給部によって、タービンホイールに対し、タービンホイールをコンプレッサーホイールとは反対側の第一端部側に向かって押圧する流体を供給することができる。タービンホイールが第一端部側に押圧される力は、コンプレッサーホイールの背圧によってコンプレッサーを第二端部側に押圧する力に対して反対向きとなる。そのため、コンプレッサーの背圧に起因するスラスト荷重を低減することができる。
さらに、タービンホイールよりも上流側のガスは、タービンホイールを回転させて仕事をした後のガスより高圧であるため、このガスをタービンホイールの背面に供給することで、タービンホイールが第一端部側に押圧される力を効率よく発揮することができる。
さらに、タービンホイールに供給される流体の熱によって、潤滑油を加熱し、その粘度を低下させることができる。これにより、回転軸を支持するラジアル軸受等における摺動抵抗が低減される。
この発明に係る第二態様によれば、ターボチャージャーは、中心軸に沿って延びる回転軸と、前記回転軸の第一端部側に設けられたタービンホイールと、前記回転軸の第二端部側に設けられたコンプレッサーホイールと、を備える。ターボチャージャーは、前記回転軸を回転可能に支持するラジアル軸受、及び前記回転軸を前記中心軸方向に支持するスラスト軸受を備えた軸受ハウジングと、前記タービンホイールを収容するタービンハウジングと、をさらに備える。ターボチャージャーは、前記タービンハウジング内で、前記タービンホイールを前記第一端部側に向かって押圧する流体を前記タービンホイールに供給する流体供給部をさらに備える。前記流体供給部は、前記コンプレッサーホイールと前記軸受ハウジングとの間に形成された空間から前記流体を抽気し、前記タービンホイールの前記第二端部側の背面に前記流体を供給する。前記軸受ハウジングは、少なくとも前記ラジアル軸受に潤滑油を供給する潤滑油供給路を備え、前記流体供給部は、前記潤滑油供給路内の潤滑油を加熱するべく前記軸受ハウジング内で前記潤滑油供給路に沿うよう設けられている。
このように、コンプレッサーホイールと軸受ハウジングとの間に形成された空間、つまりコンプレッサーホイールの背圧を形成する流体を抽気し、タービンホイールの背面に供給する。これにより、コンプレッサーホイールの背圧を低減させつつ、タービンホイールを押圧することができる。
また、タービンホイールに供給される流体の熱によって、潤滑油を加熱し、その粘度を低下させることができる。これにより、回転軸を支持するラジアル軸受等における摺動抵抗が低減される。
上述したターボチャージャーによれば、コンプレッサーホイールの背圧に起因するスラスト荷重を低減し、過給効率を高めることが可能となる。
この発明の第一実施形態におけるターボチャージャーの断面図である。 この発明の第二実施形態におけるターボチャージャーの断面図である。 この発明の第三実施形態におけるターボチャージャーの断面図である。
この発明の実施形態におけるターボチャージャーを図面に基づき説明する。
(第一実施形態)
図1は、この発明の第一実施形態におけるターボチャージャーの断面図である。
図1に示すように、ターボチャージャー1Aは、タービンホイール2、コンプレッサーホイール3、回転軸4、ジャーナル軸受(ラジアル軸受)5A,5B、スラスト軸受8、及び軸受ハウジング6を備えている。このターボチャージャー1Aは、例えば、回転軸4が水平方向に延在するような姿勢で自動車等にエンジンの補機として搭載される。ここで、図1に示す一点鎖線は、回転軸4の中心軸Cを示している。
軸受ハウジング6は、ブラケット(図示せず)、コンプレッサーP、タービンT等を介して車体等に支持されている。軸受ハウジング6は、その一端側に開口部60aを有し、その他端側に開口部60bを有している。
回転軸4は、軸受ハウジング6に保持されたジャーナル軸受5A,5Bによって、中心軸Cに直交する径方向の荷重が支持されるとともに、中心軸C回りに回転自在に支持されている。
また、回転軸4は、軸受ハウジング6に設けられたスラスト軸受8により、中心軸Cに沿った方向のスラスト荷重が支持されている。スラスト軸受8は、軸受ハウジング6に固定され、中心軸Cに直交する面内に位置するベアリング本体8aと、回転軸4に装着され、ベアリング本体8aの中心軸C方向の一面側と他面側とにそれぞれ突き当たるスラストスリーブ8b、および、スラストリング8cから構成される。
軸受ハウジング6は、軸受ハウジング6の外周面6fから軸受ハウジング6の径方向内方に向かって延びる給油管接続口61を有している。この給油管接続口61には、軸受ハウジング6の外部から潤滑油を供給するための潤滑油供給管(図示無し)が接続されている。
潤滑油供給管から給油管接続口61に送り込まれた潤滑油は、軸受ハウジング6に形成された潤滑油供給流路62を経て、軸受ハウジング6内のジャーナル軸受5A,5B等に供給される。軸受ハウジング6の下部には、ジャーナル軸受5A,5B等に供給された潤滑油を排出する排油部63が形成されている。排油部63には、潤滑油を排出する配管(図示無し)が接続される。
この回転軸4の第一端部4a、第二端部4bは、開口部60a,60bを通して軸受ハウジング6の外部に突出している。つまり、回転軸4は、中心軸Cに沿った長さ方向の一部が軸受ハウジング6に収容されている。
軸受ハウジング6の一端側には、タービンTが設けられている。タービンTは、タービンホイール2と、タービンホイール2を収容したタービンハウジング31と、を備えている。
タービンホイール2は、回転軸4の第一端部4aに一体に設けられ、回転軸4と一体に中心軸C回りに回転する。タービンホイール2は、周方向に複数のタービン翼2wを備えている。
タービンハウジング31は、軸受ハウジング6の一端側に取付金具32を介して取り付けられている。タービンハウジング31は、軸受ハウジング6に対向する位置に開口部31aを有している。この開口部31a内に、タービンホイール2が収容されている。
タービンハウジング31は、ガス導入部(図示無し)と、スクロール流路34と、排気部35と、を備えている。
ガス導入部(図示無し)は、エンジン(図示無し)から排出される排気ガスの一部をタービンハウジング31内に送り込む。
スクロール流路34は、ガス導入部(図示無し)に連続して、タービンホイール2の外周側を取り囲むように周方向に連続して形成されている。スクロール流路34は、その周方向の少なくとも一部で、タービンホイール2の外周部に面するように設けられ、タービンホイール2を回転駆動させる排ガスが流れる流路を形成する。
ガス導入部33から流れ込んだ排気ガスは、スクロール流路34に沿ってタービンホイール2の外周側を周方向に沿って流れる。このように周方向に流れる排気ガスがタービンホイール2のタービン翼2wに当たることで、タービンホイール2が回転駆動される。また、排気ガスは、タービンホイール2の外周側で各タービン翼2wに当たることで、その流れの向きが変わる。タービン翼2wによって流れの向きが変換された排気ガスは、タービンホイール2の内周側から排気部35内に排出される。
軸受ハウジング6の他端側には、コンプレッサーPが設けられている。コンプレッサーPは、コンプレッサーホイール3と、コンプレッサーケーシング10とを備えている。
コンプレッサーホイール3は、ディスク22と、ブレード23と、を備える。
ディスク22は、中心軸C方向に一定長を有し、回転軸4の第二端部4bに固定されている。ディスク22は、回転軸4の第二端部4b側に、ディスク面22fを有している。ディスク面22fは、回転軸4の第二端部4b側から軸受ハウジング6側に向かうにしたがって、漸次径方向外側に向かう湾曲面により形成されている。
ブレード23は、ディスク面22fに、中心軸C回りの周方向に間隔をあけて複数が設けられている。
コンプレッサーホイール3は、回転軸4の第二端部4bに形成されたネジ部4nにナット7をねじ込むことで、スラストスリーブ8bとナット7とに挟み込まれて回転軸4に結合されている。
このようなコンプレッサーホイール3は、タービンホイール2が回転すると、回転軸4と一体に中心軸C回りに回転する。コンプレッサーホイール3は、ブレード23で空気(吸気)を昇圧および昇温して、圧縮空気を径方向外側に送り出す。
コンプレッサーケーシング10は、ホイール入口流路11と、ホイール流路12と、ディフューザ13と、スクロール14と、を形成する。
ホイール入口流路11は、例えば、エアクリーナボックス等から延びる吸気管(図示せず)とホイール流路12との間に形成されている。
ホイール流路12は、コンプレッサーホイール3を収容する空間からなる。このホイール流路12は、コンプレッサーホイール3のディスク22との間に、圧縮空気の流れる流路を形成する。
ディフューザ13は、ホイール流路12の最外周部12aから、中心軸Cを中心とした径方向外側に向かって延びている。このディフューザ13は、例えば、コンプレッサーホイール3により圧縮された空気の運動エネルギーを圧力エネルギーに変換する。このディフューザ13は、ホイール入口流路11とスクロール14とを繋いでいる。
スクロール14は、ディフューザ13から流入した空気の運動エネルギーを更に圧力エネルギーに変換して、コンプレッサーケーシング10の外部に排出する。このスクロール14を経て排出された空気は、図示しないエンジンのシリンダー等に供給される。スクロール14は、中心軸Cを中心とした周方向に延びている。このように形成されたスクロール14の断面積は、コンプレッサーPの排出口(図示せず)に向かって漸次拡大している。
このようなターボチャージャー1Aには、コンプレッサーホイール3に対し、回転軸4の第一端部4a側(図1において右方)に、軸受ハウジング6の開口部60bとスラストリング8cとの間を塞ぐバックプレート64が設けられている。
コンプレッサーホイール3のディスク22に対し、回転軸4の第一端部4a側の背面22rとバックプレート64との間には、空間65が形成されている。この空間65には、コンプレッサーホイール3の外周部と軸受ハウジング6との隙間66を通し、コンプレッサーホイール3のディスク22のディスク面22f側から圧縮空気が流れ込む。コンプレッサーホイール3は、この空間65に流れ込む圧縮空気の圧力によるスラスト力F1によって、回転軸4の第二端部4b側(図1において右方)に押圧される。
この実施形態では、コンプレッサーホイール3に作用するスラスト力F1とのバランスを取るため、タービンホイール2を回転軸4の第一端部4a側に押圧する流体を供給する流体供給部70Aを備えている。
流体供給部70Aは、タービンTにおける排気ガスの流れ方向において、タービンホイール2の上流側、例えばスクロール流路34から、高圧の排気ガスを抽気し、タービンホイール2において回転軸4の第二端部4b側(図1において左方)の背面2rに供給する。
流体供給部70Aは、タービンハウジング31に、排気ガスの流路孔を設けてもよいし、排気ガスの流路となるパイプ等を設けてもよい。
流体供給部70Aにおいて、タービンホイール2の上流側から高圧の排気ガスを背面2rに供給することで、タービンホイール2には、タービンホイール2を回転軸4の第一端部4a側(図1において右方)に押圧する押圧力F2が作用する。
上述した第一実施形態のターボチャージャー1Aによれば、流体供給部70Aは、タービンホイール2に対し、タービンホイール2をコンプレッサーホイール3とは反対側の第一端部4a側に向かって押圧する流体を供給する。タービンホイール2が第一端部4a側に押圧される力は、コンプレッサーホイール3の背圧によってコンプレッサーホイール3を第二端部4b側に押圧する力に対して反対向きとなる。これにより、コンプレッサーPの背圧に起因するスラスト荷重を低減することができる。その結果、ターボチャージャー1Aの過給効率を高めることが可能となる。
また、流体供給部70Aは、タービンホイール2に供給されるガスの流れ方向において、タービンホイール2よりも上流側からガスを抽気するようにした。タービンホイール2よりも上流側のガスは高圧であるため、この高圧のガスをタービンホイール2の背面2rに供給することで、タービンホイール2が第一端部4a側に押圧される力を効率よく発揮することができる。
ここで、タービンホイール2においては、タービン翼2wが設けられた側(回転軸4の第一端部4a側)を流れる排気ガスは、タービンホイール2を回転させる仕事をすることによって、そのエネルギー量が下がり、圧力も低くなる。したがって、タービンホイール2の背面2r側に供給した高圧の排気ガスと、その反対側(回転軸4の第一端部4a側)とでは、差圧が発生する。これによって、背面2r側に供給した排気ガスによって作用する押圧力F2を、より効果的に発揮することができる。
(第二実施形態)
次に、この発明にかかるターボチャージャーの第二実施形態について説明する。この第二実施形態で示すターボチャージャーは、第一実施形態のターボチャージャーに対して、流体供給部の構成が異なるのみである。したがって、第二実施形態の説明においては、第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに重複説明を省略する。つまり、第一実施形態で説明した構成と共通するターボチャージャーの全体構成については、その説明を省略する。
図2は、この発明の第二実施形態におけるターボチャージャーの断面図である。
図2に示すように、第二実施形態におけるターボチャージャー1Bは、コンプレッサーホイール3に作用するスラスト力F1とのバランスを取るため、タービンホイール2を回転軸4の第一端部4a側(図1において右方)に押圧する流体を供給する流体供給部70Bを備えている。
流体供給部70Bは、タービンTにおける排気ガスの流れ方向において、タービンホイール2の上流側、例えばスクロール流路34から、高圧の排気ガスを抽気し、タービンホイール2において回転軸4の第二端部4b側(図1において左方)の背面2rに供給する。
流体供給部70Bは、軸受ハウジング6内を通り、その長さ方向の少なくとも一部が、潤滑油供給流路62に沿うよう設けられている。
このような流体供給部70Bは、タービンハウジング31や軸受ハウジング6に、排気ガスの流路となる孔を設けてもよいし、排気ガスの流路となるパイプ等を設けてもよい。
流体供給部70Bにおいて、タービンホイール2の上流側から高圧の排気ガスを背面2rに供給することで、タービンホイール2には、タービンホイール2を回転軸4の第一端部4a側(図1において右方)に押圧する押圧力F3が作用する。
また、流体供給部70Bは、高温の排気ガスを取り込み。その熱によって、潤滑油供給流路62を流れる潤滑油を加熱する。
この実施形態のターボチャージャー1Bでは、流体供給部70Bによってタービンホイール2に供給される流体の熱によって、潤滑油を加熱し、その粘度を低下させることができる。これにより、回転軸4を支持するジャーナル軸受5A,5B等における摺動抵抗が低減し、ターボチャージャー1Bの過給効率を高めることが可能となる。
また、流体供給部70Bによってタービンホイール2に供給される排気ガスは、軸受ハウジング6内で潤滑油を加熱することによって、温度が低下する。このように、温度が低下した排気ガスをタービンホイール2の背面2r側に供給することで、タービンホイール2の背面2r近傍の部材の熱損傷を抑えることができる。
また、上記第一実施形態と同様、流体供給部70Bは、タービンホイール2に対し、タービンホイール2をコンプレッサーホイール3とは反対側の第一端部4a側に向かって押圧する流体を供給する。これにより、コンプレッサーPの背圧に起因するスラスト荷重を低減することができる。その結果、ターボチャージャー1Bの過給効率を高めることが可能となる。
(第三実施形態)
次に、この発明にかかるターボチャージャーの第三実施形態について説明する。この第三実施形態のターボチャージャーは、第一、第二実施形態のターボチャージャーに対して、流体供給部の構成が異なるのみである。したがって、第三実施形態の説明においては、同一部分に同一符号を付して重複説明を省略する。つまり、第一、、第二実施形態に対する相違点を中心に説明を行い、第一、第二実施形態で説明した構成と共通するターボチャージャーの全体構成については、その説明を省略する。
図3は、この発明の第三実施形態におけるターボチャージャーの断面図である。
図3に示すように、第三実施形態におけるターボチャージャー1Cは、コンプレッサーホイール3に作用するスラスト力F1とのバランスを取るため、タービンホイール2を回転軸4の第一端部4a側(図1において右方)に押圧する流体を供給する流体供給部70Cを備えている。
流体供給部70Cは、コンプレッサーホイール3と軸受ハウジング6との間に形成された空間65から流体を抽気し、タービンホイール2の第二端部4b側の背面2rに流体を供給する。空間65内に存在する流体は、コンプレッサーホイール3によって圧縮された圧縮空気が、隙間66を通して空間65に流れ込んだものである。
このような流体供給部70Cは、軸受ハウジング6に、圧縮空気の流路となる孔を設けてもよいし、流路となるパイプ等を設けてもよい。
流体供給部70Cは、軸受ハウジング6内を通り、その長さ方向の少なくとも一部が、潤滑油供給流路62に沿うよう配置してもよい。
流体供給部70Cにおいて、空間65から圧縮空気をタービンホイール2の背面2rに供給することで、タービンホイール2には、タービンホイール2を回転軸4の第一端部4a側(図1において右方)に押圧する押圧力F4が作用する。
この実施形態のターボチャージャー1Cでは、コンプレッサーホイール3と軸受ハウジング6との間に形成された空間65、つまりコンプレッサーホイール3のスラスト力F1を形成する圧縮空気を抽気し、タービンホイール2の背面2rに供給する。これにより、コンプレッサーホイール3に作用するスラスト力F1を低減させつつ、タービンホイール2を反対方向の押圧力F4で押圧することができる。したがって、コンプレッサーPの背圧に起因するスラスト荷重を効率よく低減することができる。その結果、ターボチャージャー1Aの過給効率を高めることが可能となる。
また、流体供給部70Cによってタービンホイール2に供給される圧縮空気は、排気ガスに比較すれば低温である。したがって、圧縮空気をタービンホイール2の背面2r側に供給することで、タービンホイール2の背面2r近傍の部材の熱損傷を抑えることができる。
(その他の実施形態)
この発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲において、設計変更可能である。
例えば、ターボチャージャー1A,1B,1Cの全体構成については、上記実施形態で示した構成に限定するものではない。
例えば、スクロール流路からタービンホイールに送り込む排気ガスの流量を調整する機構を備えた可変容量型のターボチャージャー等においても、流体供給部70A,70B,70Cを適用することで、上記と同様の作用効果を得ることができる。
この発明は、ターボチャージャーに適用できる。この発明によれば、コンプレッサーホイールの背圧に起因するスラスト荷重を低減し、過給効率を高めることが可能となる。
1A,1B,1C ターボチャージャー
2 タービンホイール
2r 背面
2w タービン翼
3 コンプレッサーホイール
4 回転軸
4a 第一端部
4b 第二端部
4n ネジ部
5A,5B ジャーナル軸受(ラジアル軸受)
6 軸受ハウジング
6f 外周面
7 ナット
8 スラスト軸受
8a ベアリング本体
8b スラストスリーブ
8c スラストリング
10 コンプレッサーケーシング
11 ホイール入口流路
12 ホイール流路
12a 最外周部
13 ディフューザ
14 スクロール
22 ディスク
22f ディスク面
22r 背面
23 ブレード
31 タービンハウジング
31a 開口部
32 取付金具
33 ガス導入部
34 スクロール流路
35 排気部
60a,60b 開口部
61 給油管接続口
62 潤滑油供給流路
63 排油部
64 バックプレート
65 空間
66 隙間
70A,70B,70C 流体供給部
C 中心軸
F1 スラスト力
F2,F3,F4 押圧力
P コンプレッサー
T タービン

Claims (2)

  1. 中心軸に沿って延びる回転軸と、
    前記回転軸の第一端部側に設けられたタービンホイールと、
    前記回転軸の第二端部側に設けられたコンプレッサーホイールと、
    前記回転軸を回転可能に支持するラジアル軸受、及び前記回転軸を前記中心軸方向に支持するスラスト軸受を備えた軸受ハウジングと、
    前記タービンホイールを収容するタービンハウジングと、
    前記タービンハウジング内で、前記タービンホイールを前記第一端部側に向かって押圧する流体を前記タービンホイールに供給する流体供給部と、
    を備え、
    前記流体供給部は、前記タービンホイールに供給されるガスの流れ方向において、前記タービンホイールよりも上流側から前記ガスを抽気し、前記タービンホイールの前記第二端部側の背面に前記ガスを供給し、
    前記軸受ハウジングは、少なくとも前記ラジアル軸受に潤滑油を供給する潤滑油供給路を備え、
    前記流体供給部は、前記潤滑油供給路内の潤滑油を加熱するべく前記軸受ハウジング内で前記潤滑油供給路に沿うよう設けられているターボチャージャー。
  2. 中心軸に沿って延びる回転軸と、
    前記回転軸の第一端部側に設けられたタービンホイールと、
    前記回転軸の第二端部側に設けられたコンプレッサーホイールと、
    前記回転軸を回転可能に支持するラジアル軸受、及び前記回転軸を前記中心軸方向に支持するスラスト軸受を備えた軸受ハウジングと、
    前記タービンホイールを収容するタービンハウジングと、
    前記タービンハウジング内で、前記タービンホイールを前記第一端部側に向かって押圧する流体を前記タービンホイールに供給する流体供給部と、
    を備え、
    前記流体供給部は、前記コンプレッサーホイールと前記軸受ハウジングとの間に形成された空間から前記流体を抽気し、前記タービンホイールの前記第二端部側の背面に前記流体を供給し、
    前記軸受ハウジングは、少なくとも前記ラジアル軸受に潤滑油を供給する潤滑油供給路を備え、
    前記流体供給部は、前記潤滑油供給路内の潤滑油を加熱するべく前記軸受ハウジング内で前記潤滑油供給路に沿うよう設けられているターボチャージャー。
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