JP2016525183A - 線対称の供給キャビティを備えたターボ過給機パージシール - Google Patents

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Abstract

ターボ過給機の回転組立体(125)が、軸受(26、128)を介して軸受ハウジング(123)に回転可能に支持されるシャフト(20)、シャフト(20)に装着された圧縮機インペラ(18)、及び軸受(26、128)と圧縮機インペラ(18)との間でシャフト(20)上に配置されるオイルフリンガ(122)を含む。ターボ過給機(100)は、オイルフリンガ(122)を囲むようにシャフト収容軸方向ボア(120)に配置される挿入部(134)、及び挿入部(134)とオイルフリンガ(122)との間の界面(131)に作動可能に配置されることによって、軸受ハウジング(123)から界面(131)へのオイル通過を最小化するように構成されるパージシール(160)を含む。環状キャビティ(150)は、挿入部(134)の半径方向外側に向かう表面(138)を囲み、加圧流体を界面(131)に送るように構成される流路の一部を形成する。【選択図】図3

Description

本出願は、2013年7月26日付で出願された、「供給ガス通路の製造を促すために線対称の体積を用いたターボ過給機パージシール(Turbocharger Purge Seal Utilizing Axisymmetric Volume to Facilitate Supply Gas Passage Fabrication)を発明の名称とし、その全内容が本明細書に参照として引用されている米国仮出願第61/858,978号を優先権主張し、その全ての利得を請求する。
エンジンには、通常の吸入式構成において可能であるよりも高密度にエンジン取入口へ空気を送るために、ターボ過給機が提供されている。これによって、より多い燃料の消費がなされるようにすることにより、エンジン重量を大きく増加させず、エンジンの馬力を増大させることができる。
一般的に、ターボ過給機は、エンジン排気マニホールドからの排気流を用いて、この排気流がタービンハウジング流入口からターボ過給機のタービン段に入ることにより、タービンハウジングの内部に位置するタービンホイールの駆動が行われる。タービンホイールは、軸受ハウジングの内部に回転可能に支持されているシャフトの一端部に取り付けられている。シャフトは、シャフトの他端部に装着された圧縮機インペラを駆動させる。これにより、タービンホイールは圧縮機インペラを駆動させ、結局、ターボ過給機の圧縮機を駆動させるための回転力を提供する。このように得られた圧縮空気がその後上述したようなエンジン取入口に提供される。
ターボ過給機の圧縮機段は、圧縮機インペラ及びこれに連関された圧縮機ハウジングを含む。圧縮機インペラから軸方向に延びる通路を形成する圧縮機空気流入口内に濾過空気が軸方向に引き出される。圧縮機インペラの回転によって空気が加圧されることにより、エンジンへの流動のための圧縮機インペラから圧縮機の渦流室内への半径方向外側への流動が発生する。
タービン段と圧縮機段の圧力条件は、しばしば回転組立体を軸受ハウジングに封止する機構を通じたオイル引き出しをもたらし得る。軸受ハウジングから圧縮機段とエンジン燃焼チャンバへのオイルの内部流動を一般的に「圧縮機端部のオイル通過」と言う。このような圧縮機端部のオイル通過は、触媒の汚染及び所望しない排出物をもたらし得るので防止しなければならない。さらに、より厳しくなっている排出物基準により、圧縮機端部のオイル通過の傾向は、より大きなイシューとなっている。
よって、特に、ターボ過給機の低速条件において、ターボ過給機の圧縮機端部の回転構成要素と停止構成要素との間の封止効果を増大させるための装置が必要となっている。
ある態様によると、軸方向ボアを備えた軸受ハウジング、回転組立体、及び挿入部を含む、ターボ過給機用封止システムが提供される。回転組立体は、回転軸線を備え、軸受を介して軸方向ボアに回転可能に支持されるシャフトと、シャフトに装着された圧縮機インペラ、及び軸受と圧縮機インペラとの間でシャフト上に配置されるオイルフリンガを含む。挿入部は、オイルフリンガを囲むように軸方向ボアに配置され、半径方向外側に向かう表面を形成する。封止システムは、挿入部とオイルフリンガとの間の界面に作動可能に配置されるパージシールを含む。パージシールは、加圧流体を界面に導くように構成され、挿入部の半径方向外側に向かう表面を取り囲む環状キャビティを含む。該キャビティは、加圧流体を界面に送るように構成された流路の一部を形成する。
封止システムは、下記の特徴の1つ以上を含んでいてもよい。挿入部は、キャビティと界面のいずれにも開放され、流路の他の部分を形成する少なくとも1つの半径方向ボアを含む。封止システムは、第1ピストンリングと第2ピストンリングとを含む。第1ピストンリングと第2ピストンリングとは、挿入部とオイルフリンガの半径方向外側に向かう表面との間に配置される。半径方向ボアは第1ピストンリングと第2ピストンリングとの間の一位置で界面と連通する。挿入部は、半径方向延長封止フランジを含み、キャビティは、軸受ハウジング、挿入部の半径方向外側に向かう表面、及び封止フランジの間に形成される。封止フランジは、軸受ハウジングの軸方向表面に隣接する。封止フランジは、スナップリングによって軸受ハウジングに対して相対的な位置に保持される。軸受ハウジングに対して相対的な挿入部の位置が、軸受ハウジングの一部と挿入部との間に配置されるスナップリングにより保持される。供給通路がキャビティと流体連通し、供給通路は流路の他の部分を形成する。Oリングが挿入部の半径方向外側に向かう表面上の溝に配置され、Oリングは、挿入部の半径方向外側に向かう表面と軸受ハウジングの半径方向内側に向かう表面との間にシールを提供する。
ある態様によると、ターボ過給機は、軸方向ボアを備えた軸受ハウジング、軸受ハウジングの一端部に連結されるタービン段と軸受ハウジングの反対側の端部に連結される圧縮機段、及び回転組立体を含む。回転組立体は回転軸線を備え、軸受を介して軸方向ボアに回転可能に支持されるシャフトと、シャフトに装着された圧縮機インペラ、及び軸受と圧縮機インペラとの間でシャフト上に配置されるオイルフリンガを含む。ターボ過給機は、オイルフリンガを取り囲むように軸方向ボアに配置され、半径方向外側に向かう表面を形成する挿入部をさらに含む。パージシールが挿入部とオイルフリンガとの間の界面に作動可能に配置され、加圧流体を界面に導くように構成され、挿入部の半径方向外側に向かう表面を取り囲んでパージシールに加圧流体を送るように構成される流路の一部を形成する環状キャビティ。
ターボ過給機は、下記の特徴のうち、1つ以上を含んでいてもよい。挿入部はキャビティ及び界面に開放され、流路の他の部分を形成する少なくとも1つの半径方向ボアを含む。挿入部は半径方向延長封止フランジを含み、キャビティは、軸受ハウジング、挿入部の半径方向外側に向かう表面、及び封止フランジの間に形成される。第1ピストンリングと第2ピストンリングとが挿入部とオイルフリンガの半径方向外側に向かう表面との間に配置され、半径方向ボアは、第1ピストンリングと第2ピストンリングとの間の一位置で界面と連通する。供給通路がキャビティと流体連通し、流路の他の部分を形成する。軸受ハウジングに対して相対的な挿入部の位置が、軸受ハウジングの一部と挿入部との間に配置されるスナップリングにより保持される。
実施例は、圧縮機インペラの背面と軸受ハウジング及び/又は挿入部のような隣接している構成要素間の封止システムに関する。封止システムは、ターボ過給機の圧縮機端部上の動的回転組立体構成要素と相補型の固定構成要素との間の封止を改善することによって、圧縮機端部のオイル通過及びブローバイを最小化することができる。本明細書に用いられる用語「ブローバイ」は、高圧充填空気(圧縮機側)又は排気ガス(タービン側)の軸受ハウジング内への、及びエンジンクランクケース内への漏出を意味する。封止システムは、隙間シールを改善するために、外部パージガスシールのような封止要素を含むことができる。封止要素は、回転組立体と相補型の固定構成要素との間の界面に作動可能に配置することができる。パージシールは、ターボ過給機の作動条件に関わらず、内向圧力勾配を保持するために、隙間シールから界面に外部加圧ガス又は内部供給充填ガス(すなわち、空気)を選択的に提供する。パージシールには、軸受ハウジングに形成されたガス通路、回転組立体の挿入部に形成された1つ以上の半径方向ボア、及びガス供給通路と挿入部の半径方向ボアの中間に位置し、これらと流体連通する軸受ハウジングに形成された線対称キャビティを含むガス供給経路を通じてガスが供給される。線対称キャビティは、軸受ハウジングの内部における挿入部の方位に関係なく、挿入部の半径方向ボアにガスを送るための環状マニホールドとしての役割を果たす。しかしながら、パージガスの追加がブローバイ漏出を防止するための隙間シールの正常の能力を超えてブローバイ漏出を減少させないことを理解すべきである。
有利には、ガス供給経路の内部の線対称キャビティは、ガス供給源と隙間ラビリンスシールの体積の間の通路の製造を促す。例えば、機械加工にさらに便利な角度及びさらに短い長さによって通路を機械加工することができる。また、連続的に通路部分を整列する必要性が排除される。キャビティは、ディフューザ表面を介して連結されることにより、圧縮機の排出ラインからの内部供給源及びエンジン排気ガスを含む外部供給源を含む内部及び外部のパージガス供給源への容易な接近のために戦略的に配置される。実施例によると、複雑性を最小化するために部品が一体型となる。
実施例が例示として説明されるが、同一の図面符号が類似した部品を示す添付の図面に制限されるものではない。
図1は、従来技術のターボ過給機の断面図である。 図2は、図1の従来技術のターボ過給機の圧縮機端部の一部拡大図である。 図3は、封止システムを含むターボ過給機の断面図である。 図4は、図3のターボ過給機のコア組立体の分解図である。 図5は、挿入部の側面図である。 図6は、図5の挿入部の断面図である。 図7は、従来技術の挿入部の断面図である。 図8は、オイルフリンガの斜視図である。 図9は、図8のオイルフリンガの断面図である。 図10は、従来技術のオイルフリンガの断面図である。 図11は、図3のターボ過給機の圧縮機端部の一部拡大図である。 図12は、図3のターボ過給機の軸受ハウジングの圧縮機端部の一部拡大図である。 図13は、図3の断面図と比較して、他の角度からの図3のターボ過給機の軸受ハウジングの断面図である。 図14は、変形例の封止システムを含むターボ過給機の断面図である。 図15は、他の変形例の封止システムを含むターボ過給機の断面図である。 図16は、また他の変形例の封止システムを含むターボ過給機の断面図である。 図17は、また他の変形例の封止システムを含むターボ過給機の断面図である。 図18は図17のターボ過給機の挿入部の斜視図である。
本明細書で説明する装置は、ターボ過給機の圧縮機端部上の動的回転組立体構成要素と相補型の固定構成要素の間で使用するための封止システム及び方法に関する。特に、本明細書の実施例は、オイル漏出を防止するために、隙間シール(例えば、ピストンシールリング)界面の外側に正圧を保持し得る封止システムの形成に関する。詳細な実施例が本明細書に開示されているが、開示された実施例は単に例示のためのものであることを理解すべきである。よって、本明細書に開示された特定の構造及び機能上の詳細事項は、制限的な意味で解釈されるのではなく、単に特許請求の範囲の根拠として、そして事実的に本明細書の態様を適切な詳細な構造で多様に採用できるように当業者に示すための代表的な根拠として解釈されなければならない。また、本明細書に用いられた用語及び語句は、制限の意図を有するものではなく、むしろ実行可能な実施形態に対する理解可能な説明を提供することと意図して提供されたものである。
図1及び図2を参照すると、排気ガスターボ過給機10は、タービン段12と圧縮機段14とを含む。ターボ過給機10は、タービンハウジング17の内部に位置するタービンホイール16を駆動させるために、エンジン(未図示)の排気マニホールドからの排気流を用いる。排気ガスがタービンホイール16を通過してタービンホイール16が排気ガスからエネルギーを抽出すると、消耗排気ガスはエクスデューサを介してタービンハウジング17から出た後、車両ダウンパイプに、及び通常は触媒コンバータ、粒子トラップ及びNOトラップのような後処理装置にダクトで送られる。タービンホイール16によって抽出されたエネルギーは、圧縮機ハウジング19の内部に位置する圧縮機インペラ18を駆動させるように用いられる回転運動に変換される。圧縮機インペラ18は、ターボ過給機10内に空気を引き出し、この空気を圧縮した後、圧縮空気をエンジンの取入口側に送る。ターボ過給機10は、下記の主要構成要素、つまり、シャフト20、シャフト20の一端部に装着されたタービンホイール16、シャフト20の反対側端部に装着された圧縮機インペラ18、及びオイルフリンガ22を含む回転組立体25を含む。
回転組立体25は、タービン段12と圧縮機段14との間に配置された軸受ハウジング23の内部で回転軸線21を中心に回転するように支持される。特に、シャフト20は、潤滑剤(例えば、通常エンジンによって供給されるオイル)が供給される水力学的軸受システム上で回転する。オイルは、オイル供給ポート24を介して運搬され、ジャーナル軸受26とスラスト軸受28に供給される。軸受から抜け出た後、オイルは軸受ハウジング23に排出され、エンジンクランクケースに連結されたオイル排出口30を介して抜け出る。
タービン段12と圧縮機段14の圧力条件によって、しばしば軸受ハウジング23に対して回転組立体を封止する封止機構を通じたオイル引き出しがもたらされ得る。軸受ハウジング23から圧縮機インペラ18の後方壁38へ、及び圧縮機インペラ18を通過し、圧縮機段14及びエンジン燃焼チャンバへのオイルの内部流動を一般的に「圧縮機端部のオイル通過」と言う。圧縮機端部のオイル通過は、触媒の汚染及び所望しない排出物をもたらし得るので、防止しなければならない。より厳しくなっている排出物基準により、圧縮機端部のオイル通過の傾向は、より大きな問題となっている。排出限界を超えたり後処理システムを汚染させること以外にも、オイル通過はさらに、ターボ過給機のディフューザ及び渦流室の一部の好ましくないコーティングを招くだけでなく、空気ラインを連結してターボ過給機の効率を減少させる。
軸受ハウジング23から圧縮機段14へのオイル通過を最小化するために、ターボ過給機10の内部において、ターボ過給機の1つ以上の固定構成要素(例えば、軸受ハウジング23及び/又は挿入部34)と動的回転組立体(例えば、タービンホイール16、圧縮機インペラ18、オイルフリンガ22及び/又はシャフト20)の一部の間の界面31にシールが用いられる。このシールはさらに、ブローバイとして知られる条件である圧縮機段14から軸受ハウジング23への所望しないガスの流動を防止することもできる。例えば、1つ以上の隙間シール32(例えば、シールリング又はピストンリング)がオイルフリンガ22と挿入部34との間に作動可能に配置される。各シール32の一部はオイルフリンガ22に提供された各溝33の内部に収容できる。
しかしながら、幾つかの作動条件では、軸受ハウジング23内部のオイルが1つ以上の隙間シール32の周りを通過して圧縮機ハウジング19に入り得る。以下、このような一条件について説明する。挿入部34と圧縮機インペラ18との間の外側キャビティ40に空気がある。圧縮機インペラ18が軸線21を中心に高速で回転する。回転する圧縮機インペラの後方壁38付近の空気が空気と後方壁38との間の摩擦により回転するように力を受ける。その結果、圧縮機インペラ18の先端42付近の圧力がより高くなり、シャフト20付近の外側キャビティ40の圧力がより低くなるようにする遠心力加速(つまり、半径方向への)が発生し得る。このような圧力勾配は、界面31に渡って惹起される圧力差の観点から好ましくない。すなわち、外側31oの圧力が内側31iの圧力よりも低くなることにより、圧縮機端部のオイルの通過をもたらし得る。
このような条件では、スラスト軸受28と挿入部34との間の内側キャビティ46からのオイル流れ44が1つ以上のシールリング32の周りで発生する。このような流れ44は、上述したように強制渦によって引き出され、圧縮機インペラの後方壁38の後方の流れ48となる。このような流れ48は、圧縮機段のディフューザ50(図1参照)を通じて引き出される。場合により、このような減少圧力の影響は、軸受ハウジング23内部の圧縮機インペラ18が機械的に凹むようにすることで相殺され得る。このように装置を形成することによって、結果的に圧縮機段14からの一部の加圧空気の方向が圧縮機インペラ18の後方の外側キャビティ40に転換され得る。このような圧縮空気の方向転換によって、外側キャビティ40の周りにおける圧力均衡が圧縮機インペラの先端42から1つ以上のシール32に変更され、圧縮機排出部及びその後のエンジンの燃焼システムへのこのようなオイル通過の可能性が最小化される。
圧縮機の後方壁に沿った半径方向の圧力勾配によると、最も一般的な作動条件に合わせてシール外側圧力をシール内側圧力より高く保持することができる。しかし、低速又はゼロ値のターボ過給機の速度、制限された圧縮機流入口、2段連続タービンシステムの低圧段の排気制動又は始動を含む幾つかの作動条件においては、シールの外側に正圧を保持することが困難或いは不可能である。この場合、オイルやその他の潤滑剤44が1つ以上のシール32の周りを通過し得る。この場合の幾つかの例が下記で詳しく説明される。
エンジン圧縮式排気ブレーキが装着された重荷物積載トラックが一定の長い傾きを有する傾斜面を下方に向かって走行する場合、排気ブレーキがタービンホイール16の下流排気ガス流れを遮断して車両のホイールブレーキと独立的に車両阻止機能を提供するように用いることができる。トラックの質量及び慣性によってトラックが坂の下まで押され、車両変速機を通じてエンジンが回転するように力が加えられる。燃料がエンジンに注入されない場合、エンジンはトラックの速度を遅くするための排気ブレーキの遮断作用に対抗して空気ポンプのように作用する。タービン段12を通過するガスの質量流量が大きく減少することで、ターボ過給機のシャフト20の回転速度の大部分がタービン段12による駆動により得られるものではない。
現在空気ポンプとして作用しているエンジンに車両変速機を通じて加えられる車両制動効果は、減圧状態(例えば、圧縮機段14を通じて空気が引き出されることによる流入口システム内部の真空)を発生させ得る。圧縮機段14内部の減圧状態により、圧縮機端部シール32に渡って発生する圧縮機インペラ18の先端42における圧力差が変わる。これによって、シールリング32を渡り、圧縮機端部のオイル通過をもたらし得る、好ましくない圧力差がもたらされる。このような排気ブレーキ駆動状況が発生すると、発展して来た減圧状態が通常用いられるシールリング圧力差による変更(例えば、圧縮機インペラ18が凹むようにすること)を圧倒することができ、軸受ハウジング23から圧縮機排出部への、及びその後のエンジン燃焼システムへのオイルの通過を惹起する。
圧縮機が直列に配列されている多段式ターボ過給機の高圧(HP)圧縮機段によって同様の問題が発生し得る。直列式圧縮機の構成において、低圧(LP)圧縮機の排出部がHP圧縮機の流入口に直接ダクト連結される。排気質量流量がより小さい高圧(HP)ターボ過給機のタービン段に送られる場合(すなわち、LPターボ過給機のより大きいタービン段に送られない場合)、HP圧縮機の圧縮機段が、より小さいHP圧縮機の入力質量流量よりも出力質量流量がさらに少ない状態で遅く運転している、潜在容量がより大きいLP圧縮機の出力質量流量よりも多い質量流量の空気を流入口に引き出すことができる。その結果、LP圧縮機の圧縮機段が減圧状態で運転されることにより、HPターボ過給機の圧縮機端部のシールリングに渡って好ましくない圧力差をもたらし得る。
図3及び図4を参照すると、排気ガスターボ過給機100は、下記に詳しく論じるように、ターボ過給機100の全作動条件で圧縮機端部のオイル通過及びブローバイを効果的に最小化するか或いは防止する封止システム110を含む。ターボ過給機100は、上述した従来技術のターボ過給機10と類似している。このような理由により、共通の構成要素は共通の図面符号を用いて説明され、適切な範囲内でこれらの共通構成要素については繰り返して説明しない。
ターボ過給機100は、軸受ハウジング123を含む。軸受ハウジング123は、シャフト20、タービンホイール16、圧縮機インペラ18、及び改良されたオイルフリンガ122を含む回転組立体125を収容し、支持する軸方向延長ボア120を備える形態で形成される。回転組立体125は、ボルト129を通じて軸受ハウジング123に固定されたスラスト軸受128とジャーナル軸受26によって回転軸線21を中心に回転するように支持される。シャフト20の軸方向荷重が内側に配置されたスラストワッシャ121、及び反対側の外側に配置されたオイルフリンガ122の半径方向突出アーム124を介してスラスト軸受128で伝達される。改良された挿入部134がオイルフリンガ122の円筒状部126を取り囲むことによって、挿入部134がスラスト軸受128の圧縮機を向いた側に隣接して配置される。
図5及び図6を参照すると、挿入部134はほぼ円筒状であり、オイルフリンガ122の一部を収容するのに十分な直径を有する中央の軸方向延長開口135を含む。挿入部134は、タービンに向かう第1端部136、圧縮機に向かう反対側端部137、及びタービンに向かう端部136と圧縮機に向かう端部137との間に延びる半径方向外側に向かう側面138を備える。挿入部134は、側面138と中央開口135との間に延びる流体通路を提供する少なくとも1つの半径方向ボア139を含む。例示した実施例において、挿入部134は、2つの直径方向とは反対になる半径方向ボア139を含むが、1つ又は2つのボア139を備えるものに制限されるものではない。例えば、挿入部134が1つ、2つ、3つ、4つ、5つ又は6つの半径方向ボア139を含んでもよい。実施例により、半径方向ボア139は、挿入部134の円周面を中心に等間隔に離隔して配置される。挿入部134は、側面18から半径方向外側に突出する封止フランジ140を含む。封止フランジ140が半径方向ボア139と圧縮機に向かう端部137との間に配置される。また、挿入部側面138は、ボア139とタービンに向かう端部136との間に配置された円周方向延長溝142を含む。溝142は、Oリング116を内部に収容する形状及び寸法に形成される。
図6及び図7を比べると、ターボ過給機100に用いられた挿入部134と従来技術の幾つかのターボ過給機10に用いられた従来技術の挿入部34との間の差異がよく分かる。特に、挿入部134(図6)は、幾つかの従来技術の挿入部34(図7)と比べ、軸受ハウジング123の一部と整合(例えば、後述するステップ(S3))するように構成された半径方向延長封止フランジ140を含み、また、半径方向ボア139を含むように修正されているのに対し、従来技術の挿入部34では、このような特徴部が省略されている。また、挿入部134では従来技術の挿入部34のタービンに向かう端部36に形成されたオイル排出ガター36aが省略されている。オイル排出ガター36aは、パージシール160を含む封止システム110の実施によりこれ以上必要でなく、より簡単なデザインを提供し、製造効率を改善するために挿入部134では省略される。
図8及び図9を参照すると、オイルフリンガ122はほぼ円筒状であり、軸方向に細長い形状である。オイルフリンガ122は、シャフト20の直径に対応する直径を有する中央の軸方向延長開口127を含む。オイルフリンガ122は、タービンに向かう第1端部130、圧縮機に向かう反対側端部131、及びタービンに向かう端部130と圧縮機に向かう端部131との間に延びる半径方向外側に向かう側面132を備える。オイルフリンガ122は、側面132から半径方向外側に突出するアーム124を含む。アーム124がタービンに向かう端部136に隣接して配置され、アーム124と圧縮機に向かう端部131との間に配置されるオイルフリンガ122の一部を円筒状部126と称する。一対の円周方向延長溝133が円筒状部126内の側面132に形成される。各溝133は、内部にピストンリング32を収容するように構成される。
図9及び図10を比べると、ターボ過給機100に用いられたオイルフリンガ122と従来技術の幾つかのターボ過給機10に用いられた従来技術のオイルフリンガ22との間の差異がよく分かる。特に、オイルフリンガ122(図9)は、幾つかの従来技術のオイルフリンガ22(図10)と比べ、従来技術のオイルフリンガ22の溝33の軸方向間隔に比べて増加された軸方向間隔を有する溝133を含むように修正されている。増加された隙間は、パージシールの空気供給通過を確保し、特に、溝133との間の、そしてこれによってピストンリング32との間の一位置での挿入部134の半径方向ボア139の開放確保を助ける。また、オイルフリンガ122においては、従来技術のフリンガアーム27の圧縮機に向かう側に含まれた「オーバーハング」特徴部27aが省略される。オーバーハング特徴部27aは、パージシール160を含む封止システム110の実施によりこれ以上必要でなく、より簡単なデザインを提供し、製造効率を改善するためにオイルフリンガ122においては省略される。
図11及び図12を参照すると、軸受ハウジング軸方向ボア120は、ジャーナル軸受26を収容するジャーナル部120a、及びスラスト軸受128、オイルフリンガ122、及び挿入部134を収容する軸受ハウジング123の圧縮機端部に隣接した拡張直径部120bを含む。拡張直径部120bの半径方向寸法が均一ではないことにより、軸受ハウジング123は、それぞれジャーナル部120aの直径D1よりも大きい特有の直径を有する一連の環状段差部123a、123b、123c、123d、123eを形成する。
第1環状段差部123aは直径Daを有する。第1環状段差部123aは、スラスト軸受128、フリンガアーム124、及び挿入部134の一部を取り囲むのに十分な軸方向寸法を有する半径方向内側に向かう表面を形成する。軸方向外側の圧縮機に向かう第1肩部S1がジャーナル部120aと第1環状段差部123aとの間の遷移部で軸受ハウジング123に形成される。スラスト軸受128のタービンに向かう表面が第1肩部S1に隣接し、タービン端部に向かって加えられた軸方向シャフト荷重が第1肩部S1を通じてスラスト軸受128から軸受ハウジング123に伝達される。また、圧縮機端部に向かって加えられた軸方向荷重がボルト129を通じて第1肩部S1と軸受ハウジング123に伝達される。スラスト軸受128をボルト129を通じて第1肩部S1に固定することは、スラスト軸受128が支持されるだけでなく、線対称の体積が封止されることを確保するための核心である。このような構成は、スラスト軸受を固定するように保持リングが用いられ、製造許容誤差によって一定でない封止力及び/又は軸方向軸受の力分布を生成し得る幾つかの従来技術のターボ過給機軸受システムと比較できる。
第2環状段差部123bは、ボア139を取り囲むのに十分な軸方向寸法を有する半径方向内側に向かう表面を形成する。第2環状段差部は、第1環状段差部123aの直径Da及び挿入部側面138の直径D2よりも大きく、挿入部封止フランジ140の直径D3よりも小さな直径Dbを有する。特に、直径Daが挿入部側面138と第2環状段差部123bとの間に半径方向空間を存在させるのに十分であることにより、挿入部134の円周面を囲む線対称キャビティ150が形成される。第2環状段差部123bは、キャビティ150が挿入部の半径方向ボア139と流体連通するように軸方向に配置される。
第3環状段差部123cは、半径方向内側に向かう表面を形成し、第2環状段差部123bの直径Dbと挿入部封止フランジ140の直径D3より大きな直径Dcを有する。軸方向外側の圧縮機に向かう第2肩部S2が第2環状段差部123bと第3環状段差部123cとの間の遷移部で軸受ハウジング123に形成される。
第4環状段差部123dは、第2環状段差部123bの直径Dbよりも大きく、第3環状段差部123cの直径Dcよりも小さな直径Ddを有する。軸方向内側の圧縮機に向かう第3肩部S3が第3環状段差部123cと第4環状段差部123dとの間の遷移部で軸受ハウジング123に形成される。第3肩部S3が第2肩部S2から軸方向に離隔されることによって、第2肩部S2、第3環状段差部123c、そして第3肩部S3の間に円周方向延長溝152が形成される。挿入部封止フランジ140のタービンに向かう表面が第2肩部S2に隣接する状態で挿入部封止フランジ140の自由端部が溝152に配置される。また、C字状スナップリング118が挿入部封止フランジ140と第3肩部との間の溝152に配置される。スナップリング118は例示された構成で挿入部134を保持する役割をする。
第5環状段差部123eは、圧縮機インペラの先端42を囲むのに十分な軸方向寸法を有する半径方向内側に向かう表面を形成する。第2環状段差部は、第4環状段差部123dの直径Ddよりも大きな直径Deを有する。第5環状段差部123eは、軸受ハウジング123の圧縮機に向かう側に隣接して軸方向に配置され、圧縮機インペラの後方壁38と先端42を収容する溝を形成する。
図11及び図13を参照すると、ターボ過給機100の作動条件に関わらず、圧縮機端部のオイル通過及びブローバイを防止するために、ターボ過給機100は、軸受ハウジング123の圧縮機端部に配置された封止システム110を含む。封止システム110は、ラビリンスシール又は隙間シール(例えば、シールリング又はピストンリング32)と組み合わされたパージシール160を含む。これら封止要素は、回転組立体125と挿入部134との間の界面131に作動可能に配置される。
ピストンリング32は、挿入部134とオイルフリンガ122との間の界面131に配置される。各ピストンリング32の一部がオイルフリンガ122の円筒状部126の半径方向外側に向かう側面132に提供された各溝133のうちの1つに収容される。
パージシール160は、ピストンリング32との間の一位置の界面131に選択的に加圧ガスを送り、ピストンリング32に渡って内向圧力勾配を提供することにより、軸受ハウジングから圧縮機段への潤滑剤の流動を防止する。ピストンリングの間にパージ空気が存在することが重要であるが、その理由は、これにより加圧空気の両側に抑制領域が提供されるためである。パージシール160は、軸受ハウジング123に形成されたガス供給通路154(図13)、挿入部134に形成された半径方向ボア139、及びガス供給通路154と半径方向ボア139の中間に位置し、これらと流体連通する軸受ハウジング123に形成された線対称キャビティ150を含む。ガス供給通路154、キャビティ150、及び半径方向ボア139を含むパージシール160は、加圧ガスを界面131に送る。
ガス供給通路154は、パージシール160に選択的に供給される加圧流体を収容するように構成される。例示された実施例において、ガス供給通路154は、空気インレットフィッティング180(図4)を収容するように構成されるが、このような構成に制限されるものではない。
線対称キャビティ150は、軸受ハウジング123内部の挿入部134及び/又はボア139の方位に関わらず、挿入部の半径方向ボア139にガスを送るための環状マニホールドとしての役割をする。環状線対称キャビティ150を提供することによって、パージシールを備えたターボ過給機の製造が簡素化されるが、これは環状キャビティ150が軸受ハウジング123の圧縮機端部面に容易に製造され、挿入部134の方位に関わらず、挿入部の半径方向ボア139にガスを送るためである。これは連続的なガス供給経路を成功裏に提供するために、供給経路の連続部分が含まれた異なる構成要素を正確に製造して整列させる必要があるパージシールガス供給経路を含む幾つかの従来技術のターボ過給機と比較できる。
界面131の内側131iの圧力は、通常ほぼ大気圧(1bar)であり、クランクケース圧力によって影響を受け得る。界面体積の目標圧力は、内向圧力勾配を達成するのに適切な圧力であってもよい。一実施例において、界面での目標圧力は、内側131iの圧力よりも少なくとも約100millibarないし約150millibarより大きくなってもよい。
界面131への空気の供給は、適切な方式によって選択的に実施できる。例えば、制御部(未図示)が界面131への加圧流体の供給を選択的に制御するように作動可能に連結されてもよい。制御部は、エンジン制御部、ターボ過給機制御部又はその他の適切な制御部であってもよい。制御部は、ハードウェア、ソフトウェア、又はこれらの組み合わせを含んでもよい。
界面131の外側131oの圧力が既定の目標圧力であるかそれより低い場合、空気又はその他のパージガスが界面131に選択的に供給され得る。選択的に又は追加的に、界面131の外側131oと内側131iとの間の圧力差及び/又は圧力比が既定の目標圧力比又は圧力差であるかそれより小さい場合、空気又はその他のパージガスが界面131に選択的に供給され得る。このような条件が生じると、空気又はその他のパージガスが許容可能なレベルまで外側131oの圧力を上昇させるように界面に供給され得る。このような状況が生じ得る作動条件の例には、アイドル状態又はエンジンが軽い負荷で運転される場合が含まれる。既定の目標圧力、圧力差及び/又は圧力比が達成された後には、界面131への空気の供給を中断できる。この方式で、空気消耗を最小化することができる。つまり、他の所における有利な使用箇所から空気を取る必要がない。
しかしながら、その他の実施及び/又は所定の作動条件においては、界面131が選択的に加圧されない場合もあることに注意しなければならない。
図14を参照すると、変形例の封止システム210は、ターボ過給機200の作動条件に関わらず、圧縮機端部のオイル通過及びブローバイを最小化するか或いは防止するように構成される。封止システム210は軸受ハウジング223の圧縮機端部に配置され、ラビリンスシール又は隙間シール(例えば、シールリング又はピストンリング32)と組み合わされたパージシール260を含む。これら封止要素は、回転組立体125のオイルフリンガ22と挿入部234との間の界面231に作動可能に配置される。
ピストンリング32は、挿入部234とオイルフリンガ22との間の界面231に配置される。各ピストンリング32の一部がオイルフリンガ22の半径方向外側に向かう側面に提供された各溝33のうちの1つの内部に収容される。
パージシール260は、加圧ガスをピストンリング32との間の一位置の界面231に選択的に送り、ピストンリング32に渡って内向圧力勾配を提供することにより軸受ハウジング223から圧縮機段14への潤滑剤の流動を防止する。パージシール260は、軸受ハウジング223に形成されたガス供給通路254と、挿入部234に形成された1つ以上のほぼ半径方向のボア239、及びガス供給通路254と半径方向ボア239の中間に位置し、これらと流体連通する軸受ハウジング223に形成された線対称キャビティ250を含む。ガス供給通路254、キャビティ250、及び半径方向ボア239を含むパージシール260が加圧ガスを界面231に送る。
線対称キャビティ250が、挿入部234の圧縮機に向かう端部237、軸受ハウジング223の半径方向内側に向かう表面、及び環状の線対称体積カバー256の間に形成される。カバー256が圧縮機インペラの後方壁38と挿入部234との間に配置され、ボルト(未図示)によって軸受ハウジング223に固定される。上述した実施例のように、線対称キャビティ250は、軸受ハウジング223内部における挿入部234及び/又はボア239の方位に関わらず、挿入部の半径方向ボア239にガスを送るための環状マニホールドとしての役割をする。本実施例はまた、従来技術の軸受ハウジング、挿入部及びフリンガを用いてなされることができるので有利である。
図15を参照すると、他の変形例の封止システム310が、ターボ過給機300の作動条件に関わらず、圧縮機端部のオイル通過及びブローバイを最小化するか或いは防止するように構成される。封止システム310は、軸受ハウジング323の圧縮機端部に配置され、ラビリンスシール又は隙間シール(例えば、シールリング又はピストンリング32)と組み合わされたパージシール360を含む。これら封止要素は、回転組立体125のオイルフリンガ22と挿入部334との間の界面331に作動可能に配置される。
ピストンリング32が挿入部334とオイルフリンガ22との間の界面331に配置される。各ピストンリング32の一部がオイルフリンガ22の半径方向外側に向かう側面に提供された各溝33のうちの1つの内部に収容される。
パージシール360は、ピストンリング32との間の一位置の界面331に加圧ガスを選択的に送り、ピストンリング32に渡って内向圧力勾配を提供することによって軸受ハウジング323からの圧縮機段14への潤滑剤の流動を防止する。パージシール360は、軸受ハウジング323に形成されたガス供給通路354、挿入部334に形成された1つ以上のほぼ半径方向ボア339、及びガス供給通路354と半径方向ボア339の中間に位置し、これらと流体連通する軸受ハウジング323に形成された線対称キャビティ350を含む。ガス供給通路354、キャビティ350、及び半径方向ボア339を含むパージシール360が加圧ガスを界面331に送る。
線対称キャビティ350が、挿入部334の圧縮機に向かう端部337、軸受ハウジング323の半径方向内側に向かう表面、及び環状の線対称体積カバー356の間に形成される。カバー356が圧縮機インペラの後方壁38と挿入部334との間に配置され、ボルト358を通じて軸受ハウジング323に固定される。上述した実施例のように、線対称キャビティ350は、軸受ハウジング323内部の挿入部334及び/又はボア339の方位に関わらず、挿入部の半径方向ボア339にガスを送るための環状マニホールドとしての役割をする。また、本実施例は、従来技術のフリンガを用いてなされることができ、図14に示した実施例に比べてカバー356と挿入部334との間に改良された封止を含むため有利である。
図16を参照すると、他の変形例の封止システム410が、ターボ過給機400の作動条件に関わらず、圧縮機端部のオイル通過及びブローバイを最小化するか或いは防止するように構成される。封止システム410は軸受ハウジング423の圧縮機端部に配置され、ラビリンスシール又は隙間シール(例えば、シールリング又はピストンリング32)と組み合わされたパージシール460を含む。これら封止要素は、回転組立体125のオイルフリンガ22と挿入部434との間の界面431に作動可能に配置される。
ピストンリング32は、挿入部434とオイルフリンガ22との間の界面431に配置される。各ピストンリング32の一部がオイルフリンガ22の半径方向外側に向かう側面に提供された各溝33のうちの1つの内部に収容される。
パージシール460は、ピストンリング32との間の一位置の界面431に加圧ガスを選択的に送り、ピストンリング32に渡って内向圧力勾配を提供することによって軸受ハウジング423から圧縮機段14への潤滑剤の流動を防止する。パージシール460は、軸受ハウジング423に形成されたガス供給通路454、挿入部434に形成された1つ以上のほぼ半径方向のボア439、及び中間の線対称キャビティ450を含む。ガス供給通路454、キャビティ450、及び半径方向ボア439を含むパージシール460が加圧ガスを界面431に送る。
線対称キャビティ450が挿入部434に対して半径方向外側の一位置で軸受ハウジング423と環状の線対称体積カバー456との間に形成される。例えば、カバー456の軸方向内側のタービンに向かう側456aが環状陥没部を備えるように形成され得ることによって、カバー456の陥没領域456bと軸受ハウジング423の軸方向外側の圧縮機側に向かう表面423aとの間にキャビティ450が形成される。キャビティ450は、挿入部434の半径方向ボア439とガス供給通路454の中間に位置し、これらと流体連通する。上述した実施例のように、線対称キャビティ450は、軸受ハウジング423内部における挿入部434及び/又はボア439の方位に関わらず、挿入部の半径方向ボア439にガスを送るための環状マニホールドとしての役割をする。また、本実施例は、従来技術のフリンガを用いてなされることができ、ガス供給通路454が軸受ハウジングの背面側のいずれの位置に穿孔されてもよく、カバー456を軸受ハウジング423に固定するために用いられるボルト(未図示)が軸受ハウジングの後方から外側表面に設置することのできるので有利である。
図17を参照すると、他の変形例の封止システム510が、ターボ過給機500の作動条件に関わらず、圧縮機端部のオイル通過及びブローバイを最小化するか或いは防止するように構成される。封止システム510は、軸受ハウジング523の圧縮機端部に配置され、ラビリンスシール又は隙間シール(例えば、シールリング又はピストンリング32)と組み合わされたパージシール560を含む。これら封止要素は、回転組立体125のオイルフリンガ22と挿入部534との間の界面531に作動可能に配置される。
ピストンリング32は、挿入部534とオイルフリンガ22との間の界面531に配置される。各ピストンリング32の一部がオイルフリンガ22の半径方向外側に向かう側面に提供された各溝33のうちの1つの内部に収容される。
パージシール560は、ピストンリング32との間の一位置の界面531に加圧ガスを選択的に送り、ピストンリング32に渡って内向圧力勾配を提供することによって軸受ハウジング523から圧縮機段14への潤滑剤の流動を防止する。パージシール560は、軸受ハウジング523に形成されたガス供給通路554、挿入部534に形成された1つ以上の溝539a、539b、及び中間の線対称キャビティ550を含む。ガス供給通路554、キャビティ550、及び溝539a、539bを含むパージシール560が加圧ガスを界面531に送る。
線対称キャビティ550が、挿入部534に対して半径方向外側の一位置で軸受ハウジング523と環状の線対称体積カバー556との間に形成される。例えば、カバー556の軸方向内側のタービンに向かう側556aが環状陥没部を備えるように形成され得ることによって、カバー556の陥没領域556bと軸受ハウジング523の軸方向外側の圧縮機側に向かう表面523aとの間にキャビティ550が形成される。キャビティ550は挿入部534の溝539a、539bとガス供給通路554の中間に位置し、これらと流体連通する。
図18を参照すると、本実施例において、挿入部534は環状であり、カバー556のタービンに向かう側556aと対面するように構成される圧縮機に向かう表面534aを含む。また、挿入部の圧縮機に向かう表面534aは、ガス供給経路の一部を形成するようにカバー556のタービンに向かう側556aと協動する溝539a、539bを含む。例示された実施例において、挿入部の圧縮機に向かう表面534aは、挿入部側面538から半径方向内側に延びる4つの等隙間に配置された半径方向溝539a、及び各半径方向溝539aを連結する環状溝539bを含む。上述した実施例のように、線対称キャビティ550は、軸受ハウジング523内部における挿入部534及び/又は溝539a、539bの方位に関わらず、挿入部の溝539a、539bにガスを送るための環状マニホールドとしての役割をする。また、本実施例は、従来技術のフリンガを用いてなされることができ、また溝539a、539bが挿入部534の外面に形成されて挿入部534の半径方向穿孔が必要でないため有利である。
本明細書に説明された態様は、その趣旨又は本質的な属性から逸脱することなく、その他の形態及び組み合わせにより具体化することができる。例えば、本明細書に説明された実施例は圧縮機端部のオイル通過に関するものであるが、このような封止システム及び方法が、タービン端部のオイル排出(すなわち、軸受ハウジングからタービン段へのオイルの通過)に適用され得ることを理解すべきであろう。よって、実施例は単に例示として与えられた本明細書に説明された特定の詳細事項のみに制限されるのではなく、多様な修正及び変形が下記の特許請求の範囲内において可能であること当然を理解すべきである。

Claims (15)

  1. ターボ過給機(100)用封止システム(110)であって、
    軸方向ボア(120)を含む軸受ハウジング(123)と、
    回転軸線(21)を備え、軸受(26、128)を介して前記軸方向ボア(120)に回転可能に支持されるシャフト(20)、前記シャフト(20)に装着された圧縮機インペラ(18)、及び前記軸受(26、128)と前記圧縮機インペラ(18)との間で前記シャフト(20)上に配置されるオイルフリンガ(122)を含む回転組立体(125)と、
    前記オイルフリンガ(122)を囲むように前記軸方向ボア(120)に配置され、半径方向外側に向かう表面(138)を形成する挿入部(134)とを含み、
    前記挿入部(134)と前記オイルフリンガ(122)との間の界面(131)に作動可能に配置され、加圧流体を前記界面(131)に導くように構成され、前記挿入部(134)の半径方向外側に向かう表面(138)を取り囲み、加圧流体を前記界面(131)に送るように構成される流路の一部を形成する環状キャビティ(150)を含むパージシール(160)をさらに含むことを特徴とする封止システム(110)。
  2. 前記挿入部(134)は、前記キャビティ(150)及び前記界面(131)のいずれにも開放され、前記流路の他の部分を形成する少なくとも1つの半径方向ボア(139)を含むことを特徴とする、請求項1に記載の封止システム(110)。
  3. 前記挿入部(134)と前記オイルフリンガ(122)の半径方向外側に向かう表面との間に配置される第1ピストンリング(32)と第2ピストンリング(32)とを含み、
    前記半径方向ボア(139)は、前記第1ピストンリング(32)と前記第2ピストンリング(32)との間の一位置において前記界面(131)と連通することを特徴とする、請求項2に記載の封止システム(110)。
  4. 前記挿入部(134)は、半径方向延長封止フランジ(140)を含み、前記キャビティ(150)は、前記軸受ハウジング(123)、前記挿入部(134)の半径方向外側に向かう表面(138)、及び前記封止フランジ(140)の間に形成されることを特徴とする、請求項2に記載の封止システム(110)。
  5. 前記封止フランジ(140)は、前記軸受ハウジング(123)の軸方向表面(S2)に隣接することを特徴とする、請求項4に記載の封止システム(110)。
  6. 前記封止フランジ(140)は、スナップリング(118)によって前記軸受ハウジング(123)に対して相対的な位置に保持されることを特徴とする、請求項5に記載の封止システム(110)。
  7. 前記軸受ハウジング(123)に対して相対的な前記挿入部(134)の位置が前記軸受ハウジング(123)の一部と前記挿入部(134)との間に配置されるスナップリング(118)により保持されることを特徴とする、請求項1に記載の封止システム(110)。
  8. 前記キャビティ(150)と流体連通して前記流路の他の部分を形成する供給通路(154)を含むことを特徴とする、請求項1に記載の封止システム(110)。
  9. 前記挿入部(134)の半径方向外側に向かう表面(138)上の溝(142)に配置され、前記挿入部(134)の前記半径方向外側に向かう表面(138)と前記軸受ハウジング(123)の半径方向内側に向かう表面(123a)との間にシールを提供するOリング(116)を含むことを特徴とする、請求項1に記載の封止システム(110)。
  10. 軸方向ボア(120)を備える軸受ハウジング(123)と、
    前記軸受ハウジング(123)の一端部に連結されるタービン段(12)と、
    前記軸受ハウジング(123)の反対側の端部に連結される圧縮機段(14)と、
    回転軸線(21)を備え、軸受(26、128)を介して前記軸方向ボア(120)に回転可能に支持されるシャフト(20)、前記シャフト(20)に装着された圧縮機インペラ(18)、及び前記軸受(26、128)と前記圧縮機インペラ(18)との間で前記シャフト(20)上に配置されるオイルフリンガ(122)を含む回転組立体(125)と、
    前記オイルフリンガ(122)を囲むように前記軸方向ボア(120)に配置され、半径方向外側に向かう表面(138)を形成する挿入部(134)と、
    前記挿入部(134)と前記オイルフリンガ(122)との間の界面(131)に作動可能に配置され、加圧流体を前記界面(131)に導くように構成されるパージシール(160)であって、前記挿入部(134)の半径方向外側に向かう表面(138)を取り囲み、加圧流体を前記パージシール(160)に送るように構成される流路の一部を形成する環状キャビティ(150)を含むパージシール(160)とを含むことを特徴とするターボ過給機(100)。
  11. 前記挿入部(134)は、前記キャビティ(150)及び前記界面(131)のいずれにも開放され、前記流路の他の部分を形成する少なくとも1つの半径方向ボア(139)を含むことを特徴とする、請求項10に記載のターボ過給機(100)。
  12. 前記挿入部(134)は、半径方向延長封止フランジ(140)を含み、前記キャビティ(150)は、前記軸受ハウジング(123)、前記挿入部(134)の半径方向外側に向かう表面(138)、及び前記封止フランジ(140)の間に形成されることを特徴とする、請求項11に記載のターボ過給機(100)。
  13. 前記挿入部(134)と前記オイルフリンガ(122)の半径方向外側に向かう表面との間に配置される第1ピストンリング(32)と第2ピストンリング(32)とを含み、
    前記半径方向ボア(139)は、前記第1ピストンリング(32)と前記第2ピストンリング(32)との間の一位置で前記界面(131)と連通することを特徴とする、請求項11に記載のターボ過給機(100)。
  14. 前記キャビティ(150)と流体連通し、前記流路の他の部分を形成する供給通路(154)を含むことを特徴とする、請求項10に記載のターボ過給機(100)。
  15. 前記軸受ハウジング(123)に対して相対的な前記挿入部(134)の位置が前記軸受ハウジング(123)の一部と前記挿入部(134)との間に配置されるスナップリング(118)により保持されることを特徴とする、請求項10に記載のターボ過給機(100)。
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