JP2667953B2 - ターボチャージャ用推力軸受と推力カラーと油容積部分との組合わせ - Google Patents

ターボチャージャ用推力軸受と推力カラーと油容積部分との組合わせ

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JP2667953B2 JP5285094A JP28509493A JP2667953B2 JP 2667953 B2 JP2667953 B2 JP 2667953B2 JP 5285094 A JP5285094 A JP 5285094A JP 28509493 A JP28509493 A JP 28509493A JP 2667953 B2 JP2667953 B2 JP 2667953B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は概略的にはターボチャー
ジャの設計とターボチャージャの推力軸受および回転軸
受の潤滑に関している。詳細には、本発明はターボチャ
ージャの推力軸受の改良に関し、推力軸受に貯油槽を内
蔵せしめてターボチャージャの始動時、特に低温始動時
の初期潤滑を改善する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】ター
ボチャージャの軸受は始動時に過大な摩耗を受ける。こ
れは始動時には十分な潤滑圧力が形成される以前に軸受
装置の静止部分と回転部分との間の接触点に潤滑流体が
不足することによる。ターボチャージャの軸受装置を劣
化せしめる一因として、停止時に油がサイフォン作用で
軸受装置から即座に運び去られることがある。通常、タ
ーボチャージャは停止時に約３０秒間回転を継続するか
ら、次の始動時に軸受装置は極端な乾燥状態となる。
【０００３】過去のデータ、レポートおよび故障の分析
結果によれば、ターボチャージャの重大故障の約５０％
は推力および回転軸受の故障である。この故障の多くは
低温外気状態での高速始動時のターボチャージャへの潤
滑油配送の遅れによる。
【０００４】近年ますます厳しくなるエンジン設計要求
としてディーゼルエンジンのターボチャージャの回転速
度を高めることがある。エンジンのアイドル状態におい
ても高いロータ速度と高い空気力学的推力負荷とは、エ
ンジンが始動してターボチャージャに充分な潤滑油が到
達しない数秒間に軸受装置に大きい摩耗を生ぜせしめ
る。タービンのケーシングを小とし、アイドル状態にお
ける回転速度と空気力学的負荷を大とすることは、この
摩耗条件を促進する。
【０００５】代表的なターボチャージャ装置はエンジン
の比較的高い位置に取付けられ、排気ガスを直接に排気
マニフォルドから受取り圧縮空気を直接に吸気マニフォ
ルドまたはアフタークーラに供給できるようになされ
る。潤滑油の供給は高圧油の存在するエンジンブロック
の著しく低い位置からターボチャージャの軸受ハウジン
グに到達する。これら取付部の相対的な位置によってエ
ンジンの停止直後にサイフォン作用が生じ、このサイフ
ォン作用によって潤滑油はターボチャージャへの油供給
ラインから排出されてエンジンに戻る。
【０００６】エンジンの運転中は油ポンプが油をエンジ
ンの全部品に供給し、全部の油通路は油で充満されてい
る。エンジンの停止直後は潤滑油はある程度の圧力をも
ってエンジン内に存在する。潤滑油がエンジン内で排出
され始めると、ターボチャージャの油溝から直ちに潤滑
油は排出される。この位置ではターボチャージャの高さ
とエンジン内部で連続的に下降する油の高さとの差によ
る負圧力が生ずる。空気が回転軸受部および推力軸受部
からターボチャージャの潤滑油ラインに引入れられる。
サイフォン作用が油供給ライン内に蓄積された空気に遮
断されて終了するまで、油供給ラインへの空気の流入は
継続する。この時間はエンジン停止後にターボチャージ
ャの回転が停止するまでの時間とほぼ同等であることが
計測されている。このサイフォン作用によってエンジン
停止後にターボチャージャの推力軸受には実質的に潤滑
油が存在しなくなる。
【０００７】エンジン停止後にターボチャージャが軸受
装置への付加的な潤滑油の供給なしに回転を継続するか
ら、軸受装置内の潤滑油の大部分は排出され、次のエン
ジン始動時に軸受装置が損傷するおそれが大である。
【０００８】そこで本発明の第１の目的は、潤滑油の貯
油槽を推力軸受装置に設けて、これから回転軸受および
推力軸受に油を供給することにより前述の課題を解決す
ることにある。油は毛細管作用によって軸受内に保持さ
れ、エンジンが数日間も始動されなかった場合でも次の
始動時に利用される。
【０００９】本発明の一実施例によれば、ターボチャー
ジャと組合わせて使用されるターボチャージャ用推力軸
受にして、中心孔を限定する本体部分と、該本体部分内
に配置され該本体部分によって限定されその中心孔に配
送するための油を貯蔵する貯油槽手段と、該本体部分に
よって限定され貯油槽手段と中心孔とを連結する油通路
と、を含むターボチャージャ用推力軸受が提供される。
本発明の他の目的はターボチャージャの推力軸受および
回転軸受の耐久性を改善することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本件発明においては、円
筒形の孔を形成している本体部分と、該円筒形の孔に配
送される油を貯蔵する貯油槽手段にして前記本体部分内
に配置され該本体部分によって形成されている該貯油槽
手段と、前記本体部分によって形成され貯油槽手段を前
記円筒形の孔へ連結する油通路と、を有しているターボ
チャージャ用推力軸受と；ほぼ円筒形をなし前記円筒形
の孔内に収容されているハブと周辺フランジとを有して
いるターボチャージャ推力カラーと；前記円筒形のハブ
の外側直径と前記円筒形の孔の内側直径との間に配置さ
れた油用の半円形の容積部分と；の組合せ構造により課
題を解決する。
【００１１】
【実施例】本発明の上述およびそれ以外の目的および効
果は添付図面を参照して示す以下の説明により明確とな
される。
【００１２】本発明の理解のためにその実施例を図面に
示し、これを説明するために特定の用語が使用される。
これらの説明は発明を限定するものでなく、各種の変形
例または代替例が可能であり、これらも本発明の範囲内
に属するものである。
【００１３】第１図を参照すれば車両用のエンジン２０
とそのターボチャージャ２１との概略的垂直方向の位置
関係が示される。当業者に周知のようにエンジンが始動
すると圧縮された油がエンジンの各部に送られ潤滑と冷
却とを行いはじめる。エンジンの運転中は油ポンプは潤
滑油をエンジンの各部に送られ、すべての油通路は潤滑
油で充填される。このときの潤滑油の液面は概略的に液
位線２２として示される。液位線２２はターボチャージ
ャ２１より垂直方向に上方にあり、この状態はエンジン
２０の停止直後まで継続する。
【００１４】エンジンが停止状態となると潤滑油の液面
は下降して、まもなくターボチャージャの油供給溝（図
２参照）より低くなる。ターボチャージャの油供給溝の
高さ位置は水平線２３として示す。エンジンの潤滑油の
液位が線２３より低くなると、油供給溝（線２３）との
高さの差による負圧がターボチャージャの油供給溝に作
用し、エンジンの潤滑油の液位が下降するに伴って油供
給溝から油が排出される。ターボチャージャの油が排出
されると空気がターボチャージャ内部、代表的には回転
軸受および推力軸受の潤滑位置に入りこむ。
【００１５】空気は継続的にターボチャージャの油供給
ラインに入るが、油供給ラインに入った空気の蓄積によ
ってサイフォン作用が終結するまでこれは継続する。サ
イフォン作用の継続時間はエンジン停止後のターボチャ
ージャの回転継続時間とほぼ同等であることが計測され
ている。なおエンジン停止の数分後には潤滑油の液位は
線２４となり、この状態はエンジン停止の間継続する。
【００１６】図２を参照すればターボチャージャ２１が
断面側面図として示される。ターボチャージャ２１は圧
縮機ハウジング２８とインペラ２９とタービンハウジン
グ３０と軸受ハウジング３１とを含む。図示ターボチャ
ージャは主構成要素について通常のものである。軸受ハ
ウジング３１内に推力軸受３５があり、これが本発明の
対象となる。
【００１７】圧縮機ハウジングからタービンハウジング
内に軸受ハウジングの中心を通って軸３６が延長して、
ターボチャージャ軸受（スリーブ軸受）３７、３８によ
り支持される。保持リング３９がターボチャージャ軸受
の位置を軸方向に固定し、スリーブ４０が油制御スリー
ブとして作用する。
【００１８】軸受ハウジングには油入口４３と、主油溝
４４と、油通路４５、４６とが機械加工により形成され
ている。油通路４５はタービン軸受３７に指向され、油
通路４６は圧縮機回転軸受３８に指向される。主軸受入
口４３に送られた油は３つの軸受それぞれに導かれてエ
ンジンおよびターボチャージャの運転時に連続的に軸受
を潤滑する。
【００１９】図３および図４を参照すると、本発明によ
る推力軸受３５が示される。推力軸受３５は比較的に薄
いほぼ円筒形の部材で、実質的に平坦な対抗する面５
０、５１を有し、下方端に切欠き部５２が設けられ、機
械加工により貯油槽５３が形成されている。貯油槽５３
はほぼ長方形の有底の溝孔であって、推力軸受の本体部
分内に限定されるが、推力軸受を貫通してはいない。貯
油槽５３は中心孔５４と錐孔通路５５によって連通して
いる。通路５５が長方形の貯油槽５３内に指向され、中
心孔５４の軸方向中心から実質的に半径方向に延びてい
る。
【００２０】図４において破線５６は軸３６を収容する
推力カラーを示す。環状の間隙空間５７が中心孔５４の
内径縁とカラー５６のハブ５９の外形表面５８との間に
形成される。
【００２１】推力軸受３５の前面５０には４つの半径方
向に延長する等間隔の溝６２が設けられて、推力カラー
５６（フランジおよびハブを含む）と推力軸受３５との
界面への及びこれからの油の流れを与える。これら４つ
の溝６２はＶ字形に機械加工されるが、推力軸受本体内
への加工深さは０．１ｍｍ（１０００分の数インチ）程
度である。
【００２２】貯油槽５３も推力軸受３５の前面５０に機
械加工（ミリング加工）されている。望ましい実施例に
よれば、貯油槽５３はほぼ長方形で、長さは約２２ｍ
ｍ、幅は約６．３ｍｍ、深さは約３．６ｍｍである。前
述のように貯油槽５３は有底の溝孔で推力軸受の全厚さ
を貫通していない。通路５５は中心孔５４から貯油槽５
３までドリル加工されている。通路５５が図示実施例で
傾斜しているのは、ドリルビットが中心孔５４の縁部と
接触することを避けるためであり、これは破線で示す中
心孔５４の延長線から理解されよう。
【００２３】エンジンが運転中で油が油通路に充満して
いるときはターボチャージャ２１の軸受ハウジング３１
も油で充満されている。油はタービンの回転軸受３７と
圧縮機の回転軸受３８と推力軸受３５の主油溝４４と
に、油入口から配送される。図２に示すように主油溝４
４は前面５０に接しており、主油溝の開口が貯油槽５３
の下方縁に整合している。この結果、油は貯油槽に配送
され、推力カラーと推力軸受との界面に間隙５７を経て
供給される。間隙５７から油は４つのＶ字形溝６２を経
て外方に流れ、推力パッド６３を潤滑する。
【００２４】エンジンの運転を停止するとエンジン内の
油の液位は液位２２から液位２４（図１参照）に下降し
始める。エンジンの液位がターボチャージャの高さより
下方となると、液位線２３とエンジン内の下降している
油の液位との差による液体ヘッドにより負圧が生ずる。
その結果としてターボチャージャ内の油は前述のように
サイフォン作用によって排出され始める。このサイフォ
ン作用によって油はターボチャージャから排出され、こ
のサイフォン作用は、空気がサイフォン経路内に導入さ
れ、充分な量の空気が該経路内に蓄積され、それにより
サイフォン作用を停止するまで続く。空気は、タービン
軸受３７と、圧縮機軸受３８と、推力軸受３５との部分
（図２参照）の油排出通路内に導入される。
【００２５】図５を参照すると、推力カラー５６と推力
軸受３５との間の界面区域からの油排出通路が矢印経路
６５として示される。この経路は通路５５と貯油槽５３
の中心とを経て上昇し、主油溝４４を経て伸びている。
油排出通路に対する貯油槽５３の位置（油排出通路は貯
油槽の下方から始まっている）によって或る量の油が貯
油槽５３に残留することになる。
【００２６】油が経路６６を通ってからの状態になるま
で排出されると、空気がターボチャージャの油供給装置
（油経路）内に流れはじめる。サイフォン作用は油供給
経路内に蓄積拘留される空気によって遮断されるまで継
続する。この状態（サイフォン作用の停止）になるまで
の時間はエンジンの停止操作からターボチャージャの回
転停止までの時間とほぼ同一である。このサイフォン作
用の間に通路５５へ連続的な空気流が流入してくるため
貯油槽内に蓄積された油が失われることはない。サイフ
ォン作用が停止すると、ほぼ同時にロータはほぼ又は完
全に停止し、油は貯油槽から通路５５を経て中心孔５４
と推力カラー５６との間の間隙空間５７に排出、すなわ
ち配送される。この間隙空間すなわち実質的に環状軸受
容積部分に配送された油は排出されないで残留する。そ
こで、この油は次のエンジン始動時に使用される。エン
ジンが数日間始動されなかった場合にも有効である。油
は貯油槽から圧縮機およびタービンの回転軸受にも供給
されるが、これらの軸受は内側および外側表面間の間隙
が小である。
【００２７】図６を参照すれば、間隙空間５７（軸受環
状容積部分）に配送され保持される油が示される。図示
のように、油の容積部分７０はほぼ半円筒形の形状をと
り、長さすなわち深さは推力軸受３５の厚さにほぼ等し
い。油の容積部分７０の頂面はほぼ凹面のメニスカス７
１を形成し、これは図６に示すように両側で凹面を形成
し、また前面５０と後面５１との間、すなわち前後方向
でも凹面を形成している。メニスカス７１を形成する表
面張力は油の容積部分を重力に抗して引き上げ、環状の
容積部分として位置せしめる。エンジンの潤滑油のみで
なく、さらに低い粘度のディーゼル燃料の場合も半円筒
形の形状と対応するメニスカスを長期間に亙って保持
し、厳しい振動を受けても排出されることがない。
【００２８】従って、エンジンが再始動する場合に、油
の容積部分７０は推力軸受と推力カラーとの間の回転／
静止界面に直ちに利用され得るようになされている。こ
れは従来要望されていた初期潤滑を可能とし、エンジン
からの油が主油溝に、従ってターボチャージャの軸受に
供給されるまでの間、充分な量の潤滑が与えられるよう
にする。
【００２９】本発明の詳細を図示し説明したが、図示説
明した実施例は単なる例示であって本発明を限定しな
い。本発明は特許請求の範囲の記載によって限定され、
各種の変形、改変は本発明の精神内において均等であ
り、本発明に属する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例として示すターボチャージャと
関連するエンジンとの位置関係を示す概略図。
【図２】図１のターボチャージャの垂直断面図。
【図３】本発明の実施例による推力軸受の正面図。
【図４】図３の線４−４に沿う断面図。
【図５】図３と同様な図であるが空気および油通路の詳
細を示す正面図。
【図６】図３と同様な図であるが推力カラーと組合わせ
て示し、推力カラーと油の容積部分とを示す正面図。
【符号の説明】
２０ エンジン ２１ ターボチャ
ージャ ２２ 液位線 ２４ 液位線 ２８ 圧縮機ハウジング ２９ インペラ ３０ タービンハウジング ３１ 軸受ハウジ
ング ３５ 推力軸受 ３６ 軸 ３７、３８ ターボチャージャ軸受（スリーブ軸受） ３９ 保持リング ４０ 油制御スリ
ーブ ４３ 油入口 ４４ 主油溝 ４５、４６ 油通路 ５０、５１ 平坦
な面 ５２ 切り欠き部 ５３ 貯油槽 ５４ 中心孔 ５５ 錐孔通路 ５６ 推力カラー ５７ 環状の間隙
空間 ５８ 外形表面 ５９ ハブ ６２ Ｖ字形の溝 ６３ 推力パッド ６５ 経路 ６６ 経路 ７０ 容積部分 ７１ メニスカス
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デーヴィッド・アール・エングル アメリカ合衆国インディアナ州47270, パリス・クロッシング，ルート １ (72)発明者 ロジャー・ウィリアムズ アメリカ合衆国インディアナ州47265, ノース・バーノン，ルート １ (56)参考文献 特開 昭63−92817（ＪＰ，Ａ) 実公 昭61−31209（ＪＰ，Ｙ１)

Claims (15)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 円筒形の孔を形成している本体部分と、
    該円筒形の孔に配送される油を貯蔵する貯油槽手段にし
    て前記本体部分内に配置され該本体部分によって形成さ
    れている該貯油槽手段と、前記本体部分によって形成さ
    れ貯油槽手段を前記円筒形の孔へ連結する油通路と、を
    有しているターボチャージャ用推力軸受と； ほぼ円筒形をなし前記円筒形の孔内に収容されているハ
    ブと周辺フランジとを有しているターボチャージャ推力
    カラーと； 前記円筒形のハブの外側直径と前記円筒形の孔の内側直
    径との間に配置された油用の半円形の容積部分と； の組合せ。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の組合せにおいて、貯油
    槽手段が有底のやや長方形の溝孔を含むことを特徴とす
    る請求項１に記載の組合せ。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載の組合せにおいて、前記
    連結する油通路が前記やや長方形の溝孔内に中心決めさ
    れておりかつ前記円筒形の孔から半径方向に延長する線
    上に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の
    組合せ。
  4. 【請求項４】 請求項１に記載の組合せにおいて、前記
    油用の半円形の容積部分が凹面のメニスカス表面を含ん
    でいることを特徴とする請求項１に記載の組合せ。
  5. 【請求項５】 中心孔を形成している比較的に薄い本体
    を有しているターボチャージャのロータ軸用の推力軸受
    にして、 該中心孔の回りに延長している実質的に平坦な第１の面
    と； 該中心孔の回りに延長し第１の面に対して反対側に配置
    された実質的に平坦な第２の面と； 該中心孔から間隔をおかれ第１の面から前記本体内に形
    成されかつ第２の面の方へ伸びている貯油槽と； 前記本体に形成され貯油槽と中心孔とに油が流れるよう
    に両者を連通せしめている油通路と； 前記第１の面内に配置され中心孔から外方に延長し、油
    を中心孔区域から第１の面部分に導く複数の油通路と； を含むことを特徴とするターボチャージャ用推力軸受。
  6. 【請求項６】 請求項５に記載のターボチャージャ用推
    力軸受において、前記貯油槽が有底のやや長方形の溝孔
    であることを特徴とする請求項５に記載のターボチャー
    ジャ用推力軸受。
  7. 【請求項７】 請求項６に記載のターボチャージャ用推
    力軸受において、前記油通路が有底の溝孔内に中心位置
    決めされ前記中心孔から半径方向に延長する平面に沿っ
    て方向づけられている、ことを特徴とする請求項６に記
    載のターボチャージャ用推力軸受。
  8. 【請求項８】 請求項７に記載のターボチャージャ用推
    力軸受において、前記複数の油通路がそれぞれＶ字形の
    断面を有する４つの通路を含むことを特徴とする請求項
    ７に記載のターボチャージャ用推力軸受。
  9. 【請求項９】 円筒形の孔を形成している本体部分と、
    前記円筒形の孔に配送するための油を貯蔵する貯油槽で
    あって前記本体部分内に配置され該本体部分によって形
    成されている貯油槽と、該本体部分によって形成されか
    つ前記貯油槽と円筒形の孔とを連結している油通路と、
    有しているターボチャージャ用推力軸受と； ほぼ円筒形のハブとこれを囲むフランジとを有し、該ハ
    ブが前記円筒形の孔内に収容されて該孔との間に油を貯
    蔵する間隔を形成しているターボチャージャ推力カラー
    と； の組合せ。
  10. 【請求項１０】 請求項９に記載の組合せにおいて、前
    記ターボチャージャ用推力軸受の貯油槽が有底のやや長
    方形の溝孔であることを特徴とする請求項９に記載の組
    合せ。
  11. 【請求項１１】 請求項１０に記載の組合せにおいて、
    前記ターボチャージャ用推力軸受の油通路が前記有底の
    溝孔内に中心決めされ前記中心孔から半径方向に延長す
    る平面に沿って方向づけられていることを特徴とする請
    求項１０に記載の組合せ。
  12. 【請求項１２】 圧縮機部分と、タービン部分と、主油
    溝を含む軸受ハウジングと、を有するターボチャージャ
    と； 該ターボチャージャ内に配置されており、中心孔を形成
    している本体部分と、該本体部分内に配置され該本体部
    分によって形成され前記中心孔に配送される油を貯蔵す
    る貯油槽手段と、前記本体部分によって形成され貯油槽
    手段と中心孔とを連結している油通路と、を含んでいる
    ターボチャージャ用推力軸受と； ほぼ円筒形のハブとこれを取囲むフランジとを有し、該
    ハブが前記円筒形の孔内に配置されている、ターボチャ
    ージャ推力カラーと； 前記円筒形のハブの外側直径と前記円筒形の孔の内側直
    径との間に配置された油の半円形の容積部分と； の組合せ。
  13. 【請求項１３】 請求項１２に記載の組合せにおいて、
    前記ターボチャージャ用推力軸受の貯油槽手段が有底の
    やや長方形の溝孔であることを特徴とする請求項１２に
    記載の組合せ。
  14. 【請求項１４】 請求項１３に記載の組合せにおいて、
    前記ターボチャージャ用推力軸受の油通路が有底の溝孔
    内に中心決めされかつ前記中心孔から半径方向に延長す
    る平面に沿って方向づけされていることを特徴とする請
    求項１３に記載の組合せ。
  15. 【請求項１５】 圧縮機部分と、タービン部分と、主油
    溝を有する軸受ハウジングと、を含むターボチャージャ
    と； 該ターボチャージャ内に配置されており、中心孔を形成
    している本体部分と、該本体部分内に配置され該本体部
    分によって形成され、前記中心孔に配送するための油を
    貯蔵する貯油槽と、前記本体部分によって形成され前記
    貯油槽と前記中心孔とを連結する油通路と、を含んでい
    るターボチャージャ用推力軸受と； ほぼ円筒形のハブとこれを取囲むフランジとを有し、該
    ハブが円筒形の孔内に収容されかつ該円筒形の孔との間
    に油を収容する間隔を形成している、ターボチャージャ
    用推力カラーと； の組合せ。
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