JP5125688B2 - 過給機及び過給機の冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、車両等の内燃機関に適用される過給機に関し、ハウジングを均一に冷却するできる過給機及び過給機の冷却方法に関する。

従来、この種の過給機に関連する技術として、特許文献１に示されるタービンロータの冷却装置が知られている。この特許文献１に示される技術は、タービンロータのタービンハウジング背面部に向けてベアリングハウジング内の潤滑油の一部を噴射する噴射ノズルを設け、この潤滑油の吹き付けによりタービンロータ背面部を冷却し、該タービンロータの熱変形を防止するようにしている。
特開平９‐２５０３５３号公報

ところで、上記のように構成されたタービンロータの冷却装置では、ベアリングハウジング内にて駆動シャフトの周方向に沿って環状の冷却路が形成されており、この冷却路に沿うように、噴射ノズルから噴射された潤滑油を循環させるようにしている。
しかし、実際には、噴射ノズルから噴射された潤滑油による冷却効果は、ハウジングの上半分のみで、下半分にまでは及ばず、このような不均一な冷却によって、駆動シャフトのシールリングの耐熱温度を越えた温度上昇が生じ、該シールリングのシール効果が低下するという問題が発生する。

また、上述したような不均一な冷却によってベアリングハウジング及びこれに接するタービンハウジングに歪が生じ、このような歪によって生じるハウジングの変形が原因で、駆動シャフトに支持されるタービンインペラがタービンハウジングに接触するという問題も発生する。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、該ベアリングハウジングの冷却路内に供給された潤滑油の温度を各所において均一とすることができ、これによってシールリングの温度上昇に伴うシール効果の低下を防止し、かつハウジングの変形が原因で生じるインペラとハウジングとの衝突を防止することができる過給機及び過給機の冷却方法の提供を目的とする。

本発明に係る過給機及び過給機の冷却方法では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
第１の発明は、タービンハウジング及びコンプレッサハウジングの間に配置されたベアリングハウジングと、これら各ハウジング内に配置されて前記タービンハウジング内で発生した動力をコンプレッサハウジング内に伝達させる駆動シャフトと、前記ベアリングハウジングに形成されて前記駆動シャフトとベアリングとの間に油膜を形成するための潤滑油を供給する潤滑油供給路と、前記ベアリングハウジング内でかつ前記駆動シャフトを中心として周方向に形成されて前記潤滑油供給路によって供給された潤滑油の一部を導き入れて前記ハウジングを冷却する冷却路と、を具備する過給機であって、前記潤滑油供給路と冷却路との間に、該冷却路に対して上方に潤滑油を噴出させる複数の流路からなる潤滑油供給孔を配置し、かつ、該潤滑油供給孔の各流路を互いに略鉛直方向に対して傾斜角度を有するように配置することを特徴とする。

上記のように構成された過給機によれば、周方向に沿う冷却路にて潤滑油を循環させることができ、該冷却路内の潤滑油の温度を各所において均一とすることができる。
これによってシールリングの温度上昇に伴うシール効果の低下を防止することができ、かつ、ハウジングの変形が原因で生じるインペラとハウジングとの衝突を防止することができる。

また、前記潤滑油供給孔を２本の流路によって構成するとともに、該２本の流路を、前記駆動シャフトの径方向に沿う同一平面内にて予め設定した傾斜角度でＶ字状に配置することを特徴とする。

上記のように構成された過給機によれば、該２本の流路を通じた潤滑油の噴出によって、冷却路内にて相異なる周方向に潤滑油を循環させることができ、該冷却路内の潤滑油の温度を各所において均一とすることができる。
これによってシールリングの温度上昇に伴うシール効果の低下を防止することができ、かつハウジングの変形が原因で生じるインペラとハウジングとの衝突を防止することができる。

また、本発明の過給機では、４５〜６０度の範囲内に設定されることを特徴とする。

上記のように構成された過給機によれば、該冷却路内の潤滑油の温度を各所において最大限に均一とすることができ、その冷却効果を最大に高めることができる。

第２の発明は、タービンハウジング及びコンプレッサハウジングの間に配置されたベアリングハウジングと、これら各ハウジング内に配置されて前記タービンハウジング内で発生した動力をコンプレッサハウジング内に伝達させる駆動シャフトと、前記ベアリングハウジングに形成されて前記駆動シャフトとベアリングとの間に油膜を形成するための潤滑油を供給する潤滑油供給路と、前記ベアリングハウジング内でかつ前記駆動シャフトを中心として周方向に形成されて前記潤滑油供給路によって供給された潤滑油の一部を導き入れて前記ハウジングを冷却する冷却路と、を具備する過給機において、前記潤滑油供給路と冷却路との間に該冷却路に対して上方に潤滑油を噴出させる複数の流路からなる潤滑油供給孔を配置し、かつ、該潤滑油供給孔の各流路を互いに略鉛直方向に対して傾斜角度を有するように配置したことを特徴とする。

上記のように構成された過給機の冷却方法によれば、周方向に沿う冷却路にて潤滑油を循環させることができ、該冷却路内の潤滑油の温度を各所において均一とすることができる。
これによってシールリングの温度上昇に伴うシール効果の低下を防止することができ、かつハウジングの変形が原因で生じるインペラとハウジングとの衝突を防止することができる。

本発明によれば以下の効果を得ることができる。
本発明によれば、周方向に沿う冷却路にて潤滑油を循環させることができ、該冷却路内の潤滑油の温度を各所において均一とすることができる。
これによってシールリングの温度上昇に伴うシール効果の低下を防止することができ、かつ、ハウジングの変形が原因で生じるインペラとハウジングとの衝突を防止することができる効果が得られる。

以下、本発明に係る過給機及び過給機の冷却方法の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態である過給機１の全体構成を示す正断面図であり、図２は、図１のII-II断面図である。

過給機１は、タービン部１００内のタービンインペラ２と、コンプレッサ部１０１内のコンプレッサインペラ３と、ベアリング部１０２で回転自在に支持されかつこれらタービンインペラ２とコンプレッサインペラ３とが固定された駆動シャフト４と、これらを収容するハウジング５とから概略構成されている。

タービンインペラ２と駆動シャフト４とは溶接により一体化され、コンプレッサインペラ３と駆動シャフト４とはナット６を介して結合されている。また、ハウジング５は、タービンインペラ２が収容されるタービンハウジング７と、駆動シャフト４のベアリング等が収容されるベアリングハウジング８と、ベアリングハウジング８とコンプレッサハウジング１０とを区画するシールプレート９と、コンプレッサインペラ３が収容されるコンプレッサハウジング１０とが順に連結された構成からなる。

過給機１は、駆動シャフト４とこれを支持するベアリング等とを円滑に摺動させるため、また、ハウジング５を冷却するために、ベアリングハウジング８の内部に潤滑油が給油される。
そのため、ベアリングハウジング８の上部には、外部から潤滑油を供給するための給油口１１が、ベアリングハウジング８の下部には、内部から潤滑油を排出するための排油口１２が備えられている。

ベアリングハウジング８は、外側に位置してタービンハウジング７とコンプレッサハウジング１０に連結されるハウジング本体部８Ａと、該ハウジング本体部８Ａ内の内側に配置されて潤滑油を用途に応じて分配するベアリングブッシュ８Ｂとから構成される。
ベアリングハウジング８のベアリングブッシュ８Ｂ内には、駆動シャフト４が挿通されてコンプレッサ側の径が大きく形成される軸支持部１３と、この軸支持部１３の周囲を取り巻く排油室１４と、軸支持部１３の上部においてこの軸支持部１３に沿って穿孔されて、給油口１１に直交するように連通する潤滑油供給路１５とが備えられている。

軸支持部１３には、タービン側に不図示のフローティングメタルが、コンプレッサ側に不図示のフローティングメタルが設けられている。このフローティングメタルは、周面に複数の貫通孔を備える円筒部材であり、これらを介して駆動シャフト４がラジアル方向に支持され、回動可能になっている。
すなわち、後述の給油孔２０及び給油孔２１からフローティングメタルに潤滑油が供給されるとフローティングメタルと軸支持部１３との間及び駆動シャフト４とフローティングメタルとの間に潤滑油が行き渡り、高い回転数でも駆動シャフト４を円滑に回転させることが可能である。
なお、フローティングメタルは、軸支持部１３に設けられるリテーニングリングや軸受スペーサ等により軸方向に移動ができないようになっている。

排油室１４は、排油口１２に連通する下部排油空間１８、軸支持部１３の周囲に冷却路１９を備えている。冷却路１９は、ベアリングハウジング８内にて駆動シャフト４の周方向に沿うように配置されたものであって、該冷却路１９を通じて供給される潤滑油によって、ベアリングハウジング８及び該ベアリングハウジング８に隣接するタービンハウジング７を冷却する。これによってシール部３０のシールブッシュ（後述する）の温度上昇に伴うシール効果の低下を防止し、かつハウジング７・８の変形が原因で生じるタービンインペラ２とタービンハウジング７との衝突を防止する。

潤滑油供給路１５は、ベアリングブッシュ８Ｂ内にて駆動シャフト４の軸方向に沿うように配置されたものであって、該軸方向に沿う中間位置には、潤滑油供給路１５からフローティングメタルへ潤滑油を供給する給油孔２０及び給油孔２１と、フローティングメタルに供給された潤滑油を下部排油空間１８へと排出させる排油穴２２が形成されている。

駆動シャフト４のスラスト方向の荷重は、ベアリングブッシュ８Ｂとシールプレート９との間に固定されたスラストベアリング２３により支持される。このスラストベアリング２３は、駆動シャフト４に固定されたスラストカラー２４と摺動するように設けられるものであって、潤滑油供給路１５を通じて供給された潤滑油によって、スラストベアリング２３とスラストカラー２４間に油膜を発生させ、スラストカラー２４を駆動シャフト４とともに円滑に回転させるようにしている。
これによって駆動シャフト４に加わる空気圧力、ガス圧力や振動による軸方向の力を支える構成となっている。

一方、ベアリングハウジング８のタービン部１００側にはシール部３０が、また、ベアリングハウジング８のコンプレッサ部１０１側にはシール部３１がそれぞれ設けられている。シール部３０はリング状のシールブッシュにより構成されるものであって、タービン１００内部に潤滑油が漏出しないように、ベアリングハウジング８と駆動シャフト４との間をシールする。

シール部３１は、駆動シャフト４の外周面に固定された円筒型のシール部材３２と、シールプレート９に固定されその先端部がシール部材３２に形成されたシール溝内に位置するシールリング３３とを有するものであって、シール部材３２のベアリング部１０２側はスラストカラー２４に隣接され、また、シール部材３２のコンプレッサ部１０１側はコンプレッサインペラ３に隣接されている。
そして、このようなシール部材３２及び該シール部材３２に設けられたシールリング３３によって、ベアリング部１０２からコンプレッサ部１０１内に潤滑油が漏出しないようにシールされる。

また、上記に示した構成により、ベアリングハウジング８内には、第一の流路、第二の流路、第三の流路が形成される。
第一の流路は、給油口１１から給油されて潤滑油供給路１５に至った潤滑油が、給油孔２０及び給油孔２１を経た後に軸支持部１３に流入して、排油穴２２を介して下部排油空間１８に至り排油口１２から排出される油路である。
第二の流路は、潤滑油供給路１５を経てコンプレッサ方向に流れた潤滑油が、スラストカラー２４の周囲を経由してスラストベアリング２３とスラストカラー２４間に至った後、下部排油空間１８に流れ落ちて排油口１２から排出される油路である。
第三の流路は、潤滑油供給路１５を経てタービン方向に流れた潤滑油が、冷却路１９に至った後に下部排油空間１８に流れ落ちて排油口１２から排出される油路である。

次に、図２を参照して、潤滑油供給路１５から冷却路１９に潤滑油を噴出させるための潤滑油供給手段５０について説明する。
この潤滑油供給手段５０は、潤滑油供給路１５と冷却路１９との間に、該冷却路１９に対して上方に潤滑油を噴出させる２本の流路５１Ａ，５１Ｂを有する潤滑油供給孔５１を配置し、かつこれら流路５１Ａ，５１Ｂを、互いに略鉛直方向に対して傾斜角度を有するように配置したものである。これら潤滑油供給孔５１の流路５１Ａ，５１Ｂは、駆動シャフト４の径方向に沿う同一の平面内にて、分岐点Ｏを中心としてかつ垂直な基準線Ｍからそれぞれ設定角度α傾斜するように配置されているものであって、全体としてＶ字を形成している。

そして、このような２本の流路５１Ａ，５１Ｂを通じた潤滑油の噴出によって、冷却路１９内にて相異なる周方向（図２（Ａ）〜図２（Ｃ）に矢印Ａ、矢印Ｂで示す）に潤滑油を循環させることができ、該冷却路１９内の潤滑油の温度を各所において均一とすることができる。
なお、基準線Ｍから傾斜した流路５１Ａ，５１Ｂの設定角度αは、４５〜６０度の範囲内に設定することが好ましい。

次に、上記のように構成された潤滑油供給手段５０の冷却効果の試験結果について、図２及び図３を参照して説明する。
図２（Ａ）は２本の流路５１Ａ，５１Ｂの設定角度αをそれぞれ３０度とした第１実施例、図２（Ｂ）は２本の流路５１Ａ，５１Ｂの設定角度αをそれぞれ４５度とした第２実施例、図２（Ｃ）は２本の流路５１Ａ，５１Ｂの設定角度αをそれぞれ６０度とした第３実施例、図２（Ｄ）は一つの流路によって潤滑油供給孔（符号２５で示す）を構成し、該流路を垂直として、潤滑油を冷却路１９内に真上に向けて噴出させるようにした従来例である。
図３（Ａ）〜（Ｄ）は、ベアリングハウジング８の温度変化の測定結果を示す図であって、図２（Ａ）〜（Ｄ）に対応している。

この試験では、図３に太線で示すように、まず、タービンによって駆動シャフト４の出力を徐々に上げて行き、該駆動シャフト４の回転数が７万回転となった時点で、その回転数をおよそ３０分間維持し、その後、駆動シャフト４を停止する。そして、このように駆動シャフト４の回転及び停止に伴う、冷却路１９内の周方向に沿う温度変化を各所で測定することで、潤滑油供給手段５０の冷却効果を確認した。
なお、ベアリングハウジング８（Ｂ／Ｈ）内の冷却路１９内の周方向に沿う温度変化の測定箇所は、冷却路１９の上側、右側、下側、左側（方向は図２に対応）４ヶ所である。また、給油口１１を通じて潤滑油供給路１５に供給される潤滑油の初期温度は６０度である。

そして、図３（Ａ）〜（Ｄ）を参照して分かるように、図２（Ｄ）に示すように潤滑油を冷却路１９内に真上に向けて噴出する比較例では、冷却路１９の上側だけが冷却されるのに対して、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示すような２本の流路５１Ａ，５１Ｂにより冷却路１９内に、異なる傾斜角度αで噴出させるようにした第１〜第３実施例では、比較例と比較して、冷却路１９の上側、右側、下側、左側の温度のばらつきが小さく、かつ傾斜角度αが大きくなる程、そのばらつきも徐々に小さくなることが確認された。

特に、図２（Ｃ）に示すような、流路５１Ａ，５１Ｂの傾斜角度αが６０度の比較例では、冷却路１９の上側、右側、下側、左側の温度のばらつきはほぼ僅かであり、該冷却路１９内の潤滑油の温度を各所にて均一にできることが確認された。
また、基準線Ｍからの傾斜角度αが６０度を越えた場合には、図示してはいないが、再び冷却路１９の上側、右側、下側、左側の温度のばらつきが再び大きくなることが確認されている。

上記のように構成された過給機１によれば、潤滑油供給路１５と冷却路１９との間に、該冷却路１９に対して上方に潤滑油を噴出させる複数の流路５１Ａ，５１Ｂからなる潤滑油供給孔５１を配置し、かつ該潤滑油供給孔５１の各流路５１Ａ，５１Ｂを、略鉛直方向に対して傾斜角度αを有するように配置した。具体的には、潤滑油供給孔５１を構成する２本の流路５１Ａ，５１Ｂを、駆動シャフト４の径方向に沿う同一平面内にて予め設定した傾斜角度αでＶ字状に配置したので、該２本の流路５１Ａ，５１Ｂを通じた潤滑油の噴出によって、冷却路１９内にて相異なる周方向に潤滑油を循環させることができ、該冷却路１９内の潤滑油の温度を各所において均一とすることができる。
これによってシール部３０の温度上昇に伴うシール効果の低下を防止することができ、かつ、ハウジングの変形が原因で生じるタービンインペラ２とタービンハウジング７との衝突を防止することができる。

また、上記のように構成された過給機１では、潤滑油供給孔５１を構成する流路５１Ａ，５１Ｂについて、分岐点Ｏを中心としてかつ垂直な基準線Ｍからの傾斜角度αを４５〜６０度の範囲内に設定、最も好ましくは、６０度に設定することによって、冷却路１９内の潤滑油の温度を各所において最大限に均一とすることができ、その冷却効果を最大に高めることができる。

なお、上記実施形態では以下のように変形しても良い。
例えば、基準線Ｍを垂直としたが、必ずしも垂直ではなく、冷却路１９の特性に応じて若干傾斜するように配置しても良い。
例えば、該潤滑油供給孔５１の各流路を２本としたが、これに限定されず、３本以上であっても良い。この場合、冷却路１９に対して所定の潤滑油の噴出するように、流路の本数に応じて該潤滑油の供給圧力を上昇させても良い。

例えば、潤滑油供給孔５１を構成する２本の流路５１Ａ，５１Ｂが、基準線Ｍを中心として線対称となるように、これら２本の流路５１Ａ，５１Ｂの各傾斜角度αを等しくしたが、必ずしも等しくすることは必須ではなく、流路５１Ａ，５１Ｂの各傾斜角は異なっていても良い。
例えば、基準線Ｍ、潤滑油供給孔５１をタービン側に向かって傾斜させても良い。そうすれば、潤滑油を潤滑油供給孔５１からタービン側に向かって斜めに噴射させることができ、これにより、冷却路１９のタービン側の部分を効率的に冷却させることができる。

例えば、冷却路１９をベアリングハウジング８のタービン部１００に近い箇所に設けることで、特に、該ベアリングハウジング８とタービンハウジング７、これらの間のシール部３０の温度上昇を抑制したが、これに限定されず、冷却路１９をベアリングハウジング８のコンプレッサ部１０１に近い箇所に設けることで、特に、該ベアリングハウジング８とコンプレッサハウジング１０、これらの間のシール部３１の温度上昇を抑制しても良い。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明の一実施形態である過給機の全体構成を示す正断面図。 流路５１Ａ，５１Ｂを示す図（図１のII-II断面図）であって、（Ａ）〜（Ｃ）は本発明の実施例、（Ｄ）は従来例である。 冷却路の温度変化を示す試験結果である。

符号の説明

１…過給機、 ４…駆動シャフト、 ５…ハウジング、
７…タービンハウジング、 ８…ベアリングハウジング、 １０…コンプレッサハウジング、 １５…潤滑油供給路、 １９…冷却路、 ５０…潤滑油供給手段、
５１…潤滑油供給孔、 ５１Ａ…流路、 ５１Ｂ…流路、 Ｏ…分岐点、 Ｍ…基準線、 α…傾斜角度

Claims (4)

1. タービンハウジング及びコンプレッサハウジングの間に配置されたベアリングハウジングと、これら各ハウジング内に配置されて前記タービンハウジング内で発生した動力をコンプレッサハウジング内に伝達させる駆動シャフトと、前記ベアリングハウジングに形成されて前記駆動シャフトとベアリングとの間に油膜を形成するための潤滑油を供給する潤滑油供給路と、前記ベアリングハウジング内でかつ前記駆動シャフトを中心として周方向に形成されて前記潤滑油供給路によって供給された潤滑油の一部を導き入れて前記ベアリングハウジング及びタービンハウジングを冷却する冷却路と、を具備する過給機であって、
   前記潤滑油供給路と冷却路との間に、該冷却路に対して上方に潤滑油を噴出させる複数の流路からなる潤滑油供給孔を配置し、かつ、該潤滑油供給孔の各流路を互いに略鉛直方向に対して傾斜角度を有するように配置することを特徴とする過給機。
2. 前記潤滑油供給孔は２本の流路によって構成されるとともに、該２本の流路が前記駆動シャフトの径方向に沿う同一平面内にて予め設定した傾斜角度でＶ字状に配置されていることを特徴とする請求項１記載の過給機。
3. 前記傾斜角度は、４５〜６０度の範囲内に設定されていることを特徴とする請求項２記載の過給機。
4. タービンハウジング及びコンプレッサハウジングの間に配置されたベアリングハウジングと、これら各ハウジング内に配置されて前記タービンハウジング内で発生した動力をコンプレッサハウジング内に伝達させる駆動シャフトと、前記ベアリングハウジングに形成されて前記駆動シャフトとベアリングとの間に油膜を形成するための潤滑油を供給する潤滑油供給路と、前記ベアリングハウジング内でかつ前記駆動シャフトを中心として周方向に形成されて前記潤滑油供給路によって供給された潤滑油の一部を導き入れて前記ベアリングハウジング及びタービンハウジングを冷却する冷却路と、を具備する過給機の冷却方法であって、
   前記潤滑油供給路と冷却路との間に、該冷却路に対して上方に潤滑油を噴出させる複数の流路からなる潤滑油供給孔を配置し、かつ、該潤滑油供給孔の各流路を互いに略鉛直方向に対して傾斜角度を有するように配置したことを特徴とする過給機の冷却方法。
   

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