JP2004068820A - ターボチャージャ - Google Patents

Abstract

【課題】　ターボチャージャの軸受ハウジングからタービンハウジングへのオイル漏れを防ぐ。
【解決手段】　ターボチャージャは、軸受ハウジング３の中の軸受上で回転するシャフト８と、タービンハウジング５の中に在ってシャフト８の一端に設けられたシールボス１９に取り付けられたタービンホイール４と、コンプレッサハウジング７の中に在ってシャフト８の他端に取り付けられたコンプレッサホイール６と、軸受ハウジング３に形成されたオイル収集溝２８とを備える。上記シールボス１９の側部の環状面３１は半径方向平面に対して角度を成して略円錐台の形状をし、環状面３１上に存在するオイルは、シャフト８が回転するときに、上記シャフト８から離れていく半径方向とハウジングウォール３ａを貫く通路２０から離れていく軸方向とに放出されて、上記通路２０からの油漏れが防止される。
【選択図】図３

Description

　本発明は、内燃機関のためのターボチャージャに関する。本発明は、特に、ターボチャージャの軸受ハウジングからターボチャージャのタービンハウジングへのオイル漏れの減少に関する。

　ターボチャージャは、大気圧以上の圧力（ブースト圧）で空気を内燃機関に供給する周知の装置である。従来のターボチャージャは、元来、タービンハウジング内の回転軸上に取付けられた排ガス駆動タービンホイールを備えている。タービンホイールの回転は、コンプレッサハウジング内でシャフト端部に取付けられたコンプレッサホイールを回転させる。コンプレッサホイールは、圧縮空気をエンジンの吸気マニホールドに供給し、これによってエンジンのパワーを増大させる。

　ターボチャージャシャフトは、従来より、ジャーナルとスラスト軸受とによって支持されている。上記スラスト軸受は、適当な潤滑装置を含み、タービンハウジングとコンプレッサホイールハウジングとの間に接続された中央軸受ハウジングの中に配置されている。周知なこととして、中央軸受ハウジングからコンプレッサまたはタービンハウジングへのオイル漏れを防止するために、有効なシールシステム（密封装置）を提供することが問題となっている。低いブースト圧力でも、軸受ハウジングからコンプレッサハウジングへの圧力が著しく低下することがあり、これがコンプレッサハウジングへのオイル漏れを助長するので、ターボチャージャのコンプレッサの端部では、オイルの漏れは特殊な問題と見なされている。例えば、コンプレッサ端部シールアセンブリに、オイルスリンガを含むことは、従来から行なわれている。オイルスリンガは、ターボチャージャシャフトと一緒に回転する環状の部品である。オイルスリンガは、シャフトが回転するときに、上記シャフトからオイルを離すために配置された表面または通路を有し、具体的には、通路から軸受ハウジングを通ってコンプレッサハウジングに至る。

　ターボチャージャタービン端部におけるオイルの漏れは、さほど問題とならないと考えられているが、それでも、オイルがタービンハウジングに入って排気ガスと混合し排気物質を増大するのを防ぐことは重要である。ターボチャージャのタービンホイールは、従来から、ターボチャージャシャフト端部のシールボスに摩擦溶接されている。シールボスは、シャフトよりも直径が大きく、環状通路の内側で回転する。上記環状通路は、上記軸受ハウジングとタービンハウジングとを分離するハウジングウォール（ハウジング壁）を貫く。従来のオイルシール装置は１つ或いはそれ以上のシールリングを備えていて、シールリングは、ピストンリングのように、通路内側のシールボスの周りに在る環状空隙に配置されて、ラビリンスシールを形成している。

　オイルがタービン端部シールから漏れることは、エンジンの磨耗として問題になる。そして、エンジンピストンリングのシール効率が低下するにつれて、エンジンのクランクケース内の圧力が増大する。ターボチャージャの軸受ハウジングから排出されたオイルは、エンジンクランクケースに送られる。こうして、クランクケースの圧力の増大が軸受ハウジングに伝えられ、タービン端部シールを横切る「ブローバイ（吹き抜け）」となる。排ガス規制が厳しくなるにしたがって、タービン端部シール装置の効率の継続的改善が必要とされる。

　図１と図２は、それぞれ、従来のターボチャージャの断面図と部分拡大図である。

　図１および図２を参照すると、図示されたターボチャージャは、中央の軸受ハウジング３を介してコンプレッサ２に連結されたタービン１を備える。タービン１は、タービンハウジング５の中で回転するタービンホイール４を備える。同様に、コンプレッサ２は、コンプレッサハウジング７の中で回転するコンプレッサホイール６を備える。タービンホイール４とコンプレッサホイール６とは、共通ターボチャージャシャフト８の対向端部に取付けられている。上記共通ターボチャージャシャフト８は、中央軸受ハウジング３を貫いて延在する。

　タービンハウジング５は、タービンホイール４の周りに環状に配置された排ガス入口渦巻室９と、軸方向の排ガス出口１０とを有する。コンプレッサハウジング７は、軸方向の空気吸い込み通路１１と、コンプレッサホイール６の周りに環状に配置された圧縮空気出口渦巻室１２とを有する。

　使用時に、排ガスが環状の排ガス入口９から排ガス出口１０に通ることによって、タービンホイール４が回転され、これにより、次に、コンプレッサホイール６を回転させる。コンプレッサホイール６は、コンプレッサ入口１１を通して吸気空気を引き込み、加圧空気を、コンプレッサ出口渦巻室１２を経由して内燃機関の取入口に供給する。

　ターボチャージャシャフト８は充分浮上したジャーナル軸受１３，１４上で回転する。上記ジャーナル軸受１３，１４は、軸受ハウジング３のタービン端部部分とコンプレッサ端部部分とにそれぞれ収容されている。さらに、コンプレッサ端部軸受アセンブリ１４はスラスト軸受１５を含み、上記スラスト軸受１５は、オイルスリンガ１６を含むオイルシールアセンブリと相互に作用し合う。コンプレッサ端部軸受およびオイルシールの詳細は本発明を理解する上で重要ではないので、更なる説明はしない。オイルは、内燃機関のオイルシステムからオイル入口１７を経由して、軸受ハウジングに供給され、オイル通路１８によって、軸受アセンブリに供給される。

　図２に、タービン端部軸受アセンブリとオイルシールとが詳細に示されている。タービンホイール４は、シールボス１９の所で、ターボチャージャシャフト８の端部に接続されている。一般的に、シールボス１９の第１の部分は、シャフト８と一体に形成され、第２のボスの部分をタービンホイール４に（例えば摩擦溶接によって）接合される。シールボス１９は、軸受ハウジングウォール３ａ内の環状通路２０を貫いて、タービンハウジング内へと延在する。シールボス１９は、環状通路２０に対して、シールリング２１（ピストンリング）によりシールされている。

　更に詳細に説明すると（特に図２を参照すると）、軸受ハウジングウォール３ａを貫く通路２０は、半径方向に階段状になっていて、比較的狭い直径の内方（中心寄りの）部分２０ａと、比較的広い直径の外方（中心から離れた）部分２０ｂとを有している。これは、シールボス１９の外表面に設けられた環状溝２３の中に座したリングシール２１に対して、環状のアバットメント（迫持）肩部２２を与える。上記リングシール２１は、軸受ハウジング３に対して静止した状態にあって、空気またはオイルが通路２０を通って漏れるのを防止するために設けられている。上記アバットメント肩部２２は、シールリング２１が軸受ハウジング３に対して内方に入り込むのを防止する。通路２０の直径を急激に丸みを持たせることなく変化させるために、環状通路２０の表面に環状の細い凹み２４を切込んで、肩部２２を形成している。

　半円形ワッシャ２５と２６との間には、タービン端部ジャーナル軸受１３が配置されている。オイルは、オイル通路１８を経由して、軸受１３に供給される。上記軸受１３には、半径方向の孔２７が周方向に間隔を開けて設けられていて、オイルは上記孔２７を通ってターボチャージャシャフト８に至る。環状のオイル戻り溝２８が、ハウジングウォール３ａを貫く通路２０に隣接した軸受ハウジングウォールに、半径方向に凹みを設けて形成されている。上記オイル戻り溝２８は、シャフト８を囲むと共に、入口２９を有している。

　シールボス１９は、軸受ハウジングウォール３ａの内側表面を越えて僅かに軸受ハウジング１８の中まで延びていて、上記オイル溝２８の入口２９と軸方向に重複している。シールボス１９の内方端部は、シャフト８の周りに、環状面３０を有する半径方向の肩部を形成している。ターボチャージャシャフト８が回転すると、上記環状面３０に達したオイルは、半径方向に散り、上記ボス１９の表面３０からオイル溝２８の中に放出される。オイルは、このオイル溝２８から、（図１に示された）オイルドレイン孔２１を経由して、エンジンクランクケースに戻る。このようにして、オイル溝２８を設置によって、通路２０の領域にオイルが蓄積するのが防止される。また同様に、ボス１９が軸受ハウジング３の中に突き出しているので、オイルは、オイル溝２８の中に確実に放出され、上記ボス１９が通路２０を貫いて形成される環状の空隙の方には行かない。

　しかし、調査結果によると、図１と２に示す上述の従来型配置では、オイル溝２８に押し遣られたオイルが、少なからず、軸受ハウジングウォール３ａの内壁に沿って流れて、通路２０に戻る。図３に示す実施形態が例証するように、本発明は、この問題に対応したものである。

　本発明の目的は、ターボチャージャ軸受ハウジングからターボチャージャタービンハウジングへのオイル漏れの問題を未然に防ぐことであり、緩和することである。

　本発明によると、ターボチャージャは、タービンハウジング内の軸の周りに回転するためのシャフトの一端に設けられたシールボスに取り付けられたタービンホイールと、
　コンプレッサハウジング内の軸の周りに回転するためのシャフトの他端に取り付けられたコンプレッサホイールとを備え、
　上記シャフトは、軸受ハウジング内に収容された軸受アセンブリ上で回転し、上記軸受ハウジングは、上記コンプレッサハウジングと上記タービンハウジングとの間に配置されると共に、オイルを上記軸受アセンブリに供給するためのオイル通路を備え、
　上記タービンホイールは、ハウジングウォールによって上記軸受ハウジングの内部から分離され、
　上記シールボスは、上記ハウジングウォールを貫いて設けられた環状通路を通って延在すると共に、上記環状通路内の上記シールボスの周りに形成された環状空隙の中に配置されたシール手段によって、上記ハウジングウォールに対してシールされ、
　上記シールボスは軸方向内方に端部を有し、上記端部は、上記軸受ハウジング内に延在すると共に、上記シャフトの周りに半径方向の肩部を形成する環状面を有し、
　上記軸受ハウジングはオイル収集溝を形成し、上記オイル収集溝は、上記軸受ハウジングウォールに隣接した上記軸受ハウジングの中への半径方向の凹であると共に開口部を有し、上記開口部は、少なくとも部分的に上記シャフトを囲むと共に上記シールボスの内方端部に軸方向に部分的に重なり合い、
　上記シールボスの上記環状面は、上記シャフトを貫いて延在する半径方向平面に対して角度を成し、上記シャフトが回転するとき、上記シールボスの上記環状面上に存在するオイルは、上記シャフトから離れる半径方向と、上記ハウジングウォールを貫く上記通路から離れる軸方向とに放出されて、上記オイル収集溝の中に至る。

　試験結果は、軸受ハウジングウォールを貫く通路から離れるような、つまり、タービン端部シールから離れるような軸方向にオイルを推しやるという比較的簡単な手段により、シールの油漏れは著しく減少されることを示している。本発明の好ましい実施形態では、オイル収集溝は、対向する第１側壁と第２側壁とを有し、上記第２側壁は上記第１側壁に対して内方に在って、上記シールボスは、上記第１側壁よりも寧ろ上記第２側壁上に放出するように角度を成している。

　上記シールボス環状面の角度を成した形状は変化させてもよいが、上記環状面の半径方向外側縁部が半径方向内側縁部よりも突き出て覆い被さることが好ましい。例えば、上記環状面は実質上円錐台の形状をする。

　上記角度を成す面は、凹のない半径方向に延在する面に適当な形状の凹、例えばアンダーカット形状に機械加工することによって形成される。

　本発明のその他の好ましく特に有利な特徴は、次の記載から明らかになる。

　本発明の特定の実施形態は、添付の図面を参照して例証としてのみ記載されたものである。

　図３を参照すると、図示されたアセンブリは、次の点を除いて、図２のものと同一である。すなわち、本発明では、シールボス１９の環状面３１がアンダーカットを有するように機械加工されていて、上記環状面３１は、シャフト８から厳密に半径方向に延在するというより寧ろ、軸受ウォール３ａを貫く通路２０から離れるような角度を持って延在している。したがって、シャフト８が回転すると、環状面３１上に存在するオイルは、シャフト８から半径方向に放出されるだけでなく、通路２０から離れるようにして軸方向にも放出される。この特定の実施形態では、オイルは、通路２０から離れたオイル溝２８の一つの側面３２上に放出され、したがって、オイルが通路２０に向かって還流する可能性は大いに減少する。

　このように、本発明は、シールアセンブリに付加的な部品を追加することなく、従来のターボチャージャ部品に対する最小限の変更、すなわち、シールボス１９の環状面を適切な形状とするだけで、タービン端部シールからのオイル漏れを減少させる有効な方法を提供する。

　認識されることは、環状シールボス面３１のまさにその形状が、通路２０から離れるような軸方向にオイルを放出する効果があるならば、図示されたものと異なり得ることである。

　また、シャフト軸受とオイルシール機構との細部は、全く従来のものであるが、図示のものと異なってもよいということも認識される。例えば、オイルシールは１つ以上のリングシール２１を備えてもよく、通路２０は直径が一定のプレーンボアでもよい。同様に、軸受ハウジングとタービンハウジングの細部の形状は、図示されたものと異なってもよい。例えば、図示された実施形態での軸受ハウジングからタービンハウジングへの通路は、軸受ハウジングの壁に形成される。他の配置においては、２つのハウジングを分離するウォール（壁）は、軸受ハウジングよりも寧ろ、タービンハウジングの一部を形成する。

　さらに、認識されることは、オイル溝２８のまさにその形状は変化し得ることである。例えば、或るターボチャージャの軸受ハウジングの設計では、オイル溝はシャフトの周り略３６０度に延在し、他の場合では、上記溝は、より小さな角度で存在してもよい。再度述べるが、オイル溝２８の細部は全く従来通りである。これに代わって、オイル溝は、溝の側壁に角度を付ける変更を加えてもよく、特に、オイル収集性能を向上させるために、溝の内方側壁に角度を付けてもよい。

　本発明に対してその他の修正が可能であることは、当業者には容易に理解される。

図１は、従来のターボチャージャの断面図である。 図２は、図１のターボチャージャのタービン端部軸受とオイルシールアセンブリの拡大図である。 本発明による図２のタービンホイールとシャフトアセンブリの変形例を示す。

符号の説明

　３　　　　　　　　　　軸受ハウジング
　３ａ　　　　　　　　　ハウジングウォール
　４　　　　　　　　　　タービンホイール
　５　　　　　　　　　　タービンハウジング
　６　　　　　　　　　　コンプレッサホイール
　７　　　　　　　　　　コンプレッサハウジング
　８　　　　　　　　　　シャフト
　１９　　　　　　　　　シールボス
　２１　　　　　　　　　シールリング
　２０，２０ａ，２０ｂ　環状通路
　２３　　　　　　　　　環状溝
　２８　　　　　　　　　オイル収集溝
　３０，３１　　　　　　環状面

Claims (11)

1. 　タービンハウジング内の軸の周りに回転するためのシャフトの一端に設けられたシールボスに取り付けられたタービンホイールと、
   　コンプレッサハウジング内の軸の周りに回転するためのシャフトの他端に取り付けられたコンプレッサホイールとを備え、
   　上記シャフトは、軸受ハウジング内に収容された軸受アセンブリ上で回転し、上記軸受ハウジングは、上記コンプレッサハウジングと上記タービンハウジングとの間に配置されると共に、オイルを上記軸受アセンブリに供給するためのオイル通路を備え、
   　上記タービンホイールは、ハウジングウォールによって上記軸受ハウジングの内部から分離され、
   　上記シールボスは、上記ハウジングウォールを貫いて設けられた環状通路を通って延在すると共に、上記環状通路内の上記シールボスの周りに形成された環状空隙の中に配置されたシール手段によって、上記ハウジングウォールに対してシールされ、
   　上記シールボスは軸方向内方に端部を有し、上記端部は、上記軸受ハウジング内に延在すると共に、上記シャフトの周りに半径方向の肩部を形成する環状面を有し、
   　上記軸受ハウジングはオイル収集溝を形成し、上記オイル収集溝は、上記軸受ハウジングウォールに隣接した上記軸受ハウジングの中への半径方向の凹であると共に開口部を有し、上記開口部は、少なくとも部分的に上記シャフトを囲むと共に上記シールボスの内方端部に軸方向に部分的に重なり合い、
   　上記シールボスの上記環状面は、上記シャフトを貫いて延在する半径方向平面に対して角度を成し、上記シャフトが回転するとき、上記シールボスの上記環状面上に存在するオイルは、上記シャフトから離れる半径方向と、上記ハウジングウォールを貫く上記通路から離れる軸方向とに放出されて、上記オイル収集溝の中に至ることを特徴とするターボチャージャ。
2. 　請求項１に記載のターボチャージャにおいて、上記環状ボスの面は半径方向外側円周縁部と半径方向内側円周縁部とを有し、上記半径方向外側円周縁部は、上記半径方向内側円周縁部に覆い被さるように突出していることを特徴とするターボチャージャ。
3. 　請求項２に記載のターボチャージャにおいて、上記内側縁部は、上記シャフトの軸方向表面から上記環状シールボス面に滑かに変化するように、丸くなっていることを特徴とするターボチャージャ。
4. 　請求項１乃至３のいずれかに記載のターボチャージャにおいて、上記シールボスの上記環状面は、実質的に円錐台の形状をしていることを特徴とするターボチャージャ。
5. 　請求項１乃至４のいずれかに記載のターボチャージャにおいて、角度を成した上記シールボス面は、凹のない半径方向に延在する平面に適当な形状の凹を形成することによって形成されることを特徴とするターボチャージャ。
6. 　請求項１乃至５のいずれかに記載のターボチャージャにおいて、上記オイル収集溝は第１側壁と第２側壁とを有し、上記第１側壁は上記第２側壁に対して内方に在って、上記シールボスの上記環状面は角度を成して、上記オイル収集溝の上記第２側壁上にオイルを放出することを特徴とするターボチャージャ。
7. 　請求項６に記載のターボチャージャにおいて、上記オイル収集溝の上記第１側壁は、上記通路が貫いて延在する上記軸受ハウジングウォールに連続してことを特徴とするターボチャージャ。
8. 　請求項６に記載のターボチャージャにおいて、上記軸受ハウジングウォールは、上記オイル収集溝の上記第１側壁を形成していることを特徴とするターボチャージャ。
9. 　請求項１乃至８のいずれかに記載のターボチャージャにおいて、上記シール手段は少なくとも１つのシールリングを備えていることを特徴とするターボチャージャ。
10. 　請求項９に記載のターボチャージャにおいて、上記少なくとも１つのシールリングは、上記シールボスの半径方向外側表面に設けられた環状溝の中に在ることを特徴とするターボチャージャ。
11. 　添付の図を言及して実質上明細書に記載されたターボチャージャ。
    

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