(57)【要約】【課題】  応答性を向上させると共に白煙の発生を抑制したターボチャージャーを提供する。【解決手段】  エンジン１３の排ガスによって駆動されるタービン翼車８と、該タービン翼車の回転により空気を圧縮する圧縮機インペラ７と、前記タービン翼車と圧縮機インペラを連結する回転軸１とを備えたターボチャージャー３５において、回転軸１の軸受に水潤滑軸受を適用する。そして、水潤滑軸受の潤滑水として、エンジン冷却水の一部を用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排ガスによって駆動されるタービン翼車と、該タービン翼車の回転により空気を圧縮する圧縮機インペラと、前記タービン翼車と圧縮機インペラを連結する回転軸とを備えたターボチャージャーにおいて、
前記回転軸の軸受に水潤滑軸受を用いることを特徴とするターボチャージャー。
【請求項２】
前記水潤滑軸受は、エンジンの冷却水を潤滑水として用いるように構成したことを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャー。
【請求項３】
前記水潤滑軸受は、ラジエタを経由してエンジン冷却水ポンプから前記エンジンに供給される冷却水の一部が供給され、エンジン冷却水のラジエタ入口に軸受排水が戻されるように構成されたものであることを特徴とする請求項２に記載のターボチャージャー。
【請求項４】
前記ターボチャージャーは、前記軸受排水を溜める潤滑水タンクと、該潤滑水タンクの軸受排水を前記ラジエタ入口に戻して循環させる潤滑水戻しポンプを備えたことを特徴とする請求項３に記載のターボチャージャー。
【請求項５】
前記ターボチャージャーは、前記水潤滑軸受の潤滑水を冷却する潤滑水用ラジエタと、該潤滑水用ラジエタで冷却された潤滑水を前記水潤滑軸受に供給する潤滑水ポンプと、軸受排水を溜める潤滑水タンクとを有し、前記軸受排水を潤滑水として循環させる循環経路を形成したことを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャー。
【請求項６】
前記ターボチャージャーは、前記潤滑水ポンプの設置高さを前記潤滑水タンクより下方としたことを特徴とする請求項５に記載のターボチャージャー。
【請求項７】
前記ターボチャージャーは、前記タービン翼車と圧縮機インペラ間の回転軸に永久磁石を取付け、この永久磁石の外周にステータを設置して構成された電動−発電機を備えると共に、前記回転軸の軸受として回転軸のラジアル方向の変位を抑えるラジアル軸受と、軸方向の変位を抑えるスラスト軸受を設けたものであって、前記ラジアル軸受と永久磁石設置部の間にシール部を設けると共に、該シール部に前記圧縮機インペラの吐出空気の一部を供給するシール空気導入孔を設けたことを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャー。
【請求項８】
前記ターボチャージャーは、フィルタを経由した潤滑水が水潤滑軸受に供給されるように構成したものであることを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水潤滑軸受を備えたターボチャージャーに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のターボチャージャーは、軸受ハウジング内に収容された回転軸の一方の端面にタービン翼車が取付けられており、エンジンの排気ガスがこのタービン翼車に吹き付けられることにより、回転軸は回転する。回転軸の他端には圧縮機インペラが取付けられており、この圧縮機インペラの回転により空気が圧縮されエンジンに供給される。
【０００３】
回転軸はラジアル軸受により回転可能に支持され、ラジアル方向の変位が抑えられている。なお、外部で昇圧された潤滑油はラジアル軸受給油孔から給油口をとおりラジアル軸受に供給される。また、回転軸にはスラスト軸受が設置されており、回転軸に作用するスラスト力を受け止め、回転軸の軸方向の移動を規制する。例えばこのような構成のターボチャージャーは特開２００３−１６６５３７号公報に記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１６６５３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のターボチャージャーでは、軸受の潤滑剤は油を用いていた。油は粘性係数が高いため、ターボチャージャーのように毎分１０万回転以上の高速回転する軸受に適用した場合、軸受損失が増大する。アクセルペダルを踏み込んでエンジンへの燃料供給量を増加してエンジン回転数を増加させ、エンジン排気量を増しタービンの回転数を上げ、その結果として圧縮機の回転増加から圧縮機の吐出圧を増加することによってエンジン吸気圧を昇圧し、エンジン動力を増して加速を上げる。この一連の動作の中で、排気ガスの増加から吸気圧の増加そしてエンジンの加速までの応答性の中で、ターボチャージャーの回転性能が与える影響は大きく、とりわけ軸受損失はその主要因となる。
【０００６】
さらに潤滑剤として油を用いる場合の課題として白煙の発生がある。圧縮機インペラの背面とハウジング面の隙間には、圧縮機の回転に随伴する旋回流れが発生して摩擦円板効果によって回転軸面から圧縮機出口に向かって高くなる静圧勾配が形成される。このため圧縮機背面の回転軸面の圧力は圧縮機出口静圧よりも低下する。この圧力低下は、インペラの半径，回転数、及び出口圧力等で決まる。同様な圧力分布がタービン翼車の背面でも生じるが、圧縮機出口静圧＞タービン入口静圧の状態のため、回転軸上に圧縮機側からタービン側に低下する圧力分布が形成される。潤滑剤がこの圧力勾配に押されて軸受部からタービン翼車背面に漏れ出す。ひとたび漏れ出し、翼車背面に付着した潤滑剤は、遠心力によって翼車の外径側に飛ばされ排気ガスに混入し、エンジン排熱によって白煙を発生させてしまう。
【０００７】
本発明の目的は、応答性を向上させると共に白煙の発生を抑制したターボチャージャーを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記のターボチャージャーの応答性、及び白煙の発生は、いずれも潤滑剤として油を用いているために引き起こされる課題であった。そこで、本発明においては低粘度の潤滑剤で、しかも温度差による粘度変化が少ない潤滑剤として水を主成分とした水溶液からなる潤滑剤を用いた水潤滑軸受を適用するものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、応答性を向上させると共に白煙の発生を抑制したターボチャージャーを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、本発明の一実施例であるターボチャージャーの軸受潤滑水系統を示した図である。エンジン１３の冷却系機器としては、エンジン１３の冷却ライン３３に冷却水を供給する冷却水ポンプ１５，エンジン１３を経由した冷却水の熱を大気に放出するラジエタ
１４，エンジン１３に供給される冷却水の温度を検出するサーモスタット１７，このサーモスタット１７での冷却水の検出温度に基づいて冷却水流量が切り替えられる流量切り替え弁１６を備えている。エンジン１３を冷却する冷却ライン３３には冷却水ポンプ１５によって冷却水が供給される。エンジン冷却部を経由した冷却水は、冷却水配管３４によってラジエタ１４に導かれる。ラジエタ１４に導かれた冷却水は、配管２０によって再び冷却水ポンプ１５に戻される。ラジエタ１４と冷却水ポンプ１５の間にはサーモスタット
１７によって開閉する流量切り替え弁１６を設置している。流量切り替え弁１６は、一方がラジエタ１４の冷却水出口側の配管２０に、他方（出口側）がエンジン冷却部の出口配管１９に接続されている。サーモスタット１７の作用で、ここを通過する冷却水温度が低い場合には、配管１９側を開放して冷却水を直接エンジンに戻し、冷却水温度が上昇したら配管２０側を開放してラジエタ１４を通過させた冷却水をエンジンに戻すようにする。冷却水は定期的に補給タンク１８に注入して、冷却水ラインの冷却水量を保つ。
【００１１】
ターボチャージャー３５は、圧縮機吸入側が吸気ダクト１０に接続され、フィルタ９を介して外気を吸入し、昇圧した空気を圧縮機吐出配管２８からインタークーラー２９を介してエンジン吸気管３０に供給する。また、エンジンの排ガスを排気管３１からターボチャージャー３５のタービン翼車８に供給してタービンを作動させている。タービン翼車８の排ガスは排気ダクト１１からマフラー１２を介して排出される。
【００１２】
ここで、本実施例ではターボチャージャーの軸受に水潤滑軸受を適用しており、その潤滑剤としてエンジンの冷却水の一部を供給するように構成している。ターボチャージャーのスラスト軸受２とラジアル軸受５ａ，５ｂには、冷却水ポンプ１５の吐出側から分岐した冷却水分岐管２１から、ラジアル軸受潤滑水供給管２４ａ，２４ｂ及びスラスト軸受潤滑水供給管２５を介して供給される。ターボチャージャーの回転軸は高速回転するため、冷却水分岐管２１にはフィルタ２２を設置して、冷却水中に含まれる異物を取除いている。また、冷却水分岐管２１にオリフィス等の流量調節器２３を設置して、軸受に供給する潤滑水流量を設定する。各軸受から排出された軸受排水は配管２６，３２を介して軸受排水管２７で合流して、さらに配管３４でエンジン冷却後の冷却水と合流してラジエタ１４に供給される。ラジエタ１４で熱交換され排熱を除去された冷却水は、再び冷却水ポンプ
１５によって、エンジン１３とターボチャージャー３５に供給される。
【００１３】
図５に、ターボチャージャーの軸受潤滑剤に油を用いた場合と、水を用いた場合の、アクセルペダルの踏み込み量とエンジンの加速の関係を示す。油潤滑軸受と比較すると、潤滑剤の粘度よる軸受損失の差から、特にアクセルペダルの踏み込み量の少ない低回転数域での加速性能に大きな差が生じることが分かる。
【００１４】
上記の本実施例によるターボチャージャーでは、軸受潤滑剤として、水または水溶液を用いるため、水は油に比べてその粘度が１／１５から１／３０と一桁小さく、軸受損失の大幅な低減が図れ、ターボチャージャーの応答性が著しく改善される。また、粘度自体が小さいため、水温変化による粘度の変化が生じた場合でも、粘度の変化に起因する回転軸振動への影響はほとんどない。さらに、軸受部からの漏れが生じた場合も、排気ガス中で、水蒸気となるため白煙の発生は生じないという効果がある。
【００１５】
また、軸受に油潤滑軸受を適用する場合には、エンジンの冷却水系統とは別に潤滑油系統を設ける必要があるが、本実施例のように水潤滑軸受を適用し、エンジンの冷却水を軸受の潤滑水として共用するような潤滑水系統を形成しているので、潤滑水系統のシンプル化を図ることができる。
【００１６】
また、本実施例では軸受の潤滑水はラジエタ１４によって冷却したものを供給している。すなわち、潤滑水が沸騰した状態、つまり気液が混合した状態で軸受部に供給された場合では、潤滑水が軸受部に十分に行き渡らない可能性があり、潤滑材としての機能を果たせない虞がある。これに対して、本実施例ではラジエタ１４で冷却した後の潤滑水を軸受に供給するようにしているので、潤滑水の沸騰を防止することが可能となる。これにより、軸受部には潤滑水が液体の状態で供給されるため、水潤滑軸受が有する潤滑性能の利点を維持することができる。また、従来の油潤滑軸受ではその軸受部で高温により油が硬化する可能性があったが、本実施例では水を潤滑材に用いているため軸受部の水は蒸発することになり、軸受部の信頼性を損なうことも抑制することができる。
【００１７】
図６は本発明の他の実施例を示す図である。本実施例は、基本的な構成は図１に示すものと同じであるが、ターボチャージャー３５の軸受排水管２７に潤滑水タンク３７を設置し、その下流側に潤滑水戻しポンプ６０を設置している点が異なっている。ここで、図１の構成では軸受排水を配管３４に合流させ、ラジエタ側に送るためには、ターボチャージャー３５の軸受部から配管３４の合流部までの間にヘッド差が必要であるため、ターボチャージャーの取付位置に何らかの制限が生じる可能性がある。そこで、図６の本実施例では、このターボチャージャーの取付位置の制限をなくすため、重力方向に見て軸受排水管２７の最下点位置に潤滑水タンク３７を設置して、軸受排水は一度ここに溜め、ここから配管３４の合流点までは、潤滑水戻しポンプ６０によって圧送するようにしたものである。
【００１８】
上記の図１及び図６に示した実施例では、エンジン冷却水をターボチャージャーの軸受潤滑剤として使用しているため、冷却水はエチレングリコール等の不凍液の水溶液になっているが、その粘度は油に比べて一桁低いためターボチャージャーの軸受損失を大幅に低減できる。これにより、急加速時、及び低温時のターボチャージャーの応答性が改善されるという効果がある。また、この潤滑剤が軸受部からタービン側に漏れた場合にも、排熱によって蒸発するため排ガス中に白煙を発生することは無い。
【００１９】
図２は本発明を適用したターボチャージャーの構造を示す断面図である。図２に示すように、軸受ハウジング内に収容された回転軸１の右端にはタービン翼車８が取付けられており、図示されないエンジンの排気ガスがこのタービン翼車８に吹き付けられることにより、回転軸１は回転する。回転軸１の左端には圧縮機インペラ７が取付けられており、この圧縮機インペラ７の回転により空気が圧縮され、図示されないエンジンに供給される。回転軸１はラジアル軸受５ａ，５ｂにより回転可能に支持され、ラジアル方向の変位が抑えられている。なお、外部で昇圧された水溶液からなる潤滑剤はラジアル軸受給水孔６からラジアル軸受５ａ，５ｂに供給される。また、回転軸１にはスラストカラー３が嵌合され、このスラストカラー３はラジアル軸受ハウジング４とスラスト軸受２とともに軸受装置を構成している。
【００２０】
図２に用いられるラジアル軸受としては、高速回転体のアンバランスに起因する軸振動の低減に効果的な多円弧軸受を用いる。また、オイルホイップ等の不安定振動が問題に成る場合にはティルティングパッド軸受を用いる。スラスト軸受には耐荷重性の高いテーパラウンド軸受等が用いられる。
【００２１】
図３は本発明の他の実施例を示した図である。図１の実施例では、ターボチャージャーの軸受潤滑剤はエンジンの冷却水を使用していた。図１に示した冷却水ポンプ１５は、通常はエンジンのクランクシャフトから直接動力を得ている。このため、エンジンの回転数によって冷却水の圧送流量も変化する。一方、ターボチャージャー３５に設置した水潤滑軸受は、軸受と回転軸との間に水膜を形成して荷重を支えるため、水膜形成に必要な流量が確保されれば、それ以上の水量は不要である。水膜は数十ミクロンと薄いため、潤滑剤に異物が混入すると軸受面をいため軸受破損を起こす。そこで、図３の実施例では、エンジン冷却水との併用による潤滑水純度の劣化を防止することと、必要な潤滑水流量のみを常に一定に供給するように構成した例である。
【００２２】
図３に示すように、ターボチャージャーの軸受潤滑水供給系は、潤滑水ポンプ３９，潤滑水用ラジエタ３８及び潤滑水タンク３７が新たに設けられている。潤滑水タンク３７に貯えられている水溶液からなる潤滑剤は、潤滑水ポンプ３９の作動によって、配管３６から潤滑水用ラジエタ３８に導かれ、潤滑水ポンプ３９の吐出側に設置された冷却水分岐管２１を通してターボチャージャーのラジアル軸受潤滑水供給管２４ａ，２４ｂ、及びスラスト軸受潤滑水供給管２５に供給される。冷却水分岐管２１には図１の実施例と同様にフィルタ２２，流量調節器２３が設置されている。軸受排水は配管２６，３２から軸受排水管２７に合流して再び潤滑水タンク３７に戻る。
【００２３】
本実施例ではターボチャージャーの軸受潤滑水は、エンジン冷却水系統とは別の専用の供給ラインを形成しているため、水軸受の水膜形成に必要な流量だけを常に安定して供給できる。さらに、供給ラインが他の冷却水ラインと完全に独立しているため、潤滑水成分と水質を独立して管理できるという効果がある。急加速時の応答性と、白煙の発生防止等は、図１に示した実施例と同様な効果を得ることができる。
【００２４】
図３に示す実施例では、軸受潤滑水の粘度を下げるため不凍液等を混ぜない場合も実施できる。この場合は、潤滑水の凍結防止と凍結による配管破損を防止するため、エンジン停止中は、潤滑水供給ラインに残存する水を潤滑水タンク３７に落とすことができるよう、配管系で最も高位置となる部分に大気に開放できるバルブを設け、エンジン作動中はバルブを閉じ、エンジン停止中はバルブを開放する。さらに、潤滑水ポンプ３９は設置高さが潤滑水タンク３７の水面以下になるようにして、潤滑水タンク３７に水が戻った場合にも潤滑水ポンプ３９には水が残されるようにしておき、ポンプ起動時に空気の混入による、ポンプの動作不良をさける。さらに潤滑水タンク３７に図示しないヒータを設置して、エンジン停止中に潤滑水が凍結しないように、周辺温度が氷点を下回る前にヒータを作動させて潤滑水の凍結を防止する。潤滑水に水だけを使用することによって、潤滑水系と軸受部への溶剤の析出を防止することができる。さらに使用する水は、カリウム，カルシウム等の硬質成分を除去した水を使用することが望ましい。
【００２５】
図４に本発明の他の実施例を示す。図４は水潤滑軸受を電動−発電機を備えたターボチャージャーに適用した例である。ターボチャージャーの回転軸に電動−発電機を取付け、エンジンの運転状態に応じて、電動−発電機を電動機もしくは発電機として動作させるターボチャージャーが開発されている。電動機として動作させて、低速時のターボチャージャーの過給を助勢したり、発電機として動作させてターボチャージャーに供給される排ガスエネルギーから電力を取出したりするものである。
【００２６】
回転軸１の中央部には永久磁石４２とその保持部材４３が巻き付けられており、ラジアル軸受５ａ，５ｂ，スラストカラー３，スラスト軸受２，シール４５ａ，４５ｂが設置されている。また、軸中央部に取付けられている永久磁石４２と対峙する位置に、回転軸１を囲むようにステータ４０が周方向全域に設置されている。ターボチャージャーのハウジングは、圧縮機ハウジング５５とタービンハウジング５６を備えている。また、スラスト軸受２及びラジアル軸受５ａ，５ｂは軸受ハウジング４ａ，４ｂ、ステータ４０はステータハウジング４４を備えている。このステータハウジング４４は、軸受ハウジング４ａ，４ｂ間に挟まれて設置される。
【００２７】
ステータ４０は、その外周にステータ冷却ジャケット４１が取付けられている。この冷却ジャケット４１には、ステータハウジング４４に設けられた冷却水供給孔４６から冷却水が供給される。ステータ冷却ジャケット４１を経由した冷却水は、冷却水排出孔４７から外部に排出される。また、ラジアル軸受５ａ，５ｂには軸受潤滑水供給孔４８ａ，48ｂから、スラスト軸受２にはスラスト軸受潤滑水供給孔４９から水溶液の潤滑剤が供給される。各軸受部を経由した潤滑剤は潤滑水排出孔５０ａ，５０ｂから外部に排出される。
【００２８】
さらに、本実施例では水溶液である潤滑剤が軸受部からステータ４０側に漏れることによるステータの絶縁破壊を防止するために、ラジアル軸受５ａ，５ｂとステータ設置部の間にシール部４５ａ，４５ｂを設けている。具体的には、圧縮機吐出スクロール５４の壁面に空けたシール空気導入孔５２から、圧縮機の吐出空気の極一部をシール空気として、シール空気導入孔５３，５３ａ，５３ｂを通してシール部４５ａと４５ｂに供給するように構成している。これにより、軸受潤滑剤のステータ部への浸水を防止することが可能となる。なお、軸受部に対する潤滑水の供給は、図１，図３，図６に示した供給系統を備えることによって行うことができる。ステータ外周に取付けたステータ冷却ジャケット４１への冷却水の供給についても同様である。
【００２９】
本実施例によれば、電動−発電機を備えたターボチャージャーにおいても、水溶液を軸受潤滑剤に使用できるので、ターボチャージャーの応答性及び白煙発生防止に効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施例であるターボチャージャの軸受潤滑水系統を示す図。
【図２】本発明を適用したターボチャージャーの構造を示す断面図。
【図３】本発明の他の実施例を示す図。
【図４】電動−発電機を備えたターボチャージャーの構造を示す図。
【図５】本発明の効果を示す図。
【図６】本発明の他の実施例を示す図。
【符号の説明】
【００３１】
１…回転軸、２…スラスト軸受、３…スラストカラー、４…ラジアル軸受ハウジング、５ａ，５ｂ…ラジアル軸受、６…ラジアル軸受給水孔、７…圧縮機インペラ、８…タービン翼車、１０…吸気ダクト、１１…排気ダクト、１３…エンジン、１４…ラジエタ、１５…冷却水ポンプ、１６…流量切り替え弁、１７…サーモスタット、２１…冷却水分岐管、２４ａ，２４ｂ…ラジアル軸受潤滑水供給管、２５…スラスト軸受潤滑水供給管、２７…軸受排水管、２９…インタークーラー、３０…エンジン吸気管、３１…エンジン排気管、３５…ターボチャージャー、３７…潤滑水タンク、３８…潤滑水用ラジエタ、３９…循環水ポンプ、４０…ステータ、４１…ステータ冷却ジャケット、４２…永久磁石、４５ａ，４５ｂ…シール部、４６…冷却水供給孔、４７…冷却水排出孔、４８ａ，４８ｂ…軸受潤滑水供給孔、４９…スラスト軸受潤滑水供給孔、５０ａ，５０ｂ…潤滑水排出孔、５１…スラスト軸受潤滑水排出孔、５３，５３ａ，５３ｂ…シール空気導入孔。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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